CN115362364A - 用于确定圆柱形光学对象的折射率分布的方法 - Google Patents

用于确定圆柱形光学对象的折射率分布的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115362364A
CN115362364A CN202180026247.9A CN202180026247A CN115362364A CN 115362364 A CN115362364 A CN 115362364A CN 202180026247 A CN202180026247 A CN 202180026247A CN 115362364 A CN115362364 A CN 115362364A
Authority
CN
China
Prior art keywords
wavelength
intensity
distribution
scanning
intensity distribution
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202180026247.9A
Other languages
English (en)
Inventor
M·施米特
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Original Assignee
Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG filed Critical Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Publication of CN115362364A publication Critical patent/CN115362364A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/412—Index profiling of optical fibres
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02—Testing optical properties
    • G01M11/0207—Details of measuring devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02—Testing optical properties
    • G01M11/0285—Testing optical properties by measuring material or chromatic transmission properties
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/30—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides
    • G01M11/37—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides in which light is projected perpendicularly to the axis of the fibre or waveguide for monitoring a section thereof
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/4133—Refractometers, e.g. differential
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/4133—Refractometers, e.g. differential
    • G01N2021/4153—Measuring the deflection of light in refractometers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明涉及一种用于确定光学对象(22)的折射率分布的方法，所述光学对象具有圆柱形表面(26)和圆柱纵向轴线(25)，所述方法包括以下方法步骤：(a)借助于垂直于所述圆柱纵向轴线(25)入射的光束(21)在多个扫描位置(23)处扫描所述对象(22)的所述圆柱形表面(26)；(b)借助于光学检测器(7；8)捕获在所述光学对象(22)中偏转的所述光束(21)的位置相关的强度分布；(c)从所捕获的强度分布确定每个扫描位置(23)的零阶束的偏转角，包括从所述强度分布消除高阶束的束强度，从而获得所述零阶束的偏转角分布，以及(d)基于所述偏转角分布来计算所述对象(22)的所述折射率分布，其中方法步骤(a)和(b)用具有至少两个不同波长的光束来执行，并且为了消除高阶束的束强度，将所述不同波长的所述强度分布的同一位置强度彼此进行数学处理，更具体地彼此相乘和/或相加。

Description

用于确定圆柱形光学对象的折射率分布的方法
背景技术
本发明涉及一种用于确定具有圆柱形表面和纵向圆柱轴线的光学对象的折射率分布的方法，该方法包括以下方法步骤：
(a)借助于垂直于圆柱纵向轴线入射的光束在多个扫描位置处扫描对象的圆柱形表面，
(b)借助于光学检测器捕获在光学对象中偏转的光束的位置相关的强度分布，
(c)从强度分布(40a,40b,40c)确定每个扫描位置的零阶束(I0)的偏转角，包括从强度分布(40a,40b,40c)消除高阶束(I1,I2,I3)的束强度，以便获得零阶束(I0)的偏转角分布，以及
(d)基于偏转角分布来计算对象(22)的折射率分布。
此类圆柱形光学对象为例如纤维预成型件、光学纤维、光学波导或柱面透镜。此类对象的重要特性中的一者为其折射率(折射系数)及其空间分布，特别是径向折射率分布，其在下面也称为“折射率分布”。例如，纤维预成型件的折射率分布因此确定从其拉制的光学纤维的波导特性。
已知的预成型件分析仪用于折射率分布的装置辅助分析。由此，聚焦光束(在下文中也称为“光束”)以网格图案被引导通过横向于待测量的光学对象(诸如光学纤维的预成型件)的纵向圆柱轴线的对象的横截面，并且相对于光束方向在入射点处测量从对象离开的折射光束的偏转角。在多个扫描位置处的横截面的网格图案透射在本文中称为“扫描”。在扫描光束时垂直于纵向圆柱轴线测量的一组不同偏转角被称为“偏转角分布”。根据偏转角分布的横向测量数据，可在被照射的体积区域中重建折射率分布。
现有技术
从EP 3 315 948 A1中已知这种用于从偏转角分布和相关联的入射点重建圆柱形光学预成型件的径向折射率分布的方法。由此经由分析和确定极端值来处理所测量的偏转角分布，诸如出现在例如预成型件的芯或壳层的外边缘处的极值。
光学对象的折射率分布的确切确定受到微观尺度上的折射率波动的阻碍。此类折射率波动以条纹或层的形式出现，所述条纹或层在合成玻璃的生产中经由来自气相的碳烟颗粒的逐层沉积而形成。用于逐层沉积的方法被称为OVD(外部气相沉积)、MCVD(改进的化学气相沉积)、PECVD(等离子体增强化学气相沉积)、POD(等离子体外部沉积)和VAD(蒸汽轴沉积)。
层用作透光衍射光栅，穿透对象的光束在该透光衍射光栅处被附加地衍射。如果层间距位于光束的波长的数量级内，则光束可与层相互作用并且分成不同衍射级的附加更多或更少的衍射光束。这些另外的光束中的每一者又可在另外的光束路径中经历附加衍射，这由于不同的偏转角和从光学对象的出射位置导致衍射模糊。
由于该光束衍射，对于每个输出光束获得复杂的偏转模式，该图案包括仅被折射但未被附加衍射的初级束(零阶束)，并且还包括通过衍射所衍射的高阶束。因此，衍射光束相对于未衍射光束的偏转角可以为较小的，使得相应的出射位置彼此靠近或重叠。如果束衍射效应主导偏转角分布，则较高衍射模式的强度甚至可超过初级衍射模式的强度。如果适用，则即使不是不可能，也难以从偏转角分布重建折射率分布，其中层损害对象分析的程度取决于层的间距和振幅。
如果测量波长增加，则可减少束衍射效应。出于此原因，US 5,396,323 A提出了一种折射率分布分析技术，其中具有例如3395nm(即在红外光谱范围内)的长测量波长的光束用于测量偏转角分布。
根据US 2016/123873 A1，已知用于测量根据前述类型的圆柱形玻璃体的折射率分布的方法。目的是测量具有大条纹的玻璃体。为此目的，使用源自照射间隙的准直光束在多个扫描位置处扫描玻璃体的圆柱形表面，并且照射间隙分别聚焦在玻璃体后面的成像平面上。借助于至少一个检测器捕获照射间隙的图像，并且识别在零阶光束从扫描位置开始已经通过压实玻璃体之后零阶光束入射的那些出射位置。
在成像平面中，所有出玻璃体的光束都是最小的。通过捕获成像平面中照射间隙的图像，可更容易地将零阶束与衍射的较高阶束区分开。
零阶束的偏转角和零阶光束的校正偏转角分布由扫描和出射位置的数据对确定。借助于阿贝尔变换，从校正偏转角分布重建玻璃体的折射率分布。
技术目标
考虑到已知的测量方法，消除了借助于摄像机捕获的高阶束的强度。该消除包括对于每个扫描位置预测零阶束通过待测量的玻璃体的束路径。该预测基于入射光束在圆柱形表面上的扫描位置，以及预期零阶束入射在光学检测器上的位置。基于此，拒绝已经由检测器检测到的衍射高阶束的分析数据。
为了识别零阶光束的出射位置，使用两个摄像机，这两个摄像机可借助于分束器同时捕获间隙的图像。单独设置摄像机的对象平面的位置，使得一个对象平面位于照射间隙的成像平面的前面，并且另一个对象平面位于照射间隙的成像平面的后面。然而，由于没有一个摄像机的对象平面精确地位于成像平面中，因此摄像机捕获间隙的至少稍微失真的图像。
为了预先确定零阶束的近似入射点，执行预扫描。由此测量具有类似大小和类似折射率分布的参考预成型件。在预扫描中发现的零阶束中心轴线的位置用于调整摄像机记录窗口的中心位置，并且确保零阶束的中心大致居中在其中分析数据的记录窗口中。预扫描的替代方案为使用关于玻璃体的现有知识和偏转角函数的一般形状来确定零阶束的预期位置。
例如，激光二极管用作束源。辐射的测量波长处于可见波长范围内或处于近红外(NIR)中或中红外(MIR)中。与NIR辐射相比，当使用例如3.39μm的MIR辐射时，高阶束的衍射角增大，使得零阶束的强度信号与衍射的高阶束的强度信号获得更大的间隔，并且相邻信号因此更容易由摄像机分辨。另一方面，用于捕获MIR辐射的热检测器的信噪比原则上比可见光的NIR检测器和检测器的信噪比差。最后，如果待测量的玻璃体中的周期性层具有例如14.1μm的较大间隔，则推荐使用MIR辐射，并且如果待测量的玻璃体中的周期性层具有例如6.7μm的较小间距，则推荐使用NIR辐射。
为了预测束路径并且合适地选择测量波长，已知的测量方法需要关于待测量的玻璃体或关于其生产的背景知识。
使用两个摄像机识别零阶光束的出射位置在结构上是复杂的，并且需要高昂的费用来调整和处理所捕获的数据。
因此，本发明基于指定用于确定受周期性层影响的圆柱形透明对象的折射率分布的方法的目的，所述方法在没有或几乎没有关于对象及其生产的预先信息的情况下进行。
此外，本发明的目的为将偏转角分布的确定设计成在结构上是最简单的，包括识别零阶束和消除来自高阶束的信号。
发明内容
根据前述类型的方法进行，该目的通过方法步骤(a)和(b)来实现，所述方法步骤(a)和(b)各自用不同波长的光束来执行，其中获得具有第一波长的第一光束的第一位置相关的强度分布和具有第二波长的第二光束的至少一个另外的第二位置相关的强度分布，并且其中高阶束的束强度的消除包括在同一扫描位置处第一强度分布的强度和第二强度分布的强度的比较。
高阶束的束强度的消除在强度分布的强度分布不明确的那些位置处尤其重要。例如，在折射率的转变或跳跃区域中的光学预成型件的情况下以及在生产相关的层形成的情况下，通常如此。在此，偏转角分布可示出明显的图案，并且相关联的光强度可示出扇出分布。
为了减少这种扇出并将其理想地消除，在根据本发明的方法中，用至少两个不同波长的光束同时或优选连续地扫描待测量的光学对象。在此，获得具有第一波长λ1的第一偏转光束的第一位置相关的强度分布以及具有第二波长λ2的第二偏转光束的至少一个另外的第二强度分布。两个强度分布彼此不同，特别是在高阶束的强度最大值的位置中，而零阶束的强度最大值在强度分布中基本上相同。其原因是上述束衍射效应的波长依赖性。在第一测量波长处微观折射率波动处的衍射不同于在第二测量波长处的衍射，相反，对象中光束的折射实际上与波长无关。通过比较在第一光束和第二光束的同一径向位置(相对于预成型件)处测量的光束强度，可基于其相对于彼此的位移来识别高阶束的强度并将其消除。反之亦然，通过比较在第一光束和第二光束的同一径向位置(相对于预成型件)处测量的光束强度，可识别零阶束的强度，因为它们不具有相对于彼此的位移。
为了识别和消除高阶束的束强度，不需要关于待测量的光学对象的内部结构的预先信息，特别是关于层的周期性或束路径预测的知识以及复杂的光线跟踪方法。
在优选的程序中，将第一强度分布和第二强度分布的同一位置强度值彼此进行数学处理以便消除高阶束的束强度。
例如，同一位置强度值(其为在同一扫描位置处测量的强度值)的数学处理为光学图像处理的一部分。其包括一个或多个数学运算，目的是掩蔽高阶束的束强度。数学运算优选地包括同一位置强度的交集的处理，特别是第一强度分布和第二(并且可能另外的)强度分布的同一位置强度的至少一次乘法和/或至少一次加法。通过相乘，同一位置强度值的乘积本质上是交集的乘积，如果至少一个因子非常小，则交集的乘积可非常小。将它们加在一起产生同一位置强度值的总和，即本质上是并集，如果两个被加数都很小或者被加数中的至少一者很小，则并集也可相对较小。
数学处理的结果是所准备的强度分布，其在同一位置的束强度中具有显著相对位移的区域中具有相对较小的强度值，并且在没有或具有最多轻微位移的区域中，即在零阶束的局部稳定偏转角的区域中具有高强度值。
为了进一步改进零阶束的检测准确度，高阶束的束强度的消除可包括其中完全或部分地消除落在强度阈值之下的第一所准备的强度分布和/或至少一个另外的第二所准备的强度分布的强度的测量。
例如，通过对第一强度分布和第二强度分布的同一位置强度进行如上所述的数学运算来获得所准备的强度分布。具有低电平的强度信号经由强度阈值滤波器在数学上被抑制或去除。优选地，在确定零阶束的偏转角之前丢弃低于阈值的所有强度值。
因此，强度阈值优选地被设置为光强度分布的最大强度值的小于20％，优选地小于15％的值。
如果设置高固定阈值，例如高于最大值的20％，可能丢失重要信息。因此，原则上，恒定阈值仅被选择为与所需的一样高。
用于消除高阶束的束强度的同一扫描位置处的第一强度分布和第二强度分布的强度的比较优选地包括计算机辅助图像处理。
在特别优选的方法变型中，将仅具有一个光敏线传感器的线扫描摄像机用作用于根据方法步骤(b)捕获束强度分布的光学检测器。
与区域传感器相比，由具有相同分辨率的线传感器生成的数据集显著较小，并且可更快地读出和处理。
线传感器有利地具有足以在单个扫描过程中捕获对象的整个偏转角分布的长度。长度为至少40mm，优选地至少60mm的线传感器已证明成功用于此目的。
传感器线越长，可成像的偏转角越大，即折射率分布中可被捕获的折射率跳跃越大。通常不需要长度超过大约80mm的线传感器，因为借助于线扫描摄像机前面的透镜也可实现到线传感器的减少的映射，尽管以降低分辨率为代价。
如果省去颜色分辨率，并且如这里优选的方法那样使用单色线传感器，则待处理的数据集保持得特别小。
如果线传感器在低颜色深度(诸如8位的位深度)下操作，则将进一步减少待处理的数据集。在低数据量的情况下，8位深度能够实现256个亮度值的分辨率，这对于本申请是足够的。
通常，聚焦光束用于扫描光学对象的表面。聚焦通常借助于凸透镜进行。然而，焦点位置由此取决于测量辐射的波长。由于在方法中使用不同的测量波长，因此必须在借助于凸透镜聚焦时采取补偿措施，以便实现恒定的焦点位置。另选地且优选地，为了根据方法步骤(a)扫描圆柱形表面，光束借助于抛物面镜聚焦。
抛物面镜，特别优选地是所谓的离轴抛物面镜，能够实现不同波长的光束的色散独立聚焦。
在优选的程序中，方法步骤(a)和(b)用第一波长和至少一个第二波长的辐射来执行，其中第一波长和第二波长彼此相差至少50nm且最至多400nm，优选地相差至少80nm且最多300nm。
在另一个优选的方法变型中，方法步骤(a)和(b)用第一波长、第二波长和第三波长的辐射来执行，其中第三波长长于第一波长并且短于第二波长，并且第三波长与第一波长和第二波长相差至少50nm且最多400nm，并且优选地相差至少80nm且最多300nm。
在使用三个不同波长的情况下，实际的优点是彩色图像通常被存储，尤其是也用三个颜色通道进行处理。因此，可应用传统的图像处理方法来评估强度信号。
相邻波长的波长差越大，相同高阶束的偏转角或束强度的相对位移越明显。另一方面，如果同一个检测器可用于两个或所有测量波长，这在技术上可通过较小的波长差最简单地实现，则是有利的。
方法步骤(a)和(b)优选地用第一波长的辐射并且随后用第二波长和另外的波长的辐射串行地执行。
据此，术语“第一”波长和“第二”波长不表示哪个波长更短或更长。串行处理经由串行数学计算促进强度数据的评估。
已经证实了一种程序，其中不同波长处于400nm至1600nm的波长范围内，并且优选地低于1100nm。
对于在可见光波长范围和近红外范围内的测量波长，最高达1600nm，优选最高达1100nm，可获得足够好的信噪比结果以及光源和检测器。按照定义，近红外波长范围开始于大约780nm处。
在一方面，需要相邻测量波长之间的最小距离，使得相同高阶(例如对应的一阶)的偏转角或相关联的束强度的相对位移以及因此对应的束强度的分裂变得可见。然而，如果一个测量波长的高阶的偏转角与另一测量波长的另一高阶的偏转角近似重合，则可阻碍将偏转角或相关联的束强度指派给特定测量波长。例如，如果所讨论的测量波长具有近似相同的最小公倍数，则可能导致这种“近似重合”。小于40nm的波长差在此定义为“近似相等”。如果测量波长中的至少一个测量波长选自接近检测器的光谱灵敏度的上限的波长范围，则降低不同高阶(高达第三阶的最大值)的衍射束的此类“近似重合”的风险。对于可见光波长范围内和近红外范围内的测量波长，最大值为1600nm，优选地最大值为1100nm，并且给定检测器在该波长范围内的光谱灵敏度，这些条件通常得到满足。在优选的示例性实施方案中，不同波长选自以下波长范围：635±50nm、840±50nm、970±50nm、1040±50nm和1550±50nm。
还已经证明有利的是，在对象的圆柱形表面的扫描期间，束聚焦在光学对象中的一点上。当聚焦在圆柱形对象的体积中的点上时，例如在圆柱纵向轴线上，与在体积外部聚焦时相比，可更好地成像和评估折射率跳跃形式的尖锐转变。
定义
以下另外定义以上描述的各个方法步骤和术语。这些定义形成本发明的说明书的一部分。在以下定义中的一者与剩余说明书之间存在事实矛盾的情况下，在说明书中表达的定义是确定的。
光束
在扫描结果期间入射到待测量的对象的圆柱形表面上的光束例如是由光束(诸如激光束)的位移产生的。
偏转角分布Ψ(y)
偏转角被定义为离开待测量的对象的出射束与进入待测量的光学对象的入射束之间的角。由于光束的垂直于圆柱纵向轴线(在y方向上)的偏移而在对象的扫描期间测量的一组偏转角导致“偏转角分布Ψ(y)”。
束强度分布
偏转角分布可表示为在待测量的光学对象的扫描期间光学检测器捕获的束强度的局部分布。在这方面，在扫描期间测量的束强度分布表示偏转角分布。由于衍射效应和一个或多个区域中衍射的高阶束的形成，束强度分布可为扇出的。
这种扇出将被分配给预成型件的特定径向位置，并且同一个测量位置处的检测器同时捕获在其光学传感器的多个点处的束强度时，该扇出发生。
示例性实施方案
下文参考示例性实施方案和附图更详细地解释本发明。附图详细示出
图1：用于测量偏转角分布的测量系统的实施方案的图示，
图2：用于解释测量的实施方式的示意图，
图3：对于三种不同的测量波长，在具有由OVD工艺产生的芯和壳的预成型件上测量的光束强度分布，
图4：图3的束强度分布在放大表示中的细节，并且
图5：具有原始光分布的示意图，该原始光分布是通过在同一个测量位置((a)和(b))处激发线扫描摄像机的像素而获得的，并且用于原始光分布的计算处理((c)和(d))以用于消除衍射辐射的部分的目的，
图6：具有在借助于根据现有技术的方法和根据本发明的方法进行评估的情况下所确定的折射率分布的比较的示意图，其中识别并消除原始数据中的破坏性高阶衍射。
该方法用于确定圆柱形光学对象的折射率分布，在借助于用于拉制光学纤维的OVD方法制造的光学预成型件的示例性实施方案中，该光学预成型件在其体积的部分区域上具有明显的层结构。
预成型件的横截面以网格图案被光束透射(扫描)，并且偏转角可根据预成型件的圆柱壳表面上的光束的相应入射点和光束在光学传感器上的入射点计算。扫描光束的一组偏转角形成偏转角分布，根据该偏转角分布重建预成型件的折射率分布。
偏转角分布借助于来自York Technology Ltd.的结构性改进的商业预成型件分析仪P-106来测量。图1示意性地示出了光学结构。分析仪具有用于接收待测量的预成型件的横截面的圆柱形测量池1和包围预成型件的浸液。工厂提供的光源被三个激光二极管2a、2b、2c替代，其特定发射波长分别为842nm(2a)、977nm(2b)和1080nm(2c)。选择这些测量波长，使得在线扫描摄像机7的光谱灵敏度的限制内，排除不同高阶衍射束的“近似重合”。
具有不同发射波长的激光二极管2a、2b、2c经由两个Y-纤维束3连接到束输入部件4，该光束输入部件与束调节光学器件5形成结构单元。束调节光学器件基本上用于不同波长的测量束在同一个焦点上的色散独立聚焦。其基本上由称为离轴抛物面镜5中的两个离轴抛物面镜组成，并且被配置成使得光束的束聚焦位于y-z平面中并且位于测量池1的纵向圆柱轴线中。离开预成型件的光束撞击具有线传感器8的线扫描摄像机7。线传感器8的延伸方向为y方向，如笛卡尔坐标十字所示。线扫描摄像机7的中心理想地位于光轴13上。由此实现了偏转角分布中的最大可能偏转角也可仍然完分辨。
线扫描摄像机7为具有单色传感器的CMOS线扫描摄像机，其可从Teledyne e2V以名称UNIIQA+16K CL MONOCHROME商购获得。其具有82mm的传感器长度和16384像素的水平分辨率，其像素大小为5μm且颜色深度(亮度分辨率)为12位，但是仅使用8位。线扫描摄像机在400nm至大约1100nm的波长范围内具有足够的光谱灵敏度。
通过线扫描摄像机7的线传感器8检测在y方向上偏转的光束，其中用于此目的的必要数据集保持可管理的小，尽管其具有82mm的传感器长度的大范围(比使用区域扫描摄像机时小多于1000倍)。由于该传感器长度，即使在待分辨的预成型件的相对大的折射率跳跃的情况下，也可省去测量池1后面的可能光学器件。线扫描摄像机7将待评估的测量数据的范围减小到必要的程度，由此导致性能的显著改善。下文使用图3至图6更详细地描述评估。
测量池1的位置可相对于光轴13改变。为此目的，测量池1安装在位移台9上，并且借助于此，可在由指向箭头10指示的方向(y方向)上垂直于光轴13位移。位移台9和线扫描摄像机7经由数据线12连接到计算机11。
图2示意性地示出了光束21在上扫描位置(a)和下扫描位置(b)处的束路径，其中预成型件22插入测量池1(图1)中。进入束输入部件4的光束21撞击圆柱形表面26并且在入射位置23处在预成型件中心轴线25的方向上折射到预成型件22中。在出射位置24处离开时，光束21再次折射并且到达线扫描摄像机7的线传感器8处。在这种情况下，线传感器8的光敏像素在同一个扫描位置23(诸如在距中心线M的距离s处的扫描位置23(图2b))处捕获单个束强度，其中一个像素或几个相邻像素被激发。或者，其在线传感器8的不同点处捕获多个束强度，其中彼此间隔开的多个像素被激发。后者例如在除了零阶光模式之外还传输一个或多个高阶的光束的情况下发生。激发像素标记偏转光束14的束强度，该束强度分布在线传感器8的长度上，并且在下文中也称为“发光像素分布”。线传感器8和发光像素分布在y方向上延伸(在图2的坐标系中)。在以下关于发光像素分布的解释中，名称y像素”也用于其延伸方向。
借助于垂直于光轴13的预成型件22的网格图案移位，光束的入射点沿预成型件22移位，直到其横截面面积完全透射。在每个移位位置中，线扫描摄像机7的线传感器8捕获新的发光像素分布，该新的发光像素分布在每种情况下由偏转的、非衍射的零阶束和任何偏转和衍射的高阶束形成。预成型件22同样在y方向上移位(在图2的坐标系中)。为了与延伸方向“y像素”相区别，移位方向也称为“y移位”。
通常，在二维强度分布示意图中示出偏转角分布Ψ(y)，其中在方向y像素上的一个轴线上绘制发光像素分布，并且在沿y移位的另一个轴线上绘制移位位置。二维束强度分布(其表示作为整体的预成型件22的一维偏转角分布Ψ(y))通过沿y移位连接所有捕获的发光像素分布而导致此表示。
例如，图3示出这些示意图中的三个图。束强度分布40a、40b、40c为包括零阶束的强度信号和高阶束的强度信号两者的偏转角分布。
对这些束强度分布进行评估，其目的为识别零阶束的强度分布，并且为此消除可归因于高阶束的信号。为此目的，用所有激光二极管2a、2b、2c的光束和其特定不同发射波长连续扫描相同的预成型件横截面。这导致由线扫描摄像机8记录并由计算机11存储的三个原始束强度分布。
对于上述测量波长(二极管2a、2b、2c)中的一个测量波长，图3的三个偏转角分布在每种情况下示出由线扫描摄像机7捕获的束强度分布40a、40b、40c。束强度分布40a、40b、40c通常包含在单个公共记录中；然而，出于说明的原因，此处示出用于颜色通道中的每个颜色通道的单独记录。二维束强度分布40a、40b、40c各自包括水平方向(y像素)上的8000个像素和竖直方向(y移位)上的12000个像素。它们同时形成偏转角分布Ψ(y)；后者在很大程度上关于中心线M呈反镜像对称。偏转角分布Ψ(y)中的每个偏转角分布示出边缘区域，该边缘区域分别分配到测量池材料41或浸油42。预成型件22的中心芯区域43由未掺杂的石英玻璃组成并且被由掺杂有氟的石英玻璃制成的壳44包围。预成型件22的半径由块状箭头“r”表示。在“r”区段内，将每个偏转角或每个束强度值分配给预成型件表面上的光束的特定入射点和所测量的预成型件的特定径向位置。
在壳44的区域中，束强度分布40a、40b、40c示出由帧标记的区域44a、44b、44c，这些区域在方向y像素上具有显著结构化和广泛扇出的光强度分布，并且不允许在该区域中明确和独特的偏转角分布识别。壳区域中的光强度分布的扇出导致在预成型件22的层结构处的相应光束21的衍射。在这些区域中由线传感器8捕获的“发光像素分布”不仅示出单个束强度(例如，在芯区域43中的情况)，而且示出彼此间隔开的多个束强度。这将在下面参考图4和图5更详细地解释。
图4中所示的区域44a、44b、44c的放大包括将被分配给壳区域44的大约2500至6000的y像素数范围和8000至8500的y移位数范围。在每种情况下的记录示出多个光强度线L0，L1，L2，其被分配给相应测量波长处的零阶束和衍射高阶束。接近检查时，可看出光强度线L0、L1、L2之间的距离从区域44a经由44b增加到区域44c。这证明了此类间隔的波长依赖性，或者分别证明高阶束的偏转角分布的位置的波长依赖性。与之相反，零阶束的位置将独立于同一位置处的测量波长而发现。在示例性实施方案中，这是光强度线L0，其在所有记录中都在3600左右的竖直像素数范围内。这里显而易见的是，光强度线L0不在出现的衍射级的中间。其原因是光束被衍射的光栅(即预成型件的条纹结构或层结构)不是理想的，而是弯曲和非周期性的。在区域44a中，水平辅助线45a在径向位置r-s(像素数8300；其中r＝预成型件半径并且s＝扫描位置23与预成型件中心线M之间的距离)处绘制，并且另外的水平辅助线45b和45c分别在同一径向位置r-s(像素数8300)处通过区域44b和44c绘制。辅助线45a、45b、45c在方向y像素上延伸并且每者横跨多个光强度线L0、L1，L2。能够沿辅助线45a、45b、45c测量的光强度分布在此被称为“发光像素分布”。
零阶束的偏转角分布Ψ(y)的位置独立性，或更确切地讲，光强度线L的位置独立性L0的位置独立性能够识别、掩蔽和消除其他光强度线L1和L2(和任何其他光强度线)，如下所述。图5(a)、5(b)的示意图在每种情况下示意性地示出发光像素分布(Ι(λ1)；Ι(λ2))以用于特定测量波长(λ1；λ2)。集束光强度I(相对单位)相对于位置坐标P绘制，该位置坐标表示线传感器在方向y像素上的像素序列。发光像素分布Ι(λ1)可例如沿辅助线45a(图4)测量，并且发光像素分布Ι(λ2)可例如沿辅助线45b测量。两个发光像素分布(Ι(λ1)；Ι(λ2))形成在线传感器8的同一径向位置s(图2b)处，并且在这方面属于“同一位置”束强度分布。它们在衍射的高阶束的强度信号I1、I2、I3的位置上基本上彼此不同。衍射的高阶束的强度最大值的位置P1至P5相对于彼此位移，而对于仅折射的零阶束的强度信号I0基本上在强度分布中的同一位置，在该示例中为位置P3。
图5(c)示意性地示出了所准备的发光像素分布(Ι(λ1)×Ι(λ2))，其通过第一发光像素分布Ι(λ1)和第二发光像素分布Ι(λ2)的同一位置强度值进行数学运算而获得。后者包括第一发光像素分布和第二发光像素分布(Ι(λ1)；Ι(λ2))的同一位置强度值的乘法。乘法导致同一位置强度值的交集的乘积，其在示例性实施方案中对于两个原本已经相当高的强度信号I0来说，该乘积特别高，而对于强度信号I1、I2、I3来说相对较小。在第一数学处理步骤之后获得的所准备的发光像素分布(Ι(λ1)×Ι(λ2))在偏转角中具有可感知的相对位移的区域中具有相对小的强度值，并且在没有或最多很少位移的区域中，即在零阶束的空间稳定偏转角的区域中具有相对高的强度值。
为了进一步改进零阶束的检测准确度，在第二数学处理步骤中，使所准备的发光像素分布(Ι(λ1)×Ι(λ2))经受强度阈值滤波器，其中通过计算去除低于水平L的强度信号，该水平L被定义为所准备的发光像素分布(λ1(Ρ),λ2(Ρ))的最大值的10％。
图5(d)示意性地示出了在已经执行该数学运算之后的发光像素分布(Ι(λ1)×Ι(λ2)+L)。只剩下单个峰值，基于该峰值确定和定义零阶束的偏转角的位置。在该准备之后获得的发光像素分布(Ι(λ1)×Ι(λ2)+L)中，由于光束21的衍射而在预成型件22的层结构上被广泛扇出的最初测量的发光像素分布被仅反映零阶束在径向测量位置s处的偏转角的清晰且独特的信号替代。
在对所有径向位置或需要这种准备的那些径向位置处的束强度分布40a、40b、40c进行对应处理之后，获得具有零阶束的独特强度分布的准备的束强度分布或偏转角分布Ψ。使用已知的逆阿贝尔变换来由此确定预成型件的径向折射率分布。在图6的示意图中示出这种情况的示例，其中相对于径向位置P(以mm为单位)绘制折射率n(与未掺杂的石英玻璃相比，以相对单位为单位)。所测量的预成型件包括芯区域50、内壳区域51和外壳区域52，其中各壳区域的折射率不同。该示意图含有两条曲线。曲线A示出了使用现有技术确定的折射率分布，并且曲线B示出了已经使用本发明确定的折射率分布。由此，用842nm、977nm和1080nm的测量波长扫描预成型件，并且使用上述第一数学处理步骤(同一位置强度值的乘法)和第二数学处理步骤(最大强度的10％处的强度阈值滤波器)来修改之后获得的强度分布。预成型件的折射率分布(如曲线B中所反映并且在根据权利要求1所述的方法步骤(d)之后获得)为使用常规方法，例如在EP 3 315 948 A1中描述的方法进一步准备折射率分布提供了良好的基础。在该方法中，折射率分布用于限定取向值，诸如预成型件的层半径的取向值或层的折射率的取向值。相比之下，对于曲线A的折射率分布，内壳区域51和芯区域50中的折射率太低，并且阶跃折射率分布不明显。结果出现了失真，其也可能由于基础数学而使芯水平位移和变形。
在非径向对称的折射率分布的情况下，从测量的偏转角分布的转换有利地不借助于逆阿贝尔变换而是借助于所谓的逆拉冬变换来执行。因此，偏转角分布的处理如上面使用示例所描述的那样进行。然而，确定多个偏转角分布，因为预成型件围绕其纵向轴线旋转。相应的偏转角度分布被组合并转换为相位差示意图，即所谓的正弦图。向后者应用逆拉冬变换(inverse Radon transform)产生了2D折射率分布。

Claims (15)

1.一种用于确定光学对象(22)的折射率分布的方法，所述光学对象具有圆柱形表面(26)和圆柱纵向轴线(25)，所述方法包括以下方法步骤：
(a)借助于垂直于所述圆柱纵向轴线(25)入射的光束(21)在多个扫描位置(23)处扫描所述对象(22)的所述圆柱形表面(26)，
(b)借助于光学检测器(7；8)捕获在所述光学对象(22)中偏转的所述光束(21)的位置相关的束强度分布(40a,40b,40c)，
(c)根据所述强度分布(40a,40b,40c)确定每个扫描位置(23)的零阶束(I0)的偏转角，包括从所述强度分布(40a,40b,40c)消除高阶束(I1,I2,I3)的束强度，以便获得所述零阶束(I0)的偏转角分布，以及
(d)基于所述偏转角分布来计算所述对象(22)的所述折射率分布，其特征在于，方法步骤(a)和(b)各自用不同波长(λ1,λ2,λ3)的光束来执行，其中获得具有第一波长(λ1)的第一光束的第一位置相关的强度分布(40a)和具有第二波长(λ2)的第二光束的至少一个另外的第二位置相关的强度分布(40b)，并且其中高阶束(I1,I2,I3)的束强度的所述消除包括在同一扫描位置(23)处的所述第一强度分布(40a)的束强度和所述第二强度(40b)的束强度的比较。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了消除高阶束(I1,I2,I3)的束强度，将所述第一强度分布和所述第二强度分布(40a；40b)的同一位置强度彼此进行数学处理。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述数学处理包括同一位置强度的交集的处理，特别是所述第一强度分布和所述第二强度分布(40a；40b)的所述同一位置强度的至少一次乘法和/或至少一次加法。
4.根据权利要求2或3中任一项所述的方法，其特征在于，高阶束(I1,I2,I3)的偏转角的所述消除包括其中完全或部分地消除落在强度阈值(L)之下的所述第一强度分布和/或所述第二强度分布(40a；40b)的强度的测量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述强度阈值(L)被设置为小于所述强度分布(Iλ1(y)；Iλ2(y))的最大强度值的20％，优选地小于15％的值。
6.根据权利要求2至5中的一项或多项所述的方法，其特征在于，高阶束(I1,I2,I3)的束强度的所述消除包括计算机辅助图像处理。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将仅具有一个光敏线传感器(8)的线扫描摄像机(7)用作光学检测器，所述光学检测器用于根据方法步骤(b)捕获所述强度分布(40a,40b,40c)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，使用单色线传感器，所述单色线传感器优选地在8位的位深处操作，并且特别优选地具有至少40mm，优选地至少60mm的长度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了根据方法步骤(a)扫描所述圆柱形表面(26)，所述光束(21)借助于抛物面镜(5)聚焦。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，方法步骤(a)和(b)用第一波长(λ1)和至少一个第二波长(λ2,λ3)的辐射来执行，其中所述第一波长(λ1)和所述第二波长(λ2,λ3)彼此相差至少50nm且最多400nm，并且优选地相差至少80nm且最多300nm。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，方法步骤(a)和(b)用所述第一波长(λ1)的辐射并且随后用所述第二波长(λ2,λ3)的辐射来执行。
12.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，方法步骤(a)和(b)用所述第一波长(λ1)、所述第二波长(λ2)和第三波长(λ3)的辐射来执行，其中所述第三波长(λ3)长于所述第一波长并且短于所述第二波长(λ2)，并且所述第三波长(λ3)与所述第一波长(λ1)和所述第二波长(λ2)相差至少50nm且最多400nm，并且优选地相差至少80nm且最多300nm。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述不同波长(λ1,λ2,λ3)在400nm至1600nm的波长范围内，并且优选地低于1100nm。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述不同波长(λ1,λ2,λ3)选自以下波长范围：635±50nm、840±50nm、970±50nm、1040±50nm。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在扫描所述对象(22)的所述圆柱形表面(26)时，所述束(21)聚焦在所述光学对象中的一个点(25)上。
CN202180026247.9A 2020-03-30 2021-03-18 用于确定圆柱形光学对象的折射率分布的方法 Pending CN115362364A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP20166718.5A EP3889581A1 (de) 2020-03-30 2020-03-30 Verfahren zur ermittlung des brechzahlprofils eines zylinderförmigen optischen gegenstandes
EP20166718.5 2020-03-30
PCT/EP2021/056922 WO2021197857A1 (de) 2020-03-30 2021-03-18 Verfahren zur ermittlung des brechzahlprofils eines zylinderförmigen optischen gegenstandes

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115362364A true CN115362364A (zh) 2022-11-18

Family

ID=70058226

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202180026247.9A Pending CN115362364A (zh) 2020-03-30 2021-03-18 用于确定圆柱形光学对象的折射率分布的方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20230107854A1 (zh)
EP (2) EP3889581A1 (zh)
JP (1) JP7458502B2 (zh)
CN (1) CN115362364A (zh)
WO (1) WO2021197857A1 (zh)

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4227806A (en) * 1978-10-16 1980-10-14 Western Electric Company, Inc. Methods for non-destructively determining parameters of an optical fiber preform
US4441811A (en) * 1981-09-10 1984-04-10 Corning Glass Works Apparatus and method for determining refractive index profile in a cylindrical article
US5365329A (en) * 1988-11-15 1994-11-15 York Technology Limited Apparatus and method for measuring refractive index
JPH0812130B2 (ja) * 1989-05-24 1996-02-07 信越化学工業株式会社 屈折率分布の測定方法及び測定装置
US5396323A (en) 1994-02-07 1995-03-07 Corning Incorporated Method and apparatus for analyzing optical waveguide cane
FR2792066B1 (fr) * 1999-04-08 2001-06-22 Jean Francois Fardeau Dispositif pour la mesure dimensionnelle et le controle des defauts des fibres optiques en production
FR2889312B1 (fr) * 2005-07-26 2007-10-05 Groupe Ecoles Telecomm Refractometre optique pour la mesure de la salinite de l'eau de mer et capteur de salinite correspondant
US8013985B2 (en) * 2009-03-30 2011-09-06 Corning Incorporated Methods of measuring the refractive index profile of a transparent cylindrical object
US20130148113A1 (en) 2010-03-31 2013-06-13 Hitachi High-Technologies Corporation Inspection apparatus and inspection method
JP2013096899A (ja) 2011-11-02 2013-05-20 Sumitomo Electric Ind Ltd 光ファイバ母材の屈折率分布測定方法及び屈折率分布測定装置
JP2015049168A (ja) 2013-09-03 2015-03-16 株式会社島津製作所 ガス吸光度測定装置
EP3213052B1 (en) 2014-10-31 2019-06-19 Corning Incorporated High precision measurement of refractive index profile of cylindrical glass bodies
EP3315948B1 (de) 2016-10-26 2019-09-04 Heraeus Quarzglas GmbH & Co. KG Verfahren zur ermittlung des brechzahlprofils eines zylinderförmigen optischen gegenstandes
CN110095262B (zh) * 2019-04-28 2020-08-28 中国建筑材料科学研究总院有限公司 检测光纤传像元件中光纤间光串扰透过率的装置
WO2021024420A1 (ja) * 2019-08-07 2021-02-11 オリンパス株式会社 屈折率分布推定システム
US20220107269A1 (en) * 2020-10-02 2022-04-07 Pall Corporation Refractometer with single use prism and reusable optical system

Also Published As

Publication number Publication date
EP4127667A1 (de) 2023-02-08
JP2023521000A (ja) 2023-05-23
JP7458502B2 (ja) 2024-03-29
EP3889581A1 (de) 2021-10-06
US20230107854A1 (en) 2023-04-06
WO2021197857A1 (de) 2021-10-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10228551B1 (en) Device and method for optically measuring a measurement object
CN109781015B (zh) 一种光谱共焦线扫描快速测量物体表面台阶的方法
US8773757B2 (en) Slit-scan multi-wavelength confocal lens module and slit-scan microscopic system and method using the same
US7495762B2 (en) High-density channels detecting device
CN109001207B (zh) 一种透明材料表面及内部缺陷的检测方法和检测系统
US9989458B2 (en) High precision measurement of refractive index profile of cylindrical glass bodies
JP2008541101A (ja) 物体の表面測定装置およびその表面測定方法
EP2685304A1 (en) Spectroscopic confocal microscope with aperture stop for increased spatial resolution and parallelized data acquisition
US8098374B2 (en) Highly sensitive spectroscopic unit
US10943764B2 (en) Apparatus for wavelength resolved angular resolved cathodoluminescence
TWI673474B (zh) 光學測量裝置
US5642191A (en) Multi-channel imaging spectrophotometer
US5309214A (en) Method for measuring distributed dispersion of gradient-index optical elements and optical system to be used for carrying out the method
CN110736721A (zh) 基于衍射光栅的玻璃平板折射率均匀性检测装置及检测方法
TW202014671A (zh) 光學地量測與成像一量測物件的裝置與方法
JP7411682B2 (ja) 光シート顕微鏡および試料空間内の物体の屈折率を特定するための方法
CN115362364A (zh) 用于确定圆柱形光学对象的折射率分布的方法
CN111989552B (zh) 用于在激光加工系统中确定焦点位置的装置、激光加工系统和相应的方法
CN116519150B (zh) 波长量测系统及方法
CN113654482B (zh) 一种基于色差和谱域干涉的光学3d成像装置及方法
WO2022234588A1 (en) Systems and methods to acquire three dimensional images using spectral information
JP7289780B2 (ja) 偏芯計測方法および偏芯計測装置
US20040135995A1 (en) Spectroscopic ellipsometer wafer mapper for DUV to IR
JP3155569B2 (ja) 分散分布測定方法
CN117805082A (zh) 使用标准参考材料进行的多通道拉曼系统的强度校准

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination