DE69924686T2

DE69924686T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen des internen Brechungsindex von optischen Fasern

Info

Publication number: DE69924686T2
Application number: DE69924686T
Authority: DE
Inventors: Issei Sapporo-shi Sasaki
Original assignee: Sasaki Issei Sapporo; Seiko EG&G Co Ltd
Current assignee: Sasaki Issei Sapporo; Seiko EG&G Co Ltd
Priority date: 1998-10-12
Filing date: 1999-10-12
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2019-10-13
Also published as: US6611321B1; JP2000121499A; EP0994341A1; EP0994341B1; DE69924686D1; JP3072986B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Verteilung des internen Brechungsindex eines Vorformlings einer Lichtleitfaser und auf eine Messeinheit.
Die Lichtleitfaser ist ein wichtiges Informationsmedium, das die intelligente Gesellschaft fördert. Die Leistungsfähigkeit der Lichtleitfaser hängt von der Form der Brechungsindexverteilung ab, die im Innern der Faser ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass Messtechniken zum Untersuchen der ausgebildeten Struktur unbedingt der genauen Steuertechnik für die Form der Brechungsindexverteilung hinzugefügt werden müssen. In diesem Fall ist das Innere der Lichtleitfaser kaum genau zu messen, wobei aufgrund ihres extrem kleinen Durchmessers große Fehler auftreten. Daher wird gewöhnlich die Faser in der Stufe des Vorformlings gemessen (Lichtleitfaservorformling, im Folgenden als Vorformling bezeichnet), der ein Zwischenprodukt vor dem Ziehen der Lichtleitfaser ist. Die Struktur des Brechungsindex der Lichtleitfaser wird im Inneren des Vorformlings mittels eines CVD-Verfahrens, eines VAD-Verfahrens und dergleichen bestimmt. Da die Struktur des Vorformlings und die Struktur der Lichtleitfaser wahrscheinlich ähnlich sind, wird angenommen, dass das Ergebnis der Messung des Vorformlings durch eine Maßstabsreduktion auf die Lichtleitfaser angewendet werden kann. Die Lichtleitfaser wird hergestellt, indem der Vorformling mit Wärme weich gemacht wird und bis zu einem vorgegebenen Durchmesser gezogen wird.
Bei dem herkömmlichen Verfahren des Messens des Brechungsindex des Lichtleitfaservorformlings wird die Ablenkungsfunktion ermittelt, indem das gemessene Objekt mit parallelen Strahlen oder einer dünnen Laserstrahlung durchstrahlt wird, und indem die Reflexion der Strahlen gemessen wird, die durch die Verteilung des internen Brechungsindex empfangen werden.
Wenn jedoch das gemessene Objekt eine große Änderung des Brechungsindex aufweist, wie z. B. ein Hoch-NA-Lichtleitfaservorformling (NA = Öffnungszahl), wird der Winkel der Ablenkung des durchgelassenen Lichts so groß, dass das Licht nicht in das Sichtfeld eines Detektors gelangt. Mit anderen Worten, die Strahlen weisen einen großen Ablenkungswinkel auf, der kaum zu erfassen ist, und fallen aus der Messung, so dass die Genauigkeit der Messung stark abnimmt.
Die japanische Patentanmeldung 04095847, veröffentlicht am 27. März 1992, offenbart eine Anordnung für die Hochgeschwindigkeitsmessung einer Brechungsindexverteilung in einem Lichtleitfaservorformling. Die Anordnung nutzt einen geneigten Lichtlinienstrahl, der vor dem Lichtleitfaservorformling platziert wird, wobei das einfallende Licht vom Lichtlinienstrahl nach dem Durchlaufen des Vorformlings auf einem Bildsensor auftrifft, dessen Ausgang anschließend einem Bildprozessor zugeführt wird, um eine Verteilung des Brechungsindex im Vorformling zu bestimmen.
Im US-Patent 4.519.704, erteilt am 28. Mai 1985, wird das Radialprofil eines Brechungsindex eines Lichtleitfaservorformlings hergeleitet. Dies wird erreicht durch Beleuchten des Vorformlings mit einem gerichteten Lichtstrahl, der mit einem Winkel zur Achse des Vorformlings, der im Wesentlichen von 90 Grad abweicht, auftrifft, und anschließendes Messen des Brechungswinkels, mit dem das Licht eine im Wesentlichen plane Stirnfläche des Vorformlings verlässt, als Funktion der Radialposition auf der Stirnfläche. Um die visuelle Erkennung von Abweichungen im Indexprofil zu verbessern, wird vorgeschlagen, ein Liniengitter vor dem Lichtleitfaservorformling zu verwenden, dessen Linien einen Schatten werfen, der eine deutlichere Anzeige des Indexprofils zur Verfügung stellt.
Die japanische Patentanmeldung 08201221, veröffentlicht am 9. August 1996, offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen eines Brechungsindexprofils eines Lichtleitfaservorformlings mit hoher Messgenauigkeit. Licht von einer Lichtquelle wird in Richtung zum Vorformling aus einer Richtung senkrecht zur Axialrichtung des Vorformlings gelenkt, wobei ein Lichtmuster des austretenden Lichts beobachtet wird, um somit das Profil des Brechungsindex zu messen. Der Durchmesser des einfallenden Lichts kann in einem optischen Weg des Lichts intermittierend verändert werden, um den optimalen Durchmesser des Lichts auszuwählen. Zwischen der Lichtquelle und den Lichtleitfaservorformling wird ein Raumfilter verwendet.
Ein Brechungsindexwert eines Lichtleitfaservorformlings wird im US-Patent 4.664516, erteilt am 12. Mai 1997, erhalten, indem das Nahfeldbild der Faseraustrittsfläche radial abgetastet wird und indem für jeden Bildpunkt das Verhältnis zwischen einem ersten Intensitätswert, der bei Vorhandensein einer Maske erhalten wird, die eine Durchlässigkeit proportional zur vierten Potenz der transversalen Strahlkoordinate aufweist und in einer Fernfeldebene angeordnet ist, und einem zweiten Intensitätswert, der bei Abwesenheit einer solchen Maske erhalten wird, berechnet wird. Eine automatisierte Messvorrichtung zum Implementieren des Verfahrens wird ebenfalls offenbart.
US 5.365329 , erteilt am 15. November 1994, offenbart ein Verfahren zum optischen Erfassen von Eigenschaften, z. B. des Brechungsindexprofils, eines Lichtleitfaservorformlings. Der Vorformling beugt den Beleuchtungsstrahl in mehrere Strahlabschnitte, die jeweils einer entsprechenden Beugungsordnung zugeordnet sind. Das Verfahren umfasst die Schritte des Beleuchtens des Vorformlings mit einem Beleuchtungsstrahl im Wesentlichen senkrecht zur Achse des Vorformlings, des Bewegens einer Blende, um einen Strahlabschnitt zu unterscheiden, der aus dem Vorformling austritt und einer gewählten Ablenkungsordnung entspricht, und des anschließenden Erfassens des Strahlabschnitts.
Die vorliegende Erfindung zielt auf die obenerwähnten Probleme des Standes der Technik. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Messen der Verteilung des internen Brechungsindex eines Lichtleitfaservorformlings zu schaffen, um die Messung der Verteilung des Brechungsindex eines Hoch-NA-Lichtleitfasenrvorformlings zu ermöglichen, sowie eine Messvorrichtung zu schaffen. Genauer schafft die vorliegende Erfindung eine neue Messtechnik, die auf schwierige Vorformlinge anwend bar ist, die derzeit mit herkömmlichen Verfahren kaum zu messen sind.
Ein Verfahren zum Messen der Verteilung des internen Brechungsindex für einen Lichtleitfaservorformling gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist so beschaffen, wie in Anspruch 1 ausgeführt ist.
In diesem Fall ist wünschenswert, dass die Ablenkungsfunktion mit einem Verfahren der Strahlverfolgung aus der abgelenkten Version des Musters ermittelt wird.
Es ist wünschenswert, das Optikmusterelement mit einer inkohärenten Lichtquelle zu beleuchten.
Es ist wünschenswert, dort, wo das Licht für das Optikmusterelement erzeugt wird, ein Muster mit Positionsdaten im Optikmusterelement vorzusehen.
Ein binäres Muster eines rechtwinkligen Dreiecks kann für ein solches Optikmusterelement verwendet werden. In diesem Fall ist es wünschenswert, eine Grenzlinie eines Musters mit veränderlicher Dichte zu ermitteln, die die verschiedenen Schwellenwerte bestimmt, die teilweise an die Bedingung des Optikmusterelements angepasst sind, um die Gesamtheit der Grenzlinie, die die gefundene Grenzlinie kombiniert, zu ermitteln, und um die Verteilung der Ablenkung der Version aus der Gesamtheit der Grenzlinie zu ermitteln.
Ein binäres Muster eines gleichschenkligen Dreiecks oder eines Musters, in welchem sich der Farbton oder die Wellenlänge desselben kontinuierlich ändert, können für das Muster verwendet werden.
Ferner wird eine Messvorrichtung für die Verteilung des internen Brechungsindex für den Lichtleitfaservorformling gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung geschaffen, wie in Anspruch 8 ausgeführt ist.
In diesem Fall umfasst eine inkohärente Lichtquelle eine Lichtquelle und eine Streuplatte, die vor der Lichtquelle angeordnet ist. Es kann eine Elektrolumineszenzplatte verwendet werden.
Die Photographiereinheit weist vorzugsweise eine Blende zum Begrenzen der Öffnung sowie eine Maske und einen Raumfilter auf.
In der vorliegenden Erfindung ist das Optikmusterelement hinter dem Lichtleitfaservorformling angeordnet, welcher zylindrisch ist und eine ungleichmäßige Verteilung des Brechungsindex im Inneren des Materials aufweist, wobei die abgelenkte Version des Optikmusterelements durch den Lichtleitfaservorformling photographiert wird. Durch Analysieren der abgelenkten Version des Optikmusterelements wird die Ablenkungsfunktion ermittelt, wobei die Verteilung des Brechungsindex des Lichtleitfaservorformlings auf der Grundlage der Ablenkungsfunktion ermittelt wird. Somit ist das Photographieren eines Optikmusterelements möglich, um somit die abgelenkte Version des Musters zu photographieren, wobei der Vorformling ein Hoch-NA-Lichtleitfaservorformling ist und der Ablenkungswinkel der durchdringenden Strahlen groß wird. Daher kann sogar ein Hoch-NA-Lichtleitfaservorformling, der mit dem herkömmlichen Verfahren schwierig zu messen ist, gemessen werden, um die Verteilung des Brechungsindex genauer zu erhalten, wobei dies zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Lichtleitfaser beiträgt, um somit zur Entwicklung der intelligenten Gesellschaft beizutragen.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lediglich beispielhaft und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1A und 1B Ansichten zur Beschreibung eines Prinzips eines Verfahrens zur Messung der Verteilung des internen Brechungsindex für einen Lichtleitfaservorformling gemäß der vorliegenden Erfindung sind;
2A und 2B Ansichten sind, die die Anordnung einer Ausführungsform zeigen, welche das Verfahren der vorliegenden Erfindung ausführt;
3A und 3B Ansichten sind, die die Anordnung einer weiteren Ausführungsform zeigen, die das Verfahren zur Messung gemäß der vorliegenden Erfindung ausführt;
4A und 4B Beispiele von Optikmusterelementen sind, die für das Verfahren zur Messung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wobei 4C eine Ansicht ist, die ein photographiertes Bild des Optikmusterelements und ein Grenzlinienbild zum Ermitteln der Ablenkungsgröße aus dem photographierten Bild zeigt;
5 eine Ansicht ist, die ein Beispiel der Ablenkungsfunktion zeigt;
6 eine Ansicht ist, die die Verteilung des Brechungsindex zeigt, die aus der Ablenkungsfunktion der 5 ermittelt wird;
7A und 7B Beispiele anderer Optikmusterelemente sind, die für das Verfahren zur Messung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wobei 7C eine Ansicht ist, die ein photographiertes Bild des Optikmusterelements und ein Grenzlinienbild zum Ermitteln der Ablenkungsgröße aus dem photographierten Bild zeigt;
8 eine Ansicht ist, die die Anordnung einer Ausführungsform einer Vorrichtung zeigt, die ein Optikmusterelement verwendet, in welchem sich der Farbton (Wellenlänge) ändert;
9 eine Ansicht ist, die ein Beispiel des photographierten Bildes zeigt, das mittels der Anordnung der 8 erhalten wird;
10A eine Ansicht ist, die die Anordnung einer weiteren Ausführungsform zeigt, die andere Lichtfarben verwendet, wobei 10B eine Ansicht ist, die ein Beispiel des Verhältnisses der RGB-Verteilung zeigt, und wobei 10C eine Ansicht ist, die das Verfahren der Erlangung einer Anfangsposition aus den Daten der Ablenkung beschreibt;
11 eine Ansicht ist, die die Anordnung einer Ausführungsform einer Vorrichtung zeigt, die einen ND-Filter als Optikmusterelement verwendet; und
12 eine Ansicht ist, die eine Kurve des abgelenkten Bildes zeigt, die aus einem photographierten Bild erhalten wird, das von der Anordnung der
11 erhalten wird.
Ein Prinzip des Verfahrens der Messung der Verteilung des internen Brechungsindex für einen Lichtleitfaservorformling und ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden beschrieben.
Beim herkömmlichen Verfahren zur Messung der Verteilung des Brechungsindex wurden Strahlen mit einem Winkel von 0° auf ein zu messendes Objekt aufgebracht, wobei der Ablenkungswinkel der Strahlen mittels der Neigung der Strahlen nach dem Durchdringen auf der Grundlage der Richtung des aufgebrachten Strahls gemessen wurde. Bei diesem Verfahren variieren die abgelenkten Strahlen weiter als die Öffnung eines Detektors und können somit nicht erfasst werden, so dass ein Fehler entsteht.
Durch Zerlegen des Ablenkungswinkels in Φ₁ und Φ₂ (Φ₂ ist der Einfallswinkel auf dem zu messenden Objekt bezüglich der optischen Achse, und Φ₁ ist der Eintrittswinkel vom zu messenden Objekt zur optischen Achse für jeden Strahl), wird jedoch der jeweilige Winkel nicht zu groß, indem er durch 2 geteilt wird, selbst wenn der Winkel ein großer Ablenkungswinkel ist. Das obenerwähnte Verfahren kann Strahlen mit großem Ablenkungswinkel erfassen, die ohne Verlust erfasst werden.
Obwohl die Daten zum Erzeugen der Positionen der Strahlen wohlbekannt sind, das im herkömmlichen Verfahren parallele Strahlen verwendet werden, müssen die Daten ständig gemessen werden, da die Daten des Verfahrens der vorliegenden Erfindung veränderlich sind. Das Problem wird durch Einführen eines neuen allgemeinen Konzepts in der vorliegenden Erfindung gelöst. Dies bedeutet, dass das Optikmusterelement hinter dem Vorformling angeordnet ist, wobei die Ablenkung des durch den Vorformling betrachteten Musters verwendet wird.
Allgemein ausgedrückt kann das Verfahren Positionsdaten eines Erzeugungspunktes mittels Optikmusterelementanalyse regenerieren, so dass jeder Strahl Positionsdaten des Erzeugungspunktes aufweist. Da somit das neue Problem gelöst wird, können sogar Strahlen, die im Stand der Technik schwierig zu erfassen waren und einen großen Ablenkungswinkel aufweisen, eingefangen werden, um somit die Ursache des Messfehlers zu beseitigen.
Mit Bezug auf die 1A und 1B wird im Folgenden das Prinzip der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1A zeigt einen Zustand, in welchem ein Optikmusterelement 6 mittels einer Optikmusterelement-Photographiereinheit 3 (Optikmusterelementsensor) photographiert wird, der durch das gemessene Objekt (Lichtleitfaservorformling) auf das Bild blickt. Zur Beschreibung ist die Koordinate x als Achsenrichtung eines Vorformlings 1 anzunehmen, während die Koordinate y und die Koordinate z als rechtwinklig zueinander wie in der Figur anzunehmen sind.
Es wird ein Strahl von der Fläche des Optikmusterelements 6 als eine (zweite) Lichtquelle erzeugt. S wird für eine Erzeugungsposition des Strahls verwendet. Der Strahl wird auf die Optikmusterelement-Photographiereinheit 3 durch eine Blende 7 aufgebracht, nachdem er das gemessene Objekt 1 durchlaufen hat, wobei eine CCD 5 in der Einheit ein projiziertes Bild photographiert. In der Figur ist ein Beispiel des Strahls als Strahl 2 gezeigt. Wenn kein gemessenes Objekt 1 vorhanden ist oder das gemessene Objekt einen Wert eines Brechungsindex gleich dem Umfang aufweist, sollte der zur CCD 5 laufende Strahl in der Figur von S = So erzeugt werden. Wenn jedoch ein ungleichmäßiger Brechungsindex im Inneren des gemessenen Objekts 1 vorhanden ist, wird der Strahl 2 abgelenkt, wie in der Figur gezeigt ist, wobei angenommen wird, dass der abgelenkte Strahl 2 als Ergebnis von einem weiteren Punkt erzeugt wird. Das Muster wird mit dem abgelenkten ΔS als Ergebnis photographiert. Anschließend wird das projizierte Bild mit der photographierten Ablenkung des Optikmusterelements mittels Analyse ermittelt, wobei der Ablenkungswinkel des Strahls anhand der Ablenkung zu diesem Zeitpunkt angenommen wird. Die Ablenkungswinkel der Strahlen, die aus verschiedenen Strahlen ermittelt werden, werden als Ablenkungsfunktion bezeichnet. Es ist eine wohlbekannte arithmetische Technik, dass sich die Ablenkungsfunktion auf die Ablenkungsfunktion des Brechungsindex bezieht (siehe z. B. Electron. Lett., 13, S. 736–738 (1977); J Lightwave Tech., LT-3, S. 678–683 (1985)). Es ist wohlbekannt, die Ablenkungsfunktion mittels Messung zu ermitteln und die Verteilung des Brechungsindex anschließend durch numerische Verarbeitung der Funktion zu ermitteln.
Mit anderen Worten, die vorliegende Erfindung schafft insbesondere ein Verfahren zur Messung des Brechungsindex eines Lichtleitfaservorformlings unter Verwendung einer neuen Technik bei der Verarbeitung durch Ermitteln der Ablenkungsfunktion, und schafft eine Messvorrichtung.
Die Ablenkungsfunktion ϕ(y'') ist gegeben durch die Summe von zwei Winkelkomponenten. Das heißt: ϕ(y'') = Φ1 + Φ2 (1)
Hierbei ist y'' der Abstand des Strahls 2, der auf die Optikmusterelement-Photographiereinheit 3 von der Mitte des gemessenen Objekts (Lichtleitfaservorformling) aufgebracht wird, Φ₁ der Eintrittswinkel zur Achse (Strahlachse) in Richtung zur Optikmusterelement-Photographiereinheit 3, während Φ₂ ein Erzeugungswinkel des Strahls 2 vom Optikmusterelement 6 ist.
Unter der Annahme, dass der Lichtleitfaservorformling 3 des gemessenen Objekts gewöhnlich eine im Wesentlichen gleichmäßige interne Struktur in Richtung der x-Achse aufrechterhält, wird definiert, dass Φ₁ und Φ₂ in der gleichen Ebene liegen, wobei angenommen wird, dass die S-Achse parallel zur y-Achse ist. Die Ablenkungsgröße ΔS = So – S des Strahls 2 in der Ebene des Optikmusterelements 6 steht wie folgt in Bezug zu den Winkeln Φ₁ und Φ₂ des Strahls 2: ΔS = a(tan Φ1 + tan Φ2) (2)
Hierbei: A = (D + R) – y''·sin((Φ2 – Φ1)/2) + cos((Φ2 + Φ1)/2) (3)
D ist ein Raum zwischen dem gemessenen Objekt 1 (Lichtleitfaservorformling) und dem Optikmusterelement 6, das durch das Objekt betrachtet wird, während R ein Radius des gemessenen Objekts 1 (Lichtleitfaservorformling) ist. Außerdem werden y'' und Φ₁ wie folgt ausgedrückt, wenn der Abstand von einer Lichtauffanglinse 4 zur Zentralachse x durch L dargestellt wird: Y'' = L·sin Φ1 (4) Φ1 = tan–1(y/L) (5)
Da in Gleichung (5) L gemessen werden kann und Y aus dem photographierten projizierten Bild gelesen werden kann, kann Φ₁ leicht berechnet werden. Bei den Berechnungen der Gleichung (2) und der Gleichung (3) kann Φ₂ ermittelt werden, wenn ΔS gemessen werden kann, da D und R gemessen werden können. Die Ablenkungsfunktion ϕ(y'') wird somit aus Φ₁ und Φ₂ erhalten, die mittels des Strahlverfolgungsverfahrens und dergleichen unter Verwendung der Gleichung (1) ermittelt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es ein neues Konzept, Daten zu schreiben und zu speichern, die den S-Wert unterscheiden, der die Position des Strahls 2 am Optikmusterelement 6 erzeugt. Mit anderen Worten, der Erzeugungspunkt des Strahls 2 kann erlangt werden, indem der Strahl 2 selbst Positionsdaten des Erzeugungspunktes aufweist, und indem die Daten aus dem photographierten projizierten Bild herausgelesen werden. Die obenerwähnten Größen sind somit alle berechenbar, wobei die Ablenkungsfunktion ϕ(y'') bestimmt werden kann und die Verteilung des Brechungsindex erhalten wird, indem der obenerwähnte wohlbekannte numerische Prozess umgesetzt wird.
Obwohl bisher ein Strahl beschrieben worden ist, gilt die geometrische Optik des obenerwähnten Strahlverfolgungsverfahrens nicht nur für einen in
1A gezeigten Strahl. Wenn die Erzeugung von einer Lichtquelle, wie z. B. einer EL-Vorrichtung und dergleichen, die das Optikmusterelement 6 beleuchtet, keine Direktivität aufweist, verschlechtert sich die Klarheit der Kante des photographierten projizierten Bildes, da verschiedene Strahlen in den Bereich kommen, der durch die Öffnung der Lichtauffanglinse 4 bestimmt ist, wie in 1B gezeigt ist. Um das Problem zu lösen, werden die erfassten Strahlen im Bereich der achsenparallelen Strahlen begrenzt, um sie somit gut der obenerwähnten geometrischen Optik anzunähern, indem die Blende 7 der Photographiereinheit 3 ausreichend begrenzt wird oder ein Raumfilter oder eine Maske angebracht wird, die nur die Strahlen auswählen, die einem Zentralabschnitt an der Position der Hauptstrahlen der Linse 4 durchdringen.
Die 2A, 2B, 3A und 3B zeigen Ausführungsformen von Vorrichtungen, die das Verfahren der vorliegenden Erfindung ausführen. Die 2A und 2B zeigen ein Beispiel, in welchem ein Vorformling 21 vertikal angeordnet ist, während die 3A und 3B Beispiele zeigen, in denen ein Vorformling 21 horizontal angeordnet ist. Beide 2A und 3A sind Seitenansichten der Vorrichtungen. In den Figuren ist das Bezugszeichen 11 eine Säule, das Bezugszeichen 12 eine Anpassungsflüssigkeit für den Brechungsindex, das Bezugszeichen 13 eine Zelle zum Aufnehmen der Anpassungsflüssigkeit für den Brechungsindex, das Bezugszeichen 14 eine Elektrolumineszenz-(EL)-Tafel, das Bezugszeichen 15 ein Optikmusterelement, das Bezugszeichen 16 eine Photographiereinheit, das Bezugszeichen 17 ein Computer, das Bezugszeichen 18 eine Anzeigeeinheit für das Ergebnis der Verarbeitung, das Bezugszeichen 19 eine Stromversorgung für die EL-Vorrichtung, das Bezugszeichen 20 ein Monitor für das projizierte Bild, das Bezugszeichen 21 ein Lichtleitfaservorformling, und das Bezugszeichen 22 eine Antriebsbühne für die X-Achse. In der Ausführungsform der 2A ist der Vorformling 21 vertikal auf der Säule 11 befestigt, wobei ein Teil des Messobjekts in die Zelle 13 getaucht ist, die mit der Anpassungsflüssigkeit für den Brechungsindex 12 gefüllt ist. In der Ausführungsform der 3A ist es notwendig, dass der gesamte Vorformling 21 oder wenigstens ein gemessener Abschnitt in der Anpassungsflüssigkeit für den Brechungsindex 12 eingetaucht ist, und dass die Zelle 13 der Anpassungsflüssigkeit für den Brechungsindex ein planes transparentes Fenster mit einer bestimmten Größe zum problemlosen Herausführen der Strahlen aufweist, obwohl der gesamte Vorformling 21 in der Anpassungsflüssigkeit für den Brechungsindex 12 eingetaucht ist.
In jedem Fall ist in diesen Ausführugsformen das Optikmusterelement 15, das mittels der Elektrolumineszenz-(EL)-Tafel 14 beleuchtet wird, hinter dem Vorformling 21 angeordnet, wobei das Muster mittels der Photographiereinheit 16 als digitales Muster in dem Computer 17 eingelesen wird. Die Stromversorgung 19 ist vorgesehen, um die EL-Tafel 14 anzusteuern.
Es ist wünschenswert, dass das Muster irgendeine Ablenkung durch die Verteilung des internen Brechungsindex des Vorformlings für das Optikmusterelement 15 klar hervorheben kann. 4A beschreibt den Fall, in welchem zwei Werte einer Darstellung (Schwarz und Weiß) eines rechtwinkligen Dreiecks als ein Beispiel für das Muster verwendet werden. Ein Abschnitt der Transformation, bei der der dunkle Abschnitt zu einem hellen Abschnitt hervorsteht, und ein Abschnitt der Transformation, bei den der helle Abschnitt zu einem dunklen Abschnitt hervorsteht, erscheinen, da die Grenze zwischen dem dunklen Abschnitt und dem hellen Abschnitt der langen Seite des rechtwinkligen Dreiecks durch den Brechungsindex transformiert wird und die Ablenkungsfunktion im Allgemeinen eine Rotationssymmetrie zentriert um den Ursprungspunkt aufweist, wie in 4B gezeigt ist.
Wenn der Strahl abgelenkt wird und die Position des abgelenkten Erzeugungspunktes gleich ΔS ist, wie in 4C gezeigt ist, wird die Ablenkung zu der x-Achse unter Verwendung von Δx = ΔS·tan α konvertiert, wenn α für den Neigungswinkel der langen Seite des rechtwinkligen Dreiecks verwendet wird. Wenn anschließend die Kante der langen Seite des rechtwinkligen Dreiecks mittels Musterverarbeitung als Grenzlinie mit veränderlicher Dichte und Ablenkungsgröße Δx der x-Richtung der Grenzlinie entnommen wird, wird ΔS durch die folgende Gleichung bestimmt: ΔS = Δx/tan α (6)
Unter Verwendung des Wertes für die Berechnungen der Gleichung (1) bis Gleichung (5) wird die Ablenkungsfunktion ϕ(y'') ermittelt. Das Beispiel der Funktion ist in 5 gezeigt. Unter Verwendung der Funktion wird die Verteilung des Brechungsindex n(r) erhalten, indem die folgende Umsetzungsgleichung angewendet wird. n(r) = n1[1 – (1/π)Δkr{ϕ(y'')}/{Δ(y''2 – r2)}dy''] (7)
Hierbei ist n₁ der Brechungsindex des Umfangs (der Anpassungsflüssigkeit für den Brechungsindex 12) des Vorformlings 2 der Referenz, r ein Abstand von der Mitte an einem Querschnitt des Vorformlings 21 und k ein gemessener Bereich, der gewöhnlich größer ist als der Radius des Vorformlings 21. Der Vorformling 21 befindet sich daher in der Anpassungsflüssigkeit für den Brechungsindex 12. Der Wert des Brechungsindex an dem Punkt beträgt n₁. Das Beispiel der Ablenkungsfunktion ϕ(y''), die wie oben erwähnt ermittelt wird, ist in 5 gezeigt, wobei das Berechnungsergebnis mittels Gleichung (7) unter Verwendung der Ablenkungsfunktion in 6 gezeigt ist.
Der Messpunkt ist nicht nur in y-Richtung ein wenig abgelenkt, sondern auch in x-Richtung, da die Messung entlang der Längsseite des rechtwinkligen Dreiecks ausgeführt wird, die eine geneigte Richtung aufweist. Obwohl kein Problem besteht, wenn der Vorformling 21 im Sichtfeld zur x-Richtung (Achsenrichtung) gleichmäßig ist, wird es dann, wenn eine korrekte Verteilung des Brechungsindex im vertikalen Querschnittsabschnitt des Vorformlings 21 ermittelt wird, notwendig, die Bedingungen zu messen, bei denen der x-Wert konstant ist.
Hierbei ist in der vorliegenden Erfindung die x-Antriebsbühne 22 so geformt, wie in 2A und 3A gezeigt ist. Wenn der Vorformling 21 mit der gesamten Säule 11, die den Vorformling 21 in Beispiel der 2A hält, aufwärts und abwärts bewegt wird und der Vorformling 21 mit der gesamten Anpassungsflüssigkeitszelle für den Brechungsindex 13 nach links und nach rechts bewegt wird, kann die Messung ausgeführt werden, indem die Position längs der x-Achse des Vorformlings 21 im Sichtfeld der Musterphotographiereinheit 16 verändert wird. Damit wird eine Messung im obenerwähnten Zustand ermöglicht, in welchem die Messung so ausgeführt wird, dass der x-Wert des Vorformlings 21 eine bestimmte Stelle einnimmt. Die Messzeit wird jedoch lang. Anschließend wird folgendes Verfahren verwendet: Die Form des Brechungsindex wird einmal durch Messen des Vorformlings im fixierten Zustand gemessen (es wird längs der geneigten Linie des Optikmusterelements 15 gemessen), anschließend werden neue Daten genommen, wobei der Vorformling längs der x-Achse bewegt wird, und die Daten werden mittels der neuen Daten an jeder Stufe modifiziert. Gemäß dem Verfahren wird die Genauigkeit der Messung bei jeder Stufe der Aufnahme neuer Daten verbessert, indem der Vorformling 21 bewegt wird. Das Verfahren hat den Vorteil des Auswählens der optimalen Kombination aus Genauigkeit und Messzeit, die von einem Benutzer gefordert werden, da die Messung in einer kurzen Zeit abgeschlossen wird, wenn eine geringe Genauigkeit gewünscht ist, und da es möglich ist, ein Ergebnis mit hoher Genauigkeit zu erhalten, wenn eine lange Messzeit zugelassen wird.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Ablenkungsfunktion ermittelt, indem eine Grenzlinie eines hellen Abschnitts und eines dunklen Abschnitts im Muster, d. h. der Kantenabschnitt, mittels einer Musterverarbeitungstechnik erfasst wird. Die Grenzlinie kann jedoch aufgrund des Beugungseffekts unklar werden, so dass die Kante kaum zu erfassen ist, wenn eine feine Struktur von einer sedimentären Schicht, die häufig in dem mittels eines VAD-Verfahrens oder eines MCVD-Verfahrens hergestellten Vorformling erscheint, ausgebildet wird. Wie oben erwähnt worden ist, kann an Abschnitten, wo die Verformung der Grenzlinie durch die Verteilung des Brechungsindex von einem dunklen Abschnitt zu einem hellen Abschnitt und vom hellen Abschnitt zum dunklen Abschnitt projiziert wird, ein Fehler groß werden, wenn die gleiche Schwelle (Unterscheidungswert) für die Unterscheidung der Grenzlinie des dunklen Abschnitts und des hellen Abschnitts bei den zwei Bedingungen verwendet wird. Anschließend werden Fragmente der Ablenkungsfunktion durch Erfassen der Kante unter Verwendung der optimalen Schwelle, die an jedem Zustand angepasst ist, erhalten, wobei diese Fragmente später verbunden werden und zu einer Ablenkungsfunktion werden. Zum Beispiel wird ein Teil der Ablenkungsfunktion an dem Abschnitt ermittelt, wo der dunkle Abschnitt zum hellen Abschnitt hervorsteht, wobei v₁ als Schwelle verwendet wird, während der übrige Teil der Ablenkungsfunktion an dem Abschnitt ermittelt wird, wo der helle Abschnitt zum dunklen Abschnitt hervorsteht, wobei v₂ als Schwelle verwendet wird, und wobei diese später verbunden werden. Aktuelle Werte von v₁ und v₂ werden durch die Bedingungen der Vorrichtung bestimmt, wobei diese Werte zum wichtigen Erfahrungswissen der vorliegenden Erfindung gehören.
Die 7A und 7B sind den 4A und 4B der Ausführungsform ähnlich, verwenden jedoch eine gleichschenklige Dreiecksdarstellung der zwei Werte (Schwarz und Weiß) für das Muster. In der Musterphotographiespitze des Dreiecks ist das Optikmusterelement 16 so angeordnet, dass es im Zentrum des Vorformlings 21 positioniert ist. Durch eine solche Anordnung ergibt sich keine Koexistenz der Fälle, so dass der dunkle Abschnitt zum hellen Abschnitt hervorsteht, ähnlich wie beim rechtwinkligen Dreieck, und der helle Abschnitt zum dunklen Abschnitt hervorsteht, so dass einer von diesen begrenzt sein kann. Es besteht damit keine Notwendigkeit einer Änderung der Schwelle in Abhängigkeit vom Abschnitt, wobei die gesamte Ablenkungsfunktion unter Verwendung einer Schwelle ermittelt werden kann, und wobei es keine Probleme bei der Verwendung eines rechtwinkligen Dreiecks gibt.
Als Nächstes ist eine Ausführungsform gezeigt, die ein Muster verwendet, in welchem ein Farbton (Wellenlänge) geradlinig und kontinuierlich in y-Achsen-Richtung verändert wird. Dieses System ändert die Farbe (Wellenlänge) des Strahls durch Erzeugen der Position des Strahls in den Optikmusterelementen 6 und 15, wobei die Erzeugungsposition ermittelt werden kann, indem die Farbe (Wellenlänge) des Strahls gemessen wird. Ausführungsformen dieses Systems sind in 8 und in 10A gezeigt.
In der Ausführungsform der 8 wird ein Strahl von einer weißen Lichtquelle 30 auf der S-Achse (y-Achse) im Raum mittels eines Beugungsgitters 31 geteilt, wobei der Strahl auf einen Streuschirm 32 aufgebracht wird, und wobei der Streuschirm als Optikmusterelement 6 oder Optikmusterelement 15 verwendet wird. Das Beugungsgitter 31 kann durch ein Spektralprisma ersetzt werden.
Obwohl das Optikmusterelement 15 von der Photographiereinheit 16 nach dem Durchlauf des Vorformlings 21 photographiert wird, wird der Strahl zu diesem Zeitpunkt zur S-Achse (y-Achse) gebeugt, indem ein Streuschirm 40 (oder ein Spektralprisma) vor die Photographiereinheit 16 gesetzt wird. Der auf den Streuschirm 40 aufgebrachte Strahl wird mit einem Beugungswinkel θ entsprechend der Wellenlänge abgelenkt. Genauer entspricht die primäre Beugung der folgenden Gleichung: λ/Λ = sin θ (8)
Hierbei ist λ die Wellenlänge des Strahls, während Λ die Periode des Streuschirms 40 ist. Wenn sich die Wellenlänge kontinuierlich und linear längs der y-Achse ändert, ändert sich auch der Beugungswinkel θ kontinuierlich und linear, so dass das Muster diagonal verformt photographiert wird, wenn der Vorformling 21 nicht gesetzt ist.
Wenn die Erzeugungsposition des Strahls sich ändert, wenn der Vorformling 21 gesetzt ist, wird die Änderung als eine Änderung der Wellenlänge des Strahls übertragen, wobei der Strahl zu einer im Raum abgelenkten Position gelangt, so dass die diagonale Form weiter verformt wird. Es ist möglich, die Änderung der Erzeugungsposition des Strahls anhand der Änderungsgröße zu ermitteln. Ein Beispiel des projizierten Bildes, das durch diese Anordnung erhalten wird, ist in 9 gezeigt. Das Verfahren des Herleitens der Änderung der Position des Strahls aus der Ablenkung des Musters entspricht dem Verfahren der 4C.
10A zeigt ein Verfahren unter Verwendung einer Farbphotographiereinheit 43 in einer weiteren Ausführungsform, die die Farbe des Strahls nutzt. Als Optikmusterelement 41 wird das Optikmusterelement ähnlich demjenigen, das in 8 verwendet wird, oder ein Farbfilter, der kontinuierlich und linear zur S-Achse (y-Achse) und um einen Farbton ist, verwendet. Der Ausgang der Farbphotographiereinheit 43 kann in den Computer 17 eingegeben werden, indem die Wellenlängen in R (Rot), G (Grün) und B (Blau) mittels einer Videoaufnahmeplatine 44 unterteilt werden, wobei die Farbe des Strahls durch das Verteilungsverhältnis unterschieden wird. Mit anderen Worten, die Ablenkung der Erzeugungsposition des Strahls wird anhand der Änderung des Verteilungsverhältnisses an jedem Erzeugungspunkt ermittelt, wenn der Vorformling 21 gesetzt ist, indem im Voraus das Verteilungsverhältnis an jedem Punkt ermittelt wird, wenn der Vorformling 21 nicht gesetzt ist. Durch Ermitteln der Ablenkungsfunktion aus diesen Daten und Ausführen der numerischen Umsetzung mit dem gleichen Verfahren wie oben erwähnt worden ist, kann die Verteilung des Brechungsindex ermittelt werden. Die 10A und 10B zeigen ein Beispiel des RGB-Verteilungsverhältnisses bei einem nicht abgelenkten photographierten Muster und ein Verfahren der Erlangung der Erzeugungsposition des Strahls anhand der Ablenkung des RGB-Verteilungsverhältnisses im abgelenkten photographierten Muster.
Außerdem zeigt 11 ein Beispiel eines ND-Filters 45, bei dem sich die Durchlässigkeit längs der S-Achse linear verändert, und der als ein Optikmusterelement verwendet wird. Eine EL-Lichtquelle 14 wird als Lichtquelle verwendet. Wenn sich die Durchlässigkeit ändert, während die Erzeugungsposition des Strahls abgelenkt wird, wird durch Messen der Helligkeit des Musters längs der y-Achse in der Ausführungsform eine Kurve erhalten, wie in 2 gezeigt ist. Die Ablenkungsgröße ΔS kann anhand der Kurve unter Verwendung eines ähnlichen Verfahrens wie oben beschrieben erlangt werden.
Das Verfahren zum Messen der Verteilung des internen Brechungsindex für einen Vorformling einer Lichtleitfaser und die Messeinheit der vorliegenden Erfindung sind oben mit Bezug auf die Ausführungsformen beschrieben worden. Die vorliegende Erfindung kann verschiedenartig modifiziert werden und ist nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Obwohl die obenerwähnten Ausführungsformen der Bedingung unterliegen, dass das abgelenkte Muster in den Computer eingegeben wird, wobei es in der Photographiereinheit direkt in ein projiziertes Bildsignal umgesetzt wird, kann statt dessen das abgelenkte Muster durch einmaliges Photographieren mit einer Bildphotographiereinheit und durch Umsetzen des projizierten Bildes unter Verwendung einer Abtastereinheit in den Computer eingegeben werden. Eine Streuplatte, die in einer Streueigenschaft ungleichmäßig ist, kann zwischen dem Optikmusterelement und der Lichtquelle eingesetzt sein, damit eine Lichtquelle das Optikmusterelement mit Ausnahme der EL-Platte beleuchtet. Das Beleuchten der Streuplatte mit Licht von einer weißen Lichtquelle, das den vorgegebenen Farbfilter durchläuft, oder mit direktem Licht von einer kohärenten Lichtquelle, wie z. B. einer lichtemittierenden Diode und dergleichen, kann das Optikmusterelement unter Verwendung der Streuplatte für eine sekundäre Lichtquelle beleuchten.
Wie in der obigen Beschreibung beschrieben worden ist, ist gemäß dem Verfahren zur Messung der Verteilung des internen Brechungsindex für den Lichtleitfaservorformling und gemäß der Messeinheit der vorliegenden Erfindung das Optikmusterelement hinter dem Lichtleitfaservorformling angeordnet, welcher zylindrisch ist und eine ungleichmäßige Verteilung des Brechungsindex im Inneren des Materials aufweist. Die abgelenkte Version des Musters wird durch den Lichtleitfaservorformling photographiert. Durch Analysieren der abgelenkten Version des Musters wird die Ablenkungsfunktion ermittelt, wobei die Verteilung des Brechungsindex des Lichtleitfaservorformlings auf der Grundlage der Ablenkungsfunktion ermittelt wird. Somit ist das Photographieren des Musters möglich, um somit das abgelenkte Muster zu photographieren, wenn der Vorformling ein Hoch-NA-Lichtleitfaservorformling ist, wobei der Ablenkungswinkel des durchgelassenen Strahls groß wird. Selbst ein Hoch-NA-Lichtleitfaservorformling, der mit dem herkömmlichen Verfahren kaum zu messen ist, kann somit gemessen werden, um die Verteilung des Brechungsindex genau zu bestimmen, wobei dies zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Lichtleitfaser beiträgt, um somit zur Entwicklung der intelligenten Gesellschaft beizutragen.
Die vorangehende Beschreibung ist lediglich beispielhaft, wobei für Fachleute klar ist, dass Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Messen der Verteilung des internen Brechungsindex eines Lichtleitfaservorformlings, umfassend: Anordnen eines Optikmusterelements zwischen einer Lichtquelle und dem Lichtleitfaservorformling; Verwenden eines Musters mit Positionsdaten bezüglich eines Punktes im Optikmusterelement, an dem ein Strahl erzeugt wird, für das Optikmusterelement; Beleuchten des Optikmusterelements mit der Lichtquelle; Photographieren einer abgelenkten Version des Musters durch den Lichtleitfaservorformling, wobei die abgelenkte Version des Musters Positionsdaten bezüglich aller Punkte im Optikmusterelement aufweist; Ermitteln einer Ablenkungsfunktion durch Analysieren der abgelenkten Version des Musters; und Ermitteln der Verteilung des Brechungsindex des Lichtleitfaservorformlings auf der Grundlage der Ablenkungsfunktion.
Verfahren zum Messen der Verteilung des internen Brechungsindex eines Lichtleitfaservorformlings nach Anspruch 1, wobei die Ermittlung der Ablenkungsfunktion die Strahlverfolgung von der abgelenkten Version des Musters umfasst.
Verfahren zum Messen der Verteilung des internen Brechungsindex eines Lichtleitfaservorformlings nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Optikmusterelement mit einer inkohärenten Lichtquelle beleuchtet wird.
Verfahren zum Messen der Verteilung des internen Brechungsindex eines Lichtleitfaservorformlings nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Muster eine binäre Darstellung eines rechtwinkligen Dreiecks umfasst.
Verfahren zum Messen der Verteilung des internen Brechungsindex eines Lichtleitfaservorformlings nach Anspruch 4, ferner umfassend: Ermitteln einer Grenzlinie eines Optikmusterelements mit variabler Dichte, die Schwellenwerte definiert, die verschieden sind, teilweise durch Anpassen an eine Bedingung des Musters; Ermitteln einer Grenzlinie der Gesamtheit durch Kombinieren der gefundenen Grenzlinie; und Ermitteln der Ablenkungsverteilung des Musters anhand der ganzen Grenzlinie.
Verfahren zum Messen der Verteilung des internen Brechungsindex eines Lichtleitfaservorformlings nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Muster eine binäre Darstellung eines gleichschenkligen Dreiecks umfasst.
Verfahren zum Messen der Verteilung des internen Brechungsindex eines Lichtleitfaservorformlings nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei für das Optikmusterelement ein Muster verwendet wird, bei dem sich der Farbton oder die Wellenlänge kontinuierlich ändert.
Messvorrichtung zum Messen der Verteilung des internen Brechungsindex eines Lichtleitfaservorformlings, umfassend: ein Optikmusterelement mit einem Muster, das Positionsdaten bezüglich eines Punktes im Optikmusterelement, an dem ein Strahl erzeugt wird, enthält, wobei das Optikmusterelement zwischen einer inkohärenten Lichtquelle und dem Lichtleitfaservorformling angeordnet ist; eine inkohärente Lichtquelle, die das Optikmusterelement beleuchtet; eine Unterstützungseinheit zum Unterstützen des Lichtleitfaservorformlings; eine Photographiereinheit zum Photographieren einer abgelenkten Version des Musters durch den Lichtleitfaservorformling, wobei die abge lenkte Version des Musters Positionsdaten bezüglich aller Punkte im Optikmusterelement aufweist, und eine arithmetische und logische Einheit zum Ermitteln der Ablenkungsfunktion anhand der photographierten abgelenkten Version des Musters und zum Ermitteln der Verteilung des Brechungsindex des Lichtleitfaservorformlings auf der Grundlage der Ablenkungsfunktion.
Messvorrichtung zum Messen der Verteilung des internen Brechungsindex eines Lichtleitfaservorformlings nach Anspruch 8, wobei die inkohärente Lichtquelle eine Lichtquelle und eine vor der Lichtquelle angeordnete Streuplatte umfasst.
Messvorrichtung zum Messen der Verteilung des internen Brechungsindex eines Lichtleitfaservorformlings nach Anspruch 8, wobei die inkohärente Lichtquelle eine Elektrolumineszenzplatte umfasst.
Messvorrichtung zum Messen der Verteilung des internen Brechungsindex eines Lichtleitfaservorformlings nach irgendeinem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Photographiereinheit eine Blende zum Begrenzen einer Apertur, sowie eine Maske oder einen Raumfilter umfasst.