JP2004517370A - 光源からの光を媒体内に注入する光学システム - Google Patents

Abstract

本発明は、光源から媒体、具体的には光誘導ファイバの中に光を注入するための光学システムに関する。光学システムは、反射または屈折によって光を媒体の中に向ける少なくとも１つの光偏向表面を備える。光偏向表面は、光源が、媒体においてまたはその表面上において、鮮明には撮像されないような形態を有する。前記光学システムは、過度に高い局所的な光強度の結果である非線形光学効果または材料の損傷を生じずに、強度の高い光を媒体の中に注入するのに特に適している。

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は、光源からの光を媒体、特に光ファイバの中に結合する光学システムを対象とする。
【０００２】
（発明の背景）
媒体を横切るとき、光は吸収により強度を失い、光の吸収構成要素の放射エネルギーは熱エネルギーに変換される。このプロセスでは、それにより誘発された媒体の内部加熱の空間パワー密度が吸収係数とならびに光強度と共に上昇し、その結果、媒体は、より低い光強度の領域より、より高い光強度の領域においてより強く加熱される。
【０００３】
光強度があるレベルに到達したとき、非線形光学効果、内部応力、または媒体に対する材料の損失など、望ましくない影響が生じることがあり、たとえば、融解、蒸発、および化学分解などのプロセスがある。この危険性は、具体的には、光がレンズなどの光収集光学要素を使用して媒体の内部で集束して、光強度が大きく増大したスポットまたは狭ゾーンを媒体に創出するときに生じる。
【０００４】
そのために、レーザ光などの高強度光が媒体の中に結合されるときに、過度に光強度の高い領域が媒体の内部に形成されることを防止することがしばしば非常に重要である。この重要な例は、レーザ光などの高強度光を光ファイバの中に結合することである。
【０００５】
高強度光が中に結合される溶融石英または他の材料の光ファイバの１つの応用例は、たとえば、工作物の切断、穿孔、または他の種類の機械加工のための高レーザ光強度の伝送である。高強度光が中に結合される光ファイバの他の応用例は、情報の伝送である。
【０００６】
光ファイバは、遠隔通信に使用される長距離伝送リンク上などで情報を伝送する帯域幅が広いので、非常に多様な応用分野を有する。また、光ファイバは、家庭の末端消費者まで完全に行き渡った接続ネットワークにますます配置されるようになっている。
【０００７】
コストを低く維持するために、プラスチックのマルチモード光ファイバが開発され、これまで主に使用されていた水晶単一モード・ファイバに置き換わっている。マルチモード光ファイバは、可視スペクトル領域、近赤外線、または将来は第２光ウィンドウ（１．３マイクロメートル）のいずれかにおいて使用されることを意図している。
【０００８】
プラスチック光ファイバの利点は、敷設技術が容易であり、ならびに安価な相互接続技術が利用可能なことである。一方、高減衰、すなわち注入光の大量吸収という欠点がある。したがって、ファイバの出力において依然として確実に検出することができる光信号を獲得するために、最も可能な強度はプラスチック光ファイバに注入するときに使用されるべきである。
【０００９】
しかし、上記ですでに説明したように、必要な高強度は、プラスチック光ファイバを損傷、たとえば溶融させ、その結果、通信リンクを破壊することがある。
【００１０】
従来の技術の方法は、光源の光をファイバの中に集束させるために、媒体の中に光を結合する収集レンズを光ファイバの端面の前に配置することによって、高強度光を光ファイバの中に結合することに備える。収集レンズと光ファイバの端面を通過した後、レーザまたはレーザ・ダイオードなどの光源から来る光は、光ファイバの円筒側壁の上に多様な角度で当たる。このような関係においては、可能な限りにおいて、レンズと光源の構成と同様、レンズの相対絞りが、光がコアとクラッディングの間の円筒境界表面に当たるこれらの角度のすべてが全反射の条件を満たすような、光ファイバのコアとクラッディングの屈折率の関数として選択される。
【００１１】
しかし、この接続の欠点は焦点を有することである。したがって、レーザなどの光源は媒体の内側に鮮明に撮像され、著しい光パワー密度が媒体の画像位置に行き渡り、これにより媒体を局所的に加熱して、上述した不利な影響、具体的には光ファイバの破損をもたらすことがある。さらに、すでに上述したように、著しい光パワー密度は非線形光学効果を引き起こし、それにより、光ファイバによる情報の伝送と干渉することがある。
【００１２】
これらの不利な影響は、特にプラスチック光ファイバとの関係においては吸収係数がより大きいことに起因して、最大注入可能強度を制限することになる。
【００１３】
光を光ファイバなどの媒体の中に結合する他の方式は、当然、あらゆる光学システムをまったく使用せず、光源を光ファイバの端面の前に配置して、光源の光で端面を直接照射するというものである。このように実施すると、光源は媒体において撮像されず、したがって、極度に高い強度が集中したゾーンは形成されない。しかし、この場合の欠点は、媒体における光強度の分布も、媒体内への光の入射角度の分布も、特定の要件に適合させることができないことである。この欠点は、具体的にはマルチモード光ファイバの中に光を結合するとき、非常に重大である。
【００１４】
（技術上の目的）
したがって、本発明の基本的な目的は、一体的に注入された光パワーを低減せずに、これまで既知の方法と比較して、媒体に最大に生じる空間光パワー密度を低減し、媒体内への光入射角度の事前に確定された分布を可能にする、光源の光を媒体の中に結合する光学システムを提供することである。
【００１５】
この目的は、本発明による光源の光を媒体の中に結合する光学システムによって達成される。光学システムは、少なくとも１つの光偏向表面を有し、この光偏向表面は、媒体に最大に生じる空間光密度を低減するために、反射または屈折によって光を媒体の中に向ける。１つまたは複数の光偏向表面の形態は、光源の鮮明な像が、媒体においてまたはその表面上において形成されないというものである。
【００１６】
媒体は、特に光ファイバとすることが可能である。この場合、目的は、光源の光を光導波路、特に光ファイバの中に結合する光学システムによっても達成される。光導波路は少なくとも１つの光偏向表面を有し、この光偏向表面は、光が光導波路を伝播するような角度で、光導波路の中に注入されるように反射または屈折によって光導波路の中に光を向ける。光学システムは、光導波路においてまたはその表面上において最大に生じる空間光強度を低減するために、光源の鮮明な像が形成されないような１つまたは複数の光偏向表面の形態を特徴とする。
【００１７】
１つまたは複数の光偏向表面の形態は、具体的には、媒体においてまたはその表面上において、光源の点が鮮明に撮像されないようなものとすることが可能である。
【００１８】
本発明の１つの本質的な利点は、全体的な光束を低減せずに、１つまたは複数の光偏向表面の形態を適切に選択することによって、媒体における光強度の分布と、ならびに媒体内への光入射角度の分布を既存の要件に適合させ、最適化することが可能なことである。具体的には、本発明により、光強度が小さいゾーン内に極度に集中するのを防止することが可能になる。
【００１９】
本発明による光学システムは、具体的には、アクシコン（Ａｘｉｃｏｎ）とすることが可能であり、またはそのようなアクシコンを有することが可能であることが有利である。「アクシコン」は、光軸に配置された点源を光軸上の点分布に撮像する回転対称光学システムを指す。したがって、アクシコンは、確定した焦点距離を有さない。アクシコンの例は、軸が光入射方向と一致する円錐である。Ｊ．Ｈ．ＭｃＬｅｏｄの「Ｔｈｅ Ａｘｉｃｏｎ：Ａ Ｎｅｗ Ｔｙｐｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ」（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ、ｖｏｌ．４４（１９５４）、第５９２頁乃至第５９７頁）、及びＪ．Ｈ．ＭｃＬｅｏｄの「Ａｘｉｃｏｎｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ｕｓｅ」（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ、Ｖｏｌ．５０（１９６０）、第１６６頁乃至第１６９頁）は、アクシコンについて詳細に議論している。
【００２０】
本発明は、非常に有利なことに、光ファイバなど光導波路の中に光を結合するために使用することが可能である。有利な効果は、この場合は、１つまたは複数の光偏向表面の形態を適切に選択することによって、光導波路における光強度の極度の集中を回避する可能性によってだけでなく、具体的には、本発明によって同様に提供される、媒体内への光入射角度の分布を既存の要件に最適に適合させる可能性によっても達成される。
【００２１】
本発明によれば、光学システムの１つまたは複数の光偏向表面の形態は、光源の各点から出る光が、媒体の中への入口の上に集束し、光源の各点が、点の上ではなく、線または曲線上、円、表面、または体積の上など、有限の広がりの領域上に撮像されるようにすることが可能である。すなわち、光源の実像は、意図的に非鮮明な画像として形成される。
【００２２】
本発明によれば、非鮮明実像は、実際に光源の光を媒体において集束させるが、当初から物体のいずれか１点の鮮明像を形成することができない光学システムを使用して形成することが可能である。そのような光学システムは、たとえば、卵形本体の一部を構成する可能性がある非球面レンズとすることが可能であり、またはそのようなレンズを含むことが可能である。
【００２３】
さらに、本発明によれば、集束撮像要素の像収差を選択的に使用することによって、非鮮明実像を形成することが可能である。たとえば、収集レンズまたは凹ミラーをこの目的で使用することが可能であり、光源は、光源の各点がコマとして撮像されるように、レンズの光軸から遠距離に配置される。コマが物体と光軸の距離と共に増大するということは、この場合は利点として使用される。
【００２４】
さらに、本発明による光学システムは、平面表面によって境界が画定された透明本体とすることが可能であり、またはそのような本体の一部を構成する、あるいはそのような本体を含むことが可能である。そのような本体は、たとえば、角柱、角錐、ｎ面体（四面体など）、または複数の個々の平面部分表面からファセット化された表面を有するレンズあるいはミラー、すなわちいわゆるファセット・レンズまたはファセット・ミラーとすることが可能である。この場合、特有の平面表面は、媒体の内部における光密度の分布と、ならびに媒体内への光入射角度の分布とに選択的にさらに影響を与えるように、凸または凹の曲率を有することが可能である。
【００２５】
さらに、本発明によれば、光学システムの１つまたは複数の光偏向表面の形態は、光源の各点から出る光が、媒体の中に入射する際に発散するようなものである。これは、たとえば、発散レンズによって達成することが可能である。媒体内に入射する際の光の発散は、光学システムが、光源を完全に光学システムと媒体の表面との間に位置する像に撮像する収集レンズ、または光源を完全に光学システムと媒体の表面との間に位置する像に撮像する凹ミラーを有し、それにより、光源の光が媒体に到達して、媒体の外部に位置する焦点を通過した後に再び発散することにより、達成することが可能である。
【００２６】
さらに、本発明によれば、光学システムの１つまたは複数の光偏向表面の形態は、光源の各点の像が、本質的に、焦線または焦点面の上に分布するようなものである。
【００２７】
光源の各点は、たとえば、底面または先端が光源に対面している透明な完全円錐を使用して、焦線の上に撮像することが可能である。底面が光源に対面している完全円錐は、横表面全体は媒体と接触するが、底面全体は媒体と接触しないように、媒体に埋め込むことが可能である。この場合、完全円錐は、媒体とは異なる屈折率を有さなければならない。
【００２８】
本発明によれば、光学システムは、有利なことに、光偏向表面として機能する媒体自体の表面の形態によって作成することが可能であり、またはそのような形態を有して、したがって媒体の一体的な一部とすることが可能である。たとえば、光ファイバの端面など、媒体の表面は、凹形態を有し、したがって、発散レンズとして作用することが可能である。
【００２９】
さらに、本発明による光学システムは、１つの開口が光源に対面している、内向き反射中空管とする、または内向き反射中空管を含むことが可能である。中空管は、たとえば、円筒形態、または光源に向かって広くなるあるいは狭くなる円錐の形態などを有することが可能である。管の断面形状は、円形以外とすることも可能である。内向き反射円筒管または内向き反射円錐管の機能は、外向き反射横表面を有する透明な完全円筒または完全円錐によって遂行することも可能である。完全円錐は、媒体自体の表面の円錐形態によって形成することが可能である。完全円筒または完全円錐の１つまたは両方の端面は、凸または凹の曲率を有して、媒体における光強度の分布と、ならびに媒体内への光入射角度の分布とに選択的に影響を与えることが可能である。
【００３０】
本発明による光学システムは、上述した要素の２つ以上の組合せとする、またはそれを含むことも可能である。さらに、媒体における光強度の分布と、媒体内への光入射角度の分布とに選択的に影響を与えるために、本発明による光学システムは、１つまたは複数の追加のレンズまたはミラーを有することが可能である。
【００３１】
以下に明示する図は、本発明の特定の実施形態を例示的に示し、ステップ形光ファイバの中に光を結合する重要な応用例の場合に関する。当然、本発明は、すべての他のタイプの光導波路とすべての他の透明な媒体との中に光を結合するのに適用可能である。すべての図は、概略的な断面図を示す。
【００３２】
従来の技術をさらに説明するために、図１は、光源１の光をステップ形光ファイバ３の中に結合する例を示す。光源１の鮮明像９が光ファイバ３の内部に形成されるよう、光源１と光ファイバ３の端面１０との間に収集レンズ２が配置される。光ファイバ３は、ファイバ・クラッディング４とファイバ・コア５とで作成される。ファイバ・クラッディング４はファイバ・コア５より小さい屈折率を有し、その結果、ファイバ・コア５を進む光線は、ファイバ・コア／ファイバ・クラッディングの境界面において全反射され、したがってファイバ・コア５を伝播することが可能である。
【００３３】
遠軸光線７と近軸光線８の両方は光源１の鮮明像９に合体する。その結果、光強度は、光ファイバ３の狭い限定ゾーンの内部、すなわち像９の領域では非常に強くなる。臨界値を超えたとき、光導波路の材料を損傷し、望ましくない非線形光学効果をもたらすことがある。
【００３４】
これらの問題は、当然、注入された光強度と共に激化する。したがって、依然として実際に注入することが可能である最大光強度は、光強度が像９の領域に極度に局所集中しているために比較的低い。これは、光ファイバの多くの応用例にとって欠点である。
【００３５】
以下で記述する図２乃至図１７は、例として、光ファイバの中に光を結合するために使用される本発明の様々な特定の実施例を示す。例示の明瞭化のために、図２乃至図１７では、光源は、本発明による光学システムの比較的近傍に配置されている。しかし、当然のことながら、光源は、本発明による光学システムからより遠い距離に配置することが可能であり、またはさらに無限に離すことが可能である。光源は、具体的には、事実上平行な光を放出するレーザとすることが可能である。
【００３６】
図に示した本発明による光学システムは、直径が光ファイバと同一である。そのような直径の選択は有益であるが、本発明による光学システムは他の直径を有することも可能である。
【００３７】
図２は、収集レンズ１０１として設計された本発明による光学システムの特定の実施例を示す。したがって、本発明による光学システムの光偏向表面は、収集レンズ１０１の表面によって形成される。このレンズは、完全に光学システムと光ファイバ３の端面１０との間に位置する光源１の鮮明像２０を形成する。収集レンズ１０１によって収集された光は、像２０を通過した後で発散し、発散光として光ファイバ３の中に入る。
【００３８】
遠位光線の例として光線対７ａが図２に描かれている。鮮明像２０を通過した後、この光線は光ファイバ３に到達し、そこでファイバ・クラッディング４の内側面上で全反射された後、交差点２１ａにおいて交差する。
【００３９】
交差点と収集レンズ１０１の距離は、光線の収集レンズ１０１の光軸との距離の関数である。近軸光線の例として光線対８ａが図２に描かれている。鮮明像２０を通過した後、この光線対は光ファイバ３に到達し、ファイバ・クラッディング４の内側面上で全反射された後、交差点２１ａとは一致しない交差点２１ｂにおいて交差する。焦線２１が光ファイバ３に生成され、その結果、本発明によれば、光源１の点は、光ファイバ３の内部では鮮明には撮像されない。
【００４０】
図２の収集レンズ１０１は両凸の設計を有する。しかし、当然のことながら、他の収集レンズの設計も可能である。たとえば、収集レンズは平凸とすることも可能である。本発明の他の特定の実施形態（図示せず）では、収集レンズ１０１の機能は凹ミラーを前提とする。この場合も同様に、焦線が光ファイバに生成され、その結果、本発明によれば、光源１の点は、光ファイバ３の内部では鮮明には撮像されない。
【００４１】
図３は、発散レンズ１０２として設計された本発明による光学システムの特定の実施例を示す。したがって、本発明による光学システムの光偏向表面は、発散レンズ１０２の表面によって形成される。本発明によれば、光源１の光は発散光として光ファイバ３の中に結合される。ファイバ・クラッディング４の内側面上での全反射により、遠軸光線対７ｂは交差点２２ａにおいて交差し、より近軸の光線対８ｂは交差点２２ｂにおいて交差する。焦線２２が光ファイバ３に生成され、その結果、本発明によれば、光源１の点は光ファイバ３の内部では鮮明には撮像されない。図３の発散レンズ１０２は両凹の設計を有する。しかし、当然、他の発散レンズの設計も可能である。たとえば、発散レンズは平凹とすることが可能である。
【００４２】
本発明の他の特定の実施形態（図示せず）では、光ファイバに入る前に、光源の光は凸ミラーによって発散される。したがって、この場合、凸ミラーは図３の発散レンズ１０２の機構を遂行する。この場合、本発明による光学システムの光偏向表面は凸ミラーの表面によって形成される。
【００４３】
図４は、光ファイバ３自体の端面１１が凹形態２０２を有し、したがって、発散レンズとして作用する、本発明による光学システムの特定の実施例を示す。したがって、本発明による光学システムは媒体の一体的不可分な部分である。この関係では、本発明による光学システムの光偏向表面は、凹形態２０２の表面によって形成される。したがって、光源１の光は、発散光として光ファイバ３の中に結合される。ファイバ・クラッディング４のない側面上での全反射により、遠軸光線対７ｃは交差点２３ａにおいて交差し、より近軸の光線対８ｃは交差点２３ｂにおいて交差する。焦線２３が光ファイバ３に生成され、その結果、本発明によれば、光源１の点は光ファイバ３の内部では鮮明には撮像されない。
【００４４】
図５は、非球面収集レンズ１０３として設計された本発明による光学システムの特定の実施例を示す。したがって、本発明による光学システムの光偏向表面は、非球面収集レンズ１０３の表面によって形成される。そのようなレンズの焦点距離は、内軸の離の関数であり、したがって、光ファイバ３の中に結合された光は実際に集束するが、本発明によれば、焦点または光源１の鮮明像の上ではなく、焦線２４に沿って集束する。遠軸光線対７ｄは、たとえば、交差点２４ａにおいて焦線２４の上で交差し、より近軸の光線対８ｄは、交差点２４ａとは一致しない交差点２４ｂにおいて焦線２４の上で交差する。
【００４５】
当然のことながら、非球面レンズ１０３は、図５に示したものとは異なる方式で、光ファイバ３の端面１０から間隔をおいて配置することが可能である。他の特定の実施形態（図示せず）では、光ファイバの端面は、非球面収集レンズとして機能する非球面の凸形態として設計される。したがって、本発明による光学システムは媒体の一体的不可分な部分である。この関係では、本発明による光学システムの光偏向表面は非球面凸形態の表面によって形成される。この場合も同様に、焦線が光ファイバに生成され、その結果、本発明によれば、光源１の点は光ファイバ３の内部では鮮明には撮像されない。
【００４６】
図６は、円環状レンズ１０４として設計された、本発明による光学システムの特定の実施例を示す。それにより、光ファイバ３の中に結合された光源１の光は実際に集束するが、本発明によれば、一点または光源１の鮮明像ではなく、円環状レンズ１０４の光軸に垂直な一平面において延びる焦点円２５に合体する。その結果、本発明によれば、光源１の点は光ファイバ３の内部では鮮明には撮像されない。したがって、本発明による光学システムの光偏向表面は、円環状レンズ１０４の表面によって形成される。
【００４７】
図７は、本発明による光学システムの特定の実施例を示し、光ファイバ３自体の端面１２は、環状形態２０４すなわち円環状レンズの一部として環状形態を有し、したがって、円環状レンズとして作用する。したがって、本発明による光学システムは、媒体の一体的不可分な部分である。したがって、本発明による光学システムの光偏向表面は、環状形態２０４の表面によって形成される。したがって、光源１の光は集束光として光ファイバ３の中に結合され、そこで焦点円２６に合体する。したがって、本発明によれば、光源１の点は光ファイバ３の内部では鮮明には撮像されない。
【００４８】
図８は、本発明による光学システムの特定の実施例を示す。この実施例は収集レンズ１０５として設計され、その形態は、光ファイバ３に結合された光源１からの光が実際に集束するが、本発明によれば、一点または光源１の鮮明像ではなく、コマ２７に合体するように、光軸１０５ａが、光源１から遠距離において延びるというものである。したがって、本発明による光学システムの光偏向表面は収集レンズ１０５の表面によって形成される。凹ミラーは収差でも悪影響を受け、それにより遠軸の物体の点はコマとして撮像されるので、収集レンズ１０５の機能は、光軸が光源から遠距離において延びる凹ミラーによって遂行することも可能である。この場合、本発明による光学システムの光偏向表面は、凹ミラーの凹表面によって形成される。
【００４９】
図９は、本発明による光学システムの特定の実施例を示す。この場合、光ファイバ３自体の端面１３は凸形態２０５を有し、したがって、収集レンズとして作用し、凸形態２０５は光軸が光源から遠距離において延びるように設計される。したがって、光源１の光は集束光として光ファイバ３の中に結合され、そこでコマ２８に合体する。その結果、本発明によれば、光源１の点は光ファイバ３の内部では鮮明には撮像されない。したがって、本発明による光学システムは媒体の一体的不可分な部分である。この関係では、本発明による光学システムの光偏向表面は凸形態２０５の表面１３によって形成される。
【００５０】
図１０は、本発明による光学システムの特定の実施例を示す。この実施例は完全円錐１０６として設計され、底面１０６ａは光源と対面し、したがって、光ファイバ３の中に結合された光源１の光は実際に集束するが、本発明によれば、一点または光源１の鮮明な像ではなく焦線２９に合体する。したがって、本発明による光学システムの光偏向表面は、完全円錐１０６の表面によって形成される。遠軸光線対７ｅは、たとえば、交差点２９ａにおいて焦線２９の上で交差し、より近軸の光線対８ｅは交差点２９ａとは一致しない交差点２９ｂにおいて焦線２９の上で交差する。
【００５１】
他の特定の実施例（図１１）では、完全円錐１１６は、横表面１１６ｂ全体が光ファイバ材料と接触し、かつ底面１１６ａ全体が光ファイバ材料と接触しないように、光ファイバ３に埋め込まれる。このために、光ファイバ３は、端面の領域において中空円錐状に切断される。切断により、完全円錐１１６は収容される。本発明のこの特定の実施例では、完全円錐材料の屈折率とファイバ・コアの屈折率は異ならなければならない。図１１は、完全円錐材料の屈折率がファイバ・コア材料の屈折率より大きい場合を示す。焦線３０が光ファイバに形成される。遠軸光線対７ｆは、たとえば、交差点３０ａにおいて焦線３０の上で交差し、より近軸の光線対８ｆは、交差点３０ａとは一致しない交差点３０ａにおいて焦線３０の上で交差する。本発明によれば、光源１の点は光ファイバ３の内部では鮮明には撮像されない。
【００５２】
他の特定の実施形態（図示せず）では、完全円錐の材料の屈折率はファイバ・コア材料の屈折率より小さい。ファイバ・クラッディングの内側面上での全反射のために、この場合も、焦線が光ファイバに形成され、その結果、本発明によれば、光源１の点は光ファイバ３の内部では鮮明には撮像されない。他の特定の実施形態（図示せず）では、完全円錐１０６の代わりに、底面が光源と対面している完全角錐が使用される。光ファイバ３内への光入射角度の分布にさらに選択的に影響を与えるために、またはその分布を最適化するために、完全円錐３および完全角錐の底面は、凸または凹の曲率を有することが可能である。
【００５３】
図１２は、本発明による光学システムの特定の実施例を示す。この実施例は、完全円錐１０７として設計され、先端１０７ｂが光源と対面し、その結果、光ファイバ３の中に結合された光源１の光は実際集束するが、本発明によれば、一点または光源１の鮮明像ではなく、焦線３１に合体する。本発明による光学システムの光偏向表面は完全円錐１０７の表面によって形成される。遠軸光線対７ｇは、たとえば、交差点３１ａにおいて焦線３１の上で交差し、より近軸の光線対８ｇは、交差点３１ａとは一致しない交差点３１ｂにおいて焦線３１の上で交差する。
【００５４】
完全円錐１０７の底面１０７ａは、図１２に示したように、光ファイバ３の端面１０と接することが可能であり、または光ファイバ３の端面１０から間隔をおいて配置することが可能である。完全円錐１０７の底面は、平面とすることが可能であり、または凸あるいは凹の曲率を有することが可能である。他の特定の実施形態（図示せず）では、完全円錐１０７の代わりに、先端が光源と対面し、かつ底面を同様に曲線とすることが可能である完全角錐が使用される。
【００５５】
図１３は、本発明による光学システムの特定の実施例を示す。この場合、光ファイバ３の端面１５は、完全円錐形態２０７として設計され、その結果、光ファイバ３の中に結合された光源１の光は焦線３２に合体する。したがって、本発明による光学システムは、媒体の一体的不可分な部分である。この関係においては、本発明による光学システムの光偏向表面は、完全円錐形態２０７のクラッディング表面１５によって形成される。遠軸光線対７ｈは、たとえば、交差点３２ａにおいて焦線３２の上で交際し、より近軸の光線対８ｈは、交差点３２ａとは一致しない交差点３２ｂにおいて焦線３２の上で交差する。本発明によれば、光源１の点は光ファイバ３の内部では鮮明には撮像されない。
【００５６】
他の特定の実施形態（図示せず）では、完全円錐形態２０７の代わりに、完全角錐形態が光偏向表面として使用される。この場合も同様に、本発明による光学システムは、媒体の一体的一部である。
【００５７】
図１４は、本発明による光学システムの特定の実施例を示す。この場合、光ファイバ３の端面１４は、中空円錐形態２１２として設計され、その先端２１２ｂは、光源１から離れて対面し、その結果、光ファイバ３の中に結合された光源１の光は焦線３３に合体する。したがって、本発明による光学システムは、媒体の一体的不可分の部分である。この関係では、本発明による光学システムの光偏向表面は、中空円錐形態２１２の表面によって形成される。遠軸光線対７ｉは、たとえば、交差点３３ａにおいて焦線３３の上で交差し、より近軸の光線対８ｉは、交差点３３ａとは一致しない交差点３３ｂにおいて焦線３３の上で交差する。本発明によれば、光源１の点は光ファイバ３の内部では鮮明には撮像されない。
【００５８】
他の特定の実施形態（図示せず）では、完全円錐形態２１２の代わりに、完全角錐形態が光偏向表面として使用される。この場合も同様に、本発明による光学システムは、媒体の一体的不可分な部分である。
【００５９】
図１５は、本発明による光学システムの特定の実施例を示す。この実施例は、中空円錐切断１１２を有する円筒１１１で構築され、先端１１２ｂは、光源１と離れて対面する。光ファイバ３の中に結合された光源１の光は焦線３７に合体する。遠軸光線対７ｍは、たとえば、交差点３７ａにおいて焦線３７の上で交差し、より近軸の光線対８ｍは、交差点３７ａとは一致しない交差点３７ｂにおいて焦線３７の上で交差する。本発明によれば、光源１の点は光ファイバ３の内部では鮮明には撮像されない。
【００６０】
図１６は、本発明による光学システムの特定の実施例を示す。この実施例は、凸表面が複数の個々の平面部分表面１０８ａからファセット化された平凸レンズ１０８として設計され、したがって、平凸レンズ１０８はファセット・レンズである。したがって、本発明による光学システムの光偏向表面は、ファセット・レンズ１０８の表面によって形成される。この場合も同様に、光ファイバ３の中に結合された光源１の光は集束する。しかし、本発明によれば、この光は、一点または光源１の鮮明像ではなく、有限空間体積３４に集束し、その寸法は、個々の平面部分表面１０８ａのサイズ、形状、および位置合わせに依存する。例示のために、３つの光線４０、４１、４２が図１５に描かれている。これらは、ファセット・レンズ１０８の様々な平面部分表面によって屈折されて、空間体積３４の内部において交差する。
【００６１】
他の特定の実施形態（図示せず）では、ファセット・レンズは両凸の設計を有する。両凸または平凸のファセット・レンズの機能は中空ミラーによって遂行することも可能であり、その凹表面は複数の個々の平面部分表面からファセット化されている。
【００６２】
他の特定の実施形態（図示せず）では、ファセット・レンズは、平凹または両凹の設計を有する。他の特定の実施形態（図示せず）では、光ファイバ３の端面は凸形態または凹形態にファセット化され、したがって、端面は凸または凹ファセット・レンズとして機能する。この場合も同様に、本発明による光学システムは媒体の一体的不可分な部分である。
【００６３】
本発明の他の特定の実施形態（図示せず）では、本発明による光学システムは、凸円筒レンズとして設計することが可能であり、したがって、光ファイバ３の中に結合された光源１の光は集束する。しかし、本発明によれば、この光は、一点または光源１の鮮明像の上ではなく、凸円筒レンズの光軸に垂直に延びる焦線の上に撮像される。本発明によれば、このプロセスでは、光源１の点は光ファイバ３の内部では鮮明には撮像されない。他の特定の実施形例（図示せず）では、凸円筒レンズの機能は円筒凹ミラーによって遂行される。
【００６４】
本発明の他の特定の実施形態（図示せず）では、本発明による光学システムは、凹円筒レンズとして設計することが可能であり、その結果、光ファイバ３の中に結合された光源１の光は、光ファイバ３に入射する際に発散する。他の特定の実施形態（図示せず）では、凹円筒レンズの機能は凹円筒ミラーによって遂行される。他の特定の実施形態（図示せず）では、光ファイバ３の端面は、凸円筒形態または凹円筒形態として設計され、その結果、端面自体は凸円筒レンズまたは凹円筒レンズとして機能し、本発明による光学システムは媒体の一体的不可分の部分である。これらの場合も同様に、本発明によれば、光源１の点は光ファイバ３の内部では鮮明には撮像されない。
【００６５】
図１７は、本発明による光学システムの他の実施例を示す。この実施例は、端部において開いている内向き反射中空管１０９として設計され、その開口１０９ａは光源と対面する。したがって、本発明による光学システムの光偏向表面は中空管１０９の内表面によって形成される。全反射が、管１０９の内壁と、ならびにファイバ・クラッディング４の内表面とにおいて起きる。このために、本発明によれば、光ファイバ３の中に結合された光源１の光は、一点または光源１の鮮明像ではなく、焦線３５の上で合体する。光線８ｋは、管軸１０９ｂに対して角度βで延び、交差点３５ｂにおいて焦線３５の上で交差する。光線７ｋは、管軸１０９ｂに対して角度αで延び、交差点３５ｂとは一致しない交差点３５ａにおいて焦線３５の上で交差する。
【００６６】
図１８は、本発明による光学システムの特定の実施例を示す。この実施例は、端部において開いている内向き反射中空管１１０として設計され、より小さい開口１１０ａが光源１と対面する。したがって、本発明による光学システムの光偏向表面は、中空円錐１１０の内表面によって形成される。全反射が、中空円錐１１０の内壁と、ならびにファイバ・クラッディング４の内表面とにおいて起きる。そのために、本発明によれば、光ファイバ３の中に結合された光源１の光は、光源１の一点または１つの鮮明像ではなく、焦線３６の上で合体する。
【００６７】
たとえば、光線８ｎは、円錐軸１１０ｂに対して角度φで進み、交差点３６ｂにおいて焦線３６と交差する。光線７ｎは、円錐軸１１０ｂに対して角度δで内円錐表面に当たる前に、たとえば、交差点３６ｂとは一致しない交差点３６ａにおいて焦線３６と交差する。
【００６８】
媒体内への光入射角度の分布は、有利なことに、円錐の開口角度を適切に選択することによって最適化することができる。
【００６９】
本発明の他の特定の実施形態（図示せず）では、本発明による光学システムは、内向き反射中空円錐として設計することが可能であり、端部は開いており、より大きい開口が、光源と対面する。この場合も同様に、中空円錐の内壁は光偏向表面として作用する。この場合も、光ファイバの中に結合された光源の光は焦線に合体され、したがって、本発明によれば、光源１の点は光ファイバ３の内部では鮮明には撮像されない。
【００７０】
本発明の他の特定の実施形態（図示せず）では、本発明による光学システムは、外向き反射横表面を有する透明な完全円筒として設計することが可能であり、一端面が光源と対面する。完全管または完全円錐の横表面の内側面は光偏向表面として作用する。
【００７１】
光ファイバ内への光入射角度に選択的に影響を与えるために、完全円錐または完全円筒の一方または両方の端面は、凸または凹の曲率を有することが可能である。さらに、完全円錐は、光ファイバ自体の端面の円錐形態によって形成することが可能である。これらの場合でも、光ファイバの中に結合された光源の光は焦線に合体する。これらの場合でも、本発明によれば、光源１の点は、光ファイバ３の内部では鮮明には撮像されない。
【００７２】
光ファイバ内への光入射角度の分布にさらに影響を与え、または最適化するために、本発明による光学システムは、１つまたは複数の追加のレンズを有することが可能である。さらに、本発明の様々な特有の実施例を互いに組み合わせることが可能である。
【００７３】
（産業応用性）
本発明は、たとえばデータを伝送するために、具体的には光ファイバの中に光信号を結合する産業応用分野を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
収集レンズを使用して光ファイバの中に光を結合する、従来の技術をさらに明示する図である。
【図２】
収集レンズとして設計された本発明による光学システムの特定の実施例の図である。
【図３】
収集レンズとして設計された本発明による光学システムの特定の実施例の図である。
【図４】
光ファイバ自体の端面が凹形態を有し、したがって発散レンズとして作用する、本発明による光学システムの特定の実施例の図である。
【図５】
非球面収集レンズとして設計された本発明による光学システムの特定の実施例の図である。
【図６】
円環状レンズとして設計された本発明による光学システムの特定の実施例の図である。
【図７】
光ファイバの端面が、円環状レンズの一部として設計され、したがって円環状レンズとして作用する、本発明による光学システムの特定の実施例の図である。
【図８】
収集レンズとして設計され、かつ光軸が、光源から遠距離において延びる、本発明による光学システムの特定の実施例の図である。
【図９】
光ファイバ自体の端面が凸形態を有し、したがって収集レンズとして作用し、その光軸が、光源から遠距離において延びる、本発明による光学システムの特定の実施例の図である。
【図１０】
光源に対面する底面を有する完全円錐として設計された、本発明による光学システムの特定の実施例の図である。
【図１１】
図１０の完全円錐が、光ファイバに埋め込まれている、本発明による光学システムの特定の実施例の図である。
【図１２】
光源に対面する先端を有する完全円錐として設計された、本発明による光学システムの特定の実施例の図である。
【図１３】
光ファイバの端面が、完全円錐形態として設計された、本発明による光学システムの特定の実施例の図である。
【図１４】
光ファイバの端面自体が、中空円錐形態として設計された、本発明による光学システムの特定の実施例の図である。
【図１５】
凸形態ファセット・レンズとして設計された、本発明による光学システムの特定の実施例の図である。
【図１６】
端部において開いている内向き反射中空管として設計された、本発明による光学システムの特定の実施例の図である。
【図１７】
端部において開いている内向き反射中空円錐として設計され、かつより小さい開口が光源と対面している、本発明による光学システムの特定の実施例の図である。
【図１８】
端部において開いている内向き反射中空円錐として設計され、かつより小さい開口が光源と対面している、本発明による光学システムの特定の実施例の図である。

Claims (34)

1. 光源からの光を媒体の中に結合する光学システムであって、反射または屈折によって光を媒体の中に向ける少なくとも１つの光偏向表面を備え、
   媒体に最大に生じる空間光強度を低減するために、光偏向表面の形態は、光源（１）の鮮明な像が、媒体（３）においてまたはその表面（１０、１１、１２、１３、１４、１５）上において形成されないようなものであることを特徴とする光学システム。
2. 光源から光導波路、特に光ファイバの中に光を結合する光学システムであって、光導波路（１）を伝播するような角度で光を導波路の中に注入するように、光を反射または屈折によって媒体の中に向ける少なくとも１つの光偏向表面を有し、
   光導波路（３）においてまたはその表面（１０、１１、１２、１３、１４、１５）上において最大に生じる光強度を低減するために、光偏向表面の形態は、光源（１）の鮮明な像が形成されないようなものであることを特徴とする光学システム。
3. 請求項１または２に記載の光学システムであって、
   光学システムは、媒体（３）の不可欠な部分であり、そして光偏向表面として機能する媒体（３）の表面（１１、１２、１３、１４、１５）の形態（２０２、２０４、２０５、２０７、２１２）によって作成されるか、またはそのような形態を有することを特徴とするシステム。
4. 請求項１または２に記載の光学システムであって、
   光偏向表面は、光源（１）の点が媒体（３）においてまたはその表面（１０、１１、１２、１３、１４、１５）上において鮮明には撮像されないような形態を有することを特徴とする光学システム。
5. 請求項１乃至３のいずれかに記載の光学システムであって、
   光偏向表面の形態が、光源（１）の各点の像が本質的に焦線（２１乃至２６、２９乃至３３、３５乃至３７）または焦点面であるようなものであることを特徴とする光学システム。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の光学システムであって、
   光学システムは、アクシコン（１０３、１０６、１０７、１０９、１１０、１１６）である、またはアクシコン（１０３、１０６、１０７、１０９、１１０、１１６）を有することを特徴とする光学システム。
7. 請求項１または２に記載の光学システムであって、
   光学システムは、光源（１）を光学システムと媒体（３）の表面（１０）との間に完全に位置する像に撮像する収集レンズ（１０１）である、または前記収集レンズ（１０１）を有する、あるいは、光源（１）を光学システムと媒体（３）の表面（１０）との間に完全に位置する像に撮像する凹ミラーである、または前記凹ミラーを有することを特徴とする光学システム。
8. 請求項１または２に記載の光学システムであって、
   光学システムは、発散レンズ（１０２）または凸ミラーである、あるいは前記発散レンズ（１０２）または前記凸ミラーを有することを特徴とする光学システム。
9. 請求項１または２に記載の光学システムであって、
   媒体の表面（１１）は、発散レンズとして作用する凹形態（２０２）である、または前記凹形態（２０２）を有することを特徴とするシステム。
10. 請求項１または２に記載の光学システムであって、
    前記光学システムは、少なくとも１つの非球面を有する収集レンズ（１０３）である、または前記収集レンズ（１０３）を有することを特徴とする光学システム。
11. 請求項３に記載の光学システムであって、
    光学システムが、非球面収集レンズとして機能する媒体（３）の表面の非球面凸形態として設計されることを特徴とする光学システム。
12. 請求項１または２に記載の光学システムであって、
    前記光学システムは、円環状レンズ（１０４）である、または前記円環状レンズ（１０４）を有することを特徴とする光学システム。
13. 請求項３に記載の光学システムであって、
    光学システムが、円環状レンズとして機能する媒体（３）の表面の環状形態（２０４）として設計される、またはそのような形態（２０４）を有することを特徴とする光学システム。
14. 請求項１または２に記載の光学システムであって、
    光学システムが、収集レンズ（１０５）または凹ミラーであるか、あるいはそのようなレンズまたはミラーを有し、光源（１）の各点がコマ（２７）として撮像されるような光源（１）からの遠距離で収集レンズ（１０５）または凹ミラーの光軸（１０５ａ）が延びるような形態を光偏向表面が有することを特徴とする光学システム。
15. 請求項３に記載の光学システムであって、
    光学システムが、収集レンズとして機能する媒体（３）の表面の凸形態（２０５）として設計され、またはそのような形態（２０５）を有しており、光源（１）の各点がコマ（２８）として撮像されるような光源（１）からの遠距離でその光軸（２０５）が延びるような形態を光偏向表面（１３）が有することを特徴とする光学システム。
16. 請求項１または２に記載の光学システムであって、
    光学システムは完全円錐（１０６）であるか、または前記完全円錐（１０６）を有しており、完全円錐（１０６）の底面（１０６ａ）が光源（１）と対面することを特徴とする光学システム。
17. 請求項１または２に記載の光学システムであって、
    光学システムは完全円錐（１１６）、または完全円錐（１１６）を有しており、完全円錐（１１６）の底面（１１６ａ）が光源（１）と対面し、完全円錐（１１６）が媒体（３）とは異なる屈折率を有し、完全円錐（１１６）の横表面全体が媒体（３）と接触するように媒体の内部に埋め込まれ、そして底面全体（１１６ａ）が媒体（３）とは接触しないことを特徴とする光学システム。
18. 請求項１または２に記載の光学システムであって、
    光学システムは透明な完全円錐（１０７）であり、または透明な完全角錐、あるいは透明な完全角錐を有しており、完全円錐（１０７）または完全角錐の先端（１０７ｂ）は光源（１）と対面していることを特徴とする光学システム。
19. 請求項１６乃至１８のいずれかに記載の光学システムであって、
    完全円錐（１０６、１０７、１１６）または完全角錐の底面は凸または凹の曲率を有することを特徴とする光学システム。
20. 請求項３に記載の光学システムであって、
    光学システムが、媒体（３）の表面の完全円錐形態（２０７）または完全角錐形態によって形成される、またはそのような形態を有することを特徴とする光学システム。
21. 請求項１または２に記載の光学システムであって、
    光学システムが、中空円錐切断（１１２）を有する円筒（１１１）で構成される、またはそのような円筒を有しており、中空円錐切断（１１２）の先端（１１２ｂ）が光源（１）から離れて対面することを特徴とする光学システム。
22. 請求項３に記載の光学システムであって、
    前記光学システムが媒体（３）の表面（１４）の中空円錐または中空角錐の形態（２１２）で構築される、またはそのような形態を含むことを特徴とする光学システム。
23. 請求項３に記載の光学システムであって、
    光学システムが、媒体（３）の表面の完全角柱または中空角柱の形態で構築される、またはそのような形態を有することを特徴とする光学システム。
24. 請求項１または２に記載の光学システムであって、
    光学システムが、複数の別個の面の部分表面（１０８ａ）からファセット化された表面を有する凸または凹レンズ（１０８）または凹ミラーであり、あるいはそのようなレンズ（１０８）またはそのような凹ミラーを有することを特徴とする光学システム。
25. 請求項３に記載の光学システムであって、
    光学システムが、複数の別個の面の部分表面からファセット化された媒体（３）の表面の凸形態または凹形態で構築され、またはそのような形態を有しており、この形態が凸または凹のファセット・レンズとして機能することを特徴とする光学システム。
26. 請求項１または２に記載の光学システムであって、
    光学システムが、凸または凹の円筒レンズ、あるいは凸または凹の円筒ミラーであり、あるいはそのようなレンズまたはミラーを有することを特徴とする光学システム。
27. 請求項３に記載の光学システムであって、
    光学システムが、円筒収集レンズまたは円筒発散レンズとして機能する媒体（３）の表面の凸円筒形態または凹円筒形態で構築され、またはそのような形態を有することを特徴とする光学システム。
28. 請求項１または２に記載の光学システムであって、
    光学システムが、端部において開き、１つの開口（１０９ａ）が光源（１）と対面する内向き反射中空管（１０９）、または前記反射中空管を有し、中空管（１０９）の内壁が光偏向表面として作用することを特徴とする光学システム。
29. 請求項１または２に記載の光学システムであって、
    光学システムが、端部において開いている内向き反射中空円錐（１１０）、またはそのような中空円錐を有し、中空円錐（１１０）の１つの開口が光源（１）と対面し、中空円錐（１１０）の内壁が光偏向表面として作用することを特徴とする光学システム。
30. 請求項１または２に記載の光学システムであって、
    光学システムが、外向き反射横表面を有する透明な完全円筒または完全円錐、あるいは前記完全円錐を有し、１つの端面が光源（１）と対面し、横表面の内側面が光偏向表面として作用することを特徴とする光学システム。
31. 請求項３０に記載の光学システムであって、
    完全円錐または完全円筒の１つまたは両方の端面が、凸または凹の曲率を有することを特徴とする光学システム。
32. 請求項３に記載の光学システムであって、
    前記光学システムが媒体（３）の表面の完全円錐形態で構築される、またはそのような形態を有することを特徴とする光学システム。
33. 請求項３２に記載の光学システムであって、
    完全円錐形態の端面が凸または凹の曲率を有することを特徴とする光学システム。
34. 請求項１乃至３０のいずれかに記載の光学システムであって、
    前記光学システムは少なくとも１つの追加のレンズを有することを特徴とする光学システム。

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