JPH06324223A - イメージファイバー - Google Patents

イメージファイバー

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JPH06324223A
JPH06324223A JP5109150A JP10915093A JPH06324223A JP H06324223 A JPH06324223 A JP H06324223A JP 5109150 A JP5109150 A JP 5109150A JP 10915093 A JP10915093 A JP 10915093A JP H06324223 A JPH06324223 A JP H06324223A
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crosstalk
image fiber
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image
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勝也 小野
Masaru Shiraiwa
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  • Optical Fibers, Optical Fiber Cores, And Optical Fiber Bundles (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】安価でクロストークの少ないイメージファイバ
ーを提供する。 【構成】複数のコアと共通のクラッドを有するイメージ
ファイバーであり、そのクロストークパラメーターBが
次式を満足している。200>B>0.7ただし、 【数1】 ここに、u01、w01はLP01モードの固有値、dはコア
のピッチ、aはコアの半径、Zはイメージファイバーの
長さ、βはLP01モードの伝搬定数、Km はm次の第二
種変形ベッセル関数である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光学的画像を伝送するイ
メージファイバーに関する。
【0002】
【従来の技術】対物レンズ等により結像した光学像を別
の空間に伝送する技術としてイメージファイバーが知ら
れている。一般にイメージファイバーは共通のクラッド
と多数のコアとで構成されている。このようなイメージ
ファイバーは次のようにして作られる。素線と呼ばれる
比較的太い多数の光ファイバーを束ね、これを加熱する
とともに紡糸する。このとき、各ファイバーのクラッド
が溶融し一体化する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】このようなイメージフ
ァイバーには、特に医療の分野で、細径のものが望まれ
ている。しかし、イメージファイバーを細径化した際、
コアのピッチ(隣接する二本のコアの中心間の距離)が
10μm以下になると、光の波動的性質によりクロスト
ークが生じるようになり、伝送する像を著しく劣化させ
るようになる。
【0004】このようなクロストークすなわち画像劣化
の低減を図ったイメージファイバーとして、数種類のコ
アを有している、いわゆるランダムイメージファイバー
が知られているが、複数の種類の光ファイバーを用いて
製造するために高価なものになっている。本発明は、安
価でクロストークの少ないイメージファイバーを提供す
ることを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、複数のコアと
共通のクラッドを備えたイメージファイバーであって、
そのクロストークパラメーターBが次式を満足してい
る。 200>B>0.7 (1) ただし、
【0006】
【数2】 ここに、β1 はファイバーの構造によるパラメーター、
01、w01はLP01モードの固有値、dはコアのピッ
チ、aはコアの半径、Zはイメージファイバーの長さ、
βはLP01モードの伝搬定数、Km はm次の第二種変形
ベッセル関数である。
【0007】
【作用】イメージファイバーにおいて、コアのピッチが
小さくなるとクロストークが生じることは一般に知られ
ている。このクロストークを表すパラメーターとして、
上式で定義されるクロストークパラメーターBが知られ
ている。これについては、論文「『イメージファイバー
の伝送特性』電子通信学会論文誌 '83.11, vol.J66-C N
o.11」の中で詳しく論じられている。
【0008】クロストークを減らす目的からするとクロ
ストークパラメーターBの値は小さいほど望ましいが、
Bの値が小さくなると明るさが減るため、実用上の理由
からその下限は制限される。本発明ではクロストークパ
ラメーターBの範囲を上の式の範囲内とする。この上限
と下限は実験的に求めた。従って、この条件を満たすイ
メージファイバーであれば、画像が良好に伝送される。
【0009】なお、実際のイメージファイバーのクロス
トークは、上式のクロストークパラメーターから計算に
より求められるクロストークよりも少ない。これは、実
際のイメージファイバーでは製造上の誤差(素線径のば
らつきやイメージファイバーを紡糸する際の外径のふら
つき等)、屈折率のゆらぎ、内部の残留応力等の原因に
より設計値からずれるためであると考えられる。
【0010】
【実施例】次に本発明者らが行なった実験について説明
する。四種類のイメージファイバー(サンプルI〜I
V)を用意し、これらのサンプルI〜IVに対してクロ
ストークの測定を行なった。測定光には、赤(R)、緑
(G)、青(B)の三種類の光を用いた。
【0011】各サンプルは、その端面を図2に示すよう
に、共通のクラッド内に多数のコアCを有している。こ
れらのコアは、隣接した三つのコアを任意に選んだ際に
それらの中心が正三角形をなすように配置されている。
【0012】四種類のサンプルI〜IVの各スペックを
表1に示す。表中のコア径、コアピッチ、クラッド厚さ
は、図3に示す通りである。また、n1 はコアの屈折
率、n2 はクラッドの屈折率である。
【0013】
【表1】 また、これらのサンプルI〜IVの赤色光に対するクロ
ストークパラメーターBは表2に示す通りである。
【0014】
【表2】
【0015】赤、緑、青の三種類の光に対するクロスト
ークパラメーターBでは、赤に対するクロストークパラ
メーターBが最も大きく、緑と青に対するクロストーク
パラメーターBは常に赤に対するクロストークパラメー
ターBよりも小さくなっている。従って、画像の劣化を
評価する際には赤色光に対するクロストークパラメータ
ーBについてのみ評価を行なえばよい。このような理由
から表2には赤色光に対するクロストークパラメーター
Bのみを示した。
【0016】クロストークの測定は、図1に示す構成の
光学系を用いて行なった。ランプ12の前にはピンホー
ル板14が配置されている。ピンホールを点光源とみな
し、ここから射出される光を、Fナンバー1.4となる
ような明るさ絞り16を有するレンズ18で集光し、イ
メージファイバー20に多数あるコアの中の一つのコア
いっぱいに入射させる。
【0017】一方、イメージファイバー20の射出端側
に結像レンズ22を配置し、結像レンズ22とフィルタ
ー24を介して、イメージファイバー20の射出端面の
像をTVカメラ26で撮影する。TVカメラ26で得ら
れる画像情報はコンピューター30に入力され、クロス
トークの大きさの分析などが行なわれるとともに、TV
モニター28に入力され射出端面の像が表示される。
【0018】サンプルI〜IVにはそれぞれ長さ1.5
mのものと長さ3.5mのものを用意した。ランプ12
にはキセノンランプを用い、赤色光(波長600n
m)、緑色光(波長516nm)、青色光(波長476
nm)を透過するフィルター三種類を用意して図中24
で示す位置に配置し、それぞれについて測定を行なっ
た。
【0019】図4〜図7に示すとおり、クロストークは
長波長になるほど大きく発生しており、またB値が大き
いサンプル程、中心コア(入射コア)に残る光強度の比
率が小さくなっていることがわかる。
【0020】例えば、赤色波長(600nm)で一番B
値が小さいサンプルIV(1.5m)では、中心コアの
光強度比が約0.6であるのに対し、一番B値が大きい
サンプルI(3.5m)では約0.2である。こららの
サンプルより更にB値の大きいイメージファイバーにお
いては、更にクロストークが増大し、中心コアの光強度
比が低下し、逆にB値を小さくすればクロストークが減
少し、中心コアの光強度比が向上することは容易に予測
できる。
【0021】サンプルI、II、III、IVの測定結
果をそれぞれ図4、図5、図6、図7に示す。図中のピ
ッチ数は、図2において、光を入射させたコアC0を
0、その最も近いコアC1を1、その次に近いコアC2
を2と数えている。
【0022】サンプルIの3.5mのイメージファイバ
ーを用いて像を観察したところ、クロストークは実用上
の下限レベルであったが、明るさは十分であった。ま
た、サンプルIVの3.5mのイメージファイバーは、
明るさはやや不足ぎみであったが、クロストークが少な
く、高コントラストな像が得られた。これらの実験結果
から、ファイバースコープの実用上許容される範囲とし
ては、波長600nmの光(赤色光)に対するクロスト
ークパラメーターBが下式を満足すればよいと結論付け
られる。
【0023】 200>B>0.7 (3) 上式の上限はクロストークの限界を示すものであり、こ
の値を超えると解像が著しく劣化する。また下限は明る
さの限界を示すものであり、例えば表1中のIとIVで
はコア占有率が1.6倍も異なり、照明系の工夫等によ
る光量増を考慮しても、クロストークパラメーターBが
0.7以下では十分な明るさが得られない。
【0024】さらに、明るさとクロストークのバランス
を考慮すると、クロストークパラメーターBが下式を満
たすものであれば、実用上大変望ましい。 100>B>5 (4) ところで、高解像のイメージファイバーを得るために
は、コアピッチを小さくする必要があり、必然的にコア
径も小さくなる。例えば、現存の血管内視鏡用のイメー
ジファイバーは、外径が0.3mm程度で画素数が30
00本程度であり、コア径は2〜3μmである。この種
のイメージファイバーには更に高画素化が望まれてお
り、10000画素程度を実現するにはコア径を1μm
程度にまで小さくする必要がある。このようにコア径を
小さくすると、V値が小さくなり、伝搬モードの制限が
問題になる。ここでV値は次式で定義される規格化周波
数である。
【0025】
【数3】 ただし、λは光の波長、aはコア半径、n1 、n2 はそ
れぞれコアとクラッドの屈折率である。
【0026】NA(開口数)約0.5の光ファイバーに
入射Fナンバー1.4の光を入射させたとき、励起され
るモードのエネルギーの比を示したグラフを図8に示
す。このグラフにおいて、横軸はコア径であり、縦軸は
エネルギー(任意スケール)である。このグラフから分
かるように、コア径が小さくなると、エネルギーの大き
いLP11モードやLP21モードの光は励起されなくな
り、暗くなってしまう。
【0027】そこで明るさを得るため、少なくともLP
11モードが励起されるように、V値が次式を満足するこ
とが望ましい。 V>2.405 (6) V値が次式を満足すれば、LP21モードが励起され、よ
り望ましい。
【0028】 V>3.83 (7) コア径が3μmで(7)式を満足するには、NAが次式
を満足する必要がある。
【0029】
【数4】 さらにコア径が1μm程度で(7)式を満足するには、
NAが次式を満足する必要がある。
【0030】
【数5】
【0031】しかしながら、イメージファイバーの長さ
が数十cm程度の場合には透過率の損失も少ないので通
常の光学ガラスで実現できるが、長さが数mになると高
透過率が必要となる。一般のガラスでは、屈折率を上げ
ると透過率が下がり、(9)式を満足することが難しく
なる。そこで、条件として(6)式を適用すると、その
条件は次式となり、多成分系のガラスで実現できる。
【0032】
【数6】
【0033】また、これらの条件と(1)式とを満足す
ることにより、高画素高解像で、クロストークが少なく
明るいイメージガイドを実現できる。多成分系のガラス
の屈折率は低屈折率のもので、1.47〜1.53程度
が一般的であるので、コア材の屈折率は少なくとも1.
54以上必要である。
【0034】また、イメージファイバーでは、クラッド
が厚いほどクロストークが少なく、コントラストの高い
像が得られるが、その反面、コア占有率が低くなるため
明るさが減る。実用上十分な明るさを確保するためには
コア占有率は少なくとも20%程度は必要であり、さら
に30〜40%程度であることが望ましい。内視鏡など
に用いられるイメージファイバーは一般に数十cmから
5m程度であり、この範囲で上記占有率を満足し、クロ
ストークを実用上問題ないレベルに抑えるためには、ク
ラッドの厚さは次式を満足することが望ましい。
【0035】 1.8μm>t>1μm (11) コア径が2μm程度においては、次式の範囲であること
が特に望ましいことが実験より分かった。
【0036】 1.7μm>t>1.4μm (12) イメージファイバーのクロストークを更に減らす方法に
ついて述べる。クロストークが生じている状態(例え
ば、あるコアに入射した光が射出端において別のコアか
ら出ている状態)において、射出端の強度パターンを観
察すると、入射コアから離れたコアにおいて高次のモー
ドパターンが観察できる。このことから高次のモードを
遮断すればクロストークが減少することが分かる。例え
ば、図9に示すように、コア径が部分的に細くなってい
るイメージファイバーを用いれば、コア径が小さい部分
で高次モードが遮断され、クロストークの少ない低次モ
ードのみを伝搬させることが可能である。
【0037】また、他の手段としては、イメージファイ
バーを紡糸する際に部分的に急冷するなどして、内部に
残留応力がかかるようにしても、モードパターンが変わ
るため、クロストークは減少する。
【0038】
【発明の効果】本発明によれば、クロストークの少なく
コストの低いイメージファイバーが得られるようにな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】イメージファイバーのクロストークを測定する
装置の構成を示す。
【図2】イメージファイバーの端面を示す。
【図3】コア径、コアピッチ、クラッド厚さを示す。
【図4】サンプルIの測定結果を示すグラフである。
【図5】サンプルIIの測定結果を示すグラフである。
【図6】サンプルIIIの測定結果を示すグラフであ
る。
【図7】サンプルIVの測定結果を示すグラフである。
【図8】光ファイバーに光を入射させたときに励起され
るモードのエネルギーの比を示すグラフである。
【図9】コア径が部分的に細くなっているイメージファ
イバーを示す。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成5年7月9日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0021
【補正方法】変更
【補正内容】
【0021】サンプルI、II、III、IVの測定結
果をそれぞれ図4、図5、図6、図7に示す。また、そ
の具体的な数値をそれぞれ表3、表4、表5、表6に示
す。なお、図中および表中のピッチ数は、図2におい
て、光を入射させたコアC0を0、その最も近いコアC
1を1、その次に近いコアC2を2と数えている。
【表3】
【表4】
【表5】
【表6】
【手続補正2】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図7
【補正方法】変更
【補正内容】
【図7】

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】複数のコアと共通のクラッドを有し、その
    クロストークパラメーターBが次式を満足しているイメ
    ージファイバー。 200>B>0.7 ただし、 【数1】 ここに、u01、w01はLP01モードの固有値、dはコア
    のピッチ、aはコアの半径、Zはイメージファイバーの
    長さ、βはLP01モードの伝搬定数、Km はm次の第二
    種変形ベッセル関数である。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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