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Dokumentenidentifikation DE69924713T2 02.03.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001061385
Titel Faseroptische Komponente zur Bildübertragung
Anmelder Hamamatsu Photonics K.K., Hamamatsu, Shizuoka, JP
Erfinder SUGAWARA, Takeo, Hamamatsu-shi, Shizuoka-ken 435-8558, JP
Vertreter Rummler, F., Dipl.-Ing.Univ., Pat.-Anw., 81669 München
DE-Aktenzeichen 69924713
Vertragsstaaten BE, DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 05.02.1999
EP-Aktenzeichen 999019490
WO-Anmeldetag 05.02.1999
PCT-Aktenzeichen PCT/JP99/00508
WO-Veröffentlichungsnummer 0099040464
WO-Veröffentlichungsdatum 12.08.1999
EP-Offenlegungsdatum 20.12.2000
EP date of grant 13.04.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.03.2006
IPC-Hauptklasse G02B 6/06(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse G02B 6/04(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      G02B 6/16(2000.01)A, L, I, ,  ,  ,      

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Bauelement, in dem mehrere Lichtleitfasern angeordnet sind.

STAND DER TECHNIK

Optische Bauelemente, die aus einer Anordnung von Lichtleitfasern bestehen, sind gemeinhin als optische Bauelemente für eine Übertragung einer optischen Abbildung bekannt. Derartige optische Bauelemente haben eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche, wobei der Kern und der Mantel jeder Lichtleitfaser in diesen Flächen bloßliegen, und ermöglichen die Übertragung einer optischen Abbildung auf die Eintrittsfläche zur Austrittsfläche.

Da die oben genannten optischen Bauelemente unterschiedlichste Vorteile wie etwa einen hohen Durchlassgrad, das Potenzial für geringere Abmessungen des optischen Systems im Vergleich zu Linsen usw. bieten, werden sie in verschiedenen Bereichen, Fingerabdrucksensoren eingeschlossen, verwendet.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die obigen optischen Bauelemente werden normalerweise durch Bündeln einer Anordnung von Lichtleitfasern mit rundem oder rechtwinkligem Querschnitt und Bewerkstelligen einer integralen Formung hergestellt. Folglich verformt der Druck während der integralen Formung den Querschnitt der Kerne der Lichtleitfasern, die die optischen Bauelemente bilden, in eine mehreckige Gestalt mit einander gegenüberliegenden Seiten, die parallel zueinander sind, wie etwa ein Quadrat, ein Sechseck usw., wodurch das nachstehend beschriebene Problem entsteht.

Licht, das unter einem spezifischen Einfallswinkel auf die Eintrittsfläche fällt, wird nämlich von den einander gegenüberliegenden Oberflächen, die parallel zueinander sind, mehrmals reflektiert und tritt unter einem spezifischen Austrittswinkel aus der Austrittsfläche aus. Folglich wird ein Ausgangsbild, das aus der Austrittsfläche austritt, eine Struktur zeigen, die nur unter dem spezifischen Austrittswinkel eine Intensität hat, wobei diese Struktur Rauschen darstellt, das das Auflösungsvermögen der optischen Bauelemente verschlechtert.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb, ein optisches Bauelement mit einer hohen Auflösung zu schaffen, wobei durch die Lösung des obigen Problems das Auftreten von Strukturrauschen (pattern noise (engl.)) unterbunden wird.

Um die oben genannte Aufgabe zu lösen ist ein optisches Bauelement der vorliegenden Erfindung ein optisches Bauelement, das eine Anordnung von Lichtleitfasergruppen umfasst, wovon jede Lichtleitfasergruppe mehrere Kerne umfasst, wobei ein Querschnittsprofil jedes Kerns im Wesentlichen sektorial ist, wobei das optische Bauelement dadurch gekennzeichnet ist, dass die Ausrichtung des sektorialen Querschnittsprofils der mehreren Kerne in der Lichtleitfasergruppierung von jener mindestens einen benachbarten Lichtleitfasergruppierung verschieden ist, wobei das optische Bauelement durch Erwärmen und Pressen mehrerer gebündelter Lichtleitfasergruppen integral geformt ist. Wenn das Querschnittsprofil des Kerns jeder Lichtleitfaser im Wesentlichen sektorial ist, wird verhindert, dass das Licht, das sich in dem Kern ausbreitet, sich durch ausschließliche Reflexion an parallelen, einander gegenüberliegenden Oberflächen des Kerns fortpflanzt, wodurch die Bildung der Struktur, die nur unter dem spezifischen Austrittswinkel die Intensität hat, vermieden wird. Demzufolge wird das Auftreten des Strukturrauschens verhindert, wodurch das Ausgangsbild mit einer hohen Auflösung erhalten werden kann.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

1A ist eine Perspektivansicht des optischen Bauelements gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

1B ist eine vergrößerte Querschnittsdarstellung längs der Linie I-I in 1A;

2A bis 2F sind Schaubilder, die Schritte zur Herstellung eines Lichtleitfaserpaares zur Bildung des optischen Bauelements zeigen;

2G bis 2J sind Querschnittsdarstellungen von Vorformen usw., die in den jeweiligen Schritten hergestellt werden;

3 ist eine vergrößerte Querschnittsdarstellung eines Lichtleitfaserpaares, das bei der Herstellung des optischen Bauelements benutzt wird;

4 ist ein Schaubild, das einen Zustand der Lichtausbreitung in dem Kern der Lichtleitfaser zur Bildung des optischen Bauelements zeigt;

5 ist ein Schaubild, das einen Zustand der Lichtausbreitung in dem Kern der Lichtleitfaser zur Bildung des optischen Bauelements zeigt;

6A bis 6F sind Schaubilder, die Schritte zur Herstellung eines Lichtleitfaserpaares zur Bildung des optischen Bauelements zeigen;

6G bis 6J sind Querschnittsdarstellungen von Vorformen usw., die in den jeweiligen Schritten hergestellt werden;

7 ist eine vergrößerte Querschnittsdarstellung des optischen Bauelements gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

8 ist eine vergrößerte Querschnittsdarstellung des optischen Bauelements gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

9 ist eine vergrößerte Querschnittsdarstellung des optischen Bauelements gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

10A bis 10C sind Schaubilder, die Schritte zur Herstellung des optischen Bauelements gemäß dem Stand der Technik zeigen;

11A bis 11C sind Schaubilder, die Schritte zur Herstellung des optischen Bauelements gemäß dem Stand der Technik zeigen;

12A bis 12C sind Schaubilder, die Schritte zur Herstellung des optischen Bauelements gemäß dem Stand der Technik zeigen;

13A bis 13C sind Schaubilder, die einen Zustand der Lichtausbreitung in dem Kern der Lichtleitfaser zur Bildung des optischen Bauelements gemäß dem Stand der Technik zeigen;

14A bis 14C sind Schaubilder, die einen Zustand der Lichtausbreitung in dem Kern der Lichtleitfaser zur Bildung des optischen Bauelements gemäß dem Stand der Technik zeigen.

BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG

Das optische Bauelement gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Als Erstes wird der Aufbau des optischen Bauelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. 1A ist eine Perspektivansicht des optischen Bauelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform, und 1B ist eine vergrößerte Querschnittsdarstellung längs der Linie I-I (einer Geraden parallel zur x-Achse) in 1A.

Das optische Bauelement 10 ist in der Weise aufgebaut, dass mehrere Lichtleitfasern, deren Kernquerschnittsprofil ein Halbkreis (ein Sektor mit dem Zentriwinkel von 180°) ist, parallel zueinander angeordnet sind. Jede Lichtleitfaser ist so angeordnet, dass ihre optische Achse parallel zur y-Achse in 1A ist. Das optische Bauelement 10 hat eine Eintrittsfläche 10a, die in Bezug auf die optische Achse schräg geschnitten ist, und eine Austrittsfläche 10b, die in Bezug auf die optische Achse senkrecht geschnitten ist, und ist so angeordnet, dass es eine verkleinerte Abbildung eines Eingangsbildes, das auf die Eintrittsfläche 10a fällt, von der Austrittsfläche 10b abgeben kann.

Der Querschnitt des optischen Bauelements 10 ist wie in 1B veranschaulicht. Und zwar sind Lichtleitfaserpaare, wobei jedes Paar eine solche Kombination aus zwei Lichtleitfasern jeweils mit dem Kern 14 halbkreisförmigen Querschnitts ist, die einen im Wesentlichen runden Querschnitt bildet, regelmäßig angeordnet. Die Lichtleitfaserpaare sind zwar regelmäßig angeordnet, jedoch ist die Ausrichtung der zwei Kerne 14 mit dem halbkreisförmigen Querschnittsprofil, die das oben genannte Lichtleitfaserpaar bilden, bei jedem Lichtleitfaserpaar zufällig, wie in 1B veranschaulicht ist. Der Ausdruck "zufällig" hat hier die Bedeutung, dass bei mindestens einem der benachbart angeordneten Lichtleitfaserpaare die zwei Kerne 14, die das betreffende Lichtleitfaserpaar bilden, in einer anderen Richtung einander gegenüberliegend angeordnet sind. Der Mantel 16 jeder Lichtleitfaser ist derart beschaffen, dass er durch einen Erwärmungs- und Pressvorgang so eingebunden wird, dass der Spalt zwischen den Kernen 14 der zwei Lichtleitfasern, aus denen jedes Lichtleitfaserpaar gebildet ist, und die Zwischenräume zwischen benachbarten Lichtleitfaserpaaren aufgefüllt werden.

In diesem Fall sind die Kerne 14 beispielsweise aus einem Glas auf Barium-Lanthan-Basis mit einem Brechungsindex von 1,82 hergestellt, während der Mantel 16 beispielsweise aus einem Borsilikatglas mit einem Brechungsindex von 1,495 hergestellt ist. Der Durchmesser der Kerne 14 beträgt ungefähr 6 &mgr;m, und der Abschnitt des Mantels 16 in dem Spalt zwischen den zwei Kernen 14 weist eine Dicke von ungefähr 0,5 &mgr;m auf, was nicht weniger als ein Drittel der Wellenlänge (550 nm) ist, die normalerweise in dem optischen Bauelement 10 benutzt wird. Ferner sind die benachbarten Lichtleitfaserpaare durch den Mantel 16 in ähnlicher Weise wie bei dem Abschnitt in dem Spalt zwischen den Kernen 14 mit einem Zwischenraum von ungefähr 0,5 &mgr;m oder mehr angeordnet.

Licht absorbierende Mittel 17 (Licht absorbierende Werkstoffe) sind in dem Teil des Mantels 16 angeordnet, wobei sie sich in Achsrichtung jeder Lichtleitfaser erstrecken. Wenn die Licht absorbierenden Mittel 17 in dem Teil des Mantels 16 angeordnet sind, können sie Streulicht, das in den Mantel 16 austritt, oder Licht, das von der Seite (den Oberflächen, die von der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche verschieden sind) in das optische Bauelement 10 eintritt, wirksam beseitigen, wodurch sich die Auflösung des Ausgangsbildes verbessert.

Als Nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung des optischen Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. 2A bis 2F sind Schaubilder, die Schritte zur Herstellung eines Lichtleitfaserpaares zur Bildung des optischen Bauelements 10 zeigen, und 2G bis 2J sind Querschnittsdarstellungen von Vorformen usw., die in den jeweiligen Schritten hergestellt werden.

Für die Herstellung der Lichtleitfasern zur Bildung des optischen Bauelements 10 wird zunächst eine Kern-Vorform 18, die eine zylindrische Gestalt aufweist, auf eine Weise hergestellt, die der Herstellung von einfachen Lichtleitfasern (2A und 2G) ähnlich ist. Die Kern-Vorform 18 wird beispielsweise aus Glas auf Barium-Lanthan-Basis mit einem Brechungsindex von 1,82 hergestellt, wobei ihre Seitenflächen durch ein Verfahren zum Polieren mit Zer(IV)-oxid oder dergleichen poliert werden.

Im folgenden Schritt wird die so in dem oben angegebenen Schritt hergestellte Kern-Vorform 18 mittels eines Diamantschneiders oder dergleichen in Längsrichtung (in einer Richtung senkrecht zur Bodenfläche der Zylinderform) geschnitten, um zwei einzelne Kern-Vorformen 20 und 22 halbkreisförmiger Gestalt (2B und 2H) zu erhalten. Dabei werden die Schnittflächen durch das Polierverfahren mit Zer(IV)-oxid oder dergleichen poliert.

Im nächsten Schritt wird eine plattenförmige Mantel-Vorform 24 wie in 2C veranschaulicht zwischen die zwei Kern-Vorformen 20 und 22 eingefügt (2D und 2I). Die Mantel-Vorform 24 ist hier beispielsweise aus Borsilikatglas mit einem Brechungsindex von 1,495 hergestellt.

Im folgenden Schritt wird das Schichtelement aus der plattenförmigen Mantel-Vorform 24 zwischen den zwei Kern-Vorformen 20 und 22, das in dem oben angegebenen Schritt hergestellt worden ist, in eine Mantel-Vorform 26 eingebracht, die rohrförmig ist, wie in 2E veranschaulicht ist, um eine Vorform 28 für die Herstellung des Lichtleitfaserpaares zu formen (2F und 2J). Die Mantel-Vorform 26 ist hier ebenfalls beispielsweise aus dem Borsilikatglas mit dem Brechungsindex von 1,495, wie die obige Mantel-Vorform 24, hergestellt, und ein Ende 26a der Mantel-Vorform 26 wird durch ein Schmelzverfahren mit einem Brenner oder dergleichen zugeschmolzen.

Danach wird die obige Vorform 28 einem Faserziehen unterworfen, um das Lichtleitfaserpaar herzustellen. 3 zeigt eine vergrößerte Querschnittsdarstellung des durch dieses Verfahren hergestellten Lichtleitfaserpaares. Dieses Lichtleitfaserpaar 30 ist so geformt, dass die zwei Kerne 14 halbkreisförmigen Querschnitts einander gegenüberliegen und dass der Mantel 16 in dem Spalt zwischen den zwei Kernen 14 und auf der Außenfläche der zwei Kerne 14 (dem Abschnitt, der von dem oben genannten Spalt verschieden ist) vorgesehen ist. Hier hat der Abschnitt des Mantels 16 um die Kerne 14 eine Dicke, die ausreicht, um bei der Herstellung des optischen Bauelements 10 die Zwischenräume zu den benachbarten Lichtleitfaserpaaren 30 aufzufüllen. Es ist wünschenswert, dass der Abschnitt des Mantels 16, der in dem Spalt zwischen den zwei Kernen 14 vorgesehen ist, eine Dicke hat, die ausreicht, um als eine Manteltrennwand zwischen den zwei Kernen 14 wirksam zu werden, wobei diese Dicke nicht geringer als ein Drittel der Wellenlänge des von dem optischen Bauelement 10 durchzulassenden Lichts ist. Das Lichtleitfaserpaar 30 weist folgende spezielle Gestalt auf: Der Durchmesser der Kerne 14 beträgt ungefähr 6 &mgr;m, die Dicke des Abschnitts des Mantels 16, der an der Außenfläche der Kerne 14 vorgesehen ist, beträgt ungefähr 0,25 &mgr;m, und die Dicke des Abschnitts des Mantels 16, der in dem Spalt zwischen den zwei Kernen 14 vorgesehen ist, beträgt in Anbetracht der benutzten Wellenlänge von 550 nm ungefähr 0,5 &mgr;m.

Hierbei ist insbesondere zu beachten, dass eine Trennwand, um die zwei Kerne 14 voneinander zu trennen, mitunter zum Zweck der Änderung der Lichtausbreitungsrichtungen durch Indexunterschiede vorgesehen wird. Eine solche Trennwand ist sehr dünn und wirkt deshalb nicht als Mantel. Dann wirken die zwei Kerne wie ein Kern mit rundem Querschnitt. Folglich wird dieser Aufbau nicht die Funktion und Wirkung der vorliegenden Ausführungsform, die nachstehend beschrieben ist, erzielen.

Mehrere mittels der oben angegebenen Schritte hergestellte Lichtleitfaserpaare 30 werden parallel zueinander angeordnet, wobei die stabartigen, Licht absorbierenden Mittel 17 genau dazwischen eingefügt werden. Anschließend werden sie einem Erwärmen und Pressen ausgesetzt, um ihre integrale Formung auszuführen, wodurch das optische Bauelement 10 hergestellt wird.

Als Nächstes wird die Wirkung des optischen Bauelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Zuerst wird das Problem der optischen Bauelemente des Standes der Technik erörtert. Die optischen Bauelemente des Standes der Technik werden normalerweise durch Bündeln einer Anordnung von Lichtleitfasern mit rundem oder rechtwinkligem Querschnitt parallel zueinander und Ausführen einer integralen Formung davon hergestellt. Es gibt Fälle, in denen das optische Bauelement, um sein Auflösungsvermögen zu verbessern, durch ein weiteres Ziehen der obigen gebündelten Lichtleitfasergruppe hergestellt wird, wobei eine Anordnung solcher paralleler Fasern (Multifasern) gebündelt wird und das integrale Formen davon ausgeführt wird, und es gibt Fälle, in denen das optische Bauelement durch mehrmals wiederholtes Ausführen der oben genannten Schritte des Faserziehens und Bündelns hergestellt wird, um Faserbauelemente (Multi-Multifasern) zu erhalten und das integrale Formen davon auszuführen.

10A bis 10C, 11A bis 11C und 12A bis 12C zeigen Veränderungen am Querschnittsprofil des Kerns jeder Lichtleitfaser bei der Herstellung der optischen Bauelemente nach dem oben angegebenen Herstellungsverfahren.

10A bis 10C zeigen Veränderungen am Querschnittsprofil der Kerne 2, wenn das optische Bauelement 6 durch Anordnen von Lichtleitfasern 4 mit Kernen 2 runden Querschnitts in eine tetragonale Konfiguration geformt worden ist. Wenn das optische Bauelement 6 durch Anordnen der Lichtleitfasern 4 mit Kernen 2 runden Querschnitts in die tetragonale Konfiguration geformt wird, verformt sich der Querschnitt des Kerns 2 jeder Lichtleitfaser 4 bei dem integralen Formen des Bündels aus Lichtleitfasern 4 durch das Erwärmen und Pressen näherungsweise in ein Quadrat, wie in 10A bis 10C veranschaulicht ist.

Die Verformungsgrade sind hierbei in Abhängigkeit von der Härte der Kerne 2 und der Mantelschichten 8 der Lichtleitfasern 4 bei der Temperatur während des oben angegebenen Erwärmens und Pressens unterschiedlich. Wenn die Kerne 2 sehr viel härter als der Mantel 8 sind, kann der Querschnitt der Kerne 2 in der runden Form beibehalten werden. Praktisch ist es jedoch schwierig, die Kerne 2 sehr viel härter als den Mantel 8 herzustellen, da ein Kontakt zwischen benachbarten Kernen 2 vermieden werden soll.

11A bis 11C zeigen Veränderungen am Querschnittsprofil der Kerne 2, wenn das optische Bauelement 6 durch Anordnen von Lichtleitfasern 4 mit Kernen 2 runden Querschnitts in eine hexagonale Konfiguration geformt worden ist. In diesem Fall verformt sich der Querschnitt des Kerns jeder Lichtleitfaser 4 bei dem integralen Formen des Bündels aus Lichtleitfasern 4 durch das Erwärmen und Pressen in eine näherungsweise regelmäßige Sechseckform. 12A bis 12C zeigen Veränderungen im Querschnittsprofil der Kerne 2, wenn das optische Bauelement 6 durch Anordnen von Lichtleitfasern 4 mit Kernen 2 rechtwinkligen Querschnitts in die tetragonale Konfiguration geformt worden ist. In diesem Fall gibt es keinen Freiraum zwischen benachbarten Mantelabschnitten 8 bei der Platzierung der Lichtleitfasern 4, und folglich bleibt auch der Querschnitt der Kerne 2 nach dem Erwärmen und Pressen zum integralen Formen des Bündels aus Lichtleitfasern 4 in der quadratischen Gestalt erhalten.

Da die wie oben beschrieben hergestellten optischen Bauelemente 6 in eine mehreckige Gestalt geformt worden sind, die im Querschnitt des Kerns 2 jeder Lichtleitfaser 4 einander gegenüberliegende Seiten hat, die parallel zueinander sind, wie etwa ein Quadrat, ein Sechseck oder dergleichen, weisen sie das nachstehend beschriebene Problem auf. Es gibt nämlich für das Licht, das in die Eintrittsfläche des optischen Bauelements 6 einfällt, zwei mögliche Ausbreitungswege in dem Kern 2: eine spiralförmige Ausbreitung, wie sie in 13A bis 13C gezeigt ist, und eine bandförmige Ausbreitung, wie sie in 14A bis 14C gezeigt ist. Hierbei geben leere und volle Punkte in 13A bis 13C und in 14A bis 14C Lichtauftreffpunkte an.

13A zeigt den Ausbreitungszustand in dem Kern 2 für Licht, das in die Eintrittsfläche 6a des optischen Bauelements 6 (oder in die Eintrittsfläche des Kerns 2) einfällt, und 13B ist ein Schaubild, das eine Projektion des Ausbreitungsweges des Lichts auf eine Ebene parallel zur Eintrittsfläche 6a zeigt. Wie in 13A und 13B veranschaulicht ist, breitet sich das unter einem zufälligen Winkel (ausgenommen den spezifischen Einfallswinkel, der im Folgenden mit Bezug auf 14A bis 14C beschrieben wird) in die Eintrittsfläche 6a des optischen Bauelements 6 einfallende Licht in dem Kern 2 auf einem spiralförmigen Weg aus. Folglich wird das Licht, selbst wenn es unter einem festen Einfallswinkel &thgr; in die Eintrittsfläche 6a des optischen Bauelements 6 einfällt, je nach unterschiedlichem Auftreffpunkt unter verschiedenen Austrittswinkeln aus der Austrittsfläche 6b des optischen Bauelements 6 austreten, wie in 13C gezeigt ist.

Andererseits breitet sich das Licht, das unter dem spezifischen Einfallswinkel (der ein Einfallswinkel ist, unter dem sich das Licht ausbreitet, obwohl es nur von den parallelen, einander gegenüberliegenden Oberflächen des Kerns 2 reflektiert wird) in die Eintrittsfläche 6a des optischen Bauelements 6 einfällt, in dem Kern 2 in einer Bandform aus, wie in 14A und 14B veranschaulicht ist. Folglich wird das Licht, wenn es unter einem festen Einfallswinkel &thgr; in die Eintrittsfläche 6a des optischen Bauelements 6 einfällt, unabhängig von den unterschiedlichen Lichtauftreffpunkten auch unter dem Austrittswinkel &thgr; aus der Austrittsfläche 6b des optischen Bauelements austreten, wie in 14C gezeigt ist. Deshalb wird in dem Ausgangsbild, das an der Austrittsfläche 6b des optischen Bauelements 6 austritt, eine Struktur ausgebildet, welche die Intensität nur unter dem spezifischen Austrittswinkel hat, wobei diese Struktur Rauschen darstellen wird, das die Auflösung des optischen Bauelements 6 verschlechtert. Insbesondere in dem Fall des durch integrales Formen von Multifasern (oder auch Multi-Multifasern) hergestellten optischen Bauelements tritt der Unterschied in den Verformungsgraden der Kerne 2 zwischen dem mittigen Teil und dem peripheren Teil der Multifasern auf, und dieser Unterschied in den Verformungsgraden bewirkt das Strukturrauschen entsprechend dem Querschnittsprofil der Multifasern. Folglich wird das Auflösungsvermögen des optischen Bauelements 6 stark verschlechtert.

Im Gegensatz dazu wird der Fall des optischen Bauelements 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform betrachtet. 4 und 5 sind Schaubilder, die Projektionen von Wegen des Lichts, das in die Eintrittsfläche 10a des optischen Bauelements 10 (oder die Eintrittsfläche des Kerns 14) eintritt und sich in dem Kern 14 ausbreitet, auf eine Ebene parallel zur Eintrittsfläche 10a zeigen. Die leeren Punkte in 4 und 5 geben Lichtauftreffpunkte an. Da der Querschnitt des Kerns 14 halbkreisförmig ohne einander parallel gegenüberliegende Seiten ist, tritt bei dem optischen Bauelement nicht die Erscheinung auf, dass das in die Eintrittsfläche 10a des optischen Bauelements 10 eintretende Licht sich in der Bandform ausbreitet, wobei es nur von den einander parallel gegenüberliegenden Oberflächen des Kerns 14 reflektiert wird. Wie aus den in 4 und 5 veranschaulichten Lichtwegen offensichtlich ist, fällt das Licht, dass sich in dem Kern 14 ausbreitet, unter verschiedenen Winkeln auf die Grenzfläche zwischen dem Kern 14 und dem Mantel 16 und wird unter verschiedenen Winkeln reflektiert.

Deshalb wird das Licht selbst dann, wenn es unter dem festen Einfallswinkel &thgr; in die Eintrittsfläche 10a des optischen Bauteils 10 einfällt, in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Lichtauftreffpunkten unter verschiedenen Austrittswinkeln aus der Austrittsfläche 10b des optischen Bauelements 10 austreten, wodurch die Ausbildung der Struktur, welche die Intensität nur unter dem spezifischen Austrittswinkel aufweist, vermieden wird.

Als Nächstes wird die Wirkung des optischen Bauelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Da der Querschnitt der Kerne 14, die das optische Bauelement 10 bilden, halbkreisförmig ist, wird in dem optischen Bauelement 10 die Struktur, welche die Intensität nur unter dem spezifischen Austrittswinkel aufweist, nicht ausgebildet. Folglich kann das Auftreten des Strukturrauschens vermieden werden, so dass eine optische Abbildung mit einer hohen Auflösung von der Austrittsfläche 10b des optischen Bauelements 10 erlangt werden kann.

Selbst wenn bei dem Erwärmen und Pressen die Kerne 14 Verformungen erfahren sollten, die zur Ausbildung von einander parallel gegenüberliegenden Seiten bei einem Teil des Querschnitts der Kerne 14 führen, wäre die Ausrichtung des halbkreisförmigen Profils, das sich im Querschnitt der Kerne 14 einstellt, bei jedem Lichtleitfaserpaar zufällig, so dass die Ausbildung der Struktur, welche die Intensität nur unter dem spezifischen Austrittswinkel aufweist, vermieden werden kann, wodurch das Erlangen des Ausgangsbildes mit hoher Auflösung ermöglicht wird.

Das optische Bauelement 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann auch durch das nachstehend beschriebene Verfahren hergestellt werden. 6A bis 6F sind Schaubilder, die Schritte zur Herstellung eines Lichtleitfaserpaares für die Bildung des optischen Bauelements 10 zeigen, und 6G bis 6J sind Querschnittsdarstellungen von Vorformen usw., die in den jeweiligen Schritten hergestellt werden.

Das vorliegende Herstellungsverfahren unterscheidet sich nur in folgendem Punkt von dem Herstellungsverfahren, das mit Bezug auf 2A bis 2J beschrieben worden ist: Bei dem oben angegebenen Herstellungsverfahren wurde die plattenförmige Mantel-Vorform 24, die in 2C gezeigt ist, zwischen den zwei Kern-Vorformen 22 und 24 angeordnet (2D und 2I) und in die Mantel-Vorform 26 eingebracht, um die Vorform 28 für die Herstellung des Lichtleitfaserpaares (2F und 2J) herzustellen. Im Gegensatz dazu ist das vorliegende Herstellungsverfahren ein Verfahren, das die plattenförmige Mantel-Vorform 24 und zwei stabartige Elemente 32 benutzt, wobei in jedem davon ein stabartiges, Licht absorbierendes Mittel 17 mit einem Mantelwerkstoff bedeckt ist, wie in 6C gezeigt ist, wobei in dem Verfahren die Mantel-Vorform 24 zwischen zwei Kern-Vorformen 22 und 24 angeordnet wird, die zwei stabartigen Elemente 32 beiderseits der Mantel-Vorform 24 angeordnet (6D und 6I) und in die Mantel-Vorform 26 eingebracht werden, um die Vorform 34 für die Herstellung des Lichtleitfaserpaares herzustellen. Die Vorform 34 für die Lichtleitfaserpaarherstellung wird einem Faserziehen unterworfen, und die auf diese Weise erzielten Lichtleitfaserpaare werden parallel zueinander angeordnet und dem Erwärmen und Pressen unterworfen, um ihre integrale Formung zu bewirken, wodurch das optische Bauelement 10 hergestellt wird.

Der Querschnitt des optischen Bauelements 36, der bei Verwendung der obigen Vorform 34 entsteht, ist außerdem so beschaffen, dass er die regelmäßig angeordneten Lichtleitfaserpaare enthält, wobei jedes Lichtleitfaserpaar eine solche Kombination aus zwei Lichtleitern, deren jeweilige Kerne 14 einen im Wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen, ist, die den im Wesentlichen runden Querschnitt bildet, wie in 7 gezeigt ist. Im Ergebnis der Ausführung des Faserziehens, des Erwärmens und Pressens usw., wobei sich die Licht absorbierenden Mittel 17 in der Vorform 34 befinden, treten kleine Vertiefungen an den beiden Enden der Basis jedes Kerns 14 des im Wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitts auf, jedoch kann der Querschnitt der Kerne 14 als im Wesentlichen halbkreisförmig angesehen werden, da die Abmessungen der Licht absorbierenden Mittel 17 sehr viel kleiner als die Abmessungen der Kerne 14 (die Länge der oben beschriebenen Basis) sind.

Als Nächstes wird das optische Bauelement gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Das optische Bauelement 40 gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich hinsichtlich des Aufbaus von dem optischen Bauelement 10 gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass das optische Bauelement 10 der ersten Ausführungsform den Aufbau aufwies, bei dem die Lichtleitfasern mit den Kernen 14 mit dem halbkreisförmigen Querschnittsprofil parallel zueinander angeordnet waren, wohingegen das optische Bauelement 40 der vorliegenden Ausführungsform so aufgebaut ist, dass mehrere Lichtleitfasern, deren Kerne ein Querschnittsprofil eines Drittelkreises (eines Sektors mit dem Zentriwinkel von 120°) aufweisen, parallel zueinander angeordnet sind.

Der Querschnitt des optischen Bauelements 40 ist wie in 8 gezeigt. Und zwar sind Lichtleitfasergruppen regelmäßig angeordnet, derart, dass jede Lichtleitfasergruppe eine solche Kombination aus drei Lichtleitfasern umfasst, wovon jede den Kern 14 mit dem Querschnitt eines Drittelkreises aufweist, so dass der im Wesentlichen runde Querschnitt gebildet wird. Die obigen Lichtleitfasergruppen sind hierbei regelmäßig angeordnet, jedoch ist die Ausrichtung der drei Kerne 14 mit dem Querschnittsprofil eines Drittelkreises, die die obigen Lichtleitfasergruppen bilden, bei jeder Lichtleitfasergruppe zufällig, wie in 8 veranschaulicht ist. Der Ausdruck "zufällig" hat hier die Bedeutung, dass bei mindestens einer der benachbart angeordneten Fasergruppen die Zentriwinkel der drei Kerne 14, welche die Lichtleitfasergruppe bilden, in andere Richtungen weisen. Der Mantel 16 jeder Lichtleitfaser ist so beschaffen, dass er durch das Erwärmen und Pressen in der Weise eingebunden wird, dass die Spalte zwischen den Kernen 14 der drei Lichtleitfasern, die die betreffende Lichtleitfasergruppe bilden, und die Zwischenräume zwischen den benachbarten Lichtleitfasergruppen aufgefüllt werden.

Das optische Bauelement 40 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann ferner durch ein Herstellungsverfahren hergestellt werden, das jenem für das erste optische Bauelement 10 ähnlich ist.

Auch zeigt das optische Bauelement 40 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Funktion und Wirkung, die jenen des optischen Bauelements 10 gemäß der ersten Ausführungsform ähnlich sind, so dass die Erlangung der optischen Abbildung mit hoher Auflösung ermöglicht wird.

Als Nächstes wird das optische Bauelement gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Das optische Bauelement 50 gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich hinsichtlich des Aufbaus von dem optischen Bauelement 10 gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass das optische Bauelement 10 gemäß der ersten Ausführungsform einen Aufbau aufwies, bei dem mehrere Lichtleitfasern mit den Kernen 14 mit dem halbkreisförmigen Querschnittsprofil parallel zueinander angeordnet waren, wohingegen das optische Bauelement 50 gemäß der vorliegenden Ausführungsform so aufgebaut ist, dass mehrere Lichtleitfasern, deren Kerne ein Querschnittsprofil eines Viertelkreises (eines Sektors mit einem Zentriwinkel von 90°) aufweisen, parallel zueinander angeordnet sind.

Der Querschnitt des optischen Bauelements 50 ist wie in 9 gezeigt. Und zwar sind Lichtleitfasergruppen regelmäßig angeordnet, derart, dass jede Lichtleitfasergruppe eine solche Kombination von vier Lichtleitfasern umfasst, die jeweils Kerne 14 mit dem Querschnitt eines Viertelkreises aufweisen, dass das im Wesentlichen runde Querschnittsprofil gebildet wird. Die obigen Lichtleitfasergruppen sind hierbei regelmäßig angeordnet, jedoch ist die Ausrichtung der vier Kerne 14 mit dem Querschnittsprofil eines Viertelkreises, welche die oben erwähnten Lichtleitfasergruppen bilden, bei jeder Lichtleitfasergruppe zufällig, wie in 9 veranschaulicht ist. Der Ausdruck "zufällig" hat hier die Bedeutung, dass bei mindestens einer der benachbart angeordneten Fasergruppen die Zentriwinkel der vier Kerne 14, welche die Lichtleitfasergruppe bilden, in andere Richtungen weisen. Der Mantel 16 jeder Lichtleitfaser ist so beschaffen, dass er durch das Erwärmen und Pressen in der Weise eingebunden wird, dass die Spalte zwischen den Kernen 14 der vier Lichtleitfasern, die die betreffende Lichtleitfasergruppe bilden, und die Zwischenräume zwischen den benachbarten Lichtleitfasergruppen aufgefüllt werden.

Das optische Bauelement 50 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann ferner durch ein Herstellungsverfahren hergestellt werden, das jenem für das optische Bauelement 10 gemäß der ersten Ausführungsform ähnlich ist.

Auch zeigt das optische Bauelement 50 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Funktion und Wirkung, die jenen des optischen Bauelements 10 gemäß der ersten Ausführungsform ähnlich sind, so dass die Erlangung der optischen Abbildung mit hoher Auflösung ermöglicht wird.

Die optischen Bauelemente 10, 36, 40 und 50 gemäß den oben angegebenen Ausführungsformen waren optische Bauelemente, bei denen mehrere Lichtleitfasern parallel angeordnet waren, sie könnten jedoch auch als kegelstumpfförmige optische Bauelemente vorgesehen sein, wobei mehrere Lichtleitfasern mit einer Krümmung angeordnet sind und wobei eine optische Abbildung auf die Eintrittsfläche als ein vergrößertes oder verkleinertes Bild ausgegeben wird.

INDUSTRIEELLE ANWENDBARKEIT

Da die obigen optischen Bauelemente unterschiedlichste Vorteile wie etwa einen hohen Durchlassgrad, das Potenzial für geringere Abmessungen des optischen Systems im Vergleich zu Linsen usw. bieten, können sie in verschiedenen Bereichen, Fingerabdrucksensoren, Strahlung erfassende Vorrichtungen usw. eingeschlossen, verwendet werden.


Anspruch[de]
  1. Optisches Bauelement (10), das eine Anordnung von Lichtleitfasergruppen umfasst, wovon jede Lichtleitfasergruppe mehrere Kerne (14) umfasst, wobei ein Querschnittsprofil jedes Kerns (14) im Wesentlichen sektorial ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung des sektorialen Querschnittsprofils der mehreren Kerne (14) in der Lichtleitfasergruppierung von jener mindestens einer benachbarten Lichtleitfasergruppierung verschieden ist, wobei das optische Bauelement (10) durch Erwärmen und Pressen mehrerer gebündelter Lichtleitfasergruppen integral geformt ist.
  2. Optisches Bauelement (10) nach Anspruch 1, wobei das Querschnittsprofil jedes Kerns (14) jeder der Lichtleitfasergruppen im Wesentlichen halbkreisförmig ist, wobei das optische Bauelement (10) eine Anordnung von Lichtleitfasergruppen umfasst, die jeweils aus einer Kombination von zwei Kernen (14) bestehen, derart, dass ein im Wesentlichen runder Querschnitt gebildet wird.
  3. Optisches Bauelement (10) nach Anspruch 1, wobei das Querschnittsprofil jedes Kerns 14 jeder der Lichtleitfasergruppen im Wesentlichen ein Sektor mit einem Zentriwinkel von 120° ist, wobei das optische Bauelement (10) eine Anordnung von Lichtleitfasergruppen umfasst, die jeweils aus einer Kombination von drei Kernen (14) bestehen, derart, dass ein im Wesentlichen runder Querschnitt gebildet wird.
  4. Optisches Bauelement (10) nach Anspruch 1, wobei das Querschnittsprofil jedes Kerns (14) jeder der Lichtleitfasergruppen im Wesentlichen ein Sektor mit einem Zentriwinkel von 90° ist, wobei das optische Bauelement (10) eine Anordnung von Lichtleitfasergruppen umfasst, die jeweils aus einer Kombination von vier Kernen (14) bestehen, derart, dass ein im Wesentlichen runder Querschnitt gebildet wird.
  5. Optisches Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei im Mantel (16) der Lichtleitfasern ein Licht absorbierendes Mittel (17) angeordnet ist.
Es folgen 10 Blatt Zeichnungen






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