JP2011253102A - Optical fiber illumination device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光ファイバ照明装置に関する。 The present invention relates to an optical fiber lighting device.
光ファイバ照明装置は、内視鏡やマシンビジョンの照明として使用されている。従来、光ファイバ照明装置は、光源として高輝度のハロゲンランプやショートアークランプが用いられてきた。これらのランプは、全方向に光が放射されるため、ランプ光をファイバ結合する光学系には回転楕円ミラーが用いられているが、そのときの結合効率が低いという問題があった。 An optical fiber illuminator is used as an illumination for an endoscope or machine vision. Conventionally, a high-intensity halogen lamp or a short arc lamp has been used as a light source in an optical fiber illumination device. Since these lamps emit light in all directions, a spheroid mirror is used in an optical system for coupling the lamp light into a fiber, but there is a problem that the coupling efficiency at that time is low.
この問題を解決するために、近年、ランプ光源に代えて、高輝度の発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた照明装置が提案されている。このＬＥＤを用いた照明装置では、ＬＥＤの放射パターンがランベルト分布をしているため、新たな結合光学系が必要である。このような照明装置として、ＬＥＤの発光面と光ファイバの受光口とを突き合わせて配置し、ＬＥＤの放射光を光ファイバに結合させるものがある（例えば、特許文献１参照）。また、結合効率を上げるために、ＬＥＤと光ファイバとの間に結像レンズを入れ、ＬＥＤの出射ＮＡ（Numerical Aperture；開口数）を光ファイバＮＡと合うように変換したものもある（例えば、特許文献２参照）。 In order to solve this problem, in recent years, an illuminating device using a high-intensity light emitting diode (LED) instead of a lamp light source has been proposed. In the illumination device using this LED, since the radiation pattern of the LED has a Lambertian distribution, a new coupling optical system is required. As such an illuminating device, there is an illuminating device in which a light emitting surface of an LED and a light receiving port of an optical fiber are arranged to face each other, and the emitted light of the LED is coupled to the optical fiber (for example, see Patent Document 1). In addition, in order to increase the coupling efficiency, there is also one in which an imaging lens is inserted between the LED and the optical fiber, and the emission NA (Numerical Aperture) of the LED is converted to match the optical fiber NA (for example, Patent Document 2).
特許文献１に記載の照明装置では、光ファイバのＮＡ以下の角度で光ファイバの受光口に入射した光のみが光ファイバに結合し、光ファイバのＮＡより大きい角度で入射した光は、光ファイバ外部に出てしまう。従って、このときの結合効率ηは、（１）式に示すように、ＬＥＤの放射パターンであるランベルト分布を、発光面の法線となす角で、０から光ファイバＮＡに対応する角度まで積分した値となる。 In the illumination device described in Patent Document 1, only light incident on the light receiving port of the optical fiber at an angle equal to or smaller than the NA of the optical fiber is coupled to the optical fiber, and light incident at an angle larger than the NA of the optical fiber is the optical fiber. Go out. Therefore, the coupling efficiency η at this time is integrated from 0 to an angle corresponding to the optical fiber NA, as shown in the equation (1), at an angle that makes the Lambertian distribution, which is the radiation pattern of the LED, normal to the light emitting surface. It becomes the value.
（１）式による光ファイバＮＡに対する結合効率の計算例を、表１に示す。表１に示すように、この結合系では、ＮＡの大きい光ファイバでは大きな結合効率が得られるが、実用的なＮＡ０．２やＮＡ０．５の光ファイバでの結合効率は小さいという課題があった。 Table 1 shows a calculation example of the coupling efficiency for the optical fiber NA according to the equation (1). As shown in Table 1, with this coupling system, a large coupling efficiency can be obtained with an optical fiber having a large NA, but there is a problem that the coupling efficiency with a practical optical fiber with a NA of 0.2 or 0.5 is small. .
また、特許文献２に記載の結像レンズを使ってＮＡを変換する光ファイバ照明装置では、原理的には、表１の光ファイバＮＡをレンズの入射ＮＡに置き換えた分の結合効率が得られる。しかし、レンズの収差により結合効率が落ちるという課題があった。また、収差を抑えるためにレンズ枚数を増やしたり、非球面レンズを用いたりすると、装置が大きくなり、コストが嵩むという課題もあった。 Moreover, in the optical fiber illuminating device that converts the NA using the imaging lens described in Patent Document 2, in principle, the coupling efficiency can be obtained by replacing the optical fiber NA in Table 1 with the incident NA of the lens. . However, there is a problem that the coupling efficiency is lowered due to the aberration of the lens. Further, if the number of lenses is increased or an aspherical lens is used to suppress aberrations, there is a problem that the apparatus becomes large and the cost increases.
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、小型化およびコストの低減を図ることができるとともに、結合効率を高めることができる光ファイバ照明装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made paying attention to such problems, and an object of the present invention is to provide an optical fiber illuminating device that can reduce the size and cost and can increase the coupling efficiency.
上記目的を達成するために、本発明に係る光ファイバ照明装置は、発光面から光を放射する発光ダイオードと、一端の受光口で光を受けて他端から光を放射する光ファイバと、前記発光ダイオードと前記光ファイバとの間に配置された正の屈折力を有するレンズとを有し、前記発光ダイオードは前記発光面から放射した光が前記レンズに入射可能に、前記レンズの焦点または焦点の近傍に配置され、前記光ファイバは前記レンズを通した前記発光ダイオードからの放射光を前記受光口で受光可能に、前記受光口を前記レンズに近接して配置され、前記レンズは、前記発光ダイオードの前記発光面の中心からの放射光が光軸に平行になるよう光を屈折可能に構成されていることを、特徴とする。 In order to achieve the above object, an optical fiber illumination device according to the present invention includes a light emitting diode that emits light from a light emitting surface, an optical fiber that receives light from a light receiving port at one end and emits light from the other end, A lens having a positive refractive power disposed between the light emitting diode and the optical fiber, and the light emitting diode has a focal point or a focal point of the lens so that light emitted from the light emitting surface can enter the lens. The optical fiber is disposed close to the lens so that the optical fiber can receive light emitted from the light emitting diode through the lens at the light receiving port, and the lens is configured to emit the light. It is characterized in that the light can be refracted so that the emitted light from the center of the light emitting surface of the diode is parallel to the optical axis.
本発明に係る光ファイバ照明装置の結合光学系は、図１に示す原理で構成されている。図１に示すように、発光ダイオード（ＬＥＤ）１１と光ファイバ１２との間に正の屈折力を有するレンズ１３が配置され、レンズ１３の焦点位置にＬＥＤ１１が配置され、受光口１２ａをレンズ１３に近接させて光ファイバ１２が配置されている。また、ＬＥＤ１１の発光面１１ａの中心軸および光ファイバ１２の受光口１２ａの中心軸が、レンズ１３の光軸と一致するよう配置されている。 The coupling optical system of the optical fiber lighting device according to the present invention is configured based on the principle shown in FIG. As shown in FIG. 1, a lens 13 having a positive refractive power is disposed between a light emitting diode (LED) 11 and an optical fiber 12, the LED 11 is disposed at the focal position of the lens 13, and the light receiving opening 12 a is connected to the lens 13. The optical fiber 12 is disposed in the vicinity of the optical fiber 12. Further, the central axis of the light emitting surface 11 a of the LED 11 and the central axis of the light receiving port 12 a of the optical fiber 12 are arranged so as to coincide with the optical axis of the lens 13.
ここで、図１では、レンズ１３の焦点距離ｆ：５ｍｍ、ＬＥＤ側（物体側）ＮＡ：０．４、ＬＥＤ１１の発光面１１ａの直径：φ２ｍｍ（物体高さｈ０：１ｍｍ）、光ファイバ１２の受光口１２ａの直径：φ４ｍｍ、光ファイバＮＡ：０．２、とする。このとき、ＬＥＤ側のＮＡ０．４の光を取りこむために必要なレンズ１３の直径は、４ｍｍとなる。また、ＬＥＤ１１の発光面１１ａの中心からの放射光が、レンズ１３により屈折して、光軸に平行になるよう構成する。これにより、レンズ設計で一般的に使われる像側（光ファイバ側）のＮＡは０となる。 Here, in FIG. 1, the focal length f of the lens 13 is 5 mm, the LED side (object side) NA is 0.4, the diameter of the light emitting surface 11 a of the LED 11 is φ2 mm (object height h 0 : 1 mm), and the optical fiber 12. The diameter of the light receiving port 12a is 4 mm and the optical fiber NA is 0.2. At this time, the diameter of the lens 13 necessary for taking in light of NA 0.4 on the LED side is 4 mm. Further, the radiation light from the center of the light emitting surface 11a of the LED 11 is refracted by the lens 13 so as to be parallel to the optical axis. As a result, the NA on the image side (optical fiber side) generally used in lens design becomes zero.
図１に示すように、物体高ｈから出たＬＥＤ１１の光は、光軸に対して
θ＝ｔａｎ−１（ｈ／ｆ）
の角度を持つ平行な光線となる。つまり、レンズ１３によりＬＥＤ１１の位置と光線角度との変換が行われる。この位置−角度変換は、物体高ｈ＝０から物体高ｈ＝ｈ０まで行われ、光軸となす角は、それぞれ０からθ０まで変換される。ここで、
θ０＝ｔａｎ−１（ｈ０／ｆ）≒０．２
であり、レンズ出射面ではＮＡ０．２内に均一に分布する光となる。つまり、ＮＡ０．４の光は、ＮＡ０．２の光に変換され、出射した光は全て光ファイバ１２と結合する。
As shown in FIG. 1, the light emitted from the LED 11 from the object height h is θ = tan −1 (h / f) with respect to the optical axis.
It becomes a parallel ray with the angle of. That is, the lens 13 converts the position of the LED 11 and the light beam angle. This position-angle conversion is performed from the object height h = 0 to the object height h = h 0 , and the angle formed with the optical axis is converted from 0 to θ 0 , respectively. here,
θ 0 = tan −1 (h 0 /f)≈0.2
In the lens exit surface, the light is uniformly distributed within NA0.2. That is, NA0.4 light is converted to NA0.2 light, and all emitted light is coupled to the optical fiber 12.
このことから、光ファイバ１２に結合するための条件として、
ＬＥＤ寸法／レンズ焦点距離≦２×光ファイバＮＡ （２）
が得られる。ここで、ＬＥＤ寸法は、ＬＥＤ１１の発光面１１ａの代表的長さであり、発光面１１ａが円形のときは発光面１１ａの直径、発光面１１ａが矩形のときは発光面１１ａの対角線、長辺または短辺の長さである。
From this, as a condition for coupling to the optical fiber 12,
LED size / lens focal length ≦ 2 × optical fiber NA (2)
Is obtained. Here, the LED dimension is a representative length of the light emitting surface 11a of the LED 11. When the light emitting surface 11a is circular, the diameter of the light emitting surface 11a, and when the light emitting surface 11a is rectangular, the diagonal line and the long side of the light emitting surface 11a are used. Or the length of the short side.
比較例として、結像レンズ５１を用いた、従来の光ファイバ照明装置の結合光学系の原理を図２に示す。図２に示すように、発光ダイオード（ＬＥＤ）１１と光ファイバ１２との間に、それぞれ所定の間隔を開けて結像レンズ５１が配置されている。また、ＬＥＤ１１の発光面１１ａの中心軸および光ファイバ１２の受光口１２ａの中心軸が、レンズ５１の光軸と一致するよう配置されている。 As a comparative example, the principle of a coupling optical system of a conventional optical fiber illuminating device using an imaging lens 51 is shown in FIG. As shown in FIG. 2, the imaging lens 51 is disposed between the light emitting diode (LED) 11 and the optical fiber 12 with a predetermined gap therebetween. Further, the central axis of the light emitting surface 11 a of the LED 11 and the central axis of the light receiving port 12 a of the optical fiber 12 are arranged so as to coincide with the optical axis of the lens 51.
ここで、図１と同様に、レンズ５１の焦点距離ｆ：５ｍｍ、ＬＥＤ側（物体側）ＮＡ：０．４、ＬＥＤ１１の発光面１１ａの直径：φ２ｍｍ（物体高さｈ０：１ｍｍ）、光ファイバ１２の受光口１２ａの直径：φ４ｍｍ、光ファイバＮＡ：０．２、とする。また、ＬＥＤ１１−レンズ５１、レンズ５１−光ファイバ１２の間隔を、それぞれ７．５ｍｍ、１５ｍｍとし、レンズ５１の直径を６ｍｍとする。このとき、結像倍率を０．５倍とすると、レンズ設計で一般的に使われるＮＡは、物体側０．４から像側０．２に変換される。 Here, as in FIG. 1, the focal length f of the lens 51: 5 mm, the LED side (object side) NA: 0.4, the diameter of the light emitting surface 11a of the LED 11: φ2 mm (object height h 0 : 1 mm), light The diameter of the light receiving port 12a of the fiber 12 is 4 mm, and the optical fiber NA is 0.2. Further, the distance between the LED 11 -the lens 51 and the lens 51 -the optical fiber 12 is 7.5 mm and 15 mm, respectively, and the diameter of the lens 51 is 6 mm. At this time, if the imaging magnification is 0.5, the NA generally used in lens design is converted from the object side 0.4 to the image side 0.2.
図２の場合、物体高ｈ０から出た光は、光軸に対して１／７．５の角度を持つ。このため、結像位置での光ファイバ１２に対する入射ＮＡは最大０．３３（＝０．２＋１／７．５）になる。このため、φ４ｍｍの光ファイバ１２の受光口１２ａに結像した光のうち１／３は、入射ＮＡ０．２以上の光であり、光ファイバ１２に結合しない。この損失を減らすためには、レンズ５１の径を大きくするか、焦点距離を長くする方法があるが、レンズ５１の寸法が大きくなり、収差も大きくなるため、単純に結合効率は上がらない。また、非球面レンズを使用することもできるが、コストが嵩んでしまう。 In the case of FIG. 2, the light emitted from the object height h 0 has an angle of 1 / 7.5 with respect to the optical axis. For this reason, the maximum incident NA with respect to the optical fiber 12 at the imaging position is 0.33 (= 0.2 + 1 / 7.5). For this reason, 1/3 of the light imaged on the light receiving port 12a of the optical fiber 12 having a diameter of 4 mm is light having an incident NA of 0.2 or more and is not coupled to the optical fiber 12. In order to reduce this loss, there is a method of increasing the diameter of the lens 51 or increasing the focal length. However, since the size of the lens 51 increases and the aberration also increases, the coupling efficiency does not simply increase. Moreover, although an aspherical lens can be used, the cost increases.
図１に示す本発明に係る光ファイバ照明装置の結合光学系の原理、および、図２に示す従来の光ファイバ照明装置の結合光学系の原理の諸条件および結合効率等をまとめ、表２に示す。表２に示すように、図１に示す本発明に係る光ファイバ照明装置では、表１の場合と比べて、４倍の結合効率１６％が得られる。また、レンズに入射した光を全て光ファイバと結合させることができるため、１／３の光が結合しない図２に示す従来の光ファイバ照明装置の集光光学系と比べて、結合効率が高くなっている。 Table 2 summarizes the conditions and the coupling efficiency of the principle of the coupling optical system of the optical fiber illumination device according to the present invention shown in FIG. 1 and the principle of the coupling optical system of the conventional optical fiber illumination device shown in FIG. Show. As shown in Table 2, the optical fiber illuminating device according to the present invention shown in FIG. 1 has a coupling efficiency of 16%, which is four times that in Table 1. Further, since all the light incident on the lens can be coupled to the optical fiber, the coupling efficiency is higher than that of the condensing optical system of the conventional optical fiber illumination device shown in FIG. It has become.
このように、本発明に係る光ファイバ照明装置は、比較的簡単な構成で、結合効率を高めることができる。また、径が小さいレンズを使用することができ、コストが嵩む非球面レンズを使用する必要がない。ＬＥＤと光ファイバとの距離を短くすることもできる。このため、装置の小型化およびコストの低減を図ることができる。 Thus, the optical fiber lighting device according to the present invention can increase the coupling efficiency with a relatively simple configuration. In addition, a lens having a small diameter can be used, and it is not necessary to use an aspheric lens that is expensive. The distance between the LED and the optical fiber can also be shortened. For this reason, size reduction and cost reduction of the apparatus can be achieved.
図１および（２）式に示すように、本発明に係る光ファイバ照明装置は、前記発光ダイオードの前記発光面が前記光ファイバの前記受光口より小さく、前記発光面の代表的長さを前記レンズの焦点距離で割った値が、前記光ファイバの開口数（ＮＡ）の２倍以下であることが好ましい。 As shown in FIGS. 1 and (2), in the optical fiber illuminating device according to the present invention, the light emitting surface of the light emitting diode is smaller than the light receiving port of the optical fiber, and the representative length of the light emitting surface is The value divided by the focal length of the lens is preferably not more than twice the numerical aperture (NA) of the optical fiber.
また、図１に示すように、本発明に係る光ファイバ照明装置で、前記レンズは、径が前記光ファイバの前記受光口の径とほぼ等しく、前記発光ダイオードの前記発光面の任意の位置からの放射光が平行光線になるよう光を屈折可能であることが好ましい。この場合、結合効率を低下させることなく、装置の小型化およびコストの低減を図ることができる。 Also, as shown in FIG. 1, in the optical fiber illuminating device according to the present invention, the lens has a diameter substantially equal to the diameter of the light receiving port of the optical fiber, and from any position on the light emitting surface of the light emitting diode. It is preferable that the light can be refracted so that the emitted light becomes parallel rays. In this case, it is possible to reduce the size and cost of the apparatus without reducing the coupling efficiency.
本発明に係る光ファイバ照明装置で、前記レンズは、前記発光ダイオード側の面が平面形状を成し、前記光ファイバ側の面が凸面形状を成す２枚の平凸球面レンズから成ることが好ましい。この場合、収差を抑えた高価なメニスカスレンズを使用することなく、同等の結合効率を得ることができ、コストをより低減することができる。 In the optical fiber illuminating device according to the present invention, it is preferable that the lens is composed of two plano-convex spherical lenses in which the light emitting diode side surface has a planar shape and the optical fiber side surface has a convex shape. . In this case, an equivalent coupling efficiency can be obtained without using an expensive meniscus lens with suppressed aberration, and the cost can be further reduced.
本発明によれば、小型化およびコストの低減を図ることができるとともに、結合効率を高めることができる光ファイバ照明装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while being able to achieve size reduction and cost reduction, the optical fiber illuminating device which can raise coupling efficiency can be provided.
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図３乃至図５は、本発明の実施の形態の光ファイバ照明装置を示している。
図３に示すように、光ファイバ照明装置１０は、発光ダイオード１１と光ファイバ１２とレンズ１３とを有している。光ファイバ照明装置１０は、発光ダイオード１１と光ファイバ１２との間にレンズ１３が配置されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
3 to 5 show an optical fiber lighting device according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 3, the optical fiber lighting device 10 includes a light emitting diode 11, an optical fiber 12, and a lens 13. In the optical fiber lighting device 10, a lens 13 is disposed between the light emitting diode 11 and the optical fiber 12.
図３に示すように、発光ダイオード１１は、発光面１１ａから光を放射するよう構成されている。発光ダイオード１１は、発光面１１ａが円形であり、発光面１１ａの中心軸がレンズ１３の光軸と一致するよう配置されている。発光ダイオード１１は、発光面１１ａから放射した光がレンズ１３に入射可能に、発光面１１ａをレンズ１３に向けた状態で、レンズ１３の焦点または焦点の近傍に配置されている。 As shown in FIG. 3, the light emitting diode 11 is configured to emit light from the light emitting surface 11a. The light emitting diode 11 is arranged such that the light emitting surface 11 a is circular and the central axis of the light emitting surface 11 a coincides with the optical axis of the lens 13. The light emitting diode 11 is disposed at or near the focal point of the lens 13 with the light emitting surface 11a facing the lens 13 so that light emitted from the light emitting surface 11a can enter the lens 13.
図３に示すように、光ファイバ１２は、一端の受光口１２ａで光を受けて他端から光を放射するよう構成されている。光ファイバ１２は、受光口１２ａの中心軸がレンズ１３の光軸と一致するよう配置されている。光ファイバ１２は、レンズ１３を通した発光ダイオード１１からの放射光を受光口１２ａで受光可能に、受光口１２ａをレンズ１３に近接させた状態で配置されている。光ファイバ１２は、受光口１２ａが発光ダイオード１１の発光面１１ａより大きく形成されている。なお、光ファイバ１２は、１本の光ファイバから成っていても、実用的な直径１ｍｍ以下の光ファイバを束ねたバンドルファイバから成っていてもよい。ファイバの長さは、１〜５ｍ程度が用いられる場合が多い。 As shown in FIG. 3, the optical fiber 12 is configured to receive light from the light receiving port 12a at one end and to emit light from the other end. The optical fiber 12 is arranged so that the center axis of the light receiving port 12 a coincides with the optical axis of the lens 13. The optical fiber 12 is disposed in a state where the light receiving port 12a is close to the lens 13 so that the light emitted from the light emitting diode 11 passing through the lens 13 can be received by the light receiving port 12a. In the optical fiber 12, the light receiving port 12 a is formed larger than the light emitting surface 11 a of the light emitting diode 11. The optical fiber 12 may be composed of one optical fiber or a bundle fiber in which practical optical fibers having a diameter of 1 mm or less are bundled. The length of the fiber is often about 1 to 5 m.
図３に示すように、レンズ１３は、径が光ファイバ１２の受光口１２ａの径とほぼ等しい、正の屈折力を有する同じ形状の２枚の球面レンズから成っている。レンズ１３は、発光ダイオード１１の発光面１１ａの中心からの放射光が光軸に平行になり、発光ダイオード１１の発光面１１ａの任意の位置からの放射光が平行光線になるよう、光を屈折可能に構成されている。 As shown in FIG. 3, the lens 13 is composed of two spherical lenses having the same shape and having a positive refractive power, the diameter of which is substantially equal to the diameter of the light receiving port 12 a of the optical fiber 12. The lens 13 refracts light so that the emitted light from the center of the light emitting surface 11a of the light emitting diode 11 is parallel to the optical axis, and the emitted light from an arbitrary position on the light emitting surface 11a of the light emitting diode 11 becomes a parallel light beam. It is configured to be possible.
光ファイバ照明装置１０は、図１に示す原理で構成されている。光ファイバ照明装置１０は、（２）式を満たしており、発光面１１ａの代表的長さをレンズ１３の焦点距離で割った値が、光ファイバ１２の開口数（ＮＡ）の２倍以下になるよう構成されている。なお、ここでの発光面１１ａの代表的長さは、発光面１１ａの直径である。 The optical fiber lighting device 10 is configured based on the principle shown in FIG. The optical fiber illumination device 10 satisfies the formula (2), and the value obtained by dividing the representative length of the light emitting surface 11a by the focal length of the lens 13 is less than twice the numerical aperture (NA) of the optical fiber 12. It is comprised so that it may become. In addition, the typical length of the light emission surface 11a here is the diameter of the light emission surface 11a.
次に、作用について説明する。
光ファイバ照明装置１０は、レンズに入射した光を、原理的には全て光ファイバ１２と結合させることができるため、比較的簡単な構成で、結合効率を高めることができる。また、径が小さいレンズ１３を使用することができ、コストが嵩む非球面レンズ１３を使用する必要がない。発光ダイオード１１と光ファイバ１２との距離を短くすることもできる。このため、装置の小型化およびコストの低減を図ることができる。
Next, the operation will be described.
Since the optical fiber illumination device 10 can in principle couple all the light incident on the lens with the optical fiber 12, the coupling efficiency can be increased with a relatively simple configuration. Moreover, the lens 13 with a small diameter can be used, and it is not necessary to use the aspherical lens 13 with high cost. The distance between the light emitting diode 11 and the optical fiber 12 can also be shortened. For this reason, size reduction and cost reduction of the apparatus can be achieved.
図４に示すように、光ファイバ照明装置１０のレンズ１３として、２枚のメニスカス球面レンズ２１ａ，２１ｂを用いて結合効率の計算を行った。各レンズ２１ａ，２１ｂは、凸側を光ファイバ１２に向けた状態で配置されている。各レンズ２１ａ，２１ｂの曲率半径ｒ（ｍｍ）、中心厚および間隔ｄ（ｍｍ）、屈折率ｎ、アッベ数νを、以下に示す。ここで、ｒ１およびｒ２はそれぞれレンズ２１ａの発光ダイオード１１側および光ファイバ１２側の曲率半径、ｒ３およびｒ４はそれぞれレンズ２１ｂの発光ダイオード１１側および光ファイバ１２側の曲率半径である。ｄ０はレンズ２１ａ，２１ｂの光軸における発光ダイオード１１とレンズ２１ａとの間隔、ｄ１およびｄ３はそれぞれ各レンズ２１ａ，２１ｂの中心厚、ｄ２はレンズ２１ａとレンズ２１ｂとの間隔、ｄ４はレンズ２１ｂと光ファイバ１２との間隔である。ｎ１およびｎ２はそれぞれ各レンズ２１ａ，２１ｂの屈折率、ν１およびν２はそれぞれ各レンズ２１ａ，２１ｂのアッベ数である。 As shown in FIG. 4, the coupling efficiency was calculated using two meniscus spherical lenses 21 a and 21 b as the lens 13 of the optical fiber lighting device 10. Each of the lenses 21 a and 21 b is arranged with the convex side facing the optical fiber 12. The curvature radius r (mm), center thickness and distance d (mm), refractive index n, and Abbe number ν of each lens 21a and 21b are shown below. Here, r1 and r2 are the curvature radii of the lens 21a on the light emitting diode 11 side and the optical fiber 12 side, respectively, and r3 and r4 are the curvature radii of the lens 21b on the light emitting diode 11 side and the optical fiber 12 side, respectively. d0 is the distance between the light emitting diode 11 and the lens 21a on the optical axes of the lenses 21a and 21b, d1 and d3 are the center thicknesses of the lenses 21a and 21b, d2 is the distance between the lenses 21a and 21b, and d4 is the distance between the lenses 21b and 21b The distance from the optical fiber 12. n1 and n2 are the refractive indexes of the lenses 21a and 21b, respectively, and ν1 and ν2 are the Abbe numbers of the lenses 21a and 21b, respectively.
ｄ０＝２．６
ｒ１＝−１３．７ ｄ１＝１．５ ｎ１＝１．５１６８ ν１＝６４．１７
ｒ２＝−３．２２ ｄ２＝０．２
ｒ３＝−１２．６ ｄ３＝１．５ ｎ２＝１．５１６８ ν２＝６４．１７
ｒ４＝−４．２６ ｄ４＝０．５
d0 = 2.6
r1 = −13.7 d1 = 1.5 n1 = 1.5168 ν1 = 64.17
r2 = −3.22 d2 = 0.2
r3 = −12.6 d3 = 1.5 n2 = 1.5168 ν2 = 64.17
r4 = −4.26 d4 = 0.5
他の条件等は、表２の本発明のものに従っている。なお、レンズ２１ａの発光ダイオード１１側の焦点は、ｄ０＝３．２ｍｍの位置であるが、結合効率を最適化するために、発光ダイオード１１を焦点より内側の焦点近傍（ｄ０＝２．６）に配置している。 Other conditions are in accordance with the present invention in Table 2. The focal point of the lens 21a on the light emitting diode 11 side is at a position of d0 = 3.2 mm. However, in order to optimize the coupling efficiency, the light emitting diode 11 is positioned in the vicinity of the focal point inside the focal point (d0 = 2.6). Is arranged.
図５に示すように、光ファイバ照明装置１０のレンズ１３として、２枚の平凸球面レンズ２２ａ，２２ｂを用いて結合効率の計算を行った。各レンズ２２ａ，２２ｂは、平面側を発光ダイオード１１に向け、凸面側を光ファイバ１２に向けた状態で配置されている。各レンズ２２ａ，２２ｂの曲率半径ｒ（ｍｍ）、中心厚および間隔ｄ（ｍｍ）、屈折率ｎ、アッベ数νを、以下に示す。ここで、ｒ１およびｒ２はそれぞれレンズ２２ａの発光ダイオード１１側および光ファイバ１２側の曲率半径、ｒ３およびｒ４はそれぞれレンズ２２ｂの発光ダイオード１１側および光ファイバ１２側の曲率半径である。ｄ０はレンズ２２ａ，２２ｂの光軸における発光ダイオード１１とレンズ２２ａとの間隔、ｄ１およびｄ３はそれぞれ各レンズ２２ａ，２２ｂの中心厚、ｄ２はレンズ２２ａとレンズ２２ｂとの間隔、ｄ４はレンズ２２ｂと光ファイバ１２との間隔である。ｎ１およびｎ２はそれぞれ各レンズ２２ａ，２２ｂの屈折率、ν１およびν２はそれぞれ各レンズ２２ａ，２２ｂのアッベ数である。 As shown in FIG. 5, the coupling efficiency was calculated using two plano-convex spherical lenses 22 a and 22 b as the lens 13 of the optical fiber lighting device 10. Each of the lenses 22 a and 22 b is arranged with the plane side facing the light emitting diode 11 and the convex side facing the optical fiber 12. The curvature radius r (mm), center thickness and distance d (mm), refractive index n, and Abbe number ν of each lens 22a and 22b are shown below. Here, r1 and r2 are the curvature radii of the lens 22a on the light emitting diode 11 side and the optical fiber 12 side, respectively, and r3 and r4 are the curvature radii of the lens 22b on the light emitting diode 11 side and the optical fiber 12 side, respectively. d0 is the distance between the light emitting diode 11 and the lens 22a on the optical axes of the lenses 22a and 22b, d1 and d3 are the center thicknesses of the lenses 22a and 22b, d2 is the distance between the lenses 22a and 22b, and d4 is the distance between the lenses 22b and 22b. The distance from the optical fiber 12. n1 and n2 are the refractive indexes of the lenses 22a and 22b, respectively, and ν1 and ν2 are the Abbe numbers of the lenses 22a and 22b, respectively.
ｄ０＝２．８
ｒ１＝∞ ｄ１＝１．５ ｎ１＝１．５１６８ ν１＝６４．１７
ｒ２＝−４．８５ ｄ２＝０．２
ｒ３＝∞ ｄ３＝１．５ ｎ２＝１．５１６８ ν２＝６４．１７
ｒ４＝−４．８５ ｄ４＝０．５
d0 = 2.8
r1 = ∞ d1 = 1.5 n1 = 1.5168 ν1 = 64.17
r2 = −4.85 d2 = 0.2
r3 = ∞ d3 = 1.5 n2 = 1.5168 ν2 = 64.17
r4 = −4.85 d4 = 0.5
他の条件等は、表２の本発明のものに従っている。なお、レンズ２２ａの発光ダイオード１１側の焦点は、ｄ０＝３．４ｍｍの位置であるが、結合効率を最適化するために、発光ダイオード１１を焦点より内側の焦点近傍（ｄ０＝２．８）に配置している。 Other conditions are in accordance with the present invention in Table 2. The focal point of the lens 22a on the light emitting diode 11 side is at a position of d0 = 3.4 mm. However, in order to optimize the coupling efficiency, the light emitting diode 11 is positioned in the vicinity of the focal point inside the focal point (d0 = 2.8). Is arranged.
［比較例］
図６に示すように、比較のために、図２に示す従来の光ファイバ照明装置５０の構成で、２枚の両凸球面レンズ５１ａ，５１ｂを用いて結合効率の計算を行った。各レンズ５１ａ，５１ｂは、互いに曲率が小さい面で向き合った状態で配置されている。各レンズ５１ａ，５１ｂの曲率半径ｒ（ｍｍ）、中心厚および間隔ｄ（ｍｍ）、屈折率ｎ、アッベ数νを、以下に示す。ここで、ｒ１およびｒ２はそれぞれレンズ５１ａの発光ダイオード１１側および光ファイバ１２側の曲率半径、ｒ３およびｒ４はそれぞれレンズ５１ｂの発光ダイオード１１側および光ファイバ１２側の曲率半径である。ｄ０はレンズ５１ａ，５１ｂの光軸における発光ダイオード１１とレンズ５１ａとの間隔、ｄ１およびｄ３はそれぞれ各レンズ５１ａ，５１ｂの中心厚、ｄ２はレンズ５１ａとレンズ５１ｂとの間隔、ｄ４はレンズ５１ｂと光ファイバ１２との間隔である。ｎ１およびｎ２はそれぞれ各レンズ５１ａ，５１ｂの屈折率、ν１およびν２はそれぞれ各レンズ５１ａ，５１ｂのアッベ数である。なお、他の条件等は、表２の従来の光学系のものに従っている。
[Comparative example]
As shown in FIG. 6, for comparison, the coupling efficiency was calculated using two biconvex spherical lenses 51a and 51b in the configuration of the conventional optical fiber illumination device 50 shown in FIG. The lenses 51a and 51b are arranged facing each other on surfaces having a small curvature. The curvature radius r (mm), center thickness and distance d (mm), refractive index n, and Abbe number ν of each lens 51a and 51b are shown below. Here, r1 and r2 are the radii of curvature of the lens 51a on the light emitting diode 11 side and the optical fiber 12 side, respectively, and r3 and r4 are the radii of curvature of the lens 51b on the light emitting diode 11 side and the optical fiber 12 side, respectively. d0 is the distance between the light emitting diode 11 and the lens 51a on the optical axes of the lenses 51a and 51b, d1 and d3 are the center thicknesses of the lenses 51a and 51b, d2 is the distance between the lenses 51a and 51b, and d4 is the distance between the lenses 51b and 51b. The distance from the optical fiber 12. n1 and n2 are the refractive indexes of the lenses 51a and 51b, respectively, and ν1 and ν2 are the Abbe numbers of the lenses 51a and 51b, respectively. Other conditions and the like are in accordance with those of the conventional optical system shown in Table 2.
ｄ０＝５．６
ｒ１＝８９ ｄ１＝２．５ ｎ１＝１．５１６８ ν１＝６４．１７
ｒ２＝−５．３ ｄ２＝０．２
ｒ３＝６ ｄ３＝２．５ ｎ２＝１．５１６８ ν２＝６４．１７
ｒ４＝−２４ ｄ４＝１０．３
d0 = 5.6
r1 = 89 d1 = 2.5 n1 = 1.5168 ν1 = 64.17
r2 = −5.3 d2 = 0.2
r3 = 6 d3 = 2.5 n2 = 1.5168 ν2 = 64.17
r4 = −24 d4 = 10.3
図４〜図６に示す光ファイバ照明装置１０および従来の光ファイバ照明装置５０の結合効率等をまとめ、表３に示す。
表３に示すように、図４に示す光ファイバ照明装置１０は、レンズ２１ａ，２１ｂの径が小さく、発光ダイオード１１と光ファイバ１２との間隔が短く、周辺光の屈折角が小さいため、２枚のレンズ２１ａ，２１ｂで球面収差およびコマ収差を十分補正できている。その結果、結合効率が、表２に示す幾何光学的解析値（理論値）である１６％に近い値、１５．８％となっている。 As shown in Table 3, the optical fiber illuminating device 10 shown in FIG. 4 has a small diameter of the lenses 21a and 21b, a short distance between the light emitting diode 11 and the optical fiber 12, and a small refraction angle of ambient light. Spherical aberration and coma can be sufficiently corrected by the single lenses 21a and 21b. As a result, the coupling efficiency is a value close to 16%, which is the geometric optical analysis value (theoretical value) shown in Table 2, which is 15.8%.
図５に示す光ファイバ照明装置１０は、２枚のレンズ２２ａ，２２ｂを平凸球面レンズにして光学系を簡略化しているため、収差が多少大きくなっているが、結合効率は１５．７％で、図４のものとほとんど変わっていない。このことから、メニスカス球面レンズ２１ａ，２１ｂの代わりに、より安価な平凸球面レンズ２２ａ，２２ｂを用いることにより、結合効率をほとんど低下させることなく、初期費用や製造費用等のコストを抑えることができる。 The optical fiber illuminating device 10 shown in FIG. 5 uses two plano-convex spherical lenses for the two lenses 22a and 22b to simplify the optical system, so that the aberration is somewhat large, but the coupling efficiency is 15.7%. Thus, it is almost the same as that of FIG. Therefore, by using the cheaper plano-convex spherical lenses 22a and 22b instead of the meniscus spherical lenses 21a and 21b, it is possible to suppress costs such as initial costs and manufacturing costs without substantially reducing the coupling efficiency. it can.
図６に示す従来の光ファイバ照明装置５０では、レンズ５１ａ，５１ｂの径が大きく、発光ダイオード１１と光ファイバ１２との間の距離が長く、周辺光の屈折角が大きいため、２枚のレンズ５１ａ，５１ｂでは収差を補正することができない。特に、球面収差は補正できず、サイデル球面収差係数は、図４および図５の光ファイバ照明装置１０の５倍以上になっている。結合効率も８．６％であり、図４および図５の光ファイバ照明装置１０と比べて、かなり低下している。なお、球面収差を補正するためには、レンズ枚数を増やしたり、非球面レンズを使用したりする等の対応策があるが、いずれもコストが嵩む。 In the conventional optical fiber illuminating device 50 shown in FIG. 6, the lenses 51a and 51b are large in diameter, the distance between the light emitting diode 11 and the optical fiber 12 is long, and the refraction angle of the ambient light is large. With 51a and 51b, the aberration cannot be corrected. In particular, spherical aberration cannot be corrected, and the Seidel spherical aberration coefficient is 5 times or more that of the optical fiber illumination device 10 of FIGS. The coupling efficiency is also 8.6%, which is considerably lower than that of the optical fiber illumination device 10 of FIGS. In order to correct the spherical aberration, there are countermeasures such as increasing the number of lenses or using an aspheric lens, but all of them are costly.
このように、本発明の実施の形態の光ファイバ照明装置１０は、比較的簡単な構成で、結合効率を高めることができる。また、レンズ１３として、径が小さくより安価な平凸球面レンズを使用することができ、発光ダイオード１１と光ファイバ１２との距離も短いため、装置の小型化およびコストの低減を図ることができる。 As described above, the optical fiber lighting device 10 according to the embodiment of the present invention can increase the coupling efficiency with a relatively simple configuration. Further, a plano-convex spherical lens having a small diameter and a lower price can be used as the lens 13, and the distance between the light emitting diode 11 and the optical fiber 12 is short, so that the apparatus can be downsized and the cost can be reduced. .
なお、発光ダイオード１１は、発光面１１ａが円形のものを使用しているが、発光面１１ａが矩形の一般的なものを使用してもよい。この場合、発光面１１ａの代表的長さを、発光面１１ａの対角線として（２）式を用いると、高い結合効率が得られる。また、光ファイバ１２の他端の出射端面の光密度を上げたい場合には、矩形の発光面１１ａの短辺の長さを、代表的長さとするのが好ましい。 The light emitting diode 11 is a circular light emitting surface 11a, but a general light emitting surface 11a having a rectangular shape may be used. In this case, high coupling efficiency can be obtained by using the typical length of the light emitting surface 11a and the equation (2) as the diagonal line of the light emitting surface 11a. Further, when it is desired to increase the light density of the emission end face at the other end of the optical fiber 12, the length of the short side of the rectangular light emitting face 11a is preferably a representative length.
１０ 光ファイバ照明装置
１１ 発光ダイオード
１１ａ 発光面
１２ 光ファイバ
１２ａ 受光口
１３ レンズ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Optical fiber illuminating device 11 Light emitting diode 11a Light emission surface 12 Optical fiber 12a Light receiving port 13 Lens
Claims (4)
一端の受光口で光を受けて他端から光を放射する光ファイバと、
前記発光ダイオードと前記光ファイバとの間に配置された正の屈折力を有するレンズとを有し、
前記発光ダイオードは前記発光面から放射した光が前記レンズに入射可能に、前記レンズの焦点または焦点の近傍に配置され、
前記光ファイバは前記レンズを通した前記発光ダイオードからの放射光を前記受光口で受光可能に、前記受光口を前記レンズに近接して配置され、
前記レンズは、前記発光ダイオードの前記発光面の中心からの放射光が光軸に平行になるよう光を屈折可能に構成されていることを、
特徴とする光ファイバ照明装置。 A light emitting diode emitting light from the light emitting surface;
An optical fiber that receives light at the light receiving port at one end and emits light from the other end;
A lens having a positive refractive power disposed between the light emitting diode and the optical fiber;
The light emitting diode is disposed at or near the focal point of the lens so that light emitted from the light emitting surface can enter the lens.
The optical fiber is configured to receive light emitted from the light emitting diode through the lens at the light receiving port, and the light receiving port is disposed close to the lens,
The lens is configured to be able to refract light so that radiated light from the center of the light emitting surface of the light emitting diode is parallel to the optical axis.
An optical fiber illumination device.
2. The lens according to claim 1, wherein the lens is composed of two plano-convex spherical lenses in which a surface on the light emitting diode side has a planar shape and a surface on the optical fiber side has a convex shape. The optical fiber lighting device described.
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