CN1938580A - 用于检测光纤中的缺陷的设备和方法以及塑料光纤制造设备 - Google Patents

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Abstract

在塑料光纤(POF)束(11)由导轮(21－28)向着卷绕机(17)引导的同时，缺陷检测设备(20)检测POF束(11)中的内部缺陷。缺陷检测设备(20)包括三个光照射装置(31－33)、行传感器照相机(35－37)和处理单元(41－43)。光照射装置(31－33)照射POF束(11)，并且行传感器照相机(35－37)获取POF束(11)的图像并将图像数据传送至处理单元(41－43)。处理单元(41－43)设定检测范围，并根据图像密度确定所获得的图像中的缺陷像素。随后执行斑点处理，以合并相邻的缺陷像素，并确定内部缺陷的存在以及根据合并的缺陷区域的尺寸确定缺陷类型。

Description

用于检测光纤中的缺陷的设备和方法以及塑料光纤制造设备
技术领域
本发明涉及一种用于检测光纤中的缺陷的设备和方法以及能够在制造过程中检测光纤中的缺陷的塑料光纤制造设备。
背景技术
与具有相同结构的玻璃光学部件相比，塑料光学部件具有设计容易以及制造成本低的优点，因此近来已经将塑料光学部件用作光纤、光学透镜元件、光波导等。特别是，完全由塑料构成的塑料光纤(称作“POF”)适于以低成本制造大直径的光纤，因为POF与玻璃光纤相比具有良好的柔韧性、重量轻和高的机械加工性的优势。因此，计划将塑料光纤用作适于传输损耗小的短距离输送的光学传输介质。
POF包括芯体部件和包层部件，该芯体部件具有作为主要成分的有机化合物，其中聚合物形成基体，该包层部件由具有不同于芯体部件的折射率的有机材料构成。其中芯体部件的折射率从中心到芯体部件的表面逐渐降低的渐变折射率(GI)型POF具有高传输带宽和高传输容量。已经披露了GI型POF的各种制造方法(例如，日本未审专利公开(JP-A)No.2002-220261和美国专利No.5,541,247(日本专利No.3332922的对应专利))。例如，通过利用表面凝胶聚合形成光纤基体(以下称作“预制坯”)并随后熔融-拉拔该预制坯来制造GI型POF。
当在制造过程中预制坯含有微气泡或显微气泡时，上述气泡变成作为在熔融-拉拔过程之后沿光纤束的纵向延伸的内部缺陷的空腔。上述空腔会引起光纤的传输特性和物理强度的降低。
在玻璃光纤的制造中，JP-A-2000-281379披露了一种配设有延伸机以便在制造过程中检测出光纤内的气泡(内部缺陷)的缺陷检测设备。该缺陷检测设备具有光发射部件和用以检测光纤中的气泡的光检测部件。当来自光发射部件的检测光被光纤中的气泡散射时，光检测部件所检测到的光量减小。因此，能够检测出光纤中的气泡。同样，在JP-A2001-235396中，来自光发射部件的激光束被光纤中的气泡散射，并且用作光检测部件的图像传感器检测到散射光的光强。根据前向散射的光强分布，能够检测出光纤中的气泡。
如JP-A 2000-281379和JP-A 2001-235396中所述，在利用前向散射检测缺陷的方法中，由于POF的纤束的直径与玻璃光纤相比相对较大，因此检测精度变差。例如，因为检测精度下降，常规的缺陷检测设备不能检测具有10-30μm的直径的微气泡。此外，利用前向散射检测缺陷的方法将在具有大直径的纤束内产生检测不到的区域。
本发明的一个目的是提供一种用于以高精度检测塑料光纤中的内部缺陷的设备和方法。
本发明的另一目的是提供一种能够检测制造过程中的缺陷的塑料光纤制造设备。
发明内容
上述目的可通过以下步骤实现，即从与光纤的轴线相交的方向向光纤照射检测光；获取由来自与检测光的光轴相交的方向的检测光所照射的光纤的图像，并输出与光纤的轴线垂直的径向上的光强分布信号；沿着光纤的轴向连续获取光强分布信号；以及根据径向和轴向上的光强分布信号水平检测内部缺陷。
用于检测光纤中的内部缺陷的设备包括检测光照射装置、成像装置和缺陷检测部分。检测光照射装置从与光纤的轴线相交的方向向光纤照射检测光。成像装置获取由来自与检测光的光轴相交的方向的检测光所照射的光纤的图像，并输出与光纤的轴线垂直的径向上的光强分布信号。缺陷检测部分沿着光纤的轴向连续获取光强分布信号，并根据径向和轴向上的光强分布信号水平检测内部缺陷。
在一优选实施例中，两对以上的检测光照射装置和成像装置沿光纤的轴向设置，并且成像装置以规则间隔围绕该光纤设置。成像装置为具有多个成行的成像元件的行传感器照相机(line sensor camera)，并这样定位检测光照射装置，以使得照射光的光轴相对于光纤的轴线位于行传感器照相机的相反侧。
缺陷检测部分设定其中径向上的光强分布信号水平变得大于扫描开始阈值的检测开始位置，并根据检测开始像素和光纤的类型设定缺陷检测范围。当行传感器照相机以预定时间重复获取光纤图像时设定检测开始位置。
进而，根据其中光强分布信号水平大于缺陷判断值的缺陷检测范围中的部分的尺寸确定内部缺陷的存在。根据缺陷判断阈值将径向和轴向上的光强分布信号转变成二进制数据。然后，执行斑点处理(blobprocess)，以合并与光强信号大于第二阈值的位置相对应的像素，并在合并区域的尺寸为第一标准尺寸或更大时确定内部缺陷的存在。
当合并区域的尺寸为第一标准尺寸或更大以及第二标准尺寸或更小时，将内部缺陷判断为微气泡。并且，当合并区域的尺寸为第二标准尺寸时，将内部缺陷判断为拉拔过程中的气泡。
该设备可配设有标记装置，以缺陷位置处在光纤上设置标记。将被检查的光纤的直径为250μm或更大。该光纤为通过熔融-拉拔预制坯形成的塑料光纤束。
一光纤制造设备优选具有上述缺陷检测设备，以便在光纤制造过程中检测光纤中的内部缺陷。
根据本发明，与利用前向散射检测缺陷的方法相比，能够提高缺陷检测的精确度。此外，由于光纤周围的两对以上的成像装置能够覆盖将被检查的光纤的整个面积，因此可以避免具有大直径的光纤束中的检测不到的区域。
附图说明
图1为其中从预制坯拉拔出塑料光纤(POF)束并将其缠绕在卷绕机上的生产线的示意图；
图2A为POF束中的气泡(缺陷)的侧视图；
图2B为沿图2A中的B-B线剖开的横截面图；
图3A为行传感器照相机的配置的说明示意图；
图3B、3C、3D和3E为行传感器照相机的扫描区域的说明示意图；
图4为行传感器照相机、光发射装置和POF束的配置的说明示意图；
图5为处理单元所执行的缺陷检测过程的流程图；
图6为示出了与行传感器照相机的像素位置相关的光强数据的图表，其中给出了缺陷阈值水平和扫描开始阈值水平；以及
图7A和7B为斑点产生过程之后检测到的斑点的说明示意图。
具体实施方式
在图1中，生产线12用于缠绕从预制坯(preform)10拉拔出的POF束11。在公知的拉丝机13中，预制坯10被加热，并由拉拔辊对14拉拔熔融的预制坯10。拉拔过程后的POF束被输送至本发明的缺陷检测设备20，在该设备中检测POF束11中的缺陷16(参见图2A)。例如，该POF束11中的缺陷16为气泡。在POF束11通过缺陷检测设备20之后，POF束11被缠绕在卷绕机17中的辊的周围。
在拉丝机13中，与拉拔辊对14相连的编码器15输出指示由拉拔辊对14所实施的POF束11的进给长度的测量信号。该测量信号被输送至缺陷检测设备20和卷绕机17，以校正缺陷检测设备20和卷绕机17中的进给长度。
缺陷检测设备20包括向着缺陷检测单元3引导POF束11的第一至第八导轮21-28。第一导轮21和第八导轮28分别由支撑臂18、19支撑。第一导轮21将POF束11从拉丝机13引导至缺陷检测设备20。第八导轮28将POF束11从缺陷检测设备20引导至卷绕机17。
缺陷检测单元30设置在第三导轮23和第四导轮24之间。缺陷检测单元30具有第一至第三光发射装置31-33以及沿POF束11的进给方向以规则间距设置的第一至第三行传感器照相机35-37。光发射装置31-33是相同的，并围绕POF束11以120度的间隔(围绕POF束11呈120度旋转对称)设置。行传感器照相机35-37是相同的，并围绕POF束11以120度的间隔设置(参见图3A)。
光发射装置31-33和行传感器照相机35-37的上述配置的原因如下。当照相机摄取到透明柱(例如POF束11)的侧面时，因为空气/树脂界面处的折射率，照相机仅可获取透明柱的横截面中的阴影线区域H1的图像。如图3B、3C和3D所示，阴影线区域H1在照相机的侧面大约延伸105°并在相反侧面延伸大约35°，因此每个行传感器照相机35-37不能获取POF束11的横截面内的非阴影线区域H2的图像。
在该优选实施例中，将行传感器照相机35-37设置为形成围绕POF束11的120度旋转对称形式，第一、第二和第三行传感器照相机35-37可以分别摄取图3B、3C和3D中所示的阴影线区域H1。因此，通过结合图3B、3C和3D的这些阴影线区域H1，能够扫描POF束11的整个横截面，如图3E所示。
为了检查POF束11横截面的整个区域，必须从至少三个方向扫描POF束11，但也可增加扫描POF束11的方向。从三个或四个方向扫描POF束11是优选的，且更优选地从三个方向进行扫描。由于以下原因，增加检查单元(光发射装置和行传感器照相机)的数量是不优选的。一个原因是，由于必须沿着POF束11的进给路径以一定间隔设置检查单元以防止一个检查单元的照射光干扰其他检查单元操作，从而使得缺陷检测设备20变得太大。另一个原因是，因为检查单元的扫描范围交叠，因此同步化检查单元的操作便变得太复杂。
在图4中，示出了第一光发射装置31和第一行传感器照相机35的配置的一个实例。第二和第三光发射装置32和33以及第二和第三行传感器照相机36和37以相同的方式设置，故在该实施例中仅描述第一光发射装置31和第一行传感器照相机35的特征。行传感器照相机35的光轴35a穿过POF束11的中心线CL1，并获取POF束11的图像，以获得POF束11的径向上的光强分布。例如由DALSA Co.，Ltd.制造的行传感器照相机35具有成行(成一直线)设置的大约96个成像元件。由行传感器照相机35获得的图像信号被模/数(A/D)转换电路数字地转换，并随后作为行图像(行式映象)的图像数据被传送至控制器40中的第一处理单元41(参见图1)。用于控制缺陷检测设备20的操作的控制器40包括第一至第三处理单元41-43、测量单元45、存储器写入器46和存储器47。
在图4中，第一光发射装置31包括一对发光二极管31a和31b。POF束11位于发光二极管31a、31b之间。发光二极管31a、31b从两侧照射POF束11。发光二极管的数量并不局限于两个，而是可以只设置一个发光二极管或设置多于两个的发光二极管。取代发光二极管，可以设置可选光源，例如激光器和卤素灯。另外，光发射装置31可以具有光发射元件(例如发光二极管)和光检测元件(例如光电晶体管)。在此情况下，驱动器根据光检测元件的信号控制发光元件的光量。
第一光发射装置31的照射光轴31c从POF束11的中心CL1向着与行传感器照相机35相反的侧面移动(偏移)长度L1。可根据照射光束的直径和第一光发射装置31的光量改变长度L1的值。在POF束的直径为316μm以及照射光束的直径为5mm的本实施例中，移位长度L1为2.5-3.0μm。通过在行传感器照相机35的相反侧设置发光二极管，来自发光二极管31a、31b的照射光不会向着行传感器照相机35反射，并进而能够防止缺陷检测设备20的不正确行为。照射光的方向可以不垂直于行传感器照相机35的成像光轴。照射光的方向可相对于成像光轴倾斜大约±10°，尽管该斜度取决于照射光的扩散或漫射。POF束11的直径优选为250μm或更大。
参照图1，编码器38设有第六导轮26。编码器38向控制器40的测量单元45输出指示POF束11的进给长度的测量信号。测量单元45计算指示从第六滑轮26到POF束11的前端的长度的长度数据(测量数据)。在计算长度数据的过程中，测量单元45参考拉丝机13中的编码器15的信号，以修正长度数据。计算出的长度数据与随后说明的第一和第二处理单元41-43的缺陷信号相关联，以确定POF束11中的缺陷的位置。例如，每次进给5μm的POF束11，编码器38便生成测量信号。
每个图像处理单元41-43根据编码器38的测量信号以规则(或固定)的时间间隔从相应的行传感器照相机35-37输入图像数据，因此图像处理单元41-43获得与POF束11的进给长度相关的连续图像数据，进而可获得轴向和径向上的POF束11的图像数据。为了检测指示出缺陷16的散射光(白色图像)，第一处理单元41对每100行的行传感器照相机的图像数据进行图像处理。
图5示出了第一处理单元41的图像处理序列的一个实例。图6中的图表示出了行传感器照相机35获得的一行图像数据的一个实例。在图6中，横轴表示行传感器照相机35的像素位置，竖轴表示综合(或合成)光强数据的值。在获得图像数据之后，第一处理单元41将获得的图像数据分为100行的图像数据。随后，第一处理单元41取回100行中的第一行的图像数据，并在本实施例中从最左边像素到最右边像素(沿着POF束11的径向)将线性图像数据的每个像素中的光强数据与扫描开始阈值S1进行比较。当光强数据的值变得大于扫描开始阈值S1时，第一处理单元41将上述像素设定为开始位置ST1。由于上述像素获取光源的图像，因此可以根据被摄取的图像中的光源连续照射的表面确定(或指定)开始位置ST1。
接着，从开始位置ST1开始，第一处理单元41基于按照POF束11的尺寸预定的检测开始位置值C1和检测范围值C2确定检测范围E1。因此，当设定了开始位置ST1时，也自动地设定了检测范围E1。
在检测范围E1内，第一处理单元41利用缺陷阈值水平S2将100行的光强数据转换成二进制图像数据。换句话说，当像素的光强数据的值大于缺陷阈值S2时，这种像素被定义为白色像素WP(参见图7A)。另一方面，当光强数据的值等于或小于缺陷阈值S2时，上述像素被定义黑色像素BP。第一处理单元41为每100行设定开始位置ST1、检测范围E1和白色像素WP。因而，相邻100行的二进制图像数据彼此相连，以便获得检测范围E1中的二进制图像数据。即使POF束11为波浪状的，因为可由特定长度的图像数据(在本实施例中为100行)获得二进制图像数据，故可以校正波动效果。
在获得二进制图像数据之后，执行所谓的斑点处理或过程(blobprocess)。在斑点处理中，第一处理单元41确定是否白色像素WP在四个方向(左、右、上和下)中的至少一个方向上彼此相连，并合并相邻的白色像素WP。图7A和7B示出了斑点处理结果的实例。在图7A中，检测到两个斑点B1和B2。在7B中，检测到单个斑点B3。
除了扫描开始阈值水平S1、检测开始位置值C1、检测范围值C2的信息外，第一处理单元41的内存储器根据POF束11的直径存储最小斑点值和缺陷类型判断值的信息。最小斑点值待确定缺陷的最小尺寸(像素)。在判断缺陷是否为微气泡或拉拔过程中的气泡的过程中利用该缺陷类型判断值。第一处理单元41从内存储器取回这些值，获得开始位置ST1的信息以及检测范围E1，并判断缺陷类型。
在判断缺陷类型的过程中，第一处理单元41将计算的斑点的尺寸与最小的斑点值相比较，并在斑点区域等于或大于最小斑点值时将该斑点判断为缺陷。进而，将缺陷的尺寸与缺陷类型判断值相比较。当缺陷的尺寸等于或小于缺陷类型判断值时，第一处理单元41将该缺陷判断为微气泡。当缺陷的尺寸大于缺陷类型判断值时，第一处理单元41将该缺陷判断为拉拔过程中的气泡。根据由测量单元45获得的POF束11的进给长度信息确定检测到的缺陷的位置。包括缺陷类型和位置数据的缺陷信息被存储器写入器46存储在存储器47中。
在上述说明中，描述了第一处理单元41的操作。第二和第三处理单元42、43可按照上述相同的方式获得缺陷信息。缺陷信息与识别POF数据一起被存储在存储器47中，并用于确定缺陷类型和位置以及去除POF卷绕过程和POF包覆过程中的缺陷。进而，在去除缺陷之后，POF产品被制造。通过在线或诸如存储卡的记录介质将缺陷信息发送至卷绕机和包覆设备。
在上述实施例中，根据二进制图像数据确定缺陷，但也可以利用其他类型的图像处理检测缺陷。例如，行传感器照相机的像素数据(密度数据)可以被微分或求导，以找出密度数据中的异常变化。也可根据密度直方图中的变化利用灰度等级来检测缺陷。
根据缺陷位置数据，可以利用标记装置50(参见图1)、例如喷墨打印机在POF束11上设置标记，以指示缺陷的位置。在标记缺陷位置的过程中，可根据缺陷类型改变标记的颜色。
尽管根据上述实施例的缺陷信息去除了POF束11中的缺陷部分，但可以累积缺陷信息，以找出是否气泡聚集在POF束中的某一部分内，并可利用缺陷信息查找预制坯生产过程和拉拔过程中产生气泡的原因。在此情况下，在预制坯生产过程和拉拔过程中在预制坯中设置附着位置标记，并将附着位置标记设置在每个过程的预定位置处。
在上述实施例中，POF束11中的气泡被检测为缺陷，但本发明也适用于检测其他类型的光纤(诸如玻璃光纤)中诸如气泡和杂质的缺陷。尽管在以上实施例中行传感器照相机35-37获取了线性图像，但可使用区域图像传感照相机，以获取POF束的轴向上的特定区域的图像。
工业实用性
本发明适用于检测诸如塑料光纤(POF)和玻璃光纤中的缺陷。

Claims (14)

1.一种用于检测光纤中的内部缺陷的设备，该设备包括：
检测光照射装置，用于从与该光纤的轴线相交的方向向该光纤照射检测光；
成像装置，其获取由来自与该检测光的光轴相交的方向的检测光所照射的光纤的图像，并输出与该光纤的轴线垂直的径向上的光强分布信号；以及
缺陷检测部分，其沿该光纤的轴向连续获得该光强分布信号，并根据该径向和该轴向上的光强分布信号的水平检测内部缺陷。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，两对以上的检测光照射装置和成像装置沿该光纤的轴向设置，并且该成像装置以规则间隔围绕该光纤设置。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，该成像装置为具有多个成行的成像元件的行传感器照相机，并这样定位该检测光照射装置，以使得照射光的光轴相对于该光纤的轴线位于该行传感器照相机的相反侧。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，该缺陷检测部分设定其中该径向上的光强分布信号水平变得大于扫描开始阈值的检测开始位置，并根据检测开始像素和光纤类型设定缺陷检测范围。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，当该行传感器照相机以预定时间重复获取该光纤的图像时该缺陷检测部分设定该检测开始位置。
6.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，该缺陷检测部分根据其中光强分布信号水平大于缺陷判断值的缺陷检测范围中的部分的尺寸确定内部缺陷的存在。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，该缺陷检测部分根据该缺陷判断阈值将该径向和该轴向上的光强分布信号转变成二进制数据，并执行斑点处理，以合并与其中光强信号大于第二阈值的位置相对应的像素，并在合并区域的尺寸为第一标准尺寸或更大时确定内部缺陷的存在。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，该缺陷检测部分在该合并区域的尺寸为第一标准尺寸或更大和第二标准尺寸或更小时将该内部缺陷判断为微气泡，并在该合并区域的尺寸为第二标准尺寸时将该内部缺陷判断为拉拔过程中的气泡。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括用于在缺陷位置处在该光纤上设置标记的标记装置。
10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，该光纤具有250μm或更大的直径。
11.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，该光纤为通过熔融-拉拔预制坯形成的塑料光纤束。
12.一种具有根据权利要求1所述的缺陷检测设备的光纤制造设备，该光纤制造设备在光纤的制造过程中检测该光纤中的内部缺陷。
13.一种用于检测光纤中的内部缺陷的方法，该方法包括以下步骤：
(a)从与该光纤的轴线相交的方向向该光纤照射检测光；
(b)获取由来自与检测光的光轴相交的方向的检测光所照射的光纤的图像，并输出与该光纤的轴线垂直的径向上的光强分布信号；
(c)沿该光纤的轴向连续获取该光强分布信号；以及
(d)根据该径向和该轴向上的光强分布信号水平检测内部缺陷。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，沿该轴向设置两对以上的用于照射检测光的检测光照射装置以及用于获取该光纤的图像的成像装置，并且该成像装置以规则间隔围绕该光纤设置。
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