CC BY
48
ОБЗОР МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРО-ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СВЕТОВОДОВ
© Андросик А.Б.*, Мировицкая С.Д.*
Московский государственный открытый университет, г. Москва
В работе предложена систематизация методов исследования основных геометрических и оптических характеристик волоконных световодов (ВС), проанализированы достоинства и недостатки каждого из методов, даны рекомендации по выбору оптимального метода для контроля распределения показателя преломления и диаметра ВС.
Высокая актуальность задачи измерения профиля показателя преломления, формы поперечного сечения заготовок и оптических волокон привела к появлению множества разнообразных методов [1] контроля этих параметров. Отдельные методики измерения различных типов световодов рассмотрены в работах [2-4], однако они не позволяют определить распределение показателя преломления ВС с необходимой точностью в процессе производства заготовок и оптических волокон. Так, например, метод интерференционной микроскопии приводит к появлению больших погрешностей на оси световода. Из-за возрастания погрешности на оси метод интерферометрии при поперечном освещении возможно использовать для одномодовых ВС только при сравнительно больших изменениях показателя преломления Ап и 0,01. Метод фокусировки [3] основан на измерении угла выхода луча из заготовки, зависящего от координаты входа. Для улучшения разрешающей способности метода необходима фокусировка пучка внутри заготовки, однако это не позволяет достичь разрешения более 10-20 мкм, что ограничивает диапазон измеряемых объектов. Метод голографической интерферометрии снижает погрешность измерения до +10-6, основанный на анализе интерферограмм, регистрируемых при помощи микроскопа, однако не позволяет работать в реальном времени и при наличии механических вибраций.
Одними из наиболее перспективных и удобных методов измерения распределения показателя преломления заготовок являются методы диаграммы рассеяния в переднюю и заднюю полусферы, т.е. рефракционные методы, не требующие предварительной подготовки образца ВС.
Многообразие оптических бесконтактных методов измерения геометрических параметров ВС затрудняет выбор оптимального для данного типа волокна и условий измерения. В зависимости от области использования методы измерения можно разделить на три класса:
* Доцент кафедры Управления и информатики в технических системах, кандидат технических наук.
* Доцент кафедры Управления и информатики в технических системах, кандидат технических наук.
74
НАУКА И СОВРЕМЕННОСТЬ - 2012
а) измерения, необходимые для стандартизации ВС;
б) измерения, используемые для разработки оптических передающих систем;
в) измерения, используемые для исследования характеристик ВС и разработки технологии их изготовления.
Исследования методов контроля позволяют осуществить их классификацию и определить особенности при нахождении интересующих параметров ВС.
Наиболее важными характеристиками являются геометро-оптические -диаметр сердечника, внешняя форма, распределение показателя преломления введены следующие обозначения:
Область сердцевины - это та часть, которая в основном передает энергию оптического излучения. Показатель преломления в области сердцевины больше, чем в смежной области, причем скорость изменения показателя преломления приближается к нулю на границе сердцевина-оболочка. (В случае, если профиль показателя преломления уменьшается к центру области сердцевины, это определение несправедливо).
Область оболочки - это область, расположенная вокруг области сердцевины. Показатель преломления в области оболочки, смежной с сердцевиной, меньше чем в области сердцевины.
Максимальная разность показателей преломления используется для ВС вместо действующей числовой апертуры (в случае, если тип ВС уже установлен).
Для измерения этих характеристик необходимо нахождение диаметров сердцевины и оболочки по крайней мере в четырех направлениях. Тогда можно точно установить максимальный и минимальный диаметры сердцевины и оболочки (рис. 1), а также центры зон сердцевины и оболочки, и их эллиптичность, оказывающую существенное влияние при сращивании отдельных ВС.
Рис. 1. Поперечное сечение световода
Методы продольного зондирования
га
Метод Основные расчетные Оценка точности Преимущества и недостатки
1. Отражательный - основал на. измерении светового потока торием детали при падении на него коллимированного светового п^чка. параллельного оптической оси детали fo-lj-fo-l \ЙГ)} п(т) - профиль показателя преломления: ni — показатель преломления оболочки. 5(Дп)~10-3 С ЛОЖИ О СГЬ П О дг отовки торца высокого качества, что затрудняет практическое применение: необходимость высокой точности измерения потоков излучения от сердцевины и оболочки
2. Ближнего поля - основан на том. что мощность, переносимая всеми модами оптического волокна через данную точку поперечного сечения пропорциональна разности показателя преломления сердцевины в этой точке и показателя преломления оболочки при условии равномерного распределения мощности излечения в пределах апертуры ni, ni - показатели преломления оболочки и сердцевины. Ртах - максимальная плотносгь потока для инверсного метода ближнего поля: sin * бшад ni — m =-. 2 «д 9тах - предельный угол выхода излечения из торца детали Про стран ствеи-ное разреше-ниенизкое. причем оно ухудшается на границе сердцевина-оболочка. 5(Лп)~1(Н Модифицированный: Преимущества - по измеренной кривой показателя преломления можно обобщить профиль и числовую апертуру: можно наблюдать в поперечном сечении оболочку и измерить радиусы сердцевины и оболочки, концентричность сердцевины и эллиптичность, разрешение на границе сердцевин а-оболочка повышается Необходимость использования источника с постоянной по сечению детали интенсивно стью: для ми -нимизации отражения от торца — использование иммерсионной жидкости: не-в о зможн о сгь и змерения числовой апертуры:получение информации только и зоне сердцевины: ограниченное разрешение: невозможность использования для маломодовыхво-локон
L/i
Метод
Основные расчетные
Оценка точности
Преимущества и недостатки
3. Рефракция в ближней зоне - измеряется мощность излучения. выходящего из сердцевины в оболочку
п.* (г)= Sin2 81 -n;2 -Sin* 02.
П2 - л оказатель преломления иммерслонн ой жидко cul
р(Э1) = Р(о) i-
tg ршах
P(o)- суммарная мощно en. излечения, падающего на ОВ;
9imax- определяется числовой апертурой линзы; п{г) - п; = njcos Э11 min{co50nmm-co5 ^
F{a)
(*) 5г = —— -
2 А21п 1Ъ
Аг4 гг\/3 {í>fo( 1 - í>)[ln( 1 - í>)]}
Пространственное разрешение 5г{*)
ь=(МА2;нА1у =
N¿1, ИА1 -числовые апертуры возбуждающего ш,чка и диафрагмы, 5(Дп)~ 10"4 определяется флуктуациями мощности лазерного источника
Дшшп = 0.0001
Необходимость использо-в ания иммерсионной жидко с ги для предотвращения отражения отвнешнейпо-в ерхн о сти в о локна
Р(р:г) =
FÍA
т
1-Й
-i
4. Дальнего поля - в основу положена связь между распределением поля по торну многомо-доеого ОВ иполемв дальней зоне
где 2а(р) - половина периодического расстояния лу-
Р(Р :г) - поток энергии в диапазоне от г до (г + ¡1г): Г(Р)~~ распределение лучей в волокне. Интенсивность:
1(9)=^-1
ж' sm и eos t n2 (г0-5)]й
8 < arccos [n(ro-S)íni];
■ {[щ2 eos- 0-n2 (г0+5)]й - [щ2 eos2 9 ■
- {[nncos2 e-n2(rCH-5)]K
1(9)=—=-
71' sin в eos в для arccos [й(го-5>щ]<9< arccos [n(r3+5)/ni]
Погрешность определения диамегра a~+0s2 мкм: показателя преломления
n~±0s6 1Q~3
Пространственное разрешение
5г = Х/ (rsin90) 5(Дп)-1СН
Разрешение метода резко ограничено в связи с необходимостью работать с пл,чка-ми малой угловой расходимости
Необходимость специальной подготовки образца. Метод ограниченно при-мененимдля одномодовых ОВ. поскольку из-за малого диамегра сердцевины лучи значительно отклоняются от нормали и невозможно определить профиль показателя преломления в центре ОВ.
2. Метод поперечного зондирования 2.1. Зондирование узким лучом и анализ информативного сигнала в ближней зоне
Метод Основные расчетные формулы Оиенха точности Преимуществ а и недостатки
5. Фокуснровки- о снован на фокусирующих свойствам сердцевины волокна, при его поперечном освещении ,, "¡Г t-yif) пй-щ- dt ф--г1 Потр ешнос п. м ег еда м акси-мальнана осн объекта „, , пг г 5(Дп)Ч).003+0.005, разрешение менее 1 мкм Ре алнз ацня метода требует ис-пользовання иммерсионной жидкости согласующнхлинз Позволяет контролировать детали со значнтельньош гр адиент амн показ ат еля пр е -ломления. Достоинство-возможность использования некогереншого оалучаюшего пучка. Высокая чувствит ель-нос ть н эффективность вплоть до малых (-1 Омкы) диаметров световсаоЕ
6. Диаграм:мы рассеяния в передней полусфере базируется на изм ер еннн р аспре де л ення поля в функции угла рассеяния в ближней зоне exp[fe{/>] <1>-г~ п(В)-П где п(1)= агссо5Ь{Ьп(Ь)-У/ } — is?1 cosh-т= >dx я1 { п(ьу.!г Максимальная погрешность показателя преломления для загот овок со ступенчагым из -мененнем показателя преломления равна 0,12% нимеег место около границы сердцевина — оболочка. Максимальное от-клоненнеге ометрнн попер еч-ного сечення 1%. Для снижения погрешности за счет не с овладения показ а-т е л ей пр еломлення во локна и окружающей среды использует ся иммерсионная жидкость. Возможно применять для деталей некруглого поперечного сечення.
7.Ре фракционный с использованием преобразования Абеля Однородное (рис.2): л, =2benl/(2b0—b), 63-рас-стояние от оснволокнадо точки фокусировки луча неоднородное (рис.З) = " (х)~н dx-2arccos(y. b), H=[dk dф(п)] Н - произвольная постоянная разделенняперемен- Величины погрешностей аналогичны методу измерения по диаграмме рассеяния в переднюю полусферу Позволяет оперативно оценить градиентные профили показателя преломления, а также произвести вычисления характеристик многое лонных неоднородных цилиндрических деталей
Метод Основные расчетные формулы Оценка точности Преимуществ а и недостатки
ных градиентная Л/]) " 2 (рис.4): п© - неоднород сердцевннан дв> 1 1 , , (Е! +Е\ ЛЛМ 1 2 Р!ЙИЕ2 = и*, 5т Е $1пЕ\ = п0 БШ Е $1пЕ3 = ж, 5т Е = п., Е Градненшая сер (рис.б): рОа) = сердцевина и однородная ( /Ья^) - ягаш ность сердцевины граднен •хслойная оболочка (рис.5 1 N +е\-е2- - я- $т Е1=у1Л ■ч Г1 ■Ггп1* Г1/Г3Я2. зцевннанК- елейная обе ^-Е, -Е3 . Г; оболочка - ТШЯ ): 1. яочка - я
3. Индуцированных диполей при рассеянные переднюю полусферу пК^^-чиУг:,]' п.) - показатель преломления иммерсионной жидкости Пр о с транствен-ное р азрешенне: экспериментальное - 2 1 мкм: теоретическое - 0,3 мкм: 6(Дп) —0.0009 предел разрешения Мет од прим еним т олько для деталей с оеесюо1етричным пр о с тр анс твенным изменени-ем показателя преломления
8 о О ш тз и
о о н №
Метод
Основные расчетные формулы
Оценка точности
Преимуществ а и недостатки
к.
■ [«Ы^ (е)] ■
1 ом
£](г): Е1; -диэлектрические праницаемосшнеодно-родноста и иммерсионной жидкости.
9. Диаграммы рассеяния в заднюю полусферу — о снован на анализе характеристических пар ам етр ов кар шны р ас сеяния в ближней зоне
<р(у) = 2 агссоБ^11Ь) - 2 уп(Ь) г а?г
г.; - решение уравнения
гу{гв)=п\ьу
Основной источник ошибки процессанзм ерення пнБ-определеннерасстояння от плоскостнрегнетрацнн с точностью порядка ОД мм 5{Дп)Ч),0Ш
(дляволокон без оболочки). Точность моднфнцнро-ванного метода; с.(Дп>-0,001-0,03: 6(Б)-5%-2% Малооперапшен непригоден для изм ер ення я ар акт ернсгнк волокнавироцессе его вытяжки при существующей технологии изготовления. Предполагается, что сечение зондирующего пучка меньше, чем диаметр сердцевины.
Не требуег специальной техно л отческой по дгот сиси об-р азца или нспо ль з ования им -мерсноннсй жидкости. Точность определения диаметра зависит от отношения диаметра волокнак длине волны нзлученняи достигает порядка нескольких процентов; ог-р аннчнвае тся т очное гью вы-б ор а по л ожения м аксимумав пиков в интерф еренвдан-нсй структуре. Изменения необходимо проводить в затемненном помещении, поскольку рассеянным объектам сигнал мал.
10. Луч евсн аппр акснм ацнн -являе т ся с авокупнос гью м ел о-дов рассеяния в переднюю и
заднюю полусферы. Позволяет измерить ОЕ практически с
Ил = ап
Уо 2
¿-1
г-
А:—1
/ СОБ- (для п., < 2)
¿—1
Точность 31 етодикн ограничена ошибками определения параметров капилляра, а также его неко аксиально пью и эллиптичностью.
Не требуег специальной подготовки объекта измерения и являе т ся неразруш аюшнм; обеспечивает возможность о слтд е ствления изм ер ений ОВ
Метод Основные расчетные формулы Оценка точности Преимуществ а и недостатки
любыми величинами показателя преломления сердцевины ло = J'la)-cosí; ]* + sin ' Íi ■ ¡-in Ъ! a = D + -.¡D1- 1, 2.2. 2 . 2 „ У2 sin í^ cosít - T] sin ¿2 ™5?1 где D — i i 2 2 v'2 sin ¿¡i - vf* sin is некруглого поперечного сечения. Низкая оперативность из-за сложной математической обработкнрезультатов.
11. Интерферометрии при поперечном освещении - заключается в пр о свечнвалнн объекта облучающим под прямым углом к его оси пучком и формировании интерференционной картины от обьекшого и опорного пучков ( \ Л ff ¿{i)") dp ds= ?dp . p — радиальная координата Систематическая погрешность измеренияпрнг=0 становится значительной. Погрешность измерения 5(Дп)-7.1СН На границе сердцевина-оболочка; до 5(п)-Зб.1СНна расстоянии 0,75 а от осн: в прносевон области погрешность возрастает неконтролируемым образом. Областьпрнменнмосш ограничена для одномсровых волокон, поскольку велика погрешность измерений на осн. Для многомцдовых - обеспечивает лучшее разрешение структуры деталей, чем интерферометрах среза. Метсд допускает любую степень автоматизации измерений, воспроизводимость достигает 1%, а при автоматизированной обработке искомый профиль показателя преломлении определяется через несколько секунд после его изготовления
12. Линии отсечки —предназначен для измерения диаметров трубок. средней толщины стенок и вариации этих величин по азимуту и вдоль оси 2,=! 1 1^2 sin aj í<j ' JV + "h - У к /1 lOíjf + mi -„Tjí)| J Точность аналогична методу интерферометрии при поперечном освещении. Измеряются абсолютные значения диаметра и тошцнны с т енкн капилляра и их о шо сн-тельные измерения при вращении ОБ вокруг его осн Удобен при обработке трубок, при измеренин в процессе вытяжки относительных изменении толщины стенок и диаметра капиллярных ОБ вдоль осн; при исследовании амплитудных нерегулярное!ей готовых капиллярных ОБ.
К о О ш тз и
о о н
tJ4 (О
Метод Основные расчетные формулы Оценка точности Преимуществ а и недостатки
13. Пространственной фильтрации - основанна получении требуемой информации о размерах световода путем параллельного или последовательного считывания спектра нлн путем модуляции спектра фильтра с по следующим интегрированием светового потока Коордннатаграннцы тени пропорциональна Дк : i ил 1 2/Дя(гг,т), , и =п — —-¡—¡— Il — 1 ■■ о). принспользова- 5 г'глра;! ннн цилиндрических линз j / 2An(u,v) Х f1 sin |2cr| Контроль объектов с допуском менее 10 мкм 5(Дп}<1,5% Позволяет стабильно проводить контроль параметров в динамике. Ограничение на форму поперечного сечения исследуемой детали отсутствует. Требуется специальная подготовка фильтров или введение в измерительные схемы дополннтельныхвраш ающнх-ся нлн пер смещающихся фнлыруюшнх элементов.
14. Томографический-для не с л е д ования пр о странс таенной внутренней структуры объемов по результатам их зонднр ования путем во сста-новл ення по пр оекцням 2л" г А ':■: lj - прямоугольная траектория! - го луча. n.j = const показатель преломления невоз:мушенной среды. 5<Дп)-1(И Оперативно определяет произвольный неосеммегрнчный профиль показателя преломления объекта не кругл ого поперечного сече шипутемре-шення интегрального уравнения Радона
15. Г о л агр афиче скин - д е лился на го л огр афнч ескую ннт ер фе -ром етрию и го л огр афнч ескую микроскопию. Заключаетсяв получении и расшифровке го-лографнческнх ннтерферо-грамм исследуемого фазового объекта Распределение интенсивности интерференционной картины: I = 2я4с1(1 + cos^y). где а-амплитуда опорной волны, распределение фазы волны, обусловленное изменением Дп. с - амплитудный коэффициент. 6<IJ>-6.10"3 при D~250 мкм ÔQJ^.IO"1 при D-IOmkm Высокие требования по внб-роустсйчнвостн. но точность контролявысока Удобен для лабораторногоконтроля. т.к. позволяет проводить изм ер е-нияволновых фронтов, заре-гнс трнрован-ных в р азличные смещенные относительно ДРУГ другамOj.itты времени.
16. Микроскопический -за-ключ ает ся в наблюдении под микроскопом специально подготовленного участка объекта, позволяет определить и геометрические параметры детали Диаметр серццевнны градиентного объекта определяют по ур овню показателя преломления nj=ni-B(ni+ni) &(D)-1 мкм Точность определения эллиптичности поперечного сечення -10% Обычно необходим а специальная подготовка образца исследуемого световода.
Метод Основные расчетные формулы Оценка точности Преимуществ а и недостатки
17. Проекцнсиныентеневые: проекционные используют ту особенность, что при облучении световода пучком света, часть света отражается от его поверхности, ачасгьпрелом-ляется материалом Внутр е ннин диаметр 2 а D smр.Ы -2nco¡— -0+ р + 1 Ч г ВоспронзЕсднмость -0,1 мкм, точность -0,05 мкм с применением коордннатно-чувствнтельнаго фотоприем-ннка дляБ=0,5 - 3 мы. Ш~1%, нижний предел Б-1 Омкм, ЪФУ\-2% Недостатки: зависимость погрешности изм ер ения о т свойства материала, чнстотын формы поверхности детали: низкая точность измерения вследствие наличия полутеневой зоны при переходе границы свет-тень и влияние дифракции света на детали (особенно при Б<100 мкм). Точность обычно ограничивается качеством обработки торца световода. Простота практической реализации, возможность автоматического бесконтактного дистанционного измерения параметров; линейная зависимость размера тени отразмера световода.
(а Л и sin,--в + р \ D - внешний диаметр, 0 -угол преломления пучка на граннцераздела. Малая погрешность измерения от положения световода в пучке света: широкий диапазон измерения в областиболыпнх диаметров > 500 мкм.
К о О ш тз и
о о н
tJ4
При этом ВС должен быть однородным по всей по всей его длине. Отсюда вытекает необходимость разработки оперативных и высокоточных методов измерения формы и распределения показателя преломления ВС.
Наиболее распространенные в настоящее время бесконтактные оптические методы измерения распределения показателя преломления ВС показаны в табл. 1, где приведены схемы измерения, оценена точность, а также рассмотрены возможности автоматизации и особенности методов.
Рис. 2. Зондирование однородного световода
Рис. 3. Зондирование неоднородного световода
84
НАУКА И СОВРЕМЕННОСТЬ - 2012
Рис. 4. Зондирование световода в оболочке
Рис. 5. Зондирование световода с двумя оболочками
Рис. 6. Зондирование многослойного световода
Проведенный анализ оптических методов продольного и поперечного зондирования световодов показал, что наиболее удобными для измерения геометрических характеристик ВС являются методы диаграммы рассеяния в переднюю и заднюю полусферы, т.е. рефракционные методы, не требующие предварительной подготовки образца световода.
Список литературы:
1. Лазарев Л.П., Мировицкая С.Д. Контроль геометрических и оптических параметров волокон. - М.: Радио и связь, 1988. - 280 с.
2. Okamoto K. Fundamentals of Optical Waveguides. - Academic Press, SanDiego, 2000.
3. Лазарев Л.П., Мировицкая С.Д. Исследование оптических схем реализации измерителей геометрических характеристик оптических волокон и капилляров // Измерения, контроль, автоматизация. - ЦНИИТЭИприбо-ростр., 1986. - № 3. - 15 с.
4. Андросик А.Б., Мировицкая С.Д., Фатеева Г.В. Особенности рассеяния на однослойных световодах // Измерительная техника. - 1991. - № 6.
5. Андросик А.Б., Касимова Л.Б., Мировицкая С.Д. О повышении точности вычисления угла рефракции при измерении обобщенно-эллиптического профиля показателя преломления оптического волокна // Оптика и спектроскопия. - 1991. - Т. 70, Вып. 1.
6. Андросик А.Б., Касимова Л.Б., Мировицкая С.Д. Об одном способе восстановления профиля показателя преломления световода // Измерительная техника. - 1991. - № 6.
7. Андросик А.Б., Мировицкая С.Д., Фатеева Г.В. Модифицированный рефракционно-интерференционный метод расчета геометро-оптических параметров световодов // Измерительная техника. - 1995. - № 4.
ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ГАЗОВ ПЛАВИЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ
© Бискуб К.Н.*
Норильский индустриальный институт, г. Норильск
В статье приводится описание основных функций разработанной системы управления, основной целью которой является прогнозирование температуры технологических газов плавильных электропечей, компенсацией тепловых возмущений, возникающих в процессе охлаждения
* Аспирант кафедры Автоматизации технологических процессов и производств.
