JP2003344661A

JP2003344661A - 光源装置及びそれを用いた照明装置

Info

Publication number: JP2003344661A
Application number: JP2002152580A
Authority: JP
Inventors: Yojiro Watabe; 陽次郎渡部; Yoshihiro Shimoniihara; 義弘下新原
Original assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 2002-05-27
Filing date: 2002-05-27
Publication date: 2003-12-03

Abstract

(57)【要約】【課題】均一性が高い光を光ファイバ束に効率良く入
射させることが可能な光源装置及びこれを用いた照明装
置を提供する。【解決手段】光源と、一端が光源に対向して配置され
た多角柱形状を有する多角柱ロッドと、一端が多角柱ロ
ッドに対向して配置された円柱形状を有する円柱ロッド
とを備えた光源装置であって、多角柱ロッド及び円柱ロ
ッドはその中心軸方向に透光性を有し、これらロッドの
中心軸が同一直線上に配置されている光源装置。この光
源装置と複数の光ファイバが束ねられてなる光ファイバ
束からなる照明装置

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光源装置及びこれ
に光ファイバ束を接続してなる照明装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】シート状物の欠陥検査装置に使われるラ
イン状照明や、一端が分岐された光ファイバケーブルの
束を用いた美術品照明などにおいては、一つの光源装置
に複数本の光ファイバまたは光ファイバケーブルを接続
して使用する。

【０００３】これらに使われる光源装置は、一般にハロ
ゲンランプやメタルハライドランプ等の光源からの出射
光をレンズや反射鏡を使って集光して出射するものであ
るが、光源装置から出射される光には、ランプのフィラ
メント形状や反射鏡の形状等に起因する光量斑がある。
従って光源装置からの出射光をそのまま光ファイバに入
射すると、各光ファイバや光ファイバケーブルからの出
射光にも光量斑が生じるという問題があった。

【０００４】そこで、光源装置からの出射光の光量斑を
減少させるため、例えば光ファイバ束の入射端と光源と
の間に拡散板を配置した光源装置が提案されているが、
光ファイバへの入射光量が極端に減少するという問題が
あった。また、特開昭６０−２０２４１１号公報におい
ては、光ファイバ束の入射端と光源との間に積分球を配
置した光源装置が提案されているが、やはり入射効率が
劣るとともに、コストが高くなるという問題があった。

【０００５】そのため、特開平１−２７７２０６号公報
においては、光ファイバ束の入射端と光源との間に、入
射端と出射端での光ファイバの配列をランダムに変換し
たランダムミキシング光ファイバ束と円柱状の透明ロッ
ドを配置する技術が開示されているが、ランダムミキシ
ング光ファイバ束の製造が困難であり、高コストである
という問題点があった。

【０００６】また、特開平４−３２６３０６号公報にお
いては、光ファイバ束の入射端と光源との間に正六角柱
または正五角柱形状を有する透明ロッドを配置した光源
装置が提案されている。

【０００７】

【発明が解決しょうとする課題】しかしながら，通常、
光ファイバ束の入射端の端面形状は円形であるため、こ
の入射端に均一な光を入射させるためには透明ロッドの
端面を光ファイバ束の端面より大きくする必要がある。
そのため光ファイバ束の端面からはみ出た透明ロッド端
面から出射される光は光ファイバ束に入射されないた
め、光量損失が生じ、光ファイバ束への光の入射効率が
不十分となるという問題がある。

【０００８】そこで、本発明の目的は、均一性が高い光
を光ファイバ束に効率良く入射させることが可能な光源
装置、及びこれに光ファイバ束が接続されてなり光ファ
イバ間の光量斑が小さく大きな光量で照明が可能な照明
装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、光源
と、一端が光源に対向して配置された多角柱形状を有す
る多角柱ロッドと、一端が多角柱ロッドに対向して配置
された円柱形状を有する円柱ロッドとを備えた光源装置
であって、多角柱ロッド及び円柱ロッドはその中心軸方
向に透光性を有しその外周部において光を反射可能であ
り、これらロッドの中心軸が同一直線上に配置されてい
る光源装置にある。

【００１０】また、本発明の要旨は、前記光源装置を構
成する円柱ロッドの多角柱ロッドと反対側の端部に対向
して複数の光ファイバが束ねられてなる光ファイバ束の
集束端部が配置されている照明装置にある。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下本発明を図面に基づいて説明
する。

【００１２】図１は本発明の照明装置の一実施形態を示
した斜視図、図２は図１に示した照明装置の主要部の側
面図である。本実施形態の光源装置１は、光源１１，反
射鏡１２，透明ロッド２から構成されている。光源１１
及び反射鏡１２の光軸及び透明ロッドの中心軸は同一直
線上に配置されている。光源１１から出射された光は後
方（図２左方）に配置された反射鏡１２により集光され
て多角柱ロッド２１及び円柱ロッド２２が一体化されて
形成された透明ロッド２の一方の端面に入射される。入
射された光は透明ロッド２内をその側面で反射しながら
通過することにより光量分布が均一化された後に出射さ
れる。光源装置１から出射された光は、複数の光ファイ
バケーブル３２が入射口金３１により集束されてなる光
ファイバ束３に入射し、各光ファイバケーブル３２の他
端部である分岐端３３から出射する。

【００１３】次に、多角柱ロッド２１によってミキシン
グが行われる原理を図３、図４を参照して説明する。

【００１４】光源１１から出射され反射鏡１２によって
集束された光は、光軸上を通るメリディオナルレイに近
い光線から構成される。そこで光源１１の光軸と多角柱
ロッド２１の中心軸とを一致させた場合、多角柱ロッド
端面方向から見た多角柱ロッド２１の一辺に入射するメ
ディオナルレイの光路（格子部）とその反射光の光路
（格子部及び斜線部）を図３に示す。なお、メリディオ
ナルレイは多角柱ロッド２１の中心軸を通るため、図３
においては中心軸上からの光路を示している。また、比
較のため円柱ロッドについても図示している。

【００１５】図３（Ａ）〜（Ｆ）は、それぞれ断面の形
状が（Ａ）円、（Ｂ）正二十角形、（Ｃ）正八角形、
（Ｄ）正六角形、（Ｅ）正方形、（Ｆ）正三角形の場合
である。

【００１６】図３（Ａ）に示すように、断面形状が円の
場合、中心から発する光はロッド外周で反射した後、反
射前の光の進行方向と同一直線上を反対方向に進行して
再び中心に戻るため、反射光もメリディオナルレイであ
る。従って、中心軸を通る光が最も多くなるため、理論
上は中心部の光量が高く、周辺部に近づくにつれて光量
は低くなる。実際には入射光は完全なメリディオナルレ
イではなく、ロッド内を通過する際に光が散乱したりす
るため、出射光の光量分布は理論上のものとは異なり、
ロッドの長さを十分に長くすると光量分布はある程度変
化して均一化されるものの、やはり出射光の光量分布は
十分に均一化されず中心部が強く周辺部が弱くなる傾向
が残る。

【００１７】また、図３（Ｂ）及び（Ｃ）に示すよう
に、断面形状が八角以上の正多角形の場合、中心から発
する光は比較的中心付近に戻る。しかしながら反射光は
メリディオナルレイではないため、最初の辺で反射した
後に他の辺で反射する度に角度を変え、多様な方向に進
行する光になってゆく。従って十分長いロッドを使って
反射回数を増やせば出射光の光量分布は均一に近づく。
正二十角形（Ｂ）と正八角形（Ｃ）の場合を比較する
と、正八角形の場合は反射による光の拡散の度合いが大
きく、比較的短い距離で均一化が進むことがわかるが、
一回の反射では反射光がロッド断面の全体に広がらない
ため光量分布を均一化させるためにはある程度長いロッ
ドが必要である。

【００１８】さらに、図３（Ｄ）、（Ｅ）及び（Ｆ）に
示すように、断面形状が正六角形以下の正多角形の場合
には、中心から発する光は一回の反射で光が断面全体に
広がるため、ロッドがかなり短い場合であっても光量分
布を均一化させることができる。また、図３（Ｃ）と図
３（Ｄ）との比較から、正七角柱であれば中心から発す
る光が一回の反射でほぼ断面全体に広がることが推測さ
れる。

【００１９】また、光源１１の光軸と多角柱ロッド２１
の中心軸とがずれている場合、多角柱ロッド端面方向か
ら見た多角柱ロッド２１の一辺に入射する光の光路（格
子部）とその反射光の光路（格子部及び斜線部）を図４
に示す。なお、入射光は光源１１の光軸を通るため、図
４においては光軸上からの光路を示している。図４
（Ａ）〜（Ｄ）に示す多角柱ロッド２１はそれぞれ断面
の形状が（Ａ）正六角形、（Ｂ）正方形、（Ｃ）正三角
形、（Ｄ）鈍角三角形である。

【００２０】図４（Ａ）に示すように、断面形状が正六
角形の場合、光源１１の光軸が多角柱ロッド２１の光源
１１の光軸から最も遠い側面に入射した光の反射光は断
面全体にほぼ広がっているが、完全には広がっていな
い。従って、メリディオナルレイを入射させた場合と比
べて光量分布を均一化させるためには多少長い距離を必
要とする。

【００２１】また、図４（Ｂ）及び（Ｃ）に示すよう
に、断面形状が正方形及び正三角形の場合は、光源１１
の光軸から最も遠い側面に入射した光の反射光も一回の
反射で断面全体に広がるため、メリディオナルレイを入
射させた場合と同様短い距離で光量分布を均一化させる
ことができる。しかし、図４（Ｄ）に示すように、断面
形状が鈍角三角形の場合は、光源１１の光軸の位置によ
っては特定の側面（鈍角をはさむ面）の反射光が断面全
体に完全に広がらないため、光量分布を均一化させるた
めには多少の距離を要する。

【００２２】このように、円柱ロッドにメリディオナル
レイを入射させた場合は、出射光の光量分布は中心部が
強く周辺部が弱くなり、光量分布を十分に均一化させる
ことはできない（なお、光源の光軸と円柱状ロッドの中
心軸がずれている場合はリング状の強度分布となる）
が、多角柱ロッド２１を用いることによりロッドの長さ
が短くても光量分布を効果的に均一化させることができ
る。なお、円柱ロッドにおいては、入射光の光量分布が
均一で、円柱ロッドの長さが短い場合は、光量分布の変
化が起こりにくいため、そのままの均一な光量分布を有
する出射光を得ることができる。多角柱ロッド２１とし
ては、正七角柱以下の多角柱を用いることが好ましく、
ロッドへの入射光の光軸がロッド中心軸からずれた場合
も光量分布を効果的に均一化させるためには正四角柱以
下が好ましい。しかしながら、一方で多角柱ロッド２１
を正四角柱以下とすると、円柱ロッド２２との接続の際
の損失が大きくなったり製造が困難となるおそれがある
ため、多角柱ロッド２１としては、断面形状が正五角
形、正六角形、正七角形のいずれかを用いることが好ま
しい。

【００２３】また、本発明においては、多角柱ロッド２
１から出射した光は円柱ロッド２２を介して光ファイバ
束３に光を入射させているため、透明ロッド２と光ファ
イバ束３の接続部における光量損失や光量分布の発生を
防止することができる。表１に示したように多角形とこ
れを内接する円の面積比率は、正方形で、７８．５％、
正六角形でも９０．６％しかなく、透明ロッド２の光フ
ァイバ束３と接合する端面の形状を円形とすることによ
り、円形の端面を有する光ファイバ束に接合させる場合
（接続される光ファイバ束３の端面形状は円形とするこ
とが最も製造が容易であるため、好ましい）に、ロッド
端面における光ファイバ束端面に接合する部分の面積の
割合を大きくすることができ、透明ロッド２と光ファイ
バ束３の接合部における光量損失を低減できる。なお、
多角柱ロッド２１から光量分布が均一化され出射した光
は円柱ロッド２２によりそのまま均一な光量分布の光と
して出射されるため、光量分布の均一性は損なわれな
い。

【００２４】

【表１】また、多角柱ロッド２１の光量分布均一化効果は多角柱
ロッド２１が長いほど大きいため、多角柱ロッド２１の
断面に内接する円の直径をＤとし、多角柱ロッド２１の
長さをＬとしたとき、Ｌ／Ｄを２以上とすることが好ま
しいが、一方でロッド長が長すぎると光量が下がるとい
った問題が生じるため、Ｌ／Ｄは１０以下とすることが
好ましい。

【００２５】また、多角柱ロッド２１と円柱ロッド２２
は別体としてもよいが、接続部のフレネル反射による光
量損失や、多角柱ロッド２１を保持する保持部の形態の
複雑化等を防ぐため、これらは一体化させることが好ま
しい。多角柱ロッド２１と円柱ロッド２２の一体化は、
図６（ａ）及び（ｂ）に示したようにテーパー部を介し
て一体化させることが好ましく、テーパー部を設けるこ
とにより、図５（ａ）に示すように多角柱ロッド２１の
外周から洩れる光を図５（ｂ）に示すように円柱ロッド
２２内に導入することができ、接続損失を小さくするこ
とができる。また、多角柱ロッド２１及び円柱ロッド２
２の中心軸とテーパー部外周面とがなす角度を４５度以
下とすることにより、接続損失をより小さくすることが
できる。

【００２６】また、円柱ロッド２２の多角柱ロッド２１
と反対側の端部には鍔２３を設けることが好ましい。鍔
２３を取り付けることにより、例えば、図７（ｂ）に示
すように、まず光源装置１の光ファイバ束挿入用口金１
４に鍔２３が後方になるようにして透明ロッド２を挿入
し、その後に光ファイバ束３の集束端を集束する口金３
１を挿入して口金３１を用いて鍔を押さえつけ、この状
態で光ファイバ束の集束端部を固定ネジ１６を用いて固
定するように構成することにより、図７（ａ）に示すよ
うに透明ロッド２０の側面を固定ネジ１５で固定するよ
うな構成とする必要がなくなるため、透明ロッド２０に
傷を付ける可能性をなくすことができる。

【００２７】上記実施形態においては円柱ロッド２２や
多角柱ロッド２１としてアクリル樹脂などのプラスチッ
クやガラスなど透明材料からなる中実ロッドを用いた
が、これらのロッドは中心軸方向に透光性を有し、外周
部において光を反射可能なものであればよく、これに代
えて内周面に反射面を形成した中空ロッドを用いること
も可能である。

【００２８】本発明の光源装置１においては、光源１１
としてはハロゲンランプやメタルハライドランプなど公
知のものが使用され、反射鏡１２としても公知のものが
使用される。光源１１と透明ロッド２との間には、必要
に応じて熱線吸収フィルターや熱線反射フィルターを配
設することも可能である。また、光源１１の光量を安定
させるための公知の安定化装置、光源１１を冷却するた
めの冷却ファンなどの冷却装置等を配置することも可能
である。

【００２９】また、照明装置に用いられる光ファイバと
しては公知のものを使用することができ、ガラス製のも
のもプラスチック製のものも使用可能であるが、プラス
チック製のものが取扱性に優れるため好ましい。また、
光ファイバは周囲に被覆材を被覆して光ファイバケーブ
ルとして使用することも光ファイバのままで使用するこ
とも可能である。また、光ファイバ束３の光源装置１に
接続される集束端部と反対側の端部は分岐させて分岐端
３３とすることも、集束して用いることも可能であり、
ライン状や円形状に配列して使用することも可能であ
る。

【００３０】（実施例１）光源１１としては４００Ｗメ
タルハライドランプを用いた。また、透明ロッド２とし
ては、ポリメチルメタクリレートから構成され、多角柱
ロッド２１が図６（ａ）に示す断面の一辺がＤ＝１１ｍ
ｍ、Ｌ＝５５ｍｍの正六角柱で、円柱ロッド２２が直径
Ｄ１＝２２ｍｍ、長さＬ１＝２５ｍｍのものであり、こ
れらがテーパー部を介して一体化されているものを用い
た。テーパー部の外周面が透明ロッド２の中心軸に対し
てなす角度は３０°であった。なお、テーパー部の長さ
は円柱ロッド２２の長さに含まれている。鍔２３として
は、ポリメチルメタクリレートから構成され、直径（外
径）Ｄ２＝２６ｍｍ、長さ（厚さ）Ｌ２＝６ｍｍのドー
ナッツ状物を円柱ロッド２２の外周部に配置して用い
た。

【００３１】光ファイバ束３は、直径１ｍｍのプラスチ
ック光ファイバに被覆材を被覆した光ファイバケーブル
（三菱レイヨン株式会社製ＳＨ４００１）を長さ２ｍ
に切断したものを２６３本束ねて用いた。光ファイバ束
３の集束端は、各光ファイバの被覆材を剥離した後、入
射口金３１に挿入して光ファイバ束３を集束固定し、各
光ファイバ端面が平滑になるように研磨して構成されて
いる。また、各光ファイバの他端部（分岐端）の端面も
研磨されている。

【００３２】上記のような照明装置を用い、各光ファイ
バケーブル３２−１，３２−２，３２−３・・・３２−
２６２，３２−２６３からの出射光の光量を測定した。

【００３３】（実施例２）透明ロッド２として、多角柱
ロッド２１に正四角柱を用いた（形状を図６（ｂ）に示
す）点を除いて実施例１と同様に照明装置を得た。

【００３４】（比較例１）透明ロッド２として、全体が
円柱形状からなるものを用いた（形状を図６（ｃ）に示
す）点を除いて実施例１と同様に照明装置を得た。

【００３５】（比較例２）透明ロッド２を用いない点を
除いて実施例１と同様に照明装置を得た。

【００３６】実施例１、実施例２、比較例１及び比較例
２に用いた透明ロッド２の形状を表２に示す。

【００３７】

【表２】表３に実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２の各
光ファイバケーブル３２−１、３２−２、・・・３２−
２６２，３２−２６３からの出射光の光量を測定した結
果を示す。なお、出射効率は比較例２の各光ファイバケ
ーブルからの出射光量の和に対する、実施例１、実施例
２及び比較例１について同様に求めた出射光量の和の比
を、比較例２の値を１００％としてパーセンテージで示
したものである。

【００３８】

【表３】また、図８に示すグラフは実施例１〜２及び比較例１〜
２における、各光ファイバケーブル３２−１、３２−
２、・・・３２−２６２，３２−２６３からの出射光の
光量のヒストグラムである。図８からも分かるように、
光量分布の均一性は実施例２，実施例１，比較例１，比
較例２の順に優れている。一方、表３から分かるように
出射光量は実施例１のほうが実施例２よりも優れてお
り、光量分布の均一性では実施例１及び２の差がそれほ
ど大きくないことを考えると実施例１の照明装置が実用
上最も優れている。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、均一性が高い光を光フ
ァイバ束に効率良く入射させることが可能な光源装置、
及びこれに光ファイバ束が接続されてなり光ファイバ間
の光量斑が小さく大きな光量で照明が可能な照明装置が
提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の照明装置の斜視図である。

【図２】本発明の照明装置の部分側面図である

【図３】透明ロッドの光軸上から光を入射させた場合の
光の光路を示す図である。

【図４】透明ロッドの光軸からずれた位置から光を入射
させた場合の光の光路を示す図である。

【図５】多角柱部と円柱部を接続したときの光路を示す
図である。

【図６】実施例１〜２、比較例１〜２の透明ロッドの側
面図及び端面図である。

【図７】光源装置の側断面図である。

【図８】実施例及び比較例の照明装置の各光ファイバケ
ーブルから出射した光量をヒストグラムに示したもので
ある。

【符号の説明】

１光源装置２透明ロッド３光ファイバ束１１光源１２反射鏡２１多角柱ロッド２２円柱ロッド２３鍔部３１入射口金３２光ファイバケーブル３３分岐端

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2H038 AA52 2H046 AA03 AA39 AA48 AB08 2H052 BA02 BA07 BA09 BA11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、一端が光源に対向して配置され
た多角柱形状を有する多角柱ロッドと、一端が多角柱ロ
ッドに対向して配置された円柱形状を有する円柱ロッド
とを備えた光源装置であって、多角柱ロッド及び円柱ロ
ッドはその中心軸方向に透光性を有しその外周部におい
て光を反射可能であり、これらロッドの中心軸が同一直
線上に配置されている光源装置。
【請求項２】多角柱ロッドと円柱ロッドが一体化され
ている請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】多角柱ロッドと円柱ロッドがテーパー部
を介して一体化されている請求項２に記載の照明装置。
【請求項４】テーパー部の外周面と多角柱ロッド及び
円柱ロッドの中心軸がなす角度が４５度以下である請求
項３に記載の照明装置。
【請求項５】多角柱ロッドの断面形状が正五角形、正
六角形、正七角形のいずれかである請求項１〜４のいず
れかに記載の光源装置。
【請求項６】円柱ロッドの多角柱ロッドと反対側の端
部に鍔が設けられている請求項１〜５のいずれかに記載
の光源装置。
【請求項７】多角柱ロッドの断面に外接する円の直径
をＤとし、多角柱ロッドの長さをＬとしたとき、Ｌ／Ｄ
が２〜１０である請求項１〜６のいずれかに記載の光源
装置。
【請求項８】請求項１〜７のいずれかに記載の光源装
置を構成する円柱ロッドの多角柱ロッドと反対側の端部
に対向して複数の光ファイバが束ねられてなる光ファイ
バ束の集束端部が配置されている照明装置。
【請求項９】光ファイバ束の集束端部と反対側の端部
において、光ファイバ束が分岐された分岐端である請求
項８に記載の照明装置。
【請求項１０】光ファイバ束の集束端部と反対側の端
部において、光ファイバがライン状に配列されている請
求項８に記載の照明装置。