JP2007108396A - Light guide and optical irradiation apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光を伝達し被照射物を照射するライトガイドおよび該ライトガイドを含む光照射装置に関する。 The present invention relates to a light guide that transmits light and irradiates an irradiated object, and a light irradiation apparatus including the light guide.
従来、レーザ発振器等の発光体から放射された光を、被照射物の任意の位置に伝達するための手段としてライトガイドが用いられている。 Conventionally, a light guide has been used as a means for transmitting light emitted from a light emitter such as a laser oscillator to an arbitrary position of an irradiated object.
こうしたライトガイドは、通常、光ファイバ素線を単体で用いる場合と、複数の光ファイバ素線を束ね光ファイバ束として用いる場合とがあり、必要とする光の量や発光体の特性に応じて使い分けられている。 Such a light guide usually has a case where an optical fiber strand is used alone and a case where a plurality of optical fiber strands are bundled and used as an optical fiber bundle, depending on the amount of light required and the characteristics of the light emitter. It is used properly.
これらのうち光ファイバ束を用いる場合は、その端部を集束し固化する必要があり、一般的には有機系または無機系接着剤、あるいは低融点ガラスによってそれぞれの光ファイバ素線を固着する方法が用いられている。 Of these, when using an optical fiber bundle, it is necessary to condense and solidify the ends, and generally a method of fixing each optical fiber strand with an organic or inorganic adhesive or low melting point glass Is used.
しかしながら、レーザ加工機や高出力のランプを用いた装置においては、発光体から放射された強力な光を入射するため、その端部の耐熱性を高める必要があり、高周波加熱あるいは酸水素バーナー等の加熱手段等により、外部から熱を加え光ファイバ素線自体を溶融し、互いに融着する方法が知られている。 However, in a laser processing machine or an apparatus using a high-power lamp, it is necessary to increase the heat resistance of the end portion because strong light emitted from the light emitter is incident, such as high-frequency heating or an oxyhydrogen burner. There is known a method in which heat is applied from the outside by the above heating means to melt the optical fiber strands themselves and fuse them together.
ここで、上記のように、光ファイバ束の端部を外部より熱を加えて融着する方法としては、特許文献1に示される方法が挙げられる。
Here, as described above, as a method of fusing the ends of the optical fiber bundle by applying heat from the outside, a method disclosed in
この特許文献1は、多数本からなる石英系光ファイバ素線の端部を集束して、この集束した端部をガラス管内に挿入した後、ガラス管の外周から熱を加えて、ガラス管、各光ファイバ素線を融着すると共に、これらガラス管と各光ファイバ素線相互の間隙を減少または消去する方法を示している。
This
したがって、上記方法で製造されたライトガイドは、熱に弱い接着剤を用いずとも各光ファイバ素線がしっかり固着されたライトガイド端末部が形成できるようになり、大光量伝送を目的とした大型光源等からの熱に対しても、当該端末部の十分な耐熱性が確保できる。 Therefore, the light guide manufactured by the above method can form a light guide terminal portion to which each optical fiber is firmly fixed without using a heat-sensitive adhesive, and a large-sized light transmission for large light transmission. Sufficient heat resistance of the terminal portion can be secured against heat from a light source or the like.
また、当該端末部における光ファイバ素線間の間隙を減少又は消去するようにしているので、その端面におけるコア占有率が高まり、光源に対する光入射効率を高めることもできる。 In addition, since the gap between the optical fiber strands in the terminal portion is reduced or eliminated, the core occupancy at the end face is increased, and the light incident efficiency with respect to the light source can be increased.
しかしながら、上記した方法により形成された融着部は、光ファイバ素線自体が概六角形に変形することにより光ファイバ素線間の間隙が減少または消去されるため、融着された部分の光ファイバ束の径は、融着されていない部分の光ファイバ束の径と比較して、光ファイバ素線間の減少または消去された間隙の割合だけ小さくなる。 However, in the fused portion formed by the above-described method, the gap between the optical fiber strands is reduced or eliminated by the optical fiber strand itself being deformed into a substantially hexagonal shape. The diameter of the fiber bundle is reduced by the ratio of the reduction or erased gap between the optical fiber strands as compared to the diameter of the optical fiber bundle in the unfused portion.
この結果、ライトガイド端末部において、光ファイバ束の外周部に近い位置に配置した光ファイバ素線は、融着されていない部分(光ファイバ束の末端から遠い側)から融着された部分(光ファイバ束の末端側)にかけて、その中心軸が光ファイバ束の中心軸の方向に傾くこととなり、この傾きは光ファイバ素線が光ファイバ束の中心軸から遠ざかるほど大きく、反対に、光ファイバ束の中心軸へ近づくほど小さくなり、概ね光ファイバ束の中心軸上では、光ファイバ素線の中心軸と光ファイバ束の中心軸は平行となる。 As a result, in the light guide terminal portion, the optical fiber arranged at a position close to the outer peripheral portion of the optical fiber bundle is a portion fused from an unfused portion (the side far from the end of the optical fiber bundle) ( The central axis of the optical fiber bundle is inclined in the direction of the central axis of the optical fiber bundle, and this inclination increases as the optical fiber strand moves away from the central axis of the optical fiber bundle. The closer to the central axis of the bundle, the smaller, and the central axis of the optical fiber strand and the central axis of the optical fiber bundle are substantially parallel on the central axis of the optical fiber bundle.
図2に示すように、ライトガイド端末の融着部を、ライトガイド端末部における光ファイバ束の中心軸と垂直に交わる平面Aで切断し研磨した場合には、図4に示すように、光ファイバ素線の中心軸14は、それぞれの光ファイバ素線の端面32に対して垂直ではなくなるため、このような端面32に垂直に入射する光50は、端面32に入射後、光ファイバ素線の中心軸14に沿って進むことができずに、光ファイバ素線10を構成するクラッド12の内面で全反射を繰り返し、光ファイバ素線の出射端面36に到達する。
As shown in FIG. 2, when the fused portion of the light guide terminal is cut and polished along a plane A perpendicular to the central axis of the optical fiber bundle in the light guide terminal portion, as shown in FIG. Since the
この結果、ライトガイドの出射端部から出射する光は、光ファイバ束の中心軸に対して傾きを有する光を含むこととなり、ライトガイドの入射端に入射する光の入射角度を維持することができないという問題を有していた。 As a result, the light emitted from the light guide emission end includes light having an inclination with respect to the central axis of the optical fiber bundle, and the incident angle of the light incident on the light guide incident end can be maintained. Had the problem of not being able to.
本発明は、このような事情のもとで、光ファイバ束の端部に融着部を有するライトガイドにおいて、光ファイバ束に入射する光を、光ファイバ素線の中心軸に平行に取り込むことが可能なライトガイドおよび該ライトガイドを含む光照射装置を提供することを目的とするものである。 Under such circumstances, the present invention captures light incident on an optical fiber bundle in parallel with the central axis of the optical fiber in a light guide having a fused portion at the end of the optical fiber bundle. It is an object of the present invention to provide a light guide capable of performing light irradiation and a light irradiation apparatus including the light guide.
上記目的を達成する、本発明は、
(1)複数の光ファイバ素線からなり少なくとも光入射側の端部が熱融着された光ファイバ束を含み、
光ファイバ束の中心軸より外側に位置する各光ファイバ素線の中心軸が、前記熱融着された光ファイバ束端部において、光ファイバ束の中心軸に対して傾きを有し、
光ファイバ束の光入射端面の形状が、凹面形状であることを特徴とするライトガイド、
(2)前記凹面形状が球面形状である上記(1)に記載のライトガイド、
(3)前記光ファイバ素線の少なくとも一部は、光ファイバ素線の光入射面と該光入射面に入射する光に直交する面とが形成する角度θ2が、
θ2=cot−1(cotθ1−(n2/(n1sinθ1)))
〔但し、θ1は、光ファイバ素線の光入射面に入射する光と、光ファイバ素線の中心軸とが形成する角度であり、n1は、光ファイバ素線を構成するコアの屈折率であり、n2は、光ファイバ素線外部の空間の屈折率である。〕
を満たすように光入射面を加工されたものである上記(1)または(2)に記載のライトガイド、
(4)光ファイバ素線が、石英、多成分ガラスまたはプラスチックからなるものである上記(1)〜(3)のいずれかに記載のライトガイド、および
(5)光を放射する発光体と、該発光体からの放射光を被照射物に照射するためのライトガイドとを含む光照射装置であって、前記ライトガイドが上記(1)〜(4)のいずれかに記載のライトガイドであることを特徴とする光照射装置
からなるものである。
To achieve the above object, the present invention provides:
(1) An optical fiber bundle comprising a plurality of optical fiber strands and at least an end portion on the light incident side is heat-sealed,
The central axis of each optical fiber positioned outside the central axis of the optical fiber bundle has an inclination with respect to the central axis of the optical fiber bundle at the end portion of the thermally fused optical fiber bundle,
The light guide characterized in that the shape of the light incident end face of the optical fiber bundle is a concave shape,
(2) The light guide according to (1), wherein the concave shape is a spherical shape,
(3) At least a part of the optical fiber strand has an angle θ2 formed by a light incident surface of the optical fiber strand and a surface perpendicular to the light incident on the light incident surface,
θ2 = cot −1 (cot θ1− (n2 / (n1sin θ1)))
[However, θ1 is the angle formed by the light incident on the light incident surface of the optical fiber and the central axis of the optical fiber, and n1 is the refractive index of the core constituting the optical fiber. Yes, n2 is the refractive index of the space outside the optical fiber. ]
The light guide according to (1) or (2), wherein the light incident surface is processed so as to satisfy
(4) The light guide according to any one of (1) to (3) above, wherein the optical fiber is made of quartz, multicomponent glass or plastic, and (5) a light emitter that emits light, A light guide for irradiating an irradiated object with light emitted from the light emitter, wherein the light guide is the light guide according to any one of (1) to (4) above. It consists of the light irradiation apparatus characterized by the above.
本発明によれば、光ファイバ束の端部を融着により固化したライトガイドであって、光ファイバ束に入射する光を、光ファイバ素線の中心軸に平行に取り込むことが可能なライトガイドおよび該ライトガイドを含む光照射装置を提供することができる。 According to the present invention, a light guide in which an end portion of an optical fiber bundle is solidified by fusion, the light guide capable of taking light incident on the optical fiber bundle in parallel with the central axis of the optical fiber strand. And the light irradiation apparatus containing this light guide can be provided.
以下に、本発明に係るライトガイドおよび光照射装置の実施形態を、図面を用いて詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一の要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、本明細書において数値を挙げて説明したものと必ずしも一致していない。 Hereinafter, embodiments of a light guide and a light irradiation apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In addition, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described with numerical values in this specification.
本発明のライトガイドは、
複数の光ファイバ素線からなり少なくとも光入射側の端部が熱融着された光ファイバ束を含み、
光ファイバ束の中心軸より外側に位置する各光ファイバ素線の中心軸が、前記熱融着された光ファイバ束端部において、光ファイバ束の中心軸に対して傾きを有し、
光ファイバ束の光入射端面の形状が、凹面形状であることを特徴とする。
図1(a)は、本発明のライトガイドの第1の実施態様における、ライトガイドの端末部構造を示す断面図である。
The light guide of the present invention is
An optical fiber bundle comprising a plurality of optical fiber strands and at least an end portion on the light incident side is heat-sealed,
The central axis of each optical fiber positioned outside the central axis of the optical fiber bundle has an inclination with respect to the central axis of the optical fiber bundle at the end portion of the thermally fused optical fiber bundle,
The shape of the light incident end face of the optical fiber bundle is a concave shape.
Fig.1 (a) is sectional drawing which shows the terminal part structure of the light guide in the 1st embodiment of the light guide of this invention.
ライトガイド1は、多数の光ファイバ素線10からなる光ファイバ束2およびスリーブ20により構成されており、光入射側の端末部を熱融着した後、融着部分を所定の位置で切断し、更に切断面に対して後述する凹面形状の加工を施したライトガイド端末部30を有している。
The
なお、光ファイバ素線10は、図1(b)に示すように高純度石英からなる外径190μmのコア11、石英にフッ素ドープを施した外径200μmのクラッド層12、及び紫外線硬化樹脂からなる外径220μmの被覆層13とにより構成されており、一方、スリーブ20には、光ファイバ素線10に用いられた石英と熱膨張係数、軟化温度が略等しい外径12mm、内径10mm、全長35mmの石英管を用いている。
As shown in FIG. 1B, the
次に、図1のライトガイドにおける光入射端面の形成方法を説明する。
図2に示すように、スリーブ20に、端部付近の被覆層13を溶剤により溶解除去した約2000本の光ファイバ素線10を、先端が5mmほど突き出る状態で挿入した後、スリーブ20の先端から約10mmの範囲を酸水素バーナーで加熱することにより、各光ファイバ素線10が軟化して相互に融着すると同時にスリーブ20とも融着一体化して、スリーブ20の外周面になだらかな段部21を有するライトガイド端末部30を形成する。
Next, a method for forming a light incident end face in the light guide of FIG. 1 will be described.
As shown in FIG. 2, after inserting about 2000
ここで、融着部31は、先端(図2の右側)に近い領域ほど各光ファイバ素線10相互の融着が密に行われているため、堅牢性が高くなるが、このような領域では、光ファイバ素線10のコア11とクラッド12の境界が軟化により不明瞭となる可能性があり、光を入射した際に、入射した光がコア11およびクラッド12の界面において乱反射し、ライトガイドとしての光の伝達効率が低下してしまう虞がある。
Here, the
このため、融着により形成されたライトガイド端末部30は、上記のコア11とクラッド12の境界が不明瞭となる部分を切断削除する必要があり、この切断位置は、スリーブ20内部の光ファイバ素線10が相互に融着した範囲で最も段部21に近い位置で行われる。
For this reason, it is necessary for the light
図2に示すライトガイド1ではこの位置を、融着部31のスリーブ20を含む外径が約11mmとなるAの位置とし、この位置で切断している。
In the
この結果、図3に示すように、光ファイバ素線10の中心軸14は、ライトガイド端末部30において、光ファイバ束2の中心軸33の方向に傾斜角θ1を有した状態で切断され、この傾斜角θ1はライトガイド端末部30において、光ファイバ束2の外周付近に配置された光ファイバ素線10ほど大きく、逆に光ファイバ束2の中心軸33へ近づくほど小さくなり、中心軸33付近の光ファイバ素線の中心軸14は、ライトガイド端末部30における光ファイバ束2の中心軸33とほぼ平行になる。
As a result, as shown in FIG. 3, the
図4に示すように、切断面32に垂直に光50を入射した場合、入射後の光51は、光ファイバ素線10の中心軸14と入射光50との傾きであるθ1と等しいθ1a傾いた角度で全反射を繰り返しながら伝播し、出射端面36において、屈折により光ファイバ素線の中心軸14との角度を更に拡大して、θ3の角度で出射する。
As shown in FIG. 4, when
後述するように、本実施態様において、ライトガイド1は、ライトガイド端末部30の切断面32に所定の凹面加工を施すことにより、光ファイバ素線10の入射端面に、上述した傾斜角θ1による影響を補償する傾斜角θ2を設け、光ファイバ素線10に入射する光が、光ファイバ素線の中心軸14に平行に取り込めるようにしたものであり、この傾斜角θ2は、中心軸14の傾斜角θ1より求めることができるものである。
As will be described later, in the present embodiment, the
ここで、傾斜角θ1を求める方法と、求められた傾斜角θ1から傾斜角θ2を導き出す方法とを説明する。 Here, a method for obtaining the inclination angle θ1 and a method for deriving the inclination angle θ2 from the obtained inclination angle θ1 will be described.
図5は傾斜角θ1を測定するための、装置構成を示している。
この測定装置は、被測定用のライトガイド101にビーム径を整形したレーザ光140を入射し、出射する光141の出射角度θ3(図4のθ3に対応する)を測定することにより、光入射端面における傾斜角θ1を求めるものである。
FIG. 5 shows an apparatus configuration for measuring the tilt angle θ1.
This measuring apparatus enters a
なお、ライトガイド101は、入射端面101aを上述の手順に従って融着した後、図2のAの位置で切断し平面研磨を行ったものであり入射端面での光ファイバ束の外径は9mmとなっている。
また光出射端面101bは、熱融着に代わって有機系の接着剤により固着し、光入射端面101aと同様に平面研磨を施してある。
The
The light emitting
この入射端面101aに、He−Cdレーザ発振器110からの放射光を、スリット120によりビーム径0.5mmに整形したレーザ光140を入射する。
A
レーザ光140の光入射端面101aへの入射位置は、入射端面101aを光ファイバ束の半径方向に延びるX1軸に沿って1mmづつ移動したものであり、それぞれの入射位置における光出射端面101bより出射した光の強度分布は、光出射端面101bより150mm離れた位置へ光強度計130を設置し、この光強度計130をライトガイド101の中心軸に直行するX2軸に沿って移動させることにより、測定したものである。
The incident position of the
図6に示すように、測定した光強度分布は二つのピークを有する形状となるため、このピーク間の距離Dから、図5の光出射端面101bより出射した光の傾き角度θ3を、式1により計算することができる。
θ3=tan−1(D/2)/L・・・式1
(但し、Dは測定した光強度分布図における二つのピーク間の距離、Lは出射端面より光強度計130が設置されている面までの距離)
As shown in FIG. 6, since the measured light intensity distribution has a shape having two peaks, the inclination angle θ3 of the light emitted from the light emitting
θ3 = tan −1 (D / 2) /
(However, D is the distance between two peaks in the measured light intensity distribution diagram, and L is the distance from the exit end face to the face where the
次に、上で求めた角度θ3より、図4に示す、光ファイバ素線内を伝播する光51の角度θ1a及び傾斜角θ1を求める。
ここで、図4の出射端面36における出射前の光51と出射後の光52の関係はスネルの法則より、
n1sinθ1a=n2sinθ3
(但し、n1はコアの屈折率、n2は光ファイバ素線10外部の空間の屈折率)
が成り立つため、光ファイバ素線内を伝播する光51の角度θ1aは、
θ1a=sin−1((n2/n1)×sinθ3)
となる。
また、光ファイバ素線10の中心軸14の傾斜角θ1は、図4より上記の光ファイバ素線内を伝播する光51の角度θ1aと等しい角度であるから、
θ1=θ1a=sin−1((n2/n1)×sinθ3)・・・式2
となる。
Next, the angle θ1a and the inclination angle θ1 of the light 51 propagating through the optical fiber shown in FIG. 4 are obtained from the angle θ3 obtained above.
Here, the relationship between the light 51 before emission and the light 52 after emission on the emission end face 36 in FIG.
n1sin θ1a = n2sin θ3
(Where n1 is the refractive index of the core and n2 is the refractive index of the space outside the optical fiber 10)
Therefore, the angle θ1a of the light 51 propagating in the optical fiber is
θ1a = sin −1 ((n2 / n1) × sin θ3)
It becomes.
In addition, the inclination angle θ1 of the
θ1 = θ1a = sin −1 ((n2 / n1) × sin θ3)
It becomes.
例として、図6に示す測定結果を基に具体的にθ1を求めると、以下のとおりとなる。図6は、レーザ光140の入射位置を入射端面101aの中心よりX1軸に沿って4mm離れた位置とした場合の出射光の光強度分布を示すものである。
図6においては、横軸がX2軸に沿った距離を示しており、縦軸が光強度の相対値を示している。
As an example, when θ1 is specifically obtained based on the measurement result shown in FIG. 6, it is as follows. FIG. 6 shows the light intensity distribution of the emitted light when the incident position of the
In FIG. 6, the horizontal axis indicates the distance along the X2 axis, and the vertical axis indicates the relative value of the light intensity.
図6より、二つのピークは、35mmの距離を隔てて位置しており、このピーク間距離D=35mmと、出射端面から光強度計130までの距離L=150mmを式1に代入することにより、出射光の傾きθ3が約6.65°であることを求めることができる。
As shown in FIG. 6, the two peaks are located at a distance of 35 mm. By substituting the distance D between the peaks D = 35 mm and the distance L = 150 mm from the emission end face to the
ここで、光ファイバ素線10を構成するコアの屈折率n1は約1.5であるから、式2より、光ファイバ素線の中心軸14の傾斜角θ1は4.43°であることが分かる。
Here, since the refractive index n1 of the core constituting the
以上、融着により傾斜した光ファイバ素線の傾斜角θ1を求める方法を説明したが、次に、図7を用いて、この傾きθ1による出射角θ3への影響を補償するための光入射面15の傾斜角θ2を求める方法を説明する。 The method for obtaining the inclination angle θ1 of the optical fiber strand inclined by the fusion has been described above. Next, referring to FIG. 7, the light incident surface for compensating the influence of the inclination θ1 on the emission angle θ3. A method for obtaining the inclination angle θ2 of 15 will be described.
図7は、その中心軸14が光入射面15に入射する光(光ファイバ束の中心軸と平行に入射する光)50に対して傾斜角θ1を有し、光入射面15と該光入射面15に入射する光50に直交する面61に対して傾斜角θ2を有する光ファイバ素線10と、入射後の光51の伝播状態を示すものである。
In FIG. 7, the
破線16は光入射面15と直交する直線であり、この交点に入射前の光50が破線16に対して入射角θ5の角度で入射する。入射後の光51が光入射面15で屈折し、光ファイバ素線の中心軸14に沿って伝播しているとすると、入射前の光50と入射後の光51の関係は、スネルの法則により式3を満たすこととなる。
n1sinθ4=n2sinθ5・・・・・式3
A
n1sin θ4 = n2sin θ5 Equation 3
ここで、n1はコアの屈折率、n2は光ファイバ素線10外部の空間の屈折率である。また、θ4は、入射後の光51の屈折角であり、入射前の光50の入射角θ5から傾きθ1を指し引いた値と等しくなることから、式3は、
n1sin(θ5−θ1)=n2sinθ5・・式4
のように、入射角θ5とθ1の関係式に置き換えることができる。
また、入射前の光50に直交する面61に対する光入射面15の傾きである傾斜角θ2は、入射前の光50の入射角θ5と等しいため、θ5をθ2に置き換え、式5で現すことができる。
n1sin(θ2−θ1)=n2sinθ2・・式5
この結果、傾斜角θ2は、
θ2=cot−1(cotθ1−(n2/(n1sinθ1)))・・式6
により求めることができる。
Here, n1 is the refractive index of the core, and n2 is the refractive index of the space outside the
n1sin (θ5-θ1) = n2sinθ5
Thus, the relational expression of the incident angles θ5 and θ1 can be substituted.
In addition, since the inclination angle θ2 that is the inclination of the
n1sin (θ2−θ1) = n2sinθ2
As a result, the inclination angle θ2 is
θ2 = cot −1 (cot θ1− (n2 / (n1sin θ1))).
It can ask for.
先に求めたθ1=4.43°と、n1=1.5、n2=1.0を式6に代入することにより、θ2=13.16°を得ることができ、光ファイバ束の光入射端面の中心より4mm離れた位置における、光ファイバ素線の入射面の傾きを13.16°にすることにより、該位置において光ファイバ素線に入射した光を、光ファイバ素線の中心軸に沿って取り込めることがわかる。
なお、θ2をより簡便に求めるために、上記式6を導出するにあたり、適宜公知の近似式等を用いて式6を簡略化し、これを用いてもよい。
By substituting the previously determined θ1 = 4.43 °, n1 = 1.5, and n2 = 1.0 into Equation 6, θ2 = 13.16 ° can be obtained, and the light incident on the optical fiber bundle By setting the inclination of the incident surface of the optical fiber strand at a position 4 mm away from the center of the end face to 13.16 °, the light incident on the optical fiber strand at the position is made the central axis of the optical fiber strand. You can see that it can be taken along.
In order to obtain θ2 more easily, when deriving the above equation 6, the equation 6 may be simplified as appropriate using a well-known approximate equation or the like and used.
図8(a)には、図5におけるレーザ光140の入射位置を、入射端面101aの中心からX1軸に沿って、それぞれ1mm、2mm、3mm、4mmとしたときの、θ1とθ2を示す。
図8には、入射端面101aの中心軸から1mmづつ離れた点におけるθ1とθ2を示したが、入射端面101aの中心からX1軸に沿って測定箇所を増やし、各測定点において求められたθ2に従って、光ファイバ素線の光入射面を加工することがより好ましい。
FIG. 8A shows θ1 and θ2 when the incident position of the
FIG. 8 shows θ1 and θ2 at
本実施態様において、ライトガイド1は、上述の融着されたライトガイド端末部30の切断面32に、その中心軸33を中心として同心円状に傾斜角θ2を設けたものであり、その形状は、図8(b)に示すように、中心軸33から外周部に近づくに従って傾きが大きくなる非球面34となる。図8(b)に示すライトガイドにおいては、入射端面101aの中心軸から1mmづつ離れた点以外にも、入射端面101aの中心からX1軸に沿って複数の位置でθ2を測定し、各測定点において得られたθ2に従って、光ファイバ素線の光入射面を加工している。
In the present embodiment, the
このような非球面34の凹面加工を行う装置としては、加工自由度の高い数値制御による超精密加工機等を用いて行うが、加工面の鏡面度を高めるためにELID研削法を用いることもできる。
As an apparatus for processing such a concave surface of the
以上、本実施態様のライトガイド1の融着部31に施した加工形状について説明を行ったが、次に、上記ライトガイドの光入射端面全面にレーザ光を入射した際の、出射端面より出射される光の強度分布について、図9、図10を用いて説明する。
The processing shape applied to the fused
図9に示す装置は、ライトガイドの光入射端面に均一なレーザ光が入射されるように、図5の装置のスリット120に代わってビームエキスパンダ150を設けたものであり、ライトガイド1の光入射端面32、34全面にレーザ光を入射し、ライトガイド1の光出射端面36より150mm離れた位置の光強度分布を、光強度計120を用いて測定した。
The apparatus shown in FIG. 9 is provided with a
図10は、上記装置により測定したライトガイド1からの出射光の強度分布を示すものであり、実線は、光入射端面に非球面加工を施したライトガイドにレーザ光を入射した際の出射光の強度分布を示し、破線は、入射端面に非球面加工を施していない従来のライトガイドにレーザ光を入射した際の出射光の強度分布を示している。
FIG. 10 shows the intensity distribution of the emitted light from the
実線で表した、光入射端面に非球面加工を施したライトガイドの光強度分布と、破線で示した、光入射端面に非球面加工を施していないライトガイドの光強度分布を比較すると、光入射端面に非球面加工を施したライトガイドは、出射光が拡散せずに比較的狭い範囲を照射していることが分かる。また、照射されている中心部分の光強度も非球面加工を施していないライトガイドと比較して約4倍高いことが分かる。 Comparing the light intensity distribution of the light guide with aspherical processing on the light incident end surface, shown by the solid line, and the light intensity distribution of the light guide with non-spherical processing on the light incident end surface, shown by the broken line, It can be seen that the light guide with the aspherical surface on the incident end face irradiates a relatively narrow range without the emitted light being diffused. Also, it can be seen that the light intensity of the irradiated central portion is about four times higher than that of the light guide not subjected to aspherical processing.
以上説明した通り、本実施態様のライトガイドによれば、融着されたライトガイド端末部の切断面に、光ファイバ素線の中心軸の傾きによる影響を補償するための傾斜角θ2を、光ファイバ束の中心軸を中心として同心円状に設けることにより、ライトガイド端末部における光ファイバ束の中心軸と平行に入射する光を、各光ファイバ素線の中心軸に平行に取り込むことが可能となるため、光ファイバ束の出射端面での光の拡散を抑えることが可能となる。
なお、本実施態様においては、光ファイバ素線の光入射面への入射光を、光ファイバ束の中心軸と平行に入射する光を用いて説明したが、本発明のライトガイドにおける入射光は、必ずしも光ファイバ束の中心軸と平行に入射する光に限られるものではなく、光ファイバ束の中心軸に対して傾きを持った光や、光ファイバ素線の光入射面に集光される多くの角度成分を含む光である場合においても、同様の効果を得ることができる。なお、光ファイバ素線の光入射面に集光される多くの角度成分を含む光を利用する場合は、その中心となる光、あるいは、最も強度の強い光の入射角度を用いて、θ2を求めることが好ましい。
また、本発明のライトガイドは、光ファイバ素線の光入射面と該光入射面に入射する光に直交する面とが形成する角度θ2を必ずしも式6に一致させる必要はなく、後述する本発明の第2の実施態様に示すライトガイドのように、角度θ2を式6で求めた値に近似した角度とすることによっても、同様の効果を得ることができる。
As described above, according to the light guide of this embodiment, the inclination angle θ2 for compensating for the influence of the inclination of the central axis of the optical fiber is applied to the cut surface of the fused light guide terminal portion. By providing concentric circles around the central axis of the fiber bundle, it is possible to capture light incident parallel to the central axis of the optical fiber bundle at the light guide terminal portion in parallel to the central axis of each optical fiber. Therefore, it is possible to suppress the diffusion of light on the emission end face of the optical fiber bundle.
In the present embodiment, the incident light on the light incident surface of the optical fiber is described using light incident parallel to the central axis of the optical fiber bundle. However, the incident light in the light guide of the present invention is However, it is not necessarily limited to the light incident parallel to the central axis of the optical fiber bundle, but is condensed on the light incident surface of the optical fiber bundle or light inclined with respect to the central axis of the optical fiber bundle. Similar effects can be obtained even in the case of light including many angle components. When using light including many angle components collected on the light incident surface of the optical fiber, θ2 is set using the incident angle of the light at the center or the strongest light. It is preferable to obtain.
In the light guide of the present invention, the angle θ2 formed by the light incident surface of the optical fiber and the surface perpendicular to the light incident on the light incident surface does not necessarily match Equation 6, and a book described later. Similar effects can be obtained by setting the angle θ2 to an angle approximate to the value obtained by the expression 6 as in the light guide shown in the second embodiment of the invention.
図11は、本発明のライトガイドの第2の実施態様における、ライトガイドの端末部構造を示す断面図である。 FIG. 11 is a cross-sectional view showing the terminal structure of the light guide in the second embodiment of the light guide of the present invention.
本実施態様におけるライトガイドの光入射端面形状は、光ファイバ束融着後の切断面を、図11に点線で示す非球面34に近似した、半径30mmの球面形状35に加工したものであり、ライトガイドを構成する光ファイバ素線10およびスリーブ20は第1の実施態様に示したものと同一のものを用いた。
The light incident end face shape of the light guide in this embodiment is obtained by processing the cut surface after the optical fiber bundle fusion into a
ライトガイドの光入射端面をこのような形状に加工することにより、光ファイバ素線に取り込まれた光の、各光ファイバ素線の中心軸14に対する平行度は、非球面形状に加工したライトガイドと比較して若干低下し、光ファイバ束の光入射端面にレーザ光を入射した際の出射光の強度分布に関しても、図10の一点鎖線で示すようにピーク値が20%程度低下するが、図10に破線で示される光入射端面に球面加工を施していない従来のライトガイドのピークと比較すると、非球面加工を施したライトガイドと同様に、出射光が拡散せず、高い光強度が得られることが分かる。
By processing the light incident end face of the light guide into such a shape, the parallelism of the light taken into the optical fiber strand with respect to the
また、加工形状を球面とすることにより、従来の球面形状を有する研磨皿による研磨方法を用いても加工が可能であるため、加工コストを抑えることができる。 In addition, since the processing shape is spherical, processing can be performed even by using a polishing method using a conventional polishing dish having a spherical shape, so that the processing cost can be reduced.
なお、第1の実施態様および第2の実施態様で示したライトガイドにおいては、何れも石英から成る光ファイバ素線を用いたが、本発明のライトガイドは、多成分ガラスあるいはプラスチックからなる光ファイバ素線を用いたものにも適用することができる。
また、第1の実施態様および第2の実施態様では、光を放射する発光体としてレーザ発振器を用いて説明したが、これに限定されるものではなく、本発明のライトガイドは、発光体としてショートアークランプあるいはハロゲンランプ等を用いることもできる。
In the light guides shown in the first embodiment and the second embodiment, optical fiber strands made of quartz are used, but the light guide of the present invention is light made of multicomponent glass or plastic. The present invention can also be applied to those using fiber strands.
In the first embodiment and the second embodiment, the laser oscillator is used as the light emitter that emits light. However, the present invention is not limited to this, and the light guide of the present invention is used as a light emitter. A short arc lamp or a halogen lamp can also be used.
次に、本発明の光照射装置について説明する。
本発明の光照射装置は、光を放射する発光体と、該発光体からの放射光を被照射物に照射するためのライトガイドとを含むものであって、上記ライトガイドが本発明のライトガイドであることを特徴とする。
図12は、本発明の光照射装置の実施態様を示す図である。
本実施態様において、光照射装置はレーザ光を発振するレーザ発振器210と、レーザ光を集光するレンズ220と、集光された光を伝送するライトガイド230と、ライトガイド230より出射した光を被照射物Wに集光するための集光レンズ241と、この集光レンズ241を含む加工ヘッド部240により構成されている。
Next, the light irradiation apparatus of the present invention will be described.
The light irradiation device of the present invention includes a light emitting body that emits light, and a light guide for irradiating an object to be irradiated with light emitted from the light emitting body, and the light guide is the light of the present invention. It is a guide.
FIG. 12 is a diagram showing an embodiment of the light irradiation apparatus of the present invention.
In this embodiment, the light irradiation device includes a
レーザ発振器210としてはフラッシュランプを励起光源とする紫外光を放射するQスイッチYAGレーザが使用される。
As the
この光照射装置では、ライトガイド230の光入射端面230aにレーザ光が集光されるため、第1の実施態様におけるライトガイドと同様に、石英製光ファイバ素線からなる光ファイバ束の、光入射端部を融着したライトガイドが用いられており、ライトガイド230の光入射端面230aは図8に示すように非球面形状に加工されている。
In this light irradiation apparatus, since the laser light is focused on the light
このように入射端面が非球面形状に加工されているライトガイドを用いた場合には、ライトガイドから出射する光250は、入射端面に非球面加工が施されていないライトガイドと比較して、より小さな出射角度となるため、集光レンズ241もこの角度φに応じた小口径のもの用いることができ、加工ヘッド部240の大きさも、よりコンパクトなものとすることができる。
In this way, when a light guide whose incident end face is processed into an aspherical shape is used, the light 250 emitted from the light guide is compared with a light guide whose incident end face is not subjected to aspherical processing. Since the emission angle is smaller, the
なお、本実施態様で示した光照射装置は光を放射する発光体としてレーザ発振器を用いたが、これに限定されるものではなく、本発明の光照射装置は、発光体としてショートアークランプあるいはハロゲンランプ等を用いることもできる。 The light irradiation device shown in this embodiment uses a laser oscillator as a light emitter that emits light. However, the light irradiation device of the present invention is not limited to this. A halogen lamp or the like can also be used.
本発明のライトガイドは、光ファイバ束の端部を融着したものであって、ライトガイド端末部において、光ファイバ束に入射する光を、光ファイバ素線の中心軸と平行に取り込むことが可能であるため、該ライトガイドを含む光照射装置に好適に用いることができる。 The light guide of the present invention is obtained by fusing the ends of optical fiber bundles, and at the light guide terminal portion, the light incident on the optical fiber bundle can be taken in parallel to the central axis of the optical fiber strand. Since it is possible, it can be suitably used for a light irradiation apparatus including the light guide.
1 ライトガイド
2 光ファイバ束
10 光ファイバ素線
11 コア
12 クラッド層
13 被覆層
14 光ファイバ素線の中心軸
15 光入射面
16 光入射面と直交する直線
20 スリーブ
21 段部
30 ライトガイド端末部
31 融着部
32 端面
33 光ファイバ束の中心軸
34 非球面
35 球面
36 出射端面
101 ライトガイド
101a 光入射端面
101b 光出射端面
110 レーザ発振器
130 光強度計
DESCRIPTION OF
Claims (5)
光ファイバ束の中心軸より外側に位置する各光ファイバ素線の中心軸が、前記熱融着された光ファイバ束端部において、光ファイバ束の中心軸に対して傾きを有し、
光ファイバ束の光入射端面の形状が、凹面形状であることを特徴とするライトガイド。 An optical fiber bundle comprising a plurality of optical fiber strands and at least an end portion on the light incident side is heat-sealed,
The central axis of each optical fiber positioned outside the central axis of the optical fiber bundle has an inclination with respect to the central axis of the optical fiber bundle at the end portion of the thermally fused optical fiber bundle,
A light guide characterized in that the shape of the light incident end face of the optical fiber bundle is concave.
θ2=cot−1(cotθ1−(n2/(n1sinθ1)))
〔但し、θ1は、光ファイバ素線の光入射面に入射する光と、光ファイバ素線の中心軸とが形成する角度であり、n1は、光ファイバ素線を構成するコアの屈折率であり、n2は、光ファイバ素線外部の空間の屈折率である。〕
を満たすように光入射面を加工されたものである請求項1または2に記載のライトガイド。 At least a part of the optical fiber strand has an angle θ2 formed by a light incident surface of the optical fiber strand and a surface perpendicular to the light incident on the light incident surface,
θ2 = cot −1 (cot θ1− (n2 / (n1sin θ1)))
[However, θ1 is the angle formed by the light incident on the light incident surface of the optical fiber and the central axis of the optical fiber, and n1 is the refractive index of the core constituting the optical fiber. Yes, n2 is the refractive index of the space outside the optical fiber. ]
The light guide according to claim 1, wherein the light incident surface is processed so as to satisfy the above.
It is a light irradiation apparatus containing the light-emitting body which radiates | emits light, and the light guide for irradiating a to-be-irradiated object with the emitted light from this light-emitting body, Comprising: The said light guide is in any one of Claims 1-4. A light irradiation apparatus characterized by being a light guide.
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