JP2008311137A - ライン型ライトガイド及びライン照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ライン照明において一層の高輝度化を図る。
【解決手段】光ファイバ束１Ａの光入射端部１Ａ１では複数の光ファイバ１が集束され、光出射端部１Ａ２では光ファイバ１がライン状に配列される。光出射端部１Ａ２にて光ファイバ１の先端に付される集光レンズ２の径は光ファイバ１の先端の径より大きい。光出射端部１Ａ２において、光ファイバ１は複数段ＡＲ１，ＡＲ２にてライン状に配列されている。光入射端部１Ａ１には光ファイバ１を集束状態に維持する集束口金３が付される。光出射端部１Ａ２には光ファイバ１のライン状配列を維持する筐体４が付され、光入射端部１Ａ１と光出射端部１Ａ２との間には光ファイバを保護する可撓性保護管７が付される。このライン型ライトガイド１１の光入射端部１Ａ１に入射させるように光源装置８から光が発せられる。
【選択図】図１

Description

本発明は光ファイバを用いた照明装置に関し、特に製品検査等に用いられるライン照明に好適な照明装置及びそれを構成するのに用いられるライン型ライトガイドに関するものである。

光ファイバを用いてライン照明を行うライン照明装置は、光源装置と該光源装置から発せられる光が入射しライン状に光を出射させるライン型ライトガイドとを用いて構成される。ライン型ライトガイドは、複数の光ファイバを束ねて光ファイバ束を構成し、該光ファイバ束の一方の端部を光入射端部とし且つ他方の端部を光出射端部としている。ここで、光入射端部では、複数の光ファイバが集束され、光源装置から発せられる光が効率よく各光ファイバに導入される。光出射端部は、所要のライン照明を得るために、ライン状に配列される。

このようなライン照明装置において、ライン照明を高輝度化するにあたっては、例えば特開２００２−２２１４９１号公報（特許文献１）に記載されているように、ライン型ライトガイドの光出射端部に隣接してシリンドリカルレンズを配置する。また、特開２００３−１８５８５１号公報（特許文献２）に記載されているように、ライン型ライトガイドの光出射端部に隣接してリニアフレネルレンズを配置する。

一方、ライン照明を均一化するにあたっては、例えば特開２００２−３２４４０４号公報（特許文献３）に記載されているように、光源装置とライン型ライトガイドの光入射端部との間にマクロレンズアレイを組入れ、光源装置から放射される光を拡散させて光ファイバ入射端に取り込むようにする。
特開２００２−２２１４９１号公報 特開２００３−１８５８５１号公報 特開２００２−３２４４０４号公報

光ファイバを用いたライン照明においては、ライン照明の輝度及びその均一性は光源装置の出力及び放射パターンにより影響を受ける。従って、光ファイバ照明装置の高輝度化及び輝度の高均一化を図るにあたっては、光源装置に対してライン型ライトガイドを最適化した設計を行うのが好ましい。

しかし、従来の方法では、必ずしも最適なライン照明設計となっていない。例えば、特許文献１に記載されているようなシリンドリカルレンズを用いての高輝度化にあたっては、シリンドリカルレンズの長手方向と直交する面内に関しては光ファイバからの出射光は集光できるが、シリンドリカルレンズの長手方向と平行な面内に関しては光ファイバからの出射光は集光できず、効率が低いという問題点がある。また、ライン照明が長尺になればなるほど、シリンドリカルレンズも長くなり、該シリンドリカルレンズの曲がりや反りが発生しやすくなって光軸がズレるなどの問題が生じやすくなる。更には、製作可能なシリンドリカルレンズ長さに制限があるため、製作可能なシリンドリカルレンズ長さ以上の長尺のライン照明が必要な場合には、シリンドリカルレンズを数本繋いでライン照明を構成することが必要である。このため、シリンドリカルレンズの繋ぎ目による光軸ズレが発生するという問題がある。特許文献２に記載されているリニアフレネルレンズを用いる場合も同様である。

また、例えば、特許文献３に記載されているようなマクロレンズアレイを用いての輝度均一化にあたっては、該マクロレンズアレイで光が拡散されるため、均一性は向上するが明るさが犠牲になるという問題がある。

本発明の目的は、以上のような技術的課題に鑑み、ライン照明において一層の高輝度化を図ることにある。

本発明によれば、以上の目的を達成するものとして、
複数の光ファイバを束ねて構成される光ファイバ束の一方の端部が光入射端部とされ且つ他方の端部が光出射端部とされ、前記光入射端部では前記複数の光ファイバが集束されており、前記光出射端部では前記複数の光ファイバがライン状に配列されており、該光出射端部において、各光ファイバの先端には集光レンズが付されていることを特徴とするライン型ライトガイド、
が提供される。

本発明の一態様においては、前記集光レンズの径は前記光ファイバの先端の径より大きい。本発明の一態様においては、前記光出射端部において、前記複数の光ファイバは複数段にてライン状に配列されている。本発明の一態様においては、前記複数段のうちの互いに隣接する少なくとも１組の段の光ファイバ同士は非平行である。本発明の一態様においては、前記光入射端部には前記複数の光ファイバを集束状態に維持する集束口金が付されており、前記光出射端部には前記複数の光ファイバのライン状配列を維持する筐体が付されており、前記光入射端部と光出射端部との間には前記複数の光ファイバを保護する可撓性保護管が付されている。

また、本発明によれば、以上の目的を達成するものとして、上記のライン型ライトガイドと、該ライン型ライトガイドの光入射端部に入射させるように光を発する光源装置とを含んでなるライン照明装置、が提供される。

本発明の一態様においては、前記ライン型ライトガイドの光出射端部に隣接してビーム整形ディフューザが配置されている。

本発明のライン型ライトガイドを用いたライン照明装置によれば、光ファイバ束の光出射端部において個々の光ファイバ端に集光レンズを付したことにより、集光効率を高め高輝度化を図ることができる。また、長尺のライン照明においても、長尺レンズを使用しないので、レンズの曲がりや反りによる光軸ズレの発生がなくなり、レンズの繋ぎ目などもなく、エンドレスで高輝度なライン照明を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明に係るライン照明装置の一実施形態の模式的構成図である。本実施形態のライン照明装置は、光源装置８とライン型ライトガイド１１とを含んでなる。ライン型ライトガイド１１は、複数の公知の有機系または無機系の光ファイバを束ねて構成される光ファイバ束１Ａを含む。

図２は光ファイバ束１Ａの構成を示す模式図である。光ファイバ束１Ａは、その一端部が光入射端部１Ａ１とされ、他端部が光出射端部１Ａ２とされている。複数の光ファイバ１は、光入射端部１Ａ１では断面円形状に集束されており、光出射端部１Ａ２では断面ライン状の配列状態を維持するように束ねられている。

図３は各光ファイバ１の構成を示す模式図である。光ファイバ１の一端には、たとえば接着により、集光レンズ２が付されている。集光レンズ２の光軸は、それが接合されている光ファイバ端の光軸と一致している。光ファイバ束１Ａは、集光レンズ２が付されていない光ファイバ端同士が束ねられて光入射端部１Ａ１とされており、集光レンズ２が付された光ファイバ端同士が束ねられて光出射端部１Ａ２とされている。

集光レンズ２の材料としては、アクリル系樹脂やポリカーボネート系樹脂などの透明樹脂が用いられるが、ＢＫ７等の硝子を用いても良い。この集光レンズ２は、たとえば光ファイバ１から出射される光が平行光となるように作用する。或いは、照明の用途に応じて、距離何ｍｍのところに何ｍｍ幅の光ラインを形成するように照射すると言う具合に、焦点距離に合わせたレンズ設計を行っても良い。集光レンズ２の形状は、たとえば両凸レンズまたは片凸レンズとすることができ、集光作用を発揮できれば特に問わないが、光ファイバ１との光軸調整作業や、光ファイバ束１Ａの光出射端部１Ａ２での光ファイバ端同士のライン状の配列作業の効率化のためには、砲弾型のレンズ形状が好ましい。

集光レンズ２の径は光ファイバ１の先端の径より大きくすることができる。このようにすることで、従来密に光ファイバが並べられていたのに比べ、集光レンズ２によるライン出射部の拡大により、ライン状に配列される光ファイバの本数が少なくてもよくなり、光入射端部１Ａ１の集束径（後述の集束口金の径）を小さくすることができる。これによれば、光源装置のランプとして高集光のものを用いて、光源装置の台数を増やさずに高輝度化が図れるという利点がある。

図１（ａ）に示されているように、光ファイバ束１Ａの光入射端部１Ａ１には断面円形状の集束口金３が付されている。この光入射端部１Ａ１及びその周囲の構造は、次のようにして形成される。すなわち、複数の光ファイバの１の端部をランダムに集束して熱融着により強固に固着し、これを集束口金３に挿通して接着固定し、その後に光入射端部１Ａ１の端面を光学研磨仕上げする。

一方、光ファイバ束１Ａの光出射端部１Ａ２には筐体４が付されており、これにより光ファイバ１の集光レンズ２が付された端同士が断面ライン状の配列状態を維持するように束ねられている。具体的には、図１（ｂ）に示されているように、筐体４にレンズホルダー５が取り付けられており、これにより光出射端部１Ａ２の各光ファイバ１の集光レンズ２が所要の配列状態にて維持される。

筐体４及びレンズホルダー５は、たとえば軽量で剛性の高いアルミニウム板からなり、光ファイバ１及び集光レンズ２をライン状に配列して保持すると共に、外からの保護や装置への取付け易さを考慮して箱型に形成され、光ファイバ束の光出射端部１Ａ２を収納している。

光ファイバ束の光出射端部の光ファイバ１のライン状の配列すなわち集光レンズ２のライン状の配列は、１段からなるものでもよいが、２段以上の複数段からなるものであってもよい。光ファイバ１及び集光レンズ２のライン状の配列の段数は、照明設計に応じて適宜設定することができる。本実施形態では、図１（ｂ）に示されているように、光ファイバ束１Ａの光出射端部１Ａ２の光ファイバ１及び集光レンズ２は、第１段ＡＲ１及び第２段ＡＲ２の２段にて俵積み形態で配列されている。

また、光ファイバ束の光出射端部の光ファイバ１及び集光レンズ２のライン状配列に関しては、複数段のうちの互いに隣接する少なくとも１組の段の光ファイバ同士を非平行なものとすることができる。そのような形態を、図４及び図５に示す。

図４に示される形態では、図４（ｂ）に示されるように２段俵積み形態で配列されている光出射端部の光ファイバ１及び集光レンズ２の光軸方向は、図４（ａ）に示されているように、第１段ＡＲ１のものと第２段ＡＲ２のものとが互いに角度θをなすようにライン状配列の方向に対して傾きをもって配列されている。角度θは、０°以上１６０°未満の適宜の角度とすることができる。

図５に示される形態では、第１段ＡＲ１、第２段ＡＲ２及び第３段ＡＲ３の３段に配列されている光ファイバ１及び集光レンズ２の光軸方向は、ライン状配列の方向と直交する断面内で、図示されているように、第２段ＡＲ２のものに対して第１段ＡＲ１のもの及び第３段ＡＲ３のものが角度δをなすように傾きをもって配列されている。これにより、図５に示されるように、多段に配列された集光レンズ２により、ライン状配列の方向と直交する断面内で、ある一定の距離で１点Ｌに集中するように光照射することができる。

図１及び図４に示されるように、ライン型ライトガイド１１において、光ファイバ束１Ａの光入射端部１Ａ１と光出射端部１Ａ２との間には、複数の光ファイバ１を束ねて保護する可撓性保護管７が付されている。

ライン型ライトガイド１１は、たとえば次のような方法で製造される。

プラスチック光ファイバを所定の長さにカットする。

カットされた光ファイバ１の一方端にインナーパイプを接着固定し、接着剤の硬化後、耐水ペーパーを用いて端面の鏡面仕上げを行う。

次いで、鏡面仕上げした光ファイバ端と集光レンズ２とを接着固定し、集光レンズ付き光ファイバを製作する。

次いで、集光レンズ付き光ファイバ端部をレンズホルダー５を用いてライン状に配列し接着固定した後、筐体４へ収納する。

次いで、筐体４より出た光ファイバの束をランダムに集束し、熱融着により光ファイバ同士を強固に固着した後、可撓性保護管７と集束口金３とを固定する。

その後、集束口金３の取りつけられた光ファイバ束１Ａの端面を、耐水ペーパーを用いて光学研磨仕上げして、ライン型ライトガイド１１を得る。

光源装置８は、ライン型ライトガイド１１の光ファイバ束１Ａの光入射端部１Ａ１に隣接して配置されており、該光入射端部１Ａ１に入射させるよう光を発するランプ９を含んでいる。ランプ９は、反射鏡とランプバルブとを備え、高輝度で集光効果の高いランプであることが好ましい。このようなランプ９としては、たとえばキセノンランプまたはメタルハライドランプを用いることができるが、集光性が高いことからメタルハライドランプが最も好ましい。

光源装置８のランプ９から発せられた光は、ライン型ライトガイド１１の光ファイバ束１Ａの光入射端部１Ａ１に入射し、各光ファイバ１内に導入されて伝搬され、光ファイバ束１Ａの光出射端部１Ａ２の集光レンズ２による集光作用を受けて、出射する。この各光ファイバ１の集光レンズ２からの出射光は、総合的にみて、連続した高輝度なライン状の光として出射される。

図６は本発明に係るライン照明装置の他の実施形態の模式的構成図である。本図において図１に示す部材と同様の部材には同一の参照符号を付けその詳細は省略する。

この図６の実施形態のライン照明装置は、ライン型ライトガイド１１の筐体４に、ビーム整形ディフューザ１０が付されていることのみ、上記図１他を参照して説明した実施形態と異なる。すなわち、本実施形態では、ライン型ライトガイド１１の光ファイバ束１Ａの光出射端部１Ａ２の集光レンズ２から出射された光はほぼ等方的な分布を持つが、この光がビーム整形ディフューザ１０を通ることで楕円状に拡散され、均一性の高いライン照明光に変換され照射される。ビーム整形ディフューザ１０による楕円状拡散は、楕円の長軸が出射光ラインに沿った方向となるようにしてなされる。ビーム整形ディフューザ１０は、ライン状に配列された集光レンズ２との距離が可変なようにすることができる。この可変距離範囲は、たとえば、０〜１００ｍｍとすることができる。ビーム整形ディフューザ１０とライン状に配列された集光レンズ２との距離は必要に応じて設定すればよい。また、ビーム整形ディフューザ１０の拡散角度設定は、例えば拡散角度が９５°と大きくなれば正面の光量が落ち暗くなりすぎるなど用途によっては不都合が生じ、逆に拡散角度が３０°と小さいとライン照明の均一性が劣るなどの不都合が生じることがあるので、用途に応じて拡散角度を適宜設定すれば良い。

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。

［実施例１］
直径φ０．５ｍｍの光ファイバを１．５ｍの長さにカットしたもの２９４本を用意した。

次いで、内径φ０．５ｍｍの穴のあいた外径φ１．０ｍｍ×１０ｍｍのＳＵＳ製のインナーパイプを用意し、先にカットして得た光ファイバ１とインナーパイプとを接着剤で固定した後、耐水ペーパーを用いて光学研磨を行い端面を仕上げた。

次いで、端面を仕上げた光ファイバ１の出射端面と集光レンズ２とを接着固定し、集光レンズ付き光ファイバを製作した。集光レンズ２は、ポリカーボネート透明樹脂で出来ており、直径φ１．９ｍｍで長さ５ｍｍの砲弾型であった。

次いで、レンズホルダー５に集光レンズ２を２段積のライン状に配列しレンズホルダー５と集光レンズ２とを固定した後、レンズホルダー５と光ファイバ１とを筐体４へ収納した。

筐体４より出た光ファイバ束をランダムに集束した後、熱融着により光ファイバ同士を強固に固着し、可撓性保護管７へ光ファイバ束を通し、集束口金３へ接着固定した。その後、耐水ペーパーを用いて集束口金端面を光学研磨仕上げした。

これにより、３００ｍｍの幅にわたってライン状に延びたライン型ライトガイド１１を得た。このライン型ライトガイド１１をメタルハライドランプ９を含む光源装置８と組み合わせてライン照明装置を作製した。

本実施例で得られたライン照明装置と、従来のライン照明装置（光ファイバ束に集光レンズを接着しないことを除いて本発明実施例１のものと同一のライン型ライトガイドとハロゲンランプを含む光源装置との組み合わせ）とで、得られる照明光量を比較した。

測定方法はライン型ライトガイドの出射端面から５０ｍｍ離したところにφ１ｍｍの受光計を置き、光ファイバ束１Ａの光出射端部１Ａ２の厚み方向の中央（ライン中央部）を光出射端部１Ａ２の長手方向（ライン方向）に沿って右端から左端へスキャンするようにして照度を測定した。

図７に従来照明と本発明実施例１の光量測定結果のグラフを示す。実施例１では、従来照明に比べ平均光量で約８倍の明るい照明が得られた。

［実施例２］
実施例１のライン型ライトガイドの出射端近傍にビーム整形ディフューザ１０を設置して、実施例１と同様に光量を比較した。

図７に示されているように、実施例２では、光量は実施例１よりも３割ほど低くなるものの均一性は向上した。従来照明と比較しても平均光量で６倍の明るさがあり、明るく均一性の高いライン照明が得られた。

本発明に係るライン照明装置の実施形態の模式的構成図である。 光ファイバ束の構成を示す模式図である。 図１のライン照明装置のライン型ライトガイドの光ファイバ束を作製するのに使用される光ファイバの模式図である。 図１のライン照明装置の光ファイバ束の光出射端部のライン状の配列の変形形態を示す模式図である。 図１のライン照明装置の光ファイバ束の光出射端部のライン状の配列の変形形態を示す模式図である。 本発明に係るライン照明装置の実施形態の模式的構成図である。 ライン照明の光量斑比較のグラフである。

符号の説明

１ 光ファイバ
１Ａ 光ファイバ束
１Ａ１ 光入射端部
１Ａ２ 光出射端部
２ 集光レンズ
３ 集束口金
４ 筐体
５ レンズホルダー
７ 可撓性保護管
８ 光源装置
９ メタルハライドランプ
１０ ビーム整形ディフューザ
１１ ライン型ライトガイド
ＡＲ１，ＡＲ２，ＡＲ３ 配列段

Claims (7)

1. 複数の光ファイバを束ねて構成される光ファイバ束の一方の端部が光入射端部とされ且つ他方の端部が光出射端部とされ、前記光入射端部では前記複数の光ファイバが集束されており、前記光出射端部では前記複数の光ファイバがライン状に配列されており、該光出射端部において、各光ファイバの先端には集光レンズが付されていることを特徴とするライン型ライトガイド。
2. 前記集光レンズの径は前記光ファイバの先端の径より大きいことを特徴とする、請求項１に記載のライン型ライトガイド。
3. 前記光出射端部において、前記複数の光ファイバは複数段にてライン状に配列されていることを特徴とする、請求項１乃至２のいずれか一項に記載のライン型ライトガイド。
4. 前記複数段のうちの互いに隣接する少なくとも１組の段の光ファイバ同士は非平行であることを特徴とする、請求項３に記載のライン型ライトガイド。
5. 前記光入射端部には前記複数の光ファイバを集束状態に維持する集束口金が付されており、前記光出射端部には前記複数の光ファイバのライン状配列を維持する筐体が付されており、前記光入射端部と光出射端部との間には前記複数の光ファイバを保護する可撓性保護管が付されていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のライン型ライトガイド。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のライン型ライトガイドと、該ライン型ライトガイドの光入射端部に入射させるように光を発する光源装置とを含んでなるライン照明装置。
7. 前記ライン型ライトガイドの光出射端部に隣接してビーム整形ディフューザが配置されていることを特徴とする、請求項６に記載のライン照明装置。

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