(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光ファイ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、
前記第１のコアの屈折率ｎ１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、
ｎ１２−ｎ２２＝ｎ２２−ｎｃ２
の関係を満たしている
ことを特徴とする光学部品。
【発明の詳細な説明】
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。
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り、図１Ｃは、図１ＢのＩＩ−ＩＩ線に沿った屈折率分布図である。
光学部品１０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。各光ファイバは、ファイバ軸が図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、ファイバ軸に対して斜めにカットされた入射面１０ａと、ファイバ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は、図１Ｂに示すように、第１のコア１２と、第１のコアの周囲に形成された第２のコア１４と、第２のコア１４の周囲に形成されたクラッド１６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１６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１Ｂ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の粘度が第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のコア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１６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り、特に光学部品１０において通常使用される波長（５５０ｎｍ）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１０μｍ程度、第２のコア１４の断面の平面部分の幅ａ’は５μｍ程度、各コアの間隙を満たすクラッド１６の幅ｂは、２μｍ程度となっており、また、第２のコア１４の厚さは２μｍ程度となっている。
また、第１のコア１２は、例えば屈折率ｎ１が１．７１のＢａ−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のソーダ石灰ガラスから形成されている。従って、図１ＢのＩＩ−ＩＩに沿った屈折率分布は、図１Ｃ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１２の屈折率ｎ１よりも小さく、クラッド１６の屈折率ｎｃは第２のコア１４の屈折率ｎ２はよりも小さくなっており、また、第１のコア１２の屈折率ｎ１、第２のコア１４の屈折率ｎ２、クラッド１６の屈折率ｎｃは以下の関係を持たしている。
ｎ１２−ｎ２２＝ｎ２２−ｎｃ２        （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２Ｆ〜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、円柱形状を有する第１のコア母材２０を製造する（図２Ａ、図２Ｆ）。第１のコア母材２０は、例えば屈折率が１．７１のＢａ−Ｌａ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、図２Ｂ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２Ｃ、図２Ｇ）。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２Ｄに示すようなパイプ形状を有するクラッド母材２４に装填し、光ファイバ製造用の母材２６を製造する（図２Ｅ、図２Ｈ）。ここで、クラッド母材２４は、例えば屈折率が１．５２のソー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２４ａ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７のコア１２（屈折率ｎ１＝１．７１）と、第１のコアの周囲に形成された第２のコア１４（屈折率ｎ２＝１．６２）と、第２のコア１４の周囲に形成されたクラッド１６（屈折率ｎｃ＝１．５２）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２８を、その間隙に光吸収材１８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１１Ａ〜Ｃ、図１２Ａ〜Ｃ及び図１３Ａ〜Ｃに示す。図１１Ａ〜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１１Ａ〜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１２Ａ〜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１３Ａ〜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１４Ａ〜Ｃに示すような螺旋状の進行と、図１５Ａ〜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１４Ａ〜Ｃ及び図１５Ａ〜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１４Ａは、光学部品６の入射面（コア２０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１４Ｂ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１４Ａ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１５Ａ〜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１５Ａ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１５Ｃ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は、光学部品１０の入射面１０ａに入射し、第１のコア１２及び第２のコア１４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１０ａがファイバ軸に対して垂直であるとし、最大受光角（３４°）をもって入射面１０ａに入射した光について考える。
入射面１０ａ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１０ａからクラッド１６に入射した光（図４の（Ａ）又は（Ｅ））は、クラッド１６から直接光吸収材１８に入射して減衰・消滅する（図４の（Ｅ））か、第２のコア１４、第１のコア１２、第２のコア１４と屈折して進行した後、光吸収材１８に入射して減衰・消滅する（図４の（Ａ））。
入射面１０ａから第２のコア１４に入射した光（図４の（Ｂ）又は（Ｄ））は、第２のコア１４と第１のコア１２との界面においては屈折、第２のコア１４とクラッド１６との界面においては全反射を繰り返し、第１のコア１２及び第２のコア１４内を進行する。この際、光は第１のコア１２内ではファイバ軸に対して２７．３°の角度をもって進行し、第２のコア１４内ではファイバ軸に対して２０．２°の角度をもって進行することになる。
さらに、入射面１０ａから第１のコア１２に入射した光（図４の（Ｃ））は、第１のコア１２と第２のコア１４との界面において全反射を繰り返し、第１のコア１２内を進行する。この際、光は第１のコア１２内でファイバ軸に対して１９．１°の角度をもって進行することになる。
従って、光学部品１０の入射面１０ａ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。
さらに、第１のコア１２の屈折率ｎ１と第２のコア１４の屈折率ｎ２とクラッド１６の屈折率ｎｃ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１０は、光学部品１０を構成する光ファイバが、第１のコア１２と、第１のコア１２よりも小さい屈折率を有する第２のコア１４と、第２のコア１４よりも小さい屈折率を有するクラッド１６とから構成されている。従って、光学部品１０の入射面１０ａのうち、第１のコア１２に入射した光と第２のコア１４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１２の断面が略円形となっていることから、第１のコア１２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１４に入射した光も、第１のコア１２の中心軸を含み第２のコア１４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１２と第２のコア１４との界面及び第２のコア１４とクラッド１６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。
さらに、光学部品１０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１０内を伝送するが第２のコアに入射した光は光学部品１０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１４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１０を構成する光ファイバ２８を形成するために、図２Ａ〜Ｅに示す方法で母材２６を形成していたが、これは図５Ａ〜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２０を製造し（図５Ａ）、その周囲に、第１のコア母材２０よりも直径がさい円柱形状を有する第２のコア母材３０を複数個配置する（図５Ｂ）。その後、上記工程で製造された、第１のコア母材２０の周囲に第２のコア母材３０を配置したものを、パイプ形状を有するクラッド母材２４に装填し、光ファイバ製造用の母材３２を製造する（図５Ｃ）。ここで、クラッド母材２４の一方の底部２４ａ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３２の線引きによる光ファイバ２８の形成、及び、光学部品１０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１０を構成する光ファイバ２８を形成するための母材は、図６Ａ〜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２０を製造し（図６Ａ）、その周囲に、第１のコア母材２０の径よ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３４を複数個配置する（図６Ｂ）。その後、上記工程で製造された、第１のコア母材２０の周囲に第２のコア母材３４を配置したものを、パイプ形状を有するクラッド母材２４に装填し、光ファイバ製造用の母材３６を製造する（図６Ｃ）。ここで、クラッド母材２４の一方の底部２４ａ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３６の線引きによる光ファイバ２８の形成、及び、光学部品１０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１０の断面構造は図１Ｂに示すようになっていたが、これは光学部品１０を構成する各光ファイバが第１のコア１２と、第１のコア１２の周囲に形成された第２のコア１４と、第２のコア１４の周囲に形成されたクラッド１６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４０の拡大断面図である。光学部品４０が上記実施形態にかかる光学部品１０と異なる点は、光学部品４０は光学部品１０と比較して第１のコア１２の径が小さい点である。この際、第２のコア１４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１８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１６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８は、第２の変形例にかかる光学部品５０の断面拡大図である。光学部品５０が上記実施形態にかかる光学部品１０と異なる点は、光学部品５０は光吸収材１８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１２の径ａが第２のコア１４の断面の直線部分く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１６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６０の断面拡大図である。光学部品６０が第２の変形例にかかる光学部品５０と異なる点は、光学部品５０は第２のコア１４の界面（外周）が曲面形状を有するのに対し、光学部品６０は、第２のコア１４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６０は、光ファイバの加熱・加圧処理時において、第２のコア１４の粘度がクラッド１６の粘度と比較して極めて小さくなるように、第２のコア１４とクラッド１６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１２の径ａが第２のコア１４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、各コアの間隙を満たすクラッド１６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１２、第２のコア１４及びクラッド１６の周囲温度に対する粘度の変化を図１０に示す。図１０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（６００℃）では、クラッド１６の粘度、第１のコア１２の粘度と比較して、第２のコア１４の粘度が小さくなっている。また、光ファイバの強度の点で、熱膨張係数は第１のコア１２、第２のコア１４、クラッド１６の順に小さくなっ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１０，４０，５０及び６０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、放射線像検出器など、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１Ｃは、図１ＢのＩＩ−ＩＩ線に沿った屈折率分布図である。
図２Ａ〜図２Ｅ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２Ｆ〜図２Ｈ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５Ａ〜図５Ｃ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６Ａ〜図６Ｃ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。
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１０は、周囲温度と粘度との関係を表す図である。
図１１Ａ〜図１１Ｃは、従来技術にかかる光学部品の製造工程図である。
図１２Ａ〜図１２Ｃは、従来技術にかかる光学部品の製造工程図である。
図１３Ａ〜図１３Ｃは、従来技術にかかる光学部品の製造工程図である。
図１４Ａ〜図１４Ｃ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１５Ａ〜図１５Ｃ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１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
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【図２Ｈ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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