(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のコアと共通のクラッドを有するイメージファイバーにおいて、光の波長λがλ＝６００nm、イメージファイバーの長さＺがＺ＝１．５ｍのときのクロストークパラメーターＢが
５＜Ｂ＜４０
を満足し、コア占有率が２０％以上であり、クラッドの厚さｔが１．８μm＞ｔ＞１μmを満足することを特徴とするイメージファイバー。ただし、
【数１】
0003805384.tif 000009
ここに、ｕ01、ｗ01はＬＰ01モードの固有値、ｄはコアのピッチ、ａはコアの半径、βはＬＰ01モードの伝搬定数、Ｋmはｍ次の第二種変形ベッセル関数、Ｖは次式で定義される規格化周波数でｎ1、ｎ2はそれぞれコアとクラッドの屈折率である。
Ｖ＝（２πａ／λ）・（ｎ12−ｎ22）1/2
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は光学的画像を伝送するイメージファイバーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
対物レンズ等により結像した光学像を別の空間に伝送する技術としてイメージファイバーが知られている。一般にイメージファイバーは共通のクラッドと多数のコアとで構成されている。このようなイメージファイバーは次のようにして作られる。素線と呼ばれる比較的太い多数の光ファイバーを束ね、これを加熱するとともに紡糸する。このとき、各ファイバーのクラッドが溶融し一体化する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このようなイメージファイバーには、特に医療の分野で、細径のものが望まれている。しかし、イメージファイバーを細径化した際、コアのピッチ（隣接する二本のコアの中心間の距離）が１０μｍ以下になると、光の波動的性質によりクロストークが生じるようになり、伝送する像を著しく劣化させるようになる。
【０００４】
このようなクロストークすなわち画像劣化の低減を図ったイメージファイバーとして、数種類のコアを有している、いわゆるランダムイメージファイバーが知られているが、複数の種類の光ファイバーを用いて製造するために高価なものになっている。
本発明は、安価でクロストークの少ないイメージファイバーを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数のコアと共通のクラッドを有するイメージファイバーにおいて、光の波長λがλ＝６００nm、イメージファイバーの長さＺがＺ＝１．５ｍのときのクロストークパラメーターＢが
５＜Ｂ＜４０
を満足し、コア占有率が２０％以上であり、クラッドの厚さｔが１．８μm＞ｔ＞１μmを満足することを特徴とするイメージファイバーである。ただし、
【０００６】
【数２】
0003805384.tif 000002
ここに、ｕ01、ｗ01はＬＰ01モードの固有値、ｄはコアのピッチ、ａはコアの半径、βはＬＰ01モードの伝搬定数、Ｋmはｍ次の第二種変形ベッセル関数、Ｖは次式で定義される規格化周波数でｎ1、ｎ2はそれぞれコアとクラッドの屈折率である。
Ｖ＝（２πａ／λ）・（ｎ12−ｎ22）1/2
【０００７】
【作用】
イメージファイバーにおいて、コアのピッチが小さくなるとクロストークが生じることは一般に知られている。このクロストークを表すパラメーターとして、上式で定義されるクロストークパラメーターＢが知られている。これについては、論文「『イメージファイバーの伝送特性』電子通信学会論文誌 '83.11, vol.J66-C No.11」の中で詳しく論じられている。
【０００８】
クロストークを減らす目的からするとクロストークパラメーターＢの値は小さいほど望ましいが、Ｂの値が小さくなると明るさが減るため、実用上の理由からその下限は制限される。本発明ではクロストークパラメーターＢの範囲を上の式の範囲内とする。この上限と下限は実験的に求めた。従って、この条件を満たすイメージファイバーであれば、画像が良好に伝送される。
【０００９】
なお、実際のイメージファイバーのクロストークは、上式のクロストークパラメーターから計算により求められるクロストークよりも少ない。これは、実際のイメージファイバーでは製造上の誤差（素線径のばらつきやイメージファイバーを紡糸する際の外径のふらつき等）、屈折率のゆらぎ、内部の残留応力等の原因により設計値からずれるためであると考えられる。
【００１０】
【実施例】
次に本発明者らが行なった実験について説明する。
四種類のイメージファイバー（サンプルＩ〜ＩＶ）を用意し、これらのサンプルＩ〜ＩＶに対してクロストークの測定を行なった。測定光には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の三種類の光を用いた。
【００１１】
各サンプルは、その端面を図２に示すように、共通のクラッド内に多数のコアＣを有している。これらのコアは、隣接した三つのコアを任意に選んだ際にそれらの中心が正三角形をなすように配置されている。
【００１２】
四種類のサンプルＩ〜ＩＶの各スペックを表１に示す。表中のコア径、コアピッチ、クラッド厚さは、図３に示す通りである。また、ｎ1 はコアの屈折率、ｎ2 はクラッドの屈折率である。
【００１３】
【表１】
0003805384.tif 000003
また、これらのサンプルＩ〜ＩＶの赤色光に対するクロストークパラメーターＢは表２に示す通りである。
【００１４】
【表２】
0003805384.tif 000004
【００１５】
赤、緑、青の三種類の光に対するクロストークパラメーターＢでは、赤に対するクロストークパラメーターＢが最も大きく、緑と青に対するクロストークパラメーターＢは常に赤に対するクロストークパラメーターＢよりも小さくなっている。従って、画像の劣化を評価する際には赤色光に対するクロストークパラメーターＢについてのみ評価を行なえばよい。このような理由から表２には赤色光に対するクロストークパラメーターＢのみを示した。
【００１６】
クロストークの測定は、図１に示す構成の光学系を用いて行なった。ランプ１２の前にはピンホール板１４が配置されている。ピンホールを点光源とみなし、ここから射出される光を、Ｆナンバー１．４となるような明るさ絞り１６を有するレンズ１８で集光し、イメージファイバー２０に多数あるコアの中の一つのコアいっぱいに入射させる。
【００１７】
一方、イメージファイバー２０の射出端側に結像レンズ２２を配置し、結像レンズ２２とフィルター２４を介して、イメージファイバー２０の射出端面の像をＴＶカメラ２６で撮影する。ＴＶカメラ２６で得られる画像情報はコンピューター３０に入力され、クロストークの大きさの分析などが行なわれるとともに、ＴＶモニター２８に入力され射出端面の像が表示される。
【００１８】
サンプルＩ〜ＩＶにはそれぞれ長さ１．５ｍのものと長さ３．５ｍのものを用意した。ランプ１２にはキセノンランプを用い、赤色光（波長６００ｎｍ）、緑色光（波長５１６ｎｍ）、青色光（波長４７６ｎｍ）を透過するフィルター三種類を用意して図中２４で示す位置に配置し、それぞれについて測定を行なった。
【００１９】
図４〜図７に示すとおり、クロストークは長波長になるほど大きく発生しており、またＢ値が大きいサンプル程、中心コア（入射コア）に残る光強度の比率が小さくなっていることがわかる。
【００２０】
例えば、赤色波長（６００ｎｍ）で一番Ｂ値が小さいサンプルＩＶ（１．５ｍ）では、中心コアの光強度比が約０．６であるのに対し、一番Ｂ値が大きいサンプルＩ（３．５ｍ）では約０．２である。こららのサンプルより更にＢ値の大きいイメージファイバーにおいては、更にクロストークが増大し、中心コアの光強度比が低下し、逆にＢ値を小さくすればクロストークが減少し、中心コアの光強度比が向上することは容易に予測できる。
【００２１】
サンプルＩ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶの測定結果をそれぞれ図４、図５、図６、図７に示す。図中のピッチ数は、図２において、光を入射させたコアＣ０を０、その最も近いコアＣ１を１、その次に近いコアＣ２を２と数えている。
【００２２】
サンプルＩの３．５ｍのイメージファイバーを用いて像を観察したところ、クロストークは実用上の下限レベルであったが、明るさは十分であった。また、サンプルＩＶの３．５ｍのイメージファイバーは、明るさはやや不足ぎみであったが、クロストークが少なく、高コントラストな像が得られた。これらの実験結果から、ファイバースコープの実用上許容される範囲としては、波長６００ｎｍの光（赤色光）に対するクロストークパラメーターＢが下式を満足すればよいと結論付けられる。
【００２３】
２００＞Ｂ＞０．７                    （３）
上式の上限はクロストークの限界を示すものであり、この値を超えると解像が著しく劣化する。また下限は明るさの限界を示すものであり、例えば表１中のＩとＩＶではコア占有率が１．６倍も異なり、照明系の工夫等による光量増を考慮しても、クロストークパラメーターＢが０．７以下では十分な明るさが得られない。
【００２４】
さらに、明るさとクロストークのバランスを考慮すると、クロストークパラメーターＢが下式を満たすものであれば、実用上大変望ましい。
１００＞Ｂ＞５                      （４）
ところで、高解像のイメージファイバーを得るためには、コアピッチを小さくする必要があり、必然的にコア径も小さくなる。例えば、現存の血管内視鏡用のイメージファイバーは、外径が０．３ｍｍ程度で画素数が３０００本程度であり、コア径は２〜３μｍである。この種のイメージファイバーには更に高画素化が望まれており、１００００画素程度を実現するにはコア径を１μｍ程度にまで小さくする必要がある。このようにコア径を小さくすると、Ｖ値が小さくなり、伝搬モードの制限が問題になる。
ここでＶ値は次式で定義される規格化周波数である。
【００２５】
【数３】
0003805384.tif 000005
ただし、λは光の波長、ａはコア半径、ｎ1 、ｎ2 はそれぞれコアとクラッドの屈折率である。
【００２６】
ＮＡ（開口数）約０．５の光ファイバーに入射Ｆナンバー１．４の光を入射させたとき、励起されるモードのエネルギーの比を示したグラフを図８に示す。このグラフにおいて、横軸はコア径であり、縦軸はエネルギー（任意スケール）である。このグラフから分かるように、コア径が小さくなると、エネルギーの大きいＬＰ11モードやＬＰ21モードの光は励起されなくなり、暗くなってしまう。
【００２７】
そこで明るさを得るため、少なくともＬＰ11モードが励起されるように、Ｖ値が次式を満足することが望ましい。
Ｖ＞２．４０５                      （６）
Ｖ値が次式を満足すれば、ＬＰ21モードが励起され、より望ましい。
【００２８】
Ｖ＞３．８３                        （７）
コア径が３μｍで（７）式を満足するには、ＮＡが次式を満足する必要がある。
【００２９】
【数４】
0003805384.tif 000006
さらにコア径が１μｍ程度で（７）式を満足するには、ＮＡが次式を満足する必要がある。
【００３０】
【数５】
0003805384.tif 000007
【００３１】
しかしながら、イメージファイバーの長さが数十ｃｍ程度の場合には透過率の損失も少ないので通常の光学ガラスで実現できるが、長さが数ｍになると高透過率が必要となる。一般のガラスでは、屈折率を上げると透過率が下がり、（９）式を満足することが難しくなる。
そこで、条件として（６）式を適用すると、その条件は次式となり、多成分系のガラスで実現できる。
【００３２】
【数６】
0003805384.tif 000008
【００３３】
また、これらの条件と（１）式とを満足することにより、高画素高解像で、クロストークが少なく明るいイメージガイドを実現できる。
多成分系のガラスの屈折率は低屈折率のもので、１．４７〜１．５３程度が一般的であるので、コア材の屈折率は少なくとも１．５４以上必要である。
【００３４】
また、イメージファイバーでは、クラッドが厚いほどクロストークが少なく、コントラストの高い像が得られるが、その反面、コア占有率が低くなるため明るさが減る。実用上十分な明るさを確保するためにはコア占有率は少なくとも２０％程度は必要であり、さらに３０〜４０％程度であることが望ましい。内視鏡などに用いられるイメージファイバーは一般に数十ｃｍから５ｍ程度であり、この範囲で上記占有率を満足し、クロストークを実用上問題ないレベルに抑えるためには、クラッドの厚さは次式を満足することが望ましい。
【００３５】
１．８μｍ＞ｔ＞１μｍ                （１１）
コア径が２μｍ程度においては、次式の範囲であることが特に望ましいことが実験より分かった。
【００３６】
１．７μｍ＞ｔ＞１．４μｍ              （１２）
イメージファイバーのクロストークを更に減らす方法について述べる。クロストークが生じている状態（例えば、あるコアに入射した光が射出端において別のコアから出ている状態）において、射出端の強度パターンを観察すると、入射コアから離れたコアにおいて高次のモードパターンが観察できる。このことから高次のモードを遮断すればクロストークが減少することが分かる。例えば、図９に示すように、コア径が部分的に細くなっているイメージファイバーを用いれば、コア径が小さい部分で高次モードが遮断され、クロストークの少ない低次モードのみを伝搬させることが可能である。
【００３７】
また、他の手段としては、イメージファイバーを紡糸する際に部分的に急冷するなどして、内部に残留応力がかかるようにしても、モードパターンが変わるため、クロストークは減少する。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、クロストークの少なくコストの低いイメージファイバーが得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】イメージファイバーのクロストークを測定する装置の構成を示す。
【図２】イメージファイバーの端面を示す。
【図３】コア径、コアピッチ、クラッド厚さを示す。
【図４】サンプルＩの測定結果を示すグラフである。
【図５】サンプルＩＩの測定結果を示すグラフである。
【図６】サンプルＩＩＩの測定結果を示すグラフである。
【図７】サンプルＩＶの測定結果を示すグラフである。
【図８】光ファイバーに光を入射させたときに励起されるモードのエネルギーの比を示すグラフである。
【図９】コア径が部分的に細くなっているイメージファイバーを示す。
【図１】
0003805384.tif 000010
【図２】
0003805384.tif 000011
【図３】
0003805384.tif 000012
【図４】
0003805384.tif 000013
【図５】
0003805384.tif 000014
【図６】
0003805384.tif 000015
【図７】
0003805384.tif 000016
【図８】
0003805384.tif 000017
【図９】
0003805384.tif 000018