CN1138160C - 光学部件 - Google Patents

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Abstract

提供一种把多条光纤互相平行地排列起来而形成的光学部件(10)。每一条光纤都具有第1纤芯(12)、在第1纤芯(12)的周围形成的第2纤芯(14)和在第2纤芯(14)的周围形成的包层(16)，并形成为这样的形式：光纤的轴彼此平行，光学部件(10)具有相对于光纤轴斜向延伸的入射面(10a)和对于光轴垂直延伸的出射面(10b)。第2纤芯(14)的折射率(n2)小于第1纤芯(12)的折射率(n1)，包层(16)的折射率(nc)小于第2纤芯(14)的折射率(n2)。第1纤芯(12)、第2纤芯(14)和包层(16)的折射率(n1、n2、nc)，满足下述关系：n1 2-n2 2＝n2 2-nc 2。

Description

光学部件
技术领域
本发明涉及把多条光纤排列起来构成的光学部件。
技术背景
作为使之传送光信息的光学部件，人们熟知把多条光纤排列起来形成的光学部件。上述光学部件具有使各条光纤的纤芯和包层露了出来的入射面和出射面，使得可以把入射到入射面上的光信息传送到出射面上。
此外，上述光学部件，由于具有传送效率高、与透镜比较光学系统可以小型化等种种的优点，故可以在包括指纹检测装置在内的各种各样的领域中使用。
发明概述
上述光学部件的制造，通常，采用使断面形状为圆形或正方形的光纤排列成束后成型为一个整体的办法进行。因此，通过在成型为一个整体时的推压，构成上述光学部件的光纤的纤芯的断面，将变成为具有象正方形、六角形那样地互相平行的对边的多角形，因而将产生以下所述的问题。
就是说，以特定的入射角向入射面入射进来的光，在互相平行的对面处反复反射，以特定的出射角从出射面射出。其结果是，在从出射面射出的输出图象中，形成具有仅仅在特定的出射角上才有强度的图形，该图形将成为噪声而使光学部件的解像度降低。
于是，本发明的目的在于解决这样的问题，并提供防止图形噪声的发生，从而解像度高的光学部件。
为解决上述课题，本发明是一种把多条光纤排列起来构成的光学部件，其特征在于：上述各条光纤具备：第1纤芯；在上述第1纤芯的周围形成、且具有比上述第1纤芯小的折射率的第2纤芯；在上述第2纤芯的周围形成，且具有比上述第2纤芯小的折射率的包层。
采用使各条光纤都具有第1纤芯和具有比之小的折射率的第2纤芯的办法，即便是以特定的入射角入射进来的光，在入射到第1纤芯上的光和入射到第2纤芯上的光中，光的行进路径不同，所以也不会形成仅仅在特定的出射角上才有强度的图形。结果，可以防止图形噪声，可以得到解像度高的输出图象。
附图的简单说明
图1A是本发明的实施例的光学部件的斜视图。
图1B是沿图1A的I-I线的扩大剖面图。
图1C是沿图1B的II-II线的折射率分布图。
图2A～图2E是构成光学部件的光纤对的制造工序图。
图2F～图2H是在各个工序中制造的母材等的剖面图。
图3是在光学部件的制造中使用的光纤的扩大剖面图。
图4示出了构成光学部件的光纤的纤芯内的光的行进的样子。
图5A～图5C示出了本发明的实施例的光学部件的制造工序图。
图6A～图6C示出了本发明的实施例的光学部件的制造工序图。
图7是本发明的实施例的光学部件的第1变形例的扩大剖面图。
图7是在本发明的实施例的光学部件的制造中使用的光纤的扩大剖面图。
图8是本发明的实施例的光学部件的第2变形例的扩大剖面图。
图9是本发明的实施例的光学部件的第3变形例的扩大剖面图。
图10示出了周围温度与粘度之间的关系。
图11A～图11C是现有技术的光学部件的制造工序图。
图12A～图12C是现有技术的光学部件的制造工序图。
图13A～图13C是现有技术的光学部件的制造工序图。
图14A～图14C示出了现有技术的构成光学部件的光纤的纤芯内的光的行进的样子。
图15A～图15C示出了现有技术的构成光学部件的光纤的纤芯内的光的行进的状态。
实施本发明的优选实施例
用附图说明本发明的实施例的光学部件。首先，对本实施例的光学部件的构成进行说明。图1A是本实施例的光学部件的斜视图，图1B是沿图1A的I-I线(平行于x轴的直线)的扩大剖面图，图1B是沿图1B的II-II线的折射率分布图。
光学部件10，使多条光纤互相平行地配置起来地形成。各条光纤被排列为使得光轴与图1A的y轴平行，光学部件10，具有对于光轴斜向切断的入射面10a，和对于光轴垂直切断的出射面10b，且使得可以缩小入射到入射面10a上的输入图形后使之从出射面10b输出。
光学部件10的断面，如图1B所示，其构成为：把由第1纤芯12、在第1纤芯的周围形成的第2纤芯14、在第2纤芯14的周围形成的包层16形成的多条光纤，规则地排列起来，使得其光纤轴互相平行。此外，在各条光纤之间，设置用来除去光学部件10内的杂散光的光吸收体18，各条光纤的包层16通过加热加压处理使之一体化，并填埋毗邻的光纤对间的间隙。
此外，在图1B中，第1纤芯12的断面大致上是圆形形状，第2纤芯14的断面(外周)是顶角坍塌的大致上的六角形。为了把第1纤芯12和第2纤芯14的断面作成为这样的形状，在光纤的加热加压处理时，只要选择第1纤芯12和第2纤芯14的材质，使得第1纤芯12的粘度比第2纤芯14的粘度大即可。
在这里，为了极力防止光的带状的行进，理想的是使第1纤芯12的直径a比第2纤芯14的直线部分(或近似直线的部分)的宽度a’大。此外，填满各个纤芯的间隙的包层16的宽度b，必须具有用来作为包层起作用的足够的厚度，特别理想的是，厚度应在在光学部件中通常所使用的波长(550nm)的1/2以上。
在本实施例的光学部件10中，第1纤芯12的直径a为大约10微米左右，第2纤芯14的断面的平面部分的宽度a’大约为5微米左右，填满各个纤芯的间隙的包层16的宽度b大约为2微米左右，此外，第2纤芯14的厚度大约为2微米左右。
此外，第1纤芯12，例如由折射率n1为1.71的Ba-La系玻璃形成，第2纤芯14例如由折射率为1.62的铅玻璃形成，包层16例如由折射率为1.52的钠钙玻璃构成。因此，沿图1B的II-II线的折射率分布，就变成为图1C那样。由上述第1纤芯12、第2纤芯14和包层16的折射率可知，第2纤芯14的折射率n2比第1纤芯12的折射率n1小，包层16的折射率nc比第2纤芯14的折射率n2小，此外，第1纤芯12的折射率n1、第2纤芯14的折射率n2、和包层16的折射率nc，具有以下的关系。
n1 2-n2 2＝n2 2-nc 2                   (1)
接着，对本实施例的光学部件的制造方法进行说明。图2A～E是构成光学部件的光纤对的制造工序图，图2F～H是在各个工序中制造的母材等的剖面图。
为了制造构成光学部件10的光纤，首先，与制造通常的光纤一样，制造具有圆柱形状的第1纤芯母材20(图2A、2F)。第1纤芯母材20，例如由折射率为1.71Ba-La系玻璃形成，其侧面用氧化铈研磨等的方法进行研磨。
接着，把在上述工序中制造的第1纤芯母材20装填到图2B所示的那样的具有管道形状的第2纤芯母材22中去(图2C、图2G)。其中，第2纤芯母材22，例如，用折射率为1.62的铅玻璃形成，其内面和外面，用氧化铈研磨等的方法进行研磨。
接着，再把已经把在上述工序中制造的第1纤芯母材20装填到第2纤芯母材22中去的制成品，装填到具有图2D所示的那样的管道形状的包层母材24中去，制造光纤制造用的母材26(图2E、图2H)。其中，包层母材24，例如，用折射率为1.52的钠钙玻璃形成，包层母材24的一方的底部24a用喷灯进行的熔融等的方法进行密封。
然后，把上述母材26拉丝制造光纤。在图3中扩大示出了用该方法制造的光纤的断面。该光纤28由第1纤芯12(折射率n1＝1.71)、在第1纤芯12的周围形成的第2纤芯14(折射率n2＝1.62)、在第2纤芯14的周围形成的包层(折射率nc＝1.52)形成。
采用把用上述工序制造的多条光纤28，在其间隙内恰当地配置光吸收体18，同时把它们无间隙地配置成互相平行，并通过加热加压处理，成型为一个整体的办法，制造光学部件10。
接着，对本实施例的光学部件的作用进行说明。在这里，首先，首先要弄清楚现有技术的光学部件的那些问题。现有技术的光学部件的制造，通常，由于采用使断面为圆形或正方形的多条光纤平行地配置成束，并成型为一个整体的办法进行，故常常要把上述已成束的光纤群再次拉成丝的制成品(多条光纤)平行地配置成束，形成为一个整体，或使上述拉丝工序和成束工序反复多次的制成品(多条多条光纤)成型为一个整体的办法，制造光学部件。
在用上述制造方法制造光学部件时的个条光纤的纤芯的断面形状的变化，示于图11A～C、图12A～C、13A～C。图11A～C示出的是把纤芯2的断面为圆形的光纤4配置成四方地形成光学部件6的情况下的纤芯2的断面形状的变化。在纤芯2的断面为圆形的光纤4配置成四方地形成光学部件6的情况下，如图11A～C所示，通过使光纤4成束地成型为一个整体时的加热加压处理，各条光纤4的纤芯2的断面，变形为大致上的正方形。
在这里，变形的比率，因上述加热加压处理时的温度下的光纤4的纤芯2与包层8的硬度而异。在纤芯2与包层8比较起来极其之硬的情况下，纤芯2的断面虽然可以维持圆形，但是为了避免毗邻的纤芯2彼此间的接触，要把纤芯2作成为比包层8极端地硬，在实用上是困难的。
图12A～C示出的是把纤芯2的断面为圆形的光纤4配置成六方地形成光学部件6的情况下的纤芯2的断面形状的变化。在这种情况下，通过使光纤4成束地成型为一个整体时的加热加压处理，各条光纤4的纤芯2的断面变形为大致上的六角形。此外，图13A～C示出的是把纤芯2的断面为正方形的光纤4配置成四方地形成光学部件6的情况下的纤芯2的断面形状的变化。在这种情况下，由于在配置各条光纤4时，变成为没有毗邻的包层8间的间隙，故在通过使光纤4成束地成型为一个整体时的加热加压处理之后，纤芯2的断面仍可以维持正方形。
如上述那样地制造的光学部件6，由于各种光纤4的纤芯2的断面，将变成为象正方形、六角形等那样的具有互相平行的对边的多角形，故存在着以下所述的问题。就是说，入射到光学部件6的入射面上的光在纤芯2内的行进，可以发生两种光的行进：图14A～C所示的那样的螺旋状的行进，和图15A～C所示的那样地带状的行进。其中，图14A～C和图15A～C中的圆圈和黑点表示光的入射位置。
图14A示出了入射到光学部件6的入射面(纤芯2的入射面)6a上的光在纤芯2内行进的样子，图14B则把该光的行进轨迹投影到与入射面6a平行的平面上。如图14A和B所示，以随机的入射角(除去了用图15A～C说明的特定的入射角之外)入射到光学部件6的入射面6a上的光，在纤芯2内螺旋状地行进。其结果是，如图14A～C所示，即便是在光以恒定的入射角θ入射到光学部件6的入射面6a上的情况下，也会归因于该入射位置的差异，而以各种各样的出射角，从光学部件6的出射面射出。
另一方面，如图15A和B所示，以特定的入射角(使光仅仅通过纤芯2的平行的对面，进行反射和行进的那样的入射角)入射进来的光，在纤芯2内则带状地行进。其结果是，如图15C所示，在光以恒定的入射角θ入射到光学部件6的入射面6a上的情况下，结果就变成为从光学部件6的出射面6b也以θ的出射角出射，而与其入射位置的差异无关。因此，在从光学部件6的出射面6b射出的输出图象中，形成仅仅在特定的入射角内才具有强度的图形，该图形变成为噪声使光学部件6的解像度降低。特别是那些采用使多条光纤(多条多条光纤也是一样)成型为一个整体的办法制造的光学部件，由于在该多条光纤的中央部分和边缘部分处的纤芯2的变形比率不同，故起因于该变形比率的差异，将产生与该多个光纤的断面形状对应的图形噪声，使光学部件6的解像度显著地降低。
对此，考虑本实施例的光学部件10的情况。图4是这样的图：用入射到通过光纤中心轴的平面上边的光线，表示向光学部件10的入射面10a入射，且在第1纤芯12和第2纤芯14内行进的光的路径。另外，在这里，为了简化起见，假定入射面10a对于光纤轴垂直，研究以最大受光角(34度)入射到入射面10a上的光。
入射到入射面10a上的光，取决于其入射位置，在图4的(A)～(E)所示的那样的路径内行进。从入射面10a入射到包层16上的光(图4的(A)～(E))，或者是从包层16直接向光吸收体18入射进行衰减消灭(图4的(E))，或者是在经第2纤芯14、第1纤芯12、第2纤芯14这样地折射地行进后，向光吸收体18入射进行衰减消灭(图4的(A))。
从入射面10a入射到第2纤芯14内的光(图4的(B)或(D))，在第2纤芯14与第1纤芯12之间的界面上进行折射，在第2纤芯14与包层16之间的界面上反复进行全反射，在第1纤芯12和第2纤芯14内行进。这时，结果变成为光在第1纤芯12内，对于光纤轴以27.3度的角度行进，在第2纤芯14内，对于光纤轴以20.2度的角度行进。
此外，从入射面10a入射到第1纤芯12内的光(图4的(C))，在第1纤芯12和第2纤芯14之间的界面上反复进行全反射，在第1纤芯12内行进。这时，结果变成为光在第1纤芯12内，对于光纤轴，以19.1度的角度行进。
因此，即便是使光以恒定的入射角入射的情况下，也可以通过其入射位置的差异，光从光学部件10的出射面10b以种种的出射角出射，从而不会仅仅在特定的出射角上形成具有强度图形。
此外，由于第1纤芯12的折射率n1、第1纤芯12的折射率n2、和包层16的折射率nc，具有式(1)所示的关系，故对于向第1纤芯入射的光和向第2纤芯入射的光来说，可以使最大受光角形成一致。
接着，对本实施例的光学部件的效果进行说明。光学部件10的构成光学部件10的光纤，由第1纤芯12、具有比第1纤芯12还小的折射率的第2纤芯14、和具有比第2纤芯14还小的折射率的包层16构成。因此，光学部件10的入射面10a之内，入射到第1纤芯12上的光和以恒定的角度向第2纤芯14入射的光，将以不同的路径行进。
此外，由于第1纤芯12的断面大体上是圆形，故入射到第1纤芯12内的光，除去沿着含有其中心轴在内的平面上边入射的光之外，将螺旋状地行进。此外，入射到第2纤芯14内的光，除去包括第1纤芯12的中心轴在内，沿着第2纤芯14的外周的平面部分和垂直的平面入射的光之外，被第1纤芯12与第2纤芯14之间的界面和第2纤芯14与包层16之间的界面反复反射，螺旋状地行进。
此外，光学部件10，由于对于向第1纤芯12入射的光和向第2纤芯14入射的光来说，可以使最大受光角形成一致，故对于以特定的入射角入射进来的光来说，就可以避免这样的状况：入射到第1纤芯12内的光在光学部件10内传送，但入射到第2纤芯14内的光不在光学部件10内传送。
在上述实施例中，为了形成构成光学部件10的光纤28，用图2A～E所示的方法形成母材26，但也可以用图5A～C所示的方法。就是说，首先制造具有圆柱形状的第1纤芯母材20(图5A)，在其周围，配置多个具有比第1纤芯母材20直径还小的圆柱形状的第2纤芯母材30(图5B)。然后，把第2纤芯母材30配置在在上述工序中制造的第1纤芯母材20的周围的制成品，装填到具有管道形状的包层母材24中，制造光纤制造用的母材32(图5C)。在这里，用喷灯进行的熔融等的方法对包层母材24的一方的底部24a进行密封。以后的处理，即利用母材32的拉丝进行的光纤28的形成和光学部件10的形成，与上边所说的形成方法是一样的。
此外用来形成构成光学部件10的光纤28的母材，也可以用图6A～C所示的方法来形成。就是说，首先制造具有圆柱形状的第1纤芯母材20(图6A)，在其周围，配置多个具有具有比第1纤芯母材20的直径还小的边的断面的四角柱状的第2纤芯母材34(图6B)。然后，把第2纤芯母材34配置在在上述工序中制造的第1纤芯母材20的周围的制成品，装填到具有管道形状的包层母材24中，制造光纤制造用的母材36(图6C)。在这里，用喷灯进行的熔融等的方法对包层母材24的一方的底部24a进行密封。以后的处理，即利用母材36的拉丝进行的光纤28的形成和光学部件10的形成，与上边所说的形成方法是一样的。
在上述实施例中，光学部件10的断面构造，变成为如图1B所示的那样的构造，但是，若使构成光学部件10的各条光纤具备第1纤芯12、在第1纤芯12的周围形成的第2纤芯14、和在第2纤芯14的周围形成的包层16，则可以考虑各种各样的变形。
图7是第1变形例的光学部件40的扩大剖面图。光学部件40与与上述实施例中的光学部件10的不同之处在于，光学部件40与光学部件10比较，第1纤芯12的直径小。这时，第2纤芯14的断面形状已变成为大体上的六角形的顶角坍塌后的那样的形状(由于有光吸收体18)。在这里，为了极力防止在现有技术中出现的光的带状的行进，理想的是使第1纤芯12的直径a比第2纤芯14的直线部分(或近似直线的部分)的宽度a’大。此外，填满各个纤芯的间隙的包层16的宽度b，必须具有用来作为包层起作用的足够的厚度。
图8是第2变形例的光学部件50的扩大剖面图。光学部件50与上述实施例的光学部件10的不同之处在于，光学部件50不设置光吸收体18。在这种情况下，为了极力防止在现有技术中出现的光的带状的行进，理想的也是使第1纤芯12的直径a比第2纤芯14的直线部分(或近似直线的部分)的宽度a’大。此外，填满各个纤芯的间隙的包层16的宽度b，必须具有用来作为包层起作用的足够的厚度。
图9是第3变形例的光学部件60的扩大剖面图。光学部件60与第2变形例的光学部件50的不同之处在于，光学部件50的第2纤芯14的界面(外周)具有曲面形状，而光学部件60的第2纤芯14的界面(外周)具有平面形状。具有这样的断面形状的光学部件60，在光纤的加热加压处理时可以采用选择第2纤芯14和包层16的材质，使得第2纤芯14的粘度与包层16的粘度比较极其之小的办法得到。在这种情况下，为了极力防止在现有技术中出现的光的带状的行进，理想的也是使第1纤芯12的直径a比第2纤芯14的直线部分(或近似直线的部分)的宽度a’大。此外，填满各个纤芯的间隙的包层16的宽度b，必须具有用来作为包层起作用的足够的厚度。
作为参考，在图10中示出了第1纤芯12、第2纤芯14和包层16的粘度对周围温度的变化。由图10可知，在光纤的加热加压处理时的温度下(600℃)，与包层16的粘度、第1纤芯的粘度比较，第2纤芯14的粘度变小。此外，在光纤的强度这一点上来说，热膨胀系数按照第1纤芯12、第2纤芯14、包层16的顺序依次减小是理想的。就是说，如果光纤的中心部分的热膨胀系数大，则在关系的的表面部分上将产生压缩应力，光纤的强度增加，裂缝难于形成。
上述实施例或变形例的光学部件10、40、50和60，是把多条光纤平行地排列起来的光学部件，但是，也可以是使多条光纤具有弯曲部分地进行排列，使入射到入射面上的光图象扩大或缩小后进行输出的锥状的光学部件。
产业上利用的可能性
上述光学部件，由于具有传送效率高、与透镜比较起来可以小型化等种种的优点，故可以在指纹检测装置、射线探测器等各种各样的领域中利用。

Claims (1)

1.一种把多条光纤排列起来构成的光学部件(10)，其特征在于，上述各条光纤具备：
第1纤芯(12)；
在上述第1纤芯(12)的周围形成的、其折射率比上述第1纤芯(12)小的第2纤芯(14)；以及
在上述第2纤芯(14)的周围形成的、其折射率比上述第2纤芯(14)小的包层(16)，
第1纤芯(12)的折射率n1、第2纤芯(14)的折射率n2、和包层(16)的折射率nc，满足以下的关系：
n1 2-n2 2 ＝n2 2-nc 2；
上述多条光纤互相平行地排列，其光纤轴互相平行；且
上述各条光纤的包层(16)通过加热加压被一体化，并填埋毗邻的各条光纤之间的间隙。
CNB998054208A 1998-04-27 1999-03-24 光学部件 Expired - Fee Related CN1138160C (zh)

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