JP3884533B2 - Fiber optic device, light receiving component, and pattern acquisition device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、指紋検出装置等のパターン取得装置に用いられるファイバ光学デバイスに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
特開平7−174947号公報に記載されるようなファイバ光学デバイスが、従来から知られている。図18は、このようなファイバ光学デバイスの一例を示す斜視図であり、図19は、このデバイス500の図18のXIX−XIX線に沿った部分縦断面図である。このデバイス500は、通常、物体表面の凹凸パターンを取得する装置(例えば、指紋検出装置)の凹凸パターン像伝送手段として使用される。
【0003】
図18及び図19に示されるように、ファイバ光学デバイス500は、複数の光ファイバが各々の軸線が平行となるように束ねられて一体的に集成された構造を有している。デバイス500の両端面502、504は、各光ファイバの両端面がそれぞれ面一となって集合することにより形成されている。これらの端面502、504は、それぞれ光学像の入力用、出力用の面である。出力端面504から出射する光学像が歪まないように、入力端面502と出力端面504とは平行にされている。
【0004】
図19に示されるように、デバイス500を構成する光ファイバの各々は、光伝搬部であるコア512を中心に有しており、更に、このコア512を密着包囲するクラッド513、及びクラッド513を密着包囲する光吸収体514を有している。各光ファイバの両端面は、コアの軸線518に対して角度α0で傾斜しており、従って、デバイスの入力及び出力端面502、504もコアの軸線518に対して角度α0で傾斜している。言い換えると、入力及び出力端面502、504の法線506、508とコアの軸線518とは平行でなく、法線506、508と軸線518とがなす角度は(90°−α0)である。この傾斜角度α0は、空気からコア512に光が入射しても、その光がコア512とクラッド513との境界面で全反射されないような値に設定されている。すなわち、入力及び出力端面502、504の傾斜角度α0は、空気中からコア512に入射した光のコア512及びクラッド513間の境界面に対する入射角がこの境界面での臨界角以下となるような角度範囲に含まれている。
【0005】
周知のように、このような傾斜角度α0の範囲は、特定の最大傾斜角α0mを用いてα≦α0mのように表すことができる。ここで、α0mは、次の3個の式を満足する角度である。
n0コア・sinφC=n0クラッド・sin90°(コア及びクラッド間のスネルの法則)
n0コア・sinβ0m=na・sin90°(空気及びコア間のスネルの法則)
α0m+(90°+β0m)+(90°−φC)=180°(三角形の内角の和)
ここで、n0コアはコア512の屈折率、n0クラッドはクラッド513の屈折率、naは空気の屈折率である。また、φCはコアとクラッドとの境界面における臨界角であり、β0mは、入力端面502に入射角90°で入射する光線520の屈折光線521が入力端面502の法線506となす角度、即ち入射角90°の入射光の屈折角である。
【0006】
上記の3式から求まるα0mを用いて、傾斜角α0の範囲は、
α0≦α0m=sin-1(n0クラッド/n0コア)−sin-1(na/n0コア) …(1)
のように表される。
【0007】
入力端面502上に検出対象物を密着させて検出対象物の背後又は側方から光を照射すると、検出対象物表面の凹部に存在する空気層を透過してコア512内に入射した光は、臨界角以下の入射角でコア及びクラッド間の境界面に入射するため、この境界面で全反射されず、その一部はクラッド513に漏出し、光吸収体514により吸収される。このため、検出対象物の凹部を通過してコア512内に入射した光は徐々に減衰していき、その大部分は出力端面504に到達することができない。一方、検出対象物表面の凸部と入力端面502とが密着した領域では、検出対象物の屈折率は空気の屈折率よりも大であることから、検出対象物の凸部からコア512内に入射した光の中には、臨界角より大きい入射角でコア及びクラッド間の境界面に入射する光も存在するようになる。このような光は、コア及びクラッド間の境界面で全反射されながらコア内を伝搬し、出力端面504に到達する。従って、出力端面504から出射するのは、実質的に、検出対象物の凸部を透過してコア512内に入射した光のみとなる。これにより、デバイス500は、検出対象物表面の凹凸に対応した明暗像、すなわち凹凸パターン像、を高いコントラストで出力することができるようになる。
【0008】
図20は、ファイバ光学デバイス500をCCD撮像素子90に取り付けて形成した受光部品600である。CCD撮像素子90が備えるCCDチップ92の受光面93とデバイス500の出力端面504とは、光学接着剤98を用いて接着されている。このように、CCDチップ92の受光面93とデバイス500の出力端面504とを向かい合わせた状態でデバイス500をCCD検出器90に固定すれば、検出対象物の凹凸パターン像を撮像することが可能になる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のように設定される入力端面502の傾斜角度α0は、通常、かなり小さな角度となるので、ファイバ光学デバイス500の縦断面の形状は、図20に示されるように、底辺に対する側辺の傾斜がきつく横幅の大きい平行四辺形となる。CCD撮像素子90へファイバ光学デバイス500を取り付ける際、デバイス500はCCD撮像素子90のハウジング94の内側に形成された凹部95に差し入れられるが、デバイス500の横幅が大きくなりがちなため、この差し入れは比較的困難である。また、デバイス500の傾斜が急なことから、CCD撮像素子90にデバイス500を取り付けた後も、デバイス500の縁がCCD撮像素子90の側方にせり出す等の問題が生じやすく、デバイス500を含む受光部品600をかさばるものにする傾向がある。
【0010】
また、出力端面504がコアの軸線に対して垂直であれば、出力端面からの出射光は、出力端面の法線を中心とした一定範囲に広がるが、出力端面がコアの軸線に対して傾斜しているファイバ光学デバイス500では、出力端面からの出射光は、出力端面504の法線方向からずれた方向を中心として広がることになる。このため、出力端面504からの出射光のうち比較的大部分がCCDチップの受光面93の受光範囲に収まらないことになる。これにより、CCD撮像素子90の出力のS/Nが低下してCCD撮像素子90により検出される凹凸パターン像の解像度が劣化し、あるいは検出される凹凸パターン像が比較的暗くなってしまう。
【0011】
また、上述のように、従来のファイバ光学デバイス500は、空気からコア512へ入射した光のコア512及びクラッド513間の境界面に対する入射角がこの境界面での臨界角以下となるような角度で入力及び出力端面502、504が傾斜しているので、逆に、出力端面504と隣接する媒質が空気の場合は、コア及びクラッド間の境界面に対する入射角が臨界角以下のコア伝搬光しか出力端面504から出射することができない。従って、臨界角より大きい角度でコア及びクラッド間の境界面に入射し、この境界面で全反射されることによりコア内を伝搬する光は、出力端面と隣接する媒質が空気であれば、出力端面で全反射され出射することができない。このため、ファイバ光学デバイス500をCCD撮像素子90に取り付ける場合、出力端面504とCCDチップの受光面93との間に空気が入り込まないように両者の間にシール材(光学接着剤などが使用可)が充填されたときに、初めて出力端面504から光が出射するようになる。従って、ファイバ光学デバイス500とCCD撮像素子90とを空気を介して離間し、両者の間にレンズを配置して両者を光学的に結合させるようなことはできない。
【0012】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、光検出器への取り付けが容易で、コンパクトなパターン取得用受光部品を形成することが可能なファイバ光学デバイスを提供することを課題とする。
【0013】
【発明を解決するための手段】
本発明に係るファイバ光学デバイスは、第1及び第2のファイバ光学部品を備えている。この第1ファイバ光学部品は、所定方向に延びる実質的に平行の複数の第1コアと、これらの第1コアの各々の側面を取り囲み、少なくとも一つの光波長についてこれらの第1コアよりも大きな吸収係数を有する第1光吸収体と、を含んでいる。これらの第1コア及び第1光吸収体の両端面は、それぞれ実質的に面一に集合して前記第1ファイバ光学部品の入力端面及び出力端面を形成している。第2ファイバ光学部品は、所定方向に延びる実質的に平行の複数の第2コアと、これらの第2コアの各々の側面を取り囲み、これらの第2コアよりも低い屈折率を有するクラッドと、を含んでいる。これらの第2コア及びクラッドの両端面は、それぞれ実質的に面一に集合して第2ファイバ光学部品の入力端面及び出力端面を形成している。この第2ファイバ光学部品は、その入力端面が第1ファイバ光学部品の出力端面と対向するように第1ファイバ光学部品に連結されている。第1ファイバ光学部品の入力端面は、第1コアの軸線に対して傾斜角度α1で傾斜している。ここで、第1ファイバ光学部品の入力端面の傾斜角度α 1 を、空気の屈折率をn a 、第1コアの屈折率をn 1コア とするとき、α 1 ≦90°−sin −1 (n a /n 1コア )を満足するように定めれている。この場合、空気中から第1コアに入射した光は、このコアの軸線方向からずれた方向に進行するようになり、光吸収体によって吸収され、減衰又は除去される。これにより、第1光学部品の入力端面に密着させた物体表面の凹凸パターンが高いコントラストで伝送されるようになる。また、第2ファイバ光学部品の端面と第2コアの軸線とがなす角度は、第1コアの屈折率をn 1コア 、第2コアの屈折率をn 2コア 、クラッドの屈折率をn 2クラッド とするとき、cos −1 (n 1コア ・cosα 1 /n 2コア )−cos −1 (n 2クラッド /n 2コア )≦α 2 ≦cos −1 (n 1コア ・cosα 1 /n 2コア )+cos −1 (n 2クラッド /n 2コア )を満足するように定められている。この不等式が満足されていると、第1ファイバ光学部品から第2コアに入射した実質的にすべての光が第2コア及びクラッド間の境界面で全反射されるようになり、第1ファイバ光学部品からの光を第2ファイバ光学部品によって効率よく伝送することができる。従って、このファイバ光学デバイスでは、第1ファイバ光学部品の入力端面の傾斜角や、第2ファイバ光学部品の出力端面と第2コアの軸線とがなす角度を、比較的90°に近い値に設定することができる。従って、このデバイスは、光検出器に容易に取り付けることができ、また、この取り付けにより形成される受光部品をコンパクトにすることができる。
【0015】
第2ファイバ光学部品の入力端面と第2コアの軸線とがなす角度は、第1ファイバ光学部品から第2コアに入射した光が第2コア及びクラッド間の境界面にこの境界面における臨界角以上の入射角で入射するように定めることができる。このように定めることで、第1ファイバ光学部品から第2コアに入射した実質的にすべての光が第2コア及びクラッド間の境界面で全反射されるようになり、第1ファイバ光学部品からの光が第2ファイバ光学部品によって効率よく伝送される。
【0016】
第2ファイバ光学部品の出力端面と第2コアの軸線とがなす角度は、第1ファイバ光学部品から第2コアに入射した光が第2ファイバ光学部品の出力端面からこの出力端面に対して垂直に出射するように定めることができる。このように定めることで、第2ファイバ光学部品の出力端面に隣接する媒質にかかわらず、この出力端面から光が出射できるようになる。
【0017】
第1ファイバ光学部品の入力端面と出力端面とは実質的に平行であっても良く、また、第2ファイバ光学部品の入力端面と出力端面とは実質的に平行であっても良い。このとき、第1及び第2ファイバ光学部品は、第1ファイバ光学部品の出力端面と第2ファイバ光学部品の入力端面とが実質的に平行になるように連結されていても良い。この場合、上記の角度α2が、α2=(cos−1(n1コア・cosα1/n2コア)+90°)/2を満足していると好適である。この等式が満足されていると、第1ファイバ光学部品から第2コアに入射した光が第2ファイバ光学部品の出力端面からこの出力端面に対して垂直に出射するようになる。これにより、第2ファイバ光学部品の出力端面に隣接する媒質にかかわらず、この出力端面から光が出射できるようになる。
【0018】
第1及び第2ファイバ光学部品は、第1ファイバ光学部品の出力端面と第2ファイバ光学部品の入力端面との間に透光性材料からなるシール層を介在させて連結されていても良い。これにより、第1ファイバ光学部品の出力端面と第2ファイバ光学部品の入力端面との間に空気が介在することを防止することができる。
【0019】
第2ファイバ光学部品は、クラッドに接触しながらクラッドに沿って延び、少なくとも一つの光波長についてクラッドよりも大きな吸収係数を有する第2光吸収体を更に含むように構成することができ、この第2光吸収体の両端面は、それぞれ第2ファイバ光学部品の入力及び出力端面で終わっていても良い。第2ファイバ光学部品がこのような第2光吸収体を備えていると、クラッド内を進行する光が第2光吸収体により吸収されて減衰又は除去される。これにより、第1ファイバ光学部品から第2部品のクラッドに入射した光が第2コアに進入してコア伝搬光と混在することによって本デバイスにより伝送されるパターン像の解像度が劣化する現象を抑制又は防止することができる。
【0020】
第1コアが、各々の軸線の間隔が所定値となるように等間隔に配列され、第2コアが、各々の軸線の間隔がこの所定値よりも小さな値となるように等間隔に配列されていても良い。この場合、第1コアの端面と第2コアの端面とが効率よく対向するようになるので、第1部品から第2部品に効率よく光を伝送することが可能になる。
【0021】
本発明の別の側面では、上述のファイバ光学デバイスと、自身の受光面に入射した光学像を電気信号に変換して出力する光検出器と、を備える受光部品が提供される。ここで、光検出器は、ファイバ光学デバイス中の第2ファイバ光学部品の出力端面から出力された光学像が受光面に入射するように配置されている。
【0022】
本発明の更に別の側面では、上記受光部品と、この受光部品が備えるファイバ光学デバイス中の第1ファイバ光学部品の入力端面を照明する光源と、を備えるパターン取得装置が提供される。
【0023】
【発明の実施の形態】
図1〜図4は、本発明の一実施形態に係るファイバ光学デバイスの構成を示す図であり、図1は、本実施形態のファイバ光学デバイスの全体斜視図、図2は、本実施形態のファイバ光学デバイスの図1のII−II線に沿った部分縦断面図、図3は本実施形態のファイバ光学デバイスの図2のIII−III線に沿った部分横断面図、図4は本実施形態のファイバ光学デバイスの図2のIV−IV線に沿った部分横断面図である。また、図1には、説明の便宜のためのXYZ直交座標系が示されている。
【0024】
図1に示されるように、本実施形態に係るファイバ光学デバイス10は、2個のファイバ光学部品20及び40を備えており、これらのファイバ光学部品が各々の側面24と42を対向させて直列に連結された構造を有している。第1のファイバ光学部品20は、方形の側面22、24、25及び26、並びに平行四辺形の側面21及び23を備える平行六面体であり、ZX平面内の側面21、23をそれぞれ上面、底面として図1のY軸方向に延びる四角柱形状を有している。ファイバ光学部品40も同様に、方形の側面42、44、45及び46、並びに平行四辺形の側面41及び43を備える平行六面体であり、ZX平面内の側面41、43をそれぞれ上面、底面として図1のY軸方向に延びる四角柱形状を有している。第1のファイバ光学部品20の側面22、24、及び第2のファイバ光学部品40の側面42、44は、どれもXY平面内にあって互いに平行であり、全て実質的に同一の面積を有している。
【0025】
図2に最も良く示されるように、第1のファイバ光学部品20と第2のファイバ光学部品40とは、前者の側面24と後者の側面42とをほぼ平行に対向させた状態で透明な光学接着剤60により接合されている。光学接着剤60としては、バルサム、エポキシ樹脂接着剤、紫外線硬化型樹脂などを任意に使用することができる。本実施形態では、エポキシ樹脂接着剤の一つであるセメダイン−1565が光学接着剤60として使用されている。
【0026】
図2及び図3を参照しながら、第1のファイバ光学部品20の構造を説明する。図2に示されるように、ファイバ光学部品20は、光導波部である棒状のコア32を複数備えている。これらのコアは、各々の軸線38が実質的に平行となるように延びている。これらのコア32は、各々の軸線38の間隔が実質的に均一となるように配置されている。各コア32は、その軸線38に垂直な円形の断面を有している。各コア32の両端面35a及び35bは、実質的に平行であり、軸線38に対して共に所定の角度α1で傾斜している。この傾斜角度α1は、図2においてコアの軸線38のコア端面上への正射影から軸線38に向かって時計回りに取った角度である。
【0027】
コア32の側面は、光吸収体34によって密着包囲されている。この光吸収体34は、可視光域全域にわたってコア32の材料よりも大きな吸収係数を示す材料から構成されている。この光吸収体34は、コア32と同一方向に延びながらコア32の間に介在する。コア32の両端面35a及び35bと同様に、光吸収体34の両端面37a及び37bも実質的に平行であり、コアの軸線38に対して共に所定の角度α1で傾斜している。コアの端面35a及び光吸収体の端面37a、並びにコアの端面35b及び光吸収体の端面37bは、それぞれ実質的に面一に集合して第1部品20の側面22、24を形成している。
【0028】
このように、ファイバ光学部品20は、コア32及び光吸収体34が特定の方向に延びた構造体であり、側面22、24はこの構造体の両端面である。これらの端面22、24は、ファイバ光学部品20を光学像伝送手段として用いるときに、それぞれ光学像が入力される面、出力される面となるので、以下では、面22をファイバ光学部品20の入力端面、面24をファイバ光学部品20の出力端面と呼ぶ。部品20の入力端面22は、本実施形態に係るファイバ光学デバイス10の入力端面でもある。
【0029】
コア32及び光吸収体34は、一般的なファイバ光学デバイスを形成するのに従来から用いられている任意の材料を用いて構成することができる。光吸収体の組成例は、例えば米国特許第3,797,910号に開示されている。一般的に使用されるガラス系の光吸収体には、NiO、Co2O3、CuO、Fe2O3、MnO2などの種々の着色酸化物が含まれる。本実施形態に係るコア32及び光吸収体34の組成を、以下の表に示す。
【0030】
【表1】
【0031】
この表に示されるように、コア32は、SiO2、Al2O3、K2O、及びPbOからなる透明ガラスから構成されており、屈折率1.92を有している。また、光吸収体34は、SiO2、K2O、PbO、MnO2、及びCr2O3からなる黒色ガラスである。この黒色ガラスの厚さ222μmの場合における分光透過率のスペクトラムを図5に示す。
【0032】
図2に最も良く示されるように、コア32の両端面35a、35bがコアの軸線38に対して角度α1で傾斜していることから、これらの端面35a、35bをそれぞれ含む入力端面22及び出力端面24も、軸線38に対して角度α1で傾斜している。本実施形態では、傾斜角α1は、空気中からコア32内に入射した光がコア32の軸線38からずれた方向に進行するように、所定の最大傾斜角α1m以下に設定される。この最大傾斜角α1mは、入射角90°でコア32に入射した光がコアの軸線38と同一方向に進行するような傾斜角である。以下、図6を参照しながら、この最大傾斜角α1mについて説明する。
【0033】
図6は、傾斜角αが最大傾斜角α1mに等しい場合におけるファイバ光学部品20の部分拡大縦断面図である。図6中、n1コアはコア32の屈折率、naは空気の屈折率である。符号70aは空気中から入射角90°でコア32の端面35aに入射する光線、符号70bは入射光線70aのコア32中における屈折光線であり、β1は、屈折光線70bと端面35aの法線28とがなす角度、すなわち屈折角である。図6では、最大傾斜角α1mに対応する屈折角β1をβ1mと表している。
【0034】
図6に示されるように、コア32の端面35aの最大傾斜角α1mは、入射角90°でコア32に入射した光がコア32中を軸線38と同一方向に進行するような傾斜角度である。この最大傾斜角α1mは、次の2式から求めることができる。
【0035】
na・sin90°=n1コア・sinβ1m …(2)
α1m+β1m=90° …(3)
この2式を解くと、
α1m=90°−β1m
=90°−sin-1(na/n1コア) …(4)
na=1と考えると、
α1m=90°−sin-1(1/n1コア) …(5)
のように表すことができる。
【0036】
図7は、上記(5)式に基づいてコア32の屈折率n1コアと最大傾斜角α1mとの関係を示したグラフである。この図に示されるように、コア32の屈折率が大きくなるに従って最大傾斜角も大きくなる。
【0037】
端面35aの傾斜角α1が上記の最大傾斜角α1mに等しいとき、入射角90°未満で空気中からコア32に入射した光の屈折角はβ1m未満となる。このような屈折角を有する屈折光線はコア32の軸線方向からずれた方向に進行してコア32と光吸収体34との境界面に向かい、光吸収体34に吸収されて減衰又は除去される。また、傾斜角α1が最大傾斜角α1mよりも小さい場合には、入射角90°以内で入射する全ての光の屈折角がβ1m未満となり、コア32の軸線方向からずれた方向に進行するので、空気中から任意の入射角でコア32に入射した光が光吸収体34によって吸収され、減衰又は除去されることになる。結局、端面35aの傾斜角α1が最大傾斜角α1m以下であれば、空気中から端面35aを介してコア32に入射した光のコア内での伝搬を実質的に阻止することができる。
【0038】
本実施形態では、コア32の屈折率は1.92であり、この値に対応する最大傾斜角α1mの値は58.6°である。入力及び出力端面22、24の傾斜角α1は、この最大傾斜角α1mの値(=58.6°)に設定されている。
【0039】
図8は、ファイバ光学部品20の入力端面22に検出対象物の一例である指80を密着させ、光源86を用いて指80の背後から光87を照射した状況において、部品20の入力端面22付近の内部構造を拡大して示した部分縦断面図である。指紋の凹凸構造に対応して、コアの端面35aと指80の凸部81とが密着する領域、及び端面35aと指の凹部82とが空隙83を挟んで密着していない領域が形成される。光源86からの光87のうち指80を透過し凹部82から出射して空隙83中を進行する光線72a、73aは、端面35aを透過してコア32内に入射する。これらの光線72a、73aの屈折光線72b、73bは、上述のように、コア32中においてコア32の軸線方向からずれた方向に進行し、光吸収体34によって減衰又は除去される。一方、指紋の凸部81とコアの端面35aとが密着した領域に関しては、指80の屈折率は空気の屈折率よりも大であることから、光源86からの光87のうち指80の凸部81を透過して端面35aに到達する光線の入射角と屈折角との関係が非密着領域における関係から変化する。このため、指紋の凸部81から密着領域を通過してコア32内に入射した光の中にはコア32の軸線方向に進行する光線(例えば、図8の光線71)も存在するようになる。このような光線は、光吸収体34によって吸収されずにコア32中を伝搬し、コア32の端面35aの反対に位置する端面35bに到達する。
【0040】
このように、ファイバ光学部品20においては、入力端面22に密着した物体表面の凸部からコア32内に入射する光のみが出力端面24に到達する。物体表面の凹部から空隙を通過してコア32内に入射する光は、光吸収体34の吸収によりその伝搬過程で減衰し、実質的に消滅する。これにより、物体表面の凹凸に対応する明暗像、すなわち凹凸パターン像が、ファイバ光学部品20によって入力端面22から出力端面24まで高いコントラストで伝送されることになる。
【0041】
従来のファイバ光学デバイスの入力及び出力端面の最大傾斜角α0mを、本実施形態に係るファイバ光学部品20の入力及び出力端面の最大傾斜角α1mと比較する。既に述べたように、従来のファイバ光学デバイスの最大傾斜角α0mは、コアの屈折率をn0コア、クラッドの屈折率をn0クラッドと表すと、
α0m=sin-1(n0クラッド/n0コア)−sin-1(na/n0コア) …(1)
である。これに対し、本実施形態に係るファイバ光学部品20の最大傾斜角α1mは、上記(4)式に示されるように、α1m=90°−sin-1(na/n1コア)である。従って、α0m<α1mが常に成立する。これは、空気中からコアに入射する光が除去されるような傾斜角は、クラッドを有しないファイバ光学部品20の方がクラッドを有する従来のファイバ光学デバイスよりも大きくできることを示している。このため、ファイバ光学部品20の出力端面24に対する側面25、26の傾斜を比較的緩やかにして、部品20の横幅を小さくすることが可能である。
【0042】
次に、上述のように、第1ファイバ光学部品20では、空気中からコア32に入射した光がコア32の軸線方向からずれた方向に進行するような角度で入力及び出力端面22、24が傾斜している。従って、逆に、出力端面24と隣接する媒質が空気の場合は、コア32内を軸線からずれた方向に進行する光しか出力端面24から出射することができない。つまり、コア32内を軸線にそって伝搬する光は、出力端面24と隣接する媒質が空気であれば、端面35bで全反射され出射できなくなる。従って、第1ファイバ光学部品20と第2ファイバ光学部品40とを連結する場合、部品20の出力端面24と部品40の入力端面42との間に空気が入り込まないようにする必要がある。このことに鑑みて、本実施形態では、出力端面24と入力端面42との間に光学接着剤60を介在させている。この接着剤60は、これらの端面間への空気の進入を防ぐシール材としての役割を果たしている。
【0043】
次に、図2及び図4を参照しながら、第2のファイバ光学部品40の構造を説明する。ファイバ光学部品40も部品20と同様に、光導波部である棒状のコア52を複数備えており、これらの各コアは、各々の軸線58が実質的に平行となるように延びている。これらのコア52は、各々の軸線58の間隔が実質的に均一となるように配置されている。各コア52は、その軸線58に垂直な円形の断面を有している。各コア52の両端面55a及び55bは実質的に平行であり、軸線58に対して共に角度α2で傾斜している。この傾斜角度α2は、図2においてコアの軸線58のコア端面上への正射影から軸線58に向かって時計回りに取った角度である。これらのコア52の側面は、コア52と同一方向に延びる筒状のクラッド53によって密着包囲されている。コア52の両端面と同様に、クラッド53の両端面56a及び56bも実質的に平行であり、コアの軸線58に対して共に角度α2で傾斜している。このクラッド53は、コア52の屈折率よりも低い屈折率を有している。クラッド53の側面は、光吸収体54によって密着包囲されている。この光吸収体54は、可視光域全域にわたってクラッド53の材料よりも大きな吸収係数を示す材料から構成されている。この光吸収体54は、コア52及びクラッド53と同一方向に延びながらクラッド53の間に介在している。コア52及びクラッド53の両端面と同様に、光吸収体54の両端面57a及び57bも実質的に平行であり、コアの軸線58に対して共に角度α2で傾斜している。コアの端面55a、クラッドの端面56a及び光吸収体の端面57a、並びにコアの端面55b、クラッドの端面56b及び光吸収体の端面57bは、それぞれ実質的に面一に集合して部品40の側面42、44を形成している。このように、ファイバ光学部品40は、コア52、クラッド53及び光吸収体54が特定の方向に延びた構造体であり、側面42、44はこの構造体の両端面である。これらの端面42、44は、それぞれ第1ファイバ光学部品20から出力された凹凸パターンが入力される面、出力される面となるので、以下では、面42をファイバ光学部品40の入力端面、面44をファイバ光学部品40の出力端面と呼ぶ。部品40の出力端面44は、本実施形態に係るデバイス10の出力端面でもある。
【0044】
第2ファイバ光学部品40中のコア52の配列ピッチは、第1部品20中のコア32の配列ピッチよりも小さくなっている。言い換えると、各ファイバ光学部品におけるコアの密度は、第2部品40の方が第1部品20よりも大きくなっている。これにより、製造時において第1部品20と第2部品40とが接着されるときに、第1部品20中のコアの出力端面35bと第2部品40中のコアの入力端面55aとが効率よく対向するようになるので、第1部品20から第2部品40に効率よく光を伝送することができ、デバイス10から明るい光学像を出力できるようになる。
【0045】
コア52、クラッド53及び光吸収体54は、第1ファイバ光学部品20のコア32や光吸収体34と同様に、ファイバ光学デバイスを形成するのに従来から用いられている任意の材料を用いて構成することができる。本実施形態に係るコア52、クラッド53及び光吸収体54の組成を、以下の表に示す。
【0046】
【表2】
【0047】
この表に示されるように、コア52は、第1ファイバ光学部品20のコア32と同様に、SiO2、Al2O3、K2O、及びPbOからなる透明ガラスから構成されており、コア32と同じ屈折率1.92を有している。クラッド53は、SiO2、Al2O3、Na2O、K2O、及びPbOからなる透明ガラスから構成されており、屈折率1.56を有する。光吸収体54は、第1ファイバ光学部品20の光吸収体34と同様に、SiO2、K2O、PbO、MnO2、及びCr2O3からなる黒色ガラスである。
【0048】
光吸収体54は、クラッド53に進入した光を減衰させ又は除去するために設けられている。すなわち、光吸収体54が設けられていない場合は、第1ファイバ光学部品20中のコアの出力端面35bから第2ファイバ光学部品40中のあるクラッド53内に入射した光が、そのクラッド53を透過してそのクラッドに隣接するコア52内に入射することがある。これにより、クラッド53に入射した光とコア52に入射した光とが一つのコア52内で混在することになるので、デバイスの位置分解能が劣化してしまう。このことに鑑み、本実施形態では、クラッド53に隣接するように光吸収体54が設けられている。光吸収体54はクラッド53に入射した光を吸収してこの光を減衰させ又は除去するので、ファイバ光学部品40では、クラッド53に入射した光とコア52に入射した光との混合が防止され、比較的高い解像度の光学像を出力できるようになっている。
【0049】
上述のように、コア52の両端面55a、bは、コアの軸線58に対して角度α2で傾斜しているので、入力端面42及び出力端面44も、軸線58に対して角度α2で傾斜している。本実施形態に係るファイバ光学デバイスでは、傾斜角α2は、第1部品20中のコア32から第2部品40中のコア52に入射した光がコア52及びクラッド53間の全反射条件を満足するような範囲に設定される。
【0050】
以下、図9を参照しながら、傾斜角α2の範囲について説明する。ここで、図9は、第1ファイバ光学部品20と第2ファイバ光学部品40との連結部分を拡大して示す部分縦断面図である。図9中、符号74aは入力側のコア32中をコア32の軸線方向に伝搬して端面35bに向かう光線、符号74bは光線74aの接着剤60中における屈折光線であり、符号74cは光線74bの出力側コア52中における屈折光線である。φiは、コア32及び接着剤60間の境界面への光線74aの入射角であり、φr′は、屈折光線74bの屈折角であり、φrは、屈折光線74cの屈折角であり、θはコア52及びクラッド53間の境界面に対する光線74cの入射角の補角である。
【0051】
入力側コア32の屈折率をn1コア、接着剤60の屈折率をnAD、出力側コア52の屈折率をn2コア、クラッド53の屈折率をn2クラッドと表すと、入力側コア32と接着剤60との境界面、及び接着剤60と出力側コア52との境界面におけるスネルの法則は、それぞれ
n1コア・sinφi=nAD・sinφr′ …(6)
nAD・sinφr′=n2コア・sinφr …(7)
のように表される。また、図9から明らかに、
α1+φi=90° …(8)
が成り立つ。更に、図9においてコア52及びクラッド53間の境界面、光線74c、並びに端面55aによって囲まれて形成される三角形の内角に関して、
(90°−φr)+(180°−α2)+θ=180° …(9)
が成り立つ。
【0052】
上記式から、出力側コアの端面55a及び55bの傾斜角α2は、
α2=cos-1(n1コア・cosα1/n2コア)+θ …(10)
と表される。
【0053】
一方、入力側コア32から出力側コア52に入射した光がコア52及びクラッド53間の境界面における全反射条件を満足するためには、この光のコア52及びクラッド53間の境界面への入射角が臨界角以上であることが必要である。言い換えると、出力側コア52に入射した光のコア52及びクラッド53間の境界面への入射角の補角が臨界角の補角以下であること、すなわち、
0≦θ≦θC(=cos-1(n2クラッド/n2コア)) …(11)
θC:コア52及びクラッド53間の境界面における臨界角の補角
であることが必要である。
【0054】
上記(10)及び(11)式より、入力側コア32から出力側コア52に入射した光がコア52及びクラッド53間の境界面における全反射条件を満足するような傾斜角α2の範囲は、
cos-1(n1コア・cosα1/n2コア)≦α2
≦cos-1(n1コア・cosα1/n2コア)+cos-1(n2クラッド/n2コア)
…(12)
と求まる。
【0055】
図9を参照した上記の説明では、α2≧90°−φrの場合を考えたが、α2≦90°−φrの場合も、光線74cはコア52及びクラッド53間の境界面における全反射条件を満たしうる。図10は、α2≦90°−φrの場合において、第1ファイバ光学部品20と第2ファイバ光学部品40との連結部分を拡大して示す部分縦断面図である。図10においてコア52及びクラッド53間の境界面、光線74c、並びに端面55aによって囲まれて形成される三角形の内角に関して、
(90°+φr)+α2+θ=180° …(9A)
が成り立つ。また、α2≦90°−φrの場合も、上記(6)〜(8)式が成り立つ。(6)〜(8)及び(9A)式から、角度α2は、
α2=cos-1(n1コア・cosα1/n2コア)−θ …(10A)
と表される。この(10A)式及び上記(11)式より、α2≦90°−φrの場合において入力側コア32から出力側コア52に入射した光がコア52及びクラッド53間の境界面における全反射条件を満足するような角度α2の範囲は、
cos-1(n1コア・cosα1/n2コア)−cos-1(n2クラッド/n2コア)
≦α2≦cos-1(n1コア・cosα1/n2コア) …(12A)
と求まる。
【0056】
上記(12)及び(12A)をまとめると、コア32からの光がコア52及びクラッド53間の境界面における全反射条件を満足するような傾斜角α2の範囲は、
cos-1(n1コア・cosα1/n2コア)−cos-1(n2クラッド/n2コア)
≦α2≦cos-1(n1コア・cosα1/n2コア)+cos-1(n2クラッド/n2コア)
…(12B)
と求まる。本実施形態のファイバ光学デバイスでは、n1コア=1.92、n2コア=1.92、n2クラッド=1.56、α1=58.6°であるから、式(12B)より、
22.9°≦α2≦94.3° …(13)
である。
【0057】
本実施形態における傾斜角α2は、更に、上記不等式(13)で表される範囲内において、出力側コア52内を進行する光がコア52の出力端面55bから端面55bに対して垂直に出射するように定められている。角度α2の値をこのように定めることで、出力端面44に隣接する媒質にかかわらず出力端面44から常に光が出射できるようになる。
【0058】
図9を参照すると、α1及びα2が共に鋭角の場合、コア52及びクラッド53間の境界面、光線74c及び端面55bによって囲まれて形成される三角形の内角に関して、
α2+θ=90° …(14)
が成り立つ。この式と上記(10)式から、傾斜角α2は、
α2=(cos-1(n1コア・cosα1/n2コア)+90°)/2 …(15)
のように表される。本実施形態のファイバ光学デバイスでは、n1コア=1.92、n2コア=1.92、α1=58.6°であるから、α2=74.3°である。この値は、上記不等式(13)を満足している。
【0059】
なお、上記の不等式(13)に示されるように、角度α2は90°の場合もありうる。つまり、第2ファイバ光学部品40の入力及び出力端面42、44は、コア52の軸線に対して傾斜している必要は必ずしもない。従って、α2は、「第2ファイバ光学部品の端面と第2ファイバ光学部品中のコアの軸線とがなす角度」と一般的に呼ばれるべきである。この角度α2は鈍角であっても良いが、α1が鋭角でα2が鈍角の場合、コア52の伝搬光は端面55bに対して垂直に出射することはできない。
【0060】
α1が鈍角の場合は、本実施形態のファイバ光学デバイス10をこれまでと反対側から見た場合(図1のII−II線が伴う矢印の方向と反対方向から見た場合)であるから、α1が鋭角の場合と同様に考えることができる。すなわち、α1が鈍角でα2が鋭角の場合は、α1が鋭角でα2が鈍角の場合と同様であり、α1及びα2が共に鈍角の場合は、α1及びα2が共に鋭角の場合と同様である。
【0061】
本実施形態の出力側ファイバ光学部品40と同じ値の屈折率を有するコア、クラッドを備えた従来技術のファイバ光学デバイスの端面の傾斜角α0は、上記(1)式に基づいて、α0≦23.0°と求まる。本実施形態のファイバ光学デバイスにおいて、出力端面44と第2ファイバ光学部品中のコアの軸線とがなす角度α2の範囲は上記のように22.9°≦α2≦94.3°であるから、角度α2は従来技術における出力端面の傾斜角α0よりも大きな値に設定することができる。このように、本実施形態のファイバ光学デバイス10では、出力端面44と第2ファイバ光学部品中のコアの軸線とがなす角度を比較的90°に近く設定し、これにより出力端面44に対する側面45、46の傾斜を緩やかにすることが可能である。
【0062】
上記(4)式から明らかなように、入力側のファイバ光学部品20のコア32の屈折率が大きいほど、ファイバ光学デバイス10の入力端面22の最大傾斜角α1mは大きくなる。また、上記(15)式から明らかなように、入力側部品20のコア32の屈折率と傾斜角α1を所定値に定めた場合、出力側のファイバ光学部品40のコア52の屈折率が大きいほど、ファイバ光学デバイス10の出力端面44から光が垂直に出射するような角度α2の値は大きくなる。更に、上記(15)式から明らかなように、2つのコア32、52の屈折率を所定値に定めた場合、ファイバ光学デバイス10の入力端面22の傾斜角α1が大きいほど、ファイバ光学デバイス10の出力端面44から光が垂直に出射するような角度α2の値も大きくなる。以上の事項から、出力端面44から光が垂直に出射するようにファイバ光学デバイス10を設計する場合において、角度α1及びα2を大きくするためには、第1及び第2ファイバ光学部品のコア32、52の屈折率を共にできる限り大きく定めることが望ましいことが分かる。
【0063】
既に述べたように、本実施形態に係るファイバ光学デバイス10の入力端面22の傾斜角α1は、従来のファイバ光学デバイスの入力端面の傾斜角より大きくすることが可能である。また、ファイバ光学デバイス10の出力端面44と第2ファイバ光学部品中のコアの軸線とがなす角度α2も、従来のファイバ光学デバイスにおける出力端面の傾斜角よりも、より90°に近い値にすることが可能である。このように、本実施形態に係るファイバ光学デバイス10は、出力端面44に対する側面45、46の傾斜を比較的緩やかにすることが可能なので、CCD撮像素子等の光検出器に容易に取り付けることができる。また、ファイバ光学デバイス10は、入力端面22に対する側面25、26の傾斜、並びに出力端面44に対する側面45、46の傾斜を比較的緩やかできるので、その横幅を比較的小さくすることが可能である。従って、本実施形態のデバイス10を光検出器に取り付けることで、コンパクトな受光部品を作製することができる。
【0064】
図11は、本実施形態に係るファイバ光学デバイス10が光検出器の一例であるCCD撮像素子90に取り付けられて成る受光部品100を示す概略図である。CCD撮像素子90は、ハウジング94の凹部95内にCCDチップ92を備えており、CCDチップ92の受光面93に入射した光学像を光電変換作用により電気信号に変換する。この電気信号は、ハウジング94を通って外部に延びているリード端子96を介して出力される。ファイバ光学デバイス10の出力端面44は、CCD撮像素子90の受光面93に光学接着剤98を介して接合されている。第1部品20と第2部品40との接着に用いた光学接着剤60と同様に、光学接着剤98としては、バルサム、エポキシ樹脂接着剤、紫外線硬化型樹脂などを任意に使用することができる。本実施形態では、セメダイン−1565が光学接着剤98として使用されている。
【0065】
この受光部品100は、物体表面の凹凸パターン、例えば指紋、を取得する装置に使用することができる。図12は、受光部品100を用いた指紋取得装置の構成を示す概略図である。この指紋取得装置は、受光部品100に加えて、受光部品100の入力端面22を照明するための光源86、受光部品100のリード端子96に電気的に接続された信号処理装置110、信号処理装置110に電気的に接続された表示装置112を備えている。入力端面22に指80を押しつけて密着させ、その後、光源86から光87が指80に照射されると、指80の指紋パターン光学像が入力端面22を介してファイバ光学デバイス10に入力される。この指紋パターン像は、出力端面44まで伝送され、ここから出射して、CCDチップ92の受光面93に入射する。これにより、指80の指紋パターン像は、電気信号に変換されて信号処理装置110に送られる。信号処理装置110は、CCD撮像素子90からの出力に基づいて適切な処理を行い、その結果得られる画像信号を表示装置112に送って、表示装置112の画面上に指紋パターン像を表示させる。
【0066】
本実施形態のファイバ光学デバイス10では、出力端面44から光が垂直に出射するように上記の角度α2が定められているので、出力端面44から出射した光はCCD撮像素子90の受光範囲に確実に入射するようになる。この結果、CCD撮像素子90の出力のS/Nを高めて解像度の高いパターンを検出し、あるいは比較的明るいパターンを検出することが可能になる。
【0067】
本発明は、上記実施形態に限定されるわけではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態における出力側ファイバ光学部品40の光吸収体54はクラッド53の側面を包囲するように設けられていたが、このような配置に限定されるわけではない。図13は、上記実施形態と異なる光吸収体54′を含んだ変形例に係る出力側ファイバ光学部品の横断面図である。この図に示される出力側ファイバ光学部品では、コア52の側面を取り囲むクラッド53′中に、コア52と平行に延びる棒状の光吸収体54′が埋設されている。
【0068】
また、上記実施形態における出力側ファイバ光学部品40は光吸収体54を備えていたが、コアとコアを取り囲むクラッドのみから成り光吸収体を備えないファイバ光学部品を出力側ファイバ光学部品として用いることも可能である。但し、上述したように、出力側ファイバ光学部品が光吸収体を備えていると、クラッド内を進行する光が光吸収体により吸収されて減衰又は除去されるので、入力側のファイバ光学部品から出力側部品のクラッドに入射した光がコアに進入してコアの伝搬光と混在することによりパターン像の解像度が劣化する現象を抑制又は防止することができる。
【0069】
また、上記実施形態では、入力側部品20と出力側部品40とが光学接着剤60を用いて接着されているが、これ以外の方法により両部品を連結しても良い。例えば、入力側部品20の出力端面24と出力側部品40の入力端面42との間にシール材を介在させてから粘着テープ等を用いて両部品を連結することも可能である。シール材としては、透光性を有し、出力端面24と入力端面42との間に空気が介在することを防止できる任意の材料、例えばマッチングオイル等の屈折率整合材、を使用することができる。
【0070】
上記実施形態に係るファイバ光学デバイス10は、出力端面44に対して垂直に光が出射するように構成されており、これにより、出力端面44に隣接する媒質にかかわらず出力端面44から光が出射できるようになっているので、応用範囲が広い。上記では、本実施形態に係るファイバ光学デバイス10を光学接着剤でCCDチップ92に固定する例を説明したが、これ以外にも、例えば、本実施形態に係るファイバ光学デバイス10と光検出器とを空気を介在させて離間し、両者の間にレンズを配置して両者を光学的に結合させるようなことが可能である。
【0071】
以上、本発明の実施形態を詳細に説明したが、以下では、参考のために、本発明を考案するにあたって本発明者が行った幾つかの考察について述べておく。
【0072】
本発明者は、上記実施形態と同様の構成の第1及び第2ファイバ光学部品からなるファイバ光学デバイスを考え、第2ファイバ光学部品の端面の傾斜角と第2部品の出力端面から空気中へ出射する光の出射角との関係について考察した。ここでは、第1部品のコアの屈折率を1.620、傾斜角は35°とし、第2部品のコア、クラッドの屈折率をそれぞれ1.820、1.495とした。
【0073】
図14は、この場合における第2ファイバ光学部品の傾斜角と光の出射角との関係を示す図である。図14の(I)はクラッドを有さない第1ファイバ光学部品、(II)はクラッドを有する第2ファイバ光学部品、(III)は空気層をそれぞれ示している。なお、図を分かり易くするために、(I)、(II)にはコアのみが図示されており、また、(I)は(1)〜(6)について共通に図示されている。(I)及び(II)中には、各ファイバ光学部品内を伝搬する光の進路が示されている。(III)中に示される角度は、空気中への光の出射角である。また、図14の(1)〜(6)は、第2部品の端面の種々の傾斜角に対応している。
【0074】
図14(6)に示されるように、第2ファイバ光学部品の端面が傾斜していない場合は、光は伝達されずにコア外へ抜けていく。第2部品の傾斜角が78.19°の場合から光の伝達が可能になり(図14(5))、その時の空気中への出射角は45.78°である。傾斜角が66.60°の場合、出射角は0°で垂直方向出射となり(図14(3))、傾斜角が49.93°の場合(図示せず)に出射角は−90°となって出力端面に沿った方向へ光が出射するようになる。
【0075】
図15(a)は、第1部品と第2部品とを連結したファイバ光学デバイス内の光の伝搬の様子を示し、図15(b)は、第2部品の傾斜角と光の出射角との関係を示している。出射角の範囲は上述のように45.78°〜−90°であり、スラント角が49.93°以下であれば光は出力端面で反射され、空気中へは出射できなくなる。
【0076】
次に、クラッドを有さない第1ファイバ光学部品とクラッドを有する第2ファイバ光学部品を直列に連結したときに空気中への出射方向が第2部品の出力端面に対して垂直になる場合を考察すると、図16及び図17のようになる。ここで、図16は、第2部品の出力端面から光が垂直に出射する場合の第1及び第2部品の傾斜角を示す図である。図16の(I)は第1部品(コアのみを図示)、(II)は第2部品(コアのみを図示)、(III)は空気層を示している。(I)及び(II)中には、各部品内を伝搬する光の進路が示されている。また、図16の(1)〜(5)は、第1部品の傾斜角が51.88°、50°、45°、35°、25°の場合にそれぞれ対応している。
【0077】
上述の(5)式から明らかなように、クラッドを有しない第1部品は、コアの屈折率が1.62のとき傾斜角が51.88°以下であると、空気中からの外乱光がコア内を伝達できなくなる。51.88°以下の傾斜角と第2部品(コア屈折率1.820、クラッド屈折率1.495)の傾斜角との関係は、図17に示されるようになる。第1部品の傾斜角が大きい程、第2部品の傾斜角も大きくしなければ、光が第2部品の出力端面から垂直方向に出射しないことが分かる。
【0078】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明のファイバ光学デバイスでは、第1ファイバ光学部品の入力端面の傾斜角や、第2ファイバ光学部品の出力端面と第2コアの軸線とがなす角度を、比較的90°に近くすることができるので、光検出器に容易に取り付けることができ、また、この取り付けにより形成される受光部品をコンパクトにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係るファイバ光学デバイスを示す全体斜視図である。
【図2】図1のファイバ光学デバイスのII−II線に沿った部分縦断面図である。
【図3】図2のファイバ光学デバイスのIII−III線に沿った部分横断面図である。
【図4】図2のファイバ光学デバイスのIV−IV線に沿った部分横断面図である。
【図5】第1ファイバ光学部品中の光吸収体を構成する黒色ガラスの分光透過率のスペクトラムである。
【図6】入力端面の傾斜角が最大傾斜角に等しい場合における第1ファイバ光学部品の部分拡大縦断面図である。
【図7】第1ファイバ光学部品のコアの屈折率と入力端面の最大傾斜角α1mとの関係を示すグラフである。
【図8】第1ファイバ光学部品の入力端面に指を密着させた状況における第1ファイバ光学部品の部分拡大縦断面図である。
【図9】第1ファイバ光部品と第2ファイバ光学部品との連結部分、及び第2ファイバ光学部品の端面を拡大して示す部分縦断面図である。
【図10】第1ファイバ光部品と第2ファイバ光学部品との連結部分を示す部分縦断面図である。
【図11】実施形態に係るファイバ光学デバイスをCCD撮像素子に取り付けてなる受光部品を概略的に示す図である。
【図12】図11の受光部品を備えた指紋取得装置の構成を示す概略図である。
【図13】変形例に係る第2ファイバ光学部品の部分横断面図である。
【図14】第2ファイバ光学部品の傾斜角と空気中への光の出射角との関係を示す図である。
【図15】(a)は、第1ファイバ光学部品と第2ファイバ光学部品とを連結したファイバ光学デバイス内の光の伝搬の様子を示す図であり、(b)は、第2ファイバ光学部品の傾斜角と光の出射角との関係を示す図である。
【図16】第2ファイバ光学部品の出力端面から光が垂直に出射する場合の第1及び第2ファイバ光学部品の傾斜角を示す図である。
【図17】第1ファイバ光学部品の傾斜角と第2ファイバ光学の傾斜角との関係を示す図である。
【図18】従来技術のファイバ光学デバイスを示す全体斜視図である。
【図19】図18のファイバ光学デバイスのXIX−XIX線に沿った部分縦断面図である。
【図20】図18のファイバ光学デバイスをCCD撮像素子に取り付けてなる受光部品を概略的に示す図である。
【符号の説明】
10…ファイバ光学デバイス、20…第1ファイバ光学部品、22…第1部品の入力端面、24…第1部品の出力端面、32…コア、34…光吸収体、40…第2ファイバ光学部品、42…第2部品の入力端面、44…第2部品の出力端面、52…コア、53…クラッド、54…光吸収体、60…光学接着剤。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fiber optic device used in a pattern acquisition apparatus such as a fingerprint detection apparatus.
[0002]
[Prior art]
A fiber optic device as described in JP-A-7-174947 has been conventionally known. FIG. 18 is a perspective view showing an example of such a fiber optical device, and FIG. 19 is a partial longitudinal sectional view of the
[0003]
As shown in FIGS. 18 and 19, the fiber
[0004]
As shown in FIG. 19, each of the optical fibers constituting the
[0005]
As is well known, such an inclination angle α0The range of the specific maximum tilt angle α0mΑ ≦ α using0mIt can be expressed as Where α0mIs an angle that satisfies the following three expressions.
n0 core・ SinφC= N0 cladsin 90 ° (Snell's law between core and clad)
n0 core・ Sinβ0m= NaSin90 ° (Snell's law between air and core)
α0m+ (90 ° + β0m) + (90 ° -φC) = 180 ° (sum of interior angles of triangles)
Where n0 coreIs the refractive index of the
[0006]
Α obtained from the above three equations0mUsing the tilt angle α0The range of
α0≦ α0m= Sin-1(N0 clad/ N0 core) -Sin-1(Na/ N0 core(1)
It is expressed as
[0007]
When the detection target is brought into close contact with the
[0008]
FIG. 20 shows a
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the inclination angle α of the
[0010]
If the
[0011]
Further, as described above, the conventional fiber
[0012]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and it is an object of the present invention to provide a fiber optic device that can be easily attached to a photodetector and can form a compact light-receiving component for pattern acquisition. And
[0013]
[Means for Solving the Invention]
The fiber optic device according to the present invention includes first and second fiber optic components. The first fiber optic encloses a plurality of substantially parallel first cores extending in a predetermined direction, and side surfaces of each of the first cores, and is larger than the first cores for at least one light wavelength. A first light absorber having an absorption coefficient. Both end faces of the first core and the first light absorber are substantially flush with each other to form an input end face and an output end face of the first fiber optical component. The second fiber optic comprises a plurality of substantially parallel second cores extending in a predetermined direction, a cladding surrounding each side of the second cores and having a lower refractive index than the second cores; Is included. Both end faces of the second core and the clad are substantially flush with each other to form an input end face and an output end face of the second fiber optical component. The second fiber optic component is coupled to the first fiber optic component such that its input end face faces the output end face of the first fiber optic component. The input end face of the first fiber optic is relative to the axis of the first coreSlopeInclined at an angle α1.Here, the inclination angle α of the input end face of the first fiber optical component 1 N is the refractive index of air. a , The refractive index of the first core is n 1 core Where α 1 ≦ 90 ° -sin -1 (N a / N 1 core ). In this case, the light incident on the first core from the air travels in a direction shifted from the axial direction of the core, and is absorbed by the light absorber and attenuated or removed. Thereby, the uneven | corrugated pattern of the object surface closely_contact | adhered to the input end surface of the 1st optical component comes to be transmitted with high contrast. The angle formed between the end face of the second fiber optic component and the axis of the second core is the refractive index of the first core n 1 core , The refractive index of the second core is n 2 cores , The refractive index of the cladding is n 2 clad And cos -1 (N 1 core ・ Cosα 1 / N 2 cores ) -Cos -1 (N 2 clad / N 2 cores ) ≦ α 2 ≦ cos -1 (N 1 core ・ Cosα 1 / N 2 cores ) + Cos -1 (N 2 clad / N 2 cores ). If this inequality is satisfied, substantially all of the light incident on the second core from the first fiber optic will be totally reflected at the interface between the second core and the cladding, and the first fiber optic Light from the component can be efficiently transmitted by the second fiber optic component. Therefore,In this fiber optic device, the angle of inclination of the input end face of the first fiber optic component and the angle formed by the output end face of the second fiber optic component and the axis of the second core are set to values relatively close to 90 °. Can do. Therefore, this device can be easily attached to the photodetector, and the light receiving component formed by this attachment can be made compact.
[0015]
The angle formed between the input end face of the second fiber optic component and the axis of the second core is such that the light incident on the second core from the first fiber optic component is at the critical angle at the boundary surface between the second core and the cladding. It can determine so that it may inject with the above incident angle. By defining in this way, substantially all of the light incident on the second core from the first fiber optic component is totally reflected at the interface between the second core and the cladding, and from the first fiber optic component. Of light is efficiently transmitted by the second fiber optic.
[0016]
The angle formed by the output end face of the second fiber optical component and the axis of the second core is such that light incident on the second core from the first fiber optical component is perpendicular to the output end face from the output end face of the second fiber optical component. Can be determined so as to be emitted. By determining in this way, light can be emitted from this output end face regardless of the medium adjacent to the output end face of the second fiber optical component.
[0017]
The input end face and the output end face of the first fiber optic component may be substantially parallel, and the input end face and the output end face of the second fiber optic component may be substantially parallel. At this time, the first and second fiber optic components may be coupled so that the output end surface of the first fiber optic component and the input end surface of the second fiber optic component are substantially parallel. In this case, the angle α2But α2= (Cos-1(N1 core・ Cosα1/ N2 cores) + 90 °) / 2 is preferable. When this equation is satisfied, light incident on the second core from the first fiber optic component is emitted perpendicularly to the output end surface from the output end surface of the second fiber optic component. Thereby, regardless of the medium adjacent to the output end face of the second fiber optical component, light can be emitted from this output end face.
[0018]
The first and second fiber optic components may be coupled with an output end face of the first fiber optic component and an input end face of the second fiber optic component interposed with a seal layer made of a translucent material. Thereby, it is possible to prevent air from interposing between the output end face of the first fiber optical component and the input end face of the second fiber optical component.
[0019]
The second fiber optic may be configured to further include a second light absorber that extends along the cladding while in contact with the cladding and has a greater absorption coefficient than the cladding for at least one light wavelength. Both end faces of the two-light absorber may each end at the input and output end faces of the second fiber optic component. When the second fiber optical component includes such a second light absorber, light traveling in the cladding is absorbed by the second light absorber and attenuated or removed. This suppresses the phenomenon that the resolution of the pattern image transmitted by this device deteriorates when light incident on the cladding of the second component from the first fiber optical component enters the second core and mixes with the core propagation light. Or it can be prevented.
[0020]
The first cores are arranged at equal intervals so that the intervals between the axes are a predetermined value, and the second cores are arranged at equal intervals so that the intervals between the axes are smaller than the predetermined values. May be. In this case, since the end surface of the first core and the end surface of the second core are efficiently opposed to each other, light can be efficiently transmitted from the first component to the second component.
[0021]
In another aspect of the present invention, there is provided a light receiving component including the above-described fiber optical device and a photodetector that converts an optical image incident on its light receiving surface into an electrical signal and outputs the electrical signal. Here, the photodetector is arranged so that the optical image output from the output end face of the second fiber optical component in the fiber optical device is incident on the light receiving surface.
[0022]
In still another aspect of the present invention, there is provided a pattern acquisition apparatus including the light receiving component and a light source that illuminates an input end surface of a first fiber optical component in a fiber optical device included in the light receiving component.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1 to 4 are diagrams showing the configuration of a fiber optic device according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 is an overall perspective view of the fiber optic device of the present embodiment. FIG. FIG. 3 is a partial cross-sectional view of the fiber optic device taken along line II-II in FIG. 1, FIG. 3 is a partial cross-sectional view of the fiber optic device in FIG. 2 taken along line III-III, and FIG. FIG. 4 is a partial cross-sectional view of the embodiment of the fiber optic device taken along line IV-IV in FIG. 2. FIG. 1 shows an XYZ orthogonal coordinate system for convenience of explanation.
[0024]
As shown in FIG. 1, the
[0025]
As best shown in FIG. 2, the first
[0026]
The structure of the first
[0027]
The side surface of the
[0028]
Thus, the fiber
[0029]
The
[0030]
[Table 1]
[0031]
As shown in this table, the
[0032]
As best shown in FIG. 2, the end faces 35a, 35b of the core 32 are at an angle α relative to the
[0033]
FIG. 6 shows that the inclination angle α is the maximum inclination angle α.1mIs a partially enlarged longitudinal sectional view of the
[0034]
As shown in FIG. 6, the maximum inclination angle α of the
[0035]
na・ Sin90 ° = n1 core・ Sinβ1m ... (2)
α1m+ Β1m= 90 ° (3)
Solving these two equations,
α1m= 90 ° -β1m
= 90 ° -sin-1(Na/ N1 core(4)
na= 1
α1m= 90 ° -sin-1(1 / n1 core(5)
It can be expressed as
[0036]
FIG. 7 shows the refractive index n of the core 32 based on the above equation (5).1 coreAnd the maximum inclination angle α1mIt is the graph which showed the relationship. As shown in this figure, the maximum tilt angle increases as the refractive index of the core 32 increases.
[0037]
Inclination angle α of the
[0038]
In this embodiment, the refractive index of the
[0039]
FIG. 8 shows the
[0040]
As described above, in the fiber
[0041]
Maximum tilt angle α of the input and output end faces of conventional fiber optic devices0mThe maximum inclination angle α of the input and output end faces of the
α0m= Sin-1(N0 clad/ N0 core) -Sin-1(Na/ N0 core(1)
It is. In contrast, the maximum inclination angle α of the
[0042]
Next, as described above, in the first
[0043]
Next, the structure of the second
[0044]
The arrangement pitch of the
[0045]
The
[0046]
[Table 2]
[0047]
As shown in this table, the
[0048]
The
[0049]
As described above, both end faces 55a and 55b of the core 52 have an angle α with respect to the
[0050]
Hereinafter, with reference to FIG.2The range will be described. Here, FIG. 9 is a partial longitudinal sectional view showing an enlarged connection portion between the first fiber
[0051]
The refractive index of the
n1 core・ Sinφi= NAD・ Sinφr′… (6)
nAD・ Sinφr'= N2 cores・ Sinφr ... (7)
It is expressed as Also, clearly from FIG.
α1+ Φi= 90 ° (8)
Holds. Further, in FIG. 9, regarding the internal angle of the triangle formed by the boundary surface between the core 52 and the clad 53, the
(90 ° -φr) + (180 ° −α2) + Θ = 180 ° (9)
Holds.
[0052]
From the above formula, the inclination angle α of the end faces 55a and 55b of the output side core2Is
α2= Cos-1(N1 core・ Cosα1/ N2 cores) + Θ (10)
It is expressed.
[0053]
On the other hand, in order for the light incident from the input-
0 ≦ θ ≦ θC(= Cos-1(N2 clad/ N2 cores)) ... (11)
θC: Complementary angle of critical angle at interface between
It is necessary to be.
[0054]
From the above equations (10) and (11), the inclination angle α such that the light incident on the
cos-1(N1 core・ Cosα1/ N2 cores) ≦ α2
≦ cos-1(N1 core・ Cosα1/ N2 cores) + Cos-1(N2 clad/ N2 cores)
(12)
It is obtained.
[0055]
In the above description with reference to FIG.2≧ 90 ° -φrWas considered, but α2≦ 90 ° -φrIn this case, the
(90 ° + φr) + Α2+ Θ = 180 ° (9A)
Holds. Α2≦ 90 ° -φrIn this case, the above formulas (6) to (8) hold. From the expressions (6) to (8) and (9A), the angle α2Is
α2= Cos-1(N1 core・ Cosα1/ N2 cores) −θ (10A)
It is expressed. From this equation (10A) and the above equation (11), α2≦ 90 ° -φrIn this case, the angle α is such that the light incident on the
cos-1(N1 core・ Cosα1/ N2 cores) -Cos-1(N2 clad/ N2 cores)
≦ α2≦ cos-1(N1 core・ Cosα1/ N2 cores... (12A)
It is obtained.
[0056]
Summarizing the above (12) and (12A), the inclination angle α is such that the light from the
cos-1(N1 core・ Cosα1/ N2 cores) -Cos-1(N2 clad/ N2 cores)
≦ α2≦ cos-1(N1 core・ Cosα1/ N2 cores) + Cos-1(N2 clad/ N2 cores)
... (12B)
It is obtained. In the fiber optic device of this embodiment, n1 core= 1.92, n2 cores= 1.92, n2 clad= 1.56, α1= 58.6 ° From Equation (12B),
22.9 ° ≦ α2≦ 94.3 ° (13)
It is.
[0057]
Inclination angle α in this embodiment2Further, within the range represented by the inequality (13), the light traveling in the
[0058]
Referring to FIG. 9, α1And α2Are both acute angles, the internal angle of the triangle formed by the boundary surface between the core 52 and the
α2+ Θ = 90 ° (14)
Holds. From this equation and the above equation (10), the inclination angle α2Is
α2= (Cos-1(N1 core・ Cosα1/ N2 cores) + 90 °) / 2 (15)
It is expressed as In the fiber optic device of this embodiment, n1 core= 1.92, n2 cores= 1.92, α1= 58.6 °, so α2= 74.3 °. This value satisfies the above inequality (13).
[0059]
As shown in the inequality (13) above, the angle α2May be 90 °. That is, the input and output end faces 42 and 44 of the second fiber
[0060]
α1Is an obtuse angle when the
[0061]
Inclination angle α of the end face of a conventional fiber optic device having a core and a clad having the same refractive index as the output side
[0062]
As apparent from the above equation (4), the maximum inclination angle α of the
[0063]
As already described, the inclination angle α of the
[0064]
FIG. 11 is a schematic view showing a
[0065]
The
[0066]
In the
[0067]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. For example, the
[0068]
Moreover, although the output side fiber
[0069]
Moreover, in the said embodiment, although the
[0070]
The
[0071]
Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, some considerations made by the present inventors in devising the present invention will be described below for reference.
[0072]
The present inventor considers a fiber optic device composed of first and second fiber optic components having the same configuration as that of the above embodiment, and the inclination angle of the end surface of the second fiber optic component and the output end surface of the second component into the air. The relationship with the emission angle of the emitted light was considered. Here, the refractive index of the core of the first component was 1.620, the inclination angle was 35 °, and the refractive indexes of the core and cladding of the second component were 1.820 and 1.495, respectively.
[0073]
FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the inclination angle of the second fiber optical component and the light emission angle in this case. In FIG. 14, (I) shows a first fiber optical component having no cladding, (II) shows a second fiber optical component having a cladding, and (III) shows an air layer. For easy understanding of the figure, only the core is shown in (I) and (II), and (I) is shown in common for (1) to (6). In (I) and (II), the path of light propagating through each fiber optical component is shown. The angle shown in (III) is the emission angle of light into the air. Moreover, (1)-(6) of FIG. 14 respond | corresponds to the various inclination angles of the end surface of 2nd components.
[0074]
As shown in FIG. 14 (6), when the end face of the second fiber optical component is not inclined, the light is not transmitted but passes out of the core. Light can be transmitted when the inclination angle of the second part is 78.19 ° (FIG. 14 (5)), and the emission angle into the air at that time is 45.78 °. When the inclination angle is 66.60 °, the emission angle is 0 ° and the light is emitted in the vertical direction (FIG. 14 (3)). When the inclination angle is 49.93 ° (not shown), the emission angle is −90 °. Thus, light is emitted in a direction along the output end face.
[0075]
FIG. 15A shows the state of light propagation in the fiber optic device in which the first component and the second component are connected, and FIG. 15B shows the inclination angle of the second component and the light emission angle. Shows the relationship. As described above, the range of the emission angle is 45.78 ° to −90 °. If the slant angle is 49.93 ° or less, the light is reflected by the output end face and cannot be emitted into the air.
[0076]
Next, when the first fiber optical component having no cladding and the second fiber optical component having the cladding are connected in series, the emission direction into the air is perpendicular to the output end face of the second component. Considering it, it becomes like FIG. 16 and FIG. Here, FIG. 16 is a diagram illustrating the inclination angles of the first and second components when light is emitted vertically from the output end face of the second component. FIG. 16 (I) shows the first part (only the core is shown), (II) shows the second part (only the core is shown), and (III) shows the air layer. In (I) and (II), the path of light propagating in each component is shown. Also, (1) to (5) in FIG. 16 correspond to cases where the inclination angle of the first component is 51.88 °, 50 °, 45 °, 35 °, and 25 °, respectively.
[0077]
As is clear from the above equation (5), the first component having no clad has a tilt angle of 51.88 ° or less when the refractive index of the core is 1.62, and disturbance light from the air is not generated. It becomes impossible to transmit in the core. The relationship between the inclination angle of 51.88 ° or less and the inclination angle of the second component (core refractive index 1.820, cladding refractive index 1.495) is as shown in FIG. It can be seen that as the tilt angle of the first component is larger, the light does not exit in the vertical direction from the output end face of the second component unless the tilt angle of the second component is also increased.
[0078]
【The invention's effect】
As described above in detail, in the fiber optical device of the present invention, the inclination angle of the input end surface of the first fiber optical component and the angle formed between the output end surface of the second fiber optical component and the axis of the second core are as follows: Since it can be relatively close to 90 °, it can be easily attached to the photodetector, and the light receiving component formed by this attachment can be made compact.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall perspective view showing a fiber optic device according to an embodiment of the present invention.
2 is a partial longitudinal sectional view taken along line II-II of the fiber optic device of FIG. 1. FIG.
3 is a partial cross-sectional view of the fiber optic device of FIG. 2 taken along line III-III.
4 is a partial cross-sectional view of the fiber optic device of FIG. 2 taken along line IV-IV.
FIG. 5 is a spectrum of spectral transmittance of black glass constituting the light absorber in the first fiber optical component.
FIG. 6 is a partially enlarged longitudinal sectional view of the first fiber optic component when the tilt angle of the input end face is equal to the maximum tilt angle.
FIG. 7 shows the refractive index of the core of the first fiber optical component and the maximum tilt angle α of the input end face.1mIt is a graph which shows the relationship.
FIG. 8 is a partially enlarged longitudinal sectional view of the first fiber optical component in a state where a finger is brought into close contact with the input end face of the first fiber optical component.
FIG. 9 is a partial vertical cross-sectional view showing an enlarged connection portion between a first fiber optic component and a second fiber optic component, and an end face of the second fiber optic component.
FIG. 10 is a partial longitudinal sectional view showing a connecting portion between a first fiber optic component and a second fiber optic component.
FIG. 11 is a diagram schematically showing a light receiving component in which the fiber optic device according to the embodiment is attached to a CCD image pickup device.
12 is a schematic diagram illustrating a configuration of a fingerprint acquisition apparatus including the light receiving component of FIG.
FIG. 13 is a partial cross-sectional view of a second fiber optic component according to a modification.
FIG. 14 is a diagram showing a relationship between an inclination angle of a second fiber optical component and an emission angle of light into the air.
FIG. 15A is a diagram showing a state of light propagation in a fiber optic device in which a first fiber optic component and a second fiber optic component are connected, and FIG. 15B is a diagram showing a second fiber optic component. It is a figure which shows the relationship between the inclination-angle of this and the light emission angle.
FIG. 16 is a diagram showing the tilt angles of the first and second fiber optical components when light is emitted vertically from the output end face of the second fiber optical component.
FIG. 17 is a diagram showing the relationship between the tilt angle of the first fiber optic component and the tilt angle of the second fiber optic.
FIG. 18 is an overall perspective view showing a conventional fiber optic device.
19 is a partial longitudinal sectional view taken along line XIX-XIX of the fiber optic device of FIG. 18. FIG.
20 is a diagram schematically showing a light receiving component in which the fiber optic device of FIG. 18 is attached to a CCD image pickup device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記第1ファイバ光学部品は、
所定方向に延びる実質的に平行の複数の第1コアと、
これらの第1コアの各々の側面を取り囲み、少なくとも一つの光波長についてこれらの第1コアよりも大きな吸収係数を有する第1光吸収体と、
を含み、これらの第1コア及び第1光吸収体の両端面は、それぞれ実質的に面一に集合して前記第1ファイバ光学部品の入力端面及び出力端面を形成しており、
前記第2ファイバ光学部品は、
所定方向に延びる実質的に平行の複数の第2コアと、
これらの第2コアの各々の側面を取り囲み、これらの第2コアよりも低い屈折率を有するクラッドと、
を含み、これらの第2コア及びクラッドの両端面は、それぞれ実質的に面一に集合して前記第2ファイバ光学部品の入力端面及び出力端面を形成しており、
前記第2ファイバ光学部品は、その入力端面が前記第1ファイバ光学部品の出力端面と対向するように前記第1ファイバ光学部品に連結されており、
前記第1ファイバ光学部品の入力端面が前記第1コアの軸線に対して傾斜する傾斜角度α 1 は、空気の屈折率をn a 、前記第1コアの屈折率をn 1コア とするとき、
α 1 ≦90°−sin −1 (n a /n 1コア )
を満足し、
前記第2ファイバ光学部品の端面と前記第2コアの軸線とがなす角度α 2 は、前記第1コアの屈折率をn 1コア 、前記第2コアの屈折率をn 2コア 、前記クラッドの屈折率をn 2クラット゛ とするとき、
cos −1 (n 1コア ・cosα 1 /n 2コア )−cos −1 (n 2クラッド /n 2コア )
≦α 2 ≦cos −1 (n 1コア ・cosα 1 /n 2コア )+cos −1 (n 2クラッド /n 2コア )
を満足していることを特徴とするファイバ光学デバイス。A fiber optic device comprising first and second fiber optic components,
The first fiber optic is
A plurality of substantially parallel first cores extending in a predetermined direction;
A first light absorber surrounding each side of these first cores and having a larger absorption coefficient than these first cores for at least one light wavelength;
And both end surfaces of the first core and the first light absorber are substantially flush with each other to form an input end surface and an output end surface of the first fiber optic component,
The second fiber optic is
A plurality of substantially parallel second cores extending in a predetermined direction;
Surrounding each side of these second cores and having a lower refractive index than these second cores;
And both end faces of the second core and the clad are substantially flush with each other to form an input end face and an output end face of the second fiber optical component,
The second fiber optic component is coupled to the first fiber optic component such that its input end face faces the output end face of the first fiber optic component;
The inclination angle alpha 1 of the input end face of the first fiber optic is inclined with respect to the axis of the first core, and the refractive index of air n a, the refractive index of the first core and n 1 core,
α 1 ≦ 90 ° -sin -1 (N a / N 1 core )
Satisfied,
The angle α 2 formed by the end face of the second fiber optic component and the axis of the second core is defined as follows: the refractive index of the first core is n 1 core ; the refractive index of the second core is n 2 core ; when the refractive index n 2 Klatt Bu,
cos -1 (N 1 core / cos α 1 / n 2 core ) -cos −1 (n 2 clad / n 2 core )
≦ α 2 ≦ cos −1 (n 1 core · cos α 1 / n 2 core ) + cos −1 (n 2 clad / n 2 core )
A fiber optic device characterized by satisfying
α2=(cos−1(n1コア・cosα1/n2コア)+90°)/2
を満足していることを特徴とする請求項1記載のファイバ光学デバイス。The angle α 2 is
α 2 = (cos −1 (n 1 core · cos α 1 / n 2 core ) + 90 °) / 2
The fiber optic device according to claim 1, wherein:
Priority Applications (1)
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Publications (2)
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1997
- 1997-07-23 JP JP19724697A patent/JP3884533B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
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