專利名稱：用于檢測光纖中的缺陷的設備和方法以及塑料光纖制造設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于檢測光纖中的缺陷的設備和方法以及能夠在制造過程中檢測光纖中的缺陷的塑料光纖制造設備。
背景技術：
與具有相同結構的玻璃光學部件相比，塑料光學部件具有設計容易以及制造成本低的優點，因此近來已經將塑料光學部件用作光纖、光學透鏡元件、光波導等。特別是，完全由塑料構成的塑料光纖(稱作“POF”)適于以低成本制造大直徑的光纖，因為POF與玻璃光纖相比具有良好的柔韌性、重量輕和高的機械加工性的優勢。因此，計劃將塑料光纖用作適于傳輸損耗小的短距離輸送的光學傳輸介質。
POF包括芯體部件和包層部件，該芯體部件具有作為主要成分的有機化合物，其中聚合物形成基體，該包層部件由具有不同于芯體部件的折射率的有機材料構成。其中芯體部件的折射率從中心到芯體部件的表面逐漸降低的漸變折射率(GI)型POF具有高傳輸帶寬和高傳輸容量。已經披露了GI型POF的各種制造方法(例如，日本未審專利公開(JP-A)No.2002-220261和美國專利No.5,541,247(日本專利No.3332922的對應專利))。例如，通過利用表面凝膠聚合形成光纖基體(以下稱作“預制坯”)并隨后熔融-拉拔該預制坯來制造GI型POF。
當在制造過程中預制坯含有微氣泡或顯微氣泡時，上述氣泡變成作為在熔融-拉拔過程之后沿光纖束的縱向延伸的內部缺陷的空腔。上述空腔會引起光纖的傳輸特性和物理強度的降低。
在玻璃光纖的制造中，JP-A-2000-281379披露了一種配設有延伸機以便在制造過程中檢測出光纖內的氣泡(內部缺陷)的缺陷檢測設備。該缺陷檢測設備具有光發射部件和用以檢測光纖中的氣泡的光檢測部件。當來自光發射部件的檢測光被光纖中的氣泡散射時，光檢測部件所檢測到的光量減小。因此，能夠檢測出光纖中的氣泡。同樣，在JP-A2001-235396中，來自光發射部件的激光束被光纖中的氣泡散射，并且用作光檢測部件的圖像傳感器檢測到散射光的光強。根據前向散射的光強分布，能夠檢測出光纖中的氣泡。
如JP-A 2000-281379和JP-A 2001-235396中所述，在利用前向散射檢測缺陷的方法中，由于POF的纖束的直徑與玻璃光纖相比相對較大，因此檢測精度變差。例如，因為檢測精度下降，常規的缺陷檢測設備不能檢測具有10-30μm的直徑的微氣泡。此外，利用前向散射檢測缺陷的方法將在具有大直徑的纖束內產生檢測不到的區域。
本發明的一個目的是提供一種用于以高精度檢測塑料光纖中的內部缺陷的設備和方法。
本發明的另一目的是提供一種能夠檢測制造過程中的缺陷的塑料光纖制造設備。
發明內容
上述目的可通過以下步驟實現，即從與光纖的軸線相交的方向向光纖照射檢測光；獲取由來自與檢測光的光軸相交的方向的檢測光所照射的光纖的圖像，并輸出與光纖的軸線垂直的徑向上的光強分布信號；沿著光纖的軸向連續獲取光強分布信號；以及根據徑向和軸向上的光強分布信號水平檢測內部缺陷。
用于檢測光纖中的內部缺陷的設備包括檢測光照射裝置、成像裝置和缺陷檢測部分。檢測光照射裝置從與光纖的軸線相交的方向向光纖照射檢測光。成像裝置獲取由來自與檢測光的光軸相交的方向的檢測光所照射的光纖的圖像，并輸出與光纖的軸線垂直的徑向上的光強分布信號。缺陷檢測部分沿著光纖的軸向連續獲取光強分布信號，并根據徑向和軸向上的光強分布信號水平檢測內部缺陷。
在一優選實施例中，兩對以上的檢測光照射裝置和成像裝置沿光纖的軸向設置，并且成像裝置以規則間隔圍繞該光纖設置。成像裝置為具有多個成行的成像元件的行傳感器照相機(line sensor camera)，并這樣定位檢測光照射裝置，以使得照射光的光軸相對于光纖的軸線位于行傳感器照相機的相反側。
缺陷檢測部分設定其中徑向上的光強分布信號水平變得大于掃描開始閾值的檢測開始位置，并根據檢測開始像素和光纖的類型設定缺陷檢測范圍。當行傳感器照相機以預定時間重復獲取光纖圖像時設定檢測開始位置。
進而，根據其中光強分布信號水平大于缺陷判斷值的缺陷檢測范圍中的部分的尺寸確定內部缺陷的存在。根據缺陷判斷閾值將徑向和軸向上的光強分布信號轉變成二進制數據。然后，執行斑點處理(blobprocess)，以合并與光強信號大于第二閾值的位置相對應的像素，并在合并區域的尺寸為第一標準尺寸或更大時確定內部缺陷的存在。
當合并區域的尺寸為第一標準尺寸或更大以及第二標準尺寸或更小時，將內部缺陷判斷為微氣泡。并且，當合并區域的尺寸為第二標準尺寸時，將內部缺陷判斷為拉拔過程中的氣泡。
該設備可配設有標記裝置，以缺陷位置處在光纖上設置標記。將被檢查的光纖的直徑為250μm或更大。該光纖為通過熔融-拉拔預制坯形成的塑料光纖束。
一光纖制造設備優選具有上述缺陷檢測設備，以便在光纖制造過程中檢測光纖中的內部缺陷。
根據本發明，與利用前向散射檢測缺陷的方法相比，能夠提高缺陷檢測的精確度。此外，由于光纖周圍的兩對以上的成像裝置能夠覆蓋將被檢查的光纖的整個面積，因此可以避免具有大直徑的光纖束中的檢測不到的區域。
圖1為其中從預制坯拉拔出塑料光纖(POF)束并將其纏繞在卷繞機上的生產線的示意圖；圖2A為POF束中的氣泡(缺陷)的側視圖；圖2B為沿圖2A中的B-B線剖開的橫截面圖；圖3A為行傳感器照相機的配置的說明示意圖；圖3B、3C、3D和3E為行傳感器照相機的掃描區域的說明示意圖；圖4為行傳感器照相機、光發射裝置和POF束的配置的說明示意圖；圖5為處理單元所執行的缺陷檢測過程的流程圖；圖6為示出了與行傳感器照相機的像素位置相關的光強數據的圖表，其中給出了缺陷閾值水平和掃描開始閾值水平；以及圖7A和7B為斑點產生過程之后檢測到的斑點的說明示意圖。
具體實施例方式
在圖1中，生產線12用于纏繞從預制坯(preform)10拉拔出的POF束11。在公知的拉絲機13中，預制坯10被加熱，并由拉拔輥對14拉拔熔融的預制坯10。拉拔過程后的POF束被輸送至本發明的缺陷檢測設備20，在該設備中檢測POF束11中的缺陷16(參見圖2A)。例如，該POF束11中的缺陷16為氣泡。在POF束11通過缺陷檢測設備20之后，POF束11被纏繞在卷繞機17中的輥的周圍。
在拉絲機13中，與拉拔輥對14相連的編碼器15輸出指示由拉拔輥對14所實施的POF束11的進給長度的測量信號。該測量信號被輸送至缺陷檢測設備20和卷繞機17，以校正缺陷檢測設備20和卷繞機17中的進給長度。
缺陷檢測設備20包括向著缺陷檢測單元3引導POF束11的第一至第八導輪21-28。第一導輪21和第八導輪28分別由支撐臂18、19支撐。第一導輪21將POF束11從拉絲機13引導至缺陷檢測設備20。第八導輪28將POF束11從缺陷檢測設備20引導至卷繞機17。
缺陷檢測單元30設置在第三導輪23和第四導輪24之間。缺陷檢測單元30具有第一至第三光發射裝置31-33以及沿POF束11的進給方向以規則間距設置的第一至第三行傳感器照相機35-37。光發射裝置31-33是相同的，并圍繞POF束11以120度的間隔(圍繞POF束11呈120度旋轉對稱)設置。行傳感器照相機35-37是相同的，并圍繞POF束11以120度的間隔設置(參見圖3A)。
光發射裝置31-33和行傳感器照相機35-37的上述配置的原因如下。當照相機攝取到透明柱(例如POF束11)的側面時，因為空氣/樹脂界面處的折射率，照相機僅可獲取透明柱的橫截面中的陰影線區域H1的圖像。如圖3B、3C和3D所示，陰影線區域H1在照相機的側面大約延伸105°并在相反側面延伸大約35°，因此每個行傳感器照相機35-37不能獲取POF束11的橫截面內的非陰影線區域H2的圖像。
在該優選實施例中，將行傳感器照相機35-37設置為形成圍繞POF束11的120度旋轉對稱形式，第一、第二和第三行傳感器照相機35-37可以分別攝取圖3B、3C和3D中所示的陰影線區域H1。因此，通過結合圖3B、3C和3D的這些陰影線區域H1，能夠掃描POF束11的整個橫截面，如圖3E所示。
為了檢查POF束11橫截面的整個區域，必須從至少三個方向掃描POF束11，但也可增加掃描POF束11的方向。從三個或四個方向掃描POF束11是優選的，且更優選地從三個方向進行掃描。由于以下原因，增加檢查單元(光發射裝置和行傳感器照相機)的數量是不優選的。一個原因是，由于必須沿著POF束11的進給路徑以一定間隔設置檢查單元以防止一個檢查單元的照射光干擾其他檢查單元操作，從而使得缺陷檢測設備20變得太大。另一個原因是，因為檢查單元的掃描范圍交疊，因此同步化檢查單元的操作便變得太復雜。
在圖4中，示出了第一光發射裝置31和第一行傳感器照相機35的配置的一個實例。第二和第三光發射裝置32和33以及第二和第三行傳感器照相機36和37以相同的方式設置，故在該實施例中僅描述第一光發射裝置31和第一行傳感器照相機35的特征。行傳感器照相機35的光軸35a穿過POF束11的中心線CL1，并獲取POF束11的圖像，以獲得POF束11的徑向上的光強分布。例如由DALSA Co.，Ltd.制造的行傳感器照相機35具有成行(成一直線)設置的大約96個成像元件。由行傳感器照相機35獲得的圖像信號被模/數(A/D)轉換電路數字地轉換，并隨后作為行圖像(行式映象)的圖像數據被傳送至控制器40中的第一處理單元41(參見圖1)。用于控制缺陷檢測設備20的操作的控制器40包括第一至第三處理單元41-43、測量單元45、存儲器寫入器46和存儲器47。
在圖4中，第一光發射裝置31包括一對發光二極管31a和31b。POF束11位于發光二極管31a、31b之間。發光二極管31a、31b從兩側照射POF束11。發光二極管的數量并不局限于兩個，而是可以只設置一個發光二極管或設置多于兩個的發光二極管。取代發光二極管，可以設置可選光源，例如激光器和鹵素燈。另外，光發射裝置31可以具有光發射元件(例如發光二極管)和光檢測元件(例如光電晶體管)。在此情況下，驅動器根據光檢測元件的信號控制發光元件的光量。
第一光發射裝置31的照射光軸31c從POF束11的中心CL1向著與行傳感器照相機35相反的側面移動(偏移)長度L1。可根據照射光束的直徑和第一光發射裝置31的光量改變長度L1的值。在POF束的直徑為316μm以及照射光束的直徑為5mm的本實施例中，移位長度L1為2.5-3.0μm。通過在行傳感器照相機35的相反側設置發光二極管，來自發光二極管31a、31b的照射光不會向著行傳感器照相機35反射，并進而能夠防止缺陷檢測設備20的不正確行為。照射光的方向可以不垂直于行傳感器照相機35的成像光軸。照射光的方向可相對于成像光軸傾斜大約±10°，盡管該斜度取決于照射光的擴散或漫射。POF束11的直徑優選為250μm或更大。
參照圖1，編碼器38設有第六導輪26。編碼器38向控制器40的測量單元45輸出指示POF束11的進給長度的測量信號。測量單元45計算指示從第六滑輪26到POF束11的前端的長度的長度數據(測量數據)。在計算長度數據的過程中，測量單元45參考拉絲機13中的編碼器15的信號，以修正長度數據。計算出的長度數據與隨后說明的第一和第二處理單元41-43的缺陷信號相關聯，以確定POF束11中的缺陷的位置。例如，每次進給5μm的POF束11，編碼器38便生成測量信號。
每個圖像處理單元41-43根據編碼器38的測量信號以規則(或固定)的時間間隔從相應的行傳感器照相機35-37輸入圖像數據，因此圖像處理單元41-43獲得與POF束11的進給長度相關的連續圖像數據，進而可獲得軸向和徑向上的POF束11的圖像數據。為了檢測指示出缺陷16的散射光(白色圖像)，第一處理單元41對每100行的行傳感器照相機的圖像數據進行圖像處理。
圖5示出了第一處理單元41的圖像處理序列的一個實例。圖6中的圖表示出了行傳感器照相機35獲得的一行圖像數據的一個實例。在圖6中，橫軸表示行傳感器照相機35的像素位置，豎軸表示綜合(或合成)光強數據的值。在獲得圖像數據之后，第一處理單元41將獲得的圖像數據分為100行的圖像數據。隨后，第一處理單元41取回100行中的第一行的圖像數據，并在本實施例中從最左邊像素到最右邊像素(沿著POF束11的徑向)將線性圖像數據的每個像素中的光強數據與掃描開始閾值S1進行比較。當光強數據的值變得大于掃描開始閾值S1時，第一處理單元41將上述像素設定為開始位置ST1。由于上述像素獲取光源的圖像，因此可以根據被攝取的圖像中的光源連續照射的表面確定(或指定)開始位置ST1。
接著，從開始位置ST1開始，第一處理單元41基于按照POF束11的尺寸預定的檢測開始位置值C1和檢測范圍值C2確定檢測范圍E1。因此，當設定了開始位置ST1時，也自動地設定了檢測范圍E1。
在檢測范圍E1內，第一處理單元41利用缺陷閾值水平S2將100行的光強數據轉換成二進制圖像數據。換句話說，當像素的光強數據的值大于缺陷閾值S2時，這種像素被定義為白色像素WP(參見圖7A)。另一方面，當光強數據的值等于或小于缺陷閾值S2時，上述像素被定義黑色像素BP。第一處理單元41為每100行設定開始位置ST1、檢測范圍E1和白色像素WP。因而，相鄰100行的二進制圖像數據彼此相連，以便獲得檢測范圍E1中的二進制圖像數據。即使POF束11為波浪狀的，因為可由特定長度的圖像數據(在本實施例中為100行)獲得二進制圖像數據，故可以校正波動效果。
在獲得二進制圖像數據之后，執行所謂的斑點處理或過程(blobprocess)。在斑點處理中，第一處理單元41確定是否白色像素WP在四個方向(左、右、上和下)中的至少一個方向上彼此相連，并合并相鄰的白色像素WP。圖7A和7B示出了斑點處理結果的實例。在圖7A中，檢測到兩個斑點B1和B2。在7B中，檢測到單個斑點B3。
除了掃描開始閾值水平S1、檢測開始位置值C1、檢測范圍值C2的信息外，第一處理單元41的內存儲器根據POF束11的直徑存儲最小斑點值和缺陷類型判斷值的信息。最小斑點值待確定缺陷的最小尺寸(像素)。在判斷缺陷是否為微氣泡或拉拔過程中的氣泡的過程中利用該缺陷類型判斷值。第一處理單元41從內存儲器取回這些值，獲得開始位置ST1的信息以及檢測范圍E1，并判斷缺陷類型。
在判斷缺陷類型的過程中，第一處理單元41將計算的斑點的尺寸與最小的斑點值相比較，并在斑點區域等于或大于最小斑點值時將該斑點判斷為缺陷。進而，將缺陷的尺寸與缺陷類型判斷值相比較。當缺陷的尺寸等于或小于缺陷類型判斷值時，第一處理單元41將該缺陷判斷為微氣泡。當缺陷的尺寸大于缺陷類型判斷值時，第一處理單元41將該缺陷判斷為拉拔過程中的氣泡。根據由測量單元45獲得的POF束11的進給長度信息確定檢測到的缺陷的位置。包括缺陷類型和位置數據的缺陷信息被存儲器寫入器46存儲在存儲器47中。
在上述說明中，描述了第一處理單元41的操作。第二和第三處理單元42、43可按照上述相同的方式獲得缺陷信息。缺陷信息與識別POF數據一起被存儲在存儲器47中，并用于確定缺陷類型和位置以及去除POF卷繞過程和POF包覆過程中的缺陷。進而，在去除缺陷之后，POF產品被制造。通過在線或諸如存儲卡的記錄介質將缺陷信息發送至卷繞機和包覆設備。
在上述實施例中，根據二進制圖像數據確定缺陷，但也可以利用其他類型的圖像處理檢測缺陷。例如，行傳感器照相機的像素數據(密度數據)可以被微分或求導，以找出密度數據中的異常變化。也可根據密度直方圖中的變化利用灰度等級來檢測缺陷。
根據缺陷位置數據，可以利用標記裝置50(參見圖1)、例如噴墨打印機在POF束11上設置標記，以指示缺陷的位置。在標記缺陷位置的過程中，可根據缺陷類型改變標記的顏色。
盡管根據上述實施例的缺陷信息去除了POF束11中的缺陷部分，但可以累積缺陷信息，以找出是否氣泡聚集在POF束中的某一部分內，并可利用缺陷信息查找預制坯生產過程和拉拔過程中產生氣泡的原因。在此情況下，在預制坯生產過程和拉拔過程中在預制坯中設置附著位置標記，并將附著位置標記設置在每個過程的預定位置處。
在上述實施例中，POF束11中的氣泡被檢測為缺陷，但本發明也適用于檢測其他類型的光纖(諸如玻璃光纖)中諸如氣泡和雜質的缺陷。盡管在以上實施例中行傳感器照相機35-37獲取了線性圖像，但可使用區域圖像傳感照相機，以獲取POF束的軸向上的特定區域的圖像。
工業實用性本發明適用于檢測諸如塑料光纖(POF)和玻璃光纖中的缺陷。
權利要求
1.一種用于檢測光纖中的內部缺陷的設備，該設備包括檢測光照射裝置，用于從與該光纖的軸線相交的方向向該光纖照射檢測光；成像裝置，其獲取由來自與該檢測光的光軸相交的方向的檢測光所照射的光纖的圖像，并輸出與該光纖的軸線垂直的徑向上的光強分布信號；以及缺陷檢測部分，其沿該光纖的軸向連續獲得該光強分布信號，并根據該徑向和該軸向上的光強分布信號的水平檢測內部缺陷。
2.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，兩對以上的檢測光照射裝置和成像裝置沿該光纖的軸向設置，并且該成像裝置以規則間隔圍繞該光纖設置。
3.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，該成像裝置為具有多個成行的成像元件的行傳感器照相機，并這樣定位該檢測光照射裝置，以使得照射光的光軸相對于該光纖的軸線位于該行傳感器照相機的相反側。
4.根據權利要求3所述的設備，其特征在于，該缺陷檢測部分設定其中該徑向上的光強分布信號水平變得大于掃描開始閾值的檢測開始位置，并根據檢測開始像素和光纖類型設定缺陷檢測范圍。
5.根據權利要求4所述的設備，其特征在于，當該行傳感器照相機以預定時間重復獲取該光纖的圖像時該缺陷檢測部分設定該檢測開始位置。
6.根據權利要求4所述的設備，其特征在于，該缺陷檢測部分根據其中光強分布信號水平大于缺陷判斷值的缺陷檢測范圍中的部分的尺寸確定內部缺陷的存在。
7.根據權利要求6所述的設備，其特征在于，該缺陷檢測部分根據該缺陷判斷閾值將該徑向和該軸向上的光強分布信號轉變成二進制數據，并執行斑點處理，以合并與其中光強信號大于第二閾值的位置相對應的像素，并在合并區域的尺寸為第一標準尺寸或更大時確定內部缺陷的存在。
8.根據權利要求7所述的設備，其特征在于，該缺陷檢測部分在該合并區域的尺寸為第一標準尺寸或更大和第二標準尺寸或更小時將該內部缺陷判斷為微氣泡，并在該合并區域的尺寸為第二標準尺寸時將該內部缺陷判斷為拉拔過程中的氣泡。
9.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，進一步包括用于在缺陷位置處在該光纖上設置標記的標記裝置。
10.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，該光纖具有250μm或更大的直徑。
11.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，該光纖為通過熔融-拉拔預制坯形成的塑料光纖束。
12.一種具有根據權利要求1所述的缺陷檢測設備的光纖制造設備，該光纖制造設備在光纖的制造過程中檢測該光纖中的內部缺陷。
13.一種用于檢測光纖中的內部缺陷的方法，該方法包括以下步驟(a)從與該光纖的軸線相交的方向向該光纖照射檢測光；(b)獲取由來自與檢測光的光軸相交的方向的檢測光所照射的光纖的圖像，并輸出與該光纖的軸線垂直的徑向上的光強分布信號；(c)沿該光纖的軸向連續獲取該光強分布信號；以及(d)根據該徑向和該軸向上的光強分布信號水平檢測內部缺陷。
14.根據權利要求13所述的方法，其特征在于，沿該軸向設置兩對以上的用于照射檢測光的檢測光照射裝置以及用于獲取該光纖的圖像的成像裝置，并且該成像裝置以規則間隔圍繞該光纖設置。
全文摘要
在塑料光纖(POF)束(11)由導輪(21－28)向著卷繞機(17)引導的同時，缺陷檢測設備(20)檢測POF束(11)中的內部缺陷。缺陷檢測設備(20)包括三個光照射裝置(31－33)、行傳感器照相機(35－37)和處理單元(41－43)。光照射裝置(31－33)照射POF束(11)，并且行傳感器照相機(35－37)獲取POF束(11)的圖像并將圖像數據傳送至處理單元(41－43)。處理單元(41－43)設定檢測范圍，并根據圖像密度確定所獲得的圖像中的缺陷像素。隨后執行斑點處理，以合并相鄰的缺陷像素，并確定內部缺陷的存在以及根據合并的缺陷區域的尺寸確定缺陷類型。
文檔編號G01M11/00GK1938580SQ20058000989
公開日2007年3月28日 申請日期2005年3月29日 優先權日2004年3月30日
發明者青島伸介, 檜垣真二, 柴野喜昭 申請人:富士膠片株式會社