JP2903263B2 - 屈折率分布の測定装置 - Google Patents

屈折率分布の測定装置

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JP2903263B2
JP2903263B2 JP3057525A JP5752591A JP2903263B2 JP 2903263 B2 JP2903263 B2 JP 2903263B2 JP 3057525 A JP3057525 A JP 3057525A JP 5752591 A JP5752591 A JP 5752591A JP 2903263 B2 JP2903263 B2 JP 2903263B2
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忠克 島田
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • 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
    • G01N21/412Index profiling of optical fibres

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  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば光ファイバ用プ
リフォームやロッドレンズに使用される円柱ガラスの屈
折率分布の測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】光ファイバ用プリフォーム(母材)やロ
ッドレンズに使用される円柱ガラスは、半径方向の屈折
率がほぼ2乗分布、軸方向の屈折率は均一になってい
る。これを線引きして光ファイバが形成される。良好な
製品を得るためには線引き前のプリフォームの屈折率分
布を正確に測定することが必要である。
【0003】屈折率分布の測定法としては、例えば特開
昭63-95336号公報に光ファイバ用のプリフォームの中心
軸と垂直方向から光線を入射させ、その出射角を求めて
プリフォームの屈折率分布を測定する方法が開示されて
いる。図9には同公報に開示された屈折率分布測定装置
を示してある。同図に示すように光源6とレンズ7から
なる入射光学系から、セル2内のマッチングオイル3中
に設置されたプリフォーム1に入射され、プリフォーム
1を通って出射された出射光はレンズ51を有する出射
光学系を通過してTVカメラ52の観察面に投影され
る。
【0004】図10に示すようにプリフォーム1から出
射されTVカメラ52の観察面43に投影された出射光
の0次の回折光スポット40、1次の回折光スポット4
1、2次の回折光スポット42・・・の中から0次の回
折光スポット40を2次元的に解析して取り出し、この
0次の回折光スポット40のx座標xfと出射光学系の焦
点距離fとから出射角φを φ=tan-1(xf/f) で求めている。そして、この出射角φからプリフォーム
1の屈折率分布n(r)を次式
【0005】
【数1】
【0006】(n2はクラッドの屈折率、aはプリフォー
ム1の半径、rは入射位置)で算出している。
【0007】特開昭63-95337号公報に開示された屈折率
分布の測定方法は、出射光学系にスリットを設けて出射
光の0次の回折光スポット40だけを取り出すことによ
り、高次の回折光スポットの影響を受けずに屈折率分布
を測定している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
測定装置を用いて屈折率を測定した場合、求める出射角
φがばらつくことがある。例えば図6に示すようなコア
の最大屈折率がn1で、クラッドの屈折率がn2であるプリ
フォーム1の入射位置rと出射角φの関係を測定すると
図7のような結果が得られる。図7に示す出射角φによ
り屈折率分布n(r)を求めると図8に示す特性が得られ
る。このようにして同一のプリフォーム1の屈折率分布
n(r)を30回繰り返して測定し、 Δ=(n1-n2)×100/n1
で示す比屈折率差Δを求め、この比屈折率差Δの標準偏
差σを算出して比屈折率差Δで正規化した場合、σ/Δ
を 0.001以下にすることが出来ない。
【0009】本発明は上記の問題を解決するためになさ
れたもので、プリフォームの屈折率分布をより精度高く
測定可能な屈折率分布の測定装置を提供することを目的
とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明者らは出射角φの
誤差の原因を検討したところ、測定に使用するセル2の
入射窓および出射窓を構成するガラスの気泡や屈折率変
動により測定光が曲げられるためであるということを見
い出した。即ち、従来の測定装置は円柱ガラス1を概略
屈折率の等しいマッチング液3に浸して測定するが、マ
ッチング液3の温度変化によって屈折率が変化して屈折
角が変化し、光が出射側の窓を通過する位置が変わる
(数μm程度)ため、出射側の窓ガラスに屈折率変動が
あると出射角φが変化してしまう。また、窓ガラスは汚
れや傷などにより交換することがあるため、使用するガ
ラス間に屈折率の変動があると出射角φが変化してしま
う。屈折率分布は、プリフォーム1に対してその中心軸
からの距離rを変えて測定光を入射させ、各入射位置に
おける出射角φの値から屈折率分布を求めているため、
プリフォーム1の中心軸に対する入射角および出射角φ
の測定値が一定にならない。この屈折率の変動の原因と
してガラス中の気泡や脈理が考えられる。ガラス内部の
気泡は、入射窓および出射窓に合成石英ガラスを用いる
ことによって実質的になくすことが可能であるが、合成
石英ガラスには脈理と呼ばれる屈折率の揺らぎがあり、
これをできるだけ少なくすることが必要である。
【0011】前記の課題を解決するために本発明者らは
鋭意研究を重ねた結果、入射窓および出射窓に用いる合
成石英ガラスの屈折率変動を完全になくすことは出来な
いものの、屈折率変動を10-5以下、好ましくは2.0
×10-6以下に抑えると、測定光に与える影響が少なく
なって出射角φのばらつきが小さくなるということを見
出し、本発明を完成するに至った。
【0012】即ち、本発明の屈折率分布の測定装置は、
実施例に対応する図1および図2に示すように、円柱ガ
ラス1の中心軸1aと垂直方向から光線を入射する入射
光学系6と、入射光学系6から入射して円柱ガラス1を
通った出射光9を受光してその受光像の電気信号を送り
出す撮像手段10とを有している。円柱ガラス1はその
最外周部の屈折率に略等しいマッチング液3を満たした
セル2に装着されている。図3に示すように、セル2の
光線の入射位置および出射位置には、入射光に垂直な石
英ガラス窓21が設けられている。
【0013】石英ガラス窓21には、屈折率変動が2.
0×10-6以下の石英ガラスを使用する。屈折率変動が
2.0×10-6以上の場合は屈折率分布の測定精度が低
下する。
【0014】
【作用】本発明の測定装置では、円柱ガラスの中心軸1
aと垂直な方向から入射し、出射した出射光9は撮像手
段10によって受光されてその出射角φが測定される。
セル2の光線の入射位置および出射位置に設けられた石
英ガラス窓21を構成する石英ガラスは、屈折率変動が
2.0×10-6以下であるため、測定光が石英ガラス窓
21のどの部分を透過しても一定の条件でプリフォーム
1に入射し、プリフォーム1を透過した出射光9は出射
窓である石英ガラス窓21を透過する。そのため、出射
角φのばらつきが少なく、プリフォームの屈折率分布を
高精度で測定することができる。
【0015】
【実施例】以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
【0016】図1には本発明の屈折率分布測定装置の一
実施例の概略構成、図2には測定装置における光路が示
してある。これらの図において、2はプリフォーム1を
装着したセルであり、セル2内にはプリフォーム1の表
面における急激な屈折率変化を除くためにマッチングオ
イル3が満たされている。プリフォーム1は移動テーブ
ル4によりセル3ごと移動可能である。
【0017】5は例えばHeーNeレーザ発振器からな
る光源、6は入射光学系であり、入射光学系6は光源5
からの入射光をプリフォーム1の中心で最小になるよう
に収斂している。7a・7bはミラー、8はプリフォー
ム1から出射した出射光9の投影像を形成するスクリー
ン、10はスクリーン8に投影された投影像を観察する
TVカメラ、11はTVカメラ10で得た投影像の位置
から出射角を求めて屈折率分布を演算する制御部であ
る。この装置全体はプリフォーム1の測定温度に設定し
た恒温室に設置されている。
【0018】図3にセル2の拡大図を示す。セル2は直
方体状の容器で、その蓋2aと底面には屈折率変動が
2.0×10-6以下の石英ガラスを機械的に研磨した石
英ガラスの窓21が設けられている。プリフォーム1は
その側面を貫通して装着される。セル2の内部にはプリ
フォーム1の最外周部と屈折率が略等しいマッチングオ
イル3が満たされている。
【0019】図4は制御部11の構成を示すブロック図
である。同図において、12はTVカメラ10で観察し
たスクリーン8上の投影像40〜42(図5参照)のデ
ータを蓄えるフレームメモリ、13はフレームメモリ1
2に蓄えられたデータを2値化し直線近似を行なう演算
手段、14は演算手段13で得た直線とプリフォーム1
の中心軸1aと垂直で入射光が通る平面との交点を求め
る位置算出手段、15は位置算出手段14で求めた交点
の座標から出射角φを演算する出射角演算手段である。
16は出射角演算手段で演算した出射角φによりプリフ
ォーム1の屈折率分布を演算する屈折率分布演算手段、
17は表示部および記録部からなる出力手段である。
【0020】図1および図2に示すように、光源5から
送られた光は、光ファイバ用のプリフォーム1の中心軸
1aに垂直な平面Pを通り、ミラー7aで反射してセル
2に装着されたプリフォーム1に入射し、屈折されて出
射する。プリフォーム1を通った出射光9はミラー7b
で反射し、プリフォーム1が装着されていない場合のセ
ル2およびマッチングオイル3を通って出射された光線
と垂直なスクリーン8に至る。この入射光と出射光9の
点a、b、cはプリフォーム1の軸方向の屈折率に変化
がない場合は平面P上に存在するが、実際にはプリフォ
ーム1により散乱されて図5のように投影される。その
各投影像40〜42をTVカメラ10で観察し、その出
力信号をフレームメモリ12に取り込む。次に、フレー
ムメモリ12に蓄えられた各投影像のデータを演算手段
13で2値化して最小2乗法により直線近似を行ない、
同図に示す近似直線20を求める。その後、位置算出手
段14で近似直線20とプリフォーム1の中心軸2と垂
直で入射光が通る平面、すなわち図5に示すy軸との交
点yCを求め、プリフォーム1が装着されていない状態、
つまりセル2およびマッチングオイル3のみを通る出射
光の投影像を基準点Oとした交点yCの座標値から出射角
演算手段15で出射角φを演算し、演算した出射角φを
メモリ18で蓄える。
【0021】この動作を移動テーブル4を移動させなが
らプリフォーム1の半径方向の各位置で行ない、各位置
における出射角φを求めてメモリ18に記憶させる。こ
のメモリ18に記憶させた各出射角φを屈折率分布演算
手段16に送って屈折率分布n(r) を演算して出力手段
17に送る。セル2の窓21には、屈折率変動が2×1
-6以下の合成石英ガラスを用いているため、測定の際
に測定光が窓21のどの部分を透過した場合でも、出射
角φを同一条件で求めることが出来る。
【0022】上記のようにして、例えば図6に示すよう
なコアの最大屈折率がn1で、クラッドの屈折率がn2のプ
リフォーム1の入射位置rと出射角φとの関係を測定し
た結果を図7に示す。そして、図7に示す出射角φによ
り屈折率分布n(r)を求めると図8に示す特性を得ること
ができた。
【0023】窓21に屈折率変動が2.0×10-6以下
の石英ガラス(信越石英(株)製、スプラジルP−1
0)を用い、入射側の窓ガラスは測定の都度交換し、出
射側の窓ガラスは取付けたまま交換せずに30回繰り返
して測定し、次式で示す比屈折率差Δ Δ=(n1-n2)×100/n1 を求め、この比屈折率差Δの標準偏差σを算出して比屈
折率差Δで正規化した結果、 (σ/Δ)=0.0007 を達成することができた。
【0024】比較のため、窓21に屈折率変動が5×1
-5である石英ガラス(信越石英株)製、スプラジル
P−20)を用い、上記と同様にして比屈折率差Δを求
め、その標準偏差σを算出して比屈折率差Δで正規化し
たところ、 (σ/Δ)=0.001 であった。
【0025】なお、上記実施例においてはスクリーン8
とTVカメラ10で出射光の投影像を観察する場合につ
いて説明したが、撮像素子により投影像を観察しても上
記実施例と同様な作用を奏することができる。
【0026】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように本発明の屈
折率分布の測定装置は、屈折率測定に用いるセルの入射
位置および出射位置の石英ガラス窓として屈折率変動が
2.0×10-6以下の石英ガラスを用いている。測定光
が石英ガラス窓のどの部分に入射した場合でも一定の条
件で透過するために出射角のばらつきが少なく、プリフ
ォームの屈折率分布を高精度で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用する屈折率分布の測定装置の実施
例の概略側面図である。
【図2】本発明の実施例における屈折率分布測定の原理
を示す説明図である。
【図3】本発明の実施例のセルを示す拡大斜視図であ
る。
【図4】本発明の実施例の制御部を示すブロック図であ
る。
【図5】本発明の実施例の投影像を示す図である。
【図6】プリフォームの屈折率分布を示す特性図であ
る。
【図7】上記の実施例により測定した出射角特性図であ
る。
【図8】実施例により測定した出射角特性から得た屈折
率分布特性図である。
【図9】従来例の概略平面図である。
【図10】従来例の投影像を示す図である。
【符号の説明】
1はプリフォーム、2はセル、3はマッチング液、4は
移動テーブル、5は光源、6は入射光学系、7a・7b
はミラー、8はスクリーン、9は出射光、10はTVカメ
ラ、11は制御部、12はフレームメモリ、13は演算手段、
14は位置算出手段、15は出射角演算手段、16は演算手
段、17は出力手段、18はメモリ、20は近似直線、21は石
英ガラス窓である。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−225250(JP,A) 特開 平4−224130(JP,A) 特開 平3−23236(JP,A) 特開 平2−102139(JP,A) 特開 昭64−24048(JP,A) 特開 昭63−154947(JP,A) 特開 昭60−127447(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01M 11/02 G01N 21/41

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 円柱ガラスの中心軸と垂直方向から光線
    を入射する入射光学系と、前記入射光学系から入射して
    円柱ガラスを通った出射光を受光してその受光像の電気
    信号を送り出す撮像手段とを有し、該円柱ガラスがその
    最外周部の屈折率に略等しいマッチング液を満たしたセ
    ルに装着された屈折率分布測定装置において、前記セル
    の光線の入射位置および出射位置に、入射光に垂直な石
    英ガラス窓が設けられ、該石英ガラス窓を構成する石英
    ガラスの屈折率変動が2.0×10-6以下であることを
    特徴とする屈折率分布の測定装置。
JP3057525A 1991-03-22 1991-03-22 屈折率分布の測定装置 Expired - Lifetime JP2903263B2 (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107153050A (zh) * 2017-05-31 2017-09-12 华中科技大学 一种折射率匹配的装置以及方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107153050A (zh) * 2017-05-31 2017-09-12 华中科技大学 一种折射率匹配的装置以及方法
CN107153050B (zh) * 2017-05-31 2019-10-25 华中科技大学 一种折射率匹配的装置以及方法

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