JPH04366905A - 光ファイバを用いた投光装置ならびにコリメートおよび集光光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は，光ファイバを用いた
投光装置ならびに光ファイバを用いたコリメート光学系
および集光光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバを用いた投光装置は多くの光
応用分野で用いられている。その一つに光ファイバ型光
電スイッチがある。

【０００３】図６は光ファイバを用いた透過型光電スイ
ッチの例を，図７は光ファイバを用いた反射型光電スイ
ッチの例をそれぞれ示している。

【０００４】図６において，投光用光ファイバ４１と受
光用光ファイバ４２とが対向して配置され，投光用光フ
ァイバ４１から出射した投射光は受光用光ファイバ４２
に入射する。これらの両光ファイバ４１と４２との間に
物体Ｏｂが進入すると，投光用光ファイバ４１から出射
する投射光はこの物体Ｏｂによって遮断され，受光用光
ファイバ４２に入射しない。受光用光ファイバ４２に入
射する光の有無により物体Ｏｂの有無が検知される。投
光用光ファイバ４１の光出射端部には後述するように光
投射のための光学系が，受光用光ファイバ４２の光入射
端部には入射光を光ファイバ内に導入するための光学系
がそれぞれ設けられているのは言うまでもない。

【０００５】図７において，投光用光ファイバ４１と受
光用光ファイバ４２とが平行に配置されている。これら
の投，受光用光ファイバ４１，４２の前方に物体Ｏｂが
存在すると，投光用光ファイバ４１から出射した投射光
は物体Ｏｂで反射し，反射光の一部が受光用光ファイバ
４２に入射する。物体Ｏｂが存在しない場合には，反射
光は受光用光ファイバ４２には入射しない。受光用光フ
ァイバ４２に入射する反射光の有無により物体Ｏｂの有
無が検知される。

【０００６】このような光ファイバ型光電スイッチに対
して次のことが要請されている。

【０００７】（１）　検出距離を長くとるためには，投
光用光ファイバ４１から投射される光はコリメートされ
ている必要がある。この投射光は，コリメートされてい
なければ，広がりながら伝搬するので，投光用光ファイ
バ４１の光出射端から受光用光ファイバ４２の光入射端
までの距離（図７の反射型の場合には，投射光が物体Ｏ
ｂで反射して受光用光ファイバ４２に入射するまでの距
離）が長い場合，受光用光ファイバ４２にほとんど光が
入射しないか，入射したとしてもその検知はきわめて困
難である。受光用光ファイバ４２によって受光される光
量は距離の２乗に比例して減少するからである。

【０００８】（２）　投光用光ファイバ４１から出射さ
れる投射光ビームの径が検出すべき物体Ｏｂよりも大き
い場合，特に透過型において，すべての投射光が物体Ｏ
ｂによって遮光されない。投射光の一部は物体Ｏｂの周
囲を通って受光用光ファイバ４２に入射する。したがっ
て，物体Ｏｂの検出が困難または不可能となる。反射型
のものにおいても物体Ｏｂが小さければ反射光量は少な
くなり，同様の問題が生じる。したがって，投射光ビー
ムは検出物体Ｏｂの大きさよりも細い必要がある。

【０００９】（３）　安価，小型，軽量であることが好
ましい。

【００１０】図８は光ファイバの端面から光が出射する
様子を示すものである。よく知られているように，光フ
ァイバ５０は，基本的には，中心部のコア５２とその周
囲を囲むクラッド５１とから構成される。コア５２の屈
折率よりもクラッド５１の屈折率の方が小さく，光はコ
ア５２内に閉じ込められ，コア５２とクラッド５１との
界面における全反射によってコア５２内を伝搬する。し
たがって，光ファイバ５０の端面からの出射光は種々の
方向に広がる。光ファイバの端面からの出射光は上記（
１）　および（２）の要請を到底満足することはできな
い。

【００１１】図９は光ファイバの端面にコリメート光学
系を設けることによって出射光をできるだけ細くしよう
とする従来の投光用光ファイバを示すものである。

【００１２】光ファイバ５０の先端部に筒体４４が取付
け固定される（取付構造については図示略）。この筒体
４４の内部にはコリメート・レンズ４６が設けられ，ま
た筒体４４の先端の光出射窓にはカバー・ガラス４５が
取付けられている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な構成によっても投射光を充分にコリメートすることは
できず，出射光がある程度の広がりを持つことは避けら
れない。

【００１４】すなわち，図１０に示すように，焦点距離
ｆをもつコリメート・レンズ４６Ａを光ファイバ５０の
出射端面から距離ｆの位置に配置した場合に，コリメー
ト・レンズ４６Ａから出射する光の広がり角θは次式で
表わされる。

【００１５】

【数１】θ＝２　ｔａｎ−１（ｄ／２ｆ）　　‥‥式１

【００１６】ここでｄは光ファイバ５０のコア５２の径
である。

【００１７】広がり角θは，光ファイバのコアの径ｄを
小さくするか，またはコリメート・レンズの焦点距離ｆ
を長くすることにより小さくすることができる。

【００１８】光ファイバのコアの径ｄを小さくすること
はできないから，符号４６Ｂで示すように焦点距離の長
いコリメート・レンズを用いると破線で示すように広が
り角は小さくなる。

【００１９】コリメート・レンズの焦点距離を長くする
と，コリメート・レンズ４６Ｂを光ファイバ５０の出射
端面から遠い位置に配置しなければならない。上述のよ
うに光ファイバ５０からの出射光は広がりをもっている
ので，光ファイバ５０から出射した光をすべてコリメー
ト・レンズ４６Ｂに入射させようとすると（光量を確保
するために），コリメート・レンズ４６Ｂのレンズ径を
大きくしなければならない。

【００２０】この結果，光ファイバの出射端部に設ける
コリメート光学系が大型化し，上記要請（３）　を満足
しなくなる。

【００２１】この発明は，上記要請（１）　，（２）　
および（３）をできるだけ満足できる光学系を提供する
ものである。

【００２２】

【課題を解決するための手段】第１の発明による光ファ
イバを用いた投光装置は，内部に導入された光を出射さ
せる光出射端面を有する光ファイバ，内面が錐状の反射
面であり，光出射側開口が光入射側開口よりも小さく形
成され，上記光入射側開口が上記光ファイバの上記光出
射端面から出射される光を受けるように配置された錐状
反射体，および焦点が上記錐状反射体の上記光出射側開
口にほぼ位置するように配置され，上記光出射側開口か
ら出射する光をコリメートするコリメート・レンズを備
えているものである。

【００２３】第２の発明による光ファイバを用いた投光
装置は，内部に導入された光を出射させる光出射端面を
有する光ファイバ，光出射側開口が光入射側開口よりも
小さく形成され，上記光入射側開口が上記光ファイバの
上記光出射端面から出射される光を受けるように配置さ
れ，上記光入射側開口から内部に導入された光を周側面
における全反射により上記光出射側開口に導く錐状反射
体，および焦点が上記錐状反射体の上記光出射側開口に
ほぼ位置するように配置され，上記光出射側開口から出
射する光をコリメートするコリメート・レンズを備えて
いるものである。

【００２４】この発明による光ファイバを用いたコリメ
ート光学系は，光出射側開口が光入射側開口よりも小さ
く形成され，上記光入射側開口が光ファイバの端面から
出射される光を受けるように配置され，上記光入射側開
口から内部に導入された光を反射によって上記光出射側
開口に導く錐状反射体，および焦点が上記錐状反射体の
上記光出射側開口にほぼ位置するように配置され，上記
光出射側開口から出射する光をコリメートするコリメー
ト・レンズを備えているものである。

【００２５】この発明による光ファイバを用いた集光光
学系は，光出射側開口が光入射側開口よりも小さく形成
され，上記光入射側開口が光ファイバの端面から出射さ
れる光を受けるように配置され，上記光入射側開口から
内部に導入された光を反射によって上記光出射側開口に
導く錐状反射体，および上記錐状反射体の上記光出射側
開口から出射された光を集光する位置に配置された集光
レンズを備えているものである。

【００２６】

【作用】光ファイバを用いた投光装置，コリメート光学
系および集光光学系のいずれにおいても，光ファイバか
ら出射した光は錐状反射体の光入射側開口から錐状反射
体内に入り，さらに鏡面反射または全反射により光出射
側開口に導かれ，この光出射側開口から出射する。光出
射側開口から出射した光はコリメート・レンズによりコ
リメートまたは集光レンズにより集光される。

【００２７】コリメート・レンズまたは集光レンズに入
射する光は上記錐状反射体の光出射側開口から出射する
。すなわち，光出射側開口は一種の光源と考えることが
できる。上述した式１において，錐状反射体の光出射側
開口の径がｄに相当することになる。光出射側開口は光
ファイバのコア径よりも小さくすることが可能であり，
したがって，焦点距離ｆを長くしなくても広がり角θを
小さくすることができる。

【００２８】

【発明の効果】上述のように，錐状反射体の光出射側開
口の径を光ファイバのコア径よりも充分に小さくするこ
とが可能であるから，光出射側開口を点光源とみなすこ
とができる。これにより，コリメート・レンズまたは集
光レンズの焦点距離を長くしなくても，レンズからの出
射光の広がり角を小さく抑えることが可能となる。

【００２９】したがって，強くコリメートされた細い光
ビームを作成でき，しかも小型，軽量，安価に光学系を
構成することができる。

【００３０】

【実施例】図１は第１の発明による光ファイバを用いた
投光装置の実施例を示すものである。

【００３１】光ファイバ１０は，中心部のコア１２とそ
の周囲を覆うクラッド１１とから構成されている。

【００３２】この光ファイバ１０の光出射端部に錐状反
射体２０が取付け固定されている。錐状反射体２０はそ
の両端部に筒状部分２０ａおよび２０ｂを備え，中央部
に円錐状の空間が形成されている。錐状反射体２０は一
方の筒状部分２０ａが光ファイバ１０の端部にはまるこ
とにより固定されている。錐状反射体２０の光ファイバ
１０への固定のために，必要ならば，接着剤または適当
な固定具が用いられる。

【００３３】錐状反射体２０の中央部の円錐状空間を形
成する内面には，アルミニウム，その他の金属の蒸着ま
たはスパッタ等により鏡面反射面２１が形成されている
。この円錐状空間は，光ファイバ１０の光出射端面に対
向する光入射側開口２２と，これと反対側の光出射側開
口２３とを有している。光入射側開口２２の大きさは光
ファイバ１０のコア１２の断面と同じまたはそれ以上で
あり，光出射側開口２３は光入射側開口２２よりもはる
かに小さく形成されている。

【００３４】光ファイバ１０のコア１２から出射した光
は，光入射側開口２２から円錐状空間内に入り，反射面
２１で反射して光出射側開口２３から出射する。好まし
くは，反射面２１での反射による戻り光の発生を防止す
るために，円錐状空間内に入った光は反射面２１で一回
だけ反射して光出射側開口２３から出射するように，錐
状反射体２０の形状を定めるとよい。また，錐状反射体
２０の内部空間は円錐形に限られず，角錐形であっても
よいのはいうまでもない。

【００３５】錐状反射体２０の他方の筒状部分２０ｂ内
にはコリメート・レンズ２６が，その焦点が光出射側開
口２３に位置するように配置され，かつ固定されている
。この筒状部分２０ｂには筒カバー２４が被せられ，こ
の筒カバー２４の端面の開口（光出射窓）にカバー・ガ
ラス２５が取付け固定されている。

【００３６】錐状反射体２０の光出射側開口２３は小さ
いので，あたかも点光源のようにみなすことができる。 集光レンズの焦点位置に置かれた点光源から出射した光
はその集光レンズによって平行化される。

【００３７】したがって，光出射側開口２３から出射し
た光はレンズ２６によってコリメートされ，ガラス２５
を通って外部に出射される。換言すれば，式１における
径ｄを充分に小さくすることができるので，レンズ２６
の焦点距離ｆを長くしなくても，出射光の広がり角θを
小さくすることができる。

【００３８】図２は変形例を示すもので，基本的構成は
図１に示すものと同じであり，同一物には同一符号を付
し説明を省略する。

【００３９】コリメート・レンズとしてボール・レンズ
２７が用いられている。このようにコリメート・レンズ
としては任意の形のレンズを用いることができる。筒カ
バー２４はその内面に内方に突出した環状突部２４ａを
有し，この環状突部２４ａが錐状反射体２０の筒状部分
２０ｂの外周面に形成された環状溝にはまることにより
，固定されている。

【００４０】図３および図４は第２の発明による光ファ
イバを用いた投光装置の実施例を示すものである。

【００４１】光ファイバ１０の先端部に支持筒体３４が
取付け固定されている。この支持筒体３４の内部に錐状
反射体３０とフレネル・レンズ３６とが固定されている
。また支持筒体３４の先端の光出射窓にはカバー・ガラ
ス３５が取付けられている。

【００４２】錐状反射体３０とフレネル・レンズ３６と
は合成樹脂等により一体形成されている。錐状反射体３
０は円錐状の透明ブロックであって，その大径の端面が
光入射側開口３２となり，光ファイバ１０のコア１２の
端面に接している。錐状反射体３０の先端部は小さな面
積の端面をもつように切断され，この端面が光出射側開
口３３となる。光出射側開口３３は光入射側開口３２よ
りもはるかに小さい。

【００４３】フレネル・レンズ３６の焦点が光出射側開
口３３のところに位置している。

【００４４】光ファイバ１０のコア１２から出射した光
は光入射側開口３２から錐状反射体３０内に入射し，そ
の周側面３１で全反射することにより光出射側開口３３
に導かれる。 光出射側開口３３から出射した光は次にフレネル・レン
ズ３６に入り，コリメートされて，カバー・ガラス３５
を通して外部に投射される。

【００４５】錐状反射体３０においても，入射光が一回
のみ全反射して光出射側開口３３から出射するように，
その形状が定められることが好ましい。

【００４６】錐状反射体３０は円錐形状に限られること
なく角錐形状でもよい。また必要ならば反射体３０の外
周面３１に鏡面反射膜を形成してもよい。

【００４７】コリメート・レンズもフレネル・レンズ３
６に限られることなく，図５に示すような平凸レンズ３
７を用いることもできる。錐状反射体とコリメート・レ
ンズは別体であってもよいのはいうまでもない。

【００４８】上記実施例において，コリメート・レンズ
に代えて，錐状反射体の光出射側開口からの出射光を集
光する位置に集光レンズを配置することにより，光ファ
イバを用いた集光光学系が実現する。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明による光ファイバを用いた投光装置
の実施例を示す断面図である。

【図２】変形例を示す一部切欠斜視図である。

【図３】第２の発明による光ファイバを用いた投光装置
の実施例を示す組立斜視図である。

【図４】図３の投光装置の断面図である。

【図５】コリメート・レンズの他の例を示す断面図であ
る。

【図６】従来の透過型光ファイバ光電スイッチを示す。

【図７】従来の反射型光ファイバ光電スイッチを示す。

【図８】光ファイバからの出射光が広がる様子を示す。

【図９】従来の投光装置を示す一部切欠斜視図である。

【図１０】光ファイバからの出射光がコリメート・レン
ズを用いても広がってしまう様子を示す。

【符号の説明】

１０　　光ファイバ １１　　クラッド １２　　コア ２０　　錐状反射体 ２０ａ，２０ｂ　　筒状部分 ２１　　鏡面反射面 ２２　　光入射側開口 ２３　　光出射側開口 ２４　　筒カバー ２５　　カバー・ガラス ２６　　コリメート・レンズ ２７　　ボール・レンズ（コリメート・レンズ）３０　
　錐状反射体 ３１　　周側面（全反射面） ３２　　光入射側開口 ３３　　光出射側開口 ３４　　支持筒体 ３５　　カバー・ガラス

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　内部に導入された光を出射させる光出
   射端面を有する光ファイバ，内面が錐状の反射面であり
   ，光出射側開口が光入射側開口よりも小さく形成され，
   上記光入射側開口が上記光ファイバの上記光出射端面か
   ら出射される光を受けるように配置された錐状反射体，
   および焦点が上記錐状反射体の上記光出射側開口にほぼ
   位置するように配置され，上記光出射側開口から出射す
   る光をコリメートするコリメート・レンズ，を備えた光
   ファイバを用いた投光装置。
2. 【請求項２】　　上記光ファイバの光出射側端部に支持
   筒体が取付けられ，この支持筒体に上記錐状反射体およ
   び上記コリメート・レンズが固定されている請求項１に
   記載の光ファイバを用いた投光装置。
3. 【請求項３】　　上記錐状反射体が上記支持筒体の一部
   を構成している請求項２に記載の光ファイバを用いた投
   光装置。
4. 【請求項４】　　上記支持筒体の先端面に光出射窓が形
   成され，この光出射窓に透明カバーが取付けられている
   請求項２に記載の光ファイバを用いた投光装置。
5. 【請求項５】　　内部に導入された光を出射させる光出
   射端面を有する光ファイバ，光出射側開口が光入射側開
   口よりも小さく形成され，上記光入射側開口が上記光フ
   ァイバの上記光出射端面から出射される光を受けるよう
   に配置され，上記光入射側開口から内部に導入された光
   を周側面における全反射により上記光出射側開口に導く
   錐状反射体，および焦点が上記錐状反射体の上記光出射
   側開口にほぼ位置するように配置され，上記光出射側開
   口から出射する光をコリメートするコリメート・レンズ
   ，を備えた光ファイバを用いた投光装置。
6. 【請求項６】　　上記光ファイバの光出射側端部に支持
   筒体が取付けられ，この支持筒体に上記錐状反射体およ
   び上記コリメート・レンズが固定されている請求項５に
   記載の光ファイバを用いた投光装置。
7. 【請求項７】　　上記錐状反射体と上記コリメート・レ
   ンズが一体的に形成されている請求項５に記載の光ファ
   イバを用いた投光装置。
8. 【請求項８】　　上記支持筒体の先端面に光出射窓が形
   成され，この光出射窓に透明カバーが取付けられている
   請求項６に記載の光ファイバを用いた投光装置。
9. 【請求項９】　　光出射側開口が光入射側開口よりも小
   さく形成され，上記光入射側開口が光ファイバの端面か
   ら出射される光を受けるように配置され，上記光入射側
   開口から内部に導入された光を反射によって上記光出射
   側開口に導く錐状反射体，および焦点が上記錐状反射体
   の上記光出射側開口にほぼ位置するように配置され，上
   記光出射側開口から出射する光をコリメートするコリメ
   ート・レンズ，を備えた光ファイバを用いたコリメート
   光学系。
10. 【請求項１０】　　上記錐状反射体が，錐状の鏡面を有
    し，この鏡面による反射により入射光を上記光出射側開
    口に導く請求項９に記載の光ファイバを用いたコリメー
    ト光学系。
11. 【請求項１１】　　上記錐状反射体が，内部に導入され
    た光を周側面における全反射によって上記光出射側開口
    に導く請求項９に記載の光ファイバを用いたコリメート
    光学系。
12. 【請求項１２】　　光出射側開口が光入射側開口よりも
    小さく形成され，上記光入射側開口が光ファイバの端面
    から出射される光を受けるように配置され，上記光入射
    側開口から内部に導入された光を反射によって上記光出
    射側開口に導く錐状反射体，および上記錐状反射体の上
    記光出射側開口から出射された光を集光する位置に配置
    された集光レンズ，を備えた光ファイバを用いた集光光
    学系。
13. 【請求項１３】　　上記錐状反射体が，錐状の鏡面を有
    し，この鏡面による反射により入射光を上記光出射側開
    口に導く請求項１２に記載の光ファイバを用いた集光光
    学系。
14. 【請求項１４】　　上記錐状反射体が，内部に導入され
    た光を周側面における全反射によって上記光出射側開口
    に導く請求項１２に記載の光ファイバを用いた集光光学
    系。