JP2001500980A

JP2001500980A - 光カプラー

Info

Publication number: JP2001500980A
Application number: JP09529387A
Authority: JP
Inventors: アンドリューピーライザー; ロナルドエフリコウスキー; スティーヴンエスウィルソン
Original assignee: リモートソースライティングインターナショナルインコーポレイテッド
Priority date: 1996-02-14
Filing date: 1997-02-07
Publication date: 2001-01-23
Also published as: CN1217794A; US5857041A; EP0880720A1; EP0880720A4; WO1997030367A1; AU2259297A; AU730976B2; CA2251538A1

Abstract

(57)【要約】照明源（１２）からの光を複数の間隔を隔てた大径の出力光ファイバー（２２）、即ち、“光パイプ”に結合するための光ファイバーマニホルドが提供され、この出力光ファイバーは、直接照明が危険、維持するのが困難または破壊行為にさらされる、プール、温泉、危険物領域、刑務所の独房および他の用途を照明するというような種々の目的のために使用される。このマニホールドは、アーク灯のような照明源（１２）と、複数の出力ファイバー（２２）のコアとの間の光透過の効率を最大にするようにあつらえられた照明反射器（１４）を使用している。このあつらえられた照明反射器の製造方法は、使用される特定の照明源の放射パターンをマッピングし、これらの放射パターンのデータベースを作成し、このデータベースを利用して理想的な照明反射器形状を生成することを含む。コンピュータ製造反射器は、照明源（１２）は理想的ではないので、通常は、非円錐形断面を有している。

Description

【発明の詳細な説明】光カプラーこの出願は１９９５年１月１７日に出願され、光カプラーと題した米国特許出願第０８／３７４，１６３号の一部継続出願である。発明の背景しばしば「可撓性光パイプ」と称される大径光ファイバーが、当該技術でよく知られており、典型的にはクラッド層とシース即ち保護層とによって囲まれた単一の固体コアファイバーからなる。コアは光を伝達する光パイプの部分であり、典型的には約２〜１２ｍｍの直径を有する。コアは、ペンシルベニア州フィラデルフィアのロームアンドハス社によって製造されたＯＰＴＩＦＬＥＸ（商標）のような大変柔らかい半液体プラスチック材料で形成される。クラッド層は典型的には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ即ちＴＥＦＬＯＮ（商標））等からなり、外側シースは塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）のような材料で製造される。典型的に、比較的複雑な制御装置で情報を伝達するのに用いられる小径の光ファイバーと違って、これらの大径の「光パイプ」は典型的には、直接的な照明が維持しにくく、危険であったり、或いは破壊を受けやすいような様々な照明装置に採用される。例は建築の照明、陳列ケース、プール、及び温泉（水に近い電気接続を除去するために）、有害物質区域（窓閉照明の必要を除去するために）、又は刑務所の独房を含む。それらは複数の個々の照明ではなく単一の集中照明系だけを維持しなければならない点で特に有利である。しかしながら、単一の照明源から複数の光パイプを照明することの難しさのため、光パイプ照明装置の従来の技術水準で実現するには問題がある。効率を最大にするために、光ファイバーを、できるだけ厳密に束ねて、総面積に対するコア面積（実際に光を伝達する各光パイプの一部）の最大の比率を確保しなければならない。しかしながら、単一の照明源から照明するために大径の光パイプを一緒に束ねることを能率的に行うのは難しい。個々の光パイプの各々は丸く、かくしてクラッドと保護層とにより、多くの空間を個々の光パイプ間に有する。この問題を従来技術の図１に図示し、図１では大径の光ファイバー即ち光パイプ４の束２が示されている。各光ファイバー４は上述したようにコア６、クラッド層７及び保護層即ちシース８を有する。最大効率を得るために、束ねられた光ファイバー４の各々のコア６のみを照明することが望ましいが、これは従来の結束技術の技術水準の使用をしたのでは不可能である。必然的に、照明源からの光が光ファイバーの配置に亘って広げられれば、光ファイバー４のコア６ばかりでなくクラッド層７及び保護層８をも又照明するであろう。更に、ファイバーの円い寸法形状のために避けられない、光ファイバー間のボイド９は又、照明源からの光によって影響を受ける。コア６以外の要素に当たる光の全ては無駄であり、ファイバーによって伝達されないので、効率の損失になる。加えて、ファイバーを互いにぎっしりパックすることは、照明装置を配列し且つそれに順応する際の機械的困難性及び個々の束ねられたファイバーの１つを置き換える試みの際に遭遇する困難性のような問題を引き起こす。この問題を改善する技術が特別に採用されなければ、この設計は又、典型的にはファイバー間に色変化を生じさせる。１つの先行技術の解決策（その変形例は、例えば、原出願の米国特許出願第０８／３７４，１６３号、サアダトマネシュ等に付与された米国特許第５，３９６，５７１号、及びダベンポート等に付与された米国特許第５，２２２，７９３号に開示されている）は光ファイバー束全体を照明するのではなく、各出力光ファイバーのコアだけを照明することにある。かかる取り組み方は、例えば、保護層又はクラッド層のような他の光ファイバー要素、並びに光ファイバー間の隙間に光が入射するのを防止することによって、照明装置の効率及び光の出力が大きく増すので、有利である。又、灯のアークの像全体が光ファイバーの束に集合的ではなく、各個々の光ファイバーによって受けられ、従って、各光ファイバーがアークの異なる部分を受けるために、光ファイバー間の色変化が除去される。その上、かかる概念を使用すると、光ファイバーを束ねるのではなく、光ファイバーを間隔保持することが可能であり、このことは種々の応用における光ファイバーの融通性を増す。しかしながら、これらの最近の装置の１つの欠点は照明源とクラシックな円錐断面に基づく出力光ファイバーとの間に光を伝達する照明反射器、即ち楕円形反射器又はパラボラ反射器の使用である。このような反射器は「理想的な」光源、即ち「点」光源には最も良いが、「現実の世界」の光源としては、光の伝達効率を減少させる。発明の概要本発明は上記の従来技術の改良であり、アーク灯のような照明源と、複数の出力ファイバーのそれぞれのコアとの間の光の伝達の効率を最大にするように作られた照明反射路を利用している。照明反射路の製造方法は、利用される特定の照明源の放射パターンをマッピングし、これらの放射パターンのデータベースを作り、更に、データベースを利用して、最適な照明反射路を作る。コンピュータによって作られた反射路は、照明源が理想的ではないので、実質的に常に非円錐断面である。より詳細には、照射源から複数の出力光ファイバーに光を連結するための光ファイバーマニホールドを開示する。各出力光ファイバーは、受光のための近位端を有し、また、マニホールドは、照明源からの照明を受け、かつ、照明を出力光ファイバーのそれぞれの近位端に再び差し向ける照明反射路とを有する。照明反射路は、特に、組み合わせられた照明源と相補するように設計されており、従って、コンピュータによって作られた非円形で、しかも非楕円形かつ非放物線形の断面を有する。本発明の他の観点においては、光ファイバーマニホールドのための照明反射路を製造する方法を開示する。その方法は、照明源の放射パターンをマッピングする工程と、放射パターンのデータベースを作る工程とを有する。次いで、データベースを使用して、出力光ファイバーのそれぞれの近位端における、照明の最適な分布及び強度を提供する照明反射路形体を作る。本発明の他の観点においては、照明源から複数の出力光ファイバーに光を連結する光ファイバーマニホールドを開示する。出力光ファイバーのそれぞれは、受光のための近位端を有し、マニホールドは、それぞれが明確な焦点を有する複数のセグメントを有するレンズを備える。各セグメントは、照明源から受けた光の主局部的伝播ベクトル(principal local propagation vector)と一致する長手方向軸線を有し、かつ、照明源からそれぞれの焦点に光を収斂させるようになっている。光ファイバーのそれぞれの近位端は、そこから受光するための対応するレンズセグメントの焦点に位置決めされている。マニホールドは、長手方向主軸線を有し、それはしばしば、レンズセグメントのうちの少なくとも１つの軸線が、マニホールドの長手方向軸線と平行ではない場合である。図面の簡単な説明図１は、シースとクラッドとコアとを有する各ファイバーの構造が図示された大口径光ファイバーの束の従来技術の端面図である。図２は、照明源、マルチセクターレンズ及び複数の出力光ファイバーとが図示された本発明の第１実施形態の平面図である。図２ａは、図２の線２ａ−２ａにおける断面図であり、特に、本発明によって作られた照明リフレクターを示す。図３は、図２に示されたマルチセクターレンズの線３−３における端面図である。図４はマルチセクターレンズと、対応するレンズ領域と衝合関係する複数の各出力光ファイバーとが図示された本発明の変形実施形態の側面図である。図５は、第１光ファイバーからマルチセクターレンズに使用する複数の枝出力ファイバーに光を連結するためのスプリッターが図示された、本発明の第２変形実施形態の側面図である。図６は、図５に示されたマルチセクターレンズの線６−６における端面図である。図７は、第１光ファイバーからマルチセクターレンズに使用する複数の枝出力光ファイバーに光を連結するためのスプリッターが図示された、本発明の第３変形実施形態の平面図である。図８は、照明源、マルチセクターレフレクター及び複数の出力光ファイバーとが図示された本発明の第４変形実施形態の側面図である。図９は、図４に図示されたマルチセクターレンズの端面図である。図１０は、図８に図示されたマルチセクタレフレクターの端面図である。図１１は、マルチセクターレンズに利用するスプリッターが図示された本発明の第５変形実施形態の側面図である。図１２は、図１１の線１２−１２における端面図である。図１３は、照明源、マルチセクターレフレクター及び複数の出力光ファイバーとが図示された本発明の第６変形実施形態の側面図である。図１４は、図１３に図示されたマルチレフレクターの端面図である。好ましい実施の形態の説明今、図面をより厳密に参照すると、図２、図２ａ及び図３は本発明の原理に従って構成された光ファイバーマニホールドを図示し、この光ファイバーマニホールドはアーク灯等のような在来の任意の光源を備える照明源１２を含む。図示した実施の形態においてランプ１２と一体である照明反射器１４が、ランプからの光をコリメーティングレンズ１６に反射する。コリメーティングレンズ１６を出た光は、次いで、フォールドミラー１８によって扇形セグメントレンズ２０に反射される。フォールドミラー１８は、所望ならば、赤外スペクトル又は紫外スペクトルの光を除去するためにコールドミラーコーティングを有していてもよい。フォールドミラー１８からの光はセグメントレンズ２０によって、間隔を隔てた複数の出力光ファイバー２２へ伝達される。本発明の重要な特徴は、セグメント即ち扇形２４の数と出力ファイバー２２の数とが一致していることである。各レンズセグメント２４は、照明源１２から受け入れられる光を、ファイバーコアより広くないビーム幅を有する、各レンズセグメント２４に対応する出力ファイバー２２の入口平面のところで、スポットに収束させ、即ち、合焦させるようになっている。かくして、各光ファイバー２２は、図２に光線の軌跡によって示すように、各光ファイバー２２に対応する単一のセグメント２４からだけ光を受け入れる。図示した好ましい実施の形態は、８つの個々のファイバー２２を照らすために設計されており、従って、８つのセグメント２４があるが、セグメント又はファイバーの数を変えてもよい。本発明の装置の効率をかなり改良する本発明の重要な観点は、照明反射器１４の設計における古典的でない非円錐形断面の使用である。これに対して、従来技術では、古典的な円錐形断面が、典型的には、楕円又はパラボラ反射器を作るために照明反射器の設計に使用されていた。背景として、円形断面の円錐をスライスすることによって露出される平面を想像することによって円錐形断面を生じさせることができるから（あるいは、もっと重要なことには、目に見えるようにすることができるから）、古典的な円錐形断面は、そのように名づけられている。例えば、もし、このような円錐が円錐の長軸に正確に垂直であるカットでスライスされるならば、その結果出来た露出平面は円である。これは円錐形断面の最も簡単な例である。他の円錐形断面と同様に、円を、この場合には、以下の式で代数的に説明することができる。（ｘ²＋ｙ²）^1/2＝ｒ（１）ここで、ｒは円の半径、ｘは半径のｘ座標値、ｙは半径のｙ座標値である。言い換えれば、円の半径の大きさは、常に、半径のｘ座標値の二乗と半径のｙ座標値の二乗の和の平方根に等しい。これが円に与える特性は、円がその円周点の軌跡から等距離の単一の焦点を有し、その焦点が中心にあるということである。この特徴は光学器械のレンズにおいてとても有用になることができる。もし、理論上の円錐のスライス平面が長軸と垂直な面から傾けられたならば、数学的な説明が円よりあまり複雑でないが、常にもっと興味をそそる特性をもった、他の古典的な円錐形状を生じさせる。光学設計の歴史の観点から、最も重要なものの２つは、楕円とパラボラである。楕円は閉じた長円形であり、円形コインを観察者の視線に対して徐々に傾けたときに、円形コインの縁が作る形状を見ることによって想像することができる。楕円は、両方が楕円の長軸と交差する線に沿って位置した２つの焦点をもつ特性を有する（円は、実際には、楕円の特別な場合であり、この場合には、２つの焦点は互いに重ね合わされており、空間で同じ点を占める）。楕円は、楕円の一方の側の焦点から正確に発する光線を、それらの源の方向にかかわりなく、相補的な焦点位置に正確に収束させるような光学特性である。楕円と違って、パラボラは開放図形形状である。パラボラは、円錐をその長軸と平行な線に沿ってずっとそのベースまでスライスすることによって生じる。出来た形状は小さい端に頂点を有し、反対側に開放口を有する。パラボラは単一の焦点だけを有している。パラボラの光学特性は、まさにその焦点を出て、パラボラ反射器の表面にぶつかる光線が、たとえどこでその光線がパラボラ反射器にあたったとしても、開放口を出ていき、パラボラの長軸とちょうど平行に進むことである。フラッシュライト反射器は、しばしば、パラボラ形である。光を平行にすることによって（すなわち、すべての光線が平行な経路を進むことによって）、非指向式バルブがするように、大きい領域をうす暗く照明する代わりに、フラッシュライトのビームを、それを必要とするところへ差し向けることができ、ほとんどの光を興味のある領域に供給することができる。集光器のように、パラボラはそれに差し向けられた平行な光を受け取り、その光を焦点に集中させる能力を有する。これにより、パラボラ形状を太陽エネルギー集光器について有用にする。しかしながら、本発明の発明者は、標準的な楕円且つパラボラ反射器を用いることに伴う問題は、従来技術の欄で考察したように、理想的な仮定つまり光源が純粋数学的な意味で空間における「点」を占めるということに基づいて上述した分析を行うが、光源には大きさがないということを発見した。楕円又はパラボラ反射器を照明するのに使用される光源がゼロの寸法空間を占めるとすれば、簡単に述べれば、それらの形状の極めて「理想的な」特性が現実化されるであろう。しかしながら、このような光源は、物理の世界では不可能である。すなわち、ゼロ寸法の光源は、定義上、無限に明るい。物理の世界では、光源は、それが白熱灯のタングステンフィラメント、アーク灯のアーク或いは蛍光灯の発光面であれ、まさに実在の三次元物体である。理論的に理想的な「点光源」と比較して、全ての光の放射源は、大きいだけでなく、複雑で、時には奇妙な形状を有する。このことは、「実在の」光源を使用した「理想的な」円錐形つまりパラボラ反射器は、その理論的に予測される性能を満足しないばかりか、時には、期待する挙動から大きく逸脱することを意味する。従来、理論的な挙動と現実の挙動との間のこの不一致は、まさに現実の厄介な事実である。この理解を助ける良い分析ツールが存在しておらず、また、これを克服するのを助ける設計ツールが存在していない。この発明の新規な従来からない提案は、非円錐断面を用いる。設計者は、その現実世界での性能を運命的に妥協する伝統的な簡単に記述できる形状を使用する技術から解放され、数学的に説明するのが難しいが、現代のパーソナルコンピュータの相当なパワーによって分析可能な非伝統的な形状を使用する自由が与えられる。かくして、図２、図２ａに示す反射器１４を作る本発明の方法は、先ず、この特定の装置で使用されるべき実在のランプ１２の複雑な放射パターンのマッピングから始まる。特注の用途では、個々の器具で実際に使用されるランプ１２は、現実的には、個々にマップ化される。しかしながら、更に典型的には、型式番号によって特定される特定業者のランプはマップ化され、ランプの特定型式又はタイプの個々のランプ間の違いは、典型的には極めて小さいので、実際の製造及びリーズナブルなコストのために無視される。この意味で、マッピングは、ランプ１２からの一定の半径距離で空間的強度分布測定値の集合を生成するようになっている。これは、逐次、ランプの空間的な放射パターンの詳細なデータファイルを得るまで、球面座標において光源回りの校正した画像検出器のアレイを移動することによって行われる。この詳細なファイルは、現実的には、光源の相対的な「理想(idealness)」を気にしておらず、むしろ、このファイルは、定義上、反射器の面が実際上「見る」ものである、光源から放射される放射パターンの描写を含んでいる。マッピングプロセスが完了すると、任意に規定された反射器表面の面に対するランプの複雑な３つの空間(three space)の放射パターン、伝統的な円錐断面であるか否か、丸（回転の面）であるか否か、滑らかなカーブ或いは分離した小面のアレイからなるか否かを含むファイルをプレイするのにコンピュータソフトが用いられる。現実の反射器表面に対するランプの現実の放射パターンをプレイした結果は、結果としての放射生成物が空間的に任意のポイントで正確にどのようなものかを正確に予測をもたらす。この予測は、任意のポイントでの光の強度、フィールドでの任意のポイント間の強度の変化率、所与のポイントを通過する光の入射角、他の関連した測定値を含んでいてもよい。この分析力は、空間的な強度および角度的な分布において特定の用途の照明要求を最高に満足させるために、ランプと反射器との組合せを調節する能力を与える。図２、図２ａを特に参照して、参照符号１４は、上述した方法を用いて生成される例示としての非円錐照明反射器を示す。これに対して、参照符号１４ａは、従来技術で用いられる円形断面（図２ａ）を備えた伝統的な円錐照明反射器を示す。伝統的な円錐断面の回転の面からの反射器１４の形状の偏向は図示の目的で誇張されている。本発明の原理に従って設計され且つ作られた非円錐照明反射器１４の他の利点は、ファイバの端を燃やすことなく、ファイバの端面で高い強度の光を用いる能力にある。光ビームは、通常、このビームを横断する均一な強度分布を備えていない。光システムでの欠陥は、ピークと不均一性を作る。理想的なシステムですら、強度分布はガウス分布の傾向がある。ガウスビームは次ぎによって記述されるピークのある強度分布を有する。Ｉ＝ｅｘｐ（−ｘ²）ここに、Ｉはビームの強度で、ｘはビームの中心からの距離である。レーザは本来、ガウスビームである。他の光ビームも、光学系において、回折されるにつれて、ガウスビームに近づく。光が、光ファイバーに入射する時に、強度ピークが存在することは、ファイバーが燃えているということを意味する。これは、今度は、安全に光ファイバーに入射され得る最大パワーを制限することになる。たとえば、光ビームがファイバー束の端部に向けられたとき、光の強度は中央近傍で最大となるため、中央のファイバーは燃えやすくなる。本発明の方法によって生成された非円錐形照明反射器の形状は、ランプの形状を補うだけでなく、ファイバーの端面において、より均一な強度分布を生成する。光源の放射パターンをマッピングし、それに基づいて、反射器を照明装置のために設計するデータベースを創り出すこの手法は、ファイバー光学の分野での応用に限定されるものではない。それは、たとえば、投影装置などの他の照明分野にも有用である。さらに、マッピング処理によって創り出されたデータベースは、所望ならば、反射器だけでなく、特注のレンズを作る場合にも用いることができる。本発明の別の重要な特徴は、出力セグメントレンズ２０に近づく視準ビームがレンズに対して偏心しているならば、その時いくつかの出力ファイバーの相対強度は制御可能な方法で変化させることができることである。この発明の特徴は、各ファイバーへの光の量を制御可能に変化させるような必要があるとき多くの事例として、多くの利点を提供するであろう。例えば、各ファイバーに異なる量の光を制御可能に割り当てるような能力は、同じカプラーマニホールドから来て異なる長さのファイバーを通って失われる光を補償する手段を提供するだろう。かくして、１つの中央照明源から通路に沿って間隔をへだてたランプを照らすのが望まれるならば、その時は異なる長さのファイバーが各々の通路のランプに照明を連結するように用いられるべきである。損失が変化するので、損失がある方法で補償できないならば、通路ランプは各々異なった強度になる。制御可能な方法で視準されたビームを偏心させる能力は、これらの損失の変化のための補償の１つの手段を提供し、各ランプからの一定の光の強度を保証する。図４と図９は図２に示された発明の変形実施形態を示し、類似の構成要素が文字「ａ」によって続けられた同様の参照番号によって明示されている。セグメントレンズ２０ａは中央レンズ２６と同様に外側セグメント２４ａの配列を有する。中央レンズ２６と同様の各レンズセグメント２４ａは、図２に示されかつ説明された同様の方法で、出力光ファイバー２２ａに対応する。中央レンズの採用は、外側セグメントレンズがその結果として小さな直径を有し、小さな出力ファイバー２２ａに連結する能力が上がるという利益が時々ある。レンズ２０ａと図２のレンズ２０との他の相違は、レンズ２０と比べてレンズ２０ａは対称というよりむしろ非対称の外側レンズセグメント２４ａを有することである。この非対称の分配は各出力ファイバー２２ａに伝えられる光の強度を制御可能に変化させる追加の有利な手段を提供する。各レンズセグメント２４ａは異なる角度を定め、それゆえに入射光線の異なる面積を定め、従って対応する出力ファイバーにセグメントの広さに比例した多量の光を伝える。かくして、図９に示された非対称レンズセグメント分配により、他の出力ファイバーに求められた寸法と関連して各出力ファイバーに要求されることになるレンズセグメント寸法を代わりに決めることにより、視準されたビームの偏心なしに各出力ファイバーに光強度への制御ができ、従って各レンズセグメントの寸法が決まる。なおも、図４のレンズ２０ａと図２のレンズ２０との間の他の相違は、レンズ２０ａがレンズ／光ファイバー接合部材２８（図４）で出力ファイバー２２ａに直接当接するように取り付けられていることである。これは重要な利点であり、セグメントレンズ２０ａから出力ファイバー２２ａへのフレネル反射に起因する光の損失を最小限にする。セグメントレンズ２０ａは、各セグメントが短かく、内部焦点距離を有することが要求され、そのため各出力ファイバーに伝わるべき光はレンズの出口面でファイバーコアの直径よりも大きくないビーム幅に焦点が合わせられることが可能になる。或る用途では、レンズ及び出力ファイバーが異なる材料からなる場合には、これらの異なる屈折率のために、直接当接する関係でもいくらかのフレネル反射が生じ、いくらかの光損失がこの装置では依然として固有である。所望ならば、反射防止被膜又はコーティングをレンズ２０ａにつけて光ファイバーの材料と調和させることによって光損失を更に最小にすることができる。上記コーティングは、多層誘電コーティングのような任意の所望の周知の反射防止コーティングからなる。もちろん、図４の実施形態と関連して論じた有利な特徴の各々を他の特徴と独立して或いは所望通りに、他の特徴の１つだけと組み合わせて採用することができることは当業者によって理解されるべきである。図５と６は、本発明の更に他の変形実施形態を図示し、この態様では、同様な構成要素が同じ参照番号の前に番号１を付けて指定されている。本発明の光ファイバーマニホルド１１０は大きな単一ファイバー１１２からなる源からの光を視準レンズ１１６とセグメントレンズ１２０とを通して多数の小さな出力ファイバー１２２に連結するスプリッターからなる。この実施形態では、視準レンズ１１６は球面収差及びコマがゼロの無球面収差球面を有するハイパー半球レンズからなり、源ファイバー１１２に直接取り付けられる。もちろん、図２に示す視準レンズのような別の型式の視準レンズも使用することができる。この実施形態では、図２及び４の他のレンズの実施形態におけるように、セグメントレンズ１２０の各区分１２４は、好ましくは、歪みを最小にする目的で、球形又は無球面収差レンズ面１３０を有することも注目すべきである。図７は図５に示す態様と同様なスプリッターの実施形態を示し、この態様では同様な構成要素が同じ参照番号の前に番号２を付けて指定されている。２つの実施形態の間の主な相違は、セグメントレンズではなく区分反射器２２０が、大きな直径の源ファイバーからの光を複数の小さな直径の出力即ち枝ファイバー２２２に結合するのに採用されていることである。この実施形態では、各区分２２４は（好ましくは楕円である）反射器の面を部分的に「切り」、そして各部分の焦点が軸線からずれるように各部分を源ファイバー２１２の軸線を中心に回転させることによって作られる。対応する出力ファイバー２２２が、その焦点に位置して部分によって集められた光を受け、光は、対応する光ファイバー２２２のコアだけが照明されるように単一のスポットに焦点合わせされる。。マニホルドは好ましくは、透明なプラスチックで作製されたハウジング２２５に収容される。他の材料も使用することができる。２つの区分２２４と枝ファイバー２２２が図示されているけれども、両者が好ましくは対応していれば、両者のどんな数でも採用することができる。また、セグメントレンズの場合におけるように、用途と各出力ファイバーへの照明強度の所望な制御性に応じて、区分２２４は対称でもよいし、或いは非対称でも良い。図示された向きと異なる向きに、例えば、源ファイバーの向きとほぼ平行な向きに、１つ又はそれ以上の出力ファイバーを位置させることが望まれるならば、１つ又はそれ以上のフォールドミラーが反射した光を再び配向するのに採用される。図８と１０は別の変形実施形態を示し、この実施形態では、前の実施形態の構成要素と類似の構成要素は同じ参照番号の前に番号３を付けて指定されている。この実施形態では、区分反射器の配置は源からの光を複数の出力ファイバーに結合するのに利用される。例えば、アーク灯からなる照明源３１２は、背中合わせに向けられた２つの反射器３２０ａと３２０ｂの共通の中心に位置決めされる。出力ファイバー３２２は、各々が出力ファイバーの１つと対応する複数の区分３２４からなる、反射器３２０ａと３２０ｂから光を受けるように照明源３１２に関して取り囲み関係に配置される。各反射器３２０ａと３２０ｂの楕円中心即ち頂点領域は図示のように除かれ、２つの反射器は２つの交差点３２６と３２８で結合される。再び、好ましい実施形態では、リフレクターセグメント３２４は、非楕円形であり、光源３１２の放射パターンをマッピングし、次いで、上述したかかる装置の効率を最大にする特定のリフレクター形態を作る本発明の方法を使用して作られるけれども、勿論、所望であれば、リフレクターセグメント３２４を標準的な楕円リフレクターを用いて作っても良い。アーク灯３１２のまわりに背中合わせの反射器を用いることによって、比較的低倍率で高い集光角度を達成することができる。何故ならば、（最高倍率を作りだす）反射器の頂点が除去されるからである。倍率を下げることによって、より小さなスポットの寸法をスポットに差し向けられる光の角度を増すことなく達成することができる。これは比較的小さなファイバーのコアへエネルギーを収斂させる上で理想的である。再び、この設計では、所望ならば、反射光を再び差し向けるのに任意の数のフォールドミラーを採用することができる。加えて、８つの出力ファイバー３２４が示されているけれども、いかなる数の区分とファイバーでも本発明の範囲内で採用することができる。開示した実施形態の全てにおけるように、出力ファイバーは間隔を隔てられ、これは、出力ファイバーを束ねる必要がある従来の装置に較べて、多数の用途に対する装置の適用能力を向上させる。更に、他の変形実施形態が図１１と図１２に示され、この実施形態では、前の実施形態の構成要素と同様の構成要素が、同じ参照番号の前に番号４を付けて指定されている。この実施形態では、光ファイバーマニホルド４１０は図５に示したスプリッターと同様なスプリッターを有し、係るスプリッターは大きな単一のファイバー４１２からなる源からの光を視準レンズ４１６とセグメントレンズ４２０とを通して多数の小さな出力ファイバー４２２に連結する。この実施形態と図５の実施形態との間の主な相違は、図１０の実施形態では、セグメントレンズ４２０がレンズ区分４２４の出力端にテーパ光パイプ（光ファイバー）延長部４２３を含むことである。出力レンズ系のテーパ光パイプ部分は光ビーム圧縮の重要な一部を作りだす。従って、湾曲のきびしくない非球面レンズ面４３０がレンズ４２０の前端に用いられるのが良い。このことはレンズ面収差を減少させ、より高い光圧縮即ち「利得」を達成させる。本発明の構成は又、レンズのプラスチックの体積を減少させることの脱線的な利点を有し、かつ成形を容易にする。第６の変形実施形態が図１３と１４に図示され、この実施形態では、前の実施形態の構成要素と同様の構成要素が同じ参照番号の前に番号５を付けて指定されている。図８に示す実施形態と同様である、この実施形態では、区分反射器が源からの光を一対の同軸出力ファイバーに連結するのに利用される。もっと厳密に言えば、照明源５１２が背中合わせに向けられた２つの反射器５２０ａと５２０ｂの共通の中心に位置決めされる。出力ファイバー５２２が光ファイバーマニホルド５１０の光軸５２３に沿って照明源５１２と同軸に位置決めされる。図１３の実施形態と図８の実施形態との間の主な相違は、反射器面が扇形ではなく、図１４に図示したように、光軸５２３を中心に円対称であるということである。反射器は自動車のヘッドライトのような用途のための又は長い通路の両端を照らすための２つのファイバー５２２を等しく照らすようになっている。図示した実施形態では、反射光は出力ファイバー５２２の中を進み、次いでビーム焦合レンズ５２５によって照明したい要素上に、焦点合わせされる。２つの反射器面は図８の実施形態に関して論じたのと同じ効率の利点、すなわち、２つの反射器の高倍率頂点領域を除去と付随的に向上したファイバーへの光の集中とを有する。本発明のさらにもう１つの特徴が、図５および図１１の実施形態に最もよく示されている。図５では、例えば、レンスセグメントが各々、（光ファイバーマニホールドの主軸線と一致するファイバー１１２の軸線と平行でないように配向された長手方向軸線を有し、各レンズセグメントの主軸線を、光源（図５で光ベクトルを示すために描かれた光線に留意されたい）から受け取られた主局部伝播ベクトルと整合させるようになっていることがわかる。図１１でも、レンズセグメント４２４の同様な配向がわかり、ここでは、各レンズセグメントの長手方向軸線４４０は、ファイバー４１２の長手方向軸線４４２と平行ではない。レンズセグメントの主軸線が照明源の主軸線と必ずしも平行でなく、むしろ、光源から受け取られる光の主局部伝播ベクトルと整合しているこの配列は、光収差を最小にし、光をファイバー内により効率的に“発射”することができるようにするための重要な技術であり、発明者が知っているいかなる従来技術にも開示されていない。本発明の例示の実施形態を示し且つ説明したけれども、多くの変更、変形及び代替を、本発明の精神及び範囲から必ずしも逸脱することなく当業者によってなすことができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ (72)発明者リコウスキーロナルドエフアメリカ合衆国ワシントン州 98072 ウッディンヴィルノースイーストトゥーハンドレッドアンドエイティーンスアベニュー 19832 (72)発明者ウィルソンスティーヴンエスアメリカ合衆国カリフォルニア州 92675 サンジュアンカピストラーノシルヴァークリーク 273711

Claims

【特許請求の範囲】 1. 照明源からの光を複数の出力光ファイバーに結合するための光ファイバーマニホルドであって、前記出力光ファイバーが、各々、前記光を受ける近位端を有し、前記マニホルドが、前記照明源からの照明を受け且つ該照明を前記出力光ファイバーの各々の近位端に再指向させる照明反射器を含み、該照明反射器が、非円形の横断面を有し且つ非楕円且つ非パラボラである、光ファイバーマニホールド。 2. 前記光を、前記光ファイバーの各々のコアに別々に収斂させるレンズをさらに備えている、請求の範囲第１項に記載の光ファイバーマニホールド。 3. 前記レンズが、各々別個の焦点を有する、複数のセグメントを有し、前記セグメントレンズが、前記照明源からの光を収斂させるようになっており、前記光ファイバーの各々の近位端が、該近位端からの光を受けるための対応するセグメントの焦点に位置決めされた、請求の範囲第２項に記載の光ファイバーマニホールド。 4. 前記照明源がランプからなる、請求の範囲第１項に記載の光ファイバーマニホールド。 5. 前記照明源が、前記照明の発生源からの光を伝えるようになった入力光ファイバーを備え、前記光ファイバーマニホールドが、前記入力光ファイバーを前記複数の出力光ファイバーに結合するためのスプリッターを備えている、請求の範囲第１項に記載の光ファイバーマニホールド。 6. 前記照明反射器が、各々別個の焦点を有する、複数のセグメントを備え、前記セグメントレンズが、前記照明源からの光を収斂させるようになっており、前記光ファイバーの各々の近位端が、該近位端からの光を受けるための対応するセグメントの焦点に位置決めされた、請求の範囲第１項に記載の光ファイバーマニホールド。 7. 前記照明反射器が、背中合わせに向けられた一対の反射器からなり、各反射器の頂点領域を含む反射器の一部分が除去され、前記照明源が、前記一対の反射器に対して実質的に中央に位置決めされ、これによって、各反射器が、前記照明源からの光を対応する出力光ファイバーのコアに別々に焦点合わせさせるように各々なっている複数の反射器セグメントを備えている、請求の範囲第１項に記載の光ファイバーマニホールド。 8. 前記照明反射器が、背中合わせに向けられた一対の反射器からなり、各反射器の頂点領域を含む反射器の一部分が除去され、前記照明源が、前記一対の反射器に対して実質的に中央に位置決めされ、一対の出力ファイバーが、前記光ファイバーマニホールドの両側に、且つ、他の出力ファイバーおよび前記照明源と同軸に、前記マニホールドの光軸に沿って位置決めされ、前記反射器の各々が、前記照明源からの光を前記出力光ファイバーの対応する一つの出力光ファイバーのコアに焦点合わせさせるようになっている、請求の範囲第１項に記載の光ファイバーマニホールド。 9. 前記レンズセグメントが、等しくなく寸法決めされ、前記各レンズセグメントが、前記光ファイバー内の変化する損失要素を補償するように寸法決めされ、前記出力光ファイバーから出てくる光が、実質的に均一な強度を有するようになっている、請求の範囲第３項に記載の光ファイバーマニホールド。 10．前記反射器セグメントが、等しくなく寸法決めされ、前記各反射器セグメントが、前記光ファイバー内の変化する損失要素を補償するように寸法決めされ、前記出力光ファイバーから出てくる光が、実質的に均一な強度を有するようになっている、請求の範囲第６項に記載の光ファイバーマニホールド。 11．前記レンズに接近する光が、光を各ファイバーに制御可能に変えるように偏心させられる、請求の範囲第３項に記載の光ファイバーマニホールド。 12．前記反射器に接近する光が、光を各ファイバーに制御可能に変えるように偏心させられる、請求の範囲第６項に記載の光ファイバーマニホールド。 13．前記レンズセグメントは、該レンズセグメントが対応する出力光ファイバーの近位端と当接構造関係になっており、これによって、各レンズセグメントの焦点は、出口面と実質的に一致する、請求の範囲第３項に記載の光ファイバーマニホールド。 14．前記レンズセグメントは、前記レンズセグメントと前記出力光ファイバーとの間の光損失を最小にする反射防止コーティングを含んでいる、請求の範囲第１３項に記載の光ファイバーマニホールド。 15．前記セグメントレンズを構成する複数のセグメントが、前記レンズの半径方向の中心の回りに円周状に配置された、請求の範囲第３項に記載の光ファイバーマニホールド。 16．前記セグメントレンズが、半径方向に中央レンズを含み、残りのレンズセグメントが、前記中央レンズの回りに円周状に配置されている、請求の範囲第３項に記載の光ファイバーマニホールド。 17．複数のテーパ光パイプ延長部を更に有し、該テーパ光パイプ延長部の各々が、前記レンズセグメント出力端の１つに取付けられるようになっている、請求の範囲第３項に記載の光ファイバーマニホールド。 18．照明源を有する照明システムの光学的構成部品を製造する方法であって、前記照明源の放射パターンをマッピングし、前記照明源により放射される放射パターンのデータベースを作成し、そして、理想的な照明の配分および強度を前記照明システム内で提供する前記光学的構成部品の形状を生成するように前記データベースを使用する、製造方法。 19．前記マッピング工程が、前記照明源から一定放射方向距離離れた空間的強度分配測定値の集合を生成することからなる、請求の範囲第１８項に記載の製造方法。 20．前記空間的強度分布測定値が、前記照明源の特定の放射パターンの詳細なファイルが、一点毎に、得られるまで、較正された画像検出アレイを、前記照明源の回りで球面座標内で動かすことにより生成される、請求の範囲第１９項に記載の製造方法。 21．前記照明システムが、照明源からの光を複数の出力光ファイバーに結合するための光ファイバーマニホルドを備え、前記光学的構成部品が照明反射器を備え、前記データベースを使用する工程が、前記出力光ファイバーの各々の近位端で照明の理想的な配分および強度を提供する照明反射器形状を生成するように、データベースを使用することからなる、請求の範囲第１８項に記載の製造方法。 22．照明源からの光を複数の出力光ファイバーに結合するための光ファイバーマニホルドであって、前記出力光ファイバーが、前記光を受ける近位端を、各々、有し、前記マニホルドが、各々別個の焦点を有する、複数のセグメントを有し、セグメントの各々が、前記照明源から受けた光の主局部的伝播ベクトルと一致する長手方向軸線を有し、かつ、前記照明源からの光を、それぞれの焦点に収斂させるようになっており、前記光ファイバーの各々の近位端が、該近位端から光を受けるための対応するレンズセグメントの焦点に位置決めされている、光ファイバーマニホールド。 23．前記マニホールドが、長手方向主軸線を有し、少なくとも１つの前記レンズセグメントの軸線が、前記マニホールドの長手方向主軸線と平行ではない、請求の範囲第２１項に記載の光ファイバーマニホールド。