JP3677639B2 - フィラメントの場所をモニタおよび制御する方法および１つの表面までの距離を測定する装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は光導波路ファイバまたは他の透明なフィラメントの位置をモニタする方法および装置に関する。より一般的には、本発明は物体までのまたは物体の表面の一部分までの距離を測定する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
米国特許第５１８５６３６号、第５２８３６２８号、第５３０９２２１号、第３９８２８１６号、第４０６７６５１号、第４２８０８２７号、Applied Optics., Vo. 19, p.2031-2033 (1980)、およびヨ−ロパ特許公報第６０８５２８号は、プリフォ−ムからファイバを線引きしていいるときに、光導波路ファイバ、および非円形ファイバの欠陥モニタを含めて、種々の特性をモニタするための技術について記述している。
【０００３】
この公知技術の幾つかが図１〜３に概略的に示されている。
【０００４】
【本発明が解決しようとする課題】
本発明は上述したタイプのファイバ・モニタ・システムに他の機能、すなわちファイバが線引きされている時にそのファイバの位置をモニタしかつコントロ−ルする能力を与える。このような位置情報は、ファイバを中心位置決めした状態に保持するためにおよびファイバの長さに沿った定在波の時間的周波数の測定によってファイバ中のテンションを測定するために必要とされる。
【０００５】
現在のファイバ位置モニタはファイバを検知器に結像させることおよび／またはファイバのエッジを検知することを含む。線引き牽引装置ではファイバ・モニタリングに利用できるスペ−スが限られているから、公知のタイプの直径・欠陥・被覆モニタに加えて別個の位置モニタを用いることは望ましくない。
【０００６】
また、既存の位置モニタは非常に小さい振動を検知することができず、したがってファイバ上の定在波が非常に小さくなるとファイバのテンション情報が失われてしまうおそれがある。さらに、ファイバを検知器上に結像させる現在のモニタは、ファイバが検知器で焦点がずれた状態となるファイバの前後移動に感応する。すなわち、ファイバがそれの焦点が合った位置から前方または後方に移動すると、検知器における側方向の移動をモニタする能力が低下する。この焦点の喪失によって精度が失われることが、ファイバ・テンションを決定する場合の現在のモニタの有用性を制限している。
【０００７】
上述したことに鑑みて、本発明の１つの目的は、光導波路ファイバのような物体までの距離をモニタ（測定）するための改良された方法および装置を提供することである。さらに、本発明の特定の目的は、ハ−ドウエアの付加を最少限に抑えて、上述したタイプの直径・欠陥・被覆モニタと組合せることができる位置モニタを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
これらの目的および他の目的を実現するために、本発明は、それの態様のあるものによれば、表面までの距離を決定する装置であって、
複数の空間的に分布された場所（L₁、L₂）において光（６８、６９）を検知するための手段（２９、３１、１３１）と、
表面（１７、１１３）に光のビ−ム（２５、１２５）を送って、そのビ−ムの少なくとも一部分が表面（１７、１１３）から検知手段に散乱される、例えば拡散状態で反射されるようにする照明手段（２３、１２３）（散乱光）と、
表面（１７、１１３）と検知手段（２９、３１、１３１）の間にあって散乱光を空間的に変調し、その散乱光の空間的変調が空間周波数ω_Mを有するようにする空間的変調手段（５０、１５０）と、
検知手段（２９、３１、１３１）において空間的に変調された散乱光の空間的周波数ω_Dを決定する手段（２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６）を具備しており、空間的変調手段（５０、１５０）と表面（１７、１１３）の間の距離がω_Dの関数であるようになされた、表面までの距離を決定する装置を提供する。
【０００９】
検知手段において空間的に変調された散乱光の空間的周波数ω_Dを決定する手段は種々の形態を採ることができる。例えば、この手段はピ−ク（peaks）、バレ−（valleys）、および／またはゼロ交差（zero crossings）に基づいて縞計数（fringe counting）を行うことができるものであり、その縞計数は検知手段によって発生された空間的デ−タに対してあるいは数値的に平滑化または濾波された空間的デ−タに対して直接行なわれる。縞計測のためには、空間的周波数ωDは係数された縞の数を検知手段の特性寸法、例えば検知手段の長さで割ったものである。本発明の好ましい実施例では、空間的周波数ω_Dは、検知手段によって発生された空間的デ−タの変換、好ましくはフ−リエ変換を行うことによって空間的周波数領域で決定される。もし所望されれば、さざ波手法（wavelet approach）のような他の空間的周波数領域手法を用いることもできる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明のある好ましい実施例では、この装置は、表面（１７、１１３）と空間的変調手段（５０、１５０）との間にあり、正の光パワ−を有するレンズ系（２６、２７、１２７）を具備している。このレンズ系の後部焦点面内に検知手段（２９、３１、１３１）を配置することによって、空間的変調手段（５０、１５０）と表面（１７、１１３）の間の距離がω_Dの線形関数となる。
【００１１】
本発明の他の好ましい実施例では、測定される距離が光導波路ファイバまでの距離であり、そしてその測定がプリフォ−ムからのファイバの線引きを制御するための制御系統の一部分として用いられる。その制御系統はまた、ファイバの直径および気密被覆の厚さをコントロ−ルし、かつファイバの欠陥をモニタすることが好ましい。
【００１２】
【実施例】
図４は本発明に従って構成されたファイバ位置モニタ装置の構成要素を示している。ファイバ１３は図４においてＡおよびＢで示された２つの位置で示されている。ファイバからの光は空間的変調手段５０と、レンズ系２７を通り、検知器３１によって検知される。検知器３１は前述の米国特許第５３０９２２１号に記載されているタイプのものでありうる。
【００１３】
空間的変調手段５０は空間的周波数ω_Mを有しており、それを通る光をその空間的周波数で空間的に変調する。この空間的変調手段は、伝送、位相、あるいは他の光学的特性が周期的に変化するマスクまたは同様の装置であるうる。
【００１４】
空間的変調手段５０の好ましい形式はロンキ・ル−リング（Ronchi ruling）である。したがって、下記の説明はそのようなル−リングについてなされるが、もし所望されれば、他の空間的変調手段を用いてもよいことが理解されるであろう。
【００１５】
技術的に公知なように、ロンキ・ル−リングは不透明なスリットと透明なスリットの交互の配列よりなり、それは例えばクロム・ストリップをガラス板上に配置することによって形成され得る。その不透明なスリットはすべて同一の幅を有し、かつ透明なスリットもすべて同一の幅を有しているが、不透明なスリットと透明なスリットの幅は同一である必要はない。したがって、リンキ・ル−リングは、それの空間的周波数ω_M（例えば透明なスリット間の間隔上の空間的周波数で与えられる）のほかに、それのデュ−ティサイクル、すなわち不透明なスリットの幅と、不透明なスリットの幅および透明なスリットの幅の和との比によって特徴づけられる。
【００１６】
本発明の実施に使用するためのロンキ・ル−リングに対する好ましいデュ−ティサイクルは約0.15である。すなわち、ロンキ・ル−リングの面積の約15％が不透明である。このデュ−ティサイクルは、検知器３１において比較的高いレベルの照明を与えるので、すなわち検知器における光欠乏の問題を回避するので、好ましい。もちろん、もし所望されれば、本発明の実施には他のデュ−ティサイクルを用いてもよい。
【００１７】
ロンキ・ル−リングは、各レンズ系２６および２７のファイバ側にル−リングを取り付けるだけで、図２に示されたタイプの直径・欠陥・被覆モニタに容易に付加され得る。ロンキ・ル−リングは手頃な値段で市販されている。
【００１８】
レンズ系２７は、下記のように距離モニタ装置の出力を直線化する装置の任意の構成要素である。前述の米国特許第５３０９２２１号に記載されているタイプのレンズ系が本発明の実施に使用され得る。
【００１９】
レンズ系２７は正の光パワ−を有し、ロンキ・ル−リングと検知器の間に配置されることが好ましく、かつレンズ系の焦点距離ｆだけ検知器から離間されている。すなわち、検知器はレンズ系の焦点面内、特にそれの後部焦点面内にある。レンズ系の焦点面は対象空間内の平行光線がその系の光軸から共通の半径距離における焦点面と交差するという重要な特性を有する。
【００２０】
この特性が図５に概略的に示されており、５１は系の光軸であり、そしてＬはその光軸からの半径方向の距離である。直線検知器３１では、その検知器が光学軸上に中心位置決めされているとすると、Ｌはその検知器の中心からの距離にすぎない。この図に示されているように、平行光線６１および６２はすべて、距離Ｌで検知器３１に当るようにレンズ系２７によって屈折される。
【００２１】
光線６１ははレンズ系の前方焦点６３から出る。したがって、この光線は、レンズ系によって屈折された後で、図５において６４で示されているように光軸と平行に進行する。この光線を使って、光軸と角度Θで交差するすべての光線に対応した検知器における距離Ｌが容易に決定され得る。具体的には、図５に示されているように、Ｌは
L = f ・ tan Θ (1)
で与えられる。ただし、上述のように、fはレンズ系の焦点距離である。
【００２２】
式１および図５は、正のレンズ系の後方焦点面内の所定の長さの検知器が、その検知器からのファイバの距離に関係なく、ファイバから来た光の同じ角度的広がりを見ることを示すものと解釈され得る。この効果は、長さがレンズ系の光軸のまわりにおける16^oの角度的広がりに相当する検知器について概略的に示されている。この図に示されているように、検知器３１は、ファイバ１３が位置Ａにあるか位置Ｂにあるかに関係なく、±8^oの範囲内の光を見る。
【００２３】
本発明の距離測定装置の動作が図６に概略的に示されており、５０はこの図の紙面に直交関係に配向された不透明スリット５５および透明スリット５６を有するロンキ・ル−リングである。透明スリット５６は、1/ω_Mに等しい距離dだけ互いに離間されている。ロンキ・ル−リングは検知器３１から距離Sだけ離間されている。
【００２４】
ロンキ・ル−リングから距離Dに配置されたファイバを考えよう。このファイバからの光線６８および６９はそれぞれ
tan θ₁ = L₁/(D + S)
tan θ₂ = L₂/(D + S)
によって定義される高さL₁およびL₂において検知器３１に当る。
【００２５】
θ₁およびθ₂の正接は下記の関係式をも満足しなければならない。
tan θ₁ = d/D
tan θ₂ = 2d/D (2)
【００２６】
ここで下記の関係式が成立する。
L₁/(D + S) = d/D
L₂/(D + S) = 2d/D
【００２７】
これら関係式から、第n番目の透明スリットを通る光線に対して下記の式が得られる。
L_n/(D + S) = nd/D
【００２８】
検知器３１における第(n + 1)番目と第n番目の被照明領域間の距離は
L_n+1 - L_n = d(D + S)/D
であり、これは、ω_Dおよびω_Mについて、
1/ω_D = (D + S)/(ω_M・D)
となる。
【００２９】
Dについて解くと、
D = S・ω_D/(ω_M - ω_D) (3)
が得られる。これは、Dがω_Dの関数であり、したがってロンキ・ル−リング５０によって空間的に変調された後で検知器３１に到達するファイバからの光についてω_Dを決定することによって、モニタ（測定）され得ることを示している。
【００３０】
重要なことには、Dのこの測定値は、少なくとも一次までは、ファイバの横方向位置には依存しない。他の方法と同様に、これは、ル−リング５０が図６において距離dだけ上方に移動されるように結像することによって見ることができる。平たく言えば、光線６８および６９はそれぞれL₁およびL₂で依然として検知器３１に当るので、上記の分析は変らない。もちろん、ファイバが軸から十分離れるように移動されれば、検知器３１における被照明領域の数が減少するにつれて、装置の性能が低下しはじめるであろう。事実、この装置は、ファイバが装置の視界から完全に外にでると、機能を停止することになる。
【００３１】
式（３）では、ω_Dに対するDの従属性は直線的ではない。ロンキ・ル−リングと検知器との間にレンズ系を設け、検知器をレンズ系の後部焦点面内に配置することによって、下記のようにして直線性が与えられる。
【００３２】
前記関係式（２）から、第n番目の透明スリットに対するθ_nは
tan θ_n = nd/D
によって与えられる。
【００３３】
前記関係式（１）から、θ_nは下記の関係式をも満足する。
tan θ_n = L_n/f
【００３４】
したがって、L_nは
L_n = nfd/D
と表わすことができ、L_n+1 - L_nは
L_n+1 - L_n = fd/D
で与えられ、そしてこれはω_Dおよびω_Mで、Dに対して下記の関係式をあたえる。 D = f・ω_D/ω_M (4)
【００３５】
すなわち、レンズ系が検知器の前方の距離fに配置され、かつロンキ・ル−リングがレンズ系の正面に配置された場合には、ファイバのロンキ・ル−リングからの距離はω_Dの直線関数となる。ロンキ・ル−リングはレンズ系の背後に配置されてもよく、それでもその系は働くが、Dとω_Dの関係はもはや一般的に直線性ではないことに注目されたい。したがって、ロンキ・ル−リングをレンズ系の前に配置することが好ましい。式（１）は平行光線に対してのみ精密に該当し、また式（４）もそのような光線に対してのみ精密に該当するものであることにも注目すべきである。
【００３６】
図７は、約125ミクロンの直径を有するファイバ、約4.0サイクル/mmのω_M値を有するロンキ・ル−リング、およびレンズ系２７の焦点距離fにほぼ等しいロンキ・ル−リングとファイバとの距離Dについて図４に示されたタイプの装置の空間的スペクトルを示している。この図に示されているように、このスペクトルは、空間的周波数ω_ODが約3.1サイクル／度であるＯ.Ｄ.成分および空間的周波数ω_Dが約4.3サイクル／度である位置成分を含んでいる。
【００３７】
このスペクトルは図７において７０および７１で示された他の２つの成分をも含んでいる。これらの成分は位置成分とＯ.Ｄ.成分との間のヘテロダイニング（heterodyning）の結果であり、位置成分とＯ.Ｄ.成分との和および差に相当する空間的周波数で、すなわち図７において約7.4サイクル／度（4.3 + 3.1）および約1.2サイクル／度（4.3 - 3.1）で現れる。
【００３８】
これらのヘテロダイン成分が存在するために、ヘテロダイン成分をＯ.Ｄ.成分または欠陥成分として誤って識別することにより直径の誤測定および誤った穴検知の可能性を生ずる。本発明の好ましい実施例によれば、これらの問題は、ω_ODがファイバの予測位置および直径に対して（i）ω_Dおよび（ii）ω_D - ω_ODより実質的に小さくなるようにω_Mを選択することによって回避することができる。
【００３９】
例えば、レンズ系２７の焦点距離にほぼ等しい予測されたロンキ・ル−リングとファイバとの距離に対しておよび約200ミクロンより小さい予測直径を有するファイバに対しては、12.3サイクル/mmの空間的周波数を有するロンキ・ル−リングが好ましい。図８に示されているように、このようなル−リングに対するヘテロダイン、特に、低い周波数のヘテロダインはＯ.Ｄ.成分よりも十分に高い。
【００４０】
このような高いω_M値を選択する場合には、ファイバのある位置で位置成分が消える（ドロップアウトする）ことがありうることに注目すべきである。いかなる特定の動作原理にも拘束されることは望まないが、このようなドロップアウトは、空間的周波の増加に伴ってロンキ・ル−リングの透明および不透明スリットの幅が減少する回折効果から生ずるものと考えられている。また、低いデュ−ティサイクルを用いるとこの問題を悪化させると考えられている。
【００４１】
上述した12.3サイクル/mmという好ましいω_M値は、線引き時におけるファイバの位置のモニタリングに干渉しないドロップアウト位置を有することが認められた。もちろん、本発明の実施には12.3サイクル/mm以外のω_Mの値を用いてもよい。任意の距離測定装置に使用されるべきω_Mの特定の値が本明細書の開示から等業者によって容易に決定され得る。
【００４２】
図７および８の空間的周波数スペクトルは前述の米国特許第５３０９２２１号に開示された分離シ−ケンス・フ−リエ変換（discrete sequence Fourier transforms）を用いて計算することができ、高い精度が要求される場合には、その手法が好ましい。精度は幾分低いが計算時間が短い他の手法が図９に示されている。この手法は、2048のピクセルを有する検知器に関して論述されるであろうが、この手法はそれとは異なる数のピクセルを有する検知器にも当業者によって容易に適合され得ることが理解されるであろう。
【００４３】
この手法における最初のステップは、十分な解像度を与えた状態で、計算時間を短縮するために生デ−タの2048のピクセルから中央の1024のピクセルを選択することである。つぎに、図９のブロック２０１に示されているように、1024の中央ピクセルのデ−タ値のそれぞれに下記の形式の複合変調が掛け算される。
exp(-i・n・x・2・π/2048)
ただし、iは-1の平方根、nはピクセルの数、そしてxは位置ピ−クの偏位された空間的周波数がゼロに近いがゼロより大きくなるように選択された所望の変調値である。例えば、最小ω_Dが12.0サイクル／度より大きいことが予測される場合には、16^o検知器の場合のxの好ましい値は192であり、それが12サイクル／度をゼロに偏位させるであろう。一般に、4で割切れるxの値を用いるのが好ましい。
【００４４】
ブロック２０２に示されているように、この手法におけるつぎのステップは、変調されたデ−タ値を26タップ・ロ−パスFIRフィルタで濾波することである。このフィルタは、デシメ−ション・ステップ（decimation step）で発生される偽信号を除去するために適用される。このフィルタは、変調ステップ２０１によって偏位される直流成分の周波数でノッチを有する。このフィルタの好ましい係数が下記の表１に示されている。これらの係数では、このフィルタの平均減衰は-30dBである。
表１
２６タップＦＩＲフィルタに対する係数
H(1) = H(26) = 0.01424
H(2) = H(25) = 0.008238
H(3) = H(24) = 0.01194
H(4) = H(23) = 0.01714
H(5) = H(22) = 0.02362
H(6) = H(21) = 0.03097
H(7) = H(20) = 0.03865
H(8) = H(19) = 0.04614
H(9) = H(18) = 0.05295
H(10) = H(17) = 0.05874
H(11) = H(16) = 0.06324
H(12) = H(15) = 0.06631
H(13) = H(14) = 0.06786
【００４５】
ブロック２０３に示されているように、次のステップは、1024のピクセルを16対1でデシメ−ト（decimate）することである。このステップは、十分な解像度を保持しながら、複素高速フ−リエ変換の計算時間を短縮するために行なわれる。このステップによって1024のピクセルが64の擬似ピクセルとなされる。
【００４６】
これらの擬似ピクセルは、信号漏洩とリンギングを軽減し、かつ位置ピ−クの空間周波数を十分な解像度をもって決定できるゆにするためにステップ２０４でウインド−化される。擬似ピクセルは、下記の形式のブラックマン・ハリス・ウインド−でもってウインド−化されるのが好ましい。
0.35875 - 0.48829・cos(2・π・n/63) +
0.14128・cos(4・π・n/63) - 0.01168・cos(6・π・n/63)
ただし、nは0〜63の範囲の擬似ピクセル指数である。
【００４７】
ブロック２０５に示されているように、次のステップは、擬似ピクセル値を空間的周波数値に変換するために64ポイント複素FFTを行うことである。この複素FFTは、IBM Research Paper RC 1743, February 9, 1967に掲載された"The Fast Fourier Transform and its Applications"という表題の論文に記載されたク−リ−、ルイスおよびウエルチの技法を用いて行うことができる。また、Rabiner and Gold, Theory and Application of Digital Signal Processing, Prentice-Hall, New York, 1975, page 367、およびcooley et aol., IEEE Transactions in Education, March 1969, pages 27-34も参照されたい。もし所望されれば、他の技法を用いてもよい。時間を節約するために、この複素FFTによって発生された周波数係数は大きさを二乗した形のままになされる。
【００４８】
複素FFTは64の擬似ピクセルから64の周波数係数を発生するので用いられる。また、ヘテロダイン・ピ−ク（heterodyne peaks）はゼロ周波数を反射させる代りに0から63までラップアラウンド（wrap around）するであろう。このようなラップアラウンドの値は下記のようにして得ることができる。
【００４９】
直径成分が存在するがために、位置成分は、125ミクロン・ファイバでは位置成分の両側で約3.1サイクル／度だけ離間される２つのヘテロダインを有する（上記を参照されたい）。ステップ２０２から２０４までが実施された後で、位置成分が約13.7サイクル／度から約1.7サイクル／度まで偏位された場合には、ヘテロダインは約-1.4サイクル／度および約4.8サイクル／度となる。
【００５０】
複素FFTの場合には、下方のヘテロダインは約6.6サイクル／度にラップアラウンドされる。FFTが用いられた場合には、その下方ヘテロダインが約1.4サイクル／度に反射されて、約1.7サイクル／度で位置成分と干渉するであろう。
【００５１】
ブロック２０６に示されているように、この手法における最後のステップは、ω_Dの値を決定することである。非気密的に被覆されたファイバの場合には、上述したドロップアウト領域の外側で、位置ピ−クが最も大きいピ−クとなる。したがって、位置ピ−クの場所は最大の周波数空間ピ−クをまず見出すことによって決定される。その後で、この最大ピ−クの大きさおよび最大ピ−クの両側におけるピ−クの大きさに対して放物線適合（parabolic fit）が行なわれる。位置ピ−クの場所は、この放物線曲線がそれの最大値を有する空間的周波数となる。
【００５２】
気密被覆ファイバおよび偏波照明では、ヘテロダインのうちの１つが、あるファイバ位置では、位置ピ−クよりも大きくなりうる。したがって、位置ピ−クは、ヘテロダインを排除するために最大ピ−クの探索領域を限定することによって見出される。例えば、上述した数値の場合には。最大ピ−クの探索は約2.3サイクル／度より下に限定されるであろう。
【００５３】
図１０および１１は、光導波路ファイバの位置を決定する問題に図９の手法を適用した結果を示している。これらの図に示されているデ−タは図４の装置を用いて得られたものである。使用されたロンキ・ル−リングは12.3サイクル／度のω_M値および15％のデュ−ティサイクルを有していた。長期にわたる使用でも、この装置にはドリフトは観察されなかった。
【００５４】
図１０の垂直軸は図９の手法を用いて決定された検知器３１におけるω_D値を示しており、そして水平軸は、ファイバのセグメントを数ミクロン以内に位置決めできるようにするテスト用器具を用いて測定されたファイバの実際の位置を示している。図１１の垂直軸は、実際の位置とω_D位置との差（残差）を示しており、そして水平軸は実際の位置を示している。（この装置は通常図１０のもののような曲線を用いて較正されるであろう。）
【００５５】
ω_D手法の直線性は図１０および１１から明白である。ファイバが検知器に接近するにつれて、すなわち図１０の右側に向って移動するにつれて、ω_Dの値は直線的に減少する。図１１に示されているように、±150ミル（±3.8mm）における点別誤差は50ミクロンより小さい。この装置の解像度の測定は局部傾斜を決定するために３デ−タ点を用いてなされ、そしてその局部傾斜は解像度の推定として用いられた。この解像度は±150ミル（±3.8mm）の範囲にわたって幾分変化することが認められたが、10ミクロンより悪くなると推定される点は存在しなかった。これらの誤差および解像度値は、線引き時におけるファイバの位置をモニタしかつコントロ−ルするためおよびそのモニタされた位置からファイバ中のテンションを決定しかつコントロ−ルするのに十分以上である。もし所望されれば、上述のように、前記の米国特許第５３０９２２１号の解析技術を用いて、より高い精度を実現することができる。
【００５６】
ファイバの位置をモニタするための前記の手法は、前記ヨ−ロッパ特許公報第６０８５３８号、米国特許第５１８５６３６号および第５３０９２２１号のファイバ直径測定、欠陥検知、および気密被覆モニタ手法と組合されることが好ましい。それらの手法はまた、米国特許第５２８３６２８号に記載されている非円形ファイバの直径を測定するための技法と組合されることが好ましい。図２に示されているように、これらの技法では２つの検知器を用いて、各検知器に対して本発明の方法と装置が用いられた場合に、ファイバの位置について２つの測定値を与えるようにすることが好ましい。これら２つの測定値を用いれば、レ−ザビ−ム２５によって画定された平面内におけるファイバの正確な位置が、このような総合的なコントロ−ル装置においてレンズ系２６、２７の前に配置されたロンキ・ル−リングの既知の位置を用いることによってかつ／または較正によって容易に決定され得る。
【００５７】
本発明の方法および装置のより一般的な適用が図１２に示されている。この図は、ロンキ・ル−リング１５０から散乱させる、例えば拡散的に反射させる表面１１３までの距離Ｄを決定するための装置を示している。この装置はレンズ系２７と、このレンズ系の後部焦点面内に配置された検知器１３１を具備している。上述のように、このレンズ系は任意であり、もし所望されれば省略してもよい。また、表面１１３上の点１４１は、光線１４３〜１４６の図示を容易にするために、レンズ系の前方焦点面内に位置づけられて示されている。距離を決定されるべき表面上の点はもちろんこの位置にある必要はない。
【００５８】
光源１２３は、検知器１３１の開孔１４７、レンズ系１２７、そしてロンキ・ル−リング１５０の透明スリット１４８を通る光ビ−ム１２５を生ずる。もし所望されれば、この光源は検知器の上方または下方に配置されてもよく、その場合には、検知器は開孔を具備する必要はない。光源はコヒレントな単色光ビ−ムを発生するひつようはないが、もし所望されれば、そのようなビ−ムを用いることができ、例えば、光源としてレ−ザを用いてもよい。と言うより、ロンキ・ル−リング１５０のシャドウが検知器１３１において十分なコントラストを有するように表面１１３において小さい光のスポットを生ずるかぎり、任意のタイプの光源を用いることができる。
【００５９】
図１２の装置は上述の原理に従って動作し、したがって距離Ｄは式（４）によって与えられる。この装置は、１つの表面までの距離を高精度をもって決定するための既存の装置と比較して多くの利点を有している。特に、この装置は、このような測定を行うために過去に用いられたレ−ザ三角測定装置と比較して多くの利点を有している。
【００６０】
これらの利点は、（１）表面が幾分反射性であり限り、カラ−とテクスチャ−のような表面の特徴に対して本質的に感応しないこと、（２）ロンキ・ル−リングによって導入された変調が検知器において周囲光によって完全に消されない限り、周囲光に対して本質的に感応しないこと、（３）位置の決定がアナログ測定値に依存していないので本質的に安定であること、および（４）入射ビ−ムと被検知光との間の内抱角が小さいことを含む。
【００６１】
レ−ザ−三角測定装置は（１）〜（３）の特徴を与えるように設計され得るが、これらの特徴を本質的には有しておらず、それらの特徴を与えるためには、一般に装置のコストと複雑性が増すことになる。特徴（４）はレ−ザ−三角測定装置には組込むことはできない。なぜなら、その装置は表面に当るビ−ムと検知器との間に、例えば少なくとも約15^oの角度のような大きな内抱角を必要とするからである。事実、レ−ザ−三角測定装置の感度はその内抱角が大きくなるにつれて上昇することになる。
【００６２】
このように大きな内抱角が必要とされることは、特に穴のようなくっきりとした凹状の面をトレ−スする場合に、レ−ザ−三角測定装置の重大な欠点となる。然るに、本発明では、ビ−ムと検知器と間の内抱角を±4^o以下のように小さくできるので、このような欠点はない。
【００６３】
上述した本発明の方法は、種々の計算および識別ステップを実行するための適当なプログラミングによって構成されたディジタルコンピュ−タシステムで実施されるのが好ましい。そのプログラミングは公知の種々のプログラミング言語で行うことができる。好ましいプログラミング言語は、科学計算を行うのに特に適したＣ言語である。使用可能な他の言語としては、FORTRAN、BASIC、PASCAL、C⁺+等がある。
【００６４】
コンピュ−タシステムは、ディジタル・イクイップメント・コ−ポレイション、ＩＢＭ、ヒュ−レット・パッカ−ド等で現在製作されているコンピュ−タおよび周辺機器のような汎用の科学用コンピュ−タおよびその周辺機器で構成され得る。あるいは、本発明を実施するには、多数のディジタル信号処理チップを用いたシステムのような指定されたシステムを用いることもできる。
【００６５】
このコンピュ−タシステムの処理部分はつぎのような特徴、すなわち、毎秒５億回の浮動小数点演算の処理速度、３２ビット浮動小数点のワ−ド長、少なくとも４メガバイトのメモリ、および少なくとも４０メガバイトのディスク記憶容量を有することが好ましい。このシステムは、光検知器アレイからのデ−タを入力する手段と、処理制御で使用するための電気形式とシステムオペレ−タ、メンテナンス要員等による観察のためのビジュアル形式の両方の形式で位置決定の結果を出力するための手段を具備していなければならない。また、その出力は、爾後の分析および／または表示のために、ディスクドライブ、テ−プドライブ等に記憶され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】遠視野干渉じまを用いてファイバ直径を測定するワトキンス型装置の基本的な要素を示す概略図である。
【図２】本発明を用いることができるファイバ・モニタおよび制御装置の構成要素を示す概略図である。
【図３】 5ミクロンの中心上穴を有する125ミクロンのコア無しファイバの計算された遠視野干渉じまの周波数スペクトルを示している。
【図４】本発明を実施するための装置の概略図である。
【図５】レンズ系２７の後方焦点面内に検知器３１を位置決めすることの効果を示す概略図である。
【図６】ロンキ・ル−リング５０におけるω_Mと検知器３１におけるω_Dの間の関係を決定する場合に用いられる幾何学的形状寸法関係を示す概略図である。
【図７】図４の装置を用いて位置と直径をモニタされる欠陥の無い光導波路ファイバの場合の空間的周波数スペクトルを示す図である。
【図８】図４の装置を用いて位置と直径をモニタされる欠陥の無い光導波路ファイバの場合の空間的周波数スペクトルを示す図である。
【図９】本発明の実施に使用するための空間的周波数スペクトルを発生する好ましい手法を示すブロック図である。
【図１０】本発明の好ましい実施例の直線性を示している。
【図１１】本発明の好ましい実施例の精度を示している。
【図１２】拡散的に反射する表面１１３までの距離Dを決定するために本発明を用いた場合を示している。
【符号の説明】
１３ ファイバ
１７ 表面
２６ レンズ系
２７ レンズ系
３１ 検知器
５０ ロンキ・ル−リング
５１ 光軸
５５ 不透明スリット５５
５６ 透明スリット
１１３ 表面
１３１ 検知器
１２３ 光源
１２７ レンズ系
１４７ 開孔１
１４８ 透明スリット
１５０ ロンキ・ル−リング

Claims (13)

1. フィラメントの場所をモニタする方法であって、
   （ａ）前記フィラメントの一部分が散乱光源となるように前記フィラメントに放射線のビームを送り、
   （ｂ）前記散乱光源からの光を空間的に変調し、この場合の空間的変調が空間的周波数ω_Ｍを有し、
   （ｃ）前記空間的に変調された光を検知し、
   （ｄ）前記検知された空間的に変調された光に対して空間的周波数ω_Ｄを決定し、前記空間的周波数が前記フィラメントの場所を表わし、
   （ｅ）必要に応じて、前記空間的周波数ω_Ｄの値から前記フィラメントの場所に対する制御信号を発生する工程よりなる、フィラメントの場所をモニタする方法。
2. 前記工程（ｄ）は、
   前記検知された空間的に変調された光に対する空間的周波数スペクトルを発生し、
   前記フィラメントの場所を表わす前記空間的周波数ω_Ｄを有する前記空間的周波数スペクトルの１つの成分を識別することによって行われる、請求項１の方法。
3. 前記工程（ｂ）を行うためにロンキ・ルーリングが用いられる、請求項１の方法。
4. 前記工程（ｂ）と（ｃ）の間で、前記空間的に変調された光がレンズ系によって変換されて、前記フィラメントの場所が前記空間的周波数ω_Ｄの線形関数となる、請求項１の方法。
5. 前記フィラメントが透明であり、かつ前記放射線のビームが前記工程（ｃ）で検知される干渉じまを生ずる、請求項２の方法。
6. 前記空間的周波数スペクトルが前記フィラメントの直径をモニタするために用いられる外径成分を含んでいる、請求項５の方法。
7. 前記直径成分が空間的周波数ω_ＯＤを有し、かつω_ＯＤが前記フィラメントの予測場所および直径に対して（ｉ）ω_Ｄおよび（ｉｉ）ω_Ｄ−ω_ＯＤより実質的に小さくなるように前記空間的周波数ω_Ｍが選択される、請求項６の方法。
8. 前記空間的周波数スペクトルが前記フィラメントの欠陥を検知するためおよび／または前記フィラメント上の気密被覆の厚さをモニタするために用いられる、請求項５の方法。
9. 前記工程（ｂ）は、２つの空間的に離れた場所において前記散乱光源からの光を変調して、２つの空間的に変調された光を形成する工程よりなり、前記工程（ｃ）は、前記２つの空間的に変調された光のそれぞれを検知する工程よりなり、前記工程（ｄ）は、前記２つの空間的に変調された光のそれぞれに対する空間的周波数ω _Ｄ を決定する工程よりなる、請求項１の方法。
10. フィラメントの場所を制御する方法であって、
    （ａ）前記フィラメントの一部分が散乱光源となるように前記フィラメントに放射線のビームを送り、
    （ｂ）前記散乱光源からの光を空間的に変調し、この場合の空間的変調が空間的周波数ω_Ｍを有し、
    （ｃ）前記空間的に変調された光を検知し、
    （ｄ）前記検知された空間的に変調された光に対して空間的周波数ω_Ｄを決定し、前記空間的周波数が前記フィラメントの場所を表わし、
    （ｅ）前記空間的周波数ω_Ｄの値から前記フィラメントの場所に対する制御信号を発生する工程よりなる、フィラメントの場所を制御する方法。
11. １つの表面までの距離を測定する装置であって、
    複数の空間的に分布された場所において光を検知する検知手段と、
    前記表面に光のビームを送って、前記ビームの少なくとも一部分が前記表面から前記検知手段に散乱される（散乱光となる）ようにする照明手段と、
    前記表面と前記検知手段の間にあって、前記散乱光を空間的に変調し、前記散乱光の空間的変調が空間的周波数ω_Ｍを有するようにする空間的変調手段と、
    前記検知手段において前記空間的に変調された散乱光の空間的周波数ω_Ｄを決定する手段とよりなり、前記空間的変調手段と前記表面との間の距離がω_Ｄの関数であるようになされた、１つの表面までの距離を測定する装置。
12. 前記空間的変調手段がロンキ・ルーリングである、請求項１１の装置。
13. 前記空間的変調手段と前記検知手段の間にレンズ系をさらに具備しており、前記レンズ系は正のパワーを有し、かつ前記検知手段が前記レンズ系の後部焦点面内にあり、それによって前記空間変調手段と前記表面との間の距離Ｄがω_Ｄの線形関数となる、請求項１１または１２の装置。

Images