專利名稱：光纖及其制造方法與該法所用測量設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在一種包括一個(gè)芯和至少一層透明包層的物體上進(jìn)行測量的設(shè)備，所述設(shè)備包括接納部分待測物體的測量空間，至少一組供輻照物體用的光束的輻射源單元和一個(gè)用于檢測來自測量空間射線的輻射敏感檢測系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及制造光纖的一種方法以及用該種方法制造的一種光纖。
在制造遠(yuǎn)程通訊光纖時(shí)對一種包括多層透明物體進(jìn)行測量的設(shè)備是特別重要的。這樣一種光纖包括一個(gè)纖芯和一層例如被一種保護(hù)合成材料涂層所包圍的玻璃包層，該保護(hù)合成材料涂層往往由兩層構(gòu)成，選用相對較軟的材料作為內(nèi)層。纖芯的直徑和可能由相互具有不同折射率的若干層組成的包層厚度共同確定著光纖的光傳輸性能。在纖芯直徑和各層厚度中的起伏對光纖的光學(xué)質(zhì)量方面具有一種不利影響。特別對于纖芯直徑在接近于8μm和10μm之間的所謂單模光纖，其尺寸上僅僅稍微地偏離預(yù)定值都是至關(guān)重要的。
光纖要經(jīng)受的機(jī)械性負(fù)載也影響著光纖的光學(xué)性能。機(jī)械性負(fù)載的來源之一是由于玻璃和合成材料之間熱膨脹系數(shù)的差異。光纖可能會(huì)暴露于相當(dāng)大的溫度差異之中這一事實(shí)必須予以考慮，而且實(shí)際周圍溫度在-60℃至+80℃之間是可能的。涂層的組分以及特別是軟涂層的厚度和E模量直接與包層接觸決定了機(jī)械性負(fù)載對該光纖的光學(xué)性能的影響。因此，一種能夠?yàn)橐跃_的同心方式提供涂層的方法(在涂層厚度很小的情況下也一樣)，對于使光纖獲得一種各向同性的機(jī)械負(fù)載，并由此防止翹曲是十分重要的。
從申請?zhí)枮?，363，827的美國專利中得知如同本文開始所述的一種測量設(shè)備和制作光纖的一種方法，在該方法中該測量設(shè)備用于使光纖獲得同心的涂層。在該已知的設(shè)備中，已涂層的光纖被置于由一激光器發(fā)射出的狹窄光束中。該輻射被折射和/或在光纖中具有不同折射率的層間界面上反射并散布在一個(gè)寬廣角向范圍中。輻射強(qiáng)度的角向分布由光纖中折射率分布結(jié)構(gòu)所決定。
在該已知設(shè)備和已知方法中，用輻射強(qiáng)度的角向分布的對稱性監(jiān)測涂層對纖芯和包層的同心度，以便必要時(shí)重調(diào)該涂覆裝置。然而，倘若各層很薄時(shí)該已知設(shè)備和方法就不相適應(yīng)了。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)對于各層厚度小于大約20μm時(shí)，就不可能或幾乎不能從該散射圖中導(dǎo)出足夠準(zhǔn)確的信息。
雖然還有一些方法是已知的，例如，從申請?zhí)枮?，879，128和4，027，977的美國專利中，有在某種簡單結(jié)構(gòu)的光纖中從輻射強(qiáng)度的角向分布推導(dǎo)出某些光纖參數(shù)的，但迄今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)想要該裝備在光纖制造期間如此迅速和準(zhǔn)確地監(jiān)測這些參數(shù)以致在與預(yù)定值作比較后能夠立即予以重調(diào)是不能的。該可能性由此可提供一個(gè)另外的優(yōu)點(diǎn)，即在部分光纖偏離這些參數(shù)超出許可容差時(shí)能夠予以發(fā)現(xiàn)并接著阻止進(jìn)一步運(yùn)行的意義上，可節(jié)省相當(dāng)?shù)馁M(fèi)用。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種可對由多層組成、而且至少其外層是透明的物體進(jìn)行測量的設(shè)備，借助該設(shè)備能夠迅速的監(jiān)測與物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)的若干參數(shù)的恒定性。
為此，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備其特征在于用于把置于測量空間的投影映射在輻射敏感檢測系統(tǒng)上的物鏡系統(tǒng)安排在該測量空間和該光敏檢測系統(tǒng)之間，所述物鏡系統(tǒng)具有一個(gè)有限的接收范圍。本發(fā)明基于公認(rèn)在兩種具有不同折射率的材料之間的弧形的界面上折射和/或反射一組入射輻射束，它的方向主要與該界面的切線平行，這樣經(jīng)折射的和/或經(jīng)反射的射線以某個(gè)角度離開該物體，該角度除了在折射率方面的差異以外，取決于入射輻射束與所述弧形界面切線間的距離。倘若物鏡系統(tǒng)的接收范圍選定為只接收離物體一給定角向范圍內(nèi)的折射和/或反射的那部分輻射，則實(shí)際上輻射只入射到輻射敏感檢測系統(tǒng)與相應(yīng)角向范圍相符的面積上。從而，一個(gè)直接包含著有關(guān)該物體透明部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的亮暗光帶的圖樣就產(chǎn)生在檢測表面上。
倘若是對物體的一透明外層或幾層進(jìn)行測量，例如，在監(jiān)測外層同心度的情況下，必需只把該外層或幾層通過物體偏轉(zhuǎn)的輻射借助于物鏡系統(tǒng)傳到輻射敏感檢測系統(tǒng)上。因此經(jīng)過該外層的輻射線，一定不要偏轉(zhuǎn)得太強(qiáng)烈。為此，根據(jù)痙⒚韉納璞噶硪惶卣魘牽氨贛杏靡恢滯該韃牧咸盥飭靠占淶淖爸?，该驮擁^牧系惱凵瀆視胨鑫鍰逋該魍獠愕惱凵瀆什煌?，所述测犾譄掄大约等又X鍰逋獠嗝嫻那拾刖凍愿悶矯婧臀錁迪低持淶木嗬?。由又o導(dǎo)噬賢ü貌愕姆湎呤竊諭獠勘咴當(dāng)磺苛移貌闃行牡姆溆捎謖凵瀆什鉅旌芐?，謸Q嶸暈⑵壞?，磦蝤蕼厦栽忦A艏觳庀低成喜桓鮒甘就獠勘咴滴恢酶揮詼員榷鵲目曬┕鄄斕耐佳 根據(jù)本發(fā)明設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例其特征在于該輻射源單元供應(yīng)一束輻射線，后者在物體所處地點(diǎn)有一個(gè)大于待測物體部分的橫斷面。通過一個(gè)寬廣的輻射束可以得到一個(gè)清晰的背景，對照它物件的結(jié)構(gòu)得到襯比。
根據(jù)本發(fā)明的該設(shè)備，其另一特征在于，橫過該物體的輻射束基本上是平行的。平行的輻射束在影象的圖樣上提供最大的對比度和最小的畸變。
根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備更可取的特征在于輻射源裝置和物鏡置于測量空間的兩邊。從而物體在透射中觀察，這提供的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)暗帶與界面和投影的剖面近似重合時(shí)，能夠易于說明所獲得的影象。
根據(jù)本發(fā)明設(shè)備的一個(gè)最佳實(shí)施例，其另外的特征還在于，輻射束的主軸與物鏡系統(tǒng)的光軸相互間構(gòu)成一個(gè)角度。因此，其出射的輻射線近似被偏轉(zhuǎn)所述角度的物體的那些部分在輻射敏感檢測系統(tǒng)上成象為亮帶，而影象的其余部分為暗的。當(dāng)合適地選擇該角度時(shí)，所述亮帶可基本上與具有不同折射率的層間界面相符。為了得到物體的全影象，要用兩束輻射束，應(yīng)當(dāng)將這兩束安排成與物鏡系統(tǒng)的光軸相對稱。由于用自動(dòng)化裝置對一個(gè)暗映象中的亮帶能比對亮影象中的暗帶更易辨認(rèn)，該實(shí)施例使根據(jù)本發(fā)明的原理實(shí)現(xiàn)一種自動(dòng)測量或監(jiān)控裝置更為簡單了。
為了使物中的細(xì)小結(jié)構(gòu)更清晰可見，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備特征可為物鏡系統(tǒng)可在輻射敏感檢測系統(tǒng)上產(chǎn)生一個(gè)所述投影的放大影象。
根據(jù)本發(fā)明設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例，其特征還在于該物鏡系統(tǒng)包括一個(gè)具有第一焦距的第一子系統(tǒng)和一個(gè)具有第二焦距的第二子系統(tǒng)，該第一子系統(tǒng)是可移動(dòng)的，而該第二子系統(tǒng)被置于離輻射敏感檢測系統(tǒng)有一定距離之處，該距離等于第二焦距。在投影上聚焦只需移動(dòng)第一子系統(tǒng)，而且在聚焦期間放大系數(shù)不變。
根據(jù)本發(fā)明設(shè)備的一個(gè)最佳實(shí)施例其特征在于它包括若干物鏡系統(tǒng)和相等數(shù)量的輻射敏感檢測系統(tǒng)，諸物鏡系統(tǒng)的光軸彼此間構(gòu)成某一角度。因此，可沿不同方位觀察物體，以便在各個(gè)不同方位可以同時(shí)得到有關(guān)物體結(jié)構(gòu)的信息。
本發(fā)明還涉及制造光纖的一種方法，該光纖包括一個(gè)纖芯和圍住它的包層，在該方法中，首先將預(yù)型件加熱并以一個(gè)給定的拉制速度在一種張力的作用下拉成光纖。在此，預(yù)型件是指為拉制光纖適當(dāng)成形了的一種初始材料。舉例來說，這可能是具有一個(gè)芯體和一個(gè)包層部分的實(shí)心園棒，該園棒具有所要求的折射率分布，或者是用作芯的園棒，或者是用作芯和一個(gè)包層部分以及用作包層其余部分的實(shí)質(zhì)上同軸圍繞它的園筒，在園棒和園筒之間要提供一個(gè)間隙。當(dāng)使用一個(gè)分開的包層部分時(shí)，則拉制期間要使之與所述芯體部分接合在一起。
根據(jù)本發(fā)明的方法特征在于其拉制速度值由一信號控制，該信號能夠反映出芯的直徑特征，而且該信號是由如前所述根據(jù)本發(fā)明的一種設(shè)備提供的。借助于上述設(shè)備通過反饋拉制速度，該芯的直徑能夠恒定地保持在優(yōu)于0.2μm的準(zhǔn)確度上。
此外，舉例來說該設(shè)備還可以用于同時(shí)檢查纖芯直徑和包層的外部直徑，以使直徑之一偏離超出所要求的容差時(shí)能夠被檢測和自動(dòng)記錄下來，同時(shí)使光纖的相應(yīng)部分能在下一步驟時(shí)便被排除在進(jìn)一步操作之外。這種情況(例如)可能出現(xiàn)在一個(gè)預(yù)型件的開始或最終階段，或者出現(xiàn)在從一種預(yù)型件到下一工序預(yù)型件的過渡過程中。
根據(jù)本發(fā)明的方法還能夠用于制造這樣一種光纖，后者包括一個(gè)纖芯和具有一個(gè)給定折射率分布的包層，在該方法中首先將預(yù)型件加熱并以一種拉制速度在一種張力的作用下將其拉制成光纖。根據(jù)本發(fā)明的該方法其特征在于，所述拉制速度值受一信號所控制，該信號能夠反映出具有一個(gè)給定折射率的包層中層的厚度或直徑的特征，而且該信號是由如前所述的根據(jù)本發(fā)明的一種設(shè)備所提供的。該設(shè)備的測量不但可涉及具有一個(gè)給定折射率的園筒的直徑，而且還可涉及所霾惚舊淼暮穸取 根據(jù)本發(fā)明的方法還能夠用于制造用一種涂層材料經(jīng)過涂敷的一種光纖，該光纖至少一次地通過裝有一種可處理的液體涂層材料的槽，并且接著通過一個(gè)噴嘴的出口，光纖相對于該出口的位置受一控制信號所控制，該信號能夠反映出光纖的同心度以及其上的涂層材料的特征。在根據(jù)本發(fā)明的該方法中，控制信號是由如前所述的根據(jù)本發(fā)明的一種設(shè)備所提供的。
待涂層的光纖不必有一個(gè)透明的芯體。根據(jù)本發(fā)明的方法能夠成功地應(yīng)用于為不透明的電線進(jìn)行涂層，例如，用于為銅繞組線包上電絕緣涂層。為了成功地應(yīng)用本發(fā)明，當(dāng)然該涂層應(yīng)當(dāng)由一種透明材料構(gòu)成。實(shí)際使用的繞組線其直徑通常在20μm和1250μm之間變化。為這種電線提供的電絕緣涂層，其涂層厚度從電線直徑為20μm時(shí)的4μm，漸增到電線直徑為1250μm時(shí)的60μm?？紤]到相對很小厚度的涂層，為這種形式光纖的涂層設(shè)法提供令人滿意的同心度是絕對必要的。
本發(fā)明制造光纖的這些方法更可取的特征在于對存在于裝有一種液體涂料的槽中的部分光纖進(jìn)行測量。正如已經(jīng)提及的，待測光纖的外層和光纖周圍介質(zhì)之間的折射率差異必須保持在有限的范圍內(nèi)。該光纖所通過的裝有液體涂料的槽構(gòu)成一個(gè)突出的適于該用途的環(huán)境。這提供的最大優(yōu)點(diǎn)是使光纖不至于與可能離開涂層之間的軌跡并會(huì)使光纖的質(zhì)量因此受到不利影響的任意介質(zhì)相接觸。
最后，本發(fā)明還涉及用如前所述的方法制造的一種光纖。
根據(jù)本發(fā)明的一種光纖，其特征在于纖芯直徑的最大偏離與平均值之間的差異，或者在包層中提供的某層直徑具有的偏離折射率不大于大約該直徑的2%。現(xiàn)已斷定，近似于直徑的2%的準(zhǔn)確度是能實(shí)現(xiàn)的。
根據(jù)本發(fā)明的光纖其特征還在于，它至少被一層偏心距小于0.5μm的涂層所包圍。
現(xiàn)通過實(shí)例并結(jié)合附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，圖中

圖1a和1b用圖解法表示本發(fā)明的原理;
圖2表明本發(fā)明在觀察物體反射時(shí)的情況;
圖3用圖解法表示根據(jù)本發(fā)明設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例;
圖4用圖解法表示適用于工業(yè)規(guī)模制造光纖的設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例;
圖5用圖解法表示該設(shè)備的另一實(shí)施例;
圖6和圖7是分別用如圖4和圖5所示設(shè)備所獲得的光纖影象的復(fù)現(xiàn);
圖8用圖解法表示制造光纖的一種方法;
圖9是供本發(fā)明方法制造光纖用設(shè)備的一部分;以及圖10是根據(jù)本發(fā)明的一種光纖的一個(gè)實(shí)例。
圖1a用圖解表示出對一透明物體進(jìn)行測量的本發(fā)明原理，圖示物體的折射率大于其周圍介質(zhì)的折射率。圖1b是根據(jù)相同原理的操作，但在該情況下透明物體的折射率小于周圍介質(zhì)的折射率。在兩圖中，標(biāo)號10代表一種具有均勻折射率的園形或圓筒形物體，標(biāo)號25代表一個(gè)物鏡系統(tǒng)，圖上以單個(gè)透鏡表示，以及標(biāo)號30表示一個(gè)影象平面或熒光屏。在一個(gè)實(shí)用的實(shí)施例中，標(biāo)號30代表例如，一個(gè)檢測器的輻射敏感表面。物體10被置于周圍介質(zhì)15中，后者的折射率與物體的折射率只相差一個(gè)極小的量度。雖然圖1a和1b表示的物體是一種同質(zhì)透明物體，但它可能有一個(gè)與外層折射率不同或者不透明的芯。
從圖中左面入射的輻射束只示出一些代表性的射線，輻射束的相關(guān)部分可以區(qū)分為三個(gè)區(qū)段。在第一位置即外緣區(qū)段，圖中用C1和C2表示，該區(qū)段的輻射線未被物體10偏轉(zhuǎn)，但被物鏡系統(tǒng)20所接收。然后是用a表示的中心區(qū)段，它的輻射線橫過物體并接著被物鏡系統(tǒng)所接收，以及最后是用b1和b2表示的居間區(qū)段，它的輻射線入射到物體10上并由此偏轉(zhuǎn)，但接著未被物鏡系統(tǒng)20所接收。根據(jù)本發(fā)明的物鏡系統(tǒng)的接收范圍，就是說，光瞳的直徑和物鏡系統(tǒng)與物體之間的距離一起，要選擇成存在這樣桓鑾危╞1，b2)。物鏡系統(tǒng)的焦距和熒光屏30與系統(tǒng)20間的距離，要選擇成使一個(gè)實(shí)際上定位于物體中心，并在圖上以V-V′表示的平面映射在熒光屏上。
該設(shè)備的運(yùn)行情況如下。部分輻射束入射到物體上，從而，使a、b1和b2區(qū)段的輻射線在物體和周圍介質(zhì)之間的界面上偏轉(zhuǎn)。倘若物體的折射率大于周圍介質(zhì)的折射率，則物體將起一個(gè)正透鏡的作用，如圖1a所示，所述偏轉(zhuǎn)將會(huì)聚輻射線到位于物體10和物鏡系統(tǒng)20之間的聚焦區(qū)F。在相反的情況下，其時(shí)該物體起一個(gè)負(fù)透鏡的作用，則如圖1b所示，從該物體出射偏轉(zhuǎn)的輻射線看上去由位于輻射源一側(cè)的虛焦區(qū)F′起源。所以用聚焦區(qū)這一詞是因?yàn)樵撐矬w通常并不是一個(gè)透鏡，因此也就沒有已定義的焦點(diǎn)。從區(qū)段b1和b2起原通過物體偏轉(zhuǎn)的部分輻射線落到物鏡系統(tǒng)光瞳的外面而不能到達(dá)熒光屏30。在圖1a和1b中這由光欄21示出，從這些區(qū)段來的輻射線入射在光闌上，該光闌包圍所示的透鏡20而且它的孔徑與物鏡系統(tǒng)的光瞳一致。部分從區(qū)段a起源的輻射線被物鏡系統(tǒng)20所接收并投射在熒光屏30上。
來自輻射束外緣區(qū)段C1和C2的輻射線通過物鏡系統(tǒng)20投射到由區(qū)段a的輻射線投射于其上的區(qū)的兩側(cè)區(qū)段上。因此相應(yīng)于輻射束中區(qū)段b1和b2的暗帶呈現(xiàn)于較亮區(qū)之間。由于在外緣區(qū)段C1與C2和區(qū)段b1與b2之間的邊界，是與物體10和它的周圍物質(zhì)之間的界面相切的，因此熒光屏30上兩暗區(qū)的外部邊緣就是對物體10的尺寸的一個(gè)量度。
在熒光屏30上的強(qiáng)度圖可看做是平面V-V′在熒光屏上的映象。在平面V-V′的那些部分，即從其發(fā)出的輻射線還未被物體10偏轉(zhuǎn)或已經(jīng)偏轉(zhuǎn)但未超過物鏡系統(tǒng)接收范圍的那些部分反映為較亮區(qū)。在平面V-V′中所發(fā)出射線已被偏轉(zhuǎn)并超出物鏡系統(tǒng)20的接收范圍的那些部分，在熒光屏上反映為暗區(qū)。通過適當(dāng)?shù)剡x擇周圍介質(zhì)的折射率(即相對于物體只有很小的折射率差異)，就可獲得狹的暗帶，從而能清晰地再現(xiàn)物體的界面。
以上還未把物體10的界面上存在輻射線的反射這一事實(shí)考慮進(jìn)去。歸因于來自區(qū)段b1和b2或來自中心區(qū)段a的這種反射輻射線將與由物鏡系統(tǒng)20映射在熒光屏30上的投影V-V′交叉在外緣區(qū)段C1或C2范圍之內(nèi)的一個(gè)區(qū)域里。就這被物鏡系統(tǒng)所接收的輻射而論，它將到達(dá)該熒光屏中也是起源于c1和c2輻射線所投射的兩側(cè)區(qū)域里。因此，在物體10與其周圍介質(zhì)15的界面上的反射，只在所涉及該兩側(cè)區(qū)域的強(qiáng)度分布上影響熒光屏上的明暗圖。
除以上所述的根據(jù)本發(fā)明設(shè)備的主要實(shí)施例之外，也可選擇用于限制物鏡系統(tǒng)接收范圍而與通過光瞳的外部邊緣所強(qiáng)加限制相反的其它裝置。這樣可以有選擇地使物鏡系統(tǒng)的中心部分不能透過輻射線，并由此接收來自物體的某給定部分以一給定角度出射的輻射線從而在檢測平面的映象中再現(xiàn)該物體的暗的部分。
上述內(nèi)容說明本發(fā)明的原理基于公認(rèn)下述事實(shí)倘若輻射線離開物體的角度與輻射線離開物體的位置相互間是關(guān)聯(lián)的話，則該現(xiàn)有關(guān)系用來觀測在熒光屏上的一個(gè)明暗圖樣。倘若物體不是在透射中而是在反射中受到觀察時(shí)，也能應(yīng)用該原理。
圖2中對一園形或園筒形物體，用圖解法表明了這種可能性。為闡明該圖，在O-O′軸以上的部分只示出入射束，并在所述軸以下的部分只示出經(jīng)反射的輻射線。
物體210被置于周圍介質(zhì)215中，物體和周圍介質(zhì)各具有不同的折射率。一束平行輻射線入射到物體210上，在物體的前面211上被折射，并在背面212上被反射。為簡化該圖起見，雖不太恰當(dāng)?shù)膊粫?huì)招致反對地假定;通過背面反射的輻射線被聚焦在位于光軸O-O′上、距背壁小于園周或園筒半徑一半之處的一個(gè)焦點(diǎn)F上。從背面212反射出的射線在前面211再次被折射，并在離開物體時(shí)成為發(fā)散的射線束。該束的一部分通過物鏡系統(tǒng)220可被投射在一熒光屏230上。在熒光屏上的強(qiáng)度分布，也如在透射中觀察時(shí)一樣，可提供引出有關(guān)該物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的結(jié)論的可能性。
然而，因?yàn)榻窍蚱D(zhuǎn)和反射范圍并不只取決于物體的形狀，也取決于物體210及其周圍介質(zhì)215的折射率，在反射中的定量測量比在透射中的同類測量，需要更多的有關(guān)物體的先驗(yàn)信息。該方法可以用于作更多的定性測量，例如，為包含多層的近似旋轉(zhuǎn)對稱物體確定同心度。
根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備特別適合于對一種光纖進(jìn)行測量。圖3所示設(shè)備即適于該用途。在該圖中，光纖的纖芯和包層用標(biāo)號311來表示，圍繞該纖芯和包層的內(nèi)涂層用312表示。在測量設(shè)備所在場所，光纖被置于充滿液體315的一個(gè)測量空間里。圖示輻射源單元在光纖的右面，該單元包括一個(gè)輻射源301，一個(gè)會(huì)聚透鏡系統(tǒng)302，一個(gè)光闌303和一個(gè)正平行光管透鏡304。充滿測量空間的液體315，舉例來說，可以是一種紫外線(UV)固化的合成材料，后者被用作光纖的外涂層。假若那樣，在輻射源單元方面要采取進(jìn)一步措施以阻止來自輻射源301的紫外輻射到達(dá)測量空間，例如，在輻射線通路中設(shè)置一個(gè)紫外濾光片305。該輻射源單元發(fā)射一束平行輻射束到接納著在液體315中的光纖311及其涂層312的測量空間。
如同參照圖1a和1b所述的，包括透鏡321和322的物鏡系統(tǒng)，把光纖位置上的平面映射到一個(gè)輻射敏感檢測系統(tǒng)330上。該輻射敏感檢測系統(tǒng)，例如一臺電視攝象機(jī)，物鏡從它出發(fā)被移動(dòng)，利用一系列的輻射敏感二極管或單個(gè)輻射敏感元件，通過物鏡系統(tǒng)321-322形成的圖象借助于一面可移動(dòng)的反射鏡而被掃描。
該物鏡系統(tǒng)321-322包括，例如，一個(gè)消色差透鏡322，該透鏡322具有置于其焦點(diǎn)上的輻射檢測器，還包括一個(gè)可移動(dòng)的消色差透鏡321，利用它們可使物體聚焦。該結(jié)構(gòu)使它能夠在不改變放大率情況下聚焦。
當(dāng)對具有大約100μm至大約250μm直徑的光纖進(jìn)行測量時(shí)，透鏡321取40mm焦距，透鏡322取600mm焦距，從而放大率取15，即可產(chǎn)生令人滿意的結(jié)果。
圖4顯示可在工業(yè)規(guī)模制造光纖過程中所用設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例。輻射源單元與參照圖3所述的輻射源單元是相同的，它包括一個(gè)輻射源401，一個(gè)會(huì)聚系統(tǒng)402，一個(gè)光闌403，一個(gè)平行管透鏡404和一個(gè)紫外濾光片405。從輻射源出射的輻射束通過射束分光器406(例如，一個(gè)半透明的反射鏡)被分為兩股支束，每股支束借助于一個(gè)反射鏡407或408射向光纖401。該兩支束相互間成直角延伸到光纖410的區(qū)域。在其相對側(cè)設(shè)有物鏡系統(tǒng)421-422和423-424，它們把光纖410分別地映射到輻射敏感檢測系統(tǒng)431和432上。最靠近光纖的物鏡系統(tǒng)的透鏡421和423能夠按圖示箭頭方向移動(dòng)。該輻射敏感檢測系統(tǒng)，例如是不帶物鏡的電視或視頻攝象機(jī)。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明的測量或監(jiān)視設(shè)備的一個(gè)最佳實(shí)施例。作為一個(gè)輻射源501，一只鹵素?zé)艋蛞粋€(gè)激光器(例如包括一種產(chǎn)生波長為632μm射線的HeNe激光器，或者一種發(fā)出紅外范圍內(nèi)輻射的半導(dǎo)體激光器)，鹵素?zé)艋蚣す馄鬏椪展獠▽?dǎo)束503的端面502。該波導(dǎo)束包括兩股較小的束-它們的另一端端面504和505被置于測量空間的邊緣，光纖510就通過該測量空間伸展。該測量空間被一透明管509圍住，該管的內(nèi)徑和外徑如此之大以致其折射可略去不計(jì)。為獲得均一的輻射分布，可在端面504和505裝上漫射器。為減少從激光器來的斑點(diǎn)噪聲效應(yīng)，例如，可應(yīng)用旋轉(zhuǎn)的漫射器，用以輻射光纖的一束輻射束，(其主軸以某個(gè)角度伸展到被置于測量空間之后的物鏡系統(tǒng)521-522)各從兩個(gè)端面504和505出射。當(dāng)適當(dāng)選擇這些角度時(shí)，該物鏡系統(tǒng)只接收由光纖偏轉(zhuǎn)的下述輻射線，即在緊靠著具有不同折射率材料之間的界面之一橫過光纖的輻射。因此，結(jié)果是該界面的位置在輻射敏感檢測系統(tǒng)530的檢測表面上由一明帶予以指示。這樣一種光分布在自動(dòng)地識別界面位置時(shí)是很有利的。
圖中所示的物鏡系統(tǒng)包括一個(gè)顯微物鏡521，一個(gè)正透鏡522。所用的顯微物鏡521放大率為10，數(shù)值孔徑為0.22它被設(shè)置成可按箭頭523所示方向相對于測量空間大約移動(dòng)16mm的距離。正透鏡522的焦距在大約200mm至大約300mm之間，并被定位于距離輻射敏感系統(tǒng)一個(gè)固定的距離上。在圖5中的虛線指示，以相對前面所提及的方向橫向地輻射光纖的第二組光波導(dǎo)的端面506和507的可能位置。標(biāo)號524表示沿第二方向把光纖映射在第二輻射敏感系統(tǒng)(未畫出)上的顯微物鏡的相關(guān)位置。
圖5的結(jié)構(gòu)可通過下法予以擴(kuò)展即，使輻射光纖的一個(gè)輻射源如此沿物鏡系統(tǒng)光軸輻射以致光纖中具有不同折射率區(qū)域間的界面取決于接通該輻射源就會(huì)以明帶暗背景或暗帶亮背景出現(xiàn)在輻射敏感檢測系統(tǒng)上。
圖6示出一種單模光纖映象的再現(xiàn)，該光纖是借助于如在圖3或圖4中利用圖解表示的根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備而獲得的。該圖是由視頻監(jiān)視器的照相圖象復(fù)制的，該視頻監(jiān)視饔?xùn)V悠嫡障嗷浜嫌米饕桓齜涿舾屑觳庀低場 在該單模光纖中，纖芯601是能夠予以辨別的和一個(gè)包層，該包層包括一個(gè)具有減小了的折射率的部分602，以及一個(gè)具有正常折射率的部分603。內(nèi)涂層604包住該包層。該涂層沒被處理成完全同心并從照片看右邊部分比左邊部分厚些。光纖周圍的容積605裝滿著用于構(gòu)成外涂層的一種液體材料。
該圖顯示出涂層的左右厚度不同可用根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備予以清晰地辨認(rèn)。
圖7表示借助于如在圖5中所示設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例而獲得的一種相似映象的再現(xiàn)。在該再現(xiàn)中，光纖的內(nèi)涂層和包層之間的界面以及在內(nèi)涂層與周圍介質(zhì)之間的界面都是作為明帶可見的。
圖8是利用圖解表示的制造光纖的一種可能的方法，本發(fā)明可用于該方法。預(yù)型件800，比如是一個(gè)直徑大約為20至30mm適應(yīng)該光纖所需折射率分布的實(shí)心玻璃圓棒，借助于一個(gè)進(jìn)料機(jī)810被送入爐820內(nèi)，并在爐內(nèi)加熱到使材料軟化這樣一個(gè)高溫上。該軟化了的玻璃材料在爐820的下側(cè)被拉制成光纖，并使其通過一個(gè)冷卻裝置840。該預(yù)型件可選為包括一根圓棒和一個(gè)或多個(gè)圍住它的圓筒，該圓棒和圓筒，舉例來說，如4，602，926的美國專利中所述的，在拉制期間要連接在一起。
光纖的直徑借助于一個(gè)測量儀器830來確定，而且在該項(xiàng)測定的基礎(chǔ)上可重新調(diào)節(jié)由爐820拉制光纖的速度。
該光纖接著穿過一個(gè)裝有用作軟的內(nèi)涂層的，例如紫外線的或熱固化液體涂料的槽850，并帶著圍繞它的靜態(tài)液體涂料的一層涂層通過一個(gè)噴嘴的出口離開該槽850。該裝有涂料的槽，可以如4，409，263號美國專利所述那樣，以所謂敞口船型容器提供，但更可取的是用如在№0，200，256(PHN11·354EP)號歐洲專利申請中所述的一種容器和一種方式來進(jìn)行光纖涂敷，因?yàn)?，那樣即使在較高速度下該涂料中也不包含氣泡。其后，該光纖被暴露在裝置855中以便例如通過紫外線照射或加熱對涂料進(jìn)行固化處理。在里面的軟涂層已經(jīng)形成之后，借助于設(shè)備860監(jiān)測涂層和光纖的同心度，且當(dāng)發(fā)現(xiàn)涂層形成得不同心時(shí)，重新調(diào)整在槽850的噴嘴引出孔中的光纖位置。接著再次進(jìn)行涂層工序以形成硬的外涂層，其方法是使光纖通過也裝備一個(gè)有引出孔的噴嘴的槽870，并暴露于裝置875中以進(jìn)行紫外照射或加熱。該外涂層相對于光纖的同心度也借助于一種設(shè)備876進(jìn)行測量，而且，必要時(shí)，重調(diào)光纖在引出孔中的位置。
最后，用設(shè)備880檢查涂層后光纖的外徑，并把光纖纏繞在線盤890上。
在測量儀器830中，以傳統(tǒng)方法測量未經(jīng)涂層光纖的直徑時(shí)，確定已拉制成光纖的外徑。就纖芯直徑而論，假定，在預(yù)型件中纖芯的直徑和外徑之間的比率是恒定的和準(zhǔn)確的話，則同樣地，纖芯直徑和外徑之間的比率在預(yù)型件中和在拉制成的光纖中都是相等的。尤其是已發(fā)現(xiàn)在實(shí)踐中該首先提到的假設(shè)并不總是準(zhǔn)確的，這歸因于制造預(yù)型件所用的方法。其結(jié)果是，即使在未經(jīng)涂層的光纖的外徑為恒定的情況下，若考慮到要經(jīng)過數(shù)千公尺的距離，該纖芯的直徑也可能會(huì)有偏離。
根據(jù)本發(fā)明制造光纖的方法的一種方式，該未經(jīng)涂層的光纖的直徑是借助根據(jù)本發(fā)明用于對一種物體進(jìn)行測量的設(shè)備來檢查的。因此，就有可能直接檢查纖芯直徑，從而可獲得其纖芯直徑基本恒定的一種光纖。倘若預(yù)型件是不夠完美的，考慮到要經(jīng)過數(shù)千公尺的距離，該未經(jīng)涂層的光纖的外徑，因而可能會(huì)有一定程度的偏離。同樣，倘若該光纖具有一個(gè)復(fù)雜的折射率分布剖面圖樣，例如在包層中具有一個(gè)降低了折射率的環(huán)狀區(qū)，則該具有不同折射率區(qū)域的直徑可保持在允許的容差范圍之內(nèi)。用于該用途的一種設(shè)備顯示在圖8中涂層槽850之上，并用標(biāo)號851予以表示。
如在圖4中已經(jīng)顯示的，本發(fā)明制造光纖的方法的另一種方式是，用于確定內(nèi)涂層相對于纖芯和包層的同心度的設(shè)備860是根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明方法的另一方式是，該纖芯直徑和同心度就在光纖通過的裝有涂料的槽中受到測量。
在圖9中舉例說明了這種測量同心度的方式。在該圖中，一上一下地顯示出分別用于形成內(nèi)和外涂層的兩個(gè)容器950和970。在該兩個(gè)容器之間表明用于處置內(nèi)涂層的裝置956，每個(gè)容器包含一個(gè)入口導(dǎo)管951、971，一個(gè)中心導(dǎo)管952、972，光纖分別地通過它們，液體涂層材料經(jīng)曬└ 54和974引進(jìn)其內(nèi)部，它們各自包含一個(gè)具有引出孔的噴嘴953和973，光纖通過引出孔離開該容器。有關(guān)這些容器的進(jìn)一步詳細(xì)情況，可參照前面已提到的歐洲專利申請0·200，256。
在圖9中，下面的容器有窗口962和963，通過該窗口借助于根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)測量設(shè)備(未畫出)能夠觀察該光纖。窗口962和963配置在向上伸展的入口導(dǎo)管971的一個(gè)擴(kuò)展部件961之中。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一個(gè)透明的，例如，玻璃管可以用于取代具有窗口962和963的擴(kuò)展部件961，該管被放在入口導(dǎo)管上，而且它的內(nèi)外徑要選成使它們只引起一個(gè)可忽略不計(jì)的折射。借助于如在圖4或圖5中的一種測量設(shè)備(未畫出)，可測量內(nèi)涂層相對于光纖的同心度，而且由該測量設(shè)備提供的信號施加到控制機(jī)構(gòu)955，利用該控制機(jī)構(gòu)對上面容器950的頂部相對于光纖的位置進(jìn)行調(diào)整。入口導(dǎo)管951相對于光纖的一個(gè)極小移動(dòng)已足以校正在同心度方面的偏離。下面的容器970有一個(gè)控制機(jī)構(gòu)975，該機(jī)構(gòu)為來自用于測量外涂層相對于光纖同心度的一種設(shè)備980的信號所控制。該設(shè)備980可為傳統(tǒng)的測量設(shè)備，或是根據(jù)本發(fā)明的一種設(shè)備。在后一種情況下，選擇裝滿測量空間的液體時(shí)要考慮它在下一步驟的去除和/或它對光纖的影響。
雖然，在圖中沒有畫出，但很顯然的是該上面的容器也可配置一個(gè)具有一個(gè)變寬部分的延長的入口導(dǎo)管或用一個(gè)透明管。根據(jù)本發(fā)明的一種設(shè)備可用于經(jīng)由所述部分中的窗口對未經(jīng)涂層的光纖進(jìn)行測量。
圖10利用簡圖表示根據(jù)本發(fā)明的一種單模光纖，它是在制造期間采用了上述的測量和控制設(shè)備而獲得的。所顯示部分的長度大約為數(shù)千公尺，其總的直徑大約為250μm。所示各層的直徑相互也未按比例。纖芯1011有一直徑，例如，為9μm，其最大偏移為0.2μm。該纖芯被包層1012所包圍，包層外徑的平均值，例如，為125μm，但在包層中平均值的最大偏移顯著地大于在纖芯中的這一偏移。該包層被一內(nèi)涂層1013所包圍，后者，例如，平均只有10μm厚，而且在內(nèi)涂層中該涂層相對于光纖的偏心度小于0.5μm。通過使用根據(jù)本發(fā)明的測量設(shè)備是可能達(dá)到如此小的偏心度的。包圍內(nèi)涂層的外涂層平均層厚接近于52μm。由于纖芯直徑的變化很小，使這種光纖在發(fā)送輻射方面比已知的單模光纖呈現(xiàn)較小的衰減。
權(quán)利要求
1.一種對包括一個(gè)纖芯和至少一層透明包層的物體進(jìn)行測量的設(shè)備，所述設(shè)備包括一個(gè)用于接納部分待測物體的測量空間，至少一個(gè)用于供應(yīng)輻射物體的輻射束的輻射源單元和一個(gè)用于檢測來自測量空間輻射的輻射敏感檢測系統(tǒng)，其特征在于，用于把一個(gè)定位于測量空間的投影映射在輻射敏感檢測系統(tǒng)上的一個(gè)物鏡系統(tǒng)被設(shè)置在測量空間和輻射敏感系統(tǒng)之間，所述物鏡系統(tǒng)具有一個(gè)有限的接收范圍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種設(shè)備，其特征在于，它配備有用透明材料裝滿測量空間的裝置，透明材料的折射率與物體的透明外層的折射率有差異，所述差異近似地等于物體外側(cè)面的曲率除投影和物鏡系統(tǒng)之間的距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的一種設(shè)備，其特征在于該輻射源單元供應(yīng)一束輻射線，該輻射束在物體的位置處有一個(gè)大于待測部分物體的剖面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1，2或3的一種設(shè)備，其特征在于橫穿過該物體的輻射束基本上是平行的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1，2，3或4的一種設(shè)備，其特征在于該輻射源單元和該物鏡被置于測量空間的各一側(cè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的一種設(shè)備，其特征在于輻射束的主軸和物鏡系統(tǒng)的光軸互成一角度延展。
7.根據(jù)權(quán)利要求1，2，3，4，5或6的一種設(shè)備，其特征在于該物鏡系統(tǒng)產(chǎn)生在輻射敏感檢測系統(tǒng)中所述投影的一個(gè)放大了的映象。
8.根萑ɡ ，2，3，4，5，6或7的一種設(shè)備，其特征在于該物鏡系統(tǒng)包括一個(gè)具有第一焦距的第一子系統(tǒng)和一個(gè)具有第二焦距的第二子系統(tǒng)，該第一子系統(tǒng)是可移動(dòng)的，而該第二子系統(tǒng)則被置于距輻射敏感系統(tǒng)相等于第二焦距之處。
9.根據(jù)權(quán)利要求1，2，3，4，5，6，7或8的一種設(shè)備，其特征在于它包括若干物鏡系統(tǒng)和與其相等數(shù)量的輻射敏感檢測系統(tǒng)，物鏡系統(tǒng)的光軸之間互成一角度延展。
10.根據(jù)上述任一要求的一種設(shè)備，其特征在于測量空間存在于一個(gè)透明圓筒形管中。
11.一種制造包括一個(gè)纖芯和一包層的光纖的方法，在該方法中，首先將一種預(yù)型件予以加熱，并在一種張力的作用下以某種拉制速度將其拉制成光纖，其特征在于該控制速度值通過一個(gè)代表纖芯直徑的信號控制，而且該信號是由根據(jù)權(quán)利要求1，2，3，4，5，6，7，8，9或10的一種設(shè)備提供的。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的一種方法，在該方法中讓光纖通過一個(gè)裝有液體涂層材料的槽用此涂料對其進(jìn)行涂層，其特征在于代表纖芯直徑的信號是在存在于槽中的那部分纖芯上得到測量的。
13.一種制造包括一個(gè)纖芯和圍繞它的包層以及具有某種折射率分布的光纖的方法，在該方法中，首先將一個(gè)具有對纖芯和包層所需折射率分布的預(yù)型件加熱，并在一種張力的作用下以某種拉制速度將其拉制成光纖，其特征在于該拉制速度值由一個(gè)信號控制，該信號代表具有一個(gè)給定折射率的包層中一層的厚度，而且該信號是由根據(jù)權(quán)利要求1，2，3，4，5，6，7，8，9或10的一種設(shè)備提供的。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的一種方法，在該方法中使光纖通過一個(gè)裝有液體涂層材料的槽用此涂料進(jìn)行涂層，其特征在于代表包層中層的厚度的信號是在置于槽中的那部分光纖上得到測量的。
15.一種利用涂層材料對光纖進(jìn)行涂層的方法，在該方法中，光纖被用一種可固化液體涂層材料至少涂敷一次，并穿過在一噴嘴中的引出孔，光纖相對于在噴嘴中的引出孔中的位置，由一信號予以控制，該信號代表光纖和施加于其上的涂層材料的同心度，而且該信號是由根據(jù)權(quán)利要求1，2，3，4，5，6，7，8，9或10的至少一種設(shè)備提供的。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的一種方法，在該方法中至少讓光纖兩次通過裝有液體涂層材料的槽，而涂有至少兩層涂層材料，并接著固化所述材料，其特征在于代表光纖及其在給定槽中涂以涂層的同心度信號，是在光纖置于所述槽其后的裝滿液體涂料的槽中的該部分上得到測量的。
17.借助于根據(jù)權(quán)利要求11或12的方法制造的一種光纖，其特征在于其纖芯直徑的平均值與最大偏移之差不超過大約0.2μm。
18.借助于根據(jù)權(quán)利要求13或14的方法制造的一種光纖，其特征在于在具有某給定折射率的包層中的層厚平均值與最大偏移之差不超過2%。
19.借助于權(quán)利要求15或16的方法制造的一種光纖，其特征在于該光纖至少被一層涂層所圍繞，對該涂層而言，涂層的偏心度最大為涂層直徑的2%，而且不超過大約0.5μm。
全文摘要
在一種對諸如光纖之類的至少部分透明物體進(jìn)行測量的設(shè)備中，一輻射束水平射向該物體。被物體所偏轉(zhuǎn)的輻射由透鏡組(321，322)映射在輻射敏感檢測系統(tǒng)(330)上。作為在物體中具有不同折射率的各區(qū)域(311，312)之間的界面上、以及在物體和周圍介質(zhì)(315)之間的界面上折射的結(jié)果，在輻射敏感檢測系統(tǒng)(330)上產(chǎn)生了對應(yīng)于界面投影的明暗帶，從而，能夠?qū)υ撐矬w的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量。(圖3)
文檔編號G01B11/10GK1031277SQ8810352
公開日1989年2月22日 申請日期1988年6月7日 優(yōu)先權(quán)日1987年6月10日
發(fā)明者吉斯伯特·帕拉斯特, 科尼利斯·馬利納斯·杰力特·佐劍姆 申請人:菲利浦光燈制造公司