DD222109A1 - Anordnung zur beruehrungslosen optischen faserdickenkontrolle in echtzeit - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Dickenkontrolle von Fasern, die beispielsweise Anwendung findet zur Produktionsueberwachung beim Ziehen von Draehten bzw. Lichtleitern. Das Ziel der Erfindung ist die Realisierung der beruehrungslosen optischen Dickenkontrolle in Echtzeit mittels einer kohaerent-optischen Filteranordnung bei vereinfachter technischer Realisierung und hoher Genauigkeit. Die Faser wird durch eine kohaerente Lichtquelle beleuchtet. Es erfolgt eine Fouriertransformation mittels einer Linse. In deren hinterer Brennebene wird ein optisches Filter angeordnet, das ein Korrelationspeak in einer Bildebene erzeugt, welches unter Verwendung einer CCD-Zeile ausgewertet wird, vgl. Fig. 1. Das Filter bewirkt eine Betragsbildung der Amplitudenwerte der Objekttransformierten. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen.

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Dickenkontrolle von Fasern, die beispielsweise Anwendung findet zur Produktionsüberwachung beim Ziehen von Drähten bzw. Lichtleitern.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannt sind mechanische Methoden zur Durchrhesserbestimmung, die jedoch eine Berührung der Fasern erfordern und somit nicht bei durchlaufendem Meßobjekt anwendbar sind^Daneben gibt es optische Methoden, wie mikroskopische und

interferometrische Techniken.

Einfachstes Verfahren ist die Messung des Faserdurchmessers durch direkte Untersuchung der Fasern mit dem Mikroskop, vgl. Applied Optics Vol. 16 (1977), S. 2223. Die Ergebnisse hängen von den Beleuchtungsbedingungen und vom Beobachter ab.

Darüber hinaus ist es schwierig, bei mikroskopischen Methoden den Kontakt mit der Faser zu vermeiden und die Messungen in Echtzeit durchzuführen. Mikroskopische Messungen sind nur geeignet zur Untersuchung einzelner Faserproben.

Interferometrische Methoden haben den Vorteil hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit. Bekannt ist ein Instrument, welches Interferenzen in einem Hohlraum, der durch zwei ebene Spiegel begrenzt ist, zur Durchmesserbestimmung ausnutzt, vgl.

Hewlett Packart 5526 A Laser Measurement System. Es erfolgt eine elektronische Auswertung und eine hohe Genauigkeit ist realisierbar.· Jedoch ist ein Kontakt mit der Faser erforderlich.

Mit dem Milmaster Electronic Micrometer, vgl. Milmaster Electronic Micrometer manufactured by The Electron-Machine Corporation, Umatilla, Florida, wird die Lichtverteilung, die durch die Faser hervorgerufen wird, verarbeitet. Das Licht, das den Detektor erreicht, wird signifikant durch den Faserdurchmesser beeinflußt. Dickere Fasern unterdrücken und streuen mehr Licht und reduzieren die Lichtintensität, die den Detektor erreicht. Das Gerät ermöglicht eine Verarbeitungszeit von 0,25 Sekunden und kann Durchmesseränderungen von 0,25/xm nachweisen. Es ist ein hoh'er elektronischer Aufwand

erforderlich.

Weiterhin sind dieScanning-Strahltechhiken bekannt, bei denen ein scharfer Laserstrahl quer zur Faser vorbeigeführt wird.

Der Faserdurchmesser wird aus der Zeitunterbrechung der Verdunkelung des Detektors berechnet, vgl. Rev. Sei. Instrum. Vol.

44(1973), S. 1749 und Draht Vol. 31 (1980), S.147. Diese Methoden sind für die Durchmesserkontrolle während des Faserziehprozesses geeignet, da sie kontinuierlich und berührungslos sind. Sie erfordern jedoch einen hohen gerätetechnischen

Aufwand. '

Schließlich werden auch Streumethoden genutzt. Diese sind anwendbar bei der Dickenbestimmung von transparenten Medien,

z. B. Lichtleiterkabeln. Während bei oben beschriebenen Methoden die Effekte, die durch Totalreflexion und Brechung des Lichts beim Durchgang durch die Faser unter Einhaltung bestimmter Bedingungen ausgeschaltet wurden, werden diese bei

den Streuverfahren gezielt ausgenutzt. , '

Man unterscheidet die transversale Rückstreümethode, vgl. z. B. Applied Optics Vol. 14 (1975), S. 1528 und die Vorwärtsstreumethode, vgl. z.B. J. Opt. Soc. Am. Vol. 64 (1974), S.767. Die Auswertung der Streuspektren nach verschiedenen Gesichtspunkten ermöglicht die Ermittlung der Lichtleiterparameter. Die Methoden sind für kontinuierliche Durchmessermessungen von Lichtleitern geeignet, wie sie zur Kontrolle des Ziehprozesses von Lichtleitern erforderlich sind.

Die Durchmesserbestimmung erfordert stets die Kenntnis des Brechungsindexes der Faser: Jedoch läßt sich dieses Problem überwinden, indem man mit einer Faser bekannten Durchmessers kalibriert.

Verfälschungen des charakteristischen Streuspektrums können auftreten, wenn der Kernradius im Verhältnis zum Mantelradius einen bestimmten Wert überschreitet. Dann wird die Auswertung erschwert. Die Technik ist kontinuierlich und exakt, jedoch

kompliziert.

Bei der transversalen'Rückstreumeßtechnik wurden Genauigkeiten von 3% angegeben, vgl. Applied Optics Vol. 14 (1975), S.1528, bei der Vorwärtsstreumethode 0,25%, vgl. Applied Optics Vol. 16 (1977), S. 2395.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Realisierung der berührungslosen optischen Dickenkontrolle in Echtzeit mittels einer kohärentoptischen Filteranordnung bei vereinfachter technischer Realisierung und hoher Empfindlichkeit.

Darlegung des Wesens der Erfindung ' '

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Dicke von Fasern während des Produktionsprozesses zu kontrollieren und bei Abweichungen von einem Normal eine.Regelung zii veranlassen, wobei eine einfache optische Filteranordnung verwendet wird. .·-.'

Erfindungsgemäß wird die Anordnung zur kontinuierlichen berührungslosen optischen Faserdickenkontrolle in Echtzeit dadurch realisiert, daß die Faser durch eine kohärente Lichtquelle beleuchtet wird und eine Fouriertransformation mittels einer Linse erfolgt, in deren hinterer Brennebene ein optisches Filter angeordnet ist, das eine Betragsbildung der Fouriertransformierten

bewirkt und in einer Bildebene eine Auswertung mit einer CCD-Zeile durchgeführt wird, die senkrecht zur Faser angeordnet ist.

Bei Verringerung des Korrelationsspeaks wird eine Regelgröße abgeleitet, die den Faserziehprozeß korrigierend beeinflußt.

Zur Unterdrückung des Gleichlichtanteiis wird eine H.ochpaßfilterung vorgeschaltet bzw. das optische Filter so modifiziert, daß dieses gleichzeitig eine Hochpaßfilterung realisiert. Bei transparenten Fasern wird die Filterfunktion komplexwertig und mittels synthetischer Hologramme realisiert.

Ist die Fouriertransformierte reellwertig, besitzt das Filter alternierend die Transparenz +1 bzw. -1.Es besteht dann aus Bereichen, deren Grenzen durch die Nulldurchgänge der Qbjekttransformierten festgelegt sind. Negative Transparanzwerte sind mittels Phasenschichten realisierbar, die einen Wegunterschied der halben Laserwellenlänge bewirken. Die nochmalige Fouriertransformation in die Bildebene !aßt am Faserort ein äußerst hohes und scharfes Korrelationspeak entstehen.

Variiert der Faserdurchmesser, ändert sich die Ausdehnung in der Fourierebene und die Struktur des optischen Filters ist nicht mehr der Fouriertransformierten angepaßt. Das Filter verlassen nun auch negativ« Amplituden, so daß es zu einem starken Abfall des Korrelationspeaks kommt.

Die Höhe des Peaks ist äußerst empfindlich gegenüber Durchmesservariationen des Objekts. Die Empfindlichkeit kann gesteigert werden durch Vergrößerung der Ausdehnung des Filters.

Mittels der CCD-Zeile wird die Peakhöhe ausgemessen. Fällt diese um einen bestimmten Wert ab, erfolgt eine Regulierung des Faseräurchmessers. Die Erfassung der Meßwerte liegt im /ns-Bereich, womit die Regelgröße entsprechend schnell abgeleitet werden kann.

Die endliche Ausdehnung der CCD-Zeile senkrecht zur Faser ermöglicht auch eine Ausmessung bei geringfügigen örtlichen Verschiebungen der Faser, wie diese bei kontinuierlichen Prozessen auftreten können.

Die Filteranordnung bewirkt einen Effekt der Impulskompression und somit eine wesentliche Erhöhung der Empfindlichkeit des detektierten Meßsignals gegenüber Dickenschwankungen im Vergleich zu bekannten Verfahren.

Ausführungsbeispiel

Anhand eines in den Zeichnungen wiedergegebenen Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Hierin zeigen Fig. 1: eine prinzipielle Anordnung zum Kontrollieren von Faserdicken,

Fig. 2 a; die Amplitudenverteilung nach Hochpaßfilterung in einer Richtung senkrecht zur Faser bei reellem (nichttransparentem) Meßobjekt,

Fig. 2 b: die Fouriertransformierte dieser Amplitudenverteilung, Fig.2c;dieTransparenzverteilung des optischen Filters in der Fourierebene, Fig.2d: die Amplitudenverteilung unmittelbar hinter dem optischen Filter, Fig.3a: die Gestalt des Korrelationspeaks, wenn die Faser den geforderen Durchmesser hat, Fig.3 b; die Gestalt des Korrelationspeaks bei Durchmesserfehler von ca. 5% (Amplitudenwerte), Fig.4 die normierte Intensität des Korrelationspeaks bei Änderung des Faserdurchmessers.

In Fig. 1 ist die optische Anordnung zur Dickenkontrolle von Fasern dargestellt. Die Faser (F) in der Objektebene (OE) wird mittels einer kohärenten Lichtquelle senkrecht beleuchtet.

Eine Abbildung mit einer Zylinderlinse (ZL) und Filterung mit einem optischen Filter (OF) in einer Fourierebene (FE) läßt das Korrelationspeak in der Bildebene entstehen. Die Zylinderlinse bewirkt eine Fouriertransformation der Objektfunktion (O) in einer Richtung senkrecht zur Faserachse und zur optischen Achse. Das optische Filter besteht bei reeller Objektfunktion alternierend aus Transparenzen +1 und -Vfschraffierte Bereiche) und im mittleren Bereich besitzt es die Transparenz 0 zur Unterdrückung des Gleichlichtanteils (Hochpaßfilterung). Man wählt den Abbildungsmaßstab der zweiten Abbildung größer als 1, um die Breite des Korrelationspeaks zu vergrößern und damit bei Auswertung durch die CCD-Zeile eine erhöhte Empfindlichkeit zu sichern. ^

Die Ausdehnung der CCD-Zeile senkrecht zur Faser ermöglicht auch eine Auswertung des Signals, wenn die Faser geringfügigen Ortsveränderungen in x-Richtung unterworfen ist, womit man beim Faserziehprozeß zu rechnen hat. Gegenüber Bewegungen der Faser in Richtung optischer Achse ist die Höhe des Korrelationspeaks äußerst unempfindlich. Zur Realisierung hoher Genauigkeiten ist es notwendig, die Lichtleistung der kohärenten Quelle zu stabilisieren bzw. mit einem Referenzstrahl zu arbeiten.

Das optische Filter (OF) bewirkt i.a. eine Betragsbildung der Amplitudenverteilung der Fouriertransformierten der Objektfunktion (vgl. Fig.2d). Die anschließende Fouriertransformation bewirkt eine Integration über alle diese positiven Beiträge und läßt somit ein äußerst hohes und scharfes Korrelationspeak entstehen (vgl. Fig.3a).

Variiert der Faserdurchmesser, so ist die Ausdehnung der Fouriertransformierten 0 nicht mehr an die Dimensionierung des Filters (OF) angepaßt, so daß auch negative Werte das optische Filter verlassen, die einen Abfall des Korrelationspeaks bewirken (vgl.Fig.3b).

Fig.4 zeigt, daß Größenvariationen des Objektes unter 1 % Schwankungen im Intensitätswert von einigen % bewirken und somit noch nachweisbar sind. Die Empfindlichkeit wird erhöht, wenn das Filter weiter in μ-Richtung ausgedehnt wird. Eine große Filterausdehnung erfordert eine Zylinderlinse mit guten Fouriertransformationseigenschaften.

Durch geeignete Schaltung der CCD-Zeile wird es möglich, die Höhe des Korrelationspeaks zu ermitteln und bei Verringerung eine Regelgröße abzuleiten, die den Faserziehprozeß korrigierend beeinflußt.

Claims (4)

1. Erfindungsansprüche:

   1. Anordnung zur kontinuierlichen berührungslosen optischen Faserdickenkontrolle in Echtzeit, gekennzeichnet dadurch, daß die Faser durch eine kohärente Lichtquelle beleuchtet wird und eine Fouriertransformation mittels einer Linse erfolgt, in deren hinterer Brennebene ein optisches Filter angeordnet ist, das eine Betragsbildung der Fouriertransformierten bewirkt und in einer Bildebene eine Auswertung mit einer CCD-Zeile durchgeführt wird, die senkrecht zur Faser angeordnet ist.
2. 2. Anordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei Verringerung des Korrelationspeaks eine Regelgröße abgeleitet wird, die den Faserziehprozeß korrigierend beeinflußt. -
3. 3. Anordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine Hochpaßfilterung vorgeschaltet wird bzw. das optische Filter so modifiziert wird, daß dieses gleichzeitig eine Hochpaßfilterung realisiert. ^;
4. 4. Anordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei transparenten Fasern die Filterfunktion mittels synthetischer Hologramme realisiert wird.