Устройство для измерения параметров фазовых элементов и дисперсии оптического волокна и способ измерения параметров фазовых элементов и дисперсии оптического волокна
Группа изобретений относится к устройству и способу для измерения параметров фазовых элементов. Устройство для измерения оптических свойств тестируемого элемента, выбранного из группы, включающей фазовые элементы и оптические волокна, и способ, выполненный посредством указанного устройства, содержит низкокогерентный источник света, подключенный к входному оптоволоконному соединителю, разделяющему свет от низкокогерентного источника света на опорное плечо и измерительное плечо, детектор, сконфигурированный для приема света от опорного плеча и измерительного плеча, при этом по меньшей мере одно из опорного и измерительного плечей содержит оптический элемент, расположенный на линейном трансляторе, причем указанный оптический элемент выбран из группы, включающей первый и второй коллиматоры и зеркало. При этом устройство дополнительно имеет поперечно-подключенный второй оптоволоконный соединитель, второй источник света, подающий свет для опорного плеча и измерительного плеча, и второй детектор, получающий свет от опорного плеча и измерительного плеча, при этом линейный транслятор является моторизованным линейным транслятором, а второй источник света является когерентным источником света, имеющим длину когерентности, большую или равную диапазону движения моторизованного линейного транслятора. Технический результат – измерение параметров фазовых элементов и дисперсии фазовой скорости оптических волокон. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 9 ил.
Объектом данного изобретения является устройство для измерения параметров фазовых элементов и дисперсии оптического волокна и способ измерения параметров фазовых элементов и дисперсии оптического волокна. Этими параметрами фазовых элементов, включая, без ограничений, линзы, являются, в том числе, показатель преломления и толщина. В устройстве и способе используется интерференция белого света (низкокогерентная интерференция). Устройство и способ также используются при измерении дисперсии, в частности, для измерения дисперсии оптических волокон с компенсацией дисперсии, в частности, для измерения дисперсии оптических волокон, которые характеризуются значительно большими (абсолютными) значениями дисперсии по сравнению с типичными оптическими волокнами, которые используются в области телекоммуникации.
В известном уровне техники установлены несколько способов измерения параметров фазовых элементов, в том числе, показателей преломления и толщины, используя различные физические явления и эффекты. Известны следующие контактные методики: измерения с помощью индикаторов, измерения с помощью координатно-измерительных машин (КВМ), которые, собирая массив точек, генерируют информацию о профиле фазового элемента, включая его толщину, а также простейшие измерения штангенциркулем. К контактным способам также относят: интерферометрические, эллипсометрические способы и способы, основанные на нарушенном полном отражении и внутреннем отражении (НПО) (инфракрасная спектроскопия с применением нарушенного полного отражения).
Одной из проблем при этих измерениях параметров фазового элемента является обеспечение максимальной точности измерения параметров фазовых элементов, не затрагивая их поверхности механическими деталями измерительной установки. Контактные способы могут привести к повреждению, в частности, механическому, проверяемого элемента и его поверхности, а также требуют точной сборки как фазового элемента, так и измерительного блока, что в промышленных условиях выполнить затруднительно. Больше того, известные контактные способы не приспособлены к измерению вогнутых линз большого радиусу кривизны, за исключением лабораторных измерений, при этом возможная стоимость приобретения точного измерительного оборудования часто превышает стоимость всей производственной линии.
В статье "Measurement of the Refractive Index and Thickness for Lens by Confocal Technique", ("Измерение показателя преломления и толщины линзы по конфокальной методике"), авторы: Yun Wang, Lirong Qiu, Jiamiao Yang, Weiqian Zhao (Optik - International Journal for Light and Electron Optics, 2013) описывается способ определения показателя преломления или толщины фазового элемента в конфокальной системе. Эта методика использует способ трассирования лучей. После прохождения линзы пучок света фокусируется на центральной точке первой проверяемой поверхности фазового элемента, а потом перенаправляется на зеркало. Эта линза смещается относительно проверяемой поверхности фазового элемента. Значение пика фокусной кривой проверяется согласно изменению положений этого фазового элемента относительно фокусного расстояния линзы. После направления на детектор, сигнал обрабатывается согласно алгоритму расчетов. Перед измерением выполняется юстирование системы, и точность юстирования определяет точность измерения. Сигнал вводится в измерительную систему с помощью светоразделительного куба. Применение объемной оптики (в данном случае - светоразделительного куба) повышает риск нарушения юстирования системы в связи с возможностью загрязнения или смещения элемента.
Способ трассирования лучей также был описан авторами публикации под названием "Laser Different Confocal Lens Thickness Measurement" ("Измерение толщины линзы лазерным дифференциальным конфокальным образом"), авторы Yun Wang, Lirong Qiu, Yanxing Song, Weiqian Zhao (Measurement Science and Technology, 2012), где авторы используют конфокальную систему. В отличие от предыдущей статьи, этот способ предусматривает модификацию системы, которая состоит в применении дифференциального измерения, которое влечет за собой использование второго детектора. Такие измерения являются более точными, с одной стороны, но, с другой стороны, требуют большей продолжительности измерений и больших расчетных мощностей.
В статье "Low Coherence Interferometry for Central Thickness Measurement of Rigid and Soft Contact Lenses" ("Низкокогерентная интерферометрия для измерения центральной толщины твердых и мягких контактных линз", Verrier I., Veillas С., Lepine Т. (Optics Express, 2009) описывается способ измерения толщины контактных линз с использованием источника света низкой когерентности. В этом способе световой пучок направлен на систему, которая состоит из двух интерферометров: интерферометра Маха-Цендера (М-Ц) и коррелятора SISAM, акроним двух слов: "интерференционный спектрометр с селективной амплитудной модуляцией", который состоит из двух дифракционных решеток, разделителя света, линз и ПРС- камеры для выявления сигнала. Существенным преимуществом данного способа является его бесконтактность, однако он требует применения сложных математических алгоритмов для устранения влияния дисперсии. Система отличается использованием набора элементов и зеркал, причем большее количество элементов вызывает потребность в применении источника с большей исходной мощностью. По существу, увеличение количества элементов в системе повышает ее стоимость и риск смещений, которые отрицательно влияют на обеспечение заданного пути пучка. Точность системы также обусловлена разрешающей способностью применяемой камеры.
Другие известные методики измерения объединяют интерферометрию белого света (низкокогерентную интерферометрию) с конфокальными методиками измерения, как это детально описано в статье "Simultaneous Measurement of Refractive Index and Thickness by Combining Low Coherence Interferometry and Confocal Optics" ("Одновременное измерение показателя преломления и толщины путем объединения низкокогерентной интерферометрии и конфокальной оптики"), авторы Seokhan Kim, Jihoon Na, Myoung Jin Kim, Byeong Ha Lee (Optics Express, 2008). В этом способе разделение пучков для интерферометрии выполняется в светоразделительном кубе. Для измерения показателя преломления и толщины линз необходимо применение двух систем.
В патенте № US 7433027 описывается устройство и бесконтактный способ измерения толщины линз (в частности, корригирующих линз для очков), применяя объемную оптику. Принцип работы системы основан на сборе данных с помощью системы формирования изображений, которое содержит видеокамеру с матрицей ПРС. После завершения измерения необходимо поворачивать фазовый элемент специальной ручкой. С помощью методик обработки изображений можно получить 3D-изображение измеряемого фазового элемента.
В заявке на патент №20070002331 А1 описывается способ измерения матриц/ линз в процессе производства. Способ основан на использовании интерферометрических измерений с применением объемной оптики.
В заявке на патент № US 20130278756 А1 предлагается устройство и способ измерения толщины прозрачного элемента путем изменения фокусного расстояния проходящего пучка, после чего толщина определяется согласно закону Снеллиуса. Устройство содержит камеру, которая фокусирует световой пучок на поверхности измеряемого объекта. Этот способ можно использовать для достижения высокой точности. Способ не предназначен для измерения линз, в которых возникает оптическая мощность, поскольку ее наличие вызывает смещение технических характеристик, а следовательно, вероятность искажения результата измерения.
Заявка на патент № US 20140253907 А1 содержит описание измерения центральной толщины фазового элемента, применяя интерференцию белого света и интерференцию когерентного света. Изменение оптического расстояния осуществляется с использованием пьезоэлектрических элементов. Кроме того, в способе применяется измерение прохождения волнового фронта светового излучения с применением датчика типа Шека-Гартмана. Другие параметры фазового элемента, например, фокусное расстояние, рассчитываются на основе волнового фронта. Для реализации этого способа измерения необходимо использование трех источников света. В устройстве применяются оптические волокна, которые наматываются на пьезоэлектрический материал, который используется для изменения оптического пути между плечами интерферометра.
В известном уровне техники существует проблема измерения дисперсии фазовой скорости (далее - дисперсия), в частности оптических волокон. Измерение этого параметра является ключевым для разработки методик компенсации расширения пиков в телекоммуникационных линиях. Чем более компенсирующим является волокно (чем значительнее его дисперсия в абсолютном выражении), тем меньше длина, которая должна быть установлена на телекоммуникационной линии, чтобы воссоздать входящий сигнал.
Пример системы для измерения дисперсии оптических волокон описан, в частности, в статье под названием "Experimental Study of Dispersion Characteristics for a Series of Microstructured Fibers for Customized Supercontinuum Generation", "Экспериментальное исследование дисперсионных характеристик для ряда микроструктурных волокон для индивидуальной генерации суперконтинуума", авторы Z. Holdynski et. al. (Optics Exspress 2013). В этом способе, благодаря применению интерферометрии белого света в конфигурации интерферометра Майкельсона, можно получить достаточно высокую точность, однако диапазон измерения ограничен вследствие появления относительно небольшого различия в значении хроматической дисперсии между измеряемым оптическим волокном и эталонным оптическим волокном (при данном способе - это, например, стандартное одномодовое оптическое волокно, например, SMF-28 от компании Corning). По существу это означает, что дисперсия, более чем минус несколько десятков пс/(нм⋅км) не может быть измеряемой. В связи с отрицательной дисперсией в оптических волокнах с компенсацией дисперсии, там, где в патенте возникает словосочетание "высшая дисперсия", это означает абсолютно большее значение. Например, дисперсия (-100) пс/(нм⋅км) больше, чем дисперсия (-18) пс/(нм⋅км).
Другие способы измерения дисперсии оптического волокна основаны, в частности, на прямом использовании определения дисперсии, то есть на измерении расширения импульса заданной длины или измерении зависимости времени задержки от длины волны. При использовании таких способов измерения большие части оптического волокна обеспечиваются оптическими волокнами с малыми дисперсиями. В свою очередь, в случае оптических волокон с большими дисперсиями, если расширение пика наблюдается на небольшом расстоянии, возникает проблема со свойствами затухания этих оптических волокон. Такие оптические волокна, как правило, изготавливаются из мягкого стекла, поэтому потери в них составляют несколько дБ/м. В результате сигнал может быть измерен с помощью небольших участков волокна, а при использовании участков оптического волокна длиной несколько десятков сантиметров, их сборка в измерительной системе сложна или даже невозможна. Чрезмерное же сокращение измеряемого оптического волокна отрицательно влияет на способность наблюдать расширение пика.
В патенте № US 4799789 А описывается способ измерения дисперсии групповой скорости. Способ измерения использует тот факт, что время распространения волны в среде с заданной дисперсией является различным для каждой длины волны, а измерение состоит в измерении времени распространения света с помощью измеряемых и эталонных оптических волокон. Как источник света с изменяемой длиной сформированной волны применяется каскад лазерных диодов (или LED диодов, в зависимости от конфигурации), благодаря чему можно менять длину волны в обоих оптических волокнах. Измерив зависимость времени распространения пучка от длины волны спектра, можно получить дисперсию групповой скорости.
В заявке на патент № WO 2006118911 описывается измерение продольной дисперсии (как функции расстояния), которое выполняется с использованием способа измерения зависимости дисперсии от длины волны. Этот способ предназначен для измерения традиционных телекоммуникационных волокон, в которых длина оптического волокна не ограничивается в связи с потерями.
Из этого следует, что целью работ над этим изобретением была разработка системы, которая обеспечивала бы возможность проведения промышленных измерений параметров фазовых элементов (например, показателя преломления и толщины). Одним из промышленных требований в рамках контроля качества произведенных фазовых элементов является, в частности, контроль их толщины. Большинство известных систем достигают очень хороших параметров в этой области - существует возможность проведения измерений с точностью нескольких мкм, или даже долей мкм. Хотя точность этих измерений является относительно удовлетворительной, конструкции измерительных систем не являются компактными, а их работа возможна только в лабораторных условиях. Другим недостатком таких систем является необходимость наличия технического персонала высокой квалификации. Эти проблемы устраняются устройством согласно предлагаемому изобретению, которое гарантирует бесконтактные, неразрушающие измерения, которые, кроме повышения точности измерение до менее чем 1 мкм, позволяют выполнять компактные и удобные контрольные измерения в неудобных промышленных условиях. Для обеспечения относительной автоматизации измерения в предлагаемом изобретении, элементы объемной оптики были отобраны из любого возможного места, что позволило осуществлять сборку непосредственно на производственной линии. Например, решения, которые вытекают из известного уровня техники, предусматривают деление пучков предпочтительно в светоразделительном кубе. Такое деление пучков создает риск возникновения значительных ошибок в процессе измерения или вообще невозможность его осуществления вследствие тесной зависимости между делением пучка и температурными и механическими факторами. В решении согласно изобретению эта проблема устраняется применением деления пучков с помощью оптоволоконных соединителей. В такой конфигурации элемент невозможно загрязнить, а температура и вибрации влияют на деление пучков в незначительной степени (перемещение оптоволоконного соединителя также не влияет на эффективность деления пучка, тогда как подобное перемещение препятствует измерению при использовании куба). Кроме того, оптоволоконные элементы, как правило, дешевле по сравнению со своими аналогами из объемной оптики. Система согласно изобретению не содержит ПРС-камер, использование которых всегда вызывает неопределенность, которая возникает вследствие возможности потери части информации при непопадании пучка в матрицу. В решении согласно изобретению принимающий оптоволоконный соединитель фиксируется внутри главного блока в течении всего времени измерения. При применении низкокогерентного источника света на результат измерения влияет дисперсия измеряемого элемента. Благодаря применению предлагаемого принципа измерения возникает возможность внедрения системы автоматических измерений, при этом затраты на построение этой системы значительно ниже, чем для примеров, приведенных в описании.
Дополнительной задачей изобретения была разработка устройства для измерения дисперсии фазовой скорости оптических волокон, в частности, оптических волокон с компенсацией дисперсии, что весьма востребовано в области связи. В предпочтительном варианте воплощения изобретения можно измерять дисперсию фазовой скорости для оптических волокон с компенсацией дисперсии. Часть систем известного уровня техники (в частности, основанных на методиках с применением интерферометра), используемых для измерения фазовой дисперсии, не могут быть использованы для оптических волокон со значением дисперсии (абсолютным), превышающим несколько десятков пс/(нм⋅км). При использовании системы согласно изобретению можно проводить измерение без ограничений даже при чрезвычайно высоких абсолютных значениях дисперсии.
Устройство для измерения параметров фазовых элементов и дисперсии оптических волокон содержит: по меньшей мере один, предпочтительно низкокогерентный, источник света, последовательно подсоединенный по меньшей мере к одному оптоволоконному соединителю, одно из плеч которого является опорным плечом, а второе плечо является измерительным плечом устройства, по меньшей мере один моторизированный линейный транслятор, установленный по меньшей мере на одном плече устройства и по меньшей мере одно из плеч устройства подсоединено непосредственно или через дополнительный оптоволоконный соединитель к по меньшей мере одному детектору, предпочтительно фотодиоду, и по меньшей мере один коллиматор, размещенный по меньшей мере в одном плече устройства по меньшей мере перед фазовым элементом. Устройство выполнено с возможностью определения параметров фазового элемента, предпочтительно с использованием дополнительного эталонного фазового элемента.
При этом измеряемый фазовый элемент подразумевается, в частности, как измеряемая линза, которая интерпретируется как линза, которую подвергают измерению для определения ее параметров.
Измерительное плечо устройства согласно изобретению в его предпочтительном варианте воплощения содержит: оптическое волокно, образующее входной соединитель, коллиматор, расположенный в конце оптического волокна, образующего входной соединитель, свободный промежуток, в котором на время измерения расположен и закреплен в держателе фазовый элемент, предпочтительно линза, коллиматор, расположенный в начале оптического волокна, которое образует выходной оптоволоконный соединитель, и оптическое волокно, которое образует выходной оптоволоконный соединитель.
Опорное плечо устройства согласно изобретению в его наиболее предпочтительном варианте воплощения содержит: оптическое волокно, которое образует входной соединитель, свободный промежуток, коллиматор, расположенный в начале оптического волокна, которое образует выходной соединитель, при этом один из коллиматоров установлен на моторизированном линейном трансляторе.
Длина плеч устройства согласно изобретению подразделяется на длину оптического волокна и длину свободного промежутка.
По меньшей мере один источник света соединен с входным соединителем, оптические волокна от которого, входящие в измерительное и опорное плечи, заканчиваются коллиматорами, один из которых соединен с моторизированным линейным транслятором, при этом оптоволоконный соединитель, который заканчивается детектором, соединен с другими сторонами опорного и измерительного плеч. На этапе измерений фазовый элемент устанавливается на измерительном участке оптического волокна.
В предпочтительном варианте воплощения фазовым элементом является по меньшей мере одна линза, установленная на моторизированном линейном трансляторе.
В предпочтительном варианте воплощения в опорном плече размещен эталонный фазовый элемент, предпочтительно, эталонная линза с определенной толщиной.
В другом варианте воплощения, измеряемый фазовый элемент, в частности, измеряемая линза, размещена в свободном промежутке измерительного плеча сразу после коллиматора, который размещен в конце оптического волокна, которое образует входной соединитель, и перед коллиматором, закрепленном на моторизированном линейном трансляторе. Оптическое волокно, включающее входной соединитель и не заканчивающееся коллиматором, подсоединено непосредственно к оптическому волокну, которое содержит выходной соединитель, и также не заканчивается коллиматором.
Кроме того, коллиматор, установленный на моторизированном линейном трансляторе, может быть размещен в другом плече, чем измеряемый фазовый элемент, в частности измерительная линза.
В предпочтительном варианте воплощения, независимо от низкокогерентного источника света, применяется второй, когерентный источник света. Длина когерентности второго когерентного источника света, как минимум, равна диапазону движения моторизированного линейного транслятора. При этом когерентный и низкокогерентный источники света перекрестно соединены с устройством, а выходной сигнал из низкокогерентного источника света поступает через входной оптоволоконный соединитель к опорному и измерительному плечам, а потом достигает детектора через подсоединенный выходной соединитель. Когерентный источник света подсоединен ко второму оптическому волокну, которое образует выходной соединитель. Из этого источника света сигнал поступает через выходной оптоволоконный соединитель, а также по измерительному и опорному плечам на входной оптоволоконный соединитель и во второй детектор.
В предпочтительном варианте воплощения низкокогерентный источник света является источником света, выбранным из числа суперлюминесцентных светодиодов, светодиодов, суперконтинуумных источников света, низкокогерентных лазеров и других источников, у которых ширина спектра составляет минимум несколько нанометров.
В предпочтительном варианте воплощения моторизированный линейный транслятор является подвижным и продвигается вдоль по меньшей мере одной оси. В предпочтительном варианте воплощения держатель фазового элемента является подвижным, продвигается вдоль трех осей и позволяет вращение вокруг любой из этих осей.
Оптические волокна, которые образуют оптоволоконные соединители, заканчиваются коллиматорами.
В другом варианте воплощения, сборка устройства согласно изобретению, предпочтительно выполнена в соответствии с конфигурацией отражения.
В предпочтительном варианте воплощения способ измерения параметров фазового элемента и дисперсии оптических волокон при применении устройства согласно изобретению, является двухэтапным, в котором первый этап предусматривает калибровку (эталонное измерение) устройства согласно изобретению, а второй этап является фактическим измерением. При этом в конфигурации с отражением калибровочное измерение и фактическое измерение проводят в процессе одного сканирования.
Во время калибровки устройства согласно изобретению световой пучок из низкокогерентного источника света направляется на оптоволоконный соединитель, где он разделяется на два плеча: измерительное и опорное.
Далее моторизированный линейный транслятор продвигают, считывая информацию о его положении до тех пор, пока не будет получена нулевая оптическая разница хода, которую считывают с использованием детектора и анализируют по интерферограмме.
Интерференция возникает в оптоволоконном соединителе после прохождения через коллиматоры, а интерферограмму снимают как функцию времени, которая преобразуется в перемещение моторизированного линейного транслятора. Интерферограмму снимают фотодетектором, в частности, фотодиодом.
При использовании дополнительного, когерентного источника света, калибровочное измерение идентично указанному выше. Интерферограмма, снятая с помощью дополнительного источника (когерентного), предназначена для повышения точности измерений путем точного установления разности длин волны между плечами (которое возникает как следствие нулевой оптической разности хода).
После калибровки устройства система переходит к фактическому измерению, при котором фазовый элемент, в частности линзу, предназначенную для измерения, вставляют в измерительное плечо устройства согласно изобретению между коллиматорами. Далее, продвигая моторизированный линейный транслятор, определяют положение, при котором создается нулевая оптическая разность хода. Основываясь на разности положений моторизированного линейного транслятора для максимумов контраста интерферограмм при калибровочном измерении и при фактическом измерении с фазовым элементом и известном показателе преломления для стекла, из которого изготовлен фазовый элемент, определяют толщину фазового элемента (нулевая оптическая разность хода, которая обуславливается фазовым элементом, является известной).
При этом в предпочтительном варианте воплощения, во время фактического измерения в опорном плече размещают фазовый элемент с известными параметрами. Если это эталонная линза, тогда известна ее толщина, кривизна и показатель преломления. В этом случае устройство согласно изобретению измеряет лишь отклонение от эталонного фазового элемента.
Во время измерения сигнал от низкокогерентного источника света поступает в оптоволоконный соединитель, далее, из оптических волокон, которые образуют этот соединитель, сигнал поступает в коллиматоры. После выхода из коллиматора в измерительном плече, световой пучок направляется на линзу, а после этого в коллиматор. После выхода из коллиматора во втором плече, свет достигает коллиматора, положение которого зависит от смещения моторизированного линейного транслятора. Сигналы от коллиматоров поступают в соединитель, где они интерферируются. Сигнал от оптоволоконного соединителя поступает в детектор.
Когда, кроме низкокогерентного источника света, применяют второй когерентный источник света, сигнал от низкокогерентного источника света поступает в оптоволоконный соединитель, далее, из оптических волокон, которые образуют этот соединитель, сигнал поступает в коллиматоры. После выхода из коллиматора в измерительном плече, световой пучок направляется на линзу (5), а затем на коллиматор. После выхода из коллиматора во втором плече, свет достигает коллиматора, положение которого зависит от смещения моторизированного линейного транслятора. Сигналы от коллиматоров поступают в соединитель, где они интерферируются. Сигнал от оптоволоконного соединителя поступает в детектор. С другой стороны системы, сигнал от когерентного источника света поступает в одно из оптических волокон, которые образуют оптоволоконный соединитель, из которого появляется сигнал, который создается низкокогерентным источником света, и к которому детектор не подсоединен, а потом из оптических волокон, которые образуют этот соединитель, сигнал поступает в коллиматоры. После выхода из коллиматора в измерительном плече, световой пучок направляется на линзу, а после этого в коллиматор. После выхода из коллиматора во втором плече, свет достигает коллиматора, положение которого зависит от смещения моторизированного линейного транслятора. Сигналы от коллиматоров поступают в соединитель, где они интерферируются. Сигнал от оптоволоконного соединителя поступает в детектор. Благодаря введению второго источника света (когерентного) можно увеличить точность измерения положения моторизированного линейного транслятора.
Когда используется эталонный фазовый элемент, размещенный в опорном плече, сигнал от низкокогерентного источника света поступает в оптоволоконный соединитель, далее, из оптических волокон, которые образуют этот соединитель, сигнал поступает в коллиматоры. После выхода из коллиматора в измерительном плече, световой пучок направляется на линзу, а затем на коллиматор. После выхода из коллиматора во втором плече, световой пучок достигает эталонной линзы, а потом коллиматора, положение которого зависит от смещения моторизированного линейного транслятора. Сигналы от коллиматоров направляются в соединитель, где они интерферируются. Сигнал от оптоволоконного соединителя поступает в детектор.
Во время измерения кривизны фазового элемента сигнал от низкокогерентного источника света поступает в оптоволоконный соединитель, далее, из оптических волокон, включающих этот соединитель, сигнал поступает в коллиматоры. После выхода из коллиматора в измерительном плече, световой пучок направляется на плоско-выпуклую линзу, а затем на коллиматор. Линзу (5.3) монтируют в системе, которая обеспечивает ее движение вдоль осей X и Y. После выхода из коллиматора во втором плече, световой пучок достигает коллиматора, положение которого зависит от смещения моторизированного линейного транслятора. Сигналы от коллиматоров направляются в соединитель, где они интерферируются. Сигнал от оптоволоконного соединителя поступает в детектор.
В случае измерений показателя преломления линзы сигнал от низкокогерентного источника света поступает в оптоволоконный соединитель, далее, из оптических волокон, включающих этот соединитель, сигнал поступает в коллиматоры. После выхода из коллиматора в измерительном плече, световой пучок направляется на плоскопараллельную пластину, а затем на коллиматор. Пластину устанавливают в конфигурации, обеспечивающей ее вращение под заданным углом. После выхода из коллиматора во втором плече, световой пучок достигает коллиматора, положение которого зависит от смещения моторизированного линейного транслятора. Сигналы от коллиматоров направляются в соединитель, где они интерферируются. Сигнал от соединителя поступает в детектор.
Во время измерений с коллиматорами, которые установлены только в одном, измерительном плече, сигнал от низкокогерентного источника света поступает в оптоволоконный соединитель, далее, из оптических волокон, включающих этот оптоволоконный соединитель, сигнал поступает в коллиматор. После выхода из коллиматора световой пучок направляется на линзу в измерительном плече, положение которой зависит от смещения моторизированного линейного транслятора. После выхода из оптического волокна, которое образует оптоволоконный соединитель, световой пучок по опорному плечу непосредственно подсоединяется к оптическому волокну, которое образует второй оптоволоконный соединитель. Сигналы с измерительного и опорного плеч направляются на оптоволоконный соединитель, где они интерферируются. Сигнал от оптоволоконного соединителя поступает в детектор.
При выполнении системы в конфигурации с отражением, сигнал от низкокогерентного источника света поступает в оптоволоконный соединитель, далее, из оптических волокон, которые образуют этот оптоволоконный соединитель, сигнал поступает в коллиматор. После выхода из коллиматора, световой пучок направляется на линзу в измерительном плече, после чего отражается зеркалом и направляется коллиматором обратно в оптоволоконный соединитель и детектор. Световой пучок, направленный к коллиматору, направляется в зеркало, положение которого зависит от положения моторизированного линейного транслятора. После выхода из оптоволоконного соединителя световой пучок поступает в детектор.
За счет высокой точности показателя преломления, установленного в имеющихся справочниках, можно определить толщину фазового элемента с высокой точностью.
Устройство согласно изобретению представлено на чертежах, где на фиг. 1 представлено изобретение в своем базовом варианте, в котором сигнал от низкокогерентного источника света (1.1) поступает в оптоволоконный соединитель (2.1), а потом из оптических волокон, включающих этот оптоволоконный соединитель, сигнал поступает в коллиматоры (3.1) и (4.1). На фиг. 2 представлено изобретение, в котором используются когерентные и низкокогерентные источники света, на фиг. 3 представлено изобретение в варианте, который используется для измерений, в которых применяется эталонный фазовый элемент, на фиг. 4 представлено изобретение в конфигурации для измерения кривизны фазового элемента, на фиг. 5 представлен преимущественный вариант воплощения изобретения, которое используют для измерения показателя преломления плоскопараллельных пластин, в котором собирают данные для двух разных наклонов пластин, на фиг. 6 представлен преимущественный вариант воплощения изобретения в, так называемой, уменьшенной версии, на фиг. 7 представлен преимущественный вариант воплощения изобретения в версии с применением отражающей конфигурации, которая основана на зеркальных отражениях, на фиг. 8 представлен еще один наиболее предпочтительный вариант воплощения изобретения в версии с применением отражающей конфигурации, которая основана на отражениях от поверхности фазового элемента, на фиг. 9 представлен предпочтительный вариант воплощения изобретения в версии для измерения дисперсии оптических волокон с высокими абсолютными значениями дисперсии.
Пример 1
Устройство для измерения параметров фазовых элементов и дисперсии оптических волокон, которое содержит: низкокогерентный источник света, фотодиодный детектор, два оптоволоконных соединителя, моторизированный линейный транслятор, четыре коллиматора.
Измерительное плечо согласно изобретению содержит: оптическое волокно, которое образует входной оптоволоконный соединитель, коллиматор, расположенный в конце оптического волокна, которое образует входной оптоволоконный соединитель, свободный промежуток, в котором, на время измерения устанавливают в держатель фазовый элемент, который является линзой, коллиматор, расположенный в начале оптического волокна, которое образует выходной оптоволоконный соединитель, и оптическое волокно, которое образует выходной оптоволоконный соединитель.
Опорное плечо устройства согласно изобретению содержит: оптическое волокно, которое образует входной оптоволоконный соединитель, коллиматор, расположенный в конце оптического волокна, которое образует входной оптоволоконный соединитель, свободный промежуток, в котором, на время измерения, устанавливают в держатель фазовый элемент, линзу, коллиматор, расположенный в начале оптического волокна, которое образует выходной оптоволоконный соединитель, и оптическое волокно, которое образует выходной оптоволоконный соединитель.
Длина плеч подразделяется на длину в оптическом волокне и длину в свободном промежутке. Длина плеча в оптическом волокне стандартна указанным в справочных каталогах применительно к оптоволоконным соединителям, присутствующим на рынке, и равняется 1 м. Длина свободного промежутка плеч составляет 150 мм.
Источник света подсоединен к входному оптоволоконному соединителю, оптические волокна которого образуют измерительное плечо и опорное плечо и заканчиваются коллиматорами, один из которых соединен с моторизированным линейным транслятором, при этом оптоволоконный соединитель, подсоединяемый к детектору, соединен с другими сторонами измерительного и опорного плеч. На этапе измерения, измеряемый фазовый элемент, измеряемую линзу, устанавливают в свободном промежутке измерительного плеча.
Способ измерения параметров фазового элемента и дисперсии оптических волокон, при котором применяется устройство согласно изобретению, является двухэтапным, в котором первый этап предусматривает калибровку устройства согласно изобретению, а второй этап - фактическое измерение.
Во время калибровки устройства согласно изобретению световой пучок от низкокогерентного источника света (1.1) направляется на оптоволоконный соединитель (2.1), где он разделяется на два плеча: измерительное и опорное. При этом в свободном промежутке измерительного и опорного плеч фазовые элементы отсутствуют.
Далее моторизированный линейный транслятор (6) продвигают, регистрируя информацию о его положении до тех пор, пока путем анализа данных из детектора и положений моторизированного линейного транслятора не будет получена нулевая оптическая разность хода между отдельными плечами оптоволоконного соединителя. Интерференция происходит в оптоволоконном соединителе (2.2) после прохождения через коллиматоры (3.2) и (4.2), а интерферограмму снимают как функцию времени, которая преобразуется в перемещение моторизированного линейного транслятора. Интерферограмму снимают фотодетектором, в частности, фотодиодом.
После калибровки устройства система переходит к фактическому измерению, при котором фазовый элемент, в частности линзу, предназначенную для измерения, вставляют в измерительное плечо устройства согласно изобретению между коллиматорами (3.1) и (3.2). Далее, продвигая моторизированный линейный транслятор, определяют положение, при котором создается нулевая оптическая разность хода. Основываясь на разности положений моторизированного линейного транслятора для максимумов контраста интерферограмм при калиброванном измерении и при фактическом измерении с фазовым элементом, и по известному показателю преломления стекла, из которого изготовлен фазовый элемент, определяют толщину фазового элемента, в частности, линзы.
Сигнал от низкокогерентного источника света (1.1) поступает в оптоволоконный соединитель (2.1), далее, из оптических волокон, которые образуют этот оптоволоконный соединитель, сигнал поступает в коллиматоры (3.1) и (4.1). После выхода из коллиматора (3.1) световой пучок направляется на фазовый элемент, линзу (5.1) в измерительном плече, а затем на коллиматор (3.2). После выхода из коллиматора (4.1) световой пучок достигает коллиматора (4.2) во втором плече, положение которого зависит от смещения моторизированного линейного транслятора (6). Сигналы от коллиматоров (3.2) и (4.2) направляются на оптоволоконный соединитель (2.2), где они интерферируются. Сигнал от оптоволоконного соединителя поступает в детектор (7.1).
За счет высокой точности показателя преломления, установленного в имеющихся справочниках показателей преломления, можно с высокой точностью определить толщину фазового элемента.
Пример 2
Устройство для измерения параметров фазовых элементов и дисперсии оптических волокон, которое содержит: низкокогерентный и когерентный источники света, два детектора в виде фотодиодов, два оптоволоконных соединителя, моторизированный линейный транслятор, четыре коллиматора.
Измерительное плечо согласно изобретению содержит: оптическое волокно, которое образует входной оптоволоконный соединитель, коллиматор, расположенный в конце оптического волокна, которое образует входной оптоволоконный соединитель, свободный промежуток, в котором, на время измерения, устанавливают в держатель фазовый элемент, линзу, коллиматор, расположенный в начале оптического волокна, которое образует выходной оптоволоконный соединитель, и оптическое волокно, которое образует выходной оптоволоконный соединитель.
Опорное плечо устройства согласно изобретению содержит: оптическое волокно, которое образует входной оптоволоконный соединитель, коллиматор, расположенный в конце оптического волокна, которое образует входной оптоволоконный соединитель, свободный промежуток, коллиматор, установленный на моторизированном линейном трансляторе и расположенный в начале оптического волокна, которое образует выходной оптоволоконный соединитель, и оптическое волокно, которое образует выходной оптоволоконный соединитель.
Длина плеч подразделяется на длину в оптическом волокне и длину в свободном промежутке. Длина плеча в оптическом волокне стандартна указанной в справочных каталогах применительно к оптоволоконным соединителям, присутствующим на рынке, и равняется 1 м. Длина свободного промежутка плеч составляет 150 мм. Оптоволоконные соединители изготовляются из стандартных одномодовых оптических волокон.
Когерентный источник света и детектор подсоединены к входному оптоволоконному соединителю, оптические волокна которого образуют измерительное плечо и опорное плечо и заканчиваются коллиматорами, один из которых соединен с моторизированным линейным транслятором, при этом входной оптоволоконный соединитель, подсоединенный ко второму детектору и низкокогерентному источнику света, соединен с другими сторонами измерительного и опорного плеч.
В случае когерентного источника света, длина когерентности выше или равняется диапазону движения моторизированного линейного транслятора.
Способ измерения параметров фазового элемента и дисперсии оптических волокон, при котором применяется устройство согласно изобретению, является двухэтапным, в котором первый этап предусматривает калибровку устройства согласно изобретению, а второй этап - фактическое измерение.
Во время калибровки устройства согласно изобретению световой пучок от низкокогерентного (1.1) и когерентного (1.2) источников света направляется на оптоволоконные соединители (2.1) и (2.2), где он разделяется на два плеча: измерительное и опорное. При этом в свободном промежутке измерительного и опорного плеч фазовые элементы отсутствуют.
Моторизированный линейный транслятор продвигают, что вызывает регистрацию интерферограммы для каждого из источников. Далее, моторизированный линейный транслятор продвигают, регистрируя информацию о его положении до тех пор, пока с помощью детекторов не будет считана нулевая оптическая разность хода между отдельными плечами оптоволоконного соединителя. Интерференция происходит в обоих оптоволоконных соединителях, при этом один из них обеспечивает интерференцию от когерентного источника, а второй - от низкокогерентного источника. Интерферограммы снимают фотодетекторами, в частности, фотодиодами.
После калибровки устройства система переходит к фактическому измерению, при котором фазовый элемент, в частности линзу, предназначенную для измерения, вставляют в измерительное плечо устройства согласно изобретению между коллиматорами (3.1) и (3.2). Дальше, продвигая моторизированный линейный транслятор, определяют положение, при котором создается нулевая разница оптического пути. Основываясь на разности положений моторизированного линейного транслятора для максимумов контраста интерферограмм при калиброванном измерении и при фактическом измерении с фазовым элементом и известном показателе преломления для стекла, из которого изготовлен фазовый элемент, определяют толщину фазового элемента, в частности, линзы.
Сигнал от низкокогерентного источника света (1.1) поступает в оптоволоконный соединитель (2.1), и далее, из оптических волокон, которые образуют этот оптоволоконный соединитель, сигнал поступает в коллиматоры (3.1) и (4.1). После выхода из коллиматора (3.1) световой пучок направляется на фазовый элемент, линзу (5.1) в измерительном плече, а затем на коллиматор (3.2). После выхода из коллиматора (4.1) световой пучок достигает коллиматора (4.2) во втором плече, положение которого зависит от смещения моторизированного линейного транслятора (6). Сигналы от коллиматоров (3.2) и (4.2) направляются на оптоволоконный соединитель (2.2), где они интерферируются. Сигнал от оптоволоконного соединителя поступает в детектор (7.1). С другой стороны системы сигнал от когерентного источника света (1.2) направляется к оптоволоконному соединителю (2.2), и далее, из оптических волокон, которые образуют этот оптоволоконный соединитель, сигнал поступает в коллиматоры (3.2) и (4.2). После выхода из коллиматора (3.2), световой пучок направляется на фазовый элемент - линзу (5.1) в измерительном плече, а затем на коллиматор (3.2). После выхода из коллиматора (4.2) световой пучок достигает коллиматора (4.1) во втором плече, положение которого зависит от смещения моторизированного линейного транслятора (6), Сигналы из коллиматоров (3.1) и (4.1) направляются на оптоволоконный соединитель (2.1), где они интерферируются. Сигнал от оптоволоконного соединителя поступает в детектор (7.2). Благодаря введению второго источника света (когерентного), можно увеличить точность измерения положения моторизированного линейного транслятора.
За счет высокой точности показателя преломления, установленного в имеющихся справочниках показателей преломления, можно с высокой точностью определить толщину фазового элемента.
Пример 3
Устройство для измерения параметров фазовых элементов и дисперсии оптических волокон, которое содержит: низкокогерентный источник света, фотодиодный детектор, два оптоволоконных соединителя, моторизированный линейный транслятор, четыре коллиматора. В рамках измерения технические характеристики измеряемого фазового элемента определяют на основе эталонного фазового элемента, эталонной линзы с известными оптическими параметрами и размерами.
Измерительное плечо согласно изобретению содержит: оптическое волокно, которое образует входной оптоволоконный соединитель, коллиматор, расположенный в конце оптического волокна, которое образует входной оптоволоконный соединитель, свободный промежуток, в котором, на время измерения, устанавливают в держатель фазовый элемент, линзу, коллиматор, расположенный в начале оптического волокна, которое образует выходной оптоволоконный соединитель, и оптическое волокно, которое образует выходной оптоволоконный соединитель.
Опорное плечо устройства согласно изобретению содержит: оптическое волокно, которое образует входной оптоволоконный соединитель, коллиматор, расположенный в конце оптического волокна, которое образует входной оптоволоконный соединитель, свободный промежуток, в котором, на время фактического измерения, закрепляют в держателе, установленном на моторизированном линейном трансляторе, эталонный фазовый элемент, эталонную линзу, коллиматор, расположенный в начале оптического волокна, которое образует выходной оптоволоконный соединитель, и оптическое волокно, которое образует выходной оптоволоконный соединитель.
Длина плеч подразделяется на длину в оптическом волокне и длину в свободном промежутке. Длина плеча в оптическом волокне стандартна указанной в справочных каталогах, применительно к оптоволоконным соединителям, присутствующим на рынке, и равна 1 м. Длина свободного промежутка плеч составляет 150 мм.
Источник света подсоединен к входному оптоволоконному соединителю, оптические волокна которого образуют измерительное плечо и опорное плечо и заканчиваются коллиматорами, один из которых соединен с моторизированным линейным транслятором, при этом оптоволоконный соединитель, подсоединенный к детектору, соединен с другими сторонами измерительного и опорного плеч. На этапе измерения измеряемый фазовый элемент, измеряемую линзу, устанавливают в свободном промежутке измерительного плеча, а эталонный фазовый элемент, эталонную линзу, устанавливают в опорном плече. Эталонный фазовый элемент устанавливают на моторизированном линейном трансляторе.
Способ измерения параметров фазового элемента и дисперсии оптических волокон, при котором применяется устройство согласно изобретению, является двухэтапным, в котором первый этап предусматривает калибровку устройства согласно изобретению, а второй этап - фактическое измерение.
Во время калибровки устройства согласно изобретению световой пучок от низкокогерентного источника света (1.1) направляется на оптоволоконный соединитель (2.1), где он разделяется на два плеча: измерительное и опорное. При этом в свободном промежутке фазовые элементы обоих плеч отсутствуют.
Далее моторизированный линейный транслятор (6) продвигают, регистрируя информацию о его положении до тех пор, пока с помощью детектора не будет считана нулевая разница оптического хода между отдельными плечами оптоволоконного соединителя. Интерференция происходит в оптоволоконном соединителе (2.2) после прохождения через коллиматоры (3.2) и (4.2), а интерферограмму снимают как функцию времени, которая преобразуется в перемещение моторизированного линейного транслятора. Интерферограмму снимают фотодетектором, в частности, фотодиодом.
После калибровки устройства система переходит к фактическому измерению, при котором фазовый элемент, в частности линзу, предназначенную для измерения, вставляют в измерительное плечо устройства согласно изобретению между коллиматорами (3.1) и (3.2). Кроме того, эталонный фазовый элемент, который является эталонной линзой с известными параметрами, размещают между коллиматорами в опорном плече (4.1) и (4.2). После чего, продвигая моторизированный линейный транслятор, определяют положение, при котором создается нулевая разница оптического хода. Основываясь на разности положений моторизированного линейного транслятора для максимумов контраста интерферограмм при калиброванном измерении и при фактическом измерении с фазовым элементом, и по известному показателю преломления для стекла, из которого изготовлен фазовый элемент, определяют толщину фазового элемента, в частности, линзы.
Сигнал от низкокогерентного источника света (1.1) поступает в оптоволоконный соединитель (2.1), и далее, из оптических волокон, которые образуют этот оптоволоконный соединитель, сигнал поступает в коллиматоры (3.1) и (4.1). После выхода из коллиматора (3.1) световой пучок направляется на фазовый элемент, линзу (5.1) в измерительном плече, а затем на коллиматор (3.2). После выхода из коллиматора (4.1) световой пучок достигает эталонной линзы (5.2), а потом коллиматора (4.2) во втором плече, положение которого зависит от смещения моторизированного линейного транслятора (6). Сигналы от коллиматоров (3.2) и (4.2) поступают в оптоволоконный соединитель (2.2), где они интерферируются. Сигнал от оптоволоконного соединителя поступает в детектор (7.1).
За счет высокой точности показателя преломления, установленного в имеющихся справочниках показателей преломления, можно с высокой точностью определить толщину фазового элемента.
Пример 4
Устройство для измерения параметров фазовых элементов и дисперсии оптических волокон, которое содержит: низкокогерентный источник света, фотодиодный детектор, два оптоволоконных соединителя, моторизированный линейный транслятор, одну систему, которая обеспечивает движение вдоль осей X и Y, четыре коллиматора. В рамках измерения, определяются технические характеристики измеряемого плоско-выпуклого фазового элемента, когда этот фазовый элемент размещен в системе, которая позволяет ему перемещаться вдоль осей X и Y.
Измерительное плечо согласно изобретению содержит: оптическое волокно, которое образует входной оптоволоконный соединитель, коллиматор, расположенный в конце оптического волокна, которое образует входной оптоволоконный соединитель, свободный промежуток, в котором, на время измерения устанавливают в держатель, который обеспечивает движение вдоль осей X и Y, фазовый элемент, линзу, коллиматор, расположенный в начале оптического волокна, которое образует выходной оптоволоконный соединитель, и оптическое волокно, которое образует выходной оптоволоконный соединитель.
Опорное плечо устройства согласно изобретению содержит: оптическое волокно, которое образует входной оптоволоконный соединитель, коллиматор, расположенный в конце оптического волокна, которое образует входной оптоволоконный соединитель, свободный промежуток, в котором, на время фактического измерения, закрепляют в держателе, установленном на моторизированном линейном трансляторе, эталонный фазовый элемент, эталонную линзу, коллиматор, расположенный в начале оптического волокна, которое образует выходной оптоволоконный соединитель, и оптическое волокно, которое образует выходной оптоволоконный соединитель.
Длина плеч подразделяется на длину в оптическом волокне и длину в свободном промежутке. Длина плеча в оптическом волокне стандартна указанной в справочных каталогах применительно к оптоволоконным соединителям, присутствующим на рынке, и равняется 1 м. Длина свободного промежутка плеч составляет 150 мм.
Источник света подсоединен к входному оптоволоконному соединителю, оптические волокна которого образуют измерительное плечо и опорное плечо и заканчиваются коллиматорами, один из которых соединен с моторизированным линейным транслятором, при этом оптоволоконный соединитель, подсоединенный к детектору, соединен с другими сторонами измерительного и опорного плеч. На этапе измерения измеряемый фазовый плоско-выпуклый элемент, размещенный на моторизированном линейном трансляторе, устанавливают на измерительном участке оптического волокна.
Способ измерения параметров фазового элемента и дисперсии оптических волокон, при котором применяется устройство согласно изобретению, является двухэтапным, в котором первый этап предусматривает калибровку устройства согласно изобретению, а второй этап является фактическим измерением.
Во время калибровки устройства согласно изобретению световой пучок от низкокогерентного источника света (1.1) направляется на оптоволоконный соединитель (2.1), где он разделяется на два плеча: измерительное и опорное. При этом в свободном промежутке обоих плеч фазовые элементы отсутствуют.
Далее моторизированный линейный транслятор (6) продвигают, регистрируя информацию о его положения до тех пор, пока с помощью детектора не будет считана нулевая разница оптического хода между отдельными плечами оптоволоконного соединителя. Интерференция происходит в оптоволоконном соединителе (2.2) после прохождения через коллиматоры (3.2) и (4.2), а интерферограмму снимают как функцию времени, которая преобразуется в движение моторизированного линейного транслятора. Интерферограмму снимают фотодетектором, в частности, фотодиодом.
После калибровки устройства система переходит к фактическому измерению, при котором фазовый элемент, в частности линзу, предназначенную для измерения, вставляют в измерительное плечо устройства согласно изобретению между коллиматорами (3.1) и (3.2). После чего, продвигая моторизированные линейные трансляторы, определяют положение, при котором создается нулевая оптическая разница хода. При этом измерение проводят в нескольких точках, сдвигая измеряемый фазовый элемент. Основываясь на разности положений моторизированного линейного транслятора для максимумов контраста интерферограмм при калиброванном измерении и при фактическом измерении с фазовым элементом и известном показателе преломления для стекла, из которого изготовлен фазовый элемент, определяют толщину фазового элемента, в частности, линзы.
Сигнал от низкокогерентного источника света (1.1) поступает в оптоволоконный соединитель (2.1), и далее, из оптических волокон, которые образуют этот оптоволоконный соединитель, сигнал поступает в коллиматоры (3.1) и (4.1). После выхода из коллиматора (3.1) световой пучок направляется на плоско-выпуклый фазовый элемент (5.3) в измерительном плече, а затем на коллиматор (3.2). Измеряемый фазовый элемент (5.3) монтируют в системе, которая позволяет продвигать его вдоль осей X и Y (8). После выхода из коллиматора (4.1) световой пучок достигает коллиматора (4.2) во втором плече, положение которого зависит от смещения моторизированного линейного транслятора (6). Сигналы от коллиматоров (3.2) и (4.2) поступают в оптоволоконный соединитель (2.2), где они интерферируются. Сигнал от оптоволоконного соединителя поступает в детектор (7.1).
За счет высокой точности показателя преломления, установленного в имеющихся справочниках показателей преломления, можно с высокой точностью определить толщину фазового элемента.
Пример 5
Устройство для измерения параметров фазовых элементов и дисперсии оптических волокон, которое содержит: низкокогерентный источник света, фотодиодный детектор, два оптоволоконных соединителя, моторизированный линейный транслятор, четыре коллиматора. В рамках измерения определяют технические характеристики измеряемого фазового элемента, установленного на одном из моторизированных линейных трансляторов.
Измерительное плечо согласно изобретению содержит: оптическое волокно, которое образует входной соединитель, коллиматор, расположенный в конце оптического волокна, которое образует входной оптоволоконный соединитель, свободный промежуток, в котором фазовый элемент, плоскопараллельную линзу, на время измерения устанавливают в держатель, коллиматор, расположенный в начале оптического волокна, которое образует выходной оптоволоконный соединитель, и оптическое волокно, которое образует выходной оптоволоконный соединитель.
Опорное плечо устройства согласно изобретению содержит: оптическое волокно, которое образует входной оптоволоконный соединитель, коллиматор, расположенный в конце оптического волокна, которое образует входной оптоволоконный соединитель, свободный промежуток, коллиматор, установленный на моторизированном линейном трансляторе и расположенный в начале оптического волокна, которое образует выходной оптоволоконный соединитель, и оптическое волокно, которое образует выходной оптоволоконный соединитель.
Длина плеч подразделяется на длину оптического волокна и длину свободного промежутка. Длина плеча в оптическом волокне стандартна указанной в справочных каталогах применительно к оптоволоконным соединителям, присутствующим на рынке, и равняется 1 м. Длина свободного промежутка плеч составляет 150 мм. Оптоволоконные соединители изготовляют из стандартных одномодовых оптических волокон.
Источник света подсоединен к входному оптоволоконному соединителю, оптические волокна которого образуют измерительное плечо и опорное плечо и заканчиваются коллиматорами, один из которых соединен с моторизированным линейным транслятором, при этом оптоволоконный соединитель, подсоединенный к детектору, соединен с другими сторонами измерительного и опорного плеч. На этапе измерения, измеряемый фазовый элемент, плоскопараллельную пластину, размещенную на моторизированном линейном трансляторе, устанавливают на измерительном участке оптического волокна.
Способ измерения параметров фазового элемента и дисперсии оптических волокон, при котором применяется устройство согласно изобретению, является двухэтапным, в котором первый этап предусматривает калибровку устройства согласно изобретению, а второй этап - фактическое измерение.
Во время калибровки устройства согласно изобретению световой пучок от низкокогерентного источника света (1.1) направляется на оптоволоконный соединитель (2.1), где он разделяется на два плеча: измерительное и опорное. При этом в свободном промежутке опорного и измерительного плеч фазовые элементы отсутствуют.
Далее моторизированный линейный транслятор (6) продвигают, регистрируя информацию о его положении до тех пор, пока с помощью детектора не будет считана нулевая оптическая разность хода между отдельными плечами оптоволоконного соединителя. Интерференция происходит в оптоволоконном соединителе (2.2) после прохождения через коллиматоры (3.2) и (4.2), а интерферограмму снимают как функцию времени, которая преобразуется в передвижение моторизированного линейного транслятора. Интерферограмму снимают фотодетектором, в частности, фотодиодом.
После калибровки устройства система переходит к фактическому измерению, при котором фазовый элемент, плоскопараллельную пластину, предназначенную для измерения, вставляют в измерительное плечо устройства согласно изобретению между коллиматорами (3.1) и (3.2). Далее, продвигая моторизированные линейные трансляторы, определяют положение, при котором создается нулевая оптическая разность хода. При этом измерение проводят таким образом, чтобы измерительная пластина поворачивалась по меньшей мере дважды на известные углы. Основываясь на разнице положений моторизированного линейного транслятора для максимумов контраста интерферограмм при калиброванном измерении и при фактическом измерении с фазовым элементом и известных углах поворота, для фазового элемента определяют показатель преломления.
Сигнал от низкокогерентного источника света (1.1) поступает в оптоволоконный соединитель (2.1), потом из оптических волокон, которые образуют этот оптоволоконный соединитель, сигнал поступает в коллиматоры (3.1) и (4.1). После выхода из коллиматора (3.1) световой пучок направляется на пластину (5.4) в измерительном плече, а затем на коллиматор (3.2). Пластина (5.4) монтируется в системе, которая обеспечивает ее вращение под заданным углом (9). После выхода из коллиматора (4.1) световой пучок достигает коллиматора (4.2) во втором плече, положение которого зависит от смещения моторизированного линейного транслятора (6). Сигналы от коллиматоров (3.2) и (4.2) поступают в оптоволоконный соединитель (2.2), где они интерферируются. Сигнал от оптоволоконного соединителя поступает в детектор (7.1).
Пример 6
Устройство для измерения параметров фазовых элементов и дисперсии оптических волокон, которое содержит: низкокогерентный источник света, фотодиодный детектор, два оптоволоконных соединителя, моторизированный линейный транслятор, два коллиматора. В рамках измерения определяют технические характеристики измеряемого фазового элемента, который устанавливается на держатель.
Опорное плечо согласно изобретению содержит: оптическое волокно, которое образует входной оптоволоконный соединитель, коллиматор, расположенный в конце оптического волокна, которое образует входной оптоволоконный соединитель, соединенный с оптическим волокном, которое образует выходной оптоволоконный соединитель.
Измерительное плечо устройства согласно изобретению содержит: оптическое волокно, которое образует входной оптоволоконный соединитель, коллиматор, расположенный в конце оптического волокна, которое образует входной оптоволоконный соединитель, свободный промежуток, в котором расположена линза, установленная на держателе, коллиматор, установленный на моторизированном линейном трансляторе коллиматор и расположенный в начале оптического волокна, которое образует выходной оптоволоконный соединитель, и оптическое волокно, которое образует выходной оптоволоконный соединитель.
Длина плеч подразделяется на длину оптического волокна и длину свободного промежутка. Длина плеча в оптическом волокне стандартна указанной в справочных каталогах применительно к оптоволоконным соединителям, присутствующим на рынке, и равняется 1 м. Длина свободного промежутка плеч составляет 150 мм. Оптоволоконные соединители изготовляют из стандартных одномодовых оптических волокон.
На этапе измерения измеряемый фазовый элемент, измеряемую линзу, располагают на измерительном участке оптического волокна, а коллиматор устанавливают на моторизированном линейном трансляторе.
Способ измерения параметров фазового элемента и дисперсии оптических волокон, при котором применяется устройство согласно изобретению, является двухэтапным, в котором первый этап предусматривает калибровку устройства согласно изобретению, а второй этап - фактическое измерение.
Во время калибровки устройства согласно изобретению световой пучок от низкокогерентного источника света (1.1) направляется на оптоволоконный соединитель (2.1), где он разделяется на два плеча: измерительное и опорное. При этом в свободном промежутке измерительного плеча фазовые элементы отсутствуют.
Далее моторизированный линейный транслятор (6) продвигают, регистрируя информацию о его положении до тех пор, пока не будет получена нулевая оптическая разность хода между отдельными плечами оптоволоконного соединителя. Интерференция происходит в оптоволоконном соединителе (2.2) после прохождения через коллиматоры (3.1) и (3.2), а интерферограмму снимают как функцию времени, которая преобразуется в перемещение моторизированного линейного транслятора. Интерферограмму снимают фотодетектором, в частности, фотодиодом.
После калибровки устройства система переходит к фактическому измерению, при котором линзу, предназначенную для измерения, вставляют в измерительное плечо устройства согласно изобретению между коллиматорами (3.1) и (3.2). Далее, продвигая моторизированные линейные трансляторы, определяется положение, при котором создается нулевая оптическая разность хода. Основываясь на разности положений моторизированного линейного транслятора для максимумов контраста интерферограмм при калиброванном измерении и при фактическом измерении с фазовым элементом, и по известному показателю преломления, определяют толщину фазового элемента.
За счет высокой точности показателя преломления, установленного в имеющихся справочниках показателей преломления, можно с высокой точностью определить толщину фазового элемента.
Сигнал от низкокогерентного источника света (1.1) поступает в оптоволоконный соединитель (2.1), потом из оптических волокон, которые образуют этот оптоволоконный соединитель, сигнал поступает в коллиматор (3.1). После выхода из коллиматора (3.1) световой пучок направляется на линзу (5.1) в измерительном плече, а затем на коллиматор (3.2), положение которого зависит от смещения моторизированного линейного транслятора (6). После выхода из оптоволоконного соединителя (2.1) световой пучок передается оптическим волокном, которое образует опорное плечо, ко второму оптоволоконному соединителю (2.2). Сигналы с измерительного и опорного плеч поступают в оптоволоконный соединитель (2.2), где они интерферируются. Сигнал от оптоволоконного соединителя поступает в детектор (7.1).
В этой схеме только два коллиматора, что позволило, таким образом, отказаться от необходимости юстирования этих систем. Этот способ является эффективным при условии, что оптические волокна, которые образуют систему, имеют малую дисперсию (которая не искажает результат измерения до уровня, снижающего желательную точность).
Пример 7
В другом, предпочтительном варианте воплощения изобретения, в системе с конфигурацией отражения, как представлено на фиг. 7, устройство содержит: преимущественно, низкокогерентный источник света, преимущественно детектор, преимущественно один оптоволоконный соединитель, преимущественно два зеркала, преимущественно два коллиматора. В рамках измерения определяют технические характеристики измеряемого фазового элемента, измеряемой линзы.
При этом, сравнительно с конфигурацией М-Ц, этот вариант воплощения устройства согласно изобретению дает возможность большего влияния фазового элемента на пучок, поскольку электромагнитная волна проходит через линзу дважды. Возникает необходимость повысить точность движения относительно конфигурации М-Ц, поскольку двойное прохождение светового пучка через систему требует повышенной точности (требование по критерию Найквиста), сохраняя тот же диапазон сканирования. Кроме того, в отражающей конфигурации происходит обратное отражение - одинаковая мощность подается к источнику света и детектору (что иногда требует применения дополнительных оптических аттенюаторов).
Сигнал от низкокогерентного источника света (1.1) поступает в оптоволоконный соединитель (2.1), потом из оптических волокон, которые образуют этот оптоволоконный соединитель, сигнал поступает в коллиматор (3.1) и коллиматор (4.1). После выхода из коллиматора (3.1) световой пучок направляется на линзу (5.1) в измерительном плече, после чего световой пучок отражается зеркалом (10.1) и направляется через линзу (5.1) и коллиматор обратно к оптоволоконному соединителю (2.1) и детектору (7.1). Световой пучок, направленный к коллиматору (4.1), направляется на зеркало (10.1), положение которого зависит от смещения моторизированного линейного транслятора (6). После выхода из оптоволоконного соединителя (2.1) световой пучок направляется на детектор (7.1). Пример 8
В другом, предпочтительном варианте воплощения изобретения, в конфигурации системы с зеркальным отражением, как показано на фиг. 8, устройство содержит один низкокогерентный источник света, детектор, оптоволоконный соединитель, зеркало, два коллиматора. В рамках измерения определяют технические характеристики измеряемого фазового элемента.
Принцип измерения, при котором применяется конфигурация отражения, не отличается от измерения, представленного в примере 7. Различие состоит в способе получения интерференции, которая в этом случае происходит между сигналами, отраженными от первой и второй измеряемыми поверхностями фазового элемента и сигнала, который распространяется в опорном плече: физический принцип действия остается неизменным. Сигнал от низкокогерентного источника света (1.1) поступает в оптоволоконный соединитель (2.1), потом из оптических волокон, которые образуют этот оптоволоконный соединитель, сигнал поступает в коллиматор (3.1) и коллиматор (4.1). После выхода из коллиматора (3.1) световой пучок направляется на линзу (5.1) в измерительном плече, после чего световой пучок отражается от поверхности фазового элемента и направляется через линзу (5.1) и коллиматор обратно к оптоволоконному соединителю (2.1) и детектору (7.1). Световой пучок, направленный к коллиматору (4.1), направляется в зеркало (10.1), положение которого зависит от смещения моторизированного линейного транслятора (6). После выхода из оптоволоконного соединителя (2.1) световой пучок направляется на детектор (7.1).
Пример 9
В другом, предпочтительном варианте воплощения изобретения, предназначенном для измерения дисперсии оптических волокон с высокими абсолютными значениями дисперсии и представленном на фиг. 8, устройство содержит один низкокогерентный источник света, детектор, оптоволоконный соединитель, зеркало, два коллиматора. В рамках измерения определяют технические характеристики измеряемого фазового элемента.
Основное отличие этого решения от решений, представленных в примерах 1-7, заключается в том, что измерительное плечо заменено на плечо в виде оптического волокна с высоким абсолютным значением дисперсии.
На первой стадии измерения определяют длину оптического волокна (11). Оптическое волокно (11) соединяется с оптическими волокнами, которые образуют оптоволоконные соединители (2.1) и (2.2). Соединение осуществляется путем сращивания, стыкового соединения оптического волокна или иным образом. Потом снимают интерферограмму на моторизированном линейном трансляторе (6) как функцию смещения, аналогично измерениям параметров фазовых элементов. Значение дисперсии показателя преломления получают с помощью математического анализа сгенерированной интерферограммы, учитывая информацию о длине оптического волокна (11).
Сигнал от низкокогерентного источника света (1.1) поступает в оптоволоконный соединитель (2.1), затем, из оптических волокон, которые образуют этот оптоволоконный соединитель, сигнал поступает в оптическое волокно с высоким значением дисперсии (11) и коллиматор (3.1). После выхода из коллиматора (3.1) световой пучок направляется на коллиматор (3.2), положение которого регулируется моторизированным линейным транслятором (6). Сигнал от оптического волокна (11) и сигнал, который оставляет коллиматор (3.2), интерферируются в оптоволоконном соединителе (2.2). После этого сигнал поступает в детектор (7.1).
1. Устройство для измерения оптических свойств тестируемого элемента, выбранного из группы, включающей фазовые элементы и оптические волокна, при этом устройство содержит низкокогерентный источник света (1.1), подключенный к входному оптоволоконному соединителю (2.1), разделяющему свет от низкокогерентного источника света (1.1) на опорное плечо и измерительное плечо, детектор (7.1), сконфигурированный для приема света от опорного плеча и измерительного плеча, при этом по меньшей мере одно из опорного и измерительного плечей содержит оптический элемент, расположенный на линейном трансляторе, причем указанный оптический элемент выбран из группы, включающей первый и второй коллиматоры (3.1, 4.1, 3.2, 4.2) и зеркало (10.1), отличающееся тем, что устройство дополнительно имеет поперечно-подключенный второй оптоволоконный соединитель (2.2), второй источник света (1.2), подающий свет для опорного плеча и измерительного плеча, и второй детектор (7.2), получающий свет от опорного плеча и измерительного плеча, при этом линейный транслятор является моторизованным линейным транслятором (6), а второй источник света (1.2) является когерентным источником света, имеющим длину когерентности, большую или равную диапазону движения моторизованного линейного транслятора (6).
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в опорном плече устанавливается эталонный фазовый элемент (5.2), выбранный из группы, включающей линзу, плоскопараллельную пластину, оптическое волокно.
3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что измерительное плечо содержит:
первый измерительный коллиматор (3.1), соединенный с первым плечом входного оптоволоконного соединителя (2.1), обращенный к свободному пространству, который приспособлен для приема измеренного фазового элемента (5.1, 5.3, 5.4),
второй измерительный коллиматор (3.2), расположенный на противоположной стороне свободного пространства и обращенный к первому коллиматору (3.1), второй коллиматор (3.2) соединен со вторым оптоволоконным соединителем (2.2), и
опорное плечо содержит:
первый опорный коллиматор (4.1), соединенный со вторым плечом входного оптоволоконного соединителя (2.1) и обращенный ко второму опорному коллиматору (4.2), соединенному со вторым оптоволоконным соединителем (2.2), в котором один из первого и второго эталонных коллиматоров расположен на моторизованном линейном трансляторе (6),
при этом остальные плечи входного оптоволоконного соединителя (2.1) и второго оптоволоконного соединителя (2.2) соединены с первым детектором (7.1), вторым детектором (7.2) и вторым источником света (1.2).
4. Устройство по п. 1 , отличающееся тем, что
измерительное плечо содержит:
первый измерительный коллиматор (3.1), соединенный с первым плечом входного оптоволоконного соединителя (2.1), обращенный к свободному пространству, который приспособлен для приема измеренного фазового элемента (5.1, 5.3, 5.4),
второй измерительный коллиматор (3.2), расположенный на противоположной стороне свободного пространства и обращенный к первому измерительному коллиматору (3.1), причем второй коллиматор (3.2) соединен со вторым оптоволоконным соединителем (2.2),
где один из первого (3.1) и второго (3.2) измерительных коллиматоров расположен на моторизованном измерительном трансляторе (6),
и опорное плечо содержит второе плечо входного оптоволоконного соединителя (2.1), соединенное со вторым входом второго оптоволоконного соединителя (2.2).
5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что
опорное плечо содержит первый опорный коллиматор (4.1), обращенный к зеркалу (10.1), расположенному на линейном моторизованном трансляторе (6), а измерительное плечо содержит первый измерительный коллиматор, выполненный с возможностью освещения тестируемого элемента.
6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что
оно содержит второе зеркало, выполненное с возможностью отражать свет, проходящий через тестируемый элемент.
7. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что
измерительное плечо содержит рукоятку, приспособленную для приема измеренного фазового элемента (5.1; 5.2; 5.3; 5.4), причем указанная рукоятка подвижна по трем осям и может вращаться вокруг любой из этих осей.
8. Способ измерения оптических свойств тестируемого элемента, выбранного из группы, включающей фазовые элементы и оптические волокна (5.1; 5.2; 5.3; 5.4; 11),
он выполняется с помощью устройства, определенного в любом из пп. 1-7, в котором
свет от низкокогерентного источника света (1.1) и свет от второго источника света (1.2) направляются соответственно на первый (2.1) и второй (2.2) входы оптоволоконного соединителя, где они разделяются на измерительное плечо и опорное плечо, а также
затем линейный моторизованный транслятор (6) перемещается с одновременной регистрацией интенсивности света первым (7.1) и вторым (7.2) детекторами для сбора двух интерферограмм как функции времени, соответствующей движению линейного моторизованного транслятора (6), при этом
способ включает в себя два этапа:
первый этап - калибровка устройства, и первое положение линейного моторизованного транслятора (6) с нулевой разницей в оптическом пути определяется по интерферограммам, собранным первым (7.1) и вторым (7.2) детекторами,
второй этап представляет собой этап измерения, на котором измеряемый оптический элемент помещается в измерительное плечо устройства, а второе положение линейного моторизованного транслятора (6), дающее нулевую разность оптического пути, определяется из интерферограмм, собранных с тестируемого элемента, помещенного в измерительное плечо,
и свойства тестируемого элемента определяются на основе разницы между первой позицией и второй позицией.
9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что тестируемый элемент установлен внутри подвижной системы (8).
10. Способ по п. 8, отличающийся тем, что тестируемый элемент установлен внутри вращающейся системы (9).
