JP4550092B2 - イメージファイバおよびイメージファイバの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、工業用や医療用のファイバスコープの画像伝送媒体として使用される石英系のイメージファイバおよびイメージファイバの製造方法に関するものである。

図２は、従来の石英系のイメージファイバを示す概略断面図である。
このイメージファイバは、コア／クラッド型光ファイバを多数本束ねて溶融し、一体化したものであり、画素を構成する多数のコア１、１、・・・と、これらコア１、１、・・・に挟まれ、コア１、１、・・・が１つのクラッドを共有するようになされた共通のクラッド２と、このクラッド２の外周に設けられたジャケット管３と、このジャケット管３の外周を覆っている被覆層４とから概略構成されている（例えば、特許文献１参照）。

このイメージファイバのコア１、・・・の長手方向と垂直な断面形状は、円形、六角形状などの等方形状かまたはそれに準ずるものである。
また、石英系イメージファイバのうち、特に、細径、多画素のものは、コア１はゲルマニウムが添加された石英系ガラスからなり、クラッド２はフッ素が添加された石英系ガラスからなるもので、コア１とクラッド２との比屈折率差は４％程度のものである。このような石英系イメージファイバとしては、例えば、外径１．５ｍｍで１０万画素、外径０．３５ｍｍで１万画素のものが得られている。
特開平６−２３０２５７号公報

イメージファイバの解像度（画質）は、それぞれのイメージファイバを構成するコアの数、すなわち画素数によって決定される。イメージファイバの画素数を増やそうとすると、イメージファイバの外径が大きくなり、それに伴って、このイメージファイバを用いたファイバスコープの対象物への挿入し易さや、可撓性が劣化する。画質を維持したまま、イメージファイバを細径化あるいは多画素化するためには、コアとクラッドとの屈折率差を大きくする必要がある。しかしながら、コアとクラッドとの屈折率差を大きくすることには、技術的、コスト的問題がある。具体的には、コアとクラッドとの屈折率差が小さいと、コアからの漏光などにより、イメージファイバのコントラストが悪化する。あるいは、イメージファイバの入射端において、開口数（ＮＡ）を小さくして、コントラストを改善する方法もあるが、この場合、伝搬できる光量が少なくなるため、画像が暗くなるなどの問題がある。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、細径かつ多画素のイメージファイバおよびイメージファイバの製造方法を提供することを課題とする。

本発明のイメージファイバは、多数のコア／クラッド型石英系光ファイバを溶融一体化して得られ、多数のコアとこれらコアに挟まれた共通のクラッドを有するイメージファイバにおいて、前記コアの長手方向と垂直な断面形状が異方性を有する形状であり、
前記多数のコアは、それらの短軸が平行になるように形成され、前記多数のコアがイメージファイバの全長にわたって六方稠密に配列されており、その端面における画素密度が、前記コアの短軸方向において、前記コアの短軸と垂直な軸方向よりも大きくなっていることを特徴とする。

本発明のイメージファイバにおいて、前記異方性を有する形状は、楕円形、長方形、矩形、菱形であることが好ましい。
本発明のイメージファイバにおいて、該イメージファイバに曲げまたは捻りが加えられたことが好ましい。

本発明のイメージファイバの製造方法は、多数のコア／クラッド型石英系光ファイバを溶融一体化して得られ、多数のコアとこれらコアに挟まれた共通のクラッドを有するイメージファイバの製造方法であって、長手方向と垂直な断面形状が異方性を有するジャケット管内に、断面円形のコアと、コアの外周に被覆され、断面円形のクラッドよりなる光ファイバからなる画素素線を六方稠密に詰め込んでイメージファイバ母材を形成し、次いで、前記イメージファイバ母材を加熱炉内で加熱しながら線引きすることにより、各々の画素素線のクラッドが一体化して共通のクラッドとなり、前記画素素線のコアの長手方向と垂直な断面形状が異方性を有する形状をなし、前記多数のコアは、それらの短軸が平行になるように形成され、その端面における画素密度が、前記コアの短軸方向において、前記コアの短軸と垂直な軸方向よりも大きくなっている断面円形のイメージファイバを形成することを特徴とする。

本発明のイメージファイバは、コアとクラッドとの屈折率差を大きくすることなく、細径化、多画素化を図ることができる。

以下、本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明のイメージファイバの一例を示す概略断面図である。
この例のイメージファイバは、コア／クラッド型石英系光ファイバを多数本束ねて溶融し、一体化した石英系イメージファイバであり、多数のコア１１、・・・と、これらコア１１、１１、・・・に挟まれ、コア１１、１１、・・・が１つのクラッドを共有するようになされた共通のクラッド１２と、このクラッド１２の外周に設けられたジャケット管１３と、このジャケット管１３の外周を覆っている被覆層１４とから概略構成されている。

コア１１は、純粋石英ガラス、あるいはリンやゲルマニウムなどの酸化物が添加された石英ガラスなどで形成されている。クラッド１２は、コア１１よりも低屈折率の材料からなるもので、純粋石英ガラス、あるいはフッ素などが添加された石英ガラスなどで形成されている。
また、ジャケット管１３は、純粋石英ガラスよりなるものの他に、例えば、石英ガラスに酸化チタンや酸化銅などが添加されたものなどを使用することができる。
被覆層１４は、エポキシやアクリル系、ポリイミド、シリコーンなどの樹脂で形成されている。

この例のイメージファイバでは、多数のコア１１の長手方向と垂直な断面形状が、異方性を有する形状となっている。また、この例のイメージファイバでは、図１に示すように、コア１１の断面形状は楕円形となっており、多数のコア１１、１１、・・・の短軸がほぼ平行になるように形成され、多数のコア１１、１１、・・・が六方稠密（俵積み）に配列されて、コア１１の短軸と平行な直線Ａ―Ａ方向に、画素密度が大きくなっている。異方性を有する形状の具体例としては、楕円形、長方形、矩形、菱形などが挙げられる。
このように、コア１１の長手方向と垂直な断面形状を、異方性を有する形状とすることにより、このイメージファイバの長手方向と垂直な断面において、少なくとも１方向のコア１１の密度、すなわち画素密度が大きくなり、イメージファイバの解像度が向上する。
具体的には、このイメージファイバの端面における画素密度が、その長手方向と垂直な一方向において、他の径方向に対し１．０１〜５０倍の密度を有することが好ましい。
なお、本発明のイメージファイバでは、多数のコア１１、１１、・・・の配列が六方稠密（俵積み）でなくてもよい。コア１１の異方性を有する形状とした方向（図１では、コア１１の短軸方向）が揃えられていれば、多数のコア１１、１１、・・・の配列が正方でもランダムであってもよい。

ここで、コア１１の長径方向の寸法を、図２に示した従来のイメージファイバの円形のコア１の直径と同一とし、コア１１の短径方向（短軸方向）の寸法を、コア１の直径の１／Ｘ倍とする。そして、イメージファイバの端面における多数のコア１１の間隔も１／Ｘ倍とすると、図１中のコア１１の短軸と平行な直線Ａ―Ａ方向の解像度はＸ倍になる。このようにすれば、上記の画素密度を実現することができ、本発明のイメージファイバは、従来のイメージファイバよりも画素数が多くなる。

また、コア１１の短径方向（短軸方向）で反射して伝送するような光線を入射させないか、あるいは十分光量が低くなるように、コア１１の短径方向の寸法を、長径方向の寸法よりも小さくしてもよい。具体的には、コア１１の短径方向の寸法を、コア１１がシングルモード化する寸法とする。
なお、上述のように、コア１１の短径方向（短軸方向）の寸法を長径よりも短くすると、コア１１の短径方向に反射を繰り返して伝搬する光線や、コア１１内を回転しながら伝搬する光線（ｓｋｅｗ ｒａｙ）などは、漏れ易くなり、コントラストを悪化させる原因となるが、イメージファイバ全体を細径化するのに比べて影響が少ない。

さらに、この例のイメージファイバでは、コア１１の短径方向、すなわち直線Ａ―Ａと平行な方向のクラッド１２の厚さを、コア１１の長径方向のクラッド１２の厚さと同じか、または、画素密度を下げない程度に若干大きくすると、コントラストが悪化し難くなる。
例えば、コア１１の長径／コア１１の短径＝２の場合、コア１１の長径方向におけるコア１１の厚さ／クラッド１２の厚さ（コア１１とコア１１の間隔）＝１．５とし、コア１１の短径方向におけるコア１１の厚さ／クラッド１２の厚さ（コア１１とコア１１の間隔）＝２とすると、コア１１の短径方向のコア密度（解像度）は、図２に示したようなコアの断面形状が円形の従来のイメージファイバの１．５倍になる。

そして、この例のイメージファイバでは、曲げまたは捻りが加えられていてもよい。イメージファイバに曲げまたは捻りを加えることにより、コア１１の短径方向に染み出してコントラストを悪化させる光を放射モード結合して、コア１１の短径方向のコントラストを改善することができる。

また、本発明のイメージファイバと、このイメージファイバに付設され、イメージファイバに対する入射角または出射角を、これらの方向に応じて異なる制限をする光学系とを備えたファイバスコープなどの光学機器を製造することもできる。
このような光学機器は、上記の入射側または出射側に設けられた光学系で、コア１１の短径方向に伝搬する光の入射角または出射角を異形（矩形など）の絞りなどによって制限すると、円形の絞りなどで対称に全体を絞るより、光量への影響は少ない（光量の減少が少ない）にもかかわらず、画像のコントラストが向上する。

本発明のイメージファイバの製造方法について説明する。
まず、その長手方向と垂直な断面形状が楕円形、長方形などの異方性を有する石英ガラスなどからなるジャケット管内に、画素（コア）のもとになる画素素線を詰め込んで、イメージファイバ母材とする。画素素線としては、通常、断面円形のコアと、コアの外周に被覆されたクラッドよりなるコア／クラッド型石英系光ファイバが用いられる。
次いで、このイメージファイバ母材を加熱炉内で加熱しながら、線引きし、各々の画素素線のクラッドが一体化して共通のクラッドとなった断面円形のイメージファイバを得る。この線引きにおいて、イメージファイバの断面形状は表面張力によって円形になろうとするため、コアの断面形状は、ジャケット管のもとの断面形状の短径方向に延ばされて異方性を有するものとなるか、または、長径側が短径側より圧縮されることによって、結果的に、異方性を有するものとなる。
その後、このイメージファイバを被覆材塗布装置に通して、その外周に紫外線硬化型樹脂を所定厚さに塗布する。次いで、紫外線硬化型樹脂が塗布されたイメージファイバを硬化装置に通して、紫外線硬化型樹脂を硬化させ、被覆層を形成する。
このようにして得られたイメージファイバは、巻き取り装置で巻き取って回収される。

上述のイメージファイバの製造方法では、断面形状が異方性を有する形状のジャケット管を用いて、コアの断面形状を、異方性を有する形状に形成したが、本発明のイメージファイバの製造方法はこれに限定されるものではなく、以下に示すような２つの方法を用いてもよい。
第１の方法としては、まず、研磨などによって断面形状が異方性を有する形状としたコア材の外周にクラッド材を被覆し、異方性を有する形状を維持したまま線引きして、断面形状が異方性を有する形状の画素素線を作製する。次いで、円筒形のジャケット管内に、この画素素線を詰め込んで、イメージファイバ母材とし、上述のように線引きして、コアの断面形状が異方性を有する形状のイメージファイバを得る。
第２の方法としては、上述のような方法でイメージファイバを線引きした後、このイメージファイバを加熱変形させるか、または、圧力をかけて加熱変形させて、コアの断面形状が異方性を有する形状のイメージファイバを得る。

本発明のイメージファイバの一例を示す概略断面図である。 従来の石英系のイメージファイバを示す概略断面図である。

Claims (4)

1. 多数のコア／クラッド型石英系光ファイバを溶融一体化して得られ、多数のコアとこれらコアに挟まれた共通のクラッドを有するイメージファイバにおいて、
   前記コアの長手方向と垂直な断面形状が異方性を有する形状であり、
   前記多数のコアは、それらの短軸が平行になるように形成され、前記多数のコアがイメージファイバの全長にわたって六方稠密に配列されており、
   その端面における画素密度が、前記コアの短軸方向において、前記コアの短軸と垂直な軸方向よりも大きくなっていることを特徴とするイメージファイバ。
2. 請求項１記載のイメージファイバにおいて、
   前記異方性を有する形状は、楕円形、長方形、矩形、菱形であることを特徴とするイメージファイバ。
3. 請求項１または２記載のイメージファイバにおいて、
   該イメージファイバに曲げまたは捻りが加えられたことを特徴とするイメージファイバ。
4. 多数のコア／クラッド型石英系光ファイバを溶融一体化して得られ、多数のコアとこれらコアに挟まれた共通のクラッドを有するイメージファイバの製造方法であって、
   長手方向と垂直な断面形状が異方性を有するジャケット管内に、断面円形のコアと、コアの外周に被覆され、断面円形のクラッドよりなる光ファイバからなる画素素線を六方稠密に詰め込んでイメージファイバ母材を形成し、次いで、前記イメージファイバ母材を加熱炉内で加熱しながら線引きすることにより、各々の画素素線のクラッドが一体化して共通のクラッドとなり、前記画素素線のコアの長手方向と垂直な断面形状が異方性を有する形状をなし、前記多数のコアは、それらの短軸が平行になるように形成され、その端面における画素密度が、前記コアの短軸方向において、前記コアの短軸と垂直な軸方向よりも大きくなっている断面円形のイメージファイバを形成することを特徴とするイメージファイバの製造方法。

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