单模光纤探针式光学轮廓仪的基础研究

　　1　引　　言

　　在对传统的触针式轮廓仪的改进中,作者曾提出利用多模光纤探针扫描的方法对表面粗糙度进行测量的技术[1,2],该技术克服了以机械针描法为基础的触针式轮廓仪某些固有缺点。本文提出利用单模光纤探针构成光学轮廓仪,给出了工作原理框图,重点对单模光纤探针进行了理论分析,包括耦合效率传感机理、光学“针尖”形状与尺寸分析等,然后给出了光纤探头的结构,最后用单模光纤探针式轮廓仪对不同粗糙度样块进行了测试,并与多模光纤探针的测试结果进行了比较。

　　2　单模光纤探针式轮廓仪的构成与工作原理

　　单模光纤探针式光学轮廓仪的原理性结构如图1所示。它由光路、信号处理电路、测量工作平台驱动、计算机处理与显示等4部分组成。光路由光源、方向耦合器、单模光纤探头、光电转换等部分组成。光路中的光纤探头将被测表面的粗糙度信号变为光信号,在光电变换中将光信号变为电信号,在信号处理电路中将模拟信号变为数字信号,送入计算机进行处理,给出粗糙度测量结果。参考光路的作用是消除光路信号受环境影响所带来的误差。

　　3　光纤探针的理论分析

　　3.1　理想状态下的耦合效率

　　假设被测表面为理想金属表面。光纤探针与被测表面耦合关系如图2所示。2a为光纤直径,z为光纤端面到被测表面的距离,P0为光纤照射到被测表面的功率(光纤的出射功率),Pi为经理想金属表面反射后重新进入光纤的功率(光纤的入射功率)。理想金属表面与光纤的耦合效率定义为:η=Pi/P0。

　　作者曾利用镜像法求出单模光纤和多模光纤对理想金属表面的耦合效率[2,3]。对单模光纤:

　　3.2　传感机理

　　光纤探针扫描的传感机理是表面轮廓对耦合效率的调制原理。当光纤探针沿理想金属表面扫描时,z为常数,耦合效率不会变化。但当光纤探针沿实际被测表面扫描时,由于表面微观轮廓凹凸变化,使z变化,则耦合效率η也随之变化。利用(1)式,可以计算出η与z的关系曲线,如图3所示。计算中使用的光纤参数如表1所示.

　　左图3曲线可以看出,改变z就可以改变耦合效率。因此,当探针沿如图4所示的凹凸不平的表面扫描时,因z沿x方向是随机变化的,则有z=z(x)。z(x)为被测表面轮廓曲线,它将对耦合效率产生调制。当扫描到表面轮廓的顶峰时,z(x)较小,耦合效率较大;当扫描到谷底时,z(x)较大,耦合效率较低;当扫描到轮廓的斜面时,不满足光纤入射条件,耦合效率等于零。因此探针沿x方向扫描时,探针接收到的光功率不是连续的,而是如图5所示的一串幅度不同、间隔不等的随机脉冲序列。高脉冲代表轮廓的顶峰,低脉冲代表谷底,脉冲的间隔代表峰谷之间的距离,脉冲的包络代表被测表面的轮廓。这就是表面轮廓对耦合效率或对光功率的调制原理。