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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Bauelement, in dem
mehrere Lichtleitfasern angeordnet sind.
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STAND DER
TECHNIK
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Optische
Bauelemente, die aus einer Anordnung von Lichtleitfasern bestehen,
sind gemeinhin als optische Bauelemente für eine Übertragung einer optischen
Abbildung bekannt. Derartige optische Bauelemente haben eine Eintrittsfläche und
eine Austrittsfläche,
wobei der Kern und der Mantel jeder Lichtleitfaser in diesen Flächen bloßliegen,
und ermöglichen
die Übertragung
einer optischen Abbildung auf die Eintrittsfläche zur Austrittsfläche.
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Da
die oben genannten optischen Bauelemente unterschiedlichste Vorteile
wie etwa einen hohen Durchlassgrad, das Potenzial für geringere
Abmessungen des optischen Systems im Vergleich zu Linsen usw. bieten,
werden sie in verschiedenen Bereichen, Fingerabdrucksensoren eingeschlossen, verwendet.
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DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
obigen optischen Bauelemente werden normalerweise durch Bündeln einer
Anordnung von Lichtleitfasern mit rundem oder rechtwinkligem Querschnitt
und Bewerkstelligen einer integralen Formung hergestellt. Folglich
verformt der Druck während
der integralen Formung den Querschnitt der Kerne der Lichtleitfasern,
die die optischen Bauelemente bilden, in eine mehreckige Gestalt
mit einander gegenüberliegenden
Seiten, die parallel zueinander sind, wie etwa ein Quadrat, ein
Sechseck usw., wodurch das nachstehend beschriebene Problem entsteht.
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Licht,
das unter einem spezifischen Einfallswinkel auf die Eintrittsfläche fällt, wird
nämlich
von den einander gegenüberliegenden
Oberflächen,
die parallel zueinander sind, mehrmals reflektiert und tritt unter
einem spezifischen Austrittswinkel aus der Austrittsfläche aus.
Folglich wird ein Ausgangsbild, das aus der Austrittsfläche austritt,
eine Struktur zeigen, die nur unter dem spezifischen Austrittswinkel eine
Intensität
hat, wobei diese Struktur Rauschen darstellt, das das Auflösungsvermögen der
optischen Bauelemente verschlechtert.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb, ein optisches Bauelement
mit einer hohen Auflösung
zu schaffen, wobei durch die Lösung
des obigen Problems das Auftreten von Strukturrauschen (pattern
noise (engl.)) unterbunden wird.
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Um
die oben genannte Aufgabe zu lösen
ist ein optisches Bauelement der vorliegenden Erfindung ein optisches
Bauelement, das eine Anordnung von Lichtleitfasergruppen umfasst,
wovon jede Lichtleitfasergruppe mehrere Kerne umfasst, wobei ein Querschnittsprofil
jedes Kerns im Wesentlichen sektorial ist, wobei das optische Bauelement
dadurch gekennzeichnet ist, dass die Ausrichtung des sektorialen
Querschnittsprofils der mehreren Kerne in der Lichtleitfasergruppierung
von jener mindestens einen benachbarten Lichtleitfasergruppierung
verschieden ist, wobei das optische Bauelement durch Erwärmen und
Pressen mehrerer gebündelter
Lichtleitfasergruppen integral geformt ist. Wenn das Querschnittsprofil
des Kerns jeder Lichtleitfaser im Wesentlichen sektorial ist, wird
verhindert, dass das Licht, das sich in dem Kern ausbreitet, sich
durch ausschließliche Reflexion
an parallelen, einander gegenüberliegenden
Oberflächen
des Kerns fortpflanzt, wodurch die Bildung der Struktur, die nur
unter dem spezifischen Austrittswinkel die Intensität hat, vermieden
wird. Demzufolge wird das Auftreten des Strukturrauschens verhindert,
wodurch das Ausgangsbild mit einer hohen Auflösung erhalten werden kann.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1A ist
eine Perspektivansicht des optischen Bauelements gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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1B ist
eine vergrößerte Querschnittsdarstellung
längs der
Linie I-I in 1A;
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2A bis 2F sind
Schaubilder, die Schritte zur Herstellung eines Lichtleitfaserpaares zur
Bildung des optischen Bauelements zeigen;
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2G bis 2J sind
Querschnittsdarstellungen von Vorformen usw., die in den jeweiligen Schritten
hergestellt werden;
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3 ist
eine vergrößerte Querschnittsdarstellung
eines Lichtleitfaserpaares, das bei der Herstellung des optischen
Bauelements benutzt wird;
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4 ist
ein Schaubild, das einen Zustand der Lichtausbreitung in dem Kern
der Lichtleitfaser zur Bildung des optischen Bauelements zeigt;
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5 ist
ein Schaubild, das einen Zustand der Lichtausbreitung in dem Kern
der Lichtleitfaser zur Bildung des optischen Bauelements zeigt;
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6A bis 6F sind
Schaubilder, die Schritte zur Herstellung eines Lichtleitfaserpaares zur
Bildung des optischen Bauelements zeigen;
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6G bis 6J sind
Querschnittsdarstellungen von Vorformen usw., die in den jeweiligen Schritten
hergestellt werden;
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7 ist
eine vergrößerte Querschnittsdarstellung
des optischen Bauelements gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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8 ist
eine vergrößerte Querschnittsdarstellung
des optischen Bauelements gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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9 ist
eine vergrößerte Querschnittsdarstellung
des optischen Bauelements gemäß der dritten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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10A bis 10C sind
Schaubilder, die Schritte zur Herstellung des optischen Bauelements gemäß dem Stand
der Technik zeigen;
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11A bis 11C sind
Schaubilder, die Schritte zur Herstellung des optischen Bauelements gemäß dem Stand
der Technik zeigen;
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12A bis 12C sind
Schaubilder, die Schritte zur Herstellung des optischen Bauelements gemäß dem Stand
der Technik zeigen;
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13A bis 13C sind
Schaubilder, die einen Zustand der Lichtausbreitung in dem Kern
der Lichtleitfaser zur Bildung des optischen Bauelements gemäß dem Stand
der Technik zeigen;
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14A bis 14C sind
Schaubilder, die einen Zustand der Lichtausbreitung in dem Kern
der Lichtleitfaser zur Bildung des optischen Bauelements gemäß dem Stand
der Technik zeigen.
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BESTE AUSFÜHRUNGSFORM
DER ERFINDUNG
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Das
optische Bauelement gemäß der ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben.
Als Erstes wird der Aufbau des optischen Bauelements gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
beschrieben. 1A ist eine Perspektivansicht
des optischen Bauelements gemäß der vorliegenden
Ausführungsform,
und 1B ist eine vergrößerte Querschnittsdarstellung
längs der
Linie I-I (einer Geraden parallel zur x-Achse) in 1A.
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Das
optische Bauelement 10 ist in der Weise aufgebaut, dass
mehrere Lichtleitfasern, deren Kernquerschnittsprofil ein Halbkreis
(ein Sektor mit dem Zentriwinkel von 180°) ist, parallel zueinander angeordnet
sind. Jede Lichtleitfaser ist so angeordnet, dass ihre optische
Achse parallel zur y-Achse
in 1A ist. Das optische Bauelement 10 hat
eine Eintrittsfläche 10a,
die in Bezug auf die optische Achse schräg geschnitten ist, und eine
Austrittsfläche 10b,
die in Bezug auf die optische Achse senkrecht geschnitten ist, und
ist so angeordnet, dass es eine verkleinerte Abbildung eines Eingangsbildes,
das auf die Eintrittsfläche 10a fällt, von
der Austrittsfläche 10b abgeben
kann.
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Der
Querschnitt des optischen Bauelements 10 ist wie in 1B veranschaulicht.
Und zwar sind Lichtleitfaserpaare, wobei jedes Paar eine solche Kombination
aus zwei Lichtleitfasern jeweils mit dem Kern 14 halbkreisförmigen Querschnitts
ist, die einen im Wesentlichen runden Querschnitt bildet, regelmäßig angeordnet.
Die Lichtleitfaserpaare sind zwar regelmäßig angeordnet, jedoch ist
die Ausrichtung der zwei Kerne 14 mit dem halbkreisförmigen Querschnittsprofil,
die das oben genannte Lichtleitfaserpaar bilden, bei jedem Lichtleitfaserpaar
zufällig,
wie in 1B veranschaulicht ist. Der
Ausdruck "zufällig" hat hier die Bedeutung,
dass bei mindestens einem der benachbart angeordneten Lichtleitfaserpaare
die zwei Kerne 14, die das betreffende Lichtleitfaserpaar bilden,
in einer anderen Richtung einander gegenüberliegend angeordnet sind.
Der Mantel 16 jeder Lichtleitfaser ist derart beschaffen,
dass er durch einen Erwärmungs-
und Pressvorgang so eingebunden wird, dass der Spalt zwischen den
Kernen 14 der zwei Lichtleitfasern, aus denen jedes Lichtleitfaserpaar
gebildet ist, und die Zwischenräume
zwischen benachbarten Lichtleitfaserpaaren aufgefüllt werden.
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In
diesem Fall sind die Kerne 14 beispielsweise aus einem
Glas auf Barium-Lanthan-Basis mit einem Brechungsindex von 1,82
hergestellt, während der
Mantel 16 beispielsweise aus einem Borsilikatglas mit einem
Brechungsindex von 1,495 hergestellt ist. Der Durchmesser der Kerne 14 beträgt ungefähr 6 μm, und der
Abschnitt des Mantels 16 in dem Spalt zwischen den zwei
Kernen 14 weist eine Dicke von ungefähr 0,5 μm auf, was nicht weniger als
ein Drittel der Wellenlänge
(550 nm) ist, die normalerweise in dem optischen Bauelement 10 benutzt
wird. Ferner sind die benachbarten Lichtleitfaserpaare durch den Mantel 16 in ähnlicher
Weise wie bei dem Abschnitt in dem Spalt zwischen den Kernen 14 mit
einem Zwischenraum von ungefähr
0,5 μm oder
mehr angeordnet.
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Licht
absorbierende Mittel 17 (Licht absorbierende Werkstoffe)
sind in dem Teil des Mantels 16 angeordnet, wobei sie sich
in Achsrichtung jeder Lichtleitfaser erstrecken. Wenn die Licht
absorbierenden Mittel 17 in dem Teil des Mantels 16 angeordnet sind,
können
sie Streulicht, das in den Mantel 16 austritt, oder Licht,
das von der Seite (den Oberflächen, die
von der Eintrittsfläche
und der Austrittsfläche
verschieden sind) in das optische Bauelement 10 eintritt, wirksam
beseitigen, wodurch sich die Auflösung des Ausgangsbildes verbessert.
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Als
Nächstes
wird ein Verfahren zur Herstellung des optischen Bauelements gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben. 2A bis 2F sind
Schaubilder, die Schritte zur Herstellung eines Lichtleitfaserpaares
zur Bildung des optischen Bauelements 10 zeigen, und 2G bis 2J sind Querschnittsdarstellungen
von Vorformen usw., die in den jeweiligen Schritten hergestellt
werden.
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Für die Herstellung
der Lichtleitfasern zur Bildung des optischen Bauelements 10 wird
zunächst eine
Kern-Vorform 18, die eine zylindrische Gestalt aufweist,
auf eine Weise hergestellt, die der Herstellung von einfachen Lichtleitfasern
(2A und 2G) ähnlich ist.
Die Kern-Vorform 18 wird beispielsweise aus Glas auf Barium-Lanthan-Basis
mit einem Brechungsindex von 1,82 hergestellt, wobei ihre Seitenflächen durch
ein Verfahren zum Polieren mit Zer(IV)-oxid oder dergleichen poliert werden.
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Im
folgenden Schritt wird die so in dem oben angegebenen Schritt hergestellte
Kern-Vorform 18 mittels eines Diamantschneiders oder dergleichen
in Längsrichtung
(in einer Richtung senkrecht zur Bodenfläche der Zylinderform) geschnitten,
um zwei einzelne Kern-Vorformen 20 und 22 halbkreisförmiger Gestalt
(2B und 2H) zu
erhalten. Dabei werden die Schnittflächen durch das Polierverfahren mit
Zer(IV)-oxid oder dergleichen poliert.
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Im
nächsten
Schritt wird eine plattenförmige Mantel-Vorform 24 wie
in 2C veranschaulicht zwischen die zwei Kern-Vorformen 20 und 22 eingefügt (2D und 2I).
Die Mantel-Vorform 24 ist hier beispielsweise aus Borsilikatglas
mit einem Brechungsindex von 1,495 hergestellt.
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Im
folgenden Schritt wird das Schichtelement aus der plattenförmigen Mantel-Vorform 24 zwischen
den zwei Kern-Vorformen 20 und 22, das in dem
oben angegebenen Schritt hergestellt worden ist, in eine Mantel-Vorform 26 eingebracht,
die rohrförmig
ist, wie in 2E veranschaulicht ist, um eine Vorform 28 für die Herstellung
des Lichtleitfaserpaares zu formen (2F und 2J).
Die Mantel-Vorform 26 ist hier ebenfalls beispielsweise
aus dem Borsilikatglas mit dem Brechungsindex von 1,495, wie die
obige Mantel-Vorform 24, hergestellt, und ein Ende 26a der
Mantel-Vorform 26 wird durch ein Schmelzverfahren mit einem
Brenner oder dergleichen zugeschmolzen.
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Danach
wird die obige Vorform 28 einem Faserziehen unterworfen,
um das Lichtleitfaserpaar herzustellen. 3 zeigt
eine vergrößerte Querschnittsdarstellung
des durch dieses Verfahren hergestellten Lichtleitfaserpaares. Dieses
Lichtleitfaserpaar 30 ist so geformt, dass die zwei Kerne 14 halbkreisförmigen Querschnitts
einander gegenüberliegen
und dass der Mantel 16 in dem Spalt zwischen den zwei Kernen 14 und
auf der Außenfläche der zwei
Kerne 14 (dem Abschnitt, der von dem oben genannten Spalt
verschieden ist) vorgesehen ist. Hier hat der Abschnitt des Mantels 16 um
die Kerne 14 eine Dicke, die ausreicht, um bei der Herstellung
des optischen Bauelements 10 die Zwischenräume zu den
benachbarten Lichtleitfaserpaaren 30 aufzufüllen. Es
ist wünschenswert,
dass der Abschnitt des Mantels 16, der in dem Spalt zwischen
den zwei Kernen 14 vorgesehen ist, eine Dicke hat, die
ausreicht, um als eine Manteltrennwand zwischen den zwei Kernen 14 wirksam
zu werden, wobei diese Dicke nicht geringer als ein Drittel der
Wellenlänge
des von dem optischen Bauelement 10 durchzulassenden Lichts
ist. Das Lichtleitfaserpaar 30 weist folgende spezielle
Gestalt auf: Der Durchmesser der Kerne 14 beträgt ungefähr 6 μm, die Dicke
des Abschnitts des Mantels 16, der an der Außenfläche der
Kerne 14 vorgesehen ist, beträgt ungefähr 0,25 μm, und die Dicke des Abschnitts
des Mantels 16, der in dem Spalt zwischen den zwei Kernen 14 vorgesehen
ist, beträgt in
Anbetracht der benutzten Wellenlänge
von 550 nm ungefähr
0,5 μm.
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Hierbei
ist insbesondere zu beachten, dass eine Trennwand, um die zwei Kerne 14 voneinander zu
trennen, mitunter zum Zweck der Änderung
der Lichtausbreitungsrichtungen durch Indexunterschiede vorgesehen
wird. Eine solche Trennwand ist sehr dünn und wirkt deshalb nicht
als Mantel. Dann wirken die zwei Kerne wie ein Kern mit rundem Querschnitt. Folglich
wird dieser Aufbau nicht die Funktion und Wirkung der vorliegenden
Ausführungsform,
die nachstehend beschrieben ist, erzielen.
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Mehrere
mittels der oben angegebenen Schritte hergestellte Lichtleitfaserpaare 30 werden parallel
zueinander angeordnet, wobei die stabartigen, Licht absorbierenden
Mittel 17 genau dazwischen eingefügt werden. Anschließend werden
sie einem Erwärmen
und Pressen ausgesetzt, um ihre integrale Formung auszuführen, wodurch
das optische Bauelement 10 hergestellt wird.
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Als
Nächstes
wird die Wirkung des optischen Bauelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform
beschrieben. Zuerst wird das Problem der optischen Bauelemente des
Standes der Technik erörtert.
Die optischen Bauelemente des Standes der Technik werden normalerweise
durch Bündeln
einer Anordnung von Lichtleitfasern mit rundem oder rechtwinkligem
Querschnitt parallel zueinander und Ausführen einer integralen Formung
davon hergestellt. Es gibt Fälle,
in denen das optische Bauelement, um sein Auflösungsvermögen zu verbessern, durch ein weiteres
Ziehen der obigen gebündelten
Lichtleitfasergruppe hergestellt wird, wobei eine Anordnung solcher
paralleler Fasern (Multifasern) gebündelt wird und das integrale
Formen davon ausgeführt wird,
und es gibt Fälle,
in denen das optische Bauelement durch mehrmals wiederholtes Ausführen der oben
genannten Schritte des Faserziehens und Bündelns hergestellt wird, um
Faserbauelemente (Multi-Multifasern) zu erhalten und das integrale
Formen davon auszuführen.
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10A bis 10C, 11A bis 11C und 12A bis 12C zeigen
Veränderungen
am Querschnittsprofil des Kerns jeder Lichtleitfaser bei der Herstellung
der optischen Bauelemente nach dem oben angegebenen Herstellungsverfahren.
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10A bis 10C zeigen
Veränderungen
am Querschnittsprofil der Kerne 2, wenn das optische Bauelement 6 durch
Anordnen von Lichtleitfasern 4 mit Kernen 2 runden
Querschnitts in eine tetragonale Konfiguration geformt worden ist.
Wenn das optische Bauelement 6 durch Anordnen der Lichtleitfasern 4 mit
Kernen 2 runden Querschnitts in die tetragonale Konfiguration
geformt wird, verformt sich der Querschnitt des Kerns 2 jeder
Lichtleitfaser 4 bei dem integralen Formen des Bündels aus
Lichtleitfasern 4 durch das Erwärmen und Pressen näherungsweise
in ein Quadrat, wie in 10A bis 10C veranschaulicht ist.
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Die
Verformungsgrade sind hierbei in Abhängigkeit von der Härte der
Kerne 2 und der Mantelschichten 8 der Lichtleitfasern 4 bei
der Temperatur während
des oben angegebenen Erwärmens
und Pressens unterschiedlich. Wenn die Kerne 2 sehr viel härter als
der Mantel 8 sind, kann der Querschnitt der Kerne 2 in
der runden Form beibehalten werden. Praktisch ist es jedoch schwierig,
die Kerne 2 sehr viel härter
als den Mantel 8 herzustellen, da ein Kontakt zwischen
benachbarten Kernen 2 vermieden werden soll.
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11A bis 11C zeigen
Veränderungen am
Querschnittsprofil der Kerne 2, wenn das optische Bauelement 6 durch
Anordnen von Lichtleitfasern 4 mit Kernen 2 runden
Querschnitts in eine hexagonale Konfiguration geformt worden ist.
In diesem Fall verformt sich der Querschnitt des Kerns jeder Lichtleitfaser 4 bei
dem integralen Formen des Bündels
aus Lichtleitfasern 4 durch das Erwärmen und Pressen in eine näherungsweise
regelmäßige Sechseckform. 12A bis 12C zeigen
Veränderungen
im Querschnittsprofil der Kerne 2, wenn das optische Bauelement 6 durch
Anordnen von Lichtleitfasern 4 mit Kernen 2 rechtwinkligen
Querschnitts in die tetragonale Konfiguration geformt worden ist.
In diesem Fall gibt es keinen Freiraum zwischen benachbarten Mantelabschnitten 8 bei
der Platzierung der Lichtleitfasern 4, und folglich bleibt auch
der Querschnitt der Kerne 2 nach dem Erwärmen und
Pressen zum integralen Formen des Bündels aus Lichtleitfasern 4 in
der quadratischen Gestalt erhalten.
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Da
die wie oben beschrieben hergestellten optischen Bauelemente 6 in
eine mehreckige Gestalt geformt worden sind, die im Querschnitt
des Kerns 2 jeder Lichtleitfaser 4 einander gegenüberliegende Seiten
hat, die parallel zueinander sind, wie etwa ein Quadrat, ein Sechseck
oder dergleichen, weisen sie das nachstehend beschriebene Problem
auf. Es gibt nämlich
für das
Licht, das in die Eintrittsfläche
des optischen Bauelements 6 einfällt, zwei mögliche Ausbreitungswege in
dem Kern 2: eine spiralförmige Ausbreitung, wie sie
in 13A bis 13C gezeigt ist,
und eine bandförmige
Ausbreitung, wie sie in 14A bis 14C gezeigt ist. Hierbei geben leere und volle
Punkte in 13A bis 13C und
in 14A bis 14C Lichtauftreffpunkte
an.
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13A zeigt den Ausbreitungszustand in dem Kern 2 für Licht,
das in die Eintrittsfläche 6a des optischen
Bauelements 6 (oder in die Eintrittsfläche des Kerns 2) einfällt, und 13B ist ein Schaubild, das eine Projektion des
Ausbreitungsweges des Lichts auf eine Ebene parallel zur Eintrittsfläche 6a zeigt.
Wie in 13A und 13B veranschaulicht ist,
breitet sich das unter einem zufälligen
Winkel (ausgenommen den spezifischen Einfallswinkel, der im Folgenden
mit Bezug auf 14A bis 14C beschrieben
wird) in die Eintrittsfläche 6a des
optischen Bauelements 6 einfallende Licht in dem Kern 2 auf
einem spiralförmigen
Weg aus. Folglich wird das Licht, selbst wenn es unter einem festen
Einfallswinkel θ in
die Eintrittsfläche 6a des
optischen Bauelements 6 einfällt, je nach unterschiedlichem
Auftreffpunkt unter verschiedenen Austrittswinkeln aus der Austrittsfläche 6b des
optischen Bauelements 6 austreten, wie in 13C gezeigt ist.
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Andererseits
breitet sich das Licht, das unter dem spezifi schen Einfallswinkel
(der ein Einfallswinkel ist, unter dem sich das Licht ausbreitet,
obwohl es nur von den parallelen, einander gegenüberliegenden Oberflächen des
Kerns 2 reflektiert wird) in die Eintrittsfläche 6a des
optischen Bauelements 6 einfällt, in dem Kern 2 in
einer Bandform aus, wie in 14A und 14B veranschaulicht ist. Folglich wird das Licht,
wenn es unter einem festen Einfallswinkel θ in die Eintrittsfläche 6a des
optischen Bauelements 6 einfällt, unabhängig von den unterschiedlichen
Lichtauftreffpunkten auch unter dem Austrittswinkel θ aus der
Austrittsfläche 6b des
optischen Bauelements austreten, wie in 14C gezeigt
ist. Deshalb wird in dem Ausgangsbild, das an der Austrittsfläche 6b des
optischen Bauelements 6 austritt, eine Struktur ausgebildet,
welche die Intensität
nur unter dem spezifischen Austrittswinkel hat, wobei diese Struktur
Rauschen darstellen wird, das die Auflösung des optischen Bauelements 6 verschlechtert. Insbesondere
in dem Fall des durch integrales Formen von Multifasern (oder auch
Multi-Multifasern) hergestellten optischen Bauelements tritt der
Unterschied in den Verformungsgraden der Kerne 2 zwischen
dem mittigen Teil und dem peripheren Teil der Multifasern auf, und
dieser Unterschied in den Verformungsgraden bewirkt das Strukturrauschen
entsprechend dem Querschnittsprofil der Multifasern. Folglich wird
das Auflösungsvermögen des
optischen Bauelements 6 stark verschlechtert.
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Im
Gegensatz dazu wird der Fall des optischen Bauelements 10 gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
betrachtet. 4 und 5 sind Schaubilder,
die Projektionen von Wegen des Lichts, das in die Eintrittsfläche 10a des
optischen Bauelements 10 (oder die Eintrittsfläche des
Kerns 14) eintritt und sich in dem Kern 14 ausbreitet,
auf eine Ebene parallel zur Eintrittsfläche 10a zeigen. Die
leeren Punkte in 4 und 5 geben
Lichtauftreffpunkte an. Da der Querschnitt des Kerns 14 halbkreisförmig ohne
einander parallel gegenüberliegende
Seiten ist, tritt bei dem optischen Bauelement nicht die Erscheinung
auf, dass das in die Eintrittsfläche 10a des
optischen Bauelements 10 eintretende Licht sich in der Bandform
ausbreitet, wobei es nur von den einander parallel gegenüberliegenden
Oberflächen
des Kerns 14 reflektiert wird. Wie aus den in 4 und 5 veranschaulichten
Lichtwegen offensichtlich ist, fällt das
Licht, dass sich in dem Kern 14 ausbreitet, unter verschiedenen
Winkeln auf die Grenzfläche
zwischen dem Kern 14 und dem Mantel 16 und wird
unter verschiedenen Winkeln reflektiert.
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Deshalb
wird das Licht selbst dann, wenn es unter dem festen Einfallswinkel θ in die
Eintrittsfläche 10a des
optischen Bauteils 10 einfällt, in Abhängigkeit von den unterschiedlichen
Lichtauftreffpunkten unter verschiedenen Austrittswinkeln aus der
Austrittsfläche 10b des
optischen Bauelements 10 austreten, wodurch die Ausbildung
der Struktur, welche die Intensität nur unter dem spezifischen
Austrittswinkel aufweist, vermieden wird.
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Als
Nächstes
wird die Wirkung des optischen Bauelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform
beschrieben. Da der Querschnitt der Kerne 14, die das optische
Bauelement 10 bilden, halbkreisförmig ist, wird in dem optischen
Bauelement 10 die Struktur, welche die Intensität nur unter
dem spezifischen Austrittswinkel aufweist, nicht ausgebildet. Folglich
kann das Auftreten des Strukturrauschens vermieden werden, so dass
eine optische Abbildung mit einer hohen Auflösung von der Austrittsfläche 10b des
optischen Bauelements 10 erlangt werden kann.
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Selbst
wenn bei dem Erwärmen
und Pressen die Kerne 14 Verformungen erfahren sollten,
die zur Ausbildung von einander parallel gegenüberliegenden Seiten bei einem
Teil des Querschnitts der Kerne 14 führen, wäre die Ausrichtung des halbkreisförmigen Profils,
das sich im Querschnitt der Kerne 14 einstellt, bei jedem
Lichtleitfaserpaar zufällig, so
dass die Ausbildung der Struktur, welche die Intensität nur unter
dem spezifischen Austrittswinkel aufweist, vermieden werden kann,
wodurch das Erlangen des Ausgangsbildes mit hoher Auflösung ermöglicht wird.
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Das
optische Bauelement 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform
kann auch durch das nachstehend beschriebene Verfahren hergestellt werden. 6A bis 6F sind
Schaubilder, die Schritte zur Herstellung eines Lichtleitfaserpaares
für die
Bildung des optischen Bauelements 10 zeigen, und 6G bis 6J sind
Querschnittsdarstellungen von Vorformen usw., die in den jeweiligen
Schritten hergestellt werden.
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Das
vorliegende Herstellungsverfahren unterscheidet sich nur in folgendem
Punkt von dem Herstellungsverfahren, das mit Bezug auf 2A bis 2J beschrieben
worden ist: Bei dem oben angegebenen Herstellungsverfahren wurde
die plattenförmige
Mantel-Vorform 24, die in 2C gezeigt
ist, zwischen den zwei Kern-Vorformen 22 und 24 angeordnet
(2D und 2I) und
in die Mantel-Vorform 26 eingebracht, um die Vorform 28 für die Herstellung
des Lichtleitfaserpaares (2F und 2J)
herzustellen. Im Gegensatz dazu ist das vorliegende Herstellungsverfahren
ein Verfahren, das die plattenförmige
Mantel-Vorform 24 und zwei stabartige Elemente 32 benutzt,
wobei in jedem davon ein stabartiges, Licht absorbierendes Mittel 17 mit
einem Mantelwerkstoff bedeckt ist, wie in 6C gezeigt
ist, wobei in dem Verfahren die Mantel-Vorform 24 zwischen
zwei Kern-Vorformen 22 und 24 angeordnet wird,
die zwei stabartigen Elemente 32 beiderseits der Mantel-Vorform 24 angeordnet
(6D und 6I) und
in die Mantel-Vorform 26 eingebracht werden, um die Vorform 34 für die Herstellung
des Lichtleitfaserpaares herzustellen. Die Vorform 34 für die Lichtleitfaserpaarherstellung
wird einem Faserziehen unterworfen, und die auf diese Weise erzielten
Lichtleitfaserpaare werden parallel zueinander angeordnet und dem
Erwär men
und Pressen unterworfen, um ihre integrale Formung zu bewirken,
wodurch das optische Bauelement 10 hergestellt wird.
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Der
Querschnitt des optischen Bauelements 36, der bei Verwendung
der obigen Vorform 34 entsteht, ist außerdem so beschaffen, dass
er die regelmäßig angeordneten
Lichtleitfaserpaare enthält,
wobei jedes Lichtleitfaserpaar eine solche Kombination aus zwei
Lichtleitern, deren jeweilige Kerne 14 einen im Wesentlichen
halbkreisförmigen
Querschnitt aufweisen, ist, die den im Wesentlichen runden Querschnitt
bildet, wie in 7 gezeigt ist. Im Ergebnis der
Ausführung
des Faserziehens, des Erwärmens und
Pressens usw., wobei sich die Licht absorbierenden Mittel 17 in
der Vorform 34 befinden, treten kleine Vertiefungen an
den beiden Enden der Basis jedes Kerns 14 des im Wesentlichen
halbkreisförmigen Querschnitts
auf, jedoch kann der Querschnitt der Kerne 14 als im Wesentlichen
halbkreisförmig
angesehen werden, da die Abmessungen der Licht absorbierenden Mittel 17 sehr
viel kleiner als die Abmessungen der Kerne 14 (die Länge der
oben beschriebenen Basis) sind.
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Als
Nächstes
wird das optische Bauelement gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben.
Das optische Bauelement 40 gemäß der vorliegenden Ausführungsform
unterscheidet sich hinsichtlich des Aufbaus von dem optischen Bauelement 10 gemäß der ersten
Ausführungsform
dadurch, dass das optische Bauelement 10 der ersten Ausführungsform
den Aufbau aufwies, bei dem die Lichtleitfasern mit den Kernen 14 mit
dem halbkreisförmigen
Querschnittsprofil parallel zueinander angeordnet waren, wohingegen
das optische Bauelement 40 der vorliegenden Ausführungsform
so aufgebaut ist, dass mehrere Lichtleitfasern, deren Kerne ein Querschnittsprofil
eines Drittelkreises (eines Sektors mit dem Zentriwinkel von 120°) aufweisen,
parallel zueinander angeordnet sind.
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Der
Querschnitt des optischen Bauelements 40 ist wie in 8 gezeigt.
Und zwar sind Lichtleitfasergruppen regelmäßig angeordnet, derart, dass jede
Lichtleitfasergruppe eine solche Kombination aus drei Lichtleitfasern
umfasst, wovon jede den Kern 14 mit dem Querschnitt eines
Drittelkreises aufweist, so dass der im Wesentlichen runde Querschnitt
gebildet wird. Die obigen Lichtleitfasergruppen sind hierbei regelmäßig angeordnet,
jedoch ist die Ausrichtung der drei Kerne 14 mit dem Querschnittsprofil
eines Drittelkreises, die die obigen Lichtleitfasergruppen bilden,
bei jeder Lichtleitfasergruppe zufällig, wie in 8 veranschaulicht
ist. Der Ausdruck "zufällig" hat hier die Bedeutung,
dass bei mindestens einer der benachbart angeordneten Fasergruppen
die Zentriwinkel der drei Kerne 14, welche die Lichtleitfasergruppe
bilden, in andere Richtungen weisen. Der Mantel 16 jeder
Lichtleitfaser ist so beschaffen, dass er durch das Erwärmen und
Pressen in der Weise eingebunden wird, dass die Spalte zwischen
den Kernen 14 der drei Lichtleitfasern, die die betreffende Lichtleitfasergruppe
bilden, und die Zwischenräume zwischen
den benachbarten Lichtleitfasergruppen aufgefüllt werden.
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Das
optische Bauelement 40 gemäß der vorliegenden Ausführungsform
kann ferner durch ein Herstellungsverfahren hergestellt werden,
das jenem für
das erste optische Bauelement 10 ähnlich ist.
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Auch
zeigt das optische Bauelement 40 gemäß der vorliegenden Ausführungsform
eine Funktion und Wirkung, die jenen des optischen Bauelements 10 gemäß der ersten
Ausführungsform ähnlich sind,
so dass die Erlangung der optischen Abbildung mit hoher Auflösung ermöglicht wird.
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Als
Nächstes
wird das optische Bauelement gemäß der dritten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Das
optische Bauelement 50 gemäß der vorliegenden Ausführungsform
unterscheidet sich hin sichtlich des Aufbaus von dem optischen Bauelement 10 gemäß der ersten
Ausführungsform
dadurch, dass das optische Bauelement 10 gemäß der ersten
Ausführungsform
einen Aufbau aufwies, bei dem mehrere Lichtleitfasern mit den Kernen 14 mit
dem halbkreisförmigen
Querschnittsprofil parallel zueinander angeordnet waren, wohingegen
das optische Bauelement 50 gemäß der vorliegenden Ausführungsform
so aufgebaut ist, dass mehrere Lichtleitfasern, deren Kerne ein
Querschnittsprofil eines Viertelkreises (eines Sektors mit einem
Zentriwinkel von 90°)
aufweisen, parallel zueinander angeordnet sind.
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Der
Querschnitt des optischen Bauelements 50 ist wie in 9 gezeigt.
Und zwar sind Lichtleitfasergruppen regelmäßig angeordnet, derart, dass jede
Lichtleitfasergruppe eine solche Kombination von vier Lichtleitfasern
umfasst, die jeweils Kerne 14 mit dem Querschnitt eines
Viertelkreises aufweisen, dass das im Wesentlichen runde Querschnittsprofil gebildet
wird. Die obigen Lichtleitfasergruppen sind hierbei regelmäßig angeordnet,
jedoch ist die Ausrichtung der vier Kerne 14 mit dem Querschnittsprofil eines
Viertelkreises, welche die oben erwähnten Lichtleitfasergruppen
bilden, bei jeder Lichtleitfasergruppe zufällig, wie in 9 veranschaulicht
ist. Der Ausdruck "zufällig" hat hier die Bedeutung,
dass bei mindestens einer der benachbart angeordneten Fasergruppen
die Zentriwinkel der vier Kerne 14, welche die Lichtleitfasergruppe
bilden, in andere Richtungen weisen. Der Mantel 16 jeder
Lichtleitfaser ist so beschaffen, dass er durch das Erwärmen und Pressen
in der Weise eingebunden wird, dass die Spalte zwischen den Kernen 14 der
vier Lichtleitfasern, die die betreffende Lichtleitfasergruppe bilden, und
die Zwischenräume
zwischen den benachbarten Lichtleitfasergruppen aufgefüllt werden.
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Das
optische Bauelement 50 gemäß der vorliegenden Ausführungsform
kann ferner durch ein Herstellungsverfahren hergestellt werden,
das jenem für
das optische Bauelement 10 gemäß der ersten Ausführungsform ähnlich ist.
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Auch
zeigt das optische Bauelement 50 gemäß der vorliegenden Ausführungsform
eine Funktion und Wirkung, die jenen des optischen Bauelements 10 gemäß der ersten
Ausführungsform ähnlich sind,
so dass die Erlangung der optischen Abbildung mit hoher Auflösung ermöglicht wird.
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Die
optischen Bauelemente 10, 36, 40 und 50 gemäß den oben
angegebenen Ausführungsformen
waren optische Bauelemente, bei denen mehrere Lichtleitfasern parallel
angeordnet waren, sie könnten
jedoch auch als kegelstumpfförmige
optische Bauelemente vorgesehen sein, wobei mehrere Lichtleitfasern
mit einer Krümmung
angeordnet sind und wobei eine optische Abbildung auf die Eintrittsfläche als
ein vergrößertes oder
verkleinertes Bild ausgegeben wird.
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INDUSTRIEELLE
ANWENDBARKEIT
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Da
die obigen optischen Bauelemente unterschiedlichste Vorteile wie
etwa einen hohen Durchlassgrad, das Potenzial für geringere Abmessungen des
optischen Systems im Vergleich zu Linsen usw. bieten, können sie
in verschiedenen Bereichen, Fingerabdrucksensoren, Strahlung erfassende
Vorrichtungen usw. eingeschlossen, verwendet werden.