JP2008096443A - 光ファイバープローブ、及び光ファイバープローブを製造するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機械式の受容部を備えた、干渉計式の測定装置のための光ファイバープローブで、前記受容部内に光ファイバーがガイドされており、ファイバー末端部が設けられていて、該ファイバー末端部は前記機械式の受容部を越えて突き出ていて、ファイバー内でガイドされた光線を部分反射するための、ファイバー内に配置された反射ゾーンを備えている形式のものを改良して、高い測定精度で、小さい直径及び大きい深さを有する中空室の干渉計式の検査を可能とするような光ファイバープローブを提供する。
【解決手段】前記反射ゾーンがファイバー末端部内に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、機械式の受容部を備えた、干渉計式の測定装置のための光ファイバープローブであって、前記受容部内に光ファイバーがガイドされており、ファイバー末端部が設けられていて、該ファイバー末端部は前記機械式の受容部を越えて突き出ていて、繊維内にガイドされた、ファイバー内でガイドされた光線を部分反射するための、ファイバー内に配置された反射ゾーンを備えている形式のものに関する。

本発明はさらに、このような形式の光ファイバープローブを製造するための方法に関する。

このようなファイバープローブが使用された、干渉計式の測定装置は、ドイツ連邦共和国特許第１０２４４５５３号明細書により公知である。この公知の明細書には、測定対象物の表面の間隔、粗さ、形状を検出するための、変調干渉計を備えた干渉計式の測定装置について開示されており、前記変調干渉計に、光線源から短い一貫性のある光線が供給され、この変調干渉計は、供給された光線を、第１のアームを介してガイドされた第１の部分光線と第２のアームを介してガイドされた第２の部分光線とに分割するための第１の光線分割器（ビームスプリッター）を有していて、これらの第１及び第２の部分光線のうちの一方が他方に対して、変調装置によって、その光位相又は光周波数が変えられ、遅延区間を通過し、次いでこの第１及び第２の部分光線が変調干渉計の他方の光線分割器において１つにまとめられるようになっており、前記変調干渉計に対して空間的に分離され、かつ光ガイドファイバー装置を介して連結可能又は連結された測定プローブが設けられており、この測定プローブにおいて、１つにされた前記第１及び第２の部分光線が、表面に対して傾斜した対象物側の出射面を備えたプローブ・光ガイドファイバー装置を通ってガイドされた測定光線と、基準光線とに分割され、また前記測定プローブにおいて、表面で反射された測定光線（ｒ１（ｔ））と基準面で反射された基準光線（ｒ２（ｔ））とが重ね合わされるようになっており、またガイドされた光線を電気信号に変換し、かつこの信号を位相差の基本位置において評価するための、受信装置及び評価ユニットが設けられている。この場合、光学的なプローブ軸線の垂線に対する出射面の傾斜角度（ｙ）は少なくとも４６゜である。

前記ドイツ連邦共和国特許第１０２４４５５３号明細書の図５及び図６によれば、対象物側のプローブ・光ガイドファイバーユニットは傾斜した出射面が細い管状の受容部を越えて突き出しているので、この突き出したプローブ・光ガイドファイバーユニット、つまりファイバー末端部を、干渉計式の測定課題を例えば狭い中空室内に導入することができる。

この場合、検査しようとする中空室の深さは、ファイバー末端部の長さによって制限されている。今日使用されているプローブ・光ガイドファイバーユニットにおいては、ファイバー端部は、２０μｍの典型的なファイバー直径において約２ｍｍである。

また前記公知の明細書の図３乃至図６に示されているように、ファイバーには部分透過性の領域、いわゆる基準層が設けられており、この基準層は、入射光線を測定光線と基準光線とに分割し、この場合、基準光線はファイバーに戻し反射される。このような基準層は次のように製造される。つまり、ファイバーが２つの部分に分割され、各部分がいわゆるフェルール（Ferule；口金）内に接着されるように、製造される。一方のフェルールは、接着されたファイバーによって端面側に部分反射式の層を備え、次いで２つのフェルールはガイドスリーブによって、入射した光線の反射されない光線部分がファイバーの第２の部分内に移行するように、結合される。２つのフェルールは、ガイドスリーブと共に、ファイバーのための機械式の受容部（サポート手段）を形成する。この場合、基準層は機械式の受容部内に位置している。

基準層と測定光線の焦点との間の最大間隔は、前方接続された干渉計に登録された路程差によって予め与えられている。この最大間隔は、典型的な干渉計装置のために約２５ｍｍである。測定目的のために孔内に導入されるファイバー末端部の長さは、この値から、機械式の受容部の端部と基準層との間の路程を差し引いた寸法に制限される。ファイバー端部の延長は、前方接続された干渉計を相応に変調させることによってしか可能ではない。しかしながらこれは、非常に高い技術的、かつ経済的なコストを必要とすることになる。

より深い孔は、この深い孔が、機械式の受容部も一緒に導入することができるか、又は例えば光学構成要素が組み込まれている細い管より成る選択的なシステムが使用できる程度の大きさの直径の有している場合にのみ、検査することができる。この場合、前記システムは同様に、１．３ｍｍより大きい直径を有している。
ドイツ連邦共和国特許第１０２４４５５３号明細書

本発明の課題は、高い測定精度で、小さい直径及び大きい深さを有する中空室の干渉計式の検査を可能とするような光ファイバープローブを提供することである。

光ファイバープローブに関する前記本発明の課題は、反射ゾーンがファイバー末端部内に配置されていることによって解決された。

これによって、入射光線が基準光線と測定光線とに分割される反射ゾーンは、ファイバー先端、及びひいては測定光線の焦点の直接近傍に配置される。焦点と反射ゾーンとの間の間隔は、前方接続された干渉計に適合されるように、選定される。反射ゾーンはファイバー末端部内に位置することになるので、このファイバー末端部は、前方接続された干渉計の変調を行う必要なしに、ファイバーの機械的な負荷可能性に関連して、任意の長さで構成することができる。それによって、今日公知のファイバープローブと比較して、小さい直径を有する著しく深い中空室（ファイバー末端部だけが挿入され、ファイバーの機械式の受容部は挿入できない）を、干渉計式に検査することができる。

本発明の有利な実施態様によれば、前記反射ゾーンが、結合された２つのファイバー末端部間の反射層として形成されている。このような部分透過性の反射層は、安価に製造することができる。

ファイバー末端部の結合が、互いに接着又は溶融されていることによって実現されていれば、一般的なファイバー末端部とほぼ同じ機械的な形状安定性を有している。ファイバー末端部は確実に互いに固定されているので、光線は最小可能な損失で、一方のファイバー末端部から他方のファイバー末端部内に移行することができる。

これに対して、反射ゾーンがブラッグ格子（Bragg-Gitter）として構成されている場合は、ファイバーは反射ゾーンを形成するためにファイバー末端部の領域内で分割する必要はなく、その初期の機械的な形状安定性を維持する。ブラッグ格子は、外部からファイバー内に圧刻成形(einpraegen）される。

ファイバー末端部内に侵入する光線の部分反射は、反射ゾーンが屈折率変化部として構成されていることによっても得られる。この場合、反射された光線の部分は、入射する光線に関連して、屈折率の変化に関連している。屈折率の変化は、例えば、ファイバーの芯に意図的に設けられた欠陥（例えば気泡の形状）によって得られる。

反射ゾーンと測定光線の焦点との間の間隔が、光ファイバープローブの前方に接続された干渉計に登録された、２つの部分光線間の路程差に適合されていることによって、光ファイバープローブは、存在する干渉計に適合させることができる。コストのかかる高価な、干渉計の変調を行う必要はない。

また前記課題を解決した本発明の、干渉計式の測定装置のための光ファイバープローブを製造するための方法によれば、ファイバーを所定の箇所で分割し、少なくとも１つの分割箇所に部分反射式の層を被着し、次いで２つのファイバー末端部を再び互いに結合するようにした。この方法によれば、ファイバーの形状安定性を著しく低下させることなしに、反射ゾーンは安価にファイバー末端部内に設けることができる。ファイバー先端に対する反射ゾーンの間隔は、前方接続された干渉計の要求に応じて自由に選択することができる。ファイバー末端部は、結合時に互いに正確に整列されるので、できるだけ小さい損失で光の移行を行うことができる。

図１には、例えば内燃機関の噴射ノズルを干渉式に測定するために使用される光ファイバープローブ１が概略的に示されている。光ファイバー２０は、機械式の受容部１０の、軸方向に配置された切欠１１内でガイドされている。この場合、機械式の受容部１０は、第１及び第２の、いわゆるフェルール（口金）１２，１３より形成されている。フェルール１２，１３は、ガイドスリーブ１４によって包囲されており、このガイドスリーブ１４は２つのフェルール１２，１３を互いに向き合わせて整列させ、一緒に保持する。機械式の受容部１０から突き出る、光ファイバー２０の部分、つまりファイバー末端部２２では、そのファイバー先端部２３に、図示していないレンズ、及び図示してないミラーが配置されている。光ファイバー２０は光ファイバー式の光供給部２１に接続されている。２つのフェルール１２，１３間の境界面に反射ゾーン３０が配置されている。この反射ゾーン３０は、図示の実施例では部分反射層として構成されており、この部分反射層は、第２のフェルール１３及びこの第２のフェルール１３内にガイドされた光ファイバー２０の端面に被着されている。

光ファイバープローブ１は、光供給部２１を介して図示していない干渉計に接続されている。光線は、干渉計から光供給部２１を介して光ファイバー２０に供給される。供給された光線は、反射ゾーン３０において伝送された測定光線と反射された基準光線とに分割される。伝送された測定光線は、ファイバー末端部２２とファイバー先端２３とに供給され、光学構成要素としてのレンズ及びミラーを介して測定対象物に向けて偏光され集束される。測定対象物によって反射された光線は、再びファイバー先端２３に連結され、光ファイバー２０及び光供給部２１を介した干渉計に戻しガイドされる。

ファイバー末端部２２は、例えば微細な孔（内燃機関の噴射ノズルにおいて設けられている）内で干渉測定を行うために使用される。このためにファイバー末端部２２が孔内に導入される。噴射ノズルにおけるこれらの孔の直径は約１５０μｍであり、これに対してファイバー末端部２２は約２０μｍの典型的な直径を有している。

反射ゾーン３０とファーバー先端２３若しくは測定光線の焦点との間の間隔は、前方接続された干渉計によって規定されている。この間隔は、今日使用されている干渉計において典型的な形式で２５ｍｍである。第２のフェルール１３の長さが約１０ｍｍである場合に、ファイバー末端部２２の長さの限界は約１５ｍｍである。これによって、第２のフェルール１３よりも小さい直径を有する小さい孔は、１５ｍｍまでの最大深さしか測定することができない。より長いファイバー末端部２２は、前方接続された干渉計を、高価な費用をかけて変更することによってのみ使用することができる。

図２に示した概略図には、ファイバー末端部２２内に配置された、本発明による反射ゾーン３０が示されている。

光ファイバー２０は、前記図１に示した実施例と同様に、機械式の受容部１０の切欠１１内に保持されていて、光供給部１を介して、前方接続された干渉計（図示していない）に接続されている。機械式の受容部１０を越えて突き出す、光ファイバー２０の延長部を成すファイバー末端部２２内に、反射ゾーン３０が組み込まれていて、またファイバー先端２３に光学構成要素としてのミラー及びレンズ（図示していない）が組み込まれている。

反射ゾーン３０は、図示の変化実施例では、部分反射された層によって実現されている。このために、ファイバー２０は、ファイバー末端部２２の領域内の所望の箇所で分割され、層が被着され、２つのファイバー末端部が再び結合される。この場合、結合は、透明な接着剤によって行われるが、２つのファイバー末端部を溶融させることによっても行うことができる。

反射ゾーンを、外部からファイバー末端部に圧刻成形（aufpraegen）されたブラッグ格子（Bragg-Gitter）内に設ける、別の可能性もある。ブラッグ格子の利点は、ファイバーを分割する必要がない、という点にある。

原則的に、ファイバーの芯に欠陥があれば、その欠陥箇所においてそれぞれ反射が行われる。従ってファイバーの所望箇所に意図的に、ファイバーの形にもまたファイバーの形状安定性にも影響を及ぼすことのない欠陥が形成される。欠陥は、例えばファイバーの芯における屈折率変化又は気泡であってよい。

前記反射ゾーンによって基準光線が生ぜしめられ、このために、反射ゾーンの領域内において光ファイバープローブの直径又は幾何学形状を変化させる必要はない。前方接続された干渉計とは無関係に、小さい直径を有する深い孔を検査することができる、非常に長い走査アームが実現される。

機械的な受容部１０は、第１のフェルール１２又は標準化された保持ピンとして実現されてもよい。

図３は、組み込まれた反射ゾーン３０を備えたファイバー末端部２２の部分的に断面した概略図を示している。

ファイバー末端部２２は、光を通すファイバーの芯２４と、このファイバーの芯２４を包囲するファイバー周壁２５とから形成されている。接続箇所において、反射ゾーン３０は部分反射を行う層として構成されている。この場合、２つのファイバー末端部はプラスチック３１に接続されている。入射した光線４０は、反射ゾーン３０において、反射しようとする光線と、基準光線と、伝送された光線４２と、測定光線とに分割される。

ファイバーの芯は、使用された単一モードのファイバーにおいて、約９μｍの直径を有している。従って部分反射式の層は、ファイバーの全横断面に亘って被着されている。

従来技術による光ファイバープローブの概略図である。 ファイバー端部内に配置された反射ゾーンを備えた光ファイバーの概略図である。 反射ゾーンを備えたファイバー端部の部分区分の概略図である。

符号の説明

１ 光ファイバープローブ、 １０ 機械式の受容部、 １１ 切欠、 １２，１３ フェルール（口金）、 １４ ガイドスリーブ、 ２０ 光ファイバー、 ２１ 光ファイバー式の光供給部、 ２２ ファイバー末端部、 ２３ ファイバー先端、 ２４ ファイバーの芯、 ２５ ファイバー周壁、 ３０ 反射ゾーン、 ３１ 接着剤、 ４０ 光線、 ４１ 光線、 ４２ 伝送された光線

Claims (7)

1. 機械式の受容部を備えた、干渉計式の測定装置のための光ファイバープローブであって、前記受容部内に光ファイバーがガイドされており、ファイバー末端部が設けられていて、該ファイバー末端部は前記機械式の受容部を越えて突き出ていて、ファイバー内でガイドされた光線を部分反射するための、ファイバー内に配置された反射ゾーンを備えている形式のものにおいて、
   前記反射ゾーンがファイバー末端部内に配置されていることを特徴とする、光ファイバープローブ。
2. 前記反射ゾーンが、結合された２つのファイバー末端部間の反射層として形成されている、請求項１記載の光ファイバープローブ。
3. ファイバー末端部が互いに接着されているか、又は溶融されている、請求項２記載の光ファイバープローブ。
4. 反射ゾーンがブラッグ格子として構成されている、請求項１記載の光ファイバー。
5. 反射ゾーンが屈折率変化部として構成されている、請求項１記載の光ファイバー。
6. 反射ゾーンと測定光線の焦点との間の間隔が、光ファイバープローブの前方に接続された干渉計に登録された、２つの部分光線間の路程差に適合されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の光ファイバー。
7. 機械式の受容部を備えていて、該受容部内に光ファイバーがガイドされており、ファイバー末端部が設けられていて、該ファイバー末端部は前記機械式の受容部を越えて突き出ていて、ファイバー内でガイドされた光線を部分反射するための、ファイバー内に配置された反射ゾーンを備えている形式の、干渉計式の測定装置のための光ファイバープローブを製造するための方法において、
   ファイバーを所定の箇所で分割し、少なくとも１つの分割箇所に部分反射式の層を被着し、次いで２つのファイバー末端部を再び互いに結合することを特徴とする、光ファイバープローブを製造するための方法。

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