JP2007133239A - コリメータ及びそれを用いた光学フィルタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバ束を用いた伝送系においても良好なコリメート特性を有するコリメータを実現する。また光ファイバ束による伝送系を用いて、損失特性や分光透過率の特性が安定した光フィルタ装置を実現し、極微小光量を高精度で扱うことができるようにする。
【解決手段】光ファイバ束２２から出射する発散光をコリメータレンズ２４を介して平行光に変換するコリメータである。多モード光ファイバ２０を多数束ねて１本の光伝送路とした光ファイバ束とコリメータレンズとの間に大口径光ファイバ２６を配置する。前記大口径光ファイバのコア断面は光ファイバ束を構成している光ファイバのコアの存在範囲より大きく、且つ光ファイバ束の各光ファイバからの発散光の光束群が前記大口径光ファイバによって一つの光束となるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ束の個々の光ファイバから出射する発散光をコリメータレンズを介して平行光に変換するコリメータに関し、更に詳しく述べると、多モード光ファイバを多数束ねて１本の光伝送路とした光ファイバ束とコリメータレンズとの間に大口径光ファイバを配置した構造のコリメータ及びそれを入射側に組み込んだ光学フィルタ装置、光計測装置に関するものである。

光ファイバコリメータは、図６のＡに示すように、光ファイバ１０から出射する発散光をコリメータレンズ１２を介して平行光に変換する装置であり、光ファイバ１０の光出射端面をコリメータレンズ１２の焦点位置に配置することにより平行光を得ている。このような光ファイバコリメータは、各種光学フィルタを光ファイバによる伝送光学系に挿入する場合などに広く用いられている。例えば誘電体多層膜による干渉を利用した波長選択フィルタを光ファイバを用いる光伝送路中に挿入する場合は、上記の光ファイバコリメータを２台、対向配置して調心し、両者の間に干渉膜フィルタを挿入する（例えば特許文献１参照）。この構成によって、一方の光ファイバから入射した光は、光学フィルタの分光透過特性にしたがって所定の波長における強度が変化し、他方の光ファイバに結合する。

このような光ファイバコリメータは、主に光通信で使用するような近赤外の単一モード光ファイバあるいはＧＩ５０などの多モード光ファイバを用いる伝送系では特に問題はなく使用されていた。

一方、光ファイバコリメータは光計測分野でも使用されている。例えば、物質に励起光を照射し、発生する蛍光などを計測評価する蛍光計測装置においても、特定の波長の蛍光の強度を測定するために光学フィルタが使用されており、コリメート機能が必要とされる（例えば特許文献２参照）。このような蛍光計測装置においては、励起光を光ファイバで試料付近まで伝送し、光ファイバから出射した励起光を結合レンズで集光して試料に照射し、励起光の照射によって発生した蛍光が結合レンズによって受光用光ファイバに結合する。光ファイバで伝送された蛍光から、測定に必要な波長成分を光学フィルタによって切り出す。受光用光ファイバを出射した光は、第１のコリメータレンズで平行光に変換されて光学フィルタに入射する。光学フィルタを透過した成分は、第２のコリメータレンズで集光され、再度、光ファイバに結合されて光検出器（光電子増倍管やアバランシェフォトダイオードなど）に導かれる。

最近、蛍光計測装置などの分野では、光ファイバの開口径を大きくとるとともに光ファイバの余長処理に必要な柔軟性を確保するために、光ファイバ束と呼ばれる多モードの光ファイバを多数束ねて１本の光伝送路として使用する系が増えてきている。しかし、そのような光ファイバ束を用いる伝送系では、従来の光ファイバコリメータを用いたのでは良好なコリメート光を得ることができないという問題が生じる。

従来の光ファイバコリメータでは、コリメータレンズの中心軸と光ファイバの中心軸を同一線上に配置できるため、基本的に光ファイバを出射した光束は、コリメータレンズの光軸上を進むことができ、光束を平行にすることのみを考慮して光ファイバとコリメータレンズを配置すれば十分であった。しかし、光ファイバ束による伝送系では、図６のＢに示すように、光ファイバ束１４の中心に位置する光ファイバ１０ａとコリメータレンズ１２の中心軸を一致させると、周辺に位置する光ファイバ１０ｂとコリメータレンズ１２の中心軸を一致させることはできず、結果的に中心の光ファイバ１０ａを除く多くの軸ずれした光ファイバ１０ｂの発散光をコリメータレンズ１２で平行光にすることになるため、各光ファイバの発散光をそれぞれ平行光にしたとしても、軸ずれした複数の平行光が生成してしまい、良好なコリメート光を得ることができないのである。このため、コリメータ対の間に光学フィルタを挿入した系を構成した場合、光軸に対して斜めに進む光が損失の原因になり、一組のコリメータ対の間での光の結合損失が非常に大きくなる。特に光学フィルタがバンドパスフィルタの場合には、斜めに進む光に対しては誘電体多層膜フィルタは設計から特性がずれるため、カットオフ特性が悪くなる。
特開昭６２−７５６０６号公報 特開平１１−３２６２１０号公報

本発明が解決しようとする課題は、光ファイバ束を用いた伝送系においても良好なコリメート特性を有するコリメータを実現することである。また、本発明が解決しようとする他の課題は、光ファイバ束を用いた伝送系を用いて、損失特性や分光透過率の特性が安定した光フィルタ装置を実現し、更には極微小光量を高精度で扱うことができる光計測装置を実現することである。

本発明は、光ファイバ束から出射する発散光をコリメータレンズを介して平行光に変換するコリメータにおいて、多モード光ファイバを多数束ねて１本の光伝送路とした光ファイバ束とコリメータレンズとの間に大口径光ファイバ（光ファイバ束を構成する光ファイバより径が大きな光ファイバ）を配置し、前記大口径光ファイバのコア断面は光ファイバ束を構成している光ファイバのコアの存在範囲より大きく、且つ光ファイバ束の各光ファイバからの発散光の光束群が前記大口径光ファイバによって一つの光束となるようにしたことを特徴とするコリメータである。

大口径光ファイバのＮＡ（開口数）が光ファイバ束を形成している光ファイバのＮＡと等しいかあるいはそれよりも大きく、光ファイバ束の端面と大口径光ファイバの一方の端面とが機械的に接している構造が好ましい。また大口径光ファイバは、そのコア断面が円形であり、その直径は光ファイバ束で円周上に配列されている光ファイバのコアに外接する円の直径に等しいかあるいはそれよりも大きく、許容曲げ半径以上の曲率半径で１／２回以上巻かれた状態とするのが好ましい。これらにおいて、光ファイバ束を形成している多数の光ファイバは、例えばその１本の光ファイバが中心に位置し、それを取り囲むように残りの光ファイバが円周上に配列されているようにする。

また本発明は、それぞれコリメータレンズを備えた２組のコリメータが対向配置され、それらコリメータレンズ同士の間に光学フィルタが挿入されている構造の光学フィルタ装置であって、少なくとも入射側には、上記のようなコリメータが用いられている光学フィルタ装置である。出射側コリメータにも大口径光ファイバを組み込むことができ、その場合には、光学フィルタから出射した光が入射するコリメータの大口径光ファイバのコア断面は、光学フィルタに光を入射するコリメータの大口径光ファイバのコア断面と形状が相似で面積が等しいか、あるいはそれよりも大きくする。

更に本発明は、これらの光学フィルタ装置と、該光学フィルタ装置に被測定光を入射するための光学系、及び前記光学フィルタ装置から出射する光を検出するための光学系を備えている光計測装置である。

本発明のコリメータは、光ファイバ束とコリメータレンズとの間に大口径光ファイバ（導光体）を挿入し、大口径光ファイバのコア径を光ファイバ束を構成するすべての光ファイバのコアが存在する範囲より大きくしたことにより、光ファイバ束から出射する発散光の光束群が効率よく大口径光ファイバに入射し、複数の光ファイバから入射した光が出射する際に、一つの光束となり良好なコリメート光が得られる。

また、大口径光ファイバの開口数（ＮＡ）を光ファイバ束を構成する光ファイバのＮＡと同じか、それよりも大きくし、更に光ファイバ束と大口径光ファイバの端面が機械的に接するようの構成すると、光ファイバ束から出射する光がより一層効率よく大口径光ファイバに入射するため、結合効率が改善する。更に、大口径光ファイバを所定の曲率半径で１／２回以上巻いた状態とすると、直線状の場合よりも、より短い長さで光束の強度分布の整形を効率よく行うことが可能になり、短い大口径光ファイバで、入射するときの光ファイバ束の光分布を実質的に補償する効果が得られる。

本発明のコリメータは、光ファイバ束の複数の光ファイバから出射する光を効率よく伝達でき且つ良好なコリメート光が得られるので、極微小光量を扱う光計測装置に最適な光学フィルタ装置を実現でき、高性能の光計測装置を実現できる。

本発明に係るコリメータの典型的な例を図１に示す。多モード光ファイバ２０を多数束ねて１本の光伝送路とした光ファイバ束２２とコリメータレンズ２４との間に大口径光ファイバ２６を配置する。これによって、光ファイバ束２２の各光ファイバ２０から出射する発散光が大口径光ファイバ２６で導光され、コリメータレンズ２４によって平行光に変換される。ここで、大口径光ファイバ２６のコア断面は光ファイバ束２２を構成している光ファイバ２０のコアの存在範囲より大きくする。これによって、光ファイバ束から出射する光が効率よく大口径光ファイバに入射するため、結合効率が改善する。また、大口径光ファイバは、光ファイバ束の各光ファイバからの発散光の光束群が前記大口径光ファイバによって一つの光束が得られる。つまり、大口径光ファイバが入射する複数の光線の混合素子として働き、大口径光ファイバを出射するときの光分布が入射するときの光ファイバ束の光分布を実質的に補償し、良好なコリメート光が得られる。

大口径光ファイバのＮＡが光ファイバ束を形成している光ファイバのＮＡと等しいかあるいはそれよりも大きくする。また光ファイバ束の端面と大口径光ファイバの一方の端面とが機械的に接している構造が好ましい。このようにすると、光ファイバ束から出射する光が効率よく大口径光ファイバに入射するため、結合効率がより一層改善される。

大口径光ファイバは、そのコア断面が円形であり、その直径は光ファイバ束で円周上に配列されている光ファイバのコアに外接する円の直径に等しいかあるいはそれよりも大きくする。更に大口径光ファイバは、許容曲げ半径と同等もしくはその２倍以内の曲率半径で１／２回以上、より好ましくは１回巻かれた状態とする。大口径光ファイバを巻くことにより、比較的短い大口径光ファイバでも光束の強度分布の整形を効率よく行うことが可能になり、出射するときの光分布が、入射するときの光ファイバ束の光分布を実質的に補償でき、良好なコリメート光が得られる。実質的に補償されたコリメート光の最適な状態は、大口径光ファイバの中心軸を対称軸として、軸対称で中心が高い光強度分布に変換される条件を満たしていることであるが、現実的には、大口径光ファイバ内の応力分布や振動、励振条件によって影響を受けるため、これを実現するのは困難である。しかし、できる限り軸対称に近づけることが好ましく、具体的にはなるべく低次のモードに結合したエネルギーが大きい励振状態となっているのが好ましい。

このようなコリメータにおいて、使用する光ファイバ束は、例えばその１本の多モード光ファイバが中心に位置し、それを取り囲むように残りの多モード光ファイバが円周上に配列されるように束ねて、全体で１つの光伝送路とした構造である。

本発明に係る光学フィルタ装置の典型的な例を図２に示す。この光学フィルタ装置は、それぞれコリメータレンズ２４を備えている２組のコリメータ２８ａ，２８ｂが対向配置され、コリメータレンズ同士の間に光学フィルタ３０が挿入されている構造である。ここでは、入射側のコリメータ２８ａ及び出射側のコリメータ２８ｂに、それぞれ大口径光ファイバ２６が組み込まれている。この場合には、光学フィルタ３０から出射した光が入射する出射側コリメータ２８ｂの大口径光ファイバ２６のコア断面は、光学フィルタ３０に光を入射する入射側コリメータ２８ａの大口径光ファイバ２６のコア断面と形状が相似で面積が等しいか、あるいはそれよりも大きくする。これによって光の結合効率が改善される。なお、入射側コリメータの構造（形状）及び機能は、図１に関連して説明した通りであってよい。

なお、出射側コリメータにおける大口径光ファイバは必須ではなく、コリメータレンズで集光した光が光検出器（光電子増倍管など）に直接入射する構成でもよい。しかし、機器の設置の自由度を上げるためには、大口径光ファイバで導光した方が有利である。大口径光ファイバで光を受け、そのまま光検出器に入れてもよいし、光ファイバ束を用いても構わない。いずれにしても、大口径光ファイバも含め、出射側には何らかの導光手段を用いるのが好ましい。

図３は、本発明に係るコリメータの一実施例を示す説明図である。ここでＡは概略構成を、Ｂは異なる位置における光の分布を模式的に、Ｃはその位置における光強度分布を示している。

図３のＡに示すように、光ファイバ束２２は、多モード光ファイバ２０を多数（ここでは合計７本：１本の光ファイバを中心とし、その周囲に６本の光ファイバを互いに対称な位置に中心の光ファイバに近接するように配置する）束ねて１本の光伝送路とした構造である。この光ファイバ束２２と大口径光ファイバ２６の入射側の端面とを実効的に結合損失が最小になるように近接して配置する。なお、この大口径光ファイバ２６は、中間を省略して描いているが、実際には光ファイバ束を出射した発散光の光束群が一つの光束となるのに十分な長さの長尺導光部材である。大口径光ファイバ２６の出射側の端面はコリメータレンズ２４と対向し、大口径光ファイバ２６を出射する発散光束が実効的に最もコリメートされる位置に配置する。

図３のＢは、（ａ）光ファイバ束端面、（ｂ）大口径光ファイバの入射側端面、（ｃ）大口径光ファイバの出射側端面における光の分布を模式的に示している。また図３のＣは、同じ位置における直径方向の光強度分布を示している。図３のＡに示すようなコリメータ構成にすることにより、光ファイバ束２２の各光ファイバ２０を出射した光束群は、各光ファイバ２０のＮＡにしたがって拡散しつつ大口径光ファイバ２６の入射側端面に達して大口径光ファイバ２６と結合し、大口径光ファイバ２６を伝搬する間に光束が１つにまとまり大口径光ファイバ２６の出射側端面から出射する。大口径光ファイバ２６を長く設定することにより、大口径光ファイバ２６から出射する光束は、大口径光ファイバ２６を円筒とした場合に、その中心軸を対称軸とする軸対称で中心が高い光強度分布となる。発散する光束は、大口径光ファイバ２６とコリメータレンズ２４の中心軸を一致させておくことでコリメータレンズ２４の光軸上を伝搬することができ、コリメータレンズ２４と大口径光ファイバ２６との距離を調整することにより、容易に所望のコリメートされた光束を得ることができる。

本実施例では、光ファイバ束の各光ファイバには、ガラス製でコア径２００μｍ、外径２５０μｍ、ＮＡ０．２の光ファイバを用いた。大口径光ファイバには、コア径９８０μｍ、外径１０００μｍ、ＮＡ０．３のプラスチックファイバを用い、長さ約３０ｃｍで１回巻とした。また、コリメータレンズには、直径２．４ｍｍ、曲率半径１．５ｍｍのドラムレンズを用いた。レンズ材料は光学ガラスで、ショット社命名法によるＬａＳＦＮ９（屈折率Ｎｄ：１．８５０、アッベ数Ｖｄ：３２．２）である。

このようなコリメータを２個、コリメータレンズ同士間の距離が１５ｍｍとなるように対向配置したときの結合効率を評価した結果、６５％の結合効率が得られた。比較のために、光ファイバ束の端面をコリメータレンズに対して本実施例のコリメータにおける大口径光ファイバの出射側端面と同じ位置に配置した場合の結合効率を測定した。得られた結合効率は４５％であり、大口径光ファイバを用いることにより、１．４倍程度結合効率が向上することが分かった。

本発明においては、光ファイバ束を出射する光束群をいかに効率よく大口径光ファイバの中に取り込むかが重要である。そのためには、大口径光ファイバのコア径は、受光する位置において、前記光束群よりも大きくすることが望ましい。従って、大口径光ファイバを小さくし、大口径光ファイバの出射側端面から出射する光束の輝度を上げるためには、光ファイバ束と大口径光ファイバの入射側端面とが機械的に接するように配置することが最も効果的である。また、その際、大口径光ファイバのコア径は、光ファイバ束の各光ファイバのコアが存在する範囲にあることが望ましい。本実施例のように、７本の光ファイバからなる光ファイバ束を用いる場合には、大口径光ファイバのコアは周囲６本の光ファイバのコアに外接する円と等しいか、やや大きい径とすることが望ましい。また、光ファイバ束を出射する発散光の光束群を全て大口径光ファイバのコア中に取り込むためには、大口径光ファイバのＮＡは、光ファイバ束を構成する各光ファイバのＮＡと等しいか、それより大きいことが望ましい。

光ファイバ束と大口径光ファイバは、ＦＣコネクタやＳＭＡコネクタのような光ファイバコネクタおよび光レセプタクルによって機械的に接合することが多い。その際の機械公差も考慮すれば、例えばコア径２００μｍ、クラッド径２５０μｍの光ファイバを用いた光ファイバ束の場合、光ファイバ束が稠密に配置できないことも考慮すると、大口径光ファイバのコア径は７５０μｍ以上であることが望ましく、屈折率分布形状は、光ファイバ束の周辺の光ファイバに対してもＮＡの下がらないステップインデックス型が好ましい。また大口径光ファイバのＮＡは、ＮＡがピーク強度の１／ｅ² となる光強度における光束の広がりに対して定義されることから、十分な光結合を得るためには光ファイバ束を構成する各光ファイバのＮＡよりも０．０５程度大きいことが望ましく、例えばＮＡ０．２の各光ファイバで構成された光ファイバ束の場合は、大口径光ファイバのＮＡは０．２５よりも大きいことが好ましい。また、光ファイバ束を構成する光ファイバのＮＡが複数種類ある場合は、その最大のＮＡよりも０．０５程度大きいことが望ましい。

また本発明では、大口径光ファイバの出射側端面を出射する光束が一つの分布にまとまっていることが重要であるが（図３のＣの（ｃ）参照）、そのためには大口径光ファイバは、入射側端面における光束の強度分布形状を大口径光ファイバ中を伝搬することで光束の分布を実質的に補償する必要があり、大口径光ファイバは比較的長い必要があり、具体的には直線状の場合１ｍ程度とすることが望ましい。

しかしながら、一般的には短い大口径光ファイバで必要な性能を得たい場合が多い。その場合は、大口径光ファイバを曲げるあるいは巻くことにより短い長さで光束の強度分布の整形を効率よく行うことが可能になる。大口径光ファイバの曲率半径は、使用する大口径光ファイバの許容曲げ半径と同等、もしくはその２倍以内であることが好ましく、巻き数は１／２回（即ち半周）以上とすることが好ましい。具体的には、プラスチックファイバの場合には、長さ３０〜６５ｃｍ程度で１回巻いたものが使い易い。１／２回巻きであれば、１５ｃｍ程度まで短くできる。なお、大口径光ファイバが長すぎると、装置内に収容し難くなるし、損失も増加することから、長くても２ｍ程度以下とするのが好ましい。

本発明に係る光学フィルタ装置を組み込んだ光計測装置の構成例を図４に示す。励起光源４０が発する光からバンドパスフィルタ４２によって所望の波長成分を取り出し、励起光とする。励起光を光ファイバ４４で試料付近まで伝送し、光ファイバ４４から出射した励起光を結合レンズ４６で集光して試料４８に照射する。

励起光の照射によって試料４８で発生した光（例えば蛍光や燐光など）は、結合レンズ４６によって受光用光ファイバ束５０に結合される。受光用光ファイバ束５０を伝搬した後、出射した光は単心のプラスチックファイバを１回巻いた大口径光ファイバ５２に入射し、受光用光ファイバ束５０の各光ファイバからそれぞれ出射した光束群は大口径光ファイバ５２で１つにまとめられる。大口径光ファイバ５２を出射した光は第１のコリメータレンズ５４により平行光に変換され、光学フィルタ５６に入射する。光学フィルタ５６を透過した成分は第２のコリメータレンズ５８で集光され、再度、大口径光ファイバ６０に結合し、光検出器（光電子像倍管）６２に導かれる。

このようなコリメータ対を構成する場合、入射側と出射側とで同じ大口径光ファイバを用いてもよいが、更に結合効率を高くしたい場合には、光学フィルタを通過した出射側の大口径光ファイバのコア径を、入射側の大口径光ファイバのコア径よりも大きくすることが好ましい。

光計測装置に組み込む光学フィルタ装置の他の例を図５に示す。基本的には図４に示すものと同様なので、同じ部材には同じ符号を付し、説明を省略する。この光学フィルタ装置では、３種類の光学フィルタを切り替えられるような構造になっている。第１のコリメータレンズ５４と第２のコリメータレンズ５８の間にフィルタ保持板７０を配置する。フィルタ保持板７０は中心軸７２の周りで回転可能とし、該フィルタ保持板７０に３種類の光学フィルタ５６を取り付けている。この光学フィルタ装置では、フィルタ保持板７０を回転し、コリメータレンズに対向する位置にきた光学フィルタ５６が作用する。なお、ここで用いる光学フィルタは、例えば誘電体多層膜による干渉を利用した波長選択フィルタなどである。

本発明に係るコリメータの典型例を示す説明図。 本発明に係る光学フィルタの典型例を示す説明図。 本発明に係るコリメータの一実施例を示す説明図。 本発明に係る光学フィルタ装置を組み込んだ光計測装置の構成例を示す説明図。 光学フィルタ装置の他の例を示す説明図。 従来技術の説明図。

符号の説明

２０ 多モード光ファイバ
２２ 光ファイバ束
２４ コリメータレンズ
２６ 大口径光ファイバ
３０ 光学フィルタ

Claims (7)

1. 光ファイバ束から出射する発散光をコリメータレンズを介して平行光に変換するコリメータにおいて、多モード光ファイバを多数束ねて１本の光伝送路とした光ファイバ束とコリメータレンズとの間に大口径光ファイバを配置し、前記大口径光ファイバのコア断面は光ファイバ束を構成している光ファイバのコアの存在範囲より大きく、且つ光ファイバ束の各光ファイバからの発散光の光束群が前記大口径光ファイバによって一つの光束となるようにしたことを特徴とするコリメータ。
2. 大口径光ファイバのＮＡが光ファイバ束を形成している光ファイバのＮＡと等しいかあるいはそれよりも大きく、光ファイバ束の端面と大口径光ファイバの一方の端面とが機械的に接している請求項１記載のコリメータ。
3. 大口径光ファイバは、そのコア断面が円形であり、その直径は光ファイバ束で円周上に配列されている光ファイバのコアに外接する円の直径に等しいかあるいはそれよりも大きく、許容曲げ半径以上の曲率半径で１／２回以上巻かれた状態となっている請求項１又は２記載のコリメータ。
4. 光ファイバ束を形成している多数の光ファイバは、その１本の光ファイバが中心に位置し、それを取り囲むように残りの光ファイバが円周上に配列されている請求項１乃至３のいずれかに記載のコリメータ。
5. それぞれコリメータレンズを備えた２組のコリメータが対向配置され、それらコリメータレンズ同士の間に光学フィルタが挿入されている構造の光学フィルタ装置であって、少なくとも入射側には、請求項１乃至４のいずれかに記載のコリメータが用いられている光学フィルタ装置。
6. 出射側コリメータにも大口径光ファイバが組み込まれ、光学フィルタから出射した光が入射するコリメータの大口径光ファイバのコア断面は、光学フィルタに光を入射するコリメータの大口径光ファイバのコア断面と形状が相似で面積が等しいか、あるいはそれよりも大きい請求項５記載の光学フィルタ装置。
7. 請求項５又は６記載の光学フィルタ装置と、該光学フィルタ装置に被測定光を入射するための光学系、及び前記光学フィルタ装置から出射する光を検出するための光学系を備えている光計測装置。
   

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