CN1119677C - 光学部件 - Google Patents

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Abstract

光学部件10由多根光纤相互平行配置形成，具有相对于光轴斜切成的入射面10a和相对于光轴垂直切成的出射面10b。光学部件10的剖面由具有半圆形剖面的芯子的光纤两个组合成剖面呈大致圆形的光纤对构成规则排列的形状。构成上述光纤对的两个半圆形芯子14的取向对于各光纤对为随机的。此外，各光纤的包层16设置成，在通过加热、加压整体化时，能使构成该光纤对的两根光纤的芯子14间的间隙以及相邻光纤对间的间隙被填满。

Description

光学部件
技术领域
本发明涉及多根光纤排列成的光学部件。
背景技术
将多根光纤排列组成光学部件用作传送光图像的光学部件已是周知的。这种光学部件中的各个光纤的芯子与包层具有露出的入射面和出射面，能把入射到入射面的光图像传送到出射面。
此外，上述光学部件的传输效率高，与透镜相比能使光学系统小型化，等等，由于具有这种种优点，已利用于包括指纹探测装置在内的种种领域。
上述光学部件的制造通常是把剖面为圆形或方形的多根光纤排列集束，而后整体成形。这样，由于整体成形时的加压，构成上述光学部件的光纤的剖面会成为方形、六边形等那样有相互平行对边的多边形，而会产生下述问题。
具体地说，以特定入射角入射到入射面的光为相互平行的相对面反复反射，再以特定的出射角从出射面出射。结果从出射面出射的输出图像中形成只在特定的出射角下才具有一定强度的图案，这种图案成为噪声而降低光学部件的分辨率。
发明内容
为此，本发明的目的即在于为解决上述问题而提供防止发生图案噪声的，分辨率高的光学部件。
为了实现上述目的，本发明的光学部件是许多光纤排列成的光学部件，它的特征是各光纤芯子的剖面形状略呈扇形。由于各光纤的芯子的剖面形状略呈扇形，在芯子内行进的光就能避免限于由芯子内平行的相对面反射、行进的状况，因而就能不会形成只在特定的出射角下才有一定强度的图案。结果可以防止图案噪声获得分辨率高的输出图像。
根据本发明，一种光学部件，通过排列配置多个光纤组形成，光纤相互平行排列，其光纤轴相互平行；其特征在于每个光纤组是通过拉制光纤束而形成的多光纤；在光纤芯子之间的间隙和相邻的光纤组之间的间隙填充有包层，该包层是通过加热加压处理而形成一体的；所述光纤组中光纤芯子的剖面形状呈大致扇形；和每个光纤组具有光纤芯子，该光纤芯在任何光纤组中其取向是随机的。
附图说明
图1A是本发明第一实施形式的光学部件的斜视图。
图1B是沿图1A中I-I线的放大剖面图。
图2A～F是构成光学部件的光纤对的制造工序图。
图2G～J是各工序中制造的母材等的剖面图。
图3是光学部件制造中所用光纤对的放大剖面图。
图4概示构成光学部件的光纤中芯子内光的行进状态。
图5概示构成光学部件的光纤中芯子内光的行进状态。
图6A～F是构成光学部件的光纤对的制造工序图。
图6G～J是各工序中制造的母材等的剖面图。
图7是本发明第一实施形式的光学部件的放大剖面图。
图8是本发明第二实施形式的光学部件的放大剖面图。
图9是本发明第三实施形式的光学部件的放大剖面图。
图10A～C是先有技术的光学部件的制造工序图。
图11A～C是先有技术的光学部件的制造工序图。
图12A～C是先有技术的光学部件的制造工序图。
图13A～C概示先有技术的光学部件的光纤芯子内光的行进状态。
图14A～C概示先有技术的光学部件的光纤芯子内光的行进状态。
具体实施方式
现据附图说明本发明第一实施形式的光学部件。首先说明本实施形式的光学部件的结构，图1A为本实施形式的光学部件的斜视图，图1B为沿图1A的I-I线(与X轴平行的直线)的放大剖面图。
光学部件10是由芯子剖面形状为半圆形(圆心角180°的扇形)的多根光纤相互平行排列而成。各光纤排列成其光轴与图1A的Y轴平行，光学部件10具有相对于光轴斜切的入射面10a和相对于光轴垂向切割成的出射面10b，能使入射到入射面10a的输入图像缩小而从出射面10b输出。
光学部件10的剖面如图1B所示。也即将剖面为半圆形的芯子14的光纤规则地排列成每两个组成剖面略呈圆形的光纤对。在此，上述的光纤对是规则地排列而成，但构成这种光纤对的具有半圆形剖面形状的两个芯子14的取向，则如图1B所示，在每个光纤对中为随机的，在此所谓的随机是指相互邻接配置的光纤对中的至少一个之中，构成该光纤的两个芯子14相对的方向不同。此外还设计成，各个光纤的包层16通过加热、加压处理整体化时，能使构成相应光纤对的两根光纤的芯子14间的间隙以及相邻光纤对间的间隙填满。
这里的芯子14例如是由折射率为1.8L的钡
Figure C9980369600051
系玻璃形成，而包层16例如是由折射率为1.495的硼硅酸盐玻璃形成。芯子14的直径为约6μm，包层16之中两芯子14的间隙中所设置的部分则具有光学部件10中通常使用波长(550nm)的1/3以上即约0.5μm的厚度。此外，相邻的光纤对通过包层16隔开着与芯子14的间隙中设置的部分相同的约0.5μm以上的厚度。
在包层16的部分中插入有沿各光纤轴向延伸的光吸收体(光吸收材料)17。通过在包层16的部分中插入光吸收本17，就能有效地消除漏泄到包层16内的杂散光或是从侧面(入射面和出射面以外的表面)进入到光学部件16内的光，从而可以提高输出图案的分辨率。
下面，说明本实施例中光学部件的制造方法。图2A～F是构成光学部件10的光纤对的制造工序图、图2G～J是各工序中制造母材等的剖面图。
构成光学部件10的光纤的制造，首先与通常的光纤制造相同，制成圆柱形的芯子母材18(图2A、2G)。芯子母材18例如是由折射率1.82的钡 系玻璃形成，其侧面用氧化铈研磨等方法抛光。
然后将上一工序制得的芯子母材18用金刚石等切刀沿纵向(垂直于圆柱形底面的方向)切断，分割成呈半圆柱形的两个芯子母材20与22(图2B、2H)。此时用氧化铈研磨等方法研磨切断面．
随即将图2C所示的板状包层母材24夹于两芯子母材22与24之间(图2D、2I)。这里的包层母材例如由折射率为1.495的硼硅玻璃形成。
接着将上述工序制造的以板状包层母材24夹于两芯子母材22与24之间的在制部分装填到图2E所示的具有管形的包层母材26中，制成光纤对制造用的母材28(图2F、2J)。这里的包层母材26也与上述包层母材24相同，例如由折射率为1.495的硼硅酸盐玻璃形成，包层母材26的一方的底部26a用喷灯熔融等方法封闭。
然后将上述母材拉丝制造光纤对。将此方法制得的光纤对的剖面放大示明于图3。该光纤对30由剖面为半圆形的两个芯子14相对配置，在此两芯子14的间隙中和周围(此间隙以外的部分)之上设置包层16而成。此包层16之中设于芯子14周围的部分所具的厚度，足以在光学部件10的制造之中填满相邻光纤对30的间隙。包层16中两芯子14的间隙中所设的部分则具有能充分用作分开此相应的两个芯子14的包层的厚度，此厚度最好相当于利用光学部件10所传送的光的波长的1/3以上。光纤对30的具体形状是，芯子14的直径约6μm，包层16之中芯子14周围所设部分的厚度约为0.25μm，而所用波长考虑为550nm，包层16之中两个芯子14的间隙中所设置的部分的厚度约为0.5μm。
在此应注意，为了利用折射率差变更光路方向虽设有分开两个芯子14的隔层，但当这种隔层的厚度非常薄时，不会起到包层的作用，由于这样两个芯子能用作剖面为圆形的一个芯子，就不能求得以下所说明的本实施形式的作用与效果。
对由上述工序制得的多根光纤对30将棒状的光吸收体17分别作适当地插入，相互平行地配置，通过加热、加压处理整体成形，制成光学部件10。
下面说明本实施形式的光学部件。为此，首先弄清先有技术的光学部件的问题。先有技术的光学部件的制造一般是把剖面为圆形或方形的多根光纤相互平行配置集成束，进行整体成形。此外，为了提高光学部件的分辨率，也有将上述集束成的光纤组作进一步拉丝的结果(多纤)平行配置集束整体成形，再把前述拉丝工序与集束工序重复进行多次所得的半成品(复合多纤)通过整体成形而制成光学部件。
在据上述方法制造光学部件时，各光纤中芯子的剖面形状变化如图10A～C、图11A～C与图12A～C所示。图10A～C示明了芯子2的剖面为圆形的光纤4按矩形排列而形成光学部件6时，芯子2剖面形状的变化。芯子2的剖面为圆形的光纤4按矩形配置来形成光学部件6时，如图10A～C所示，将光纤4集束通过整体成形时的加热加压处理，各光纤4的芯子2的剖面变形成大致的正方形。
这里的变形程度因上述加热、加压处理时温度下光纤4的芯子2和包层8的硬度而异。当芯子2与包层相比极硬时，芯子2的剖面虽可保持圆形，但为了避免相邻芯子2相互接触，若使芯子2比包层8硬得多时，不易实用化。
图11A～C是芯子2的剖面为圆形的光纤4按六方形配置形成光学部件6时，芯子2的剖面形状的变化。这时在把光纤4集束通过整体成形中的加热、加压处理，各光纤4中芯子2的剖面变形成大致的正六边形。图12A～C则示明芯子2的剖面为正方形的光纤按矩形配置形成光学部件6时，芯子2剖面形状的变化。这时，由于配置各光纤4之际于相邻包层之间无空隙，故在光纤4集束整体成形中的加热、加压处理后，也能使芯子2的剖面保持正方形。
按以上所述制成的光学部件6，由于各光纤4的芯子2的剖面成为正方形、六边形等那种有相互平行对边的多边形，就会有以下所述的问题。具体地说，从光学部件6的入射面入射的光在光纤芯子2内的行进所以形成图13A～C所示的螺旋状行进和图14A～C所示的带状进行两种。这里的图13A～C和图14A～C中的空心圆标记与黑圆点标记表示的是光的入射位置。
图13A示明入射到光学部件6的入射面(芯子2的入射面)6a的光在芯子2内行进的情况，图13B是此光的行进轨迹于同入射面6a平行的平面上投影的图。如图13A与13B所示，以随机的入射角(用图14A～C说明的特定的入射角除外)入射到光学部件6的入射面6a上的入射光，在芯子2内按螺旋状行进。结果如图13所示，以一定的入射角θ入射到光学部件6的入射面6a上的光，会因入射的位置的不同而从光学部件6的出射面6b上以各种出射角出射。
另一方面，如图14A与14B所示，以特定入射角(光只因芯子2的平行的对面而反射、行进的角)入射到光学部件6的入射面6a上的光，于芯子2内依带状行进。结果如图14C所示，当光以一定入射角θ入射到光学部件6的入射面6a上时，不因入射位置的不同，而都是从光学部件6的出射面6b上依出射角θ出射。因此，在从光学部件6的出射面6b出射的输出图像中会形成只相对于此特定的入射角才有一定强度的图案，这种图案会成为噪声而降低光学部件6的分辨率。特别是把多纤(复合多纤也相同)通过整体成形制造光学部件时，由于在这种多纤的中央部与边缘部处，芯子2的变形程度不同，因这种变形程度的不同，就会产生与这种多纤剖面形状相对应的图案噪声，致光学部件6的分辨率显著降低。
与上述情形相反，可以考虑本实施形式的光纤10的情形。图4与图5是入射到光学部件10的入射面(芯子14的入射面10a)而于芯子14内行进的光的轨迹，在与入射面10a相平行的平面上的投影图。图4与5中的空心圆标记表示光的入射位置。芯子14的剖面为半圆形，没有相互平行的对边，从光学部件10的入射面10a入射的光不会有只由芯子14平行的对面反射而按带状行进行现象。这就是说，从图4与图5所示的轨迹可知，沿芯子14内行进的光于芯子14和包层16的界面上以种种角度入射，还以种种角度反射。
因此，即使光以一定的入射角θ入射到光学部件10的入射面10a上时，当入射位置不同时，能由光学部件10的出射面10b以种种的出射角出射，而不会形成只相对于特定的出射角才有一定强度的图案。
再来说明本实施形式的光学部件的效果。光学部件10通过把构成它的光纤中芯子14的剖面取半圆形，不会形成只相对于特定的出射角才具有一定强度的图案。结果可以防止产生图案噪，而能从光学部件10的出射面10b求得分辨率高的输出图像。
此外，假定在加热、加压处理时芯子14多少发生变形，即使是芯子14剖面的一部分产生出平行的对边的情形，但作为芯子14的剖面而出的半圆形的方向由于相对于各光纤为随机的，就能防止形成只相对于特定的出射角才有一定强度的图案，而能获得分辨率高的输出图像。
本实施形式的光学部件10也可按下示方法制造。图6A～F是构成此光学部件10的光纤对的制造工序图，图6G～J是此各工序所制母材的剖面图。
此制造方法与用图2A～J说明的制造方法的不同点如以下所述。具体地说，在以前所述的制造方法中是把图2C所示的板状母材24夹于两个芯体母材22和24之间(图2D、2I)，再将其装填到包层母材26之中，制成光纤对制造用的母材28(图2F，2J)。与此相反，本制造方法如图6C所示，应用板状母材24和以包层材料覆盖有棒状光吸收体17的两个棒状部件32，在将此包层母材24夹于这两个芯子母材22和24之间的同时，把两个棒状部件32配置于包层母材24的两侧(图6D、6I)，以之装填于母材26中，制成光纤对制造用的母材34。通过对此光纤对制造用的母材34拉丝、相互平行配置、加热与加压处理而整体成形，能制成光学部件10。
采用上述母材34制成的光学部件36，其剖面如图7所示，也成为把剖面略呈半圆形的芯子14的光纤按两个组合成剖面呈大致圆形的光纤对按规则排列成的形状。在此，将光吸收体17插入母材34中进行拉丝、加热与加压等处理的结果，在剖面略呈半圆形的芯子14的底边的两端部上形成有小的下凹部，但由于光吸收体17的直径与芯子14的直径(上述底边的长度)相比极小，故此芯子14的剖面实质上可视作为半圆形。
再用附图来说明本发明的第二实施形式的光学部件。本实施形式的光学部件40与第一实施形式的光学部件10在结构上的不同之处是，第一实施形式的光学部件10是把芯子14的剖面形状为半圆形的多根光纤相互平行配置形成，与此相反，本实施形式的光学部件40则是把芯子剖面形状为1/3圆形(圆心角为120°的扇形)的多根光纤相互平行配置而成。
光学部件40的剖面如图8所示，即把剖面为1/3圆形的芯子的光纤三个组合成剖面略呈圆形的的光纤组作规则的排列而成。这里，虽然上述的光纤组作规则的排列，但构成上述光纤组的具有1/3圆形剖面形状的三个芯子14的取向，则如图8所示对各个光纤组为随机的。这里所谓的随机是指相互邻接配置的光纤对中至少有一个使构成此光纤对的三个芯子14的圆心角所取方向不同。此外，各光纤的包层16设置成，在通过加热、加压处理整体化时，能使构成此光纤组的三根光纤的芯子14间的间隙以及相邻光纤组之间的间隙填满。
本实施形式的光学部件40可以用与第一实施形式的光学部件10的相同的制造方法制造。
此外，本实施形式的光学部件40可以起到与第一实施形式的光学部件10相同的作用与效果，获得分辨率高的输出图像。
再根据附图说明本发明的第三实施形式的光学部件。本实施形式的光学部件50与第一实施形式的光学部件10在结构上的不同之处在于，第一实施形式的光学部件10是把芯子剖面形状为半圆形的多根光纤相互平行配置形成，与此相反，本实施形式的光学部件50是把芯子的剖面形状为1/4圆形(圆心角为90°的扇形)的多根光纤相互平行配置而成。
光学部件50的剖面如图9所示。具体地说，是由剖面为1/4圆形的芯子14的光纤按四个组合成断面大致呈圆形的光纤组规则地排列而成。在此，上述的光纤组虽取规则的排列，但构成上述光纤组的具有1/4圆形剖面形状的四个芯子14的取向则如图9所示，在各个光纤组中为随机的。这里所谓的随机是指，在相互邻接配置的光纤对中至少有一个使构成该光纤对的四个芯子14的圆心角所取方向不同。此外，各光纤的包层16设置成，在通过加热、加压处理整体化时，能使构成此光纤组的四根光纤的芯子14间的间隙以及相邻光纤组之间的间隙填满。
本实施形式的光学部件50可以用与第一实施形式的光学部件10相同的制造方法制造。
此外，本实施形式的光学部件50也可以起到与第一实施形式的光学部件10相同的作用与效果，获得分辨高的图像输出。
再有，虽然前述各实施形式的光学部件10、36、40与50是把多根光纤平行排列而成的光学部件，但也可将多根光纤按具有弯曲部的形式排列，使之成为将入射到入射面上的光图像放大或缩小输出的锥形光学部件。
以上所述的光学部件具有传输效率高和与透镜相比可使光学系统小型化的种种优点，可以应用于指纹探测装置和放射线探测器等种种领域中。

Claims (6)

1.一种光学部件，通过排列配置多个光纤组形成，光纤相互平行排列，其光纤轴相互平行；
其特征在于每个光纤组(30)是通过拉制光纤束而形成的多光纤；
在光纤芯子之间的间隙和相邻的光纤组之间的间隙填充有包层(16)，该包层是通过加热加压处理而形成一体的；
所述光纤组中光纤芯子的剖面形状呈大致扇形；和
每个光纤组具有光纤芯子(14)，该光纤芯在任何光纤组中其取向是随机的。
2.根据权利要求1所述的光学部件，其特征在于，在所述光纤组中所述光纤芯子(14)的剖面形状大致成半圆形，所述光纤组包括一对所述光纤芯子，相互对置形成大致圆形的剖面。
3.根据权利要求1所述的光学部件，其特征在于，在所述光纤组中所述光纤芯子的剖面形状为圆心角120°的大致扇形，所述光纤组包括三个所述光纤芯子，从而它们形成大致圆形的剖面。
4.根据权利要求1所述的光学部件，其特征在于，在所述光纤组中所述光纤芯子的剖面形状为圆心角90°的大致扇形，所述光纤组包括四个所述光纤芯子，从而它们形成大致圆形的剖面。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的光学部件，其特征在于，在所述光纤组的包层中设置有光吸收剂材料。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的光学部件，其特征在于所述光学部件具有斜切光轴的入射面和垂直切割光轴的出射面(10b)。
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