DE69921644T2

DE69921644T2 - Optische Faserbündel zur Übertragung von Bildern

Info

Publication number: DE69921644T2
Application number: DE69921644T
Authority: DE
Inventors: Takeo Hamamatsu-shi SUGAWARA
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1998-04-27
Filing date: 1999-03-24
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2019-03-25
Also published as: JP3842553B2; DE69921644D1; CN1298492A; EP1076247A1; EP1076247A4; US6628874B1; AU2957499A; WO1999056162A1; CN1138160C; EP1076247B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Bauelement, das durch das Anordnen mehrerer optischer Fasern zusammengestellt wird.
Stand der Technik
Ein optisches Bauelement, das durch das Anordnen mehrerer optischer Fasern gebildet wird, ist als optisches Bauelement für das Übertragen optischer Bilder allgemein bekannt. Das optische Bauelement besitzt eine Einfallsebene und eine Austrittsebene, die den Kern und die Umhüllung jeder optischen Faser belichten, und das in die Einfallsebene eintretende Licht wird zur Austrittsebene übertragen.
Dieses optische Bauelement besitzt, zahlreiche Vorteile, einschließlich einer hohen Übertragungsleistung und eines im Vergleich zur Linse kleineren optischen Systems, und wird daher auf verschiedenen Gebieten wie Fingerabdruckerfassungssystemen verwendet.
Offenlegung der Erfindung
Das optische Bauelement wird in der Regel durch Anordnen und Bündeln mehrerer optischer Fasern in einem kreisförmigen oder quadratischen Querschnitt und Einformen hergestellt (siehe beispielsweise das Dokument JP 55-40483). Daher wird der Querschnitt des Kerns der zum Zusammenstellen des optischen Bauelements verwendeten optischen Fasern aufgrund des Druckes beim Einformen in polygonale Formen mit zueinander parallelen Diagonalen, wie Quadrate und Sechsecke, umgeformt, wobei folgende Probleme auftreten.
Das Licht, das in einem bestimmten Einfallswinkel in die Einfallsebene eintritt, wird wiederholt an den zueinander parallelen Diagonalen reflektiert und verlässt die Austrittsebene in einem bestimmten Austrittswinkel. Infolgedessen wird ein Muster auf dem von der Austrittsebene ausgestrahlten Ausgabebild gebildet, das nur bei einem bestimmten Austrittswinkel eine Intensität aufweist, und dieses Muster wird zu Rauschen, das die Auflösung der optischen Komponente verringert.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, solche Probleme zu lösen und das Auftreten von Rauschmustern zu verhindern sowie ein optisches Bauelement mit hoher Auflösung zu präsentieren.
Um die Probleme zu lösen, handelt es sich bei dem optischen Bauelement der Erfindung um ein optisches Bauelement nach Anspruch 1.
Da jede Faser einen ersten Kern besitzt und einen zweiten Kern mit einem niedrigeren Brechungsindex, bewegt sich das Licht, wenn es in einem bestimmten Einfallswinkel in die Einfallsebene eintritt, nach Eintreten in den ersten Kern und nach Eintreten in den zweiten Kern auf unterschiedlichen Lichtwegen entlang fort. Dadurch wird die Bildung eines Musters verhindert, das nur bei einem bestimmten Austrittswinkel eine Intensität aufweist. Infolgedessen wird ein Rauschmuster verhindert, und es lässt sich ein Ausgabebild mit hoher Auflösung erzielen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A ist eine Perspektivansicht einer optischen Komponente gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
1B ist eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang Linie I-I in 1A.
1C ist ein Diagramm, das eine Verteilung des Brechungsindexes entlang Linie II-II in 1B zeigt.
2A bis 2E sind grafische Darstellungen des Herstellungsprozesses der optischen Faser für das Zusammenstellen des optischen Bauelements.
2F bis 2H sind Querschnittsansichten der in jedem Prozess hergestellten Grundmaterialien.
3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht einer bei der Herstellung des optischen Bauelements verwendeten optischen Faser.
4 ist ein Diagramm, das die Fortbewegungsform des Lichts im Kern der optischen Faser für das Zusammenstellen des optischen Bauelements zeigt.
5A bis 5C sind grafische Darstellungen des Herstellungsprozesses des optischen Bauelements bei der Ausführungsform der Erfindung.
6A bis 6C sind grafische Darstellungen des Herstellungsprozesses des optischen Bauelements bei der Ausführungsform der Erfindung.
7 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines ersten modifizierten Beispiels für das optische Bauelement bei der Ausführungsform der Erfindung.
8 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines zweiten modifizierten Beispiels für das optische Bauelement bei der Ausführungsform der Erfindung.
9 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines dritten modifizierten Beispiels für das optische Bauelement bei der Ausführungsform der Erfindung.
10 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Umgebungstemperatur und der Viskosität zeigt.
11A bis 11C sind grafische Darstellungen des Herstellungsprozesses eines optischen Bauelements nach dem Stand der Technik.
12A bis 12C sind grafische Darstellungen des Herstellungsprozesses eines optischen Bauelements nach dem Stand der Technik.
13A bis 13C sind grafische Darstellungen des Herstellungsprozesses eines optischen Bauelements nach dem Stand der Technik.
14A bis 14C sind Diagramme, die die Fortbewegungsform des Lichts im Kern der optischen Faser für das Zusammenstellen eines optischen Bauelements nach dem Stand der Technik zeigen.
15A bis 15C sind Diagramme, die die Fortbewegungsform des Lichts im Kern der optischen Faser für das Zusammenstellen eines optischen Bauelements nach dem Stand der Technik zeigen.
Beste Art der Ausführung der Erfindung
Ein optisches Bauelement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Zunächst wird die Struktur des optischen Bauelements der Ausführungsform erläutert. 1A ist eine Perspektivansicht der optischen Komponente der Ausführungsform, 1B ist eine vergrößerte Quer schnittsansicht entlang Linie I-I (einer geraden Linie parallel zur x-Achse) in 1A, und 1C ist ein Diagramm, das eine Verteilung des Brechungsindexes entlang Linie II-II in 1B zeigt.
Ein optisches Bauelement 10 wird dadurch gebildet, dass man mehrere optische Fasern parallel zueinander anordnet. Jede optische Faser wird so angeordnet, dass ihre Faserachse parallel zur y-Achse in 1A liegt, und das optische Bauelement 10 besitzt eine schräg zur Faserachse geschnittene Einfallsebene 10a und eine vertikal zur Faserachse geschnittene Austrittsebene 10b, wobei das in die Einfallsebene 10a eintretende Eingangsmuster reduziert und von der Austrittsebene 10b ausgestrahlt wird.
Das optische Bauelement 10 besitzt, wie in 1B gezeigt, mehrere optische Fasern, die einen ersten Kern 12, einen um den ersten Kern herum gebildeten zweiten Kern 14 und eine Umhüllung 16, die um den zweiten Kern 14 herum gebildet ist, aufweisen und gleichmäßig so angeordnet sind, dass die Faserachsen parallel zueinander sind. Zwischen den optischen Fasern ist ein Lichtabsorptionsmittel 18 vorgesehen, das Streulicht in dem optischen Bauelement 10 beseitigt, und die Umhüllung 16 jeder optischen Faser wird durch Erwärmen und Pressen zum Auffüllen des Spaltes zwischen nebeneinander liegenden optischen Fasern eingeformt.
Weiterhin ist in 1B der Querschnitt des ersten Kerns 12 fast kreisförmig, und der Querschnitt (Außenumfang) des zweiten Kerns 14 ist beinahe ein regelmäßiges Sechseck mit gestauchten Ecken. Um den Querschnitt des ersten Kerns 12 und des zweiten Kerns 14 im Prozess des Erwärmens und Pressens der optischen Faser in einer solchen Form auszubilden, müssen die Materialien für den ersten Kern 12 und den zweiten Kern 14 so ausgewählt werden, dass die Viskosität des ersten Kerns 12 größer ist als die des zweiten Kerns 14.
Um so weit wie möglich die im Stand der Technik gezeigte bandartige Fortbewegung des Lichts zu verhindern, ist es vorteilhaft, wenn der Durchmesser (a) des ersten Kerns 12 größer ist als die Breite (a') des linearen Abschnitts (oder des Abschnitts in der Nähe des linearen Abschnitts) des Querschnitts des zweiten Kerns 14. Die Breite (b) der Umhüllung 16 zum Auffüllen des Spaltes zwischen den Kernen muss eine ausreichende Dicke aufweisen, um als Umhüllung fungieren zu können, und insbesondere wird bevorzugt, dass sie größer als die Hälfte der Wellenlänge (550 nm) ist, die im allgemeinen in dem optischen Bauelement 10 verwendet wird.
Bei dem optischen Bauelement 10 der Ausführungsform beträgt der Durchmesser (a) des ersten Kerns 12 etwa 10 μm, die Breite (a') des flachen Abschnitts des Querschnittes des zweiten Kerns 14 etwa 5 μm, die Breite der den Spalt der Kerne auffüllenden Umhüllung 16 etwa 2 μm und die Dicke des zweiten Kerns 14 etwa 2 μm.
Der erste Kern 12 besteht beispielsweise aus Ba-La-Glas mit einem Brechungsindex n₁ von 1,71, der zweite Kern 14 besteht beispielsweise aus Bleiglas mit einem Brechungsindex n₂ von 1,62, und die Umhüllung 16 besteht beispielsweise aus Kalk-Natron-Glas mit einem Brechungsindex n_c von 1,52. Deshalb sieht die Brechungsindex-Verteilung entlang Linie II-II in 1B so aus wie in 1C gezeigt. Wie aus den Brechungsindizes des ersten Kerns 12, des zweiten Kerns 14 und der Umhüllung 16 deutlich wird, ist der Brechungsindex n₂ des zweiten Kerns 14 niedriger als der Brechungsindex n₁ des ersten Kerns 12, und der Brechungsindex n_c der Umhüllung 16 ist niedriger als der Brechungsindex n₂ des zweiten Kerns 14, und weiterhin entsprechen der Brechungsindex n₁ des ersten Kerns 12, der Brechungsindex n₂ des zweiten Kerns 14 und der Brechungsindex n_c der Umhüllung 16 der folgenden Beziehung. n1 2-n2 2 = n2 2-nc 2 (1)
Es wird ein Herstellungsverfahren für das optische Bauelement der Ausführungsform erläutert. 2A bis 2E sind grafische Darstellungen des Herstellungsprozesses der optischen Faser für das Zusammenstellen des optischen Bauelements 10, und 2F bis 2H sind Querschnittsansichten der in jedem Prozess hergestellten Grundmaterialien und anderer.
Bei der Herstellung der optischen Faser für das Zusammenstellen des optischen Bauelements 10 wird zuerst wie bei der Herstellung gewöhnlicher optischer Fasern ein Grundmaterial 20 für den ersten Kern mit einer kreisförmigen, säulenartigen Form hergestellt (2A, 2F). Das Grundmaterial 20 für den ersten Kern besteht beispielsweise aus Ba-La-Glas mit einem Brechungsindex von 1,71, und seine Seitenoberfläche wird durch serielles Polieren oder ein anderes Verfahren poliert.
Danach wird das Grundmaterial 22 für den zweiten Kern mit einer Rohrform wie in 2B gezeigt mit dem im obigen Prozess hergestellten Grundmaterial 20 für den ersten Kern aufgefüllt (2C, 2G). Das Grundmaterial 22 für den zweiten Kern besteht hier beispielsweise aus Bleiglas mit einem Brechungsindex von 1,62, und seine Innenfläche und Außenfläche werden durch serielles Polieren oder ein anderes Verfahren poliert.
Das in dem in dem obigen Prozess hergestellten Grundmaterial 22 für den zweiten Kern untergebrachte Grundmaterial 20 für den ersten Kern wird in ein Grundmaterial 24 für den Mantel eingeführt, das wie in 2D gezeigt eine Rohrform aufweist, und ein Grundmaterial 26 für die Herstellung einer optischen Faser wird hergestellt (2E, 2H). Das Grundmaterial 24 für den Mantel besteht hier beispielsweise aus Kalk-Natron-Glas mit einem Brechungsindex von 1,52, und ein Boden 24a des Grundmaterials 24 für den Mantel wird durch ein Brennerverfahren oder ein anderes Schmelzverfahren verschlossen.
Später wird dieses Grundmaterial 26 in Kabel gezogen und eine optische Faser hergestellt. Eine vergrößerte Querschnittsansicht der in diesem Verfahren hergestellten optischen Faser ist in 3 gezeigt. Die optische Faser 28 wird aus dem ersten Kern 12 (Brechungsindex n₁ = 1,71), dem um den ersten Kern 12 gebildeten zweiten Kern 14 (Brechungsindex n₂ = 1,62) und der um den zweiten Kern 14 gebildeten Umhüllung 16 (Brechungsindex n_c = 1,52) gebildet.
Die so in dem obigen Prozess hergestellten mehreren optischen Fasern 28 werden parallel zueinander angeordnet, während das Lichtabsorptionsmittel 18 ordnungsgemäß in den Spalten davon angeordnet wird, und durch Erwärmen und Pressen eingeformt, so dass das optische Bauelement 10 hergestellt wird.
Die Funktionsweise des optischen Bauelements bei dieser Ausführungsform wird nachfolgend erläutert. Zunächst werden Probleme beim optischen Bauelement nach dem Stand der Technik verdeutlicht. Bei der Herstellung eines optischen Bauelements nach dem Stand der Technik werden in der Regel mehrere optische Fasern mit einem kreisförmigen oder quadratischen Querschnitt parallel zueinander angeordnet und gebündelt und eingeformt. Oder zur Verbesserung der Auflösung des optischen Bauelements wird die Gruppe gebündelter optischer Fasern weiter in Kabel (Multifaserkabel) gezogen und parallel angeordnet, gebündelt und eingeformt. Oder durch mehrmalige Wiederholung des Einziehprozesses und des Bündelungsprozesses (Multi-Multifaserkabel) wird das optische Bauelement eingeformt.
Die Änderungen der Querschnittsform des Kerns jeder optischen Faser im Herstellungsprozess des optischen Bauelements durch ein solches Herstellungsverfahren sind in 11A bis 11C, 12A bis 12C und 13A bis 13C gezeigt. 11A bis 11C zeigen Änderungen der Querschnittsform eines Kerns 2, wenn ein optisches Bauelement 6 durch Anordnen optischer Fasern 4 gebildet wird, wobei der Kern 2 an vier Ecken einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Durch den Erwärm- und Pressprozess beim Einformen der optischen Fasern 4 durch Bündeln wird der Querschnitt des Kerns 2 jeder optischen Faser 4 zu einer fast quadratischen Form verformt.
Der Grad der Verformung variiert hier mit der Härte des Kerns 2 und der Umhüllung 8 der optischen Faser 4 unter Wärmeeinwirkung im Erwärm- und Pressprozess. Wenn der Kern 2 im Vergleich zur Umhüllung 8 sehr hart ist, kann der kreisförmige Querschnitt des Kerns 2 beibehalten werden, um aber einen gegenseitigen Kontakt nebeneinander liegender Kerne 2 zu vermeiden, ist es in der Praxis schwierig, die Härte des Kerns 2 im Vergleich zur Umhüllung 8 stark zu erhöhen.
12A bis 12C zeigen Änderungen bei der Querschnittsform des Kerns 2, wenn das optische Bauelement 6 durch Anordnen optischer Fasern 4 gebildet wird, deren Kern 2 an sechs Ecken einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. In diesem Fall wird der Querschnitt des Kerns 2 jeder optischen Faser 4 durch den Erwärm- und Pressprozess beim Einformen der optischen Fasern 4 durch Bündeln zu einer fast sechseckigen Form verformt. 13A bis 13C zeigen Änderungen bei der Querschnittsform des Kerns 2, wenn das optische Bauelement 6 durch Anordnen optischer Fasern 4 gebildet wird, deren Kern 2 an vier Ecken einen quadratischen Querschnitt aufweist. In diesem Fall wird der quadratische Querschnitt des Kerns 2, da es keinen Spalt zwischen den nebeneinander liegenden Umhüllungen 8 gibt, wenn die einzelnen optischen Fasern 4 angeordnet werden, selbst nach dem Erwärm- und Pressprozess beibehalten, wenn die optischen Fasern 4 durch Bündeln eingeformt werden.
Bei dem so hergestellten optischen Bauelement 6 gibt es, da der Querschnitt des Kerns 2 jeder optischen Faser 4 ein Vieleck mit zueinander parallelen Diagonalen wie bei einem Quadrat und einem Sechseck ist, die folgenden bekannten Probleme. Das heißt, die Fortbewegung des in die Einfallsebene des optischen Bauelements 6 im Kern 2 eintretenden Lichts kann in zwei Formen erfolgen, d.h. einer spiralförmigen Fortbewegung wie in 14A bis 14C gezeigt und einer bandartigen Fortbewegung wie in 15A bis 15C gezeigt. In 14A bis 14C und 15A bis 15C zeigen die weißen und die schwarzen Kreise die Einfallspositionen des Lichts.
14A zeigt die Fortbewegungsform des in die Einfallsebene (Einfallsebene des Kerns 2) 6a des optischen Bauelements 6 innerhalb des Kerns 2 eintretenden Lichts, und 14B ist eine Projektion der Ortskurve der Fortbewegung des Lichts in einer zur Einfallsebene 6a parallelen Ebene. Wie in 14A bis 14C gezeigt bewegt sich das in zufälligen Einfallswinkeln (außer dem in 15A bis 15C erläuterten, festgelegten Einfallswinkel) in die Einfallsebene 6a des optischen Bauelements 6 eintretende Licht spiralförmig im Kern 2 fort. Infolgedessen wird das Licht, wenn es mit einem bestimmten Einfallswinkel θ in die Einfallsebene 6a des optischen Bauelements 6 eintritt, wie in 14C gezeigt aufgrund eines Unterschiedes bei der Einfallsposition mit verschiedenen Austrittswinkeln von der Austrittsebene 6b des optischen Bauelements 6 ausgestrahlt.
Andererseits bewegt sich das wie in 15A und 15B gezeigt mit einem festgelegten Einfallswinkel (wobei der Einfallswinkel es dem Licht nur erlaubt, an den parallel gegenüberliegenden Ebenen des Kerns 2 reflektiert zu werden und sich fortzubewegen) in die Einfallsebene 6a des optischen Bauelements 6 eintretende Licht im Kern 2 in einem Bandmuster fort. Infolgedessen wird das Licht, das mit einem bestimmten Einfallswinkel θ in die Einfallsebene 6a des optischen Bauelements 6 eintritt, wie in 15C gezeigt unabhängig von Unterschieden bei der Einfallsposition auch mit dem gleichen Austrittswinkel θ von der Austrittsebene 6b des optischen Bauelements 6 ausgestrahlt.
Daher wird in dem Ausgabebild, das von der Austrittsebene 6b des optischen Bauelements 6 ausgestrahlt wird, ein Muster gebildet, das nur bei einem bestimmten Austrittswinkel eine Intensität besitzt, und dieses Muster wird zu Rauschen, das die Auflösung des optischen Bauelements 6 verringert. Da sich das durch Einformen von Multifasern (dgl. bei Multi-Multifasern) hergestellte optische Bauelement am Mittelteil und am Randteil der Multifasern im Verformungsgrad des Kerns 2 unterscheidet, werden insbesondere aufgrund eines Unterschieds im Grad der Verformung von der Querschnittsform der Multifasern abhängige Rauschmuster verursacht, und so wird die Auflösung des optischen Bauelements 6 stark verringert.
Das optische Bauelement 10 der Ausführungsform sieht im Gegensatz dazu folgendermaßen aus. 4 zeigt den Weg des in die Einfallsebene 10a des optischen Bauelements 10 eintretenden und sich im ersten Kern 12 und im zweiten Kern 14 weiterbewegenden Lichts, was durch den Strahl ausgedrückt wird, der in die Ebene eintritt, die durch die Mittelachse der Faser verläuft. Um der Einfachheit willen wird hier unter der Annahme, dass die Einfallsebene 10a senkrecht zur Faserachse verläuft, das Licht erläutert, das mit einem maximalen Lichtempfangswinkel (34°) in die Einfallsebene 10a eintritt.
Das in die Einfallsebene 10a eintretende Licht durchläuft abhängig von der Einfallsposition den in 4(A) bis (E) gezeigten Weg. Das von der Einfallsebene 10a in die Umhüllung 16 eintretende Licht (4(A) oder (E)) tritt direkt aus der Umhüllung 16 in das Lichtabsorptionsmittel 18 ein und wird abgeschwächt und ausgelöscht (4(E)) oder gebrochen und bewegt sich durch den zweiten Kern 14, den ersten Kern 12 und den zweiten Kern 14 fort, tritt in das Lichtabsorptionsmittel 18 ein und wird abgeschwächt und ausgelöscht (4(A)).
Das aus der Einfallsebene 10a in den zweiten Kern 4 eintretende Licht (4(B) oder (D)) wird an der Grenzfläche des zweiten Kerns 14 und des ersten Kerns 12 gebrochen, wiederholt an der Grenzfläche des zweiten Kerns 14 und der Umhüllung 16 totalreflektiert und bewegt sich im ersten Kern 12 und im zweiten Kern 14 fort. Zu diesem Zeitpunkt verläuft das Licht im ersten Kern 12 in einem Winkel von 27,3° zur Faserachse und im ersten Kern 14 in einem Winkel von 20,2° zur Faserachse.
Weiterhin wiederholt das aus der Einfallsebene 10a in den ersten Kern 12 eintretende Licht (4(C)) die Totalreflexion an der Grenzfläche des ersten Kerns 12 und des zweiten Kerns 14 und bewegt sich im ersten Kern 12 vorwärts. Zu diesem Zeitpunkt verläuft das Licht im ersten Kern 12 in einem Winkel von 19,1° zur Faserachse.
Wenn das Licht in einem bestimmten Einfallswinkel in die Einfallsebene 10a des optischen Bauelements 10 eintritt, wird es daher aufgrund des Unterschiedes bei der Einfallsposition mit verschiedenen Austrittswinkeln von der Austrittsebene 10b des optischen Bauelements 10 ausgestrahlt, so dass kein Muster gebildet wird, das bei einem bestimmten Austrittswinkel eine Intensität aufweist.
Da der Brechungsindex n₁ des ersten Kerns 12, der Brechungsindex n₂ des zweiten Kerns 14 und der Brechungsindex n_c der Umhüllung 16 wie in der Formel (1) gezeigt in Beziehung zueinander stehen, kann außerdem der maximale Lichtaufnahmewinkel zwischen dem in den ersten Kern eintretenden Licht und dem in den zweiten Kern eintretenden Licht angepasst werden.
Die Wirkungen des optischen Bauelements der Ausführungsform werden beschrieben. Bei dem optischen Bauelement 10 werden die optischen Fasern für das Zusammenstellen des optischen Bauelements 10 vom ersten Kern 12 gebildet, wobei der zweite Kern 14 einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als der erste Kern 12 und die Umhüllung 16 einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als der zweite Kern 14. Daher bewegt sich das Licht, das in einem bestimmten Winkel in den ersten Kern 12 eintritt, und das Licht, das in einem bestimmten Winkel in den zweiten Kern 14 eintritt, von der Einfallsebene 10a des optischen Bauelements 10 über verschiedene Wege fort.
Da der Querschnitt des ersten Kerns 12 fast kreisförmig ist, bewegt sich das in den ersten Kern 12 eintretende Licht, abgesehen von dem entlang der Ebene eintretenden Licht, die seine Mittelachse enthält, spiralförmig fort. Auch das in den zweiten Kern 14 eintretende Licht bewegt sich, abgesehen von dem in die Ebene eintretenden Licht, die senkrecht zu dem Ebenenabschnitt am Außenumfang des zweiten Kerns 14 verläuft und die Mittelachse des ersten Kerns 12 enthält, durch wiederholte Reflexion an der Grenzfläche des ersten Kerns 12 und des zweiten Kerns 14 und der Grenzfläche des zweiten Kerns 14 und der Umhüllung 16 spiralförmig fort.
Infolgedessen wird kein Muster gebildet, das nur bei einem bestimmten Austrittswinkel eine Intensität besitzt, und Rauschmuster lassen sich vermeiden, und daher lässt sich von der Austrittsebene 10b des optischen Bauelements 10 ein Ausgabebild mit hoher Auflösung erhalten.
Das optische Bauelement 10 kann weiterhin den maximalen Lichtempfangswinkel zwischen dem in den ersten Kern eintretenden Licht und dem in den zweiten Kern eintretenden Licht anpassen, so dass die Situation vermieden werden kann, in der Licht in einem bestimmten Einfallswinkel eintritt, und das in den ersten Kern eintretende Licht im optischen Bauelement 10 übertragen wird, das in den zweiten Kern eintretende Licht jedoch nicht. Dadurch wird der Abschnitt des zweiten Kerns 14 nicht zu einer toten Zone, die die Auflösung verringert.
Für das Bilden der optischen Fasern 28 zum Zusammenstellen des optischen Bauelements 10 werden die Grundmaterialien 26 bei der Ausführungsform in dem in 2A bis 2E gezeigten Verfahren gebildet, das in 5A bis 5C gezeigte Verfahren kann jedoch auch einsetzbar sein. Das heißt, zunächst wird ein Grundmaterial 20 für den ersten Kern mit einer kreisförmigen, säulenartigen Form hergestellt (5A), und dann werden um es herum mehrere Grundmaterialien 30 für den zweiten Kern mit einer kreisförmigen, säulenartigen Form und einem geringeren Durchmesser als das Grundmaterial 20 für den ersten Kern angeordnet (5B). Das von den in diesem Prozess hergestellten Grundmaterialien 30 für den Kern umgebene Grundmaterial 20 für den ersten Kern wird in ein rohrförmiges Grundmaterial 24 für den Mantel eingefüllt, und ein Grundmaterial 32 für die Herstellung von optischen Fasern wird hergestellt (5C). Ein Boden 24a des Grundmaterials 24 für den Mantel wird durch ein Brennerverfahren oder ein anderes Schmelzverfahren verschlossen. Der nachfolgende Prozess, das heißt die Bildung der optischen Faser 28 durch Ziehen des Grundmaterials 32 in Kabel und die Bildung des optischen Bauelements 10, ist der gleiche wie oben angegeben.
Die Grundmaterialien für das Bilden der optischen Fasern 28 zum Zusammenstellen des optischen Bauelements 10 können auch in dem in 6A bis 6C gezeigten Verfahren hergestellt werden. Das heißt, ein Grundmaterial 20 für den ersten Kern mit einer kreisförmigen, säulenartigen Form wird hergestellt (6A), und dann werden um es herum mehrere Grundmaterialien 34 für den zweiten Kern mit einer quadratischen, säulenartigen Form im Querschnitt und einer Seite, die kleiner ist als der Durchmesser des Grundmaterials 20 für den ersten Kern, angeordnet (6B). Das von den in dem obigen Prozess hergestellten Grundmaterialien 34 für den Kern umgebene Grundmaterial 20 für den ersten Kern wird in ein rohrförmiges Grundmaterial 24 für den Mantel gegeben, und ein Grundmaterial 36 für die Herstellung von optischen Fasern wird hergestellt (6C). Ein Boden 24a des Grundmaterials 24 für den Mantel wird durch ein Brennerverfahren oder ein anderes Schmelzverfahren verschlossen. Der nachfolgende Prozess, das heißt die Bildung der optischen Faser 28 durch Ziehen des Grundmaterials 36 in Kabel und die Bildung des optischen Bauelements 10, ist der gleiche wie oben angegeben.
Bei der Ausführungsform ist die Querschnittsstruktur des optischen Bauelements 10 so wie in 1B gezeigt, es werden jedoch verschiedene modifizierte Beispiele in Betracht gezogen, solange jede optische Faser für das Zusammenstellen des optischen Bauelements 10 einen ersten Kern 12, einen um den ersten Kern 12 herum angeordneten zweiten Kern 14 und eine um den zweiten Kern 14 angeordnete Umhüllung 16 umfasst.
7 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines optischen Bauelements 40 in einem ersten modifizierten Beispiel. Was das optische Bauelement 40 von dem optischen Bauelement 10 in der obigen Ausführungsform unterscheidet, ist, dass das optische Bauelement 40 im Vergleich mit dem optischen Bauelement 10 im ersten Kern 12 einen geringeren Durchmesser besitzt. Zu diesem Zeitpunkt weist die Querschnittsform des zweiten Kerns 14 (aufgrund des Lichtabsorptionsmittels 18) in der fast sechseckigen Form gestauchte Ecken auf. Um die im Stand der Technik bekannte bandartige Fortbewegung so weit wie möglich zu verhindern, ist der Durchmesser (a) des ersten Kerns 12 vorzugsweise größer als die Breite (a') des linearen Abschnitts (oder des Abschnitts in der Nähe des linearen Abschnitts) des Querschnitts des zweiten Kerns 14. Weiterhin ist es auch notwendig, dass die Breite (b) der Umhüllung 16 zum Auffüllen des Spaltes jedes Kerns eine ausreichende Dicke aufweist, um als Umhüllung zu fungieren.
8 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines optischen Bauelements 50 in einem zweiten modifizierten Beispiel. Das optische Bauelement 50 unterscheidet sich insofern von dem optischen Bauelement 10 in der obigen Ausführungsform, als es kein Lichtabsorptionsmittel 18 aufweist. Um die im Stand der Technik bekannte bandartige Fortbewegung so weit wie möglich zu verhindern, ist auch in diesem Fall der Durchmesser (a) des ersten Kerns 12 vorzugsweise größer als die Breite (a') des linearen Abschnitts (oder des Abschnitts in der Nähe des linearen Abschnitts) des Querschnitts des zweiten Kerns 14. Weiterhin ist es auch notwendig, dass die Breite (b) der Umhüllung 16 zum Auffüllen des Spaltes jedes Kerns eine ausreichende Dicke aufweist, um als Umhüllung zu fungieren.
9 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines optischen Bauelements 60 in einem dritten modifizierten Beispiel. Das optische Bauelement 60 unterscheidet sich insofern von dem optischen Bauelement 50 des zweiten modifizierten Beispiels, als es an der Grenzfläche (Außenumfang) des zweiten Kerns 14 eine flache Form aufweist, während das optische Bauelement 50 an der Grenzfläche (Außenumfang) des zweiten Kerns 14 eine gekrümmte Form aufweist. Das optische Bauelement 60 mit einer solchen Querschnittsform kann dadurch erhalten werden, dass man die Materialien für den zweiten Kern 14 und die Umhüllung 16 so auswählt, dass die Viskosität des zweiten Kerns 14 im Vergleich mit der Viskosität der Umhüllung 16 in dem Erwärm- und Pressprozess der optischen Faser äußerst gering ist. Um die im Stand der Technik bekannte bandartige Fortbewegung so weit wie möglich zu verhindern, ist es auch in diesem Fall vorteilhaft, wenn der Durchmesser (a) des ersten Kerns 12 größer ist als die Breite (a') des linearen Abschnitts des Querschnitts des zweiten Kerns 14. Weiterhin ist es auch notwendig, dass die Breite (b) der Umhüllung 16 zum Auffüllen des Spaltes jedes Kerns eine ausreichende Dicke aufweist, um als Umhüllung zu fungieren.
Es wird auf 10 verwiesen, die Änderungen bei der Viskosität des ersten Kerns 12, des zweiten Kerns 14 und der Umhüllung 16 in Bezug zur Umgebungstemperatur zeigt. Wie aus 10 bekannt ist, ist die Viskosität des zweiten Kerns 14 bei der Temperatur (600 °C) des Erwärm- und Pressprozesses der optischen Faser im Vergleich mit der Viskosität der Umhüllung 16 und der Viskosität des ersten Kerns 12 geringer. Im Hinblick auf die Festigkeit optischer Fasern ist der Wärmeausdehnungskoeffizient vorzugsweise in der Sequenz des ersten Kerns 12, des zweiten Kerns 14 und der Umhüllung 16 geringer. Das heißt, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient der mittleren Abschnitte der optischen Faser groß ist, wird an der Oberfläche der optischen Faser eine Druckspannung erzeugt, die Festigkeit der optischen Faser erhöht sich, und ein Reißen ist weniger wahrscheinlich.
Die optischen Bauelemente 10, 40, 50 und 60 in den vorangehenden Ausführungsformen sind durch mehrere parallel zueinander angeordnete optische Fasern gebildete optische Teile, die optischen Bauelemente können jedoch durch Anordnen mehrerer optischer Fasern in einer gekrümmten Form auch konisch zulaufend ausgebildet werden, damit das in die Einfallsebene eintretende Licht in einem vergrößerten oder verkleinerten Bild ausgestrahlt wird.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Dieses optische Bauelement besitzt zahlreiche Vorteile, einschließlich einer hohen Übertragungsleistung und eines im Vergleich zur Linse kleineren optischen Systems, und es wird daher auf verschiedenen Gebieten wie Fingerabdruckerfassungssystemen und Strahlungsdetektoren verwendet.

Claims

Optisches Bauelement, das durch Anordnen mehrerer optischer Fasern zur Bildung eines Arrays gebildet wird, wobei jede optische Faser einen ersten Kern aufweist, einen um den ersten Kern herum gebildeten zweiten Kern mit einem Brechungsindex, der niedriger ist als der des ersten Kerns, und eine Umhüllung, die um den zweiten Kern herum gebildet ist und einen Brechungsindex besitzt, der niedriger ist als der des zweiten Kerns, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex n₁ des ersten Kerns, der Brechungsindex n₂ des zweiten Kerns und der Brechungsindex n_c des Mantels der Relation n₁ ² – n₂ ² = n₂ ² – n_c ² entsprechen.