JP2004226404A - 光ファイバの残留応力測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 残留応力測定用の光の位相及び経路の撹乱を防止し、光ファイバ内の状態をより正確に検出することのできる光ファイバの残留応力測定装置を提供する。
【解決手段】 残留応力測定用の測定光２０１を出力する光源２１０と、測定光を視準化させるレンズ系２３０と、測定光を偏光させて光ファイバ２６２に収束させる偏光計２５０と、光ファイバを支持するスライドグラス２６１と、光ファイバを透過した測定光の所定の偏光成分のみを選択的に透過させ、スライドグラスと対向した位置に配置されて光ファイバをカバーするアナライザ２６３と、アナライザを通過した測定光を映像化する検出部２７０と、を備える残留応力測定装置を提供する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、光ファイバの残留応力測定装置に関し、特に、光弾性効果を利用した光ファイバの残留応力測定装置に関する。

一般的に、光ファイバの残留応力(residual stress)は、高温における線引き中に発生する。残留応力とは、完成した光ファイバの内部に除去されずに一部残存する応力を意味する。この残留応力は、光ファイバの光散乱による光損失を増加させ、光弾性(photoelastic)効果によって屈折率を変化させる。従って、光ファイバ内の残留応力の分布及び大きさを正確に測定して最適化する技術が要求される。

通常、光ファイバの残留応力は、光弾性効果を利用して測定される。光弾性効果は、媒質に残っている応力の方向に従って屈折率が変化する現象を意味する。この光弾性効果があると、入射光は光ファイバ内に形成された残留応力によって位相が変化する。

図１は、従来の光ファイバの残留応力測定装置を示すブロック図である。図２は、図１の検出部及び測定部を示す部分図である。図１及び図２を参照すると、従来の技術による光ファイバの残留応力測定装置は、光ファイバの残留応力を測定するための光１０１を出力する光源１１０、光１０１を視準化するレンズ系１３０、偏光計１５０、測定部１６０、残留応力によって発生した光１０１の位相変化を検出するための検出部１７０、光源１１０とレンズ系１３０との間に位置した第１反射鏡１２０、及びレンズ系１３０と偏光計１５０との間に位置する第２反射鏡１４０を備えている。

光源１１０は、光ファイバ１６２の残留応力を検出するための光１０１を出力する。この光源としては、干渉性及び偏光選択性が優れたレーザを使用することができる。一般的には、ヘリウム-ネオン(He-Ne)レーザが用いられる。

レンズ系１３０は、光源１１０から出力された光１０１を発散するための放散器(diffuser)１３１、放散器１３１によって発散された光を視準化する視準化レンズ(collimating lens)１３２、及び視準化レンズ１３２の後方に位置する開口１３３を有する。通常、視準化レンズ１３２としては、凸レンズ(convex lens)を使用することができる。

第２反射鏡１４０は、レンズ系１３０によって視準化された光１０１を偏光計１５０の方に経路変更するデバイスであり、予め設定された傾斜でレンズ系１３０と偏光計１５０との間に位置する。

一般的に、光ファイバ及び光ファイバ母材の残留応力の測定は、光弾性(Photoelasticity)効果を利用して遂行される。この光弾性効果による光ファイバ及び光ファイバ母材の残留応力測定方法は、予め設定された偏光成分を有する光を残留応力を測定する素材に透過させた後、その偏光成分の光の変化を検出する方法である。

このような光弾性効果を利用した光ファイバ及び光ファイバ母材の残留応力及びその他の応力の測定に対する代表的な３つの論文として、非特許文献１〜３がある。

『"Measurement of Stress in Optical Fiber and Preform" by P. L. Chu, T. Whotebread et al, published in Appl. Opt. 1982.21, PP 4241 to 4245』 『"Fast Photoelastic Stress Determination Application to Monomode Fibers and Splices" by Th. Rose, D. Spriedgel, J. R. Kropp et al, published in Sci. Technol. 4, PP 431 to 434 (1993)』 『"A Microscope for Measuring Axial Stress Profiles in Optical Fibers with High Spatial Resolution and Low Noise" by K. W. Raine, published at "4th Optical Fiber Measurement Conference (NPL Teddington UK)" in 1997』

偏光計１５０は、反射鏡１４０から入射された光１０１を予め設定された偏光方向に沿って直線偏光させる偏光子１５１、その直線偏光させた光を円偏光に位相変化させるλ／４板（波長板）１５２、及びλ／４板１５２で円偏光させた光を、残留応力測定のためにスライドグラス１６１とカバーグラス１６３との間に位置した光ファイバ１６２に収束するレンズ１５３を有する。偏光計１５０は、レンズ系１３０から入力された光を円偏光させた光に位相変化させた後、その円偏光ビームを残留応力測定対象の光ファイバ１６２に入力させる。

測定部１６０は、残留応力を測定する対象の光ファイバ１６２、光ファイバ１６２を支持するスライドグラス１６１、及び光ファイバ１６２を間に挟んでスライドグラス１６１と対向して位置するカバーグラス１６３を備えている。スライドグラス１６１とカバーグラス１６３との間には特に、光ファイバ１６２が挿入された周辺にマッチングオイル１６４が注入される。マッチングオイル１６４は、光ファイバ１６２の屈折率同等の屈折率を有し、光ファイバ１６２とカバーグラス１６３及びスライドグラス１６１との間の屈折率差により生じ得る、測定部１６０を通過した光の位相変化及び誤差を最小化する。

カバーグラス１６３は、単純に光ファイバ１６２を固定する役割をもつ。カバーグラス１６３は、光ファイバ１６２との屈折率差を最小化し、カバーグラス１６３を進行する光の位相変化を最小化するために、できるだけ薄くすることが望ましい。

検出部１７０は、測定部１６０から入力された光の偏光状態変化を検出して、光ファイバ１６２の残留応力の有無及び程度を判断する。検出部１７０は、測定部から入力された光を拡大するための高倍率の対物レンズ１７１、光ファイバを通過した光を分析して光１０１の予め設定された偏光成分を選択的に通過させるアナライザ１７２、及びアナライザ１７２から入力された光１０１を電気信号に変換して映像信号として出力するＣＣＤカメラ１７３から構成される。

以上の構成のうち、カバーグラス１６３は、光ファイバ通過後の円偏光された光の位相及び経路を撹乱させ、光弾性効果を利用した前述の光ファイバの残留応力測定方法において誤差の要因として作用するという問題点がある。従って、光ファイバ及び光ファイバの母材の残留応力を測定する方法の改善が必要である。

本発明の目的は、残留応力の測定のために使用される光の位相及び経路の撹乱を防止し、光ファイバ内の状態をより正確に検出することのできる光ファイバの残留応力測定装置を提供することにある。

このような目的を達成するための本発明による光ファイバの残留応力測定装置は、残留応力を測定するために使用される測定光を出力する光源と、測定光を偏光させて光ファイバに収束させる偏光計と、光ファイバを支持するスライドグラスと、光ファイバを透過した測定光の所定の偏光成分のみを選択的に透過させ、スライドグラスと対向した位置に配置されて光ファイバをカバーするアナライザと、アナライザを通過した測定光を映像化する検出部と、を備えることを特徴とする。この残留応力測定装置は、光源による測定光が偏光計へ入る前に視準化させるレンズ系と、検出部による映像化結果に基づいて光ファイバの状態をモニタリングする制御部と、レンズ系によって視準化された測定光の経路を変更するために、レンズ系と偏光計との間に予め設定された角度で傾斜して位置した反射鏡と、をさらに備えることができる。また、偏光計は、直線偏光させた測定光を円偏光させた測定光に位相変化させる複屈折結晶板を有するものとするとよい。

また、本発明によれば、光ファイバの残留応力測定装置において、光ファイバを支持するスライドグラスと、その光ファイバを間に挟んでスライドグラスと対向して位置して光ファイバをカバーし、該光ファイバを透過した光の所定の偏光成分のみを選択的に透過させるアナライザと、を備えることを特徴とする。このアナライザは、光ファイバの残留応力によって位相変化された偏光成分を遮断するものとすることができる。

本発明は、従来のカバーグラスの位置にアナライザを適用することによって、光ファイバの残留応力を測定するための光の偏光成分の位相変化及び経路変化を最小化することができ、応力測定時に発生する誤差要因を最小化することができる。さらに、対物レンズを、測定される光ファイバにさらに近接して配置することができ、高倍率の対物レンズを使用することができる。つまり、アナライザを光ファイバに密着して配置するので、減少された位相差によって残留応力測定の時に発生する誤差を最小化することができ、対物レンズの倍率を向上させることができるという利点がある。その結果、検出部によって映像化されたイメージを容易に拡大することが可能になる。

以下、本発明の好適な実施形態について添付図を参照しつつ詳細に説明する。下記の説明において、本発明の要旨のみを明確にする目的で、関連した公知機能又は構成に関する具体的な説明は省略する。

図３は、本発明による光ファイバの残留応力測定装置の一例を示す。また図４は、図３の測定部及び検出部を示している。図３及び図４を参照すると、光ファイバの残留応力測定装置は、光を出力する光源２１０、レンズ系２３０、測定光２０１を偏光状態に位相変化させる偏光計２５０、測定光２０１の位相変化を測定する測定部２６０、光検出部２７０、光源２１０とレンズ系２３０との間に位置する第１反射鏡２２０、及びレンズ系２３０と偏光計２５０との間に位置する第２反射鏡２４０を備えている。

光源２１０は、光ファイバ２６２の残留応力の有無を検出するための測定光２０１を生成する。光源２１０としては、干渉性及び偏光選択性が優れた光を生成することのできるレーザを使用することができる。たとえば、Ｈｅ-Ｎｅレーザを使用することが望ましい。

第１反射鏡２２０は、光源２１０の出力側に位置して光源２１０から出力される測定光２０１をレンズ系２３０に入力させる。

レンズ系２３０は、放散器２３１、視準化レンズ２３２、及び開口２３３を含む。レンズ系２３０は、光源２１０から入力された測定光２０１を視準化する。視準化レンズ２３２としては凸レンズが使用され、視準化レンズ２３２と放散器２３１を並べで配列することによって、光源２１０から入力された光を視準化する。

第２反射鏡２４０は、レンズ系２３０によって視準化された測定光２０１の経路を変更し、偏光計２５０に入射させる。反射鏡２４０は、予め設定された角度の傾斜でレンズ系２３０と偏光計２５０との間に位置する。

光ファイバ２６２の残留応力は、光弾性効果を利用して測定される。この方法は、予め設定された偏光成分に偏光された測定光２０１を光ファイバ２６２に照射した後、光ファイバ２６２内の残留応力によってその偏光された測定光の位相変化が発生することを利用した方法である。位相変化による偏光測定光の強度変化を検出することによって、光ファイバ２６２の残留応力が測定される。

偏光計によって偏光された光が光ファイバを通過する時、該測定光を構成する一部の偏光成分は、残留応力によってその位相が不規則に変化する。アナライザは、光ファイバを通過した光のうち、予め設定された偏光成分のみを選択的に通過させる。アナライザを通過した後、測定光の強度は、アナライザに入射される前の強度に比べて変化する。続けて偏光測定光の強度を測定することによって、光ファイバの残留応力を検出する。

偏光計２５０は、第２反射鏡２４０から入射された測定光２０１を予め設定された偏光方向に沿って直線偏光する偏光子２５１、その直線偏光された測定光を円偏光された光に位相変化させるλ／４板２５２、及びλ／４板２５２によって円偏光された光を、残留応力測定対象の光ファイバ２６２に収束させるレンズ２５３から構成される。従って、偏光計２５０は、レンズ系２３０からの視準化測定光を円偏光測定光に位相変化させて光ファイバ２６２に入射させる。

偏光子２５１は、レンズ系２３０から入射された測定光を予め設定された偏光方向に沿った光に直線偏光させた後、この直線偏光させた光をλ／４板２５２に対して予め設定された角度で入力する。

数式１及び数式２は、時空間関数である。数式１は、測定光の偏光成分のｘ軸成分(Ｅ_ｘ)を示し、数式２は、測定光の偏光成分のｙ軸成分(Ｅ_ｙ)を示す。

［数１］
Ｅ_ｘ−Ｅ_ｘ０sin（kz−ω＋δ_１）

Ｅ_ｘは、測定光の偏光成分のｘ軸成分、Ｅ_ｘ０は、Ｅ_ｘ成分の振幅(amplitude)、sin（kz−ω＋δ_１）は、ｚ軸に沿って進行するＥ_ｘ成分の波形を示す。ｋｚは、Ｅｘ成分がｋだけの波数を有してｚ軸にそって進行することを示し、ωは、Ｅｘ成分の角周波数、δ１は、Ｅｘ成分の初期位相値を示す。

［数２］
Ｅ_ｙ−Ｅ_ｙ０sin（kz−ω＋δ_２）

Ｅｙは、測定光の偏光成分のうちｙ軸成分、Ｅｙ０は、Ｅｙ成分の振幅(amplitude)、sin（kz−ω＋δ_２）は、ｚ軸に沿って進行するＥｙ成分の波形を示す。ｋｚは、Ｅｙ成分がｋの波数を有してｚ軸に沿って進行することを意味し、ωは、Ｅｙ成分の角周波数を、δ_２は、Ｅｙ成分の初期位相値を示す。

つまり、偏光子２５１は、レンズ系２３０から入射された測定光の偏光成分を予め設定された偏光方向に沿って直線線偏光させ、λ／４板２５２に直線偏光測定光を４５°の角で入力する。

λ／４板２５２は、方解石、雲母(mica)などの複屈折結晶を使用する。この複屈折物質は、異なる２つの屈折率を有するので、異なる速度で進行する偏光成分に割る役割をする。つまり、方解石は、内部に入射された光を、屈折方式を充足する常光線(Ordinary ray)と、屈折方式を充足しない異常光線(extraordinary ray)とに分離する。このような現象を複屈折と称する。この複屈折現象は、媒質内の屈折率差に起因する。従って、複屈折媒質を進行する光は、異なる屈折率によって、進行経路及び進行速度が違ってくる。例えば、異常光線の速度が常光線の速度より小さい場合を正結晶(positive crystal: 水晶)、反対に、異常光線の速度が常光線の速度より大きい場合を負結晶(negative crystal: 方解石)と称する。従って、複屈折媒質を進行する光は、複屈折媒質の異なる屈折率によって偏光成分を構成する成分間に位相差及び速度差を生じさせる。

測定部２６０は、スライドグラス２６１、スライドグラス２６１と対向して位置し、光ファイバ２６２をカバーするアナライザ２６３を有している。アナライザ２６３とスライドグラス２６１との間に光ファイバ２６２が挿入される。この光ファイバ２６２の周辺に光ファイバ２６２の屈折率同等の屈折率を有するマッチングオイル２６４を塗布することで、測定部２６０を構成する構成要素間の屈折率差による円偏光測定光の位相変化及び測定誤差を最小化する。

光ファイバ２６２は、スライドグラス２６１の上面に位置する。スライドグラス２６１は、光ファイバ２６２の屈折率と同等の屈折率を有し、できるだけ薄くすることで、スライドグラス２６１を進行する間に円偏光測定光の位相変化及び経路変化を最小化する。

アナライザ２６３は、光ファイバ２６２内の残留応力によって位相が変化した偏光成分は遮断する。さらに、アナライザ２６３は、スライドグラス２６１と対向した位置で光ファイバ２６２をカバーし、光ファイバ２６２を支持するカバーグラスの役割ももつ。

検出部２７０は、アナライザ２６３から出力された光を映像化するもので、アナライザ２６３から出力された光を結像するための対物レンズ２７１、及び対物レンズ２７１によって結像されたイメージを映像化するＣＣＤカメラ２７２を備えている。

制御部２８０は、検出部２７０からの映像化した光に基づいて光ファイバ２６２の状態をモニタリングする。

以上、本発明を具体的な実施形態を参照して詳細に説明してきたが、本発明の範囲は前述の実施形態によって限られるべきではなく、本発明の範囲内で様々な変形が可能であるということは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。

従来技術による光ファイバの残留応力測定装置の構成を示す図。 図１の測定部及び検出部を示す図。 本発明による光ファイバの残留応力測定装置の一例を示す図。 図３の検出部及び測定部を示す図。

符号の説明

２０１ 測定光
２１０ 光源
２２０，２４０ 反射鏡
２３０ レンズ系
２５０ 偏光計
２６０ 測定部
２７０ 光検出部

Claims (7)

1. 光ファイバの残留応力測定装置において、
   残留応力を測定するために使用される測定光を出力する光源と、
   測定光を偏光させて光ファイバに収束させる偏光計と、
   前記光ファイバを支持するスライドグラスと、
   前記光ファイバを透過した前記測定光の所定の偏光成分のみを選択的に透過させ、前記スライドグラスと対向した位置に配置されて前記光ファイバをカバーするアナライザと、
   前記アナライザを通過した前記測定光を映像化する検出部と、を備えることを特徴とする残留応力測定装置。
2. 光源による測定光が偏光計へ入る前に視準化させるレンズ系と、
   検出部による映像化結果に基づいて光ファイバの状態をモニタリングする制御部と、
   前記レンズ系によって視準化された前記測定光の経路を変更するために、前記レンズ系と前記偏光計との間に予め設定された角度で傾斜して位置した反射鏡と、をさらに備える請求項１記載の残留応力測定装置。
3. 光ファイバを間に挟んで対向配置されたアナライザとスライドグラスとの間にマッチングオイルを注入する請求項１記載の残留応力測定装置。
4. 検出部は、アナライザを通過した測定光を結像させる対物レンズと、前記対物レンズによって結像された像を映像化するＣＣＤカメラと、から構成される請求項１記載の残留応力測定装置。
5. 偏光計は、直線偏光させた測定光を円偏光させた測定光に位相変化させる複屈折結晶板を有する請求項１記載の残留応力測定装置。
6. 光ファイバの残留応力測定装置において、
   光ファイバを支持するスライドグラスと、
   前記光ファイバを間に挟んで前記スライドグラスと対向して位置して前記光ファイバをカバーし、前記光ファイバを透過した光の所定の偏光成分のみを選択的に透過させるアナライザと、を備えたことを特徴とする残留応力測定装置。
7. アナライザは、光ファイバの残留応力によって位相変化された偏光成分を遮断する請求項６記載の残留応力測定装置。

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