CN104777559A - 校准系统和方法、光纤插芯组件及制造方法、光纤连接器 - Google Patents

校准系统和方法、光纤插芯组件及制造方法、光纤连接器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种校准系统，用于校准目标光纤在目标插芯的通孔中的位置，包括：外圆校准元件，用于使目标插芯的外圆所确定的中心与外圆校准元件的中心对准；纤芯校准元件，其纤芯的中心与外圆校准元件的中心对准；光学视觉系统，用于识别目标光纤的纤芯的中心位置和纤芯校准元件的纤芯的中心位置；和移动系统，用于在光学视觉系统的引导下主动调节目标光纤在目标插芯的通孔中的位置，使得目标光纤的纤芯的中心与纤芯校准元件的纤芯的中心对准，从而使得目标光纤的纤芯的中心与目标插芯的外圆所确定的中心对准，从而消除了由光纤的纤芯的中心与插芯的外圆柱体的中心之间的径向偏差所导致的插入损耗。

Description

校准系统和方法、光纤插芯组件及制造方法、光纤连接器
技术领域
本发明涉及用于校准光纤在插芯的通孔中的位置的校准系统和校准方法，以及利用该校准系统和校准方法制造出的光纤插芯组件和光纤连接器。
背景技术
应用于光纤连接器的插芯，又称插针体。插芯是光纤连接器的核心部件，它是一种通过精密加工技术而成的高精度元件。光纤连接器生产制造过程中，通常采用将剥离并清洁好的裸光纤穿过充满胶水的高精度插芯通孔，然后对之加热固化胶水，将光纤固定在高精度插芯内，然后经由打磨、抛光、测试等一系列程序制成所需的光纤连接器件。由于所有制造过程会产生不可避免的误差以及为了尺寸配合／装配需要而人为地引入了误差，例如，插芯通孔直径必须要大于光纤外径以便光纤能穿入通孔中，这样光纤外径和插芯通孔尺寸需要存在先天的误差，再如，光纤轴心与插芯通孔由于有空隙存在不同心以及插芯通孔与对准基准(对单芯连接器而言主要是指插芯外径，对多芯连接器而言主要是指对准针孔)存在加工制造误差等，这些因素都会引起光纤轴心的横向偏移(当然还有其它因素，如角度失配等等)，从而影响光纤连接器对接时的插入损耗。
由于单模光纤的模场直径比多模光纤的模场直径要小得多(对大多数通信用光纤而言，大致是1／5至1／6的关系)，因此，单模光纤的对准精度要求要远远高于对多模光纤的对准精度要求，这样，单模光纤连接器使用的插芯精度要远远高于多模光纤连接器所使用的插芯精度。为了保证在制造过程中确保单模光纤连接器达到行业标准相关指标要求，目前在光纤连接器生产制造领域，通常针对单、多模光纤分别使用不同精度要求的插芯，即多模光纤连接器用插芯和单模光纤连接器用插芯加以区分。光纤连接器使用的单模／多模插芯其外观、结构看似完全相同，但是单模插芯对插芯的相关尺寸要求很高，尤其是通孔孔径以及插芯的通孔与外圆柱体的同心度精度要求极高(通常要在1.5微米以内，为了满足对接连接时的超低插入损耗，精度甚至要控制在亚微米级别-小于1微米)，高精度要求最直接的结果是，单模插芯成本／价格的高昂导致单模连接器的成本高，对于超低损耗连接器尤其突出，插芯成本几乎是成倍的差异。
单模插芯对插芯的相关尺寸要求主要是在插芯内孔直径和插芯内孔与外圆柱体的同心度方面的尺寸要求很高，下面将对比单模插芯和多模插芯在以下几个方面的尺寸精度要求：
1)插芯外圆柱体直径尺寸公差
单模：插芯外圆柱体直径尺寸公差要求达到+／-0.0005mm，即，-0.0005mm～0.0005mm：
多模：插芯外圆柱体直径尺寸典型公差要求达到+／-0.001mm，即，-0.001mm～0.001mm。
2)插芯内孔直径：
单模：插芯内孔直径尺寸公差在0.000～0.001mm，对于低损耗的单模插芯内孔尺寸甚至要求到0.0000～0.0005mm；
多模：插芯内孔直径尺寸典型公差在0.000-0.004mm。
3)光纤与外圆柱体的同心度要求：
单模：同心度一般要求达到0.001mm，对于低损耗的单模插芯，同心度要求甚至达到0.0005mm；
多模：同心度一般要求达到0.004mm即可。
为弥补光纤连接器生产制造领域的不足，本发明的申请人在之前的专利申请中已经提出了一种使用基于低精度的插芯(其具有较大通孔孔径及较大偏心)制造低成本、高性能(低插入损耗)、易于操作的单模光纤连接器的新工艺技术。
这种新的工艺技术是一种实现单模光纤置于低精度的插芯通孔中生产出高精度插芯组件的技术，其特征为将突出于插芯端面的光纤引导进入独立的高精度对准工具，使得待制的单模光纤包覆层与高精度对准工具的高精度导向孔进行精密校准，并将之固定在待制的低精度插芯内，从而，用低精度的插芯制作出高精度的光纤插芯组件和光纤连接器。
但是由于该工艺技术是基于光纤包覆层对准的机理，其需要以光纤包覆层和纤芯之间的同心度具有较为良好的分布为前提条件，更进一步，由于光纤实际制造过程中，包覆层与纤芯之间会不可避免地出现不同心的误差(即偏心)，而且在通过高精度工具对准的过程中，光纤包覆层的直径存在随机误差、批次误差以及不同制造商的制程控制都会在一定程度上导致一些随机差异，另外，包覆层表面存在些许微小颗粒／灰尘等异物附着的可能，这样在包覆层高精度对准后，并不能确保纤芯得到一致的最高精度对准。正是针对这个不足，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的旨在解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面。
本发明的一个目的在于提供一种用于校准光纤在插芯的通孔中的位置的校准系统和校准方法，其能够使光纤的纤芯的中心与插芯的外圆柱体的中心对准，从而消除了光纤的纤芯的中心与插芯的外圆柱体的中心之间的径向偏差所导致的插入损耗。
根据本发明的一个方面，提供一种校准系统，用于校准目标光纤在目标插芯的通孔中的位置，其中，所述校准系统包括：外圆校准元件，用于校准目标插芯的外圆所确定的中心位置，使得目标插芯的外圆所确定的中心与外圆校准元件的中心对准；纤芯校准元件，所述纤芯校准元件的纤芯的中心与外圆校准元件的中心对准；光学视觉系统，用于识别目标光纤的纤芯的中心位置和纤芯校准元件的纤芯的中心位置；和移动系统，用于在光学视觉系统的引导下主动调节目标光纤在目标插芯的通孔中的位置，使得目标光纤的纤芯的中心与纤芯校准元件的纤芯的中心对准，从而使得目标光纤的纤芯的中心与目标插芯的外圆所确定的中心对准。
根据本发明的一个实例性的实施例，所述校准系统还包括：校准插芯，所述纤芯校准元件固定在校准插芯的通孔中。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述外圆校准元件为对准套筒工具，并且所述校准插芯和所述目标插芯分别从对准套筒工具的两端插入。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述光学视觉系统至少包括：第一成像设备，用于沿与外圆校准元件的中心轴线垂直的第一方向拍摄目标光纤和纤芯校准元件的第一图像；第二成像设备，用于沿与外圆校准元件的中心轴线垂直的第二方向拍摄目标光纤和纤芯校准元件的第二图像，所述第二方向垂直于第一方向；和图像识别设备，用于识别第一图像中的目标光纤的纤芯的中心位置和纤芯校准元件的纤芯的中心位置，以及用于识别第二图像中的目标光纤的纤芯的中心位置和纤芯校准元件的纤芯的中心位置。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述第一成像设备包括：第一光源，设置在外圆校准元件的沿第一方向的一侧；和第一摄像机，与第一光源相对地设置在外圆校准元件的沿第一方向的另一侧。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述第二成像设备包括：第二光源，设置在外圆校准元件的沿第二方向的一侧；和第二摄像机，与第二光源相对地设置在外圆校准元件的沿第二方向的另一侧。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述图像识别设备包括对第一图像和第二图像进行处理的图像处理系统。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述目标光纤的端部从目标插芯的端面凸出，并且所述纤芯校准元件的端部从校准插芯的端面凸出并与所述目标光纤的端部间隔相对。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述第一成像设备和第二成像设备拍摄目标光纤和纤芯校准元件的间隔相对的端部的图像。
根据本发明的另一个实例性的实施例，在所述外圆校准元件的外周壁上形成有透光口，以便来自第一和第二光源的光线能够透过所述外圆校准元件并分别被第一和第二成像设备接收。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述外圆校准元件由透明材料制成，以便来自第一和第二光源的光线能够透过所述外圆校准元件并分别被第一和第二成像设备接收。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述移动系统包括：机械手，具有用于夹持住目标光纤的光纤夹；和闭环反馈控制系统，用于根据光学视觉系统检测到的目标光纤的纤芯的中心位置与纤芯校准元件的纤芯的中心位置之间的误差对光纤夹的位置进行调节直至所述误差为零或在预定的范围内。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述预定范围为-0.001mm至0.001mm。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述预定范围为-0.3μm至0.3μm。
根据本发明的另一个方面，提供一种用于校准目标光纤在目标插芯的通孔中的位置的校准方法，包括如下步骤：
提供外圆校准元件和纤芯校准元件，所述纤芯校准元件的纤芯的中心与外圆校准元件的中心对准；
用外圆校准元件校准目标插芯的外圆所确定的中心位置，使得目标插芯的外圆所确定的中心与外圆校准元件的中心对准；和
在光学视觉系统的引导下主动调节目标光纤在目标插芯的通孔中的位置，使得目标光纤的纤芯的中心与纤芯校准元件的纤芯的中心对准。
根据本发明的一个实例性的实施例，所述纤芯校准元件固定在校准插芯的通孔中。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述外圆校准元件为对准套筒工具，并且所述校准插芯和所述目标插芯分别从对准套筒工具的两端插入。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述光学视觉系统至少包括：第一成像设备，用于沿与外圆校准元件的中心轴线垂直的第一方向拍摄目标光纤和纤芯校准元件的第一图像；第二成像设备，用于沿与外圆校准元件的中心轴线垂直的第二方向拍摄目标光纤和纤芯校准元件的第二图像，所述第二方向垂直于第一方向；和图像识别设备，用于识别第一图像中的目标光纤的纤芯的中心位置和纤芯校准元件的纤芯的中心位置，以及用于识别第二图像中的目标光纤的纤芯的中心位置和纤芯校准元件的纤芯的中心位置。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述第一成像设备包括：第一光源，设置在外圆校准元件的沿第一方向的一侧；和第一摄像机，与第一光源相对地设置在外圆校准元件的沿第一方向的另一侧。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述第二成像设备包括：第二光源，设置在外圆校准元件的沿第二方向的一侧；和第二摄像机，与第二光源相对地设置在外圆校准元件的沿第二方向的另一侧。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述图像识别设备包括对第一图像和第二图像进行处理的图像处理系统。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述目标光纤的端部从目标插芯的端面凸出，并且所述纤芯校准元件的端部从校准插芯的端面凸出并与所述目标光纤的端部间隔相对。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述第一成像设备和第二成像设备拍摄目标光纤和纤芯校准元件的间隔相对的端部的图像。
根据本发明的另一个实例性的实施例，在所述外圆校准元件的外周壁上形成有透光口，以便来自第一和第二光源的光线能够透过所述外圆校准元件并分别被第一和第二成像设备接收。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述外圆校准元件由透明材料制成，以便来自第一和第二光源的光线能够透过所述外圆校准元件并分别被第一和第二成像设备接收。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述移动系统包括：机械手，具有用于夹持住目标光纤的光纤夹；和闭环反馈控制系统，用于根据光学视觉系统检测到的目标光纤的纤芯的中心位置与纤芯校准元件的纤芯的中心位置之间的误差对光纤夹的位置进行调节直至所述误差为零或在预定的范围内。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述误差包括根据第一图像检测到的目标光纤的纤芯的中心位置与纤芯校准元件的纤芯的中心位置之间的第一误差和根据第二图像检测到的目标光纤的纤芯的中心位置与纤芯校准元件的纤芯的中心位置之间的第二误差。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述预定范围为-0.001mm至0.001mm。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述预定范围为-0.3μm至0.3μm。
根据本发明的另一个方面，提供一种制造光纤插芯组件的方法，所述光纤插芯组件包括插芯和位于插芯的通孔中的光纤，所述方法包括如下步骤：
利用前述校准系统或校准方法对光纤在插芯的通孔中的位置进行校准，使得光纤的纤芯的中心与插芯的外圆所确定的中心对准；和
利用胶水或等效可固化体将光纤固定在插芯的通孔中。
根据本发明的另一个方面，提供一种光纤插芯组件，包括插芯和位于插芯的通孔中的光纤，其中，所述光纤插芯组件利用前述方法制成。
根据本发明的另一个方面，提供一种光纤连接器，包括：壳体；和插入壳体内的光纤插芯组件，其中，所述光纤插芯组件为前述光纤插芯组件。
根据本发明的另一个方面，提供一种校准系统，用于校准目标光纤在目标插芯的通孔中的位置，其中，所述校准系统包括：纤芯校准元件，所述纤芯校准元件的纤芯的中心定位在根据目标插芯的定位基准(例如，单芯插芯的外圆柱体或多芯插芯的对准引导孔)所确定的理论中心处；光学视觉系统，用于识别目标光纤的纤芯的中心位置和纤芯校准元件的纤芯的中心位置；和移动系统，用于在光学视觉系统的引导下主动调节目标光纤在目标插芯的通孔中的位置，使得目标光纤的纤芯的中心与纤芯校准元件的纤芯的中心对准。
根据本发明的另一个方面，提供一种用于校准目标光纤在目标插芯的通孔中的位置的校准方法，包括如下步骤：
提供纤芯校准元件，所述纤芯校准元件的纤芯的中心定位在根据目标插芯的定位基准所确定的理论中心处；和
在光学视觉系统的引导下主动调节目标光纤在目标插芯的通孔中的位置，使得目标光纤的纤芯的中心与纤芯校准元件的纤芯的中心对准。
本发明属于光纤连接器领域，本发明不同于现有技术的采用高精度插芯或者采用低精度插芯配以独立的校准工具对光纤包覆层进行高精度对准的工艺技术，而是一种使用移动装置基于光学视觉系统对纤芯进行主动对准，实现利用低精度的待制插芯或目标插芯(与标准的插芯相比，该低精度的待制插芯具有较大通孔孔径及较大偏心)制造低成本、超高性能(超低插入损耗)、易于操作的光纤插芯组件和光纤连接器的革新技术，该技术方案实现近乎0dB损耗(无损耗)的下一代超低损耗的光纤连接器。
本发明的申请人之前提出的通过高精度对准工具进行光纤对准的技术是基于光纤包覆层对准的机理，即利用了光纤包覆层和纤芯之间的同心度具有较为良好的分布这一条件，然而，由于在光纤的实际制造过程中，包覆层与纤芯之间会不可避免地出现不同心的误差，而且在通过高精度工具对准的过程中，光纤包覆层的直径存在随机偏差、批次偏差、制造商的控制偏差都会在一定程度上导致一些随机差异，另外，包覆层表面可能附着的些许微小颗粒／灰尘等异物，这样在包覆层高精度对准后，实现了较低的连接损耗，但由于纤芯难以得到一致的、最高精度的对准，难以实现一致的超低损耗(无损耗)连接器。
本发明与之前提出的通过高精度对准工具进行光纤包覆层对准的技术方案相比区别在于，本发明采用的是利用图像识别纤芯轮廓将在制连接器中的光纤纤芯主动对准于以高精度固定于高精度单模插芯组件内的纤芯校准元内的光纤纤芯(其所含的纤芯校准元具有一定的凸纤长度，其纤芯的物理中心相对于插芯外圆柱体的物理中心位置的偏心精确控制在纳米级别以内，接近于0)，这样，通过非接触式的图像识别对准光纤的纤芯而不是光纤的包覆层，从而完全规避了在制光纤的纤芯与包覆层之间的偏心随机差异、包覆层直径的随机差异、光纤端面状态是否完好以及包覆层外表面清洁状态等易于影响基于光纤包覆层对准精度的因素影响，达到纳米级别对准精度，将对准好的在制光纤固定在在制低精度插芯内，从工具中取出在在制插芯组件(在制光纤已基于纤芯高精度校准并固定在在制插芯内)，经过对端面的必要的成端处理、组装、测试，这样，通过主动对纤芯位置进行高精度对准而制成的低成本、超低损耗的超高精度光纤连接器即制作完成。
特别地，对于制作单芯光纤连接器而言，主动对准系统含有高精度外圆对准元、内含纤芯校准元的高精度插芯组件(其所含的纤芯校准元具有一定的凸纤长度，且以高精度固定于高精度单模插芯内，即其纤芯的物理中心相对于插芯外圆柱体的物理中心位置的偏心在纳米级别，接近于0)以及纤芯轮廓视觉对准系统三个部分组成，分别用于对准在制低精度插芯的圆柱体与内有纤芯校准元的校准高精度单模插芯的圆柱体，提供在制光纤纤芯的对准基准，检测及主动对准在制插芯组件内的光纤纤芯与位于高精度单模插芯组件内的纤芯校准元的纤芯之间的位置精度，使两纤芯的物理轴心在垂直于轴心的二维平面内的偏差调整、对准到纳米级别以内。
与使用高精度对准工具进行光纤包覆层对准的方案相比，该技术方案是采用纤芯主动对准的方式，因而实现了终极的在制光纤纤芯位置精度的可控性、可预测性、个体到个体的高精度重复再现性，最大限度地降低了因裸光纤直径(包覆层直径)的批次差异及随机差异、包覆层与纤芯之间的偏心及随机型等因素的影响，这样最大限度地提高了连接器的性能及随机互配性(超低插入损耗及超低随机互配插入损耗)。
本发明采用对光纤纤芯进行主动校准技术实现了基于低精度插芯生产低成本、超低损耗的高品质单模光纤连接器件。
需要说明的是，虽然此技术以基于低精度插芯实现超低损耗的单模光纤连接器为目标，同时，此技术也适合调整成制作超高精度超低损耗的多模光纤连接器，亦在此发明保护范围内。
虽然此技术以单芯光纤连接器为示例说明发明思想，同时，此技术同样适合多芯光纤连接器，因此，以此技术制作多芯连接器亦在此发明保护范围内。
通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
附图说明
图1显示根据本发明的一个实例性的实施例的校准系统的高精度外圆校准元件和高精度纤芯校准元件的示意图；
图2A和图2B分别显示图1中所示的高精度纤芯校准元件和固定该高精度纤芯校准元件的高精度校准插芯的放大的横向剖视图和纵向剖视图；
图3显示将带有目标光纤的目标插芯(待制的插芯)插入图1所示的高精度外圆校准元件中之后的沿竖直纵向平面的剖视图；
图4显示根据本发明的一个实例性的实施例的校准系统的光学视觉系统的示意图；
图5A显示利用图4所示的光学视觉系统沿第一方向(图4所示的竖直方向Y)对目标光纤和高精度纤芯校准元件进行光学成像的示意图；
图5B显示利用图4所示的光学视觉系统沿第二方向(图4所示的水平方向X)对目标光纤和高精度纤芯校准元件进行光学成像的示意图；
图6显示利用图4所示的光学视觉系统沿第一方向(图4所示的竖直方向Y)拍摄到的目标光纤和高精度纤芯校准元件的第一图像；
图7显示在光学视觉系统的引导下将目标光纤的纤芯的中心主动移动成与高精度纤芯校准元件的纤芯的中心对准之后的图像；和
图8显示根据本发明的一个实例性的实施例的用于控制移动装置的闭环位置反馈控制系统的示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
在图1至图8所示的一个实施例的实施例中，提供了一种校准系统，用于校准目标光纤30在目标插芯20的通孔21中的位置，其中，所述校准系统包括：高精度外圆校准元件100，用于校准目标插芯20的外圆所确定的中心位置，使得目标插芯20的外圆所确定的中心与高精度外圆校准元件100的中心对准；高精度纤芯校准元件300，所述高精度纤芯校准元件300的纤芯302的中心与高精度外圆校准元件100的中心对准；光学视觉系统，用于识别目标光纤30的纤芯32的中心位置和高精度纤芯校准元件300的纤芯302的中心位置；和移动系统，用于在光学视觉系统的引导下主动调节目标光纤30在目标插芯20的通孔21中的位置，使得目标光纤30的纤芯32的中心与高精度纤芯校准元件300的纤芯302的中心对准，从而使得目标光纤30的纤芯32的中心与目标插芯20的外圆所确定的中心对准。
需要说明的是，本申请中的术语“高精度”是指“精度高于或等于光纤连接器的行业标准所规定的精度”。但是，由于光纤连接器的行业标准所规定的精度是随时代的变化而不断变化的，因此，本申请中的术语“高精度”不局限于某个固定数值或某个固定数值范围，其可以根据时代的变化而变化。
图1显示根据本发明的一个实例性的实施例的校准系统的高精度外圆校准元件100和高精度纤芯校准元件300的示意图。图3显示将带有目标光纤(用于制造光纤插芯组件或光纤连接器的光纤)的目标插芯(用于制造光纤插芯组件或光纤连接器的插芯)插入图1所示的高精度外圆校准元件100中之后的沿竖直纵向平面的剖视图。
如图1和图3所示，目标插芯20为单芯插芯，目标光纤30插入目标插芯20的通孔中。在本发明的一个实例性的实施例中，目标插芯20的通孔的直径远大于目标光纤30的直径，这样便于目标光纤30插入到目标插芯20的通孔中，也能够降低目标插芯20的制造成本，因为不需要提供与目标光纤30精密配合的高精度的通孔。但是，由于目标插芯20的通孔的尺寸较大，因此，难以保证目标光纤30在目标插芯20的通孔中的位置精度，即难以保证目标光纤30的纤芯32(参见图6)的中心与目标插芯20的外圆柱体所确定的中心对准。
图2A和图2B分别显示图1中所示的高精度纤芯校准元件300和固定该高精度纤芯校准元件300的高精度校准插芯200的放大的横向剖视图和纵向剖视图。
如图1至图3所示，在图示的实施例中，高精度纤芯校准元件300固定在一个高精度校准插芯200的通孔中。如图2B所示，高精度纤芯校准元件300具有纤芯302和包覆在纤芯302外部的包覆层301。在图示的实施例中，高精度纤芯校准元件300的纤芯302的中心与高精度校准插芯200的外圆柱体所确定的中心对准。
请继续参见图1至图3，在图示的实例性的实施例中，高精度外圆校准元件100为高精度对准套筒工具，并且高精度校准插芯200和目标插芯20分别从高精度对准套筒工具的两端插入，这样，就使得目标插芯20的外圆所确定的中心以及高精度校准插芯200的外圆所确定的中心与高精度外圆校准元件100的中心对准，从而使得目标插芯20的外圆所确定的中心与高精度校准插芯200的外圆所确定的中心对准。例如，使得目标插芯20的外圆所确定的中心与高精度校准插芯200的外圆所确定的中心之间的误差在-0.001mm至0.001mm的范围内，优选地，在-0.3μm至0.3μm的范围内。
如图1和图3所示，在高精度校准插芯200插入高精度外圆校准元件100之后，高精度纤芯校准元件300的纤芯302的中心与高精度外圆校准元件100的中心对准。
如前所述，由于目标插芯20的通孔直径远大于目标光纤30的直径，因此，当目标光纤30插入目标插芯20的通孔中之后，难以保证目标光纤30的纤芯32的中心与目标插芯20的外圆柱体所确定的中心对准，难以保证目标光纤30的纤芯32的中心与高精度纤芯校准元件300的纤芯302的中心对准，例如，在图5A所示的沿与高精度外圆校准元件100的中心轴线垂直的方向(图4中的水平方向X)的纵向剖视图中，目标光纤30的纤芯32的中心与高精度纤芯校准元件300的纤芯302的中心之间就存在一个第一偏差e1；在图5B所示的沿与高精度外圆校准元件100的中心轴线垂直的方向(图4中的竖直方向Y)的纵向剖视图中，目标光纤30的纤芯32的中心与高精度纤芯校准元件300的纤芯302的中心之间也可能存在一个第二偏差e2。
因此，为了实现目标光纤30的纤芯32的中心与高精度纤芯校准元件300的纤芯302的中心之间的精确对准，在本发明中，在光学视觉系统的引导下利用移动系统主动调节目标光纤30在目标插芯20的通孔21中的位置，直至第一偏差e1和第二偏差e2为零或在预定的范围内，例如，预定范围可以为-0.001mm至0.001mm，优选地，预定范围可以为-0.3μm至0.3μm。这样，就使得目标光纤30的纤芯32的中心与高精度纤芯校准元件300的纤芯302的中心对准，从而使得目标光纤30的纤芯32的中心与目标插芯20的外圆所确定的中心对准。
图5A和图5B分别显示了目标光纤30的纤芯32的中心位置与高精度纤芯校准元件300的纤芯302的中心位置之间在两个相互垂直的二维平面内的两个误差e1和e2。因此，目标光纤30的纤芯32的中心位置与高精度纤芯校准元件300的纤芯302的中心位置之间在立体空间中的误差e可以根据前述两个误差e1和e2获得。具体地，可以根据下面的公式(1)获得误差e：
e = e 1 2 + e 2 2 - - - ( 1 )
因此，为了实现目标光纤30的纤芯32的中心与高精度纤芯校准元件300的纤芯302的中心之间的精确对准，在本发明的另一个实例性的实施例中，在光学视觉系统的引导下利用移动系统主动调节目标光纤30在目标插芯20的通孔21中的位置，直至误差e为零或在预定的范围内，例如，预定范围可以为-0.001mm至0.001mm，优选地，预定范围可以为-0.3μm至0.3μm。
下面将借助图4至图8来详细说明主动调节目标光纤30在目标插芯20的通孔21中的位置的一个具体的实施例。
图4显示根据本发明的一个实例性的实施例的校准系统的光学视觉系统的示意图。
如图4所示，光学视觉系统至少包括：第一成像设备411、412，用于沿与高精度外圆校准元件100的中心轴线垂直的第一方向Y拍摄目标光纤30和高精度纤芯校准元件300的第一图像；第二成像设备421、422，用于沿与高精度外圆校准元件100的中心轴线垂直的第二方向X拍摄目标光纤30和高精度纤芯校准元件300的第二图像，第二方向X垂直于第一方向Y；和图像识别设备(未图示，可以为计算机)，用于识别第一图像中的目标光纤30的纤芯32的中心位置和高精度纤芯校准元件300的纤芯302的中心位置，以及用于识别第二图像中的目标光纤30的纤芯32的中心位置和高精度纤芯校准元件300的纤芯302的中心位置。
具体地，如图4所示，在本发明的一个实例性的实施例中，第一成像设备411、412包括：第一光源411，设置在高精度外圆校准元件100的沿第一方向Y的一侧；和第一摄像机412，与第一光源411相对地设置在高精度外圆校准元件100的沿第一方向Y的另一侧。第二成像设备421、422包括：第二光源421，设置在高精度外圆校准元件100的沿第二方向X的一侧；和第二摄像机422，与第二光源421相对地设置在高精度外圆校准元件100的沿第二方向X的另一侧。
请注意，在本发明不局限于图示的实施例，光学视觉系统还可以包括与第一和第二成像设备类似的第三成像设备、第四成像设备或更多个成像设备。
图5A显示利用图4所示的光学视觉系统沿第一方向(图4所示的竖直方向Y)对目标光纤30和高精度纤芯校准元件300进行光学成像的示意图。图6显示利用图4所示的光学视觉系统沿第一方向(图4所示的竖直方向Y)拍摄到的目标光纤30和高精度纤芯校准元件300的第一图像。
如图5A所示，目标光纤30的端部从目标插芯20的端面凸出，并且高精度纤芯校准元件300的端部从高精度校准插芯200的端面凸出并与目标光纤30的端部间隔相对。第一成像设备411、412沿第一方向拍摄目标光纤30和高精度纤芯校准元件300的间隔相对的端部的图像，从而获得一个如图6所示的第一图像。
根据图6所示的第一图像，可以清楚地看出，在第一图像中，目标光纤30的纤芯(发亮的部分)32的中心(如图6中的虚线所示)与高精度纤芯校准元件300的纤芯(发亮的部分)302的中心(如图6中的虚线所示)不对准，之间存在一个偏差e1。需要说明的是，由于纤芯的材料不同于包覆层，因此，可以根据拍摄的图像直接清楚地区分出纤芯和包覆层。如果需要，也可以用图像处理系统对第一图像进行处理，使得纤芯的边界更为突出和更易于识别。
这样，移动系统可以在光学视觉系统的引导下主动调节目标光纤30在目标插芯20的通孔21中的位置，直至根据第一图像和第二图像检测到的目标光纤30的纤芯32与高精度纤芯校准元件300的纤芯302之间的偏差为零或在预定的范围内。
例如，图7显示在光学视觉系统的引导下将目标光纤30的纤芯32的中心(如图7中的虚线所示)主动移动成与高精度纤芯校准元件300的纤芯302的中心(如图7中的虚线所示)对准之后的图像。
为了实现目标光纤30高精度的位置移动，在本发明的一个实施例中，移动系统包括：机械手(未图示，例如，多自由度机器人)，具有用于夹持住目标光纤30的光纤夹；和闭环反馈控制系统，用于根据光学视觉系统检测到的目标光纤30的纤芯32的中心位置与高精度纤芯校准元件300的纤芯302的中心位置之间的误差对光纤夹的位置进行调节直至误差为零或在预定的范围内。
图8显示根据本发明的一个实例性的实施例的用于控制机械手的光纤夹的闭环位置反馈控制系统的示意图。
如图8所示，整个闭环位置反馈控制系统可以包括输入装置、安装在可移动的机械手上的光纤夹、驱动机械手移动的驱动装置、控制装置以及由光学视觉系统构成的检测装置等。由于位置闭环反馈控制系统属于经典的控制方法，这里不再对其进行更加详细的说明。
根据本发明的另一个方面，还提供一种用于校准目标光纤在目标插芯的通孔中的位置的校准方法，包括如下步骤：
提供高精度外圆校准元件100和高精度纤芯校准元件300，所述高精度纤芯校准元件300的纤芯302的中心与高精度外圆校准元件100的中心对准；
用高精度外圆校准元件100校准目标插芯20的外圆所确定的中心位置，使得目标插芯20的外圆所确定的中心与高精度外圆校准元件100的中心对准；和
在光学视觉系统的引导下主动调节目标光纤30在目标插芯20的通孔21中的位置，使得目标光纤30的纤芯32的中心与高精度纤芯校准元件300的纤芯302的中心对准。
根据本发明的另一个方面，还提供一种制造光纤插芯组件的方法，所述光纤插芯组件包括插芯20和位于插芯20的通孔中的光纤30，所述方法包括如下步骤：
利用前述校准系统或校准方法对光纤30在插芯20的通孔中的位置进行校准，使得光纤30的纤芯32的中心与插芯20的外圆所确定的中心对准；和
利用胶水或等效可固化体将光纤30固定在插芯20的通孔中。
根据本发明的另一个方面，还提供一种光纤插芯组件，包括插芯20和位于插芯20的通孔中的光纤30，其中，所述光纤插芯组件利用前述方法制成。
根据本发明的另一个方面，还提供一种光纤连接器，包括：
壳体；和
插入壳体内的光纤插芯组件，
其中，所述光纤插芯组件为前述实施例中的光纤插芯组件。
根据本发明的另一个方面，还提供一种校准系统，用于校准目标光纤30在目标插芯20的通孔21中的位置，其中，所述校准系统包括：
高精度纤芯校准元件300，所述高精度纤芯校准元件300的纤芯302的中心定位在根据目标插芯20的定位基准所确定的理论中心处；
光学视觉系统，用于识别目标光纤30的纤芯32的中心位置和高精度纤芯校准元件300的纤芯302的中心位置；和
移动系统，用于在光学视觉系统的引导下主动调节目标光纤30在目标插芯20的通孔21中的位置，使得目标光纤30的纤芯32的中心与高精度纤芯校准元件300的纤芯302的中心对准。
根据本发明的另一个方面，还提供一种用于校准目标光纤在目标插芯的通孔中的位置的校准方法，包括如下步骤：
提供高精度纤芯校准元件300，所述高精度纤芯校准元件300的纤芯302的中心定位在根据目标插芯20的定位基准所确定的理论中心处；和
在光学视觉系统的引导下主动调节目标光纤30在目标插芯20的通孔21中的位置，使得目标光纤30的纤芯32的中心与高精度纤芯校准元件300的纤芯302的中心对准。
本发明与现有技术相比，摒弃了现有技术中通过区分不同精度规格的插芯来制造单模和多模光纤连接器。
特别地，当需要制作低损耗或者超低损耗光纤连接器时，现有技术人员使用的方法是通过提高插芯的精度规格(缩小插芯的通孔孔径，尽量使插芯的通孔直径与光纤的直径匹配，以及提高光纤的纤芯与外圆柱体的同心度)来实现超低损耗的目标，这样做的明显缺点是，其一，意味着一种高成本；其二，由于超精密插芯通孔变得更小，且光纤的实际外径亦存在批次的变化，对于穿纤(穿过整个插芯通孔)而言是一个极大的挑战，导致断纤概率增加，特别是暗损伤会导致光线连接器的可靠性降低；其三，对于批量制造，总存在某些个体偏心的离散性，只要出现，光线连接器件的随机互配插入损耗即遭到破坏，等等。
同时，与使用高精度对准工具进行光纤包覆层对准的技术方案相比，该技术方案采用对光纤纤芯主动对准的方式、并把纤芯的高精度对准通过固定的方式保持在插芯内，不再依赖于在制光纤和／或纤芯校准元光纤的包覆层直径、纤芯与包覆层的偏心、光纤端面的状态(角度、角度方位、磨损甚至完整度等)以及包覆层外表面清洁状态等其他因素对纤芯对准精度的影响，因而具有更好的在制光纤纤芯的位置精度的可控性、可预测性、一致性(个体到个体的精度重复再现性)，这样最大限度地提高了连接器的性能及随机互配性(超低插入损耗及超低随机互配插入损耗)，满足下一代光互联对超低损耗或者无损耗光纤连接器的需求。
本领域的技术人员可以理解，上面所描述的实施例都是示例性的，并且本领域的技术人员可以对其进行改进，各种实施例中所描述的结构在不发生结构或者原理方面的冲突的情况下可以进行自由组合。
虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。
虽然本总体发明构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。
应注意，措词“包括”不排除其它元件或步骤，措词“一”或“一个”不排除多个。另外，权利要求的任何元件标号不应理解为限制本发明的范围。

Claims (34)

1.一种校准系统，用于校准目标光纤(30)在目标插芯(20)的通孔(21)中的位置，其特征在于，所述校准系统包括：
外圆校准元件(100)，用于校准目标插芯(20)的外圆所确定的中心位置，使得目标插芯(20)的外圆所确定的中心与外圆校准元件(100)的中心对准；
纤芯校准元件(300)，所述纤芯校准元件(300)的纤芯(302)的中心与外圆校准元件(100)的中心对准；
光学视觉系统，用于识别目标光纤(30)的纤芯(32)的中心位置和纤芯校准元件(300)的纤芯(302)的中心位置；和
移动系统，用于在光学视觉系统的引导下主动调节目标光纤(30)在目标插芯(20)的通孔(21)中的位置，使得目标光纤(30)的纤芯(32)的中心与纤芯校准元件(300)的纤芯(302)的中心对准，从而使得目标光纤(30)的纤芯(32)的中心与目标插芯(20)的外圆所确定的中心对准。
2.根据权利要求1所述的校准系统，其特征在于，还包括：
校准插芯(200)，所述纤芯校准元件(300)固定在校准插芯(200)的通孔中。
3.根据权利要求2所述的校准系统，其特征在于，
所述外圆校准元件(100)为对准套筒工具，并且
所述校准插芯(200)和所述目标插芯(20)分别从对准套筒工具的两端插入。
4.根据权利要求3所述的校准系统，其特征在于，所述光学视觉系统至少包括：
第一成像设备(411、412)，用于沿与外圆校准元件(100)的中心轴线垂直的第一方向(Y)拍摄目标光纤(30)和纤芯校准元件(300)的第一图像；
第二成像设备(421、422)，用于沿与外圆校准元件(100)的中心轴线垂直的第二方向(X)拍摄目标光纤(30)和纤芯校准元件(300)的第二图像，所述第二方向(X)垂直于第一方向(Y)；和
图像识别设备，用于识别第一图像中的目标光纤(30)的纤芯(32)的中心位置和纤芯校准元件(300)的纤芯(302)的中心位置，以及用于识别第二图像中的目标光纤(30)的纤芯(32)的中心位置和纤芯校准元件(300)的纤芯(302)的中心位置。
5.根据权利要求4所述的校准系统，其特征在于，所述第一成像设备(411、412)包括：
第一光源(411)，设置在外圆校准元件(100)的沿第一方向(Y)的一侧；和
第一摄像机(412)，与第一光源(411)相对地设置在外圆校准元件(100)的沿第一方向(Y)的另一侧。
6.根据权利要求5所述的校准系统，其特征在于，所述第二成像设备(421、422)包括：
第二光源(421)，设置在外圆校准元件(100)的沿第二方向(X)的一侧；和
第二摄像机(422)，与第二光源(421)相对地设置在外圆校准元件(100)的沿第二方向(X)的另一侧。
7.根据权利要求4所述的校准系统，其特征在于，
所述图像识别设备包括对第一图像和第二图像进行处理的图像处理系统。
8.根据权利要求6所述的校准系统，其特征在于，
所述目标光纤(30)的端部从目标插芯(20)的端面凸出，并且所述纤芯校准元件(300)的端部从校准插芯(200)的端面凸出并与所述目标光纤(30)的端部间隔相对。
9.根据权利要求8所述的校准系统，其特征在于，
所述第一成像设备(412)和第二成像设备(422)拍摄目标光纤(30)和纤芯校准元件(300)的间隔相对的端部的图像。
10.根据权利要求9所述的校准系统，其特征在于，
在所述外圆校准元件(100)的外周壁上形成有透光(101)，以便来自第一和第二光源(411、421)的光线能够透过所述外圆校准元件(100)并分别被第一和第二成像设备(412、422)接收。
11.根据权利要求9所述的校准系统，其特征在于，
所述外圆校准元件(100)由透明材料制成，以便来自第一和第二光源(411、421)的光线能够透过所述外圆校准元件(100)并分别被第一和第二成像设备(412、422)接收。
12.根据权利要求10所述的校准系统，其特征在于，所述移动系统包括：
机械手，具有用于夹持住目标光纤(30)的光纤夹；和
闭环反馈控制系统，用于根据光学视觉系统检测到的目标光纤(30)的纤芯(32)的中心位置与纤芯校准元件(300)的纤芯(302)的中心位置之间的误差对光纤夹的位置进行调节直至所述误差为零或在预定的范围内。
13.根据权利要求12所述的校准系统，其特征在于，所述预定范围为-0.001mm至0.001mm。
14.根据权利要求13所述的校准系统，其特征在于，所述预定范围为-0.3μm至0.3μm。
15.一种用于校准目标光纤在目标插芯的通孔中的位置的校准方法，包括如下步骤：
提供外圆校准元件(100)和纤芯校准元件(300)，所述纤芯校准元件(300)的纤芯(302)的中心与外圆校准元件(100)的中心对准；
用外圆校准元件(100)校准目标插芯(20)的外圆所确定的中心位置，使得目标插芯(20)的外圆所确定的中心与外圆校准元件(100)的中心对准；和
在光学视觉系统的引导下主动调节目标光纤(30)在目标插芯(20)的通孔(21)中的位置，使得目标光纤(30)的纤芯(32)的中心与纤芯校准元件(300)的纤芯(302)的中心对准。
16.根据权利要求15所述的校准方法，其特征在于，
所述纤芯校准元件(300)固定在校准插芯(200)的通孔中。
17.根据权利要求16所述的校准方法，其特征在于，
所述外圆校准元件(100)为对准套筒工具，并且
所述校准插芯(200)和所述目标插芯(20)分别从对准套筒工具的两端插入。
18.根据权利要求17所述的校准方法，其特征在于，所述光学视觉系统至少包括：
第一成像设备(411、412)，用于沿与外圆校准元件(100)的中心轴线垂直的第一方向(Y)拍摄目标光纤(30)和纤芯校准元件(300)的第一图像；
第二成像设备(421、422)，用于沿与外圆校准元件(100)的中心轴线垂直的第二方向(X)拍摄目标光纤(30)和纤芯校准元件(300)的第二图像，所述第二方向(X)垂直于第一方向(Y)；和
图像识别设备，用于识别第一图像中的目标光纤(30)的纤芯(32)的中心位置和纤芯校准元件(300)的纤芯(302)的中心位置，以及用于识别第二图像中的目标光纤(30)的纤芯(32)的中心位置和纤芯校准元件(300)的纤芯(302)的中心位置。
19.根据权利要求18所述的校准方法，其特征在于，所述第一成像设备(411、412)包括：
第一光源(411)，设置在外圆校准元件(100)的沿第一方向(Y)的一侧；和
第一摄像机(412)，与第一光源(411)相对地设置在外圆校准元件(100)的沿第一方向(Y)的另一侧。
20.根据权利要求19所述的校准方法，其特征在于，所述第二成像设备(421、422)包括：
第二光源(421)，设置在外圆校准元件(100)的沿第二方向(X)的一侧；和
第二摄像机(422)，与第二光源(421)相对地设置在外圆校准元件(100)的沿第二方向(X)的另一侧。
21.根据权利要求18所述的校准方法，其特征在于，
所述图像识别设备包括对第一图像和第二图像进行处理的图像处理系统。
22.根据权利要求20所述的校准方法，其特征在于，
所述目标光纤(30)的端部从目标插芯(20)的端面凸出，并且所述纤芯校准元件(300)的端部从校准插芯(200)的端面凸出并与所述目标光纤(30)的端部间隔相对。
23.根据权利要求22所述的校准方法，其特征在于，
所述第一成像设备(412)和第二成像设备(422)拍摄目标光纤(30)和纤芯校准元件(300)的间隔相对的端部的图像。
24.根据权利要求23所述的校准方法，其特征在于，
在所述外圆校准元件(100)的外周壁上形成有透光口(101)，以便来自第一和第二光源(411、421)的光线能够透过所述外圆校准元件(100)并分别被第一和第二成像设备(412、422)接收。
25.根据权利要求23所述的校准方法，其特征在于，
所述外圆校准元件(100)由透明材料制成，以便来自第一和第二光源(411、421)的光线能够透过所述外圆校准元件(100)并分别被第一和第二成像设备(412、422)接收。
26.根据权利要求24所述的校准方法，其特征在于，所述移动系统包括：
机械手，具有用于夹持住目标光纤(30)的光纤夹；和
闭环反馈控制系统，用于根据光学视觉系统检测到的目标光纤(30)的纤芯(32)的中心位置与纤芯校准元件(300)的纤芯(302)的中心位置之间的误差对光纤夹的位置进行调节直至所述误差为零或在预定的范围内。
27.根据权利要求26所述的校准方法，其特征在于，
所述误差包括根据第一图像检测到的目标光纤(30)的纤芯(32)的中心位置与纤芯校准元件(300)的纤芯(302)的中心位置之间的第一误差和根据第二图像检测到的目标光纤(30)的纤芯(32)的中心位置与纤芯校准元件(300)的纤芯(302)的中心位置之间的第二误差。
28.根据权利要求26所述的校准方法，其特征在于，所述预定范围为-0.001mm至0.001mm。
29.根据权利要求28所述的校准方法，其特征在于，所述预定范围为-0.3μm至0.3μm。
30.一种制造光纤插芯组件的方法，所述光纤插芯组件包括插芯(20)和位于插芯(20)的通孔中的光纤(30)，所述方法包括如下步骤：
利用前述权利要求1-14中的任一项的校准系统或权利要求15-29中的任一项的校准方法对光纤(30)在插芯(20)的通孔中的位置进行校准，使得光纤(30)的纤芯(32)的中心与插芯(20)的外圆所确定的中心对准；和
利用胶水或等效可固化体将光纤(30)固定在插芯(20)的通孔中。
31.一种光纤插芯组件，包括插芯(20)和位于插芯(20)的通孔中的光纤(30)，其特征在于，所述光纤插芯组件利用前述权利要求30的方法制成。
32.一种光纤连接器，包括：
壳体；和
插入壳体内的光纤插芯组件，
其特征在于，所述光纤插芯组件为权利要求30所限定的光纤插芯组件。
33.一种校准系统，用于校准目标光纤(30)在目标插芯(20)的通孔(21)中的位置，其特征在于，所述校准系统包括：
纤芯校准元件(300)，所述纤芯校准元件(300)的纤芯(302)的中心定位在根据目标插芯(20)的定位基准所确定的理论中心处；
光学视觉系统，用于识别目标光纤(30)的纤芯(32)的中心位置和纤芯校准元件(300)的纤芯(302)的中心位置；和
移动系统，用于在光学视觉系统的引导下主动调节目标光纤(30)在目标插芯(20)的通孔(21)中的位置，使得目标光纤(30)的纤芯(32)的中心与纤芯校准元件(300)的纤芯(302)的中心对准。
34.一种用于校准目标光纤在目标插芯的通孔中的位置的校准方法，包括如下步骤：
提供纤芯校准元件(300)，所述纤芯校准元件(300)的纤芯(302)的中心定位在根据目标插芯(20)的定位基准所确定的理论中心处；和
在光学视觉系统的引导下主动调节目标光纤(30)在目标插芯(20)的通孔(21)中的位置，使得目标光纤(30)的纤芯(32)的中心与纤芯校准元件(300)的纤芯(302)的中心对准。
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