DE19514718C2 - Verfahren zur Vermessung einer gekrümmten Oberfläche eines Lichtwellenleiterbandes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung von in einer Richtung gekrümmten Oberflächen, die senkrecht zur Krümmungsrichtung annähernd eben sind. Es werden die Oberflächen von Lichtwellenleiter-(LWL)-Bändern untersucht, wobei die Oberfläche von außen beleuchtet wird.

Im Stand der Technik sind Vorrichtungen und Verfahren zur kontinuierlichen Untersuchung von Lichtleitfasern bekannt, wobei das Licht einer Lichtquelle in die Faser eingekoppelt wird, die in einem Ziehofen hergestellt wird. Zur Erkennung von Fehlern an der Lichtleitfaser wird mittels eines Detek­ tors erfaßt, wieviel Streulicht im Anschluß an den Ziehofen nach außen tritt.

Bei Lichtwellenleiterbändern sind mehrere Einzelfasern in einem breiten Band zusammengefaßt. Hierbei ist die gleichmä­ ßige Anordnung dieser Bänder nebeneinander und in der Höhe bzw. in der Mitte des Bandes von entscheidender Bedeutung für die Qualität bzw. für die Lichtausbeute. Somit ist die genaue Lage jeder einzelnen Lichtwellenleiter-Faser von wesentlicher Bedeutung und eine diesbezügliche Abweichung während der Fer­ tigung eines LWL-Bandes sollte schnellstmöglich erkannt wer­ den.

Die bisherige Praxis sieht eine zerstörende Prüfung vor, bei der Stichproben vorgenommen werden. Dies ist eine sehr zeit­ intensive Meßmethode. Zudem ist die Messung nicht automati­ sierbar, d. h. nicht in eine Fertigungslinie integrierbar. Ein Fehler innerhalb eines LWL-Bandes wird bei der bisherigen vi­ suellen Vermessung festgestellt, indem ein LWL-Band aufge­ schnitten wird und ein Schliffbild des Querschnittes herge­ stellt wird.

In Hodam, Fritz: Optik in der Längenmeßtechnik, VEB Verlag Technik Berlin, 2. Auflage 1966, Seiten 248 bis 253 ist ein Verfahren zur quantitativen Bestimmung einer geometrischen Oberflächenstruktur eines Meßobjekts auf optischem Wege beschrieben. Hierbei wird ein scharf begrenztes und streng gerichtetes Strahlenbündel schräg auf eine zu untersuchende Oberfläche gerichtet, so daß eine Grenzlinie des Bündels im Auftreffschnitt eine dem Profil der Oberfläche entsprechende Form annimmt. Damit wird in schräger Richtung ein Spalt auf die zu untersuchende Oberfläche projiziert und mit einem ebenfalls geneigten Mikroskop beobachtet.

In DE 42 29 349 A1 wird eine Anordnung zur Messung der optischen Güte von spiegelnden und transparenten Materialien und Verfahren zur seiner Durchführung beschrieben. Hierbei ist unter anderem eine Auswerteeinheit installiert, durch die mit einem Detektor mit einer vorgeschalteten Lochblende oder einer CCD-Kamera mit anschließender Bildverarbeitung ein von einem zu untersuchenden Material reflektiertes und/oder gestreutes oder abgelenktes Licht meßbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gekrümmte Oberfläche eines Lichtwellenleiterbandes derart zu vermessen, daß geringe Höhenunterschiede quer zur Krümmungsrichtung detektierbar sind.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des An­ spruches 1 bzw. des Anspruches 2. Vorteilhafte Ausgestaltun­ gen können den Unteransprüchen entnommen werden.

In der Erfindung wird die Krümmung der zu vermessenden Ober­ fläche des zu prüfenden Lichtwellenleiterbandes derart ausge­ nutzt, daß sämtliche Oberflächenbereiche kontinuierlich oder sukkzessive annähernd tangential beleuchtet werden und das Oberflächenprofil, das im Idealfall eine Gerade darstellt, wird in eine in Beleuchtungsrichtung hinter dem Objekt liegende, ebenfalls tangential angeordnete Kamera abgebildet. Zur Erzeugung einer möglichst kontrastreichen Abbildung in der Kamera wird dieser flache Winkel, der bei der tangen­ tialen Beleuchtung vorliegt, gewählt, damit das Licht über eine annähernd vollständige Totalreflexion auf der Oberfläche des LWL-Bandes in die Kamera gelangt. Diese Abbildung ist demnach auch bei transparenten Materialien, wie es bei einem LWL-Band der Fall ist, möglich, da durch Interferenz­ erscheinungen eine kontrastreiche Abbildung erzielbar ist.

Eine weitere Lösung der gestellten Aufgabe geschieht eben­ falls mit annähernd tangentialer Beleuchtung und annähernd tangentialer Bildaufnahme. Dabei wird in dem Bereich des Scheitelpunktes, der beleuchtet wird, eine sog. Referenz­ schneide in geringem Abstand über der Oberfläche und quer zur Krümmungsrichtung angeordnet. Durch die seitliche Beleuchtung wird ein Spiegelbild der Referenzschneide auf der zu vermessenden Oberfläche erzeugt. Bei gleichzeitiger Abbildung von Referenzschneide und Spiegelbild in der Kamera wird bei ideal gerader Oberfläche ein Lichtspalt abgebildet, wobei die obere Kante der Referenzschneide entspricht und die untere Kante der Oberfläche des Prüfobjektes. Der Abstand kann di­ rekt vermessen werden. Durch die Spiegelung an der Oberfläche des Meßobjektes kommt es zu einer Erhöhung der Auflösung um den Faktor 2.

Wird die Version der Erfindung ohne den Einsatz der Referenz­ schneide gewählt, so ist es vorteilhaft, das Licht durch eine querliegende Schlitzblende, die hinter der Beleuchtungsquelle angeordnet ist, in zur Oberfläche senkrechter Richtung zu pa­ rallelisieren. Durch den Einsatz dieser Schlitzblende wird der Kontrast in der Abbildung verstärkt.

Falls eine annähernd tangentiale Beleuchtung und Bildaufnahme aus Platzgründen nicht erfolgen kann, so ist die Variante der Erfindung vorzuziehen, bei der eine Referenzschneide eingesetzt wird. Dies begründet sich auf die Erzeugung eines Spiegelbildes der Referenzschneide, was auch bei größeren Einstrahlungswinkeln gegeben ist. Notwendig ist jedoch die gleichzeitige Abbildung der Referenzschneide und des Spiegel­ bildes in der Kamera.

Die Verwendung einer herkömmlichen Kamera erfordert ein Bild­ auswerte- bzw. Bildverarbeitungsverfahren. In vorteilhafter Weise wird eine sog. CCD-Kamera (Halbleiterkamera) einge­ setzt. Diese weist wesentliche Vorteile zur örtlichen Auflö­ sung innerhalb eines Bildes auf.

Im folgenden werden anhand von schematischen Figuren Ausfüh­ rungsbeispiele beschrieben.

Fig. 1 und 2 zeigen eine automatische Profilmessung an einem LWL-Band mit dem entsprechenden Monitorbild,

Fig. 3 und 4 zeigen eine automatische Profilmessung an einem LWL-Band unter Einsatz einer Referenzschneide und das zugehö­ rige Monitorbild,

Fig. 5 zeigt den ungefähren Strahlengang auf der Seite der Abbildungsstrahlen in zwei willkürlichen Ebenen.

Die Herstellung von LWL-Bändern sieht vor, daß diese über ei­ ne Rolle mit einer Geschwindigkeit von beispielsweise 100 m/min laufen. Es wird eine optische Abbildung des Oberflä­ chenprofiles des an dieser Stelle gekrümmten Bändchens auf eine CCD-Kamera bewirkt, wobei zwei Varianten die erfindungs­ gemäße Aufgabe lösen.

In der Fig. 1 wird ein LWL-Band 1 mit leichter Krümmung dar­ gestellt. Eine Meßanordnung, bestehend aus einer Lichtquelle 5, einer Schlitzblende 6, einem Objektiv 7 und einer Kamera 8 beleuchtet an einem vorgegebenen Scheitelpunkt das dort vor­ liegende Oberflächenprofil 2. Die Bewegungsrichtung 4 des LWL-Bandes 1 in der Fertigung wird durch den entsprechend vermerkten Pfeil angedeutet. Durch die tangentiale Beleuch­ tung und ebenfalls tangentiale Bildaufnahme kann eine Abbil­ dung des Oberflächenprofiles 2 in die Kamera 8 erzeugt wer­ den. Der Einsatz einer Schlitzblende 6 ist zur Erhöhung des Kontrastes in der Abbildung vorteilhaft.

In der Fig. 2 wird ein Beispiel für ein Monitorbild, d. h. für die Abbildung des Oberflächenprofiles 2 gegeben. Das ab­ gebildete Oberflächenprofil 9 weist keinerlei Überhöhungen auf. Daraus ist zu schließen, daß die LWL-Faser 3 sämtlichst in gewünschter Lage positioniert sind.

In der Fig. 3 werden die Beleuchtung und die Bildaufnahme eines Scheitelpunktes bzw. eines Oberflächenprofiles 2 unter Zuhilfenahme einer Referenzschneide 10 ebenfalls in annähernd tangentialer Richtung durchgeführt. Eine Schlitzblende 6 ist hier nicht vorgesehen. Die oberhalb des LWL-Bandes 3 in ge­ ringem Abstand und parallel zu dessen Oberfläche positio­ nierte Referenzschneide 10 ist so scharfkantig wie möglich und geradlinig ausgebildet. Deren Abbildung in die Kamera 8 kann somit ebenfalls eine Gerade sein. Einerseits kann die Kombination aus Referenzschneide 10 und Oberflächenprofil 2 an der darunterliegenden Stelle des LWL-Bandes 3 als Schlitz­ blende betrachtet werden. Abgebildet werden in diesem Fall jedoch die Referenzschneide 10 und das an der Oberfläche des LWL-bandes 1 erzeugte Spiegelbild 11 der Referenzschneide 10.

Bei fehlerfreiem Oberflächenprofil des LWL-Bandes 3 er­ scheint, wie in Fig. 4 dargestellt, die Abb. 15 der Re­ ferenzschneide 10 als konstraststarke Linie oberhalb des er­ kennbaren Lichtspaltes und das abgebildete Oberflächenprofil 9 des LWL-Bandes 1 an dessen Unterseite. In diesem Fall lie­ gen ebenfalls keine wesentlichen Fehler in Form von Überhö­ hungen innerhalb der Oberfläche, insbesondere nicht an diesem Scheitelpunkt vor.

In Fig. 5 ist ein Ausschnitt aus einem LWL-Band 1 darge­ stellt. Die Oberfläche ist nicht gleichmäßig, sondern zeigt entsprechend dem Oberflächenprofi 2 Überhöhungen. Auf die Darstellung des Beleuchtungsstrahles 12, wie in Fig. 1, ist in Fig. 5 verzichtet worden. Es ist erkennbar, daß die Ab­ bildungsstrahlen 13, 14 für zwei ausgewählte Ebenen zum einen eine Abb. 15 der Referenzschneide in der Kamera 8 und zum anderen eine Abb. 9 des Oberflächenprofiles 2 in der Kamera 8 bewirken. Durch die hier fehlerhaft vorliegende Überhöhung innerhalb des Oberflächenprofiles 2 ergibt sich das entsprechend ausgebildete, an seiner Oberseite nicht ge­ radlinige Spiegelbild 11 der Referenzschneide 10. An dieser Stelle ist anzumerken, daß ein erwähnter Scheitelpunkt des LWL-Bandes 1 nicht unbedingt mit dem Oberflächenprofil 2, das gerade abgebildet werden soll, zusammenfällt. In Fig. 5 lie­ gen Referenzschneide 10 und Spiegelbild 11 nicht übereinan­ der.

Die Abbildung in der Kamera entspricht bei kleinen Krümmungen des LWL-Bandes 1 näherungsweise dem Bandprofil bzw. dem Ober­ flächenprofil 2. Aufgrund des Spiegelprinzipes ist es um den Faktor 2 vergrößert. Somit liegt bei Einsatz einer Referenz­ schneide 10 eine erhöhte Auflösung vor. Optische Verzerrungen bei der Verwendung der in der Abbildung gleichzeitig sichtbaren Referenzschneide 10 als Bezugsgerade können automatisch kompensiert werden. Das Monitorbild eignet sich so­ wohl für die visuelle Prüfung, als auch zur vollautomatischen Profilmessung in einer Fertigungslinie unter Einsatz eines Bildverarbeitungssystemes. Bei Einsatz eines hochgenauen Bildverarbeitungssystemes besteht die Möglichkeit, den Profilverlauf zur visuellen Beurteilung noch stärker überhöht darzustellen, als dies bei der direkten Visualisierung der optischen Abbildung entsprechend Fig. 5 durch eine Optik möglich ist.

Die Vermessung eines LWL-Bandes 1 geschieht in der Regel an einem an der statischen Meßeinrichtung vorbeigeführten ge­ ringfügig gekrümmten Band. Es ist auch denkbar, daß eine ge­ samte Oberfläche eines gekrümmten Körpers vermessen werden kann, indem jeweils bestimmte Meßfenster festgelegt werden, die sukkzessive abgearbeitet werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Vermessung einer Oberfläche eines Lichtwellenleiterbandes (1), die eine gleichmäßige Krümmung in einer Richtung aufweist und senkrecht zur Krümmung annähernd eben ist, mittels einer optischen Abbildung eines Oberflächenprofiles (2) in eine Kamera (8), wobei die Beleuchtung und die Bildaufnahme in Krümmungsrichtung und relativ zum Oberflächenprofil (2) jeweils gegenüberliegend und in annähernd tangentialer Richtung geschehen, so daß Ab­ weichungen im ebenen Oberflächenprofil (2) erkennbar sind.

2. Verfahren zur Vermessung einer Oberfläche eines Lichtwellenleiterbandes (1), die eine gleichmäßige Krümmung in einer Richtung aufweist und senkrecht zur Krümmungsrichtung annähernd eben ist, mittels gleichzeitiger optischer Abbildung einer Referenzschneide (10) und eines auf der Oberfläche erzeugten Spiegelbildes (11) der Referenz­ schneide (10) in eine Kamera (8), wobei die Beleuchtung und die Bildaufnahme in Krümmungsrichtung und relativ zum Ober­ flächenprofil (2) jeweils gegenüberliegend und in annähernd tangentialer Richtung geschehen, die Referenzschneide (10) über dem zu vermessenden Oberflächenprofil (2) und quer zur Beleuchtungsrichtung und in der Nähe der annähernd ebenen Oberfläche angeordnet ist, so daß ein Spiegelbild (11) der Referenzschneide (10) auf der Oberfläche entsteht und die Re­ ferenzschneide (10) und das Spiegelbild (11) in die Kamera (8) abgebildet werden, um Abweichungen im ebenen Oberflächen­ profil (2) zu detektieren.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin hinter der Lichtquelle (5) im Beleuchtungsstrahl (12) eine waagerecht liegende Schlitzblende (6) angeordnet ist, so daß annähernd paralleli­ siertes Licht erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, worin die Richtung von Beleuch­ tung und Bildaufnahme unter Beibehaltung der gleichzeitigen optischen Abbildung der Referenzschneide (10) und des ent­ sprechenden Spiegelbildes (11) in die Kamera (8) von der re­ lativ zur gekrümmten Oberfläche tangentialen Richtung abwei­ chen.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Kamera (8) eine Halbleiterkamera ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin sich das Lichtwellenleiterband in Krümmungsrichtung bewegt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Bildauswertung automatisch über ein Bildverarbeitungssy­ stem geschieht.