WO1999056162A1 - Piece optique - Google Patents

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WO1999056162A1
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optical component
optical
light
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Takeo Sugawara
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Hamamatsu Photonics K.K.
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S385/00—Optical waveguides
    • Y10S385/901—Illuminating or display apparatus

Definitions

  • the present invention relates to an optical component having a plurality of optical fibers arranged.
  • an optical component formed by arranging a plurality of optical fibers is widely known.
  • the optical component has an entrance surface and an exit surface where the core and the clad of each optical fiber are exposed, and is capable of transmitting an optical image incident on the entrance surface to the exit surface.
  • the above-mentioned optical components have various advantages such as high transmission efficiency and downsizing of the optical system as compared with lenses, and are used in various fields such as fingerprint detection devices. Disclosure of the invention
  • the production of the above optical components is usually performed by arranging and bundling a plurality of optical fibers having a circular or square cross section and integrally molding them. Therefore, due to the pressing during integral molding, the cross section of the core of the optical fiber constituting the optical component becomes a polygon having opposite sides parallel to each other, such as a square or a hexagon, as shown below. Problems arise.
  • an optical component of the present invention is an optical component in which a plurality of optical fibers are arranged, wherein each of the optical fibers includes a first core and a first core. A second core formed around and having a smaller refractive index than the first core; and a clad formed around the second core and having a smaller refractive index than the second core. It is characterized by that.
  • each optical fiber has a first core and a second core having a smaller refractive index, even if the light is incident on the incident surface at a specific incident angle, it is incident on the first core.
  • the traveling path of the light differs between the light that has entered and the light that has entered the second core, so that a pattern having intensity only at a specific emission angle is not formed. As a result, pattern noise is prevented, and an output image with high resolution can be obtained.
  • FIG. 1A is a perspective view of an optical component according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is an enlarged sectional view taken along the line II of FIG. 1A.
  • FIG. 1C is a refractive index distribution diagram along the line II in FIG. 1B.
  • 2A to 2E are manufacturing process diagrams of an optical fiber constituting an optical component.
  • 2F to 2H are cross-sectional views of a base material and the like manufactured in each step.
  • FIG. 3 is an enlarged sectional view of an optical fiber used for manufacturing an optical component.
  • FIG. 4 is a diagram showing a state of propagation of light in a core of an optical fiber constituting an optical component.
  • FIG. 5A to 5C are manufacturing process diagrams of the optical component according to the embodiment of the present invention.
  • 6A to 6C are manufacturing process diagrams of the optical component according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an enlarged sectional view of a first modified example of the optical component according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is an enlarged sectional view of a second modification of the optical component according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is an enlarged sectional view of a third modification of the optical component according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the ambient temperature and the viscosity.
  • 11A to 11C are manufacturing process diagrams of an optical component according to the related art.
  • FIGS. 12A to 12C are manufacturing process diagrams of an optical component according to a conventional technique.
  • 13 to 13C are manufacturing process diagrams of the optical component according to the related art.
  • FIG. 14A to FIG. 14C are diagrams showing a state of light traveling in a core of an optical fiber constituting an optical component according to the related art.
  • FIG. 15A to FIG. 15C are diagrams showing a state of light traveling in a core of an optical fiber constituting an optical component according to the related art.
  • FIG. 1A is a perspective view of the optical component according to the present embodiment
  • FIG. 1B is an enlarged cross-sectional view taken along a line II (a straight line parallel to the X axis) in FIG. 1A
  • 1C is a refractive index distribution diagram along the line II in FIG. 1B.
  • the optical component 10 is formed by arranging a plurality of optical fibers in parallel with each other. Each optical fiber is arranged such that the fiber axis is parallel to the y-axis in FIG. 1A, and the optical component 10 has an incident surface 10a obliquely cut with respect to the fiber axis and a fiber. It has an exit surface 10b cut perpendicular to the axis of the axis, and the input pattern incident on the entrance surface 10a can be reduced and output from the exit surface 10b. .
  • the optical component 10 has a first core 12, a second core 14 formed around the first core, and a second core 14 formed around the second core 14.
  • Clad 1 a plurality of optical fibers formed from 6 and 7 are regularly arranged such that their fiber axes are parallel to each other.
  • a light absorbing material 18 for removing stray light in the optical component 10 is provided between the optical fibers, and the cladding 16 of each optical fiber is integrated by heating and pressing. It fills the gap between adjacent optical fibers.
  • the cross section of the first core 12 has a substantially circular shape
  • the cross section (outer periphery) of the second core 14 has a substantially regular hexagonal shape with a flattened corner.
  • the viscosity of the core 14 of the first core 12 at ⁇ 1 * whistle 2 during the heat and pressure treatment of the optical fiber is required.
  • the materials of the first core 12 and the second core 14 may be selected so as to be larger.
  • the diameter a of the first core 12 is set to be equal to the width of a linear portion (or a portion close to a straight line) of the cross section of the second core 14 in order to prevent the progress of the light band as shown in the prior art as much as possible. It is desirable to be larger than a. Also, the width b of the clad 16 that fills the gap between the cores needs to have a sufficient thickness to function as a clad, and especially the wavelength (550 nm )).
  • the diameter a of the first core 12 is about 10 ⁇ m
  • the width a ′ of the plane portion of the cross section of the second core 14 is about 5 / m
  • the gap between the cores is
  • the width b of the clad 16 to be filled is about 2 m
  • the thickness of the second core 14 is about 2 m.
  • the first core 12 is made of, for example, a Ba—La-based glass having a refractive index of 1.71
  • the second core 14 is made of, for example, lead glass having a refractive index n 2 of 1.62.
  • 16 is made of, for example, soda-lime glass having a refractive index nc of 1.52 . Therefore, the refractive index distribution along II- ⁇ in FIG. 1B is as shown in FIG. 1C. It is apparent from the refractive indexes of the first core 12, the second core 14, and the clad 16 described above.
  • the refractive index n 2 of the second core 14 is smaller than the refractive index of the first core 12, and the refractive index n c of the clad 16 is larger than the refractive index n 2 of the second core 14.
  • the refractive index eta 2 of the first core 1 2 refractive index eta have a second core 14
  • the refractive index n c of the clad 1 6 are Motashi the following relationship.
  • FIGS. 2F to 2H are cross-sectional views of a preform and the like manufactured in each process.
  • a first core preform 20 having a columnar shape is manufactured as in the case of manufacturing an ordinary optical fiber (FIGS. 2A and 2F).
  • the first core base material 20 is formed of, for example, a Ba—La-based glass having a refractive index of 1.1, and the side surface thereof is polished by a method such as cellar polishing.
  • the first core preform 20 manufactured in the above process is loaded into the second core preform 22 having a pipe shape as shown in FIG. 2B (FIGS. 2C and 2G).
  • the second core base material 22 is formed of, for example, lead glass having a refractive index of 1.62, and the inner and outer surfaces thereof are polished by a method such as ceria polishing.
  • the first core preform 20 prepared in the above-described process and loaded into the second core preform 22 is further loaded into a clad preform 24 having a pipe shape as shown in FIG. 2D.
  • the preform 26 for optical fiber production is manufactured (Fig. 2E, Fig. 2H).
  • the clad base material 24 is formed of, for example, soda-lime glass having a refractive index of 1.52, and one bottom 24 a of the clad base material 24 is sealed by a method such as melting with a burner. Is done.
  • FIG. 3 shows an enlarged cross section of an optical fiber manufactured by this method.
  • optical components according to the related art are usually carried out by arranging a plurality of optical fibers having a circular or square cross section in parallel with each other, bundling them, and integrally molding them. Also, in order to improve the resolution of the optical component, a process in which the bundled optical fiber group is further drawn (multi-fiber) is arranged in parallel, bundled and integrally formed, or a process of bundling with the above-described drawing process is performed. In some cases, optical components are manufactured by integrally molding a material that has been repeated several times (multi-multi fiber).
  • FIGS. 11A to 11C, 12A to 12C, and 13A to 13C show changes in the cross-sectional shape of the core of each optical fiber when an optical component is manufactured by the above manufacturing method.
  • FIGS. 11A to show changes in the cross-sectional shape of the core 2 when the optical component 6 is formed by arranging optical fibers 4 each having a circular cross section on the four sides of the core 2.
  • the heat and pressure treatment when the optical fibers 4 are bundled and integrally formed is performed.
  • the cross section of the core 2 of each optical fiber 4 is deformed into a substantially square.
  • the degree of deformation depends on the hardness of the core 2 and the cladding 8 of the optical fiber 4 at the temperature during the heating / pressing process. If the core 2 is extremely hard compared to the clad 8, the cross section of the core 2 can be maintained circular, but the core 2 is made extremely hard compared to the clad 8 to avoid contact between adjacent cores 2. It is difficult in practice.
  • FIGS. 12A to 12C show changes in the cross-sectional shape of the core 2 when the optical component 6 is formed by arranging optical fibers 4 having a circular cross-section of the core 2 in hexagons.
  • the cross section of the core 2 of each optical fiber 4 is deformed into a substantially hexagonal shape by the heat and pressure treatment when the fibers 4 are bundled and integrally formed.
  • 13A to 13C show changes in the cross-sectional shape of the core 2 when the optical component 6 is formed by arranging the optical fibers 4 each having a square cross-section of the core 2 on all sides. In this case, since the gap between the adjacent clads 8 is eliminated when each optical fiber 4 is arranged, the cross-section of the core 2 is maintained even after the heat and pressure treatment when the optical fibers 4 are bundled and integrally formed. Maintained square.
  • the cross section of the core 2 of each optical fiber 4 is a polygon having opposite sides parallel to each other, such as a square or a hexagon, the following is shown.
  • the light traveling on the entrance surface of the optical component 6 within the core 2 has a spiral progression as shown in FIGS. 14A to 14C and a belt-like progression as shown in FIGS. 15A to 15C. Both can occur.
  • white circles and black circles in FIGS. 14A to 14C and 15A to 15C indicate the incident positions of light.
  • FIG. 14A shows the progress of light incident on the incident surface (incident surface of the core 2) 6a of the optical component 6 inside the core 2, and Fig. 14B shows the trajectory of the light traveling.
  • FIG. 6 is a diagram projected on a plane parallel to the incident surface 6a.
  • the light incident on the entrance surface 6a of the optical component 6 at a random incident angle except for the specific incident angle described using Figs. 15A to 15C
  • the core 2 spirally progresses.
  • FIG. 14C even when light enters the incident surface 6a of the optical component 6 at a constant incident angle ⁇ , the light exits the optical component 6 due to the difference in the incident position. Light exits from surface 6b at various exit angles.
  • the light was incident on the incident surface 6a of the optical component 6 at a specific incident angle (the incident angle at which light reflected and traveled only by the parallel facing surface of the core 2).
  • a specific incident angle the incident angle at which light reflected and traveled only by the parallel facing surface of the core 2.
  • Light travels in a band in the core 2.
  • FIG. 15C when light enters the incident surface 6a of the optical component 6 at a constant incident angle S, the light exits the optical component 6 regardless of the difference in the incident position.
  • the light is also emitted from the surface 6b at an emission angle of ⁇ . Therefore, the output image emitted from the emission surface 6b of the optical component 6 has a specific output.
  • a pattern having intensity only at the angle of incidence is formed, and this pattern causes noise and lowers the resolution of the optical component 6.
  • the degree of deformation of the core 2 differs between the center and the edge of the multi-fiber. Due to the difference, pattern noise occurs according to the cross-sectional shape of the multi-fiber, and the resolution of the optical component 6 is significantly reduced.
  • Fig. 4 shows that light was incident on the incident surface 1 Oa of the optical component 10, and the light path traveling in the first core 12 and the second core 14 was incident on a plane passing through the central axis of the fiber. It is represented by light rays.
  • the incident surface 10a is perpendicular to the fiber axis, and consider light incident on the incident surface 10a with the maximum light receiving angle (34 °).
  • the light incident on the incident surface 10a travels along the paths shown in FIGS. 4A to 4E depending on the incident position.
  • the light ((A) or (E) in FIG. 4) incident on the cladding 16 from the incident surface 10a is directly incident on the light absorbing material 18 from the cladding 16 and is attenuated and annihilated (( E))) or refraction of the second core 14, the first core 12, and the second core 14 to proceed, and then enter the light absorbing material 18 to be attenuated (disappearing in FIG. 4).
  • the refractive index n 2 of the first core 12, the refractive index n 2 of the second core 14, and the refractive index n c of the clad 16 have a relationship represented by the following expression (1).
  • the maximum light receiving angles of the light incident on the core and the light incident on the second core can be made uniform.
  • the optical component 10 comprises: a first core 12; a second core 14 having a smaller refractive index than the first core 12; and a second core. And a cladding 16 having a refractive index smaller than 14. Therefore, of the incident surface 10a of the optical component 10, the light incident on the first core 12 and the light incident on the second core 14 at a certain angle travel through different paths. .
  • the cross section of the first core 12 is substantially circular, light incident on the first core 12 is helical except for light incident along a plane including its central axis. Proceed to The light incident on the second core 14 is also the same as that of the second core 14 except for light incident along a plane that includes the central axis of the first core 12 and is perpendicular to the plane portion of the outer periphery of the second core 14. The reflection is repeated at the interface between the first core 12 and the second core 14 and at the interface between the second core 14 and the clad 16, and progresses spirally.
  • An output image with high resolution can be obtained from the emission surface 10 b of the optical component 10. Can be obtained.
  • the optical component 10 can make the maximum light receiving angles of the light incident on the first core and the light incident on the second core uniform, so that the light is incident at a specific incident angle. With respect to the light, the light incident on the first core is transmitted through the optical component 10, but the light incident on the second core is not transmitted through the optical component 10. Therefore, the second core 14 does not lose its resolution due to the dead zone.
  • the base material 26 was formed by the method shown in FIGS. 2A to 2E. May be used. That is, first, a first core preform 20 having a cylindrical shape is manufactured (FIG.
  • a second core having a cylindrical shape having a smaller diameter than the first core preform 20 is formed around the first core preform 20.
  • Arrange a plurality of base materials 30 (Fig. 5B).
  • the second core preform 30 disposed around the first core preform 20 manufactured in the above process is loaded into a cladding preform 24 having a pipe shape, and an optical fiber is manufactured.
  • the base material 32 is manufactured (Fig. 5C).
  • one bottom 24a of the cladding base material 24 is sealed by a method such as melting with a burner.
  • the subsequent processing that is, the formation of the optical fiber 28 by drawing the base material 32 and the formation of the optical component 10 are the same as those described above.
  • the base material for forming the optical fiber 28 constituting the optical component 10 may be formed by a method as shown in FIGS. That is, first, a first core preform 20 having a columnar shape is manufactured (FIG. 6A), and a quadrangular prism having a cross section having a side having a smaller diameter than the first core preform 20 is provided around the first core preform 20. A plurality of shaped second core base materials 34 are arranged (FIG. 6B). After that, the second core preform 34 disposed around the first core preform 20 manufactured in the above process is loaded on a pipe-shaped cladding preform 24 to produce an optical fiber. A base material 36 is manufactured (FIG. 6C).
  • one bottom 24 a of the clad base material 24 is sealed by a method such as melting with a wrench.
  • the subsequent processing that is, the formation of the optical fiber 28 by drawing the base material 36 and the formation of the optical component 10 are the same as those described above.
  • each optical fiber constituting the optical component 10 has the first core 12 and the first core 12.
  • Various deformations can be considered as long as the second core 14 formed around the core 12 and the clad 16 formed around the second core 14 are provided.
  • FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of an optical component 40 according to a first modification.
  • the optical component 40 is different from the optical component 10 according to the above embodiment in that the optical component 40 has a smaller diameter of the first core 12 than the optical component 10.
  • the cross-sectional shape of the second core 14 is a shape in which the corners of a substantially hexagon are closed (because the light absorbing material 18 is present).
  • the diameter a of the first core 12 is set to be equal to the linear portion (or a portion close to the straight line) of the cross section of the second core 14 in order to minimize the progression of the light band as shown in the prior art. It is desirable that the width be larger than a.
  • the width b of the clad 16 that fills the gap between the cores must have a sufficient thickness to function as a clad.
  • FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of an optical component 50 according to a second modification.
  • the optical component 50 is different from the optical component 10 according to the above embodiment in that the optical component 50 is not provided with the light absorbing material 18.
  • the diameter a of the first core 12 is reduced to a linear portion (or a portion close to a straight line) of the cross section of the second core 14 in order to minimize the progress of the light band as shown in the prior art.
  • the width b of the clad 16 that fills the gap between each core needs to have a sufficient thickness to function as a clad.
  • FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view of an optical component 60 according to a third modification.
  • the optical component 60 is different from the optical component 50 according to the second modification in that the optical component 50 has a curved surface at the interface (outer periphery) of the second core 14, whereas the optical component 60 has a curved surface.
  • 0 is a point where the interface (outer periphery) of the second core 14 has a planar shape.
  • the optical component 60 having such a cross-sectional shape is provided so that the viscosity of the second core 14 is extremely small compared to the viscosity of the clad 16 during the heating and pressure treatment of the optical fiber. It is obtained by selecting the material of the second core 14 and the clad 16.
  • the diameter a of the first core 12 is set to the second value in order to minimize the progress of the light band as shown in the related art. It is desirable that the width be larger than the width a ′ of the linear portion of the cross section of the core 14. Also, the width b of the clad 16 that fills the gap between the cores must have a sufficient thickness to function as a clad.
  • FIG. 10 shows changes in the viscosity of the first core 12, the second core 14, and the clad 16 with respect to the ambient temperature.
  • the viscosity of the cladding 16 and the viscosity of the first core 12 at the temperature (600 ° C.) during the heating and pressurizing treatment of the optical fiber are higher than those of the cladding 16 and the first core 12.
  • the core 14 has a smaller viscosity.
  • the optical components 10, 40, 50, and 60 are optical components in which a plurality of optical fibers are arranged in parallel.
  • the optical component may be a tapered optical component that is arranged with portions and that enlarges or reduces an optical image incident on the incident surface and outputs the enlarged or reduced image.
  • optical components have various advantages such as high transmission efficiency and downsizing of the optical system as compared with lenses, and can be used in various fields such as fingerprint detection devices and radiation image detectors.

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Description

W 99/5 1 P J 明糸田書
光学部 PP 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、 一体成形の際の押圧によ 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、 上記各光ファイバは、 第 1のコアと、 上記第 1のコア の周囲に形成され、 上記第 1のコアよりも小さい屈折率を有する第 2のコアと、 上記第 2のコアの周囲に形成され、 上記第 2のコアよりも小さい屈折率を有する クラッドとを備えたことを特徴としている。
各光ファイバが、 第 1のコアとこれよりも小さい屈折率を有する第 2のコアと を有することで、 入射面に特定の入射角をもって入射した光であっても、 第 1の コアに入射した光と第 2のコアに入射した光とでは、 光の進行経路が異なり、 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。 図面の簡単な説明
図 1 Aは、 本発明の実施形態にかかる光学部品の斜視図である。
図 1 Bは、 図 1 Aの I— I線に沿った拡大断面図である。
図 1 Cは、 図 1 Bの Π— II線に沿った屈折率分布図である。
図 2 A〜図 2 Eは、 光学部品を構成する光ファイバの製造工程図である。
図 2 F〜図 2 H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 A〜図 5 Cは、 本発明の実施形態にかかる光学部品の製造工程図である。 図 6 A〜図 6 Cは、 本発明の実施形態にかかる光学部品の製造工程図である。 図 7は、 本発明の実施形態にかかる光学部品の第 1の変形例の拡大断面図であ る。
図 8は、 本発明の実施形態にかかる光学部品の第 2の変形例の拡大断面図であ る。 - 一 図 9は、 本発明の実施形態にかかる光学部品の第 3の変形例の拡大断面図であ る。
図 1 0は、 周囲温度と粘度との関係を表す図である。
図 1 1 A〜図 1 1 Cは、 従来技術にかかる光学部品の製造工程図である。
図 1 2 A〜図 1 2 Cは、 従来技術にかかる光学部品の製造工程図である。
図 1 3八〜図1 3 Cは、 従来技術にかかる光学部品の製造工程図である。
図 1 4 A〜図 1 4 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 ァ内における光の進行の様子を表す図である。
図 1 5 A〜図 1 5 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 ァ内における光の進行の様子を表す図である。 発明を実施するための最良の形態
本発明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 1 Aは、 本実施形態にかかる光 学部品の斜視図であり、 図 1 Bは、 図 1 Aの I— I線 （X軸に平行な直線） に沿 つた拡大断面図であり、 図 1 Cは、 図 1 Bの Π— II線に沿った屈折率分布図で ある。
光学部品 1 0は、 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。 各光フアイノ ま、フアイバ軸が図 1 Aの y軸と平行になるように配列されており、 光学部品 1 0は、 ファイバ軸に対して斜めにカットされた入射面 1 0 aと、 ファ ィバ軸に対して垂直にカツトされた出射面 1 0 bとを有し、 入射面 1 0 aに入射 した入力パターンを縮小して出射面 1 0 bから出力させることができるようにな つている。
光学部品 1 0は、 図 1 Bに示すように、 第 1のコア 1 2と、 第 1のコアの周囲 に形成された第 2のコア 1 4と、 第 2のコア 1 4の周囲に形成されたクラッド 1 6とから形成される複数の光ファイバを、 そのファイバ軸が互いに平行になるよ うに規則的に配列した構成となっている。 また、 各光ファイバの間には、 光学部 品 10内の迷光を除去するための光吸収材 18が設けられており、 各光ファイバ のクラッド 1 6は、 加熱 ·加圧処理により一体化され、 隣接する光ファイバ間の 間隙を埋めている。
さらに、 図 1 Bにおいて、 第 1のコア 12の断面は略円形状となっており、 第 2のコア 14の断面 （外周） は、 角のつぶれた略正六角形状となっている。 第 1 のコア 12及び第 2のコア 14の断面をこのような形状とするには、 光ファイバ の加熱 ·加圧処理時において、 第 1のコア 12の^1 * 笛 2のコア 14の粘度よ りも大きくなるように、 第 1のコア 12と第 2のコア 14の材質を選択すればよ い。
ここで、 従来技術に示した、 光の帯状の進行を極力防止するために、 第 1のコ ァ 12の径 aが第 2のコア 14の断面の直線部分 （もしくは直線に近い部分） の 幅 a， よりも大きいことが望ましい。 また、 各コアの間隙を満たすクラッド 1 6 の幅 bは、 クラヅドとして機能するための十分な厚さを有していることが必要で あり、 特に光学部品 10において通常使用される波長 （550 nm) の 1/2以 上であることが好ましい。
本実施形態にかかる光学部品 10においては、 第 1のコア 12の径 aは 10〃 m程度、 第 2のコア 14の断面の平面部分の幅 a' は 5 /m程度、 各コアの間隙 を満たすクラヅド 16の幅 bは、 2 m程度となっており、 また、 第 2のコア 1 4の厚さは 2〃m程度となっている。
また、 第 1のコア 12は、 例えば屈折率 が 1. 71の B a— La系ガラス、 第 2のコア 14は、 例えば屈折率 n2が 1. 62の鉛ガラスから形成されており、 クラッド 16は、 例えば屈折率 ncが 1. 52のソ一ダ石灰ガラスから形成され ている。 従って、 図 1 Bの II— Πに沿った屈折率分布は、 図 1 Cに示すようにな る。 上記第 1のコア 12、 第 2のコア 14、 及びクラッド 16の屈折率から明ら かなように、 第 2のコア 14の屈折率 n2は第 1のコア 1 2の屈折率 よりも 小さく、 クラヅド 1 6の屈折率 ncは第 2のコア 1 4の屈折率 n 2はよりも小さ くなつており、 また、 第 1のコア 1 2の屈折率 ηい 第 2のコア 14の屈折率 η 2、 クラッ ド 1 6の屈折率 ncは以下の関係を持たしている。
ri i 2— n 2 2 = n 2 2— nc 2 ( 1)
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〜E は、 光学部品を構成する光ファイバの製造工程図、 図 2 F〜Hは、 各工程で製造 される母材等の断面図である。
光学部品 1 0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、 円柱形状を有する第 1のコア母材 20を製造する （図 2A、 図 2 F) 。 第 1のコア母材 20は、 例えば屈折率が 1. Ί 1の B a— La系ガラス から形成され、 その側面はセリァ研磨などの方法によって研磨される。
続いて、 図 2 Bに示すようなパイプ形状を有する第 2のコア母材 22に、 上記 工程で製造された第 1のコア母材 20を装填する （図 2 C、 図 2 G) 。 ここで、 第 2のコア母材 22は、 例えば屈折率が 1. 62の鉛ガラスから形成され、 その 内面及び外面はセリア研磨などの方法によって研磨されている。
続いて、 上記工程で製造された、 第 1のコア母材 20を第 2のコア母材 22に 装填したものをさらに、 図 2 Dに示すようなパイプ形状を有するクラッド母材 2 4に装填し、 光ファイバ製造用の母材 26を製造する （図 2 E、 図 2H) 。 ここ で、 クラッド母材 24は、 例えば屈折率が 1. 52のソ一ダ石灰ガラスから形成 され、 クラッド母材 24の一方の底部 24 aは、 バ一ナ一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 26を線引きして光ファイバを製造する。 この方法によって 製造された光ファイバの断面を拡大したものを図 3に示す。 当該光ファイバ 28 は、 第 1のコア 1 2 (屈折率 1^= 1. 7 1) と、 第 1のコアの周囲に形成され た第 2のコア 1 4 (屈折率 n2= l . 62) と、 第 2のコア 14の周囲に形成さ れたクラッド 1 6 (屈折率 n c = l . 5 2 ) とから形成されている。 - - 上記工程によって製造された複数本の光ファイバ 2 8を、 その間隙に光吸収材 1 8を適宜配置しつつ互いに平行に配列し、 加熱 ·加圧処理により一体成形する ことで、 光学部品 1 0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 1 1 A〜C、図 1 2 A〜C及び図 1 3 A〜Cに示す。図 1 1 A〜(：は、 コア 2の断面が円形の光ファィバ 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 1 1 A〜Cに示すように、 光フアイ 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 1 2-A〜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 一 ィバ 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 1 3 A〜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 1 4 A〜Cに示すような螺旋状の進行と、 図 1 5 A〜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 1 4 A〜C及び図 1 5 A〜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 1 4 Aは、 光学部品 6の入射面 （コア 2の入射面） 6 aに入射した光のコア 2内の進行の様子を示しており、 図 1 4 Bは当該光の進行の軌跡を入射面 6 aと 平行な平面に射影した図である。 図 1 4 A及び Bに示すように、 光学部品 6の入 射面 6 aにランダムな入射角 （図 1 5 A〜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 1 4 Cに示す ように、 光学部品 6の入射面 6 aに一定の入射角 Θで光が入射した場合であつて も、 その入射した位置の違いにより、 光学部品 6の出射面 6 bから様々な出射角 で出射される。
一方、 図 1 5 A及び Bに示すように、 光学部品 6の入射面 6 a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 1 5 Cに示すように、 光学部 品 6の入射面 6 aに一定の入射角 S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 6 b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 6 b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一ンが形成され、 このパターンがノイズとなつ _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ィズが発生し、 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 1 0の場合について考える。 図 4 は、 光学部品 1 0の入射面 1 O aに入射し、 第 1のコア 1 2及び第 2のコア 1 4 内を進行する光の経路を、 ファイバ中心軸を通る平面上に入射した光線で表した ものである。 尚、 ここでは簡単のため、 入射面 1 0 aがファイバ軸に対して垂直 であるとし、 最大受光角 （3 4 ° ) をもって入射面 1 0 aに入射した光について 考える。
入射面 1 0 aに入射した光は、 その入射位置によって、 図 4の （A) 〜 （E ) に示すような経路を進行する。 入射面 1 0 aからクラッド 1 6に入射した光 （図 4の（A )又は（E ) )は、 クラヅド 1 6から直接光吸収材 1 8に入射して減衰 · 消滅する （図 4の （E ) ) か、 第 2のコア 1 4、 第 1のコア 1 2、 第 2のコア 1 4と屈折して進行した後、光吸収材 1 8に入射して減衰'消滅する（図 4の（ A ) )。 入射面 1 O aから第 2のコア 1 4に入射した光 （図 4の （B ) 又は （D ) ) は、 第 2のコア 1 4と第 1のコア 1 2との界面においては屈折、 第 2のコア 1 4とク ラッド 1 6との界面においては全反射を繰り返し、 第 1のコア 1 2及び第 2のコ ァ 1 4内を進行する。 この際、 光は第 1のコア 1 2内ではファイバ軸に対して 2 7 . 3 ° の角度をもって進行し、第 2のコア 1 4内ではファイバ軸に対して 2 0 . 2。 の角度をもって進行することになる。
さらに、 入射面 1 O aから第 1のコア 1 2に入射した光 （図 4の （C ) ) は、 第 1のコア 1 2と第 2のコア 1 4との界面において全反射を繰り返し、 第 1のコ ァ 1 2内を進行する。この際、光は第 1のコア 1 2内でファイバ軸に対して 1 9 . 1 ° の角度をもって進行することになる。 - 従って、 光学部品 1 0の入射面 1 0 aに、 一定の入射角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 1 0の出射面 1 0 b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。
さらに、 第 1のコア 1 2の屈折率 と第 2のコア 1 4の屈折率 n 2とクラヅ ド 1 6の屈折率 n cとが、 式 （ 1 ) の関係を有することで、 第 1のコアに入射す る光と第 2のコアに入射する光とについて、 最大受光角を揃えることが可能とな 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 1 0 は、 光学部品 1 0を構成する光ファイバが、 第 1のコア 1 2と、 第 1のコア 1 2 よりも小さい屈折率を有する第 2のコア 1 4と、 第 2のコア 1 4よりも小さい屈 折率を有するクラッド 1 6とから構成されている。 従って、 光学部品 1 0の入射 面 1 0 aのうち、 第 1のコア 1 2に入射した光と第 2のコア 1 4に一定の角度を もって入射した光とは、 異なった経路をもって進行する。
さらに、 第 1のコア 1 2の断面が略円形となっていることから、 第 1のコア 1 2に入射した光は、 その中心軸を含む平面上に沿って入射した光を除き、 らせん 状に進行する。 また、 第 2のコア 1 4に入射した光も、 第 1のコア 1 2の中心軸 を含み第 2のコア 1 4の外周の平面部分と垂直な平面に沿って入射した光を除き、 第 1のコア 1 2と第 2のコア 1 4との界面及び第 2のコア 1 4とクラッド 1 6と の界面によって反射を繰り返し、 らせん状に進行する。
その結果、 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 なり、 パターンノイズを防止することが可能となり、 光学部品 1 0の出射面 1 0 b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。
さらに、 光学部品 1 0は、 第 1のコアに入射する光と第 2のコアに入射する光 とについて、 最大受光角を揃えることが可能となるため、 特定の入射角で入射し た光について、 第 1のコアに入射した光は光学部品 1 0内を伝送するが第 2のコ ァに入射した光は光学部品 1 0内を伝送しないという状況を回避することができ る。 従って、 第 2のコア 1 4部分が不感帯となって解像度を落とすこともない。 上記実施形態においては、 光学部品 1 0を構成する光ファイバ 2 8を形成する ために、 図 2 A〜Eに示す方法で母材 2 6を形成していたが、 これは図 5 A〜C に示すような方法を用いてもよい。 すなわち、 まず円柱形状を有する第 1のコア 母材 2 0を製造し （図 5 A ) 、 その周囲に、 第 1のコア母材 2 0よりも径が小さ い円柱形状を有する第 2のコア母材 3 0を複数個配置する （図 5 B ) 。 その後、 上記工程で製造された、 第 1のコア母材 2 0の周囲に第 2のコア母材 3 0を配置 したものを、 パイブ形状を有するクラッド母材 2 4に装填し、 光ファイバ製造用 の母材 3 2を製造する （図 5 C ) 。 ここで、 クラヅド母材 2 4の一方の底部 2 4 aは、 バーナーによる溶融などの方法によって封止される。 以降の処理、 すなわ ち母材 3 2の線引きによる光ファイバ 2 8の形成、 及び、 光学部品 1 0の形成に ついては上述のものと同様である。
また、 光学部品 1 0を構成する光ファイバ 2 8を形成するための母材は、 図 6 A〜Cに示すような方法で形成しても良い。 すなわち、 まず円柱形状を有する第 1のコア母材 2 0を製造し （図 6 A ) 、 その周囲に、 第 1のコア母材 2 0の径ょ りも小さい辺を持つ断面を有する四角柱形状の第 2のコア母材 3 4を複数個配置 する （図 6 B ) 。 その後、 上記工程で製造された、 第 1のコア母材 2 0の周囲に 第 2のコア母材 3 4を配置したものを、 パイプ形状を有するクラヅド母材 2 4に 装填し、 光ファイバ製造用の母材 3 6を製造する （図 6 C ) 。 ここで、 クラッド 母材 2 4の一方の底部 2 4 aは、 パーナ一による溶融などの方法によって封止さ れる。 以降の処理、 すなわち母材 3 6の線引きによる光ファイバ 2 8の形成、 及 び、 光学部品 1 0の形成については上述のものと同様である。
上記実施形態において、 光学部品 1 0の断面構造は図 1 Bに示すようになって いたが、 これは光学部品 1 0を構成する各光ファイバが第 1のコア 1 2と、 第 1 のコア 1 2の周囲に形成された第 2のコア 1 4と、 第 2のコア 1 4の周囲に形成 されたクラッド 1 6とを備えていれば、 様々な変形が考えられる。
図 7は、 第 1の変形例にかかる光学部品 4 0の拡大断面図である。 光学部品 4 0が上記実施形態にかかる光学部品 1 0と異なる点は、 光学部品 4 0は光学部品 1 0と比較して第 1のコア 1 2の径が小さい点である。 この際、 第 2のコア 1 4 の断面形状は略六角形の角がつぶれたような形状となっている （光吸収材 1 8が あるため）。 ここで、 従来技術に示した、 光の帯状の進行を極力防止するために、 第 1のコア 1 2の径 aが第 2のコア 1 4の断面の直線部分 （もしくは直線に近い 部分） の幅 a， よりも大きいことが望ましい。 また、 各コアの間隙を満たすクラ ッド 1 6の幅 bは、 クラヅドとして機能するための十分な厚さを有していること が必要である。
図 8は、 第 2の変形例にかかる光学部品 5 0の断面拡大図である。 光学部品 5 0が上記実施形態にかかる光学部品 1 0と異なる点は、 光学部品 5 0は光吸収材 1 8を設けていない点である。 この場合も、 従来技術に示した、 光の帯状の進行 を極力防止するために、 第 1のコア 1 2の径 aが第 2のコア 1 4の断面の直線部 分 （もしくは直線に近い部分） の幅 a， よりも大きいことが望ましい。 また、 各 コアの間隙を満たすクラッド 1 6の幅 bは、 クラッドとして機能するための十分 な厚さを有していることが必要である。
図 9は、 第 3の変形例にかかる光学部品 6 0の断面拡大図である。 光学部品 6 0が第 2の変形例にかかる光学部品 5 0と異なる点は、 光学部品 5 0は第 2のコ ァ 1 4の界面 （外周） が曲面形状を有するのに対し、 光学部品 6 0は、 第 2のコ ァ 1 4の界面 （外周） が平面形状を有する点である。 このような断面形状を有す る光学部品 6 0は、 光ファイバの加熱 '加圧処理時において、 第 2のコア 1 4の 粘度がクラッド 1 6の粘度と比較して極めて小さくなるように、 第 2のコア 1 4 とクラッド 1 6の材質を選択することによって得られる。 この場合も、 従来技術 に示した、 光の帯状の進行を極力防止するために、 第 1のコア 1 2の径 aが第 2 のコア 1 4の断面の直線部分の幅 a ' よりも大きいことが望ましい。 また、 _各コ ァの間隙を満たすクラッド 1 6の幅 bは、 クラッドとして機能するための十分な 厚さを有していることが必要である。
参考までに、 第 1のコア 1 2、 第 2のコア 1 4及びクラッド 1 6の周囲温度に 対する粘度の変化を図 1 0に示す。図 1 0からわかるように、光ファイバの加熱 · 加圧処理時の温度下 （6 0 0 °C) では、 クラッド 1 6の粘度、 第 1のコア 1 2の 粘度と比較して、 第 2のコア 1 4の粘度が小さくなつている。 また、 光ファイバ の強度の点で、 熱膨張係数は第 1のコア 1 2、 第 2のコア 1 4、 クラヅド 1 6の 順に小さくなつていることが望ましい。 すなわち、 光ファイバの中心部の熱膨張 係数が大きいと、 光ファイバの表面部には圧縮応力が発生し、 光ファイバの強度 が増加してクラックが入りにく くなる。
上記実施形態あるいは変形例にかかる光学部品 1 0 , 4 0 , 5 0及び 6 0は、 複数の光ファイバを平行に配列した光学部品であつたが、 これは、 複数の光ファ ィ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、 放射線像検出器など、 様々 な分野に利用できる。

Claims

請求の範囲
1. 複数の光ファィバを配列してなる光学部品において、
前記各光ファイバは、
第 1のコアと、
前記第 1のコアの周囲に形成され、 前記第 1のコアよりも小さい屈折率を有す る第 2のコアと、
前記第 2のコアの周囲に形成され、 前記第 2のコアよりも小さい屈折率を有す るクラッドと、
を備えたことを特徴とする光学部品。
2. 前記第 1のコアの屈折率 n と、
前記第 2のコアの屈折率 n2と、
前記クラッドの屈折率 ncとは、
n1 2-n2 2 = n2 2-nc 2
の関係を満たしている、
ことを特徴とする請求項 1に記載の光学部品。
3. 前記第 1のコアの断面形状は、 略円形である、
ことを特徴とする請求項 1又は 2に記載の光学部品。
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