ライトガイドとは

ライトガイド（Light Guide）とは、光ファイバーを束ねた構造を持ち、さまざまな波長の光を特定の場所に導くことのできる光学部品のことです。ライトガイドを活用することによって「光の導波による効率的な伝送」と「デザインの柔軟性」の両方を実現します。

※1 「光ファイバー」とは、通常のガラスよりも透明度が高い光学ガラスや石英ガラス、高性能プラスチックなどでできた細い繊維のこと。光を通すコアと光を閉じ込めるクラッドで覆った２層構造を持つ。

光の導波による効率的な伝送

ライトガイドは、束ねた光ファイバー内部での反射を利用して、光を効率的に任意の方向へ導くことができます。ライトガイドに入った光は、光ファイバー内部で何度も反射しながら進みますが、光の全反射による伝送であるため、光エネルギーの損失が少ないです。長距離にわたっても、光を伝送することができる光学部品です。

デザインの柔軟性

本来、光は直線的に進むことしかできませんが、ライトガイドを通せば自由な方向に導けます。製品の形状が複雑、もしくは特殊な仕様であったとしても、光の導入が容易です。ライトガイドを活用することによって、製品デザインに柔軟性を持たせることができ、様々な設計ニーズに対応します。
光の効率的な伝送とデザインの柔軟性はライトガイドの大きな特徴であり、幅広いアプリケーションで使用されています。

ライトガイドの役割・用途

ライトガイドは、光の伝導・制御に用いられる高度な光学デバイスです。光の散乱や損失を最小限に抑えながら、光を特定の方向に導くために使用されています。ライトガイドは通常、ガラス、プラスチック、アクリルなどの透明な材料で作られ、熱融着で光量と耐熱性の向上を図った製品や、特殊コーティング材でカバーされた耐屈曲仕様製品もあります。

投光－照明としての活用

ライトガイドは、均一かつ効果的な照明の提供に重要な役割を果たします。内視鏡や光学検査装置、顕微鏡などの精密機器において、集中的かつ均等に照明を当てたい箇所へピンポイントに投光可能です。ライトガイドを活用することにより、医療および科学研究分野での観察精度を高められます。また、従来の照明器具と違って光源と照明箇所を離すことができるため、熱の影響を考慮しなくてよいこともライトガイドの利点といえるでしょう。

受光－光センシングのための使用

ライトガイドは分析・計測装置での光学センシングにおいても重要な役割を担います。ライトガイドを通じて光信号を集めてセンサーに送ることで、対象物に触れずに光学測定をおこなえます。高温状態や真空状態といった人が作業できない環境下において特に有効な技術です。特に正確性が求められる科学研究や工業用途においては、ライトガイドの高い有用性に注目が集まっています。

通信ファイバーとの違い

ライトガイドと通信用ファイバーは、どちらも光ファイバーを用いることから混同されやすいものです。しかし、それぞれ目的や伝送方法などに違いがあるため、用途によって使い分ける必要があります。ここでは、ライトガイドと通信ファイバーの違いについて「用途と設計目的の違い」「光の伝送方法の違い」「伝送速度と開口角の特徴」という3つの観点で説明します。

用途と設計目的の違い

ライトガイドは光を特定の場所に導いたり、均一な照明を提供したりするために設計されています。一方、通信用ファイバーはデータ通信や通信ネットワークのための高速情報伝送に特化した光学デバイスです。両者は用途と設計目的が違うため、後述するように伝送方法や伝送速度などが異なります。

光の伝送方法の違い

ライトガイドでは光の分散や拡散を制御して、特定の場所に均一な照明を提供するのが目的です。これに対して、通信用ファイバーは、光信号を効率よく伝送する事が目的で、光信号が変化しない様な構造的工夫が施されています。また、ライトガイドが主に可視光線を伝送するのに対して、通信用ファイバーは主に赤外線を伝送するという点も異なります。通信用ファイバーは照明目的でないため可視光線を用いる必要がなく、赤外線の伝送損失が最も少ないためです。

情報伝送速度と開口角の特徴

ライトガイドと比較すると、通信用ファイバーでは伝送速度が重視されます。伝送効率の高い材質が採用されるほか、情報の高速伝送のために屈折率の最適化も必要です。一般的に通信用ファイバーには照射角（開口角）は小さいものが使われますが、ライトガイドでは多様な照射角（開口角）が提供されています。照射角の範囲には、15°、35°、70°、80°、100°、120°などがあり、照明の需要に応じて柔軟な光の分配と制御ができるように設計されています。また、センサー用などの光を取り込む角度も同様で、狭い領域の光を取り込みたい場合は開口角の狭いライトガイド、広い領域の光の場合は開口角の広いライトガイドを用いると効果的です。

このように、ライトガイドと通信用ファイバーの各特性の違いを理解することが重要です。設計開発者は製品の用途と機能を考慮して、適切な光学デバイスを選定する必要があります。

ライトガイドだからできること

ライトガイド特有の機能としては

• 光の形状変化
• 光の分岐と集束
• ランダムによる光の均一化
• ブレンドによるバランスのとれた照明

が挙げられます。以下、それぞれの機能を解説します。

光の形状変化

ライトガイドの入射端と出射端のファイバー配列を調整して、光の形状を自由に変更できます。この技術により、照明の方向性や分布を制御し、特定の照明効果を生み出すことが可能です。装飾品や看板照明、景観照明など、ユーザーの目を引くような光の演出にも適しています。また、投受光一体型のライトガイドや特定のエリアのセンシングなどにも活用できます。

光の分岐と集束

ライトガイドは1つの光源からの光を複数に分岐させたり、複数の光を1つに集約させたりすることができます。この機能により、用途に応じた照明の効率化や光の配分が可能です。内視鏡などの医療機器、顕微鏡や望遠鏡などの光学機器、自動車のヘッドライトや内装照明、ディスプレイ、さらには光装飾品などに応用されています。

ランダムによる光の均一化

ファイバーを複雑に編み込むことで、入射光の不均一な分布を出射側で均一にすることができます。これにより、光の一部が強調されることなく、全体として均等な照明が得られます。この技術は美術館や展示会場など、均一な照明が求められる場所で有効です。

ブレンドによるバランスのとれた照明

開口角の異なる複数のファイバーを組み合わせることで、近接照明と遠隔照明の両方においてバランスの良い照明を実現できます。照明効果に柔軟性を持たせられるため、さまざまなシチュエーションに対応可能です。ブレンドなしの場合、光の強弱によってハレーションや光量不足が発生することがあります。

このように、ライトガイドと通信用ファイバーの各特性の違いを理解することが重要です。設計開発者は製品の用途と機能を考慮して、適切な光学デバイスを選定する必要があります。

ライトガイドに利用される材質

ライトガイドの性能は使用される材質に大きく依存します。ここでは、ライトガイドの主要素材として3種類の材質を解説します。

多成分ガラス

多成分ガラスは高い光透過率と優れた耐久性を持ち、光学アプリケーションにおいて広く使用される材料です。石英ガラスより透過損失が大きいものの、組成設計によって光物性の制御もできるという柔軟性があります。高品質が求められるライトガイドや光学装置に採用され、特に照明やセンサー用途での活用が多く見られます。

プラスチック

プラスチック（PMMAなど）は、低コストで加工しやすいという利点があります。照明や表示装置などのアプリケーションのほか、センサー用ライトガイドとしても採用されています。また、プラスチック製のライトガイドは柔軟性にも優れるため、複雑な製品形状に活用したい場合に最適です。

石英ガラス

石英ガラスは耐熱性に優れ、高温環境での使用に適しています。さらに、高い透明性と化学的安定性も有しているため、マイクロ流体デバイスや生体センシングなど特定のアプリケーションに使用されます。透過損失が小さいことから、通信用ファイバーへの適用が多い素材です。

素材の選定はライトガイドの機能と応用範囲を決める重要な要素です。使用目的や環境条件に合わせて、最適な材質を選びましょう。

ライトガイドの選定ガイド

ライトガイドの選定において、事前に考慮すべき要素は以下の4つです。

• 使用環境
• 使用光源装置
• 使用用途
• 長さ

ここでは、ライトガイド選定で重要な4つの要素について解説します。

使用環境

使用環境としては、温度と湿度が重要です。これらの条件は、選択する材質や外装の耐久性に影響を与えます。高温環境が想定されるなら、熱に弱いプラスチックは避けたほうがよいでしょう。さらに過酷な環境であれば、コーティング等の対策が必要になるかもしれません。

使用光源装置

ライトガイドを選定する前に、使用する光源装置の波長を確認しておく必要があります。波長によって最適な材質が異なるためです。波長と材質の対応はこちらを参考にしてください。

使用用途

使用用途によっては、サイズや曲げの有無を考慮しなければならないケースがあります。事前に入念なシミュレーションをおこない、ライトガイドの形状や柔軟性について検証することが大切です。

長さ

ライトガイドの長さは透過率に影響を与えます。特に石英ガラスは透過率が高いため、長距離にわたる使用に適しています。

上記4つの要素が確認できれば、以下の仕様を大まかに決定できます。

材質：

環境、用途、波長に応じて選定

開口角：

用途に応じて選定

口金の形状：

用途に応じて選定

外装：

用途、使用環境に応じて選定

柔軟性：

用途に応じて選定

構造：

分岐やランダム、ブレンドなど用途に合わせて選定

「使用環境」「使用光源装置」「使用用途」「長さ」から仕様を決定して、最適なライトガイドを選定しましょう。