WO2017204041A1 - 光伝搬装置、その光伝搬装置を用いた光表示装置及び照明装置 - Google Patents

光伝搬装置、その光伝搬装置を用いた光表示装置及び照明装置 Download PDF

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WO2017204041A1
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WO
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light
optical
optical waveguide
light source
propagation device
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PCT/JP2017/018420
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山内　研也
佐藤　正和
正紀 石川
大輔 神原
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アダマンド株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/0239—Combinations of electrical or optical elements
    • 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
    • G02B6/35—Optical coupling means having switching means
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light

Definitions

  • the present invention relates to a light propagation device, a light display device using the light propagation device, and an illumination device.
  • the light propagation device can perform non-contact processing and irradiation, it is used in various fields such as processing, medical treatment, and lighting, and further versatile use is required.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing the light propagation device 100 according to an embodiment of Patent Document 1.
  • the light propagation device 100 is mainly composed of a plurality of laser light sources 101, an optical fiber combiner 102, and a light emitting end cap 103.
  • the optical fiber combiner 102 corresponds to a coupler, and is referred to as a coupler in the description related to Patent Document 1.
  • An optical fiber 104 is optically coupled to the laser light source 101, and the optical fiber 104 serves as an input optical fiber for the coupler 102. Further, the output optical fiber 105 is extended from the coupler 102 to be an output optical fiber of the light propagation device 100.
  • Laser light emitted from each laser light source 101 propagates through the optical fiber 104 and enters the coupler 102, and is collected by the coupler 102 and emitted to the output optical fiber 105, and then enters the light emitting end cap 103. .
  • the laser light incident on the output light emitting end cap 103 is emitted from the output surface of the light emitting end cap 103.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a light propagation device that can collect light emitted from a plurality of light sources without using a coupler and can reduce manufacturing costs. .
  • the light propagation device of the present invention is formed of at least a plurality of light sources, a MEMS optical switch, a switching control device, and an optical waveguide, each light source has a fixed output, and the wavelength range of emitted light is not less than 445 nm and not more than 700 nm,
  • the MEMS optical switch is an n ⁇ m optical switch in which the number of input ports is n (n ⁇ 2) and the number of output ports is m (m ⁇ 1).
  • Each light source is optically coupled to each input port.
  • each optical waveguide is optically coupled to each output port, and each input port is switched at a constant period by the switching control device, and each input port is optically coupled to each optical waveguide for each period.
  • the light emitted from the light source is propagated to the optical waveguide.
  • the light propagation device of the present invention it is possible to reduce the manufacturing cost by collecting light emitted from a plurality of light sources by using a MEMS optical switch instead of a coupler.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an optical propagation device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing the operation of the MEMS optical switch in the optical propagation device of FIG.
  • FIG. 3 is an optical output-switching time graph when the mirror of the MEMS optical switch causes resonance in the light propagation device of the present invention.
  • FIG. 4 is an optical output-switching time graph when the mirror of the MEMS optical switch in the optical propagation device of the present invention is driven to perform high-speed switching.
  • FIG. 5 is an explanatory view showing an optical output operation to the optical waveguide in the light propagation device of FIG. 1, and is an explanatory view showing an example of hue adjustment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an optical propagation device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing the operation of the MEMS optical switch in the optical propagation device of FIG.
  • FIG. 3 is an optical output-switching time graph when the mirror of the MEMS optical
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing an optical output operation to the optical waveguide in the light propagation device of FIG. 1, and is an explanatory diagram showing an example of brightness adjustment.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing an optical output operation to the optical waveguide in the light propagation device of FIG. 1, and is an explanatory diagram showing an example of saturation adjustment.
  • FIG. 8a is a partial side view of a light diffusion fiber, which is an example of an optical waveguide in the light propagation device of FIG.
  • FIG. 8b is a cross-sectional view of the light diffusing fiber of FIG.
  • FIG. 8 b also shows a schematic partial enlarged view in which a portion surrounded by a curved line in the inner annular core region is enlarged.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing an embodiment of a conventional light propagation device.
  • the light propagation device is formed of at least a plurality of light sources, a MEMS optical switch, a switching control device, and an optical waveguide.
  • Each light source has a fixed output, and the wavelength range of emitted light is not less than 445 nm and not more than 700 nm.
  • the MEMS optical switch is provided with a mirror and is an optical switch to which MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology is applied.
  • the number of input ports is n (n ⁇ 2) and the number of output ports is m (m ⁇ 1). N ⁇ m optical switch.
  • each light source is optically coupled to each input port, and each optical waveguide is optically coupled to each output port.
  • Each input port is switched at a constant cycle by the switching control device, and each input port is optically coupled to each optical waveguide for each cycle, and light emitted from the light source is propagated to the optical waveguide.
  • the MEMS optical switch includes a mirror, the angle of the mirror is controlled by applying a voltage, and each input port is optically coupled to each optical waveguide at regular intervals.
  • Vp initial voltage
  • Vs set voltage
  • the resonance of the mirror can be prevented, so that the occurrence of ringing to the optical output of the outgoing light propagating through the optical waveguide is prevented. Therefore, the switching time for switching the input port is shortened, and a high-speed switching operation is possible. By enabling high-speed switching operation, it has become possible to prevent flicker recognition in applications that require visual recognition with the human eye.
  • the present invention may have the following configuration as a third feature. That is, in the present invention, each input port is optically coupled to each optical waveguide at regular intervals, and the switching control device causes the outgoing light to travel to the optical waveguide during the propagation time of the outgoing light to each optical waveguide.
  • the duty ratio of the on / off time of the propagation may be changed.
  • the configuration shown in the third feature it is possible to adjust the light emitted from the optical waveguide to the output light having any hue, lightness, and saturation according to the duty ratio change value. It becomes.
  • the present invention may have the following configuration as a fourth feature. That is, in the present invention, the optical waveguide may be formed of an optical fiber.
  • the present invention may have the following configuration as a fifth feature. That is, in the present invention, the optical fiber may be formed of a light diffusion fiber while having the fourth feature.
  • light can be emitted over the side surface of the optical fiber.
  • the optical waveguide with an optical fiber, it is possible to install the optical waveguide with an arbitrary shape due to the flexibility of the optical fiber. Such an effect can also be obtained when the optical fiber is a light diffusion fiber.
  • an optical fiber is defined as one that propagates light and emits light from an end face.
  • the light diffusion fiber is defined as an optical fiber that emits light from the side surface.
  • the present invention may have the following configuration as a sixth feature. That is, in the present invention, the period over all the input ports may be 15 milliseconds.
  • the present invention may have the following configuration as a seventh feature. That is, the present invention may be an optical display device in which the light source includes three individual light sources for each of RGB.
  • the present invention may have the following configuration as an eighth feature. That is, the present invention may be an optical propagation device that has the configuration shown in the seventh feature and that has a resolution of 256 divisions in which the duty ratio is changed at regular intervals.
  • an optical display device capable of displaying with true color (about 16.77 million colors) of emitted light.
  • the present invention may have the following configuration as a ninth feature. That is, the present invention provides a light propagation device having the first feature or a light propagation device having the first feature and at least one feature from the second feature to the eighth feature. It may be a display device.
  • an optical display device having each effect described in the first feature to the eighth feature can be realized.
  • the present invention may have the following configuration as a tenth feature. That is, the present invention provides a light propagation device having the first feature or an illumination device having the first feature and at least one light propagation device from the second feature to the seventh feature. It may be a device.
  • the light propagation device 1 of the first embodiment is formed of at least a plurality of light sources 2, a MEMS optical switch 3, a switching control device 4, and an optical waveguide 5.
  • the light propagation device 1 includes three individual light sources 2 a, 2 b, and 2 c as the light source 2.
  • the light sources 2a, 2b, and 2c emit light of colors corresponding to RGB (Red, Green, and Blue), respectively. Therefore, the wavelength region of light emitted from the light source 2 is not less than 445 nm and not more than 700 nm.
  • a semiconductor laser is used for each light source 2a, 2b, 2c of the light propagation device 1, and an LD (Laser Diode) is used.
  • the light emitted from each light source 2a, 2b, 2c is a fixed output.
  • the wavelength region of the light emitted from the red light source 2a is fixed to one wavelength of 635 nm to 690 nm.
  • the wavelength region of the light emitted from the green light source 2b is fixed to one wavelength of 520 nm to 532 nm.
  • the wavelength range of light output from the blue light source 2c is fixed to any one of 445 nm to 450 nm, 460 nm, and 473 nm.
  • a light emitting diode may be used for each of the light sources 2a, 2b, and 2c, and the wavelength range of light emitted from the red light source 2a when using an LED is fixed to one wavelength of 650 nm to 700 nm. Is done.
  • the wavelength region of light emitted from the green light source 2b is fixed to one wavelength of 505 nm to 560 nm.
  • the wavelength region of light output from the blue light source 2c is fixed to one wavelength of 450 nm or more and 470 nm or less.
  • each of the light sources 2a, 2b, and 2c is a fixed output, variable control of the light output becomes unnecessary, and the control device for the light source 2 can be omitted.
  • cables 6a, 6b, 6c each having an optical fiber is optically coupled to the emission side of each light source 2a, 2b, 2c. Furthermore, the other ends of the cables 6a, 6b, 6c are optically coupled to the three input ports 11 (11a, 11b, 11c) of the MEMS optical switch 3, respectively.
  • An optical waveguide other than the optical fiber may be used instead of the cables 6a, 6b, 6c. Light emitted from the light sources 2a, 2b, and 2c propagates in the cables 6a, 6b, and 6c and enters the input ports 11a, 11b, and 11c of the MEMS optical switch 3.
  • One end of each end of each cable 6a, 6b, 6c is coupled to the emission side of each light source 2a, 2b, 2c, and the other end of each cable 6a, 6b, 6c is the input port 11a, 11b of the MEMS optical switch 3.
  • 11c, the light sources 2a, 2b, and 2c are optically coupled to the input ports 11a, 11b, and 11c of the MEMS optical switch 3, respectively.
  • an off port 13 is provided along with the input ports 11a, 11b, and 11c, and FIG. 1 shows a state in which the MEMS optical switch 3 is switched to the off port 13.
  • the optical waveguide 5 is optically coupled to each output port 12.
  • the MEMS optical switch 3 since the MEMS optical switch 3 has one output port 12, one optical waveguide 5 is optically coupled to one output port in the optical propagation device 1.
  • An optical fiber or a light diffusion fiber is used as an example of the optical waveguide 5.
  • the switching control device 4 is electrically connected to the MEMS optical switch 3 via wiring.
  • the switching control device 4 controls the switching operation of the MEMS optical switch 3 so as to select at least one of the plurality of input ports 11a, 11b, and 11c.
  • the MEMS optical switch 3 selects one of the plurality of light sources 2a, 2b, and 2c, and makes the light incident from the selected light sources 2a, 2b, and 2c enter the optical waveguide 5. That is, the input ports 11a, 11b, and 11c are optically coupled to the optical waveguide 5 according to control by the switching control device 4, and light emitted from the light sources 2a, 2b, and 2c is propagated to the optical waveguide 5.
  • the switching control device 4 switches the input ports 11a, 11b, and 11c of the MEMS optical switch 3 at a constant cycle, and optically couples the input ports 11a, 11b, and 11c to the optical waveguide 5 for each cycle.
  • the light emitted from the light sources 2a, 2b, and 2c is propagated to the optical waveguide 5. Therefore, the input ports 11a, 11b, and 11c are optically coupled to the optical waveguide 5 at regular intervals.
  • the MEMS optical switch 3 includes a mirror and is a type in which the mirror angle is controlled by applying a voltage, and the mirror angle change pattern is controlled to be a periodic pattern at the predetermined period.
  • the direction of the reflected light changes, and the input ports 11a, 11b, and 11c are optically coupled to the optical waveguide 5 periodically.
  • a set voltage Vs (V) for controlling the mirror angle to a desired set value angle is applied from the initial voltage Vp (V), but the mirror has a mechanical resonance frequency characteristic. Therefore, when the input voltage value is changed directly from Vp (V) to Vs (V), the mirror resonates, and in the process of damped and oscillating from the resonance fluctuation width to converge to the set value angle, as shown in FIG. Ringing occurs in the optical output of the outgoing light propagating in the waveguide 5. Therefore, the switching time for switching between the input ports 11a, 11b, and 11c becomes redundant.
  • V ′ (V) that is greater than Vp (V) and less than Vs (V) is applied to the mirror.
  • the voltage value of V ′ (V) is set to a voltage value at which when the V ′ (V) is applied to the mirror, the maximum deflection width of the mirror becomes the set value angle.
  • V ′ (V) is applied and the mirror is shaken in advance to the set value angle, and when the mirror is shaken to the set value angle, Vs (V) is applied so that the mirror is directly from the initial state.
  • the present applicant has found through verification that resonance at a set angle is prevented. That is, since the mirror is swung to the predetermined value angle by applying Vs (V) while the mirror is swung to the predetermined value angle by applying V ′ (V), the resonance of the mirror can be prevented.
  • the switching time for switching the input port 11 is shortened, and high-speed switching operation is possible.
  • a high-order low-pass filter or notch filter is not required.
  • the circuit for driving the MEMS optical switch 3 is an analog circuit, it is not necessary to configure a digital filter in the circuit for driving the MEMS optical switch 3. Therefore, the affinity between the MEMS optical switch 3 and the analog circuit that drives the MEMS optical switch 3 is good, and the drive circuit can be prevented from becoming complicated.
  • the switching control device 4 is formed by a logic circuit.
  • the control circuit is composed of a frequency dividing circuit using a flip-flop counter of a logic circuit, for example.
  • the off-time within the period Tb is set by logical decoding according to the color designation of the three colors of RGB with a clock of a predetermined frequency (Clock: 3.2 kHz, for example), and propagation of the emitted light over the period Tb to the optical waveguide 5 Change the duty ratio of the on / off time.
  • the switching controller 4 switches the mirror from the off port 13 to the input port 11.
  • the switching control device 4 performs a pattern for optically coupling the input ports 11a, 11b, and 11c to the optical waveguide 5 sequentially with a constant period Tb, and turns on / off in the propagation time of the outgoing light to the optical waveguide 5.
  • the duty ratio of off time is changed.
  • Fig. 5 shows an example of hue adjustment that accompanies the duty ratio change.
  • the duty ratio in the period Tb in each of the input ports 11a, 11b, and 11c is set to 50%, and the on-time of each of the RGB light sources 2a, 2b, and 2c is made uniform. Is emitted from the optical waveguide 5.
  • the hatched portion indicates the off time, and the non-hatched portion indicates the on time.
  • the ON time in the cycle Tb of the R (red) light source 2a is 100% (duty ratio 100%), and the ON time in the cycle Tb of the G (green) light source 2b is 50%.
  • An example is shown in which orange light is emitted from the optical waveguide 5 with a duty ratio of 50% and an ON time within the period Tb of the remaining B (blue) light source 2c being 0% (duty ratio of 0%).
  • hue adjustment is not limited to the example shown in FIG. 5 and can be adjusted within the range of 0% to 100% of each duty ratio of the RGB light sources 2a, 2b and 2c.
  • Fig. 6 shows an example of brightness adjustment that accompanies the duty ratio change.
  • the duty ratio in the period Tb at each input port is set to 50%
  • the on-time of each of the RGB light sources 2a, 2b, and 2c is made uniform
  • white light having a brightness of 50%. Is emitted from the optical waveguide 5.
  • the ON time within the period Tb at each input port is set to 100% (duty ratio 100%), and the ON times of the RGB light sources 2a, 2b, and 2c are made uniform.
  • An example in which white light having a brightness of 100% is emitted from the optical waveguide 5 is shown.
  • the lightness adjustment is not limited to the example of white light shown in FIG. 6, but can be adjusted within the range of 0% to 100% of each duty ratio of the RGB light sources 2a, 2b, and 2c.
  • Fig. 7 shows an example of adjusting the saturation associated with the duty ratio change.
  • the ON time in the cycle Tb of the R (red) light source 2a is 100% (duty ratio 100%)
  • the ON time in the cycle Tb of the G (green) light source 2b is 50.
  • orange light is emitted from the optical waveguide 5 with% (duty ratio 50%) and an ON time within the period Tb of the remaining B (blue) light source 2c being 0% (duty ratio 0%).
  • the ON time in the cycle Tb of the R (red) light source 2a is 60% (duty ratio 60%), and the ON time in the cycle Tb of the G (green) light source 2b is 30%. (Duty ratio 30%) (the ON time within the period Tb of the remaining B (blue) light source 2c is 0% (no change in the duty ratio 0%)), and the orange color formed by the pattern shown in FIG. An example is shown in which orange light having lower saturation than light is emitted from the optical waveguide 5.
  • the adjustment of the saturation is not limited to the example of the orange light shown in FIG. 7, but can be adjusted within the range of 0% to 100% of each duty ratio of the RGB light sources 2a, 2b, and 2c.
  • An optical fiber used as an example of the optical waveguide 5 includes a core and a clad having a refractive index lower than the refractive index of the core, and has a structure in which the periphery of the core is surrounded by the clad.
  • a single mode optical fiber having an isotropic refractive index distribution can be used.
  • the single mode type optical fiber for example, a silica-based optical fiber or a plastic optical fiber can be used.
  • FIG. 8a is a partial side view of a light diffusing fiber having a plurality of air gaps in the core of a light diffusing fiber having a central axis (“center line”) 5a (hereinafter referred to as “light diffusing fiber 5” if necessary). is there.
  • FIG. 8B is a cross-sectional view of the light diffusion fiber 5 when viewed from the direction of the cut plane AA in FIG. 8A.
  • the light diffusing fiber 5 can be any one of various types of optical fibers having nano-sized fiber regions having, for example, periodic or aperiodic nano-sized structures 5c (eg, voids).
  • the light diffusing fiber 5 has a core 7 divided into three parts or regions. These core regions are a solid central portion 7a, a nanostructure ring portion (inner annular core region) 7b, and an outer solid portion 7c surrounding the inner annular core region 7b.
  • the clad 8 surrounds the core 7.
  • the cladding 8 may have a low refractive index to provide a high numerical aperture (NA).
  • NA numerical aperture
  • the cladding 8 can be a low refractive index polymer such as UV or thermosetting fluoroacrylate or silicon.
  • the coating 9 is designed to improve the distribution and / or properties of light passing from the core 7 to the cladding 8.
  • the outer surface of the clad 8 or the outer surface of the coating 9 represents the side surface 5b of the light diffusion fiber 5, and light propagating through the light diffusion fiber 5 is emitted from the side surface 5b by scattering to the outside.
  • the core 7 inner ring 7b includes a glass substrate (“glass”) 10 having a plurality of nano-sized structures (eg, “voids”) 5c located therein.
  • the nano-sized structure 5c may adopt a void structure as illustrated in detail in an inset for explaining a state in which a part of the inner annular core region 7b shown in FIG.
  • a plurality of nano-sized structures (for example, “voids”) 5c are aperiodically disposed therein.
  • the gaps 5c may be periodically arranged like a photonic crystal optical fiber, and the gaps 5c are typically about 1 ⁇ 10 ⁇ 8 m to 1 ⁇ 10 ⁇ 5 m. Having a diameter between.
  • the gaps 5c may be arranged aperiodically, that is, randomly.
  • Glass 10 is fluorine doped silica or undoped pure silica.
  • the nano-sized structure 5 c scatters light from the core 7 toward the outer surface of the light diffusion fiber 5. Accordingly, light is scattered and emitted from the side surface 5b over the length of the side surface 5b along the direction of the central axis 5a of the light diffusion fiber 5.
  • the scattered light can provide a desired light display device or lighting device.
  • the light diffusing fiber 5 is preferably one that emits uniform scattered light over its length.
  • the optical waveguide 5 can be installed in an arbitrary shape due to the flexibility of the optical fiber. Note that other optical waveguides may be used instead of the optical fiber and the light diffusion fiber.
  • the optical waveguide 5 may be optically coupled directly to the output port of the MEMS optical switch 3 or may be optically coupled via a separate optical fiber for connection.
  • an optical display device capable of displaying with true color (about 16.77 million colors) emitted light is formed. Is possible. In order to obtain 24 bits (8 bits ⁇ RGB) true color, it is necessary to set the resolution for changing the duty ratio to 8 bits.
  • the minimum duty ratio control time for actually controlling and displaying 16.770 million colors is derived by ⁇ 5 ms ⁇ (switching time) ⁇ / 256. Assuming that the shortened switching time is 0.5 msec, the minimum duty ratio control time for actually controlling 16.77 million colors is calculated by (5 msec ⁇ 0.5 msec) / 256. 5 ⁇ sec.
  • the MEMS optical switch 3 is used instead of the coupler, and the light emitted from the plurality of light sources 2a, 2b, and 2c is collected, thereby reducing the manufacturing cost. It becomes possible.
  • the present invention is not limited to this embodiment, You may form with the light source of.
  • the light source 2 is formed of at least two individual light sources.
  • the light source 2 by forming the light source 2 with three individual light sources for each of RGB, it is possible to realize a light propagation device, a light display device, or a lighting device capable of arbitrarily adjusting full-color hue, brightness, and saturation, which is most desirable. .
  • the configuration in which the number of output ports 12 is set to 1 and one optical waveguide 5 is provided has been described.
  • the number of output ports 12 is set to 2 or more and a plurality of optical waveguides are provided. Also good.
  • the hue, lightness, and saturation of the outgoing light propagated from each output port 12 to each optical waveguide may be arbitrarily changed according to the above embodiment.
  • the output (power) value from the light source 2 may be arbitrarily set to a necessary level in consideration of coupling efficiency with the input port 11 and the optical waveguide 5 and insertion loss.
  • the correction duty ratio control is performed for each light source according to the IL difference. You can go.
  • the duty ratio of the other light sources may be corrected with any one light source as a reference.
  • the IL difference correction duty ratio control of red (R) -2 dB, green (G) -5 dB, blue (B) -8 dB is used, and when the B light source is used as a reference, R is 25% and G is 50% duty ratio.
  • the operation check may be performed.
  • white light may be emitted to the optical waveguide without correction and observed with the naked eye, and the duty ratio may be corrected only for a specific light source depending on which light source has a strong hue.
  • the light source includes three individual LD light sources for each of RGB. Each individual light source was fixed output and 100% output (80 mW). The wavelength of the light source composed of the red LD was set to 638 nm, the light source composed of the green LD was set to 520 nm, and the light source composed of the blue LD was set to 450 nm. Therefore, the number of input ports n of the MEMS optical switch is set to 3. One output port number m was set to 1.
  • the initial voltage Vp 0 (V) to 25 degrees (V) is applied, and the mirror swings once (degree). One degree was set as the set value angle, and the maximum angle change of resonance was ⁇ 0.5 degrees. At this time, the set voltage is 25 (V). It was observed that a switching time of 20 milliseconds was required when the set voltage 25 (V) was applied directly from Vp. The reason for this is that when direct pulse driving is performed, a voltage signal having a wide frequency band due to harmonics is generated, and resonance is caused by the resonance frequency component (about 1 kHz).
  • V ′ is a voltage value such that the maximum deflection angle of the mirror is a set value angle of 1 degree (degree), and is set to 12 (V).
  • V ′ (12 (V)) is applied to the mirror and the mirror is swung to the maximum once, the set voltage 25 (V) is applied, so that the switching time for switching the input port is 0.5 m. It was observed that it could be shortened to seconds.
  • the switching control device is formed by a logic circuit, and the control circuit is constituted by a frequency dividing circuit by a flip-flop counter of the logic circuit.
  • the period Ta over all the input ports was 15 msec (66.7 Hz), and the period Tb for switching each input port of the MEMS optical switch was 5 msec.
  • the resolution for changing the duty ratio was 4 bits.
  • the clock was set to 3.2 kHz and the off time was set by logic decoding according to the color designation, and the MEMS optical switch was controlled by the switching control device.
  • 3 ⁇ 1 MEMS optical switch has a difference in insertion loss (IL) due to wavelength dependence of mirror reflectivity.
  • IL insertion loss
  • a MEMS optical switch using a mirror having a small wavelength dependency was used ( ⁇ 0.5 dB). As a result, the hue of the emitted light is prevented from being shifted and correction of the duty ratio is unnecessary.
  • a light diffusion fiber (numerical aperture (> 0.5), core diameter 170 ⁇ m, outer diameter 230 ⁇ m) was used, and the hue, brightness, and saturation of the scattered light from the side of the fiber were observed.

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Abstract

カプラーを用いること無く、複数の光源から出射される光を纏めることが可能となり、製造コストの低減が図れる光伝搬装置を提供する。 少なくとも光源（２）とＭＥＭＳ光スイッチ（３）と切替制御装置（４）と光導波路（５）から光伝搬装置（１）を形成し、各光源（２）は固定出力で、出射される光の波長領域は４４５ｎｍ以上７００ｎｍ以下であり、ＭＥＭＳ光スイッチ（３）はｎ×ｍ（ｎ≧２、ｍ≧１）光スイッチであり、各入力ポート（１１）に各光源（２）が光学的に結合されると共に、各出力ポート（１２）に各光導波路（５）が光学的に結合され、切替制御装置（４）により各入力ポート（１１）を一定の周期で切り替えて、その周期毎に各入力ポート（１１）を各光導波路（５）に光学的に結合して、光源（２）からの出射光を光導波路（５）に伝搬する。

Description

光伝搬装置、その光伝搬装置を用いた光表示装置及び照明装置
　本発明は、光伝搬装置、その光伝搬装置を用いた光表示装置及び照明装置に関する。
　光伝搬装置は、非接触加工や照射が可能なことから、加工、医療、照明など様々な分野で用いられており、更なる多用途での使用が求められている。
　このような光伝搬装置の一例として、複数の光ファイバから出力されるレーザ光をカプラーにより纏めて、１本の光ファイバから出力する装置が公開されている（例えば、特許文献１参照）。
　図９は、特許文献１の一実施形態における光伝搬装置１００を示す模式図である。光伝搬装置１００は、複数のレーザ光源１０１、光ファイバコンバイナ１０２、及び光出射用エンドキャップ１０３で主に構成される。光ファイバコンバイナ１０２は、カプラーに相当するものであり、特許文献１に関する説明においてはカプラーと呼ぶ。レーザ光源１０１には光ファイバ１０４が光学的に結合され、光ファイバ１０４がカプラー１０２の入力用光ファイバとされる。またカプラー１０２から出力用光ファイバ１０５が延長されて、光伝搬装置１００の出力用光ファイバとされる。
　各レーザ光源１０１から出射されたレーザ光は、光ファイバ１０４を伝搬してカプラー１０２に入射し、カプラー１０２で纏められて出力用光ファイバ１０５に出射され、光出射用エンドキャップ１０３に入射される。出力用光出射用エンドキャップ１０３に入射したレーザ光は、光出射用エンドキャップ１０３の出力面から出射される。
特開２０１５－０２２１３３号公報
　特許文献１の光伝搬装置１００ではカプラー１０２を使用しているため、製造コストが高騰した。
　本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、カプラーを用いること無く、複数の光源から出射される光を纏めることが可能となり、製造コストの低減が図れる光伝搬装置の提供を目的とする。
　前記課題は、以下の本発明により解決される。即ち本発明の光伝搬装置は少なくとも、複数の光源とＭＥＭＳ光スイッチと切替制御装置と光導波路から形成され、各光源は固定出力で、出射される光の波長領域は４４５ｎｍ以上７００ｎｍ以下であり、ＭＥＭＳ光スイッチは、入力ポートの数がｎ（ｎ≧２）で出力ポートの数がｍ（ｍ≧１）の、ｎ×ｍ光スイッチであり、各入力ポートに各光源が光学的に結合されると共に、各出力ポートに各光導波路が光学的に結合され、切替制御装置により各入力ポートが一定の周期で切り替えられて、その周期毎に各入力ポートが各光導波路に光学的に結合されて、光源からの出射光が光導波路に伝搬されることを特徴とする。
　本発明の光伝搬装置に依れば、カプラーの代わりにＭＥＭＳ光スイッチを用いて、複数の光源から出射される光を纏めることで、製造コストの低減を図ることが可能となる。
図１は、本発明の実施形態に係る光伝搬装置を示す模式図である。 図２は、図１の光伝搬装置に於けるＭＥＭＳ光スイッチの動作を示す説明図である。 図３は、本発明の光伝搬装置に於けるＭＥＭＳ光スイッチのミラーが共振を起こした時の光出力－スイッチング時間グラフである。 図４は、本発明の光伝搬装置に於けるＭＥＭＳ光スイッチのミラーを、高速スイッチング駆動させた時の光出力－スイッチング時間グラフである。 図５は、図１の光伝搬装置に於ける光導波路への光出力動作を示す説明図であり、色相調整の例を示す説明図である。 図６は、図１の光伝搬装置に於ける光導波路への光出力動作を示す説明図であり、明度調整の例を示す説明図である。 図７は、図１の光伝搬装置に於ける光導波路への光出力動作を示す説明図であり、彩度調整の例を示す説明図である。 図８ａは、図１の光伝搬装置に於ける光導波路の一例である、光拡散ファイバの部分側面図である。図８ｂは、図８ａの光拡散ファイバを切断面Ａ－Ａ方向から見た時の断面図である。図８ｂには、内側環状コア領域内に曲線で円状に囲まれた部分を拡大した概略部分拡大図があわせて図示されている。 図９は、従来の光伝搬装置の一実施形態を示す模式図である。
　本発明の実施形態における第一の特徴は、次の構成である。すなわち、本発明においては、光伝搬装置が少なくとも、複数の光源とＭＥＭＳ光スイッチと切替制御装置と光導波路から形成される。各光源は固定出力で、出射される光の波長領域は、４４５ｎｍ以上７００ｎｍ以下である。ＭＥＭＳ光スイッチは、ミラーを備えており、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を適用した光スイッチであり、入力ポートの数がｎ（ｎ≧２）で出力ポートの数がｍ（ｍ≧１）の、ｎ×ｍ光スイッチである。光伝搬装置では、各入力ポートに各光源が光学的に結合されると共に、各出力ポートに各光導波路が光学的に結合される。切替制御装置により各入力ポートが一定の周期で切り替えられて、その周期毎に各入力ポートが各光導波路に光学的に結合されて、光源からの出射光が光導波路に伝搬される。
　このような構成に依れば、カプラーの代わりにＭＥＭＳ光スイッチを用いて、複数の光源から出射される光を纏めることで、製造コストの低減を図ることが可能となる。
　本発明は、第二の特徴として次に示す構成を備えていてもよい。すなわち、本発明においては、ＭＥＭＳ光スイッチがミラーを備え、電圧の印加によりミラーの角度が制御され、一定の周期毎に各入力ポートが各光導波路に光学的に結合される。そして、本発明においては、初期電圧Ｖｐ（Ｖ）から、ミラーの角度を所望の設定値角度に制御する設定電圧Ｖｓ（Ｖ）に遷移する途中で、Ｖｐ（Ｖ）超およびＶｓ（Ｖ）未満である電圧Ｖ’（Ｖ）がミラーに印加され、Ｖ’（Ｖ）印加により設定値角度までミラーが振れた時点でＶｓ（Ｖ）が印加されてよい。
　このような第二の特徴をなす構成に依れば、ミラーの共振を防止することが可能となる為、光導波路に伝搬される出射光の光出力へのリンギング発生が防止される。よって入力ポートの切替のスイッチング時間が短縮され、高速でのスイッチング動作が可能となる。高速でのスイッチング動作が可能となることで、人間の肉眼により視認が必要な用途に於いて、光のちらつき認識を防止することが可能となった。
　本発明は、第三の特徴として次に示す構成を備えていてもよい。すなわち、本発明においては、一定の周期毎に各入力ポートが各光導波路に光学的に結合されながら、切替制御装置により、各光導波路への出射光の伝搬時間における、出射光の光導波路への伝搬のオン／オフ時間のデューティー比が変更されてよい。
　この第三の特徴に示す構成に依れば、光導波路から外部へ出射される光を、デューティー比の変更値に応じて任意の色相、明度、彩度を有する出射光に調整することが可能となる。
　本発明は、第四の特徴として次に示す構成を備えていてもよい。すなわち、本発明においては、光導波路が光ファイバで形成されてよい。
　この第四の特徴に示す構成に依れば、光ファイバの端面から光を出射することが可能となる。
　本発明は、第五の特徴として次に示す構成を備えていてもよい。すなわち、本発明においては、第四の特徴を備えるとともに光ファイバが光拡散ファイバで形成されてよい。
　この第五の特徴に示す構成に依れば、光ファイバの側面に亘って光を放射することが可能となる。
　更に、光導波路を光ファイバで形成することにより、光ファイバの可撓性により任意な形状で以て光導波路を設置することが可能となるという効果が得られる。光ファイバが光拡散ファイバである場合にもこうした効果を得ることができる。
　なお本発明に於いて光ファイバとは、光を伝搬し、端面から光を出射して発光するものと定義する。また、本発明に於いて光拡散ファイバとは、側面から光を出射する光ファイバと定義する。
　本発明は、第六の特徴として次に示す構成を備えていてもよい。すなわち、本発明においては、全ての入力ポートに亘る周期が、１５ｍ秒とされていてもよい。
　この第六の特徴に示す構成に依れば、人間の肉眼による出射光のちらつき認識を防止することが可能となる。
　本発明は、第七の特徴として次に示す構成を備えていてもよい。すなわち、本発明は、光源がＲＧＢ毎の３つの個別の光源を備える光表示装置であってもよい。
　この第七の特徴に示す構成に依れば、フルカラーの色相、明度、彩度の任意調整が可能な光表示装置が実現可能となる。
　本発明は、第八の特徴として次に示す構成を備えていてもよい。すなわち、本発明は、第七の特徴に示す構成を備えるとともに一定の周期毎に於ける前記デューティー比が変更される分解能が２５６分割である光伝搬装置であってもよい。
　この第八の特徴に示す構成に依れば、トゥルーカラー（約１６７７万色）の出射光で以て表示が可能な、光表示装置を形成することが可能となる。
　本発明は、第九の特徴として次に示す構成を備えていてもよい。すなわち、本発明は、第一の特徴を有する光伝搬装置又は第一の特徴を有するとともに少なくとも第二の特徴から第八の特徴までのいずれか１つ以上の特徴を有する光伝搬装置を備える光表示装置であってもよい。
　この第九の特徴に示す構成に依れば、上記第一の特徴から第八の特徴で述べた各効果を有する光表示装置を実現することが出来る。
　本発明は、第十の特徴として次に示す構成を備えていてもよい。すなわち、本発明は、第一の特徴を有する光伝搬装置又は第一の特徴を有するとともに少なくとも第二の特徴から第七の特徴までのいずれか１つ以上の特徴を有する光伝搬装置を備える照明装置であってもよい。
　この第十の特徴に示す構成に依れば、上記第一の特徴から第七の特徴で述べた上記各効果を有する照明装置を実現することが出来る。
　以下、図１～図８を参照して本発明の実施形態に係る光伝搬装置を説明する。第１の実施形態の光伝搬装置１は少なくとも、複数の光源２とＭＥＭＳ光スイッチ３と切替制御装置４と光導波路５から形成される。
　光伝搬装置１は、光源２として、３つの個別の光源２ａ、２ｂ、２ｃを備えている。光源２ａ、２ｂ、２ｃは、それぞれＲＧＢ（Ｒｅｄ、Ｇｒｅｅｎ、Ｂｌｕｅ）に対応した色の光を出射する。従って、光源２から出射される光の波長領域は４４５ｎｍ以上７００ｎｍ以下である。光伝搬装置１の各光源２ａ、２ｂ、２ｃには一例として半導体レーザが使用され、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅ）が使用される。各光源２ａ、２ｂ、２ｃから出射される光は固定出力である。よって、赤色の光源２ａから出射される光の波長領域は、６３５ｎｍ以上６９０ｎｍ以下の一つの波長に固定される。緑色の光源２ｂから出射される光の波長領域は５２０ｎｍ以上５３２ｎｍ以下の一つの波長に固定される。また、青色の光源２ｃから出力される光の波長領域は、４４５ｎｍ～４５０ｎｍ、４６０ｎｍ、４７３ｎｍの何れか一つの波長に固定される。
　各光源２ａ、２ｂ、２ｃには発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用しても良く、ＬＥＤを用いる場合の赤色の光源２ａから出射される光の波長領域は、６５０ｎｍ以上７００ｎｍ以下の一つの波長に固定される。また緑色の光源２ｂから出射される光の波長領域は５０５ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の一つの波長に固定される。また、青色の光源２ｃから出力される光の波長領域は、４５０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下の一つの波長に固定される。
　各光源２ａ、２ｂ、２ｃから出射される光が固定出力とされていることで、光出力の可変制御が不要となり、光源２の制御装置が省略可能となる。
　各光源２ａ、２ｂ、２ｃの出射側には、それぞれ光ファイバを備えたケーブル６ａ、６ｂ、６ｃの一端が光学的に結合されている。更に各ケーブル６ａ、６ｂ、６ｃの他端は、ＭＥＭＳ光スイッチ３の３つの入力ポート１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）にそれぞれ光学的に結合されている。なおケーブル６ａ、６ｂ、６ｃに代えて光ファイバ以外の光導波路を用いても良い。各光源２ａ、２ｂ、２ｃから出射された光は、各ケーブル６ａ、６ｂ、６ｃ内を伝搬して、ＭＥＭＳ光スイッチ３の各入力ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｃに入射される。
　光伝搬装置１のＭＥＭＳ光スイッチ３は、入力ポートの数がｎ＝３（ｎ≧２）で、出力ポートの数がｍ＝１（ｍ≧１）の、ポート数の選択パターンがｎ×ｍ（通り）存在するｎ×ｍ（図１の例では、３×１）光スイッチである。各ケーブル６ａ、６ｂ、６ｃの両端のうち一方端が各光源２ａ、２ｂ、２ｃの出射側に結合され、各ケーブル６ａ、６ｂ、６ｃの他方端が、ＭＥＭＳ光スイッチ３の入力ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｃに結合されているため、ＭＥＭＳ光スイッチ３の各入力ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｃに各光源２ａ、２ｂ、２ｃが光学的に結合されている。また、入力ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｃと並んでオフポート１３が設けられており、図１ではオフポート１３にＭＥＭＳ光スイッチ３が切り替えられている状態を示している。
　一方、各出力ポート１２には、それぞれ光導波路５が光学的に結合される。なお、図１等に示す例では、ＭＥＭＳ光スイッチ３の出力ポート１２は１つであることから、光伝搬装置１には１つの出力ポートに１つ光導波路５が光学的に結合される。光導波路５の一例として光ファイバ又は光拡散ファイバが用いられる。
　また切替制御装置４は、ＭＥＭＳ光スイッチ３と配線を介して電気的に接続されている。切替制御装置４は、複数の入力ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｃのうち少なくとも１つを選択するようにＭＥＭＳ光スイッチ３の切り替え動作を制御する。この制御に従い、ＭＥＭＳ光スイッチ３は複数の光源２ａ、２ｂ、２ｃの１つを選択し、選択した各光源２ａ、２ｂ、２ｃから入射する光を、光導波路５に入射させる。即ち、切替制御装置４による制御に応じて各入力ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｃが光導波路５に光学的に結合されて、光源２ａ、２ｂ、２ｃからの出射光が光導波路５に伝搬される。
　切替制御装置４は、ＭＥＭＳ光スイッチ３の各入力ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｃを一定の周期で切り替えて、その周期毎に各入力ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｃを光導波路５に光学的に結合して、光源２ａ、２ｂ、２ｃからの出射光を光導波路５に伝搬する。従って、一定の周期毎に各入力ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｃが光導波路５に光学的に結合される。
　ＭＥＭＳ光スイッチ３の各入力ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｃを切り替える周期は、光伝搬装置１の使用分野に応じて設定可能である。光伝搬装置１では、可視光波長領域（４４５ｎｍ以上７００ｎｍ以下）の光源２を使用しているため、使用分野の一例としては人間の肉眼により出射光を感知する必要がある光表示装置または照明装置が挙げられる。このような使用分野では、人間の肉眼による出射光のちらつき認識を防止するため、図５～図７に示すように全ての入力ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｃに亘る周期Ｔａが６０Ｈｚ超（６６．７Ｈｚ（周期１５ｍ秒））となることが好ましい。またＭＥＭＳ光スイッチ３の各入力ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｃを切り替える周期Ｔｂは、Ｔａ／入力ポート数となる（光伝搬装置１では、Ｔｂ＝５ｍ秒（５ｍｓｅｃ）となる）。
　ＭＥＭＳ光スイッチ３はミラーを備え、電圧を印加することでミラーの角度が制御される型式であり、ミラーの角度の変更パターンが前記一定の周期で周期的なパターンとなるように制御されることで反射光の方向が変わり、各入力ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｃが周期的に光導波路５に光学的に結合されるようになる。初期電圧Ｖｐ（Ｖ）から、ミラーの角度を所望の設定値角度に制御する設定電圧Ｖｓ（Ｖ）が印加されるが、ミラーは機械的共振周波数特性を有する。従って、入力電圧値をＶｐ（Ｖ）から直接Ｖｓ（Ｖ）に遷移させるとミラーが共振し、その共振振れ幅から減衰振動して設定値角度に収束する過程で、図３に示すように光導波路５に伝搬される出射光の光出力にリンギングが発生する。よって入力ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｃ間の切り替えのスイッチング時間が冗長化されてしまう。
　そこで本発明では、Ｖｐ（Ｖ）からＶｓ（Ｖ）に遷移する途中で、Ｖｐ（Ｖ）超およびＶｓ（Ｖ）未満である電圧Ｖ’（Ｖ）をミラーに印加している。Ｖ’（Ｖ）の電圧値は、そのＶ’（Ｖ）をミラーに印加した時、ミラーの最大振れ幅が前記設定値角度となる電圧値とする。遷移途中にＶ’（Ｖ）を印加してミラーを設定値角度まで予め振らせておき、ミラーが設定値角度まで振れた時点でＶｓ（Ｖ）を印加することで、ミラーが初期状態から直接設定値角度で共振することが防止されることを、本出願人は検証により見出した。即ち、Ｖ’（Ｖ）の印加によりミラーが所定値角度まで振れた状態で、更にＶｓ（Ｖ）の印加により所定値角度にミラーが振れようとする為、ミラーの共振が防止可能となる。
　ミラーの共振を防止することが可能となる為、図４に示すように光導波路５に伝搬される出射光の光出力へのリンギング発生が防止される。よって入力ポート１１の切り替えのスイッチング時間が短縮され、高速でのスイッチング動作が可能となる。高速でのスイッチング動作が可能となることで、ＭＥＭＳ光スイッチ３の各入力ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｃを例えば周期Ｔｂ＝５ｍ秒で切り替えることが出来るようになり、光表示装置または照明装置と云った人間の肉眼により視認が必要な用途に於いて、光のちらつき認識を防止することが可能となった。
　更に、ミラーの共振周波数に応じて（一例として共振周波数が１ｋＨｚの場合）、高次数のローパスフィルタやノッチフィルタが不要となる。また、ＭＥＭＳ光スイッチ３を駆動する回路がアナログ回路の場合、ＭＥＭＳ光スイッチ３を駆動する回路にデジタルフィルタを構成する必要が無くなる。そのため、ＭＥＭＳ光スイッチ３とＭＥＭＳ光スイッチ３を駆動するアナログ回路との親和性は良く、駆動回路が煩雑となるのを抑制できる。
　切替制御装置４は論理回路により形成される。その制御回路は、例えば論理回路のフリップフロップカウンタによる分周回路で構成される。所定周波数のクロック（Ｃｌｏｃｋ：例えば３．２ｋＨｚ）でＲＧＢ三色の色指定に応じた論理デコードで周期Ｔｂ内のオフ時間を設定して、周期Ｔｂ内に亘る出射光の光導波路５への伝搬のオン／オフ時間のデューティー比を変更する。切替制御装置４によりオフポート１３から入力ポート１１へミラーを切り替える。従って、切替制御装置４により、各入力ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｃを順次光導波路５に光学的に結合させるパターンを一定の周期Ｔｂで実施させ、光導波路５への出射光の伝搬時間におけるオン／オフ時間のデューティー比が変更される。
　図２に矢印で示すように、赤色の光源２ａから入力ポート１１ａが接続され、青色の光源２ｃまで切り替わったら、再び光源２ａへと切り替わる。前記周期Ｔａ＝１５ｍ秒及びＴｂ＝５ｍ秒で以て入力ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｃの切替動作を行わせることにより、人間の肉眼には光導波路５からの出射光にちらつきが感じられない。従って、光導波路５から外部へ出射される光は、デューティー比の変更値に応じた任意の色相、明度、彩度を有する出射光として肉眼に認識される。
　図５にデューティー比変更に伴う色相の調整例を示す。図５の（ａ）のパターンは各入力ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｃに於ける前記周期Ｔｂ内でのデューティー比を５０％ずつとし、ＲＧＢ各光源２ａ、２ｂ、２ｃのオン時間を均一として白色光を光導波路５から出射する例を示している。ハッチングが掛かっている部分がオフ時間を、ハッチングが掛かっていない部分がオン時間を、それぞれ示している。
　図５の（ｂ）のパターンはＲ（赤色）光源２ａのみ周期Ｔｂ内におけるオン時間を１００％（デューティー比１００％）とし、残るＧ（緑色）光源２ｂとＢ（青色）光源２ｃの周期Ｔｂ内におけるオン時間を０％（デューティー比０％）として、赤色光を光導波路５から出射する例を示している。
　図５の（ｃ）のパターンはＲ（赤色）光源２ａの周期Ｔｂ内におけるオン時間を１００％（デューティー比１００％）とし、更にＧ（緑色）光源２ｂの周期Ｔｂ内におけるオン時間を５０％（デューティー比５０％）とし、残るＢ（青色）光源２ｃの周期Ｔｂ内におけるオン時間を０％（デューティー比０％）として、橙色光を光導波路５から出射する例を示している。
　無論、色相の調整は図５の例のみに限定されず、ＲＧＢ光源２ａ、２ｂ、２ｃの各デューティー比０％から１００％の範囲内で調整可能である。
　図６にデューティー比変更に伴う明度の調整例を示す。図６の（ａ）のパターンは各入力ポートに於ける前記周期Ｔｂ内でのデューティー比を５０％ずつとし、ＲＧＢ各光源２ａ、２ｂ、２ｃのオン時間を均一として、明度５０％の白色光を光導波路５から出射する例を示している。
　図６の（ｂ）のパターンは各入力ポートに於ける前記周期Ｔｂ内でのオン時間を１００％（デューティー比１００％）ずつとし、ＲＧＢ各光源２ａ、２ｂ、２ｃのオン時間を均一として、明度１００％の白色光を光導波路５から出射する例を示している。
　無論、明度の調整は図６に示す白色光の例のみに限定されず、ＲＧＢ光源２ａ、２ｂ、２ｃの各デューティー比０％から１００％の範囲内で調整可能である。
　図７にデューティー比変更に伴う彩度の調整例を示す。図７の（ａ）のパターンは、Ｒ（赤色）光源２ａの周期Ｔｂ内におけるオン時間を１００％（デューティー比１００％）とし、更にＧ（緑色）光源２ｂの周期Ｔｂ内におけるオン時間を５０％（デューティー比５０％）とし、残るＢ（青色）光源２ｃの周期Ｔｂ内におけるオン時間を０％（デューティー比０％）として、橙色光を光導波路５から出射する例を示している。
　図７の（ｂ）のパターンはＲ（赤色）光源２ａの周期Ｔｂ内におけるオン時間を６０％（デューティー比６０％）とし、更にＧ（緑色）光源２ｂの周期Ｔｂ内におけるオン時間を３０％（デューティー比３０％）として（残るＢ（青色）光源２ｃの周期Ｔｂ内におけるオン時間は０％（デューティー比０％）で変更無し）、図７の（ａ）に示すパターンで形成される橙色光に比べて彩度の低い橙色光を光導波路５から出射する例を示している。
　無論、彩度の調整は図７に示す橙色光の例のみに限定されず、ＲＧＢ光源２ａ、２ｂ、２ｃの各デューティー比０％から１００％の範囲内で調整可能である。
　光導波路５の一例として用いられる光ファイバは、コア、及びコアの屈折率より低い屈折率を有するクラッドで構成されており、クラッドで前記コアの周囲を囲んだ構造となっている。また、光導波路５の一例として用いられる光ファイバとしては、等方的な屈折率分布を有するシングルモード型の光ファイバを用いることができる。シングルモード型の光ファイバとしては、例えば石英系光ファイバや、プラスチック光ファイバを用いることが出来る。このような光ファイバを光伝搬装置１に用いることで、光ファイバの端面から光を出射することが可能となり、所望の光表示装置又は照明装置が提供可能となる。
　また、光導波路５の一例として用いられる光拡散ファイバとしては、例えば図８ａ、図８ｂに示す構造を有するものが挙げられる。図８ａは、中心軸（「中心線」）５ａを有する光拡散ファイバ（以後、必要に応じて「光拡散ファイバ５」と表記）のコアに複数の空隙を有する光拡散ファイバの部分側面図である。図８ｂは、図８ａの切断面Ａ－Ａ方向から見た場合の光拡散ファイバ５の断面図である。光拡散ファイバ５は、例えば、周期的または非周期的なナノサイズ構造５ｃ（例えば、空隙）を有するナノサイズファイバ領域を持つ様々なタイプの光ファイバのいずれの１つであって差し支えない。図８ａ、図８ｂに例示の実施形態において、光拡散ファイバ５は、３つの部分または領域に分割されたコア７を有する。これらのコア領域は、中実中央部分７ａ、ナノ構造リング部分（内側環状コア領域）７ｂ、および内側環状コア領域７ｂを取り囲む外側中実部分７ｃである。
　クラッド８はコア７を取り囲む。クラッド８は高い開口数（ＮＡ）を提供するために低い屈折率を有してもよい。クラッド８は、例えばＵＶまたは熱硬化性フルオロアクリレートまたはシリコンなどの低屈折率ポリマーであって差し支えない。
　被覆９は、コア７からクラッド８を通過する光の分布および／または性質を向上させるように設計されている。クラッド８の外面または被覆９の外面は、光拡散ファイバ５の側面５ｂを表し、光拡散ファイバ５を伝搬する光は側面５ｂから外部への散乱によって出射される。
　コア７内側環状７ｂはガラス基質（「ガラス」）１０を含み、複数のナノサイズ構造（例えば、「空隙」）５ｃがその中に位置している。ナノサイズ構造５ｃは、図８ｂにおいて示す内側環状コア領域７ｂの一部を拡大した状態を説明するための挿入図に詳しく例示されているように、空隙構造を採用されてよく、コア７の内側環状コア領域７ｂには、複数のナノサイズ構造（例えば、「空隙」）５ｃがその中に非周期的に配置されている。なお、他例として空隙５ｃは、フォトニック結晶光ファイバのように周期的に配置されていても良く、空隙５ｃは、典型的には、約１×１０－８ｍ～１×１０－５ｍ間の直径を有する。空隙５ｃは、非周期的すなわち無作為に配置されていて良い。ガラス１０はフッ素ドープトシリカ又は未ドープの純粋なシリカである。
　ナノサイズ構造５ｃが、コア７から光拡散ファイバ５の外面に向かって光を散乱させる。従って、光拡散ファイバ５の中心軸５ａ方向に沿って、側面５ｂの長さに亘って光が側面５ｂから散乱して放射される。この散乱光により、所望の光表示装置又は照明装置が提供可能となる。光拡散ファイバ５としては、その長さに亘って均一な散乱光を出射するものが望ましい。
　このような光ファイバ又は光拡散ファイバを用いることにより、光ファイバの可撓性により任意な形状で以て光導波路５を設置することが可能となる。なお光ファイバや光拡散ファイバに代えて、他の光導波路を用いても良い。
　光導波路５は、ＭＥＭＳ光スイッチ３の出力ポートに直接、光学的に結合しても良いし、別途接続用の光ファイバを介して光学的に結合しても良い。
　更に、一定の周期Ｔｂ毎に於けるデューティー比を変更する分解能を２５６分割とすることにより、トゥルーカラー（約１６７７万色）の出射光で以て表示が可能な、光表示装置を形成することが可能となる。２４ビット（８ビット×ＲＧＢ）トゥルーカラーを得るにはデューティー比変更の分解能を８ビットにする必要がある。この時の最小デューティー比制御時間は、５ｍ秒／２５６＝約２０μ秒となる。但し、前述のように短縮されるとは云え、ＭＥＭＳ光スイッチ３に於ける入力ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｃの切替のスイッチング時間は存在するため、そのスイッチング時間内ではデューティー比制御は無効となる。従って、実際に１６７７万色を制御して表示するための最小デューティー比制御時間は、｛５ｍ秒－（スイッチング時間）｝／２５６で導出される。仮に、短縮されたスイッチング時間を０．５ｍ秒とすると、実際に１６７７万色を制御するための最小デューティー比制御時間は、（５ｍ秒－０．５ｍ秒）／２５６で計算され、約１７．５μ秒となる。
　以上、本発明の光伝搬装置１に依れば、カプラーの代わりにＭＥＭＳ光スイッチ３を用いて、複数の光源２ａ、２ｂ、２ｃから出射される光を纏めることで、製造コストの低減を図ることが可能となる。
　本実施形態の光伝搬装置１では、光源２としてＲＧＢ毎に３つの個別光源２ａ、２ｂ、２ｃを備える形態を説明したが、本発明はこの形態に限定されず光源２を２つ以下の個別の光源で形成しても良い。但し、周期Ｔａ及びＴｂに基づく入力ポートの切り替え動作を実現する上で、光源２は少なくとも２つの個別光源で形成されるものとする。
　しかし、光源２をＲＧＢ毎の３つの個別光源で形成することにより、フルカラーの色相、明度、彩度の任意調整が可能な光伝搬装置、光表示装置、または照明装置が実現可能となり、最も望ましい。
　また、光伝搬装置１では出力ポート１２の設置数を１とし、１本の光導波路５を備える形態を説明してきたが、出力ポート１２の設置数を２以上として複数本の光導波路を設けても良い。その上で、各出力ポート１２から各光導波路に伝搬される出射光の色相、明度、彩度を上記実施形態に従って任意に変更しても良い。
　光源２からの出力（パワー）値は、入力ポート１１や光導波路５との結合効率や挿入損失を考慮した上で、任意に必要なレベルに設定すれば良い。
　なお本発明に於いて、ＭＥＭＳ光スイッチのミラー反射率の波長依存による挿入損失（ＩＬ）差によって、出射光の色相にズレが生じた場合、ＩＬ差に応じて光源毎に補正デューティー比制御を行っても良い。光源が複数の場合、何れか１つの光源を基準として、その他の光源のデューティー比を補正すれば良い。例えばＩＬ差として、赤（Ｒ）－２ｄＢ、緑（Ｇ）－５ｄＢ、青（Ｂ）－８ｄＢの補正デューティー比制御とし、Ｂ光源を基準とした場合Ｒは２５％、Ｇは５０％デューティー比で以て、動作確認を行えば良い。或いは補正無しで白色光を光導波路に出射させて肉眼で観察し、視覚的にどの光源の色相が強いかで特定の光源のみデューティー比の補正を行っても良い。
　以下に本発明の実施例を説明するが、本発明は以下の実施例にのみ限定されるものではない。
　本実施例では、光源には　ＲＧＢ毎の３つの個別のＬＤ光源を備える。個別の各光源は固定出力で１００％出力（８０ｍＷ）とした。赤色ＬＤで構成される光源の波長は６３８ｎｍ、緑色ＬＤで構成される光源は５２０ｎｍ、青色ＬＤで構成される光源は４５０ｎｍに設定した。従ってＭＥＭＳ光スイッチの入力ポート数ｎは３とした。一方の出力ポート数ｍは１とした。
　本実施例のＭＥＭＳ光スイッチのミラーでは、初期電圧Ｖｐ＝０（Ｖ）から２５（Ｖ）印加で１度（ｄｅｇｒｅｅ）振れる。その１度を設定値角度とし、共振の最大角度変化が±０．５度であった。またこのとき設定電圧＝２５（Ｖ）である。そしてＶｐから直接設定電圧２５（Ｖ）を加えると２０ｍ秒のスイッチング時間を要することを観察した。その理由として、直接パルス的な駆動をすると高調波による広い周波数帯域を有する電圧信号となり、その共振周波数成分（約１ｋＨｚ）によって共振が起こると思われる。
　本実施例では、Ｖ’（Ｖ）をミラーに印加する際に、ステップ電圧駆動とした。Ｖ’はミラーの最大の振れ角度が設定値角度１度（ｄｅｇｒｅｅ）となるような電圧値であり、１２（Ｖ）とした。このＶ’（１２（Ｖ））の電圧をミラーに印加して１度ミラーが最大に振れた時点で、設定電圧２５（Ｖ）を加えることにより、入力ポートの切替のスイッチング時間を０．５ｍ秒に短縮出来ることが観察された。
　切替制御装置は論理回路により形成され、その制御回路は、論理回路のフリップフロップカウンタによる分周回路で構成される。全ての入力ポートに亘る周期Ｔａは１５ｍ秒（６６．７Ｈｚ）とし、ＭＥＭＳ光スイッチの各入力ポートを切り替える周期Ｔｂは、５ｍ秒とした。オン／オフ時間のデューティー比の変更によって、光導波路から出射される出射光の色相、明度、彩度を調整した。デューティー比変更の分解能は４ビットとした。
　クロック（Ｃｌｏｃｋ）は３．２ｋＨｚで色指定に応じた論理デコードでオフ時間を設定すると共に、切替制御装置によりＭＥＭＳ光スイッチを制御した。
　３×１ＭＥＭＳ光スイッチにはミラー反射率の波長依存による挿入損失（ＩＬ）差が存在する。しかし、本実施例では波長依存性の小さいミラーを使用したＭＥＭＳ光スイッチを用いた（Δ０．５ｄＢ）。これにより、出射光の色相にズレが生じることが防止され、デューティー比の補正が不要となった。
　光導波路としては、光拡散ファイバ（開口数（＞０．５）、コア直径１７０μｍ、外径２３０μｍ）を用い、ファイバ側面からの散乱光の色相、明度、彩度を観察した。
　本実施例では、下記表１に示すようなデューティー比変更により１３色の再現を行った。表１中に於けるＲＧＢ各光源におけるデューティー比は、何れも周期Ｔｂ内でのオン時間の割合比を示している（「Ｒ－ｄｕｔｙ」はＲ光源のデューティー比を示している。以下、Ｇ光源とＢ光源も同様。）。表１中、青緑とはＣｙａｎｏｇｅｎ　Ｇｒｅｅｎを指し、緑青とはＣｙａｎｏｇｅｎ　Ｂｌｕｅを指す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　光拡散ファイバから出射される１３色の出射光の色相を観察した結果、視覚的に良好な結果を得られたことを確認した。
　　　１　　　光伝搬装置
　　　２、２ａ、２ｂ、２ｃ　　　光源
　　　３　　　ＭＥＭＳ光スイッチ
　　　４　　　切替制御装置
　　　５　　　光導波路、光拡散ファイバ
　　　５ａ　　　光拡散ファイバの中心軸
　　　５ｂ　　　光拡散ファイバの側面
　　　５ｃ　　　光拡散ファイバのナノサイズ構造（空隙）
　　　６ａ、６ｂ、６ｃ　　　ケーブル
　　　７　　　光拡散ファイバのコア
　　　７ａ　　　中実中央部分
　　　７ｂ　　　内側環状コア領域
　　　７ｃ　　　外側中実部分
　　　８　　　光拡散ファイバのクラッド
　　　９　　　光拡散ファイバの被覆
　　　１０　　　ガラス基質
　　　１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ　　　入力ポート
　　　１２　　　出力ポート
　　　１３　　　オフポート
 

 

Claims (10)

  1. 　光伝搬装置は少なくとも、複数の光源とＭＥＭＳ光スイッチと切替制御装置と光導波路から形成され、
    　各光源は固定出力で、出射される光の波長領域は４４５ｎｍ以上７００ｎｍ以下であり、
    ＭＥＭＳ光スイッチは、入力ポートの数がｎ（ｎ≧２）で出力ポートの数がｍ（ｍ≧１）の、ｎ×ｍ光スイッチであり、
    　各入力ポートに各光源が光学的に結合されると共に、各出力ポートに各光導波路が光学的に結合され、
    　切替制御装置により各入力ポートが一定の周期で切り替えられて、その周期毎に各入力ポートが各光導波路に光学的に結合されて、光源からの出射光が光導波路に伝搬される光伝搬装置。
  2. 　前記ＭＥＭＳ光スイッチはミラーを備え、
    　電圧の印加によりミラーの角度が制御され、
    　前記一定の周期毎に前記各入力ポートが前記各光導波路に光学的に結合され、
    　初期電圧Ｖｐ（Ｖ）から、ミラーの角度を所望の設定値角度に制御する設定電圧Ｖｓ（Ｖ）に遷移する途中で、Ｖｐ（Ｖ）超およびＶｓ（Ｖ）未満である電圧Ｖ’（Ｖ）がミラーに印加され、
    　Ｖ’（Ｖ）印加により設定値角度までミラーが振れた時点でＶｓ（Ｖ）が印加される請求項１に記載の光伝搬装置。
  3. 　前記一定の周期毎に前記各入力ポートが前記各光導波路に光学的に結合されながら、
    　前記切替制御装置により、前記各光導波路への前記出射光の伝搬時間における、前記出射光の前記光導波路への伝搬のオン／オフ時間のデューティー比が変更される請求項１又は２に記載の光伝搬装置。
  4. 　前記光導波路が光ファイバである請求項１～３の何れかに記載の光伝搬装置。
  5. 　前記光ファイバが光拡散ファイバである請求項４に記載の光伝搬装置。
  6. 　全ての前記入力ポートに亘る周期が、１５ｍ秒である請求項１～５の何れかに記載の光伝搬装置。
  7. 　前記光源がＲＧＢ毎の３つの個別の光源を備える請求項１～６の何れかに記載の光伝搬装置。
  8. 　前記一定の周期毎に於ける前記デューティー比が変更される分解能が２５６分割である請求項７に記載の光伝搬装置。
  9. 　請求項１～８の何れかに記載の光伝搬装置を備える光表示装置。
  10. 　請求項１～７の何れかに記載の光伝搬装置を備える照明装置。
     

     
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