KR101190334B1 - 투광 장치 및 센서 - Google Patents

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모토하루 오쿠노
츠요시 미야타
타카마사 카메다
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오므론 가부시키가이샤
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Abstract

개구각 광선(11)은 발광점(P)으로부터 출사되고, 렌즈(212)의 반구면(212a)에 의해 굴절되어, 광축(X)과 평행한 축(X2)에 대해, 투광측 광파이버(180)의 개구각과 동등한 각도(θ3)로 입사 단면(180a)에 도달한다. 외연 광선(12)은, 발광점(P)으로부터 출사되고, 렌즈(212)를 경유하여, 코어 영역(180b)의 외연부(184)에 도달한다. 개구각 광선(11)이 코어 영역(180b) 내에 도달하도록, 또는, 외연 광선(12)이 코어 영역(180b)의 외연부(184)에 도달한 때의 각도(θ3')가 개구각 이하가 되도록, 발광면(162a), 렌즈(212) 및 투광측 광파이버(180)의 배치, 및 렌즈(212)의 굴절력이 선택된다.

Description

투광 장치 및 센서{LIGHT PROJECTING DEVICE AND SENSOR}
본 발명은, 투광 장치 및 센서에 관한 것으로. 특히, 광원으로부터의 광을 광파이버에 결합하도록 구성된 투광 장치, 및 그 투광 장치를 구비하는 센서에 관한 것이다.
종래, 광원과 광파이버를 구비하고, 광파이버의 단면(端面)에 광원으로부터의 광을 결합시키도록 구성된 투광 장치가 알려져 있다. 광원으로부터 광(廣)각도로 광이 방사되는 경우, 광파이버에는 광원으로부터의 광의 일부밖에 입사하지 않기 때문에 결합효율이 작아진다. 따라서 결합효율을 높이기 위한 다양한 기술이 지금까지 제안되어 있다.
예를 들면, 일본 특개 2005-24617호 공보(특허 문헌 1)는, 송신 효율의 변동을 적게 하는 것이 가능한 광 송신기를 개시한다. 이 광 송신기에서는, 발광 소자로부터 출사된 광이 렌즈에 의해 평행한 광으로 변환되어 광파이버에 결합된다. 또한, 그 평행 광에 의해 광파이버의 단면에 생긴 광 스폿의 크기가 그 단면에서의 코어부의 면적보다도 커지도록, 발광 소자, 렌즈 및 광파이버의 위치 관계가 설정된다. 이 구성에 의하면, 발광 소자, 렌즈 및 광파이버의 위치가 설계 위치로부터 어긋나도 발광 소자와 광파이버와의 광학적인 결합효율이 변화하지 않기 때문에, 송신 효율의 변동을 적게 할 수 있다. 이에 의해 송신 효율의 최악치(最惡値)가 향상하기 때문에, 결과적으로 송신 효율을 높일 수 있다.
[특허문헌]
특허 문헌 1: 일본 특개 2005-24617호 공보
일본 특개 2005-24617호 공보에는, 결합효율의 변동을 작게 할 수 있는 것이 설명되어 있지만, 결합효율 그 자체를 향상시키는 점에 관해서는 명시적으로 설명되어 있지 않다.
따라서 본 발명은 상기한 과제를 해결하기 위한 것이고, 본 발명의 목적은, 광원으로부터의 광을 높은 결합효율로 광파이버에 결합하는 것이 가능한 투광 장치, 및 그것을 구비하는 센서를 제공하는 것이다.
본 발명은 요약하면, 투광 장치로서, 발광면을 갖는 발광 소자와, 발광면으로부터 출사된 광이 입사되는 입사 단면을 갖는 광파이버와, 발광 소자의 발광면과, 광파이버의 입사 단면 사이에 배치된 렌즈를 구비한다. 발광 소자, 광파이버, 및 렌즈는, 하나의 광축 상에 배치된다. 광파이버는, 굴절율이 균일한 단일의 코어를 포함하는 영역 또는 굴절율이 균일한 복수의 코어를 집합적으로 포함하는 영역인 코어 영역을 포함한다. 렌즈는, 발광면으로부터 출사된 확산광을, 퍼지는 방식이 더 완만한 확산광으로 변환한다. 발광면의 광축 상의 점으로부터 출사되고, 렌즈를 경유하여, 광축에 대한 각도가 광파이버의 개구각(開口角)과 동등하게 되도록 광파이버의 입사 단면에 도달하는 광선을 개구각 광선이라고 정의하고, 발광면의 광축 상의 점으로부터 출사되고, 렌즈를 경유하여, 광파이버의 입사 단면에서의 코어 영역의 외연부(外緣部)에 도달하는 광선을 외연 광선이라고 정의한 때에, 제 1의 조건, 또는, 제 2의 조건이 충족되도록, 발광면, 렌즈 및 광파이버의 배치, 및 렌즈의 굴절력이 선택되어 있다. 제 1의 조건은, 개구각 광선이 광파이버의 입사 단면에서의 코어 영역 내에 도달한다는 조건이다. 제 2의 조건은, 외연부에 도달한 때의 외연 광선이 광축과 이루는 각도가 개구각보다 작고, 또한 발광면으로부터 출사한 때의 외연 광선이 광축과 이루는 각도가, 개구각보다 크다는 조건이다.
바람직하게는, 제 1의 조건이 충족되는 경우에 있어서, 발광면으로부터 출사된 때의 개구각 광선이 광축과 이루는 각도는, 개구각의 1.1배부터 85°까지의 범위 내이다.
바람직하게는, 제 1의 조건이 충족되는 경우에 있어서, 발광면으로부터 출사된 때의 개구각 광선이 광축과 이루는 각도는, 개구각의 1.2배부터 85°까지의 범위 내이다.
바람직하게는, 제 2의 조건이 충족되는 경우에 있어서, 발광면으로부터 출사된 때의 외연 광선이 광축과 이루는 각도는, 개구각의 1.1배부터 85°까지의 범위 내이다.
바람직하게는, 제 2의 조건이 충족되는 경우에 있어서, 발광면으로부터 출사된 때의 외연 광선이 광축과 이루는 각도는, 개구각의 1.2배부터 85°까지의 범위 내이다.
바람직하게는, 제 2의 조건이 충족되는 경우에 있어서, 외연부에 도달한 때의 외연 광선이 광축과 이루는 각도는, 개구각의 0.3배부터 개구각까지의 범위 내이다.
바람직하게는, 제 2의 조건이 충족되는 경우에 있어서, 외연부에 도달한 때의 외연 광선이 광축과 이루는 각도는, 개구각의 0.5배부터 개구각까지의 범위 내이다.
바람직하게는, 렌즈는, 굴절력을 담당하는 면으로서, 광파이버의 입사 단면에 향하여진 단일의 볼록면을 포함한다.
바람직하게는, 투광 장치는, 제 1의 반사 부재를 더 구비한다. 제 1의 반사 부재는, 반사면을 포함한다. 반사면은, 발광면과 광파이버의 입사 단면 사이에 렌즈를 둘러싸도록 배치되고, 또한, 렌즈로부터 출사된 광을 반사시킨다.
바람직하게는, 투광 장치는, 제 2의 반사 부재를 더 구비한다. 제 2의 반사 부재는, 반사면을 포함한다. 반사면은, 발광 소자의 주위에 마련되어, 발광 소자로부터 출사된 광을 반사시킨다.
바람직하게는, 발광 소자는, 발광 다이오드 칩이다.
바람직하게는, 입사 단면에서의 코어 영역의 형상은, 원형이다.
바람직하게는, 투광 장치는, 유지 부재를 더 구비한다. 유지 부재는, 광파이버의 입사 단면의 주연(周緣)에 맞닿는 맞닿음 면을 포함한다. 유지 부재는, 입사 단면의 주연이 맞닿는 것에 의해, 입사 단면의 광축 상의 위치를 유지한다.
본 발명의 다른 국면에 따르면, 센서로서, 상술한 어느 하나에 기재된 투광 장치를 구비한다.
본 발명에 의하면, 광원으로부터의 광을 높은 결합효율로 광파이버에 결합하는 것이 가능한 투광 장치를 실현할 수 있다.
도 1은 본 실시의 형태에 따른 투광 장치를 구비하는 광파이버형 광전 센서의 한 예를 도시하는 개략 사시도.
도 2는 도 1에 도시한 본체부(101)의 내부 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 3은 도 2에 도시한 LED 패키지(160)의 주변 확대도.
도 4는 싱글 코어 파이버의 한 예를 도시하는 단면도.
도 5는 멀티 코어 파이버의 한 예를 도시한 단면도.
도 6은 LED 칩(162)으로부터 출사되는 광선을 설명하는 도면.
도 7은 외연 광선(12)이 투광측 광파이버(180)의 코어부(181)를 전달하기 위한 조건을 설명하는 도면.
도 8은 발광점(P)으로부터 출사된 개구각 광선과 광축(X)이 이루는 각도의 조건을 설명하기 위한 도면.
도 9는 본 실시의 형태의 비교예로서의 평행 광학계를 도시하는 모식도.
도 10은 단일의 굴절면에 의한 광선의 굴절에서의 굴절각도의 한계를 설명하는 도면.
도 11은 평행 광학계에 의한 광파이버의 입사 단면에의 광 결합을 설명하는 도면.
도 12는 본 실시의 형태에 관한 발산 광학계를 설명하기 위한 도면.
도 13은 본 실시의 형태에 의한 광학계에서의 렌즈에 의한 광의 굴절을 도시하는 모식도.
도 14는 광원으로부터 출사된 확산광을 더 발산시키는 광학계를 도시하는 모식도.
도 15는 리플렉터(164 및 202)에 의한 효과를 설명하기 위한 도면.
도 16은 리플렉터(202)에 의한 효과를 더 상세히 설명하기 위한 도면.
도 17은 본 실시의 형태의 투광 장치에 의한 결합효율의 측정 결과의 한 예를 설명하는 도면.
이하, 본 발명의 실시의 형태에 관해, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 또한, 도면 중 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 붙이고 그 설명은 반복하지 않는다.
본 실시의 형태에 따른 투광 장치는, 예를 들면, 투광 소자로서 발광 다이오드 칩(이하 LED 칩이라고 한다)이 팩키징화 된 발광 다이오드 패키지(이하, LED 패키지라고 한다)를 이용한 광파이버형 광전 센서에 사용된다.
도 1은, 본 실시의 형태에 따른 투광 장치를 구비하는 광파이버형 광전 센서의 한 예를 도시하는 개략 사시도이다. 도 1을 참조하면, 광파이버형 광전 센서(100)는, 본체부(101)와, 헤드부(102)와, 본체부(101)와 헤드부(102)를 광학적으로 접속하는 투광측 광파이버(180) 및 수광측 광파이버(190)를 구비한다.
본체부(101)는, 본체 케이싱(110)과, 본체 케이싱(110)에 회동 자유롭게 부착된 개폐 커버(114)와, 본체 케이싱(110)의 내부에 수용된 프레임(116)을 주로 갖고 있고, 개폐 커버(114)의 열린 상태에서 노출하는 프레임(116)의 윗면에 표시부(103) 및 조작부(104)를 갖고 있다. 본체부(101)의 앞면에 위치한 본체 케이싱(110)의 앞벽(前壁) 부분에는, 투광측 광파이버(180)가 삽입되는 개구부와 수광측 광파이버(190)가 삽입되는 개구부가 마련되어 있고, 이들 2개의 개구부에 투광측 광파이버(180) 및 수광측 광파이버(190)가 각각 삽입되어 있다.
본체부(101)의 배면으로부터는, 전원 라인이나 신호 라인 등의 심선(芯線)이 일체화된 전기 코드(105)가 인출되어 있다. 또한, 본체부(101)의 윗면의 소정 위치에는, 투광측 광파이버(180) 및 수광측 광파이버(190)를 본체부(101)에 고정할 때에 조작하는 회동 레버(130)가 마련되어 있다. 본체부(101)의 내부에는, 광원으로서의 LED 패키지(도 2 등 참조) 및 수광부로서의 PD 패키지 등이 수용되어 있다.
투광측 광파이버(180)는, LED 패키지로부터 발하여진 광을 헤드부(102)에 전송한다. 수광측 광파이버(190)는, 헤드부(102)에 입사한 광을 PD 패키지에 전송한다.
헤드부(102)는, 투광측 광파이버(180)에 의해 전송된 광을 검출 대상물에 대해 투광함과 함께, 검출 대상물에 투광된 광의 반사광을 포착하고, 이 반사광을 수광측 광파이버(190)에 의해 본체부(101)에 전송한다.
도 2는, 도 1에 도시한 본체부(101)의 내부 구성의 한 예를 도시하는 도면이다. 도 3은, 도 2에 도시한 LED 패키지(160)의 주변 확대도이다. 도 2를 참조하여, 본체부(101)의 내부 구성을 설명하고, 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 실시의 형태에 관한 투광 장치의 구성을 상세히 설명하기로 한다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 본체 케이싱(110)의 내부에는 프레임(116)이 수용되어 있다. 프레임(116)의 앞면과 본체 케이싱(110)의 앞벽 부분 사이에는 소정 크기의 공간이 형성되어 있고, 당해 공간에 각종의 구성 부품이 배치되어 있다. 구체적으로는, 당해 공간에는, 투광측 광파이버(180) 및 수광측 광파이버(190)를 지지하는 홀더 부재(120)와, 홀더 부재(120)에 의해 지지된 투광측 광파이버(180) 및 수광측 광파이버(190)를 본체부(101)에 고정하는 광파이버 고정부재(140)와, LED 패키지(160) 및 PD 패키지(170)가 실장된 실장 기판(150)이 주로 배치되어 있다.
홀더 부재(120)는 프레임(116)의 앞면에 고정되어 있다. 홀더 부재(120)에는, 한 쌍의 관통구멍이 형성된다. 한 쌍의 관통구멍의 한쪽은, 홀더 부재(120)의 배면에 형성된 공간(125)에 통하고, 한 쌍의 관통구멍의 다른 쪽은 홀더 부재(120)의 배면에 형성된 공간(126)에 통하여 있다.
투광측 광파이버(180)는, 본체 케이싱(110)에 마련된 개구부(111) 및 광파이버 고정부재(140)에 마련된 상부측 중공부를 경유하여, 홀더 부재(120)에 마련된 관통구멍에 삽입된다. 홀더 부재(120)에 형성된 관통구멍의 내벽(121)에 의해, 투광측 광파이버(180)의 입사 단부가 지지된다. 마찬가지로, 수광측 광파이버(190)는, 본체 케이싱(110)에 마련된 개구부(112) 및 광파이버 고정부재(140)에 마련된 하부측 중공부를 경유하여, 홀더 부재(120)에 마련된 관통구멍에 삽입된다. 홀더 부재(120)에 형성된 관통구멍의 내벽(122)에 의해, 수광측 광파이버(190)의 출사 단부가 지지된다.
홀더 부재(120)의 상방 전단 부분에는, 힌지부(123)가 마련되어 있다. 이 힌지부(123)는, 상술한 회동 레버(130)에 마련된 회동축(131)을 축지함에 의해, 회동 레버(130)를 회동 가능하게 지지하고 있다. 또한, 홀더 부재(120)의 앞면에는, 회동 레버(130)의 조작에 링크하여, 가이드 부재(도시 생략)에 의해 안내되어 상하 방향으로 슬라이드 이동하는 슬라이더(134)와, 슬라이더(134)에 의해 가압되어 탄성 변형함에 의해 투광측 광파이버(180) 및 수광측 광파이버(190)를 협지(挾持)하여 고정하는 광파이버 고정부재(140)가 조립되어 있다.
회동 레버(130), 슬라이더(134) 및 광파이버 고정부재(140)는, 투광측 광파이버(180) 및 수광측 광파이버(190)를 동시에 본체부(101)에 고정하기 위한 고정 기구를 구성한다. 광파이버 고정부재(140)는, 소망하는 탄성을 갖도록, 예를 들면 수지부재에 의해 형성되어 있고, 투광측 광파이버(180)가 삽통(揷通)되는 상부측 중공부를 규정하는 상부측 고정부(141)와, 수광측 광파이버(190)가 삽통되는 하부측 중공부를 규정하는 하부측 고정부(143)를 갖고 있다.
유저가 회동 레버(130)를 회동시킨 경우, 슬라이더(134)는 가이드 부재에 의해 안내되어 하방으로 슬라이드 이동한다. 슬라이더(134)가 하방으로 이동함에 의해, 광파이버 고정부재(140)에서는, 상부측 고정부(141)의 상부 및 하부측 고정부(143)의 상부가 각각 하방을 향하여 탄성 변형한다. 상부측 고정부(141)의 탄성 변형에 의해 투광측 광파이버(180)가 협지되고, 하부측 고정부(143)의 탄성 변형에 의해 수광측 광파이버(190)가 협지된다. 또한, 투광측 광파이버(180) 및 수광측 광파이버(190)를 협지하기 위한 구성은 도 2에 도시한 구성으로 한정되지 않고, 다른 구성을 채용하는 것도 가능하다.
실장 기판(150)은, 홀더 부재(120)의 배면에 고정되어 있다. 실장 기판(150)의 주면(主面)에는, LED 패키지(160)와 PD 패키지(170)가 실장되어 있다. LED 패키지(160) 및 PD 패키지(170)는, 홀더 부재(120)의 배면에 형성된 공간(125, 126)에 각각 수용되어 있다. LED 패키지(160)의 발광면은, 투광측 광파이버(180)의 입사 단면으로 향하여지고, PD 패키지(170)의 수광면은 수광측 광파이버(190)의 출사 단면으로 향하여져 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시 형태의 투광 장치는, 발광 소자로서의 LED 칩(162)을 포함하는 LED 패키지(160)와, 렌즈(212)와, 리플렉터(202)와, 투광측 광파이버(180)를 구비한다.
LED 칩(162)은 발광면(162a)을 갖는다. 렌즈(212)는, 발광면(162a)과 투광측 광파이버(180)의 입사 단면 사이에 배치된다.
LED 칩(162), 렌즈(212) 및 투광측 광파이버(180)는, 광축(X) 상에 배치된다. 광축(X)은, LED 칩(162)의 발광면(162a), 렌즈(212) 및, 투광측 광파이버(180)의 입사 단면(180a)의 코어부를 관통하는 축이다. 광축(X)은, 투광측 광파이버(180)의 입사 단면(180a)의 코어부의 중심점을 통과하는 축인 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 광축(X)은, 투광측 광파이버(180)의 광축 및 렌즈(212)의 광축에 일치한다. 발광면(162a) 상의 점 P는, 발광면(162a)과 광축(X)과의 교점에 대응한다.
LED 패키지(160)는, 상기 LED 칩(162)에 더하여, 기재(基材)(161)와, 투광성 수지(163)와, 리플렉터(164)를 포함한다. LED 칩(162) 및 리플렉터(164)는 기재(161)의 주(主) 표면에 탑재되고, 또한 투광성 수지(163)에 의해 밀봉된다.
LED 칩(162)은 주로 발광면(162a)으로부터 확산광을 출사한다. 단 LED 칩(162)의 측면으로부터도 광이 출사되는 경우가 있다. 리플렉터(164)는, LED 칩(162)의 측면을 둘러싸는 반사면(164a)을 갖는다. 예를 들면 LED 칩(162)의 측면으로부터 출사한 광은, 그 반사면(164a)에 의해 반사되어 렌즈(212)에 유도된다.
렌즈(212)는, 반구면(212a) 및 평면(212b)을 갖는다. 반구면(212a)은 투광측 광파이버(180)의 입사 단면(180a)으로 향하여진 단일의 볼록면이고, 렌즈(212)의 굴절력을 담당하는 면이다. 여기서 굴절력이란, 축 중심에 회전 대칭의 광학계(예를 들면 렌즈)에서의 굴절의 정도를 의미한다. 평면(212b)은, 렌즈(212)에서, 발광면(162a)으로부터 출사된 확산광의 입사면이다.
렌즈(212)는, 그 입사면(평면(212b))에 LED 칩(161)으로부터의 확산광을 받는다. 렌즈(212)는, 입사한 확산광이 더 완만하게 퍼지도록, 자신에게 입사한 확산광을 굴절시켜서 출사한다. 환언하면, 렌즈(212)는, 발광면(162a)으로부터 출사된 확산광을, 퍼지는 방식이 더 완만한 확산광으로 변환한다. 렌즈(212)는, 발광면(162a)의 중심(광축 상의 점)으로부터 출사된 광에 관해서는, 출사된 때보다도 광축(X)에 대해 작은 각도로 퍼지도록, 그 확산광을 굴절시켜서 출사한다. 예를 들면 LED 칩(162)의 발광면(162a)의 위치를 렌즈(212)의 초점 위치보다도 렌즈(212)측에 가까운 위치가 되도록 설계함에 의해, 상기한 렌즈의 기능을 발현시킬 수 있다.
리플렉터(202)는 LED 패키지(160)와 투광측 광파이버(180) 사이에 배치된다. 리플렉터(202)에는 관통구멍(203)이 형성되고, 그 관통구멍(203)에 반구 형상의 렌즈(212)가 삽입된다.
LED 패키지(160)로부터 출사한 광은, 렌즈(212)에 의해 더 완만하게 퍼지도록 변환되어, 리플렉터(202)에 형성된 관통구멍(203)을 통과하여 투광측 광파이버(180)의 입사 단면(180a)에 결합된다. 관통구멍(203)의 내주면(203a)은, 렌즈(212)로부터 출사한 광의 일부를 반사하고, 그 반사광을 투광측 광파이버(180)의 입사 단면(180a)에 유도하기 위한 반사면으로서 기능한다. 또한, 본 실시의 형태에서는, 렌즈(212)의 렌즈 지름은 투광측 광파이버(180)의 코어부의 지름(코어 지름)과 거의 동등하다.
리플렉터(202)는 금속(예를 들면 알루미늄)의 판에 의해 형성된다. 또한, 관통구멍(203)의 내주면(203a)은, 경면 반사면으로서 형성되어 있다. 경면 반사면이란, 거시적으로 보아 반사의 법칙에 따르는 반사면으로, 입사광의 각도와 동등한 각도로 반사광이 반사하는 반사면을 의미한다. 이 경면 반사면을 실현하는 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면 프레스 가공 등의 방법으로 금속판에 관통구멍을 형성하여도 좋다. 이 관통구멍의 내주면을 상기한 경면 반사면으로서 이용하는 것이 가능하다.
리플렉터(202)는, 또한 투광측 광파이버(180)의 입사 단면(180a)으로 향하여진 주표면(202a)과, LED 패키지(160)로 향하여진 주표면(202b)을 갖는다. 주표면(202a)은 투광측 광파이버(180)의 입사 단면(180a)의 주연 부분에 맞닿는다. 한편, 주표면(202b)은 LED 패키지(160)의 표면에 접하고, LED 패키지(160)는, 홀더 부재(120)에 마련된 실장 기판(150)의 주면에 고정되어 있다. LED 패키지(160)는 홀더 부재(120) 및 실장 기판(150)에 의해, 광축(X) 방향의 위치가 변동하지 않도록 고정되어 있다. 따라서 발광면(162a)과 투광측 광파이버(180)의 입사 단면(180a)의 간격이 변동하는 것을 억제할 수 있다.
또한 LED 패키지(160)의 표면에는 렌즈(212)가 접착되기 때문에, 발광면(162a) 및 렌즈(212)의 광축(X) 방향의 상대적인 위치 관계가 변동하는 것을 억제할 수 있다. 이상의 이유에 의해, 발광면(162a), 렌즈(212) 및 투광측 광파이버(180)의 광축(X) 방향의 상대적인 위치 관계가 변동하는 것을 억제할 수 있다.
특히, 본 실시의 형태에서는, 투광측 광파이버(180)의 입사 단면(180a)의 주연 부분을 리플렉터(202)의 주표면(202a)에 접촉시킨 상태에서 투광측 광파이버(180)를 고정할 수 있기 때문에, 본체 케이싱(110)에 대한 투광측 광파이버(180)의 착탈을 반복하여도, 투광측 광파이버(180)를 착탈할 때마다 발광면(162a), 렌즈(212) 및 투광측 광파이버(180)의 상대적인 위치 관계가 변동하는 것을 억제할 수 있다.
또한 LED 패키지(160)와 렌즈(212)가 접착됨에 의해, 반사 등에 의해 생기는 투광량의 로스를 저감할 수 있다.
도 2를 참조하면, PD 패키지(170)와 수광측 광파이버(190)의 출사 단면 사이에는 리플렉터(204)가 배치된다. 리플렉터(204)는, 리플렉터(202)와 마찬가지로, 금속(예를 들면 알루미늄)의 판에 의해 형성된다. 리플렉터(204)에는, 관통구멍이 형성되고, 그 관통구멍에 반구 형상의 렌즈(214)가 삽입된다. 렌즈(214)의 구면(球面)은, 수광측 광파이버(190)의 출사 단면으로 향하여진다. 수광측 광파이버(190)의 출사 단면에서 출사한 광은, 리플렉터(204)에 형성된 관통구멍을 통과하고, 렌즈(214)에 입사한다. 렌즈(214)에 입사한 광은 집광되어 PD 패키지(170)에 입사한다. PD 패키지(170)에 입사한 광은, 포토 다이오드 칩의 수광면에 결합된다.
투광측 광파이버(180) 및 수광측 광파이버(190)의 각각은, 광이 통과하는 부분인 코어부와, 코어부의 주위에 마련되고 코어부보다도 굴절율이 작은 클래드부와, 클래드부의 외표면(측면)을 덮는 외피를 포함한다. 구체적으로는, 투광측 광파이버(180)는, 코어부(181)와, 클래드부(182)와, 외피(183)를 포함한다. 수광측 광파이버(190)는, 코어부(191)와, 클래드부(192)와, 외피(193)를 포함한다.
투광측 광파이버(180) 및 수광측 광파이버(190)의 각각에서는, 코어부의 굴절율에 비하여 클래드부의 굴절율이 작다. 광파이버의 광축에 대해 소정각도 이하의 입사각도로 코어부에 입사한 광은, 코어부와 클래드부의 계면에서 전반사 함에 의해 코어부를 전반한다. 이 소정각도를 이하에서는 「개구각」이라고 부른다.
투광측 광파이버(180) 및 수광측 광파이버(190)로서는, 구경이 큰 코어를 갖는 광파이버인 것이 바람직하다. 이에 의해, 투광측 광파이버(180) 및 수광측 광파이버(190)의 각각이 전반하는 광의 광량을 많이 할 수 있다. 본 실시의 형태에서는, 투광측 광파이버(180) 및 수광측 광파이버(190)로서, 플라스틱 광파이버를 적용할 수 있다. 플라스틱 광파이버는, 일반적으로, 석영계 광파이버에 비교하여 코어의 지름이 크기 때문에, 본 실시의 형태의 투광 장치에 알맞게 이용할 수 있다.
또한, 플라스틱 광파이버의 종류로서는, 일반적으로, 단일의 코어를 구비하는 싱글 코어 파이버 및 복수의 코어를 구비하는 멀티 코어 파이버가 있다. 이하에서는 투광측 광파이버(180)에 싱글 코어 파이버를 적용한 구성을 설명하지만, 투광측 광파이버(180)에 멀티 코어 파이버를 적용할 수도 있다.
도 4는, 싱글 코어 파이버의 한 예를 도시하는 단면도이다. 도 4에 도시하는 바와 같이 투광측 광파이버(180)는, 단일의 코어를 포함한다. 이 코어가 도 2 및 도 3에 도시한 코어부(181)에 대응한다. 또한 광축(X)은 싱글 코어 파이버의 중심축과 같은 것으로 한다.
광파이버의 단면(斷面)(입사 단면(端面)으로 치환하여도 좋다, 이하 마찬가지)에서, 코어부(181)가 차지하는 부분을 코어 영역으로 하여, 광파이버의 단면에서 코어 영역의 외측의 영역을 클래드 영역이라고 한다. 코어 영역의 외연부(184)는, 코어 영역의 내측이면서 코어 영역과 클래드 영역의 경계에 따른 부분이다. 도 4에서는, 코어 영역과 클래드 영역의 경계를 경계선(185)에 의해 편의적으로 나타내고 있다. 코어 영역과 클래드 영역의 경계는, 예를 들면 코어 영역에 입사한 광이 전반사하는 반사면으로 정하여도 좋고, 코어 영역과 클래드 영역의 굴절율의 차에 의거하여 정하여도 좋다.
또한, 본 실시의 형태에서는, 싱글 코어 파이버에 포함되는 코어부(181)의 굴절율은 균일하다. 또한 코어 영역의 형상은 원형이다.
도 5는, 멀티 코어 파이버의 한 예를 도시하는 단면도이다. 도 5에 도시하는 바와 같이 투광측 광파이버(180)는 복수의 코어(181A)를 포함한다. 또한, 광축(X)은, 멀티 코어 파이버의 중심축과 같은 것으로 한다. 코어부(181)는, 멀티 코어 파이버에서 복수의 코어(181A)를 포함하고, 또한 광축(X)에 대해 멀티 코어 파이버의 반경 방향으로 가장 떨어진 위치에 있는 코어와 내접하는 영역이다. 즉 멀티 코어 파이버의 단면(斷面)(단면(端面)으로 치환하여도 좋다, 이하 마찬가지)에서의 코어 영역은 복수의 코어(181A)의 단면(端面)을 집합적으로 포함하는 영역이다. 또한, 광파이버의 단면(端面)에서 코어 영역의 외측의 영역을 클래드 영역이라고 한다.
또한, 코어 영역과 클래드 영역의 경계를 나타내는 경계선(185)은 복수의 코어(181A) 중, 광축(X)으로부터 멀티 코어 파이버의 반경 방향으로 가장 떨어진 위치에 있는 코어와 접한다. 광축(X)에 대해 축대칭으로 복수의 코어(181A)가 배치되어 있는 것이면, 도 5에 도시하는 바와 같이, 경계선(185)은 복수의 코어(181A)의 단면(端面)의 포락선이고, 또한 원주가 된다. 또한 싱글 코어 파이버와 마찬가지로, 멀티 코어 파이버의 코어 영역의 외연부(184)란, 코어 영역의 내측, 또한 코어 영역과 클래드 영역의 경계에 따른 부분이다.
복수의 코어(181A)의 굴절율은 같고, 또한 각 코어(181A)에서는 굴절율이 균일하다. 따라서 싱글 코어 파이버의 코어부와 마찬가지로, 멀티 코어 파이버의 코어부(181)는 굴절율이 균일한 영역이다.
다음에, 도 6 내지 도 8을 참조하면서 본 실시의 형태에 관한 투광 장치에 관해 더 상세히 설명한다. 이미 설명한 바와 같이, 렌즈(212)는, 입사한 확산광을, 발광면(162a)의 중심으로부터 출사된 광의 출사시 보다도 광축(X)에 대해 작은 각도로 퍼지도록 굴절시켜서 출사한다. 즉 본 실시의 형태에 관한 투광 장치로서는 발산 광학계가 적용된다. 도 6 내지 도 8에서는, 이 발산 광학계를 설명하기 위해 본 실시의 형태에 관한 투광 장치의 구성을 개략적으로 도시한다. 구체적으로는, 도 6 내지 도 8에서는 본 실시 형태에 관한 투광 장치의 구성 요소 중, LED 패키지(160)와, 렌즈(212)와, 투광측 광파이버(180)를 나타낸다.
도 6은, LED 칩(162)으로부터 출사되는 광선을 설명하는 도면이다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 우선, 발광면(162a)의 중심(광축 상)의 발광점(P)으로부터 출사되는 광선으로서, 개구각 광선(11) 및 외연 광선(12)을 정의한다.
개구각 광선(11)은, 발광점(P)으로부터 출사되고, 렌즈(212)를 경유하여, 광축(X)에 대해 개구각에 대해 동등한 각도로 입사 단면(180a) 중의 코어 영역(180b)에 입사하는 광선이다. 구체적으로 설명하면, 개구각 광선(11)은 발광점(P)으로부터 광축(X)에 대해 θ1의 각도로 출사되고, 렌즈(212)의 반구면(212a)에 의해 굴절된다. 개구각 광선(11)은, 광축(X)과 평행한 축(X1)에 대해 θ2의 각도로 반구면(212a)으로부터 출사되고, 광축(X)과 평행한 축(X2)에 대해 θ3의 각도로 입사 단면(180a)에 도달한다. 각도 θ3는 투광측 광파이버(180)의 개구각과 동등하다.
여기서 각도 θ1은 각도 θ2보다 크다. 또한, 축 X1, X2가 평행하고, 또한, 렌즈(212)와 투광측 광파이버(180)의 입사 단면(180a)의 사이에서는 개구각 광선(11)은 직진한다. 따라서 θ2=θ3과의 관계가 성립한다. 요컨대, 각도 θ1, θ2, θ3에 관해서는, θ1>θ2=θ3의 관계가 성립한다.
외연 광선(12)은, 발광점(P)으로부터 출사되고, 렌즈(212)를 경유하여, 코어 영역(180b)의 외연부(184)에 도달하는 광선이다. 외연 광선(12)은 광축(X)과 평행한 축(X3)에 대해 θ3'의 각도로 외연부(184)에 도달하는 것으로 한다.
본 실시의 형태에서는, 개구각 광선(11)이, 투광측 광파이버(180)의 입사 단면(180a)에서의 코어 영역(180b) 내에 도달하도록, 발광면(162a), 렌즈(212) 및 투광측 광파이버(180)의 배치, 및 렌즈(212)의 굴절력이 선택되어 있다. 또는, 도 7에 의해 설명하는 바와 같이, 본 실시의 형태에서는 외연 광선(12)이 코어 영역(180b)의 외연부(184)에 도달한 때의 각도 θ3'가 개구각 이하가 되도록, 발광면(162a), 렌즈(212) 및 투광측 광파이버(180)의 배치, 및 렌즈(212)의 굴절력이 선택되어 있다.
도 6에서는, 개구각 광선(11)이, 투광측 광파이버(180)의 입사 단면(180a)에서의 코어 영역(180b) 내에 도달하도록, 발광면(162a), 렌즈(212) 및 투광측 광파이버(180)의 배치, 및 렌즈(212)의 굴절력이 선택된 상태를 나타내고 있다. 개구각 광선(11)은, 코어 영역(180b) 내에 도달하고, 또한 그 입사각이 개구각이기 때문에 코어부(181)의 속을 진행할 수 있다. 한편, 외연 광선(12)은 입사 단면(180a)의 지름 방향에 대해 개구각 광선(11)보다도 외측을 진행하기 때문에, 외연 광선(12)과 축(X3)이 이루는 각도 θ3'는 θ3보다 크다. 따라서 외연 광선(12)은 코어 영역(180b)의 외연부(184)에 도달하여도 코어부(181)의 속을 진행할 수가 없다.
예를 들면, 발광면(162a) 및 렌즈(212)의 간격이 변하지 않는 것으로 한다. 본 실시의 형태에서는, 렌즈(212)는 LED 패키지(160)에 접착되어 있기 때문에 이와 같은 상태를 얻을 수 있다. 이 상태 그대로 발광면(162a) 및 렌즈(212)를 투광측 광파이버(180)의 입사 단면(180a)에 접근하여 가면, 개구각 광선(11)이 투광측 광파이버(180)의 입사 단면(180a)에서의 코어 영역(180b)의 내측에 도달하는 한편으로, 외연 광선(12)이 개구각 광선(11)보다도 입사 단면(180a)의 지름 방향에 대해 외측을 진행하는 상태를 얻을 수 있다.
도 7은, 외연 광선(12)이 투광측 광파이버(180)의 코어부(181)를 전달하기 위한 조건을 설명하는 도면이다. 도 7을 참조하면, 외연 광선(12)은 발광점(P)으로부터 광축(X)에 대해 θ1'의 각도로 출사된다. 발광점(P)으로부터 출사된 외연 광선(12)은 렌즈(212)에 의해 굴절되어, 코어 영역(180b)의 외연부(184)에 도달한다. 각도 θ1'는 각도 θ3'보다 크고, 또한, 각도 θ3'는 개구각(θ2 또는 θ3)보다 작다. 이와 같은 조건을 충족시키도록 발광면(162a), 렌즈(212) 및 투광측 광파이버(180)의 배치, 및 렌즈(212)의 굴절력이 선택됨으로써 코어 영역(180b)의 외연부(184)에 입사한 외연 광선(12)은 코어부(181)의 속을 진행할 수 있다.
또한, 도 7에 도시한 개구각 광선(11)은, 입사 단면의 지름 방향에 대해 외연 광선(12)보다도 외측을 진행한다. 따라서 개구각 광선(11)은, 입사 단면에서 코어 영역(180b)의 외측의 영역에 도달한다. 이 때문에 개구각 광선(11)은 코어부(181)의 속을 진행할 수가 없다. 또한, 상기 설명에서의 「입사 단면」이란, 투광측 광파이버(180)의 입사 단면(180a)(즉 물리적으로 실재하는 입사 단면)뿐만 아니라, 입사 단면(180a)을 초과한 가상적인 면도 포함한다. 즉, 「개구각 광선(11)이 입사 단면의 지름 방향에 대해 외연 광선(12)보다도 외측을 진행하는 경우」란, 물리적으로 실재한 입사 단면을 벗어난 범위에 개구각 광선(11)이 도달하는 경우도 포함한다.
예를 들면, 발광면(162a) 및 렌즈(212)의 광축(X) 상에서의 간격이 변하지 않는 채로 발광면(162a) 및 렌즈(212)를 투광측 광파이버(180)의 입사 단면(180a)으로부터 멀리하여 가는 것으로 한다. 이 경우, 외연 광선(12)이 개구각 광선(11)보다도 입사 단면(180a)의 지름 방향에 대해 내측을 진행하는 상태를 얻을 수 있다.
다음에, 개구각 광선(11) 및 외연 광선(12)의 각각의 발광점(P)으로부터의 출사각도 θ1, θ1'에 관해 설명한다.
도 8은, 발광점(P)으로부터 출사된 개구각 광선과 광축(X)이 이루는 각도의 조건을 설명하기 위한 도면이다. 도 8을 참조하면, 렌즈에 의한 굴절 작용이 존재하지 않는다고 가정한 경우, 발광점(P)으로부터의 출사광은, 그 출사각 θ4가 개구각 θ3보다 작은 경우는, 코어부(181)에 도달하면 코어부(181)의 속을 전반하지만, 그 출사각 θ4가 개구각 θ3보다도 큰 경우에는, 코어부(181)에 도달하여도, 그 속을 전반할 수 없다.
이에 대해, 렌즈(212)의 굴절 작용이 존재하는 경우에는, 출사각 θ1로 발광점(P)으로부터 출사한 광이 코어 영역 내에 개구각 θ3으로 도달하면, θ1은 코어부(181)를 전반할 수 있는 최대의 출사각이 된다. 즉 θ1은 개구각 광선의 출사각이다. 출사각 θ1은 개구각 θ3보다 크기 때문에, 렌즈(212)의 굴절 작용이 존재하지 않는 경우에 비하여, 보다 큰 광량의 광을 코어부(181)에 전반시킬 수 있도록 된다. 바람직하게는, 개구각 광선이 발광점(P)으로부터 출사될 때의 개구각 광선과 광축(X)이 이루는 각도(도 8 중의 θ1)가 개구각의 1.1배 이상이 되도록 한다. 더욱 바람직하게는, 개구각 광선과 광축(X)이 이루는 각도는 개구각의 1.2배 이상이다.
그러나, 개구각 광선의, 발광점(P)으로부터의 출사각 θ1은 얼마든지 크게 할 수 있는 것은 아니다. 발광점(P)으로부터 광축(X)에 대해 90°의 방향으로 광선이 출사되었다고 가정한다. 이 경우에는, 투광측 광파이버(180)의 입사 단면(180a)에의 입사각이 투광측 광파이버(180)의 개구각과 같고, 또한, 코어 영역(180b) 내에 개구각 광선이 입사하도록, 그 광선을 렌즈(212)에 의해 굴절시키는 것은 현실적으로 불가능하다. 실용면에서의 관점으로부터, 발광점(P)으로부터의 개구각 광선의 출사각의 상한은 85°정도이다.
즉, 본 실시의 형태에서는, 발광점(P)으로부터 개구각 광선이 출사될 때의 개구각 광선과 광축(X)이 이루는 각도 θ1은, 투광측 광파이버(180)의 개구각의 1.1배부터 85°까지의 범위 내이고, 더 바람직하게는 투광측 광파이버(180)의 개구각의 1.2배부터 85°까지의 범위 내이다. 이와 같이 각도 θ1을 설정함으로써. 개구각 광선(11)을 투광측 광파이버(180)의 입사 단면(180a)에서의 코어 영역(180b) 내에 도달시킬 수 있다. 따라서 개구각 광선(11)을 코어부(181)에 전반시킬 수 있다.
또한, 개구각 광선(11)이 투광측 광파이버(180)의 입사 단면(180a)에서의 코어 영역(180b) 밖에 도달하는 경우에 있어서의, 외연 광선(12)이 발광점(P)으로부터 출사된 때의 광축(X)과 외연 광선(12)이 이루는 각도 θ1'에 대해서도 상기한 조건이 성립한다.
렌즈(212)에 의한 굴절 작용이 존재하지 않는다고 가정한 경우, 발광점(P)으로부터의 출사광은, 그 출사각이 개구각 θ3보다 작은 경우는, 코어부(181)에 도달하면 코어부(181)의 속을 전반하지만, 그 출사각이 개구각 θ3보다도 큰 경우에는, 코어부(181)에 도달하여도, 그 속을 전반할 수가 없다. 이에 대해, 렌즈(212)의 굴절 작용이 존재한 경우에는, 출사각 θ1'으로 발광점(P)으로부터 출사한 광이 외연부(184)(실질적으로는 경계선(185)과 같다)에, 광축(X)에 대한 각도 θ3'로 도달한 때에 각도 θ3'가 개구각 θ3보다 작으면, θ1'는 코어부(181)를 전반할 수 있는 최대의 출사각이 된다. 이 경우의 출사각 θ1'은 외연 광선의 출사각이다. 출사각 θ1'이 개구각 θ3보다 크면, 렌즈(212)의 굴절 작용이 존재하지 않는 경우와 비교하여, 보다 큰 광량의 광을 코어부(181)에 전반시킬 수 있도록 된다. 또한, 광축(X)에 대해 90°로 발광점(P)으로부터 광선이 출사된 경우에는, 그 광선을 렌즈(212)의 굴절에 의해, 코어 영역(180b)의 외연부(184)에 입사시키는 것은 현실적으로 불가능하다. 실용면에서의 관점으로부터, 발광점(P)으로부터의 외연 광선의 출사각의 상한은 85°정도이다.
즉, 본 실시의 형태에서는, 발광점(P)으로부터 외연 광선이 출사될 때의 외연 광선과 광축(X)이 이루는 각도 θ1'는, 투광측 광파이버(180)의 개구각의 1.1배부터 85°까지의 범위 내이고, 더 바람직하게는 투광측 광파이버(180)의 개구각의 1.2배부터 85°까지의 범위 내이다. 이와 같이 각도 θ1'를 설정함으로써 외연 광선(12)을 코어부(181)에 전반시킬 수 있다.
또한, 본 실시의 형태에서는, 렌즈(212)로부터의 출사광은 확산광이 되도록 하고 있다. 확산의 정도는, 외연 광선(12)의 코어 영역(180b)에의 입사각(θ3')이 개구각의 0.3배 이상이 되는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 각도 θ3'은 개구각의 0.5배 이상이 되도록 한다. 말할 것도 없이, 개구각 광선이 코어 영역 외에 도달하는 상태에서는, 각도 θ3'는 개구각 이하이다.
본 실시의 형태에서는, 발산 광학계를 이용함에 의해, 평행 광학계보다도 광파이버의 입사 단면의 코어 영역에 고효율로 광을 결합시킬 수 있다. 결합효율의 점에 있어서 발산 광학계가 평행 광학계보다도 유리해지는 이유에 관해, 도 9부터 도 12를 참조하면서 설명한다.
도 9는, 본 실시의 형태의 비교예로서의 평행 광학계를 도시하는 모식도이다.
도 9를 참조하여, 근축(近軸) 기하 광학(근축이론)에 의하면, 렌즈(300)의 초점 위치(P1)에 있는 광원으로부터 출사한 확산광의 전부를 렌즈(300)에 의해 평행 광으로 변환하여 광파이버(310)의 코어부(320)에 결합시킬 수 있다. 그렇지만 현실에서는 도 9에 도시한 광 결합을 실현할 수가 없다.
특히, 단일의 굴절면에 의한 광선의 굴절에서는, 광선을 굴절시키는 것이 가능한 각도에 원리적이며 현실적인 한계가 있다. 이 각도는 스넬의 법칙에 의해 도출할 수 있고, 광선의 입사측의 매체의 굴절율 및 출사측의 매체의 굴절율에 의해 정해진다.
도 10은, 단일의 굴절면에 의한 광선의 굴절에서의 굴절각도의 한계를 설명하는 도면이다.
도 10을 참조하면, 각도 α는, 광선의 굴절의 한계 각도이다. 각도 α를 이하에서는 「최대 굴절각 α」라고 부르기로 한다. 최대 굴절각 α는, 매체(330)에의 광선의 입사각 θi가 임계각인 때의, 입사광선에 대한 출사광선의 각도이다.
매체(330)의 굴절율을 ni로 하고, 매체(340)의 굴절율을 ne로 한다. 스넬의 법칙에 의해, 이하의 식이 성립한다.
ni×sinθi=ne×sinθe
여기서 θe=90°이기 때문에, 상기 식의 우변은, ne×sin(90°)=ne로 된다.
다음에, 굴절율을 ni, ne를 구체적으로 ni=2.0, ne=1.0으로 하여, 최대 굴절각 α를 구한다. 최대 굴절각 α은 이하의 계산에 의해 구하여진다.
2sinθi=1
sinθi=0.5
θi=30°
∴α=90°-θi=60°
다음에 현실적으로 가능한 최대 굴절각을 생각한다. 상기한 바와 같이 입사측의 매체(330)의 굴절율을 2.0, 출사측의 굴절율을 1.0로 하여 최대 굴절각 α를 생각한다면 α는 60°가 된다. 이 α가 90°미만의 유한한 최대 굴절각이 된다.
또한, 상기 계산에서는, ni=2.0로 하였지만, 일반적인 렌즈의 굴절율은 1.4 내지 1.7 정도이다. 이 때문에, 본 실시 형태에서의 최대 굴절각 α는, 60°보다 작은 각도가 된다.
그러나, 렌즈의 설계 등의 수법을 이용하여 광을 굴절에 의해 제어하는 경우, 이 최대 굴절각 부근에서 광을 제어하기는 어렵다. 따라서 최대 굴절각 α가 60°인 경우에는, 광을 제어 가능한 굴절각은 최대라도 40°정도가 된다. 최대 굴절각 부근에서 광을 제어하기가 어려워지는 이유는 스넬의 법칙으로부터도 도출되지만, 입사각이 임계각에 근접함에 따라, 입사각에 대한 출사각의 변화율이 급격하게 변화하기 때문이다.
도 11은, 평행 광학계에 의한 광파이버의 입사 단면에의 광 결합을 설명하는 도면이다. 도 11에 도시하는 바와 같이, 렌즈의 초점 위치(P1)에 있는 광원으로부터 출사된 광은 매체(330)를 진행하여, 렌즈면(350)에서 굴절하여 평행 광이 된다. 그러나, 전술한 바와 같이, 광의 제어를 가능하게 하기 위해, 유한한 굴절각(최대 40°)이 정의된다. 즉 평행 광학계에서는 광원으로부터의 광을 전부 받아들일 수가 없게 된다.
그러나, 광파이버는 개구각 이하의 각도로 코어부(320)에 입사한 광을 도광할 수 있기 때문에, 코어부(320)에 평행 광을 도입할 필요는 없다. 도 12에 도시하는 바와 같이, 광원을 렌즈 초점 위치(P1)로부터 렌즈면(350)측에 접근한 위치(P2)에 배치하면, 렌즈에 받아들여지는 광원으로부터의 광이 증가하고, 그 한편으로, 렌즈면(350)으로부터 출사된 광은 발산광이 된다. 단, 그 발산광의 코어부(320)에의 입사각도가 개구각 이하라면, 발산광을 광파이버(310)(코어부(320))에 결합시킬 수 있다.
본 실시의 형태에 관한 발산 광학계는, 예를 들면, 도 12에 도시한 바와 같이 발광면의 위치를 볼록 렌즈의 초점 위치보다도 렌즈면에 접근시킴으로써 실현할 수 있다. 일반적으로 볼록 렌즈의 초점의 내측(초점과 볼록 렌즈 사이)에 물체를 둔 경우, 물체가 있는 1점에서 나온 광은 볼록 렌즈에 의해 1점으로 모이지 않는다. 그러나, 볼록 렌즈로부터 나온 광선 방향과 역방향의 선은 1점에 교차한다. 따라서 발광면의 위치를 볼록 렌즈의 초점 위치보다도 렌즈면에 접근함으로써 발산 광학계가 실현 가능해진다.
또한, 도 11에 도시하는 평행 광학계에 있어서, 광파이버(310)에 받아들이는 것이 가능한 최대한의 광이 발광점(초점 위치(P1)에 있는 광원)으로부터 출사된 때의, 광축(X)에 대한 각도를 θa라고 한다. 한편, 도 12에 도시하는 발산 광학계에 있어서, 광파이버(310)에 받아들이는 것이 가능한 최대한의 광이 발광점(위치 P2에 있는 광원)으로부터 출사된 때의, 광축(X)에 대한 각도를 θb라고 한다. 각도 θb는 각도 θa보다 크다.
즉 발산 광학계를 채용함에 의해, 발광점으로부터 출사되는 광에 있어서, 광파이버에 결합되는 광의 각도가 커진다. 따라서 광파이버에 결합되는 광량을 증가시킬 수 있다. 본 실시의 형태에 의하면, 넓은 범위에 출사된 출사광을 광파이버에 결합시킬 수 있기 때문에, 광파이버에 결합되는 광량을 증가시킬 수 있다. 따라서 본 실시의 형태에 의하면, 결합효율을 높이는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시의 형태에서는, 렌즈(212)에 입사한 확산광은, 더 완만하게 퍼지도록 굴절시킨다. 따라서 본 실시의 형태에 의하면, 렌즈에 입사한 확산광이 더 크게 퍼지도록 굴절된 경우에 비교하여 결합효율을 높일 수 있다. 이 점에 관해, 도 13 및 도 14를 참조하면서 설명한다.
도 13을 참조하면, 본 실시의 형태에 의한 광학계에서는, θ1>θ3(θ3은 투광측 광파이버(180)의 개구각과 같다)가 되도록 개구각 광선(11)이 출사된다. 즉 발광점(P)으로부터 출사된 확산광은, 렌즈(212)에 의해 더 완만하게 퍼지도록 굴절한다. 개구각 광선(11)보다도 내측을 진행하는 광선(13)은 θ3보다 작은 각도로 코어 영역(180b)에 도달하기 때문에, 광선(13)은 코어부(181)의 내부를 진행할 수 있다. 이에 의해 투광측 광파이버(180)에 결합된 광량을 증가시킬 수 있다. 따라서 본 실시의 형태에 의하면, 결합효율을 높이는 것이 가능해진다.
도 14는, 광원으로부터 출사된 확산광을 더 발산시키는 광학계를 도시하는 모식도이다. 도 14를 참조하면, 이 광학계에서는, 발광점(P)으로부터 각도 θ1로 출사되는 광선(14)은 렌즈(360)의 렌즈면(360a)에 의해 굴절되어, 투광측 광파이버(180)의 코어 영역(180b)에 대해 각도 θ3으로 입사한다. θ1, θ3에 관해서는 θ1<θ3의 관계가 성립한다. 즉 발광점(P)으로부터 출사된 확산광은, 렌즈(360)의 렌즈면(360a)에 의해 발산하는 방향으로 굴절한다.
광선(14)보다도 내측을 진행하는 광선(15)은, 렌즈면(360a)에서의 굴절에 의해, θ3보다 작은 각도로 코어 영역(180b)에 도달한다. 따라서 광선(15)은 코어부(181)의 내부를 진행할 수 있다. 한편, 광선(14)보다도 외측을 진행하는 광선(16)은, θ3보다도 큰 각도로 코어 영역(180b)에 도달하던지, 또는, 투광측 광파이버(180)의 입사 단면에서의 코어 영역의 외측의 부분에 도달한다. 또한 여기서의 「입사 단면」이란, 물리적으로 실재하는 입사 단면(180a) 및 그것을 초과한 가상적인 면을 포함한다. 이 때문에 광선(16)은 코어부(181)의 내부를 진행할 수가 없다.
따라서 이 광학계에서는 광선(14) 및 그 내측을 진행하는 광선(15)이 코어부(181)의 내부를 진행할 수 있다. 그러나 렌즈면(360a)은 입사한 확산광을 보다 크게 퍼지도록 굴절시키기 때문에, 투광측 광파이버(180)에 결합되는 광량은 본 실시의 형태에 비교하여 적어진다.
이상의 이유에 의해, 본 실시의 형태에 의한 광학계에서는, 도 14에 도시한 광학계에 비하여 각도 θ1이 커지고, 또한 결합효율이 커진다.
또한 도 15에 도시하는 바와 같이, 본 실시의 형태에 의하면, LED 칩(162)의 주위에 리플렉터(164)가 마련된다. 이에 의해 LED 칩(162)의 측면으로부터 발하여진 광선(11b)을 리플렉터(164)의 반사면(164a)에서 반사시켜서 렌즈(212)에 유도하는 것이 가능해진다. 광선(11b)은 렌즈(212)에 의해 굴절되어, 광축(X)에 대해 평행한 축(X4)에 대해 각도 θ5로 투광측 광파이버(180)의 입사 단면에 도달한다. 각도 θ5가 투광측 광파이버(180)의 개구각 이하라면, 광선(11b)은 코어부(181)의 내부를 진행할 수 있다. 따라서 LED 칩(162)의 주위에 리플렉터(164)를 마련함으로써 결합효율을 보다 높이는 것이 가능해진다.
또한 본 실시의 형태에 의하면, 렌즈(212)의 주위에 리플렉터(202)가 마련된다. 렌즈(212)로부터 출사되는 광선(11c)은 리플렉터(202)의 반사면(관통구멍의 내주면(203a))에서 반사되어, 광축(X)에 평행한 축(X5)에 대해 각도 θ6으로 투광측 광파이버(180)의 입사 단면에 도달한다. 각도 θ6이 투광측 광파이버(180)의 개구각 이하라면, 광선(11c)은 코어부(181)의 내부를 진행할 수 있다. 따라서 렌즈(212)의 주위에 리플렉터(202)를 마련함으로써 결합효율을 더 높이는 것이 가능해진다.
도 16은, 리플렉터(202)에 의한 효과를 더 상세히 설명하기 위한 도면이다. 도 16을 참조하면, 본 실시의 형태에서는 렌즈(212)(즉 굴절 광학계)에 의해, 입사한 확산광을 고르고 완만하게 확산한다. 따라서 이미 설명한 바와 같이, 본 실시의 형태에 의하면 결합효율을 높일 수 있다. 렌즈(212)로부터 출사된 광은 확산 광이기 때문에, 렌즈(212)의 지름은 코어 영역(180b)의 지름보다 작은 것이 바람직하다.
그러나 LED 칩(발광면(162a))과 렌즈(212)는 유한의 간격을 마련할 필요가 있다. 또한 발광면(162a)은 1점이 아니라 일정한 면적을 갖는다. 따라서 결합효율의 관점에서는 렌즈 지름을 가능한 한 크게 할 필요가 있다. 따라서 렌즈 지름과 코어 영역의 지름이란 거의 같은 크기인 것이 바람직하다. 또한 본 실시의 형태에서는 렌즈 지름과 코어 영역의 지름은 거의 동일한 크기이다.
여기서, 투광측 광파이버(180)의 코어 영역(180b)에 가능한 한 많은 광이 입사할 수 있도록, 예를 들면 위치(A)에 코어 영역(180b)이 있으면 바람직하다. 그렇지만 렌즈(212)의 두께 때문에, 렌즈(212)와 투광측 광파이버(180)의 입사 단면(180a) 사이에는 공간(370)이 생긴다. 본 실시의 형태에서는, 리플렉터(202)의 관통구멍(203)이 도 16의 공간(370)에 대응한다. 렌즈(212)의 렌즈면(반구면(212a))으로부터 출사된 발산광은, 이 공간(307)을 진행하는 사이에 퍼진다. 리플렉터(202)를 마련하지 않은 경우, 렌즈면(반구면(212a))으로부터 출사된 발산광의 일부(광선 17)는 코어 영역에 입사할 수가 없게 된다.
본 실시의 형태에서는, 렌즈(212)의 주위에 원통 형상의 리플렉터(202)를 마련함으로써 이 문제를 해결할 수 있다. 리플렉터(202)는, 렌즈(212)에 의해 제어된 각도를 유지하면서 광을 반사할 수 있기 때문에, 렌즈(212)에 의해 제어된 광을 코어부(181)에 입사시킬 수 있다. 또한, 리플렉터(202)의 반사면(관통구멍의 내주면(203a))에, 광파이버 측에 근접할수록 내주면(203a)의 직경이 커지도록 각도를 붙임에 의해, 광선의 코어부(181)에의 입사각도를 보정할 수 있다. 따라서 코어부(181)에의 입사 각도가 개구각보다 작아지도록 렌즈(212)만으로는 제어할 수가 없는 광(광선(18))도, 리플렉터(202)에서의 반사에 의해 코어부(181)에 입사시킬 수 있다. 따라서 결합효율을 더 높이는 것이 가능해진다.
또한, 리플렉터(164, 202)의 각각의 반사면의 광축(X)에 대한 각도는, 상기 효과가 이루어지도록 적절히 설정된다.
도 17은, 본 실시의 형태의 투광 장치에 의한 결합효율의 측정 결과의 한 예를 설명하는 도면이다. 또한, 도 17은 발광점(P)의 광축(X) 상의 위치를, 결합효율이 최대가 되는 위치에 설정한 경우의 결합효율의 측정 결과를 나타낸다. 도 17을 참조하면, LED 패키지로부터의 광이 광파이버에 직접 결합된 경우의 결합효율을 기준치(즉 1)로 한다. 이 경우, 렌즈(212)는 마련되어 있지 않고, 따라서 리플렉터(202)에 의한 광의 반사도 생기지 않는다.
LED 패키지(160)로부터의 광을 렌즈(212)를 통하여 투광측 광파이버에 결합시킨 경우, 결합효율은 약 1.6이 되었다. 또한, 렌즈(212)로부터 나온 광을 리플렉터(202)에 반사시킴에 의해 결합효율은 약 2.97이 되었다. 이것으로부터도, 본 실시의 형태의 투광 장치는, 결합효율을 향상시키는 것이 가능한 것으로 나타난다.
또한, 상술한 본 실시의 형태에서는, 투광기와 수광기가 일체화된 광파이버형 광전 센서를 예시하여 설명을 행하였지만, 투광기와 수광기가 일체화되어 있지 않고, 각각 다른 케이싱에 수용된 광파이버형 광전 센서로 하는 것도 당연히 가능하다.
또한, 본 실시의 형태에 관한 센서는, 반사형의 광파이버형 광전 센서에도 적용 가능하고, 투과형의 광파이버형 광전 센서에도 적용 가능하다.
또한, 상술한 본 실시의 형태에서는, 광파이버가 본체 케이싱에 착탈 가능하게 구성된 광전 센서에 본 발명을 적용한 경우를 예시하여 설명을 행하였지만, 광파이버가 본체 케이싱에 고정되어 있어도 본 발명은 당연히 적용 가능하다.
금회 개시된 실시의 형태는 모든 점에서 예시이고 제한적인 것은 아니라고 생각하여야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 청구의 범위에 의해 나타나고, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것을 의도한다.
11, 11a : 개구각 광선 11b, 11c, 13 내지 18 : 광선
12 : 외연 광선 100 : 광파이버형 광전 센서
101 : 본체부 102 : 헤드부
103 : 표시부 104 : 조작부
105 : 전기 코드 110 : 본체 케이싱
111 : 개구부 112 : 개구부
114 : 개폐 커버 116 : 프레임
120 : 홀더 부재 121, 122 : 내벽
123 : 힌지부 125, 126 : 공간
130 : 회동 레버 131 : 회동축
134 : 슬라이더 140 : 광파이버 고정부재
141 : 상부측 고정부 143 : 하부측 고정부
150 : 실장 기판 160 : LED 패키지
161 : 기재 162 : LED 칩
162a : 발광면 163 : 투광성 수지
164, 202, 204 : 리플렉터 164a : 반사면
170 : PD 패키지 180 : 투광측 광파이버
180a : 입사 단면 180b :코어 영역
181, 191 : 코어부 181A : 코어
182, 192 : 클래드부 183, 193 : 외피
184 : 외연부 185 : 경계선
190 : 수광측 광파이버 202a, 202b : 주표면
203 : 관통구멍 203a :내주면
212, 214, 300, 360 : 렌즈 212a : 반구면
212b : 평면 310 : 광파이버
320 : 코어부 330, 340 : 매체
350, 360a : 렌즈면 370 : 공간
P : 발광점 P1 : 초점 위치
P2 : 위치 X : 광축
X1 내지 X5 : 축

Claims (14)

  1. 발광면(162a)을 갖는 발광 소자(162)와,
    상기 발광면(162a)으로부터 출사된 광이 입사되는 입사 단면(180a)을 갖는 광파이버(180)와,
    상기 발광 소자(162)의 상기 발광면(162a)과, 상기 광파이버(180)의 상기 입사 단면(180a) 사이에 배치되는 렌즈(212)를 구비하고,
    상기 발광 소자(162), 상기 광파이버(180), 및 상기 렌즈(212)는, 하나의 광축(X) 상에 배치되고,
    상기 광파이버(180)는,
    굴절율이 균일한 단일의 코어를 포함하는 영역 또는 굴절율이 균일한 복수의 코어를 집합적으로 포함하는 영역인 코어 영역(180b)을 포함하고,
    상기 렌즈(212)는, 상기 발광면(162a)으로부터 출사된 확산광을, 퍼지는 방식이 더 완만한 확산광으로 변환하고,
    상기 발광면(162a)의 상기 광축(X) 상의 점(P)으로부터 출사되고, 상기 렌즈(212)를 경유하여, 상기 광축(X)에 대한 각도가 상기 광파이버(180)의 개구각(θ3)과 동등하게 되도록 상기 광파이버(180)의 상기 입사 단면(180a)에 도달하는 광선을 개구각 광선(11)으로 정의하고,
    상기 발광면(162a)의 상기 광축(X)위의 점(P)으로부터 출사되고, 상기 렌즈(212)를 경유하여, 상기 광파이버(180)의 상기 입사 단면(180a)에서의 상기 코어 영역(180b)의 외연부(184)에 도달하는 광선을 외연 광선(12)으로 정의한 때에,
    상기 개구각 광선(11)이 상기 광파이버(180)의 상기 입사 단면(180a)에서의 상기 코어 영역(180b) 내에 도달한다는 제 1의 조건, 또는,
    상기 외연부(184)에 도달한 때의 상기 외연 광선(12)이 상기 광축(X)과 이루는 각도가 상기 개구각(θ3)보다 작고, 또한 상기 발광면(162a)으로부터 출사한 때의 상기 외연 광선(12)이 상기 광축(X)과 이루는 각도가, 상기 개구각(θ3)보다 크다는 제 2의 조건이 충족되도록,
    상기 발광면(162a), 상기 렌즈(212) 및 상기 광파이버(180)의 배치, 및 상기 렌즈(212)의 굴절력이 선택되며,
    상기 제 1의 조건이 충족되는 경우에 있어서, 상기 발광면(162a)으로부터 출사된 때의 상기 개구각 광선(11)이 상기 광축(X)과 이루는 각도(θ1)는, 상기 개구각(θ3)의 1.1배부터 85°까지의 범위 내인 것을 특징으로 하는 투광 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1의 조건이 충족되는 경우에 있어서, 상기 발광면(162a)으로부터 출사된 때의 상기 개구각 광선(11)이 상기 광축(X)과 이루는 각도(θ1)는, 상기 개구각(θ3)의 1.2배부터 85°까지의 범위 내인 것을 특징으로 하는 투광 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2의 조건이 충족되는 경우에 있어서, 상기 발광면(162a)으로부터 출사된 때의 상기 외연 광선(12)이 상기 광축(X)과 이루는 각도(θ1')는, 상기 개구각(θ3)의 1.1배부터 85°까지의 범위 내인 것을 특징으로 하는 투광 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제 2의 조건이 충족되는 경우에 있어서, 상기 발광면(162a)으로부터 출사된 때의 상기 외연 광선(12)이 상기 광축(X)과 이루는 각도(θ1')는, 상기 개구각(θ3)의 1.2배부터 85°까지의 범위 내인 것을 특징으로 하는 투광 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2의 조건이 충족되는 경우에 있어서, 상기 외연부(184)에 도달한 때의 상기 외연 광선(12)이 상기 광축(X)과 이루는 각도(θ3')는, 상기 개구각(θ3)의 0.3배부터 상기 개구각(θ3)까지의 범위 내인 것을 특징으로 하는 투광 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제 2의 조건이 충족되는 경우에 있어서, 상기 외연부(184)에 도달한 때의 상기 외연 광선(12)이 상기 광축(X)과 이루는 각도(θ3')는, 상기 개구각(θ3)의 0.5배부터 상기 개구각(θ3)까지의 범위 내인 것을 특징으로 하는 투광 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 렌즈(212)는, 상기 굴절력을 담당하는 면으로서, 상기 광파이버(180)의 상기 입사 단면(180a)으로 향하여진 단일의 볼록면(212a)을 포함하는 것을 특징으로 하는 투광 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 투광 장치는,
    상기 발광면(162a)과 상기 광파이버(180)의 상기 입사 단면(180a) 사이에 상기 렌즈(212)를 둘러싸도록 배치되고, 또한, 상기 렌즈(212)로부터 출사된 광을 반사시키는 반사면(203a)을 포함하는 제 1의 반사 부재(202)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 투광 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 투광 장치는,
    상기 발광 소자(162)의 주위에 마련되어, 상기 발광 소자(162)로부터 출사된 광을 반사시키는 반사면(164a)을 포함하는 제 2의 반사 부재(164)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 투광 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 발광 소자(162)는, 발광 다이오드 칩인 것을 특징으로 하는 투광 장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 입사 단면(180a)에서의 상기 코어 영역(180b)의 형상은, 원형인 것을 특징으로 하는 투광 장치.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 투광 장치는,
    상기 광파이버(180)의 상기 입사 단면(180a)의 주연에 맞닿는 맞닿음 면(202a)을 포함하고, 상기 입사 단면(180a)의 주연이 맞닿음에 의해, 상기 입사 단면(180a)의 상기 광축(X) 상의 위치를 유지하는 유지 부재(202)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 투광 장치.
  14. 제 1항에 기재된 투광 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 센서.
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