DE4109552A1 - Verfahren und anordnung zur bestimmung von brechungsindex- und/oder spannungsprofilen transparenter inhomogener koerper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung von Brechungsindex- und/oder Spannungsprofilen transparenter inhomogener Körper nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.

Zur nichtzerstörenden Messung des Brechnungsindex- oder Spannungsverlaufs in transparenten inhomogenen Körpern, wie z. B. zylindrischen Stäben von Lichtleitfaserhalbzeugen, wird die Richtungs- oder Polarisationsänderung von senkrecht zur Körperachse verlaufenden Lichtstrahlen ermittelt. Um eine hohe räumliche Auflösung zu erreichen, wird mit Hilfe einer Abbildungsoptik und einer Blende (z. B. einem Spalt) ein kleiner Teil des vom Meßobjekt beeinflußten Lichtes ausgeblendet und seine Ausbreitungsrichtung bzw. Polarisation bestimmt. Obwohl diese Verfahren gut etabliert sind (vgl. I. Sasaki, D. N. Payne, M. J. Adams: "Measurement of refractive-index profiles in optical fiber preforms by spatial filtering technique" Electr. Lett. 16, 219 (1980); H.-R. Müller, U. Röpke: "Preform index profiling with high spatial resolution" phys. stat. sol. (a) 66, K161 (1981); P. L. Francois, I. Sasaki, M. J. Adams: "Practical threedimensional profiling of optical fiber preforms" IEEE J. Quant. Electr. QE 18, 524 (1982); D. A. Svendsen: Resolution model for measurement of optical fiber preforms by focused laser transverse illumination technique" IEE Proc. J. Optoelectron. (UK) 135, 196 (1988); P. L. Chu, T. Whitbread: "Measurement of stresses in optical fiber preform" Appl. Opt. 21, 4241 (1982) und DD 1 60 585) und routinemäßig eingesetzt werden, entstehen nach diesem bekannten Stand der Technik folgende Probleme.

Zum einen sind keine Verfahren oder Vorrichtungen bekannt, die die gleichzeitige Messung von Spannungs- und Brechungsindexprofilen erlauben. Die bekannten Apparaturen bestehen zu einem großen Teil aus denselben Baugruppen, lassen sich aber nicht zu einem einheitlichen Gerät zusammenfügen, so daß lediglich aufwendige Umbauten denkbar wären, die aber wieder nur eine zeitlich aufeinanderfolgende Messung der zu ermittelnden Größen ermöglichen könnte (W. Urbanczyk, K. Pietraszkiewicz: "Measurement of stress anisotropy in fiber preform: modification of ther dynamic spatial filtering technique" Appl. Opt. 27, 4117, (1988); M. P. Varnham, S. B. Poole, D. N. Payne: "Thermal stress measurement in optical fiber preform using preform profiling technique" Electron. Lett. 20, 1034 (1985)).

Bei Meßobjekten mit scharfer und großer Brechzahländerung treten hohe Strahlablenkungen auf, die in üblichen Meßapparaturen nur schwer zu beherrschen sind und hohe Anforderungen an die abbildende Optik bzgl. Apertur und Korrektur des Systems stellen. Darüber hinaus treten systematische Fehler bei der räumlichen Zuordnung des Meßlichtes zum Meßobjektvolumen (Fehler von zweiter und höherer Ordnung im Ablenkwinkel der Lichtstrahlen) auf. Bei großer Strahlablenkung geht die eindeutige räumliche Zuordnung des Meßlichtes zum Meßobjektvolumen und damit die Meßbarkeit der Ausbreitungsrichtung und Polarisation verloren. Ferner, und dieses Problem ist besonders bei genannten Meßobjekten gravierend, kommt es zu Intensitätsmodulationen in der Abbildungsebene, so daß u. U. überhaupt kein auswertbarer Meßwert mehr gewonnen werden kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung von Brechungsindex- und/oder Spannungsprofilen transparenter inhomogener Körper anzugeben, die eine gleichzeitige Bestimmung genannter Größen ermöglichen und darüber hinaus die Nachteile des Standes der Technik vermeiden.

Vorteile der Erfindung

Die Vorteile der Erfindung werden durch die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche aufgeführten Merkmale realisiert. Sie bestehen im einzelnen in folgendem:

Eine vorteilhafte Vereinigung beider Meßmethoden und -apparaturen wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß hinter einer die Ortsauswahl bestimmenden Blende zusätzlich ein Polarisationsstrahlteiler angeordnet wird und der Polarisationszustand des Lichtes so geregelt wird, daß der eine Teilstrahl die Information über den Spannungszustand und der andere Teilstrahl zur Messung der Strahlrichtung und damit zur Bestimmung des Brechungsindexprofils genutzt wird. Die mit der Strahlablenkung im Meßobjekt zusammenhängenden Probleme werden erfindungsgemäß dadurch beseitigt, daß an Stelle einer achsenparallelen Beleuchtung des Meßobjekts eine Beleuchtung mit variabler Richtung verwendet wird. Diese Richtung wird z. B. durch ein Regelsystem so gewählt, daß hinter der die Ortswahl bestimmenden Blende eine achsenparallele Ausbreitungsrichtung der Lichtstrahlen erreicht wird. Die Beleuchtungsrichtung entspricht in diesem Fall dem Ablenkwinkel der Lichtstrahlen für den durch die Blende bestimmten Meßobjektbereich. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß das die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der abbildenden Optik durch den achsennahen Strahlenverlauf stark reduziert werden. Darüber hinaus vermeidet die für jeden Bereich des Meßobjektes speziell gewählte Beleuchtungsrichtung sowohl die durch die Abbildung eines Volumenobjektes bedingten systematischen Fehler und Mehrdeutigkeiten bei der räumlichen Zuordnung der Meßstrukturen zum Meßobjektvolumen als auch störende Intensitätsmodulationen am Ort der Blende.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung soll nachstehend anhand dreier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden, wobei beiliegende Figuren folgendes darstellen:

Fig. 1 eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur gleichzeitigen Bestimmung von Brechzahl- und Spannungsprofilen,

Fig. 2 eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur gleichzeitigen Bestimmung von Brechzahl- und Spannungsprofilen,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Anordnung zur Brechzahlbestimmung, die besonders bei großer Strahlablenkung vorteilhaft einsetzbar ist.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der Polarisationszustand des Lichtes, das zur Beleuchtung des in einer Küvette mit Immersionsöl befindlichen zu vermessenden Stabes 3 erforderlich ist, so eingestellt wird, daß der durch den Stab 3 und die Blende 5 gehende Lichstrahl eine festgelegte lineare Polarisation aufweist. Dabei wird kollimiertes Licht einer Lichtquelle 2, z. B. eines He-Ne-Lasers, einer Laserdiode oder eine Wolframlampe, mit einem einstellbaren Polarisator 10 in linear polarisiertes Licht mit einer bestimmten Polarisationsrichtung umgewandelt. Bei einer Lichtquelle, die linear polarisiertes Licht aussendet, sollte entweder 2 mit einer λ/4-Platte ergänzt werden, um den Polarisator 10 zirkular polarisiertes Licht zuzuführen oder der Polarisator 10 sollte zur Drehung der Polarisationsrichtung der Lichtquelle durch eine drehbare λ/2-Platte ersetzt werden. Mit einer λ/4-Platte 11, deren Hauptachsen einen Winkel von 45° mit der Achse des Stabes 3 bilden, wird geeignetes elliptisch polarisiertes Licht erzeugt, das beim Durchlaufen des zu vermessenden Stabes 3, der durch die Abbildungsoptik 4 und den Spalt in der Abbildungsebene 5 festgelegt wird, in linear polarisiertes Licht überführt wird, dessen Polarisationsrichtung mit der Achse des Stabes einen Winkel von 45° bildet. Dazu dient eine Regelung, bei der mit Hilfe eines Polarisationsstrahlteilers 1 die Fehlkomponente der Polarisation selektiert, mit einem Fotoempfänger 6 detektiert und mit der steuerbaren Drehvorrichtung 8 für den Polarisator 10 reduziert wird. Zur Verbesserung der Empfindlichkeit und zur Festlegung der Drehrichtung wird ein Phasenmodulator mit einer Hauptachsenrichtung parallel zur Achsenrichtung des Stabes 3 und eine phasenempfindliche Signalverarbeitung mit dem lock-in-Verstärker 14 eingesetzt. Durch die Regelung verschwindet die Fehlkomponente der Polarisation bei einem bestimmten Drehwinkel des Polarisators 10, der als Grundlage für die Ermittlung und Berechnung des Spannungsprofils des Stabes dient. Gleichzeitig durchläuft das Licht ungeschwächt den Polarisationsstrahlteiler 1, so daß der Ablenkwinkel mit Hilfe eines zweiten Regelkreises, der aus einem positionsempfindlichen Fotoempfänger 7 und einer steuerbaren Verschiebevorrichtung 15 besteht, bestimmt werden kann.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in Fig. 2 dargestellt ist, wird die Einstellung der Polarisationselemente zur Vermeidung der Fehlkomponente der Polarisation des Lichtes, das durch die Blende 5 geht, nicht auf der Beleuchtungsseite sondern auf der Abbildungsseite des Meßaufbaus vorgenommen. Der zu vermessende Stab 3 wird dabei mit Hilfe eines Polarisators 10 mit linear polarisiertem Licht beleuchtet, dessen Polarisationsrichtung mit der Achse des Stabes 3 einen Winkel von 45° bildet. Die Veränderung der Polarisation beim Durchlaufen des zu vermessenden Stabes 3 führt nach dem Durchgang des Lichtes durch eine λ/4-Platte 11, deren Hauptachsen mit der Achse des Stabes einen Winkel von 45° bilden, zu linear polarisiertem Licht mit einer Polarisationsrichtung, die vom Strahlverlauf abhängt und die Grundlage für die Ermittlung und Berechnung des Spannungsprofils bildet. Mit einer drehbaren λ/2-Platte 12, dem Polarisationsstrahlteiler 1, dem Empfänger 6, dem Verstärker 14 und der steuerbaren Drehvorrichtung 8 für die λ/2-Platte 12 wird die Fehlkomponente der Polarisation hinter der Blende 5 so geregelt, daß das Licht ungeschwächt den Polarisationsstrahlteiler durchläuft und für eine Bestimmung des Ablenkwinkels mit Hilfe eines polarisationsempfindlichen Fotoempfängers 7 und einer steuerbaren Verschiebevorrichtung 15 verwendet wird. Für die Erzeugung eines geeigneten Steuersignals für die steuerbare Drehvorrichtung 8 wird wie im ersten Ausführungsbeispiel ein Phasenmodulator 9 und ein lock-in-Verstärker 14 eingesetzt.

Ein Ausführungsbeispiel für die Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Meßmethode insbesondere bei größerer Strahlablenkung im Meßobjekt ist in Fig. 3 speziell für die Bestimmung des Brechzahlprofils dargestellt. In Abhängigkeit vom Abstand der Achse des in einer Küvette mit Immersionsöl befindlichen zu vermessenden Stabes 3 von der optischen Achse 13 wird die Beleuchtungsrichtung jeweils so gewählt, der der durch den Stab 3, die Abbildungsoptik 4 und den Spalt in der Abbildungsebene 5 verlaufende Strahl mit der optischen Achse übereinstimmt. Die Einstellung der Beleuchtungsrichtung wird durch eine Regelung erreicht, bei der ein positionsempfindlicher Fotoempfänger 7 die Abweichung des Strahlverlaufs von der optischen Achse registriert und dadurch ein Steuersignal zur Änderung der Beleuchtungsrichtung mit Hilfe einer steuerbaren Drehvorrichtung 8 erzeugt. Der Winkel, den die Beleuchtungsrichtung mit der optischen Achse bildet, entspricht dem Ablenkwinkel des Lichtes im zu vermessenden Stab 3 und bildet dadurch die Grundlage für die Berechnung des Brechzahlprofils. Die Vorteile dieser Vorgehensweise werden jeweils nur für einen speziellen Strahlverlauf durch das Meßobjekt, der zu einer weiteren Ausbreitung des Lichtes längs der optischen Achse führt, wirksam. Für eine globale Erfassung des Meßobjektes bei der Fokussierung oder Inspektion des Stabes sollte deswegen die Beleuchtungsrichtung parallel zur optischen Achse gewählt werden.

Bezugszeichenliste

 1 Polarisationsstrahlteiler
 2 Lichtquelle
 3 zu vermessender Stab
 4 Optik
 5 Spalt
 6, 7 Empfänger
 8 steuerbare Drehvorrichtung
 9 Phasenmodulator
10 Polarisator
11 λ/4-Platte
12 λ/2-Platte
13 optische Achse
14 Lock-in-Verstärker
15 steuerbare Verschiebevorrichtung

Claims (9)

1. Verfahren zur Bestimmung von Brechungsindex- und/oder Spannungsprofilen transparenter inhomogener Körper, die in einem indexangepaßten Medium eingebettet werden und senkrecht zur Stabachse mit parallelem zumindest einen Teil des Stabdurchmessers ausleuchtenden Lichtes beleuchtet werden, die Lichtstrahlen nach Durchlaufen des Stabes und einer abbildenden Optik durch einen Spalt, einem den Schwerpunkt des durch den Spalt erzeugten Beugungsbildes bestimmenden Empfänger zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Empfänger ein den Polarisationszustand des Lichtes erfassender Polarisationsstrahlteiler angeordnet wird und mit diesem bzw. weiterer davor im Strahlengang zusätzlich angeordneter polarisationsrichtungsbeeinflussender Bauelemente eine Auslöschung einer Polarisationsrichtung herbeigeführt wird, wobei der Grad für die Verdrehung genannter Bauelemente bis zur Auslöschung als Maß für den Spannungsprofilverlauf im Stab und der den Polarisationsstrahlteiler passierende Lichtanteil anderer Polarisationsebene zur Bestimmung des Brechzahlprofilverlaufs verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Lichtquelle ausgehende parallele Licht durch einen drehbaren Polarisator uund eine λ/4-Platte geleitet wird, durch den zu untersuchenden Stab gesandt und danach mittels einer Optik über einen Phasenmodulator auf einen Spalt ausgebildet wird, ein Polarisationsanteil der durchgehenden Intensität von einem Polarisationsstrahlteiler einer Auswerteeinheit zugeführt wird und eine Drehung des drehbaren Polarisators über eine an sich bekannte Steuer- und Regeleinheit so lange bewirkt wird, bis die Intensität dieses Polarisationsanteils Null wird und der andere Polarisationsanteil einer weiteren Empfängerebene zur Bestimmung des Brechungsindexprofils des Stabes zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Lichtquelle ausgehende parallele Licht durch einen Polarisator und einen nachgeordneten Phasenmodulator geleitet wird, durch den zu untersuchenden Stab gesandt und mittels einer Optik über eine λ/4- und eine λ/2-Platte auf einen Spalt abgebildet wird, dessen Beugungsbild von einem Polarisationsstrahlteiler einer Auswerteeinheit zugeführt wird und eine Drehung der drehbaren λ/2-Platte über eine an sich bekannte Steuer- und Regeleinheit so lange bewirkt wird, bis die Intensität dieses Polarisationsanteils Null wird und der andere Polarisationsanteil einer weiteren Empfängerebene zur Bestimmung des Brechungsindexprofils des Stabes zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 oder 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die das Beugungsbild erfassende Empfängereinheit, die zur Bestimmung des Brechungsindexprofils des zu untersuchenden Stabes verwendet wird auf der optischen Achse fixiert wird und die Einstrahlrichtung der Lichtquelle, senkrecht zur Spaltlängsrichtung, auf den zu untersuchenden Stab in Abhängigkeit von der Abweichung des Schwerpunktes genannten Beugungsbildes von der optischen Achse derart nachgeregelt wird, daß der Schwerpunkt des Beugungsbildes auf der optischen Achse verbleibt.

5. Anordnung zur Bestimmung von Brechungsindex- und/oder Spannungsprofilen transparenter inhomogener Körper und zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei der eine Lichtquelle (2) paralleles Licht durch einen zu untersuchenden Stab (3) sendet, eine Optik (4) dieses auf einen Spalt (5) abbildet und das Beugungsbild des Spaltes auf eine Auswerteeinheit gelangt, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengang vor dem Spalt (5) polarisationsbeeinflussende und nach dem Spalt ein den Polarisationszustand des Beugungsbildes bestimmender Polarisationsstrahlteiler (1) angeordnet ist und dieser selbst oder wenigstens eines der genannten polarisationsbeeinflussenden Bauelemente drehbar gelagert ist und den durch den Polarisationsstrahlteiler (1) erzeugten zwei Teilstrahlen je ein Empfänger (6 und 7) zugeordnet ist und eine Steuerung der Drehung genannter Bauelemente in Abhängigkeit des Signals in der Empfängerebene (6) erfolgt, wobei die die Steuerung bewirkende Baueinheit (8) stets mit einem im genannten Strahlengang angeordneten Phasenmodulator (9) fester Frequenz in Verbindung gebracht ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus den nacheinander geordneten Bauelementen
Lichtquelle (2),
drehbaren Polarisator (10),
einer λ/2-Platte (11),
dem zu vermessenden Stab (3),
einer Optik (4),
einem Phasenmodulator (9),
einem Spalt (5),
einem Polarisationsstrahlteiler (1),
einem Empfänger (6) und (7) und
einer steuerbaren Drehvorrichtung (8) besteht und die Steuerung der Drehvorrichtung zur Verdrehung des drehbaren Polarisators (10) durch Signalauswertung im Empfänger (6) erfolgt und die auszuwählende Frequenz durch den Phasenmodulator (9) festlegbar ist.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus den nacheinander geordneten Bauelementen
Lichtquelle (2),
einem Polarisator (10),
einem Phasenmodulator (9),
dem zu vermessenden Stab (3),
einer Optik (4),
einer λ/4-Platte (11),
einer drehbaren λ/2-Platte (12),
einem Spalt (5),
einem Polarisationsstrahlteiler (1),
einem Empfänger (6) und (7) und
einer steuerbaren Drehvorrichtung (8) besteht und die Steuerung der Drehvorrichtung zur Verdrehung der drehbaren λ/2-Platte (12) durch Signalauswertung im Empfänger (6) erfolgt und die auszuwählende Frequenz durch den Phasenmodulator (9) festlegbar ist.

8. Anordnung zur Bestimmung von Brechungsindexprofilen transparenter inhomogener Körper, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle (2) in bezug zur optischen Achse (13) schwenkbar gelagert ist und der Grad ihrer Auslenkung von einem in einer Empfängerebene (7) ermittelbaren Signal derart bestimmt ist, daß der Schwerpunkt eines von einem Spalt (5) erzeugten Beugungsbildes stets auf der optischen Achse (13) fixiert ist.

9. Anordnung nach Anspruch 5 und 6 oder 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (2) in bezug zur optischen Achse (13) schwenkbar gelagert ist und der Grad ihrer Auslenkung von dem in der Empfängerebene (7) ermittelbaren Signal derart bestimmt ist, daß der Schwerpunkt des von dem Spalt (5) erzeugten Beugungsbildes stets auf der optischen Achse (13) fixiert ist.