DD222109A1

DD222109A1 - ARRANGEMENT FOR TOUCHLESS OPTICAL FIBER THICKNESS CONTROL IN REAL TIME

Info

Publication number: DD222109A1
Application number: DD25414983A
Authority: DD
Inventors: Armin Schwerdtner; Dieter Eberlein
Original assignee: Dresden Ing Hochschule
Priority date: 1983-08-23
Filing date: 1983-08-23
Publication date: 1985-05-08

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. 1The invention relates to an arrangement for thickness control of fibers, which is used, for example, for production monitoring when pulling wires or optical fibers. The object of the invention is the realization of the contactless optical thickness control in real time by means of a coherent-optical filter arrangement with simplified technical realization and high accuracy. The fiber is illuminated by a coherent light source. There is a Fourier transformation by means of a lens. In the rear focal plane of an optical filter is arranged, which generates a correlation peak in an image plane, which is evaluated using a CCD line, see. Fig. 1. The filter effects an amount formation of the amplitude values of the object transformers. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen. For this 2 pages drawings.

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Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Dickenkontrolle von Fasern, die beispielsweise Anwendung findet zur Produktionsüberwachung beim Ziehen von Drähten bzw. Lichtleitern.The invention relates to an arrangement for thickness control of fibers, which finds application, for example, for production monitoring when pulling wires or optical fibers.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

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 undKnown mechanical methods for Durchrhesserbestimmung, but which require contact with the fibers and thus are not applicable to continuous measuring object ^ There are also optical methods, such as microscopic and

interferometrische Techniken.interferometric techniques.

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.The simplest method is the measurement of the fiber diameter by direct examination of the fibers with the microscope, cf. Applied Optics Vol. 16 (1977), p. 2223. The results depend on the lighting conditions and on the observer.

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.In addition, it is difficult to avoid contact with the fiber in microscopic methods and to perform the measurements in real time. Microscopic measurements are only suitable for examining individual fiber samples.

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.Interferometric methods have the advantage of high accuracy and reproducibility. An instrument is known which exploits interferences in a cavity, which is bounded by two plane mirrors, for diameter determination, cf.

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.Hewlett Packart 5526 A Laser Measurement System. An electronic evaluation is carried out and a high accuracy can be achieved. · However, contact with the fiber is required.

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 AufwandWith the Milmaster Electronic Micrometer, cf. Milmaster Electronic Micrometer manufactured by The Electron-Machine Corporation of Umatilla, Florida processes the light distribution caused by the fiber. The light reaching the detector is significantly affected by the fiber diameter. Thicker fibers suppress and scatter more light and reduce the light intensity reaching the detector. The device allows a processing time of 0.25 seconds and can detect diameter changes of 0.25 / xm. It is a high electronic effort

erforderlich.required.

Weiterhin sind dieScanning-Strahltechhiken bekannt, bei denen ein scharfer Laserstrahl quer zur Faser vorbeigeführt wird.Furthermore, the scanning beam techniques are known in which a sharp laser beam is passed transversely to the fiber.

Der Faserdurchmesser wird aus der Zeitunterbrechung der Verdunkelung des Detektors berechnet, vgl. Rev. Sei. Instrum. Vol.The fiber diameter is calculated from the time interruption of the darkening of the detector, cf. 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 gerätetechnischen44 (1973), p. 1749 and wire Vol. 31 (1980), p.147. These methods are suitable for diameter control during the fiber drawing process because they are continuous and non-contact. However, they require a high level of technical equipment

Aufwand. 'Expenditure. '

Schließlich werden auch Streumethoden genutzt. Diese sind anwendbar bei der Dickenbestimmung von transparenten Medien,Finally, scattering methods are also used. These are applicable to the thickness determination of transparent media,

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 beiz. B. fiber optic cables. While in the methods described above, the effects that have been eliminated by total reflection and refraction of the light when passing through the fiber under certain conditions, these are at

den Streuverfahren gezielt ausgenutzt. , 'exploited the scattering method targeted. , '

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.A distinction is made between the transverse regression method, cf. z. Applied Optics Vol. 14 (1975), p. 1528 and the forward scattering method, cf. e.g. J. Opt. Soc. At the. Vol. 64 (1974), p. 677. The evaluation of the scattered spectra according to various aspects enables the determination of the optical fiber parameters. The methods are suitable for continuous diameter measurements of optical fibers, as required to control the drawing process of optical fibers.

Die Durchmesserbestimmung erfordert stets die Kenntnis des Brechungsindexes der Faser: Jedoch läßt sich dieses Problem überwinden, indem man mit einer Faser bekannten Durchmessers kalibriert.The diameter determination always requires knowledge of the refractive index of the fiber: however, this problem can be overcome by calibrating with a fiber of known diameter.

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, jedochDistortions of the characteristic scattering spectrum can occur if the core radius in relation to the cladding radius exceeds a certain value. Then the evaluation is difficult. The technique is continuous and accurate, however

kompliziert.complicated.

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.For the transversal scattering technique accuracies of 3% were specified, cf. Applied Optics Vol. 14 (1975), p.1528, in the forward scattering method 0.25%, cf. Applied Optics Vol. 16 (1977), p. 2395.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist die Realisierung der berührungslosen optischen Dickenkontrolle in Echtzeit mittels einer kohärentoptischen Filteranordnung bei vereinfachter technischer Realisierung und hoher Empfindlichkeit.The aim of the invention is the realization of non-contact optical thickness control in real time by means of a coherent-optical filter arrangement with simplified technical realization and high sensitivity.

Darlegung des Wesens der Erfindung ' 'Explanation of the essence of the invention ''

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. .·-.'It is an object of the present invention to control the thickness of fibers during the production process and, in the event of deviations from a normal one, initiate control using a simple optical filter arrangement. . · -. '

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 FouriertransformiertenAccording to the invention, the arrangement for continuous non-contact optical fiber thickness control is realized in real time by illuminating the fiber by a coherent light source and Fourier transforming by means of a lens, in the rear focal plane of which an optical filter is arranged which forms an amount of the Fourier transform

bewirkt und in einer Bildebene eine Auswertung mit einer CCD-Zeile durchgeführt wird, die senkrecht zur Faser angeordnet ist.causes and in an image plane an evaluation with a CCD line is performed, which is arranged perpendicular to the fiber.

Bei Verringerung des Korrelationsspeaks wird eine Regelgröße abgeleitet, die den Faserziehprozeß korrigierend beeinflußt.When the correlation peak is reduced, a controlled variable is derived which has a corrective effect on the fiber drawing process.

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.To suppress the Gleichlichtanteiis H.ochpaßfilterung is connected upstream or the optical filter modified so that this simultaneously realizes a high-pass filtering. For transparent fibers, the filter function is complex and realized by means of synthetic holograms.

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.If the Fourier transform is real, the filter has an alternating +1 or -1. It then consists of areas whose boundaries are defined by the zero crossings of the object transform. Negative transparency values can be realized by means of phase layers, which cause a path difference of half the laser wavelength. The repeated Fourier transformation into the image plane gives rise to an extremely high and sharp correlation peak at the fiber location.

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.If the fiber diameter varies, the expansion in the Fourier plane changes and the structure of the optical filter is no longer matched to the Fourier transform. The filters now also leave negative amplitudes so that the correlation peak drops sharply.

Die Höhe des Peaks ist äußerst empfindlich gegenüber Durchmesservariationen des Objekts. Die Empfindlichkeit kann gesteigert werden durch Vergrößerung der Ausdehnung des Filters.The height of the peak is extremely sensitive to diameter variations of the object. The sensitivity can be increased by increasing the extension of the filter.

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.By means of the CCD line, the peak height is measured. If this falls by a certain value, a regulation of the Faseräurchmessers. The acquisition of the measured values is in the / ns range, so that the controlled variable can be correspondingly quickly derived.

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.The finite extension of the CCD line perpendicular to the fiber also allows for measurement of minor local shifts in the fiber, as may occur in continuous processes.

Die Filteranordnung bewirkt einen Effekt der Impulskompression und somit eine wesentliche Erhöhung der Empfindlichkeit des detektierten Meßsignals gegenüber Dickenschwankungen im Vergleich zu bekannten Verfahren.The filter arrangement causes an effect of the pulse compression and thus a significant increase in the sensitivity of the detected measurement signal to thickness variations compared to known methods.

Ausführungsbeispielembodiment

Anhand eines in den Zeichnungen wiedergegebenen Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Hierin zeigen Fig. 1: eine prinzipielle Anordnung zum Kontrollieren von Faserdicken,Reference to a reproduced in the drawings embodiment, the invention is explained in detail. 1 shows a basic arrangement for controlling fiber thicknesses,

Fig. 2 a; die Amplitudenverteilung nach Hochpaßfilterung in einer Richtung senkrecht zur Faser bei reellem (nichttransparentem) Meßobjekt,Fig. 2 a; the amplitude distribution after high-pass filtering in a direction perpendicular to the fiber with a real (nontransparent) object to be measured,

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.Fig. 2 b: the Fourier transform of this amplitude distribution, Fig. 2c, the transparency of the optical filter in the Fourier plane, Fig. 2d: the amplitude distribution immediately behind the optical filter, Fig. 3a: the shape of the correlation peak if the fiber has the required diameter , Fig.3b; the shape of the correlation peak at diameter error of about 5% (amplitude values), Figure 4 shows the normalized intensity of the correlation peak with change in fiber diameter.

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.In Fig. 1, the optical arrangement for thickness control of fibers is shown. The fiber (F) in the object plane (OE) is vertically illuminated by means of a coherent light source.

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. ^An image with a cylindrical lens (ZL) and filtering with an optical filter (OF) in a Fourier plane (FE) gives rise to the correlation peak in the image plane. The cylindrical lens effects a Fourier transformation of the object function (O) in a direction perpendicular to the fiber axis and the optical axis. In the case of a real object function, the optical filter alternately consists of transparencies +1 and -V-hatched areas), and in the central area it has the transparency 0 for suppressing the rectified component (high-pass filtering). One selects the magnification of the second image greater than 1 in order to increase the width of the correlation peak and thus to ensure an increased sensitivity when evaluated by the CCD line. ^

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.The extension of the CCD line perpendicular to the fiber also allows an evaluation of the signal when the fiber is subjected to slight changes of location in the x-direction, which is to be expected in the fiber drawing process. Compared to movements of the fiber in the direction of the optical axis, the height of the correlation peak is extremely insensitive. To realize high accuracies, it is necessary to stabilize the light output of the coherent source or to work with a reference beam.

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).The optical filter (OF) i.a. a magnitude formation of the amplitude distribution of the Fourier transform of the object function (see Fig. 2D). The subsequent Fourier transformation causes integration over all these positive contributions and thus produces an extremely high and sharp correlation peak (see 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).If the fiber diameter varies, then the expansion of the Fourier transform 0 is no longer matched to the dimensioning of the filter (OF), so that negative values also leave the optical filter, which cause a drop in the correlation peak (cf. 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.4 shows that size variations of the object below 1% cause fluctuations in the intensity value of a few% and are therefore still detectable. The sensitivity is increased when the filter is further extended in the μ direction. A large filter size requires a cylindrical lens with good Fourier transform properties.

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.By suitable switching of the CCD line, it is possible to determine the height of the correlation peak and to derive a control variable when reducing, which affects the fiber drawing process corrective.

Claims

Invention claims:

1. Arrangement for continuous non-contact optical fiber thickness control in real time, characterized in that the fiber is illuminated by a coherent light source and a Fourier transform by means of a lens, in whose rear focal plane an optical filter is arranged, which causes an amount of Fourier transforms and in one Image plane, an evaluation is performed with a CCD line, which is arranged perpendicular to the fiber.

2. Arrangement according to item 1, characterized in that when reducing the correlation peak, a control variable is derived, which affects the fiber drawing process corrective. -

3. Arrangement according to item 1, characterized in that a high-pass filtering is connected upstream or the optical filter is modified so that this simultaneously realizes a high-pass filtering. ^;

4. Arrangement according to item 1, characterized in that in the case of transparent fibers, the filter function is realized by means of synthetic holograms.