CN1246611A - 检测光波导毛坯的纤芯/包层分界面的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种检测用于生产光纤的毛坯(13)的空气/包层和纤芯/包层分界面的方法和设备。相干光束(30)扫描越过毛坯(13),检测因此产生的空间光强图案,并进行分析。当光束朝毛坯中心移动时,空气/包层界面相应于单峰的空间光强图案的宽度的减小。当光束朝毛坯中心移动时,纤芯/包层分界面相应于至少双身的空间光强图案的开始。通过转动毛坯和在两个或更多的角位置处重复测量过程,可以确定毛坯的同心度和椭圆度值。

Description

检测光波导毛坯的纤芯/包层分界面的方法和设备

本发明涉及光纤，本发明尤其涉及检测用于生产这些光纤的毛坯的纤芯/包层分界面的方法和设备。这里纤芯/包层分界面也称为纤芯的边缘。

如该领域中熟知的，光纤具有由包层围绕的中心纤芯，其纤芯具有比包层更高的折射率。通过加热“毛坯”(亦称为“预制棒”)的端部和将光纤从毛坯中拉丝而制成这些光纤，通过拉丝速率控制光纤的直径。如在光纤中那样，毛坯具有由较低折射率的包层围绕的较高折射率的中心纤芯，毛坯纤芯和包层的截面尺寸当然要比光纤的纤芯和包层的尺寸大许多，例如，大十倍到一百倍。

由于光纤的各种几何特性(例如，纤芯/包层直径比和纤芯/包层同心度)由毛坯(光纤由其拉制)相应的几何特性确定，该领域中的工作者已经开发了各种用于测量毛坯的几何形状的装置。一种被广泛使用的测量毛坯直径的装置以LASERMIC为商标由Laser Mike，Inc.(Dayton，Ohio)出售。这种装置通过横向照射毛坯和用电子摄像机检测毛坯阴影的外部边缘而工作。

授予Shimada等人的第5,408,309号美国专利描述了使用横向照射来测量纤芯/包层同心度和毛坯椭圆度。该专利讨论了通过转动毛坯和用电子摄像机检测纤芯和作为旋转角度的函数检测包层的位置来确定同心度和椭圆度。给出了各种用于依赖毛坯是否表现出椭圆度以及偏心的纤芯或者只有这些缺点中的一个而分析摄像机的记录。还描述了一个使用激光光源的实施例，其中在纤芯和包层之间的分界面处的剩余应力据认为提供了这些层的清晰的图像。

由于上述原因，本发明的一个目的是提供改进的技术，用于检测于生产光纤的毛坯的纤芯/包层分界面的位置。本发明的另一个目的是提供改善的技术，用于检测纤芯/包层的界面和包层的外部边缘的位置。本发明的还有一个目的是使用如此检测到的纤芯/包层的界面和包层的外部边缘的位置，以确定纤芯/包层同心度、纤芯椭圆度和毛坯(包层)椭圆度。根据由这种测量给出纤芯直径和包层直径以及已知的光纤参数和它预定的用处(具体而言是拉伸比、纤芯和包层的折射率、和工作波长)，也可以预知模场直径(MFD)和截止波长。

为了达到这些和其它的目的，本发明提供了一种用于检测毛坯的纤芯/包层分界面的方法，包括：

(a)提供相干光束，例如，激光束；

(b)横向地将光束扫描(scanning)通过毛坯的至少一部分；

(c)当扫描光束时检测通过毛坯的光；及

(d)通过识别在测得的光中的空间强度图案(该图案至少是双峰的)的开始出现，检测纤芯/包层分界面。

根据本发明，发现当扫掠的激光束从毛坯包层进入毛坯纤芯时，产生带有波瓣的折射/干涉型空间强度图案(即，至少是双峰的)。当光束移动入纤芯时，图案强度(以及可测的波瓣的数量)增加。相应地，通过建立这种图案开始出现的阈值，可以容易地检测到纤芯/毛坯界面。

在某些较佳实施例中，相干光束会聚到相应于毛坯纵向轴的标称位置之处，即，光束聚焦在毛坯中心的标称位置处。已经发现这种会聚增加了由纤芯/包层分界面产生的带有波瓣的图案的强度。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于检测毛坯的方法，包括：

(a)在毛坯的两个相对侧提供光源和检测器，光源产生相干光束，而检测器可以检测空间光强图案；

(b)横向移动光束跨过毛坯，同时在检测器处检测空间光强图案；

(c)当光束朝纵轴移动时发生单峰空间光强图案宽度的减小时，作为横向位置识别包层的边缘，最好参照预定的阈值确定所述的发生；及

(d)当光束朝纵轴移动时，出现至少一个双峰的空间光图案时，作为横向位置识别纤芯边缘，最好参照预定的阈值确定所述出现。

如果有需要，检测方法还可以包括识别毛坯的中心为这样的横向位置，对于光束的横向移动，在该处至少一个双峰空间光强图案的两侧围绕双峰空间光强图案。

使用这种检测方法，纤芯/包层同心度、包层椭圆度、和/或纤芯椭圆度可以通过在第一角位上识别(放置)包层和纤芯的边缘，然后旋转毛坯通过预定的角度，例如90°，并且再次确定(定位)包层和纤芯的边缘。在这种方法中得到的数据可以对进行测量的轴线位置导出同心度和/或椭圆度的值。或者，不是只用两个测量而是在一组角度，进行多个测量。

最好沿毛坯长度的多个轴线位置处重复检测方法，在每一个位置处确定同心度和/或椭圆度的值。

本发明还提供了一种用于检测毛坯的设备，包括：

(a)用于支承毛坯的装置，例如，一种由支承滚轮和皮带构成的系统，它从毛坯下面接触毛坯的端部，并且最好可以用于绕毛坯的纵轴旋转毛坯通过预定的角度；

(b)用于产生相干光束的装置，例如，激光器；

(c)用于使光束会聚在毛坯的纵轴的标称位置附近的装置，例如，可移动的聚焦透镜，这里，纵轴的标称位置可以例如使用上述LASERMIC装置确定；

(d)用于横向扫描光束越过毛坯的装置，例如，自动机系统(它使用例如DC伺服电机)，用于移动激光器和聚焦透镜；

(e)用于检测空间光强图案的装置，例如，直线性CCD摄像机；和

(f)当横向扫描的装置扫描光束越过毛坯的装置时用于将光线引导至用于检测的装置。例如，将指示空气/包层分界面的空间光强图案和指示纤芯/包层分界面的光强图案引导至CCD摄像机的透镜系统。

自动机系统可以沿毛坯的长度移动激光器、聚焦透镜、CCD摄像机和透镜系统，从而可以确定沿其长度的毛坯的几何形状的变化。

图1是可以用于本发明实践的设备的程式化的示意图。

图2-4是可以用于本发明实践的透镜系统的示意图。

图5A-5G是当相干光束扫描越过毛坯时产生的空间光强图案的曲线图。

上述合并入说明书并且构成说明书一部分的附图解释了本发明的较佳实施例，并且附图与说明一起用于解释本发明的原理。当然，应该知道，附图和描述都只是解释性的，而并不是限制性的。

如上所述，本发明涉及以空间光强图案的变化识别空气/包层和纤芯/包层的界面(当把相干光引向(瞄向)毛坯的不同区域时，由相干光束这种光强图案产生。

图1示意地描绘了可用于完成这种识别的设备。如该图所示，毛坯13在其端部处被支承，从而它可以绕其纵轴15旋转。虽然如有需要可以使用垂直取向，但最好图1所示沿水平取向支承毛坯。

测量设备10包括：(1)光源17，例如1.0mW激光二极管(在650nm处工作，并配备有产生准直的相干光束的4X光束扩展器)；(2)将光束聚焦在毛坯的标称中心处的可移动的透镜19；(3)检测由光束对毛坯照射导致的空间光强图案的检测器21；及(4)当光束扫描越过毛坯时保证有关的图案到达检测器21的透镜系统23。

设备10最好还包括合适编程的计算机系统(图中未示出)，用于处理(例如，滤波和分析)检测器21的输出，以识别空气/包层和纤芯/包层分界面，以及计算毛坯的同心度和椭圆度的值。例如，用可以买到的(诸如以LABVIEW作为商标由National Instruments of Austin，Texas出售的)软件来滤波和分析测得的空间光强图案。计算机系统应该还接受来自自动机系统的关于激光束位置的输入，从而来自检测器的经过分析的数据可以和毛坯中的特定位置相关联。

在图1中示出，元件17、19、21和23由平台25和27支承，打算用它们来示意地描绘自动机系统。两个平台都可沿Y方向移动，以便沿毛坯13的长度在不同位置处进行测量。为了横向扫描光束越过毛坯平台25还可沿X方向移动。在本发明的实践中，可以使用从各个卖主处买到的自动机系统。

如上所指出的，毛坯13的标称中心可通过使用LASERMIC或类似的测量装置(图中未示出)识别。当使用LASERMIC时，毛坯的标称中心取为由所述装置决定。包层的阴影的中点。用于得到标称中心值的装置可以通过自动机系统支承，从而当测量系统沿毛坯的长度移动时，可以调节标称中心的位置。或者，标称中心值可以在分开的测试台处得到，并且这些值可以提供给设备10的计算机系统。

一旦已经确定了标称中心，就调节聚焦透镜的位置，从而聚焦透镜和标称中心之间的距离Z满足下面的等式：

Z＝F-(n-1)R

这里，F是聚焦透镜的焦距，n是包层的折射率，而R是包层半径。按照这种方法，由光源17产生的光束会聚在毛坯的标称纵轴附近。已经发现这样的会聚可在检测器21处改善信号强度。

特别地，已经发现，会聚到大约20微米的点尺寸可提供这样的信号强度的改善。(注意，由光源17产生的光束通常不是圆形的。例如，已知激光二极管产生椭圆形的光束。在这些情况下，椭圆的长轴最好沿与毛坯的纵轴正交的方向取向(即，图1中的竖向)，并且沿该方向的聚焦光束的尺寸最好小于20微米。)较好地，会聚最好沿光束的方向(即图1中的Z方向)保持为大约2毫米的距离。实际上发现，具有焦距为150mm以及净通光孔径大于光束在透镜处直径的单个透镜元件适合于用作光束聚焦透镜。

图2-4示出合适的透镜系统23，用于检测射入检测器21的有关的空间光强图案。图2示出引入毛坯之前的系统。如在该图中可以见到的，不论光束是同轴的还是离轴的上，准直光束30都会聚在检测器21处，即，检测器在透镜系统的焦点处。

图3和4分别描绘了用于较小和较大毛坯的系统的工作。在这些图中，毛坯的纤芯由标号32指出，而其包层由标号34指出。

如在这些图中绘出的，大透镜元件40、42、44和小透镜元件50、52的组合，对于正好在包层外面的光束(每幅图中上面的光束)和正好在纤芯外面的光束(每幅图中下面的光束)来说，保证至少一部分光束30照射在检测器21上。由于这些是得到关于毛坯几何形状的最重要数据的位置，故附图示出这样的五元透镜系统达到了对于毛坯尺寸的范围将有关的空间光强图案引向检测器的目的。

图2-4的透镜系统的合适的焦距和透镜间距(中心-中心)如下：

透镜元件    焦距(mm)    透镜间距(mm)

40          1000

                            25

50          50

                            140

42          1000

                            50

52          100

                            75

44          250

这里，，透镜元件40的中心与毛坯250纵轴之间的距离是250毫米，透镜元件44的中心和检测器21之间的距离是300毫米，而检测器21的有效区域的长度是16毫米。透镜元件的净通光孔径选择得足够大，以为待测的毛坯尺寸收集光束30。更一般地说，透镜系统23应该具有足够大的视场，足以将充足的光强图案置于检测器上，从而可以发现包层的外部边缘和纤芯/包层分界面。

图5A到5G描绘了当光束30扫描越过毛坯时在检测器21处观察到的空间光强图案。这些图案是用图1的设备和图2-4的透镜系统产生的。检测器的输出构成对于2048个象素的光强值。

图5A和5B示出当光束在包层外面(图5A)，以及刚好碰到但未完全在包层内(图5B)时，观察到的单峰图案。对这些图的比较示出，图5B中的图案的宽度小于图5A中的图案宽度。这种宽度的减小是部分光束包层折射离开检测器的结果。

图5A和图5B之间宽度的减小可以直接从检测器的输出数据检测到，或更方便的，通过计算数据标准偏差而测得，由于当光束碰到包层时图案的最大强度不会增加，故标准偏差的减小相应于图案宽度的减小。通过将单峰图案宽度的减小和直径的测量(使用另外的技术，例如，使用上述的LASERMIC装置的直径测量)相关，可以确定宽度减小的阈值(该阈值给出了大致上相同的直径值)。

或者，可以简单地将阈值选择得足够大，以避免包层边缘的错误的检测(这是由于噪声引起的)。在后面一种情况下，使用本发明的过程作的包层直径测量用作为它们本身的标准。

图5C示出当光束完全在包层内但仍然远离纤芯边缘时检测器的输出。现在包层折射全部的光束，从而大致上没有来自光束的光线到达检测器。检测器的输出因此而本质上为零。

图5D示出当光束仍然完全在包层内但现在靠近纤芯的边缘时检测器的输出。单峰信号在这种情况下又回来了，因为现在光束以垂直的角度碰到包层，因此减小了包层折射光束使之离开检测器的能力。

图5E示出当光束碰到纤芯边缘时所发生的情况。在这幅图中清楚地有旁瓣，即，图案不再是单峰的，而现在至少是是双峰的。当光束继续移入纤芯时，图案的强度和其多峰特性都有增加。事实上，较大的检测器和/或不同的透镜系统23将显示，图案包含一组强度减小的波瓣，这是衍射/干涉型空间光强图案的特征。图5E的波瓣(以及图5F的波瓣)包括中心波瓣和第一侧波瓣。

虽然不希望受任何特殊工作理论的约束，但相信带有波瓣的图案是由于纤芯中的条纹(striae)(它起着衍射光栅的作用，因此产生了衍射/干涉型空间光强图案，即，具有中心瓣和旁瓣的图案。特别地，已经发现，纤芯中没有条纹的毛坯不产生带有波瓣的图案。

由具有条纹的毛坯产生的各种波瓣的具体位置和尺寸连同其它因素一道将依赖于：条纹的径向间隔，包括这些间隔的均匀性；形成条纹的折射率的变化(包含条纹之间的这些变化的均匀性)；以及至少在某种程度上，在任何给出的条纹中，和至少在某种程度上，各个条纹的径向范围。因为包含大量的变量，故发现在两个隔开180°的周边位置处进行的纤芯直径测量可以有些不同，例如，测量可以相差大约0.1微米或更大。虽然不希望受任何特殊工作理论的约束，但相信这些不同是因为在制造过程中在毛坯周围不同的周边位置处产生的条纹的变化造成的。

图5E的至少双峰图案的开始可以用各种识别峰值技术确定。一种已在实践中成功使用的技术包括：检查检测器的输出区域(预料在该区域将出现旁瓣)，并且最小高度和最小宽度组合确定此波瓣的阈值。阈值可以调节，从而对毛坯的测量相应于例如对从毛坯拉制的光纤作的纤芯/包层同心度的和截止波长的测量。

图5F和5G示出光束完全在纤芯中(图5F)和在纤芯中心(图5G)时来自检测器的输出。图5E和5F的比较示出当光束进一步移动到纤芯中时峰值强度的增加。图5G示出在光束与纤芯中心对准时，在由检测器看到的至少双峰的图案变成了单峰。

当光束移动经过纤芯的中心进入纤芯内，然后进入包层，最后进入空气时，图5A到5F的图案按颠倒的顺序重复。这组颠倒的图案可以用于为毛坯的下半部确定纤芯和包层边缘的位置。或者，光束可以被移至低于毛坯的一点，并向上扫描。一种方法较好，因为图案将按照图5的顺序出现，因此只需一组算法以进行分析。

实践中，发现图1-5的系统可以快速而可靠地测量各种尺寸的毛坯的纤芯和包层的几何形状。发现用系统进行的测量和光纤的纤芯/包层同心度、截止波长和模场直径的测量相关，该光纤是从用本发明的方法和设备进行检测的毛坯拉制的。但是，如上提到的，当毛坯在一个取向上测量，旋转180°，然后再测量时，发现测量值的一些变化。如果这样的变化对本发明的特定应用不适宜，则可以通过例如用和毛坯的一端相关的非圆对称特征给始终使毛坯单一取向来适应。

虽然已经描述和图示了本发明的具体实施例，但应该知道，在不背离本发明的主旨的条件下可以有各种修改。例如，其它的光源、透镜(例如，非球面透镜)、检测器(包括多个检测器)和除去上面所述之外的软件程序可以用于本发明的实践中。代替移动光源，可以用例如多平面(multifaceted)旋转镜使光束扫描越过毛坯。还有，类似地不使用电子检测系统，本发明的空间光强图案可以在观察屏上手动地观察。类似地，各种毛坯支承机构(包括各种用于在垂直或水平取向上支承毛坯和旋转毛坯的机构可以用于本发明的实践中。

根据这里所揭示的技术，各种其它不背离本发明的范围和主旨的修改对熟悉本领域的人来说是明显的。打算用下面的权利要求来覆盖上述具体实施例和这些修改、变化和等效的内容。

Claims (22)

1.一种检测用于生产光纤的毛坯中的纤芯/包层分界面的方法，所述毛坯具有纵轴，其特征在于所述方法包括：

(a)提供相干光束；

(b)将光束横向扫描越过所述毛坯的至少一部分；

(c)当扫描所述光束时检测通过所述毛坯的光；及

(d)通过在测得的至少是双峰的光中识别光强图案的开始，检测纤芯/包层的界面。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述纵向轴具有标称的位置，并且光束会聚在所述位置的附近。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(c)包括提供一光学系统，用于将通过所述毛坯的光引导到检测器上。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于用一阈值来识别所述开始。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于包括绕所述纵轴转动所述毛坯，并对经转动的毛坯重复所述步骤(a)到(d)的附加的步骤。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于包括沿所述纵轴在多个位置上重复所述步骤(a)到(d)的附加步骤。

7.一种确定用于生产光纤的毛坯中的纤芯/包层分界面的方法，所述毛坯具有纵轴，其特征在于所述方法包括：

(a)提供相干光束；

(b)将光束横向扫描越过所述毛坯的至少一部分；

(c)作为光束的横向位置的函数，检测通过毛坯的光；及

(d)在测得的至少是双峰的识别辐光强图案的开始，在所述开始处所述光束的横向位置相应于所述毛坯中的纤芯/包层分界面的位置。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述纵轴具有标称位置，并且所述光束会聚在所述位置附近。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述步骤(c)包括提供一光学系统，用于将通过所述毛坯的光引导至检测器上。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于用一阈值识别所述开始。

11.如权利要求7所述的方法，其特征在于包括绕所述纵轴转动所述毛坯，并对经转动的毛坯重复所述步骤(a)到(d)的附加步骤。

12.如权利要求7所述的方法，其特征在于包括沿所述纵轴在多个位置处重复步骤(a)到(d)的附加步骤。

13.一种检测用于生产光纤的毛坯的方法，所述毛坯具有纤芯、包层和纵轴，其特征在于所述方法包括：

(a)在所述毛坯的相对两侧上提供光源和检测器，所述光源产生相干光束，并且所述检测器能够检测空间光强图案；

(b)将光束横向移动越过毛坯所述检测处同时在检测所述空间光强图案；

(c)作为横向位置识别所述包层的边缘，其中，当所述光束朝所述纵轴移动时，发生单峰的空间光强图案宽度的减小；及

(d)作为横向位置识别所述纤芯的边缘，其中，当所述光束朝纵轴移动时，出现至少双峰的空间光强图案。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于包括作为横向位置识别所述毛坯的中心的附加步骤，其中，对于所述光束的横向移动，在所述单峰的空间光强图案的两侧由至少双峰的空间光强图案围绕。

15.如权利要求13所述的方法，其特征在于包括绕所述纵轴动转所述毛坯一预定角度，并对经转动的毛坯重复所述步骤(a)到(d)的附加步骤。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于包括根据原始的和重复的识别步骤(c)和(d)来确定纤芯/包层同心度的步骤。

17.如权利要求15所述的方法，其特征在于包括根据原始的和重复的识别步骤(c)来确定毛坯椭圆度的附加步骤。

18.如权利要求15所述的方法，其特征在于包括根据原始的和重复的识别步骤(d)来确定纤芯椭圆度的附加步骤。

19.如权利要求13所述的方法，其特征在于包括沿纵轴在多个位置处重复步骤(a)到(d)的附加步骤。

20.如权利要求13所述的方法，其特征在于所述纵轴具有标称位置，并且所述光束会聚在所述位置附近。

21.如权利要求13所述的方法，其特征在于在步骤(a)中提供所述光学系统，以将通过所述毛坯的所述光引入检测器中。

22.检测用于生产光纤的毛坯的设备，所述毛坯含具有标称位置的纵轴，其特征在于所述设备包括：

(a)用于支承所述毛坯的装置；

(b)用于产生相干光束的装置；

(c)用于使所述光束会聚在所述纵轴的所述标称位置附近的装置；

(d)用于将所述光束横向扫描越过所述毛坯的装置；

(e)用于检测空间光强图案的装置；及

(f)当用于横向扫描的装置将光束扫描越过所述毛坯时用于将光引导至所述检测装置的装置。

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