CN1076028A - 通过界外图形分析的涂层缺陷检测*** - Google Patents

通过界外图形分析的涂层缺陷检测*** Download PDF

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Abstract

本发明的缺陷检测***(10)将一个或多个正交 配置的光束(54和56)照射到被涂覆光纤(32)上，从 而使光通过光纤及其涂层(31)的整个宽度。光通过 光纤和质量良好的涂层时，照射入被涂覆光纤中的光 束的前向散射部分产生一特定的、光强度级可预测的 图形。涂层中的各种缺陷会使光通过被涂覆光纤的 光程改变，从而使某些胶向散射光在正常预期的图形 外的光强增加。本发明精确可靠地检测出在光纤的 涂层中象空气泡之类短暂出现的缺陷。

Description

本发明涉及一种通过界外图形（out-of-pattern）分析的涂层缺陷检测***。
目前，光纤的制造及其后的加工继续成为精深研究和开发的课题，这主要是由于它们在光通信***的应用面日益增加所致。光纤一般是在一种连续的工艺中制取的，这种工艺涉及到将受热软化的玻璃预制件拉制成纤细的玻璃丝束或纤维。此外，较为普遍的作法是将玻璃纤维在制成之后涂上某些类型的聚合材料，一来保护它使它免受各种环境因素的影响，二来也提高纤维的结构强度。
玻璃纤维作为光通信***的一部分时在运行上所要满足的要求是相当严格的，因此应该精确监视和控制纤维的制造过程。另外，在拉制工序过程中涂敷到光纤的保护性涂层中出现的任何缺陷都会损害光纤的多种工作特性。因此，不仅是在玻纤拉制工序中，在涂层的涂敷工序中也要进行监控。
过去，人们都作了各种尝试，以监控和检验涂层涂敷到光纤上的精密度。诸如直径、椭圆度和纤维对涂层的同心度之类的参数在拉制工序过程中各都变化得较慢。目前这些参数有时是在涂敷机上进行各种调节加以测定和控制的。通常是利用各种扫描技术的装置来监控上述变化缓慢的各项参数的。
有人公开过将光束正交照射到经涂敷的光纤上以监控光纤聚合涂层的纤维涂层同心度的特殊方法，有关该同心度监控法的具体细节见Ralph    E.Freeze，Jr.和David    H.Smithgall在1981年第60卷第9期第2065-2080页的《贝尔体系技术杂志》（Bell    System    Technical    Journal）上发表的题为“纤维/涂层同心度的高速测定和控制”的文章，这里特将其包括进来，以供参考。
然而目前用以测定上述经证实变化缓慢的各项参数的个别装置，不能精确认出在生产线拉制速度下鉴别出持续时间短暂的缺陷的各信号，并精确响应该信号。这些缺陷极其频繁地逃过了现行采用扫描技术的各种涂层监控器的检测。在这些通常不能用现行装置检测的持续时间短暂的信号中，有些信号表示有因下列因素而引起的缺陷存在：含有能改变涂层直径的粒子，含有夹在里面经常冒出涂层表面的气泡，或含有在拉制过程中从涂敷模具出来的高粘度粒子。这些缺陷各个都会在以后的加工过程中给光波导制品带来损失的几例缺陷。
现行检测装置一贯所能精确检测出的缺陷仅仅是那些偶而变得特别大的缺陷。如果能研制出一种作为生产线上纤维加工的一部分能可靠检测出短期出现的缺陷的***，就可以在将光纤放入光缆中运行之前重新处理该缺陷。这样不仅提高了最终放入通信***中的光纤质量，而且还节约了生产原料，节省了生产时间。
根据现有技术的上述问题，目前所需要的和看来现有技术尚未提供的是一种能够精确检测出可能出现在涂敷到光纤上的涂层中的各种缺陷的可靠***。此外，我们所追求的这种涂层缺陷检测***应该利用不致因检查而降低经涂敷的光纤的质量的那种非破坏性的检查方法。再有，我们所追求的这种涂层缺陷检测***应该在工作时能可靠检测出持续时间短暂的各种缺陷，而且适宜装入普通用以制造光纤的生产线的各加工工序中。
本专利申请旨在提供一种缺陷检测法，即界外图形分析技术，而第二个共同转让出去的专利申请即美国专利申请07/826350公开的则是另一种缺陷检测法，即界内图形（in-pattern）分析技术。
本发明的界外图形涂层缺陷检测***解决了现有技术的上述问题。
该***具有下列装置：
照射装置，用以用光照射被涂覆纤维，从而产生预期的前向散射图形，该图形表示光照射入质量合格的涂层时的前向光程和强度;
监视装置，用以监视预期的前向散射图形附近的光强度级，光强度级增加则表示涂层内有缺陷存在;
所述照射装置还包括分束装置，此分束装置用以从激光源发射出的单个光束产生至少两个基本上等效的光束;
所述监视装置包括至少两个光电二极管，紧挨预期的前向散射图形配置;
所述***用至少两个正交排列的光束照射被涂覆纤维;以及
所述照射被涂覆纤维的光束宽度比被涂覆纤维的外径大。
本发明检测涂层内缺陷的方法，它包括下列步骤：
用光照射被涂覆纤维，从而产生预期的表示光射入质量合格的涂层时的前向光程和强度的前向散射图形;和
监视紧挨该预期的前向散射图形处的光强度级，光强度级增加则表示涂层内有缺陷存在，并用至少两个正交配置的光束照射所述被涂覆纤维;
照射所述被涂覆纤维的光束，其宽度大于所述被涂覆纤维的直径;
用至少两个紧挨着所述预期的前向散射图形配置的光电二极管监视所述前向散射图形的光强度级;以及
光强度级监视的响应的时间短得足以使持续时间较短的缺陷可以作为生产线加工流程的一部分精确检测出来。
图1    是本发明界外图形涂层缺陷检测***一个实施例的光-机械设计的顶视图。
图2    是本发明界外图形涂层缺陷检测***另一个实施例的光-机械设计的顶视图。
图3    是通过被涂覆光纤横截面的折射光的光束射线行程图。
图4    是用以执行本发明操作的整个线路的方框图。
图5    是本发明中使用的输入放大器和补偿电路的电气原理图。
图6    是本发明中使用的检测有无光纤的线路电气原理图。
图1和图2示出了本发明界外图形连续检测涂层缺陷的***10的光学和机械设计的两个特殊实施例。一般说来，检测***10包括用以将至少一束光束射入被涂覆光纤中的正交照射***。更具体地说，本发明利用界外图形的观察技术检测受照射的被涂覆光纤的特定部分内的涂层缺陷。应用本发明最理想是检查涂敷到玻璃光纤上的涂层情况，应该指出的是，用本发明也可以检查其它非玻璃纤维材料的涂层。
这里所使用的界外图形检验一词是指将某种类型的光检测装置精确安置在光射入妥善被涂覆的光纤时所产生的前向散射图形旁边的技术。为鉴别出涂层的各种缺陷就要界外图形技术不断地监测所预期的前向散射图形紧挨外边所收到的光线光强是否有所增加。若光强有所增加则表明有缺陷存在，该缺陷使射入被涂覆光纤的一部分光被散射出正常的前向散射图形外，而进入光检测器所监视的部位。
本说明书公开了两种实施本发明界外图形涂层缺陷检测方法的特殊光学-机械设计或实施例。第一个实施例采用单个激光器的形式，这与上述未决的共同转让出去的专利申请中的较相似，只是各光检测器的实际配置位置不同而已。图1示出了该第一实施例，下面应进行论述。第二实施例采用多重激光器的形式，如图2所示，在本说明书中稍后即将详细介绍。
从图1中可以看到，本发明的一个实施例包括氦氖激光器12，该激光器发射出的光束14由反射镜16反射入光束扩展器18中。本最佳实施例中采用了6倍光束扩展器。接着，光束14由分束器20（最好是50/50立方体式）加以分离，并使其沿两个独立的光程22和24照射。
采用三个可调节的反射镜26、28和30使沿光程22和24行进经分离的光束正交照射到具涂层31的光纤32上。此外，光纤通路口38是底板34上开的一个切口，光纤32沿光纤加工路线前进时即在垂直于底板34的方向上通过光纤通路口38的。光纤通路口38在底板34内形成两个向内的拐角40和42，如图1中所示。
为将各光检测器正确安置在所期望的前向散射图形的紧挨外侧，将一系列光检测器44、45、46和47分别固定在底板34的各内向拐角40和42内。在本最佳实施例中，具体的光检测采用了Centronics公司出品的BPX65光电二极管，这种二极管的高频响应特性和灵敏度都好，而且价线钱较便宜。这些特殊的光电二极管的有效面积为1平方毫米，通常装在TO-18型二管脚支座上。接通激光器的电源，且被涂覆光纤32就位时，紧紧毗邻各光检测器44、45、46和47的部位应形成有前向散射光的图形。但当图形的位置略有失准时，可调整反射镜，使图形处在毗邻各光检测器44、45、46和47的有效部位。
本发明这个实施例的光束扩展器可以分开装配。两个焦距分别为6.35毫米和40.0毫米的平柱面透镜用硅橡胶型粘结剂装设到扩展器***的轨道上。这些透镜应装设得使其平面侧彼此面对着，开始时使其彼此间隔46.35毫米。这个特定的间隔幅度使光束在一个方向上接近再准直状态，同时扩展了6.3倍。光束扩展器18这种较理想的配置方式使扩展器组件在安装好之后可略为调整其间的间距，从而使光束准直。光束扩展18安置在第一反射镜16和分束立方体20之间的底板34上。
目前，刚详述的上述特定实施例系安置在拉制台底座上，该处的光纤通道呈水平，且平行于底板34。在上述实施例实际布局的情况下，光纤32在具三个侧面的光纤通孔38中通过检测***10的整个厚度，在那里受到正交激光束22和24的照射。遗憾的是，检测***10的这种配置方式使该光学部件头部在长度方向上从拉制台底座竖起，进入操作人员的加工操作区，从而使光的对准操作易受到偶然冲击的影响。
本说明书中还公开了本发明缺陷检测***的另一个实施例，如图2中所示。该另一个公开的实施例，其检测***10比上述实施例的小，因而不象上述实施例那样，实际上可以沿光纤的加工路线安置在不同的位置。
图2示出了本发明缺陷检测***第二个实施例的光学-机械设计。这种特殊配置方式采用了两个独立的固态激光器50和52，分别用以产生光束54和56。本最佳实施例中采用了06DBL102/P型Melles    Griot公司出品的激光器。各激光器50和52在670纳米波长下的功率输出约为3毫瓦。在各光束54和56中分别设置了两个平凸柱面透镜58和60，供水平扩展有关的光束并将其再准直成6毫米宽度之用。各光束54和56中分别设有两个反射镜，这四个反射镜62、64、66和68用以将光束54和56照射到光纤32上。具体地说，光束54经反射镜62和68照射到光纤32上，反射镜64和66则用以将光束56引到光纤32上。这些反射镜在机械上的这种配置方式促使各光束处在照射光纤的位置时基本上与光纤正交且彼此正交。
上面说过，这里所介绍的光学检测技术是在监控因缺陷而引起的界外图形散射的基础上进行的。本第二实施例***较理想的布局中可以采用五个光电二极管检测器。上面在介绍上一个实施例时说过，特别值得推荐的光电二极管为BPX65型光电二极管，这是Centronics公司的产品，高频响应特性和灵敏度都好，价钱较便宜。
四个光电二极管，即图2的元件44、45、46和47，用以检测涂层缺陷引起的界外图形。鉴于这里两个实施例中采用的光电二极管完全相同，因此在讨论该两个实施例的过程中用同样的编号来表示各光电二极管。尤其是光电二极管44和45，它们精确排列得紧靠光束54预期的前向散射图形，光电二极管46和47则排列得使其处在光束56预期的前向散射图形旁边。第五个光电二极管78用以检测是否有受激光照射的被涂覆光纤，具体作法是从各轴线监控光通过柱形涂层31散射时的图形，如图3所示。
图4和图5示出了用以实施涂层缺陷检测***的两个实施例电子线路。图4绘出了用以使本发明的缺陷检测***工作的总线路，图5则详细示出了各光轴在图4总线路中的输入放大器电路的细节。
如早先谈过和图4中所示的那样，本发明的各实施例有四个缺陷检测用的光电二极管，这些光电二极管一对对地安置在各自的散射轴线上。各光轴线上配备有在电子线路上等效的输入放大级80（详细的线路见图5）。各输入放大级80的输出82经比较器84加以处理。比较器84的输入为输出信号82和参考电压86。此外，比较器84为其所效劳的特定光轴线产生缺陷信号信道88。
如图4中所示，参考电压是在校准过程中调节的，且确定了***的灵敏度。如上所述，参考电压86和信号电压82以差分的方式输进差分电压比较器84中。比较器84的输出88输进单稳多谐振荡器96中，由该振荡器将触发脉冲时间延长得足以使控制计算机98获取数据。此经延长的输出100也使显示光电二极管LED    102亮，通知操作人员。所产生的各个光轴线即用上述和图4所示的电子等效电路加以处理。
参看图5的电子原理电路图可以更容易理解下面就输入放大器80、复合单轴线缺陷信号通道和一个轴线的输出级所作的说明。如图5中所示，光电二极管44的阳极接运算放大器104的倒相输入端。经电阻器106的电阻性反馈使放大器104成为互阻放大器或电流/电压变换器。完全相同的电气结构是采用二极管45运算放大器108和经电阻器110的电阻性反馈，由此形成互阻放大器或电流/电压变换器。
输入运算放大器104和108的两个电压输出112和114在放大器116的倒相输入端上加起来。反馈回路中的电容器118改变了此电路的作用，使其成为低通滤波器，由电阻器120保持其增益为1。该电路的输出电压122用以消除任何静态电压电平，使其不致进入缺陷信号通道中。
在放大器124的倒相输入端，运算放大器104和108的电压输出112和114连同放大器116经滤波的倒相信号一起加起来。输入电阻器126、128和130以及反馈电阻器132起调定放大器124增益的作用，将该放大器的增益调到27分贝。放大器124反馈回路中的小电容器134起提高电路稳定性的作用。加起来输入放大器124的各直接耦合信号从放大器124产生一个与微分电路类似的输出，即对输入电压变化（逐渐下降）有较高增益，对稳定电平有低的增益。因此，放大器124的输出信号136会是接近地（0电压）电平摆动的趋正或趋负的信号。
放大器124的输出信号136进一步由一个全波整流器（图中未示出）加以处理，该整流器的输出是个单极信号，其幅值直接与光电二极管上的光强变化有关，因而与涂层缺陷的严重程度有关。这种比例关系使整流器的输出在图4的比较器84与既定的单级参考电压加以比较。
有光纤出现时发光的光电二极管78采用一个独立的单独信号通道。图6具体示出了有光纤的检测电路。光纤出现电路的作用是检测被涂覆光纤32何时出现在观察区和确定光纤31是否受到足够的激光束能量的入射。光电二极管138阳极上的信号输入到形成互阻的运算放大器140中。此电路的增益低于原先所述的各输入端，这是因为光电二极管138处在正常的散射光图形所致。二极管138的位置也使散射光因参数变化更不用说因涂层缺陷而易于波动。因此，运算放大器140的输出在下一个放大级中由运算放大器142及其有关的电气元件加以深度波滤，如图6中所示。该电路的响应时间为10-12秒。经滤波的输出146在差分电压比较器148与固定的参考电压电平相比较。比较器148的输出用以点亮图4的LED    102，通知操作人员知道，且作为数据传送到也在图4中所示的计算机98。
上述说明详述了本发明最佳实施例在光学、机械和电气上的结构。现在论述一下本发明涂层缺陷检测***的特定操作过程。上面谈过，光通信***中使用的玻璃光纤是用拉制工艺制造的。在玻纤的拉制过程中，按照惯例总要给玻纤涂上涂层以进一步提高光纤的强度或保护光纤使其免受各种会妨碍光纤运行的环境因素的影响。
一般说来，拉制过程包括一系列顺次在生产线上进行的工序。本发明提供的检测***可以装在生产线上来检测涂层的缺陷从而避免将具有未知的涂层缺陷的光纤装入通信光缆中。这种即时检测***装设在涂层涂敷之后光纤卷取之前的位置。光纤32通过检测***时，上述第一实施例的光束22和24或上述另一个实施例的光束54和56照射被涂覆光纤32横贯其整个外径的部分。光通过涂层31和/或光纤32时各光源对面就产生一般如图3中所示的前向散射图形。
一系列光电二极管44、45、46和47配置在紧挨着光通过正确被涂覆的光纤32时预期可以产生的前向散射图形的位置。然而，涂层中有各种缺陷时，这些缺陷就会使一部分光散射到预期的前向散射图形的外面。本发明不断地监视着毗邻预期的前向散射图形的部位处的光强度级。受监视部位内的光强增加时，就发出指示，从而使监控计算机98或LED显示器102能确定涂层内有缺陷存在。
上面说过，本发明所使用的界外图形的检测技术，其关键在于用紧挨预期的前向散射图形配置的光电二极管判明光强的增加从而指示出缺陷的存在。这里应该特别指出的是，虽然这里公开了本发明的具体线路，但那些对用以测定前向散射图形旁边的光强以检测涂层缺陷的特定电子监控线路所作的小量修改，无论其所采用的真正电子元件或结构如何，都应视为属于本发明的范围内。

Claims (10)

1、一种涂层内的缺陷检测***，其特征在于它具有下列装置：
照射装置，用以用光照射被涂覆纤维，从而产生预期的前向散射图形，该图形表示光照射入质量合格的涂层时的前向光程和强度；和
监视装置，用以监视预期的前向散射图形附近的光强度级，光强度级增加则表示涂层内有缺陷存在。
2、如权利要求1所述的缺陷检测***，其特征在于，所述照射装置还包括分束装置，此分束装置用以从激光源发射出的单个光束产生至少两个基本上等效的光束。
3、如权利要求1所述的缺陷检测***，其特征在于，所述监视装置包括至少两个光电二极管，紧挨预期的前向散射图形配置。
4、如权利要求1所述的缺陷检测***，其特征在于，用至少两个正交排列的光束照射被涂覆纤维。
5、如权利要求1所述的缺陷检测***，其特征在于，照射被涂覆纤维的光束宽度比被涂覆纤维的外径大。
6、检测涂层内缺陷的一种方法，其特征在于，它包括下列步骤：用光照射被涂覆纤维，从而产生预期的表示光射入质量合格的涂层时的前向光程和强度的前向散射图形;和
监视紧挨该预期的前向散射图形处的光强度级，光强度级增加则表示涂层内有缺陷存在。
7、如权利要求6所述的缺陷检测法，其特征在于，用至少两个正交配置的光束照射所述被涂覆纤维。
8、如权利要求6所述的缺陷检测法，其特征在于，照射所述被涂覆纤维的光束，其宽度大于所述被涂覆纤维的直径。
9、如权利要求6所述的缺陷检测法，其特征在于，用至少两个紧挨着所述预期的前向散射图形配置的光电二极管监视所述前向散射图形的光强度级。
10、如权利要求6所述的缺陷检测法，其特征在于，光强度级监视的响应时间短得足以使持续时间较短的缺陷可以作为生产线加工流程的一部分精确检测出来。
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