DE69106683T2 - Vorrichtung zur Detektion von Unregelmässigkeiten des Durchmessers eines Fadens. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung hat eine Vorrichtung zur Erfassung von Durchmesser-Unregelmäßigkeiten von Fäden zum Gegenstand und insbesondere von umhüllten Lichtleitfasern.
• Bei der Herstellung von umhüllten Lichtleitfasern folgt dem Ziehvorgang zum Beispiel ein Vorgang des Beschichtens der erhaltenen Lichtleitfaser, um sie mit einer Schutzhülle zu umgeben. Man erhält so eine umhüllte Lichtleitfaser, die nachfolgend einfach als "Lichtleitfaser" bezeichnet wird. Während des Beschichtungsvorgangs ist es notwendig, die Dicke der Beschichtung sehr genau zu kontrollieren, da jede Veränderung dieser Dicke eine womöglich die Toleranzgrenzen überschreitende Veränderung des Durchmessers der Lichtleitfaser nach sich zieht. Jeder nicht bei der Herstellung erfaßbare Fehler kann später den Durchlauf der Fasern durch Ziehdüsen behindern.
• Zu diesem Zweck verwendet man ein handelsübliches optisches System, dessen Frequenzband klein ist (etwa 10 bis 500 Hz), d.h. daß es nicht möglich ist, einen Beschichtungsfehler einer Länge von 0,5 mm und einer Dicke von einigen Mikrometern bei einer klassischen Ziehgeschwindigkeit von 200 m/min bis 500 m/min zu erfassen. Bei Lichtleitfasern liegt aber die Toleranz in Bezug auf die Dicke der Beschichtungsfehler bei ± 15 um (was einem Durchlaßband von 7 kHz entspricht). Dieses System kann also nicht verwendet werden, um die Durchmesserveränderungen der Beschichtung von Lichtleitfasern zu erfassen.
• Um Durchlaßbänder von 7 kHz zu erreichen, nimmt man Geräte zu Hilfe, die das Prinzip des Schattenverfahrens verwenden und die es theoretisch erlauben würden, Beschichtungsfehler für Geschwindigkeiten von bis zu 600 m/min und mehr zu erfassen (Durchlaßband größer als 20 kHz).
• Außerdem beschreibt die Patentanmeldung EP-0 294 889 in Bezug auf ihre Figur 4 eine Vorrichtung, um den Durchmesser eines Gegenstands in zwei orthogonalen Richtungen zu messen: man beleuchtet eine zu messende Faser zum Beispiel mit Hilfe einer Lichtquelle, die im Brennpunkt eines Objektivs angeordnet ist; die Faser liegt orthogonal zur optischen Achse der Vorrichtung. Zwischen dem Objektiv und der Faser sind eine Schlitzblende und dann ein optisches System angeordnet, an dessen Ausgang der die Faser beleuchtende Lichtstrahl ein paralleler Lichtstrahl ist. Dieser Strahl wird gedoppelt, um zwei Strahlen mit zueinander orthogonalen Richtungen zu erhalten. Man erhält so in Höhe von zwei Detektoren das Bild einer Mittelebene, die durch die Längsachse der Faser verläuft. Dies ermöglicht es, den Durchmesser dieser Faser zu bestimmen.
• In einer solchen Vorrichtung ist die Verarbeitung in Höhe der Detektoren langsam, so daß man die gewünschten Durchlaßbänder nicht erreichen kann.
• Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erfassung der Durchmesserunregelmäßigkeiten von Fäden und insbesondere von Lichtleitern anzugeben, die es erlaubt, bei Lichtleitfasern Beschichtungsfehler zu erfassen, deren Maße die Toleranzgrenzen von ± 15 um für die Dicke und 0,5 mm für die Länge respektieren, mit Durchlaufgeschwindigkeiten entsprechend denen, die üblicherweise beim Ziehen verwendet werden, und die ein großes Durchlaßband aufweisen.
• Die vorliegende Erfindung hat eine Vorrichtung zur Erfassung von Durchmesserunregelmäßigkeiten eines Fadens zum Gegenstand, die eine Lichtquelle kleiner Abmessungen im Brennpunkt eines Objektivs, das auf eine optische Achse orthogonal zum Faden zentriert ist, einen Schlitz mit einer zur optischen Achse senkrechten Richtung, der das vom Objektiv kommende Licht abblendet, ein erstes auf die optische Achse zentriertes optisches System, gefolgt von einem optischen System zur Verdopplung des einfallenden Strahls, das vor dem Faden angeordnet ist, und Erfassungsmittel mit zwei Detektoren aufweist, welche je einen der Strahlen empfangen, die vom Faden durchquert wurden, dadurch gekennzeichnet, daß
• - der Schlitz eine zum Faden orthogonale Richtung hat,
• - das optische Verdopplungssystem in Kombination mit dem ersten optischen System zwei klare Bilder des Schlitzes in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse bildet, in der der Faden verläuft,
• - die Detektoren die beiden vom Faden in Richtung der optischen Achse durchquerten Strahlen erfassen, je ein Zwischensignal liefern und entgegengesetzt geschaltet sind, um ein Endsignal in Abhängigkeit vom Unterschied zwischen den Zwischensignalen zu liefern.
• Gemäß einem weiteren wichtigen Merkmal befinden sich die Detektoren je auf einem von zwei klaren und getrennten Bildern der Quelle.
• Gemäß weiteren Merkmalen dieser Vorrichtung kann die Quelle als monochromatische Quelle ausgebildet sein. Man kann zum Beispiel eine Elektrolumineszenzdiode verwenden, deren spektrale Breite unter 100 nm liegt.
• Um das Signal-Rauschverhältnis zu verbessern, kann man die Lichtquelle mit einer Frequenz oberhalb der maximalen Frequenz des zu erfassenden Signals amplitudenmodulieren.
• Das optische Verdoppelungssystem wird so ausgebildet, daß es die Gesamtheit des einfallenden Strahls verdoppelt, ohne einen Längenunterschied zwischen den beiden erhaltenen Strahlen einzuführen. Man kann zum Beispiel ein Wollaston- Prisma oder ein Rochon-Prisma verwenden.
• Bei der Verwendung eines optischen Verdopplungssystems, das durch Trennung von Polarisationen des von der Quelle ausgegebenen Strahls wirkt (Wollaston- oder Rochon-Prisma) kann man auf dem Weg des Lichtstrahls zwischen der Quelle und dem optischen Verdopplungssystem einen Polarisator anordnen, dessen Ausrichtung der Polarisationsachse es ermöglicht, die Lichtstärke der beiden Bilder der Quelle auszugleichen.
• Außerdem haben die klaren Bilder des Schlitzes als Höhe die minimale Länge eines zu erfassenden Fehlers. Ihre Länge ist mindestens zweimal größer als die Amplitude der seitlichen Verschiebungen des Fadens in der Ebene orthogonal zur optischen Achse. Eine Länge von 2 mm ist annehmbar. Der Abstand zwischen den beiden klaren Bildern des Schlitzes gleicht vorteilhafterweise zwischen einmal und zehnmal der Höhe dieser Bilder.
• Außerdem kann man die Detektoren je auf einem von zwei klaren Bildern des Schlitzes anordnen.
• Um die beiden klaren Bilder der Quelle zu trennen, kann man vor den Detektoren ein Ablenkprisma anordnen, das es erlaubt, die Überdeckung der beiden Bilder der Quelle zu verhindern und dieser Bilder je auf den entsprechenden Detektor zu lenken.
• Schließlich kann man den Schlitz im Bildbrennpunkt des Objektivs anordnen, um die Homogenität der Beleuchtung zu verbessern.
• Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung hervor, die nicht einschränkend zu verstehen ist.
• Figur 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung sowie die Strecke eines von der Quelle ausgehend Lichtstrahls.
• Figur 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung.
• Figur 3 ist eine Ansicht in der Ebene einer zu überprüfenden Faser.
• Gemäß Figur 1 ist eine punktförmige Lichtquelle 1 im Brennpunkt eines Objektivs 2 angeordnet, das schematisch durch eine Linse L0 dargestellt ist, die auf eine optische Achse X zentriert ist; ein waagrechter Schlitz 3, senkrecht zur Achse X, ist im Bildbrennpunkt des Objektivs 2 angeordnet. Man wählt vorzugsweise eine monochromatische Quelle 1, um klare Bilder ohne chromatische Verzerrung zu erhalten. Man könnte beispielsweise eine Elektrolumineszenzdiode (DEL) mit einer spektralen Bandbreite unter 100 nm wählen.
• Die Homogenität der Beleuchtung ist nicht notwendig. Jedoch ist die Stellung des Schlitzes 3 zum Bildbrennpunkt des Objektivs 2 derart, daß die Beleuchtung in Höhe dieses Schlitzes homogener ist (entferntes Feld) als die Beleuchtung in Höhe der Quelle (nahes Feld).
• Ein von der Quelle 1 kommender und durch den Schlitz 3 verlaufender Lichtstrahl A kommt zu einer Linse L1 einer Brennweite f1, deren Gegenstandsbrennpunkt sich auf der Achse X in Höhe des Schlitzes 3 befindet und in deren Bildbrennpunkt ein Wollaston-Prisma P1 angeordnet ist, das es erlaubt, den einfallenden Strahl A durch Trennung der Polarisationen in zwei Strahlen B (in unterbrochenen Linien) und B' (in durchgezogenen Linien) zueinander orthogonaler Polarisationen zu trennen. Man bildet anschließend mittels einer Linse L2 einer Brennweite f2, deren Objektbrennpunkt mit dem Bildbrennpunkt von L1 in P1 zusammenfällt, zwei klare Bilder 3' und 3" des Schlitzes 3 in einer Ebene 4. Diese Bilder sind waagrecht und zueinander parallel.
• Die zu überwachende Faser 5 läuft in der Ebene 4 senkrecht und lotrecht zur optischen Achse X und den beiden Bildern 3' und 3" in Richtung des Pfeils 6. Es ist nicht störend, daß die Faser sich nicht genau in der Ebene 4 befindet, sondern in einer sehr nahen Ebene parallel zur Ebene 4 verläuft, da die Bilder 3' und 3" des Schlitzes 3 in einem großen Bereich klar sind.
• Die Höhe h der Bilder 3' und 3" des Schlitzes 3 wird so gewählt, daß sie auf die minimale Länge der Fehler angepaßt ist, die man erfassen will. Man kann zum Beispiel h im wesentlichen gleich 0,3 mm wählen.
• Die Länge L der Bilder 3' und 3" des Schlitzes 3 muß mit eventuellen seitlichen Verschiebungen der zu kontrollierenden Faser kompatibel sein. Man kann zum Beispiel L gleich 2 mm wählen.
• Anschließend bildet man mittels einer Linse L3 einer Brennweite f3, deren Objektbrennpunkt auf der Achse X mit dem Bildbrennpunkt der Linse L2 in der Ebene 4 zusammenfällt, und eines Wollaston-Prismas P2 zwei klare und getrennte Bilder 1' und 1" der Quelle 1, je auf einem Detektor D1 bzw. D2, die einander entgegengesetzt geschaltet und in einer Ebene 7 angeordnet sind, die sich im Bildbrennpunkt von L3 befindet. Auf diese Weise werden die Strahlen B und B' nach dem Durchgang durch die Linse L3 vom Prisma P2 abgelenkt und die derart erhaltenen Strahlen C (in unterbrochenen Strichen) und C' (in durchgezogenen Strichen) werden je von einem der beiden Detektoren D1 bzw. D2 empfangen. Nach Verarbeitung der Signale am Ausgang der Detektoren erhält man zwei Spannungen V1 und V2. Diese Spannungen sind proportional zu der von jedem Detektor empfangenen Lichtmenge. Da die Detektoren D1 und D2 einander entgegengesetzt geschaltet sind, hängt das Endsignal ab von der Differenz V1-V2 (oder V2-V1). Sobald ein Beschichtungsfehler auftritt, ist dieses Endsignal nicht mehr Null und der Fehler wird sofort erfaßt.
• Die aufgrund der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhaltenen Ergebnisse sind in Bezug auf die Homogenität des empfangenen Lichts nicht kritisch: dieser Parameter wird nämlich eliminiert, da das Endsignal der Differenz zwischen den beiden erhaltenen Signalen entspricht. Auch sind die Ergebnisse nicht kritisch in Bezug auf die Lage der Bilder der Quelle auf der Oberfläche der Detektoren, selbst wenn die Antwort dieser Detektoren von dieser Lage abhängt. Da die auf den Detektoren gebildeten Bilder Bilder der Quelle sind, bleiben sie nämlich unverändert, selbst wenn die Faser sich im Meßbereich verschiebt.
• So ermöglicht es die erfindungsgemäße Vorrichtung, Beschichtungsfehler zu erfassen, die die Toleranzgrenzen für eine Lichtleitfaser respektieren, die ± 15 um für die Dicke und 0,5 mm für die Länge betragen.
• Gemäß einer in Figur 2 gezeigten Ausführungsvariante ordnet man hinter der Linse L3 und im Verlauf der Lichtstrahlen C und C' zwei Spiegel M1 und M2 an, die je einen Strahl C bzw. C' empfangen. Nachdem die Strahlen je eine von zwei identischen Linsen L4 bzw. L4' durchquert haben, wird jeder Strahl C bzw. C' auf die Detektoren D1 bzw. D2 gerichtet. Die Bilder der Quelle 1 und 1' werden immer noch auf den Detektoren D1 und D2 gebildet, die entgegengesetzt geschaltet sind, genau wie in der in Figur 1 beschriebenen Vorrichtung. Die gemäß dieser Variante hergestellte Vorrichtung führt zu Ergebnissen und einer Meßgenauigkeit, die identisch denen sind, die mit der in Figur 1 beschriebenen Vorrichtung erhalten werden.
• Gemäß einer Verbesserung, die aus Figur 3 hervorgeht, wird der Abstand e zwischen den Bildern 3' und 3", der vom Prisma P1 und der Brennweite f2 der Linse L2 bestimmt wird, vorzugsweise zwischen h und 10h gewählt. Ein solcher Abstand erlaubt es, eventuelle periodische Fehler zu vermeiden, deren Raumperiode gleich dem Abstand zwischen den Bildern 3' und 3" wäre. In dieser Figur ist außerdem ein Beschichtungsfehler 8 dargestellt.
• Natürlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebene bevorzugte Ausführungsform beschränkt.
• Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann jede Lichtquelle mit kleinen Abmessungen verwendet werden.
• Wenn man ein Verdopplungssystem durch Trennung der Polarisationen verwendet, kann man außerdem zwischen der Quelle und dem optischen Verdopplungssystem eine Polarisator anordnen, der durch Ausrichtung der Polarisationsachse die Lichtstärke der beiden Bilder der Quelle auszugleichen vermag.
• Man könnte außerdem die ausgesendete Lichtstärke modulieren, um das Signal-Rauschverhältnis zu verbessern, wobei das Rauschen hauptsächlich aus dem Tageslicht oder dem künstlichen Licht in dem Raum besteht, in dem die Messung durchgeführt wird.
• Man moduliert die Lichtstärke der Quelle mit einer Frequenz, die sehr viel höher ist als die maximale Frequenz des zu erfassenden Signals. Für eine maximale Frequenz des Signals von 20 kHz nimmt man beispielsweise eine Modulationsfrequenz von 200 kHz.
• Man kann jedoch fast alle diese Rauschphänomene vermeiden, indem man die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem schwarzen Gehäuse unterbringt.
• Andererseits kann ein beliebiges anderes Bildverdoppelungssystem als ein Wollaston-Prisma verwendet werden, solange es die Gesamtheit des einfallenden Strahls verdoppelt, ohne einen Längenunterschied zwischen den beiden gebildeten Strahlen einzuführen. Man kann zum Beispiel ein Rochon-Prisma verwenden. Ein halbtransparenter Spiegel kann ebenfalls verwendet werden, aber man muß dafür sorgen, daß die optischen Wege gleich lang sind, um die Quelle 1 tatsächlich korrekt auf den Detektoren D1 und D2 abbilden zu können.
• Gemäß einer nicht dargestellten Variante kann man die Detektoren direkt hinter der Faser in der Ebene 4 anordnen, wo klare Bilder des Schlitzes vorliegen.
• Man kann offensichtlich das erfindungsgemäße Verfahren auf jede Art Faden anwenden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. So kann man zum Beispiel Durchmesserunregelmäßigkeiten auf um Kupferdrähte extrudierten Kunststoffhüllen, auf Nylonfäden und allgemeiner auf allen bei der Kabelherstellung verwendeten Drähten oder Fäden erfassen.

Claims (15)

1. Vorrichtung zur Erfassung von Durchmesserunregelmäßigkeiten eines Fadens, die eine Lichtquelle (1) kleiner Abmessungen im Brennpunkt eines Objektivs (L0), das auf eine optische Achse (X) senkrecht zum Faden (5) zentriert ist, einen Schlitz (3) mit einer optischen Achse (X) senkrechten Richtung, der das vom Objektiv (L0) kommende Licht abblendet, ein erstes auf die optische Achse (X) zentriertes optisches System (L1), gefolgt von einem optischen System zur Verdopplung des einfallenden Strahls (A), das vor dem Faden (5) angeordnet ist, und Erfassungsmittel aufweist, die zwei Detektoren enthalten, welche je einen der Strahlen empfangen, die vom Faden (5) durchquert wurden, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Schlitz (3) eine zum Faden (5) senkrechte Richtung hat,

- das optische Verdopplungssystem (P1, P2) in Kombination mit dem ersten optischen System (L1) zwei klare Bilder (3', 3") des Schlitzes (3) in einer Ebene (4) senkrecht zur optischen Achse (X) bildet, in der der Faden (5) verläuft,

- die Detektoren (D1, D2) die beiden vom Faden in Richtung der optischen Achse (X) durchquerten Strahlen (B, B'; C, C') erfassen, je ein Zwischensignal liefern und entgegengesetzt geschaltet sind, um ein Endsignal in Abhängigkeit vom Unterschied zwischen den Zwischensignalen zu liefern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren sich je auf einem von zwei klaren und getrennten Bildern (1', 1") der Quelle (1) befinden.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (1) monochromatisch ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (1) eine Elektrolumineszenzdiode ist, deren spektrale Bandbreite unter 100 nm liegt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (1) mit einer Frequenz oberhalb der maximalen Frequenz des zu erfassenden Signals amplitudenmoduliert ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Verdoppelungssystem (P1, L2) die Gesamtheit des einfallenden Strahls (A) verdoppelt, ohne einen Weglängenunterschied zwischen den beiden erhaltenen Strahlen (B, B') einzuführen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Verdoppelungssystem (P1, L2) unter einem Wollaston-Prisma und einem Rochon-Prisma ausgewählt wird, die den einfallenden Strahl (A) durch Trennung der Polarisationen verdoppeln.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn das optischen Verdopplungssystem durch Trennung von Polarisationen des von der Quelle (1) gelieferten Strahls (A) wirkt, man im Verlauf des Lichtstrahls (A) zwischen der Quelle (1) und dem optischen Verdopplungssystem (P1, L2) einen Polarisator anordnet, dessen Ausrichtung der Polarisationsachse es ermöglicht, die Lichtstärke der beiden Bilder (1', 1") der Quelle einander anzugleichen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (h) der klaren Bilder (3', 3") des Schlitzes (3) der minimalen Länge eines zu erfassenden Fehlers (8) entspricht.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) der klaren Bilder (3', 3") des Schlitzes (3) größer als die doppelte Amplitude der seitlichen Verschiebungen des Fadens (5) in der Ebene (4) senkrecht zur optischen Achse (X) ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (e) zwischen den beiden klaren Bildern (3', 3") des Schlitzes (3) zwischen einmal und zehnmal der Höhe (h) dieser klaren Bilder (3', 3") des Schlitzes (3) entspricht.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) des Schlitzes (3) 2 mm beträgt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (D1, D2) je in Höhe eines von zwei klaren und getrennten Bildern des Schlitzes (3 angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Trennung der klaren Bilder (1', 1") der Quelle (1) vor den Detektoren (D1, D2) ein Ablenkprisma (P2) anordnet, das es erlaubt, die Überdeckung der beiden Bilder der Quelle (1) zu verhindern und dieser Bilder der Quelle (1) je auf den entsprechenden Detektor zu lenken.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz (3) im Bildbrennpunkt (L0) des Objektivs (L0) anordnet ist.