CN114631002A - 用于测量三维曲线形状的特殊光纤及其制造方法、及利用特殊光纤测量三维曲线形状的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于测量三维曲线形状的特殊光纤及利用上述利用特殊光纤测量三维曲线形状的系统。上述特殊光纤包括用于传递光信号的光纤芯、用于覆盖上述光纤芯的内部覆盖层、用于覆盖上述内部覆盖层的外部覆盖层。尤其，上述光纤芯的折射率n1、上述内部覆盖层的折射率n2、上述外部覆盖层的折射率n3设置为n1≥n3>n2的关系。覆盖上述光纤芯的上述内部覆盖层具有沿着长度方向切开的部分。通过上述切开的部分露出上述光纤芯。并且，上述切开的部分由与上述光纤芯或者上述外部覆盖层相同折射率的材质来填充。

Description

用于测量三维曲线形状的特殊光纤及其制造方法、及利用特 殊光纤测量三维曲线形状的系统
技术领域
本发明涉及用于测量三维曲线形状的特殊光纤及其制造方法，更加详细地，涉及对应在三维空间中实现的多种方向的弯曲，产生特定的光学效果的特殊光纤及上述特殊光纤的制造方法。
并且，本发明涉及利用特殊光纤测量任意的三维曲线形状的系统，其中，特殊光纤对应在三维空间中实现的多种方向的弯曲，产生特定的光学效果。
背景技术
最近，光纤传感器用于使用物联网(IoT)的多种领域。即使用光纤传感器检测的外部环境的变化可以通过超高速互联网通信传输至人工智能系统后被处理。
可通过光纤传感器测量的外部环境的变化可以包括温度、压力、电场、磁场、旋转度、化学物质的浓度、物理移动量等。
对于光纤传感器而言，由于基于光信号进行工作，因此与现有的基于电磁的传感器相比，具有非常迅速的响应特性。并且，由于不包括电极，因此不会产生来自周边环境的基于电磁波的噪音，不会发生电性漏电或者触电等的风险。并且，由于作为传感器探针的光纤较轻，因此有利于产品化。
因此，光纤传感器还可以在现有的基于电磁的传感器很难进行工作的环境，例如，电磁波障碍较多的环境或高温/高压/潮湿的环境中使用，从而在通信、医疗、产业等多种领域中使用。
另一方面，光纤的用途扩展到作为用于测量三维曲线形状的传感器。目前，使用光纤测量三维曲线形状的技术在医疗领域或产业领域中具有非常高的使用价值，从而适用于多种产品。尤其，就基于光纤的三维曲线形状测量传感器而言，由于可以对根据光纤整个长度方向的所有位置中的变形实时进行图像化，因此，适合测量不可见区域中的结构物的形状及变形。
另一方面，作为现有的基于光纤的曲线形状测量传感器，存在使用配置多个光纤的多芯光纤的方式。图1中示出了现有的基于FBG的使用多芯光纤的曲线形状测量传感器的例子。其中，在现有的曲线形状测量传感器中使用的各个光纤中，为了诱导根据光纤的弯曲(bending)的光损失，在芯区域内形成光纤光栅(FBG；Fiber Bragg Grating或者LPG；LongPeriod Grating)。
但是，通过使用FGB的现有的曲线形状测量传感器只能知道弯曲的位置，而无法知道光纤在三维空间中弯曲的方向。因此，以往按照多个方向配置光纤来定义各个信道，根据检测到弯曲的信道测量弯曲的方向。
另一方面，在光纤形成FBG时，存在需要对完成制造的完整的光纤追加后处理及二次加工工艺的问题。
并且，就现有的光纤而言，由于通过根据FBG形成部位的弯曲的光损失来测量弯曲的形状，因此，存在距离分辨能力较低的缺点。
并且，现有的基于FBG技术的光纤传感器基于根据光纤光栅的光损失及波长位移(wavelength shifting)，其中，波长位移的变化对外部温度变化比较敏感。因此，存在需要适用根据测量时的温度的补偿函数的问题。
现有技术文献
专利文献
(专利文献1)JP专利2015-510142
(专利文献2)JP专利平08-511343
(专利文献3)KR公开专利2017-0138768
发明内容
发明所要解决的问题
本发明为解决如上所述的问题而提出，本发明的目的在于，提供一种将以拉丝等的方式制造的光纤，即未形成有FBG的光纤用作传感器探针的同时，能够对三维弯曲形状进行图像化的新型三维曲线形状测量传感器及在新型三维曲线形状测量传感器中使用的特殊光纤。并且，本发明的目的在于，提供一种这种特殊光纤的制造方法。
并且，本发明提供一种利用上述特殊光纤测量三维曲线形状的系统。
用于解决问题的方案
为了实现上述目的，本发明的一实施例中公开了用于测量三维曲线形状的特殊光纤。上述特殊光纤包括：光纤芯，其用于传递光信号；内部覆盖层，其用于覆盖上述光纤芯；以及外部覆盖层，其用于覆盖上述内部覆盖层。
其中，上述光纤芯的折射率n1、上述内部覆盖层的折射率n2、上述外部覆盖层的折射率n3设置为n1≥n3>n2的关系，覆盖上述光纤芯的上述内部覆盖层具有沿着长度方向切开的部分，通过上述切开的部分露出上述光纤芯，并且，上述切开的部分可由具有与上述光纤芯或者上述外部覆盖层相同的折射率的材质来填充。
并且，在上述外部覆盖层的内部配置有覆盖上述光纤芯的多个上述内部覆盖层，上述内部覆盖层配置为具有等方位角的放射状，且在上述外部覆盖层的剖面的中心周围具有上述等方位角的放射状，并且，能够配置为上述切开的部分朝向与上述中心背对的方向。
并且，上述内部覆盖层的厚度可以设置为上述光纤芯的直径的两倍。
另一方面，在用于实现上述目的的另一个实施例中公开了用于测量三维曲线形状的特殊光纤的制造方法。上述制造方法包括：准备上述外部覆盖层；在上述外部覆盖层形成能够使上述内部覆盖层插入的插入孔；准备上述光纤芯；准备具有能够使上述光纤芯插入的内部空间的管形状的上述内部覆盖层，其中，上述内部覆盖层形成有沿着长度方向切开的部分；将上述光纤芯插入于上述内部覆盖层的上述内部空间；在上述内部覆盖层的上述切开的部分填充具有与上述光纤芯或者上述外部覆盖层相同的折射率的物质；以及将插入有上述光纤芯的上述内部覆盖层插入于上述外部覆盖层的插入孔。
并且，在用于实现上述目的的另一个实施例中，上述光纤芯的折射率n1、上述内部覆盖层的折射率n2、上述外部覆盖层的折射率n3可以设置为n1≥n3>n2的关系，上述光纤的制造方法包括：准备上述外部覆盖层；在上述外部覆盖层形成能够使上述内部覆盖层插入的插入孔；准备上述光纤芯；利用将用于构成上述内部覆盖层的材质部分覆盖在上述光纤芯并进行拉丝的管中棒(Rod-in-tube)工艺，以C字形态覆盖上述光纤芯；在上述内部覆盖层的上述切开的部分填充具有与上述光纤芯或者上述外部覆盖层相同的折射率的物质；以及将覆盖有上述内部覆盖层的上述光纤芯插入于上述外部覆盖层的插入孔。
在附加的实施例中公开了光纤的制造方法，其中，上述光纤包括：光纤芯，其用于传递光信号；内部覆盖层，其用于覆盖上述光纤芯；外部覆盖层，其用于覆盖上述内部覆盖层，上述光纤芯的折射率n1、上述内部覆盖层的折射率n2、上述外部覆盖层的折射率n3设置为n1≥n3>n2的关系，上述制造方法包括：准备上述外部覆盖层；在上述外部覆盖层形成能够使上述内部覆盖层插入的插入孔；准备上述光纤芯；将用于构成上述内部覆盖层的物质覆盖在上述光纤芯的整个外侧表面；沿着上述光纤芯的长度方向切开或者蚀刻上述内部覆盖层的一部分，从而露出上述光纤芯；以及将覆盖有上述内部覆盖层的上述光纤芯插入于上述外部覆盖层的插入孔。
另一方面，形成在上述外部覆盖层的上述插入孔配置为具有等方位角的放射状，且在上述外部覆盖层的剖面的中心周围具有上述等方位角的放射状，并且形成为沿着上述外部覆盖层的长度方向相互平行，上述内部覆盖层能够配置为上述切开的部分朝向与上述外部覆盖层的剖面的中心背对的方向。
还公开了利用这种特殊光纤测量三维曲线形状的系统。上述系统包括：与各个信道各自结合的弯曲测量装置及整合数据处理器，其中，上述弯曲测量装置包括：光纤，其包括用于传递光信号的光纤芯、用于覆盖上述光纤芯的内部覆盖层、用于覆盖上述内部覆盖层的外部覆盖层，其中，上述光纤芯的折射率n1、上述内部覆盖层的折射率n2、上述外部覆盖层的折射率n3设置为n1≥n3>n2的关系，覆盖上述光纤芯的上述内部覆盖层具有沿着长度方向切开，露出上述光纤芯的一部分的切开部分，上述切开部分由具有与上述光纤芯或者上述外部覆盖层相同的折射率的材质来填充，覆盖上述光纤芯的多个上述内部覆盖层配置在上述外部覆盖层的内部，由此构成各个信道，上述切开部分与上述外部覆盖层的剖面的中心背对的同时，配置为具有等方位角的放射状，且在上述中心具有上述等方位角的放射状；LD，其向上述光纤的上述光纤芯的一侧输出具有规定的峰值及宽度的光信号；PD1，其测量从上述LD输出后输入至上述光纤芯的上述光信号的功率；TDC部，其检测上述光信号在上述光纤芯的弯曲点发生散射而返回到上述一侧的反射信号的峰值；PD2，其测量上述反射信号的功率；FPGA，其控制上述LD、上述PD1、上述TDC部及上述PD2的工作，并且根据上述LD输出的上述光信号的峰值、上述PD1测量的上述光信号的功率、上述TDC部检测的上述反射信号的峰值、上述PD2测量的上述反射信号的功率，计算上述光纤的弯曲点及上述弯曲点的曲率，其中，整合数据处理器，其通过整合各个信道的上述弯曲测量装置各自所计算出的上述弯曲点及上述弯曲点的曲率来再现三维曲线形状。
在本发明的再一个实施例中，提供利用特殊光纤测量三维曲线形状的系统。上述系统包括：LD，其向光纤芯的输入侧输出具有规定大小的峰值及宽度的光信号；PD1，其测量从上述LD输出后输入至上述光纤芯的上述光信号的功率；TDC部，其检测上述光信号在上述光纤芯的特定的弯曲点发生散射而返回到上述输入侧的反射信号的峰值；PD2，其测量上述反射信号的功率；以及FPGA，其控制上述LD、上述PD1、上述TDC部及上述PD2的工作，并且根据上述LD输出的上述光信号的峰值、上述PD1测量的上述光信号的功率、上述TDC部检测的上述反射信号的峰值、上述PD2测量的上述反射信号的功率，计算上述光纤芯的弯曲点及上述弯曲点的曲率。
另一方面，上述光纤芯包括：内部覆盖层，其用于覆盖上述光纤芯；及外部覆盖层，其用于覆盖上述内部覆盖层。尤其，上述光纤芯的折射率n1、上述内部覆盖层的折射率n2、上述外部覆盖层的折射率n3设置为n1≥n3>n2的关系，覆盖上述光纤芯的上述内部覆盖层具有沿着长度方向切开，露出上述光纤芯的一部分的切开部分，上述切开部分可由具有与上述光纤芯或者上述外部覆盖层相同的折射率的材质来填充。
并且，特殊光纤的构成方式如下：覆盖上述光纤芯的多个上述内部覆盖层配置在上述外部覆盖层的内部并构成各个信道，各个上述内部覆盖层配置为具有等方位角的放射状，且在上述外部覆盖层的剖面的中心周围具有上述等方位角的放射状，各个上述内部覆盖层配置为上述切开部分与上述外部覆盖层的上述中心背对。尤其，上述LD、上述PD1、上述TDC部、上述PD2及上述FPGA构成一个弯曲测量装置，一个上述弯曲测量装置能够配置为对应一个上述光纤芯。并且，上述测量三维曲线形状的系统还可以包括：整合数据处理器，其通过整合每个信道的上述弯曲测量装置输出的弯曲点及上述弯曲点的曲率来再现三维曲线形状。
并且，在上述FPGA中，通过上述LD输出具有第一宽度的第一脉冲，通过上述TDC部检测上述第一脉冲的反射信号，根据上述反射信号，设置包括输出第一脉冲之后出现反射信号的时刻的采样点，通过上述LD输出具有第二宽度的第二脉冲，在上述采样点，通过上述TDC部检测上述第二脉冲的反射信号的峰值及通过上述PD2测量上述第二脉冲的反射信号的功率，并且根据上述检测的峰值计算上述光纤芯的弯曲点，可以根据上述测量的功率计算上述弯曲点的曲率。
并且，上述第一脉冲的宽度可以小于上述第二脉冲的宽度。
发明效果
根据包括上述结构的本发明，在以拉丝等方式制造的未形成有FBG的光纤形成包括具有切开部分的内部覆盖层和外部覆盖层的芯结构体，以等方位角配置芯结构体，从而可以提供三维曲线形状测量用特殊光纤。
并且，通过使用这种未形成有FBG的特殊光纤可以实现三维曲线形状测量系统。
附图说明
图1中示出根据现有技术的基于FBG的曲线形状测量方式。
图2中示出根据本发明的利用特殊光纤测量三维曲线形状的动作。
图3中示出根据本发明一实施例的三维曲线形状测量系统的特殊光纤的剖面结构及折射率分布。
图4中示出根据本发明的特殊光纤的多种实施例的剖面结构。
图5中示出在本发明的特殊光纤添加引导芯的形态。
图6是说明根据本发明的制造特殊光纤的方法的流程图。
图7中示出根据本发明一实施例的三维曲线形状测量系统的示意性构成。
图8是用于更加详细说明三维曲线形状测量系统中的TDC部的构成及功能的图。
图9是示出通过TDC部测量的峰值的例子的图。
图10是在三维曲线形状测量系统中的某一个信道中测量弯曲点及曲率的方法的流程图。
图11是基于根据本发明的三维曲线形状测量系统的三维曲线形状测量方法的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图更加详细说明本发明。本说明书及权利要求书中使用的术语或单词不应该被解释为限于通常意义或者词典意义，而是根据发明人可适当地定义术语的概念来以最佳的方式说明本发明的原则，相应术语的概念必须被解释为符合本发明技术思想的意义和概念。并且，在不进行其他定义的情况下，使用的技术术语及科学术语具有本领域技术人员常规理解的含义。下述说明以及附图中，如可能导致本发明的主旨混淆时，将省略对相关公知功能以及构成的说明。附图作为示例而提供，以使本发明的思想能够充分传达到本领域技术人员。因此，本发明并不限于在下面提供的附图，而能够具体化为其他形态。并且，在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的构成要素。需要注意的是，对于附图中的相同的构成要素而言，即使标记在某个附图，也要尽可能利用相同的附图标记。
首先，参照图3，对作为根据本发明一实施例的三维曲线形状测量系统的传感器探针的特殊光纤的剖面结构进行说明。并且，说明各个构成部的折射率分布。
本发明中公开的用于测量三维曲线形状的特殊光纤100可以具有多个芯结构体。尤其，包括在特殊光纤100的各个芯结构体由包括光纤芯110、覆盖光纤芯的内部覆盖层120、再次覆盖内部覆盖层的外部覆盖层130的三重结构构成，它们各自的折射率可以设置为彼此不同。具体地，内部覆盖层120的折射率n2设置为低于芯结构体的折射率n1(或者，也可以相同，如有特殊的情况，也可以更高)，高于外部覆盖层130的折射率n3(或者，也可以相同，如有特殊的情况，也可以更低)。
并且，内部覆盖层120构成为其一部分沿着长度方向切开的形态，通过上述切开的形态的间隙123来露出光纤芯110的一部分，可以在切开的间隙123填充与光纤芯110或者外部覆盖层130相同的材质。由于这种结构，特殊光纤100具有对于特定方向的弯曲的光损失变大的特性。即切开的部分123位于弯曲的外侧时，通过切开的部分123产生较大的光损失，从而能够更加灵敏地检测弯曲。
另一方面，根据本发明的特殊光纤100可以包括多个芯结构体。此时，构成各个芯结构体的光纤芯110在特殊光纤100的剖面的中心周围以等方位角配置，覆盖光纤芯110的内部覆盖层120的切开的部分123配置为与特殊光纤100的中心背对并朝向外廓方向。
在这种结构中，当光纤的长度方向设置为Z轴时，可以通过使用光时域反射计(Optical Time-Domain Reflectometer，OTDR)及光频域反射计(Optical FrequencyDomain Reflectometry，OFDR)来测量产生光损失的位置的Z坐标。
并且，当沿着光纤100的剖面的平面设置为X轴及Y轴时，可以通过在根据光纤100的弯曲发生光损失的位置汇集各个光纤芯的光损失的信息来测量弯曲方向，即X坐标及Y坐标。
尤其，当使用根据本发明的特殊光纤100时，可以沿着光纤长度方向测量多个位置的弯曲方向和曲率。
并且，根据本发明的特殊光纤100在测量三维形状时可以忽略温度的影响。
现有的基于FBG的光纤经常被用作测量温度的用途。即就现有的基于FBG的光纤而言，针对如温度的物理变化，对于通过FBG来形成的特定波长的反射特性会发生变化，因此，可以用作测量温度的用途。这意味着使用基于FBG的光纤来测量曲率时，必须要补偿温度的影响。
但是，由于根据本发明的特殊光纤100未基于FBG，因此几乎没有温度的影响，不需要单独的温度补偿。
并且，如果将包含硼(Boron)及氟(Fluorine)的温度补偿用光纤用作本发明的特殊光纤100的光纤芯110，则可以扩大其使用性。并且，如果将本发明的特殊光纤100与基于拉曼散射(Raman scattering)及布里渊散射(Brillouin scattering)特性的分布式温度传感器(Distributed Temperature Sensor，DTS)关联起来，则不仅能测量三维形状，而且还能测量根据长度方向的温度分布，因此可以实现利用一个探针同时获得多种信息的多传感器。
参照图3，在本发明的特殊光纤100中，三个芯结构体沿着剖面的中心配置在120°的等方位角位置。
各个芯结构体配置为切开的部分123朝向与特殊光纤100的中心背对的方向。由此，就特殊光纤100而言，对于切开的部分123发生弯曲的方向的光损失变得更加灵敏，因此，可以精确而准确地测量每个光纤芯的特定方向的弯曲方向及曲率。因此，可以通过整合多个光纤芯中的弯曲，精确而准确地测量三维弯曲方向及曲率。在图3的下部示出根据光纤的剖面的折射率。
另一方面，参照图4可见，在特殊光纤100中，4个芯结构体配置在中心周围的每个90°等方位角的位置的结构，6个芯结构体配置在中心周围的每个60°等方位角的位置结构及8个芯结构体配置在中心周围的每个45°等方位角位置的结构。由于芯结构体的数量越多对相应方向的弯曲越灵敏，因此，可以更加精确而准确地测量三维形状。
光纤芯110是传输光信号的部分。
内部覆盖层120覆盖光纤芯110，内部覆盖层120使在光纤芯中传输的光信号全反射，以使光信号沿着光纤芯流动。尤其，内部覆盖层120构成为其一部分沿着光纤芯110的长度方向切开的形态，通过切开的部分123露出光纤芯110的一部分。优选地，切开的部分123的宽度是恒定的。可以在内部覆盖层的切开的部分123填充与光纤芯110相同的物质或者具有与光纤芯110相同的折射率的物质。或者，可以在切开的部分123填充与外部覆盖层130相同的物质或者具有与外部覆盖层130相同的折射率的物质。
外部覆盖层130覆盖内部覆盖层120，并构成特殊光纤100的外形。外部覆盖层130可以包括由光纤芯110和内部覆盖层120构成的多个芯结构体。参照图3，外部覆盖层130相当于光纤芯110和内部覆盖层120的周边部分。这种外部覆盖层130在特殊光纤100发生弯曲时可以有效地诱导根据曲率半径的内部覆盖层120或者切开部分123的光损失。
尤其，在本发明中，光纤芯110的折射率n1、内部覆盖层120的折射率n2、外部覆盖层130的折射率n3可以设置为n1≥n3>n2的方式。
例如，针对633nm的波长，本发明的特殊光纤100的各个部分的折射率的实际值可以设置为n1＝1.4631，n2＝1.4571，n3＝1.4611。这对应于作为n1与n2之差的Δn1-2＝0.6％、作为n1与n3之差的Δn1-3＝0.2％、以及作为n3与n2之差的Δn3-2＝0.4％。根据各个部分的折射率的差值决定弯曲测量的灵敏度，因此，适用于三维形状传感器时，需要准确地设置折射率的差异之后进行制作。为此，就各个部分而言，将硅玻璃与塑料光纤的折射率的差异设置为基准，适用能够提高折射率的锗(Ge)或铝(Al)，或者适用能够降低折射率的硼(B)或氟(F)，从而可以控制折射率。
其中，如果光纤芯110和外部覆盖层130之间的折射率的差异较小，则对于光纤100的切开的部分123位于外侧的弯曲(或者，定义为‘中心方向的弯曲’)的反应较为灵敏。即可以通过Δn1-3决定检测中心方向的弯曲的灵敏度及测量弯曲的曲率的准确度。另一方面，Δn3-2越大，可以提高弯曲测量的灵敏度及准确度。
就本发明的特殊光纤100而言，当构成特殊光纤的最外廓的外部覆盖层130的直径d3设置为125μm时，光纤芯110的直径d1可以设置为9～10μm。如果内部覆盖层120太薄，对于所有方向的弯曲，产生来自光纤芯110的光损失，从而会降低检测弯曲的准确度。因此，内部覆盖层120的直径d2可以设置为20μm左右，其中，20μm大约是光纤芯110的直径的2倍。
另一方面，沿着内部覆盖层120的长度方向切开的部分123作为检测弯曲的准确度重要因素，对受到弯曲影响的灵敏度造成很大的影响。即就切开的部分123而言，宽度越窄检测弯曲的灵敏度越高，但是如果太窄，光损失会非常少，从而降低长度方向的检测灵敏度。相反地，如果切开的部分123的宽度太宽，虽然提高长度方向的检测灵敏度，但是降低根据弯曲及曲率方向的灵敏度。因此，本发明中，将切开的部分123的宽度设置为约3μm左右。
光信号基本上通过全反射原理传输至折射率高的部分。因此，如果将光纤芯110的折射率设置为高于内部覆盖层120的折射率，则未发生弯曲时，光信号沿着光纤芯110传输，此时，除了光纤本身的损失之外没有其他光损失。另一方面，当光纤芯110发生弯曲时，在内部覆盖层120中也出现发生根据弯曲的拉伸及压缩应力的部分，由于这种变化，内部覆盖层120的折射率发生变化(拉伸的部分的折射率上升)，通过光纤芯110传输的光信号漏出到内部覆盖层120，由此产生光损失。
另一方面，外部覆盖层130的外周面与内部覆盖层120的外周面之间的距离b也是与检测光纤100的长度方向(Z轴)的弯曲点的灵敏度相关的因素。光纤芯的位置越靠近外部覆盖层130的外周面，即b值越小，由于特殊光纤100的弯曲而从外部覆盖层130漏出的光损失越大。即由于经过特殊光纤100的光的损失较多，因此发生弯曲的每个位置的光损失会变大，从而不利于检测远距离。因此，此时，需要使用高输出的光。通常，为了利用光纤来测量三维形状，可以使用光输出及分辨能力优异、且用于实现稳定的功率供给及光检测的激光二极管(LD)和光电二极管(PD)，由此基本上解决了上述问题。
另一方面，作为本发明中公开的特殊光纤的附加的实施例，参照图5，说明添加引导芯的形态。如果特殊光纤以长度方向为旋转轴发生扭曲或扭绞，则曲率测量将会不准确。因此，执行测量的作业员或者光学设备在执行曲率测量之前，需要检查特殊光纤未发生扭曲。
为此，本实施例中公开了将引导芯以与光纤平行的方式配置在光纤的内部，例如，某一个光纤芯的附近的结构。
图5的(a)中示出了形成有切开槽的内部覆盖层覆盖一个光纤芯110且形成有外部覆盖层的特殊光纤的形态。其中，可以确认在外部覆盖层的一侧配置有引导芯145。将特定颜色的光入射到引导芯，或者将特定颜色混合到构成引导芯的材质，或者将引导芯的折射率设置为至少不同于外部覆盖层，从而作业员通过肉眼来识别引导芯，或者光学设备以光学的方式检测并识别引导芯，由此可以确认特殊光纤的扭绞之后，将其修复。
图5的(b)中示出了在多个光纤芯等方向配置的特殊光纤配置引导芯的例子。引导芯可以配置在与某一个光纤芯相邻的位置。
在具有多个光纤芯的根据本发明的特殊光纤中，光纤不被扭绞是非常重要的。因此，可以通过配置引导芯识别并修复特殊光纤的扭曲或扭绞。
另一方面，在上述结构的特殊光纤100中，对于光纤芯110和外部覆盖层130，可以使用锗硅玻璃(germano-silicate glass)及铝硅玻璃(alumino-silicate glass)，为了提高折射率，可以使用锗及铝的浓度较高的玻璃。并且，对于内部覆盖层，为了降低折射率，可以使用包含氟和硼的玻璃。
对于根据本发明的制造特殊光纤100的方法，可以参照图6的流程图。
首先，可以准备构成特殊光纤100的基本形态的外部覆盖层130(S1)。外部覆盖层130可以由纯硅玻璃(Pure silica glass)形成，或者出于提高折射率的目的，可以由光纤芯用玻璃材质或具有比光纤芯用玻璃材质稍微低的折射率的玻璃材质形成。
并且，沿着光纤100的长度方向在外部覆盖层130进行钻孔，从而可以形成插入孔(S2)，其中，钻孔在光纤芯110的插入设定的位置，上述设定的位置以具有等方位角的方式设置在剖面的中心周围。
另一方面，可以通过光纤用玻璃棒来准备光纤芯110(S3)。
另一方面，可以准备能够使光纤芯110插入的内部覆盖层120(S4)。由于内部覆盖层120是沿着长度方向切开包含氟和硼的硅玻璃管的特定部分来制作的，因此可以通过具有剖面切开为C形的形态的管来准备内部覆盖层120。并且，可以在内部覆盖层120的内部插入光纤芯110(S5)。
接着，将插入有光纤芯110的内部覆盖层120插入于形成在外部覆盖层130的插入孔(S6)。并且，将插入有内部覆盖层120的外部覆盖层130适用于光纤拉丝工艺(S7)，在该工艺中，内部覆盖层的外周面紧贴于插入孔的内表面，由此可以完成特殊光纤100。
另一方面，在适用于拉丝工艺(S7)之前，可以在内部覆盖层120的以C形切开的部分123填充具有与光纤芯110相同的折射率的物质或者具有与外部覆盖层130相同的折射率的物质。当然，也可以不适用上述切开的部分123的填充工艺。
但是，通过拉丝工艺，外部覆盖层130的一部分或者光纤芯110的一部分可以在熔融之后填充在切开的部分123，因此，实现上述切开的部分123的填充。其中，如果在将引导芯形成在外部覆盖层的内部或者外部覆盖层的外部表面的情况下执行拉丝工艺，则可以通过肉眼或光学设备轻松确认通过拉丝工艺进行拉丝的光纤是否发生扭曲。由此，当将光纤结合在光电路的规定部件时，可以确保装配的便利性。
另一方面，作为另一个制造方法，通过部分覆盖在步骤(S3)中准备的光纤芯110来进行拉丝的工艺，即通过在以使内部覆盖层用玻璃具有C形剖面的方式覆盖光纤芯的状态下进行拉丝的管中棒(Rod-in-tube)工艺，可以在光纤芯110形成覆盖为C形的内部覆盖层120(S4')。后续的工艺(S6及S7)与上述相同。
进一步地，作为再一个制造方法，可以利用公知的化学气相沉积工艺等将内部覆盖层的物质覆盖在步骤(S3)中准备的光纤芯110的整个外侧表面(S4")。然后，切开或蚀刻覆盖的部分中的一部分，从而可以形成C形的切开部分123(S5")。后续的工艺(S6及S7)与上述相同。
可以使用由如上所述的结构构成且具有按照特定角度配置的多个芯结构体特殊光纤，并采用如下的系统及方式来测量三维曲线形状。图7是示意性示出使用能够以如上所述的原理构成制作的根据本发明的特殊光纤来测量三维曲线形状的系统的构成的图。图8是更加详细示出所图示的三维曲线形状测量系统中的TDC部的构成的图，图9是示出通过上述TDC部检测峰值的结果的例子的图。
根据本发明的利用特殊光纤测量三维曲线形状的系统200通过结合一个光纤芯和一个弯曲测量装置来构成一个信道，并结合多个如上所述的信道。各个弯曲测量装置210、220、230使用OTDR/OFDR技术测量根据各个光纤的长度的光损失，从而计算弯曲点及曲率。系统200通过整合各个信道的弯曲测量装置210、220、230所计算出的弯曲点及曲率来再现一个三维形状。
以下，说明任意一个弯曲测量装置的构成及工作。
LD向对应的信道的光纤芯的输入侧输出光信号。光信号作为具有规定功率的光，可以构成为具有特定大小的峰值及宽度的脉冲光的形态或连续光的形态。
PD1构成为测量输入至光纤芯的光信号的功率。例如，对于脉冲光，可以测量该脉冲的功率，对于连续光，测量特定时间区间段的功率。
时间数据转换器部(Time to Digital Converter Part，TDC部)在由LD输入至光纤芯的光信号在光纤芯的特定弯曲点发生反向散射而返回到上述输入侧的反射信号之后，检测菲涅尔反射峰值，检测峰值的大小或宽度，分析峰值出现的时间。接着，对在时域中采样的信号进行平均化，从而减少噪声。
另一方面，TDC部可以具有模拟数字转换器(Analog-Digital Converter，ADC)功能，从而可以将收集的光信号转换为数字信号。光信号可以是时域的信号，将其转换为数字信号，通过OTDR并按照距离采样各个数字信号，从而可以按照距离换算物理量。
PD2构成为在以相同的方式接收上述反射信号之后，测量反射信号的功率。
光信号可以是高输出连续光或高速高输出脉冲光。来自设置在各个信道的光源的光信号输入至各个信道的光纤芯。反射信号作为在通过特定长度成分之后发生反射而返回的光信号，通过耦合器(未图示)入射到TDC部及光检测器(PD2)，如果TDC部检测峰值，则根据峰值的产生时间，可以计算发生弯曲的位置，光检测器(PD2)测量反射信号的功率，由此计算对于发生弯曲的位置的根据长度的光损失，进而可以计算曲率。入射到光检测器(PD2)的反射信号在光纤的内部发生瑞利反射(Raleigh reflection)及反向散射(Backscattering)等，因此光信号的幅值会减小，从而光检测器(PD2)接收的反射信号可以在转换为电信号之后放大处理为任意的增益值。
光检测器(PD2)的电流量根据入射的光量而发生变化，在通过跨阻放大器(TransImpedance op-AMP，TIA)1次放大电流的变化量之后，进行包括短波长放大、长波长高放大、长波长低放大、用于菲涅尔反射(Fresnel Reflection)的放大的信号处理。
就短波长信号而言，如果放大比过高，则会丢失信号的脉冲宽度，因此需要与长波长信号分类后进行放大。并且，就长波长信号而言，即使放大比较高，由于信号的脉冲宽度的衰减量较小，也可以实现高放大。
另一方面，当光纤的一侧发生连接或切断时，会出现菲涅尔反射。就菲涅尔反射而言，由于反射信号的幅值较大，因此通过减小电信号的放大率来进行处理。
以如上所述的方式放大的模拟信号通过FPGA转换为数字信号之后反馈到整合数据处理器。
FPGA控制LD、PD1、TDC部、PD2的工作，可以通过识别在光纤芯中产生的光损失的位置来计算弯曲点及弯曲点的曲率。
可以通过选择或组合基于光信号的峰值输出时间和反射信号的峰值检测时间的差异的OTDR方式，或者，基于光信号的输出频率和反射信号的检测的频率的差异的OFDR方式来计算弯曲点。
可以根据光信号的峰值输出功率和反射信号的峰值输入功率的差异计算弯曲点的曲率。
根据如上所述的构成，如果计算出某一个信道中的弯曲点和曲率，则可以通过整合各个信道的弯曲点及曲率来计算三维弯曲点及弯曲曲率。
根据本发明的三维曲线形状测量系统包括多个弯曲测量装置，为了通过整合在各个弯曲测量装置中输出的弯曲点及曲率来再现三维曲线形状，还可以包括整合数据处理器。并且，还可以包括用于视觉显示再现的三维曲线形状的图形显示器。
整合数据处理器组合各个信道的光损失。尤其，在接收各个信道的弯曲点及曲率之后，通过分别对该弯曲点及曲率做算数平均或加权平均等方式来计算最终弯曲点及曲率。
当光检测器(PD2)接收脉冲调制的光信号入射到光纤芯后发生反射而返回的反射信号时，测量反射信号的功率，从而计算该位置的弯曲曲率。并且，当光脉冲通过光纤时，功率(或者，频率)根据距离而减小，因此可以使用光检测器(PD2)检测的功率来计算发生弯曲的位置。FPGA将光检测器(PD2)接收的反向散射的反射信号计算为时间的函数，从而可以将根据光纤的长度的光损失体现为图像。在测量这种反射信号时，作为提高时间分辨能力的方案，对多次测量的结果进行平均化，从而提高其可靠性。
另一方面，就发生反向散射而返回的反射信号而言，由于功率本来就很低，因此可以向信号添加噪声。因此，如果测量的数据的信噪比(Signal to noise ratio，SNR)较高，则有可能难以区分由弯曲而产生光损失的位置，对此可以适用弥补上述问题的平均化算法。
即使用噪声信号不规则产生的特性，对光检测器(PD2)测量的反射信号做累计平均，从而可以抵消噪声信号。根据这种平均化算法，由弯曲而产生的光损失变得突出，从而可以分析根据光纤的长度的状态。
如此，可以使用根据本发明的特殊光纤，组合沿着光纤的弯曲点的长度方向的Z轴坐标和各个信道的弯曲曲率，计算对于该位置中的弯曲方向的X轴及Y轴坐标，可以通过图形显示器图像化为三维曲线形状。
根据具有如上所述的构成及工作的本发明的三维曲线形状测量系统，如图2所示，可以在准确地测量任意弯曲的光纤的三维曲线形状之后进行视觉图像化。
图8是用于更加详细说明上述三维曲线形状测量系统中的TDC部的构成及功能的图。例如，本发明的TDC部能够以25ps的分辨能力和1ms以上的测量时间范围进行工作。
定时选择电路在接收输入信号(即LD输出的光信号的反射信号)时，将修正根据输入信号的模样和大小的游动时间效应(time walk)的逻辑脉冲输出至时钟电路。根据定时选择电路输出的信号，在100MHz时钟电路中计数时钟，以测量基本定时。
另一方面，上述输入信号输入至整形器(shaper)并细分化为1ns以下的上升时间后进行整形。
闪速ADC可以与时钟电路同步而共享时钟。闪速ADC将整形器输出的上升边缘转换为数字，并追踪整形器输出的整形的信号开始的时间点。由此，确认整形器的输出信号在每隔10ns(即精细定时)反复的100MHz时钟(即基本定时)之间的哪一点开始，从而能够以10ns单位准确地找出反射信号的输入时间点。
通常，整形器的输出信号波形是非线性的，因此，可以使用查询表获得闪速ADC的值与脉冲开始时间之间的关系。
处理器参考查询表结合基本定时和精细定时，测量反射信号的产生时间点和宽度。
这种方法具有如下的优点：由于使用闪速ADC进行精细定时测量，因此不会像脉冲展宽方式那样出现数字化仪死区时间，增加基本时间计时器的比特数量，从而可以大大扩展工作范围。
图9是示出通过TDC部测量的峰值的例子的图。如测量结果所示，通过ADC及TDC部的同步化的测量结果的相互比较处理器来消除如噪声的测量错误，从而可以精密测量低SNR信号。
TDC部的准确度依赖于整形器的整形时间、ADC的孔径抖动、ADC的有效比特数。
以下，说明某一个弯曲测量装置测量某一个信道的曲线形状的方法。虽然FPGA可以控制各个工作，但是以各个构成部主动判断后进行工作为例进行说明。
首先，该信道的LD输出具有第一宽度的第一脉冲(S101)。
TDC部检测输出的第一脉冲的反射信号(S102)。
TDC部在将检测的反射信号转换为数字信号之后，根据转换的数字信号测量第一脉冲输出之后出现反射信号的时间点，设置包括测量的时间点的前后的采样点(S103)。
LD这次输出具有第二宽度的第二脉冲(S104)。
TDC部在先前设置的采样点检测上述第二脉冲的反射信号的峰值(S105)。并且，PD2检测上述第二脉冲的反射信号的功率(S106)。
FPGA根据上述TDC部检测的峰值计算上述光纤芯的弯曲点，根据上述PD2测量的功率计算上述弯曲点的曲率(S107)。
另一方面，可以通过结合如上所述的各个信道的信息来测量光纤的三维形状，参照图11，说明根据本发明的通过三维曲线形状测量系统测量三维曲线形状的方法。
首先，当要测量特定物体或任意形态的三维曲线形态时，将根据本发明的特殊光纤100弯曲并紧贴于特定物体的表面(S10)。
接着，测量系统200的各个信道的弯曲测量装置210、220、230将预先设置的特性(例如，峰值的数量及大小、功率等)的光信号入射到特殊光纤100的对应的信道的光纤芯的输入侧。接着，测量在上述光纤芯的内部发生反射而反射至上述输入侧的反射信号的峰值及功率。根据各个信道的反射信号的测量的峰值的定时/大小及功率，计算相应信道中的弯曲点及曲率(S20)。
此时，如果计算的弯曲点及曲率测量值的数量(M)达到预先设置的目标值的数量(T)(S30)，则对M个测量值做平均，将平均的结果值确定为对于相应信道中的弯曲点及曲率的测量结果值(S40)。
各个信道的每个弯曲测量装置210、220、230可以确定测量结果值，通过结合所有信道中的测量结果值来构成三维空间的图像(S50)。
另一方面，在步骤(S40)中，每当测量反射信号的峰值及功率时，存储相应测量值，测量的数量(M')达到目标数量(T')时，分别对目标数量的测量值做平均，可以使用平均的测量值(即峰值的平均值及功率的平均值)来计算相应信道的弯曲点及曲率。
进一步地，如果将根据本发明的特殊光纤与基于光纤的拉曼(Raman)及布里渊散射(Brillouin scattering)特性的分布式温度传感器(DTS；Distributed TemperatureSensor)关联起来，还能测量根据光纤的长度方向的温度分布。
因此，可以通过使用一个光纤来测量三维曲线形状及曲线形状的各个位置中的温度。

Claims (14)

1.一种用于测量三维曲线形状的特殊光纤，其为包括用于传递光信号的光纤芯、用于覆盖所述光纤芯的内部覆盖层、覆盖所述内部覆盖层的外部覆盖层的光纤，其特征在于，
所述光纤芯的折射率n1、所述内部覆盖层的折射率n2、所述外部覆盖层的折射率n3设置为n1≥n3>n2的关系，
覆盖所述光纤芯的所述内部覆盖层具有沿着长度方向切开的部分，通过所述切开的部分露出所述光纤芯，并且，
所述切开的部分由具有与所述光纤芯或者所述外部覆盖层相同的折射率的材质来填充。
2.根据权利要求1所述的用于测量三维曲线形状的特殊光纤，其特征在于，还包括：
引导芯，其以与所述光纤芯平行的方式配置在所述外部覆盖层的内部，
所述引导芯具有与所述外部覆盖层不同的颜色或折射率。
3.根据权利要求1所述的用于测量三维曲线形状的特殊光纤，其特征在于，
在所述外部覆盖层的内部配置有覆盖所述光纤芯的多个所述内部覆盖层，
所述内部覆盖层配置为具有等方位角的放射状，且在所述外部覆盖层的剖面的中心周围具有所述等方位角的放射状，并且，配置为所述切开的部分朝向与所述中心背对的方向。
4.根据权利要求3所述的用于测量三维曲线形状的特殊光纤，其特征在于，还包括：
引导芯，其以与所述光纤芯中的某一个平行的方式配置在所述外部覆盖层的内部，
所述引导芯具有与所述外部覆盖层不同的颜色或折射率。
5.根据权利要求1或3所述的用于测量三维曲线形状的特殊光纤，其特征在于，
所述内部覆盖层的厚度设置为所述光纤芯的直径的两倍。
6.一种用于测量三维曲线形状的特殊光纤的制造方法，其为包括用于传递光信号的光纤芯、用于覆盖所述光纤芯的内部覆盖层、用于覆盖所述内部覆盖层的外部覆盖层的光纤的制造方法，其特征在于，包括：
准备所述外部覆盖层；
在所述外部覆盖层形成能够使所述内部覆盖层插入的插入孔；
准备所述光纤芯；
准备具有能够使所述光纤芯插入的内部空间的管形状的所述内部覆盖层，其中，所述内部覆盖层形成有沿着长度方向切开的部分；
将所述光纤芯插入于所述内部覆盖层的所述内部空间；
在所述内部覆盖层的所述切开的部分填充具有与所述光纤芯或所述外部覆盖层相同的折射率的物质；以及
将插入有所述光纤芯的所述内部覆盖层插入于所述外部覆盖层的插入孔。
7.一种用于测量三维曲线形状的特殊光纤的制造方法，其为包括用于传递光信号的光纤芯、用于覆盖所述光纤芯的内部覆盖层、用于覆盖所述内部覆盖层的外部覆盖层的光纤的制造方法，其中，所述光纤芯的折射率n1、所述内部覆盖层的折射率n2、所述外部覆盖层的折射率n3设置为n1≥n3>n2的关系，其特征在于，包括：
准备所述外部覆盖层；
在所述外部覆盖层形成能够使所述内部覆盖层插入的插入孔；
准备所述光纤芯；
利用将用于构成所述内部覆盖层的材质部分覆盖在所述光纤芯并进行拉丝的管中棒工艺，以C字形态覆盖所述光纤芯；
在所述内部覆盖层的所述切开的部分填充具有与所述光纤芯或者所述外部覆盖层相同的折射率的物质；以及
将覆盖有所述内部覆盖层的所述光纤芯插入于所述外部覆盖层的插入孔。
8.一种用于测量三维曲线形状的特殊光纤的制造方法，其为包括用于传递光信号的光纤芯、用于覆盖所述光纤芯的内部覆盖层、用于覆盖所述内部覆盖层的外部覆盖层的光纤的制造方法，其中，所述光纤芯的折射率n1、所述内部覆盖层的折射率n2、所述外部覆盖层的折射率n3设置为n1≥n3>n2的关系，其特征在于，包括：
准备所述外部覆盖层；
在所述外部覆盖层形成能够使所述内部覆盖层插入的插入孔；
准备所述光纤芯；
将用于构成所述内部覆盖层的物质覆盖在所述光纤芯的整个外侧表面；
沿着所述光纤芯的长度方向切开或者蚀刻所述内部覆盖层的一部分，从而露出所述光纤芯的一部分；以及
将覆盖有所述内部覆盖层的所述光纤芯插入于所述外部覆盖层的插入孔。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的用于测量三维曲线形状的特殊光纤的制造方法，其特征在于，
形成在所述外部覆盖层的所述插入孔配置为具有等方位角的放射状，且在所述外部覆盖层的剖面的中心周围具有所述等方位角的放射状，并且形成为沿着所述外部覆盖层的长度方向相互平行，
所述内部覆盖层配置为所述切开的部分朝向与所述外部覆盖层的剖面的中心背对的方向。
10.一种利用特殊光纤测量三维曲线形状的系统，其特征在于，包括：
LD，其向光纤芯的输入侧输出具有规定大小的峰值及宽度的光信号；
PD1，其测量从所述LD输出后输入至所述光纤芯的所述光信号的功率；
TDC部，其检测所述光信号在所述光纤芯的任意的弯曲点发生散射而返回到所述输入侧的反射信号的峰值；
PD2，其测量所述反射信号的功率；以及
FPGA，其控制所述LD、所述PD1、所述TDC部及所述PD2的工作，并且根据所述LD输出的所述光信号的峰值、所述PD1测量的所述光信号的功率、所述TDC部检测的所述反射信号的峰值、所述PD2测量的所述反射信号的功率，计算所述光纤芯的所述弯曲点及所述弯曲点的曲率。
11.根据权利要求10所述的利用特殊光纤测量三维曲线形状的系统，其特征在于，
所述光纤芯包括：
内部覆盖层，其用于覆盖所述光纤芯；及
外部覆盖层，其用于覆盖所述内部覆盖层，
所述光纤芯的折射率n1、所述内部覆盖层的折射率n2、所述外部覆盖层的折射率n3设置为n1≥n3>n2的关系，
覆盖所述光纤芯的所述内部覆盖层具有沿着长度方向切开所述内部覆盖层的一部分并露出所述光纤芯的一部分的切开部分，
并且，所述切开部分由具有与所述光纤芯或者所述外部覆盖层相同的折射率的材质来填充。
12.根据权利要求10所述的利用特殊光纤测量三维曲线形状的系统，其特征在于，
特殊光纤的构成方式如下：覆盖所述光纤芯的多个所述内部覆盖层配置在所述外部覆盖层的内部，由此构成各个信道，各个所述内部覆盖层配置为具有等方位角的放射状，且在所述外部覆盖层的剖面的中心周围具有所述等方位角的放射状，各个所述内部覆盖层配置为所述切开部分与所述外部覆盖层的所述中心背对，
所述LD、所述PD1、所述TDC部、所述PD2及所述FPGA构成一个弯曲测量装置，
一个所述弯曲测量装置配置为对应一个所述光纤芯，并且，
所述测量三维曲线形状的系统还包括：整合数据处理器，其通过整合每个信道的所述弯曲测量装置输出的弯曲点及所述弯曲点的曲率来再现三维曲线形状。
13.根据权利要求10所述的利用特殊光纤测量三维曲线形状的系统，其特征在于，
在所述FPGA中，
通过所述LD输出具有第一宽度的第一脉冲，
通过所述TDC部检测所述第一脉冲的反射信号，
根据所述反射信号，设置包括输出第一脉冲之后出现反射信号的时间点的采样点，
通过所述LD输出具有第二宽度的第二脉冲，
在所述采样点，通过所述TDC部检测所述第二脉冲的反射信号的峰值及通过所述PD2测量所述第二脉冲的反射信号的功率，并且，
根据所述检测的峰值计算所述光纤芯的弯曲点，根据所述测量的功率计算所述弯曲点的曲率。
14.根据权利要求13所述的利用特殊光纤测量三维曲线形状的系统，其特征在于，
所述第一脉冲的宽度小于所述第二脉冲的宽度。
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