專利名稱:光導以及光照射裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及傳輸光并照射被照射物的光導以及具有該光導的光照射裝置。
背景技術：
以往，作為用于將激光振蕩器以及短弧燈等發(fā)光體輻射的光傳輸?shù)奖徽丈湮锏娜我馕恢玫臋C構(gòu)，使用了光導。
對這樣的光導而言，通常有以單體形式使用光纖線、和集束多根光纖線作為光纖束使用的場合，但在來自于發(fā)光體的光能較大、以及向光導的入射端面入射的光的射束直徑較大的場合下，多使用集束了多根光纖線的光纖束。(例如，參照專利文獻1)已知作為用于將由這樣的光導所傳輸?shù)墓庹丈涞奖徽丈湮锏囊?guī)定范圍的方法，一般有在光導的出射端與被照射物之間設置光學透鏡的方法。然而，關于這樣使用了光學透鏡的方法，由于需要用于將光學透鏡設置在光導的出射端附近的空間，所以，存在導致光導的出射端部大型化的問題。
專利文獻1
JP特開平4-105784號公報
發(fā)明內(nèi)容
基于這樣的原因，本發(fā)明的目的在于提供一種集束了多根光纖線作為光纖束使用的光導以及具有該光導的光照射裝置，該光導在用于對出射光進行聚光時，可以使出射端部小型化，并易于制造、且具有足夠的照射強度。
為了達到上述目的，本發(fā)明提供(1)一種光導，其特征在于，具有由多根光纖線構(gòu)成、并至少將光出射側(cè)的端部進行了熱熔接的光纖束，
在進行了上述熱熔接的光纖束端部，比光纖束的中心軸靠外側(cè)的各光纖線的出射端面處的中心軸，相對于光纖束的中心軸具有傾斜。
(2)根據(jù)上述(1)所述的光導，其特征在于，進行了上述熱熔接的光纖束端部的端面形狀為與光纖束的中心軸垂直相交的平面。
(3)根據(jù)上述(2)所述的光導，其特征在于，上述光纖線的至少一部分配置為光出射側(cè)的端部處的光纖線的中心軸與光纖束的中心軸形成的角度θ滿足下式，0＜θ≤sin-1((n2/n1)sin(tan-1(R/L)))其中，R是光出射端面處的光纖束的中心軸與各光纖線的中心軸之間的距離、L是光出射端面與被照射物之間的距離、n1是構(gòu)成光纖線的纖芯的折射率、n2是光纖線外部的空間的折射率。
(4)根據(jù)上述(1)所述的光導，其特征在于，進行了上述熱熔接的光纖束端部的端面形狀為凸面形狀。
(5)根據(jù)上述(4)所述的光導，其特征在于，進行了上述熱熔接的光纖束端部的端面形狀為球面形狀、(6)根據(jù)上述(1)至(5)的任意一項所述的光導，其特征在于，光纖線由從石英、多組分玻璃和塑料中選擇的任意一種以上的材料形成。
(7)一種光照射裝置，具有輻射光的發(fā)光體、以及對被照射物照射來自于該發(fā)光體的輻射光的光導，其特征在于，上述光導是上述(1)至(6)的任意一項所述的光導。
(8)根據(jù)上述(7)所述的光照射裝置，其特征在于，上述發(fā)光體是激光振蕩器、(9)根據(jù)上述(7)所述的光照射裝置，其特征在于，上述發(fā)光體是短弧燈。
根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種集束了多根光纖線作為光纖束使用的光導以及具有該光導的光照射裝置，該光導在用于對出射光進行聚光時，可以使出射端部小型化，并易于制造、且具有足夠的照射強度。
圖1(a)是表示本發(fā)明的光導的第一實施方式的光導末端部構(gòu)造的剖視圖、(b)是光纖線的剖視圖。
圖2是表示光纖束末端的熔接方法、和為了形成光出射端面而進行切斷、研磨的位置A的圖。
圖3是表示光出射面加工后的光纖線的入射光與出射光的圖。
圖4(a)是表示距光纖束的中心軸規(guī)定距離的位置處的各出射光的方向的圖，(b)是表示各位置處的傾斜角θ1、折射角θ2、以及從光出射端面到聚光點的距離L的數(shù)值數(shù)據(jù)的圖。
圖5是表示用于測定向光導入射了激光時的出射光的強度分布的裝置的圖。
圖6是表示在向光導入射了激光時的出射光的強度分布的圖。
圖7是表示用于說明本發(fā)明的光導的第二實施方式的末端部構(gòu)造的剖視圖。
圖8是表示本發(fā)明的光照射裝置的第一實施方式的圖。
圖9是表示本發(fā)明的光照射裝置的第二實施方式的圖。
圖中符號說明1光導；2光纖束；10光纖線；11纖芯；12包層；13包覆層；14光纖線的中心軸；16與光出射面正交的直線；20套筒；21錐形部；30光導末端部；31熔接部；32光出射端面；33光纖束的中心軸；35球面；36光入射端面；101光導；101a光入射端面；101b光出射端面；110、210激光振蕩器；130光強度儀；150光束擴展器；260光源裝置具件實施方式以下，根據(jù)附圖詳細地說明本發(fā)明涉及的光導以及具有該光導的光照射裝置的實施方式。關于，對同一要素使用相同符號并省略重復的說明。另外，附圖的尺寸比例不必與在說明書中舉例說明的尺寸比例一致。
本發(fā)明的光導的特征是，具有由多根光纖線構(gòu)成、并至少將光出射側(cè)的端部進行了熱熔接的光纖束，在進行了上述熱熔接的光纖束端部，比光纖束的中心軸靠外側(cè)的各光纖線的出射端部的中心軸，相對于光纖束的中心軸具有傾斜。
圖1(a)是表示本發(fā)明的光導的第一實施方式的光導末端部構(gòu)造的剖視圖。
光導1具有由多根光纖線10構(gòu)成的光纖束2以及套筒20，并具有光導末端部30，該光導末端部30是在對光出射側(cè)的端部進行了熱熔接后，在規(guī)定的位置將熔接部分切斷且對切斷面實施了鏡面加工而形成的。
另外，如圖1(b)所示，光纖線10具有由高純度石英形成的外徑為190μm的纖芯11、對石英實施了氟摻雜的外徑為200μm的包層12以及由紫外線固化樹脂形成的外徑為220μm的包覆層13。另一方面，套筒20使用了與光纖線10所使用的石英的熱膨脹系數(shù)、軟化溫度等大致相等的外徑為12mm、內(nèi)徑為10mm、全長為50mm的石英管。
下面，根據(jù)圖2說明圖1(a)的光導的光出射端部的形成方法。
如圖2所示，將利用溶劑熔解除去了端部附近的包覆層13的大約2000根光纖線10插入套筒20后，將真空裝置310連接到套筒20的前端部，并用氫氧燃燒器300對套筒20的長度方向的中間部分加熱。
氫氧燃燒器300沿套筒20的長度方向的X1軸，在10mm的范圍內(nèi)往復運動，并且以光纖束2的中心軸33為中心，沿套筒20的外周面旋轉(zhuǎn)，對光纖束2以及套筒20進行均勻加熱。
同時，使連接在套筒20的前端部的真空裝置310工作，將套筒20的內(nèi)部減壓到比大氣壓低20KPa的壓力。其結(jié)果是各光纖線10軟化而相互熔接，并與在中心軸方向收縮了的套筒20一起熔接為一體，形成在外周面具有錐形部21的光導末端部30。
通過以上工序，與光纖束2的長度方向垂直的截面的面積，從非熔接部向熔接部31的方向減小，對于套筒20內(nèi)的光纖束2而言，在各光纖線10的中心軸14按照上述錐形部21的形狀，在從非熔接部到熔接部的范圍內(nèi)向光纖束2的中心軸33的方向傾斜的狀態(tài)下被固定、并呈前端漸細狀。并且，熔接部31的各光纖線10，其截面面積幾乎不變地被熱熔接，所以可以抑制在纖芯內(nèi)傳輸?shù)墓庀蛲獠啃孤┒构廨敵鰷p小的現(xiàn)象。
本實施方式的光導1的光出射端部是在將圖2所示的熔接后的光導1的熔接部31在虛線A的位置切斷，并對其切斷面進行研磨加工，而形成圖1(a)所示的與光纖束2的中心軸33垂直相交的光出射端面32的。這里，將虛線A的位置設為熔接部31的套筒20的外徑約為11mm的位置。
如圖1(a)所示，其結(jié)果是，在光導末端部30的光出射端面32處，光纖線10的中心軸14呈向光纖束2的中心軸33的方向傾斜傾斜角θ1的狀態(tài)，而對該傾斜角θ1而言，被配置在光纖束2的外周附近的光纖線10的傾斜角較大；反之，越靠近光纖束2的中心軸33，該傾斜角θ1越小，在中心軸33附近的光纖線的中心軸14與光導末端部30處的光纖束2的中心軸33大致平行。
另外，對于熔接部31而言，在利用氫氧燃燒器300進行了加熱的區(qū)域中，由于越靠近中心部的區(qū)域，各光纖線10彼此越緊密地熔接，所以牢固性越高，但在這樣的區(qū)域中，光纖線10的纖芯11與包層12之間的邊界，因軟化而可能變得不夠明確，在光入射時，入射的光在纖芯11以及包層12的邊界面發(fā)生漫反射，有可能導致光導的光傳輸效率降低。
因此，熔接部31的切斷位置，最好是在套筒20內(nèi)部的光纖線10相互熔接的范圍中，最靠近光入射端部的位置。
另外，在以該位置為切斷位置時，可以獲得更大的光纖線的中心軸14的傾斜角θ1。
這樣，本實施方式的光導1通過一邊對套筒20的內(nèi)部減壓一邊對光纖束2進行熱熔接處理而加工成光導末端部30的光出射端面32處的、比光纖束2的中心軸33靠外側(cè)的光纖線10的中心軸14，向光纖束2的中心軸33的方向傾斜傾斜角θ1地排列成同心圓狀，所以，易于制造，不會使集束部分的尺寸大型化，可實現(xiàn)使其出射端處的各光纖線在光導的中心軸方向上高精度地傾斜的光導。
另外，其各光纖線10的中心軸14的傾斜角θ1，可以通過對在用氫氧燃燒器300加熱時的、真空泵310的減壓力進行以下這樣的操作來控制。
在加大傾斜角θ1的角度時，可以提高對套筒20內(nèi)的減壓來實現(xiàn)，相反，在減小傾斜角θ1的角度時，可以通過降低對套筒20內(nèi)的減壓，使上述錐形部21變得平緩，從而使各光纖線10的中心軸14的傾斜角θ1也變小。
另外，作為光導末端部30的熔接方法，除了在本實施方式中說明的使用氫氧燃燒器的方法之外，還可以列舉出使用高頻功率的方法。
此外，作為在熱熔接處理時形成錐形部21的方法，還有將非熔接部的光纖束2與套筒20一起沿中心軸方向拉伸的方法，該方法可替代利用真空泵抽吸套筒20內(nèi)部的方法，但在該場合下，各光纖線的熔接部分處的截面面積較非熔接部小，可能造成在纖芯內(nèi)傳播的光向外部泄漏而減小光輸出，所以，有必要根據(jù)入射光的特性來增減拉伸量。
另外，如圖1(a)所示，對本實施方式的光導1而言，由于光纖線10的中心軸14與光出射端面32具有傾斜地交叉，所以，從光出射端面32出射的光，與各光纖線10的中心軸14的傾斜角θ1相應地進一步向光纖束2的中心軸33的方向折射并出射。
以下，通過圖3說明因從該光出射端面32出射的光的折射而對出射角度的影響。
圖3是表示從光纖線10的光入射端面36與光纖線10的中心軸14平行地入射的光51，從光出射端面32出射時的折射方向的剖視圖。
圖3中的光纖線10的光入射端面36是在對圖1(a)所示的光導1的未圖示的光入射側(cè)端部進行集束并通過粘著劑粘合后，將其與光入射側(cè)端部的中心軸垂直地切斷并實施了研磨加工的平面，其與光纖線10的中心軸14正交。
如圖3所示，垂直于光入射端面36入射的光51，沿光纖線10的中心軸14傳輸，在光出射端面32處，作為出射光52，相對于與光出射端面32正交的直線16以折射角θ2的角度出射。
對于該光出射端面32處的出射前的光51與出射光52的關系而言，根據(jù)斯涅耳定律，下式成立，n1sinθ1＝n2sinθ2(其中，n1是纖芯的折射率、n2是光纖線10外部的空間的折射率)折射角θ2可由下式表示，即θ2＝sin-1((n1/n2)×sinθ1) …式1上述式1表示折射角θ2大致為傾斜角θ1的折射率比(n1/n2)倍。
如前所述，由于本實施方式的光導1的光出射端面32與光纖線10的中心軸14具有傾斜地交叉，所以，來自于光出射端面32的出射光52，與該傾斜角θ1相應地向光纖束2的中心軸33的方向傾斜，進一步在光出射端面32處，向光纖束2的中心軸33的方向折射，兩者相加而以θ2的角度傾斜，所以，其結(jié)果是可以獲得與進一步增加光纖線10的中心軸14的傾斜的情況相同的效果。
這里，對向本實施方式的光導1入射平行光時的、從光出射端面32出射的出射光52的方向進行說明。
圖4(a)是表示從在半徑方向距光出射端面32處的光纖束的中心1mm、2mm、3mm以及4mm的位置出射的光的出射方向的圖。
圖4(b)是將光出射端面32的各位置處的光纖線的傾斜角θ1、出射光52的折射角θ2、以及到出射光52與光纖束2的中心軸33交叉的點的距離L用數(shù)值表示的圖。
由圖4(a)可知，從光出射端面32的各位置出射的光，在距離光出射端面32大致20mm的位置形成光束腰(beam waist)。
這里，當設出射光52在光出射端面32處，從半徑R的位置出射時，距離L可以由下式表示，即
L＝R/tanθ2因此，可以利用將式1代入上式得到的下述式2來計算。
L＝R/tan(sin-1((n1/n2)×sinθ1)) …式2因此，在已知構(gòu)成光纖束2的各光纖線的傾斜角θ1的場合下，通過利用式2求出距離L，可以調(diào)整從光纖束2向被照射物(包括聚光透鏡)照射光的最佳距離。
上述式2是在已知光纖線的傾斜角θ1的場合下，求到出射光52與光纖束2的中心軸33交叉的點的距離L的式子，但在已知到被照射物(包括聚光透鏡)的距離L的場合下，可以利用式3求出最佳的光纖線的傾斜角θ1。
θ1＝sin-1((n2/n1)sin(tan-1(R/L))) …式3即，通過利用式3求出各光纖線的傾斜角θ1，可以在光纖束2的光出射側(cè)的端部，將對應的光纖線的傾斜調(diào)整到最佳角度。
另外，關于本發(fā)明涉及的光導，光出射端部處的各光纖線的傾斜角θ1與利用上述式3所求出的值不必一定是相等數(shù)值，構(gòu)成光纖束的光纖線的至少一部分小于或等于利用式3求出的值，即、在下述式4的范圍中，也可以具有使出射光向光纖束的中心軸方向傾斜的功能。在構(gòu)成光纖束的光纖線中，理想的是比光纖束的中心軸33靠外側(cè)的全部光纖線中的47％～100％滿足下述式4，此外，更理想的是55％～95％滿足下述式4。
0＜θ1≤sin-1((n2/n1)sin(tan-1(R/L))) …式4以上，說明了對本實施方式的光導1的光導末端部30所實施的加工形狀與來自于光出射端面32的出射光52的出射方向的關系，下面，通過與利用粘接處理將光出射端部粘合的以往的光導進行比較，來對實際上向上述光導的整個光入射端面入射光時的、由出射端面出射的光的強度分布進行說明。
圖5是表示用于測定從光導出射的光的強度分布的裝置的結(jié)構(gòu)。
該裝置是利用光束擴展器150將來自于He-Cd激光振蕩器110的輻射光均勻地入射到光導101的光入射端面101a，并測定距光出射端面101b距離L的位置的光強度分布的裝置，在光強度的測定位置具有光強度儀130，通過使該光強度儀130沿與光導1的中心軸正交的X2軸移動，來測定光強度分布。在以下的測定中，測定了L＝25mm的光強度分布。
圖6是表示利用上述裝置測定的來自于光導的出射光的強度分布的圖。實線是表示向?qū)獬錾涠嗣鎸嵤┝藷崛劢拥墓鈱?在構(gòu)成光纖束的光纖線中、比光纖束的中心軸靠外側(cè)的所有光纖線的約70％滿足上述式4的光導)入射激光時的出射光的強度分布，虛線是表示向利用粘著劑將光出射端部粘合的以往的光導入射激光時的出射光的強度分布。
另外，對光出射端面實施了熱熔接的光導的光入射端面，利用有機類的粘著劑粘合，而不用熱熔接，并與光出射端面同樣地實施了平面研磨。
此外，以往的光導除了利用粘著劑粘合光出射端面之外，具有與對光出射端面實施了熱熔接的光導相同的構(gòu)造。
將用實線表示的對光出射端面實施了熱熔接的光導1的光強度分布、與用虛線表示的利用粘著劑將光出射端部粘合的以往的光導的光強度分布進行比較可知，對光出射端面實施了熱熔接的光導，其出射光的擴散小，照射比較狹窄的范圍。
并且，可知被照射的中心部分的光強度也比利用粘著劑將光出射端面粘合的以往的光導高約2倍。
如上所述，根據(jù)本實施方式的光導，可以抑制出射的光的擴散，將出射光集中到光導末端部的中心軸上，而不必使用光學透鏡等光學部件、而且不會使光導末端部大型化。
另外，在本實施方式中，使用與光纖束的中心軸平行入射的光，對向光纖線的光入射面入射的光進行了說明，但本發(fā)明的光導的入射光并不限于一定是與光纖束的中心軸平行入射的光，即使是相對于光纖束的中心軸具有傾斜的光、或聚光于光纖線的光入射面的具有多個角度成分的光，也可獲得相同的效果。
圖7是表示本發(fā)明的光導的、第二實施方式的光導末端部構(gòu)造的剖視圖。
本實施方式的光導的光出射端面形狀，是對光纖束實施了熔接后的切斷面實施了凸面加工而成為半徑為50mm的球面形狀35的形狀，構(gòu)成光導的光纖線10以及套筒20，與第一實施方式所示的相同。
通過將光導的光出射端面加工為這樣的形狀，出射光與光出射端面的曲率相應地進行折射，所以，與上述第一實施方式所示的光出射端面為平面的光導相比，可以將出射光進一步聚光到靠近光出射端面的位置。
光纖束端部的端面形狀，除了凸面形狀之外，只要是能夠?qū)⒊錾涔饩酃猓部梢圆捎冒济嫘螤睢?br> 光纖束端部的端面形狀的加工，可以利用例如ELID研磨法。
在第一實施方式以及第二實施方式所示的光導中，都使用了由石英形成的光纖線，但本發(fā)明的光導，也可以使用由多組分玻璃或者塑料形成的光纖線。
在第一實施方式中，作為輻射光的發(fā)光體，使用激光振蕩器進行了說明，但并不限于此，本發(fā)明的光導，也可以使用短弧燈或者鹵素燈等作為發(fā)光體。
下面，對本發(fā)明的光照射裝置進行說明。
本發(fā)明的光照射裝置具有輻射光的發(fā)光體、以及用于對被照射物照射來自于該發(fā)光體的輻射光的光導，其特征是上述光導是本發(fā)明的光導。
圖8是表示本發(fā)明的光照射裝置的第一實施方式的圖。
在本實施方式中，光照射裝置包括使激光起振的激光振蕩器210；對激光進行聚光的透鏡220；傳輸聚光了的光的光導230；用于使從光導出射的光聚光于被照射物W的聚光透鏡241；具有該聚光透鏡241的加工頭部240。
作為激光振蕩器210，使用了Q開關YAG激光器，該Q開關YAG激光器輻射將閃光燈作為激勵光源的紫外光。
在該光照射裝置中，光導230與第一實施方式的光導一樣，使用了對由石英制光纖線構(gòu)成的光纖束的光出射端部進行了熔接的光導。并且，如圖1所示，該光導230的光出射端面230a被加工為平面形狀，光出射端部的光纖線向光纖束的中心軸方向傾斜。
在使用了像這樣對光出射端部進行了加工的光導的場合下，從光導出射的光250，與以往的出射端面用粘著劑粘合的光導相比，出射角度變得更小，所以，聚光透鏡241也可以使用與該出射角度Φ相應的小口徑的透鏡，加工頭部240的大小也可以進一步小型化。
圖9是表示本發(fā)明的光照射裝置的第二實施方式的圖。
在本實施方式中，光照射裝置包括內(nèi)置有短弧燈261的光源裝置260、以及用于將從光源裝置260出射的光傳送到被照射物W的光導230，被用作以下用途，即向在距光導230的出射端面25mm的位置設置的、涂敷了紫外線固化粘著劑的被照射物W照射紫外線。
在該光照射裝置中，與上述光照射裝置的實施方式的光導一樣，光導230使用對由石英制光纖線構(gòu)成的光纖束的光出射端部進行了熔接的光導。并且，如圖1所示，光纖線向光纖束的中心軸方向傾斜。
在本實施方式中，由于使用了如此加工了光出射端部的光導，所以，從光導出射的光250，與以往的利用粘著劑粘合光出射端部的光導相比，可以獲得約1.5倍的照射強度。
因此，即使是在不使用光學透鏡而利用光導直接向被照射物照射出射光的場合下，也可以充分地固化紫外線固化劑。
另外，作為本發(fā)明的光照射裝置的實施方式，輻射光的發(fā)光體使用了激光振蕩器以及短弧燈，但不限于此，作為發(fā)光體也可以使用鹵素燈等。
(產(chǎn)業(yè)可利用性)由于本發(fā)明的光導，可在對出射光進行聚光使用的場合下使出射端部小型化，并易于制造、且具有充分的照射強度，所以，可以應用在具有該光導的光照射裝置。
權(quán)利要求
1.一種光導，其特征在于，具有由多根光纖線構(gòu)成、并至少將光出射側(cè)的端部進行了熱熔接的光纖束，在進行了上述熱熔接的光纖束端部，比光纖束的中心軸靠外側(cè)的各光纖線的出射端面處的中心軸，相對于光纖束的中心軸具有傾斜。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的光導，其特征在于，進行了上述熱熔接的光纖束端部的端面形狀為與光纖束的中心軸垂直相交的平面。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的光導，其特征在于，上述光纖線的至少一部分配置成由光出射側(cè)的端部處的光纖線的中心軸與光纖束的中心軸形成的角度θ滿足下式，
0＜θ≤sin-1((n2/n1)sin(tan-1(R/L)))其中，R是光出射端面處的光纖束的中心軸與各光纖線的中心軸之間的距離、L是光出射端面與被照射物之間的距離、n1是構(gòu)成光纖線的纖芯的折射率、n2是光纖線外部的空間的折射率。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的光導，其特征在于，進行了上述熱熔接的光纖束端部的端面形狀為凸面形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的光導，其特征在于，進行了上述熱熔接的光纖束端部的端面形狀為球面形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1至5的任意一項所述的光導，其特征在于，光纖線由從石英、多組分玻璃和塑料中選擇的任意一種以上的材料形成。
7.一種光照射裝置，具有輻射光的發(fā)光體、以及將來自于該發(fā)光體的輻射光照射到被照射物的光導，該光照射裝置的特征在于，上述光導是權(quán)利要求
1至6的任意一項所述的光導。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的光照射裝置，其特征在于，上述發(fā)光體是激光振蕩器。
9.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的光照射裝置，其特征在于，上述發(fā)光體是短弧燈。
專利摘要
本發(fā)明提供一種光導以及具有該光導的光照射裝置，該光導集束了多根光纖線作為光纖束，在用于對出射光進行聚光時，可以使出射端部小型化，并易于制造、且具有足夠的照射強度。上述光導的特征是，具有由多根光纖線構(gòu)成、并至少將光出射側(cè)的端部進行了熱熔接的光纖束，在進行了上述熱熔接的光纖束端部，比光纖束的中心軸靠外側(cè)的各光纖線的出射端面處的中心軸，相對于光纖束的中心軸具有傾斜。
文檔編號G02B1/00GK1991424SQ200610138051
公開日2007年7月4日 申請日期2006年11月3日
發(fā)明者櫻井亨 申請人:豪雅冠得股份有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan