DE68927012T2

DE68927012T2 - Vorrichtung und verfahren zur brechungsindexmessung

Info

Publication number: DE68927012T2
Application number: DE68927012T
Authority: DE
Inventors: David Svendsen
Original assignee: York Technology Ltd
Current assignee: York Technology Ltd
Priority date: 1988-11-15
Filing date: 1989-11-15
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2009-11-16
Also published as: GB8826643D0; JPH04501772A; JP2970856B2; DE68927012D1; EP0560755A1; WO1990005904A1; EP0560755B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Messen des radialen Brechzahlprofils und anderer Eigenschaften eines durchsichtigen Objekts mit optischen Mitteln. Das Objekt ist annähernd zylindrisch, beispielsweise eine optische Faser oder die Vorform einer optischen Faser. Die Messung wird dadurch ausgeführt, daß das Objekt im allgemeinen quer zu seiner Längsachse beleuchtet wird. Die Einrichtung ermöglicht insbesondere das Messen des radialen Brechzahlprofils gewisser Vorformen optischer Fasern, die beispielsweise mit dem axialen Abscheideverfahren aus der Gasphase bzw. VAD-Verfahren (VAD = Vapour Axial Deposition) hergestellt werden. Diese Vorformen sind einer Untersuchung mit herkömmlichen Einrichtungen und Verfahren nicht zugänglich.
Vom Brechzahlprofil der Vorform einer optischen Faser fordert man normalerweise, daß sich die mittlere Brechzahl allmählich mit dem Radius ändert, daß die Brechzahl keine oder nur wenige Sprünge aufweist und daß sich die Brechzahl entlang der Längsachse der Vorform nicht ändert. Es wurden daher Verfahren und Einrichtungen zum Messen des Brechzahl profils entwickelt, um damit Qualitätskontrollen beim Herstellen der Vorformen auszuführen.
In den Electronic Letters vom 24. November 1977, Vol. 13, Nr. 24 auf den Seiten 736 bis 738 beschreibt P. L. Chu ein Verfahren zum Messen des Brechzahlprofils der Vorform einer optischen Faser, wobei die Vorform mit einem Laserstrahl in Querrichtung, jedoch senkrecht zur Achse der Vorform beleuchtet und der Austrittswinkel φx des vorwärts übertragenen Strahls als Funktion des Abstands x von der y- Achse des einfallenden Strahls aufgezeichnet wird. Um das Brechzahlprofil zu gewinnen, wurden diese Austrittswinkel einer numerischen Integration unterworfen. Eine Einrichtung zum Ausführen dieses Verfahrens haben P. L. Chu und T. Whitbread in den Electronic Letters vom 10. Mai 1979, Vol 15, Nr. 10 auf den Seiten 295 und 296 offenbart.
GB-A-2071315 offenbart ein Verfahren zum Erfassen radialer Änderungen in der Brechzahl eines ungefähr zylindrischen Objekts, beispielsweise der Vorform einer optischen Faser, umfassend das Beleuchten des Objekts über die zu messende Länge mit einem kollimierten Lichtstrahl im wesentlichen senkrecht zur Achse des Objekts, das Fokussieren des Lichts, das das Objekt überträgt, in einer Brennebene parallel zu einer Ebene, die die Achse des Objekts enthält, das Modulieren des Strahls, so daß sich eine Eigenschaft des Lichts als Funktion des Abstands von der optischen Achse in der Brennebene ändert, das Messen eines Parameters des gebündelten Lichtstrahls als Funktion des Abstands des Meßpunktes von der Achse, und das Ableiten der radialen Änderungen im Brechzahlprofil aus den Messungen des Parameters.
Viele Vorformen (beispielsweise VAD-Vorformen) werden üblicherweise aus einer großen Anzahl dünner Materialschichten hergestellt. Obwohl sich die Brechzahl derartiger Vorformen innerhalb jeder Schicht beträchtlich ändern kann, sind diese Schichten so dünn, daß sich das Brechzahlprofil insgesamt nur allmählich zu ändern scheint. Da diese Schichten im allgemeinen dünner sind als der Strahldurchmesser des beleuchtenden Laserstrahls, hat man jedoch festgestellt, daß eine Beugung stattfindet. Der Strahl, der aus der Vorform austritt, besteht dann aus einigen getrennten Teilen oder Ordnungen.
Die japanische Patentschrift 63-95337 offenbart einen Vorformanalysator, umfassend eine feste Apertur zum Auswählen des Strahlabschnitts nullter Ordnung, die die Strahlabschnitte höherer Ordnungen zurückweist.
Es hat sich gezeigt, daß man mit solchen Analysatoren das Brechzahlprofil der Vorform einer optischen Faser mit relativ einfacher Gestalt erfolgreich messen kann, daß man jedoch falsche Ergebnisse erhalten kann, wenn sie bei komplizierteren Vorformen verwendet werden, z. B. gewissen VAD-Vorformen. Die Erfindung zielt darauf ab, diese Schwierigkeiten zu bewältigen und einen Vorformanalysator bereitzustellen, der zum Messen des Brechzahlprofils und anderer bisher nicht meßbarer Parameter verwendbar ist, und zwar für einen größeren Bereich an Vorformen, als bisher möglich war.
Es wird nun die Bedeutung der Begriffe erklärt, so wie sie im folgenden verwendet werden. Ein "Queranalysator" umfaßt jeden Analysator, der die optischen Eigenschaften einer Vorf orm oder anderer derartiger Objekte dadurch untersucht, daß das Objekt im allgemeinen quer zu seiner Längsachse beleuchtet wird. Ein "Beleuchtungsstrahl" umfaßt jede sichtbare oder unsichtbare Lichtart und kann ein breiter Strahl oder ein schmaler Strahl sein. Der Beleuchtungsstrahl ist geeignet gebündelt. An jedem beliebigen Ort entlang des Strahls nach dem Austritt aus dem Objekt bezeichnet die Richtung" eine im allgemeinen zur Richtung des Strahls an diesem Ort senkrechte Richtung, in die sich der übertragene Strahl bewegen würde, wenn sich der in das Objekt eintretende Strahl radial durch das Objekt hindurch bewegen würde und sich die Brechzahl des Objekts axial nicht ändern würde. Die "φy-Richtung" bezeichnet die Richtung senkrecht zur Richtung. φx und φy sind die radialen bzw. axialen Brechungswinkel. "Abschnitt" in Verbindung mit dem durch das Objekt übertragenen Strahl enthält sowohl einen gesamten, nicht getrennten Abschnitt dieses Strahls als auch einen vollständig getrennten einzelnen Strahl (oder einen Teil davon) aus einer Gruppe solcher Strahlen, die von dem einen übertragenen Strahl ausgehen, beispielsweise für den Fall, daß dieser übertragene Strahl gebeugt wird. "Unterscheiden" (oder "auswählend unterscheiden") umfaßt das Auswählen eines einzigen Strahls aus einem umgebenden Signal mit geringer Intensität oder der Intensität null.
Der Strahlabschnitt nullter Ordnung des Beugungsmusters, das von der Vorform einer optischen Faser ausgeht, enthält die Information, die es erlaubt, das radiale Brechzahiprofil zu berechnen. Der Strahlabschnitt nullter Ordnung hat im allgemeinen tatsächlich den gleichen φx-Wert wie der Gesamtstrahl ohne Beugung.
Man hat jedoch festgestellt, daß bestimmte Vorformarten Beugungsmuster erzeugen, bei denen die nullte Ordnung in Richtung gebrochen wird.
Es hat sich zudem gezeigt, daß die mittlere Brechzahl entlang der Achse einer Vorform im wesentlichen konstant sein kann, daß aber das jeweils verwendete Herstellungsverfahren Schichten erzeugen kann, die eine Brechzahländerung in axialer Richtung zeigen. Ein wichtiges Beispiel für ein derartiges Herstellungsverfahren ist das axiale Abscheideverfahren aus der Gasphase. Bei diesem Verfahren wächst die Vorform entlang ihrer Längsachse, indem Schichten axial abgeschieden werden. Das Ziel des Verfahrens ist es nach wie vor, Vorformen optischer Fasern mit nahezu idealer Kreissymmetrie zu erzeugen. Für solche Vorformen hat man nun erkannt, daß ein besonderes Merkmal des Beugungsmusters, das durch die Wechselwirkung des Strahls mit der Schichtstruktur erzeugt wird, darin besteht, daß der Strahlabschnitt nullter Ordnung beim Durchlaufen der Vorform im allgemeinen nicht in axialer Richtung abgelenkt wird, daß jedoch die anderen Ordnungen eine axiale Ablenkung erfahren, und daß die Größe der Ablenkung zur Dicke der Schichten in Beziehung steht. Tatsächlich bewirkt die axiale Schichtstruktur solcher Vorformen, daß sich das Beugungsmuster um einen Betrag dreht, der direkt mit dem axialen Gradienten der Schichtoberfläche in Beziehung steht. Die Fähigkeit, die Filtervorrichtung einzustellen und damit Abschnitte des übertragenen Strahls zu unterscheiden, die von der φx-Achse weg abgelenkt wurden, erlaubt somit das Untersuchen der höheren Beugungsordnungen solcher Vorformen.
ungeachtet der axialen Schichtstruktur solcher VAD- Vorformen ändert sich die mittlere Brechzahl nahezu vollständig in radialer Richtung und nicht axial. Dies bedeutet, daß die Mittelungswirkung nicht darin besteht, den Strahl in axialer Richtung abzulenken. Die nullte Ordnung hat somit ein φy von ungefähr null.
Der Erfinder hat festgestellt, daß eine VAD-Vorform in erster Näherung als einfaches Beugungsgitter behandelbar ist. Somit ist die grundlegende Theorie für die Abstände von Beugungsordnungen, die durch einfache Beugungsgitter entstehen, näherungsweise für VAD-Vorformen gültig (siehe beispielsweise Kapitel XII von "Geometrical and Physical Optics" von R. S. Longhurst, Second Edition 1967, Verlag Longmans). Damit hat die nullte Ordnung ungefähr gleichen Abstand von den ersten Ordnungen. Diese Entdeckung ist besonders dann nützlich, wenn der Strahlabschnitt nullter Ordnung keine ausreichende Intensität für eine Messung besitzt, da man Lageinformation bezüglich dieses Strahlabschnitts aus der Lageinformation von Strahlabschnitten anderer Ordnungen erhalten kann.
Erfindungsgemäß wird ein Queranalysator bereitgestellt, geeignet zum Messen der optischen Eigenschaften eines näherungsweise zylindrischen, durchsichtigen Objekts, beispielsweise einer optischen Faser oder der Vorform einer optischen Faser, umfassend
eine Beleuchtungseinrichtung, geeignet zum Erzeugen eines Beleuchtungsstrahls,
einen Fühler, geeignet zum Erfassen des Beleuchtungsstrahls nach dem Durchgang durch das Objekt,
eine Einrichtung, geeignet zum Halten des Objekts zwischen der Beleuchtungseinrichtung und dem Fühler, und
eine zeitliche Moduliereinrichtung, die zwischen dem Objekt und dem Fühler angeordnet ist, geeignet zum Codieren des Strahls in der Ebene der Moduliereinrichtung mit seiner eigenen Lageinformation, damit sie der Fühler erfassen kann,
gekennzeichnet durch elektronische Einrichtungen, geeignet zum Schalten der Ausgangssignale aus dem Fühler, so daß nur ausgewählten Zeitabschnitten dieser Signale der Durchgang erlaubt wird, wobei ein ausgewählter Abschnitt des Strahls unterschieden wird, der auf den Fühler fällt.
Derartige elektronische Vorrichtungen können als logische Filter betrachtet werden. Logische Filter dieser Art sind nützlich zum Untersuchen vieler Vorformarten, auch wenn sie nicht einstellbar sind. Es wird sich zeigen, daß ein logisches Filter eine Filtervorrichtung bereitstellt, die einer mechanischen Apertur gleicht (wie sie verwendbar ist, um nur einen ausgewählten Abschnitt des übertragenen Strahls zum Fühler durchzulassen), jedoch gewisse Vorteile hat. Ist das Filter beispielsweise einstellbar, so daß man einstellen kann, welcher Abschnitt des übertragenen Strahls ausgewählt wird, so hat es verglichen mit seinem mechanischen Gegenstück den Vorteil, daß es keine Teile aufweist, die schwingen und damit die Genauigkeit der Messung stören können. Es hat zudem den Vorteil, daß es schneller einstellbar ist.
Im Hinblick auf die zahlreichen Übereinstimmungen zwischen einem logischen Filter und einer mechanischen Apertur ist es für das Folgende vorteilhaft, den Begriff "Apertur" so zu verwenden, daß er beide Filterformen einschließt.
Als Moduliereinrichtung kann ein Chopper geeignet sein. Der Vorteil beim Verwenden der zeitlichen Moduliereinrichtung liegt darin, daß außer Schaltungs- oder Softwareänderungen am Analysator keine Veränderungen erforderlich sind, um ihn auf elektronische Filtervorrichtungen umzustellen.
Die Verbindung der Moduliereinrichtung mit dem elektronischen Filtern des Fühlerausgangssignals kann so betrachtet werden, als ob eine Apertur in der Ebene der Moduliereinrichtung bereitgestellt würde.
Zur Vereinfachung kann die Apertur nur in einer Richtung beweglich sein, z. B. der φx- oder φy-Richtung.
Man beachte, daß der gleiche Analysator eine kombinierte elektronische und mechanische Apertur enthalten kann. Eine bevorzugte Kombination besteht aus einer festen oder beweglichen mechanischen Apertur, die so ausgerichtet ist, daß sie einen oder mehrere Strahlabschnitte mit unterschiedlichen φy-Werten auswählt, und einer elektronisch beweglichen Apertur, die so ausgerichtet ist, daß sie Strahlabschnitte mit unterschiedlichen φx-Werten auswählt, da in φx- Richtung oft eine höhere Bewegungsgeschwindigkeit erforder lich ist, und da die zeitliche Moduliereinrichtung vorteilhaft in φx-Richtung verwendet wird.
Die Apertur kann entweder in einer oder in mehreren Richtungen bewegbar sein. Ist sie in mehr als einer Richtung bewegbar, so kann sie eine Anzahl einzeln befestigter, jedoch verschiebbarer Aperturen umfassen, die in verschiedene Richtungen ausgerichtet sind, oder es kann sich um eine einzige Apertur handeln, die dreh- und verschiebbar ist. Die Apertur ist bevorzugt in einer Ebene bewegbar, die im wesentlichen senkrecht auf dem darauf einfallenden Strahl steht.
Man beachte, daß der Strahl bei vielen Analysatorgrundtypen, insbesondere solchen, die einen schmalen Beleuchtungsstrahl verwenden, das Objekt durchqueren muß, um ein vollständiges Brech,zahlprofil des Objekts zu erhalten. Man kann dies dadurch erhalten, daß entweder das Objekt oder die Beleuchtungseinrichtung bewegt wird. Oft bevorzugt man, den Fühler relativ zur Beleuchtungseinrichtung in einer festen Stellung zu halten. Trifft dies zu, so ist es am einfachsten und bequemsten, das Objekt beweglich zu machen. Da es am einfachsten ist, bevorzugt man in beiden Fällen, daß sich nur die Apertur bewegt, während der Strahl relativ zum Objekt fest ist.
Die Apertur ist bevorzugt länglich und besonders bevorzugt rechteckig. Natürlich ist dann die Breite und nicht die Länge der Apertur am besten geeignet, Abschnitte des Strahls auszuwählen.
Die Apertur ist bevorzugt so groß, daß sie gerade den ganzen Strahl aufnimmt, wenn keine Beugung auftritt, und nur einen Abschnitt des Strahls, wenn eine Beugung auftritt. Die Apertur ist bevorzugt groß genug, um im wesentlichen alle Strahlabschnitte aufzunehmen, die zu einer Beugungsordnung gehören, jedoch klein genug, Strahlabschnitte abzuweisen, die zu anderen Beugungsordnungen gehören.
Die Apertur weist bevorzugt einen einstellbaren Abstand auf. Dies ermöglicht ein automatisches Ausrichten und Konfigurieren der Apertur zum Anpassen an verschiedene Meßbedingungen. Insbesondere erlaubt es der Apertur, genau den wichtigen Strahlabschnitt aufzunehmen. Es erlaubt auch, die relativen Intensitäten von verschiedenen Strahlteilen eines Strahlabschnitts (oder anders ausgedrückt einer Beugungsordnung) oder auch das gesamte Strahlprofil zu messen. Man kann damit nützliche Informationen bezüglich des Objekts erhalten, siehe unten.
Bekanntlich bestimmen die Eigenschaften einer Schicht eines Beugungsgitters die gesamten relativen Intensitäten und Formen der Beugungsordnungen. Diese Tatsache wird in Gittermonochromatoren dazu verwendet, sicherzustellen, daß die größtmögliche optische Intensität in einer Beugungsordnung größer als null auftritt. Die Gittereigenschaft, durch die dies erreicht wird, heißt "Glanzwinkel" (siehe Longhurst, Kapitel XII). Damit kann aus der Kenntnis der Intensitäten und Formen der Beugungsordnungen des Strahls, der von einem Bereich des Objekts ausgeht, auf die Eigenschaften der Brechzahl einer Einzelschicht geschlossen werden, die beleuchtet wird. Beim Herstellen wurde diese Schicht durch das Abscheiden dotierter Siliziumdioxidteilchen aus einem heißen Gas auf die relativ kalte Vorformoberfläche erzeugt. Die genauen Schichteigenschaften werden durch viele Faktoren einschließlich der Temperatur, der Gaszusammensetzung und der Bewegung der Vorform bestimmt. Beispielsweise kann eine Schicht mit großer Brechzahländerung durchaus anzeigen, daß ein Teil des zum Ändern der Brechzahl verwendeten Dotiermaterials, obwohl es zunächst abgeschieden wurde, durch nachfolgende Übertemperaturen im Abscheidezyklus verdampft ist. Derartige Einzelheiten einer einzigen Schicht zeichnen die Bedingungen zum Zeitpunkt der Abscheidung auf, und somit enthält die Schichtstruktur über die gesamte Vorform betrachtet eine Aufzeichnung der Herstellungsbedingungen dieser Vorform. Diese Aufzeichnung ist zur Qualitätskontrolle oder als Mittel zum Einstellen der Abscheidebedingungen ver wendbar, um bestmögliche Vorformeigenschaften zu erzeugen. Die Erfindung stellt die Mittel bereit, um Einzelheiten bezüglich dieser Aufzeichnung zu bestimmen, und ist daher für die Hersteller von Vorformen nützlich.
Der Abstand der Apertur ist bevorzugt im wesentlichen in der Bewegungsrichtung der Apertur einstellbar. Ist die Apertur beispielsweise länglich, so ist geeigneterweise die Breite und nicht die Länge der Apertur einstellbar, obwohl die Apertur natürlich in verschiedenen Richtungen einstellbar sein könnte.
Bei Vorformen, die eine Beugung zeigen, bestimmen die Größe und der Aufbau der Schichten die Ablenkwinkel und die verschiedenen Ordnungen. Um wichtige Informationen bezüglich des Vorformaufbaus zu erhalten, kann ein Weg zum Analysieren der Intensitäten und Ablenkwinkel bereitgestellt werden, indem ein festgelegter Abschnitt des Strahls gewählt wird, der aus dem Objekt austritt, z. B. durch Einstellen der Filtervorrichtung, so daß ein Strahlabschnitt aufgenommen wird und andere zurückgewiesen werden. Verschiedene Eigenschaften dieses Strahlabschnitts können gemessen werden, beispielsweise die Lageinformation oder die Intensität. Die Apertur ist hierzu bevorzugt einstellbar, um eine Anzahl getrennter Strahlabschnitte auszuwählen, die aus dem untersuchten Objekt austreten (so wie er im Zusammenhang mit dieser Ausführungsform der Erfindung verwendet wird, bezeichnet der Begriff "getrennt" Abschnitte des Strahls, die für sich Intensitätsspitzen oder Minima aufweisen).
Weiterhin kann die Entdeckung, daß die Theorie einer einfachen Gitterbeugung auf den Winkelabstand der verschiedenen Beugungsordnungen anwendbar ist, und zwar nicht nur für VAD-Vorformen, sondern auch für andere aus vielen dünnen Schichten aufgebaute Vorformen, deren Brechzahlen sich in axialer Richtung nicht ändern, dazu verwendet werden, Lageinformation bezüglich der nullten (oder jeder anderen) Ordnung zu gewinnen. Dies ist insbesondere dann nützlich, wenn die Ordnungen im wesentlichen alle in φx-Richtung ausgerichtet sind und der Strahlabschnitt nullter Ordnung keine ausreichende Intensität für eine Messung hat.
Der Analysator umfaßt zudem bevorzugt Verarbeitungseinrichtungen, die mit dem Ausgang des Fühlers verbunden sind, um die Ausgabeinformation hinsichtlich der Anzahl verschiedener Abschnitte zu verarbeiten.
Wird der Analysator zusammen mit einem Objekt verwendet, das den Strahl beugt, beispielsweise einer VAD-Vorform, so enthält er geeigneterweise eine Apertur, die beweglich ist, und zwar aus einer Stellung, in der ein Strahlabschnitt auswählbar ist, der zu einer Beugungsordnung gehört, in zumindest eine weitere Stellung, in der ein Strahlabschnitt auswählbar ist, der eine andere Beugungsordnung hat. Es ist vorteilhaft, daß alle Beugungsordnungen in dieser Weise unterscheidbar sind. Ist dies nicht der Fall, bevorzugt man, daß die eine Ordnung die nullte Ordnung ist.
Der Analysator enthält zudem bevorzugt Einrichtungen zum Trennen von Abschnitten des Strahls in der Ebene der Apertur. Tritt eine Beugung auf, so trennen diese Trennvorrichtungen (bevorzugt in der Form von optischen Bauteilen, beispielsweise Linsen) die verschiedenen Ordnungen der Beugungsmuster, so daß sie an gewissen Punkten innerhalb des optischen Systems verschiedene räumliche Lagen einnehmen, ganz besonders ungefähr am Ort der Apertur.
Es ist wünschenswert, Fokussiereinrichtungen (bevorzugt eine asymmetrische Linse und besonders bevorzugt eine Zylinderlinse) zum Empfangen des Beleuchtungsstrahls zu montieren. Die Fokussiereinrichtung ist zwischen dem Objekt und der Apertur angeordnet und so eingerichtet, daß sie den Strahl in der Ebene der Apertur asymmetrisch bündelt.
Dabei sind Vorrichtungen bereitgestellt, um die verschiedenen Abschnitte des gebeugten Strahls stärker in eine Richtung zu spreizen als in andere Richtungen. Dadurch ist es der Apertur möglich, sauberer zwischen den verschiedenen Abschnitten zu trennen, so daß die Anforderungen an die Bewegungsgenauigkeit der Apertur kleinstmöglich werden und/oder der Abstand der Apertur vom Objekt oder irgendeiner weiteren Fokussiereinrichtung (soweit bereitgestellt) kleinstmöglich gemacht werden können.
In Verbindung mit diesem Merkmal der Erfindung werden die Begriffe "Fokus" und "fokussieren (bzw. bündeln)" umfassend gebraucht, um unterschiedliche Grade der Fokussierung oder der Trennung zu bezeichnen.
Die Fokussiereinrichtung bündelt den Strahl bevorzugt in φy-Richtung weniger scharf als in φx-Richtung. Die Fokussiereinrichtung kann in der Ebene der Apertur sogar alle Änderungen in φx beseitigen. Es ist insbesondere für VAD- Vorformen vorteilhaft, den gebeugten Strahl in φy-Richtung zu spreizen, um das Unterscheiden der verschiedenen Beugungsordnungen zu unterstützen.
Ist, wie bevorzugt, eine Zylinderlinse bereitgestellt, und ist ihre Längsachse im wesentlichen in φy-Richtung ausgerichtet, so kann die Meßfunktion des Analysators in φx- Richtung unterdrückt werden, während die Strahlabschnitte mit φy ungleich null so breit wie möglich gespreizt werden. Um die vorteilhaften Aspekte beim Gebrauch einer derartigen Fokussiereinrichtung bestmöglich zu gestalten, bevorzugt man, daß die - feste oder bewegliche - Apertur in der Fühlerebene liegt oder sich sehr nahe daran befindet. Anstatt eine Zylinderlinse bereitzustellen ist auch eine Linsenkombination verwendbar. Eine besonders vorteilhafte Kombination ist eine sphärische Linsenanordnung zwischen dem Objekt und der Apertur und eine zylindrische Linsenanordnung zwischen der Apertur und dem Fühler. Das Auftrennen der Funktion der einen Zylinderlinse auf diese Art gestattet eine größere Entwurfsflexibilität und erlaubt den Gebrauch einer Zylinderlinse von geringerer optischer Güte.
Der Analysator enthält zudem bevorzugt eine zweite Fokussiereinrichtung, die zwischen der Beleuchtungseinrichtung und dem Objekt angeordnet ist, um den Strahl asymmetrisch auf das Objekt zu bündeln. Die zweite Fokussiereinrichtung arbeitet auch bevorzugt mit der Fokussiereinrichtung zusammen, um den Strahl in der gleichen Richtung zu bündeln (und zu spreizen). Die zweite Fokussiereinrichtung bündelt besonders bevorzugt den Strahl in Richtung der Längsachse des Objekts weniger scharf als in der Richtung quer zu dieser Achse. Dies ist besonders vorteilhaft zum Erzeugen gut getrennter und schmaler Beugungsordnungen in φy-Richtung, wenn das Objekt Schichtstrukturen enthält, die sich in axialer Richtung ändern.
Der Fühler kann, wie hier beschrieben, viele Formen annehmen, kann jedoch bevorzugt die Intensität des Strahls bzw. Strahlabschnitts messen, der auf den Fühler trifft. Dies ist vorteilhaft, da sich gezeigt hat, daß das Messen der relativen Intensitäten verschiedener Abschnitte des Strahls beim Untersuchen der Eigenschaften des Objekts nützlich sein kann. Kann der Fühler nur die Intensität messen, so weist er bevorzugt einen empfindlichen Bereich auf, der zum Erfassen aller wichtigen Strahlabschnitte ausreichend groß ist. In diesem Fall bevorzugt man, daß die Apertur relativ zum Fühler beweglich ist. Der Analysator umfaßt dann bevorzugt eine Moduliereinrichtung zum Codieren der verschiedenen Strahlabschnitte gemäß ihrer Winkelabweichungen (beispielsweise φx). Hat der Fühler einen kleineren empfindlichen Bereich, ist er bevorzugt mit der Apertur bewegbar, wobei das gesamte Licht, das die Apertur aufnimmt, auf den empfindlichen Bereich fällt.
Der Analysator umfaßt zudem bevorzugt Interpolier- und Extrapoliereinrichtungen zum Berechnen von Lageinformation bezüglich des Strahlabschnitts, die einer Beugungsordnung entspricht, aus Lageinformation bezüglich der Strahlabschnitte, die zu anderen Beugungsordnungen gehört.
Dies ist vorteilhaft, da gemäß einer der gemachten Ent- deckungen fur gewisse Vorformen die Intensität des Strahlabschnitts nullter Ordnung oder eines Strahlabschnitts irgendeiner Ordnung klein sein kann bzw. praktisch verschwindet. In diesem Fall ist seine Lage natürlich nicht meßbar. Man hat jedoch entdeckt, daß im allgemeinen die Darstellung der φy gegen die φx bei den unterschiedlichen Beugungsordnungen für kleine Beugungswinkel praktisch linear ist. Damit kann Lageinformation bezüglich der Beugungsordnungen aus einer linearen Interpolation bzw. Extrapolation der Lagen von zwei (oder mehr) anderen Ordnungen abgeleitet werden.
Insbesondere dann, wenn Information bezüglich des Strahls nullter Ordnung gefordert ist, kann die obige Interpolations- bzw. Extrapolationsvorrichtung die exakte Lage der nullten Ordnung ableiten, da dieser Strahl im allgemeinen auf der φx-Achse liegt.
Der Analysator enthält zudem bevorzugt mit der Apertur verbundene Meßvorrichtungen zum Messen der Stellung der Apertur. Der erfindungsgemäße Analysator kann somit den Abstand von Ordnungen in einer besonderen Ebene messen (beispielsweise der Ebene, in der die Trennung des Beleuchtungsstrahls stattfinden soll). Man hat herausgefunden, daß dieser Abstand dazu verwendbar ist, nützliche Informationen über das Objekt abzuleiten. Insbesondere hat sich gezeigt, daß die Schichtdicke den Winkelabstand der Ordnungen be stimmt. Die Anzahl der Schichten bezogen auf den Strahldurchmesser beim Eintritt bestimmt die Winkelbreite. Die exakten Intensitäten hängen von den Einzelheiten der Brechzahländerung innerhalb jeder Schicht ab. Durch das Messen des Abstands der Beugungsordnungen, die von einer Vorform als Funktion des Vorformradius ausgehen, kann man Information bezüglich der Schichtdickenänderung innerhalb der Vorform erhalten. Verknüpft man diese Information mit Kenntnissen über das Herstellungsverfahren, so erlaubt dies das Berechnen der Kontur der Abscheidefläche. Dies ist wichtig zum Steuern des Herstellungsverfahrens, siehe z. B. die Besprechung bei K. Imoto et al. in Journal of Lightwave Technology, September 1988, Vol 6, Nr. 9, Seite 1376 bis 1385. Die Kontur der abgeschiedenen Schichtoberfläche (die sich in dieser Schrift auf den Begriff "bottom shape" bezieht) ist ein neuer Parameter, der noch nie für eine Vorform verwendet worden ist, nachdem sie zur Glasform verdichtet worden ist.
Ist die Linie, die die verschiedenen Ordnungen in der Ebene der Apertur verbindet, eine gerade Linie, so kann die Apertur in jede Richtung relativ dazu bewegt werden, jedoch nicht senkrecht zu dieser Linie. Die Apertur wird aber bevorzugt entweder in einer im wesentlichen parallelen Richtung zu dieser Linie bewegt oder zur Vereinfachung in φy- oder φx-Richtung.
Der Beleuchtungsstrahl ist verglichen mit dem Objektdurchmesser geeigneterweise schmal, und der Strahl wird relativ zum Objekt quer bewegt, bevor die Apertur bewegt wird. Die Bewegung der Apertur kann für eine Anzahl Beugungsordnungen wiederholt werden, oder es wird wahlweise eine besondere Ordnung verfolgt, wenn der Strahl bewegt wird.
Wird Information über eine ausgewählte Beugungsordnung an einer Anzahl radialer Orte auf dem Objekt verlangt, wobei das Objekt eine axiale Brechzahländerung aufweist, so ist die Apertur bevorzugt länglich, und ihre Längsachse ist im wesentlichen mit der φx-Richtung ausgerichtet. Es wird eine Anzahl Strahlabschnitte entsprechend der gewählten Beugungsordnung erfaßt, indem der Strahl quer zum Objekt bewegt wird, während die Apertur im wesentlichen fest bleibt.
Da die Apertur im wesentlichen fest bleibt, erhält man beim Ausführen einer Meßreihe eine beträchtliche Zeiteinsparung. Mit Hilfe der Entdeckung des Erfinders ist es möglich, daß Objekte mit axialer Brechzahländerung für eine besondere Ordnung jeweils nur einen φy-Wert aufweisen, und zwar unabhängig vom Ort, an dem der Beleuchtungsstrahl in das Objekt eintritt.
Die Entdeckungen und Theorien, die der Erfindung zugrunde liegen, und ebenso besondere Ausführungsformen der Erfindung werden nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Erläuterung der Definition von φx und φy sowie eine kennzeichnende einfache Darstellung von φy über φx;
Fig. 2 eine typische Darstellung von φy über φx und Intensitätskurven verschiedener gebeugter Strahlen für Vorformen, die keine axiale Brechzahländerung aufweisen;
Fig. 3 den inneren Aufbau und typische Beugungsmuster einer VAD-Vorform;
Fig. 4 eine seitliche Querschnittsdarstellung eines Vorformanalysators, der nicht Gegenstand der Erfindung ist, jedoch für das Verstehen der Erfindung nützlich ist;
Fig. 5 eine Draufsicht des Vorformanalysators nach Fig. 4,
Fig. 6 eine Draufsicht einer Apertur, die im Analysator nach Fig. 4 verwendet wird, zusammen mit einem charakteristischen Beugungsmuster in der Ebene der Apertur;
Fig. 7 für eine Ausführungsform der Erfindung die Ausgangssignale aus einem optischen Unterbrechungsfühler und einem Festkörperfühler;
Fig. 8 kennzeichnende Intensitätskurven für einen gebeugten Strahl; und
Fig. 9 Blockdiagramme der Logikschaltungen, die in einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wurden.
Fig. 1a erläutert φx, den Brechungswinkel des Strahls in der Ebene senkrecht zur Längsachse der Vorform. Fig. 1b erläutert φy, den Brechungswinkel des Strahls in der Ebene, die den eintretenden Strahl und die Längsachse der Vorform enthält. Fig. 1c zeigt eine kennzeichnende Darstellung von φy gegen φx für eine einfache Vorform.
Unter den idealen Bedingungen von zylindrischer Symmetrie und vollkommen gleichmäßiger radialer Änderung der Brechzahl hat φx für jeden beliebigen Eintrittspunkt des eintretenden Strahls einen Wert, und φy ist null. Ändert sich die radiale Brechzahl nicht gleichmäßig, d. h., die Vorform besteht aus Schichten, die wesentlich dünner sind als der Strahldurchmesser, so hat sich gezeigt, siehe oben, daß der Strahl gebeugt wird und sich auf eine Anzahl möglicher verschiedener Wege in eine Anzahl Beugungsordnungen aufteilt. Verschiedene Beispiele für solche beobachteten Beugungsordnungen sind in Fig. 2a bis 2e dargestellt, wobei die nullte Ordnung jeweils als nicht ausgefüllter Kreis dargestellt ist. Besonders interessant sind Fig. 2d, die eine Unschärfe zwischen der nullten und ersten Ordnung zeigt, und Fig. 2e, in der die nullte Ordnung die Intensität null hat.
Fig. 3 erläutert die Drehung im Beugungsmuster, die man bei verschiedenen Vorformarten beobachtet, beispielsweise bei VAD-Vorformen, deren Brechzahl sich in axialer Richtung ändert. Wie oben besprochen hängt der Grad der Drehung des Beugungsmusters direkt mit dem axialen Gradienten der Schichtoberfläche zusammen. In dieser Abbildung stellt t die Schichtdicke dar und s bezeichnet den Abstand der nullten und ersten Ordnung. Es hat sich erwiesen, daß s durch den Oberflächengradienten der maßgeblichen Schicht an der maßgeblichen Stelle bestimmt wird. Der Abstand einer Ordnung in φy-Richtung von der nullten Ordnung hängt direkt mit t zusammen.
Ein besonderes Merkmal des VAD-Herstellungsverfahrens besteht darin, daß die Vorform mit konstanter Geschwindigkeit in axialer Richtung wächst, und daß die Oberfläche, auf der die Glasteilchen zum Bilden der Vorform abgeschieden werden, ihre gleiche Form behalten muß. Die Vorform würde sonst an verschiedenen radialen Stellungen unterschiedlich schnell wachsen und damit den Abscheidevorgang für einen Erfolg zu kompliziert machen. Daher ist der Schichtabstand in Richtung der Vorform-Längsachse über der ganzen Vorform im wesentlichen gleichmäßig. Es hat sich nun ergeben, daß der Abstand der Beugungsordnung in φy-Richtung unabhängig von der radialen Stellung des Beleuchtungsstrahls ist, so daß jede Ordnung auf einem Ort mit konstantem φy liegt, siehe Fig. 3.
Es wird nun die Theorie beschrieben, die zum Bestimmen der Lage einer ausgewählten Beugungsordnung aus der Kenntnis der Lagen anderer Beugungsordnungen erforderlich ist. R. S. Longhurst lehrt in "Geometrical and Physical Optics", Second Edition 1967 im Verlag Longmans, daß für ein Beugungsgitter gilt:
d * SIN (Δφ) = pλ/n
wobei d die Schichtdicke,
Δφ der Abweichungswinkel vom Eintrittsstrahl,
p die Beugungsordnung (ganze Zahl),
λ die Wellenlänge des Lichts und
n die Brechzahl des Mediums bezeichnet.
Der Wert von φ für irgendeine Ordnung ist wie folgt aus den Werten von zwei beliebigen anderen Beugungsordnungen vorhersagbar. Ist p die gewünschte Ordnung und sind l und m die bekannten Ordnungen, so gilt:
d * SIN (φp - φ) = pλ/n ,
d * SIN (φl - φ) = lλ/n ,
d * SIN (φm - φ) = mλ/n ,
wobei φ der Winkel des Strahleinfalls auf das Gitter ist und somit den Mittelwert des Gitters darstellt. φ ist auch der Winkel der nullten Ordnung. φp, φl und φm sind die tatsächlichen Abweichungswinkel der Ordnungen p bzw. l bzw. m.
Somit gilt m * SIN (φl - φ) = 1 * SIN (φm - φ). Daraus ist φ ableitbar.
Dies ist hinreichend, wenn p = 0 ist, d. h. für die nullte Ordnung. Insbesondere gilt für kleine Abweichungen:
φ = (1 * φm - m*φl)/(l - m) .
Für p ungleich null (d. h. für die von null verschiedenen Ordnungen) gilt:
φp = φ + ASN ((p/m)*SIN(φl - φ)) .
Für φx und φy existieren gleichartige Ausdrücke, die die Projektionen des abgelenkten Strahls in die x-y-Ebene darstellen. Beispielsweise gilt:
xd * SIN(φxp - φx) = pλ/n (v),
wobei xd die Projektion der Schichtdicke in die φx-Richtung ist, und
yd * SIN(φyp - φy) = pλ/n (vi),
wobei yd die Projektion der Schichtdicke in die φy-Richtung ist.
Somit ist in gleicher Weise der φx-Wert der nullten Ordnung aus den φx-Werten für zwei beliebige andere Ordnungen ableitbar.
Obwohl nur zwei Ordnungen zum Berechnen der obigen Zusammenhänge nötig sind, um damit die Lage beliebiger anderer Ordnungen schätzen zu können, kann es sich empfehlen, eine Schätzung für jedes unabhangige Paar von Ordnungen auszuführen und dann den wahrscheinlichsten Wert zu wählen, wobei z. B. das Schätzverfahren der kleinsten Fehlerquadrate verwendet wird, um ein verbessertes Ergebnis zu erhalten.
Das Verhältnis (yd/xd) ist eine Konstante, da es durch die physikalische Lage und Dicke der Schichten in der Vorform bestimmt ist. Dies bestätigt die Gleichungen (v) und (vi), in denen das Verhältnis (yd/xd) unabhängig von der gewählten Beugungsordnung ist. Somit liegen die Paare φxp und φyp auf dem Ort in der φx/φy-Ebene, die gerade der Ort allen Lichts ist, das in der Beugungsebene senkrecht zur Schichtoberfläche liegt.
In gewissen Fällen hat die Schichtstruktur innerhalb der Vorform die Eigenschaft, daß der Lichtstrahl hinreichend diffus gestreut wird, so daß getrennte Beugungsordnungen nicht eindeutig unterscheidbar sind. Nimmt man an, daß der Strahl senkrecht zur Schichtoberfläche gestreut wird, so liegt der Ort der φx und φy-Paare ebenfalls auf dem gleichen Ort wie die expliziten Beugungsordnungen. Daher kann man den φx-Wert der nullten Ordnung (wenn φy null ist) aus dem Winkel des Orts in der φx- und φy-Ebene und aus seinen Schnitt mit der φx-Achse erhalten, und zwar einfach durch Extrapolieren des Orts aus den gemessenen φx- φy-Paaren. Diese Paare erhält man leicht dadurch, daß die bewegliche Apertur an einer Anzahl φy-Orte angeordnet und der zugehörige φx-Wert gemessen wird, ohne daß man besonders nach erkennbaren Beugungsordnungen sucht. Sind die Beugungswinkel klein, so ist der Ort eine gerade Linie, wodurch die Berechnung besonders einfach wird.
Die Kontur der abgeschiedenen Schichtoberfläche hat die Form des Schnitts der abgeschiedenen Schicht in der Vorform mit der Ebene, die die Längsachse der Vorform enthält. Diese Form ist exakt die maßstäbliche Form der Oberfläche der Vorform während des Abscheidevorgangs beim Herstellen. Die Maßstabsänderung entsteht dadurch, daß die Vorform aus Schichten poröser, dotierter Siliziumdioxidteilchen hergestellt wird. Die Vorform wird dann erwärmt und nach Abschluß des Abscheidens zur durchsichtigen Glasvorform kollabiert. Der Kollabiervorgang beseitigt das eingefangene Gas. Dabei verkleinert sich der Durchmesser der Vorform, wodurch sich der Maßstab der Schichtoberflächenform ändert.
Die Abweichungsebene der Beugungsordnungen an irgendeiner radialen Stellung innerhalb der Vorform steht senkrecht auf dem Schichtengradienten in diesem Punkt. Dies folgt aus der Annahme bezüglich des Beugungsmodells, daß sich die Vorform im Meßpunkt wie ein einfaches Beugungsgitter verhält.
Der Schichtgradient dy/dx der Schichten in der Vorform ist gegeben durch
dy/dx = yd/xd,
woraus man mit Hilfe der obigen Gleichungen (v) und (vi) errechnet
yd/xd = SIN (φxp - φx)/SIN (φyp - φy) (vii) .
Für kleine Abweichungen der Beugungsordnungswinkel er hält man
yd/xd = (φxp - φx)/(φyp - φy) (viii) .
Die Gleichungen (v), (vi) und (vii) liefern den mathematischen Zusammenhang zwischen dem Schichtgradienten an einem gegebenen Eintrittspunkt x und den entsprechenden gemessenen Winkeln φx und φy. Mißt man mindestens zwei Beu gungsordnungen, so ist es möglich, den Schichtoberflächengradienten an einem radialen Eintrittspunkt x zu schätzen. Die Oberflächenform ist jedoch bequemerweise durch y = f(x) gegeben, und somit verwendet man
y = (dy/dx) dx ,
also
f(x) = (yd/xd) dx ,
wobei yd/xd durch die Gleichungen (vii) oder (viii) gegeben ist.
Auf diese Weise erhält man die Oberflächenkontur f(x) der abgeschiedenen Schicht einfach durch numerische Integration.
Es wird nun Bezug auf Fig. 4 und 5 genommen. Eine erste relativ einfache Form eines Vorformanalysators, der die Erfindung nicht ausführt, jedoch zum Verständnis nützlich ist, wird nun beschrieben. Dieser Analysator umfaßt einen Laser 10, der einen Beleuchtungsstrahl 12 aussendet, erste und zweite zylindrische Linsen 14 und 16, einen Chopper 18, eine Schlitzapertur 20 und einen Festkörperfühler 22 zum Fühlen des Strahls 12, die alle im optischen Pfad des Strahls 12 liegen. Während der Messung an der Vorform 24 einer optischen Faser wird die Vorform 24 im optischen Pfad des Strahls 12 zwischen den ersten und zweiten zylindrischen Linsen 14 und 16 angeordnet, die in einem Bad 26 aus Brechzahlanpassungsfluid 28 enthalten sind.
Der Laser 10 ist ein Helium-Neon-Laser, der Licht mit einer Wellenlänge von 633 nm aussendet. Der Laser 10 ist zusammen mit dem restlichen optischen System (einschließlich der Linsen 14 und 16, des Choppers 18, der Apertur 20 und des Fühlers 22) relativ zur Vorform 24 beweglich, und zwar in einer in etwa senkrechten Richtung zum Beleuchtungsstrahl 12, um die gesamte Dicke der Vorform 24 zu beleuchten.
Der Chopper 18, wie er im UK-Patent GB-B-2071315 offenbart ist, besteht aus einer Chopperblende 30 in Form einer rotierenden Scheibe mit abwechselnd undurchsichtigen und durchsichtigen Teilen, die ein Motor 32 dreht. Ein optischer Unterbrechungsfühler 34 ist in einer festen Lage relativ zur Chopperblende 30 angeordnet und überträgt ein Bezugssignal zur Zeitsteuereinrichtung 36.
Die ersten und zweiten zylindrischen Linsen 14 und 16 sind mit ihren Längsachsen an der Längsachse der Vorform 24 ausgerichtet montiert. Die Asymmetrie der Linse 16 wird dazu verwendet, den Strahl 12 in der Ebene der Apertur 20 stärker in φx-Richtung zu bündeln als in φy-Richtung, so daß die φx/φy-Ebene wirksam auf die φy-Achse in der Ebene der Apertur 20 zusammengedrückt wird (dies ist die Ebene des Fühlers 22). Auf diese Weise ist ein kleinerer Fühler 22 verwendbar, als anderweitig möglich ist. Man beachte, daß eine in der φx-Richtung bewegliche Apertur nicht in der Ebene des Fühlers 22 angeordnet werden könnte, sondern in einer anderen Ebene angebracht werden müßte, z. B. der Brennebene 50.
Es wird nun Bezug auf Fig. 6 genommen. Die Apertur 20 ist in einer undurchsichtigen Platte 38 ausgebildet, die motorgesteuert in ihrer eigenen Ebene um bekannte Beträge be wegbar ist. Die Platte 38 ist in jede Richtung bewegbar, einschließlich der Richtung senkrecht zur Längsachse der Apertur 20. Die Breite der Apertur 20 ist zudem selbst veränderbar. Dies erreicht man durch das Trennen der Platte 38 in zwei Hälften, wobei jede Hälfte motorgesteuert auf die andere Hälfte zu oder von ihr weg bewegt werden kann.
Anstatt sowohl die Platte 38 beweglich als auch die Apertur 20 trennbar zu gestalten, könnte wahlweise die Bewegung und das Trennen der Apertur von den zwei Hälften ausgeführt werden, die die Apertur 20 bilden, wenn sie unabhängig in einer Richtung senkrecht zur Längsachse der Apertur 20 und in der Ebene der Platte 38 bewegbar wären, und die Platte 38 um eine Achse senkrecht zu ihrer Ebene drehbar wäre.
Der Festkörperfühler 22 hat einen empfindlichen Bereich, der verglichen mit der Fläche des Strahls 12 an der Fühleroberfläche groß ist, siehe Fig. 3. Der Fühler 22 überträgt Information an die Zeitsteuereinrichtung 36.
Bei Betrieb bildet eine erste zylindrische Linse 14 den Strahl 12 aus dem Laser 10 auf einer Mittenebene 40 der Vorform 24 aus. Die zweite zylindrische Linse 16 bündelt einen Teil des Strahls 12, der die Vorform 24 verläßt, durch die Apertur 20 auf den Fühler 22.
In dem besonderen Fall, der in Fig. 4 und 6 veranschaulicht ist, ist die Vorform 24 eine typische VAD-Vorform und weist als solche eine Brechzahländerung in axialer Richtung auf. Der Strahlabschnitt 42 nullter Ordnung und der Strahlabschnitt 44 höherer Ordnung werden in φy-Richtung getrennt, jedoch nicht in φx-Richtung. Die Längsachse der Apertur 20 ist in φx-Richtung ausgerichtet und so angeordnet, daß sie den Strahlabschnitt 42 nullter Ordnung aufnimmt, jedoch die höheren Ordnungen 44 zurückweist. Die φy-Ablenkung 46 des Strahlabschnitts 42 nullter Ordnung wird aus der Stellung 48 des Strahls 12 in der Brennebene 50 der Linse 16 berechnet. Die Zeitsteuereinrichtung 36 mißt die Stellung 48. Sie bestimmt die Zeitdifferenz zwischen dem Schnitt der Chopperblende 30 mit dem Strahl 12, so wie ihn der Fühler 22 bestimmt, und einem festen Bezugssignal aus dem Unterbrechungsfühler 34. Der Chopper 18 codiert somit wirksam die Stellung 48 als Zeitdifferenz. Man beachte, daß die Apertur nicht beweglich zu sein braucht, sondern auch fest sein könnte, wenn nur der Strahlabschnitt 42 nullter Ordnung gemessen werden muß.
Das radiale Brechzahlprofil der Vorform 24 wird beispielsweise mit der in den Electronic Letters, Vol 16, Nr. 6, Seite 219-221, 1980, beschriebenen Theorie aus der φx-Ablenkung 46 des Strahlabschnitts 42 nullter Ordnung berech net. Dies Theorie ist tatsächlich ziemlich allgemein auf die meisten Vorformarten anwendbar.
Der Winkelabstand 52 der Beugungsordnungen wird aus der Kenntnis des linearen Abstands zwischen der Ebene 40 und der Ebene der Apertur 20 bestimmt, und durch das Messen der linearen Bewegung der Apertur 20 aus ihrer Lage, in der sie den Strahlabschnitt 42 nullter Ordnung aufnimmt, zur Stellung, in der sie die wesentlichen Strahlabschnitte 44 höherer Ordnung aufnimmt.
Die erste Linse 14 ist nicht notwendig zylindrisch. Ist sie es nicht, so ist jedoch eine weitere zylindrische Linse, die die gleiche Aufgabe erfüllt wie die Linse 216 in Fig. 7, zum Sammeln des Lichts auf dem Fühler 22 erforderlich. In diesem Fall beruht das Berechnen des Winkelabstands der Ordnungen auf den Parametern der zusätzlichen Linse, und es ist wahrscheinlich, daß die Unterscheidung in φy-Richtung weniger erfolgreich wird als für den Fall, daß die Linse 14 zylindrisch ist. Abgesehen von diesen Vorteilen liegt der hauptsächliche Wert einer zylindrischen Linse 14 darin, daß der Strahl in der axialen Richtung der Vorform relativ breit (üblicherweise 1mm), in radialer jedoch Richtung schmal ist (üblicherweise 25 µm). Die Schärfe einer Beugungsordnung ist durch die Schichtenanzahl bestimmt, die der Strahl beleuchtet. Somit bietet der asymmetrische Strahl, den die Zylinderlinse 14 erzeugt, eine gute optische Auflösung in Richtung und erzeugt zugleich gut getrennte, scharfe Beu gungsordnung in φy-Richtung, wenn die Vorform 24 eine Schichtstruktur mit axialer Brechzahländerung aufweist. Dies unterstützt die Apertur 20 beim unterscheiden der Ordnungen, und die Aufbautoleranzen der Apertur 20 werden weniger wichtig.
Die zweite zylindrische Linse 16 dient dazu, die Meßfunktion in φx-Richtung zu erhalten, jedoch die Strahlabschnitte 44 höherer Ordnung so breit wie möglich zu spreizen, so daß der Abstand zwischen der Brennebene 50 und der Apertur 20 und die Anforderungen an die Bewegungsgenauigkeit der Apertur 20 kleinstmöglich werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine elektronische Apertur bereitgestellt, die den Strahl wirkungsvoll verarbeitet, nachdem ihn der Fühler erfaßt hat. Die elektronische Apertur verwendet im wesentlichen den Chopper 18, den Fühler 22 und die Zeitsteuereinrichtung 36 nach Fig. 4. Die Schaltung der Zeitsteuereinrichtung 36 in dieser Einrichtung ist jedoch geeignet angepaßt.
Überblicksweise beschrieben codiert der Chopper 18 den Strahl 12 zeitlich. Der Fühler 22 wandelt den zeitcodierten Strahl 12 in ein Signal um. Die Zeitsteuereinrichtung 36 ist so abgewandelt, daß sie das Signal für eine gewisse Zeitdauer aussperrt. Diese Zeitdauer stellt die Aperturbreite dar. Die Apertur ist also so behandelbar, als läge sie in der Ebene des Choppers.
Es wird nun ausführlicher Bezug auf Fig. 7 genommen. Der Unterbrechungsfühler 34 nach Fig. 4 erzeugt das Bezugssignal 610 in Fig. 7a. Ist der Strahl 12, der auf den Chopper 18 fällt, mit der φx-Achse ausgerichtet und hat er die Form nach Fig. 8a, so codiert der Chopper 18 diesen Strahl 12 zeitlich, so daß ihn der Fühler 22 in das mit A bezeichnete Signal in Fig. 7b umwandeln kann. Die Zeit T ist ein Maß für den Abweichungswinkel des Strahls 12, wie beispielsweise in GB-A-2071315 beschrieben ist. Ist der Strahl 12 jedoch in getrennte Beugungsordnungen aufgespalten, siehe Fig. 8b, so nimmt das Signal aus dem Fühler 22 die Form der Linie B in Fig. 7b an. In diesem Fall stellt das Zeitintervall T keinen gültigen Meßwert der Strahlabweichung dar.
Die elektronisch bewegte Apertur arbeitet durch das Ein- und Ausschalten des mit B bezeichneten Signals an Zeitpunkten, die den Kanten einer räumlichen Apertur entsprechen. Dies kann durch eine Schaltung oder durch ein Programm verwirklicht werden. Es werden somit Zeitabschnitte des Signals in einer Weise ausgewählt, die der Auswahl von Abschnitten des optischen Strahls im Raum durch das Bewegen einer mechanischen Apertur entsprechen. Beispielsweise können unterschiedliche Teile des Signais B in Fig. 7b ausgewählt werden, um entweder das Signal C nach Fig. 7c oder das Signal D nach Fig. 7d zu erzeugen. Dabei ist zu beachten, daß die Form der Signale C und D so gewählt wird, daß man sie mit genau den gleichen Signalverarbeitungs- und Berechnungsvorrichtungen verarbeiten kann, die für das Signal A in Fig. 7b verwendet werden.
Eine Schaltung zum Verwirklichen dieser Ausführungsform der Apertur wird nun beschrieben. Mathematisch wird die Anforderung an die Aperturschaltung zum Umsetzen des Signals B nach Fig. 7b in das Signal D nach Fig. 7d durch die folgenden Gleichungen beschrieben. Dabei ist Vin(t) das Signal aus dem Fühler 22; es ist die Spannung, die in die Aperturschaltung eingegeben wird. Vout(t) ist die Ausgangsspannung der Aperturschaltung.
Zeitabschnitt t1 bis t2:
Vout(t) = Vin(t) - Vin(t1) (i)
Zeitabschnitt t2 bis t3:
Vout(t) = Vin(t2) - Vin(t1) (ii)
Zeitabschnitt t3 bis t4:
Vout(t) = Vin(t) - Vin(t3) + Vin(t2) - Vin(t1) (iii)
Zeitabschnitt t4 bis t1:
Vout(t) = Vin(t4) - Vin(t3) + Vin(t2) - Vin(t1), (iv)
oder Vout(t) = 0
da Vin(t1) - Vin(t2) = - (Vin(t3) - Vin(t4)).
t1 und t2 sind die Anfangs- und Endezeiten der Apertur an der Kante der Chopperblende 30, die den Strahl freigibt. t3 und t4 sind die gleichen Zeiten an der komplementären Kante der Chopperblende 30, die den Strahl abdeckt.
Diese Gleichungen sind mit bekannten analogen Rechentechniken implementierbar, siehe Fig. 9a. S1, S2 und S3 sind Schalter, die geöffnet oder geschlossen werden können. Das Summensymbol bezeichnet die Summation der Eingangssignale, wobei die angegebenen Vorzeichen berücksichtigt werden. Der Speicher- oder Halteblock wird normalerweise elektronisch verwirklicht, siehe Fig. 9b.
Die Arbeitsweise der Aperturschaltung nach Fig. 9a wird nun mit Bezug auf Fig. 7e bis 79 erklärt. Dort sind die Zustände der Schalter S1, S2 und S3 dargestellt. Jeder Schalter ist geschlossen, wenn sein jeweiliges Steuersignal den größeren der beiden Werte annimmt. Zum Zeitpunkt t1 schließt S3, S1 öffnet und S2 bleibt geschlossen. Damit ist Vin(t1) das Ausgangssignal des Blocks H1, und die Gleichung (i) wird bis zum Zeitpunkt t2 verwirklicht. Zum Zeitpunkt t2, wenn S3 öffnet, bleibt S1 offen und S2 schließt, Vin(t1) bleibt das Ausgangssignal von H1, das Ausgangssignal von H3 nimmt den Wert Vin(t2) an, und das Ausgangssignal von H2 nimmt den Wert Vin(t) an, so daß Gleichung (ii) bis zum Zeitpunkt t3 ver wirklicht wird. Zum Zeitpunkt t3, wenn S3 wieder öffnet, bleibt S1 offen und S2 schließt. Vin(t1) bleibt das Ausgangssignal von H1, Vin(t2) bleibt das Ausgangssignal von H3 und Vin(t3) ist das Ausgangssignal von H2. Damit wird Gleichung (iii) bis zum Zeitpunkt t4 verwirklicht. Zum Zeitpunkt t4, wenn S3 wieder öffnet, schließt S1 und S2 bleibt offen, so daß das Ausgangssignal null wird, wie es Gleichung (iv) fordert.
Die Zeitpunkte t1 und t3 sind als festgelegte Zeitspannen nach den Flanken des Bezugssignals 610 bestimmt und werden durch programmierbare Digitalzähler verwirklicht. Ein Computerprogramm, das die elektronische Apertur steuert, wählt die Werte für t1 und t3. Somit wird die Startkante der Apertur bezogen auf das Bezugssignal 610 bestimmt. Ein zweiter programmierbarer Zähler legt die wirksame Breite der Apertur fest, d. h. die Zeitspannen t2 - t1 und t4 - t3. Ein Computerprogramm, das die Apertur steuert, wählt den genauen Wert für die Breite. Die Steuersignale zum Auswählen der Zustände der Schalter S2 und S3 werden mit digitalen Standardlogikschaltungen, z. B. D-Flanken-Flipflops und NAND-Gattern, aus S3 abgeleitet.
Diese Beschreibung gilt für den Zustand eines Strahls mit zwei getrennten Strahlabschnitten, die zum Signal B in Fig. 7b führen. Man beachte jedoch, daß die Schaltung für beliebige Kurvenformen mit komplementär fallenden und steigenden Flanken arbeitet und somit dazu verwendbar ist, die Form eines beliebigen Lichtstrahls zu kennzeichnen, den die Chopperblende 30 unterbricht.
Selbstverständlich müssen die Zeiten verändert werden, zu denen das Signal ein- und ausgeschaltet wird, um eine Bewegung der elektronischen Apertur zu erzielen. Eine feststehende Apertur könnte man dagegen dadurch erhalten, daß einfach diese Zeiten konstant gehalten werden. Es ist ebenfalls klar, daß die elektronische Apertur wie oben beschrieben nur in einer Richtung beweglich ist, und daß diese Richtung durch die Bewegungsrichtung der Chopperblende durch den Strahl bestimmt ist. Aus an anderem Ort erklärten Gründen bevorzugt man normalerweise, daß diese Richtung die φx-Richtung ist. Normalerweise erreicht man eine Codierung nur in φx-Richtung, indem man radiale Kanten an der Chopperblende 30 verwendet. Es sind jedoch auch nicht radiale und nicht gerade Kanten verwendbar, um sowohl in φx-Richtung als auch in φy-Richtung zu codieren. Dies ist in GB-A-2071315 auf Seite 7 in Zeile 7 für Codiervorrichtungen des "mark-space"- Verhältnisses beschrieben. Auf diese Weise ist die elektronische Apertur zum Auswählen sowohl in der φx-Richtung als auch der φy-Richtung verwendbar.

Claims

1. Queranalysator, geeignet zum Messen der optischen Eigenschaften eines näherungsweise zylindrischen, durchsichtigen Objekts (24), beispielsweise einer optischen Faser oder der Vorform einer optischen Faser, umfassend

eine Beleuchtungseinrichtung (10), geeignet zum Erzeugen eines Beleuchtungsstrahls (12),

einen Fühler (22), geeignet zum Erfassen des Beleuchtungsstrahls (12) nach dem Durchgang durch das Objekt (24),

eine Einrichtung (26), geeignet zum Halten des Objekts (24) zwischen der Beleuchtungseinrichtung (10) und dem Fühler (22), und

eine zeitliche Moduliereinrichtung (18), die zwischen dem Objekt (24) und dem Fühler (22) angeordnet ist, geeignet zum Codieren des Strahls in der Ebene der Moduliereinrichtung (18) mit seiner eigenen Lageinformation, damit sie der Fühler (22) erfassen kann,

gekennzeichnet durch elektronische Einrichtungen (36), geeignet zum Schalten der Ausgangssignale aus dem Fühler (22), so daß nur ausgewählten Zeitabschnitten dieser Signale der Durchgang erlaubt wird, wobei ein ausgewählter Abschnitt des Strahls unterschieden wird, der auf den Fühler (22) fällt.

2. Analysator nach Anspruch 1, wobei die elektronischen Einrichtungen (36) einstellbar sind, so daß der Fühler (22) ein Signal erzeugt, das nur einen ausgewählten Abschnitt des übertragenen Strahls darstellt, das in einer Richtung φy gebrochen wird, die parallel zur Längsachse des Objekts (24) ist.

3. Analysator nach Anspruch 2, wobei die elektronischen Einrichtungen (36) einstellbar sind, so daß sie Signale verarbeiten, die nur die Strahlabweichungen im wesentlichen in der Richtung φy darstellen.

4. Analysator nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei die elektronischen Einrichtungen (36) einstellbar sind, um damit eine Anzahl verschiedener Abschnitte des Strahls zu unterscheiden, die aus dem Objekt austreten.

5. Analysator nach Anspruch 4, zudem umfassend Verarbeitungseinrichtungen, die mit dem Ausgang des Fühlers (22) verbunden sind, geeignet zum Verarbeiten der Ausgabeinformation hinsichtlich der Anzahl verschiedener Abschnitte.

6. Analysator nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, ferner umfassend eine Fokussiereinrichtung (16), bevorzugt eine asymmetrische Linse und besonders bevorzugt eine Zylinderlinse, geeignet zum Empfangen des Beleuchtungsstrahls (12), die zwischen dem Objekt (24) und dem Fühler (22) angeordnet und so eingerichtet ist, daß sie den Strahl asymmetrisch in einer Ebene bündelt, in der die elektronische Einrichtung (36) arbeitet, um die ausgewählten Strahlabschnitte zu unterscheiden.

7. Analysator nach Anspruch 6, wobei die Fokussiereinrichtung (16) den Strahl in einer Richtung, φy, die parallel zur Längsachse des Objekts (24) ist, weniger scharf bündelt als in einer Richtung, φx, die senkrecht zur Ebene ist, die die Achse und den Beleuchtungsstrahl (12) enthält.

8. Analysator nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Fokussiereinrichtung (16) eine zylindrische Linse ist, deren Längsachse im wesentlichen an der Richtung φy ausgerichtet ist.

9. Analysator nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 8, auch umfassend eine zweite Fokussiereinrichtung (14), die zwischen der Beleuchtungseinrichtung (10) und dem Objekt (24) angeordnet und so eingerichtet ist, daß sie den Strahl asymmetrisch auf das Objekt (24) bündelt.

10. Analysator nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei das Objekt (24) bei Gebrauch den Strahl (10) bricht, und wobei die elektronische Einrichtung (36) aus einem Zustand umstellbar ist, in dem ein Strahlabschnitt auswählbar ist, der einer Beugungsklasse entspricht, in mindestens einen weiteren Zustand, in dem ein Strahlabschnitt auswählbar ist, der einer anderen Beugungsklasse entspricht

11. Analysator nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei die elektronische Einrichtung (36) den gesamten Strahl nur dann annimmt, wenn keine Brechung stattfindet, und nur einen Abschnitt des Strahls, wenn eine Brechung auftritt.

12. Analysator nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei die elektronische Einrichtung (36) einstellbar ist, so daß sie wahlweise Strahlabschnitte veränderlicher Größe unterscheiden kann.

13. Analysator nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei der Fühler (22) die Intensität messen kann.

14. Analysator nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin umfassend Einrichtungen, geeignet zum Abtrennen von Abschnitten des Strahls in einer Ebene, in der die elektronische Einrichtung (36) arbeitet, um die Abschnitte zu unterscheiden.

15. Analysator nach Anspruch 10, ferner umfassend Interpolier- und Extrapoliereinrichtungen, geeignet zum Berechnen von Lageinformation bezüglich des Strahlabschnitts, die einer Beugungsklasse entspricht, aus Lageinformation bezüglich der Strahlabschnitte, die zu anderen Beugungsklassen gehört.

16. Analysator nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, zudem umfassend mit der elektronischen Einrichtung (36) gekoppelte Meßeinrichtungen, geeignet zum Messen der Lage eines ausgewählt unterschiedenen Strahlabschnitts.