JP5424316B2 - 光ファイバ伝送系 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ伝送系に係わり、ファイバ温度を制御することにより、伝送する分光の分光透過特性を安定することを可能にした光ファイバ伝送系に関する。

光ファイバは、その機械的柔軟性から、精密光学測定への使用頻度が近年増大しており、例えば、図８（ａ）に示すような光学系において、人工光源１００の性能等級を判定するために、人工光源１００からの分光を光ファイバ１０１からなる伝送系で伝送し、分光放射計１０２によって、分光放射照度を精密測定することが行われている。又、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示すような光学系における光学測定に用いられる典型的な光ファイバ伝送系を示す図であり、図８（ｃ）は、図８（ｂ）のＥ−Ｅ断面図である。図８（ｃ）に示すよう、光ファイバ伝送系における、光ファイバ１０３は、複数ファイバが束になったファイババンドル構造１０３１又は単芯ファイバで構成されており、また、図８（ｂ）に示すように、光ファイバ１０３の両端に設けられるファイバスリーブ１０４、１０５によって、光ファイバ１０３の両端においてファイババンドル１０３１の周りを被覆し保護する被覆１０３２を保持している。

特開２００２−２１４４５９号公報 特開２００３−１６１８４６号公報 特開２００４−２８６４５号公報

しかし、このような光ファイバ伝送系は、設置状態によって分光透過特性が変動する弱点があり、この変動により測定値にばらつきが生じる欠陥があった。設置状態の変化する第１の理由は、光ファイバの曲がり具合の変化によるものである。これは測定中の光ファイバを支持する状態を固定することによって回避することができる。第２の理由は、光ファイバが設置される場所の気温変化である。気温変化は、測定室内の空調の点滅や大きな発熱量を有する計測用ランプの点滅などによって１〜２℃の変動として現れることがある。従来、このような気温変化による測定結果に与える影響を排除するために、受光素子自体に対する温度制御は入念に行われてきたが、これでは測定値の大きなばらつきが生じることを回避することはできない。
上記のごとく、光ファイバ伝送系を用いて人工光源１００の分光放射照度を測定し、その性能等級を判定する場合、光ファイバ１０１のファイバ温度が外気に影響されて変化すると、その分光透過率が変わる。その結果、人工光源１００の性能等級判定の際、分光放射計１０２において、光ファイバ１０１のファイバ温度が変化するごとに異なる結果が得られるという問題があった。

光ファイバ１０１における温度変化が、分光透過率に影響を及ぼす理由は、光ファイバ１０１を構成する種類の異なるガラス素材の屈折率が、温度変化によりそれぞれ異なった変化をすることにある。また屈折率は波長にも依存するため、測定中に光ファイバ１０１に温度変化があると光ファイバ１０１の分光透過率や入射部の開口数（ＮＡ）の値に変化が生じ、結果的として、分光放射計１０２において測定値のばらつきを生じる。

本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、測定値のばらつきを抑制するために、光ファイバのファイバ温度を確実に安定化することを可能にした光ファイバ伝送系を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、分光を光ファイバによって伝送する光ファイバ伝送系において、該光ファイバ伝送系の一端側のみに温度調整器を備え、該温度調整器で温度調整された流体を、前記光ファイバの外側面に伝送方向に沿って配置された往路チューブの一端側から該光ファイバの他端側及び前記光ファイバの外側面に伝送方向に沿って配置された復路チューブを径由して前記一端側に循環させるチューブを備えることを特徴とする光ファイバ伝送系である。
請求項２記載の発明は、前記光ファイバの外側の適当な位置に複数の測温体を設け、該測温体で測定された測定データに基づいて、前記チューブ内に循環する流体の温度を調整したことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ伝送系である。
請求項３記載の発明は、前記チューブの外側を前記光ファイバを内包するように断熱材で被覆したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光ファイバ伝送系である。

本発明によれば、光ファイバのファイバ温度を一定に保持できるため、測定中の光ファイバの分光透過率の変動を抑え、ファイバ先端から入力された分光の情報を気温の変動で損なうことなく、ファイバ後端に伝送させることができ、光ファイバを伝送路として用いる分光測定結果のばらつきを抑えることができる。具体的には、人工光源から温度制御された光ファイバで分光を伝送して分光放射照度を測定する際に、性能等級を誤り無く判定することができる。

第１の実施形態に係る光ファイバ伝送系の構成を示す断面図である。 第２の実施形態に係る光ファイバ伝送系の構成を示す断面図である。 第３の実施形態に係る光ファイバ伝送系の構成を示す断面図である。 第４の実施形態に係る光ファイバ伝送系の構成を示す断面図である。 第５の実施形態に係る光ファイバ伝送系の構成を示す断面図である。 光ファイバに対して、温度調整した場合としない場合を比較した分光波長に対する分光放射照度変動のグラフである。 温度調整した場合としない場合を比較した全波長帯で計算した校正値を示すグラフである。 人工光源の性能等級を判定するために、分光を光ファイバで伝送し、分光放射計で測定する光学系、及び該光学系において典型的に用いられる光ファイバ伝送系を示す図である。

本発明の第１の実施形態を図１を参照して説明する。
図１（ａ）は、本実施形態に係る伝送方向に平行な切断面から見た光ファイバ伝送系の構成を示す断面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
これらの図に示すように、この光ファイバ伝送系は、ファイババンドル１ａ及びファイバ被覆１ｂからなる光ファイバ１を、内側チューブ２と外側チューブ３で包み、温度調節器６で温度調節された水等からなる流体５を、内側チューブ２と外側チューブ３の間に、それらの一端側から他端側に流入させ、他端側から流出させて再び温度調節器６に循環させることによって、光ファイバ１を所定の温度に制御するものである。

より詳細には、光ファイバ１の両端のファイバスリーブ７ａ、７ｂは、それぞれチューブ受け金具８ａ、８ｂに収納され、一方のチューブ受け金具８ａは、内外チューブ２、３を介して他方のチューブ受金具８ｂに繋がっている。温度調節器６から流出した流体５は、一方のホース９ａに流入し、一方のチューブ受金具８ａ内の通路を通り、内側チューブ２と外側チューブ３の間を流れ、他方のチューブ受金具８ｂを通って他方のホース９ｂに流出し、温度調節器６に帰還する。ここで、ファイバ温度は、光ファイバ１の適当な位置に取り付けられた不図示の複数の測温体（例えば、光ファイバ１からは測温されるが、流体５とは断熱される測温体）で測定され、測定データは温度調整器６に送られ、温度調節器６で温度調整された流体が一方のホース９ａに流出され、循環される。通常、流体としては水が用いられる。なお、内外チューブ２、３が長く、チューブ中心位置で光ファイバ１を保持することが難しい場合は、不図示のファイバ支持体を適当な間隔で光ファイバ１の外側に取り付ける。また、外側チューブ３の外側面は内外チューブ２、３間を流れる流体の温度を一定に維持するために断熱材４で被覆される。

本実施形態の発明によれば、外部の気温変化の影響により分光透過特性が変化する光ファイバ１の外側を温度調整された流体５を循環させることによって、光ファイバ１の分光透過特性の変動を抑える。また、外側チューブ３の外側を断熱材４で覆うことによって温度調整機能を向上させ、より一層光ファイバ１の分光透過特性の変動を抑えることができる。

次に、本発明の第２の実施形態を図２を参照して説明する。
図２（ａ）は、本実施形態に係る伝送方向に平行な切断面から見た光ファイバ伝送系の構成を示す断面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
本実施形態に係る光ファイバ伝送系は、第１の実施形態に係る光ファイバ伝送系における内側チューブ２を省略したものであり、温度調節器６で温度調節された水等からなる流体５を、ファイバ被覆１ｂと外側チューブ３の間を、それらの一端側から他端側に流入させ、他端側から流出させて再び温度調節器６に循環させる。なお、その他の構成は、図１に示した同符号の構成に対応するので、説明を省略する。

本実施形態の発明においても、外部の気温変化の影響により分光透過特性が変化する光ファイバ１の外側に温度調整された流体５を循環させることによって、光ファイバ１の分光透過特性の変動を抑える。

次に、本発明の第３の実施形態を図３を参照して説明する。
図３（ａ）は、本実施形態に係る伝送方向に平行な切断面から見た光ファイバ伝送系の構成を示す断面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
これらの図に示すように、この光ファイバ伝送系では、一方のチューブ受け金具８ａは、光ファイバ１の外側に設けられた、往路チューブ１０ａ、１０ｃ、１０ｅと復路チューブ１０ｂ、１０ｄ、１０ｆを介して他方のチューブ受金具８ｂに繋がっている。温度調節器６から温度調節された流体５は、一方のホース９ａに流入し、一方のチューブ受金具８ａ内の通路を通り、往路チューブ１０ａ、１０ｃ、１０ｅを介して分散して他方のチューブ受金具８ｂに流入し、流入した流体５は他方のチューブ受金具８ｂの通路を通り、復路チューブ１０ｂ、１０ｄ、１０ｆを介して分散して一方のチューブ受金具８ａに流入し、流入した流体５は一方のチューブ受金具８ａの通路を通り、他方のホース９ｂに流出し、流出した流体５は再び温度調節器６に循環される。なお、その他の構成は、図１に示した同符号の構成に対応するので、説明を省略する。

本実施形態の発明においても、外部の気温変化の影響により分光透過特性が変化する光ファイバ１の外側に設けられた往路チューブ１０ａ、１０ｃ、１０ｅ、及び復路チューブ１０ｂ、１０ｄ、１０ｆに温度調節された流体５を循環させることによって、光ファイバ１の分光透過特性の変動を抑える。なお、往路チューブ１０ａ、１０ｃ、１０ｅと復路チューブ１０ｂ、１０ｄ、１０ｆの外側全体は、断熱材４で被覆されている。

次に、本発明の第４の実施形態を図４を参照して説明する。
図４（ａ）は、本実施形態に係る伝送方向に平行な切断面から見た光ファイバ伝送系の構成を示す断面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。
本実施形態に係る光ファイバ伝送系は、第１の実施形態に係る光ファイバ伝送系と比べて、光ファイバ１と内側チューブ２との間に、加熱手段としてのヒータ１１が設けられている点で相違する。その他の構成は、図１に示した同符号の構成に対応するので、詳細な説明は省略する。
これらの図に示すように、ヒータ１１は、光ファイバ１の経路が長く、途中の温度変化が無視できない場合に設けられる。更に、光ファイバ１の経路が長い場合は、外側チューブ３の表面から熱が出入りし、光ファイバ１のファイバ温度が不安定になってしまうので外側チューブ３の外側に断熱材４で被覆する。ファイバ温度は、光ファイバ１のヒータ１１の巻数によって調整すると共に、ヒータ１１に流す電流を、光ファイバ１に取り付けられた複数の測温体１４の測定値に基づき、不図示のヒータ電源によって調整する。長い光ファイバ１の強度維持のために、流体５を流している外側チューブ３の外表面を補強テープ１２で巻き、その外側に断熱材４で被覆し、更に、その外側を外側被覆１３で覆う。

本実施形態の発明によれば、外部の気温変化の影響により分光透過特性が変化する光ファイバ１の外側に温度調整された流体５を循環させると共に、光ファイバ１の外側を加熱することによって、光ファイバ１の分光透過特性の変動を抑える。また、外側チューブ３の外側を断熱材４で覆うことにより温度調整機能を向上させ、より一層、光ファイバ１の分光透過特性の変動を抑えることができる。

次に、本発明の第５の実施形態を図５を参照して説明する。
図５は、本実施形態に係る伝送方向に平行な切断面から見た光ファイバ伝送系の構成を示す断面図である。
同図に示すように、この光ファイバ伝送系では、光ファイバ１にヒータ１１を巻いてファイバ温度を調節すると共に、スリーブホルダー１８や光ファイバ１の適切な箇所に設けられた１個又は複数個のペルチェ素子１６による冷却又は加熱作用を利用してファイバ温度を制御する。ヒータ１１及びペルチェ素子１６に流す電流は、光ファイバ１やスリーブホルダー１８に取り付けられた複数の測温体１４の測定値に基づいて、不図示のヒータ電源やペルチェ素子用電源によって調整する。なお、各ペルチェ素子１６には、光ファイバ１やヒータ１１やファイバホルダ１８ａ、１８ｂから伝熱される熱伝導体１５と、空気中に放熱するための放熱器１７が設けられる。

本実施形態に係る発明によれば、光ファイバ１の外側に設けたヒータ１１と共に冷却又は加熱機能を持つペルチェ素子１６を用いてファイバ温度の両方向調整を行うことにより温度調整機能を向上させることができ、光ファイバ１の分光透過特性の変動をより一層確実に抑えることができる。

図６は、光ファイバに対して、温度調整した場合としない場合を比較した分光波長に対する分光放射照度変動を示すグラフである。
同図において、横軸は分光波長を、縦軸は分光透過特性を６回測定したときのデータを、比較的温度が安定していた２回目のデータで規格化したばらつきであり、温度調整が有る場合(実線)と無い場合(１点鎖線)について示したものである。
ここで使用した光ファイバは、人工光源の分光放射照度を測定し、その性能等級を判定するために使われたものである。ただし、波長帯域ごとに取り替える光ファイバの内で、温度調整を施したのは、図中に分光応答度を記したようにシリコン太陽電池のピーク感度帯となるためその効果が顕著な７００ｎｍ〜９５０ｎｍの波長帯域用光ファイバ１本のみである。
問題の７００ｎｍ〜９５０ｎｍの波長帯域について放射照度の変動を見ると、温度調整が有る場合のデータの変動は、無い場合の１桁下程度までに、小さくなっている。つまり、問題の波長帯域においては光ファイバに温度調整を施すことによって放射照度の測定結果に現れる変動が、大きく改善されていることが解る。

図７は、問題の７００ｎｍ〜９５０ｎｍの波長帯域用波長帯域光ファイバ１本のみについて温度調整が有る場合（実線）と無い場合（１点鎖線）の２つについて、全波長帯に渡って計算した校正値の変動に与える影響をエラーバー比較したグラフで示したものである。すなわち、図７は、図６の測定結果を用いて、全波長帯において６回に渡って実測したデータから計算したシリコン太陽電池校正値の変動に対するファイバ温度調整の有無の効果をエラーバー比較したグラフである。このグラフから解るように、光ファイバに温度調整を全く施さない場合に存在していた１．７％以上の校正値誤差が、７００ｎｍ〜９５０ｎｍの波長帯域用光ファイバ１本に温度調整を施すだけで、３分の１以下に改善される。

１ 光ファイバ
１ａ、１ｂ ファイババンドル
２ 内側チューブ
３ 外側チューブ
４ 断熱材
５ 流体
６ 温度調節器
７ａ、７ｂ ファイバスリーブ
８ａ、８ｂ チューブ受け金具
９ａ、９ｂ ホース
１０ａ、１０ｃ、１０ｅ 往路チューブ
１０ｂ、１０ｄ、１０ｆ 復路チューブ
１１ ヒータ
１２ 補強テープ
１３ 外側被覆
１４ 測温体
１５ 熱伝導体
１６ ペルチェ素子
１７ 放熱器
１８ スリーブホルダー

Claims (3)

1. 分光を光ファイバによって伝送する光ファイバ伝送系において、
   該光ファイバ伝送系の一端側のみに温度調整器を備え、該温度調整器で温度調整された流体を、前記光ファイバの外側面に伝送方向に沿って配置された往路チューブの一端側から該光ファイバの他端側及び前記光ファイバの外側面に伝送方向に沿って配置された復路チューブを径由して前記一端側に循環させるチューブを備えることを特徴とする光ファイバ伝送系。
2. 前記光ファイバの外側の適当な位置に複数の測温体を設け、該測温体で測定された測定データに基づいて、前記チューブ内に循環する流体の温度を調整したことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ伝送系。
3. 前記チューブの外側を前記光ファイバを内包するように断熱材で被覆したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光ファイバ伝送系。