JP5544249B2 - 検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、フェルールプローブ等に用いられる集光レンズの検査装置に関する。

従来、計測対象から発せられる光の波長や強度を検出し、検出した光を受光素子等によって電気信号に変換することにより、計測対象の温度を計測する放射温度計（パイロメータ、赤外放射温度計等）が知られている。
このような放射温度計では、計測対象の温度が高く受光素子等を計測対象の近傍に設置できない場合、計測対象から発せられた光を受光素子まで伝送するフェルールプローブが用いられている。

このフェルールプローブには、光ファイバが用いられている（例えば、非特許文献１及び２参照）。
また、計測対象と光ファイバとの間には、通常、集光レンズが配置される。計測対象からの光を集光レンズによって集光し、前記フェルールプローブの光ファイバに入射させることにより、検出する光の強度を高めることができる。そして、このように光の強度を高めることにより、正確で安定した温度計測を行うことが可能になる。

ところで、このようにフェルールプローブの前方に配置され、集光をなす集光レンズは、円筒状のホルダの先端部に取り付けられ、さらにろう付け等によってホルダに固定されてレンズプローブとされる。そして、ホルダがフェルールプローブの先端部に着脱可能に取り付けられることにより、集光レンズとフェルールプローブの光ファイバ端面との間の位置合わせがなされるようになっている。すなわち、単にフェルールプローブにホルダを被着することで、光軸合わせや焦点合わせが行えるようになっている。

しかしながら、前記のレンズプローブにあっては、集光レンズがホルダに対して傾いて取り付けられ、そのまま位置ずれした状態で固定されてしまうことがある。すると、当然ながらこのレンズプローブをフェルールプローブの先端部に取り付け、計測対象の温度を計測した場合、正確な測定を行うことができなくなってしまう。

そこで、従来ではこのようなレンズプローブについて、パワメータを検査装置として用い、集光レンズの位置ずれを光学的性能評価で検査している。具体的には、レンズプローブを被着しないフェルールプローブを基準試料とし、この基準試料の光透過率（光強度）を前記パワメータで測定して基準値を求める。また、レンズプローブを被着したフェルールプローブを検査試料とし、この検査試料の光透過率（光強度）を前記パワメータで測定し、検査値を求める。そして、得られた検査値と基準値とを比較することにより、集光レンズの位置ずれの有無を評価する。

一ノ瀬昇、小林哲二、「センサとその応用」、総合電子出版社、１９８０年、Ｐ４７ 高橋清、「センサ技術入門」、工業調査会、１９７８年、Ｐ３９

ところが、従来のパワメータを検査装置として用いた光学的性能評価では、集光レンズがホルダに対して傾いて取り付けられ、位置ずれしている場合に、単に光透過率（光強度）が低下することしか分からず、したがって集光レンズがどの方向に傾き、これによって集光レンズに入射した光がどの位置に集光しているかが確認できない、といった問題がある。

ただし、集光レンズとフェルールプローブの光ファイバ端面との間の位置合わせはそれほど高い精度が要求されるものではなく、多少の位置ずれがあっても、例えば放射温度計等の感度が低下するだけである。したがって、位置ずれが確認されたレンズプローブであっても、必ずしも再度組み立て直すことなく、そのまま使用することができるものもある。しかし、その場合にも、集光レンズに入射した光がどの位置に集光しているか確認できれば、放射温度計等の測定機器側の感度を調整することなどにより、より正確な測定が可能になる。したがって、集光レンズの位置ずれを直接的に検査することのできる検査装置が求められている。
また、既設されているレンズプローブを検査したい場合などでは、特に高温環境下に設置されている場合、集光レンズの位置ずれを直接に検査するのは難しく、したがってこのような既設のものの検査にも用いることのできる検査装置が求められている。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、レンズプローブにおける集光レンズの位置ずれを直接検査することができ、しかも高温環境下に設置されているレンズプローブに対しても検査が可能な検査装置を提供することにある。

本発明の検査装置は、ホルダに取り付けられた集光レンズの光軸ずれを検査する検査装置であって、
複数の光ファイバからなり、その先端面が前記集光レンズの焦点位置又はその近傍に配置される光ファイババンドルと、
前記光ファイババンドルの後端側に配置された位置検出素子と、を備えてなることを特徴としている。

この検査装置によれば、複数の光ファイバからなる光ファイババンドルにより、集光レンズで集光した光を位置検出素子（ＰＳＤ）に伝送することができる。各光ファイバに入射した光は、他の光ファイバに伝送されることなくそのまま入射した光ファイバの後端側にまで導かれ、位置検出素子に入射するので、光ファイババンドルに入射した光はその位置を変化させることなく、そのままの分布状態で位置検出素子（ＰＳＤ）に入射する。

位置検出素子（ＰＳＤ）は、その受光面上のどの位置で受光したかを検出することができる素子であり、したがって光ファイババンドルから受けた光の位置、すなわち光ファイババンドルに入射したときの分布状態と同じ分布状態の光を受光する。よって、位置検出素子で検出した光の分布状態により、予め設定された正しい分布状態に対して受光した光の分布状態に偏りがあるか否か、また、偏りがある場合にどのような偏りを有しているか、を検出することが可能になる。

また、集光レンズが高温環境下に設置されている場合でも、光ファイババンダルは耐熱性が高いため、これを適宜な長さにして高温の影響が少ない位置に位置検出素子（ＰＳＤ）を配置することにより、このような高温環境下に設置されている集光レンズの位置ずれを直接検査することが可能になる。

また、前記検査装置において、前記ホルダに取り付けられた集光レンズは、入射部とケーブル部とコネクタ部とを有し、内部に設けられた光ファイバによって計測対象からの光を受光素子まで伝送するように構成されてなるフェルールプローブの、前記入射部の前方に配置されて、前記光ファイバの入射端面に集光するのに用いられるものであるのが好ましい。
このように、集光レンズがフェルールプローブの入射部前方に配置されて用いられる場合であり、したがって集光レンズが主に高温環境下に設置される場合においても、前述したようにこの集光レンズの位置ずれを直接検査することが可能になる。

本発明の検査装置によれば、前述したように位置検出素子で検出した光の分布状態に偏りがあるか否か、また、偏りがある場合にどのような偏りを有しているか、を検出することができるため、検出された偏りからレンズプローブにおける集光レンズの位置ずれ、すなわち光軸ずれを直接検査することができる。また、高温環境下に設置されているレンズプローブに対しても、集光レンズの位置ずれ（光軸ずれ）を直接検査することができる。
よって、求められた集光レンズの位置ずれ（光軸ずれ）に基づき、例えば放射温度計等の測定機器側の感度を調整することなどにより、前記集光レンズを用いてより正確な測定を行うことができる。

本発明に係る検査装置の概略構成を示す図であって、検査装置の使用形態を示す側断面図である。 フェルールプローブの概略構成図である。 本発明に係るレンズプローブの概略構成を示す図であって、レンズプローブの使用形態を示す側断面図である。 （ａ）は光ファイババンダルの側面図、（ｂ）は光ファイババンダルの端面を示す図である。

以下、本発明に係る検査装置を、図面を参照して詳しく説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本発明に係る検査装置の使用形態を示す図であり、図１中符号１０は検査装置、２０は検査対象となるレンズプローブである。
まず、レンズプローブ２０について説明すると、このレンズプローブ２は、例えば図２に示すフェルールプローブ１の先端側に取り付けられて用いられるものである。

フェルールプローブ１は、放射温度計の一種であるパイロメータ（図示せず）において用いられるものである。パイロメータは、不図示の計測対象から発せられる光の波長を測定して、計測対象の温度を計測する計測機器である。前記計測対象は、赤熱・白熱して可視光線を発する程度の高温（例えば７５０℃〜１０００℃程度）となっているため、光を電気信号に変換する受光素子を計測対象から離れた位置に設置する必要がある。そこで、計測対象からの光を受光素子まで伝送するフェルールプローブ１が用いられる。

フェルールプローブ１は、可撓性を有するケーブル状のもので、入射部２と、ケーブル部３と、コネクタ部４とを有し、内部に光伝送用の光ファイバ５（図３参照）を有したものである。
入射部２は、フェルールプローブ１の一端部に設けられたもので、計測対象から発せられる光が入射する部分であり、図３に示すようにその先端に前記光ファイバ５の入射端面５ａを配したものである。

また、レンズプローブ２０は、フェルールプローブ１の入射部２に取り付けられて用いられるもので、図３、図１に示すように、略円筒状のホルダ２１と、ホルダ２１の先端部に取り付けられた集光レンズ２２とからなるものである。
ホルダ２１は、ステンレス等の金属や合金等からなるもので、後端部にフェルールプローブ１の入射部２への位置決め部２３を有し、先端部に集光レンズ２２の取付部２４を有したものである。

位置決め部２３は、ホルダ２１の先端側に比べて大径に形成された円筒部２３ａと、ホルダ２１の先端側と円筒部２３ａとの間に設けられた円環状の段差部２３ｂと、を有してなるもので、図３に示すように段差部２３ｂにフェルールプローブ１の入射部２に設けられた位置決め板２ａを当接させるものである。このような構成によってフェルールプローブ１は、その入射部２の先端側をレンズプローブ２０の位置決め部２３の円筒部２３ａ内に挿通し、取付部２４を段差部２３ｂに当接させることにより、集光レンズ２２に対して位置決めできるようになっている。

取付部２４は、ホルダ２１の先端部において、これより後端側に比べて内径が大きく形成されてなるもので、内径が変わることによって形成される段差部２４ａに対して、集光レンズ２２の後端を当接させることにより、この集光レンズ２２を位置決めするものである。

集光レンズ２２は、サファイア製の凸レンズ（サファイアレンズ）であって、受光面となる前面が凸状に形成された略円柱状のものである。この集光レンズ２２の後端部は、先端側に比べて大径に形成されてなる大径部２２ａとなっており、この大径部２２ａの内径はホルダ２１の取付部２４の内径にほぼ一致して形成されている。このような構成により、集光レンズ２２はその大径部２２ａが取付部２４内に嵌合され、後端面が段差部２４ａに当接することにより、ホルダ２１に対して位置決めされるようになっている。

また、集光レンズ２２はこのようにしてホルダ２１に対し位置決めされた後、前記大径部２２ａより先端側と前記取受部２４との間でろう付けされることにより、ホルダ２１に対して固定されている（ろう材の記載は省略）。したがって、集光レンズ２２はホルダ２１に対して正しく位置決めされ、固定されると、これら集光レンズ２２及びホルダ２１からなるレンズプローブ２０を図３に示したようにフェルールプローブ１の入射部２に取り付けた際、集光レンズ２２の焦点が光ファイバ５の入射端面５ａ上に位置するようになっている。

ただし、集光レンズ２２はホルダ２１に対し位置決めされた際、例えば図１中二点鎖線で示すように傾いて配置され、そのままろう付けで固定されてしまうことがある。
そこで、このようなレンズプローブ２０における集光レンズ２２の位置ずれ、特にその光軸ずれを検査するため、本実施形態の検査装置１０では、図１に示したように光ファイババンドル１１と、位置検出素子１２とを備えて構成されている。

光ファイババンドル１１は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように径や長さが同一の光ファイバ１１ａを、端面がほぼ円形となるようにして多数（複数）本、例えば数十本から数百本程度束ねて円柱状に形成したものである。光ファイバ１１ａは、例えば石英によって形成されたもので、約１０００℃の耐熱性を有するものである。ただし、光ファイバ１１ａの材料は石英に限定されることなく、例えば耐熱性の高いガラスによって形成されたガラスファイバであってもよい。

この光ファイババンドル１１は、例えば各光ファイバ１１ａ間が接着剤で接着されて全体が円柱状に固定されていてもよく、バンドル１１の外周が接着テープなどで固定されたことにより、円柱状にされていてもよく、さらに、円管状の保持管（図示せず）に収容されたことで全体が円柱状に固定されていてもよい。
このように多数の光ファイバ１１ａが円柱状に束ねられることにより、その端面（先端面及び後端面）は、図４（ｂ）に示すように全体が略円形となる。したがって、各光ファイバ１１ａの端面は、それぞれが光ファイババンドル１１の端面の一部を構成するものとなる。

また、この円柱状の光ファイババンドル１１は、本実施形態では図１に示すようにレンズプローブ２０のホルダ２１の内径（取付部２４と位置決め部２３との間における内径）にほぼ一致する外径に形成されており、これによって光ファイババンドル１１をホルダ２１に挿通すると、これら光ファイババンドル１１の中心軸とホルダ２１の中心軸とは一致するようになっている。

また、この円柱状の光ファイババンドル１１には、本実施形態ではその外周部に、円環状の位置決め部１３が設けられている。この位置決め部１３は、図３に示したフェルールプローブ１の位置決め板２ａと対応する位置に配設されたものである。すなわち、光ファイババンドル１１の先端面から位置決め部１３までの長さが、フェルールプローブ１における入射部２の先端面から位置決め板２ａまでの長さに一致するように、位置決め部１３はその位置が決定され、配設されている。

なお、光ファイババンドル１１の長さ、すなわち光ファイバ１１ａの長さは、特に限定されることなく、検査対象となるレンズプローブ２０の状態やホルダ２１の長さ等に応じて適宜に決定される。すなわち、レンズプローブ２０が高温環境下に設置されている場合では、光ファイババンドル１１の後端側に配置される位置検出素子１２への高温の影響が少なくなるよう、光ファイババンドル１１の長さは十分に長く形成される。また、レンズプローブ２０が測定場所に設定される前（使用される前）の、製品として検査される場合には、単にホルダ２１の長さに対応した適宜な長さに形成される。

位置検出素子１２は、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）からなるもので、光量に応じた電圧を発生する材料を一様に塗布した所定面積の受光面１２ａを有し、この受光面１２ａに光のスポットがあたると、光量に応じた電圧を発生するものである。スポットの位置から離れた点での電位は、膜材質の抵抗によってそれぞれ低下するので、例えばセンサの両端に発生する電圧の比から、光スポットの位置を求めることができるようになっている。

このような構成によって位置検出素子１２は、１個の検出器でその受光面１２ａに入射した光の位置（入射位置）を検出し、検出した光の位置を電極１２ｂから電気信号として連続して出力するようになっている。
したがって、この位置検出素子（ＰＳＤ）１２は、その受光面１２ａが前記光ファイババンダル１１の後端面、すなわち出射面に対向して配置され、電極１２ｂには例えばＰＳＤ信号処理回路（図示せず）が接続されるようになっている。

なお、光ファイババンドル１１と位置検出素子１２とは、例えば透明接着剤によって接着固定されていてもよく、あるいは、図示しない円筒状の保持部材によってこれらが固定された状態に保持されていてもよい。さらには、使用時に光ファイババンドル１１の後端面に対して位置検出素子１２の受光面１２ａを位置合わせし、その状態で適宜な保持手段を用いてこれらを保持固定するようにしてもよい。

次に、本実施形態の検査装置１０によるレンズプローブ２０の検査について説明する。なお、ここでは、レンズプローブ２０として、測定場所に設定される前（使用される前）の状態のものを、検査する場合について説明する。
まず、図１に示すように検査対象となるレンズプローブ２０に対し、そのホルダ２１の後端側、すなわち位置決め部２３側に、光ファイババンダル１１の先端側を挿通し、位置決め部１３をホルダ２１の位置決め部２３の段差部２３ａに当接させる。これにより、光ファイババンダル１１の先端面は、集光レンズ２２の焦点位置又はその近傍に配置されるようになる。

その状態で、例えば集光レンズ２２の前方に予め配置した検査用光源７を点灯する。すると、光源７から集光レンズ２２に照射された光は集光レンズ２２で集光される。その際、集光レンズ２２がホルダ２１に対して正しく取り付けられ、固定されていれば、集光レンズ２２による集光位置は、図１に示すようにホルダ２１の中心軸上となるため、光ファイババンダル１１の中心軸上となる。なお、このように集光レンズ２２がホルダ２１に対して正しく取り付けられ、固定されているものを基準用として用い、これを予め検査装置１０で検査しておき、そのときの検査結果、すなわち光の分布状態を基準分布として記憶しておく。

このように集光レンズ２２による集光位置がホルダ２１の中心軸上にあれば、光ファイババンダル１１を伝送して位置検出素子（ＰＳＤ）１２の受光面１２ａに出射する光は、光ファイババンダル１１の中心軸に対応する受光面１２ａの中心において最も高い強度となり、周辺に行くに連れて強度が低くなる。したがって、このような光の強度分布（分布状態）が得られれば、集光レンズ２２はホルダ２１に対して正しく取り付けられ、固定されていると判定される。

また、集光レンズ２２が例えば図１中二点鎖線で示すように傾いて取り付け固定され、したがってその光軸がずれていると、その焦点位置はホルダ２１の中心軸上から外れてしまい、光ファイババンダル１１の中心軸上からも外れてしまう。
光ファイババンダル１１は、このように焦点位置がその中心軸上から外れた状態で集光レンズ２２から受光すると、各光ファイバ１１ａが、他の光ファイバ１１ａに伝送することなくそのまま後端側にまで光を伝送することから、その先端面で受光したままの分布状態、すなわち受光位置に偏りがある分布状態で、受光した光を位置検出素子（ＰＳＤ）１２の受光面１２ａに入射させる。

位置検出素子（ＰＳＤ）１２は、光ファイババンドル１１に入射したときの分布状態と同じ分布状態の光を受光面１２ａで受光し、その光の位置（入射位置）を検出してこの検出した光の位置を電極１２ｂから電気信号として連続して出力する。したがって、この位置検出素子（ＰＳＤ）１２の電極１２ｂに接続されるＰＳＤ信号処理回路等によって前記出力を読み取ることで、集光レンズ２２から出射し、光ファイババンドル１１に入射した光の分布状態を検出することができる。すなわち、受光した光の分布状態に偏りがあるか否か、また、偏りがある場合にどのような偏りを有しているか、を検出することができる。なお、特に偏りがある場合にどのような偏りを有しているか、を検出するには、例えば前記した基準用のレンズプローブの基準分布と比較することにより、行うことができる。

よって、本実施形態の検査装置１０によれば、位置検出素子（ＰＳＤ）で検出した光の分布状態に偏りがあるか否か、また、偏りがある場合にどのような偏りを有しているか、を検出することができるため、検出された偏りからレンズプローブ２０における集光レンズ２２の位置ずれ、すなわち光軸ずれを直接検査することができる。したがって、求められた集光レンズ２２の位置ずれ（光軸ずれ）に基づき、例えば放射温度計等の測定機器側の感度を調整することなどにより、前記レンズプローブ２０の集光レンズ２２を用いてより正確な測定を行うことができる。

また、前記実施形態では、レンズプローブ２０が測定場所に設定される前（使用される前）の状態のものとしたが、例えばレンズプローブ２０が高温環境下に設置されている場合にも、本発明の検査装置を用いて検査を行うことができる。
すなわち、このような高温環境下に設置されているレンズプローブ２０の集光レンズ２２の位置ずれ（光軸ずれ）を検査する場合には、特に光ファイババンダル１１として、その長さが十分に長く、したがってこの光ファイババンダル１１の後端側に配置される位置検出素子（ＰＳＤ）１２への高温の影響が少なくなるよう、光ファイババンドル１１の長さを十分に長く形成したものを用いる。

このような光ファイババンダル１１を用いる以外は、前記実施形態と同様にして集光レンズ２２の位置ずれ（光軸ずれ）を検査する。
すると、複数の光ファイバ１１ａからなる光ファイババンダル１１は耐熱性が高いため、これを適宜な長さにして高温の影響が少ない位置に位置検出素子（ＰＳＤ）１２を配置することにより、高温環境下に設置されているレンズプローブ２０における集光レンズ２２の位置ずれについても、直接検査することができるようになる。

したがって、求められた集光レンズ２２の位置ずれ（光軸ずれ）に基づき、例えば放射温度計等の測定機器側の感度を調整することなどにより、高温環境下に設置されているレンズプローブ２０の集光レンズ２２を用いても、より正確な測定を行うことができるようになる。

以上、図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、前記実施形態では、光ファイババンダル１１を数十本から数百本程度の光ファイバ１１ａを束ねることで構成したが、本発明はこれに限定されることなく、複数本、例えば４本以上の光ファイバを束ねることにより、光ファイババンダルを構成するようにしてもよい。ただし、光ファイバ１１ａの数は本発明の検査装置の分解能を決定するものとなるため、集光レンズの位置ずれ（光軸ずれ）をより高精度に求めたい場合には、光ファイバ１１ａの数を多くし、高い精度がそれほど要求されない場合には、４本から数十本程度とすればよい。

また、前記実施形態では、光ファイババンドル１１の外径をレンズプローブ２０のホルダ２１の内径にほぼ一致させ、このホルダ２１内に光ファイババンドル１１を挿通するだけで、光ファイババンドル１１の中心軸がホルダ２１の中心軸に一致するようにしたが、特に光ファイババンドル１１を構成する光ファイバ１１ａの数によっては、その外径がレンズプローブ２０のホルダ２１の内径と大きく異なってしまう場合もある。

その場合には、例えば図１に示した位置決め部１３の外径を、ホルダ２３の位置決め部２３における円筒部２３ａの内径にほぼ一致させておくのが好ましい。このようにすることで、光ファイババンドル１１の外径がレンズプローブ２０のホルダ２１の内径と大きく異なっている場合にも、ホルダ２１内に光ファイババンドル１１を挿通することにより、光ファイババンドル１１の中心軸をホルダ２１の中心軸に一致させることができる。

また、光ファイババンドル１１の外径がレンズプローブ２０のホルダ２１の内径にほぼ一致している場合には、光ファイババンドル１１に位置決め部１３を設けることなく、集光レンズ２２の焦点を位置検出素子１２で検出することで、集光レンズ２２に対する光ファイババンドル１１の先端面の位置を決定するようにしてもよい。すなわち、ホルダ２１内に光ファイババンドル１１の先端側を挿通したら、その状態で位置検出素子１２により集光レンズ２２からの光を受光する。そして、光ファイババンドル１１の先端面の位置を前後に移動させつつ、位置検出素子１２で検出される光の強度を調べ、集光レンズ２２の焦点が光ファイババンドル１１の先端面となる位置を探してそこに位置合わせする。

このようにして光ファイババンドル１１の先端面を集光レンズ２２の焦点位置に合わせたら、以下、前述したようにして集光レンズ２２の位置ずれ（光軸ずれ）を検査する。このようにすれば、より高い感度で集光レンズ２２の位置ずれ検査を行うことができる。

１…フェルールプローブ、２…入射部、５…光ファイバ、５ａ…ファイバ端面、１０…検査装置、１１…光ファイババンダル、１２…位置検出素子、１２ａ…受光面、２０…レンズプローブ、２１…ホルダ、２２…集光レンズ

Claims (2)

1. ホルダに取り付けられた集光レンズの光軸ずれを検査する検査装置であって、
   複数の光ファイバを円柱状に束ねたものであり、外周部に円環状の位置決め部を備える光ファイババンドルと、
   前記光ファイババンドルの後端側に配置された位置検出素子とを備え、
   前記ホルダは、円環状の段差部を備え、
   前記光ファイババンドルの先端側が前記ホルダ内に挿入されて前記段差部に前記位置決め部が当接することにより、前記光ファイババンドルの先端面が前記集光レンズの焦点位置又はその近傍に位置決めされることを特徴とする検査装置。
2. 前記ホルダに取り付けられた集光レンズは、入射部とケーブル部とコネクタ部とを有し、内部に設けられた光ファイバによって計測対象からの光を受光素子まで伝送するように構成されてなるフェルールプローブの、前記入射部の前方に配置されて、前記光ファイバの入射端面に集光するのに用いられるものであることを特徴とする請求項１記載の検査装置。

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