CN1210585C - 光学部件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

光学部件(10)是由多根光纤相互平行排列组成，它具有相对光纤轴线斜切成的入射面(10a)和相对于光纤轴线垂直切出的出射面(12b)，其中各光纤的芯子(12)有方形剖面且经由通过芯子(12)的中心轴线的平片状包层部(14)等分成两个区域(12a，12b)，各光纤排列成使各个被分割芯子(12)的分割方向(图中的t方向)互不相同，同时各芯子(12)的周围为包层(16)覆盖。

Description

光学部件及其制造方法

本发明涉及多根光纤排列成的光学部件及其制造方法。

将多根光纤排列成的光学部件用作传送光学图像的光学部件已是周知的。这种光学部件具有暴露出各个光纤的芯子与包层的入射面和出射面，能将入射到入射面上的光学图像传送到出射面上。

上述光学部件由于具有传输效率高和与透镜相比能使光学系统小型化等种种优点，已用于包括指纹检测装置在内的种种领域中。

这种光学部件的制造，一般是把剖面为圆形或方形的多根纤维排列成束，通过整体成形进行。于是，通过整体成形时的加压，构成这种光学部件的光纤芯子剖面就会成为正方形六边形等那种具有相互平行对边的多边形，而产生以下所述的问题。

具体地说，以特定入射角入射到入射面上的光将于相互平行的相对面上反复反射，而以特定的出射角从出射面出射。结果，在由出射面出射的输出图像中就会形成只在特定的出射角下才有强度的图形，这种图形会构成噪声，降低光学部件的分辨率。

在此，本发明为了解决上述问题，而以提供防止发生图形噪声的声分辨率光学部件及其制造方法为课题。

为了解决上述课题，本发明的光学部件的特征是，它是由具有芯子和在此芯子周围形成有包层的光纤多根排列组成的光学部件，这里的各光纤的芯子其剖面大致为方形，同时通过折射率比此芯子的低的材料组成分隔部将其分割成多个区域，而在相互邻接排列的上述光纤之中至少有一根的分割上述芯子的分割方向与其他光纤的不同。

将各光纤的芯子由折射率比其低的材料组成的分隔部分成多个区域之后，以特定的入射角入射到各光纤芯子上的光不仅通过周围的包层还通过上述分隔部反复反射而沿芯子内行进，此外由于相互邻接排列的光纤之中至少有一个分割芯子的分隔方向与其他光纤的不同，因而即使芯子的剖面形状是具有相互平行对边的大致方形，在构成此光学部件的所有光纤芯子内行进的光也不会形成只在特定方向反复反射而只沿特定出射面才具有强度的图形。结果就能防止图形噪声，获得分辨率高的输出图像。

此外，本发明的光学部件的制造方法的特征在于，它包括：将具有芯子和在芯子周围形成有包层的光纤多根加以排列的排列步骤，将此排列步骤中所排列的多根光纤通过加热、加压处理进行整体成形的成形步骤；上述各光纤的芯子通过折射率较其低的材料组成的分隔部分成多个区域，而上述排列步骤中相互邻接排列的光纤中的至少有一根的分割上述芯子的分割方向与其他光纤的不同；在上述成形步骤中，加热、加压处理时温度下的所述芯子材料的粘度则比包层材料的粘度低。通过采用这种制造方法，容易制造出所述的光学部件。

附图简单说明

图1A是本发明的实施形式的光学部件的斜视图。

图1B是沿图1A的I-I线的放大剖面图。

图2A～F是构成光学部件的光纤的制造步骤图。

图2G～J是各步骤中制造的母材等的剖面图。

图3是光学部件制造用光纤的放大剖面图。

图4A、B是本发明实施形式的光学部件的制造步骤图。

图5说明芯子与包层的周围温度同粘度的关系。

图6A、B是本发明实施形式的光学部件的制造步骤图。

图7是光学部件制造用光纤的放大剖面图。

图8A、B是本发明实施形式的光纤的制造步骤图。

图9A、B是本发明实施形式的光纤的制造步骤图。

图10是光学部件制造用光纤的放大剖面图。

图11A、B是本发明实施形式的光学部件的制造步骤图。

图12A、B是本发明实施形式的光学部件的制造步骤图。

图13是光学部件制造用光纤的放大剖面图。

图14A、B是本发明实施形式的光学部件的制造步骤图。

图15A、B是本发明实施形式的光学部件的制造步骤图。

图16是光学部件制造用光纤的放大剖面图。

图17A～C是先有技术光学部件的制造步骤图。

图18A～C是先有技术光学部件的制造步骤图。

图19A～C是先有技术光学部件的制造步骤图。

图20A～C示明构成先有技术光学部件的光纤中芯子内光的行进状态。

图21A～C示明构成先有技术光学部件的光纤中芯子内光的行进状态。

下面用图说明本发明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是本实施形式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)的放大剖面图。

光学部件10是由芯子剖面呈方形的多根光纤相互平行排列形成。各光纤的轴线排列成与图1A的Y轴相平行，光学部件10具有相对于光纤轴斜切成的入射面10a和相对于光纤轴垂直切出的出射面10b，它能使入射到入射面10a的图形缩小而自出射面10b输出。

光学部件10的剖面如图1B所示，是具有剖面呈方形的芯子12的光纤排列成的结构。在此，各光纤的芯子12经由通过芯子12中的轴线的平片状包层部14(分隔部)等分成两个区域12a与12b。此外，在这些相互邻接排列的光纤之中至少有一个的分割芯子12的分割方向(图1B的t方向)是与其他光纤的不同。更具体地说，分割芯子12的分割方向(图1B的t方向)在各光纤中取不规则的排列。此外，各芯子12的周围则由包层16覆盖。各光纤的包层16在此通过加热、加压处理整体化，填埋相邻光纤间的间隙。

各光纤的芯子12例如由折射率1.82的Ba-La系玻璃形成，包层部14与包层16例如由折射率1.495的硼硅酸盐玻璃形成。这样，包层部14的折射率比芯子12的折射率低。芯子14的一边长约10μm，包层部14与包层16在光学部件10中具有一般所用波长(550nm)的1/3以上约1μm的厚度。

在包层16的部分中插入沿各光纤轴向延伸的光吸收体17。通过将光吸收体17插入包层16的部分中，就可有效地消除漏泄到包层16内的杂散光或是从侧面(入射面与出射面以外的面)侵入到光学部件10内的光，而能提高输出图形的分辨率。

再来说明本实施形式的光学部件的制造方法。图2A～F是构成光学部件10的光纤的制造步骤图，图2G～J是各步骤制造的母材的剖面图。

在制造构成光学部件10的光纤时，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、图2G)。芯子母材18例如由折射率1.82的Ba-La系玻璃形成，其侧面由氧化铈研磨等方法研磨。

然后将上述步骤制得的芯子母材18由金刚石切刀等沿纵向(垂直于圆柱体底面的方向)切断，分割成具有半圆柱形的两个芯子母材20与22(图2B、图2H)。再用氧化铈研磨等方法研磨此切断面。

随即将图2C所示的片状包层母材24夹于两个芯子母材20与22之间(图2D、图2Z)。这里的包层母材例如由折射率1.495的硼硅酸盐玻璃形成。

再把上述步骤制得的将片状包层母材24夹于两芯子母材20和22之间组成的物体装填于图2E所示的管状包层母材26中，制成光纤制造用的母材28(图2F、图2J)。此包层母材26与前述包层母材24相同也是由例如折射率1.495的硼硅酸盐玻璃形成，包层母材26一方的底部26a用喷灯熔融等方法封闭。

然后将上述母材28拉丝制成光纤。用此法制成的光纤其剖面经放大后如图3所示。此光纤30将其有圆形剖面的芯子12经由通过芯子12中心轴的片状包层部14等分成剖面为半圆形的两个区域12a与12b，形成在其周围以包层16覆盖的构造。

对上述步骤制成的多根光纤30如图4A所示适当地插入棒状的光吸收体17，而芯子12的分割方向在各个光纤中是不规则的，将这些光纤相互平行地依方形布置，经加热、加压处理整体成形，制成光学部件10。在此，为了提高光学部件10的分辨率，将上述平行排列的许多光纤进一步拉制的结果(复合光纤)平行地排列进行整体成形，或也可把与上述拉丝步骤平行排列的步骤反复进行多次的结果(复合式复合光纤)进行整体形成来制造光学部件10。光纤的具体形状中，芯子14的直径约10μm，而所用波长可以考虑550nm的，这时包层部14的厚度约为1μm而包层16的厚度则约为0.5μm。

由上述方法制成的光学部件10如图5所示，在加热、加压处理时的温度(约850℃)下，由于构成芯子12的材料Ba-La系玻璃的粘度比构成包层16的材料硼硅酸盐玻璃的粘度小，在加热、加压处理时，芯子12变形成为具有图4B所示方形的剖面形状。

下面说明本实施形式的光学部件的作用。在此，首先要弄明先有技术的光学部件的问题。先有技术光学部件的制造通常是把剖面为圆形或方形的多根光纤相互平行排列集束，通过整体成形进行。此外，为了提高光学部件的分辨率，也可以将上述集束的光纤组作进一步拉丝的结果(复合光纤)平行排列成束整体成形，将上述拉丝步骤与集束步骤反复进行多次所得的结果(复合式复合光纤)经整体成形而制成光学部件。

在由上述制造方法制造光学部件时，各光纤的芯子的剖面形状的变化如图17A～C、图18A～C与图19A～C所示。图17A～C示明芯子2的剖面为圆形的光纤4依方形布置形成光学部件6时芯子2剖面形状的变化。在把芯子2的剖面为圆形的光纤按方形排列形成光学部件6时，如图17A～C所示，通过将光纤4集束进行整体成形时的加热、加压处理，各光纤4的芯子2的剖面变形成大致的方形。

上述变形的程度因所述加热、加压处理时的温度下光纤4的芯子2与包层8的硬度而异。当芯子2与包层8相比极硬时虽可把芯子2加剖面保持为圆形，但为了避免相邻的芯子2相互接触，当芯子2与包层8相比极端地硬时，实际应用有困难。

图18A～C示明将芯子2的剖面为圆形的光纤4按六方形布置形成光学部件6时芯子2的剖面形状的变化。此时将光纤4集束经整体成形的加热、加压处理，各光纤4的芯子2的剖面变形成大致的正六边形。此外，图19A～C示明将芯子2的剖面为方形的光纤依方形布置形成光学部件6时芯子2的剖面形状变化。这时，由于在排列各光纤4之际相邻的包层8间没有间隙，当把光纤4集束整体成形中经加热、加压后，也仍能将芯子2的剖面保持为方形。

按上述方式制成的光学部件6，由于各光纤4的芯子2的剖面成为方形，六边形等那种具有相互平行对边的多边形，便出现了以下所示的问题。具体地说，入射到光学部件6的入射面上的光在芯子2内的行进将发生图20A～C中所示的螺旋状行进和图21A～C中所示的带状行进这样两种方式。图20A～C和图21A～C中的空心圆和实心圆表示光的入射位置。

图20A示明入射到光学部件6的入射面(芯子2的入射面)的光在芯子2内行进的状态，图20B是此光行进的轨迹在与入射面6a平行的平面上的投影图。如图25A与B所示，以随机的入射角(用图21A～C说明的特定入射角除外)入射到光学部件6的入射面6a上的光，于芯子2内依螺旋形行进。结果如图20c所示，即使是光以一定的入射角θ入射到光学部件6的入射面6a上时，由于其入射位置的不同，会从光学部件6的出射面6b上以种种出射角出射。

另一方面，如图21A与B所示，以特定的入射角(光只通过芯子2的平行相对面反射、行进的入射角)入射到光学部件6的入射面6a上的光，在芯子2内依带状行进。结果如图21C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，不因此光入射位置的不同，仍以θ的出射角从光学部件6的出射面6b出射。从而在由光学部件6的出射面6b出射的输出图像中，形成只对特定的出射角才有强度的图形，这种图形成为噪声，使得光学部件6的分辨率降低。特别是通过复合光纤(复合式复合光纤也相同)整体成形制成的光学部件，由于芯子2在这种复合光纤的中央部和边缘部上的变形程度不同，由此会产生与此复合光纤的剖面形状相对应的图形噪声，显著降低光学部件6的分辨率。

与此相反，可以考虑本实施形式的光学部件10的情形。光学部件10将构成它的各光纤的芯子12经由通过此芯子12中心轴线的平片状包层部14，等分成区域12a与区域12b。于是，以特定入射角入射到各光纤芯子12内的光就不仅由周围的包层16还通过包层部14反复地反射而在芯子12内行进。于是，即使芯子12的剖面形状是具有相互平行对边的正方形，要是包层部14不与芯子12和包层16的界面平行，从入射面10a入射的光便不会于芯子12内依带状行进。在此，由于光学部件10中分割芯子12的分割方向在各光纤中作不规则的排列，对于构成光学部件10的一部分的光纤，即使包层部14有时会与芯子12和包层16的界面平行，但由于同时也存在包层部14不与芯子12和包层16的界面平行的光纤，于是在构成光学部件10的光纤的芯子12内行进的光的全部，就不会形成只对特定方向反复进行反射两只对特定出射角才有强度的那种输出图形。

下面说明本实施形式的光学部件的效果。此光学部件10是使通过芯子12中心轴的片状包层部将构成光学部件10的各光纤芯子12等分成两个区域12a与12b，而分割芯子12的分割方向在各光纤中则是不规则的，因此沿构成光学部件10的光纤芯子12内行进的光的全部，都不会形成只依特定方向反复反射而只对特定出射角才有强度的图形。结果就能防止图形噪声而可从光学部件10的出射面获得分辨率高的输出图像。

再由于是把各光纤芯子12等分，因而能通过此整个光学部件获得均匀的输出图像。

在上述实施形式中，于对多根光纤30(或复合光纤、复合式复合光纤)加热、加压处理进行整体成形时，是使各光纤30作方形的致密排列而进行整体成形的，但也可将各光纤30作六方形的致密排列来进行整体成形。在此情形下，加热、加压处理时芯子12将变形，光学部件10的剖为图6B所示形式。具体地说，各光纤的芯子12的剖面形状为正六边形并由通过此芯子中心轴线的平片状包层部14等分成两个区域12a与12b，各光纤排列成使分割芯子12的分割方向在各光纤中成为不规则的。此外，为了提高输出图形的分辨率，最好在包层16内部设置光吸收体17，当然这不一定是必须的。

再有，上述实施形式是把芯子12经包层部14等分成两个区域12a与12b的光纤30排列而作整体成形的，但也可将芯子12经包层部14分成3个、4个或6个等的多个区域来进行整体成形。如图7所示，将芯子12经包层部14等分成三个区域12a～12c的光纤30按图8A所示作方形致密排列进行整体成形，便构成了具有图8B所示的各芯子12取方形剖面且等分成三个区域12a～12c的光学部件10；或如图9A所示，作六方致密排列进行整体成形，而构成图9B所示的各芯子12具有正六边形剖面且等分成三个区域12a～12c的光学部件10。

也可以如图10所示，将芯子12经包层部14等分成四个区域12a～12d的光纤30按图11A所示作方形致密排列进行整体成形，构成了图11B所示的各芯子12具有方形剖面且等分成四个区域12a～12d的光学部件10；或如图12A所示，作六方形致密排列进行整体成形，构成图12B所示的各芯子12具有正六边形剖面且等分成四个区域12a～12d的光学部件10。

还可以如图13所示，将芯子12经包层部14等分成六个区域12a～12f的光纤30按图14A所示作方形致密排列进行整体成形，构成了图11B所示的各芯子12具有方形剖面且等分成六个区域12a～12f的光学部件10；或如图15A所示，作六方形致密排列进行整体成形，构成图12B所示的各芯子12具有正六边形剖面且等分成六个区域12a～12f的光学部件10。

此外，上述实施形式中，芯子12是由通过其中心轴线的平片状包层部14等分成多个区域的，但这并不限定于由通过中心轴线的平片状分割，也不限于等分成多个区域。例如也可如图16所示，采用芯子12按T字形分割的光纤30来形成光学部件10。

又，上述各实施形式的光学部件10是将多根光纤平行排列组成的光学部件，但它也可以是将多根光纤排列成具有弯曲部分，使入射到入射面上的光学图像放大或缩小而输出的锥形光学部件。

以上所述的光学部件由于具有传输效率高和与透镜相比能使光学系统小型等种种优点，可以应用于指纹检测装置、放射线探测器等各类领域。

Claims (4)

1.一种光学部件(10)，其特征在于，该光学部件由多根光纤相互平行排列组成，各光纤具有芯子和在此芯子周围形成的包层，而所述光纤的芯子其剖面大致为正方形且由折射率比此芯子的低的材料组成的分隔部将其分割成多个区域，同时在相互邻接排列的上述光纤之中至少有一根的分割上述芯子的分割方向与其他光纤的不同。

2.一种光学部件(10)，其特征在于，由多根光纤排列组成，其光纤轴互相平行，每根光纤具有芯子和在此芯子周围形成的包层，而所述光纤的芯子其剖面大致为正六边形且由折射率比此芯子的低的材料组成的分隔部将其分割成多个区域，同时在相互邻接排列的上述光纤之中至少有一根的分割上述芯子的分割方向与其他光纤的不同。

3.根据权利要求1或2所述的光学部件(10)，其特征在于，所述各光纤的芯子经由通过此芯子中心轴线的平片状包层部基本等分成多个区域。

4.一种光学部件(10)的制造方法，其特征在于包括：排列步骤，排列多根光纤，使光纤轴互相平行，每根光纤具有芯子和在芯子周围形成有包层；和成形步骤，将所述排列步骤中排列的多根光纤通过加热、加压进行整体成形，

上述各光纤的芯子通过折射率比其低的材料组成的分隔部分成多个区域，

上述排列步骤中相互邻接排列的光纤中至少有一根的分割上述芯子的分割方向与其他光纤的不同，

在上述成形步骤中，加热、加压处理时温度下的所述芯子材料的粘度则比包层材料的粘度低。

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