(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバの横断特性を測定するためのイメージトラッキング装置において、
イメージを形成するために使用される線形物体と、
前記線形物体に光を照射する光源と、
前記線形物体を通過した光を光ファイバの外周面に入射させ、光ファイバを貫通することによってその一部が前記光ファイバの内部に存在するように前記線形物体の１次イメージを形成する第１収束レンズと、
前記光ファイバを通過した光を収束させて前記１次イメージとは異なる２次イメージを形成する第２収束レンズと、
前記２次イメージを検出するイメージセンサーと、
前記２次イメージの歪曲程度に基づいて前記１次イメージと前記光ファイバの中心との間の距離を算出する前記イメージセンサーに結合された制御部と、を含み、
前記制御部は、前記検出された２次イメージを微分して微分曲線を導出し、前記導出された微分曲線上の歪み領域の長さ及び歪みピーク値によって前記１次イメージと前記光ファイバの中心との間の距離を算出することを特徴とする光ファイバの横断特性を測定するためのイメージトラッキング装置。
【請求項２】
記線形物体のイメージは、直角でない角度で前記光ファイバに入射される請求項１に記載の光ファイバの横断特性を測定するためのイメージトラッキング装置。
【請求項３】
前記光源から出射した光を散乱させる回転拡散器と、
前記回転拡散器から散乱した光を平行光に変えて前記線形物体に照射するコリメータレンズをさらに備える請求項１に記載の光ファイバの横断特性を測定するためのイメージトラッキング装置。
【請求項４】
光ファイバの横断特性を測定するためのイメージトラッキング方法において、
線形物体を前記光ファイバの径方向に直角でない角度で傾斜させて整列させるステップと、
前記線形物体に光を照射し、前記線形物体を通過した光を収束させるステップと、
前記光ファイバを貫通することによってその一部が前記光ファイバの内部に存在するように前記線形物体の１次イメージを形成するステップと、
前記光ファイバを通過した光を収束させて前記線形物体の２次イメージを形成するステップと、
前記２次イメージを検出し、前記検出された２次イメージを微分して得た微分曲線を導出するステップと、
前記導出された微分曲線上の歪み領域の長さ及び歪みピーク値によって前記１次イメージと前記光ファイバの中心との間の距離を算出するステップと、を含むことを特徴とする光ファイバの横断特性を測定するためのイメージトラッキング方法。
【請求項５】
前記光ファイバの横断特性は、前記検出された２次イメージの前記導出された微分曲線によって測定される請求項４記載の光ファイバの横断特性を測定するためのイメージトラッキング方法。
【請求項６】
前記検出された２次イメージの微分曲線によって前記光ファイバの横断特性を判断するステップをさらに含む請求項４記載の光ファイバの横断特性を測定するためのイメージトラッキング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバの測定装置及び方法に関し、特に光ファイバの横断特性を測定する装置及び方法に関する。さらに、本発明は、光ファイバまたは母材の屈折率や残留応力（ｒｅｓｉｄｕａｌ  ｓｔｒｅｓｓ）の測定に使用される横断測定方法を完全自動化させるに必要なイメージトラッキング（ｉｍａｇｅ  ｔｒａｃｋｉｎｇ）装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、光ファイバまたは母材の“縦断面”とは、前記“光ファイバまたは母材の長さ方向に平行した断面”を意味し、“横断面”とは、前記光ファイバまたは母材の長さ方向に垂直な断面を意味する。また、光ファイバまたは母材のイメージを利用した測定方法では、横断測定方法及び縦断測定方法があるが、前記横断測定方法は、前記光ファイバまたは母材の縦断面を測定する方法であり、前記縦断測定方法は、前記光ファイバまたは母材の横断面を測定する方法である。
【０００３】
前記横断測定方法は、光ファイバまたは母材の残留応力及び屈折率を測定するための技術に使用され、そのイメージの分解能が他の測定方法よりは低下するが、非破壊検査（ｎｏｎ−ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ  ｔｅｓｔｉｎｇ）が可能であるという長所がある。さらに、前記縦断測定方法は偏光効果の分布を測定できないが、横断測定方法は偏光効果の分布を測定可能であるので、代表的な光ファイバまたは母材測定方法として使用されている。
【０００４】
図１は、従来の光ファイバの縦断測定装置を示す。
同図において、光ファイバ１４は、ｚ軸に沿って整列されており、前記光ファイバ１４の長さ方向はｚ軸に平行する。また、前記光ファイバ１４の横断面１５はｘ−ｙ平面に沿って切断されている。光源１１から出射した平行光１３は、第１収束レンズ（ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔ  ｌｅｎｓ）１２により前記光ファイバ１４の横断面１５上に収束する。前記光ファイバ１４の横断面１５上へ入射する光１３は、その一部が前記光ファイバ１４の内部へ透過して、その残りは反射する。前記反射した光１３は、第２収束レンズ１６によりさらに平行光１３になって光検出器１７へ入射する。前記光検出器１７により測定された前記反射光１３の強さは、前記横断面１５のビーム位置で平行光１３の屈折率に対する情報を有している。前記反射光１３の検出過程を前記横断面１５の全体に対して適用することにより、前記光検出器１７で測定された前記反射光１３の強さから前記光ファイバ１４の横断面１５の屈折率分布を導出できる。
【０００５】
図２は、従来の光ファイバの横断測定装置を示す。
同図において、光ファイバ２３は、ｚ軸に沿って整列されており、前記光ファイバ２３の長さ方向はｚ軸に平行する。また、前記光ファイバ２３の縦断面２４はｘ−ｚ平面に平行する。光源２１から出射した光２２は、前記光ファイバ２３の外周面及び縦断面２４を透過してイメージセンサー２５へ入射する。このような簡単な装置で、前記縦断面２４のイメージを測定することは不可能であり、ただ、前記光ファイバ２３の内部の欠陥、すなわち、不純物が含有されているか否かが測定できる。このとき、前記イメージセンサー２５は、ＣＣＤのように入射した光の強度分布を測定できる素子を利用する。
【０００６】
横断測定方法は、光ファイバ内の測定しようとする横断面上に光ファイバの中心を含む断面のイメージを検出して前記光ファイバの多様な性質に対する断面分布度を探し出す。このとき、２次イメージは、前記光ファイバの横断面に対する情報を有する。従って、前記測定方法の分解能を高めることは、前記光ファイバ内での１次イメージの位置がどのくらい正確に探し出せるかによっている。しかし、光ファイバの横断面イメージは、一般サンプルのイメージのようにサンプルに光を照射し、その散乱した光を検出することではなく、光を光ファイバの側面に照射（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）し、屈折されて透過した光を検出するので前記横断面のイメージ、すなわち、１次イメージの位置を探し出す一般化の方法が開発されていなかった。
【０００７】
従来のイメージトラッキング方法では公知の２つの方法がある。１つは、光ファイバの母材測定に使用されるもので、マウント（ｍｏｕｎｔ）を実装したセルを予めイメージング位置に固定させておいて、光ファイバ母材を前記マウントに固定させて前記光ファイバ母材の中心を含む横断面のイメージを形成する方法である。このとき、前記光ファイバ母材は、屈折率マッチング油（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ  ｉｎｄｅｘ  ｍａｔｃｈｉｎｇ  ｌｉｑｕｉｄ）に浸けられている。この方法は、光ファイバ母材の直径が数ｃｍ程度になる点からみて、その分解能が１０μｍ以下の範囲で測定可能な位置の正確度を有することができるが、通常、光ファイバ母材の製造のとき発生する屈曲またはたわみ（ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）が存在するので、光ファイバ母材を予め調節されたマウントに固定させるとしても、屈曲及びたわみのため数十μｍ〜数ｍｍの位置誤差が発生する可能性があるという短所がある。
【０００８】
他の１つは、光ファイバイメージの回折現象を利用する方法である。光ファイバは、相互異なる屈折率を有するコア（ｃｏｒｅ）及びクラッディング（ｃｌａｄｄｉｎｇ）から構成され、通常円筒形の対称構造を有する。前記光ファイバの外周面に光を照射する場合、円筒形構造のコアがレンズの役割を行ってコアの中心を基準にして前方及び後方から、それぞれ光の焦点及び回折現象が大いに発生し、コアの中心でのみこのような現象が最小化する。従って、光ファイバのコアやコアのディップ（ｄｉｐ）構造を考慮して、イメージの位置を押し引きすることによりその現象が最小化できる位置を探し出す。これは、第１方法の有する位置誤差の問題点が解決することはできるが、光の焦点及び回折現象をイメージセンサーから数値的に分析できないので、依然として、実験者の技術に依存するだけ自動化し難いという短所があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、測定誤差を最小化して自動化が可能なイメージトラッキング装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明は、光ファイバの横断特性を測定するためのイメージトラッキング装置において、イメージを形成するために使用される線形物体と、前記線形物体に光を照射する光源と、前記線形物体を通過した光を光ファイバの外周面に入射させ、前記線形物体の１次イメージを形成する第１収束レンズと、前記光ファイバを通過した光を収束させて前記１次イメージとは異なる２次イメージを形成する第２収束レンズと、前記２次イメージを検出するイメージセンサーと、前記２次イメージの歪曲程度に基づいて前記１次イメージと前記光ファイバの中心との間の距離を算出する前記イメージセンサーに結合された制御部とを含むことを特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明は、光ファイバの横断特性を測定するためのイメージトラッキング方法において、線形物体を前記光ファイバの径方向に直角でない角度で傾斜して整列されるステップと、前記線形物体に光を照射し、前記線形物体を通過した光を収束するステップと、前記光ファイバを貫通するように前記線形物体の１次イメージを形成するステップと、前記光ファイバを通過した光を収束して前記線形物体の２次イメージを形成するステップと、前記２次イメージを検出し、前記検出された２次イメージに基づいた微分曲線を導出するステップと、前記導出された微分曲線上の歪み領域の長さ及び歪みピーク値によって前記１次イメージと前記光ファイバの中心との間の距離を算出するステップとを含むことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面を参照して詳しく説明する。下記の説明において、本発明の要旨をぼやかす公知の機能及び構成に対する詳細な説明は省略する。
【００１３】
図３乃至図５は、本発明に従う光ファイバの横断特性を測定するためのイメージトラッキング方法を説明するための図である。
【００１４】
同図において、光ファイバ３１の長さ方向はｚ軸に平行し、前記光ファイバ３１は、ｘ−ｚ平面に沿って切断された縦断面を有する。図３に示した光ファイバ３１の縦断面は、前記光ファイバ３１の中心から所定間隔で離隔しており、ｙ軸に従う前記切断された光ファイバ３１の高さは、前記光ファイバ３１の半径より小さい。図３に示したこととは異なり、前記横断面を直線３２の引かれた白紙上に前記直線３２と重なるように位置させる。前記白紙はｘ−ｚ平面に平行させ、前記直線３２はｘ軸に平行するように位置させる。前記光ファイバ３１に重なった直線３２を−ｙ軸方向からみるとき（すなわち、前記紙の上方から垂直な方向にみるとき）、前記光ファイバ３１に重なった直線３２は、歪みなくそのまま直線に見える。前記光ファイバ３１による前記直線３２のイメージは直線形である。また、図３に示すように、前記直線３２をｘ軸に９０゜ではない角度で傾斜するように位置させ、前記直線３２を−ｙ軸方向から見るとき、前記直線３２は歪んで見える。すなわち、前記光ファイバ３１による前記直線３２のイメージは直線形でなく曲線形である。前記直線３２のうち、前記光ファイバ３１に重なる部分と重ならない部分の境界のあたりでその歪曲程度が非常に大きくなる。すなわち、前記歪んだ直線３２のイメージは、その中心を基準にして非対称性を有し、両端で歪曲ピーク値を有する。ここで、前記歪んだ直線３２のイメージに対する微分曲線３３が示されており、前記微分曲線３３は、その中心を基準にして対称性を有し、歪曲領域の両端で歪曲ピーク値を有する。また、前記歪曲領域の長さは、前記光ファイバ３１の直径より小さい。
【００１５】
図４に示す光ファイバ４１の横断面は前記光ファイバ４１の中心を含み、ｙ軸に従う前記切断された光ファイバ４１の高さは、前記光ファイバ４１の半径と同一である。前記縦断面を直線４２の引かれた白紙上に前記直線４２に重なるように位置させる。前記白紙はｘ−ｚ平面に平行させ、前記直線４２はｘ軸に９０゜ではない角度に傾斜するように位置させる。前記直線４２を−ｙ軸方向から見るとき、前記直線４２は歪んで見える。前記直線４２のイメージの歪曲程度は、図３に示した直線３２のイメージの歪曲程度に比べてさらに大きく、前記歪曲された直線４２のイメージに対する微分曲線４３は、その中心を基準にして対称性を有し、歪曲領域の両端で歪曲ピーク値を有する。このとき、前記歪曲ピーク値は、図３に示した微分曲線３３の歪曲ピーク値より大きく、前記歪曲領域の長さは、前記光ファイバ４１の直径と同一である。
【００１６】
図５に示した光ファイバ５１の横断面は、前記光ファイバ５１の中心と離隔しており、ｙ軸に従う前記切断された光ファイバ５１の高さは前記光ファイバ５１の半径より大きい。直線５２の引かれた白紙上に前記直線５２に重なるように前記横断面を位置させる。前記白紙はｘ−ｚ平面に平行させ、前記直線５２はｘ軸に９０゜でない角度で傾斜するように位置させる。前記直線５２を−ｙ軸方向から見るとき、前記直線５２は歪曲されて見える。前記直線５２のイメージの歪曲程度は、図４に示した直線４２のイメージの歪曲程度に比べてさらに大きく、前記歪んだ直線５２のイメージに対する微分曲線５３は、その中心を基準にして対称性を有し、歪曲領域の両端で歪曲ピーク値を有する。このとき、前記歪曲ピーク値は、図４に示した微分曲線４３の歪曲ピーク値より大きく、前記歪曲領域の長さは、前記光ファイバ５１の直径と同一である。
【００１７】
図３乃至図５からみて、直線イメージは、光ファイバの中心との距離に従って、その歪曲ピーク値及び歪曲領域の長さが異なる。
【００１８】
本発明は、このような原理を利用して直線イメージの歪曲程度から光ファイバ中心と前記直線イメージとの距離をトラッキングする。
【００１９】
図６は、本発明の好適な実施形態に従う光ファイバの横断特性を測定するためのイメージトラッキング装置を示す。
【００２０】
前記イメージトラッキング装置は、順次的に整列された光源６１と、回転拡散器（ｒｏｔａｔｉｎｇ  ｄｉｆｆｕｓｅｒ）６３と、コリメータレンズ（ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ  ｌｅｎｓ）６４と、線形物体６６を提供する刃６５と、第１凸レンズ６７と、光ファイバ６８と、第２凸レンズ７０と、イメージセンサー７１と、制御部７３とから構成される。同図において、前記制御部７３を除外してｙ軸に沿って整列されたイメージトラッキング装置のｙ−ｚ平面図を上に示し、ｙ軸に沿った特定位置（矢印で表示）でのｘ−ｚ平面図を下に示している。
【００２１】
前記光源６１から出射した光６２は前記回転拡散器６３へ入射し、前記光源６１としては、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）などのような半導体発光素子、ヘリウム−ネオンレーザ（Ｈｅ−Ｎｅ  Ｌａｓｅｒ）、窒素レーザのようなレーザ、または発光ランプなどが使用される。このとき、前記光６２の進行方向はｙ軸に平行する。
【００２２】
前記回転拡散器６３は、入射した光６２を散乱させて前記コリメータレンズ６４へ出射し、前記コリメータレンズ６４は、入射した光を平行光にして出射する。前記コリメータレンズ６４としては、凸レンズが使用される。このような場合、前記コリメータレンズ６４と回転拡散器６３との距離は、前記コリメータレンズ６４の焦点距離と同一に設定する。
【００２３】
前記線形物体６６としては、前記刃６５のエッジ、マスクのスリット（ｓｌｉｔ）のような物体の角、針金、または糸などが使用されられる。また、前記光ファイバを貫通するように形成される前記線形物体６６の１次イメージ６９が前記光ファイバ６８の径方向に９０゜でない角度で傾斜するようにするためには、前記線形物体６６も前記光ファイバ６８の径方向に９０゜でない角度になるようにする。
【００２４】
前記第１収束レンズ６７は、前記線形物体６６を通した光６２を前記光ファイバ６８の外周面に入射させ、前記光ファイバ６８を貫通するように前記線形物体６６の１次イメージ６９を形成させる。すなわち、前記線形物体６６の１次イメージ６９は、前記光ファイバ６８を横切っている。前述したように、図３乃至図５からみて、前記線形物体６６の１次イメージ６９は、前記光ファイバ６８の縦断面上に位置している。
【００２５】
前記２次収束レンズ７０は、前記光ファイバ６８を通過した光６２を収束させて、前記イメージセンサー７１の受光面上に前記線形物体６６の２次イメージ７２を形成する。すなわち、前記イメージセンサー７１は、前記線形物体６６の２次イメージ７２を検出する。
【００２６】
前述したように、前記線形物体６６と１次イメージ６９、及び前記１次イメージ６９と２次イメージ７２は、物体とイメージとの関係、すなわち、共役（ｃｏｎｊｕｇａｔｅ）関係にあることが分かる。
【００２７】
前記イメージセンサー７１から検出される前記２次イメージ７２は歪んでおり、前記１次イメージ６９と前記光ファイバ６８の中心との間の距離に従ってその歪曲程度が異なる。
【００２８】
制御部７３は、前記イメージセンサー７１から入力されたイメージ情報が表す２次イメージ７２を微分した微分曲線を導出し、前記微分曲線に表れた歪曲領域の長さ及び歪曲ピーク値から前記１次イメージ６９と前記光ファイバ６８の中心との距離を算出する。
【００２９】
このようなイメージトラッキング過程が終わった後、前記刃６５を除去すると、前記イメージトラッキング装置を前記光ファイバ６８の残留応力または屈折率分布を測定するための装置として使用できる。
【００３０】
前記光ファイバ６８の残留応力の測定は、偏光器（図示せず）を必要とするので、前記光源６１と回転拡散器６３との間に偏光器を位置させ、前記第２収束レンズ７０と光ファイバ６８との間に板波器（ｗａｖｅｐｌａｔｅ；図示せず）を位置させる。
【００３１】
前記光ファイバ６８の屈折率測定では、前記第２凸レンズ７０と光ファイバ６８との間にチョッパー（図示せず）またはエッジフィルタ（ｅｄｇｅ  ｆｉｌｔｅｒ；図示せず）が挿入されられる。
【００３２】
図７は、本発明の好適な実施形態に従う光ファイバの横断特性を測定するためのイメージトラッキング方法を示すフローチャートである。
【００３３】
図６及び図７を参照すると、前記イメージトラッキング方法は、線形物体６６の整列過程８１、歪曲されない２次線形物体イメージ（図示せず）の形成過程８２、歪曲された２次線形物体イメージ７２の形成過程８３及び距離算出過程８４から構成される。
【００３４】
前記線形物体６６の整列過程８１は、線形物体６６と前記光ファイバ６８との径方向が直角及び０゜でない角度をなすように光軸上で整列する過程である。このとき、光軸は、光源６１から出射した光６２の進行方向に平行する。また、前記線形物体６６の整列過程８１で前記光ファイバ６８は光軸から外れており、前記２次歪曲されない線形物体イメージの形成過程８２が終わった後、前記光ファイバ６８が挿入されて歪曲された２次線形物体イメージ７２を形成する。すなわち、前記線形物体６６の１次イメージ６９の位置に前記光ファイバ６８の中心部分を位置させるためには、まず、前記線形物体６８と歪曲されない２次線形物体イメージとが完全な共役関係を形成しなければならないからである。
【００３５】
前記歪曲されない２次線形物体イメージの形成過程８２は、前記線形物体６６を図６に示した第１収束レンズ６７と第２収束レンズ７０とを通じて、イメージセンサー７１の受光面上に形成される歪曲されない２次線形物体イメージと完全な共役関係で形成させる過程である。このような過程は、前記第１収束レンズ６７を通じて前記線形物体６６に対する１次イメージ６９の位置を光軸に沿って調節することにより行うことができる。また、前記第２収束レンズ７０の調節または、前記イメージセンサー７１のデフォーカシング（ｄｅｆｏｃｕｓｉｎｇ）を通じても行うことができる。
【００３６】
前記歪曲された２次線形物体イメージの形成過程８３は、光軸から外れている前記光ファイバ６８を前記線形物体６６の１次イメージ６９の位置に挿入させた状態で、前記光ファイバ６８を通過した光６２を収束させ、前記線形物体６６に対する歪曲された２次イメージ７２を形成する過程である。すなわち、前記第２収束レンズ７０を利用して前記１次イメージ６９に対する歪曲された２次イメージ７２を形成することである。前記光ファイバ６８を光軸上に位置決めするとき、前記歪曲された２次イメージ７２の分析結果を反映することにより、前記光ファイバ６８の中心を前記１次イメージ６９の位置にあるように調節する。
【００３７】
前記距離算出過程８４は、前記イメージセンサー７１を利用して前記歪曲された２次イメージ７２を検出し、前記検出された前記２次イメージ７２の歪曲程度から前記１次イメージ６９と前記光ファイバ６８の中心との間の距離を算出することにより、前記光ファイバ６８の光軸の位置を調節するための前記光ファイバ６８の移動値を得るための過程である。このとき、前記歪曲された２次イメージ７２の歪曲程度は、前記歪曲された２次イメージ７２の微分曲線を導出し、前記微分曲線で歪曲領域の長さとその歪曲ピーク値とを計算することにより把握することができる。すなわち、前記歪曲された２次イメージ７２の歪曲程度を表す前記歪曲数値から前記１次イメージと前記光ファイバ６８の中心との間の距離を算出することである。
【００３８】
【発明の効果】
前述したように、本発明に従う光ファイバの横断特性を測定するためのイメージトラッキング装置及び方法は、線形物体のイメージを利用して前記光ファイバの整列状態を数値化することにより、測定誤差が最小化でき、光ファイバの横断特性の測定が自動化できるという長所がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】光ファイバの縦断測定のための従来装置を示す図である。
【図２】光ファイバの横断測定のための従来装置を示す図である。
【図３】本発明に従う光ファイバの横断測定のためのイメージトラッキング方法を説明するための図である。
【図４】図３に続いて光ファイバの横断測定のためのイメージトラッキング方法を説明するための図である。
【図５】図４に続いて光ファイバの横断測定のためのイメージトラッキング方法を説明するための図である。
【図６】本発明の好適な実施形態に従う光ファイバの横断測定のためのイメージトラッキング装置を示す図である。
【図７】本発明の好適な実施形態に従う光ファイバの横断測定のためのイメージトラッキング方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
３１，４１，５１，６８  光ファイバ
３２，４２，５２  直線
３３，４３，５３  微分曲線
６１  光源
６２  光
６３  回転拡散器
６４  コリメータレンズ
６５  刃
６６  線形物体
６７  第１収束レンズ
６９  線形物体の１次イメージ
７０  第２収束レンズ
７１  イメージセンサー
７２  線形物体の２次イメージ
【図１】
0003616033.tif 000002
【図２】
0003616033.tif 000003
【図３】
0003616033.tif 000004
【図４】
0003616033.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
0003616033.tif 000008