CN1991424A - 光导以及光照射装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光导以及具有该光导的光照射装置，该光导集束了多根光纤线作为光纤束，在用于对出射光进行聚光时，可以使出射端部小型化，并易于制造、且具有足够的照射强度。上述光导的特征是，具有由多根光纤线构成、并至少将光出射侧的端部进行了热熔接的光纤束，在进行了上述热熔接的光纤束端部，比光纤束的中心轴靠外侧的各光纤线的出射端面处的中心轴，相对于光纤束的中心轴具有倾斜。

Description

光导以及光照射装置

技术领域

本发明涉及传输光并照射被照射物的光导以及具有该光导的光照射装置。

背景技术

以往，作为用于将激光振荡器以及短弧灯等发光体辐射的光传输到被照射物的任意位置的机构，使用了光导。

对这样的光导而言，通常有以单体形式使用光纤线、和集束多根光纤线作为光纤束使用的场合，但在来自于发光体的光能较大、以及向光导的入射端面入射的光的射束直径较大的场合下，多使用集束了多根光纤线的光纤束。(例如，参照专利文献1)

已知作为用于将由这样的光导所传输的光照射到被照射物的规定范围的方法，一般有在光导的出射端与被照射物之间设置光学透镜的方法。然而，关于这样使用了光学透镜的方法，由于需要用于将光学透镜设置在光导的出射端附近的空间，所以，存在导致光导的出射端部大型化的问题。

【专利文献1】JP特开平4-105784号公报

发明内容

基于这样的原因，本发明的目的在于提供一种集束了多根光纤线作为光纤束使用的光导以及具有该光导的光照射装置，该光导在用于对出射光进行聚光时，可以使出射端部小型化，并易于制造、且具有足够的照射强度。

为了达到上述目的，本发明提供：

(1)一种光导，其特征在于，具有由多根光纤线构成、并至少将光出射侧的端部进行了热熔接的光纤束，

在进行了上述热熔接的光纤束端部，比光纤束的中心轴靠外侧的各光纤线的出射端面处的中心轴，相对于光纤束的中心轴具有倾斜。

(2)根据上述(1)所述的光导，其特征在于，进行了上述热熔接的光纤束端部的端面形状为与光纤束的中心轴垂直相交的平面。

(3)根据上述(2)所述的光导，其特征在于，上述光纤线的至少一部分配置为：光出射侧的端部处的光纤线的中心轴与光纤束的中心轴形成的角度θ满足下式，

0＜θ≤sin^-1((n2/n1)sin(tan^-1(R/L)))

其中，R是光出射端面处的光纤束的中心轴与各光纤线的中心轴之间的距离、L是光出射端面与被照射物之间的距离、n1是构成光纤线的纤芯的折射率、n2是光纤线外部的空间的折射率。

(4)根据上述(1)所述的光导，其特征在于，进行了上述热熔接的光纤束端部的端面形状为凸面形状。

(5)根据上述(4)所述的光导，其特征在于，进行了上述热熔接的光纤束端部的端面形状为球面形状、

(6)根据上述(1)至(5)的任意一项所述的光导，其特征在于，光纤线由从石英、多组分玻璃和塑料中选择的任意一种以上的材料形成。

(7)一种光照射装置，具有辐射光的发光体、以及对被照射物照射来自于该发光体的辐射光的光导，其特征在于，上述光导是上述(1)至(6)的任意一项所述的光导。

(8)根据上述(7)所述的光照射装置，其特征在于，上述发光体是激光振荡器、

(9)根据上述(7)所述的光照射装置，其特征在于，上述发光体是短弧灯。

根据本发明，可以提供一种集束了多根光纤线作为光纤束使用的光导以及具有该光导的光照射装置，该光导在用于对出射光进行聚光时，可以使出射端部小型化，并易于制造、且具有足够的照射强度。

附图说明

图1(a)是表示本发明的光导的第一实施方式的光导末端部构造的剖视图、(b)是光纤线的剖视图。

图2是表示光纤束末端的熔接方法、和为了形成光出射端面而进行切断、研磨的位置A的图。

图3是表示光出射面加工后的光纤线的入射光与出射光的图。

图4(a)是表示距光纤束的中心轴规定距离的位置处的各出射光的方向的图，(b)是表示各位置处的倾斜角θ1、折射角θ2、以及从光出射端面到聚光点的距离L的数值数据的图。

图5是表示用于测定向光导入射了激光时的出射光的强度分布的装置的图。

图6是表示在向光导入射了激光时的出射光的强度分布的图。

图7是表示用于说明本发明的光导的第二实施方式的末端部构造的剖视图。

图8是表示本发明的光照射装置的第一实施方式的图。

图9是表示本发明的光照射装置的第二实施方式的图。

图中符号说明：

1光导；2光纤束；10光纤线；11纤芯；12包层；13包覆层；14光纤线的中心轴；16与光出射面正交的直线；20套筒；21锥形部；30光导末端部；31熔接部；32光出射端面；33光纤束的中心轴；35球面；36光入射端面；101光导；101a光入射端面；101b光出射端面；110、210激光振荡器；130光强度仪；150光束扩展器；260光源装置

具件实施方式

以下，根据附图详细地说明本发明涉及的光导以及具有该光导的光照射装置的实施方式。关于附图说明，对同一要素使用相同符号并省略重复的说明。另外，附图的尺寸比例不必与在说明书中举例说明的尺寸比例一致。

本发明的光导的特征是，具有由多根光纤线构成、并至少将光出射侧的端部进行了热熔接的光纤束，

在进行了上述热熔接的光纤束端部，比光纤束的中心轴靠外侧的各光纤线的出射端部的中心轴，相对于光纤束的中心轴具有倾斜。

图1(a)是表示本发明的光导的第一实施方式的光导末端部构造的剖视图。

光导1具有由多根光纤线10构成的光纤束2以及套筒20，并具有光导末端部30，该光导末端部30是在对光出射侧的端部进行了热熔接后，在规定的位置将熔接部分切断且对切断面实施了镜面加工而形成的。

另外，如图1(b)所示，光纤线10具有：由高纯度石英形成的外径为190μm的纤芯11、对石英实施了氟掺杂的外径为200μm的包层12以及由紫外线固化树脂形成的外径为220μm的包覆层13。另一方面，套筒20使用了与光纤线10所使用的石英的热膨胀系数、软化温度等大致相等的外径为12mm、内径为10mm、全长为50mm的石英管。

下面，根据图2说明图1(a)的光导的光出射端部的形成方法。

如图2所示，将利用溶剂熔解除去了端部附近的包覆层13的大约2000根光纤线10插入套筒20后，将真空装置310连接到套筒20的前端部，并用氢氧燃烧器300对套筒20的长度方向的中间部分加热。

氢氧燃烧器300沿套筒20的长度方向的X1轴，在10mm的范围内往复运动，并且以光纤束2的中心轴33为中心，沿套筒20的外周面旋转，对光纤束2以及套筒20进行均匀加热。

同时，使连接在套筒20的前端部的真空装置310工作，将套筒20的内部减压到比大气压低20KPa的压力。其结果是各光纤线10软化而相互熔接，并与在中心轴方向收缩了的套筒20一起熔接为一体，形成在外周面具有锥形部21的光导末端部30。

通过以上工序，与光纤束2的长度方向垂直的截面的面积，从非熔接部向熔接部31的方向减小，对于套筒20内的光纤束2而言，在各光纤线10的中心轴14按照上述锥形部21的形状，在从非熔接部到熔接部的范围内向光纤束2的中心轴33的方向倾斜的状态下被固定、并呈前端渐细状。并且，熔接部31的各光纤线10，其截面面积几乎不变地被热熔接，所以可以抑制在纤芯内传输的光向外部泄漏而使光输出减小的现象。

本实施方式的光导1的光出射端部是在将图2所示的熔接后的光导1的熔接部31在虚线A的位置切断，并对其切断面进行研磨加工，而形成图1(a)所示的与光纤束2的中心轴33垂直相交的光出射端面32的。这里，将虚线A的位置设为熔接部31的套筒20的外径约为11mm的位置。

如图1(a)所示，其结果是，在光导末端部30的光出射端面32处，光纤线10的中心轴14呈向光纤束2的中心轴33的方向倾斜倾斜角θ1的状态，而对该倾斜角θ1而言，被配置在光纤束2的外周附近的光纤线10的倾斜角较大；反之，越靠近光纤束2的中心轴33，该倾斜角θ1越小，在中心轴33附近的光纤线的中心轴14与光导末端部30处的光纤束2的中心轴33大致平行。

另外，对于熔接部31而言，在利用氢氧燃烧器300进行了加热的区域中，由于越靠近中心部的区域，各光纤线10彼此越紧密地熔接，所以牢固性越高，但在这样的区域中，光纤线10的纤芯11与包层12之间的边界，因软化而可能变得不够明确，在光入射时，入射的光在纤芯11以及包层12的边界面发生漫反射，有可能导致光导的光传输效率降低。

因此，熔接部31的切断位置，最好是在套筒20内部的光纤线10相互熔接的范围中，最靠近光入射端部的位置。

另外，在以该位置为切断位置时，可以获得更大的光纤线的中心轴14的倾斜角θ1。

这样，本实施方式的光导1通过一边对套筒20的内部减压一边对光纤束2进行热熔接处理而加工成：光导末端部30的光出射端面32处的、比光纤束2的中心轴33靠外侧的光纤线10的中心轴14，向光纤束2的中心轴33的方向倾斜倾斜角θ1地排列成同心圆状，所以，易于制造，不会使集束部分的尺寸大型化，可实现使其出射端处的各光纤线在光导的中心轴方向上高精度地倾斜的光导。

另外，其各光纤线10的中心轴14的倾斜角θ1，可以通过对在用氢氧燃烧器300加热时的、真空泵310的减压力进行以下这样的操作来控制。

在加大倾斜角θ1的角度时，可以提高对套筒20内的减压来实现，相反，在减小倾斜角θ1的角度时，可以通过降低对套筒20内的减压，使上述锥形部21变得平缓，从而使各光纤线10的中心轴14的倾斜角θ1也变小。

另外，作为光导末端部30的熔接方法，除了在本实施方式中说明的使用氢氧燃烧器的方法之外，还可以列举出使用高频功率的方法。

此外，作为在热熔接处理时形成锥形部21的方法，还有将非熔接部的光纤束2与套筒20一起沿中心轴方向拉伸的方法，该方法可替代利用真空泵抽吸套筒20内部的方法，但在该场合下，各光纤线的熔接部分处的截面面积较非熔接部小，可能造成在纤芯内传播的光向外部泄漏而减小光输出，所以，有必要根据入射光的特性来增减拉伸量。

另外，如图1(a)所示，对本实施方式的光导1而言，由于光纤线10的中心轴14与光出射端面32具有倾斜地交叉，所以，从光出射端面32出射的光，与各光纤线10的中心轴14的倾斜角θ1相应地进一步向光纤束2的中心轴33的方向折射并出射。

以下，通过图3说明因从该光出射端面32出射的光的折射而对出射角度的影响。

图3是表示从光纤线10的光入射端面36与光纤线10的中心轴14平行地入射的光51，从光出射端面32出射时的折射方向的剖视图。

图3中的光纤线10的光入射端面36是在对图1(a)所示的光导1的未图示的光入射侧端部进行集束并通过粘着剂粘合后，将其与光入射侧端部的中心轴垂直地切断并实施了研磨加工的平面，其与光纤线10的中心轴14正交。

如图3所示，垂直于光入射端面36入射的光51，沿光纤线10的中心轴14传输，在光出射端面32处，作为出射光52，相对于与光出射端面32正交的直线16以折射角θ2的角度出射。

对于该光出射端面32处的出射前的光51与出射光52的关系而言，根据斯涅耳定律，下式成立，

n1sinθ1＝n2sinθ2

(其中，n1是纤芯的折射率、n2是光纤线10外部的空间的折射率)折射角θ2可由下式表示，即：

θ2＝sin^-1((n1/n2)×sinθ1)  …式1

上述式1表示折射角θ2大致为倾斜角θ1的折射率比(n1/n2)倍。

如前所述，由于本实施方式的光导1的光出射端面32与光纤线10的中心轴14具有倾斜地交叉，所以，来自于光出射端面32的出射光52，与该倾斜角θ1相应地向光纤束2的中心轴33的方向倾斜，进一步在光出射端面32处，向光纤束2的中心轴33的方向折射，两者相加而以θ2的角度倾斜，所以，其结果是可以获得与进一步增加光纤线10的中心轴14的倾斜的情况相同的效果。

这里，对向本实施方式的光导1入射平行光时的、从光出射端面32出射的出射光52的方向进行说明。

图4(a)是表示从在半径方向距光出射端面32处的光纤束的中心1mm、2mm、3mm以及4mm的位置出射的光的出射方向的图。

图4(b)是将光出射端面32的各位置处的光纤线的倾斜角θ1、出射光52的折射角θ2、以及到出射光52与光纤束2的中心轴33交叉的点的距离L用数值表示的图。

由图4(a)可知，从光出射端面32的各位置出射的光，在距离光出射端面32大致20mm的位置形成光束腰(beam waist)。

这里，当设出射光52在光出射端面32处，从半径R的位置出射时，距离L可以由下式表示，即：

L＝R/tanθ2

因此，可以利用将式1代入上式得到的下述式2来计算。

L＝R/tan(sin^-1((n1/n2)×sinθ1))  …式2

因此，在已知构成光纤束2的各光纤线的倾斜角θ1的场合下，通过利用式2求出距离L，可以调整从光纤束2向被照射物(包括聚光透镜)照射光的最佳距离。

上述式2是在已知光纤线的倾斜角θ1的场合下，求到出射光52与光纤束2的中心轴33交叉的点的距离L的式子，但在已知到被照射物(包括聚光透镜)的距离L的场合下，可以利用式3求出最佳的光纤线的倾斜角θ1。

θ1＝sin^-1((n2/n1)sin(tan^-1(R/L)))  …式3

即，通过利用式3求出各光纤线的倾斜角θ1，可以在光纤束2的光出射侧的端部，将对应的光纤线的倾斜调整到最佳角度。

另外，关于本发明涉及的光导，光出射端部处的各光纤线的倾斜角θ1与利用上述式3所求出的值不必一定是相等数值，构成光纤束的光纤线的至少一部分小于或等于利用式3求出的值，即、在下述式4的范围中，也可以具有使出射光向光纤束的中心轴方向倾斜的功能。在构成光纤束的光纤线中，理想的是比光纤束的中心轴33靠外侧的全部光纤线中的47％～100％满足下述式4，此外，更理想的是55％～95％满足下述式4。

0＜θ1≤sin^-1((n2/n1)sin(tan^-1(R/L)))  …式4

以上，说明了对本实施方式的光导1的光导末端部30所实施的加工形状与来自于光出射端面32的出射光52的出射方向的关系，下面，通过与利用粘接处理将光出射端部粘合的以往的光导进行比较，来对实际上向上述光导的整个光入射端面入射光时的、由出射端面出射的光的强度分布进行说明。

图5是表示用于测定从光导出射的光的强度分布的装置的结构。

该装置是利用光束扩展器150将来自于He-Cd激光振荡器110的辐射光均匀地入射到光导101的光入射端面101a，并测定距光出射端面101b距离L的位置的光强度分布的装置，在光强度的测定位置具有光强度仪130，通过使该光强度仪130沿与光导1的中心轴正交的X2轴移动，来测定光强度分布。在以下的测定中，测定了L＝25mm的光强度分布。

图6是表示利用上述装置测定的来自于光导的出射光的强度分布的图。实线是表示向对光出射端面实施了热熔接的光导(在构成光纤束的光纤线中、比光纤束的中心轴靠外侧的所有光纤线的约70％满足上述式4的光导)入射激光时的出射光的强度分布，虚线是表示向利用粘着剂将光出射端部粘合的以往的光导入射激光时的出射光的强度分布。

另外，对光出射端面实施了热熔接的光导的光入射端面，利用有机类的粘着剂粘合，而不用热熔接，并与光出射端面同样地实施了平面研磨。

此外，以往的光导除了利用粘着剂粘合光出射端面之外，具有与对光出射端面实施了热熔接的光导相同的构造。

将用实线表示的对光出射端面实施了热熔接的光导1的光强度分布、与用虚线表示的利用粘着剂将光出射端部粘合的以往的光导的光强度分布进行比较可知，对光出射端面实施了热熔接的光导，其出射光的扩散小，照射比较狭窄的范围。

并且，可知被照射的中心部分的光强度也比利用粘着剂将光出射端面粘合的以往的光导高约2倍。

如上所述，根据本实施方式的光导，可以抑制出射的光的扩散，将出射光集中到光导末端部的中心轴上，而不必使用光学透镜等光学部件、而且不会使光导末端部大型化。

另外，在本实施方式中，使用与光纤束的中心轴平行入射的光，对向光纤线的光入射面入射的光进行了说明，但本发明的光导的入射光并不限于一定是与光纤束的中心轴平行入射的光，即使是相对于光纤束的中心轴具有倾斜的光、或聚光于光纤线的光入射面的具有多个角度成分的光，也可获得相同的效果。

图7是表示本发明的光导的、第二实施方式的光导末端部构造的剖视图。

本实施方式的光导的光出射端面形状，是对光纤束实施了熔接后的切断面实施了凸面加工而成为半径为50mm的球面形状35的形状，构成光导的光纤线10以及套筒20，与第一实施方式所示的相同。

通过将光导的光出射端面加工为这样的形状，出射光与光出射端面的曲率相应地进行折射，所以，与上述第一实施方式所示的光出射端面为平面的光导相比，可以将出射光进一步聚光到靠近光出射端面的位置。

光纤束端部的端面形状，除了凸面形状之外，只要是能够将出射光聚光，也可以采用凹面形状。

光纤束端部的端面形状的加工，可以利用例如ELID研磨法。

在第一实施方式以及第二实施方式所示的光导中，都使用了由石英形成的光纤线，但本发明的光导，也可以使用由多组分玻璃或者塑料形成的光纤线。

在第一实施方式中，作为辐射光的发光体，使用激光振荡器进行了说明，但并不限于此，本发明的光导，也可以使用短弧灯或者卤素灯等作为发光体。

下面，对本发明的光照射装置进行说明。

本发明的光照射装置具有辐射光的发光体、以及用于对被照射物照射来自于该发光体的辐射光的光导，其特征是上述光导是本发明的光导。

图8是表示本发明的光照射装置的第一实施方式的图。

在本实施方式中，光照射装置包括：使激光起振的激光振荡器210；对激光进行聚光的透镜220；传输聚光了的光的光导230；用于使从光导出射的光聚光于被照射物W的聚光透镜241；具有该聚光透镜241的加工头部240。

作为激光振荡器210，使用了Q开关YAG激光器，该Q开关YAG激光器辐射将闪光灯作为激励光源的紫外光。

在该光照射装置中，光导230与第一实施方式的光导一样，使用了对由石英制光纤线构成的光纤束的光出射端部进行了熔接的光导。并且，如图1所示，该光导230的光出射端面230a被加工为平面形状，光出射端部的光纤线向光纤束的中心轴方向倾斜。

在使用了像这样对光出射端部进行了加工的光导的场合下，从光导出射的光250，与以往的出射端面用粘着剂粘合的光导相比，出射角度变得更小，所以，聚光透镜241也可以使用与该出射角度Φ相应的小口径的透镜，加工头部240的大小也可以进一步小型化。

图9是表示本发明的光照射装置的第二实施方式的图。

在本实施方式中，光照射装置包括：内置有短弧灯261的光源装置260、以及用于将从光源装置260出射的光传送到被照射物W的光导230，被用作以下用途，即：向在距光导230的出射端面25mm的位置设置的、涂敷了紫外线固化粘着剂的被照射物W照射紫外线。

在该光照射装置中，与上述光照射装置的实施方式的光导一样，光导230使用对由石英制光纤线构成的光纤束的光出射端部进行了熔接的光导。并且，如图1所示，光纤线向光纤束的中心轴方向倾斜。

在本实施方式中，由于使用了如此加工了光出射端部的光导，所以，从光导出射的光250，与以往的利用粘着剂粘合光出射端部的光导相比，可以获得约1.5倍的照射强度。

因此，即使是在不使用光学透镜而利用光导直接向被照射物照射出射光的场合下，也可以充分地固化紫外线固化剂。

另外，作为本发明的光照射装置的实施方式，辐射光的发光体使用了激光振荡器以及短弧灯，但不限于此，作为发光体也可以使用卤素灯等。

(产业可利用性)

由于本发明的光导，可在对出射光进行聚光使用的场合下使出射端部小型化，并易于制造、且具有充分的照射强度，所以，可以应用在具有该光导的光照射装置。

Claims (10)

1.一种光导，其特征在于，具有由多根光纤线构成、并至少将光出射侧的端部进行了热熔接的光纤束，

在进行了上述热熔接的光纤束端部，比光纤束的中心轴靠外侧的各光纤线的出射端面处的中心轴，相对于光纤束的中心轴具有倾斜。

2.根据权利要求1所述的光导，其特征在于，进行了上述热熔接的光纤束端部的端面形状为与光纤束的中心轴垂直相交的平面。

3.根据权利要求2所述的光导，其特征在于，上述光纤线的至少一部分配置成：由光出射侧的端部处的光纤线的中心轴与光纤束的中心轴形成的角度θ满足下式，

0＜θ≤sin^-1((n2/n1)sin(tan^-1(R/L)))

其中，R是光出射端面处的光纤束的中心轴与各光纤线的中心轴之间的距离、L是光出射端面与被照射物之间的距离、n1是构成光纤线的纤芯的折射率、n2是光纤线外部的空间的折射率。

4.根据权利要求1所述的光导，其特征在于，进行了上述热熔接的光纤束端部的端面形状为凸面形状。

5.根据权利要求4所述的光导，其特征在于，进行了上述热熔接的光纤束端部的端面形状为球面形状。

6.根据权利要求1至5的任意一项所述的光导，其特征在于，

光纤线由从石英、多组分玻璃和塑料中选择的任意一种以上的材料形成。

7.一种光照射装置，具有辐射光的发光体、以及将来自于该发光体的辐射光照射到被照射物的光导，该光照射装置的特征在于，上述光导是权利要求1至6的任意一项所述的光导。

8.根据权利要求7所述的光照射装置，其特征在于，上述发光体是激光振荡器。

9.根据权利要求7所述的光照射装置，其特征在于，上述发光体是短弧灯。

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