JP2001255407A - 反射鏡及びこれを用いた光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 別途光学素子を設けることなく光ファイバの
端面等の対象面に対し、略均一な光強度の分布を与える
ことが可能な反射鏡及びこれを用いた光学装置を提供す
る。 【解決手段】 本発明に係る反射鏡１４の反射面１４ａ
は、回転対称軸Ｃ上の第１の点Ｆ1に置かれた点光源１
２より出射した光を、前記回転対称軸上の第２の点Ｆ
2’を中心とし該回転対称軸に直交する平面上の円Ｆ2に
沿って集光させる形状を有する。該円上の各点Ｆ2にお
いて光は略ガウス分布を示し、その内側の領域の光強度
分布は略均一になる。光学装置を構成するに際し、光フ
ァイバ１６の端面等の対象面をこの円の領域に一致させ
て配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光源からの光を反
射して集光する反射鏡及びこれを用いた照明装置や紫外
線照射装置などの光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、光源からの光を回転対称性を
有する反射鏡で反射して、光ファイバや光ファイバ束な
どの端面に入射する構成の照明装置や紫外線照射装置な
どの光学装置が知られている。この種の光学装置におい
ては、回転楕円体の一部を反射面に用いた反射鏡が広く
用いられている。

【０００３】図５に従来の光学装置の概略構成を示す。
光学装置５０は、放射光を発生する光源５２と、これを
覆うように配置された反射鏡５４より構成される。反射
鏡５４は、光源５２の軸方向に光軸Ｃが配置された回転
楕円体の一部からなる反射面５４ａを有しており、光源
５２の発光中心は回転楕円体の一方の焦点に配置されて
いる。回転楕円体の他方の焦点には、光伝送媒体として
の光ファイバ５６の端面５６ａが配置される。光は最小
経路を進むので、一方の焦点にある光源５２から放射さ
れ、回転楕円体からなる反射面５４ａで反射された全て
の光は、他方の焦点にある光ファイバ５６の端面に導か
れ、その内部に入射される。このときの光ファイバの端
面の光強度分布は、図３に示すように略ガウス分布とな
り、中心部分が強度が高く、周辺部分が低いものとなっ
ている。

【０００４】しかしながら、このような不均一な光強度
の分布で光を集光する場合、光伝送媒体として光ファイ
バを結束した光ファイバ束を用い、その出力端を複数に
分岐するような場合、各分岐した束間で一定の光出力を
得るためには、各分岐する束を構成する光ファイバをそ
の光出力が一定になるように注意深く組合せないと、多
分岐ファイバにおいて分岐間光量が生じてしまう。更に
は、光ファイバに代えてその位置に、被照射物質を配置
し、そこに紫外光や遠紫外光を照射してその表面の洗浄
又は改質を行うことが行われるが、前記不均一な光強度
の分布は、被照射物質の表面に斑その他のむらを生じさ
せることがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような問題に対処
するために、従来、前記焦点位置の近傍に凸レンズや凹
レンズを配置し、これらの光学素子を介して光ファイバ
の端面に光を入射させることによって、光ファイバに入
射される光の分布を均一にしようとするものがある。図
６はこのような構成の光学装置を示しており、同図
（Ａ）は凸レンズ６０を用いたもの、同図（Ｂ）は凹レ
ンズ６２を用いたものである。

【０００６】しかしながら、一方でこのような構成の光
学装置においては以下のような問題がある。すなわち、
前記凸レンズや凹レンズなどの光学素子を設置すること
によって、光学系が複雑になり、光軸や焦点位置を調整
することが困難になると共に、既存の光学装置において
前記光学素子を追加設置する場合には、光ファイバの設
置位置を変えなければならず、光学装置の構造の変更が
必要であった。

【０００７】従って本発明の目的は、別途光学素子を設
けることなく光ファイバの端面等の対象面に対し、略均
一な光強度の分布を与えることが可能な反射鏡及びこれ
を用いた光学装置を提供することにある。

【０００８】本発明の別の目的は、反射鏡及び光学装置
の構成部品を追加することなく、その光反射面の形状を
最適化することによって、前記目的を達成し得る低コス
トの反射鏡及びこれを用いた光学装置を提供することに
ある。

【０００９】本発明の更に別の目的は、従来構成の光学
装置に対して、光ファイバや光ファイバ束の設置位置を
変えることが無い、すなわち既存の設備を用いることが
できる光学装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、回転対称性を有する凹状の反射面を有する反
射鏡において、前記反射面が、回転対称軸上の第１の点
に置かれた点光源より出射した光を、前記回転対称軸上
の第２の点を中心とし該回転対称軸に直交する平面上の
円に沿って集光させる形状を有するよう構成される。

【００１１】好適な実施形態において、前記反射鏡の前
記回転対称軸を含む断面における前記反射面の線分は、
前記第１の点を一方の焦点とし、前記断面における前記
円周上の点を他方の焦点とする楕円上の線分により形成
される。

【００１２】本発明の反射鏡においては、第２の焦点を
中心とする円周上に前記点光源からの光が集光される。
光源は実際には大きさをもっており、従って光は点光源
の周囲からも放射されるので、各円周上の点に集光しよ
うとする光は、近似的にはその位置を頂点としたガウス
分布となるが、その円周内における光分布を考えた場
合、略均一な光強度の分布となる。従って、ここに光フ
ァイバの端面等の対象面を配置することによって、該面
に対する光強度分布の均一性が極めて向上する。

【００１３】ここで、前記一方の焦点を中心とした回転
対称軸と２つの焦点を結ぶ線分のなす角が１°〜１０°
の範囲にあることが好ましい。

【００１４】本発明はまた、回転対称性を有する凹状の
反射面を有する反射鏡において、前記回転対称軸を含む
前記反射面の断面が、該回転対称軸上に位置する第１の
焦点と、該回転対称軸上に位置しない第２の焦点を有す
る楕円上の線分により形成され、かつ前記反射面上の点
Ｑ（Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚ）が、下式で規定される反射鏡を
提供する。

【００１５】

【式２】

【００１６】但し、前記楕円の第１の焦点を原点、該回
転対称軸をＸ軸とするＸＹＺ直交座標系における点Ｑの
Ｘ座標、Ｙ座標、Ｚ座標をそれぞれＱｘ,Ｑｙ,Ｑｚと
し、前記楕円の長径、短径をそれぞれ２ａ、２ｂとし、
前記第１の焦点と前記第２の焦点を結ぶ直線と、前記回
転対称軸のなす角をθとする。

【００１７】更に本発明は、前記構成の反射鏡と、前記
第１の点にその発光点を有し、放射光を発生する光源
と、前記円を含む平面をその光入射端部とし、前記反射
鏡により集光される光を該光入射端部より入射して伝送
する光伝送手段とを備えた光学装置を提供する。

【００１８】好適な実施形態において、前記光伝送手段
は光ファイバ又は光ファイバ束を備えたものである。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図示した一実施形態に基い
て本発明を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態
に係る照明装置の概略構成を示す断面図である。本照明
装置１０は、光源１２、反射鏡１４、及び光伝送媒体と
しての光ファイバ又は光ファイバ束（以下、光ファイバ
１６）を備える。

【００２０】光源１２は、その発光中心から略放射状に
光を放射させるもので、後述する近回転楕円体の一方の
焦点（以下、第１焦点Ｆ1という）に、その発光中心を
有する。実施例において、光源１２は、その用途（照明
用、紫外線洗浄用など）に応じて、可視光、紫外光、遠
紫外光等を発光するハロゲンランプ、キセノンランプ、
メタルハライドランプ、水銀ランプなどであって良い。

【００２１】反射鏡１４は、概略的に回転対称性を有す
る凹状を有し、その反射面１４ａによって光源１２から
の光を反射して、光ファイバ１６の端面１６ａに集光さ
せる。反射面１４ａは、回転楕円体から変形された後述
する近回転楕円体よりなる曲面を有している。近回転楕
円体よりなる反射面１４ａは、従来の回転楕円体よりな
る反射面における反射光の集光点Ｆ2’（回転楕円体の
第２焦点）からずれた点にその集光点を有する。すなわ
ち、反射面１４ａは、前記第１焦点Ｆ1に置かれた光源
１２より出射した光を、回転対称軸Ｃ上の点Ｆ2’を中
心としこの軸に直交する平面上の円（以下、この円上の
点を第２焦点Ｆ2という）に沿って集光させる。反射面
１４ａの具体的な形状については、後述する。前記反射
鏡１４は、例えば硬質ガラス或いはアルミニウムやプラ
スチックで構成することができ、その反射面１４ａはそ
の用途（照明用、紫外線洗浄用など）に応じて、誘電多
層膜、アルミメッキ、アルミ電解メッキ等で構成するこ
とができる。

【００２２】光ファイバ１６は、前記回転対称軸Ｃ上の
点Ｆ2’にその端面１６ａの中心位置を合わせて設置さ
れる。光ファイバ１６は円形の端面１６ａを有し、前記
第２焦点Ｆ2はこの面内に含まれる。好適な実施形態に
おいて、第２焦点Ｆ2を図に示すように光ファイバの端
面１６ａの周縁に合わせる。既存の照明装置で本発明を
実施する場合のように、第１焦点Ｆ1と回転楕円体の第
２焦点に当たる点Ｆ2’の距離が予め決められている場
合、後述する算出式に従って反射鏡１４の反射面１４ａ
の形状を決定することができる。

【００２３】次に、前記反射鏡の反射面１４ａの形状を
算出する式について説明する。この説明に際して図２及
び図７を参照する。

【００２４】従来の反射鏡は、楕円の長径を回転軸とし
てできる回転楕円体の一部を用いた曲面をその反射面と
して構成されている。図７に従来の反射鏡の幾何学的構
成を示した。この場合に、反射面上の点Ｐ(Px,Py,Pz)
は、原点位置を楕円の第１焦点としたときに、長径２
ａ、短径２ｂとすると、下式で与えられる。

【００２５】

【式３】

【００２６】一方、本発明に係る反射鏡においては、反
射光を前記回転対称軸Ｃ上の点Ｆ2’を中心とし、この
軸に直交する平面上の円に沿って集光させる。今、図２
に示すように、回転対称軸Ｃに対して点Ｆ1を中心に角
度θ傾いた回転軸Ｃ’を考える。そして、回転軸Ｃ’上
に点Ｆ2を取る場合、点Ｆ1と点Ｆ2を焦点とする楕円を
考え、その一部を反射鏡の反射面の線分として用いる。
回転対称軸Ｃを軸として、この線分を回転させることに
よって、前記反射面１４ａが形成される。すなわち、こ
の回転体の曲面上の点Ｑ（Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚ）は、下式
で与えられる。

【００２７】

【式４】

【００２８】光源を点Ｆ1に配置した場合、反射面１４
ａ上の各線分は点Ｆ1及びＦ2を焦点とする楕円で構成さ
れているので、そこを反射する光は点Ｆ2に集光するこ
ととなる。光源は実際には大きさをもっており、従って
光は点光源の周囲からも放射されるので、近似的にはそ
の位置を頂点としたガウス分布となるが、その円周内に
おける光分布を考えた場合、図３に示すように、点Ｆ2
の内側においては、光は略均一な分布となる。

【００２９】すなわち、従来の回転楕円体の光強度分布
は、回転対称軸Ｃに直交し第２焦点Ｆ2を含む平面をＸ
Ｙの直交座標系とすると、Ｆ(x,y)で表される。近似的
に分布は、中心強度がＧのガウス分布であるとして、下
式により表される。

【００３０】

【式５】

【００３１】一方、本発明における反射鏡により光ファ
イバ端面に集光される光の強度分布は、回転対称軸Ｃに
直交し第２焦点Ｆ2を含む平面をＲφの極座標系で考え
ると、Ｅ(r,φ)で与えられる。

【００３２】

【式６】

【００３３】ＨはＦ(x,y)とＥ(r,φ)の総光量が等しい
ことを前提にした補正係数である。ここで、Ｅ(r,φ)
は、sを変数とする関数であり、簡略的にｒ＝０とｒ＝
ｓの位置での光強度が同じになるようにｓを決定する。
すなわち、

【００３４】

【式７】

【００３５】上式からｓが求まり、角度θが決定され
る。このときの集光位置における光分布強度は、図４の
ようになる。今、光ファイバの直径をＤとすれば、その
端面１６ａには、略均一な光を入射することができる。
好適な実施形態において、直径５〜７mmの光ファイバの
端面に光を入射させる場合、前記角度θは１°〜１０°
の範囲が好ましく、４°程度が最も好ましい。

【００３６】以上、本発明の一実施形態を図面に沿って
説明した。しかしながら本発明は前記実施形態に示した
事項に限定されず、特許請求の範囲の記載に基いてその
変更、改良等が可能であることは明らかである。例え
ば、本発明に係る光学装置は紫外線照射装置として構成
することができ、その場合、前記焦点位置にその被照射
物質を配置する。

【００３７】

【発明の効果】以上の如く本発明によれば、追加的な光
学系を設けることなく光ファイバの端面等の対象面に対
し、略均一な光強度の分布を与えることが可能になる。

【００３８】本発明による反射鏡及び光学装置は、前記
均一な光強度を得るために、従来のように追加的な部品
を必要としないので、低コストで構成することができ、
また反射鏡を交換するだけで、既存の光学装置を使用す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【００３９】

【図１】本発明の一実施形態に係る照明装置の概略構成
を示す断面図である。

【図２】本発明に係る反射鏡を形成するための算出式の
説明に用いる概念図である。

【図３】従来の楕円回転体による焦点位置の光強度分布
を示すグラフである。

【図４】本発明の近楕円回転体による焦点位置の光強度
分布を示すグラフである。

【図５】従来の光学装置の概略構成を示す断面図であ
る。

【図６】追加的な光学系を使用した従来の光学装置の概
略構成を示す断面図である。

【図７】従来の反射鏡の幾何学的構成を示す概念図であ
る。

【符号の説明】

１０ 照明装置 １２ 光源 １４ 反射鏡 １４ａ 反射面 １６ 光ファイバ １６ａ 端面 Ｃ 回転対称軸 Ｆ1 第１焦点 Ｆ2 第２焦点

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転対称性を有する凹状の反射面を有す
   る反射鏡において、 前記反射面が、回転対称軸上の第１の点に置かれた点光
   源より出射した光を、前記回転対称軸上の第２の点を中
   心とし該回転対称軸に直交する平面上の円に沿って集光
   させる形状を有する反射鏡。
2. 【請求項２】 前記反射鏡の前記回転対称軸を含む断面
   における前記反射面の線分が、前記第１の点を一方の焦
   点とし、前記断面における前記円周上の点を他方の焦点
   とする楕円上の線分により形成される請求項１に記載の
   反射鏡。
3. 【請求項３】 前記一方の焦点を中心とした前記回転対
   称軸と前記２つの焦点を結ぶ線分のなす角が１°〜１０
   °の範囲にある請求項２に記載の反射鏡。
4. 【請求項４】 回転対称性を有する凹状の反射面を有す
   る反射鏡において、 前記回転対称軸を含む前記反射面の断面が、該回転対称
   軸上に位置する第１の焦点と、該回転対称軸上に位置し
   ない第２の焦点を有する楕円上の線分により形成され、 かつ前記反射面上の点Ｑ（Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚ）が、下式
   で規定される反射鏡。 【式１】 但し、前記楕円の第１の焦点を原点、該回転対称軸をＸ
   軸とするＸＹＺ直交座標系における点ＱのＸ座標、Ｙ座
   標、Ｚ座標をそれぞれＱｘ,Ｑｙ,Ｑｚとし、前記楕円の
   長径、短径をそれぞれ２ａ、２ｂとし、前記第１の焦点
   と前記第２の焦点を結ぶ直線と、前記回転対称軸のなす
   角をθとする。
5. 【請求項５】 前記角θが１°〜１０°の範囲にある請
   求項４に記載の反射鏡。
6. 【請求項６】 請求項１〜３の何れかに記載の反射鏡
   と、 前記第１の点にその発光点を有し、放射光を発生する光
   源と、 前記円を含む平面をその光入射端部とし、前記反射鏡に
   より集光される光を該光入射端部より入射して伝送する
   光伝送手段と、を備えた光学装置。
7. 【請求項７】 請求項４又は５に記載の反射鏡と、 前記第１の焦点にその発光点を有し、放射光を発生する
   光源と、 前記第２の焦点を中心とし前記回転対称軸に直交する平
   面をその光入射端部とし、前記反射鏡により集光される
   光を該光入射端部より入射して伝送する光伝送手段と、
   を備えた光学装置。
8. 【請求項８】 前記光伝送手段が光ファイバ又は光ファ
   イバ束を備えたものである請求項６又は７に記載の光学
   装置。