KR20170036769A - 광섬유 모재의 기하학적 속성을 결정하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

광섬유 모재의 기하학적 속성을 결정하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

광섬유 모재의 기하학적 속성을 평가하기 위한 방법 및 장치로서, 그 방법은 길이방향 축, 외측 직경 및 원주를 갖는 광섬유 모재를 제공하는 단계; 모재의 길이방향 축에 평행한 길이 및 모재의 외측 직경보다 더 큰 폭을 갖는 2-차원 패턴을 제공하는 단계; 모재가 패턴과 이미지 캡처링 디바이스 사이에 정렬되도록 배치된 이미지 캡처링 디바이스를 제공하는 단계; 모재를 그 길이방향 축 둘레로 회전시키고 그리고 모재의 원주를 따른 적어도 2개의 다른 점에서 모재를 통해 보이는 패턴의 제1 복수의 이미지를 취득하는 단계; 및 제1 복수의 이미지로부터 모재의 적어도 하나의 기하학적 속성을 결정하는 단계를 포함한다.

Description

광섬유 모재의 기하학적 속성을 결정하기 위한 방법 및 장치{METHODS AND APPARATUS FOR DETERMINING GEOMETRIC PROPERTIES OF OPTICAL FIBER PREFORMS}
본 발명은 고수준의 정확도 및 정밀도로 생산 환경에서 분석이 수행될 수 있도록 강건한, 저렴한 그리고 고속의 방식으로 광섬유 및 광섬유 모재의 기하학적 속성을 결정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
광섬유는 전형적으로는 코어 부분 및 하나 이상의 클래딩 층을 포함하고 그리고 코어 부분을 따른 광선의 전파를 가능하게 한다. 이러한 이유로, 2개의 광섬유가 서로 연결되면, 이들 2개의 광섬유의 코어는 정밀하게 정렬되어야 한다. 2개의 광섬유의 외부 형상이 서로 일치하지만, 코어 중 어느 하나 또는 양자가 편심도를 가지면, 이들 코어의 위치들 간 불일치에 기인하여 연결 손실이 증가한다. 이러한 이유로, 광섬유로 뽑힐 시작 재료로서의 모재는 최소 편심도를 갖는 코어 부분을 포함하여야 한다. 광섬유의 생산 및 그 관리에서는, 시작 재료로서의 광섬유 모재를 검사하고 그리하여 상기 견지로부터 낮은 편심도를 갖는 코어 부분을 포함하는 광섬유 모재를 선택하는 것이 매우 중요하다. 편심도에 부가하여, 코어 및 클래딩의 외측 직경은 물론 어느 난형도라도 포함하는 부가적 기하학적 속성도 중요하다.
그러한 속성은 광섬유 모재의 소정 단면에서 시각적으로 검사 및 측정될 수 있기는 하지만, 그러한 방법론은, 그 길이를 따라 섬유 모재의 다수의 단면을 취할 것을 요구하여, 번잡하고 느리고, 섬유 모재의 상업적 생산에 결코 적합하지 않다. 더욱, 그러한 방법론은 그 길이를 따라 모재의 다수의 단면을 취할 것을 요구할 것이므로, 그것은 모재를 파괴하는 효과가 있을 것이다. 대안으로, 광섬유 모재는 그 굴절률 및 기하학적 속성을 결정하도록 굴절률 매칭 오일에 침지되어 레이저 빔으로 스캐닝될 수 있지만 오일 침지 후에 모재를 세정할 필요성 및 비용은 광학 모재의 저비용 상업적 생산에 바람직하지 않다. 본 발명은 공기 중에서 그리고 비-파괴적 방식으로 섬유 모재의 기하학적 속성을 측정하기 위한 저비용 방법을 제공하고 그리고 더욱 기하학적 규격을 충족하지 않는 모재의 부분으로부터의 섬유 뽑기의 비용을 없앰으로써 부가적 비용 감축이 가능하다.
따라서, 상업적 생산에서 광섬유 모재의 기하학적 속성을 결정하기 위한 방법론은 모재를 손상 또는 변경함이 없이 그러한 결정을 신속히 제공할 수 있어야 한다. 현재, 그러한 저비용의, 강건한 그리고 정확한 검사 및 측정 방법론은 존재하지 않는다. 광섬유 모재의 기하학적 속성을 결정하기 위한 종래 방법론은 모재의 클래딩 재료와 동일한 굴절 또는 지수를 갖는 재료(예컨대, 굴절률 매칭 오일)에서의 침지와 같은 조작을 취급하기가 어렵고, 비용이 들고, 그리고 복잡하거나, 또는 편파 광을 요구한다. 이들 대안의 방법은 국소적 광 환경에 대한 민감함과 관련된 오차를 갖고 그리고 저비용 생산 검사 및 측정 프로세스와 양립가능하지 않은 조작 및 취급을 요구한다.
본 발명은, 일반적으로는, 광섬유에 관한 것이고, 더 구체적으로는, 광섬유 모재는 물론, 뽑힌 광섬유의 하나 이상의 기하학적 속성을 측정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 다양한 실시형태는, 매칭 오일, 또는 국소적 광 레벨에 민감함을 초래하는 편파 광 또는 다른 특징에 대한 필요성 없이, 다양한 기하학적 특성의 신속한, 정확한, 정밀한, 강건한 그리고 반복가능한 측정을 제공할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시형태의 방법 및 장치에 따라 결정될 수 있는 기하학적 속성은 모재 코어 및 클래딩의 직경, 난형도, 클래드-대-코어 또는 "D/d" 비, 및 편심도는 물론, 전반적 모재 휨(preform bow)도 포함한다.
본 발명의 일 실시형태는 (a)길이방향 축, 외측 직경 및 원주를 갖는 광섬유 모재를 제공하는 단계; (b) 모재의 길이방향 축에 평행한 길이 및 모재의 외측 직경보다 더 큰 폭을 갖는 2-차원 패턴을 제공하는 단계; (c) 모재가 패턴과 이미지 캡처링 디바이스 사이에 정렬되도록 배치된 이미지 캡처링 디바이스를 제공하는 단계; (d) 모재를 그 길이방향 축 둘레로 회전시키고 그리고 모재의 원주를 따른 적어도 2개의 다른 점에서 모재를 통해 보이는 패턴의 제1 복수의 이미지를 취득하는 단계; 및 (e) 제1 복수의 이미지로부터 모재의 적어도 하나의 기하학적 속성을 결정하는 단계를 포함하는 방법을 포함한다.
본 발명의 다른 실시형태는 (a) 길이방향 축, 외측 직경 및 원주를 갖고, 그리고 다른 굴절률을 갖는 유리의 적어도 2개의 원통형 층을 포함하는 광섬유 모재를 제공하는 단계; (b) 모재의 길이방향 축에 평행한 길이 및 모재의 외측 직경보다 더 큰 폭을 갖는 2-차원 패턴을 제공하는 단계로서, 2-차원 패턴은 주기적으로 배열된, 그리고 모재의 길이방향 축에 대해 비-직각 각도로 위치결정된, 교호하는 어두운 선 및 밝은 선 또는 줄무늬(용어 "선" 및 "줄무늬"는 여기에서는 2-차원 패턴에 관하여 동의어로 사용됨)를 포함하되, 2-차원 패턴은 조명되고, 교호하는 어두운 선 및 밝은 선 또는 줄무늬는 각각 두께를 갖는, 2-차원 패턴을 제공하는 단계; (c) 모재가 패턴과 디지털 카메라 사이에 정렬되도록 배치된 (외부 렌즈, 또는 내부 렌즈를 가질 수 있는) 디지털 카메라를 제공하는 단계; (d) 모재를 그 길이방향 축 둘레로 회전시키고 그리고 모재의 원주를 따른 적어도 10개의 다른 점에서 모재를 통해 보이는 패턴의 제1 복수의 이미지를 취득하는 단계; (e) 모재를 그 길이방향 축의 방향으로 이동시키고, 그리고 모재를 그 길이방향 축 둘레로 회전시키고 그리고 제1 복수의 이미지와는 그 길이를 따른 다른 위치에서 모재의 원주를 따른 적어도 10개의 다른 점에서 모재를 통해 보이는 패턴의 제2 복수의 이미지를 취득하는 단계; 및 (f) 제1 복수의 이미지 및 제2 복수의 이미지로부터 모재의 적어도 2개의 원통형 층의 각각의 직경, 난형도 및 편심도를 결정하는 단계를 포함하되, 디지털 카메라에 의해 캡처링된 제1 복수의 이미지 및 제2 복수의 이미지에서의 패턴의 각각의 줄무늬의 두께는 적어도 하나보다 많은 화소이고, 결정하는 단계는 모재의 길이방향 축을 따른 2개의 다른 위치에서 적어도 2개의 원통형 층 간 에지의 상대적 공간적 위치를 결정하기 위해 제1 복수의 이미지 및 제2 복수의 이미지에서의 2-차원 패턴의 섭동을 평가하는 단계를 포함하고, 그리고 에지의 상대적 공간적 위치를 결정하기 위해 제1 복수의 이미지 및 제2 복수의 이미지의 각각에서의 2-차원 패턴의 섭동을 평가하는 단계는 이미지 침식 잡음 감축, 표준 편차 필터링, 이미지 투영 평균화 및 배율 보상을 포함하는 이미지 화소의 분석을 포함하는 방법을 포함한다.
본 발명의 다른 실시형태는 광섬유 모재의 기하학적 속성을 결정하기 위한 장치로서, 모재는 길이방향 축 및 외측 직경을 갖고, 장치는 이미지 캡처링 디바이스; 모재의 길이방향 축에 평행한 길이 및 모재의 외측 직경보다 더 큰 폭을 갖는 2-차원 패턴; 2-차원 패턴이 이미지 캡처링 디바이스로부터 보일 때 각각의 방향으로 모재의 외측 직경을 넘어서 그리고 모재의 길이방향 축의 방향으로 길이로 뻗어있도록, 모재를 이미지 캡처링 디바이스와 2-차원 패턴 사이에 정렬하여 위치결정하도록 구성된 지지대; 및 모재를 지지대에서 그 길이방향 축 둘레로 회전시키도록 구성된 구동기를 포함하는 장치를 포함한다.
다른 태양, 특징 및 이점은 상세한 설명, 바람직한 실시형태, 및 첨부 청구범위를 포함하는 이하의 개시로부터 분명해질 것이다.
상기 개요는 물론, 본 발명의 바람직한 실시형태의 이하의 상세한 설명도 첨부 도면과 함께 읽을 때 더 잘 이해될 것이다. 본 발명을 예시하려는 목적으로, 도면에서는 현재 선호되는 실시형태가 도시된다. 그렇지만, 본 발명은 도시된 바로 그 배열 및 수단으로 한정되지는 않음을 이해하여야 한다.
도면에 있어서:
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 장치의 도식도;
도 2a는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 사용에 적합한 2-차원 패턴의 그래픽 표현도;
도 2b는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 사용에 적합한 다른 2-차원 패턴의 그래픽 표현도;
도 2c는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 사용에 적합한 다른 2-차원 패턴의 그래픽 표현도;
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 2-차원 패턴과 관련한 광섬유 모재의 도식적 표현도;
도 4a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 사용에 적합한 2-차원 패턴의 그래픽 표현도;
도 4b는 광섬유 모재를 통해 보일 때 도 4a의 패턴의 표현도; 및
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 분석에 채용된 픽실레이션을 도시하는 본 발명의 일 실시형태에 따른 2-차원 패턴의 확대 표현도.
여기에서 사용될 때, 단수형 용어 부정관사 및 정관사는, 언어 및/또는 문맥이 명확히 달리 나타내지 않는 한, 동의어이고 "하나 이상" 및 "적어도 하나"와 호환가능하게 사용된다. 따라서, 예컨대, 여기에서 또는 첨부 청구범위에서 단수형 부정관사 또는 정관사가 붙은 "모재"의 지칭은 단일 모재 또는 하나보다 많은 모재를 지칭할 수 있다. 부가적으로, 모든 수치 값은, 달리 특히 언급되지 않는 한, 단어 "약"에 의해 수식된다고 이해된다.
예시의 단순화 및 명확성을 위해, 도면에서의 요소는 반드시 축척대로는 아니며, 여러 다른 도면에서의 동일한 참조 번호는 동일한 요소를 나타낸다.
참조되는 도면에서 방향을 지정할 수 있는 "우측", "좌측", "하위" 및 "상위"와 같은 단어, 및 기술된 물체 및 그 지정된 부분의 기하학적 중심으로 향하는 방향 및 그로부터 멀어지는 방향을 각각 지칭할 수 있는 "안쪽으로" 및 "바깥쪽으로"와 같은 단어를 포함하는 특정 술어는, 이하의 설명에서 사용될 때, 단지 편의를 위한 것이고 한정적인 것은 아니다. 술어는 위에서 특히 언급된 단어, 그 파생어, 및 유사한 의미의 단어를 포함한다.
본 발명의 다양한 실시형태는 광섬유 모재의 하나 이상의 기하학적 속성을 결정하기 위한 장치를 포함한다. 여기에서 기술되는 본 발명의 다양한 실시형태가 광섬유 모재의 하나 이상의 기하학적 속성을 결정하기 위한 방법 및 장치를 지칭하기는 하지만, 그 방법 및 장치는 현미경을 편입시킴으로써 뽑힌 광섬유의 하나 이상의 기하학적 속성을 결정하도록 사용될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 장치는 정확한, 정밀한 그리고 강건한 기하학적 특성 결정을 제공할 수 있고, 그리고 유익하게도 고속에서의 생산 환경에서 그렇게 할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 장치는 이미지 캡처링 디바이스, 2-차원 패턴, 이미지 캡처링 디바이스와 2-차원 패턴 사이에 정렬하여 광섬유 모재를 위치결정하기 위한 지지대, 및 지지대에서 모재를 그 길이방향 축 둘레로 회전시키도록 구성된 구동기를 포함한다. 본 발명의 다양한 실시형태에서, 장치는 모재의 길이방향 축을 따른 방향으로 광섬유 모재에 상대적으로 2-차원 패턴 및 이미지 캡처링 디바이스를 이동시키도록 구성된 구동기를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시형태에서, 지지대에서 모재를 그 길이방향 축 둘레로 회전시키도록 구성된 구동기는 또한 모재를 그 길이방향 축을 따른 방향으로 2-차원 패턴 및 이미지 캡처링 디바이스에 상대적으로 이동시키도록 구성될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 장치(1)는 2-차원 패턴(20) 및 이미지 캡처링 디바이스(30)를 포함한다. 도 1에 묘사된 실시형태에서, 이미지 캡처링 디바이스는 디지털 카메라이다. 도 1에 묘사된 실시형태에서 도시된 장치는 광섬유 모재(10)를 그 길이방향 축 둘레로 회전시키도록 구성된 구동기(40) 및 지지대를 포함한다. 광섬유 모재(10)의 우측 단부를 위치결정하는, 도 1에 도시된 지지대의 부분은 또한 모재를 회전시키도록 구성된 구동기를 포함한다. 지지대 및 구동기는 단위 구조일 수도 있고 그것들은 별개 디바이스들일 수도 있다. 지지대는 캡처링된 이미지가 모재를 통해 보이는 대로의 2-차원 패턴이게 되도록 이미지 캡처링 디바이스와 2-차원 패턴 사이에 모재를 정렬시키도록 구조화된다.
본 발명의 다양한 실시형태에 따른 장치는 2-차원 패턴을 포함한다. 반복적인 어느 패턴이라도 그것이 2차원에서 반복적인 한 사용될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시형태에서의 사용에 적합한 2-차원 패턴은 반드시 복잡할 필요는 없다. 적합한 바람직한 2차원 패턴은 패턴의 길이를 따라 주기적이다. 이에 관하여, 패턴의 길이는 기하학적으로 특성 결정되는 광섬유 모재의 길이방향 축과 평행한 차원이라고 생각된다. 본 발명의 실시형태에서 사용될 수 있는 다양한 바람직한 패턴은 조명될 수 있다. 조명의 소스는 달라질 수 있고 그리고, 국한되는 것은 아니지만, 어느 광시야 조명 소스, 투영 광 등이라도 포함한다. 본 발명의 다양한 실시형태에서, 패턴은 바람직하게는 2개의 대비되는 색상, 더 바람직하게는 어두운 색상과 밝은 색상, 그리고 가장 바람직하게는 흑색과 백색을 포함한다. 도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시형태에서의 사용에 적합한 2-차원 패턴의 예가 도시된다. 도 2a에서는, 백색 배경 상에서 반복되는 흑색 크로스-해치의 적합한 2-차원 패턴이 도시된다. 도 2b에서는, 백색 배경 상에서 기울어져 배치된 반복되는 흑색 선의 적합한 2-차원 패턴이 도시된다. 도 2c에서는, 백색 배경 상에서 반복되는 수직 흑색 선의 적합한 2-차원 패턴이 도시된다. 본 발명의 다양한 바람직한 실시형태에서, 2-차원 패턴은 패턴에 채용된 색상의 대비를 개선하도록 조명될 수 있다.
본 설명 내내, 2-차원 패턴과 관련하여 광섬유 모재의 방위를 참조한다. 더 나은 이해를 위해, 도 3을 참조할 수 있다. 도 3에서는, 2-차원 패턴 앞에 배치된 광섬유 모재의 그래픽 표현이 도시된다. 광섬유 모재는 광섬유의 전구체이다. 광섬유는 제1(코어) 유리 재료와는 다른 굴절률을 갖는 유리 재료의 하나 이상의 클래딩 층에 의해 둘러싸인 유리 재료의 코어를 포함한다. 유사하게 광섬유 모재는 코어 및 클래딩(하나 이상의 클래딩 층)을 갖고, 그리고 가열되어 당겨지거나 늘려져 광섬유를 형성할 수 있다. 도 3에서는, 광섬유 모재(10)가 도시된다. 광섬유 모재(10)는 길이방향 축(300)을 갖는다. 광섬유 모재(10)는 코어(301) 및 클래딩(302)을 포함한다. 모재(10)는 클래딩 층의 외측의 직경인 외측 직경(D)을 갖는다. 2-차원 패턴(320)은 모재(10) 뒤에 배치된다. 부가적 클래딩 층이 존재할 수 있고 그리고 다수의 외측 또는 클래딩 직경(예컨대, 3개의 클래딩 층 모재에 대해 D1, D2, D3)이 측정될 수 있다고 이해되어야 한다. 2-차원 패턴(320)은 모재(10)의 길이방향 축(300)에 평행한 방향에 걸쳐 이어지는 길이(L)를 갖는다. 2-차원 패턴(320)의 폭(W)은 모재(10)의 외측 직경(D)에 평행한, 즉, 길이방향 축(300)에 직각인 방향에 걸쳐 이어진다.
본 발명의 다양한 실시형태에서의 사용에 적합한 2-차원 패턴의 길이(L)는 중대하지 않지만, 여기 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 2-차원 패턴의 길이(L)는 유익하게는 패턴의 다수의 반복을 위해 특성 결정되는 광섬유 모재의 길이방향 축을 따른 방향으로 뻗어있을 수 있다. 전형적으로, 패턴의 2개 이상의 반복은 본 발명의 다양한 실시형태에 의한 방법에서의 사용에 충분하다. 다른 한편, 본 발명의 다양한 실시형태에서의 사용을 위한 2-차원 패턴은 그 폭(W) 방향으로 광섬유 모재의 외측 직경(D)을 넘어서 뻗어있는 것이 중요하다. 패턴은 본 발명의 다양한 실시형태의 방법에 따라 외측 직경의 치수가 결정될 수 있도록 광섬유 모재의 외측 직경을 넘어서 그 폭(W) 방향으로 뻗어있는 것이 중요하다.
본 발명의 다양한 실시형태에 따른 장치는 이미지 캡처링 디바이스를 포함한다. 어느 이미지 캡처링 디바이스라도 채용될 수 있다. 바람직하게는, 이미지 캡처링 디바이스는 디지털 카메라를 포함한다. 이미지의 디지털 캡처링은 온-라인, 생산 환경 검사에 유익한 고속 취득률을 제공할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시형태에서, 장치는 내부 렌즈를 갖는 디지털 카메라를 포함한다. 본 발명의 다양한 실시형태에서, 장치는 내부 렌즈를 갖지 않는 디지털 카메라를 포함하고, 그리고 모재와 디지털 카메라 사이에 배치된 외부 포커싱 렌즈를 포함한다. 바람직하게는, 본 발명의 다양한 실시형태에서의 사용을 위한 디지털 카메라는 큰 화소 수를 가질 것이다. 디지털 카메라에 의해 캡처링된 이미지에 존재하는 화소가 더 많을수록, 카메라에 의해 캡처링된 패턴 이미지에서의 줄무늬의 폭(두께) 내에 포함된 화소가 더 많을 것이므로 기하학적 결정의 정확도는 더 높다. 어느 특정 디지털 카메라의 동작 특징도 중대하지 않기는 하지만, 초당 프레임 및 노출 시간은 광섬유 모재가 회전되는 속도와 관련하여 중요하다. 그리하여, 예컨대, 광섬유 모재가 초당 일회전의 속도로 회전되고 그리고 회전당 3개의 이미지가 취득되어야 하면, 디지털 카메라는 최소 초당 3 프레임으로 동작하여야 한다. 부가적으로, 노출 시간은 블러링을 회피하도록 짧게 유지되어야 한다.
위에서 논의된 바와 같이, 본 발명의 다양한 바람직한 실시형태에서의 사용에 적합한 2-차원 패턴은 2개의 대비되는 색상, 더 바람직하게는 흑색과 밝은 단색으로 이루어질 수 있다. 그러한 단일 파장 광은 필터의 사용에 의해 제공될 수 있다. 부가적으로, 바람직하게는 적합한 2-차원 패턴은 조명될 수 있다. 본 발명의 다양한 더 바람직한 실시형태에서, 2-차원 패턴은 대비되는 색상, 훨씬 더 바람직하게는, 최대 대비를 위해 흑색과 밝은 단색의 교호하는 선을 포함한다. 본 발명의 다양한 바람직한 실시형태에서, 적합한 2-차원 패턴은, 광섬유 모재의 길이방향 축에 직각은 아니고, 기울어져 배치된 대비되는 색상의 교호하는 선을 포함한다. 바람직한 비-직각 각은 40° 내지 50°일 수 있고, 다양한 더 바람직한 실시형태에서는, 45°이다. 따라서, 본 발명의 특정 바람직한 실시형태에서, 2-차원 패턴은 특성 결정될 광섬유 모재의 길이방향 축에 대해 45° 각도로 배치된 교호하는 흑색과 백색 선을 포함한다. 본 발명의 다양한 실시형태에서의 사용에 적합한 2-차원 패턴의 선은 어느 두께라도 될 수 있다. 본 발명의 다양한 바람직한 실시형태에서, 디지털 카메라의 이미징 평면에서 측정되는 바와 같은, 2-차원 패턴에서의 선의 두께는 디지털 센서의 적어도 2개의 화소, 더 바람직하게는 적어도 3개의 화소, 그리고 훨씬 더 바람직하게는, 적어도 5개의 화소에 걸쳐 이어진다.
본 발명의 다양한 실시형태에 따른 장치는 광섬유 모재를 그 길이방향 축 둘레로 회전시키도록 구성된 구동기 및 지지대를 포함한다. 지지대와 구동기는 하나의 구조 또는 디바이스로서 조합될 수도 있고, 그것들은 전적으로 별개일 수도 있다. 모재가 그 길이방향 축 둘레로 회전될 수 있도록, 그리고 그것이 2-차원 패턴과 이미지-캡처링 디바이스 사이에 정렬되도록 광섬유 모재를 안정화할 수 있는 어느 구조라도 본 발명의 다양한 실시형태에서 적합하게 사용될 수 있다. 모재를 그 지지된 위치로부터 축출함이 없이 모재가 그 길이방향 축 둘레로 회전되도록 토크를 발휘할 수 있는 어느 구동기라도 본 발명의 다양한 실시형태에서 적합하게 사용될 수 있으며, 국한되는 것은 아니지만, 예컨대, 벨트, 롤러, 체인, 선반 마운트 및 유사한 장비를 포함한다. 본 발명의 다양한 실시형태에서, 지지대 및/또는 구동기는 지정된 시작 위치 대비 모재의 각도 위치를 검출하기 위한 디바이스를 더 포함할 수 있다. 그러한 검출은, 예컨대, 모재 상의 마킹 및 회전 동안 마킹의 광학 검출에 의해 성취될 수 있다. 대안으로, 모재는 그 길이를 따라 마킹될 수 있고 그리고 그러한 검출은 이미지 캡처링 디바이스를 통해 수행될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시형태는 광섬유 모재의 다양한 기하학적 특성 또는 속성을 결정하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 방법은 본 발명의 다양한 다른 실시형태에 따른 장치를 사용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 방법에 따라 결정될 수 있는 광섬유 모재의 기하학적 특성 또는 속성은 모재 코어 및 클래딩의 직경, 난형도, D/d 비, 및 편심도는 물론, 전반적 모재 휨도 포함한다. 광섬유 모재는 원통형 코어 및 코어를 둘러싸는 클래딩 층을 포함한다. 그리하여, 광섬유 모재는 코어 직경(d) 및 클래딩 층의 외측 직경(D)(또는 하나보다 많은 클래딩 층이 존재하는 경우 다수의 클래딩 층 직경)을 갖는다. 코어 직경(d) 및 외측 직경(D)으로부터, 직경의 비(D/d)가 결정될 수 있다. 광섬유 모재의 코어 및 클래딩 층의 각각은 이상적으로는 원형 단면을 갖는 원통형이다. 완벽한 원형 단면으로부터의 편차, 또는 다른 직교-측정된 반경은 난형도라고 지칭된다. 원통형 형태로서, 코어 및 클래딩의 각각은 그들 각각의 길이 축에 의해 정의된 기하학적 중심을 갖는다. 코어와 클래딩 간 공유된 기하학적 중심선으로부터의 편차는 편심도(즉, 동심이 아님)라고 지칭된다. 전반적 모재 휨은 모재의 길이를 따라 선형성으로부터의 어느 편차라도 지칭한다.
본 발명의 다양한 실시형태에 따른 방법은 광섬유 모재를 제공하는 것을 포함한다. 길이방향 축, 외측 직경 및 원주를 갖는, 여기에서 기술된 바와 같은 어느 광섬유 모재라도 본 발명의 방법에서 사용될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 방법은 2-차원 패턴을 제공하는 것을 더 포함한다. 광섬유 모재의 길이방향 축에 평행한 길이 및 모재의 외측 직경보다 더 큰 폭을 갖는, 여기에서 기술된 바와 같은 어느 2-차원 패턴이라도 본 발명의 방법에서 사용될 수 있다. 본 발명의 장치 실시형태에 따라 바람직한 것으로 기술된 2-차원 이미지는 본 발명의 방법 실시형태에서의 사용에 역시 바람직하다. 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 방법은 이미지 캡처링 디바이스를 제공하는 것을 더 포함한다. 바람직하게는, 디지털 카메라가 본 발명의 방법 실시형태에서 사용된다.
그리하여, 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 방법은 모재가 패턴과 이미지 캡처링 디바이스 사이에 정렬되도록 광섬유 모재, 2-차원 패턴 및 이미지 캡처링 디바이스를 제공하는 것을 포함하고, 그로써 이미지 캡처링 디바이스에 의해 캡처링된 이미지는 모재를 통해 보이는 대로의 패턴이다.
본 발명의 다양한 실시형태에 따른 방법은 모재를 그 길이방향 축 둘레로 회전시키는 것 및 모재를 통해 보이는 패턴의 복수의 이미지를 취득하는 것을 더 포함한다. 복수의 이미지는 모재의 원주를 따른 여러 다른 점에서 모재를 통해 보이는 대로의 패턴의 적어도 2개의 이미지를 포함한다(여기서 2개의 다른 점은 180° 떨어져 있지 않다). 환언하면, 복수의 이미지는 모재를 통해 이미지 캡처링 디바이스로부터 패턴으로 뻗어있는 선이 그 원주를 따른 제1 점(A)에서 모재 상에 입사하는 경우에 모재를 통해 보이는 패턴의 적어도 하나의 이미지, 및 그러한 선이, 모재가 회전 이동된 후에, 그 원주를 따른 다른 점(B)에서 모재 상에 입사하는 경우의 적어도 하나의 이미지를 포함한다. 본 발명에 따른 방법의 다양한 바람직한 실시형태에서, 복수의 이미지는 모재의 원주를 따른 적어도 5개의 다른 점에서 모재를 통해 보이는 패턴의 이미지를 포함한다. 본 발명에 따른 방법의 다양한 더 바람직한 실시형태에서, 복수의 이미지는 모재의 원주를 따른 적어도 10개의 다른 점에서 모재를 통해 보이는 패턴의 이미지를 포함한다. 본 발명에 따른 방법의 다양한 가장 바람직한 실시형태에서, 복수의 이미지는 모재의 원주를 따른 적어도 15개의 다른 점에서 모재를 통해 보이는 패턴의 이미지를 포함한다.
모재가 회전되는 속도는 중대하지 않지만, 모재가 평가되는 속도에 최적화될 수 있다. 이상적으로, 복수의 이미지는 모재의 일회전에서 획득된다. 그리하여, 예컨대, 복수의 이미지가 모재의 원주를 따른 10개의 다른 점에서의 이미지를 포함하도록 선택되면, 단일 회전 주기는 이미지 캡처링 디바이스가 이미지를 캡처링하는데 걸리는 것보다 10배 길어야 한다. 예컨대, 디지털 카메라가 사용되고, 그리고 원주를 따른 10개의 다른 이미지가 획득되어야 할 때, 회전 주기는 카메라의 노출 시간 및 초당 프레임에 의해 좌우되는 바와 같은 디지털 카메라의 이미지 프로세싱 시간의 10배이어야 한다.
본 발명에 따른 방법의 다양한 바람직한 실시형태에서, 방법은, 제1 복수의 이미지를 획득하는 것에 후속하여, 광섬유 모재를 그 길이방향 축의 방향으로 이동시키는 것, 및 그 후 모재의 길이를 따른 다른 위치에서 모재의 원주를 따른 제2 복수의 이미지를 취득하는 것을 더 포함한다. 제1, 제2 및 어느 추가적 복수의 이미지라도 그것들이 모재의 길이를 따른 다른 위치(원주)에서 캡처링된다는 것을 제외하고는 위에서 기술된 바와 같다. 환언하면, 제1 복수의 이미지는 원주(A)를 따라 획득될 수 있고, 그리고 그 후 모재는 그 길이방향 축을 따라 병진 이동되어 이미지 캡처링 디바이스로부터 패턴으로까지 뻗어있는 선이 다른 원주(B)에서 모재와 교차하게 될 수 있고, 그리고 그 후 제2 복수의 이미지는, 모재가 재차 또는 계속 회전됨에 따라, 원주(B)를 따른 소정 수의 점에서 캡처링될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시형태에 따른 방법은 하나 이상의 복수의 이미지로부터 광섬유 모재의 적어도 하나의 기하학적 속성을 결정하는 것을 더 포함한다. 본 발명의 다양한 방법 실시형태에 따른 기하학적 속성의 결정은 모재의 단일 원주에서의 제1 복수의 이미지의 분석에 의해 수행될 수 있거나, 또는 모재의 길이를 따른 다양한 원주로부터의 다수의 복수의 이미지가 모재에 대한 전반적 또는 평균 속성을 결정하도록 분석 및 평균화될 수 있다. 예컨대, 단일 원주에서의 단일 복수의 이미지는 모재의 길이를 따른 하나의 점에서의 직경, 난형도 및 편심도를 결정하도록 분석될 수 있거나, 또는 다수의 복수 개가 모재 전체에 대한 그러한 속성의 평균 값을 결정하도록 분석될 수 있다. 전반적 모재 휨은 다수의 복수의 이미지가 분석될 것을 요구한다.
본 발명의 다양한 방법 실시형태에 의하면, 기하학적 속성의 결정은 광섬유 모재의 클래딩과 코어 간 에지 위치를 검출하기 위한 분석에 의해 수행된다. 그러한 분석은 취득된 이미지에서의 에지 섭동을 평가함으로써 수행된다. 예컨대, 도 4a를 참조하면, 본 발명에 따른 방법에서의 사용에 적합한 2-차원 패턴이 도시된다. 도 4b는, 광섬유 모재를 통해 보이는 대로의, 도 4a에 도시된 패턴의 이미지이다. 도 4b에서의 "D" 및 "d" 표기법은, 각각, 이미지가 취득되게 통한 코어 라드의 클래딩 층 직경 및 코어 직경을 지칭한다. 그리하여, 굴절률에서의 변화로부터 초래되는 패턴 선에서의 교란은 코어 및 클래드 직경의 에지에 대응하고, 그리고 여기에서는 "에지 섭동"이라고 지칭된다. 모재 전체의 외측 직경은 모재 에지에서의 광의 굴절에 기인하여 패턴에서의 변화에 의해 검출된다.
에지 위치를 결정하기 위한 에지 섭동의 검사는 그리하여 코어 및 클래딩의 직경의 표시를 제공할 수 있다. 서로에 비교될 때, 단일 원주를 따른 다양한 다른 각도 회전에서 에지 위치를 결정하기 위한 에지 섭동의 검사는 난형도 및 편심도의 결정을 제공할 수 있다. 모재의 길이를 따른 다양한 다른 점에서의 이들 속성의 결정은 모재 전체에 대한 평균 속성을 제공할 수 있다. 모재 휨은 바람직하게는 여기에서 기술된 바와 같이 지정된 시작 위치 대비 모재의 각도 위치를 검출하기 위한 디바이스와 함께 수행될 수 있는 여러 다른 축방향 위치에서의 절대 에지 위치 비교에 의해 결정될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 다양한 바람직한 실시형태에서는, 기하학적 속성 결정의 개선된 정확도 및 정밀도가 제공될 수 있다. 그러한 다양한 바람직한 실시형태에서, 이미지 분석은 더 정확한 그리고 정밀한 에지 결정을 제공하도록 수행될 수 있다. 예컨대, 디지털 카메라가 이미지 캡처링 디바이스로서 사용되는 도 5를 참조하면, 취득된 각각의 이미지는 개개의 화소 레벨에서 분석될 수 있되, 외측 직경 "D" 및 코어 직경 "d"에서의 에지 섭동은 디지털화된다.
본 발명의 다양한 바람직한 실시형태에 따른 화소 분석은 표준 편차 필터링, 및 이미지 투영 평균화를 포함할 수 있다. 다양한 실시형태에서, 화소 분석은 표준 편차 필터링 및 이미지 투영 평균화 이전에 수행되는 이미지 침식 잡음 감축을 더 포함할 수 있다. 이미지 침식 잡음 감축은 다른 고강도 화소에 의해 둘러싸이지 않은 고강도 화소의 소거를 포함한다. 더욱, 전반적 모재 외측 직경의 공기/유리 경계에서와 같이, 과도 경계가 굴절률에서 큰 차이를 갖는 경우, 분석 결과를 개선하기 위해 배율 보상이 수행될 수 있다.
표준 편차 필터링은 이미지에서의 각각의 화소를 그 환경 대비 그 화소에 대한 표준 편차로 교체하는 것을 포함한다. 필터링은 2개의 단계를 포함한다. 제1 단계는 화소 로우를 따른 3개의 화소의 서브세트에 대한 표준 편차의 계산이다. 제2 단계는 화소 칼럼을 따른 3개의 화소의 서브세트에 대한 표준 편차를 계산한다. 원래 이미지는 후속 단계 동안 표준 편차 알고리즘으로 필터링된 이미지에 의해 교체된다.
이미지 투영 평균화는 진정 왜곡만이 강화되도록 패턴에서의 선들 간 구분 에지를 평균내도록 사용될 수 있다. 이미지는 평균화 효과를 제공하도록 라돈 변환을 사용하여 에지 방향을 따라 투영된다.
모재의 코어에 대한 에지 위치 검출은 공기 계면 및 외측 층의 굴절 효과(배율 효과)에 의해 영향을 받을 수 있다. 외측 층의 배율 효과는 광학 선 트레이싱을 사용하여 광학 시스템의 시뮬레이션에 의해 계산될 수 있으며, 여기서 외측 층 클래딩의 굴절률은 알려져 있다.
위에서 기술된 실시형태에 대해 그 넓은 진보적 개념으로부터 벗어남이 없이 변경이 이루어질 수 있음을 당업자는 인식할 것이다. 그래서, 본 발명은 개시된 특정 실시형태로 한정되지 않고, 첨부 청구범위에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 취지 및 범위 내 수정을 망라하도록 의도된다고 이해된다.

Claims (20)

  1. 방법으로서,
    길이방향 축, 외측 직경 및 원주를 갖는 광섬유 모재를 제공하는 단계;
    상기 모재의 상기 길이방향 축에 평행한 길이 및 상기 모재의 상기 외측 직경보다 더 큰 폭을 갖는 2-차원 패턴을 제공하는 단계;
    상기 모재가 상기 패턴과 이미지 캡처링 디바이스 사이에 정렬되도록 배치된 상기 이미지 캡처링 디바이스를 제공하는 단계;
    상기 모재를 당해 길이방향 축 둘레로 회전시키고 그리고 상기 모재의 상기 원주를 따른 적어도 2개의 다른 점에서 상기 모재를 통해 보이는 상기 패턴의 제1 복수의 이미지를 취득하는 단계; 및
    상기 제1 복수의 이미지로부터 상기 모재의 적어도 하나의 기하학적 속성을 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 2-차원 패턴은 조명되는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 2-차원 패턴은 길이 방향으로 주기적인, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 2-차원 패턴은 대비되는 밝기의 교호하는 선을 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 2-차원 패턴은 주기적으로 배열된, 그리고 상기 모재의 상기 길이방향 축에 대해 비-직각 각도로 위치결정된, 교호하는 어두운 선 및 밝은 선을 포함하는, 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 비-직각 각도는 약 40° 내지 약 50°인, 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 2-차원 패턴은 조명되는, 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 이미지 캡처링 디바이스는 디지털 카메라를 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 2-차원 패턴은 주기적으로 배열된, 그리고 상기 모재의 상기 길이방향 축에 대해 비-직각 각도로 위치결정된, 교호하는 어두운 선 및 밝은 선을 포함하고, 상기 2-차원 패턴은 조명되고, 상기 교호하는 어두운 선 및 밝은 선은 각각 두께를 갖고, 그리고 상기 디지털 카메라의 검출 평면에서의 이미징된 상기 선의 상기 두께는 적어도 상기 디지털 카메라의 2개의 화소의 폭과 같은, 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 복수의 이미지는 상기 모재의 상기 원주를 따른 적어도 5개의 다른 점에서 상기 모재를 통해 보이는 상기 패턴의 이미지를 포함하는, 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1 복수의 이미지는 상기 모재의 상기 원주를 따른 적어도 10개의 다른 점에서 상기 모재를 통해 보이는 상기 패턴의 이미지를 포함하는, 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 모재를 당해 길이방향 축의 방향으로 이동시키는 단계; 상기 모재를 당해 길이방향 축 둘레로 회전시키고 그리고 상기 제1 복수의 이미지와는 당해 길이를 따른 다른 위치에서 상기 모재의 상기 원주를 따른 적어도 2개의 다른 점에서 상기 모재를 통해 보이는 상기 패턴의 제2 복수의 이미지를 취득하는 단계; 및 상기 제2 복수의 이미지 또는 상기 제1 복수의 이미지와 상기 제2 복수의 이미지의 조합으로부터 상기 모재의 적어도 하나의 기하학적 속성을 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 광섬유 모재는 다른 굴절률을 갖는 유리의 적어도 2개의 원통형 층을 포함하고, 그리고 상기 모재의 적어도 하나의 기하학적 속성을 결정하는 단계는 상기 적어도 2개의 원통형 층의 각각의 상기 직경, 난형도 및 편심도로부터 선택된 적어도 하나의 값을 식별하는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 적어도 하나의 값을 식별하는 단계는 상기 적어도 2개의 원통형 층 간 에지의 상대적 공간적 위치를 결정하기 위해 상기 복수의 이미지에서의 상기 2-차원 패턴의 섭동을 평가하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 이미지 캡처링 디바이스는 디지털 카메라이고, 그리고 상기 에지의 상기 상대적 공간적 위치를 결정하기 위해 상기 복수의 이미지에서의 상기 2-차원 패턴의 상기 섭동을 평가하는 단계는 표준 편차 필터링 및 이미지 투영 평균화를 포함하는, 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 에지의 상기 상대적 공간적 위치를 결정하기 위해 상기 복수의 이미지에서의 상기 2-차원 패턴의 상기 섭동을 평가하는 단계는 이미지 침식 잡음 감축 및 배율 보상으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 화소 조작을 더 포함하는, 방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 2-차원 패턴은 주기적으로 배열된, 그리고 상기 모재의 상기 길이방향 축에 대해 비-직각 각도로 위치결정된, 교호하는 어두운 선 및 밝은 선을 포함하고, 상기 2-차원 패턴은 조명되고, 상기 교호하는 어두운 선 및 밝은 선은 각각 두께를 갖고, 그리고 상기 디지털 카메라의 검출 평면에서의 이미징된 상기 선의 상기 두께는 적어도 상기 디지털 카메라의 2개의 화소의 폭과 같은, 방법.
  18. 제13항에 있어서, 상기 이미지 캡처링 디바이스는 디지털 카메라이고, 상기 2-차원 패턴은 주기적으로 배열된, 그리고 상기 모재의 상기 길이방향 축에 대해 비-직각 각도로 위치결정된, 교호하는 어두운 선 및 밝은 선을 포함하고, 상기 2-차원 패턴은 조명되고, 상기 교호하는 어두운 선 및 밝은 선은 각각 두께를 갖고, 그리고 상기 디지털 카메라의 검출 평면에서의 이미징된 상기 선의 상기 두께는 적어도 상기 디지털 카메라의 2개의 화소의 폭과 같고;
    상기 모재를 당해 길이방향 축의 방향으로 이동시키는 단계, 상기 모재를 당해 길이방향 축 둘레로 회전시키는 단계 및 상기 제1 복수의 이미지와는 당해 길이를 따른 다른 위치에서 상기 모재의 상기 원주를 따른 적어도 2개의 다른 점에서 상기 모재를 통해 보이는 상기 패턴의 제2 복수의 이미지를 취득하는 단계를 더 포함하되;
    상기 적어도 하나의 값을 식별하는 단계는 상기 모재의 상기 길이방향 축을 따른 2개의 다른 위치에서 상기 적어도 2개의 원통형 층 간 에지의 상대적 공간적 위치를 결정하기 위해 상기 제1 복수의 이미지 및 제2 복수의 이미지에서의 상기 2-차원 패턴의 섭동을 평가하는 단계를 포함하고; 그리고 상기 에지의 상기 상대적 공간적 위치를 결정하기 위해 상기 제1 복수의 이미지 및 상기 제2 복수의 이미지의 각각에서의 상기 2-차원 패턴의 상기 섭동을 평가하는 단계는 표준 편차 필터링 및 이미지 투영 평균화를 포함하는, 방법.
  19. 방법으로서,
    길이방향 축, 외측 직경 및 원주를 갖고, 그리고 다른 굴절률을 갖는 유리의 적어도 2개의 원통형 층을 포함하는 광섬유 모재를 제공하는 단계;
    상기 모재의 상기 길이방향 축에 평행한 길이 및 상기 모재의 상기 외측 직경보다 더 큰 폭을 갖는 2-차원 패턴을 제공하는 단계로서, 상기 2-차원 패턴은 주기적으로 배열된, 그리고 상기 모재의 상기 길이방향 축에 대해 비-직각 각도로 위치결정된, 교호하는 어두운 선 및 밝은 선을 포함하되, 상기 2-차원 패턴은 조명되고, 상기 교호하는 어두운 선 및 밝은 선은 각각 두께를 갖는, 상기 2-차원 패턴을 제공하는 단계;
    상기 모재가 상기 패턴과 디지털 카메라 사이에 정렬되도록 배치된 상기 디지털 카메라를 제공하는 단계로서, 상기 패턴의 각각의 선의 상기 두께는 적어도 상기 디지털 카메라의 2개의 화소의 폭과 같은, 상기 디지털 카메라를 제공하는 단계;
    상기 모재를 당해 길이방향 축 둘레로 회전시키고 그리고 상기 모재의 상기 원주를 따른 적어도 10개의 다른 점에서 상기 모재를 통해 보이는 상기 패턴의 제1 복수의 이미지를 취득하는 단계;
    상기 모재를 당해 길이방향 축의 방향으로 이동시키고, 그리고 상기 모재를 당해 길이방향 축 둘레로 회전시키고 그리고 상기 제1 복수의 이미지와는 당해 길이를 따른 다른 위치에서 상기 모재의 상기 원주를 따른 적어도 10개의 다른 점에서 상기 모재를 통해 보이는 상기 패턴의 제2 복수의 이미지를 취득하는 단계; 및
    상기 제1 복수의 이미지 및 상기 제2 복수의 이미지로부터 상기 모재의 상기 적어도 2개의 원통형 층의 각각의 상기 직경, 난형도 및 편심도를 결정하는 단계를 포함하되, 상기 결정하는 단계는 상기 모재의 상기 길이방향 축을 따른 2개의 다른 위치에서 상기 적어도 2개의 원통형 층 간 에지의 상대적 공간적 위치를 결정하기 위해 상기 제1 복수의 이미지 및 상기 제2 복수의 이미지에서의 상기 2-차원 패턴의 섭동을 평가하는 단계를 포함하고, 그리고 상기 에지의 상기 상대적 공간적 위치를 결정하기 위해 상기 제1 복수의 이미지 및 상기 제2 복수의 이미지의 각각에서의 상기 2-차원 패턴의 상기 섭동을 평가하는 단계는 이미지 침식 잡음 감축, 표준 편차 필터링, 이미지 투영 평균화 및 배율 보상을 포함하는 이미지 화소의 분석을 포함하는, 방법.
  20. 광섬유 모재의 기하학적 속성을 결정하기 위한 장치로서, 상기 모재는 길이방향 축 및 외측 직경을 갖고, 상기 장치는
    이미지 캡처링 디바이스;
    상기 모재의 상기 길이방향 축에 평행한 길이 및 상기 모재의 상기 외측 직경보다 더 큰 폭을 갖는 2-차원 패턴;
    상기 2-차원 패턴이 상기 이미지 캡처링 디바이스로부터 보일 때 각각의 방향으로 상기 모재의 상기 외측 직경을 넘어서 그리고 상기 모재의 상기 길이방향 축의 방향으로 길이로 뻗어있도록, 상기 모재를 상기 이미지 캡처링 디바이스와 상기 2-차원 패턴 사이에 정렬하여 위치결정하도록 구성된 지지대; 및
    상기 모재를 상기 지지대에서 당해 길이방향 축 둘레로 회전시키도록 구성된 구동기를 포함하는, 광섬유 모재의 기하학적 속성을 결정하기 위한 장치.
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