ライトガイドおよび光照射装置
【課題】
光ファイバ束の端部に融着部を有するライトガイドにおいて、ライトガイド端末部における、光ファイバ束に入射する光を、光ファイバ素線の中心軸と平行に取り込むことが可能なライトガイドを提供する。
【解決手段】
複数の光ファイバ素線からなり少なくとも光入射側の端部が熱融着された光ファイバ束を含み、光ファイバ束の中心軸より外側に位置する各光ファイバ素線の中心軸が、前記熱融着された光ファイバ束端部において、光ファイバ束の中心軸に対して傾きを有し、光ファイバ束の光入射端面の形状が、凹面形状であることを特徴とするライトガイドである。
光ファイバ束の端部に融着部を有するライトガイドにおいて、ライトガイド端末部における、光ファイバ束に入射する光を、光ファイバ素線の中心軸と平行に取り込むことが可能なライトガイドを提供する。
【解決手段】
複数の光ファイバ素線からなり少なくとも光入射側の端部が熱融着された光ファイバ束を含み、光ファイバ束の中心軸より外側に位置する各光ファイバ素線の中心軸が、前記熱融着された光ファイバ束端部において、光ファイバ束の中心軸に対して傾きを有し、光ファイバ束の光入射端面の形状が、凹面形状であることを特徴とするライトガイドである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を伝達し被照射物を照射するライトガイドおよび該ライトガイドを含む光照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ発振器等の発光体から放射された光を、被照射物の任意の位置に伝達するための手段としてライトガイドが用いられている。
【０００３】
こうしたライトガイドは、通常、光ファイバ素線を単体で用いる場合と、複数の光ファイバ素線を束ね光ファイバ束として用いる場合とがあり、必要とする光の量や発光体の特性に応じて使い分けられている。
【０００４】
これらのうち光ファイバ束を用いる場合は、その端部を集束し固化する必要があり、一般的には有機系または無機系接着剤、あるいは低融点ガラスによってそれぞれの光ファイバ素線を固着する方法が用いられている。
【０００５】
しかしながら、レーザ加工機や高出力のランプを用いた装置においては、発光体から放射された強力な光を入射するため、その端部の耐熱性を高める必要があり、高周波加熱あるいは酸水素バーナー等の加熱手段等により、外部から熱を加え光ファイバ素線自体を溶融し、互いに融着する方法が知られている。
【０００６】
ここで、上記のように、光ファイバ束の端部を外部より熱を加えて融着する方法としては、特許文献１に示される方法が挙げられる。
【０００７】
【特許文献１】特開昭５７−９７５０３号公報
【０００８】
この特許文献１は、多数本からなる石英系光ファイバ素線の端部を集束して、この集束した端部をガラス管内に挿入した後、ガラス管の外周から熱を加えて、ガラス管、各光ファイバ素線を融着すると共に、これらガラス管と各光ファイバ素線相互の間隙を減少または消去する方法を示している。
【０００９】
したがって、上記方法で製造されたライトガイドは、熱に弱い接着剤を用いずとも各光ファイバ素線がしっかり固着されたライトガイド端末部が形成できるようになり、大光量伝送を目的とした大型光源等からの熱に対しても、当該端末部の十分な耐熱性が確保できる。
【００１０】
また、当該端末部における光ファイバ素線間の間隙を減少又は消去するようにしているので、その端面におけるコア占有率が高まり、光源に対する光入射効率を高めることもできる。
【００１１】
しかしながら、上記した方法により形成された融着部は、光ファイバ素線自体が概六角形に変形することにより光ファイバ素線間の間隙が減少または消去されるため、融着された部分の光ファイバ束の径は、融着されていない部分の光ファイバ束の径と比較して、光ファイバ素線間の減少または消去された間隙の割合だけ小さくなる。
【００１２】
この結果、ライトガイド端末部において、光ファイバ束の外周部に近い位置に配置した光ファイバ素線は、融着されていない部分（光ファイバ束の末端から遠い側）から融着された部分（光ファイバ束の末端側）にかけて、その中心軸が光ファイバ束の中心軸の方向に傾くこととなり、この傾きは光ファイバ素線が光ファイバ束の中心軸から遠ざかるほど大きく、反対に、光ファイバ束の中心軸へ近づくほど小さくなり、概ね光ファイバ束の中心軸上では、光ファイバ素線の中心軸と光ファイバ束の中心軸は平行となる。
【００１３】
図２に示すように、ライトガイド端末の融着部を、ライトガイド端末部における光ファイバ束の中心軸と垂直に交わる平面Ａで切断し研磨した場合には、図４に示すように、光ファイバ素線の中心軸１４は、それぞれの光ファイバ素線の端面３２に対して垂直ではなくなるため、このような端面３２に垂直に入射する光５０は、端面３２に入射後、光ファイバ素線の中心軸１４に沿って進むことができずに、光ファイバ素線１０を構成するクラッド１２の内面で全反射を繰り返し、光ファイバ素線の出射端面３６に到達する。
【００１４】
この結果、ライトガイドの出射端部から出射する光は、光ファイバ束の中心軸に対して傾きを有する光を含むこととなり、ライトガイドの入射端に入射する光の入射角度を維持することができないという問題を有していた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、このような事情のもとで、光ファイバ束の端部に融着部を有するライトガイドにおいて、光ファイバ束に入射する光を、光ファイバ素線の中心軸に平行に取り込むことが可能なライトガイドおよび該ライトガイドを含む光照射装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成する、本発明は、
（１）複数の光ファイバ素線からなり少なくとも光入射側の端部が熱融着された光ファイバ束を含み、
光ファイバ束の中心軸より外側に位置する各光ファイバ素線の中心軸が、前記熱融着された光ファイバ束端部において、光ファイバ束の中心軸に対して傾きを有し、
光ファイバ束の光入射端面の形状が、凹面形状であることを特徴とするライトガイド、
（２）前記凹面形状が球面形状である上記（１）に記載のライトガイド、
（３）前記光ファイバ素線の少なくとも一部は、光ファイバ素線の光入射面と該光入射面に入射する光に直交する面とが形成する角度θ２が、
θ２＝ｃｏｔ−１（ｃｏｔθ１−（ｎ２／（ｎ１ｓｉｎθ１）））
〔但し、θ１は、光ファイバ素線の光入射面に入射する光と、光ファイバ素線の中心軸とが形成する角度であり、ｎ１は、光ファイバ素線を構成するコアの屈折率であり、ｎ２は、光ファイバ素線外部の空間の屈折率である。〕
を満たすように光入射面を加工されたものである上記（１）または（２）に記載のライトガイド、
（４）光ファイバ素線が、石英、多成分ガラスまたはプラスチックからなるものである上記（１）〜（３）のいずれかに記載のライトガイド、および
（５）光を放射する発光体と、該発光体からの放射光を被照射物に照射するためのライトガイドとを含む光照射装置であって、前記ライトガイドが上記（１）〜（４）のいずれかに記載のライトガイドであることを特徴とする光照射装置
からなるものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、光ファイバ束の端部を融着により固化したライトガイドであって、光ファイバ束に入射する光を、光ファイバ素線の中心軸に平行に取り込むことが可能なライトガイドおよび該ライトガイドを含む光照射装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明に係るライトガイドおよび光照射装置の実施形態を、図面を用いて詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一の要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、本明細書において数値を挙げて説明したものと必ずしも一致していない。
【００１９】
本発明のライトガイドは、
複数の光ファイバ素線からなり少なくとも光入射側の端部が熱融着された光ファイバ束を含み、
光ファイバ束の中心軸より外側に位置する各光ファイバ素線の中心軸が、前記熱融着された光ファイバ束端部において、光ファイバ束の中心軸に対して傾きを有し、
光ファイバ束の光入射端面の形状が、凹面形状であることを特徴とする。
図１（ａ）は、本発明のライトガイドの第１の実施態様における、ライトガイドの端末部構造を示す断面図である。
【００２０】
ライトガイド１は、多数の光ファイバ素線１０からなる光ファイバ束２およびスリーブ２０により構成されており、光入射側の端末部を熱融着した後、融着部分を所定の位置で切断し、更に切断面に対して後述する凹面形状の加工を施したライトガイド端末部３０を有している。
【００２１】
なお、光ファイバ素線１０は、図１（ｂ）に示すように高純度石英からなる外径１９０μｍのコア１１、石英にフッ素ドープを施した外径２００μｍのクラッド層１２、及び紫外線硬化樹脂からなる外径２２０μｍの被覆層１３とにより構成されており、一方、スリーブ２０には、光ファイバ素線１０に用いられた石英と熱膨張係数、軟化温度が略等しい外径１２ｍｍ、内径１０ｍｍ、全長３５ｍｍの石英管を用いている。
【００２２】
次に、図１のライトガイドにおける光入射端面の形成方法を説明する。
図２に示すように、スリーブ２０に、端部付近の被覆層１３を溶剤により溶解除去した約２０００本の光ファイバ素線１０を、先端が５ｍｍほど突き出る状態で挿入した後、スリーブ２０の先端から約１０ｍｍの範囲を酸水素バーナーで加熱することにより、各光ファイバ素線１０が軟化して相互に融着すると同時にスリーブ２０とも融着一体化して、スリーブ２０の外周面になだらかな段部２１を有するライトガイド端末部３０を形成する。
【００２３】
ここで、融着部３１は、先端（図２の右側）に近い領域ほど各光ファイバ素線１０相互の融着が密に行われているため、堅牢性が高くなるが、このような領域では、光ファイバ素線１０のコア１１とクラッド１２の境界が軟化により不明瞭となる可能性があり、光を入射した際に、入射した光がコア１１およびクラッド１２の界面において乱反射し、ライトガイドとしての光の伝達効率が低下してしまう虞がある。
【００２４】
このため、融着により形成されたライトガイド端末部３０は、上記のコア１１とクラッド１２の境界が不明瞭となる部分を切断削除する必要があり、この切断位置は、スリーブ２０内部の光ファイバ素線１０が相互に融着した範囲で最も段部２１に近い位置で行われる。
【００２５】
図２に示すライトガイド１ではこの位置を、融着部３１のスリーブ２０を含む外径が約１１ｍｍとなるＡの位置とし、この位置で切断している。
【００２６】
この結果、図３に示すように、光ファイバ素線１０の中心軸１４は、ライトガイド端末部３０において、光ファイバ束２の中心軸３３の方向に傾斜角θ１を有した状態で切断され、この傾斜角θ１はライトガイド端末部３０において、光ファイバ束２の外周付近に配置された光ファイバ素線１０ほど大きく、逆に光ファイバ束２の中心軸３３へ近づくほど小さくなり、中心軸３３付近の光ファイバ素線の中心軸１４は、ライトガイド端末部３０における光ファイバ束２の中心軸３３とほぼ平行になる。
【００２７】
図４に示すように、切断面３２に垂直に光５０を入射した場合、入射後の光５１は、光ファイバ素線１０の中心軸１４と入射光５０との傾きであるθ１と等しいθ１ａ傾いた角度で全反射を繰り返しながら伝播し、出射端面３６において、屈折により光ファイバ素線の中心軸１４との角度を更に拡大して、θ３の角度で出射する。
【００２８】
後述するように、本実施態様において、ライトガイド１は、ライトガイド端末部３０の切断面３２に所定の凹面加工を施すことにより、光ファイバ素線１０の入射端面に、上述した傾斜角θ１による影響を補償する傾斜角θ２を設け、光ファイバ素線１０に入射する光が、光ファイバ素線の中心軸１４に平行に取り込めるようにしたものであり、この傾斜角θ２は、中心軸１４の傾斜角θ１より求めることができるものである。
【００２９】
ここで、傾斜角θ１を求める方法と、求められた傾斜角θ１から傾斜角θ２を導き出す方法とを説明する。
【００３０】
図５は傾斜角θ１を測定するための、装置構成を示している。
この測定装置は、被測定用のライトガイド１０１にビーム径を整形したレーザ光１４０を入射し、出射する光１４１の出射角度θ３（図４のθ３に対応する）を測定することにより、光入射端面における傾斜角θ１を求めるものである。
【００３１】
なお、ライトガイド１０１は、入射端面１０１ａを上述の手順に従って融着した後、図２のＡの位置で切断し平面研磨を行ったものであり入射端面での光ファイバ束の外径は９ｍｍとなっている。
また光出射端面１０１ｂは、熱融着に代わって有機系の接着剤により固着し、光入射端面１０１ａと同様に平面研磨を施してある。
【００３２】
この入射端面１０１ａに、Ｈｅ−Ｃｄレーザ発振器１１０からの放射光を、スリット１２０によりビーム径０．５ｍｍに整形したレーザ光１４０を入射する。
【００３３】
レーザ光１４０の光入射端面１０１ａへの入射位置は、入射端面１０１ａを光ファイバ束の半径方向に延びるＸ１軸に沿って１ｍｍづつ移動したものであり、それぞれの入射位置における光出射端面１０１ｂより出射した光の強度分布は、光出射端面１０１ｂより１５０ｍｍ離れた位置へ光強度計１３０を設置し、この光強度計１３０をライトガイド１０１の中心軸に直行するＸ２軸に沿って移動させることにより、測定したものである。
【００３４】
図６に示すように、測定した光強度分布は二つのピークを有する形状となるため、このピーク間の距離Ｄから、図５の光出射端面１０１ｂより出射した光の傾き角度θ３を、式１により計算することができる。
θ３＝ｔａｎ−１（Ｄ／２）／Ｌ・・・式１
（但し、Ｄは測定した光強度分布図における二つのピーク間の距離、Ｌは出射端面より光強度計１３０が設置されている面までの距離）
【００３５】
次に、上で求めた角度θ３より、図４に示す、光ファイバ素線内を伝播する光５１の角度θ１ａ及び傾斜角θ１を求める。
ここで、図４の出射端面３６における出射前の光５１と出射後の光５２の関係はスネルの法則より、
ｎ１ｓｉｎθ１ａ＝ｎ２ｓｉｎθ３
（但し、ｎ１はコアの屈折率、ｎ２は光ファイバ素線１０外部の空間の屈折率）
が成り立つため、光ファイバ素線内を伝播する光５１の角度θ１ａは、
θ１ａ＝ｓｉｎ−１（（ｎ２／ｎ１）×ｓｉｎθ３）
となる。
また、光ファイバ素線１０の中心軸１４の傾斜角θ１は、図４より上記の光ファイバ素線内を伝播する光５１の角度θ１ａと等しい角度であるから、
θ１＝θ１ａ＝ｓｉｎ−１（（ｎ２／ｎ１）×ｓｉｎθ３）・・・式２
となる。
【００３６】
例として、図６に示す測定結果を基に具体的にθ１を求めると、以下のとおりとなる。図６は、レーザ光１４０の入射位置を入射端面１０１ａの中心よりＸ１軸に沿って４ｍｍ離れた位置とした場合の出射光の光強度分布を示すものである。
図６においては、横軸がＸ２軸に沿った距離を示しており、縦軸が光強度の相対値を示している。
【００３７】
図６より、二つのピークは、３５ｍｍの距離を隔てて位置しており、このピーク間距離Ｄ＝３５ｍｍと、出射端面から光強度計１３０までの距離Ｌ＝１５０ｍｍを式１に代入することにより、出射光の傾きθ３が約６．６５°であることを求めることができる。
【００３８】
ここで、光ファイバ素線１０を構成するコアの屈折率ｎ１は約１．５であるから、式２より、光ファイバ素線の中心軸１４の傾斜角θ１は４．４３°であることが分かる。
【００３９】
以上、融着により傾斜した光ファイバ素線の傾斜角θ１を求める方法を説明したが、次に、図７を用いて、この傾きθ１による出射角θ３への影響を補償するための光入射面１５の傾斜角θ２を求める方法を説明する。
【００４０】
図７は、その中心軸１４が光入射面１５に入射する光（光ファイバ束の中心軸と平行に入射する光）５０に対して傾斜角θ１を有し、光入射面１５と該光入射面１５に入射する光５０に直交する面６１に対して傾斜角θ２を有する光ファイバ素線１０と、入射後の光５１の伝播状態を示すものである。
【００４１】
破線１６は光入射面１５と直交する直線であり、この交点に入射前の光５０が破線１６に対して入射角θ５の角度で入射する。入射後の光５１が光入射面１５で屈折し、光ファイバ素線の中心軸１４に沿って伝播しているとすると、入射前の光５０と入射後の光５１の関係は、スネルの法則により式３を満たすこととなる。
ｎ１ｓｉｎθ４＝ｎ２ｓｉｎθ５・・・・・式３
【００４２】
ここで、ｎ１はコアの屈折率、ｎ２は光ファイバ素線１０外部の空間の屈折率である。また、θ４は、入射後の光５１の屈折角であり、入射前の光５０の入射角θ５から傾きθ１を指し引いた値と等しくなることから、式３は、
ｎ１ｓｉｎ（θ５−θ１）＝ｎ２ｓｉｎθ５・・式４
のように、入射角θ５とθ１の関係式に置き換えることができる。
また、入射前の光５０に直交する面６１に対する光入射面１５の傾きである傾斜角θ２は、入射前の光５０の入射角θ５と等しいため、θ５をθ２に置き換え、式５で現すことができる。
ｎ１ｓｉｎ（θ２−θ１）＝ｎ２ｓｉｎθ２・・式５
この結果、傾斜角θ２は、
θ２＝ｃｏｔ−１（ｃｏｔθ１−（ｎ２／（ｎ１ｓｉｎθ１）））・・式６
により求めることができる。
【００４３】
先に求めたθ１＝４．４３°と、ｎ１＝１．５、ｎ２＝１．０を式６に代入することにより、θ２＝１３．１６°を得ることができ、光ファイバ束の光入射端面の中心より４ｍｍ離れた位置における、光ファイバ素線の入射面の傾きを１３．１６°にすることにより、該位置において光ファイバ素線に入射した光を、光ファイバ素線の中心軸に沿って取り込めることがわかる。
なお、θ２をより簡便に求めるために、上記式６を導出するにあたり、適宜公知の近似式等を用いて式６を簡略化し、これを用いてもよい。
【００４４】
図８（ａ）には、図５におけるレーザ光１４０の入射位置を、入射端面１０１ａの中心からＸ１軸に沿って、それぞれ１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍとしたときの、θ１とθ２を示す。
図８には、入射端面１０１ａの中心軸から１ｍｍづつ離れた点におけるθ１とθ２を示したが、入射端面１０１ａの中心からＸ１軸に沿って測定箇所を増やし、各測定点において求められたθ２に従って、光ファイバ素線の光入射面を加工することがより好ましい。
【００４５】
本実施態様において、ライトガイド１は、上述の融着されたライトガイド端末部３０の切断面３２に、その中心軸３３を中心として同心円状に傾斜角θ２を設けたものであり、その形状は、図８（ｂ）に示すように、中心軸３３から外周部に近づくに従って傾きが大きくなる非球面３４となる。図８（ｂ）に示すライトガイドにおいては、入射端面１０１ａの中心軸から１ｍｍづつ離れた点以外にも、入射端面１０１ａの中心からＸ１軸に沿って複数の位置でθ２を測定し、各測定点において得られたθ２に従って、光ファイバ素線の光入射面を加工している。
【００４６】
このような非球面３４の凹面加工を行う装置としては、加工自由度の高い数値制御による超精密加工機等を用いて行うが、加工面の鏡面度を高めるためにＥＬＩＤ研削法を用いることもできる。
【００４７】
以上、本実施態様のライトガイド１の融着部３１に施した加工形状について説明を行ったが、次に、上記ライトガイドの光入射端面全面にレーザ光を入射した際の、出射端面より出射される光の強度分布について、図９、図１０を用いて説明する。
【００４８】
図９に示す装置は、ライトガイドの光入射端面に均一なレーザ光が入射されるように、図５の装置のスリット１２０に代わってビームエキスパンダ１５０を設けたものであり、ライトガイド１の光入射端面３２、３４全面にレーザ光を入射し、ライトガイド１の光出射端面３６より１５０ｍｍ離れた位置の光強度分布を、光強度計１２０を用いて測定した。
【００４９】
図１０は、上記装置により測定したライトガイド１からの出射光の強度分布を示すものであり、実線は、光入射端面に非球面加工を施したライトガイドにレーザ光を入射した際の出射光の強度分布を示し、破線は、入射端面に非球面加工を施していない従来のライトガイドにレーザ光を入射した際の出射光の強度分布を示している。
【００５０】
実線で表した、光入射端面に非球面加工を施したライトガイドの光強度分布と、破線で示した、光入射端面に非球面加工を施していないライトガイドの光強度分布を比較すると、光入射端面に非球面加工を施したライトガイドは、出射光が拡散せずに比較的狭い範囲を照射していることが分かる。また、照射されている中心部分の光強度も非球面加工を施していないライトガイドと比較して約４倍高いことが分かる。
【００５１】
以上説明した通り、本実施態様のライトガイドによれば、融着されたライトガイド端末部の切断面に、光ファイバ素線の中心軸の傾きによる影響を補償するための傾斜角θ２を、光ファイバ束の中心軸を中心として同心円状に設けることにより、ライトガイド端末部における光ファイバ束の中心軸と平行に入射する光を、各光ファイバ素線の中心軸に平行に取り込むことが可能となるため、光ファイバ束の出射端面での光の拡散を抑えることが可能となる。
なお、本実施態様においては、光ファイバ素線の光入射面への入射光を、光ファイバ束の中心軸と平行に入射する光を用いて説明したが、本発明のライトガイドにおける入射光は、必ずしも光ファイバ束の中心軸と平行に入射する光に限られるものではなく、光ファイバ束の中心軸に対して傾きを持った光や、光ファイバ素線の光入射面に集光される多くの角度成分を含む光である場合においても、同様の効果を得ることができる。なお、光ファイバ素線の光入射面に集光される多くの角度成分を含む光を利用する場合は、その中心となる光、あるいは、最も強度の強い光の入射角度を用いて、θ２を求めることが好ましい。
また、本発明のライトガイドは、光ファイバ素線の光入射面と該光入射面に入射する光に直交する面とが形成する角度θ２を必ずしも式６に一致させる必要はなく、後述する本発明の第２の実施態様に示すライトガイドのように、角度θ２を式６で求めた値に近似した角度とすることによっても、同様の効果を得ることができる。
【００５２】
図１１は、本発明のライトガイドの第２の実施態様における、ライトガイドの端末部構造を示す断面図である。
【００５３】
本実施態様におけるライトガイドの光入射端面形状は、光ファイバ束融着後の切断面を、図１１に点線で示す非球面３４に近似した、半径３０ｍｍの球面形状３５に加工したものであり、ライトガイドを構成する光ファイバ素線１０およびスリーブ２０は第１の実施態様に示したものと同一のものを用いた。
【００５４】
ライトガイドの光入射端面をこのような形状に加工することにより、光ファイバ素線に取り込まれた光の、各光ファイバ素線の中心軸１４に対する平行度は、非球面形状に加工したライトガイドと比較して若干低下し、光ファイバ束の光入射端面にレーザ光を入射した際の出射光の強度分布に関しても、図１０の一点鎖線で示すようにピーク値が２０％程度低下するが、図１０に破線で示される光入射端面に球面加工を施していない従来のライトガイドのピークと比較すると、非球面加工を施したライトガイドと同様に、出射光が拡散せず、高い光強度が得られることが分かる。
【００５５】
また、加工形状を球面とすることにより、従来の球面形状を有する研磨皿による研磨方法を用いても加工が可能であるため、加工コストを抑えることができる。
【００５６】
なお、第１の実施態様および第２の実施態様で示したライトガイドにおいては、何れも石英から成る光ファイバ素線を用いたが、本発明のライトガイドは、多成分ガラスあるいはプラスチックからなる光ファイバ素線を用いたものにも適用することができる。
また、第１の実施態様および第２の実施態様では、光を放射する発光体としてレーザ発振器を用いて説明したが、これに限定されるものではなく、本発明のライトガイドは、発光体としてショートアークランプあるいはハロゲンランプ等を用いることもできる。
【００５７】
次に、本発明の光照射装置について説明する。
本発明の光照射装置は、光を放射する発光体と、該発光体からの放射光を被照射物に照射するためのライトガイドとを含むものであって、上記ライトガイドが本発明のライトガイドであることを特徴とする。
図１２は、本発明の光照射装置の実施態様を示す図である。
本実施態様において、光照射装置はレーザ光を発振するレーザ発振器２１０と、レーザ光を集光するレンズ２２０と、集光された光を伝送するライトガイド２３０と、ライトガイド２３０より出射した光を被照射物Ｗに集光するための集光レンズ２４１と、この集光レンズ２４１を含む加工ヘッド部２４０により構成されている。
【００５８】
レーザ発振器２１０としてはフラッシュランプを励起光源とする紫外光を放射するＱスイッチＹＡＧレーザが使用される。
【００５９】
この光照射装置では、ライトガイド２３０の光入射端面２３０ａにレーザ光が集光されるため、第１の実施態様におけるライトガイドと同様に、石英製光ファイバ素線からなる光ファイバ束の、光入射端部を融着したライトガイドが用いられており、ライトガイド２３０の光入射端面２３０ａは図８に示すように非球面形状に加工されている。
【００６０】
このように入射端面が非球面形状に加工されているライトガイドを用いた場合には、ライトガイドから出射する光２５０は、入射端面に非球面加工が施されていないライトガイドと比較して、より小さな出射角度となるため、集光レンズ２４１もこの角度φに応じた小口径のもの用いることができ、加工ヘッド部２４０の大きさも、よりコンパクトなものとすることができる。
【００６１】
なお、本実施態様で示した光照射装置は光を放射する発光体としてレーザ発振器を用いたが、これに限定されるものではなく、本発明の光照射装置は、発光体としてショートアークランプあるいはハロゲンランプ等を用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明のライトガイドは、光ファイバ束の端部を融着したものであって、ライトガイド端末部において、光ファイバ束に入射する光を、光ファイバ素線の中心軸と平行に取り込むことが可能であるため、該ライトガイドを含む光照射装置に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明のライトガイドの第１の実施態様における、ライトガイドの端末部構造を示す断面図（ａ）および光ファイバ素線の断面図（ｂ）である。
【図２】光ファイバ束端末の融着部において、光入射端面を形成するために、切断、研磨する位置Ａを示す図である。
【図３】位置Ａで切断した後のライトガイド端末を示す図である。
【図４】光入射面加工前の光ファイバ素線における入射光と出射光を示す図である。
【図５】傾斜角θ１を測定するための測定装置を示す図である。
【図６】出射光の光強度分布を示す図である。
【図７】傾斜角θ２の算出方法を説明するための光ファイバ素線の断面を示す図である。
【図８】光ファイバ束の中心軸から所定距離離れた位置における各θ１とθ２を示す図（ａ）および得られた各θ２を満足するように光ファイバ束の光入射端面を加工し非球面状にしたことを示す図（ｂ）である。
【図９】ライトガイドにレーザ光を入射した際の出射光の強度分布を測定するための装置を示す図である。
【図１０】ライトガイドにレーザ光を入射した際の出射光の強度分布を示す図である。
【図１１】本発明のライトガイドの端末部構造を説明するための図である。
【図１２】本発明の光照射装置の実施態様を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１ ライトガイド
２ 光ファイバ束
１０ 光ファイバ素線
１１ コア
１２ クラッド層
１３ 被覆層
１４ 光ファイバ素線の中心軸
１５ 光入射面
１６ 光入射面と直交する直線
２０ スリーブ
２１ 段部
３０ ライトガイド端末部
３１ 融着部
３２ 端面
３３ 光ファイバ束の中心軸
３４ 非球面
３５ 球面
３６ 出射端面
１０１ ライトガイド
１０１ａ 光入射端面
１０１ｂ 光出射端面
１１０ レーザ発振器
１３０ 光強度計
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を伝達し被照射物を照射するライトガイドおよび該ライトガイドを含む光照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ発振器等の発光体から放射された光を、被照射物の任意の位置に伝達するための手段としてライトガイドが用いられている。
【０００３】
こうしたライトガイドは、通常、光ファイバ素線を単体で用いる場合と、複数の光ファイバ素線を束ね光ファイバ束として用いる場合とがあり、必要とする光の量や発光体の特性に応じて使い分けられている。
【０００４】
これらのうち光ファイバ束を用いる場合は、その端部を集束し固化する必要があり、一般的には有機系または無機系接着剤、あるいは低融点ガラスによってそれぞれの光ファイバ素線を固着する方法が用いられている。
【０００５】
しかしながら、レーザ加工機や高出力のランプを用いた装置においては、発光体から放射された強力な光を入射するため、その端部の耐熱性を高める必要があり、高周波加熱あるいは酸水素バーナー等の加熱手段等により、外部から熱を加え光ファイバ素線自体を溶融し、互いに融着する方法が知られている。
【０００６】
ここで、上記のように、光ファイバ束の端部を外部より熱を加えて融着する方法としては、特許文献１に示される方法が挙げられる。
【０００７】
【特許文献１】特開昭５７−９７５０３号公報
【０００８】
この特許文献１は、多数本からなる石英系光ファイバ素線の端部を集束して、この集束した端部をガラス管内に挿入した後、ガラス管の外周から熱を加えて、ガラス管、各光ファイバ素線を融着すると共に、これらガラス管と各光ファイバ素線相互の間隙を減少または消去する方法を示している。
【０００９】
したがって、上記方法で製造されたライトガイドは、熱に弱い接着剤を用いずとも各光ファイバ素線がしっかり固着されたライトガイド端末部が形成できるようになり、大光量伝送を目的とした大型光源等からの熱に対しても、当該端末部の十分な耐熱性が確保できる。
【００１０】
また、当該端末部における光ファイバ素線間の間隙を減少又は消去するようにしているので、その端面におけるコア占有率が高まり、光源に対する光入射効率を高めることもできる。
【００１１】
しかしながら、上記した方法により形成された融着部は、光ファイバ素線自体が概六角形に変形することにより光ファイバ素線間の間隙が減少または消去されるため、融着された部分の光ファイバ束の径は、融着されていない部分の光ファイバ束の径と比較して、光ファイバ素線間の減少または消去された間隙の割合だけ小さくなる。
【００１２】
この結果、ライトガイド端末部において、光ファイバ束の外周部に近い位置に配置した光ファイバ素線は、融着されていない部分（光ファイバ束の末端から遠い側）から融着された部分（光ファイバ束の末端側）にかけて、その中心軸が光ファイバ束の中心軸の方向に傾くこととなり、この傾きは光ファイバ素線が光ファイバ束の中心軸から遠ざかるほど大きく、反対に、光ファイバ束の中心軸へ近づくほど小さくなり、概ね光ファイバ束の中心軸上では、光ファイバ素線の中心軸と光ファイバ束の中心軸は平行となる。
【００１３】
図２に示すように、ライトガイド端末の融着部を、ライトガイド端末部における光ファイバ束の中心軸と垂直に交わる平面Ａで切断し研磨した場合には、図４に示すように、光ファイバ素線の中心軸１４は、それぞれの光ファイバ素線の端面３２に対して垂直ではなくなるため、このような端面３２に垂直に入射する光５０は、端面３２に入射後、光ファイバ素線の中心軸１４に沿って進むことができずに、光ファイバ素線１０を構成するクラッド１２の内面で全反射を繰り返し、光ファイバ素線の出射端面３６に到達する。
【００１４】
この結果、ライトガイドの出射端部から出射する光は、光ファイバ束の中心軸に対して傾きを有する光を含むこととなり、ライトガイドの入射端に入射する光の入射角度を維持することができないという問題を有していた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、このような事情のもとで、光ファイバ束の端部に融着部を有するライトガイドにおいて、光ファイバ束に入射する光を、光ファイバ素線の中心軸に平行に取り込むことが可能なライトガイドおよび該ライトガイドを含む光照射装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成する、本発明は、
（１）複数の光ファイバ素線からなり少なくとも光入射側の端部が熱融着された光ファイバ束を含み、
光ファイバ束の中心軸より外側に位置する各光ファイバ素線の中心軸が、前記熱融着された光ファイバ束端部において、光ファイバ束の中心軸に対して傾きを有し、
光ファイバ束の光入射端面の形状が、凹面形状であることを特徴とするライトガイド、
（２）前記凹面形状が球面形状である上記（１）に記載のライトガイド、
（３）前記光ファイバ素線の少なくとも一部は、光ファイバ素線の光入射面と該光入射面に入射する光に直交する面とが形成する角度θ２が、
θ２＝ｃｏｔ−１（ｃｏｔθ１−（ｎ２／（ｎ１ｓｉｎθ１）））
〔但し、θ１は、光ファイバ素線の光入射面に入射する光と、光ファイバ素線の中心軸とが形成する角度であり、ｎ１は、光ファイバ素線を構成するコアの屈折率であり、ｎ２は、光ファイバ素線外部の空間の屈折率である。〕
を満たすように光入射面を加工されたものである上記（１）または（２）に記載のライトガイド、
（４）光ファイバ素線が、石英、多成分ガラスまたはプラスチックからなるものである上記（１）〜（３）のいずれかに記載のライトガイド、および
（５）光を放射する発光体と、該発光体からの放射光を被照射物に照射するためのライトガイドとを含む光照射装置であって、前記ライトガイドが上記（１）〜（４）のいずれかに記載のライトガイドであることを特徴とする光照射装置
からなるものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、光ファイバ束の端部を融着により固化したライトガイドであって、光ファイバ束に入射する光を、光ファイバ素線の中心軸に平行に取り込むことが可能なライトガイドおよび該ライトガイドを含む光照射装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明に係るライトガイドおよび光照射装置の実施形態を、図面を用いて詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一の要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、本明細書において数値を挙げて説明したものと必ずしも一致していない。
【００１９】
本発明のライトガイドは、
複数の光ファイバ素線からなり少なくとも光入射側の端部が熱融着された光ファイバ束を含み、
光ファイバ束の中心軸より外側に位置する各光ファイバ素線の中心軸が、前記熱融着された光ファイバ束端部において、光ファイバ束の中心軸に対して傾きを有し、
光ファイバ束の光入射端面の形状が、凹面形状であることを特徴とする。
図１（ａ）は、本発明のライトガイドの第１の実施態様における、ライトガイドの端末部構造を示す断面図である。
【００２０】
ライトガイド１は、多数の光ファイバ素線１０からなる光ファイバ束２およびスリーブ２０により構成されており、光入射側の端末部を熱融着した後、融着部分を所定の位置で切断し、更に切断面に対して後述する凹面形状の加工を施したライトガイド端末部３０を有している。
【００２１】
なお、光ファイバ素線１０は、図１（ｂ）に示すように高純度石英からなる外径１９０μｍのコア１１、石英にフッ素ドープを施した外径２００μｍのクラッド層１２、及び紫外線硬化樹脂からなる外径２２０μｍの被覆層１３とにより構成されており、一方、スリーブ２０には、光ファイバ素線１０に用いられた石英と熱膨張係数、軟化温度が略等しい外径１２ｍｍ、内径１０ｍｍ、全長３５ｍｍの石英管を用いている。
【００２２】
次に、図１のライトガイドにおける光入射端面の形成方法を説明する。
図２に示すように、スリーブ２０に、端部付近の被覆層１３を溶剤により溶解除去した約２０００本の光ファイバ素線１０を、先端が５ｍｍほど突き出る状態で挿入した後、スリーブ２０の先端から約１０ｍｍの範囲を酸水素バーナーで加熱することにより、各光ファイバ素線１０が軟化して相互に融着すると同時にスリーブ２０とも融着一体化して、スリーブ２０の外周面になだらかな段部２１を有するライトガイド端末部３０を形成する。
【００２３】
ここで、融着部３１は、先端（図２の右側）に近い領域ほど各光ファイバ素線１０相互の融着が密に行われているため、堅牢性が高くなるが、このような領域では、光ファイバ素線１０のコア１１とクラッド１２の境界が軟化により不明瞭となる可能性があり、光を入射した際に、入射した光がコア１１およびクラッド１２の界面において乱反射し、ライトガイドとしての光の伝達効率が低下してしまう虞がある。
【００２４】
このため、融着により形成されたライトガイド端末部３０は、上記のコア１１とクラッド１２の境界が不明瞭となる部分を切断削除する必要があり、この切断位置は、スリーブ２０内部の光ファイバ素線１０が相互に融着した範囲で最も段部２１に近い位置で行われる。
【００２５】
図２に示すライトガイド１ではこの位置を、融着部３１のスリーブ２０を含む外径が約１１ｍｍとなるＡの位置とし、この位置で切断している。
【００２６】
この結果、図３に示すように、光ファイバ素線１０の中心軸１４は、ライトガイド端末部３０において、光ファイバ束２の中心軸３３の方向に傾斜角θ１を有した状態で切断され、この傾斜角θ１はライトガイド端末部３０において、光ファイバ束２の外周付近に配置された光ファイバ素線１０ほど大きく、逆に光ファイバ束２の中心軸３３へ近づくほど小さくなり、中心軸３３付近の光ファイバ素線の中心軸１４は、ライトガイド端末部３０における光ファイバ束２の中心軸３３とほぼ平行になる。
【００２７】
図４に示すように、切断面３２に垂直に光５０を入射した場合、入射後の光５１は、光ファイバ素線１０の中心軸１４と入射光５０との傾きであるθ１と等しいθ１ａ傾いた角度で全反射を繰り返しながら伝播し、出射端面３６において、屈折により光ファイバ素線の中心軸１４との角度を更に拡大して、θ３の角度で出射する。
【００２８】
後述するように、本実施態様において、ライトガイド１は、ライトガイド端末部３０の切断面３２に所定の凹面加工を施すことにより、光ファイバ素線１０の入射端面に、上述した傾斜角θ１による影響を補償する傾斜角θ２を設け、光ファイバ素線１０に入射する光が、光ファイバ素線の中心軸１４に平行に取り込めるようにしたものであり、この傾斜角θ２は、中心軸１４の傾斜角θ１より求めることができるものである。
【００２９】
ここで、傾斜角θ１を求める方法と、求められた傾斜角θ１から傾斜角θ２を導き出す方法とを説明する。
【００３０】
図５は傾斜角θ１を測定するための、装置構成を示している。
この測定装置は、被測定用のライトガイド１０１にビーム径を整形したレーザ光１４０を入射し、出射する光１４１の出射角度θ３（図４のθ３に対応する）を測定することにより、光入射端面における傾斜角θ１を求めるものである。
【００３１】
なお、ライトガイド１０１は、入射端面１０１ａを上述の手順に従って融着した後、図２のＡの位置で切断し平面研磨を行ったものであり入射端面での光ファイバ束の外径は９ｍｍとなっている。
また光出射端面１０１ｂは、熱融着に代わって有機系の接着剤により固着し、光入射端面１０１ａと同様に平面研磨を施してある。
【００３２】
この入射端面１０１ａに、Ｈｅ−Ｃｄレーザ発振器１１０からの放射光を、スリット１２０によりビーム径０．５ｍｍに整形したレーザ光１４０を入射する。
【００３３】
レーザ光１４０の光入射端面１０１ａへの入射位置は、入射端面１０１ａを光ファイバ束の半径方向に延びるＸ１軸に沿って１ｍｍづつ移動したものであり、それぞれの入射位置における光出射端面１０１ｂより出射した光の強度分布は、光出射端面１０１ｂより１５０ｍｍ離れた位置へ光強度計１３０を設置し、この光強度計１３０をライトガイド１０１の中心軸に直行するＸ２軸に沿って移動させることにより、測定したものである。
【００３４】
図６に示すように、測定した光強度分布は二つのピークを有する形状となるため、このピーク間の距離Ｄから、図５の光出射端面１０１ｂより出射した光の傾き角度θ３を、式１により計算することができる。
θ３＝ｔａｎ−１（Ｄ／２）／Ｌ・・・式１
（但し、Ｄは測定した光強度分布図における二つのピーク間の距離、Ｌは出射端面より光強度計１３０が設置されている面までの距離）
【００３５】
次に、上で求めた角度θ３より、図４に示す、光ファイバ素線内を伝播する光５１の角度θ１ａ及び傾斜角θ１を求める。
ここで、図４の出射端面３６における出射前の光５１と出射後の光５２の関係はスネルの法則より、
ｎ１ｓｉｎθ１ａ＝ｎ２ｓｉｎθ３
（但し、ｎ１はコアの屈折率、ｎ２は光ファイバ素線１０外部の空間の屈折率）
が成り立つため、光ファイバ素線内を伝播する光５１の角度θ１ａは、
θ１ａ＝ｓｉｎ−１（（ｎ２／ｎ１）×ｓｉｎθ３）
となる。
また、光ファイバ素線１０の中心軸１４の傾斜角θ１は、図４より上記の光ファイバ素線内を伝播する光５１の角度θ１ａと等しい角度であるから、
θ１＝θ１ａ＝ｓｉｎ−１（（ｎ２／ｎ１）×ｓｉｎθ３）・・・式２
となる。
【００３６】
例として、図６に示す測定結果を基に具体的にθ１を求めると、以下のとおりとなる。図６は、レーザ光１４０の入射位置を入射端面１０１ａの中心よりＸ１軸に沿って４ｍｍ離れた位置とした場合の出射光の光強度分布を示すものである。
図６においては、横軸がＸ２軸に沿った距離を示しており、縦軸が光強度の相対値を示している。
【００３７】
図６より、二つのピークは、３５ｍｍの距離を隔てて位置しており、このピーク間距離Ｄ＝３５ｍｍと、出射端面から光強度計１３０までの距離Ｌ＝１５０ｍｍを式１に代入することにより、出射光の傾きθ３が約６．６５°であることを求めることができる。
【００３８】
ここで、光ファイバ素線１０を構成するコアの屈折率ｎ１は約１．５であるから、式２より、光ファイバ素線の中心軸１４の傾斜角θ１は４．４３°であることが分かる。
【００３９】
以上、融着により傾斜した光ファイバ素線の傾斜角θ１を求める方法を説明したが、次に、図７を用いて、この傾きθ１による出射角θ３への影響を補償するための光入射面１５の傾斜角θ２を求める方法を説明する。
【００４０】
図７は、その中心軸１４が光入射面１５に入射する光（光ファイバ束の中心軸と平行に入射する光）５０に対して傾斜角θ１を有し、光入射面１５と該光入射面１５に入射する光５０に直交する面６１に対して傾斜角θ２を有する光ファイバ素線１０と、入射後の光５１の伝播状態を示すものである。
【００４１】
破線１６は光入射面１５と直交する直線であり、この交点に入射前の光５０が破線１６に対して入射角θ５の角度で入射する。入射後の光５１が光入射面１５で屈折し、光ファイバ素線の中心軸１４に沿って伝播しているとすると、入射前の光５０と入射後の光５１の関係は、スネルの法則により式３を満たすこととなる。
ｎ１ｓｉｎθ４＝ｎ２ｓｉｎθ５・・・・・式３
【００４２】
ここで、ｎ１はコアの屈折率、ｎ２は光ファイバ素線１０外部の空間の屈折率である。また、θ４は、入射後の光５１の屈折角であり、入射前の光５０の入射角θ５から傾きθ１を指し引いた値と等しくなることから、式３は、
ｎ１ｓｉｎ（θ５−θ１）＝ｎ２ｓｉｎθ５・・式４
のように、入射角θ５とθ１の関係式に置き換えることができる。
また、入射前の光５０に直交する面６１に対する光入射面１５の傾きである傾斜角θ２は、入射前の光５０の入射角θ５と等しいため、θ５をθ２に置き換え、式５で現すことができる。
ｎ１ｓｉｎ（θ２−θ１）＝ｎ２ｓｉｎθ２・・式５
この結果、傾斜角θ２は、
θ２＝ｃｏｔ−１（ｃｏｔθ１−（ｎ２／（ｎ１ｓｉｎθ１）））・・式６
により求めることができる。
【００４３】
先に求めたθ１＝４．４３°と、ｎ１＝１．５、ｎ２＝１．０を式６に代入することにより、θ２＝１３．１６°を得ることができ、光ファイバ束の光入射端面の中心より４ｍｍ離れた位置における、光ファイバ素線の入射面の傾きを１３．１６°にすることにより、該位置において光ファイバ素線に入射した光を、光ファイバ素線の中心軸に沿って取り込めることがわかる。
なお、θ２をより簡便に求めるために、上記式６を導出するにあたり、適宜公知の近似式等を用いて式６を簡略化し、これを用いてもよい。
【００４４】
図８（ａ）には、図５におけるレーザ光１４０の入射位置を、入射端面１０１ａの中心からＸ１軸に沿って、それぞれ１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍとしたときの、θ１とθ２を示す。
図８には、入射端面１０１ａの中心軸から１ｍｍづつ離れた点におけるθ１とθ２を示したが、入射端面１０１ａの中心からＸ１軸に沿って測定箇所を増やし、各測定点において求められたθ２に従って、光ファイバ素線の光入射面を加工することがより好ましい。
【００４５】
本実施態様において、ライトガイド１は、上述の融着されたライトガイド端末部３０の切断面３２に、その中心軸３３を中心として同心円状に傾斜角θ２を設けたものであり、その形状は、図８（ｂ）に示すように、中心軸３３から外周部に近づくに従って傾きが大きくなる非球面３４となる。図８（ｂ）に示すライトガイドにおいては、入射端面１０１ａの中心軸から１ｍｍづつ離れた点以外にも、入射端面１０１ａの中心からＸ１軸に沿って複数の位置でθ２を測定し、各測定点において得られたθ２に従って、光ファイバ素線の光入射面を加工している。
【００４６】
このような非球面３４の凹面加工を行う装置としては、加工自由度の高い数値制御による超精密加工機等を用いて行うが、加工面の鏡面度を高めるためにＥＬＩＤ研削法を用いることもできる。
【００４７】
以上、本実施態様のライトガイド１の融着部３１に施した加工形状について説明を行ったが、次に、上記ライトガイドの光入射端面全面にレーザ光を入射した際の、出射端面より出射される光の強度分布について、図９、図１０を用いて説明する。
【００４８】
図９に示す装置は、ライトガイドの光入射端面に均一なレーザ光が入射されるように、図５の装置のスリット１２０に代わってビームエキスパンダ１５０を設けたものであり、ライトガイド１の光入射端面３２、３４全面にレーザ光を入射し、ライトガイド１の光出射端面３６より１５０ｍｍ離れた位置の光強度分布を、光強度計１２０を用いて測定した。
【００４９】
図１０は、上記装置により測定したライトガイド１からの出射光の強度分布を示すものであり、実線は、光入射端面に非球面加工を施したライトガイドにレーザ光を入射した際の出射光の強度分布を示し、破線は、入射端面に非球面加工を施していない従来のライトガイドにレーザ光を入射した際の出射光の強度分布を示している。
【００５０】
実線で表した、光入射端面に非球面加工を施したライトガイドの光強度分布と、破線で示した、光入射端面に非球面加工を施していないライトガイドの光強度分布を比較すると、光入射端面に非球面加工を施したライトガイドは、出射光が拡散せずに比較的狭い範囲を照射していることが分かる。また、照射されている中心部分の光強度も非球面加工を施していないライトガイドと比較して約４倍高いことが分かる。
【００５１】
以上説明した通り、本実施態様のライトガイドによれば、融着されたライトガイド端末部の切断面に、光ファイバ素線の中心軸の傾きによる影響を補償するための傾斜角θ２を、光ファイバ束の中心軸を中心として同心円状に設けることにより、ライトガイド端末部における光ファイバ束の中心軸と平行に入射する光を、各光ファイバ素線の中心軸に平行に取り込むことが可能となるため、光ファイバ束の出射端面での光の拡散を抑えることが可能となる。
なお、本実施態様においては、光ファイバ素線の光入射面への入射光を、光ファイバ束の中心軸と平行に入射する光を用いて説明したが、本発明のライトガイドにおける入射光は、必ずしも光ファイバ束の中心軸と平行に入射する光に限られるものではなく、光ファイバ束の中心軸に対して傾きを持った光や、光ファイバ素線の光入射面に集光される多くの角度成分を含む光である場合においても、同様の効果を得ることができる。なお、光ファイバ素線の光入射面に集光される多くの角度成分を含む光を利用する場合は、その中心となる光、あるいは、最も強度の強い光の入射角度を用いて、θ２を求めることが好ましい。
また、本発明のライトガイドは、光ファイバ素線の光入射面と該光入射面に入射する光に直交する面とが形成する角度θ２を必ずしも式６に一致させる必要はなく、後述する本発明の第２の実施態様に示すライトガイドのように、角度θ２を式６で求めた値に近似した角度とすることによっても、同様の効果を得ることができる。
【００５２】
図１１は、本発明のライトガイドの第２の実施態様における、ライトガイドの端末部構造を示す断面図である。
【００５３】
本実施態様におけるライトガイドの光入射端面形状は、光ファイバ束融着後の切断面を、図１１に点線で示す非球面３４に近似した、半径３０ｍｍの球面形状３５に加工したものであり、ライトガイドを構成する光ファイバ素線１０およびスリーブ２０は第１の実施態様に示したものと同一のものを用いた。
【００５４】
ライトガイドの光入射端面をこのような形状に加工することにより、光ファイバ素線に取り込まれた光の、各光ファイバ素線の中心軸１４に対する平行度は、非球面形状に加工したライトガイドと比較して若干低下し、光ファイバ束の光入射端面にレーザ光を入射した際の出射光の強度分布に関しても、図１０の一点鎖線で示すようにピーク値が２０％程度低下するが、図１０に破線で示される光入射端面に球面加工を施していない従来のライトガイドのピークと比較すると、非球面加工を施したライトガイドと同様に、出射光が拡散せず、高い光強度が得られることが分かる。
【００５５】
また、加工形状を球面とすることにより、従来の球面形状を有する研磨皿による研磨方法を用いても加工が可能であるため、加工コストを抑えることができる。
【００５６】
なお、第１の実施態様および第２の実施態様で示したライトガイドにおいては、何れも石英から成る光ファイバ素線を用いたが、本発明のライトガイドは、多成分ガラスあるいはプラスチックからなる光ファイバ素線を用いたものにも適用することができる。
また、第１の実施態様および第２の実施態様では、光を放射する発光体としてレーザ発振器を用いて説明したが、これに限定されるものではなく、本発明のライトガイドは、発光体としてショートアークランプあるいはハロゲンランプ等を用いることもできる。
【００５７】
次に、本発明の光照射装置について説明する。
本発明の光照射装置は、光を放射する発光体と、該発光体からの放射光を被照射物に照射するためのライトガイドとを含むものであって、上記ライトガイドが本発明のライトガイドであることを特徴とする。
図１２は、本発明の光照射装置の実施態様を示す図である。
本実施態様において、光照射装置はレーザ光を発振するレーザ発振器２１０と、レーザ光を集光するレンズ２２０と、集光された光を伝送するライトガイド２３０と、ライトガイド２３０より出射した光を被照射物Ｗに集光するための集光レンズ２４１と、この集光レンズ２４１を含む加工ヘッド部２４０により構成されている。
【００５８】
レーザ発振器２１０としてはフラッシュランプを励起光源とする紫外光を放射するＱスイッチＹＡＧレーザが使用される。
【００５９】
この光照射装置では、ライトガイド２３０の光入射端面２３０ａにレーザ光が集光されるため、第１の実施態様におけるライトガイドと同様に、石英製光ファイバ素線からなる光ファイバ束の、光入射端部を融着したライトガイドが用いられており、ライトガイド２３０の光入射端面２３０ａは図８に示すように非球面形状に加工されている。
【００６０】
このように入射端面が非球面形状に加工されているライトガイドを用いた場合には、ライトガイドから出射する光２５０は、入射端面に非球面加工が施されていないライトガイドと比較して、より小さな出射角度となるため、集光レンズ２４１もこの角度φに応じた小口径のもの用いることができ、加工ヘッド部２４０の大きさも、よりコンパクトなものとすることができる。
【００６１】
なお、本実施態様で示した光照射装置は光を放射する発光体としてレーザ発振器を用いたが、これに限定されるものではなく、本発明の光照射装置は、発光体としてショートアークランプあるいはハロゲンランプ等を用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明のライトガイドは、光ファイバ束の端部を融着したものであって、ライトガイド端末部において、光ファイバ束に入射する光を、光ファイバ素線の中心軸と平行に取り込むことが可能であるため、該ライトガイドを含む光照射装置に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明のライトガイドの第１の実施態様における、ライトガイドの端末部構造を示す断面図（ａ）および光ファイバ素線の断面図（ｂ）である。
【図２】光ファイバ束端末の融着部において、光入射端面を形成するために、切断、研磨する位置Ａを示す図である。
【図３】位置Ａで切断した後のライトガイド端末を示す図である。
【図４】光入射面加工前の光ファイバ素線における入射光と出射光を示す図である。
【図５】傾斜角θ１を測定するための測定装置を示す図である。
【図６】出射光の光強度分布を示す図である。
【図７】傾斜角θ２の算出方法を説明するための光ファイバ素線の断面を示す図である。
【図８】光ファイバ束の中心軸から所定距離離れた位置における各θ１とθ２を示す図（ａ）および得られた各θ２を満足するように光ファイバ束の光入射端面を加工し非球面状にしたことを示す図（ｂ）である。
【図９】ライトガイドにレーザ光を入射した際の出射光の強度分布を測定するための装置を示す図である。
【図１０】ライトガイドにレーザ光を入射した際の出射光の強度分布を示す図である。
【図１１】本発明のライトガイドの端末部構造を説明するための図である。
【図１２】本発明の光照射装置の実施態様を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１ ライトガイド
２ 光ファイバ束
１０ 光ファイバ素線
１１ コア
１２ クラッド層
１３ 被覆層
１４ 光ファイバ素線の中心軸
１５ 光入射面
１６ 光入射面と直交する直線
２０ スリーブ
２１ 段部
３０ ライトガイド端末部
３１ 融着部
３２ 端面
３３ 光ファイバ束の中心軸
３４ 非球面
３５ 球面
３６ 出射端面
１０１ ライトガイド
１０１ａ 光入射端面
１０１ｂ 光出射端面
１１０ レーザ発振器
１３０ 光強度計
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光ファイバ素線からなり少なくとも光入射側の端部が熱融着された光ファイバ束を含み、
光ファイバ束の中心軸より外側に位置する各光ファイバ素線の中心軸が、前記熱融着された光ファイバ束端部において、光ファイバ束の中心軸に対して傾きを有し、
光ファイバ束の光入射端面の形状が、凹面形状であることを特徴とするライトガイド。
【請求項２】
前記凹面形状が球面形状である請求項１に記載のライトガイド。
【請求項３】
前記光ファイバ素線の少なくとも一部は、光ファイバ素線の光入射面と該光入射面に入射する光に直交する面とが形成する角度θ２が、
θ２＝ｃｏｔ−１（ｃｏｔθ１−（ｎ２／（ｎ１ｓｉｎθ１）））
〔但し、θ１は、光ファイバ素線の光入射面に入射する光と、光ファイバ素線の中心軸とが形成する角度であり、ｎ１は、光ファイバ素線を構成するコアの屈折率であり、ｎ２は、光ファイバ素線外部の空間の屈折率である。〕
を満たすように光入射面を加工されたものである請求項１または２に記載のライトガイド。
【請求項４】
光ファイバ素線が、石英、多成分ガラスまたはプラスチックからなるものである請求項１〜３のいずれかに記載のライトガイド。
【請求項５】
光を放射する発光体と、該発光体からの放射光を被照射物に照射するためのライトガイドとを含む光照射装置であって、前記ライトガイドが請求項１〜４のいずれかに記載のライトガイドであることを特徴とする光照射装置。
【請求項１】
複数の光ファイバ素線からなり少なくとも光入射側の端部が熱融着された光ファイバ束を含み、
光ファイバ束の中心軸より外側に位置する各光ファイバ素線の中心軸が、前記熱融着された光ファイバ束端部において、光ファイバ束の中心軸に対して傾きを有し、
光ファイバ束の光入射端面の形状が、凹面形状であることを特徴とするライトガイド。
【請求項２】
前記凹面形状が球面形状である請求項１に記載のライトガイド。
【請求項３】
前記光ファイバ素線の少なくとも一部は、光ファイバ素線の光入射面と該光入射面に入射する光に直交する面とが形成する角度θ２が、
θ２＝ｃｏｔ−１（ｃｏｔθ１−（ｎ２／（ｎ１ｓｉｎθ１）））
〔但し、θ１は、光ファイバ素線の光入射面に入射する光と、光ファイバ素線の中心軸とが形成する角度であり、ｎ１は、光ファイバ素線を構成するコアの屈折率であり、ｎ２は、光ファイバ素線外部の空間の屈折率である。〕
を満たすように光入射面を加工されたものである請求項１または２に記載のライトガイド。
【請求項４】
光ファイバ素線が、石英、多成分ガラスまたはプラスチックからなるものである請求項１〜３のいずれかに記載のライトガイド。
【請求項５】
光を放射する発光体と、該発光体からの放射光を被照射物に照射するためのライトガイドとを含む光照射装置であって、前記ライトガイドが請求項１〜４のいずれかに記載のライトガイドであることを特徴とする光照射装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−１０８３９６（Ｐ２００７−１０８３９６Ａ）
【公開日】平成１９年４月２６日（２００７．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２９８８８５（Ｐ２００５−２９８８８５）
【出願日】平成１７年１０月１３日（２００５．１０．１３）
【出願人】（５９２０３２４３０）ＨＯＹＡ ＣＡＮＤＥＯ ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ株式会社 (44)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月２６日（２００７．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月１３日（２００５．１０．１３）
【出願人】（５９２０３２４３０）ＨＯＹＡ ＣＡＮＤＥＯ ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ株式会社 (44)
【Ｆターム（参考）】
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