SE503451C2 - Förfarande och anordning för bestämning av förskjutningen mellan vinkellägen kring längdaxlarna hos optiskt inhomogena områden i två cylindriska kroppar samt användning av förfarandet respektive anordningen - Google Patents

Description

503 451 2 Optiska fibrer med dubbel kärna, där kärnorna är utformade som på samma sätt som för singlemodfibrer men de är placerade t ex väsentligt symmetriskt längs ett diameterplan i den omgivande cirkulärcylindriska manteln, utgör material vid utforskandet av många linjära och icke-linjära fenomen, som grundar sig på väx- elverkan mellan de evanescenta fälten hos kärnornas grundmoder.

Dessa innefattar enkla strålklyvare, fibersensorer och ickelin- jära switchar.

En större nackdel förbunden med användningen av sådana fibrer är dock svårigheten vid både excitering och detektion av signalerna i de två kärnorna på grund av deras ringa storlek och på grund av att de ligger relativt nära varandra. En typisk kärnradie i fibrer med dubbel kärna är ca 3 - 4 pm och ett typiskt avstånd mellan de två kärnorna är av storleksordningen några radier hos kärnan. Det är omöjligt att åstadkomma en stumfog mellan en op- tisk fiber med enkel kärna av standardtyp med en fiber med dub- bel kärna och mellan två fibrer med dubbel kärna med hjälp av de konventionella skarvningsförfarandena utan en vridning av den ena fiberänden, som skall hopskarvas.

Ett sätt, som har använts för att övervinna detta problem, är att använda större optiska element och linser för att fokusera ingångsljuset mot kärnorna. Sådana förfaranden lider emellertid av höga förluster vid införandet (7 - 8 dB), vilket tillsammans med olämpligheten att använda större optiska komponenter, t ex på grund av deras ej tillräckliga stabilitet vid praktisk an- vändning, gör dem olämpliga för användning i praktiken.

I vår tidigare svenska patentansökan 9300522-1, “Inriktning och skarvning av optiska PM-fibrer", ingiven 17 februari 1993, an- visas hur en optisk PM-fiber kan ges en bestämd vinkelinriktning kring sin längdaxel och hur denna inriktning kan användas för att ge goda förbindningar mellan två optiska PM-fibrer. Vid be- stämningen belyses fibern med ljus och linseffekten iakttas här- vid, dvs för ljus som passerar genom fibern bestäms ljusintensi- teten. En ljusintensitetskurva vinkelrätt mot fiberns axel upp- visar då i allmänhet ett maximum, som motsvarar den optiska fi- berns kärna eller centrala område. Utanför detta maximum finns 503 451 3 ett område med lägre ljusintensitet, men där ljusintensiteten ändå kan vara tämligen konstant på den nämnda linjen. Områden utanför fiberns ytteryta får en ljusintensitet ungefär motsva- rande ljusintensiteten utan fiber. Linseffekten utgörs av kont- rasten mellan det centrala området med hög ljusintensitet och det närmast därtill liggande området. För en inriktning vrids en fiber, så att linseffekten antingen blir maximal eller blir mi- nimal.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Det är ett syfte med uppfinningen att anvisa ett förfarande och en anordning för en vinkelinriktning mellan optiska fibrer och i det allmänna fallet två optiskt transparenta kroppar, så att optiskt inhomogena partier i kropparna inriktas eller upplinje- ras med varandra på ett enkelt sätt med ett minimum av extra anordningar för tillämpning i tillgängliga automatiska fiber- skarvningsmaskiner.

Det är ett ytterligare syfte med uppfinningen att anvisa ett förfarande och en anordning för skarvning av två optiska fibrer, så att i skarven optiskt inhomogena partier såsom fiberkärnor i fibrerna är inriktade eller upplinjerade med varandra på ett enkelt sätt med ett minimum av extra anordningar för tillämpning i tillgängliga automatiska fiberskarvningsmaskiner.

Det är ett ytterligare syfte med uppfinningen att anvisa ett förfarande och en anordning för skarvning av optiska fibrer med dubbel kärna, så att i skarven fiberkärnorna i fibrerna är in- riktade eller upplinjerade med varandra.

De ovan nämnda syftena uppnås med uppfinningen, vars närmare kännetecken framgår av de bifogade patentkraven.

Vid bestämning av vinkelförskjutningen eller det inbördes vin- kelläget mellan optiskt inhomogena områden i två ändar av optisk fiber, allmänt i två cylindriska kroppar, och i det speciella fallet planen genom de dubbla kärnorna hos två i godtyckliga vinkelutgångslägen placerade ändar hos optiska fibrer av dubbel- kärnetyp belyses ändarna resp kropparna under vridning till 503 451 4 olika vinkellägen kring sin längdaxel. För olika vinkellägen bestäms under vridningen skillnaden mellan ljusintensiteten hos ljus, som har passerat genom kroppen eller änden och till sitt läge motsvarar det i längdriktningen gående centrala partiet av kroppen, och hos ljus, som har passerat genom kroppen eller fi- beränden och till sitt läge motsvarar det närmast utanför det centrala partiet liggande området.

Ljusintensiteterna bestäms i ett område nära eller inom det om- råde, där en avbildning av ljuskällan erhålls. När en konventio- nell optisk fiber träffas av ljus, fungerar dess huvuddel, man- teln, som en cylindrisk lins och bryter samman ljuset till en fokallinje, varigenom en bild erhålls av fibern i närheten av fokallinjen. Vid bestämningen används då ljusintensiteterna i närheten av denna fokallinje, t ex tagna längs någon linje i huvudsak vinkelrät mot denna och alltså mot fiberns längdrikt- ning. Linjen skall också bilda en inte alltför liten vinkel, t ex större än 30°, mot det belysande ljuset mittlinje eller mot en linje från ljuskällan till fibern.

De bestämda skillnaderna tagna som funktion av vridningsvinkeln bildar kurvor för kropparna resp ändarna. Kurvorna jämförs och parallellförflyttas till ett nytt vinkelläge, där en maximal överensstämmelse fås mellan formen hos kurvorna. vinkeln mellan kurvorna i detta vinkelläge ger vinkelförskjutningen kring krop- parnas resp fiberändarnas mittaxel mellan de optiskt inhomogena eller störande områdena, dvs i det särskilda fallet mellan pla- nen genom de två kärnorna hos ändarna av de optiska fibrerna, i kropparnas resp ändarnas utgångslägen. Vid skarvning av två så- dana fibrer med dubbel kärna används den på detta sätt bestämda vinkeln för att vrida fibrernas ändar, så att planen genom kär- norna i fiberändarna blir inriktade med varandra eller allmänt, med en translationsförflyttning av fiberändarna före skarvning- en, så att fiberkärnorna i de båda fiberändarna blir inriktade eller upplinjerade med varandra.

Vid bestämning av vinkelförskjutningen för de optiskt störande områdena kring längdaxeln, i det särskilda fallet mellan planen genom de två kärnorna hos två i godtyckliga vinkelutgångslägen 503 451 5 placerade ändar hos optiska fibrer av typen med dubbel kärna, belyses kropparna resp ändarna med ett, t ex i huvudsak paral- lellt, strålknippe från en ljuskälla försedd med lämplig optik, särskilt i huvudsak vinkelrätt mot längdriktningen hos kropparna resp fiberändarna. I fiberfallet kan ändytorna liksom för skarv- ning genom smältsvetsning vara anbragta nära eller så gott som intill varandra med fiberändarnas längdaxlar väsentligen inrik- tade med varandra eller åtminstone väl parallella med varandra.

Belysningen åstadkoms då med fördel med hjälp av en enda lämp- ligt placerad ljuskälla.

Kropparna resp ändarna hos var och en av de två fibrerna vrids sedan ett lämpligt vinkelintervall från sitt utgångsvinkelläge kring sin längdaxel. Det minsta användbara vinkelintervallet är beroende av kropparnas resp fibrernas rotationssymmetri. Om ro- tationssymmetrin är tvåfaldig, dvs om t ex tvärsnittet hos en kropp vid vridning av ett halvt varv sammanfaller med tvärsnit- tet i utgångsläget, är vinkelintervallet minst ett halvt varv.

Detta kan ibland gälla för t ex fibrer med dubbel kärna. I all- mänhet är emellertid symmetrin inte perfekt och det är då lämp- ligt med ett vinkelintervall av ett helt varv. Under vridningen bestäms för olika vinkellägen skillnaden mellan ljusintensiteten hos ljus, som har passerat genom fiberänden och till sitt läge motsvarar det centrala partiet av fibern, och hos ljus, som har passerat genom fiberänden och till sitt läge motsvarar det när- mast utanför fiberns centrala parti liggande området. Bestäm- ningarna av skillnaderna, även benämnda höjder, görs med fördel över vinkellägen jämnt fördelade över det använda vinkelinter- vallet.

De bestämda skillnaderna för den ena kroppen resp fiberänden jämförs sedan med skillnaderna för den andra kroppen resp fiber- änden. Ur denna jämförelse bestäms vinkelförskjutningen från det vinkelläge för den ena kroppen eller fiberänden relativt dess utgångsvinkelläge, som om det skulle ha varit just kroppens resp fiberändens vinkelutgångsläge, hade gett den bästa överensstäm- melsen mellan de bestämda skillnaderna för denna kropp/fiberände och skillnaderna för den andra kroppen/fiberänden. Den sökta vinkelförskjutningen kan då bestämmas som vinkeln motsvarande 503 451 6 detta vinkelläge. För fallet att kropparna är av olika slag resp fiberändarna till optiska fibrer av olika slag måste till vin- keln motsvarande det bestämda vinkelläget ett konstant värde tilläggas, som är specifikt för det par av kroppar resp par av optiska fibrer, för vilket bestämningen har utförts.

Vid bestämningen av skillnaderna vid olika vinkellägen för en kropp/ände för varje vinkelläge upptas en ljusintensitetskurva längs en rät linje i huvudsak vinkelrät mot kroppens/fiberändens längdaxel, varefter denna kurva utvärderas för bestämning av skillnaden mellan kurvans centrala parti och de närmast det centrala partiet liggande områdena av kurvan. För varje vinkel- läge kan vidare ljusintensitetskurvor upptas längs flera på av- stånd från varandra belägna sådana räta linjer. Vid bestämningen av skillnaden för ett visst vinkelläge används då medelvärdet av skillnaderna bestämda ur de för detta vinkelläge upptagna kur- vorna. Överensstämmelsen mellan skillnaderna pl, p2, ..., pN för den ena fiberänden och skillnaderna ql, q2, ..., qN för den andra fiberänden bestäms på fördelaktigt sätt med hjälp av en korrela- tionsfunktion C enligt N N (N Piqi - if 91,23 qi) N 22 i=1 i N _E N [Nïpfiw i=l 1 1 där ett högt värde på C innebär en god överensstämmelse.

Oftast kan skillnaderna upptas endast för ett begränsat antal vridningsvinklar och då kan för att utvärdera överenstämmelsen mer noggrant en interpolationsfunktion beräknas för de bestämda skillnadsvärdena för en kropp/fiberände som funktion av vinkel- vridningen. Ur interpolationsfunktionen kan då ytterligare in- terpolerade skillnadsvärden bestämmas för jämförelsen med skill- nadsvärdena för den andra kroppen/fiberänden.

När en kropp har en cylindrisk yttre yta, såsom för en optisk fiber, kan för vridningen en anordning användas, där kroppen är 503 451 7 placerad mellan två inbördes parallella plana ytor i kontakt med kroppens cylindriska yta. Dessa plana ytor förskjuts sedan i förhållande till varandra och parallellt med varandra för att ge kroppen de olika vinkelinriktningarna.

I det speciella fallet med ändar av optiska fibrer, särskilt optiska fibrer med dubbel kärna, kan bestämningen av vinkelför- skjutningen kring fiberändarnas längdaxel mellan planen genom optiskt störande områden resp genom de två kärnorna hos ändarna av två optiska fibrer med dubbla kärnor, användas vid förbind- ning av fibrerna för att ge goda skarvar. Då placeras ändytorna hos de optiska fibrerna nära eller alldeles invid varandra och mitt för varandra med de längsgående axlarna hos fibrerna i hu- vudsak inriktade med varandra eller åtminstone i huvudsak paral- lella med varandra. Sedan vrids fibrernas ändar kring sina längsgående axlar för att inta ett vinkelläge i förhållande till varandra, så att en vinkelinriktning mellan störområdena, sär- skilt planen genom de dubbla kärnorna, i vardera fiberänden er- hålls. Till sist fixeras fiberändarna i detta läge i förhållande till varandra på något lämpligt sätt, särskilt genom smältsvets- ning. Vridningen av den ena fiberns ände i förhållande till den andras ände skall då utföras med ett vinkelbelopp motsvarande den före vridningen bestämda vinkelförskjutningen.

FIGURBESKRIVNING Ett utföringsexempel av uppfinningen, som ges i åskådliggörande men ej begränsande syfte, skall nu beskrivas i samband med de bifogade ritningarna, i vilka - figurerna 1 och 2 schematiskt visar en optisk fiber med dubbla kärnor belyst av en ljuskälla och den resulterande ljusintensi- teten efter ljusets passage genom fibern för två olika oriente- ringar av fiberns spänningskoncentrationsområden i förhållande till de infallande ljusstrålarnas riktning, - figur 3 schematiskt visar strålgång och elektroder i en skarv- ningsapparat för optiska fibrer, - figur 4 schematiskt, delvis i blockform, visar en anordning för att skarva optiska fibrer, - figur S visar i princip, hur vridningen av de optiska fibrer- nas ändar utförs, 503 451 8 - figur 6 i sidovy visar en hållare för vridning av en optisk fiber, - figur 7 visar ett diagram över relativ central ljusintensitet som funktion av vridningsvinkeln, - figur 8 visar ett diagram över korrelationsvärden som funktion av förskjutningsvinkeln, - figur 9 visar ett diagram liknande det i figur 8 men för ett mindre vinkelintervall.

BESKRIVNING Av FÖREDRAGEN UTFöRINGsFoRM Nedan skall uppfinningen beskrivas i samband med inriktning och förbindning av ändar hos optiska fibrer med dubbel kärna.

I figurerna 1 och 2 visas schematiskt strålgången vid passage av ett plant strålknippe (kommer uppifrån sett i figurerna) genom en optisk fiber 1 av typen med två kärnor 3, vriden i två olika orienteringar kring sin längdaxel. Den optiska fibern 1 har ock- så en mantel eller cladding 5 med i huvudsak yttre cirkulärcy- lindrisk yta, som omger kärnorna 3. Dessa är belägna på två platser i förhållande till fiberns längdaxel, vilka ligger mer eller mindre exakt diametralt motsatt varandra, sett i fiberns tvärsnitt, dvs så att de ligger i ett plan 8 genom fiberns 3 längdaxel 7. Vid förbindning av två sådana fibrer skall för upp- nående av maximal transmission av ljus från den ena fiberkärnan i en fiberände till motsvarande fiberkärna i den andra fiberän- den vid en skarv, ändytorna hos kärnorna i de båda fiberändar, som skall skarvas ihop, placeras mitt för varandra.

Längst ned i dessa figurer visas intensiteten hos ljus, som har passerat fibrerna, där intensitetskurvan är tagen längs en rikt- ning vinkelrät mot dels det infallande parallella strålknippet, dels vinkelrät mot den optiska fiberns längdaxel. Kurvan är vi- dare upptagen längs en linje, som går approximativt genom fo- kallinjen för den lins, vilken bildas av fiberns mantel 5. I figur 1 visas en orientering av en optisk fiber 1, vid vilken fiberkärnorna 3 är placerade, så att de båda ligger i linje med och symmetriskt i förhållande till det inkommande strålknippets riktning. Ljusstrålar, som infaller mot kärnorna 3 bidrar inte i nämnvärd grad till den ljusintensitet, vilken kan iakttas på 503 451 9 andra sidan fibern, dvs efter ljusstrålarnas passage genom fi- bern 1. Avböjningar av ljusstrålarna äger rum vid dessas passage in i och ut från dessa områden och vid reflexion mot fiberkär- nornas yta. Eftersom i detta fall ljusstrålarna kan passera obe- hindrade genom den optiska fiberns yttre manteldelar och vidare en cylindrisk kropp, såsom nämnts ovan, har en fokuserande ef- fekt på inkommande parallella ljusstrålar, vilken benämns den optiska fiberns linseffekt, fås en avsevärd ljusintensitet vid det motsvarande fokuset, vilket i ljusintensitetskurvan visar sig som en tämligen hög central topp 9.

I figur 2 är orienteringen av den optiska fibern i stället så- dan, att de två kärnorna 3 i huvudsak ligger längs en diameter i den optiska fibern, vilken diameter är vinkelrätt mot det infal- lande parallella strålknippets riktning. Såsom framgår av figu- ren, förhindras i detta fall en stor del av de infallande ljus- strålarna att passera genom den optiska fibern på grund av den störande effekten av kärnorna 3. De kvarvarande ljusstrålarna, som placerar genom den optiska fibern, såsom om denna vore en cylindrisk kropp, bryts annars samman på vanligt sätt enligt linseffekten. En ljusintensitetskurva, som visas nedtill i figur 2, har då en central topp 9, vilken har betydligt lägre höjd i detta fall jämfört med kurvan nedtill i figur 1.

Vid en kontinuerlig vridning av den optiska fibern 1 kring sin längdaxel fås kurvor av den typ, vilka visas nedtill i figurerna 1 och 2 och i vilka den centrala intensitetstoppen 9 har värden, vilka ligger mellan intensitetsvärdena hos de i dessa figurer visade kurvorna. I dessa kurvor bestäms för vridningar av fibern 1 vid olika vinkellägen ett värde h, som är skillnaden mellan höjden hos den centrala toppen 9 och direkt omgivande partier 10 av ljusintensitetskurvan.

Detta värde h bestäms för olika vinkellägen hos den optiska fi- bern 1, t ex för var tionde grad. De bestämda höjderna finns införda i diagrammet i fig. 7 för två olika fibrer, i detta fall för två olika fiberändar, vilka skall ihopskarvas, en vänster fiberände och en höger fiberände. För fibrer av samma slag bör deras höjdprofiler såsom visas i figur 7 ha principiellt samma 503 451 10 utseende och med en lämplig förskjutning av profilkurvorna kan dessa fås att på bästa sätt överensstämma. Det härigenom erhåll- na förskjutningsvärdet i vinkelled kommer då att vara vinkelför- skjutningen mellan fiberändarna i deras utgångslägen.

För en numerisk utvärdering av överensstämmelsen kan de bestämda värdena på h skrivas som vektorer P respektive Q: P Q {P1|P2rP3v---:P35} (1) {qlrqzrq3r~~°rq3fi} (2) där pl, ql är värden vid vinkelläget 0°, p2, q2 är värden vid vinkelläget l0°, etc.

En korrelationsfunktion definieras sedan på följande sätt: N3N/4-l 3N$%-1 3NšÉ-1 2 c k u x y - 5 i=N/4 xnkyl _ i=N/4 xuk i=N/4 h) ( ' ' ' V NaN/irl 2 au/š-l 2 N3N/4-1 2 su/ix-l 2 r- x- -< x- > 1-r- y--< y-> 1 2i=N/4 ”k i=N/4 ”k 2i=N/4 l i=N/4 l (3) där vektorerna X och Y definieras som X = {x1,x2,x3,...,xN} (4) Y = {Y1rY2rY3r---:YN} (5) N är antalet betraktade ekvidistanta mätpunkter och antas vara jämnt delbart med 4, så att för t ex vektorerna P, Q gäller N = 36, och k är det indexvärde, där punkterna startar i vektorn X vid beräkning av korrelationen. Indexvärdet k är ett heltal i intervallet -N/4 5 k < N/4 och det motsvarar då också ett vin- kelvärde. Korrelationen beräknas enligt (3) för ett antal punk- ter, som motsvarar hälften av totala antalet N av mätpunkter och alltså motsvarande en vridning av ett halvt varv av fibrerna.

Närmare bestämt beräknas korrelationen för N = 36 mellan mät- punkterna xk+9, xk+10' ..., xk+23 och yg, ylo, ..., y23, eller för t ex mätvärden vid vridningsvinklarna (-90°+k'10°), 503 451 ll (-80°+k'l0°), (-70°+k'l0°), ..., (70°+k°l0°), 80°+k°lO°) för den ena fibern och vid vridningsvinklarna -90°, -80°, -70°, ..., 70°, 80° för den andra fibern. Startindex k genomlöper här hel- talen från och med -9 till och med 8 och motsvarar alltså vin- kelvärden i X-vektorn -90°, -80°, ..., 80°. På detta sätt beräk- nade korrelationsvärden C för två fiberändar (sätt X = P, Y = Q) finns införda i diagrammet i fig. 8. Av denna figur framgår att korrelationsmaximum fås approximativt vid 0° eller k = 0.

Med korrelationsfunktionen (3) är det sålunda möjligt att jäm- föra en h-profilvektor P med en annan h-profilvektor Q för att finna det läge, dvs det summeringsintervall för vektorn P, där den maximala korrelationen kan erhållas mellan de båda h-profi- lerna, se fig. 8. Om t ex K är den punkt, där den maximala kor- relationen finns, så att alltså nax{c(k,N,P,Q), ke[-N/4, +N/4]} = c(K,N,P,Q) i (6) kan förskjutningen i vinkelled kring fibrernas längdaxel mellan planen genom fibrernas två kärnor eller allmänt mellan två ändar av likadana fibrer, som uppvisar en optisk inhomogenitet vid vridningen kring sin längdaxel av det i fig. 1 och 2 illustrera- de slaget, grovt bestämmas som a = lO(K - N/4) (grader) (7) där talet 10 är en skalfaktor, som anger att mätpunkterna ligger vid var 10:e grad. Ekvationen (3) ger förskjutningen a med en noggrannhet mindre eller bättre än i9°.

Inom ett sådant bestämt område av t9° kan sedan en glatt profil- kurva för storheten h för varje fiberände bestämmas med hjälp av en kurvanpassningsmetod, t ex genom interpolation med kubisk anpassning ("cubic spline“). Den så bestämda funktionen för den ena fiberänden kan för numeriska beräkningar betecknas som en vektor liksom ovan Pa = {P1IP2rP3r°~~IPN} (8) 503 451 12 med komponenter lika med de interpolerade h-värdena i t ex N = 36 punkter avvikande från vinkeln a med -17°, -16°, -15°, ..., l7°, l8°. På motsvarande sätt betecknas en vektor Q för den and- ra fiberänden liksom ovan Q = {q1rq21q3r---rqN} (9) med komponenter lika med de interpolerade h-värdena i N punkter, t ex vid vinkelvärden -l7°, -16°, -15°, ..., l7°, l8° såsom ovan.

Korrelationsfunktionen (3) används åter för att bestämma korre- lationen mellan de interpolerade värdena enligt (8) och (9) för olika värden på startindex k, som vid exemplet enligt ovan mot- svarar vinkelavvikelserna -8°, -7°, -6°, ..., 8°, 9° från vrid- ningsvinkeln a. Sedan bestäms åter liksom ovan det startindex K och den motsvarande vinkelavvikelse G, vilken ger maximal korre- lation, dvs så att Max{c(k,N,1>a,Q), ke[-N/4, +N/4]) = c(1<,N,P,,,Q) (10) En kurva uppritad för de korrelationsvärden, som har bestämts med hjälp av de interpolerade värdena för h-profilerna i fig. 7, visas i fig. 9 för vinkelintervallet (a - 9°,a + 9°). Maximum hos kurvan i fig. 9 ligger här vid 8 = -l,0°.

Den slutgiltigt bestämda vinkelförskjutningen afinal mellan än- darna av de två fibrerna erhålls då som Gfinal = (I + e I det i fig. 7 - 9 visade exemplet är sålunda vinkelförskjut- ningen mellan fiberkärnornas lägen eller planet genom dessa i de båda optiska fibrerna med dubbel kärna lika med afinal = O - 1,0 = -l,0°. Detta innebär, att om den högra fiberns h-profil, som framgår av de fyllda cirklarna i fig. 7, förflyttas en vinkel afinal = -1,0° (vinkeln 1,0° i riktning åt höger sett i figu- ren), kommer det största värdet på korrelationen att erhållas och en bästa överensstämmelse mellan de uppmätta h-värdena. Det- 503 451 13 ta motsvarar en vridning av den högra fibern samma vinkel l,0° åt det ena hållet.

Vid varje beräkning av korrelationsvärdet C med hjälp av formel (3) för att preliminärt bestämma ett mindre vinkelintervall, där en noggrannare beräkning görs, såsom har beskrivits ovan i sam- band med formlerna (8) - (10), utnyttjas bara bestämda värden för ett vinkelintervall av 180°. Detta ger i många fall till- räcklig noggrannhet. De valda gränserna för indexet i vid summe- ringen motsvarar emellertid bara en inbördes vinkelförskjutning av högst 190°, vilket kan vara tillräckligt, om fibrerna har en motsvarande rotationssymmetri, dvs om sett i ett tvärsnitt detta samman faller med sig självt vid en vridning av l80°, dvs en 2- faldig rotationssymmetri. Vid fibrer, som inte uppfyller detta kriterium, måste summeringsintervallen utvidgas, så att korrela- tionsvärden motsvarande vridningar av il80° kan beräknas.: För detta utvidgas vektorerna P och Q cykliskt: P' = fPlfPzfPs'~--fP3efP37'P3efP39f---fPvzl (V) 9' = íqvqzfqsf---fqasfqavfqssfqssw--Hqvzí (f) där pl = p37, ql = q37 är värden vid vinkelläget 0°, p2 = p38, qz = q38 är värden vid vinkelläget 10° vid en vridning från ut- gångsläget, etc.

En något modifierad korrelationsfunktionen C' får då utseendet 36 36 36 2 (36_§ Pi+kqi - __ Pimffïlqi) C/(k'36,P/'Q/)= 1-1 1-1 i- (3) se 2 se 2 36 2 se 2 [M_E phk-L Pina N36, qi-p qi) 1 i=l i=l i=1 i=l Här motsvarar k = 1 en inbördes vinkelförskjutning av 10°, k = 2 en förskjutning av 20°, etc upp till k = 36, som motsvarar en inbördes vinkelförskjutning av 360°. Liksom ovan bestäms det k- värde, för vilket korrelationsfunktionen C' får ett maximalt värde, och detta ger ett första, grovt värde på vinkelförskjut- 503 451 14 ningen. Sedan utförs den finare bestämningen med hjälp av inter- polationsförfarandet enligt ovan.

Det ovan beskrivna förfarandet för bestämning av vinkelförskjut- ningen kring längdaxeln mellan två ändar hos likadana optiska fibrer kan utföras i vanliga processorstyrda skarvningsapparater för optiska fibrer och det kan i dessa utnyttjas för att på ett enkelt sätt åstadkomma en ihopfogning av sådana fibrer med skar- var, i vilka optiskt störande områden i en fiberände är väsent- ligen inriktade med motsvarande optiskt störande områden i en annan fiberände och i vilka i det speciella fallet alltså två kärnorna i fibrer med dubbel kärna är väsentligen inriktade och placerade mot varandra.

Vissa väsentliga delar i en kommersiellt tillgänglig skarvnings- anordning för optiska fibrer av standardtyp visas i figur 3. Två ljuskällor 13 är så anordnade, att de utsänder ljusknippen, vil- ka träffar den optiska fibern 1 under inbördes vinkelräta rikt- ningar. Ljusknippena genom fibrerna passerar optiska linser 15 av standardkvalitet, avböjs med hjälp av prismor 17 och samlas till ett enda parallellt strålknippe med hjälp av en strålkly- vare 19. Det sålunda åstadkomna enda parallella strålknippet avböjs ytterligare i ett prisma 21 och avbildas med hjälp av en lins 23 på de ljuskänsliga elementen i en ej visad videokamera.

Linsen 23 kan tillhöra denna videokamera. Med hjälp av detta optiska system kan således en optisk fiber betraktas i två vin- kelräta riktningar. De båda ljuskällorna aktiveras härvid lämp- ligen omväxlande med varandra. Vid en skarvning av två optiska fibrer alstras en ljusbåge mellan elektroder 25, som är så pla- cerade, att ljusbågen uppvärmer ändytorna hos de båda fibrerna och smälter samman ändarna.

En anordning för att skarva två optiska fibrer visas schematiskt i figur 4. Denna anordning är i princip en konventionell auto- matisk skarvningsanordning för optiska fibrer kompletterad med anordningar för att orientera fibrerna i vinkelled och eventu- ellt försedd med särskilda rutiner för att analysera de bestämda ljusintensitetskurvorna. Figur 4 är också schematisk med vissa delar av det optiska systemet utelämnade, så att t ex inga lin- 503 451 15 ser och prismor visas och bara en enda ljuskälla 13.

De båda optiska fibrer, vilka skall skarvas ihop, placeras med sina ändar i särskilda hållare 27, med hjälp av vilka fibrerna kan vridas kring sin längdaxel. Dessa hållare 27 är vidare an- ordnade på de vanliga inriktningsstöden 29 för fiberändarna hos skarvningsapparaten. Fiberstöden 29 kan vidare, relativt varand- ra, manövreras i samma vinkelräta riktningar, som anges av de båda strålriktningarna från lamporna 13 i figur 3, och också i fibrernas längdriktning med hjälp av drivmotorer 31, vilka styrs av logiska kretsar och programvara i en processorlogikmodul 33.

Lampan 13 aktiveras via sina egna drivkretsar 35 av processorlo- giken 33. Elektroderna 25 drivs av motsvarande drivkretsar 37 styrda av processorlogiken 33. En videokamera 39 upptar bilden av fiberändarna och leder motsvarande bildsignaler via ett vi- deogränssnitt 41 till en bildbehandlings- och bildanalysmodul 43. Resultatet av bildbehandlingen och bildanalysen i denna mo- dul 43 leds till processorlogikmodulen 33 och ett resultat kan visas på en bildskärm 45. Också den direkt erhållna bilden av fibrernas ändområde upptagen med hjälp av videokameran 39 kan visas på skärmen 45.

Vid mätningar på och en eventuell skarvning av två optiska fib- rer placeras dessa med sina ändar i vridhållarna 27, så att fib- rerna inriktas parallellt med och mitt för varandra. Med hjälp av den konventionella styrningen genom processorlogikmodulen 33 inriktas de båda fibrerna med varandra i tvärriktningen i för- hållande till fibrernas längdaxlar och deras ändytor bringas också nära intill varandra. En bild av fibrernas ändområde kan då visas på bildskärmen 45 och med hjälp av bildbehandlings- och bildanalysmodulen 43 visas också kurvor motsvarande kurvorna längst ned i figurerna l och 2 för flera olika, på lika avstånd från varandra belägna kurvor tagna vinkelrätt mot fibrernas längdriktning på vardera sidor om den tilltänkta skarven.

Genom påverkan av manöverrattar 47 hos vridhållarna 27 varieras fibrernas vridningsvinkel från ett utgångsläge, så att kurvor upptas för över ett varv jämnt fördelade vinkelvärden, t ex så- som föreslagits ovan var 10:e grad. Höjderna h hos ljusintensi- 503 451 16 tetsprofiler för ett visst vinkelläge bestäms, genom att kurvor- na analyseras automatiskt, höjden hos deras centrala toppar be- stäms och medelvärdet av flera sådana höjder sedan beräknas.

Motsvarande numeriska värden för vardera fiberänden kan då kon- tinuerligt visas på bildskärmen 45. När fibrerna vrids eller rullas med hjälp av manöverratten 47 kan vidare fibrernas läge behöva justeras för att fortfarande kunna iakttas och detta ut- förs såsom tidigare av den automatiska inriktningsstyrningen i processorlogikmodulen 33 genom aktivering av styrmotorerna 31 för hållarna 29.

Med hjälp av den ovan beskrivna förfarandet kan nu de bestämda h-värdena för de båda fibrerna utvärderas för bestämning av för- skjutningen mellan vinkelläget kring fibrernas längdaxel för de optiskt störande områdena hos de optiska fibrerna i deras ut- gångsläge och alltså hur mycket fibrerna skall vridas i förhål- lande till varandra för att dessa områden i fibrerna skall bli inriktade med varandra.

När en skarvning av fibrerna skall utföras, vrids nu fibrerna i förhållande till varandra, i praktiken vrids den ena fibern från sitt utgångsläge medan den andra är kvar i sitt utgångsläge, en vinkel lika med den bestämda vinkelförskjutningen, så att vin- kelläget kring respektive fibers längdaxel för de optiskt stör- ande områdena blir detsamma och i det speciella fallet planet genom fiberkärnorna ligger i samma vinkel. Sedan inriktas fib- rerna med varandra i sin längdriktning åter med hjälp av den automatiska inriktningsstyrningen i processorlogikmodulen 33, genom att styrmotorerna 31 för hållarna 29 aktiveras på lämpligt sätt. Därefter bringas fibrernas ändytor till anliggning mot eller mycket nära varandra, varefter elektroderna 25 tillförs spänning och en lämplig uppvärmnings- och svetsström får passera mellan dessa under en lämpligt vald tid, varigenom de båda fib- rernas ändar ihopsmälts. Efter det att fibrernas ändar har kall- nat, är fiberskarven klar.

Funktionsprincipen hos anordningen 27 för att vrida fibrerna framgår av figur 5. Den optiska fibern 1 är här anordnad mellan två parallella ytor eller plan 48, varav den ena kan förflyttas 503 451 17 parallellt med den andra. Vid denna förflyttning kommer fibern 1 att rulla och alltså samtidigt både förskjutas i sidled och vri- das, förutsatt att fibern anligger mot de båda parallella ytor- na. För en bestämning av fiberns 1 vinkelläge fastsätts på fi- bern en indikatoranordning såsom en tejpbit 63 med ett utskju- tande öra 65. Vidare finns en transparent gradskiva 67 med en vinkelgradering 69 anordnad med fibern 1 approximativt i cent- rum. Dimensionerna hos fibern 1 och gradskivan är sådana, att även om fibern 1 rullas ett helt varv, vilket typiskt en för- flyttning av fibern i sidled av 0,5 - 1 mm, är fibern fortfaran- de tillräckligt nära centrum av gradskivan 67 för att en till- räckligt noggrann vinkelavläsning skall kunna utföras.

Motsvarande anordning visas mer detaljerat i figur 6. På en un- derdel 49 löper ett rektangulärt block 51, som särskilt har pa- rallella övre och undre större ytor. Blocket 51 förflyttas, ge- nom att det påverkas av spetsen av en skruv 53, som passerar ge- nom en lämplig gängning i underdelen 49. En returfjäder 61 är vidare anordnad och stödjer med sin ena ände mot en anslagsyta hos underdelen 49 och med sin andra ände mot den sida av blocket 51, som är motsatt den yta, på vilken skruven 53 verkar med sin spets. På skruven 53 är den tidigare nämnda manöverratten 47 anbragt. Den optiska fibern 1 ligger på den övre ytan av blocket 51, vilket alltså motsvarar den undre rörliga delen i figur 5.

Den övre fasta delen i figur 5 motsvaras här av en uppfällbar platta 55, som är lagrad vid en led 57 i underdelen 49. När den fällbara överplattan 55 är nedfälld mot en anslagsyta hos under- delen 49, är överplattans 55 undre yta parallell med den övre ytan hos det förskjutbara blocket 51. överplattan 55 hålls i läge mot detta anslag med hjälp av en magnet 59, som samverkar med materialet i underdelen 49, vilket i allmänhet är stål. Här- igenom hålls den optiska fibern 1 i lämplig beröring mot både den övre plattan 55 och det undre blocket 51 och kommer att rul- la och därigenom vridas, när manöverratten 47 och härigenom skruven 53 vrids, så att det undre blocket 51 förskjuts, anting- en påverkat direkt av en kraft från skruvens spets eller av re- turfjädern 61.

Claims (20)

5 0 3 4 51 18 PATENTKRAV

1. Förfarande för bestämning av förskjutningen mellan vinkellägen kring längdaxlarna hos optiskt inhomogena områden liggande paral- lellt med längdaxlarna i två i godtyckliga vinkelutgångslägen placerade cylindriska kroppar, särskilt två ändar av optiska fib- rer, k ä n n e t e c k n a t av - att kropparna belyses med ett strålknippe, särskilt i huvudsak vinkelrätt mot längdriktningen hos kropparna, varvid strålknippet innefattar ljus, för vilket kropparna är transparenta, - att kropparna vrids ett förutbestämt vinkelintervall, särskilt minst ett halvt varv för en kropp med en motsvarande symmetri och företrädesvis ett helt varv, från sitt utgångsvinkelläge kring sin längdaxel, - att under vridningen bestäms för olika vinkellägen skillnaden mellan ljusintensiteten hos ljus, som har passerat genom kroppen och till sitt läge motsvarar det i längdriktningen sett centrala partiet av kroppen, och hos ljus, som har passerat genom kroppen och till sitt läge motsvarar det närmast utanför kroppens cent- rala parti liggande området, - att de bestämda skillnaderna för den ena kroppen jämförs med skillnaderna för den andra kroppen och att ur denna jämförelse bestäms vinkelförskjutningen mellan kropparna, genom att som vin- kelförskjutningen ta det vinkelläge för den ena kroppen relativt dess utgångsvinkelläge, som om det skulle ha varit just vinkelut- gångsläget för denna kropp, hade gett den bästa överensstämmelsen mellan de bestämda skillnaderna för denna kropp och de bestämda skillnaderna för den andra kroppen, valt bland alla möjliga vin- kelutgångslägen för den ena kroppen, eventuellt med tillägg av ett konstant vinkelvärde, karakteristiskt för paret av de två kropparna, när dessa är av olika slag.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att be- stämningen av skillnaderna görs längs en linje, som ligger vä- sentligen vinkelrätt mot motsvarande kropps längdaxel eller bil- dar en stor vinkel med denna och passerar invid eller väsentligen genom en fokallinje för kroppen betraktas som optisk lins.

3. Förfarande enligt ett av krav l - 2, k ä n n e t e c k n a t av att vid bestämningen av skillnaderna vid olika vinkellägen för 503 451 19 en kropp upptas för varje vinkelläge en ljusintensitetskurva längs en rät linje, som går i huvudsak vinkelrät mot kroppens längdaxel eller bildar en stor vinkel med denna, varefter denna kurva utvärderas för bestämning av skillnaden mellan kurvans centrala parti och de närmast det centrala partiet liggande om- rådena av kurvan.

4. Förfarande enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a t av - att för varje vinkelläge upptas ljusintensitetskurvor längs flera på avstånd från varandra belägna sådana räta linjer och - att vid bestämningen av skillnaden för ett visst vinkelläge an- vänds medelvärdet av skillnaderna bestämda ur de för detta vin- kelläge upptagna kurvorna.

5. Förfarande enligt ett av krav 1 - 4, k ä n n e t e c k n a t av att överensstämmelsen mellan skillnaderna pl, pz, ..., pN be- stämda för den ena kroppen och skillnaderna ql, q2, ..., qN för den andra kroppen bestäms med hjälp av en korrelationsfunktion C enligt N N (NÉ Piqi _ .f Pi i=1 i= där ett högt värde på C innebär en god överensstämmelse.

6. Förfarande enligt ett av krav 1 - 4, k ä n n e t e c k n a t av att för de bestämda skillnaderna för en kropp som funktion av vinkelvridningen bestäms en interpolationsfunktion, ur vilken yt- terligare interpolerade skillnadsvärden bestäms för jämförelsen med skillnadsvärdena för den andra kroppen.

7. Förfarande enligt ett av krav 1 - 6 för kroppar med cirkulär- cylindrisk yttre yta, k ä n n e t e c k n a t av - att vid vridningen är kroppen placerad mellan två inbördes pa- rallella plana ytor i kontakt med kroppen och - att dessa plana ytor förskjuts i förhållande till varandra och parallellt med varandra för att ge kroppen de olika vinkelinrikt- ningarna. 503 451 20

8. Anordning för bestämning av förskjutningen mellan vinkellägen kring längdaxlarna hos optiskt inhomogena områden liggande paral- lellt med längdaxlarna för två i godtyckliga vinkelutgångslägen placerade cylindriska kroppar, särskilt två ändar av optiska fib- rer, k ä n n e t e c k n a d av - organ för belysning av kropparna med ett strålknippe, vilket organ särskilt kan vara anordnat att avge ett parallellt strål- knippe och/eller att ge strålknippet en riktning i huvudsak vin- kelrät mot kropparnas längdriktning, - organ för att vrida var och en av kropparna ett förutbestämt vinkelintervall, särskilt minst ett halvt varv och med fördel ett helt varv, från sitt utgångsvinkelläge kring sin längdaxel, - organ för att under vridningen för olika vinkellägen bestämma skillnaden mellan ljusintensiteten hos ljus, som har passerat genom kroppen och till sitt läge motsvarar det centrala längsgå- ende partiet av kroppen, och hos ljus, som har passerat genom kroppen och till sitt läge motsvarar det närmast utanför kroppens längsgående centrala parti liggande området, - organ för att jämföra de bestämda skillnaderna för den första kroppen med de bestämda skillnaderna för den andra kroppen och för att ur denna jämförelse bestämma det vinkelläge för den förs- ta kroppen relativt dess utgångsvinkelläge, som om det skulle ha varit just vinkelutgångsläget för denna första kropp och skillna- derna hade bestämts för vinkelvärden utgående från detta vinkel- utgångsläge, hade gett den bästa överensstämmelsen mellan de be- stämda skillnaderna för denna första kropp och skillnaderna för den andra kroppen, valt mellan de bestämda skillnaderna för alla möjliga vinkelutgångslägen för denna första kropp, - organ för att bestämma vinkelförskjutningen som summan av den vinkel, vilken motsvarar detta vinkelläge och vilken anger skill- naden mellan vinkellägena kring kropparnas längdaxlar för de op- tiskt inhomogena områdena hos kropparna, och av ett konstant vin- kelvärde, vilket är karakteristiskt för paret av de betraktade kropparna och är lika med noll för likadana kroppar.

9. Anordning enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a d av att orga- nen för att bestämma skillnaderna vid olika vinkellägen för en kropp innefattar - organ för att för varje sådant vinkelläge bestämma ljusintensi- 503 451 21 teten längs en rät linje, som är i huvudsak vinkelrät mot krop- pens längdaxel och passerar inom eller i närheten av ett fokalom- råde bildat av ljusstrålar i strålknippet, som har brutits samman av en huvudsaklig del av kroppen.

10. Anordning enligt ett av krav 8 - 9, k ä n n e t e c k n a d av att organen för att bestämma skillnaderna vid olika vinkellä- gen för en kropp innefattar - organ för att för varje sådant vinkelläge uppta en ljusintensi- tetskurva längs en rät linje i huvudsak vinkelrät mot kroppens längdaxel och - organ för att utvärdera sådana kurvor för bestämning av skill- naden mellan kurvans centrala parti och de närmast det centrala partiet liggande områdena av kurvan.

ll. Anordning enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a d av - att organen för att för varje vinkelläge uppta en ljusintensi- tetskurva är anordnade att uppta ljusintensitetskurvor längs fle- ra på avstånd från varandra belägna sådana räta linjer och - att organen för att utvärdera kurvorna är anordnade att vid be- stämningen av skillnaden för ett visst vinkelläge bestämma skill- naden som medelvärdet av skillnaderna bestämda ur de för detta vinkelläge upptagna kurvorna.

12. Anordning enligt ett av krav 8 - ll, k ä n n e t e c k n a d av att organen för att jämföra de bestämda skillnaderna och för att bestämma vinkelläget är anordnade att för bestämning av gra- den av överensstämmelsen mellan skillnader pl, pz, ..., pN för den ena kroppen och skillnader ql, qz, ..., qN för den andra kroppen beräkna en korrelationsfunktion C enligt N N N 2 (Ni piqi - .E P12 qi) C = i= i=l i= N N N N [NE på ~ <2 pi>21- m2 qi ~ <2 qnz] i=l i=1 i=l i=l där ett högt värde på C innebär en god överensstämmelse.

13. Anordning enligt ett av krav 8 - 12, k ä n n e t e c k n a d av 503 451 22 - organ för att för de bestämda skillnaderna för en kropp som funktion av vinkelvridningen bestämma en interpolationsfunktion och för att ur denna bestämma ytterligare interpolerade skill- nadsvärden och - att organen för att jämföra de bestämda skillnaderna och för att bestämma vinkelläget är anordnade att också använda dessa interpolerade skillnadsvärden för jämförelsen med skillnadsvär- dena för den andra kroppen.

14. Anordning enligt ett av krav 8 - 13, när en kropp innefattar en i huvudsak cirkulärcylindrisk yttre yta, k ä n n e t e c k - n a d av att organen för att vrida kroppen innefattar två inbör- des parallella plana ytor, som är anordnade att komma i kontakt med kroppens yttre yta och som är förskjutbara i förhållande till varandra och parallellt med varandra.

15. Användning av förfarandet enligt ett av krav 1 - 7 vid för- bindning av två optiska fibrer, som var och en innefattar i fi- berns längdriktning gående, i förhållande till en längdaxel i fibern excentriskt placerade, optiskt inhomogena områden, inne- fattande stegen - att ändytor hos de optiska fibrerna placeras nära eller vid varandra och mitt för varandra med de längsgående axlarna hos fibrerna i huvudsak inriktade med varandra eller åtminstone i huvudsak parallella med varandra, - att fibrernas ändar vrids kring sina längsgående axlar för att inta ett vinkelläge i förhållande till varandra, så att inrikt- ning mellan optiskt inhomogena områden i vardera fiberänden er- hålls, - att fiberändarna fixeras i detta läge i förhållande till var- andra och särskilt förbinds, genom att områden vid fibrernas änd- ytor uppvärms och ihopsmälts, k ä n n e t e c k n a d av att vridningen av den ena fiberns än- de i förhållande till den andras ände utförs med ett vinkelbelopp motsvarande den bestämda vinkelförskjutningen.

16. Användning enligt krav 15, k ä n n e t e c k n a d av att vid bestämningen av vinkelförskjutningen belyses de nära varandra 503 451 23 liggande fiberändarna från sidan samtidigt med samma ljusknippe.

17. Användning enligt ett av krav 15 - 16, k ä n n e t e C k - n a d av - att för vridningen är vardera fiberns ände är änden placerad mellan två inbördes parallella plana ytor i kontakt med änden och - att dessa plana ytor förskjuts i förhållande till varandra och parallellt med varandra för att ge fiberänden lämplig vinkelin- riktning.

18. Användning av anordningen enligt ett av krav 8 - 14 i en skarvningsanordning för skarva ihop ändarna hos två optiska fib- rer, som var och en innefattar i fiberns längdriktning gående, i förhållande till en längdaxel i fibern excentriskt placerade, optiskt inhomogena områden, vilken skarvningsanordning innefattar - organ för att placera ändytorna hos de optiska fibrerna nära eller vid varandra och mitt för varandra med de längsgående ax- larna hos fibrerna i huvudsak inriktade med varandra eller åt- minstone i huvudsak parallella med varandra, - organ för att förbinda fibrernas ändar med varandra, k ä n n e t e c k n a d av organ för att vrida den ena fiberns ände kring dess längsgående längdaxel i förhållande till den and- ra fiberns ände ett vinkelbelopp motsvarande den bestämda vinkel- förskjutningen, så att inriktning mellan optiskt inhomogena områ- dena i vardera fiberänden erhålls.

19. Användning enligt krav 18, k ä n n e t e c k n a d av att organen för belysning innefattar en ljuskälla anordnad att sam- tidigt från sidan belysa de nära intill varandra liggande fiber- ändarna.

20. Användning enligt ett av krav 18 - 19, k ä n n e t e c k - n a d av att organen för att vrida en fibers ände innefattar två inbördes parallella plana ytor, som är anordnade på sådant av- stånd, att de kommer i kontakt med fiberns ände, och som är för- skjutbara i förhållande till varandra och parallellt med varand- rä.