JPH0621013U - 光線集束照射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電磁放射線源からの放射線を小さなスポット
に、高い密度で集束して、小さなターゲット（光ファイ
バ）を照射すること。 【構成】 凹面の電磁放射線反射器の光軸の付近でかつ
その光軸から第１の距離だけずらせて電磁放射線源を配
置し、合焦したその電磁放射線源の像を、前記光軸から
ほぼ前記第１の距離だけずれた位置に形成させ、この像
の付近に光ファイバを配置すること。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、光線ないし電磁放射線の集束照射装置に関する。このような装置は 、通常、光源と集束光学系とを含んでいる。

【０００２】

【従来の技術及び問題点】

電磁放射線集束装置の従来の構成は、等方性をもって光を放射する単一の点光 源から最大量の光を集束してから、方向づけすることに重点をおいており、従っ て、放射線束を小さなスポットサイズに集中する能力は、ある程度、犠牲にされ てきた。小さなスポットサイズを形成するために従来の構成を採用すると、光が 従来の非干渉性光源から発生する場合、従来の構成の重点（すなわち、最大量の 光を集束し、改めて方向づけすること）が、光束をできる限り小さなスポットサ イズに集中するという目標と矛盾するので、放射線束の減少が起こる。すなわち 、光束密度が低減するという犠牲を払わなければ、小さなスポットサイズの像は 得られない。

【０００３】 現在、２種類の集束装置が使用されている。その１つは集光レンズ系である（ 図１を参照）。集光レンズには、色収差及び球面収差の発生、高価な修正光学系 を必要とすること、レンズのアラインメントが本来困難であること、レンズ系が 占めるスペースが広いこと等のいくつかの問題点がある。楕円ミラー（図２）も 使用されているが、これにも、高価であることや、像の拡大が避けられないため に、像の位置における光束密度が低減すること等の問題がある。これらの装置（ 図１及び図２）は、いずれも、単一の点光源から最大量の光を集束し、改めて方 向づけすることに重きを置こうとするものである。すなわち、これらの装置はス ポットサイズと、光束密度の双方を最適化することはできない。

【０００４】

【考案の概要】

本考案は、これら２つの基本的な光学特性、すなわちスポットサイズと、エネ ルギーとを最適化せんとするものである。本考案は、できる限り高い密度で小さ なターゲット（すなわち、光ファイバ）を照射しなければならない場合に特に有 用である。たとえば、アークランプから細い単芯光ファイバに大量の光を結合す るために本考案を使用しても良い。従来の光学集光装置構成によっても同様の結 果は得られるであろうが、そのような従来の方法においては複雑高価などの欠点 が生じる。

【０００５】 本考案は、小さなターゲットに高い光束密度で像を形成するために球の一部と ほぼ同様の形状を有する凹面反射器を用いている。干渉性又は非干渉性の電磁放 射線の放射源は、凹面反射器の前方で光軸からずれた位置に配置される。すなわ ち、放射線源は凹面反射器の対称軸からずれた位置にある。凹面反射器の対称軸 は、多くの場合、光軸と呼ばれる。本考案は従来の技術と比較して簡単、小型で あり、低コストであると共に、アラインメントを行うのが容易である。

【０００６】

【実施例】

本考案の装置は３つの主構成要素から構成される。 １） 電磁放射線源。電磁放射線の点光源である。本考案に関していえば、点 光源とは、拡散角度の小さい何らかの電磁放射線源である。通常、このような放 射線源の直線角度の大きさは０．１ラジア以下である。たとえば、電磁放射線源 としては、球面反射器の前方に５cmの間隔をおいて配置された、アークギャップ が２mmの電気アークランプを用いることができる。好ましい実施例においては、 アーク長さが１mmである小型水銀アークランプである。しかしながら、反射器の 曲率半径に対して小さい何らかの電磁放射線源を使用できる。

【０００７】 ２） 反射器。反射器は電磁放射線を放射線源からターゲットへ集束する。好 ましい実施例においては、これは、放射線源に対して凹形である球面鏡（ミラー ）の一部である。球面鏡に、第１又は第２（内側）の面を研磨し、反射材料で被 覆する（たとえば、アルミめっき）等の光学処理を施しても良い。

【０００８】 ３） ターゲット。ターゲットは、できる限り高い密度の電磁放射線で照明さ れるべき小さな物体である。好ましい実施例においては、これは、ほぼ０．１mm の直系を有する単芯の光ファイバである。本考案の装置には、磁界発生器と、修 正光学系を含めることができる。磁界発生器は、短アークランプと関連して、ア ーク放電領域内のプラズマを圧縮することにより、放射線源の有効サイズを縮小 するために使用される。このような磁界は永久磁石により又はヘルムホルツコイ ル等の電磁コイルにより発生され得る。図３のａ及び図３のｂにＣとして点線に より示される修正光学系は、当該技術分野で周知のように本考案の装置に関連す る収差、非点収差及びコマ収差のような光学的ひずみを修正するために使用され る。

【０００９】 図３のａ及び図３のｂは、本考案による放射線源Ｓ及び反射器Ｍの配置を示す 。図３のａ及び図３のｂ、さらに、修正光学系（Ｃとして点線により示される） の配置を示す。これは、以下に説明するが、収差、非点収差及びコマ収差等の軸 ずれ配置に起因する光学的ひずみを修正する手段として当該技術分野において良 く知られている。ターゲットと、放射線源Ｓの有効サイズの圧縮用の磁界発生器 とは図示されていない。

【００１０】 図３のａ及び図３のｂに関して説明すると、反射器Ｍは曲率半径ｒを有し、球 の一部であり、右手の直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）においてｚ軸上の原点から離間 して配置される。ｚ軸は反射器の光軸であると共に、対称軸である。反射器Ｍの 凹面は原点に面し、反射器の曲率中心は（０，０，０）にある。反射器の横断面 形状と、大きさはいずれも重要ではない。しかしながら、説明を簡単にするため 、反射器は、ｚ軸に関して対称に配置される直径Ａ（Ａはｒとほぼ等しい）の円 形口径を有するものと仮定する。

【００１１】 放射線源Ｓは光軸から距離ｙ₀ だけ外れた位置（０，ｙ₀ ，０）にある。放射 線源Ｓは反射器Ｍを照射するように配置される。放射線源から出射された放射線 は、凹面鏡により反射された後に、（０，−ｙ₀ , ０）の付近で収束し、放射線 源Ｓの実像Ｉを形成する。

【００１２】 放射線源Ｓが対称軸（ｚ軸）から離れるにつれて、画質は劣化する。従って、 放射線源Ｓと原点との距離ｙ₀ が長くなるにつれて、劣化は大きくなる。

【００１３】 図４は、明瞭にするためにｙ₀ を比較的大きくとった場合の図３のａ及び図３ のｂの配置に関する放射線の軌跡を示す。図４に示されるように、放射線の大部 分はＩ₂ の付近の（０，−ｙ₀，ｚ₀）でまず収束する。この幾何学的形状は、図 ４に示すように、ｙ軸に関して円筒対称である。従って、ｙ軸を含むいずれか１ つの平面（たとえば、図５の平面θ）に関する放射線軌跡図は、図４の放射線軌 跡図と同じになるであろう。平面θに含まれる全ての放射線は、ｙ軸にそのｙ₁ からｙ₂ に至る線分上で交差しなければならない。従って、放射線源Ｓにより発 射され、続いて反射器Ｍにより反射された放射線も、同様に、図６に示されるよ うに、ｙ軸上にそのｙ₁ とｙ₂ との間で鮮鋭な線像Ｉ₁ を形成し、また、図５に 示されるように、半径ｚ₀ を有する円筒周面の一部に沿って別の像Ｉ₂ を形成す る。この想像上の円筒はｙ軸を囲んでいる。この円形の像は、球面収差のために 、それほど鮮鋭ではない。

【００１４】 線像Ｉ₁ 及びＩ₂ の間の複数の点において、一群の放射線は楕円形の横断面を 有する。楕円の長軸は、楕円がそれら２つの線像の間のどこかで円に近づくにつ れて、Ｉ₂ と平行な方向からＩ₁ と平行な方向に変化する。この円は、図６に示 される通り、最小錯乱円と呼ばれている。像Ｉは、本考案において最適の位置、 すなわちターゲットを配置すべき位置にある像であると考えられ、後述する定量 分析の対象となる。

【００１５】 図４に示されるように、放射線源Ｓから発出した放射線の大部分はＩ₂ で収束 する。この点を、反射後に光軸と平行な放射線ＳＰが原点を中心とする半径ｙ₀ の円と接線方向に交差する点として定義することができる。図７は、図４の幾何 学的関係を示す。図７において、線セグメントＯＰは反射器に対して垂直であり 、従って、反射の法則に従って角度ＳＰＩ₂ を二等分する。角度ａ及びＢは図７ に示されている。。図７から、Ｂ＝２ａであることがわかる。

【００１６】 すなわち、ｚ₀ ＝ｙ₀ sin Ｂ ＝ｙ₀ sin ２ａ ＝２ｙ₀（sin ａ）（cos ａ） ただし、ｚ₀ は、Ｉ₂ の弧の長さとほぼ等しい（ｙ₁ −ｙ₂ ）の絶対値とほぼ等 しい。図６を参照。また、Ｉよりはるかに小さい値であるsin ａはｙ₀ ／ｒと等 しく、cos ａはほぼＩに等しい。すなわち、ｚ₀ は２ｙ₀ ²／ｒとほぼ等しい。従 って、 ｚ₀／２≒ｙ₀ ²／ｒ （式１）

【００１７】 従って、図６からわかるように、最小錯乱円ＩはＩ₁とＩ₂のほぼ中間の位置、 すなわち、ほぼ（０，−ｙ₀，ｚ₀／２）の位置にある。この円の直径はほぼｚ₀ ／２に等しい。 所定の球面反射器Ｍに関して、放射線源Ｓの軸外れ変位量ｙ₀ が小さくなるほ ど、スポットサイズは小さくなり、像は鮮鋭になる。反射器Ｍの曲率半径ｒを大 きくしたときにも、有効性は少なくなるが、同じ効果を得ることができる。

【００１８】 理想的な点光源を使用し且つ直径ｄの横断面ターゲットを最大光束密度に照射 すべきであるとすれば、ターゲットが反射鏡からの光線の大部分を捕捉するよう に、最小錯乱円はターゲットと同じ大きさであるか又はそれより小さくなければ ならない。すなわち、

【００１９】 ｄ≒ｚ₀ ／２≒ｙ₀ ² ／ｒ （式２） 式２を満足するようにｙ₀ 又はｒを調整することにより、最良の効率が得られ る。この場合、像のスポットサイズは光学系の結像能力により表わされる。

【００２０】 有限サイズｓ₀ の放射線源を使用する場合、光学系の幾何学的配置は、この放 射線源の像がＩに等しい倍率で形成されるようになっている。しかしながら、像 のあらゆる点はｙ₀ ² ／ｒだけ広がる。これにより像が不鮮明になる。ｙ₀ ² ／ｒ を減少するために幾何学的配置を改善すると、

【００２１】 ｙ₀ ² ／ｒ〈ｓ₀ （式３） である点を越えて像サイズに限定された影響が及ぶ。これは、小さなスポットサ イズに光を集中する装置の能力が像の光学ひずみによってではなく、点光源の大 きさによって限定されている現実の状況に相応する。

【００２２】 以下本考案の一実施例を示す。ここで、アークランプから細い光ファイバにで きる限り多くの光束を結合することが望まれているものと仮定する。ランプは、 通常の光ファイバの横断面直径の長さの１０倍である１mmのアーク長さ（ｓ₀ ） を有する。球面ミラーＭの曲率半径ｒが５０mmである場合、式３を満足するため にｙ０＝３mmと設定して良い（すなわち、ランプは光軸から３mmだけずれた位置 にある）。そこで、 ｙ₀ ² ／ｒ＝３²／５０＝９／５０＝０．１８mm〈１mm

【００２３】 この場合、式３を満足している限り、放射線束を利用する能力はターゲットサ イズにより決定される。ターゲットサイズが大きくなると、結合能力は、ｄ≒ｓ ₀ となるまで、直径ｄの二乗に比例して改善される。あるいは、放射線源のサイ ズｓ₀ を小さくしても良いが、ターゲットにおける光束密度は、放射線源の放射 線束出力が同時に減少されない限り、向上しないと考えられる。

【００２４】 放射線束密度を低下させずにスポットサイズを小さくするために、次の４つの 方法を採用することができる。

【００２５】 （１）ターゲットサイズ及び放射線源サイズと比較して光学ひずみが無視でき るほど小さくなるように、式２又は式３を満足する方式で装置を使用する。

【００２６】 （２）軸外れひずみを相殺することにより理想的な像を形成するために、図３ のａ及び図３のｂに示されるようなターゲットの前方で、当該技術において良く 知られている修正光学系を使用する。

【００２７】 （３）球面ミラーを偏心の小さい楕円となるように変形する。球面ミラーが薄 い金属又はガラス等の半可撓性材料から製造されている場合は、ミラーを一方向 に圧縮又は伸張する固定具（たとえば万力）にミラーを取付けることができる。 一方の焦点が放射線源Ｓの配置場所と一致し且つ像は補焦点に形成されるように 、適切な偏心量をもたせたミラーを使用することができる。

【００２８】 （４）放射線源のスポットサイズｓ₀ を縮小する。アークランプの場合、電極 ギャップを狭くしても、アーク容量が減少するとは限らない。イオン間の斥力は プラズマを拡張させる。電極と平行に磁界を印加することにより、この問題を解 決することができる。電極の間の狭い領域にプラズマを圧縮することができるの で、光束密度は維持される。永久磁石又は電磁コイル、たとえば、当該技術にお いて良く知られているヘルムホルツコイルを使用できる。

【００２９】 図８及び図９は、本考案の実施例を示す。これらの図は単に図解を目的とし、 限定的な意味をもつものではない。図８及び図９において、単一のアークランプ １は、点線３により示される光軸を有する２つの反射鏡すなわちミラー７を介し て、２本の光ファイバ２を照明する。光ファイバは、ランプハウジングアセンブ リ６の外側の固定具５に取付けられたマウント４にセットされている。固定具５ は、光ファイバ２の位置を調整することができるように、止めねじ８を含む。図 ９において、ミラー７の位置は、つまみねじ９を回すことにより調整可能である 。

【００３０】 この実施例は、光ファイバ２とミラー７との間に配置される１対のダイクロイ ックフィルタ要素アセンブリ１０をさらに特徴としている。カラーフィルタ処理 のためのダイクロイックフィルタ要素アセンブリ１０は、電磁アクチュエータ１ ２により制御される回動アーム１１に取付けられる。この構成により、ダイクロ イックフィルタ要素を離れた場所から迅速に選択することができ、その結果、光 ファイバに入射する光の色が変化する。当該技術において良く知られているよう に、ダイクロイックフィルタ要素アセンブリ１０と球面ミラー７との間の空間に 修正光学系（図示せず）を設けることができる。

【００３１】 アークランプ１により発生する熱は、ランプハウジングアセンブリ６の底面に 形成され、ファン１４に通じる通気穴１３により補償される。感度の高い光ファ イバ２とそのマウント４は、アークランプ１とマウント４との間のそらせ板１５ により熱から保護される。光ファイバ２は、このそらせ板１５を貫通している。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の技術による集光レンズ系の略図である。

【図２】従来の技術による楕円形反射鏡系の略図であ
る。

【図３】反射鏡Ｍの光軸をｚ軸にとった場合において、
ｙ−ｚ平面（図３のａ）およびｘ−ｚ平面（図３のｂ）
における本考案の概略横断面図である。

【図４】像領域をさらに詳細に示す、放射線軌跡図の形
態をとる図３のａの拡大図である。

【図５】回転対称性を表すために平面θの位置を示す図
３のｂの拡大図である。

【図６】像Ｉ₁ 及びＩ₂ の放射線軌跡図を示す拡大図で
ある。

【図７】幾何学的配置図の形態をとる図３のａの拡大図
である。

【図８】１つの光源が２つのターゲットを照射する本考
案の好ましい一実施例の平面図である。

【図９】図８の実施例の線Ａ−Ａに沿った側面横断面図
である。

【符号の説明】

Ｓ 放射線源 Ｍ 反射鏡 Ｃ 修正光学系 １ アークランプ ２ 光ファイバ ７ 反射鏡 １０ ダイクロイックフィルタ要素アセンブリ

Claims (5)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 高い電磁放射線束を有した小面積の高輝
   度光源を与えるための光線集束照射装置であって：光軸
   を有する凹面の電磁放射線反射器と；前記電磁放射線反
   射器の光軸の付近でかつその光軸から第１の距離だけず
   らされて位置させられる電磁放射線源にして、ほぼ合焦
   したその電磁放射線源の像が、前記光軸からほぼ前記第
   １の距離だけずれた位置に、形成されるように配置され
   た電磁放射線源と；前記像の付近に配置されて光線を集
   める光ファイバとを具備することを特徴とする光線集束
   照射装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の光線集束照射装置におい
   て、前記電磁放射線反射器と前記光ファイバとの間に修
   正光学系が前記光ファイバへの前記像の合焦を改善する
   ために配置されていることを特徴とする光線集束照射装
   置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の光線集束照射装置におい
   て、前記電磁放射線反射器にはその形状を変形させる手
   段が前記像の合焦を改善するために設けられていること
   を特徴とする光線集束照射装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載の光線集束照射装置におい
   て、前記電磁放射線反射器は球の一部とほぼ同様の形状
   で対称軸を有するミラーであり、その対称軸が前記光軸
   となっていることを特徴とする光線集束照射装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載の光線集束照射装置におい
   て、前記電磁放射線源はアークランプであることを特徴
   とする光線集束照射装置。