DE69204965T2

DE69204965T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der geometrischen Charakteristiken von nominell zylindrischen Leiterstrukturen.

Info

Publication number: DE69204965T2
Application number: DE69204965T
Authority: DE
Inventors: Vita Pietro Di; Pierangelo Morra
Original assignee: SIP SAS
Current assignee: Telecom Italia SpA
Priority date: 1991-11-15
Filing date: 1992-11-12
Publication date: 1996-04-04
Anticipated expiration: 2012-11-13
Also published as: ITTO910884A1; EP0542251A2; EP0542251B1; JP2542995B2; IT1250341B; CA2082908A1; CA2082908C; EP0542251A3; DE542251T1; ES2041613T1; US5367372A; DE69204965D1; ES2041613T3; AU640879B2; JPH07286841A; ITTO910884A0; AU2749492A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Charaktensierung von Komponenten für optische Kommunikationssysteme und liefert ein Verfahren und ein Gerät zum Messen der geometrischen Charakteristiken von nominell zylindrischen Führungsstrukturen zur Verwendung in solchen Systemen.
Vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich, soll die Erfindung zum Messen der Nicht- Zirkularität der Außenfläche einer Buchse für einen Verbinder für Lichtleitfasern und der Exzentrizität ihres zentralen Lochs (Konzentritätsfehler zwischen dem zentralen Loch und der Außenfläche) dienen. Bekanntlich sind die Buchsen zylindrische Elemente beider Teile eines Verbinders mit einem zur Außenfläche koaxialen Loch, in das die Endteile der beiden zu verbindenden Faserabschnitte eingesteckt werden: Diese Anordnung dient der Sicherstellung einer korrekten Kernausrichtung, die zur Vermeidung von Verlusten notwendig ist.
Eine Anzahl von Komponenten fur optische Telekommunikationssysteme, wie Lichtleitfasern, Verbinderhülsen usw. müssen geometrische Charakteristiken haben, deren Werte in Bezug zu einem nominellen Wert innerhalb gewisser Toleranzspannen liegen müssen. Unter diesen Charakteristiken können für die oben erwähnten Komponenten, die nominell zylindrische Führungsstrukturen darstellen, die Außengröße, die Nicht-Zirkularität und die Exzentrizität eines zentralen Teils in Bezug zur Außenfläche genannt werden.
Beim Testen dieser Strukturen muß geprüft werden, ob die interessierenden Werte innerhalb der Toleranzen liegen.
Natürlich könnte eine direkte Messung der interessierenden Parameter durchgeführt werden, indem man sich mechanischer Instrumente oder Mikroskopietechniken mit Hilfe geeigneter Skalen bedient. Mechanische Instrumente können jedoch nur zum Bestimmen der Außenabmessungen und der hiervon abhängenen Parameter wie der Nicht-Zirkularität verwendet werden. Außerdem sind Instrumente, die die betroffenen Dimensionen (in der Größenordnung von höchstens einigen hundert Mikrometern im Fall von Fasern) genau verwerten können, extrem teuer; die Messungen mit Mikroskopietechniken erlauben zwar auch die Auswertung innerer Parameter, diese Techniken sind jedoch nicht immer ausreicheiid genau.
Aus diesen Gründen wird die Messung der geometrischen Parameter einer Führungsstruktur, die einen äußeren zylindrischen Teil und einen hierzu koaxialen inneren Teil umfaßt, im allgemeinen durch Analysieren eines Abbilds der Struktur durchgeführt, das durch geeignete Verfahren erhalten wird, wie etwa durch die in den CCITT-Empfehlungen, G.650, G.651 für die Messung von Modefeld (Fleckgröße) und Überzugsdurchmessem, eines Modefeld- Konzentrizitätsfehlers und der Nicht-Zirktilarität des Überzugs in Einmode- und Mehrmode- Lichtleitfasem beschriebenen Verfahren. Zweckmäßige Verfahren sind in der DE-A-38 22 425 und der US-A-4 441 026 beschrieben. Aufgrund der Analogie der Struktur könnten einige dieser Verfahren auch zum Charakterisieren von Verbinderhulsen verwendet werden, und zwar entweder mit oder ohne die in daß Loch eingesteckte Faser.
Die auf der Analyse einem Abbilds der Struktur basierenden Verfahren weisen den Nachteil auf, daß eine genaue Auswertung aller Parameter von einem einzigen Abbild nur dann erreicht werden kann, wenn die Absolutwerte der Parameter nicht wesentlich unterschiedlich sind.
"Nicht wesentlich unterschiedlich" bezeichnet hierbei eine Differenz von maximal etwa einer Größenordnung, wie es beispielsweise bei den Modefeld- und den Überzugsdurchmessern bei einer Einmode-Lichtleitfaser der Fall ist (etwa 10 um gegen etwa 125 um).
Unterscheiden sich andererseits die Werte um einige Größenordnungen, so werden Bilder mit unterschiedlichen Vergrößerungen verwendet, um die verschiedenen Parameter mit der gleichen relativen Präzision zu messen. Die verschiedenen Bilder werden im allgemeinen mit zwei getrennten Operationen und mit verschiedenen Techniken erhalten. Hierbei ergibt sich jedoch das Risiko, daß die Korrelation zwischen den verschiedenen Parametern verloren geht. Dies ist gerade die Situation, die im Fall des erhöhten Interesses für die Erfindung auftritt. Tatsächlich umfassen die zu messenden Parameter für die Charakterisierung der Hülse oder Buchse die Nicht-Zirkulantät der Außenfläche und die Exzentrizität des achsialen Lochs, wobei die Messung des letzteren Parameters die Messung der Exzentrizität des Modefelds einer in dieses Loch eingesetzten Einmode-Faser erfordert. Das Modefeld hat, wie erwähnt, eine Größe in der Größenordnung von 10 um, während der Außendurchmesser der Hülse in der Größenordnung einiger Millimeter beträgt: Sofern unterschiedliche Abbilder für das Modefeld und die Hülsendurchmesser verwendet werden, ist es schwierig, den Abstand zwischen der Hülse und dem Modefeldzentrum genau auszuwerten.
Diese Nachteile werden durch das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung überwunden, die die Auswertung der verschiedenen Parameter der Struktur mit einer einzigen Operation erlauben.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt die folgenden Schritte:
- Einsetzen der Struktur in eine V-Nut;
- Drehen der Struktur in der Nut um 360º;
- Feststellen der von einem Punkt eines zentralen Elements der Struktur in einer zur Längsrichtung der Nut senkrechten Ebene beschriebenen Kurve;
- Speichern der Koordinaten der Punkte der Kurve in Bezug zu einem System von Koordinatenachsen;
- numerische Analyse der Kurve zum Erhalten der interessierenden Parameter aus diesen Koordinaten, und zwar speziell der Exzentrizität des zentralen Elements in Bezug zur Außenfläche der Struktur, und der Nicht-Zirkularität dieser Fläche.
Zum Erfassen der Exzentrizität umfaßt die numerische Analyse Kurve die Folgenden Schritte umfaßt:
- für jeden Punkt der Kurve, Berechnen der Summe der Koordinaten des Punkts;
- Bestimmen des Maximums und des Minimums dieser Summe;
und
- Berechnen der Differenz zwischen dem Maximum und dem Minimum, wobei die Exzentrizität aus dem Verhältnis zwischen dieser Differenz und einem konstanten Faktor in Abhängigkeit von der Achsenausrichtung erhalten wird.
Zum Ermitteln der Nicht-Zirkularität umfaßt die numerische Analyse der Kurve die folgenden Schritte:
- Bestimmen des Baryzentrums der Kurve; und
- Berechnen des Mittelwerts des Quadrats der Abstände des Kurvenpunkts vom Baryzentrum, wobei die Nicht-Zirkularität aus diesem Mittelwert, aus der Exzentrizität und aus der größeren Halbachse bestimmt wird entsprechend der Beziehung:
wobei δ = die Nicht-Zirkularität, definiert Differenz zwischen dem maximalen und dem minimalen Durchmesser der Struktur, geteilt durch den Maximaldurchmesser oder den Nenndurchmesser, < > ² = der Mittelwert, d = die Exzentrizität, und R = der halbe Maximaldurchmesser oder Nenndurchmesser der Struktur.
Die Erfindung ist besser verständlich durcli die Bezugnahme auf die anhängende Zeichnung, in der zeigen:
- Fig. 1 einen Querschnitt durch eine zu charakterisierende Struktur;
- Fig.n 2, 3 Diagramme, die das erfindungsgemäße Verfahren veranschaulichen;
- Fig. 4 ein Diagramm, das sich auf eine Abwandlung bezieht;
- Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Geräts zum Durchführen des Verfahrens;
und
- Fig. 6 eine schematische Teilansicht der Einrichtung zum Steuern der Drehung der Struktur.
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer Führungsstruktur, die aus einem Körper 1 mit einer nominell zylindrischen Außenfläche besteht und ein zentrales Element 2 enthält, das nominell koaxial zur Außenfläche ist. Bei der bevorzugten Anwendung der Erfindung, die im folgenden beschrieben wird, ist die Struktur eine Buchse (Hülse) eines Verbinders fair optische Fasern und ist das zentrale Element 2 das Buchsenloch. Als Alternative kann das Element 2 das Modefeld einer Einmode-Lichtleitfaser sein, die in das Loch eingesteckt wird. Das Verfahren kann jedoch auf beliebige nominell zylindrische Strukturen angewandt werden, die zwei koaxiale Teile mit erheblich unterschiedlichen Durchinessern umfassen, beispielsweise eine Einmode-Lichtleitfaser.
Zum Bestimmen der Exzentnzität des zentralen Lochs und der Nicht-Zirkularität der Außenfläche wird der Körper 1 in einer V-Nut mit einer Apertur von 90º eingelegt und um 360º gedreht. Während dieser Drehung beschreibt das zentrale Element 2 (und zwar speziell dessen Zentrum) eine Kurve, deren Form vom Verhältnis zwischen den Werten der beiden oben genannten Parametern abhängt Die Kurvenanalysis erlaubt es, diese Werte zu erhalten, indem man bestimmte im folgenden dargelegte geometrische Gesichtspunkte auswertet. Zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung wurden die Exzentrizität des Lochs (von dem nur das Zentrum P gezeigt ist) und die Nicht-Zirkularität der Außenfläche in den Fig.n 2 bis 4 extrem übertrieben. Die Fig.n 3 und 4 zeigen die gesamte von Punkt P bei der Drehung des Körpers um 360º beschriebene Bahn. Die Form der Kurve 4 ist die für tatsächliche Strukturen typische Form und nicht die durch die in der Zeichnung dargestellte extrem deformierte Struktur erhaltene Form. Die Größe der durch die Kurve begrenzten Fläche ist ebenfalls übertrieben.
Zur vereinfachten Beschreibung sei angenommen, daß der Strukturquerschnitt eine Ellipse ist, deren größere Halbachse eine Länge R gleich dem Nennradius der Struktur hat. Die Exzentrizität wird wiedergegeben durch den Abstand d zwischen dem Punkt P und dem Ellipsenzentrum C; die zu messende Nicht-Zirkularität ist ein relativer Wert, der durch die Beziehung δ = (R - B)/R, angegeben wird, wobei B die Länge der Meineren Halbachse ist, die offensichtlich den Wert B = R - Rδ hat.
Im allgemeinsten Fall, in dem der Maximalradius und der Nennradius der Struktur verschieden sind und/oder kein Punkt entsprechend dem Punkt C existiert, der sowohl den Maximaldurchmesser als auch den Minimaldurchmesser der Struktur halbiert, kann die Nicht- Zirkularität als das Verhältnis der Differenz zwischen dem Maximumdurchmesser und dem Minimumdurchmesser zum Nenndurchmesser (in Übereinstimmung mit der von CCITT für die Nicht-Zirkularität des Überzugs einer optischen Faser gegebenen Definition) oder zum Maximaldurchmesser definiert werden.
In den Fig.n 2 und 3 sind folgende Größen angegeben:
θ = der Winkel, der zu einem gegebenen Zeitpunkt durch die längere Ellipsenachse zur x-Achse eines rechtwinkligen cartesischen Koordinatensystems mit dem Ursprung an der Kante (d.h. dem Scheitel des Querschniffs) der Nut 3 gebildet wird. Die x-Achse und die y-Achse dieses Systems können mit den Seiten eines Querschnüts der Nut 3 zusammenfallen oder, wie es in den Fig.n 2 und 3 gezeigt ist, kann eine von ihnen horizontal und die andere vertikal sein;
-Ψ = der Winkel, der von der Strecke CP mit der längeren Ellipsenachse gebildet wird;
- x&sub0;, y&sub0; = die Koordinaten des Mittelpunkts C&sub0; der Strecke C'C", wobei C' und C" = die Positionen, die das Zentrum der Ellipse für θ = 0 bzw. θ = π/2 einnimmt; die Länge der Strecke C'C" = R-Rδ/2, und der Punkt C&sub0; gibt das Baryzentrum der vom Punkt P beschriebenen Kurve 4 an.
- p = der Abstand des Punkts P vom Mittelpunkt der Strecke C'C";
- φ = der zu einem allgemeinen Zeitpunkt durch die Strecke PC&sub0; zur Achse x eingenommene Winkel.
Unter Berücksichtigung der Definitionen, ist der geometrische Ort der durch die Extremität P des Vektors PC&sub0; beschriebene Punkte aufgrund der Ellipsenrotation (für δ « 1) gegeben durch die Beziehungen:
x-x&sub0; = Rδ/2 cos 2θ+d. cos (θ-Ψ)
y-y&sub0; = Rδ/2 cos 2θ-d. sen (θ-Ψ) (1)
Die beiden Beziehungen (1) werden erhalten durch Anwendung der normalen Regeln der Untersuchung von geometrischen Örtern. Es ist zu würdigen, daß die Fehler, die darauf beruhen, daß die Beziehnngen (1) angenäherte Beziehungen sind, niedriger sind als die Fehler, die durch Meßungenauigkeiten und durch die numerische Berechnung eingeführt werden. Zusätzlich gilt:
Diese Beziehung kann unmittelbar aus den Beziehungen (1) abgeleitet werden, wenn berücksichtigt wird, daß
² = (x-x&sub0;)² + (y-y&sub0;)²
Zum Erhalten von d werden die Beziehnngen (1) ausgewertet. Durch Addieren dieser Beziehungen kann die folgende Gleichung erhalten werden, die die Koordinaten des Punkts P mit dem einzigen Wert d der Exzentrizität verknüpft:
(x + y) - (x&sub0; + y&sub0;) = d[ cos (θ - ψ) -sin (θ - ψ) ] (3)
Die Funktion (x + y) liat ein Maximum und ein Minimum, die gegeben sind durch (x + y)MAX = d 2 und (x + y)min = -d 2; somit gilt:
Es ist somit klar, daß die Kenntnis der Punkte der Kurve es ermöglicht, durch einfache Berechnungen den Exzentrizitätswert zu erhalten.
Zum Bestimmen von δ ist es notwendig, den Mittelwert von p² einzubeziehen, der gegeben ist durch
woraus man erhält
In Fig. 4 fallen die Achsen des Koordinatensystems mit den Seiten des durch einen Querschnitt durch die Nut 3 erhaltenen Winkels zusammen. Der Abstand I eines Punkts der Kurve 4 von einer horizontalen Achse, die durch den Ursprung der Achsen verläuft, beträgt I = (x+y)/ 2; dieser Abstand kann einen Maximumwert IM und einen Minimumwert Im haben, deren Differenz offensichtlich den Wert 2d angibt. Unter Berücksichtigung des Wert von I ergibt sich:
d = (IM - Im) / 2 = [(x + y) Max - (x + y) min ]/2 2 (7)
Es ist zu beachten, daß die Änderung der Achsen keinen Einfluß auf die Messung der Nicht- Zirkularität der Struktur hat.
Fig. 5 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens. Eine Quelle 5 emittiert ein Lichtbündel, das über ein durch Linsen 6 schematisch dargestelltes optisches System zuerst kollimiert und dann auf den Einlaß des zentralen Elements der Struktur 1 fokussiert wird, das auf einer Tragvorrichtung 3 mit einer V-förmigen Nut montiert ist. Das aus der Strukur austretende Bündel wird von einem optischen System aufgefangen, das durch Linsen 7 schematisch dargestellt ist, und wird auf eine TV-Kamera 8 oder einen anderen Detektor fokussiert, der in der Lage ist, die vom zentralen Element 2 beschriebene Kurve aufzunehmen. Die TV-Kamera wird von einem Prozessor 9 gesteuert, der die numerische Analyse der Kurve und die zum Erhalten der Werte der gesuchten Charakteristiken notwendigen Berechnungen durchführt.
Die Drehung der Struktur 1 könnte manuell durchgeführt werden, wenn dies die Außenabmessungen erlauben. Vorzugsweise wird jedoch die Drehung vom Prozessor 9 so gesteuert, daß der Synchronismus mit der Kurvenabtastung sichergestellt ist und irreguläre Verschiebungen der Struktur vermieden werden, die stets möglich sind, wenn die Drehung manuell durchgeführt wird. Zur Vereinfachung der Zeichnung ist die Einrichtung zum Bewirken der Drehung in Fig. 5 nicht dargestellt: Diese Einrichtung kann beispielsweise einen Präzisionsdorn umfassen, der den vertikalen Verschiebungen der Struktur in der Nut aufgrund der Nicht-Zirkularität folgen kann, oder eine Rolle 10 (Fig. 6), die man auf der Struktur so rotieren läßt, daß sie einen konstanten Druck ausübt, und die eine hohe Reibung mit dem Material der Struktur hat, die hierdurch veranlaßt wird, zu rotieren. In diesem Fall muß die Reibung zwischen der Struktur und den Nutwänden sehr niedrig sein: Dies kann dadurch erhalten werden, daß in der Tragvorrichtung Rollen angeordnet sind, die die Struktur tangentenartig berühren, und zwar gemäß einer Ebene, die mit den Wänden der Nut zusammenfällt; oder durch eine passende Wahl des Material, aus dem die Nut hergestellt ist oder mit dem die Wände belegt sind.

Claims

Verfahren zum Messen der geometrischen Charakteristiken einer Führungsstruktur mit einem Körper (1), der eine nominell zylindrische Außenfläche und ein nominell zum Körper (1) koaxiales zentrales Element (2) aufweist, wobei man die Struktur (1) in einer Tragvorrichtung (3) anordnet und sie darin um ihre Achse dreht, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die folgenden weiteren Verfabrensschritte umfaßt:

- Anordnen der Struktur in Längsrichtung in einer die Tragvorrichtung bildenden V-Nut (3);

- Drehen der Struktur (1) in der Nut (3) um 360º;

- Feststellen der von einem Punkt des zentralen Elements (2) der Struktur in einer zur Längsrichtung der Nut (3) senkrechten Ebene beschriebenen Kurve (4);

- Speichern der Koordinaten der Punkte der Kurve (4) in Bezug zu einem System von Koordinatenachsen;

- numerische Analyse der Kurve (4) zum Erhalten der gewünschten geometrischen Charakteristiken aus diesen Koordinaten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrischen Charakteristiken die Exzentrizität des zentralen Elements (2) in Bezug zur Außenfläche und die Nicht-Zirkularität der Außenfläche sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erhalten der Exzentrizität die numerische Analyse der Kurve die folgenden Schritte umfaßt:

- fur jeden Punkt der Kurve (4) Berechnen der Summe der Koordinaten des betreffenden Punkts;

- Bestimmen des Maximums und des Minimums dieser Summe;

und

- Berechnen der Differenz zwischen dem Maximum und dem Minimum, wobei die Exzentrizität dieser Differenz proportional ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ermitteln der Nicht-Zirkularität die numerische Analyse der Kurve (4) die folgenden Schritte umfaßt:

- Bestimmen des Baryzentrums der Kurve;

- Berechnen des Mittelwerts des Quadrats der Abstände des Kurvenpunkts vom Baryzentrum, wobei die Nicht-Zirkularität aus diesem Mittelwert, aus der Exzentrizität und aus der größeren Halbachse bestimmt wird entsprechend der Beziehung:

wobei δ = die Nicht-Zirkularität, definiert als Verhältnis der Differenz zwischen einem maximalen und einem minimalen Durchmesser der Struktur zum Nenndurchmesser oder zum Maximaldurchmesser, < > ² = der Mittelwert, d = die Exzentrizität, und R = der halbe Nenndurchmesser oder der halbe Maximaldurchmesser.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nominell zylindrische Struktur (1) eine Buchse eines Verbinders für Lichtleitfasern ist, das zentrale Element (2) das axiale Loch der Buchse oder das Modusfeld einer Einmode-Lichtleitfaser, die in dieses Loch eingesteckt ist, ist, und der eine derartige Kurve beschreibende Punkt das Zentrum dieses Lochs oder dieses Felds ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die V-Nut (3) eine Nut ist, die einen Di-eder-Winkel von 90º begrenzt, und das System der Koordinatenachsensystem ein cartesisches System orthogonaler Achsen mit dem Ursprung in der Kante der Nut (3) ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Seiten der V-Nut um 45º geneigt sind.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen mit den Seiten eines Querschnitts der Nut (3) zusammenfallen.
9. Gerät zum Messen der geometrischen Charakteristiken einer Führungsstruktur mit einem Körper (1), der eine nominell zylindrische Außenfläche und ein nominell zum Körper (1) koaxiales zentrales Element (2) aufweist, wobei das Gerät folgende Teile umfaßt:

- eine Tragvorrichtung zum Halten der zu charakterisierenden Struktur (1);

- eine Quelle (5) zum Beleuchten des zentralen Elements (2) der Struktur (1);

- eine Einrichtung (10) zum Bewirken einer Drehung der Struktur in der Tragvorrichtung (3);

- eine Detektor-Einrichtung (8) zum Auffangen eines von diesem zentralen Element (2) ausgehenden Lichtstrahls,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Trageinrichtung mit einer die Struktur aufnehmenden V-Nut (3) ausgestattet ist; und

- die Detektor-Einrichtung (8) gebaut ist zum Feststellen der von einem Punkt dieses zentralen Elements (2) in einer zur Längsrichtung der Nut (3) rechtwinkligen Ebene aufgrund der Drehung der Struktur (1) um 360º beschriebene Kurve (4), und verbunden ist mit einem Meß- und Rechensystem (9) zum Speichern der Koordinaten der Punkte der Kurve (4) in Bezug zu einem Koordinaten-Achsensystem und zum Ermitteln der geforderten Charakteristiken aus diesen Koordinaten.
10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Meß- und Rechensystem (9) die Einrichtung (10) antreibt, die die Drehung der Struktur steuert.