JP2006032885A - 光源装置およびそれを用いた光通信装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】人の眼に安全で高い光取り出し効率が得られる小型で低コストな光源装置および光通信装置を提供する。
【解決手段】 半導体レーザチップ１から放射されたレーザ光が外部空間に至るまでの領域の一部に、光散乱粒子６を含む光散乱領域５を設ける。上記光散乱粒子６の非対称性因子ｇと光散乱領域５の輸送平均散乱回数〈ｎ〉との積ｇ・〈ｎ〉が、
２≦ ｇ・〈ｎ〉 ≦４０
の条件を満足するように、非対称性因子ｇと輸送平均散乱回数〈ｎ〉を設定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、光源装置およびそれを用いた光通信装置に関し、光無線通信、光センサー応用等、民生用の幅広い範囲に適用可能な光源装置およびそれを用いた光通信装置に関する。
従来、光源装置としては、半導体レーザ素子から出射した光の空間コヒーレンシーを低減するものがある(例えば、特開平９−３０７１７４号公報(特許文献１)参照)。この空間コヒーレンシーを低減する光源装置では、半導体レーザ素子からの光を拡散板により空間コヒーレンシーを低減する方法が示されている。例えば、図２０に示すように、ステム１０２に実装された半導体レーザチップ１０１から一定距離離れた位置のキャップ１０３の開口部に拡散板１１０を置き、上記拡散板１１０によりレーザ光の空間コヒーレンシーを低減する光源装置が開示されている。もしくは図２１に示すように、半導体レーザチップ１０１と拡散板１１０の間に光源径拡大のための凹レンズ１１１が挿入された光源装置が開示されている。
レーザおよび発光ダイオードに関する安全性については、国際安全規格IEC60825-1で決定されている。この規格によれば、眼に対する安全性は、おおむね網膜上の光密度に依存して決定されることが示されている。つまり、実質上の光源の大きさ(アパーレント光源径、以降単に「光源径」と言う)を大きくすることで、アイセーフティが実現できる。
ところが、図２０,図２１で示した光源装置の光源径は、半導体レーザチップ１０１の放射角度に大きく依存する。例えば図２０に示した光源装置では、通常の半導体レーザチップ１０１の放射指向半値角度は、レーザ発振する活性層に対して水平方向で±５度〜±１０度、垂直方向で±１０度〜±３０度程度であり、半導体レーザチップ１０１から拡散板１１０までの距離Ｌに対して、期待される光源径は、水平方向で０.２Ｌ〜０.４Ｌであり、垂直方向で０.４Ｌ〜１.４Ｌである。実際の光源径は、水平,垂直の平均値として与えられるので、０.３Ｌ〜０.９Ｌに限られることになる。このような場合に光源径を大きくするには、半導体レーザチップ１０１から拡散板１１０までの距離Ｌを大きくする必要があるために、光源装置そのものの小型化が阻害されるという問題がある。これを改善する方法として図２１に示す光学系が示されているが、この場合は、半導体レーザチップ１と拡散板１０の間にレンズ１１が必要となるため、かえって装置が大型化すると共に、部品点数の増加などの別の要因から必ずしも工業上満足できるものではない。
特開平９−３０７１７４号公報
そこで、この発明の目的は、人の眼に安全で高い光取り出し効率が得られる小型で低コストな光源装置およびそれを用いた光通信装置を提供することにある。
この発明の光源装置は、半導体発光素子から放射された放射光が外部空間に至るまでの領域の一部に、光散乱粒子を含む光散乱領域を設けることにより光散乱機能を持たせ、上記光散乱機能を有する光散乱領域が光源径を拡大する効果を有している。本発明では、上記光散乱領域を形成するにあたり、光散乱粒子の選択方法、輸送平均散乱回数の最適化について、光散乱粒子の光吸収の有無に応じて議論している。具体的には、光の吸収がないとみなせる領域において、光散乱粒子の非対称性因子ｇと光散乱領域の輸送平均散乱回数〈ｎ〉との積ｇ・〈ｎ〉が、
Figure 2006032885
 を満たすように光散乱領域を構成する。
さらに好ましくは
Figure 2006032885
 を満たすように光散乱領域を構成する。
また、光散乱粒子が光を吸収する際には、吸収の程度(アルベドγの値)に応じて光散乱粒子を選択する必要があり、一実施形態の光源装置は、光散乱粒子のアルベドγが０＜γ＜１であるとき、光散乱粒子の非対称性因子ｇが、
Figure 2006032885
 を満たすように光散乱粒子を選択する。
また、一実施形態の光源装置は、光散乱粒子のアルベドγが０＜γ＜１であるとき、光散乱粒子の非対称性因子ｇと光散乱領域の輸送平均散乱回数〈ｎ〉との積ｇ・〈ｎ〉が、
Figure 2006032885
 を満たすようにｇと〈ｎ〉を設定することで、半導体発光素子より出射した光の８０％以上を例えばエポキシレンズに導いた上で、光源径を最大の光源径からの光源径の減少を２０％以内にすることができる。
更に、光源径を最大化するためには、積ｇ・〈ｎ〉の範囲をさらに絞り込めばよく、例えば、最大光源径から１０％光源径が縮小する範囲までを考えると、
Figure 2006032885
 となる。
更に好ましくは、光散乱領域の輸送平均散乱回数〈ｎ〉を、
Figure 2006032885
 に設定することで、更に低損失で最大光源径を実現できる光散乱領域を構成する。
また、光損失を低減するために、光散乱粒子の非対称性因子ｇの値として、
ｇ ＜ ０.９
とすることで高効率な光取り出し効率が得られる。
また、光散乱領域の輸送平均散乱回数を正確に制御するためには、光散乱粒子を含む光散乱性材料の溜まり部を設けることが望ましい。
また、上記ｇ＜０.９および、g・〈ｎ〉＞２を得るために、光散乱粒子は、粒径／波長＝０.６７〜１.０の粒子を含んでいることが望ましい。
さらに、散乱断面積を大きくし、光源径拡大の効果を得るためには、光散乱粒子の屈折率と母剤の屈折率との屈折率差が、母剤の屈折率の０.０２５倍以上かつ０．０４３倍以下であって母剤に対する散乱粒子の混合体積比が２５％以上であることが必要である。
さらに、散乱断面積を大きくし、光源径拡大の効果、さらにはスペックル低減の効果を得るためには、光散乱粒子の屈折率と母剤の屈折率との屈折率差が、母剤の屈折率の０.０４３倍以上であって母剤に対する散乱粒子の混合体積比が２５％未満であることが必要である。
また、上記光散乱粒子は、ポリメチルスチレン、ポリメチルメタクリレートまたはポリブチルメタクリレートのいずれか１つからなることが望ましい。
また、上記光散乱粒子の粒径分布確率をp(r)とし、上記光散乱粒子の粒径がｒのときの非対称性因子をｇi(r)とするとき、上記光散乱粒子の非対称性因子ｇが、
Figure 2006032885
 で求められることが望ましい。
また、上記光散乱領域が複数の光散乱粒子からなり、上記光散乱粒子の粒子数の比をｆj(j=1,…,n(nは２以上の整数))とし、上記光散乱粒子毎の粒径分布確率をｐj(r)とし、上記光散乱粒子の粒径がｒのときの非対称性因子をｇji(r)とするとき、上記光散乱粒子の非対称性因子ｇが、
Figure 2006032885
 および
Figure 2006032885
 で求められることが望ましい。
また、この発明の光通信装置は、上記光源装置を用いたことを特徴とする。
上記光通信装置によれば、通常の半導体レーザを使った場合に比べて通信距離を大幅に伸ばすことができ、離れた場所の通信に適用できる光通信装置を提供できる。
以上より明らかなように、この発明の光源装置によれば、微小な光散乱領域の導入により、散乱による光損失を抑えつつ、十分な光源径の拡大効果を有する小型で低コストな光源装置を実現することができる。
この発明の光通信装置によれば、上記光源装置を用いることによって、通信距離を拡大できる小型で低コストな光通信装置を実現できる。
実施の形態の説明に入る前に、本明細書において用いる各用語について説明する。「光散乱粒子」は、均一な屈折率からなる樹脂中に存在し、そのサイズは波長の数１０倍以下に設定されている。このような場合に起こる光散乱はミー散乱と呼ばれている。ミー散乱では、散乱断面積と散乱における角度分布が計算により与えられる。本発明で用いるパラメータは、光散乱粒子により散乱される散乱角θの余弦cosθの平均値である「非対称性因子ｇ」と、実質上の光路長Ｌを輸送平均自由行程μ’で除した「輸送平均散乱回数〈ｎ〉」と、光の吸収を表す「アルベドγ」の３つである。上記「非対称性因子ｇ」は、
ｇ ＝ ＜cosθ＞ ……… (式１)
で表される。
ここで輸送平均自由行程μ’は、平均自由行程μと非対称性因子ｇから、
μ’ ＝ μ／(１−ｇ)
と表される。通常、平均自由行程がμである光散乱領域内を距離Ｘだけ光が進行したときに、散乱を受けない確率が、exp(−Ｘ／μ)で表されるのに対し、ミー散乱では、上記非対称性因子ｇが１の場合には、散乱は発生しない。このため、非対称性因子ｇの大きさに応じた輸送平均自由行程μ’で粒子密度を定義している。
具体的な非対称性因子ｇ、輸送平均自由行程μ’、アルベドγの求め方は、たとえば文献「Applied Optics Vol.40 (2001) pp1514-1524」に記載されている。つまり、非対称性因子ｇ、平均自由行程μ、アルベドγは、母剤と光散乱粒子の屈折率、粒子径、比重などのデータから計算できる。
図２２は、波長８９０ｎｍの光に対する屈折率１.４０５のシリコーン中に、同じく屈折率１.０〜１.８９５の光散乱粒子を混入した場合の非対称性因子ｇの計算例を示し、屈折率と粒径に対する非対称性因子ｇの変化を示しており、図２２において、それぞれの屈折率ｎは、
四角印(□)はｎ＝１.８９５
丸印 (○)は ｎ＝１.６９５
バツ印(×)はｎ＝１.５９５
プラス印(＋)はｎ＝１.４９５
黒丸印 (●)はｎ＝１.４０７
三角印 (△)はｎ＝１.２９５
黒四角印(■)はｎ＝１
である。
同じく図２３は屈折率と粒径に対する散乱断面積Ｑscaの変化を示しており、図２２において、それぞれの屈折率ｎは図２２と同じである。散乱断面積Qscaと、光散乱粒子の混合体積比volrおよび粒子径dから、平均自由行程μは、以下の式で定義される。
Figure 2006032885
光吸収のパラメータである「アルベドγ」は、散乱の平均自由行程μと吸収の平均自由行程μaとから、
Figure 2006032885
 として定義される。ここでは図示しないが、光散乱粒子の複素屈折率を与えることで、平均自由行程μaも正確に計算することが可能である。これよりアルベドγが求められる。
光散乱の物理的なイメージは、たとえば、文献「Pure Applied Optics, Vol.3 (1994)、pp.897-905」に記載されている。この文献では、〈ｎ〉≧１、つまり、Ｌ≧μ’とすることで、光の方向性を完全に消失できることが示されている。したがって、コヒーレンシー消失には、〈ｎ〉≧１が要求される。
アルベドγは、光散乱粒子の複素屈折率が正確にわからないと知ることはできない。また、工業上入手できる光散乱粒子は、粒径が必ずしも揃っておらず、その際のｇ、μ、γの求め方はいささか複雑である。
本発明では、以下の方法を用いて非対称性因子ｇを定めている。
すなわち、粒径ｒ〜ｒ＋drの粒子が全体積中に占める割合としてp(r)drで混じっている光散乱粒子の場合、次の式３により粒径ｒの粒子の非対称性因子ｇi(r)から加重平均して求める。
Figure 2006032885
ただし、上記式３においてp(r)は、粒径の分布関数で、
Figure 2006032885
 である。
なお、異なる複数の散乱粒子(たとえばｎ種)の混合からなる場合も、その平均のｇを用いて本発明の方法により光散乱領域を構成することにより、光源径の拡大、損失の低減といった本発明特有の効果を得ることができる。この場合、同様の考え方により、非対称性因子ｇは、
Figure 2006032885
 および
Figure 2006032885
 で表される。ここで、ｇji(r)は、ｊ番目の種類の、半径ｒの粒子の非対称性因子をあらわし、ｆjは、それぞれの粒子の散乱領域中に占める体積の比を表している。
一方、平均自由行程μを求める際には、その平均の粒子径〈ｒ〉を用いても問題ないことを実験的に確認している。場合によっては、所望の波長での屈折率データが得られない場合がある。一般的には、ナトリウムランプ(波長５８９ｎｍ)を用いて測定した屈折率を示すことが多いが、光通信等で用いられる可視光から近赤外線領域にいたる波長に対して、ナトリウムランプの波長５８９ｎｍの屈折率測定値をそのまま用いても、散乱のパラメータである非対称性因子ｇ、平均自由行程μを決める際に大きな差はないことを実験的に確認している。
以下、この発明の光源装置およびそれを用いた光通信装置を図示の実施の形態により詳細に説明する。
(第１実施形態)
図１は、本発明の第１実施形態の光源装置の一例としての光モジュールの構成を示す断面図であり、以下、この第１実施形態の光モジュールについて説明する。
この第１実施形態の光モジュールは、図１に示すように、ガラスエポキシ基板７上に、半導体レーザ素子の一例としての半導体レーザチップ１を配置するための逆円錐台形状のザグリ穴７aを設けている。このザグリ穴７a内の底面および傾斜面に、金メッキ加工により金属反射部２が形成されている。上記金属反射部２は、半導体レーザチップ１の下部電極としての機能と光反射部としての機能を果たす。このザグリ穴７aの底部の中央に、半導体レーザチップ１が導電性ペースト材によりダイボンド実装されている。一方、半導体レーザチップ１の上面に形成された上部電極が、金ワイヤ４により、ガラスエポキシ基板７上部に形成された電極用パターン３に電気的に接続されている。そして、上記ザグリ穴７a内に樹脂からなる光散乱領域５を形成している。
次に、本発明の主要な構成部である光散乱領域５について説明する。光散乱領域５を形成する樹脂は、シリコーンゲルに光散乱粒子６をほぼ均一に混入させたものである。作製方法は、熱硬化性の液状シリコーンに光散乱粒子を規定量混入し、混錬機で攪拌する。十分に攪拌されて、ほぼ均一に光散乱粒子が攪拌されたところで、ザグリ穴７aにあふれない程度に注入して熱硬化させる。最後にトランスファーモールドによりエポキシレンズ８を形成する。
この第１実施形態で用いたシリコーンゲルは、屈折率１.４０５であり、光散乱粒子６として、有機系スチレン粒子(平均粒径１μｍ、屈折率１.５９５)を用いた。このスチレン粒子の平均粒径は１μｍであるが、最小０.４μｍから最大１.８μｍまで分布している。粒子の製法上の特性から粒径分布は最頻出値を中心とした対称分布を示さず、粒径の小さい方に分布幅が大きくなる傾向がある。上記式３より、加重平均の非対称性因子ｇは０.７５であった。
次に、アルベドγについて説明する。粒子に吸収がない場合(式２で１／μa＝０とみなせる場合)、アルベドγは１である。一方、吸収がある場合は、１より小さい値を示すが、実験的にこのアルベドγを正確に求めることは容易ではない。この第１実施形態のアルベドγは、有機スチレン粒子の特性から、ほとんど１とみなせることがわかっている。
次に、輸送平均散乱回数〈ｎ〉を決めるための行路長について定めておく。半導体レーザチップ１の長さ(図１の基板７平面と平行な方向)は０.５ｍｍであり、ザグリ穴７aの形状は、底面が半径０.３５ｍｍの円、斜面角度が４５度、深さが０.３ｍｍの逆円錐台形状である。ザグリ穴７a内に光散乱粒子６が存在しないと仮定した場合、半導体レーザチップ１端面から水平に放射された光は、金属反射部２の傾斜面で反射され、そのまま真上に向きを変え、ザグリ穴７aの外部に放射される。この間の長さは０.４ｍｍになる。この長さを行路長Ｌとして定義する。光学系の設計においては、このような行路長Ｌが定義できない場合があるが、その詳細については、後述する第４実施形態で説明する。
このスチレン粒子をシリコーンゲルに対して重量比１１％〜５５％で混合した。こうして得られた光散乱剤(シリコーンゲルに光散乱粒子が混ざったもの)の平均自由行程μは、２.５μｍ〜１２５μｍになった。ちなみに、非対称性因子ｇが０.７５であるので、輸送平均散乱回数〈ｎ〉は０.８〜４０である。
次に、上記光モジュールの実際の光散乱について説明する。半導体レーザチップ１から出射した光は、光散乱領域５中にある光散乱粒子６により複数回散乱し、また、ザグリ穴７a内の金属反射部２の傾斜面で反射され、最終的に光散乱領域５からエポキシレンズ８に放射される。この間、ザグリ穴７a内部では、光は、多数回の散乱と同時に多数回の金属反射を経て、一部の光は金属で吸収され、その他の光はザグリ穴７aからエポキシレンズ８へと取り出される。したがって、光散乱領域５から有効に取り出せる光の割合である光取り出し効率ηは１以下となる。この発明の目的は、一定以上、好ましくはη＞０.８の光取り出し効率を保ちつつ、光源径を最大化することである。
この第１実施形態では、エポキシレンズ８をトランスファーモールドする直前に、光散乱領域５から出射される光の強度分布を観測した。その結果、輸送平均散乱回数〈ｎ〉の増大(光散乱領域５中の光散乱粒子６の重量比の増大)とともに光源径は増大し、輸送平均散乱回数〈ｎ〉＝７でほぼ最大の光源径２Ｌ(Ｌは光散乱粒子が存在しない場合の行路長)にまで広がっていることを確認した。一方、光取り出し効率ηは０.９９が得られ、十分に高いものであった。更に輸送平均散乱回数〈ｎ〉を増していった場合、光源径は縮小し、光取り出し効率ηが低下する結果を得た。光散乱領域５とエポキシレンズ８の界面で約２Ｌ＝０.８ｍｍにまで拡大された光源径は、エポキシレンズ８のレンズゲインにより更に２倍程度に拡大される。これらにより、元々数μｍオーダーであった光源径がｍｍオーダーにまで拡大されたことになる。一方、放射強度は、エポキシレンズ８の形状を調整することで、所望の半値角度に設定できることは言うまでもない。この第１実施形態によると、光散乱領域における非対称性因子ｇおよび輸送平均散乱回数〈ｎ〉を最適化することにより、光源径の最大化と高光取り出し効率ηの両立が達成できる。
上記第１実施形態で用いた半導体レーザチップ１は、活性層の水平方向の指向半値角度が±５度でかつ垂直方向の指向半値角度が±１０度であって、レーザ素子の指向半値角度としては小さいほうに属する。したがって、背景技術で述べた方法では、光源径は最大で、行路長の０.３倍程度にしか広がらない。しかし、この第１実施形態では、行路長の２倍にまで広がっており、より小さい領域で光源径の拡大効果があることが確認された。用いる半導体レーザの指向半値角度が変化する場合であっても、この第1実施形態で得られる光源径にほとんど変化がないことが確認された。つまり、第1実施形態での光散乱粒子による光源径拡大の効果は、レーザの指向半値角度の拡大による効果以上である。したがって、通常±５〜±３０度の指向半値角度を有する半導体レーザを用いる場合には、ほぼ同一の光源径を得ることが可能となる。つまり用いる半導体レーザの指向半値角度、もしくは、指向半値角度のばらつきに依存せず常にほぼ一定の光源径を得ることができる。また、指向半値角度が変化しても、最短行路長で光源径を拡大する非対称性因子ｇ、輸送平均散乱回数〈ｎ〉の最適な範囲が変わらないことは明らかである。
(第２実施形態)
次に、本発明の第２実施形態の光源装置の一例としての光モジュールについて説明する。この第２実施形態の光モジュールは、光散乱領域を除いて第１実施形態と同一の構成をしており、図１を援用する。この第２実施形態の光モジュールでは、光散乱領域５における光散乱粒子６の非対称性因子ｇと光散乱領域の輸送平均散乱回数〈ｎ〉との関係から光源径を拡大する最適な非対称性因子ｇを実験により得た。
前述の第１実施形態の光モジュールの構造では、非対称性因子ｇが０.７５のスチレン粒子に対する輸送平均散乱回数〈ｎ〉の最適化が行えることはわかったが、他の非対称性因子ｇを用いることで、更なる光源径の拡大ができないか、詳細に検討をした。用いた半導体レーザチップ、ザグリ穴構造は第１実施形態と同じとした。本発明者は、光散乱粒子として、スチレン以外に、アクリル系粒子、ＴiＯ2微粒子、ＳiＯ2微粒子を用いて実験を行った。上記粒子の粒子径を変化させることで、ｇ＝０.３５、０.５８(いずれもＴiＯ2)、０.７５(スチレン第１実施形態と同じ)、０.９０(アクリル)、０.９８(ＳiＯ2)の５種類の光散乱粒子を得ることができた。なお各粒子の吸収はなく、アルベドは０.９９９９以上で、０.９９９９９ないし極めて１に近い値とみなせる。
こうして得られた光散乱粒子を用いた光散乱領域の輸送平均散乱回数〈ｎ〉を０.８〜４０までで変化させたところ、図２のような結果を得た。図２において、丸印(○)、四角印(□)はそれぞれｇ＝０.３５、０.５８のＴiＯ2粒子の場合の結果であり、菱形印(◇)はｇ＝０.７５のスチレン粒子、バツ印(×)はｇ＝０.９０のアクリル粒子、プラス印(＋)はｇ＝０.９８のＳiＯ2粒子をそれぞれ用いた時の結果である。これより、散乱回数が増えることで金属の吸収が顕著に現れることは第１実施形態と同じであるが、その影響は非対称性因子ｇが大きいほど大きいことがわかった。
さらに、輸送平均散乱回数〈ｎ〉と光源径／行路長Ｌとの関係を調べた結果、図３に示すように、光源径について、最適な輸送平均散乱回数〈ｎ〉が非対称性因子ｇにより異なることが確認された。図３では、縦軸として光源径を行路長Ｌで除した値を示している。以下、この光源径／行路長Ｌの値を「規格化光源径」と呼ぶ。また、図４に損失(１−η)と規格化光源径との関係を示している。図３,図４でも、各記号の丸印(○)、四角印(□)、菱形印(◇)、バツ印(×)、プラス印(＋)は、図２と同じ粒子を示す。図３,図４より、光散乱粒子に吸収がない場合には、「光取り出し効率η＞０.８で、かつ、光源径＞最大光源径の８０％」を達成するには、非対称性因子ｇは任意の値でよく、ｇに応じて輸送平均散乱回数〈ｎ〉にある一定の範囲にすればよいことがわかった。
また、上記光取り出し効率η＞０.８をみたす〈ｎ〉とｇの範囲について調べると、図５Ａの結果が得られた。図５Ａにおいて、横軸は、それぞれの非対称性因子ｇで、最大光源径に対する光源径の割合を示し、縦軸はその時の非対称性因子ｇと輸送平均散乱回数〈ｎ〉との積ｇ・〈ｎ〉を表す。図５Ａに示すように、光源径が最大光源径の８０％以上の斜線領域となるためには、
Figure 2006032885
 であることがわかる。逆に、上記式４を満たす場合に得られる光源径は、最小でも最大光源径の７０％以上であり、
ｇ・〈ｎ〉 ＜ ２
の場合に比べて格段に大きい。つまり、
ｇ・〈ｎ〉 ≧ ２
が光源径拡大の必要十分条件であると言える。一方で、
ｇ・〈ｎ〉 ≧ ４０
では、光取り出し効率ηが低下するので、
η＞０.８ かつ 光源径＞最大光源径の８０％
が両立しなくなる。
必要とされる光源の大きさは、システムが要求する光放射強度に応じて変化するから、必ずしも最大光源径の８０％以上である必要はない。低放射強度を要求するシステムに対しては大きな光源径はオーバースペックになるであろう。従来技術の説明にて示した最大光源径（０.９Ｌ）に対して十分な効果を示す範囲として、例えば、ほぼ１.５倍の光源径＞１.４Ｌを選択する。最大光源径はほぼ２Ｌであるため、最大光源径の７０％以上で光源径＞１.４Ｌとなる。一方で、光取り出し効率は、いかなるシステムであっても高い程好ましく、特にバッテリー使用を前提とする携帯機器では低消費電力デバイスが望まれる。さて、図５Ａでは、光取り出し効率η＞０.８のものに限ったが、図５Ｂには、これまでのすべての実験結果を示す。これより、任意の非対称性因子ｇに対して、光取り出し効率η＞０.８となるためには、ｇ・〈ｎ〉＜１５であればよいことがわかる。一方、ｇ・〈ｎ〉≧２であれば、常に光源径は最大光源径の７０％のものが得られる。
より好ましくは、光源径拡大の効果に対し、輸送平均散乱回数〈ｎ〉が、
Figure 2006032885
 の範囲(図３の領域Ａ)であることが図３からわかる。また、輸送平均散乱回数〈ｎ〉が、
Figure 2006032885
 の範囲(図３の領域Ｂ)とすることで、非対称性因子ｇの選び方によらず光源径拡大の効果が得られることがわかった。図４からｇ＞０.９では損失が大きくなってきており、更に低損失な光源を得るためにはｇ＜０.９が好ましいことも明らかである。
この第２実施形態によれば、光散乱粒子のパラメータシートから得られる物理定数から、非対称性因子ｇ、平均自由行程μを得ることで、光源径を最大化する光散乱粒子の濃度が規定され、これにより光取り出し効率の維持(η＞０.８)と、光源径の拡大が同時に行える。また、スペックルの低減等の要求から、光学系がある範囲の輸送平均散乱回数〈ｎ〉に限定されるとき、どの範囲の非対称性因子ｇを有する光散乱粒子を用いるべきかが明確に与えられる。
さて、非対称性因子ｇは粒径から計算により求められるので、粒径の最適値について考察する。
図２２より、粒径が１μｍ以下程度のところでは、非対称性因子ｇは０.９を下回り、その屈折率依存性も小さくなる。一方で、粒径１μｍ以上のところでは、シリコーンとの屈折率差が大きくなればなるほど、非対称性因子ｇは小さくなり、かつ粒径による非対称性因子ｇの振動が確認される。
図２３では、散乱断面積Ｑscaが同じく振動している様子が示されている。さて、この第２実施形態により、
Figure 2006032885
 が示されたが、式８より、
Figure 2006032885
 である。上記式は、
＜ｎ＞＝L／μ‘＝Ｌ（１−ｇ）／μ
ｇ・＜ｎ＞＝Ｌ（１−ｇ）ｇ／μ
のμに式８を代入することにより導かれる。このうち、
Figure 2006032885
 は、光散乱領域の構造、光散乱粒子の密度によらず、粒子種のみで決まる。
図２４は屈折率と粒径に対する３Ｑsca・(１−ｇ)ｇ／２dの変化を示している。図２４において、横軸は粒径(μｍ)、縦軸は３Ｑsca・(1-g)g／２dの値である。これより、粒子の屈折率により、ピーク値に差はあるものの、ピークになる粒径はおよそ０.６〜０.９μｍであることがわかる。我々の目的は小さいＬで低損失な大きな光源径を得ることである。
Figure 2006032885
 にすることでこの目的を達することが可能であるので、
Figure 2006032885
が大きいことが望ましいのは言うまでもない。光散乱粒子の材料によらず、粒径は０.６〜０.９μｍのものを豊富に含んでいることが望ましい。この粒径は光波長に応じて変化するので、最適なパラメータは、粒径／波長＝０.６７〜１.０と表せる。
次に、母剤と光散乱粒子の屈折率差について考える。混合体積比volrは最密充填した場合に最大値０.６８である。この第２実施形態の場合では、行路長Ｌは０.４ｍｍ(＝４００μｍ)であるので、
Figure 2006032885
 のためには、
Figure 2006032885
 が要求される。行路長Ｌが変わることによりこの条件は変わりうる。実際行路長を長くすると、
Figure 2006032885
 に要求される範囲は式９よりさらに広くなる。本発明の目的からして光路長を長くすることは好ましくないため、このＬ＝0.4ｍｍを用いて光散乱粒子の屈折率を設計することが望ましい。一方で、短い行路長で光源径を拡大できる散乱粒子の条件式９は、行路長の大きい場合でも効果を有することは明らかである。
図２５は、光散乱粒子の屈折率が母剤の屈折率に近い場合の屈折率と粒径に対して、
Figure 2006032885
 の値の変化を示している。図２５において、それぞれの屈折率ｎは、
バツ印(×)はｎ＝１.４３
丸印 (○)は ｎ＝１.４４
四角印(□)はｎ＝１.４５
プラス印(＋)はｎ＝１.４６５
である。
この図２５から、縦軸の値が０.００７３を超えるのは、ｎ＝１.４４以上であることが分かり、母剤の屈折率が１.４０５、粒径／波長=０.６７〜１.０で、Δｎ＝｜母剤の屈折率−光散乱粒子の屈折率｜として、Δｎ＞０.０３５であればよい。逆にこの様な粒子を用いる場合に初めて、ｇ・〈ｎ〉≧２が達成できる。この第２実施形態では、Δｎとして０.０３５以上が最適であるが、より厳密には、母剤との屈折率比で非対称性因子ｇが決定されるため、母剤の屈折率が異なる材料を用いればΔｎの条件が変化することは容易に理解できる。この例では、母剤の屈折率との比で言えば、母剤の屈折率の０.０２５倍以上に相当する。
実際には、混合体積比が０.６８になるような最密充填の場合、光散乱粒子の配置に不規則性が失われてしまうために好ましくない。我々はこの不規則散乱に対する評価として、外部空間に放射されたレーザ光のスペックルを評価することで一定の知見を得ている。詳細については記述しないが、混合体積比が２５％を越える程度からスペックルが増大することを確認している。このため、混合体積比として０.２５以下が望ましく、結果、
Figure 2006032885
 であることが望ましい。同様に、図２５から、Δｎ＞０.０６が屈折率差の条件である。これは、母剤の屈折率との比で言えば、母剤の屈折率の０.０４３倍以上に相当する。
一方、ｇ・〈ｎ〉≦４０からはΔｎの上限値は決まらない。混合体積比を小さく調整することでこの範囲に収めることが可能となる。
(第３実施形態)
次に、本発明の第３実施形態の光源装置の一例としての光モジュールについて説明する。この第３実施形態の光モジュールは、光散乱領域を除いて第１実施形態と同一の構成をしており、図１を援用する。この第２実施形態の光モジュールでは、光散乱領域において吸収の程度を表すアルベドγを考慮した場合の最適な非対称性因子ｇを実験により導き出した。
上記光散乱領域５における光散乱粒子６に表面処理を施し、一定のアルベドを与えた場合の実験結果について述べる。この実験では、光散乱粒子６の粒径は変わらず、非対称性因子ｇの値は同じである。この実験では、アルベドγを０.９９９０〜０.９９９９７の間で変化させた。この実験のうちのアルベドγ＝０.９９９９、０.９９９の２例について図６,図７に結果を示し、おのおの輸送平均散乱回数〈ｎ〉を変化させたときの損失と光源径の変化の様子を示す。ここで、丸印(○)、四角印(□)はそれぞれｇ＝０.３５、０.５８のＴiＯ2粒子の場合の結果であり、菱形印(◇)はｇ＝０.７５のスチレン粒子、バツ印(×)はｇ＝０.９０のアクリル粒子、プラス印(＋)はｇ＝０.９８のＳiＯ2粒子をそれぞれ用いた時の結果である。図６,図７の結果から、吸収が大きくなるにつれ、光源径が大きくならず、損失の大きな方向にシフトしていくことが確認できる。ここでは、アルベドの減少(吸収の増加)とともに、要求される非対称性因子ｇの値が小さくなることが示された。それぞれのアルベドで、第２実施形態と同様に、
η＞０.８ かつ 光源径＞最大の光源径の８０％
を要求すると、アルベドγと非対称性因子ｇは、図８のような関係が必要であることがわかった。つまり、アルベドγと非対称性因子ｇは、
Figure 2006032885
 の条件を満たす必要がある。
また、同様に、図９,図１０には、図６,図７で示さなかったアルベドγ＝０.９９９７、０.９９９９７に対して、同様の解析を行った結果、
η＞０.８ かつ 光源径＞最大光源径の８０％
の条件を満たすｇと〈ｎ〉の範囲を示した。これらの結果より、次のことが明らかになった。アルベドγを変化させた状態で上記条件「η＞０.８かつ光源径＞最大光源径の８０％」を満たすｇと〈ｎ〉の範囲を図９,図１０に示している。これより、ｇ・〈ｎ〉の下限値は、吸収の大小で変化せず、吸収が大きくなるにつれてｇ・〈ｎ〉の上限値が小さくなることがわかる。このｇ・〈ｎ〉の上限値とアルベドγの関係を図１１にバツ印(×)で示す。図１１において、縦軸は積ｇ・〈ｎ〉を表し、横軸は(１／γ)−１を表している。
これより、
Figure 2006032885
 が得られる。上記式５,式６の式の右辺は、アルベドγが１の極限で無限大であり、先に第２実施形態で示した領域外を含んでいることになるが、吸収のないアルベドγが１の状態では、ｇ＜１ならびに式４を用いる。
実際には、アルベドγは、光散乱粒子のパラメータシートから得られないことが多く、γ≒１であるとして設計することで十分な効果が得られることが期待される。つまり、全ての光散乱粒子に対して式４を用い、具体的にアルベドγのわかっている場合には、式５と式６を用いればよい。
この第３実施形態によれば、吸収がある光散乱粒子に対する非対称性因子ｇ、輸送平均散乱回数〈ｎ〉の最適化が示されている。例えば、レーザ波長により(青紫色レーザなど)、吸収の存在のする粒子しか入手できないことが考えられるが、このような場合であっても、式５で示される非対称性因子ｇを用いることで、光取り出し効率η＞０.８を保ちつつ光源径を最大化できる。
更に好ましい条件として、光源径を最大光源径の９０％まで得られる範囲を図１２に示す。図１２において、縦軸は積ｇ・〈ｎ〉を表し、横軸は(１／γ)−１を表している。この図１２から、輸送平均散乱回数〈ｎ〉と非対称性因子ｇの積ｇ・〈ｎ〉は、更に小さい値が求められることと、傾きは変化せずにアルベドγの依存性は同一であることがわかる。その結果、積ｇ・〈ｎ〉は、
Figure 2006032885
 の条件を満足することで、光源径を最大光源径の９０％まで得られる。
さて、第１実施形態ではスチレン粒子を光散乱粒子として用い、第２実施形態では、ＴiＯ2、ＳiＯ2、アクリル粒子光散乱粒子として用いた例を示した。光散乱粒子の例としては、金属、半導体、ガラス、樹脂が考えられるが、金属、半導体は少なからず吸収があり、アルベドが小さくなり、効率ηが小さくなる。ガラスの場合には、比重が母剤と大きく異なるため沈降し、散乱粒子密度の制御性が乏しい。現在のところ、工業上利用できる光散乱粒子として樹脂系材料がもっとも好適である。一方、母剤としては耐候性、耐熱性の観点からシリコーンがもっとも優れており、屈折率差の関係から、ポリスルホン(屈折率が約１.６３)、ポリエチレン(屈折率が約１.５４)、ポリプロピレン(屈折率が約１.４８)、ポリカーボネート(屈折率が約１.５９)や、塩化ビニル、フェノール樹脂、エポキシ樹脂(それぞれ屈折率が約１.５２〜１.６５)など用いることができる。特に、アクリル粒子(ポリメチルメタクリレート、屈折率が約１.５０)、スチレン粒子(ポリメチルスチレン、屈折率が約１.６０)、ポリブチルメタクリレート(屈折率が約１.４９)は真球に近い粒子を得ることが可能で本発明での使用に好適である。
(第４実施形態)
図１３は、本発明の第４実施形態の光源装置の一例としての光モジュールの構成を示す断面図であり、以下、この第４実施形態の光モジュールについて説明する。図１３に示す光モジュールは、第１実施形態の光モジュールと異なり、行路長Ｌが定義できない例である。
図１３に示すように、ガラスエポキシ基板７上に、金メッキで配線およびボンディングパッド３,３´を形成している。その上に樹脂系接着剤により、厚さ０.５ｍｍの銅板を張り合わせ、上記銅板を円状にエッチングすることによって、高さ０.５ｍｍ、内径１.６ｍｍの円筒９を形成している。半導体レーザチップ１は、上記円筒９内のパッド３´上にダイボンドされ、第１実施形態と同様にパッド３との間でワイヤ４が設けられる。光散乱領域５では、母剤、光散乱粒子６ともに第１実施形態と同じくシリコーンゲル、スチレン粒子(ｇ＝０.７５)を用いた。ここでは、半導体レーザチップ１端面から出射した光の光軸は、図１３中の基板７上面に平行な水平方向であり、第１実施形態のような方法で行路長Ｌを定義できない。しかしながら、実際の光は、散乱を受けながら金属で反射され、吸収されない限り、いずれは光散乱領域５から外部へと放射される。本発明者が実験を重ねたところ、このような場合の行路長Ｌは、光が光散乱領域５に入射してから同領域を出るまでの最短距離の２倍とすることで、これまでの実験結果とほぼ一致した結果を得られた。この例の場合では、半導体レーザチップ１の端面から図１３中の基板７の上方に向かってエポキシレンズ８に達する最短距離である。また、図示しないが、光学系によっては、第１実施形態で定めた“光軸に沿った行路長のＬ”と、この第４実施形態で定めた“最短距離の２倍のＬ”と同時に定義できる場合がある。このときには、いずれか小さい方をとればよい。
この第４実施形態では、半導体レーザチップ１の発光点は、ガラスエポキシ基板７表面に対して高さ０.１ｍｍにあり、上記定義による行路長Ｌは、Ｌ＝(０.５−０.１)×２＝０.６ｍｍとなる。ここで輸送平均散乱回数〈ｎ〉＝５となるように、重量比８.３％で光散乱粒子６を混入した。
こうして得られた光源径は、レンズの拡大効果も含めて、約１.６ｍｍであり、ここでも、もとの半導体レーザチップ１の光源径を１０００倍程度拡大できた。この第４実施形態では、半導体レーザチップ１を、ザグリ穴のない基板に実装している。基板加工においてはザグリ穴の加工精度は通常深さ±０.１ｍｍであって、これは、光源装置の光学特性のばらつきの一因であったが、このような円筒形状の反射部材を設けることでこの問題を回避できる。作成方法は以上の例によらず、例えば、円筒９を別部品として基板上に実装してもよい。また、半導体レーザチップ実装を行うボンディングパッド３´の平坦性がザグリ穴に比べて格段に向上しているため、チップの傾きによる光学特性のばらつきも抑えることができる。
(第５実施形態)
図１４は、本発明の第５実施形態の光源装置の一例としての光モジュールの構成を示す断面図であり、以下、この第５実施形態の光モジュールについて説明する。この第５実施形態の光モジュールは、第１実施形態の光モジュールのザグリ穴７aと、第４実施形態の光モジュールの円筒９の両方を備えた構成をしており、第１実施形態の光モジュールと同一の構成部は、同一参照番号を付して説明を省略する。
この第５実施形態の光モジュールにおいて、ザグリ穴７aと円筒９の両方を備えることの最大の効果は、第１,第４実施形態の光モジュールよりも行路長Ｌを長く取れることである。ザグリ穴７aの深さは０.３ｍｍ、円筒の高さは０.５ｍｍ、内径は１.６ｍｍ、半導体レーザチップ１のサイズと発光点の位置は、第１実施形態,第４実施形態と同じである。また、半導体レーザチップ１の発振波長は８９０ｎｍである。行路長は、上記第４実施形態の計算方法により、０.９ｍｍである。この場合も、光散乱領域５を最適に構成することにより、光散乱領域５を通過した直後の見かけ上の光源径は、１.８ｍｍ程度にまで広げることができる。しかしながら、円筒９の内径が１.６ｍｍであるので、実際の光源径はこの値に制限される。
図１５は、上記光モジュールのエポキシレンズ８を形成する前の実際の光分布をＣＣＤカメラで撮像し、波高値分析したものを示し、縦軸は波高値(任意目盛)を表し、横軸は幅(ｍｍ)を表している。このように、光はほぼ幅１.６ｍｍに分布し、その形状は矩形状であって、光分布密度がほぼ均一であることが確認された。なお、図１５において、波高値１０未満のデータはＣＣＤカメラの雑音であってレーザ光の分布ではない。
(第６実施形態)
図１６は、本発明の第６実施形態の光源装置の一例としての光モジュールの構成を示す断面図である。以下この第６実施形態の光モジュールについて説明する。この第６実施形態の光モジュールは、図１６に示すように、基板７上にザグリ穴７aと、それに連続して上方に位置し、その径が不連続である溜まり部７bとからなる。上記光散乱領域５は、溜まり部７bの途中まで形成されるように設計されている。ザグリ穴７aは、底面の直径が０.７ｍｍ、斜面の傾斜角度が４５度、深さ０.２５ｍｍである。一方、溜まり部７bは直径２.１ｍｍ、深さ０.１ｍｍである。光散乱領域５は、ザグリ穴７aの底面から高さ０.２８ｍｍまでの領域に形成されるように設計し、このとき、輸送平均散乱回数が〈ｎ〉＝４となるように光散乱粒子６の濃度を調整してある。
上記半導体レーザチップ１から出射したレーザ光は、光散乱領域５を通過した後、エポキシレンズ部８を経て空間へと放射される。
本発明の光源装置では、光散乱領域５を形成する母剤(シリコーンゲル)に光散乱粒子６を攪拌させ、攪拌後の樹脂をザグリ穴領域に充填することで光散乱領域５を形成している。通常の熱硬化型樹脂であるシリコーンゲルは高粘度(０.３〜４ Ｐa・s)のペーストであり、さらに光散乱粒子を混入することでさらに粘度は増す。シリコーンゲルは熱硬化型であるが、室温度環境においてもゆっくりではあるが硬化するため、時間とともにその粘度は増していくし、湿度によってもその硬化速度は変化する。さらに、作業時の温度変化により粘度は大きく変化してしまう。通常の作製工程では、ポッティングと呼ばれる方法が用いられる。ここでは、シリンジ(注入筒)内に封入された光散乱材(シリコーンゲルと光散乱粒子が混合したもの)を一定の圧力で送り出し、ザグリ穴７aに充填しているが、上記のような粘度変化によりその送り出し量は大きく変化してしまう。我々は、実際の作業環境において、光散乱材の送り出し量が規定量の０.６〜１.４倍に変動することがわかっている。この第６実施形態では、ザグリ穴７aの底面からの光散乱領域５上面までの距離は、０.２５ｍｍ〜０.３２ｍｍの範囲で変化する。この第６実施形態では、光散乱材が溜まり部７bからはみ出すことはない。上記厚さの変動は、輸送平均散乱回数にして、〈ｎ〉＝４.０±０.５に相当する。図３より明らかなように、この程度の輸送平均散乱回数の変化は光源径に大きな変動を与えない。つまり、この実施形態では、溜まり部７bがペースト量の変動を吸収して光散乱領域５の厚さの変動を小さく抑えている。
図１７は上記第６実施形態の光モジュールの光散乱領域の厚さの変動を示す図である。図１７において、横軸は、Ｖ／Ｖoptを表し、縦軸は、光散乱領域(シリコーンゲル)５の厚さ(ｍｍ)を表している。ここで、Ｖoptはシリンジ(注入筒)内に封入されたシリコーンゲルの送り出しの規定量(最適な送り出し量)、Ｖは実際に送り出されるシリコーンゲルの体積である。図１７の破線は、上記光モジュールの光散乱領域５の厚さ変動の範囲を示したものである。一方、図１７の実線は、ザグリ穴７a(深さは０.５ｍｍとする)のみの場合の際の光散乱領域５の厚さ変動の範囲を示したものである。この場合、輸送平均散乱回数では、〈ｎ〉＝４.０±１.２の変化に相当する。図３より、この輸送平均散乱回数〈ｎ〉の変化の大きさは、光源径を最大値から縮小させてしまう。一方、光散乱領域５の厚さ変動を抑えるために、ザグリ穴７aを浅く、たとえば、０.３ｍｍ程度とすると、場合によっては、光散乱材がザグリ穴７aからはみ出してしまう。この場合、最終的にレンズを形成するエポキシレンズ８とガラエポ基板７との密着性が著しく低下し、製品としての強度仕様に満たない。また、図１７に示す「０．６＜Ｖ／Ｖopt＜１．４」は、実際の作業環境において送り出し量Ｖが規定量の０.６〜１.４倍に変動するという事実に基づき、Ｖ／Ｖoptの対応領域を０．６以上かつ１．４以下としたものである。実際に体積が変動する０．６＜Ｖ／Ｖopt＜１．４の範囲において、従来構造の光モジュールのシリコーンゲルの深さの変化量を△ｄpriorで示し、この第６実施形態の溜まり部７bがある光モジュールのシリコーンゲルの深さの変化量を△ｄembで示している。図１７から明らかなように、０．６＜Ｖ／Ｖopt＜１．４の範囲において△ｄemb ＜ △ｄpriorとでき、溜まり部７bを設けることにより体積変動に対して深さ変動を小さくできることが分かる。
この第６実施形態では、溜まり部７bが光散乱材の樹脂だまりとして設けられているため、光散乱領域５での輸送平均散乱回数の制御、光散乱材のあふれによる製品不良の防止などの効果を有する。
図１８は、光散乱材の溜まり部を別の形状で設けたものである。図１８に示す溜まり部７cは、ザグリ穴７aの外周に設けられた断面略長方形の環状の溝である。この例では、ザグリ穴７aからあふれた光散乱材は、ザグリ穴７aの外周部に設けられた溜まり部７cに溜まり、それより外へ広がらないため、密着不良の問題は発生しない。溜まり部７cの実施の形態はこれに限らず、ミリングにより形成した四角形であっても良いし、図１４に示すように円筒部９がその機能を兼ねていても良い。
以上、第１〜第６実施形態では、光散乱領域を形成する母剤としてはシリコーンゲルを用いている、これは、シリコーンゲルの耐熱性が高く、かつ硬度が低いために半導体素子のコーティング用として適しているからである。しかしながら、非対称性因子ｇは、母剤と光散乱粒子の屈折率差(あるいは母剤を基準にした屈折率比)から決定されるため、この組み合わせはこの限りではなく、例えば、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート(ＰＭＭＡ)などを母剤として用いてもよいことは言うまでもない。
(第７実施形態)
図１９は、本発明の第７実施形態の光通信装置の一例としての光無線通信システムの構成を示す模式図であり、以下、本発明の光源装置を用いた場合について説明する。
この光無線通信システムでは、情報機器の一例としてのパーソナルコンピュータ２０に、第５実施形態の図１４に示す光モジュールを含む光トランシーバ２３が組み込まれている。このトランシーバは、天井に据え付けられた基地局２４と光信号２１,２２で通信するものである。IEC60825-１(Amendment 2)クラス１の範囲内で空間に放射できる最大放射強度は、時間平均で約４００ｍＷ／ｓｒであって、同一の発振波長を有する通常の半導体レーザ素子の約６０倍にもなる。この光無線通信システムに本発明の光源装置を用いることで、通常の半導体レーザを使った場合に比べて通信距離を約８倍に伸ばすことができる。これにより、これまで、近接した機器同士に限られていた光無線通信を、この第７実施形態のように天井と机上といった離れた場所の通信に適用することができる。
上記第７実施形態では、光トランシーバ２３が組み込まれたパーソナルコンピュータ２０と天井に据え付けられた基地局２４との間で通信を行う光無線通信システムについて説明したが、光無線通信システムはこれに限らず、情報機器などの電子機器間で光通信を行う光無線通信システムにこの発明の光通信装置を適用してもよい。
また、上記第１〜第５実施形態では、半導体発光素子として単一の狭ストライプ高出力半導体レーザを用いたアイセーフ光源装置について説明したが、ＬＥＤに対する光電変換効率の優位性を有する半導体発光素子はこれに限らず、複数ストライプのアレイレーザ、ブロードエリアレーザ、あるいはＳＬＤ等、時間的・空間的なコヒーレンシが異なる種々の光源素子を用いた光源装置にこの発明を適用してもよい。特に本発明が有効であるのは、その発光面の大きさ(縦と横の平均)が１５０μｍ以下のものに対してである。１５０μｍ以下の光源は安全規格上点光源と同等に扱われ厳しい放射強度の規制を受けることとなる。これらの光源に対して、本願発明の光源径拡大の効果を適用することで眼に対する安全性が格段に高まった半導体光源装置を得ることが可能となる。波長がブロードであるようなＳＬＤのような発光デバイスの場合、そのピーク波長を用いて本発明を適用すればよい。
(第８実施形態)
本発明の第８実施形態の光源装置を用いた照明装置および光通信システムについて説明する。図２６は、青色半導体レーザ素子(波長４００ｎｍ帯)を用いた照明装置および光通信装置の模式図を示しており、図２６(b)は全体の外観を示す斜視図であり、図２６(a)は第１〜第６実施形態で説明した光源単位ユニットの詳細図である。
図２６(a),(b)に示すように、高熱伝導性ガラスエポキシ基板７に設けられたアレイ状の金属反射部２内に配置された半導体レーザチップ１は、これまでの実施形態と同じように、光散乱粒子６と光散乱領域５の母剤とで囲まれている。
ここで、光散乱粒子６にスチレン粒子を用いている。このスチレン粒子は、真球度が高く、粒径が制御しやすいことからこの第８実施形態での使用に適している。母剤は、第１〜第６実施形態と同じくシリコーンゲルを用いている。それぞれの屈折率は、レーザの短波長化により低くなっているが、その変化の割合が、スチレン粒子とシリコーンゲルとでほぼ同じである。したがって、屈折率比はほとんど変化せず、ここでは波長が短波長化した割合だけ光散乱粒子の径を小さくすることで、第１〜第６実施形態と同じように、低損失で光源径の最大化が可能となる。さて、ここでのレーザ発振波長は約４００ｎｍであるから、先の実施形態と同様、光散乱粒子の粒径は波長の０.６７〜１.０倍程度が最適である。また、得られる積g・〈ｎ〉の関係を２〜４０に設定することで個々の光源サイズの拡大と損失の低減が可能となる。
次に、上記照明装置および光通信システムの動作について説明する。それぞれのレーザは基板７上に設けられた櫛形の電極用パターン３に電気的に接続され、電流を印加することにより１列単位で発振する。この第８実施形態では、詳細図に示すように半導体レーザチップ１から出射した光が光散乱領域５を透過後、蛍光体２５(図２６(b)では図示せず)を含む樹脂層２４に入射する。この蛍光体２５は、インジウムナイトライド(ＩnＮ)化合物半導体粒子からなり、そのサイズは約５ｎｍ、６ｎｍ、１３ｎｍである。これら蛍光体２５は、波長４００ｎｍの光により励起され、それぞれ青、緑、赤の蛍光を発する。結果、白色の照明装置として用いることができる。なお、この蛍光体は波長に対して十分に小さいため、光が散乱されることはない。光散乱は、光散乱粒子６の存在する領域で起こり、この領域で光源径が最大化するよう最適化されている。この第８実施形態により、光源径の拡大が容易に行えるため、照明装置そのものを薄型で設計することが可能となる。また、半導体レーザチップ１の個数を同一にした場合であっても、照明装置として強度および照度のムラを抑えて、照明装置の大型化が可能となる。
このような薄型で大型化が可能な照明装置は、液晶ディスプレイのバックライトとして用いることが望ましい。本照明装置を用いることで、従来の蛍光灯よりさらに薄型のバックライトを得ることが可能となるし、先に述べたように色ムラのない美しい画面を実現することができる。また、近年実現されつつある発光ダイオードを用いたバックライトと比較しても、一定の使用時間における光強度の低下量が少なく長期信頼性に優れたバックライト光源である。
(第９実施形態)
図２７は本発明の第９実施形態の光源装置を用いた光通信機能付き照明装置２６を示す模式図である。この第９実施形態は、第８実施形態の応用例である。上記第８実施形態の照明装置において、それぞれの半導体レーザチップに印加される電流に信号を変調して重畳することで照明装置兼光通信装置としたものである。
図２６の照明装置を格納した光透過性筐体から、変調された可視光信号が部屋全体に配光される。可視光線の場合、空間に放射可能な放射強度は、赤外線の場合より大きくすることが可能であり、通信可能距離が伸びる。また、照明光のみが存在する室内での利用の場合には、受信特性に影響を与える背景光を制御することが可能で、さらなる受信感度の向上が可能となる。また、発光ダイオードを用いた場合に比べて半導体レーザは変調特性が優れており、通信速度の点においても有利である。
本発明の光源装置は、人が見ることが生じる場所への設置が可能である。たとえば、これまで用いることができなかった光無線通信機器等に搭載することで、発光ダイオードでは実現できなかった高速光通信が可能となる。こればかりでなく、本発明の光源装置および光通信装置は、高速光通信、レーザポインタ、レーザプロジェクタ、蛍光体と青紫色光源を組み合わせた照明装置など、レーザ光が人間の眼に入射する可能性のあるシステムに用いるのに適している。
図１は本発明の第１実施形態の光源装置の光モジュールの構成を示す断面図である。 図２は輸送平均散乱回数〈ｎ〉と光取り出し効率ηの関係(吸収なし)を示す図である。 図３は輸送平均散乱回数〈ｎ〉と規格化光源径の関係(吸収なし)を示す図である。 図４は損失(１−η)と規格化光源径の関係(吸収なし)を示す図である。 図５Ａは光取り出し効率η＞０.８、光源径＞最大光源径の８０％を満たす、ｇ・〈ｎ〉分布(吸収なし)を示す図である。 図５Ｂはｇ・〈ｎ〉に対する光源径／最大光源径および損失についての実験結果を示す図である。 図６は損失と規格化光源径の関係(アルベド0.9999)を示す図である。 図７は損失と規格化光源径の関係(アルベド0.999)を示す図である。 図８はアルベドγと好ましい非対称性因子ｇの関係を示す図である。 図９は非対称性因子ｇと好ましい輸送平均散乱回数〈ｎ〉の関係(アルベド0.9997)を示す図である。 図１０は非対称性因子ｇと好ましい輸送平均散乱回数〈ｎ〉の関係(アルベド0.99997)を示す図である。 図１１はアルベドγと好ましいｇ・〈ｎ〉の関係を示す図である。 図１２はアルベドγと更に好ましいｇ・〈ｎ〉の関係を示す図である。 図１３は本発明の第４実施形態の光源装置の光モジュールの構成を示す断面図である。 図１４は本発明の第５実施形態に用いられる光源装置の一例としての光モジュールの構成を示す断面図である。 図１５は上記光モジュールの光強度分布を示す図である。 図１６は本発明の第６実施形態に用いられる光源装置の一例としての光モジュールの構成を示す断面図である。 図１７は上記第６実施形態の光源装置の光モジュールの光散乱領域の厚さの変動を示す図である。 図１８は本発明の第６実施形態の別形態として用いられる光源装置の一例としての光モジュールの構成を示す断面図である。 図１９は本発明の第７実施形態の光通信装置の一例としての光無線通信システムの概略を示す模式図である。 図２０は従来の光源装置の構成を示す断面図である。 図２１は従来の光源装置の構成を示す断面図である。 図２２は屈折率と粒径に対する非対称性因子ｇの変化を示す図である。 図２３は屈折率と粒径に対する散乱断面積Ｑscaの変化を示す図である。 図２４は屈折率と粒径に対する３Ｑsca・(１−ｇ)ｇ／２dの変化を示す図である。 図２５は屈折率と粒径に対する３Ｑsca・(１−ｇ)ｇ／２dの変化を示す図である。 図２６は本発明の第８実施形態の光源装置を用いた照明装置を示す斜視図である。 図２７は本発明の第９実施形態の光源装置を用いた光通信機能付き照明装置を示す模式図である。
符号の説明
１…半導体レーザチップ
２…金属反射部
３,３’…電極用パターン
４…ワイヤ
５…光散乱領域
６…光散乱粒子
７…ガラスエポキシ基板
７a…ザグリ穴
７b,７c…溜まり部
８…エポキシレンズ
９…円筒
２０…パーソナルコンピュータ(情報機器)
２１…光信号(上り)
２２…光信号(下り)
２３…光トランシーバ
２４…基地局
２５…蛍光体
２６…光通信機能付き照明装置
１０１…半導体レーザチップ
１０２…ステム
１０３…キャップ
１１０…拡散板
１１１…凹レンズ

Claims (15)

  1. 半導体発光素子から放射された放射光が外部空間に至るまでの領域の一部に光散乱粒子を含む光散乱領域が設けられた光源装置であって、
    上記光散乱粒子の非対称性因子ｇと上記光散乱領域の輸送平均散乱回数〈ｎ〉との積ｇ・〈ｎ〉が、
    Figure 2006032885
     の条件を満足することを特徴とする光源装置。
  2. 請求項１に記載の光源装置において、
    上記光散乱粒子の非対称性因子ｇと上記光散乱領域の輸送平均散乱回数〈ｎ〉との積ｇ・〈ｎ〉が、
    Figure 2006032885
     の条件を満足することを特徴とする光源装置。
  3. 請求項１に記載の光源装置において、
    上記光散乱粒子のアルベドγが０＜γ＜１であるとき、その光散乱粒子の非対称性因子ｇが、
    Figure 2006032885
     の条件を満足することを特徴とする光源装置。
  4. 請求項１に記載の光源装置において、
    上記光散乱粒子のアルベドγが０＜γ＜１であるとき、上記光散乱粒子の非対称性因子ｇと上記光散乱領域の輸送平均散乱回数〈ｎ〉との積ｇ・〈ｎ〉が、
    Figure 2006032885
     の条件を満足することを特徴とする光源装置。
  5. 請求項１に記載の光源装置において、
    上記光散乱粒子のアルベドγが０＜γ＜１であるとき、上記光散乱粒子の非対称性因子ｇと上記光散乱領域の輸送平均散乱回数〈ｎ〉との積ｇ・〈ｎ〉が、
    Figure 2006032885
     の条件を満足することを特徴とする光源装置。
  6. 請求項１に記載の光源装置において、
    上記光散乱領域の輸送平均散乱回数〈ｎ〉が、
    Figure 2006032885
     の条件を満足することを特徴とする光源装置。
  7. 請求項１に記載の光源装置において、
    上記光散乱粒子の非対称性因子ｇが、
    ｇ ＜ ０.９
    の条件を満足することを特徴とする光源装置。
  8. 請求項１に記載の光源装置を用いたことを特徴とする光通信装置。
  9. 半導体発光素子と、
    上記半導体発光素子からの放射光が外部空間に至るまでの領域の一部に光散乱粒子を含む光散乱領域と、
    上記光散乱領域を形成する光散乱性材料を収容可能な溜まり部とを有することを特徴とする光源装置。
  10. 半導体発光素子から放射された放射光が外部空間に至るまでの領域の一部に光散乱粒子を含む光散乱領域が設けられた光源装置であって、
    上記光散乱粒子は、直径が放射光の中心波長の０.６７倍以上かつ１.０倍以下の粒子を含むことを特徴とする光源装置。
  11. 請求項１０に記載の光源装置において、
    上記光散乱粒子の屈折率と上記光散乱領域を形成する母剤の屈折率との差が、上記母剤の屈折率の０.０２５倍以上かつ、０.０４３倍以下であり、上記母剤に占める上記光散乱粒子の混合体積比が２５％以上であることを特徴とする光源装置。
  12. 請求項１０に記載の光源装置において、
    上記光散乱粒子の屈折率と上記光散乱領域を形成する母剤の屈折率との差が、上記母剤の屈折率の０.０４３倍以上であり、上記母剤に占める上記光散乱粒子の混合体積比が２５％未満であることを特徴とする光源装置。
  13. 請求項１０に記載の光源装置において、
    上記光散乱粒子は、ポリメチルスチレン、ポリメチルメタクリレートまたはポリブチルメタクリレートのいずれか１つからなることを特徴とする光源装置。
  14. 請求項１乃至７のいずれか１つに記載の光源装置において、
    上記光散乱粒子の粒径分布確率をp(r)とし、上記光散乱粒子の粒径がｒのときの非対称性因子をｇi(r)とするとき、上記光散乱粒子の非対称性因子ｇが、
    Figure 2006032885
     で求められることを特徴とする光源装置。
  15. 請求項１乃至７のいずれか１つに記載の光源装置において、
    上記光散乱領域が複数の光散乱粒子からなり、
    上記光散乱粒子の粒子数の比をｆj(j=1,…,n(nは２以上の整数))とし、上記光散乱粒子毎の粒径分布確率をｐj(r)とし、上記光散乱粒子の粒径がｒのときの非対称性因子をｇji(r)とするとき、上記光散乱粒子の非対称性因子ｇが、
    Figure 2006032885
     および
    Figure 2006032885
     で求められることを特徴とする光源装置。
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