投光裝置以及傳感器的制造方法
【專利說明】投光裝置以及傳感器
[0001]本申請是申請日為2009年10月15日、申請號為200980141749.5、發明名稱為“投光裝置以及傳感器”的申請的分案申請。
技術領域
[0002]本發明涉及投光裝置以及傳感器，特別地涉及使來自光源的光與光纖耦合的投光裝置以及具有該投光裝置的傳感器。
【背景技術】
[0003]以往，具有光源和光纖并且使來自光源的光與光纖的端面耦合的投光裝置為人們所知。在從光源以寬角度放射光時，來自光源的光中的只有一部分入射到光纖，因此耦合效率低。因此，至今提出了各種用于提高耦合效率的技術。
[0004]例如，日本特開2005-24617號公報(專利文獻I)公開了能夠減少發送效率的變動的光發射機。在該光發射機中，從發光元件出射的光通過透鏡變換成平行的光并與光纖耦合。進而，以使該平行光在光纖的端面產生的光點的大小比該端面的纖芯部的面積大的方式設定發光元件、透鏡以及光纖的位置關系。若采用該結構，則即使發光元件、透鏡以及光纖的位置偏離設計位置，發光元件和光纖之間的光學耦合效率也不會變化，因此能夠減少發送效率的變動。由此提高發送效率的最差值，其結果能夠提高發送效率。
[0005]現有技術文獻(專利文獻)
[0006]專利文獻1:日本特開2005-24617號公報
【發明內容】
[0007]發明要解決的問題
[0008]在日本特開2005-24617號公報中說明了能夠減少耦合效率的變動，但是關于提高耦合效率本身這一點，未進行明確的說明。
[0009]因此，本發明是為了解決上述問題而做出的，本發明的目的在于提供一種能夠使來自光源的光以高耦合效率與光纖耦合的投光裝置以及具有這樣的投光裝置的傳感器。
[0010]用于解決問題的手段
[0011]歸納本發明，一種投光裝置，具有:發光元件，其具有發光面；光纖，其具有從發光面出射的光入射的入射端面；透鏡，其配置在發光元件的發光面與光纖的入射端面之間。發光元件、光纖以及透鏡配置在一個光軸上。光纖包括纖芯區域，該纖芯區域是包括折射率均勻的一根纖芯的區域或者是聚集地包括多根折射率均勻的纖芯區域。透鏡將從發光面出射的擴散光變換成更平緩地擴散的擴散光。將第一特定光線定義為開口角光線，該第一特定光線是指，從在發光面上位于光軸上的點出射，經由透鏡，以與光軸所成的角度等于光纖的開口角的方式到達光纖的入射端面的光線，將第二特定光線定義為外緣光線，該第二特定光線是指，從在發光面上位于光軸上的點出射，經由透鏡，到達光纖的入射端面上的纖芯區域的外緣部的光線，此時，發光面、透鏡和光纖的配置以及透鏡的折射能力滿足第一條件或第二條件。第一條件是指，開口角光線到達光纖的入射端面上的纖芯區域內，第二條件是指，到達了外緣部時的外緣光線與光軸所成的角度小于開口角，并且從發光面出射時的外緣光線與光軸所成的角度大于開口角。
[0012]優選地，在滿足第一條件的情況下，從發光面出射時的開口角光線與光軸所成的角度在開口角的1.1倍到85°的范圍內。
[0013]優選地，在滿足第一條件的情況下，從發光面出射時的開口角光線與光軸所成的角度在開口角的1.2倍到85°的范圍內。
[0014]優選地，在滿足第二條件的情況下，從發光面出射時的外緣光線與光軸所成的角度在開口角的1.1倍到85°的范圍內。
[0015]優選地，在滿足第二條件的情況下，從發光面出射時的外緣光線與光軸所成的角度在開口角的1.2倍到85°的范圍內。
[0016]優選地，在滿足第二條件的情況下，到達外緣部時的外緣光線與光軸所成的角度在開口角的0.3倍到開口角的范圍內。
[0017]優選地，在滿足第二條件的情況下，到達外緣部時的外緣光線與光軸所成的角度在開口角的0.5倍到開口角的范圍內。
[0018]優選地，透鏡包括朝向光纖的入射端面的一個凸面，該凸面是具有折射能力的面。
[0019]優選地，投光裝置還具有第一反射構件。第一反射構件包括反射面。反射面被配置在發光面和光纖的入射端面之間并包圍透鏡，并且使從透鏡出射的光反射。
[0020]優選地，投光裝置還具有第二反射構件。第二反射構件包括反射面。反射面設置在發光元件的周圍，并且使從發光元件出射的光反射。
[0021 ] 優選地，發光元件是發光二極管芯片。
[0022]優選地，入射端面上的纖芯區域的形狀為圓形。
[0023]優選地，投光裝置還具有保持構件。保持構件包括與光纖的入射端面的周緣相抵接的抵接面。保持構件通過與入射端面的周緣抵接，保持入射端面在光軸上的位置。
[0024]根據本發明的另一技術方案，一種傳感器，其具有上述任一投光裝置。
[0025]發明的效果
[0026]若采用本發明，則可實現能夠使來自光源的光以高耦合效率與光纖耦合的投光裝置。
【附圖說明】
[0027]圖1是示出了具有本實施方式的投光裝置的光纖式光電傳感器的一例的概略立體圖。
[0028]圖2是示出了圖1所示的主體部101的內部結構的一例的圖。
[0029]圖3是圖2所示的LED封裝160的周邊放大圖。
[0030]圖4是示出了單芯光纖(single core fiber)的一例的剖面圖。
[0031]圖5是示出了多芯光纖(mult1-core fiber)的一例的剖面圖。
[0032]圖6是說明從LED芯片162出射的光線的圖。
[0033]圖7是說明用于使外緣光線12在投光側光纖180的纖芯部181中傳遞的條件的圖。
[0034]圖8是用于說明從發光點P出射的開口角光線和光軸X所成的角度的條件的圖。
[0035]圖9是示出了作為本實施方式的比較例的平行光學系統的示意圖。
[0036]圖10是說明利用一個折射面折射光線時的折射角度的界限的圖。
[0037]圖11是說明通過平行光學系統與光纖的入射端面光耦合的情況的圖。
[0038]圖12是用于說明本實施方式的發散光學系統的圖。
[0039]圖13是示出了利用本實施方式的光學系統中的透鏡的光折射的示意圖。
[0040]圖14是示出了使從光源出射的擴散光進一步發散的光學系統的示意圖。
[0041]圖15是用于說明反射鏡164和202的效果的圖。
[0042]圖16是用于進一步詳細說明反射鏡202的效果的圖。
[0043]圖17是說明本實施方式的投光裝置的耦合效率的測定結果的一例的圖。
【具體實施方式】
[0044]下面，參照附圖對本發明實施方式進行詳細說明。此外，對于圖中相同或相當的部分標注相同的附圖標記，不重復其說明。
[0045]本實施方式的投光裝置例如用于光纖式光電傳感器，該光纖式光電傳感器利用將作為投光元件的發光二極管芯片(以下，稱為“LED芯片”)封裝而成的發光二極管封裝(以下，稱為“LED封裝”)。
[0046]圖1是示出了具有本實施方式的投光裝置的光纖式光電傳感器的一例的概略立體圖。參照圖1，光纖式光電傳感器100具有主體部101、頭部102、以光學方式連接主體部101和頭部102的投光側光纖180以及受光側光纖190。
[0047]主體部101主要具有主體外殼110、自由轉動地安裝在主體外殼110上的開閉蓋114、收納在主體外殼110的內部的框架(frame) 116，框架116的上表面具有顯示部103和操作部104，框架116在打開開閉蓋114的狀態下露出。在主體外殼110的位于主體部101的前表面的前壁部分設有用于插入投光側光纖180的開口部和用于插入受光側光纖190的開口部，在這些兩個開口部中分別插入有投光側光纖180和受光側光纖190。
[0048]從主體部101的背面引出將電源線、信號線等的芯線一體化而成的電線105。另夕卜，在主體部101的上表面的規定位置設有用于將投光側光纖180和受光側光纖190固定在主體部101時操作的轉動柄130。在主體部101的內部收納有作為光源的LED封裝(參照圖2等)以及作為受光部的H)封裝等。
[0049]投光側光纖180將從LED封裝發出的光傳輸到頭部102。受光側光纖190將入射到頭部102的光傳輸到ro封裝。
[0050]頭部102將通過投光側光纖180傳輸的光投光到檢測對象物，并且捕捉投光到檢測對象物的光的反射光，通過受光側光纖190將該反射光傳輸到主體部101。
[0051]圖2是示出了圖1所示的主體部101的內部結構的一例的圖。圖3是圖2所示的LED封裝160的周邊放大圖。參照圖2，對主體部101的內部結構進行說明，參照圖2和圖3，詳細說明本實施方式的投光裝置的結構。
[0052]如圖2所示，在主體外殼110的內部收納有框架116。在框架116的前表面和主體外殼110的前壁部分之間形成有規定大小的空間，在該空間內配置有各種構成部件。具體而言，在該空間內主要配置有用于保持投光側光纖180和受光側光纖190的保持構件120、用于將保持構件120所保持的投光側光纖180和受光側光纖190固定在主體部101的光纖固定構件140、安裝有LED封裝160和H)封裝170的安裝基板150。
[0053]保持構件120固定在框架116的前面。在保持構件120上形成有一對貫通孔。一對貫通孔中的一個貫通孔與形成在保持構件120的背面的空間125相連通，一對貫通孔中的另一個貫通孔與形成在保持構件120的背面的空間126相連通。
[0054]投光側光纖180經由設置在主體外殼110上的開口部111和設置在光纖固定構件140上的上部側中空部，插入到設置在保持構件120上的貫通孔中。由形成在保持構件120上的貫通孔的內壁121來保持投光側光纖180的入射端部。同樣地，受光側光纖190經由設置在主體外殼110上的開口部112