(57)【要約】【課題】複数本の光ファイバ素線が平行状態のままで一体化させて研磨するだけで、光出射端面からの出射光を集光させて被照射部を照射することが可能な均一な品質のライトガイドを提供する。【解決手段】複数本の光ファイバ素線１２を平行に配列して円形状に束ねたバンドルファイバ１３からなるライトガイドで、光の出射端面１６が、中心側から外側に向けて傾斜した非平面部１６ａで形成されている。光の出射端面１６の中心近傍は、平面状１６ｂとしてもよく、また、光の出射端面は、光の出射方向に凸とすることができる。なお、光の出射端面の非平面１６ａは、研磨により形成することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数本の光ファイバ素線を平行に配列して円形状に束ねたバンドルファイバからなるライトガイドであって、光の出射端面が、中心側から外側に向けて傾斜した非平面で形成されていることを特徴とするライトガイド。
【請求項２】
前記光の出射端面の中心近傍は、平面状であることを特徴とする請求項１に記載のライトガイド。
【請求項３】
前記光の出射端面は、光の出射方向に凸であることを特徴とする請求項１または２に記載のライトガイド。
【請求項４】
前記光の出射端面の非平面は研磨により形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか1項に記載のライトガイド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数本の光ファイバ素線を平行に配列して円形状に束ねたバンドルファイバからなるライトガイドに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数本の光ファイバ素線を束ねたバンドルファイバからなるライトガイドは、治療用、照明用あるいは工業用光源として、所定の部所を照射するのに用いられている。このようなライトガイドは、光ファイバにより伝達された照射光を、被照射物の所定の範囲を照射するために、一般に、バンドルファイバの光出射端と被照射物との間に光学レンズを設けている。しかしながら、光の照射に光学レンズを用いる方法は、装置のコストを高くすると共に、レンズを取り付けるためのワークスペースを必要とし、ライトガイドの光出射端部が大型化するという問題がある。
【０００３】
このため、例えば、特許文献１には、ライトガイドに側圧を与える加圧機構を設けることにより、出射端からの出射光をモードスクランブル効果により均一化することが開示されている。このモードスクランブル効果は、光ファイバ相互間に側圧を加えることにより光ファイバ表面に小さな凹凸を発生させ、光ファイバの長手方向に沿って微妙な曲げを故意に発生時させて、光ファイバ内の伝播モードを再分配して出射光を均一化するものである。
【０００４】
また、特許文献２には、ライトガイドの光の出射端部を熱融着してテーパ状に束ねることにより、光の出射端面からの照射密度を高めることが開示されている。すなわち、出射端面の光ファイバ素線束の外径を入射端面の外径より小さくすることにより、出射端部の光ファイバ素線束の隙間をなくし、素線充填率を上げて光の照射密度を高めている。
【０００５】
また、特許文献３には、ライトガイドの光の出射端部で、光ファイバ束の中心軸より外側に位置する光ファイバ素線の光出射端面での軸が光ファイバ束の中心軸に対して傾きを有するようにして、出射光を集光することが開示されている。
図４は、上記特許文献１に開示の一例を示す図である。図４（Ａ）に示すように、ライトガイド１は、複数本の光ファイバ素線２を束ねた光ファイバ束３からなり、その光出射側の端部は、熱融着されてスリーブ４内で先細りのテーパ状にされている。なお、テーパ状の端部の光出射端面６は、垂直に研磨されて光ファイバ束３の中心軸５に対して垂直に交わる。
【０００６】
ライトガイド１の光出射端部において、光ファイバ束３の外側に位置する光ファイバ素線２の光出射端面６での軸７は、光ファイバ束３の中心軸５と平行な軸８（出射端面６に垂直）対して傾き（θ１）を有する。この傾きは、中心軸５の近くに配列される光ファイバ素線ほど小さくなり、中心軸５付近の光ファイバ素線２の中心軸７は、光ファイバ束３の中心軸５とほぼ平行になる。
【０００７】
図４（Ｂ）は、上記の光ファイバ束３の中心軸５より外側に位置する光ファイバ素線２の光の出射状態を示す図である。光ファイバ素線２に入射された入射光Ｌ１は、光ファイバ素線２の中心軸７に沿って送光され、その光出射端面６において、光ファイバ（屈折率ｎ１）から空気（屈折率ｎ２）に出射される出射光Ｌ２は屈折（ｎ１＞ｎ２で、屈折率の法則による）され、光ファイバ束３の中心軸５と平行な軸８に対して、光ファイバ素線２の中心軸７の傾きθ１より大きい角度θ２で出射される。
【０００８】
この結果、図４（Ｃ）に示すように、ライトガイドの光出射端部を接着剤により単に固着した場合は、鎖線Ｘのように中心の光の幅が広がって光強度が弱くなるのに対し、上述の熱融着により出射端部を先細り状とした場合は、実線Ｙのように光を中心側に集光して、光強度を大きくすることができるとされている。
なお、特許文献３には、光出射端部を熱優着でテーパ状とした後に、光出射端面を球面形状に凸面加工することも開示されている。
【特許文献１】特開２００２−１３３９２６号公報
【特許文献２】特開２００６−４７４２６号公報
【特許文献３】特開２００７−１７８７７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に開示の技術は、ライトガイドの光出射端面からの光強度を均一にするもので、照射部に対する光強度を高めることはできず、また、ライトガイドの外周に側圧をかける加圧機構を必要とするなどで、コスト高となる。特許文献２および３に開示の技術は、ライトガイドの光出射端部をテーパ状とするための加熱処理を必要とし、また、光出射端部の光ファイバ素線のファイバ角度の制御は容易でない。さらに、光出射端面を研磨する際には、光ファイバ端部が一度加熱溶融されているため、光ファイバの状態が一様ではない。このため、光出射端面を平面あるいは球面状に加工しても、研磨後の各光ファイバ素線の出射光の特性にバラツキが生じ、均一な品質とすることは難しいという問題がある。
【００１０】
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、複数本の光ファイバ素線が平行状態のままで一体化させて研磨するだけで、光出射端面からの出射光を集光させて被照射部を照射することが可能な均一な品質のライトガイドの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によるライトガイドは、複数本の光ファイバ素線を平行に配列して円形状に束ねたバンドルファイバからなるライトガイドで、光の出射端面が、中心側から外側に向けて傾斜した非平面で形成されていることを特徴とする。
前記の光の出射端面の中心近傍は、平面状としてもよく、また、光の出射端面は、光の出射方向に凸とすることができる。なお、光の出射端面の非平面は、研磨により形成することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、光ファイバ素線の光出射端部を平行状態に配列したままの状態で、ライトガイドの光出射端面を中心側から外側に向けて傾斜した非平面とするだけで、出射光を集光させることができる。このため、ライトガイドの光出射端部を加熱溶融してテーパ状に加工する必要がなく、単に光出射端面を研磨加工することで、出射光を効果的に集光させることができる。また、光出射端面の研磨角度を制御することにより、出射光の集光位置を所定位置となるようにすることも可能で、均一な品質のライトガイドを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図により本発明の実施の形態を説明する。図１（Ａ）は、ライトガイドを用いた照射装置の概略を示す図、図１（Ｂ）は本発明によるライトガイドの概略を説明する図、図２（Ｃ）は、ライトガイドの光出射端面を示す図である。図中、１０は光源装置、１１はライトガイド、１１ａは出射端部、１１ｂは入射端部、１２は光ファイバ素線、１３はバンドルファイバ、１４は保護スリーブ、１５はバンドルファイバの中心軸、１６は光出射端面、１６ａは非平面部、１６ｂは平面部を示す。
【００１４】
本発明によるライトガイド１１は、図１（Ａ）に示すように、複数の光ファイバ素線を平行に配列して、例えば、円形状に束ねたバンドルファイバ１３からなるライトガイドで、一方の端部に光の出射端部１１ａが形成され、他方の端部に光の入射端部１１ｂが形成される。入射端部１１ｂは、レーザ光あるいはランプ光などの光源装置１０に接続され、照射光が入射される。出射端部１１ａは、ライトガイド１１内を通った照射光が集光された状態で、照射部分の照射エリアＲに照射される。
【００１５】
ライトガイド１１を形成する複数本の光ファイバ素線１２は、光の出射端部１１ａを含めて全長に亘って平行に配列されて束ねられ、光の出射端部１１ａでは、光ファイバ素線１２がバラケないように接着剤等により一体化される。そして、本発明においては、図１（Ｂ）に示すように、ライトガイド１１の出射端部１１ａは、その光出射端面１６がバンドルファイバ１３の中心軸１５から外側に向けて傾斜する非平面部１６ａで形成されていることを特徴としている。
【００１６】
傾斜した非平面部１６ａは、光ファイバ素線１２の端部を接着一体化した後、研磨することにより容易に形成することができる。また、研磨する非平面部１６ａの傾斜の角度は、任意に制御することが可能で、後述するように非平面部１６ａの傾斜角を変えることにより、出射光の集光位置を制御することが可能となる。また、図１（Ｂ）および図１（Ｃ）に示すように、バンドルファイバ１３の中心軸１５の近傍部分の光出射端面１６は、傾斜しない平面部１６ｂで形成するようにしてもよい。なお、この平面部１６ｂからの出射光は、中心軸１５と平行に出射される。
【００１７】
また、光出射端面１６が出射方向に凸になるように傾斜した非平面とする（例えば、円錐形状または円錐台形状）ことにより、後述するように、各光ファイバ素線１２からの出射光をバンドルファイバ１３の中心軸１５に向かうように屈折させることができる。したがって、バンドルファイバ１３の各光ファイバ素線１２を通る光を、中心軸１５上に集めて光強度を高めるためには、出射端面１６が出射方向に凸になるように形成するのが好ましい。
【００１８】
図２は、上述したライトガイドの光の出射状態を説明する図である。図中、１２ａは最外側に位置する光ファイバ素線、１６ｃは垂直面、１７は光ファイバ素線の傾斜面、１８は光ファイバ素線の中心軸、１９は光ファイバ素線の傾斜面の法線を示す。その他の符号は、図１で用いたのと同じ符号を用いることで説明を省略する。なお、光出射端面は、光の出射方向に凸になるように形成した例で示してある。
【００１９】
バンドルファイバ１３の最外側に位置する光ファイバ素線１２ａは、上述したように光出射端部においても平行状態に配列され、その光ファイバ素線の中心軸１８は、バンドルファイバ１３の中心軸１５と平行となっている。この光ファイバ素線１２ａの光出射端面は、上述した非平面部１６ａの領域にあり、傾斜面１７で形成されている。この傾斜面１７は、その傾斜面１７に垂直な法線１９が、光ファイバ素線１２の中心軸１８に対して傾斜角αを有するように形成されている。なお、この傾斜角αは、バンドルファイバ１３の中心軸１５と垂直な面１６ｃに対する非平面部１６ａの傾斜角でもある。
【００２０】
光ファイバ素線１２ａに入射された入射光Ｌ１は、光ファイバ素線１２ａの中心軸１８に沿って平行で、傾斜面１７の法線１９に対して入射角θ１で入射される。そして、光ファイバ素線１２ａの傾斜面１７から出射される出射光Ｌ２は、法線１９に対して出射角θ２で出射される。ここで、光ファイバ素線内の光の屈折率をｎ１（＝１.４７）とし、空気中の光の屈折率をｎ２（＝１.００）とすると、光の屈折の法則（スネルの法則ともいう）から、入射角θ１とθ２は、下記の式
「ｎ１×ｓｉｎθ１＝ｎ２×ｓｉｎθ２」・・・（１）
で表わされる。
【００２１】
上記の式で、ｎ１＞ｎ２であることから、θ２＞θ１となる。また、入射光Ｌ１は、光ファイバ素線１２ａの中心軸１８に平行であるので、入射角θ１と傾斜角αとは同じとなり、「θ１＝α」となる。また、出射角θ２は、傾斜角αと増分角βとの和で「θ２＝（α＋β）」となる。すなわち、出射光Ｌ２の出射角θ２は、入射角θ１より増分角βだけ大きい角度で、中心軸１８より内側のバンドルファイバ１３の中心軸１５の方向に屈折され、中心軸１５上に集光される。
【００２２】
ここで、バンドルファイバ１３の最外側に位置する光ファイバ素線１２ａに入射された入射光Ｌ１が、入射角θ１（＝α）で入射され、出射角θ２（＝α＋β）で出射された出射光Ｌ２で、光出射端面から照射距離Ｌだけ離れた位置で、所定の照射エリアＲ内を照射するものとする。この場合、出射光Ｌ２は、光ファイバ素線１２ａの中心軸１８から内側に屈折するようにその増分角βを算定し、照射位置Ｓが所定値になるように設定する必要がある。
【００２３】
照射位置Ｓの算定は、以下のようにして行なうことができる。上述の（１）式で、光ファイバの屈折率をｎ１、空気中の光の屈折率をｎ２、また、傾斜角α（＝θ１）を既知（ｓｉｎθ１）として、ｓｉｎθ２を求める。次いで、ｓｉｎθ２＝ｓｉｎ（α＋β）から、出射角（α＋β）を求め、その増分角βを算出する。そして、出射光Ｌ２の照射位置Ｓは、「照射距離Ｌ×ｔａｎβ」で算出することができる。
【００２４】
図２（Ｂ）は、上述した照射位置の算出結果を表にした図である。ここで、光ファイバの屈折率ｎ１＝１.４７、空気の屈折率ｎ２＝１.００、照射距離Ｌ＝１０ｍｍとし、傾斜角αを０°〜２４°の範囲で、各傾斜角での照射位置Ｓを算定した。この結果、例えば、バンドルファイバ１３の最外側に配列される光ファイバ心線１２ａの配列位置Ｔを、バンドルファイバ１３の中心軸１５から２.５ｍｍ（バンドルファイバ１３の直径が５.０ｍｍとほぼ同じ）とする。
【００２５】
そして、その照射エリアＲは、バンドルファイバ１３の中心軸１５を中心として半径１ｍｍ内と設定すると、この照射エリアＲ内にバンドルファイバ１３内の全ての光ファイバ素線の出射光を照射させるには、最外側の光ファイバ素線１２ａの照射位置Ｓは１.５ｍｍ以上とする必要がある。この場合の傾斜角αは、１７°以上となる。
なお、バンドルファイバ１３の中心軸１５に近傍の光ファイバ素線は、その光出射端面を傾斜しない平面状とし、入射角θ１および出射角θ２を０°で中心軸１５に平行に光を出射させ照射エリアＲ内に照射するのが望ましい。
【００２６】
図３は、本発明の光出射端面を傾斜した非平面とした場合の照射パワー（光強度）と、従来の光出射端面の全域を平面とした場合の照射パワーを比較したシミュレーション図である。本発明品による場合は、実線Ｙで示すように、光が照射される領域の照射座標の範囲を「＋１０〜−１０」に狭めて、光の照射パワーのレベルを、「２.０」と大きくすることができる。これに対し、従来品は、鎖線Ｘで示すように、光が照射される領域の照射座標の範囲が「＋２５〜−２５」と広範囲になると共に、光の照射パワーのレベルは「１.０」と本発明品の１／２でなる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明によるライトガイドの概略を説明する図である。
【図２】本発明によるライトガイドの光の出射状態を説明する図である。
【図３】本発明品と従来品の照射パワーを比較する図である。
【図４】従来技術を説明する図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０…光源装置、１１…ライトガイド、１１ａ…出射端部、１１ｂ…入射端部、１２…光ファイバ素線、１２ａ…最外側の光ファイバ素線、１３…バンドルファイバ、１４…保護スリーブ、１５…バンドルファイバの中心軸、１６…光出射端面、１６ａ…非平面部、１６ｂ…平面部、１６ｃ…垂直面、１７…光ファイバ素線の傾斜面、１８…光ファイバ素線の中心軸、１９…光ファイバ素線の傾斜面の法線を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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