WO2023053708A1 - ロータリージョイント及びそれを用いた光学測定装置 - Google Patents

ロータリージョイント及びそれを用いた光学測定装置 Download PDF

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WO2023053708A1
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rotary joint
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circular
face
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政義 峰岸
史朗 川口
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大塚電子株式会社
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/36—Mechanical coupling means
    • G02B6/40—Mechanical coupling means having fibre bundle mating means
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/04—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings formed by bundles of fibres
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means

Definitions

  • the present invention relates to a rotary joint and an optical measurement device using the same, and more particularly to a rotary joint for connecting optical cables with a multi-channel configuration.
  • a rotating mechanism called a rotary joint may be provided in the middle of the cable.
  • the rotary joint holds the distal end of the optical cable on the body side and holds the proximal end of the optical cable on the probe side so that they face each other and are coaxially rotatable.
  • a multi-channel configuration using separate optical fiber bundles for the light-projecting optical channel and the light-receiving optical channel is conceivable.
  • a configuration is conceivable in which a group of light-projecting optical fibers and a group of light-receiving optical fibers are arranged coaxially and radially apart from each other to form an optical cable, and a rotary joint is provided in the middle.
  • a so-called pulsation phenomenon may occur as the fiber bundles are relatively rotated around the axis by the rotary joint. This is because the area of the end face of each fiber provided on one side of the rotary joint that overlaps with the end face of each fiber provided on the other side changes as the rotary joint rotates.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to suppress optical crosstalk between a light projecting channel and a light receiving channel and to suppress light pulsation during rotation. To provide a rotary joint for an optical fiber and an optical measuring device using the same.
  • a rotary joint has one end face of a first inner optical fiber included in a first optical cable arranged in a first circular region, is concentric with the first circular region, and is concentric with the first optical fiber.
  • the plurality of lights included in the one optical cable are arranged such that each one end face of the first outer optical fiber group included in the first optical cable is arranged in the first annular region having an inner diameter larger than the diameter of the one circular region.
  • a first fiber holding part for holding a fiber; and one end face of a second inner optical fiber included in a second optical cable is arranged in a second circular area, and is concentric with the second circular area and has a diameter of the second circular area.
  • a second holding member for holding the plurality of optical fibers included in the second optical cable such that each one end face of a second outer optical fiber group included in the second optical cable is arranged in a second annular region having a larger inner diameter.
  • the first fiber holding part is arranged such that the first circular area and the second circular area are separated from and face each other with the fiber holding part, and the first annular area and the second annular ring area are separated from each other and face each other. and a rotation support portion that relatively rotatably supports the second fiber holding portion; and a light separation section that suppresses passage of light between a cylindrical space sandwiched by the circular regions and a cylindrical space sandwiched by the first annular region and the second annular region. .
  • first circular area and the second circular area, and the first annular area and the second annular area may be coaxially arranged.
  • the light separating section may include a first cylindrical body arranged between the columnar space and the cylindrical space.
  • the inner surface of the first cylindrical body may be mirror-finished.
  • the outer surface of the first cylindrical body may be mirror-finished.
  • the light separating section may include a second cylindrical body surrounding the cylindrical space and having a mirror-finished inner surface.
  • the light separating section includes a translucent cylindrical member arranged in the cylindrical space, and a translucent cylindrical member arranged in the cylindrical space and into which the cylindrical member is inserted. good.
  • an optical measuring device includes the above rotary joint.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an optical measurement device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. FIG. 4 is a perspective view showing a main body side fiber holding portion according to an embodiment of the present invention; It is a perspective view which shows the probe side fiber holding
  • 1 is a perspective view showing a light separation tube according to an embodiment of the present invention; FIG. It is a figure explaining arrangement
  • FIG. 10 is a diagram showing changes in light intensity of reflected light from a sample when a rotary joint is rotated; It is a perspective view which shows the light separation cylinder which concerns on a modification. It is a figure explaining arrangement
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an optical measurement device according to an embodiment of the present invention.
  • the probe 32 irradiates the sample 70 with light emitted from the light source 50 , and the reflected light is received by the probe 32 and guided to the measuring device 60 .
  • various information about the sample 70 is calculated by the measuring device 60 .
  • the optical measurement apparatus 10 may irradiate the sample 70 with white light emitted from the light source 50 and measure the film thickness on the surface of the sample 70 from the spectrum of the reflected light.
  • the measuring device 60 includes a spectroscope that obtains spectral data of reflected light and a computer that calculates the film thickness from the spectral data.
  • the optical measuring device 10 includes a probe-side optical cable 30 with a light emitting/receiving cable 31 .
  • the light projecting/receiving cable 31 is a two-channel optical fiber bundle for light projection and light reception, and a probe 32 for irradiating the sample 70 with light and receiving reflected light is provided at the tip thereof.
  • a probe-side fiber holding portion 33 forming a rotary joint 40 is provided at the proximal end of the light emitting/receiving cable 31 .
  • the optical measurement device 10 also includes a main body side optical cable 20 which is a bifurcated fiber bundle. That is, the main body side optical cable 20 includes a light projecting cable 21 which is an optical fiber bundle for projecting light, and a light receiving cable 22 which is an optical fiber bundle for light receiving.
  • a connector 23 is provided at the proximal end of the light projecting cable 21 , and this connector 23 is connected to the light source 50 .
  • a connector 24 is provided at the proximal end of the light-receiving cable 22 , and this connector 24 is connected to the measuring device 60 .
  • Each tip of the light projecting cable 21 and the light receiving cable 22 is integrally held by the main body side fiber holding part 25 constituting the rotary joint 40 .
  • the rotary joint 40 includes a body-side fiber holding portion 25 , a probe-side fiber holding portion 33 , a light separation cylinder 42 that is a light separation portion (optical member), and a rotation support portion 41 .
  • the rotation support part 41 is a substantially cylindrical member, and the distal end of the substantially cylindrical main body side fiber holding part 25 is inserted into its main body side opening.
  • the tip of the body-side fiber holding part 25 is fixed to the rotation support part 41 with a bolt or the like (not shown), and the rotation support part 31 supports the tip of the body-side fiber holding part 25 in a state where it is prevented from rotating.
  • the proximal end portion of the substantially cylindrical probe-side fiber holding portion 33 is inserted into the probe-side opening of the rotary support portion 41 .
  • a proximal end portion of the probe-side fiber holding portion 33 is rotatably supported by a rotation support portion 41 via a bearing (not shown).
  • the probe-side fiber holding part 33 and the body-side fiber holding part 25 are arranged coaxially inside the rotation support part 41 , and the base end face of the probe-side fiber holding part 33 and the tip end face of the body-side fiber holding part 25 are aligned. are spaced apart and facing each other. Between the base end face of the probe-side fiber holding part 33 and the tip end face of the body-side fiber holding part 25, a substantially cylindrical light separating cylinder 42 is arranged. Although the details of the light separating cylinder 42 will be described later, crosstalk is prevented between reflected light and projected light while allowing light to pass between the probe-side fiber holding part 33 and the body-side fiber holding part 25.
  • the light separation tube 42 may be fixed to the rotation support portion 41 or may be rotatably supported. Moreover, in order to prevent crosstalk due to reflection on the end face of the light separating cylinder 42 , it is desirable that the main body side end face of the light separating cylinder 42 abuts the tip end face of the main body side fiber holding portion 25 . Moreover, it is desirable that the probe-side end surface of the light separating tube 42 be close to the proximal end surface as long as it does not hinder the rotation of the probe-side fiber holding portion 33 .
  • FIG. 2 is a perspective view showing the body-side fiber holding portion 25.
  • the body-side fiber holding part 25 has a substantially cylindrical outer cylinder, and accommodates a large number of light projecting fibers 27, a large number of light receiving fibers 28, and a separation band 25c inside.
  • a light-shielding cylindrical separation band 25c is coaxially arranged inside the body-side fiber holding portion 25, and a light receiving fiber 28 is arranged inside the separation band 25c.
  • a light projecting fiber 27 is arranged between the outer surface of the separation band 25c and the inner surface of the main body side fiber holding portion 25. As shown in FIG.
  • the end faces of a large number of light-receiving fibers 28 are arranged in a circular region 25d that is the opening of the separation band 25c.
  • the end faces of the light receiving fibers 28 may be arranged randomly within the circular area 25d.
  • An annular region 25b is formed between the end face of the separation band 25c and the main body end face 25a of the main body side fiber holding portion 25 having a cylindrical shape. end faces are placed.
  • the end faces of the light projecting fibers 27 may also be randomly arranged within the annular region 25b.
  • the annular region 25b is concentric with the circular region 25d and has an inner diameter greater than the diameter of the circular region 25d.
  • the annular region 25 b has an outer diameter smaller than the inner diameter of the main body side fiber holding portion 25 .
  • the end face of the light emitting fiber 27, the end face of the light receiving fiber 28, the end face of the separation band 25c, and the body end face 25a are arranged flush with each other.
  • the light-receiving fibers 28 whose end faces are arranged in the circular area 25 d are bundled as the light-receiving cable 22 .
  • the light projecting fibers 27 whose end faces are arranged in the annular region 25b are bundled as the light projecting cable 21. As shown in FIG.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the probe-side fiber holding section 33.
  • the probe-side fiber holding part 33 also has a substantially cylindrical outer cylinder, and accommodates a large number of light emitting fibers 34, a large number of light receiving fibers 35, and a separation band 33c inside.
  • a light-shielding cylindrical separation band 33c is coaxially arranged inside the probe-side fiber holding portion 33, and the light receiving fiber 35 is arranged inside the separation band 33c.
  • a light projecting fiber 34 is arranged between the outer surface of the separation band 33 c and the inner surface of the main body side fiber holding portion 33 .
  • the end faces of a large number of light-receiving fibers 34 are arranged in a circular region 33d that is the opening of the separation band 33c.
  • An annular region 33b is formed between the end face of the separation band 33c and the body end face 33a of the probe-side fiber holding portion 33 having a cylindrical shape. end faces are placed.
  • the annular region 33b is concentric with the circular region 33d and has an inner diameter larger than the diameter of the circular region 33d. Also, the annular region 33 b has an outer diameter smaller than the inner diameter of the probe-side fiber holding portion 33 .
  • the end face of the light emitting fiber 34, the end face of the light receiving fiber 35, the end face of the separation band 33c, and the body end face 33a are arranged flush with each other.
  • the light receiving fiber 35 whose end face is arranged in the circular region 33 d and the light emitting fiber 34 whose end face is arranged in the annular region 33 b are bundled as a light emitting and receiving cable 31 .
  • FIG. 4 is a perspective view showing the probe 32.
  • the probe 32 has a substantially cylindrical outer cylinder, in which end portions of a light projecting fiber 34 and a light receiving fiber 35 are accommodated. That is, when the probe 32 is viewed from the front, the end face of the light receiving fiber 35 is arranged in the central circular region 32b, and the end face of the light emitting fiber 34 is arranged in the outer annular region 32a. there is The receiving fibers 35 may be randomly arranged within the circular area 32b.
  • the light projecting fibers 34 may also be randomly arranged within the annular region 32a.
  • FIG. 5 is a perspective view showing the light separating cylinder 42.
  • the light separating cylinder 42 includes a cylindrical outer cylinder 43 made of, for example, metal or resin, and a cylindrical inner cylinder 44 made of, for example, metal or resin and having an outer diameter smaller than the inner diameter of the outer cylinder.
  • An inner cylinder 44 is coaxially arranged inside the outer cylinder 43 .
  • the outer cylinder 43 and the inner cylinder 44 are fixed to the body-side fiber holding part 25 or the probe-side fiber holding part 33 and maintained in a coaxial arrangement.
  • the outer cylinder 43 may be fixed to the body end surface 25 a of the body side fiber holding portion 25 .
  • the outer cylinder 43 may be formed integrally with the outer cylinder of the body-side fiber holding portion 25 .
  • the inner cylinder 44 may be fixed to the separation body 25c of the main body side fiber holding portion 25.
  • the inner cylinder 44 may be formed integrally with the separation band 25c.
  • the outer cylinder 43 When the outer cylinder 43 is made of metal, its inner surface may be mirror-finished. By doing so, the light loss in the light separator tube 42 can be suppressed.
  • the outer cylinder 43 When the outer cylinder 43 is made of resin, the inner surface thereof may be plated so as to have a mirror surface.
  • the inner cylinder 44 is made of metal, one or both of its inner and outer surfaces may be mirror finished.
  • the inner cylinder 44 is made of resin, one or both of its inner surface and outer surface may be plated to have a mirror surface.
  • a translucent, preferably transparent, cylindrical member (translucent cylindrical member) made of glass or resin is arranged in the space 42b between the inner surface of the outer cylinder 43 and the outer surface of the inner cylinder 44.
  • a translucent, preferably transparent, columnar member (translucent columnar member) made of glass or resin may be arranged inside the inner cylinder 44.
  • the inner cylinder 44 and the outer cylinder 43 are made of a material having a lower refractive index than the outer cylinder 43 and the inner cylinder 44 . By doing so, the translucent cylindrical member and the translucent cylindrical member each function like an optical fiber.
  • the light emitted from the light projecting fiber 27 propagates through repeated total reflection inside the translucent cylindrical member, so that the light can be preferably guided to the light projecting fiber 34 .
  • the light emitted from the light receiving fiber 35 repeats total reflection inside the translucent cylindrical member and propagates, the light can be preferably guided to the light receiving fiber 28 . Also, no crosstalk occurs between the projected light and the reflected light.
  • the end face 42d of the cylindrical space which is the opening of the inner tube 44, is positioned at the center, and the end face 42c of the inner tube 44 is positioned outside.
  • An end face 42b of a cylindrical space filled with glass or the like is positioned outside the end face 42c.
  • the end surface 42a of the outer cylinder 43 is positioned outside the end surface 42b.
  • the end faces 42a-42d are arranged flush.
  • the circular region 25d of the body-side fiber holding part 25, the circular region 33d of the probe-side fiber holding part 33, and the end face 42d of the cylindrical space that is the opening of the inner cylinder 44 have the same diameter R1.
  • a circular region 25 d of the body-side fiber holding portion 25 is arranged adjacent to one end face 42 d of the inner cylinder 44 .
  • a circular region 33d of the probe-side fiber holding portion 33 is arranged adjacent to the end face 42d on the other side.
  • the diameter of the end surface 42d may be slightly larger or smaller than the diameters of the circular regions 25d and 33d.
  • annular region 25b of the body-side fiber holding portion 25, the annular region 33b of the probe-side fiber holding portion 33, and the end surface 42b of the cylindrical space between the inner cylinder 44 and the outer cylinder 43 have the same inner diameter R2 and the same diameter R2. It has an outer diameter R3.
  • the annular region 25b of the body-side fiber holding portion 25 is arranged adjacent to one end face 42b of the inner cylinder 44.
  • the annular region 33b of the probe-side fiber holding portion 33 is arranged adjacent to the end face 42b on the other side.
  • the inner diameter of the end surface 42b may be slightly larger or smaller than the inner diameters of the annular regions 25b and 33b.
  • the outer diameter of the end surface 42b may be slightly larger or smaller than the outer diameters of the annular regions 25b and 33b.
  • the inner cylinder of the light separation cylinder 42 is provided in the cylindrical space sandwiched between the circular region 25d of the end face of the main body side fiber holding part 25 and the circular region 33d of the end face of the probe side fiber holding part 33.
  • An internal space of 44 is located and the cylindrical space is covered by an inner cylinder 44 . Therefore, the light between the light projecting fibers 27 and 34 is not mixed with the light between the light receiving fibers 28 and 35 . Therefore, crosstalk between the light-projecting channel and the light-receiving channel can be prevented.
  • the inner surface of the inner cylinder 44 is a mirror surface, it is possible to prevent light loss in the light separating cylinder 42 in the light receiving channel.
  • the inner cylinder 44 and the outer cylinder 44 of the light separating cylinder 42 are provided in the cylindrical space sandwiched between the annular region 25b on the end face of the main body side fiber holding part 25 and the annular region 33b on the end face of the probe side fiber holding part 33.
  • a space is located between the tubes 43 , the inner side of the cylindrical space is shielded by the inner tube 44 , and the outer space is shielded by the outer tube 43 .
  • the outer surface of the inner cylinder 44 and the inner surface of the outer cylinder 43 are mirror surfaces, light loss in the light separation cylinder 42 can be prevented in the projection channel.
  • FIG. 7 is a diagram showing changes in light intensity of reflected light from the sample 70 (mirror) when the rotary joint is rotated.
  • the horizontal axis indicates the elapsed time during rotation of the probe-side fiber holding section 33 .
  • the vertical axis indicates the light intensity in the measuring device 60.
  • FIG. The solid line indicates the change in light intensity when the main body side fiber holding section 25 and the probe side fiber holding section 33 are arranged adjacent to each other without the light separating cylinder 42 .
  • the dashed line indicates the change in light intensity when using the light separating tube 42 with a length of 10 mm.
  • the one-dot chain line shows the change in light intensity when using the light separating tube 42 with a length of 20 mm.
  • the use of a 10 mm or 20 mm light separation cylinder 42 can suitably suppress the pulsation phenomenon of the light intensity.
  • FIG. 8 is a perspective view showing a light separation cylinder 47 according to a modification.
  • a light separation cylinder 47 shown in the figure is provided in the rotary joint 40 in place of the light separation cylinder 42 shown in FIG. 5, and is another example of the light separation section according to the present invention.
  • the light separation cylinder 47 has a columnar member 47A made of a translucent, preferably transparent glass or resin material.
  • a cylindrical member 47B is inserted inside the cylindrical member 47A.
  • the cylindrical member 47B is also made of transparent glass or resin material, which is preferably transparent.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the arrangement of the main body side fiber holding part 25, the probe side fiber holding part 33, and the light separation tube 47.
  • the inner diameter of the cylindrical member 47B is the same as or larger than the diameter R1 of the circular area 25d of the body-side fiber holding section 25 and the circular area 33d of the probe-side fiber holding section 33 .
  • the circular region 25d of the body-side fiber holding portion 25 is arranged adjacent to one end surface of the cylindrical member 47B, and the circular region 33d of the probe-side fiber holding portion 33 is arranged adjacent to the other end surface.
  • the columnar member 47B is arranged in the columnar space sandwiched between the circular regions 25d and 33d.
  • the inner diameter of the cylindrical member 47A is equal to or smaller than the inner diameter R2 of the annular region 25b of the body-side fiber holding portion 25 and the annular region 33b of the probe-side fiber holding portion 33.
  • the outer diameter of the cylindrical member 47B is the same as or larger than the outer diameter R3 of the annular region 25b of the body-side fiber holding portion 25 and the annular region 33b of the probe-side fiber holding portion 33 .
  • the annular region 25b of the body-side fiber holding portion 25 is arranged adjacent to one end surface of the cylindrical member 47A, and the annular region 33b of the probe-side fiber holding portion 33 is arranged adjacent to the other end surface.
  • the cylindrical member 47A is arranged in the cylindrical space sandwiched between the annular regions 25b and 33b.
  • the inner diameter of the cylindrical member 47A is approximately equal to the diameter of the cylindrical member 47B, but since they are separate members, there is inevitably a gap between them, that is, a relatively low-refractive air layer. Therefore, even in the light separating cylinder 47, the light emitted from the light projecting fiber 27 is propagated through repeated total reflection on the inner and outer surfaces of the cylindrical member 47A, and can be preferably guided to the light projecting fiber . Further, the light emitted from the light receiving fiber 35 is propagated by repeating total reflection on the outer surface of the cylindrical member 47B, and can be preferably guided to the light receiving fiber 28.
  • FIG. That is, the light separation cylinder 47 can suppress passage of light between the cylindrical space sandwiched by the circular regions 25d and 33d and the cylindrical space sandwiched by the annular regions 25b and 35b.
  • a large number of light receiving fibers 28 are arranged in the main body side fiber holding part 25, and a large number of light receiving fibers 35 are arranged in the probe side fiber holding part 33, but one light receiving fiber is arranged in each.
  • the light receiving channel is provided inside the rotary joint 40 and the light emitting channel is provided outside, but the configuration may be reversed.
  • the light separating tube 42 may be provided integrally with the main body side fiber holding section 25 or the probe side fiber holding section 33 .

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Abstract

第１円形領域に受光ファイバの各一端面が配置され、その外側の第１円環領域に投光ファイバの各一端面が配置される本体側ファイバ保持部（２５）と、第２円形領域に受光ファイバの各一端面が配置され、その外側の第２円環領域に投光ファイバが配置されるプローブ側ファイバ保持部（３３）と、本体側ファイバ保持部（２５）及びプローブ側ファイバ保持部（３３）を相対的に回転可能に支持する回転支持部（４１）と、本体側ファイバ保持部（２５）とプローブ側ファイバ保持部（３３）との間に設けられる光分離筒（４２）と、を含むロータリージョイント（４０）が提供される。

Description

ロータリージョイント及びそれを用いた光学測定装置
　本発明はロータリージョイント及びそれを用いた光学測定装置に関し、特にマルチチャンネル構成の光ケーブルを接続するロータリージョイントに関する。
　光ケーブルによりプローブと本体とが接続された光学測定装置では、ケーブルの途中にロータリージョイントと呼ばれる回転機構が備えられる場合がある。ロータリージョイントは、本体側の光ケーブルの先端部を保持しつつ、プローブ側の光ケーブルの基端部を、それらが互いに対向し、且つ同軸で回転可能となるように保持する。
　投光用の光チャンネル及び受光用の光チャンネルとして同じ光ファイバを使用する場合、光ファイバの途中にロータリージョイントを設けると、ロータリージョイントにおける内部反射により、本体の投光部から出射された光が試料に届くことなく本体の受光装置に戻る、光学的なクロストークが発生しうる。こうしたクロストークは、光学測定の精度低下に繋がる。
　こうしたクロストークを防止するため、投光用の光チャンネルと受光用の光チャンネルとで別々の光ファイババンドルを用いるマルチチャンネル構成が考えられる。例えば、投光用の光ファイバ群と受光用の光ファイバ群を同軸に、且つ径方向に離間して配置して光ケーブルを構成し、その途中にロータリージョイントを設ける構成が考えられる。しかしながら、このような構成を採用すると、ロータリージョイントによりファイババンドル同士を軸周りに相対的に回転させるのに伴って、いわゆる脈動現象が発生しうる。これは、ロータリージョイントの一方側に設けられた各ファイバの端面のうち、他方側に設けられた各ファイバの端面と重なる領域の面積が、ロータリージョイントの回転に伴って変化することに起因している。
　本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、投光チャンネルと受光チャンネルとの間の光学的なクロストークを抑制し、且つ回転動作時の光の脈動を抑制することができる光ファイバ用ロータリージョイント及びそれを用いた光学測定装置を提供することにある。
　上記課題を解決するために、本発明に係るロータリージョイントは、第１円形領域に第１光ケーブルに含まれる第１内側光ファイバの一端面が配置され、前記第１円形領域と同心であり前記第１円形領域の径より大きな内径を有する第１円環領域に前記第１光ケーブルに含まれる第１外側光ファイバ群の各一端面が配置されるようにして、前記１光ケーブルに含まれる複数の光ファイバを保持する第１ファイバ保持部と、第２円形領域に第２光ケーブルに含まれる第２内側光ファイバの一端面が配置され、前記第２円形領域と同心であり前記第２円形領域の径より大きな内径を有する第２円環領域に前記第２光ケーブルに含まれる第２外側光ファイバ群の各一端面が配置されるよう、前記第２光ケーブルに含まれる複数の光ファイバを保持する第２ファイバ保持部と、前記第１円形領域及び前記第２円形領域が離間し且つ対向し、前記第１円環領域及び前記第２円環領域が離間し且つ対向するよう、前記第１ファイバ保持部及び前記第２ファイバ保持部を相対的に回転可能に支持する回転支持部と、前記第１ファイバ保持部と前記第２ファイバ保持部との間に設けられ、前記第１円形領域及び前記第２円形領域により挟まれる円柱状空間、及び前記第１円環領域及び前記第２円環領域により挟まれる円筒状空間の間の光の通過を抑制する光分離部と、を含むことを特徴とする。
　ここで、前記第１円形領域と前記第２円形領域、前記第１円環領域と前記第２円環領域はそれぞれ同軸に配置されてよい。
　また、前記光分離部は、前記円柱状空間及び前記円筒状空間の間に配置される第１の筒状体を含んでよい。
　また、前記第１の筒状体の内側面は鏡面に形成されてよい。また、前記第１の筒状体の外側面は鏡面に形成されてよい。
　また、前記光分離部は、前記円筒状空間を囲い、その内側面が鏡面に形成される第２の筒状体を含んでよい。
　或いは、前記光分離部は、前記円柱状空間に配置される透光性の円柱部材、及び前記円筒状空間に配置されるとともに前記該円柱部材が挿入される透光性の円筒部材を含んでよい。　　
　また、本発明に係る光学測定装置は、上記ロータリージョイントを備える。
本発明の実施形態に係る光学測定装置の構成図である。 本発明の実施形態に係る本体側ファイバ保持部を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るプローブ側ファイバ保持部を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るプローブを示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る光分離筒を示す斜視図である。 本体側並びにプローブ側ファイバ保持部、及び光分離筒の配置を説明する図である。 ロータリージョイントを回転させた場合の試料からの反射光の光強度変化を示す図である。 変形例に係る光分離筒を示す斜視図である。 本体側並びにプローブ側ファイバ保持部、及び変形例に係る光分離筒の配置を説明する図である。
　以下、本発明の実施形態について図面に基づき詳細に説明する。
　図１は、本発明の実施形態に係る光学測定装置の構成図である。同図に示す光学測定装置１０では、光源５０から放射される光をプローブ３２から試料７０に照射し、その反射光をプローブ３２で受光して測定器６０に導光する。これにより測定器６０にて試料７０の各種情報を演算する。例えば、光学測定装置１０は光源５０から放射される白色光を試料７０に照射し、その反射光のスペクトルから試料７０表面の膜厚を測定するものであってよい。この場合、測定器６０は、反射光のスペクトルデータを取得する分光器及びスペクトルデータから膜厚を演算するコンピュータを含む。
　光学測定装置１０は投受光ケーブル３１を備えるプローブ側光ケーブル３０を含む。投受光ケーブル３１は、投光用及び受光用の２チャンネルの光ファイババンドルであり、その先端には光を試料７０に照射し、反射光を受けるプローブ３２が設けられている。また投受光ケーブル３１の基端にはロータリージョイント４０を構成するプローブ側ファイバ保持部３３が設けられている。　
　光学測定装置１０は、また２分岐ファイババンドルである本体側光ケーブル２０を含む。すなわち、本体側光ケーブル２０は投光用の光ファイババンドルである投光ケーブル２１、及び受光用の光ファイババンドルである受光ケーブル２２を備える。投光ケーブル２１の基端にはコネクタ２３が設けられており、このコネクタ２３が光源５０に接続されている。受光ケーブル２２の基端にはコネクタ２４が設けられており、このコネクタ２４が測定器６０に接続されている。投光ケーブル２１及び受光ケーブル２２の各先端はロータリージョイント４０を構成する本体側ファイバ保持部２５により一体的に保持されている。
　ロータリージョイント４０は、本体側ファイバ保持部２５、プローブ側ファイバ保持部３３、光分離部（光学部材）である光分離筒４２及び回転支持部４１を備える。回転支持部４１は概略円筒形状の部材であり、その本体側開口に概略円筒形状の本体側ファイバ保持部２５の先端部が挿入されている。本体側ファイバ保持部２５の先端部は図示しないボルト等で回転支持部４１に固定されており、回転支持部３１は本体側ファイバ保持部２５の先端部を回転止めした状態で支持している。一方、回転支持部４１のプローブ側開口には概略円筒形状のプローブ側ファイバ保持部３３の基端部が挿入されている。プローブ側ファイバ保持部３３の基端部は、図示しない軸受けを介して回転支持部４１により回転可能に支持されている。
　回転支持部４１の内部において、プローブ側ファイバ保持部３３と本体側ファイバ保持部２５とは同軸に配置されており、プローブ側ファイバ保持部３３の基端面と本体側ファイバ保持部２５の先端面とは離間し且つ対向している。プローブ側ファイバ保持部３３の基端面と本体側ファイバ保持部２５の先端面との間には概略円筒状の光分離筒４２が配置されている。光分離筒４２の詳細は後に説明するが、プローブ側ファイバ保持部３３と本体側ファイバ保持部２５との間の光の通過を許容しつつ、反射光と投射光との間でクロストークを防止する機能を有する。光分離筒４２は回転支持部４１に固定されてもよいし、回転可能に支持されてもよい。また、光分離筒４２の端面での反射それによるクロストークを防止すべく、光分離筒４２の本体側端面は本体側ファイバ保持部２５の先端面に当接することが望ましい。また、光分離筒４２のプローブ側端面は、プローブ側ファイバ保持部３３の回転を阻害しない限り、その基端面に近接することが望ましい。
　図２は、本体側ファイバ保持部２５を示す斜視図である。本体側ファイバ保持部２５は、概略円筒の外筒を有しており、内部に多数の投光ファイバ２７、及び多数の受光ファイバ２８、分離帯２５ｃが収容されている。具体的には、本体側ファイバ保持部２５の内部には遮光性且つ円筒形状の分離帯２５ｃが同軸に配置されており、分離帯２５ｃの内部に受光ファイバ２８が配置されている。また、分離帯２５ｃの外側面と本体側ファイバ保持部２５の内側面との間には投光ファイバ２７が配置されている。すなわち、本体側ファイバ保持部２５を正面から見たとき、分離帯２５ｃの開口である円形領域２５ｄに多数の受光ファイバ２８の各端面が配置されている。なお、受光ファイバ２８の端面は円形領域２５ｄ内でランダムに配置されてよい。また、分離帯２５ｃの端面と、筒状である本体側ファイバ保持部２５の本体端面２５ａとの間は円環領域２５ｂとなっており、該円環領域２５ｂに多数の投光ファイバ２７の各端面が配置されている。なお、投光ファイバ２７の端面も円環領域２５ｂ内でランダムに配置されてよい。円環領域２５ｂは、円形領域２５ｄと同心であり該円形領域２５ｄの径より大きな内径を有する。また、円環領域２５ｂは本体側ファイバ保持部２５の内径よりも小さな外径を有する。投光ファイバ２７の端面、受光ファイバ２８の端面、分離帯２５ｃの端面、及び本体端面２５ａとは面一に配置されている。円形領域２５ｄに端面が配置された受光ファイバ２８は受光ケーブル２２として束ねられる。また、円環領域２５ｂに端面が配置された投光ファイバ２７は投光ケーブル２１として束ねられる。
　図３は、プローブ側ファイバ保持部３３を示す斜視図である。プローブ側ファイバ保持部３３も、概略円筒の外筒を有しており、内部に多数の投光ファイバ３４、及び多数の受光ファイバ３５、分離帯３３ｃが収容されている。具体的には、プローブ側ファイバ保持部３３の内部には遮光性且つ円筒形状の分離帯３３ｃが同軸に配置されており、分離帯３３ｃの内部に受光ファイバ３５が配置されている。また、分離帯３３ｃの外側面と本体側ファイバ保持部３３の内側面との間には投光ファイバ３４が配置されている。すなわち、プローブ側ファイバ保持部３３を正面から見たとき、分離帯３３ｃの開口である円形領域３３ｄに多数の受光ファイバ３４の各端面が配置されている。また、分離帯３３ｃの端面と、筒状であるプローブ側ファイバ保持部３３の本体端面３３ａとの間は円環領域３３ｂとなっており、該円環領域３３ｂに多数の投光ファイバ３４の各端面が配置されている。円環領域３３ｂは、円形領域３３ｄと同心であり該円形領域３３ｄの径より大きな内径を有する。また、円環領域３３ｂはプローブ側ファイバ保持部３３の内径よりも小さな外径を有する。投光ファイバ３４の端面、受光ファイバ３５の端面、分離帯３３ｃの端面、及び本体端面３３ａとは面一に配置されている。円形領域３３ｄに端面が配置された受光ファイバ３５、及び円環領域３３ｂに端面が配置された投光ファイバ３４は投受光ケーブル３１として束ねられる。
　図４は、プローブ３２を示す斜視図である。プローブ３２は概略円筒の外筒を有しており、内部に投光ファイバ３４及び受光ファイバ３５の端部が収容されている。すなわち、プローブ３２を正面から見たとき、中心に位置する円形領域３２ｂには受光ファイバ３５の端面が配置されており、その外側の円環領域３２ａには投光ファイバ３４の端面が配置されている。受光ファイバ３５は円形領域３２ｂ内でランダムに配置されてよい。また、投光ファイバ３４も円環領域３２ａ内でランダムに配置されてよい。
　図５は、光分離筒４２を示す斜視図である。光分離筒４２は例えば金属製や樹脂製であり円筒形状の外筒４３、及び同じく例えば金属製や樹脂製であり外筒の内径よりも小さな外径を有する円筒形状の内筒４４を備える。外筒４３の内部に内筒４４が同軸に配置される。外筒４３及び内筒４４は、本体側ファイバ保持部２５又はプローブ側ファイバ保持部３３に固定され、同軸に配置された状態を維持している。例えば、外筒４３は本体側ファイバ保持部２５の本体端面２５ａに固定されてよい。或いは、外筒４３は本体側ファイバ保持部２５の外筒と一体的に形成されてよい。また、内筒４４は本体側ファイバ保持部２５の分離体２５ｃに固定されてよい。或いは、内筒４４は分離帯２５ｃと一体的に形成されてよい。これにより、外筒４３の内側面と内筒４４の外側面との間の空間４２ｂを投射光が伝搬し、内筒４４の内部空間４２ｄを反射光が伝搬する。
　外筒４３が金属製である場合、その内側面は鏡面に仕上げられてよい。そうすれば光分離筒４２における光損失を抑制できる。外筒４３が樹脂製である場合、その内面を鏡面とすべくめっきを施してもよい。同様に、内筒４４が金属製である場合、その内側面又は外側面の一方又は双方は鏡面に仕上げられてよい。また、内筒４４が樹脂製である場合、その内側面又は外側面の一方又は双方にめっきを施し、鏡面としてよい。
　なお、外筒４３の内側面と内筒４４の外側面との間の空間４２ｂにガラスや樹脂により形成された透光性を有する、好ましくは透明の円筒部材（透光性円筒部材）を配置してよい。さらに、内筒４４の内部にもガラスや樹脂により形成された透光性を有する、好ましくは透明の円柱部材（透光性円柱部材）を配置してよい。この場合、内筒４４及び外筒４３は外筒４３や内筒４４よりも低屈折率の材料により形成する。こうすることにより、上記透光性円筒部材及び上記透光性円柱部材はそれぞれ光ファイバの如く機能する。すなわち、投光ファイバ２７から出射される光は透光性円筒部材の内部で全反射を繰り返して伝搬するので、好適に投光ファイバ３４まで導光することができる。また、受光ファイバ３５から出射される光は透光性円柱部材の内部で全反射を繰り返して伝搬するので、好適に受光ファイバ２８まで導光することができる。そして、投射光と反射光との間でクロストークを生じさせることがない。
　光分離筒４２を正面から見たとき、中心には内筒４４の開口である円柱状空間の端面４２ｄが位置し、その外側に内筒４４の端面４２ｃが位置する。また、端面４２ｃの外側にガラス等が充填されている円筒状空間の端面４２ｂが位置する。端面４２ｂの外側には外筒４３の端面４２ａが位置している。端面４２ａ～４２ｄは面一に配置されている。ここでは光分離筒４２の一方の端部のみ説明したが、他方の端部も同一構成・同一配置である。
　ここで、本体側ファイバ保持部２５、プローブ側ファイバ保持部３３、及び光分離筒４２の配置について説明する。図６に示すように、本体側ファイバ保持部２５の円形領域２５ｄ、プローブ側ファイバ保持部３３の円形領域３３ｄ、及び内筒４４の開口である円柱状空間の端面４２ｄは同じ径Ｒ１であり、内筒４４の一方側の端面４２ｄに隣接して本体側ファイバ保持部２５の円形領域２５ｄが配置される。また他方側の端面４２ｄに隣接してプローブ側ファイバ保持部３３の円形領域３３ｄが配置される。なお、端面４２ｄの径は、円形領域２５ｄ及び３３ｄの径よりも若干大きくても、或いは若干小さくてもよい。
　また、本体側ファイバ保持部２５の円環領域２５ｂ、プローブ側ファイバ保持部３３の円環領域３３ｂ、及び内筒４４と外筒４３との間の円筒状空間の端面４２ｂは同じ内径Ｒ２及び同じ外径Ｒ３を有する。そして、内筒４４の一方側の端面４２ｂに隣接して本体側ファイバ保持部２５の円環領域２５ｂが配置される。また他方側の端面４２ｂに隣接してプローブ側ファイバ保持部３３の円環領域３３ｂが配置される。なお、端面４２ｂの内径は、円環領域２５ｂ及び３３ｂの内径よりも若干大きくても、或いは若干小さくてもよい。また、端面４２ｂの外径は、円環領域２５ｂ及び３３ｂの外径よりも若干大きくても、或いは若干小さくてもよい。
　本実施形態によれば、本体側ファイバ保持部２５の端面の円形領域２５ｄ、及びプローブ側ファイバ保持部３３の端面の円形領域３３ｄにより挟まれる円柱状の空間には、光分離筒４２の内筒４４の内部空間が位置し、該円柱状の空間は内筒４４により覆われる。このため、投光ファイバ２７及び３４の間の光が受光ファイバ２８及び３５の間の光と混じることがない。このため、投光チャンネルと受光チャンネルとの間のクロストークを防止することができる。また、内筒４４の内側面は鏡面となっていることから、受光チャンネルにおいて、光分離筒４２での光損失を防止できる。
　また、本体側ファイバ保持部２５の端面の円環領域２５ｂ、及びプローブ側ファイバ保持部３３の端面の円環領域３３ｂにより挟まれる円筒状の空間には、光分離筒４２の内筒４４及び外筒４３の間の空間が位置し、該円筒状の空間の内側は内筒４４により遮蔽され、外側の空間は外筒４３により遮蔽される。このとき、内筒４４の外側面及び外筒４３の内側面は鏡面となっていることから、投光チャンネルにおいて、光分離筒４２での光損失を防止できる。
　さらに、本実施形態によれば、本体側ファイバ保持部２５の端面の円形領域２５ｄ、及びプローブ側ファイバ保持部３３の端面の円形領域３３ｄが離間しているので、受光ファイバ３５の出射端及び受光ファイバ２８の入射端が離間している。さらに、本体側ファイバ保持部２５の端面の円環領域２５ｂ、及びプローブ側ファイバ保持部３３の端面の円環領域３３ｂが離間しているので、投光ファイバ２７の出射端及び投光ファイバ３４の入射端が離間している。このため、本体側ファイバ保持部２５に対してプローブ側ファイバ保持部３３を回転させても反射光において脈動現象が生じにくい。図７は、ロータリージョイントを回転させた場合の試料７０（ミラー）からの反射光の光強度変化を示す図である。同図において、横軸はプローブ側ファイバ保持部３３の回転中の経過時間を示す。縦軸は測定器６０における光強度を示す。また、実線は、光分離筒４２がなく、本体側ファイバ保持部２５とプローブ側ファイバ保持部３３とを隣接配置した場合の光強度の変化を示す。破線は、長さ１０ｍｍの光分離筒４２を用いた場合の光強度の変化を示す。一点鎖線は、長さ２０ｍｍの光分離筒４２を用いた場合の光強度の変化を示す。同図に示すように、１０ｍｍ又は２０ｍｍの光分離筒４２を用いると好適に光強度の脈動現象を抑制することができる。
　なお、本発明は上記実施形態に限定されず、種々の変形実施が可能である。
　図８は変形例に係る光分離筒４７を示す斜視図である。同図に示す光分離筒４７は、図５に示す光分離筒４２の代わりにロータリージョイント４０に設けられるもので、本発明に係る光分離部の他の例である。光分離筒４７は透光性を有する、好ましくは透明のガラス又は樹脂材料により形成された円柱部材４７Ａを備える。また、円柱部材４７Ａの内部には円筒部材４７Ｂが挿入されている。円柱部材４７Ｂも透光性を有する、好ましくは透明のガラス又は樹脂材料により形成されている。
　図９は、本体側ファイバ保持部２５、プローブ側ファイバ保持部３３、及び光分離筒４７の配置を説明する図である。円筒部材４７Ｂの内径は、本体側ファイバ保持部２５の円形領域２５ｄ及びプローブ側ファイバ保持部３３の円形領域３３ｄの径Ｒ１と同じか、それよりも大きい。円柱部材４７Ｂの一方の端面に隣接して本体側ファイバ保持部２５の円形領域２５ｄが配置され、他方側の端面に隣接してプローブ側ファイバ保持部３３の円形領域３３ｄが配置される。これにより、円形領域２５ｄ及び３３ｄにより挟まれる円柱状空間に円柱部材４７Ｂが配置されることになる。
　また、円筒部材４７Ａの内径は、本体側ファイバ保持部２５の円環領域２５ｂ及びプローブ側ファイバ保持部３３の円環領域３３ｂの内径Ｒ２と同じか、それより小さい。さらに、円筒部材４７Ｂの外径は、本体側ファイバ保持部２５の円環領域２５ｂ及びプローブ側ファイバ保持部３３の円環領域３３ｂの外径Ｒ３と同じか、それより大きい。円筒部材４７Ａの一方の端面に隣接して本体側ファイバ保持部２５の円環領域２５ｂが配置され、他方側の端面に隣接してプローブ側ファイバ保持部３３の円環領域３３ｂが配置される。これにより、円環領域２５ｂ及び３３ｂにより挟まれる円筒状空間に円筒部材４７Ａが配置されることになる。
　円筒部材４７Ａの内径は円柱部材４７Ｂの径と略等しいが、両者は別部材であるから不可避的にそれらの間に間隙、すなわち相対的に低屈折の空気層が介在する。このため光分離筒４７でも、投光ファイバ２７から出射される光は円筒部材４７Ａの内側面や外側面で全反射を繰り返して伝搬し、好適に投光ファイバ３４まで導光することができる。また、受光ファイバ３５から出射される光は円柱部材４７Ｂの外側面で全反射を繰り返して伝搬し、好適に受光ファイバ２８まで導光することができる。すなわち、円形領域２５ｄ及び３３ｄにより挟まれる円柱状空間、及び円環領域２５ｂ及び３５ｂにより挟まれる円筒状空間との間の光の通過を光分離筒４７により抑制することができる。
　さらに、例えば、上記実施形態では本体側ファイバ保持部２５に多数の受光ファイバ２８を配置し、プローブ側ファイバ保持部３３にも多数の受光ファイバ３５を配置したが、それぞれ１本の受光ファイバを配置してよい。また、上記実施形態ではロータリージョイント４０の内側に受光チャンネルを設け、外側に投光チャンネルを設けたが、逆の構成としてもよい。また、光分離筒４２は本体側ファイバ保持部２５又はプローブ側ファイバ保持部３３と一体的に設けてもよい。

 

Claims (8)

  1. 　第１円形領域に第１光ケーブルに含まれる第１内側光ファイバの一端面が配置され、前記第１円形領域と同心であり前記第１円形領域の径より大きな内径を有する第１円環領域に前記第１光ケーブルに含まれる第１外側光ファイバ群の各一端面が配置されるようにして、前記１光ケーブルに含まれる複数の光ファイバを保持する第１ファイバ保持部と、
    　第２円形領域に第２光ケーブルに含まれる第２内側光ファイバの一端面が配置され、前記第２円形領域と同心であり前記第２円形領域の径より大きな内径を有する第２円環領域に前記第２光ケーブルに含まれる第２外側光ファイバ群の各一端面が配置されるよう、前記第２光ケーブルに含まれる複数の光ファイバを保持する第２ファイバ保持部と、
    　前記第１円形領域及び前記第２円形領域が離間し且つ対向し、前記第１円環領域及び前記第２円環領域が離間し且つ対向するよう、前記第１ファイバ保持部及び前記第２ファイバ保持部を相対的に回転可能に支持する回転支持部と、
    　前記第１ファイバ保持部と前記第２ファイバ保持部との間に設けられ、前記第１円形領域及び前記第２円形領域により挟まれる円柱状空間、及び前記第１円環領域及び前記第２円環領域により挟まれる円筒状空間の間の光の通過を抑制する光分離部と、
    　を含むことを特徴とするロータリージョイント。
  2. 　請求項１に記載のロータリージョイントにおいて、
    　前記第１円形領域と前記第２円形領域、前記第１円環領域と前記第２円環領域はそれぞれ同軸に配置される、
    　ことを特徴とするロータリージョイント。
  3. 　請求項１又は２に記載のロータリージョイントにおいて、
    　前記光分離部は、前記円柱状空間及び前記円筒状空間の間に配置される第１の筒状体を含む、
    　ことを特徴とするロータリージョイント。
  4. 　請求項３に記載のロータリージョイントにおいて、
    　前記第１の筒状体の内側面は鏡面に形成される、
    　ことを特徴とするロータリージョイント。
  5. 　請求項３又は４に記載のロータリージョイントにおいて、
    　前記第１の筒状体の外側面は鏡面に形成される、
    　ことを特徴とするロータリージョイント。
  6. 　請求項１乃至５のいずれかに記載のロータリージョイントにおいて、
    　前記光分離部は、前記円筒状空間を囲い、その内側面が鏡面に形成される第２の筒状体を含む、
    　ことを特徴とするロータリージョイント。
  7. 　請求項１又は２に記載のロータリージョイントにおいて、
    　前記光分離部は、前記円柱状空間に配置される透光性の円柱部材、及び前記円筒状空間に配置されるとともに前記該円柱部材が挿入される透光性の円筒部材を含む、
    　ことを特徴とするロータリージョイント。
  8. 　請求項１乃至７のいずれかに記載のロータリージョイントを備える光学測定装置。

     
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