JPS5830561B2 - 広開口ファイバ− - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は広開ロファイバー、特に、開口数の大きなりラ
ッド型オプティカルファイバーおよびかかるファイバー
からなるファイバー束に関するものである。

光の全反射を利用したクラッド型オプティカルファイバ
ーの開口数（Ｎ、Ａ、）は、第１図に示すようにコア１
およびクラツディング２の屈折率をそれぞれ１１１ ＋
ｎ２とすると となる。

従ってファイバーの（Ｎ、Ａ、）を大きくするには、ｎ
ｌを大きくするかｎ２を小さくすれば良いがコアの屈折
率ｎ１を大きくしようとすると一般に媒質の透過率は悪
くなり、またコアとクラツディングの屈折率差を広げよ
うとすると、例えば、ガラスファイバーにおいては両者
の熱膨張係数の差が大きくなったり、軟化点が極端に異
なったりして良質のファイバーを得ることが困難である
。

本発明によれば、ファイバー先端すなわち出射端のごく
一部分でコアの形状を変化させることにより容易に開口
数（Ｎ、Ａ、）の大きなファイバーを得ることに成功し
たものである。

本発明の原理図を第２図に示す。

ファイバー中を伝播する光線３とファイバー光軸４との
なす角度が増加するようにファイバーのコア径を変化さ
せる最も簡単な方法は、例えば、図面に示すようにファ
イバー先端５にテーパーを付けることである。

テーパー角をαとすると、第２図から明らかなように、
テーパ一部で全反射する光線は１回の全反射毎にファイ
バー光軸となす角が２Ｃずつ増加してゆく。

今、ファイバー径の変化していない部分のコア、クラツ
ディングの屈折率をｎｌ ＋ ｎ２ 、テーパー状にな
っている部分でのコア、クラツディングの屈折率をそれ
ぞれｎ３ 、 ｎ４とする。

ｎ□はファイバーのおかれている環境（多くの場合空気
）の屈折率である。

更に、ファイバーに入射角θ。で入射した光線が、ファ
イバー光軸と第２図に示すような角度をもって全反射し
なから他端からθ。

で出射したとする。

５ｎｅｌｌの法則を使用することによ以上、ファイバー
のコア径を変化させることによりファイバー光軸となす
光線の角度は、入射時よりも出射時の方が大きくなるこ
とを示したが、この現象を利用して有効にファイバーの
開口数（又は開口角）を大きくするためには、テーパ一
部分での屈折率ｎ３ ＋ ｎ４を適当に考慮する必要が
ある。

いま入射時での臨界角をθ。とじ、それに対応する出射
角をθ。

とすると（１） 、 （７）式からとなる。

従って（９）式の左辺を出射時の開口数と見做すと、ｎ
３ ＋ ｎ４の値は の関係を満たすように決定することが望ましい。

最後に、出射端の形状は第２図以外に、第３図ａ 、
ｃ’に示すような形状としても、上述した関係が同様に
成立つし、第３図・ｄのようにテーパーが非対称をなし
ていても、テーパー角α、βがθ３に比べて小さい場合
には（５）式がそのまま成立つので、（７） 、 （９
） 、 （１０）式が全て成立する。

これがため、本発明によれば、クラッド型ファイバーの
出射端でファイバー中を伝播する光線とファイバー光軸
とのなす角度が増加するようにファイバーのコア径を変
化させることにより開口数を大きくする手段を第１に講
する。

上述したように、本発明によれば、ファイバーの出射端
におけるコア径をテーパ状に変化させてファイバー中を
伝播する光線とファイバー光軸とのなす角度を増加させ
ることによって開口数を大きくすることができる。

かかる本発明による開口数の増大はファイバー束に対し
ても同く同様に当てはまるものである。

また、本発明によれば、前述したように、開口数（Ｎ、
Ａ）を大きくするにはコアの屈折率を大きくしてコアと
クラツディングの屈折率差を広げることによって可能で
あるが、コアの屈折率を大きくすると一般に媒質の透過
率が低下し、内視鏡用ＬＧ等の長尺の用途に適さなくな
り、またコアとクラツディングの屈折率差を広げようと
すると両者の熱膨張係数の差が大きくなったり、軟化点
が極端に異なる等の欠点があり、物理的、化学的に安定
なガラスを組合せることが困難であるため、良質のファ
イバーを得ることができないが、しかし、原理的にはフ
ァイバーの先端部すなわち出射端部におけるコアとクラ
ツディングとの屈折率の差を大きくすればその開口数を
大きくすること丞できるものであるから、この出射端部
だけ屈折率を変化させることにより透過率に優れた広間
ロファイバーを得ることを可能とするものである。

これがため、本発明では第２の手段として、ファイバー
の出射端部におけるコアとクラツディングとの屈折率ｎ
３およびｎ４を、前記式（１０）を満たすように設定す
る。

上述したように、本発明では、ファイバーの出射端部に
テーパーを付けると共にテーパーを付けた部分でのコア
およびクラツディングの屈折率を式（１０）の関係を満
たすようにすることにより、ファイバーの出射端から射
出する光線とファイバー光軸との成す角度を増加して開
口数を大きくすることができ、しかも、透過率のきわめ
て高いファイバーを得ることができる。

本発明による広開ロファイバーまたは広開ロファイバー
束の製造方法につき、次に説明する。

第４図および第５図に示す例では、ファイバー先端５を
加熱し、引き伸ばしてコア径を細くし、次で、既知のイ
オン交換法によりクラツディング２を構成するイオンの
一部をよりイオン半径の小さなイオンに置換することに
よってテーパー状になっている先端部５のクラツディン
グ２の屈折率を小さくする。

これによってファイバーの開口数を大きくすることがで
きる。

第６図および第７図は酸溶出性ガラスでクラツディング
したファイバーおよびファイバー束の開口数を大きくす
る場合を示し、第６図に示すようにファイバー６または
ファイバー束７の先端部５゜５′を加熱して引き伸ばし
、先端部５，５′のコア径を細くする。

次に、第７図に示すように先端部のクラツディングを酸
に溶かし、コア１を裸にする。

次に裸のコア部分に屈折率の小さいクラツディングガラ
スをつけるかまたはイオン交換法により裸になっている
コア部分の屈折率を大きくした後に屈折率の小さいクラ
ツディングガラスを付ける。

これにより開口数の大きいファイバーまたはファイバー
束を得ることができる。

上述した例とは反対に、コアを酸溶出性のガラスで造り
、テーパー状に形成したコアの部分のガラスを溶出した
後に屈折率の高いコアガラスを充填しても良い。

また、第４および５図につき説明した例におけるとは反
対に、テーパー状になったコア部分だけを選択的にイオ
ン交換し、ガラス中のイオンの一部をよりイオン半径の
大きなイオンＪ置換することによって屈折率を高めても
良い。

上述した例では、ファイバーまたはファイバー束の先端
または出射端にテーパーをつけ、コアまたはクラツディ
ングあるいはこれら双方の屈折率を変化させる場合につ
き説明したが、屈折率を変化させることなく、テーパー
をつけるだけでも十分開口数を増大し得ること勿論であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は従来のファイバーおよび本発明に
よるファイバーの出射端部を断面にして示す本発明の原
理説明用拡大図、第３図は本発明によるファイバーの種
々の例を示す出射端部の拡大断面図、第４図ないし第７
図は本発明によるファイバーの製造方法の説明用路線図
である。 １・・・コア、２・・・クラツディング、３・・・光線
、４・・・ファイバー光軸、５・・・先端または出射端
部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ クラッド型ファイバーの出射端で、ファイバー中を
   伝播する光線とファイバー光軸とのなす角度が増加する
   ようにファイバーの出射端部分でテーパーを付けると共
   にファイバーのテーパーを付けた部分でのコアおよびク
   ラツディングの屈折率ｎ３およびｎ４ ヲ、ファイバー
   径の変化していない部分のコアおよびクラツディングの
   屈折率を０１およびｎ２とし、テーパ状になる前のコア
   径及び出射端でのコア径をそれぞれｒｌ 、 ｒ２（ｒ
   ｌ＞ｒ２）とすると係を保って変化させることにより開
   口数を大きくしたことを特徴とする広間ロファイバー。