一种对线性相移误差不敏感的光纤端面高度值的解算方法

摘要

本发明公开了一种对线性相移误差不敏感的光纤端面高度值的解算方法，属于光纤端面测量仪技术领域。所述的解算方法首先得到光强值与对比度的关系，计算得到对比度最大的位置；然后构造相位值，经计算得出所构造的相位值与实际相位相等，利用构造的相位得到光纤端面每一点的高度值。利用此方法得到的高度值，消除了线性相移误差对于光纤端面高度值的影响；在解算光纤端面高度值时，对于相移器的线性误差ε不敏感，而且具有计算速度快，精度较高等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种对线性相移误差不敏感的光纤端面高度值的解算方法，属于光纤端面测 量仪技术领域。

背景技术

光纤端面测量仪是基于白光干涉的原理，利用相位移动从而实现光纤端面干涉条纹的变 化。光纤端面测试仪可以非接触的精确、快速的测量光纤表面形貌。作为光信号的传输介质， 光纤端面形态直接影响光信号在光纤中的传输性能，因此光纤端面测量对端面形态的测量在 光纤传感和传输中至关重要。由于光纤端面测量仪能够满足光纤在生产、应用过程中在线测 试需求，因此能够广泛应用于大功率激光器、军用光电子器件、光纤电流传感器等高精尖科 技领域。

光纤端面测量仪在干涉测量的过程中，通过相移器来改变参考光束和测试光束之间的光 程差，同时采集若干幅干涉图，然后对干涉图进行求解得到光纤端面的高度。在对干涉图进 行求解时，要求相移量非常准确，因此相移误差对于光纤端面高度的测算有很大的影响，因 此设计一种对线性相移误差不敏感的高度值测算方法尤为重要。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种对线性相移误差不敏感的测量光纤端面三 维形貌的高度值解算方法，可以用于光纤端面测量系统中忽略线性相移误差的影响。

所述的解算方法具体包括如下步骤：

第一步，得到光强值与对比度的关系；

第二步，计算得到对比度最大的位置；

第三步，构造相位值，得到高度值；

本发明与现有技术相比的优点：

在解算光纤端面高度值时，对于相移器的线性误差不敏感，而且具有计算速度快，精度 较高等优点。

附图说明

图1为光纤端面测量系统原理图；

图2为白光干涉光强与光程差的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示的是光纤端面测量系统的原理示意图，白光光源发出的光经反射镜折转，到 达分光棱镜，经分光棱镜入射到显微物镜上，由显微物镜产生汇聚光，其中一部分光汇聚到 光纤端面上，另一部分光由分光棱镜反射汇聚到标准面上。由标准面和光纤端面反射的两个 光束汇聚，形成干涉条纹，经显微物镜、立方分光棱镜投射到CCD的靶面上。压电陶瓷(PZT) 相移器带动标准面移动时，干涉条纹会发生变化。

光纤端面测量仪测量三维形貌，是根据所采集的干涉条纹图像的光强值，得到物体表面 的相对高度值，其关键在于准确的找到零光程差的位置即光强值最大的相干峰的位置。白光 干涉光强与光程差有如图2所示的关系，光程差为0时，光强达到最大值。

基于上述的光纤端面测量系统，以及光程差与光强的关系，本发明提供的解算方法的实 现步骤如下：

(1)得到光强值与对比度的关系；

本发明利用间接的方法进行光纤端面的高度计算，让干涉条纹对比度γ的最大值作为光强 度峰值的条件，令：

$\gamma =\frac{I_{\max }-I_{\min }}{I_{\max }+I_{\min }}$

其中γ为干涉条纹对比度，I_max为光强的最大值，I_min为光强最小值。

由于由标准面和光纤端面反射的两束光振动的合成公式：

其中I_a表示由光纤端面反射的光的光强值，I_b表示由标准面反射的光的光强值，I表示合 成的光的强度值，表示两束光的位相差，所以

$I_{\max }=I_a+I_b+2\sqrt{I_a{I}_b}$

$I_{\min }=I_a+I_b-2\sqrt{I_a{I}_b}$

即

$\gamma =\frac{2\sqrt{I_a{I}_b}}{I_a+I_b}$

令I₀＝I_a+I_b则可以得到：

当条纹对比度γ达到最大值时，光的强度值I为峰值。

(2)计算得到对比度最大的位置；

在测量过程中，压电陶瓷带动标准面进行准确的线性移动，压电陶瓷的步长选择为λ/8， λ为白光光源的中心波长，则相邻帧面的相对相移量理论上是π/2，但是压电陶瓷会存在一个 线性的相移误差，记为ε，那么相移量就变成了压电陶瓷每移动一个步长，CCD就会 采集一帧干涉图像，用I₁～I₅来表示连续的五帧图像中某一点的光强值，利用这些光强值来进 行计算，并得到对比度γ。

整理后为：

由上式可得：

从而得到：

γ²∝(2I₃-I₁-I₅)²+(I₄-I₂)²

当γ得到最大值时，记录此时的相移次数N；

(3)构造相位值，得到高度值；

构造一个相位值令

可以得到：

将上式进一步展开，由于ε是十分小的值，可以作近似cos(i*ε)≈1，sin(i*ε)≈i*ε， 得到：

其中，i为0,1,2,3,4。

所构造的相位值与实际相位值的值是相等的，所以可以用下面的式子计算高度值h：

其中，