JP2019028164A - マルチコア光ファイバプレート、画像センサ - Google Patents

Abstract

【課題】画像センサで検出した像を光量が低下することなく高解像度で伝送することが可能であり、且つ、画像センサの装置全体を薄型に形成することが可能な、マルチコア光ファイバプレート、画像センサを提供する。【解決手段】２以上のコアと、コアの外周に形成された少なくとも１層以上のクラッドを有するマルチコア光ファイバを、２以上束ねて一体化したマルチコア光ファイバプレート１であって、マルチコア光ファイバの片側一方の入力端面２側の光軸と他方片側の出力端面３側の光軸が、同一直線状にないマルチコア光ファイバプレート。【選択図】図５

Description

本発明は、複数のマルチコア光ファイバを束ねた状態に一体的に形成したマルチコア光ファイバプレートに関する。 さらに、本発明は前記マルチコア光ファイバプレートを含む画像センサに関する。

画像読み取り装置用のイメージセンサや、指紋認証装置用のタッチセンサ等の画像センサについて、装置を小型化するため、薄型の画像センサに対する需要がある。 ところで、画像センサーとしては、コアの外周に形成されたクラッドを有する光ファイバを複数集束して一体的に形成した光ファイバ光学プレートが知られている。 例えば特許文献１には、多数の光ファイバを束ねて一体化し、光軸に対して傾斜させてカッティングした入力端面をその一端に形成したファイバ光学プレートが開示されている。 また、特許文献２には、コアとクラッドからなる光ファイバを複数束ねて一体化した光学プレートを、各光学プレートの端面で接合して繋いだファイバ光学プレートが開示されている（図６）。

米国特許第４９３２７７６号 特開平０９−０４３４３９号公報

特許文献１に記載のファイバ光学プレートは、画像センサに用いた場合、入力端面をタッチ面と同じ面位置に設けると、出力端面側が下方に突出した状態となり、さらにこの出力端面にＣＣＤなどの検出素子を設けるため、このセンサ部の厚さが増大し、センサ部を薄型化する際の支障となってしまう。また、薄型化する場合、ＦＯＰを光軸方向に短く切断して適用することも可能であるが、この場合には、タッチ面の表面に窪みが形成されてしまい、タッチ面全面がフラットにならないという欠点がある。

特許文献２に記載のファイバ光学プレートでは、主入力端面と主出力端面とを互いに略直交する位置関係に配置しているので、画像センサの装置全体を薄型に形成することが可能となる。しかしながら、複数の光学プレートを各光学プレートの端面で接合しているため、ファイバ光学プレートを伝播する光の光量が当該接合部（図６の（５））で結合ロスにより低下するので、画像センサで検出した像の解像度が低下する。

本発明は上述の課題を解決すべくなされたものである。すなわち、本発明の目的は、画像センサで検出した像を光量が低下することなく高解像度で伝送することが可能であり、且つ、画像センサの装置全体を薄型に形成することが可能な、光ファイバプレートを提供することにある。

本発明の第１の要旨は、２以上のコアと、該コアの外周に形成された少なくとも１層以上のクラッドを有するマルチコア光ファイバを、２本以上束ねて一体化してなるマルチコア光ファイバプレートであって、前記マルチコア光ファイバプレートは可撓性を有さず、前記マルチコア光ファイバの片側一方の入力端面（１）側の光軸（１‘）と他方片側の出力端面（２）側の光軸（２’）が、同一直線状にないマルチコア光ファイバプレートに関する。

また、本発明の第２の要旨は、前記マルチコア光ファイバプレートの片側末端に結合された受光素子を含む画像センサに関する。

本発明によれば、イメージセンサの検出像が高解像度となり、イメージセンサの装置全体を薄型に形成することが可能なマルチコア光ファイバプレートが提供される。

本発明のマルチコア光ファイバプレートを構成するマルチコア光ファイバ断面の概略図である。 本発明のマルチコア光ファイバプレートの一実施形態である、ラインイメージセンサ用マルチコア光ファイバプレートの構成例を示す模式的断面図（ａ）と模式的斜視図（ｂ）である。 本発明の画像センサの一実施形態である、ラインイメージセンサユニットの構成例を示す模式的断面図である。 本発明のマルチコア光ファイバプレートの一実施形態である、エリアイメージセンサ用マルチコアファイバプレートの構成例を示す模式的断面図（ａ）と模式的斜視図（ｂ）である。 本発明の画像センサの一実施形態である、エリアイメージセンサユニットの構成例を示す模式的断面図である。 従来技術として引用した特許文献２に開示されている、第１〜第３の光学プレートを接合して構成されたエリアイメージセンサユニットの構成例を示す模式的断面図である。

以下、本発明のマルチコア光ファイバプレート及び画像センサの好適な実施形態を添付図面に基づいて説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。

＜用語「略直角」＞ 本明細書において、「略直角」は、概ね直角であることをいい、８５度以上９５度以下が好ましく、８８度以上９２度以下がより好ましい。

＜マルチコア光ファイバプレート＞ 本発明のマルチコア光ファイバプレートは、２以上のコアと、該コアの外周に形成された少なくとも１層以上のクラッドを有している。２以上のコアと、該コアの外周に形成されたクラッドを有することにより、画像センサで検出した像（検出像）を高解像度で伝送できる。

本発明のマルチコア光ファイバプレートは、図２及び図４に示すように、後述するマルチコア光ファイバ（以下、「ＭＣ−ＯＦ」と略する。）を、２本以上整列してなる形態、或いは又、前記ＭＣ−ＯＦを２本以上束ねて集束してなる形態のマルチコア光ファイバプレートを用いることができる。

本発明のマルチコア光ファイバプレートは、前記ＭＣ−ＯＦの片側一方の入力端面（１）側の光軸（１‘）と他方片側の出力端面（２）側の光軸（２’）が、同一直線状にない構成を有している。なお、前記光軸（１‘）及び前記光軸（２’）の方向は、便宜上、図２（ａ）及び図４（ａ）の模式的断面図に点線で示す。

光軸（１‘）と光軸（２’）が、同一直線状になければ、マルチコア光ファイバプレートの出力端面（２）に受光素子を設けた場合に、マルチコア光ファイバプレートの入力端面（１）の光軸（１‘）に対して平行方向の装置厚みを、前記受光素子の厚みの分だけ薄くできるので、画像センサ装置を薄型化できる。

さらに、本発明のマルチコア光ファイバプレートは、前記光軸（１‘）と前記光軸（２’）が同一平面状にあることが好ましい。前記光軸（１‘）と前記光軸（２’）が同一平面状にあれば、前記光軸に対して垂直方向の装置厚みを薄型化できるので好ましい。

さらに、前記光軸（１‘）と前記光軸（２’）のなす角度は１０度以上９０度以下であることが好ましい。前記光軸（１‘）と前記光軸（２’）のなす角度が１０度以上であれば、マルチコア光ファイバプレートが小さな曲率半径で曲げて使用されたときでも光量の損失（曲げ損失）を抑えることができるので、画像センサの検出像を高解像度で伝送することができる。前記光軸（１‘）と前記光軸（２’）のなす角度が１００度以下であれば、上述した理由により画像センサ装置を薄型化できる。特に、前記光軸（１‘）と前記光軸（２’）が略直角をなすことが好ましい。

前記マルチコア光ファイバプレートの長さをＬ（単位：ｍｍ）、前記マルチコア光ファイバプレートの前記光軸（１‘）及び前記光軸（２’）に垂直な断面の長径（最大フェレ径）をＤ（単位：ｍｍ）としたときに、下記式（１）、（２）及び（３）を満足することが好ましい。 １０≦Ｌ≦１００ （１） １≦Ｄ≦１０ （２） １０≦Ｌ／Ｄ≦１００ （３）

マルチコア光ファイバプレートの長さＬが１０ｍｍ以上であれば、加工性や取り扱い性が良好となるので、画像センサ装置の組み立てが良好となる。また長さＬが１００ｍｍ以下であれば、画像センサで検出した像を光量が低下することなく伝送できるので、検出像を高解像度で伝送できる。

マルチコア光ファイバプレートの長径Ｄが１ｍｍ以上であれば、画像センサで検出した像の光量を十分なものにできるので、検出像を高解像度で伝送できる。また長径Ｄが１０ｍｍ以下であれば、画像センサ装置を小型化できる。

また、マルチコア光ファイバプレートのＬ／Ｄが１０以上であれば、マルチコア光ファイバプレートを屈曲させた状態で、画像センサ装置内に組み付けることが容易になる。また、Ｌ／Ｄが１００以下であれば、画像センサ装置を小型化できる。

＜マルチコア光ファイバ＞ マルチコア光ファイバ（ＭＣ−ＯＦ）は、本発明のマルチコア光ファイバプレートの構成要素の一つであり、２以上のコアと、該コアの外周に形成された少なくとも１層以上のクラッドを有する。

ＭＣ−ＯＦを構成するクラッドは、単層であっても、複数層から形成されていても良い。図１（ａ）又は島部が多層化された図１（ｂ）のような構造においては海部を形成するが、図１（ｃ）のように島部の一部として存在しても良い。その場合、海部にコアおよびクラッドを形成する樹脂とは異なる他の樹脂（保護層）が用いることで、マルチコア光ファイバプレートに十分な耐湿熱性、及び耐薬品性を付与することができる。

本発明のＭＣ−ＯＦを構成するコアの材料（コア材）は特に限定されるものではなくこの分野の当業者が公知技術に基づいて選択すれば良い。具体的には、透光性や加工性に優れることから、ポリメタクリル酸メチル、又は１種類以上のビニル系単量体とメタクリル酸メチルとの共重合体が用いることができる。このような共重合体としては、透明性を十分に確保する点から、メタクリル酸メチル単位の含有量は５０質量％以上が好ましく、６０質量％以上がより好ましく、７０質量％ 以上であればさらに好ましい。

ＭＣ−ＯＦを構成するクラッドの材料は、コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、透光性に優れ、且つ、コアと密着性の良い材料であれば、特に限定されるものではなく、この分野の当業者が公知技術に基づいて選択すれば良い。例えば、コア材がポリメタクリル酸メチルの場合には、ＶｄＦとＴＦＥとの共重合体、ＶｄＦＴＥとＨＦＰとの共重合体等のＶｄＦ単位を含む共重合体、若しくは、下記一般式（Ｉ）

（式中、Ｘは水素原子又はメチル基、Ｙは水素原子又はフッ素原子を示し、ｍは１又は２、ｎは１〜１２の整数を示す。）で表されるフルオロアルキル（メタ）アクリレートの単位（Ａ）１５〜９０質量％と、他の共重合可能な単量体の単位（Ｂ）１０〜８５質量％からなる共重合体等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

ＭＣ−ＯＦを構成する保護層としては、コア材がポリメタクリル酸メチルの場合には、フッ素原子の割合が５９質量％以上であ
る含フッ素オレフィン系共重合体を用いることが好ましい。フッ素原子の割合が５９質量％以上であれば、マルチコア光ファイバプレートに十分な耐湿熱性、及び耐薬品性を付与することができる。具体的には、ＶｄＦとＴＦＥとの共重合体、ＶｄＦとＨＦＰ共重合体、ＶｄＦとＴＦＥとＨＦＰとの共重合体等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

本発明のマルチコア光ファイバプレートは、上述したように、ＭＣ−ＯＦを、２本以上整列してなる形態、或いは又、前記ＭＣ−ＯＦを２本以上束ねて集束してなる形態とすることができる。

前記ＭＣ−ＯＦの繊維軸に垂直な断面において、前記コアの直径は、マルチコア光ファイバプレートの長径並びに必要とされるコアの個数によって決まるが、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲であることが好ましい。直径を０．１ｍｍ以上とすることによって、充分な光量の信号を取り込むことができるので、画像センサで検出した像を高解像度で伝送することが可能となる。また直径を３．０ｍｍ以下とすることで、マルチコア光ファイバプレートが小さな曲率半径で曲げて使用されたときでも光量の損失（曲げ損失）を抑えることができるとともに、前記コア部の面積占有率を十分に大きくできるので、ＭＣ−ＯＦの受光量は十分となり、画像センサの検出像を高解像度で伝送することができる。直径の下限値は０．２ｍｍ以上がより好ましく、上限値は１．０ｍｍ以下がより好ましい。

また、ＭＣ−ＯＦのコアの個数は７個以上１００００個以下であることが好ましい。コアの個数を７個以上とすることにより、コアを六方最密充填構造に配列できる。また、コアの個数を１００００個以下とすることにより、六方最密充填構造に並べた場合のコアの面積占有率が小さくなることによるＭＣ−ＯＦの受光量の低下を抑止できる。コアを六方最密充填構造に配列できるコアの個数は、例えば７個、１９個、３７個、１５１個、２１７個、７０９５個が挙げられるが、これらの数に限定されるものではない。

＜画像センサ＞ 本発明の画像センサは、図３及び図５に示すように、マルチコア光ファイバプレートと、前記マルチコア光ファイバプレートの片側末端に受光素子が結合された構成を有している。

受光素子としては、特に限定されるものではなく、例えばＣＣＤやフォトダイオード、カメラ、ＭＯＳセンサ等の公知の受光素子が挙げられる。

画像センサとしては、画像読み取り装置用のイメージセンサや、指紋認証装置用のタッチセンサ等を挙げることができる。画像読み取り装置用のイメージセンサの一実施形態としては、後述するラインイメージセンサが挙げられる。指紋認証装置用のタッチセンサの一実施形態としては、後述するエリアイメージセンサが挙げられる。

マルチコア光ファイバプレートの入力端面（２）に圧接された対象物（７）の表面の凹凸によって、マルチコア光ファイバプレート外部から入射された図３及び図５に図示されていない照明光が、前記対象物（７）の表面で光の反射と透過散乱を起こし、これに応じた濃淡パターンが形成される。このうち、反射光のみが、束ねられた各ＭＣ−ＯＦ内を全反射を繰り返しながら伝播していき、出力端面（３）から濃淡パターン（検出像）として得られる。そして、現れた濃淡パターンを受光素子（６）によって検出する。

この際、マルチコア光ファイバプレートは１つの部品から形成されているので、光学部品を結合したときに、接合部（５）で光量のロス（結合ロス）が発生するという問題を有さないので、入力端面（２）側から入射された画像情報は、マルチコア光ファイバプレート中を光が伝播するときに、光量が減衰することはないため、入力端面（２）側から入射された画像情報は、解像度が損なわれることなく、出力端面（３）側から検出される。

＜実施形態１：ラインイメージセンサ＞ 以下、本発明の画像センサの一実施形態であるラインイメージセンサについて、添付図面に基づいて説明する。 図２に本発明のマルチコア光ファイバプレートの一実施形態である、ラインイメージセンサ用マルチコア光ファイバプレートの構成例を示す模式的断面図（図２ａ）と模式的斜視図（図２ｂ）を示す。

ＭＣ−ＯＦ（直径１．０ｍｍ、長さ４０ｍｍ、コアの個数：７０９５）を４本平行に並べたシートを、Ｌ字形状（９０度）の型の内部に設置し、エポキシ系接着剤を４本のＭＣ−ＯＦの間の空隙に充填し、硬化した。エポキシ系接着剤の硬化後に、ＭＣ−ＯＦの端面を１０００番以上の研磨紙を用いて研磨した。次いで、前記型から、４本のＭＣ−ＯＦが一体化したマルチコア光ファイバプレート（１）を取り出した。

図３に本発明の画像センサの一実施形態である、ラインイメージセンサの構成例を示す模式的断面図を示す。 ラインイメージセンサは、上述したマルチコア光ファイバプレート（１）の対象物（７）側の入力端面（２）と受光素子（６）側の出力端面（３）の光軸の角度を９０度としたマルチコア光ファイバプレートの片側末端に受光素子（６）を結合して構成している。

マルチコア光ファイバプレートは、１つの部品から形成されているので、光学部品を結合したときの光量のロス（結合ロス）が発生するという問題を有さないので、マルチコア光ファイバプレート中を光が伝播するときに、光量が減衰することはないため、入力端面（２）側から入射された画像情報は、解像度が損なわれることなく、出力端面（３）側から検出される。

ラインイメージセンサは、入力端面（２）と出力端面（３）とを、互いに直交する位置関係に配置することで、所定の設置面と同じ面位置に入力端面（２）を配することができる。また、出力端面（３）に設ける受光素子（６）等は、この設置面の下面に沿って配設することが可能となり、このマルチコア光ファイバプレートを用いて画像読み取り装置用のイメージセンサを構成した場合にも、画像読み取り面をフラットに形成し、しかも装置全体の厚みを薄型化することが可能となる。

＜実施形態２：エリアイメージセンサ＞ 以下、本発明の画像センサの一実施形態であるエリアイメージセンサについて、添付図面に基づいて説明する。 図４に本発明のマルチコア光ファイバプレートの一実施形態である、エリアイメージセンサ用マルチコア光ファイバプレートの構成例を示す模式的断面図（図４ａ）と模式的斜視図（図４ｂ）を示す。

ＭＣ−ＯＦ（直径１．０ｍｍ、長さ４０ｍｍ、コアの個数：７０９５）を４本平行に並べたシートを４枚重ね、Ｌ字形状（９０度）の型の内部に設置し、エポキシ系接着剤を４枚のＭＣ−ＯＦシートの間の空隙に充填し、硬化した。エポキシ系接着剤の硬化後に、ＭＣ−ＯＦの端面を１０００番以上の研磨紙を用いて研磨した。次いで、前記型から、４本のＭＣ−ＯＦからなるＭＣ−ＯＦシート４枚が一体化したマルチコア光ファイバプレート（１）を取り出した。

図５に本発明の画像センサの一実施形態である、エリアイメージセンサの構成例を示す模式的断面図を示す。

エリアイメージセンサは、上述したマルチコア光ファイバプレート（１）の対象物（７）側の入力端面（２）と受光素子（６）側の出力端面（３）の光軸の角度を９０度としたマルチコア光ファイバプレートの片側末端に受光素子（６）を結合して構成している。

マルチコア光ファイバプレートは、１つの部品から形成されているので、光学部品を結合したときの光量のロス（結合ロス）が発生するという問題を有さないので、マルチコア光ファイバプレート中を光が伝播するときに、光量が減衰することはないため、入力端面（２）側から入射された画像情報は、解像度が損なわれることなく、出力端面（３）側から検出される。

エリアイメージセンサは、入力端面（２）と出力端面（３）とを、互いに直交する位置関係に配置することで、所定の設置面と同じ面位置に入力端面（２）を配することができる。また、出力端面（３）に設ける受光素子（６）等は、この設置面の下面に沿って配設することが可能となり、このマルチコア光ファイバプレートを用いて指紋認証装置用のタッチセンサを構成した場合にも、タッチ面をフラットに形成し、しかも装置全体を薄型に形成することが可能となる。

本発明により得られた光ファイバプレートは、結合ロスによる光量の低下がないので、画像読み取り装置用のイメージセンサや、指紋認証装置用のタッチセンサ等の検出像に高解像度が要求され、装置全体の薄型化が要求される用途に好適に用いることができる。

１ マルチコア光ファイバプレート ２ 入力端面 ３ 出力端面 ４ マルチコア光ファイバ ５ 接合部 ６ 受光素子 ７ 対象物 ８ 第１光ファイバプレート ９ 第２光ファイバプレート １０ 第３光ファイバプレート １１ コア １２ クラッド

Claims (7)

1. ２以上のコアと、該コアの外周に形成された少なくとも１層以上のクラッドを有するマルチコア光ファイバプレートであって、 前記マルチコア光ファイバプレートは可撓性を有さず、 前記マルチコア光ファイバプレートの片側一方の入力端面（１）側の光軸（１‘）と他方片側の出力端面（２）側の光軸（２’）が、同一直線状にないマルチコア光ファイバプレート。
2. 前記光軸（１‘）と前記光軸（２’）が同一平面状にあり、且つ、前記光軸（１‘）と前記光軸（２’）のなす角度が１０度以上９０度以下である、請求項１に記載のマルチコア光ファイバプレート。
3. 前記光軸（１‘）と前記光軸（２’）が略直角をなす、請求項２に記載のマルチコア光ファイバプレート。
4. 前記マルチコア光ファイバプレートの長さをＬ（単位：ｍｍ）、前記マルチコア光ファイバプレートの前記光軸（１‘）及び前記光軸（２’）に垂直な断面の長径（最大フェレ径）をＤ（単位：ｍｍ）としたときに、下記式（１）、（２）及び（３）を満足する、請求項１〜３のいずれかに記載のマルチコア光ファイバプレート。 １０≦Ｌ≦１００ （１） １≦Ｄ≦１０ （２） １０≦Ｌ／Ｄ≦１００ （３）
5. ２以上のコアと該コアの外周に形成された少なくとも１層以上のクラッドを有するマルチコア光ファイバを、２本以上整列してなる、請求項１〜４のいずれかに記載のマルチコア光ファイバプレート。
6. ７以上１００００以下のコアと、該コアの外周に形成された少なくとも１層以上のクラッドを有するマルチコア光ファイバを、２本以上集束してなる、請求項１〜５のいずれかに記載のマルチコア光ファイバプレート。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のマルチコア光ファイバプレートと、前記マルチコア光ファイバプレートの片側末端に結合された受光素子を含む画像センサ。

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