(57)【要約】【課題】  窓部材を正確にオイル槽に固定できる屈折率測定装置と同装置に用いる窓構造および屈折率測定方法を提供する。【解決手段】  本発明装置は、オイル槽10にマッチングオイルAを蓄え、このオイルＡに浸漬した測定対象に光線を照射し、入射光に対する透過光の偏向角度を計測して、偏向角測定手段の測定結果から測定対象の屈折率分布を求める。このオイル槽10は光線の入射窓および出射窓を有する。これらの窓の少なくとも一方は、オイル槽に設けた開口部110の外周に形成される平面部111と、この平面部に水密部材を介在することなく当接されて開口部を覆う窓部材112と、窓部材を平面部に固定する取付部材113とを有する。この構成により、窓部材112を平面部111に沿わせることができ、窓部材112の反りや歪を極力抑えた状態でその装着を行うことができる。【選択図】図２
2005207842.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マッチングオイルを蓄えるオイル槽と、
マッチングオイルに浸漬した測定対象に光線を照射し、入射光に対する透過光の偏向角度を計測する偏向角測定手段と、
偏向角測定手段の測定結果から測定対象の屈折率分布を求める屈折率演算手段とを具え、
前記オイル槽は光線の入射窓および出射窓を有し、
これらの窓の少なくとも一方は、
オイル槽に設けた開口部の外周に形成される平面部と、
この平面部に水密部材を介在することなく当接されて開口部を覆う窓部材と、
窓部材を平面部に固定する取付部材とを有することを特徴とする屈折率測定装置。
【請求項２】
屈折率測定装置のオイル槽に設けられる窓構造であって、
この窓構造は、
オイル槽に設けた開口部の外周に形成される平面部と、
この平面部に水密部材を介在することなく当接されて開口部を覆う窓部材と、
窓部材を平面部に固定する取付部材とを有することを特徴とする屈折率測定装置の窓構造。
【請求項３】
測定対象をオイル槽に蓄えられたマッチングオイルに浸漬し、測定対象に光線を照射して測定対象への入射光に対する透過光の偏向角度を計測し、測定対象の屈折率分布を測定する屈折率測定方法であって、
前記オイル槽は光線の透過する窓部材を有し、
下記式で求められる最大ズレ量δが20μm以下となるように窓部材のオイル槽への取付状態を調整して測定を行なうことを特徴とする屈折率測定方法。
【数１】
2005207842.tif 000005
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈折率測定装置と同装置用の窓構造ならびに屈折率測定方法とに関するものである。特に、光ファイバ母材などの光学部材の屈折率測定に際し、高い計測精度にて測定できる屈折率の測定装置と測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、光ファイバは、その中心部に屈折率の高いコアを有し、その外側にコアよりも屈折率の低いクラッドを有する。この光ファイバは、VAD法等によって製造した円柱状の光ファイバ母材の一端を加熱して軟化させ、線引きすることによって製造される。その際、良質な光ファイバを製造するためには、光ファイバ母材の段階で、その径方向の屈折率分布を正確に測定して管理する必要がある。
【０００３】
この屈折率分布の測定技術として、特許文献１〜３に記載の技術が知られている。これらの技術は、測定対象をマッチングオイルに浸漬し、その径方向から測定対象に光を入射して、入射光と透過光の偏向角を測定し、その測定結果から計算にて屈折率の分布を求める技術である。
【０００４】
図１に屈折率の測定に用いる装置の概略構成を示す。この装置は、マッチングオイルAが蓄えられたオイル槽10、光ファイバ母材Bの保持具20、その保持具の駆動機構30を有し、保持具20で保持された光ファイバ母材Bをオイル槽10の上部からマッチングオイルA内に浸漬する。その状態で、オイル槽10の外部に設けられたレーザ光源40より入射窓11を介して光線Cを光ファイバ母材Bに照射し、その透過光を出射窓12を介して受光器50で受光する。これらの光学機器は、光学ベース35の上に載せられて固定されている。光学ベース35を駆動機構36により駆動すれば、光線Cを母材Bの横断面方向に走査させることができる。
【０００５】
母材Bの屈折率を求めるには、受光器50のデータから偏向角度処理装置70により偏向角度を求め、求めた偏向角度に基づいて処理コンピュータ80で屈折率の演算を行う。処理コンピュータ80は、位置検出センサ90で検知された光学ベース35の位置データに基づいて、光学ベース35の駆動機構36をも制御する。そして、光学ベース35の駆動により、光線Cで測定対象の断面を所定の測定ピッチにて走査しながら同様の測定を行い、測定対象の屈折率分布を求めている。
【０００６】
このような装置における入射窓11または出射窓12の窓構造の一例を図４に示す。この窓構造は、オイル槽10の側壁が有する開口部付近に設けられている。開口部110の外周、つまり側壁の外面側には、研磨により所定の平面度に加工された平面部111が形成されている。この平面部111に当接し、かつ開口部を塞ぐように窓部材112が配置される。窓部材112は光線を透過させる透明材料で構成され、例えば石英ガラス製のオプチカルフラットなどが利用できる。この窓部材112の固定には、その外周付近を覆う枠状の取付部材113を用いる。取付部材113は平面部111との間に窓部材112を挟みこんで、ネジ116によりオイル槽10の側壁に固定されることで窓部材112をオイル槽に固定している。
【０００７】
ここで、平面部111と窓部材112の間および窓部材112と取付部材113との間にはＯリング117Ａ、117Ｂが介在され、オイル槽内のマッチングオイルAの漏洩を防いで窓構造を水密に構成している。
【０００８】
【特許文献１】特開平5-60654号公報
【特許文献２】特開2000-81373号公報
【特許文献３】特開2000-356570号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記の従来技術では、窓部材を高精度にオイル槽に取り付けることが難しく、正確な屈折率測定ができない場合があるという問題があった。
【００１０】
上記の装置において、窓部材は、その研磨加工時に反りや歪が発生する。また、通常、窓部材には光線の乱反射を防止するために表面にコーティングが施され、そのコーティング加工時にも窓部材に反りや歪が生じる。そのため窓部材は非常に歩留まりが悪く、各加工工程で三次元測定器により形状を測定するなど、高精度の製品を得るために非常に手間がかかる。
【００１１】
その上、窓部材の取付精度は、取付部材を保持する組立作業者のスキルに依存し、取付部材を固定するネジの締め付け方などにより、やはり窓部材に反りが生じることがある。
【００１２】
特に、従来の窓構造では、窓部材の両面を弾性材からなるＯリングにより保持しているため、窓部材自体が有する反りや歪に加えて、Ｏリングの変形に伴う窓部材の取付誤差が生じ、窓部材自体が正確に光線と直交する方向に配置されないことがある。その場合、図５に示すように、窓部材112は反りを生じたまま保持され、光線Cと直交する方向に対して傾斜角θを持って固定される。
【００１３】
このような窓部材112に光線Cを照射すると、光線Cが窓部材112を透過する際に屈折し、透過光は本来到達すべき目標位置からはずれてズレδを生じる。このズレδは次式で表される。
【００１４】
【数２】
2005207842.tif 000003
【００１５】
このズレδは偏向角の測定値にも誤差を生じさせ、その結果、偏向角から求められる屈折率の値にも誤差を生じて測定精度が低下する。
【００１６】
従って、本発明の主目的は、窓部材を正確にオイル槽に固定できる屈折率測定装置と同装置に用いる窓構造とを提供することにある。
【００１７】
また、本発明の別の目的は、正確な屈折率の測定が可能な屈折率測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、窓構造に工夫を施し、オイル槽の平面部に窓部材を正確に沿わせることで上記の目的を達成する。
【００１９】
本発明屈折率測定装置は、マッチングオイルを蓄えるオイル槽と、マッチングオイルに浸漬した測定対象に光線を照射し、入射光に対する透過光の偏向角度を計測する偏向角測定手段と、偏向角測定手段の測定結果から測定対象の屈折率分布を求める屈折率演算手段とを具える。このオイル槽は光線の入射窓および出射窓を有する。そして、これらの窓の少なくとも一方は、オイル槽に設けた開口部の外周に形成される平面部と、この平面部に水密部材を介在することなく当接されて開口部を覆う窓部材と、窓部材を平面部に固定する取付部材とを有することを特徴とする。
【００２０】
上述したように、従来の屈折率測定装置における窓構造は、平面部と窓部材との間にＯリングなどの水密部材が介在されており、窓部材自身の反りや歪に加えて、水密部材の弾性変形により窓部材の取付誤差が一層拡大されるという問題があった。本発明では、オイル槽における窓部材の装着箇所、つまり平面部と窓部材との間に水密部材を介在させることなく窓部材の装着を行なう。それにより、窓部材を平面部に沿わせることができ、窓部材の反りや歪を極力抑えた状態でその装着を行うことができる。
【００２１】
オイル槽は、窓部材が直接接触して取り付けられる箇所であり、高精度の加工が行ないやすい金属で構成することが好ましい。通常、このオイル槽の対向位置に一対の開口部を形成し、各開口部に窓部材を装着して窓構造を構成し、一方の窓構造を光線の入射窓、他方の窓構造を光線の出射窓とする。
【００２２】
窓部材が接触する平面部は、予め研磨などして好ましい平面度としておく。例えば、この平面度は30μm以下、より望ましくは10μm以下とすることが望ましい。また、入射窓側の平面部と出射窓側の平面部との平行度も極力小さくしておくことが好適である。この平行度は200μm以下とすることが望ましい。
【００２３】
一方、平面部に取り付けられる窓部材も高精度に加工しておくことが好ましい。例えば、表面コーティングを行なった窓部材で、厚みの「最大値-最小値」が5μm以下とすることが好適である。平面度（反り）については、窓部材の取付時に割れないレベルに抑えておく必要がある。窓部材には光線を透過する透明材料が好適に用いられる。例えば石英ガラスなどが利用できる。
【００２４】
窓部材の取り付けには取付部材を用いる。取付部材の具体例としては、窓部材の外周部を覆う枠状体が好適である。この枠状体は、金属などで構成し、ネジの締め付けなどによりオイル槽に固定できるように構成することが好ましい。
【００２５】
本発明において、窓部材と平面部との間には水密部材が介在されないが、取付部材と平面部との接触面、窓部材と取付部材との接触面に水密部材を介在させることが好ましい。特に、これら双方の接触面に水密部材を介在させれば、より確実に窓構造からのマッチングオイルの漏れを防止できる。水密部材の具体例としては、Oリングなどのパッキンが挙げられる。
【００２６】
なお、本発明屈折率測定装置における窓構造以外の構成は、従来の屈折率測定装置と同様の構成が利用できる。
【００２７】
また、本発明窓構造は、屈折率測定装置のオイル槽に設けられる窓構造であって、この窓構造は、オイル槽に設けた開口部の外周に形成される平面部と、この平面部に水密部材を介在することなく当接されて開口部を覆う窓部材と、窓部材を平面部に固定する取付部材とを有することを特徴とする。
【００２８】
この窓構造においても、上記屈折率測定装置と同様に、窓部材を反りや歪が極小化された状態でオイル槽に取り付けでき、高精度に屈折率の測定を行なうことができる。
【００２９】
本発明の窓構造は、入射窓と出射窓の両方に適用することが望ましいが、いずれか一方の窓に利用するだけでも測定精度向上効果が期待できる。
【００３０】
さらに、本発明屈折率測定方法は、測定対象をオイル槽に蓄えられたマッチングオイルに浸漬し、測定対象に光線を照射して測定対象への入射光に対する透過光の偏向角度を計測し、測定対象の屈折率分布を測定する屈折率測定方法である。このオイル槽は光線の透過する窓部材を有し、下記式で求められるズレ量δが20μm以下となるように窓部材のオイル槽への取付状態を調整して測定を行なうことを特徴とする。
【００３１】
【数３】
2005207842.tif 000004
【００３２】
ズレ量δを20μm以下となるように窓部材の取り付けを行なって屈折率の測定を行なえば、正確な屈折率の測定を行うことができる。より好ましくはδ≦10μm、さらに好ましくはδ≦5μmである。特に、オイル槽の平面部に水密部材を介在させることなく窓部材をオイル槽に取り付けることで、より確実にズレ量δが20μm以下となるように調整でき、高精度に屈折率の測定を行なうことができる。
【００３３】
屈折率の測定は、光線と測定対象とを相対的に所定のピッチで移動させながら、各停止位置ごとに偏向角の計測を行う。ズレ量δは最大でも測定ピッチ以下にすることが望ましい。例えば、測定ピッチが20μmであれば、δ≦20μmとすることが好ましい。特に、ズレ量δは測定ピッチの１／４以下となるようにすることが好適である。ピッチとズレ量δとの関係を上記のように規定することで、20μm以下などの細かいピッチで光線と測定対象の相対的な移動を行った場合でも、光線を測定対象の所定位置に正確に照射することができる。
【００３４】
ここで、上記距離ｄは、窓部材表面と測定対象の中心を通り光線と直交する線との間の距離のことである。この窓部材表面とは、オイル槽における窓部材の外面側、つまり入射窓の場合は窓部材における光線の入射面、出射窓の場合は窓部材における光線の出射面のことである。この点は、後述する傾斜角θの説明で用いる「窓部材表面」も同様である。
【００３５】
また、マッチングオイルの屈折率nは、測定時におけるマッチングオイルの目標温度での屈折率のことである。
【００３６】
さらに、窓部材の傾斜角θとは、窓部材がオイル槽に取り付けられた状態において、光線と直交する方向に対する窓部材表面の最大傾斜角度を示す。
【発明の効果】
【００３７】
本発明装置および窓構造によれば、窓部材を正確にオイル槽に装着でき、光線を測定対象の目標位置に的確に照射することで正確な屈折率の測定が可能となる。
【００３８】
また、窓部材は、その加工時に反りや歪があっても、オイル槽への装着時にこれらの反りや歪を抑制した状態にすることができる。そのため、用いられる窓部材は、光学研磨後にダイヤルゲージなどの簡単な測定器を用いて全体の厚みを測定するだけで、その精度の確認ができ、歩留まりの高い製品を利用することができる。
【００３９】
さらに、上記の窓部材のオイル槽への取り付け精度は、作業者の作業スキルに依存しないことから、確実に高精度の窓構造を得ることができる。
【００４０】
一方、本発明方法においても、光線を測定対象の目標位置に的確に照射することで正確に屈折率を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００４２】
ここでは、光ファイバ母材の屈折率分布を測定する場合を例とし、図１〜図３に基づいて本発明装置を説明する。この測定装置も、窓構造を除いて従来の装置と同様の構成である。
【００４３】
この装置は、マッチングオイルAが蓄えられたオイル槽10、光ファイバ母材Bの保持具20、その保持具20の駆動機構30、光学ベース35、光学ベースの駆動機構36を有する。
【００４４】
オイル槽10は、有底の四角パイプ状の容器で、内部に光ファイバのクラッドと同等の屈折率を有するマッチングオイルAが蓄えられている。マッチングオイルAは、オイル槽10を覆うジャケット（図示せず）を用いて所定の温度に制御される。このオイル槽10は、側壁の対向位置に入射窓11と出射窓12が設けられている。屈折率測定時、保持具20で保持された光ファイバ母材Bはオイル槽10の上部からマッチングオイルA内に浸漬される。後述するレーザ光源40より照射された光線Cは、入射窓11を通ってオイル槽10内に入射し、マッチングオイルAと光ファイバ母材Bを透過して、出射窓12を通ってオイル槽10の外部へと出射する。
【００４５】
これら入・出射窓11、12の窓構造を図２に示す。入射窓11と出射窓12の窓構造は共通である。オイル槽10の側壁において光線が照射される箇所には一対の開口部110（120）が対向して設けられている。この開口部110（120）の外周側には所定の平面度に研磨加工された平面部111（121）が構成されている。平面部111（121）は、光線が透過する窓部材112（122）の当接される箇所で、入射窓の平面部111と出射窓の平面部121とは所定の平行度にも加工されている。また、平面部111（121）には後述する取付部材113（123）の締め付けに用いるネジ孔111A（121A）が形成されている。
【００４６】
ここで、平面部111（121）に窓部材112（122）が当接される。窓部材112（122）には、所定の平面度に研磨加工されて外側の表面にコーティングが施された石英ガラス板を用いた。この窓部材112（122）は、水密部材を介在することなく平面部111（121）に当接されて開口部110（120）を塞ぐ。
【００４７】
窓部材112（122）の取り付けには取付部材113（123）を用いる。取付部材113（123）には、窓部材112（122）の外周部を覆う金属製の枠状体を用いた。この枠状体は、平面部111（121）との当接面に第一Ｏリング114（124）の嵌合溝113A（123A）が形成されている。また、この当接面における嵌合溝113A（123A）の内側には窓部材112（122）がはめ込まれる取付凹部113B（123B）が形成されている。さらに、取付凹部113B（123B）の底面には第二Ｏリング115（125）の嵌合溝113C（123C）が形成されている。そして、取付部材113（123）における第一Ｏリング114（124）の嵌合溝113A（123A）の外側にはネジの貫通孔113D（123D）が形成されている。ネジ116（126）の締め付けにより平面部111（121）に歪が生じないよう、取付部材113（123）は、その外周部の厚みを薄くして歪を取付部材113（123）で吸収することが好ましい。
【００４８】
この取付部材113（123）で窓部材112（122）を固定するには、まず、嵌合溝113A（123A）に第一Ｏリング114（124）を、嵌合溝113C（123C）に第二Ｏリング115（125）をはめ込んで、第二Ｏリング115（125）の上から取付凹部113B（123B）に窓部材112（122）をはめ込む。次に、窓部材112（122）を平面部111（121）に当接させると共に、取付部材113（123）の貫通孔113D（123D）および平面部のネジ孔111A（121A）にネジ116（126）をねじ込んで、その締め付けにより取付部材113（123）で窓部材112（122）の外周領域を押圧する。
【００４９】
この窓構造によれば、窓部材112（122）は平面部111（121）との間にＯリングなどの水密部材が介在されないため、窓部材112（122）は平面部111（121）にほぼ正確に沿った状態に保持される。また、取付部材113（123）のネジ116（126）による締め付けにより、窓部材112（122）の反りや歪が矯正され、光線Cに対して正確に直角の状態にて窓部材112（122）がオイル槽10に固定される。さらに、ネジ116（126）の締め付けによる歪は、取付部材113（123）および第二Ｏリング115（125）で吸収されることから、窓部材112（122）は平面部111（121）の平面度に維持される。その結果、窓部材112（122）を透過する光線を光ファイバ母材Bの所定位置に正確に到達させることができ、正確な屈折率の計測を行うことができる。
【００５０】
一方、オイル槽10の入射窓11に対向する位置にはレーザ光源40が設けられている（図１）。レーザ光源40は、一定波長の測定光を光ファイバ母材Bの径方向に向けて照射する。また、オイル槽10の出射窓12と対向する位置には受光器50が設けられている。受光器50としては、ラインセンサなど受光位置の変位がわかるものを使用し、受光位置の変位から入射光に対する透過光の偏向角度を計算する。上記のレーザ光源40とオイル槽10との間および受光器50とオイル槽10との間にはそれぞれレンズ60A、60Bが介在されている。これらのレンズ60A、60Bは、入射光や出射光を絞ったり平行光にするためのものであり、必要に応じて適宜に設置される。これらの光学部品（40、50、60A、60B）は、全て同一の光学ベース35の上に載せられている。
【００５１】
さらに、受光器50は偏向角度処理手段70に接続されている。偏向角度処理手段70は、受光器50の受光位置の変位信号に基づいて偏向角度を演算して求める。偏向角度は、図３示すように、光ファイバ母材Bへの入射光に対する出射光の角度αである。求められた偏向角度情報は、処理コンピュータ80へと伝送される。処理コンピュータ80では、偏向角度情報をもとに計算で屈折率を求める。この屈折率の測定は、光学ベース駆動機構36により光学ベース35を駆動し、レーザ光源40、受光器50、レンズ60A、60Bを光軸と直交する方向に微小な測定ピッチ（例えば20μm）で移動させ、各位置において順次同様に行なう。その際、光学ベース35の位置は、位置検出センサ90で検出し、その位置情報を処理コンピュータ80にフィードバックして、処理コンピュータ80から光学ベースの駆動機構36に指令することで制御する。求められた屈折率分布結果は、処理コンピュータに接続されるモニタやプリンタなどの出力装置95に出力される。
【００５２】
（試験例１）
図２の窓構造を有する本発明装置と、図４の窓構造を有する従来装置を用いて石英ガラスからなる光ファイバ母材の屈折率の測定を行い、窓部材の各種誤差、測定結果の誤差を調べた。
【００５３】
本発明装置では、上述した数式および窓部材やその取り付け誤差に関する各種パラメータは次の通りである。
窓部材表面から光ファイバ母材中心部までの距離d：100mm（図５参照）
マッチングオイルの屈折率n：1.457
窓部材の傾斜角θ：0.06〜0.11mrad（図５参照）
最大ズレδ：3μm（図５参照）
窓部材の取付後の平面度：7μm
入・出射窓の窓部材の平行度：5μm
【００５４】
その結果、石英ファイバのクラッド部分での屈折率測定値のばらつきも0.0001未満で安定した。
【００５５】
一方、従来装置では、上述した数式および窓部材やその取り付け誤差に関する各種パラメータは次の通りである。
窓部材表面から光ファイバ母材中心部までの距離d：100mm（図５参照）
マッチングオイルの屈折率n：1.457
窓部材の傾斜角θ：0.35〜0.8mrad（図５参照）
最大ズレδ：25μm（図５参照）
窓部材の取付後の平面度：160μm
【００５６】
その結果、石英ファイバのクラッド部分での屈折率測定値のばらつきも0.002程度の大きな値であった。
【００５７】
なお、ｄ＝100mm、屈折率n＝1.457、測定ピッチ20μmの場合、許容されるズレ量δを20μmとすると、このときの傾斜角θを上述の数式より計算すれば0.64mradとなり、許容されるズレ量δを5μmとすると、このときの傾斜角θを上述の数式より計算すれば0.16mradとなる。従って、傾斜角θは0.64mrad以下、より好ましくは0.16mrad以下となるように窓部材を装着することで、正確な屈折率測定を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明装置、窓構造および本発明測定方法は、種々の材料の屈折率の測定、特に光ファイバ母材等の光学部品の屈折率の測定に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】屈折率測定装置の概略図である。
【図２】本発明窓構造を示す断面図である。
【図３】測定光と偏向角の関係を示す説明図である。
【図４】従来の窓構造を示す断面図である。
【図５】窓部材の傾きとズレδの関係を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６０】
10  オイル槽  11  入射窓  12出射窓
20  保持具  30  駆動機構  35  光学ベース  36  光学ベース駆動機構
40  レーザ光源  50  受光器  60A、60B  レンズ
70  偏向角度処理手段  80  処理コンピュータ  90  位置検出センサ
95  出力装置
110（120）  開口部  111（121）  平面部  112（122）  窓部材
113（123）  取付部材  114（124）  第一Ｏリング
115（125）  第二Ｏリング  116（126）  ネジ  117Ａ、117Ｂ  Ｏリング
111A（121A）  ネジ孔  113A（123A）  嵌合溝  113B（123B）  取付凹部
113C（123C）  嵌合溝  113D（123D）  貫通孔
A  マッチングオイル  B  光ファイバ母材  C  光線
【図１】
2005207842.tif 000006
【図２】
2005207842.tif 000007
【図３】
2005207842.tif 000008
【図４】
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【図５】
2005207842.tif 000010