JPS6142242B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光学繊維装置、特にテーパ光学繊維配
列体に関連する。

接近して配置された光源配列、又は照明された
像成分、即ち画素の配列から比較的遠く離れた配
列体に光を伝送する目的に対して、単繊維のアセ
ンブリ（組立品）は、従来の製造容易なテーパ繊
維アセンブリより優れた機能上の利点を有し、こ
の利点は直径の小さい光放射コアでは離れた位置
にある配列体内で光又は画素が重なり合つたり混
合したりすることが防止され、又過度の散乱で放
射光が無駄になることを防止することである。し
かしこの利点とは反対に、多数の単繊維の、一定
距離離れた両端部を密接した並置位置に配置しこ
れらを支持する作業は困難で手間がかかりかつ製
造コストが高くなる欠点がある。又上記の製造上
の問題を避けるため繊維の全長にわたつて密接並
置位置に容易かつ能率的に接合できるテーパ繊維
を使用して作つた装置は比較的能率が悪く、又性
能が劣る。

従来のテーパ繊維配列体の繊維の対応両端部の
中心間の種々の所定間隔は、光学繊維又は配列体
のテーパ比を選択することによつて得られるが、
各繊維の光放射コアの大面積部分、即ち該テーパ
繊維の大径端部に上記の欠点、即ち光又は画素の
重複又は混合を生じ、更に過度の散乱で放射光が
無駄になる非能率を生ずる。

従つて製造上の困難とコスト高を伴う単繊維の
大型アセンブリと、比較的能率が悪くしかも光又
は画素の混合等の欠点を有する従来のコンパクト
で製造容易なテーパ繊維アセンブリとに何れかし
か選択できなかつた問題を解決することが業界で
強く要望されている。

従来の光学繊維像拡大装置、又は画素分離装置
の上記の欠点及び付随的欠点を除去する目的で、
本発明は、全体としての光学繊維配列体のテーパ
比が所望の画素間隔を与えると共に開口数を制御
するように選択できる改良型テーパ光学繊維配列
体を提供するものである。

本発明のテーパ光学繊維配列体は、複数の光学
繊維を有し、これらの光学繊維は、それぞれ並置
された小径端部とこれと反対側の大径端部とを有
する。各光学繊維は、最大屈折率を有する中心コ
アと、これより低い屈折率を有する少なくとも１
つの外側コアと、この外側コアよりも低い屈折率
を有する外部被覆とを有し、前記中心コアと外側
コアとの間に内側テーパ界面を形成し、上記外部
被覆と外側コアとの間に外側テーパ界面を形成
し、上記小径端部から大径端部に向い、前記外側
コアを長さ方向に徐々に厚肉に形成したことを特
徴とする。

本発明では、上記構成によつて、画素の重複又
は混合の問題及び多数の繊維を密接した並置位置
に正確に配置する問題を解決することができる。

本発明は上記目的を達成するもので、このテー
パ光学繊維配列体は多数の並置光学繊維で構成さ
れ、この各繊維は異なる屈折率の複数のコアと該
コアより低屈折率の外部被覆とを有する。従来の
１個のコアを有する光学繊維と異なり、２個以上
のコアを有する光学繊維はコアを通る光の挙動を
変え、又繊維の開口数と倍率を個々に制御するこ
とができる。テーパ光学繊維は、その小径端部の
１個又は２個以上のコアに入射する光が該光学繊
維の大径端部の最内部コアだけから出射するよう
に設計することができる。

本発明の詳細は添付図面による下記説明から容
易に理解できよう。

第１Ａ及び１Ｂ図には、画素の伝送、分離、又
は集合装置として例示されるテーパ光学繊維配列
体１０（第１Ａ図）及び１０ａ（第１Ｂ図）が示
され、この配列体で画素の配列が受光部Ｒ及び
R′からそれぞれ出射部Ｅ及びE′に伝送される。

配列体１０及び１０ａは単に５本のテーパ光学
繊維１２を並置して構成されるように示されてい
るが、勿論５本以下でも５本以上（即ち数百又は
数千本又はそれ以上）も特定使用要求によつて使
用される。

第１Ａ図と第１Ｂ図を組合せた装置は画像を発
生しこれを伝送しかつ再生するフアクシミリ装置
が略示され、配列体１０の光学繊維１２はそれぞ
れ受光部Ｒで照明像の画素を受光しこの画素を出
射部Ｅに伝送し、この出射部に配置された複数の
光電管１３は各画素を受光し、この光の受光強度
に対応する振幅の電気信号に変換する。第１Ａ及
び１Ｂ図に例示する特定装置では、光電管１３の
電気信号はそれぞれ増幅器１４で増幅されて無線
送信機１６によつて受信機１８（第１Ｂ図）に伝
送される。この受信機で分離されかつそれぞれ増
幅器２０で増幅された電気信号は受信部R′の照
明器２２（例えば電気ランプ又は光放射ダイオー
ド）を付勢する。次に光学繊維配列体１０ａは照
明器２２から受取つた信号を出射部E′に伝送す
る。フアクシミリ画像伝送の場合には、ドラム２
６（第１Ａ図）上に置かれかつ光源２８で照明さ
れた写真スライド２４がドラム２６の回転及び／
又は光学繊維配列体１０の横方行移動によつて走
査され、該配列体１０は上記伝送のためモザイク
状画素を受像する。再生像即ちフアクシミリ像は
感光紙を上面に有する類似のドラム３０（第１Ｂ
図）によつて得られる。送信機１６からの信号伝
送間、ドラム２６と配列体１０の速度と方向に対
応する速度と方向のドラム３０の回転及び／又は
光学繊維配列体１０Ａの横方向移動によりフアク
シミリ像が作られる。

第１Ａ及び１Ｂに示される型式の装置の詳細は
米国特許第1751584号明細書に記載されている。

本発明は特に改良型テーパ光学繊維装置とその
配列体に関連し、下記に光学繊維配列体１０（第
１Ａ図）とその構成要素の光学繊維１２について
記述するがこの光学繊維の詳細は第６及び７図に
示される。

本発明の目的を容易に理解できるように、従来
の像拡大装置又は画素分離装置の例を第２−５図
に示す。

第２及び３図は従来の単繊維のアセンブリ３４
を示し、この単繊維はアセンブリの一端部３８で
互いに隣接して密設並置され、又反対端部では広
く間隔をとつて配置される。従つてこのアセンブ
リは一端部３８で密接配列の光をモザイク状に受
光し、この光を周知の内部反射原理によつてその
反対端部で広く間隔を置いた繊維配列に伝送す
る。この装置では、各繊維の出射光の射出円錐４
０の寸法制御は、例えば米国特許第2825260号及
び第3060789号明細書に示されるように光学繊維
３６のコア被覆ガラスを選択することによつて簡
単に行われ、又この寸法制御は技術者によつては
容易である。アセンブリ３４の繊維配置により繊
維３６の出射端部に隣接する光は重複も混合も起
こすことなく照明画素の分離範囲を制御できる上
述の利点が得られる。

しかし従来装置、例えばアセンブリ３４（第２
及び３図）の主な欠点は、特に多数の光学繊維を
相対的定位置に配置しなければならない場合には
製造が非常に困難で又コストが高くなることであ
る。

従つて多くの製造業者は光学的に効率は悪いが
第４及び５図に示されるような従来型式のテーパ
光学繊維を使用した。

例えば米国特許第2992587号明細書に示される
ような後者の型式の装置では拡大画素は得られる
が、１個のコアを有する個々のテーパ繊維４４は
矢印４３で示されるように隣接繊維の射出光が重
複して繊維束４２の大径端部４６から光を射出す
る。このため画素が混合し、又光が迷光として失
われる。

本発明は第２，３図及び第４，５図に示される
従来装置の欠点を克服するもので、特殊な構成で
第２図と類似した結果が得られ、しかも直線状
（テーパのない）単繊維の装置を作る際に従来の
複雑な問題及び高コストの問題を解決するもので
ある。勿論、本発明は第４及び５図に示される型
式のテーパ光学繊維によつて得られる製造法の単
純化を利用するが、組合わせた光学繊維配列体内
の繊維の上記欠点を特殊な方法で克服するもので
ある。

第１Ａ及び６図に示す光学繊維配列体１０は多
数の光学繊維１２で構成され、各繊維（第６図及
び第７図）は、最大屈折率を有する中心コア５
０、これより低い屈折率を有する外側コア４８及
び中心コア５０及び外側コア４８よりも低い屈折
率を有する外部被覆５２を有する。中心コア５０
と外側コア４８との間には、内側テーパ界面が形
成され、外側コア４８と外部被覆５２との間に
は、外側テーパ界面が形成される。外側コア４８
は、小径端部５４から大径端部５６に向い長さ方
向に厚肉に形成される。繊維１２（第６及び７
図）の図面の実施例では、低屈折率コア４８がこ
の繊維を通る光の挙動を変えて開口数と倍率をそ
れぞれ独立に制御することができる。

上記の二重コア繊維は繊維の小径端部で両コア
４８と５０に入射する光をこの繊維の大径端部で
最高屈折率のコア５０だけから射出させることが
できる。従つて繊維を並置した光学繊維配列体１
０の射出面積を制御することによつて従来の装
置、例えば第３図に示される装置に起こる光が散
乱と重複を生ずることなく普通より高照度の開口
数（NA）が得られる。換言すれば本発明によ
り、特定の開口数（NA）以上の照度が得られ又
このNA以上に光を拡大して無駄にすることがな
い光学繊維配列体を得ることができる。

第６図には光学繊維配列体１０の二重コア繊維
１２の機能が示され、追加コア４８で伝送される
光の挙動の変更で下記のように開口数及び倍率が
独立に制御できることが理解できよう。

高屈折率n₁の内部コア５０、中間屈折率n₂の外
部コア４８及び低屈折率n₃の被覆５２で構成され
る光学繊維１２ではこの小径端部５４で外部コア
４８に入射する一定NA値、即ち_s2以内の光は
繊維１２の大径端部５６では内部コア５０だけか
ら射出される。線Ｌで示す光が外部コア４８に入
射すると、この光は最初n₂，n₃の界面の内部反射
によつてこの外部コア内に反射される。

しかし繊維直径が増加するとNAが減少し、内
部コア５０を前後に横切る光がn₁，n₂の界面の点
Ｐで臨界角に達する。光はこの点Ｐ以後はn₁，n₂
の界面の内部反射によつて内部コアだけ通つて反
射を継続し、_l1以内のNA値で大径端部５６か
ら射出する。

勿論、光学繊維１２（第６及び７図）又はこれ
らの配列体１０（第１Ａ図）のような装置のNA
は限界メリデイオナル光線の角度の正弦（sine）
でこの光線は繊維に入射するとこの繊維内に捕捉
され、又は繊維端部に達するとここから射出され
る光線である。

密接配置した多数の光源又は照明画素から比較
的遠く離れた点まで光を伝送する目的で、上記配
列体１０は単一層の光学繊維で構成されるが、こ
の繊維の断面は円形、正方形、六角形又は他の所
望形状でよい。この配列体（例えば１０又は１０
ａ）の最終構造では、繊維群は１ユニツトに融
着、接合、又は結合される。このユニツトは、多
数のテーパのない直線状繊維を所望の型式、例え
ば直線状に組立て、次に全体の加熱と延伸によつ
てこのアセンブリにテーパを与える。米国特許第
2992516号及び第2992587号明細書にはテーパ光学
繊維の製造操作の詳細が記載されている。

本発明のテーパ光学繊維配列体を作るのに使用
される繊維のコアと被覆に必要なテーパ比と屈折
率の必要条件の分析は次の通りである： 光がテーパ光学繊維に沿つて進む時、NA²×面
積の積が一定値に近づく法則に従つて開口数が変
わる。単一コアテーパ繊維では下記の簡単な関係
式になる： ^２ _s＝r²・^２ _l (1) 上式でNA_sは小径端部の開口数、NA_lは大径端
部の開口数で、r²は両端部のコア面積の比であ
る。

上記の法則は複数コアテーパ繊維の開口数の変
化を予知するのにも使用できる。しかしこの法則
を使用する場合には、種々のコアの相対的面積
と、光が各コアによつて異なる開口数値を示す事
実とを考慮に入れなければならない。複数コアの
テーパ繊維では、一定値に近づく数値は、光が入
射するすべてのコアに対する積、即ちNA²×面積
の合計である。２個のコアを有する繊維に適用す
ると次の関係式が得られる：^２ _s1 a₁＋^２ _s2（１−a₁） ＝r₂ ^２ _l1a₁＋^２ _l2（１−a₁） (2) 上式のa₁は屈折率n₁の物質に割当てられた、全
コア面積の分数である。２個のコアの場合には残
りのコア面積は屈折率n₂の第２コアで占有され
る。

異なる屈折率の物質間の境界における光の屈折
を限定するスネルの法則により、小径端部におけ
るn₁コアの開口数NA_s1と、同一端部におけるn₂
コアの開口数NA_s2との間に下記の関係式が得ら
れる： ^２ _s1＝^２ _s2＋ｎ^２ _１−ｎ^２ _２ (3) スネルの法則により２個のコアの大径端部にお
けるNA値の間に下記の類似関係式が得られる： ^２ _l1＝^２ _l2＋ｎ^２ _１−ｎ^２ _２ (4) 上式(2)，(3)及び(4)を適当に適用することによ
り、任意のNA範囲の何れかのコアに入射する入
力、即ち入射光束から得られるこれらのコアの出
力、即ち射出光束を決めることができる。又屈折
率の値、テーパ比及び相対的コア面積が既知であ
れば、同じ基本的計算法が任意数のコアの繊維に
適用できる。

上記の法則を使用する場合には、テーパ繊維の
各入射端部で光がどちらのコアに入射するか、又
はどのような拘束条件がNA値を制限するかを検
査するとよい。２個のコアの場合の有用な一例と
して、関係式(2)，(4)及び(4)を組合わせ、又NA² _l1
をNA² _s2の項で次式のように解くことによつて検
査できる：^２ _l1 ＝１／ｒ^２〔^２ _s2＋（ｎ^２ _１−ｎ^２ _２）a₁
〕 ＋（ｎ^２ _１−ｎ^２ _２）（１−a₁） (5) この関係式は下記の場合に適している： ^２ _l1〓ｎ^２ _１−ｎ^２ _２ 即ち研究中の光が両コア内を進みn₁コアで捕捉
される前の場合である。n₂コアから射出光のNA
は(4)式から下記のように計算される： もし式(5)を使用する場合には： ^２ _l1＜ｎ^２ _１−ｎ^２ _２ になる。上記の^２ _l2は負で、NA_l2が虚数であ
ることは明らかである。これは光が２個のコアn₁
とn₂の間をもはや横切ることができず、n₁コアで
捕捉されることを示すものであろう。もしこれが
正しいとすれば式(5)の代りに次式を使用すべきで
ある： この関係式は次の場合に適当である：^２ _l1 〓ｎ^２ _１−ｎ^２ _２ 式(7)は_l2を０（大径端部のコアn₂から光を
射出しない）として式(2)及び(3)を組合わせて得ら
れたものである。

式(7)は光が小径端部で低屈折率コアに入り、高
屈折率コアで捕捉されて大径端部から射出される
場合に適用されるから、二重コアテーパ光学繊維
に最も有用な関係式であろう。できるだけ広い範
囲の_l1を記述するために両式(5)と(7)を必要と
する理由は開口数が直径で変わるから捕捉後の光
は不連続変化を受けるためである。捕捉前の光は
二重コア繊維の法則に従い、捕捉後の光は従来の
単一コアテーパ繊維内と同様な挙動を示す。

上記特性を示す光学繊維配列体は下記の設計パ
ラメータを使用して得られる： 高屈折率コア屈折率 n₁＝1.72 低屈折率コア屈折率 n₂＝1.60 被覆屈折率 n₃＝1.48 n₁に割当てられるコア面積の比率a₁＝４／１００＝0.04 テーパ比 ｒ＝10 小径端部でn₂コアに得られる最大開口数はn₂，n₃
界面で下記のように決定されよう：^２ _s2 （max）＝ｎ^２ _２−ｎ^２ _３ ＝1.60²−1.48² ＝0.37_s2 ＝0.61 対応するn₁コアの入射光束は下記のようにな
る：^２ _s1 （max） ＝^２ _s2（max）＋ｎ^２ _１−ｎ^２ _２ ＝0.61²＋1.72²−1.60² ＝0.37＋0.40 ＝0.77_s2 （max）＝0.88 又この光束はn₂，n₃界面でぎりぎりに保持され
る。

光がn₁コアに完全に捕捉されるとすれば、式(7)
を大径端部のn₁コアの最大NAの計算に下記のよ
うに使用できる： 完全に捕捉された光に対するn₁コアのNA限界
値は次のようになる： 上記で得られた値0.31は0.63より小さいから入
力光は完全に捕捉され、又式(7)は出力光束開口数
を計算するのに適当な式である。従つて小径端部
の両コアで受光され、大径端部まで伝送される全
光束は高屈折率コアから約0.31NA以下の範囲で
射出すると考えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ及び１Ｂ図は本発明の好適実施例（改良
型テーパ光学繊維配列体）を示し、第２，３，４
及び５図は従来技術による像伝送装置を示し、第
２及び４図は整列光学繊維の配列体の平面図で、
第３及び５図は各配列体の端面図を示し；第６図
は本発明の改良型テーパ光学繊維の拡大断面図
で、第７図は第６図の光学繊維の拡大端面図であ
る。 １２……テーパ光学繊維、１３……光電管、１
４……増幅器、１６……送信機、１８……受信
機。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数の光学繊維を有し、該光学繊維は、それ
   ぞれ並置された小径端部とこれと反対側の大径端
   部とを有するテーパ光学繊維配列体において、各
   光学繊維は最大屈折率を有する中心コアと、これ
   より低い屈折率を有する少なくとも１つの外側コ
   アと、該外側コアよりも低い屈折率を有する外部
   被覆とを有し、前記中心コアと外側コアとの間に
   内側テーパ界面を形成し、上記外部被覆と外側コ
   アとの間に外側テーパ界面を形成し、上記小径端
   部から大径端部に向い、前記外側コアを長さ方向
   に徐々に厚肉に形成したことを特徴とするテーパ
   光学繊維配列体。 ２ 上記中心コア、外側コア及び外部被覆が同心
   関係に配置された特許請求の範囲第１項記載の光
   学繊維配列体。