JP2814255B2 - 屈折率分布の測定方法 - Google Patents

屈折率分布の測定方法

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    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、プリフォームの屈折率分布の測定方法に関
し、特にプリフォームアナライザーを用いた屈折率分布
の測定方法に関する。
〔従来の技術〕
光ファイバやGRINレンズの製造方法として、最終製品
と同様な半径方向の屈折率分布を有するプリフォームを
作製し、これを細く引伸ばすことにより製品を得る方法
がある。
これらの製造に際して、プリフォームの屈折率分布測
定は、ファイバ化前のフィードバックデータとして特に
重要である。
プリフォームが中間製品であるという性格上、この測
定法は非破壊的であることが強く望まれる。プリフォー
ムに横から照射された光線の屈折角を測定する方法が種
々検討されているが、それらの中で、空間フィルタリン
グ法と呼ばれる方法は特に簡便である。
従来の空間フィルタリング法について、第6図を用い
て説明する。測定装置の構成は、プリフォーム4の軸の
垂直方向から光線2を照射する光源1と、プリフォーム
4の後方に設けたレンズ8と、レンズ8の焦点面(フー
リエ変換面として知られている)に設けた一定角速度で
回転するチョッパ11と、レンズ8の像面16に設けた光検
出器15と、チョッパ11が発するスタート信号と光検出器
15が発するストップ信号を与えることによって光の断続
時間を計測するタイマーカウンタ17とからなる。
以下の説明の都合上、X,Y,Zの方向を矢印のように決
める。Y方向はプリフォーム4の軸と同方向で、紙面に
対して直角の方向であり、X方向は、Y方向と光線の光
軸3の両方に対して直角な方向であり、Z方向は光線の
光軸3と同方向である。
上記光源1は、He−Neレーザである。
上記プリフォーム4は、マッチングオイル5が入った
容器6中にある。容器6全体をステップモータ7によ
り、X,Yの両方向に移動できるようにする。
上記レンズ8は、球面レンズであり、プリフォーム4
を通る光線2を結像させるために設ける。
上記チョッパ11は、空間フィルタに相当し、その形状
は、第7図に示すとおりである。
上記光検出器15は、フォトダイオードを用いる。
チョッパ11に設けた参照信号検出器14と、光検出器15
は、上記タイマーカウンタ17に接続され、さらにコンピ
ュータ18に接続される。
次に、従来の方法における作用を述べる。
プリフォーム4の軸方向に対して垂直な光線2を当て
ると、プリフォーム4は円筒レンズのように作用する。
プリフォーム4の内部を横切る光線2は、内部の屈折率
分布に依存した屈折を受ける。このため、この屈折角を
測定すれば逆に光線2が通過した部分の屈折率を計算で
きる。プリフォーム4をX,Y方向に移動して測定すれ
ば、2次元的な屈折率分布の測定が可能となる。
まず、光線2は、プリフォーム4の軸方向に垂直に入
射する。ここで、プリフォーム4を通過して像面16に達
する光線を考える。入射した光線2は、プリフォーム4
の屈折率分布により、角度φ方向に曲がり、レンズ8を
通り、光検出器15に入る。
第7図において、プリフォーム4を通らないと仮定し
た平行光線は、焦点9に結像するが、プリフォーム4を
通った光線2は、焦点面内では、どれだけ屈折されたか
で決まる、焦点からずれた1点10を通る。ここで、焦点
面内に設けた一定角速度で回転するチョッパ11により、
光を断続させる。
こうすると、光の断続時間は光線が焦点からずれてい
る距離xで決まる。そこで、光の断続時間を計測すれ
ば、逆に屈折角φを求めることができる。光の断続時間
は、チョッパ11が参照信号用検出器14を通じスタート信
号を発してから、対応した光線が通過し、光検出器15が
光線を検出し、ストップ信号を発するまでの時間であ
り、スタート信号、ストップ信号をタイマーカウンタ17
に与えることによって測定する。
屈折角φは、次式から求められる。
f:レンズ8の焦点距離 x:出射光スポットの位置 この屈折角φから、プリフォーム4の屈折率分布n
(r)は、次式で求められる。
n2:マッチングオイル5の屈折率 a:プリフォーム4の半径 プリフォーム4をステップモータ7により、X方向に
動かすと、その位置の関数としての屈折角が求まる。こ
の結果から直接、屈折率分布を測定することができる。
〔発明が解決しようする課題〕
上記した従来の屈折率分布の測定方法は、レンズをプ
リフォームの後方に設けたので、測定精度がレンズの性
能に依存し、かつ測定できる最大の屈折角がレンズの口
径によって制限される。また、測定できる最大のプリフ
ォーム口径は、レンズの口径、焦点距離に依存するが、
上記の高精度レンズの口径を大きくするのは困難である
ため、大口径のプリフォームの測定は実質的に困難だっ
た。
さらに、結像のための一定の光路長が必要であるた
め、装置が大型かつ複雑になるという欠点があった。
〔課題を解決するための手段〕
上記従来の課題を解決する本発明は、チョッパを光線
の光軸方向に移動し、又は、同期する2個のチョッパを
それぞれ光線の光軸に垂直に設ける構成としている。
〔実施例〕
次に、本発明の実施例について図面を参照して詳細に
説明する。
第6図に示した測定方法と同じ構成については、説明
を省略する。
第1図は、本発明の第1実施例の測定構成をY方向か
ら見た説明図である。
本実施例の屈折率分布の測定構成は、プリフォーム4
の軸の垂直方向から光線2を照射する光源1と、プリフ
ォーム4と光検出器15との間に設けた一定角速度で回転
するチョッパ11と、プリフォーム4を通過した光線を検
出する光検出器15とからなる。
上記光源1は、レーザを直接用いる代わりに、レーザ
に光ファイバを接続し、光ファイバの出射側端面にコリ
メータを設けてもよい。
上記チョッパ11は、ステップモータにより、X,Y方向
に移動できるようにする。
チョッパ11の代わりに液晶シャッタを用いてもよい。
液晶シャッタには、液晶セルを直線的に配置し、液晶セ
ルを順次不透明化及び順次透明化することにより、光線
2を遮る。チョッパは、回転中に回転速度にむらがあっ
ても、1回転以下の時間内では制御できないが、液晶シ
ャッタは、直線的に走査できるので、上記欠点がなくな
る。また、チョッパは、機械的部分があるので全体の精
度、制御性が制限を受けるが、液晶シャッタは、全電子
的に構成できるので、上記欠点がなくなる。
上記光検出器15は、チョッパ11の後方であれば、どこ
に設けてもよい。プリフォーム4により屈折した光線2
を検出できるように、充分大きな口径とする。
また、第2図に示すように大きい口径の光検出器15の
代わりに、大きい口径のオパールグラス又は内部散乱物
体(内部に散乱体を含むガラス又はプラスチックなどの
光散乱体)19を設け、その下方に小さい口径の光検出器
20を設けることができる。オパールグラス又は内部散乱
性物体19のどの位置に光が当たっても、光は多重散乱を
受けて光検出器20に届く。大きい口径の光検出器では、
雑音が大きく、応答が遅く、高価だが、上記組み合わせ
にすると、これらの欠点がなくなる。また、口径の変更
が必要となっても、オパールグラスを変えるだけでよ
い。
上記光検出器15の前面に偏光板を設置すると、光パル
スの高さに内部応力に関する情報が含まれるので、屈折
率と内部応力とを同時に測定することにより、内部応力
による屈折率変化を補正した結果を計算することができ
る。
次に、屈折率分布を求める方法を述べる。
まず、プリフォーム4を通らないと仮定した平行光線
と、プリフォームを通った光線2の位置z1におけるずれ
Δxを求める。
次に、チョッパ11を光線の光軸3の方向にプリフォー
ム4寄りにΔzずらして位置z2において同じ測定を行
い、Δx′を求める。屈折角φは、次式から求められ
る。
この屈折角φから、プリフォーム4の屈折率分布n
(r)は、(2)式で求められる。
第3図は、本発明の第2実施例の測定構成をY方向か
ら見た説明図である。
同形状、同位相で、同期する第1のチョッパ12と第2
のチョッパ13をプリフォーム4と光検出器15との間に、
それぞれ光線の光軸3に垂直にΔz離して設ける。
第4図(a),(b)、第5図(a),(b)におい
て、チョッパの羽根は、上から下に移動する。
φが負のとき、第4図(a)のように第1のチョッパ
12が第2のチョッパ13より先に光線2に遮るので、明か
ら暗に転じる時刻は、第1のチョッパ12によるΔx′の
位置を示す。一方、第4図(b)のように暗から明に転
じる時刻は、第2のチョッパ13が光線2から外れるとき
であるから、Δxを示す。
φが正のとき、第5図(a)のように第2のチョッパ
13が第1のチョッパ12より先に光線2を遮るので、明か
ら暗に転じる時刻は、第2のチョッパ13によるΔxの位
置を示す。一方、暗から明に転じる時刻は、第5図
(b)のように第1のチョッパ12が光線2から外れると
きであるから、Δx′を示す。
Δx,Δx′,Δzを用い、(3)式から屈折角φを求
める。
本実施例では、同期する2個のチョッパを用いたこと
により、Δx,Δx′を一度に測定することができる。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明は、プリフォームと光検出
器との間に回転するチョッパを設け、チョッパを光線の
光軸方向に移動し、又は、同期する2個のチョッパをそ
れぞれ光線の光軸に垂直に設けることにより、結像レン
ズが不要となり、レンズの口径により測定できる屈折角
が制限されない効果がある。その他、レンズにより、
プリフォームの口径が制限されないため、どのように大
きなプリフォームでも測定できる。レンズを使用しな
いので、装置が簡単になる。レンズの焦点距離等に制
限されないので、光路を短くでき、装置を小型化でき
る。
また、プリフォームと光検出器との間に回転する1個
のチョッパを設け、チョッパを移動しない場合、Δxと
プリフォームの中心軸からチョッパまでの距離Lとを用
いると、屈折率φは、次式から求められる。
ここにLは、近似的に Lp :プリフォームの中心軸から容器の出射窓外側面ま
での距離 n2 :マッチングオイルの屈折率 La :容器の出射窓外側面からチョッパまでの距離 ΔL:補正項 屈折角φから、プリフォームの屈折率分布n(r)
は、(2)式で求められる。
しかし、Lは厳密な意味では一般に正確に測定できな
い。補正項ΔLは、実はφ及びプリフォームの口径に依
存しているためである。すなわち、 ΔL〜y・tan(φ/2) 補正を繰り返すことにより、正確な値に近づくが、大口
径プリフォーム、高NAプリフォームにおいて、実用的な
補正の範囲ではなお誤差が大きい可能性もある。
本発明では、チョッパを移動した距離又は2個のチョ
ッパ間の距離は、マイクロメータ等で正確に測定できる
ので、屈折角を正確に求めることができる。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の第1実施例の測定構成をY方向から見
た状態の説明図、第2図は大きい口径の光検出器15の代
わりに大きい口径のオパールグラス又は内部散乱性物体
19と小さい口径の光検出器20を設けた場合、Y方向から
見た状態の説明図、第3図は本発明の第2実施例の測定
構成をY方向から見た状態の説明図、第4図(a)は本
発明の第2実施例において屈折角φが負のとき、明から
暗に転じる場合、第4図(b)は暗から明に転じる場
合、第1のチョッパ12と第2チョッパ13をY方向から見
た状態の説明図、第5図(a)は本発明の第2実施例に
おいて、屈折角φが正のとき、明から暗に転じる場合、
第5図(b)は暗から明に転じる場合、第1のチョッパ
12と第2のチョッパ13をY方向から見た状態の説明図、
第6図は従来の測定構成をY方向から見た状態の説明
図、第7図は従来の測定構成において、チョッパ11をZ
方向から見た状態の説明図である。 1……光源 2……光線 3……光線の光軸 4……プリフォーム 11……チョッパ 12……第1のチョッパ 13……第2のチョッパ 15……光検出器

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】プリフォームの軸の垂直方向から光線を照
    射し、その出射光の屈折角を測定することにより、前記
    プリフォーム内の屈折率分布を測定する方法において、 前記プリフォームと光検出器との間に回転するチョッパ
    を設け、前記プリフォームを通らないと仮定した光線に
    対する、前記プリフォームを通ることにより屈折した光
    線の前記チョッパ位置におけるずれ量Δxを求め、次
    に、前記チョッパを光軸方向に前記プリフォーム寄りに
    Δzずらした位置において前記ずれ量Δx′を求め、次
    式により、屈折角φを求め、該屈折角を用いることを特
    徴とするプリフォーム内の屈折率分布を測定する方法。 φ=tan-1[(Δx−Δx′)/Δz]
  2. 【請求項2】プリフォームの軸の垂直方向から光線を照
    射し、その出射光の屈折角を測定することにより、前記
    プリフォーム内の屈折率分布を測定する方法において、 前記プリフォームと光検出器との間に同期して回転する
    第1、第2の2個のチョッパをそれぞれ光線の光軸に垂
    直に前記プリフォームに近い順に設け、前記プリフォー
    ムを通らないと仮定した光線に対する、前記プリフォー
    ムを通ることにより屈折した光線の前記第1のチョッパ
    位置におけるずれ量Δx′を求め、次に、前記第2のチ
    ョッパ位置において前記ずれ量Δxを求め、次式によ
    り、屈折角φを求め、該屈折角を用いることを特徴とす
    るプリフォーム内の屈折率分布を測定する方法。 φ=tan-1[(Δx−Δx′)/Δz]
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