光纤连接器端面的3D干涉仪检测技术

    随着网络应用的扩大和网络情报流量的急速增加，公共网及局域网对网络带宽的要求越来越高，光纤通信网络已经成为现代通讯网络最基础的一部分。光通讯市场2004年已经出现了明显的复苏迹象。
    光通信需要大量的光纤连接器。
    今天的光纤连接器制造技术有以下趋势：性能明显提高，先进测试制造技术应用越来越普及，竞争也更激烈。
      比如UPC单模连接器的回损(Return Loss), 最先只要求45dB甚至更低, 而今大部分客户要求55dB以上；对插损(Insertion Loss) 的要求也由最先的最大1dB，到0.5dB, 再到0.3dB，甚至0.1dB以下。
    又比如连接器端面3D几何参数的检测，以前很少有客户要求对其进行控制。现在越来越多的客户，特别是大部分国外客户都要求对研磨后的连接器端面进行3D几何参数的抽检，甚至全检。3D端面干涉检测仪在两年之前，在中国还只有少数厂家使用。而今3D端面干涉检测仪正在迅速普及，相当多的国内厂商已经购买或正在考虑购买，以提高产品质量和企业的竞争力。
要控制光纤连接器的几何参数，选择适当的端面检测仪器是关键。本文以日本富士写真光机株式会社开发的FS-05光纤连接器端面检测干涉仪为例，介绍连接器端面几何参数的检测原理。
FS-05光纤连接器端面检测干涉仪由著名的光器件供应商SENKO (扇港) 进行销售并提供技术支持。
     2．常见的光纤连接器检测参数
     3．光纤连接器端面3D干涉检测仪的检测原理
    （1）干涉仪及干涉条纹的解析
     评价光纤连接器端面的球面半径和光纤高度，首先必须测量连接器端面的形状。干涉仪具有测量精度高，速度快，成本低等优点，是测量表面形状的一个有效手段。图3.是光纤连接器端面检测干涉仪的系统概要。由光源射出的光线经半透镜反射到米罗干涉物镜后，光线聚焦于被检测光纤连接器的端面，经端面反射后与米罗干涉物镜的反射面反射的光线一同透过半透镜，成像于CCD摄像头。这时在CCD摄像头上可以观察到干涉条纹。CCD摄像头测得的图像经图像卡传送到计算机进行解析处理。就可以得到我们所需要的测量结果。由计算机经过控制卡及控制回路控制的PZT(压电陶瓷组件)用于移动米罗干涉物镜以产生位相移动。
    解析干涉条纹可以应用傅立叶变换法2，3，4,也可以应用位相移动法5，6。傅立叶变换法具有简单，快速，低成本等优点，但精度较低，一般用于简易型测量仪。对于光纤连接器端面形状的测量，一般采用解析精度较高的位相移动法。
      必须指出的是位相连接是一个比较复杂的过程。选择不同的位相连接算法，计算速度和安定性将会不同。
    （2）载物台的倾斜调整
     载物台的倾斜调整是一项关键技术。如果载物台的倾斜调整精度不高，将极大地影响球面顶点偏心，APC角度及定位键角度的测量精度。图4为倾斜调整和球面顶点偏心测量精度的关系概要。如图4（a）所示，当载物台倾斜调整完整时，干涉仪光学系统的光轴将与被测定光纤连接器的插芯的中心轴平行。此时，旋转被测定光纤连接器时，光纤连接器端面的球面顶点（环形干涉条纹的中心如A点或B点）将绕光纤的中心O点旋转，构成一个以O点为中心的圆。测定的顶点偏芯值OA或OB将与实际的顶点偏芯相同。也就是说，无论旋转光纤连接器到什幺角度，测定的顶点偏芯值的变化将不会太大。相反，如图4（b）所示，当载物台倾斜调整不完整时，干涉仪光学系统的光轴将会与被测定光纤连接器的插芯的中心轴交叉成一个角度。此时，旋转被测定光纤连接器时，光纤连接器端面的球面顶点（环形干涉条纹的中心如A点，B点，C点或D点）会绕一个与光纤的中心O不相同的中心O*旋转，构成一个以O*为中心的圆。显然，在不同位置测量的顶点偏芯值OA，OB或OC将与实际的顶点偏芯OD不相同。也就是说，旋转光纤连接器后，测定的顶点偏芯值将会有很大的变化。从这个现象也可以得到一个检验载物台倾斜调整是否完整的方法。即，旋转光纤连接器，依次测定顶点偏芯值，如果测定的顶点偏芯值变化不大，则载物台倾斜调整是完整的。反之，则载物台倾斜调整是不完整的。为了提高载物台倾斜的调整精度，富士写真光机株式会社开发了一种高精度，操作简单的载物台倾斜调整技术（已申请多国专利）7,8，可以达到大大高于一般调整方法的调整精度。
    （3）测量再现性
     测量再现性对光纤连接器端面检测仪的测量精度有很大的影响。以顶点偏心为例，目前，绝大部分厂商生产的光纤连接器端面检测仪的测量再现性精度大约在±5μm附近。这些数据可以从各厂家的网页方便的查到。有的厂家以测量再现性的标准偏差σ来衡量。按照误差理论的计算方法，此时的测量再现性最大误差可达±3σ，大约也在±6μm附近。
    一般不可能要求测量仪器的测量精度高于测量再现性精度。所以再现性精度是判定测量仪器的测量精度最重要指标之一。
    光纤连接器端面检测仪的测量再现性精度主要由光纤连接器端面检测干涉仪的测量再现性精度（由PZT的位相移动精度，CCD摄像头的精度和图像卡的A/D转换器的精度，测量电路的噪声，测量环境，如振动，温度的变化决定），以及载物台光纤连接器固定夹具的定位精度来决定。此外，一般由于光纤连接器插入固定夹具的旋转方向角度的不确定性（除APC光纤连接器），载物台的倾斜调整精度也会影响测量再现性精度。
      对于干涉仪的测量再现性，可以固定光纤连接器于载物台的固定夹具上，在不拔出光纤连接器的状态下反复进行测量。然后，对测量的数值进行处理，从而评价干涉仪本身的测量再现性。一般来说，基于现代干涉仪测量技术和干涉条纹解析技术而开发的干涉仪具有很高的测量再现性。不过，由于光学设计及光路布置不当，有些厂家的干涉仪对振动很敏感，从而影响干涉仪的测量再现性精度。
    对于光纤连接器固定夹具的定位精度，可以多次插入/拔出被测光纤连接器，对同一光纤连接器反复进行测量。然后，对测量的数值进行处理，从而评价光纤连接器固定夹具的定位精度。必须指出的是，由于大多采用某种标准器，如标准光纤连接器来进行载物台的倾斜调整，载物台的倾斜调整精度也会受到固定夹具的定位精度的影响，因此，提高固定夹具的定位精度是提高整个光纤连接器端面检测仪的测量精度的关键。为了提高固定夹具的定位精度，富士写真光机株式会社开发了一种高精度，操作简单，可靠性高的光纤连接器固定夹具（已申请多国专利），应用这种夹具，我们得到了极高的测量再现性（最大再现性误差不超过±2μm），大大高于其它产品的传统定位方法的定位精度。
    4．测量实验
    按照以上原理，我们以富士写真光机株式会社所开发的FS-05光纤连接器端面检测仪为例进行了下列测量实验，以检验光纤连接器端面检测仪的重要性能指标-再现性误差。
    （1）对干涉仪进行倾斜调整(校正)
    （2）检验再现性误差:再现性误差分两种，一种为多次(一般为10次)插入/拔出被测连接器并旋转45度测量而得到的再现性误差，另一种为在连接器固定的状态下连续多次测量而得到的再现性误差. 
      经实验验证， FS-05测量仪具有以下特点：
    ● 采用三次元非接触位相变调干涉测量方法，极高的测量精度高，速度快。
    ● 具有极高的测量再现性，特别是顶点偏心测量的最大再现性误差为其它产品的1/2～1/3。
    ● 具有高性能，低价格的特点，操作简单，经济实用。
    ● 采用LED光源,仪器的能耗低,体积小，使用寿命长，维护方便。
    ● 测量可靠，安定，抗环境能力强，特别适用于在加工现场进行测量。
    ● 目前唯一具备中文操作界面的光纤干涉仪，极大地方便中国使用者。
    5．结束语
    光纤端面检测干涉仪是提高光纤连接器端面研磨技术，控制产品质量的一把利器。随着其普及及其它先进技术及设备的引进，将会进一步提高中国光纤连接器产品的质量，巩固中国作为光纤产品世界生产基地的地位。
    FS-05光纤连接器端面检测干涉仪由著名的光器件供应商SENKO (扇港) 进行销售并提供技术支持。