專利名稱：用于拉伸光纖預(yù)制棒的處理過程和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及光纖的制作，具體說，是涉及形成供光纖使用的玻璃預(yù)制棒。特別是，本發(fā)明涉及用于拉伸光纖預(yù)制棒的處理過程和設(shè)備。
背景技術(shù)：
已知有多種制作用于拉制光纖的玻璃預(yù)制棒的處理過程。這些處理過程包括改進型化學(xué)汽相淀積(MCVD)處理過程、外汽相淀積(OVD)處理過程、和汽相軸向淀積(VAD)處理過程。
許多已知的制作預(yù)制棒的處理過程，都包括一個階段，稱為拉伸，其中，按照與特定制作處理過程有關(guān)的不同技術(shù)，形成玻璃質(zhì)預(yù)制棒條，經(jīng)過直徑收縮，獲得規(guī)定的最后直徑的預(yù)制棒。為此，在加熱爐內(nèi)或通過噴燈裝置，加熱玻璃質(zhì)預(yù)制棒條直到軟化溫度。然后，拉伸預(yù)制棒條，以便收縮其軟化區(qū)域的直徑，該區(qū)域稱為“頸部”。玻璃質(zhì)預(yù)制棒條可能有中心孔，該中心孔在拉伸階段會坍縮。
已知有多種拉伸預(yù)制棒的方案。按照某些方案，預(yù)制棒兩端都移動，而預(yù)制棒的加熱區(qū)域保持不動。在這種情形中，預(yù)制棒一般沿豎直軸(“豎直拉伸處理過程”)被拉伸，且預(yù)制棒的上端附著在饋送器上；饋送器懸吊著預(yù)制棒并把預(yù)制棒向加熱爐饋送。在下端，即加熱爐的下游，預(yù)制棒附著在拔出器上，該拔出器提供拉伸預(yù)制棒必要的拉力。
在加熱爐內(nèi)，預(yù)制棒被加熱至軟化溫度。拔出器施加的平移速度大于饋送器的饋送速率，從而預(yù)制棒的軟化區(qū)域被拉伸。軟化區(qū)域的預(yù)制棒外徑因而收縮，且中心孔，如果有的話，會坍縮。視情況而定，饋送器和拔出器也可以使預(yù)制棒繞它的軸旋轉(zhuǎn)。
按照其他的方案，預(yù)制棒一端保持不動而另一端移動，同時加熱區(qū)域沿一個方向運動，該方向與預(yù)制棒的移動相同或相反。在該方案中，預(yù)制棒一般沿水平軸(“水平拉伸處理過程”)拉伸。預(yù)制棒被水平可移動的加熱器，例如安裝在小車上的噴燈加熱。預(yù)制棒兩端附著在水平車床的心軸上一個心軸保持不動，而另一個作水平運動。可動心軸和加熱器的平移速度，確定預(yù)制棒的最后直徑。在該情形中，也可以使預(yù)制棒繞它的軸旋轉(zhuǎn)。
不管拉伸預(yù)制棒采用的特定方案如何，預(yù)制棒拉伸階段的主要目的是，獲得規(guī)定的棒條直徑，以便交付后續(xù)的處理，直到光纖的拉制。因此，在拉伸階段，監(jiān)控預(yù)制棒直徑是極為重要的。
對拉伸階段預(yù)制棒直徑的監(jiān)控，已經(jīng)提出了各種技術(shù)。一般說來，所有這些都要求沿預(yù)制棒的軸，特別是沿頸部，通過例如基于激光器的設(shè)備，在有限數(shù)量的離散點(一點、兩點、或三點)上，測量預(yù)制棒直徑；測量的一個直徑或多個直徑，通常與預(yù)定直徑值比較，據(jù)此控制饋送器的饋送速率，和/或拔出器的速度，或者可移動的心軸速度，將視采用的拉伸預(yù)制棒的方案而定。例如，假定測量的直徑大于目標直徑，則增加可移動的心軸速度，反之亦然。
沿預(yù)制棒軸的一個規(guī)定點測量預(yù)制棒直徑的技術(shù)，例如在下面的專利中說明JP 57092534、JP 62108743、JP 61014149、US 5,755,849、和US 5,942,019。專利JP 5147971、US 6,178,778、和JP 8091861，是沿預(yù)制棒軸的兩個或三個離散點，測量預(yù)制棒直徑的現(xiàn)有技術(shù)對比文件的例子。
特別是，與用加熱爐拉伸預(yù)制棒有關(guān)的US 5,942,019，強調(diào)測量錐形部分(即頸部)外直徑的位置設(shè)置的重要性。概括地說，該對比文件稱，發(fā)現(xiàn)外直徑測量位置放在靠近錐形部分上端的情形，即靠近加熱器的情形中，哪怕當控制卡盤的移動速度，保持錐形部分上端的外直徑恒定，該外直徑仍然在錐形部分變化，從而使被拉伸體的外直徑變得不均勻和起伏，相反，在外直徑測量位置放在靠近錐形部分下端的情形，因為玻璃預(yù)制棒在該位置已經(jīng)幾乎冷卻，且它的粘滯性對拉伸已經(jīng)變得非常大，即使檢測到外直徑的起伏，也難于改正。還是根據(jù)US 5,942,019，隨拉伸前玻璃預(yù)制棒外直徑變化的優(yōu)化的外直徑測量位置、拉伸體的外直徑、加熱器溫度、加熱爐芯管的內(nèi)直徑、等等，都得靠試驗確定。
按照本申請人的意見，依靠試驗確定直徑測量點的優(yōu)化位置，從工業(yè)應(yīng)用的觀點看，是不能令人滿意的。
本申請人還注意到，現(xiàn)有技術(shù)提供的方法，是在一個、兩個、或三個預(yù)先固定的點上，特別是在與待拉伸預(yù)制棒頸部實際幾何形狀無關(guān)的點上測量直徑，并且，本申請人注意到，因為頸部長度及形狀對若干處理過程參數(shù)的相關(guān)性，諸如預(yù)制棒開始及最后直徑、處理過程的操作速度、溫度分布、如果旋轉(zhuǎn)的話有預(yù)制棒的旋轉(zhuǎn)速度、如果有中心孔則有有預(yù)制棒中心孔的直徑、和內(nèi)部壓力，使頸部幾何形狀對每個處理過程都不同，甚至在單個拉伸處理過程中也變化。本申請人發(fā)現(xiàn)，由于這些原因，在預(yù)先固定的點上測量頸部直徑，而這些點與頸部幾何形狀不相關(guān)，所以不能精確控制預(yù)制棒的最后直徑。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)這些考慮，本申請人已經(jīng)設(shè)計一種新的光纖預(yù)制棒拉伸處理過程，它包括在預(yù)制棒的拉伸步驟中，測量待拉伸預(yù)制棒的至少一個幾何參數(shù)，并根據(jù)測量的幾何參數(shù)，控制預(yù)制棒直徑測量點的位置。
具體說，至少一個幾何參數(shù)的測量，包括檢測預(yù)制棒軟化區(qū)域至少一部分的輪廓，例如拍攝該軟化區(qū)域至少一部分的數(shù)字圖像。
按照本發(fā)明的第一方面，是提供權(quán)利要求1陳述的一種光纖預(yù)制棒拉伸的處理過程。
簡單地說，該處理過程包括，加熱預(yù)制棒，使它的一個區(qū)域軟化；通過牽引預(yù)制棒使之拉伸；在拉伸步驟中，沿預(yù)制棒至少一個測量點上，確定預(yù)制棒的直徑；和根據(jù)確定的直徑，控制拉伸步驟。
該處理過程還包括，在拉伸步驟中，測量預(yù)制棒至少一個幾何參數(shù)；和在拉伸步驟中，根據(jù)測量的幾何參數(shù)，控制所述直徑測量點的位置。
在本發(fā)明的一個實施例中，預(yù)制棒至少一個幾何參數(shù)的測量，包括確定軟化區(qū)域至少一部分的輪廓。
具體說，預(yù)制棒至少一個幾何參數(shù)的測量，包括按照所述確定的輪廓，檢測軟化起始點到軟化結(jié)束點之間至少一個點，和控制所述測量點的位置包括，在離軟化起始點到軟化結(jié)束點之間一個點的預(yù)定距離上，選擇直徑的測量點。
預(yù)制棒至少一個幾何參數(shù)的測量，還包括按照所述確定的輪廓，檢測軟化區(qū)域的長度，和所述預(yù)定距離，是所述長度的預(yù)定百分比。
在本發(fā)明的一個實施例中，輪廓的確定，是通過沿預(yù)制棒輪廓，檢測預(yù)定數(shù)量的點，并對所述點進行內(nèi)插實現(xiàn)的。
最好是，輪廓的確定包括，拍攝軟化區(qū)域至少一部分的數(shù)字圖像。
在本發(fā)明的一個實施例中，拉伸步驟的控制包括，把確定的直徑與目標直徑比較。
該處理過程可以包括，以第一速度把預(yù)制棒饋送至加熱爐，和通過以第二速度把預(yù)制棒從加熱爐拉出，使預(yù)制棒經(jīng)受牽引；拉伸步驟的控制包括，控制第一速度和第二速度中至少一種速度。
另外，該處理過程可以包括，把預(yù)制棒暴露在可沿預(yù)制棒軸以第一速度移動的加熱器上，和通過以第二速度拉動預(yù)制棒的至少一端施加牽引；拉伸步驟的控制包括，控制第一速度和第二速度中至少一種速度。
按照本發(fā)明的第二方面，是提供權(quán)利要求10陳述的一種光纖預(yù)制棒拉伸的處理過程。
概括地說，按照本發(fā)明的第二方面，包括加熱預(yù)制棒，使它的一個區(qū)域軟化；通過牽引預(yù)制棒使之拉伸；確定預(yù)制棒的至少一個幾何參數(shù)；和根據(jù)檢測的幾何參數(shù)，控制拉伸步驟。
確定至少一個幾何參數(shù)包括，檢測軟化區(qū)域至少一部分的輪廓。
具體說，檢測輪廓包括，沿預(yù)制棒的輪廓檢測預(yù)定數(shù)量的點，并對所述點進行內(nèi)插。
最好是，檢測輪廓包括，拍攝軟化區(qū)域至少一部分的數(shù)字圖像。
在本發(fā)明的一個實施例中，至少一個幾何參數(shù)的確定包括，確定軟化區(qū)域中一個測量點上的預(yù)制棒直徑，和拉伸步驟的控制包括，把確定的直徑與目標直徑比較。
具體說，預(yù)制棒直徑的確定包括，根據(jù)所述檢測的輪廓，控制測量點的位置。
該處理過程還可以包括，根據(jù)所述檢測的輪廓，控制目標直徑。
在本發(fā)明的一個實施例中，按照所述檢測的輪廓，確定預(yù)制棒直徑。
具體說，至少一個幾何參數(shù)的確定包括，按照所述檢測的輪廓，確定軟化起始點到軟化結(jié)束點之間至少一個點，和測量點位置的控制包括，在離軟化起始點到軟化結(jié)束點之間一個點的預(yù)定距離上，選擇一個測量點。
在本發(fā)明的一個實施例中，預(yù)制棒至少一個幾何參數(shù)的確定還包括，按照所述確定的輪廓，檢測軟化區(qū)域的長度，和所述預(yù)定距離，是所述長度的預(yù)定百分比。
按照本發(fā)明的第三方面，是提供權(quán)利要求19陳述的一種制作光纖的處理過程。
簡要地說，按照本發(fā)明第三方面的處理過程，包括生產(chǎn)玻璃預(yù)制棒和把該玻璃預(yù)制棒拉制成光纖。
玻璃預(yù)制棒的生產(chǎn)，包括如下步驟加熱中間預(yù)制棒，使它的一個區(qū)域軟化；通過牽引該中間預(yù)制棒，使之拉伸；在拉伸步驟中，沿該中間預(yù)制棒至少一個測量點上，檢測該預(yù)制棒的直徑；和根據(jù)檢測的直徑，控制該拉伸步驟。
該處理過程還包括，在拉伸步驟中，測量預(yù)制棒至少一個幾何參數(shù)；和在拉伸步驟中，根據(jù)測量的幾何參數(shù)，改變所述測量點。
按照本發(fā)明的第四方面，是提供權(quán)利要求20陳述的一種拉伸光纖預(yù)制棒的設(shè)備。
簡要地說，該設(shè)備包括，監(jiān)控裝置，用于獲得準備拉伸的預(yù)制棒幾何參數(shù)的信息；和控制裝置，利用預(yù)制棒的幾何參數(shù)信息，控制拉伸處理過程的參數(shù)。
該監(jiān)控裝置包括圖像拍攝裝置，用于獲得預(yù)制棒軟化區(qū)域至少一部分的輪廓；和處理裝置，用于分析該輪廓，以便提取預(yù)制棒幾何參數(shù)的信息。


本發(fā)明的這些和其他特征和優(yōu)點，通過下面本發(fā)明一個實施例的詳細說明，將變得顯而易見，該實施例僅作為非限制性例子，結(jié)合附圖舉出，附圖有圖1按照本發(fā)明的一個實施例，畫出預(yù)制棒拉伸設(shè)備的示意圖；圖2按照本發(fā)明的一個實施例，畫出預(yù)制棒拉伸控制的簡化流程圖；圖3示意畫出預(yù)制棒軟化區(qū)域(預(yù)制棒“頸部”)的輪廓，是從預(yù)制棒拉伸控制程序的圖像處理程序得到的；圖4是預(yù)制棒拉伸控制程序中，預(yù)制棒頸部輪廓分析程序的簡化流程圖；圖5A、5B、和5C是三種不同程序的實施例的簡化流程圖，用于沿預(yù)制棒頸部確定直徑的測量點；圖6是本申請人使用黑白數(shù)字照相機，在進行頸部輪廓拍攝的實驗試驗中拍攝的預(yù)制棒頸部圖像；圖7是經(jīng)過第一圖像處理步驟，根據(jù)預(yù)定閾值，使任一像素灰度轉(zhuǎn)換為黑或白之后，得到的頸部圖像；圖8是經(jīng)過第二圖像處理步驟，通過圖像濾波消除干擾之后，得到的頸部圖像；圖9畫出從圖8的圖像處理提取的頸部輪廓；圖10畫出通過對圖9的頸部輪廓進行內(nèi)插，獲得的頸部輪廓；圖11畫出根據(jù)不同操作參數(shù)的拉伸處理過程，對兩根預(yù)制棒進行拉伸的頸部輪廓；和圖12畫出根據(jù)常規(guī)技術(shù)，和根據(jù)本發(fā)明兩個實施例的兩種技術(shù)，測量的兩根預(yù)制棒頸部直徑中的差別。
具體實施例方式
現(xiàn)在參考附圖，圖1按照本發(fā)明一個實施例，畫出光纖預(yù)制棒拉伸設(shè)備的非常簡化的示意圖。
該拉伸設(shè)備，始終以101標記，包括水平車床105，它有沿水平方向分開的不動的心軸107a和可動的心軸107b。把玻璃預(yù)制棒109的第一端和第二端109a和109b，分別附著在不動的和可動的心軸107a和107b上。為此，第一和第二預(yù)制棒端109a和109b可以設(shè)置常規(guī)扳手(圖中未畫出)。預(yù)制棒109據(jù)此在不動的和可動的心軸107a和107b之間伸長，伸長時，預(yù)制棒的縱軸109c基本上在水平的平面內(nèi)。
有可移動小車111，可在水平平面沿預(yù)制棒軸109c方向運動。小車111承載著噴燈113和可視圖像拍攝系統(tǒng)115，噴燈113向著預(yù)制棒，把某一區(qū)域加熱至軟化溫度；可視圖像拍攝系統(tǒng)115包括例如高清晰度數(shù)字照相機117，適合拍攝預(yù)制棒109至少一部分軟化區(qū)域109d(頸部)的圖像，該軟化區(qū)域在預(yù)制棒已經(jīng)拉伸段109e與未拉伸段109f的中間，已經(jīng)拉伸段109e的直徑已經(jīng)收縮至需要的最后直徑，未拉伸段109f的直徑等于預(yù)制棒初始直徑。特別是，該圖像拍攝系統(tǒng)適合拍攝頸部109d至少最后部分的圖像，該最后部分接近已經(jīng)拉伸的預(yù)制棒段109e。圖像拍攝系統(tǒng)115可以包括光源125，適合照明要拍攝圖像的預(yù)制棒區(qū)域109d。如有可能，在圖像拍攝系統(tǒng)115的相反側(cè)，沿預(yù)制棒設(shè)置適當?shù)谋尘皢卧?27，以保證頸部圖像相對于圖像背景有足夠的反差。另外，光源與圖像拍攝系統(tǒng)115相對放置。
最好是，數(shù)字照相機117帶有一個濾波器或多個濾波器，以便改進拍攝圖像的質(zhì)量；特別是，可以使用紅外濾波器或偏振濾波器，這些濾波器可以根據(jù)光源波長選擇。
圖像拍攝系統(tǒng)115連接至處理及控制單元119，例如裝入適當圖像處理軟件的個人計算機。處理及控制單元119處理圖像拍攝系統(tǒng)115拍攝的可視圖像，分析處理的圖像，和控制驅(qū)動小車113及可動心軸107b的兩個驅(qū)動單元121、123(例如電機)中的一個或兩者，以便設(shè)定相對的平移速度，控制被拉伸的預(yù)制棒直徑。
應(yīng)當指出，拉伸預(yù)制棒采用的設(shè)備類型，不應(yīng)作為對本發(fā)明的限制。代替上述舉例說明的設(shè)備，例如，可以采用包括預(yù)制棒饋送器、加熱爐、和預(yù)制棒拔出器的豎直拉伸設(shè)備。在這種情形中，照相機可以與加熱爐結(jié)合，使它能拍攝頸部或預(yù)定部分的圖像。
圖2畫出的簡化流程圖，表明預(yù)制棒拉伸控制程序201的主要步驟。
在第一步驟中(方框203)，圖像拍攝系統(tǒng)115拍攝頸部109d的圖像(或至少它的一部分，最好接近預(yù)制棒段109e)。
拍攝的圖像饋送至處理及控制單元119(方框205)。該處理及控制單元119借助圖像處理軟件，處理拍攝的圖像；具體說，圖像處理能使圖像的有意義部分(預(yù)制棒頸部)與沒有意義的圖像部分，如背景或干擾分離，并提取預(yù)制棒頸部，或至少其上一部分的連續(xù)的輪廓(方框207)。
然后，用處理及控制單元119，對圖像處理程序獲得的頸部輪廓進行分析，從獲得的輪廓中提取幾何參數(shù)(方框209)，并利用頸部輪廓的分析結(jié)果，控制小車111(從而噴燈113)的速度，和/或可動心軸107b的速度(方框211)，因而實施控制環(huán)。例如，借助頸部輪廓的分析，能夠提取用于控制拉伸階段的有意義的參數(shù)。
程序繼續(xù)前進，直到整個預(yù)制棒已經(jīng)拉伸(方框213)。
關(guān)于該圖像處理(方框207)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，數(shù)字照相機拍攝的圖像由圖像元素(像素)矩陣表示，像素是拍攝的圖像被細分的基本單元，矩陣中的像素數(shù)與數(shù)字照相機的精度(分辨率)有關(guān)例如分辨率為1,000×1,000個像素的照相機給出的圖像，由1,000,000個像素的矩陣表示(1,000個沿水平方向，1,000個沿豎直方向)，每一像素與相應(yīng)的景物面積對應(yīng)。
與每一像素關(guān)聯(lián)的信息和景物的對應(yīng)面積的顏色有關(guān)；在黑白照相機中，顏色由灰度級中的灰度表示，其兩個極端分別與黑和白對應(yīng)。與每一像素關(guān)聯(lián)的顏色或灰度信息，以數(shù)字代碼編碼。例如，每一灰度以12比特數(shù)字代碼表示的數(shù)字照相機，能區(qū)別4096種不同灰度，而對每一像素，有與之關(guān)聯(lián)的12比特二進制編碼整數(shù)值，標識該像素的灰度，包括20(如對應(yīng)于黑)到212(如對應(yīng)于白)。
處理像素對應(yīng)于處理像素矩陣及關(guān)聯(lián)的表示相應(yīng)灰度的二進制代碼。
任何市面上可購得的圖像處理軟件，在原理上都可以利用；另外，也可以使用定制的圖像處理軟件。與采用的圖像處理軟件無關(guān)，在圖像處理步驟中進行的基本操作，說明如下。
試圖從拍攝的圖像提取頸部輪廓之前，圖像最好經(jīng)過濾波，以抑制噪聲及干擾。任何已知的圖像濾波算法都可以采用。
經(jīng)過對拍攝的圖像進行濾波之后，是識別預(yù)制棒頸部的輪廓線。該步驟給出像素矩陣所有像素中那些屬于頸部輪廓線的像素。獲得該結(jié)果的一種算法，是建立預(yù)定的閾值灰度，然后，灰度低于(或者高于)該預(yù)定閾值的矩陣中的像素，被識別并判明屬于頸部輪廓線。另一種識別屬于頸部輪廓線的像素的算法，是把相鄰像素的灰度彼此比較，并判明灰度與前面像素灰度差別至少一預(yù)定值的所有像素，屬于頸部輪廓線。其他由市面上可購得的計算機軟件實施的圖像識別算法，也可以使用。
視情況而定，一旦屬于頸部的像素已經(jīng)識別，可以進行圖像內(nèi)插，增加圖像的精度。為此，可以利用已知的圖像內(nèi)插算法。因此能夠把圖像精度增加至超過單個像素的精度。
圖3示意畫出從拍攝的圖像，經(jīng)過處理后獲得的連續(xù)頸部輪廓；實際上，從拍攝圖像獲得的頸部輪廓，通常是不連續(xù)的(因為從像素獲得)，但圖像拍攝系統(tǒng)與圖像處理軟件的精度，能夠使輪廓在所有效應(yīng)上可視作基本連續(xù)的。矩形301表示圖像面積，而矩形301內(nèi)的曲線303是識別的頸部輪廓。只要度量單位中的景物面積(L1和L2)已知，從像素到度量單位的轉(zhuǎn)換比較容易確定。另外，或此外，可以在景物面積中引進度量參考。在又一個實施例中，可以在圖像拍攝系統(tǒng)的上游和/或下游提供常規(guī)的直徑測量裝置；該裝置或這些裝置測量的直徑值，能夠用作像素到度量單位轉(zhuǎn)換的一組點(在度量單位中，由該直徑測量裝置測量的頸部直徑，與在像素中從拍攝圖像獲得的頸部直徑比較，建立像素到度量單位的轉(zhuǎn)換系數(shù))。
顯而易見，能夠從獲得的頸部連續(xù)曲線，哪怕是從它的一部分導(dǎo)出的信息，例如從接近已經(jīng)拉伸的預(yù)制棒段的頸部的部分導(dǎo)出的信息，要比沿頸部一個或多個離散點簡單測量預(yù)制棒直徑導(dǎo)出的信息，大大豐富得多。
具體說，獲得的頸部連續(xù)曲線，能夠克服上述的問題，影響常規(guī)的拉伸控制技術(shù)，是要測量預(yù)制棒直徑的點或多個點的天然選擇。
例如，獲得的頸部輪廓的分析，能實時確定頸部的起始點(圖3中的x1)和頸部結(jié)束點(圖3中的x2)、頸部長度(|x2-x1|)，沿頸部任何點的預(yù)制棒直徑(圖3中的D)。頸部輪廓的分析，甚至能導(dǎo)出解析的描述頸部輪廓的數(shù)學(xué)公式。
從實際的觀點看，圖像拍攝系統(tǒng)的選擇，應(yīng)考慮兩個重要參數(shù)，就是拍攝的圖像的分辨率和掃描頻率。
如上所述，圖像分辨率是圖像拍攝系統(tǒng)精度的指標。
但是，拍攝的圖像中細致的程度，不僅與圖像拍攝系統(tǒng)的分辨率有關(guān)，也與景物的面積有關(guān)。舉例說，如果使用上述1,000×1,000像素的數(shù)字照相機，要獲得面積為100×100mm景物的圖像，每一像素代表景物0.1×0.1mm的面積。
圖像內(nèi)插處理過程能增加拍攝的圖像的精度，能檢測像素尺度以下的細節(jié)。
掃描頻率是每秒拍攝圖像次數(shù)的指標。為了在預(yù)制棒拉伸階段持續(xù)監(jiān)控頸部形狀，要求有足夠高的掃描頻率。但是，在掃描頻率與拍攝的圖像精度之間，存在折衷；圖像精度越高，圖像拍攝裝置的分辨率越高，像素數(shù)越高，則有更多的比特需要傳送，所以掃描頻率越低。
市面上可購得的數(shù)字照相機以像素數(shù)表征分辨率，像素數(shù)的等級有512×512、1000×1000、1300×1000、2000×2000、和4000×4000，掃描頻率也隨之降低(從100-200幀每秒-fps-到0.5fps)。再次假定要拍攝面積為100×100mm景物的圖像，圖像的精度隨分辨率的增加而增加，但代價是掃描頻率的降低。
可以認為，采用市售數(shù)字照相機，滿意的折衷是分辨率為1300×1000像素、掃描頻率約15fps；這樣的數(shù)字照相機能以至少等于0.076mm的精度，獲得面積為100×100mm景物的圖像，并認為適合用于精細控制拉伸處理過程中拍攝預(yù)制棒頸部輪廓的圖像。
如果不影響掃描頻率，又需要更高的精度，可以利用定制的圖像拍攝系統(tǒng)。
應(yīng)當指出，雖然黑白數(shù)字照相機在圖像清晰度和掃描頻率方面是有利的，但也可以使用模擬照相機，特別是彩色照相機?？梢栽O(shè)想其他類型的可視圖像拍攝系統(tǒng)，例如沿頸部縱向以適當速度運動的基于激光的設(shè)備。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用適當?shù)膬?nèi)插算法，從比照相機提供的點數(shù)低得多的有限數(shù)量的點出發(fā)，也能重建連續(xù)的輪廓。
連續(xù)的頸部輪廓本身固有的高信息量，能實施各種有效控制預(yù)制棒拉伸階段的技術(shù)。
現(xiàn)在將參照圖4的簡化流程圖，說明按照本發(fā)明的控制技術(shù)的一個示范性實施例，該圖示意畫出圖2中方框209的頸部輪廓分析程序。
首先，分析該頸部輪廓，以獲得頸部的起始點x1，和/或頸部結(jié)束點x2(方框401)。頸部起始點x1，例如能夠通過沿頸部輪廓，確定預(yù)制棒直徑首次落在預(yù)制棒初始直徑以下某一預(yù)定閾值的點而確定。在已經(jīng)從頸部輪廓內(nèi)插，導(dǎo)出描述頸部輪廓的解析公式的情形，則頸部起始點x1能夠通過監(jiān)控一階導(dǎo)數(shù)確定。頸部結(jié)束點x2能夠按類似方式確定。
根據(jù)確定的頸部起始點和頸部結(jié)束點x1和x2，可以確定要計算的頸部直徑D(x3)沿頸部的點x3(方框403)。
圖5A、5B、和5C是三種可能程序的簡化流程圖，用于確定要計算的頸部直徑的最佳點x3，以便能對預(yù)制棒直徑進行精確控制。
按照第一程序，如圖5A所示，要計算的頸部直徑的點x3，相對于頸部結(jié)束點x2是固定的，一旦確定了頸部結(jié)束點x2，從點x2減去預(yù)定常數(shù)K1，可獲得點x3(方框501a)。
按照第二程序，如圖5B所示，點x3相對于頸部起始點x1是固定的；一旦確定了頸部起始點x1，把點x2加上預(yù)定常數(shù)K2，可獲得點x3(方框501b)。
按照第三程序，如圖5C所示，首先把x2減去x1，計算頸部的長度(方框501c)，然后，通過計算，令離頸部起始點的距離，等于頸部長度|x2-x1|預(yù)定的百分比K3，確定點x3(方框503c)?；蛘撸cx3能夠作為離頸部結(jié)束點x2等于頸部長度預(yù)定百分比的距離而確定。
顯而易見，因為點x1和x2在拉伸的處理過程中變化，所以點x3也同樣變化。
應(yīng)當指出，用于確定計算預(yù)制棒直徑的參考點的選擇，依賴于控制算法的類型。例如，如果寧可在接近頸部最后一段中監(jiān)控預(yù)制棒的直徑，那么，最好是在離頸部結(jié)束點(由頸部輪廓的檢查確定)預(yù)定距離上計算預(yù)制棒直徑。同樣可能的是，在兩個或多個點上監(jiān)控預(yù)制棒直徑，一個接近頸部結(jié)束點，而一個接近頸部起始點；在這種情形下，預(yù)制棒直徑可以在離頸部結(jié)束點預(yù)定距離上計算，和在離頸部起始點預(yù)定距離上計算，頸部結(jié)束點和頸部起始點兩點，都通過頸部輪廓的檢查確定。
在確定了計算頸部直徑的點x3之后，沿頸部的該點上的直徑D(x3)，可從頸部輪廓計算(方框405)。
已經(jīng)在預(yù)定點x3上計算頸部直徑D(x3)之后，把計算的直徑與預(yù)定的、存儲在處理及控制單元119中的目標直徑比較，并確定計算直徑與目標直徑的偏差(方框407)。用該偏差控制可動心軸107b及裝載著噴燈113的小車111的速度(圖2中方框211)。例如，如果計算的直徑大于目標直徑，則增加可動心軸的速度，反之亦然。
概括地說，經(jīng)過處理圖像拍攝裝置115拍攝的圖像后，在獲得的連續(xù)的頸部輪廓基礎(chǔ)上，在至少一個點(在圖3中標記為x3)上確定(從頸部輪廓的分析)預(yù)制棒直徑，上述那個點沿頸部的位置，相對于預(yù)制棒加熱區(qū)域是不固定的，特別是相對加熱單元(加熱爐或噴燈)是不固定的，正如在已知的技術(shù)中那樣，而是隨頸部的幾何形狀變化的，但它是從頸部輪廓的分析導(dǎo)出的。例如，該頸部直徑是在沿頸部輪廓的一點上計算的，該點相對于頸部起始點或頸部結(jié)束點是固定的，是由分析頸部輪廓確定的。
在已知技術(shù)中，在其上測量預(yù)制棒直徑的一個點或多個點，相對于預(yù)制棒加熱區(qū)域是固定的，與這些已知技術(shù)相比，在一個點或多個點上監(jiān)控頸部輪廓，點的位置不是事先固定的，而是依賴于實際的頸部幾何形狀，這樣能減少因變化的處理過程參數(shù)而產(chǎn)生頸部形狀和長度變化所固有的問題。
在另外的一個實施例中，預(yù)制棒直徑是從獲得的輪廓上一個或多個預(yù)先指定的點計算的，這些點的位置不隨頸部幾何形狀變化。利用拍攝的頸部圖像，從分析導(dǎo)出的頸部幾何形狀信息，再根據(jù)該頸部幾何形狀，改變一個或多個目標值。
試驗結(jié)果本申請人已經(jīng)進行了一些試驗，現(xiàn)在報告如下。
頸部輪廓的拍攝圖6表明，使用的黑白數(shù)字照相機，有256個灰度(值范圍從0到255)、1360×1024像素的分辨率、和9.5fps的掃描頻率，放在離預(yù)制棒約60cm處，拍攝的預(yù)制棒頸部的圖像。把該圖像饋送到處理及控制單元119進行圖像處理。該頸部是從豎直拉伸處理過程裝置獲得的；具體說，該圖像是停止拉伸處理過程，并把預(yù)制棒從例如爐上滑下而拍攝的。圖上可見的圍繞預(yù)制棒的矩形，是通常伴隨加熱爐下部的貯存管。
圖7表明經(jīng)第一圖像處理階段之后的拍攝的圖像。具體說，為了識別頸部占據(jù)的圖像面積，灰度低于預(yù)定閾值，具體說是210的像素，已經(jīng)轉(zhuǎn)換為黑色像素(灰度值等于0)，而灰度高于預(yù)定閾值的像素，已經(jīng)轉(zhuǎn)換為白像素(灰度值等于256)。顯然，從該第一處理階段得到的圖像，頸部圖像能夠頗為清晰地識別，盡管還有些干擾，但面積比要研究的面積小了許多。借助濾波處理過程，通過抑制所有在預(yù)定尺寸以下的白色面積，可把這些干擾從圖像中消除。從該濾波處理過程得到的圖像示于圖8。
然后，沿像素矩陣每一行(即沿預(yù)制棒軸的橫向)，取圖8中圖像的截線，并把那些出現(xiàn)從黑過渡到白及從白過渡到黑的像素，識別為位于頸部輪廓線的像素。如此，確定了示于圖9的頸部輪廓，在該圖中，坐標軸的標尺是毫米，且頸部輪廓比圖8的圖像已轉(zhuǎn)過了90°。
圖10畫出經(jīng)過內(nèi)插處理過程后的頸部輪廓；具體說，內(nèi)插是用6階多項式函數(shù)進行的，該多項式插入具有均方根誤差等于0.9998的數(shù)據(jù)。
使用市售的時鐘頻率約700MHz的微處理器，從圖像拍攝到內(nèi)插的各個步驟，持續(xù)時間約50ms，相應(yīng)于最大掃描頻率約20fps。在計算時間方面的代價，顯然與圖像分辨率有關(guān)，也與圖像處理算法有關(guān)。在要求更高的圖像分辨率或更復(fù)雜的圖像處理算法的情形，可以用更強大的微處理器。
拉伸階段的控制本申請人也進行了實驗試驗，證明基于拍攝的頸部輪廓的分析，能夠獲得預(yù)制棒拉伸階段更精確的控制。
具體說，本申請人用圖1畫出的設(shè)備，對兩根預(yù)制棒進行兩種拉伸處理過程。在拉伸階段，可動心軸107b向右移動，同時，承載著噴燈113的小車111向左移動?？梢宰C明，由于質(zhì)量流的平衡，預(yù)制棒在拉伸之前和之后的開始和最后直徑D1和D2，與心軸和噴燈的平移速度V1和V2，由下面的方程式關(guān)聯(lián)D12*V1＝D22*(V1+V2)該兩種拉伸處理過程，是在保持初始和最后直徑D1和D2固定在20mm和15.3mm情況下進行的，但改變速度V1和V2。具體說，第一處理過程是以V1＝21mm/min，和V2＝15mm/min進行的，而第二處理過程的速度是V1＝32mm/min，和V2＝23mm/min。應(yīng)當指出，不同處理過程之間的如此大的速度差別，是故意引入的，以放大預(yù)制棒拉伸處理過程中參數(shù)的影響。
使用的數(shù)字照相機，與前面報告圖像拍攝試驗中使用的相同。確定了兩種處理過程的預(yù)制棒頸部輪廓。
圖11報告在兩種拉伸處理過程中，沿預(yù)制棒軸在頸部區(qū)域的預(yù)制棒直徑；這些直徑值是分析兩種情形下頸部輪廓獲得的。顯而易見，盡管初始和最后直徑相同，由于不同的速度V1和V2，直徑按照兩種不同處理過程的規(guī)律變化；具體說，頸部的長度、頸部的起始點和結(jié)束點，在兩種處理過程中是不同的換句話說，頸部長度和形狀，隨處理過程參數(shù)變化。
可以在相對于噴燈固定的點上，測量預(yù)制棒的直徑，在兩種處理過程中測量的直徑的差別，可以達到1.5mm，但拉伸后的預(yù)制棒的最后直徑卻沒有差別。甚至于發(fā)生，測量的直徑是在頸部尚未開始的點，或在已經(jīng)終結(jié)的點。
因此可以確認，在相對于噴燈固定位置(或更一般地說，相對于預(yù)制棒加熱區(qū)域)的，預(yù)先確定的一個或多個離散的點上，測量預(yù)制棒的直徑，不能提供有效地控制拉伸階段的充分的信息。
圖12中的曲線，表明在兩種處理過程中沿預(yù)制棒軸預(yù)制棒直徑之差(D1-D2)。具體說，曲線A是在預(yù)制棒加熱區(qū)域內(nèi)，在相同縱向位置的點上，通過計算差(D1-D2)獲得的；曲線B是在離頸部開端(如前所述，它在兩種處理過程中是變化的)相同距離的點上，通過計算直徑的差(D1-D2)獲得的；曲線C是在離頸部開端的距離等于相同頸部長度百分比，例如頸部長度一半的點上，通過計算直徑的差(D1-D2)獲得的。
可以容易看出，通過位置相對于加熱區(qū)域不固定，而是按照對頸部輪廓的檢查導(dǎo)出的隨頸部幾何形狀變化的點上，測量預(yù)制棒直徑，能夠降低因處理過程參數(shù)的干擾或變化而產(chǎn)生頸部幾何形狀差別所固有的誤差。雖然在曲線A的情形，最大的差(D1-D2)大于1.5mm，但該差在曲線C和B情形中，分別小于0.8mm和0.6mm能夠獲得超過2/3的降低。
圖11表明，即使初始和最后直徑相同，但頸部的幾何形狀可以顯著變化。在這種條件下，檢測測量的直徑與目標直徑的偏差，常規(guī)的控制技術(shù)將導(dǎo)致最后直徑不希望的變化。
圖12卻表明，如果預(yù)制棒的直徑不是在相對加熱區(qū)域固定的點，而是按照拍攝的頸部輪廓的檢查導(dǎo)出的頸部幾何形狀而變化的位置，確定預(yù)制棒直徑，能夠顯著降低與目標直徑的偏差。這樣，極大地降低最后直徑不希望的變化。
雖然本發(fā)明已經(jīng)通過一些實施例公開和說明，但本領(lǐng)域熟練人員顯然清楚，在不偏離本發(fā)明在所附的權(quán)利要求書定義的范圍下，可以對本發(fā)明說明的實施例，以及其他的實施例作某些修改。
具體說，盡管在詳細的說明中，已經(jīng)給出的圖像拍攝裝置是可視的圖像拍攝裝置，但其他類型的圖像拍攝裝置也可以使用，例如工作在紅外光譜的圖像拍攝裝置。
本發(fā)明可以用于制作光纖預(yù)制棒，包括拉伸階段的任何處理過程，例如MCVD、OVD、和VAD處理過程。
權(quán)利要求
1.一種預(yù)制棒的拉伸處理過程，包括-加熱預(yù)制棒，使它的一個區(qū)域軟化；-通過牽引預(yù)制棒使之拉伸；-在拉伸步驟中，在沿預(yù)制棒的至少一個測量點上，確定預(yù)制棒的直徑；和-根據(jù)確定的直徑，控制拉伸步驟；其特征在于還包括-在拉伸步驟中，測量預(yù)制棒的至少一個幾何參數(shù)；和-在拉伸步驟中，根據(jù)測量的幾何參數(shù)，控制所述直徑測量點的位置。
2.按照權(quán)利要求1的處理過程，其中預(yù)制棒至少一個幾何參數(shù)的測量，包括確定軟化區(qū)域至少一部分的輪廓。
3.按照權(quán)利要求2的處理過程，其中預(yù)制棒至少一個幾何參數(shù)的測量，包括按照所述確定的輪廓，檢測軟化區(qū)域起始點到軟化區(qū)域結(jié)束點之間至少一個點，和其中控制所述測量點的位置包括，在離軟化區(qū)域起始點和軟化區(qū)域結(jié)束點之一的一個預(yù)定距離上，選擇直徑的測量點。
4.按照權(quán)利要求3的處理過程，其中預(yù)制棒至少一個幾何參數(shù)的測量，還包括按照所述確定的輪廓，檢測軟化區(qū)域的長度，和其中所述預(yù)定距離是所述長度的預(yù)定百分比。
5.按照權(quán)利要求2的處理過程，其中確定輪廓包括，沿預(yù)制棒的輪廓，檢測預(yù)定數(shù)量的點，并對所述點進行內(nèi)插。
6.按照權(quán)利要求2的處理過程，其中確定輪廓包括，拍攝軟化區(qū)域至少一部分的數(shù)字圖像。
7.按照權(quán)利要求1的處理過程，其中控制拉伸步驟包括，把確定的直徑與目標直徑比較。
8.按照權(quán)利要求1的處理過程，其中加熱預(yù)制棒包括，以第一速度把預(yù)制棒饋送至加熱爐，和牽引預(yù)制棒包括，以第二速度把預(yù)制棒從加熱爐拉出；且其中控制拉伸的步驟包括，控制第一速度和第二速度中至少一種速度。
9.按照權(quán)利要求1的處理過程，其中加熱預(yù)制棒包括，把預(yù)制棒暴露在可沿預(yù)制棒軸以第一速度移動的加熱爐，和施加的牽引包括，以第二速度拉動預(yù)制棒的至少一端，且其中的控制拉伸步驟包括，控制第一速度和第二速度中至少一種速度。
10.一種光纖預(yù)制棒的拉伸處理過程，包括-加熱預(yù)制棒，使它的一個區(qū)域軟化；-通過牽引預(yù)制棒使之拉伸；-確定預(yù)制棒的至少一個幾何參數(shù)；和-根據(jù)檢測的幾何參數(shù)，控制拉伸步驟；其特征在于確定至少一個幾何參數(shù)包括，檢測軟化區(qū)域至少一部分的輪廓。
11.按照權(quán)利要求10的處理過程，其中檢測輪廓包括，沿預(yù)制棒的輪廓，檢測預(yù)定數(shù)量的點，并對所述點進行內(nèi)插。
12.按照權(quán)利要求10的處理過程，其中檢測輪廓包括，拍攝軟化區(qū)域至少一部分的數(shù)字圖像。
13.按照權(quán)利要求10的處理過程，其中確定預(yù)制棒至少一個幾何參數(shù)還包括，確定軟化區(qū)域中一個測量點的預(yù)制棒直徑，且其中控制拉伸步驟包括，把確定的直徑與目標直徑比較。
14.按照權(quán)利要求10的處理過程，其中確定預(yù)制棒直徑包括，根據(jù)所述檢測的輪廓，控制測量點的位置。
15.按照權(quán)利要求13的處理過程，還包括根據(jù)所述檢測的輪廓，控制目標直徑。
16.按照權(quán)利要求13的處理過程，其中的預(yù)制棒直徑，由所述檢測的輪廓確定。
17.按照權(quán)利要求14的處理過程，其中確定至少一個幾何參數(shù)，包括按照所述檢測的輪廓，確定軟化區(qū)域起始點和軟化區(qū)域結(jié)束點中的至少一個點，和其中控制測量點的位置，包括在離軟化區(qū)域起始點和軟化區(qū)域結(jié)束點之一的一個預(yù)定距離上，選擇一個測量點。
18.按照權(quán)利要求17的處理過程，其中測量預(yù)制棒至少一個幾何參數(shù)還包括，按照所述確定的輪廓，檢測軟化區(qū)域的長度，和其中所述預(yù)定距離是所述長度的預(yù)定百分比。
19.一種制作光纖的處理過程，包括生產(chǎn)玻璃預(yù)制棒和把該玻璃預(yù)制棒拉制成光纖，其中生產(chǎn)玻璃預(yù)制棒包括如下步驟-加熱中間預(yù)制棒，使它的一個區(qū)域軟化；-通過牽引該中間預(yù)制棒，使之拉伸；-在拉伸步驟中，在沿該中間預(yù)制棒的至少一個測量點上，檢測該預(yù)制棒的直徑；和-根據(jù)檢測的直徑，控制該拉伸步驟；其特征在于還包括-在拉伸步驟中，測量預(yù)制棒的至少一個幾何參數(shù)；和-在拉伸步驟中，根據(jù)測量的幾何參數(shù)，改變所述測量點。
20.一種拉伸光纖預(yù)制棒的設(shè)備，包括-監(jiān)控裝置(115、117)，用于獲得準備拉伸的預(yù)制棒的幾何參數(shù)信息；和-控制裝置(119)，利用預(yù)制棒的幾何參數(shù)信息，控制拉伸處理過程的參數(shù)，其特征在于該監(jiān)控裝置包括-圖像拍攝裝置(115、117)，用于獲得預(yù)制棒(109)軟化區(qū)域(109d)的至少一部分的輪廓(303)；-處理裝置(119)，用于分析該輪廓，以便提取預(yù)制棒幾何參數(shù)的信息。
全文摘要
一種用于拉伸光纖預(yù)制棒的處理過程和設(shè)備，包括加熱預(yù)制棒，使它的一個區(qū)域軟化；通過牽引預(yù)制棒使之拉伸；在拉伸步驟中，沿預(yù)制棒至少一個測量點上，確定預(yù)制棒的直徑；和根據(jù)確定的直徑，控制拉伸步驟。在拉伸步驟中，測量預(yù)制棒至少一個幾何參數(shù)，并根據(jù)測量的幾何參數(shù)，控制所述直徑測量點的位置。預(yù)制棒至少一個幾何參數(shù)的測量，包括確定軟化區(qū)域至少一部分的輪廓，如頸部區(qū)域輪廓的圖像。
文檔編號C03B37/012GK1639078SQ02829390
公開日2005年7月13日 申請日期2002年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月30日
發(fā)明者安東尼奧·米萊奧, 馬爾科·魯齊爾 申請人:皮雷利&C.有限公司