用于檢測桿形透明物體中的缺陷的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于檢驗(yàn)桿形透明物體中的結(jié)構(gòu)缺陷的方法。特別地，本發(fā)明涉及用于檢驗(yàn)用于光纖，尤其是傳輸光纖，的玻璃芯桿當(dāng)中的結(jié)構(gòu)缺陷，諸如氣泡、空穴或夾雜物，的方法。本發(fā)明還涉及拉長用于光纖，尤其是傳輸光纖，生產(chǎn)的玻璃預(yù)制件的過程。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖技術(shù)需要在從預(yù)制件制造光纖的過程中對各種光纖性質(zhì)的特征化和控制。
[0003]一般而言，光纖性能件依賴于光纖的芯和包覆層的幾何均勻性和維度。外直徑一般在拉制過程中光纖形成之后很短時(shí)間通常在緊挨著頸縮區(qū)之下的點(diǎn)進(jìn)行測量。
[0004]美國專利N0.4，280，827描述了光纖直徑測量電路，該電路包括源、感測干涉條紋的存在的檢測器，其中檢測器信號經(jīng)由連接到源的相應(yīng)的延遲電路被連接到兩個(gè)信號比較裝置。來自信號比較裝置的輸出被組合并計(jì)數(shù)，以便生成代表前進(jìn)光纖的連續(xù)軸向部分的直徑的一連串計(jì)數(shù)。
[0005]為了獲得高質(zhì)量的光纖，諸如孔或氣泡的結(jié)構(gòu)缺陷應(yīng)當(dāng)被最小化或避免。孔或氣泡通常發(fā)生在光纖的中心，但是它們可以位于光纖橫截面的任何位置。
[0006]美國專利N0.5，185，636描述了基于與用來測量光纖直徑的那些參數(shù)不同的參數(shù)檢測光纖中的缺陷的方法和裝置，使得直徑控制和缺陷檢測步驟可以在整個(gè)檢測系統(tǒng)中解耦合。所公開的技術(shù)是基于由孔產(chǎn)生的遠(yuǎn)場干涉圖案的影響。
[0007]在美國專利N0.6，313，909中，散射的光信號被過濾并且結(jié)果產(chǎn)生的信號與缺陷檢測閾值進(jìn)行比較，以確定散射的光信號中與缺陷相關(guān)的成分的存在。
[0008]US 5，406，374描述了用于檢驗(yàn)桿形光纖預(yù)制件中氣泡和/或夾雜物的存在的方法，包括在光射線從白燈入射到預(yù)制件的整個(gè)端面上時(shí)由攝像機(jī)拍攝由氣泡/夾雜物通過預(yù)制件的側(cè)面散射的圖像，并且通過所拍攝圖像的圖像信號的圖像分析來辨別并檢測氣泡/夾雜物。光射線入射到光纖預(yù)制件上并且由攝像機(jī)拍攝預(yù)制件的圖像是在圍繞光纖預(yù)制件的縱軸旋轉(zhuǎn)光纖預(yù)制件時(shí)進(jìn)行的。
[0009]具有氣泡檢測器的人造石英拉制裝置在JP 10167744A中公開。
[0010]測試設(shè)備在W0 2011/052541中公開，具有在通過旋轉(zhuǎn)機(jī)制旋轉(zhuǎn)預(yù)制件時(shí)檢測預(yù)制件的正向散射光強(qiáng)度分布的檢測器。確定單元從光強(qiáng)度分布確定通孔是否在預(yù)定的位置形成。
[0011]用于光纖生產(chǎn)的各種技術(shù)會導(dǎo)致在光纖中圈禁的孔或氣泡的形成。例如，通過外部氣相沉積(0VD)形成的芯預(yù)制件是通過二氧化硅和摻雜的二氧化硅微粉在目標(biāo)上的沉積來獲得的。在沉積過程結(jié)束時(shí)，目標(biāo)被除去，從而導(dǎo)致具有中心孔的微粉預(yù)制件。微粉預(yù)制件被固結(jié)，然后拉伸，使得中心孔坍塌，由此形成具有含低或零摻雜成分的表面區(qū)域的玻璃芯桿。
[0012]在US 2003/0140658中所描述的已知的過程中，在中心孔中產(chǎn)生真空之后，固結(jié)的芯預(yù)制件被放在豎爐中，在其中執(zhí)行預(yù)制件下端的熔融。由于在孔中產(chǎn)生的真空，下端的熔融使孔的壁坍塌。熔融的玻璃材料冷卻，從而形成具有預(yù)定直徑的拉長的圓柱形元件，該元件被牽引設(shè)備向下拉伸。所公開的用于將牽引應(yīng)用到拉長的元件的裝置具有被放在拉長的圓柱形元件的上部附近的光-電傳感器以用于測量直徑。
[0013]在拉伸過程中孔的坍塌會不完全和/或在發(fā)生時(shí)產(chǎn)生缺陷。通過改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積(MCVD)、通過等離子體化學(xué)氣相沉積(PCVD)過程或者通過其它內(nèi)部氣相沉積過程產(chǎn)生的芯預(yù)制件可能呈現(xiàn)類似的問題。
[0014]要被拉制成光纖的最終玻璃預(yù)制件可以通過將包覆玻璃微粉沉積到芯桿上來產(chǎn)生，例如通過0VD過程，然后進(jìn)行固結(jié)。
[0015]用于確定圓形橫截面的物體的位置和尺寸的光學(xué)千分尺是已知的。
[0016]US 4，492，473公開了利用旋轉(zhuǎn)鏡產(chǎn)生掃描射束的光-電測量設(shè)備，其中射束隨后被準(zhǔn)直、指向要測量的物體，然后，通過利用被為了脈沖信號的生成而旋轉(zhuǎn)反射鏡的相同馬達(dá)驅(qū)動的軸編碼器，光被收集并且從其得出代表物體的位置的數(shù)字脈沖串，其中脈沖信號與編碼器和反射鏡的角速度成比例。
[0017]US 4，991，308涉及用于測量具有圓形橫截面的零件的外直徑的測徑儀。該儀器包括會聚以形成V形通道的兩個(gè)臂、沿通道的一側(cè)定位的光源、以及與光源相對的沿通道的另一側(cè)的光檢測設(shè)備。
[0018]在US 5，175,595中，描述了非接觸測量設(shè)備，其中從光源生成的光被允許經(jīng)由透鏡進(jìn)入以恒定速度旋轉(zhuǎn)的多棱鏡。然后，被多棱鏡反射的光被允許進(jìn)入準(zhǔn)直器透鏡，由此將光變成可以與準(zhǔn)直器透鏡的光軸平行地移動的掃描光并允許光聚焦在要測量的物體的位置。
[0019]US 6，278，520涉及用于沿工件的長度測量工件的最大直徑的光學(xué)千分尺，其中的工件例如錐形切割工具。用于測量工件的激光千分尺包括:用于生成激光束路徑，使得所述射束路徑的一部分經(jīng)過工件的一部分的裝置；用于接收和處理所述射束路徑的所述部分，以確定所述第一部分的尺寸的裝置；具有第一側(cè)表面和第二側(cè)表面的V形底座，其中所述表面構(gòu)成接納工件的底座，并且其中V形底座安置工件，以允許工件的至少一部分位于所述射束路徑中；以及用于旋轉(zhuǎn)所述工件以引起所述工件在所述V形底座中的可滑動旋轉(zhuǎn)，使得所述工件在就座于其中時(shí)被所述裝置維持與所述兩側(cè)的接觸的裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]位于光纖中心區(qū)域，S卩，大部分光信號在其中被引導(dǎo)的芯區(qū)域，和光信號的尾部在其延伸的、與芯區(qū)域相鄰的內(nèi)部包覆區(qū)域中的缺陷非常有可能造成光纖性能的降級。為此，固結(jié)和/或拉長過程代表光纖的整個(gè)制造過程的關(guān)鍵階段。
[0021]本申請人已經(jīng)觀察到，在從預(yù)制件拉制光纖的過程中對孔或氣泡的識別，在有可能實(shí)現(xiàn)光纖質(zhì)量的同時(shí)，會由于最終產(chǎn)品在有缺陷時(shí)作為廢品被丟棄的事實(shí)而低效。
[0022]本申請人還注意到，利用由攝像機(jī)拍攝預(yù)制件的側(cè)面的照片來檢驗(yàn)光纖預(yù)制件的方法，諸如US 5，406，374中所描述的方法，會遭受有效性很大程度上依賴于光學(xué)設(shè)備(例如，CCD相機(jī)和/或透鏡)的質(zhì)量并依賴于要被測試的預(yù)制件表面的清潔度的限制。
[0023]用于拉長(S卩，拉伸)玻璃芯預(yù)制件的裝置通常配備用于測量拉長的預(yù)制件的外直徑的光電設(shè)備，其中直徑是在頸縮下游測量的。直徑測量一般被用作牽引速度控制和/或用于監(jiān)視其它過程參數(shù)的反饋。
[0024]可被用于測量拉長的芯預(yù)制件的外直徑的設(shè)備使用US 6，278，520的千分尺的通用原理，即，平行光束在爐子的出口照射拉長的預(yù)制件并且檢測器檢測由預(yù)制件投射的陰影，由此提供所檢驗(yàn)的橫截面的直徑的測量結(jié)果。
[0025]本申請人注意到，在玻璃預(yù)制件的情況下，由于玻璃的透明度，陰影不是由于被照射的物體阻擋光束的透射(就像在不透明物體的情況下)，而是主要由于入射射束的強(qiáng)偏轉(zhuǎn)。這個(gè)原理示意性地在圖1中示出，圖1示出了被平行掃描射束照射的桿形透明物體的橫截面視圖。在圖1中，具有折射率η>1的圓形橫截面的透明物體1使平行射線2的一些偏離到傾斜的方向。物體1的直徑是由陰影確定的，該陰影在與入射掃描射束垂直的方向中在物體的橫截面平面中延伸。物體的外直徑的實(shí)際測量結(jié)果不受入射射線的偏轉(zhuǎn)的影響，因?yàn)樵跈z測平面上的陰影保持相同，如以下將更詳細(xì)解釋的。透射的射線(被偏轉(zhuǎn)和無干擾的)被透鏡系統(tǒng)，在圖中由會聚透鏡7示例，聚焦到光電檢測器35上。收集透射的射線的光電檢測器具有確定被檢測的被掃描區(qū)域的有限尺寸，在圖中利用箭頭8表示。由于檢測器的有限尺寸，存在光可以被收集的最大角度，這在本文中被指示為最大接受角Θ _。作為第一近似，最大角度依賴于光電檢測器的尺寸并且依賴于聚焦透鏡系統(tǒng)的主要光學(xué)參數(shù)，例如透鏡的(一個(gè)或多個(gè))焦距和折射率。
[0026]在圖1中用標(biāo)號5指示的距離d被定義為離射束中心軸6的距離，中心軸6沿入射射線的方向穿過物體1的軸向中心C。以距離d入射到物體上的光射線2以一個(gè)偏轉(zhuǎn)角被偏轉(zhuǎn)。如果距離d大于給定的最小距離dmin，則光射線2作為具有大于θ_的偏轉(zhuǎn)角Θ的偏轉(zhuǎn)射線4出現(xiàn)，并且因此光射線不被光電檢測器收集，如由離開透鏡系統(tǒng)的射線34示意性地指示的。
[0027]在物體的橫截面平面中，光電檢測器35被配置為在與入射方向垂直的掃描方向(在圖中用箭頭指示)中檢測掃描區(qū)域8。掃描區(qū)域大于要被測量的物體的橫截面。近似從切向射線9到切向射線9’的陰影范圍對應(yīng)于檢測平面(例如，光電檢測器的檢測表面位于其中的平面)上的陰影邊緣。
[0028]本申請人已經(jīng)觀察到，如果d ( d_，則偏轉(zhuǎn)角使得射線照亮陰影的中心部分。圖2是這種狀況的示意性表示。圖1和2的相同項(xiàng)用相同的標(biāo)號指示。光射線31從中心軸6以距離d < d_撞擊到物體1上并且被偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)角γ ( Θ _，S卩，小到足以落在檢測器上。透射的射線被透鏡系統(tǒng)，在圖中由會聚透鏡7示例，聚焦到光電檢測器35上。特別地，偏轉(zhuǎn)射線33被聚焦到由光電檢測器收集的射線37中。點(diǎn)線區(qū)域32用圖表示桿形物體的橫截面的區(qū)域，入射射線跨這個(gè)區(qū)域被偏轉(zhuǎn)等于或小于接收檢測器的最大接受角Θ _的角度。
[0029]本申請人已經(jīng)意識到，陰影區(qū)域的被照射部分受被分析物體中結(jié)構(gòu)缺陷的存在的影響。因此，有可能為了光纖的生產(chǎn)跨玻璃芯桿可靠地檢測缺陷，諸如氣泡或空穴。特別地，有可能檢測桿的軸向中心區(qū)域中的缺陷，在那里，預(yù)期缺陷最大地影響最終產(chǎn)品的光學(xué)性能。
[0030]根據(jù)一些優(yōu)選實(shí)施例，所公開的方法是成本有效的，因?yàn)樗试S在光纖的制造過程的早期階段對缺陷進(jìn)行在線監(jiān)視。在一些優(yōu)選實(shí)施例中，監(jiān)視可以通過常常在用于拉伸芯預(yù)制件的裝置上的設(shè)備來執(zhí)行，以控制被拉伸的預(yù)制件的外直徑。
[0031]根據(jù)與本公開內(nèi)容一致的方面，提供了用于檢驗(yàn)桿形透明物體中的缺陷的方法，該方法包括:
[0032]-生成在第一掃描方向中掃過檢驗(yàn)平面的平行光射線的第一掃描射束；
[0033]-將第一掃描射束引導(dǎo)到具有縱軸的桿形透明物體上，所述桿形透明物體以這樣一種方式布置使得檢驗(yàn)平面橫穿物體的縱軸并且包括物體的橫截面；
[0034]-在被插入以攔截掃描射束的平行射線的桿形物體的相對側(cè)檢測第一掃描光束，由此產(chǎn)生第一電輸出信號；
[0035]-處理第一電輸出信號以產(chǎn)生在第一掃描方向中的第一光強(qiáng)度曲線圖，該光強(qiáng)度曲線圖包括由第一和第二陰影邊緣界定的陰影區(qū)域，第一和第二陰影邊緣之間的寬度指示跨檢驗(yàn)平面的物體的外直徑；
[0036]-分析第一光強(qiáng)度曲線圖以確定陰影區(qū)域內(nèi)正強(qiáng)度峰值的存在或不存在，峰值源自透射通過物體并且被檢測的偏轉(zhuǎn)射線，并且如果強(qiáng)度峰值被確定為存在，則確定該強(qiáng)度峰值內(nèi)降低強(qiáng)度區(qū)域的存在或不存在。
[0037]如果，作為分析的結(jié)果，確定陰影區(qū)域內(nèi)的強(qiáng)度峰值不存在或者確定降低強(qiáng)度區(qū)域在強(qiáng)度峰值中存在，則該方法還包括識別物體的橫截面內(nèi)至少一個(gè)結(jié)構(gòu)缺陷的存在。
[0038]優(yōu)選地，至少一個(gè)結(jié)構(gòu)缺陷的