Интерфометрия оптических патч-кордов

ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ



3D Профиль лицевой стороны трубки при увеличении х900. На поверхности ферулы виден порез волокна (круглая форма).

Что такое интерферометрия?
Интерферометрия - это техника измерения с использованием свойств световой волны для расчета топографии поверхности, например, поверхности оптического волокна.

Принцип работы
Рис.2


На рис.2 показано, как работает интерферометр. Торец проверяемой ферулы расположен на небольшом расстоянии (несколько микронов) от идеальной поверхности эталонной пластины, которая служит разделителем луча. Оптическая система сфокусирована на передней стороне ферулы и дает изображение этого объекта в камере с зарядовой связью. Если говорить более точно, оптическая система посылает на датчик камеры с зарядовой связью два наложенных друг на друга изображения:

• Изображение эталонной пластины (в идеальной плоскости)
• Изображение передней поверхности ферулы, ближайшей к эталонной пластине.
  

Хорошее наложение этих двух изображений создает явление "интерференции", основанное на свойствах световых волн. На полученном изображении появляются интерференционные полосы. Эти полосы аналогичны линиям контура, такого, какой можно увидеть на географических картах. Поскольку передняя сторона ферулы сферически отполирована, понятно, что эти кривые будут круглыми.
Наблюдение этих полос опытным глазом дает некоторое представление о геометрических параметрах ферулы:

• Чем больше полос, тем меньше радиус полировки.
• Положение центра этих полос указывает на точку передней грани ферулы, которая находится ближе всего к эталонной поверхности. Если ось ферулы перпендикулярна к плоскости эталонной поверхности, эта точка называется верхушкой, т.е. вершиной отполированного купола. Расстояние между этой точкой и оптической осью ферулы называется смещением вершины.
• Сдвиг полос на границе раздела между ферулой и волокном показывает, что поверхность волокна не находится на одной высоте с поверхностью ферулы. Если высота волокна ниже высоты ферулы, это называется "углубление". В противном случае это называется "выступ".
  

Рис.3. Интерференционные полосы на передней стороне ферулы и качественный анализ геометрических параметров.


Вершина и смещение вершины

В данном разделе мы собираемся показать, что смещение вершины (показано в мкм) непосредственно связано с углом полировки. Фактически легче говорить о смещении вершины, чем об угле полировки, поскольку смещение вершины не зависит от выбранной угловой системы отсчета. К анализу значения измерения вершины, в особенности к смещению вершины следует подходить с осторожностью. Фактически, когда мы наблюдаем интерференционные полосы на передней стороне ферулы (см. рис.3) центр этих полос не всегда совпадает с фактическим положением вершины, т.е. с вершиной отполированного купола. Если ось ферулы идеально перпендикулярна к плоскости идеальной поверхности, то только в этом случае центр полос совпадает с положением вершины. На рис.4 объясняются причины этого. Теперь мы понимаем, почему смещение вершины связано с углом полировки (или углом позиционирования ферулы). Отношение между этими величинами таково:

(Смещение вершины) = (Радиус полировки) х tan (угол полировки)

Эта формула показывает, что для отполированной ферулы с радиусом 10 мм изменение угла полировки (или позиционирования ферулы в интерферометре) на ±0,3° приводит к значению смещения вершины в 50 мкм.

Рис.4


Методика фазового сдвига

Простое наблюдение полос в какой-то данный момент недостаточно для реконструкции топографии поверхности ферулы. Например, невозможно a priori, знать, характеризуют ли локальные искажения полос углубление или утолщение на поверхности ферулы. Для того чтобы снять эти неопределенности, применяется методика «Сдвига фаз». Ее принцип таков: эталонную плоскость слегка перемещают вдоль оптической оси (максимум на одну треть микрона) в известном направлении и анализируют результат на полосах. Исходя из этого, можно сделать расчет «Изображение фазы» (см. рис.6), а затем на этой основе вывести демодулированное изображение (см. рис.7), профиль интенсивности которого соответствует топографии поверхности (см. рис.8).
После оценки топографии поверхности компьютер автоматически подсчитывает геометрические параметры лицевой стороны ферулы:

• Радиус полировки (« Radius »)
• Смещение вершины ("Apex-Offset")
• Высота волокна (« Fiber Height»)
  

Рис.5 : Полосы контура торца ферулы


Рис.6 : Изображение фазы


Рис.7: Демодулированное изображение


Рис.8: Объемный профиль торца ферулы


Автоматические методы расчета геометрических параметров

Лицевая сторона ферулы разделена на две отдельные зоны, обозначенные тремя кругами с центром на оптической оси (см. рис.9).

• Зона "Аппроксимации": она ограничена двумя кругами D и Е.
• Зона «Вычитания»: она расположена внутри круга Е. Эта зона дает возможность не принимать в расчет высоту волокна при подсчете радиуса полировки.
• Зона "Усреднения": она расположена внутри круга F.
  

Рис.9: Зоны, используемые для расчета геометрических параметров лицевой стороны ферулы.


Диаметры трех кругов определяются пользователем. По умолчанию диаметры этих кругов составляют:

• D = 250 мкм
• Е = 140 мкм
• F = 50 мкм
  

Расчет радиуса полировки (Радиус)

Точки поверхности ферулы, расположенные в зоне «Аппроксимации», используются для подсчета идеальной теоретической сферы, соответствующие радиусу полировки лицевой стороны ферулы. Радиус этой сферы придается значению « Radius ».

Расчет смещения вершины (Apex-Offset)

Расстояние между центром теоретической сферы (центр полос) и центром кругов, устанавливающих зоны D, E, F придается значению Apex Offset (Смещение вершины). Для точного расчета необходимо, чтобы оптическая ось совпадала с центром кругов D, E, F.
В результате этого перед каждым измерением волокно должно быть расположено в центре круга Е.

Расчет высоты волокна (Высота -Height или Углубление-Undercut)

Высота волокна используется для характеристики углубления или выступа на поверхности волокна при отсчете от поверхности ферулы. Метод полировки и эпоксидный клей, используемый для соединения волокна и ферулы, являются двумя факторами, которые, как правило, оказывают влияние на значение высоты волокна.
Условно приборы рассматривают углубление как отрицательную высоту, а выступ - как положительную высоту.
Ниже приводятся операции по расчету значения высоты волокна:

• Вычитание теоретической сферы из топографии поверхности для получения плоской поверхности.
• Подсчет усредненных высот поверхности волокна в зонах аппроксимации и усреднения.
• Разница высот между этими двумя зонами придается значению высоты волокна.
  

На четырех изображениях, показанных ниже, двумерные и объемные профили - до и после вычитания теоретической сферы.

На рис.10 показан двумерный горизонтальный профиль (зеленя линия). Синяя пунктирная линия показывает двухмерный горизонтальный профиль теоретической сферы. Можно отметить, что эта последняя линия отлично совмещается с измеренным профилем (зеленого цвета) за исключением центра. Это нормальное явление, поскольку центральная часть расположена в пределах зоны «Вычитание», которая не принимается в расчет при подсчете теоретической сферы. Другое замечание: поскольку измеренный профиль (зеленого цвета) находится под теоретическим профилем, волокно - с углублениями.

На рис.11 можно увидеть, что поверхность волокна после вычитания теоретической сферы из топографии выглядит в форме миски. Это означает, что радиус полировки волокна меньше, чем радиус полировки ферулы. Если бы форма была подобна перевернутой миске, это означило бы, что радиус полировки волокна больше радиуса полировки ферулы.

Рис.10: Двумерный горизонтальный профиль


Рис.11: Вычитание теоретической сферы из топографии топографии


Рис.12: Изображение объемной топографии


Рис.13: Изображение объемной топографии после вычитания теоретической сферы


Двумерные и объемные изображения, масштабы и цветовые коды

На рис.12 представлена топография ферулы. Цвета, используемые для двумерного изображения, зависят от высоты поверхности. Они идут от фиолетового (самая нижняя точка поверхности) до белого (самая высокая точка поверхности). Шкала Z чрезмерно расширена по сравнению со шкалами X и Y для четкого различения деталей топографии. Следует обратить внимание на то, что двумерные и объемные изображения автоматически берут соответствующую шкалу Z для того, чтобы охватить весь динамический диапазон цветов. В результате этого шкала Z может изменяться от одного измерения к другому даже для одной и той же ферулы. Два последовательно проведенных измерения одной и той же ферулы может дать кривую, более или менее крутую на изображениях 2D и 3D, хотя измеренное значение остается одинаковым. Поэтому важно проверять количественный результат измерения « Radius » для оценки радиуса полировки ферулы, а не интерпретировать то, что вы видите на дисплее.


Общий вид интерфейса программного обеспечения

Рис.14: Программа KONCENTRIK в режиме «Интерференция». Дисплей на полном экране.


Рис.15: Интерфейс программы KONCENTRIK в режиме "Интерферометрия". Измерение было только что проведено.


Верхний левый угол: показ видеоизображения, фазы или демодулированного изображения. Верхний правый угол: Показ двухмерного вертикального профиля топографии (вдоль красной оси).

Нижний левый угол: Показ двумерного горизонтального профиля топографии (вдоль зеленой оси).