WO2010047270A1 - 投光装置およびセンサ - Google Patents

Abstract

　開口角光線（１１）は発光点（Ｐ）から出射され、レンズ（２１２）の半球面（２１２ａ）により屈折され、光軸（Ｘ）と平行な軸（Ｘ２）に対して、投光側光ファイバ（１８０）の開口角に等しい角度（θ３）で入射端面（１８０ａ）に到達する。外縁光線（１２）は、発光点（Ｐ）から出射され、レンズ（２１２）を経て、コア領域（１８０ｂ）の外縁部（１８４）に到達する。開口角光線（１１）がコア領域（１８０ｂ）内に到達するように、あるいは、外縁光線（１２）がコア領域（１８０ｂ）の外縁部（１８４）に到達したときの角度（θ３′）が開口角以下となるように、発光面（１６２ａ）、レンズ（２１２）および投光側光ファイバ（１８０）の配置、ならびにレンズ（２１２）の屈折力が選択される。

Description

投光装置およびセンサ

　本発明は、投光装置およびセンサに関し、特に、光源からの光を光ファイバに結合するよう構成された投光装置、およびその投光装置を備えるセンサに関する。

　従来、光源と光ファイバとを備え、光ファイバの端面に光源からの光を結合させるように構成された投光装置が知られている。光源から広角度で光が放射される場合、光ファイバには光源からの光の一部しか入射しないので結合効率が小さくなる。したがって、結合効率を高めるための様々な技術がこれまでに提案されている。

　たとえば、特開２００５－２４６１７号公報（特許文献１）は、送信効率の変動を少なくすることが可能な光送信器を開示する。この光送信器では、発光素子から出射された光がレンズによって平行な光に変換されて光ファイバに結合される。さらに、その平行光により光ファイバの端面に生じた光スポットの大きさがその端面におけるコア部の面積よりも大きくなるように、発光素子、レンズおよび光ファイバの位置関係が設定される。この構成によれば、発光素子、レンズおよび光ファイバの位置が設計位置からずれても発光素子と光ファイバとの光学的な結合効率が変化しないために、送信効率の変動を少なくできる。これにより送信効率の最悪値が向上するため、結果として送信効率を高めることができる。

特開２００５－２４６１７号公報

　特開２００５－２４６１７号公報には、結合効率の変動を小さくできることが説明されているものの、結合効率そのものを向上させる点については明示的に説明されていない。

　したがって、本発明は上記の課題を解決するためのものであって、本発明の目的は、光源からの光を高い結合効率で光ファイバに結合することが可能な投光装置、およびそれを備えるセンサを提供することである。

　本発明は要約すれば、投光装置であって、発光面を有する発光素子と、発光面から出射された光が入射される入射端面を有する光ファイバと、発光素子の発光面と、光ファイバの入射端面との間に配置されるレンズとを備える。発光素子、光ファイバ、およびレンズは、１つの光軸上に配置される。光ファイバは、屈折率が均一な単一のコアを含む領域または屈折率が均一な複数のコアを集合的に含む領域であるコア領域を含む。レンズは、発光面から出射された拡散光を、広がり方がより緩やかな拡散光に変換する。発光面の光軸上の点から出射され、レンズを経て、光軸に対する角度が光ファイバの開口角に等しくなるように光ファイバの入射端面に到達する光線を開口角光線と定義し、発光面の光軸上の点から出射され、レンズを経て、光ファイバの入射端面におけるコア領域の外縁部に到達する光線を外縁光線と定義したときに、第１の条件、または、第２の条件が満たされるように、発光面、レンズおよび光ファイバの配置、ならびにレンズの屈折力が選ばれている。第１の条件は、開口角光線が光ファイバの入射端面におけるコア領域内に到達するという条件である。第２の条件は、外縁部に到達したときの外縁光線が光軸となす角度が開口角よりも小さく、かつ発光面から出射したときの外縁光線が光軸となす角度が、開口角よりも大きいという条件である。

　好ましくは、第１の条件が満たされる場合において、発光面から出射されたときの開口角光線が光軸となす角度は、開口角の１．１倍から８５°までの範囲内である。

　好ましくは、第１の条件が満たされる場合において、発光面から出射されたときの開口角光線が光軸となす角度は、開口角の１．２倍から８５°までの範囲内である。

　好ましくは、第２の条件が満たされる場合において、発光面から出射されたときの外縁光線が光軸となす角度は、開口角の１．１倍から８５°までの範囲内である。

　好ましくは、第２の条件が満たされる場合において、発光面から出射されたときの外縁光線が光軸となす角度は、開口角の１．２倍から８５°までの範囲内である。

　好ましくは、第２の条件が満たされる場合において、外縁部に到達したときの外縁光線が光軸となす角度は、開口角の０．３倍から開口角までの範囲内である。

　好ましくは、第２の条件が満たされる場合において、外縁部に到達したときの外縁光線が光軸となす角度は、開口角の０．５倍から開口角までの範囲内である。

　好ましくは、レンズは、屈折力を担う面として、光ファイバの入射端面に向けられた単一の凸面を含む。

　好ましくは、投光装置は、第１の反射部材をさらに備える。第１の反射部材は、反射面を含む。反射面は、発光面と光ファイバの入射端面との間にレンズを囲むように配置され、かつ、レンズから出射された光を反射させる。

　好ましくは、投光装置は、第２の反射部材をさらに備える。第２の反射部材は、反射面を含む。反射面は、発光素子の周囲に設けられて、発光素子から出射された光を反射させる。

　好ましくは、発光素子は、発光ダイオードチップである。
　好ましくは、入射端面におけるコア領域の形状は、円形である。

　好ましくは、投光装置は、保持部材をさらに備える。保持部材は、光ファイバの入射端面の周縁に突き当たる突き当たり面を含む。保持部材は、入射端面の周縁が突き当たることにより、入射端面の光軸上の位置を保持する。

　本発明の他の局面に従うと、センサであって、上述のいずれかに記載の投光装置を備える。

　本発明によれば、光源からの光を高い結合効率で光ファイバに結合することが可能な投光装置を実現できる。

本実施の形態に従う投光装置を備える光ファイバ型光電センサの一例を示す概略斜視図である。 図１に示した本体部１０１の内部構成の一例を示した図である。 図２に示したＬＥＤパッケージ１６０の周辺拡大図である。 シングルコアファイバの一例を示す断面図である。 マルチコアファイバの一例を示した断面図である。 ＬＥＤチップ１６２から出射される光線を説明する図である。 外縁光線１２が投光側光ファイバ１８０のコア部１８１を伝達するための条件を説明する図である。 発光点Ｐから出射された開口角光線と光軸Ｘとのなす角度の条件を説明するための図である。 本実施の形態の比較例としての平行光学系を示す模式図である。 単一の屈折面による光線の屈折での屈折角度の限界を説明する図である。 平行光学系による光ファイバの入射端面への光結合を説明する図である。 本実施の形態に係る発散光学系を説明するための図である。 本実施の形態による光学系でのレンズによる光の屈折を示す模式図である。 光源から出射された拡散光をより発散させる光学系を示す模式図である。 リフレクタ１６４および２０２による効果を説明するための図である。 リフレクタ２０２による効果をより詳細に説明するための図である。 本実施の形態の投光装置による結合効率の測定結果の一例を説明する図である。

　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

　本実施の形態に従う投光装置は、たとえば、投光素子として発光ダイオードチップ（以下ＬＥＤチップと称する）がパッケージング化された発光ダイオードパッケージ（以下、ＬＥＤパッケージと称する）を利用した光ファイバ型光電センサに用いられる。

　図１は、本実施の形態に従う投光装置を備える光ファイバ型光電センサの一例を示す概略斜視図である。図１を参照して、光ファイバ型光電センサ１００は、本体部１０１と、ヘッド部１０２と、本体部１０１とヘッド部１０２とを光学的に接続する投光側光ファイバ１８０および受光側光ファイバ１９０とを備える。

　本体部１０１は、本体ケーシング１１０と、本体ケーシング１１０に回動自在に取付けられた開閉カバー１１４と、本体ケーシング１１０の内部に収容されたフレーム１１６とを主として有しており、開閉カバー１１４の開状態において露出するフレーム１１６の上面に表示部１０３および操作部１０４を有している。本体部１０１の前面に位置する本体ケーシング１１０の前壁部分には、投光側光ファイバ１８０が挿し込まれる開口部と受光側光ファイバ１９０が挿し込まれる開口部とが設けられており、これら２つの開口部に投光側光ファイバ１８０および受光側光ファイバ１９０がそれぞれ挿し込まれている。

　本体部１０１の背面からは、電源ラインや信号ライン等の芯線が一体化された電気コード１０５が引き出されている。また、本体部１０１の上面の所定位置には、投光側光ファイバ１８０および受光側光ファイバ１９０を本体部１０１へ固定する際に操作する回動レバー１３０が設けられている。本体部１０１の内部には、光源としてのＬＥＤパッケージ（図２等参照）および受光部としてのＰＤパッケージ等が収容されている。

　投光側光ファイバ１８０は、ＬＥＤパッケージから発せられた光をヘッド部１０２に伝送する。受光側光ファイバ１９０は、ヘッド部１０２に入射した光をＰＤパッケージへと伝送する。

　ヘッド部１０２は、投光側光ファイバ１８０によって伝送された光を検出対象物に対して投光するとともに、検出対象物に投光された光の反射光を捉え、この反射光を受光側光ファイバ１９０によって本体部１０１へと伝送する。

　図２は、図１に示した本体部１０１の内部構成の一例を示した図である。図３は、図２に示したＬＥＤパッケージ１６０の周辺拡大図である。図２を参照して、本体部１０１の内部構成を説明し、図２および図３を参照して、本実施の形態に係る投光装置の構成を詳細に説明することにする。

　図２に示すように、本体ケーシング１１０の内部にはフレーム１１６が収容されている。フレーム１１６の前面と本体ケーシング１１０の前壁部分との間には所定の大きさの空間が形成されており、当該空間に各種の構成部品が配置されている。具体的には、当該空間には、投光側光ファイバ１８０および受光側光ファイバ１９０を保持するホルダ部材１２０と、ホルダ部材１２０によって保持された投光側光ファイバ１８０および受光側光ファイバ１９０を本体部１０１に固定する光ファイバ固定部材１４０と、ＬＥＤパッケージ１６０およびＰＤパッケージ１７０が実装された実装基板１５０とが主として配置されている。

　ホルダ部材１２０はフレーム１１６の前面に固定されている。ホルダ部材１２０には、一対の貫通孔が形成される。一対の貫通孔の一方は、ホルダ部材１２０の背面に形成された空間１２５に通じ、一対の貫通孔の他方はホルダ部材１２０の背面に形成された空間１２６に通じている。

　投光側光ファイバ１８０は、本体ケーシング１１０に設けられた開口部１１１および光ファイバ固定部材１４０に設けられた上部側中空部を経由して、ホルダ部材１２０に設けられた貫通孔に挿し込まれる。ホルダ部材１２０に形成された貫通孔の内壁１２１によって、投光側光ファイバ１８０の入射端部が保持される。同様に、受光側光ファイバ１９０は、本体ケーシング１１０に設けられた開口部１１２および光ファイバ固定部材１４０に設けられた下部側中空部を経由して、ホルダ部材１２０に設けられた貫通孔に挿し込まれる。ホルダ部材１２０に形成された貫通孔の内壁１２２によって、受光側光ファイバ１９０の出射端部が保持される。

　ホルダ部材１２０の上方前端部分には、ヒンジ部１２３が設けられている。このヒンジ部１２３は、上述の回動レバー１３０に設けられた回動軸１３１を軸支することにより、回動レバー１３０を回動可能に支持している。また、ホルダ部材１２０の前面には、回動レバー１３０の操作にリンクして、ガイド部材（図示せず）によって案内されて上下方向にスライド移動するスライダー１３４と、スライダー１３４によって押圧されて弾性変形することにより投光側光ファイバ１８０および受光側光ファイバ１９０を挟持して固定する光ファイバ固定部材１４０とが組み付けられている。

　回動レバー１３０、スライダー１３４および光ファイバ固定部材１４０は、投光側光ファイバ１８０および受光側光ファイバ１９０を同時に本体部１０１に固定するための固定機構を構成する。光ファイバ固定部材１４０は、所望の弾性を有するように、たとえば樹脂部材によって形成されており、投光側光ファイバ１８０が挿通される上部側中空部を規定する上部側固定部１４１と、受光側光ファイバ１９０が挿通される下部側中空部を規定する下部側固定部１４３とを有している。

　ユーザが回動レバー１３０を回動させた場合、スライダー１３４はガイド部材により案内されて下方にスライド移動する。スライダー１３４が下方に移動することによって、光ファイバ固定部材１４０では、上部側固定部１４１の上部および下部側固定部１４３の上部がそれぞれ下方に向けて弾性変形する。上部側固定部１４１の弾性変形により投光側光ファイバ１８０が挟持され、下部側固定部１４３の弾性変形により受光側光ファイバ１９０が挟持される。なお、投光側光ファイバ１８０および受光側光ファイバ１９０を挟持するための構成は図２に示した構成に限定されず、他の構成を採用することも可能である。

　実装基板１５０は、ホルダ部材１２０の背面に固定されている。実装基板１５０の主面には、ＬＥＤパッケージ１６０とＰＤパッケージ１７０とが実装されている。ＬＥＤパッケージ１６０およびＰＤパッケージ１７０は、ホルダ部材１２０の背面に形成された空間１２５，１２６にそれぞれ収容されている。ＬＥＤパッケージ１６０の発光面は、投光側光ファイバ１８０の入射端面に向けられ、ＰＤパッケージ１７０の受光面は受光側光ファイバ１９０の出射端面に向けられている。

　図２および図３を参照して、本実施形態の投光装置は、発光素子としてのＬＥＤチップ１６２を含むＬＥＤパッケージ１６０と、レンズ２１２と、リフレクタ２０２と、投光側光ファイバ１８０とを備える。

　ＬＥＤチップ１６２は発光面１６２ａを有する。レンズ２１２は、発光面１６２ａと投光側光ファイバ１８０の入射端面との間に配置される。

　ＬＥＤチップ１６２、レンズ２１２および投光側光ファイバ１８０は、光軸Ｘ上に配置される。光軸Ｘは、ＬＥＤチップ１６２の発光面１６２ａ、レンズ２１２および、投光側光ファイバ１８０の入射端面１８０ａのコア部を貫く軸である。光軸Ｘは、投光側光ファイバ１８０の入射端面１８０ａのコア部の中心点を通る軸であることが好ましい。さらに好ましくは、光軸Ｘは、投光側光ファイバ１８０の光軸およびレンズ２１２の光軸に一致する。発光面１６２ａ上の点Ｐは、発光面１６２ａと光軸Ｘとの交点に対応する。

　ＬＥＤパッケージ１６０は、上記ＬＥＤチップ１６２に加えて、基材１６１と、透光性樹脂１６３と、リフレクタ１６４とを含む。ＬＥＤチップ１６２およびリフレクタ１６４は基材１６１の主表面に搭載され、かつ透光性樹脂１６３により封止される。

　ＬＥＤチップ１６２は主として発光面１６２ａから拡散光を出射する。ただしＬＥＤチップ１６２の側面からも光が出射される場合がある。リフレクタ１６４は、ＬＥＤチップ１６２の側面を囲む反射面１６４ａを有する。たとえばＬＥＤチップ１６１の側面から出射した光は、その反射面１６４ａにより反射されてレンズ２１２に導かれる。

　レンズ２１２は、半球面２１２ａおよび平面２１２ｂを有する。半球面２１２ａは投光側光ファイバ１８０の入射端面１８０ａに向けられた単一の凸面であり、レンズ２１２の屈折力を担う面である。ここで屈折力とは、軸中心に回転対称な光学系（たとえばレンズ）における屈折の度合いを意味する。平面２１２ｂは、レンズ２１２において、発光面１６２ａから出射された拡散光の入射面である。

　レンズ２１２は、その入射面（平面２１２ｂ）にＬＥＤチップ１６１からの拡散光を受ける。レンズ２１２は、入射した拡散光がより緩やかに広がるように、自身に入射した拡散光を屈折させて出射する。換言すると、レンズ２１２は、発光面１６２ａから出射された拡散光を、広がり方がより緩やかな拡散光に変換する。レンズ２１２は、発光面１６２ａの中心（光軸上の点）から出射された光については、出射されたときよりも光軸Ｘに対して小さな角度で広がるように、その拡散光を屈折させて出射する。たとえばＬＥＤチップ１６２の発光面１６２ａの位置をレンズ２１２の焦点位置よりもレンズ２１２側に近い位置となるように設計することによって、上記のレンズの機能を発現させることができる。

　リフレクタ２０２はＬＥＤパッケージ１６０と投光側光ファイバ１８０との間に配置される。リフレクタ２０２には貫通孔２０３が形成され、その貫通孔２０３に半球状のレンズ２１２が挿入される。

　ＬＥＤパッケージ１６０から出射した光は、レンズ２１２によってより緩やかに広がるように変換され、リフレクタ２０２に形成された貫通孔２０３を通って投光側光ファイバ１８０の入射端面１８０ａに結合される。貫通孔２０３の内周面２０３ａは、レンズ２１２から出射した光の一部を反射して、その反射光を投光側光ファイバ１８０の入射端面１８０ａに導くための反射面として機能する。なお、本実施の形態では、レンズ２１２のレンズ径は投光側光ファイバ１８０のコア部の径（コア径）にほぼ等しい。

　リフレクタ２０２は金属（たとえばアルミニウム）の板によって形成される。また、貫通孔２０３の内周面２０３ａは、鏡面反射面として形成されている。鏡面反射面とは、巨視的に見て反射の法則に従う反射面のことであり、入射光の角度と等しい角度で反射光が反射する反射面を意味する。この鏡面反射面を実現する方法は特に限定されない。たとえばプレス加工等の方法より金属板に貫通孔を形成してもよい。この貫通孔の内周面を上記の鏡面反射面として用いることが可能である。

　リフレクタ２０２は、さらに投光側光ファイバ１８０の入射端面１８０ａに向けられた主表面２０２ａと、ＬＥＤパッケージ１６０に向けられた主表面２０２ｂとを有する。主表面２０２ａは投光側光ファイバ１８０の入射端面１８０ａの周縁部分に突き当たる。一方、主表面２０２ｂはＬＥＤパッケージ１６０の表面に接し、ＬＥＤパッケージ１６０は、ホルダ部材１２０に取付けられた実装基板１５０の主面に固定されている。ＬＥＤパッケージ１６０はホルダ部材１２０および実装基板１５０によって、光軸Ｘ方向の位置が変動しないよう固定されている。したがって発光面１６２ａと投光側光ファイバ１８０の入射端面１８０ａとの間隔が変動することを抑制できる。

　さらにＬＥＤパッケージ１６０の表面にはレンズ２１２が接着されるので、発光面１６２ａおよびレンズ２１２との光軸Ｘ方向の相対的な位置関係が変動することを抑制できる。以上の理由により、発光面１６２ａ、レンズ２１２および投光側光ファイバ１８０の光軸Ｘ方向の相対的な位置関係が変動するのを抑制できる。

　特に、本実施の形態では、投光側光ファイバ１８０の入射端面１８０ａの周縁部分をリフレクタ２０２の主表面２０２ａに接触させた状態で投光側光ファイバ１８０を固定できるので、本体ケーシング１１０に対する投光側光ファイバ１８０の着脱を繰返しても、投光側光ファイバ１８０の着脱のたびに発光面１６２ａ、レンズ２１２および投光側光ファイバ１８０の相対的な位置関係が変動することを抑制できる。

　またＬＥＤパッケージ１６０とレンズ２１２とが接着されることによって、反射等により生じる投光量のロスを低減できる。

　図２を参照して、ＰＤパッケージ１７０と受光側光ファイバ１９０の出射端面との間にはリフレクタ２０４が配置される。リフレクタ２０４は、リフレクタ２０２と同様に、金属（たとえばアルミニウム）の板により形成される。リフレクタ２０４には、貫通孔が形成され、その貫通孔に半球状のレンズ２１４が挿入される。レンズ２１４の球面は、受光側光ファイバ１９０の出射端面に向けられる。受光側光ファイバ１９０の出射端面から出射した光は、リフレクタ２０４に形成された貫通孔を通り、レンズ２１４に入射する。レンズ２１４に入射した光は集光されてＰＤパッケージ１７０に入射する。ＰＤパッケージ１７０に入射した光は、フォトダイオードチップの受光面に結合される。

　投光側光ファイバ１８０および受光側光ファイバ１９０の各々は、光が通る部分であるコア部と、コア部の周囲に設けられてコア部よりも屈折率が小さいクラッド部と、クラッド部の外表面（側面）を覆う外皮とを含む。具体的には、投光側光ファイバ１８０は、コア部１８１と、クラッド部１８２と、外皮１８３とを含む。受光側光ファイバ１９０は、コア部１９１と、クラッド部１９２と、外皮１９３とを含む。

　投光側光ファイバ１８０および受光側光ファイバ１９０の各々においては、コア部の屈折率に比べてクラッド部の屈折率が小さい。光ファイバの光軸に対して所定角度以下の入射角度でコア部に入射した光は、コア部とクラッド部との界面で全反射することによりコア部を伝搬する。この所定角度を以下では「開口角」と呼ぶ。

　投光側光ファイバ１８０および受光側光ファイバ１９０としては、口径が大きいコアを有する光ファイバであることが好ましい。これにより、投光側光ファイバ１８０および受光側光ファイバ１９０の各々が伝搬する光の光量を多くできる。本実施の形態では、投光側光ファイバ１８０および受光側光ファイバ１９０として、プラスチック光ファイバを適用できる。プラスチック光ファイバは、一般に、石英系光ファイバに比較してコアの径が大きいため、本実施の形態の投光装置に好適に用いることができる。

　また、プラスチック光ファイバの種類としては、一般に、単一のコアを備えるシングルコアファイバおよび複数のコアを備えるマルチコアファイバがある。以下においては投光側光ファイバ１８０にシングルコアファイバを適用した構成を説明するが、投光側光ファイバ１８０にマルチコアファイバを適用することもできる。

　図４は、シングルコアファイバの一例を示す断面図である。図４に示すように投光側光ファイバ１８０は、単一のコアを含む。このコアが図２および図３に示したコア部１８１に対応する。なお光軸Ｘはシングルコアファイバの中心軸に等しいものとする。

　光ファイバの断面（入射端面と置き換えてもよい、以下同様）において、コア部１８１が占める部分をコア領域とし、光ファイバの断面においてコア領域の外側の領域をクラッド領域とする。コア領域の外縁部１８４は、コア領域の内側かつコア領域とクラッド領域との境界に沿う部分である。図４では、コア領域とクラッド領域との境界を境界線１８５により便宜的に示している。コア領域とクラッド領域との境界は、たとえばコア領域に入射した光の全反射する反射面と定めてもよいし、コア領域とクラッド領域との屈折率の差に基づいて定めてもよい。

　なお、本実施の形態では、シングルコアファイバに含まれるコア部１８１の屈折率は均一である。またコア領域の形状は円形である。

　図５は、マルチコアファイバの一例を示す断面図である。図５に示すように投光側光ファイバ１８０は複数のコア１８１Ａを含む。なお、光軸Ｘは、マルチコアファイバの中心軸に等しいものとする。コア部１８１は、マルチコアファイバにおいて複数のコア１８１Ａを包含し、かつ光軸Ｘに対してマルチコアファイバの半径方向に最も離れた位置にあるコアと内接する領域である。すなわちマルチコアファイバの断面（端面と置き換えてもよい、以下同様）におけるコア領域は複数のコア１８１Ａの断面を集合的に含む領域である。また、光ファイバの断面においてコア領域の外側の領域をクラッド領域とする。

　さらに、コア領域とクラッド領域との境界を示す境界線１８５は複数のコア１８１Ａのうち、光軸Ｘからマルチコアファイバの半径方向に最も離れた位置にあるコアと接する。光軸Ｘに対して軸対称に複数のコア１８１Ａが配置されているのであれば、図５に示すように、境界線１８５は複数のコア１８１Ａの断面の包絡線であり、かつ円周となる。またシングルコアファイバと同様に、マルチコアファイバのコア領域の外縁部１８４とは、コア領域の内側、かつコア領域とクラッド領域との境界に沿う部分である。

　複数のコア１８１Ａの屈折率は同じであり、かつ各コア１８１Ａでは屈折率が均一である。したがってシングルコアファイバのコア部と同様に、マルチコアファイバのコア部１８１は屈折率が均一な領域である。

　次に図６～図８を参照しながら本実施の形態に係る投光装置についてより詳細に説明する。既に説明したように、レンズ２１２は、入射した拡散光を、発光面１６２ａの中心から出射された光の出射時よりも光軸Ｘに対して小さな角度で広がるように屈折させて出射する。すなわち本実施の形態に係る投光装置としては発散光学系が適用される。図６～図８では、この発散光学系を説明するために本実施の形態に係る投光装置の構成を概略的に示す。具体的には、図６～図８では本実施形態に係る投光装置の構成要素のうち、ＬＥＤパッケージ１６０と、レンズ２１２と、投光側光ファイバ１８０とを示す。

　図６は、ＬＥＤチップ１６２から出射される光線を説明する図である。図６に示すように、まず、発光面１６２ａの中心（光軸上）の発光点Ｐから出射される光線として、開口角光線１１および外縁光線１２を定義する。

　開口角光線１１は、発光点Ｐから出射され、レンズ２１２を経て、光軸Ｘに対して開口角に対して等しい角度で入射端面１８０ａ中のコア領域１８０ｂに入射する光線である。具体的に説明すると、開口角光線１１は発光点Ｐから光軸Ｘに対してθ１の角度で出射され、レンズ２１２の半球面２１２ａにより屈折される。開口角光線１１は、光軸Ｘと平行な軸Ｘ１に対してθ２の角度で半球面２１２ａから出射されて、光軸Ｘと平行な軸Ｘ２に対してθ３の角度で入射端面１８０ａに到達する。角度θ３は投光側光ファイバ１８０の開口角に等しい。

　ここで角度θ１は角度θ２よりも大きい。また、軸Ｘ１，Ｘ２が平行であり、かつ、レンズ２１２と投光側光ファイバ１８０の入射端面１８０ａの間では開口角光線１１は直進する。したがってθ２＝θ３との関係が成立する。要するに、角度θ１，θ２，θ３については、θ１＞θ２＝θ３との関係が成立する。

　外縁光線１２は、発光点Ｐから出射され、レンズ２１２を経て、コア領域１８０ｂの外縁部１８４に到達する光線である。外縁光線１２は光軸Ｘと平行な軸Ｘ３に対してθ３′の角度で外縁部１８４に到達するものとする。

　本実施の形態では、開口角光線１１が、投光側光ファイバ１８０の入射端面１８０ａにおけるコア領域１８０ｂ内に到達するように、発光面１６２ａ、レンズ２１２および投光側光ファイバ１８０の配置、ならびにレンズ２１２の屈折力が選ばれている。あるいは、図７によって説明するように、本実施の形態では外縁光線１２がコア領域１８０ｂの外縁部１８４に到達したときの角度θ３′が開口角以下となるように、発光面１６２ａ、レンズ２１２および投光側光ファイバ１８０の配置、ならびにレンズ２１２の屈折力が選ばれている。

　図６では、開口角光線１１が、投光側光ファイバ１８０の入射端面１８０ａにおけるコア領域１８０ｂ内に到達するように、発光面１６２ａ、レンズ２１２および投光側光ファイバ１８０の配置、ならびにレンズ２１２の屈折力が選ばれた状態を示している。開口角光線１１は、コア領域１８０ｂ内に到達し、かつその入射角が開口角であるのでコア部１８１の中を進むことができる。一方、外縁光線１２は入射端面１８０ａの径方向に対して開口角光線１１よりも外側を進むため、外縁光線１２と軸Ｘ３とのなす角度θ３′はθ３よりも大きい。したがって外縁光線１２はコア領域１８０ｂの外縁部１８４に到達してもコア部１８１の中を進むことができない。

　たとえば、発光面１６２ａおよびレンズ２１２の間隔が変わらないものとする。本実施の形態では、レンズ２１２はＬＥＤパッケージ１６０に接着されているのでこのような状態が得られる。この状態のまま発光面１６２ａおよびレンズ２１２を投光側光ファイバ１８０の入射端面１８０ａに近づけていくと、開口角光線１１が投光側光ファイバ１８０の入射端面１８０ａにおけるコア領域１８０ｂの内側に到達する一方で、外縁光線１２が開口角光線１１よりも入射端面１８０ａの径方向に対して外側を進む状態が得られる。

　図７は、外縁光線１２が投光側光ファイバ１８０のコア部１８１を伝達するための条件を説明する図である。図７を参照して、外縁光線１２は発光点Ｐから光軸Ｘに対してθ１′の角度で出射される。発光点Ｐから出射された外縁光線１２はレンズ２１２によって屈折され、コア領域１８０ｂの外縁部１８４に到達する。角度θ１′は角度θ３′より大きく、かつ、角度θ３′は開口角（θ２またはθ３）よりも小さい。このような条件を満たすように発光面１６２ａ、レンズ２１２および投光側光ファイバ１８０の配置、ならびにレンズ２１２の屈折力が選ばれることでコア領域１８０ｂの外縁部１８４に入射した外縁光線１２はコア部１８１の中を進むことができる。

　なお、図７に示した開口角光線１１は、入射端面の径方向に対して外縁光線１２よりも外側を進む。したがって開口角光線１１は、入射端面においてコア領域１８０ｂの外側の領域に到達する。このため開口角光線１１はコア部１８１の中を進むことができない。なお、上記説明における「入射端面」とは、投光側光ファイバ１８０の入射端面１８０ａ（すなわち物理的に実在する入射端面）のみならず、入射端面１８０ａを超えた仮想的な面も含む。すなわち、「開口角光線１１が入射端面の径方向に対して外縁光線１２よりも外側を進む場合」とは、物理的に実在する入射端面を外れた範囲に開口角光線１１が到達する場合も含む。

　たとえば発光面１６２ａおよびレンズ２１２の光軸Ｘ上での間隔が変わらないまま発光面１６２ａおよびレンズ２１２を投光側光ファイバ１８０の入射端面１８０ａから遠ざけていくとする。この場合、外縁光線１２が開口角光線１１よりも入射端面１８０ａの径方向に対して内側を進む状態が得られる。

　次に、開口角光線１１および外縁光線１２の各々の発光点Ｐからの出射角度（θ１，θ１′）について説明する。

　図８は、発光点Ｐから出射された開口角光線と光軸Ｘとのなす角度の条件を説明するための図である。図８を参照して、レンズによる屈折作用が存在しないと仮定した場合、発光点Ｐからの出射光は、その出射角θ４が開口角θ３よりも小さい場合は、コア部１８１に到達すればコア部１８１の中を伝搬するが、その出射角θ４が開口角θ３よりも大きい場合には、コア部１８１に到達しても、その中を伝搬できない。

　これに対し、レンズ２１２の屈折作用が存在する場合には、出射角θ１で発光点Ｐから出射した光がコア領域内に開口角θ３で到達すれば、θ１はコア部１８１を伝搬できる最大の出射角となる。すなわちθ１は開口角光線の出射角である。出射角θ１は開口角θ３よりも大きいので、レンズ２１２の屈折作用が存在しない場合に比べて、より大きな光量の光をコア部１８１に伝搬させることができるようになる。好ましくは、開口角光線が発光点Ｐから出射されるときの開口角光線と光軸Ｘとのなす角度（図８中のθ１）が開口角の１．１倍以上となるようにする。さらに好ましくは、開口角光線と光軸Ｘとのなす角度は開口角の１．２倍以上である。

　しかしながら、開口角光線の、発光点Ｐからの出射角θ１はいくらでも大きくできるわけではない。発光点Ｐから光軸Ｘに対して９０°の方向に光線が出射されたと仮定する。この場合には、投光側光ファイバ１８０の入射端面１８０ａへの入射角が投光側光ファイバ１８０の開口角と等しく、かつ、コア領域１８０ｂ内に開口角光線が入射するように、その光線をレンズ２１２により屈折させることは現実的に不可能である。実用面での観点から、発光点Ｐからの開口角光線の出射角の上限は８５°程度である。

　すなわち、本実施の形態では、発光点Ｐから開口角光線が出射されるときの開口角光線と光軸Ｘとのなす角度θ１は、投光側光ファイバ１８０の開口角の１．１倍から８５°までの範囲内であり、より好ましくは投光側光ファイバ１８０の開口角の１．２倍から８５°までの範囲内である。このように角度θ１を設定することで、開口角光線１１を投光側光ファイバ１８０の入射端面１８０ａにおけるコア領域１８０ｂ内に到達させることができる。したがって、開口角光線１１をコア部１８１に伝搬させることができる。

　また、開口角光線１１が投光側光ファイバ１８０の入射端面１８０ａにおけるコア領域１８０ｂ外に到達する場合における、外縁光線１２が発光点Ｐから出射されたときの光軸Ｘと外縁光線１２とのなす角度θ１′についても上記の条件が成立する。

　レンズ２１２による屈折作用が存在しないと仮定した場合、発光点Ｐからの出射光は、その出射角が開口角θ３よりも小さい場合は、コア部１８１に到達すればコア部１８１の中を伝搬するが、その出射角が開口角θ３よりも大きい場合には、コア部１８１に到達しても、その中を伝搬できない。これに対し、レンズ２１２の屈折作用が存在する場合には、出射角θ１′で発光点Ｐから出射した光が外縁部１８４（実質的には境界線１８５に等しい）に、光軸Ｘに対する角度θ３′で到達したときに角度θ３′が開口角θ３より小さければ、θ１′はコア部１８１を伝搬できる最大の出射角となる。この場合の出射角θ１′は外縁光線の出射角である。出射角θ１′が開口角θ３よりも大きければ、レンズ２１２の屈折作用が存在しない場合に比べて、より大きな光量の光をコア部１８１に伝搬させることができるようになる。また、光軸Ｘに対して９０°で発光点Ｐから光線が出射された場合には、その光線をレンズ２１２の屈折によって、コア領域１８０ｂの外縁部１８４に入射させることは現実的に不可能である。実用面での観点から、発光点Ｐからの外縁光線の出射角の上限は８５°程度である。

　すなわち、本実施の形態では、発光点Ｐから外縁光線が出射されるときの外縁光線と光軸Ｘとのなす角度θ１′は、投光側光ファイバ１８０の開口角の１．１倍から８５°までの範囲内であり、より好ましくは投光側光ファイバ１８０の開口角の１．２倍から８５°までの範囲内である。このように角度θ１′を設定することで外縁光線１２をコア部１８１に伝搬させることができる。

　さらに、本実施の形態では、レンズ２１２からの出射光は拡散光となるようにしている。拡散の程度は、外縁光線１２のコア領域１８０ｂへの入射角（θ３′）が開口角の０．３倍以上となるのが好ましい。さらに好ましくは角度θ３′は開口角の０．５倍以上となるようにする。いうまでもなく、開口角光線がコア領域外に到達する状態においては、角度θ３′は開口角以下である。

　本実施の形態では、発散光学系を用いることによって、平行光学系よりも光ファイバの入射端面のコア領域に高効率で光を結合させることができる。結合効率の点において発散光学系が平行光学系よりも有利となる理由について、図９から図１２を参照しながら説明する。

　図９は、本実施の形態の比較例としての平行光学系を示す模式図である。
　図９を参照して、近軸幾何光学（近軸理論）によれば、レンズ３００の焦点位置Ｐ１にある光源から出射した拡散光のすべてをレンズ３００により平行光に変換して光ファイバ３１０のコア部３２０へ結合させることができる。しかしながら現実には図９に示した光結合を実現することはできない。

　特に、単一の屈折面による光線の屈折においては、光線を屈折させることが可能な角度に原理的かつ現実的な限界がある。この角度はスネルの法則によって導き出すことができ、光線の入射側の媒体の屈折率および出射側の媒体の屈折率によって定まる。

　図１０は、単一の屈折面による光線の屈折での屈折角度の限界を説明する図である。
　図１０を参照して、角度αは、光線の屈折の限界角度である。角度αを以下では「最大屈折角α」とも呼ぶことにする。最大屈折角αは、媒体３３０への光線の入射角θ_ｉが臨界角であるときの、入射光線に対する出射光線の角度である。

　媒体３３０の屈折率をｎ_ｉとし、媒体３４０の屈折率をｎ_ｅとする。スネルの法則により、以下の式が成立する。

　ｎ_ｉ×ｓｉｎθ_ｉ＝ｎ_ｅ×ｓｉｎθ_ｅ
　ここでθ_ｅ＝９０°であるので、上記式の右辺は、ｎ_ｅ×ｓｉｎ（９０°）＝ｎ_ｅとなる。

　次に、屈折率をｎ_ｉ，ｎ_ｅを具体的にｎ_ｉ＝２．０、ｎ_ｅ＝１．０として、最大屈折角αを求める。最大屈折角αは以下の計算により求められる。

　２ｓｉｎθ_ｉ＝１
　ｓｉｎθ_ｉ＝０．５
　θ_ｉ＝３０°
　∴α＝９０°－θ_ｉ＝６０°
　次に現実的に可能な最大屈折角を考える。上記のように入射側の媒体３３０の屈折率を２．０、出射側の屈折率を１．０として最大屈折角αを考えるとαは６０°となる。このαが９０°未満の有限の最大屈折角となる。

　なお、上記計算では、ｎ_ｉ＝２．０としたが、一般的なレンズの屈折率は１．４～１．７程度である。このため、本実施形態における最大屈折角αは、６０°よりも小さな角度となる。

　しかし、レンズの設計等の手法を用いて光を屈折により制御する場合、この最大屈折角付近で光を制御することは難しい。したがって最大屈折角αが６０°である場合には、光を制御可能な屈折角は最大でも４０°程度となる。最大屈折角付近で光を制御することが難しくなる理由はスネルの法則からも導かれるが、入射角が臨界角に近づくにつれて、入射角に対する出射角の変化率が急激に変化するためである。

　図１１は、平行光学系による光ファイバの入射端面への光結合を説明する図である。図１１に示すように、レンズの焦点位置Ｐ１にある光源から出射された光は媒体３３０を進み、レンズ面３５０で屈折して平行光となる。しかし、前述のとおり、光の制御を可能にするために、有限の屈折角（最大４０°）が定義される。すなわち平行光学系では光源からの光を全て取り込むことはできなくなる。

　しかし、光ファイバは開口角以下の角度でコア部３２０に入射した光を導光できるため、コア部３２０に平行光を導入する必要は無い。図１２に示すように、光源をレンズ焦点位置Ｐ１からレンズ面３５０側に近づけた位置Ｐ２に配置すると、レンズに取り込まれる光源からの光が増加し、その一方で、レンズ面３５０から出射される光は発散光となる。ただし、その発散光のコア部３２０への入射角度が開口角以下であれば、発散光を光ファイバ３１０（コア部３２０）に結合させることができる。

　本実施の形態に係る発散光学系は、たとえば、図１２に示したように発光面の位置を凸レンズの焦点位置よりもレンズ面に近づけることで実現できる。一般的に凸レンズの焦点の内側（焦点と凸レンズとの間）に物体を置いた場合、物体のある１点から出た光は凸レンズにより１点に集まらない。しかし、凸レンズから出た光線の向きと逆向きの線は１点で交わる。したがって、発光面の位置を凸レンズの焦点位置よりもレンズ面に近づけることで発散光学系が実現可能となる。

　なお、図１１に示す平行光学系において、光ファイバ３１０に取り込むことが可能な最大限の光が発光点（焦点位置Ｐ１にある光源）から出射されたときの、光軸Ｘに対する角度をθａとする。一方、図１２に示す発散光学系において、光ファイバ３１０に取り込むことが可能な最大限の光が発光点（位置Ｐ２にある光源）から出射されたときの、光軸Ｘに対する角度をθｂとする。角度θｂは角度θａよりも大きい。

　すなわち発散光学系を採用することによって、発光点から出射される光において、光ファイバに結合される光の角度が大きくなる。したがって光ファイバに結合される光量を増加させることができる。本実施の形態によれば、広い範囲に出射された出射光を光ファイバに結合させることができるので、光ファイバに結合される光量を増加させることができる。よって本実施の形態によれば、結合効率を高めることが可能になる。

　また、本実施の形態では、レンズ２１２に入射した拡散光は、より緩やかに広がるように屈折させる。したがって本実施の形態によれば、レンズに入射した拡散光がより大きく広がるように屈折される場合に比較して結合効率を高めることができる。この点について、図１３および図１４を参照しながら説明する。

　図１３を参照して、本実施の形態による光学系では、θ１＞θ３（θ３は投光側光ファイバ１８０の開口角に等しい）となるよう開口角光線１１が出射される。すなわち発光点Ｐから出射された拡散光は、レンズ２１２によってより緩やかに広がるように屈折する。開口角光線１１よりも内側を進む光線１３はθ３よりも小さい角度でコア領域１８０ｂに到達するので、光線１３はコア部１８０の内部を進むことができる。これにより投光側光ファイバ１８０に結合される光量を増加させることができる。したがって本実施の形態によれば、結合効率を高めることが可能になる。

　図１４は、光源から出射された拡散光をより発散させる光学系を示す模式図である。図１４を参照して、この光学系では、発光点Ｐから角度θ１で出射された光線１４はレンズ３６０のレンズ面３６０ａにより屈折され、投光側光ファイバ１８０のコア領域１８０ｂに対して角度θ３で入射する。θ１，θ３についてはθ１＜θ３の関係が成立する。すなわち発光点Ｐから出射された拡散光は、レンズ３６０のレンズ面３６０ａにより発散する方向に屈折する。

　光線１４よりも内側を進む光線１５は、レンズ面３６０ａでの屈折によって、θ３よりも小さい角度でコア領域１８０ｂに到達する。したがって光線１５はコア部１８０の内部を進むことができる。一方、光線１４よりも外側を進む光線１６は、θ３よりも大きい角度でコア領域１８０ｂに到達するか、あるいは、投光側光ファイバ１８０の入射端面におけるコア領域の外側の部分に到達する。なおここでの「入射端面」とは、物理的に実在する入射端面１８０ａおよびそれを超える仮想的な面を含む。このため光線１６はコア部１８０の内部を進むことができない。

　したがって、この光学系では光線１４およびその内側を進む光線１５がコア部１８０の内部を進むことができる。しかしレンズ面３６０ａは入射した拡散光をより大きく広げるよう屈折させるので、投光側光ファイバ１８０に結合される光量は本実施の形態に比較して少なくなる。

　以上の理由により、本実施の形態による光学系では、図１４に示した光学系に比べて角度θ１が大きくなり、かつ結合効率が大きくなる。

　さらに図１５に示すように、本実施の形態によれば、ＬＥＤチップ１６２の周囲にリフレクタ１６４が設けられる。これによりＬＥＤチップ１６２の側面から発せられた光線１１ｂをリフレクタ１６４の反射面１６４ａで反射させてレンズ２１２に導くことが可能になる。光線１１ｂはレンズ２１２により屈折されて、光軸Ｘに対して平行な軸Ｘ４に対して角度θ５で投光側光ファイバ１８０の入射端面に到達する。角度θ５が投光側光ファイバ１８０の開口角以下であれば、光線１１ｂはコア部１８１の内部を進むことができる。したがって、ＬＥＤチップ１６２の周囲にリフレクタ１６４を設けることで結合効率をより高めることが可能になる。

　さらに本実施の形態によれば、レンズ２１２の周囲にリフレクタ２０２が設けられる。レンズ２１２から出射された光線１１ｃはリフレクタ２０２の反射面（貫通孔の内周面２０３ａ）で反射され、光軸Ｘに平行な軸Ｘ５に対して角度θ６で投光側光ファイバ１８０の入射端面に到達する。角度θ６が投光側光ファイバ１８０の開口角以下であれば、光線１１ｃはコア部１８１の内部を進むことができる。したがって、レンズ２１２の周囲にリフレクタ２０２を設けることで結合効率をより高めることが可能になる。

　図１６は、リフレクタ２０２による効果をより詳細に説明するための図である。図１６を参照して、本実施の形態ではレンズ２１２（すなわち屈折光学系）によって、入射した拡散光をより緩やかに拡散する。したがって既に説明したように、本実施の形態によれば結合効率を高めることができる。レンズ２１２から出射される光は拡散光であるので、レンズ２１２の径はコア領域１８０ｂの径よりも小さいことが好ましい。

　しかしＬＥＤチップ（発光面１６２ａ）とレンズ２１２とは有限の間隔を設ける必要がある。また発光面１６２ａは１点ではなく一定の面積を有する。したがって結合効率の観点からはレンズ径をなるべく大きくする必要がある。したがって、レンズ径とコア領域の径とはほぼ同じ大きさであることが好ましい。なお本実施の形態ではレンズ径とコア領域の径とはほぼ同じ大きさである。

　ここで、投光側光ファイバ１８０のコア領域１８０ｂにできるだけ多くの光が入射できるよう、たとえば位置Ａにコア領域１８０ｂがあれば好ましい。しかしながらレンズ２１２の厚みのため、レンズ２１２と投光側光ファイバ１８０の入射端面１８０ａとの間には空間３７０が生じる。本実施の形態では、リフレクタ２０２の貫通孔２０３が図１６の空間３７０に対応する。レンズ２１２のレンズ面（半球面２１２ａ）から出射された発散光は、この空間３０７を進む間に広がる。リフレクタ２０２を設けていない場合、レンズ面（半球面２１２ａ）から出射された発散光の一部（光線１７）はコア領域に入射できなくなる。

　本実施の形態では、レンズ２１２の周囲に円筒状のリフレクタ２０２を設けることでこの問題を解決できる。リフレクタ２０２は、レンズ２１２によって制御された角度を維持しつつ光を反射することができるので、レンズ２１２によって制御された光をコア部１８０に入射させることができる。さらに、リフレクタ２０２の反射面（貫通孔の内周面２０３ａ）に、光ファイバ側に近づくほど内周面２０３ａの直径が大きくなるように角度をつけることによって、光線のコア部１８０への入射角度を補正できる。したがって、コア部１８０への入射角度が開口角より小さくなるようレンズ２１２のみでは制御できない光（光線１８）も、リフレクタ２０２での反射によってコア部１８０に入射させることができる。したがって、結合効率をより高めることが可能となる。

　なお、リフレクタ１６４，２０２の各々の反射面の光軸Ｘに対する角度は、上記効果が奏せられるよう適切に設定される。

　図１７は、本実施の形態の投光装置による結合効率の測定結果の一例を説明する図である。なお、図１７は発光点Ｐの光軸Ｘ上の位置を、結合効率が最大となる位置に設定した場合の結合効率の測定結果を示す。図１７を参照して、ＬＥＤパッケージからの光が光ファイバに直接結合される場合の結合効率を基準値（すなわち１）とする。この場合、レンズ２１２は設けられておらず、したがって、リフレクタ２０２による光の反射も生じない。

　ＬＥＤパッケージ１６０からの光をレンズ２１２を介して投光側光ファイバに結合させた場合、結合効率は約１．６となった。さらに、レンズ２１２から出た光をリフレクタ２０２に反射させることによって結合効率は約２．９７となった。このことからも、本実施の形態の投光装置は、結合効率を向上させることが可能であることが示される。

　なお、上述した本実施の形態においては、投光器と受光器とが一体化された光ファイバ型光電センサを例示して説明を行なったが、投光器と受光器とが一体化されておらず、それぞれ異なるケーシングに収容された光ファイバ型光電センサとすることも当然に可能である。

　また、本実施の形態に係るセンサは、反射型の光ファイバ型光電センサにも適用可能であるし、透過型の光ファイバ型光電センサにも適用可能である。

　また、上述した本実施の形態においては、光ファイバが本体ケーシングに着脱可能に構成された光電センサに本発明を適用した場合を例示して説明を行なったが、光ファイバが本体ケーシングに固定されていても本発明は当然に適用可能である。

　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１１，１１ａ　開口角光線、１１ｂ，１１ｃ，１３～１８　光線、１２　外縁光線、１００　光ファイバ型光電センサ、１０１　本体部、１０２　ヘッド部、１０３　表示部、１０４　操作部、１０５　電気コード、１１０　本体ケーシング、１１１　開口部、１１２　開口部、１１４　開閉カバー、１１６　フレーム、１２０　ホルダ部材、１２１，１２２　内壁、１２３　ヒンジ部、１２５，１２６　空間、１３０　回動レバー、１３１　回動軸、１３４　スライダー、１４０　光ファイバ固定部材、１４１　上部側固定部、１４３　下部側固定部、１５０　実装基板、１６０　ＬＥＤパッケージ、１６１　基材、１６２　ＬＥＤチップ、１６２ａ　発光面、１６３　透光性樹脂、１６４，２０２，２０４　リフレクタ、１６４ａ　反射面、１７０　ＰＤパッケージ、１８０　投光側光ファイバ、１８０ａ　入射端面、１８０ｂ　コア領域、１８１，１９１　コア部、１８１Ａ　コア、１８２，１９２　クラッド部、１８３，１９３　外皮、１８４　外縁部、１８５　境界線、１９０　受光側光ファイバ、２０２ａ，２０２ｂ　主表面、２０３　貫通孔、２０３ａ　内周面、２１２，２１４，３００，３６０　レンズ、２１２ａ　半球面、２１２ｂ　平面、３１０　光ファイバ、３２０　コア部、３３０，３４０　媒体、３５０，３６０ａ　レンズ面、３７０　空間、Ｐ　発光点、Ｐ１　焦点位置、Ｐ２　位置、Ｘ　光軸、Ｘ１～Ｘ５　軸。

Claims (14)

1. 　発光面（１６２ａ）を有する発光素子（１６２）と、
   　前記発光面（１６２ａ）から出射された光が入射される入射端面（１８０ａ）を有する光ファイバ（１８０）と、
   　前記発光素子（１６２）の前記発光面（１６２ａ）と、前記光ファイバ（１８０）の前記入射端面（１８０ａ）との間に配置されるレンズ（２１２）とを備え、
   　前記発光素子（１６２）、前記光ファイバ（１８０）、および前記レンズ（２１２）は、１つの光軸（Ｘ）上に配置され、
   　前記光ファイバ（１８０）は、
   　屈折率が均一な単一のコアを含む領域または屈折率が均一な複数のコアを集合的に含む領域であるコア領域（１８０ｂ）を含み、
   　前記レンズ（２１２）は、前記発光面（１６２ａ）から出射された拡散光を、広がり方がより緩やかな拡散光に変換し、
   　前記発光面（１６２ａ）の前記光軸（Ｘ）上の点（Ｐ）から出射され、前記レンズ（２１２）を経て、前記光軸（Ｘ）に対する角度が前記光ファイバ（１８０）の開口角（θ３）に等しくなるように前記光ファイバ（１８０）の前記入射端面（１８０ａ）に到達する光線を開口角光線（１１）と定義し、
   　前記発光面（１６２ａ）の前記光軸（Ｘ）上の点（Ｐ）から出射され、前記レンズ（２１２）を経て、前記光ファイバ（１８０）の前記入射端面（１８０ａ）における前記コア領域（１８０ｂ）の外縁部（１８４）に到達する光線を外縁光線（１２）と定義したときに、
   　前記開口角光線（１１）が前記光ファイバ（１８０）の前記入射端面（１８０ａ）における前記コア領域（１８０ｂ）内に到達するという第１の条件、または、
   　前記外縁部（１８４）に到達したときの前記外縁光線（１２）が前記光軸（Ｘ）となす角度が前記開口角（θ３）よりも小さく、かつ前記発光面（１６２ａ）から出射したときの前記外縁光線（１２）が前記光軸（Ｘ）となす角度が、前記開口角（θ３）よりも大きいという第２の条件が満たされるように、
   　前記発光面（１６２ａ）、前記レンズ（２１２）および前記光ファイバ（１８０）の配置、ならびに前記レンズ（２１２）の屈折力が選ばれている、投光装置。
2. 　前記第１の条件が満たされる場合において、前記発光面（１６２ａ）から出射されたときの前記開口角光線（１１）が前記光軸（Ｘ）となす角度（θ１）は、前記開口角（θ３）の１．１倍から８５°までの範囲内である、請求の範囲第１項に記載の投光装置。
3. 　前記第１の条件が満たされる場合において、前記発光面（１６２ａ）から出射されたときの前記開口角光線（１１）が前記光軸（Ｘ）となす角度（θ１）は、前記開口角（θ３）の１．２倍から８５°までの範囲内である、請求の範囲第２項に記載の投光装置。
4. 　前記第２の条件が満たされる場合において、前記発光面（１６２ａ）から出射されたときの前記外縁光線（１２）が前記光軸（Ｘ）となす角度（θ１′）は、前記開口角（θ３）の１．１倍から８５°までの範囲内である、請求の範囲第１項に記載の投光装置。
5. 　前記第２の条件が満たされる場合において、前記発光面（１６２ａ）から出射されたときの前記外縁光線（１２）が前記光軸（Ｘ）となす角度（θ１′）は、前記開口角（θ３）の１．２倍から８５°までの範囲内である、請求の範囲第４項に記載の投光装置。
6. 　前記第２の条件が満たされる場合において、前記外縁部（１８４）に到達したときの前記外縁光線（１２）が前記光軸（Ｘ）となす角度（θ３′）は、前記開口角（θ３）の０．３倍から前記開口角（θ３）までの範囲内である、請求の範囲第１、第４、および第５項のいずれか１項に記載の投光装置。
7. 　前記第２の条件が満たされる場合において、前記外縁部（１８４）に到達したときの前記外縁光線（１２）が前記光軸（Ｘ）となす角度（θ３′）は、前記開口角（θ３）の０．５倍から前記開口角（θ３）までの範囲内である、請求の範囲第６項に記載の投光装置。
8. 　前記レンズ（２１２）は、前記屈折力を担う面として、前記光ファイバ（１８０）の前記入射端面（１８０ａ）に向けられた単一の凸面（２１２ａ）を含む、請求の範囲第１項から第７項のいずれか１項に記載の投光装置。
9. 　前記投光装置は、
   　前記発光面（１６２ａ）と前記光ファイバ（１８０）の前記入射端面（１８０ａ）との間に前記レンズ（２１２）を囲むように配置され、かつ、前記レンズ（２１２）から出射された光を反射させる反射面（２０３ａ）を含む第１の反射部材（２０２）をさらに備える、請求の範囲第１項から第８項のいずれか１項に記載の投光装置。
10. 　前記投光装置は、
    　前記発光素子（１６２）の周囲に設けられて、前記発光素子（１６２）から出射された光を反射させる反射面（１６４ａ）を含む第２の反射部材（１６４）をさらに備える、請求の範囲第１項から第９項のいずれか１項に記載の投光装置。
11. 　前記発光素子（１６２）は、発光ダイオードチップである、請求の範囲第１項から第１０項のいずれか１項に記載の投光装置。
12. 　前記入射端面（１８０ａ）における前記コア領域（１８０ｂ）の形状は、円形である、請求の範囲第１項から第１１項のいずれか１項に記載の投光装置。
13. 　前記投光装置は、
    　前記光ファイバ（１８０）の前記入射端面（１８０ａ）の周縁に突き当たる突き当たり面（２０２ａ）を含み、前記入射端面（１８０ａ）の周縁が突き当たることにより、前記入射端面（１８０ａ）の前記光軸（Ｘ）上の位置を保持する保持部材（２０２）をさらに備える、請求の範囲第１項から第１２項のいずれか１項に記載の投光装置。
14. 　請求の範囲第１項から第１３項のいずれか１項に記載の投光装置を備える、センサ。

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