JPS6051802A - 光学像伝送装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、多数のガラスファイバを束ねてなるイメージ
ガイドと光学レンズ系とを組合せて、一方の位置から他
方の位置へ２次元像を伝送する光学像伝送装置に関する
もので９例えば原子力設備の遠方からの監視点検用等に
使用できる。

〔発明の背景〕

従来技術とその問題点を第１図〜第６図により説明する
。多数のガラスファイバを束ねてなるイメージガイドと
光学レンズとの組合ぜで構成される光学像伝送装置の基
本構成を第１図に示す。この光学系での画像の伝達は次
のように行なわれるまず、物体１１の像１１′が対物レ
ンズ１２により、イメージガイド１３の先端面１３′に
結像される。イメージガイド１３は多数のガラスファイ
バ素線１３ａ、　１：３１）。

１３Ｃ１・・・・・・を束ねることで構成されている。

イメージガイド１３の先端面１３′へ結像した光のうち
、イメージガイドを構成する各ガラスファイバのコア部
へ人ＵＩ　Ｌだ光か、イメージカイト１３　（７）後端
面１３”へ伝達される。なお、第１図では、イメージカ
イト１３の先端面１３′と後端面１３′″とか直線状同
軸上に配置されるように描かれているが、実際の装置に
適用する場合は、イメージガイｌ’１３の長さは数十メ
ートルとなるのが通常であり、その際、途中個所で自由
に曲げて差し支えないことはもちろんである。

イメージガイド１３の後端面１３″へ伝えられた像は、
イメージカイト１３の各ガラスファイバ素線のコア部に
対応した点の明暗から構Ｊ戊される。後端面１３″へ伝
わった像は、接眼部レンズ１４により後方に配置された
スクリーン」−で像↑５として観察される。像１５は、
イメージガイド１３を構成するガラスファイバに対応し
た点１５ａ、　１５ｂ、　１５ｃ、・・・・・などから
構成される。これらの各点で表イっされる物体１１」二
の位置は、イメージガイド１３の先端面１３′を対物レ
ンズ１２により物体１１上へ投影した時、先端面１３′
の各ガラスファイバのコア部が結像する場所に相当する
。

しかしながら、第１図の従来構成の光学像伝送装置には
次のような問題点があった。即ち、第１図のイメージカ
イト光学系によって（！Ｊら、ｂる像１５は、第２図に
その一例を示すように、イメージカイトを構成する各ガ
ラスファイバのコア部にχ・ｊ応した点の明暗で表わさ
れることになり、このため。

像の解像度はイメージカイトのガラスファイバ素線数で
制約され、解像度が小さいという問題点があった。

この問題点を解決する一つの方法として、イメージカイ
ト１３の先端面１３′と後端面１３″とを同期させて振
動させる方法がある。しかし、この方法は。

可動部分があることから、装置が大型化し、信頼性も低
いという問題点がある。

別の方法として、対物レンズ系内及び接眼部レンズ系内
にそれぞれ分散素子を配置する方法か提案されている（
特公昭４６−２３６５３号「光学像伝送装置」）。第３
図に分散素子を用いたイメージカイト光学系の構成を示
す。第３図において、３１は物体。

３２、３４は対物レンズ、３３は対物レンズ３２と３４
の間に配置した分散素子である。３．５は多数のカラス
ファイバ素線をその端面が規則的な配置関係となるよう
に束ねて形成されるイメージカイト、３５ａはカラスフ
ァイバ素線のうちの一木を表ゎず。３６゜３８ハ接眼部
レンズ、３７は接眼部レンズ３６と３８ノ間に配置した
分散素子である。３９はこの光学系で伝えられる像であ
り、　３９ａ、　３９ｂ＋　３９ｃ、・・・・・なとの
各点からイ＋Ｖ；成される。

第３図において、像３９は、イメージガイド３５を構成
する各ガラスファイバ素線に対応する点て表わされる。

これらの点は、イメージカイト３５の先端面３５′を対
物レンズ系により、物体３＋１−へ投影した場合、その
端面像のガラスファイバコア部が結像する場所の明るさ
を表わす。

ここで、イメージガイド３５を構成するガラスファイバ
素線のうちの一本、３５ａの作用について考える。まず
、青色の光で物体を照明した場合を考える。この場合、
カラスファイバ索線３５ａが明るさを伝える物体３１」
二の点は、対物レンズ系３２．３３゜３４によって３５
町の像を物体３１」二に結像させ、３５ａの像が結像す
る位置３］ａとして知ることかできる。

像３９を（１“η成する点のうちで３１Ｈに対応する点
は：３４）ａである。

次に、緑色の光で物体を照明した場合を考えると２　こ
の場合もガラスファイバ素線：３５ａが明るさを伝える
物体３］、Ｊ二の点は」二記と同様の手段で知ることが
できる。しかし、この場合は光が緑色であることから９
分散素子３３により光の方向が、青色の場合より僅かに
ツｅ−’ｋ　＜曲げられ、３５ａの像は青色の場合とは
少し異なった場所３１ｂに結像される。

従って、緑色の光を用いた場合にはガラスファイバ素線
３５ａによって明るさが伝えられる点は３１ｂとなる。

接眼部レンズ系においても分散素子３７によって光の進
行方向が曲げられるから＋　ｉ！ｔ’色の照明光を用い
た場合とは異なった点３９１ｔに、物体３１上の点３１
１）の像が結像される。照明光に赤色の光を用いた場合
にも、同様の理由により、カラスファイバ素線３５ａに
よって、物体３１．−１−１の点ＱＩＣの明るさが点３
９Ｃへ伝えられる。

以上のように２分散素子を用いることにより。

−木のカラスファイバ素線により数個所の点の明るさを
伝えることができる。同様の作用はイメーノＨイ１’３
５を構成する各ガラスファイバ索線についてモ生しる。

第４図に、この場合にイメージガイド光学系で伝えられ
る像３９を構成する点の様子を示す。第４図において、
３９ａは青色、３９ｂは緑色。

３３９Ｃは赤色の照明光を用いた場合に明るさが伝えら
れる点である。

照明光に白色光を用いれば、白色光は青、緑。

赤、・・・・・等の色を連続的≠含んでいることから。

一本のガラスファイバで明るさが伝えられる点は。

連続的になり、得られる像は、もはや点ではなく。

短線から構成されるようになる。この場合、短線の長さ
方向には、カラスファイバ端面像が密接して並んだこと
と同じになり、このため、短線の長さ方向での解像度が
改善される。

第５図に、この場合の、像を構成する短線の様子を示す
。第５図において、５１は一本のガラスファイバによっ
て明るさが伝えられる点が連続することによって構成さ
れる短線を示す。分散素子３３及び３７による分散の大
きさが増すとｌ：１ノ線５１の長さが長くなり、隣接す
るカラスファイバ１による短線と１部分的に重なり合う
ようになる。第６図に。

隣接する短線が部分的に重なり合った場合の様子を示す
。６１は重なり合った部分を示す。この重なり合った部
分の輝度情報は２本のカラスファイバ素線によって伝え
られることになり、従って、２本のガラスファイバのう
ち一方が断線しても他方のガラスファイバによって輝度
情報が伝えられ。

ガラスファイバの断線によって２重なり合った部分の輝
度情報が欠落することは避けられるようになる。

以上のように２分散素子を配置したイメージガイド光学
系を用いれば、像を構成する短線の方向には、多くの点
の明るさが伝えられることから。

分散素子を用いない場合に比べて解像度が向」ニする利
点があり、さらに短線を長くして重なり部分のある直線
とした場合には、」１記利点に加えて。

ガラスファイバ素線の断線によっても輝度情報の欠落が
防止できるようになるという利点を生しる。

しかし、上記した構成では、像を構成する短線あるいは
直線の方向と直交する方向での解像度は改善されないと
いう問題点があり、また、短線を連続させて重なり部分
のある直線とする場合にも重なり合いを生じていない部
分、の長さが、その直線方向での隣接する２本のガラス
ファイバ間の間隔で規制されてしまい、それ以」二の解
像度向」二は不可能であるという問題点があった。

〔発明の１」的〕 本発明の目的は９分散素子を配置したイメージガイド光
学系を用いる光学像伝送装置における上記した問題点を
解決し、短線状の像の解像度を。

一方向だけでな（その方向と直交する方向においても向
」二させることができ、また、短線を連続させて重なり
部分のある直線とする場合にも２重な）り合いの生じな
い部分の長さを、従来４．１／ｊ成の場合に比べてさら
に長くして短線の長さ方向と直交する方向での解像度を
さらに向上さぜることのできる光学像伝送装置を提供す
ることにある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は１分散素子を備えたイメージカイトを用
いる光学像伝送装置において、カラスファイバの配列を
不規則にした。つまり、素線の長さ方向番と直交する断
面内での素線配置が断面内のいずれの方向にも一定の周
期性を持たないようなイメージガイドを構成要素として
用いることにある。即ち、イメージカイトを（１′４成
するカラスファイバの配列を不規則にすることによって
、伝送像を形成する短線の重なり合いを回避し、解像度
の向上に寄与する短線部分の長さを長くしようとするも
のである。

〔発明の実施例〕

以下２図面により本発明を説明する。本発明においては
、第３図におけるイメージガイド３５を構成するガラス
ファイバ素線の配列をその端面内で見た時、第７図に示
すように不規則な配列としたイメージガイドを用いる。

このようなイメージカイトを用いた光学系によって明る
さが伝えられる物体３１」二の場所は、前述の方法でめ
ることができ、第８図のようになる。この場合も、イメ
ーンカイト光学系が伝える像は第８図に示すように短線
８２から構成される。なお、８１は、照明光の最も波長
の短かい光を用いて物体：３］１−へ投影したガラスフ
ァイバ素線のコア部の像、即ち、第７図に示した。カラ
スファイバ素線配置に対応する位置である。

第８図において、短線８２は」−下方向を向いているた
め、」二下方向には非常に多くの点の明暗によって像が
形成され、解像度も非常に大きくなることは、従来技術
と同じである。

次に、第８図の水平方向の解像度について考察する。第
８図において、水平方向の直線の像を考え、その直線の
像が単位長さ当り何個の点で表わされるかについて調べ
る。その個数は、水平方向゛の単位長さの直線と接する
か、あるいは交さする短線の本数と同数である。ガラス
ファイバが規則的に配列されている場合は、第６図に示
すように水平方向の直線と交さする短線の数は、短線ど
うしの重なり合いによって小さな数になるが９本発明は
カラスファイバの配列を不規則にすることにより、短線
どうしの重なり合いを減少させ、水・ト方向の直線と交
さする短線の数を増大させようとするものである。一本
の短線の長さをΔＤとすると、水平方向の直線と交さす
る短線のｆｉｔ位長さ当りの本数Ｎは、第８図において
ΔＤｘＪの面積内に含まれるガラスノアイノ１素線像８
１の個数としてｊｌりめることができる。

第３図において、対物レンズ３２の焦点距離を［１対物
レンズ３４の焦点距離をｆ２＋接眼部レンズ３６の焦点
距離をｆ２′、接眼部レンズ３８の焦点距ｐ；１［をｒ
１′とし、また９分散素子３３と３７の分散ａθ／ａλ
の値をａとし、さらに、照明光の波長幅をΔλとする。

短線８２の長さΔＤはこれらの値を用いてΔＤ＝　ａ−
Δλ・ｆ。

のように表わされる。物体３１」二へ投影したガラスフ
ァイバ端面像８２の密度をＤｅとすると、第８図の水平
方向の直線と交さする短線の単位長さ当りの１本数Ｎは 　ｆｚ Ｎ＝Ｄ、−ΔＤ＋−・− ｄｌ　ｆ。

となる。ただしｒ　ｄＩはガラスファイバのクラッドｆ
２ の直径であり’ｄｌ”ｆ、は単位長さの水平線」二に存
在する端面像の平均個数である。

俵積み構造をしたイメージガイドと、不規則配列とした
イメージガイドとでは、ガラスファイバの配列構造は異
なるが、ガラスファイバの素線密゛度はほぼ等しくなる
。そこで、不規則配列としたイメージガイドの素線密度
として５俵積み構造のイメージガイドの素線密度り、の
値を用いることにすると、Ｄ、は、ガラスファイバのク
ラッド直径ｄ１を用いて。

と表わされる。物体３１上へ投影したガラスファイバ端
面像の密度ＤＣは、対物レンズによる倍率がＺｆ／ｆ２
となるため となり、従って、Ｎは となる。この結果から、第８図の伝送像では、水平方向
の単位長さの線はＮ個の点で表わされることがわかる。

このＮ個の点の間隔は不規則であるが、平均的にはｌ／
Ｎとなる。従って水平方向の解像度ｔは で表わすことができる。

しかし、」二式で与えられる値はガラスファイバ□のコ
ア直径が非常に小さく、そのため、各短線の重なり合い
がほとんど生じない場合の値である。

ガラスファイバのコア直径をｄ、とすると、対物レンズ
によって単色光を用いて物体」−へ結像させたコア部の
端面像の直径は ｄｇ−Ｍ　＝　ｄｇ−焦 ｆ２ となり、このような直径のコア部の像を互いに接して連
らねた場合、単位長さ当りの個数は士・斤ｃｔｏ　ｆ。

となり、このような個数の点（小円）の連らなりによっ
て表わすことのできる最大の解像度ｔ、。２１Ｘはとな
る。

高解像度化によって得られる解像度ｔの値は。

計算式ではｔｍａＸより大きな値になることがある。

しかし、その場合は、各短線の重なり合いが生じ解像度
ｔはｔ１□１ｉｌＸ以下の値まで低下する。実際にはｔ
がｔｌｎ、１Ｘより大きくなった時に急に各短線の重な
り合いが生ずるわけではなく、１の値が太き（なるに従
い少しずつ重なり合いが生じ、その割合いはｔがｔｌｎ
ａｘに近づくに従い大きくなるものと考えられる。その
割合いの変化はガラスフン・イバの配列の不規則性に依
存している。

このように、短線の長さΔＤが長くなるに従って短線の
重なり合いが多くなるが、この重なり合いは、高解像度
化の効果を弱めるものではなく。

高解像度化によって得られる解像度が、コア直径によっ
て定められる最大値に近づくことによって生ずる現象で
ある。

短線の重なり合いが生じた場合４重なり合った部分は高
解像度化には寄与しなくなるが、これに代って、ガラス
ファイバの断線を補償する効果をもたらすようになる。

そのため、高解像度化によって得られる解像度が飽和し
短線の重なり合いが生じても実際には何ら障害となるこ
とはない。

以下、具体的な実施例について述べる。

実施例　１ 本実施例の光学系＋１１ａ成は第３図に示した光学系と
同じである。使用するイメージガイド３５は、クラッド
直径２０μｍ、そしてコア直径８ｐｍのガラスファイバ
を３万本、不規則な配列で束ねたものである。対物レン
ズ系のレンズ３４の焦点距離ｆ１は１０ｍｍである。そ
して、レンズ３４とイメージガイド３５の先端面３５′
との間隔をｌＱｍｍとする。対物レンズ系のレンズ３２
の焦点孔ｆ抽ｉ　ｆ２は５０　ｍｍである。分散素子３
３として直視プリズムを用いる。これは。

白色光を平行光束として入射させた１１１．プリズムを
透過する先のうち、波長が０，７　／ｌｌＴｌの光と０
．４　ｐｍの光の射出角の差が０．７１度のものである
。レンズ３２と分散素子３３は、レンズ３４にてきるが
ぎり接近させて配置する。接眼部レンズ系のレンズ３Ｇ
の焦点部ＫＩ’、ｆ１′は１０　ｍｍである。分散素子
３７は直視プリズｌ、を用い、３３と同じ特性をもつ。

レンズ３８の焦点距離ｆｚ’は１０　ｍｍである。レン
ズ３（ｉはイメージガイド３５の後端面３５″から１０
　ｍｍの場所に設置し２分散素子３７及びレンズ３８は
レンズ３Ｇに近づけて設置する。

このような構成の光学系による像の伝送を考える。イメ
ージガイド３５の先端面３５′を対物レンズ系により物
体上へ投影すると第８図に示すようになり、一本のガラ
スファイバの端面像は８２のように細長（なる。例えば
８２に対応する物体」二の位置を考えると、８２の両端
に対応する一方の場所からの波長０．７μｍの光の反射
光と、他方の場所からの波長０４μｍの光の反射光とが
、χ・１物し／ス系によってイメージガイド中の一本の
カラスフ７・イハｊ？：ｂｆ面へ集光される。ガラスフ
ァイバへ入射した光は後端面３５″まで、はとんと光の
損失がなく伝ノスされる。後端面３５″から創出した光
は、レンズ３６と分散素子３７の入射面までは同じよう
に進む。しかし９分散素子３７によって、光の波長に対
応した角度だけ光の進行方向が曲げられ＋　０．７１　
ｐｍと０．４７７ＩＴｌの波長の光の進行方向の角度は
０．７１度だけ異なる分散素子３７を透過した光はレン
ズ３８によって像面」−の点に結像される。その際、光
の波長によってレンズ３８への入射方向が異なるため、
像面−にへ結像する点は光の波長により異なった場所に
結像する。その間隔は０．６２　ｍｍ１５　＝　０．１
２４　ｍｍとなる。この説明では波長が０４μｍと０．
７μｍの光について述へたがその中間の波長の光は、波
長の値に応じて。

８２の中間部の輝度情報を像面」二へ伝える。

イメージガイドを構成する各ガラスファイバによって、
上記のように輝度情報が伝えられ、像の伝送が行なわれ
る。この実施例の場合、一本のガラスフ７・イハによっ
て伝えられる短線８２の両端の間隔か像面１−ではＩＡ
になっているが１名カラスファイバの間隔も像面−１−
では１１５になり、像としては物体の１１５の寸法にな
っている。

伝送される像の解像度は、物体面上の・ｊ“法を用いて
表わすと、８２の長さカ゛向と直交する方向では曲ノ小
の式から１３．９ｔｐ／ｍｍ　［’ｔｐ：　５　イア　
−ヘア：］　トなる。一方、カラスファイバのコア直径
が８μｍであることによって解像度の最大値ｔＩＩＨＸ
が１２５ｔｐ／ｍｍに制約されるため、この場合には、
短線とうじの重なり合いが生じ、約１２．５　ｔｐ／ｍ
ｒｎの解像度に低下している。分散素子を使用しない場
合は５１１）／ｍｍであるのて、８２の長さ方向と直交
する方向では、約２５倍の向」二が生ずる。８２の長さ
方向にはカラスファイバのコアが密接して並んだ１１４
′と同し解像度となり、解像度は約２５倍に改善される
このように２本実施例によれば、イメージカイト゛の２
方向（゛こおける解像度が改）１入゛される。

実施例　２ 本実施例の光学系は実施例１の光学系において対物レン
ズ系の物′体側レンズ３２を取り除いた構成である。実
施例１の光学系で対物し／ス系の物体側レンズ３２は、
物体−にの点からの光を平行光束に変換して分散プリズ
ムを透過させる釣用を持つレンズであった。これは、物
体と対物レンズ系が接近している場合には必要なレンズ
であったが、物体と対物レンズ系の間隔が大きい場合に
は、物体から対物レンズ系に入射する光はほぼ゛１′：
行光束と見なせるから、対物レンズ系の物体側レンズは
必要なくなる。

本実施例は、物体と対物レンズ系の間隔が太き（、物体
から分散プリズムへ直接入射する光がほぼ平行光束と見
なぜる状況にある物体を観察するだめのイメージガイド
光学系を備えた場合であるこの光学系が、入射する光束
に及ぼず作用は、対物レンズの分散プリズムを含めてそ
の後側では実施例１と同じである。

解像度をめる計算式で対物レンズ糸の倍率ＭをｆＪｆ２
としていたが、この場合はｌ　ｆＩ／’２の代りに対物
レンズ系のイメージガイド側しンス一枚による１、パτ
率を用いればよい。具体的には物体と対物し／ス系の間
隔をＳとすると倍率ＭはほぼＳ／「２となる。従って、
対物レンズと物体までの距離を１０００１７１１１１と
するとこのイメージカイト光学系の解像度は０６９５本
／ｍｍとなる。高解像度化しない場合の解像度は０，２
５本／ｍｍであるため、解像度は約２５倍に向Ｊ−する
。

なお、以」二の実施例では分散素子として直視プリズム
を用いる場合について述べたが９回折格子を用いても本
発明を具体化できることはいうまでもなく、また、さら
に光の波長範囲を０．４μｍ〜０７７１１１１よりも広
くした場合でも、同様の効果を生じ得るものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば９分散素子を備えたイメージカイト光学
系を用いた光学像伝送装置における解像度を、互いに直
交する２方向について改善することができ、従って、必
要な解像度が一定の場合にはイメージガイドのガラスフ
ァイバ索線数を減らすことができ、このため、イメージ
カイト゛か細くなり、可撓性が向上し１機械的な長所が
増太し。

また、カラスファイバ素線数の多いものに比へて製造が
容易となり経済的にも安価になるなとの利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来装置の基本構成図、第２図は第１図構成で
伝送される像を第１１成する点の配置例を示す図、第３
図は分散素子を備えた装置の構成図。 第４図は第３図構成で伝送される像点の配置図。 第５図は第４図の像点か重なって短線となった状態を示
す図、第６図は第５図の短線像が！ｆいに重なり合いを
生じている状態を示す図、第７図は本願発明での不規則
配列の一例を示す図、第８図は第７図の配列に対する短
線像の状態を示す図である。 符号の説明 １１、３１・・・物体　１２．３２．３４・・・ス・ｊ
物しンス１３、３５・・・イメージガイド １３’、　３５’・・・先端面　１３”、　３５”・・
・後端面１４、３６．、３８・・・接眼部レンズ１、’
Ｊ、　３９・像　３３．３７　分１ｉｊｉ、素子５１　
短線 ６１つ、り線の重なり合い部分 ８１・・カラスファイバ素線配置に対応する位置８２・
短線 代理人弁理士　中利純之助 Ｉｒ′５図 １−７図 ６２　１ｊｌ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （月　ガラスファイバを束ねて形成されるイメージガイ
   ドと、その一方の端面側に対物レンズ系を他方の端面側
   に接眼レンズ系を備え、各レンズ系にそれぞれ色分散素
   子を設けて対物レンズ系によりイメージガイド端面へ結
   像する像の位置を光の波長に応じて分散させ、イメージ
   ガイドの他方の端面へ伝わった各波長による光を接眼レ
   ンズ系により重ね合わせて像を合成する光学像伝送装置
   において、イメージガイドを形成するガラスファイバ素
   線が、素線の長さ方向に直交する断面内での素線配置が
   断面内のいずれの方向にも一定の周期性を持たない不規
   則状態で束ねられていることを特徴とする光学像伝送装
   置。 （２）　特許請求の範囲第１項記載の装置において前記
   色分散素子が、直視プリズムあるいは回折格子のいずれ
   かを用いた色分散素子であることを特徴とする光学像伝
   送装置。