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WO1999050695A1 - Piece optique - Google Patents

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WO1999050695A1
WO1999050695A1 PCT/JP1999/001485 JP9901485W WO9950695A1 WO 1999050695 A1 WO1999050695 A1 WO 1999050695A1 JP 9901485 W JP9901485 W JP 9901485W WO 9950695 A1 WO9950695 A1 WO 9950695A1
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WO
WIPO (PCT)
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core
optical component
cladding
optical
clad
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP1999/001485
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English (en)
French (fr)
Inventor
Takeo Sugawara
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hamamatsu Photonics KK
Original Assignee
Hamamatsu Photonics KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Hamamatsu Photonics KK filed Critical Hamamatsu Photonics KK
Priority to EP99910680A priority Critical patent/EP1069446B1/en
Priority to DE69924243T priority patent/DE69924243T2/de
Priority to AU29573/99A priority patent/AU2957399A/en
Publication of WO1999050695A1 publication Critical patent/WO1999050695A1/ja
Priority to US09/672,788 priority patent/US6567593B1/en
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Ceased legal-status Critical Current

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    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03BMANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B37/00Manufacture or treatment of flakes, fibres, or filaments from softened glass, minerals, or slags
    • C03B37/01Manufacture of glass fibres or filaments
    • C03B37/012Manufacture of preforms for drawing fibres or filaments
    • C03B37/01205Manufacture of preforms for drawing fibres or filaments starting from tubes, rods, fibres or filaments
    • C03B37/01211Manufacture of preforms for drawing fibres or filaments starting from tubes, rods, fibres or filaments by inserting one or more rods or tubes into a tube
    • C03B37/01214Manufacture of preforms for drawing fibres or filaments starting from tubes, rods, fibres or filaments by inserting one or more rods or tubes into a tube for making preforms of multifibres, fibre bundles other than multiple core preforms
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    • G02B6/08Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings formed by bundles of fibres the relative position of the fibres being the same at both ends, e.g. for transporting images with fibre bundle in form of plate

Definitions

  • the present invention relates to an optical component having a plurality of optical fibers arranged.
  • an optical component formed by arranging a plurality of optical fibers is widely known.
  • the optical component has an entrance surface and an exit surface where the core and the clad of each optical fiber are exposed, and is capable of transmitting an optical image incident on the entrance surface to the exit surface.
  • the above-mentioned optical components have various advantages such as high transmission efficiency and downsizing of the optical system as compared with lenses, and are used in various fields such as fingerprint detection devices. Disclosure of the invention
  • the production of the above optical components is usually performed by arranging and bundling a plurality of optical fibers having a circular or square cross section and integrally molding them. Therefore, due to the pressing during integral molding, the cross section of the core of the optical fiber constituting the optical component becomes a polygon having opposite sides parallel to each other, such as a square or a hexagon, as shown below. Problems arise.
  • the present invention solves such a problem and prevents the occurrence of pattern noise to solve the problem. It is an object to provide an optical component having a high image resolution. .
  • an optical component of the present invention is an optical component having a plurality of optical fibers arranged therein, wherein each optical fiber has a first clad having a substantially circular cross section, and a first clad. And a second cladding formed around the core and having a lower refractive index than the core, the core having a refractive index higher than the first cladding.
  • the cross-section of the first clad is substantially circular, even when the core is deformed to form opposing faces that are parallel to each other when the optical component is integrally molded, all the light is emitted.
  • the inside of the core progresses in a band shape, the situation is avoided, and a pattern having intensity only at a specific emission angle is not formed. As a result, pattern noise is prevented, and an output image with high resolution can be obtained.
  • FIG. 1A is a perspective view of an optical component according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is an enlarged sectional view taken along the line II of FIG. 1A.
  • FIG. 1C is a diagram showing a refractive index distribution along the line II-II of FIG. 1B.
  • 2A to 2E are manufacturing process diagrams of an optical fiber pair constituting an optical component.
  • 2F to 2H are cross-sectional views of a base material and the like manufactured in each step.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of an optical fiber pair used for manufacturing an optical component.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the ambient temperature and the viscosity.
  • 5A to 5C are cross-sectional views of a base material and the like manufactured in each step.
  • 6A to 6C are cross-sectional views of a base material and the like manufactured in each step.
  • 7A to 7C are cross-sectional views of a base material and the like manufactured in each step.
  • FIG. 8 is an enlarged sectional view of an optical component according to a first modification.
  • FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view of an optical component according to a second modification.
  • FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view of an optical component according to a third modification.
  • FIG. 118 to FIG. 11D are cross-sectional views of a base material and the like manufactured in each step.
  • FIGS. 12A to 12D are cross-sectional views of a base material and the like manufactured in each step.
  • FIGS. 13A to 13D are cross-sectional views of a base material and the like manufactured in each step.
  • FIGS. 14A to 14D are cross-sectional views of a base material and the like manufactured in each step.
  • FIG. 15A to FIG. 15C are manufacturing process diagrams of an optical component according to the related art.
  • FIGS. 16A to 16C are manufacturing process diagrams of an optical component according to the related art.
  • FIG. 17-8 to FIG. 17C are manufacturing process diagrams of an optical component according to the related art.
  • FIG. 188 to FIG. 18C are diagrams showing the progress of light in a core of an optical fiber constituting an optical component according to the related art.
  • FIG. 198 to FIG. 19C are diagrams showing the progress of light in a core of an optical fiber constituting an optical component according to the related art.
  • FIG. 1A is a perspective view of an optical component according to the present embodiment.
  • the optical component 10 is formed by arranging a plurality of optical fibers in parallel with each other. Each optical fiber is arranged such that the fiber axis is parallel to the y-axis in FIG. 1A, and the optical component 10 has an incident surface 10a cut obliquely to the fiber axis. And an emission surface 10b cut perpendicular to the fiber axis so that an input pattern incident on the incidence surface 10a can be reduced and output from the emission surface 10b. I'm sorry.
  • FIG. 1B is an enlarged cross-sectional view taken along a plane parallel to the Xz plane along the line I-I of FIG. 1A.
  • the optical component 10 includes a first clad 14, a core 15 formed around the first clad 14, and a second clad 16 formed around the core 14. And a plurality of optical fibers formed regularly are arranged such that their fiber axes are parallel to each other. Also, between each optical fiber, there are optical components
  • a light absorbing material 18 for removing stray light in 10 is provided, and the second cladding 16 of each optical fiber is integrated by heating and pressurizing, and a gap between adjacent optical fibers is provided. Is buried.
  • the cross section of the first clad 14 has a substantially circular shape
  • the cross section (outer periphery) of the core 15 has a substantially regular hexagonal shape with a flattened corner.
  • the first cladding 14 and the second cladding 16 may be formed during the heat-pressure treatment of the optical fiber.
  • the material of the first clad 14, the core 15 and the second clad 16 may be selected so that the viscosity of the first clad 14 becomes larger than the viscosity of the core 15.
  • the diameter a of the first clad 14 must be equal to the width of the linear portion (or a portion close to the straight line) of the cross section of the core 15.
  • the diameter a of the first cladding 14 is small in order to increase the effective light receiving area (cross-sectional area of the core 15) at the entrance surface 10a. This is desirable.
  • the width b of the second clad 16 that fills the gap between the cores must have a sufficient thickness to function as a clad, and is usually used in optical components 10. It is preferably at least 1/2 of the wavelength (550 nm).
  • the diameter a of the first clad 14 is about 2 ⁇ m and the width a ′ of the plane portion of the cross section of the core 15 in consideration of the effective light receiving area, resolution, and the like. Is about 4 ⁇ m, and the width b of the second cladding 16 that fills the gap between the cores is about 2 ⁇ m.
  • the outer diameter of the core 15 is about 10 / m.
  • the second clad 16 has a refractive index n 3 of 1.495 Formed from steel. Therefore, the distribution ratio along the II-II line in Fig. 1B is as shown in Fig. 1C.
  • the refractive index n 3 of the second clad 16 is smaller than the refractive index n 2 of the core 15, and the refractive index of the first clad 14! ⁇
  • the refractive index n 3 of the second cladding 16 are equal.
  • FIGS. 2F to 2H are cross-sectional views of a base material and the like manufactured in each process.
  • a first cladding preform 20 having a columnar shape is manufactured (FIGS. 2A and 2F).
  • the first cladding base material 20 is formed of, for example, borosilicate glass having a refractive index of 1.495, and its side surface is polished by a method such as ceria polishing.
  • the first clad preform 20 manufactured in the above process is loaded into a separately manufactured core preform 22 having a pipe shape (FIGS. 2C and 2G).
  • the core base material 22 is formed of, for example, a Ba—La glass having a refractive index of 1.82, and the inner and outer surfaces thereof are polished by a method such as ceria polishing.
  • the first clad preform 20 loaded in the core preform 22 manufactured in the above process is further added to a second clad preform 2 having a pipe shape as shown in FIG. 2D. 4 to produce a preform 26 for optical fiber production (Fig. 2E, Fig. 2H).
  • the second cladding base material 24 is formed of, for example, borosilicate glass having a refractive index of 1.495, and one bottom 24 a of the second cladding base material 24 is connected to a burner. Sealing by a method such as melting.
  • FIG. 3 shows an enlarged cross section of an optical fiber manufactured by this method.
  • the optical components 10 are formed. Is manufactured.
  • FIG. 4 shows changes in the viscosity of the first clad 14, the core 15 and the second clad 16 with respect to the ambient temperature.
  • the first clad 14 and the second clad 14 are compared with the core 15 in viscosity.
  • the viscosity of 16 is larger. Also, from the viewpoint of the strength of the optical fiber, if the difference in thermal expansion coefficient between the core 15 and the first clad 14 and the second clad 16 is large, cracks and the like are likely to occur. The smaller the difference, the better.
  • optical components according to the related art are usually carried out by arranging a plurality of optical fibers having a circular or square cross section in parallel with each other, bundling them, and integrally molding them. Also, in order to improve the resolution of the optical component, a process in which the bundled optical fiber group is further drawn (multi-fiber) is arranged in parallel, bundled and integrally formed, or a process of bundling with the above-described drawing process is performed. In some cases, optical components are manufactured by integrally molding a material that has been repeated several times (multi-multi fiber).
  • FIGS. 15A to 15C show the changes in the cross-sectional shape of the core of each optical fiber when the optical component is manufactured by the above manufacturing method. Shown in 7C.
  • FIGS. 15A to 15C show changes in the cross-sectional shape of the core 2 when the optical component 6 is formed by arranging optical fibers 4 each having a circular cross-section of the core 2 on all sides.
  • Core 2 When the optical component 6 is formed by arranging the optical fibers 4 each having a circular cross section on all sides, as shown in FIGS. 15A to 15C, heating and pressing when the optical fibers 4 are bundled and integrally molded. By the processing, the cross section of the core 2 of each optical fiber 4 is deformed into a substantially square.
  • the degree of the deformation depends on the hardness of the core 2 and the cladding 8 of the optical fiber 4 at the temperature at the time of the heating and pressure treatment. If the core 2 is extremely hard compared to the clad 8, the cross section of the core 2 can be maintained circular, but the core 2 is extremely hard compared to the clad 8 to avoid contact between adjacent cores 2. It is practically difficult to do so.
  • FIGS. 16A to 16C show changes in the cross-sectional shape of the core 2 when the optical component 6 is formed by arranging hexagonal optical fibers 4 each having a circular cross section.
  • the cross section of the core 2 of each optical fiber 4 is deformed into a substantially regular hexagon by the heating / pressing process when the optical fibers 4 are bundled and integrally formed.
  • FIGS. 17A to 17C show the change in the cross-sectional shape of the core 2 when the optical component 6 is formed by arranging the optical fibers 4 each having a square cross-section on all sides and forming the optical component 6.
  • the cross section of the core 2 is square even after the heat and pressure treatment when the optical fibers 4 are bundled and integrally formed. Will be maintained.
  • the cross section of the core 2 of each optical fiber 4 is a polygon having opposite sides parallel to each other, such as a square or a hexagon, the following is shown.
  • the light that has entered the incident surface of the optical component 6 travels in the core 2 in a helical manner as shown in FIGS. 18A to 18C, and as shown in FIGS. 19A to 19C. Both such strip-like progressions can occur.
  • white circles and black circles in FIG. 18A to FIG. 18C and FIG. 198 to FIG. 19C indicate light incident positions.
  • FIG. 18A shows how the light incident on the incident surface (incident surface of the core 2) 6a of the optical component 6 travels inside the core 2, and Fig. 18B shows the trajectory of the light traveling.
  • FIG. 6 is a diagram projected on a plane parallel to the incident surface 6a.
  • optical components Light incident on the incident surface 6a of FIG. 6 at a random incident angle (excluding the specific incident angle described with reference to FIGS. 19A to 19C) travels spirally in the core 2.
  • FIG. 18C even when light enters the incident surface 6a of the optical component 6 at a constant incident angle 0, the light exits the optical component 6 due to the difference in the incident position.
  • the light is emitted from the surface 6b at various emission angles.
  • the incident surface 6a of the optical component 6 has a specific incident angle (the incident angle at which light is reflected only by the parallel facing surface of the core 2 and travels).
  • the incident light travels in a band in the core 2.
  • FIG. 19C when light is incident on the incident surface 6a of the optical component 6 at a constant incident angle ⁇ , the light exit surface of the optical component 6 is independent of the incident position.
  • the light is also emitted from 6b at an emission angle of 0. Therefore, a pattern having intensity only at a specific emission angle is formed in the output image emitted from the emission surface 6b of the optical component 6, and this pattern becomes noise and lowers the resolution of the optical component 6.
  • the degree of deformation of the core 2 is different between the center and the edge of the multi-fiber. Due to these differences, pattern noise occurs according to the cross-sectional shape of the multi-fiber, and the resolution of the optical component 6 is significantly reduced.
  • the optical component 10 includes a first clad 14, a core 15 formed around the first clad 14, and a second clad formed around the core 15.
  • the cladding 16 and the light incident on the incident surface 10a With the cladding 16 and the light incident on the incident surface 10a, the interface between the first cladding 14 and the core 15 and the interface between the second cladding 16 and the core 15 The reflection is repeated on both sides, and propagates through the core 15.
  • the core 15 even when the core 14 (core 15) is deformed to form opposing faces parallel to each other when the optical component 10 is integrally molded, the core 15
  • the light traveling inside is not only at the interface with the second cladding 16, but also at the first cladding 14 having a substantially circular cross section, that is, a curved surface. Since the light also reflects at the interface of W, the situation is avoided when it progresses in a band in the core 14.
  • the diameter a of the first clad 14 is slightly smaller than the width a of the straight line portion of the cross section of the core 15, the band-like progression of light occurs. Rows can be greatly reduced. As a result, formation of a pattern having intensity only at a specific emission angle is prevented.
  • optical component 1 0 because it is equal to the refractive index of the first cladding 1 4 and a refractive index eta 3 of the second cladding 1 6, core 1 5 and the first cladding 1 4 Tonokai
  • the critical angle at the surface is equal to the critical angle at the interface between the core 15 and the second clad 16.
  • the optical component 10 includes an optical fiber constituting the optical component 10, a first clad 14 having a substantially circular cross section, a core 15 formed around the first clad 14, and a core 1.
  • the second cladding 16 formed around 5 it is possible to eliminate the formation of a pattern having an intensity only at a specific emission angle. As a result, pattern noise can be prevented, and an output image with high resolution can be obtained from the emission surface 1 Ob of the optical component 10.
  • the optical component 10 has the same critical angle at the interface between the core 15 and the first cladding 14 and the critical angle at the interface between the core 15 and the second cladding 16.
  • the light totally reflected at the interface between the core 15 and the first cladding 14 is also totally reflected at the interface between the core 15 and the second cladding 16, and the core 15 and the second cladding 16
  • the light totally reflected at the interface with the substrate 16 is always totally reflected also at the interface between the core 15 and the first clad 14, so that efficient optical transmission is possible.
  • the base material 26 was formed by the method shown in FIGS. 2F to 2H, which will be described below. Such a method may be used. That is, as shown in FIG. 5A to FIG. 5C, first, a first clad base material 20 having a columnar shape is manufactured (FIG. 5A) Two core mothers; ⁇ 30, each having a shape obtained by bisecting a thick cylinder on a plane perpendicular to the bottom surface, are arranged (FIG. 5B). Then, the core clad material 30 disposed around the first clad preform 20 manufactured in the above-described process is replaced with a second clad preform having a pipe shape.
  • a preform 32 for optical fiber production Fig. 5C
  • one bottom 24a of the second clad base material 24 is sealed by a method such as melting with a burner.
  • the subsequent processing that is, the formation of the optical fiber 28 by drawing the base material 32 and the formation of the optical component 10 are as described above.
  • the base material for forming the optical fiber 28 constituting the optical component 10 may be formed by the following method. That is, as shown in FIGS. 6A to 6C, first, a first clad base material 20 having a cylindrical shape is manufactured (FIG. 6A), and a core base material 34 having a cylindrical shape is formed therearound. Arrange multiple pieces (Fig. 6B). Then, the core preform 3 disposed around the first clad preform 20 manufactured in the above process is loaded into a second clad preform 24 having a pipe shape, and is used for producing an optical fiber.
  • FIG. 6C is manufactured (Fig. 6C).
  • one bottom 24a of the second cladding base material 24 is sealed by a method such as melting with a burner.
  • the subsequent processing that is, the formation of the optical fiber 28 by drawing the base material 36 and the formation of the optical component 10 are as described above.
  • the base material for forming the optical fiber 28 constituting the optical component 10 may be formed by the following method. That is, as shown in FIGS. 7A to 7C, first, a first clad base material 20 having a columnar shape is manufactured (FIG. 7A), and a core base material 38 having a square pole shape is formed therearound. (Fig. 7B). After that, the core clad material 38 arranged around the first clad preform 20 manufactured in the above step is loaded on the second clad preform 24 having a pipe shape, and the optical fiber The base material 40 for manufacturing is manufactured (Fig. 7C). Here, one bottom 24a of the second clad base material 24 is sealed by a method such as melting with a wrench. The subsequent processing, that is, the formation of the optical fiber 28 by drawing the base material 40 and the shape of the optical component 10 The result is as described above. .
  • each optical fiber constituting the optical component 10 is composed of a first clad 14 having a substantially circular cross-section.
  • Various deformations can be considered as long as the core includes the core 15 formed around the first clad 14 and the second clad 16 formed around the core 14.
  • FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of an optical component 50 according to a first modification.
  • the optical component 50 differs from the optical component 10 according to the first embodiment in that the optical component 50 does not include the light absorbing material 18.
  • the diameter a of the first cladding 14 is larger than the width a of the linear portion (or a portion close to the straight line) of the cross section of the core 15, so that the conventional technology can be used. It is possible to completely eliminate the strip-like progression of light shown in (1). Also, the width b of the second cladding 16 that fills the gap between the cores needs to have a sufficient thickness to function as a cladding.
  • FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view of an optical component 60 according to a second modification.
  • the optical component 60 is different from the optical component 50 according to the first modification in that the optical component 50 has a curved surface at the interface (outer periphery) of the core 15, whereas the optical component 60 has a core
  • the interface (outer periphery) of 15 is a point having a planar shape.
  • the viscosity of the core 15 is compared with the viscosities of the first clad 14 and the second clad 16 during the heating and pressurizing treatment of the optical fiber. It can be obtained by selecting the materials of the first clad 14, the core 15 and the second clad 16 so as to be extremely small.
  • the diameter a of the first cladding 14 in order to minimize the progression of the light band as shown in the prior art, the diameter a of the first cladding 14 must be larger than the width a, of the linear portion of the cross section of the core 15.
  • the diameter a of the first cladding 14 in order to increase the effective light receiving area (the cross-sectional area of the core 15) at the incident surface 10a, it is desirable that the diameter a of the first cladding 14 be small, so that the resolution and the effective The diameter of the first cladding 14 may be appropriately selected in consideration of the light receiving area and the like.
  • the width b of the second clad 16 that fills the gap between the cores needs to have a sufficient thickness to function as a clad.

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Description

明糸田書
光学部品 技術分野
本発明は、 複数の光ファイバを配列してなる光学部品に関するものである。 背景技術
光イメージを伝送させる光学部品として、 複数の光ファイバを配列して形成し た光学部品が広く知られている。 上記光学部品は、 各光ファイバのコアとクラッ ドが露出した入射面と出射面とを有し、 入射面に入射した光イメージを出射面に 伝送することを可能としている。
また、 上記光学部品は、 伝送効率が高い、 レンズと比較して光学系の小型化が 可能である、 など種々の利点を有するため、 指紋検出装置をはじめとして様々な 分野に利用されている。 発明の開示
上記光学部品の製造は、 通常、 断面が円形または正方形の複数の光ファイバを 配列して束ね、 一体成形することにより行う。 従って、 一体成形の際の押圧によ り、 上記光学部品を構成する光ファイバのコアの断面は、 正方形、 六角形などの ように互いに平行となる対辺を有する多角形となり、 以下に示すような問題が生 ずる。
すなわち、 特定の入射角をもって入射面に入射した光は、 互いに平行となる対 面で反射を繰り返し、 特定の出射角をもって出射面から出射する。 その結果、 出 射面から出射される出力イメージに、 特定の出射角にのみ強度を有するパターン が形成され、 このパターンがノイズとなって光学部品の解像度を低下させる。 そこで本発明は、 かかる問題点を解決し、 パターンノイズの発生を防止して解 像度の高い光学部品を提供することを課題とする。 .
上記課題を解決するために、 本発明の光学部品は、 複数の光ファイバを配列し てなる光学部品であって、 各光ファイバは、 断面が略円形の第 1のクラッドと、 第 1のクラッドの周囲に形成されるとともに第 1のクラッドよりも大きい屈折率 を有するコアと、 コアの周囲に形成されるとともに、 コアよりも小さい屈折率を 有する第 2のクラッドとを備えたことを特徴としている。 上記構成を有すること で、 光学部品の入射面に入射した光は、 第 1のクラッ ドとコアとの界面及びコア と第 2のクラッドとの界面の双方で反射を繰り返し、 コア内を伝播する。ここで、 第 1のクラッドの断面が略円形となっていることで、 光学部品の一体成型時にコ ァが変形して互いに平行となる対面が形成される場合であっても、 全ての光がコ ァ内を帯状に進行するといつた状況が回避され、 特定の出射角にのみ強度を有す るパターンが形成されることが無くなる。その結果、パターンノイズが防止され、 解像度の高い出力イメージを得ることが可能となる。 図面の簡単な説明
図 1 Aは、 本発明の実施形態にかかる光学部品の斜視図である。
図 1 Bは、 図 1 Aの I— I線に沿った拡大断面図である。
図 1 Cは、 図 1 Bの I I一 I I線に沿った屈折率分布を示す図である。
図 2 A〜図 2 Eは、 光学部品を構成する光フアイバ対の製造工程図である。 図 2 F〜図 2 Hは、 各工程で製造される母材等の断面図である。
図 3は、 光学部品の製造に用いる光ファイバ対の拡大断面図である。
図 4は、 周囲温度と粘度との関係を示す図である。
図 5 A〜図 5 Cは、 各工程で製造される母材等の断面図である。
図 6 A〜図 6 Cは、 各工程で製造される母材等の断面図である。
図 7 A〜図 7 Cは、 各工程で製造される母材等の断面図である。
図 8は、 第 1の変形例にかかる光学部品の拡大断面図である。 図 9は、 第 2の変形例にかかる光学部品の拡大断面図である。
図 1 0は、 第 3の変形例にかかる光学部品の拡大断面図である。
図 1 1八〜図1 1 Dは、 各工程で製造される母材等の断面図である。
図 1 2 A〜図 1 2 Dは、 各工程で製造される母材等の断面図である。
図 1 3 A〜図 1 3 Dは、 各工程で製造される母材等の断面図である。
図 1 4 A〜図 1 4 Dは、 各工程で製造される母材等の断面図である。
図 1 5 A〜図 1 5 Cは、 従来技術にかかる光学部品の製造工程図である。 図 1 6 A〜図 1 6 Cは、 従来技術にかかる光学部品の製造工程図である。 図 1 7八〜図1 7 Cは、 従来技術にかかる光学部品の製造工程図である。 図 1 8八〜図1 8 Cは、 従来技術にかかる光学部品を構成する光ファイバのコ ァ内における光の進行の様子を表す図である。
図 1 9八〜図1 9 Cは、 従来技術にかかる光学部品を構成する光ファイバのコ ァ内における光の進行の様子を表す図である。 発明を実施するための最良の形態
本発明の実施形態にかかる光学部品を図面を用いて説明する。 まず、 本実施形 態にかかる光学部品の構成について説明する。
図 1 Aは、 本実施形態にかかる光学部品の斜視図である。 光学部品 1 0は、 複 数の光ファイバを互いに平行に配置して形成されている。 各光ファイバは、 ファ ィバ軸が図 1 Aの y軸と平行になるように配列されており、 光学部品 1 0は、 フ アイバ軸に対して斜めにカツ卜された入射面 1 0 aと、 ファイバ軸に対して垂直 にカツ卜された出射面 1 0 bとを有し、 入射面 1 0 aに入射した入力パターンを 縮小して出射面 1 0 bから出力させることができるようになつている。
図 1 Bは、 図 1 Aの I一 I線に沿って X z平面に平行な平面で切った時の拡大 断面図である。 光学部品 1 0は、 第 1のクラッド 1 4と、 第 1のクラヅド 1 4の 周囲に形成されたコア 1 5と、 コア 1 4の周囲に形成された第 2のクラッド 1 6 とから形成される複数の光ファイバを、 そのファイバ軸が互い.に平行になるよう に規則的に配列した構成となっている。 また、 各光ファイバの間には、 光学部品
1 0内の迷光を除去するための光吸収材 1 8が設けられており、 各光ファイバの 第 2のクラッド 1 6は、 加熱 '加圧処理により一体化され、 隣接する光ファイバ 間の間隙を埋めている。
さらに、図 1 Bにおいて、第 1のクラヅ ド 1 4の断面は略円形状となっており、 コア 1 5の断面 (外周) は、 角のつぶれた略正六角形状となっている。 第 1のク ラッ ド 1 4及びコア 1 5の断面をこのような形状とするには、 光ファイバの加 熱 -加圧処理時において、 第 1のクラヅ ド 1 4及び第 2のクラッド 1 6の粘度が コア 1 5の粘度よりも大きくなるように、 第 1のクラッド 1 4、 コア 1 5及び第 2のクラッド 1 6の材質を選択すればよい。
ここで、 光の帯状の進行 (詳細は後述) を極力防止するためには、 第 1のクラ ヅド 1 4の径 aがコア 1 5の断面の直線部分(もしくは直線に近い部分)の幅 a, と比較して大きいことが有利であるが、 入射面 1 0 aにおける有効受光面積 (コ ァ 1 5の断面積) を大きくするためには、 第 1のクラッド 1 4の径 aが小さいこ とが望ましい。 また、 各コアの間隙を満たす第 2のクラッド 1 6の幅 bは、 クラ ッドとして機能するための十分な厚さを有していることが必要であり、 特に光学 部品 1 0において通常使用される波長 ( 5 5 0 nm) の 1 / 2以上であることが 好ましい。
本実施形態にかかる光学部品 1 0においては、 有効受光面積、 解像度等を考慮 して、 第 1のクラッド 1 4の径 aを 2〃m程度、 コア 1 5の断面の平面部分の幅 a ' は 4〃m程度としており、 各コアの間隙を満たす第 2のクラヅド 1 6の幅 b は、 2〃m程度としている。 また、 コア 1 5の外径は 1 0 / m程度となっている。 また、 第 1のクラッド 1 4は、 例えば屈折率 が 1 . 4 9 5のホウケィ酸ガ ラス、 コア 1 5は、 例えば屈折率 n 2が 1 . 8 2の B a - L a系ガラスから形成 されており、 第 2のクラッ ド 1 6は、 屈折率 n 3が 1 . 4 9 5のホウケィ酸ガラ スから形成されている。 従って、 図 1 Bの I I— I I線に沿った屆折率分布は、 図 1 Cに示すようになる。 上記第 1のクラッド 1 4、 コア 1 5及び第 2のクラッ ド 1 6の屈折率から明らかなように、 コア 1 5の屈折率 n 2は第 1のクラッド 1 4の屈折率 よりも大きく、 第 2のクラッ ド 1 6の屈折率 n 3はコア 1 5の屈 折率 n 2はよりも小さくなつており、 また、 第 1のクラッ ド 1 4の屈折率!^と 第 2のクラッド 1 6の屈折率 n 3とは等しくなつている。
続いて、 本実施形態に係る光学部品の製造方法について説明する。 図 2 A〜図 2 Eは、 光学部品 1 0を構成する光ファイバ対の製造工程図であり、 図 2 F〜図 2 Hは、 各工程で製造される母材等の断面図である。
光学部品 1 0を構成する光ファイバを製造するには、 まず、 円柱形状を有する 第 1のクラッド母材 2 0を製造する (図 2 A、 図 2 F ) 。 第 1のクラッド母材 2 0は、 例えば屈折率が 1 . 4 9 5のホウケィ酸ガラスから形成され、 その側面は セリア研磨などの方法によって研磨される。
続いて、 図 2 Bに示すように別途製造されたパイプ形状を有するコア母材 2 2 に、上記工程で製造された第 1のクラッド母材 2 0を装填する (図 2 C、図 2 G )。 ここで、 コア母材 2 2は、 例えば屈折率が 1 . 8 2の B a— L a系ガラスから形 成され、 その内面及び外面はセリア研磨などの方法によって研磨されている。 続いて、 上記工程で製造された、 第 1のクラッド母材 2 0をコア母材 2 2に装 填したものをさらに、 図 2 Dに示すようなパイプ形状を有する第 2のクラッド母 材 2 4に装填し、 光ファイバ製造用の母材 2 6を製造する (図 2 E、 図 2 H ) 。 ここで、 第 2のクラヅド母材 2 4は、 例えば屈折率が 1 . 4 9 5のホウケィ酸ガ ラスから形成され、 第 2のクラッド母材 2 4の一方の底部 2 4 aは、 バーナーに よる溶融などの方法によって封止される。
その後、 上記母材 2 6を線引きして光ファイバを製造する。 この方法によって 製造された光ファイバの断面を拡大したものを図 3に示す。 当該光ファイバ 2 8 は、 第 1のクラッド 1 4 (屈折率 1^ = 1 . 4 9 5 ) と、 第 1のクラッド 1 4の 周囲に形成されたコア 1 5 (屈折率 n 2 = l . 8 2 ) と、 コア 1 5の周囲に形成 された第 2のクラッド 1 6 (屈折率 n 3 = l . 4 9 5 ) とから形成されている。 上記工程によって製造された複数本の光ファイバ 2 8を、 その間隙に光吸収材 1 8を適宜配置しつつ互いに平行に配列し、 加熱 ·加圧処理により一体成形する ことで、 光学部品 1 0が製造される。 ここで、 第 1のクラッド 1 4、 コア 1 5及 び第 2のクラッド 1 6の周囲温度に対する粘度の変化を図 4に示す。 図 4からわ かるように、 光ファイバの加熱 '加圧処理時の温度下 (約 8 5 0。C) では、 コア 1 5の粘度と比較して第 1のクラッド 1 4及び第 2のクラッド 1 6の粘度の方が 大きくなつている。 また、 光ファイバの強度の点からは、 コア 1 5と第 1のクラ ッド 1 4及び第 2のクラッド 1 6との熱膨張係数の差が大きいとクラヅク等が発 生しやすいので、 その差は小さい方が望ましい。 すなわち、 第 1のクラッド 1 4 及び第 2のクラヅド 1 6の熱膨張係数がコア 1 5のそれと比較して小さすぎる (差が大きい) と、 コア 1 5に大きな引っ張り応力が発生し、 光ファイバが割れ やすくなる。
続いて、 本実施形態にかかる光学部品の作用について説明する。 ここで、 まず、 従来技術にかかる光学部品の問題点について明らかにしておく。 従来技術にかか る光学部品の製造は、 通常、 断面が円形または正方形の複数の光ファイバを互い に平行に配置して束ね、 一体成形することにより行う。 また、 光学部品の解像度 を向上させるために、 上記束ねられた光ファイバ群をさらに線引きしたもの (マ ルチファイバ) を平行に配置して束ねて一体成形したり、 上記の線引き工程と束 ねる工程を複数回繰り返したもの (マルチマルチファイバ) を一体成形すること により光学部品を製造することもある。
上記製造方法により光学部品を製造する際の、 各光フアイバのコアの断面形状 の変化を図 1 5 A〜図 1 5 C、 図 1 6 A〜図 1 6 C及び図 1 7 A〜図 1 7 Cに示 す。 図 1 5 A〜図 1 5 Cは、 コア 2の断面が円形の光ファイバ 4を四方配置して 光学部品 6を形成した場合の、 コア 2の断面形状の変化を示している。 コア 2の 断面が円形の光ファイバ 4を四方配置して光学部品 6を形成した場合は、 図 1 5 A〜図 1 5 Cに示すように、 光ファイバ 4を束ねて一体成形する際の加熱 ·加圧 処理により、 各光ファイバ 4のコア 2の断面が略正方形に変形する。
ここで、 変形の度合いは、 上記加熱 '加圧処理時の温度下での光ファイバ 4の コア 2とクラッド 8の硬さによって異なる。 コア 2がクラッ ド 8と比較して極め て硬い場合は、 コア 2の断面を円形に維持できるが、 隣接するコア 2同士の接触 を避けるため、 コア 2をクラッド 8と比較して極端に硬くすることは実用上困難 である。
図 1 6 A〜図 1 6 Cは、 コア 2の断面が円形の光ファイバ 4を六方配置して光 学部品 6を形成した場合の、 コア 2の断面形状の変化を示している。 この場合は 光ファイバ 4を束ねて一体成形する際の加熱 ·加圧処理により、 各光ファイバ 4 のコア 2の断面が略正六角形に変形する。 また、 図 1 7 A〜図 1 7 Cは、 コア 2 の断面が正方形の光ファイバ 4を四方配置して光学部品 6を形成した場合の、 コ ァ 2の断面形状の変化を示している。 この場合は、 各光ファイバ 4を配置した際 に隣接するクラッド 8間の隙間が無くなるため、 光ファイバ 4を束ねて一体成形 する際の加熱 ·加圧処理後も、 コア 2の断面は正方形に維持される。
上記のように製造される光学部品 6は、 各光ファイバ 4のコア 2の断面が正方 形、 六角形などのような、 互いに平行となる対辺を有する多角形となるため、 以 下に示すような問題がある。 すなわち、 光学部品 6の入射面に入射した光のコア 2内の進行は、 図 1 8 A〜図 1 8 Cに示すような螺旋状の進行と、 図 1 9 A〜図 1 9 Cに示すような帯状の進行の双方が発生しうる。 ここで、 図 1 8 A〜図 1 8 C及び図 1 9八〜図1 9 C中の白抜き丸印及び黒丸印は、 光の入射位置を示して いる。
図 1 8 Aは、 光学部品 6の入射面 (コア 2の入射面) 6 aに入射した光のコア 2内の進行の様子を示しており、 図 1 8 Bは当該光の進行の軌跡を入射面 6 aと 平行な平面に射影した図である。 図 1 8 A及び図 1 8 Bに示すように、 光学部品 6の入射面 6 aにランダムな入射角 (図 1 9 A〜図 1 9 Cを用いて説明する特定 の入射角を除く) で入射した光は、 コア 2内を螺旋状に進行する。 その結果、 図 1 8 Cに示すように、 光学部品 6の入射面 6 aに一定の入射角 0で光が入射した 場合であっても、 その入射した位置の違いにより、 光学部品 6の出射面 6 bから 様々な出射角で出射される。
一方、 図 1 9 A及び図 1 9 Bに示すように、 光学部品 6の入射面 6 aに特定の 入射角 (光がコア 2の平行な対面によってのみ反射 .進行するような入射角) で 入射した光は、 コア 2内を帯状に進行する。 その結果、 図 1 9 Cに示すように、 光学部品 6の入射面 6 aに一定の入射角 Θで光が入射した場合は、 その入射した 位置の違いによらず、 光学部品 6の出射面 6 bからも 0の出射角で出射されるこ とになる。 従って、 光学部品 6の出射面 6 bから出射される出力イメージに、 特 定の出射角にのみ強度を有するパターンが形成され、 このパターンがノイズとな つて光学部品 6の解像度を低下させる。 特に、 マルチファイバ (マルチマルチフ アイバも同様) を一体成形することにより製造された光学部品は、 当該マルチフ アイバの中央部と縁部とでコア 2の変形の度合いが異なるため、 この変形の度合 いの相違に起因して、 当該マルチファイバの断面形状に応じたパターンノイズが 発生し、 光学部品 6の解像度が著しく低下する。
これに対して、 本実施形態にかかる光学部品 1 0の場合について考える。 光学 部品 1 0は、 各光ファイバが、 第 1のクラヅ ド 1 4と、 第 1のクラヅ ド 1 4の周 囲に形成されたコア 1 5と、 コア 1 5の周囲に形成された第 2のクラッド 1 6と を備えていることで、 入射面 1 0 aに入射した光は、 第 1のクラッド 1 4とコア 1 5との界面及び第 2のクラッド 1 6とコア 1 5との界面の双方で反射を繰り返 し、 コア 1 5内を伝播する。 ここで、 例えば図 1 Bに示すように、 光学部品 1 0 の一体成型時にコア 1 4 (コア 1 5 ) が変形して互いに平行となる対面が形成さ れる場合であっても、 コア 1 5内を進行する光は、 第 2のクラッド 1 6との界面 だけではなく、 断面が略円形、 すなわち曲面形状を有する第 1のクラッド 1 4と W の界面においても反射するため、 コア 1 4内を帯状に進行するといつた状況が回 避される。 ここで、 図 1 Bに示すように、 第 1のクラッド 1 4の径 aがコア 1 5 の断面の直線部分の幅 a, と比較して多少小さい場合であっても、 光の帯状の進 行は大幅に低減できる。 その結果、 特定の出射角にのみ強度を有するパターンが 形成されることが防止される。
また、 光学部品 1 0は、 第 1のクラッド 1 4の屈折率 と第 2のクラッド 1 6の屈折率 η 3とを等しくしでいるため、 コア 1 5と第 1のクラッド 1 4との界 面における臨界角と、 コア 1 5と第 2のクラッド 1 6との界面における臨界角と が等しくなる。
続いて、 本実施形態にかかる光学部品の効果について説明する。 光学部品 1 0 は、 光学部品 1 0を構成する光ファイバを、 断面が略円形状の第 1のクラッド 1 4と、 第 1のクラッド 1 4の周囲に形成されたコア 1 5と、 コア 1 5の周囲に形 成された第 2のクラッド 1 6とから構成することにより、 特定の出射角にのみ強 度を有するパターンが形成されることをなくすことができる。 その結果、 パター ンノイズを防止することが可能となり、 光学部品 1 0の出射面 1 O bからは、 解 像度の高い出力イメージを得ることが可能となる。
さらに、 光学部品 1 0は、 コア 1 5と第 1のクラッド 1 4との界面における臨 界角と、 コア 1 5と第 2のクラッド 1 6との界面における臨界角とを等しくして いるため、 コア 1 5と第 1のクラッド 1 4との界面で全反射した光は必ずコア 1 5と第 2のクラッド 1 6との界面でも全反射し、 また、 コア 1 5と第 2のクラッ ド 1 6との界面で全反射した光は必ずコア 1 5と第 1のクラッ ド 1 4との界面で も全反射することになり、 効率の良い光伝送が可能となる。
上記実施形態においては、 光学部品 1 0を構成する光ファイバ 2 8を形成する ために、 図 2 F〜図 2 Hに示す方法で母材 2 6を形成していたが、 これは以下に 示すような方法を用いてもよい。 すなわち、 図 5 A〜図 5 Cに示すように、 まず 円柱形状を有する第 1のクラッド母材 2 0を製造し (図 5 A) 、 その周囲に、 肉 厚円筒をその底面に垂直な平面で 2等分した形状を有するコア母;^ 3 0を 2つ配 置し、 (図 5 B ) 。 その後、 上記工程で製造された、 第 1のクラッド母材 2 0の 周囲にコア母材 3 0を配置したものを、 パイプ形状を有する第 2のクラッド母材
2 4に装填し、 光ファイバ製造用の母材 3 2を製造する (図 5 C ) 。 ここで、 第 2のクラッド母材 2 4の一方の底部 2 4 aは、 バーナーによる溶融などの方法に よって封止される。 以降の処理、 すなわち母材 3 2の線引きによる光ファイバ 2 8の形成、 及び、 光学部品 1 0の形成については上述のとおりである。
また、光学部品 1 0を構成する光ファイバ 2 8を形成するための母材の形成は、 以下に示すような方法を用いてもよい。すなわち、図 6 A〜図 6 Cに示すように、 まず円柱形状を有する第 1のクラッド母材 2 0を製造し (図 6 A)、 その周囲に、 円柱形状を有するコア母材 3 4を複数個配置する (図 6 B ) 。 その後、 上記工程 で製造された、第 1のクラッド母材 2 0の周囲にコア母材 3 を配置したものを、 パイプ形状を有する第 2のクラッド母材 2 4に装填し、 光ファイバ製造用の母材
3 6を製造する (図 6 C ) 。 ここで、 第 2のクラッド母材 2 4の一方の底部 2 4 aは、 バーナーによる溶融などの方法によって封止される。 以降の処理、 すなわ ち母材 3 6の線引きによる光ファイバ 2 8の形成、 及び、 光学部品 1 0の形成に ついては上述のとおりである。
また、光学部品 1 0を構成する光ファイバ 2 8を形成するための母材の形成は、 以下に示すような方法を用いてもよい。すなわち、図 7 A〜図 7 Cに示すように、 まず円柱形状を有する第 1のクラッド母材 2 0を製造し (図 7 A )、 その周囲に、 四角柱形状を有するコア母材 3 8を複数個配置する (図 7 B ) 。 その後、 上記ェ 程で製造された、 第 1のクラッド母材 2 0の周囲にコア母材 3 8を配置したもの を、 パイプ形状を有する第 2のクラッド母材 2 4に装填し、 光ファイバ製造用の 母材 4 0を製造する (図 7 C ) 。 ここで、 第 2のクラッド母材 2 4の一方の底部 2 4 aは、 パーナ一による溶融などの方法によって封止される。 以降の処理、 す なわち母材 4 0の線引きによる光ファイバ 2 8の形成、 及び、 光学部品 1 0の形 成については上述のとおりである。 .
上記実施形態において、 光学部品 1 0の断面構造は図 1 Bに示すようになって いたが、 光学部品 1 0を構成する各光ファイバが、 断面が略円形の第 1のクラッ ド 1 4と、 第 1のクラッド 1 4の周囲に形成されたコア 1 5と、 コア 1 4の周囲 に形成された第 2のクラッド 1 6とを備えていれば、 様々な変形が考えられる。 図 8は、 第 1の変形例にかかる光学部品 5 0の断面拡大図である。 光学部品 5 0が第 1の実施形態に係る光学部品 1 0と異なる点は、 光学部品 5 0が光吸収材 1 8を設けていない点である。 また、 光学部品 5 0においては、 第 1のクラッド 1 4の径 aがコア 1 5の断面の直線部分 (もしくは直線に近い部分) の幅 a, よ りも大きくなつていることより、 従来技術に示した、 光の帯状の進行を完全に排 除することが可能となる。 また、 各コアの間隙を満たす第 2のクラッド 1 6の幅 bは、クラッドとして機能するための十分な厚さを有していることが必要である。 図 9は、 第 2の変形例にかかる光学部品 6 0の断面拡大図である。 光学部品 6 0が第 1の変形例にかかる光学部品 5 0と異なる点は、 光学部品 5 0はコア 1 5 の界面 (外周) が曲面形状を有するのに対し、 光学部品 6 0は、 コア 1 5の界面 (外周) が平面形状を有する点である。 このような断面形状を有する光学部品 6 0は、 光ファイバの加熱 ·加圧処理時において、 コア 1 5の粘度が第 1のクラヅ ド 1 4及び第 2のクラッド 1 6の粘度と比較して極めて小さくなるように、 第 1 のクラヅ ド 1 4、 コア 1 5及び第 2のクラッド 1 6の材質を選択することによつ て得られる。 この場合も、 従来技術に示した、 光の帯状の進行を極力防止するた めには、 第 1のクラッド 1 4の径 aがコア 1 5の断面の直線部分の幅 a, よりも 大きいことが有利であるが、 入射面 1 0 aにおける有効受光面積 (コア 1 5の断 面積) を大きくするためには、 第 1のクラッド 1 4の径 aが小さいことが望まし いため、 解像度、 有効受光面積等を考慮して適宜第 1のクラッド 1 4の径を選択 すればよい。 また、 各コアの間隙を満たす第 2のクラヅ ド 1 6の幅 bは、 クラッ ドとして機能するための十分な厚さを有していることが必要である。

Claims

図 10は、 第 3の変形例にかかる光学部品 70の断面拡大図である。 光学部品 70が第 1の実施形態に係る光学部品 10と異なる点は、 光学部品 70は、 第 1 のクラッド 14の内部に光吸収材 72を設けた点である。 第 1のクラッド 14の 内部に光吸収材 72を設けることにより、 第 1のクラッド 14内に進入した光を 光吸収材 72によって効果的に除去することができる。 図 1 1 〜図1 1 Dは、 上記第 3の変形例にかかる光学部品 70の製造工程図 である。 光学部品 70を構成する光ファイバを製造するには、 まず、 円柱形状の 光吸収材用母材 74を製造し (図 1 1 A) 、 その周囲を第 1のクラッド母材 76 で覆うことにより、 円柱形状の第 1のクラッド母材 76を形成する (図 1 1 B)。 その後のコア母材 22への装填 (図 1 1 C) 、 第 2のクラッド母材 24への装填 (図 1 1 D) は、 上述の通りである。 この方法によって製造された母材 78を線 引きし、 一体成形することで光学部品 70が得られる。 また、 上記第 3の変形例にかかる光学部品 70は、 図 12 A〜図 12 D、 図 1 3八〜図130、 図14八〜図14 Dに示すような製造方法によっても製造する ことが可能である。 すなわち、 第 1のクラッド母材 76の周囲にコア母材を配置 する工程において、 肉厚円筒をその底面に垂直な平面で 2等分した形状を有する コア母材 30を 2つ配置してもよい (図 12 C) し、 円柱形状を有するコア母材 34を複数個配置してもよい (図 13 C) し、 四角柱形状を有するコア母材 38 を複数個配置してもよい (図 14 C)。 また、 上記各実施形態にかかる光学部品 10, 50, 60及び 70は、 複数の 光ファイバを平行に配列した光学部品であつたが、 これは、 複数の光ファイバを 湾曲部を持たせて配列し、 入射面に入射した光イメージを拡大あるいは縮小して 出力するテ一パ形状の光学部品であってもよい。 産業上の利用可能性 上記光学部品は、 伝送効率が高い、 レンズと比較して光学系の小型化が可能で ある、 など種々の利点を有するため、 指紋検出装置、 放射線像検出器など、 様々 な分野に利用できる。 言青求の範囲
1 . 複数の光ファイバを配列してなる光学部品において、
前記各光ファイバは、
断面が略円形の第 1のクラッドと、
前記第 1のクラッドの周囲に形成されるとともに前記第 1のクラッドよりも大 きい屈折率を有するコアと、
前記コアの周囲に形成されるとともに、 前記コアよりも小さい屈折率を有する 第 2のクラッドと、
を備えたことを特徴とする光学部品。
2 . 前記第 1のクラッ ドの屈折率と前記第 2のクラッドの屈折率とが 等しい、
ことを特徴とする請求項 1に記載の光学部品。
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