JP4621821B2 - 集光ファイバ、光検出システム、光結合構造、及び放射線検出ユニット - Google Patents

Description

本発明は、集光ファイバ並びにそれを用いた光検出システム、光結合構造及び放射線検出ユニットに関し、特に、光ファイバを用いた光検出に関している。

光ファイバの一つの有力な用途は、光検出システムである。ある物理現象が光を発生するようなものである場合、発生した光を光ファイバによって光検出器（例えば、光電子増倍管）に導入し、その光検出器によって光を検出することにより当該物理現象を検出することができる。光ファイバは、光が実際に発生する場所と光検出器との位置関係の自由度を向上させ、光検出システムの実装を容易にする。例えば、光ファイバを使用すれば、光が実際に発生する場所と光検出器とが空間的に離れていることを許容する光検出システムが実現可能になる。

光ファイバを用いた光検出における一つの要求は、光ファイバへの光の導入効率の向上である。光ファイバへの光の導入は、一般に、光ファイバの先端面に光を入射することによって行われる。そして、光の導入効率の向上は、先端面が設けられた先端部の構造の最適化によって行われる。例えば、特開昭６３−９８６１０号公報は、光ファイバの先端部の外径を増大させることによって光信号の授受の効率を向上させる技術を開示している。また、特開昭６３−３０３３０９号公報は、光ファイバの先端部を逆円錐形に形成すると共に端面にレンズを形成することにより、光ファイバへの光の導入効率を向上させる技術を開示している。

しかしながら、発明者の検討によれば、先端面から光ファイバに光を導入するというアプローチには、光の導入効率の向上に限界がある。先端面から光ファイバに光を導入するというアプローチは、先端面から光を可能な空間的範囲が限定されるため、特に、光源の物理的なサイズが大きい場合に好適ではない。
特開昭６３−９８６１０号公報 特開昭６３−３０３３０９号公報

したがって、本発明の目的は、光ファイバへの光の導入効率を向上させること、特に、光源の物理的なサイズが大きい場合における光ファイバへの光の導入効率を向上させることにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、以下に述べられる手段を採用する。その手段の記述には、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号が付記されている。但し、付記された番号・符号は、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲を限定的に解釈するために用いてはならない。

本発明の一の観点では、集光ファイバ（１０）は、複数の光導波部（１）と、前記光導波部（１）の隣接する２つの間に挿入された採光部（２）とを備えている。複数の光導波部（１）のそれぞれは、コア（１１）とそれを包囲するクラッド（１２）とを備え、光ファイバを構成している。前記採光部（２）は、前記光導波部（１）から半径方向に突出するように形成されており、外光を光導波部（１）に導入するように構成されている。このように構成された集光ファイバ（１０）は、光ファイバの中間部分から光を導入することができ、光の導入効率を有効に向上させることができる。例えば、光源の物理的なサイズが大きい場合には、当該光源の空間的配置に合わせた位置に所望数の採光部（２）を設けることにより、光源の広い範囲から光を受光し、光の導入効率が高い集光ファイバ（１０）を構成することができる。

集光ファイバ（１０）は、その先端部から光を導入することが可能に形成されてもよい。例えば、集光ファイバ（１０）の先端にも半径方向外側に突出する先端採光部（３）が設けられてもよい。また、集光ファイバ（１０）は、先端部から光を導入する代わりに、先端において光が反射するように構成されてもよい。また、集光ファイバ（１０）は、その両端から光を取り出し可能に構成されてもよい。

集光ファイバ（１０）が、その先端において光が反射するように構成される場合、外光が前記集光ファイバ（１０）に入射した位置を検出する光検出システムが構築可能である。詳細には、光検出システムが、その先端において光が反射するように構成された集光ファイバ（１０）と、前記集光ファイバ（１０）の基端に接続された光検出器（２２）と、前記光検出器（２２）の出力信号を受け取る信号処理装置（２３）とを備えて構成される。前記信号処理装置（２３）は、前記出力信号から、前記集光ファイバ（１０）によって取り込まれた前記外光のうち前記集光ファイバ（１０）の先端で反射されなかった第１光成分が前記光検出器（２２）に入射した第１時刻と、取り込まれた前記外光のうち前記集光ファイバ（１０）の先端によって反射された第２光成分が前記光検出器（２２）に入射した第２時刻とを算出し、その第１時刻と第２時刻から、前記外光が前記集光ファイバ（１０）に入射した位置を検出する。

集光ファイバ（１０）が、その両端から光を取り出し可能に構成される場合も、外光が前記集光ファイバ（１０）に入射した位置を検出する光検出システムが構築可能である。一実施形態では、光検出システムが、その両端から光を取り出し可能に構成された集光ファイバ（１０）と、前記集光ファイバ（１０）の一端に接続された光検出器（２２）と、前記集光ファイバ（１０）の他端に接続された光反射手段（２８）と、前記光検出器（２２）の出力信号を受け取る信号処理装置（２３）とを備えて構成される。前記信号処理装置（２３）は、前記出力信号から、前記集光ファイバ（１０）によって取り込まれた前記外光のうち前記光反射手段（２８）で反射されなかった第１光成分が前記光検出器（２２）に入射した第１時刻と、取り込まれた前記外光のうち前記光反射手段（２８）によって反射された第２光成分が前記光検出器（２２）に入射した第２時刻とを算出し、その第１時刻と第２時刻から、前記外光が前記集光ファイバ（１０）に入射した位置を検出する。

他の実施形態では、光検出システムが、その両端から光を取り出し可能に構成された集光ファイバ（１０）と、前記集光ファイバ（１０）の第１端に接続された第１光検出器と、前記集光ファイバ（１０）の第２端に接続された第２光検出器と、前記第１及び第２光検出器の出力信号を受け取る信号処理装置（２３）とを備えて構成される。前記信号処理装置（２３）は、前記出力信号から、前記集光ファイバ（１０）の前記第１端から前記第１光検出器に向かう第１光成分が前記第１光検出器に入射した第１時刻と、前記集光ファイバ（１０）の前記第２端から前記第２光検出器に向かう第２光成分が前記第２光検出器に入射した第２時刻とから、前記外光が前記集光ファイバ（１０）に入射した位置を検出する。

上記の集光ファイバ（１０）は、ライトガイド（３２、３６）を用いて光源（３１）との光結合を実現する光結合構造に適用可能である。前記光源（３１）が前記集光ファイバ（１０）の中心軸（１０ａ）の延長線上に位置している場合、一実施形態では、前記ライトガイド（３２）は、前記光源（３１）に接合され、前記光源（３１）から離れるほど、その外径が小さくなるように構成された部分（３２ａ）を有するように構成される。

前記光源（３１）の光出射面（３１ａ）が前記集光ファイバ（１０）の中心軸（１０ａ）に平行である場合、一実施形態では、前記ライトガイドが、前記光出射面（３１ａ）に接合され、且つ、前記集光ファイバ（１０）の前記中心軸（１０ａ）に垂直な断面における表面形状が、軸が前記光出射面（３１ａ）に垂直な放物線を描くような形状を有している本体部分（３６ａ）を有するように構成され、前記集光ファイバ（１０）は、その中心軸（１０ａ）が、前記放物線の焦点に位置するように配置される。他の実施形態では、前記ライトガイドは、前記光出射面（３１ａ）に接合されている本体部分（３６ａ）と、前記光出射面（３１ａ）に接合され、前記本体部分（３６ａ）の先端に設けられた先端部分（３６ｂ）とを有するように構成される。前記本体部分（３６ａ）は、前記集光ファイバ（１０）の前記中心軸（１０ａ）に垂直な断面における表面形状が、軸が前記光出射面（３１ａ）に垂直な第１放物線を描くような形状を有しており、前記集光ファイバ（１０）の前記中心軸（１０ａ）は、前記第１放物線の焦点に位置している。前記先端部分（３６ｂ）は、前記中心軸（１０ａ）を含み、前記光出射面（３１ａ）に垂直な断面における表面形状が、軸が前記光出射面（３１ａ）に垂直な第２放物線を描くような形状を有しており、前記集光ファイバ（１０）の先端採光部（３）が、前記第２放物線の焦点の位置に位置している。

このような構成の集光ファイバ（１０）の好適な応用の一つは、放射線を検出する放射線検出ユニットである。上記の集光ファイバ（１０）と、前記集光ファイバ（１０）に近接して設けられたシンチレータ（４１、４４、４６）とで、放射線検出ユニットを構成することができる。一実施形態では、前記集光ファイバ（１０）のうち、少なくとも前記採光部（２）を含む部分が前記シンチレータ（４１）に設けられた孔に挿入される。この場合、前記孔の内面と前記集光ファイバ（１０）の間に、前記シンチレータと前記コア（１１）の中間の屈折率を有する光学ジェル（４２）が充填されることが好ましい。

また、前記シンチレータがプラスチックシンチレータ（４４）である場合、前記集光ファイバ（１０）は、前記集光ファイバ（１０）の表面のうち前記プラスチックシンチレータ（４４）の内部にある部分の全体が前記プラスチックシンチレータ（４４）に密着するように前記プラスチックシンチレータ（４４）に埋め込まれることが好ましい。

前記シンチレータは、液体シンチレータ（４６）であってもよい。この場合、放射線検出ユニットに前記液体シンチレータ（４６）と、集光ファイバ（１０）のうちの少なくとも前記採光部（２）を含む部分を収容する封入容器（４５）が備えられる。

上記の集光ファイバ（１０）を用いて、放射線が入射したという事実に加え、入射された放射線の種類を検出する放射線検出ユニットを構成することも可能である。この場合、集光ファイバに近接して複数のシンチレータ（５１〜５３）が配置される。前記複数のシンチレータ（５１〜５３）は、互いに異なる種類の放射線に感度を有しており、且つ、異なる波長の光を発するように構成されている。

上記の集光ファイバ（１０）を用いて放射線による画像を撮像する放射線検出ユニットを構成することも可能である。一実施形態では、放射線検出ユニットは、上記の複数の集光ファイバ（１０）と、スリット（６８）によって分離された複数のシンチレータブロック（６２）と前記複数のシンチレータブロック（６２）を連結する基部（６３）とを備えるシンチレータ構造体（６１）とを備えている。前記複数の集光ファイバ（１０）は、前記複数のシンチレータブロック（６２）のそれぞれに設けられた孔に、それぞれに挿入される。この場合、前記孔の内面と前記集光ファイバ（１０）の間に、前記シンチレータブロックと前記コア（１１）の中間の屈折率を有する光学ジェル（６５）が充填されていることが好ましい。

本発明によれば、光ファイバへの光の導入効率を向上させることができる。

１．集光ファイバの構成
図１は、本発明の一実施形態における集光ファイバ１０の構造を示す断面図である。集光ファイバ１０は、複数の光導波部１を備えている。光導波部１は、コア１１と、コア１１を包囲するクラッド１２とで構成されており、光ファイバとして機能するように、即ち、全反射によって光を導波するように構成されている。一実施形態では、コア１１が石英で形成され、クラッド１２がフッ素樹脂で形成される。光導波部１は、その断面が円形であり、外径が長さ方向に一定である。各光導波部１は、その中心軸が集光ファイバ１０の中心軸１０ａに一致するように位置されている。

隣接する２つの光導波部１の間に採光部２が挿入されている。採光部２は、光導波部１から半径方向に突出するように形成されており、その側面から外光４を光導波部１に導入可能であるように構成されている。本実施形態では、採光部２は、集光ファイバ１０の中心軸１０ａに垂直な断面における断面形状が円形であるように形成されており、採光部２の外径は、光導波部１の外径よりも大きい。

図２は、一実施形態における採光部２の構造を示す断面図である。採光部２も、光導波部１と同様に、コア１１とクラッド１２とを備えて構成されている。採光部２は、樽状に形成されており、そのコア１１の外径ｒ_Ｃは、光導波部１におけるコア１１の外径よりも大きい。採光部２は、そのコア１１の外径ｒ_Ｃが断面１３に向かって徐々に増加するように（即ち、狭義に単調に増加するように）構成されており、集光ファイバ１０の中心軸１０ａに垂直なある断面１３において最大である。これにより、採光部２の外径ｒ_Ｅも、断面１３に向かって徐々に増加する。断面１３においては、コア１１の外径ｒ_Ｃの変化率（及び採光部２の外径ｒ_Ｅの変化率）は０である。また、採光部２は、集光ファイバ１０の中心軸１０ａを含む断面における採光部２のコア１１の表面１１ａの形状（及び採光部２のクラッド１２の表面１２ａにおける形状）が滑らかな曲線となるように形成されている。このような採光部２の構造は、光を効率よく光導波部１に導入することに寄与する。

図１の集光ファイバ１０では、その端に位置する光導波部１の先端にも採光部３が設けられている。採光部３も、採光部２と同様に、光導波部１から半径方向に突出するように形成されており、外光を光導波部１に導入するように構成されている。採光部３は、集光ファイバ１０全体の先端面１０ｂのみならず、その側面からも外光を光導波部１に導入することを可能にする。

図１の集光ファイバ１０は、集光ファイバ１０の先端面１０ｂのみならず、採光部２、３の側面から光導波部１に外光４を導入し、これにより外光４の導入効率を向上させることができる。このような構造の集光ファイバ１０は、特に、外光４を発生する光源の大きさが大きい場合に好適である。採光部２、３の位置や数を光源の大きさに合わせて設計することにより、図１の集光ファイバ１０は、大きなサイズの光源から効率よく外光を光導波部１に導入することができる。

出願人は、集光ファイバ１０を実際に試作し、その外光の取り込み性能を測定した。図３は、その測定結果を示す表である。実施例１、２は、試作された集光ファイバ１０であり、比較例１としては、採光部２が設けられていない通常のプラスチックファイバが使用された。実施例１では、集光ファイバ１０の中間に５つの採光部２が設けられると共に、先端にも採光部３が設けられた。一方、実施例２では、集光ファイバ１０の中間に２つの採光部２が設けられた。採光部２の側面からの光導入が可能であることを実証するために、実施例１、２の集光ファイバ１０の先端面１０ｂが遮光された。比較例１のプラスチックファイバについても同様に先端面が遮光された。実施例１、２の集光ファイバ１０及び比較例１のプラスチックファイバの全長は６７．５ｍｍであった。光源は、２０ＷのＵ字型蛍光等であり、集光ファイバ１０又はプラスチックファイバからの距離は約２０ｃｍであった。集光ファイバ１０又はプラスチックファイバの基端に光強度測定器が接続され、集光ファイバ１０又はプラスチックファイバから受け取った光の強度が測定された。

図３に示されているように、採光部２が設けられていない比較例１では、２８６ｎＷの光強度の外光しか取り込めなかったのに対し、実施例１、２では、それぞれ、５、６９μＷ、３．２０μＷの外光を取り込むことができた。これは、集光ファイバ１０に設けられた採光部２が実際に光を取り込む機能を有していることを示している。

図４Ａ〜図４Ｄに示されているように、集光ファイバ１０の先端に採光部３が設けられない構造も可能である。この場合、例えば、図４Ａ及びその拡大図である図４Ｂに示されているように、集光ファイバ１０の先端にある光導波部１が、その端面において光を反射するように構成されてもよい。例えば、図４Ｂに示されているように、集光ファイバ１０の先端にある光導波部１の端面１０ｂに高反射膜５が形成されてもよい。高反射膜５としては、例えば、金属膜が使用される。このような構成では、集光ファイバ１０の先端の方向に向かう光が集光ファイバ１０の基部に向かう方向に反射される。

また、図４Ｃ及びその拡大図である図４Ｄに示されているように、集光ファイバ１０の先端面１０ｂから光を取り込むように構成されてもよい。この場合、例えば、図４Ｄに示されているように、先端面１０ｂが低屈折率膜６によって被覆されてもよい。低屈折率膜６は、空気よりも屈折率が高く、且つ、コア１１よりも屈折率が低い材料、例えば、アモルファス・テフロン（登録商標）で形成される。低屈折率膜６は、その中心部の膜厚が周辺部の膜厚よりも厚くなるように形成され、これにより、光の取り込み効率の向上が図られている。

更に、図５に示されているように、集光ファイバ１０が、その両端から光を取り出すように構成されてもよい。この場合、集光ファイバ１０の一端に第１の光検出器を接続し、他端に第２の光検出器を接続すれば、集光ファイバ１０の両端のそれぞれから出力される光を検出することができる。

図６〜図９は、集光ファイバ１０を用いた光検出システムの構成の例を示す図である。図６の光検出システムでは、図１の構成の集光ファイバ１０の基端に光ファイバ２１が接続され、その光ファイバ２１が光電子増倍管２２に接続される。光電子増倍管２２の出力は信号処理装置２３に接続される。集光ファイバ１０に外光２４が入射されると、集光ファイバ１０によって取り込まれた光が、光ファイバ２１を介して光電子増倍管２２に送られる。光電子増倍管２２は、光ファイバ２１から入射された光を検出する。信号処理装置２３は、光電子増倍管２２の出力信号から集光ファイバ１０への光の入射を検知する。なお、集光ファイバ１０（又は、その端に位置する光導波部１）が充分な長さを有している場合には、集光ファイバ１０が直接に光電子増倍管２２に接続されることも可能である。

図７を参照して、図４Ａ、図４Ｂに図示されているような、先端で光を反射するように構成された集光ファイバ１０を使用する場合には、外光２４が入射した位置を判別することが可能である。詳細には、外光２４が集光ファイバ１０に入射されたとき、集光ファイバ１０によって取り込まれた光のうち集光ファイバ１０の基端に向かう光成分２５は、反射されずに光ファイバ２１を介して光電子増倍管２２に入射される。一方、集光ファイバ１０の先端に向かう光成分２６は、先端で反射された後、光電子増倍管２２に入射される。信号処理装置２３は、光電子増倍管２２の出力信号から集光ファイバ１０において光が入射した位置を検出する。詳細には、信号処理装置２３は、集光ファイバ１０の先端で反射されなかった光成分２５が光電子増倍管２２に入射された時刻ｔ_１と、集光ファイバ１０の先端で反射された光成分２６が光電子増倍管２２に入射された時刻ｔ_２とを検出する。ここで、時間差Δｔ＝ｔ_２−ｔ_１は、光電子増倍管２２から集光ファイバ１０の光が入射した位置との距離に依存する。即ち、光が入射した位置が集光ファイバ１０の先端に近ければ時間差Δｔは小さい値になり、遠ければ時間差Δｔは大きい値になる。したがって、時間差Δｔから集光ファイバ１０において光が入射した位置を検出することができる。信号処理装置２３は、時刻ｔ_１、ｔ_２から時間差Δｔを算出し、その時間差Δｔから集光ファイバ１０において光が入射した位置を検出する。

図８、図９に示されているように、両端から光が取り出せる構成の集光ファイバ１０が使用される場合も、外光２４が入射した位置を判別することが可能である。図８の構成では、集光ファイバ１０の一端が光ファイバ２１を介して光電子増倍管２２に接続され、他端が光ファイバ２７の一端に接続される。光ファイバ２７の他端は、光反射手段として機能するリフレクタ２８に接続される。集光ファイバ１０によって取り込まれた光のうち集光ファイバ１０の一端に向かう光成分２５は、反射されずに光ファイバ２１を介して光電子増倍管２２に入射される。一方、集光ファイバ１０の他端に向かう光成分２６は、リフレクタ２８で反射された後、光電子増倍管２２に入射される。この場合も、上述と同様の原理により、集光ファイバ１０の先端で反射されなかった光成分２５が光電子増倍管２２に入射された時刻ｔ_１と集光ファイバ１０の先端で反射された光成分２６が光電子増倍管２２に入射された時刻ｔ_２との時間差Δｔから集光ファイバ１０において光が入射した位置が検出可能である。

図９の構成では、集光ファイバ１０の一端が光ファイバ２１ａを介して光電子増倍管２２ａに接続され、他端が光ファイバ２１ｂを介して光電子増倍管２２ｂに接続される。信号処理装置２３は、光電子増倍管２２ａ、２２ｂの出力信号から、集光ファイバ１０において光が入射した位置を検出する。詳細には、信号処理装置２３は、集光ファイバ１０の一端に向かう光成分２５ａが光電子増倍管２２ａに入射された時刻ｔ_１と、集光ファイバ１０の他端に向かう光成分２５ｂが光電子増倍管２２ｂに入射された時刻ｔ_２とを検出する。時間差Δｔ＝ｔ_２−ｔ_１は、集光ファイバ１０の光が入射した位置に依存する。例えば、時間差Δｔがゼロである場合には、光電子増倍管２２ａ、２２ｂからの光学的距離が等しいような位置に光が入射したことを示している。一方、時間差Δｔが正である場合、光電子増倍管２２ａ、２２ｂからの光学的距離が等しいような位置よりも光電子増倍管２２ａに近い位置に光が入射したことを示しており、逆に、時間差Δｔが正である場合、光電子増倍管２２ａ、２２ｂからの光学的距離が等しいような位置よりも光電子増倍管２２ｂに近い位置に光が入射したことを示している。従って、時間差Δｔから集光ファイバ１０において光が入射した位置を検出することができる。信号処理装置２３は、時刻ｔ_１、ｔ_２から時間差Δｔを算出し、その時間差Δｔから集光ファイバ１０において光が入射した位置を検出する。

図１０、図１１Ａ、図１１Ｂに示されているように、本実施形態の集光ファイバ１０をライトガイドに埋め込むことにより、光の導入効率の更なる向上を図ることができる。図１０は、集光ファイバ１０の中心軸の延長線上に位置する光源から集光ファイバ１０に光を導入するための光結合構造を示す断面図である。光源３１の光出射面３１ａにライトガイド３２が接合されている。光源３１としては、例えば、放射線の入射によって発光するシンチレータが使用され得る。ライトガイド３２は、例えば、アクリルのような透明な樹脂で形成される。

ライトガイド３２は、円錐台の形状の本体部分３２ａと、その先端に設けられている円柱状の挿入部分３２ｂとで構成されている。本体部分３２ａは、光出射面３１ａから離れるほどその外径が小さくなっている。このような形状のライトガイド３２に集光ファイバ１０が埋め込まれている。集光ファイバ１０は、その中心軸が、ライトガイド３２の本体部分３２ａの中心軸と一致するように、また、集光ファイバ１０の基端が、挿入部分３２ｂの先端に一致するように配置される。ライトガイド３２の挿入部分３２ｂは、接続スリーブ３３に挿入される。接続スリーブ３３は、本体部分３３ａと受入筒３３ｂとを備えている。受入筒３３ｂは、本体部分３３ａの外周に接合されており、ライトガイド３２の挿入部分３２ｂを受け入れる。本体部分３３ａには貫通孔が設けられており、その貫通孔には光ファイバ３４が挿入される。光ファイバ３４の先端は、接続スリーブ３３によって保持されて集光ファイバ１０の基端に押し当てられ、これにより、集光ファイバ１０と光ファイバ３４とが光学的に接合されている。光ファイバ３４には遮光チューブ３５が通されており、遮光チューブ３５は、接続スリーブ３３の本体部分３３ａに設けられた穴に挿入されている。

図１０の光結合構造によれば、光源３１から出射された光は、直接に集光ファイバ１０に入射され、又はライトガイド３２の表面によって反射されて集光ファイバ１０に入射される。これにより、光源３１から出射された光の多くを集光ファイバ１０に入射することができる。集光ファイバ１０に入射された光は、光ファイバ３４の先端に入射され、光ファイバ３４によって所望の機器に導入される。

図１１Ａ、図１１Ｂは、集光ファイバ１０の横方向に位置する光源３１から集光ファイバ１０に光を導入するための光結合構造を示す断面図である。以下の説明では、以下のように定義されたＸＹＺ直交座標系が使用される；Ｘ軸は、集光ファイバ１０の中心軸に平行な方向に定義される。Ｙ軸、Ｚ軸は、集光ファイバ１０の中心軸に垂直な方向に定義される。ここでＹ軸は、光源３１の光出射面３１ａに平行な方向に定義され、Ｚ軸は、Ｙ軸に平行な方向に定義される。図１１Ａは、ＸＺ断面における断面図であり、図１１Ｂは、ＹＺ断面における断面図である。

図１１Ａに示されているように、光源３１は、ライトガイド３６に接合されている。光源３１としては、例えば、放射線の入射によって発光するシンチレータが使用され得る。ライトガイド３６は、例えば、アクリルのような透明な樹脂で形成される。ライトガイド３６は、本体部分３６ａと先端部分３６ｂとを備えており、光源３１の光出射面３１ａは、ライトガイド３６の本体部分３６ａと先端部分３６ｂに接合されている。

ライトガイド３６の本体部分３６ａは、図１１Ｂに示されているように、そのＹＺ断面における表面形状が、軸が光出射面３１ａに垂直である放物線を描くような形状に形成されている。集光ファイバ１０は、その中心軸が当該放物線の焦点３６ｄに位置するようにライトガイド３６の本体部分３６ａに埋め込まれている。このような構造の利点は、光出射面３１ａに垂直に放出されて本体部分３６ａに入射された光が、放出された位置に関わらずライトガイド３６の表面において反射されて集光ファイバ１０に入射されることにある。これは、集光ファイバ１０への光の導入効率の向上に有効に寄与する。

先端部分３６ｂは、ＹＺ断面における表面形状が、軸が光出射面３１ａに垂直である放物線を描くような形状を有している。加えて、先端部分３６ｂは、ＸＺ断面における表面形状も、軸が光出射面３１ａに垂直である放物線を描くような形状を有していることが好ましい。この場合、集光ファイバ１０の先端の採光部３が、ＸＺ断面における表面形状が描く放物線の焦点に位置していることが好ましい。これにより、集光ファイバ１０への光の導入効率を有効に向上させることができる。

２．集光ファイバを用いた放射線検出
本実施形態の集光ファイバ１０の好適な応用の一つは、放射線検出である。集光ファイバ１０を放射線（例えば、Ｘ線、β線、ガンマ線）の入射によって発光するシンチレータに近接して配置することにより（典型的にはシンチレータに埋め込むことにより）放射線を検出する放射線検出システムを構成することができる。シンチレータの種類は、検出対象の放射線の種類に合わせて選択される。上述された集光ファイバ１０の構造を採用することにより、シンチレータによって発生された光の導入効率を向上し、これにより、放射線の検出感度を向上することができる。

図１２Ａ〜図１２Ｃ、図１３Ａ〜図１３Ｃは、集光ファイバ１０がシンチレータに埋め込まれた放射線検出ユニットの構成を示す断面図である。図１２Ａを参照して、一実施形態では、シンチレータ４１に孔４１ａが形成され、その孔４１ａに集光ファイバ１０が挿入されている。集光ファイバ１０のうちの、少なくとも採光部２、３を含む部分が孔４１ａに収容される。図１２Ａでは、一端から光が取り出されるように構成された集光ファイバ１０が使用されている。シンチレータ４１としては、プラスチックシンチレータや、無機結晶でできたシンチレータ（例えば、ＮａＩ、ＢＧＯ、ＧＳＯ、ＬＳＯ、ＬａＢｒ_３）が使用され得る。

集光ファイバ１０と孔４１ａの内面の間の隙間には、光学ジェル４２が充填される。光学ジェル４２は、集光ファイバ１０のコア１１とシンチレータ４１の中間の屈折率を有している。光学ジェル４２は、集光ファイバ１０とシンチレータ４１との間の光学的結合を向上させ、これにより、集光ファイバ１０への光の導入効率を向上させるために使用される。光学ジェル４２の漏洩を防ぐために、孔４１ａの入口は、封入栓４３によって封鎖される。封入栓４３には集光ファイバ１０が挿入される貫通穴が形成されている。集光ファイバ１０の基端は、光ファイバを介して、或いは直接に光検出器に接続される。

このような構成の放射線検出ユニットでは、検出対象の放射線がシンチレータ４１に入射すると、シンチレータ４１が光を発する。発生した光は集光ファイバ１０に取り込まれる。集光ファイバ１０によって取り込まれた光を光検出器に送り、光検出器によって光を検出することにより、検出対象の放射線の入射を検出することができる。集光ファイバ１０によって取り込まれた光を検出する光検出システムの構成としては、例えば、図６の構成が採用され得る。

シンチレータとしてプラスチックシンチレータが使用される場合、図１２Ｂに示されているように、集光ファイバ１０の表面のうちプラスチックシンチレータ４４の内部にある部分の全体がプラスチックシンチレータ４４に密着するように集光ファイバ１０が埋め込まれてもよい。このような構成では、プラスチックシンチレータ４４と集光ファイバ１０との間に良好な光結合を得ることができる。図１２Ｂの構造は、プラスチックシンチレータ４４の成型時に集光ファイバ１０を埋め込むことによって容易に実現可能である。

その一方で、シンチレータとして無機結晶のシンチレータが使用される場合には、図１２Ｂの構造よりも図１２Ａの構造が好ましい。無機結晶のシンチレータは、加工が難しいため、図１２Ｂのような構造は実現困難である。図１２Ａの構造では、無機結晶のシンチレータに孔を形成する加工が必要であるが、このような加工は容易に実現できる。

シンチレータとしては、液体シンチレータを使用することも可能である。図１２Ｃは、液体シンチレータを使用する放射線検出ユニットの構成を示す断面図である。封入容器４５に、集光ファイバ１０が挿入されると共に、液体シンチレータ４６が封入される。封入容器４５の入口は、封入栓４７によって封鎖される。このような構成でも、放射線を検出することができる。

図１２Ａ〜図１２Ｃの放射線検出ユニットにおいて、先端で光を反射する構成の集光ファイバ１０が使用されてもよい。この場合、図７の光検出システムの構成を採用することによって、放射線の入射位置を検出する放射線検出システムを構成することも可能である。

また、図１３Ａ〜図１３Ｃに示されているように、集光ファイバ１０として両端から光を取り出せる構造を採用することも可能である。この場合、図８又は図９の光検出システムの構成を採用することによって、放射線の入射位置を検出する放射線検出システムを構成することも可能である。

図１４は、集光ファイバ１０を用いた放射線検出ユニットの他の構成を示す鳥瞰図である。図１４の構成の放射線検出ユニットでは、３本の集光ファイバ１０が並べられると共に、その集光ファイバ１０が、長さ方向に並べられている３枚の板状のシンチレータ５１、５２、５３に埋め込まれている。シンチレータ５１、５２、５３は、異なる種類の放射線に対して感度を有しており、且つ、放射線が入射したときに異なる波長の光を発するように構成されている。例えば、シンチレータ５１はガンマ線、シンチレータ５２はベータ線、シンチレータ５３は中性子線に対して感度を有するように構成される。シンチレータ５１に第１の種類の放射線５４（例えば、ガンマ線）が入射されると、シンチレータ５１は、第１波長の光を発生し、集光ファイバ１０に入射する。また、シンチレータ５２に第２の種類の放射線５５（例えば、ベータ線）が入射されると、シンチレータ５２は、第２波長の光を発生し、集光ファイバ１０に入射する。また、シンチレータ５３に第３の種類の放射線５６（例えば、中性子線）が入射されると、シンチレータ５３は、第３波長の光を発生し、集光ファイバ１０に入射する。集光ファイバ１０は、発生した光を取り込み、取り込んだ光を出力する。このような構成の放射線検出ユニットは、集光ファイバ１０に波長を弁別可能な光検出器を接続することにより、放射線が入射したという事実、及び入射された放射線の種類を検出することができる。

シンチレータと集光ファイバ１０をアレイ状に配置することにより、放射線による画像を撮像することも可能である。図１５は、シンチレータと集光ファイバ１０とが２次元アレイとして配置された放射線検出ユニットの構成を示す鳥瞰図である。シンチレータ構造体６１には縦横にスリットが形成されており、これにより、シンチレータブロック６２が形成されている。シンチレータブロック６２が実際に放射線を検出するために使用される部分である。シンチレータブロック６２の一端は分離されず、基部６３によって互いに連結されている。このような構造は、放射線を検出するシンチレータブロック６２を高密度で配置することを可能にする。図１５のような構造のシンチレータ構造体６１は、例えば、図１６に示されているように、回転歯６４その他の切断器具によって板状のシンチレータ結晶をその厚さ方向の途中まで切断することによって形成可能である。

図１７は、図１５の放射線検出ユニットの構成を詳細に示す断面図である。図１７において、符号６８は、シンチレータブロック６２を分離するスリットを示している。シンチレータブロック６２のそれぞれには孔が形成されており、その孔のそれぞれに集光ファイバ１０が挿入されている。なお、図１５では、図の見易さのために、一部のシンチレータブロック６２にのみ集光ファイバ１０が挿入されているように図示されているが、実際には、各シンチレータブロック６２に集光ファイバ１０が挿入されていることに留意されたい。図１７に戻り、集光ファイバ１０と孔の内面の隙間は、光学ジェル６５によって充填されている。光学ジェル６５は、集光ファイバ１０のコア１１とシンチレータ４１の中間の屈折率を有している。これにより、集光ファイバ１０とシンチレータブロック６２との間の光学的結合が向上されている。集光ファイバ１０が挿入されている孔は、その開口部が封入栓６６によって封鎖されており、これにより、光学ジェル６５の漏洩が防がれている。封入栓６６は、集光ファイバ１０と光ファイバ６７とを支持する接続スリーブとしても機能する。光ファイバ６７は、その一端が集光ファイバ１０の端に押し当てられており、これにより、光ファイバ６７は、集光ファイバ１０に光学的に結合されている。光ファイバ６７の他端は光検出器に接続されており、各集光ファイバ１０に入射した光は、光検出器によって検出される。

このような構成によれば、各シンチレータブロック６２に入射された放射線を検出し、放射線による画像を撮像することができる。放射線による画像を撮像することができる図１５の構成の放射線検出ユニットは、例えば、ＰＥＴ（positron emission tomography）装置に好適に応用される。

なお、以上には、本発明の集光ファイバの具体的な実施形態が記載されているが、本発明は、様々な形態で実施可能なものであり、本発明は上述の実施形態に限定して解釈してはならない。特に、本発明の集光ファイバは、放射線検出システム以外にも、外光を取り込むことが必要になるような様々な用途に利用可能であることに留意されたい。本発明の集光ファイバは、例えば、太陽光を例えば屋根上に配置した採光部から光ファイバ束を通して屋内に設けられた照明パネルに導入する太陽光導光システムの採光部として使用することができる。

図１は、本発明の一実施形態における集光ファイバの構造を示す断面図である。 図２は、図１の集光ファイバの採光部の構造を示す拡大断面図である。 図３は、本発明の集光ファイバによる外光の取り込み実験の結果を示す表である。 図４Ａは、本発明の他の実施形態における集光ファイバの構造を示す断面図である。 図４Ｂは、図４Ａの集光ファイバの先端部の構造を示す拡大断面図である。 図４Ｃは、本発明の更に他の実施形態における集光ファイバの構造を示す断面図である。 図４Ｄは、図４Ｃの集光ファイバの先端部の構造を示す拡大断面図である。 図５は、本発明の更に他の実施形態における集光ファイバの構造を示す断面図である。 図６は、本発明の一実施形態における光検出システムの構成を示す概念図である。 図７は、本発明の他の実施形態における光検出システムの構成を示す概念図である。 図８は、本発明の更に他の実施形態における光検出システムの構成を示す概念図である。 図９は、本発明の更に他の実施形態における光検出システムの構成を示す概念図である。 図１０は、本発明の一実施形態における光結合構造を示す断面図である。 図１１Ａは、本発明の他の実施形態における光結合構造を示す断面図である。 図１１Ｂは、本発明の他の実施形態における光結合構造を示す断面図である。 図１２Ａは、本発明の一実施形態における放射線検出ユニットの構造を示す断面図である。 図１２Ｂは、本発明の他の実施形態における放射線検出ユニットの構造を示す断面図である。 図１２Ｃは、本発明の更に他の実施形態における放射線検出ユニットの構造を示す断面図である。 図１３Ａは、本発明の更に他の実施形態における放射線検出ユニットの構造を示す断面図である。 図１３Ｂは、本発明の更に他の実施形態における放射線検出ユニットの構造を示す断面図である。 図１３Ｃは、本発明の更に他の実施形態における放射線検出ユニットの構造を示す断面図である。 図１４は、本発明の更に他の実施形態における放射線検出ユニットの構造を示す鳥瞰図である。 図１５は、本発明の更に他の実施形態における放射線検出ユニットの構造を示す鳥瞰図である。 図１６は、図１５の放射線検出ユニットのシンチレータ構造体の作製方法を示す図である。 図１７は、図１５の放射線検出ユニットの構造を示す拡大断面図である。

符号の説明

１０：集光ファイバ
１０ａ：中心軸
１０ｂ：先端面
１：光導波部
２：採光部
３：採光部
４：外光
５：高反射膜
６：低屈折率膜
１１：コア
１１ａ：表面
１２：クラッド
１２ａ：表面
１３：断面
２１、２１ａ、２１ｂ：光ファイバ
２２、２２ａ、２２ｂ：光電子増倍管
２３：信号処理装置
２４：外光
２５、２５ａ、２５ｂ、２６、２６ａ、２６ｂ：光成分
２７：光ファイバ
２８：リフレクタ
３１：光源
３１ａ：光出射面
３２：ライトガイド
３２ａ：本体部分
３２ｂ：挿入部分
３３：接続スリーブ
３３ａ：本体部分
３３ｂ：受入筒
３４：光ファイバ
３５：遮光チューブ
３６：ライトガイド
３６ａ：本体部分
４１：シンチレータ
４１ａ：孔
４２：光学ジェル
４３：封入栓
４４：プラスチックシンチレータ
４５：封入容器
４６：液体シンチレータ
４７：封入栓
５１、５２、５３：シンチレータ
５４、５５、５６：放射線
６１：シンチレータ構造体
６２：シンチレータブロック
６３：基部
６４：回転歯
６５：光学ジェル
６６：封入栓
６７：光ファイバ

Claims (18)

1. コアとそれを包囲するクラッドとを備え、長さ方向に延伸する光ファイバを構成している複数の光導波部と、
   前記光導波部の隣接する２つの間に挿入された採光部
   とを備え、
   前記採光部は、前記光導波部から前記長さ方向に垂直な半径方向に突出するように形成され、外光を光導波部に導入する
   集光ファイバ。
2. 請求項１に記載の集光ファイバであって、
   前記光導波部と前記採光部の、前記長さ方向に垂直な断面における形状は円径であり、
   前記採光部は、コアとそれを包囲するクラッドとを備えており、
   前記採光部の前記コアは、前記光導波部の前記コアよりも外径が大きい
   集光ファイバ。
3. 請求項２に記載の集光ファイバであって、
   前記採光部の前記コアは、その外径が、前記採光部を横切り且つ前記長さ方向に垂直な特定断面に向かって増加するように構成されており、前記特定断面において最大の外径を有しており、前記特定断面における前記採光部の前記コアの外径の変化率が０である
   集光ファイバ。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の集光ファイバであって、
   前記複数の光導波部のうち、当該集光ファイバの最も先端側に位置する最先光導波部の先端に接合された、先端採光部を更に備え、
   前記先端採光部は、前記最先光導波部から前記長さ方向に垂直な半径方向に突出するように形成され、その側面から外光を最先光導波部に導入するように構成されている
   集光ファイバ。
5. 請求項１乃至３のいずれかに記載の集光ファイバであって、
   前記複数の光導波部のうち、当該集光ファイバの最も先端側に位置する最先光導波部の先端に、光を反射する反射膜が形成された
   集光ファイバ。
6. 請求項１乃至３のいずれかに記載の集光ファイバであって、
   前記複数の光導波部のうち、当該集光ファイバの最も先端側に位置する最先光導波部の先端に、前記コアよりも屈折率が低く、空気よりも屈折率が高い低屈折率膜が形成された
   集光ファイバ。
7. 請求項１乃至３のいずれかに記載の集光ファイバであって、
   当該集光ファイバの両端に前記光導波部が位置しており、当該集光ファイバの両端から光を取り出すことができるように構成された
   集光ファイバ。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の集光ファイバと、
   前記集光ファイバの少なくとも一端に接続された光検出器
   とを備えた
   光検出システム。
9. 請求項５に記載の集光ファイバと、
   前記集光ファイバの基端に接続された光検出器と、
   前記光検出器の出力信号を受け取る信号処理装置
   とを備え、
   前記信号処理装置は、前記出力信号から、前記集光ファイバによって取り込まれた前記外光のうち前記集光ファイバの先端で反射されなかった第１光成分が前記光検出器に入射した第１時刻と、取り込まれた前記外光のうち前記集光ファイバの先端によって反射された第２光成分が前記光検出器に入射した第２時刻とから、前記外光が前記集光ファイバに入射した位置を検出する
   光検出システム。
10. 請求項７に記載の集光ファイバと、
    前記集光ファイバの一端に接続された光検出器と、
    前記集光ファイバの他端に接続された光反射手段と、
    前記光検出器の出力信号を受け取る信号処理装置
    とを備え、
    前記信号処理装置は、前記出力信号から、前記集光ファイバによって取り込まれた前記外光のうち前記光反射手段で反射されなかった第１光成分が前記光検出器に入射した第１時刻と、取り込まれた前記外光のうち前記光反射手段によって反射された第２光成分が前記光検出器に入射した第２時刻とから、前記外光が前記集光ファイバに入射した位置を検出する
    光検出システム。
11. 請求項７に記載の集光ファイバと、
    前記集光ファイバの第１端に接続された第１光検出器と、
    前記集光ファイバの第２端に接続された第２光検出器と、
    前記第１及び第２光検出器の出力信号を受け取る信号処理装置
    とを備え、
    前記信号処理装置は、前記出力信号から、前記集光ファイバの前記第１端から前記第１光検出器に向かう第１光成分が前記第１光検出器に入射した第１時刻と、前記集光ファイバの前記第２端から前記第２光検出器に向かう第２光成分が前記第２光検出器に入射した第２時刻とから、前記外光が前記集光ファイバに入射した位置を検出する
    光検出システム。
12. 請求項１乃至７のいずれかに記載の集光ファイバと、
    前記集光ファイバに近接して設けられたシンチレータ
    とを備える
    放射線検出ユニット。
13. 請求項１２に記載の放射線検出ユニットであって、
    前記集光ファイバのうち、少なくとも前記採光部を含む部分が前記シンチレータに設けられた孔に挿入されている
    放射線検出ユニット。
14. 請求項１３に記載の放射線検出ユニットであって、
    前記孔の内面と前記集光ファイバの間に、前記シンチレータと前記コアの中間の屈折率を有する光学ジェルが充填された
    放射線検出ユニット。
15. 請求項１２に記載の放射線検出ユニットであって、
    前記シンチレータがプラスチックシンチレータであり、
    前記集光ファイバは、前記集光ファイバの表面のうち前記プラスチックシンチレータの内部にある部分の全体が前記プラスチックシンチレータに密着するように前記プラスチックシンチレータに埋め込まれている
    放射線検出ユニット。
16. 請求項１２に記載の放射線検出ユニットであって、
    更に、封入容器を備え、
    前記シンチレータが液体シンチレータであり、
    前記封入容器に、前記液体シンチレータと、集光ファイバのうちの少なくとも前記採光部を含む部分が収容されている
    放射線検出ユニット。
17. 請求項１乃至４のいずれかに記載の集光ファイバと、
    前記集光ファイバに近接して設けられた複数のシンチレータ
    とを備え、
    前記複数のシンチレータは、互いに異なる種類の放射線に感度を有しており、且つ、異なる波長の光を発するように構成されている
    放射線検出ユニット。
18. 請求項１乃至４のいずれかに記載の複数の集光ファイバと、
    スリットによって分離された複数のシンチレータブロックと、前記複数のシンチレータブロックを連結する基部とを備えるシンチレータ構造体と、
    を備え、
    前記複数の集光ファイバが、前記複数のシンチレータブロックのそれぞれに設けられた孔に、それぞれに挿入されている
    放射線検出ユニット。

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