JPH0228428Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 (ア) 技術分野 この考案は、オプテイカルフアイバの伝送損失
の非破壊連続的測定器に関する。

光伝送損失はオプテイカルフアイバの重要な特
性である。

オプテイカルフアイバの光の減衰率A₀は、入
力パワーをPin、出力パワーをPoutとし、長さを
Ｌとすると、 A₀＝10／Ｌlog₁₀（Pin／Pout） (1) によつて定義できる。単位は（dB／Km）又は、
（dB／ｍ）である。

(イ) 従来技術とその問題点 オプテイカルフアイバの光伝送損失を測定する
には、フアイバの一端から光を入射させ、他端か
ら出射する光のパワーを測定すれば良い。

実際には入射した光のパワーが分らないので、
長さをL₁，L₂に変えてそれぞれ出射光パワーを
測定し、比較することにより減衰量が求められ
る。

これは、しかし破壊検査であるから、実際に使
用しようとするフアイバの減衰を測定する事がで
きない。

オプテイカルフアイバの光伝送損失の非破壊連
続的測定方法として、特開昭52−51958が提案さ
れている。

第３図はこの発明で用いられるオプテイカルフ
アイバへの光入射機構部の断面図である。

ケース４０の中に強い光源４１が設けてある。
チヨツパ４２は光をパルス光に変える。レンズ４
３によつて光源４１の光を絞つて、カバー４４の
中へ通したオプテイカルフアイバ４６の側面に照
射させる。

フアイバの側面に照射した光の大部分は反射さ
れるか透過してしまう。

散乱光の一部だけがフアイバの中へ入り、フアイ
バの軸方向に進む光線になる。この軸方向光線の
強さを他の地点で側方から散乱光の強さとして測
定すれば、減衰を求めることができる。

しかし、このように垂直方向から光を入射する
ものは、光入射効率が極めて悪いという欠点があ
る。光フアイバはコアとクラツドの２重構造であ
り、コアの中へ入つた光は、光軸に対し臨界角以
下であればもはや外へは放出されず、コアの中を
伝搬するようになる。

しかし、垂直入射であるから、そのままでは光
軸近傍を進む光線とはならない。

何らかの散乱因子があつて散乱された光の一部
だけが近軸光線となる。

光入射効率が悪いので、光源４１の光強度を上
げて、強制的に光を入射させようとする。反射
光、散乱光があるので、幾分はフアイバの中へ入
射する。

それでも、フアイバの中へ入る光量は乏しく、
減衰量測定の精度が十分でなかつた。

(ウ) 考案 フアイバは屈折率の高い中心のコアと、屈折率
の低い外周のクラツドとよりなる。

フアイバを垂直に切断した場合、次の式で定義
する開口角θc sinθc＝√₁ ²−₂ ² (2) の中に光軸が含まれる光線だけが、コアの中を伝
搬できる。ここでn₁，n₂はコア、クラツドの屈折
率である。

非破壊検査を実行したいのであるから、フアイ
バの端面を露出させるわけにはいかない。フアイ
バのクラツドに対し、垂直に入射させるか、斜め
に入射させるかである。

透明体に光を照射させる時、面に垂直に照射さ
せると最も入射効率が高く、反射が少い。つまり
面に立てた法線と光軸のなす角をとすると、
＝０の時最も反射が少いのである。

が大きくなるに従い反射率が増える。この
為、前節で述べたような垂直入射法が選ばれたの
であろう。

しかし、＝０の時、反射率は最も低く、入射
光量が最大になつても、これらの光は殆ど全てが
透過してしまう。コアの中で光線が光軸となす角
θは、コア、クラツドの屈折率差（通常１％以
下）を無視すれば、散乱のない時 ｎ sinΨ＝sin (3) θ＋Ψ＝π／２ (4) という式でに関係づけられる。

垂直入射であればθが大きく、開口角θcよりは
るかに大きいので、コアの中にとどまることがで
きない。

そこで、斜めに入射することを考える。斜め
（≠０）に入射させると、反射率は高くなるが、
光軸となす角θが小さくなるから、コアの中にと
どまりやすいわけである。

しかし、いくら斜めにして、光軸に近い（θが
小さい）角度で外部から光を入射したところで、
クラツド、コアの中へ入ると、θは先述の(2)式で
定義される開口角θcより大きい値になる。この
為、この斜めの光は殆ど全てが透過してしまう。

完全に欠陥のない一様なコア、クラツドであれ
ば、いかに斜め方向から光を、オプテイカルフア
イバに照射したところで、全て透過又は反射し
て、コアの中へ残るものは僅かである。

しかも、コアの中へ残つた僅かな光も、開口角
θc（全反射角ということもできる）より大きい角
度θをなして、コア中を多重反射するから、短い
距離を進んだだけで、全てがコアから出ていつて
しまう。

結局、欠陥のないオプテイカルフアイバの場
合、垂直入射（＝０）であつても、斜めであつ
ても（≠０）外部から光を照射することによ
り、コアの中へ光を注入することはできない。

しかし、オプテイカルフアイバは完全に一様で
はなく、屈折率のゆらぎがある。また、不純物元
素などによる散乱がある。様々な要因の散乱があ
るので、外部から照射した光の一部は、散乱され
て、コアの中を進む光線となる。

散乱によつて、光の進行方向が角βだけ曲げら
れるとする。βは散乱角という。βが小さい場
合、これを前方散乱といい、βが180゜に近いもの
を後方散乱という。

散乱の原因になるダイナミクスによつて、散乱
断面積σ（β）は異なる。

σ（β）が一定であるものを等方散乱という。
力の及ぶ範囲が極めて狭い場合の極限として、等
方散乱が考えられる。

しかし、一般的に散乱はロングレンジの力によ
つて起ることが多く、このような場合後方散乱は
少なく、前方散乱が圧倒的に多い。

垂直入射（Ψ＝０、＝０）の場合、反射は少
いが、コアの中へ入つた光がコア内にとどまるた
めには、β＝90゜の散乱がなされなければならな
い。

斜め入射の場合、反射は多いが、コアの中へ光
が入るために必要な散乱角は少なくてすむ。斜め
入射の極限として、平行入射（→90゜）を考え
てみる。オプテイカルフアイバ面に平行な光がも
し、コアの中へ入つたとすると、光軸に対してな
す角はcos^-1（１／n₁）である。つまり必要な散乱
角βは、 β＝cos^-1（１／n₁） (5) である。これは90゜よりかなり小さいので、β＝
90゜の場合より散乱断面積が大きい。

このように、フアイバ表面での反射率と散乱断
面積の増加する傾向は互に反するものがある。

結局、最もよく光がオプテイカルフアイバに入
る角度は、垂直入射（＝０）と、水平入射
（＝90゜）の中間に存在する筈である。

本考案は、このような着想に基づき、オプテイ
カルフアイバに外部の斜め方向（≠０）から光
を入射することとし、しかも入射方向を任意に
変えられるようにして、最大の光の注入効率を実
現できるように工夫してある。

(エ) 考案の構成 第１図によつて本考案のオプテイカルフアイバ
測定器の構成を説明する。

強い光を発する光源１は、白色光を発するもの
であつてもよいしレーザでもよく、放物面鏡２の
焦点に置かれる。光源１から発射された光は放物
面鏡２に反射されて前方へ向う平行光となる。

光源１のすぐ前方には円錐形の副鏡３があつ
て、平行光の中心部の光源を反射している。これ
によつて、光源から発せられた光は、平行な環状
の光束となる。

平行環状光束は、環状アナモフイツクレンズ４
によつて、環状に絞られ、前方の焦点距離可変レ
ンズ５によつて収束環状光に変換される。

焦点距離可変レンズ５は、前後の凸レンズ６、
凸レンズ７と中間の可動凹レンズ８を組合わせた
ものである。可動凹レンズ８を光軸にそつて動か
すと、焦点距離が変化する。

焦点距離可変レンズ５の前方には、斜鏡ブロツ
ク１０の斜めに切つた端面に設けられた斜鏡１１
が45゜の角度をなすよう設置されている。斜鏡ブ
ロツク１０の中心には、細い通し穴１０′があつ
て、ここへ軸方向にオプテイカルフアイバ１２が
挿通されている。

斜鏡１１は、光源１、焦点距離可変レンズ５を
結ぶ光軸と、オプテイカルフアイバの光軸に対し
て等しい角をなすような平面である。もつとも簡
単には斜鏡はこれら光軸に対して45゜をなす。

９はフイルタである。

光源１から出た光は、放物面鏡２、副鏡３で反
射され、環状アナモフイツクレンズ４を通り、焦
点距離可変レンズ５で絞られ、フイルタ９を通過
して、斜鏡１１で反射される。

反射光は円錐形に収束し、オプテイカルフアイ
バ１２の一点Ａを斜めから照射する。光軸の延長
線はオプテイカルフアイバコアの中へ収束するよ
う調節しておく。

オプテイカルフアイバの外面に対し、斜めに光
が照射されるから、すでに述べたように、殆どの
光エネルギーは外面で反射される。

しかし、光は強烈であるから、一部はオプテイ
カルフアイバの中へ入射する。入射光の一部が散
乱されて、オプテイカルフアイバのコアの中を軸
方向に進む光となる。

照射点Ａより前方に絞り機構１３が、オプテイ
カルフアイバ１２に対し垂直に設けられている。

オプテイカルフアイバの前方には、これの一部
Ｂを囲む球状の積分球１４が設けられる。これは
フアイバの測定部Ｂを4π（ステラジアン）の立体
角に近いように囲んでいれば良いので、立方体、
又は楕円体に近い積分箱体であつても良い。

積分球１４と照射点Ａの距離Ｄは任意に変える
ことができる。

焦点距離可変レンズ５を操作して、照射点Ａを
前後に変化させることができるし、積分球１４は
オプテイカルフアイバ１２に沿つて自在に変位さ
せることができるからである。

積分球１４の内壁で多重反射された光は、積分
球１４の一隅に設けられた光センサ１５によつて
検出される。

光センサ１５は光エネルギーに比例した電流又
は電圧出力を発生する。これを第１増幅器１６に
よつて増幅し、除算器１７のＹ入力へ与える。

入射光の強度をモニタするため、斜鏡１１と照
射点Ａの間の光路中に、モニタ用小型斜鏡１８が
介装してある。これによつて反射された入射光の
一部の強度を、モニタ光センサ１９によつて検出
する。光センサの電流又は電圧信号は第２増幅器
２０によつて増幅されて、除算器１７のＸ入力へ
与えられる。

除算器１７はアナログ又はデジタル計算によつ
て、（Ｙ／Ｘ）の値を計算する。この値はメータ
２１に表示され、又はレコーダに記録され、或は
コンピユータに入力され記憶される。

オプテイカルフアイバは彎曲させれば、彎曲点
で散乱が強く起こり損失が増加する。この性質を
逆に使つて、散乱の大きい彎曲点に光を当てて、
ここからオプテイカルフアイバに光を入れること
も有効である。

第２図はこのような他の実施例を示す正面図で
ある。適当な曲率半径の円柱材２５にオプテイカ
ルフアイバ１２を接触させ、これを彎曲させる。
彎曲部の一点Ａに、斜鏡１０からの円錐母線を有
する反射光を照射する。この方が、フアイバ内に
光がより効率よく入る。

上に述べた例では、光源１から発射された光の
内、中心部のものを副鏡３で反射させ、放物面鏡
２で再び反射して、前に向う環状光束の中へ補充
するようにしていた。

放物面鏡２の焦点に光源１を置くと、副鏡３で
反射された光は焦点を通る光ではないから、放物
面鏡２で反射されても、平行光にはならない。

環状アナモフイツクレンズ４により、非平行光
も収束し、斜鏡１１で反射させることができる
が、Ａ点とずれた位置でオプテイカルフアイバに
入射することになる。これも測定に寄与する。

しかし、副鏡による光収束作用はあまり重要で
ないから、これを単なる遮光板としても良い。

また、環状光束にするのは、フアイバに照射さ
せる点Ａでの照射角Θiの拡りを狭まくするため
であるから、もしも、入射効率最大の照射角Θi
が、比較的広い範囲にある場合は、環状光束にし
ないでも良い。

この場合、副鏡３を省くこともできる。

放物面鏡２は、光源１の光を平行光にするため
に設けているが、先述のように、照射角Θiの最
適値の範囲が広い場合は、厳密にＡ点に光を収束
させなくてもよいのであるから、凹球面鏡によつ
て置換できる。

この場合、厳密な平行光にはならないが、平行
光に近くて、斜鏡１１で反射され、フアイバへ照
射されるように調節できる。

(オ) 作用 光源１からの光が斜鏡１１によつて反射され、
オプテイカルフアイバ１２に照射される。

焦点距離可変レンズ５の可動凹レンズ８を軸方
向に動かす事により、照射点Ａの位置が変わる。
これに伴い、照射角Θiが変化する。

光センサ１５で検出される光強度をモニタしな
がら、最大入射光量が得られる照射角Θを捜す。

最大入射光量の状態に設定し、次に積分球１４
を動かして、光センサ１５によつて、オプテイカ
ルフアイバ中を伝搬する光の強度を測定する。

測定部Ｂでも、コア中を伝搬する光は、散乱に
よつてはじめて外部へ放出される。コア、クラツ
ドが完全に均一ではないので、必ず散乱があつ
て、僅かであるが、フアイバの外部へ洩れる。こ
の光が積分球内で多重反射されて光センサ１５に
入射する。

距離Ｄを変えて、このような測定を繰返す。除
算器の出力（Ｙ／Ｘ）は、Ｄが増加するに従い減
少するはずである。光センサ１５の受ける光エネ
ルギーＹは、フアイバを透過している光パワー
と、この点での散乱の強さの積に等しい。

もしも、フアイバの全長にわたつて、散乱の強
さが等しいとすれば、光センサの光エネルギーＹ
は、フアイバ中を透過してゆく光のこの地点での
光パワーに比例する。

従つて、距離D₁，D₂に於ける除算器の出力を
R₁，R₂とすると、減衰係数A₀は(1)式のＬに（D₂
−D₁）、Pin、PoutにR₁，R₂を置換えて、 A₀＝10／D₂−D₁log₁₀（R₁／R₂） (6) とすることによつて求められる。

散乱の強さが必ずしも一様でない場合は、Ｄを
連続的に変えて、出力Ｒを連続的に算出するよう
にして、ＤとＲの関係から、A₀を求めることが
できる。

もしも光源１の光強度が一定であれば、モニタ
用斜鏡１８やモニタ光センサ１９も不要である。
Ｄを変えて、光センサ１５の出力Ｙだけを測定す
るだけでもよい。この場合、Ｙ／Ｘの演算をする
除算器１７も不要である。

(カ) 効果 (1) オプテイカルフアイバの光伝送損失を非破壊
連続測定できる。

(2) オプテイカルフアイバへ垂直入射するのでは
なく、通し穴１０′付きの斜鏡１１を用いてフ
アイバに対し斜めに光を照射している。斜め入
射の入射効率は悪いが、フアイバ中へ入つた光
が前方散乱されコア軸線に沿つた光線になる確
率は高い。しかも、焦点距離可変レンズ５を使
つて、照射点Ａに於ける照射角Θiを自在に変
えるようにしているので、最大入射散乱効率の
実現される角Θiを容易に捜すことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案のオプテイカルフアイバ測定器
の構成図。第２図は彎曲させたオプテイカルフア
イバの彎曲点に斜鏡からの反射光を照射させる例
を示す構成図。第３図は特開昭52−51958などに
示される従来の垂直入射機構を例示する断面図。 １……光源、２……放物面鏡、３……副鏡、４
……環状アナモフイツクレンズ、５……焦点距離
可変レンズ、６，７……凸レンズ、８……可動凹
レンズ、９……フイルタ、１０……斜鏡ブロツ
ク、１０′……フアイバ通し穴、１１……斜鏡、
１２……オプテイカルフアイバ、１３……絞り機
構、１４……積分球、１５……光センサ、１６…
…第１増幅器、１７……除算器、１８……モニタ
用小型斜鏡、１９……モニタ光センサ、２０……
第２増幅器、２１……メータ、Ａ……照射点、Ｂ
……測定部。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 光源１と、光源１から発する光を反射してほ
   ぼ平行な光にする凹面鏡２と、ほぼ平行な光を
   絞る焦点距離可変レンズ５と、オプテイカルフ
   アイバ１２を通す通し穴１０′を有しオプテイ
   カルフアイバ１２に対して斜めに設けられ焦点
   距離可変レンズ５から出射された光を反射して
   オプテイカルフアイバの一点Ａに照射する斜鏡
   １１と、オプテイカルフアイバ１２にそつて動
   くことができオプテイカルフアイバ１２の一部
   を囲む積分球１４と、積分球１４に設けられた
   光センサ１５とを有する事を特徴とするオプテ
   イカルフアイバ測定器。 (2) 焦点距離可変レンズ５が、凸レンズ６，７と
   この中間に設けられた可動凹レンズ８とよりな
   る実用新案登録請求の範囲第(1)項記載のオプテ
   イカルフアイバ測定器。 (3) 斜鏡１１によつて反射された光をオプテイカ
   ルフアイバ１２の彎曲点Ａに照射することとし
   た実用新案登録請求の範囲第(1)項記載のオプテ
   イカルフアイバ測定器。