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波長掃引光源によるOFDRの測定例

波長掃引光源によるOFDRの測定例

OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometry) は、レーザ光の可干渉性を利用した光計測手法の1つです。以前のデバイス講座「OFDR/波長掃引光源のメリット」で述べたとおり、OFDRでは測定点までの距離を非接触かつ高精度に計測できます。

「OFDR/波長掃引光源のメリット」 >

今回の講座では、高コヒーレンスという特長を持つ当社の波長掃引光源を、実際にOFDR測定に用いた場合の具体例を紹介します。また、本講座以外では、『波長掃引光源 測定アプリケーション』に具体例を紹介しておりますので、ご興味がある方はこちらも是非ご覧ください。

アプリケーションノート『波長掃引光源 測定アプリケーション』 >

表面形状の測定例

最もシンプルなOFDRの応用例としては、被測定物の表面までの距離測定が挙げられます。下の図は、OFDRの測定系を示しております。測定原理を簡単に説明すると、下の図のレンズから出射されたレーザ光のうち、被測定物の表面で反射され戻ってきた光と、参照経路を通ってきた光を光カプラで干渉させて、この干渉光を受光器で電気信号に変換します。電気信号の周波数を距離に換算することで被測定物までの距離を求めることができ、さらにレーザ光を空間的に走査することで、被測定物の表面形状を測定できます。

表面形状の測定例

下の図は、このOFDRの系を用いて、樹脂製の機関車模型の表面形状を測定した例です。

樹脂製機関車模型の表面形状測定例

不透明体の厚み測定例

一般的に光学的な測長方式では、測定点からの反射光もしくは散乱光がないと測定点までの距離を測ることができません。このため、光を透過しない不透明な被測定物では、被測定物の表面から裏面までの距離、つまり被測定物の厚みを測定することはできません。これを解決するための一例を次に紹介します。

当社の高コヒーレンスな波長掃引光源を用いた場合、OFDRの干渉計や干渉信号の解析部分は1つのまま、レーザ光の出射ポートを複数設けることができます。

下図の例では3つのポートの場合を示しています。各ポートにおいて被測定物までの距離が重ならないように光ファイバの長さをあらかじめ設定しておけば、出射レンズから対象物までの距離L0、L1、L2を下図のグラフの様に分離して測定することができます。

3つのポートの場合

この方法を応用すれば、不透明体の厚みを計測できます。下の図に示すようにレーザ光の出射ポートを対向するように配置し、あらかじめ2つの出射ポート間の距離LAllを正確に測ります。次に、2つの出射ポートの中間に被測定物を配置して、左のポートから被測定物までの距離LLeftと、右のポートから被測定物までの距離LRightをOFDRで測定します。被測定物の厚みTは、T=LAll-(LLeft+LRight)と算出され、不透明体の厚みがわかります。

レーザ光の出射ポートを対向するように配置

この方法を用いて不透明体であるアルマイト加工された金属製ブロックを測定した例を下の図に示します。左右の赤色および青色のラインは、OFDRで測定する場所を示します。この測定結果として、一番下の図は、2つのポートからの距離測定から算出される測定ライン上の断面図を示しています。

2つのポートからの距離測定から算出される測定ライン上の断面図

被測定物の内部構造の測定例

OFDRの応用技術としてOCT (Optical Coherence Tomography) があります。OCTとは、光がある程度透過できる半透明の被測定物を測定し、表面だけでなく内部からの反射光や散乱光を捉えることで内部構造の断層画像を得る技術です。内部構造の測定可能な深さは、光源のコヒーレンス長の範囲内であり、かつ測定に必要な戻り光が得られる範囲に限られます。

当社の掃引光源を用い、気泡構造をもつ緩衝材を測定した例を下の図に示します。この例では、緩衝材内部の気泡構造がOCTとして測定されていることがわかります。当社光源はコヒーレンス長が長いためメートルオーダーの測長が可能ですが、この緩衝材の例では、物質の光の吸収や散乱の影響により、深さ方向の測定範囲が5㎜程度であることがわかります。

気泡構造をもつ緩衝材を測定した例

以上、今回の講座では、当社波長掃引光源を用いたOFDR測定として、被測定物の「表面形状の測定」、「不透明体の厚み測定」、「内部構造の測定」について具体例を紹介しました。


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