专利名称：聚合物光纤预制棒折射率的细光束扫描测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光学技术领域的折射率测试方法及装置，具体来说是光纤预制棒折射率分布的测试方法及装置。
背景技术：
随着信息的爆炸性增长和信息社会的到来，大容量的高速传输网技术发展迅猛，其传输速率和容量每年在成倍增长，石英光纤在连接密集的接入和局域网以及其他低速网络中，其复杂昂贵的连接工艺增加了网络成本。聚合物光纤由于其制造简单、价格便宜、接续快捷、抗冲击强度高、抗辐射等优点，非常适用于局域网中的短距离通信，成为短距离宽带通信网的理想选择。与传统光纤一样，梯度折射率聚合物光纤可由梯度折射率聚合物预制棒加热拉丝制成，必须控制聚合物光纤预制棒的折射率分布，以使经过拉丝成型后的光纤具有设计的折射率分布，因此精确测量光纤预制棒折射率分布非常必要。目前较为常用的几种测量方法都是借鉴石英光纤的测试方法，主要有干涉测量法、近场扫描法和聚焦法。
干涉测量法是利用干涉原理测量折射率分布的方法，其测量精度较高，可达10-4。采用的实验仪器是泰曼干涉仪，检验原理是通过研究光波波面经光学零件后的变形在观察表面上的干涉图的分析来确定零件的质量。这种方法成本高，对测量条件的要求严格，光路设置也较复杂；对样品进行破坏性加工；测量过程中细光束是直接通过样品截面，所以样品两个切面的平行度也对测量结果也有很大的影响。由于聚合物光纤预制棒的硬度较低，其切片的平行度和光洁度较难达到测量要求，较易引起误差。
近场扫描法通过测量从光纤侧面泄漏出来的折射模场强度来实现。连续激光波聚焦成一个非常小的光斑入射到端面上，在其中激励起传导模、泄漏模和折射模。传导模和部分泄漏模沿光纤传输，而其余部分则辐射出去，呈现一个似空心圆锥的输出光锥。光锥的内层含有泄漏模，而外层只有折射模。当注入光斑沿平整的光纤端面进入扫描时，由于不同位置的局部折射率n(r)不同，检测到的功率也不同。近场扫描法设备成本低，但装置复杂，难以控制精度，在测量中不需要对样品进行破坏性处理，但是参与测量的参数过多，难以保证每一次的测量精度。
聚焦法是将经过滤光和准直的非相干光束入射于光纤的纤芯，光纤浸没在与其包层折射率相近的匹配液中，以避免包层的外边界产生强的折射光，在距离纤芯中心任意处的观察平面上测量光功率分布。光纤像一个非常理想的柱透镜，使细光束发生会聚。纤芯的聚焦作用与光线轨迹密切相关。聚焦法测量聚合物光纤折射率分布的是一种较为简便的方法，但是该实验要求激光光源的光强比较稳定，并且这种方法对于折射率呈抛物线分布的光纤来说只能测量出其中一个参数。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的聚合物光线预制棒的测试方法及装置，可在预制棒不经破坏加工、保持完整性的条件下，精确方便快速的地测量梯度折射率聚合物光纤预制棒沿径向折射率分布，弥补了上述已有测量技术的不足。
本发明的目的由以下方式实现整个测试仪由图像形成系统和图像处理系统两部分组成，其中图像形成系统由光源1、衰减器2、光阑3、聚焦系统4、载物台5、CCD摄像机6依次放在位于壳体内的工作平台7上构成，整个测量光路的光轴准直，光源1为氦氖激光器或质量较好的半导体激光器，聚合物光纤预制棒17竖直放置在载物台上的夹具15中，预制棒17的轴向与光轴垂直。CCD摄像机6的信号输出口与图像处理系统的计算机9信号输入口相连。
利用上述仪器进行的聚合物光纤预制棒折射率测试的方法为光源1照射在光纤预制棒17的侧面上，沿着预制棒17的直径方向传输后到达CCD摄像机6的探测面上、并将相关数据传输到图像处理系统的计算机9中，利用折射率分布测试程序进行模拟和处理后在计算机显示器上给出光纤预制棒的折射率分布曲线。
本发明依据的应用光学原理因为预制棒17是沿径向从中心到边缘折射率递减分布的圆柱棒，因而可看作一个非常理想的柱透镜，根据所测量的光纤预制棒折射率沿径向逐渐变化分布的特点，将梯度型折射率分布的光纤预制棒看成由很多折射率不同的薄圆筒层组成，当薄圆筒层足够薄就可认为层内的折射率不变，且相邻两层的折射率变化很小，从光源发出的细光束从圆柱棒的侧面垂直于轴线照射进入预制棒17，光线在相邻薄层的分界面上光线发生连续折射，最后从预制棒17另一侧出射出来。出射的光束用CCD摄像6采集信号以得到精确的出射光线位置，通过计算机9进行蒙特卡罗算法数据拟合得到预制棒17的折射率分布曲线。
蒙特卡罗(Monte Carlo)方法，又称随机抽样或统计试验方法，属于计算数学的一个分支，它是在本世纪四十年代中期为了适应当时原子能事业的发展而发展起来的。传统的经验方法由于不能逼近真实的物理过程，很难得到满意的结果，而蒙特卡罗方法由于能够真实地模拟实际物理过程，故解决问题与实际非常符合，可以得到很圆满的结果。这也是本发明采用该方法的原因。
由于被测样品折射率呈梯度分布性，中心最大，随着半径的增大而逐渐变小。具有聚焦功能，对进入预制棒17内的有效光进行聚焦，迫使光在棒中传播过程中逐渐地向轴线方向折回靠拢，形成会聚作用。设预制棒17的折射率沿其径向分布用n(r)表示，将其细分成若干层后，只要分得足够多，则每一层的折射率都相同，光线以h高度入射后，在每一层中光路不会改变，但在相邻两层的分界面上发生折射，这样，经过一系列折射后，光线从另一端出射，出射的位置y(h)和折射率分布有关，可建立模型y(h)＝f(n(r))h式中y(h)-光线出射时的位置，h-光线入射位置，f(n(r))-为所求的与折射率分布函数(曲线)，根据应用光学中的折射定律对扫描光线进行追迹，计算其在预制棒内的传播路径，这个追击过程可由计算机9自动完成。这样就需要先假定出一组折射率分布ni，在这个基础上通过上述的光线行进过程得到出射位置的高度，由于这是在假定的折射率分布上得到的，所以它与实际测量的数据有误差。通过假定的折射率分布计算可以得到在观察平面上的理论高度xi，通过实验多次测量可以得到实际测量高度x’，建立评价函数φ(n＝∑(xi-xi’)2通过求取φ(n)的最小值，可实现对ni的反复修正，当φ(n)趋近于0时，就可认为这时候得到的ni即为实际的预制棒17折射率分布。这个修正过程通过蒙特卡罗算法实现。蒙特卡罗算法是在已知求根区域，选定初始值或随机给出初值，采用随机搜索和确定性迭代方法结合求解非线性方程组，它对初始值的依赖小，能够跳出局部极值，在整个求解范围内找到最优解。
这样建立数学模型后，采用多组入射高度测得的结果数据按上式组成方程组进行蒙特卡罗算法拟合，由此就可以获得预制棒的折射率分布。
也就是说，本发明基于几何光学的光线传输原理，利用CCD图像技术，结合计算机图像处理软件，利用蒙特卡罗算法进行数据运算和处理，实现了对预制棒的折射率分布的测试。整个装置具有结构简单，调节方便、直观，造价低，便于测量等特点。
根据上述原理，结合便于实施、测量、精度等方面的综合考虑，整个测试仪分为图像形成系统和图像处理系统两部分(参见图1)。其中，光源1、衰减器2、光阑3、聚焦系统4、载物台5(连有步近电机16)、CCD摄像机6等依次放在高精度的工作平台7上，可各自调整它们的二维或三维位置，使它们的光轴准直；上述部件均置于壳体8内、构成测试仪的图像形成系统；壳体的盖板应便于打开、以方便放置光纤及调整载物台等部件的位置，测试时则将盖板盖上使图像形成系统成为一个准封闭的系统以保证图像不受外界背景光线的影响。图像处理系统9可选用常规的带有视频信号采集卡的计算机(例如PC机)，它的放置应方便其本身操作以及与CCD摄像机6之间的通讯连线。CCD摄像机6的信号输出口与图像处理系统9的信号输入口(例如视频信号采集卡的接口)相连，将图像的信号传输到图像处理系统9中，同时还连有步近电机的驱动电路16以控制载物台的移动。
光源1发出的细光束光经过衰减器2调整光强，然后通过光阑3和聚焦系统会聚后照射到置于载物台5上的夹具15中的聚合物光纤预制棒17侧面，通过在预制棒17中的一系列折射、从光纤预制棒的另一面出射，成像于高清晰度的CCD摄像机6的探测面上，CCD摄像机6再将所摄得的聚合物光纤预制棒17出射端光线的相关数据传输到图像处理系统9中进行分析处理。采集一个位置的出射数据后，计算机9控制步近电机16带动载物台5移动相应距离进行下一位置的测量。
在测试过程中预制棒17的中心定位和测试位置的移动对测试结果是至关重要的，也就是说中心定位和移动是否准确将直接影响系统测量结果的准确性。定位与移动的准确必须从电气和机械两个方面给予保证。在测试开始前，光束应位于预制棒17的中心处，即光线直接沿直径出射，不会发生折射。同时，应使一些部件可进行三维精确调整，从而实现系统的精确定位。光学系统中光线光斑的大小、均匀性、光阑大小、聚焦系统的性能等也会影响出射光线的位置，在系统设置中亦应采用适当手段进行调整。测试位置的移动由计算机9控制步进电机16带动载物台5平行移动，完成对各个入射光线位置的测试并保证移动的精度。下面具体说明①机械系统(参见图2、图3、图4)光源1、衰减器2、光阑3、聚焦系统4、载物台5、CCD摄像机6等都通过支架10放在工作平台7的导轨11上。支架和导轨的加工精度(尤其是导轨的直线度)应达到0.5mm以上、两者为滑动配合；支架与导轨之间可作前后方向(即平行于导轨轴向)的水平相对移动，可由机械卡件(如安装在“-L”形槽12中的螺栓螺母)将其固定在特定位置，导轨上有刻度，可显示支架在导轨上的位置及其沿导轨的水平位移量；支架上还应设置垂直移动机构13(如常用的丝杆机构或滑套机构，可采用紧定螺钉作为机械卡件)，可使支架与导轨之间作上下方向(即纵向垂直于导轨轴向)的相对移动。由此，各部件在支架带动下可实现与导轨之间的二维移动。载物台上用以固定光纤预制棒的夹具15采用自定心透镜夹持器。该装置有自定心结构(装卡任意直径光学元件时，保证光学元件的中心高度不变)，在测试中，可以很方便的更换不同直径的光线预制棒17。载物台侧面固定步进电机16，在驱动电路19的控制下，带动夹具及光纤预制棒进行相应的水平移动，改变光线的入射位置，进行多点测量。个别部件若需作精确调整，还可在支架上设置常用的螺纹微调器14，微调器可以是一维、二维或三维，微调器上有精确刻度(达到0，01mm以上)、以显示其相对位移量。支架及其移动机构、微调器等的具体结构可根据所支持部件的具体需要而定。
②光学系统光学系统的好坏将直接影响出射光线的位置，进而也影响到测量的结果，当使用CCD摄象机6时，其视场中照明的均匀性会直接影响到检测结果。为此，应采用氦氖激光器照明，照明强度的调节可由光源出射方向所加的连续可调衰减器2来实现。在衰减器2后使用光阑3则可有效调节光通量和视场大小；此外，还选用高质量的10倍显微物镜4作为聚焦系统4以使其有较好的光学效果，尽量减小光斑较大等因素对出射位置的影响；聚焦系统4和光阑3都最好设计位置可以调节，以便方便地进行调整。同时，CCD摄象机6的光谱响应范围应与光源1相匹配。CCD摄象机6得到的数据通过A/D转换卡19输入计算机9。
通过上述图象形成系统，可使图象处理系统中的计算机9得到准确的细光束出射端面位置数据，由此，就可在图像处理系统中利用折射率分布测试程序处理后得到光纤预制棒17的折射率分布曲线，并以相应的形式保存或通过打印机20打印。
对折射率分布的计算步骤如下计算光线追击程序先假定将光纤预制棒17横截面沿径向分成若干层，层间距离d根据预制棒17的直径和分层数目得出。细光束进入预制棒17以后发生折射(参见图5)，会依次地通过横截面内的各个层，通过数学方法求出光线通过某一层时，该折射点距离截面圆心的距离，由于折射率按照同心圆规律在径向变化，可以通过求出折射点到圆心的距离得到折射点处的折射率，就可以用几何光学中的折射定律求出折射角，光线在预制棒17中的传播发生了一定的角度偏转，然后该光线会折射进入下一个层再进行折射，产生新的角度偏转，最后通过预制棒17的表面折射出去，就能计算出光线投射到观察平面上的高度。
需要注意的是，假设分层数M为偶数，则光线必然通过直径位置I＝M/2-1，其中中心线上的投影距离是相等的，两边的折射率有相同，那么不发生折射，如图6所示。有两个量不变hi＝hi-1，αi+1＝ai。其余各变量的算法和上面一样。当然分层数也可以是奇数，那时算法又会不一样，具体光路图不做详细介绍。各个变量的计算公式和光路追迹时差不多，唯一不同的就是入射角的算法。
因为分层数可以自由给定，所以以上两种方法都可以。只是在程序上有所不同，需要区别对待。在这里我们采用偶数分层。
这样依据折射定律，光线如此反复通过预制棒内的分层，当折射点到圆心距离大于半径时，即可判定上一次折射既是最后一次在预制棒内的折射。如果在所有分层处折射点到中心的距离都小于或等于半径，那么就是在最后依次折射后光线才会射出预制棒。
如图7，最后一次出射光线在接收屏上离开中心线的距离为x＝fabs(-[L+R-si-yi×tg(bi-ci)]×tg(bi-ci))通过上面的计算就可根据初步给定的折射率分布得到该分布下的光线出射的高度x，这个高度与折射率分布有关，而当折射率分布改变时，光线的出射高度也会改变。将待测预制棒放入光路中，使细光束入射到光纤预制棒17，光线在预制棒17中发生偏折后出射，通过CCD摄像机6采用多次测量方法接收投射到观察表面光斑中心的高度，并纪录下光线从预制棒出射后进入CCD摄像机6像素的位置，根据预制棒17与CCD摄像机6的距离，可计算出光线在离开预制棒17时的位置。将这个位置带入计算机9的数据处理程序，即在实际测量结果和理论计算结果的基础上，运用蒙特卡罗算法对假定的折射率分布进行反复的修正，直到最后评价函数趋向于一个很小的值，此时折射率分布也趋向于其真实分布，最后利用MATLAB中的曲线拟合函数将得到的折射率分布拟合成光滑的曲线并绘图，输出结果。整个计算过程由相应的计算机9中处理软件完成。
综上所述，本发明的创新之处在于将CCD图象技术、计算机图象处理、计算机控制技术、细光束扫描法等结合在一起，提出了一种可对聚合物光纤预制棒17折射率分布进行测量的集成化仪器及方法，整个测量系统具有很高的测量精度及自动化程度，可调性好。因此，本发明不仅使用灵活方便、还可对包括石英光纤预制棒在内的各种尺寸的光纤预制棒进行测量。
本系统特点1.该系统不仅可实现不同直径的聚合物光纤预制棒的折射率分布的测量，还可对其他材料的梯度光纤预制棒进行测量。
2.系统各部分(包括机械系统和光学系统)均可灵活方便地进行调整且精确度高，通光均匀，使成象效果好，系统可靠性高。
3.现有折射率测试方法的基础上提出细光束扫描测量法，采用蒙特卡罗算法进行数据处理，并给出实现测试的装置，并由计算机通过驱动电路控制步进电机来控制样品的移动，与传统的机械细分法相比，操作方便，也很好的保证了每次移动都具有较高的精度。
4.整个测试过程自动控制，采用向导式用户界面，输入方便，直观，测试结果可以直接显示并保存。
5.整个装置结构简单，调节方便、直观，造价低，便于测量。是一个较为经济实用的测量方法。
附图1为聚合物光纤预制棒折射率测试仪总体结构示意图；附图2为测试仪载物台与工作平台之间联接结构示意图；附图3为测试的光纤预制棒的示意图；附图4为装置电路控制示意图；附图5为光线追击的入射原理图；附图6为光线通过直径处的追迹原理图；附图7为光线追击的出射原理图；附图8为折射率测试程序流程图；附图9为第一实施例测试的折射率分布图；(图中横轴表示预制棒的半径，单位为毫米，纵轴表示相对于预制棒边缘的折射率差值)；
附图10为第二实施例测试的折射率分布图。(图中横轴表示预制棒的半径，单位为毫米，纵轴表示相对于预制棒边缘的折射率差值)。
其中1光源、2光阑、3衰减器、4聚焦系统(显微物镜)、5载物台、6CCD摄像机、7工作平台、8壳体、9计算机、10支架、11导轨、12L形槽、13垂直移动机构、14螺纹微调器、15夹具、16固定步进电、17预制棒、18A/D转换卡、19驱动电路、20打印机。
本发明的整个装置结构简单，调节方便、直观，造价低，便于测量。测试精确度高，通光均匀，使成象效果好，系统可靠性高。整个测试过程自动控制，采用向导式用户界面，输入方便，直观，测试结果可以直接显示并保存。是一个较为经济实用的测量方法。
具体实施例方式
通过以下实施例将有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。
下面结合附图和具体实施例来详细描述本发明。
本发明的设备由光源1、光阑2、衰减器3、聚焦系统4、载物台5和连接有或者不连接打印机20的CCD摄像机6都通过支架10放在工作平台7的有刻度显示的导轨11上，上述部件均置于壳体8内构成；所述的支架10和导轨11两者为滑动配合能作前后方向即平行于导轨轴向的水平相对移动；所述的支架10上还设置使支架10与导轨11之间作纵向垂直于导轨11轴向方向的相对移动的垂直移动机构13以及设有螺纹微调器14；所述的载物台5上有用以固定光纤预制棒的夹具15；所述的载物台5侧面连接有在驱动电路19的控制下、带动夹具15及光纤预制棒17进行相应的水平移动的固定步进电机16所述的CCD摄像机6通过A/D转换卡19与有或者不连接打印机20的具有处理软件的计算机9连接；所述的计算机电路同时连接固定步进电机16和CCD摄像机6。
照明光源1采用的是氦氖激光器。连续可调的衰减器2采用的是两片偏正滤色镜(marumi P.L 55mm)构成，光阑3的孔径分别为0.4mm，采用十倍显微物镜4作为聚焦系统，光源1、衰减器2、光阑3、聚焦系统4、CCD摄象机6的支架10与导轨11之间为二维移动，载物台5的支架10与导轨11之间为三维移动、载物台5支架上设置的螺纹微调器14亦为三维、其调节范围为各±3mm。夹具15采用GCM-04自定心透镜夹持器，利用螺钉固定在载物台5上。步进电机16采用42BYG250B型号，步进角为0.9°/1.8°。CCD摄象机6选用分辨率较高的WAT-902H(CCIR)型1/2英寸面阵CCD摄象机，其象素间距约为8pm，可分辨的最低照度0.002LUXF1.4，信噪比优于46dB，且光谱响应范围与光源相匹配。图象处理系统9选用带有Windows操作系统的计算机9，其处理软件采用VB语言编写、Windows操作界面，使用方便。
具体操作过程将东华大学生产的直径为16mm长度为100mm的聚合物光纤预制棒17用夹具15固定放置在载物台5上。并通过手动调整光源1、光阑3、衰减器2、聚焦系统4、载物台5、CCD摄像机6的支架10在导轨11上的位置，调整到位时可用机械卡件锁紧，使之基本满足光学系统成象的要求，此即粗调过程；打开光源1、连续旋转衰减器3来调节所需的合适光强，再利用载物台5支架10的螺纹微调器14进行精调，使图象处理系统中的显示器屏幕上所给出的光线出射斑点达到所需要的大小。运行折射率测试程序，按提示输入入射光线位置移动个数50；预制棒17直径上的位置2.5mm；各个测试点的间隔，即计算机控制步进电机的移动步长50μm；预制棒17的直径R16mm；测试预制棒17沿径向分步的折射率个数i20；预制棒17的分层数目m100；初始给定预制棒17的折射率分布初值。在实施例1中全部为1.459，开始测试，在计算机9的自动控制下完成数据的采集和处理，在显示器屏幕上直接给出折射率沿径向分布的曲线(如图9)实施例2为另一直径为20mm长50mm的预制棒17，所进行的过程与实施例1相同，在图10中给出测试结果。
权利要求
1.一种聚合物光纤预制棒折射率的细光束扫描测量装置，其特征是由下述设备构成图像形成系统由光源1、光阑2、衰减器3、聚焦系统4、载物台5和连接有或者不连接打印机20的CCD摄像机6都通过支架10放在工作平台7的有刻度显示的导轨11上，上述部件均置于壳体8内构成；所述的支架10和导轨11两者为滑动配合能作前后方向即平行于导轨轴向的水平相对移动；所述的支架10上还设置使支架10与导轨11之间作纵向垂直于导轨11轴向方向的相对移动的垂直移动机构13以及设有螺纹微调器14；所述的载物台5上有用以固定光纤预制棒的夹具15；所述的载物台5侧面连接有在驱动电路19的控制下、带动夹具15及光纤预制棒17进行相应的水平移动的固定步进电机16；所述的CCD摄像机6通过A/D转换卡19与具有处理软件的计算机9连接；所述的计算机9连接或者不连接打印机20，计算机9的电路同时连接固定步进电机16和CCD摄像机6。
2.如权利要求1所述的测量装置，其特征是所述的导轨的直线度0.5mm以上。
3.如权利要求1所述的测量装置，其特征是所述的垂直移动机构13是常用的丝杆机构或滑套机构。
4.如权利要求1所述的测量装置，其特征是所述的支架上设有螺纹微调器14。
5.如权利要求1所述的光纤预制棒折射率分布的测量装置的测试方法，其特征是所述的夹具15是自定心透镜夹持器。
6.如权利要求1所述的测量装置，其特征是所述的聚焦系统4是高倍显微物镜。
7.如权利要求1所述的测量装置，其特征是所述的光源1是氦氖激光器。
8.如权利要求1所述的光纤预制棒折射率分布的测量装置的测试方法，其特征是用夹具15固定聚合物光纤预制棒17放置在载物台5上，通过调整光源1、光阑2、衰减器3、聚焦系统4、载物台5、CCD摄像机6的支架10在导轨11上的位置，用机械卡件锁紧，；打开光源1、连续旋转衰减器2来调节光强，再利用载物台5的支架10上的螺纹微调器14进行精调，使图象处理系统中计算机9的显示器屏幕上所给出的光线出射斑点达到所需要的大小，运行折射率测试程序，按提示输入入射光线位置移动个数，初始给定预制棒17的折射率分布初值，在计算机9的自动控制下完成数据的采集和处理，利用蒙特卡罗算法进行数据运算和处理，在计算机9的显示器屏幕上直接给出折射率沿径向分布的曲线。
9.如权利要求1所述的光纤预制棒折射率分布的测量装置的测试方法，其特征是所述的蒙特卡罗算法是下述y(h)＝f(n(r))h获得，式中y(h)-光线出射时的位置，h-光线入射位置，f(n(r))-为所求的与折射率分布函数。
10.如权利要求1所述的光纤预制棒折射率分布的测量装置的测试方法，其特征是所述的在计算机9的显示器屏幕上显示结果直接通过打印机20打印出来。
全文摘要
本发明是一种聚合物光纤预制棒折射率分布测试仪及其测试方法。它采用一种新的测试方法和设备精确方便地测量梯度折射率聚合物光纤预制棒沿径向的折射率分布。整个测试仪由图像形成系统和图像处理系统两部分组成，其中图像形成系统由光源、衰减器、光阑、聚焦系统、载物台、CCD摄像机依次放置在位于壳体内的工作平台上构成，光纤预制棒放置在载物台上的夹具中，CCD摄像机的信号输出口与图像处理系统的信号输入口相连。它利用CCD图像技术，结合计算机图像处理软件，利用蒙特卡罗算法进行数据运算和处理，实现了对预制棒的折射率分布的测试。整个装置具有结构简单，调节方便、直观，造价低，便于测量等特点。
文档编号G01N21/41GK1776411SQ20051003083
公开日2006年5月24日 申请日期2005年10月28日 优先权日2005年10月28日
发明者周鸿颖, 陈家璧, 邱高 申请人:东华大学