光路保护

光路保护（共9篇）

光路保护 篇1

0 引 言

通信技术的飞速发展,全光网络概念的出现,通信信息量的极大增长,使光纤通信网络在电信网中作为传输支撑网络的重要性已越来越明显。光缆线路一旦发生故障,造成通信中断,其损失是难以估量的。据统计我国每年发生2 000次以上的光缆阻断,造成10亿元人民币以上的巨大直接经济损失[1]。因此,对光缆线路实时监测与管理,及时发现光缆故障并快速自动保护倒换,对提高网络生存能力是至关重要的[2]。

目前,各电信运营商采用的光网络保护方式主要有以下四种:人工调度预案保护、光路分流保护、SDH自愈环保护、光路自动倒换保护[3]。由于人工调度预案保护和光路分流保护方式的效率较低,已无法满足无阻断通信服务质量的要求;SDH自愈环保护方式的应用有限,保护机制复杂,并且干线SDH自愈保护的功能无法实现;光路自动倒换保护是对光传输层的保护,且控制只针对光纤路由,与传输设备关系较小,不存在兼容问题,容易组成光路保护网络。本文所介绍的智能光路保护系统正是此背景下的具体技术实现。

1 智能光路保护系统工作原理及结构

本智能光路保护系统采用1+1保护方案,图1为系统自动保护设备工作原理图。光同时通过工作光纤1和保护光纤1传输,在接收端保护设备选择其中的1路光传送给光传输设备。正常情况下,由主控单元(主单片机)在不同的时间间隔分别对工作光纤2和保护光纤2进行光功率实时采样监测,并将其与预先设定的三级不同报警级别的光阈值进行比较,以确保工作光纤和保护光纤均处于完好状态。一旦监测到工作光纤线路发生故障,主单片机立刻发送倒换命令给从单片机,从单片机驱动光开关实现光路倒换,同时,将倒换结果通过主单片机反馈给上位机网管中心。1+1保护方案虽然会给光纤通信系统带来3 dB附加损耗,但无需自动保护倒换协议(APS),工作原理简单,倒换速度快,适用于大客户接入保护以及短距离局间保护等。

自动保护设备采用一主一从双单片机,主单片机负责光功率实时监测、数据处理显示以及和上位机通信,从单片机负责键盘处理、光开关倒换和告警灯LED控制,主从单片机之间采用并行接口通信。设备和上位机网管中心之间通过RS232接口或GPRS接口通信,如图2所示。

2 智能光路保护系统的设计

2.1 硬件设计

光功率实时监测单元由光电转换电路、信号调理(程控放大)电路和A/D转换电路组成。

在每一个保护设备的接收端都有两路光电转换电路,如图1所示,它们分别将从工作光纤2和保护光纤2中分离出的5%光信号转换成电流信号,用于光功率监测。该电流信号有两个特点:信号的绝

对值较小(1 nA),信号的动态范围大(1 nA ~10 mA)。因此,信号调理电路需将电流信号转换成A/D转换器对应的电压信号,并保证在整个范围内有合适的精度。实现的方法有两种:直接采用对数放大器和设计符合系统输入特点的程控放大电路[4]。由于对数放大器的市场价格较高,本系统采用后者。根据系统总体设计,监测光功率的范围为-50~10 dBm,采用6级程控放大,即每级对应的光功率恰好为10 dBm。

主单片机根据采集的信号自动选择不同的放大通道,其中一级放大的放大系数最大,反馈电阻最小。整个信号调理电路由LF411、HEF4051、74LS375、CA3140及一些分立元件组成,其中,集成运放LF411具有非常低的输入偏置电压和非常小的温漂,与周围各级精密电阻结合实现电流信号的分级放大处理。模拟通道选择器HEF4051及其周围精密电阻用以实现程控放大。锁存器74LS375用于锁存程控放大的档位选择参数。高速集成运放CA3140具有极高的输入阻抗和极低的输入电流,在电路中用作电压跟随器,对信号进行稳定处理,以提高放大信号的质量。

在工作光纤2和保护光纤2监测通道再各用1个16位的A/D转换芯片AD7705测量每一路经信号调理的电信号,以提高采样精度,最终实现光功率的A/D转换,如图3所示。本系统由2.457 6 MHz外部晶振提供时钟信号,以最高500 Hz的转换速率工作,由MC1403提供2.5 V外部参考电压。整个光功率数据的采集主要是通过程控放大开关的切换和A/D采样过程联合完成的。

主单片机通过主、从单片机通信电路向从单片机发送操作命令(如:光开关倒换命令、告警灯操作命令等)。主、从单片机间采用并行数据通信方式。如图4所示,数据总线通过8255扩展,并配有2对握手信号线。数据总线双向传输,握手信号线单向传输。同时,从单片机通过该通信电路向主单片机传送按键的键值和光开关操作反馈结果。

光开关自动倒换控制由从单片机及光开关驱动电路共同实现。从单片机根据主单片机发出的光路倒换命令,通过光开关驱动电路实现对收、发两个光开关(一组)的状态控制,实现工作光纤通道与保护光纤通道间的倒换。光开关驱动电路如图5所示,单片机P0.0端口负责光开关的驱动控制和状态检测,由于单片机输出的驱动电平信号不足以直接驱动光开关倒换,因此利用三极管对该驱动脉冲信号进行放大。驱动信号为脉宽约10 ms的正脉冲信号。

2.2 软件设计

2.2.1 光功率实时数据采集处理

在系统软件设计中,主单片机的数据采集处理模块是光功率实时数据采集和处理的关键,也是实现光功率实时监测的重要组成部分。该模块分为A/D采样、采样值转换成光功率和数据处理三部分。

A/D采样软件主要是为了提高采样电压的精确度。由于程控放大电路中相邻两个反馈电阻阻值相差10倍,采样参考电压为2.5 V,采样时若电压太低或太高都会使采样值不够精确,因此采样电压范围不选择满范围0~2.5 V,而选择0.2~2.0 V,即下限电压和上限电压相差10倍,因而在超出限定采样电压范围,并向相邻放大档位倒换后,采样电压原本处于上限(或下限),在档位切换后就处于放大档位的下限(或上限)了,使档位切换过渡比较平稳,档位之间衔接比较连贯,提高了信号的采样精度。

采样值转换为光功率部分将A/D采样得到的16位数据S根据下式计算得出对应的光功率:

采样电压:$V{}_{\text{S}}=\frac{S}{0\text{x}\text{F}\text{F}\text{F}\text{F}}\times 2.5(\text{V})$

光电流:${\rm I}=\frac{V{}_{\text{S}}}{\text{当}\text{前}\text{档}\text{位}\text{电}\text{阻}\text{值}}\times 1000(\text{m}\text{A})$

光功率:${\rm P}=10\lg \frac{{\rm I}}{0.9}(\text{d}\text{B}\text{m})$

式中0xFFFF为A/D满量程时的采样值。接着将这些浮点数格式的数据转化成定点数格式,最后通过乘十或除十运算提取每一位的数值,将其规格化为如图6所示的BCD码的光功率数据格式。

数据处理软件设计是将前面两部分得到的监测光功率数据放大相应倍数,转化成光纤中实际传输的光功率,将其与主单片机中设置好的各级光功率阈值进行比较,判断是否需要告警和倒换,下达相应的控制命令给从单片机,同时记录相应的日志,并在实时光功率数据前后加上数据包头、标签头、工作通道编号、时间值、告警级别、光功率阈值、CRC校验码和数据包尾,组成实时光功率信息数据包,存储在外部RAM中等待上位机查询。

2.2.2 主、从单片机通信协议

光开关自动倒换需通过良好的双机通信协议实现。系统中所有的动作操作都由从单片机完成,而所有的命令均由主单片机判断及下达。由于主、从单片机之间是通过并行接口通信的,所以主、从单片机之间的交互操作主要通过两个单片机之间的2对握手信号线传输握手信号代码和命令信息以及它们的工作状态信息的相互查询实现的。握手信号代码定义如下:“11”为有数据准备发送(发送方输出);“10”为允许发送数据,准备接收(接收方输出);“01”为数据有效,请接收(发送方输出);“00”为数据接收完毕,结束操作(接收方输出)。

主单片机工作状态的定义是与其设备运行状态的显示一一对应的,这样有助于协调显示—主单片机—从单片机三者相互工作的关系。如图7所示,对主单片机的所有工作状态按程序的执行顺序划分层次,如果同一个层次中有多个工作状态,再以子状态进行区分。这样,主单片机的每一个工作状态与一个层次变量值和一个子状态变量值组合一一对应。如图8所示,将这两个变量值融合到一个字节中,用一个全局变量(Vstate)存储,这样主单片机的每一个工作状态就有了唯一的值,从单片机通过查询该全局变量来选择向主单片机发送不同类型的信息。

由于主、从单片机交互操作时传输的内容只有以下3种情况:主单片机向从单片机发送控制命令代码;从单片机向主单片机发送刚接收到的控制命令的操作反馈信息;从单片机向主单片机发送键值信息。因此每次交互操作只传送1个字节就能够表示主、从单片机之间传递的所有命令信息,如图9所示。字节最高位“1”表示传递的是命令信息,“0”则表示传递的是键值信息。高半字节的末三位将命令代码与判断键盘功能特征键“Fn”是否按下信息相结合,“001”表示“Fn”键被按下,“000”表示“Fn”键未被按下或发送的是命令代码。控制命令代码、命令内容、命令反馈信息、键值均只占用低半字节。

2.2.3 光开关倒换

从单片机接收到主单片机发送的“光开关倒换”命令信息后,根据目前工作光纤所在的通道位置将从单片机所连接的倒换通道的相应端口置高,以驱动光开关倒换,同时拉低对应的倒换通道的检测端口,查询倒换反馈结果,判断倒换是否成功。表1为主单片向从单片机发送的有关光开关倒换及告警的操作命令。表2为从单片机向主单片机发送的光开关操作反馈信息。

2.3 光路自动倒换的控制与显示

上位机网管软件的主要功能是轮询各智能光纤自动保护设备,收集各设备上传的实时光功率数据,并进行显示、存储及管理,向设备发送远程控制命令,可远程控制设备进行光路倒换、光功率阈值修改等操作。本系统网管软件用Delphi 7.0开发,数据库采用Access 2000,方便系统的移植。

3 实验结果

为了测试本系统光功率监测的测量精度,用便携式Agilent N3974A作为光源,通过光衰减器进行调节,将系统的测试结果与Agilent N3970A光功率计进行对比。测试数据如表3所示,可见系统测量误差在±0.6 dB以内。

系统的主要性能指标为:监测波长1 550 nm,监测光功率范围-50~+10 dBm,通信速率14.4 kb/s,单次采集实时光功率数据所用时间29 ms,光开关倒换速度≤10 ms,通道倒换速度<50ms,系统插入损耗≤4.7 dB(由于采用1+1保护方案,会给系统带来3 dB附加损耗);分辨率0.05 dB;测量误差±0.6 dB。

本文介绍的智能光路保护系统通过光功率实时监测和光开关快速倒换,保障光通信系统的无阻断通信。该智能光路保护系统是针对线路故障而设计的,是完全独立于各通信系统的网元设备。系统可应用于DWDM和SDH系统、电力系统通信、广电传输保护、专网传输保护以及光层保护等。

参考文献

[1]武汉光讯科技有限责任公司.光路自动切换保护系统在光线路保护中的应用[J].光通信技术,2005,29(4):63-64.

[2]曹俊忠,鲍振武.快速故障检测光路自动切换系统设计与应用[J].电子测量与仪器学报,2004,18(1):34-37.

[3]吴湛.光路自动切换保护技术的原理和应用设想[J].电力系统通信,2006,27(2):17-20.

[4]占胜峰,焦小澄,许国良,等.在线光功率数据采集系统[J].光电子.激光,2003,14(11):1171-1174.

十年阳光路 篇2

采购规模增长较快

2003年,黑龙江省政府采购中心完成的采购任务仅为8.6亿元,五年间分别完成8.9亿元、15亿元、17.4亿元、24.3亿元和40亿元。采购规模翻了4倍,累计节约财政资金11.6亿元,平均节支率为8.3%,不仅取得了明显的经济效益,也有力地促进了廉政建设和社会风气的好转。

制度建设日趋强化

制度是规范行为的前提。改革初期,省政府采购中心根据财政部《政府采购管理办法》等有关规定,在借鉴社会代理机构招标工作经验的基础上,制定了《省政府采购中心招标采购方式操作规程》、《非招标采购方式操作规程》,以及中心内部廉洁自律等方面的规章制度。随着政府采购制度改革的深入推进和《政府采购法》的颁布实施,我们又依法修改完善和重新制定了采购中心内部运转工作流程、内部业务审批、执行情况报告以及规模项目领导现场监督等近二十部规章制度和管理办法。在深入学习实践科学发展观活动中,结合征求到的意见,又进一步制定和完善了《关于加强信息发布有关规定》、《评审专家考核管理办法》、《省本级政府采购项目委托政府采购代理机构采购有关问题的通知》等制度规定。

采购机制不断创新

創新是推动政府采购科学发展的强大动力。省政府采购中心结合实践科学发展观,进一步解放思想,以创新政府采购工作机制为重点,着力解决影响和制约政府采购科学发展的体制、机制问题,切实加强了规范化管理。积极推进“三段式”采购模式改革(即由一人“一条龙”式的操作改为前端技术审核、中端执行操作、末端合同履约的相互制约、相互监督的“三段式”管理模式),开创了具有黑龙江特色的政府采购科学管理新模式。积极创新评标办法,打破了省政府采购中心成立以来一直沿用的以“低价位中标”为主打的传统评标办法,更多地采用综合打分和性价比合理的评标办法。积极打造阳光平台,将竞争性谈判项目在媒体上发布,扩大信息发布范围,诚邀社会更多的商家参与政府采购活动。积极发挥政策功能,将融资担保引入政府采购领域,是拓宽政策功能的一个创新之举。黑龙江省在2007年将融资担保引入政府采购领域中,开创了全国同行领域探索行进的先河。通过两年多的实践,功能已初见成效。这一举措是以深入研究和探索支持中小企业发展为切入点,从健全和完善担保贷款服务体系着眼,促使担保额度明显扩增,企业受益面明显扩大。从黑龙江施行情况看,尤其针对民营科技企业,解决了合同履约资金短缺的困难,为完成政府采购合同提供了保障。在当前经济危机的影响下,把融资担保做大做强,必将极大地解决或缓解中小企业资金短缺的“燃眉之急”,有利于鼓励和支持中小企业加快发展。

服务功能不断拓展

为进一步拓展政府采购的服务功能,省政府采购中心增设了政府采购产品展示厅。展示主要以协议供货主流产品为主,同时还为经常参与政府采购活动的企业提供新产品、新技术推介场所,将主流的产品性能、型号及相关技术进行多角度、宽领域地展示宣传,以便采购人能更及时地了解市场动态,掌握最新产品的性能,达到预算单位和供应商双赢的目的。

队伍建设明显加强

光路保护 篇3

随着光纤通信技术的发展, 光纤通信已经成为了干线传输的主要手段, 网络的可靠性已经变得同网络容量一样重要。为了尽量降低光纤断裂带来的网络故障, 人们提出了各种保护方案, 其中光路自动切换保护技术是基于光开关技术研制的, 它由网管中心和光路保护硬件系统所组成, 通过实时监视光缆中传输光功率的变化来及时发现故障, 能够在出现严重故障时, 将工作光路快速地自动切换到备用路由, 在极短的时间内恢复通信[1]。

1 光路自动切换保护系统的结构

光路自动切换保护技术主要有1+1和1:1两种方式。1+1保护方式的特点是备路中的信号与主路中的信号始终保持一致, 即使没有发生故障, 备用路由也不能挪作他用。1:l保护方式比1+1保护方式灵活, 没有故障发生时, 备路可以传输其它信号, 提高了光缆利用率[2]。

1.1 1+1保护方案

1+1保护方案如图1所示, 发送端和接收端之间有主、备两条线路, 传输设备会选择其中一条线路作为主用线路, 另一条线路则作为备用线路, 发送端通过50:50耦合器相连接, 光信号同时在主用线路和备用线路中传输, 在接收端优选其中一路进行接收。

1+1保护方式的优点是双发选收、实现简单、切换速度快, 但是由于引入50:50的耦合器, 一对设备带来了6d B左右的光路损耗, 因此1+1保护适用于短途、信号较强的系统。

1.2 1:1保护方案

1:1保护方案如图2所示, 发送端和接收端之间有主、备两条线路, 传输设备选择其中一条作为主用线路, 另一条则作为备用线路, 发送端与接收端都通过光开关相连接。光信号只在主用线路中传输, 备用线路一般用来不传输信号或者传输次一级信号。如果主用线路发生故障, 接收端监测到信号光功率出现下降, 接收端的光路自动保护系统会自动将传输信号路由从主用线路切换到备用线路, 发送端的光路保护系统也会同步将当地的线路从主用线路切换至备用线路。

1:1保护方式的优点是插入损耗小, 一对设备引入的插入损耗为3.5d B左右, 适用于系统冗余量较小的线路, 如长途系统。但由于接收端与发送端都要进行光路切换, 因此切换速度比1+1保护方案稍慢[3]。

综合比较而言, 1:l保护方式理论上能够100%恢复中断业务, 它的光缆利用率较高、插入损耗小且切换时间较快, 这种方式在光纤通信自动保护系统的产品设计中得到了大量的应用, 因此, 本设计采用了1:l保护方式。

3 1:1方式的光路自动切换保护系统的硬件设计

光路保护系统需要对实时主路与备路光纤的状况进行实时地测量与分析, 一旦出现故障要及时进行处理, 因此对整机系统的实时性要求较高。

目前市面上大多数光路保护设备采用单片机控制。由于单片机是单线程处理器, 同一时间只能处理一个内容, 而光路保护系统在一个时间内既要测量主路与备路光纤状况, 还要对数据进行处理分析, 并且控制相应的模块, 同时还需要将数据发送到网管中心供分析。使用单片机做主控芯片的系统实时性不高, 光路切换时间较长。因此, 本系统采用ARM作为主控芯片, 移植嵌入式操作系统, 采用多线程操作, 可以提高系统实时性, 缩短光路切换时间。

光路自动切换保护系统的硬件电路主要包括主控单元、光功率监测单元、光开关控制、光模块控制、TCP网络通信、按键与显示等模块。

其中, 光功率监测单元实时监测主备两路光功率, 将光信号转换成电流信号, 通过后续电路将电流信号转化成能够被采集电路直接采集的电压信号;光模块控制电路控制备路光纤中光信号的关断;光开关控制电路根据处理中心的数据实时控制主备光路的切换;TCP网络通信将数据实时传输到网管中心, 通过网管软件供网管人员进行控制操作;ARM处理器处理实时数据并发出控制命令给相应机构;按键与显示模块供人机交互使用。

4 1:1方式的光路自动切换保护系统的网管软件设计

1:1方式的光路自动切换保护系统采用了可视化软件Delphi编写网管软件, 网管软件分为故障管理、用户管理、日志管理、设备管理、拓扑图等模块。

4.1拓扑图模块:查看各个光路由中光路保护的数据;

4.2设备管理模块:管理人员可以通过此模块对设备的基本信息 (设备名、线路、IP地址等) 进行设置与修改, 使网管软件与硬件设备的通信建立;

4.3故障管理模块:网管软件将光路由中的数据进行判断, 得出告警级别, 并且发出相应的告警信号, 供管理人员进行查看与确认;

4.4用户管理与日志管理:对管理人员的基本信息以及管理权限进行设置与修改, 以及记录管理人员操作的信息。

5 结论

根据ITU-T G.841通信行业标准与GB/T 24367.1-2009标准, 对1:1方式的光路自动切换保护系统进行了数据通信测试和切换时间测试。

测试表明, 在剪断主用路由光纤时, 光路能够快速进行切换, 系统切换时间≤20ms, 并且在进行远程控制的时候, 不影响系统的切换时间, 采集到的数据可通过以太网实时传输到远程数据中心, 供网络中心分析和诊断。

摘要：为了降低光纤断裂带来的通信故障, 通过光路自动切换保护技术对光纤线路进行保护和切换。本文首先对两种光路自动切换保护方式进行了分析对比, 提出了1:1方式的光路保护系统的设计方案, 包括系统的硬件设计和系统网管软件设计。经过测试, 系统切换时间大大低于GB/T24367.1-2009标准中规定的50ms。

关键词：光路保护,自动切换,1:1

参考文献

[1]方东.光缆线路监测系统的原理及应用[J].电信技术, 2002 (1) .

[2]王江平, 范忠礼.光传输网络的保护倒换[J].现代有线传输, 2000, 2:39-42.

中阶梯光栅分光光路的设计 篇4

关键词： 中阶梯光栅； 光谱仪； 二维光谱； 交叉色散

引言普通光谱仪中，为了实现高色散率和高分辨率的目的，往往需要使用刻线密度很大的闪耀光栅并必须增大光谱仪的焦距，从而导致光谱仪的体积较大，这有违当今科学仪器小型便携化的发展趋势。当使用面积很大的光栅时，也增加了大面积光栅的制作难度。另外普通扫描式光谱仪的光谱测量方式也不能达到现代科学仪器实时快速测量的要求。由闪耀光栅的衍射原理可知，若使用低级次的衍射，必须使用细刻线的光栅才可以得到较高的角色散，但是若能够使用高级次光谱，则粗光栅也可以获得高色散。中阶梯光栅即是一种粗光栅，是由美国麻省理工学院的Harrison G R教授1949年研制出的一种阶梯光栅，它的主要特点是：具有很大的闪耀角，每级可得到较大的角色散；光谱级次间多有重叠，配合二次色散元件进行交叉色散后方可得到二维光谱图，一次测量可以得到波长范围很宽的光谱。由于每一级次的色散角较小，每一级的自由光谱范围内的波长都集中在该级次的闪耀波长附近，因此中阶梯光栅可以对全波段闪耀。由于中阶梯光栅的这些特点，故中阶梯光栅光谱仪的优势就显而易见了。使用中阶梯光栅分光的光谱仪与常规光谱仪相比，具有检出限低、波段宽、无移动部件、结构紧凑、无需多次扫描曝光便可实现多元素光谱的瞬态测量的特点，利于实现高度智能化和自动化，代表了先进光谱技术的发展趋势。近年来利用中阶梯光栅作为主要分光元件的光谱仪的研究成为国内外许多学者关注的热点之一，这使得中阶梯光栅光谱仪也成为了最具发展前景的光谱仪类型之一。1分光光路的基本原理在整体光路设计中，采用了CzernyTurner 型，这是目前使用最广泛的结构形式之一。该结构光学器件少，无移动部件，简单紧凑，入射光和出射光夹角为定值[1]。这有利于后端调试和标定，并且通过调整各部件的相对位置，可以有效控制像差及获得二维平像场。光学仪器第35卷

第3期刘海涛，等：中阶梯光栅分光光路的设计

在设计的中阶梯光栅分光光路中，配合中阶梯光栅使用的交叉色散元件是棱镜，光路原理如图1所示。

再次入射到棱镜，由聚焦镜反射后到达探测面。在中阶梯光栅之前的色散方式为预色散[2]，而在中阶梯光栅之后的色散方式为后色散。本文的设计并不是单独地采取其中某种方式，而是让光线先通过棱镜的色散之后照射到中阶梯光栅之上，经中阶梯光栅的衍射分光后，光线恰好再次经过棱镜，这相当于预色散与后色散两种二次色散方式的结合，其优点在于使得光谱的级次重叠能够被更好地分离。另外，配合中阶梯光栅使用的二次色散元件还有光栅[3]，其优点是可使中阶梯光栅光谱的级次更大的分离，而不足之处是集光效率较低和不同波长的色散严重不均匀，二级光谱必须消除，通常需要两块横向光栅分别工作在不同波段获得合适的横向色散。而棱镜作为二次色散原件具有更高的光效率和更加均匀的横向色散，且不存在闪耀和光谱级次重叠问题，所以可工作光谱范围非常宽。本文采用棱镜作为二次分光元件，棱镜对中阶梯光栅光谱的级次重叠部分进行二次色散后形成的是二维光谱，它更加适合于面阵探测器接收。2光栅光路的设计

2.1交叉色散元件光线首先入射到分光棱镜的表面，因此先确定光线相对于分光棱镜的入射角。此时，光线是在棱镜的主截面（即与棱镜底面平行的面）内入射，色散公式为：i′2=sin-1nλsinα-sin-1sini1nλ（1）式中，i′2为出射角，i1为入射角，nλ为棱镜的折射率，α为棱镜折射顶角。由式（1）即可求出不同波长的经棱镜色散后的折射角。从棱镜的色散公式（1）可以看出，若要增加棱镜的分光能力，可以通过减小光线的入射角，增加折射顶角、折射率和材料的色散率等途径来实现[3]。但是由于减小入射角而导致的通光口径的减小，棱镜顶角的增大带来的底面全反射的干扰以及棱镜材料的限制决定了棱镜的色散率是不可能一直增加的，而要受到以上条件的约束。因此，确定光线的入射角就要考虑到以上各种因素。系统的工作波长范围为200～900 nm，现选择550 nm的波长作为设计时的参考波长。由于棱镜折射顶角的增大必须考虑到棱镜底面全反射的限制，所以需要遵守以下条件：sinα2<1n（2）由式（2）可以看出，确定棱镜折射顶角的应为最短波长的折射率。另外，还需考虑棱镜厚度对透过率的影响以及通光口径的要求等因素。由棱镜的最小入射角理论可知[4]，棱镜的最小入射角应为：imin=sin-1（sinαn2-1-cosα）（3）式中，α为棱镜折射顶角，n为折射率。虽然减小棱镜的入射角可以增大棱镜的角色散率，但入射角是有一定的限制范围，由式（3）可知棱镜入射角可取范围为imin，π2。棱镜的分辨率为：R=tdndλ（4）式中，t为棱镜底边的长度，dn/dλ为棱镜材料的色散率。由此可见，增大棱镜的底边长度即可增加棱镜的分辨率，但是还要考虑棱镜底边长度的增加对光线透过率的影响以及加工制作的工艺难度等因素，因此，棱镜的底边长度也不是越长越好。另外，考虑到探测面上光能量的要求，入射到棱镜表面的光斑不能太小，否则会使探测器探测不到，这就要求入射光斑具有一定的大小，棱镜的通光口径尺寸不能过小。

2.2中阶梯光栅中阶梯光栅是分光光路中最重要的元件，其色散方向与棱镜的色散方向相垂直，所以可以通过两个色散元件的配合得到无级次重叠的光谱。为了实现所要求的波长范围内的全波段闪耀，并且不会大幅度地增加棱镜通光口径，使用了以下两种方法。

入射当入射光线在中阶梯光栅主截面内的入射角等于衍射角时，此时的光栅即工作在Littrow条件。在Littrow条件下，光栅效率最高，此时的入射角也就是闪耀角。但是若使光路中的中阶梯光栅工作在标准的Littrow条件下，出射光线将沿着入射光线的光路返回，这就使得光谱的接收探测难以实现。因此，在实际应用中，应使入射光线以与光栅的主截面保持一个不为零的小角度γ照射到中阶梯光栅上，而入射光线在主截面内的投影与光栅法线的夹角为闪耀角[56]。光栅的这种使用方式称之为“准Littrow条件”，此时的光栅方程式为：d（sinθ—1+sinθ—k）cosγ=mλ（5）式中，θ—1为主截面内的入射角，θ—k为主截面内的衍射角，d为光栅常数，m为衍射级次；λ为波长。经棱镜色散后，不同波长的光线照射到光栅表面时，其入射角都是不同的，此时的入射角是波长的函数，即：cos（θi+γ）=cosθbcosθn（6）式中，θi为入射角，θb为闪耀角，θn为经棱镜第一次折射后各波长与550 nm波长的夹角，该角度为：θn=sin-1nλsinα-sin-1sini1nλ-sin-1n550sinα-sin-1sini1n550（7）式中，nλ为任意波长的折射率，n550为550 nm波长的折射率。

2.2.2闪耀级次的确定根据中阶梯光栅的衍射分光特性，若要在要求波长范围内达到全波段闪耀，且最终得到连续而不重叠的光谱图像，则应该使用每个级次的闪耀波长及各级次的自由光谱范围内的波长。由于中阶梯光栅的自由光谱范围很窄，所以其自由光谱范围内的波长皆具有较大的光强[67]。因此，使用各衍射级次的自由光谱范围内的所有波长，再配合交叉色散元件的色散即可得到全波段闪耀并且连续而不重叠的光谱图像。设计时采用的刻线密度为79 l/mm，闪耀角满足tanθb=2的中阶梯光栅。在所选取的参考波长处的衍射级次为41级，其自由光谱范围为：Δλ=λbm（8）其中λb为该级次的闪耀波长。由式（5）和式（8）就可以得出不同波长的闪耀级次以及该级次的自由光谱范围。由于中阶梯光栅的自由光谱范围较窄，所以每个级次所对应的发散角也很小，这也有利于在棱镜第二次色散时，减小光线通过棱镜所需的通光口径。中阶梯光栅与棱镜的相对位置由参考波长经棱镜第一次折射后的出射角决定。因为中阶梯光栅是在准Littrow条件下使用，所以应使光栅的主截面与550 nm的光线成角度γ。中阶梯光栅与棱镜的相对距离可参考仪器设计的尺寸要求，在理论上是距离越大越好，但是由于两者的距离增大，棱镜尺寸也必须相应地增加。另外，由于中阶梯光栅处在准Litrrow条件下，光线并不是在光栅的主截面内入射，所以必然会产生谱线的弯曲[8]，随着中阶梯光栅与棱镜间距离的增加，这种谱线的弯曲也会加剧，所以在设计时要考虑到这些因素的限制。

2.3聚焦物镜采用离轴抛物镜作为光路聚焦物镜，这是因为如果聚焦物镜选用球面镜，为了避免光线的遮挡，在离轴使用时会造成物点发出的光线沿着主光线方向成像在不同的位置，而用抛物镜代替球面镜可以消除这种影响[911]。经过离轴抛物镜的聚焦，在其焦平面上就可以得到所需的二维光谱，由前述可知，此时的光谱为连续不重叠的光谱，如图3所示为计算机模拟的理想光谱图[12]。3结论针对中阶梯光栅光谱仪中的中阶梯光栅分光光路设计的具体论述，尤其是对分光光路中的关键元件—棱镜和中阶梯光栅的具体性能参数：如棱镜入射角、底边长度、棱镜折射顶角的大小以及棱镜折射率进行了讨论。通过对中阶梯光栅的衍射理论的介绍及准Littrow条件的应用条件的研究分析，得到了关于中阶梯光栅与色散棱镜相对位置的确定方法以及实现中阶梯光栅连续不重叠光谱的方法，达到了优化中阶梯光栅分光光路的目的。本文所述的设计过程将对以后的中阶梯光栅光谱仪的研究具有指导意义。

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激光切割机光路系统设计 篇5

关键词：机械设计,激光切割机,光路,设计,二氧化碳发生器,圆偏振镜,吸收薄膜反射镜

激光切割与传统切割机床相比具有更好的加工柔性,而且加工速度快、效率高、无振动及噪声等[1]。近年来,激光切割技术正以前所未有的速度发展,每年都以15%~20%的速度增长。我国自1985年以来,更是以每年近25%的速度增长[2]。

激光切割是利用激光束聚焦形成的高功率密度光斑,将材料快速加热至汽化温度,蒸发形成小孔洞后,再使光束与材料相对移动,从而获得窄的连续切缝[3]。激光切割的质量和精度受众多因素的影响,有一些影响因素在切割生产中是可调节的,如激光功率、切割速度、辅助气体气压、焦距和焦点位置等;另外还有一些切割影响因素是预先确定的,如激光器的性能、光束传输的光路系统等。其中,实践表明,光束传输的光路系统对激光切割质量具有重要影响。

本文结合我公司TL3015三维激光切割机的研发项目,通过对光束的传输特性、光路系统的传输环境等方面进行系统分析,总结阐述了光路系统的设计要点和使用方法,对激光切割机的光路系统设计具有指导意义。

2 光路设计

在激光切割过程中,受到诸多因素影响,可能导致不能获得稳定的切割质量,出现切口表面粗糙、切缝宽度不一致、切口挂渣、切不透等现象。在光路设计中,要尽量排除干扰切割质量因素。其中主要应考虑两方面因素,即光束传输特性、光路系统的防护。

2.1 光束的传输特性

不同厂家的激光器产生光束的传输特性不同,其光路设计也不尽相同。光束的传输特性在设计上主要考虑两方面,即光束的发散特性以及光束的偏振特性。

2.1.1 光束的发散特性及补偿措施

由于光束具有发散特性,机床在不同行程位置切割时,光束的直径会随光束传输距离的变化而变化,其带来聚焦点的变化使切割质量不稳定。激光光束特性对聚焦点的影响,如图1所示,光束直径越大通过透镜后得到的聚焦点将越小。为了在切割大幅面板材时保持切割范围内前后切割质量一致,需要采取一定的补偿措施。目前通常采用以下三种方案。

(1)扩束镜。如图2所示,扩束镜是一种由凸透镜和凹透镜组成的光学系统,该装置能改变光束的大小和发散特性。扩束镜的原理是先对光束进行扩展,再将其聚焦,可以得到更小的焦点。扩束镜可以改善光束的准直特性,使得光束直径在切割范围内基本保持一致。使用该装置可以获得前后基本一致的切割质量,并可提高切缝与板材表面的垂直精度。

(2)变曲率半径镜平片(VRM)。VRM闭环控制系统原理是:通过调整变量泵的输出流量来改变VRM镜片内水槽中的水压,从而改变聚焦透镜的曲率半径。变曲率半径镜片能够在光路长度改变时动态地调整光束的特征参数,以保持焦点半径和焦点深度的稳定。VRM系统结构复杂、成本高、需要闭环控制,国外一些技术先进的产品采用这种光路补偿措施。但就目前国内整体技术水平而言,难以达到预期的使用效果[4]。

(3)恒定光程系统。恒定光程是指从激光器到加工板面的光束传输距离恒定。下面介绍两种实现恒定光路的方案。(1)如图3所示,该方式为单独使用一台伺服电机控制两块将光束反射回去的光学镜片来取得恒定的光路长度,参见图中U轴处。因为光束存在束腰和发散角,不同的光程有不同的特征,如模式形状等。该方案能够实现可调的光路长度,可满足不同的光程长度的多种加工性能要求。(2)如图4所示,该方式为使用一个可以旋转的光学镜片和传输光束的导光臂来取得恒定的光路长度。该方案可以使用最少的镜片来实现恒定的光路长度,而且光路的调节简单。

2.1.2 光束的偏振特性

大部分激光器发出的激光束是在垂直于传播方向的平面内光矢量只沿一个固定方向振动的线偏振光。在实际激光切割中存在着不同方向切割的切缝质量不一致、高反射率金属(铜、黄铜、铝)难以切割等问题。我们在光路设计中利用其光束的偏振特性配合使用了不同的光学镜片,很好地解决了上述问题。

(1)在激光切割实验中发现,切缝质量取决于相对于切割方向的光偏振方向。由于相对于金属切割面呈S偏振的光比呈P偏振的光更容易被切缝表面反射,切缝质量会在不同切割方向上产生差异。我们使用反射式相位延迟圆偏振镜片(RPR)来消除切缝的这种变化,其作用是把激光器发出的光束由线偏振光转换为圆偏振光。圆偏振光在任何光束方向上都是由等量的S偏振和P偏振组成的,因此在所有的轴向都会具有相同成分的偏振,无论切割方向如何,都将以均一的方式去除材料。

圆偏镜的使用安装方法如图5所示。入射光束的偏振方向必须与传输面成45°角,且以90°角反射出去。在激光切割机的使用中圆偏镜应该尽可能靠近激光器安装,以便取得一个准确的入射角,避免入射角不准确导致切缝倾斜。

(2)在激光切割高反射率金属穿孔时,光束的一部分会被反射偏离金属表面并进入激光器腔体,引起光束模式和光束能量不稳定,从而干扰激光器的正常运行。同时其中被反射回来的光束将可能在激光器腔体内放大,然后集中于下一光束中同时照射在光学镜片上,引起光学镜片的损害。我们在切高反射率金属的过程中使用了吸收薄膜反射镜片即ATFR镜片,其特点是对S偏振光的高反射率(通常为99%)和P偏振光的低反射率(通常小于1%)。例如在切割铜、黄铜、铝时,其表面反射回来的光束将被ATFR镜片吸收。

ATFR镜片的使用方法:(1)如图6所示,先确定激光器射出的光束的偏振方向,然后再确定ATFR镜片的安装位置,使照射到ATFR镜片上的光束为S偏振光。例如:射出光束水平偏振时,光束需经过ATFR镜片向上或向下垂直反射;射出光束垂直偏振时,光束需经过ATFR镜片向左或向右水平反射;射出光束45°偏振时,光束需经过ATFR镜片向上斜45°或向下斜45°反射。(2)如图7所示,激光切割机中需要在ATFR镜片与切割金属之间的适当位置安装PRP镜片。

2.2 光束的传输环境

光束从激光器射出经过气体介质的传输到达切割金属,在传输过程中会受到传输介质的影响,不良的传输介质会影响切割质量。我们分析了传输环境的各个因素对光束的影响,在设计光路中使用了净化装置和洁净密封的设计。实践证明,该设计能够很好地控制传输环境对光束的影响,并且有效减少了其对反射镜片的污染,对切割质量的提高起到了显著作用。

2.2.1 光路中的灰尘、油雾、水汽

如图8所示,当光束通过带有灰尘、油雾、水汽的空气时,光束有部分能量会被吸收,光束的扩散角度将被扩大,从而影响最终到达切割板材的光束质量。如图9所示,随着光束的发散角的增大,聚焦点的高度将会降低。针对上述问题,我们设计安装了灰尘、油雾和水汽的过滤装置,只有经过过滤的空气才可以进入通光管道。

2.2.2 光路中的二氧化碳

光束传输时,通道内的二氧化碳会吸收部分光束的能量使传输通道变热,同样二氧化碳也会引起光束扩散角度的扩大。切割时间越长对切割质量的影响越明显,其影响也会随着激光功率的增大和光路长度的增加而增加。

控制光束传输通道内二氧化碳比例的方法一般采用以下两种:(1)采用二氧化碳过滤器(也可采用吸附二氧化碳的空气干燥器),控制光束传输通道内二氧化碳的比例。(2)采用PSA氮气发生器获得高纯度的氮气,使得光束在单一氮气中传输以获得更好的质量。PSA制氮设备原理是:PSA空分制氮设备,以空气为原料,以碳分子筛为吸附剂,运用变压吸附原理(PSA),利用充满微孔的分子筛,对空气进行选择性吸附,从而达到氧氮分离的目的[5]。当干燥纯净压缩空气进入碳分子筛时,空气中的O2、CO2和H2O被选择吸附进入分子筛的微孔中,而未被吸附的N2穿过吸附区成为输出气体。当碳分子筛吸附O2、CO2和H2O达到饱和时,利用减压解吸将其排入大气中。如图10所示。

2.2.3 光路通道内吹气的安装

为了获得良好的光束质量,我们在设计中尽可能保证光束传输部分的密封性,并保持光束传输部分被连续地吹入净化的空气,避免外界污染物进入传输通道内。

2.2.4 运动部件的防护

大部分厂家都使用可拉伸的防护护罩作为运动部件的光路防护腔体,其直径通常需要大于光束直径的3倍,以避免干涉到光束的传输。

以下为不同种类防护护罩性能的对比:

圆形护罩容易受重力的影响而下垂,在运动中也非常容易受振动的影响,从而可能会干涉到光束。

望远镜型护罩通光口的大小会受到其长度的限制,而且这种类型所使用的润滑油可能进入其内部,润滑油蒸发后对光束的传输会有严重影响。

风琴型护罩的性能要优于前两种类型的护罩,其内部需要有骨架支撑,并且每隔几折需要有PVC骨架与导向零件的连接。

根据三种防护护罩的特点对比,结合公司TL3015系列的结构特点,我们采用了风琴型的方式防护,很好地保持了光束传输环境的洁净。

3 结束语

作为当代最先进和最重要的材料裁切方法,激光切割在现代工业中得到广泛应用。本文针对光束传输的物理特性、传输环境对激光切割机光路的影响进行了分析和研究,提出了光路系统设计的方法和要点。

参考文献

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钬激光光路系统原理与维修方法 篇6

关键词：钬激光,光路,医疗设备维修,氙灯

0前言

钬激光是20世纪末出现的高新技术, 是目前最先进的体内碎石设备。它是一种固态激光, 工作递质为钬-钇-铝石榴石 (Ho:YAG) , 是利用氪闪烁光源激活掺杂在钇-铝石榴石晶体中的稀有元素钬而产生的脉冲式近红外线激光, 波长为2100 nm。钬激光可用200~600μm石英光纤传输, 因此可通过内镜通道到达结石部位, 在直视下直接将结石粉碎[1,2]。碎石过程中, 结石表面的水和结石中的水吸收钬激光的能量后汽化形成小球, 汽化小球随后裂解所形成的冲击波产生二次压力, 使结石粉碎。钬激光碎石技术具有切割、汽化、止血的功效, 能粉碎坚硬的泌尿性结石, 不伤害机体软组织, 单次手术结石粉碎率>99%。钬激光碎石具有不开刀、痛苦小、成功率高、恢复快、并发症少等优点[3,4]。

目前Ho:YAG激光系统在国内已经有一定数量的应用, 但因相关资料少, 维修有一定的难度。现就美国科医人公司的Power Suite 60 W激光系统为例, 对常见故障中的光学系统故障进行分析, 并提出解决的方法。

1 钬激光光学系统工作原理

Ho:YAG激光是在激光发生器中产生。Ho:YAG激光晶体与泵浦灯 (氙灯) 同置于—个聚光腔内, 当触发电路提供一个触发信号时, 由交流220 V变压而成的高压通过电容储能模块向氙灯提供能量, 将氙灯的光能量充分耦合到Ho:YAG激光晶体棒上, 使工作物质完成粒子反转, 晶体受激发产生辐射在全反镜与输出耦合镜间形成振荡, 部分能量由输出镜输出, 形成波长为2100 nm的激光输出, 通过反射经过聚焦镜、防护镜, 经过光纤传输, 直接作用于病灶[5]。

2 故障现象

机器开机自检时出现故障报警:“maximum available Ho:YAG pulse rate reduced to 25 Hz;maximum available Ho:YAG power reduced to 30 watts”, 即最大有效脉冲频率低至25 Hz, 最大有效功率低至30 W。忽略此故障后机器能使用, 但对硬度大的结石粉碎效果差、耗时长, 影响手术效果。

3 故障分析与排查

碰到此类故障时, 可能是光路问题, 也可能是其中一路激光发生器停止工作, 但绝大部分是由于光路系统中的激光透射与反射镜打坏造成自检功率不达标。因此重点检查激光光路。该机有3路激光, 每路激光功率30 W[6]。每路在机内经过两次10°左右的反射, 一次公共旋转反射, 两次90°反射, 然后通过保护镜片, 经光纤输出。因自检报功率衰减到30 W, 而不是更多或全部衰减, 很大的可能是因为其中一路激光独立反射部分光学镜片打坏, 造成功率输出不足。

打开位于主机最上方的机壳内的激光组件工作腔, 仔细观察每路独立光学反射镜, 发现其中一路第二次反射镜片上出现斑点, 斑点直径约1 mm。另外观察其余几路独立反射镜, 公共反射镜, 镜面良好。观察结果与分析情况相吻合。

4 故障处理

准备反射镜片1枚 (用于更换烧坏镜片) , 内六角扳手 (主要用于更换与调整镜片) , 白纸1张 (用于测试光标形状) , 维修光纤 (长度约30 cm) , 红色记号笔 (用于涂抹维修光纤输入截面, 便于观察光斑直径) , 专用放大镜 (用于观察维修光纤涂红的截面图形) , 塑料手套1副 (在拿新镜片时使用, 防止汗液等粘在镜片上) 。

首先定位, 用记号笔细端做记号, 定位镜片位置, 便于新镜片的安装定位。然后用内六角扳手拧开镜片锁紧螺丝, 取下旧镜片, 带手套换上新镜片, 接着固定。更换镜片时注意镜片上的方向标识, 不要将方向装反。

将机器前电路板上的维修开关打开, 开机并进入维修菜单, 单独对该路激光进行开关操作。取白纸放于第3次反射后端, 踩下脚踏开关, 观察白纸上的光斑形状。光斑为椭圆形时需调整反射镜片上的3个调整螺丝, 反复几次后, 使光斑达到圆形。

最后在机外光纤输出接口接上维修光纤, 此时维修光纤截面应涂红, 踩下脚踏输出激光, 再取下维修光纤, 用放大镜观察截面红涂料汽化情况, 光斑为圆形时证明光路调整到位, 可紧固螺丝。否则需在重复以上步骤, 重调光路。

光斑效果达到要求后, 进入维修界面对激光重新进行定标, 使输出功率与屏幕显示输出功率相匹配。所有工作完成后切换到正常模式。装配完成后, 开机自检, 进入正常工作模式, 激光功率正常, 故障排除。

5 总结

根据镜片损坏情况, 分析主要是空气中有灰尘或水汽落于镜片上, 造成激光通过时产生热效应, 从而烧坏镜片镀膜层。因此必须保证设备工作环境要洁净, 湿度要控制适中。在维修完成后, 关机盖时注意防尘防潮, 注意机盖的密封性, 防止灰尘和水汽在维修后进入。

因激光属于高能光线, 能对皮肤和眼睛造成伤害。因此在维修过程中最好佩戴眼镜, 避免直视激光, 避免将手放到光路中。

参考文献

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光路保护 篇7

在电子集成电路芯片的生产线上,芯片的外观检测是一项重要的工序[1]。目前很多生产线上仍采用传统的人工目测检测,发现缺陷后,手动剔除不合格产品,这样的检测方法存在很多问题[2],难以满足工业需求。随着机器视觉技术的发展,它们已被成功应用到工况监视、成品检测和质量控制等领域[3]。机器视觉检测作为一种高效的检测手段,与传统的检测方法相比,具有不可替代的优越性[4,5,6,7,8],它们大幅度地提高了产品的质量和可靠性,保证了生产的速度[9,10]。

1 芯片外观检测

芯片外观检测指标中一般有二维指标和三维指标,如图1所示,检测项目有管脚跨距、管脚间距、管脚对称性、管脚一致性、管脚排弯、管脚倾斜、管脚宽度、管脚弯曲度、管脚栈高和管脚共面度等。其中三维指标检测难度最大,同时也是三维外观检测的重点,如管脚栈高和管脚共面度等的检测。该问题主要有两个关键技术:硬件采图和软件算法。硬件采图装置的光路原理直接决定了软件计算芯片三维指标的方法,同时它所采集的图像质量直接影响着软件算法的复杂度和检测精度,因此硬件采图装置的光路设计显得尤为重要。在实际生产中,QFP芯片的种类繁多,外形尺寸范围跨度大(如外形尺寸从5 mm×5 mm～40 mm×40 mm),如何设计一个光路可以采集高质量图像,同时可以对各种规格芯片进行可靠成像并满足软件处理要求,也是一个技术难点。

在QFP芯片检测领域,国外起步较早,目前国内尚无成熟的相关产品,国外代表厂家为美国的KLA-Tencor、SCANNERTECH和Coherix以及马来西亚的TTVision等。KLA-Tencor采用特有的阴影检测技术,通过精确的打光倾斜照射管脚,管脚的阴影将投射到一个半透明玻璃平台,分析每个管脚不同角度打光下影子的尺寸,重构管脚的三维坐标,该方案对打光要求高,并且标定复杂,同时软件实现难度较大。

SCANNER公司和TTVision公司采用单相机加棱镜方式获取芯片五面图像,通过图像处理算法计算三维指标。该方案芯片检测时有下降动作,降低了检测效率。Coherix公司采用三相机成像的方式检测芯片的三维指标,三套图像采集系统增加了硬件成本,同时增加了标定的难度。

本文针对目前视觉检测装置的不足和工业的实际需求,提出了一种新的QFP芯片的三维外观视觉检测光路,该光路已成功应用在外观检测设备上,并较好地满足了实际生产要求。

2 光路设计方法

根据前面的分析,为了克服现有装置的不足,本文提出了一种新的光路设计方法。针对芯片三维指标求取难以及多相机成像硬件成本高的问题,本光路采用1个数字相机加4个平面反射镜的方式,在一个视场内同时对芯片的五面(芯片底面和四侧面)采图。针对芯片外形尺寸范围跨度大导致的成像困难问题,本光路采用平行光路设计。针对芯片输送过程中有下降动作的问题,本光路采用特殊的U行反光板打光方式,可使芯片在输送过程中平行移动到采图装置上方而无需下降动作。此外,本光路采用LED条行光背光照明,另加大景深镜头,从而保证了芯片成像均匀,对比度高,有利于提高整个装置的检测精度。

如图2(a)和图2(b)所示,该光路主要包括吸取机构1、U形反光板2、两个光源3、待测芯片4、四个平面反射镜5、镜头6、相机7及工作距离调节机构8。其中吸取机构1负责吸取待检测芯片4至检测位,检测完成后,吸取芯片1离开检测位。U形反光板2安装在吸取机构1上,随吸取机构一起动作,起反光作用。两个光源3安装在U形反光板2和平面反射镜5之间,起打光作用。四个平面反射镜5以一定的角度安装在四面,起改变光路的作用。镜头6为一大口径、大景深镜头,安装在相机7上。相机7安装在工作距离调节机构8上,工作时对芯片4进行采图。若要采集清晰的图像,镜头前端面离芯片之间的距离(以下称工作距离)必须合适,因此工作距离调节机构8负责对相机和镜头进行上下调节,把相机和镜头调节到一个合适的工作距离。

下面将对该光路原理进行详细的叙述。

图2(a)为主视光路示意图,表达了待检测芯片底面成像的光路原理;图2(b)为右视光路示意图(除去光源),表示了待检测芯片侧面1和侧面3成像的光路原理;图2(c)为主视光路示意图,表达了待检测芯片侧面2和侧面4成像的光路原理。

针对三维成像问题,本光路采用单个数字相机和4个平面反射镜在一个相机视场内同时对芯片底面和四侧面成像,打光原理如图2所示。采集的图像主要有两部分:芯片4底面(见图3)视图和芯片4四侧面视图(如图4所示)。芯片4底面成像原理如图2(a)所示,光源发出的光照射在U形反光板2上,把U形反光板2内部整个区域照亮,经U形反光板2反射后照射在芯片底面4,从而在相机中成像,成像光路如图2(a)中的细实线部分,一成像实例的效果如图4中的底面视图。芯片4四侧面(如图3)成像根据打光方式的不同分为两组,侧面1和侧面3为一组,记为A组,侧面2和侧面4为一组,记为B组。A组的成像原理如图2(b)所示,光源发出的光照射在U形反光板2上,把U形反光板2内部整个区域照亮,经U形反光板2侧面反射的光透射芯片侧面1和侧面3的管脚,经平面镜反射后垂直入射镜头,在相机上成像,成像光路如图2(b)中的细实线部分,一成像实例的效果如图4中的侧面视图1和侧面视图3。B组的成像原理如图2(c)所示,光源发出的光直接透射芯片侧面2和侧面4的管脚,经平面镜反射后垂直入射镜头,在相机上成像,成像光路如图2(c)中的细实线部分所示,一成像实例的效果见图4中的侧面视图2和侧面视图4。

对芯片底面视图(图4芯片的底面视图)进行数字图像处理后,可以求芯片的二维指标;对芯片四侧面视图(图4芯片的侧面视图)进行数字图像处理后,可以求出芯片的三维指标,如管脚栈高。三维指标求取原理如图5所示。

图5中SV为芯片侧面视图管脚的长度,可对芯片侧面视图进行数字图像处理后求出;θ角为一固定角度,由机械结构设计决定;fb是待测芯片的固有参数,由芯片设计厂家提供;stoff为待求三维指标,即管脚栈高。stoff的求解公式如公式1:

$\text{s}\text{t}\text{o}\text{f}\text{f}=\frac{\text{S}\text{V}}{\cos \theta }f{}_{\text{b}}\tan \theta (1)$

成像过程中,由于入射光线都是垂直镜头前端面入射(各入射光线均平行),所以只需对镜头进行平面标定即可,无需三维标定,大大降低了标定难度。同时该光路借助单个相机和4个平面反射镜,把芯片的底面视图和侧面视图同时成像在一个视场内,对图片进行数字图像处理时,无需进行多坐标系变换,从而降低了软件处理难度。此外,该光路通过单个相机即完成三维测量的任务,相对三个相机成像光路而言,大大降低了视觉检测装置的硬件成本。

针对不同规格的芯片检测问题,该光路采用平行光路设计,当芯片尺寸发生变化时,经U形反光板或平面反射镜反射后的光线平行移动,并且光线在移动的同时,芯片底面和侧面成像的入射光线始终都是垂直镜头入射,因此只需对该光路标定一次。当更换芯片规格时,无须重新标定,且不用更换任何零部件,因此一套外观检测装置可以检测各种型号的QFP芯片(可检测的芯片外形尺寸范围为5 mm×5 mm～40 mm×40 mm),从而增强了视觉检测装置的通用性。

针对检测时待测芯片有下降动作的问题,本光路采用特殊的U形反光板设计,反光板除了给芯片底面成像打光外,同时还对芯片其中的两侧面成像打光,这样使得视觉检测装置上端可以设计一缺口,如图6所示。检测时,吸取头可带动待测芯片平行移动到视觉装置上方,无需下降动作即可开始采图(见图6、图7),这缩短了芯片输送时间,提高了检测效率。

3 实验结果

图8是用该光路设计的装置采集的图片效果图。可以看出,芯片的五面同时在一个相机视场内成像,并且成像均匀、对比度高。用该装置对测试芯片进行拍照采集图片,采集的图片经过软件处理计算芯片各个管脚的各个检测项目的值,对同一测试芯片连续采集和计算100次,把这100次计算的值分别求平均值,将该平均值作为该芯片各个管脚各个检测项的测试值,然后把该测试值与芯片相应管脚相应检测项的标准值取差值并求绝对值得绝对误差,该芯片各个管脚的某一检测项的最大绝对误差即为该检测项的检测精度,依此方法求出各个检测项的检测精度。

测试中共用了10个测试芯片(芯片各个管脚各个检测项的标准值已知),芯片的型号为QFP-64(每边共16个管脚)。经测试,各个芯片的各检测项的检测精度均小于15 μm,达到视觉行业检测标准,表明了应用该光路采集的图片满足软件处理要求。表1中列出了某测试芯片1～16号管脚的管脚宽度和管脚栈高的检测结果。

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4 结 语

本文提出了一种新的芯片三维外观检测光路设计方法。该光路成像均匀,并且采集的图片对比度高。在满足软件处理要求的情况下,该光路可对大尺寸范围内的芯片进行可靠成像。相对目前的视觉检测装置,该光路降低了软件处理难度、标定难度及视觉装置硬件成本,减少了芯片输送时间,有利于提高整个检测系统的检测效率。该光路已成功应用在QFP外观检测设备上,应用结果表明,它能够满足工业实际生产要求。同时,该光路也存在一定的不足:U行反光板设计思路,导致了反光板尺寸较大,实际应用时,给外观检测设备机械手的设计带来不便,在以后的工作中,将对反光板进行优化设计。

摘要：半导体芯片的三维外观检测是芯片生产过程中的一个重要环节,而其中的光路设计是三维外观检测技术中的一个难点和重点。针对QFP芯片的三维外观检测,提出了一种新的光路。新的光路通过采用数字相机和平面反射镜,在一个视场内同时实现了芯片的底面和四个侧面的成像。新的光路降低了标定的难度和后续软件计算芯片三维指标的难度,同时也减少了硬件成本。新的光路采用平行光路设计,可对外形尺寸为5mm×5mm～40mm×40mm范围内的QFP芯片进行清晰成像,从而使得一套外观检测装置可以检测各种型号的QFP芯片。此外,该光路减少了芯片输送时间,提高了检测效率。该光路已成功应用在外观检测设备中,实验结果表明,它较好的克服了目前外观检测装置的不足,并且能够满足工业实际生产要求。

关键词：半导体芯片,QFP芯片,三维外观检测,光路设计

参考文献

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光路保护 篇8

关键词：光纤通信,动态恢复,流量疏导,生存性

波分复用(WDM)是光网络中增加传输带宽容量的关键技术之一。当前每个波长信道的传输容量已经达到10 Gbit/s,甚至40 Gbit/s。但是多数客户只需要使用较低的带宽就足够了,比如,155 Mbit/s、 622 Mbit/s或2.5 Gbit/s。如果将一个波长信道的整个带宽都分配给一个低速的连接,那么将会浪费大部分的传输容量。为了有效地使用网络资源,需要利用流量疏导(traffic grooming)技术将多个低速的流量有效地聚合到一条高速的光路上。

在WDM网络中,由于每条光路都运行于Gbit/s级的速率上,所以一条链路出错(比如光纤切断)将会导致所有经过这条链路的光路出错,从而导致大量的数据丢失,因此研究出错管理机制是非常有必要的。由于两条链路同时出错的概率非常小,因此本文只考虑单条链路出错的情况。有多种方法确保光纤网络的生存性,比如资源保护(resource protection)和动态恢复(dynamic restoration)。资源保护是在每个路由建立的时候就预留一部分资源,这些资源不承担任何流量,但是当工作路由出错时它们会被用来创建一个备用路由。动态恢复则是在工作路由出错后动态地在网络中发现可用资源来建立备用路由。

共享保护能在不同的出错部分中共享资源。根据资源共享的方式不同,文献[1]提出了3种共享保护策略:光路保护(PAL)、连接混合保护(MPAC)和连接分别保护(SPAC)。MPAC能在工作路径和备用路径之间共享资源,而SPAC和PAL只能在备用路径中共享资源。专用保护必须为每个出错部分单独预留资源。文献[2]提出了两种专用保护策略:PAL和连接保护(PAC)。根据保护部分的不同,又可以分为路径保护和链路保护。

以上研究都集中于资源保护机制,对于生存性流量疏导的动态恢复机制(DRAL)却少有关注。本文提出一种基于光路的DRAL,它不预留任何资源,当链路出错时,通过在网络中动态地发现资源来对错误进行恢复,将出错光路转发到新建立的光路或其他可用的光路上。本文通过仿真实验对该机制的性能进行了评估。

1 基于光路的动态恢复

为了恢复网络中的出错链路,本文提出的DRAL以光路为基本单位进行差错恢复。当某一条链路出错断开时,必然会导致经过该链路的所有流量都无法通过,而DRAL可为产生的错误光路另外寻找一条替代光路。假设一条光路经过了出错链路,它就是一条出错光路。当链路出错的时候,需要找到所有的出错光路,并对它们逐一进行动态恢复。首先,释放出错光路占用的资源(波长和收发器)。然后,出错光路寻找一条源节点和目的节点都与其相同的备用光路,备用光路可以是通过路由计算新建立的一条光路,也可以是一条已存在的可用光路(其空闲容量大于出错光路的流量带宽)。如果找到了备用光路,只需要将经过出错光路的所有流量全部重新转发到备用光路上,而不需要对流量连接的多跳路径上的其他光路部分作任何改变。如果无法找到一条备用光路,则对该出错光路的动态恢复失败。

下面以一个4节点网络拓扑为例来说明。初始配置如图1所示,每条链路有一条双向的波长通道,每个节点有一个收发口(T和R分别表示发送口和接收口的可用数)。如果两点之间有一条链路,表示它们之间还有一条空闲的波长通道。如果T或R的值为0,表示该点没有可用的发送口或接收口。

假设在链路出错前(见图2(a)),网络中已经有一个连接T(1,3),它有一条多跳路径P(l1(1,2), l2(2,3))。假设请求的带宽比波长信道的容量小,光路l1在节点1消耗一个发送口,在节点2消耗一个接收口;光路l2在节点2消耗一个发送口,在节点3消耗一个接收口。它们分别在链路(1,2)和(2,3)上占用一个波长信道。

如图2(b)所示,当链路(2,3)出错时,光路l2(2,3)因为经过了出错链路而断开,DRAL只需要注销出错光路l2,而光路l1仍然留在网络中。节点2释放一个发送口,节点3释放一个接收口。

经过动态发现资源后,为出错光路l2建立了一条备用光路l4(2,3),如图2(c)所示。备用光路l4依次通过节点2、4、3,在节点2消耗一个发送口,在节点3消耗一个接收口,在链路(2,4)和(4,3)上各占用一个波长,并且其空闲容量不变。最后,流量被转发到新的路径P′(l1(1,2), l4(2,3))上。

2 仿真结果分析

为了评价DRAL的性能,本文在NS2环境下仿真了一个动态流量环境,对DRAL的成功恢复概率进行了数据统计。成功恢复概率定义为整个仿真期间所有成功恢复的流量带宽与总恢复请求(也就是所有出错连接)的带宽的比值,它反映了一种恢复机制的恢复性能,也可以称为恢复概率。资源保护为每个连接都提供保护,是一种完全保护机制,其成功恢复概率为100%。无生存性流量疏导策略不对任何连接提供保护,其成功恢复概率为0。

仿真实验使用的是NSFnet网络拓扑,如图3所示,它包括14个节点21条链路。网络中的节点有完全的波长转换能力和疏导能力,所有链路的波长数是相同的,所有节点的收发器数目也是相同的。每条链路都是双向链路,每个波长的容量均为10 Gbit/s。

流量到达序列服从泊松分布,连接持续时间服从负指数分布,平均连接持续时间取一个标准值。一个连接请求的带宽可以是155 Mbit/s、 622 Mbit/s、2.5 Gbit/s和10 Gbit/s中的任意一种,它们的连接数的比值服从均匀分布1∶1∶1∶1。连接请求均匀地分布在所有的节点对之间。

链路错误随机产生并均匀分布于所有链路上,每隔Tf时间就产生一个链路错误,Tf设置为平均连接持续时间的两倍,这可以保证每两个不同的出错场景都有不同的流量组成。在每次出错恢复之后,出错链路会重新连接,网络状态也会改回到该次出错前的状态,这样当前的出错场景就不会影响下一个场景的错误恢复,以确保每次数据统计的独立性。

爱尔兰负载定义为连接到达率乘以平均连接持续时间,它表示的是任何时刻网络承载的平均连接数。每个实验都仿真了100 000个连接请求。

对DRAL的恢复概率的仿真结果如图4和图5所示。图中,横坐标为爱尔兰负载,表示网络中负载的大小。纵坐标为恢复概率,反映了DRAL的恢复性能。不同的曲线表示了不同波长资源和收发器资源配置情况下的恢复概率。图4所示为每条链路中的波长数固定为6(W=6)时,不同的收发器数所对应的恢复概率曲线。而图5所示为每个节点中的收发器个数固定为6(T=6)时,不同的波长数的所对应的恢复概率曲线。

从两图都可以看出恢复概率随着资源的增加而增加,因为初始资源越多,进行差错恢复时就能动态发现更多的可用资源,从而建立更多的备用光路来恢复更多的错误。图4给出了DRAL在W=6时不同收发器个数所对应的恢复概率,当收发器资源更多的时候,DRAL将有更好的恢复性能。图5比较了DRAL在T=6时不同波长数所对应的恢复概率,当波长资源增加时,DRAL的恢复概率也随之提高。

从图4可以看出,当W=6时,改变收发器的个数,所有曲线的恢复概率都高达90%以上。而图5显示,当T=6时,改变波长数,恢复概率变化非常大,从30%到90%不等。对比两图可以看出,恢复概率对波长的变化比较敏感,也就是说,当波长数发生变化时,其对恢复概率的影响比收发器数目变化产生的影响大。这是因为在WDM疏导网络中,有波长链路和收发器两种关键资源,合理使用这两种资源的策略对网络性能影响比较大,而DRAL中的路由寻找算法使用的是波长链路数最小策略,也就是使网络中使用的波长链路数最少,因此波长资源成为网络中最主要的限制条件,波长数的变化对网络影响比较大。

从两图还可以看出,当波长资源比较充足时,恢复概率非常高。图4显示W=6时所有曲线的恢复概率都高达90%,而图5中当W>6时其恢复概率也在90%以上。因此DRAL非常适用于资源充足的网络。

3 结束语

动态恢复相对于资源保护的优点在于,在网络配置时它不占用网络中的任何资源,不影响网络的设计,当网络出现链路错误时动态地寻找网络中的空闲资源来进行错误恢复。本文提出了一种基于光路的DRAL,它动态地在网络中寻找空闲资源,以光路为基本单位,为每一条出错光路建立一条备用光路,从而实现错误恢复。仿真结果显示,当网络资源比较充足时,该机制的恢复概率高达90%以上。

参考文献

[1]Ou Canhui,Zhu Keyao,Zang Hui,et al.TrafficGrooming for Survivable WDM Networks—SharedProtection[J].IEEE J Selected Areas in Communica-tions,2003,21(9):1 367-1 383.

光路保护 篇9

以往用Flash制作的教学动画多数是以演示类型为主，Flash的交互功能通常只用于导航和按钮选择的菜单上面。一般而言，虚拟演示动画能够用于展示难以用言语说明的现象或

原理，但其不足常常是不能随输入变量的改变而改变。为了解决这一困难，应使用计算机程序设定好动画预置参数，由使用者进行参数设定，动画也因此展示出不同的现象。本文以Flash为技术实现平台，运用其内置的ActionScript3.0脚本编程语言来解决这一难点。

1 Flash ActionScript3.0和开发环境概述

作为Flash的脚本编程语言，和ActionScript2.0和1.0有本质的不同，ActionScript3.0在Adobe公司在2006年正式推出之时，已是一门功能强大、面向对象的标准编程语言。它象征着Flash播放器Flash Player运行时功能发展中的重要里程碑，也是快速构建丰富互联网程序(RIA)的理想语言。ActionScript3.0要运行在Flash Player9.0版本以上，由其新一代的虚拟机AVM2进行解码。相比以前的ActionScript2.0，据测试ActionScript3.0在代码执行效率上要快10倍以上。

在本文的技术开发平台上，由于ActionScript3.0在面向对象编程方面已经达到Java,C#的水平，能使代码编写更规范和方便，因而本文动画的智能化交互实现上主要采用Flash CS3为编写和测试环境。因为Flash是向下兼容的，使用Flash CS3能够打开以前版本制作的源文件，但测试播放器必须是Flash Player9.0以上。

2 动画实现过程

2.1 光栅光路原理分析

在“光栅衍射原理”中，主要涉及光栅方程的原理。其物理规律是：衍射光经过透镜会聚后，在焦平面上形成一系列对称的且相隔较远的明条纹。明条纹对应的衍射角φ满足光栅方程：dsinφ=kλ，k=0,±1,±2,L，其中d为光栅常数，λ为光波波长，k为明条纹级数。光栅方程表明，光栅常数d一定时，光波波长λ不同，第k级明纹的衍射角φ不同，即第k级明纹成像位置的不同;光波波长λ一定时，光栅常数d不同，第级明纹的衍射角φ不同，也就是第k级明纹成像位置的不同。如何用动画去演示这一规律呢?对Flash来说，一般的补间动画只能做出对该现象的虚拟演示，并有重放的功能。但是如果入射光的角度不是垂直入射，或是衍射角度和光栅常数d不是预先固定好某一各数值的，那么对于补间动画而言这是做不出来的。也就是要使动画现象随参数的改变而改变，只有通过编程才能实现这种比较智能的动画。因此，动画要与ActionScript3.0编程和物理规律相结合。

2.2 程序概况

程序主要利用ActionScript3.0的组件、侦听器、自定义函数、绘图API、类和包等。程序先建立两个类文件，一个命名为board类，board类里面定义有各种方法，专门负责实验场景的绘制，包括光栅，背景底色，凸透镜，聚光屏。另一个命名为ray类，负责光路的绘制。这两个类构成两个AS文件并放在Flash源文件的同一目录下。主场景上使用下拉式菜单组件来进行参数的选择，多个组件同时运用，包括光源，入射角，光栅常数的选择。主场景的帧上则构造侦听器和调用类的方法，侦听事件的发生并传递变量参数给类的方法以改变影片剪辑的属性，使物理现象能随参数的改变而改变，如图1、图2、图3所示。

2.3 代码实现

1)代码实现—board类

board类就相当于构造的一个实验环境，其中自定义的各种方法用于构造实验环境中的各要素，比如想要显示的由线条组合构成的仪器示意图。

实际在该类中还定义有更多方法来完成其他动画的绘制,此例子只作为典型。

2)代码实现—ray类

这段代码是实现效果的核心部分,即ray类中的line_paint()方法实现了根据用户选择需要绘制光路现象的效果。首先要清楚Flash内的座标,与我们平时用的迪卡尔坐标不同的是,Flash内的座标,在纵方向(y方向)越向上值越小,越向下值越大。其次,AS的三角函数使用弧度,而不是角度作为参数,因此在计算时要把角度转换成弧度。因为1o=π/180,所以公式为:弧度=角度*(π/180)。

3)主场景

类的方法定义完毕后,作为前台与用户直接进行交互的主场景画面就可以制作了,这里主要是下拉组件的组合使用,由用户先进行菜单选择,程序再根据选择结果把参数传递到后台的处理函数中。基本思路是给每个组件和相关控制按钮注册侦听器,一旦相关鼠标事件触发,程序按编排顺序调用以上自定义相关类中的方法,结果返回到主场景中,最后添加进显示列表来显示。不过这时绘制的光路图像是一下子绘制完成的,即是静止的。要使光路图像从无到有那样出现,可以给它添加一个运动的遮罩。

4)附加功能的设计与制作

动画页面由“上一步”和“下一步”箭头按钮来控制跳转,在当前页面的动画还未播发时,若不小心单击了“下一步”按钮,就会直接到下页动画,使学习有所遗漏。为此,可以增添一个提示动画,用来进一步判断操作。

3 结论

本光栅动画用ActionScript3.0编程语言来实现，具有良好的智能互交性和可靠性。而且动画可随参数输入的不同而产生相异的实验现象，能够让相关理论的教与学拥有自定义的预置模式，提升动画教学的自由度。在此基础上，通过编写共用类，可以进一步很快实现其他光路动画的效果。实际试用结果表明，该动画能较好解决对光栅实验原理学习的需求。

参考文献

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