特許 7216042 光ファイバの屈折率分布の測定装置及び当該測定装置の処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-01-23

(45)【発行日】2023-01-31

(54)【発明の名称】光ファイバの屈折率分布の測定装置及び当該測定装置の処理装置

(51)【国際特許分類】

   G01M 11/00 20060101AFI20230124BHJP

   G01J 9/00 20060101ALI20230124BHJP

   G01N 21/41 20060101ALI20230124BHJP

【ＦＩ】

G01M11/00 G

G01J9/00

G01N21/41 Z

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2020057900

(22)【出願日】2020-03-27

(65)【公開番号】P2021156761

(43)【公開日】2021-10-07

【審査請求日】2022-01-24

(73)【特許権者】

【識別番号】000208891

【氏名又は名称】ＫＤＤＩ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003281

【氏名又は名称】弁理士法人大塚国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100076428

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 康徳

(74)【代理人】

【識別番号】100115071

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 康弘

(74)【代理人】

【識別番号】100112508

【弁理士】

【氏名又は名称】高柳 司郎

(74)【代理人】

【識別番号】100116894

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 秀二

(74)【代理人】

【識別番号】100130409

【弁理士】

【氏名又は名称】下山 治

(74)【代理人】

【識別番号】100134175

【弁理士】

【氏名又は名称】永川 行光

(74)【代理人】

【識別番号】100131886

【弁理士】

【氏名又は名称】坂本 隆志

(74)【代理人】

【識別番号】100170667

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 浩次

(72)【発明者】

【氏名】若山 雄太

(72)【発明者】

【氏名】ダニエル エルソン

(72)【発明者】

【氏名】釣谷 剛宏

【審査官】小野寺 麻美子

(56)【参考文献】

【文献】特開平０２－３０９２２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－１６５７２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１６９８７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０９８２７９２７（ＣＮ，Ａ）

【文献】DE DORLODOT, B. et al.，Comparative study of quantitative phase imaging techniques for refractometry of optical fibers ，Proceedings of SPIE，2018年，Vol.10535，pp.1053516-1～1053516-8，doi：10.1117/12.2290324

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２１／００ － Ｇ０１Ｎ ２１／０１

Ｇ０１Ｎ ２１／１７ － Ｇ０１Ｎ ２１／６１

Ｇ０１Ｍ １１／００ － Ｇ０１Ｍ １１／０８

Ｇ０１Ｊ ３／００ － Ｇ０１Ｊ ４／０４

Ｇ０１Ｊ ７／００ － Ｇ０１Ｊ ９／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

撮像素子を有し、複数の撮像方向それぞれについて、マルチコア光ファイバの側面の強度画像を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段が撮像した強度画像を処理する処理手段と、
を備え、
前記撮像手段は、前記複数の撮像方向それぞれについて、前記マルチコア光ファイバを透過した光の撮像位置における位相が互いに異なる２つの強度画像を撮像し、
前記処理手段は、
前記複数の撮像方向の各撮像方向から撮像した前記２つの強度画像に基づき各撮像方向の位相画像を生成する生成手段と、
各撮像方向の前記位相画像のアーベル逆変換を行うことにより、各撮像方向の前記位相画像において前記マルチコア光ファイバの長手方向とは直交する直交方向における前記マルチコア光ファイバの屈折率分布を求める逆変換手段と、
各撮像方向について求めた前記マルチコア光ファイバの屈折率分布に基づき前記マルチコア光ファイバのマーカの位置を判定する判定手段と、
を備えていることを特徴とする測定装置。

【請求項2】

前記逆変換手段は、前記位相画像の画素値に基づき前記直交方向に沿った値列を求め、当該値列のアーベル逆変換を行うことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。

【請求項3】

前記逆変換手段は、前記位相画像に含まれる前記直交方向に沿った複数の画素列の内の１つの画素列の画素値列を、前記直交方向に沿った値列とすることを特徴とする請求項２に記載の測定装置。

【請求項4】

前記逆変換手段は、前記位相画像の前記直交方向における位置が同じ画素の画素値を平均化することで、前記直交方向に沿った値列を求めることを特徴とする請求項２に記載の測定装置。

【請求項5】

前記逆変換手段は、前記直交方向に沿った前記値列を、前記マルチコア光ファイバの前記直交方向の中心位置で第１の値列と第２の値列とに分割し、前記第１の値列と前記第２の値列に対して個別にアーベル逆変換を行うことを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の測定装置。

【請求項6】

前記撮像手段は、
前記撮像素子と、
前記撮像素子と前記マルチコア光ファイバの間に配置され、前記マルチコア光ファイバを透過した光を前記撮像素子に入射させる光学部材と、
を備え、
前記光学部材の位置を異ならせることで、前記撮像手段は、前記マルチコア光ファイバを透過した光の撮像位置における位相が異なる２つの強度画像を撮像することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の測定装置。

【請求項7】

前記処理手段は、前記２つの強度画像における前記マルチコア光ファイバのレンズ効果の影響を補正する補正手段をさらに備え、
前記生成手段は、前記補正手段による補正後の前記２つの強度画像に基づき前記位相画像を生成することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の測定装置。

【請求項8】

前記生成手段は、位相勾配法により前記２つの強度画像から前記位相画像を生成することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の測定装置。

【請求項9】

前記複数の撮像方向は、第１撮像方向と、前記第１撮像方向に対する角度が９０度である第２撮像方向と、を少なくとも含むことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の測定装置。

【請求項10】

複数の撮像方向から撮像されたマルチコア光ファイバの側面の強度画像を処理する処理装置であって、
前記処理装置は、
前記複数の撮像方向の各撮像方向から撮像された、撮像方向に対応する２つの強度画像であって、前記マルチコア光ファイバを透過した光の撮像位置における位相が互いに異なる前記２つの強度画像に基づき各撮像方向の位相画像を生成する生成手段と、
各撮像方向の前記位相画像のアーベル逆変換を行うことにより、各撮像方向の前記位相画像において前記マルチコア光ファイバの長手方向とは直交する直交方向における前記マルチコア光ファイバの屈折率分布を求める逆変換手段と、
各撮像方向について求めた前記マルチコア光ファイバの屈折率分布に基づき前記マルチコア光ファイバのマーカの位置を判定する判定手段と、
を備えていることを特徴とする処理装置。

【請求項11】

請求項１０に記載の処理装置としてコンピュータを機能させることを特徴とするプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光ファイバの屈折率分布の測定技術に関する。

【背景技術】

【0002】

伝送容量を増加させるため、クラッド内に複数のコアを設けたマルチコア光ファイバ（ＭＣＦ）の利用が検討されている。ここで、ＭＣＦの融着接続においては、断面調心に加えて回転調心が必要となる。断面調心とは、融着対象の２つの光ファイバの長手方向に垂直な断面の位置を合わせる処理である。シングルコア光ファイバ（ＳＣＦ）の融着接続の場合、断面調心を行えば２つのＳＣＦのコアの位置も合うため、ＳＣＦの融着接続器は断面調心が可能な様に、つまり、融着対象のＳＣＦの長手方向とは直交する２つの方向（Ｘ方向及びＹ方向）におけるＳＣＦの位置を調整可能な様に構成される。一方、回転調心とは、融着対象の２つのＭＣＦの回転位相を合わせる処理である。ＭＣＦは複数のコアを有するため、融着対象の２つのＭＣＦの対応するコアを接続するためには、２つのＭＣＦの断面の位置を合わせるのみでは不十分であり、２つのＭＣＦの回転位相を合わせる必要がある。このため、ＭＣＦの融着接続器は断面調心に加えて回転調心が可能な様に、つまり、ＭＣＦの回転位相を調整可能な様に構成される。

【0003】

特許文献１は、ＭＣＦの調心方法を開示している。特許文献１によると、ＭＣＦの側面の強度画像を取得し、強度画像の輝度と基準強度画像の輝度との相関係数を算出する。そして、相関係数がピークとなる様にＭＣＦを周方向に回転させることで、ＭＣＦの回転位相が基準強度画像を撮像した際と同じとなる様に調整している。しかしながら、ＭＣＦの周方向における周期構造により、ＭＣＦを周方向に回転させた際、基準強度画像との相関係数のピークは１つにならず、複数のピークが観測され得る。したがって、特許文献１の構成では、回転調心の精度を高くすることはできない。特許文献２は、ＭＣＦの回転位相を判定するためにＭＣＦ内に設けられ、コアやクラッドとは屈折率の異なるマーカを利用して回転調心を行うことを開示している。しかしながら、マーカによるＭＣＦの強度画像の差異は大きくないため、相関係数の複数のピークの差は大きくならず、回転調心の精度を高くすることはできない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】国際公開第２０１７／１３０６２７号

【文献】米国特許第９５４１７０７号明細書

【非特許文献】

【0005】

【文献】Ａ．Ｄ．Ｙａｂｌｏｎ，“Ｍｕｌｔｉ－Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ Ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ ｂｙ Ｓｐａｔｉａｌｌｙ Ｒｅｓｏｌｖｅｄ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ”，ｉｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ．２８，ｎｏ．４，ｐｐ．３６０－３６４，２０１０年２月１５日

【文献】Ａ．Ｂａｒｔｙ，ｅｔ ａｌ，“Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｐｈａｓｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ”，ｉｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ｖｏｌ．１７５，ｐｐ．３２９－３３６，２０００年３月１日

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述した様に、ＭＣＦにはクラッド内に複数のコアが設けられ、さらに、ＭＣＦの回転位相を判定するためのマーカが設けられる。マーカの屈折率は、クラッド及びコアの屈折率とは異なるため、ＭＣＦの屈折率分布を精度良く測定してマーカの位置を判定することができれば、精度良く調心を行うことができる。

【0007】

ここで、非特許文献１は、光ファイバの屈折率分布を精密に測定する技術を提案しているが、高精度な光干渉計を必要とし、コストが高くなる。非特許文献２は、光干渉計を使用せずにＭＣＦの屈折率分布を測定する方法を開示しているがマッチングオイルを必要とする。

【0008】

本発明は、簡易な構成で光ファイバの屈折率分布を精度良く測定する技術を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一態様によると、測定装置は、撮像素子を有し、複数の撮像方向それぞれについて、マルチコア光ファイバの側面の強度画像を撮像する撮像手段と、前記撮像手段が撮像した強度画像を処理する処理手段と、を備え、前記撮像手段は、前記複数の撮像方向それぞれについて、前記マルチコア光ファイバを透過した光の撮像位置における位相が互いに異なる２つの強度画像を撮像し、前記処理手段は、前記複数の撮像方向の各撮像方向から撮像した前記２つの強度画像に基づき各撮像方向の位相画像を生成する生成手段と、各撮像方向の前記位相画像のアーベル逆変換を行うことにより、各撮像方向の前記位相画像において前記マルチコア光ファイバの長手方向とは直交する直交方向における前記マルチコア光ファイバの屈折率分布を求める逆変換手段と、各撮像方向について求めた前記マルチコア光ファイバの屈折率分布に基づき前記マルチコア光ファイバのマーカの位置を判定する判定手段と、を備えていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明によると、簡易な構成で光ファイバの屈折率分布を精度良く測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】一実施形態による測定装置の構成図。

【図2】一実施形態による処理装置の構成図。

【図3】測定される屈折率分布の例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。尚、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

【0013】

図１は、本実施形態による測定装置の構成図である。測定装置は、光ファイバ５の屈折率分布を測定する。本実施形態では、光ファイバ５の長手方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交し、かつ、互いに直交する２つの方向を、図１に示す様にＸ方向及びＹ方向（図１のＸ軸及びＹ軸の方向）とする。なお、以下の説明においては、Ｘ＝０及びＹ＝０が、光ファイバ５の断面の中心となるものとする。光ファイバ５は、クラッド内に複数のコア（図１の網掛領域）と、マーカ（図１の黒丸）と、を有する。

【0014】

図１に示す様にＸ軸（Ｙ＝０）上には、光源１１と、レンズ１３と、撮像素子を有する撮像部１２が配置される。なお、光源１１は、光ファイバ５に対して、レンズ１３及び撮像部１２とは逆側に配置される。また、レンズ１３は、撮像部１２と光ファイバ５との間に配置される。なお、図１においては、レンズ１３と撮像部１２とを異なるコンポーネントとしているが、レンズ１３及び撮像部１２は、所謂、カメラとすることができる。図１に示す様に、レンズ１３はＸ方向に移動可能に構成される。光源１１は、光ファイバ５に向けて平行光を射出する。つまり、光ファイバ５は、Ｘ方向の平行光を射出する。光ファイバ５を透過した光は、レンズ１３を介して撮像部１２に入射する。

【0015】

例えば、図１に示す様に、光源１１に平行光を射出させながら、Ｘ軸上の２つの異なる位置にレンズ１３を配置して撮像部１２により強度画像を取得する。この強度画像は、光源１１が射出し、光ファイバ５を透過した後に撮像部１２の撮像素子に入射した光のＹＺ平面における各位置での強度、つまり、輝度を示す画像である。但し、レンズ１３のＸ方向における位置を変えるため、２つの強度画像を撮像する際に撮像素子に入射した光の位相は異なる。つまり、２つの強度画像は、光ファイバを透過した光の撮像位置における位相が互いに異なる状態で撮像されたものである。以下では、レンズ１３を図１の実線で示す位置に配置して撮像した画像を強度画像ＸＡと表記し、Ｘ軸方向においてレンズ１３を図１の実線で示す位置からΔＸだけ離した位置（点線で示す位置）に配置して撮像した画像を強度画像ＸＢと表記する。撮像部１２は、強度画像ＸＡ及びＸＢの画像データを処理装置４に出力する。

【0016】

図２は、処理装置４の機能ブロック図である。補正部４１は、入力される強度画像ＸＡ及びＸＢの補正を行う。光ファイバ５は、光源１１から撮像部１２までの光路上においてレンズとして機能する（レンズ効果）。補正部４１は、光ファイバ５のレンズ効果による強度画像ＸＡ及びＸＢへの影響を抑えるものである。具体的には、光ファイバ５のサイズやクラッドの屈折率に基づき強度画像ＸＡ及びＸＢを補正して、光ファイバ５のレンズ効果を抑えた強度画像ＸＣ及びＸＤを位相画像生成部４２に出力する。位相画像生成部４２は、強度画像ＸＣ及びＸＤと、ΔＸとに基づき、例えば、位相勾配法により位相画像ＸＰを算出し、位相画像ＸＰの画像データをアーベル逆変換部４３に出力する。

【0017】

アーベル逆変換部４３は、まず、位相画像ＸＰの画像データに基づきＹ方向に沿った値列を求める。値列は、位相画像ＸＰのＺ方向のある一点におけるＹ方向に沿った複数の画素の画素値列とすることができる。つまり、値列は、位相画像ＸＰのＹ方向に沿った複数の画素列の内の１つの画素列の画素値列とすることができる。或いは、位相画像ＸＰのＹ方向において同じ位置にある、Ｚ方向に沿った複数の画素の画素値を平均化することで、Ｙ方向に沿った平均値列を求め、これを値列とすることができる。

【0018】

続いて、アーベル逆変換部４３は、Ｙ方向の値列の内、Ｙ≧０に対応する値列のアーベル逆変換を行うことで、Ｙ≧０の屈折率分布Ｙ＋を求める。同様に、アーベル逆変換部４３は、Ｙ方向の値列の内、Ｙ≦０に対応する値列のアーベル逆変換を行うことで、Ｙ≦０の屈折率分布Ｙ－を求める。値列の各値は、対応するＹ方向の位置に到達する、経路の異なる光線の積分値であるため、アーベル逆変換によりＹ方向に沿った屈折率分布を求めることができる。なお、アーベル逆変換は、球対象を前提としているが、光ファイバ５は、マーカの存在により球対象にはならないため、本実施形態では、Ｙ≧０の値列と、Ｙ≦０の値列を個別にアーベル逆変換する。図３は、求められる屈折率分布Ｙ＋及びＹ－を示している。

【0019】

図１に戻り、Ｙ方向においてもＸ方向と同様に、光源２１と、レンズ２３と、撮像部２２が配置される。なお、光源２１は、光ファイバ５に対して、レンズ２３及び撮像部２２とは逆側に配置される。また、レンズ２３は、撮像部２２と光ファイバ５との間に配置される。図１に示す様に、レンズ２３はＹ方向に移動可能に構成される。光源２１は、光ファイバ５に向けて平行光を射出する。つまり、光ファイバ５は、Ｙ方向の平行光を射出する。光ファイバ５を透過した光は、レンズ２３を介して撮像部２２に入射する。例えば、図１に示す様に、光源２１に平行光を射出させながら、Ｙ軸上（Ｘ＝０）の２つの異なる位置にレンズ２３を配置して撮像部２２により強度画像を取得する。以下では、レンズ２３を図１の実線で示す位置に配置して撮像した画像を強度画像ＹＡと表記し、Ｙ軸方向においてレンズ２３を図１の実線で示す位置からΔＹだけ離した位置（点線で示す位置）に配置して撮像した画像を強度画像ＹＢと表記する。撮像部２２は、強度画像ＹＡ及びＹＢの画像データを処理装置４に出力する。

【0020】

処理装置４は、強度画像ＹＡ及びＹＢに対して強度画像ＸＡ及びＸＢと同様の処理を行う。処理内容は、強度画像ＸＡ及びＸＢに対する処理の"Ｘ"を"Ｙ"と読み替えれば良い。したがって、処理装置４は、図３に示す様に、屈折率分布Ｘ＋及びＸ－を出力する。

【0021】

コア及びマーカの屈折率はクラッドとは異なるため、屈折率分布Ｘ＋、Ｘ－、Ｙ＋及びＹ－は、コアやマーカに対応する位置において変動を示す。例えば、図３の参照符号５１及び５２は、マーカによる屈折率の変動を示し、参照符号５１で示すＹ方向の位置、かつ、参照符号５２で示すＸ方向の位置にマーカがあることが分かる。例えば、処理装置４は、図示しない判定部を有し、判定部は、屈折率分布Ｘ＋、Ｘ－、Ｙ＋及びＹ－に基づきマーカの位置を判定することができる。判定部は、マーカの位置の判定結果に基づき光ファイバ５の回転調心を行うことができる。さらに、処理装置４が出力する屈折率分布Ｘ＋、Ｘ－、Ｙ＋及びＹ－により、光ファイバ５の断面内（ＸＹ平面内）の屈折率分布を判定することができる。

【0022】

なお、測定時の光ファイバ５の回転位相によっては、１回の処理でマーカの位置を判定できない場合が生じ得る。この場合、光ファイバ５を所定量だけ回転させて上述した処理を繰り返せば良い。なお、本実施形態では、Ｘ方向とＹ方向の２方向の屈折率分布を求めたが、３つ以上の方向それぞれについての屈折率分布を求める構成とすることができる。例えば、１度ずつ３６０個の方向について屈折率分布を求め、各方向について求めた屈折率分布に対して逆投影法を適用することができる。逆投影法は、様々な方向からの投影に基づき断層画像を求めるものであり、各方向について求めた屈折率分布に対して逆投影法を適用することで、光ファイバ５内部の屈折率分布をより詳細に測定することができる。

【0023】

また、図１では、光源と、レンズと、撮像部のセットを２つ使用したが１セットのみとすることもできる。この場合、ある方向の測定後、光ファイバ５を９０度だけ回転させれば良い。また、本実施形態では、互いに直交する２つの方向の屈折率分布を求めたが、屈折率分布を求める２つの方向が直交しない構成であっても良い。

【0024】

以上、本実施形態の測定装置は、マッチングオイルを使用せず簡易な構成で光ファイバの屈折率分布を測定することができる。さらに、本実施形態の測定装置は、少なくとも２つの強度画像に基づき位相画像を生成し、位相画像に対してアーベル逆変換を行うことで１次元の屈折率分布を求める。そして、少なくとも２つの異なる方向の屈折率分布を求めることで精度良く光ファイバの屈折率分布を測定することができる。この構成により、１つの強度画像と基準強度画像との相関係数に基づきマーカの位置を判定する構成より精度良くマーカ位置を判定することができる。

【0025】

なお、本実施形態の測定装置は、光ファイバの屈折率分布を測定する単体の装置とすることも、ＭＣＦの調心接続器に組み込むこともできる。調心接続器は、測定装置が判定したマーカの位置に基づきＭＣＦを回転させて調心を行う。さらに、本発明によると、各方向それぞれから撮像した少なくとも２つの強度画像に基づき、強度画像を撮像した方向とは直交する方向の屈折率分布を求める処理を行う処理装置４が提供される。本発明による処理装置４は、コンピュータを上記処理装置４として動作させるプログラムにより実現することができる。これらコンピュータプログラムは、コンピュータが読み取り可能な記憶媒体に記憶されて、又は、ネットワーク経由で配布が可能なものである。

【0026】

発明は上記の実施形態に制限されるものではなく、発明の要旨の範囲内で、種々の変形・変更が可能である。

【符号の説明】

【0027】

１３、２３：レンズ、１２、２２：撮像部、４２：位相画像生成部、４３：アーベル逆変換部

【図1】

【図2】

【図3】