JP2970856B2 - 屈折率測定装置及び方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、光ファイバや光ファイバ母材のように、ほ
ぼ円柱形をしている透明物体の半径方向の屈折率プロフ
ィール及びその他の特性を光学的手段により測定する装
置及び方法に関するものであり、測定は、当該物体の長
さ方向の軸に対して一般的に横方向から当該物体を照明
することにより行われる。本発明は、特に、気相軸付け
（VAD）法により製造された光ファイバ母材のように、
従来の方法や装置では測定しにくい、特定の光ファイバ
母材の半径方向屈折率プロフィールの測定を可能にする
ものである。

光ファイバ母材の屈折率プロフィールは、通常、半径
方向には不連続点が無いかあるいはほとんど無いように
滑らかに変化し、母材の長さ方向には変化しない平均屈
折率を有していることが要求される。したがって、屈折
率プロフィールを測定するための装置及び方法、母材の
製造における品質制御を行うための手段として開発され
ている。

1977年11月24日のエレクトロニクス・レターズ（Elec
tronics Letters）の第13巻第24号第736乃至738頁にお
いて、ピー．エル．チュー（P.L.Chu）は、母材の軸に
対して垂直に横方向からレーザビームを当て、前方透過
光線の射出角φｘを入射ビームのｙ軸からの距離ｘの関
数として記録することにより、光ファイバ母材の屈折率
プロフィールを測定する方法を発表している。そこでは
屈折率プロフィールを求めるために、これら射出角を含
む数値積分法が使用されている。この方法を実施するた
めの装置は、1979年５月10日のエレクトロニクス・レタ
ーズの第15巻第10号第295乃至296頁に、ピー．エル．チ
ュー及びティー．ウィトブレッド（T.Witbread）によっ
て開示されている。

英国特許出願公開第2071315号明細書には、光ファイ
バ母材のようなほぼ円柱状の物体における半径方向の屈
折率変化を検知する方法が開示されている。この方法
は、コリメートされた光ビームにより測定を行うため
に、離れた位置から当該物体の軸に実質的に垂直に物体
を照射し、当該物体を透過した光を物体の軸を含む平面
と平行な焦点面に焦点合わせを行い、光の性質が焦点面
における光軸からの距離の関数として変化するようにビ
ームを変調し、焦点合わせされた光ビームのパラメータ
を測定点の当該軸からの距離の関数として測定し、当該
パラメータの測定から屈折率プロフィールにおける半径
方向の変化を求めるものである。

VAD母材のように多くの母材は、現在一般に、非常に
多くの薄膜材料層から形成される。そのような母材の屈
折率は各層毎に実質的に変化しているかもしれないが、
これらの層は非常に薄いので全体としての屈折率プロフ
ィールは滑らかに変化しているよう現れる。しかしなが
ら、これらの層は一般的に照射されるレーザビームのビ
ーム径よりも薄いために回折が起こり、母材から射出さ
れるビームは多くの明瞭（distinct）な部分すなわち回
折次数から成っていることが発見されている。

特開昭63−95337号公報には、０次ビーム部分を選択
し、高次ビーム部分は通過させないようにするための固
定絞りを有する母材分析装置が開示されている。

現在、これら公知の分析装置は、比較的簡単な形状の
光ファイバ母材の屈折率プロフィールは良く測定できる
が、特定のVAD母材のようなより複雑な母材に使用した
場合には、偽の結果が得られることが発見されている。
本発明はこれら問題点の解決を図るものであり、従来可
能であった範囲よりも広い範囲の母材について、屈折率
プロフィールの測定及び従来測定不可能であったパラメ
ータの測定に使用することのできる母材分析装置を提供
するものである。

ここで使用されているように、以下の用語は以下に示
す意味を有している。「横型分析装置（Transverse−ty
pe Analyser）」は、母材や他の円柱状物体の光学的特
性を、物体の長さ方向の軸に対して一般的に横方向から
物体を照明することにより分析するいかなる装置を含
む。「照射ビーム」は、可視光であろうとなかろうと、
いかなるタイプの光をも含み、広いビームであっても良
いし狭いビームであっても良いが、焦点合わせされてい
るものが好ましい。物体から射出した後のビームに沿っ
た任意の地点において、「φｘ方向」とは、その地点に
おけるビームの方向と一般的に直角な方向である。その
地点において、もし物体に入射するビームが物体を横切
って半径方向に移動しかつ物体が軸方向に屈折率変動を
有していなければ、透過ビームは移動するであろう。
「φｙ方向」とは、φｘ方向に直交する方向である。φ
ｘ及びφｙは各々屈折における半径方向の角度及び軸方
向における角度である。物体からの透過光に関連して
「部分」とは、例えば透過するビームが回折を受ける場
合におけるビームのように、透過する一つのビームから
生ずるビーム群において、完全に明瞭な個々のビーム
（あるいはそれらの一部）及び、当該ビームの完全には
明瞭でない部分、の両方を含む。「識別」（あるいは、
「選択的な識別」）とは、強度０あるいは低強度の背景
信号から信号ビームを選択することを含む。

本発明の第一の観点によれば、照射ビームを発生する
照射手段、物体を透過した後の照射ビームを検知する検
出器、当該物体を照射手段と検出器との間に保持する手
段、検出器の出力を選択的に制限するフィルタリング手
段からなり、当該フィルタリング手段は、φｙ方向に屈
折される透過ビームの選択された部分のみを示す信号を
検出器が発生するように調整可能である。光ファイバや
光ファイバ母材のようなほぼ円柱状の透明物体の光学的
特性を測定するための横型分析装置が提供される。

光ファイバ母材から射出する回折パターンの０次ビー
ム部分は、半径方向の屈折率プロフィールを計算するこ
とができる情報を含んでいる。実際、０次ビーム部分
は、一般に、回折が無い場合のビームと同じφｘ値を有
している。しかしながら、あるタイプの母材は０次光が
φｙ方向に屈折される回折パターンを発生することが発
見されており、したがって、本発明は、そのような母材
に対して０次ビーム部分を（したがって屈折率プロフィ
ールを）測定できるという特長を有している。

さらに、母材の軸方向の平均屈折率は本質的には一定
であろうが、使用される特定の製造プロセスは、軸方向
に屈折率変動を露呈する層を形成する原因となることが
あるということが発見されている。そのようなプロセス
の重要な例は、気相軸付け製造方法である。このプロセ
スにおいては、光ファイバ母材は、軸方向に層を堆積さ
せることにより長さ方向の軸に沿って成長する。このプ
ロセスの目標は、依然として、ほとんど理想的な円対称
を有する光ファイバ母材を製造することである。そのよ
うな母材においては、層状構造とビームとの相互作用に
起因する回折パターンの特徴は、０次ビーム部分は母材
を通過しても軸方向に一般的に偏向を受けないが、その
他の次数のビームは軸方向に偏向を受け、偏向される量
は層の厚さに関係していることが解っている。実際上、
そのような母材の軸方向層状構造により、層表面の軸方
向の傾きに直接関連した量だけ回折パターンの回転が生
ずる。透過ビームのφｘ軸から偏向している部分を識別
するようにフィルタリング手段を調整可能とすることに
より、このような母材における高次の回折光を分析する
ことが可能となる。

VAD母材の軸方向層状構造とはいっても、平均屈折率
の変化のほとんど全ては、軸方向よりは半径方向にあ
り、このことは、平均作用によりビームは軸方向に逸れ
ないということを意味している。したがって、０次光の
φｙはほぼ零である。

本発明においては、第一近似として、VAD母材は簡単
な回折格子として取り扱っても良く、その結果、そのよ
うな簡単な回折格子から生ずる回折次数の空間に関する
基本理論（例えば、アール．エス．ロングハースト（R.
S.Longhurst）著「幾何及び物理光学（Geometrical and
Physical Optics）」（第二版）1967年ロングマンズ
（Longmans）発行）は、VAD母材に対してほぼ有効であ
るということを発見した。したがって、０次光は２つの
第一次光からほぼ等距離にある。この発見は、０次ビー
ム部分が測定するに十分な強度を有していないときに特
に有効である。なぜならば、この発見により、他の次数
のビーム部分に関する位置情報から０次ビーム部分に関
する位置情報を得ることが可能となるからである。

フィルタリング手段は、機械的なものであっても良
く、透過ビームの選択された部分のみが検出器に到達す
るように構成され、それにより、ビームの残りの部分に
対して選択された部分が識別される。フィルタリング手
段は、例えば、φｙ方向に平行な方向に移動可能である
ような開口を有するスクリーンの形態を採っても良い。

あるいは、フィルタリング手段は、選択された信号の
みを通過させるように検出器からの出力をフィルタリン
グし、それによりビームの選択された部分を識別するよ
うになっているものでも良い。そのような論理フィルタ
は、例えば、電子的フィルタであっても良い。

この種の論理フィルタは、たとえそれらが調整可能で
なくとも、多くのタイプの母材の分析に有効である。本
発明は、したがって、照射ビームを発生する照射手段、
物体を透過した後の照射ビームを検知する検出器、当該
物体を照射手段と検出器との間に保持する手段、ビーム
の選択された部分を識別するために、選択された信号の
みを通過させるように検出器の出力をフィルタリングす
る手段からなる、光ファイバや光ファイバ母材のような
ほぼ円柱状の透明物体の光学的特性を測定するための横
型分析装置をも提供するものである。

電子的フィルタのような論理フィルタは、機械的な開
口と類似のフィルタリング手段であるが、ある特長を有
している。例えば、もしそのフィルタが、識別される透
過ビームの位置調整ができるようなものであれば、当該
フィルタは、振動し従って測定精度に影響する部分を有
していない点で機械的な開口に対して有利であり、さら
に、調整速度が速い点で有利である。

論理フィルタと機械的な開口との多くの類似点を考慮
して、便宜のため、フィルタリング手段の両形態を包含
するものとして、「開口」という用語を以下に使用す
る。

電子的フィルタのような論理フィルタは、検出器と物
体との間に配置されかつ変調手段の平面内においてビー
ムの位置情報を符号化するための当該変調手段と結合さ
せて使用することができる。変調は空間的に行っても良
いが、ビームを時間的に変調し、フィルタリング手段は
検出器の出力を時間的にフィルタリングするほうが好ま
しい。変調手段としては、チョッパーが好ましい。時間
的な変調手段を使用する利点は、電子的フィルタリング
手段を有するように分析装置を変えるに際して、回路あ
るいはソフトウェアの変更を別にすれば何等変更を要し
ないことである。

検出器の出力の電子的フィルタリングと変調手段との
結合は、変調手段の平面に開口を配置することと同様で
あるとして考えることができる。

簡単にするために、（機械的であろうと電子的であろ
うと）開口を、φｘあるいはφｙ方向のように、一方向
にのみ移動可能とする。

同じ分析装置として、電子的及び機械的の両方の開口
の組み合わせから構成することも可能であることが理解
されよう。好ましい組み合わせは、異なるφｙ値を有す
る一以上のビーム部分を識別するように配向された機械
的に固定又は移動可能な開口と、異なるφｘ値を有する
ビーム部分を識別するように配向された移動可能な電子
的開口とからなるものである。なぜならば、より大きな
移動速度がφｘ方向には要求され、時間的変調手段をφ
ｘ方向に使用するほうが有利だからである。

開口は両方向あるいはいくつかの方向に移動可能であ
っても良い。もし２以上の方向に移動可能とするのであ
るならば、当該開口を、個々には固定あれているが異な
った方向に並進させることのできる複数の開口から構成
することもできるし、移動及び回転可能な一つの開口で
構成することもできる。開口は、入射ビームに対して実
質的に垂直な平面内で移動可能であることが好ましい。

特に巾の狭い照射ビームを採用している多くの基本的
な分析装置においては、物体の完全な屈折率プロフィー
ルを得るためには、当該物体を横切るようにビームを動
かさなければならないことが理解されよう。これは、物
体あるいは照射手段のいずれか一方の動かすことにより
達成することができる。しかしながら、照射手段に対し
て一定の配置に検出器を維持することが好ましいので、
もしそうであるならば、装置の簡単化のために、物体を
移動させるほうが有利である。どちらの場合において
も、ビームが物体に対して固定されているときにのみ、
開口が移動可能であるほうが簡単化のためには好まし
い。

開口自体は、細長いものが好ましく、長方形のものが
一層好ましい。長さよりも正確な巾を有する開口のほう
が、ビームの部分を識別するのに非常に有効である。前
述したように、開口は機械的なものでも電子的なもので
もかまわない。機械的なものであれば、スリット板から
構成することが好ましい。

開口は、回折が起こらないときには全ビームを、回折
が起こる場合にはビームのある部分のみを、丁度受ける
だけの大きさが好ましい。開口は、一つの回折次数に属
するビーム部分の実質的な全てを受けるに十分な大きさ
であり、他の回折次数に属するビーム部分を阻止するほ
どに十分小さいことが好ましい。

開口は、調整可能な間隙を有しているのが好ましい。
これにより、異なる測定条件に適合するように開口を構
成し、自動調節を行うことが可能となる。特に、これに
より、開口は、所定のビーム部分を正確に受けることが
可能となる。さらに、これにより、一つのビーム部分
（すなわち、一つの回折次数）の異なる部分の相対強度
や、全ビームプロフィールの相対強度さえも測定するこ
とが可能となる。このことは、物体に関する以下のよう
な有用な情報を与えてくれる。

良く知られているように、回折格子の一つの層の性質
は、回折次数の形状と全体の相対強度を決定する。この
ことは、回折モノクロメータにおいて、最大光強度が０
次よりも高い回折次数に現れることを保証している。こ
れを達成する回折格子の特性を、ブレーズ角と呼んでい
る（前記ロングハーストの第12章参照）。このようにし
て、物体領域から発生する各々の次数の回折ビームの形
状及び相対強度の情報から、照射されている一つの層の
屈折率の性質を推論することが可能となる。この層は、
製造中に、ドープされたシリカ粒子が熱いガスから比較
的冷たい母材表面に堆積することにより形成されたもの
である。この層の正確な性質は、温度、ガス組成や母材
の移動を含めて多くの因子によって決定される。例え
ば、大きな屈折率変化を有する層は、屈折率を調節する
ために使用されドーパント材料の幾らかが、最初は堆積
したとしても、堆積サイクルの間に発生した過度の温度
により蒸発したことを十分に示しているであろう。一つ
の層の細部は、堆積時の条件の記録となっており、した
がって、母材全体を通しての層構造は、当該母材の製造
条件の記録を含んでいる。この記録は、品質制御のため
に、すなわち、最適の母材特性が得られるように堆積条
件を調整する手段として、使用することができる。本発
明は、この記録に関する細部を決定する手段を提供する
ものであり、母材製造に利用できるものである。

開口の間隙は、実質的に開口の移動方向に沿って調整
可能であるものが好ましい。例えば、開口が細長いもの
である場合、開口はもちろんいろんな方向に調整可能と
することはできるが、開口の長さよりもむしろ巾が調整
可能であるものが好ましい。

本発明の別の観点によれば、照射ビームを発生する照
射手段、物体を透過した後の照射ビームを検知する検出
器、当該物体を照射手段と検出器との間に保持する手
段、検出器の出力を選択的に制限するフィルタリング手
段からなり、当該フィルタリング手段は、物体から射出
するビームの複数の明瞭な部分を識別できるように調整
可能である。光ファイバや光ファイバ母材のようなほぼ
円柱状の透明物体の光学的特性を測定するための横型分
析装置が提供される。

本発明のこの観点に関係して使用されているように、
「明瞭（distinct）」という用語は、ビームの、分離し
た強度ピーク（あるいは谷）を有する部分を内包してい
る。

本発明のこの観点は、回折が起こる母材においては、
種々の回折次数の偏向角及び強度は、層の構造及び大き
さによって決まるという発見に基づいている。したがっ
て、本発明は、母材の構造に関する重要な情報を得るた
めに、種々の回折次数の偏向角及び強度を分析する方法
を提供するものである。本発明によれば、ビームのある
部分を受け入れ他の部分を阻止するようにフィルタリン
グ手段を調整することにより、物体から射出するビーム
の特定の部分を選択することが含まれる。位置情報や強
度のような、ビームの種々の特性を測定することが可能
となる。

さらに、VAD母材のみならず、多くの薄膜層から構成
され軸方向に屈折率変動を有していない他の母材におい
ても、簡単な回折格子の理論が異なる回折次数の角度分
離に適用できるという今回の発見は、本発明のこの観点
と組み合わせることにより、０次（あるいは他の次数）
の位置情報を得るのに使用することができる。このこと
は、特に、所定の回折次数が全て実質的にφｘ方向に整
列しているが、０次ビームが測定に足る強度を有してい
ないときに有用である。

本発明の分析装置は、さらに、検出器の出力に接続さ
れかつ前記複数の明瞭な部分に関する出力情報を処理す
るための処理手段を有しているのが好ましい。

ビームを回折するVAD母材のような物体とともに使用
される場合には、本発明の分析装置は、一つの回折次数
に属するビーム部分が識別できる位置から、異なる回折
次数に属するビーム部分が識別できる少なくとも他の一
つの位置に移動することが可能な開口を含んでいるのが
好ましい。このようにして、全ての回折次数が識別でき
るようにすることが有利であるが、そうでない場合に
は、上記一つの次数は０次であることが好ましい。

本発明の分析装置は、さらに、開口平面上でビーム部
分を分離する手段を有しているのが好ましい。回折が起
こった場合、（好ましくはレンズのような光学素子の形
態の）これらの分離手段は回折パターンの異なる次数の
光を分離し、その結果それらの光は光学系内のある場
所、特にほぼ開口のある場所において、異なる空間的位
置を占めることとなる。

さらに別の観点から、本発明は、照射ビームを発生す
る照射手段、当該物体を透過した後の照射ビームを検知
する検出器、物体を照射手段と検出器との間に保持する
手段、照射ビームを受けるために載置された（好ましく
は非対称レンズ、さらに好ましくは円柱状レンズからな
る）フォーカシング手段、ビームのある部分を識別する
に適した開口からなり、当該フォーカシング手段は、物
体と開口の間に設置されかつ開口の平面内に非対称的に
ビームを焦点合わせするように配置されている、光ファ
イバや光ファイバ母材のようなほぼ円柱状の透明物体の
光学的特性を測定するための横型分析装置を提供するも
のである。

本発明のこの観点に従えば、回折されたビームの異な
る部分を、一方向に、より拡張する手段を提供するもの
である。これにより、開口は、当該異なる部分をより明
確に識別することが可能となり、その結果、開口の移動
に要求される精度が緩和され、物体や（使用する場合に
は）他のフォーカシング手段と開口との距離を小さくす
ることが可能となる。

本発明のこの観点に関連して使用されているように、
「焦点合わせ（focus）」及び「フォーカシング（focus
ing）」という用語は、フォーカシングや分離の程度を
変えることを意味するものとして広く使用されている。

フォーカシング手段は、φｙ方向よりもφｘ方向に、
より鮮明にビームを焦点合わせを行うものが好ましい。
実際、フォーカシング手段は、開口平面においてφｘの
全ての変化を除去さえするかもしれない。特に、VAD母
材においては、異なる回折次数の識別を容易にするため
に、φｙ方向に回折ビームを拡張する方が有効である。

好ましくは、円柱レンズを使用し、その長さ方向の軸
がφｙ方向に向くように配置すれば、０でないφｙを有
するビーム部分が最大限広がる一方で、本発明の分析装
置の測定機能はφｘ方向においても保持することができ
る。本発明のこの有利な観点を最大限に利用するために
は、固定されたものであろと移動可能なものであろうと
開口を、検出器に近づけておくか、あるいは実際に検出
器の面内に置くことが好ましい。一つの円柱レンズを配
置する代わりに、レンズを組み合わせて使用することも
できる。特に有効な一つの組み合わせは、物体と開口の
間に球面レンズ系を配置し、開口と検出器の間に円柱レ
ンズ系を配置することである。このように一つの円柱レ
ンズの機能を分離することにより、より大きな柔軟性が
設計において生じ、比較的低品質の円柱レンズでも使用
可能となる。

本発明の分析装置は、さらに、照射手段と物体との間
に設置されかつ非対称的に物体ビームを焦点合わせをす
るように配置された第二のフォーカシング手段を有する
ことが好ましい。また、第二のフォーカシング手段は、
第一のフォーカシング手段と協働して、ビームを同一方
向に焦点合わせ（及び拡張）をすることが好ましい。第
二のフォーカシング手段は、物体の長さ方向の軸方向よ
りもその軸に直角な方向に、ビームをより明瞭に焦点合
わせを行うほうが、さらに好ましい。このことは、物体
は軸方向に変化する層構造を有している場合、φｙ方向
に良く分離された狭い回折次数を発生させるのに特に有
利である。

検出器は、ここで記述するように、種々の形態のもの
を使用することができるが、そこに入射するビームある
いはビーム部分の強度を測定できるものが好ましく、ま
た有利である。なぜならば、ビームの異なる部分の相対
強度を測定することは物体の特性を分析する上で役立つ
ということが、現在発見されたからである。強度測定の
みが可能な検出器の場合には、ビームの測定したい部分
の全てを検出するに十分な大きさの感知領域を有してい
るものが好ましい。そのときには、開口は検出器に対し
て移動可能であることが好ましい。本発明の分析装置
は、さらに、ビームの異なる部分を、その偏向量（例え
ばφｘ）に従って符号化する変調手段を有していること
が好ましい。検出器がより小さな感知領域しか有してい
ない場合には、開口が受ける全ての光がその感知領域に
入射するように、開口とともに移動可能であることが好
ましい。

本発明の分析装置は、さらに、一つの回折次数に属す
るビーム部分に関する位置情報を、他の回折次数に属す
るビーム部分に関する位置情報から計算するための、内
挿及び外挿手段を有していることが好ましくかつ有利で
ある。なぜならば、今回の発見の一つによれば、ある母
材においては、０次ビーム部分あるいは実際に他の次数
のビーム部分の強度は小さいかあるいは事実上零のとき
があり、そのようなときには、明らかに当該ビーム部分
の位置は測定不可能である。しかしながら、一般に、種
々の回折次数におけるφｘ対φｙを座標で示すと、小さ
な回折角に対しては事実上直線となり、その結果、ある
回折次数に関する位置情報は、他の２つ（あるいはそれ
以上）の次数の直線的な内挿あるいは外挿により推定す
ることが可能となることが、今回発見されている。

特に、０次ビームに関する情報が必要なときには、こ
のビームは一般にφｘ軸上にあるので、上記内挿及び外
挿手段は、０次の正確な位置を推定することが可能とな
る。

本発明の分析装置は、さらに、開口と対をなしかつ開
口の位置を測定するための測定手段を有することが好ま
しい。そうすれば、本発明の分析装置は、特定の平面
（例えば、照射ビームの識別を行おうと思う平面）内に
おける回折次数の分離度合を測定することが可能とな
る。この分離度合は物体に関する有用な情報を引き出す
上で役に立つことが、今回発見された。特に、層の厚さ
が回折次数の角度分離を決定し、入射ビーム径の中の層
の数が角度巾を決定し、正確な強度は個々の層内の細か
な屈折率変化に依存していることが判明した。したがっ
て、母材から発生する回折次数の分離度合を母材半径の
関数として測定することにより、母材内の層厚の変化に
関する情報を得ることができる。製造プロセスの知識と
結び付けた場合、この情報により、堆積表面の等高線を
計算することが可能となる。これは製造プロセスの制御
に重要であり、例えば、ケー．イモト（K.Imoto）等に
より1988年９月の「光波技術会報（Journal of Lightwa
ve Technology）」第６巻第９号第1376乃至1385頁に議
論されている。堆積層表面の等高線（この文献には「底
部の形状」という言葉と関係している）は、ガラス状に
焼結した後の母材に対しては以前使用されたことない新
しいパラメータである。

本発明は、また、物体の軸に実質的に垂直となるよう
に照射ビームを物体に照射する段階、φｙ方向に屈折さ
れて物体から射出する少なくとも一つのビーム部分を識
別するように開口をφｘ方向とは別の方向に移動させる
段階、及び当該ビーム部分を検出する段階から成る、光
ファイバや光ファイバ母材のようなほぼ円柱状の透明物
体の光学的特性を測定する方法を提供するものである。
本発明は、また、物体の軸に実質的に垂直となるように
照射ビームを物体に照射する段階、物体から射出するビ
ーム複数の明瞭な部分を識別するために開口をφｘ方向
に移動させる段階、及び当該明瞭な部分を検出する段階
から成る、光ファイバや光ファイバ母材のようなほぼ円
柱状の透明物体の光学的特性を測定する方法を提供する
ものである。

本発明のこの観点に関係して使用されているように、
「明瞭」という用語は、ビームの、分離した強度ピーク
（あるいは谷）を有する部分を内包している。

本発明は、さらに、各々がそれぞれの回折次数に対応
する複数のビーム部分に照射ビームを回折する光ファイ
バや光ファイバ母材のようなほぼ円柱状の透明物体の光
学的特性を測定するための方法であって、物体の軸に実
質的に垂直となるように照射ビームを物体に照射する段
階、物体から射出しかつ選択された回折次数に対応する
ビーム部分を識別するように開口を移動する段階、及
び、当該ビーム部分を検出する段階からなる方法を提供
するものである。

開口平面内の種々の回折次数を連ねた線が直線である
場合には、その直線に垂直な方向を除いた任意の方向に
開口を移動させることができるが、その直線に実質的に
平行な方向、あるいは簡単に、φｙ又はφｘ方向のいづ
れかに移動させることが好ましい。

照射ビームは、物体の径に比べて狭いほうが好まし
く、本発明の分析方法は、さらに、移動及び検出段階の
前に物体を横切るようにビームを移動させる段階を有す
るほうが好ましい。複数の回折次数に対して移動及び検
出段階を繰り返して行わない場合には、ビームの移動に
ともない一つの特定の回折次数が探知される。

物体が軸方向の屈折率変動を有している場合で、物体
上の半径方向の複数の位置における選択された回折次数
に関する情報を得るために本発明の分析方法を使用する
のであれば、開口は、実質的にφｘ方向に長軸が揃って
いる細長い開口であることが好ましく、また、検出段階
においては、開口を固定する一方で、物体を横切るよう
に当該ビームを移動することにより、選択された回折次
数に対応する複数のビーム部分を検出することが好まし
い。

開口を実質的に固定しておくことにより、一連の測定
を行う時間をかなり節約することが可能となり、また、
本発明者の発見により、軸方向に屈折率変動を有する物
体において、照射ビームが物体に入射する半径方向の位
置の如何にかかわらず、特定の回折次数が常にただ一つ
のφｙ値を取るようにすることが可能となる。

本発明の種々の観点は、互いに組み合わせて実施する
ことができることは明らかである。

本発明を明白にする発見及び理論を、本発明の特定の
実施例とともに、添付図面に従って、実例をもって以下
に説明する。

第１図は、φｘとφｙの定義を示すものであり、典型
的で簡単なφｘ対φｙのプロットを示すものである。

第２図は、典型的なφｘ対φｙ及び軸方向に屈折率変
動を有していない母材の種々の回折ビームにおける強度
プロットを示す。

第３図は、VAD母材の内部構造及び典型的な回折パタ
ーンを示す。

第４図は、本発明の母材分析装置における第一実施例
の側面からみた断面図である。

第５図は、第４図の母材分析装置の平面図である。

第６図は、第４図の分析装置に使用される開口の平面
図であり、開口平面における典型的な回折パターンがと
もに示されている。

第７図は、本発明の母材分析装置における第二実施例
の側面からみた断面図である。

第８図は、本発明の母材分析装置における第三実施例
の同様の図である。

第９図は、第四実施例の同様の図である。

第10図は、開口の第一の変更例の平面図である。

第11図は、開口の第二の変更例における光断続検出器
及び固体検出器からの出力を示す。

第12図は、回折ビームの典型的な強度のプロットを示
す。

第13図は、開口の第二の変更例で要求される論理回路
を示すブロック図である。

第1a図は、母材の長さ方向の軸に直角な平面内におけ
るビームの屈折角φｘを示している。第1b図は、入射ビ
ームと母材の長さ方向の軸を含む平面内における屈折角
φｙを示している。第1c図は、簡単な母材におけるφｘ
対φｙの典型的なプロットである。

屈折率が円柱対称であり半径方向に完全に滑らかに変
化している理想的な状態においては、入射ビームが入射
するいかなる場所に対しても、φｘは一つの値を有し、
φｙは零となる。半径方向の屈折率が滑らかに変化しな
い場合、すなわち、母材がビーム径よりも十分薄い複数
の層から形成されている場合には、前述したように、ビ
ームは、回折を起こし、多くの異なる光路をとるように
多くの回折次数に分かれていくことが発見された。その
ような回折次数が観察された、異なる例を第2a図乃至第
2e図に示す。ここでは、０次光は、各々の例とも白丸で
示されている。特に興味深いのは、０次と１次の間にぼ
やけた状態が存在している第2d図と、０次が零強度であ
る第2e図である。

第３図は、軸方向に屈折率変動を有するVAD母材のよ
うな特定のタイプの母材において見られる回折パターン
の回転を示している。前述したように、回折パターンの
回転の度合いは、層表面の軸方向の傾きに直接関係して
いる。この図において、ｔは層の厚さを表しており、ｓ
は０次と１次の間隔を表している。ｓは、所定の位置に
おける所定の層の表面の傾きによって定まり、φｙ方向
におけるある次数と０次との間隔はｔに直接関係してい
る。

VAD製造プロセスの特徴は、母材が軸方向に一定の割
合で成長し、母材を形成するためにガラス煤が堆積する
表面は、同じ形に保持されなければならないことであ
る。そうでないと、母材は、異なる半径方向の位置で異
なる割合で成長し、堆積プロセスを非常に複雑にしてし
まい、うまくいかなくなる。したがって、母材の長さ方
向の層の間隔は、母材全体を通じて実質的に一様であ
る。φｙ方向の回折次数の間隔は、照射ビームの半径方
向の位置に無関係であり、その結果、各々の回折次数
は、第３図に示されるように、φｙが一定の軌跡上に存
在することが発見された。

特定の回折次数の位置を他の回折次数の位置情報から
決定するに必要な理論を以下に説明する。アール．エ
ス．ロングハーストは、1967年ロングマンズにおいて発
行された「幾何及び物理光学」（第二版）で、以下のこ
とを教示している。

回折格子においては、 ｄ＊SIN（Δφ）＝ｐλ/n が成立する。ここで、 ｄは層の厚さであり、 Δφは入射ビームからの偏向角、 ｐは回折次数であり整数、 λは光の波長、 ｎは媒体の屈折率である。

任意の回折次数におけるφ値は、他の任意の２つの回
折次数における値から以下のようにして予測される。ｐ
が知りたい次数であり、ｌ及びｍが既知の次数である場
合、 ｄ＊SIN（φｐ−φ）＝ｐλ/n ｄ＊SIN（φｌ−φ）＝ｌλ/n ｄ＊SIN（φｍ−φ）＝ｍλ/n が成立する。ここで、φは回折格子に入射するビーム角
であり、回折格子の平均値を表す。それはまた、０次光
の角度である。φｐ、φｌ及びφｍは、各々、回折次数
ｐ、ｌ及びｍにおける実際の偏向角である。

したがって、 ｍ＊SIN（φｌ−φ）＝ｌ＊SIN（φｍ−φ） が成立し、ここからφが求められる。

ｐ＝０すなわち０次に対しては、これで良い。特に、
小さな偏向角に対しては、 φ＝（ｌ＊φｍ−ｍ＊φｌ）／（ｌ−ｍ） しかしながら、０でないｐ（すなわち０でない次数）
に対しては、 φｐ＝φ＋ASN（p/m）＊SIN（φｍ−φ）） となる。

φｘ及びφｙに対して同等の表現が存在し、それらは
偏向ビームのｘ−ｙ平面への投影となる。例えば、 xd＊SIN（φxp−φ）＝ｐλ （ｖ） である。ここでxdは層厚のφｘ方向への投影値であり、
また、 yd＊SIN（φyp−φ）＝ｐλ （vi） である。ここでydは層厚のφｙ方向への投影値である。

このように、同等の方法により、０次のφｘ値を他の
２つの次数のφｘ値から推測することができる。

ある次数の位置を判断することが可能となる上記関係
式を計算するためには、他の２つの次数のみが必要とさ
れるが、複数の回折次数の個々の独立した対から判断を
行い、最小二乗法のような手続きを利用して結果を修正
し、最も適当な値を選ぶほうが適切である。

（yd/xd）比は、母材中の層の物理的な位置及び厚さ
によって決定されるので、一定である。このことは、方
程式（ｖ）及び（vi）の裏付けを成す。そこでは、yd/x
d比は選択された回折次数に無関係である。このように
して、対となるφxpとφypは、φx/φｙ平面内の軌跡の
上に存在し、当該軌跡は、層表面に垂直な回折平面内に
存在する全ての光の軌跡と一致する。

ある場合には、母材内の層構造の性質として、光ビー
ムが非常に拡散しながら広がり、分離した回折次数とし
ては明確には区別できないようなものがある。ビームは
層表面に対して垂直に拡散されるという仮定のもとで
は、φｘ及びφｙ対の軌跡もまた、明瞭な回折次数にお
ける対と同じ軌跡上に存在する。したがって、（φｙが
零のときの）０次のφｘ値は、測定されたφｘ、φｙ値
から軌跡を単に外挿することにより、φｘ軸との交点と
φｘ及びφｙ平面内の軌跡の角度とから求めることがで
きる。これらは、移動開口を多数のφｙ位置に置くこと
により、特にそれに付随するφｘ値を測定したり同一の
回折次数を捜すことなしに、容易に得ることができる。
回折角が小さい場合には、軌跡は直線となり計算が特に
簡単となる。

堆積層表面の等高線は、母材中の一つの堆積層と、母
材の長さ方向の軸を含む平面との交線である。この形状
は、製造中の堆積プロセスにおける母材表面を縮尺した
形状と正確に一致する。母材は、ドープされた多孔性ガ
ラス煤の層として製造され、堆積が終了すると、加熱焼
結されて透明なガラス母材となるという事項から、この
縮尺が生ずる。焼結プロセスは捕捉ガスを除去し、焼結
の間に母材の径は減少し、したがって、層表面形状の縮
尺が起こる。

母材内の半径方向における任意の位置での回折次数の
偏向する平面は、この位置での層の傾きに垂直である。
このことは、測定位置において母材は単純な回折格子と
して振る舞うという回折モデルを想定することにより理
解することができる。

母材内の層の傾きdy/dxは、 dy/dx＝yd/xd で与えられ、これは、上記方程式（ｖ）及び（vi）を、 yd/xd＝SIN（φxp−φｘ）/SIN（φyp−φｙ） （vii） と同等とみなすことにより評価することができる。

回折次数の偏向角が小さな場合には、 yd/xd＝（φxp−φｘ）／（φyp−φｙ） （viii） となる。

方程式（ｖ）、（vi）および（vii）は任意の入射点
ｘとそれに対応する測定角φｘ及びφｙとの間の数学的
関係を与える。したがって、最低２つの回折次数を測定
することにより、半径方向の入射点ｘにおける層表面の
傾きを見積もることが可能となる。また、表面形状は便
宜的にはｙ＝ｆ（ｘ）によって与えられるので、 ｙ＝∫（dy/dx）dx を用いれば、 ｆ（ｘ）＝∫（yd/xd）dx となり、ここでyd/xdは方程式（vii）あるいは（viii）
によって与えられる。

このようにして、堆積層表面の等高線ｆ（ｘ）を数値
積分から簡単に得ることができる。

第４図は、本発明に係る母材分析装置における第一の
比較的簡単な実施例であり、照射ビーム12を発するレー
ザ10、第一及び第二の円柱レンズ14、16、チョッパー1
8、スリット開口20、及びビーム12を感知する固体検出
器22から構成されており、全てがビーム12の光路中にあ
る。光ファイバ母材24の測定においては、母材24は、ビ
ーム12の光路内における第一及び第二の円柱レンズ14、
16の間に存在する屈折率整合流体28の浴槽26中に配置さ
れる。

レーザ10は、波長が633nmの光を放出するヘリウム・
ネオンレーザであり、（レンズ14、16、チョッパー18、
開口20及び検出器22を含む）残りの光学系と一緒に、照
射ビーム12に対して略垂直な方向に母材24に対して移動
可能であり、母材24の全厚さを照射することができるよ
うになっている。

チョッパー18は、例えば、英国特許第2071315号明細
書に開示されているように、不透明及び透明部分が交互
する回転円盤の形態をした、モータ32により回転可能な
チョッパーブレード30からなっている。光断続検出器34
は、チョッパーブレード30に対して固定した位置に配置
され、タイミング装置36に参照信号を発生する。

第一及び第二の円柱レンズ14及び16は、それらの長さ
方向の軸が母材24の長さ方向の軸と一致するように載置
される。レンズ16の非対称性は、開口20の平面内におい
て、φｙ方向よりもφｘ方向にビーム12を焦点合わせす
るために使用されるものであり、その結果、φx/φｙ平
面は、開口20平面（検出器22の平面）内のφｙ軸の方に
押しつぶされている。したがって、φｘ方向に移動可能
な開口は、検出器22の平面上に配置することはできず、
焦点面50のような他の平面上に配置されなければならな
いことが理解されよう。

第６図において、開口20は、不透明板38中に形成され
ており、モータ制御による公知のマウントにより、開口
の平面内において移動可能である。板38は、開口20の長
さ方向の軸に垂直な方向を含めて、任意の方向に移動可
能である。さらに、開口20は、その巾が変更可能であ
る。これは、板38を２つの部分に分離し、モータ制御で
その各々を近づけたり離したりするように移動させるこ
とにより達成される。

あるいは、板38を移動可能としたり開口20を分離可能
とする代りに、板38の平面内であってかつ開口20の長さ
方向の軸と垂直な方向に移動可能な２つの部分で開口20
を形成し、板38に設けられた開口20を回転可能とするこ
とにより、開口の移動と分離を行うこともできる。

固体検出器22は、第３図に示すように、ビーム12の領
域に比較して大きな感知領域をその表面に有している。
検出器22は、タイミング装置36に情報を伝達する。

動作を説明すれば、レーザ10からのビーム12は、第一
の円柱レンズ14により母材24の中心面40に伝えられる。
母材24から射出するビーム12の一部分は、第二の円柱レ
ンズ16により開口20を通って検出器22上に焦点合わせさ
れる。

第４図及び第６図に例示される特定の場合において
は、母材24は軸方向に屈折率変動を有するような典型的
のVAD母材であり、０次ビーム部分42及びより高次のビ
ーム部分44は、φｙ方向には分離しているがφｘ方向に
は分離していない。開口20の長さ方向の軸は、φｘ方向
を向いており、０次ビーム部分42は受け入れるが高次光
44は阻止するように配置されている。０次ビーム部分42
のφｘ偏向角46はレンズ16の焦点面50におけるビーム部
分12の位置48から計算される。検出器22と光断続検出器
34からの一定の参照信号により得られるような、チョッ
パーブレード30がビーム部分12と交差する時間差を決定
するタイミング装置36により、この位置48は測定され
る。したがって、チョッパー18は、位置48を実質的に時
間差として符号化する。０次ビーム部分42のみの測定が
要求される場合には、開口20は移動可能とするよりは固
定すべきであることが理解されよう。

母材24の軸方向の屈折率変動は、例えば、1980年のエ
レクトロニクス・レターズ第16巻第６号第219乃至221頁
に記載されている理論により、０次ビーム部分42のφｘ
偏向角46から計算される。

０次ビーム部分42を受け入れる位置からより高次のビ
ーム部分44を受け入れる位置への、開口20の直線的な移
動を測定することと、平面40と開口20の平面との間の直
線距離の情報とにより、回折次数の分離角52は決定され
る。

第一のレンズ14は、円柱形である必要はないけれど
も、円柱形でない場合には、光を検出器22に集めるため
には、第７図に示されるレンズ216のように同じ機能を
満たす別の円柱レンズが必要となる。この場合、回折次
数の角度分離の計算は、付加されたレンズのパラメータ
に依存し、φｙ方向の識別は、レンズ14が円柱形のとき
よりも困難となる。レンズ14が円柱状であることの主な
利点は、上記利点を別としても、ビームが、軸方向に比
較的広いが（典型的には1mm）、半径方向には狭く（典
型的には25μｍ）なることである。回折次数の狭さはビ
ームにより照射される層の数によって決定される。した
がって、円柱レンズ14により生み出される非対称ビーム
によって、母材24が軸方向に変動する屈折率の層構造を
有する場合には、φｙ方向には良く分離された狭い回折
次数が発生する一方で、φｘ方向の光学的分解能が向上
する。このことにより、開口20による回折次数の識別が
容易となり、開口20の構造的な許容誤差が緩和される。

第二の円柱レンズ16の目的は、φｘ方向の測定機能を
保持し、かつより高次のビーム部分44をできるだけ拡張
して、焦点面50と開口20との距離及び開口20の移動精度
への要求を最小にすることである。

本発明は、種々の異なる横型母材分析装置に具現化す
ることが可能であることが理解されよう。好ましい分析
装置は２つの主なコンポーネントからなる。すなわち、
長さ方向の軸に対して実質的に直角に母材を照射する手
段と、母材から射出する屈折光の角度を測定する手段で
ある。そのような分析装置の３つの一般的な種類を、本
発明の第二、第三及び第四の実施例として、それぞれ第
７図乃至第９図を参照しながら、以下に説明する。簡単
にするために、母材の異なる半径方向の位置を選択する
ために母材あるいは光源を移動する手段、及びチョッパ
ー18の位置は、図示されていない。それぞれの図におい
て、同様の部材には同様の参照番号が付されている。

第７図に示される第二の実施例においては、光源21は
狭い光ビームを供給し、レンズ214及び215は球面状で
も、円柱形状でも、あるいは省略されても良く、レンズ
216も円柱状あるいは省略されても良い。検出器222は、
受光する光を１次元あるいは２次元的に識別するもので
あれば、いかなる形態のものでも良く、レンズ215が存
在する場合にはそこから任意の距離に配置することがで
きるが、レンズ215の焦点面250に配置することが好まし
い。レンズ214、215を球面状とし、円柱レンズ216を円
柱状とし、検出器222を焦点面250に置かれた一次元位置
センサとした分析装置は、エル．エス．ワトキンス（L.
S.Watkins）により「応用光学（Applied Optics）」第1
8巻第13号（1979年７月１日発行）第2214乃至2222頁に
開示されている。レンズ214、215を球面状とし、レンズ
216を省略し、検出器222を焦点面250に置かれたテレビ
カメラ表面とした分析装置は、特開昭63−95336号公報
に開示されている。

第８図に示される第三の実施例においては、レンズ31
4、315及び316は、球面状でも、円柱状でも、あるいは
省略されても良く、レンズ316は円柱状であるかあるい
は省略されても良い。検出器322は、測定に関係する光
の全てを捕捉するに十分な領域を有し、空間的に識別す
ることが可能な、単一の光感知表面である点で、第二の
実施例と異なっている。ビーム12の屈折角φｘは、ビー
ム12を空間的もしくは時間的に変調することにより測定
される。

空間変調は、ナイフエッジ329を使用することにより
達成される。当該ナイフエッジは、実際上は、母材24と
検出器322との間の光路上のどこに置いてもよいが、好
ましい位置は、レンズ316の焦点面350である。ナイフエ
ッジ329は、検出器322に到達するビーム12をある程度、
例えば最大強度の半分だけ阻止するように、動かされ
る。このナイフエッジ329のφｘ方向における位置は、
屈折角を算出するために使用される。

時間変調は、周期的に動くナイフエッジに実質的に類
似する、回転チョッパー330により達成される。チョッ
パー330の作用は前述した。

第９図に示される第四の実施例は、光源が広いビーム
を有していて典型的にはインコヒーレントであり、母材
24の測定部分の選択は、球面状あるいは円柱状のレンズ
415からなる結像系と、少なくともφｘ方向には小さな
単一の光感知表面を有する検出器422とによって行われ
るという特徴を有している。第三の実施例の場合と同様
に、φｘは時間的又は空間的変調により測定される。

開口20は、第二、第三あるいは第四の実施例におい
て、母材24と検出器222、322あるいは422との間のほぼ
どの位置に配置しても良い。第二の実施例における好ま
しい位置は、レンズ215と216との間である。第三及び第
四の実施例において好ましい位置は、各々、レンズ315
及び415が球面状の場合には焦点面350、450であり、レ
ンズ315及び415が円柱状である場合にはレンズ316及び4
16の近くであり、レンズ316及び416が省略される場合に
は検出器322及び422の近くである。

第三及び第四の実施例は、２次元のスクリーンの分解
能に依存せず、潜在的により大きな精度を有する時間的
あるいは空間的変調手段に依存しているので、第二の実
施例に比べて、正確な測定に対する大きな潜在能力とい
う観点から、有利であることが理解されよう。

開口の第一の変更例が第10図に示されている。開口52
0は、３つの異なる方向に向いた独立した開口522から実
質的に構成されており、各々は、個々の開口522の長さ
方向の軸に垂直な方向に移動可能ではあるが回転できな
い半分の板524、２つから形成される。第３図に示され
る第一の実施例の開口20は、任意の方向に移動可能（し
たがっていかなる方向にも実質的に回転可能）であった
が、この第一の変更例においては、開口520は、実質的
に３つの定まった方向にのみ移動可能である。２つの個
々の開口522を開ききってしまい、１つの開口を閉じよ
うとすることにより、一つの特定の方向が選択される。
また、互いに直交する２つの個々の開口に変更すること
も可能であることが理解されよう。

開口の第二の変更例は第11図及び第12図に示されてい
る。第一の実施例及び第二の変更例における機械的な開
口は、ビームが検出器により検出する前にビームを処理
している。第二の変更例は、電子的な開口を提供するも
のであり、ビームが検出器により検出された後にビーム
を処理するものである。電子的な開口は、本質的には、
第一の実施例におけるチョッパー18、検出器22及びタイ
ミング装置36を使用するが、当該実施例におけるタイミ
ング装置36中の回路を適宜修正しなければならない。

概略を説明すれば、チョッパー18はビーム12を時間的
に符号化し、検出器22は時間的に符号化されたビーム12
を信号に変換し、タイミング装置36は特定の時間間隔だ
け当該信号を遮るように修正される。この時間間隔は開
口の巾に対応している。このようにして、開口がチョッ
パー18の平面内に存在するように考えることができる。

第11図を用いてもっと詳細に説明すれば、第11a図に
示される参照信号610は、第一の実施例の光断続検出器3
4により発生されたものである。もし、チョッパー18に
入射するビーム12がφｘ軸上にあり、第12a図に示され
るような形状をしているならば、チョッパー18はこのビ
ーム12を時間的に符号化し、検出器22により第11b図中
の線Ａによって示される信号に変換される。時間Ｔは、
例えば、英国特許出願公開第2071315号明細書に記載さ
れているように、ビーム12の偏向角の尺度となる。しか
しながら、ビーム12が明瞭な回折次数に分割される場合
には、第12b図に示されるように、検出器22からの信号
は第11b図中の線Ｂによって示される形となり、この場
合には、もはや時間間隔Ｔによってはビーム偏向の測定
を行えない。

電子的に移動する開口は、線Ｂで示される信号を、空
間的な開口の場合におけるエッジと類似の時間でオン及
びオフに切り換えることにより作動する。これは、回路
あるいはソフトウェアにより達成することができる。信
号の時間部分は、機械的な開口を移動することにより空
間中で光ビームの一部を選択したのと類似の方法で選択
することが可能である。例えば、第11b図の信号Ｂの異
なる部分を選択して、第11c図の信号Ｃや第11d図の信号
Ｄを得ることが可能である。信号Ｃ及びＤの形状は、第
11b図中の信号Ａに対して使用されるものと全く同一の
信号処理及び計算手段により処理することができるよう
なものである。

本実施例の開口を実施するための回路を以下に説明す
る。数学的には、第11b図の信号Ｂを第11d図の信号Ｄに
変換するための開口回路に要求されることは、以下の方
程式の組によって記述される。ここでVin（ｔ）は検出
器22からの信号でありかつ開口回路に入力される電圧で
ある。Vout（ｔ）は開口回路からの出力電圧である。

時間間隔t1からt2に対して： Vout（ｔ）＝Vin（ｔ）−Vin（t1） （ｉ） 時間間隔t2からt3に対して： Vout（ｔ）＝Vin（t2）−Vin（t1） （ii） 時間間隔t3からt4に対して： Vout（ｔ）＝Vin（ｔ）−Vin（t3）＋Vin（t2）−Vin（t1） （iii） 時間間隔t4からt5に対して： Vout（ｔ）＝Vin（t4）−Vin（t3）＋Vin（t2）−Vin（t1）、 （iv） あるいは、Vout（ｔ）＝０ なぜならば、Vin（t1）−Vin（t2）＝−（Vin（t3）−V
in（t4）） であるからである。

t1及びt2は、ビームに曝されるチョッパーブレード30
のエッジにおける開口のスタート時間と停止時間であ
り、t3及びt4は、ビームを遮蔽するチョッパーブレード
30の相補的なエッジにおける同様の時間である。

周知の類似の計算技術を使用することにより、第13a
図に示されるようにこれらの方程式を処理することがで
きる。S1、S2及びS3は開閉できるスイッチであり、和記
号は、符号をも考慮して入力信号の和を取ることを意味
している。メモリあるいはホールドブロックは、典型的
には第13b図に示されるようなもので電気的に実行され
る。

第13a図の開口回路の動作を、スィッチS1,S2及びS3の
状態が示されている第11e図乃至第11g図を参照して以下
に説明する。各々のスィッチは、各々の制御信号の２つ
の値のうち高い値により閉じられる。時間t1において
は、S3は閉じS1は開き、S2は閉じたままであり、ブロッ
クH1の出力はVin（t1）である。その結果、方程式
（ｉ）が時間t2まで実行される。時間t2においては、S3
が開くとき、s1は開いたままであり、S2は開き、H1の出
力はVin（t1）のままであり、H3の出力は値Vin（t2）を
取る。H2の出力はVin（ｔ）を取り、その結果、時間t3
まで方程式（ii）が実行される。時間t3においては、S3
が再び開くとき、S1は閉じたままであり、S2は閉じ、H1
の出力はVin（t1）のままであり、H3の出力はVin（t2）
のままであり、H2の出力はVin（t3）となる。その結
果、方程式（iii）が時間t4まで実行される。時間t4に
おいては、s3が再び開くとき、S1は閉じ、S2は開いたま
まである。そして出力は方程式（iv）で要求されるよう
に零となる。

時間t1及びt3は、参照信号610の後の特定の時間とし
て決定され、プログラミングが可能なデジタルカウンタ
により実行される。t1及びt3の値は、電子的な開口を制
御するコンピュータプログラムによって選択される。し
たがって、開口のスタートエッジは参照信号610に関連
して決定される。開口の実質的な巾すなわち時間t2−t1
及びt4−t3は、第二のプログラミング可能なカウンタに
よって決定される。巾の正確な値は、開口を制御するコ
ンピュータプログラムにより選択される。スィッチs2及
びs3の状態を選択する制御信号は、Ｄ−エッジ・フリッ
プフロップ回路とNANDゲートのような標準的なデジタル
論理回路によって導き出すことができる。

上記説明は、第11b図中の信号Ｂを導く２つの明瞭な
ビーム部分がある状態に対して行っているが、回路は、
相補的な立ち上がり及び立ち下がりエッジを有する任意
の波形に対して作動するので、チョッパーブレード30に
よって遮断される光ビームの形状を特徴づけるのに使用
することができることが理解されよう。

電子的開口を固定しておく場合には、信号をオン、オ
フと切り換える時間を一定に維持しておけば良いが、電
子的開口を移動させる場合には、これらの時間を変更す
る必要があることが理解されよう。また、前述したよう
に、電子的開口は一方向にのみ移動可能であり、当該方
向はビームを通過するチョッパーブレードの移動方向に
よって決定されることも理解されよう。他のところで説
明したように、普通、この方向はφｘ方向とすることが
好ましい。

通常、φｘ方向のみの符号化は、チョッパーブレード
30に放射状のエッジを使用することにより達成される。
しかしながら、英国特許出願公開第2071315号明細書第
７頁第７行に「マーク−スペース」比（“mark−space"
ratio）による符号化に対して記載されているように、
φｘ及びφｙの両方向で符号化するために、非放射状
の、非直線状のエッジを使用することも可能である。こ
のようにして、φｘ及びφｙの両方向における識別のた
めに電子的な開口を使用することが可能である。

本発明は、純粋に例示として記述したものであり、本
発明の範囲内において細かな修正が可能であることは、
勿論明かであろう。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−95336（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−215524（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−70436（ＪＰ，Ａ)

Claims (29)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光ファイバや光ファイバ母材のようなほぼ
   円柱状で、それに入射する光を回折する透明物体の光学
   的特性を測定するための横型分析装置であって、該装置
   は、当該物体の長さ方向の軸に対して直交する方向で当
   該物体に入射する照射ビームを発生するための照射手段
   と、当該物体を通過したビームを感知するための検出器
   と、照射手段と検出器の間に当該物体を保持するための
   手段と、検出器の出力を選択的に制限するためのフィル
   タリング手段とからなり、当該フィルタリング手段は、
   透明物体の長さ方向の軸に対して平行な方向の当該物体
   による照射ビームの回折の結果生じたｎ次回折（ｎは零
   でない予め選択された数）に対応した透過ビームの部分
   に応答し且つ依存する信号を検出器が発生するように調
   整可能である分析装置。
2. 【請求項２】請求の範囲第１項記載の分析装置におい
   て、フィルタリング手段が、実質的に透明物体の長さ方
   向の軸に対して平行な方向にフィルタリングするように
   調整可能である分析装置。
3. 【請求項３】光ファイバや光ファイバ母材のようなほぼ
   円柱状で、それに入射する光を回折する透明物体の光学
   的特性を測定するための横型分析装置であって、該装置
   は、当該物体の長さ方向の軸に対して直交する方向で当
   該物体に入射す照射ビームを発生するための照射手段
   と、当該物体を通過したビームを感知するための検出器
   と、照射手段と検出器の間に当該物体を保持するための
   手段と、検出器の出力を選択的に制限するためのフィル
   タリング手段とからなり、当該フィルタリング手段は、
   透明物体の長さ方向の軸に対して平行な方向の当該物体
   による照射ビームの回折の結果生じた、少なくともその
   内の一つが零次でない予め選択された回折次数にそれぞ
   れ対応する透過ビームの部分に応答し且つ依存する信号
   を検出器が発生するように調整可能である分析装置。
4. 【請求項４】請求の範囲第３項記載の分析装置におい
   て、さらに、検出器の出力に接続され、その出力を処理
   するための処理手段を有する分析装置。
5. 【請求項５】光ファイバや光ファイバ母材のようなほぼ
   円柱状で、それに入射する光を回折する透明物体の光学
   的特性を測定するための横型分析装置であって、該装置
   は、当該物体の長さ方向の軸に対して直交する方向で当
   該物体に入射する照射ビームを発生するための照射手段
   と、当該物体を通過したビームを感知するための検出器
   と、照射手段と検出器の間に当該物体を保持するための
   手段と、検出器の出力をフィルタリングするための調整
   手段とからなり、該調整手段は、透明物体の長さ方向の
   軸に対して平行な方向の当該物体による照射ビームの回
   折の結果生じた、少なくともその内の一つが零次でない
   予め選択された回折次数にそれぞれ対応する透過ビーム
   の部分に応答し且つ依存する、検出器によって発生した
   信号のみを通過させるものである分析装置。
6. 【請求項６】請求の範囲第５項記載の分析装置におい
   て、物体と検出器との間に配置された変調手段を有し、
   当該変調手段は、変調手段の平面内にあるビームを、検
   出器による検出のために位置情報で符号化するためのも
   のである分析装置。
7. 【請求項７】請求の範囲第６項記載の分析装置におい
   て、変調手段はビームを時間的に変調し、フィルタリン
   グ手段は検出器の出力を時間的にフィルタリングする分
   析装置。
8. 【請求項８】光ファイバや光ファイバ母材のようなほぼ
   円柱状で、それに入射する光を回折する透明物体の光学
   的特性を測定するための横型分析装置であって、該装置
   は、当該物体の長さ方向の軸に対して直交する方向で当
   該物体に入射する照射ビームを発生するための照射手段
   と、当該物体を通過したビームを感知するための検出器
   と、照射手段と検出器の間に当該物体を保持するための
   手段と、透過ビームを受けるためのフォーカシング手段
   と、検出器の出力を制限するためのフィルタリング手段
   とからなり、当該フィルタリング手段は、透明物体の長
   さ方向の軸に対して平行な方向の当該物体による照射ビ
   ームの回折の結果生じたｎ次回折（ｎは零でない予め選
   択された数）に対応した透過ビームの部分に応答し且つ
   依存する信号を検出器が発生するように動作すると共
   に、当該フォーカシング手段は、物体と検出器との間に
   設置され、かつフィルタリング手段が検出器の出力を制
   限するために作動する平面内に透過ビームを非対称的に
   焦点合わせするように配置された分析装置。
9. 【請求項９】請求の範囲第８項記載の分析装置におい
   て、フォーカシング手段の焦点は、透明物体の長さ方向
   の軸に対して直交する方向よりも透明物体の長さ方向の
   軸に対して平行な方向に、よりあまく焦点合わせを行う
   分析装置。
10. 【請求項１０】請求の範囲第８項又は第９項記載の分析
    装置において、フォーカシング手段は、長さ方向の軸が
    実質的に物体の長さ方向の軸に対して平行な方向を向い
    ている円柱レンズである分析装置。
11. 【請求項１１】請求の範囲第８項乃至第10項記載の何れ
    かの分析装置において、さらに、照射手段と物体の間に
    設置され、かつビームを物体に非対称的に焦点合わせす
    るように配置された第二のフォーカシング手段を有する
    分析装置。
12. 【請求項１２】請求の範囲第１項乃至第11項記載の何れ
    かの分析装置において、一つの回折次数に対応するビー
    ム部分を識別できる状態から、異なる回折次数に対応す
    るビーム部分を識別できる少なくとも他の一つの状態
    に、フィルタリング手段が調整可能である分析装置。
13. 【請求項１３】請求の範囲第１項乃至第12項記載の何れ
    かの分析装置において、フィルタリング手段は開口であ
    り、該開口はもし回折が無ければビーム全体を受け入
    れ、回折が起こる場合にはビームの一部分を受け入れる
    大きさとなるように調整される分析装置。
14. 【請求項１４】請求の範囲第１項乃至第13項記載の何れ
    かの分析装置において、次数の異なるビーム部分を選択
    的に識別するように、フィルタリング手段が調整可能で
    ある分析装置。
15. 【請求項１５】請求の範囲第１項乃至第14項記載の何れ
    かの分析装置において、検出器は強度が測定できるもの
    である分析装置。
16. 【請求項１６】請求の範囲第１項乃至第15項記載の何れ
    かの分析装置において、さらに、ビームの異なる次数の
    各部分を分離するためにフィルタリング手段が作動する
    平面でビームの各部分を分離するための手段を有する分
    析装置。
17. 【請求項１７】請求の範囲第12項記載の分析装置におい
    て、さらに、一つの回折次数に対応するビーム部分に関
    する位置情報を、他の回折次数に対応するビーム部分に
    関する位置情報から計算するための内挿及び外挿手段を
    有する分析装置。
18. 【請求項１８】請求の範囲第１項乃至第17項記載の何れ
    かの分析装置において、さらに、フィルタリング手段に
    結合し、かつ選択的に識別されたビーム部分の位置を測
    定するための測定手段を有する分析装置。
19. 【請求項１９】請求の範囲第１項，第３項又は第８項記
    載の分析装置において、フィルタリング手段は、機械的
    なものであり、物体と検出器との間に配置される分析装
    置。
20. 【請求項２０】光ファイバや光ファイバ母材のようなほ
    ぼ円柱状で、それに入射する光を回折する透明物体の光
    学的特性を測定するための方法であって、該方法は、 物体の長さ方向の軸に実質的に垂直となるような方向で
    物体に入射する照射ビームでもって物体を照射する段階
    と、 透明物体の長さ方向の軸に対して平行な方向の当該物体
    による照射ビームの回折の結果生じたｎ次回折（ｎは零
    でない予め選択された数）に対応した物体を透過したビ
    ームの部分を識別するために、照射ビーム及び物体の長
    さ方向の軸を含む面に対して垂直でない選択された方向
    に開口を移動する段階と、 当該ビーム部分を検出する段階と、を含む。
21. 【請求項２１】光ファイバや光ファイバ母材のようなほ
    ぼ円柱状で、それに入射する光を回折する透明物体の光
    学的特性を測定するための方法であって、該方法は、 物体の長さ方向の軸に実質的に垂直となるような方向で
    物体に入射する照射ビームでもって物体を照射する段階
    と、 透明物体の長さ方向の軸に対して平行な方向の当該物体
    による照射ビームの回折の結果生じた、少なくともその
    内の一つが零次でない予め選択された回折次数にそれぞ
    れ対応する透過ビームの部分を識別するために、照射ビ
    ーム及び物体の長さ方向の軸を含む面に対して垂直な方
    向に開口を移動する段階と、 当該ビーム部分を検出する段階と、を含む。
22. 【請求項２２】光ファイバや光ファイバ母材のようなほ
    ぼ円柱状で、それに入射する光を回折する透明物体の光
    学的特性を測定するための方法であって、該方法は、 物体の長さ方向の軸に実質的に垂直となるような方向で
    物体に入射する照射ビームでもって物体を照射する段階
    と、 透明物体の長さ方向の軸に対して平行な方向の当該物体
    による照射ビームの回折の結果生じたｎ次回折（ｎは零
    でない予め選択された数）に対応した物体を透過したビ
    ームの部分を識別するために、開口を移動する段階と、 当該ビーム部分を検出する段階と、を含む。
23. 【請求項２３】請求の範囲第22項記載の方法において、
    移動及び検出段階が、複数の選択された回折次数のため
    に繰り返される方法。
24. 【請求項２４】請求の範囲第22項又は第23項記載の方法
    において、照射ビームは物体の径に比較して狭くなって
    いる方法であって、さらに、移動及び検出段階の前に物
    体を横切るようにビームを移動させる段階を有する方
    法。
25. 【請求項２５】請求の範囲第22項記載の方法において、
    軸方向に屈折率変動を有する物体の複数の半径方向の位
    置における、選択された回折次数に関する情報を得るた
    めに、開口は細長くなっており、且つその長さ方向の軸
    が照射ビーム及び物体の長さ方向の軸を含む面に対して
    垂直な方向に実質的に一致されており、また、検出段階
    において、開口を実質的に固定しておいて、物体を横切
    るように当該ビームを移動することにより、選択された
    回折次数に対応する複数のビーム部分を検出する方法。
26. 【請求項２６】請求の範囲第20項又は第21項記載の方法
    において、物体から射出する選択された回折次数に関す
    る位置情報を得るために、移動及び検出段階において、
    複数のビーム部分が識別され且つこれらのビーム部分に
    関する位置情報が検出される方法であって、さらに、当
    該情報から選択された回折次数に関する位置情報を得る
    ために内挿又は外挿する段階を有する方法。
27. 【請求項２７】請求の範囲第22項記載の方法において、
    物体から射出する選択された回折次数に対応するビーム
    部分に関する位置情報を得るために、移動及び検出段階
    において、複数の回折次数に対応するビーム部分が識別
    され且つこれらの次数に関する位置情報が検出される方
    法であって、さらに、当該情報から選択された回折次数
    に対応するビーム部分に関する位置情報を得るために内
    挿又は外挿する段階を有する方法。
28. 【請求項２８】請求の範囲第22項記載の方法において、
    物体が複数の層からなる構造を有しており、VAD母材の
    堆積層表面の等高線を決定するために、照射、移動及び
    検出段階において、複数の当該ビーム部分に関する位置
    情報が物体の半径方向の位置の関数として決定される方
    法であって、さらに、それらの情報から、複数の層の表
    面の傾きに関する情報を当該半径方向の位置の関数とし
    て計算し、当該半径方向の関数として層表面の等高線情
    報を決定するために表面の傾き情報を決定する段階を有
    する方法。
29. 【請求項２９】請求の範囲第21項記載の方法において、
    選択された次数が０次である方法。