專利名稱：光纖熔接器及估算由該光纖熔接器放電線束形狀的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一光纖熔接接合器，該熔接接合器鄰接兩根欲相互接合光纖的各自端表面并通過用弧光放電加熱鄰接部分來熔接接合這些光纖，并且涉及一種用于估算由該光纖熔接接合器放電線束形狀的方法。
相關(guān)領(lǐng)域描述光纖熔接接合器首先鄰接兩根欲相互接合光纖的各自端表面，然后通過用弧光放電加熱鄰接部分來熔化兩個端表面，導(dǎo)致兩根光纖成為被熔接接合。在這種光纖熔接接合器中，為了能始終獲得一穩(wěn)定的少的接合損失的接合，兩根被接合光纖的兩個端表面都均勻加熱是必要的。也就是說，這兩根光纖被如此放置是有必要的，這樣放電線束被同等地應(yīng)用于兩根光纖。因此，按照慣例，首先估算放電線束的中心位置，并且光纖依照那個位置相互鄰接。
以下傳統(tǒng)方法作為估算放電線束中心位置的方法為人所知。在第一種方法中，觀察一對放電電極的末端，該電極產(chǎn)生用于熔化并隨之熔接光纖端表面的弧光放電，并且觀察者基于放電中心位置位于兩個末端之間的一直線的上方這一假設(shè)來估算放電中心位置。
在第二種方法中，在兩根光纖已被相互鄰接在放電電極之間后，一弧光放電產(chǎn)生并持續(xù)一設(shè)定時間，這樣兩根光纖的各自末端被那里的熱熔化。這時，由于由末端熔化產(chǎn)生的表面張力，光纖末端的位置回退。因為它們回退的量與熔化量也就是說加熱量相對應(yīng)看來是合理的，兩根光纖末端的回退量被測量，并且通過從回退量差相關(guān)計算放電線束中心位置來估算中心位置。
在第三種方法中，在兩根欲接合光纖的各自端表面已被相互鄰接之后，鄰接部分被弧光放電加熱，導(dǎo)致兩個端表面都熔化且兩根光纖都這樣被熔接。在此放電的時候，拾取放電線束的圖像并且估算一條與放電電極之間直接連線相交方向上的線上的亮度分布，還有從亮度分布估算放電線束中心位置(日本專利申請，第一公告No.2-28605)。
然而，所有以上傳統(tǒng)方法具有以下問題。在第一種方法中，雖然觀察放電電極的末端是有必要的，但利用其中由于光纖熔接接合器結(jié)構(gòu)而不能觀察放電電極末端的設(shè)備，這是不能做到的。在一般的光纖熔接接合器中提供一如TV攝象機的圖像拾取設(shè)備來觀察鄰接部分。然而，這個圖像拾取設(shè)備是用于觀察鄰接的光纖末端并觀察它們是否被對準(zhǔn)等，并且在許多情況下電極末端是在視野之外且由此不能拾取圖像。此外，即使電極末端能被暫時觀察到，如果外來物質(zhì)如灰塵粘到一電極末端或如果末端磨損且形狀由此不均勻，那么放電線束的真正形狀變得不規(guī)則以至于不能保證放電電極末端之間的直線將位于放電線束的中心。因此，即使光纖被相互鄰接在用這種方法估算的位置上，同等加熱兩光纖末端是不可能的。
在第二種方法中，在兩根光纖真正熔接之前，因為首先加熱其末端且測量回退量，簡單再加熱該末端以進行熔接是不可能的。如果末端被熔化以至于它們變圓然后回退，切掉熔化末端并通過加熱來進行接合以及熔化一新切的端表面是有必要的。因此，進行該兩根光纖端表面的處理(即覆蓋物的去除、清潔和切割)兩次是有必要的一次用于測量回退量和一次用于熔接，這造成額外時間和勞動的問題。此外，如果放電過弱，則光纖末端不充分熔化，導(dǎo)致回退量差別變得模糊且精確估算放電中心位置是不可能的。相反，如果放電過強，則光纖的兩個末端都變得過度熔化，這也導(dǎo)致回退量變得模糊并且精確估算放電中心位置是不可能的。
在第三種方法中，因為放電中心位置是在用于熔接的放電過程中被估算的，在用于熔接的放電之前確定放電中心位置是不可能的。因為假定在先前進行熔接的放電時估算的放電中心位置與用于當(dāng)前熔接的一樣，所以如果那個假定不正確，則這種方法不再適用且不能保證接合的質(zhì)量，即使當(dāng)前光纖的鄰接位置與先前估算的放電中心位置是對準(zhǔn)的。而且，因為在第三種方法中，在拾取的放電線束圖像中的一條線上的亮度分布被測量以估算放電中心，如當(dāng)放電線束的狀態(tài)是由于電極末端損壞或灰塵粘附情況導(dǎo)致傾斜或扭曲時，這樣的情況是沒有辦法處理的，并且不能估算精確的中心位置。
此外，如果在光纖放置在放電區(qū)域之內(nèi)的狀態(tài)下觀察放電線束的圖像，則產(chǎn)生光纖在的部分的亮度和光纖不在的部分的亮度之間的差別。另外，如果灰塵等粘到光纖上，則獨有那部分的亮度顯著改變，導(dǎo)致放電中心位置被錯誤估算。
考慮到以上情況，本發(fā)明的一目的是提供一光纖熔接接合器，該熔接接合器已被改進到這樣的程度，允許不需要額外勞動或時間而精確估算放電中心位置，并允許被接合的兩根光纖的兩個末端同等加熱且以低水平接合損失進行熔接。
本發(fā)明的進一步目的是提供一放電線束估算方法，在該方法中，一光纖熔接接合器中的放電線束的形狀被估算，結(jié)果不僅控制接合損失在低水平范圍內(nèi)成為可能，而且檢測如電極損壞、灰塵粘附等異常也成為可能。
發(fā)明概述為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的第一個方面是一光纖熔接接合器，包括一用于設(shè)置欲接合的兩根光纖的各自端表面以便于相互鄰接的設(shè)置裝置；一用于在兩個放電電極之間產(chǎn)生弧光放電且用放電線束加熱光纖鄰接部分的加熱裝置；一用于拾取放電線束圖像的圖像拾取裝置；以及一控制裝置，用于由圖像信號來測量多個線上的亮度分布，該圖像信號在當(dāng)沒有光纖被放置在放電區(qū)域時預(yù)備弧光放電在放電電極之間產(chǎn)生時由圖像拾取裝置獲得，所述多個線被設(shè)置在沿放電電極之間直線方向上的不同位置上并在基本上與該直線方向成直角的方向上延伸，由多個亮度分布來估算加熱中心，進而用于控制設(shè)置裝置以使該兩根光纖的鄰接部分位于加熱中心，并且隨后用于控制加熱裝置以使主弧光放電產(chǎn)生且鄰接部分被放電線束加熱。
在該光纖熔接接合器中，放電線束的一圖像被拾取且在那個圖像上，基本上與放電電極之間直線成直角的多個線是這樣設(shè)置的，每一條線在沿放電電極之間的直線方向上都位于一不同于其它線的位置上，并且每一條線上的亮度分布被估算。也就是說，用于估算亮度分布的多個線的位置是彼此都不相同的。因此，即使放電線束由于放電電極被毀壞或有灰塵等粘到其上而傾斜或扭曲，拾取該放電線束的這樣一不規(guī)則形狀并精確估算加熱中心也是可能的。此外，因為該光纖的鄰接部分的位置被調(diào)節(jié)以與已這樣估算的加熱中心匹配，所以兩根光纖的端表面能被同等加熱，結(jié)果以低接合損失進行熔接。而且，因為進行用于測量的預(yù)備弧光放電在用于熔接的主弧光放電之前，所以在熔接中將光纖放置在最佳位置上成為可能。此外，盡管進行預(yù)備弧光放電和主弧光放電都由于以上原因，在首先進行的預(yù)弧光放電過程中，光纖不位于放電區(qū)域內(nèi)且這樣不會熔化。因此，避免若不得不進行兩次端表面處理所需要的復(fù)雜性、勞動和時間長度是可能的。另外，因為觀察放電電極末端是不必要的，所以本發(fā)明甚至能應(yīng)用于這樣一種光纖熔接接合器中，在該熔接接合器中由于結(jié)構(gòu)原因?qū)τ趫D像拾取設(shè)備來說觀察放電電極的末端是不可能的。
本發(fā)明的第二個方面是依照第一個方面的光纖熔接接合器，其中控制裝置控制加熱裝置以使預(yù)弧光放電以預(yù)弧光放電過程中電流小于主弧光放電過程中電流的條件來進行，在預(yù)弧光放電中估算亮度分布，在主弧光放電中加熱鄰接部分。
因為主弧光放電是為加熱鄰接部分而進行，所以用于主弧光放電的電流受不同條件影響且通常十分大。因此，如果同樣的電流也用于預(yù)弧光放電，則放電線束被拾取的圖像的亮度增加，以至于亮度水平超過能夠完成圖像處理的水平。因此，如果以小于用在主弧光放電中電流的電流設(shè)置來進行預(yù)弧光放電，亮度水平達(dá)不到飽和，這樣由在每一條線上的亮度分布來精確估算加熱中心是可能的，由此簡化圖像處理。
本發(fā)明的第三個方面是一種放電線束估算方法，其中在一光纖熔接接合器中包括一用于設(shè)置欲接合的兩根光纖的各自端表面以便于相互鄰接的設(shè)置裝置；和一用于在兩個放電電極之間產(chǎn)生弧光放電且用放電線束加熱光纖鄰接部分的加熱裝置，弧光放電的一圖像被拾取，該弧光放電當(dāng)沒有光纖被放置在放電區(qū)域時在放電電極之間產(chǎn)生，多個線上的亮度分布在圖像上被估算，該多個線被設(shè)置在沿放電電極之間直線方向上的不同位置上并在基本上與該直線方向成直角的方向上延伸，并且放電線束形狀從該多個亮度分布來估算。
該弧光放電以圓柱形形狀產(chǎn)生，好象要接合放電電極。因為放電線束的圖像通過拾取這個圓柱形的正柱來獲得，其中心軸一般與放電電極之間的直線匹配。然而，如果放電電極損壞并變得磨損或有灰塵等粘于其上，那么這導(dǎo)致放電線束將被傾斜或扭曲。因此，如果僅有一條線被用于估算放電線束圖像上的亮度分布，注意到形狀的扭曲將是不可能的。由于這個原因，如以上所描述的，在放電線束的圖像中，基本上與放電電極之間的直接連線成直角的多個線被這樣設(shè)置以使每一條線在沿放電電極之間直線方向上位于與其它線不同的位置上且在這些線的每一條上估算亮度分布。也就是說，多個數(shù)量的線用于測量亮度分布且使得每一條線的位置與其它每一條線的位置不同。作為一結(jié)果，即使放電線束傾斜或扭曲，其形狀也能被精確估算。這使得能精確估算弧光放電加熱中心并且能檢測異常狀態(tài)，如放電電極損壞或外來物質(zhì)如灰塵粘到放電電極上，這在進行維護時能被利用，由此簡化放電線束等的維護。
附圖簡述

圖1為一簡要表示本發(fā)明一實施例的上部透視圖。
圖2為一表示V型槽塊和其上固定機構(gòu)的特殊實例的側(cè)視圖。
圖3為一簡要表示一放電線束和預(yù)放電過程中的圖像拾取區(qū)域的前視圖。
圖4為一表示出現(xiàn)在圖像平面上的放電線束和用于測量亮度分布的線的視圖。
圖5為一表示每一條線上亮度分布的曲線圖。
優(yōu)選實施例描述將參考附圖給予本發(fā)明的優(yōu)選實施例詳細(xì)描述。圖1為一簡要表示依照本發(fā)明一優(yōu)選實施例的光纖熔接接合器的上部透視圖。在圖1中，V型槽塊52(設(shè)置裝置)用于將欲接合的兩根光纖10和20設(shè)置到位，且被安裝在移動塊51的頂部。移動塊51能在三個軸向X、Y和Z上移動。注意這里，光纖10和20的軸向(水平方向)被視為Z方向，與光纖10和20的軸向成直角的水平方向被視為X方向，以及與光纖10和20的軸向成直角的豎直方向被視為Y方向。移動塊51安裝在底座56上并通過一驅(qū)動設(shè)備35在底座56上沿X、Y和Z方向移動。
提供加熱裝置的放電電極(棒)41和42位于這樣的情況，在X方向上彼此面向，并且通過一已從附圖中略去的適當(dāng)機構(gòu)來固定。從放電電源設(shè)備36向放電電極41和42供給高電壓以使在放電電極41和42之間產(chǎn)生弧光放電。光纖10和20的鄰接部分通過來自這種弧光放電的熱來加熱并被熔接。
布置一TV攝象機(圖像拾取裝置)32以拾取兩根光纖10和20鄰接部分的圖像。從TV攝象機輸出的圖像信號被饋給圖像處理設(shè)備33，這樣進行圖像處理。通過這種圖像處理獲得的信息被饋給一控制設(shè)備(控制裝置)，導(dǎo)致驅(qū)動設(shè)備35和放電電源設(shè)備36被控制。
如圖2所示，V型槽塊52安裝在移動塊51上。另外，外層夾具53安裝在移動塊51上。外層夾具53用來夾住光纖10和20的外層(即保護層)以將它們固定在位置上。移動塊51通過一將來自電動機54的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為直線運動的驅(qū)動傳輸機構(gòu)如測微器55在光纖10和20的軸向(即Z軸向)上既可以朝向也可以遠(yuǎn)離彼此移動，如箭頭所示。注意移動塊51也能沿X軸和Y軸移動，然而，那些機構(gòu)的描述在這里被略去(它們在附圖中也未有說明)。由電動機54等形成的機構(gòu)與圖1所示的驅(qū)動設(shè)備35相對應(yīng)。
當(dāng)接合兩根光纖10和20時，在它們被放置在V型槽塊52且被外層夾具53夾住之前，換句話說，處于一種光纖在放電區(qū)域之外的狀態(tài)，從放電電源設(shè)備36向放電電極41和42施加高電壓以產(chǎn)生一弧光放電(注意當(dāng)光纖不在時這種弧光放電將在以下被稱為預(yù)弧光放電)。作為這種預(yù)弧光放電的一結(jié)果，如圖3所示，在放電電極41和42之間形成了一放電線束43。
TV攝象機32的圖像拾取區(qū)域(即圖像拾取視野)31如圖3舉例所示，并且放電線束43的圖像在圖像拾取區(qū)域31被拾取。從TV攝象機32輸出的圖像被提供給圖像處理設(shè)備33，并且放電線束的圖像44出現(xiàn)在一(未圖示)隨圖像處理設(shè)備33(作為選擇，在控制設(shè)備34中)提供的監(jiān)視設(shè)備的圖像平面45上，如圖4所示。在這個圖像平面上，例如，豎直方向代表圖像拾取空間中的X方向，而水平方向代表圖像拾取空間中的Z方向。圖像處理設(shè)備33估算X方向上不同位置設(shè)置的多個(本例中為四個)線A、B、C和D在Z方向上的亮度分布。這樣估算的亮度分布在圖5中以曲線a、b、c和d來表示。曲線a、b、c和d分別對應(yīng)于線A、B、C和D。
這里，X方向是連接放電電極41和42的一直線的方向，而Z方向是與這條直線以直角相交的方向。因此，如圖4所示，即使放電線束44傾斜，從該多個線上的亮度分布a到d來估算傾斜度也是可能的。此外，不考慮在相互鄰接的光纖10和20的X方向上的位置位于哪里，估算亮度的峰值是可能的，也就是說，加熱中心在相同的X坐標(biāo)的Z方向上。
在以這種方式估算加熱中心之后，設(shè)置被接合的兩根光纖10和20。兩根光纖10和20末端部分的外層被剝掉并且已處于芯導(dǎo)體狀態(tài)的光纖10和20被放置在V型槽塊52和52中。然后其上的外層部分被外層夾具53和53固定。接下來，用從TV攝象機32獲得的圖像，例如，移動塊51和51在X和Y方向上的位置被控制驅(qū)動設(shè)備35的控制設(shè)備34調(diào)節(jié)以使鄰接的光纖10和20的軸線位于對準(zhǔn)。除了這種軸中心對準(zhǔn)，控制設(shè)備34還用以上描述的加熱中心信息在Z方向上調(diào)節(jié)以使鄰接部分位于放電線束中心，這樣放電線束被同等應(yīng)用于光纖10和20。
當(dāng)位置調(diào)節(jié)完成時，在控制設(shè)備34的控制下，放電電源設(shè)備36施加高電壓給放電電極41和42，由此加熱光纖10和20的鄰接部分。因為Z方向上的位置已被調(diào)節(jié)使得鄰接部分位于放電線束43的加熱中心，該兩根光纖10和20被以提供低接合損失的出色熔接的高度可靠性同等地加熱。
注意，在用于熔接的弧光放電(以下稱為主弧光放電)時，光纖10和20通過用增加放電電流等調(diào)節(jié)放電功率來適當(dāng)加熱。因此，通常地，在這個主弧光放電過程中控制設(shè)備34控制放電電源設(shè)備36以使放電電流大于預(yù)弧光放電時。換句話說，預(yù)弧光放電過程中的放電電流一般控制在小于主弧光放電時的放電電流。
這是由于以下原因。如以上所述，進行預(yù)弧光放電是為了估算亮度分布并由此加熱中心。因此，獲得允許峰值位置容易估算的未飽和亮度分布是有必要的。如果用于預(yù)弧光放電的放電電流過大造成亮度過大以至于僅能獲得如圖5曲線f所示的飽和亮度，估算峰值位置就變得困難。因此，為了估算一正好包含在圖像信號處理系統(tǒng)的亮度動態(tài)范圍內(nèi)的亮度分布，減小放電電流是有必要的。相反，進行主弧光放電是為了熔接光纖，一般調(diào)節(jié)放電電流以使其提供足夠的功率和加熱量。主弧光放電過程中的放電強度被設(shè)定為最佳值(即放電電流值)以得到最小接合損失。盡管這個最佳放電強度因接合的光纖類型和電極41和42的狀態(tài)而變，一般它還大于用于預(yù)弧光放電的放電強度。
當(dāng)用一單芯光纖熔接接合器進行一實驗以真正接合單模光纖時，用于主弧光放電的最佳放電電流在這個實驗中在大約12.3mA和13.2mA之間變化，然而，當(dāng)用于預(yù)弧光放電的放電電流被固定在12.3mA時，在沒有飽和的范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)牧炼确植急猾@得。
在以上描述中，放電線束的中心和加熱中心由多個線上的亮度分布來估算，然而，因為亮度分布是在多個具有不同位置的線上估算的，估算放電線束的形狀并由此檢測其任何異常也是可能的。也就是說，在X方向不同位置上的線A、B、C和D上的亮度分布a、b、c和d的估算意味著X方向上的亮度分布也被估算。這使得Z-X方向上的放電線束43的形狀能被估算。作為一結(jié)果，通過檢測放電線束43過度傾斜或產(chǎn)生部分低亮度點的狀態(tài)，估算放電線束43中的異常是可能的。相應(yīng)地，容易決定是否有必要維護，如更換電極41和42或清潔放電電極41和42以去除灰塵或其它。
TV攝象機32一般被提供以便于對準(zhǔn)光纖10和20的軸(即調(diào)節(jié)芯)。也就是說，盡管從附圖中略去，一光源被面向TV攝象機32布置，并將設(shè)置到位的光纖10和20的鄰接部分夾在它本身和TV攝象機32之間。TV攝象機32用于拾取當(dāng)光線從光源經(jīng)過光纖10和20時獲得的側(cè)向透射圖像。使用這種透射圖像觀察放置在位置上的光纖10和20的兩個末端的軸中心是否對準(zhǔn)。依照這個的結(jié)果，控制設(shè)備34控制驅(qū)動設(shè)備并且移動移動塊51和51以使軸中心被對準(zhǔn)。因此，圖像拾取區(qū)域31一般不大到足以能拾取放電電極41和42末端的圖像，如圖3所示，然而，它拾取放電線束43的圖像是足夠大的。因此，通過在一般的光纖熔接接合器中采用以這種方式提供的圖像拾取系統(tǒng)，估算加熱中心并發(fā)現(xiàn)放電線束中的任何異常是可能的。作為一結(jié)果，本發(fā)明能不用很大地改變現(xiàn)有光纖熔接設(shè)備的結(jié)構(gòu)而應(yīng)用的事實是本發(fā)明的一個主要優(yōu)點。
注意以上所述結(jié)構(gòu)涉及一個為簡化說明的實例并且應(yīng)理解為除了以上所述，不同的特定結(jié)構(gòu)也是可能的。例如，在以上描述中，光纖10和20在預(yù)弧光放電之前沒有設(shè)置，然而，對于光纖10和20來說，用V型槽塊52和外層夾具53來設(shè)置并簡單地將它們向后移動以使光纖10和20的末端被移開放電區(qū)域也是可能的。而且，四條線被用于估算亮度分布，然而，該數(shù)量并不限制在四個并且用比這個大的多的數(shù)量是可能的。而且，在以上描述和附圖中，被設(shè)置的光纖的數(shù)量為左邊和右邊各一根，然而，對于本發(fā)明來說，被應(yīng)用于在集體熔接中將多個光纖接合在一起的多芯光纖熔接接合器是可能的。另外，只要它們在不違背本發(fā)明的范圍之內(nèi)，不同的變動是可能的。
權(quán)利要求
1.一種光纖熔接接合器，包括設(shè)置裝置，用于設(shè)置欲接合的兩根光纖的各自端表面以便于相互鄰接；加熱裝置，用于在兩個放電電極之間產(chǎn)生弧光放電且用放電線束加熱所述光纖鄰接部分；圖像拾取裝置，用于拾取所述放電線束圖像；以及控制裝置，用于由圖像信號來測量多個線上的亮度分布，該圖像信號在當(dāng)沒有光纖被放置在放電區(qū)域時當(dāng)預(yù)弧光放電在所述放電電極之間產(chǎn)生時由所述圖像拾取裝置獲得，所述多個線被設(shè)置在沿所述放電電極之間直線方向上的不同位置上并在基本上與該直線方向成直角的方向上延伸，控制裝置用于由所述多個亮度分布來估算加熱中心，進而用于控制所述設(shè)置裝置以使所述兩根光纖的鄰接部分位于加熱中心，并且隨后用于控制所述加熱裝置以使主弧光放電產(chǎn)生且所述鄰接部分被所述放電線束加熱。
2.依照權(quán)利要求1的光纖熔接接合器，其中所述控制裝置控制所述加熱裝置，以使其中亮度分布被估算的預(yù)弧光放電以小于在其中所述鄰接部分被加熱的主弧光放電過程中的電流的預(yù)弧光放電過程中的電流被執(zhí)行。
3.一種放電線束估算方法，其中光纖熔接接合器包括設(shè)置裝置，用于設(shè)置欲接合的兩根光纖的各自端表面以便于相互鄰接，和加熱裝置，用于在兩個放電電極之間產(chǎn)生弧光放電且用放電線束加熱光纖鄰接部分；以及該方法包括以下步驟當(dāng)沒有光纖被放置在放電區(qū)域時，拾取在放電電極之間產(chǎn)生的預(yù)弧光放電的圖像；估算多個線上的亮度分布，該多個線被設(shè)置在沿放電電極之間直線方向上的不同位置上并在基本上與圖像上該直線方向成直角的方向上延伸；以及從所述多個亮度分布來估算放電線束形狀。
全文摘要
本發(fā)明被提供用于以低接合損失熔接光纖，甚至當(dāng)用于接合的一放電線束的形狀被扭曲時。在本發(fā)明中，光纖在放電區(qū)域之外時進行一預(yù)放電并拾取其放電線束的圖像。在這個圖像基礎(chǔ)上，在設(shè)置在X方向不同位置上的Z方向上的多個線上估算該放電線束的亮度分布，并且從多個亮度分布來尋找線束的放電中心。然后，光纖的鄰接部分被放置在放電中心，再進行主弧光放電以熔接該光纖的末端。
文檔編號G02B6/255GK1393708SQ02118889
公開日2003年1月29日 申請日期2002年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月27日
發(fā)明者大澤孝浩, 田谷浩之 申請人:株式會社藤倉