用於確定光纖預製件的幾何性質的方法和裝置與流程
2023-05-03 13:06:41 1
本發明涉及用於以穩健、便宜且高速的方式確定光纖和光纖預製件的幾何性質的方法和裝置，使得可在生產環境下以高準確性和精密度來實施分析。
背景技術：
光纖通常包括核心部分和一個或多個包層，並且準許光線沿著核心部分傳播。因此，如果兩個光纖連接到彼此，那麼這兩個光纖的核心應準確對齊。如果兩個光纖的外部形狀彼此一致，但核心中的任一個或兩個具有偏心率，那麼連接損耗會因這些核心的位置之間的差異而增加。因此，作為將被拉成光纖的起始材料的預製件應包括具有最小偏心率的核心部分。在光纖的生產及其管理中，檢查作為起始材料的光纖預製件是非常重要的，因此，從上述觀點來看，選擇包括具有低偏心率的核心部分的光纖預製件是非常重要的。除了偏心率之外，額外的幾何性質也很重要，包括核心和包層的外徑以及任何橢圓度。
儘管可在視覺上檢查此類性質並且在光纖預製件的給定截面處進行測量，但這樣的方法繁瑣且緩慢，需要沿著光纖預製件的長度截取多個截面，而且根本不適於光纖預製件的商業生產。此外，由於此類方法將需要沿著預製件的長度截取多個截面，因此，它們將有效地破壞預製件。或者，光纖預製件可浸在折射率匹配油中並用雷射束進行掃描以確定它的折射率和幾何性質，但對於光纖預製件的低成本商業生產而言，浸油之後清潔預製件的必要性和成本是不期望的。本發明提供用於在空氣中以非破壞性方式測量光纖預製件的幾何形狀的低成本方法，另外允許通過消除從不滿足幾何規格的預製件的部分中得到光纖的成本來額外降低成本。
因此，用於在商業生產中確定光纖預製件的幾何性質的方法必須能夠在不損壞或改變預製件的情況下快速提供此類確定。當前，不存在這樣低成本、穩健且準確的檢查和測量方法。用來確定光纖預製件的幾何性質的先前方法需要偏振光，或者複雜、成本高並且難以處理諸如浸在與預製件的包層材料具有相同指數或折射的材料（例如，折射率匹配油）中等操作。這些替代方法具有與局部光環境的敏感度相關的誤差，並且需要處理與低成本生產檢查和測量過程不相容的操作。
技術實現要素：
本發明總體涉及纖維光學，更具體地說，涉及用於測量光纖預製件以及拉制的光纖的一個或多個幾何性質的方法和裝置。本發明的各種實施方案可提供對各種幾何特性的快速、準確、精密、穩健且可重複的測量，而無需匹配油或偏振光或者造成對局部光水平敏感的其它特徵。可根據本發明的各種實施方案的方法和裝置確定的幾何性質包括預製件核心和包層的直徑、橢圓度、包層與核心或「D/d」的比及偏心率以及預製件總彎曲。
本發明的一個實施方案包括一種方法，所述方法包括：(a)提供光纖預製件，所述光纖預製件具有縱軸、外徑和圓周；(b)提供二維圖案，所述二維圖案具有與預製件的縱軸平行的長度和大於預製件的外徑的寬度；(c)提供圖像捕獲設備，所述圖像捕獲設備設置成使得預製件在圖案與圖像捕獲設備之間對齊；(d)使預製件圍繞它的縱軸旋轉，並且獲取在沿著預製件的圓周的至少兩個不同點處通過預製件觀察到的圖案的第一多個圖像；以及(e)從第一多個圖像中確定預製件的至少一個幾何性質。
本發明的另一實施方案包括一種方法，所述方法包括：(a)提供光纖預製件，所述光纖預製件具有縱軸、外徑和圓周，並且包括具有不同折射率的至少兩個圓柱形玻璃層；(b)提供二維圖案，所述二維圖案具有與預製件的縱軸平行的長度和大於預製件的外徑的寬度，其中二維圖案包括周期性地布置並且以相對於預製件的縱軸非垂直的角度安置的交替的暗線條和亮線條或條紋（就二維圖案而論，術語「線條」和「條紋」在本文中以同義使用），其中將二維圖案照亮，其中交替的暗線條和亮線條或條紋各自具有厚度；(c)提供數位相機（其可具有內部鏡頭或外部鏡頭），所述數位相機設置成使得預製件在圖案與數位相機之間對齊；(d)使預製件圍繞它的縱軸旋轉，並且獲取在沿著預製件的圓周的至少十個不同點處通過預製件觀察到的圖案的第一多個圖像；(e)在預製件縱軸的方向上移動預製件，而且使預製件圍繞它的縱軸旋轉，並且沿著預製件的長度在與第一多個圖像不同的位置獲取在沿著預製件的圓周的至少十個不同點處通過預製件觀察到的圖案的第二多個圖像；以及(f)從第一多個圖像和第二多個圖像中確定預製件的至少兩個圓柱形層中的每個的直徑、橢圓度和偏心率，其中由數位相機捕獲的第一多個圖像和第二多個圖像中的圖案的每個條紋的厚度是至少一個以上像素，其中確定包括評估二維圖案在第一多個圖像和第二多個圖像中的擾動，以確定沿著預製件的縱軸的兩個不同位置處的至少兩個圓柱形層之間的邊緣的相對空間位置；並且其中評估二維圖案在第一多個圖像和第二多個圖像的每個中的擾動以確定邊緣的相對空間位置包括圖像像素的分析，所述分析包括圖像腐蝕噪聲降低、標準偏差濾波、圖像投影平均以及放大率補償。
本發明的另一實施方案包括一種用於確定光纖預製件的幾何性質的裝置，所述預製件具有縱軸和外徑，所述裝置包括：圖像捕獲設備；二維圖案，其具有與預製件的縱軸平行的長度和大於預製件的外徑的寬度；支撐件，其被配置為將預製件安置成在圖像捕獲設備與二維圖案之間對齊，使得當從圖像捕獲設備觀察時，二維圖案在預製件的縱軸的方向上縱長延伸並且在每個方向上都超出預製件的外徑；以及驅動器，其被配置為使預製件圍繞它的縱軸在支撐件中旋轉。
其它方面、特徵和優點從下列公開，包括詳細描述、優選實施方案和所附技術方案中將顯而易見。
附圖說明
在結合附圖閱讀之後，將更好地理解上述概要以及本發明的優選實施方案的下列詳細描述。出於說明本發明的目的，附圖中示出當前優選的實施方案。然而，應理解，本發明不限於所示的具體布置和工具。
在附圖中：
圖1是根據本發明的一個實施方案的裝置的示意圖；
圖2a是根據本發明的各種實施方案的適於使用的二維圖案的圖形表示；
圖2b是根據本發明的各種實施方案的適於使用的另一二維圖案的圖形表示；
圖2c是根據本發明的各種實施方案的適於使用的另一二維圖案的圖形表示；
圖3是根據本發明的實施方案的光纖預製件相對於二維圖案的示意圖；
圖4a是根據本發明的實施方案的適於使用的二維圖案的圖形表示；
圖4b是通過光纖預製件觀察到的圖4a的圖案的表示；以及
圖5是根據本發明的實施方案的二維圖案的放大表示，示出根據本發明的實施方案的用於分析的像素化(pixilation)。
具體實施方式
除非語言和/或上下文另有明確指出，否則本文中使用的單數術語「一個」和「所述」是同義詞並且可與「一個或多個」和「至少一個」互換使用。因此，例如，本文中和所附技術方案中對「一個預製件」或「所述預製件」的引用可指的是單個預製件或者不止一個預製件。此外，除非另有明確說明，否則所有數值應被理解為由字詞「約」修飾。
為簡單且清楚地說明，附圖中的元件不必按比例繪製，並且不同圖中的相同參考標號表示相同元件。
在用於下列描述時，某些術語僅僅是為了方便起見而非限制，包括諸如可指示所參考的附圖中的方向的「右」、「左」、「下部」和「上部」等字詞，以及諸如可指的是分別朝向和遠離所述對象及其指定部分的幾何中心的「向內地」和「向外地」等字詞。所述術語包括上文明確提及的字詞、它們的派生詞以及相似的外來詞彙。
本發明的各種實施方案包括用於確定光纖預製件的一個或多個幾何性質的裝置。儘管本文所述的本發明的各種實施方案涉及用於確定光纖預製件的一個或多個幾何性質的裝置和方法，但該裝置和方法可用於通過合併顯微鏡（即，放大所獲取的圖像）來確定拉制光纖的一個或多個幾何性質。根據本發明的各種實施方案的裝置可提供準確、精密且穩健的幾何特徵，並且可有利地在生產環境下以高速率這樣做。根據本發明的各種實施方案的裝置包括：圖像捕獲設備；二維圖案；支撐件，其用於將光纖預製件安置成在二維圖案與圖像捕獲設備之間對齊；以及驅動器，其被配置為使預製件圍繞它的縱軸在支撐件中旋轉。在本發明的各種實施方案中，該裝置還可包括驅動器，該驅動器被配置為使圖像捕獲設備和二維圖案相對於光纖預製件在沿著預製件的縱軸的方向上移動。在本發明的各種實施方案中，被配置為使預製件圍繞它的縱軸在支撐件中旋轉的驅動器也可被配置為使預製件在沿著縱軸的方向上相對於二維圖案和圖像捕獲設備移動。
參考圖1，根據本發明的實施方案的裝置1包括二維圖案20和圖像捕獲設備30。在圖1所示的實施方案中，圖像捕獲設備是數位相機。圖1所示的實施方案中示出的裝置包括被配置成使光纖預製件10圍繞它的縱軸旋轉的支撐件和驅動器40。安置在光纖預製件10的右端的圖1所示的支撐件的部分也包括被配置為使預製件旋轉的驅動器。支撐件和驅動器可以是整體結構，或者它們可以是單獨設備。支撐件被配置成將預製件在二維圖案與圖像捕獲設備之間對齊，使得所捕獲的圖像具有通過預製件觀察到的二維圖案。
根據本發明的各種實施方案的裝置包括二維圖案。可以使用重複的任何圖案，只要它在二維中重複即可。根據本發明的各種實施方案的適於使用的二維圖案不一定需要複雜。合適的優選二維圖案沿著圖案的長度成周期性。就這點而言，圖案的長度被視作與幾何表徵的光纖預製件的縱軸平行的維度。可照亮可用於本發明的實施方案的各種優選圖案。照明的來源可以改變，並且包括但不限於，任何寬場照明源、投射光等。在本發明的各種實施方案中，優選的是，圖案包括兩個對比顏色，更優選地，暗色和亮色，並且最優選地，黑色和白色。參考圖2a到圖2c，示出適合用於本發明的各種實施方案的二維圖案的實例。在圖2a中，示出白色背景上的重複黑色交叉線的合適二維圖案。在圖2b中，示出在白色背景上設置成一定角的重複黑線條的合適二維圖案。在圖2c中，示出白色背景上的重複豎直黑線條的合適二維圖案。在本發明的各種優選實施方案中，可照亮二維圖案以提高圖案中所使用的顏色的對比度。
在本描述中，參考光纖預製件相對於二維圖案的取向。為了更好地理解，可參考圖3。在圖3中，示出設置在二維圖案前面的光纖預製件的圖形表示。光纖預製件是光纖的前體。光纖包括被玻璃材料的一個或多個包層圍繞的玻璃材料的核心，包層的玻璃材料與第一（核心）玻璃材料具有不同折射率。光纖預製件類似地具有核心和包層（一個或多個包層），並且可加熱並拉伸或伸展以形成光纖。在圖3中，示出光纖預製件10。光纖預製件10具有縱軸300。光纖預製件10包括核心301和包層302。預製件10具有外徑D，該外徑是包層的外部的直徑。二維圖案320設置在預製件10的後面。將理解，可存在額外的包層，並且可以測量多個外徑或包層直徑（例如，用於三包層預製件的D1、D2、D3）。二維圖案320具有長度L，該長度跨過與預製件10的縱軸300平行的方向。二維圖案320的寬度W跨過與預製件10的外徑D平行（即，垂直於縱軸300）的方向。
適合用於本發明的各種實施方案的二維圖案的長度L不是關鍵的，但如下文更詳細地說明，二維圖案的長度L可以有利地在沿著光纖預製件的縱軸的方向上延伸，特徵在於圖案的多次重複。通常，圖案的兩次或更多重複足夠用於根據本發明的各種實施方案的方法。另一方面，重要的是，用於本發明的各種實施方案的二維圖案在它的寬度W方向上延伸到光纖預製件的外徑D之外。重要的是，圖案在它的寬度W方向上延伸到光纖預製件的外徑之外，以便外徑的尺寸可根據本發明的各種實施方案的方法進行確定。
根據本發明的各種實施方案的裝置包括圖像捕獲設備。可使用任何圖像捕獲設備。優選地，圖像捕獲設備包括數位相機。圖像的數字捕獲可提供對於在線生產環境檢查有利的快速獲取率。在本發明的各種實施方案中，裝置包括具有內部鏡頭的數位相機。在本發明的各種實施方案中，裝置包括不具有內部鏡頭的數位相機和設置在預製件與數位相機之間的外部聚焦鏡頭。優選地，用於本發明的各種實施方案的數位相機將具有大量的像素。由數位相機捕獲的圖像中存在的像素越多，幾何確定的準確性越高，因為由相機捕獲的圖案圖像中的條紋的寬度（厚度）內將涵蓋更多的像素。儘管任何特定數位相機的操作特徵並不關鍵，但對於光纖預製件旋轉的速度而言，每秒的幀數和曝光時間很重要。因此，例如，如果光纖預製件以每秒一次旋轉的速度旋轉並且每次旋轉將獲取三個圖像，那麼數位相機必須以最低每秒三幀操作。此外，曝光時間應保持較短，以避免模糊。
如上文論述，適於用在本發明的各種優選實施方案中的二維圖案可由兩個對比顏色構成，更優選地，黑色和明亮的單一色。此類單波長光可通過使用濾波器來提供。此外，合適的二維圖案可優選地被照亮。在本發明的各種更優選實施方案中，二維圖案包括對比顏色的交替線條，甚至更優選地，黑色和明亮的單一色，以獲得最大對比度。在本發明的各種優選實施方案中，合適的二維圖案包括以不垂直於光纖預製件的縱軸的一定角設置的對比顏色的交替線條。優選的非垂直的角度可以是40°到50°，並且在各種更優選的實施方案中，是45°。因此，在本發明的某些優選實施方案中，二維圖案包括與將要表徵的光纖預製件的縱軸設置成45°角的交替黑線條和白線條。適合用於本發明的各種實施方案中的二維圖案的線條可具有任何厚度。在本發明的各種優選實施方案中，如在數位相機的成像平面處測量，二維圖案中的線條的厚度跨過數字傳感器的至少兩個像素，更優選地，至少三個像素，並且甚至更優選地，至少五個像素。
根據本發明的各種實施方案的裝置包括被配置為使光纖預製件圍繞它的縱軸旋轉的支撐件和驅動器。支撐件和驅動器可組合成一個結構或設備，或者它們可以完全分開。能夠穩定光纖預製件使得它在二維圖案與圖像捕獲設備之間對齊並且使得預製件能夠圍繞它的縱軸旋轉的任何結構可以適當地用於本發明的各種實施方案。可施加轉矩以便無需將預製件從它的支撐位置中取出便使預製件圍繞它的縱軸旋轉的任何驅動器可以適當地用於本發明的各種實施方案，包括但不限於，例如，皮帶、滾軸、鏈條、車床架和類似的設備。在本發明的各種實施方案中，支撐件和/或驅動器還可包括用於檢測預製件相對於指定的起始位置的角位置的設備。此檢測可由，例如，預製件上的標記和旋轉期間標記的光學檢測來完成。或者，預製件可沿著它的長度進行標記，並且此類檢測可通過圖像捕獲設備來實施。
本發明的各種實施方案涉及確定光纖預製件的各種幾何特性或性質的方法。根據本發明的各種實施方案的方法可使用根據本發明的各種其它實施方案的裝置來實施。
可根據本發明方法確定的光纖預製件的幾何特性或性質包括預製件核心和包層的直徑、橢圓度、D/d比和偏心率以及預製件總彎曲。光纖預製件包括圓柱形核心和圍繞核心的包層。因此，光纖預製件具有核心直徑d和包層外徑D（或者在存在不止一個包層的情況下，多個包層直徑）。根據核心直徑d和外徑D，可確定直徑的比D/d。理想情況下，光纖預製件的核心和包層中的每個是具有圓形截面的圓柱形。與完美圓形截面的偏差或者變化的正交測量的半徑被稱為橢圓度。作為圓柱形形式，核心和包層中的每個具有由它們相應的縱長軸限定的幾何中心。與核心和包層之間的共有幾何中心線的偏差被稱為偏心率（即，不同心）。預製件總彎曲指的是與沿著預製件的長度的線性的任何偏差。
根據本發明的各種實施方案的方法包括提供光纖預製件。如本文所述的任何光纖預製件可用於本發明的方法，所述光纖預製件具有縱軸、外徑和圓周。根據本發明的各種實施方案的方法還包括提供二維圖案。如本文所述的任何二維圖案可用於本發明的方法，所述二維圖案具有與光纖預製件的縱軸平行的長度和大於預製件的外徑的寬度。描述為根據本發明的裝置實施方案優選的二維圖像也優選地用於本發明的方法實施方案。根據本發明的各種實施方案的方法還包括提供圖像捕獲設備。優選地，數位相機用於本發明的方法實施方案。
因此，根據本發明的各種實施方案的方法包括提供光纖預製件、二維圖案和圖像捕獲設備，使得預製件在圖案與圖像捕獲設備之間對齊，因此由圖像捕獲設備捕獲的圖像具有通過預製件觀察到的圖案。
根據本發明的各種實施方案的方法還包括使預製件圍繞它的縱軸旋轉，以及獲取通過預製件觀察到的圖案的多個圖像。多個圖像包括在沿著預製件的圓周的不同點處通過預製件觀察到的圖案的至少兩個圖像（其中兩個不同點不是分開180°）。換言之，多個圖像包括：通過預製件觀察到的圖案的至少一個圖像，其中穿過預製件從圖像捕獲設備延伸到圖案的線在沿著預製件圓周的第一點A處入射到預製件上；以及至少一個圖像，其中在預製件旋轉地移動之後，此線在沿著預製件圓周的不同點B處入射到預製件上。在根據本發明的方法的各種優選實施方案中，多個圖像包括在沿著預製件的圓周的至少五個不同點處通過預製件觀察到的圖案的圖像。在根據本發明的方法的各種更優選實施方案中，多個圖像包括在沿著預製件的圓周的至少十個不同點處通過預製件觀察到的圖案的圖像。在根據本發明的方法的各種最優選實施方案中，多個圖像包括在沿著預製件的圓周的至少十五個不同點處通過預製件觀察到的圖案的圖像。
預製件旋轉的速度並不關鍵，但可針對評估預製件時的速度進行優化。理想情況下，在預製件的一次旋轉中獲取多個圖像。因此，例如，如果多個圖像經過選擇以包括沿著預製件的圓周的十個不同點處的圖像，那麼單個旋轉周期應是圖像捕獲設備捕獲圖像所花的時間的十倍。例如，當使用數位相機並且將獲取沿著圓周的十個不同圖像時，旋轉周期應是由相機的每秒幀數和曝光時間指示的數位相機的圖像處理時間的十倍。
在根據本發明的方法的各種優選實施方案中，方法還包括在獲取第一多個圖像之後沿預製件的縱軸方向移動光纖預製件，隨後沿著預製件的長度在不同位置獲取沿著預製件的圓周的第二多個圖像。第一、第二和任何額外的多個圖像如上文所述，除了它們是沿著預製件的長度的不同位置（圓周）捕獲之外。換言之，第一多個圖像可沿著圓周A獲取，並且預製件隨後可沿著它的縱軸平移移動，使得從圖像捕獲設備延伸到圖案的線在不同的圓周B處與預製件相交，而且隨著預製件再次或連續旋轉，第二多個圖像隨後可在沿著圓周B的若干點處捕獲。
根據本發明的各種實施方案的方法還包括從一個或更多的多個圖像中確定光纖預製件的至少一個幾何性質。根據本發明的各種方法實施方案的幾何性質的確定可由預製件的單個圓周處的第一多個圖像的分析來實施，或者來自沿著預製件的長度的各種圓周的許多的多個圖像可進行分析並平均，以確定預製件的整體性質或平均性質。例如，單個圓周處的單一多個圖像可進行分析以確定沿著預製件的長度的一個點處的直徑、橢圓度和偏心率，或者許多的多個圖像可進行分析以確定整個預製件的此類性質的平均值。預製件總彎曲需要分析許多的多個圖像。
根據本發明的各種方法實施方案，幾何性質的確定由檢測光纖預製件的核心與包層之間的邊緣位置的分析來實施。通過評估所獲取的圖像中的邊緣擾動來實施此類分析。例如，參考圖4a，示出適合用於根據本發明的方法的二維圖案。圖4b是通過光纖預製件觀察到的圖4a中示出的圖案的圖像。圖4b中的「D」和「d」符號分別指的是獲取圖像所穿過的芯棒的包層直徑和核心直徑。因此，來源於折射率改變的圖案線條的擾動對應於核心和包層直徑的邊緣，並且在本文中被稱為「邊緣擾動」。整個預製件的外徑由因光在預製件邊緣處的折射而造成的圖案變化檢測到。
用來確定邊緣位置的邊緣擾動的檢查因而可提供核心和包層的直徑的指示。用來確定沿著單個圓周的各種不同角旋轉處的邊緣位置的邊緣擾動的檢查在彼此比較時可提供橢圓度和離心率的確定。沿著預製件的長度的各種不同點處的這些性質的確定可提供整個預製件的平均性質。預製件彎曲可通過比較不同軸向位置處的絕對邊緣位置來確定，這可優選地結合如本文所述的用於檢測預製件相對於指定的起始位置的角位置的設備來實施。
在根據本發明的方法的各種優選實施方案中，可提高几何性質確定的準確性和精密度。在此類各種優選實施方案中，可執行圖像分析以提供更準確和精密的邊緣確定。例如，參考圖5，其中數位相機用作圖像捕獲設備，所獲取的每個圖像可在單個像素水平進行分析，其中將外徑「D」和核心直徑「d」處的邊緣擾動數位化。
根據本發明的各種優選實施方案的像素分析可包括標準偏差濾波和圖像投影平均。在各種實施方案中，像素分析還可包括在標準偏差濾波和圖像投影平均之前實施的圖像腐蝕噪聲降低。圖像腐蝕噪聲降低包括消除不被其它高強度像素包圍的高強度像素。此外，在過渡邊界的折射率具有較大差異的情況下，諸如，在整個預製件外徑的空氣/玻璃邊界處，可執行放大率補償，以改進分析結果。
標準偏差濾波包括用像素相對於環境的標準偏差來替換圖像中的每個像素。濾波包括兩個步驟。第一步驟是針對沿著像素行的三個像素的子集來計算標準偏差。第二步驟針對沿著像素列的三個像素的子集來計算標準偏差。原始圖像由使用標準偏差算法濾波的圖像替換，以用於隨後的步驟。
圖像投影平均可用來將圖案中的線條之間的分離邊緣平均化，以便只增強真實的失真。圖像使用拉冬變換沿著邊緣方向投影，以提供平均效應。
用於預製件的核心的邊緣位置檢測可受到外層的折射效應（放大效應）和空氣接口影響。外層的放大效應可通過使用光射線跟蹤模擬光學系統來計算，其中已知外層包層的折射率。
本領域的技術人員將了解，在不脫離本發明的廣義概念的情況下，可對上文所述的實施方案做出改變。因此，應理解，本發明不限於所公開的特定實施方案，而是意圖涵蓋如所附技術方案限定的本發明的精神和範圍內的更改。