DE69924243T2

DE69924243T2 - Optisches faserbündel zur übertragung von bildern

Info

Publication number: DE69924243T2
Application number: DE69924243T
Authority: DE
Inventors: T. Sugawara
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1998-04-01
Filing date: 1999-03-24
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2019-03-25
Also published as: US6567593B1; CN1138159C; DE69924243D1; WO1999050695A1; EP1069446A1; EP1069446B1; EP1069446A4; CN1298491A; AU2957399A

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Bauelement, das durch das Bilden eines Arrays aus mehreren optischen Fasern entsteht.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Als optisches Bauelement für das Übertragen von optischen Bildern ist allgemein ein optisches Bauelement bekannt, das durch das Bilden eines Arrays aus mehreren optischen Fasern entsteht. Das optische Bauelement besitzt eine Einfallsebene und eine Austrittsebene, die den Kern und den Mantel jeder optischen Faser freilegen, und das in die Einfallsebene eintretende optische Bild wird zur Austrittsebene geleitet (siehe beispielsweise US 5608835 ).
Dieses optische Bauelement weist zahlreiche Vorteile auf, einschließlich einer hohen Übertragungsleistung und einer im Vergleich zu einer Linse geringeren Größe des optischen Systems, und wird daher auf unterschiedlichen Gebieten wie beispielsweise bei Fingerabdruck-Erfassungssystemen verwendet.
OFFENLEGUNG DER ERFINDUNG
Das optische Bauelement wird in der Regel durch Anordnen und Bündeln mehrerer optischer Fasern in einem kreisförmigen oder quadratischen Querschnitt und Einformen hergestellt. Daher werden die Querschnitte der Kerne der optischen Fasern, aus denen das optische Bauelement zusammengesetzt wird, aufgrund des Drucks zum Zeitpunkt des Einformens in polygonale Formen mit zueinander parallelen Diagonalen wie ein Quadrat und ein Sechseck umgewandelt, und es treten die folgenden Probleme auf.
Das unter einem bestimmten Einfallswinkel in die Einfallsebene eintretende Licht wird wiederholt an den zueinander parallelen Diagonalen reflektiert und verlässt die Austrittsebene in einem bestimmten Winkel. Infolgedessen entsteht auf dem Ausgabebild, das von der Austrittsebene ausgestrahlt wird, ein Muster mit einer nur unter einem bestimmten Austrittswinkel vorhandenen Intensität, und dieses Muster führt zu Rauschen, das die Auflösung des optischen Bauelements verringert.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, solche Probleme zu lösen und das Auftreten von Rauschmustern zu verhindern sowie ein optisches Bauelement mit hoher Auflösung bereitzustellen.
Um die Probleme zu lösen, handelt es sich bei dem optischen Bauelement der Erfindung um ein optisches Bauelement nach Anspruch 1. Bei solchen Konfigurationen wird das in die Einfallsebene des optischen Bauelements eintretende Licht wiederholt auf der Grenzfläche von erster Umhüllung und Kern und der Grenzfläche von Kern und zweiter Umhüllung reflektiert und breitet sich durch den Kern aus. Da der Querschnitt der ersten Umhüllung fast kreisförmig ist, wird hier, wenn der Kern zum Zeitpunkt des Einformens des optischen Bauelements so verformt wird, dass zueinander parallele gegenüberliegende Seiten ausgebildet werden, die Situation vermieden, dass sich das gesamte Licht wie ein Band im Kern fortbewegt, und es wird verhindert, dass sich ein Muster mit einer nur unter einem bestimmten Austrittswinkel vorhandenen Intensität bildet. Infolgedessen werden Rauschmuster verhindert, und es lässt sich ein Ausgabebild mit hoher Auflösung erhalten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist eine Perspektivansicht eines optischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
1B ist eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang Linie I-I in 1A.
1C ist ein Diagramm, das eine Brechungsindex-Verteilung entlang Linie II-II in 1B zeigt.
Die 2A bis 2E sind grafische Darstellungen des Herstellungsprozesses für Paare optischer Fasern zum Zusammenstellen des optischen Bauelements.
Die 2F bis 2H sind Querschnittsansichten von Grundmaterialien, die in jedem Prozess hergestellt werden.
3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht von Paaren optischer Fasern, die bei der Herstellung des optischen Bauelements verwendet werden.
4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Umgebungstemperatur und Viskosität zeigt.
Die 5A bis 5C sind Querschnittsansichten von Grundmaterialien, die in jedem Prozess hergestellt werden.
Die 6A bis 6C sind Querschnittsansichten von Grundmaterialien, die in jedem Prozess hergestellt werden.
Die 7A bis 7C sind Querschnittsansichten von Grundmaterialien, die in jedem Prozess hergestellt werden.
8 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines optischen Bauelements gemäß einem ersten modifizierten Beispiel.
9 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines optischen Bauelements gemäß einem zweiten modifizierten Beispiel.
10 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines optischen Bauelements gemäß einem dritten modifizierten Beispiel.
Die 11A bis 11D sind Querschnittsansichten von Grundmaterialien, die in jedem Prozess hergestellt werden.
Die 12A bis 12D sind Querschnittsansichten von Grundmaterialien, die in jedem Prozess hergestellt werden.
Die 13A bis 13D sind Querschnittsansichten von Grundmaterialien, die in jedem Prozess hergestellt werden.
Die 14A bis 14D sind Querschnittsansichten von Grundmaterialien, die in jedem Prozess hergestellt werden.
Die 15A bis 15C sind grafische Darstellungen des Herstellungsprozesses für ein optisches Bauelement des Standes der Technik.
Die 16A bis 16C sind grafische Darstellungen des Herstellungsprozesses für ein optisches Bauelement des Standes der Technik.
Die 17A bis 17C sind grafische Darstellungen des Herstellungsprozesses für ein optisches Bauelement des Standes der Technik.
Die 18A bis 18C sind grafische Darstellungen der Art und Weise der Fortbewegung von Licht im Kern der optischen Faser zum Zusammenstellen des optischen Bauelements im Stand der Technik.
Die 19A bis 19C sind grafische Darstellungen der Art und Weise der Fortbewegung von Licht im Kern der optischen Faser zum Zusammenstellen des optischen Bauelements im Stand der Technik.
BESTE ART DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Ein optisches Bauelement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Zunächst wird die Struktur des optischen Bauelements der Ausführungsform erläutert.
1 ist eine Perspektivansicht des optischen Bauelements der Ausführungsform. Ein optisches Bauelement 10 wird durch Anordnen (d.h. Bilden eines Arrays) mehrerer optischer Fasern parallel zueinander gebildet. Jede optische Faser ist so angeordnet, dass ihre Faserachse parallel zur y-Achse in 1A ist, und das optische Bauelement 10 besitzt eine Einfallsebene 10a, die schräg zur Faserachse geschnitten ist, und eine Austrittsebene 10b, die senkrecht zur Faserachse geschnitten ist, wobei das Eingangsmuster, das in die Einfallsebene 10a eintritt, reduziert und von der Austrittsebene 10b ausgestrahlt wird.
1B ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die von einer parallel zur xz-Ebene liegenden Ebene entlang der Linie I-I in 1A geschnitten wird. Das optische Bauelement 10 weist mehrere optische Fasern auf, die einen ersten Mantel 14, einen um den ersten Mantel 14 herum gebildeten Kern 15 und einen um den Kern 15 herum gebildeten zweiten Mantel umfassen, die regelmäßig angeordnet sind, so dass die Faserachsen parallel zueinander sind. Zwischen den optischen Fasern wird ein lichtabsorbierendes Material 18 bereitgestellt, das Streulicht in dem optischen Bauelement 10 beseitigt, und der zweite Mantel 16 jeder optischen Faser wird durch Erwärmen und Pressen eingeformt und füllt den Spalt zwischen nebeneinander liegenden optischen Fasern aus.
Der Querschnitt des ersten Mantels 14 ist in 1B fast kreisförmig, und der Querschnitt (Außenumfang) des Kerns 15 ist ein fast regelmäßiges Sechseck mit gestauchten Ecken. Um den Querschnitt des ersten Mantels 14 und des Kerns 15 bei dem Prozess des Erwärmens und Pressens der optischen Faser in einer solchen Form auszubilden, müssen die Materialien für den ersten Mantel 14, den Kern 15 und den zweiten Mantel 16 so gewählt werden, dass die Viskosität des ersten Mantels 14 und des zweiten Mantels 16 größer ist als die Viskosität des Kerns 15.
Um eine (später beschriebene) bandartige Ausbreitung von Licht so weit wie möglich zu verhindern, ist es von Vorteil, wenn der Durchmesser (a) des ersten Mantels 14 größer ist als die Breite (a') des linearen Abschnitts (oder des Abschnitts in der Nähe des linearen Abschnitts). des Querschnitts des Kerns 15, damit auf der Einfallsebene 10a ein größerer effektiver lichtaufnehmender Bereich (Querschnittsbereich des Kerns 15) zur Verfügung steht, sollte der Durchmesser (a) des ersten Mantels 14 jedoch vorzugsweise klein sein. Die Breite (b) des zweiten Mantels 16 zum Auffüllen des Spalts zwischen den Kernen muss ausreichend groß sein, damit er als Umhüllung fungieren kann, und insbesondere beträgt sie vorzugsweise mehr als 1/2 der in der Regel bei dem optischen Bauelement 10 verwendeten Wellenlänge (550 nm).
Berücksichtigt man den effektiven lichtaufnehmenden Bereich und die Auflösung, so beträgt bei dem optischen Bauelement 10 der Ausführungsform der Durchmesser (a) des ersten Mantels 14 ungefähr 2 μm, die Breite (a') des flachen Abschnitts des Querschnittes des Kerns 15 ungefähr 4 μm und die Breite (b) des den Spalt der Kerne auffüllenden zweiten Mantels 16 ungefähr 2 μm. Der Außendurchmesser des Kerns 15 beträgt ungefähr 10 μm.
Der erste Mantel 14 besteht beispielsweise aus Borsilicatglas mit einem Brechungsindex n₁ von 1,495, der Kern 15 besteht beispielsweise aus Ba-La-Glas mit einem Brechungsindex n₂ von 1,82, und der zweite Mantel 16 besteht beispielsweise aus Borsilicatglas mit einem Brechungsindex n₃ von 1,495. Somit sieht die Brechungsindex-Verteilung entlang Linie II-II in 1B so aus wie in 1C gezeigt. Wie aus den Brechungsindizes des ersten Mantels 14, des Kerns 15 und des zweiten Mantels 16 zu erkennen ist, ist der Brechungsindex n₂ des Kerns 15 größer als der Brechungsindex n₁ des ersten Mantels 14, und der Brechungsindex n₃ des zweiten Mantels 16 ist kleiner als der Brechungsindex n₂ des Kerns 15. Der Brechungsindex n₁ des ersten Mantels 14 ist gleich dem Brechungsindex n₃ des zweiten Mantels 16.
Nun wird ein Herstellungsverfahren für das optische Bauelement der Ausführungsform erläutert. Die 2A bis 2E sind grafische Darstellungen des Herstellungsprozesses für das Paar optischer Fasern zum Zusammenstellen des optischen Bauelements 10, und die 2F bis 2H sind Querschnittsansichten von Grund- und anderen Materialien, die in jedem Prozess hergestellt werden.
Bei der Herstellung der optischen Faser als Bestandteil des optischen Bauelements 10 wird zunächst ein Grundmaterial 20 für den ersten Mantel mit einer kreisförmigen, säulenartigen Form hergestellt (2A, 2F). Das Grundmaterial 20 für den ersten Mantel besteht beispielsweise aus Borsilicatglas mit einem Brechungsindex von 1,495, und seine Seitenfläche wird durch serielles Polieren oder ein anderes Verfahren poliert.
Danach wird das rohrförmige Grundmaterial 22 für den Kern, das wie in 2B gezeigt getrennt hergestellt worden ist, mit dem Grundmaterial 20 für den ersten Mantel aufgefüllt, das in dem oben angeführten Prozess hergestellt worden ist (2C, 2G). Das Grundmaterial 22 für den Kern besteht hier beispielsweise aus Ba-La-Glas mit einem Brechungsindex von 1,82, und seine Innenfläche und Außenfläche werden durch serielles Polieren oder ein anderes Verfahren poliert.
Das Grundmaterial 22 für den Kern, das das in dem oben angeführten Prozess hergestellte Grundmaterial 20 für den ersten Mantel enthält, wird in ein in 2D gezeigtes rohrförmiges Grundmaterial 24 für den zweiten Mantel eingeführt, und ein Grundmaterial 26 für das Herstellen einer optischen Faser wird hergestellt (2E, 2H). Das Grundmaterial 24 für den zweiten Mantel besteht hier beispielsweise aus Borsilicatglas mit einem Brechungsindex von 1,495, und ein (nicht gezeigtes) Ende 24a des Grundmaterials 24 für den zweiten Mantel wird durch ein Brenner- oder ein anderes Schmelzverfahren verschlossen.
Dieses Grundmaterial 26 wird später zu einem Strang gezogen, und eine optische Faser wird hergestellt. In 3 wird eine vergrößerte Querschnittsansicht der optischen Faser gezeigt, die durch dieses Verfahren hergestellt wird. Die optische Faser 28 wird aus dem ersten Mantel 14 (Brechungsindex n₁ = 1,495), dem um den ersten Mantel 14 herum gebildeten Kern 15 (Brechungsindex n₂ = 1,82) und einem um den Kern 15 herum gebildeten zweiten Mantel 16 (Brechungsindex n₃ = 1,495) gebildet.
Die so in dem oben angeführten Prozess hergestellten mehreren optischen Fasern 28 werden parallel zueinander angeordnet, während das lichtabsorbierende Material 18 ordnungsgemäß in den Spalten davon angeordnet wird, und durch Erwärmen und Pressen eingeformt, so dass das optische Bauelement 10 hergestellt wird. 4 zeigt die Änderungen bei der Viskosität des ersten Mantels 14, des Kerns 15 und des zweiten Mantels 16 im Verhältnis zur Umgebungstemperatur. Wie in 4 zu erkennen ist, ist die Viskosität des ersten Mantels 14 und des zweiten Mantels 16 bei der Temperatur (ungefähr 850°C) des Prozesses der Erwärmung und des Pressens der optischen Faser größer als die Viskosität des Kerns 15. Was die Festigkeit optischer Fasern betrifft, so treten Risse mit hoher Wahrscheinlichkeit dann auf, wenn der Unterschied beim thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kern 15 und dem ersten Mantel 14 und dem zweiten Mantel 16 groß ist, und daher ist ein kleinerer Unterschied zu bevorzugen. Das heißt, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient des ersten Mantels 14 und des zweiten Mantels 16 im Vergleich zu dem des Mantelkerns 15 zu klein (der Unterschied größer) ist, entsteht in dem Kern 15 eine größere Zugspannung, und es ist wahrscheinlicher, dass die optische Faser reißt.
Die Funktionsweise des optischen Bauelements bei dieser Ausführungsform wird nachfolgend beschrieben. Zunächst werden die Probleme bei dem optischen Bauelement des Standes der Technik verdeutlicht. Bei der Herstellung des optischen Bauelements gemäß des Standes der Technik werden in der Regel mehrere optische Fasern mit kreisförmigem oder quadratischem Querschnitt angeordnet und parallel zueinander gebündelt und eingeformt. Zum Verbessern der Auflösung des optischen Bauelements wird die Gruppe gebündelter optischer Fasern weiterhin auch in Stränge gezogen (Multifasern) und parallel angeordnet, gebündelt und eingeformt, oder das optische Bauelement wird durch das mehrmalige Wiederholen des Ziehprozesses und des Bündelprozesses (Multi-Multifasern) eingeformt.
Die bei dem Herstellungsprozess des optischen Bauelements durch ein solches Herstellungsverfahren verursachten Änderungen bei der Form der Querschnitts des Kerns jeder optischen Faser sind in den 15A bis 15C, den 16A bis 16C und den 17A bis 17C gezeigt. Die 15A bis 15C zeigen Änderungen bei der Form des Querschnitts eines Kerns 2, wenn ein optisches Bauelement 6 durch das Anordnen optischer Fasern 4 gebildet wird, wobei der Kern 2 an vier Ecken in einem Array einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Wenn das optische Bauelement 6 durch das Anordnen der optischen Fasern 4 gebildet wird, wobei der Kern 2 wie in den 15A bis 15C gezeigt an vier Ecken einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, wird beim Einformen mithilfe des Bündelns der optischen Fasern 4 durch einen Erwärmungs- und Pressprozess der Querschnitt des Kerns 2 jeder optischen Faser 4 zu einer fast quadratischen Form verformt.
Hier variiert das Ausmaß der Verformung mit der Härte des Kerns 2 und des Mantels 8 der optischen Faser 4 unter der Temperatureinwirkung im Erwärmungs- und Pressprozess. Wenn der Kern 2 im Vergleich zum Mantel 8 sehr hart ist, kann bei ihm ein kreisförmiger Querschnitt beibehalten werden, soll aber der gegenseitige Kontakt von nebeneinander liegenden Kernen 2 vermieden werden, dann ist es in der Praxis schwierig, die Härte des Kerns 2 wesentlich höher zu wählen als die des Mantels 8.
Die 16A bis 16C zeigen Änderungen bei der Form des Querschnitts des Kerns 2, wenn das optische Bauelement 6 durch das Anordnen optischer Fasern 4 gebildet wird, wobei der Kern 2 an sechs Ecken in einem Array einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. In diesem Fall wird der Querschnitt des Kerns 2 jeder optischen Faser 4 durch den Erwärmungs- und Pressprozess beim Einformen durch Bündeln der optischen Fasern 4 zu einer fast sechseckigen Form verformt. Die 17A bis 17C zeigen Änderungen bei der Form des Querschnitts des Kerns 2, wenn das optische Bauelement 6 durch das Anordnen optischer Fasern 4 gebildet wird, wobei der Kern 2 an vier Ecken einen quadratischen Querschnitt aufweist. In diesem Fall bleibt der Querschnitt des Kerns 2, da zwischen den aneinander angrenzenden Mänteln 8 beim Anordnen jeder optischen Faser 4 kein Spalt vorliegt, selbst nach dem Erwärmungs- und Pressprozess beim Einformen durch Bündeln der optischen Fasern 4 quadratisch.
Bei so hergestellten optischen Bauelementen 6 gibt es aufgrund der Tatsache, dass es sich bei dem Querschnitt des Kerns 2 jeder optischen Faser 4 um ein Vieleck wie ein Quadrat oder ein Sechseck mit zueinander parallelen Diagonalen handelt, die folgenden bekannten Probleme. Und zwar kann sich das in die Einfallsebene des optischen Bauelements 6 im Kern 2 eintretende Licht auf zwei verschiedene Arten ausbreiten: eine spiralförmige Ausbreitung wie in den 18A bis 18C gezeigt und eine bandartige Ausbreitung wie in den 19A bis 19C gezeigt. In den 18A bis 18C und den 19A bis 19C zeigen die weißen Kreise und die schwarzen Kreise die Positionen des Lichteinfalls.
18A zeigt die Art der Ausbreitung des Lichts, das in die Einfallsebene 6a (Einfallsebene des Kerns 2) des optischen Bauelements 6 im Kern 2 eintritt, und 18B ist eine Projektion des Ortes der Ausbreitung des Lichts auf einer parallel zur Einfallsebene 6a liegenden Ebene. Wie in den 18A und 18B gezeigt breitet sich das in zufälligen Einfallswinkeln (abgesehen von dem in den 19A bis 19C angegebenen und erläuterten Einfallswinkel) in die Einfallsebene 6a des optischen Bauelements 6 eintretende Licht spiralförmig im Kern 2 aus. Infolgedessen wird das Licht, wenn es unter einem bestimmten Einfallswinkel θ in die Einfallsebene 6a des optischen Bauelements 6 eintritt, wie in 18C gezeigt aufgrund des Unterschiedes bei der Einfallsposition unter verschiedenen Austrittswinkeln von der Austrittsebene 6b des optischen Bauelements ausstrahlt.
Wie andererseits in den 19A und 19B gezeigt breitet sich das in einem bestimmten Einfallswinkel (durch den es dem Licht nur möglich ist, sich auf den parallelen, gegenüber liegenden Ebenen des Kerns 2 auszubreiten und dort reflektiert zu werden) in die Einfallsebene 6a des optischen Bauelements 6 eintretende Licht in einem Bandmuster im Kern 2 aus. Infolgedessen wird das Licht, wenn es unter einem bestimmten Einfallswinkel θ in die Einfallsebene 6a des optischen Bauelements 6 eintritt, wie in 19C gezeigt unabhängig von dem Unterschied bei der Einfallsposition auch unter dem gleichen Austrittswinkel θ von der Austrittsebene 6b des optischen Bauelements 6 ausstrahlt. Somit entsteht auf dem Ausgabebild, das von der Austrittsebene 6b des optischen Bauelements 6 ausgestrahlt wird, ein Muster mit einer nur unter einem bestimmten Austrittswinkel vorhandenen Intensität, und dieses Muster führt zu Rauschen, das die Auflösung des optischen Bauelements 6 verringert. Da sich bei dem durch Einformen von Multifasern (Multi-Multifasern) hergestellten optischen Bauelement das Ausmaß der Verformung des Kerns 2 zwischen dem mittleren Teil und einem Randteil der Multifasern unterscheidet, wird aufgrund des Unterschiedes beim Ausmaß der Verformung ein von der Form des Querschnitts der Multifasern abhängiges Rauschmuster verursacht, und die Auflösung des optischen Bauelements 6 wird stark reduziert.
Im Gegensatz dazu sieht das optische Bauelement 10 der Ausführungsform folgendermaßen aus. Da bei dem optischen Bauelement 10 jede optische Faser den ersten Mantel 14, den um den ersten Mantel 14 herum gebildeten Kern 15 und den um den Kern 15 herum gebildeten zweiten Mantel 16 umfasst, wird das in die Einfallsebene 10a eintretende Licht wiederholt an der Grenzfläche des ersten Mantels 14 und des Kerns 15 und an der Grenzfläche des zweiten Mantels 16 und des Kerns 15 reflektiert und breitet sich im Kern 15 aus. Daher wird beispielsweise wie in 1B gezeigt das sich im Kern 15 fortbewegende Licht, wenn der Kern 14 (Kern 15) beim Einformen des optischen Bauelements 10 verformt wird und zueinander parallele, gegenüberliegende Seiten gebildet werden, nicht nur an der Grenzfläche mit dem zweiten Mantel 16, sondern auch an der einen fast kreisförmigen Querschnitt, d.h. eine gekrümmte Form aufweisenden Grenzfläche mit dem ersten Mantel 14 reflektiert, so dass sich die Situation einer bandartigen Ausbreitung im Kern 15 vermeiden lässt. Hier wird, wie in 1B gezeigt, die bandartige Ausbreitung des Lichts wesentlich verringert, wenn der Durchmesser (a) des ersten Mantels 14 etwas kleiner ist als die Breite (a') des linearen Abschnitts des Querschnitts des Kerns 15. Infolgedessen wird die Bildung eines Musters mit einer nur unter einem bestimmten Austrittswinkel vorhandenen Intensität verhindert.
Da der Brechungsindex n₁ des ersten Mantels 14 gleich dem Brechungsindex n₃ des zweiten Mantels 16 ist, ist der kritische Winkel an der Grenzfläche des Kerns 15 und des ersten Mantels 14 gleich dem kritischen Winkel an der Grenzfläche des Kerns 15 und des zweiten Mantels 16.
Es wird nun die Funktionsweise des optischen Bauelements der Ausführungsform erläutert. Bei dem optischen Bauelement 10 wird kein Muster mit einer nur unter einem bestimmten Austrittswinkel vorhandenen Intensität gebildet, da die optischen Fasern, aus denen das optische Bauelement 10 zusammengestellt wird, am ersten Mantel 14 mit einem fast kreisförmigen Querschnitt, dem um den ersten Mantel 14 herum gebildeten Kern 15 und dem um den Kern 15 herum gebildeten zweiten Mantel 16 ausgebildet sind. Infolgedessen können Rauschmuster verhindert werden, und es lässt sich ein Ausgabebild mit einer hohen Auflösung von der Austrittsebene 10b des optischen Bauelements 10 erhalten.
Da der kritische Winkel an der Grenzfläche des Kerns 15 und des ersten Mantels 14 gleich dem kritischen Winkel an der Grenzfläche des Kerns 15 und des zweiten Mantels 16 ist, wird das an der Grenzfläche des Kerns 15 und des ersten Mantels 14 totalreflektierte Licht an der Grenzfläche des Kerns 15 und des zweiten Mantels 16 immer totalreflektiert, und das an der Grenzfläche des Kerns 15 und des zweiten Mantels 16 totalreflektierte Licht wird an der Grenzfläche des Kerns 15 und des ersten Mantels 14 auch immer totalreflektiert, so dass eine Lichtübertragung von hoher Effizienz verwirklicht wird.
Bei der Ausführungsform werden zur Herstellung der optischen Fasern 28 für das Herstellen des optischen Bauelements 10 die Grundmaterialien 26 in dem in den 2F bis 2H gezeigten Verfahren gebildet, und das nachfolgende Verfahren kann auch angewendet werden. Wie in den 5A bis 5C gezeigt wird zunächst ein Grundmaterial für den ersten Mantel mit einer kreisförmigen, säulenartigen Form (5A) hergestellt, und um es herum werden zwei Grundmaterialien 30 für den Kern mit der Form eines dickwandigen Zylinders, der in einer senkrecht zum Boden verlaufenden Ebene in zwei Abschnitte unterteilt ist, angeordnet. Das Grundmaterial 20 für den ersten Mantel, das von den in diesem Prozess hergestellten Grundmaterialien 30 für den Kern umgeben ist, wird in ein rohrförmiges Grundmaterial 24 für den zweiten Mantel eingeführt, und ein Grundmaterial 32 für das Herstellen einer optischen Faser wird hergestellt (5C). Ein Ende 24a des Grundmaterials 24 für den zweiten Mantel wird durch ein Brenner- oder ein anderes Schmelzverfahren verschlossen. Die nachfolgenden Prozesse, d.h. die Bildung der optischen Faser 28 durch Ziehen des Grundmaterials 32 in einen Strang und die Bildung des optischen Bauelements 10, gleichen den oben erwähnten.
Die Grundmaterialien für das Bilden der optischen Fasern 28, aus denen das optische Bauelement 10 zusammengestellt wird, können auch in dem folgenden Verfahren hergestellt werden. Wie in den 6A bis 6C gezeigt wird ein Grundmaterial 20 für den ersten Mantel mit einer kreisförmigen, säulenartigen Form hergestellt (6A) und um es herum werden mehrere Grundmaterialien 34 für den Kern mit einer kreisförmigen, säulenartigen Form angeordnet (6B). Das Grundmaterial 20 für den ersten Mantel, das von den in dem oben angeführten Prozess hergestellten Grundmaterialien 34 für den Kern umgeben ist, wird in ein rohrförmiges Grundmaterial 24 für den zweiten Mantel eingelegt, und ein Grundmaterial 36 für das Herstellen optischer Fasern wird hergestellt (6C). Ein Ende 24a des Grundmaterials 24 für den zweiten Mantel wird durch ein Brenner- oder ein anderes Schmelzverfahren verschlossen. Die nachfolgenden Prozesse, d.h. die Bildung der optischen Faser 28 durch Ziehen des Grundmaterials 36 in einen Strang und die Bildung des optischen Bauelements 10, gleichen den oben erwähnten.
Die Grundmaterialien für das Bilden der optischen Fasern 28 zur Herstellung des optischen Bauelements 10 können auch in dem folgenden Verfahren hergestellt werden. Wie in den 7A bis 7C gezeigt wird ein Grundmaterial 20 für den ersten Mantel mit einer kreisförmigen, säulenartigen Form hergestellt (7A) und um es herum werden mehrere Grundmaterialien 38 für den Kern mit einer quadratischen, säulenartigen Form angeordnet (7B). Das Grundmaterial 20 für den ersten Mantel, das von den in dem oben angeführten Prozess hergestellten Grundmaterialien 38 für den Kern umgeben ist, wird in ein rohrförmiges Grundmaterial 24 für den zweiten Mantel eingelegt, und ein Grundmaterial 40 für das Herstellen optischer Fasern wird hergestellt (7C). Ein Ende 24a des Grundmaterials 24 für den zweiten Mantel wird durch ein Brenner- oder ein anderes Schmelzverfahren verschlossen. Die nachfolgenden Prozesse, d.h. die Bildung der optischen Faser 28 durch Ziehen des Grundmaterials 40 in einen Strang und die Bildung des optischen Bauelements 10, gleichen den oben erwähnten.
Bei der Ausführungsform sieht die Querschnittsstruktur des optischen Bauelements 10 wie in 1B aus, es kommen aber auch verschiedene modifizierte Beispiele in Betracht, solange jede optische Faser, aus der das optische Bauelement 10 zusammengestellt wird, einen ersten Mantel 14 mit einem fast kreisförmigen Querschnitt, einen um den ersten Mantel 14 herum gebildeten Kern 15 und einen um den Kern 15 herum gebildeten zweiten Mantel 16 umfasst.
8 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines optischen Bauelements 50 in einem ersten modifizierten Beispiel. Das optische Bauelement 50 unterscheidet sich von dem optischen Bauelement 10 in der ersten Ausführungsform dadurch, dass es kein lichtabsorbierendes Material 18 aufweist. Es ist weiterhin möglich, die im Stand der Technik erwähnte bandartige Ausbreitung des Lichts bei dem optischen Bauelement 50 vollständig zu eliminieren, da der Durchmesser (a) des ersten Mantels 14 größer ist als die Breite (a') des linearen Abschnitts (oder des Abschnitts in der Nähe des linearen Abschnitts) des Querschnitts des Kerns 15. Es ist notwendig, dass die Breite (b) des zweiten Mantels 16 zum Auffüllen des Spalts jedes Kerns eine ausreichende Dicke aufweist, um als Mantel fungieren zu können.
9 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines optischen Bauelements 60 in einem zweiten modifizierten Beispiel. Das optische Bauelement 60 unterscheidet sich von dem optischen Bauelement 50 des ersten modifizierten Beispiels dadurch, dass es eine flache Form an der Grenzfläche (dem Außenumfang) des Kerns 15 aufweist, während das optische Bauelement 50 an der Grenzfläche (dem Außenumfang) des Kerns 15 eine gekrümmte Form besitzt. Das optische Bauelement 60 mit einer solchen Querschnittsform lässt sich erzielen, indem die Materialien für den ersten Mantel 14, den Kern 15 und den zweiten Mantel 16 so gewählt werden, dass die Viskosität des Kerns 15 im Vergleich zur Viskosität des ersten Mantels 14 und des zweiten Mantels 16 beim Prozess des Erwärmens und Pressens der optischen Faser sehr gering ist. Um die im Stand der Technik erwähnte bandartige Ausbreitung des Lichts so weit wie möglich zu verhindern, ist es auch in diesem Fall von Vorteil, wenn der Durchmesser (a) des ersten Mantels 14 größer ist als die Breite (a') des linearen Abschnitts des Querschnitts des Kerns 15, damit aber auf der Einfallsebene 10a ein größerer effektiver lichtaufnehmender Bereich (Querschnittsbereich des Kerns 15) zur Verfügung steht, sollte der Durchmesser (a) des ersten Mantels 14 jedoch vorzugsweise kleiner sein, und daher muss der Durchmesser des ersten Mantels 14 unter Berücksichtigung der Auflösung, des effektiven lichtaufnehmenden Bereiches usw. richtig gewählt werden. Es ist ebenso notwendig, dass die Breite (b) des zweiten Mantels 16 zum Auffüllen des Spalts jedes Kerns eine ausreichende Dicke aufweist, um als Mantel fungieren zu können.
10 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines optischen Bauelements 70 in einem dritten modifizierten Beispiel. Das optische Bauelement 70 unterscheidet sich von dem optischen Bauelement 10 in der ersten Ausführungsform dadurch, dass es in dem ersten Mantel 14 ein lichtabsorbierendes Material 72 aufweist. Durch Einlegen des lichtabsorbierenden Materials 72 in den ersten Mantel 14 lässt sich das sich in den ersten Mantel 14 hinein bewegende Licht durch das lichtabsorbierende Material 72 effektiv beseitigen.
Die 11A bis 11D sind grafische Darstellungen des Herstellungsprozesses des optischen Bauelements 70 in dem dritten modifizierten Beispiel. Zur Herstellung der optischen Fasern, aus denen das optische Bauelement 70 zusammengestellt wird, wird zunächst ein kreisförmiges, säulenartiges Grundmaterial 74 für die Lichtabsorption hergestellt (11A), seine Außenseite wird mit einem Grundmaterial 76 für den ersten Mantel bedeckt, und es wird ein kreisförmiges, säulenartiges Grundmaterial 76 für den ersten Mantel gebildet (11B). Das nachfolgende Einführen in das Grundmaterial 22 für den Kern (11C) und das Einführen in das Grundmaterial 24 für den zweiten Mantel (11D) gleicht den oben erwähnten Vorgängen. So hergestelltes Grundmaterial 78 wird in Stränge gezogen und eingeformt, und man erhält das optische Bauelement 70.
Das optische Bauelement 70 des dritten modifizierten Beispiels kann auch durch die in den 12A bis 12D, den 13A bis 13D und den 14A bis 14D gezeigten Verfahren hergestellt werden. Das heißt, bei dem Prozess des Anordnens des Grundmaterials für den Kern um das Grundmaterial 76 für den ersten Mantel können zwei Grundmaterialien 30 für den Kern mit der Form eines dickwandigen Zylinders, der in einer senkrecht zum Boden verlaufenden Ebene in zwei Abschnitte unterteilt ist, bereitgestellt werden (12C), es können mehrere Grundmaterialien 34 für den Kern mit einer kreisförmigen, säulenartigen Form bereitgestellt werden (13C), oder es können mehrere Grundmaterialien 38 für den Kern mit einer quadratischen, säulenartigen Form bereitgestellt werden (14C).
Die optischen Bauelemente 10, 50, 60 und 70 bei den oben angeführten Ausführungsformen sind optische Teile, die durch Anordnen mehrerer optischer Fasern parallel zueinander gebildet werden, aber die optischen Bauelemente können in einer sich verjüngenden Form ausgebildet werden, damit sie das in die Einfallsebene eintretende Licht in einem vergrößerten oder verkleinerten Bild ausstrahlen, indem mehrere optische Fasern in einer gekrümmten Form angeordnet werden.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Dieses optische Bauelement weist zahlreiche Vorteile auf, einschließlich einer hohen Übertragungsleistung und einer im Vergleich zur Linse geringeren Größe des optischen Systems, und wird daher auf unterschiedlichen Gebieten wie beispielsweise bei Fingerabdruck-Erfassungssystemen und Strahlungsdetektoren verwendet.

Claims

Optisches Bauelement, das durch Anordnen mehrerer paralleler optischer Faserbauelemente in einem Array gebildet wird, wobei jedes optische Faserbauelement aus mehreren einzelnen optischen Fasern besteht, die gebündelt und in Stränge gezogen sind, und ein optisches Bild, das in ein Ende eintritt, zum anderen Ende überträgt, wobei jede einzelne optische Faser einen ersten Mantel mit einem nahezu kreisförmigen Querschnitt aufweist, einen um den ersten Mantel herum gebildeten Kern mit einem Brechungsindex, der höher ist als der des ersten Mantels, und einen um den Kern gebildeten zweiten Mantel mit einem Brechungsindex, der niedriger ist als der des Kerns, und die zweiten Mäntel der optischen Fasern beim Ziehen integral verschmolzen werden.
Optisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem der Brechungsindex des ersten Mantels und der Brechungsindex des zweiten Mantels gleich sind.