DE69729503T2

DE69729503T2 - Faseroptisches Element

Info

Publication number: DE69729503T2
Application number: DE69729503T
Authority: DE
Inventors: Takeo Hamamatsu-shi SUGAWARA
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1996-04-22
Filing date: 1997-04-22
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2017-04-23
Also published as: US5903694A; EP0803745A1; DE69729503D1; JPH09288223A; JP3839519B2; EP0803745B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein faseroptisches Element zur Verwendung bei der Fingerabdruckerkennung und ähnlichen Anwendungen.
VERWANDTE TECHNIK
In einem Fingerabdruckerkennungsgerät und ähnlichen Anwendungen wird ein faseroptisches Element verwendet, um die dreidimensionale Oberflächenform eines Erkennungsziels in ein optisches Bild umzuwandeln. Als Beispiel einer praktischen Verwendung eines solchen faseroptischen Elements als Fingerabdruckerkennungsgerät ist eine Vorrichtung, die in der Japanischen Patent-Auslegeschrift Nr. 7-174947 beschrieben ist, bekannt. Im faseroptischen Element dieser Verweisstelle ist die Richtung einer optischen Achse von optischen Fasern, die das faseroptische Element bilden, um einen Neigungswinkel θ in Bezug auf den Einfallswinkel und Ausfallswinkel geneigt, wie in 11 der Verweisstelle gezeigt. Ein Ladungsspeicherbaustein (CCD) ist an dieser Austrittsoberfläche befestigt. In diesem faseroptischen Element sind die Einfallsoberfläche und die Austrittsoberfläche so ausgebildet, dass sie in Bezug auf die Richtung der optischen Achse geneigt sind, um zu verhindern, dass Licht direkt aus der Außenluft auf das faseroptische Element einfällt. Auch der Abstand zwischen einer Oberfläche, mit der ein Finger als Erkennungsziel in Berührung kommt (die Einfallsoberfläche des faseroptischen Elements), und dem CCD ist vermindert, um die Größe des Fingerabdruckerkennungsgeräts zu verringern.
Da die Lichtaustrittsoberfläche ebenfalls in Bezug auf die Richtung der optischen Achse der optischen Fasern geneigt ist, tritt Licht im oben beschriebenen faseroptischen Element nicht wirkend von der Bildausgabeoberfläche in die Außenluft aus, sogar wenn durch den Finger, der mit dem Lichteinfallswinkel in Berührung gekommen ist, ein Fingerabdruckbild auf das faseroptische Element einfällt. Auch wenn ein CCD an der Austrittsoberfläche befestigt ist, um die Ausgangseigenschaften zu verändern, ist die Lichtmenge, die aus der Ausfallsoberfläche austritt sehr gering, wodurch das Bild des zu erkennenden Fingerabdrucks meist entsprechend dunkel ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein faseroptisches Element bereitzustellen, das hervorragende Lichtausfallseigenschaften aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein faseroptisches Element, wie in Anspruch 1 definiert, bereitgestellt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung pflanzt sich Licht, das auf das erste optische Glied einfällt durch das erste optische Glied fort und tritt in Richtung auf das zweite optische Glied aus. Da die optischen Fasern der zweiten Art eine numerische Apertur aufweisen, die größer ist, als die der optischen Fasern der ersten Art, ist der Bereich des Ausfallswinkels von Licht, das aus der Ausgangsoberfläche des zweiten optischen Glieds austritt, breit.
Im faseroptischen Element gemäß der vorliegenden Erfindung kann der erste Winkel kleiner eingestellt sein, als der zweite Winkel.
Wenn in diesem Fall Licht von der ersten Stirnfläche des ersten optischen Glieds einfällt und sich in der Folge durch das erste und das zweite optische Glied fortpflanzt, um aus der zweiten Stirnfläche des zweiten optischen Glieds auszutreten, kann die Menge an Anteilen dieses Lichts, die aus der zweiten Stirnfläche des zweiten optischen Glieds und im rechten Winkel zur zweiten Stirnfläche des zweiten optischen Glieds austritt, leicht sichergestellt werden.
Im faseroptischen Element gemäß der vorliegenden Erfindung ist der erste Brechungsindex vorzugsweise gleich oder geringer als der zweite Brechungsindex.
Wenn sich Licht in diesem Fall vom ersten optischen Glied zum zweiten optischen Glied fortpflanzt, trifft es auf das zweite optische Glied auf, ohne dass es vom Verbindungsabschnitt zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Element vollständig reflektiert wird. Somit ist ein optischer Verlust, der an diesem Verbindungsabschnitt auftritt, vermieden.
Im faseroptischen Element gemäß der vorliegenden Erfindung treffen Lichtanteile von Licht, das sich durch das erste optische Glied fortpflanzt und auf die erste Stirnfläche des zweiten optischen Glieds einfällt, die den maximalen Einfallswinkel aufweisen, auf der Grenzfläche zwischen der Seele und der Hüllschicht der optischen Fasern der zweiten Art in einem Einfallswinkel auf, der gleich oder größer als der Grenzwinkel ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung pflanzt sich Licht, das auf das zweite optische Glied auftrifft, im Wesentlichen zur Gänze entlang dem zweiten optischen Glied fort.
Die vorliegende Erfindung wird auf Grundlage der im Folgenden abgegebenen ausführlichen Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen, die nur zur Veranschaulichung dienen und nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung, wie durch Anspruch 1 definiert, verstanden werden dürfen, in größerer Vollständigkeit verstanden.
Weitere Möglichkeiten der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung gehen aus der ausführlichen Beschreibung in der Folge hervor. Es versteht sich jedoch, dass die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele zwar bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angeben, jedoch nur zur Veranschaulichung dienen sollen, da für Fachleute aus dieser ausführlichen Beschreibung verschiedene Änderungen und Varianten im Umfang der angehängten Ansprüche ersichtlich sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 und 2 sind schematische Gesamtansichten eines faseroptischen Elements der ersten Ausführungsform;
3 ist eine Ansicht zur Erklärung des Neigungswinkels des ersten optischen Glieds;
4 bis 7 sind Ansichten zur Erklärung der Ausfallsoberfläche des zweiten optischen Glieds;
8 ist eine Ansicht zur Erklärung des Neigungswinkels des zweiten optischen Glieds;
9 ist eine Ansicht zur Erklärung des Neigungswinkels des zweiten optischen Glieds;
10 ist eine Ansicht zur Erklärung des Neigungswinkels des zweiten optischen Glieds;
11 ist eine Ansicht zur Erklärung des Neigungswinkels des zweiten optischen Glieds;
12 ist eine Ansicht zur Erklärung des in Verwendung befindlichen faseroptischen Elements;
13 ist eine Ansicht zur Erklärung eines in Verwendung befindlichen faseroptischen Elements gemäß der dritten Ausführungsform; und
14 ist eine Ansicht zur Erklärung des in Verwendung befindlichen faseroptischen Elements gemäß der dritten Ausführungsform.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Faseroptische Gliederanordnungen gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen sind gleichartige Elemente jeweils mit denselben Bezugsziffern bezeichnet und eine wiederholte Erklärung ist unterlassen worden.
Erste Ausführungsform
1 und 2 sind schematische Gesamtansichten eines faseroptischen Elements 1. Wie in 1 und 2 gezeigt, besteht das faseroptische Element 1 aus einem ersten optischen Glied 2 und einem zweiten optischen Glied 3, wobei die ersten und zweiten optischen Glieder 2 und 3 übereinander angeordnet und miteinander verbunden sind. Wie in 2 gezeigt, erhält man das erste optische Glied 2 durch Vereinigung, indem eine Mehrzahl optischer Fasern 21, die in dieselbe Richtung zeigen, gebündelt wird, und dieses Glied weist Oberflächen 22 und 23, die schräg zur Richtung einer optischen Achse der optischen Fasern 21 gebildet sind, auf. Genauer gesagt sind die Oberflächen 22 und 23 des ersten optischen Glieds 2 einander gegenüberliegend und parallel zueinander angeordnet, und sind in einem vorbestimmten Neigungswinkel θ2 gebildet, so dass sie nicht im rechten Winkel oder parallel zur Richtung der optischen Achse der optischen Fasern 21 angeordnet sind. In jeder optischen Faser 21, die das erste optische Glied 2 umfasst, ist eine Hüllschicht 25 um eine Seele 24 gebildet, und der Brechungsindex der Seele 24 ist so eingestellt, dass er größer ist, als jener der Hüllschicht 25. Dadurch kann sich Licht entlang der Seele 24 fortpflanzen. Des Weiteren sind Absorber 26 zwischen den optischen Fasern 21 angeordnet, wodurch Licht, das auf eine beliebige optische Faser 21 auftrifft und sich außerhalb der Hüllschicht 25 fortpflanzt, verschwindet, da es von den Absorbern 26 aufgenommen wird, so dass es nicht zu den benachbarten optischen Fasern 21 austritt.
Der oben beschriebene Neigungswinkel θ2 des ersten optischen Glieds 2 ist auf einen solchen Wert eingestellt, das sich Licht, das auf die optischen Fasern 21 des ersten optischen Glieds 2 aus der Luft einfällt, nicht in den optischen Fasern 21 fortpflanzt. Der Neigungswinkel θ2, der einzustellen ist, wird zum Beispiel erlangt durch Einsetzen von α und β, welche die folgenden Gleichungen (1) und (2) erfüllen, in Gleichung (3): n24sinβ = n0sin90° (für den Neigungswinkel von 90°) (1) n24sinα = n25sin90° (für die Gesamtreflexion) (2) θ2 + (90° + β) + (90° + α) = 180° (3),wobei β der Winkel der Lichtbrechung in den optischen Fasern 21 ist, wenn das Licht aus einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zur Oberfläche 22 ist, auf die optischen Fasern 21 einfällt, α ist der Grenzeinfallswinkel, wenn dieses Licht auf die Grenzfläche zwischen der Seele 24 und der Hüllschicht 25 einfällt, während es sich fortpflanzt obwohl es die Gesamtreflexion an der Grenzfläche wiederholt, n₀ ist der Brechungsindex von Luft, n₂₄ ist der Brechungsindex der Seele 24, und n₂₅ ist der Brechungsindex der Hüllschicht 25, wie in 3 abgebildet.
Wenn n₀ = 1, n₂₄ = 1,56 und n₂₅ = 1,52 ist, wird der Neigungswinkel θ2 = 37° mit diesen Gleichungen (1), (2) und (3) berechnet. Wenn also der Neigungswinkel θ2 auf einen Wert eingestellt ist, der kleiner als 37° ist, pflanzt sich Licht, sogar wenn es aus der Luft auf die optischen Fasern 21 des ersten optischen Glieds 2 einfällt, nicht in den optischen Fasern 21 fort. Mit anderen Worten, wenn der Neigungswinkel θ2 (< 37°) eingestellt ist wird Licht, das aus der Luft auf das erste optische Glied 2 einfällt, nicht aus dem ersten optischen Glied 2 austreten, während nur Licht, das durch ein Objekt, das in Berührung mit der Oberfläche 22 ist, auf das ersten optischen Glied 2 einfällt, austritt.
Wie in 1 und 2 gezeigt, erhält man das zweite optische Glied 3 durch Vereinigung, indem eine Mehrzahl optischer Fasern 31, die in dieselbe Richtung zeigen, auf dieselbe Weise wie beim ersten optischen Glied 2 gebündelt wird. Wie in 2 gezeigt, weist das zweite optische Glied 3 Oberflächen 32 und 33, die schräg zur Richtung einer optischen Achse der optischen Fasern 31 gebildet sind, auf. Genauer gesagt sind die Oberflächen 32 und 33 des zweiten optischen Glieds 3 einander gegenüberliegend und parallel zueinander angeordnet, und sind in einem vorbestimmten Neigungswinkel θ3 gebildet, so dass sie nicht im rechten Winkel oder parallel zur Richtung der optischen Achse der optischen Fasern 31 angeordnet sind. In jeder optischen Faser 31, die das zweite optische Glied 3 umfasst, ist eine Hüllschicht 35 um eine Seele 34 gebildet, und der Brechungsindex der Seele 34 ist so eingestellt, dass er größer ist, als jener der Hüllschicht 35. Dadurch kann sich Licht entlang der Seele 34 fortpflanzen. Des Weiteren sind Absorber 36 zwischen den optischen Fasern 31 angeordnet. Dadurch tritt Licht, das auf eine beliebige optische Faser 31 auftrifft nicht zu den benachbarten optischen Fasern 31 aus.
Wie in 2 gezeigt, ist die Oberfläche 32 des zweiten optischen Glieds 3 mit der Oberfläche 23 des ersten optischen Glieds 2 verbunden, so dass Licht, das aus dem ersten optischen Glied 2 austritt, auf die Oberfläche 32 einfallen kann. Das zweite optische Glied 3 weist eine größere numerische Apertur auf, als das erste optische Glied 2. Mit anderen Worten weisen die optischen Fasern 31 des zweiten optischen Glieds 3 eine numerische Apertur auf, die größer ist, als jene der optischen Fasern 21 des ersten optischen Glieds 2. Die numerische Apertur des zweiten optischen Glieds 3 wird durch die Brechungsindizes n₃₄ und n₃₅ der Seelen 34 beziehungsweise der Hüllschichten 35 der optischen Fasern 31 bestimmt. Genauer gesagt ist eine numerische Apertur NA durch die folgende Gleichung (4) gegeben: NA = (n34 2 – n35 2)1/2 (4)
Wenn sich die numerische Apertur NA erhöht, neigt der optische Fortpflanzungsverlust in den optischen Fasern 31 dazu, sich zu erhöhen. Daher wird die numerische Apertur NA auf einen entsprechend großen Wert, z. B. ungefähr 1,0, eingestellt.
Der Brechungsindex n₃₄ der Seelen 34 des zweiten optischen Glieds 3 ist so eingestellt, dass er größer ist, als der Brechungsindex n₂₄ der Seelen 24 des ersten optischen Glieds 2. Wenn der Brechungsindex n₂₄ der Seelen 24 des ersten optischen Glieds 2 zum Beispiel 1,56 beträgt, beträgt der Brechungsindex n₃₄ der Seelen 34 des zweiten optischen Glieds 3 1,82. Somit fällt Licht, das sich vom ersten optischen Glied 2 zum zweiten optischen Glied 3 fortpflanzt, auf das zweite optische Glied 3 ein, ohne vom Verbindungsabschnitt (Grenzabschnitt) zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Glied 2 und 3 vollständig reflektiert zu werden, wodurch ein Verlust der optischen Fortpflanzung vermieden wird.
Der Neigungswinkel θ3 des oben beschriebenen zweiten optischen Glieds 3 ist vorzugsweise so eingestellt, dass Licht, das sich durch das erste optische Glied 2 fortpflanzt und vom ersten optischen Glied mit dem Maximaleinfallswinkel auf das zweite optische Glied auftrifft, im Wesentlichen im Grenzwinkel auf die Grenzfläche zwischen der Seele 34 und der Hüllschicht 35 des zweiten optischen Glieds 3 einfällt. Der Grund dafür, warum der Neigungswinkel θ3 vorzugsweise auf einen solchen Wert eingestellt wird, ist in der Folge beschrieben. Um zu erlauben, dass ein annähernd senkrechter Lichtanteil aus der Oberfläche 33 des zweiten optischen Glieds 3 austritt, muss der Neigungswinkel θ3, der durch die Richtung der optischen Achse der optischen Fasern 31 (Längsrichtung der Seelen 34) und der Oberfläche 33 gebildet ist, annähernd ein rechter Winkel sein. Man nehme zum Beispiel an, Licht pflanzt sich entlang der Seele 34 der optischen Faser 31 fort, wie in 4 bis 7 abgebildet. Wenn der Brechungsindex n₃₄ der Seele 34 1,82 beträgt, und der Brechungsindex n₃₅ der Hüllschicht 35 1,495 beträgt, und der Neigungswinkel θ3 der Oberfläche 33 in Bezug auf die optische Achse ein rechter Winkel ist, wie in 4 gezeigt, tritt Licht in einem Bereich von 180° aus der Oberfläche 33 aus. In 4 zeigen Pfeile in der Seele 34 Licht an, das sich in einem Grenzwinkel fortpflanzt (ungefähr 55°). Wenn der Neigungswinkel θ3 der Oberfläche 33 in Bezug auf die optische Achse 75° beträgt, wie in 5 gezeigt, tritt Licht aus der Oberfläche 33 in einem Bereich von 128,5° aus. Wenn der Neigungswinkel θ3 der Oberfläche 33 in Bezug auf die optische Achse 60° beträgt, wie in 6 gezeigt, tritt Licht aus der Oberfläche 33 in einem Bereich von 99,1° aus. Wenn der Neigungswinkel θ3 der Oberfläche 33 in Bezug auf die optische Achse 30° beträgt, wie in 7 gezeigt, tritt Licht aus der Oberfläche 33 in einem Bereich von 39,3° aus. Wenn also der Neigungswinkel θ3, der von der optischen Achse der optischen Fasern 31 und der Oberfläche 33 gebildet ist, kleiner als 90° wird, vermindert sich der Winkelbereich von Licht, das aus der Oberfläche 33 austreten kann. Berücksichtigt man also die Bedingung, bei der Licht aus der Oberfläche 33 austritt, ist der Neigungswinkel θ3 der Oberfläche 33 vorzugsweise ein annähernd rechter Winkel.
Ist der Neigungswinkel θ3 der Oberfläche 33 jedoch annähernd ein rechter Winkel, ist das Licht, das vom ersten optischen Glied 2 in die optischen Fasern 31 des zweiten optischen Glieds 3 einfällt, eingeschränkt. Als Beispiel zeigen 8 bis 11 die Zustände von Licht, das auf das zweite optische Glied 3 einfällt, wenn das zweite optische Glied 3, das einen Neigungswinkel θ3 von 60°, 72,4°, 80° beziehungsweise 90° aufweist, mit dem ersten optischen Glied 2 verbunden ist, das einen Neigungswinkel θ2 von 35° aufweist. Man nehme unter Bezugnahme auf die 8 bis 11 an, dass der Seelenbrechungsindex n₂₄ und der Hüllschichtbrechungsindex n₂₅ des ersten optischen Glieds 2 1,56 beziehungsweise 1,52 betragen, und dass der Seelenbrechungsindex n₃₄ und der Hüllschichtbrechungsindex n₃₅ des zweiten optischen Glieds 3 1,82 beziehungsweise 1,495 betragen. Pfeile in der Seele 24 in 8 bis 11 zeigen Licht, das vom ersten optischen Glied 2 im Grenzwinkel auf die Grenzfläche zwischen der Seele 34 und der Hüllschicht 35 einfällt, und Pfeile in der Seele 34 zeigen das Licht, das bei Reflexion in die Seele 34 einfällt.
Wenn unter Bezugnahme auf 8 das zweite optische Glied 3, das den Neigungswinkel θ3 von 60° aufweist, verwendet wird, fällt Licht X, das mit dem maximalen Einfallswinkel vom ersten optischen Glied 2 einfällt, mit einem Winkel, der größer als der Grenzwinkel von 55° ist, auf den Grenzabschnitt zwischen der Seele 34 und der Hüllschicht 35 des zweiten optischen Glieds 3 ein, wird von diesem Grenzabschnitt vollständig reflektiert und pflanzt sich fort. Wenn unter Bezugnahme auf 9 das zweite optische Glied 3, das den Neigungswinkel θ3 von 72,4° aufweist, verwendet wird, fällt Licht X1, das mit dem maximalen Einfallswinkel vom ersten optischen Glied 2 einfällt, mit dem Grenzwinkel 55°, auf den Grenzabschnitt zwischen der Seele 34 und der Hüllschicht 35 des zweiten optischen Glieds 3 ein, wird von diesem Grenzabschnitt vollständig reflektiert und pflanzt sich fort. Wenn unter Bezugnahme auf 10 das zweite optische Glied 3, das den Neigungswinkel θ3 von 80° aufweist, verwendet wird, fällt Licht X1, das mit dem maximalen Einfallswinkel vom ersten optischen Glied 2 einfällt, mit einem Winkel, der kleiner als der Grenzwinkel von 55° ist, d. h. mit 47,4°, auf den Grenzabschnitt zwischen der Seele 34 und der Hüllschicht 35 des zweiten optischen Glieds 3 ein, wird von diesem Grenzabschnitt nicht vollständig reflektiert, sondern teilweise gebrochen, um in die Hüllschicht 35 auszutreten. In diesem Fall treten Lichtanteile von Licht, das vom ersten optischen Glied 2 einfällt, die in einem Winkel, der kleiner als der Grenzwinkel von 55° ist, auf den Grenzabschnitt zwischen der Seele 34 und der Hüllschicht 35 des zweiten optischen Glieds 3 auftreffen, in die Hüllschicht 35 aus und treten nicht aus der Oberfläche 33 des zweiten optischen Glieds 3 aus. Wenn unter Bezugnahme auf 11 das zweite optische Glied 3, das den Neigungswinkel θ3 von 90° (rechter Winkel) aufweist, verwendet wird, fällt Licht X1, das mit dem maximalen Einfallswinkel vom ersten optischen Glied 2 einfällt, mit einem Winkel, der kleiner als der Grenzwinkel von 55° ist, d. h. mit 37,4°, auf den Grenzabschnitt zwischen der Seele 34 und der Hüllschicht 35 des zweiten optischen Glieds 3 ein, wird von diesem Grenzabschnitt nicht vollständig reflektiert, sondern teilweise gebrochen, um in die Hüllschicht 35 auszutreten. In diesem Fall fällt der Großteil des Lichts, das vom ersten optischen Glied 2 einfällt, mit einem Winkel, der kleiner als der Grenzwinkel von 55° ist, auf den Grenzabschnitt zwischen der Seele 34 und der Hüllschicht 35 ein, und nur ein Teil des Lichts tritt aus der Oberfläche 33 des zweiten optischen Glieds aus. Ist also der Neigungswinkel θ3 des zweiten optischen Glieds 3 übermäßig groß, pflanzt sich Licht, das vom ersten optischen Glied 2 einfällt, nicht im zweiten optischen Glied 3 fort, sondern tritt in die Hüllschicht 35 des zweiten optischen Glieds 3 aus und wird von dieser aufgenommen. Um also zu ermöglichen, dass sich Licht, das vom ersten optischen Glied 2 auf das zweite optische Glied 3 eingefallen ist, zur Gänze wirksam fortpflanzt, muss Licht, das vom ersten optischen Glied 2 einfällt, in einem Winkel, der größer als der Grenzwinkel ist, in der Seele 34 des zweiten optischen Glieds 3 auf die Hüllschicht 35 einfallen.
Berücksichtigt man wie oben beschrieben die Bedingung, unter der Licht aus der Oberfläche 33 austreten kann, und die Bedingung, bei der sich Licht im zweiten optischen Glied 3 fortpflanzen kann, ist der Neigungswinkel θ3 des zweiten optischen Glieds vorzugsweise auf einen Wert einzustellen, der es erlaubt, dass Licht, das im Maximalwinkel vom ersten optischen Glied 2 auf das zweite optische Glied 3 einfällt, in einem Winkel nahe dem Grenzwinkel auf den Grenzabschnitt zwischen der Seele 34 und der Hüllschicht 35 im zweiten optischen Glied 3 einfällt. Ist der Neigungswinkel θ3 auf diese Weise eingestellt, tritt Licht, das auf das faseroptische Element 1 einfällt, wirksam aus der Oberfläche 33 aus, und Licht, das einen senkrechten Anteil aufweist, tritt aus der Oberfläche 33 aus, wodurch die Lichtausgabeeigenschaften des faseroptischen Elements 1 verbessert werden.
Unter Bezugnahme auf 2 können das erste optische Glied 2 und das zweite optische Glied 3 durch Haftvermittlung unter Verwendung eines durchsichtigen Klebstoffs miteinander verbunden sein. Vorzugsweise wird ein Klebstoff verwendet, der einen Brechungsindex zwischen dem Brechungsindex der Seelen 24 des ersten optischen Glieds 2 und dem Brechungsindex der Seelen 34 des zweiten optischen Glieds 3 aufweist. Wird ein Klebstoff verwendet, der einen solchen Brechungsindex aufweist, wird die Reflexionslichtmenge der betreffenden Einfallsoberfläche unterdrückt, wenn Licht vom ersten optischen Glied 2 auf den Klebstoff einfällt, und wenn Licht von diesem Klebstoff auf das zweite optische Glied einfällt.
In der Folge ist beschrieben, wie das faseroptische Element verwendet werden kann.
Wie in 12 gezeigt, kann das faseroptische Element 1 als Mittel verwendet werden, ein Fingerabdruckbild in die Fingerabdruckerkennungsvorrichtung einzugeben. Zum Beispiel ist das faseroptische Element 1 auf einem Bildaufnahmeelement 4, zum Beispiel einem Ladungspeicherbaustein (CCD), befestigt, so dass das Bildaufnahmeelement 4 ein Fingerabdrucksbild durch das faseroptische Element 1 empfangen kann. Genauer gesagt ist die Oberfläche 33 des faseroptischen Elements 1 mit einer lichtaufnehmenden Oberfläche 41 des Bildaufnahmeelements 4 verbunden, so dass das Fingerabdrucksbild eines Fingers, der in Berührung mit der Oberfläche 22 kommt, durch das erste optische Glied 2 und das zweite optische Glied 3 zur lichtaufnehmenden Oberfläche 41 übertragen werden kann.
Berührt bei der Fingerabdruckerkennungsvorrichtung mit diesem Aufbau ein Finger die Oberfläche 22, fällt nur Licht von diesem Berührungsabschnitt auf das erste optische Glied 2 ein. Das Bild dieses Lichts bildet ein dreidimensionales Fingerabdrucksbild und pflanzt sich in den optischen Fasern 21 des ersten optischen Glieds 2 fort. Dann tritt das Bild aus der Oberfläche 23 des ersten optischen Glieds 2 aus und fällt auf die Oberfläche 32 des zweiten optischen Glieds 3 ein.
Das optische Bild erreicht Oberfläche 33 des zweiten optischen Glieds 3 und fällt von der Oberfläche 33 auf die lichtaufnehmende Oberfläche 41 des Bildaufnahmeelements 4 ein. In diesem Moment treten die Lichtanteile, die das Fingerabdrucksbild bilden, gemäß der großen numerischen Apertur des zweiten optischen Glieds 3 in einem weiten Bereich aus der Oberfläche 33 aus. Dadurch ist die Menge an Lichtanteilen, die senkrecht auf die lichtaufnehmende Oberfläche 41 einfallen, sichergestellt, so dass das Fingerabdrucksbild hell erscheint. Somit empfängt das Bildaufnahmeelement 4 ein helles Fingerabdrucksbild, wodurch es eine hochpräzise Fingerabdruckserkennung durchführt. Das faseroptische Element 1 wird nicht nur in der Fingerabdruckerkennungsvorrichtung verwendet, sondern kann auch in anderen Vorrichtungen verwendet werden, die optischen Einfall erfordern.
Zweite Ausführungsform
Das faseroptische Element der Ausführungsform 2 erhält man, indem man den oben beschriebenen Neigungswinkel θ1 des zweiten optischen Glieds 3 des faseroptischen Elements 1 auf einen solchen Wert einstellt, dass Licht, das vom ersten optischen Element 2 im maximalen Einfallswinkel auf das zweite optische Glied 3 einfällt, in einem Winkel, der größer ist als der Grenzwinkel, auf den Grenzabschnitt zwischen der Seele 34 und der Hüllschicht 35 im zweiten optischen Glied 3 einfällt. Zum Beispiel sind ein Neigungswinkel θ2 des ersten optischen Glieds 2 und der Neigungswinkel θ3 des zweiten optischen Glieds 3 so eingestellt, dass sie gleich groß sind. In diesem Fall können die Ausgangseigenschaften von Licht aus dem zweiten optischen Glied 3 verbessert werden, sofern die numerische Apertur des zweiten optischen Glieds 3 größer ist, als die des ersten optischen Glieds 2.
Dritte Ausführungsform
Das faseroptische Element der dritten Ausführungsform erhält man, indem man zwischen die lichtaufnehmende Oberfläche 41 des Bildaufnahmeelements 4 und das oben beschrie benen faseroptischen Element 1 andere faseroptische Elementanordnungen schaltet, um die optischen Kopplungseigenschaften beim Verwenden des faseroptischen Elements 1 zu verbessern. Zum Beispiel kann wie in 13 gezeigt ein faseroptisches Element 5, dessen Einfalls- und Ausfallsoberflächen so geformt sind, dass sie die optische Achse der optischen Fasern im rechten Winkel kreuzen, zwischen ein faseroptisches Element 1 und eine lichtaufnehmende Oberfläche 41 geschalten sein, wodurch die optischen Kopplungseigenschaften zwischen dem faseroptischen Element 1 und dem Bildaufnahmeelement 4 verbessert werden. Ist, wie in 14 gezeigt, ein faseroptisches Element 6, dessen Einfallsoberfläche kleiner als die Ausfallsoberfläche ist, zwischen ein faseroptisches Element 1 und eine lichtaufnehmende Oberfläche 41 geschaltet, kann ein optisches Bild ohne Verlust übertragen werden, sogar wenn eine Oberfläche 33 des faseroptischen Elements 1 und eine lichtaufnehmende Oberfläche 41 verschieden groß sind.
Wie oben beschrieben ist, können gemäß der vorliegenden Erfindung die folgenden Nutzeffekte erzielt werden.
Wenn die numerische Apertur des zweiten optischen Glieds größer eingestellt ist, als die des ersten optischen Glieds, kann Licht problemlos vom ersten optischen Glied auf das zweite optische Glied einfallen, und Licht kann in einem weiten Bereich aus der Ausfallsoberfläche des zweiten optischen Glieds austreten.
Ist der Brechungsindex der Seelen der optischen Fasern des ersten optischen Glieds so eingestellt, dass er gleich oder größer ist, als der Brechungsindex der Seelen der optischen Fasern des zweiten optischen Glieds, fällt Licht, das sich vom ersten optischen Glied zum zweiten optischen Glied fortpflanzt, auf das zweite optische Glied ein, ohne dass es vom Verbindungsabschnitt zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Glied vollständig reflektiert wird. Somit wird ein optischer Verlust, der am Grenzabschnitt auftritt, vermieden, und ein helles optisches Bild tritt aus der Austrittsoberfläche aus.
Ist des Weiteren der Neigungswinkel des zweiten optischen Glieds so eingestellt, dass Licht, das im maximalen Einfallswinkel vom ersten optischen Glied auf das zweite optische Glied einfällt, in einem Grenzwinkel an der Grenzfläche zwischen der Seele und der Hüllschicht des zweiten optischen Glieds einfällt, wodurch sich Licht, das vom ersten optischen Glied auf das zweite optische Glied einfällt, verlässlich entlang des zweiten optischen Glieds fortpflanzt.
Es versteht sich, dass Ausführungsformen der Erfindung hierin nur als Beispiele beschrieben sind, und dass Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung, wie in den beiliegenden Ansprüchen dargelegt, abzuweichen.
Weitere Einzelheiten von faseroptischen Elementen sind in der Japanischen Patentanmeldung Nr. 100158/1996 zu finden.

Claims

Faseroptisches Element, umfassend: ein erstes optisches Glied (2), erlangt durch Zusammenschließen einer Mehrzahl paralleler optischer Fasern (21) einer ersten Art durch Bündelung, und das erste und zweite Stirnflächen (22, 23) und eine Bildübertragungsrichtung, die durch die Achsen der Fasern (21) definiert ist, aufweist, wobei die zweite Stirnfläche (23) im Wesentlichen parallel zu dessen erster Stirnfläche (22) ist und die optischen Fasern (21) der ersten Art eine erste numerische Apertur und Seelen mit einem ersten Brechungsindex aufweisen; und ein zweites optisches Glied (3), erlangt durch Zusammenschließen einer Mehrzahl von parallelen optischen Fasern (31) einer zweiten Art durch Bündelung, und das erste und zweite Stirnflächen (32, 33) aufweist, wobei das zweite optische Glied (3) eine zweite Bildübertragungsrichtung entlang der Achsen der zweiten optischen Fasern aufweist, die in einem zweiten schiefen Winkel (θ3) zu den Stirnflächen (32, 33) angeordnet ist, wobei die zweite Stirnfläche (33) im Wesentlichen parallel zu dessen ersten Stirnfläche (32) angeordnet ist und die optischen Fasern (31) der zweiten Art eine zweite numerische Apertur, die größer ist, als die erste numerische Apertur, und Seelen mit einem zweiten Brechungsindex aufweisen, wobei das faseroptische Element dadurch gekennzeichnet ist, dass die Bildübertragungsrichtung des ersten optischen Glieds (2) in einem ersten schiefen Winkel (θ2) zu den Stirnflächen (22, 23) angeordnet ist, und die erste Stirnfläche (32) des zweiten optischen Glieds mit der zweiten Stirnfläche (23) des ersten optischen Glieds verbunden ist.
Faseroptisches Element nach Anspruch 1, wobei der erste schiefe Winkel kleiner eingestellt ist, als der zweite schiefe Winkel.
Faseroptisches Element nach Anspruch 1, wobei der erste Brechungsindex im Wesentlichen gleich oder kleiner ist, als der zweite Brechungsindex.
Faseroptisches Element nach Anspruch 1, wobei Lichtanteile von Licht, das sich durch das erste optische Glied fortpflanzt und auf die erste Stirnfläche des zweiten optischen Glieds einfällt, die den maximalen Einfallswinkel aufweisen, auf der Grenzfläche zwischen der Seele und der Hüllschicht der optischen Fasern der zweiten Art in einem Einfallswinkel auftreffen, der gleich oder größer als der Grenzwinkel ist.
Faseroptisches Element nach Anspruch 1, wobei die ersten und die zweiten optischen Fasern eine deutlich unterschiedliche Breite aufweisen.