投光装置以及传感器的制造方法
【专利说明】投光装置以及传感器
[0001]本申请是申请日为2009年10月15日、申请号为200980141749.5、发明名称为“投光装置以及传感器”的申请的分案申请。
技术领域
[0002]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】
[0003]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。
[0004]例如，日本特开2005-24617号公报(专利文献I)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。
[0005]现有技术文献(专利文献)
[0006]专利文献1:日本特开2005-24617号公报
【发明内容】
[0007]发明要解决的问题
[0008]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。
[0009]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。
[0010]用于解决问题的手段
[0011]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匀的一根纤芯的区域或者是聚集地包括多根折射率均匀的纤芯区域。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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021 ] 优选地，发光元件是发光二极管芯片。
[0022]优选地，入射端面上的纤芯区域的形状为圆形。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]发明的效果
[0026]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。
【附图说明】
[0027]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。
[0028]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。
[0029]图3是图2所示的LED封装160的周边放大图。
[0030]图4是示出了单芯光纤(single core fiber)的一例的剖面图。
[0031]图5是示出了多芯光纤(mult1-core fiber)的一例的剖面图。
[0032]图6是说明从LED芯片162出射的光线的图。
[0033]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。
[0034]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。
[0035]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。
[0036]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。
[0037]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。
[0038]图12是用于说明本实施方式的发散光学系统的图。
[0039]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。
[0040]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。
[0041]图15是用于说明反射镜164和202的效果的图。
[0042]图16是用于进一步详细说明反射镜202的效果的图。
[0043]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。
【具体实施方式】
[0044]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。
[0045]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”)。
[0046]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。
[0047]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(frame) 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。
[0048]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。另夕卜，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H)封装等。
[0049]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ro封装。
[0050]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。
[0051]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。
[0052]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H)封装170的安装基板150。
[0053]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，一对贯通孔中的另一个贯通孔与形成在保持构件120的背面的空间126相连通。
[0054]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