СПОСОБ ТЕСТИРОВАНИЯ СВЕТОВОДОВ С НЕДОСТУПНЫМ ТОРЦОМ ВВОДА-ВЫВОДА ИЗЛУЧЕНИЯ
TESTING METHOD OF LIGHT-EMITTING DIODES WITH INACCESSIBLE EMISSION INPUT/OUTPUT EDGE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля качества световодов с непрозрачной защитной оболочкой и одним недоступным торцом ввода-вывода излучения.
Известен способ тестирования световодов (патент US №3884585, опубликован 20.05.1975, FIBER BREAK DETECTION METHODS FOR CABLES USING MULTI-FIBER OPTICAL BUNDLES, Robert L.Lebduska, G01N 21/16). Он заключается в том, что зондирующее излучение в виде постоянного по интенсивности белого света вводится во входные торцы большого числа плотно упакованных световодов, входящих в состав волоконно-оптического кабеля. Выходное сечение волоконно-оптического кабеля, состоящее из большого числа плотно упакованных выходных торцов световодов и соединяющего их эпоксидного клея, облучалось вторым источником белого света. Регистрировалось проходящее через световоды излучение. Выходной торец волоконно-оптического кабеля наблюдался через микроскоп и фотографировался фотокамерой «Polaroid». Тестирование световодов осуществлялось по цвету изображения их выходных торцов, где у нормальных световодов оно было белое, а у дефектных - черное.
Недостатком этого способа является то, что для тестирования световодов необходимо иметь доступ к обоим торцам ввода-вывода излучения.
Известен другой способ тестирования световодов (Д.Бейли, Э.Райт, Волоконная оптика: теория и практика / Пер. с англ. - М., 2006 г., стр.234-240). Он заключается в том, что постоянное по интенсивности зондирующее излучение видимого диапазона длин волн вводят в доступный торец световода и наблюдают его рассеяние через боковую поверхность световода. Тестирование световода осуществляют визуально по наличию или отсутствию интенсивного рассеяния на боковой поверхности световода, которое имеет место на дефектах световода.
Недостатком этого способа является то, что он может применяться лишь для световодов с прозрачной для видимого излучения защитной оболочкой и в зоне визуальной доступности боковой поверхности световода.
Наиболее близким к заявляемому является способ тестирования световодов с непрозрачной защитной оболочкой и с недоступным торцом ввода-вывода излучения (А.В.Листвин, В.Н.Листвин, Рефлектометрия оптических волокон, М., Издательство ЛЕСАРарт, 2005 г., 208 с.), основанный на эффекте обратного рассеяния, когда импульсное зондирующее излучение вводится в доступный торец световода и отраженный от дефектов или от недоступного торца световода сигнал, регистрируемый фотоприемником через доступный торец световода, преобразуется в электрическое напряжение, подаваемое на вход электронного осциллографа или другого измерителя интервалов времени, и по времени задержки отраженного сигнала судят о наличии или отсутствии дефектов в световоде.
Недостатком этого способа является наличие «мертвой зоны» около доступного торца световода, имеющей длину от 1,5 м до 10 м, в которой дефекты световода не обнаруживаются. Длина «мертвой зоны» определяется длительностью импульса зондирующего излучения, которая при длительности импульса более 3 нс составляет от 1,5 м до 10 м.
Другим недостатком этого способа является техническая сложность одновременного (группового) контроля большого числа световодов, для чего необходимо иметь большое число каналов регистрации интервалов времени. Последовательный контроль большого числа световодов приводит к увеличению времени их тестирования.
Задачей изобретения является создание способа тестирования световодов с непрозрачной защитной оболочкой, не имеющего «мертвой зоны» около доступного торца ввода-вывода излучения, с техническим упрощением, позволяющим одновременно выполнять тестирование большого числа световодов.
Технический результат заключается в расширении области применения способа тестирования световодов с одним доступным торцом ввода-вывода излучения на световоды малой длины (до 1,5-10 м), в увеличении производительности процесса тестирования и в его техническом упрощении.
Технический результат достигается тем, что в способе тестирования световодов с недоступным торцом ввода-вывода излучения, включающем введение зондирующего излучения в доступный торец, по меньшей мере, одного световода и регистрацию с помощью фотоприемника отраженного излучения через тот же торец световода, новым является то, что предварительно на недоступный торец световода наносят отражающий цветной слой или устанавливают его вплотную или с зазором к отражающей цветной поверхности, зондирование световода осуществляют белым светом, регистрацию отраженного излучения осуществляют фотоприемником с цветной ПЗС-матрицей, а затем визуально по цвету изображения доступного торца световода или по параметру цветности этого изображения, определяемого с помощью ПЭВМ, судят о целостности или дефектности световода.
Анализ качества световодов с дефектами по отраженному излучению, введенному в световод через его доступный торец, показал, что, если торцы обломов имеют рельефный характер или большой угол наклона, они определяются на фотографии доступных торцов по малой интенсивности свечения. Однако у световодов с перпендикулярными и гладкими торцами обломов яркость отраженного излучения мало отличается от отраженного излучения нормальных световодов, так как эти дефекты очень похожи на недоступный торец световода.
В связи с этим для идентификации целостности световода возникла необходимость введения дополнительного фактора отличия недоступного торца световода от торца облома. Это может быть осуществлено с помощью тонкой пленки, например красного цапонлака, нанесенной на недоступном торце световода или цветной поверхности, установленной вплотную или с зазором к недоступному торцу световода.
Применение отражающего цветного слоя на недоступном торце световода в качестве индикатора целостности световода и наблюдение цветного или черно-белого отраженного излучения, выходящего из доступного торца световода, по сравнению с измерением интервалов времени возвращения импульса зондирующего излучения рассеянного от недоступного торца световода или от имеющегося в нем дефекта, что имеет место в прототипе, позволяет расширить область применимости способа тестирования на короткие световоды, имеющие длину меньше, чем «мертвая зона». В новом способе анализируется спектр рассеянного обратно излучения от любой точки тестируемого световода и сравнивается со спектром излучения, рассеянным от недоступного торца световода.
Использование в качестве индикатора целостности световода отражающей цветной поверхности, установленной вплотную или с некоторым зазором от недоступного торца световода, расширяет возможности применимости способа тестирования на световоды малой длины. Применение отражающей цветной поверхности как индикатора целостности световода допустимо, если ее, исходя из условий эксперимента, можно установить на расстоянии не более трех диаметров световодной жилы. При больших величинах этого расстояния из-за значительных потерь света, рассеянного от этой цветной поверхности и возвращаемого обратно в световод, не удается определить ее цвет, и она видится как серая поверхность, не имеющая цвета.
Для увеличения чувствительности способа тестирования, то есть возможности тестирования более длинных световодов или возможности удалять цветную отражающую поверхность от недоступного торца на большее расстояние, спектр отражения белого света от цветной пленки, наносимой на недоступный торец световода, и спектр отражения цветной поверхности, устанавливаемой рядом с недоступным торцом световода, должны иметь максимумы в спектральном диапазоне максимальной чувствительности цветной ПЗС-матрицы.
Использование в качестве регистратора фотоприемника с цветной ПЗС-матрицей, регистрирующей излучение, выходящее из доступного торца световода, позволяет увеличить производительность процесса тестирования, так как одновременно может определять цвет и тестировать большое число рядом расположенных световодов.
Использование в качестве зондирующего излучения белого света, которое может быть как постоянной, так и переменной мощности, позволяет технически упростить процесс тестирования световодов, так как для этого может быть применен простой фонарик с лампой накаливания или фотовспышка, излучающие белый свет. При этом не требуется формирование короткой длительности импульса для зондирования дефектов, близко расположенных к доступному торцу световода, что имеет место в прототипе.
Кроме этого применение такого источника зондирующего излучения позволяет увеличить производительность процесса тестирования, так как одновременно может вводить зондирующее излучение в большое число рядом установленных доступных торцов световодов, без специальных световодных разъемов, которые применяются при тестировании по способу-прототипу.
Тестирование световода по параметру цветности, определяемому с помощью цветной ПЗС-матрицы, позволяет упростить процедуру тестирования, так как эти измерения выполняются с помощью простого вольтметра путем сравнения электрических потенциалов, пропорциональных величинам электрических зарядов, накопленным в R, G, В массивах пикселей ПЗС-матрицы, и не требуется применения более сложных измерителей интервалов времени, применяемых в прототипе.
Визуальное тестирование целостности световодов по цвету изображения выходного торца, зарегистрированного ПЗС-матрицей и воспроизведенного на экране дисплея, позволяет получать оперативную информацию о качестве световода, что увеличивает производительность процесса тестирования.
На фиг.1 представлена оптическая схема способа тестирования световодов, с отражающим цветным слоем, предварительно нанесенным на недоступный торец световода, где:
1 - тестируемый световод с непрозрачной защитной оболочкой;
2 - доступный торец ввода-вывода излучения из световода;
3 - недоступный торец ввода-вывода излучения из световода;
4 - цветной слой, отражающий обратно падающий на него белый свет;
6 - источник белого света, например, в виде фонарика с непрерывным и постоянным по мощности излучением или фотовспышки с переменной мощностью излучения;
7 - фотоприемник 6 виде цветной ПЗС-матрицы (фотоаппарат или телекамера);
8 - ПЭВМ, осуществляющее вычисление коэффициента цветности по показаниям цветной ПЗС-матрицы;
9 - пластина (планка), в которой закреплены доступные торцы ввода-вывода излучений.
На фиг.2 представлено то же, что на фиг.1 при отражающем цветном слое, выполненным в виде отражающей цветной поверхности, установленной вплотную или на некотором расстоянии от недоступного торца световода; где:
5 - цветная поверхность, отражающая падающий на нее белый свет.
На фиг.3 показано изображение двух доступных торцов ввода-вывода излучения, показанных в увеличенном виде на дисплее цифрового фотоаппарата.
Торец световода №4 имеет красный цвет (в черно-белом изображении он показан штриховкой). Этот световод не имеет дефектов. Торец световода №5 имеет черный цвет, так как в нем имеется дефект в виде облома световодной жилы.
На фиг.4 показан внешний вид таблицы с результатами численной обработки тестирования целостности 16 световодов. После установки световодов в сборку у них стал недоступным один из торцов ввода-вывода излучения.
В таблице имеется 16 строк, соответствующих каждому тестируемому световоду, и 5 столбцов, в которых приведена информация о номере световода «№» и двух измерений Интенсивности «Интенси…» и цветности «Цвет 1 и 2» их доступных торцов, полученных при разных углах фоторегистрации. В первом столбце рядом с номером тестируемого световода ставится также цветная метка, показывающая целостность или дефектность световода по результатам численной оценки параметра цветности.
При газодинамических испытаниях сложных и дорогостоящих изделий одновременно могут применяться сотни световодов. При этом после установки их в состав изделия теряется возможность контроля их работоспособности известными способами, так как один из торцов становится недоступным для измерений. При длительной подготовке изделий к испытаниям возникают сомнения в целостности находящихся в них световодов. Появление сомнений обусловлено следующими факторами: растрескиванием оптоволокна от длительного пребывания на свету; случайным механическим воздействием на световоды; вибрацией изделий при транспортировке на место испытаний; резкими температурными перепадами.
Разработанный способ позволяет получать оперативную информацию о светопропускании большого количества световодов непосредственно в полевых условиях перед газодинамическими испытаниями.
Процесс бесконтактного тестирования целостности световодов в составе полной сборки изделия включает в себя двукратное фотографирование цифровым фотоаппаратом планки с доступными торцами световодов. При этом угол зрения на планку при ее фотографировании должен быть в интервале (0-5) градусов от ее перпендикуляра. Двукратное фотографирование планки применяется для исключения влияния на результаты тестирования случайных бликов света от доступных торцов световодов. Расстояние, с которого происходит фотосъемка, определяется фокусом объектива фотоаппарата, так чтобы изображение планки со световодами полностью заполняло формат кадра фотоаппарата и имело достаточную освещенность.
Обработка результатов фотосъемки осуществляется с помощью ПЭВМ и специально разработанной численной программы, автоматически вычисляющей параметр цветности изображения каждого из всего массива доступных торцов световодов, входящих в состав сборки.
Параметр цветности «С» какого-либо изображения имеет общепринятое математическое описание, поясняющееся следующими формулами.
2
2
2
½
C=(R+G+B)/s,
s=(r+g+b)/3,
R=r-g, G=g-s, В=b-s,
где r, g, b - усредненные по сечению световода цветовые компоненты пикселей, соответственно, в красном, зеленом и синем цвете, a s - их среднеарифметическое значение;
R, G, В - параметры, характеризующие величину цветности сечения доступного торца световода в красном, зеленом и синем цвете;
параметр цветности «С» вычисляется как длина трехкомпонентного вектора цветности, выраженная в относительных единицах интенсивности света.
Анализ численной информации о параметре цветности и интенсивности среднего сигнала показывает, что для идентификации целостности световода с отражающим цветным слоем необходимо, чтобы параметр цветности имел значение С≥15, хотя бы на одном из фотоснимков, а интенсивность среднего сигнала имела величину от 40 до 190 единиц.
Проведенные исследования показывают, что параметр цветности бездефектных световодов с цветной окраской их недоступных торцов в несколько раз превышает величину цветности световодов с обломами, имеющих те же цветные окраски недоступных торцов. Такого различия в показателях цветности вполне достаточно для принятия решения о целостности световода или его дефектности.
Практическое применение способа тестирования было осуществлено в газодинамическом эксперименте, схема которого показана на фиг.1, а результаты тестирования - на фиг.4.
В сборке было задействовано 16 световодов (1) с непрозрачной защитной оболочкой, имевших длину 50 см. Доступные торцы (2) световодов были закреплены на планке (9). Фотографирование доступных торцов производилось с помощью цифрового фотоаппарата MINOLTA IMAGE (7). Подсветка доступных торцов осуществлялась фотовспышкой (6) фотоаппарата. Отражающая цветная пленка (4) в виде слоя красного цапонлака была предварительно нанесена на все недоступные торцы (3) световодов, кроме световода №5. Это было сделано для сравнения интенсивности свечения ударной волны, прошедшего через световоды при наличии цветной отражающей пленки и без нее. У всех световодов, предварительно, перед установкой в изделие были измерены коэффициенты светопропускания с помощью оптического тестера на длине волны λ=0,65 мкм, и они имели нормальную величину от 70% до 75%, кроме световода №5, в котором специально был сделан дефект в виде частичного облома.
Результаты тестирования и обработки на ПЭВМ фотографии выходных торцов световодов приведены на фиг.4.
Из таблицы фиг.4 видно, что четырнадцать из шестнадцати световодов помечены в столбце 1 серым маркером нормального светопропускания. Они относятся к числу бездефектных, потому что параметр цветности у них превышал 15 единиц и был в диапазоне от 20 до 58 единиц при средней интенсивности белого света, превышающей 56 единиц.
Два световода, №1 и №5, в первом столбце таблицы не имеют такого знака и отмечены как дефектные, так как параметр цветности у них составлял, соответственно, 1 и 2 единицы. При этом программа обработки результатов измерений включила световод №1 в число дефектных из-за отсутствия на его входе цветной пленки. А световод №5 попал в число дефектных из-за наличия в нем облома, несмотря на красную пленку цапонлака, нанесенную на его недоступной торец.