特許 7458502 円筒光学物体の屈折率プロファイルを決定するための方法

(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】2024-03-21

(45)【発行日】2024-03-29

(54)【発明の名称】円筒光学物体の屈折率プロファイルを決定するための方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/41 20060101AFI20240322BHJP

【ＦＩ】

G01N21/41 Z

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2022559414

(86)(22)【出願日】2021-03-18

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-05-23

(86)【国際出願番号】 EP2021056922

(87)【国際公開番号】W WO2021197857

(87)【国際公開日】2021-10-07

【審査請求日】2022-09-28

(31)【優先権主張番号】20166718.5

(32)【優先日】2020-03-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】507332918

【氏名又は名称】ヘレーウス クヴァルツグラース ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング ウント コンパニー コマンディートゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】Ｈｅｒａｅｕｓ Ｑｕａｒｚｇｌａｓ ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ． ＫＧ

【住所又は居所原語表記】Ｈｅｒａｅｕｓｓｔｒ．１２－１４， ６３４５０ Ｈａｎａｕ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100206335

【弁理士】

【氏名又は名称】太田 和宏

(74)【代理人】

【識別番号】100120857

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邉 聡

(72)【発明者】

【氏名】シュミット、マクシミリアン

【審査官】井上 徹

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－０９６８９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０４９１６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１１／１２１６９４（ＷＯ，Ａ１）

(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

Ｇ０２Ｂ ６／０２－Ｇ０２Ｂ ６／１０

Ｇ０２Ｂ ６／４４

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

円筒面（２６）及び円筒長手方向軸（２５）を有する光学物体（２２）の屈折率プロファイルを決定するための方法であって、
（ａ）前記円筒長手方向軸（２５）に対して垂直に入射する光ビーム（２１）によって、複数の走査位置（２３）で前記物体（２２）の前記円筒面（２６）を走査するステップと、
（ｂ）光学検出器（７、８）によって、前記光学物体（２２）内で偏向された前記光ビーム（２１）の位置依存ビーム強度分布（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ）を取り込むステップと、
（ｃ）前記強度分布（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ）から各走査位置（２３）に対する０次ビーム（Ｉ_０）の偏向角度を決定するステップであって、前記０次ビーム（Ｉ_０）の偏向角度分布が得られるように、前記強度分布（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ）から高次ビーム（Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３）のビーム強度を排除することを含む、ステップと、
（ｄ）前記偏向角度分布に基づいて、前記物体（２２）の前記屈折率プロファイルを計算するステップと、を含み、
方法ステップ（ａ）及び（ｂ）が各々異なる波長（λ_１、λ_２、λ_３）の光ビームを用いて実行され、第１の波長（λ_１）を有する第１の光ビームの第１の位置依存強度分布（４０ａ）及び第２の波長（λ_２）を有する第２の光ビームの少なくとも１つの更なる第２の位置依存強度分布（４０ｂ）が得られ、高次ビーム（Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３）のビーム強度の前記排除が、同じ走査位置（２３）での前記第１の強度分布（４０ａ）及び前記第２の強度分布（４０ｂ）のビーム強度の比較を含み、
高次ビーム（Ｉ _１ 、Ｉ _２ 、Ｉ _３ ）のビーム強度を排除するために、前記第１の強度分布（４０ａ）及び前記第２の強度分布（４０ｂ）の同じ走査位置での強度は、互いに数学的に処理され、
前記数学的に処理されるとは、同じ走査位置での強度の交点セットの処理、特に、前記第１の強度分布（４０ａ）及び前記第２の強度分布（４０ｂ）の前記同じ走査位置での強度の少なくとも１つの乗算及び／又は少なくとも１つの加算を含み、
高次ビーム（Ｉ _１ 、Ｉ _２ 、Ｉ _３ ）のビーム強度の前記排除は、強度閾値（Ｌ）を下回る前記第１の強度分布（４０ａ）及び／又は前記第２の強度分布（４０ｂ）の強度が完全に又は部分的に排除される手段を含み、
前記強度閾値（Ｌ）は、前記強度分布（Ｉ _λ１ （ｙ）、Ｉ _λ２ （ｙ））の最大強度値の２０％未満の値に設定され、
方法ステップ（ａ）に従って円筒面（２６）を走査するために、異なる発光波長（λ_１、λ_２、λ_３）を有するレーザダイオード（２ａ，２ｂ，２ｃ）がＹファイバ束（３）を介してビーム入力構成要素（４）に接続され、前記ビーム入力構成要素（４）から出射される前記光ビーム（２１）は、放物面鏡（５）によって集光されることを特徴とする、方法。

【請求項2】

前記強度閾値（Ｌ）は、前記強度分布（Ｉ_λ１（ｙ）、Ｉ_λ２（ｙ））の最大強度値の好ましくは１５％未満の値に設定されることを特徴とする、
請求項１に記載の方法。

【請求項3】

高次ビーム（Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３）のビーム強度の前記排除は、コンピュータ支援画像処理を含むことを特徴とする、
請求項１又は請求項２に記載の方法。

【請求項4】

１つの感光性ラインセンサ（８）のみを有するラインスキャンカメラ（７）は、方法ステップ（ｂ）に従って前記強度分布（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ）を取り込むための光学検出器として使用されることを特徴とする、
請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

前記感光性ラインセンサ（８）は、少なくとも４０ｍｍの長さを有し、８ビットのビット深度で動作する単色ラインセンサが使用されることを特徴とする、
請求項４に記載の方法。

【請求項6】

方法ステップ（ａ）及び（ｂ）は、前記第１の波長（λ_１）及び少なくとも１つの前記第２の波長（λ_２、λ_３）の放射を用いて行われることを特徴とし、前記第１の波長（λ_１）及び前記第２の波長（λ_２、λ_３）は、少なくとも５０ｎｍ及び最大４００ｎｍだけ互いに異なる、
請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

方法ステップ（ａ）及び（ｂ）は、前記第１の波長（λ_１）の放射を用いて実行され、続いて前記第２の波長（λ_２、λ_３）の放射を用いて実行されることを特徴とする、
請求項６に記載の方法。

【請求項8】

方法ステップ（ａ）及び（ｂ）は、前記第１の波長（λ_１）、前記第２の波長（λ_２）、及び第３の波長（λ_３）の放射を用いて実行されることを特徴とし、前記第３の波長（λ_３）は、前記第１の波長よりも長くかつ前記第２の波長（λ_２）よりも短く、前記第３の波長（λ_３）は、前記第１の波長（λ_１）及び前記第２の波長（λ_２）と少なくとも５０ｎｍ及び最大４００ｎｍだけ異なる、
請求項１～７に記載の方法。

【請求項9】

前記異なる波長（λ_１、λ_２、λ_３）は、４００～１６００ｎｍの波長範囲にあり、好ましくは１１００ｎｍ未満であることを特徴とする、
請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項10】

前記異なる波長（λ_１、λ_２、λ_３）は、６３５±５０ｎｍ、８４０±５０ｎｍ、９７０±５０ｎｍ、１０４０±５０ｎｍの波長範囲から選択されることを特徴とする、
請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

本発明は、円筒面及び長手方向円筒軸を有する光学物体の屈折率プロファイルを決定するための方法であって、
（ａ）円筒長手方向軸に対して垂直に入射する光ビームによって、複数の走査位置で物体の円筒面を走査するステップと、
（ｂ）光学検出器によって、光学物体内で偏向された光ビームの位置依存強度分布を取り込むステップと、
（ｃ）強度分布（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ）から各走査位置に対する０次ビーム（Ｉ_０）の偏向角度を決定するステップであって、０次ビーム（Ｉ_０）の偏向角度分布が得られるように、強度分布（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ）から高次ビーム（Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３）のビーム強度を排除することを含む、ステップと、
（ｄ）偏向角度分布に基づいて、物体（２２）の屈折率プロファイルを計算するステップと、を含む、方法に関する。

【0002】

そのような円筒光学物体は、例えば、ファイバプリフォーム、光ファイバ、光導波路、又は円筒レンズである。そのような物体の重要な特性の１つは、それらの屈折率及びその空間分布、特に以下で「屈折率プロファイル」とも呼ばれる半径方向屈折率分布である。したがって、例えば、ファイバプリフォームの屈折率プロファイルは、そこから線引きされる光ファイバの導波路特性を決定する。

【0003】

プリフォーム分析器として知られているものは、屈折率プロファイルのデバイス支援分析に使用される。これにより、集束された光ビーム（以下、「光ビーム」とも呼ばれる）は、光ファイバ用のプリフォームなどの測定される光学物体の長手方向円筒軸を横切る物体の断面を通って格子パターンで案内され、物体から出る屈折光ビームの偏向角度は、入射点におけるビーム方向に対して測定される。複数の走査位置における断面のグリッドパターン透過照明は、本明細書では「走査」と呼ばれる。光ビームの走査時に長手方向円筒軸に垂直に測定される異なる偏向角度の群は、「偏向角度分布」と呼ばれる。偏向角度分布の横方向測定データから、照射された体積領域において屈折率プロファイルを再構成することができる。
先行技術

【0004】

偏向角度分布及び関連する入射点から円筒光学プリフォームの半径方向屈折率プロファイルを再構成するためのそのような方法は、欧州特許出願公開第３３１５９４８号明細書から知られている。それにより、測定された偏向角度分布は、例えば、プリフォームのコア又はシェル層の外縁部で生じるような極値の分析及び決定を介して処理される。

【0005】

光学物体の屈折率プロファイルの正確な決定は、顕微鏡スケールでの屈折率変動によって妨げられる。そのような屈折率変動は、気相からの煤粒子の層ごとの堆積を介して合成ガラスの製造において形成される脈理又は層の形態で現れる。層ごとの堆積のための方法は、ＯＶＤ（外部蒸着）、ＭＣＶＤ（改質化学蒸着）、ＰＥＣＶＤ（プラズマ強化化学蒸着）、ＰＯＤ（プラズマ外部堆積）、及びＶＡＤ（蒸着軸方向堆積）の名称で知られている。

【0006】

層は、物体を透過する光ビームが更に回折される光透過性回折格子として作用する。層ピッチが光ビームの波長の大きさの順序内にある場合、光ビームは層と相互作用し、異なる回折次数の追加の多い又は少ない回折光ビームに分割され得る。これらの更なる光ビームの各々は、次に、更なるビーム経路における追加の回折を経験することができ、これは、光学物体からの異なる偏向角度及び出口位置による回折ぼやけにつながる。

【0007】

このビーム回折の結果として、各出力光ビームについて複雑な偏向パターンが得られ、このパターンは、屈折するのみで追加的に回折されない一次ビーム（０次ビーム）と、回折によって回折される高次ビームとを含む。これにより、回折されていないビームの偏向角度に対する回折されたビームの偏向角度を小さくすることができ、その結果、それぞれの出口位置は互いに近接しているか、又は重なり合う。ビーム回折効果が偏向角度分布を支配する場合、より高い回折モードの強度は、一次回折モードの強度を超えることさえあり得る。該当する場合、不可能ではないにしても、偏向角度分布から屈折率プロファイルを再構成することは困難であり、層が物体の分析を損なう程度は、層のピッチ及び振幅に依存する。

【0008】

測定波長を長くすると、ビーム回折効果が低下する場合がある。このため、米国特許第５，３９６，３２３号明細書には、測定波長が例えば３３９５ｎｍと長い、すなわち赤外スペクトル領域の光ビームを用いて、偏向角度分布を測定する屈折率プロファイル分析技術が提案されている。

【0009】

米国特許出願公開第２０１６／１２３８７３号明細書から、前述のタイプによる円筒ガラス本体の屈折率プロファイルを測定する方法が知られている。目的は、大きな脈理を有するガラス本体を測定することである。この目的のために、ガラス本体の円筒面は、照射されたギャップから生じるコリメートされた光ビームを使用して複数の走査位置で走査され、照射されたギャップは、ガラス本体の背後の撮像面上にそれぞれ集束される。照射されたギャップの画像は、少なくとも１つの検出器によって取り込まれ、０次光ビームが走査位置から始まって圧縮されたガラス本体を通過した後に入射するそれらの出口位置が識別される。

【0010】

撮像面内では、ガラス本体を出る全ての光ビームは最小である。撮像面内で照射されたギャップの画像を取り込むことにより、０次ビームを回折された高次ビームからより容易に区別することができる。

【0011】

０次ビームの偏向角及び０次光ビームの補正された偏向角度分布は、走査位置及び出口位置のデータ対から決定される。Ａｂｅｌ変換によって、ガラス本体の屈折率プロファイルは、補正された偏向角度分布から再構成される。
技術的目的

【0012】

既知の測定方法を考慮すると、カメラによって取り込まれた高次ビームの強度が排除される。この排除は、各走査位置について、測定されるべきガラス本体を通る０次ビームのビーム経路の予測を含む。この予測は、円筒面上の入射光ビームの走査位置、及び０次ビームが光学検出器に入射すると予想される位置に基づく。これに基づいて、検出器によって検出された回折高次ビームの分析データは拒絶される。

【0013】

０次光ビームの出口位置を識別するために、２つのカメラが使用され、このカメラは、ビームスプリッタによってギャップの画像を同時に取り込むことができる。カメラの物体面の位置は、一方の物体面が照明されたギャップの撮像面の前にあり、他方の物体面が照明されたギャップの撮像面の後にあるように個別に設定される。しかしながら、カメラの物体面のいずれも正確に撮像面内に位置していないため、カメラは、少なくともわずかに歪んだギャップの画像を取り込む。

【0014】

０次ビームのおおよその入射点を事前に決定するために、事前走査が実行される。これにより、同様のサイズ及び同様の屈折率プロファイルを有する基準プリフォームが測定される。事前走査で見つかった０次ビーム中心軸の位置は、カメラ記録窓の中心位置を調整するために使用され、０次ビームの中心は、データが分析される記録窓のほぼ中心にあることが保証される。事前走査の代替案は、ガラス本体及び偏向角度関数の一般的な形状に関する既存の知識を使用して、０次ビームの予想される位置を決定することである。

【0015】

例えば、レーザダイオードがビーム源として用いられる。放射線の測定波長は、可視波長範囲又は近赤外線（ＮＩＲ）又は中赤外線（ＭＩＲ）である。ＮＩＲ放射と比較して、例えば３．３９μｍのＭＩＲ放射が使用される場合、高次ビームの回折角度が増大し、その結果、０次ビームの強度信号は、回折された高次ビームの強度信号からより大きな間隔を得、したがって、隣接する信号は、カメラによってより容易に分解される。一方、ＭＩＲ放射を取り込むための熱検出器の信号対雑音比は、原則として、ＮＩＲ検出器及び可視光のための検出器の信号対雑音比よりも悪い。最後に、測定されるべきガラス本体内の周期層が例えば１４．１μｍの比較的大きい間隔を有する場合、ＭＩＲ放射の使用が推奨され、測定されるべきガラス本体内の周期層が例えば６．７μｍの比較的小さいピッチを有する場合、ＮＩＲ放射の使用が推奨される。

【0016】

ビーム経路の予測及び測定波長の適切な選択のために、既知の測定方法は、測定されるガラス本体又はその製造に関する背景知識を必要とする。

【0017】

２つのカメラを使用した０次光ビームの出口位置の識別は構造的に複雑であり、取り込まれたデータを調整及び処理するために高い費用を必要とする。

【0018】

したがって、本発明は、周期層に悩まされている円筒形の透明な物体の屈折率プロファイルを決定するための方法を特定する目的に基づいており、当該方法は、物体及びその製造に関する事前情報なしで、又はわずかな事前情報で行う。

【0019】

更に、本発明の目的は、０次ビームを識別し、高次ビームから信号を排除することを含む、最適に構造的に単純であるように偏向角度分布の決定を設計することである。

【発明の概要】

【0020】

前述の種類の方法から進んで、この目的は、本発明によれば、方法ステップ（ａ）及び（ｂ）が各々異なる波長の光ビームを用いて実行され、第１の波長を有する第１の光ビームの第１の位置依存強度分布及び第２の波長を有する第２の光ビームの少なくとも１つの更なる第２の位置依存強度分布が得られ、高次ビームのビーム強度の排除が、同じ走査位置での第１の強度分布及び第２の強度分布の強度の比較を含むことによって、達成される。

【0021】

高次ビームのビーム強度の排除は、強度プロファイルが不明瞭である強度分布の位置で特に重要である。これは、例えば、屈折率の遷移又はジャンプの領域内の光学プリフォームの場合、及び製造関連層形成の場合、規則的である。ここで、偏向角度分布は、顕著なパターンを示すことができ、関連する光強度は、ファンアウト分布を示すことができる。

【0022】

ファンアウトを低減し、理想的にはこれを排除するために、本発明による方法では、測定される光学物体は、異なる波長の少なくとも２つの光ビームで同時に又は好ましくは連続的に走査される。ここで、第１の波長λ_１を有する第１の偏向光ビームの第１の位置依存強度分布と、第２の波長λ_２を有する第２の偏向光ビームの少なくとも１つの更なる第２の強度分布とが得られる。２つの強度分布は、特に高次ビームの強度最大値の位置が互いに異なるが、０次ビームの強度最大値は強度分布において実質的に同じである。この理由は、上述したビーム回折効果の波長依存性である。微小な屈折率変動における回折は、第１の測定波長では第２の測定波長とは異なり、これに対して、物体内の光ビームの屈折は波長に実質的に依存しない。第１及び第２の光ビームの（プリフォームに対して）同じ半径位置で測定されたビーム強度を比較することにより、互いに対するそれらの変位に基づいて高次ビームの強度をそのようなものとして識別し、排除することができる。逆もまた同様であり、第１及び第２の光ビームの（プリフォームに対して）同じ半径位置で測定されたビーム強度を比較することによって、それらが互いに対して変位を有さないという点で０次ビームの強度を識別することができる。

【0023】

測定されるべき光学物体の内部構造に関する事前情報、特に層の周期性又はビーム経路の予測に関する知識及び複雑な光線追跡方法は、高次ビームのビーム強度を識別及び排除するために必要とされない。

【0024】

好ましい手順では、高次ビームのビーム強度を排除するために、第１及び第２の強度分布の同じ位置の強度値が互いに数学的に処理される。

【0025】

（同じ走査位置で測定された強度値である）同じ位置の強度値の数学的処理は、例えば、光学画像処理の一部である。それは、高次ビームのビーム強度をマスクすることを目的とした１つ以上の数学的演算を含む。数学的処理は、好ましくは、同じ位置強度の交点セットの処理、特に、第１及び第２（場合によっては更なる）の強度分布の同じ位置強度の少なくとも１つの乗算及び／又は少なくとも１つの加算を含む。したがって、乗算によって、同じ位置の強度値の積は、本質的に交点セットの積であり、これは、少なくとも１つの要因が非常に小さい場合に非常に小さくなり得る。それらを加算すると、同じ位置の強度値の合計、すなわち本質的に和集合が得られ、両方の被加数が小さいか、又は被加数の少なくとも１つが小さい場合にも同様に比較的小さくすることができる。

【0026】

数学的処理の結果は、同じ位置のビーム強度において注目すべき相対変位を伴う領域において比較的小さい強度値を有し、変位を伴わないか、又は最大でもわずかな変位を伴う領域において、すなわち、０次ビームの局所的に安定した偏向角度の領域において高い強度値を有する調製された強度分布である。

【0027】

０次ビームの検出精度を更に改善するために、高次ビームのビーム強度の排除は、強度閾値を下回る第１の強度、少なくとも１つの更なる強度、第２の強度、及び／又は準備された強度分布の強度が完全に又は部分的に排除される手段を含むことができる。

【0028】

準備された強度分布は、例えば、第１及び第２の強度分布の同じ位置強度を上述のように数学的演算にかけることによって得られる。低レベルの強度信号は、強度閾値フィルタを介して数学的に抑制又は除去される。好ましくは、閾値を下回る全ての強度値は、０次ビームの偏向角度が決定される前に破棄される。

【0029】

それにより、強度閾値は、好ましくは、光強度プロファイルの最大強度値の２０％未満、好ましくは１５％未満の値に設定される。

【0030】

例えば最大値の２０％を超える高い固定閾値が与えられると、重要な情報が失われる可能性がある。したがって、原則として、一定の閾値は必要に応じて高く選択されればよい。

【0031】

高次ビームのビーム強度を排除するための同じ走査位置における第１及び第２の強度分布の強度の比較は、好ましくはコンピュータ支援画像処理を含む。

【0032】

特に好ましい方法変形例では、１つの感光性ラインセンサのみを有するラインスキャンカメラは、方法ステップ（ｂ）に従ってビーム強度分布を取り込むための光学検出器として使用される。

【0033】

エリアセンサと比較して、同じ解像度を有するラインセンサによって生成されたデータセットは著しく小さく、より迅速に読み出されて処理することができる。

【0034】

ラインセンサは、好適には、単一の走査プロセスにおいて物体の偏向角度分布全体を取り込むのに十分な長さを有する。少なくとも４０ｍｍ、好ましくは少なくとも６０ｍｍの長さを有するラインセンサは、この目的のために成功したことが証明されている。

【0035】

センサラインが長いほど、撮像することができる偏向角度が大きくなり、すなわち、取り込むことができる屈折率プロファイルにおける屈折率ジャンプが大きくなる。ラインセンサへのマッピングの低減は、解像度の低減を犠牲にしても、ラインスキャンカメラの前方のレンズによっても実現することができるため、約８０ｍｍを超える長さを有するラインセンサは、一般に必要とされない。

【0036】

処理されるデータセットは、色解像度が省かれ、ここで好ましい方法が与えられると、単色ラインセンサが使用される場合、特に小さく保たれる。

【0037】

ラインセンサが８ビットのビット深度などの低い色深度で動作する場合、処理されるデータセットは更に削減される。低データ量の場合、８ビット深度は、本出願に十分な２５６個の輝度値の解像度を可能にする。

【0038】

原則として、光学物体の表面を走査するために集束光ビームが使用される。焦点合わせは、典型的には凸レンズによって行われる。しかしながら、それによって焦点位置は、測定放射の波長に依存する。この方法では異なる測定波長が使用されるため、一定の焦点位置を達成するために、凸レンズの手段によって補償測定を行う必要がある。代替的に、及び好ましくは、方法ステップ（ａ）に従って円筒面を走査するために、光ビームは放物面鏡によって集束される。

【0039】

放物面鏡、特に好ましくは、軸外放物面鏡として知られているものは、異なる波長の光ビームの分散に依存しない集束を可能にする。

【0040】

好ましい手順では、方法ステップ（ａ）及び（ｂ）は、第１の波長及び少なくとも１つの第２の波長の放射を用いて行われること特徴とし、第１の波長及び第２の波長は、少なくとも５０ｎｍ及び最大４００ｎｍ、好ましくは少なくとも８０ｎｍ及び最大３００ｎｍだけ互いに異なる。

【0041】

別の好ましい方法の変形例では、方法ステップ（ａ）及び（ｂ）は、第１の波長、第２の波長、及び第３の波長の放射を用いて実行されることを特徴とし、第３の波長は、第１よりも長くかつ第２の波長よりも短く、第３の波長は、第１の波長及び第２の波長と少なくとも５０ｎｍ及び最大４００ｎｍ、好ましくは少なくとも８０ｎｍ及び最大３００ｎｍだけ異なる。

【0042】

３つの異なる波長の使用を考慮すると、実際の利点は、カラー画像が従来通りに保存され、特に３つの色チャネルで処理されることである。したがって、画像処理の従来の方法を適用して、強度信号を評価することができる。

【0043】

隣接する波長の波長差が大きいほど、同じより高い順序のビームの偏向角度、又はビーム強度の相対変位がより顕著になる。一方、１つ及び同じ検出器を両方のために、又は全ての測定波長に対して使用することができる場合、最も単純には比較的小さな波長差によって、技術的に実現することができる場合に有利である。

【0044】

方法ステップ（ａ）及び（ｂ）は、好ましくは、第１の波長の放射と連続して、続いて第２の更なる波長の放射と連続して実行される。

【0045】

したがって、用語「第１」及び「第２」波長は、どの波長が短いか長いかに関して何も意味しない。連続処理は、連続的な数学的計算による強度データの評価を容易にする。

【0046】

異なる波長が４００～１６００ｎｍ、好ましくは１１００ｎｍ未満の波長範囲にある手順が成功したことが証明されている。

【0047】

最大１６００ｎｍ、好ましくは最大１１００ｎｍまでの可視波長範囲及び近赤外範囲の測定波長については、十分に良好な信号対雑音比結果ならびに光源及び検出器が利用可能である。定義により、近赤外波長範囲は約７８０ｎｍで始まる。

【0048】

一方では、同じ高次、例えばそれぞれの一次の偏向角度又は関連するビーム強度の相対変位、したがって対応するビーム強度の分割が見えるように、隣接する測定波長間の最小距離が必要である。しかしながら、１つの測定波長の高次の偏向角度が他の測定波長の別の高次の偏向角度とほぼ一致する場合、特定の測定波長への偏向角度又は関連するビーム強度の割り当てが妨げられる可能性がある。そのような「近似一致」は、例えば、問題の測定波長がほぼ同じ最小の共通倍数を有する場合に生じ得る。４０ｎｍ未満の波長差を「ほぼ等しい」とする。測定波長の少なくとも１つが検出器の分光感度の上限に近い波長範囲から選択される場合、異なる高次（最大３次まで）の回折ビームのそのような「近似一致」のリスクが低減される。このような条件は、可視波長範囲及び近赤外範囲の測定波長について、最大１６００ｎｍ、好ましくは最大１１００ｎｍまで、規則的に満たされ、この波長範囲における検出器の分光感度が与えられる。好ましい例示的な実施形態では、異なる波長は、６３５±５０ｎｍ、８４０±５０ｎｍ、９７０±５０ｎｍ、１０４０±５０ｎｍ、及び１５５０±５０ｎｍの波長範囲から選択される。

【0049】

物体の円筒面の走査中にビームが光学物体内の点に集束されると有利であることも判明している。円筒物体の体積内の点、例えば円筒長手方向軸に焦点を合わせる場合、屈折率ジャンプの形態の鋭い遷移は、体積の外側に焦点を合わせる場合よりも良好に画像化及び評価され得る。
定義

【0050】

上記の説明の個々の方法ステップ及び用語は、以下で更に定義される。定義は、本発明の説明の一部を形成する。本明細書で表されるものは、以下の定義のうちの１つと残りの説明との間で事実上矛盾した場合に決定的である。

【0051】

光ビーム
走査中に測定物体の円筒面に入射する光ビームは、例えばレーザ光などの光の変位から生じる。

【0052】

偏向角度分布Ψ（ｙ）
偏向角度は、測定されるべき物体を出る出射ビームと測定されるべき光学物体に入る入射ビームとの間の角度として定義される。光ビームの円筒長手方向軸に垂直な（ｙ方向の）シフトの結果として物体の走査中に測定される偏向角度のグループは、「偏向角度分布Ψ（ｙ）」をもたらす。

【0053】

ビーム強度分布
偏向角度分布は、測定される光学物体の走査中に光学検出器が取り込むビーム強度の局所分布として表すことができる。この点において、走査中に測定されたビーム強度分布は、偏向角度分布を表す。ビーム強度分布は、回折効果及び１つ以上の領域における回折高次ビームの形成の結果としてファンアウトされ得る。

【0054】

このファンアウトは、プリフォームの特定の半径方向位置に割り当てられるべきであり、１つの同じ測定位置にある検出器がその光学センサの複数の点でビーム強度を同時に取り込むときに生じる。
実施例

【図面の簡単な説明】

【0055】

以下の実施例を参照して本発明をより詳細に説明する。図面は以下で詳細を示す。

【図1】偏向角度分布を測定するための測定システムの一実施形態の概略図である。

【図2】測定の実施を説明するための図である。

【図3】３つの異なる測定波長について、ＯＶＤプロセスによって製造されたコア及びシェルを有するプリフォーム上で測定されたビーム強度分布を示す図である。

【図4】図３のビーム強度分布の詳細を拡大して示す図である。

【図5】回折放射の一部を排除する目的で元の光プロファイルの計算処理（（ｃ）及び（ｄ））のために、１つの同じ測定位置（（ａ）及び（ｂ））でラインスキャンカメラの画素を励起することによって得られる元の光プロファイルを有する図である。

【図6】生データ内の破壊的な高次回折が識別され排除される、従来技術による方法及び本発明による方法による評価が与えられた、決定された屈折率分布の比較を示す図である。

【0056】

この方法は、光ファイバを線引きするためのＯＶＤ法によって製造された光学プリフォームの例示的な実施形態において、円筒光学物体の屈折率プロファイルを決定するのに役立ち、光プリフォームは、その体積の部分領域にわたって顕著な層構造を有する。

【0057】

プリフォームの断面は、光ビームによってグリッドパターンで透過照明（走査）され、偏向角度は、プリフォームの円筒シェル表面上の光ビームのそれぞれの入射点及び光学センサ上の光ビームの入射点から計算することができる。走査の光ビームの偏向角度群は、偏向角度分布を形成し、そこからプリフォームの屈折率プロファイルが再構成される。

【0058】

偏向角度分布は、Ｙｏｒｋ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｔｄ．製の構造的に修正された市販のプリフォーム分析器Ｐ－１０６によって測定される。図１は、光学構造を概略的に示す。分析器は、測定されるプリフォームの断面を受け入れるための円筒形の測定セル１と、プリフォームを取り囲む浸漬液とを有する。工場に設置されている光源は、それぞれ特定の発光波長が８４２ｎｍ（２ａ）、９７７ｎｍ（２ｂ）、１０８０ｎｍ（２ｃ）の３つのレーザダイオード２ａ、２ｂ、２ｃに置き換えられている。これらの測定波長は、ラインスキャンカメラ７の分光感度の範囲内で、異なる高次の回折されたビームの「近似一致」が除外されるように選択される。

【0059】

異なる発光波長を有するレーザダイオード２ａ、２ｂ、２ｃは、２つのＹファイバ束３を介してビーム入力構成要素４に接続され、ビーム入力構成要素４は、ビーム調整光学系５と共に構造ユニットを形成する。ビーム調整光学系は、実質的に、同じ焦点上の異なる波長の測定ビームの分散に依存しない集束に役立つ。これは、軸外放物面鏡５として知られているもののうちの２つから実質的になり、光ビームのビーム焦点が測定セル１のｙ－ｚ平面内及び長手方向円筒軸内に位置するように構成される。プリフォームを出る光ビームは、ラインセンサ８を有するラインスキャンカメラ７に当たる。ラインセンサ８の延伸方向は、デカルト座標十字によって示されるように、ｙ方向である。ラインスキャンカメラ７の中心は、理想的には光軸１３上に位置する。これにより、偏向角度分布の最大可能偏向角度も依然として完全に分解することができることが達成される。

【0060】

ラインスキャンカメラ７は、Ｔｅｌｅｄｙｎｅ ｅ２ＶからＵＮＩＩＱＡ＋１６Ｋ ＣＬ ＭＯＮＯＣＨＲＯＭＥの名称で市販されている、単色センサを備えたＣＭＯＳラインスキャンカメラである。センサ長８２ｍｍ、画素サイズ５μｍの水平解像度１６３８４画素、色深度（輝度解像度）１２ビットであるが、８ビットのみ使用する。ラインスキャンカメラは、４００ｎｍ～約１１００ｎｍの波長範囲において十分な分光感度を有する。

【0061】

ｙ方向に偏向された光ビームは、ラインスキャンカメラ７のラインセンサ８によって検出され、この目的のために処理される必要なデータセットは、８２ｍｍのセンサ長でその大部分にもかかわらず（エリアスキャンカメラを使用する場合よりも約１０００秒小さい）管理可能に小さいままである。このセンサ長の結果として、分解されるべきプリフォームの比較的大きな屈折率ジャンプが与えられたとしても、測定セル１の背後の可能な光学系を省くことができる。ラインスキャンカメラ７は、評価対象の測定データの範囲を必要最小限に抑えることで、性能結果を大幅に向上させる。評価は、図３～図６を使用して以下により詳細に説明される。

【0062】

測定セル１の位置は、光軸１３に対して変更可能である。この目的のために、測定セル１は、変位テーブル９に取り付けられ、これによって、指向性矢印１０によって示される方向（ｙ方向）に光軸１３に対して垂直に変位され得る。変位テーブル９及びラインスキャンカメラ７は、データ線１２を介してコンピュータ１１に接続されている。

【0063】

図２は、上部走査位置（ａ）及び下部走査位置（ｂ）において、プリフォーム２２が測定セル１（図１）に挿入された状態の光ビーム２１のビーム経路を概略的に示す。ビーム入力部品４に入射する光ビーム２１は、円筒面２６に衝突し、入射位置２３でプリフォーム中心軸２５の方向にプリフォーム２２内に屈折する。出口位置２４で出射すると、光ビーム２１は再び屈折し、ラインスキャンカメラ７のラインセンサ８に到達する。この場合、ラインセンサ８の感光性画素は、中心線Ｍ（図２ｂ）から距離ｓにある走査位置２３などの１つの同じ走査位置２３で単一のビーム強度を取り込み、１つの画素又はいくつかの隣接画素が励起されている。又は、それらは、ラインセンサ８の異なる点で複数のビーム強度を取り込み、互いに離間した複数の画素が励起されている。後者は、例えば、０次光モードとは別に、１つ以上の高次を更に運ぶ光ビームの場合に行われる。励起された画素は、偏向光ビーム１４のビーム強度を示し、ビーム強度はラインセンサ８の長さにわたって分布し、以下では「発光画素プロファイル」とも呼ばれる。ラインセンサ８及び発光画素プロファイルは、（図２の座標系において）ｙ方向に延びる。発光画素プロファイルに関する以下の説明では、「ｙ_{ｐｉｘｅｌ}」という名称がその延伸方向にも使用される。

【0064】

光軸１３に垂直なプリフォーム２２の格子パターンシフトによって、光ビームの入射点は、その断面積が完全に透過照明されるまでプリフォーム２２に沿ってシフトする。各シフト位置において、ラインスキャンカメラ７のラインセンサ８は、それぞれの場合に偏向された回折されていない０次ビームならびに偏向され回折された高次ビームによって形成される新しい発光画素プロファイルを取り込む。プリフォーム２２は、同様に、（図２の座標系において）ｙ方向にシフトされる。伸長方向「ｙ_{ｐｉｘｅｌ}」と区別するために、シフト方向は「ｙ_{ｓｈｉｆｔ}」とも呼ばれる。

【0065】

一般に、偏向角度分布Ψ（ｙ）は、発光画素プロファイルを方向ｙ_{ｐｉｘｅｌ}の一方の軸にプロットし、シフト位置をｙ_{ｓｈｉｆｔ}に沿った他方の軸にプロットした二次元強度分布図に示される。プリフォーム２２全体の一次元偏向角度分布Ψ（ｙ）を表す二次元ビーム強度分布は、ｙ_{ｓｈｉｆｔ}に沿って全ての取り込まれた発光画素プロファイルを連結することによってこの表現をもたらす。

【0066】

例えば、図３は、これらの図のうちの３つを示す。ビーム強度分布４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、０次ビームの強度信号と高次ビームの強度信号の両方を含む偏向角度分布である。

【0067】

これらのビーム強度分布は、０次ビームの強度プロファイルを特定し、この目的のために高次ビームに起因する信号を排除する目的で評価される。この目的のために、同じプリフォーム断面が、全てのレーザダイオード２ａ、２ｂ、２ｃの光ビーム及びそれらの特定の異なる発光波長で連続的に走査される。これにより、ラインスキャンカメラ８によって記録され、コンピュータ１１によって記憶された３つの元のビーム強度分布が得られる。

【0068】

図３の３つの偏向角度分布は、いずれの場合も、上述の測定波長（ダイオード２ａ、２ｂ、２ｃ）のうちの１つについて、ラインスキャンカメラ７によって取り込まれたビーム強度分布４０ａ、４０ｂ、４０ｃを示す。ビーム強度分布４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、一般に、単一の共通記録に含まれる。ただし、説明のために、ここでは色チャネルごとに個別の記録が示されている。二次元ビーム強度分布４０ａ、４０ｂ、４０ｃは各々、水平方向に８０００画素（ｙ_{ｐｉｘｅｌ}）及び垂直方向に１２０００画素（ｙ_{ｓｈｉｆｔ}）を含む。それらは同時に偏向角度分布Ψ（ｙ）を形成する。偏向角度分布Ψ（ｙ）の各々は、いずれの場合も測定セル材料４１又は浸漬油４２に割り当てられる縁部領域を示す。プリフォーム２２の中心コア領域４３は、ドープされていない石英ガラスからなり、フッ素がドープされた石英ガラスからなるシェル４４によって囲まれている。プリフォーム２２の半径は、ブロック矢印「ｒ」によって示されている。「ｒ」セクション内で、各偏向角度又は各ビーム強度値は、プリフォーム表面上の光ビームの特定の入射点及び測定されたプリフォームの特定の半径方向位置に割り当てられるべきである。

【0069】

シェル４４の領域において、ビーム強度分布４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、フレームによってマークされた領域４４ａ、４４ｂ、４４ｃを示し、この領域は、方向ｙ_{ｐｉｘｅｌ}に著しく構造化され、広くファンアウトされた光強度分布を有し、この領域における偏向角度分布の明確で固有の識別を可能にしない。シェル領域内の光強度分布のファンアウトは、プリフォーム２２の層構造におけるそれぞれの光ビーム２１の回折から生じる。ラインセンサ８によってこれらの領域で取り込まれた「発光画素プロファイル」は、単一のビーム強度（例えば、コア領域４３の場合のように、）を示すだけでなく、互いに離間した複数のビーム強度を示す。これは、図４及び図５を参照して以下により詳細に説明される。

【0070】

図４に示される領域４４ａ、４４ｂ、４４ｃの拡大は、シェル領域４４に割り当てられるべき、約２５００～６０００のｙ_{ｐｉｘｅｌ}範囲及び８０００～８５００のｙ_{ｓｈｉｆｔ}数範囲を含む。各場合の記録は、それぞれの測定波長で０次ビーム及び回折高次ビームに割り当てられる複数の光強度線Ｌ_０、Ｌ_１、Ｌ_２を示す。より詳細に検査すると、光強度線Ｌ_０、Ｌ_１、Ｌ_２の間の距離は、領域４４ａ、ビア４４ｂから領域４４ｃまで増加することが分かる。これにより、そのような間隔の波長依存性、又は高次ビームの偏向角度分布の位置の波長依存性がそれぞれ証明される。これとは対照的に、０次ビームの位置は、１つの同じ位置で測定波長とは無関係に見出されるべきである。例示的な実施形態では、これは光強度線Ｌ_０であり、これは全ての記録において約３６００の垂直画素数範囲にある。ここで、光強度線Ｌ_０が現れる回折次数の中央にないことが注目に値する。この原因は、ビームが回折される光学格子（すなわち、プリフォームのストライプ構造又は層構造）が理想的ではなく、むしろ湾曲して非周期的であることである。領域４４ａにおいて、水平補助線４５ａが半径位置ｒ－ｓ（画素番号８３００、ここで、ｒ＝プリフォーム半径、ｓ＝走査位置２３とプリフォーム中心線Ｍとの間の距離）において線引きされ、更なる水平補助線４５ｂ及び４５ｃが、同じ半径位置ｒ－ｓ（画素番号８３００）において、それぞれ領域４４ｂ及び４４ｃを通って引き込まれる。補助線４５ａ、４５ｂ、４５ｃは、方向ｙ_{ｐｉｘｅｌ}に延び、各々が複数の光強度線Ｌ_０、Ｌ_１、Ｌ_２と交差する。補助線４５ａ、４５ｂ、４５ｃに沿って測定可能な光強度プロファイルは、本明細書では「発光画素プロファイル」と呼ばれる。

【0071】

０次ビームの偏向角度分布Ψ（ｙ）の位置独立性、より正確には光強度線Ｌ_０の位置独立性は、以下に説明するように、他の光強度線Ｌ_１及びＬ_２（及び他の任意のもの）の識別、マスキング、及び排除を可能にする。図５（ａ）、図５（ｂ）の図は、いずれの場合も特定の測定波長（λ_１、λ２）に対する発光画素プロファイル（Ι（λ１）、Ι（λ_２））を概略的に示す。積分光強度Ｉ（相対単位）は、位置座標Ｐに対してプロットされ、位置座標Ｐは、方向ｙ_{ｐｉｘｅｌ}におけるラインセンサの画素シーケンスを表す。発光画素プロファイルΙ（λ_１）は、例えば、補助線４５ａ（図４）に沿って測定することができ、発光画素プロファイルΙ（λ_２）は、例えば、補助線４５ｂに沿って測定することができた。２つの発光画素プロファイル（Ι（λ_１）、Ι（λ_２））は、ラインセンサ８の同じ半径方向位置ｓ（図２ｂ）に形成され、この点で「同じ場所」のビーム強度分布に属する。それらは、回折された高次ビームに対する強度信号Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３の位置が互いに実質的に異なる。回折された高次ビームの強度最大の位置Ｐ１～Ｐ５は互いに対して変位しているが、実施例では位置Ｐ３において、屈折した０次ビームのみの強度信号Ｉ_０は強度分布において実質的に同じ位置にある。

【0072】

図５（ｃ）は、数学的演算を受けている第１の発光画素プロファイルΙ（λ_１）及び第２の発光画素プロファイルΙ（λ_２）の同じ位置の強度値によって得られる、準備された発光画素プロファイル（Ι（λ_１）×Ι（λ_２））を概略的に示す。後者は、第１及び第２の発光画素プロファイル（Ι（λ_１）、Ι（λ_２））の同じ位置の強度値の乗算を含む。乗算の結果、同じ位置の強度値の交点セットの積が得られ、これは例示的な実施形態では、既に元々比較的高い強度信号Ｉ_０の２つに対して特に高く、強度信号Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３に対して比較的小さい。第１の数学的処理ステップの後に得られた調製された発光画素プロファイル（Ι（λ_１）×Ι（λ_２））は、偏向角度においてかなりの相対変位を有する領域において比較的小さい強度値を有し、変位がないか又はほとんどない領域、すなわち、０次ビームの空間的に安定した偏向角度の領域において比較的高い強度値を有する。

【0073】

０次ビームの検出精度を更に改善するために、調製された発光画素プロファイル（Ι（λ_１）×Ι（λ_２））は、第２の数学的処理ステップにおいて、強度閾値フィルタにかけられ、強度閾値フィルタでは、調製された発光画素プロファイル（λ_１（Ｐ）、λ_２（Ｐ））の最大値の１０％で定義されるレベルＬ未満の強度信号が計算的に除去される。

【0074】

図５（ｄ）は、この数学的演算が実行された後の発光画素プロファイル（Ι（λ_１）×Ι（λ_２）＋Ｌ）を概略的に示す。ゼロ次ビームの偏向角度の位置が決定及び定義される基準となる単一のピークのみが残っている。この準備後に得られた発光画素プロファイル（Ι（λ_１）×Ι（λ_２）＋Ｌ）において、光ビーム２１の回折に起因してプリフォーム２２の層構造上に広く広げられた最初に測定された発光画素プロファイルは、半径方向測定位置ｓにおけるゼロ次ビームの偏向角度のみを反映する明確で固有の信号によって置き換えられる。

【0075】

全ての半径方向位置又はこの準備が必要とされる半径方向位置におけるビーム強度分布４０ａ、４０ｂ、４０ｃの対応する処理の後、準備されたビーム強度分布又は偏向角度分布Ψが、０次ビームの固有の強度プロファイルで得られる。プリフォームの半径方向屈折率プロファイルは、既知の逆Ａｂｅｌ変換を使用してそこから決定される。この例が図６の図に示されており、屈折率ｎ（ドープされていない石英ガラスと比較して、相対単位で）が半径位置Ｐ（ｍｍ）に対してプロットされている。測定されたプリフォームは、コア領域５０、内側シェル領域５１、及び外側シェル領域５２を含み、シェル領域はそれらの屈折率が異なる。図は、２つの曲線を含む。曲線Ａは、従来技術を使用して決定された屈折率プロファイルを示し、曲線Ｂは、本発明を使用して決定されたＡ屈折率プロファイルを示す。これにより、プリフォームを８４２ｎｍ、９７７ｎｍ及び１０８０ｎｍの測定波長で走査し、その後に得られた強度分布を、上記の第１の数学的処理ステップ（同じ位置の強度値の乗算）及び第２の数学的処理ステップ（最大強度の１０％の強度閾値フィルタ）を用いて修正した。曲線Ｂに反映され、請求項１の方法ステップ（ｄ）の後に得られるプリフォームの屈折率プロファイルは、従来の方法、例えば欧州特許出願公開第３３１５９４８号明細書に記載されている方法を使用して屈折率分布を更に調製するための良好な基礎を提供する。この方法では、屈折率プロファイルは、プリフォームの層半径の配向値又は層の屈折率の配向値などの配向値を定義するのに役立つ。対照的に、曲線Ａの屈折率プロファイルでは、内側シェル領域５１及びコア領域５０の屈折率は低すぎ、ステップ指数プロファイルは明確には顕著ではない。歪みが発生し、基礎となる数学のためにコアレベルを変位及び変形させることもできることが分かる。

【0076】

非半径方向に対称な屈折率分布の場合、測定された偏向角度分布からの変換は、逆Ａｂｅｌ変換によってではなく、逆ラドン変換として知られるものによって行われることが有利である。これにより、偏向角度分布の処理は、例を使用して上述したように行われる。しかしながら、プリフォームがその長手方向軸を中心に回転されるという点で、複数の偏向角度分布が決定される。それぞれの偏向角度分布は組み合わされ、サイノグラムとして知られる位相差図に変換される。後者への逆ラドン変換の適用は、２Ｄ屈折率分布をもたらす。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】