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专利名称：投光装置以及传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及投光装置以及传感器，特别地涉及使来自光源的光与光纤耦合的投光装置以及具有该投光装置的传感器。
背景技术：
以往，具有光源和光纤并且使来自光源的光与光纤的端面耦合的投光装置为人们所知。在从光源以宽角度放射光时，来自光源的光中的只有一部分入射到光纤，因此耦合效率低。因此，至今提出了各种用于提高耦合效率的技术。
例如，日本特开2005-24617号公报(专利文献1)公开了能够减少发送效率的变动的光发射机。在该光发射机中，从发光元件出射的光通过透镜变换成平行的光并与光纤耦合。进而，以使该平行光在光纤的端面产生的光点的大小比该端面的纤芯部的面积大的方式设定发光元件、透镜以及光纤的位置关系。若采用该结构，则即使发光元件、透镜以及光纤的位置偏离设计位置，发光元件和光纤之间的光学耦合效率也不会变化，因此能够减少发送效率的变动。由此提高发送效率的最差值，其结果能够提高发送效率。
现有技术文献(专利文献) 专利文献1 日本特开2005-24617号公报

发明内容
发明要解决的问题 在日本特开2005-24617号公报中说明了能够减少耦合效率的变动，但是关于提高耦合效率本身这一点，未进行明确的说明。
因此，本发明是为了解决上述问题而做出的，本发明的目的在于提供一种能够使来自光源的光以高耦合效率与光纤耦合的投光装置以及具有这样的投光装置的传感器。
用于解决问题的手段 归纳本发明，一种投光装置，具有发光元件，其具有发光面；光纤，其具有从发光面出射的光入射的入射端面；透镜，其配置在发光元件的发光面与光纤的入射端面之间。发光元件、光纤以及透镜配置在一个光轴上。光纤包括纤芯区域，该纤芯区域是包括折射率均勻的一根纤芯的区域或者是聚集地包括多根折射率均勻的纤芯区域。透镜将从发光面出射的扩散光变换成更平缓地扩散的扩散光。将第一特定光线定义为开口角光线，该第一特定光线是指，从在发光面上位于光轴上的点出射，经由透镜，以与光轴所成的角度等于光纤的开口角的方式到达光纤的入射端面的光线，将第二特定光线定义为外缘光线，该第二特定光线是指，从在发光面上位于光轴上的点出射，经由透镜，到达光纤的入射端面上的纤芯区域的外缘部的光线，此时，发光面、透镜和光纤的配置以及透镜的折射能力满足第一条件或第二条件。第一条件是指，开口角光线到达光纤的入射端面上的纤芯区域内，第二条件是指，到达了外缘部时的外缘光线与光轴所成的角度小于开口角，并且从发光面出射时的外缘光线与光轴所成的角度大于开口角。
优选地，在满足第一条件的情况下，从发光面出射时的开口角光线与光轴所成的角度在开口角的1.1倍到85°的范围内。
优选地，在满足第一条件的情况下，从发光面出射时的开口角光线与光轴所成的角度在开口角的1.2倍到85°的范围内。
优选地，在满足第二条件的情况下，从发光面出射时的外缘光线与光轴所成的角度在开口角的1.1倍到85°的范围内。
优选地，在满足第二条件的情况下，从发光面出射时的外缘光线与光轴所成的角度在开口角的1.2倍到85°的范围内。
优选地，在满足第二条件的情况下，到达外缘部时的外缘光线与光轴所成的角度在开口角的0.3倍到开口角的范围内。
优选地，在满足第二条件的情况下，到达外缘部时的外缘光线与光轴所成的角度在开口角的0.5倍到开口角的范围内。
优选地，透镜包括朝向光纤的入射端面的一个凸面，该凸面是具有折射能力的面。
优选地，投光装置还具有第一反射构件。第一反射构件包括反射面。反射面被配置在发光面和光纤的入射端面之间并包围透镜，并且使从透镜出射的光反射。
优选地，投光装置还具有第二反射构件。第二反射构件包括反射面。反射面设置在发光元件的周围，并且使从发光元件出射的光反射。
优选地，发光元件是发光二极管芯片。
优选地，入射端面上的纤芯区域的形状为圆形。
优选地，投光装置还具有保持构件。保持构件包括与光纤的入射端面的周缘相抵接的抵接面。保持构件通过与入射端面的周缘抵接，保持入射端面在光轴上的位置。
根据本发明的另一技术方案，一种传感器，其具有上述任一投光装置。发明的效果 若采用本发明，则可实现能够使来自光源的光以高耦合效率与光纤耦合的投光装置。


图1是示出了具有本实施方式的投光装置的光纤式光电传感器的一例的概略立体图。
图2是示出了图1所示的主体部101的内部结构的一例的图。
图3是图2所示的LED封装160的周边放大图。
图4是示出了单芯光纤(single core fiber)的一例的剖面图。
图5是示出了多芯光纤(multi-core fiber)的一例的剖面图。
图6是说明从LED芯片162出射的光线的图。
图7是说明用于使外缘光线12在投光侧光纤180的纤芯部181中传递的条件的图。
图8是用于说明从发光点P出射的开口角光线和光轴X所成的角度的条件的图。
图9是示出了作为本实施方式的比较例的平行光学系统的示意图。
图10是说明利用一个折射面折射光线时的折射角度的界限的图。
图11是说明通过平行光学系统与光纤的入射端面光耦合的情况的图。
图12是用于说明本实施方式的发散光学系统的图。
图13是示出了利用本实施方式的光学系统中的透镜的光折射的示意图。
图14是示出了使从光源出射的扩散光进一步发散的光学系统的示意图。
图15是用于说明反射镜164和202的效果的图。
图16是用于进一步详细说明反射镜202的效果的图。
图17是说明本实施方式的投光装置的耦合效率的测定结果的一例的图。
具体实施例方式下面，参照附图对本发明实施方式进行详细说明。此外，对于图中相同或相当的部分标注相同的附图标记，不重复其说明。
本实施方式的投光装置例如用于光纤式光电传感器，该光纤式光电传感器利用将作为投光元件的发光二极管芯片(以下，称为“LED芯片”)封装而成的发光二极管封装(以下，称为“LED封装”)。
图1是示出了具有本实施方式的投光装置的光纤式光电传感器的一例的概略立体图。参照图1，光纤式光电传感器100具有主体部101、头部102、以光学方式连接主体部 101和头部102的投光侧光纤180以及受光侧光纤190。
主体部101主要具有主体外壳110、自由转动地安装在主体外壳110上的开闭盖 114、收纳在主体外壳110的内部的框架(flame) 116，框架116的上表面具有显示部103和操作部104，框架116在打开开闭盖114的状态下露出。在主体外壳110的位于主体部101 的前表面的前壁部分设有用于插入投光侧光纤180的开口部和用于插入受光侧光纤190的开口部，在这些两个开口部中分别插入有投光侧光纤180和受光侧光纤190。
从主体部101的背面引出将电源线、信号线等的芯线一体化而成的电线105。另外，在主体部101的上表面的规定位置设有用于将投光侧光纤180和受光侧光纤190固定在主体部101时操作的转动柄130。在主体部101的内部收纳有作为光源的LED封装(参照图2等)以及作为受光部的PD封装等。
投光侧光纤180将从LED封装发出的光传输到头部102。受光侧光纤190将入射到头部102的光传输到PD封装。
头部102将通过投光侧光纤180传输的光投光到检测对象物，并且捕捉投光到检测对象物的光的反射光，通过受光侧光纤190将该反射光传输到主体部101。
图2是示出了图1所示的主体部101的内部结构的一例的图。图3是图2所示的 LED封装160的周边放大图。参照图2，对主体部101的内部结构进行说明，参照图2和图 3，详细说明本实施方式的投光装置的结构。
如图2所示，在主体外壳110的内部收纳有框架116。在框架116的前表面和主体外壳110的前壁部分之间形成有规定大小的空间，在该空间内配置有各种构成部件。具体而言，在该空间内主要配置有用于保持投光侧光纤180和受光侧光纤190的保持构件120、 用于将保持构件120所保持的投光侧光纤180和受光侧光纤190固定在主体部101的光纤固定构件140、安装有LED封装160和PD封装170的安装基板150。
保持构件120固定在框架116的前面。在保持构件120上形成有一对贯通孔。一对贯通孔中的一个贯通孔与形成在保持构件120的背面的空间125相连通，一对贯通孔中
6的另一个贯通孔与形成在保持构件120的背面的空间1 相连通。
投光侧光纤180经由设置在主体外壳110上的开口部111和设置在光纤固定构件 140上的上部侧中空部，插入到设置在保持构件120上的贯通孔中。由形成在保持构件120 上的贯通孔的内壁121来保持投光侧光纤180的入射端部。同样地，受光侧光纤190经由设置在主体外壳110上的开口部112和设置在光纤固定构件140上的下部侧中空部，插入到设置在保持构件120上的贯通孔中。由形成在保持构件120上的贯通孔的内壁122来保持受光侧光纤190的出射端部。
在保持构件120的上方前端部分设置有铰链部123。该铰链部123通过轴支承设置在上述转动柄130上的转动轴131，将转动柄130支撑为能够转动。另外，在保持构件120 的前表面装配有滑块134，其响应于转动柄130的操作，被导向构件(未图示)引导，从而在上下方向上进行滑动；光纤固定构件140，其被滑块134按压而弹性变形，由此夹持固定投光侧光纤180和受光侧光纤190。
转动柄130、滑块134和光纤固定构件140构成用于同时将投光侧光纤180和受光侧光纤190固定在主体部101上的固定机构。光纤固定构件140例如由树脂构件形成，以便具有所希望的弹性，该光纤固定构件140具有规定用于插通投光侧光纤180的上部侧中空部的上部侧固定部141、规定用于插通受光侧光纤190的下部侧中空部的下部侧固定部 143。
当用户转动了转动柄130时，滑块134被导向构件引导而向下方滑动。通过滑块 134向下方移动，在光纤固定构件140中，上部侧固定部141的上部以及下部侧固定部143 的上部分别向下方弹性变形。通过上部侧固定部141的弹性变形来夹持投光侧光纤180，并且通过下部侧固定部143的弹性变形来夹持受光侧光纤190。此外，用于夹持投光侧光纤 180和受光侧光纤190的结构并不限定于图2所示的结构，也可以采用其他结构。
安装基板150固定在保持构件120的背面。在安装基板150的主面上安装有LED 封装160和PD封装170。LED封装160和PD封装170分别收纳在形成于保持构件120的背面的空间125、126中。LED封装160的发光面朝向投光侧光纤180的入射端面，PD封装 170的受光面朝向受光侧光纤190的出射端面。
参照图2和图3，本实施方式的投光装置具有包括作为发光元件的LED芯片162 的LED封装160、透镜212、反射镜202、投光侧光纤180。
LED芯片162具有发光面16加。透镜212配置在发光面16 和投光侧光纤180 的入射端面之间。
LED芯片162、透镜212以及投光侧光纤180配置在光轴X上。光轴X是贯通LED 芯片162的发光面162a、透镜212以及投光侧光纤180的入射端面180a的纤芯部的轴。优选地，光轴X是通过投光侧光纤180的入射端面180a的纤芯部的中心点的轴。更优选地， 光轴X与投光侧光纤180的光轴、透镜212的光轴一致。发光面16 上的点P对应于发光面16 与光轴X之间的交点。
LED封装160除了上述LED芯片162以外还包括基材161、透光性树脂163、反射镜164。LED芯片162和反射镜164装载在基材161的主表面上，并且被透光性树脂163封固。
LED芯片162主要从发光面16 出射扩散光。但是，也存在从LED芯片162的侧面出射光的情况。反射镜164具有包围LED芯片162的侧面的反射面16如。例如，从LED 芯片161的侧面出射的光被该反射面16 反射而导入透镜212。
透镜212具有半球面21 和平面212b。半球面21 是朝向投光侧光纤180的入射端面180a的一个凸面，是透镜212的具有折射能力的面。在此，折射能力意味着以轴为中心旋转对称的光学系统(例如透镜)中的折射程度。平面212b是透镜212中的从发光面16 出射的扩散光的入射面。
透镜212的入射面(平面212b)接收来自LED芯片161的扩散光。透镜212使入射到自身的扩散光折射后出射，以使所入射的扩散光更平缓地扩散。换言之，透镜212将从发光面16 出射的扩散光变换成更平缓地扩散扩散光。透镜212针对从发光面16 的中心(光轴上的点)出射的光，使该扩散光折射后出射，使得与出射时相比相对于光轴X以较小的角度扩散。例如，设计成LED芯片162的发光面16 的位置比透镜212的焦点位置更靠近透镜212 —侧，由此能够发现透镜的上述功能。
反射镜202配置在LED封装160和投光侧光纤180之间。在反射镜202形成有贯通孔203，在该贯通孔203中插入有半球状的透镜212。
从LED封装160出射的光通过透镜212被变换成更平缓地扩散，并通过形成在反射镜202的贯通孔203而与投光侧光纤180的入射端面180a耦合。贯通孔203的内周面 203a发挥反射面的功能，该反射面使从透镜212出射的光的一部分反射并使该反射光导入投光侧光纤180的入射端面180a。此外，在本实施方式中，透镜212的透镜直径与投光侧光纤180的纤芯部的直径(纤芯直径)大致相等。
反射镜202由金属(例如铝)板形成。另外，贯通孔203的内周面203a作为镜面反射面。镜面反射面是宏观观察时遵守反射法则的反射面，意味着反射光以与入射光的角度相等的角度反射的反射面。实现该镜面反射面的方法并不受特别的限定。例如，也可以通过冲压加工等方法在金属板上形成贯通孔。能够将该贯通孔的内周面用作上述镜面反射 反射镜202还具有朝向投光侧光纤180的入射端面180a的主表面20 和朝向 LED封装160的主表面202b。主表面20 抵接在投光侧光纤180的入射端面180a的周缘部分。另一方面，主表面202b与LED封装160的表面相接触，LED封装160固定在安装于保持构件120上的安装基板150的主面上。LED封装160被保持构件120和安装基板150 固定，以使在光轴X方向上的位置不发生变动。因此，能够抑制发光面16 和投光侧光纤 180的入射端面180a之间的间隔发生变动。
进而，由于在LED封装160的表面紧贴着透镜212，因此能够抑制发光面16 和透镜212在光轴X方向上的相对的位置关系。根据以上理由，能够抑制发光面162a、透镜212 以及投光侧光纤180在光轴X方向上的相对的位置关系变动。
特别地，在本实施方式中，能够在使投光侧光纤180的入射端面180a的周缘部分与反射镜202的主表面20 接触的状态下固定投光侧光纤180，因此即使反复相对于主体外壳110装卸投光侧光纤180，也能够抑制在每次装卸投光侧光纤180时发光面162a、透镜 212以及投光侧光纤180的相对的位置关系变动。
另外，通过使LED封装160和透镜212相接触，能够减少由反射等引起的投光量的损失。
参照图2，在PD封装170和受光侧光纤190的出射端面之间配置有反射镜204。与反射镜202同样地，反射镜204由金属(例如铝)板形成。在反射镜204形成有贯通孔，在该贯通孔中插入有半球状的透镜214。透镜214的球面朝向受光侧光纤190的出射端面。 从受光侧光纤190的出射端面出射的光通过形成在反射镜204上的贯通孔，并入射到透镜 214。入射到透镜214的光汇聚后入射到PD封装170。入射到PD封装170的光与发光二极管芯片的受光面耦合。
投光侧光纤180和受光侧光纤190分别具有光通过的部分即纤芯部、设置在纤芯部的周围且其折射率比纤芯部小的包层(clad)部、覆盖包层部的外表面(侧面)的保护层。具体而言，投光侧光纤180具有纤芯部181、包层部182以及保护层183。受光侧光纤 190具有纤芯部191、包层部192以及保护层193。
在投光侧光纤180和受光侧光纤190中，包层部的折射率比纤芯部的折射率小。相对于光纤的光轴以规定角度以下的入射角度入射到纤芯部的光在纤芯部和包层部之间的界面全反射，从而在纤芯部传输。以下，将该规定角度称为“开口角”。
作为投光侧光纤180和受光侧光纤190，优选具有口径大的纤芯的光纤。由此，能够使投光侧光纤180和受光侧光纤190各自所传输的光的光量增加。在本实施方式中，作为投光侧光纤180和受光侧光纤190，能够应用塑料光纤。通常，与石英类光纤相比，塑料光纤的纤芯部的直径大，因此能够适用于本实施方式的投光装置。
另外，作为塑料光纤的种类，通常存在具有一根纤芯的单芯光纤以及具有多根纤芯的多芯光纤。下面，对在投光侧光纤180中应用单芯光纤的结构进行说明，但在投光侧光纤180中也能够应用多芯光纤。
图4是示出了单芯光纤的一例的剖面图。如图4所示，投光侧光纤180具有一根纤芯。该纤芯对应于图2和图3所示的纤芯部181。此外，光轴X相当于单芯光纤的中心轴。
将光纤的断面(也可以置换成入射端面，以下也相同)中的纤芯部181所占的部分称为纤芯区域，将光纤的断面中的纤芯区域外侧的区域称为包层区域。纤芯区域的外缘部184是位于纤芯区域的内侧且沿着纤芯区域和包层区域之间的边界的部分。在图4中， 用边界线185方便地示出纤芯区域与包层区域之间的边界。纤芯区域与包层区域之间的边界可以决定为例如入射到纤芯区域的光全反射的反射面，也可以根据纤芯区域和包层区域的折射率之差来决定。
此外，在本实施方式中，单芯光纤中所包括的纤芯部181的折射率均勻。另外，纤芯区域的形状为圆形。
图5是示出了多芯光纤的一例的剖面图。如图5所示，投光侧光纤180具有多根纤芯181A。此外，光轴X相当于多芯光纤的中心轴。纤芯部181是在多芯光纤中具有多根纤芯181A且与特定纤芯内接的区域，该特定纤芯是在多芯光纤的半径方向上位于距离光轴X 最远的位置的纤芯。即，多芯光纤的断面(也可以置换成端面，以下相同)中的纤芯区域是聚集地包括多根纤芯181A的断面的区域。另外，将光纤的断面中的纤芯区域外侧的区域称为包层区域。
进而，表示纤芯区域与包层区域的边界的边界线185与多根纤芯181A中位于在多芯光纤的半径方向上距离光轴X最远的位置的纤芯相接。如果相对于光轴X轴对称地配置有多根纤芯181A，则如图5所示，边界线185是多根纤芯181A的断面的包络线，并且是圆周。另外，与单芯光纤同样地，多芯光纤的纤芯区域的外缘部184是位于纤芯区域的内侧且沿着纤芯区域与包层区域之间的边界的部分。
多根纤芯181A的折射率相同，且在各纤芯181A中折射率均勻。因此，与单芯光纤的纤芯部同样地，多芯光纤的纤芯部181是折射率均勻的区域。
接着，参照图6至图8对本实施方式的投光装置进行更详细的说明。如已经说明的那样，透镜212使入射的扩散光折射后出射，使得与从发光面16 的中心出射的光出射时相比，相对于光轴X以较小的角度扩散。即，作为本实施方式的投光装置，能够应用发散光学系统。在图6至图8中，为了说明该发散光学系统而概略地示出本实施方式的投光装置的结构。具体而言，在图6至图8中，示出了本实施方式的投光装置的结构要素中的LED 封装160、透镜212以及投光侧光纤180。
图6是说明从LED芯片162出射的光线的图。如图6所示，首先，作为从发光面 16 的中心(光轴上)的发光点P出射的光线，定义开口角光线11和外缘光线12。
开口角光线11从发光点P出射，经由透镜212，相对于光轴X以与开口角相等的角度入射到入射端面180a中的纤芯区域180b。具体而言，开口角光线11相对于光轴X以 θ 1的角度从发光点P出射，并被透镜212的半球面21 折射。开口角光线11相对于与光轴X平行的轴XI，以θ 2的角度从半球面21 出射，相对于与光轴X平行的轴X2，以θ 3 的角度到达入射端面180a。角度θ 3与投光侧光纤180的开口角相等。
在此，角度θ 1大于角度θ 2。另外，轴XI、Χ2相互平行，且在透镜212与投光侧光纤180的入射端面180a之间，开口角光线11直线前进。因此，Θ2= θ 3的关系成立。 总而言之，就角度θ 1、θ 2、θ 3而言，θ 1 > θ 2 = θ 3的关系成立。
外缘光线12从发光点P出射，经由透镜212而到达纤芯区域180b的外缘部184。 外缘光线12相对于与光轴X平行的轴X3，以θ 3'的角度到达外缘部184。
在本实施方式中，以使开口角光线11到达投光侧光纤180的入射端面180a中的纤芯区域180b内的方式，选择发光面162a、透镜212以及投光侧光纤180的配置、透镜212 的折射能力。或者，如利用图7进行说明的那样，在本实施方式中，以使外缘光线12到达纤芯区域180b的外缘部184时的角度θ 3'为开口角以下的方式，选择发光面16 、透镜212 以及投光侧光纤180的配置、透镜212的折射能力。
在图6中，示出了以使开口角光线11到达投光侧光纤180的入射端面180a中的纤芯区域180b内的方式选择了发光面162a、透镜212以及投光侧光纤180的配置、透镜212 的折射能力的状态。开口角光线11到达纤芯区域180b内且其入射角为开口角，因此能够在纤芯部181中传输。另一方面，外缘光线12所传播的部分为在入射端面180a的径向上位于开口角光线11的外侧的部分，因此外缘光线12与轴X3所成的角度θ 3'大于θ 3。因此，外缘光线12即使到达纤芯区域180b的外缘部184也不会在纤芯部181中传输。
例如，假设发光面16 与透镜212之间的间隔不变。在本实施方式中，由于透镜 212紧贴在LED封装160上，因此能够得到这样的状态。如果在该状态下使发光面16 和透镜212接近投光侧光纤180的入射端面180a，则能够得到如下状态，即，开口角光线11到达投光侧光纤180的入射端面180a中的纤芯区域180b的内侧，另一方面，外缘光线12传播于在入射端面180a的径向上位于开口角光线11的外侧的部分。
图7是说明用于使外缘光线12在投光侧光纤180的纤芯部181传输的条件的图。 参照图7，外缘光线12相对于光轴X以Θ1'的角度从发光点P出射。从发光点P出射的外缘光线12被透镜212折射，到达纤芯区域180b的外缘部184。角度Θ1'大于角度θ 3'， 且角度θ 3'小于开口角(Θ2或θ 3)。通过以满足这样的条件的方式选择发光面16 、透镜212以及投光侧光纤180的配置、透镜212的折射能力，能够使入射到纤芯区域180b的外缘部184的外缘光线12在纤芯部181中传输。
此外，图7所示的开口角光线11传输于在入射端面的径向上位于外缘光线12的外侧的部分。因此，开口角光线11到达入射端面中纤芯区域180b的外侧的区域。因此，开口角光线11不会在纤芯部181中传输。此外，上述说明中的“入射端面”不仅是指投光侧光纤180的入射端面180a(即物理学上实际存在的入射端面)，还包括超出入射端面180a 的虚拟的面。即，“开口角光线11传输于在入射端面的径向上位于外缘光线12的外侧的部分的情况”还包括开口角光线11到达如下范围的情况，该范围是指，偏离了物理学上实际存在的入射端面的范围。
例如，假设在使发光面16 与透镜212在光轴X上的间隔不变的状态下使发光面 162a和透镜212远离投光侧光纤180的入射端面180a。此时，能够得到如下状态外缘光线12传输于在入射端面180a的径向上位于开口角光线11的内侧的部分。
接着，对开口角光线11和外缘光线12分别从发光点P出射的角度(θ 1，θ 1') 进行说明。
图8是用于说明从发光点P出射的开口角光线和光轴X所成的角度的条件的图。 参照图8，在假设不存在透镜的折射作用的情况下，来自发光点P的出射光在其出射角θ 4 小于开口角θ 3时，只要到达纤芯部181就在纤芯部181中传输，但是在其出射角Θ4大于开口角θ 3时，即使到达纤芯部181也不能在其中传输。
与此相对，在存在透镜212的折射作用的情况下，若以出射角θ 1从发光点P出射的光以开口角θ 3到达纤芯区域内，则θ 1成为能够在纤芯部181中传输的最大的出射角。 即，θ 1是开口角光线的出射角。由于出射角θ 1大于开口角θ 3，因此与不存在透镜212 的折射作用的情况相比，能够使更多的光量的光在纤芯部181中传输。优选地，使开口角光线从发光点P出射时的开口角光线和光轴X所成的角度(图8中的Θ1)为开口角的1.1 倍以上。更优选地，使开口角光线和光轴X所成的角度为开口角的1.2倍以上。
但是，并不能使开口角光线从发光点P出射的出射角θ 1无限大。假设从发光点 P向相对于光轴X成90°的方向出射光线。此时，通过透镜212使该光线折射使得入射到投光侧光纤180的入射端面180a的入射角与投光侧光纤180的开口角相等并且使开口角光线入射到纤芯区域180b内，这在现实上是不可能的。从实用方面的观点出发，从发光点 P出射的开口角光线的出射角的上限是85°左右。
S卩，在本实施方式中，从发光点P出射开口角光线时的开口角光线和光轴X所成的角度θ 1在从投光侧光纤180的开口角的1.1倍到85°的范围内，更优选地，在从投光侧光纤180的开口角的1.2倍到85°的范围内。通过如此设定角度θ 1，能够使开口角光线11 到达投光侧光纤180的入射端面180a中的纤芯区域180b内。因此，能够使开口角光线11 在纤芯部181中传输。
另外，在开口角光线11到达投光侧光纤180的入射端面180a中的纤芯区域180b外的情况下，外缘光线12从发光点P出射时的光轴X和外缘光线12所成的角度Θ1'也满足上述条件。
在假设不存在透镜212的折射作用的情况下，从发光点P出射的出射光在其出射角小于开口角θ 3时，只要到达纤芯部181就能够在纤芯部181中传输，但是在其出射角大于开口角θ 3时，即使到达纤芯部181也无法在其中传输。与此相对，在存在透镜212的折射作用的情况下，在以出射角Θ1'从发光点P出射的光相对于光轴X以角度θ 3'到达外缘部184(实际上相当于边界线185)时，只要角度θ 3'小于开口角θ3，Θ1'就成为能够在纤芯部181中传输的最大的出射角。此时的出射角Θ1'是外缘光线的出射角。若出射角Θ1'大于开口角θ 3，则与不存在透镜212的折射作用的情况相比，能够使更多的光量的光在纤芯部181中传输。另外，在相对于光轴X以90°的角度从发光点P出射光线的情况下，利用透镜212的折射使该光线入射到纤芯区域180b的外缘部184在现实上是不可能的。从实用方面的观点出发，从发光点P出射的外缘光线的出射角的上限是85°左右。
S卩，在本实施方式中，从发光点P出射外缘光线时的外缘光线和光轴X所成的角度 θ 1'在从投光侧光纤180的开口角的1.1倍到85°的范围内，更优选地，在从投光侧光纤 180的开口角的1.2倍到85°的范围内。通过如此设定角度Θ1'，能够使外缘光线12在纤芯部181中传输。
进而，在本实施方式中，使从透镜212出射的出射光成为扩散光。就扩散程度而言，优选地，使外缘光线12向纤芯区域180b入射的入射角(θ3')为开口角的0.3倍以上。更优选地，使角度θ 3'为开口角的0.5倍以上。显然，在开口角光线到达纤芯区域外的状态下，角度θ 3'为开口角以下。
在本实施方式中，与平行光学系统相比，通过利用发散光学系统，能够使光以高效率与光纤的入射端面的纤芯区域耦合。关于在耦合效率这一点发散光学系统比平行光学系统有利的理由，参照图9至图12进行说明。
图9是示出了作为本实施方式的比较例的平行光学系统的示意图。
参照图9，根据近轴几何光学(近轴理论)，利用透镜300将从位于透镜300的焦点位置Pl的光源出射的扩散光全部变换成平行光，从而能够与光纤310的纤芯部320耦合。 但是，现实上无法实现图9所示的光耦合。
尤其是，就借助单个折射面来使光线折射时，能够使光线折射的角度在原理上和现实上受到限制。该角度能够利用斯内尔定律导出，由光线的入射侧的介质的折射率以及出射侧的介质的折射率来决定。
图10是说明在利用一个折射面折射光线时的折射角度的界限的图。
参照图10，角度α是光线折射的界限角度。以下，将角度α称为“最大折射角 α”。最大折射角α是指，在光线入射到介质330的入射角θ i为临界角时，出射光线相对于入射光线的角度。
将介质330的折射率设为Hi,将介质340的折射率设为ne。根据斯内尔定律，下式成立。
riiXsin θ j = neXsin θ e 在此，0e = 9O°，因此上式的右边为neX sin (90° ) = ne。
接着，将折射率I^ne具体设为Iii = 2.0、ne= 1.0，求出最大折射角α。通过以下的计算求出最大折射角α。
2sin θ j = 1 sin θ j = 0. 5 θ j = 30° .·. α = 90° - θ i = 60° 接着，考虑现实上可能的最大折射角。若如上所述地将入射侧的介质330的折射率设为2.0、将出射侧的折射率设为1.0来求出最大折射角α，则α为60°。该α就是小于90°的有限的最大折射角。
此外，在上述计算中，设为Iii = 2. 0，但是一般的透镜的折射率为1. 4 1. 7左右。 因此，本实施方式的最大折射角α为小于60°的角度。
但是，在利用透镜的设计等方法来通过折射控制光的情况下，难以在该最大折射角附近控制光。因此，在最大折射角α为60°时，可控制光的最大折射角也就是40°左右。在最大折射角附近难以控制光的理由，在于随着入射角接近临界角，出射角相对于入射角的变化率急剧变化，这根据斯内尔定律也可以导出。
图11是说明通过平行光学系统与光纤的入射端面光耦合的情况的图。如图11所示，从位于透镜的焦点位置Pl的光源出射的光在介质330中传输，在透镜面350折射从而成为平行光。但是，如上所述，为了能够控制光，定义有限的折射角(最大40° )。S卩，在平行光学系统中，无法将来自光源的光全部导入。
但是，由于光纤能够对以开口角以下的角度入射到纤芯部320的光进行导入，因此无需将平行光导入纤芯部320。如图12所示，若将光源配置在从透镜焦点位置Pl向透镜面350 —侧靠近的位置Ρ2，则导入透镜的来自光源的光会增加，另一方面，从透镜面350出射的光成为发散光。但是，若该发散光向纤芯部320入射时的入射角度为开口角以下，则能够使发散光与光纤310(纤芯部320)耦合。
例如，如图12所示，本实施方式的发散光学系统能够通过使发光面的位置比凸镜的焦点位置更靠近透镜面来实现。通常，在凸镜的焦点的内侧(焦点和凸镜之间)放置物体的情况下，从物体的某一点出射的光通过凸镜后不会会聚在一点。但是，与从凸镜出射的光线的方向相反的方向的线在一点相交。因此，通过使发光面的位置比凸镜的焦点位置更靠近透镜面，能够实现发散光学系统。
此外，在图11所示的平行光学系统中，将能够导入光纤310的最大限度的光从发光点(位于焦点位置Pl的光源)出射时的相对于光轴X的角度设为9a。另一方面，在图 12所示的发散光学系统中，将能够导入光纤310的最大限度的光从发光点(位于位置P2的光源)时的相对于光轴X的角度设为9b。角度θ b大于角度θ a。
S卩，通过采用发散光学系统，在从发光点出射的光中，与光纤耦合的光的角度变大。因此，能够使与光纤耦合的光量增加。若采用本实施方式，则能够使向宽范围出射的出射光与光纤耦合，因此能够使与光纤耦合的光量增加。因此，若采用本实施方式，则能够提高耦合效率。
另外，在本实施方式中，入射到透镜212的扩散光以更平缓地扩散的方式被折射。 因此，若采用本实施方式，则与入射到透镜的扩散光被折射成扩散程度更大的情况相比，能够提高耦合效率。关于这一点，参照图13和图14进行说明。
参照图13，在本实施方式的光学系统中，以使θ 1 > θ 3( θ 3与投光侧光纤180的开口角相等)的方式出射开口角光线11。即，从发光点P出射的扩散光通过透镜212被折射成更平缓地扩散。在开口角光线11的内侧传输的光线13以小于θ 3的角度到达纤芯区域180b，因此光线13能够在纤芯部180的内部传输。由此能够增加与投光侧光纤180耦合的光量。因此，若采用本实施方式，则能够提高耦合效率。
图14是示出了使从光源出射的扩散光进一步发散的光学系统的示意图。参照图 14，在该光学系统中，以角度θ 1从发光点P出射的光线14在透镜360的透镜面360a被折射，而以角度θ 3入射到投光侧光纤180的纤芯区域180b。关于θ 1、θ 3，θ 1 < θ 3的关系成立。即，从发光点P出射的扩散光通过透镜360的透镜面360a向发散的方向折射。
在光线14的内侧传输的光线15通过在透镜面360a上的折射，以小于θ 3的角度到达纤芯区域180b。因此，光线15能够在纤芯部180的内部传输。另一方面，在光线14的外侧传输的光线16以大于θ 3的角度到达纤芯区域180b，或者，到达投光侧光纤180的入射端面中的纤芯区域外侧的部分。此外，这里的“入射端面”包括物理学上实际存在的入射端面180a以及超出该入射端面180a的虚拟的面。因此，光线16无法在纤芯部180的内部传输。
因此，在该光学系统中，光线14以及在其内侧传输的光线15能够在纤芯部180的内部传输。但是，由于透镜面360a将所入射的扩散光折射成扩散程度更大，因此与本实施方式相比，与投光侧光纤180耦合的光量少。
由于以上的理由，在本实施方式的光学系统中，与图14所示的光学系统相比，角度θ 1更大，且耦合效率更高。
进而，如图15所示，根据本实施方式，在LED芯片162的周围设置反射镜164。由此，使从LED芯片162的侧面发出的光线lib在反射镜164的反射面16 反射，从而能够导入透镜212。光线lib被透镜212折射，相对于与光轴X平行的轴X4，以角度θ 5到达投光侧光纤180的入射端面。若角度θ 5为投光侧光纤180的开口角以下，则光线lib能够在纤芯部181的内部传输。因此，通过在LED芯片162的周围设置反射镜164，能够进一步提高耦合效率。
进而，根据本实施方式，在透镜212的周围设置反射镜202。从透镜212出射的光线Ilc在反射镜202的反射面(贯通孔的内周面203a)反射，并相对于与光轴X平行的轴 X5，以角度θ 6到达投光侧光纤180的入射端面。若角度θ 6为投光侧光纤180的开口角以下，则光线Ilc能够在纤芯部181的内部传输。因此，通过在透镜212的周围设置反射镜 202，能够进一步提高耦合效率。
图16是用于详细说明利用反射镜202的效果的图。参照图16，在本实施方式中， 利用透镜212(即折射光学系统)，使所入射的扩散光更平缓地扩散。因此，如已说明的那样，若采用本实施方式，则能够提高耦合效率。由于从透镜212出射的光为扩散光，因此透镜212的直径优选小于纤芯区域180b的直径。
但是，需要在LED芯片(发光面162a)和透镜212之间设置有限的间隔。另外，发光面16 不是一点，而具有规定的面积。因此，从耦合效率的观点出发，需要尽量增大透镜的直径。因此，优选地，透镜直径和纤芯区域的直径大致相同。此外，在本实施方式中，透镜直径和纤芯区域的直径大致相同。
在此，例如，优选纤芯区域180b位于位置A，使得尽可能多的光能够入射投光侧光纤180的纤芯区域180b。但是，由于透镜212的厚度，在透镜212和投光侧光纤180的入射端面180a之间产生空间370。在本实施方式中，反射镜202的贯通孔203对应于图16的空间370。从透镜212的透镜面(半球面212a)出射的发散光在该空间307传输的期间扩散。在未设置反射镜202的情况下，从透镜面(半球面212a)出射的发散光的一部分(光线17)不能入射到纤芯区域。
在本实施方式中，通过在透镜212的周围设置圆筒状的反射镜202能够解决该问题。反射镜202能够一边维持通过透镜212控制的角度一边使光反射，因此能够使通过透镜 212控制的光入射到纤芯部180。进而，使反射镜202的反射面(贯通孔的内周面203a)以越接近光纤一侧内周面203a的直径越大的方式带有角度，由此能够修正光线向纤芯部180 入射的入射角度。因此，仅用透镜212无法控制为向纤芯部180入射的入射角度小于开口角的光(光线18)也能够通过反射镜202的反射而入射到纤芯部180。因此，能够进一步提高耦合效率。
此外，适宜地设定反射镜164、202各自的反射面相对于光轴X的角度，以能够达到上述效果。
图17是说明利用本实施方式的投光装置的耦合效率的测定结果的一例的图。此外，图17示出了将发光点P在光轴X上的位置设定在耦合效率达到最大的位置时的耦合效率的测定结果。参照图17，将来自LED封装的光直接与光纤耦合时的耦合效率设为基准值 (即1)。此时，未设置透镜212，因此，也不会发生由反射镜202带来的光反射。
在使来自LED封装160的光经由透镜212与投光侧光纤耦合的情况下，耦合效率约为1. 6。进而，通过使从透镜212出射的光在反射镜202反射，使耦合效率达到约2. 97。 由此也能够说明本实施方式的投光装置能够提高耦合效率。
此外，在上述本实施方式中，以将投光器和受光器一体化的光纤式光电传感器为例进行了说明，但是显然也能够采用投光器和受光器未成为一体而分别收纳在不同的外壳内的光纤式光电传感器。
另外，本实施方式的传感器能够适用于反射型的光纤式光电传感器，也能够适用于透过型的光纤式光电传感器。
另外，在上述本实施方式中，以本发明适用于相对于外壳可装卸光纤的光电传感器的情况为例进行了说明，但是显然即使光纤固定在主体外壳上，也能够应用本发明。
本次公开的实施方式在所有的方面都是举例说明的，应该认为并不限制本发明。 本发明的范围并不由上述说明限定，而由权利要求的范围得以限定，并且与权利要求的范围等同的意思以及权利要求范围内的所有变更都包含在本发明。
附图标记说明 IlUla 开口角光线 llb、llc、13 18 光线 12 外缘光线 100:光纤式光电传感器 101 主体部 102 头部
15 103显示部 104操作部 105电线 110主体外壳 111开口部 112开口部 114开闭盖 116框架 120保持构件 121、122 内壁 123铰链部 125、126 空间 130转动柄 131转动轴 134滑块 140光纤固定构件 141上部侧固定部 143下部侧固定部 150安装基板 160LED封装 161基材 162LED芯片 162a发光面 163透光性树脂 164、202、204 反射镜 164a反射面 170PD封装 180投光侧光纤 180a入射端面 180b纤芯区域 181、191 纤芯部 181A纤芯 182、192 包层部 183、193 保护层 184外缘部 185边界线 190受光侧光纤 202a、202b 主表面 203贯通孔 203a 内周面 212、214、300、360 透镜 212a 半球面 212b 平面 310 光纤 320 纤芯部 330,340 介质 350 > 360a 透镜面 370 空间 P 发光点 Pl 焦点位置 P2 位置 X:光轴 Xl X5 轴。
权利要求
1.一种投光装置，其特征在于， 具有发光元件(162)，其具有发光面(162a)，光纤(180)，其具有从上述发光面(162a)出射的光入射的入射端面(180a)， 透镜012)，其配置在上述发光元件(16 的上述发光面(162a)与上述光纤(180)的上述入射端面(180a)之间；上述发光元件(162)、上述光纤(180)以及上述透镜(21 配置在一个光轴(X)上； 上述光纤(180)包括纤芯区域(180b)，该纤芯区域(180b)是包括折射率均勻的一根纤芯的区域，或者是聚集地包括多根折射率均勻的纤芯的区域；上述透镜(21 将从上述发光面(162a)出射的扩散光变换成更平缓地扩散的扩散光；将第一特定光线定义为开口角光线(11)，该第一特定光线是指，从在上述发光面 (162a)上位于上述光轴⑴上的点⑵出射，经由上述透镜012)，以与上述光轴⑴所成的角度等于上述光纤(180)的开口角(Θ3)的方式到达上述光纤(180)的上述入射端面 (180a)的光线，将第二特定光线定义为外缘光线(12)，该第二特定光线是指，从在上述发光面(162a) 上位于上述光轴⑴上的点⑵出射，经由上述透镜012)，到达上述光纤(180)的上述入射端面(180a)上的上述纤芯区域(180b)的外缘部(184)的光线； 此时，上述发光面(16 )、上述透镜(21 和上述光纤(180)的配置以及上述透镜012)的折射能力满足第一条件或第二条件，其中，上述第一条件是指，上述开口角光线(11)到达上述光纤(180)的上述入射端面(180a) 上的上述纤芯区域(180b)内，上述第二条件是指，到达了上述外缘部(184)时的上述外缘光线(1 与上述光轴(X) 所成的角度小于上述开口角(Θ3)，并且从上述发光面(162a)出射时的上述外缘光线(12) 与上述光轴(X)所成的角度大于上述开口角(θ 3)。
2.根据权利要求1所述的投光装置，其特征在于，在满足上述第一条件的情况下，从上述发光面(162a)出射时的上述开口角光线(11)与上述光轴(X)所成的角度(θ 1)在上述开口角(Θ3)的1.1倍到85°的范围内。
3.根据权利要求2所述的投光装置，其特征在于，在满足上述第一条件的情况下，从上述发光面(162a)出射时的上述开口角光线(11)与上述光轴(X)所成的角度(θ 1)在上述开口角(Θ3)的1.2倍到85°的范围内。
4.根据权利要求1所述的投光装置，其特征在于，在满足上述第二条件的情况下，从上述发光面(162a)出射时的上述外缘光线(1 与上述光轴(X)所成的角度(θ 1')在上述开口角(Θ3)的1.1倍到85°的范围内。
5.根据权利要求4所述的投光装置，其特征在于，在满足上述第二条件的情况下，从上述发光面(162a)出射时的上述外缘光线(1 与上述光轴(X)所成的角度(θ 1')在上述开口角(Θ3)的1.2倍到85°的范围内。
6.根据权利要求1、4、5中任一项所述的投光装置，其特征在于，在满足上述第二条件的情况下，到达上述外缘部(184)时的上述外缘光线(1 与上述光轴(X)所成的角度 (Θ3')在上述开口角(Θ3)的0.3倍到上述开口角(Θ3)的范围内。
7.根据权利要求6所述的投光装置，其特征在于，在满足上述第二条件的情况下，到达上述外缘部(184)时的上述外缘光线(12)与上述光轴(X)所成的角度(θ 3')在上述开口角(Θ3)的0.5倍到上述开口角(Θ3)的范围内。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的投光装置，其特征在于，上述透镜(21 包括朝向上述光纤(180)的上述入射端面(180a)的一个凸面(21 ),该凸面是具有上述折射能力的面。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的投光装置，其特征在于，上述投光装置还具有配置在上述发光面(162a)和上述光纤(180)的上述入射端面(180a)之间的第一反射构件 002)，该第一反射构件(202)包围上述透镜012)，并且包括使从上述透镜(212)出射的光反射的反射面O03a)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的投光装置，其特征在于，上述投光装置还具有第二反射构件(164)，该第二反射构件(164)设置在上述发光元件(162)的周围，并且包括使从上述发光元件(162)出射的光反射的反射面(164a)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的投光装置，其特征在于，上述发光元件(162) 是发光二极管芯片。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的投光装置，其特征在于，上述入射端面 (180a)上的上述纤芯区域(180b)的形状为圆形。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的投光装置，其特征在于，上述投光装置还具有保持构件002)，该保持构件(20 包括与上述光纤(180)的上述入射端面(180a)的周缘相抵接的抵接面(20 ),通过与上述入射端面(180a)的周缘相抵接，以保持上述入射端面 (180a)在上述光轴(X)上的位置。
14.一种传感器，其特征在于，具有权利要求1至13中任一项所述的投光装置。
全文摘要
开口角光线(11)从发光点(P)出射，并被透镜(212)的半球面(212a)折射，而相对于与光轴(X)平行的轴(X2)，以与投光侧光纤(180)的开口角相等的角度(θ3)到达入射端面(180a)。外缘光线(12)从发光点(P)出射，并经由透镜(212)而到达纤芯区域(180b)的外缘部(184)。以使开口角光线(11)到达纤芯区域(180b)内的方式，或者以使外缘光线(12)到达纤芯区域(180b)的外缘部(184)时的角度(θ3′)为开口角以下的方式，选择发光面(162a)、透镜(212)和投光侧光纤(180)的配置以及透镜(212)的折射能力。
文档编号G01J1/02GK102187259SQ200980141749
公开日2011年9月14日 申请日期2009年10月15日 优先权日2008年10月20日
发明者奥浓基晴, 宫田毅, 龟田贵理 申请人:欧姆龙株式会社