JPS58139006A - 透明な材料の厚さと屈折率を測定する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、透明な材料′の屈折率および厚さを測定する
方法および装置、特に本発明は化学気相堆積（ｃ’ｖｎ
）法によって得られる光ファイ・くのように成長法によ
って得られた誘電材料の上記性質を測定する方法に関す
る。

（１）従来技術 透明な材料の標本又は製品ファイバの屈折率を測定する
ための方法および装置が種々知られている。

個々の標本に対して行う測定に関しては、ある装置（ス
ペクトロメータ）はプリズムの最小偏移角の測定を基本
とし、他の装置（プルフリツヒ（Ｐｕ１ｆｒｉｃｈ　）
とアベ（Ａｂｂｅ　）の屈折計）は臨界角の測定を基本
としている。これ等周知の装置では厚さの測定はできな
い上に、標本に対する特別な細工（例えばプリズム切断
）を必要とするという欠点がある。従ってこれ等の装置
は、通常本体を製造する際に起るような、標本がプリズ
ムの形をしておらずしかもそのような形になるように細
工もできない場合には、使用できない。

同様の理由によって、既存・□の装置では、標本製作時
における厚さおよび屈折率のオンライン制御ができない
。このオンライン制御によ多材料の濃縮、成長速度等を
途中で適時に変えることができる。このことは製造され
つつある標本が光フ了１バである場合、正確な母材の製
造が所望の伝送特性を有するファイバを得るために必要
であるから、重要なことであるニオンライン制御は、既
製のファイバにのみ使用可能な、周知の光フチ１バの屈
折率測定方法においては実施することはできない。

また、母材製作の間に屈折率を母材の表面温度に基づい
て決定する方法も知られている。この方法は勿論、測定
装置が母材表面に接することができなければならないか
ら、母材自体が支持管の内面上に材料を堆積させて得ら
れる場合には、この方法は適用できない。その上この方
法は厚さの測定ができないから製作工程の制御は部分的
にしかできない。

（２）本発明の目的 本発明の目的は、標本に特別な細工を施こす必要がなく
、単にかなシ平らな平行な面を与えるだ　　１け、つま
り平らで平行な面を有する本体に同化させるだけによっ
て、標本の厚さと屈折率を測定できる方法および装置を
提供することである。更に本発明は既製の標本あるいは
、例えば支持物上に継続的な堆積層を作ることによシ製
作中である標本のいずれの場合にも測定可能な方法およ
び装置を提供することである。

（３）発明の構成 本発明による、透明な材料の厚さと屈折率を測定する方
法は、つぎの各段階を含む。

僅かに異なる周波数の２つの光輻射を発生する段階。

上記の２つの周波数の差に等しい周波数の第１の電気信
号を発生する段階。上記の電気信号は材料の外側の光路
を通る上記２つの輻射間のビートを表わす。

上記の２つの輻射を分岐し、第１および第２の学兄色ビ
ームを発生する段階。

上記２つの周波数の差に等しい周波数の第２および第３
の信号を発生する段階。この第２および第３の信号は、
材料の外側の光路を通る第１の単色光ビームと材料の内
側の光路を通る第コの単色光ビームとの間のビートを表
わす。

第コまたは第３の信号のそれぞれと、第１のビート信号
との間の光路の相異に基づく位相差を測定する段階。　
　　、− 最後に上記の位相差よシ、材料の厚さおよび屈折率を算
出する段階。

本発明の方法を実行するための装置はつぎの要素を含む
。

僅かに異なる周波数の２つの輻射を含む光ビームの光源
。

上記の一つの周波数の差に等しい周波数の第１の電気信
号を発生する第１のフォトダイオード。

上記の光源から放射されるビームの一部を取シ出し、そ
れを材料を横断しない光路に沿って第１のフォトダイオ
ードへ送出するビーム分割器。

残シのビーム部分を２つの単色光の輻射に分割するよう
に設計された手段。

上記の２つの輻射の周波数の差に等しい周波数の第コお
よび第３の電気信号を発生する手段。

上記の第コおよび第３の電気信号を発生する手段に向っ
て、２つの輻射の内の１つは材料を横断しない光路に沿
い、他方は材料を横断する２つの異なる光路に沿って送
光するよう設計された光学系。

上記の電気信号を受信し、第コおよび第３の信号のそれ
ぞれと第１の信号との間の位相差を表わす信号を発生す
る位相比較システム。

上記Ωつの位相差値から、厚さおよび屈折率を算出する
計算システム。

（４）実施例 以下、図を参照して説明することによシ、本発明の目的
を明らかにする。

第１図は反応ガスの化学合成によって得られる酸化物の
平面堆積（化学気相堆積（ＣＶＤ）法）によって製造中
の光フアイバ母材を標本として、その厚さおよび屈折率
を測定する装置を示す。

化学気相堆積法（ＣＶＤ）では、石英管の内側または外
側に反応ガスを逐次層９１状に堆積させ、ガスは堆積し
ながら酸化されていき、その結果石英は所望の屈折率に
よシ他の元素の酸化物が添加（ドープ）される。第１図
は支持管ｌの内側に堆積する場合を示し、特に簡単にす
るため単一の堆積層、２ａを示しである。図において単
線は光線の経路を、−重線は電気的接続を表わす。

光源３、例えばぜ−マン効果へリュームネオン（Ｈｅ−
Ｎｅ　）レーザーは僅かに異なる周波数Ｆ／およびＦ２
Ｃ特に２ＭＨｚ差とする）の輻射を含む光ビームｑを放
射する。２つの周波数の各輻射はお互いに逆方向に円偏
波している。周波数の差が時間に関して一定であること
が重要であるが、その理由は以後の説明によって明瞭と
なるであろう。

ビーム分割器Ｓによって、上記光ビームの７部が抽出さ
れ、ガラスを横切らない光路に沿って第１＋７）７オト
タイオード６へ送出される。フォかダイオードの出カフ
には、周波数Ｆ／およびＦ２の輻射間のビートを表わす
低周波の電気信号が得られる。

ビームｑの第２の部分は、ビーム分割器Ｓを通過してり
分波板ざへ送られる。グ分波板ざは円側　　波め輻射を
２つの直交平面偏波に変換するものである。偏波変換さ
れた輻射は偏光子９において分離される。

第１図において１例として反射鏡ｌθ、ｌ／および／２
ならびにスプリッタ、・１３で示すような適当な光学系
によってλつの輻射のうちの周波数Ｆ／の輻射４１ｃは
、矢張シ母材／および２ａを横断しない光路に沿って２
つのフォトダイオード／９および１３へ送られる。

周波数Ｆ２の第２の輻射ｌＩｄは、スプリッタ／乙およ
び反射鏡／７によって示す光学系によって一つのビーム
グｄ′およびグｄ〃に分岐され、ビーム４　ｄ’および
’Ｉ　ｄｌはそれぞれ異なる光路に沿って母材を横断す
る。例えばビーム９　ｄ’は母材の軸に垂直に、ビーム
ｑｄ〃は入射角αで母材を横断する。

説明を簡単にするため、図においてはビームグｄ〃の受
ける屈折による変位は表示していない。

フォトダイオードｌｌＩおよびｌｓの出力／ｇおよび／
ｑには、周波数Ｆ＝Ｆ／−Ｆコのλつの信号が現われ、
所与の時点において各信号は、導線２の信号に対しであ
る位相差を有する。その位相差は光路差Δｔに依存する
。っまシ次式によって、ガラスの屈折率ｎ１、母材を取
囲む空気又は他の媒体の屈折率ｎ２、ガラスの厚さＳお
よび入射角αによって決まる。

母材の軸に対して垂直な（α＝ｏ）光線に対しては △ｔ（の＝　２８　（ｎｔ　−ｎｏ）　　　　　・・・
・・（２）となる。上式においてコ倍しているのは、層
が光線４　ｄ’およびりｄｌによってコ度横切られるか
らである。

上式は、標本が平らな平行面を有し、光ファイバの母材
を製造する間に堆積した石英層がそΩ−迩に向って同化
して行くような場合に成立つ１、導線／ｇ、／９が位相
比較器コθおよび２／の入力に接続されておシ、位相比
較器コ。１．ｆｔｖｃは基準信号として導線りの信号が
接続されている。

位相比較器２０および２１のそれぞれの出力２，２およ
び２３は計算回路２ｑに接続されておシ、そこでそれら
の出力信号から（１）および（２）式ならびにｎｌおよ
びＳの値が計算される。

位相比較器を正確に動作させるためには、導線／ｇおよ
び／ｑと７の信号とは正確に同一周波数でなければなら
ない。このことはゼーマン効果によって２つの周波数Ｆ
／およびＦ２を発生する単一のレーザ光源３に、例えば
永久磁石を使用することによって保証される。何故なれ
ば、ａつの周波数Ｆ／およびＦ２の差は磁界の強さに依
存するが永久磁石はこれが一定であシ、また基準信号は
Ｆ／およびＦ２の２つの輻射のビートとして得）れるか
ら、比較されるビートはいずれも上記要求を満足するか
らである。

上述の装置による測定はつぎのようにして行われる。支
持管／にガラス層を堆積する前にビームｌＩｄ”および
１ｌｄｌｌが、１方は支持管ｌに垂直に他方は入射角α
をもって、それぞれ支持管を通過するようにする。最初
に、導１１ｉＩｌざおよび７のそれぞれの信号間の位相
差と、導線１９および７のそれぞれの信号間の位相差を
測定する。得られた測定値Δφｏ（Ｏ）およびΔψ０（
α）は初期値として計算回路２ｑ内に格納される。

最初の既添加石英層２ａが堆積した後、上記の動作を繰
返す。この石英層２ａがあることによシピーム４ｔｄ’
およびりｄ〃に対して最初の測定時と異なる光路を与え
る。従って基準信号に対して２つの新しい位相差値△ψ
１（０）および△ψ１（α）が得られる。これらの新し
い位相差値と初期値とから、計算回路によって、層２ａ
に基因する位相差を算出し、更にそれから層２ａの屈折
率ｎｘ（ａ）および厚さ５（ａ）を算出する。

このようにして得られた値は新しい初期値として記憶さ
れ上述の過程に従って次の層の屈折率および厚さの測定
が行われる。

厚さおよび屈折率は母材の１点で測定できるが、　　１
しかし、測定は母材の軸方向全体にわたって、あるいは
ある与えられた軸上の７点に関する全円周にわたって行
うことができる。このため必要な、母材と光源の相対運
動は、少なくとも堆積中に支持管を回転する手段を含む
母材製造装置によって与えることができる。もし装置が
支持管を移動する手段を有しない場合は、光学系とフォ
トダイオード／ＩＩ、／！とを、光ビームと供試標本間
の相対的移動が得られるように取付けることができる。

以上説明した装置は、限られた大きさの標本の測定の場
合にはもつと簡単化できる。即ちこの場合は回転可能な
支持物に標本を取付ける方が光線１１ｄ／Ｌを得るため
の光学系を用いるよシは便利である。

この場合は、同一の入射角によシ引き続き２回測定する
から、２つづつあるフォトダイオード／４１．／！；お
よび位相比較器２０．２／のそれぞれ片方を除去するこ
とができる。このような装置を図示したのが第２図であ
る。第２図において、標本は平行な平面を有する透明な
材料の板１０／であって、水平軸に関して回転可能な図
示していない支持物に取付けられている。周波数Ｆ／の
光線１１ｃは、反射鏡２３によってフォトダイオード／
左へ送られる。

フォトダイオードは、光線４ｄの標本への入射角がＯの
時に得られる光線（Ｉｅと、光線グｄの入射角が０でな
い時に得られる、光線ｌｉｅと平行な光線９ｆとのいず
れをも受光できるように取付けられている。第１図と同
様に、フォトダイオード／Ｓは位相比較器コ／および計
算回路２グに接続されている。計算回路はこの図の場合
、標本がα′″回転した場合の情報を光線ｌＩｆから受
けておシ、光路差は（１）式のように簡単な幾何学にょ
シ△ｚ＝ｓ（／’；−πｃ”ｃｌ’　−ｃｏｓ　（ｔ’
　）として求められる。

第２図に示す装置による測定方法は、基本的に第１図に
おける場合と同じである。標本への入射角Ｏの光線に対
する位゛相偏移がまず測定され記憶された後、光線４ｄ
の入射角がα′になるように標本を回転させて２度目の
測定を行なう。この結果得られる２つの位相偏移値から
、計算回路によって厚さおよび屈折率の値が計算される
。

位相比較器は２πを法とする位相差値を与えるので、供
試標本によって誘出される位相偏移はコπより小さいこ
とが含意している。板１０／のように、厚さがλよシ十
分大きい標本について測定すると、位相偏移はコπよシ
大きくなる。そのような場合、不正確な値が得られるこ
とになろう。

第２図の装置においてそれを防ぐため、板１０／に対し
て３回続けて測定を行う。即ち第１回目は入射角θで、
他は入射角α１およびα２になるように標本を回転させ
る。第１回目の測定によるで、第１図の場合に層のない
支持物に対して行った測定に相当する初期値が得られ、
他の２回の測定結果は厚さおよび屈折率の計算に使用さ
れる。入射角αｌおよびα２を適当に選ぶことによって
、垂直光線との位相差がコπ以上にならないような光路
差を得ることができる。

以上の説明は、はんの７例について行ったに過ぎず、本
発明の範囲内にお二で変化や変形が可能であることは明
瞭である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による装置の実施例を示すブロック図
である。 第２図は、他の実施例を示すブロック図である。 〔主要箇所の符号の説明〕 ／　、Ｊａ　、１０／−・・材料、３・・・光源、ｑ・
・・光ビーム、Ｓ・・・ビーム分割器、６・・・第１の
フオトダ１オード、ｇ、ｑ・・・分割手段、１０．／／
、／２．／ｂ。 １７・・・光学系、／１１．／！；・・・フオトダ１オ
ード、２０．２／・・・位相比較器、２ｑ・・・計算回
路。 代理人の氏名　　川原１）−穂 、・”１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）透明な材料の厚さおよび屈折率を測定する方法に
   おいて、 僅かに異なる周波数のコつの光輻射を発生する段階と、 前記λつの輻射の周波数差に等しい周波数を有し、前記
   材料の外部の光路を通る前記一つの輻射間のビートを表
   わす第１の電気信号を発生する段階と、 前記λつの輻射を分離して第１および第２の単色光ビー
   ムを発生する段階と、 前記２つの周波数の差に等しい周波数を有し、材料の外
   部を通る前記第１の単色光ビームと材料の内部のλつの
   異なる光路を通る前記第２の単色光ビームとの間のそれ
   ぞれのビートを表わす第２および第３の信号を発生する
   段階と、 前記第２および第３のビート信号のそれぞれと、前記第
   １のビート信号との間の、光路差に基づく位相差を測定
   する段階と、 前記位相差から、材料の厚さおよび屈折率の値を得る段
   階とを含むことを特徴とする前記方法。 （２、特許請求の範囲第１項に記載の方法において、前
   記２つの光輻射はゼーマン効果により得られることを特
   徴とす−る前記方法。 （３）特許請求の範囲第１および第２項のいずれかに記
   載の方法において、供試材料は支持物上に逐次層となっ
   て堆積され、第２の単色光を最初は支持物のみを通過さ
   せ、つぎに各層の堆積後、支持物と堆積層とを通過させ
   ることによって前記第２および第３のビート信号を発生
   し、第コおよび第３のビート信号と第１のビート信号と
   の間の位相差値を各測定後に記憶し、しかる後前記相続
   く２回の測定間の差よシ屈折率および厚さの値を求める
   ことを特徴とする前記方法。 （４）特許Ｍ求心範囲第３項に記載の方法において、前
   記層は、光ファイバの母材を製作するために支持管上に
   堆積した既添加石英（ｄｏｐｅｄ−Ｓ　ｉｆ　ｉｃａ　
   ）であることを特徴とする前記方法。 （５）特許請求の範囲第９項に記載の方法において、厚
   さおよび屈折率の測定は、母材の全軸長にわたシ、かつ
   軸上の各点について層の円周全体にわたって行なうこと
   を特徴とする前記方法。 （６）特許請求の範囲第ｑおよび第３項のいずれかに記
   載の方法において、前記第コのビームの通るλつの異な
   った光路は、光学系によシ前記ビームを２つの部分ビー
   ムに分割し、材料に対してそれぞれ異なる入射角で入射
   させることによって得られることを特徴とする前記方法
   。 （７）特許請求の範囲第３項に記載の方法において、前
   記λつの異なる光路を、支持物を回転させることによっ
   て得る前記方法。 （８）特許請求の範囲第１乃至第７項のいずれかに記載
   の方法において、前記第１のビートに関してコπよシ大
   きい位相差を生ずる厚さの測定を行うために、まず第２
   １７５ビームを第１の入射角で材料を横断させることに
   よって基準値を決め、つぎに第２のビームを２つの異な
   る入射角でしかも基準値に対して位相差がコπ以下であ
   るように材料を横断させることによって前記第２および
   第３のビートを発生することを特徴とする前記方法。 （９）透明な材料の厚さおよび屈折率を測定する装置に
   お諭で、 僅かに異なる周波数（Ｆ／、　Ｆ２）の２つの輻射を含
   む光ビーム（ｌの光源（３）と、前記２つの輻射の周波
   数差に等しい周波数の第１の電気信号を発生する第１の
   フォトダイオード（６）と、 前記光源から放射される光ビーム（４’）の１部を取シ
   出し、材料（／　ｓ　＝２　ａ　−／　０　／　）を横
   断しない光路に沿って前記第１のフォトダイオードへ送
   出するビーム分割器（３）と、 残留部分を２つの単色光輻射に分割する手段（ｇ、９）
   、 ｌ′１ｆＩｆｆｌｉ１２′□２′＞ｘｖ第３（ＤＭ＠Ａ
   ｒＢ％ｆｂ’ＦＲＩＫ、ｍ　　　。 って、２つの輻射の内の１つは材料を横断しない光路に
   沿い、他方は材料を横断する２つの異なる光路に沿って
   送光する光学系（１０、ｌハ／２、／３、／６、／７）
   と、 前記の電気信号を受信し、第２および第３の信号のそれ
   ぞれと第１の信号との間の位相差を表わす信号を発生す
   る位相比較システム（２０１，２／）と、 前記２つの位相差値から厚さおよび屈折率を算出する計
   算システム（ＪＩＩ）とを含むことを特徴とする前記装
   置。 （１［ｌ）特許請求の範囲第９項に記載の装置において
   、前記光源はゼーマン効果レーザであることを特徴とす
   る前記装置。 （１１）特許請求の範囲第９または第１０項のいずれか
   に記載の装置において、前記光学系は、第２の輻射を材
   料を横断する前記具なる光路を通る２つの相異なるビー
   ムに分割する手段（／１．、．１７’）を含み、そして
   第コおよび第３の電気信号を発生する手段は、第２およ
   び第３のフォトダイオード（／１１．／！；＞を含み、
   それ等フォトダイオードは２つの相異なる光路の１つを
   通る輻射をそれぞれ受光し、それぞれの位相比較器（２
   ０，２／’）と接続されていることを特徴とする前記装
   置。 θ２、特許請求の範囲第９または第１Ｏ項のいずれかに
   記載の装置において、材料（１０／　）は、２つの異な
   る入射角で第２の輻射を受光できるように回転可能な支
   持物上に取付け、られ、第コおよび第３の電気信号を発
   生する手段は、２つの異なる時点において２つの異なる
   光路を経て第２の輻射を受光する単一のフォトダイオー
   ド（／３）を含むことを特徴とする前記装置。 （１→　特許請求の範囲第９乃至第１２項のいずれかに
   記載の装置において、材料面上の異なる点について測定
   を行えるように、材料（／、２ａ；１０１）と第２の輻
   射の間の相対運動を起こさせる手段が与えられているこ
   とを特徴とする前記装置。