JP2009115950A - 光ファイバ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バンドルファイバ素線形の光ファイバの一端がなす投光面または受光面での光学分布特性を均一化した簡易な構成の光ファイバ装置を提供する。
【解決手段】一端を投光面または受光面としたバンドルファイバ素線形の第１の光ファイバの他端に、該第１の光ファイバを介して導かれる光の全てが単芯ファイバ素線形の第２の光ファイバに導かれるように該第２の光ファイバを光学的に結合し、これによって前記投光面または受光面での光分布特性を均一化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バンドルファイバ素線形の光ファイバを構成する複数本のファイバ素線の一端を所定形状に配列して形成された投光面または受光面の光学分布特性を均一化した簡易な構成の光ファイバ装置に関する。

計測用の光センサは、例えば投光部および／または受光部を形成した光学ヘッドと、この光学ヘッドに光ファイバを介して結合されたセンサアンプとを備えて構成される。そして前記光ファイバを介してセンサアンプに組み込まれた光源（例えば発光ダイオード；ＬＥＤ）が発した光を前記光学ヘッドの投光部に導いたり、或いは前記光ファイバを介して前記光学ヘッドの受光部にて受光した光を前記センサアンプに組み込まれた受光器（例えばフォトダイオード；ＰＤ）に導くものとなっている［例えば特許文献１を参照］。

ちなみに特許文献１には、光ファイバの屈曲に伴う曲げ損失の問題を解消するべく、コア径の小さい複数本のファイバ素線を束ねた光ファイバ（バンドルファイバ素線形の光ファイバ；バンドル形多芯光ファイバ）と、コア径の大きい１本のファイバ素線だけからなる光ファイバ（単芯ファイバ素線形の光ファイバ；単芯光ファイバ）とを連結して用いることが開示される。具体的には光学ヘッドの近傍の屈曲させて配設される箇所にバンドル形多芯光ファイバを用い、センサアンプ側の直線的に配設される箇所には単芯光ファイバを用いることが開示される。
特開２００２−１３１１７３号公報

ところでバンドル形多芯光ファイバにおける複数本のファイバ素線の一端を、例えば直線状に並べる等して所定形状の投光面または受光面を形成した光学ヘッドにおいては、通常、投光面または受光面の全域における光学分布特性が均一であることが要求される。
しかし複数本のファイバ素線１ａを略円形に束ねたバンドル形多芯光ファイバ１に光を導入する光源として用いられるＬＥＤ２の大きさ（発光面の大きさ；直径）は、一般的には図６に示すようにバンドル形多芯光ファイバ１のバンドル径よりも小さい。この為、ＬＥＤ２と複数本のファイバ素線１ａの端面との光路長に差が生じるので、ＬＥＤ２から発せられた光を複数本のファイバ素線１ａの全てに均一に導入することは困難である。また図７に示すようにＬＥＤ２から発せられる光自体、その拡がりの向きによって強度のムラがあるので、仮にＬＥＤ２と光ファイバ１との光軸を機械的に一致させたとしても複数本のファイバ素線１ａにそれぞれ導入される光の強度にムラが生じることが否めない。この結果、ＬＥＤ２に対峙させた一端側とは逆側の、前記バンドル形多芯光ファイバ１における投光面での光学分布特性（投光強度の分布特性）にムラが生じることになる。

一方、受光器として用いられるフォトダイオード（ＰＤ）３の受光面の大きさ（直径）は、前述したＬＥＤ２の投光面の大きさ（直径）よりも大きく、例えばバンドル形多芯光ファイバ１のバンドル径と同程度である。しかしバンドル形多芯光ファイバ１とＰＤ３との光軸にずれがあると、図８に示すようにＰＤ３の受光面に対峙していない部位のファイバ素線１ａから射出される光の多くが上記ＰＤ３にて受光されなくなる。この為、バンドル形多芯光ファイバ１の他端から光を均一に導入したとしてもＰＤ３による受光量がバンドル形多芯光ファイバ１との対向位置関係によって変化する。換言すれば複数本のファイバ素線１ａをそれぞれ介するＰＤ３への伝達光量にムラが生じる。この結果、ＰＤ３に対峙させた一端側とは逆側の、前記バンドル形多芯光ファイバ１における受光面での光学分布特性（受光強度の分布特性）にムラが生じることになる。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、バンドルファイバ素線形の光ファイバの一端により形成され、例えば光センサヘッドとして用いられる所定形状の投光面または受光面での光学分布特性を均一化した簡易な構成の光ファイバ装置を提供することにある。

本発明は、光源から発せられた光を単芯光ファイバ４の一端に導入した場合、図９に示すように光源１と上記単芯光ファイバ４との光軸にずれがあっても該単芯光ファイバ４に導入された光がそのシース（クラッド）との界面において反射しながら単芯のファイバ素線（コア）４ａ内を伝播する過程において次第に平均化され、単芯光ファイバ４の他端から射出されるときには均一な光となることに着目している。

そこで本発明に係る光ファイバ装置は上述した目的を達成するべく、一端を所定形状の投光面または受光面としたバンドルファイバ素線形の第１の光ファイバの他端に、該第１の光ファイバを介して導かれる光の全てが単芯ファイバ素線形の第２の光ファイバに導かれるように該第２の光ファイバを光学的に結合し、これによって前記投光面または受光面での光分布特性を均一化したことを特徴としている。

尚、ここでは第１の光ファイバを介して導かれる光の全てを第２の光ファイバに導くとして説明するが、実際的には光ファイバ間を理論的に完全に軸合わせすることは困難であり、工作精度に起因するずれやファイバ端面での光損失等に起因して１００％の光結合を実現することは殆ど不可能であるので、上述した損失を除く光結合を「光の全て」と定義する。

ちなみに前記投光面または受光面は、前記第１の光ファイバにおける複数本のファイバ素線の一端側のバンドルを解き、その一端を所定形状に配列して、例えば１列に配列して形成されてライン形の光センサヘッドとして用いられるものである。また前記第２の光ファイバとしては、前記第１の光ファイバのバンドル径よりも大きいコア径を有するものを用いることが好ましい。尚、前記第１の光ファイバと前記第２の光ファイバとを、レンズを介して光学的に結合することも好ましい。

本発明に係る光ファイバ装置によれば、光ファイバの一端を所定形状の投光面または受光面を形成した光センサヘッドとするべく、上記光ファイバとして複数本のファイバ素線を束ねたバンドルファイバ素線形の光ファイバ（バンドル形多芯光ファイバ）を用いる場合であっても、このバンドル形多芯光ファイバを介して導かれる光の全てが単芯ファイバ素線形の光ファイバ（単芯光ファイバ）に導かれるように前記バンドル形多芯光ファイバ（第１の光ファイバ）の他端に上記単芯光ファイバ（第２の光ファイバ）を光学的に結合するので、前記バンドル形多芯光ファイバ（第１の光ファイバ）を介して導かれる光を前記単芯光ファイバ（第２の光ファイバ）にて均一化することができる。

具体的には第２の光ファイバ（単芯光ファイバ）を介して均一化した光を第１の光ファイバ（バンドル形多芯光ファイバ）の一端に導入することができるので、該第１の光ファイバ（バンドル形多芯光ファイバ）の他端から、つまり複数本のファイバ素線のそれぞれから射出される光の強度を均一化することができる。この結果、バンドル形多芯光ファイバ（第１の光ファイバ）の一端がなす投光面での光学分布特性（投光強度の分布特性）を均一化することができる。

また逆に該１の光ファイバ（バンドル形多芯光ファイバ）の他端から導入された光の全てを第２の光ファイバ（単芯光ファイバ）に導入するので、これらの光を上記第２の光ファイバを介して平均化して射出することができる。この結果、バンドル形多芯光ファイバ（第１の光ファイバ）の一端がなす受光面での光学分布特性（投光強度の分布特性）を均一化することができる。従って第２の光ファイバの端面と受光素子との光軸にずれがあっても、そのずれ量に応じて受光素子での受光量が相対的に変化するだけなので、第１の光ファイバを介する受光特性自体に変化が生じることがない。

特に、例えば単芯光ファイバ（第２の光ファイバ）として前記バンドル形多芯光ファイバ（第１の光ファイバ）のバンドル径よりも大きいコア径を有するものを用いることで、バンドル形多芯光ファイバ（第１の光ファイバ）を介して導かれる光の全てが単芯光ファイバ（第２の光ファイバ）に導かれるように前記第１の光ファイバの他端に上記第２の光ファイバを簡易に光学的に結合することができ、これによって前記第１の光ファイバを介する投光特性または受光特性を平均化し得るので、その実用的利点が絶大である。

ちなみに前述した特許文献１には、光ファイバの曲げ損失を低減するべくバンドル形多芯光ファイバを用いること、そしてバンドル形多芯光ファイバと単芯光ファイバとを同軸に結合することが開示されるだけである。ましてやこの特許文献１には、光センサヘッドの具体的構成については何等開示されず、しかも光センサヘッドの投光特性や受光特性についての問題点を想起し得るような記載すら存在しない。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る光ファイバ装置について説明する。
図１はこの発明の一実施形態に係る光ファイバ装置の概略構成図であり、１１は複数本のファイバ素線を束ねたバンドルファイバ素線形の２本の光ファイバ（バンドル形多芯光ファイバ；第１の光ファイバ）１２,１３の各一端を投光面および受光面とした光センサユニットである。また１４は前記第１の光ファイバ１２の一端（投光面）から射出する光を該光ファイバ１２の他端側に導入する発光素子（例えば発光ダイオード；ＬＥＤ）を内蔵すると共に、前記第１の光ファイバ１３の一端（受光面）にて受光されて該光ファイバ１３の他端側から射出される光を検出する受光素子（例えばフォトダイオード；ＰＤ）を内蔵したアンプユニットである。

尚、第１の光ファイバ１２の端部がなす投光面は、図２に例示するように複数本のファイバ素線１２ａのバンドルを解き、これらのファイバ素線１２ａの各端面を同一面上に揃えた状態で各端部を直線上に一列に配列することによって形成され、ライン形センサヘッドの投光部として構築される。また第１の光ファイバ１３の端部がなす受光面も上記投光面と同様に構成される。そしてこれらの投光面および受光面は互いに対向して配置されて上記投光面から発せられた光を前記受光面にて受光するように構成される。

ちなみに上述したライン形の投光面および受光面を対向配置して構成される光ファイバユニット１１は、ファイバ素線１２ａ,１３ａの各端面の並び方向に沿って前記投光面と受光面との間に進入する遮光体（図示せず）により前記投光面から投光された光が部分的に遮られると、これに伴って前記受光面にて受光される光の量が減少することに着目し、前記受光面での受光量の変化から前記遮光体の進入量、ひいては遮光体のエッジ位置を検出するものである。

本発明に係る光ファイバ装置は、上述したアンプユニット１４に接続されて発光素子および受光素子に光学的に結合される２本の光ファイバとして、単芯ファイバ素線形の光ファイバ（単芯光ファイバ；第２の光ファイバ）１５,１６を用い、これらの第２の光ファイバ１５,１６を中継ユニット１７において前述した光ファイバユニット１１から導出された第１の光ファイバ１２,１３の他端にそれぞれ光学的に接続したことを特徴としている。特に中継ユニット１７は、前記第１の光ファイバ１３の複数本のファイバ素線をそれぞれ介して導かれる光の全て（略全て）が第２の光ファイバ１６に導入され、また第２の光ファイバ１５を介して導かれた光が第１の光ファイバ１２の複数本のファイバ素線の全てに均一に導入されるように、第１の光ファイバ１２,１３と第２の光ファイバ１５,１６とをそれぞれ光学的に結合するものとなっている。

ちなみに第２の光ファイバ１５,１６は、そのコア径が第１の光ファイバ１２,１３のバンドル径よりも大きいものからなる。このような第２の光ファイバ１５,１６の端面を、図３に示すようにその光軸を一致させて第１の光ファイバ１２,１３の端面に直接接合すれば、第１の光ファイバ１２,１３の複数本のファイバ素線をそれぞれ伝播する光の全てが第２の光ファイバ１５,１６のコア（単芯ファイバ素線）内を伝播することになる。この結果、第２の光ファイバ１５,１６のコア（単芯ファイバ素線）による前述した光の平均化作用により、第２の光ファイバ１５から第１の光ファイバ１２の複数本のファイバ素線にそれぞれ導入する光を均等化することができ、また第１の光ファイバ１３の複数本のファイバ素線をそれぞれ介して導かれて第２の光ファイバ１６に導入された光を平均化することが可能となる。

尚、図４に示すように、第１の光ファイバ１２,１３の端面と、第２の光ファイバ１５,１６の端面との間にレンズ１８を介在させ、このレンズ１８を介して上記第１の光ファイバ１２,１３と第２の光ファイバ１５,１６とを光学的に結合するようにしても良い。このような構成とすれば、第２の光ファイバ１５の端面から射出されて拡散する光を上記レンズ１８にて絞り込んで第１の光ファイバ１２の複数本のファイバ素線１２ａの全てにそれぞれに導入することができるので、その光結合効率を高めることが可能となる。また第１の光ファイバ１３の端面から射出される光については、レンズ１８にて絞り込んで第２の光ファイバ１６のコア部に確実に導入することが可能となるので、この場合にもその光結合効率を高めることができる。つまり第１の光ファイバ１２,１３と第２の光ファイバ１５,１６との光学的な結合を、より確実なものとすることができる。

また上述したようにレンズ１８を用いて第１の光ファイバ１２,１３と第２の光ファイバ１５,１６との間をそれぞれ光学的に結合することにより、仮に単芯光ファイバ（第２の光ファイバ１５,１６）のコア径が、バンドル形多芯光ファイバ（第１の光ファイバ１２,１３）のバンドル径よりも小さい場合であっても、これらの光ファイバ間の光学的な結合をより確実なものとし、一方の光ファイバから射出される光の全てを他方の光ファイバに導入することが可能となる。

従って上述した構成の光ファイバ装置によれば、仮に前記アンプユニット１４において第２の光ファイバ１５と、この第２の光ファイバ１５の端部に対向配置される発光素子（ＬＥＤ）との間に光軸のずれがあっても、該発光素子から射出された光を第２の光ファイバ１５を介して前記第１の光ファイバ１２の複数本のファイバ素線にそれぞれ均等に導入することができるので、該第１の光ファイバ１２の端部にて形成される投光面の全領域における光強度分布を均一化することが可能となる。更には前記アンプユニット１４において第２の光ファイバ１６と、この第２の光ファイバ１６の端部に対向配置される受光素子（ＰＤ）との間に光軸にずれがあっても、第１の光ファイバ１３の複数本のファイバ素線をそれぞれ介して伝播された光を第２の光ファイバ１６にて平均化して受光素子に導くことができるので、第１の光ファイバ１３の端部にて形成される受光面の全領域における受光感度を均一化することが可能となる。

つまり本発明に係る光ファイバ装置によれば、バンドルファイバ素線形光ファイバの端面にて形成される投光面および受光面での光分布特性を、簡易にして効果的に均一化することができる。特にバンドルファイバ素線形光ファイバにおける複数本のファイバ素線を介してそれぞれ伝播される光を、単芯ファイバ素線形光ファイバを介して平均化すると言う簡易な構成にて前記投光面および受光面での光分布特性を均一化することができ、その実用的利点が多大である。

図５に従来の技術による投受光特性［図５(ａ)］と、本発明の実施例の投受光特性［図５(ｂ)］とを対比して示す。ちなみに図５(ａ)に示す投光特性は、バンドルファイバ素線形ファイバの一端の全面を照明（すなわち複数の素線の端面をまとめて照明）すると共に他端における素線からの射出光の強度を一本ずつ測定して求めたものである。また図５(ａ)に示す受光特性は、バンドルファイバ素線形ファイバの他端において素線の一本のみを照明すると共に一端における全面の射出光の強度を測定し、これを複数の素線の全てについて同様に測定して求めたものである。

一方、図５(ｂ)に示す投光特性は、単芯ファイバ素線形光ファイバとバンドルファイバ素線形光ファイバとを図３を参照して前述したように一体的に接続し、単芯ファイバ素線形光ファイバの端面の全面を照明すると共にバンドルファイバ素線形ファイバの端面における素線からの射出光の強度を一本ずつ測定して求めたものである。また図５(ｂ)に示す投光特性は、単芯ファイバ素線形光ファイバとバンドルファイバ素線形光ファイバとを図３を参照して前述したように一体的に接続し、バンドルファイバ素線形光ファイバの端面において素線の一本のみを照明すると共に単芯ファイバ素線形光ファイバの端面における全面の射出光の強度を測定し、これを複数の素線の全てについて同様に測定して求めたものである。尚、図５(ａ),(ｂ)のいずれにおいても、棒グラフの棒の一本ずつが素線の一本ずつに対応しており、隣接する投光の棒と受光の棒とは同じ素線の特性を表している。

この図５(ａ)(ｂ)に対比して示すように、バンドルファイバ素線形光ファイバを単独で用いた場合には、複数本のファイバ素線間での投光特性および受光特性に大きなバラツキが生じることが否めないが、単芯ファイバ素線形光ファイバを用いて前記バンドルファイバ素線形光ファイバを介して伝播される光を平均化することで、複数本のファイバ素線間での投光特性および受光特性のバラツキを効果的に抑制し得ることが裏付けられた。

このように本発明によれば、バンドルファイバ素線形光ファイバの端面を光センサユニット１１における投光面および受光面とした光ファイバ装置において、ＬＥＤ等の光源やＰＤ等の受光素子との光軸のずれ等に起因して生じる上記投光面および受光面での光分布特性のバラツキを、バンドルファイバ素線形光ファイバに光学的に結合した単芯ファイバ素線形光ファイバによる光の平均化作用により効果的に抑えることができる。この結果、投光面および受光面での光分布特性を均一化し、バンドルファイバ素線形光ファイバの端面をその全域に亘って射出光強度が均一な面光源をなす投光面として、またその全域に亘って受光感度が均一な受光面とすることができる。従ってバンドルファイバ素線形光ファイバにおける複数本のファイバ素線の配列に依存することのない光学センシングが可能となる等の実用上多大なる効果が奏せられる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば単芯ファイバ素線形光ファイバについては、バンドルファイバ素線形光ファイバのバンドル径に応じたコア径のものを用いれば良い。また単芯ファイバ素線形光ファイバの長さについては、そのコア内を伝播する光が十分に平均化される長さを確保すれば十分である。更に中継ユニット１７におけるバンドルファイバ素線形光ファイバ１２,１３と単芯ファイバ素線形光ファイバ１５,１６との光結合構造についても、従来より提唱されている光ファイバ間の光結合の手法を適宜採用することができる。要は本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の一実施形態に係る光ファイバ装置の概略構成図。 図１に示す光ファイバ装置における光センサユニットの構造例を示す図。 バンドルファイバ素線形光ファイバと単芯ファイバ素線形光ファイバとの光結合構造の例を示す図。 バンドルファイバ素線形光ファイバと単芯ファイバ素線形光ファイバとのレンズを介した光結合構造の例を示す図。 バンドルファイバ素線形光ファイバに単芯ファイバ素線形光ファイバを接続したときの効果を示す複数本のファイバ素線間の投光特性と受光特性を示す図。 発光ダイオード（ＬＥＤ）からの光をバンドルファイバ素線形光ファイバに導入したときの不具合を説明する為の図。 発光ダイオード（ＬＥＤ）から射出される光の強度分布の例を示す図。 バンドルファイバ素線形光ファイバから射出される光を受光素子（ＰＤ）にて受光したときの不具合を説明する為の図。 単芯ファイバ素線形光ファイバにより伝播される光の平均化作用を説明する為の図。

符号の説明

１１ 光センサユニット
１２,１３ バンドルファイバ素線形光ファイバ（第１の光ファイバ）
１４ アンプユニット
１５,１６ 単芯ファイバ素線形光ファイバ（第２の光ファイバ）
１７ 中継ユニット

Claims (4)

1. 一端を投光面または受光面としたバンドルファイバ素線形の第１の光ファイバの他端に、該第１の光ファイバを介して導かれる光の全てが単芯ファイバ素線形の第２の光ファイバに導かれるように該第２の光ファイバを光学的に結合して前記投光面または受光面での光分布特性を均一化したことを特徴とする光ファイバ装置。
2. 前記投光面または受光面は、前記第１の光ファイバにおける複数本のファイバ素線の一端側のバンドルを解き、その一端を所定形状に配列して形成されるものである請求項１に記載の光ファイバ装置。
3. 前記第２の光ファイバは、前記第１の光ファイバの複数本のファイバ素線を束ねたバンドル径よりも大きいコア径を有するものである請求項１に記載の光ファイバ装置。
4. 前記第１の光ファイバと前記第２の光ファイバとは、レンズを介して光学的に結合されたものである請求項１に記載の光ファイバ装置。

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