DE69002565T2

DE69002565T2 - Verfahren und Einrichtung für die geometrische Charakterisierung durchsichtiger Röhren.

Info

Publication number: DE69002565T2
Application number: DE90402349T
Authority: DE
Inventors: Philippe Grosso
Original assignee: France Telecom SA
Current assignee: Orange SA
Priority date: 1989-08-25
Filing date: 1990-08-23
Publication date: 1994-02-17
Anticipated expiration: 2010-08-24
Also published as: EP0414614A1; FR2651312A1; FR2651312B1; US5118954A; EP0414614B1; DE69002565D1; JPH03162606A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die geometrische Charakterisierung durchsichtiger Röhren. Sie findet Anwendung vor allem bei der geometrischen Charakterisierung von Glasröhren, z.B. aus Quarzglas, die bestimmt sind für die Fabrikation von Vorformlingen für Lichtleitfasern.
Bekannt ist schon eine Technik, die ermöglicht, den Innen- und den Außendurchmesser einer transparenten Röhre zu ermitteln, mit der man den Außendurchmesser der Röhre mittels einer ersten Meßvorrichtung feststellt, und die Stärke der Röhre mittels einer zweiten Meßvorrichtung, räumlich getrennt von der ersten, wobei die Kenntnis der Stärke selbstverständlich ermöglicht, den Innendurchmesser der Röhre zu ermitteln.
Diese bekannte Technik, die zwei Vorrichtungen anwendet, ist eine teure Technik.
Bekannt ist auch eine andere Technik, die ermöglicht, den Innen- und den Außendurchmesser einer transparenten Röhre zu ermitteln, wobei diese Technik angewandt wird in einem Gerät, das von der Firma YORK TECHNOLOGY mit der Bezeichnung P101 in den Handel gebracht wurde. Nach dieser anderen Technik werden der Innen- und der Außendurchmesser der Röhre ermittelt durch Messungen des optischen Index, und die Röhre muß sich in einer Indexanpassungsflüssigkeit befinden.
Diese andere bekannte Technik ist nicht geeignet für eine "kontinuierliche" Messung der geometrischen Charakteristika einer in der Herstellung befindlichen Röhre, die vor dem genannten Gerät vorbeilaufen sollte.
Die vorliegende Erfindung hat den Zweck, die vorhergehenden Nachteile zu beseitigen, indem sie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur geometrischen Charakterisierung von transparenten Röhren vorschlägt, deren Verwirklichung weniger teuer ist, als die der vorhergehenden Technik, weiter oben erwähnt, und die gut angepaßt sind an die "kontinuierliche" Messung der geometrischen Charakteristika einer in der Herstellung befindlichen Röhre.
Man kennt, durch das Patent US-A-4 859 861, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur geometrischen Charakterisierung einer Röhre, die den Präambeln der Ansprüche 1 und 7 entsprechen.
Man kennt auch, durch das Patent FR-A-2 379 064, ein Verfahren zur Überwachung der Konzentrizität einer im wesentlichen transparenten Beschichtung.
Genaugenommen hat die vorliegende Erfindung zunächst ein Verfahren zur geometrischen Charakterisierung einer Röhre zum Gegenstand, entsprechend dem Anspruch 1.
Man verläßt folglich nicht den Rahmen der Erfindung, indem man nicht den Innen- und den Außendurchmesser der Röhre ermittelt, sondern den Innen- und Außenradius dieser Röhre.
Gewiß, man kennt schon aus einem Artikel von L.S.WATKINS, veröffentlicht in der Zeitschrift APPLIED OPTICS, Band 18, Nº13, 1 Juli 1979, S. 2214 bis 2222, eine Technik, die ermöglicht, das Verhältnis der Brechungsindizes und den Gradientenverlauf eines Vorformlings für Lichtleitfasern mit Indexgradient zu ermitteln. Jedoch ist diese Technik sehr verschieden von dem Verfahren, das Gegenstand der Erfindung ist. Gemäß dieser bekannten Technik macht man nämlich Messungen an Vorformlingen für Lichtleitfasern mit Indexgradient und nicht an den Röhren, und man mißt die Lichtstrahl-Ablenkwinkel, während man bei der vorliegenden Erfindung nichtabgelenkte Lichtstrahlen benutzt.
Außerdem erfordert diese Technik eine dexanpassungsflüssigkeit, während, bei der vorliegenden Erfindung, die Röhre in der Luft angeordnet ist, was es möglich macht, die Messungen z.B. direkt am Ausgang eines Glasröhren- Herstellungsofens zu machen.
Nach einer speziellen Durchführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt man den Innen- und den Außendurchmesser bzw. die diesen Druchmessern entsprechenden Radien in einer Vielzahl von Schnittebenen, die entlang der Achse der Röhre voneinander beabstandet sind, um die Röhre in diesen Schnittebenen geometrisch zu charakterisieren.
Nach einer anderen speziellen Durchführungsform läßt man die Röhre sich um ihre Achse drehen, und man ermittelt den Außendurchmesser der Röhre oder den diesem Durchmesser entsprechenden Radius, in der genannten Schnittebene, an einer Vielzahl von in dieser Schnittebene befindlichen Punkten der Außenwand der Röhre.
Dies ermöglicht, zu überprüfen, ob die Außenwand der Röhre "zylindrisch" ist, d.h. zu überprüfen, ob, wenn die Röhre eine gewisse Unrundheit aufweist, diese eine vorher festgelegte Grenze überschreitet.
Nach einer weiteren speziellen Durchführungsart läßt man die Röhre sich um ihre Achse drehen, ermittelt den Abstand, der vorhanden sein sollte zwischen dem Innen- und dem Außendurchmesser der Röhre in der Schnittebene an einer Vielzahl von in dieser Schnittebene befindlichen Punkten, richtet die Röhre so aus, daß die Durchmesserebene der Röhre, die den Punkt enthält, der den Minimalabstand aufweist, senkrecht steht zu einer Bezugsebene, die parallel ist zum einfallenden strahl, ermittelt, für jeden der beiden Punkte der genannten Durchmesserebene, die diametral entgegengesetzt sind auf der Innenwand der Röhre, den Abstand, bezüglich der Bezugsebene, von einem der nicht abgelenkten Strahlen, die sich wenigstens einmal reflektieren an der Grenzfläche innenwand-Luft, und ermittelt auf Grund der beiden so erhaltenen Abstände die Versetzung, die möglicherweise vorhanden ist zwischen der Achse der Innenwand und der Achse der Außenwand.
Dies ermöglicht, die "Koinzidenz" zwischen der Achse der Innenwand und der Achse der Außenwand der Röhre zu überprüfen, d.h. zu überprüfen, ob der Abstand, der zwischen diesen beiden Achsen vorhanden sein könnte, kleiner ist als ein Wert, den man festgelegt hat.
Man kann als nichtabgelenkte Strahlen jene verwenden, die die Außenwand der Röhre tangieren, und jene, unter den anderen, nichtabelenkten Strahlen, die sich wenigsten einmal reflektieren an der Grenzfläche Innenwand-Luft.
Die Röhre kann eine Glasröhre sein, die bestimmt ist für die Herstellung eines Vorformlings für Lichtleitfasern, und deren Innenwand dazu bestimmt ist, mit einer glasartigen Schicht bedeckt zu werden für die Bildung des Kerns der Lichtleitfasern. Dann kann man die Röhre geometrisch charakterisieren, entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren, vor und nach Bildung der glasartigen Beschichtung auf der Innenwand.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur geometrischen Charakterisierung einer Röhre, entsprechend Anspruch 7.
Nach einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt diese, außer Relativverschiebungs-Einrichtung der Röhre bezüglich der Einrichtungen, die vorgesehen sind, um diese zu überstreichen und der Lichtdetektions-Einrichtungen.
Nach einer anderen speziellen Ausführungsart der Erfindung enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung außerdem einrichtungen zum Drehen der Röhre um ihre Achse.
Schließlich, bei einer speziellen Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, umfassen die Einrichtungen, die vorgesehen sind, die Röhre zu überstreichen:
- eine erste konvergente Optik, deren einer Brennpunkt auf der Achse der Röhre liegt, und deren optische Achse senkrecht zur genannten Achse der Röhre ist,
- einen oszillierenden Spiegel, der angeordnet ist in dem anderen Brennpunkt der ersten Optik, und der das Licht der Emissionseinrichtungen empfängt, wobei eine zweite konvergente Optik, mit derselben Brennweite wie die erste, zu dieser bezüglich der Röhrenachse symetrisch und derart angeordnet ist, daß ihre optische Achse zusammenfällt mit der Achse der ersten Optik, so daß der eine der beiden Brennpunkte der zweiten Optik auf der Achse der Röhre liegt, an derselben stelle, wie der genannte Brennpunkt der ersten Optik,
und dadurch, daß die Lichtdetektions-Einrichtungen einen in etwa punktförmigen photodetektor umfassen, der im anderen Brennpunkt der zweiten Optik angeordnet ist.
Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich durch die Lektüre der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, gegeben zur Erläuterung und keinesfalls zur Einschränkung, mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen:
- die Figur 1 ist eine schematische Ansicht einer speziellen Ausführungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- die Figur 2A zeigt schematisch die verschiedenen nichtabgelenkten, in der vorliegenden Erfindung verwerteten Lichtstrahlen,
- die Figur 2B zeigt schematisch und partiell die Signale, geliefert von einem Photodetektor, der zu der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung gehört, als Antwort auf den nicht abgelenkten Lichtstrahl,
- die Figur 3A stellt einige dieser Signale dar, wobei nur zwei dieser nichtabelenkten Lichtstrahlen in Betracht gezogen werden,
- die Figuren 3B und 3C stellen schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren dar,
- die Figur 4 stellt schematisch den Weg von zwei der nichtabgelenkten Lichtstrahlen dar, wobei der eine die Außenwand der Röhre tangiert, und der andere sich einmal reflektiert an der Grenzfläche Innenwand-Luft,
- die Figur 5 zeigt schematisch einen anderen nichtabgelenkten Lichtstrahl, der sich zweimal auf dieser Grenzfläche Innenwand-Luft reflektiert, und einmal an der Grenzfläche Außenwand-Luft,
- die Figur 6 zeigt schematisch einen weiteren, nichtabgelenkten Lichtstrahl, der sich dreimal an der Grenzfläche Innenwand-Luft reflektiert, und zweimal an der Grenzfläche Außenwand-Luft,
- die Figur 7 stellt schematisch Längsbewegungs- Einrichtungen der Röhre dar, mit denen die in Figur 1 schematisch dargestellte Vorrichtung ausgestattet sein kann,
- die Figur 8 stellt schematisch Dreheinrichungen der Röhre um die eigene Achse dar, mit denen die Vorrichtung der Figur 1 ebenfalls ausgestattet sein kann,
- die Figur 9 stellt schematisch zwei nicht abgelenkte Lichtstrahlen dar, die man benutzen kann, um einen eventuellen Abstand zwischen der Achse der Innenwand und der Achse der Außenwand der Röhre festzustellen, und
- die Figur 10 stellt schematisch die Unrundheit und den genannten Abstand zwischen den Achsen dar, die die Röhre eventuell aufweisen kann.
In Figur 1 ist schematisch eine spezielle Ausführungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung ist bestimmt für die geometrische Charakterisierung einer transparenten Röhre 2, z.B. aus Quarzglas, angeordnet auf einer nicht dargestellten Stützeinrichtung. Die Innen- und Außenwände der Röhre sind im wesentlichen zylindrisch und koaxial.
Die Vorrichtung der Figur 1 umfaßt eine erste konvergente Optik 4 und eine zweite konvergente Optik 6, identisch mit der ersten. Es handelt sich z.B. um zwei einfache Linsen, konvergierend, die die gleiche Brennweite f aufweisen. Die optischen Achsen der Linsen 4 und 6 fallen zusammen und sind senkrecht zu der Achse der Röhre 2. Außerdem sind die Linsen 4 und 6 symetrisch zueinander, bezogen auf die Achse der Röhre 2, und haben einen gemeinsamen Brennpunkt auf dieser Achse.
Die Vorrichtung umfaßt ebenfalls einen ebenen Spiegel 8, betätigt durch nicht dargestellt Einrichtungen, die ihn oszillieren lassen um eine zur Achse der Röhre 2 parallele Rotationsachse, wobei diese Rotationsachse enthalten ist in der ebenen Reflexionsfläche des Spiegels 8. Außerdem ist der oszillierende Spiegel 8 so angeordnet, daß der andere Brennpunkt der Linse 4 sich auf der genannten Reflexionsfläche und auf der Rotationsachse des spiegels befindet.
Die Vorrichtung umfaßt auch eine Lichtquelle 10, etwa einen Laser, vorgesehen um einen Lichtstrahl auf den oszillierenden Spiegel 8 zu senden, mittels eines Kollimators 12, vorgesehen, um den Durchmesser des von dem Laser ausgesandten Strahls zu vergrößern.
Die Vorrichtung umfaßt schließlich einen Photodetektor 14, sowie eine Empfänger-Photodiode, die in etwa punktuell ist, d.h. daß sie einen kleinen Aperturwinkel aufweist, z.B. in der Größenordnung von 2 Milliradian, Einrichtungen 16 zum Erfassen der durch die photodiode l4 gelieferten elektrischen Signale, elektronische Einrichtungen l8 zur Verarbeitung der so erhaltenen Informationen, und Einrichtungen 19 zur Anzeige der durch die Einrichtungen 18 erhaltenen Resultate. Die Empfängerseite der Photodiode ist im anderen Brennpunkt der Linse 6 angeordnet, auf dem Abbild (feststehend) des ozillierenden Spiegels 8.
So gestattet der oszillierende Spiegel 8, die Röhre 2 mit einem Lichtstrahl zu überstreichen, der fokalisiert wird auf der Ebene, die durch die Ache der Röhre verläuft, und die senkrecht ist zur gemeinsamen optischen Achse der beiden Linsen 4 und 6. Der Lichtstrahl, der die Röhre überstreicht, bewegt sich parallel zu sich selbst im Verlauf des Überstreichens der Röhre.
Die Erfassungseinrichtungen 16 enthalten z.B. eine Erfassungskarte, die das Bild einer Überstreichung der Röhre speichern, und die z.B. von der Art ist, die in den Handel gebracht wird von der Firma KEITHLEY unter der Bezeichnung DSH 16F, und die Verarbeitungeinrichtungen 18 enthalten einen Rechner, z.B. des Typs JASMIN, der mittels der in der Erfassungskarte gespeicherten Informationen die Innen- und Außendurchmesser der Röhre 2 ermittelt, wie man in der Folge sehen wird.
Nur beispielhaft und keinesfalls einschränkend, um eine Quarzglasröhre zu charakterisieren, deren Außendurchmesser kleiner ist als 70 mm , verwendet man: einen He-Ne-Laser, desser Kohärenz erlaubt, die Röhre mit einem Strahl zu überstreichen, der auf Höhe der Röhre einen Lichtspot mit einem Durchmesser von einigen Mikrometern bildet, mit einer Amplitude in der Größenordnung von 70 mm und Linsen, die quasi keine Aberration aufweisen, was gestattet, die Linse 4 betreffend, die Qualtät der Fokalisierung des Lasers zu wahren, mit f=100 mm; der Laser sendet einen Lichtstrahl aus, dessen Wellenlänge 633 nm beträgt, und der einen Durchmesser von 0,8 um hat; man legt die Abmessung des Spots auf Höhe der Röhre auf 20 Mikrometer fest (Brennfleck- bzw. Brennflächendurchmesser), was für den auf die Linse 4 fallenden Lichtstrahl 20 voraussetzt, daß er einen Durchmesser in der Größenordung von 4 um hat, daher die Notwendigkeit, einen Kollimator 12 zu verwenden, der den Durchmesser des vom Laser ausgesandten Strahls mit 5 multipliziert.
Die Photodiode 14 empfängt nur das Licht der bei der Durchquerung der Röhre nicht abgelenkten Strahlen (und selbstverständlich das Licht der Strahlen, die über und unter der Röhre durchgehen, und die, wie die genannten nichtabgelenkten Strahlen, auf der Photodiode fokalisiert werden durch die Linse 6). Die an der Grenzfläche Röhreninnenwand-Luft reflektierten und durch die Dicke des Quarzglases der Röhre gebrochenen Strahlen, mit einem Winkel, der größer ist als der öffnungswinkel der Photodiode, werden nicht "gesehen" von dieser Photodiode.
Man hat herausgefunden, daß im Laufe einer Überstreichung nur fünf Strahlen nicht abgelenkt oder gebrochen werden durch diese Röhre. Diese fünf Strahlen sind dargestellt in Figur 2A. Es sind: der Strahl F0, der in der Achse der Röhre verläuft, der Strahl F1, der die Röhre verläßt nach fünf Brechungen (drei an dem Innendiopter Luft-Quarzglas, und zwei an dem Außendiopter Luft-Quarzglas), der Strahl F3, der aus der Röhre austritt nach einer Reflexion an der inneren Grenzfläche Luft- Quarzglas, und der strahl F4, der die Außenwand der Röhre tangiert.
Unter "Innen- beziehungsweise Außendiopter Luft-Quarzglas" versteht man die Grenzfläche zwischen der Innen- bzw. der Außenwand der Röhre und der Luft.
Man benutzt zwei der Strahlen F1 bis F4, um den Innenradius r (oder den Innendurchmesser 2r) der Röhre und den Außenradius R (oder den Außendurchmesser 2R) der Röhre zu ermitteln, zum Beispiel den strahl F4, der auf einfache Weise mit R verbunden ist, wie man in der Folge sehen wird, und einen der Strahlen F1, F2, F3.
In Figur 2B hat man die Veränderungen der Intensität I des durch die photodiode 14 im Laufe einer Überstreichung der Röhre von unten nach oben gelieferten Signals dargestellt, in Abhängigkeit von der Zeit t. Man stellt fest, daß nur eine Hälfte der Kurve dargestellt ist in Figur 2, wobei diese Hälfte dem Teil der Überstreichung entspricht, der einerseits begrenzt wird durch den strahl F0, und andererseits durch letzten Strahl Fn der Überstreichung, der über der Röhre durchgeht. In Figur 2A hat man den anderen, die Überstreichung begrenzenden Strahl Fm dargestellt, der unter der Röhre durchgeht. Somit ist die Überstreichung begrenzt durch Fm und Fn, und kann von Fm nach Fn gehen, mit Rückkehr zu Fm.
Zurückkehrend zu Figur 2B bemerkt man, von links nach rechts, eine ausgeprägte spitze I0, F0 entsprechend, eine spitze I1 von schwacher Intensität, F1 entsprechend, eine spitze I2, etwas stärker als die vorhergehende und F2 entsprechend, eine spitze I3 und einen Rechteckimpuls I4, dessen Intensität in etwa gleich der von I0 ist, dessen ansteigende Flanke f4 F4 entspricht, und der mit dem Strahl beziehungsweise Strahlenbündel verbunden ist, das von F4 bis Fm reicht.
Nun wird erläutert, wie der Innendurchmesser 2r und der Außendurchmesser 2R ermittelt werden.
Bei Betrachtung einer Ebene, Bezugsebene genannt, die die Achse der Röhre und die den beiden Linsen gemeinsame optische Achse X enthält (Figur 4) stellt man fest, daß man nämlich bei einer Überstreichung zwischen den beiden Strahlen Fm und Fn zwei Strahlen von der Art des strahls Fi erhält, wobei i von 1 bis 4 geht. Einer dieser beiden Strahlen befindet sich auf einer Seite der Bezugsebene (s. Figur 2A), und der andere der beiden Strahlen, der nicht dargestellt ist, befindet sich auf der anderen Seite der Bezugsebene.
Folglich treten die nichtumgelenkten Strahlen paarweise auf, ausgenommen der strahl F0.
Darum ermittelt man hinsichtlich der Berechnung der Größen 2R und 2r für zwei von diesen Paaren den Abstand zwischen den beiden Strahlen von jedem von diesen beiden Paaren.
Man benutzt z.B. die beiden Strahlen des Typs F3 (eine Reflexion auf dem Innendiopter Luft-Quarzglas) und die beiden Strahlen des Typs F4 (Tangenten an der Außenwand der Röhre).
Bei einer Überstreichung der Röhre zwischen den Genzstrahlen Fm und Fn liefert der Photodetektor 14 ein Analogsignal U (in Volt), abhängig von der Zeit t. Der verwertbare Teil dieses signals ist in Figur 3A dargestellt, wo man den Anfang t1 und das Ende t2 der Überstreichung sieht, wobei die spitzen p1 und p2 den beiden Strahlen des Typs F3 entsprechen, und die Rechteckimpulse c1 und c2, deren "Fronten" den beiden Strahlen des Typs F4 entsprechen. Das Gestrichelte entspricht dem nichtverwertbaren Teil des Sigals U.
Die räumliche Auflösung Rs dieses Signals ist gegeben durch das Verhältnis der überstrichenen Länge zum Durchmesser des Spots, also:
Rs = 60/(20.10&supmin;³) = 3000 Auflösungs"-Punkte
für eine Überstreichung von 60 mm mit einem Spot von 20 Mikrometern.
Das Signal U wird anschließend gespeichert auf der Erfassungskarte DSH 16F, mit der der Rechner JASMIN ausgerüstet ist, mit einem Auflösungsvermögen in Ordinate und Abszisse von 12 Bits (4096 Abszissenpunkte mit, für jede Abszisse, 4096 möglichen Niveaus). Folglich benachteiligt in der Abzisse das Auflösungsvermögen des Speichers nicht die freie Auflösung des Lasers.
Man verfügt dann über ein numerisches Signal. Die Einheiten sind arbiträr: jede diskrete Abzisse, enthalten zwischen 0 und 4096, hat ein diskretes Niveau, enthalten zwischen 0 und 4096.
Der Rechner bestimmt und speichert vier Abszissen x1, x2, x3 und x4 in Koinzidenz mit einer festgelegten Auslösungsschwelle S, indem er inkrementiert von 0 für die ersten beiden Abzissen x1 und x2, und indem er dekrementiert von 4096 für die anderen Abzissen x3 und x4.
Dies ist schematisch dargestellt in den Figuren 3B und 3C, wo man die Schwelle S sieht und die Abzissen x1, x2, x3 und x4.
Der Außendurchmesser 2R der Röhre ist proportional zu der Differenz x3-x1, und der Innendurchmesser der Röhre wird berechnet aus der Differenz x4-x2. Diese Differenzen werden gespeichert.
Die Operation (Überstreichung, Speicherung) wird mehrmals durchgeführt, z.B. achtmal, um eine gute Genauigkeit zu erzielen.
Vorhergehend, um den Maßstab der Abszissen in Millimeter zu konvertieren, hat man einen Proportionaliätsfaktor bestimmt mit Hilfe einer Röhre mit bekanntem Außendurchmesser oder eines vollen Zylinders mit bekanntem Durchmesser (angebracht in der Vorrichtung der Figur 1 vor der Charakterisierung der Röhre 2), und man hat diesen Proportionalitätsfaktor im Rechner gespeichert.
Aus den gespeicherten und in mm konvertierten Differenzen berechnet der Computer den Außendurchmesser 2R und den Innendurchmesser 2r der Röhre 2 mittels Formeln, die weiter unten angegeben werden, und dies für die acht ausgeführten Messungen. Anschließend berechnet der Computer den Mittelwert der acht erhaltenen Werte "2R", und den Mittelwert der acht erhaltenen Wert "2r", und zeigt die Resultate an.
In den Figuren 4 bis 6 sieht man, daß der Abstand zwischen jedem der nichtabgelenkten Strahlen F1 bis F4 und der Bezugsebene angegeben wurde. Diese Abstände sind mit y1 bis y4 bezeichnet für die Strahlen F1 bis F4.
Bei Betrachtung insbesondere der Figur 4, wo die Strahlen F3 und F4 dargestellt sind, die man für die vorhergehend erläuterte Methode der Bestimmung der Innen- und Außendurchmesser benutzt hat, sieht man deutlich, daß 2R (proportional zu x3-x1) gleich 2.y4 ist, und daß 2.y3 (proportional zu x4-x2) bestimmt werden kann, indem man die Winkel i31, i32 und a3 benutzt, angegeben in Figur 4:
a3 = i31 - i32
y3 = n.r.cos(a3).
Man leitet daraus ab:
r=y3.n&supmin;¹.(1 - 1/2(Arcsin(y3/R) - Arcsin(y3/(nR)))²)&supmin;¹, wobei in dieser Formel n den optischen Index des Materials darstellt, aus dem dem die Röhre besteht (Quarzglas im betrachteten Beispiel).
Anstatt die beiden Strahlen des Typs F3 zu benutzen, kann man die beiden Strahlen des Typs F2 benutzen (Figur 5). Mittels der Winkel i21, i22 und a2, angegeben in dieser Figur, kann man schreiben:
a2 = pi/4 - i21/2 + i22
y2 = n.r.sin(a2).
Man leitet daraus ab:
r=y2.n&supmin;¹.(sin(pi/4-1/2Arcsin(y2/R)+Arcsin(y2/(nR))))&supmin;¹
In den obigen Formeln stellt pi die wohlbekannte Zahl 3,1416 dar.
Anstatt der Benutzung der beiden Strahlen des Typs F3 kann man ebenfalls die beiden Strahlen des Typs F1 (Figur 6) verwenden. Mit Hilfe der Winkel i11, i12 und a1, angegeben in dieser Figur 6, kann man schreiben:
a1= pi/6 - i11/3 + i12
y1= n.r.sin(a1).
Man leitet daraus ab:
r=y1.n&supmin;¹.(sin(pi/6-1/3Arcsin(y1/R)+Arcsin(y1/(nR))))&supmin;¹
Man wird feststellen, je dünner die Röhre ist, je mehr sich y3 annähert an R, desto schwieriger wird es, I3 und I4 zu trennen (Figur 2B), und desto schwieriger wird es, r zu bestimmen. Es ist folglich vorteilhaft, die Strahlen des Typs F1, d.h. 2.yl, oder die Strahlen des Typs F2, d.h. 2.y2, zu verwenden für die Charakterisierung der Röhren mit kleinen Dicken.
Die Bestimmung von 2R und 2r kann an mehreren Niveaus beziehungsweise Ebenen der Röhre 2 durchgeführt werden. Zu diesem Zweck kann man diese längsverschieben zwischen den beiden Linsen 4 und 6, parallel zur Achse der Röhre, durch geeignete Einrichtungen 22, wie etwa eine Rollenbahn, die die Verschiebung der Röhre möglicht macht, diese dabei haltend (Figur 7).
Als Variante ist die Röhre festgemacht, und man verschiebt in Längsrichtung, parallel zur Achse der Röhre, den Meßaufbau E (Figur 1), enthaltend den Laser 10, den Kollimator 12, den oszillierenden Spiegel 8, die Linsen 4 und 6 und den Photodetektor 14.
Die Verschiebung des Aufbaus E kann betätigt werden durch einen Motor m, selbst gesteuert durch den Computer 18, der dem Motor m den Befehl gibt, wenn die Messungen in einer Schnittebene beendet sind, den Aufbau E in Längsrichtung um einen Schritt zu verschieben, um die Messungen in der nächsten Schnittebene durchzuführen.
Wie man in der Folge sehen wird, kann es erforderlich sein, die Röhre in Drehung um ihre Achse zu versetzten, zwischen den Linsen 4 und 6. Zu diesem Zweck kann man zwei spannbaken (Figur 8) verwenden, zwischen denen die Röhre aufgenommen wird, und die man durch geeignete Einrichtungen 26 in eine Rotationsbewegung um die Achse der Röhre versetzt.
Erfindungsgemäß kann man den Innenradius (oder -durchmesser) und den Außenradius (oder -durchmesser) der Röhre kontrollieren, um sich zu überzeugen, daß der eine wie der andere akzeptable Werte sind, und diese Kontrolle kann durchgeführt werden für einen oder mehrere Querschnitte der Röhre.
In gewissen Fällen kann es außerdem nötig sein, zu überprüfen, ob die Röhre auch "zylindrisch" ist, d.h. zu überprüfen, für einen oder mehrere Querschnitte, ob für jeden von diesen die Größe R in einem Intervall fluktuiert, das man festgelegt hat.
Es kann auch nötig sein, zu überprüfen, ob die Innen- und Außenwände einer Röhre ausreichend "koaxial" sind, d.h. zu überprüfen. ob der Abstand zwischen der Achse der Außenwand der Röhre und der Achse der Innenwand der Röhre geringer ist als ein kleiner Wert, den man vorher festgelegt hat.
Dies trifft besonders auf eine Röhre aus Quarzglas zu, die bestimmt ist für die Herstellung eines Vorformlings für Lichtleitfasern, und auf deren Innenwand man eine glasartige Beschichtung aufbringt, bestimmt für die Formung des Kerns der Lichtleitfasern. Es ist wichtig, eine solche Röhre vor und nach dem Aufbringen der glasartigen Beschichtung geometrisch zu charakterisieren, denn eine Röhre mit schlechten geometrischen Eigenschaften würde schlechte Lichtleitfasern ergeben.
Um diese Charakterisierung durchzuführen, in Anbetracht einer Röhre, die soeben gefertigt wurde, beginnt man, indem man überprüft, ob die Außenwand zufriedenstellend zylindrisch ist. Es genügt, die Kontrolle an einem Ende der Röhre oder eventuell an ihren beiden Enden durchzuführen. Man weiß außerdem, unter Berücksichtigung des Herstellungsverfahrens einer solchen Quarzglasröhre daß, wenn die Außenwand wirklich zylindrisch ist, dies auch auf die Innenwand zutrifft.
Man überprüft anschließend die Koaxialtät der Innen- und Außenwand der Röhre. Eine Kontrolle an einem oder eventuell an beiden Enden der Röhre ist ebenfalls ausreichend.
Schließlich, wenn diese beiden Kontrollen (zylindrische Außenwand und Koaxialtät der Wände) akzeptable Resultate ergeben, kontolliert man R, r und R-r an mehreren Querschnitten der Röhre, z.B. alle 10 mm für eine Röhre von 600 mm Länge.
Wenn eine der vorhergehenden Kontrollen schlechte Resultat ergibt, muß die Röhre erneut bearbeitet werden, um ihre geometrischen Fehler zu korrigieren.
Man führt dieselben Kontrollen durch, nachdem man die glasartige Innenbeschichtung aufgebracht hat, und man überprüft dann ebenfalls die Dicke der aufgebrachten Beschichtung, wobei diese letztere Überprüfung durchgeführt wird an mehreren Querschnitten der Röhre, regelmäßig voneinander beabstandet über die Länge der Quarzglasröhre.
Das Herstellungsverfahren dieser letzteren ist so, daß im Fall einer Unrundheit der Röhre diese auf identische Weise an der Innen- und an der Außenwand auftritt. Es ist folglich möglich, die Unrundheitsmessungen an der Außenwand der Röhre vorzunehmen, und die Innenwand für Exzentrizitätsmeungen zu benützen (Abstand zwischen den jeweiligen Achsen der Innenwand und der Außenwand).
Um sich von der Tatsache zu überzeugen, daß die Außenwand zylindrisch ist, läßt man die Röhre sich schrittweise um ihre Achse drehen, und bestimmt bei jedem Schritt die Größe 2.y4. Wenn alle so bestimmten Größen 2.y4 enthalten sind in einem engen Intervall, das man vorher festgelegt hat, nimmt man an, daß die Außenwand zylindrisch ist.
Die Exzentrizitätsmessung wird in Figur 9 erläutert und man sieht in Figur 10, wie der Außenradius R und die Dicke R-r der Röhre variieren bei einer vollständigen Umdrehung der Röhre im Falle (A) einer alleinigen Exzentrizität, im Falle (B) einer alleinigen Unrundheit und im Falle (C) einer Unrundheit, verbunden mit einer Exzentrizität.
Zurückkehrend zu Figur 9, um die Exzentrizitätsmessungen durchzuführen, läßt man die Röhre sich schrittweise um ihre Achse drehen, und bestimmt bei jedem schritt R, r, dann R-r Anschließend bestimmt man das Minimum der so erhaltenen Größen R-r, und man ordnet die Röhre so an, daß die diesem Minimum entsprechende Diametralebene P (Figur 9) senkrecht steht zur optischen Achse x der Linsen. Anschließend, in dieser Stellung, bestimmt man die dem Strahl F3 entsprechende Größe y3 bezüglich des oberen Teils der Röhre, und die homologe Größe y'3, dem strahl F'3 entsprechend, homolog zu F3 (eine einzige Reflexion an der Grenzfläche Innenwand-Luft), aber den unteren Teil der Röhre betreffend (s. Figur 9).
Indem man die Exzentrizität mit e bezeichnet, kann man schreiben:
r+e = y3.n&supmin;¹. (cos(i31 - i32))&supmin;¹
r-e = y'3.n&supmin;¹. (cos(i'31 - i'32))&supmin;¹.
Die Winkel i31, i32, i'31 und i'32 sind angegeben in Figur 9, und die Kosinus sind errechenbar (s. die Beschreibung bezüglich der Figur 4). Durch gliedweises Dazuzählen der beiden obigen Gleichungen erhält man den Innendurchmesser der Röhre, und durch gliedweises Abziehen erhält man das Doppelte der Exzentrizität e.

Claims

1. Verfahren zur geometrischen Charakterisierung eines Rohres (2), das wenigstens für eine Art Licht durchlässig ist und dessen innere und äußere Wand in etwa zylindrisch und koaxial sind, wobei man nach dem Verfahren das Rohr (2), das sich in Luft befindet, mit einem einfallenden Bündel dieses Lichts überstreicht, einem Bündel, das man in einer zur Rohrachse senkrechten Schnittebene parallel zu sich verschiebt,

wobei das verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß man ausschließlich die nicht abgelenkten Bündel nachweist, wobei diese nicht abgelenkten Bündel

i) das Bündel (F0), das durch die Achse des Rohres geht, und

ii) die Bündel (F1, F2, F3), die nach wenigstens einer Reflexion an der Grenzfläche zwischen der inneren Rohrwand und der Luft aus dem Rohr austreten, sowie die Bündel (F4) umfassen, die tangential zur äußeren Wand des Rohres (2) sind, wobei diese Bündel paarweise auftreten, eines der beiden Bündel eines jeden Paares auf der einen Seite einer Bezugsebene liegt, die die Rohrachse enthält und die parallel zum einfallenden Bündel ist, und das andere der beiden Bündel auf der anderen Seite dieser Bezugsebene liegt,

und daß man für zwei dieser Paare den Abstand zwischen den beiden Bündeln jedes der beiden Paare bestimmt und mittels dieser Abstände den inneren Durchmesser und den äußeren Durchmesser des Rohres oder die Radien, die jeweils diesen Durchmessern auf der Höhe der besagten Schnittebene entsprechen, bestimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den inneren Durchmesser und den äußeren Durchmesser oder die Radien, die jeweils diesen Durchmessern entsprechen, in einer Vielzahl von Schnittebenen, die entlang der Rohrachse voneinander durch Abstände getrennt sind, bestimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Rohr (2) um seine Achse drehen läßt und den äußeren Durchmesser des Rohres oder den diesem Durchmesser entsprechenden Radius in der Schnittebene in einer Vielzahl von Punkten der äußeren Rohrwand, die in dieser Schnittebene liegen, bestimmt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Rohr (2) um seine Achse drehen läßt, daß man den möglicherweise bestehenden Unterschied zwischen dem inneren Durchmesser und dem äußeren Durchmesser des Rohres (2) in der Schnittebene in einer Vielzahl von Rohrpunkten, die in dieser Schnittebene liegen, bestimmt, daß man das Rohr derart orientiert, daß die diametrale Ebene des Rohres, die den dem minimalen Unterschied entsprechenden Punkt enthält, senkrecht auf einer Bezugsebene steht, die parallel zum einfallenden Bündel ist, daß man für jeden der beiden Punkte dieser diametralen Ebene, die sich auf der inneren Wand des Rohres diametral gegenüberliegen, den Abstand eines der nicht abgelenkten Bündel, die wenigstens einmal an der Grenzfläche zwischen innerer Wand und Luft reflektiert werden, von der Bezugsebene bestimmt, und daß man mittels der zwei so erhaltenen Abstände die Abweichung (e) bestimmt, die möglicherweise zwischen der Achse der inneren Wand und der Achse der äußeren Wand besteht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man als nicht abgelenkte Bündel diejenigen (F4) benutzt, die tangential zur äußeren Wand des Rohres sind, und diejenigen unter den anderen nicht abgelenkten Bündeln (F1, F2, F3), die wenigstens einmal an der Grenzfläche zwischen innerer Wand und Luft reflektiert werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn das Rohr (2) ein Glasrohr ist, das vorgesehen ist zur Herstellung einer Vorform für optische Fasern und dessen innere Wand bestimmt ist, zur Bildung des Kerns der optischen Fasern mit einer Glasschicht bedeckt zu werden, man das Rohr vor und nach der Bildung der Glasschicht auf der inneren Wand geometrisch charakterisiert.

7. Vorrichtung zur geometrischen Charakterisierung eines Rohres (2), das für wenigstens eine Art Licht durchlässig ist und dessen innere und äußere Wand in etwa zylindrisch und koaxial sind, wobei diese Vorrichtung

- Einrichtungen (10) zur Emission dieses Lichts und

- Einrichtungen (4, 8) umfaßt, die dazu vorgesehen sind, das Rohr, das sich in Luft befindet, mit einem einfallenden Lichtbündel, das von den Emissionseinrichtungen ausgeht, zu überstreichen, indem man dieses Bündel parallel zu sich in einer zur Rohrachse senkrechten Schnittebene verschiebt,

wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie ferner

- Einrichtungen (14) zur Lichtdetektion, vorgesehen, um ausschließlich die nicht abgelenkten Bündel nachzuweisen, wobei diese nicht abgelenkten Bündel

i) das Bündel (F0), das durch die Achse des Rohres geht, und

ii) die Bündel (F1, F2, F3), die nach wenigstens einer Reflexion an der Grenzfläche zwischen der inneren Wand des Rohrs und der Luft aus dem Rohr treten sowie die Bündel (F4) umfassen, die tangential zur äußeren Wand des Rohrs (2) sind, wobei diese Bündel paarweise auftreten, eines der beiden Bündel eines jedes Paares auf der einen Seite einer Bezugsebene liegt, die die Rohrachse enthält und die parallel zum einfallenden Bündel ist, und das andere der beiden Bündel auf der anderen Seite dieser Bezugsebene liegt, und

- Einrichtungen (16, 18) umfaßt, die vorgesehen sind, um für zwei dieser Paare den Abstand zwischen den beiden Bündeln jedes dieser Paare zu bestimmen und um mittels dieser Abstände den inneren Durchmesser und den äußeren Durchmesser des Rohres oder die jeweils diesen Durchmessern auf Höhe der Schnittebene entsprechenden Radien zu bestimmen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner Einrichtungen (22) zur relativen Verschiebung des Rohres bezüglich der Einrichtungen (4, 8), die vorgesehen sind, dieses zu überstreichen, und bezüglich der Einrichtungen (14) zur Lichtdetektion umfaßt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner Einrichtungen (24, 26) zur Drehung des Rohrs um seine Achse umfaßt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Überstreichen des Rohres vorgesehenen Einrichtungen (4, 8)

- eine erste konvergente Optik (4), deren einer Brennpunkt auf der Achse des Rohres (2) liegt und deren optische Achse senkrecht zur Rohrachse ist, und

- einen oszillierenden Spiegel (8) aufweisen, der im anderen Brennpunkt der ersten Optik angeordnet ist und der das Licht der Emissionseinrichtungen empfängt, wobei eine zweite konvergente Optik (6), von gleicher Brennweite wie die erste, zu dieser bezüglich der Rohrachse symmetrisch und derart angeordnet ist, daß ihre optische Achse mit der optischen Achse der ersten Optik zusammenfällt, so daß der eine der Brennpunkte der zweiten Optik an derselben stelle wie der Brennpunkt der ersten Optik auf der Rohrachse liegt,

und dadurch, daß die Einrichtungen zur Lichtdetektion einen in etwa punktförmigen Photodetektor (14) umfassen, der sich im anderen Brennpunkt der zweiten Optik befindet.