JP4012686B2 - 光学部品 - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は、複数の光ファイバを配列してなる光学部品に関するものである。
背景技術
光イメージを伝送させる光学部品として、複数の光ファイバを配列して形成した光学部品が広く知られている。上記光学部品は、各光ファイバのコアとクラッドが露出した入射面と出射面とを有し、入射面に入射した光イメージを出射面に伝送することを可能としている。
また、上記光学部品は、伝送効率が高い、レンズと比較して光学系の小型化が可能である、など種々の利点を有するため、指紋検出装置をはじめとして様々な分野に利用されている。
発明の開示
上記光学部品の製造は、通常、断面が円形または正方形の複数の光ファイバを配列して束ね、一体成形することにより行う。従って、一体成形の際の抑圧により、上記光学部品を構成する光ファイバのコアの断面は、正方形、六角形などのように互いに平行となる対辺を有する多角形となり、以下に示すような問題が生ずる。
すなわち、特定の入射角をもって入射面に入射した光は、互いに平行となる対面で反射を繰り返し、特定の出射角をもって出射面から出射する。その結果、出射面から出射される出力イメージに、特定の出射角にのみ強度を有するパターンが形成され、このパターンがノイズとなって光学部品の解像度を低下させる。
そこで本発明は、かかる問題点を解決し、パターンノイズの発生を防止して解像度の高い光学部品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、本発明の光学部品は、複数の光ファイバを配列してなる光学部品であって、各光ファイバのコアの断面形状が略扇形であることを特徴としている。各光ファイバのコアの断面形状を略扇形とすることで、コア内を進行する光が、コア内の平行な対面によってのみ反射・進行する状況を回避できるため、特定の出射角にのみ強度を有するパターンが形成されることが無くなる。その結果、パターンノイズが防止され、解像度の高い出力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
本発明の第１の実施形態にかかる光学部品を図面を用いて説明する。まず、本実施形態にかかる光学部品の構成について説明する。図１Ａは、本実施形態にかかる光学部品の斜視図であり、図１Ｂは、図１ＡのＩ−Ｉ線（ｘ軸に平行な直線）に沿った拡大断面図である。
光学部品１０は、コアの断面形状が半円形（中心角が１８０°の扇形）である複数の光ファイバを互いに平行に配列して形成されている。各光ファイバは、光軸が図１Ａのｙ軸と平行になるように配列されており、光学部品１０は、光軸に対して斜めにカットされた入射面１０ａと、光軸に対して垂直にカットされた出射面１０ｂとを有し、入射面１０ａに入射した入力パターンを縮小して出射面１０ｂから出力させることができるようになっている。
光学部品１０の断面は、図１Ｂに示すようになっている。すなわち、断面が半円形であるコア１４を有する光ファイバを、断面が略円形になるように２つ組み合わせた光ファイバ対が、規則的に配列されている。ここで、上記光ファイバ対は規則的に配列されているが、上記光ファイバ対を構成する、半円形の断面形状を有する２つのコア１４の向きは、図１Ｂに示すように、各光ファイバ対毎にランダムとなっている。ここでランダムとは、互いに隣接して配置される光ファイバ対のうち少なくとも一つは、当該光ファイバ対を構成する２つのコア１４の対向する方向が異なっていることを意味する。また、各光ファイバのクラッド１６は、加熱・加圧処理により一体化され、当該光ファイバ対を構成する２つの光ファイバのコア１４間の間隙、及び、隣接する光ファイバ対間の間隙を埋めるように設けられている。
ここで、コア１４は例えば屈折率が１．８２のバリウム−ランタン系ガラスからなっており、クラッド１６は例えば屈折率が１．４９５のホウケイ酸ガラスからなっている。また、コア１４の直径は６μｍ程度となっており、クラッド１６のうち２つのコア１４の間隙に設けられた部分は、光学部品１０において通常使用される波長（５５０ｎｍ）の１／３以上である０．５μｍ程度の厚みを有している。さらに、隣接する光ファイバ対は、クラッド１６を介して、コア１４の間隙に設けられた部分と同様に、０．５μｍ程度以上隔てられている。
また、クラッド１６の部分には、各光ファイバの軸方向にのびる光吸収体１７（光吸収材）が挿入されている。クラッド１６の部分に光吸収体１７を挿入することにより、クラッド１６内に漏れた迷光、若しくは、側面（入射面と出射面以外の面）から光学部品１０内に侵入した光を効果的に除去することが可能となり、出力パターンの解像度を高めることができる。
続いて、本実施形態に係る光学部品の製造方法について説明する。図２Ａ〜Ｆは、光学部品１０を構成する光ファイバ対の製造工程図、図２Ｇ〜Ｊは、各工程で製造される母材等の断面図である。
光学部品１０を構成する光ファイバを製造するには、まず、通常の光ファイバの製造と同様に、円柱形状を有するコア母材１８を製造する（図２Ａ、図２Ｇ）。コア母材１８は、例えば屈折率が１．８２のバリウム−ランタン系ガラスから形成され、その側面はセリア研磨などの方法によって研磨される。
続いて、上記工程で製造されたコア母材１８を、ダイヤモンドカッター等で縦（円柱形状の底面に垂直方向）に切断し、半円柱形状を有する２つのコア母材２０及び２２に分割する（図２Ｂ、図２Ｈ）。この際、切断面はセリア研磨などの方法によって研磨される。
続いて、図２Ｃに示すような板状のクラッド母材２４を、２つのコア母材２２及び２４の間に挟む（図２Ｄ、図２Ｉ）。ここで、クラッド母材２４は、例えば屈折率が１．４９５のホウケイ酸ガラスから形成される。
続いて、上記工程で製造された、板状のクラッド母材２４を２つのコア母材２２及び２４の間に挟んだものを、図２Ｅに示すようなパイプ形状を有するクラッド母材２６に装填し、光ファイバ対製造用の母材２８を製造する（図２Ｆ、図２Ｊ）。ここで、クラッド母材２６も、上記クラッド母材２４と同様に、例えば屈折率が１．４９５のホウケイ酸ガラスから形成され、クラッド母材２６の一方の底部２６ａは、バーナーによる溶融などの方法によって封止される。
その後、上記母材２８を線引きして光ファイバ対を製造する。この方法によって製造された光ファイバ対の断面を拡大したものを図３に示す。当該光ファイバ対３０は、断面が半円形である２つのコア１４が対向して配置され、２つのコア１４の間隙及び２つのコア１４の周囲（上記間隙以外の部分）にクラッド１６が設けられた形状となっている。ここで、クラッド１６のうちコア１４の周囲に設けられた部分は、光学部品１０の製造の際、隣接する光ファイバ対３０との間隙を埋めることができる程度に十分な厚みを有している。また、クラッド１６のうち２つのコア１４の間隙に設けられた部分は、当該２つのコア１４を仕切るクラッドとして作用するために十分な厚みを有しており、光学部品１０を用いて伝送させる光の波長の１／３以上の厚みを有していることが望ましい。光ファイバ対３０の具体的形状は、コア１４の直径が６μｍ程度、クラッド１６のうちコア１４の周囲に設けられた部分の厚みが０．２５μｍ程度となっており、また、使用波長が５５０ｎｍであることを考慮して、クラッド１６のうち２つのコア１４の間隙に設けられた部分の厚みが０．５μｍ程度となっている。
ここで注意すべきこととして、屈折率差による光路方向変更を目的として２つのコア１４を仕切る仕切りが設けられることがあるが、かかる仕切りは、厚さが非常に薄いのでクラッドとしての作用を奏さず、２つのコアが、断面が円形の１つのコアとして作用するため、以下に説明する本実施形態のような作用、効果は得られない。
上記工程によって製造された複数本の光ファイバ対３０を、棒状の光吸収体１７を適宜挿入しつつ、互いに平行に配置し、加熱・加圧処理により一体成形することで、光学部品１０が製造される。
続いて、本実施形態にかかる光学部品の作用について説明する。ここで、まず、従来技術にかかる光学部品の問題点について明らかにしておく。従来技術にかかる光学部品の製造は、通常、断面が円形または正方形の複数の光ファイバを互いに平行に配置して束ね、一体成形することにより行う。また、光学部品の解像度を向上させるために、上記束ねられた光ファイバ群をさらに線引きしたもの（マルチファイバ）を平行に配置して束ねて一体成形したり、上記の線引き工程と束ねる工程を複数回繰り返したもの（マルチマルチファイバ）を一体成形することにより光学部品を製造することもある。
上記製造方法により光学部品を製造する際の、各光ファイバのコアの断面形状の変化を図１０Ａ〜Ｃ、図１１Ａ〜Ｃ及び図１２Ａ〜Ｃに示す。図１０Ａ〜Ｃは、コア２の断面が円形の光ファイバ４を四方配置して光学部品６を形成した場合の、コア２の断面形状の変化を示している。コア２の断面が円形の光ファイバ４を四方配置して光学部品６を形成した場合は、図１０Ａ〜Ｃに示すように、光ファイバ４を束ねて一体成形する際の加熱・加圧処理により、各光ファイバ４のコア２の断面が略正方形に変形する。
ここで、変形の度合いは、上記加熱・加圧処理時の温度下での光ファイバ４のコア２とクラッド８の硬さによって異なる。コア２がクラッド８と比較して極めて硬い場合は、コア２の断面を円形に維持できるが、隣接するコア２同士の接触を避けるため、コア２をクラッド８と比較して極端に硬くすることは実用上困難である。
図１１Ａ〜Ｃは、コア２の断面が円形の光ファイバ４を六方配置して光学部品６を形成した場合の、コア２の断面形状の変化を示している。この場合は光ファイバ４を束ねて一体成形する際の加熱・加圧処理により、各光ファイバ４のコア２の断面が略正六角形に変形する。また、図１２Ａ〜Ｃは、コア２の断面が正方形の光ファイバ４を四方配置して光学部品６を形成した場合の、コア２の断面形状の変化を示している。この場合は、各光ファイバ４を配置した際に隣接するクラッド８間の隙間が無くなるため、光ファイバ４を束ねて一体成形する際の加熱・加圧処理後も、コア２の断面は正方形に維持される。
上記のように製造される光学部品６は、各光ファイバ４のコア２の断面が正方形、六角形などのような、互いに平行となる対辺を有する多角形となるため、以下に示すような問題がある。すなわち、光学部品６の入射面に入射した光のコア２内の進行は、図１３Ａ〜Ｃに示すような螺旋状の進行と、図１４Ａ〜Ｃに示すような帯状の進行の双方が発生しうる。ここで、図１３Ａ〜Ｃ及び図１４Ａ〜Ｃ中の白抜き丸印及び黒丸印は、光の入射位置を示している。
図１３Ａは、光学部品６の入射面（コア２の入射面）６ａに入射した光のコア２内の進行の様子を示しており、図１３Ｂは当該光の進行の軌跡を入射面６ａと平行な平面に射影した図である。図１３Ａ及びＢに示すように、光学部品６の入射面６ａにランダムな入射角（図１４Ａ〜Ｃを用いて説明する特定の入射角を除く）で入射した光は、コア２内を螺旋状に進行する。その結果、図１３Ｃに示すように、光学部品６の入射面６ａに一定の入射角θで光が入射した場合であっても、その入射した位置の違いにより、光学部品６の出射面６ｂから様々な出射角で出射される。
一方、図１４Ａ及びＢに示すように、光学部品６の入射面６ａに特定の入射角（光がコア２の平行な対面によってのみ反射・進行するような入射角）で入射した光は、コア２内を帯状に進行する。その結果、図１４Ｃに示すように、光学部品６の入射面６ａに一定の入射角θで光が入射した場合は、その入射した位置の違いによらず、光学部品６の出射面６ｂからもθの出射角で出射されることになる。従って、光学部品６の出射面６ｂから出射される出力イメージに、特定の出射角にのみ強度を有するパターンが形成され、このパターンがノイズとなって光学部品６の解像度を低下させる。特に、マルチファイバ（マルチマルチファイバも同様）を一体成形することにより製造された光学部品は、当該マルチファイバの中央部と縁部とでコア２の変形の度合いが異なるため、この変形の度合いの相違に起因して、当該マルチファイバの断面形状に応じたパターンノイズが発生し、光学部品６の解像度が著しく低下する。
これに対して、本実施形態にかかる光学部品１０の場合について考える。図４及び図５は、光学部品１０の入射面（コア１４の入射面）１０ａに入射し、コア１４内を進行する光の軌跡を入射面１０ａと平行な平面に射影した図である。ここで、図４及び図５中の白抜き丸印は、光の入射位置を示している。コア１４の断面は、半円形状となっており、互いに平行となる対辺を有しないため、光学部品１０の入射面１０ａから入射した光がコア１４の平行な対面によってのみ反射して帯状に進行するという現象が無くなる。すなわち、図４及び図５に示す軌跡から分かるように、コア１４内を進行する光は、コア１４とクラッド１６との界面に様々な角度で入射し、また、様々な角度で反射する。
従って、光学部品１０の入射面１０ａに一定の入射角θで光が入射した場合であっても、その入射した位置の違いにより、光学部品１０の出射面１０ｂから様々な出射角で光が出射され、特定の出射角にのみ強度を有するパターンが形成されることが無くなる。
続いて、本実施形態にかかる光学部品の効果について説明する。光学部品１０は、光学部品１０を構成するコア１４の断面を半円形としたことにより、特定の出射角にのみ強度を有するパターンが形成されることが無くなる。その結果、パターンノイズの発生を防止することが可能となり、光学部品１０の出射面１０ｂからは、解像度の高い出力イメージを得ることが可能となる。
また、仮に、加熱・加圧処理時に、コア１４が多少の変形を受け、コア１４の断面の一部に平行な対辺が生じた場合であっても、コア１４の断面として現れる半円形の向きが、各光ファイバ対によってランダムとなっているため、特定の出射角にのみ強度を有するパターンが形成することを防止することができ、解像度の高い出力イメージを得ることが可能となる。
本実施形態にかかる光学部品１０は、以下に示す方法によっても製造することができる。図６Ａ〜Ｆは、光学部品１０を構成する光ファイバ対の製造工程図、図６Ｇ〜Ｊは、各工程で製造される母材等の断面図である。
本製造方法が、すでに図２Ａ〜Ｊを用いて説明した製造方法と異なる点は以下の通りである。すなわち、上記製造方法においては、図２Ｃに示すような板状のクラッド母材２４を、２つのコア母材２２及び２４の間に挟み（図２Ｄ、図２Ｉ）、これをクラッド母材２６に装填して光ファイバ対製造用の母材２８を製造していた（図２Ｆ、図２Ｊ）。これに対して、本製造方法においては、図６Ｃに示すように板状のクラッド母材２４と、棒状の光吸収体１７をクラッド材で覆った２本の棒状部材３２とを用い、クラッド母材２４を２つのコア母材２２及び２４の間に挟むとともに２本の棒状部材３２をクラッド母材２４の両側部に配置し（図６Ｄ、図６Ｉ）、これをクラッド母材２６に装填して光ファイバ対製造用の母材３４を製造する。かかる光ファイバ対製造用の母材３４を線引きして互いに平行に配置し、加熱・加圧処理により一体成形することで、光学部品１０が製造される。
上記母材３４を用いて製造された光学部品３６の断面も、図７に示すように、断面が略半円形であるコア１４を有する光ファイバを、断面が略円形になるように２つ組み合わせた光ファイバ対が、規則的に配列された形状となっている。ここで、母材３４に光吸収体１７を挿入して線引き、加熱・加圧処理等を行った結果、断面が略半円形であるコア１４の底辺の両端部に小さなへこみ部が形成されるが、光吸収体１７の径がコア１４の径（上記底辺の長さ）と比較して極めて小さいため、当該コア１４の断面は、実質的に半円形とみなすことができる。
続いて、本発明の第２の実施形態にかかる光学部品を図面を用いて説明する。本実施形態にかかる光学部品４０が第１の実施形態にかかる光学部品１０と構成上異なる点は、第１の実施形態にかかる光学部品１０が、コア１４の断面形状が半円形である複数の光ファイバを互いに平行に配置して形成されていたのに対し、本実施形態にかかる光学部品４０は、コアの断面形状が１／３円形（中心角が１２０度の扇形）である複数の光ファイバを互いに平行に配置して形成されている点である。
光学部品４０の断面は、図８に示すようになっている。すなわち、断面が１／３円形であるコア１４を有する光ファイバを、断面が略円形になるように３つ組み合わせた光ファイバ組が、規則的に配列されている。ここで、上記光ファイバ組は規則的に配列されているが、上記光ファイバ組を構成する、１／３円形の断面形状を有する３つのコア１４の向きは、図８に示すように、各光ファイバ組毎にランダムとなっている。ここでランダムとは、互いに隣接して配置される光ファイバ対のうち少なくとも一つは、当該光ファイバ対を構成する３つのコア１４の中心角の向く方向が異なっていることを意味する。また、各光ファイバのクラッド１６は、加熱・加圧処理により一体化され、当該光ファイバ組を構成する３つの光ファイバのコア１４間の間隙、及び、隣接する光ファイバ組間の間隙を埋めるように設けられている。
本実施形態にかかる光学部品４０は、第１の実施形態にかかる光学部品１０と同様の製造方法によって製造することが可能である。
また、本実施形態にかかる光学部品４０も、第１の実施形態にかかる光学部品１０と同様の作用、効果を奏し、解像度の高い出力イメージを得ることが可能となる。
続いて、本発明の第３の実施形態にかかる光学部品を図面を用いて説明する。本実施形態にかかる光学部品５０が第１の実施形態にかかる光学部品１０と構成上異なる点は、第１の実施形態にかかる光学部品１０が、コアの断面形状が半円形である複数の光ファイバを互いに平行に配置して形成されていたのに対し、本実施形態にかかる光学部品５０は、コアの断面形状が１／４円形（中心角が９０度の扇形）である複数の光ファイバを互いに平行に配置して形成されてる点である。
光学部品５０の断面は、図９に示すようになっている。すなわち、断面が１／４円形であるコア１４を有する光ファイバを、断面が略円形になるように４つ組み合わせた光ファイバ組が、規則的に配列されている。ここで、上記光ファイバ組は規則的に配列されているが、上記光ファイバ組を構成する、１／４円形の断面形状を有する４つのコア１４の向きは、図９に示すように、各光ファイバ組毎にランダムとなっている。ここでランダムとは、互いに隣接して配置される光ファイバ対のうち少なくとも一つは、当該光ファイバ対を構成する４つのコア１４の中心角の向く方向が異なっていることを意味する。また、各光ファイバのクラッド１６は、加熱・加圧処理により一体化され、当該光ファイバ組を構成する４つの光ファイバのコア１４間の間隙、及び、隣接する光ファイバ組間の間隙を埋めるように設けられている。
本実施形態にかかる光学部品５０は、第１の実施形態にかかる光学部品１０と同様の製造方法によって製造することが可能である。
また、本実施形態にかかる光学部品５０も、第１の実施形態にかかる光学部品１０と同様の作用、効果を奏し、解像度の高い出力イメージを得ることが可能となる。
また、上記各実施形態にかかる光学部品１０，３６，４０及び５０は、複数の光ファイバを平行に配列した光学部品であったが、これは、複数の光ファイバを湾曲部を持たせて配列し、入射面に入射した光イメージを拡大あるいは縮小して出力するテーパ形状の光学部品であってもよい。
産業上の利用可能性
上記光学部品は、伝送効率が高い、レンズと比較して光学系の小型化が可能である、など種々の利点を有するため、指紋検出装置、放射線検出器など、様々な分野に利用できる。
【図面の簡単な説明】
図１Ａは、本発明の第１の実施形態にかかる光学部品の斜視図である。
図１Ｂは、図１ＡのＩ−Ｉ線に沿った拡大断面図である。
図２Ａ〜Ｆは、光学部品を構成する光ファイバ対の製造工程図である。
図２Ｇ〜Ｊは、各工程で製造される母材等の断面図である。
図３は、光学部品の製造に用いる光ファイバ対の拡大断面図である。
図４は、光学部品を構成する光ファイバのコア内の光の進行の様子を表す図である。
図５は、光学部品を構成する光ファイバのコア内の光の進行の様子を表す図である。
図６Ａ〜Ｆは、光学部品を構成する光ファイバ対の製造工程図である。
図６Ｇ〜Ｊは、各工程で製造される母材等の断面図である。
図７は、本発明の第１の実施形態にかかる光学部品の拡大断面図である。
図８は、本発明の第２の実施形態にかかる光学部品の拡大断面図である。
図９は、本発明の第３の実施形態にかかる光学部品の拡大断面図である。
図１０Ａ〜Ｃは、従来技術にかかる光学部品の製造工程図である。
図１１Ａ〜Ｃは、従来技術にかかる光学部品の製造工程図である。
図１２Ａ〜Ｃは、従来技術にかかる光学部品の製造工程図である。
図１３Ａ〜Ｃは、従来技術にかかる光学部品を構成する光ファイバのコア内における光の進行の様子を表す図である。
図１４Ａ〜Ｃは、従来技術にかかる光学部品を構成する光ファイバのコア内における光の進行の様子を表す図である。
本発明は、複数の光ファイバを配列してなる光学部品に関するものである。
背景技術
光イメージを伝送させる光学部品として、複数の光ファイバを配列して形成した光学部品が広く知られている。上記光学部品は、各光ファイバのコアとクラッドが露出した入射面と出射面とを有し、入射面に入射した光イメージを出射面に伝送することを可能としている。
また、上記光学部品は、伝送効率が高い、レンズと比較して光学系の小型化が可能である、など種々の利点を有するため、指紋検出装置をはじめとして様々な分野に利用されている。
発明の開示
上記光学部品の製造は、通常、断面が円形または正方形の複数の光ファイバを配列して束ね、一体成形することにより行う。従って、一体成形の際の抑圧により、上記光学部品を構成する光ファイバのコアの断面は、正方形、六角形などのように互いに平行となる対辺を有する多角形となり、以下に示すような問題が生ずる。
すなわち、特定の入射角をもって入射面に入射した光は、互いに平行となる対面で反射を繰り返し、特定の出射角をもって出射面から出射する。その結果、出射面から出射される出力イメージに、特定の出射角にのみ強度を有するパターンが形成され、このパターンがノイズとなって光学部品の解像度を低下させる。
そこで本発明は、かかる問題点を解決し、パターンノイズの発生を防止して解像度の高い光学部品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、本発明の光学部品は、複数の光ファイバを配列してなる光学部品であって、各光ファイバのコアの断面形状が略扇形であることを特徴としている。各光ファイバのコアの断面形状を略扇形とすることで、コア内を進行する光が、コア内の平行な対面によってのみ反射・進行する状況を回避できるため、特定の出射角にのみ強度を有するパターンが形成されることが無くなる。その結果、パターンノイズが防止され、解像度の高い出力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
本発明の第１の実施形態にかかる光学部品を図面を用いて説明する。まず、本実施形態にかかる光学部品の構成について説明する。図１Ａは、本実施形態にかかる光学部品の斜視図であり、図１Ｂは、図１ＡのＩ−Ｉ線（ｘ軸に平行な直線）に沿った拡大断面図である。
光学部品１０は、コアの断面形状が半円形（中心角が１８０°の扇形）である複数の光ファイバを互いに平行に配列して形成されている。各光ファイバは、光軸が図１Ａのｙ軸と平行になるように配列されており、光学部品１０は、光軸に対して斜めにカットされた入射面１０ａと、光軸に対して垂直にカットされた出射面１０ｂとを有し、入射面１０ａに入射した入力パターンを縮小して出射面１０ｂから出力させることができるようになっている。
光学部品１０の断面は、図１Ｂに示すようになっている。すなわち、断面が半円形であるコア１４を有する光ファイバを、断面が略円形になるように２つ組み合わせた光ファイバ対が、規則的に配列されている。ここで、上記光ファイバ対は規則的に配列されているが、上記光ファイバ対を構成する、半円形の断面形状を有する２つのコア１４の向きは、図１Ｂに示すように、各光ファイバ対毎にランダムとなっている。ここでランダムとは、互いに隣接して配置される光ファイバ対のうち少なくとも一つは、当該光ファイバ対を構成する２つのコア１４の対向する方向が異なっていることを意味する。また、各光ファイバのクラッド１６は、加熱・加圧処理により一体化され、当該光ファイバ対を構成する２つの光ファイバのコア１４間の間隙、及び、隣接する光ファイバ対間の間隙を埋めるように設けられている。
ここで、コア１４は例えば屈折率が１．８２のバリウム−ランタン系ガラスからなっており、クラッド１６は例えば屈折率が１．４９５のホウケイ酸ガラスからなっている。また、コア１４の直径は６μｍ程度となっており、クラッド１６のうち２つのコア１４の間隙に設けられた部分は、光学部品１０において通常使用される波長（５５０ｎｍ）の１／３以上である０．５μｍ程度の厚みを有している。さらに、隣接する光ファイバ対は、クラッド１６を介して、コア１４の間隙に設けられた部分と同様に、０．５μｍ程度以上隔てられている。
また、クラッド１６の部分には、各光ファイバの軸方向にのびる光吸収体１７（光吸収材）が挿入されている。クラッド１６の部分に光吸収体１７を挿入することにより、クラッド１６内に漏れた迷光、若しくは、側面（入射面と出射面以外の面）から光学部品１０内に侵入した光を効果的に除去することが可能となり、出力パターンの解像度を高めることができる。
続いて、本実施形態に係る光学部品の製造方法について説明する。図２Ａ〜Ｆは、光学部品１０を構成する光ファイバ対の製造工程図、図２Ｇ〜Ｊは、各工程で製造される母材等の断面図である。
光学部品１０を構成する光ファイバを製造するには、まず、通常の光ファイバの製造と同様に、円柱形状を有するコア母材１８を製造する（図２Ａ、図２Ｇ）。コア母材１８は、例えば屈折率が１．８２のバリウム−ランタン系ガラスから形成され、その側面はセリア研磨などの方法によって研磨される。
続いて、上記工程で製造されたコア母材１８を、ダイヤモンドカッター等で縦（円柱形状の底面に垂直方向）に切断し、半円柱形状を有する２つのコア母材２０及び２２に分割する（図２Ｂ、図２Ｈ）。この際、切断面はセリア研磨などの方法によって研磨される。
続いて、図２Ｃに示すような板状のクラッド母材２４を、２つのコア母材２２及び２４の間に挟む（図２Ｄ、図２Ｉ）。ここで、クラッド母材２４は、例えば屈折率が１．４９５のホウケイ酸ガラスから形成される。
続いて、上記工程で製造された、板状のクラッド母材２４を２つのコア母材２２及び２４の間に挟んだものを、図２Ｅに示すようなパイプ形状を有するクラッド母材２６に装填し、光ファイバ対製造用の母材２８を製造する（図２Ｆ、図２Ｊ）。ここで、クラッド母材２６も、上記クラッド母材２４と同様に、例えば屈折率が１．４９５のホウケイ酸ガラスから形成され、クラッド母材２６の一方の底部２６ａは、バーナーによる溶融などの方法によって封止される。
その後、上記母材２８を線引きして光ファイバ対を製造する。この方法によって製造された光ファイバ対の断面を拡大したものを図３に示す。当該光ファイバ対３０は、断面が半円形である２つのコア１４が対向して配置され、２つのコア１４の間隙及び２つのコア１４の周囲（上記間隙以外の部分）にクラッド１６が設けられた形状となっている。ここで、クラッド１６のうちコア１４の周囲に設けられた部分は、光学部品１０の製造の際、隣接する光ファイバ対３０との間隙を埋めることができる程度に十分な厚みを有している。また、クラッド１６のうち２つのコア１４の間隙に設けられた部分は、当該２つのコア１４を仕切るクラッドとして作用するために十分な厚みを有しており、光学部品１０を用いて伝送させる光の波長の１／３以上の厚みを有していることが望ましい。光ファイバ対３０の具体的形状は、コア１４の直径が６μｍ程度、クラッド１６のうちコア１４の周囲に設けられた部分の厚みが０．２５μｍ程度となっており、また、使用波長が５５０ｎｍであることを考慮して、クラッド１６のうち２つのコア１４の間隙に設けられた部分の厚みが０．５μｍ程度となっている。
ここで注意すべきこととして、屈折率差による光路方向変更を目的として２つのコア１４を仕切る仕切りが設けられることがあるが、かかる仕切りは、厚さが非常に薄いのでクラッドとしての作用を奏さず、２つのコアが、断面が円形の１つのコアとして作用するため、以下に説明する本実施形態のような作用、効果は得られない。
上記工程によって製造された複数本の光ファイバ対３０を、棒状の光吸収体１７を適宜挿入しつつ、互いに平行に配置し、加熱・加圧処理により一体成形することで、光学部品１０が製造される。
続いて、本実施形態にかかる光学部品の作用について説明する。ここで、まず、従来技術にかかる光学部品の問題点について明らかにしておく。従来技術にかかる光学部品の製造は、通常、断面が円形または正方形の複数の光ファイバを互いに平行に配置して束ね、一体成形することにより行う。また、光学部品の解像度を向上させるために、上記束ねられた光ファイバ群をさらに線引きしたもの（マルチファイバ）を平行に配置して束ねて一体成形したり、上記の線引き工程と束ねる工程を複数回繰り返したもの（マルチマルチファイバ）を一体成形することにより光学部品を製造することもある。
上記製造方法により光学部品を製造する際の、各光ファイバのコアの断面形状の変化を図１０Ａ〜Ｃ、図１１Ａ〜Ｃ及び図１２Ａ〜Ｃに示す。図１０Ａ〜Ｃは、コア２の断面が円形の光ファイバ４を四方配置して光学部品６を形成した場合の、コア２の断面形状の変化を示している。コア２の断面が円形の光ファイバ４を四方配置して光学部品６を形成した場合は、図１０Ａ〜Ｃに示すように、光ファイバ４を束ねて一体成形する際の加熱・加圧処理により、各光ファイバ４のコア２の断面が略正方形に変形する。
ここで、変形の度合いは、上記加熱・加圧処理時の温度下での光ファイバ４のコア２とクラッド８の硬さによって異なる。コア２がクラッド８と比較して極めて硬い場合は、コア２の断面を円形に維持できるが、隣接するコア２同士の接触を避けるため、コア２をクラッド８と比較して極端に硬くすることは実用上困難である。
図１１Ａ〜Ｃは、コア２の断面が円形の光ファイバ４を六方配置して光学部品６を形成した場合の、コア２の断面形状の変化を示している。この場合は光ファイバ４を束ねて一体成形する際の加熱・加圧処理により、各光ファイバ４のコア２の断面が略正六角形に変形する。また、図１２Ａ〜Ｃは、コア２の断面が正方形の光ファイバ４を四方配置して光学部品６を形成した場合の、コア２の断面形状の変化を示している。この場合は、各光ファイバ４を配置した際に隣接するクラッド８間の隙間が無くなるため、光ファイバ４を束ねて一体成形する際の加熱・加圧処理後も、コア２の断面は正方形に維持される。
上記のように製造される光学部品６は、各光ファイバ４のコア２の断面が正方形、六角形などのような、互いに平行となる対辺を有する多角形となるため、以下に示すような問題がある。すなわち、光学部品６の入射面に入射した光のコア２内の進行は、図１３Ａ〜Ｃに示すような螺旋状の進行と、図１４Ａ〜Ｃに示すような帯状の進行の双方が発生しうる。ここで、図１３Ａ〜Ｃ及び図１４Ａ〜Ｃ中の白抜き丸印及び黒丸印は、光の入射位置を示している。
図１３Ａは、光学部品６の入射面（コア２の入射面）６ａに入射した光のコア２内の進行の様子を示しており、図１３Ｂは当該光の進行の軌跡を入射面６ａと平行な平面に射影した図である。図１３Ａ及びＢに示すように、光学部品６の入射面６ａにランダムな入射角（図１４Ａ〜Ｃを用いて説明する特定の入射角を除く）で入射した光は、コア２内を螺旋状に進行する。その結果、図１３Ｃに示すように、光学部品６の入射面６ａに一定の入射角θで光が入射した場合であっても、その入射した位置の違いにより、光学部品６の出射面６ｂから様々な出射角で出射される。
一方、図１４Ａ及びＢに示すように、光学部品６の入射面６ａに特定の入射角（光がコア２の平行な対面によってのみ反射・進行するような入射角）で入射した光は、コア２内を帯状に進行する。その結果、図１４Ｃに示すように、光学部品６の入射面６ａに一定の入射角θで光が入射した場合は、その入射した位置の違いによらず、光学部品６の出射面６ｂからもθの出射角で出射されることになる。従って、光学部品６の出射面６ｂから出射される出力イメージに、特定の出射角にのみ強度を有するパターンが形成され、このパターンがノイズとなって光学部品６の解像度を低下させる。特に、マルチファイバ（マルチマルチファイバも同様）を一体成形することにより製造された光学部品は、当該マルチファイバの中央部と縁部とでコア２の変形の度合いが異なるため、この変形の度合いの相違に起因して、当該マルチファイバの断面形状に応じたパターンノイズが発生し、光学部品６の解像度が著しく低下する。
これに対して、本実施形態にかかる光学部品１０の場合について考える。図４及び図５は、光学部品１０の入射面（コア１４の入射面）１０ａに入射し、コア１４内を進行する光の軌跡を入射面１０ａと平行な平面に射影した図である。ここで、図４及び図５中の白抜き丸印は、光の入射位置を示している。コア１４の断面は、半円形状となっており、互いに平行となる対辺を有しないため、光学部品１０の入射面１０ａから入射した光がコア１４の平行な対面によってのみ反射して帯状に進行するという現象が無くなる。すなわち、図４及び図５に示す軌跡から分かるように、コア１４内を進行する光は、コア１４とクラッド１６との界面に様々な角度で入射し、また、様々な角度で反射する。
従って、光学部品１０の入射面１０ａに一定の入射角θで光が入射した場合であっても、その入射した位置の違いにより、光学部品１０の出射面１０ｂから様々な出射角で光が出射され、特定の出射角にのみ強度を有するパターンが形成されることが無くなる。
続いて、本実施形態にかかる光学部品の効果について説明する。光学部品１０は、光学部品１０を構成するコア１４の断面を半円形としたことにより、特定の出射角にのみ強度を有するパターンが形成されることが無くなる。その結果、パターンノイズの発生を防止することが可能となり、光学部品１０の出射面１０ｂからは、解像度の高い出力イメージを得ることが可能となる。
また、仮に、加熱・加圧処理時に、コア１４が多少の変形を受け、コア１４の断面の一部に平行な対辺が生じた場合であっても、コア１４の断面として現れる半円形の向きが、各光ファイバ対によってランダムとなっているため、特定の出射角にのみ強度を有するパターンが形成することを防止することができ、解像度の高い出力イメージを得ることが可能となる。
本実施形態にかかる光学部品１０は、以下に示す方法によっても製造することができる。図６Ａ〜Ｆは、光学部品１０を構成する光ファイバ対の製造工程図、図６Ｇ〜Ｊは、各工程で製造される母材等の断面図である。
本製造方法が、すでに図２Ａ〜Ｊを用いて説明した製造方法と異なる点は以下の通りである。すなわち、上記製造方法においては、図２Ｃに示すような板状のクラッド母材２４を、２つのコア母材２２及び２４の間に挟み（図２Ｄ、図２Ｉ）、これをクラッド母材２６に装填して光ファイバ対製造用の母材２８を製造していた（図２Ｆ、図２Ｊ）。これに対して、本製造方法においては、図６Ｃに示すように板状のクラッド母材２４と、棒状の光吸収体１７をクラッド材で覆った２本の棒状部材３２とを用い、クラッド母材２４を２つのコア母材２２及び２４の間に挟むとともに２本の棒状部材３２をクラッド母材２４の両側部に配置し（図６Ｄ、図６Ｉ）、これをクラッド母材２６に装填して光ファイバ対製造用の母材３４を製造する。かかる光ファイバ対製造用の母材３４を線引きして互いに平行に配置し、加熱・加圧処理により一体成形することで、光学部品１０が製造される。
上記母材３４を用いて製造された光学部品３６の断面も、図７に示すように、断面が略半円形であるコア１４を有する光ファイバを、断面が略円形になるように２つ組み合わせた光ファイバ対が、規則的に配列された形状となっている。ここで、母材３４に光吸収体１７を挿入して線引き、加熱・加圧処理等を行った結果、断面が略半円形であるコア１４の底辺の両端部に小さなへこみ部が形成されるが、光吸収体１７の径がコア１４の径（上記底辺の長さ）と比較して極めて小さいため、当該コア１４の断面は、実質的に半円形とみなすことができる。
続いて、本発明の第２の実施形態にかかる光学部品を図面を用いて説明する。本実施形態にかかる光学部品４０が第１の実施形態にかかる光学部品１０と構成上異なる点は、第１の実施形態にかかる光学部品１０が、コア１４の断面形状が半円形である複数の光ファイバを互いに平行に配置して形成されていたのに対し、本実施形態にかかる光学部品４０は、コアの断面形状が１／３円形（中心角が１２０度の扇形）である複数の光ファイバを互いに平行に配置して形成されている点である。
光学部品４０の断面は、図８に示すようになっている。すなわち、断面が１／３円形であるコア１４を有する光ファイバを、断面が略円形になるように３つ組み合わせた光ファイバ組が、規則的に配列されている。ここで、上記光ファイバ組は規則的に配列されているが、上記光ファイバ組を構成する、１／３円形の断面形状を有する３つのコア１４の向きは、図８に示すように、各光ファイバ組毎にランダムとなっている。ここでランダムとは、互いに隣接して配置される光ファイバ対のうち少なくとも一つは、当該光ファイバ対を構成する３つのコア１４の中心角の向く方向が異なっていることを意味する。また、各光ファイバのクラッド１６は、加熱・加圧処理により一体化され、当該光ファイバ組を構成する３つの光ファイバのコア１４間の間隙、及び、隣接する光ファイバ組間の間隙を埋めるように設けられている。
本実施形態にかかる光学部品４０は、第１の実施形態にかかる光学部品１０と同様の製造方法によって製造することが可能である。
また、本実施形態にかかる光学部品４０も、第１の実施形態にかかる光学部品１０と同様の作用、効果を奏し、解像度の高い出力イメージを得ることが可能となる。
続いて、本発明の第３の実施形態にかかる光学部品を図面を用いて説明する。本実施形態にかかる光学部品５０が第１の実施形態にかかる光学部品１０と構成上異なる点は、第１の実施形態にかかる光学部品１０が、コアの断面形状が半円形である複数の光ファイバを互いに平行に配置して形成されていたのに対し、本実施形態にかかる光学部品５０は、コアの断面形状が１／４円形（中心角が９０度の扇形）である複数の光ファイバを互いに平行に配置して形成されてる点である。
光学部品５０の断面は、図９に示すようになっている。すなわち、断面が１／４円形であるコア１４を有する光ファイバを、断面が略円形になるように４つ組み合わせた光ファイバ組が、規則的に配列されている。ここで、上記光ファイバ組は規則的に配列されているが、上記光ファイバ組を構成する、１／４円形の断面形状を有する４つのコア１４の向きは、図９に示すように、各光ファイバ組毎にランダムとなっている。ここでランダムとは、互いに隣接して配置される光ファイバ対のうち少なくとも一つは、当該光ファイバ対を構成する４つのコア１４の中心角の向く方向が異なっていることを意味する。また、各光ファイバのクラッド１６は、加熱・加圧処理により一体化され、当該光ファイバ組を構成する４つの光ファイバのコア１４間の間隙、及び、隣接する光ファイバ組間の間隙を埋めるように設けられている。
本実施形態にかかる光学部品５０は、第１の実施形態にかかる光学部品１０と同様の製造方法によって製造することが可能である。
また、本実施形態にかかる光学部品５０も、第１の実施形態にかかる光学部品１０と同様の作用、効果を奏し、解像度の高い出力イメージを得ることが可能となる。
また、上記各実施形態にかかる光学部品１０，３６，４０及び５０は、複数の光ファイバを平行に配列した光学部品であったが、これは、複数の光ファイバを湾曲部を持たせて配列し、入射面に入射した光イメージを拡大あるいは縮小して出力するテーパ形状の光学部品であってもよい。
産業上の利用可能性
上記光学部品は、伝送効率が高い、レンズと比較して光学系の小型化が可能である、など種々の利点を有するため、指紋検出装置、放射線検出器など、様々な分野に利用できる。
【図面の簡単な説明】
図１Ａは、本発明の第１の実施形態にかかる光学部品の斜視図である。
図１Ｂは、図１ＡのＩ−Ｉ線に沿った拡大断面図である。
図２Ａ〜Ｆは、光学部品を構成する光ファイバ対の製造工程図である。
図２Ｇ〜Ｊは、各工程で製造される母材等の断面図である。
図３は、光学部品の製造に用いる光ファイバ対の拡大断面図である。
図４は、光学部品を構成する光ファイバのコア内の光の進行の様子を表す図である。
図５は、光学部品を構成する光ファイバのコア内の光の進行の様子を表す図である。
図６Ａ〜Ｆは、光学部品を構成する光ファイバ対の製造工程図である。
図６Ｇ〜Ｊは、各工程で製造される母材等の断面図である。
図７は、本発明の第１の実施形態にかかる光学部品の拡大断面図である。
図８は、本発明の第２の実施形態にかかる光学部品の拡大断面図である。
図９は、本発明の第３の実施形態にかかる光学部品の拡大断面図である。
図１０Ａ〜Ｃは、従来技術にかかる光学部品の製造工程図である。
図１１Ａ〜Ｃは、従来技術にかかる光学部品の製造工程図である。
図１２Ａ〜Ｃは、従来技術にかかる光学部品の製造工程図である。
図１３Ａ〜Ｃは、従来技術にかかる光学部品を構成する光ファイバのコア内における光の進行の様子を表す図である。
図１４Ａ〜Ｃは、従来技術にかかる光学部品を構成する光ファイバのコア内における光の進行の様子を表す図である。
Claims (7)
- 板状のクラッド母材を、断面形状が略扇形のコア母材を複数組み合わせて断面が略円形となるように配列させた複数の該コア母材の間に挟み、パイプ形状を有するクラッド母材に装填して光ファイバ組製造用母材を製造し、該光ファイバ組製造用母材を線引きして光ファイバ組を製造し、複数本の該光ファイバ組を互いに平行に配置し、加熱・加圧処理して一体化することを特徴とする光学部品の製造方法。
- 板状のクラッド母材を、断面形状が略半円形のコア母材を２つ組み合わせて断面が略円形となるように配列させた２つの該コア母材の間に挟み、パイプ形状を有するクラッド母材に装填して光ファイバ対製造用母材を製造し、該光ファイバ対製造用母材を線引きして光ファイバ対を製造し、複数本の該光ファイバ対を互いに平行に配置し、加熱・加圧処理して一体化することを特徴とする光学部品の製造方法。
- 板状のクラッド母材を、断面形状が中心角１２０°の略扇形のコア母材を３つ組み合わせて断面が略円形となるように配列させた３つの該コア母材の間に挟み、パイプ形状を有するクラッド母材に装填して光ファイバ組製造用母材を製造し、該光ファイバ組対製造用母材を線引きして光ファイバ対を製造し、複数本の該光ファイバ組を互いに平行に配置し、加熱・加圧処理して一体化することを特徴とする光学部品の製造方法。
- 板状のクラッド母材を、断面形状が中心角９０°の略扇形のコア母材を４つ組み合わせて断面が略円形となるように配列させた４つの該コア母材の間に挟み、パイプ形状を有するクラッド母材に装填して光ファイバ組製造用母材を製造し、該光ファイバ組製造用母材を線引きして光ファイバ対を製造し、複数本の該光ファイバ組を互いに平行に配置し、加熱・加圧処理して一体化することを特徴とする光学部品の製造方法。
- 前記複数本の該光ファイバ組を互いに平行に配置する際に、棒状の光吸収体を挿入しつつ配置することを特徴とする請求項１、３及び４のいずれか１項に記載の光学部品の製造方法。
- 前記複数本の該光ファイバ対を互いに平行に配置する際に、棒状の光吸収体を挿入しつつ配置することを特徴とする請求項２に記載の光学部品の製造方法。
- 棒状の光吸収体を、前記板状のクラッド母材の側部に配置することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学部品の製造方法。
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