JPH07174947A

JPH07174947A - ファイバー光学プレート

Info

Publication number: JPH07174947A
Application number: JP6269886A
Authority: JP
Inventors: Takeo Sugawara; 武雄菅原; Kazuaki Okumura; 和明奥村; Toshihiko Hino; 利彦日野
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1993-11-02
Filing date: 1994-11-02
Publication date: 1995-07-14
Anticipated expiration: 2018-10-27
Also published as: JP3461591B2

Abstract

(57)【要約】【目的】入力端面と接触した部位の像のみを出力させ
る。【構成】ファイバー光学プレートは、コア５を覆うク
ラッド６の外周部を、吸収体７で覆うようにして構成
し、入力端面２の傾斜角度αを、空気中からこのコアに
入射した光が、クラッド６との境界面において全反射を
生じないような角度に設定している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数の光ファイバを束
ねた状態で一体的に形成したファイバー光学プレートに
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から図１３に示すようなファイバー
光学プレート（「ＦＯＰ」と記す）が知られている（米
国特許第４９３２７７６号）。このＦＯＰ８０は、多数
の光ファイバ８５を束ねて一体化したものであり、その
一端には、光軸に対して傾斜させてカッティングした入
力端面８１を形成している。この入力端面８１上に指８
２などを密着させると、その対向側の出力端面８３に
は、この密着部の凹凸パターンが写し出され、この結
果、指紋８４の像を読み取ることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ここで開示された入力
端面８１の傾斜角度θは、クロクトークの発生、解像度
などの点から、３０°〜６０°程度が望ましいとされて
いる。入力端面８１のカッティング角度をこの範囲と
し、かつ、この入力端面８１に指先等を密着させ得るス
ペースを確保するためには、ＦＯＰをある程度の厚さに
形成する必要がある。

【０００４】一方、近年、光学機器を含めた電子部品等
の小形化が一層進み、ＦＯＰも一層の小形化が望まれて
いる。しかし、ＦＯＰをより小型に、すなわち、より薄
く形成するには、入力端面８１のカッティング角度をよ
り鋭角にして、入力端面８１に一定のスペースを確保し
なければならない。しかし、前述したように、入力端面
のカッティング角度には制限があり、小形化を進める上
で大きな支障となっていた。

【０００５】そこで、本発明の目的は、ＦＯＰにおける
入力端面のカッティング角度の制約を無くし、従来より
も薄型のＦＯＰを提供することにある。

【０００６】また、本発明の他の目的は、背景光などの
不要な光が出力端面から出力されることはなく、その密
着した部分の像を鮮明に出力させ得るＦＯＰを提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明にかかるファイバ
ー光学プレートは、入射した光を伝搬する複数のコア
と、各コアの外周部を覆うクラッドと、各クラッドの外
周部を覆うように備えられ、コアから漏れた光及びクラ
ッドに入射された光を吸収する光吸収体とを備えて構成
する。そして、このプレートの一端には、物体の表面を
当接させる面であって、光ファイバの光軸に対して傾斜
する入力端面を備えており、この入力端面の傾斜角度
を、空気中からこのコアに入射した光が、クラッドとの
境界面において全反射を生じないような角度に設定して
構成する。

【０００８】

【作用】各クラッドの外周部を覆うように光吸収体を設
けることで、この光吸収体には、コアから漏れた光、及
び、クラッドを伝搬する光が到達する。これらの光は、
この光吸収体に入射した際に吸収されるため、隣り合う
光ファイバ同士は、この光吸収体によって光学的に絶縁
されることになる。したがって、各コアを伝搬する光が
漏れて隣接する他のコア内に入射することが回避され
る。この作用は、入力端面の傾斜角度に無関係であり、
入力端面の傾斜角度がいかに鋭角的であっても、各コア
内に入射された光は、それぞれ各コアを伝搬されて、出
力端面から出力される。

【０００９】また、入力端面の傾斜角度をこのような条
件に設定すると、空気中を伝搬して入力端面からコア内
に入射した光は、その一部がコアからクラッドに洩れて
吸収体で吸収される。従って、背景光などの不要な光
は、コアを伝搬する過程で次第に減衰し、出力端面から
はほとんど出力されない状態となる。一方、入力端面に
物体の表面を密着させた際、この密着部を透過した光が
コア内に入射するが、この入射した光には、クラッドと
の境界面において全反射の条件を満たすような角度で入
射する光も存在するようになる。すなわち、密着部から
入射した光のみが、出力端面から出力される。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて
説明する。

【００１１】図１にファイバー光学プレート（以下、Ｆ
ＯＰという）１の外観を示す。このＦＯＰ１は、後述す
るような指紋検出装置等で利用されるものであり、複数
の光ファイバを束ねた状態に一体的に形成している。こ
のＦＯＰ１の一端には、ファイバーの光軸に対して傾斜
した入力端面２を有しており、対向側端部には、光軸に
対してほぼ垂直に形成した出力端面３を有している。

【００１２】このＦＯＰ１は、図２に示すように、入射
した光を伝搬するコア５、その外周部を覆うクラッド
６、さらに、各クラッド６の外周部を覆うように設けら
れた吸収体７の３種類から構成されている。この位置に
吸収体７を設けることで、コア５から漏れた光及びクラ
ッド６に入射された光が吸収されるため、隣り合う光フ
ァイバ同士は、この吸収体７によって光学的に絶縁され
た状態となっている。なお、コア５、クラッド６及び吸
収体７は、それぞれ、図４に示す材料によって形成され
ており、この結果、コア５の屈折率は1.621 、クラッド
６の屈折率は1.519 となっている。また、ＦＯＰ１の大
きさの一例として、図１に各寸法を表記しておく。

【００１３】このようにクラッド６の外周部を吸収体で
覆った光ファイバでＦＯＰ１を形成することで、各コア
５内に入射した光が、コア５から漏れて隣接する別のコ
ア５内に入射することが回避され、隣接するファイバ間
でのクロクトークの発生を防止でき、出力像のＳ／Ｎ比
が改善される。この作用は、入力端面の傾斜角度に無関
係であり、入力端面の傾斜角度がいかに鋭角的であって
も、各コア内に入射された光は、それぞれ各コアを伝搬
されて、出力端面から出力されるものである。

【００１４】また、本実施例にかかるＦＯＰ１では、入
力端面２の傾斜角度（光ファイバの光軸に対する傾斜角
度）を、特定の値に設定することで、後述するような優
れた作用・効果を奏するものである。

【００１５】図３に、ＦＯＰ１の縦断面を示す。図中、
ｎ₀はコアの屈折率、ｎ₁はクラッドの屈折率、ｎは空
気の屈折率をそれぞれ示している。本実施例のＦＯＰ１
では、受光角が０°となるように、入力端面２の傾斜角
度αを規定している。すなわち、傾斜角度αは、このコ
ア５内に、空気中から、いかなる角度で光が入射して
も、コア５とクラッド６との境界面において全反射を生
じないような角度に設定されている。

【００１６】この傾斜角度αは、次式より求めることが
できる。

【００１７】ｎ₀ｓｉｎβ＝ｎ₁ｓｉｎ９０° （全反射の条件） …（１）ｎ₀ｓｉｎγ＝ｎｓｉｎ９０° （受光角０°の条件） …（２） α＋（９０°＋γ）＋（９０°−β）＝１８０° …（３）この場合、図４より、ｎ₀＝1.621 、ｎ₁＝1.519 、ｎ
＝１であるので、α＝31.54 °として求まる。したがっ
て、図３における傾斜角度αが、この値以下になると、
空気中を伝搬し入力端面２から入射する光は、いかなる
角度で入射したとしても、コアとクラッドとの境界面で
全反射を起こさないこととなる。

【００１８】したがって、入力端面２からＦＯＰ内に入
射した光は、屈折を繰り返して伝搬する過程で、その一
部がコアからクラッドに漏れて吸収体で吸収され、次第
に減衰して消滅する。このように入力端面２の傾斜角度
をこのような角度とした場合、空気中を伝搬し入力端面
２からＦＯＰ１内に入射した光は、出力端面３からはほ
とんど出力されない状態となる。

【００１９】一方、図５に示すように、この状態で、入
力端面２に、特定の物体、例えば指１０の表面を密着さ
せた場合には、指紋の凹凸によって、入力端面２と密着
する密着部１１と、入力端面２との間に空隙を生じる非
密着部１２とが形成される。密着部１１では、入力端面
２と指１０の表面とが密着しており、指表面の屈折率は
空気の屈折率よりも大である。したがって、入力端面２
に入射する光の入射角度と、クラッドとの境界面におけ
る全反射の条件との関係が、密着前の関係から変化し、
クラッドとの境界面において全反射の条件を満たすよう
な角度で入射する光も存在するようになる。例えば、指
１０の背後から光を照射し、この透過光がＡ点に到達し
たとする（図５）。このＡ点からＦＯＰ１内に入射する
光のうち、図示するように、40.68 °の範囲で入射され
た光は、コア５とクラッド６との境界面において全反射
の条件を満たすので（（２）式より）、この入射光はク
ラッドとの境界面で全反射を繰り返し、出力端面３側か
ら出力される。なお、この角度の範囲を越えて入射した
光は、屈折を繰り返し伝搬する過程で減衰し消滅する。

【００２０】これに対し、非密着部１２では、図示する
ような空隙部１３が形成され、この中には空気が存在し
ている。すなわち、指１０を密着させる前の状態と、何
ら変わるものではない。したがって、入力端面２の非密
着部１２からもコア５内に光が入射するものの、いかな
る角度で入射しても、依然として、クラッドとの境界面
における全反射の条件を満たしておらず、コア５内を伝
搬する過程で減衰し消滅する。

【００２１】したがって、このように物体の表面像など
を検出する際には、入力端面２に密着した物体表面の凸
部から入射する光のみが出力端面３から出力され、表面
の凹部から入射する光は伝搬過程で減衰して消滅する。
このため、背景光などの不要な光が除去され、入力端面
に密着した部分の像のみが伝送されて出力されることに
なる。

【００２２】なお、以上説明した例は、N.A.（開口数）
＝0.55の場合であり、その他の主なN.A.に対する傾斜角
度αを表１に示しておく。

【００２３】

【表１】

【００２４】また、ＦＯＰ１の入力端面２の形状を、図
７に示すような形状とすることもできる。図７における
形状は、入力端面２をｌ−ｌ’線で切った断面を示して
おり、図中の矢印ｙは、ＦＯＰ１を構成する各ファイバ
の光軸を示している（図６）。図７（ａ）は、図１で示
したような平面形状の入力端面２であり、同図（ｂ）〜
（ｅ）では、入力端面２を凹面状として、指との密着面
を大きくしている。また、同図（ｆ）、（ｇ）では、入
力端面２を斜面状に形成することで、同図（ａ）に比
べ、入力端面２に押圧された部位の像を拡大して出力す
ることができる。

【００２５】また、ＦＯＰ４０を図８に示すように形成
してもよい。図８におけるＦＯＰ４０では、ＦＯＰ４０
に対して穴開け加工を施し、本体に対して斜に貫通孔４
１を形成し、その内面を研磨したものである。この貫通
孔４１内に対して矢印ｃに沿って指を差込むと、この貫
通孔４１内に指が固定されることとなり、再現性の良い
指紋検出が行なうことができる。この場合には、矢印ｄ
方向から照明用の光が照射される。図８の例では、ＦＯ
Ｐ４０本体を加工して一体的に形成しているが、例え
ば、前述の図１の入力端面２に相対した位置に、挿入し
た指を入力端面２側に押えるような押え部を設けても同
様の効果が得られる。

【００２６】ここで、このようなＦＯＰ１を備えた装置
の具体的な構成を示す。図９は、指紋検出装置を示して
おり、前述したＦＯＰ１、及びＣＣＤ２０、コンピュー
タ２１などで構成している。ＦＯＰ１の入力端面２は、
光軸に対し傾斜して形成しており、この傾斜角度は、前
述した（１）〜（３）式で求められた傾斜角度α以下に
設定している。この面に指２２を押し付けて密着させ、
この背後或いは側面側に設けた光源２３から光を照射す
るものである。このように密着させると、密着部の凹凸
パターン（指紋の像）が、出力端面３に伝送され、この
画像データがＣＣＤ２０に与えられ、その信号がコンピ
ュータ２１において画像処理される構成となっている。

【００２７】また、図１０に、他の構成例を示す。この
例では、ＦＯＰ１の出力端面３側にレンズ３０を配置
し、このレンズ３０を介して出力端面３に出力された像
をラインセンサー３１によって読取り、その信号がコン
ピュータ３２において画像処理される構成となってい
る。

【００２８】例示した図９、図１０の装置においても、
ＦＯＰ１の入力端面２の角度は、この入力端面２から入
射した光が、クラッドとの境界面で全反射の条件を満た
さないような傾斜角度α以下に設定することが望まし
い。この場合、ＦＯＰ１を薄く形成することができるた
め、出力端面３から出力される物体の表面像を縮小でき
ると共に、ＣＣＤ２０、或いはレンズ３０、ラインセン
サー３１などを小型化でき、装置全体の小型化を進める
ことが可能となる。

【００２９】さらに、ＦＯＰを図１１に示す形状として
もよい。このＦＯＰ板５０は、図１のＦＯＰ１における
入力端面２側をこの入力端面２と平行に切断したタイプ
であり、ＦＯＰ板５０を構成する各光ファイバの光軸と
入力端面５２との傾斜角度θは、図３などで示した傾斜
角度αの条件を満たしている。また、ＦＯＰ板５０の出
力端面には、この出力端面から得られる画像を検出する
ＣＣＤ５３を配し、ＣＣＤ５３の入力面５３ａに対して
ＦＯＰ板５０の出力端面を固定して一体的に構成してい
る。このように構成することで、コンパクトな構成で指
紋の像を検出することができる。

【００３０】また、ＦＯＰの使用例としては、図１２に
示すように、２つのＦＯＰを従列接続して使用すること
も可能である。この場合には、ＦＯＰ１ａに対して、Ｆ
ＯＰ１ｂを９０°傾けて配置させ、ＦＯＰ１ａの出力端
面に対してＦＯＰ１ｂの入力端面を固定している。この
場合には、２つのＦＯＰ１ａ、１ｂのうち、いずれか一
方の入力端面の傾斜角度θ₁、θ₂を、前述した傾斜角
度αの条件を満たしていればよい。そして、例えば、Ｆ
ＯＰ１ｂの出力端面にＣＣＤ５３を固定することで、同
様に、指の指紋の像などを検出することも可能である。

【００３１】以上説明した各実施例では、ＦＯＰ１など
の入力端面に密着させる物体として、指紋を検出するた
め指を密着させる例を示したが、この例に限定するもの
ではなく、この他にも、手のひら，鼻などを密着させ、
掌絞，鼻絞等を検出する場合などに利用できる。また、
出力端面３は、光軸に対して垂直に傾斜させた例を示し
たが、この例に限定するものではなく、光軸に対して任
意に傾斜させて形成しても良い。

【００３２】

【発明の効果】本発明にかかるファイバー光学プレート
によれば、各クラッドの外周部を覆うように光吸収体を
設けたので、隣り合う光ファイバ同士は、この光吸収体
によって光学的に絶縁された状態となり、各コアを伝搬
する光が漏れて隣接する他のコア内に入射することを回
避できる。この効果は、入力端面の傾斜角度に無関係に
奏されるため、入力端面の傾斜角度（カッティング角
度）は、従来のような制約を受けることがない。このた
め、ファイバー光学プレートを従来よりも薄く形成し、
入力端面の傾斜角度を鋭角的にした場合にも、入力端面
に密着させた物体の表面像を、出力端面側に正確に伝送
することが可能となる。

【００３３】また、この際、入力端面の傾斜角度を、空
気中からコアに入射した光がクラッドとの境界面におい
て全反射を生じないような角度に設定したので、入力端
面に物体の表面を密着させた場合に、背景光などの不要
な光が出力端面から出力されることはなく、その密着し
た部分のみの像を出力させることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に実施例にかかるファイバー光学プレー
トを示す斜視図である。

【図２】ファイバー光学プレートの一部横断面図であ
る。

【図３】ファイバー光学プレートの一部縦断面図であ
る。

【図４】コア、クラッド、吸収体の各材料組成を重量％
で示すと共に、コア、クラッドの屈折率を示す図表であ
る。

【図５】ファイバー光学プレートの入力端面に指の表面
を密着させた状態を部分的に拡大して示す、ファイバー
光学プレートの縦断面図である。

【図６】ファイバー光学プレートの側面を示す概略図で
ある。

【図７】図６のファイバー光学プレートを図６のｌ−
ｌ’線で切った断面を示す図であり、図（ａ）〜図
（ｇ）は、入力端面の形状を例示する断面図である。

【図８】ファイバー光学プレートを備えた指紋検出装置
を示す概略構成図である。

【図９】ファイバー光学プレートを備えた、他の装置構
成を概略的に示す図である。

【図１０】ファイバー光学プレートの側面を示す概形図
である。

【図１１】ファイバー光学プレートを備えた、他の装置
構成を概略的に示す図である。

【図１２】ファイバー光学プレートを備えた、他の装置
構成を概略的に示す図である。

【図１３】従来のファイバー光学プレートを示す斜視図
である。

【符号の説明】

１…ファイバー光学プレート、２…入力端面、３…出力
端面、５…コア、６…クラッド、７…吸収体（光吸収
体）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の光ファイバを束ねた状態で一体的
に形成したファイバー光学プレートであって、このファイバー光学プレートは、入射した光を伝搬する
複数のコアと、前記各コアの外周部を覆うクラッドと、
前記各クラッドの外周部を覆うように備えられ、前記コ
アから漏れた光及び前記クラッドに入射された光を吸収
する光吸収体とを備え、このファイバー光学プレートの一端には、物体の表面を
当接させる面であって、前記光ファイバの光軸に対して
傾斜する入力端面を備えており、前記入力端面の傾斜角度は、空気中からこのコアに入射
した光が、前記クラッドとの境界面において全反射を生
じないような角度に設定されているファイバー光学プレ
ート。