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ライトガイドとは

ライトガイド(lightguide)は、光源装置から光を伝搬する目的で用いられています。
光源装置に接続し、入射した光を効率的に伝搬する形で使用されています。

UV-LED照射器 ALE/1

ライトガイドの種類

ライトガイドは、次の2種類に分けられます。

  • 従来型のライトガイド(バンドルファイバ)
  • 液体ライトガイド

これは材質や構造の違いによるものです。
断面図をご覧いただくことで、双方の違いを明確に認識できます。

従来型のライトガイド

光ファイバをバンドル状に束ねた構造のライトガイドです。
石英やプラスチック等の細い光ファイバが複数本格納されています。
従来のライトガイドとして、一般的に用いられてきましたが、

  • 入射時の光の損失
  • 石英を用いることによるコスト高

という2点において、不利な点があります。

入射時の光の損失

ライトガイドは、光源装置から照射される光を伝搬するものです。そのため、光を損なうことなくヘッドまで伝搬する必要があるのですが、光がファイバ内を進む過程で、損失が起こります。しかし、こうした損失は、わずかなもので、ライトガイドの長さが短い場合はほとんど問題になりません。

もっとも損失が起こるのは、光源装置からライトガイドへ光が入る「入射時」です。

入射時の光の損失

従来型のライトガイド(バンドルファイバ)はその構造上、ファイバとファイバの間に「隙間」が生じます。
ライトガイドへ光が入る際、この「隙間」には光が通らないため、ここで損失が生じます。
ここでの光の損失が大きいため、ヘッドまで伝搬される光が減少し、結果的にハイパワーでの出力が難しいという事態が生じます。
そのため、高い照射強度を求める用途では「入射時の損失」が、ボトルネックになっています。

石英を用いることによるコスト高

例えば、ハイパワーでの出力が要求されるようなケースで考えてみましょう。
単純に、ライトガイドに入る光が多い場合、出力される光も多いものですが、そのためにはライトガイドそのものが太い方が有利です。光を運ぶ道が広い=多くの光を運ぶことができます。
しかし、石英を用いる場合、細い石英のファイバが複数必要になり、太くすればするほど、価格が高くなります。

コスト高

こうしたコスト高は、プラスチック製のライトガイドを用いることで解消されますが、それでもバンドル状である以上、入射時の光の損失は免れません。
用いたい光の波長域によっては、石英ライトガイドでなければ適合しないケースもあります。

こうした点を克服するライトガイドが、次に紹介する「液体ライトガイド」です。

液体ライトガイド

液体ライトガイド(Liquid Lightguide)は、内部のコア部分が液体で満たされています。

断面図をご覧ください。

従来型のライトガイドは石英製のファイバが伝搬のためのコアとなっていました。
この場合、光は複数の細いファイバの中を進んでいきます。

コスト高の解説図

これに対し、液体ライトガイドは、太いコアの中に光を取り込むことができます。

液体ライトガイド

コアは液体で満たされているため、「入射時の光の取りこぼし」が、従来型に比べて少なくて済みます。
光ファイバ素線を複数束ねたバンドルファイバと比較し、圧倒的に伝搬率が高いため、高出力での照射を求めるケースではこちらが適合します。

ライトガイドの形状

「一つの光源装置から、光を分岐させて使用したい」というケースがあります。
高価な光源装置の台数を減らし、コストを抑制する目的や、設置スペースの関係等もあります。

そうした場合、分岐したライトガイドを用いることで、対応します。

一つの光源装置に対し、枝分かれしたライトガイドが用いられます。
こちらが2分岐のライトガイドです。

2分岐のライトガイド

従来型のライトガイドも、液体ライトガイドも共に分岐が可能です。

高価な光源装置の個数を抑えながら用いることができるというメリットがあるため、2分岐、3分岐、4分岐といった多分岐でも用いられています。

2分岐 3分岐 4分岐
2分岐 3分岐 4分岐

分岐させることで、用途に合わせて、ヘッドを交換するという柔軟な対応が可能です。
しかし、当然ながら、1つのヘッドから出力される光は分岐させた数の分だけ減少します。
単純なイメージでは、2分岐させた場合、一つのヘッドから照射される光は入射された光量の1/2以下になります。(分岐後の光の出力については各ライトガイドの仕様によって異なります。)

分岐した場合、一つあたりの出力光が減少するというのは、従来型のライトガイドも、液体ライトガイドも同じです。

UV硬化ページ

光源ごとに適したライトガイド選び

紫外(UV)、可視(Visible)、赤外(Infrared)等、光源の発する波長域によって、適合するライトガイドは異なります。
それはライトガイドごとに「どの波長に対して、高い透過性を発揮するか」が違うためです。

これについては、当社取り扱いの「液体ライトガイド」を例に挙げて、解説いたします。
こちらのグラフと表をご覧ください。

波長と伝送率の図
製品シリーズ名 透過波長域[nm] 光源例 用途例
250 220~650 深紫外光源
水銀ランプ
エキシマランプ
ウエハ製造
UV硬化
300 280~650 ハロゲンランプ
水銀ランプ
キセノンランプ
UVエポキシ硬化
蛍光検査
UV硬化
380 340~800 LED
ハロゲンランプ
キセノンランプ
メタルハライドランプ
白色照明
プロジェクター
2000 420~2000 キセノンランプ
Nd-YAGレーザー
可視、近赤外照明

ライトガイドの透過波長域と伝送率を見る方法

グラフと表は呼応しています。
「シリーズ250」を例に解説いたします。

製品シリーズ名 透過波長域[nm] 光源例 用途例
250 220~650 深紫外光源
水銀ランプ
エキシマランプ
ウエハ製造
UV硬化

水色のセルに「250」との記載がありますが、これは「シリーズ250」という製品モデルと理解してください。 その右隣のセルに「220〜650」と記載されています。こちらが「透過波長域」です。

つまり、

  • 製品モデル「シリーズ250」は「220〜650」nmの波長域を持つ光源に適合したライトガイド

と言えます。

具体的な「透過率」を知りたい場合は、グラフをご覧ください。

伝送率のグラフ
  • グラフの横軸:波長
  • グラフの縦軸:透過率(縦軸の値が大きいほど「透過率が高い」)

このように、グラフを見ることで、具体的に「どの波長の光を透過するのか」を数値で把握することができます。

光源例と用途例

光源や用途から見る方法をご紹介いたします。
例えば「UV照射器に適合するライトガイドを選びたい」というケース。

表の「光源例」をご覧ください。
「UV照射器」と記載されている製品モデルは「シリーズ250」と「シリーズ300」です。

さらに、このシリーズの「透過波長域」を確認後、グラフで具体的な「波長に対する伝送率」を見ることで、お使いのUV照射器の波長に適合するライトガイドを選定することができます。

同様の方法で、用途例からも選ぶことができます。

液体ライトガイドの特徴

液体ライトガイドが適合するのは、次のような場合です。

  • 高出力が求められるケース
  • 太いライトガイドを使いたいケース

上述の通り、液体ライトガイドは、従来型のバンドルファイバに比べ、入射面積が大きいというメリットがあります。
そのため、入射時に光を損なわない=ハイパワーでの出力が可能です。

液体ライトガイドのメリット

また、太いライトガイドをお求めの場合、石英製のものですと、ライトガイドの径が増すごとに、ライトガイドそれ自体のコストが増加するということが想定できます。
液体ライトガイドの場合、もともと入射面積が広いため、同じ出力でも石英製ファイバを用いた製品と比べて、コストがかからないというメリットがあります。

液体ライトガイドの製品紹介

LUMATEC(ルマテック)社は、1976年の創業以来、ライトガイドの製造に強みのあるメーカーです。

LUMATEC社の革新的な液体ライトガイドは、従来の石英製の光ファイバよりも、はるかに多くの光を透過させます。LUMATEC社の液体ライトガイドは、工業生産工程における光硬化接合など、様々な分野・用途で活用されています。

LUMATEC
液体ライトガイド

液体ライトガイド(超低損失・断線無し)

  • 石英ファイバからの置き換えが可能
  • 蛍光観察の光伝送等の分野でも高い支持を獲得

紫外~可視~近赤外の透過波長に対応の液体ライトガイドは、屈曲した際の断線を気にせずに使用できます。
また、大きな開口角を持っているため、均一性、高出力の光伝送の用途に適します。

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