JPH0527121A

JPH0527121A - 光源装置

Info

Publication number: JPH0527121A
Application number: JP3179666A
Authority: JP
Inventors: Makoto Tsubokawa; 信坪川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1991-07-19
Filing date: 1991-07-19
Publication date: 1993-02-05

Abstract

(57)【要約】【目的】レンズ光学系を必要とせずに、薄型で可撓性
に富み、さらに制御が簡単で任意の形状の面照明が可能
な光源装置を得る。【構成】直径が導波光の波長の０．１〜５倍の散乱体
３が添加されたコア１を有する光ファイバと、光ファイ
バにその一方の端面から光を入射させる光源とを有し、
光ファイバ中で散乱された光を光ファイバの側面から取
り出す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光源装置および照明装
置の分野に関し、特に２次元あるいは３次元的な照明が
可能な光源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常、任意の２次元または３次元的な形
状をもつ面光源を構成するには光源からの光をレンズ光
学系で導き、拡大等の変換を行う必要があり、装置の大
型化が避けられない欠点があった。また、薄型の光源と
して発光セルを配列し、セル内でのガス放電により発光
させる方法、あるいは多数の発光ダイオードを面的に配
列させて面光源を構成することも可能であるが、面積の
増加に対し必要な素子数は比例して増加するため、コス
ト的に高価になり、かつ制御も複雑になる欠点があっ
た。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述した従来
の欠点を解消し、レンズ光学系を必要とせず、薄型で可
撓性に富み、さらに制御が簡単で任意の形状の面照明が
可能な光源装置を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は直径が導波光の波長の０．１〜５倍の散乱
体が添加されたコアを有する光ファイバと、該光ファイ
バにその一方の端面から光を入射させる光源とを有し、
前記光ファイバ中で散乱された光を該光ファイバの側面
から取り出すようにしたことを特徴とする。

【０００５】

【作用】光ファイバのコア中に存在する微粒子によりコ
ア導波光の一部はミー散乱され、光ファイバのクラッド
を透過して放射光となる。微粒子が光ファイバの長手方
向にわたり分布していれば放射光は光ファイバ長手方向
に沿って生じ、その結果、光ファイバがつくる形状を持
った光源ができあがる。また、放射光の径方向の指向性
と強度を高めるため、不必要な放射方向についてクラッ
ド外面を金属で覆うことにより、不必要な放射光の径方
向成分の一部を金属面の内部反射で必要方向に変換させ
ることもできる。

【０００６】本発明によれば、レンズ光学系は不必要と
なり、可撓性に富んだ任意形状の面照明が、ほぼ光ファ
イバの厚みである１ｍｍ以下の薄さの装置で実現可能と
なる。また、少なくとも１個の半導体レーザで面照明が
可能となり、制御も簡単になる。

【０００７】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【０００８】図１は本発明で使用する光ファイバを説明
するための模式図であり、図１（Ａ）はコア１と透明な
被覆２からなる光ファイバを示しており、３は散乱を引
き起こす散乱体である。コアは４〜４００μｍ程度の直
径を有し、通常、酸化物ガラス，フッ化物ガラスあるい
は高分子プラスチックで構成される。また、図１（Ｂ）
はコア１，クラッド４の２重構造からなる光ファイバを
示しており、０．４〜１．５μｍの波長に対し、単一モ
ードから多モード動作をカバーできる、例えば、上記の
コアと、コアより屈折率が約０．２〜１％程度低く設定
され、直径がコアの数倍程度であるクラッドを有する光
ファイバを示している。通常のコア，クラッドの２層構
造からなる光ファイバではコア直径が４μｍ程度の場
合、コアとクラッドの屈折率差が０．２〜１％で、波長
０．４μｍ程度の光に対して単一モード動作となり、直
径の増加に従い、多モード動作に移っていく。コア直径
の上限の値は特に規定される必要が無いが、光ファイバ
の直径１ｍｍ程度に対しては、コアの直径は４００μｍ
程度である。コア中の伝搬光は散乱体により散乱され、
一部はそのまま導波モードとなり、他の部分は放射モー
ドとなってコアおよびクラッド外へ放射する。散乱体の
寸法が光の波長より十分小さい場合、ほぼ等方向に等し
い強度で散乱するレーリー散乱過程が生じるが、散乱断
面積が小さなため散乱光の強度が極めて小さい。このた
め、散乱光強度を増大させるには散乱効率がレーリー散
乱に比べ、１桁以上と大幅に増大するミー散乱過程の範
囲となる大きさの微粒子による散乱の利用が望ましい。

【０００９】図１に示した２種類の光ファイバ構造につ
いては、散乱光の大部分を占める光ファイバ軸に対して
数度以上の散乱角度成分が、どちらの構造に対しても概
ね放射モードになるため、どちらの構造でも散乱光の放
射強度にほぼ差異はない。通常の光ファイバでは、コア
中に存在する微小な密度揺らぎ等で起こるレーリー散乱
光は微弱なため、本発明では比較的散乱断面積が大きな
ミー散乱過程を引き起こすような散乱体のサイズとし
て、光の中心使用波長の０．１〜５倍程度の直径を持つ
非吸収性の気泡，グラファイト，カーボン，プラチナ，
アルミナ等の微粒子を用いる。ミー散乱における散乱光
強度の散乱角度依存性の例を図２に示す（参考：Ｍ．Ｂ
ＢｏｒｎａｎｄＥ．Ｗｏｌｆ著『Ｐｒｉｎｃｉｐ
ｌｅｏｆＯｐｔｉｃｓ』、１３章）。図中の黒丸は、
散乱体微粒子であり、ｐは粒子直径を光の波長で除した
数値である。光は図中、左方向から入射し、ｚ方向へ伝
播し粒子により散乱される。散乱光強度はｐに依存した
パターンを示し、ｐの増加につれ全散乱光強度も増大す
る（図中の散乱光強度パターンで実線はｐが２．５、点
線は０．５、一点鎖線は０．２５の場合の例である）。
図２にはｐが０．２５〜２．５の範囲のみを示してある
が、散乱角度方向が光ファイバ側面方向である６０〜１
２０度程度の強度成分の全強度に対する相対的な割合
は、ｐが０．１〜５の範囲において大きくなる。散乱体
の直径が小さいとレーリー散乱となる。一方、散乱体の
直径が波長の５倍程度以上大きくなると散乱光の内で１
８０度折りかえしの反射成分が大部分を占め、光ファイ
バ側方への散乱効率が激減し始めるため、直径の上限は
波長の５倍程度となる。

【００１０】図３は本発明の実施例を説明するための図
であり、５は白色光源あるいはレーザ光源、６はコア内
部に散乱体を有する光ファイバである。光源５から出射
した光は光ファイバ６へ入射し、コア中を伝搬する。伝
搬光の一部は、コア内の散乱体により散乱された放射モ
ードとなり、光ファイバ側面から飛びだす。散乱過程で
の単位長当たりの散乱光強度は、近似として I_RAD(z) ＝k(z)σAI_IN(O) exp(−k(z)σAz) （１）で表される。ここでｋ（ｚ）は散乱体の線密度、σは散
乱体の散乱断面積、Ａはコア面積、Ｉ_IN（Ｏ）は入射光
強度、ｚは光ファイバ長である。光ファイバ全長での散
乱損失値から線密度は決定できる。式（１）より、ｋ
（ｚ）およびσがｚに対して一定であれば散乱光強度は
ｚの増加につれて急激に減衰することが分かる。急激な
減衰を抑制する方法として例えば、図４に示される構成
例のように光ファイバの両端から光を入射させることに
より、散乱光の光ファイバ長に対する変化を抑制でき
る。図中の７は光分波器である。この場合の散乱光強度
は、 I_RAD(z) ＝k(z)σAI_IN(O)[exp(−k(z)σAz) ＋exp(−k(z)σA (1−z))]/2 （２）と表される。

【００１１】図５に式（２）を基に計算した散乱光強度
のｚ依存性の例を示す（便宜上、強度および光ファイバ
長は規格化してある）。図５より、光ファイバ全長にわ
たる散乱光強度の入射光強度の比が９０％程度（ｋσＡ
＝ｚ）の場合、光ファイバ中央で約７０％まで強度がく
ぼむことが分かる。さらに、平滑化を行うには、微粒子
の密度分布を変化させ、例えば、ｋ（ｚ）を０〜ｚ／２
まで増加する関数、例えば、ｋ（ｚ）＝ｋ₀ ｚ＋１（ｋ
₀ は定数）等に置き換えることも有効である（ｚ／２〜
ｚの区間は対称な折り返しとなる）。

【００１２】次に、面光源を構成する場合の面のサイズ
と輝度および必要な１次光源の強度について考える。図
６に装置の略図を示す。例えば、Ｌ×Ｌ（ｍｍ² ）の面
積をカバーするため例えば１ｍｍ間隔で光ファイバを配
列させた場合、光ファイバの全長は約Ｌ² ｍｍ程度とな
る。光ファイバの全散乱損失を１０ｄＢとすると、単位
面積当たりの平均散乱光強度は、近似的に０．９Ｉ_IN／
Ｌ² と表される。Ｉ_IN＝１０ｍＷ、Ｌ＝５００ｍｍの場
合、散乱光強度は３６μＷ／ｍｍ² となり、可視光領域
では目の視感度で十分認識できる強度になる。

【００１３】図７は本発明の光ファイバの別な形態を説
明するための図であり、８はＡｌ，Ａｇ，Ａｕ等の金属
の被覆を示している。光ファイバの長手方向に沿ってそ
の外周の一部が露出するように金属被覆８は形成され、
散乱光は光ファイバの露出部分から放出される。このよ
うな金属被覆は蒸着などの方法によって形成することが
できる。一般に散乱光は光ファイバ軸に対して３６０度
径方向に分散して放射されるため、図中の金属との境界
面で散乱光が反射されることにより径方向の指向性が改
善でき、かつ放射光の強度も増大できる。金属被覆はコ
ア１の上に直接設けてもよく、クラッドの外周に設けて
もよい。図１（Ａ）および（Ｂ）に示した透明被覆を有
する光ファイバの外周に設けてもよい。さらに、指向性
を改善する例として、光ファイバの断面形状をコア位置
を１つの焦点とした双曲面で構成することも有効であ
る。

【００１４】

【発明の効果】以上、説明したように本発明を用いるこ
とにより、任意の２次元または２次元形状を有する光源
が極めて簡単な構成で実現可能となる。加えて、この光
源装置は薄型で実現できるため、例えば液晶を利用した
薄型ディスプレイ等の光源として適用も可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に用いる光ファイバの例を示す図であ
る。

【図２】ミー散乱光強度の散乱角度依存性を示す図であ
る。

【図３】本発明の一実施例を示す模式図である。

【図４】本発明の他の実施例を示す模式図である。

【図５】散乱光強度の光ファイバ長依存性を示す図であ
る。

【図６】本発明のさらに他の実施例を示す図である。

【図７】本発明に用いる光ファイバの他の例を示す図で
ある。

【符号の説明】

１コア２被覆３散乱体４クラッド５光源６光ファイバ７分波器８金属被覆

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直径が導波光の波長の０．１〜５倍の散
乱体が添加されたコアを有する光ファイバと、該光ファ
イバにその一方の端面から光を入射させる光源とを有
し、前記光ファイバ中で散乱された光を該光ファイバの
側面から取り出すようにしたことを特徴とする光源装
置。
【請求項２】前記光ファイバは前記コアの外周に屈折
率が該コアの屈折率より０．２〜１％低いクラッドを有
し、前記コアの直径が４〜４００μｍであり、前記クラ
ッドの直径は前記コアの直径の２〜１０倍であって、前
記光ファイバは０．４〜１．５μｍの波長の光に対して
単一モードまたは多モード動作が可能であることを特徴
とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】前記光ファイバが外層に透明被覆を有す
ることを特徴とする請求項１または２に記載の光源装
置。
【請求項４】前記散乱体が気泡またはグラファイト，
カーボン，プラチナまたはアルミナの微粒子であること
を特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光源
装置。
【請求項５】前記光ファイバが最外層に金属被覆を有
し、かつ該金属被覆は前記光ファイバの長手方向に沿っ
てその一部が除去されていることを特徴とする請求項１
ないし４のいずれかに記載の光源装置。