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)：
作為使之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，并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第1纖芯；在上述第1纖芯的周圍形成、且具有比上述第1纖芯小的折射率的第2纖芯；在上述第2纖芯的周圍形成，且具有比上述第2纖芯小的折射率的包層。
采用使各條光纖都具有第1纖芯和具有比之小的折射率的第2纖芯的辦法，即便是以特定的入射角入射進來的光，在入射到第1纖芯上的光和入射到第2纖芯上的光中，光的行進路徑不同，所以也不會形成僅僅在特定的出射角上才有強度的圖形。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的擴大剖面圖。
圖4示出了構(gòu)成光學部件的光纖的纖芯內(nèi)的光的行進的樣子。
圖5A～圖5C示出了本發(fā)明的實施例的光學部件的制造工序圖。
圖6A～圖6C示出了本發(fā)明的實施例的光學部件的制造工序圖。
圖7是本發(fā)明的實施例的光學部件的第1變形例的擴大剖面圖。
圖7是在本發(fā)明的實施例的光學部件的制造中使用的光纖的擴大剖面圖。
圖8是本發(fā)明的實施例的光學部件的第2變形例的擴大剖面圖。
圖9是本發(fā)明的實施例的光學部件的第3變形例的擴大剖面圖。
圖10示出了周圍溫度與粘度之間的關(guān)系。
圖11A～圖11C是現(xiàn)有技術(shù)的光學部件的制造工序圖。
圖12A～圖12C是現(xiàn)有技術(shù)的光學部件的制造工序圖。
圖13A～圖13C是現(xiàn)有技術(shù)的光學部件的制造工序圖。
圖14A～圖14C示出了現(xiàn)有技術(shù)的構(gòu)成光學部件的光纖的纖芯內(nèi)的光的行進的樣子。
圖15A～圖15C示出了現(xiàn)有技術(shù)的構(gòu)成光學部件的光纖的纖芯內(nèi)的光的行進的狀態(tài)。
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，圖1B是沿圖1A的Ⅰ-Ⅰ線(平行于x軸的直線)的擴大剖面圖，圖1B是沿圖1B的Ⅱ-Ⅱ線的折射率分布圖。
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。
光學部件10的斷面，如圖1B所示，其構(gòu)成為把由第1纖芯12、在第1纖芯的周圍形成的第2纖芯14、在第2纖芯14的周圍形成的包層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纖芯12的斷面大致上是圓形形狀，第2纖芯14的斷面(外周)是頂角坍塌的大致上的六角形。為了把第1纖芯12和第2纖芯14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纖芯12和第2纖芯14的材質(zhì)，使得第1纖芯12的粘度比第2纖芯14的粘度大即可。
在這里，為了極力防止光的帶狀的行進，理想的是使第1纖芯12的直徑a比第2纖芯14的直線部分(或近似直線的部分)的寬度a’大。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，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，第1纖芯12的直徑a為大約10微米左右，第2纖芯14的斷面的平面部分的寬度a’大約為5微米左右，填滿各個纖芯的間隙的包層16的寬度b大約為2微米左右，此外，第2纖芯14的厚度大約為2微米左右。
此外，第1纖芯12，例如由折射率n1為1.71的Ba-La系玻璃形成，第2纖芯14例如由折射率為1.62的鉛玻璃形成，包層16例如由折射率為1.52的鈉鈣玻璃構(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纖芯12、第2纖芯14和包層16的折射率可知，第2纖芯14的折射率n2比第1纖芯12的折射率n1小，包層16的折射率nc比第2纖芯14的折射率n2小，此外，第1纖芯12的折射率n1、第2纖芯14的折射率n2、和包層16的折射率nc，具有以下的關(guān)系。
n12-n22=n22-nc2(1)接著，對本實施例的光學部件的制造方法進行說明。圖2A～E是構(gòu)成光學部件的光纖對的制造工序圖，圖2F～H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，與制造通常的光纖一樣，制造具有圓柱形狀的第1纖芯母材20(圖2A、2F)。第1纖芯母材20，例如由折射率為1.71Ba-La系玻璃形成，其側(cè)面用セリ ァ研磨等的方法進行研磨。
接著，把在上述工序中制造的第1纖芯母材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，第2纖芯母材22，例如，用折射率為1.62的鉛玻璃形成，其內(nèi)面和外面，用セリ ァ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纖芯母材20裝填到第2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包層母材24中去，制造光纖制造用的母材26(圖2E、圖2H)。其中，包層母材24，例如，用折射率為1.52的鈉鈣玻璃形成，包層母材24的一方的底部24a用噴燈進行的熔融等的方法進行密封。
然后，把上述母材26拉絲制造光纖。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纖芯12(折射率n1=1.71)、在第1纖芯12的周圍形成的第2纖芯14(折射率n2=1.62)、在第2纖芯14的周圍形成的包層(折射率nc=1.52)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。
接著，對本實施例的光學部件的作用進行說明。在這里，首先，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，由于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，故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11A～C、圖12A～C、13A～C。圖11A～C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11A～C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12A～C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13A～C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14A～C所示的那樣的螺旋狀的行進，和圖15A～C所示的那樣地帶狀的行進。其中，圖14A～C和圖15A～C中的圓圈和黑點表示光的入射位置。
圖14A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14B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14A和B所示，以隨機的入射角(除去了用圖15A～C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14A～C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15A和B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15C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。圖4是這樣的圖用入射到通過光纖中心軸的平面上邊的光線，表示向光學部件10的入射面10a入射，且在第1纖芯12和第2纖芯14內(nèi)行進的光的路徑。另外，在這里，為了簡化起見，假定入射面10a對于光纖軸垂直，研究以最大受光角(34度)入射到入射面10a上的光。
入射到入射面10a上的光，取決于其入射位置，在圖4的(A)～(E)所示的那樣的路徑內(nèi)行進。從入射面10a入射到包層16上的光(圖4的(A)～(E))，或者是從包層16直接向光吸收體18入射進行衰減消滅(圖4的(E))，或者是在經(jīng)第2纖芯14、第1纖芯12、第2纖芯14這樣地折射地行進后，向光吸收體18入射進行衰減消滅(圖4的(A))。
從入射面10a入射到第2纖芯14內(nèi)的光(圖4的(B)或(D))，在第2纖芯14與第1纖芯12之間的界面上進行折射，在第2纖芯14與包層16之間的界面上反復進行全反射，在第1纖芯12和第2纖芯14內(nèi)行進。這時，結(jié)果變成為光在第1纖芯12內(nèi)，對于光纖軸以27.3度的角度行進，在第2纖芯14內(nèi)，對于光纖軸以20.2度的角度行進。
此外，從入射面10a入射到第1纖芯12內(nèi)的光(圖4的(C))，在第1纖芯12和第2纖芯14之間的界面上反復進行全反射，在第1纖芯12內(nèi)行進。這時，結(jié)果變成為光在第1纖芯12內(nèi)，對于光纖軸，以19.1度的角度行進。
因此，即便是使光以恒定的入射角入射的情況下，也可以通過其入射位置的差異，光從光學部件10的出射面10b以種種的出射角出射，從而不會僅僅在特定的出射角上形成具有強度圖形。
此外，由于第1纖芯12的折射率n1、第1纖芯12的折射率n2、和包層16的折射率nc，具有式(1)所示的關(guān)系，故對于向第1纖芯入射的光和向第2纖芯入射的光來說，可以使最大受光角形成一致。
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，由第1纖芯12、具有比第1纖芯12還小的折射率的第2纖芯14、和具有比第2纖芯14還小的折射率的包層16構(gòu)成。因此，光學部件10的入射面10a之內(nèi)，入射到第1纖芯12上的光和以恒定的角度向第2纖芯14入射的光，將以不同的路徑行進。
此外，由于第1纖芯12的斷面大體上是圓形，故入射到第1纖芯12內(nèi)的光，除去沿著含有其中心軸在內(nèi)的平面上邊入射的光之外，將螺旋狀地行進。此外，入射到第2纖芯14內(nèi)的光，除去包括第1纖芯12的中心軸在內(nèi)，沿著第2纖芯14的外周的平面部分和垂直的平面入射的光之外，被第1纖芯12與第2纖芯14之間的界面和第2纖芯14與包層16之間的界面反復反射，螺旋狀地行進。
此外，光學部件10，由于對于向第1纖芯12入射的光和向第2纖芯14入射的光來說，可以使最大受光角形成一致，故對于以特定的入射角入射進來的光來說，就可以避免這樣的狀況入射到第1纖芯12內(nèi)的光在光學部件10內(nèi)傳送，但入射到第2纖芯14內(nèi)的光不在光學部件10內(nèi)傳送。
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2A～E所示的方法形成母材26，但也可以用圖5A～C所示的方法。就是說，首先制造具有圓柱形狀的第1纖芯母材20(圖5A)，在其周圍，配置多個具有比第1纖芯母材20直徑還小的圓柱形狀的第2纖芯母材30(圖5B)。然后，把第2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，也可以用圖6A～C所示的方法來形成。就是說，首先制造具有圓柱形狀的第1纖芯母材20(圖6A)，在其周圍，配置多個具有具有比第1纖芯母材20的直徑還小的邊的斷面的四角柱狀的第2纖芯母材34(圖6B)。然后，把第2纖芯母材34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。
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的各條光纖具備第1纖芯12、在第1纖芯12的周圍形成的第2纖芯14、和在第2纖芯14的周圍形成的包層16，則可以考慮各種各樣的變形。
圖7是第1變形例的光學部件40的擴大剖面圖。光學部件40與與上述實施例中的光學部件10的不同之處在于，光學部件40與光學部件10比較，第1纖芯12的直徑小。這時，第2纖芯14的斷面形狀已變成為大體上的六角形的頂角坍塌后的那樣的形狀(由于有光吸收體18)。在這里，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，理想的是使第1纖芯12的直徑a比第2纖芯14的直線部分(或近似直線的部分)的寬度a’大。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與上述實施例的光學部件10的不同之處在于，光學部件50不設(shè)置光吸收體18。在這種情況下，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，理想的也是使第1纖芯12的直徑a比第2纖芯14的直線部分(或近似直線的部分)的寬度a’大。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3變形例的光學部件60的擴大剖面圖。光學部件60與第2變形例的光學部件50的不同之處在于，光學部件50的第2纖芯14的界面(外周)具有曲面形狀，而光學部件60的第2纖芯14的界面(外周)具有平面形狀。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第2纖芯14和包層16的材質(zhì)，使得第2纖芯14的粘度與包層16的粘度比較極其之小的辦法得到。在這種情況下，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，理想的也是使第1纖芯12的直徑a比第2纖芯14的直線部分(或近似直線的部分)的寬度a’大。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。
作為參考，在圖10中示出了第1纖芯12、第2纖芯14和包層16的粘度對周圍溫度的變化。由圖10可知，在光纖的加熱加壓處理時的溫度下(600℃)，與包層16的粘度、第1纖芯的粘度比較，第2纖芯14的粘度變小。此外，在光纖的強度這一點上來說，熱膨脹系數(shù)按照第1纖芯12、第2纖芯14、包層16的順序依次減小是理想的。就是說，如果光纖的中心部分的熱膨脹系數(shù)大，則在關(guān)系的的表面部分上將產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，光纖的強度增加，裂縫難于形成。
上述實施例或變形例的光學部件10、40、50和60，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第1纖芯；在上述第1纖芯的周圍形成的、其折射率比上述第1纖芯小的第2纖芯；以及在上述第2纖芯的周圍形成的、其折射率比上述第2纖芯小的包層。
2．如權(quán)利要求1所述的光學部件，其特征在于第1纖芯的折射率n1、第2纖芯的折射率n2、和包層的折射率nc，滿足以下的關(guān)系n12-n22=n22-nc2。
3．如權(quán)利要求1所述的光學部件，其特征在于上述第1纖芯的斷面形狀基本上為圓形。
全文摘要
提供一種把多條光纖互相平行地排列起來而形成的光學部件(10)。每一條光纖都具有第1纖芯(12)、在第1纖芯(12)的周圍形成的第2纖芯(14)和在第2纖芯(14)的周圍形成的包層(16),并形成為這樣的形式:光纖的軸彼此平行,光學部件(10)具有相對于光纖軸斜向延伸的入射面(10a)和對于光軸垂直延伸的出射面(10b)。第2纖芯(14)的折射率(n
文檔編號G02B6/06GK1298492SQ99805420
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27日
發(fā)明者菅原武雄 申請人:浜松光子學株式會社