專利名稱：通過界外圖形分析的涂層缺陷檢測系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過界外圖形(out-of-pattern)分析的涂層缺陷檢測系統。
目前，光纖的制造及其后的加工繼續成為精深研究和開發的課題，這主要是由于它們在光通信系統的應用面日益增加所致。光纖一般是在一種連續的工藝中制取的，這種工藝涉及到將受熱軟化的玻璃預制件拉制成纖細的玻璃絲束或纖維。此外，較為普遍的作法是將玻璃纖維在制成之后涂上某些類型的聚合材料，一來保護它使它免受各種環境因素的影響，二來也提高纖維的結構強度。
玻璃纖維作為光通信系統的一部分時在運行上所要滿足的要求是相當嚴格的，因此應該精確監視和控制纖維的制造過程。另外，在拉制工序過程中涂敷到光纖的保護性涂層中出現的任何缺陷都會損害光纖的多種工作特性。因此，不僅是在玻纖拉制工序中，在涂層的涂敷工序中也要進行監控。
過去，人們都作了各種嘗試，以監控和檢驗涂層涂敷到光纖上的精密度。諸如直徑、橢圓度和纖維對涂層的同心度之類的參數在拉制工序過程中各都變化得較慢。目前這些參數有時是在涂敷機上進行各種調節加以測定和控制的。通常是利用各種掃描技術的裝置來監控上述變化緩慢的各項參數的。
有人公開過將光束正交照射到經涂敷的光纖上以監控光纖聚合涂層的纖維涂層同心度的特殊方法，有關該同心度監控法的具體細節見RalphE.Freeze，Jr.和DavidH.Smithgall在1981年第60卷第9期第2065-2080頁的《貝爾體系技術雜志》(BellSystemTechnicalJournal)上發表的題為“纖維/涂層同心度的高速測定和控制”的文章，這里特將其包括進來，以供參考。
然而目前用以測定上述經證實變化緩慢的各項參數的個別裝置，不能精確認出在生產線拉制速度下鑒別出持續時間短暫的缺陷的各信號，并精確響應該信號。這些缺陷極其頻繁地逃過了現行采用掃描技術的各種涂層監控器的檢測。在這些通常不能用現行裝置檢測的持續時間短暫的信號中，有些信號表示有因下列因素而引起的缺陷存在含有能改變涂層直徑的粒子，含有夾在里面經常冒出涂層表面的氣泡，或含有在拉制過程中從涂敷模具出來的高粘度粒子。這些缺陷各個都會在以后的加工過程中給光波導制品帶來損失的幾例缺陷。
現行檢測裝置一貫所能精確檢測出的缺陷僅僅是那些偶而變得特別大的缺陷。如果能研制出一種作為生產線上纖維加工的一部分能可靠檢測出短期出現的缺陷的系統，就可以在將光纖放入光纜中運行之前重新處理該缺陷。這樣不僅提高了最終放入通信系統中的光纖質量，而且還節約了生產原料，節省了生產時間。
根據現有技術的上述問題，目前所需要的和看來現有技術尚未提供的是一種能夠精確檢測出可能出現在涂敷到光纖上的涂層中的各種缺陷的可靠系統。此外，我們所追求的這種涂層缺陷檢測系統應該利用不致因檢查而降低經涂敷的光纖的質量的那種非破壞性的檢查方法。再有，我們所追求的這種涂層缺陷檢測系統應該在工作時能可靠檢測出持續時間短暫的各種缺陷，而且適宜裝入普通用以制造光纖的生產線的各加工工序中。
本專利申請旨在提供一種缺陷檢測法，即界外圖形分析技術，而第二個共同轉讓出去的專利申請即美國專利申請07/826350公開的則是另一種缺陷檢測法，即界內圖形(in-pattern)分析技術。
本發明的界外圖形涂層缺陷檢測系統解決了現有技術的上述問題。
該系統具有下列裝置照射裝置，用以用光照射被涂覆纖維，從而產生預期的前向散射圖形，該圖形表示光照射入質量合格的涂層時的前向光程和強度;
監視裝置，用以監視預期的前向散射圖形附近的光強度級，光強度級增加則表示涂層內有缺陷存在;
所述照射裝置還包括分束裝置，此分束裝置用以從激光源發射出的單個光束產生至少兩個基本上等效的光束;
所述監視裝置包括至少兩個光電二極管，緊挨預期的前向散射圖形配置;
所述系統用至少兩個正交排列的光束照射被涂覆纖維;以及所述照射被涂覆纖維的光束寬度比被涂覆纖維的外徑大。
本發明檢測涂層內缺陷的方法，它包括下列步驟用光照射被涂覆纖維，從而產生預期的表示光射入質量合格的涂層時的前向光程和強度的前向散射圖形;和監視緊挨該預期的前向散射圖形處的光強度級，光強度級增加則表示涂層內有缺陷存在，并用至少兩個正交配置的光束照射所述被涂覆纖維;
照射所述被涂覆纖維的光束，其寬度大于所述被涂覆纖維的直徑;
用至少兩個緊挨著所述預期的前向散射圖形配置的光電二極管監視所述前向散射圖形的光強度級;以及光強度級監視的響應的時間短得足以使持續時間較短的缺陷可以作為生產線加工流程的一部分精確檢測出來。
圖1是本發明界外圖形涂層缺陷檢測系統一個實施例的光-機械設計的頂視圖。
圖2是本發明界外圖形涂層缺陷檢測系統另一個實施例的光-機械設計的頂視圖。
圖3是通過被涂覆光纖橫截面的折射光的光束射線行程圖。
圖4是用以執行本發明操作的整個線路的方框圖。
圖5是本發明中使用的輸入放大器和補償電路的電氣原理圖。
圖6是本發明中使用的檢測有無光纖的線路電氣原理圖。
圖1和圖2示出了本發明界外圖形連續檢測涂層缺陷的系統10的光學和機械設計的兩個特殊實施例。一般說來，檢測系統10包括用以將至少一束光束射入被涂覆光纖中的正交照射系統。更具體地說，本發明利用界外圖形的觀察技術檢測受照射的被涂覆光纖的特定部分內的涂層缺陷。應用本發明最理想是檢查涂敷到玻璃光纖上的涂層情況，應該指出的是，用本發明也可以檢查其它非玻璃纖維材料的涂層。
這里所使用的界外圖形檢驗一詞是指將某種類型的光檢測裝置精確安置在光射入妥善被涂覆的光纖時所產生的前向散射圖形旁邊的技術。為鑒別出涂層的各種缺陷就要界外圖形技術不斷地監測所預期的前向散射圖形緊挨外邊所收到的光線光強是否有所增加。若光強有所增加則表明有缺陷存在，該缺陷使射入被涂覆光纖的一部分光被散射出正常的前向散射圖形外，而進入光檢測器所監視的部位。
本說明書公開了兩種實施本發明界外圖形涂層缺陷檢測方法的特殊光學-機械設計或實施例。第一個實施例采用單個激光器的形式，這與上述未決的共同轉讓出去的專利申請中的較相似，只是各光檢測器的實際配置位置不同而已。圖1示出了該第一實施例，下面應進行論述。第二實施例采用多重激光器的形式，如圖2所示，在本說明書中稍后即將詳細介紹。
從圖1中可以看到，本發明的一個實施例包括氦氖激光器12，該激光器發射出的光束14由反射鏡16反射入光束擴展器18中。本最佳實施例中采用了6倍光束擴展器。接著，光束14由分束器20(最好是50/50立方體式)加以分離，并使其沿兩個獨立的光程22和24照射。
采用三個可調節的反射鏡26、28和30使沿光程22和24行進經分離的光束正交照射到具涂層31的光纖32上。此外，光纖通路口38是底板34上開的一個切口，光纖32沿光纖加工路線前進時即在垂直于底板34的方向上通過光纖通路口38的。光纖通路口38在底板34內形成兩個向內的拐角40和42，如圖1中所示。
為將各光檢測器正確安置在所期望的前向散射圖形的緊挨外側，將一系列光檢測器44、45、46和47分別固定在底板34的各內向拐角40和42內。在本最佳實施例中，具體的光檢測采用了Centronics公司出品的BPX65光電二極管，這種二極管的高頻響應特性和靈敏度都好，而且價線錢較便宜。這些特殊的光電二極管的有效面積為1平方毫米，通常裝在TO-18型二管腳支座上。接通激光器的電源，且被涂覆光纖32就位時，緊緊毗鄰各光檢測器44、45、46和47的部位應形成有前向散射光的圖形。但當圖形的位置略有失準時，可調整反射鏡，使圖形處在毗鄰各光檢測器44、45、46和47的有效部位。
本發明這個實施例的光束擴展器可以分開裝配。兩個焦距分別為6.35毫米和40.0毫米的平柱面透鏡用硅橡膠型粘結劑裝設到擴展器系統的軌道上。這些透鏡應裝設得使其平面側彼此面對著，開始時使其彼此間隔46.35毫米。這個特定的間隔幅度使光束在一個方向上接近再準直狀態，同時擴展了6.3倍。光束擴展器18這種較理想的配置方式使擴展器組件在安裝好之后可略為調整其間的間距，從而使光束準直。光束擴展18安置在第一反射鏡16和分束立方體20之間的底板34上。
目前，剛詳述的上述特定實施例系安置在拉制臺底座上，該處的光纖通道呈水平，且平行于底板34。在上述實施例實際布局的情況下，光纖32在具三個側面的光纖通孔38中通過檢測系統10的整個厚度，在那里受到正交激光束22和24的照射。遺憾的是，檢測系統10的這種配置方式使該光學部件頭部在長度方向上從拉制臺底座豎起，進入操作人員的加工操作區，從而使光的對準操作易受到偶然沖擊的影響。
本說明書中還公開了本發明缺陷檢測系統的另一個實施例，如圖2中所示。該另一個公開的實施例，其檢測系統10比上述實施例的小，因而不象上述實施例那樣，實際上可以沿光纖的加工路線安置在不同的位置。
圖2示出了本發明缺陷檢測系統第二個實施例的光學-機械設計。這種特殊配置方式采用了兩個獨立的固態激光器50和52，分別用以產生光束54和56。本最佳實施例中采用了06DBL102/P型MellesGriot公司出品的激光器。各激光器50和52在670納米波長下的功率輸出約為3毫瓦。在各光束54和56中分別設置了兩個平凸柱面透鏡58和60，供水平擴展有關的光束并將其再準直成6毫米寬度之用。各光束54和56中分別設有兩個反射鏡，這四個反射鏡62、64、66和68用以將光束54和56照射到光纖32上。具體地說，光束54經反射鏡62和68照射到光纖32上，反射鏡64和66則用以將光束56引到光纖32上。這些反射鏡在機械上的這種配置方式促使各光束處在照射光纖的位置時基本上與光纖正交且彼此正交。
上面說過，這里所介紹的光學檢測技術是在監控因缺陷而引起的界外圖形散射的基礎上進行的。本第二實施例系統較理想的布局中可以采用五個光電二極管檢測器。上面在介紹上一個實施例時說過，特別值得推薦的光電二極管為BPX65型光電二極管，這是Centronics公司的產品，高頻響應特性和靈敏度都好，價錢較便宜。
四個光電二極管，即圖2的元件44、45、46和47，用以檢測涂層缺陷引起的界外圖形。鑒于這里兩個實施例中采用的光電二極管完全相同，因此在討論該兩個實施例的過程中用同樣的編號來表示各光電二極管。尤其是光電二極管44和45，它們精確排列得緊靠光束54預期的前向散射圖形，光電二極管46和47則排列得使其處在光束56預期的前向散射圖形旁邊。第五個光電二極管78用以檢測是否有受激光照射的被涂覆光纖，具體作法是從各軸線監控光通過柱形涂層31散射時的圖形，如圖3所示。
圖4和圖5示出了用以實施涂層缺陷檢測系統的兩個實施例電子線路。圖4繪出了用以使本發明的缺陷檢測系統工作的總線路，圖5則詳細示出了各光軸在圖4總線路中的輸入放大器電路的細節。
如早先談過和圖4中所示的那樣，本發明的各實施例有四個缺陷檢測用的光電二極管，這些光電二極管一對對地安置在各自的散射軸線上。各光軸線上配備有在電子線路上等效的輸入放大級80(詳細的線路見圖5)。各輸入放大級80的輸出82經比較器84加以處理。比較器84的輸入為輸出信號82和參考電壓86。此外，比較器84為其所效勞的特定光軸線產生缺陷信號信道88。
如圖4中所示，參考電壓是在校準過程中調節的，且確定了系統的靈敏度。如上所述，參考電壓86和信號電壓82以差分的方式輸進差分電壓比較器84中。比較器84的輸出88輸進單穩多諧振蕩器96中，由該振蕩器將觸發脈沖時間延長得足以使控制計算機98獲取數據。此經延長的輸出100也使顯示光電二極管LED102亮，通知操作人員。所產生的各個光軸線即用上述和圖4所示的電子等效電路加以處理。
參看圖5的電子原理電路圖可以更容易理解下面就輸入放大器80、復合單軸線缺陷信號通道和一個軸線的輸出級所作的說明。如圖5中所示，光電二極管44的陽極接運算放大器104的倒相輸入端。經電阻器106的電阻性反饋使放大器104成為互阻放大器或電流/電壓變換器。完全相同的電氣結構是采用二極管45運算放大器108和經電阻器110的電阻性反饋，由此形成互阻放大器或電流/電壓變換器。
輸入運算放大器104和108的兩個電壓輸出112和114在放大器116的倒相輸入端上加起來。反饋回路中的電容器118改變了此電路的作用，使其成為低通濾波器，由電阻器120保持其增益為1。該電路的輸出電壓122用以消除任何靜態電壓電平，使其不致進入缺陷信號通道中。
在放大器124的倒相輸入端，運算放大器104和108的電壓輸出112和114連同放大器116經濾波的倒相信號一起加起來。輸入電阻器126、128和130以及反饋電阻器132起調定放大器124增益的作用，將該放大器的增益調到27分貝。放大器124反饋回路中的小電容器134起提高電路穩定性的作用。加起來輸入放大器124的各直接耦合信號從放大器124產生一個與微分電路類似的輸出，即對輸入電壓變化(逐漸下降)有較高增益，對穩定電平有低的增益。因此，放大器124的輸出信號136會是接近地(0電壓)電平擺動的趨正或趨負的信號。
放大器124的輸出信號136進一步由一個全波整流器(圖中未示出)加以處理，該整流器的輸出是個單極信號，其幅值直接與光電二極管上的光強變化有關，因而與涂層缺陷的嚴重程度有關。這種比例關系使整流器的輸出在圖4的比較器84與既定的單級參考電壓加以比較。
有光纖出現時發光的光電二極管78采用一個獨立的單獨信號通道。圖6具體示出了有光纖的檢測電路。光纖出現電路的作用是檢測被涂覆光纖32何時出現在觀察區和確定光纖31是否受到足夠的激光束能量的入射。光電二極管138陽極上的信號輸入到形成互阻的運算放大器140中。此電路的增益低于原先所述的各輸入端，這是因為光電二極管138處在正常的散射光圖形所致。二極管138的位置也使散射光因參數變化更不用說因涂層缺陷而易于波動。因此，運算放大器140的輸出在下一個放大級中由運算放大器142及其有關的電氣元件加以深度波濾，如圖6中所示。該電路的響應時間為10-12秒。經濾波的輸出146在差分電壓比較器148與固定的參考電壓電平相比較。比較器148的輸出用以點亮圖4的LED102，通知操作人員知道，且作為數據傳送到也在圖4中所示的計算機98。
上述說明詳述了本發明最佳實施例在光學、機械和電氣上的結構。現在論述一下本發明涂層缺陷檢測系統的特定操作過程。上面談過，光通信系統中使用的玻璃光纖是用拉制工藝制造的。在玻纖的拉制過程中，按照慣例總要給玻纖涂上涂層以進一步提高光纖的強度或保護光纖使其免受各種會妨礙光纖運行的環境因素的影響。
一般說來，拉制過程包括一系列順次在生產線上進行的工序。本發明提供的檢測系統可以裝在生產線上來檢測涂層的缺陷從而避免將具有未知的涂層缺陷的光纖裝入通信光纜中。這種即時檢測系統裝設在涂層涂敷之后光纖卷取之前的位置。光纖32通過檢測系統時，上述第一實施例的光束22和24或上述另一個實施例的光束54和56照射被涂覆光纖32橫貫其整個外徑的部分。光通過涂層31和/或光纖32時各光源對面就產生一般如圖3中所示的前向散射圖形。
一系列光電二極管44、45、46和47配置在緊挨著光通過正確被涂覆的光纖32時預期可以產生的前向散射圖形的位置。然而，涂層中有各種缺陷時，這些缺陷就會使一部分光散射到預期的前向散射圖形的外面。本發明不斷地監視著毗鄰預期的前向散射圖形的部位處的光強度級。受監視部位內的光強增加時，就發出指示，從而使監控計算機98或LED顯示器102能確定涂層內有缺陷存在。
上面說過，本發明所使用的界外圖形的檢測技術，其關鍵在于用緊挨預期的前向散射圖形配置的光電二極管判明光強的增加從而指示出缺陷的存在。這里應該特別指出的是，雖然這里公開了本發明的具體線路，但那些對用以測定前向散射圖形旁邊的光強以檢測涂層缺陷的特定電子監控線路所作的小量修改，無論其所采用的真正電子元件或結構如何，都應視為屬于本發明的范圍內。
權利要求
1.一種涂層內的缺陷檢測系統，其特征在于它具有下列裝置照射裝置，用以用光照射被涂覆纖維，從而產生預期的前向散射圖形，該圖形表示光照射入質量合格的涂層時的前向光程和強度；和監視裝置，用以監視預期的前向散射圖形附近的光強度級，光強度級增加則表示涂層內有缺陷存在。
2.如權利要求1所述的缺陷檢測系統，其特征在于，所述照射裝置還包括分束裝置，此分束裝置用以從激光源發射出的單個光束產生至少兩個基本上等效的光束。
3.如權利要求1所述的缺陷檢測系統，其特征在于，所述監視裝置包括至少兩個光電二極管，緊挨預期的前向散射圖形配置。
4.如權利要求1所述的缺陷檢測系統，其特征在于，用至少兩個正交排列的光束照射被涂覆纖維。
5.如權利要求1所述的缺陷檢測系統，其特征在于，照射被涂覆纖維的光束寬度比被涂覆纖維的外徑大。
6.檢測涂層內缺陷的一種方法，其特征在于，它包括下列步驟用光照射被涂覆纖維，從而產生預期的表示光射入質量合格的涂層時的前向光程和強度的前向散射圖形;和監視緊挨該預期的前向散射圖形處的光強度級，光強度級增加則表示涂層內有缺陷存在。
7.如權利要求6所述的缺陷檢測法，其特征在于，用至少兩個正交配置的光束照射所述被涂覆纖維。
8.如權利要求6所述的缺陷檢測法，其特征在于，照射所述被涂覆纖維的光束，其寬度大于所述被涂覆纖維的直徑。
9.如權利要求6所述的缺陷檢測法，其特征在于，用至少兩個緊挨著所述預期的前向散射圖形配置的光電二極管監視所述前向散射圖形的光強度級。
10.如權利要求6所述的缺陷檢測法，其特征在于，光強度級監視的響應時間短得足以使持續時間較短的缺陷可以作為生產線加工流程的一部分精確檢測出來。
全文摘要
本發明的缺陷檢測系統(10)將一個或多個正交配置的光束(54和56)照射到被涂覆光纖(32)上，從而使光通過光纖及其涂層(31)的整個寬度。光通過光纖和質量良好的涂層時，照射入被涂覆光纖中的光束的前向散射部分產生一特定的、光強度級可預測的圖形。涂層中的各種缺陷會使光通過被涂覆光纖的光程改變，從而使某些膠向散射光在正常預期的圖形外的光強增加。本發明精確可靠地檢測出在光纖的涂層中象空氣泡之類短暫出現的缺陷。
文檔編號G01N21/952GK1076028SQ9310180
公開日1993年9月8日 申請日期1993年2月12日 優先權日1992年2月13日
發明者R·E·弗拉齊, C·R·拉夫雷斯, D·H·史密思加爾 申請人:美國電話電報公司