CN1393708A - 光纤熔接器及估算由该光纤熔接器放电线束形状的方法 - Google Patents

Abstract

本发明被提供用于以低接合损失熔接光纤，甚至当用于接合的一放电线束的形状被扭曲时。在本发明中，光纤在放电区域之外时进行一预放电并拾取其放电线束的图像。在这个图像基础上，在设置在X方向不同位置上的Z方向上的多个线上估算该放电线束的亮度分布，并且从多个亮度分布来寻找线束的放电中心。然后，光纤的邻接部分被放置在放电中心，再进行主弧光放电以熔接该光纤的末端。

Description

光纤熔接器及估算由该光纤熔接器放电线束形状的方法

发明领域

本发明涉及一光纤熔接接合器，该熔接接合器邻接两根欲相互接合光纤的各自端表面并通过用弧光放电加热邻接部分来熔接接合这些光纤，并且涉及一种用于估算由该光纤熔接接合器放电线束形状的方法。

相关领域描述

光纤熔接接合器首先邻接两根欲相互接合光纤的各自端表面，然后通过用弧光放电加热邻接部分来熔化两个端表面，导致两根光纤成为被熔接接合。在这种光纤熔接接合器中，为了能始终获得一稳定的少的接合损失的接合，两根被接合光纤的两个端表面都均匀加热是必要的。也就是说，这两根光纤被如此放置是有必要的，这样放电线束被同等地应用于两根光纤。因此，按照惯例，首先估算放电线束的中心位置，并且光纤依照那个位置相互邻接。

以下传统方法作为估算放电线束中心位置的方法为人所知。在第一种方法中，观察一对放电电极的末端，该电极产生用于熔化并随之熔接光纤端表面的弧光放电，并且观察者基于放电中心位置位于两个末端之间的一直线的上方这一假设来估算放电中心位置。

在第二种方法中，在两根光纤已被相互邻接在放电电极之间后，一弧光放电产生并持续一设定时间，这样两根光纤的各自末端被那里的热熔化。这时，由于由末端熔化产生的表面张力，光纤末端的位置回退。因为它们回退的量与熔化量也就是说加热量相对应看来是合理的，两根光纤末端的回退量被测量，并且通过从回退量差相关计算放电线束中心位置来估算中心位置。

在第三种方法中，在两根欲接合光纤的各自端表面已被相互邻接之后，邻接部分被弧光放电加热，导致两个端表面都熔化且两根光纤都这样被熔接。在此放电的时候，拾取放电线束的图像并且估算一条与放电电极之间直接连线相交方向上的线上的亮度分布，还有从亮度分布估算放电线束中心位置(日本专利申请，第一公告No.2-28605)。

然而，所有以上传统方法具有以下问题。在第一种方法中，虽然观察放电电极的末端是有必要的，但利用其中由于光纤熔接接合器结构而不能观察放电电极末端的设备，这是不能做到的。在一般的光纤熔接接合器中提供一如TV摄象机的图像拾取设备来观察邻接部分。然而，这个图像拾取设备是用于观察邻接的光纤末端并观察它们是否被对准等，并且在许多情况下电极末端是在视野之外且由此不能拾取图像。此外，即使电极末端能被暂时观察到，如果外来物质如灰尘粘到一电极末端或如果末端磨损且形状由此不均匀，那么放电线束的真正形状变得不规则以至于不能保证放电电极末端之间的直线将位于放电线束的中心。因此，即使光纤被相互邻接在用这种方法估算的位置上，同等加热两光纤末端是不可能的。

在第二种方法中，在两根光纤真正熔接之前，因为首先加热其末端且测量回退量，简单再加热该末端以进行熔接是不可能的。如果末端被熔化以至于它们变圆然后回退，切掉熔化末端并通过加热来进行接合以及熔化一新切的端表面是有必要的。因此，进行该两根光纤端表面的处理(即覆盖物的去除、清洁和切割)两次是有必要的：一次用于测量回退量和一次用于熔接，这造成额外时间和劳动的问题。此外，如果放电过弱，则光纤末端不充分熔化，导致回退量差别变得模糊且精确估算放电中心位置是不可能的。相反，如果放电过强，则光纤的两个末端都变得过度熔化，这也导致回退量变得模糊并且精确估算放电中心位置是不可能的。

在第三种方法中，因为放电中心位置是在用于熔接的放电过程中被估算的，在用于熔接的放电之前确定放电中心位置是不可能的。因为假定在先前进行熔接的放电时估算的放电中心位置与用于当前熔接的一样，所以如果那个假定不正确，则这种方法不再适用且不能保证接合的质量，即使当前光纤的邻接位置与先前估算的放电中心位置是对准的。而且，因为在第三种方法中，在拾取的放电线束图像中的一条线上的亮度分布被测量以估算放电中心，如当放电线束的状态是由于电极末端损坏或灰尘粘附情况导致倾斜或扭曲时，这样的情况是没有办法处理的，并且不能估算精确的中心位置。

此外，如果在光纤放置在放电区域之内的状态下观察放电线束的图像，则产生光纤在的部分的亮度和光纤不在的部分的亮度之间的差别。另外，如果灰尘等粘到光纤上，则独有那部分的亮度显著改变，导致放电中心位置被错误估算。

考虑到以上情况，本发明的一目的是提供一光纤熔接接合器，该熔接接合器已被改进到这样的程度，允许不需要额外劳动或时间而精确估算放电中心位置，并允许被接合的两根光纤的两个末端同等加热且以低水平接合损失进行熔接。

本发明的进一步目的是提供一放电线束估算方法，在该方法中，一光纤熔接接合器中的放电线束的形状被估算，结果不仅控制接合损失在低水平范围内成为可能，而且检测如电极损坏、灰尘粘附等异常也成为可能。

                      发明概述

为实现以上目的，本发明的第一个方面是一光纤熔接接合器，包括：一用于设置欲接合的两根光纤的各自端表面以便于相互邻接的设置装置；一用于在两个放电电极之间产生弧光放电且用放电线束加热光纤邻接部分的加热装置；一用于拾取放电线束图像的图像拾取装置；以及一控制装置，用于由图像信号来测量多个线上的亮度分布，该图像信号在当没有光纤被放置在放电区域时预备弧光放电在放电电极之间产生时由图像拾取装置获得，所述多个线被设置在沿放电电极之间直线方向上的不同位置上并在基本上与该直线方向成直角的方向上延伸，由多个亮度分布来估算加热中心，进而用于控制设置装置以使该两根光纤的邻接部分位于加热中心，并且随后用于控制加热装置以使主弧光放电产生且邻接部分被放电线束加热。

在该光纤熔接接合器中，放电线束的一图像被拾取且在那个图像上，基本上与放电电极之间直线成直角的多个线是这样设置的，每一条线在沿放电电极之间的直线方向上都位于一不同于其它线的位置上，并且每一条线上的亮度分布被估算。也就是说，用于估算亮度分布的多个线的位置是彼此都不相同的。因此，即使放电线束由于放电电极被毁坏或有灰尘等粘到其上而倾斜或扭曲，拾取该放电线束的这样一不规则形状并精确估算加热中心也是可能的。此外，因为该光纤的邻接部分的位置被调节以与已这样估算的加热中心匹配，所以两根光纤的端表面能被同等加热，结果以低接合损失进行熔接。而且，因为进行用于测量的预备弧光放电在用于熔接的主弧光放电之前，所以在熔接中将光纤放置在最佳位置上成为可能。此外，尽管进行预备弧光放电和主弧光放电都由于以上原因，在首先进行的预弧光放电过程中，光纤不位于放电区域内且这样不会熔化。因此，避免若不得不进行两次端表面处理所需要的复杂性、劳动和时间长度是可能的。另外，因为观察放电电极末端是不必要的，所以本发明甚至能应用于这样一种光纤熔接接合器中，在该熔接接合器中由于结构原因对于图像拾取设备来说观察放电电极的末端是不可能的。

本发明的第二个方面是依照第一个方面的光纤熔接接合器，其中控制装置控制加热装置以使预弧光放电以预弧光放电过程中电流小于主弧光放电过程中电流的条件来进行，在预弧光放电中估算亮度分布，在主弧光放电中加热邻接部分。

因为主弧光放电是为加热邻接部分而进行，所以用于主弧光放电的电流受不同条件影响且通常十分大。因此，如果同样的电流也用于预弧光放电，则放电线束被拾取的图像的亮度增加，以至于亮度水平超过能够完成图像处理的水平。因此，如果以小于用在主弧光放电中电流的电流设置来进行预弧光放电，亮度水平达不到饱和，这样由在每一条线上的亮度分布来精确估算加热中心是可能的，由此简化图像处理。

本发明的第三个方面是一种放电线束估算方法，其中在一光纤熔接接合器中包括：一用于设置欲接合的两根光纤的各自端表面以便于相互邻接的设置装置；和一用于在两个放电电极之间产生弧光放电且用放电线束加热光纤邻接部分的加热装置，弧光放电的一图像被拾取，该弧光放电当没有光纤被放置在放电区域时在放电电极之间产生，多个线上的亮度分布在图像上被估算，该多个线被设置在沿放电电极之间直线方向上的不同位置上并在基本上与该直线方向成直角的方向上延伸，并且放电线束形状从该多个亮度分布来估算。

该弧光放电以圆柱形形状产生，好象要接合放电电极。因为放电线束的图像通过拾取这个圆柱形的正柱来获得，其中心轴一般与放电电极之间的直线匹配。然而，如果放电电极损坏并变得磨损或有灰尘等粘于其上，那么这导致放电线束将被倾斜或扭曲。因此，如果仅有一条线被用于估算放电线束图像上的亮度分布，注意到形状的扭曲将是不可能的。由于这个原因，如以上所描述的，在放电线束的图像中，基本上与放电电极之间的直接连线成直角的多个线被这样设置以使每一条线在沿放电电极之间直线方向上位于与其它线不同的位置上且在这些线的每一条上估算亮度分布。也就是说，多个数量的线用于测量亮度分布且使得每一条线的位置与其它每一条线的位置不同。作为一结果，即使放电线束倾斜或扭曲，其形状也能被精确估算。这使得能精确估算弧光放电加热中心并且能检测异常状态，如放电电极损坏或外来物质如灰尘粘到放电电极上，这在进行维护时能被利用，由此简化放电线束等的维护。

                    附图简述

图1为一简要表示本发明一实施例的上部透视图。

图2为一表示V型槽块和其上固定机构的特殊实例的侧视图。

图3为一简要表示一放电线束和预放电过程中的图像拾取区域的前视图。

图4为一表示出现在图像平面上的放电线束和用于测量亮度分布的线的视图。

图5为一表示每一条线上亮度分布的曲线图。

                     优选实施例描述

将参考附图给予本发明的优选实施例详细描述。图1为一简要表示依照本发明一优选实施例的光纤熔接接合器的上部透视图。在图1中，V型槽块52(设置装置)用于将欲接合的两根光纤10和20设置到位，且被安装在移动块51的顶部。移动块51能在三个轴向X、Y和Z上移动。注意这里，光纤10和20的轴向(水平方向)被视为Z方向，与光纤10和20的轴向成直角的水平方向被视为X方向，以及与光纤10和20的轴向成直角的竖直方向被视为Y方向。移动块51安装在底座56上并通过一驱动设备35在底座56上沿X、Y和Z方向移动。

提供加热装置的放电电极(棒)41和42位于这样的情况，在X方向上彼此面向，并且通过一已从附图中略去的适当机构来固定。从放电电源设备36向放电电极41和42供给高电压以使在放电电极41和42之间产生弧光放电。光纤10和20的邻接部分通过来自这种弧光放电的热来加热并被熔接。

布置一TV摄象机(图像拾取装置)32以拾取两根光纤10和20邻接部分的图像。从TV摄象机输出的图像信号被馈给图像处理设备33，这样进行图像处理。通过这种图像处理获得的信息被馈给一控制设备(控制装置)，导致驱动设备35和放电电源设备36被控制。

如图2所示，V型槽块52安装在移动块51上。另外，外层夹具53安装在移动块51上。外层夹具53用来夹住光纤10和20的外层(即保护层)以将它们固定在位置上。移动块51通过一将来自电动机54的转动转化为直线运动的驱动传输机构如测微器55在光纤10和20的轴向(即Z轴向)上既可以朝向也可以远离彼此移动，如箭头所示。注意移动块51也能沿X轴和Y轴移动，然而，那些机构的描述在这里被略去(它们在附图中也未有说明)。由电动机54等形成的机构与图1所示的驱动设备35相对应。

当接合两根光纤10和20时，在它们被放置在V型槽块52且被外层夹具53夹住之前，换句话说，处于一种光纤在放电区域之外的状态，从放电电源设备36向放电电极41和42施加高电压以产生一弧光放电(注意当光纤不在时这种弧光放电将在以下被称为预弧光放电)。作为这种预弧光放电的一结果，如图3所示，在放电电极41和42之间形成了一放电线束43。

TV摄象机32的图像拾取区域(即图像拾取视野)31如图3举例所示，并且放电线束43的图像在图像拾取区域31被拾取。从TV摄象机32输出的图像被提供给图像处理设备33，并且放电线束的图像44出现在一(未图示)随图像处理设备33(作为选择，在控制设备34中)提供的监视设备的图像平面45上，如图4所示。在这个图像平面上，例如，竖直方向代表图像拾取空间中的X方向，而水平方向代表图像拾取空间中的Z方向。图像处理设备33估算X方向上不同位置设置的多个(本例中为四个)线A、B、C和D在Z方向上的亮度分布。这样估算的亮度分布在图5中以曲线a、b、c和d来表示。曲线a、b、c和d分别对应于线A、B、C和D。

这里，X方向是连接放电电极41和42的一直线的方向，而Z方向是与这条直线以直角相交的方向。因此，如图4所示，即使放电线束44倾斜，从该多个线上的亮度分布a到d来估算倾斜度也是可能的。此外，不考虑在相互邻接的光纤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，也就是说，加热中心在相同的X坐标的Z方向上。

在以这种方式估算加热中心之后，设置被接合的两根光纤10和20。两根光纤10和20末端部分的外层被剥掉并且已处于芯导体状态的光纤10和20被放置在V型槽块52和52中。然后其上的外层部分被外层夹具53和53固定。接下来，用从TV摄象机32获得的图像，例如，移动块51和51在X和Y方向上的位置被控制驱动设备35的控制设备34调节以使邻接的光纤10和20的轴线位于对准。除了这种轴中心对准，控制设备34还用以上描述的加热中心信息在Z方向上调节以使邻接部分位于放电线束中心，这样放电线束被同等应用于光纤10和20。

当位置调节完成时，在控制设备34的控制下，放电电源设备36施加高电压给放电电极41和42，由此加热光纤10和20的邻接部分。因为Z方向上的位置已被调节使得邻接部分位于放电线束43的加热中心，该两根光纤10和20被以提供低接合损失的出色熔接的高度可靠性同等地加热。

注意，在用于熔接的弧光放电(以下称为主弧光放电)时，光纤10和20通过用增加放电电流等调节放电功率来适当加热。因此，通常地，在这个主弧光放电过程中控制设备34控制放电电源设备36以使放电电流大于预弧光放电时。换句话说，预弧光放电过程中的放电电流一般控制在小于主弧光放电时的放电电流。

这是由于以下原因。如以上所述，进行预弧光放电是为了估算亮度分布并由此加热中心。因此，获得允许峰值位置容易估算的未饱和亮度分布是有必要的。如果用于预弧光放电的放电电流过大造成亮度过大以至于仅能获得如图5曲线f所示的饱和亮度，估算峰值位置就变得困难。因此，为了估算一正好包含在图像信号处理系统的亮度动态范围内的亮度分布，减小放电电流是有必要的。相反，进行主弧光放电是为了熔接光纤，一般调节放电电流以使其提供足够的功率和加热量。主弧光放电过程中的放电强度被设定为最佳值(即放电电流值)以得到最小接合损失。尽管这个最佳放电强度因接合的光纤类型和电极41和42的状态而变，一般它还大于用于预弧光放电的放电强度。

当用一单芯光纤熔接接合器进行一实验以真正接合单模光纤时，用于主弧光放电的最佳放电电流在这个实验中在大约12.3mA和13.2mA之间变化，然而，当用于预弧光放电的放电电流被固定在12.3mA时，在没有饱和的范围内适当的亮度分布被获得。

在以上描述中，放电线束的中心和加热中心由多个线上的亮度分布来估算，然而，因为亮度分布是在多个具有不同位置的线上估算的，估算放电线束的形状并由此检测其任何异常也是可能的。也就是说，在X方向不同位置上的线A、B、C和D上的亮度分布a、b、c和d的估算意味着X方向上的亮度分布也被估算。这使得Z-X方向上的放电线束43的形状能被估算。作为一结果，通过检测放电线束43过度倾斜或产生部分低亮度点的状态，估算放电线束43中的异常是可能的。相应地，容易决定是否有必要维护，如更换电极41和42或清洁放电电极41和42以去除灰尘或其它。

TV摄象机32一般被提供以便于对准光纤10和20的轴(即调节芯)。也就是说，尽管从附图中略去，一光源被面向TV摄象机32布置，并将设置到位的光纤10和20的邻接部分夹在它本身和TV摄象机32之间。TV摄象机32用于拾取当光线从光源经过光纤10和20时获得的侧向透射图像。使用这种透射图像观察放置在位置上的光纤10和20的两个末端的轴中心是否对准。依照这个的结果，控制设备34控制驱动设备并且移动移动块51和51以使轴中心被对准。因此，图像拾取区域31一般不大到足以能拾取放电电极41和42末端的图像，如图3所示，然而，它拾取放电线束43的图像是足够大的。因此，通过在一般的光纤熔接接合器中采用以这种方式提供的图像拾取系统，估算加热中心并发现放电线束中的任何异常是可能的。作为一结果，本发明能不用很大地改变现有光纤熔接设备的结构而应用的事实是本发明的一个主要优点。

注意以上所述结构涉及一个为简化说明的实例并且应理解为除了以上所述，不同的特定结构也是可能的。例如，在以上描述中，光纤10和20在预弧光放电之前没有设置，然而，对于光纤10和20来说，用V型槽块52和外层夹具53来设置并简单地将它们向后移动以使光纤10和20的末端被移开放电区域也是可能的。而且，四条线被用于估算亮度分布，然而，该数量并不限制在四个并且用比这个大的多的数量是可能的。而且，在以上描述和附图中，被设置的光纤的数量为左边和右边各一根，然而，对于本发明来说，被应用于在集体熔接中将多个光纤接合在一起的多芯光纤熔接接合器是可能的。另外，只要它们在不违背本发明的范围之内，不同的变动是可能的。

Claims (3)

1.一种光纤熔接接合器，包括：

设置装置，用于设置欲接合的两根光纤的各自端表面以便于相互邻接；

加热装置，用于在两个放电电极之间产生弧光放电且用放电线束加热所述光纤邻接部分；

图像拾取装置，用于拾取所述放电线束图像；以及

控制装置，用于由图像信号来测量多个线上的亮度分布，该图像信号在当没有光纤被放置在放电区域时当预弧光放电在所述放电电极之间产生时由所述图像拾取装置获得，所述多个线被设置在沿所述放电电极之间直线方向上的不同位置上并在基本上与该直线方向成直角的方向上延伸，控制装置用于由所述多个亮度分布来估算加热中心，进而用于控制所述设置装置以使所述两根光纤的邻接部分位于加热中心，并且随后用于控制所述加热装置以使主弧光放电产生且所述邻接部分被所述放电线束加热。

2.依照权利要求1的光纤熔接接合器，其中所述控制装置控制所述加热装置，以使其中亮度分布被估算的预弧光放电以小于在其中所述邻接部分被加热的主弧光放电过程中的电流的预弧光放电过程中的电流被执行。

3.一种放电线束估算方法，其中光纤熔接接合器包括：设置装置，用于设置欲接合的两根光纤的各自端表面以便于相互邻接，和加热装置，用于在两个放电电极之间产生弧光放电且用放电线束加热光纤邻接部分；以及该方法包括以下步骤：

当没有光纤被放置在放电区域时，拾取在放电电极之间产生的预弧光放电的图像；

估算多个线上的亮度分布，该多个线被设置在沿放电电极之间直线方向上的不同位置上

并在基本上与图像上该直线方向成直角的方向上延伸；以及

从所述多个亮度分布来估算放电线束形状。

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