一种高精度光学监控系统

技术领域

本发明涉及镀膜光学监控技术领域，具体涉及一种高精度光学监控系统。

背景技术

CWDM是利用光复用器将不同波长的光信号复用至单根光纤进行传输，在链路的接收端，借助光解复用器将光纤中的混合信号分解为不同波长的信号，连接到相应的接收设备，CWDM系统的波长间隔宽，波长间隔达到20nm，对激光器的技术指标要求较低，系统的最大波长偏移可达-6.5nm/+6.5nm，激光器的发射波长精度可放宽到±3nm，而且在工作温度范围(-5℃～70℃)内，温度变化导致的波长漂移仍然在容许范围内，激光器无需温度控制机制，激光器的结构简化。

美国的1400nm商业利益组织正在致力于为CWDM系统制定标准。目前建议草案考虑的CWDM系统波长栅格分为"O波段","E波段","S+C+L"3个波段：

“O波段”包括5个波长：1271nm、1291nm、1311nm、1331nm和1351nm，间距为20nm的5个波长；

“E波段”包括4个波长：1411nm、1431nm、1451nm，间距为20nm的3个波长，“E波段还有1371nm、1391nm两个不常用波长；

“S+C+L波段”包括从1471nm到1611nm的范围：1471nm、1491nm、1511nm、1531nm、1551nm、1571nm、1591nm、1611nm，间距为20nm的8个波长；

这些波长利用了光纤的全部光谱，包括在1310nm、1510nm、1550nm处的传统光源，从而增加了复用的信道数。20nm的信道间距允许利用廉价的不带冷却器的激光发射机和宽带光滤波器，并且使相邻波段之间保持了20nm的间隙。

DWDM技术是WDM技术的应用方案之一，DWDM技术(密集型光波复用)是能组合多个光波长用一根光纤进行传送。这是一项用来在现有的光纤骨干网上提高带宽的激光技术。更确切地说，该技术是在一根指定的光纤中，多路复用单个光纤载波的紧密光谱间距，以便利用可以达到的传输性能(例如达到最小程度的色散或者衰减)，这样在给定的信息传输容量下，就可以减少所需要的光纤的总数量。

随着技术越来越先进，WDM技术的波长间隔由当初的20nm到现在的一点几甚至零点几个纳米，波长的间隔越来越小，所以DWDM技术也叫密集型波分复用技术。

DWDM技术的波长范围在1525nm～1565nm(C波段)和1570nm～1610nm(L波段)，是从CWDM波长范围里面取出来的一小段，其常用的是1525nm～1565nm(C波段)，这个波段范围的波长间隔为0.8nm。DWDM的通道间隔根据需要有0.4nm、0.8nm、1.6nm等不同间隔，间隔较小、需要额外的波长控制器件。

与CWDM技术不同的是，DWDM技术的工作波长可以达到二十到一百六十个不等，其节约光纤资源的能力更胜一筹，但是由于需要额外的波长控制器件，其价格也是远远高于CWDM技术的。

近年来CWDM与DWDM之间的M-WDM通带在3～4nm，波长间隔在5～6nm也在兴起，要有CWDM、M-WDM或DWDM的光通讯器件，就要光通讯镀膜出精度比较高的滤光片，就要有比较高精度的光学监控系统。

为了镀出高精度产品的M-WDM或DWDM，通过高精度的光学监控系统来光学镀膜，镀出M-WDM通带3～4nm，隔离在5～6nm之内的分光滤光片用在器件上，才可以达到器件上的分光要求，DWDM要求更高，通带只有0.4nm，隔离只有1.2～0.8nm，才可以达到器件上的分光要求。

对于以上这类产品，光控光的单波长精度要求高，也就是光控单波长光的频带宽度在0.05nm才可满足需求，则需用到单波长激光或可调的单波长激光来做光控监控的光源，同时光接收也需用到高精度的光接收器来接收光量值，再通过光功率计来计算光量的比例值，然而现有光控系统难以满足上述要求。

发明内容

为了克服上述技术问题，本发明公开了一种高精度光学监控系统。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种高精度光学监控系统，其包括可调激光发生装置、光控检测装置和信号处理装置；

所述光控检测装置包括准直器、真空室和光控光探测器，所述真空室包括分别对应所述准直器、光控光探测器设置的第一视窗玻璃、第二视窗玻璃，于所述真空室中设置有用于放置待镀膜产品的产品放置腔，所述产品放置腔与所述第二视窗玻璃之间设置有保护玻璃；

所述准直器、第一视窗玻璃、产品放置腔、保护玻璃和第二视窗玻璃处于同一轴线构成激光测量路径。

上述的高精度光学监控系统，其中所述第一视窗玻璃的法线方向、第二视窗玻璃的法线方向均相对于所述准直器的出光方向倾斜，且所述第一视窗玻璃的倾斜方向与第二视窗玻璃的倾斜方向相反。

上述的高精度光学监控系统，其中所述第一视窗玻璃的倾斜角度为5～7°，所述第二视窗玻璃的倾斜角度为173～175°；

或者所述第一视窗玻璃的倾斜角度为173～175°，所述第二视窗玻璃的倾斜角度为5～7°。

上述的高精度光学监控系统，其中所述保护玻璃的法线方向相对于所述准直器的出光方向倾斜。

上述的高精度光学监控系统，其中所述准直器的出光方向平行于所述光控光探测器的入光方向。

上述的高精度光学监控系统，其中所述光控检测装置还包括第一调节平台，所述第一调节平台包括用于调整所述准直器X向旋转角度的第一旋转调整组件、用于调整所述准直器Y向旋转角度的第二旋转调整组件、用于调整所述准直器X向位置的第一位置调整组件、及用于调整所述准直器Y向位置的第二位置调整组件。

上述的高精度光学监控系统，其中所述光控检测装置还包括第二调节平台，所述第二调节平台包括用于调整所述光控光探测器X向旋转角度的第三旋转调整组件、用于调整所述光控光探测器Y向旋转角度的第四旋转调整组件、用于调整所述光控光探测器X向位置的第三位置调整组件、及用于调整所述光控光探测器Y向位置的第四位置调整组件。

上述的高精度光学监控系统，其中所述可调激光发生装置包括由第一单模光纤连接的可调激光器和斩波器，所述斩波器通过第二单模光纤与所述准直器连接。

上述的高精度光学监控系统，其中所述可调激光器的发光功率为2～3mW，所述可调激光器的频带宽度小于0.05nm，所述斩波器的频率为140HZ。

上述的高精度光学监控系统，其中所述信号处理装置包括光功率计和模拟信号数据处理器，所述光功率计和模拟信号数据处理器分别通过第一传感电缆、第二传感电缆与所述光控光探测器连接，且所述光功率计和模拟信号数据处理器均与工控电脑连接。

本发明的有益效果包括以下几点：

(1)本发明开创性地设置所述可调激光发生装置、光控检测装置和信号处理装置，一方面确保单波长激光频带宽带控制于0.05nm之内，有助于镀出通带带宽0.4nm的产品，另一方面光信号稳定的单波长激光沿所述激光测量路径传输，在减少光干涉的前提下，获取高精度的光功率值和电压数值，进而实现通过透过率的变化对镀膜厚度进行精确控制，满足高精度镀膜需求；

(2)结合使用所述可调激光器和斩波器，以使利用所述斩波器将连续的激光变为固定频率、明暗不断变换的激光，在监控镀膜过程中可减少光的干涉，减少光信号波动，使光信号稳定于较少的范围内；

(3)利用所述第一调节平台调整所述准直器的角度和位置，以使准直光射向所述真空室中，确保光垂直或以微小角度照射于置于所述产品放置腔的基片产品上，并且为了减少光的干涉，调整所述第一视窗玻璃的倾斜角度，以使照射于待镀膜产品表面的4.2％反射光偏微小角度，而不会引起沿入射光原路反回；

(4)调整所述第二视窗玻璃的倾斜角度，以使所述第二视窗玻璃表面的4.2％反射光偏微小角度，而不会引起沿入射光原路反回，减少光的干涉，以使激光由所述真空室射出，并且利用所述第二调节平台调整所述光控光探测器的角度和位置，以使精确接收到由所述真空室传出的单波长激光；

(5)配合设置所述光功率计、模拟信号数据处理器和工控电脑，实现完成数据采集读取所述光功率值和电压数值，且所述光功率值和电压数值在运转时波动(光量比例跳动)在0.05％之内，经比例运算获得比例光量值，通过所述光功率值或所述电压数值与透过率的光量比例关系，计算出该基片产品的透过率，进而实现通过透过率的变化对镀膜厚度进行精确控制，满足高精度镀膜需求；

(6)镀膜用的微晶玻璃基板的结构设计为一端面为经高精度抛光的镀膜面，另一端面为磨砂非镀膜面，让光反射为漫反射，极大程度地减少光的干涉。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的结构正视示意图；

图2为本发明的基片产品的M-WDM分光曲线；

图3为本发明的基片产品的DWDM分光曲线。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步说明，以使本发明技术方案更易于理解、掌握，而非对本发明进行限制。

实施例：参见图1，本实施例提供的一种高精度光学监控系统，其包括可调激光发生装置、光控检测装置和信号处理装置；

所述光控检测装置包括准直器21、真空室22和光控光探测器23，所述真空室22包括分别对应所述准直器21、光控光探测器23设置的第一视窗玻璃24、第二视窗玻璃25，于所述真空室22中设置有用于放置待镀膜产品的产品放置腔26，所述产品放置腔26与所述第二视窗玻璃25之间设置有保护玻璃27；所述保护玻璃27用于在镀膜过程中防止镀膜废料堆积于所述第二视窗玻璃25上而影响光的传输效果；

所述准直器21、第一视窗玻璃24、产品放置腔26、保护玻璃27和第二视窗玻璃25处于同一轴线构成激光测量路径。

较佳地，所述第一视窗玻璃24的法线方向、第二视窗玻璃25的法线方向均相对于所述准直器21的出光方向倾斜，且所述第一视窗玻璃24的倾斜方向与第二视窗玻璃25的倾斜方向相反。

优选地所述第一视窗玻璃24的倾斜角度为5～7°，所述第二视窗玻璃25的倾斜角度为173～175°；

或者所述第一视窗玻璃24的倾斜角度为173～175°，所述第二视窗玻璃25的倾斜角度为5～7°。

具体地，为了减少光的干涉，调整所述第一视窗玻璃24的倾斜角度，以使照射于待镀膜产品表面的4.2％反射光偏微小角度，而不会引起沿入射光原路反回；并且调整所述第二视窗玻璃25的倾斜角度，以使所述第二视窗玻璃25表面的4.2％反射光偏微小角度，而不会引起沿入射光原路反回，以使激光由所述真空室22射出，并传输至所述光控光探测器23上。

进一步地，所述待镀膜产品为微晶玻璃基板，其一端面为镀膜面，该镀膜面经精密抛光至面粗糙度小于1nm，其另一端面为非镀膜面，该非镀膜面表面磨砂至面粗糙度在330±30nm，让光反射为漫反射，极大程度地减少光的干涉，基板的转速在900rpm。

进一步地，所述保护玻璃27的法线方向相对于所述准直器21的出光方向倾斜，所述准直器21的出光方向平行于所述光控光探测器23的入光方向。

进一步地，所述光控检测装置还包括第一调节平台28，所述第一调节平台28包括用于调整所述准直器21X向旋转角度的第一旋转调整组件、用于调整所述准直器21Y向旋转角度的第二旋转调整组件、用于调整所述准直器21X向位置的第一位置调整组件、及用于调整所述准直器21Y向位置的第二位置调整组件；具体地，利用所述第一调节平台28调整所述准直器21的角度和位置，以使准直光射向所述真空室22中，确保光垂直或以微小角度照射于置于所述产品放置腔26的基片产品上；其中，所述第一旋转调整组件、第二旋转调整组件为实现X向、Y向旋转调节的组件，优选采用精度为0.01mm的角度微调器；所述第一位置调整组件、第二位置调整组件为实现X向、Y向线性调节的组件，优选采用精度为0.01mm的微调器。

进一步地，所述光控检测装置还包括第二调节平台29，所述第二调节平台29包括用于调整所述光控光探测器23X向旋转角度的第三旋转调整组件、用于调整所述光控光探测器23Y向旋转角度的第四旋转调整组件、用于调整所述光控光探测器23X向位置的第三位置调整组件、及用于调整所述光控光探测器23Y向位置的第四位置调整组件；具体地，利用所述第二调节平台29调整所述光控光探测器23的角度和位置，以使精确接收到由所述真空室22传出的单波长激光；其中，所述第三旋转调整组件、第四旋转调整组件为实现X向、Y向旋转调节的组件，优选采用精度为0.01mm的角度微调器；所述第三位置调整组件、第四位置调整组件为实现X向、Y向线性调节的组件，优选采用精度为0.01mm的微调器。

较佳地，所述可调激光发生装置包括由第一单模光纤11连接的可调激光器12和斩波器13，所述斩波器13通过第二单模光纤14与所述准直器21连接；优选地，所述可调激光器12的发光功率为2～3mW，所述可调激光器12的频带宽度小于0.05nm，所述可调激光器12优选采用日本Santec的可调谐光源；所述斩波器13的电机转动频率为140HZ；所述激光通过所述斩波器13将连续的激光变为固定频率、明暗不断变换的激光，在监控镀膜过程中可减少光的干涉，减少光信号波动，使光信号稳定于较少的范围内。

较佳地，所述信号处理装置包括光功率计31和模拟信号数据处理器32，所述光功率计31和模拟信号数据处理器32分别通过第一传感电缆33、第二传感电缆34与所述光控光探测器23连接，且所述光功率计31和模拟信号数据处理器32均与工控电脑连接；具体地，所述光功率计31为安捷伦Agilent8163B光功率计8163B，所述工控电脑包括GPIB卡，以完成数据采集读取所述光功率值和电压数值，经比例运算获得比例光量值，通过所述光功率值或所述电压数值与透过率的光量比例关系，计算出该基片产品的透过率，进而实现通过透过率的变化对镀膜厚度进行精确控制。

本发明的所述光学监控系统在工作时，包括以下步骤：

(1)设定所述可调激光器12的单波长波长值和发光功率，使所述可调激光器12发出高精度频带宽度在0.05nm之内的单波长激光，并通过所述第一单模光纤11传输至所述斩波器13中；

(2)所述斩波器13维持140HZ的频率转动，所述激光通过所述斩波器13将连续的激光变为固定频率、明暗不断变换的激光，并通过所述第二单模光纤14传输至所述准直器21；所述激光在监控镀膜过程中可减少光的干涉，减少光信号波动，使光信号稳定于较少的范围内；

(3)通过所述第一调节平台28调整所述准直器21，以使1.2～1.8m的准直光射向所述真空室22，确保光垂直或以微小角度照射于置于所述产品放置腔26的待镀膜产品上；

(4)激光通过所述待镀膜产品后到达所述保护玻璃27和视窗玻璃，以使激光由所述真空室22射出，并传输至所述光控光探测器23上；

(5)通过所述第二调节平台29调整所述光控光探测器23，以使精确接收到由所述真空室22射出的单波长激光；

(6)经由所述光控光探测器23接收的光信号，在通过所述光功率计31计算获得光功率值的同时，利用所述模拟信号数据处理器32通过光电转换为电信号，进而获得电压数值；

(7)对所述待镀膜产品进行镀膜，同时所述工控电脑通过数据采集读取所述光功率值和电压数值，经比例运算获得比例光量值，通过所述光功率值或所述电压数值与透过率的光量比例关系，计算出该基片产品的透过率，进而通过透过率的变化对镀膜厚度进行精确控制；

(8)通过所述光学监控系统可镀出M-WDM和DWDM达到要求的分光曲线，如图2和图3所示。

本发明的高精度光学监控系统具有以下优点：

(1)本发明开创性地设置所述可调激光发生装置、光控检测装置和信号处理装置，一方面确保单波长激光频带宽带控制于0.05nm之内，有助于镀出通带带宽0.4nm的产品，另一方面光信号稳定的单波长激光沿所述激光测量路径传输，在减少光干涉的前提下，获取高精度的光功率值和电压数值，进而实现通过透过率的变化对镀膜厚度进行精确控制，满足高精度镀膜需求；

(2)结合使用所述可调激光器和斩波器，以使利用所述斩波器将连续的激光变为固定频率、明暗不断变换的激光，在监控镀膜过程中可减少光的干涉，减少光信号波动，使光信号稳定于较少的范围内；

(3)利用所述第一调节平台调整所述准直器的角度和位置，以使准直光射向所述真空室中，确保光垂直或以微小角度照射于置于所述产品放置腔的基片产品上，并且为了减少光的干涉，调整所述第一视窗玻璃的倾斜角度，以使照射于待镀膜产品表面的4.2％反射光偏微小角度，而不会引起沿入射光原路反回；

(4)调整所述第二视窗玻璃的倾斜角度，以使所述第二视窗玻璃表面的4.2％反射光偏微小角度，而不会引起沿入射光原路反回，减少光的干涉，以使激光由所述真空室射出，并且利用所述第二调节平台调整所述光控光探测器的角度和位置，以使精确接收到由所述真空室传出的单波长激光；

(5)配合设置所述光功率计、模拟信号数据处理器和工控电脑，实现完成数据采集读取所述光功率值和电压数值，且所述光功率值和电压数值在运转时波动(光量比例跳动)在0.05％之内，经比例运算获得比例光量值，通过所述光功率值或所述电压数值与透过率的光量比例关系，计算出该基片产品的透过率，进而实现通过透过率的变化对镀膜厚度进行精确控制，满足高精度镀膜需求；

(6)镀膜用的微晶玻璃基板的结构设计为一端面为经高精度抛光的镀膜面，另一端面为磨砂非镀膜面，让光反射为漫反射，极大程度地减少光的干涉。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术手段和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。故凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明之形状、构造及原理所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围。