JP3839664B2 - 光学素子並びにこれを用いた撮像装置 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、光学素子並びにこれを用いた撮像装置に関するものである。
背景技術
光イメージを伝送する光学部材として、複数の光ファイバを互いに平行に配置して一体成形した光学部材が知られている。また、上記光学部材の一方の端面を光軸に対して垂直にカットし、他方の端面を光軸に対して斜めにカットした光学素子が、例えば特開昭６０−１９４４２９号公報に開示されている。かかる光学素子は、上記一方の端面に入射した光イメージを、特定の方向に任意の倍率に拡大（または縮小）して伝送することができる。
発明の開示
しかし、上記光学素子は、拡大率を大きくするために上記他方の端面と光軸とのなす角を小さくすると、上記他方の端面から出射される出射イメージが不鮮明になるという問題点があった。そこで、本発明は、鮮明な出射イメージを得ることができる光学素子を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、本発明の光学素子は、複数の光ファイバを互いに平行に配置して一体成形され、光軸とそれぞれα_１、β_１の角度で交差する第１の端面、第２の端面を有する第１の光学部材と、複数の光ファイバを互いに平行に配置して一体成形され、光軸とα_２の角度で交差する第３の端面と、前記第３の端面に平行な第４の端面とを有する第２の光学部材とを備え、前記第２の端面と前記第３の端面は接しており、前記β_１は、前記α_２よりも小さく、前記第１の光学部材の光軸と前記第２の光学部材の光軸とのなす角θ_１は、β_１とα_２との差の角度となっており、前記α_２は、鋭角であることを特徴としている。
第１の光学部材の第２の端面に接して、上記構成の第２の光学部材を設けることで、上記第２の光学部材の第４の端面から出射される光イメージの出射方向は、第４の端面の法線方向に近くなる。従って、上記第２の端面と光軸との角度が極めて小さい場合であっても、第４の端面から鮮明な光イメージを得ることが可能となる。
発明を実施するための最良の形態
（１）本発明の実施形態に係る光学素子
本発明の実施形態に係る光学素子について図面を参照して説明する。まず本実施形態に係る光学素子の構成について説明する。光学素子１０は、図１に示すように、入力用光学部材１１と出力用光学部材１２を備えて構成されている。
入力用光学部材１１及び出力用光学部材１２は、複数の光ファイバを互いに平行に配置して一体成形されている。各光ファイバ１４の径は、３〜１０μｍ程度であり、各光学部材を構成する光ファイバ１４のコア１４ａの屈折率、クラッド１４ｂの屈折率、開口数は表１に示すとおりである。

また、入力用光学部材１１及び出力用光学部材１２を構成する各光ファイバ１４の間隙には、光吸収材１５が充填されている。
入力用光学部材１１は、光軸（光学部材を構成する光ファイバの光軸）に対して、９０°の角度をもってカットされた入射面１１ａと、２０°の角度をもって斜めにカットされた出射面１１ｂを有しており、入射面１１ａ及び出射面１１ｂは、光学研磨がなされている。
出力用光学部材１２は、光軸と５５°の角度で交差する入射面１２ａと、入射面１２ａに平行な出射面１２ｂとを有しており、入射面１２ａ及び出射面１２ｂは、光学研磨がなされている。ここで、入力用光学部材１１の光軸と出射面１１ｂとのなす角は、出力用光学部材１２の光軸と入射面１２ａとのなす角よりも小さくなっている。
入力用光学部材１１の出射面１１ｂと出力用光学部材１２の入射面１２ａは接している。従って、入力用光学部材１１の入射面１１ａに入射した光イメージは、出力用光学部材１２の出射面１２ｂまで伝送される。
ここで、入力用光学部材１１の入射面１１ａ、出射面１１ｂ及び出力用光学部材１２の入射面１２ａ、１２ｂはともに、図１のｘｚ平面と垂直になっており、各光学部材を構成する光ファイバ１４の光軸は、図１のｘｚ平面に平行となっている。
図２は、光学素子１０をｘｚ平面に平行な平面で切断したときの模式断面図である。尚、図２は、各光学部材の光軸の関係を表す模式断面図であり、各光学部材は、実際には数千の光ファイバの束となっている。ここで、入力用光学部材１１の光軸と出力用光学部材１２の光軸とのなす角は、出力用光学部材１２の光軸と入射面１２ａとのなす角である５５°と入力用光学部材１１の光軸と出射面１１ｂとのなす角である２０°との差の角度である３５°となっている。
例えば、所定の画像パターンを拡大して観察するために光学素子１０を用いるときは、図３に示すようにすればよい。すなわち、所定のパターンを有する遮光板４等にＬＥＤ５等から光を照射して、入力用光学部材１１の入射面１１ａに上記所定の入力パターンを形成する光イメージを入射させる。当該光イメージは、入力用光学部材１１、出力用光学部材１２内を伝送し、出力用光学部材１２の出射面１２ｂから、拡大されて出射される。従って、図３に示すように、出力用光学部材１２の出射面１２ｂに略垂直な方向６から出力用光学部材１２の出射面１２ｂを観察することで、入力パターンを拡大した出力イメージを観察することができる。
次に、本実施形態に係る光学素子の作用について説明する。まず、図４に示すように、空気中から入力用光学部材１１の入射面１１ａに入射した光が、入力用光学部材１１を構成する光ファイバ１４０コア−クラッド界面で屈折、反射しながら伝搬する場合について考える。入力用光学部材１１を構成する光ファイバ１４のコア１４ａの屈折率をｎ_１１、クラッド１４ｂの屈折率をｎ_１２、コア１４ａからクラッド１４ｂへの入射角をε_１とすると、コア−クラッド界面における全反射条件
ｓｉｎε_１＞ｎ_１２／ｎ_１１ （１）
を満たすような光のみが、入力用光学部材１１を構成する光ファイバ１４内を伝搬する。
本実施形態にかかる光学素子１０においては、ｎ_１１＝１．８２、ｎ_１２＝１．４９５であるので、ε_１が５５°以上となる光は、入力用光学部材１１を構成する光ファイバ１４内を伝搬する。すなわち、図４の斜線部に示すように、光軸とのなす角が３５°以下となるような光のみが入力用光学部材１１を構成する光ファイバー４内を伝搬することになる。
また、入力用光学部材１１の入射面１１ａは、図１のｘｚ平面に垂直で、かつ、入力用光学部材１１の光軸に対して垂直であり、また、入力用光学部材１１の出射面１１ｂは、ｘｚ平面に垂直で、かつ、入力用光学部材１１の光軸と２０°の角度をなしていることより、入力用光学部材１１は、入射面１１ａに入射した光イメージを、図１のａ軸方向に約２．９２（１／ｓｉｎ２０°）倍に拡大して出力する作用がある。
続いて、入力用光学部材１１の出射面１１ｂから出射した光が、出力用光学部材１２を構成する光ファイバ１４のコア−クラッド界面で屈折、反射しながら伝搬する場合について考える。
ここでまず、比較のために、出力用光学部材１２を備えていない場合について考えてみる。出力用光学部材１２を備えていない場合は、入力用光学部材１１の出射面１１ｂに到達した光は、以下のように進行する。すなわち、入力用光学部材１１を構成する光ファイバ１４のコア１４ａの屈折率ｎ_１１、空気の屈折率ｎ_０とすれば、光ファイバ１４のコア１４ａから空気中に光が出射される場合の臨界角ζ_ｍａｘは、
ｎ_０ｓｉｎ９０°＝ｎ_１１ｓｉｎζ_ｍｓｘ （２）
を満たす。ここで、ｎ_１１＝１．８２、ｎ_０＝１．００とすると、臨界角ζ_ｍａｘは約３３．３°となる。また、本実施形態に用いる入力用光学部材１１においては、すでに説明したとおり、光軸とのなす角が３５°以下となるような光のみが光ファイバ１４内を伝搬する。従って、図５の斜線部に示すような、光ファイバ１４内を伝搬してきた光は、入力用光学部材１１の出射面１１ｂで全反射し、外部に出射されない。その結果、入力用光学部材１１の出射面１１ｂには、出射イメージが形成されないか、あるいは著しく暗いイメージとなる。
これに対し、本実施形態に係る光学素子１０の如く、出力用光学部材１２を備えて構成される場合、入力用光学部材１１の出射面１１ｂから出力用光学部材１２の入射面１２ａに入射した光は、その入射角に応じて様々に振る舞う。以下詳細に説明する。
入力用光学部材１１においては、光軸とのなす角が３５°以下となるような光のみが光ファイバ１４内を伝搬することは上述の通りであるが、図６に示すように、入力用光学部材１１の光軸と３５°の角度をなし、３５°の入射角を持って出力用光学部材１２に入射した光は、出力用光学部材１２を構成する光ファイバ１４のコア１４ａの屈折率ｎ_２１が入力用光学部材１１を構成する光ファイバ１４のコア１４ａの屈折率ｎ_１１と等しいことから、入力用光学部材１１と出力用光学部材１２との界面で屈折せずに直進する。さらに、出力用光学部材１２の出射面１２ｂから空気中に光が出射される場合の臨界角も、上記ζ_ｍａｘと同様に３３．３°であるため、出力用光学部材１２を構成する光ファイバ１４のコア１４ａ内を進行してきた光は、出力用光学部材１２の出射面１２ｂで全反射し、外部には出射されない。
同様に、図７に示すように入力用光学部材１１の光軸と３３．３°の角度をなし、３６．７°の入射角を持って出力用光学部材１２に入射した光、図８に示すように入力用光学部材１１の光軸と平行に出力用光学部材１２に入射し、かつ、出力用光学部材１２を構成する光ファイバ１４のコア−クラッド界面で偶数回だけ反射した光などは、出力用光学部材１２の出射面１２ｂで全反射し、外部には出射されない。
また、図９に示すように、入力用光学部材１１の光軸と１０°の角度をなし、８０°の入射角を持って出力用光学部材１２に入射した光などは、出力用光学部材１２を構成する光ファイバ１４のコア−クラッド界面で全反射条件を満たさず、減衰、消滅する。
しかし、図１０に示すように、入力用光学部材１１の光軸とに平行に出力用光学部材１２に入射し、かつ、出力用光学部材１２を構成する光ファイバ１４のコア−クラッド界面で奇数回だけ反射した光などは、出力用光学部材１２の出射面１２ｂの法線方向に出射される。より具体的には、入力用光学部材１１を構成する光ファイバ１４内を伝搬してきた光軸とのなす角が３５°以下である光のうち、３６．７°〜７０°の入射角を持って出力用光学部材１２に入射し、かつ、出力用光学部材１２を構成する光ファイバ１４のコアークラッド界面で奇数回だけ反射した光は、０°〜９０°の範囲の出射角を持って出力用光学部材１２の出射面１２ｂから出射されることになる。
続いて、本実施形態に係る光学素子の効果について説明する。本実施形態に係る光学素子１０は、入力用光学部材１１の出射面１１ｂに接して、上記構成の出力用光学部材１２を設けることで、出力用光学部材１２の出射面１２ｂから出射される光イメージの出射方向を、出力用光学部材１２の出射面１２ｂの法線方向に近くすることができる。その結果、入射イメージの拡大率を大きくするために入力用光学部材１１の出射面１１ｂと光軸とのなす角を極めて小さくした場合であっても、出力用光学部材１２の出射面１２ｂから鮮明な拡大イメージを得ることが可能となる。
上記実施形態に係る光学素子１０においては、入力用光学部材１１の光軸と入射面１１ａ、出射面１１ｂとのなす角、出力用光学部材１２の光軸と入射面１２ａ、出射面１２ｂとのなす角について様々な変形が考えられる。
入力用光学部材１１の光軸と入射面１１ａ、出射面１１ｂとのなす角を適宜調節することで、任意の拡大率を得ることが可能となる。
また、出力用光学部材１２の光軸と入射面１２ａとのなす角（＝出射面１２ｂとのなす角）αを様々に変化させた場合における、出力用光学部材１２の出射面１２ｂから外部に光が出射されるような入射面１２ａへの入射角ζの範囲、出力用光学部材１２の出射面１２ｂから外部に光が出射されるような入射面１２ａへの入射角ζの範囲の大きさΔζ、出力用光学部材１２の出射面１２ｂから外部に出射される光の出射角ξの範囲、及び、出力用光学部材１２の出射面１２ｂから外部に出射される光の出射角ξの範囲の大きさΔξを表２に示す。

表２より、出力用光学部材１２の光軸と入射面１２ａとのなす角αを５５°よりも小さく、あるいは大きくすると、Δζが小さくなり、伝達効率が悪くなる。ただし、出力用光学部材１２の光軸と入射面１２ａとのなす角αを大きくすると、出力用光学部材１２の出射面１２ｂから出射される光の出射方向が、出力用光学部材１２の出射面１２ｂの法線方向により多く分布するようになる。また、出力用光学部材１２の光軸と入射面１２ａとのなす角αを９０°とすると、出力用光学部材１２に入射した光は、出力用光学部材１２の出射面１２ｂで全て全反射してしまい、外部には出射されない。
また、上記実施形態に係る光学素子１０は、出力用光学部材１２の出射面１２ｂから光イメージを入力することで、入射イメージを縮小して出力する光学素子としても使用できる。
（２）本発明の実施形態に係る光学素子を用いた撮像装置
続いて、上記実施形態に係る光学素子を用いた撮像装置について、図面を参照して説明する。まず上記実施形態に係る光学素子を用いた撮像装置の構成について説明する。撮像装置１００は、図１１に示すように上記光学素子１０（すなわち、入力用光学部材１１及び出力用光学部材１２を備えた光学素子１０）と、上記出力用光学部材１２の出射面１２ｂに接して設けられたＣＣＤ１０１とを備えて構成される。ここで、より具体的には、出力用光学部材１２の出射面１２ｂはＣＣＤ１０１の受光面と接している。
さらに、入力用光学部材１１の表面のうち入射面１１ａと出射面１１ｂとを除く全表面（以下側面という）、及び、出力用光学部材１２の側面には、遮光材が設けられている。
各光学部材の側面に遮光材を設ける方法としては、各光学部材の入射面と出射面をマスクした後に、側面に遮光剤（例えば黒色のペイント）を吹き付ける方法、側面に遮光剤を刷毛で塗布する方法、遮光剤の満たされた容器内に光学部材を浸ける方法等によって行うことができる。
続いて上記実施形態に係る光学素子を用いた撮像装置の作用、効果について説明する。撮像装置１００は、上記光学素子１０を備えて構成されることから、入力用光学部材１１の入射面１１ａに入射した光イメージを出力用光学部材１２の出射面１２ｂまで拡大、伝送し、出力用光学部材１２の出射面１２ｂから明瞭な光イメージとして出力することができる。
また、撮像装置１００は、出力用光学部材１２の出射面１２ｂに接してＣＣＤ１０１を設けることで、出力用光学部材１２の出射面１２ｂまで伝送した光イメージを撮像することができる。
さらに、撮像装置１００は、各光学部材の側面に遮光材１０２を設けていることで、各光学部材の内部に側面から光が入射することが防止され、Ｓ／Ｎ比を高めることができる。
その結果、撮像装置１００は、明瞭でコントラスト、解像度の高い拡大イメージを撮像することが可能となる。
また、上記実施形態に係る光学素子１０を構成する入力用光学部材１１の入射面１２ａ接してＣＣＤ１０１を設けた、図１２に示すような撮像装置１１０を構成することも可能である。
さらに、上記撮像素子１００、または１１０においては、ＣＣＤ１００を光学素子１０に接して設けていたが、光学素子１０から出力された出力イメージを、レンズ等を介してＣＣＤ１０１に入射させても良い。
産業上の利用の可能性
本発明の光学素子は、上記のように、例えば撮像装置に用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
図１は、光学素子の斜視図である。
図２は、光学素子の模式断面図である。
図３は、光学素子の使用説明図である。
図４は、光学素子内の光の伝搬を示す説明図である。
図５は、光学素子内の光の伝搬を示す説明図である。
図６は、光学素子内の光の伝搬を示す説明図である。
図７は、光学素子内の光の伝搬を示す説明図である。
図８は、光学素子内の光の伝搬を示す説明図である。
図９は、光学素子内の光の伝搬を示す説明図である。
図１０は、光学素子内の光の伝搬を示す説明図である。
図１１は、撮像装置の構成図である。
図１２は、撮像装置の構成図である。

Claims (4)

1. 複数の光ファイバを互いに平行に配置して一体成形され、光軸とそれぞれα₁、β₁の角度で交差する第１の端面、第２の端面を有する第１の光学部材と、
   複数の光ファイバを互いに平行に配置して一体成形され、光軸とα_２の角度で交差する第３の端面と、前記第３の端面に平行な第４の端面とを有する第２の光学部材と
   を備え、
   前記第２の端面と前記第３の端面は接しており、
   前記β_１は、前記α_２よりも小さく、
   前記第１の光学部材の光軸と前記第２の光学部材の光軸とのなす角θ_１は、β₁とα_２との差の角度となっており、
   前記α_２は、鋭角である
   ことを特徴とする光学素子。
2. 前記α_１は、９０゜である
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 請求項１または２に記載の光学素子と、
   前記第４の端面側に設けられた撮像素子と
   を備えたことを特徴とする撮像装置。
4. 請求項１または２に記載の光学素子と、
   前記第１の端面側に設けられた撮像素子と
   を備えたことを特徴とする撮像装置。

Images