JPH09101415A

JPH09101415A - 照明光ファイバ

Info

Publication number: JPH09101415A
Application number: JP25627995A
Authority: JP
Inventors: Isato Yunoki; 勇人柚木
Original assignee: Sumitomo Wiring Systems Ltd
Current assignee: Sumitomo Wiring Systems Ltd
Priority date: 1995-10-03
Filing date: 1995-10-03
Publication date: 1997-04-15

Abstract

(57)【要約】【課題】光ファイバの中間領域の外周面を長い経路に
亘って一様に照光させることができるような照明光ファ
イバを提供すること。【解決手段】一方端側が光源に接続された光ファイバ
に、光ファイバの一方端側から他方端側へ向かって外周
面が順次縮径するテーパ部を形成することにより、テー
パ部に導入された光をそのテーパ部から徐々に漏洩させ
て、長い経路に亘って照光させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、避難誘導路等に
用いられる照明光ファイバであって、特に、光ファイバ
をその中間領域で照光させた照明光ファイバに関する。

【０００２】

【従来の技術】通常、光ファイバはその一方端側より導
入された光を漏洩させることなく他方端側へ伝搬させる
ものである故、その中間領域の外周面で照光することは
ない。

【０００３】ところが、避難誘導路等に光ファイバを用
いる際には、その光ファイバの中間領域の外周面を長い
経路に亘って照光させて、当該誘導路を示す必要があ
る。

【０００４】このため、従来においては、照光させたい
領域の外周面に傷を付して、その傷付けた箇所から光を
漏洩させて照光させていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たように光ファイバの外周面に傷を付して、光ファイバ
の中間領域を照光させた場合、その傷を付した箇所のみ
で照光するため、一様な光が得られないという問題があ
った。

【０００６】また、その傷を付した箇所では、光ファイ
バ内を伝搬する光が直ちに漏洩してしまうため、光源か
ら遠く離れた位置では十分な光度が得られず、長い経路
に亘って全域を照光させることができないという問題も
あった。

【０００７】そこで、この発明は上述したような各問題
を解決すべくなされたもので、光ファイバの中間領域の
外周面を長い経路に亘って一様に照光させることができ
るような照明光ファイバを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、この発明の請求項１記載の照明光ファイバは、一方
端側が光源に接続された光ファイバに、光ファイバの一
方端側から他方端側へ向かって外周面が順次縮径するテ
ーパ部を形成したことを特徴とする。

【０００９】また、請求項２記載のように、前記光ファ
イバを進行する光がその光ファイバ内を全反射しながら
進行する際の光ファイバの光軸に対する光の臨界角を
ψ、光ファイバの直径をＤ（ｍ）としたとき、前記テー
パ部の長さＨと、前記光ファイバの光軸に対する前記テ
ーパ部周面の傾斜角θとを、

【００１０】

【数３】

【００１１】を満たすように設定してもよい。

【００１２】さらに、請求項３記載のように、前記光フ
ァイバの伝搬損失をＡ（ｄＢ／Ｍ）としたとき、前記テ
ーパ部の長さＨ（ｍ）と、前記光ファイバの光軸に対す
る前記テーパ部周面の傾斜角θとを、

【００１３】

【数４】

【００１４】を満たすように設定してもよい。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、この発明にかかる一実施形
態について図面を参照して説明する。図１に示すよう
に、この照明光ファイバは、一方端側（図１の左側とす
る）が図示省略の光源に接続された光ファイバ１０に、
光ファイバ１０の一方端側から他方端側へ向かって外周
面が順次縮径するテーパ部１１が形成されている。

【００１６】上記光ファイバ１０は、ポリメチルメタク
リレート樹脂（ＰＭＭＡ）や重水素化ＰＭＭＡ，ポリス
チレン系重合体，ポリ−４−メチルペンテン，シリコン
系樹脂等からなるコアと、ポリビニリデンフロライド
（ＰＶｄＦ）やトリフルオロエチルメタクリレート（３
ＦＭＡ），テトラフルオロプロピルメタクリレート（４
ＦＭＡ），トリフルオロアクリルレート（３ＦＡ），テ
トラフルオロプロピルアクリルレート（４ＦＡ）等より
なりコアの周囲に被覆されたクラッド（共に図示省略）
とから構成されている。

【００１７】また、上記テーパ部１１は、図２に示すよ
うな方法により形成される。

【００１８】即ち、一方端側が温風器２０に接続された
温風パイプ２１内に光ファイバ１０が挿通されている。
そして、温風器２０から温風パイプ２１内に温風を流入
させると、温風パイプ２１内の温度分布は、温風器２０
に近い位置から遠ざかるにつれて徐々に温度が下がるよ
うになる。この状態で、光ファイバ１０にテンションを
かけると、温風器２０に近い位置では、光ファイバ１０
がよく熱せられて伸長する一方、温風器２０から遠ざか
る位置では、光ファイバがあまり熱せられず、あまり伸
長しない。従って、温風パイプ２１内の温度分布によっ
て図２の左方向に向け外周面が順次縮径するテーパ部１
１が形成されることになる。

【００１９】以上のように形成された照明光ファイバに
おいて、光は以下のように進行する。

【００２０】即ち、図３に示すように、光ファイバ１０
の光軸に対するテーパ部１１周面の傾斜角をθに設定し
た照明光ファイバ内に光１５が進行してきたとする。こ
の光１５の光ファイバ１０の光軸に対する角度θ₁は、
光が光ファイバ１０のコアとクラッドとの境界面で全反
射されるための臨界角ψ（図３には示されていない）よ
りも小さい角度である。

【００２１】まず、光１５がテーパ部１１周面に１回目
到達した際に、光１５とその周面とがなす角は、（θ₁
＋θ）である。

【００２２】この角（θ₁＋θ）が臨界角ψよりも大き
いと、光１５はコアからクラッドへ侵入する（コアから
クラッドに侵入する際の光の進行角の変化は無視す
る）。さらに、この角（θ₁＋θ）がクラッドとその周
囲の空気との境界面で反射されるための臨界角ψ₂（図
中には示されていない）よりも大きいと、光１５は光フ
ァイバ１０から漏洩するのでテーパ部１１において照光
する。

【００２３】一方、光１５とテーパ部１１周面との角
（θ₁＋θ）が、臨界角ψ、ψ₂よりも小さい場合には、
光１５はコアとクラッドとの境界面、又はクラッドと周
囲の空気との境界面で反射され、テーパ部１１において
再度その周面に到達する。

【００２４】この２回目の到達位置における光１５とテ
ーパ部１１周面との角は、１回目の到達位置における光
１５とテーパ部１１周面との角（θ₁＋θ）よりも２θ
大きく、（θ₁＋３θ）である。

【００２５】この角（θ₁＋３θ）が、臨界角ψよりも
大きいと、光１５はコアからクラッドへ侵入する。さら
に、この角（θ₁＋３θ）がクラッドとその周囲の空気
との境界面で反射されるための臨界角ψ₂よりも大きい
と、光１５は光ファイバ１０から漏洩するのでテーパ部
１１において照光する。

【００２６】一方、光１５とテーパ部１１周面との角
（θ₁＋３θ）が、臨界角ψ、ψ₂よりも小さいと、光１
５はコアとクラッドとの境界面、又はクラッドと周囲の
空気との境界面で反射され、テーパ部１１において再度
その周面に到達する。

【００２７】そして、テーパ部１１周面に対する角度が
臨界角ψ、ψ₂よりも大きくなってテーパ部１１から漏
洩するまで、光は幾度もテーパ部１１周面に内部反射さ
れる。

【００２８】即ち、光がテーパ部１１周面によって１回
反射される度に、その光とテーパ部１１周面とがなす角
は２θずつ大きくなり、ｎ回目テーパ部１１周面に到達
した位置で、その光とテーパ部１１周面との角度は、
｛θ₁＋（２・ｎ−１）θ｝となる。そして、この角度
｛θ₁＋（２・ｎ−１）θ｝が、コアとクラッドとの境
界面で全反射されるための臨界角ψ、クラッドと周囲の
空気との境界面で全反射されるための臨界角ψ₂を越え
たときに、光１５が光ファイバ１０から漏洩して、テー
パ部１１が照光するようになる。

【００２９】以上のように構成された照明光ファイバに
よると、光がテーパ部１１において１回内部反射される
毎に、テーパ部１１の光軸に対する光の角度が徐々に大
きくなる。従って、テーパ部１１の全域に亘って徐々に
光が漏洩するので、光ファイバの中間領域の外周面を長
い経路に亘って一様に照光させることができる。

【００３０】ところで、このような照明光ファイバを制
作するに当たっては、以下のような点に注意する必要が
ある。

【００３１】即ち、テーパ部１１の長さに比べてテーパ
部１１の傾斜角θが大きい場合には、より少ない反射回
数で光が光ファイバ１０から漏洩するので、テーパ部１
１をその全域に亘って発光させることができない。ま
た、テーパ部の長さに比べてテーパ部１１の傾斜角θが
小さい場合には、光が多回数反射されなければ光ファイ
バ１０から漏洩しないので、光がテーパ部１１でその他
方端に伝搬されてしまい、テーパ部１１における十分な
照光が得られないということである。

【００３２】そこで、発光させたいテーパ部１１の長さ
Ｈ（ｍ）と、光ファイバ１０の光軸に対するテーパ部１
１の傾斜角θとは、以下に述べるような関係式を満たす
ように設定するとよい。

【００３３】即ち、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すよ
うに、テーパ部１１における光ファイバ１０の光軸上の
任意の一点を原点Ｏとし、テーパ部１１において１回の
み内部反射された光がこの原点Ｏを通過したと考える。

【００３４】この光は、テーパ部１１において一度内部
反射されているので、反射される前よりも光ファイバ１
０の光軸に対する角度が２θ大きくなっている。そし
て、光とテーパ部１１周面との角度がコアとクラッドと
の境界面で全反射されるための臨界角ψ及びクラッドと
その周囲の空気との境界面で全反射されるための臨界角
ψ₂を越えた場合にその光が光ファイバ１０から漏洩す
る。

【００３５】ただし、これから後の説明では、光ファイ
バ１０の光軸に対する角度がψ以上の光が漏洩している
ものとする。

【００３６】また、光ファイバ１０内を進行する光が光
ファイバ１０の光軸となす最大角はψであるので、光フ
ァイバ１０から漏洩する光が光ファイバ１０の光軸とな
す最大角は（ψ＋２θ）である。

【００３７】従って、光ファイバ１０の光軸に対する角
がψ以上かつ（ψ＋２θ）以下の光が漏洩する。

【００３８】そこで、光ファイバ１０の光軸に対する角
がψである光が、テーパ形状に仕上げていない光ファイ
バ周面に到達する位置をＱとし、この点Ｑを通るテーパ
部１１の断面について、光の漏洩率Ｒ_nを考える。

【００３９】なお、図４で示される点Ｐは、点Ｑを通る
テーパ部１１の断面と光ファイバ１０の光軸との交点で
あり、点Ｒは、点Ｑを通るテーパ部１１の断面と光ファ
イバ１０の光軸に対する角度が（ψ＋２θ）である光と
の交点のひとつである。

【００４０】ここで、図４（ｂ）で示される点Ｐを中心
として点Ｑを通る円は、光ファイバ１０の本体の直径で
表される円であり、点Ｐを中心として点Ｒを通る円は、
光ファイバ１０の光軸とのなす角が（ψ＋２θ）である
光が通過する軌跡で表される円である。すると、点Ｐを
中心として点Ｑを通る円内を通過する光は、光ファイバ
１０から漏洩せず、点Ｐを中心として点Ｑを通る円と点
Ｐを中心として点Ｒを通る円とで囲まれた領域を通過す
る光は漏洩する。

【００４１】従って、点Ｐを中心として点Ｑを通る円の
面積をＳ₁（ｍ²）、点Ｐを中心として点Ｑを通る円と点
Ｐを中心として点Ｒを通る円とで囲まれた領域の面積を
△Ｓ（ｍ²）とすると、テーパ部１１において一度反射
された光の漏洩率Ｒ_nは、

【００４２】

【数５】

【００４３】で表すことができる（なお、光ファイバ１
０はマルチモードであり、光ファイバ１０の光軸に対す
る光の角度と光量とはほぼ均等に分布しており、円Ｓ₁
内には、光が均一に通過しているものとする）。

【００４４】従って、テーパ部１１に導入された光量を
Ｂとすると、１回の反射で漏洩する光量は、Ｂ・△Ｓ／
Ｓ₁である。

【００４５】また、光ファイバ内を進行する光の光ファ
イバの光軸に対する角度と光量とは、マルチモードの光
ファイバの場合、均一に分布しているので、テーパ部１
１において１回のみ反射されて光ファイバ１０から漏洩
した光量と、２回のみ反射されて光ファイバ１０から漏
洩した光量とは同じである。これは、テーパ部１１にお
いて、何回反射された光でも同様であるので、テーパ部
１１において反射された光は、反射される毎に、それぞ
れ、Ｂ・△Ｓ／Ｓ₁ずつ漏洩していくことになる。

【００４６】さらに、図４に示したように、テーパ部１
１において１回内部反射された光は、長さＬ（ｍ）毎に
Ｂ・△Ｓ／Ｓ₁ずつ漏洩していくが、これはテーパ部１
１において何回反射された光でも同様に長さＬ（ｍ）毎
にＢ・△Ｓ／Ｓ₁ずつ漏洩していくので、テーパ部１１
において、光は長さＬ（ｍ）毎にＢ・△Ｓ／Ｓ₁ずつ漏
洩することになる。

【００４７】ここで、光ファイバ１０の直径をＤ（ｍ）
とすると、

【００４８】

【数６】

【００４９】

【数７】

【００５０】

【数８】

【００５１】

【数９】

【００５２】で表されるので、漏洩率Ｒ_nは、

【００５３】

【数１０】

【００５４】で表される。

【００５５】以上から、テーパ部１１において光Ｂが導
入されると、長さＬ（ｍ）当たり、Ｂ・Ｒ_nずつ漏洩し
ていく。

【００５６】そこで、長さＨ（ｍ）であるテーパ部１１
を形成するためには、Ｂ・Ｒ_n・Ｈ／Ｌ＝Ｂとなるよう
にすればよい。

【００５７】即ち、Ｒ_n＝Ｌ／Ｈが成り立つので、数８
及び数１０から、

【００５８】

【数１１】

【００５９】が成り立ち、この数１１を満たすようにテ
ーパ部１１の角度θを設定すればよい。

【００６０】ところで、光が光ファイバ１０内を伝搬す
るに当たっては、光ファイバ自体の伝搬損失がある。こ
の伝搬損失は、光ファイバ１０自体の素材のＣ−Ｈ結合
に吸収されるもので、テーパ部１１における照光として
は見られない。この光ファイバ１０の伝搬損失をＡ（ｄ
Ｂ／ｍ）とすると、長さＨのテーパ部１１にあっては、
Ａ・Ｈ（ｄＢ）の伝搬損失が見られる。

【００６１】一般に、ある伝送路における伝搬損失をＮ
（ｄＢ）としたとき、入力値をＰ₁、出力値をＰ₂とする
と、Ｎ＝１０・ｌｏｇ（Ｐ₂／Ｐ₁）が成り立つので、テ
ーパ部１１において、Ｂ・（１／１０^A・H/10）の光が伝
搬損失する。従って、テーパ部１１に導入された光の
内、テーパ部１１において、漏洩して照光する光は、Ｂ
・（１−１／１０^A・H/10）であると考えると、テーパ部
１１の長さＬ（ｍ）当たり、の減衰率Ｒ_nを、（１−１
／１０^A・H/10）・Ｌ／Ｈとすればよい。

【００６２】即ち、Ｒｎ＝（１−１／１０^A・H/10）・Ｌ
／Ｈが成り立つので、数８及び数１０から、

【００６３】

【数１２】

【００６４】が成り立ち、この数１２を満たすようにテ
ーパ部１１の光ファイバ１０の光軸に対する角度θ及び
テーパ部１１の長さＨ（ｍ）を設定すればよい。

【００６５】以下に、上述した照明光ファイバの具体的
な例について、図５を参照して説明する。

【００６６】即ち、ＰＭＭＡからなるコアにＰＶｄＦか
らなるクラッドを被覆することにより構成された直径Ｄ
が１×１０^-3（ｍ）、開口数が０．５の光ファイバ１０
について考える。なお、上記コアの屈折率は１．４９
５、クラッドの屈折率は１．４０９であり、この光ファ
イバ１０内を全反射しながら光が伝搬する際の、光ファ
イバ１０の光軸に対する光の臨界角ψはおよそ２０度で
ある。また、この光ファイバ１０自体の伝搬損失はない
とする。

【００６７】この光ファイバ１０に、光ファイバ１０の
光軸に対して外周面の傾斜角θを２．２９１８３×１０
^-3度に設定したテーパ部１１を形成した。

【００６８】すると、数８から、Ｌ＝１／（２・ｔａｎ
２０）＝１．３７×１０^-3（ｍ）である。

【００６９】また、数１０より、このテーパ部１１にお
ける長さＨ（ｍ）当たりの漏洩率Ｒ_nは、４．９７６５
×１０^-4である。

【００７０】さらに、数１１より、テーパ部１１の長さ
Ｈを、約２．７５ｍに設定すればよいことが分かる。

【００７１】次に、光ファイバ１０自体の伝搬損失を考
慮して、所定の長さＨ＝１０（ｍ）のテーパ部１１を製
作する際のテーパ部１１の傾斜角の設定について述べ
る。

【００７２】即ち、光ファイバ１０の伝搬損失を０．３
（ｄＢ／ｍ）であるとすると、テーパ部１１の傾斜角θ
は、以下のように求められる。

【００７３】このＨ＝１０（ｍ）のテーパ部１１では、
０．３×１０＝３から、３（ｄＢ）の損失となる。

【００７４】また、数８から、Ｌ＝１．３７×１０
^-3（ｍ）とわかる。

【００７５】従って、Ｈ＝１０（ｍ）のテーパ部１１に
おいては、光ファイバ１０自体の伝搬損失分の光を除く
と、（１００−１００・／１０^3/10）＝５０（％）の光
を漏洩させればよい。

【００７６】このためには、５０・１．３７×１０^-3／
１０＝６．８５×１０^-3から、長さＬ＝１．３７×１０
^-3（ｍ）当たり、６．８５×１０^-3（％）ずつ漏洩させ
ていけばよい。

【００７７】そこで、数１２から、θを約３．１５３×
１０^-4に設定すればよいことが分かる。

【００７８】なお、この際、光源から離れたその先端に
おいて、テーパ部１１の直径は約０．９×１０^-3（ｍ）
である。

【００７９】また、コアとして屈折率が１．４９５、ク
ラッドとして屈折率が１．３８の３ＦＭＡを用いた高い
開口数（ＮＡが０．５８程度）の光ファイバ１０により
照明光ファイバを製作した場合について考えてみる。

【００８０】このような高開口数の光ファイバ１０で
は、光ファイバ１０内を伝搬する際に、光ファイバ１０
の光軸に対する光の角度が大きく、光の経路が、低開口
数の光ファイバ１０と比較して長いため、光ファイバ１
０自体の伝搬損失が大きい。

【００８１】例えば、この光ファイバ１０の伝搬損失
は、０．４（ｄＢ／ｍ）である。

【００８２】そこで、この光ファイバ１０を用いて、Ｈ
＝８（ｍ）のテーパ部１１を形成すると、そのテーパ部
１１における光の伝搬損失は３．２ｄＢである。

【００８３】また、この光ファイバ１０内を光が伝搬す
る際の光ファイバ１０の光軸に対する光の臨界角ψは、
約２４度である。

【００８４】従って、数１２より、光ファイバ１０の光
軸に対するテーパ部１１周面の傾斜角θを、３．８９６
×１０^-4度に設定すれば、テーパ部１１を８（ｍ）に亘
って全域に発光させることができる。

【００８５】なお、この場合テーパ部１１の先端の直径
は、０．９×１０^-3（ｍ）である。

【００８６】以上述べたように、数１１又は数１２を用
いて、テーパ部１１の傾斜角θ、及びその長さＬとを設
定すれば、テーパ部１１に導入された光を有効にテーパ
部１１において漏洩させて照光させることができる。

【００８７】この場合、明るいテーパ部１１を形成する
際には、そのテーパ部１１の傾斜角θを大きくすると共
に、テーパ部１１の長さＨを短くすればよい。一方、長
い経路に亘って照光するテーパ部１１を形成するために
は、テーパ部１１の傾斜角θを小さくして、テーパ部１
１の長さＨを長くすればよい。

【００８８】なお、この照明光ファイバに用いられる光
ファイバ１０としては、開口数が低いものほど、光ファ
イバ１０自体の伝搬損失が少ないため、より長く、か
つ、明るいテーパ部１１を形成することが可能である。
このため、この照明光ファイバを制作する際には、なる
べく低い開口数の光ファイバ１０を用いることが好まし
い。

【００８９】

【発明の効果】以上のように、この発明の請求項１記載
の照明光ファイバによると、その一方端側から他方端側
へ向かって順次縮径するテーパ部を形成しているため、
テーパ部に挿入された光がその周面によって内部反射さ
れる毎に、光ファイバの光軸に対するその光の角度が徐
々に大きくなる。その結果、光が光ファイバ内を全反射
しながら進行するための条件に適合しなくなると、その
光が光ファイバから徐々に漏洩してテーパ部が照光す
る。従って、光ファイバの中間領域の外周面を長い経路
に亘って一様に照光させることができる。

【００９０】また、請求項２記載のように、光ファイバ
の光軸に対するテーパ部周面の傾斜角θと、そのテーパ
部の長さＨを設定すれば、テーパ部に導入された光を無
駄なくそのテーパ部において漏洩させて照光させること
ができる。

【００９１】さらに、請求項３記載のように、光ファイ
バ自体の伝搬損失を考慮して、光ファイバの光軸に対す
るテーパ部周面の傾斜角θと、そのテーパ部の長さＨを
設定しても、テーパ部に導入された光を無駄なくそのテ
ーパ部において漏洩させて照光させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明にかかる一実施形態の照明光ファイバ
を示す側面図である。

【図２】同上の照明光ファイバの製造方法を示す図であ
る。

【図３】同上の照明光ファイバにおける光の経路を示す
図である。

【図４】同上の照明光ファイバにおける光の経路を示す
図である。

【図５】同上の照明光ファイバにおける光の経路を示す
図である。

【符号の説明】

１０光ファイバ１１テーパ部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一方端側が光源に接続された光ファイバ
に、光ファイバの一方端側から他方端側へ向かって外周
面が順次縮径するテーパ部を形成したことを特徴とする
照明光ファイバ。
【請求項２】前記光ファイバを進行する光がその光フ
ァイバ内を全反射しながら進行する際の光ファイバの光
軸に対する光の臨界角をψ、光ファイバの直径をＤ
（ｍ）としたとき、前記テーパ部の長さＨ（ｍ）と、前記光ファイバの光軸
に対する前記テーパ部周面の傾斜角θとを、【数１】を満たすように設定したことを特徴とする請求項１記載
の照明光ファイバ。
【請求項３】前記光ファイバの伝搬損失を、Ａ（ｄＢ
／ｍ）としたとき、前記テーパ部の長さＨ（ｍ）と、前
記光ファイバの光軸に対する前記テーパ部周面の傾斜角
θとを、【数２】を満たすように設定したことを特徴とする請求項１記載
の照明光ファイバ。