DE69005361T2

DE69005361T2 - Verfahren zum Formen eines faseroptischen Endstücks.

Info

Publication number: DE69005361T2
Application number: DE90305504T
Authority: DE
Inventors: Christopher Mark Bailey; Nigel Charles Smith
Original assignee: Keymed Medical and Industrial Equipment Ltd
Current assignee: Keymed Medical and Industrial Equipment Ltd
Priority date: 1989-05-30
Filing date: 1990-05-21
Publication date: 1994-04-14
Anticipated expiration: 2010-05-22
Also published as: JP3086471B2; US5045100A; EP0400856B1; EP0400856A1; JPH03114006A; DE69005361D1; GB8912356D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faseroptik-Endstücks, in dem ein Bündel aus optischen Fasern in einem rohrförmigen Kanal, der von einem Gehäuse begrenzt ist, eingesetzt ist, die miteinander und mit dem Gehäuse durch Injektion einer Klebstoffmatrix verbunden sind. Ein Nachteil des Verfahrens ist, daß die Klebstoffmatrix nur beständig gegenüber mäßigen Temperaturen ist, wodurch eine Grenze gesetzt ist für die maximale Lichtmenge, die durch die Einheit durchgelassen werden kann. Die Klebstoffmatrix neigt auch dazu, weicher als das Glas zu sein, aus welchem die Fasern gebildet sind, so daß beim Polieren der Endfläche des Bündels die Faserenden abgerundet werden, was zu Oberflächenunregelmäßigkeiten und daraus folgend zu Verlusten bei der Lichtübertragung beim Anschließen an einen angrenzenden Lichtleiter führt. Der Vorgang des Verbindens ist auch zeitaufwendig, da der Klebstoff im allgemeinen für mehrere Stunden aushärten muß.
Aus der GB-1556046 ist es bekannt, die Fasern innerhalb einer Form mit Hitze zu beaufschlagen, um die Fasern ohne Verschweißung, zu verformen, so daß die Zwischenräume zwischen den Fasern beseitigt werden.
Aus der GB-1500038 ist es auch bekannt, einen freigelegten Endteil eines Faserbündels ohne Schmelzen der Fasern so zu erhitzen, daß die Fasern sich ausdehnen, bis sie eine konische Fläche eines Endstückes berühren, das für die Fasern als Wärmesenke dient.
Es ist auch bekannt, eine thermische Verschmelzung von optischen Faserbündeln bei der Bildung eines Endstücks zu verwenden, wobei ein Abschnitt des Bündels unter Druck erhitzt wird, damit die Fasern miteinander zu verschweißen. Bei diesem Vorgang ist eine sorgfältige Steuerung der Beaufschlagung mit Wärme und Druck erforderlich, um die Beschädigung der Fasern zu vermeiden, so daß infolgedessen die erforderliche Ausrüstung teuer und in der Verwendung komplex ist. Ein weiteres Problem dieses Verfahrens ist die Versprödung benachbarter, nicht zusammengeschweißter Fasern infolge der erforderlichen übermäßigen Wärmemenge.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines faseroptischen Endstückes geschaffen, mit den Schritten:
Einführen der Fasern in einen Kanal, der von einem Gehäuse begrenzt ist, welches einen Hülsenteil aufweist, der ein offenes Ende hat, und einen rohrförmigen Abschnitt des Kanals definiert, wobei die Fasern so eingeführt werden, daß sie in einem dichtgepackten Bündel über die Länge des rohrförmigen Teils abgestützt sind, und über das Ende des Hülsenteils vorstehen, bündiges Abschneiden des Bündels zur Bildung einer Stirnfläche und Verbinden der Fasern miteinander und mit dem Gehäuse zur Bildung einer Endstückeinheit, wobei die Fasern dadurch verbunden werden, daß Hitze örtlich auf die Stirnfläche aufgebracht wird zur Bildung einer Oberflächenschicht aus geschmolzenem Glas, wobei das Glas aus der Schicht zwischen die Fasern des Bündels fließen gelassen wird, und das Glas abkühlen gelassen wird, so daß das Glas eine Matrix bildet, die die Fasern miteinander und mit dem Gehäuse zur Bildung einer Endstückeinheit verschweißt.
Ein Vorteil eines derartigen Prozesses ist, daß eine minimale Erwärmung erforderlich ist, und damit die Versprödung nichtverschweißter Fasern minimiert ist, da die Wärme an einem Ort aufgebracht wird, der von den unverschweißten Fasern entfernt ist.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren als weiteren Schritt das Entfernen der Oberflächenschicht nach der Erstarrung. Zweckmäßigerweise wird dies erzielt durch einen Schnitt durch das Gehäuse in einer Richtung quer zur Längserstreckung der Fasern. Die Glasoberflächenschicht ist nach der Erstarrung tendenziell eingezogen, so daß das Querschneiden wieder eine ebene Stirnfläche der Einheit schafft.
Das Verfahren hat vorzugsweise den weiteren Schritt des Polierens der durch das Entfernen der Glasoberflächenschicht freigelegten Stirnfläche der Einheit.
Vorteilhafterweise erstreckt sich die Matrix über weniger als die volle Längenausdehnung des rohrförmigen Teils.
Dies stellt sicher, daß im Kanal unverschweißte Fasern direkt neben verschweißten Fasern liegen, und daher vom Gehäuse gestützt werden, so daß eine etwaige Versprödung dieser Fasern toleriert werden kann, da die Fasern im Betrieb keiner Biegung unterworfen werden.
Einzelne Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 in einer schematischen Schnittdarstellung ein Gehäuse in Form einer rohrförrnigen Hülse, die mit einem Bündel optischer Fasern mittels eines Kalibers bestückt wird;
Fig. 2 das Beschneiden des Bündels von Fig. 1;
Fig. 3 das Aufbringen von Wärme auf die Stirnfläche des Bündels von Fig. 2 mit Wärme unter Verwendung einer Infrarotlampe;
Fig. 4 die Auswirkung der Wärme auf die Fasern innerhalb der Hülse;
Fig. 5 die Hülse gemäß Fig. 4 nach dem weiteren Schritt des Entfernens der Glasoberflächenschicht nach der Erstarrung; und
Fig. 6 ein weiteres Gehäuse mit einem eingesetzten Faseroptikbündel vor dem Beschneiden in der schematischen Seitenansicht im Schnitt.
Wie aus der Fig. 1 zu ersehen ist, umfaßt ein Gehäuse 1 eine rohrförmige Hülse 2, die einen zylindrischen Kanal 3 begrenzt. Die Hülse 2 liegt in einer Bohrung 4 eines Kalibers 5, das einen trichterförmigen Kanal 6 hat, der mit der Bohrung und dem Kanal 3 in Verbindung steht.
Ein Bündel 7 optischer Fasern 8 wird in die Hülse 2 unter Verwendung des Kalibers 5, in dem das Bündel durch den trichterförmigen Kanal 6 eingeführt wird, eingesetzt. Das Kaliber 5 wird dann in zwei Hälften auseinandergenommen, um das von der Hülse 2 in dichtgepackter Formation umschlossene Bündel zurückzulassen, wobei der Querschnitt der Hülse mit Fasern 8 ausgefüllt ist. Die Fasern 8 haben kreisförmigen Querschnitt, so daß Zwischenräume (nicht dargestellt) in Längsrichtung der Fasern im Bündel 7 und zwischen den außenliegenden Fasern des Bündels und der Hülse 2 verlaufen.
Wie in der Fig. 2 dargestellt, wird ein Querschneider 9 verwendet, um das Bündel 7 am Vorderende 10 der Hülse 2 so zu beschneiden, daß das beschnittene Bündel eine ebene Stirnfläche 11 hat, wie in der Fig. 3 dargestellt. Der Stirnfläche 11 zugewandt wird eine Infrarotlampe 12 positioniert. Die Lampe 12 hat eine 150 Watt Wolfram Halogenlampe mit einem integralen Parabolreflektor, der am Brennpunkt des Ref lektors eine maximale Temperatur von ungefähr 1100ºC gibt. Die Lampe 12 ist in einem Abstand D von der Stirnfläche 11 angeordnet, der größer als die Brennweite F ist, und so angeordnet, daß der Brennpunkt 13 auf der Längsachse der Hülse 2 liegt.
Der Brennpunkt 13 ist auch ausreichend von der Stirnfläche 11 entfernt, damit die gesamte Stirnfläche beleuchtet wird.
Die Hülse 2 in den Figuren 1 bis 3 hat einen Durchmesser von 4 mm und eine Länge von 8 mm und ist mit Fasern mit 50 4m Durchmesser mit einer Dichte von 400 Fasern pro mm² bestückt. Die Brennweite F der Lampe beträgt 19 mm und die Lampe hat einen Abstand von 22 mm zur Stirnfläche 11.
Die Endfläche 11 wird durch Einschalten der Lampe für 150 sec örtlich mit Wärme beaufschlagt. Die Lampe wird dann ausgeschaltet und das Bündel 7 kann abkühlen.
Die Wirkung der Erwärmung ist in der Fig. 4 dargestellt, in der zu ersehen ist, daß die Endfläche 11a sich gegenüber dem vorderen Ende 10 der Hülse 2 zurückgezogen hat und eine Schalenform hat. Auf der zurückgezogenen Fläche 11a ist eine Glasoberflächenschicht 14 ausgebildet und besteht aus Glas, das vom erhitzten Bündel 7 abgeschmolzen ist und dann zu einer festen Schicht abgekühlt hat. Unterhalb der Oberflächenschicht 14 befindet sich eine Zone 15 mit verschweißten Fasern, bestehend aus dem Bündel Fasern, die ursprünglich die Hülse 2 an diesem Ort ausgefüllt haben, nun jedoch in einer Matrix eingebettet sind, bestehend aus Glas von der Oberflächenschicht 14, das in die Zwischenräume zwischen den Fasern durch Kapillarwirkung eingezogen worden ist. Diese Matrix bindet auch das Bündel an die Hülse 2. Der Kapillarfluß von der Oberflächenschicht 14 weg erodiert die Stirnfläche 11, die sich in die Hülse 2 mit einer fortschreitend konkaven Kontur zurückzieht.
Die Zone 15 erstreckt sich nicht über die ganze axiale Länge des Kanals 3 der Hülse 2, sondern endet an einer Stelle 16, jenseits deren das Bündel 7 Fasern hat, die von der Matrix nicht erreicht werden, und die daher nicht miteinander verschweißt sind.
Fig. 5 zeigt die Hülse 2 gemäß Fig. 4 nach dem Beschneiden zum Entfernen der Oberflächenschicht 14, das typischerweise dadurch erfolgt, daß eine weitere Scheibe mittels einer Diamantschleifscheibe entfernt wird, welche sowohl die Hülse als auch den verschweißten Bereich 15 des Bündels 7 durchtrennt.
Die Fasern innerhalb des verbleibenden Teils des verschweißten Bereiches 15 behalten ihre individuelle Beschaffenheit, während sie eng in die Matrix eingebettet sind. Solche Fasern, die sich nicht in dem verschweißten Abschnitt 15, jedoch immer noch innerhalb der Hülse 2 befinden, sind in dichter Packung gegen Biegung gestützt.
Die Hülse 2 und das Bündel 7 bilden zusammen eine Einheit 17, die nach weiterem Beschneiden wie in der Fig. 5 gezeigt, eine Stirnfläche 18 hat. Die Stirnfläche 18 wird poliert, um eine optisch ebene Fläche zu erzeugen, so daß die Einheit wirksam mit der Lichtübertragungsfläche irgendeines Lichtleiters, der eine vergleichbare Fläche hat, an den das Bündel 7 angeschlossen wird, zusammenwirkt.
Das Ausmaß, bis zu welchem die Hülse 2 beschnitten wird, um die Stirnfläche 18 freizulegen, ist bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel eine Tiefe von 2 mm vom vorderen Ende 10 der Hülse 2, unter Belassung von ungefähr 3 mm Tiefe miteinander verschweißter Fasern im Bereich 15.
In der Fig. 6 ist ein alternatives Gehäuse 20 dargestellt, wobei für entsprechende Elemente die gleichen Bezugsziffern wie bei den vorstehend beschriebenen Figuren verwendet worden sind.
Das alternative Gehäuse 20 hat einen Hülsenabschnitt 21, der einen zylindrischen Kanal 3 begrenzt, innerhalb welchem ein Faserbündel 7 eng gepackt aufgenommen ist.
Das Gehäuse 20 hat einen nach außen erweiterten Kanal 22, der mit dem Kanal 3 in Verbindung steht, und durch welchen das Bündel 7 eingesetzt werden kann, um die Fasern in eine enge Packung zusammenzupressen. Das Vorsehen des aufgeweiteten Kanals 22 umgeht die Verwendung eines Kalibers 5 bei der Montage.
Wie in der Fig. 6 dargestellt, steht das Bündel 7 anfänglich an dem vorderen Ende 10 des Hülsenabschnittes 21 vor. Das Bündel wird wie vorstehend anhand der Figur 2 beschrieben, beschnitten, und die Stirnfläche 11, die durch dieses Beschneiden gebildet worden ist, wird dann wie vorstehend anhand der Fig. 3 beschrieben, erhitzt.
Nach dem Erhitzen werden die Schneid- und Polierschritte wie vorstehend anhand der Figuren 4 und 5 beschrieben, durchgeführt.
Das vorstehend beschriebene Verfahren kann mit vielen unterschiedlichen Formen und Größen des Anschlußstückes durchgeführt werden, vorausgesetzt, daß diese einen Teil aufweisen, der einen rohrförmigen Kanal von im wesentlichen gleichmäßigem Querschnitt, der kreisförmig, quadratisch oder sonstwie sein kann, begrenzt. Das Gehäuse kann eine Endoskopspitze oder ein Verbinder einer Lichtleiterkupplung sein. Der Verbinder kann beispielsweise aus Faserglas, Messing oder anderen Materialien hergestellt sein.
Es können auch Fasern unterschiedlicher Abmessungen verwendet werden, beispielsweise können Fasern von 30 um Durchmesser auf 1100 Fasern pro mm², Fasern von 50 um Durchmesser auf 400 Fasern pro mm² und Fasern von 70 um Durchmesser auf 200 Fasern pro mm² gepackt werden. Bei derartigen Anwendungen sind Fasern im Bereich von 5 bis 250 um typisch und können bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren verwendet werden.
Die Menge der erforderlichen Aufheizung hängt von der Art des Glases ab, welches die Fasern bildet, und der Länge des zu verschweißenden Abschnittes. Beispielsweise haben Quarzfasern eine höhere Schmelztemperatur als die meisten Gläser. Die Wärmemenge ist durch Verändern der Heizdauer und/oder der Temperatur an der Stirnfläche 11 veränderbar. Die Temperatur an der Stirnfläche 11 kann durch Verändern der Lampenleistung oder Einstellen des Lampenabstandes D eingestellt werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines faseroptischen Endstücks (17) mit den Schritten:

Einführen der Fasern (8) in einen Kanal (3), der von einem Gehäuse (1) begrenzt ist, welches einen Hülsenteil (21) aufweist, der ein offenes Ende (10) hat und einen rohrförmigen Abschnitt des Kanals definiert, wobei die Fasern so eingeführt werden, daß sie in einem dichtgepackten Bündel über die Länge des rohrförmigen Teils abgestützt sind und über das Ende des Hülsenteils vorstehen, bündiges Abschneiden des Bündels zur Bildung einer Stirnfläche (11) und Verbinden der Fasern miteinander und mit dem Gehäuse zur Bildung einer Endstückeinheit, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern dadurch verbunden werden, daß Hitze örtlich auf die Stirnfläche aufgebracht wird zur Bildung einer Oberflächenschicht aus geschmolzenem Glas, daß das Glas aus der Schicht zwischen die Fasern des Bündels fließen gelassen wird, und daß das Glas abkühlen gelassen wird, so daß das Glas eine Matrix bildet, die die Fasern miteinander und mit dem Gehäuse verschweißt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, mit dem weiteren Schritt des Entfernens der Glasoberflächenschicht nach der Erstarrung.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Oberflächenschicht entfernt wird durch einen Schnitt quer durch den Hülsenteil.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, mit dem weiteren Schritt des Polierens der Endfläche 18 der Einheit, die durch Entfernen der Glasoberflächenschicht freigelegt wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Temperatur und Dauer der auf die Stirnfläche aufgebrachten Erwärmung so gesteuert wird, daß sich die Matrix über weniger als die volle Länge des rohrförmigen Abschnitts erstreckt.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Wärme mittels einer Infrarotlampe 12 aufgebracht wird.