DE69814868T2 - Optisches element,abbildeeinheit,abbildevorrichtung,strahlungsabbildungssensor und fingerabdruckanalysator unter verwendung derselben - Google Patents

Optisches element,abbildeeinheit,abbildevorrichtung,strahlungsabbildungssensor und fingerabdruckanalysator unter verwendung derselben Download PDF

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Description

  • Optisches Element, Abbildeeinheit, Abbildevorrichtung, Strahlungsabbildungssensor und Fingerabdruckanalysator unter Verwendung derselben
  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung sowie eine Bildgebeeinheit, eine" Bildgebungsvorrichtung, einen Strahlungsbildsensor und eine Fingerabdruck-Identifizierungsvorrichtung unter Verwendung derselben.
  • Hintergrundbildende Technik
  • Als optisches Element zum Übertragen eines optisches Bilds existiert ein solches, bei dem eine Anzahl optischer Fasern parallel zueinander angeordnet sind und integral ausgebildet sind. Auch ist z. B. im US-Patent Nr. 3402000 eine optische Vorrichtung zur Übertragung eines optischen Bilds unter Vergrößerung oder Verkleinerung desselben mit einem vorgegebenen Abbildungsverhältnis unter Verwendung zweier optischer Elemente offenbart, von denen jedes oben angegeben ist und jedes über jeweilige Stirnflächen verfügt, die schräg und senkrecht in Bezug auf die optische Achse zugeschnitten sind.
  • Das US-Patent 3043910 offenbart ebenfalls eine optische Vorrichtung zum Transferieren von Bildern unter Verwendung von optischen Fasern in eines von zwei optischen Elementen, wobei die Anordnung der optischen Fasern in einer anfänglich divergierenden Form vorliegt, bis sich die Fasern in im Wesentlichen paralleler Form, von der nächsten beabstandet, erstrecken, wo mindestens zwei der Fasern miteinander verdrillt sind.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Jedoch waren die oben genannten optischen Vorrichtungen dahingehend problematisch, dass ihr optischer Bildübertragungs-Wirkungsgrad nicht immer ausreichend war. Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine optische Vor richtung mit günstigem optischem Bildübertragungs-Wirkungsgrad zu schaffen.
  • Um die oben genannte Aufgabe zu lösen, ist eine optische Vorrichtung mit Folgendem geschaffen: einem ersten und einem zweiten optischen Element jeweils in Form mehrerer optischer Fasern, die parallel zueinander in eine erste Richtung verlaufen und orthogonal zur ersten Richtung zu einem festen Block zusammengebaut sind, wobei die erste Richtung eine Richtung festlegt, in der eine optische Achse des entsprechenden. Blocks parallel zu einer ersten Ebene verläuft, die durch die Ebene festgelegt ist, entlang der die Achsen der das erste Element bildenden parallelen Fasern angeordnet sind, und wobei jeder Block eine zweite Ebene aufweist, die durch eine planare Eintrittsfläche mit den Oberflächen der optischen Fasern der Elemente festgelegt ist und die erste Ebene unter einem spitzen Winkel schneidet, und eine dritte Ebene vorhanden ist, die durch die planare Austrittsfläche des Elements mit den Endflächen der optischen Fasern festgelegt ist und sich senkrecht zur ersten Ebene befindet und mit den Achsen der optischen Fasern des Elements einen spitzen Winkel bildet, wobei das erste und das zweite optische Element nebeneinander angeordnet sind, wobei die Austrittsfläche des ersten Elements an die Eintrittsfläche des zweiten Elements angrenzt, so dass sich die optischen Achsen der optischen Fasern der beiden Elemente nicht senkrecht zueinander schneiden, wobei der spitze Neigungswinkel der planaren Austrittsfläche des ersten Elements bezüglich der Achsen seiner optischen Fasern größer als der spitze Neigungswinkel der planaren Eintrittsfläche des zweiten Elements bezüglich dessen erster Ebene ist, wodurch in das erste Element bei seiner planaren Eintrittsfläche eintretendes Licht wirksam durch das erste Element in und durch das zweite Element übertragen wird.
  • Wenn β1 kleiner als 90° ist, während α2 kleiner als β1 ist, und wenn der zwischen der optischen Achse des ersten optischen Elements und der optischen Achse des zweiten optischen Elements gebildete Winkel Θ1 auf die Winkeldifferenz zwischen β1 und α2 eingestellt ist, kann der Brechungswinkel in den optischen Fasern an der Verbindungsfläche zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Element verringert werden, wodurch der Lichttransmissions-Wirkungsgrad erhöht werden kann.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht einer optischen Vorrichtung;
  • 2 ist eine schematische Schnittansicht der optischen Vorrichtung;
  • 3 ist eine Ansicht zum Erläutern des Gebrauchs der optischen Vorrichtung;
  • 4 ist eine erläuternde Ansicht, die die Lichtausbreitung innerhalb der optischen Vorrichtung zeigt;
  • 5 ist eine erläuternde Ansicht, die die Lichtausbreitung innerhalb der optischen Vorrichtung zeigt;
  • 6 ist ein Diagramm, das Beziehungen zwischen β1 und α2 zeigt;
  • 7 ist ein Diagramm, das Beziehungen zwischen β1 und m zeigt;
  • 8 ist eine perspektivische Ansicht einer Bildgebeeinheit;
  • 9 ist eine perspektivische Ansicht einer Bildgebevorrichtung;
  • 10 ist eine perspektivische Ansicht eines Strahlungsbildsensors;
  • 11 ist eine schematische Schnittansicht des Strahlungsbildsensors;
  • 12 ist eine erläuternde Ansicht, die den Einfall von Strahlung auf den Strahlungsbildsensor zeigt;
  • 13 ist eine erläuternde Ansicht, die den Einfall von Strahlung auf den Strahlungsbildsensor zeigt;
  • 14 ist eine Konfigurationsansicht einer Fingerabdruck-Identifizierungsvorrichtung;
  • 15 ist eine perspektivische Ansicht einer optischen Vorrichtung;
  • 16 ist eine schematische Schnittansicht der optischen Vorrichtung;
  • 17 ist eine perspektivische Ansicht einer optischen Vorrichtung;
  • 18 ist eine perspektivische Ansicht einer optischen Vorrichtung;
  • 19 ist eine schematische Schnittansicht der optischen Vorrichtung;
  • 20 ist eine perspektivische Ansicht einer optischen Vorrichtung;
  • 21 ist eine perspektivische Ansicht einer Bildgebevorrichtung;
  • 22 ist eine perspektivische Ansicht einer Bildgebevorrichtung;
  • 23 ist eine perspektivische Ansicht eines Strahlungsbildsensors;
  • 24 ist eine schematische Schnittansicht des Strahlungsbildsensors;
  • 25 ist eine schematische Schnittansicht des Strahlungsbildsensors;
  • 26 ist eine schematische Schnittansicht des Strahlungsbildsensors;
  • 27 ist eine schematische Schnittansicht des Strahlungsbildsensors;
  • 28 ist eine schematische Schnittansicht des Strahlungsbildsensors;
  • 29 ist eine schematische Schnittansicht des Strahlungsbildsensors; und
  • 30 ist eine schematische Schnittansicht des Strahlungsbildsensors. Beste Arten zum Ausführen der Erfindung
  • (1) Optische Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
  • Nun wird unter Bezugnahme auf Zeichnungen eine optische Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erläutert. Als Erstes wird die Konfiguration der optischen Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform erläutert. Wie es in der 1 dargestellt ist, verfügt die optische Vorrichtung 10 gemäß dieser Ausführungsform über ein optisches Eingangselement 11 und ein optisches Ausgangselement 12.
  • Sowohl das optische Eingangselement 11 als auch das optische Ausgangselement 12 verfügt über eine Anzahl optischer Fasern, die parallel zueinander angeordnet und integral ausgebildet sind. In der jedes optische Element bildenden optischen Faser 14 sind der Brechungsindex ihres Kerns 14a, der Brechungsindex ihres Mantels 14b und ihre numerische Apertur dergestalt, wie es in der Tabelle 1 angegeben ist.
  • TABELLE 1
    Figure 00050001
  • Hierbei ist, wie es aus der Tabelle 1 erkennbar ist, die numerische Apertur der das optische Ausgangselement 12 bildenden optischen Faser 14 größer als diejenige der das optische Eingangselement 11 bildenden optischen Faser 14, wohingegen der Kerndurchmesser der das optische Ausgangselement 12 bildenden optischen Faser 14 kleiner als derjenige der das optische Eingangselement bildenden optischen Faser 14 ist.
  • Zwischenräume zwischen den einzelnen optischen Fasern 14, die das optische Eingangselement 11 und das optische Ausgangselement 12 bilden, sind mit einem Licht absorbierenden Material 15 ausgefüllt.
  • Das optische Eingangselement 11 verfügt über eine Eintrittsfläche 11a, die in Bezug auf die optische Achse (die optische Achse der das optische Element bildenden optischen Fasern) unter einem Winkel von 15° schräg geschnitten ist, sowie eine Austrittsfläche 11b, die in Bezug auf die optische Achse unter einem Winkel von 30° schräg geschnitten ist. Hierbei verlaufen eine Ebene (Ebene parallel zur xy-Ebene in der 1, nachfolgend als erste Bezugsebene bezeichnet) parallel zur optischen Achse des optischen Eingangselements 11 und senkrecht auf der Austrittsfläche llb des optischen Eingangselements 11 sowie eine Ebene (Ebene parallel zur xz-Ebene in der 1) parallel zur optischen Achse des optischen Eingangselements 11 und der Eintrittsfläche 11a des optischen Eingangselements 11 rechtwinklig zueinander. Auch ist der zwischen der optischen Achse des optischen Eingangselements 11 und der Eintrittsfläche 11a gebildete Winkel (15°) ein solcher Winkel, dass aus der Luft auf die Eintrittsfläche 11a fallendes Licht nicht einer Totalreflexionsbedingung innerhalb der das optische Eingangselement 11 bildenden optischen Fasern 14 genügt.
  • Das optische Ausgangselement 12 verfügt, in Bezug auf seine optische Achse, über eine Eintrittsfläche 12a, die unter einem Winkel von 7,5° schräg geschnitten ist, und eine Austrittsfläche 12b, die senkrecht geschnitten ist. Hierbei ist der zwischen der optischen Achse des optischen Ausgangselements 12 und seiner Eintrittsfläche 12a gebildete Winkel kleiner als derjenige, der zwischen der optischen Achse des optischen Eingangselements 11 und dessen Austrittsfläche 11b gebildet ist.
  • Die Austrittsfläche 11b des optischen Eingangselements 11 sowie die Eintrittsfläche 12a des optischen Ausgangselements 12 stehen miteinander in Berührung. Infolge dessen wird das auf die Eintrittsfläche 11a des optischen Eingangselements 11 fallende optische Bild zur Austrittsfläche 12b des optischen Ausgangselements 12 übertragen.
  • Hierbei verlaufen die oben genannte erste Bezugsebene und eine Ebene (nachfolgend als zweite Bezugsebene bezeichnet) parallel zur optischen Achse des zweiten optischen Elements 12 und senkrecht auf der Eintrittsfläche 12a des zweiten optischen Elements 12 parallel zueinander (parallel zur xy-Ebene in der 1). Infolge dessen verlaufen die optischen Achsen der die einzelnen optischen Element bildenden optischen Fasern 14 parallel zur xy-Ebene, wodurch das Licht, das von der Eintrittsfläche 11a des optischen Eingangselements 11 auf jede optische Faser 14 fällt, parallel zur xy-Ebene weiter läuft.
  • Die 2 zeigt einen Schnitt der optischen Vorrichtung 10 entlang einer Ebene parallel zur xy-Ebene. Hierbei ist die 2 eine schematische Schnittansicht, die die Beziehung zwischen den jeweiligen optischen Achsen der optischen Elemente zeigt, wobei jedes optische Element in der Praxis ein Bündel aus einigen tausend optischen Fasern ist. Hierbei ist der zwischen der optischen Achse des ersten optischen Elements 11 und der optischen Achse des zweiten optischen Elements 12 gebildete Winkel Θ1 ein Winkel von 22,5°, bei dem es sich um die Differenz zwischen dem zwischen der optischen Achse des optischen Eingangselements 11 und der Austrittsfläche llb gebildeten Winkels von 30° und dem zwischen der optischen Achse der optischen Ausgangselements 12 und der Eintrittsfläche 12a gebildeten Winkel von 7,5° handelt.
  • Wenn z. B. die optische Vorrichtung 10 zum Verkleinern und Erfassen eines Fingerabdruckbilds verwendet wird, ist sie so aufgebaut, wie es in der 3 dargestellt ist. Das heißt, dass ein Finger 4 mit der Eintrittsfläche 11a des optischen Eingangselements 11 gebracht wird und Licht von einer LED 5 oder dergleichen eingestrahlt wird. Der zwischen der optischen Achse des optischen Eingangselements 11 und der Eintrittsfläche 11a gebildete Winkel ist auf 15° eingestellt, so dass das aus der Luft einfallende Licht nicht der Totalreflexionsbedingungen innerhalb der das optische Eingangselement 11 bildenden optischen Fasern 14 genügt. Infolge dessen wird Licht, das aus der Luft auf das optische Eingangselement 11 fällt, gedämpft, und es verschwindet innerhalb des optischen Eingangselements 11, wohingegen sich nur das Licht, das über den Kontaktabschnitt (Vorsprünge des Fingerabdrucks) des Fingers 4 auf das optische Eingangselement 11 fällt, durch dieses und das optische Ausgangselement 12 hindurch ausbreitet. Demgemäß kann, wenn das auf der Austrittsfläche 12b des optischen Ausgangselements 12 erzeugte optische Bild mit einer CCD-Kamera oder dergleichen erfasst wird, ein verkleinertes Fingerabdruckbild erhalten werden.
  • Nun werden Betriebsweisen der optischen Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform erläutert. Als Erstes sei ein Fall betrachtet, bei dem sich das aus der Luft auf die Eintrittsfläche 11a des optischen Eingangselements 11 fallende Licht ausbreitet, während es durch die Kern/Mantel-Grenzfläche der das optische Eingangselement 11 bildenden optischen Fasern 14 gebrochen und reflektiert wird, wie es in der 4 dargestellt ist. Hierbei sei n0 der Brechungsindex der Luft, und n11 und n12 seien die jeweiligen Brechungsindizes des Kerns 11a bzw. des Mantels 14b der das optische Eingangselement 11 bildenden optischen Fasern 14. Auch sei α1 der zwischen der optischen Achse des optischen Eingangselements 11 und dessen Eintrittsfläche 11a gebildete Winkel, ζ1, sei der Eintrittswinkel des aus der Luft auf die Eintrittsfläche 11a des optischen Eingangselements 11 fallenden Lichts, ξ1 sei der zugehörige Brechungswinkel, ε1 sei der Einfallswinkel des vom Kern 14a des optischen Eingangselements 11 auf dessen Mantel 14b fallenden Lichts, und 61 sei der zugehörige Brechungswinkel.
  • Die Beziehung zwischen 2161 und ξ1 ist aus dem Brechungsgesetz wie folgt gegeben: nOsinζ1 = n11sinξ1 (1) infolge dessen tritt das Einfallslicht aus allen Richtungen (0° < ζ1 < 90°) in der Luft von der Eintrittsfläche 11a des optischen Eingangselements 11 innerhalb des folgenden Bereichs ξ1 in dasselbe ein: 0 ≤ sinξ1 ≤ n0/n11 (2)
  • Andererseits gilt, wie es aus der 4 erkennbar ist, für α1, ξ1 und ε1 die folgende Beziehung: α1 + (90° +ξ1) + (90° – ε1) = 180° (3)
  • Daher wird das aus der Luft auf das optische Eingangselement 11 fallende Licht geschwächt und verschwindet innerhalb des optischen Eingangselements 11 und breitet sich nicht durch dieses aus, wenn der Ausdruck (3) dazu verwendet wird, α1 so zu bestimmen, dass die Totalreflexionsbedingung sinε1 > n12/n11 (4)an der Kern/Mantel-Grenzfläche für alle den Ausdruck (2) erfüllenden ε1 nicht erfüllt ist.
  • Andererseits erfüllt ein Teil des Lichts, das vom Kontaktabschnitt einer Probe wie eines Fingers, die an Material mit einem Brechungsindex über dem der Luft ist, auf das optische Eingangselement 11 fällt, hinsichtlich der Eintrittsfläche 11a, die Totalreflexionsbedingungen, so dass es sich durch das optische Eingangselement 11 ausbreitet.
  • Bei der optischen Vorrichtung 10 gemäß dieser Ausführungsform kann, da n11 = 1,56 und n12 = 1,52 gelten, das aus der Luft auf die Eintrittsfläche 11a des optischen Eingangselements 11 fallende Licht innerhalb des optischen Eingangselements 11 gedämpft und gelöscht werden, wenn α1 auf 37,1° oder weniger eingestellt wird (wenn angenommen wird, dass für den Brechungsindex von Luft nO = 1,00 gilt). Hierbei ist bei der optischen Vorrichtung 11 gemäß dieser Ausführungsform α1 angesichts der Verkleinerungseffizienz auf 15% eingestellt.
  • Hierbei wirkt, da die Eintrittsfläche 11a des optischen Eingangselements 11 senkrecht auf der xz-Ebene in der 1 steht, während sie einen Winkel von 15° mit der optischen Achse des optischen Eingangselements 11 bildet, und da die Austrittsfläche llb des optischen Eingangselements 11 senkrecht auf der xy-Ebene steht, während sie mit der optischen Achse des optischen Eingangselements 11 einen Winkel von 30° bildet, das optische Eingangselement 11 so, dass es das auf die Eintrittsfläche 11a fallende optische Bild in der Richtung der Achse a in der 1 größenmäßig auf 1/3,86 (sin15°) verkleinert, es in der Richtung der Achse b auf das 2-fache (1/30°) vergrößert und das sich ergebende Bild ausgibt.
  • Nun wird ein Fall betrachtet, wie er in der 5 dargestellt ist, bei dem Licht von der Austrittsfläche llb des optischen Eingangselements 11 auf die Eintrittsfläche 12a des optischen Ausgangselements 12 fällt und sich ausbreitet, während es durch die Kern/Mantel-Grenzfläche der das optische Ausgangselement 12 bildenden optischen Fasern 14 gebrochen und reflektiert wird. Hierbei seien n21 und n22 die jeweiligen Brechungsindizes des Kerns 14a bzw. des Mantels 14b der das optische Ausgangselement 12 bildenden optischen Fasern 14. Auch sei α2 der zwischen der optische Achse des optischen Ausgangselements 12 und dessen Eintrittsfläche 12a gebildete Winkel λ2 sei der Ausbreitungswinkel des sich durch das optische Eingangselement 11 ausbreitenden Lichts in Bezug auf die optische Achse des optischen Eingangselements 11, ζ2 sei der Einfallswinkel des auf die Eintrittsfläche 12a des optischen Ausgangselements 12 von der Austrittsfläche 11b des optischen Eingangselements 11 fallenden Lichts, ξ2 sei der zugehörige Brechungsindex, ε2 sei der Einfallswinkel des vom Kern 14a des optischen Ausgangselements 12 auf dessen Mantel 14b fallenden Lichts, und 62 sei der zugehörige Brechungswinkel.
  • Gemäß der Totalreflexionsbedingung des optischen Eingangselements 11 liegt λ2 im folgenden Bereich: sin(90° – λ2) > n12/n11 (5)
  • sDa die Austrittsfläche llb des optischen Eingangselements 11 die optische Achse des optischen Eingangselements 11 unter dem Winkel β1 schneidet, ist die Beziehung zwischen λ2 und ζ2 die Folgende: ζ1 = 90° – β1 ± λ2 (6)
  • Auch ist die Beziehung zwischen ζ2 und ξ2 auf Grund des Brechungsgesetzes wie folgt gegeben: n11sinζ2 = n21sinξ2 (7)
  • Andererseits zeigen α2, ζ2 und ε2 die Beziehung α1 + (90° + ξ2) + (90° – ε1) = 180° (8)wie es aus der 5 erkennbar ist.
  • Daher wird angesichts des Ausdrucks (5), unter Verwendung des Ausdrucks (8), wenn zumindestens ein Teil von ε2, der den Ausdruck (7) erfüllt, die Totalreflexionsbedingung sinε1 > n22/n21 (9)an der Kern/Mantel-Grenzfläche erfüllt, zumindest ein Teil des von der Austrittsfläche 11b des optischen Eingangselements 11 auf die Eintrittsfläche 12a des optischen Ausgangselements 12 fallenden Lichts durch die das optische Ausgangselement 12 bildenden optischen Fasern 14 gestrahlt, während es die Totalreflexionsbedingung erfüllt.
  • Bei der optischen Vorrichtung 10 gemäß dieser Ausführungsform weist, da n11 = 1,56, n12 = 1,52, n21 = 1,82 und n22 = 1,495 gelten, das sich durch die das optische Eingangselement 11 bildenden optischen Fasern ausbreitende Licht einen Ausbreitungswinkel λ2 von 13° oder weniger in Bezug auf die optische Achse des optischen Eingangselements 11 auf. Auch ist es zum Erzeugen von Totalreflexion an der Kern/Mantel-Grenzfläche der das optische Ausgangselement 12 bildenden optischen Faser 14 erforderlich, dass das Licht mit einem Einfallswinkel ε2 von 55° oder mehr in Bezug auf den Mantel 14b einfällt. Daher werden, wenn β1 = 30° und α2 = 7,5° gelten, ungefähr 46,6% des von der Austrittsfläche llb des optischen Eingangselements 11 auf die Eintrittsfläche 12a des optischen Ausgangselements 12 fallenden Lichts, bezogen auf das Lichtempfangs-Winkelverhältnis (Einfallswinkelbereich, der der Totalreflexionsbedingung genügt/Gesamteinfallswinkel × 100) durch die das optische Ausgangselement 12 bildenden optischen Fasern 14 gestrahlt, während die Totalreflexionsbedingung erfüllt ist.
  • Hierbei verkleinert, da die Eintrittsfläche 12a des optischen Ausgangselements 12 senkrecht auf der xy-Ebene in der 1 steht, während sie mit der optischen Achse des optischen Ausgangselements 12 einen Winkel von 7,5° bildet, und da die Austrittsfläche 12b des optischen Ausgangselements 12 senkrecht auf der optischen Achse des optischen Ausgangselements 12 steht, das optische Ausgangselement 12 das auf die Eintrittsfläche 12a fallende optische Bild in der Richtung der Achse b in der 1 größenmäßig auf 1/7,66 (sin7,5°). Daher ist das in die Eintrittsfläche 11a des optischen Eingangselements 11 eingegebene und von der Austrittsfläche 12b des optischen Ausgangselements 12 ausgegebene optische Bild in der Richtung der Achse a in der 1 auf 1/2,86 und in der Richtung der Achse b auf 1/1,383 verkleinert, wodurch es ein im Wesentliches ähnliches verkleinertes optischen Bild wird.
  • Nun werden Effekte der optischen Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform erläutert. Bei der optischen Vorrichtung 10 gemäß dieser Ausführungsform ist, da β1 kleiner als 90° ist und der zwischen der optischen Achse des optischen Eingangselements 11 und der optischen Achse des optischen Ausgangselements 12 gebildete Winkel Θ1 auf die Winkeldifferenz zwischen β1 und α2 eingestellt ist, der Brechungswinkel im Lichtpfad (optische Faser) an der Verbindungsstelle zwischen den einzelnen optischen Elementen verringert. Demgemäß erfüllen ungefähr 46,6% des von der Austrittsfläche 11b des optischen Eingangselements 11 auf die Eintrittsfläche 12a des optischen Ausgangselements 12 fallenden Lichts die Totalreflexionsbedingung innerhalb des optischen Ausgangselements 12.
  • Im Ergebnis kann das auf die Eintrittsfläche 11a des optischen Eingangselements fallende optische Bild zur Austrittsfläche 12b des optischen Ausgangselements 12 übertragen werden, während es in jedem optischen Element die Totalreflexionsbedingung erfüllt, wodurch der Transmissionswirkungsgrad ziemlich hoch wird.
  • Auch können, da optische Bilder ohne Verwendung einer Streufläche oder dergleichen an der Verbindungsfläche der optischen Elemente übertragen werden können, Ausgangsbilder mit sehr hoher Auflösung erhalten werden, wohingegen eine Feinverarbeitung wie die einer Streufläche überflüssig wird.
  • Bei der optischen Vorrichtung 10 gemäß der oben genannten Ausführungsform besteht für den zwischen der optischen Achse des optischen Eingangselements 11 und seiner Eintrittsfläche 11a gebildeten Winkel α1, den zwischen der optischen Achse des optischen Eingangselements 11 und seiner Austrittsfläche 11b gebildeten Winkel β1, den zwischen der optischen Achse des optischen Ausgangselements 12 und seiner Eintrittsfläche 12a gebildeten Winkel α2, die numerische Apertur NA1 der das optische Eingangselement 11 bilden den optischen Faser 14 und die numerische Apertur NA2 der das optische Ausgangselement 12 bildenden optischen Faser 14 keine Beschränkung auf die oben genannten Werte, sondern diese können auf verschiedene Weise modifiziert werden.
  • Die Tabelle 2 zeigt Änderungen der Verkleinerung m (Größe des Ausgangsmusters/Größe des Eingangsmusters) eines Ausgangsbilds, wenn der zwischen der optischen Achse des optischen Eingangselements 11 und seiner Austrittsfläche llb gebildete Winkel β1 variiert wird, während die numerische Apertur NA1 der das optische Eingangselement 11 bildenden optischen Faser 14 und die numerische Apertur NA2 der das optische Ausgangselement 12 bildenden optischen Faser 14 in der optischen Vorrichtung 10 gemäß der oben genannten Ausführungsform auf ihre jeweiligen in der oben angegebenen Tabelle 1 aufgelistete Werte eingestellt werden (NA1 = 0,35, NA2 = 1,0).
  • Hierbei wird der zwischen der optischen Achse des optischen Ausgangselements 12 und seiner Eintrittsfläche 12a gebildete Winkel α2 so bestimmt, dass das Lichtempfangs-Winkelverhältnis des vom optischen Eingangselement 11 auf das optische Ausgangselement 12 fallenden Lichts 50% beträgt. Andererseits wird der zwischen der optischen Achse des optischen Eingangselements 11 und seiner Eintrittsfläche 11a gebildete Winkel α1 so bestimmt, dass das Ausgangsmuster ähnlich in Bezug auf das Eingangsmuster verkleinert ist, d. h., dass die Verkleinerung in der Richtung der Achse a und diejenige in der Richtung der Achse b im Wesentlichen einander gleich sind.
  • Zum Vergleich wird die Verkleinerung m in ähnlicher Weise für den Fall angegeben, dass der zwischen der optischen Achse des optischen Eingangselements 11 und seiner Austrittsfläche llb gebildete Winkel β1 90° beträgt.
  • TABELLE 2
    Figure 00120001
  • Ferner zeigt die Tabelle vier Änderungen der Verkleinerung m des Eingangs/Ausgangsmusters, wenn der zwischen der optischen Achse des optischen Ein gangselements 11 und seiner Austrittsfläche 11b gebildete Winkel β1 variiert wird, während die numerische Apertur NA1 der das optische Eingangselement 11 bildenden optischen Faser 14 sowie die numerische Apertur NA2 der das optische Ausgangselement 12 bildenden optischen Faser 14 in der optische Vorrichtung 10 gemäß der oben angegebenen Ausführungsform auf ihre jeweiligen Werte eingestellt sind, wie sie in der folgenden Tabelle 3 aufgelistet sind (NA1 = 0,55, NA2 = 1,0).
  • TABELLE 3
    Figure 00130001
  • TABELLE 4
    Figure 00130002
  • Andererseits zeigt die 6 jeweilige Beziehungen zwischen β1 und α2 in den oben angegebenen Tabellen 2 und 4, wohingegen die 7 die jeweiligen Beziehungen zwischen β1 und m in den oben angegebenen Tabellen 2 und 4 zeigt.
  • Wie es aus den Tabellen 2 und 4 sowie den 6 und 7 erkennbar ist, kann dann, wenn β1 kleiner als 90° ist, im Vergleich zum Fall, bei dem β1 90° beträgt, α2 kleiner gemacht werden, während der Transmissionswirkungsgrad konstant gehalten wird, wodurch die Verkleinerung ausgebaut werden kann.
  • Ferner kann, wenn die numerische Apertur NA1 der das optische Eingangselement 11 bildenden optischen Faser 14 größer ist, α2 beim selben β1 klein gemacht werden, wodurch die Verkleinerung ausgebaut werden kann.
  • Während bei der optischen Vorrichtung 10 gemäß dieser Ausführungsform die optische Achse des optischen Ausgangselements 12 und die Austrittsfläche 12b desselben senkrecht aufeinander stehen, muss dies nicht der Fall sein. Wenn die Ebene parallel zur optischen Achse des optischen Ausgangselements 12 und senkrecht auf der Austrittsfläche 12b desselben parallel zur oben angegebenen zweiten Bezugsebene oder identisch mit dieser ausgebildet wird, kann das auf die Eintrittsfläche 12a des optischen Ausgangselements 12 fallende optische Bild von der Austrittsfläche 12b ausgegeben werden, während es nur in einer spezifizierten Richtung (Richtung der Achse b in der 1) verkleinert ist.
  • (2) Bildgebeeinheit unter Verwendung einer optischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
  • Nun wird unter Bezugnahme auf eine Zeichnung eine Bildgebeeinheit unter Verwendung der optischen Vorrichtung gemäß der oben angegebenen Ausführungsform erläutert. Als Erstes wird die Konfiguration der Bildgebeeinheit unter Verwendung der optischen Vorrichtung gemäß der oben angegebenen Ausführungsform erläutert. Die Bildgebeeinheit 100 verfügt, wie es in der 8 dargestellt, über die oben angegebene optische Vorrichtung 10 (d. h. die optische Vorrichtung 10 mit dem optischen Eingangselement 11 und dem optischen Ausgangselement 12) sowie ein CCD 101, das in Kontakt mit der Austrittsfläche 12b des optischen Ausgangselements 12 angeordnet ist. Hierbei steht, genauer gesagt, die Austrittsfläche 12b des optischen Ausgangselements 12 mit der Lichtempfangsfläche des CCD 101 in Kontakt.
  • Ferner sind alle Flächen (nachfolgend als Seitenflächen) des optischen Eingangselements 11 ausschließlich der Eintrittsfläche 11a und der Austrittsfläche 11b sowie die Seitenflächen des optischen Ausgangselements 12 mit einem Lichtabschirmungsmaterial 102 versehen (siehe die schraffierten Gebiete in der 8).
  • Die Seitenflächen jedes optischen Elements können durch ein Verfahren, bei dem die Eintrittsfläche und die Austrittsfläche jedes optischen Elements maskiert werden und dann ein Lichtabschirmungsmittel (z. B, schwarze Farbe) auf die Seitenflächen gesprüht wird, ein Verfahren, bei dem das Lichtabschirmungsmittel durch eine Bürste auf die Seitenflächen aufgetragen wird, ein Verfahren, bei dem das optische Element in einen mit dem Lichtabschirmungsmittel gefüllten Behälter getaucht wird, oder dergleichen, mit dem Lichtabschirmungsmaterial 102 versehen werden.
  • Nun werden Arbeitsweisen und Effekte der Bildgebeeinheit unter Verwendung der optischen Vorrichtung gemäß der oben angegebenen Ausführungsform erläutert. Da die Bildgebeeinheit 100 über die oben angegebene optische Vorrichtung 10 verfügt, kann das auf die Eintrittsfläche 11a des optischen Eingangselements 11 fallende optische Bild effektiv an die Austrittsfläche 12b des optischen Ausgangselements 12 übertragen werden.
  • Auch kann, da das CCD 101 in Kontakt mit der Austrittsfläche 12b des optischen Ausgangselements 12 angeordnet ist, die Bildgebeeinheit 100 das zur Austrittsfläche 12b des optischen Ausgangselements 12 übertragene optische Bild erfassen.
  • Ferner ist bei der Bildgebeeinheit 100, da auf den Seitenflächen jedes optischen Elements das Lichtabschirmungsmaterial 102 angebracht ist, verhindert, dass Licht von den Seitenflächen eines jeden optischen Elements in dieses eintritt, wodurch das S/R-Verhältnis verbessert werden kann.
  • Im Ergebnis kann die Bildgebeeinheit 100 ein deutliches, kontrastreiches, verkleinertes Bild hoher Auflösung erfassen.
  • (3) Bildgebevorrichtung unter Verwendung einer optischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Nun wird unter Bezugnahme auf eine Zeichnung eine Bildgebevorrichtung unter Verwendung der optischen Vorrichtung gemäß der oben angegebenen Ausführungsform erläutert. Als Erstes wird die Konfiguration der Bildgebevorrichtung unter Verwendung der optischen Vorrichtung gemäß der oben angegebenen Ausführungsform erläutert. Wie es in der 9 dargestellt ist, verfügt die Bildgebevorrichtung 200 über vier Sätze der oben angegebenen Bildgebeeinheiten 100, und sie ist so konfiguriert, dass die einzelnen Bildgebeeinheiten 100 so angeordnet sind, dass die jeweiligen Eintrittsflächen 11a der die einzelnen Bildgebeeinheiten 100 bildenden optischen Eingangselemente 11 in im Wesentlichen derselben Ebene ausgerichtet sind.
  • Nun werden Betriebsweisen und Effekte der Bildgebevorrichtung unter Verwendung der optischen Vorrichtung gemäß der oben angegebenen Ausführungsform erläutert. Da die Bildgebevorrichtung 200 über die oben genannte Bildgebeeinheit 100 verfügt, kann sie ein deutliches, kontrastreiches, verkleinertes Bild hoher Auflösung erfassen.
  • Ferner sind in der Bildgebevorrichtung 200 die vier Sätze von Bildgebeeinheiten 100 so angeordnet, dass die jeweiligen Eintrittsflächen 11a der optischen Eingangselemente 11, die die einzelnen Bildgebeeinheiten bilden, im Wesentlichen in derselben Ebene ausgerichtet sind. Demgemäß kann die Lichtempfangsfläche vergrößert werden, in die optische Bilder eingegeben werden können. Hierbei kann, obwohl ein verkleinertes Bild auf die einzelnen CCDs 101 aufgeteilt wird, um durch diese erfasst zu werden, das gesamte verkleinerte Bild reproduziert werden, wenn die durch die einzelnen CCDs 101 erfassten Bilder durch eine Bildverarbeitungseinheit oder dergleichen kombiniert werden.
  • Auch kann die Bildgebevorrichtung 200, da sie über eine sehr einfache Konfiguration mit einer Anzahl einfacher optischer Elemente und CCDs verfügt, ziemlich billig im Vergleich zu sich verjüngenden faseroptischen Elementen und dergleichen hergestellt werden, die ähnliche hergestellt werden, um die Lichtempfangsfläche zu vergrößern.
  • Ferner sind bei der Bildgebevorrichtung 200, da mehrere Bildgebeeinheiten, in denen jeweils eine Anzahl optischer Elemente kombiniert ist, angebracht sind, die jeweiligen CCDs 101 in den einzelnen Bildgebeeinheiten 100 nicht an einander benachbarten Positionen platziert. Im Ergebnis besteht keine Einschränkung hinsichtlich der Anordnung, hervorgerufen durch die Tatsache, dass die Außenform eines CCD 101 größer als seine effektive Lichtempfangsfläche ist.
  • (4) Strahlungsbildsensor unter Verwendung einer optischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
  • Nun wird unter Bezugnahme auf Zeichnungen ein Strahlungsbildsensor unter Verwendung der optischen Vorrichtung gemäß der oben angegebenen Ausführungsform erläutert. Als Erstes wird die Konfiguration des Strahlungsbildsensors unter Verwendung der optischen Vorrichtung gemäß der oben angegebenen Ausführungsform erläutert. Der Strahlungsbildsensor 300 verfügt, wie es in der 10 dargestellt ist, über die oben angegebene Bildgebeeinheit 100 (d. h. die Bildgebeeinheit 100 mit dem optischen Eingangselement 11, dem optischen Ausgangselement 12, dem CCD 101 und dem Lichtabschirmungsmaterial 102) und einen Leuchtstoff 301, der auf der Eintrittsfläche 11a des die oben genannte Bildgebeeinheit 100 bildenden optischen Eingangselements 11 angebracht ist und so ausgebildet ist, dass er Licht emittiert, wenn Strahlung einfällt. Als Material des Leuchtstoffs 301 kann z. B., Gd2O2S : Tb oder dergleichen verwendet werden.
  • Hierbei ist, wie es in der 11 dargestellt ist, die eine vergrößerte Schnittansicht des optischen Eingangselements 11 entlang einer Ebene parallel zur xz-Ebene in der 10 ist, die Eintrittsfläche 11a des optischen Eingangselements 11 so geschliffen, dass die durchschnittliche Mittellinien-Rauhigkeit im Bereich von 0,20 bis 0,80 μm liegt (nachfolgend als grob geschliffen bezeichnet). Eine geschliffene Fläche mit einem derartigen Bereich der durchschnittlichen Mittellinien-Rauhigkeit kann leicht hergestellt werden, z. B. dann, wenn die Fläche mit einem Schleifmittel geschliffen wird, in dem die Schleifkörner einen mittleren Durchmesser in der Größenordnung von 6 bis 30 μm aufweisen (z. B. Grüncarborundum-Schleifkörner).
  • Nun werden Betriebsweisen und Effekte des Strahlungsbildsensors unter Verwendung der optischen Vorrichtung gemäß der oben angegebenen Ausführungsform erläutert. Als Erstes wird ein Fall betrachtet, bei dem Licht, das durch die auf den Leuchtstoff 301 fallende Strahlung emittiert wird, in das optische Eingangselement 11 eintritt. Die 12 zeigt den Eintrittszustand von Licht für den Fall, dass die Eintrittsfläche 11a nicht grob geschliffen ist, wohingegen die 13 den Eintrittszustand von Licht für den Fall zeigt, dass die Eintrittsfläche 11a grob geschliffen ist, wie beim oben angegebenen Strahlungsbildsensor 300. Wie es in den 12 und 13 dargestellt ist, tritt das Licht, wie es an einem speziellen Punkt Lo innerhalb des Leuchtstoffs 301 durch die Strahlung Ra emittiert wird, die aus der Normalenrichtung der Eintrittsfläche 11a auf diese fällt, als diffuses Licht maximaler Intensität in der Normalenrichtung der Eintrittsfläche 11a in das optische Eingangselement 11 ein. La ist ein Kreis, der die Ausbreitungsrichtung und die Intensität des bei Lo emittierten Lichts angibt. Das heißt, dass die Länge der Kreissehne, die durch eine ausgehend von Lo in einer speziellen Richtung gezogene Linie und diesen Kreis gebildet wird, die Intensität des sich in dieser speziellen Richtung ausbreitenden Lichts anzeigt. Auch zeigt das schraffierte Gebiet Lt, für das bei Lo emittierte Licht denjenigen Teil an, der sich durch das optische Eingangselement 11 ausbreitet, während die Totalreflexionsbedingung erfüllt ist.
  • Hierbei ist, wie es in der 12 dargestellt ist, der Teil des Lichts Lt, der sich durch das optische Eingangselement 11 ausbreitet, während die Totalreflexionsbedingung erfüllt ist, dann ziemlich klein, wenn die Eintrittsfläche 11a nicht grob geschliffen ist; dagegen wird, wie es in der 13 dargestellt ist, wenn die Eintrittsfläche 11a grob geschliffen ist, diffuses Licht so gestreut, dass es die maximale Intensität in verschiedenen Richtungen aufweist, wodurch der Teil des Lichts (schraffiertes Gebiet Lt), der sich unter Erfüllung der Totalreflexionsbedingung durch das optische Eingangselement 11 ausbreitet, ziemlich groß ist.
  • Auch kann der Strahlungsbildsensor 300, da er über die oben angegebene optische Vorrichtung 10 verfügt, das auf die Eintrittsfläche 11a des optischen Eingangselements 11 fallende optische Bild effizient zur Austrittsfläche 12b des optischen Ausgangselements 12 übertragen, so dass dieses optische Bild durch das CCD 101 erfasst werden kann.
  • Im Ergebnis kann der Strahlungsbildsensor 300 ein verkleinertes Bild des auf den Leuchtstoff 301 fallenden Strahlungsbilds mit deutlichem, kontrastreichem Zustand hoher Auflösung erfassen.
  • Auch weicht, da beim Strahlungsbildsensor 300 zwei optische Elemente kombiniert sind, die Position, an der das CCD 101, das einen Sektorabschnitt bildet, angeordnet ist, vom Teil direkt unterhalb der Eintrittsfläche 11a des optischen Eingangselements 11, die eine Erfassungsfläche bildet, ab, wodurch die Einflüsse von Schäden oder Störsignalen, wie sie im Sensorabschnitt durch die auf die Erfassungsfläche fallende Strahlung empfangen werden, verringert werden können.
  • (5) Fingerabdruck-Identifizierungsvorrichtung unter Verwendung einer optischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
  • Nun wird eine Fingerabdruck-Identifizierungsvorrichtung unter Verwendung der optischen Vorrichtung gemäß der oben angegebenen Ausführungsform unter Bezugnahme auf eine Zeichnung erläutert. Als Erstes wird die Konfiguration der Fingerabdruck-Identifizierungsvorrichtung unter Verwendung der optischen Vorrichtung gemäß der oben angegebenen Ausführungsform erläutert. Die 14 ist eine schematische Konfigurationsansicht der Fingerabdruck-Iden tifizierungsvorrichtunq 400 unter Verwendung der optischen Vorrichtung gemäß der oben angegebenen Ausführungsform. Die Fingerabdruck-Identifizierungsvorrichtung 400 verfügt über eine Bildgebeeinheit zum Erfassen des Bilds eines Fingerabdrucks, eine Informationsverarbeitungseinheit 401, bei der es sich um einen Fingerabdruck-Identifizierungsabschnitt zum Identifizieren des durch die oben angegebene Bildgebeeinheit aufgenommenen Fingerabdrucks mittels eines zuvor registrierten Bezugsmusters handelt, und ein Display 402, das ein Anzeigeabschnitt zum Anzeigen eines durch die Informationsverarbeitungseinheit 401 erhaltenen Identifizierungsergebnisses ist.
  • Als Bildgebeeinheit zum Erfassen eines Fingerabdrucks wird die Bildgebeeinheit 100 unter Verwendung der optischen Vorrichtung gemäß der oben angegebenen Ausführungsform, wie vorstehend erläutert, verwendet.
  • Die Informationsverarbeitungseinheit 401 verfügt über einen Speicher zum Zwischenspeichern des von der Bildgebeeinheit 100 ausgegebenen Fingerabdruckbilds, einen Speicher zum Speichern des Bezugsmusters sowie eine Arithmetikeinheit zum Identifizieren des durch die Bildgebeeinheit erfassten Fingerabdruckbilds mittels des im Speicher gespeicherten Bezugsmusters.
  • Nun werden Betriebsweisen und Effekte der Fingerabdruck-Identifizierungsvorrichtung unter Verwendung der optischen Vorrichtung gemäß der oben angegebenen Ausführungsform erläutert. Wenn ein Finger 4 mit der Eintrittsfläche 11a des die Bildgebeeinheit 100 bildenden optischen Eingangselements 11 in Kontakt gebracht wird, wird, wie es unter Bezugnahme auf die 3 erläutert wurde, das Fingerabdruckbild an die Austrittsfläche 12b des optischen Ausgangselements 12 übertragen und durch das CCD 101 erfasst.
  • Das durch die CCD 101, die die Bildgebeeinheit 100 bildet, erfasste Fingerabdruckbild wird an die Informationsverarbeitungseinheit 401 ausgegeben und im Speicher zwischengespeichert. Danach wird das Fingerabdruckbild durch die Arithmetikeinheit mittels des vorab im Speicher registrierten Bezugsmusters identifiziert, und das Identifizierungsergebnis wird gemeinsam mit dem erfassten Fingerabdruckbild und dergleichen auf dem Display 402 angezeigt.
  • Da die Fingerabdruck-Identifizierungsvorrichtung 400 über die oben angegebene optische Vorrichtung 10 verfügt, kann sie das auf die Eintrittsfläche 11a des optischen Eingangselements 11 fallende optische Bild effektiv an die Austrittsfläche 12b des optischen Ausgangselements 12 übertragen. Dem gemäß kann das CCD 101 ein deutliches, kontrastreiches, verkleinertes Bild hoher Auflösung empfangen. Im Ergebnis ermöglicht die Fingerabdruck-Identifizierungsvorrichtung 400 eine Fingerabdruckidentifizierung mit hoher Genauigkeit bei weniger Fehlidentifizierung.
  • (6) Modifizierte Beispiele einer optischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
  • i) Erstes modifiziertes Beispiel
  • Nun wird die optische Vorrichtung gemäß einem ersten modifizierten Beispiel erläutert. Als Erstes wird die Konfiguration der optischen Vorrichtung gemäß diesem modifizierten Beispiel erläutert. Die 15 zeigt die Konfiguration der optischen Vorrichtung 20 gemäß diesem modifizierten Beispiel. Die optische Vorrichtung 20 gemäß diesem modifizierten Beispiel unterscheidet sich strukturmäßig von der optischen Vorrichtung 10 gemäß der oben angegebenen Ausführungsform im folgenden Punkt. Während nämlich beim optischen Eingangselement 11, wie es bei der optischen Vorrichtung 10 gemäß der oben angegebenen Ausführungsform verwendet wird, die Zwischenräume zwischen den einzelnen optischen Fasern 14 mit dem Lichtabsorptionsmaterial 15 aufgefüllt sind, besteht das bei der optischen Vorrichtung 20 gemäß diesem modifizierten Beispiel verwendete optische Eingangselement 21 aus einem ersten Element 22, bei dem die Zwischenräume zwischen den einzelnen optischen Fasern 14 nicht mit Lichtabsorptionsmaterial 15 aufgefüllt sind, und einem zweiten Element 23, bei dem die Zwischenräume zwischen den einzelnen optischen Fasern 14 mit dem Lichtabsorptionsmaterial 15 aufgefüllt sind.
  • Das erste Element 22 besteht aus einem optischen Element aus einer Anzahl optischer Fasern 14, die parallel zueinander angeordnet und integral ausgebildet sind, während die Zwischenräume zwischen den einzelnen optischen Fasern 14 nicht mit dem Lichtabsorptionsmaterial 15 aufgefüllt sind. Die Eintrittsfläche 22a des ersten Elements 22 bildet mit der optischen Achse desselben einen Winkel von 15°, so dass das aus der Luft einfallende Licht die Totalreflexionsbedingung nicht erfüllt, wobei jedoch seine Austrittsfläche 22b senkrecht auf der optischen Achse steht.
  • Auch besteht das zweite Element 23 aus einem optischen Element aus einer Anzahl optischer Fasern 14, die parallel zueinander angeordnet und integral ausgebildet sind, während die Zwischenräume zwischen den einzelnen optischen Fasern 14 mit dem Lichtabsorptionsmaterial 15 aufgefüllt sind. Die Eintrittsfläche 23a des zweiten Elements 23 steht senkrecht auf der optischen Achse desselben, wohingegen die Austrittsfläche 23b desselben unter einem Winkel von 30° schräg in Bezug auf die optische Achse desselben geschnitten ist.
  • Die Austrittsfläche 22b des ersten Elements 22 und die Eintrittsfläche 23a des zweiten Elements 23 stehen miteinander in Kontakt, wobei die optischen Achsen des ersten Elements 22 und des zweiten Elements 23 parallel zur xy-Ebene in der 15 verlaufen. Demgemäß wird, wenn die optische Vorrichtung 20 gemäß diesem modifizierten Beispiel entlang einer Ebene parallel zur xy-Ebene geschnitten wird, ein Querschnitt erhalten, der in der 16 dargestellt ist.
  • Nun werden Betriebsweisen und Effekte der optischen Vorrichtung gemäß diesem modifizierten Beispiel erläutert. Wenn z. B. die optische Vorrichtung 20 dazu verwendet wird, ein Fingerabdruckbild zu verkleinern und aufzunehmen, ist sie so aufgebaut, wie es in der 17 dargestellt ist. Das heißt, dass ein Finger 4 mit der Eintrittsfläche 22a des ersten Elements 22 in Kontakt gebracht wird und Licht auf eine LED 5 gestrahlt wird, die unter dem ersten Element 22 angeordnet ist. Das von der LED 5 oder dergleichen abgestrahlte Licht wird von unten nach oben durch das erste Element 22 gestrahlt und durch die Eintrittsfläche 22a reflektiert. Wenn ein Vorsprung des Fingerabdrucks mit der Eintrittsfläche 22a in Kontakt steht, wird das projizierte Licht in diesem Abschnitt nicht reflektiert sondern absorbiert. Infolge dessen wird Licht, das durch einen anderen Teil als den Kontaktabschnitt von Vorsprüngen des Fingerabdrucks reflektiert wird, durch jedes optische Element hindurch gestrahlt, und es wird als Fingerabdruckmuster an der Austrittsfläche 12b des optischen Ausgangselements 12 ausgegeben.
  • Insbesondere wirkt das zweite Element 23 so, dass es verhindert, dass sich das S/R-Verhältnis des Ausgangsbilds dadurch verschlechtert, dass das von der LED 5 oder dergleichen emittierte Beleuchtungslicht direkt in das optische Ausgangselement 12 eintritt oder das innerhalb des ersten Elements 22 gestreute Licht in es eintritt.
  • Wie bei der optischen Vorrichtung 10 gemäß der oben angegebenen Ausführungsform kann die optische Vorrichtung 20 gemäß diesem Beispiel das einfallende optische Bild von der Eintrittsfläche 22a des ersten Elements 22 des optischen Eingangselements 21 effektiv zur Austrittsfläche 12b des optischen Ausgangselements 12 übertragen, wodurch ein Ausgangsmuster mit hoher Auflösung erhalten werden kann.
  • ii) Zweites modifiziertes Beispiel
  • Nun wird eine optische Vorrichtung gemäß einem zweiten modifizierten Beispiel unter Bezugnahme auf Zeichnungen erläutert. Als Erstes wird die Konfiguration der optischen Vorrichtung gemäß diesem modifizierten Beispiel erläutert. Die 18 zeigt die Konfiguration der optischen Vorrichtung gemäß diesem modifizierten Beispiel. Die optische Vorrichtung 30 gemäß diesem modifizierten Beispiel unterscheidet sich strukturmäßig von der optische Vorrichtung 20 gemäß dem ersten modifizierten Beispiel im folgenden Punkt. Das heißt, dass, während das optische Eingangselement 21 bei der optischen Vorrichtung 20 gemäß dem ersten modifizierten Beispiel das erste Element 22 mit einer Austrittsfläche 22b, die senkrecht in Bezug auf die optische Achse geschnitten ist, aufweist, das erste Element 32 in der optischen Vorrichtung 30 gemäß diesem modifizierten Beispiel über eine Eintrittsfläche 32a, die schräg in Bezug auf die optische Achse geschnitten ist, und eine Austrittsfläche 32b verfügt, die parallel zur Eintrittsfläche 32a geschnitten ist.
  • Das erste Element 32 besteht aus einem optischen Element aus einer Anzahl optischen Fasern, die parallel zueinander angeordnet und integral ausgebildet sind, während die Zwischenräume zwischen den einzelnen optischen Fasern 14 nicht mit dem Lichtabsorptionsmaterial 15 aufgefüllt sind. Die Eintrittsfläche 32a des ersten Elements 32 bildet mit seiner optischen Achse einen Winkel von 15°, so dass das aus der Luft einfallende Licht innerhalb der das erste Element 32 bildenden optischen Fasern nicht die Totalreflexionsbedingung erfüllt, und dass seine Austrittsfläche 32b, wie die Eintrittsfläche 32a, einen Winkel von 15° zur optischen Achse bilden.
  • Auch das zweite Element 33 besteht aus einem optischen Element aus einer Anzahl optischer Fasern, die parallel zueinander angeordnet und integral ausgebildet sind, während die Zwischenräume zwischen den einzelnen optischen Fasern 14 mit dem Lichtabsorptionsmaterial 15 aufgefüllt sind. Die Eintrittsfläche 33a des zweiten Elements 33 bildet mit seiner optischen Achse einen Winkel von 15°, wohingegen seine Austrittsfläche 33b mit seiner optischen Achse einen Winkel von 30° bildet.
  • Die Austrittsfläche 32b des ersten Elements 32 und die Eintrittsfläche 33a des zweiten Elements 33 stehen miteinander in Kontakt, wobei die beiden optischen Achsen des ersten Elements 32 und des zweiten Elements 33 parallel zur xy-Ebene in der 18 verlaufen. Demgemäß wird, wenn die optische Vorrichtung 30 gemäß diesem modifizierten Beispiel entlang einer Ebene parallel zur xy-Ebene in der 18 geschnitten wird, ein Querschnitt erhalten, wie er in der 19 dargestellt ist.
  • Nun werden Betriebsweisen und Effekte der optischen Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform erläutert. Wie bei der optische Vorrichtung 20 gemäß dem oben angegebenen ersten modifizierten Beispiel kann die optische Vorrichtung 30 gemäß diesem Beispiel dass einfallende optische Licht von der Eintrittsfläche 32a des ersten Elements 32 des optischen Eingangselements 31 effektiv zur Austrittsfläche 12b des optischen Ausgangselements 12 übertragen, wodurch ein Ausgangsmuster mit hoher Auflösung erzielt werden kann.
  • iii) Andere modifizierte Beispiele
  • Wenn dafür gesorgt wird, dass ein optisches Bild von der Austrittsfläche 12b des optischen Ausgangselements 12 her einfällt, kann die oben angegebene optische Vorrichtung 10, 20 oder 30 als optische Vorrichtung verwendet werden, die das optische Bild vergrößert und überträgt. Optische Bilder können auch dann mit günstiger Effizienz übertragen werden, wenn die optische Vorrichtung 10, 20 oder 30 als optische Vorrichtung zum Vergrößern und Übertragen optischer Bilder verwendet wird.
  • Ferner bildet die optische Vorrichtung 10, 20 oder 30 zwar eine optische Vorrichtung zur Ähnlichkeitsverkleinerung eingegebener Bilder, jedoch muss sie nicht notwendigerweise für eine Ähnlichkeitsverkleinerung verwendet werden. Eine vorgegebene Verkleinerung kann dann erzielt werden, wenn die zwischen der optischen Achse des optischen Eingangselements und seiner Eintrittsfläche und seiner Austrittsfläche gebildeten Winkel sowie die zwischen der optischen Achse des optischen Ausgangselements und seiner Eintrittsfläche und seiner Austrittsfläche gebildeten Winkel geeignet geändert werden.
  • (7) Modifiziertes Beispiel einer Bildgebeeinheit unter Verwendung einer optischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
  • Obwohl die oben angegebene Bildgebeeinheit 100 hauptsächlich aus der oben angegebenen optischen Vorrichtung 10 und dem CCD 101 besteht, kann sie hauptsächlich aus der optischen Vorrichtung 20 gemäß dem oben angegebenen ersten modifizierten Beispiel oder der optischen Vorrichtung 30 gemäß dem oben angegebenen zweiten modifizierten Beispiel und dem CCD 101 bestehen.
  • Auch sind bei der oben angegebenen Bildgebeeinheit 100 zwar alle Seitenflächen jeder optischen Vorrichtung mit dem Lichtabsorptionsmaterial 102 versehen, jedoch muss dieses nicht an allen Seitenflächen ausgebildet sein. Wenn die optische Vorrichtung 200 gemäß dem ersten modifizierten Beispiel oder die optische Vorrichtung 30 gemäß dem zweiten modifizierten Beispiel zum Aufbauen einer Bildgebeeinheit verwendet wird, ist es insbesondere bevorzugt, dass die Seitenflächen mit einem Teil ohne Lichtabsorptionsmaterial 102 ausgebildet sind, damit Licht auf die Eintrittsfläche des ersten Elements fallen kann, das das optische Eingangselement bildet.
  • (8) Modifiziertes Beispiel einer Bildgebevorrichtung unter Verwendung einer optischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
  • Nun wird ein modifiziertes Beispiel der Bildgebevorrichtung unter Verwendung der optischen Vorrichtung gemäß der Ausführungsform der Erfindung erläutert. Obwohl die unter Bezugnahme auf die 9 erläuterte Bildgebevorrichtung 200 aus vier Sätzen von Bildgebeeinheiten 100, wie unter Bezugnahme auf die 8 erläutert, besteht, besteht keine Beschränkung auf vier Sätze, sondern es kann eine Variation entsprechend der Größe der abzubildenden Muster erfolgen.
  • Zum Beispiel können acht Sätze von Bildgebeeinheiten 100 zusammengebaut werden, um eine Bildgebevorrichtung 210 zu bilden, wie sie in der 20 dargestellt ist. Auch können zwölf Sätze von Bildgebeeinheiten 100 zusammengebaut werden, um eine Bildgebevorrichtung 220 zu bilden, wie sie in der 21 dargestellt ist.
  • Ferner sind zwar die einzelnen Bildgebeeinheiten 100 ohne Zwischenräume so angeordnet, dass die Eintrittsflächen 11a ihre jeweiligen optischen Eingangselemente 11 nicht miteinander überlappen, um jede der oben angegebenen Bildgebevorrichtungen zu bilden, jedoch können die Bildgebeeinheiten 100 so angeordnet sein, dass die Seitenrandabschnitte der Eintrittsflächen 11a der optischen Eingangselemente 11 einander überlappen, wie bei der in der 22 dargestellten Bildgebevorrichtung 230. Wenn die Seitenrandabschnitte der Eintrittsflächen 11a der optischen Eingangselemente 11 in überlappender Weise angeordnet sind, können Einflüsse toter Räume, wie sie in den Seitenrandabschnitten auftreten, beseitigt werden. Hierbei können Daten in den Überlappungsbereichen durch eine geeignete Bildverarbeitung beseitigt werden.
  • (9) Modifiziertes Beispiel eines Strahlungsbildsensors unter Verwendung einer optischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
  • Nun wird ein modifiziertes Beispiel des Strahlungsbildsensors unter Verwendung der optischen Vorrichtung gemäß der Ausführungsform der Erfindung erläutert. Als Erstes wird die Konfiguration des Strahlungsbildsensors gemäß diesem modifizierten Beispiel erläutert. Obwohl die Eintrittsfläche 11a des optischen Eingangselements 11 beim unter Bezugnahme auf die 10 erläuterten Strahlungsbildsensors 300 grob geschliffen ist, damit das beim Auftreffen von Strahlung auf den Leuchtstoff 301 erzeugte Licht effizient in das optische Eingangselement 11 eintritt, kann ein flaches optisches Element 311, wie es nachfolgend angegeben ist, an Stelle des Grobschliffs der Eintrittsfläche 11a des optischen Eingangselements 11 vorhanden sein. Dies wird nachfolgend detailliert erläutert.
  • Der Strahlungsbildsensor 310 verfügt, wie es in der 23 dargestellt ist, über die oben angegebene Bildgebeeinheit 100 (das heißt die Bildgebeeinheit 100 mit dem optischen Eingangselement 11, dem optischen Ausgangselement 13, dem CCD 101 und dem Lichtabsorptionsmaterial 102); das flache optische Element 311, das auf der Eintrittsfläche 11a des die Bildgebeeinheit 100 bildenden optischen Eingangselements 11 angebracht ist; und den Leuchtstoff 301, der auf der Eintrittsfläche 311a des flachen optischen Elements 311 angebracht ist, um beim Einfall von Strahlung Licht zu emittieren.
  • Das flache optische Element 311 besteht aus einer Anzahl optischer Fasern 14, die parallel zueinander angeordnet und integral ausgebildet sind. Auch ist die Eintrittsfläche 311a des flachen optischen Elements 311 schräg unter einem Winkel von 50° zur optischen Achse geschnitten, und die Austrittsfläche 311b ist parallel zur Eintrittsfläche 311a geschnitten, und es sind alle Flächen des flachen optischen Elements 311 außer der Eintrittsfläche 311a und der Austrittsfläche 311b mit dem Lichtabsorptionsmaterial 102 bedeckt. Die Eintrittsfläche 311a des flachen optischen Elements 311 ist mit dem Leuchtstoff 301 versehen, der so ausgebildet ist, dass er beim Einfall von Strahlung Licht emittiert.
  • Die Austrittsfläche 311b des flachen optischen Elements 311 und die Eintrittsfläche 11a des optischen Eingangselements 11 stehen miteinander in Kontakt, die Austrittsfläche llb des optischen Eingangselements 11 und die Eintrittsfläche 12a des optischen Ausgangselements 12 stehen miteinander in Kontakt und die Austrittsfläche 12b des optischen Ausgangselements 12 und die Lichtempfangsfläche des CCD 101 stehen miteinander in Kontakt. Hierbei sind, wie es in der 24 dargestellt ist, die eine vergrößerte Schnittansicht des Strahlungsbildsensors 310 entlang einer Ebene parallel zur xz-Ebene der 23 ist, das flache optische Element 311 und das optische Eingangselement 11 so angeordnet, dass der zwischen der optischen Achse des flachen optischen Elements 311 und der optischen Achse des optischen Eingangselements 11 gebildete Winkel (35°) der Differenz zwischen dem zwischen der optischen Achse des flachen optischen Elements 311 und seiner Austrittsfläche 311b gebildeten Winkel (50°) und dem zwischen der optischen Achse des optischen Eingangselements 11 und seiner Eintrittsfläche 11a gebildeten Winkel (15°) entspricht.
  • Nun werden Betriebsweisen und Effekte des Strahlungsbildsensors 310 erläutert. Die 25 zeigt den Zustand einfallenden Lichts für den Fall, dass das Licht, wie es beim Leuchtstoff beim Auftreffen von Strahlung emittiert wird, in die Eintrittsfläche 11a des optischen Eingangselements 11 ohne Unterstützung des flachen optischen Elements 311 eintritt, wohingegen der Zustand einfallenden Lichts für den Fall zeigt, dass das Licht in die Eintrittsfläche 311a des flachen optischen Elements 311 eintritt.
  • Der in den 25 und 26 dargestellte Kreis La kennzeichnet die Ausbreitungsrichtung und die Intensität bei Lo emittierten Lichts, wie der in den 12 und 13 dargestellte Kreis. Hierbei kennzeichnet die Länge der Kreissehne, wie sie durch eine ausgehend von Lo in einer speziellen Richtung gezogene Linie und diesen Kreis gebildet wird, die Intensität des sich in der speziellen Richtung ausbreitenden Lichts. Auch kennzeichnet das schraffierte Gebiet Lt, des bei Lo emittierten Lichts, denjenigen Teil, der sich durch die die optischen Elemente bildenden optischen Fasern 14 ausbreitet, während die Totalreflexionsbedingung erfüllt ist.
  • Hierbei ist dann, wenn das flache optische Element 311 nicht vorhanden ist, wie es in der 25 dargestellt ist, hinsichtlich des von LO emittierten Streulichts La, der Anteil des Lichts (schraffiertes Gebiet Lt), der sich durch die das optische Eingangselement 11 bildenden optischen Fasern 14 ausbreitet, während die Totalreflexionsbedingung erfüllt ist, ziemlich klein, da der zwischen der Normalenrichtung der Eintrittsfläche 11a und der optischen Achse gebildete Winkel groß ist. Demgegenüber kann dann, wenn das flache optische Element 311 vorhanden ist, wie es in der 26 dargestellt ist, der zwischen der Normalenrichtung der Eintrittsfläche 311a und der optischen Achse gebildete Winkel verkleinert werden, so dass, hinsichtlich des von Lo emittierten Streulichts La, der Anteil des Lichts (schraffiertes Gebiet Lt), der sich durch die das flache optische Element 311 bildenden optischen Fasern 14 ausbreitet, während die Totalreflexionsbedingung erfüllt ist, erhöht werden kann. Im Ergebnis nimmt die Menge des durch jedes der dem Strahlungsbildsensor 310 bildenden optischen Elemente transmittierten-Lichts zu, wodurch vom CCD 101 ein ziemlich deutliches erfasstes Bild erhalten werden kann.
  • Auch kann, wenn das oben genannte flache optische Element 311 vorhanden ist, die Eintrittsfläche 311a des flachen optischen Elements 311 so geschliffen sein, wie es in der 27 dargestellt ist, dass die durchschnittliche Mittellinien-Rauhigkeit im Bereich von 0,20 bis 0,80 μm liegt. Wenn die Eintrittsfläche 311a des flachen optischen Elements 311 grob geschliffen ist, wird das beim Einfallen von Strahlung auf den Leuchtstoff 301 erzeugte Licht durch die Eintrittsfläche 311a des flachen optischen Elements 311 gestreut, so dass das Licht mit einem größeren Einfallswinkel auf das flache optische Element 311 fällt, wodurch der Anteil des Lichts, der durch jedes optische Element läuft, während die Totalreflexionsbedingung erfüllt ist, erhöht ist.
  • Obwohl die Eintrittsfläche 11a des den Strahlungsbildsensor 300 bildenden optischen Eingangselements 11 oder die Eintrittsfläche 311a des den Strahlungsbildsensor 310 bildenden flachen optischen Elements 311 so geschliffen ist, dass die durchschnittliche Mittellinien-Rauhigkeit im Bereich von 0,20 bis 0,80 μm liegt, kann auch die folgende Konfiguration verwendet werden.
  • Es kann nämlich, wie es in der 28 dargestellt ist, die Eintrittsfläche 11a des optischen Eingangselements 11 in der Verkipprichtung stufenweise zugeschnitten sein. Infolge einer derartigen Bearbeitung werden in der Eintrittsfläche, während diese insgesamt einen Winkel von 20° in Bezug auf die optische Achse einhält, teilweise Abschnitte mit einem Winkel von 35° in Bezug auf die optische Achse ausgebildet. Im Ergebnis wird der zwischen der Normalen auf einem derartigen Abschnitt und der Faserachse gebildete Winkel kleiner, wodurch der Anteil von Licht, der sich durch jedes optische Element ausbreitet, während die Totalreflexionsbedingung erfüllt ist, im Vergleich zum in der 29 dargestellten optischen Eingangselement 11 erhöht werden, das gleichmäßig einen Winkel von 20° in Bezug auf die optische Achse aufweist.
  • Auch kann, wie es in der 30 dargestellt ist, die Eintrittsfläche 11a des optischen Eingangselements 11 stufenweise so bearbeitet werden, dass sie teilweise senkrecht auf der optischen Achse steht. Eine derartige Bearbeitung ermöglicht es auch, den Anteil des Lichts, das sich unter Erfüllung der Totalreflexionsbedingung durch jedes optische Element ausbreitet, im Vergleich zum Fall des in der 29 dargestellten optischen Eingangselements 11 zu erhöhen, das gleichmäßig einen Winkel von 20° in Bezug auf die optische Achse aufweist.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Wie oben angegeben, kann die erfindungsgemäße optische Vorrichtung z. B. in Strahlungsbildsensoren und Fingerabdruck-Identifizierungsvorrichtungen verwendet werden.

Claims (7)

  1. Optische Vorrichtung (10) mit einem ersten und einem zweiten optischen Element (11, 12) jeweils in Form mehrerer optischer Fasern (14), die parallel zueinander in eine erste Richtung verlaufen und orthogonal zur ersten Richtung zu einem festen Block zusammengebaut sind, wobei die erste Richtung eine Richtung festlegt, in der eine optische Achse des entsprechenden Blocks parallel zu einer ersten Ebene verläuft, die durch die Ebene festgelegt ist, entlang der die Achsen der das erste Element (11) bildenden parallelen Fasern angeordnet sind, und wobei jeder Block (11, 12) eine zweite Ebene aufweist, die durch eine planare Eintrittsfläche (11a, 12a) mit den Oberflächen der optischen Fasern der Elemente (11, 12) festgelegt ist und die erste Ebene unter einem spitzen Winkel (α1) schneidet, und eine dritte Ebene vorhanden ist, die durch die planare Austrittsfläche des Elements (11) mit den Endflächen der optischen Fasern festgelegt ist und sich senkrecht zur ersten Ebene befindet und mit den Achsen der optischen Fasern des Elements (11) einen spitzen Winkel bildet, wobei das erste und das zweite optische Element (11, 12) nebeneinander angeordnet sind, wobei die Austrittsfläche (11b) des ersten Elements (11) an die Eintrittsfläche (12a) des zweiten Elements (12) angrenzt, so daß sich die optischen Achsen der optischen Fasern der beiden Elemente (11, 12) nicht senkrecht zueinander schneiden, wobei der spitze Neigungswinkel (β1) der planaren Austrittsfläche (11b) des ersten Elements (11) bezüglich der Achsen seiner optischen Fasern größer als der spitze Neigungswinkel (α2) der planaren Eintrittsfläche (12a) des zweiten Elements (12) bezüglich dessen erster Ebene ist, wodurch in das erste Element (11) bei seiner planaren Eintrittsfläche (11a) eintretendes Licht wirksam durch das erste Element (11) in und durch das zweite Element (12) übertragen wird.
  2. Bildgebungseinheit, aufweisend: eine optische Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, und eine Bildgebungsvorrichtung (101), die in Kontakt mit der zweiten Austrittsfläche (12b) angeordnet ist.
  3. Bildgebungseinheit nach Anspruch 2, wobei mindestens ein Teil der Flächen des ersten optischen Elements (11) und des zweiten optischen Elements (12) mit einem lichtabschirmenden Material (15) versehen ist.
  4. Bildgebungsvorrichtung mit mehreren Sätzen an Bildgebungseinheiten nach Anspruch 2, die so angeordnet sind, daß die entsprechenden ersten Eintrittsflächen (11a) der Bildgebungseinheiten im wesentlichen auf der gleichen Ebene ausgerichtet sind.
  5. Strahlungsbildsensor, aufweisend: die Bildgebungseinheit nach Anspruch 2, und einen Leuchtstoff (301), der auf der ersten Eintrittsfläche (11a) angeordnet ist, um bei Einfall von Strahlung Licht zu emittieren.
  6. Strahlungssensor nach Anspruch 5, wobei die erste Eintrittsfläche (11a) geschliffen ist, so daß sich eine durchschnittliche Mittellinien-Rauhigkeit im Bereich von 0,20 bis 0,80 μm ergibt.
  7. Fingerabdruck-Identifikationsvorrichtung (400), aufweisend: eine Bildgebungseinheit nach Anspruch 2 zur Aufnahme eines Bilds eines Fingerabdrucks, einen Fingerabdruck-Identifikationsabschnitt (100) zur Identifikation des von der Bildgebungseinheit aufgenommenen Fingerabdruck-Bilds, wobei zuvor ein Bezugsmuster aufgenommen wurde, und einen Anzeigeabschnitt (402) zur Anzeige eines Ergebnisses der von dem Fingerabdruck-Identifikationsabschnitt gewonnenen Identifikation.
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