專利名稱：測量涂層狀態(tài)的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)線狀物體表面形成的涂層厚度及厚度變化(變化程度和方向)的測量。
由于光纖材料所存在的問題，很難使用光纖本身作為光傳播介質(zhì)。所以，為了保持光纖的初始強(qiáng)度(在剛生產(chǎn)出來之后的強(qiáng)度)以及保證其長距離的耐用性，現(xiàn)在的一般(生產(chǎn))過程是在拔絲之后立即用樹脂涂敷光纖，從而得到有涂層的光纖維。
圖36說明了這一過程，用加熱爐2對(duì)光纖材料1的端部加熱并使之熔化，通過拔絲形成了光纖3。作為一般過程，光纖3接著依次通過第一個(gè)加壓模(die)4A、第一個(gè)固化處理爐(curing furnace)5A、第二個(gè)加壓模4B和第二個(gè)固化處理爐5B，從而形成在其外表面有兩層樹脂涂層的涂層光纖6，然后通過絞盤7繞在軸6上。用于涂層光纖6的樹脂涂層材料的實(shí)例是各種聚合物，包括熱凝(thermosetting)樹脂(如硅樹脂、氨基甲酸乙酯樹脂和環(huán)氧樹脂)、紫外線固化樹脂(如環(huán)氧-丙烯酸樹脂、氨基甲酸乙酯-丙烯酸樹脂和聚酯-丙烯酸樹脂)以及放射性固化樹脂。
為了改善涂層光纖6的傳輸特性和機(jī)械特性，重要之點(diǎn)是使樹脂涂層以同軸方式圍繞在光纖1的周圍。
另一方面，當(dāng)提高拔絲速度以改進(jìn)光纖生產(chǎn)效率時(shí)，便有可能使光纖涂層的厚度發(fā)生變化，這可能是因?yàn)樵诠饫w1中溫度升高使得在加壓模4A和4B中的樹脂流不均勻了。當(dāng)某些灰塵混到樹脂中時(shí)也會(huì)引起厚度的變化。
所以，在光纖拔絲生產(chǎn)線上必須做到在生產(chǎn)線內(nèi)部測量光纖6的厚度變化，并在一旦發(fā)生厚度變化時(shí)實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)目刂埔詼p低拔絲速度或停止拔絲過程。
下面參考圖37來描述一種傳統(tǒng)的厚度變化測量方法舉例，它是在日本專利申請(qǐng)未審查(unexamined)出版物昭和。60-238737號(hào)上披露的。如圖所示，厚度變化的測量是用激光源11發(fā)出的激光束12照射涂層光纖10的側(cè)表面，并監(jiān)測向前散射光的圖案(pattern)13。
圖38說明了這種測量方法的原理。為簡化討論，假定涂層光纖10由玻璃部分10a和樹脂部分10b構(gòu)成。由于這兩部分的折射系數(shù)不同(通常，玻璃部分10a的折射系數(shù)ηg近似等于1.46，而樹脂部分10b的折射系數(shù)ηr在1.48至1.51之間)，所以向前散射光圖案13包括了兩部分中心光束(flux)13a)(它穿過樹脂部分10b、玻璃部分10a并再次穿過樹脂部分10b)和外圍光束13b(它只穿過樹脂部分10b)。所以，可以根據(jù)圖37中水平方向的對(duì)稱程度及在向前散射圖案13的兩個(gè)側(cè)面所檢測到前光強(qiáng)度比來監(jiān)測厚度的變化。
然而，上述厚度變化測量方法只在下述情況下才能使用通過樹脂部分10b和玻璃部分10a的光線與只通過樹脂部分10b的光線在向前散射圖案13的兩側(cè)能彼此清楚地區(qū)分開來。例如，在下列情況下就不能適當(dāng)?shù)乇O(jiān)測厚度變化涂層的直徑小而樹脂部分10b薄(圖39)，以及厚度變化太大(圖40)。在圖39的情況中，由于樹脂部分10b太薄，不存在只穿過樹脂部分10b的光線，就是說，全部光線穿過了樹脂部分10b和玻璃部分10a，從而不能檢測出厚度變化。在圖40的情況里，由于在下部(見圖40)樹脂部分10b很薄，那里沒有只通過下部樹脂部分10b的光線。所以，盡管將知道發(fā)生了厚度變化，但不能檢測出變化的程度。
所以，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種技術(shù)，它能在生產(chǎn)線上精確測量涂層厚度及其變化，以便能以高生產(chǎn)率制造出高性能的光纖維。這一技術(shù)將應(yīng)用于多種技術(shù)領(lǐng)域。
根據(jù)本發(fā)明，用來自光發(fā)射源的入射光線照射一個(gè)柱狀線形物體的側(cè)表面，該線形物體有一個(gè)主體及在主體上形成的至少一層涂層。從涂層外表面反射的表面反射光束射向至少一個(gè)特定方向，由涂層和主體之間的邊界面或相鄰?fù)繉娱g的邊界面反射的界面反射光照射的方向與上述特定方向平行，這兩束光被反射光檢測部分檢測。根據(jù)表面反射光束和界面反射光束之間的反射光距離來確定涂層的厚度和厚度變化。
另一種方法是根據(jù)對(duì)應(yīng)于表面反射光束的入射光束與對(duì)應(yīng)于界面反射光束的另一個(gè)入射光束之間的入射光距離來確定涂層的厚度及厚度變化。
作為又一種方法，可根據(jù)反射光距離和入射光距離兩者來確定厚度及厚度變化。


圖1從概念上說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一種涂層狀態(tài)測量設(shè)備;
圖2從概念上說明根據(jù)另一實(shí)施例的一種涂層狀態(tài)測量設(shè)備;
圖3給出在圖2設(shè)備中使用的圖象傳感器輸出信號(hào)中出現(xiàn)的峰值;
圖4給出在圖2設(shè)備中使用的另一個(gè)圖象傳感器輸出信號(hào)中出現(xiàn)的峰值;
圖5-7給出被圖2所示設(shè)備測量過的涂層光纖實(shí)例;
圖8給出根據(jù)另一實(shí)施例的監(jiān)測系統(tǒng);
圖9給出當(dāng)使用圖8所示監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)在電視監(jiān)視器上出現(xiàn)的圖象實(shí)例;
圖10給出與圖9相連系的反射光束;
圖11給出使用圖8所示監(jiān)視系統(tǒng)并利用狹縫光作為測量光時(shí)在電視監(jiān)視器上出現(xiàn)的圖象實(shí)例;
圖12給出平行光的傾斜入射;
圖13給出狹縫光的傾斜入射;
圖14給出的圖象實(shí)例是使用圖13所示狹縫光所產(chǎn)生的測量結(jié)果;
圖15給出的實(shí)施例中將光闌用于檢測系統(tǒng);
圖16給出根據(jù)使用狹縫光的一個(gè)實(shí)施例構(gòu)成的涂層狀態(tài)測量設(shè)備的結(jié)構(gòu);
圖17-19說明用圖16所示設(shè)備進(jìn)行測量的原理;
圖20說明由圖16所示設(shè)備進(jìn)行測量的結(jié)果;
圖21給出根據(jù)利用激光掃描的實(shí)施例來進(jìn)行涂層狀態(tài)測量的設(shè)備的結(jié)構(gòu);
圖22給出根據(jù)利用激光掃描的另一個(gè)實(shí)施例來進(jìn)行涂層狀態(tài)測量的設(shè)備的結(jié)構(gòu);
圖23和24給出圖22設(shè)備所用光檢測量的輸出信號(hào);
圖25給出根據(jù)利用激光掃描的另一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行涂層狀態(tài)測量的設(shè)備的結(jié)構(gòu);
圖26給出一個(gè)半導(dǎo)體位置敏感裝置(position-sensitive device)(PSD);
圖27給出一個(gè)PSD驅(qū)動(dòng)器的輸出信號(hào)例;
圖28給出根據(jù)又一個(gè)實(shí)施例(使用激光掃描)的涂層狀態(tài)測量設(shè)備;
圖29給出圖28設(shè)備的時(shí)序圖;
圖30給出圖28設(shè)備中一個(gè)一維圖象傳感器的檢測信號(hào)例;
圖31給出圖28設(shè)備中使用的一個(gè)光檢測器的輸出信號(hào)例;
圖32說明極化方向與界面反射光量和外表面反射光量之比的關(guān)系;
圖33說明與圖32類似的關(guān)系，這里的測量光以布魯斯特(Brewster)角入射;
圖34和35說明根據(jù)本發(fā)明測量涂層狀態(tài)的原理;
圖36是光纖生產(chǎn)線舉例;
圖37是傳統(tǒng)的厚度變化測量方法舉例;
圖38說明圖37所示傳統(tǒng)厚度變化測量方法的原理;以及圖39和40說明圖37所示傳統(tǒng)厚度變化測量方法存在的問題。
在描述本發(fā)明的實(shí)施例之前，下面先描述本發(fā)明的原理。
如圖34所示，一個(gè)涂層光纖100作為一個(gè)目標(biāo)線狀物體的舉例，假定它由玻璃部分100a和樹脂部分100b組成，用測量光橫向照射。光束A和B由外表面和界面分別反射到一個(gè)特定方向，它們被監(jiān)測以測量兩者之間的距離，即反射光位置偏差量dz。必要時(shí)，也測量對(duì)應(yīng)于光束A和B的光束A′和B′之間的距離，即入射光位置偏差d1。為簡化討論，在圖34中假定光束A、B、A′和B′位于垂直于涂層光纖100縱軸的平面上，而所說特定方向垂直于照射方向。
參考圖34，這里描述了根據(jù)上述d1和d2來估計(jì)涂層狀態(tài)的方法的一個(gè)實(shí)例。假定下列各參數(shù)是已知的玻璃部分100a的半徑r1，涂層部分100b的半徑r2，涂層光纖100的外圍區(qū)域的折射系數(shù)為η1，以及樹脂部分100b的折射系數(shù)η2。
如果以代表樹脂部分100b外表面的圓(半徑為r2)的圓心作為x-y坐標(biāo)系的原點(diǎn)，那么光束A的反射點(diǎn)P0、光束B′入射到樹脂部分100b的入射點(diǎn)P1、以及光束B從樹脂部分100b出射的出射點(diǎn)P2的坐標(biāo)可按下式計(jì)算P0=(r2/2,r2/2)······(1)]]>P1=(r2/2-d1,r22-(r2/2-d1)2)······(2)]]>
PZ=(r22-(r2/2-d2)2,r2/2-d2)······(3)]]>用P1點(diǎn)坐標(biāo)(P1x，P1y)按方程(4)計(jì)算光束B′在樹脂部分100b上的入射角O1，用P2點(diǎn)的坐標(biāo)(P2x，P2y)按等式(5)計(jì)算光束B的出射角O2。再有，等式(6)和(7)分別描述在P1和P2點(diǎn)的折射。
θ1＝tan-1(P1x/P1y)……(4)θ3＝tan-1(P2y/P2x)……(5)sinθ2/sinθ1＝n1/n2……(6)sinθ4/sinθ3＝n1/n2.……(7)方程(6)和(7)是樹脂部分100b和玻璃部分100a之間界面上光束B′的反射點(diǎn)P3坐標(biāo)(P3x，P3y)應(yīng)滿足的條件。
P3y-P1y＝tan(π/2-θ1+θ2)·(P3x-P1x)……(8)P3y-P2y＝tan(θ3-θ4)·(P3x-P2x).……(9)將tan(π/2-O1+O2)＝T1和tan(O3-O4)＝T2代入各自的方程式，便可解出方程(8)和(9)。對(duì)坐標(biāo)(P3x，P3y)得到等式(10)和(11)。
P3x＝(T1P1x-P1y+P2y-P2x)/(T1-T2)……(10)P3y＝(T1P2y-T1T2P2x-T2P1y+T1T2P2x)/(T1-T2).……(11)由于玻璃部分100a的中心C1位于入射光和反射光在反射點(diǎn)P3所形成的角的等分線上，并且距P3點(diǎn)的距離為r1，根據(jù)方程(10)和(11)，該點(diǎn)坐標(biāo)(C1x，C1y)如下式所示C1x＝P3x-r1cosθmC1y＝P3y-r1sinθm……(12)這里θm＝(π/2-θ1+θ2+θ3-θ4)/2.
由于中心C1的坐標(biāo)(C1x，C1y)代表了玻璃部分100a的中心與樹脂部分100b的中心C2的偏心程度，因此能得知諸如厚度變化程度(最小厚度與最大厚度之比)及其方向等涂層狀態(tài)參數(shù)。
盡管在上面的描述中為簡單計(jì)而假定涂層由單層組成，并假定反射光束A和B與入射光束A′和B′垂直，然而，即使涂層由多層組成或反射光束在另一方向上測量，都能以類似的方式得到涂層狀態(tài)。
在通常的光纖生產(chǎn)線上，樹脂部分100b的外半徑r2，甚至折射系數(shù)η1和η2都可能改變，依賴于光纖的類型。即使在這種情況下，當(dāng)從多個(gè)方向向涂層光纖照射光束時(shí)也能以與上述類似的測量來檢測厚度變化。下面更詳細(xì)地解釋這一點(diǎn)。
如圖35所示，除了以上述方式測量距離d1和d2，還從另一個(gè)方向向涂層光纖100入射光束C′和D′，其相應(yīng)光束C和D分別從外表面和邊界面反射并被監(jiān)測，從而測定光束C′和D′間距離d3及光束C和D間距離d4。根據(jù)下述步驟確定涂層狀態(tài)。
1)由d1和d2計(jì)算P0、P1及P2點(diǎn)坐標(biāo)，由d3和d4計(jì)算P4、P5及P6點(diǎn)坐標(biāo)。
2)由P0和P4點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算涂層部分100b的外半徑r2及中心C2坐標(biāo)。
3)用含有η1和η2作為未知參數(shù)的函數(shù)來表示P3、P7及C1各點(diǎn)坐標(biāo)。
4)對(duì)P3和P7分別建立方程式來描述P3或P7位于中心為C1半徑為r1的園上的條件。
5)解P3、P7和C1(步驟3)坐標(biāo)的方程式及描述P3和P7條件(步驟4)的方程式，得到C1的坐標(biāo)(x，y)。
6)根據(jù)C1和C2坐標(biāo)來估計(jì)涂層狀態(tài)。
盡管在本例中根據(jù)一對(duì)距離d1和d2來估計(jì)涂層狀態(tài)，但也可以只根據(jù)它們當(dāng)中的任意一個(gè)來估計(jì)。也可以根據(jù)多個(gè)入射光位置偏差d1或多個(gè)反射光位置偏差d2來估計(jì)涂層狀態(tài)，這些位置偏差是通過在一個(gè)方向上輸入測量光，而在多個(gè)特定方向上檢測反射光束來確定的。再有，如果在多個(gè)方向上輸入測量光，在多個(gè)特定方向上檢測反射光束，從而確定多個(gè)d1和d2對(duì)，便能更精確地測定涂層狀態(tài)。
下面將參考圖件來描述本發(fā)明的實(shí)施例。
圖1從概念上說明根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例構(gòu)成的涂層狀態(tài)測量設(shè)備。如圖所示，作為目標(biāo)線狀物體的一例，涂層光纖100由玻璃部分100a和樹脂部分100b組成。發(fā)射基本平行光的平行光發(fā)射部分110與反射光檢測部分120橫放在涂層光纖100的兩側(cè)。
平行光發(fā)射部分110包括一個(gè)準(zhǔn)直儀(colimator)透鏡111，它對(duì)著涂層光纖100的一個(gè)側(cè)表面，其光軸垂直于涂層光纖100的縱向，還包括一個(gè)光源112，它位于準(zhǔn)直儀透鏡111的后面，以平行光照射涂層光纖100的側(cè)表面。
另一方面，反射光檢測部分包括一個(gè)聚光透鏡121與涂層光纖100的一個(gè)側(cè)面相對(duì)，其光軸與涂層光纖100的縱軸垂直，且與準(zhǔn)直儀透鏡111的光軸垂直;一個(gè)針孔部件122，它在聚光透鏡121的焦點(diǎn)處有針孔122a，一個(gè)準(zhǔn)直透鏡123位于針孔122a的后面，其焦點(diǎn)位于針孔122a處;一個(gè)圖象傳感器124位于準(zhǔn)直儀透鏡123后面，用以檢測通過針孔122a和準(zhǔn)直儀透鏡123的光線，所以圖象傳感器124只檢測與準(zhǔn)直儀透鏡121的光軸平行的那部分反射光?？刂撇糠?30處理來自圖象傳感器124的數(shù)據(jù)，從而確定反射光的位置偏差。
圖 圖1所示設(shè)備裝有準(zhǔn)直儀透鏡121和針孔部件122來自選擇地檢測被外表面及邊界面反射并沿特定方向行進(jìn)的光束，并能以較簡單的結(jié)構(gòu)來完成涂層狀態(tài)測量。
在該實(shí)施例中，圖象傳感器124具體地說是一個(gè)固態(tài)圖象拾取裝置，它接收入射到MOS晶體管或CCP存貯器陣列上的光線，并通過對(duì)各接收單元(cell)的電子掃描輸出將光線轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。再有，針孔部件122可以由狹縫部件代替。
現(xiàn)在描述如何用圖1所示設(shè)備來測量厚度變化。
當(dāng)涂層光纖100被平行光發(fā)射部分110所發(fā)出的平行光照射時(shí)，圖象傳感器124分別檢測到樹脂部分100b外表面反射光束A和樹脂部分100b與玻璃部分100a之間界面反射光束B;就是說，沒有檢測到其他光束。所以，根據(jù)檢測到的這兩個(gè)光束A和B的位置來確定光束A和B之間的距離。為確定涂層狀態(tài)，還需要確定分別對(duì)應(yīng)于光束A和B的入射光束A′和B′之間的距離d1，這可以投入與上述方向相反傳播的光束，并以與上述類似的方式來確定這個(gè)距離。根據(jù)d1和d2可按前面描述的方式來估計(jì)涂層狀態(tài)(這里略去了詳細(xì)描述)。
圖2給出根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例構(gòu)成的涂層狀態(tài)測量設(shè)備，它能同時(shí)測量反射光位置偏差(即光束A和B之間的距離d2)及入射光位置偏差(即光束A′和B′之間的距離d1)。第二個(gè)平行光發(fā)送部分150被放置在反射光檢測部分120的一側(cè)，并通過分光鏡141與該光學(xué)系統(tǒng)耦合在一起。第二個(gè)反射光檢測部分160被放置在平行光發(fā)送部分110的一側(cè)并通過分光鏡142與該光學(xué)系統(tǒng)耦合在一起。這第二個(gè)平行光發(fā)送部分150包括一個(gè)準(zhǔn)直儀透鏡151和放在準(zhǔn)直儀透鏡151后面的光源152，它用傳播方向與光束A和B(如前所述)相反的平行光照射涂層光纖100。第二個(gè)反射光檢測部分160是檢測其傳播方向與入射光束A′和B′方向相反的反射光的手段，它包括一個(gè)聚光透鏡161;一個(gè)針孔部件162(帶有針孔162a位于聚光透鏡161的一個(gè)焦點(diǎn)上);一個(gè)準(zhǔn)直儀透鏡163位于針孔部件162的后面而且其一個(gè)焦點(diǎn)位于針孔162a，用以聚集通過針孔162a的反射光;還有一個(gè)圖象傳感器164用于檢測通過針孔162a和聚光透鏡163的光。一個(gè)控制部分可以按照?qǐng)D1中的控制部分相對(duì)應(yīng)地構(gòu)成。
在圖2所示涂層狀態(tài)測量設(shè)備中，由于其估計(jì)涂層狀態(tài)的方式與結(jié)合圖1設(shè)備所描述的方式類似，故在這里將詳細(xì)描述略去了。根據(jù)圖2的設(shè)備，能夠同時(shí)測量入射光束A′和B′之間的距離d1以及反射光束A和B之間的距離d2。
根據(jù)圖象傳感器124或164輸出峰值之間的位置關(guān)系(見圖3和圖4)來計(jì)算距離d1和d2?？砂辞懊婷枋龅姆绞礁鶕?jù)d1和d2估計(jì)出涂層狀態(tài)。
下面是一些測量舉例，其中測出了具有厚度變化的實(shí)際涂層光纖(r1＝125/2微米，r2＝170/2微米)的d1和d2。
測量例1由圖5給出其涂層狀態(tài)的一個(gè)涂層光纖，所測出的d1和d2分別為10微米和20微米，計(jì)算出C1墊標(biāo)為(-1.732294，-7.68612)。
測量例2由圖6給出其涂層狀態(tài)的一個(gè)涂層光纖，其所測出的d1和d2分別為20微米和0微米，計(jì)算出C1坐標(biāo)為(-4.73828，7.53631)。
測量例3由圖7給出涂層狀態(tài)的一個(gè)涂層光纖，其所測出的d1和d2分別為-10微米和30微米，由此計(jì)算出的C1坐標(biāo)為(14.0952，-10.3847)。
雖然圖1所示設(shè)備中在針孔部件122和圖象傳感器123之間使用了準(zhǔn)直透鏡124，但準(zhǔn)直透鏡123不總是必須的。
如果使用兩套或多套上述設(shè)備，那么即使不知道樹脂部分100 100b的外半徑r2和折射系數(shù)n2以及環(huán)境區(qū)折射系數(shù)n1，也能測量其厚度變化。
由于樹脂部分100b外表面的反射性與樹脂部分100b和玻璃部分100a之間界面的反射性之間的差異大會(huì)輸出光不能被圖象傳感器適當(dāng)?shù)貦z測到，所以最好是在涂層光纖100周圍提供一個(gè)折射系數(shù)補(bǔ)償裝置以減小反射性的差異。
雖然在圖1所示設(shè)備中使用了聚光鏡121和針孔部件122來自選擇地接收從外表面和界面向垂直方向反射的光束，但可以使用一個(gè)由光接收透鏡和一個(gè)圖象拾取裝置構(gòu)成的檢測系統(tǒng)來代替上述部件121和122。圖8給出這樣一個(gè)實(shí)施例，其中使用的檢測系統(tǒng)由一個(gè)光接收透鏡123和CCD圖象拾取裝置126組成。圖9給出用電視監(jiān)視器接收CCD圖象拾取裝置126的輸出所產(chǎn)生的圖象舉例。在這張圖片中由度射光束A-D所產(chǎn)生的線A-D示于圖10。所示，線B和C之間的距離對(duì)應(yīng)于反射光位置偏差d2。
在圖1和圖8的設(shè)備中，作為測量光的平行光可由狹縫光代替，它在與涂層光纖100縱軸交叉的方向上是寬的。這種狹縫光是由狹縫光產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的，如一個(gè)狹縫部件、柱狀透鏡或棱鏡。圖11給出用狹縫光代替圖8設(shè)備的平行入射光時(shí)測量結(jié)果的舉例。圖11中的線和點(diǎn)A-D是由圖10中的反射光束A-D產(chǎn)生的結(jié)果。
再有，在上述設(shè)備中，平行光或狹縫光可以沿著與垂直于涂層光纖100縱軸的平面傾斜的方向入射到涂層光纖100上。圖12和圖13所示實(shí)施例中具有這種結(jié)構(gòu)。
在圖12所示實(shí)施例中，由于圖象拾取光學(xué)系統(tǒng)傾斜于和涂層光纖100縱向相垂直的截面，在圖象拾取光學(xué)系統(tǒng)中的焦點(diǎn)隨著涂層光纖100在其縱向位置的變化而變化。所以，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是即使涂層光纖處于拔絲操作過程中而且在抖動(dòng)，在圖8所示電視監(jiān)視器的圖象中垂直方向的某個(gè)位置可得到聚焦。
在圖13所示實(shí)施例中，狹縫光以傾斜方式入射，得到的測量結(jié)果(即圖象)如圖14所示。在這種情況下，反射光束的線(點(diǎn))B和C之間的距離大于圖10所示的情況，所以它們更易于被分開，其測量精度將得到改善。
在圖8、12和13所示設(shè)備中，通過限制檢測光學(xué)系統(tǒng)的光接收數(shù)值孔徑(numerical aperture)來增大聚焦深度，并限制達(dá)到CCD圖象拾取裝置126的反射光角范圍，可以使反射光(即被測量光)的檢測更加容易。更具體地說，如圖15所示，可以將一個(gè)光闌127放在接收光透鏡125和CCD圖象拾取裝置126之間。用這種結(jié)構(gòu)，從柱狀涂層光纖100表面反射的光線的外圍部分(圖15中由虛線所示光束)被光闌127去掉，只有一部分反射光(但包括了必需的部分被檢測，從而使觀測更容易。再有，由于光闌127提供了大的聚焦深度，來自涂層光纖100外表面的光束以及來自玻璃部分100a和樹脂部分100b之間界面的光束都能被容易地聚焦，而且即使涂層光纖100有一些位置變化(漲落)也能容易地完成觀測。
圖16從概念上說明也利用狹縫光的涂層狀態(tài)測量設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例。如圖所示，作為目標(biāo)線狀物體一例的涂層光纖100假定由玻璃部分100a和樹脂部分100b組成，其狹縫光發(fā)射部分210和反射光檢測部分220橫放在涂層光纖100兩邊。狹縫光發(fā)射部分210有一個(gè)激光源或一個(gè)發(fā)光二極管，它所發(fā)射的狹縫光沿著一個(gè)平面?zhèn)鞑?，該平面與涂層光纖縱軸方向的垂直平面相傾斜并且垂直于圖16中的紙面。該狹縫光是閃光式的，并入射到涂層光纖100的一個(gè)側(cè)表面。接收來自涂層光纖100的反射光的反射光檢測部分220所在的平面由狹縫光發(fā)射部分210的中心和涂層光纖100的軸線確定。在這個(gè)實(shí)施例中，反射光檢測部分220有一個(gè)二維圖象傳感器。數(shù)據(jù)處理部分230用于處理來自狹縫光發(fā)射部分210和反射光檢測部分220的數(shù)據(jù)，還用于估計(jì)涂層狀態(tài)。該數(shù)據(jù)處理部分230的組成是圖象存貯器231用于存貯從反射光檢測部分220讀取的圖象數(shù)據(jù);CPU(中央處理單元)232用于從圖象存貯器231接收?qǐng)D象數(shù)據(jù)，從狹縫光發(fā)射部分210接收閃頻同步信號(hào)，完成數(shù)據(jù)處理，從而估計(jì)涂層狀態(tài)。
現(xiàn)在來描述用圖16所示設(shè)備進(jìn)行涂層狀態(tài)測量的原理。
如圖17所示，在涂層光纖沒有厚度變化的情況下，當(dāng)指向涂層光纖100中心的狹縫光光束L0以入射角φ1入射時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)由樹脂部分100b外表面反射的光束L1和由樹脂部分100b與玻璃部分100a之間界面反射的光束L2。由于光束L1和L2之間距離S與厚度D有方程(13)所示關(guān)系，通過測量S便可確定厚度D。
其里n2是樹脂部分100b的折射系數(shù)。
但是，當(dāng)存在某一厚度變化時(shí)，光束L2傳播方向不與光束L2平行，但如圖18和圖19所示，光束L0′在P1點(diǎn)入射到樹脂部分100b，該光束L0′從光束L0偏移到玻璃部分100b的一個(gè)偏心方向上，向著玻璃部分100a的中心傳播，并在界面上的P2點(diǎn)反射，最后在P3點(diǎn)出射，成為光束L2′，它與光束L1平行傳播。
假定在垂直于中心軸的平面內(nèi)光束L0′的入射角由O1表示，其折射角由O2表示，在這同一平面內(nèi)P1和P2之間的距離用K表示，用d表示光束L0和L0′之間的距離d，用r2表示樹脂部分100b的外半徑，圖18中P1和P2的坐標(biāo)由下式給出P1=(r22-d2,-d)······(14)]]>P2=(r22-d2+k·cos(θ1-θ2),-d+k·sin(θ1-θ2)······(15)]]>如果在包含P1和P2并與中心軸平行的平面內(nèi)P1點(diǎn)處光束L0′的入射角和折射角分別表示為φ1和φ2，則反射光束L2和L2′之間的距離h由方程(16)表示。
重新安排方程(16)，我們得到K的表達(dá)式如下
由于玻璃部分100a(見圖18)的中心C1和P1點(diǎn)的徑向間距為(r1+K)，這里r1是玻璃部分100a的半徑，C1點(diǎn)的坐標(biāo)(C1x，C1y)由方程(18)給出。在圖16所示設(shè)備中，通過檢測距離h和d能估計(jì)出涂層狀態(tài)。
C1x＝P1x-(k+r1)cos(θ1-θ2)C1y＝P1y-(k+r1)sin(θ1-θ2).……(18)為了確定圖16所示設(shè)備中的距離d和h，從反射光檢測部分220的圖象傳感器得到的反射光數(shù)據(jù)要受到處理，以校正諸如在樹脂部分100b的折射等因素。
雖然為了單單起見，在上面的描述中假定涂層由單一涂層組成，但在多涂層情況下也能以類似的方式來確定涂層狀態(tài)。
用圖16所示涂層狀態(tài)測量設(shè)備對(duì)涂層光纖100的涂層狀態(tài)進(jìn)行的實(shí)例測量是按下述方式進(jìn)行的。當(dāng)來自狹縫光發(fā)射部分210的閃光式狹縫光照射涂層光纖時(shí)，反射光被反射光檢測部分220檢測到。中央處理單元132處理寫入圖象存貯器131的數(shù)據(jù)，從而確定距離d和h。根據(jù)這樣確定的d和h來估計(jì)涂層狀態(tài)。
圖20給出實(shí)際上被觀測的兩個(gè)園弧形反射光線RA和RB反射線RA是在樹脂部分100b外表面上反射點(diǎn)的集合，它的中心點(diǎn)PA應(yīng)與P0重合。在樹脂部分100b外表面上的反射線RB對(duì)應(yīng)于在邊界界面上反射點(diǎn)的集合，并在反射線RB上出現(xiàn)點(diǎn)PB通過對(duì)PB點(diǎn)的位置進(jìn)行諸如樹脂部分100b折射性質(zhì)等因素校正，得到上述P3點(diǎn)的位置。在一種簡化的測量中，PB的位置可以被看作是P3點(diǎn)的位置。PA和PB之間的垂直距離和水平距離分別對(duì)應(yīng)于圖19中的距離h′和圖18中的距離d。根據(jù)距離h′(h)和d，可按上述方式估計(jì)涂層狀態(tài)。
如果使用兩套上述設(shè)備，即使樹脂部分100b的外半徑r2和折射系數(shù)n2以及環(huán)境區(qū)域折射系數(shù)n1都不知道，也能測定厚度變化。
當(dāng)由于樹脂部分100b外表面的反射性質(zhì)與樹脂部分100b和玻璃部分100a之間界面的反射性質(zhì)差別太大從而不能由反射光檢測部分220適當(dāng)?shù)貦z測出輸出光時(shí)，最好在涂層光纖100周圍提供一種折射系數(shù)補(bǔ)償劑(agent)，以減少反射性質(zhì)的這種差異。
在圖16所示設(shè)備中，在數(shù)據(jù)處理部分230中的數(shù)據(jù)處理是與來自狹縫光發(fā)射部分210的閃光式狹縫光的發(fā)射同步進(jìn)行的。利用這種操作的好處，即使涂層光纖100在其橫向抖動(dòng)，也能以肯定的方式完成測量。顯然，這種技術(shù)也能應(yīng)用于其它實(shí)施例中的所有設(shè)備。
下面要描述的實(shí)施例利用激光掃描光作為測量光。
圖21從概念上說明利用激光掃描光的涂層狀態(tài)測量設(shè)備的一側(cè)。如圖所示，一個(gè)涂層光纖100作為目標(biāo)線狀物體的一例，假定由玻璃部分100a和樹脂部分100b組成，激光掃描部分310和反射光檢測部分320橫放在涂層光纖100的兩側(cè)。激光掃描部分310包括一個(gè)準(zhǔn)直儀透鏡311對(duì)著涂層光纖100的一個(gè)側(cè)面且其光軸垂直于涂層光纖的縱向方向;一個(gè)旋轉(zhuǎn)鏡312位于準(zhǔn)直儀透鏡的焦點(diǎn)上，其旋轉(zhuǎn)軸穿過該焦點(diǎn)并與涂層光纖100的縱向平行;還包括一個(gè)激光源313用于照射旋轉(zhuǎn)鏡312的旋轉(zhuǎn)中心區(qū)。垂直于涂層光纖100的縱向的一個(gè)平面作為激光的掃描面。反射光檢測部分320包括一個(gè)聚光透鏡321對(duì)著涂層光纖100的一個(gè)側(cè)面且其光軸垂直于涂層光纖100的縱向和準(zhǔn)直儀透鏡311的光軸;一個(gè)狹縫部件322，其狹縫322a位于準(zhǔn)直透鏡321的后焦點(diǎn)上;還有一個(gè)光檢測器323，其光二極管位于狹縫部件322的后面，用于檢測穿過狹縫322a的光線，所以反射光檢測部分320只檢測與聚光透鏡321的光軸平行的那一部分反射光?？刂撇糠?30處理由激光掃描部分310及反射光檢測部分320所提供的數(shù)據(jù)，從而估計(jì)涂層狀態(tài)。就是說，控制部分330包括一個(gè)旋轉(zhuǎn)鏡驅(qū)動(dòng)器331用于向旋轉(zhuǎn)鏡312發(fā)送一個(gè)鏡驅(qū)動(dòng)信號(hào)并輸出一個(gè)相應(yīng)的同步信號(hào);放大器332用于放大光檢測器323的輸出信號(hào);A/D轉(zhuǎn)換器333用于對(duì)來自旋轉(zhuǎn)鏡驅(qū)動(dòng)器323的同步信號(hào)和來自放大器332的被放大信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換;中央處理單元334用于處理來自模數(shù)轉(zhuǎn)換器333的信號(hào)，用于檢測在光檢測器323接收反射光的時(shí)刻的掃描位置。
圖21所示設(shè)備使用聚光透鏡321和狹縫部件322有選擇地檢測從外表面和邊界面向垂直方向反射的光束，具有簡單的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
在上述設(shè)備中，光檢測器322廣泛包括檢測光線和根據(jù)所檢測到的光量產(chǎn)生電信號(hào)。激光束的直徑可根據(jù)所需分辨力而適當(dāng)?shù)剡x擇，但它應(yīng)該最好是小于被測涂層的最小值。再有，顯然狹縫部件322可以用針孔部件代替。
利用圖21所示設(shè)備進(jìn)行厚度變化測量的方法如下。當(dāng)來自激光源313的激光束受到旋轉(zhuǎn)鏡312的轉(zhuǎn)動(dòng)而從右向左(見圖21)移動(dòng)時(shí)，被涂層光纖100的樹脂部分100b外表面反射的光束A首先被光檢測器323檢測到，然后被檢測到的是被樹脂部分100b和玻璃部分100a之間界面反射的光束B。沒有其他反射光束被光檢測器323檢測到。所以，根據(jù)檢測到光束A和B時(shí)的輸出及來自旋轉(zhuǎn)鏡驅(qū)動(dòng)器331的同步信號(hào)，可以確定分別對(duì)應(yīng)于反射光束A和B的入射光束A′和B′之間在掃描方向上的距離d1。為了確定涂層狀態(tài)，可能需要測量光束A和B之間的距離。這可以用類似的方式完成，例如，在與上述情況中的光束方向相反的方向輸入光束?？梢源_定距離d2的另一種辦法是將光束A和B各分成兩個(gè)光束，并同時(shí)用另一套檢測手段來檢測這一對(duì)被分光的光束(A和B)，這樣便能檢測出檢測位置。
使用半導(dǎo)體位置敏感裝置(PSD)能檢測出被外表面和邊界面反射的光束。PSD的結(jié)構(gòu)是在半導(dǎo)體的光入射面兩邊裝有位置信號(hào)檢測器，并在半導(dǎo)體的背面裝有參考電極。來自各位置信號(hào)電極的輸出是單個(gè)的光電流，它們是響應(yīng)入射到入射表面的輸入光而產(chǎn)生的，其光電流的大小與光入射位置和相應(yīng)的位置信號(hào)電極的位置之間的距離成反比。根據(jù)兩個(gè)位置信號(hào)電極相對(duì)于參考電極的電壓之和與時(shí)間(time)之間的關(guān)系能確定入射光的位置偏移d1。根據(jù)由各位置信號(hào)電極相對(duì)于參考電極的電壓大小計(jì)算出來的入射位置信息，能夠確定反射光的位置偏移d2。
圖22從概念上說明根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例構(gòu)成的一個(gè)涂層狀態(tài)測量設(shè)備的結(jié)構(gòu)。在圖22中凡與圖21中有相同功能的部件均用與其相同的數(shù)字代號(hào)，在此略去了對(duì)那些部件的重復(fù)描述。圖22所示的設(shè)備要測量入射光位置偏移(即光束A′和B′之間的距離)也要測量反射光的位置偏移(即光束A和B之間的距離)，其中第二個(gè)激光掃描部分350放在反射光檢測部分320的同側(cè)，并通過分光器341與該光學(xué)系統(tǒng)耦合，而第二個(gè)反射光檢測部分360放在激光掃描部分310的同側(cè)并通過分光器342與該光學(xué)系統(tǒng)耦合。這第二個(gè)激光掃描部分350用激光掃描涂層光纖100，如上所述，該激光的傳播方向與反射光束A和B的方向相反。第二個(gè)激光掃描部分350包括一個(gè)準(zhǔn)直儀透鏡351對(duì)著光束分光器341，一個(gè)旋轉(zhuǎn)鏡352放在準(zhǔn)直儀透鏡351的一個(gè)焦點(diǎn)上;以及一個(gè)激光源353用于將激光發(fā)射到旋轉(zhuǎn)鏡352上。第二個(gè)反射光檢測部分360檢測如上述與入射光束A′和B′傳播方向相反的激光，它的構(gòu)成包括聚光透鏡361對(duì)著光束分光器342;狹縫部件362帶有狹縫362a位于聚光透鏡361的一個(gè)焦點(diǎn)上;以及光檢測器363位于狹縫部件362后面，用于檢測通過狹縫362a的光?？刂撇糠挚梢詫?duì)應(yīng)于圖21所示設(shè)備來構(gòu)成。
由于使用該設(shè)備進(jìn)行涂層狀態(tài)測量的方法與圖21所示設(shè)備的使用方法類似，故在此略去對(duì)測量操作的描述。圖22所示設(shè)備能同時(shí)測量入射光束A′和B′之間的距離d1及反射光束A和B之間的距離d2。更具體地說，如圖23和24所示，可根據(jù)掃描同步信號(hào)與光檢測器323輸出峰值間時(shí)間差二者的關(guān)系來確定距離d1，根據(jù)掃描同步信號(hào)與光檢測器363輸出峰值間時(shí)間差二者的關(guān)系來確定距離d2。使用距離d1和d2，便可以按上述類似的方式估計(jì)涂層狀態(tài)。
如果提供兩套或多套上述設(shè)備，那么即使不知道樹脂部分100b的外半徑r2、折射系數(shù)n2及環(huán)境區(qū)域的折射系數(shù)n1也能確定涂層狀態(tài)。
當(dāng)由于樹脂部分100b外表面的反射性質(zhì)與樹脂部分100b和玻璃部分100a之間界面的反射性質(zhì)差別太大從而不能由光檢測器適當(dāng)?shù)貦z測出輸出光時(shí)，最好在涂層光纖100周圍提供一種折射系數(shù)補(bǔ)償劑，以減小反射性質(zhì)的這種差異。
圖25從概念上說明利用激光掃描光的另一種涂層狀態(tài)測量設(shè)備。如圖所示，激光掃描部分410和反射光檢測部分420橫放在作為目標(biāo)線性物體一例的涂層光纖100的兩側(cè)。激光掃描部分410包括準(zhǔn)直儀透鏡411對(duì)著涂層光纖100的一個(gè)側(cè)面，其光軸垂直于涂層光纖的縱向;一個(gè)旋轉(zhuǎn)鏡412放在準(zhǔn)直儀透鏡的一個(gè)焦點(diǎn)上，它能繞著穿過該焦點(diǎn)并與涂層光纖100縱向平行的軸線旋轉(zhuǎn);一個(gè)激光源用于向旋轉(zhuǎn)鏡412的旋轉(zhuǎn)中心區(qū)發(fā)射激光，從而使激光掃描部分能用激光在垂直于涂層光纖100縱向的平面內(nèi)掃描涂層光纖100。另一方面，反射光檢測部分420包括一個(gè)準(zhǔn)直儀透鏡對(duì)著涂層光纖100的一個(gè)側(cè)面，其光軸同時(shí)垂直于涂層光纖100的縱向和準(zhǔn)直儀透鏡411的光軸;一個(gè)狹縫部件422帶有狹縫422帶有狹縫422a位于聚光透鏡421的后焦點(diǎn)上;還有一個(gè)半導(dǎo)體位置敏感裝置(PSD)423放在狹縫部件422后面來檢測穿過狹縫422a的光。只有與聚光透鏡421光軸平行傳播的那一部分反射光被PSD423檢測到?？刂撇糠?30處理來自激光掃描部分410和反射光檢測部分420的數(shù)據(jù)，以此來估計(jì)涂層狀態(tài)?？刂撇糠?30包括一個(gè)旋轉(zhuǎn)鏡驅(qū)動(dòng)器43用于向旋轉(zhuǎn)鏡412提供鏡驅(qū)動(dòng)信號(hào)并輸出其同步信號(hào);一個(gè)PSD驅(qū)動(dòng)器用于處理PSD423的輸出信號(hào);一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器用于對(duì)來自旋轉(zhuǎn)鏡驅(qū)動(dòng)器的同步信號(hào)及PSD驅(qū)動(dòng)器432的輸出信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換;還有一個(gè)中央處理單元(CPU)434用于處理來自模/數(shù)轉(zhuǎn)換器433的信號(hào)以確定入射光和反射光的位置偏移。
在圖25所示設(shè)備中，提供了聚光透鏡421和狹縫部件422用于分別檢測在特定方向傳播的一部分外表面反射光和一部分邊界面反射光。根據(jù)這個(gè)設(shè)備，可以用較簡單的結(jié)構(gòu)測量涂層狀態(tài)。顯然，狹縫部件422能用帶針孔部件代替。
現(xiàn)在參考圖26來描述這一實(shí)施例中的PSD423的結(jié)構(gòu)。如圖所示，PSD423是這樣構(gòu)成的一個(gè)P-型半導(dǎo)體層502和一個(gè)n型半導(dǎo)體層503被旋轉(zhuǎn)于盤狀硅基片501的前面和背面，并在前表面的兩側(cè)構(gòu)成位置信號(hào)電極504和505，在背面構(gòu)成參考電極506。用這種結(jié)構(gòu)，當(dāng)光點(diǎn)L入射到前表面上兩個(gè)位置信號(hào)電極504和505之間的一個(gè)位置上時(shí)，在入射點(diǎn)便產(chǎn)生一個(gè)與入射光能量成正比的電荷，并以光電流I1和I2的形式分別從位置信號(hào)電極504和505輸出。由于光電流I1和I2中的每一個(gè)與光點(diǎn)L的入射位置和位置信號(hào)電極504或505之間的距離(即一個(gè)電阻)的大小成反比，該入射位置便可以確定。例如，可以以參考電極506的電壓為參考來測量電壓V1和V2以這種形式得到電流I1和I2，并得到一個(gè)除信號(hào)(V1-V2)/(V1+V2)。就是說，反射光的位置偏移能由光束A和B的入射位置來確定。
通常使用PSD423按上述方式檢測光點(diǎn)L的入射位置。然而，在本發(fā)明中，當(dāng)反射光束A、B到達(dá)PSD423時(shí)掃描光束的掃描位置是根據(jù)掃描同步信號(hào)以及所監(jiān)測到的時(shí)間與加信號(hào)(V1+V2)之間的關(guān)系來確定的。以這種方式，能確定對(duì)應(yīng)于光束A和B的入射光束A′和B′之間的距離d1。
如上面描述的那樣，根據(jù)上述實(shí)施例，反射光距離d2和入射光距離d1能通過從PSD423拾取加信號(hào)與時(shí)間以及除信號(hào)來同時(shí)確定。
現(xiàn)在描述用圖25所示設(shè)備進(jìn)行涂層狀態(tài)測量。當(dāng)來自激光源413的激光束被旋轉(zhuǎn)鏡412作用而在圖25上從右向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，被涂層光纖100的樹脂部分100b外表面反射的光束A先被PSD423檢測到，然后是樹脂部分100b和玻璃部分100a之間界面上的反射光束B被檢測到。沒有其他光束被PSD423檢測到。所以，根據(jù)檢測到光束A和B時(shí)的輸出以及來自旋轉(zhuǎn)鏡驅(qū)動(dòng)器431的同步信號(hào)便能夠確定分別對(duì)應(yīng)于反射光束A和B的入射光束A′和B′之間沿掃描方向的距離d1及光束A和B之間的距離d2。
用圖25所示設(shè)備進(jìn)行涂層狀態(tài)測量在實(shí)際上是按下述程序完成的。當(dāng)旋轉(zhuǎn)鏡412根據(jù)旋轉(zhuǎn)鏡驅(qū)動(dòng)器431提供的鏡驅(qū)動(dòng)信號(hào)而轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，用來自激光源413的激光進(jìn)行掃描。PSD驅(qū)動(dòng)器432根據(jù)PSD423的輸出得到加信號(hào)(V1+V2)和除信號(hào)(V1-V2)/(V1+V2)。中央處理單元(CPU)434利用同步信號(hào)作為參考監(jiān)視加信號(hào)(V1+V2)及與之相關(guān)聯(lián)的時(shí)間。與此同時(shí)CPU434還計(jì)算在加信號(hào)取其峰值時(shí)的除信號(hào)(V1-V2)/(V1+V2)之值。
圖27給出PSD驅(qū)動(dòng)器432輸出的實(shí)例。如圖所示，可根據(jù)加信號(hào)輸出的峰值位置來確定d1，根據(jù)產(chǎn)生峰值時(shí)除信號(hào)輸出值來確定d2。利用這樣確定的距離d1和d2便能估計(jì)涂層狀態(tài)。
盡管在圖25所示設(shè)備中通過狹縫部件422的狹縫422a的反射光是被PSD423直接接收的，但更適當(dāng)?shù)淖鞣ㄊ窃讵M縫部件422及PSD432之間放置一個(gè)準(zhǔn)直儀透鏡并使其焦點(diǎn)位于狹縫422a，以便使反射光垂直入射到PSD423上。
如果提供三套或多套上述設(shè)備，那么即使不知道樹脂部分100b的外半徑r2、樹脂部分100b的折射系數(shù)n2以及環(huán)境區(qū)域的折射系數(shù)n1，也能測定厚度的變化。
當(dāng)由于樹脂部分100b的外表面的反射性質(zhì)與樹脂部分100b和玻璃部分100a之間界面的反射性質(zhì)兩者差異大時(shí)，輸出光不能被PSD423適當(dāng)?shù)貦z測到，這時(shí)最好在涂層光纖周圍提供一種折射系數(shù)匹配劑，以減小反射性質(zhì)的差異。
圖28從概念上說明利用激光掃描的又一種涂層狀態(tài)測量設(shè)備。如圖所示，激光掃描部分610和反射光檢測部分620橫放在作為目標(biāo)線狀物體一例的涂層光纖兩側(cè)。激光掃描部分610包括一個(gè)準(zhǔn)直儀透鏡611對(duì)著涂層光纖100的一個(gè)側(cè)面，其光軸垂直于涂層光纖的縱向;一個(gè)旋轉(zhuǎn)鏡612放在準(zhǔn)直儀透鏡的一個(gè)焦點(diǎn)，它能繞著穿過焦點(diǎn)并平行于涂層光纖100的縱方向的軸線轉(zhuǎn)動(dòng);還有一個(gè)激光源613，用于向旋轉(zhuǎn)鏡612的旋轉(zhuǎn)中心區(qū)輸入激光，這樣，便能實(shí)現(xiàn)用激光在一個(gè)垂直于涂層光纖100縱方向的平面上進(jìn)行掃描。另一方面，反射光檢測部分620包括一個(gè)聚光透鏡621對(duì)著涂層光纖100的一個(gè)側(cè)面，其光軸同時(shí)垂直于涂層光纖100的縱方向和準(zhǔn)直儀透鏡611的光軸;一個(gè)光束分光器622放在聚光鏡621的后面;狹縫部件623和624分別有狹縫623a和624b，它們分別放在被光束分光器622分開的兩個(gè)光束的焦點(diǎn)上;一個(gè)一維圖象傳感器用于檢測穿過狹縫623a的光;以及一個(gè)光檢測器626(例如一個(gè)光二極管)用于檢測穿過狹縫624a的光，從而只有與聚光鏡621的光軸平行的那部分反射光被一維圖象傳感器625或光檢測器626檢測到。
一維圖象傳感器625在接收反射光時(shí)產(chǎn)生沿圖28中自上而下方向的位置信息，而光檢測器626將它變成電信號(hào)?？刂撇糠?30處理來自激光掃描部分610和反射光檢測部分620的數(shù)據(jù)以估計(jì)涂層狀態(tài)?？刂撇糠?30包括旋轉(zhuǎn)鏡驅(qū)動(dòng)器631向旋轉(zhuǎn)鏡612提供鏡驅(qū)動(dòng)信號(hào)并輸出其同步信號(hào);一維圖象處理裝置632接收來自旋轉(zhuǎn)鏡驅(qū)動(dòng)器631的同步信號(hào)和讀取來自一維圖象傳感器625的角間距信息，并且處理這些讀出的信息;一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器633用于將來自旋轉(zhuǎn)鏡驅(qū)動(dòng)器631的同步信號(hào)及光檢測器623的輸出信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換;以及中央處理單元(CPU)634用于處理來自一維圖象處理設(shè)備632的信號(hào)以及來自模/數(shù)轉(zhuǎn)換器633的信號(hào)。
在這個(gè)實(shí)施例中，名詞“圖象傳感器(image sense)意思是指一個(gè)固態(tài)圖象拾取裝置，它用一個(gè)MOS晶體管陣列或CCD存貯器陣列來接收入射光，并利用單個(gè)接收單元(cell)的電子掃描輸出將光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。名詞“光檢測器(photodetector)”是指根據(jù)所接收的光量來輸出電信號(hào)的部件。再有，顯然狹縫部件623和624可以用帶有針孔的部件代替。
現(xiàn)在描述用圖28所示設(shè)備如何進(jìn)行涂層狀態(tài)測量。當(dāng)來自激光源613的激光束被旋轉(zhuǎn)鏡612轉(zhuǎn)動(dòng)使其在圖28中從右向左移動(dòng)時(shí)，從涂層光纖100的樹脂部分100b的外表面反射的光束A首先被一維圖象傳感器625和光檢測器626檢測到，然后被樹脂部分100b和玻璃部分100a之間界面反射的光束B被檢測到。沒有其他反射光束被檢測器625和626檢測到。所以，根據(jù)光束A和B在一維圖象傳感器上的檢測位置能確定垂直于反射光束A和B方向上的距離d2;根據(jù)光束A和B被檢測到時(shí)完檢測器626的輸出信號(hào)以及來自旋轉(zhuǎn)鏡驅(qū)動(dòng)器631的同步信號(hào)，確定分別對(duì)應(yīng)于反射光束A和B的入射光束A′和B′之間沿掃描方向的距離d1。
下面詳細(xì)描述使用圖28所示設(shè)備測量入射光位置偏移d1及反射光位置偏移d2的實(shí)例。
圖29給出根據(jù)本實(shí)施例測量厚度變化的時(shí)間圖。如圖所示，旋轉(zhuǎn)鏡612根據(jù)來自旋轉(zhuǎn)鏡驅(qū)動(dòng)器631的鏡驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行往返旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而使來自激光源613的激光以往復(fù)方式掃描涂層光纖100的一個(gè)側(cè)面。結(jié)果產(chǎn)生的反射光束A和B被一維圖象傳感器625和光檢測器626檢測到。旋轉(zhuǎn)鏡驅(qū)動(dòng)器631在每次掃描方向反轉(zhuǎn)時(shí)輸出一個(gè)同步信號(hào)。一維圖象傳感器積累每次掃描(即一個(gè)往返掃描)期間的電荷，而在掃描方向反轉(zhuǎn)的時(shí)刻(即輸出掃描脈沖的時(shí)刻)由一維圖象處理裝置632讀取檢測信號(hào)。例如，可以以單個(gè)敏感單元接收的光強(qiáng)度與敏感單元地址之間的關(guān)系形式得到輸出信號(hào)，如圖30所示。根據(jù)光束A和B輸出之間的位置關(guān)系能確定距離d2。
另一方面，光檢測器626在接收到反射光時(shí)向模/數(shù)轉(zhuǎn)換器提供一個(gè)信號(hào)。從輸出一個(gè)同步脈沖到輸出下一個(gè)同步脈沖之前片刻這段時(shí)間作為預(yù)先確定的時(shí)間周期，在此周期內(nèi)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器633輸出一個(gè)經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換的信號(hào)。通過這一操作，便能夠得到檢測出兩個(gè)反射光束A和B的時(shí)間間隔，即兩個(gè)輸出峰值之間的時(shí)間間隔(如圖31所示)，進(jìn)而由這兩個(gè)峰值的時(shí)間間隔確定入射光束A′和B′之間的距離d1。
利用這樣確定的距離d1和d2，便能以上文描述過的方式估計(jì)涂層狀態(tài)。
上面描述了各種實(shí)施例，下面將描述改善涂層狀態(tài)測量精度的技術(shù)，這些技術(shù)可以應(yīng)用于上述每一個(gè)實(shí)施例。
上述各種涂層狀態(tài)測量方法可能遇到這樣一個(gè)困難，它是由下述事實(shí)造成的邊界面反射光量小于被外表面反射的反射光光量(quantity)。可以通過只檢測其偏振方向垂直于園柱形線狀物體縱方向的光分量來避免這一問題，例如，可以在發(fā)射光部分加入一個(gè)偏光器(polarizer)或者在光檢測部分加入一個(gè)分析器(analyzer)。這是因?yàn)?，?duì)于具有這種偏振方向的光分量，被邊界面反射的光與被外表面反射的光相比，被相對(duì)增強(qiáng)了。顯然，如果測量光的光源發(fā)射偏振的激光，便不需要這個(gè)偏光器或分析器3。
圖32給出涂層光纖在其玻璃部分周圍有一個(gè)直徑180微米、折射系數(shù)1.497的第一涂層及直徑250微米、折射系數(shù)1.51的情況下，被第一深層和第二涂層之間界面反射光量同外表面反射光量之比值與偏振方向之間的關(guān)系。入射光和被測反射光之間的夾角被設(shè)為90°。如從圖中可以理解的那樣，當(dāng)偏振方向在90°附近時(shí)，被邊界面反射光量與被外表面反射的光量相比相對(duì)增大，而這個(gè)90°方向正是垂直于涂層光纖縱向的偏振方向。通過檢測具有這種偏振方向的光分量，對(duì)邊界面反射光的測量變得更加肯定。
對(duì)于涂層和玻璃部分之間的邊界面反射的光也能得到類似的改善，其改善程度取決于邊界處的折射系數(shù)差。對(duì)于涂層和玻璃部分之間界面的反射情況，其改善程度更顯著，因?yàn)槟抢镎凵湎禂?shù)差通常大于上例中的情況。
不用偏光器或分析器，通過檢測由外表面反射光和邊界面反射光也能類似地得到對(duì)界面反射光檢測能力的改善，其作法是利用一個(gè)沿特定方向傳播的光，它是由多個(gè)測量光束中這樣一個(gè)入射光束造成的反射光束，該入射光束以布魯斯特角入射到園柱形線狀物體的涂層表面上。利用上述偏振方向垂直于涂層光纖縱方向的光分量作為測量光，其檢測能力還能進(jìn)一步改善。
圖33給出，在下述安排下當(dāng)入射光的偏振方向改善時(shí)界面反射光量與外表面反射光量的比值是如何變化的。這種安排是所準(zhǔn)備的涂層光纖在其玻璃部分周圍有一個(gè)直徑180微米、折射系數(shù)1.497的第一涂層和直徑250微米、折射系數(shù)1.51的第二涂層，其反射光束的檢測方向使得能夠檢測出以布魯斯特角o(56.49°，＝tan-1(1.51))進(jìn)入涂層光纖的入射光所造成的反射光束。如圖所示，當(dāng)使用的入射光線具有的偏振方向垂直于涂層光纖的縱方向而且以布魯斯特角o輸入入射光，其結(jié)果是被邊界面反射的光量進(jìn)一步相對(duì)增強(qiáng)，從而能更容易地檢測被邊界面反射的光。
如上面描述的那樣，根據(jù)本發(fā)明，通過檢測被線狀體涂層外表面反射到特定方向上的反射光以及被涂層和該線狀體主體之間界面反射到該特定方向上的反射光，能夠連續(xù)地正確測定涂層狀態(tài)。例如，在光纖生產(chǎn)線上，能在生產(chǎn)線當(dāng)中測量光纖的涂層狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種涂層狀態(tài)測量方法，由下列步驟組成以入射光照射一個(gè)圓柱形線狀物體的側(cè)面，該線狀體具有一個(gè)主體及在主體形成的至少一層的涂層；檢測被涂層外表面的反射到至少一個(gè)特定方向上的反射光束以及被涂層和主體間界面反射或被涂層的相鄰兩層間界面反射到與該特定方向平行的方向上的反射光束；以及根據(jù)表面反射光束和界面反射光束之間的反射光距離確定涂層厚度和厚度變化。
2.一種涂層狀態(tài)測量方法，由下列步驟組成以入射光照射一個(gè)園柱形線狀物體的側(cè)面，該線狀物體具有一個(gè)主體及在主體上形成的至少一層的涂層;檢測被涂層外表面反射到至少一個(gè)特定方向上的反射光束以及被涂層和主體間界面反射或被涂層的相鄰兩層間界面反射到與該特定方向平行的方向上的反射光束;以及根據(jù)對(duì)應(yīng)于表面反射光束的入射光束與對(duì)應(yīng)于界面反射光束的另一個(gè)入射光束之間的入射光距離來確定涂層的厚度和厚度變化。
3.權(quán)利要求1中的方法，這里在確定厚度和厚度變化的步驟中還根據(jù)對(duì)應(yīng)于表面反射光束的入射光束與對(duì)應(yīng)于界面反射光束的另一個(gè)入射光束之間的距離。
4.權(quán)利要求1中的方法，這里入射光基本上是平行光，在檢測步驟中利用帶有圖象拾取裝置的圖象拾取光學(xué)系統(tǒng)來檢測外表面和邊界面上反射點(diǎn)的圖象。
5.權(quán)利要求4中的方法，這里的基本平行光是沿著垂直于園柱形線狀物體縱方向延伸的狹縫光。
6.權(quán)利要求4或5的方法，這里的基本平行光是脈沖光，而且還包含下述步驟使脈沖光的發(fā)射計(jì)時(shí)與圖象拾取裝置的計(jì)時(shí)同步，這樣來驅(qū)動(dòng)圖象拾取的裝置。
7.權(quán)利要求1或3的方法，這里的入射光是激光掃描光，旦在檢測步驟中用帶有圖象拾取裝置的圖象拾取光學(xué)系統(tǒng)來檢測在外表面上和在邊界面上反射點(diǎn)的圖象。
8.權(quán)利要求4、6或7的方法，其中的圖象拾取光學(xué)系統(tǒng)至少有一部分與垂直于園柱形線狀物體縱方向的平面傾斜，從而圖象拾取光學(xué)系統(tǒng)中的聚焦點(diǎn)隨著園柱形線狀物在其長度方向上的位置而變化。園柱形線狀物體中沿其縱向多個(gè)反射點(diǎn)的圖象。
9.權(quán)利要求2的方法，這里入射光是激光掃描光，旦在其檢測步驟中用一個(gè)光檢測器來檢測表面反射光束和界面反射光束，在確定涂層狀態(tài)步驟中根據(jù)光檢測器輸出信號(hào)的瞬時(shí)變化及激光掃描速度來確定入射光束之間的距離。
10.權(quán)利要求1或3的方法，這里入射光是激光光，在檢測步驟中用位置敏感裝置來檢測表面反射光束和界面反射光束，在確定步驟中根據(jù)被位置敏感裝置檢測到的光的中心的變化來確定反射光束之間的距離。
11.權(quán)利要求3的方法，這里的入射光是激光光，在檢測步驟中用一個(gè)位置敏感檢測器來檢測表面反射光束和界面反射光束，在確定步驟中根據(jù)被位置敏感裝置檢測到的光中心變化來確定反射光束之間的距離，根據(jù)被位置敏感裝置檢測到的光強(qiáng)度變化來確定入射光束之間的距離。
12.權(quán)利要求1至11中的任何一種方法，這里在檢測步驟中的檢測光學(xué)系統(tǒng)包括一個(gè)光闌，從而限制其光接收數(shù)值孔徑。
13.權(quán)利要求12的方法，這里的光闌位于一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的焦面上，該光學(xué)系統(tǒng)的光軸平行于特定方向并把平行光聚焦在焦面上的一點(diǎn)。
14.權(quán)利要求1至13中的任何一種方法，這里的入射光是線性偏振光，其偏振方向垂直于園柱形線狀物體的縱方向;或者在檢測步驟中只檢測其偏振方向垂直于園柱形線狀物體縱方向的光分量。
15.權(quán)利要求1至14中的任何一種方法，這里以布魯斯特角入射到外表面的光束被反射到特定方向。
16.權(quán)利要求1至15中的任何一種方法，這里還包括下述步驟在涂層周圍提供一種折射系數(shù)匹配劑，以減小外表面和邊界面反射性質(zhì)的差異。
17.一種涂層狀態(tài)測量設(shè)備，其組成是以入射光照射一個(gè)園柱形線狀物體一個(gè)側(cè)面的手段，該園柱形線狀物體有一個(gè)主體及在主體上構(gòu)成的至少有一層的涂層;檢測手段，用以檢測被涂層外表面反射到至少一個(gè)特定方向上的表面反射光束以及被涂層與主體之間界面或涂層的相鄰兩層間界面反射到與該特定方向平行的方向上的界面反射光束;以及確定手段，用以根據(jù)表面反射光束和界面反射光束之間的反射光距離來確定涂層的厚度和厚度變化。
18.一種涂層狀態(tài)測量裝置，其組成是以入射光照射一個(gè)園柱形線狀物體一個(gè)側(cè)面的手段，該園柱形線狀物體有一個(gè)主體及在主體上構(gòu)成的至少有一層涂層;檢測手段，用以檢測被涂層外表面反射到至少一個(gè)特定方向上的表面反射光束以及被涂層與主體之間界面或涂層的相鄰兩層間界面反射到與該特定方向平行的方向上的界面反射光束;以及確定手段，用以根據(jù)對(duì)應(yīng)于表面反射光束的入射光束的另一個(gè)入射光束之間的入射光距離來確定涂層的厚度和厚度變化。
19.權(quán)利要求17的設(shè)備，這里的確定手段還根據(jù)對(duì)應(yīng)于表面的反射光束和對(duì)應(yīng)于界面反射光的另一個(gè)入射光束之間的入射光距離來確定涂層的厚度和厚度變化。
20.權(quán)利要求17的設(shè)備，這里的反光手段由一個(gè)發(fā)射基本平行光的光源組成，檢測手段由帶有圖象拾取光學(xué)系統(tǒng)組成。
21.權(quán)利要求20中的設(shè)備，這里的發(fā)光手段還包括產(chǎn)生狹縫光的手段，該狹縫沿著垂直于園柱形線狀物體縱向的一個(gè)方向延伸。
22.權(quán)利要求20或21中的設(shè)備，這里的光源是脈沖光源其發(fā)光手段還包括一個(gè)同步電路，用于將脈沖光源的發(fā)光計(jì)時(shí)與圖象拾取裝置的檢測計(jì)時(shí)同步。
23.權(quán)利要求17或19的步驟，這里的發(fā)光手段由發(fā)射激光光的激光源及用激光掃描園柱形線狀物體側(cè)面的機(jī)構(gòu)組成，其檢測手段由帶有圖象拾取裝置的圖象拾取光學(xué)系統(tǒng)組成。
24.權(quán)利要求20、22或23中的設(shè)備，這里的圖象拾取光學(xué)系統(tǒng)至少有一部分與垂直于園柱形線狀物體縱向的平面相傾斜從而使圖象拾取光學(xué)系統(tǒng)中的聚焦點(diǎn)隨著園柱形線狀物在其長度方向上的位置變化而變化。
25.權(quán)利要求18中的設(shè)備，這里的發(fā)光手段由發(fā)射激光光的激光源及用激光光掃描園柱形線狀物體的側(cè)面的掃描機(jī)構(gòu)組成，其檢測手段由檢測表面反射光束和界面反射光束的光檢測器組成，其確定手段由根據(jù)光檢測器輸出信號(hào)瞬時(shí)變化和激光掃描速度來確定入射光束之間距離的電路。
26.權(quán)利要求17或19的設(shè)備，這里的發(fā)光手段由發(fā)射激光光的激光源及用激光光掃描園柱形線狀物體的側(cè)面的掃描機(jī)構(gòu)組成，其檢測手段由檢測表面反射光束和界面反射光束的位置敏感裝置組成，其確定手段由根據(jù)位置敏感裝置檢測到的光中心變化來確定反射光束之間距離的電路組成。
27.權(quán)利要求19的設(shè)備，這里的發(fā)光手段由發(fā)射激光光的激光源及用激光光掃描園柱形線狀物體的側(cè)面的掃描機(jī)構(gòu)組成，其檢測手段由檢測表面反射光束和界面反射光束的位置敏感裝置組成其確定手段由根據(jù)位置敏感裝置檢測到的光中心變化來確定反射光束間距及根據(jù)位置敏感裝置檢測到的光強(qiáng)度變化確定入射光束間距的電路。
28.權(quán)利要求17到27的任何一種設(shè)備，其中發(fā)光手段包括一個(gè)光闌用于限定檢測光學(xué)系統(tǒng)的光接收數(shù)值孔徑。
29.權(quán)利要求28的設(shè)備，這里的光闌是一個(gè)針孔或狹縫，放置在一個(gè)透鏡系統(tǒng)的焦面上，該透鏡系統(tǒng)的光軸平行于特定方向并將平行光聚焦于焦面上的一點(diǎn)。
30.權(quán)利要求17至29的任何一個(gè)中的設(shè)備，這里的發(fā)光手段產(chǎn)生線性偏振入射光，其偏振方向垂直于園柱形線狀物體的縱向;或者檢測手段只檢測其偏振方向垂直于園柱形線狀物體縱向的光分量。
31.權(quán)利要求17至30的任何一個(gè)中的設(shè)備，這里的發(fā)光手段的光軸與檢測手段的光軸在反射點(diǎn)構(gòu)成相對(duì)于涂層外表面法線的布魯斯特角。
32.權(quán)利要求17至31的任何一個(gè)中的設(shè)備，這里在涂層周圍提供了一種折射系數(shù)匹配劑，用以減小外表面與邊界面的反射性質(zhì)的差異。
全文摘要
本發(fā)明以平行光照射涂層光纖的側(cè)面，用帶有聚光透鏡和針孔的圖象傳感器檢測被樹脂部分的外表面反射到一個(gè)特定方向的光束及被樹脂部分和玻璃部分之間界面而反射到與該特定方向平行的方向上的光束。測量出表面反射光束和界面反射光束的間距d
文檔編號(hào)G01B11/06GK1065929SQ9210256
公開日1992年11月4日 申請(qǐng)日期1992年4月11日 優(yōu)先權(quán)日1991年4月11日
發(fā)明者井上享, 小林勇仁, 篠木秀次 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社