JP2000517435A - 光伝達装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は，多数の光ファイバ（３）から形成された光ファイバ束（２）を有し，この光ファイバ束に光線束の入口連結若しくは出口連結のための少なくとも１つの連結エレメント（４，５）が配置されている形式の光伝達装置，特に出力伝達のための光ファイバの光伝達系に関する。個々の光ファイバ（３）の過負荷を回避し，光伝達の効率を高めるために，本発明は，連結エレメント（４，５）が多数のセル（１１）を備えたカプラ・アレイ（６ａ／ｂ，９）を有しており，このカプラ・アレイが入射する光線束を１つの平面の多数の箇所で，それも１つのセルによってその都度光ファイバ束（２）の１つの光ファイバ（３）の導光横断面に収束せしめるようにすることを，提案する。

Description

【発明の詳細な説明】 光伝達装置 本発明は，多数の光ファイバから形成された光ファイバ束を有し，この光ファ イバ束に光線束の入口連結若しくは出口連結のための少なくとも１つの連結エレ メントが配置されている形式の光伝達装置，特に出力伝達のための光ファイバの 光伝達系に関する。 このような光伝達装置は，光源から発した光を規定された箇所に伝達しようと する場合に，広く使用される。この場合使用可能性は，通信技術における小出力 の変調された信号の伝達から，高エネルギ密度の光線束，例えば材料加工及び医 療用途のためのエネルギに富んだレーザ光線までにわたっている。 光が光ファイバによって伝達される光伝達系は，一面では良好な伝達特性，例 えばわずかな出力損失によって優れており，他面では機械的にフレキシブルであ って，その助けによって普通は到達困難な範囲にも照射をすることができる。し たがって用途は光学的なデータ伝達から，医療技術における内視鏡の照明装置に まで及んでいる。 光は光ファイバ内に入口連結され，その場合光源は光ファイバの端部，すなわ ち端面に収束せしめられる。光ファイバの他方の端部においては，やはり端面か ら光が出るが，その際場合によっては出口連結エレメント，例えばコリメーター が前置されている。 通信技術においては，ただ１つの光ファイバ，例えば単一モード又は多モード のガラスファイバによって問題なく伝達することができるわずかな出力の光信号 だけが使用されるのに対し，大きな光出力を伝達する場合，例えば材料加工のた め，又は外科医療分野においては，問題が生じる。すなわちただ１つの光ファイ バによっては，制限された出力だけが伝達可能であり，制限された出力を超える と，ファイバの損傷ないしは破壊が生ずる。したがって大きな出力は，一般にフ ァイバ束にまとめられている多数の光ファイバに分配しなければならない。光を このような光ファイバ束に入口連結するためには従来の技術では，光源例えば強 出力のレーザを，集光系などのような連結エレメントを介してファイバ束の端面 に写像つまり収束させるのが普通である。この形式で，光ファイバ束の横断面に わたって分配されたエネルギ密度がファイバ当たりの臨界値を超えないことが保 証されるが，しかしエネルギ密度は光線束の横断面にわたって一般に均一に分配 されておらず，局所的な変動によってファイバ束の個々の光ファイバの過負荷及 び損傷が生ずることがある。このような損傷によって光ファイバ束が既に短時間 でもはや使用不能になることは明らかである。このようにする代わりに，より大 きな横断面を有する光ファ イバを使用して，ファイバ当たりの平均エネルギ密度を減少させることはできる 。しかしこの手段はファイバ束からの出口連結のために付加的な収束装置を必要 とすることとなり，このためもちろん著しい費用が必要になる。 別の問題は，ファイバ束内のファイバが密にパックされている場合でも，ファ イバの間には星形の中間スペースが残されており，更に光ファイバの端面のコア 範囲内に入射した光だけが引き続いて導かれるということから，生ずる。その結 果，光ファイバの端面に入射した光全体が実際に伝達せしめられず，全効率が不 都合にも減少せしめられる。 これらの問題を解決することに関して，本発明の課題は，光ファイバ束によっ て大きなエネルギ密度を伝達する場合に，個々のファイバの損傷を回避し，効率 を改善することである。この課題を解決するために，本発明は，連結エレメント が多数のセルを備えたカプラ・アレイを有しており，このカプラ・アレイが入射 する光線束を１つの平面の多数の箇所で，それも１つのセルによってその都度光 ファイバ束の１つの光ファイバの導光横断面に収束せしめるようにすることを提 案する。 本発明によって連結エレメント内に組み込まれるカプラ・アレイは有利にはラ スター形あるいは回転対称的に配置された光学エレメント，例えばレンズ，を有 しており，これらの光学エレメントは全体として多数のセルを形成する。各セル の光学系は有利には次のように，すなわち入射する光線束の全横断面あるいは少 なくとも横断面の大部分が光ファイバの入口面又は出口面に収束せしめられるよ うに，構成されている。光ファイバの端部とカプラ・アレイとの間隔は次のよう に，すなわちセル当たりに収束される光線束がその都度個々の光ファイバの導光 横断面を最適に照射するように，調整されている。 本発明による光伝達装置の特別な利点は，入射する光がカプラ・アレイによっ て光ファイバ束の個々の光ファイバに最適に分配されることから生ずる。この形 式で，入射した光出力がファイバ束のすべての単個光ファイバに均一に分配され ることが保証される。この均一化によって，個々のファイバの過負荷による損傷 がほとんど回避される。 別の利点は，カプラ・アレイの各セルに個別的に１つの光ファイバが所属して いることから生ずる。これによって，セル当たりの光出力をもっぱら個々の光フ ァイバの端部の端面上の中央の導光範囲に束ねることが可能である。このことは ，１つの光ファイバの敏感でない縁範囲内及び光ファイバ束内の光ファイバの間 の星形スペース内における吸収によって，光出力が吸収されて利用不能になるこ とがないということを意味する。この形式で従来技術の光ファイバの光伝達装置 に比べて効率が著しく上昇せしめられる。 本発明の有利な実施例では，カプラ・アレイはレンズ・アレイを有しており， このレンズ・アレイにおいてはその都度軸方向で１つのレンズの前に光ファイバ の端部が配置されている。この場合，レンズ・アレイは有利にはラスター形ある いは回転対称的に配置された多数のレンズを有しており，これらのレンズはその 都度１つのセルを形成している。アレイの個々のレンズは球形，つまり球冠形に 構成してもよいし，また球面収差の修正のために非球面形に構成してもよい。有 利には各レンズは光線束の全横断面あるいは少なくともその大部分を光ファイバ の端面の導光面に写像する。 本発明による光伝達装置の有利な実施例においては，カプラ・アレイは光線方 向で互いに前後に配置された交差せしめられた２つの円柱レンズ・アレイを有し ている。別個の単個レンズから組み立てられているか，あるいはそれぞれモノリ シックな構成エレメントとして構成されている両方の円柱レンズ・アレイによっ て，場合によっては別のレンズを前置することによって，均一化系が形成される 。この実施例では１つのセルはその都度２つの円柱レンズの交差点に形成される 。前述の実施例におけるように，入射する光線束はその都度この交差点を通る縦 軸線の延長線において光ファイバの端部に写像される。 前述の実施例では，カプラ・アレイは有利にはモノリシックなエレメントとし て構成されている。このようなモノリシックなエレメントは，現在の製作法によ って合理的に大きな精度で一体に製作することができ，したがって個々のレンズ の相互の調整ずれが回避されるという利点を有している。したがって光伝達系の 製作の際の調整費用もやはり減少せしめられる。 本発明の有利な実施例では，光ファイバ束に取り付けられている連結エレメン トは光線形成系を形成している。この場合，本発明によるカプラ・アレイを有す る連結エレメントが単に入口連結エレメントとして，あるいは出口連結エレメン トとして光ファイバ束の入口もしく出口に配置されていることが考えられ，その 場合この入口連結エレメントあるいは出口連結エレメントはそれぞれ既に光線形 成系を形成し，この光線形成系によって所望の光線パラメータが生ぜしめられる 。これによって例えば，しばしば材料加工又は医療分野において要求されるよう なガウス分布形状の強度プロフィールを設定することができる。同じように，光 ファイバ束の入口においても，また出口においても，本発明による連結エレメン トが取り付けられていて，その際カプラ・アレイが，場合によってはコリメータ ーレンズなどのような別の光学エレメントを備えて，光線形成系を形成し，この 光線形成系によって強度プロフィール及び又は光線横断面をほとんど任意に設定 し得るようにすることが可能である。 本発明によるカプラ・アレイを有する連結エレメントを光ファイバ束の入口及 び又は出口に１つ配置するか，２つ配置するかは，その都度の光伝達系の具体的 な使用目的によって決まる。例えば，例えば強出力の定置のレーザからのような 大出力の光線束を複数の作業場所に分配するために，本発明による入口連結エレ メントが光ファイバ束の入口の前に置かれる。個々の光ファイバの出口はフレキ シブルに個々に，あるいは部分束で，種々の使用場所において使用される。これ らの単個ファイバ若しくは部分ファイバ束の端部には，もちろん必要に応じてや はり本発明による連結エレメントを出口連結エレメントとして取り付けることが できる。 本発明の有利な実施例では，光ファイバ束の光ファイバはカプラ・アレイの前 でファイバ保持体内に保持されている。保持体内では単個ファイバはカプラ・ア レイによって設定されている配置で固定されている。これによって光ファイバの 入口面若しくは出口面は最適にカプラ・アレイの前に配置され，したがって光フ ァイバ束の不均一な照明をもたらすことがある調整ずれが充分に回避される。こ の目的のために，例えばマトリックス形のカプラ・アレイと同じラスター寸法の 孔アレイとして構成されているファイバ保持体は連結エレメントのカプラ・アレ イと不動に結合される。 カプラ・アレイのセルと孔が相応している孔アレイとしてファイバ保持体を構 成することは，特に有利に，わずかな経費で実施可能であり，取り扱いの点で簡 単である。実地における実施は，例えばプレートにカプラ・アレイのラスター寸 法で多数の平行な孔を形成し，これらの孔内に個々の光ファイバの端部を差し込 み，例えば接着，溶接などによって固定することによって行うことができる。 有利には連結エレメントは更に光学的な変調器を有している。このような変調 器は例えば光線絞り，マスクあるいはまた電気光学的な変調器であることができ ，光線パラメータの適切な制御を可能にする。 光線幾何学値及び強度プロフィールを制御する可能性は，カプラ・アレイのそ の都度１つのセルに所属して１つの電気光学的な変調器が設けられていることに よって，更に拡大することができる。これによって光ファイバ当たり伝達される 出力が適切に調整可能であり，したがって例えば出口光線プロフィールの規定さ れた設定を行うことができる。 更に，本発明による連結エレメントが差し込みコネクタ内に組み付けられてい ると有利である。この手段によって，例えば種々の光伝達系を差し込みコネクタ によって問題なしに種々の光源に使用可能であって，取り扱いが容易になる。こ の形式で延長導体も簡単に実現することができる。 本発明による光伝達装置の１実施例を以下において図面に基づいて詳細に説明 する。 図１は本発明による光伝達系の概略的な断面図である。 図２は本発明によるカプラ・アレイを光線縦方向で見た図である。 図１においては光伝達装置は全体として符号１を付けられている。光伝達装置 は大体において光ファイバ束２から成っており，この光ファイバ束は多数の光フ ァイバから形成され，その端部に入口連結エレメント４並びに出口連結エレメン ト５が取り付けられている。 入口連結エレメント４は２つの，互いに前後に配置された交差せしめられた円 柱レンズ・アレイ６ａ及び６ｂを有している。これらの円柱レンズ・アレイは１ つのカプラ・アレイ６ａ／ｂを形成している。 図面の左側において，円柱レンズ・アレイ６ａ内に，例えばレーザからの平行 又はほぼ平行な光線束が入射可能であり，この光線束は図面において矢印で示さ れている。光線方向で円柱レンズ・アレイ６ａの後方にレンズ７が配置されてお り，このレンズは光線横断面をより小さな円柱レンズ・アレイ６ｂの面に狭める 。 光線方向でカプラ・アレイ６ａ／ｂの後方に，つまり光線方向で第２の円柱レ ンズ・アレイ６ｂの後方に ，ファイバ保持体８が配置されている。このファイバ保持体は有利には孔アレイ として構成されていて，その際図面には認めることのできない多数の孔が，マト リックス形のカプラ・アレイ６ａ／ｂによって設定されているラスターで配置さ れている。これらの孔内で，光ファイバ束２の個々の光ファイバ３の端部が固定 されていて，その入口区分がカプラ・アレイ６ａ／ｂの焦点面内に位置せしめら れている。 出口側で光ファイバ束２にやはりファイバ保持体８が取り付けられているが， このファイバ保持体は出口連結エレメント５に結合されている。出口連結エレメ ント内では，ファイバ保持体８の後方にカプラ・アレイ９が配置されている。こ のカプラ・アレイはモノシリックなレンズ・アレイとして構成されていて，その 単個レンズはファイバ保持体８内の孔と同じラスターで配置されている。 出口側で出口連結エレメント５内に光線方向でカプラ・アレイ９の後方にコリ メーターレンズ１０が配置されており，このコリメーターレンズは発散して出る 光線束を平行化する。平行又はほぼ並行にされて出る光線束はやはり矢印で示さ れている。 図２は，後方に配置された個々の光ファイバ３の端部の端面とともに，カプラ ・アレイ６ａ／ｂ若しくは９を光線方向で見た概略図である。 この図から，見えないファイバ保持体内の光ファイ バ３のラスター形の配置が特に良く分かる。光ファイバはセル１１にそれぞれ相 応している。 図示の本発明による光伝達系１の利点は，入口連結エレメント４内のカプラ・ アレイ６ａ／ｂによって，入射する光線束の個々の場合に不均一な強度プロフィ ールにもかかわらず，光エネルギが光ファイバ束２の個々の光ファイバ３に一様 に分配されることから生じる。これによって個々の光ファイバ３の過負荷が実際 上回避されている。 別の利点は，入射する光線束がカプラ・アレイ６ａ／ｂ及びレンズ７を介して ファイバ保持体８内で固定されている光ファイバ３の入口面上に収束せしめられ て，特に良好な伝達効率が生じることである。 やはりカプラ・アレイ９を有している出口連結エレメント５とともに，実際上 １つの光線形成系が形成される。この光線形成系は光線パラメータの規定された 適合を可能にする。 全体として，本発明による伝達系１は，大きな出力の伝達の際に光ファイバ束 ２の最適の利用を可能にする。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．多数の光ファイバから形成された光ファイバ束を有し，この光ファイバ束に 光線束の入口連結若しくは出口連結のための少なくとも１つの連結エレメントが 配置されている形式の光伝達装置，特に出力伝達のための光ファイバの光伝達系 において，連結エレメント（４，５）が多数のセル（１１）を備えたカプラ・ア レイ（６ａ／ｂ，９）を有しており，このカプラ・アレイが入射する光線束を１ つの平面の多数の箇所で，それも１つのセル（１１）によってその都度光ファイ バ束（２）の１つの光ファイバ（３）の導光横断面に収束せしめるようにしたこ とを特徴とする，光伝達装置。 ２．カプラ・アレイ（６ａ／ｂ，９）がレンズ・アレイ（６ａ／ｂ，９）を有し ており，その都度軸方向で１つのレンズの前に１つの光ファイバ（３）の端部が 配置されていることを特徴とする，請求項１記載の装置。 ３．カプラ・アレイ（６ａ／ｂ，９）内にセル（１１）がラスター形に配置され ていることを特徴とする，請求項１記載の装置。 ４．カプラ・アレイ（６ａ／ｂ，９）内にセル（１１）が回転対称的に配置され ていることを特徴とする，請求項１記載の装置。 ５．１つのセル（１１）が１つの球面レンズを有していることを特徴とする，請 求項１記載の装置。 ６．１つのセル（１１）が１つの非球面レンズを有していることを特徴とする， 請求項１記載の装置。 ７．カプラ・アレイ（６ａ／ｂ，９）が，光線方向で互いに前後に配置された交 差せしめられた円柱レンズ・アレイ（６ａ，６ｂ）を有していることを特徴とす る，請求項１記載の装置。 ８．カプラ・アレイ（６ａ／ｂ，９）がモノリシックなエレメントとして構成さ れていることを特徴とする，請求項１記載の装置。 ９．連結エレメント（４，５）が光線形成系を形成していることを特徴とする， 請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。 10．カプラ・アレイ（６ａ／ｂ）を有する連結エレメントが入口連結エレメント （４）として光ファイバ束 （２）の入口に配置されていることを特徴とする，請求項１記載の装置。 11．カプラ・アレイ（９）を有する連結エレメントが出口連結エレメント（５） として光ファイバ束（２）の出口に配置されていることを特徴とする，請求項１ 記載の装置。 12．光ファイバ束（２）の光ファイバ（３）がカプラ・アレイ（６ａ／ｂ，９） の前でファイバ保持体（８）内に保持されていることを特徴とする，請求項１記 載の装置。 13．ファイバ保持体（８）が孔アレイとして構成されていて，この孔アレイの孔 がカプラ・アレイ（６ａ／ｂ，９）のセル（１１）に相応していることを特徴と する，請求項１２記載の装置。 14．連結エレメント（４，５）が光学的な変調器を有していることを特徴とする ，請求項１記載の装置。 15．カプラ・アレイ（６ａ／ｂ，９）のその都度１つのセル（１１）に所属して ，電気光学的な変調器が設けられていることを特徴とする，請求項１４記載の装 置。 16．連結エレメント（４，５）が差し込みコネクタ内に組み付けられていること を特徴とする，請求項１記載の装置。