JP2008180736A - 光学的に透明な対象物の光学的および物理的厚さを測定する方法と装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ファイバを処理する領域から遠隔に配置されながらも連続的かつ正確な測定を供給する反射干渉法技術を使用する、光学的に透明な対象物の厚さを測定する方法と装置を提供する。
【解決手段】本願発明は、測定されるべきパラメータに関連する方向で広帯域の光学信号を対象物に透過させ、対象物の近い方の表面反射信号と遠い方の表面反射信号からなる一対の反射信号を捕捉し、スペクトル領域内の信号を比較して一対の反射信号の間の光学的分離を判定してうなり周波数を判定し、そして既知の屈折率で光路長を除算して対象物の絶対的な物理的厚さを判定することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、（光ファイバもしくはプリフォームのような）光学的に透明な対象物の厚さを測定するための方法と装置に関し、さらに詳細には、ファイバを処理する領域から遠隔に配置されながらも連続的かつ正確な測定を供給する反射干渉法技術（ａ ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）の使用に関する。

本出願は、２００２年１１月１４日に出願した米国仮特許出願番号６０／４２６，２７２号に基づく優先権を主張するものである。

ガラスのプリフォームから光ファイバを線引き（ｄｒａｗｉｎｇ）する処理の間で、ファイバの寸法を正確に特徴付けて測定してその特性および信号伝搬に与える影響を理解、予測および制御する必要性が高まりつつある。加えて、プリフォーム自体の製造時に、堆積される様々な層またはプリフォームのチューブの寸法を特徴付け測定しおよび制御することが望ましい。例えば、ＭＣＶＤ技術を使用するとき、堆積されるスートの量を正確に判定することができるようにガラス・チューブの内径を連続的にモニタする必要がある。
米国特許第５、８２８、４４８号明細書 米国特許第５、２２８、８９３号明細書 米国特許第４、０２１、２１７号明細書 Ａ．Ａｓｈｋｉｎ、Ｊ． Ｍ． Ｄｚｉｅｄｚｉｃ及びＲ．Ｈ．Ｓｔｏｌｅｎ、「Ｏｕｔｅｒ Ｄｉａｍｅｔｅｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｌｏｗ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒｓ ｂｙ ａ Ｎｅｗ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ」（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ．１ Ｊｕｌｙ １９８１，Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．１３）

光ファイバの製造時に寸法特徴（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ）を供給するために現在使用される従来技術は、比較的低い程度の精度を示すか、または連続的なオンライン・モニタリングおよび制御のための製造環境で容易に実行することができないかのいずれかである。

多くの線引き塔（ｄｒａｗ ｔｏｗｅｒｓ）は、線引き処理の間のファイバの直径（またはスート堆積時のプリフォームの内径）を測定するために「シャドーイング（ｓｈａｄｏｗｉｎｇ）」と称される技術に基づいた市販装置を使用する。この技術では、目標対象物（ファイバもしくはプリフォーム）を横切ってレーザ光が走査され、そのとき、そこでは目標対象物の寸法を回収するために透過率の変化が分析される。殆どのケースで、この技術の精度は約０．１μｍ程度であり、かつ平均化処理を必要とし、ここで平均化処理がこの技術を比較的遅いものにする。さらに、この技術は校正を必要とし、かつファイバの線引き処理の間に生じる可能性のあるエア・ポケットの存在を検出することが不可能である。

当該技術で「スキャッタリング光による光ファイバの特徴付け（Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｂｙ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ）」の略語で「ＦＯＣＳＬ」と称される代替の干渉法技術は、対象物を通って透過する光と対象物から反射される光の間の干渉に起因して生じる干渉縞の数を計数する。上述した技術と比較すると、ＦＯＣＳＬは約０．０５μｍ程度の精度を示す。対象物を横切って単一の周波数が走査され、対象物の直径を判定するために対象物が存在するときと存在しないときの位相差が測定される他の干渉法技術が存在する。

殆どの干渉法技術は、屈折率と物理的厚さの産物である光学厚さを測定することしかできない。物理的厚さは屈折率の値を仮定し、測定した光学厚さでこの値を割り算することによって判定される。しかしながら、薄膜成長時のケースのように屈折率が極めて正確に判らないケースが存在する。したがって、屈折率と物理的厚さの両方を独立して測定することが可能な技術を有することが望ましい。

殆どのケースで、光ファイバは二重（一次と二次の）ポリマー・コーティングで被覆される（図面図５参照）。ファイバの曲げ損失は一次コーティングの厚さによって決まる。現在、ファイバがまだ線引き装置の定位置にある間に一次コーティングの径をモニタする方法はない。

利用可能な先行技術の測定技術はすべてファイバ／プリフォームを通って前方散乱される光の分析に依存しており、したがって、線引き装置に検出器と集光光学系が配置されることを必要とする。この必要性は、殆どの線引塔で関連する空間的制限により取り扱いにくいものとなることが多い。

その結果、本来連続的で正確である、ファイバもしくはプリフォームのような光学的に透明の対象物を特徴測定することが可能で、かつ線引き装置から遠隔に配置することが可能な配列の必要性は当該技術に残ったままである。

先行技術に残る必要性は本発明によって解決され、それは（光ファイバもしくはプリフォームのような）光学的に透明な対象物の厚さを測定する方法と装置に関し、さらに詳細には、ファイバを処理する領域から遠隔に配置されながらも連続的かつ正確な測定を供給する反射干渉法技術の使用に関する。

本発明によると、光源からの広帯域の光学パルスが測定される対象物に向けられ、第１のレンズを通して対象物上に焦点集束される。そのとき、対象物から反射された光がこの第１のレンズによって集められ、光源から遠ざかる方向に向けられるようにビーム・スプリッタを通過し、第２のレンズを通過し、最終的に分光計に入る。その後、測定された対象物の寸法を判定するためにスペクトル写真の出力が分析される。

ファイバの直径を測定するために使用されるとき、本発明の配列は２つの界面、すなわち（１）「近い方の」ファイバ外表面／空気界面、および（２）「遠い方の」ファイバ外表面／空気界面から反射を受けるであろう。遠い方の側から反射される光はファイバを２回通って伝搬しているであろうし、近い方の界面から反射される光と干渉を生じる。２つの信号の間の位相差はそれ自体うなり信号としてスペクトル領域に現れ、したがってファイバの物理的直径を判定するために使用されることが可能である。本質的に、ファイバはファイバの光学厚さでアーム長さが異なる干渉計として機能する。

光ファイバのプリフォームの内径を測定するために使用されるとき、プリフォームの両側の空気／スート界面は反射表面として機能し、上記で検討を加えたような測定を実行する能力を生じる。

本発明によると、直径と屈折率といった２つの異なる変数、またはファイバ内の異なる層の径を判定するために、反射干渉法技術が別の測定システムと組み合わせて使用されることが可能である。

本発明の様々な他の利点および使用法は、以下の検討の経過の中で、かつ添付の図面を参照することによって明らかになるであろう。
ここで図に関すると、同様の番号はいくつかの図で同様の部品を表わす。

図１は光学的に透明の対象物の厚さを測定するための範例となる反射干渉法の配列１０を具体的に示している。図１に示した範例では、光ファイバ１２が測定される対象物である。下記で検討を加えられるであろう本発明の技術が光学的なプリフォームまたは、概して、いかなる光学的に透明な対象物の寸法を測定するためにも使用可能であることは理解されるべきである。

図１に戻って参照すると、光源１４からの広帯域の光学パルスＰはビーム・スプリッタ１６を通過し、焦点集束用レンズ１８によって光ファイバ１２の側面２０上に向けられる。好ましい実施例では、モード・ロックされたレーザのような光源が使用される。そのとき、ファイバ１２から反射された光は逆方向Ｒに伝搬し、そこでレンズ１８によって平行化され、その後、ビーム・スプリッタ１６によって再び方向付けされて第２のレンズ２２に入り、レンズ２２からの反射された光はその後に（光ファイバまたはその他の導波路のような）光路２４内に焦点集束され、その後、分光計２６に入り、そこで測定が実行され、ファイバ１２の寸法が判定される。

反射光Ｒは主にファイバ１２と周囲の空気の間の２つの界面から入来する。第１の界面は側面２０であり、それに対して第２の界面は反対側の側面２８である。本発明の目的のために、コアの形状特徴からのいかなる反射もガラス／空気の反射よりも小さい程度であり、したがって無視することが可能である。図示したように、界面２８からの光はファイバ１２を２回通って伝搬し、その後、界面２０から反射された光と干渉を生じる。２つの反射の間の位相差はそれ自体、上述したように、うなり（ｂｅａｔｉｎｇ）として複数波長のピークを伴なってスペクトル領域に現れ、そこでは位相差は２πの整数倍であり、４πＬ／λｐ＋π＝２πｐが満たされる（ｐは整数であり、Ｌは（物理的経路長で乗算した屈折率として規定される）ファイバ通過の１行程の光路長であり、λｐはｐ番目のピークの波長である）。その結果、ファイバはファイバの光学厚さでアーム長が異なる干渉計として作用する。外部の基準アームを必要としないので、この測定は焦点内のファイバの小さな移動に対して強い。

よく知られているように、光路長の変化δＬは以下のようにピーク波長の変位δλを生じる。

したがって、本発明の技術の感度は干渉縞ピーク波長の最小の検出可能変位によって決まり、それは使用される分光計の分解能に等しい。

図２は干渉縞ピーク位置の変位をファイバの厚さの変化の関数として例示するグラフを含む。例を挙げると、もしも０．０５ｎｍの分解能が測定に関して仮定されるならば、ファイバの光路長Ｌ＝１２５μｍおよび約１．５５μｍの波長λｐで、厚さの最小検出可能変化は約４．０ｎｍである。したがって、本発明の技術は、先行技術を約一桁の程度で上回ってファイバ直径を測定する精度を向上させることが可能である。干渉ピークの位置は、本発明の測定技術を使用することによって、線引き塔内のファイバの線引きを制御するための信号として使用されることが可能である。

さらに精度の高さで、本発明の反射干渉法測定技術はまた、校正を必要としないが光路長の完全な判定を可能にする。干渉パターンはファイバを通る光路長によって決まるので、気泡のような欠陥を容易に検出することが可能である。本技術は焦点内のファイバの小さな移動に対して強く、ファイバが線引きされている間に測定を行なうために使用されることが可能である。本発明の技術は反射光を使用するので、収集光学系と検出器が測定されるファイバの近くに設置される必要性がない。これは空間が制限されたファイバの線引き塔で測定がなされることに関して有意な利点であると考えられる。

図３（ａ）は２つのプロットを含み、実線が測定された反射信号Ｒのスペクトルを描いており、破線がそれに関連する計算値を示している。図１に示した配列を使用して、未コーティングの信号モードのファイバは第１のレンズ１８に関して図示したように配置された。これらの測定のために、Ｅｒ＋をドープしたファイバのレーザ源１４が、約５．０ｃｍの焦点距離を有する第１のレンズ１８で単一モードのファイバの未コーティング区域上に焦点集束された。逆反射光信号Ｒはビーム・スプリッタ１６によって光学スペクトル分析装置（ＯＳＡ）内に方向付けられ、そこではＯＳＡは０．０５ｎｍの分解能を有するように設定された。図３（ｂ）は同じ検査配列を例示しており、コーティング済みのファイバに関する結果が記録される。図３（ａ）と（ｂ）のグラフを参照すると、関数ｃｏｓ（４πＬ／λ＋π）は、そのピークが記録したスペクトル写真のそれらと整合するようにＬに関して最適化される。その後、光路長Ｌが屈折率（これは既知の量であると仮定される）で除算処理されて物理的ファイバ直径を生じる。

上述したように、ファイバ（もしくはプリフォーム）を特徴測定する中で２つの「未知数」の存在するケースがある。いくつかのケースでは、ファイバの直径と屈折率の両方が未知の可能性がある。その他のケースでは、（コアのような）内側のファイバの直径および外側のファイバ（クラッド層）の直径が未知の可能性がある。原理では、本発明の測定技術は未知のパラメータの両方を判定するために別の独立の測定技術と組み合わされることが可能である。

図１に例示されている後者のケースに関すると、コア領域の内径ｄ_２および合計のファイバ直径ｄ_１は両方共に未知の可能性があり、そこでは各々の領域はまた、異なる屈折率も示す。従来の先行技術を使用して最初に完全なファイバの直径ｄ_１が測定されることも可能である。ファイバを通る光路によって決まる本発明の反射干渉法の配列はｎ_２ｄ_２＋ｎ_１（ｄ_１−ｄ_２）として規定される光学厚さを生じる。両方の屈折率が既知の限り、これら２つの測定は、その後、ｄ_１とｄ_２の両方を規定するために使用されることが可能である。

考案の技術はまた、図４に示した配列を使用して、屈折率の未知のファイバの直径を正確に測定するために使用されることが可能である。この配列では、ファイバ３０は一対のウィンドウ３２と３４の間に配置され、そこではウィンドウ３２の裏面３６とファイバ３０の間の距離ａ、ならびにウィンドウ３４の裏面３８とファイバ３０の間の距離ｂは良好に制御される。ファイバ３０の表面４０と４２は裏面３６および３８それぞれと共にファブリー・ペローの空胴を構成する。第１の反射干渉法測定装置１０−１は、ウィンドウ３２を通ってファイバ３０の中へと測定検査信号を方向付けるように配置される。第２の反射干渉法測定装置１０−２は、ウィンドウ３４を通ってファイバ３０の中へと測定検査信号を方向付けるように配置される。これらの空胴の共振波長を測定することによって、距離ａとｂを判定することが可能である。ウィンドウ３２と３４の間の距離ｃは一定に保たれ、ウィンドウ間に厚さの既知のファイバを挿入することによって校正することが可能である。その後、ｄ_１＝ｃ−ａ−ｂであるのでファイバの外径ｄ_１が正確に決定される。

ＭＣＶＤ工程を使用してプリフォームを製造する間で、チューブの内径を正確に知ることで堆積したスートの量を評価することが望ましい。図６は範例となるＭＣＶＤファイバのプリフォーム６０の断面を例示している。この特定の配列では、プリフォーム６０は外側のプリフォーム・ガラス・チューブ６２を有し、チューブ６２の内側表面６６上にスートの層６４が堆積されている。本発明の反射干渉法の測定配列１０−３が、近い方のスート界面６８および遠い方のスート界面７０から入る反射信号を捕捉するように配置されることが可能であり、これらの測定を使用して最終のプリフォーム内径を判定する。もしも初期の内径もやはり既知の場合、堆積されたスート層の厚さは容易に判定されることが可能である。

以上に示した実施形態は本発明の概念を単に例示するように意図されるものである。ここに添付した特許請求項によって規定される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な他の実施形態および改造が当業者によってなされることが可能である。

本発明によって構成される範例の反射干渉法の測定用配列を具体的に示す図である。 波長のピーク位置の変位を測定されたファイバ直径の厚さの変化の関数として描くグラフである。 図３（ａ）は、図１のシステムを使用して未コーティングの光ファイバから測定した反射スペクトル写真と、比較のためにシミュレートした値の両方を示すグラフである。一方、同図（ｂ）は、ポリマー・コーティングした光ファイバから測定した反射スペクトル写真を示すグラフである。 屈折率の未知のファイバの直径を測定するために使用されるときの本発明の配列を具体的に示す図である。 二重（一次と二次の）ポリマー・コーティングで被覆された光ファイバを示す図である。 ＭＣＶＤ工程を使用して堆積された内部スート層を含む光ファイバのプリフォームの内径を測定するために使用されるときの本発明の配列を具体的に示す図である。

符号の説明

１２ 光ファイバ
１４ 光源
１６ ビーム・スプリッタ
１８ 焦点集束用レンズ
２０ 側面
２２ レンズ
２４ 光路
２６ 分光計
２８ 側面
３０ ファイバ
３２ ウィンドウ
３４ ウィンドウ
３６ ウィンドウ３２の裏面
３８ ウィンドウ３４の裏面
４０ ファイバ３０の表面
４２ ファイバ３０の表面
６０ ＭＣＶＤファイバのプリフォーム
６２ 外側のプリフォーム・ガラス・チューブ
６４ スートの層
６６ チューブ６２の内側表面
６８ スート界面
７０ スート界面

Claims (1)

1. 未知の屈折率を有する光学的に透明な対象物の絶対的な物理的厚さを判定する方法であって、
   所望の物理的厚さの測定に関連する方向で光学的に透明な対象物を横切って第１の広帯域光信号を透過させる工程と、
   前記光学的に透明な対象物からの第１の反射信号の対を捕捉する工程とを含み、前記第１の反射信号の対のうちの第１の信号が前記対象物の第１の界面反射に関連し、前記第１の反射信号の対のうちの第２の信号が、前記対象物の表面とともに第１の空胴を形成する第１のウインドウの面の界面反射に関連しており、さらに、
   前記第１の広帯域光信号の前記第１及び第２の信号から共振波長を測定する工程と、当該測定から、前記光学的に透明な対象物と前記第１のウインドウの面との間の第１の距離間隔（図４の距離「ａ」）を判定する工程と、
   前記第１の広帯域光信号の透過方向とは反対の方向に光学的に透明な対象物を横切って第２の広帯域光信号を透過させる工程とを含み、前記第１のウインドウの面と前記第２のウインドウの面との間の距離は既知（図４の距離「ｃ」）であり、さらに、
   前記光学的に透明な対象物からの第２の反射信号の対を捕捉する工程とを含み、前記第２の反射信号の対のうちの第１の信号が前記対象物の第２の界面反射に関連し、前記第２の反射信号の対のうちの第２の信号が、前記対象物の表面とともに第２の空胴を形成する第２のウインドウの面の界面反射に関連しており、さらに、
   前記第２の広帯域光信号の前記第１及び第２の信号から共振波長を測定する工程と、当該測定から、前記光学的に透明な対象物と前記第２のウインドウの面との間の第２の距離間隔（図４の距離「ｂ」）を判定する工程と、
   前記第１のウインドウの面と前記第２のウインドウの面との間の既知の距離間隔から前記第１及び第２の距離間隔を差し引くことで、光学的に透明な対象物の絶対的な物理的厚さを判定する工程とからなることを特徴とする方法。

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