JP2008216506A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照射径が小さい極細径の光源装置を提供する。
【解決手段】光源装置は、コアの外周にクラッドが設けられているコア・クラッド型光ファイバ１０の少なくとも２本以上が個々の光ファイバ１０の一方の端面側の出射端１０ｄにおいて、コア径はそのままとしクラッドの外径が縮小され近接されて並列に束ねられフェルール４０に挿入されて配置され、個々の光ファイバ１０の他方の端面側の入射端１０ｃでは、個々の光ファイバ１０が１本ずつ独立してなる端面近接多芯光ファイバ１００と、端面近接多芯光ファイバ１００の入射端１０ｃと光源２０とをそれぞれ光学的に連結する等倍光学系ユニット又は縮小光学系ユニットからなる光学系ユニット３０とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信および光情報伝送分野あるいは画像処理分野において用いられる近接多芯光ファイバを使用した光源装置に関する。

通常の光ファイバは屈折率の異なるコアとクラッドからなり、比較的に屈折率の高いコア材からなるコアを、比較的に屈折率の低いクラッド材からなるクラッドで覆った構成である。したがって、コアの断面は円形であり、またクラッドの断面はドーナッツ型である。また、屈折率の異なるコアとクラッドを用いる代わりに、光が進行する実質的コア部分の周辺を「空孔（ホール；屈折率は極めて低い）」で取り囲んだ「ホーリーファイバ」の開発も進められている。このような「コア・クラッド型光ファイバ」および「ホーリーファイバ」ともに、光の透過するコア部分の直径約数μｍないし１０μｍに対して、１本の光ファイバ全体としての外径・直径は、通常１００μｍ以上である（非特許文献１）。この直径は、光学的な要請でなく、製造上、断線を避けるための強度を維持するために大きさが定められており、１本の光ファイバとして、非常に注意深く製造する場合、直径８０μｍ程度までは小さくすることができるとされている。

一方、光通信および光情報伝送分野において、通常、「多芯光ファイバ」とは、通常の光ファイバを単純に束ねたものをいう。一般にシングルモードあるいはマルチモードにかかわらず、個々のクラッド直径１２５μｍの多芯光ファイバが広く用いられている。

本発明者らは、特願２００６−２５５００２号において、コア・クラッド型シングルモード光ファイバの一方の端面において複数の隣接するシングルモード光ファイバのクラッドの外径が縮小され近接されて並列に束ねられ配置された端面近接多芯光ファイバ及びその製造方法を提案した。

そして、この提案では、端面近接多芯光ファイバの１本から制御光を隣接するもう１本から信号光を出射させることによって、熱レンズ方式光制御式光路偏向光路偏向スイッチに有用であることを示した。

一方、近年、情報量の増大により益々高密度化が要求されてきているＤＶＤ等の光情報伝送分野あるいは検査対象がより微小化されてきていると共に、より高精度が要求されるようになってきている検査機器用照明装置等の画像処理の分野においては、従来より細径で照射密度が高い光源装置が切望されている。

末松安晴、伊賀健一、「光ファイバ通信入門（改訂第３版）」、株式会社オーム社（１９８９）

本発明は、端面近接多芯光ファイバを応用した、ＤＶＤ等の光情報伝送分野あるいは検査機器用照明装置等の画像処理の分野において有用な細径で照射密度が高い光源装置を提供する。

本発明の光源装置は以下の特徴を有する。

（１）コアの外周にクラッドが設けられているコア・クラッド型光ファイバの少なくとも２本以上が個々の光ファイバの一方の端面において、前記コア径はそのままとし前記クラッドの外径が縮小され近接されて並列に束ねられ配置され、個々の光ファイバの他方の端面では、個々の光ファイバが１本ずつ独立してなる端面近接多芯光ファイバと、前記端面近接多芯光ファイバの各他方の端面と光源とをそれぞれ光学的に連結する等倍光学系ユニット又は縮小光学系ユニットと、を有する光源装置である。

（２）上記（１）に記載の光源装置において、前記光源がＲＧＢ（赤、緑、青）からなるレーザである。

（３）上記（１）または（２）に記載の光源装置において、前記縮小光学系ユニットの縮小倍率が１倍〜０．５倍である。

（４）コアの外周にクラッドが設けられているコア・クラッド型光ファイバの少なくとも２本以上が個々の光ファイバの一方の端面において、前記コア径はそのままとし前記クラッドの外径が縮小され近接されて並列に束ねられ配置され、個々の光ファイバの他方の端面では、個々の光ファイバが１本ずつ独立してなる端面近接多芯光ファイバと、前記端面近接多芯光ファイバの一方の端面とマルチモード光ファイバとを光学的に連結する等倍光学系ユニット又は縮小光学系ユニットと、を有する光源装置である。

（５）上記（４）に記載の光源装置において、前記縮小光学系ユニットの縮小倍率が１倍〜０．５倍である。

（６）コアの外周にクラッドが設けられているコア・クラッド型光ファイバの少なくとも２本以上が個々の光ファイバの一方の端面において、前記コア径はそのままとし前記クラッドの外径が縮小され近接されて並列に束ねられ配置され、個々の光ファイバの他方の端面では、個々の光ファイバが１本ずつ独立してなる端面近接多芯光ファイバと、前記端面近接多芯光ファイバの一方の端面とマルチモード光ファイバとが屈折率マッチングオイルを介して直接接続されている光源装置である。

（７）上記（４）から（６）のいずれか１つに記載の光源装置において、前記マルチモード光ファイバの外径が５０μｍ〜４００μｍである。

本発明によれば、上述の構成にすることにより、照射径が小さい極細径の光源装置が得られる。また、光源をＲＧＢとすることにより、細径の白色光源あるいは色調整により任意の色の出射光も得られる。

また、マルチモード光ファイバを使用したことにより、均一光化されるとともに高密度な出射光が得られる光源装置が提供できる。

さらに、屈折率マッチングオイルを介して端面近接多芯光ファイバとマルチモード光ファイバを密着接続した態様によれば、小型でしかもコストが低減された光源装置が提供できる。

（第１の実施の形態）
図１に示す光源装置において、端面近接多芯光ファイバ１００は、コア１０ａの外周にクラッド１０ｂが設けられているコア・クラッド型光ファイバ１０の少なくとも２本以上が、個々の光ファイバ１０の一方の端面において、コア１０ａの径はそのままとしクラッド１０ｂの外径が縮小され近接されて並列に束ねられ配置されフェルール４０内に挿入され、一方、個々の光ファイバ１０の他方の端面では、個々の光ファイバ１０が１本ずつ独立してなるように構成されている。さらに、図１に示す個々の光ファイバ１０は、１本ずつ独立している他方の端面側が入射端１０ｃであり、近接されて並列に束ねられ配置されフェルール４０に挿入される側が出射端１０ｄである。

また、図１に示す等倍光学系ユニット又は縮小光学系ユニットからなる光学系ユニット３０は、光源としてのＬＤ（レーザダイオード）２０と光ファイバ１０の入射端１０ｃとを光学的に連結する。

このような構成とすることにより照射径が小さい極細径の光源装置が得られる。また、光源をＲＧＢとすることにより、細径の白色光源あるいは色調整により任意の色の出射光も得られる。

以下、光源２０として可視光（波長６３５ｎｍ）の７個のＬＤ（レーザダイオード）、光学系ユニット３０として４０倍の縮小光学系ユニットを使用した例について説明する。

図１に示すように、例えば、７本の光ファイバ１０から構成される端面近接多芯光ファイバ１００の個々の光ファイバが１本ずつ独立してなる各入射端１０ｃに、可視光（波長６３５ｎｍ）の７個のＬＤ（レーザダイオード）（波長６３５ｎｍ）が個々に接続されている。

一方、端面近接多芯光ファイバ１００の出射端１００ａは、図２の断面図に示すように、同径の７本の光ファイバ１０の出射端１０ｄが同心円状に近接配置されている。なお、フェルール４０は、出射端１０ｄにおける端面近接多芯光ファイバ１００を束ねて収納・固定するものであり、またフェルール４０の内部にはコネクタ６０が設けられている。

本実施の形態における端面近接多芯光ファイバ１００の外径は、製造可能な範囲でしかも細径スポットを得るため、図３に示すように、６０μｍ〜２４０μｍであることが望ましい。同様に、端面近接多芯光ファイバ１００の隣り合う光ファイバ１０の中心間距離は２０μｍ〜１６０μｍであることが望ましい。更に詳しく言えば個々の光ファイバ１０のコア径は８μｍ〜１０μｍであり、クラッド径は２０μｍ〜８０μｍであることが望ましい。以上の構成により、７個のＬＤ（レーザダイオード）による可視光（波長６３５ｎｍ）が端面近接多芯光ファイバ１００の出射端１００ａに集束することになる。そして、端面近接多芯光ファイバ１００の出射端１００ａに集束した光は、例えば縮小光学系ユニットからなる光学系ユニット３０に入射し縮小化・高密度化されて出射する。なお、光学系３０は必ずしも縮小光学系ユニットに限定されず等倍系の光学系ユニットでも良い。なお、本実施の形態における「〜」及び「から」という用語を用いた数値範囲の記載において、その上限値と下限値はその数値範囲に含まれるものであることは言うまでもない。

光学系ユニット３０が縮小光学系ユニットの場合、縮小光学系ユニットの縮小倍率が１倍〜０．５倍であることが望ましい。なお、縮小光学系ユニットは通常の石英ガラスレンズ、多成分ガラスレンズ、プラスチックレンズ等からなる凸レンズで構成すればよく、殊に、高密度ビームに適し、挿入損失が少なく色収差も少ない石英ガラスレンズが好ましい。

端面近接多芯光ファイバ１００を構成する光ファイバ１０の本数に関しては、照射光量、外径を考慮すると３本〜１９本程度が好ましい範囲であり、その中でも図２の断面図に示す７本同心配置が構造的に安定していて、しかも細径であるので特に好ましい。

次に光源２０としては、上述した可視光（波長６３５ｎｍ）のＬＤ（レーザダイオード）以外に用途により紫外域から赤外域のレーザあるいはＬＥＤ（発光ダイオード）も使用する事が可能である。その中でも自然光（白色光源）を得たい場合にはＲＧＢ（赤、緑、青）からなるレーザが好適である。以上の構成により、図３の照射スポットが示すように、光学系ユニット３０として用いた縮小光学系ユニットから縮小化・高密度化された極細径の出射光が出射する。

端面近接多芯光ファイバ１００の隣り合う光ファイバ１０の外径及び中心間距離と縮小光学系の縮小倍率にも依るが、照射ビーム径が４５μｍ〜９０μｍの極小径の高密度ビームが照射可能な光源装置が得られる。

（第２の実施の形態）
次にマルチモード光ファイバを使用した本発明の光源装置の第２の実施形態につき説明する。図４にその概略構成図を示すが、構成上は、第１の実施の形態において説明した図１の光学系の後段にマルチモード光ファイバ４２が付加されたものであり、すなわち、端面近接多芯光ファイバ１００の一方の端面側の出射端１００ａとマルチモード光ファイバ４２とが等倍光学系ユニット又は縮小光学系ユニットからなる光学系ユニット３０を介して光学的に連結する構成となっており、他の部分の構成は図１と同様である。したがって、同一構成については同一符号を付しその説明を省略する。

本実施の形態では、出射端１００ａが７本同心円状配置された端面近接多芯光ファイバ１００を使用すると共に、７本の光ファイバ１０が１本ずつ独立してなる入射端１０ｃには、図１と同様に、光源２０（図１）として、ＲＧＢ（赤、緑、青）各２個ずつからなるレーザを７本同心円状配置された出射端１００ａでＲＧＢの順序となるよう接続している。なお、中心に配置される光ファイバには可視光（波長５３２ｎｍ）のＤＰＳＳレーザを接続した。

照射径とビーム密度等を考慮し、マルチモード光ファイバ４２の外径は１０μｍ〜４００μｍが好ましい範囲である。マルチモード光ファイバ４２の長さは出射光の均一性の確保と挿入ロスを考慮すると１ｍｍから１０００ｍｍが好ましい範囲である。

マルチモード光ファイバ４２としては、光学系ユニット３０の１つである上述した縮小光学系ユニットと同様、通常の石英ガラスファイバ、多成分ガラスファイバ、プラスチックファイバ等から構成すればよく、取り分け、耐熱性が有り挿入損失が少ない石英ガラスファイバが好ましい。

一方、本実施の形態の光学系ユニット３０は、石英硝子の凸レンズからなる等倍光学系ユニットを用いた。

以上の構成により、ＲＧＢ（赤、緑、青）のレーザがマルチモード光ファイバ４２内部にて拡散・均一光化されるので、マルチモード光ファイバ４２の出射端からは極細径で均一且つ高密度の自然色（白色）が照射できる光源装置が得られる。なお、自然色以外の任意の照射光を得たい場合には、ＲＧＢ（赤、緑、青）のレーザの代わりに、ＲＧＢ（赤、緑、青）の可視光ＬＥＤ（発光ダイオード）の色調整あるいはＲＧＢ（赤、緑、青）の可視光ＬＥＤ（発光ダイオード）と中心に配置されるＬＥＤの色調整により任意の色の出射光も得られる。

（第３の実施の形態）
次に、光学系ユニット３０の代わりに屈折率マッチングオイル５０を使用した本発明の光源装置の第３の実施形態について、図５を用いて説明する。

本実施の態様は、上述した第２の実施の形態において、光学系ユニット３０の代わりに屈折率マッチングオイル５０を使用したものであり、第１及び第２の実施の形態と同じ構成には同一の符号を付しその説明を省略する。

ここで屈折率マッチングオイル５０とは、２本の光ファイバを光学的に接続する際、接続部の光の接続損失を低減するために使用するオイル状塗布剤である。光の接続損失を少なくするため、オイルの屈接率は接続する光ファイバのクラッドの屈接率に応じて近いものを選択する。

本実施の形態では、端面近接多芯光ファイバ１００とマルチモード光ファイバ４２の接続部となる端面近接多芯光ファイバ１００の出射端面１００ａとマルチモード光ファイバ４２の入射端面４２ａに、この屈折率マッチングオイル５０を塗布する。

屈折率マッチングオイル５０を塗布する厚さは、光ファイバ端面の凹凸を無くす程度でよく、通常０．１μｍ〜１μｍが好ましい範囲である。こうすることにより、光ファイバの屈接率を維持しながら、しかも、光ファイバ端面の凹凸に起因する光ファイバ端面の接続部での隙間を完全に無くすることができるとともに接続部での不要な光反射や吸収が防止でき、端面近接多芯光ファイバ１００の出射端面１００ａとマルチモード光ファイバ４２の入射端面４２ａとが密着接続されるので接続損失を低減することが可能となる。

上記実施の態様によれば、第２の実施の形態のように光学系ユニット３０を用いる必要が無く、端面近接多芯光ファイバ１００の出射端面１００ａとマルチモード光ファイバ４２の入射端面４２ａに屈折率マッチングオイル５０を薄く塗布し密着接続するだけでよいので光源装置を小型化することができる。又、高価なレンズを用いる必要が無いのでコストダウンが可能となる。

次に、本発明の光源装置の製造方法につき、第１の実施の形態の場合を例にとって以下に説明するが、端面近接多芯光ファイバ１００の製造方法については、図６から図９を用いて以下に説明する。なお、本出願人の特願２００６−２５５００２号に記載したものと同じである。

図６に示すように、たとえば通常市販されているシングルモード光ファイバ１１を用いた場合の製造例について説明する。シングルモード光ファイバ１１は、比較的屈折率の高いコア１０ａからなり直径１０μｍのコア１０ａと、コア１０ａの外周を覆うようにコア１０ａに比べ屈折率の低い直径１２５μｍのクラッド１２と、上記コア１０ａおよびクラッド１２を収容する直径０．９ｍｍのジャケット１３とからなる。

端面近接多芯光ファイバ１００となる一方端側（出射側）を形成するために、まず、図７に示す構成の光ファイバ１１の先端から所定長のところまで、上記ジャケット１３を剥離しクラッド１２を露出させる。

次に、図８に示すように、材質がたとえばポリエチレンからなる筒状容器７０内にクラッド１２を浸食可能な透明液体７２、例えば、フッ酸水溶液、ホウフッ化水素酸水溶液、ヘキサフルオロリン酸水溶液の中から選択し、この浸食可能な透明液体に、ストリップした光ファイバ１１の先端から所定長、クラッド１２を浸す。一方、実体顕微鏡８０等を用いて、筒状容器の外側からクラッド１２の浸食による細線化を確認し、クラッド１２の直径が２０μｍから１２５μｍ程度のクラッド１０ｂになったところで光ファイバを取り出し、図９に示すような細線化したクラッド１０ｂを有する光ファイバ１０を作製した。

次に、細線化したクラッド１０ｂを有する光ファイバ１０を７本作製し、この７本の光ファイバ１０の細線化したクラッド１０ｂの端部を、内径０．０６０ｍｍ〜０．８７５ｍｍ、外径１ｍｍ〜５ｍｍ、長さ１０ｍｍ〜５０ｍｍの例えば、図２に示すコネクタ６０にそれぞれ挿入しクラッド１０ｂを保護する。

こうして、図２の断面図に示すように、コネクタ６０内には、細線化したクラッド１０ｂからなる光ファイバ１０が中央に１本、さらにこの１本を囲むように６本の同芯状に挿入される。なお、光ファイバ１０間の隙間及びコネクタ６０と光ファイバ１０間の隙間にはエポキシ系あるいは無機系の接着用樹脂を充填して固定する。その後、端面を鏡面研磨して、端面近接多芯光ファイバ１００が完成する。

その他の光源２０である７個のＬＤ（レーザーダイオード）を端面近接多芯光ファイバ１００の１本ずつ独立してなる入射端１０ｃに接続し、第１の実施の形態の光源装置が完成する。なお、第２及び第３の実施の形態についても上記製造方法により同様に光源装置を完成することができることは言うまでもない。

（１）端面近接多芯光ファイバの作成
(1)-1 光ファイバの準備：
図６に示す通常市販されている光ファイバ１１として、全長１０００ｍｍ、石英硝子からなるコア径１０μｍ、クラッド径１２５μｍ、ジャケット径０．９ｍｍの光ファイバ１０を７本用意した。

(1)-2 光ファイバクラッドの細線化：
端面近接多芯光ファイバ１００となる一方端側を形成するために、上記７本の各光ファイバ１１に対し、図７に示すように、光ファイバ１１の先端から４０ｍｍのところまで、上記ジャケット１３を剥離し、クラッド１２を露出させる。

次に、図８に示すように、材質がたとえばポリエチレンからなる筒状容器７０内に、４６％のフッ酸水溶液を入れておき、ここにストリップした７本の光ファイバ１１の先端から４０ｍｍのクラッド１２を浸す。一方、実体顕微鏡８０を用いて、筒状容器７０の外側からクラッド１２の浸食による細線化を確認し、７本の光ファイバ１１の全てのクラッド１２の直径が３０μｍになったところで光ファイバ１１を取り出し、７本の細線化したクラッド１０ｂを有する光ファイバ１０を作成した。

(1)-3 光ファイバ端部の結束：
次に、上記にて作成した７本の光ファイバ１０の細線化したクラッド１０ｂを有する側の端部を、内径０．１２ｍｍ、外径４．０ｍｍ、長さ４０ｍｍのアルミニウムからなるコネクタに中央に１本、さらにこの１本を囲むように６本の同芯状に挿入する。そして、コネクタ内のファイバ１０の隙間にはエポキシ系接着用樹脂を充填して固定する。その後、端面を鏡面研磨して、端面近接多芯光ファイバ１００が完成する。

（２）光源の準備
光源２０として、出力３０ｗ、波長６３５ｎｍの赤（Ｒ）、出力５０ｗ、波長４０５ｎｍの青（Ｂ）各２個ずつのＬＤ、および出力５０Ｗ、波長５３２ｎｍの緑（Ｇ）ＤＰＳＳレーザを端面近接多芯光ファイバ１００での出射端面１００ａでの配置が周上にＲＧＢＲＧＢと互い違いの配置となるよう上記で作成した端面近接多芯光ファイバ１００の一本ずつ独立した入射端１０ｃに接続する。

次に上記にて作成した端面近接多芯光ファイバ１００の出射端１００ａから３０ｍｍの位置に、外径２０ｍｍで円形の石英硝子からなる等倍レンズを配置し、更に、等倍レンズから３０ｍｍの距離に、外径１００μｍ、長さ５０ｍｍの多成分系硝子からなるマルチモード光ファイバ４２を配置して本発明の光源装置が完成した。

そして、図４及び図５のマルチモード光ファイバ４２の出射端４２ｂからは照射径５０μｍの極細径（マルチモード光ファイバ４２から１０ｍｍの位置）で照射出力１０ｍＷの十分均一光化された白色光源が得られた。

以上、端面近接７芯光ファイバで白色光源を例に取ったが、これに限るものではなく、偶数芯又は奇数芯の端面近接多芯光ファイバに、本発明は適当することができる。

本発明の光源装置は、光通信分野および光情報処理分野、画像処理分野のみならず医療分野あるいはレーザ加工分野においても有効に用いることができる。

７本の端面近接多芯光ファイバを使用した本発明の光源装置の第１の実施形態にかかる概略構成例である。 図１の端面近接多芯光ファイバ出射端での断面図である。 図１の光源装置から照射される照射スポットの図である。 マルチモード光ファイバを使用した本発明の光源装置の第２の実施形態にかかる概略構成例である。 光学系を省略し、端面近接多芯光ファイバとマルチモード光ファイバとを直接接続した本発明の光源装置における第３の実施形態にかかる概略構成例である。。 従来のシングルモード光ファイバの断面図である。 図６に示すシングルモード光ファイバの端部において外周被覆部を剥離した状態を説明する斜視図である。 細線化クラッドを作製する方法の一例を説明する図である。 細線化クラッドを有する本発明のシングルモード光ファイバの一例を示す斜視図である。

符号の説明

１０ コア・クラッド型光ファイバ、１０ａ コア、１０ｂ クラッド、１０ｃ 入射端、１０ｄ 出射端、２０ 光源、３０ 光学系ユニット、４０ フェルール、４２ マルチモード光ファイバ、５０ 屈折率マッチングオイル、１００ 端面近接多芯光ファイバ。

Claims (7)

1. コアの外周にクラッドが設けられているコア・クラッド型光ファイバの少なくとも２本以上が個々の光ファイバの一方の端面において、前記コア径はそのままとし前記クラッドの外径が縮小され近接されて並列に束ねられ配置され、個々の光ファイバの他方の端面では、個々の光ファイバが１本ずつ独立してなる端面近接多芯光ファイバと、
   前記端面近接多芯光ファイバの各他方の端面と光源とをそれぞれ光学的に連結する等倍光学系ユニット又は縮小光学系ユニットと、を有することを特徴とする光源装置。
2. 前記光源がＲＧＢからなるレーザであることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記縮小光学系ユニットの縮小倍率が１倍〜０．５倍であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光源装置。
4. コアの外周にクラッドが設けられているコア・クラッド型光ファイバの少なくとも２本以上が個々の光ファイバの一方の端面において、前記コア径はそのままとし前記クラッドの外径が縮小され近接されて並列に束ねられ配置され、個々の光ファイバの他方の端面では、個々の光ファイバが１本ずつ独立してなる端面近接多芯光ファイバと、
   前記端面近接多芯光ファイバの一方の端面とマルチモード光ファイバとを光学的に連結する等倍光学系ユニット又は縮小光学系ユニットと、を有することを特徴とする光源装置。
5. 前記縮小光学系ユニットの縮小倍率が１倍〜０．５倍であることを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
6. コアの外周にクラッドが設けられているコア・クラッド型光ファイバの少なくとも２本以上が個々の光ファイバの一方の端面において、前記コア径はそのままとし前記クラッドの外径が縮小され近接されて並列に束ねられ配置され、個々の光ファイバの他方の端面では、個々の光ファイバが１本ずつ独立してなる端面近接多芯光ファイバと、
   前記端面近接多芯光ファイバの一方の端面とマルチモード光ファイバとが屈折率マッチングオイルを介して直接接続されていることを特徴とする光源装置。
7. 前記マルチモード光ファイバの外径が５０μｍ〜４００μｍであることを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の光源装置。

Images