專利名稱：光學部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及把多條光纖排列起來構(gòu)成的光學部件。
背景技術(shù)：
作為傳送光信息的光學部件，人們熟知把多條光纖排列起來形成的光學部件。上述光學部件具有使各條光纖的纖芯和包層露了出來的入射面和出射面，使得可以把入射到入射面上的光信息傳送到出射面上。
此外，上述光學部件，由于具有傳送效率高、與透鏡比較光學系統(tǒng)可以小型化等種種的優(yōu)點，故可以在包括指紋檢測裝置在內(nèi)的各種各樣的領(lǐng)域中使用。
發(fā)明概述上述光學部件的制造，通常，采用使斷面形狀為圓形或正方形的光纖排列成束后成型為一個整體的辦法進行。因此，通過在成型為一個整體時的推壓，構(gòu)成上述光學部件的光纖的纖芯的斷面，將變成為具有象正方形、六角形那樣地互相平行的對邊的多角形，因而將產(chǎn)生以下所述的問題。
就是說，以特定的入射角向入射面入射進來的光，在互相平行的對面處反復反射，以特定的出射角從出射面射出。其結(jié)果是，在從出射面射出的輸出圖象中，形成具有僅僅在特定的出射角上才有強度的圖形，該圖形將成為噪聲而使光學部件的解像度降低。
于是，本發(fā)明的目的在于解決這樣的問題，提供防止圖形噪聲的發(fā)生，從而解像度高的光學部件。
為解決上述課題，本發(fā)明是一種把多條光纖排列起來構(gòu)成的光學部件，其特征在于上述各條光纖具備斷面大體上為圓形的第1包層；在第1包層的周圍形成、且具有比上述第1包層大的折射率的纖芯；在上述纖芯的周圍形成，且具有比上述纖芯小的折射率的第2包層。采用具有上述構(gòu)成的辦法，入射到光學部件的入射面上的光，在第1包層與纖芯之間的界面和纖芯與第2包層之間的界面這雙方處反復進行反射，在纖芯內(nèi)傳播。其中，采用使第2包層的斷面變成為大體上的圓形的辦法，即便是在光學部件成型為一個整體時，因纖芯變形而形成了相互平行的對面的情況下，也可以避免所有的光在纖芯內(nèi)帶狀地行進的狀況，消除形成僅僅在特定的出射角上有強度的圖形的現(xiàn)象。結(jié)果，可以防止圖形噪聲，可以得到解像度高的輸出圖象。
附圖的簡單說明圖1A是本發(fā)明的實施例1的光學部件的斜視圖。
圖1B是沿圖1A的Ⅰ-Ⅰ線的擴大剖面圖。
圖1C是沿圖1B的Ⅱ-Ⅱ線的折射率分布圖。
圖2A～圖2E是構(gòu)成光學部件的光纖對的制造工序圖。
圖2F～圖2H是在各個工序中制造的母材等的剖面圖。
圖3是在光學部件的制造中使用的光纖對的擴大剖面圖。
圖4示出了周圍溫度與粘度之間的關(guān)系。
圖5A～圖5C是在各個工序中制造的母材等的剖面圖。
圖6A～圖6C是在各個工序中制造的母材等的剖面圖。
圖7A～圖7C是在各個工序中制造的母材等的剖面圖。
圖8是第1變形例的光學部件的擴大剖面圖。
圖9是第2變形例的光學部件的擴大剖面圖。
圖10是第3變形例的光學部件的擴大剖面圖。
圖11A～圖11D是在各個工序中制造的母材等的剖面圖。
圖12A～圖12D是在各個工序中制造的母材等的剖面圖。
圖13A～圖13D是在各個工序中制造的母材等的剖面圖。
圖14A～圖14D是在各個工序中制造的母材等的剖面圖。
圖15A～圖15C是現(xiàn)有技術(shù)的光學部件的制造工序圖。
圖16A～圖16C是現(xiàn)有技術(shù)的光學部件的制造工序圖。
圖17A～圖17C是現(xiàn)有技術(shù)的光學部件的制造工序圖。
圖18A～圖18C示出了現(xiàn)有技術(shù)的構(gòu)成光學部件的光纖纖芯內(nèi)的光行進的樣子。
圖19A～圖19C示出了現(xiàn)有技術(shù)的構(gòu)成光學部件的光纖纖芯內(nèi)的光行進的樣子。
實施本發(fā)明的優(yōu)選實施例用


本發(fā)明的實施例的光學部件。首先，對本實施例的光學部件的構(gòu)成進行說明。
圖1A是本實施例的光學部件的斜視圖。光學部件10，使多條光纖互相平行地配置起來地形成。各條光纖被排列為使得光軸與圖1A的y軸平行，光學部件10，具有對于光軸斜向切斷的入射面10a，和對于光軸垂直切斷的出射面10b，且使得可以縮小入射到入射面10a上的輸入圖形后使之從出射面10b輸出。
圖1B是沿圖1A的Ⅰ-Ⅰ線在與x-z平面平行的平面上切開時的擴大剖面圖。光學部件10的斷面，其構(gòu)成為把由第1包層14、在第1包層14的周圍形成的纖芯15、在纖芯14的周圍形成的第2包層16形成的多條光纖，規(guī)則地排列起來，使得其光纖軸互相平行。此外，在各條光纖之間，設(shè)置用來除去光學部件10內(nèi)的雜散光的光吸收體18，各條光纖的第2包層16，通過加熱加壓處理使之一體化，并填埋毗鄰的光纖對間的間隙。
此外，在圖1B中，第1包層14的斷面大致上是圓形形狀，纖芯15的斷面(外周)是頂角坍塌的大致上的六角形。為了把第1包層14和纖芯15的斷面作成為這樣的形狀，在光纖的加熱加壓處理時，只要選擇第1包層14、纖芯15和第2包層16的材質(zhì)，使得第1包層14和第2包層16的粘度比纖芯15的粘度大即可。
在這里，為了極力防止光的帶狀的行進(詳細情況在后邊講述)，雖然使第1包層14的直徑a比纖芯15的直線部分(或近似直線的部分)的寬度a’大是有利的，但是，為了加大入射面10a上的有效受光面積(纖芯15的斷面面積)，希望第1包層14的直徑a小。此外，填滿各個纖芯的間隙的第2包層16的寬度b，必須具有用來作為包層起作用的足夠的厚度，特別理想的是，厚度應(yīng)在在光學部件中通常所使用的波長(550nm)的1/2以上。
在本實施例的光學部件10中，考慮到有效受光面積、解像度等，使第1包層14的直徑a為大約2微米左右，纖芯15的斷面的平面部分的寬度a’大約為4微米左右，填滿各個纖芯的間隙的第2包層16的寬度b大約為2微米左右，此外，纖芯15的外徑大約為10微米左右。
此外，第1包層14，例如由折射率n1為1.495的硼硅酸鹽玻璃形成，纖芯15例如由折射率n2為1.82的Ba-La系玻璃形成，第2包層16例如由折射率n3為1.495的硼硅酸鹽玻璃構(gòu)成。因此，沿圖1B的Ⅱ-Ⅱ線的折射率分布，就變成為圖1C那樣。由上述第1包層14、纖芯15和第2包層16的折射率可知，纖芯15的折射率n2比第1包層14的折射率n1大，第2包層16的折射率n3比纖芯15的折射率n2小，此外，第1包層14的折射率n1與第2包層16的折射率n2相等。
接著，對本實施例的光學部件的制造方法進行說明。圖2A～圖2E是構(gòu)成光學部件10的光纖對的制造工序圖，圖2F～圖2H是在各個工序中制造的母材等的剖面圖。
為了制造構(gòu)成光學部件10的光纖，首先，制造具有圓柱形狀的第1包層母材20(圖2A、圖2F)。第1包層母材20，例如由折射率為1.495的硼硅酸鹽玻璃形成，其側(cè)面用セリア研磨等的方法進行研磨。
接著，如圖2B所示，把在上述工序中制造的第1包層母材20裝填到圖2B所示的那樣的具有管道形狀的第2纖芯母材22中去(圖2C、圖2G)。其中，纖芯母材22，例如，用折射率為1.82的Ba-La系玻璃形成，其內(nèi)面和外面，用セリア研磨等的方法進行研磨。
接著，再把已經(jīng)把在上述工序中制造的第1包層母材20裝填到纖芯母材22中去的制成品，裝填到具有圖2D所示的那樣的管道形狀的第2包層母材24中去，制造光纖制造用的母材26(圖2E、圖2H)。其中，第2包層母材24，例如，用折射率為1.495的硼硅酸鹽玻璃形成，第2包層母材24的一方的底部24a用噴燈進行熔融等方法進行密封。
然后，把上述母材26拉成絲制造光纖。在圖3中擴大示出了用該方法制造的光纖的斷面。該光纖28由第1包層14(折射率n1=1.495)、在第1包層14的周圍形成的纖芯15(折射率n2=1.82)、在纖芯15的周圍形成的第2包層(折射率n3=1.495)形成。
采用把用上述工序制造的多條光纖28，在其間隙內(nèi)恰當?shù)嘏渲霉馕阵w18，同時把它們無間隙地配置成互相平行，并通過加熱加壓處理，成型為一個整體的辦法，制造光學部件10。在這里，圖4示出了粘度對第1包層14、纖芯15和第2包層16的周圍溫度的變化。由圖4可知，在光纖的加熱加壓處理時的溫度(約850℃)下，與纖芯15的粘度比較，第2包層14和第2包層16的粘度這一方變大。此外，從光纖的強度的觀點來看，由于如果纖芯15與第1包層14和第2包層16之間的熱膨脹系數(shù)之差大則易于產(chǎn)生裂縫，故希望該差小。就是說，如果第1包層14和第2包層16的熱膨脹系數(shù)與纖芯15的熱膨脹系數(shù)比較起來過小(差大)，則在纖芯15上易于產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，光纖易于斷裂。
接著，對本實施例的光學部件的作用進行說明。在這里，首先，要弄清楚現(xiàn)有技術(shù)的光學部件的那些問題?，F(xiàn)有技術(shù)的光學部件的制造，通常，采用使斷面為圓形或正方形的多條光纖平行地配置成束，并成型為一個整體的辦法進行。此外，為了提高光學部件的解像度，還常常要把上述已成束的光纖群再次拉成絲的制成品(多條光纖)平行地配置成束，形成為一個整體，或使上述拉絲工序和成束工序反復多次的制成品(多條多條光纖)成型為一個整體的辦法，制造光學部件。
在用上述制造方法制造光學部件時的個條光纖的纖芯的斷面形狀的變化，示于圖15A～圖15C、圖16A～圖16C和圖17A～圖17C。圖15A～圖15C示出的是把纖芯2的斷面為圓形的光纖4配置成四方地形成光學部件6的情況下的纖芯2的斷面形狀的變化。在纖芯2的斷面為圓形的光纖4配置成四方地形成光學部件6的情況下，如圖15A～圖15C所示，通過使光纖4成束地成型為一個整體時的加熱加壓處理，各條光纖4的纖芯2的斷面，變形為大致上的正方形。
在這里，變形的比率，因上述加熱加壓處理時的溫度下的光纖4的纖芯2與包層8的硬度而異。在纖芯2與包層8比較起來極其之硬的情況下，纖芯2的斷面雖然可以維持圓形，但是為了避免毗鄰的纖芯2彼此間的接觸，要把纖芯2作成為比包層8極端地硬，在實用上是困難的。
圖16A～圖16C示出的是把纖芯2的斷面為圓形的光纖4配置成六方地形成光學部件6的情況下的纖芯2的斷面形狀的變化。在這種情況下，通過使光纖4成束地成型為一個整體時的加熱加壓處理，各條光纖4的纖芯2的斷面變形為大致上的六角形。此外，圖17A～圖17C示出的是把纖芯2的斷面為正方形的光纖4配置成四方地形成光學部件6的情況下的纖芯2的斷面形狀的變化。在這種情況下，由于在配置各條光纖4時，變成為沒有毗鄰的包層8間的間隙，故在通過使光纖4成束地成型為一個整體時的加熱加壓處理之后，纖芯2的斷面仍可以維持正方形。
如上述那樣地制造的光學部件6，由于各種光纖4的纖芯2的斷面，將變成為象正方形、六角形等那樣的具有互相平行的對邊的多角形，故存在著以下所述的問題。就是說，入射到光學部件6的入射面上的光在纖芯2內(nèi)的行進，可以發(fā)生兩種光的行進圖18A～圖18C所示的那樣的螺旋狀的行進，和圖19A～圖19C所示的那樣地帶狀的行進。其中，圖18A～圖18C和圖19A～圖19C中的圓圈和黑點表示光的入射位置。
圖18A示出了入射到光學部件6的入射面(纖芯2的入射面)6a上的光在纖芯2內(nèi)行進的樣子，圖18B則把該光的行進軌跡投影到與入射面6a平行的平面上。如圖18A和圖18B所示，以隨機的入射角(除去用圖19A～圖19C說明的特定的入射角之外)入射到光學部件6的入射面6a上的光，在纖芯2內(nèi)螺旋狀地行進。其結(jié)果是，如圖18C所示，即便是在光以恒定的入射角θ入射到光學部件6的入射面6a上的情況下，也會歸因于該入射位置的差異，而以各種各樣的出射角，從光學部件6的出射面射出。
另一方面，如圖19A和圖19B所示，以特定的入射角(使光僅僅通過纖芯2的平行的對面，進行反射和行進的那樣的入射角)入射進來的光，在纖芯2內(nèi)則帶狀地行進。其結(jié)果是，如圖19C所示，在光以恒定的入射角θ入射到光學部件6的入射面6a上的情況下，結(jié)果就變成為從光學部件6的出射面6b也以θ的出射角出射，而與其入射位置的差異無關(guān)。因此，在從光學部件6的出射面6b射出的輸出圖象中，形成僅僅在特定的入射角內(nèi)才具有強度的圖形，該圖形變成為噪聲使光學部件6的解像度降低。特別是那些采用使多條光纖(多條多條光纖也是一樣)成型為一個整體的辦法制造的光學部件，由于在該多條光纖的中央部分和邊緣部分處的纖芯2的變形比率不同，故起因于該變形比率的差異，將產(chǎn)生與該多個光纖的斷面形狀對應(yīng)的圖形噪聲，使光學部件6的解像度顯著地降低。
對此，考慮本實施例的光學部件10的情況。光學部件10，采用使各條光纖具備第1包層14、在第1包層14的周圍形成的纖芯15、在纖芯15的周圍形成的第2包層16的辦法，入射到入射面10a上的光，在第1包層14與纖芯15之間的界面和第2包層16與纖芯15之間的界面這雙方處反復進行反射，在纖芯15內(nèi)傳播。在這里，例如如圖1B所示，即便是在光學部件10的一體成型時，因纖芯14(纖芯15)變形而形成了相互平行的對面的情況下，在纖芯15內(nèi)行進的光，不僅在與第2包層16之間的界面上，在與斷面大體上為圓形，就是說具有曲面形狀的第1包層14之間的界面上，也可以避免在纖芯14內(nèi)帶狀地行進這樣的狀況。在這里，如圖1B所示，即便是第1包層14的直徑a與纖芯15的斷面的直線部分的寬度a’比較起來多少有些小的情況下，光的帶狀的行進也會大幅度地降低。結(jié)果，可以防止形成僅僅在特定的出射角上有強度的圖形的現(xiàn)象。
此外，光學部件10，由于第1包層14的折射率n1與第2包層16的折射率n2相等，故纖芯15與第1包層14之間的界面上的臨界角和纖芯15與第2包層16之間的界面上的臨界角相等。
接著，對本實施例的光學部件的效果進行說明。光學部件10的構(gòu)成光學部件10的光纖，采用由斷面大體上為圓形的第1包層14、在第1包層14的周圍形成纖芯15、在纖芯15的周圍形成的第2包層16構(gòu)成的辦法，就可以消除僅僅在特定的入射角上形成具有強度的圖形的現(xiàn)象。結(jié)果，可以防止圖形噪聲，可以從光學部件10的出射面10b得到解像度高的輸出圖象。
此外，光學部件10，由于纖芯15與第1包層14之間的界面上的臨界角和纖芯15與第2包層16之間的界面上的臨界角相等，故結(jié)果就變成為在纖芯15與第1包層14之間的界面上進行全反射的光，在纖芯15與第2包層16之間的界面上也必然進行全反射，而在纖芯15與第2包層16之間的界面上進行全反射的光，在纖芯15與第1包層14之間的界面上也必然會進行全反射，使效率良好的光傳送成為可能。
在上述實施例中，為了形成構(gòu)成光學部件10的光纖28，用圖2F～圖2H所示的方法形成母材26，但也可以用以下所示的方法。就是說，如圖5A～圖5C所示，首先制造具有圓柱形狀的第1包層母材20(圖5A)，在其周圍，配置2個具有把厚壁圓筒在與其底面垂直的平面上分成2等份的形狀的纖芯母材30(圖5B)。然后，把纖芯母材30配置在在上述工序中制造的第1纖芯母材20的周圍的制成品，裝填到具有管道形狀的包層母材24中，制造光纖制造用的母材32(圖5C)。在這里，用噴燈進行熔融等方法對包層母材24的一方的底部24a進行密封。以后的處理，即利用母材32的拉絲進行的光纖28的形成和光學部件10的形成，與上邊所說的形成方法是一樣的。
此外，用來形成構(gòu)成光學部件10的光纖28的母材的形成，也可以用以下所示的方法。就是說，如圖6A～圖6C所示，首先制造具有圓柱形狀的第1包層母材20(圖6A)，在其周圍，配置多個具有圓柱形狀的纖芯母材34(圖6B)。然后，把纖芯母材34配置在在上述工序中制造的第1包層母材20的周圍的制成品，裝填到具有管道形狀的第2包層母材24中，制造光纖制造用的母材36(圖6C)。在這里，用噴燈進行的熔融等的方法對包層母材24的一方的底部24a進行密封。以后的處理，即利用母材36的拉絲進行的光纖28的形成和光學部件10的形成，與上邊所說的形成方法是一樣的。
此外，用來形成構(gòu)成光學部件10的光纖28的母材的形成，也可以用以下所示的方法。就是說，如圖7A～圖7C所示，首先制造具有圓柱形狀的第1包層母材20(圖7A)，在其周圍，配置多個具有四角柱狀的纖芯母材38(圖7B)。然后，把纖芯母材38配置在在上述工序中制造的第1包層母材20的周圍的制成品，裝填到具有管道形狀的第2包層母材24中，制造光纖制造用的母材40(圖7C)。在這里，用噴燈進行的熔融等的方法對包層母材24的一方的底部24a進行密封。以后的處理，即利用母材40的拉絲進行的光纖28的形成和光學部件10的形成，與上邊所說的形成方法是一樣的。
在上述實施例中，光學部件10的斷面構(gòu)造，變成為如圖1B所示的那樣的構(gòu)造，但是，若使構(gòu)成光學部件10的各條光纖具備斷面為大體上的圓形第1包層14、在第1包層14的周圍形成的纖芯15、和在纖芯14的周圍形成的第2包層16，則可以考慮各種各樣的變形。
圖8是第2變形例的光學部件50的擴大剖面圖。光學部件50與實施例1的光學部件10的不同之處在于，光學部件50不設(shè)置光吸收體18。此外，在光學部件50中，由于第1包層14的直徑a已變成為比纖芯15的斷面的直線部分(或近似于直線的部分)的寬度a’大，故可以完全地排除在現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)的光的帶狀的行進。此外，填滿各個纖芯的間隙的包層16的寬度b，必須具有用來作為包層起作用的足夠的厚度。
圖9是第2變形例的光學部件60的擴大剖面圖。光學部件60與第1變形例的光學部件50的不同之處在于，光學部件50的纖芯15的界面(外周)具有曲面形狀。具有這樣的斷面形狀的光學部件60，在光纖的加熱加壓處理時，可以采用選擇纖芯15和第2包層16的材質(zhì)，使得纖芯15的粘度與第2包層16的粘度比較起來極其之小的辦法得到。在這種情況下，雖然為了極力防止在現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)的光的帶狀的行進，使第1包層14的直徑a比纖芯15的直線部分的寬度a’大是有利的，但是，為了加大入射面10a的有效受光面積(纖芯15的斷面面積)，希望第1包層14的直徑小，所以可以在考慮到解像度、有效受光面積等因素后適當?shù)剡x擇第1包層14的直徑。此外，填滿各個纖芯的間隙的包層16的寬度b，必須具有用來作為包層起作用的足夠的厚度。
圖10是變形例3的光學部件70的擴大剖面圖。光學部件70與實施例1的光學部件10的不同之處在于，光學部件70在第1包層14的內(nèi)部設(shè)置光吸收體72。采用在第1包層14的內(nèi)部設(shè)置光吸收體72的辦法，就可以通過光吸收體72效果良好地除去進入到第1包層14內(nèi)的光。
圖11A～圖11D是上述變形例3的光學部件70的制造工序圖。要想制造構(gòu)成光學部件70的光纖，首先，要制造圓柱形狀的光吸收體母材74(圖11A)，通過用第1包層母材76把其周圍覆蓋起來，形成圓柱形狀的第1包層母材76(圖11B)。之后的對纖芯母材22的裝填(圖11C)，對第2包層1母材24的裝填(圖11D)與上邊所說的是一樣的。把用該方法制造的母材78拉絲，用成型為一個整體的辦法，就可以得到光學部件70。
此外，上述變形例3的光學部件70也可以用圖12A～圖12D、13A～圖13D、14A～圖14D所示的那樣的制造方法制造。就是說，在把纖芯母材配置到第1包層母材76的周圍的工序中，既可以配置2個具有把厚壁圓筒在與其底面垂直的平面上分成2等份的形狀的纖芯母材30(圖12C)，也可以配置多個具有圓柱形狀的纖芯母材34(圖13C)，還可以配置多個具有四角柱形狀的纖芯母材38(圖14C)。
此外，上述實施例的光學部件10、50、60和70，是把多條光纖平行地排列起來的光學部件，但是，也可以是使多條光纖具有彎曲部分地進行排列，使入射到入射面上的光圖象擴大或縮小后進行輸出的錐狀的光學部件。
產(chǎn)業(yè)上利用的可能性上述光學部件，由于具有傳送效率高、與透鏡比較起來可以小型化等種種的優(yōu)點，故可以在指紋檢測裝置、射線探測器等各種各樣的領(lǐng)域中利用。
權(quán)利要求
1．一種把多條光纖排列起來構(gòu)成的光學部件，其特征在于上述各條光纖具備斷面基本上為圓形的第1包層；在上述第1包層的周圍形成的、其折射率比上述第1包層大的纖芯；以及在上述纖芯周圍形成的、其折射率比上述纖芯小的第2包層。
2．如權(quán)利要求1所述的光學部件，其特征在于上述第1包層的折射率與上述第2包層的折射率相等。
全文摘要
一種光學部件(10),其構(gòu)成為把由第1包層(14)、在第1包層(14)周圍形成的纖芯(15)和在纖芯(15)周圍形成的第2包層(16)形成的多條光纖規(guī)則地排列起來,使得光纖的軸彼此平行,并具有相對于光纖軸斜向切斷的入射面(10a)和相對于光軸垂直切斷的出射面(10b)。第1包層(14)的斷面大體上為圓形,纖芯(15)的斷面(外周)為頂角坍塌的大體上的六角形狀。
文檔編號G02B6/06GK1298491SQ9980539
公開日2001年6月6日 申請日期1999年3月24日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月1日
發(fā)明者菅原武雄 申請人:浜松光子學株式會社