(57)【要約】【課題】簡易な構成で光学調整が不要な集光部材、光源モジュール、光ファイバコネクタ、光ファイバ結合装置を提供する。【解決手段】集光部材８は、光源２と光ファイバ３との間に配置され、円錐状のテーパ穴９を有し、テーパ穴９は、光源２から放射された所定の拡がり角度を有する光を内面で反射させることにより集光して光ファイバ３に光結合する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と光ファイバとの間に配置され、円錐状のテーパ穴を有し、前記テーパ穴は、前記光源から放射された所定の拡がり角度を有する光を内面で反射させることにより集光して前記光ファイバに光結合することを特徴とする集光部材。
【請求項２】
前記テーパ穴は、金属からなることを特徴とする請求項１記載の集光部材。
【請求項３】
前記テーパ穴の内面に表面粗さを除去する処理が施されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の集光部材。
【請求項４】
前記テーパ穴の内面にメッキ処理が施されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の集光部材。
【請求項５】
前記テーパ穴は、前記光源から放射された所定の拡がり角度βと前記光ファイバの開口数から求められる角度θとの差分角度を２で除算して得られた角度をテーパ角度αとして設計されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の集光部材。
【請求項６】
光源と、
前記光源を保持する光源ホルダとを備え、
前記光源ホルダは、円錐状のテーパ穴を有し、前記テーパ穴は、前記光源から放射された所定の拡がり角度を有する光を内面で反射させることにより集光して光ファイバに光結合することを特徴とする光源モジュール。
【請求項７】
前記テーパ穴は、前記光源から放射された所定の拡がり角度βと前記光ファイバの開口数から求められる角度θとの差分角度を２で除算して得られた角度をテーパ角度αとして設計されていることを特徴とする請求項６記載の光源モジュール。
【請求項８】
円錐状のテーパ穴と、
光ファイバとを備え、
前記テーパ穴は、光源から放射された所定の拡がり角度を有する光を内面で反射させることにより集光して前記光ファイバに光結合することを特徴とする光ファイバコネクタ。
【請求項９】
前記テーパ穴は、前記光源から放射された所定の拡がり角度βと前記光ファイバの開口数から求められる角度θとの差分角度を２で除算して得られた角度をテーパ角度αとして設計されていることを特徴とする請求項８記載の光ファイバコネクタ。
【請求項１０】
光源と、
前記光源を保持する光源ホルダと、
円錐状のテーパ穴と光ファイバとを有し、前記テーパ穴が前記光源から放射された所定の拡がり角度を有する光を内面で反射させることにより集光して前記光ファイバに光結合する光ファイバコネクタとを備え、
前記光源ホルダは、前記光ファイバコネクタに有するテーパ穴に嵌合する円錐状のテーパ加工部を有し、
前記テーパ穴に前記テーパ加工部を嵌合させることで、前記光源と前記光ファイバコネクタとの位置決めを行うことを特徴とする光ファイバ結合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ装置やＬＥＤ装置に用いられる集光部材、光源モジュール、光ファイバコネクタ、光ファイバ結合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ファイバを用いたレーザ照明やＬＥＤ照明は、多岐に亙り、レーザ照明装置やレーザ光通信・レーザ光治療等の分野において、レーザ光、ＬＥＤ光を光ファイバに光結合して出力するレーザ装置が広く提供されている。
【０００３】
例えば、特許文献１，２では、光ファイバをレーザ装置に接続したレーザ照明装置が開示されている。
【０００４】
光を光ファイバへ入射するためには、一般にレンズ等の光学部品とその調整が必要となる。例えば、光源として半導体レーザ光やＬＥＤ光を用いる場合、それらの光は発光面から分散して発せられる性質がある。このため、半導体レーザ等から放射された光をコア径の小さい光ファイバに光結合するために、レンズ等の光学部品を用いて分散された光を収束させ、光ファイバの入射面に導くための光学調整が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２２１３３２号公報
【特許文献１】特開２０１５−５０１５１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述した光学調整には、高価な光学部品、調整用の複雑な構造、精密な組立調整作業等が必要となるため、高コスト化する。このため、光ファイバを用いたレーザ、ＬＥＤ照明を普及するためには、光結合部の構造や調整作業を簡略化する必要がある。
【０００７】
本発明の課題は、簡易な構成で光学調整が不要な集光部材、光源モジュール、光ファイバコネクタ、光ファイバ結合装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る集光部材は、光源と光ファイバとの間に配置され、円錐状のテーパ穴を有し、前記テーパ穴は、前記光源から放射された所定の拡がり角度を有する光を内面で反射させることにより集光して前記光ファイバに光結合することを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る光源モジュールは、光源と、前記光源を保持する光源ホルダとを備え、前記光源ホルダは、円錐状のテーパ穴を有し、前記テーパ穴は、前記光源から放射された所定の拡がり角度を有する光を内面で反射させることにより集光して光ファイバに光結合することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る光ファイバコネクタは、円錐状のテーパ穴と、光ファイバとを備え、前記テーパ穴は、光源から放射された所定の拡がり角度を有する光を内面で反射させることにより集光して前記光ファイバに光結合することを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る光ファイバ結合装置は、光源と、前記光源を保持する光源ホルダと、円錐状の第１テーパ穴と光ファイバとを有し、前記第１テーパ穴が前記光源から放射された所定の拡がり角度を有する光を内面で反射させることにより集光して前記光ファイバに光結合する光ファイバコネクタとを備え、前記光源ホルダは、前記光ファイバコネクタに有する第１テーパ穴に嵌合する円錐状の第２テーパ穴を有し、前記第１テーパ穴に前記第２テーパ穴を嵌合させることで、前記光源と前記光ファイバコネクタとの位置決めを行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、集光部材、光源ホルダ、光ファイバコネクタに有する円錐状のテーパ穴は、光源から放射された所定の拡がり角度を有する光を内面で反射させることにより集光して光ファイバに光結合するので、レンズ等を用いなくても済むようになり、簡易な構成で光学調整が不要になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例１の集光部材の構成図である。
【図２】本発明の実施例１の集光部材のテーパ穴設計を説明するための図である。
【図３】本発明の実施例１の集光部材及び光源ホルダを覆うハウジングにファイバコネクタを接続する前の状態を示す図である。
【図４】本発明の実施例１の集光部材及び光源ホルダを覆うハウジングにファイバコネクタを接続した後の状態を示す図である。
【図５】本発明の実施例１の集光部材の光の軌跡を示す図である。
【図６】本発明の実施例２の光源モジュールを示す構成図である。
【図７】本発明の実施例３の光ファイバコネクタを示す構成図である。
【図８】本発明の実施例４の光源ホルダへの光ファイバコネクタ接続前の状態を示す構成図である。
【図９】本発明の実施例４の光源ホルダへの光ファイバコネクタ接続後の状態を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１の集光部材８の構成図である。集光部材８は、光源２と光ファイバ３との間に配置され、円錐状のテーパ穴９を有する。テーパ穴９は、光源２から放射された所定の拡がり角度を有する光を内面で反射させることにより集光して光ファイバ３に光結合する。
【００１５】
集光部材８は、例えば、アルミニウム、ステンレス、鉄鋼等の金属からなる。なお、集光部材８は、金属の代わりに、セラミックスから構成しても良く、あるいは、アクリルやポリエチレン等の樹脂から構成しても良い。
【００１６】
テーパ穴９の内面は、表面の粗さを除去する処理が施されている。表面の粗さを除去する処理としては、例えば、微細加工を行う研磨処理である。テーパ穴９の内面に対して表面の粗さを除去する処理を施すことにより、光がテーパ穴９の内面で乱反射されることなく、円滑に反射されるので、テーパ穴９から光を光ファイバ３に伝送し易くなる。
【００１７】
また、テーパ穴９の内面に対して、亜鉛メッキ、ニッケルメッキ等のメッキ処理を行ってもよい。テーパ穴９の内面がメッキ処理されることにより、光がテーパ穴９の内面で反射されやすくなるので、テーパ穴９から光を光ファイバ３に伝送し易くなる。
【００１８】
光源２は、可視光源であり、レーザ光を出射する半導体レーザ等のレーザ素子又はＬＥＤ（発光ダイオード）からなる。光ファイバ３は、フェルール４に覆われており、マルチモード光ファイバからなる。光源２の光軸と集光部材８のテーパ穴９の中心と光ファイバ３の中心軸とが同軸上に配置されている。
【００１９】
次に、実施例１の集光部材８の動作を説明する。まず、テーパ穴９は、光入射側で分散した光を十分に受光できる開口径を有し、光出射側（光ファイバ側）ではでは光ファイバコア径よりも小さい径を有する。光源２から放射された分散光は、テーパ穴９の内面で反射され、光ファイバ３の入射面へ導かれる。
【００２０】
一般に、マルチモードファイバに光を入射させるために必要な条件として、開口数（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ：ＮＡ）が挙げられる。ＮＡは、式（１）で表される。
ＮＡ＝ｎ×sinθMAX              …（１）
ｎは、光ファイバ外部の空間の屈折率、実施例では簡単のためにｎ＝１とする。θMAXは、光ファイバ中心軸に対する最大受光感度である。
【００２１】
上式は、θMAXを超える入射角を持つ光がファイバコア内部の全反射（伝搬）条件を満たさないことを示している。即ち、光をθMAX以内の入射角でファイバ端面に入射させることで、効率の良い光結合が得られる。なお、光ファイバへの光結合では、ＮＡ以外のパラメータも存在するが、実施例１では、最大の結合効率を得ることを目的としないため、省略する。
【００２２】
実施例１の集光部材８のテーパ穴９のテーパ角度αは、光源の分散角β、光ファイバ３のＮＡから求められるθMAX＝ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ）から設定できる。例えば、最大の分散角βで放射された光がテーパ穴９の内面で１回だけ反射されてファイバ端面へ導かれる場合を考えると、テーパ角度αは、テーパ穴設計を説明する図２から求められ、式（２）で表される。
α＝（θMAX−β）／２ …（２）
即ち、テーパ角度をα以下に設定することにより、テーパ穴９の内面で１回だけ反射された全ての光は、θMAX以下の角度でファイバ入射面へ導かれ入力される。
【００２３】
実施例１の集光部材８により、光源２から放射され分散した光が、光ファイバ３のＮＡ条件を満たすように収束されて光結合される。即ち、集光部材８に有する円錐状のテーパ穴９は、光源２から放射された所定の拡がり角度を有する光を内面で反射させることにより集光して光ファイバ３に光結合する。
【００２４】
まず、通常の光学部品に代わって使用される集光部材８は、機械加工により安価に製造できるため、コストを低減できる。次に、集光部材８により、光学部品の微細な調整を不要とするため、調整用の構造が不要となり、部品点数を削減できる。さらに、調整作業が不要となるため、組立作業時間が削減できる。
【００２５】
従って、レンズ等の高コストな光学部品を使用しなくても済むようになり、簡易な構成で光学調整が不要になる。
【００２６】
（実施例１の集光部材８の具体的な適用例）
図３、図４に実施例１の集光部材８の具体的な適用例を示す。図３は、実施例１の集光部材８及び光源ホルダ５を覆うハウジング６に光ファイバコネクタ７を接続する前の状態を示す。図４は、実施例１の集光部材８及び光源ホルダ５を覆うハウジング６に光ファイバコネクタ７を接続した後の状態を示す。
【００２７】
この例は、可視光をマルチモード光ファイバに光結合して出力する光照明装置１からなる。光照明装置１は、図３に示すように、光源２、光ファイバ３、フェルール４、光源ホルダ５、ハウジング６、光ファイバコネクタ７、集光部材８を備えている。
【００２８】
図４に示すように、光源２と集光部材８と光ファイバ３とフェルール４の配置は、図１に示すそれらと同じである。光源２の拡がり角度は、１０°である。光ファイバ３には、コア径が４００μｍであり、ＮＡ０．５（θMAX＝３０°）のマルチモードファイバを用いる。
【００２９】
光源ホルダ５は、ステンレス、アルミニウム等からなり、光源２を覆うとともに保持する。ハウジング６は、ステンレス、アルミニウム等からなり、光源ホルダ５と集光部材８とを覆うとともに保持する。光ファイバコネクタ７は、光ファイバ３とフェルール４とを覆うとともに保持する。
【００３０】
集光部材８は、最大拡がり角度で放射された光がテーパ穴９の内面で１度だけ反射され、ファイバ端面に導かれるように設計する。テーパ穴９のテーパ角度は、１０°である。
【００３１】
また、ファイバコア径が４００μｍであるため、公差を考慮してテーパ穴９の光出射側（光ファイバ側）穴径を３８０μｍとする。光源２の光出射面からテーパ穴９の入射面までの距離は、約０．７ｍｍ、テーパ穴９の深さは約０．９ｍｍである。テーパ穴９の入射穴径は、約６２０μｍである。
【００３２】
以上のように構成された集光部材８により、光は、図５に示すように、テーパ穴９の内面で反射され、ＮＡ条件を満たした角度で、光ファイバ３に入射する。最大拡がり角度で放射された光は、軌跡１０ａで表され、その他の発散角で放射された光は、軌跡１０ｂ，１０ｃ，１０ｄで表されている。
【００３３】
上記集光部材８により、レンズ等の高コストな光学部品を使用することなく、各部品の組み立てのみの簡易な方法で光源２と光ファイバ３間の光結合を実現できる。
【００３４】
（実施例２）
図６は、本発明の実施例２の光源モジュールを示す構成図である。光源モジュールは、光源２と、光源２を保持する光源ホルダ１１とを備えている。光源ホルダ１１は、円錐状のテーパ穴９を有し、テーパ穴９は、光源２から放射された所定の拡がり角度を有する光を内面で反射させることにより集光して光ファイバ３に光結合する。光ファイバ３は、フェルール４に覆われている。
【００３５】
テーパ穴９は、式（１）に示すように、光源２から放射された所定の拡がり角度βと光ファイバの開口数から求められる角度θとの差分角度を２で除算して得られた角度をテーパ角度αとして設計されている。
【００３６】
このように実施例２の光源モジュールによれば、テーパ穴９が形成された集光部材８が光源ホルダ１１に形成され、光源ホルダ１１の役目も兼ねている。また、光源２と集光部材８が形成された光源ホルダ１１とが一つの光源モジュールとなっている。
【００３７】
光源ホルダ１１に光ファイバ３を備えたフェルール４を差し込むだけで、光源２と光ファイバ３との結合がなされるため、非常に簡易に組立できる。
【００３８】
（実施例３）
図７は、本発明の実施例３の光ファイバコネクタを示す構成図である。実施例３の光ファイバコネクタ１２は、円錐状のテーパ穴９が形成されるとともに、内部に光ファイバ３と、フェルール４を備えている。
【００３９】
テーパ穴９は、光源２から放射された所定の拡がり角度を有する光を内面で反射させることにより集光して光ファイバ３に光結合する。
【００４０】
テーパ穴９は、式（１）に示すように、光源２から放射された所定の拡がり角度βと光ファイバの開口数から求められる角度θとの差分角度を２で除算して得られた角度をテーパ角度αとして設計されている。
【００４１】
このように実施例３の光ファイバコネクタ１２によれば、テーパ穴９が形成された集光部材８が光ファイバコネクタ１２に形成され、光ファイバコネクタ１２の役目も兼ねている。また、集光部材８と光ファイバ３と、フェルール４とが一体化して光ファイバコネクタ１２となっている。
【００４２】
光ファイバコネクタ１２を光源２に近接させて配置するだけで、光源２と光ファイバ３との結合がなされるため、非常に簡易に組立できる。
【００４３】
（実施例４）
図８は、本発明の実施例４の光源ホルダへの光ファイバコネクタ接続前の状態を示す。図９は、本発明の実施例４の光源ホルダへの光ファイバコネクタ接続後の状態を示す。
【００４４】
図８に示す光ファイバ結合装置は、光源２と、光源２を保持する光源ホルダ１４と、光ファイバコネクタ１３とを備えている。光ファイバコネクタ１３は、円錐状のテーパ穴９と光ファイバ３とを有しテーパ穴９が光源２から放射された所定の拡がり角度を有する光を内面で反射させることにより集光して光ファイバ３に光結合する。
【００４５】
光源ホルダ１４は、光ファイバコネクタ１３に有するテーパ穴９に嵌合するテーパ穴９のテーパ角度と同様なテーパ角度の円錐状のテーパ加工部１５を有している。テーパ穴９にテーパ加工部１５を嵌合させることで、光源２と光ファイバコネクタ１３との位置決めを行う。
【００４６】
この場合、光源２の光軸とテーパ加工部１５の中心とテーパ穴９の中心と光ファイバ３の中心軸とが同軸上に配置されるようにする。
【００４７】
このように実施例４の光ファイバ結合装置によれば、テーパ穴９にテーパ加工部１５を嵌合させることで、光ファイバコネクタ１３を光源ホルダ１４に対して挿抜を繰り返しても、正確に光源２とテーパ穴９とが精度よく位置決めされ、ファイバ端に毎回、同じように光が入射される。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、レーザ加工やレーザ照明等に適用可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１  照明装置
２  光源
３  光ファイバ
４  フェルール
５  光源ホルダ
６  ハウジング
７，１２，１３  光ファイバコネクタ
８  集光部材
９  テーパ穴
１０ａ〜１０ｄ  光の軌跡
１１，１４  光源ホルダ
１５  テーパ加工部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2019078801.tif 000008
【図７】
2019078801.tif 000009
【図８】
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【図９】
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