JPH09166720A - コンパクトな光学的結合器 - Google Patents

コンパクトな光学的結合器

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JPH09166720A
JPH09166720A JP8240899A JP24089996A JPH09166720A JP H09166720 A JPH09166720 A JP H09166720A JP 8240899 A JP8240899 A JP 8240899A JP 24089996 A JP24089996 A JP 24089996A JP H09166720 A JPH09166720 A JP H09166720A
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JP
Japan
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light
coupler
optical coupler
optical
elongated
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Application number
JP8240899A
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English (en)
Inventor
William J Cassarly
ウィリアム・ジェイムズ・カサーリー
John M Davenport
ジョン・マーティン・ダベンポート
Richard L Hansler
リチャード・ロウエル・ハンスレー
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General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Publication date
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4298—Coupling light guides with opto-electronic elements coupling with non-coherent light sources and/or radiation detectors, e.g. lamps, incandescent bulbs, scintillation chambers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/2804—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers
    • G02B6/2808—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using a mixing element which evenly distributes an input signal over a number of outputs
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光源から非コヒーレント光を光分配ハーネス
へ結合するのに有用なコンパクトな光学的結合器を提供
する。 【解決手段】 結合器１６は中心の縦軸線を持つ細長の
光透過性本体を含み、該本体は光源１０からの光を受け
る入口端１４、および光分配ハーネス１９の先端に光を
供給するための出口端１８を持つ。本体は非コヒーレン
ト光の光混合を向上するために横断面が多角形であり、
入口端から出口端まで横断面積が増大しており、これに
より縦軸線に対して測った、出口端から出て行く光の最
大角度２２を、入口端に入る光の最大角度２１と比較し
て小さくする。また結合器の多角形の細長の本体を台形
に作り、光分配ハーネスの一部として平凸レンズ３２を
用いることにより、コンパクトな折り返し光学的結合シ
ステムを提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、非コヒーレント光
源を光分配ハーネスに結合するための光学的結合器及び
光学的結合システムに関するものであり、光学的結合器
は光の混合を増して出力光の強度および色の一様性を向
上させるために断面が多角形である。更に詳しくは、本
発明は、コンパクトな長さを持つ光学的結合器及び光学
的結合システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】多角形光学的結合器を用いる光学的結合
システムは知られており、例えば米国特許第５，３４
１，４４５号明細書に記載されている。この米国特許に
よれば、高輝度光源からの光を受けて、光分配ハーネス
へ光を送り出すために光学的結合器を使用し、該光分配
ハーネスから遠隔の光学装置に光を送ることが記載され
ている。特にこの米国特許には、断面が多角形、例えば
正方形、長方形、三角形または六角形である光学的結合
器が記載されている。非コヒーレント光源からの光が多
角形結合器の入口端に入って内部で充分に混合されてか
ら出口端を出て、出力光学装置（すなわち遠隔の光学装
置）に分配するための光分配ハーネスに送り込まれる。
このように充分に混合された光は、多くの照明用途で必
要とされるような色及び光強度が一様な光となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、従来
の多角形結合器を用いる光学的結合システムに比べて、
コンパクトすなわち長さが小さい多角形光学的結合器お
よびこのような結合器を用いる光学的結合システムを提
供することである。この課題は、（例えばビデオ映写機
の）小さな空間または容器内に光学的結合システムをは
め込む必要性に由来する。この課題を実現することによ
り、エネルギ使用効率が高い、点検整備が低減されると
いうような光学的分配システムの多くの利点が全て利用
できるようになると考えられる。
【０００４】本発明の他の課題は、光源から結合器に大
きい角度で入る光を一層効率よく結合するための多角形
光学的結合システムを提供することである。
【０００５】
【課題を解決しようとする手段】本発明の一形態では、
光源からの非コヒーレント光を光分配ハーネスへ結合す
るのに使用するためのコンパクトな光学的結合器を提供
する。この結合器は、中心の縦軸線を持つ細長の光透過
性本体を有し、該光透過性本体は光源からの光を受ける
ための入口端、および光分配ハーネスの先端に光を供給
するための出口端を含む。細長の光透過性本体は、非コ
ヒーレント光の光混合を増大させるために、その横断面
の形状が多角形である。細長の光透過性本体の多角形
は、その入口端における第１の横断面積から出口端にお
ける第２のすなわち拡大した横断面積まで大きさが増大
しており、これにより縦軸線に対して測った、出口端か
ら出て行く光の最大角度を、入口端に入る光の最大角度
と比較して小さくする。
【０００６】本発明の他の形態では、光源の第１および
第２の側部からの非コヒーレント光をそれぞれの第１お
よび第２の光分配ハーネスへ結合するための上記のタイ
プの一対のコンパクトな光学的結合器を提供する。また
本発明では、光学的結合器の多角形の細長の本体を台形
に作り、光分配ハーネスの一部として平凸レンズを用い
ることにより、コンパクトな折り返し光学的結合システ
ムを提供する。平凸レンズは特に、結合器から光を受け
る凸面、および結合器の方を向いていて、反射光が実質
的に結合器に当たらないような角度で光を反射する鏡面
状の平たい面を有する。
【０００７】本発明の上記およびその他の目的および利
点は添付の図面を参照した以下の説明から明らかになろ
う。図面では、全図を通して同様な部品には同じ参照番
号を付けてある。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下の説明において「上」、
「下」、「左」、「右」の様な用語を便宜的に用いる
が、これらは限定として解釈すべきでないことに留意さ
れたい。本発明と従来技術との相違を一層良く理解でき
るようにするために、先ず図１に示す従来の光学的結合
システムについて説明する。このようなシステムは、キ
セノン・メタルハライド・ランプのような高輝度である
のが好ましい光源１０を含む。光源１０（図にはランプ
のフィラメントとして簡略に示してある）からの光は、
楕円体形反射器１２によって、従来の光学的結合器１６
の左側の入口端１４が配置されている平面に集束され
る。結合器１６の左側の入口端１４および右側の出口端
１８は図２ＡおよびＢにそれぞれ示されている。結合器
１６が中空である場合は、結合器は破線１４Ａ（図２
Ａ）および１８Ａ（図２Ｂ）で示す内部反射面を持つ。
しかし結合器１６が中実である場合には、このような内
部反射面は存在しない。
【０００９】図３は光源１０からの光が結合器１６およ
び光分配ハーネス１９を介して表示用光学装置へ通って
いく様子を簡略に示す。適当な光分配ハーネスの詳細は
当業者には明らかであり、前掲の米国特許第５，３４
１，４４５号明細書にも記載されている。例えば、光分
配ハーネスは光学的光導体の束（図示していない）で構
成される。またこの代わりに、光分配ハーネスは、光を
変調して映写用スクリーン（図示していない）のような
表示用光学装置に送るための写真スライドおよび映写レ
ンズ（図示していない）で構成してもよい。用途によっ
ては、破線で示すように、余分の結合器１６′および光
分配ハーネス１９′を使用して別の表示用光学装置２
０′に光を送ることができる。
【００１０】図１および２に示すように、結合器１６は
その中心の縦軸線１６Ａに沿って正方形の横断面を持
ち。すなわち、入口端１４（図２Ａ）の寸法Ｄ１とＤ２
が等しく、同様に出口端１８（図２Ｂ）の寸法Ｄ３とＤ
４が等しい。しかし、結合器１６の横断面は、光の混合
を向上させて、出口端１８を出て行く光の強度および色
の一様性を改善できるように、長方形、或いは三角形や
六角形のような他の多角形にしてもよい。適切な多角形
の選択は、例えば前掲の米国特許第５，３４１，４４５
号明細書に記載されているように当業者には知られてい
る。
【００１１】図１には、縦軸線１６Ａに対して測った、
結合器１６の入口端１４に入る光１０Ａの最大角度２１
が一例として３０度として示されている。図示の例で
は、縦軸線１６Ａに対して測った、結合器１６の出口端
１４を出て行く光１０Ｂの最大角度２２も３０度にな
る。従来技術の結合器１６が中空である場合、寸法Ｄ１
が寸法Ｄ２に等しいとすると、所望の光混合を達成する
ために必要な結合器の長さは、寸法Ｄ１の約６倍であ
る。中実な結合器の場合、同じく寸法Ｄ１が寸法Ｄ２に
等しいとすると、所望の光混合を達成するために必要な
結合器の長さは、寸法Ｄ１の約９倍である。この結合器
１６の長さ２４に加えて、反射器１２と結合器の入口端
１４との間の空間の長さ２６も必要になる。角度２１が
３０度である場合、長さ２６は反射器１２の直径ｄの約
１．７３倍である。
【００１２】図４は、本発明による光学的結合システム
を示す。図５は本発明の結合器１６の入口端１４および
出口端１８を示す。図２について述べたように、破線１
４Ａおよび１８Ａは結合器１６が中空の場合の内部反射
面を表し、結合器が中実である場合は内部反射面は存在
しない。図４の本発明の光学的結合システムは、図１の
従来技術の光学的結合システムの長さ（長さ２６と２４
の和）より長さ３０だけ短くなっている。本発明では、
このようにシステムをコンパクトにするために、結合器
１６として、多角形の横断面が入口端１４（図５Ａ）か
ら出口端１８（図５Ｂ）まで増大する結合器を用いる。
この入口端１４から出口端１８までの結合器の寸法の増
大は一様であることが好ましい。以下、一様な場合の実
施例について説明する。
【００１３】上記のように形成された本発明の結合器１
６は、この結合器を通る光に対して、いわゆる角度−面
積変換を行う。これにより、例えば図示のように、縦軸
線１６Ａに対して測った、結合器１６の入口端１４に入
る光１０Ａの最大角度２１が４５度である場合、縦軸線
１６Ａに対して測った、結合器１６の出口端１４を出て
行く光１０Ｂの最大角度２２は３０度になる。これは、
入力の寸法Ｄ１と入力の角度２１の正弦との積が出力の
寸法Ｄ３と出力の角度２２の正弦との積に等しいうヘル
ムホルツの不変式に従う。同様な関係が、入力および出
力の寸法Ｄ２およびＤ４と対応する入力および出力の角
度についても存在する。
【００１４】角度２１が図４に示されているように４５
度である場合、寸法２６は反射器の直径ｄに等しい。こ
れは図示のシステムの長さを短くする１つの長さ低減成
分を表す。システムの長さの第２の低減成分は、図４の
相対的に短いテーパ付きの結合器１６が図１の従来技術
の相対的に長い結合器と実質的に同じ程度に光を混合す
ることによる。本発明の結合器１６の長さ２４は、結合
器が図示の正方形の場合、典型的には出力の角度２２の
正弦と入力の角度２１の正弦との比の６倍である。これ
らの角度がそれぞれ３０度と４５度であると、結合器の
長さ２４は寸法Ｄ１の大体４．２倍である。本発明の結
合器１６の長さ２４は、ビデオ映写システムの場合のよ
うに必要な光混合の程度がより低い場合、更に短くする
ことができる。
【００１５】代替実施例では、入口端１４から出口端１
８までの結合器１６のテーパが、当該技術分野で知られ
ている技術である非イメージング光学技術に従って作ら
れた複合放物面反射体（図示していない）を画成する。
このような実施例は、前に述べた結合器のテーパが一様
である実施例に比べて、入口端の角度２１から出口端の
角度２２への角度変化が比較的大きい場合に好ましい。
【００１６】図６は、本発明の特定の実施例による光学
的結合システムを示す。図４の光学的結合システムと同
様に、光源から発生された光、例えば１０Ａが、反射器
１２によって結合器１６の小さい方の端へ反射される。
しかし図６の結合器１６は横断面が台形である。その目
的は以下の説明から明らかとなろう。平凸レンズ３２が
結合器１６大きい方の端から光を受ける。結合器の一方
の端から他方の端までの面積の変化により、入力の角度
の分布に比べて出力の角度の分布に所期の低減が生じ
る。これにより、一方の端から他方の端までテーパを設
けてない結合器に比べてＦナンバー（すなわち、レンズ
の焦点距離とレンズの直径との比）の一層大きいレンズ
３２を使用することが出来る。
【００１７】レンズ３２は、結合器１６から光を受ける
凸面３２Ａを持つ。レンズの平たい面では、結合器の方
を向いた鏡面状の面３２Ｂが光を反射し、反射する角度
は反射光が実質的に結合器に当たらないように、すなわ
ち結合器からそれるようにする角度である。鏡面状の面
３２Ｂで反射されるので、光は凸面３２Ａを２回通過
し、この結果、コンパクトな折り返し光学的結合システ
ムが得られる。レンズ３２は結合器から光（例えば１０
Ｂ）をオフセット角度で受け取る。例えば、平らな鏡面
状の面３２Ｂに対して直交するレンズ３２の中心軸線
（図示していない）は、結合器の中心の縦軸線（図示し
ていない）に対して所定の角度（例えば１５度）で上向
きに配置されている。レンズ３２を出た光線１０Ｃは長
方形の領域（例えば表示板）３４へ差し向けられ、この
領域上の画像３６を照明することができる。長方形の領
域３４の下端からレンズまでの距離が長方形の領域３４
の上端からレンズまでの距離より短いので、標準的なレ
ンズの解析によれば対応する拡大率が異なる。正方形ま
たは長方形の結合器を用いると、領域３４の上端におい
て光がその範囲を超えて広がることになる。そこで台形
の結合器１６を使用することにより、異なる拡大率が補
償され、その結果、殆ど光損失なしに、長方形の領域３
４がほぼ一様に照明される。
【００１８】図７は、本発明を原理を応用した場合を示
し、図４および５の本発明の結合器１６について前に説
明したようにそれぞれテーパを設けた一対の光学的結合
器１６，１６′を用いる光学的結合システムを示す。こ
のような構成は、光源１０からの光を図示の５３度のよ
うな高い角度で結合する場合に特に有益である。この場
合、反射器１２は蛤状の形状であって、左側および右側
の楕円体形の部材１２Ａ，１２Ｂを有し、こららの部材
は光源からの光が光学的結合器の入口端１４，１４′の
所の焦平面に差し向けるような形状に形成することがで
きる。テーパ付きの結合器を使用することにより、例え
ば図１の従来技術のシステムよりも、光源１０からの高
い角度の光を収集ための著しく効率の良い手段が提供さ
れる。
【００１９】本発明を特定の実施例に関して説明してき
たが、当業者には多くの変更や変形を行うことができよ
う。したがって、本発明の真の趣旨および範囲にはいる
このような全ての変更および変形を包含するように特許
請求の範囲が記載されていることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術に従って構成された光学的結合システ
ムの正面図である。
【図２】（Ａ）は図１の従来の結合器の左側面図であ
り、（Ｂ）は図１の従来の結合器の右側面図である。
【図３】光源を１つ以上の光学的結合器および光分配ハ
ーネスを介して出力光学装置に結合したシステムのブロ
ックずである。
【図４】本発明による光学的結合システムの、図１と同
様な正面図である。
【図５】（Ａ）は図４の本発明の結合器の左側面図であ
り、（Ｂ）は図４の本発明の結合器の右側面図である。
【図６】本発明の特定の実施例による光学的結合システ
ムの斜視図である。
【図７】本発明による一対の光学的結合器を使用した光
学的結合システムの正面図である。
【符号の説明】 １０ 光源 １２ 楕円体形反射器 １４ 入口端 １６ 光学的結合器 １８ 出口端 １９ 光分配ハーネス ２０ 表示用光学装置 ３２ 平凸レンズ ３２Ａ 凸面 ３２Ｂ 平たい鏡面状の面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リチャード・ロウエル・ハンスレー アメリカ合衆国、オハイオ州、ペッパー・ パイク、ベルコート・ロード、28120番

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光源からの非コヒーレント光を光分配ハ
    ーネスへ結合するのに使用するためのコンパクトな光学
    的結合器において、 中心の縦軸線を持つ細長の光透過性本体であって、光源
    からの光を受けるための入口端、および光分配ハーネス
    の先端に光を供給するための出口端を含む細長の光透過
    性本体を有し、 上記細長の光透過性本体は、非コヒーレント光の光混合
    を増大させるために、その横断面の形状が多角形であ
    り、 上記細長の光透過性本体の多角形は、上記入口端におけ
    る第１の横断面積から上記出口端における第２のすなわ
    ち拡大した横断面積まで大きさが増大しており、これに
    より上記縦軸線に対して測った、上記出口端から出て行
    く光の最大角度を、上記入口端に入る光の最大角度と比
    較して小さくしたこと、を特徴とするコンパクトな光学
    的結合器。
  2. 【請求項２】 上記細長の光透過性本体の多角形は、上
    記入口端から上記出口端まで大きさが一様に増大してい
    る請求項１記載の光学的結合器。
  3. 【請求項３】 上記細長の光透過性本体は中空であり、
    上記縦軸線に沿った上記細長の光透過性本体の長さが、
    上記出口端から出て行く光の上記最大角度の正弦と上記
    入口端に入る光の上記最大角度の正弦との比を６倍した
    値以下である請求項１記載の光学的結合器。
  4. 【請求項４】 上記細長の光透過性本体は中実であり、
    上記縦軸線に沿った上記細長の光透過性本体の長さが、
    上記出口端から出て行く光の上記最大角度の正弦と上記
    入口端に入る光の上記最大角度の正弦との比を９倍した
    値以下である請求項１記載の光学的結合器。
  5. 【請求項５】 請求項１記載の光学的結合器と光源との
    組合せ。
  6. 【請求項６】 請求項１記載の光学的結合器と光分配ハ
    ーネスとの組合せ。
  7. 【請求項７】 上記細長の光透過性本体の多角形が台形
    であり、上記光分配ハーネスは平凸レンズを有し、上記
    平凸レンズは、上記結合器から光を受ける凸面、および
    上記結合器の方を向いていて、光を実質的に上記結合器
    に当たらないような角度で反射する鏡面状の平たい面を
    持っている請求項６記載の組合せ。
  8. 【請求項８】 光源の第１および第２の側部からの非コ
    ヒーレント光をそれぞれの第１および第２の光分配ハー
    ネスへ結合するための一対のコンパクトな光学的結合器
    であって、その各々の光学的結合器が請求項１乃至４の
    いずれか１項に記載の光学的結合器で構成されている一
    対の光学的結合器。
  9. 【請求項９】 上記縦軸線に対して測った、上記入口端
    に入る光の最大角度が４５度より大きい請求項８記載の
    一対の光学的結合器。
  10. 【請求項１０】 請求項８記載の一対の光学的結合器と
    光源との組合せ。
  11. 【請求項１１】 上記光源が蛤形の形状を有する反射器
    をそなえている請求項１０記載の組合せ。
  12. 【請求項１２】 請求項８記載の一対の光学的結合器と
    第１および第２の光分配ハーネスとの組合せ。
JP8240899A 1995-09-20 1996-09-12 コンパクトな光学的結合器 Pending JPH09166720A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/530,916 US5692091A (en) 1995-09-20 1995-09-20 Compact optical coupling systems
US08/530916 1995-09-20

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH09166720A true JPH09166720A (ja) 1997-06-24

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ID=24115510

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP8240899A Pending JPH09166720A (ja) 1995-09-20 1996-09-12 コンパクトな光学的結合器

Country Status (4)

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US (1) US5692091A (ja)
EP (1) EP0764862A1 (ja)
JP (1) JPH09166720A (ja)
CA (1) CA2185386A1 (ja)

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