JP7036436B2 - Light propagation device, light display device and lighting device using the light propagation device - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to a light propagation device, an optical display device using the light propagation device, and a lighting device.
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。 Since the light propagation device can be non-contact processed and irradiated, it is used in various fields such as processing, medical treatment, and lighting, and is required to be used for further versatility.
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)。 As an example of such an optical propagation device, a device that collects laser light output from a plurality of optical fibers by a coupler and outputs the laser light from one optical fiber has been published (see, for example, Patent Document 1).
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。 FIG. 9 is a schematic view showing the
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。 The laser light emitted from each
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。 Since the
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。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an optical propagation apparatus capable of collecting light emitted from a plurality of light sources without using a coupler and reducing manufacturing costs. ..
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、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)が印加されることを特徴とする。
The above problems are solved by the following invention. That is, 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 region of the emitted light is 445 nm or more and 700 nm or less. The MEMS optical switch is an n × m optical switch having n (n ≧ 2) input ports and m (m ≧ 1) output ports, and each light source is optically coupled to each input port. At the same time, each optical waveguide is optically coupled to each output port, each input port is switched in a fixed cycle by a switching control device, and each input port is optically coupled to each optical waveguide in each cycle. Then, the light emitted from the light source is propagated to the optical waveguide, the MEMS optical switch is provided with a mirror, the angle of the mirror is controlled by applying a voltage, and each of the input ports is sent to each of the optical waveguides at regular intervals. Optically coupled, above Vp (V) and below Vs (V) on the way from the initial voltage Vp (V) to the set voltage Vs (V) that controls the mirror angle to the desired set value angle. A certain voltage V'(V) is applied to the mirror, and Vs (V) is applied when the mirror swings to a set value angle by applying V'(V).
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。 According to the optical propagation apparatus of the present invention, it is possible to reduce the manufacturing cost by collecting the light emitted from a plurality of light sources by using a MEMS optical switch instead of the coupler.
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。 The first feature in the embodiment of the present invention is the following configuration. That is, in the present invention, 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 region of the emitted light is 445 nm or more and 700 nm or less. The MEMS optical switch is equipped with a mirror and is an optical switch to which MEMS (Micro Electro 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). This is an n × m optical switch. In the optical propagation device, 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 in a fixed cycle by the switching control device, each input port is optically coupled to each optical waveguide in each cycle, and the light emitted from the light source is propagated to the optical waveguide.
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。 According to such a configuration, it is possible to reduce the manufacturing cost by collecting the light emitted from a plurality of light sources by using a MEMS optical switch instead of the coupler.
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。 The present invention may have the following configuration as a second feature. That is, in the present invention, 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. Then, in the present invention, in the process of transitioning from the initial voltage Vp (V) to the set voltage Vs (V) that controls the angle of the mirror to a desired set value angle, the voltage exceeds Vp (V) and is less than Vs (V). A voltage V'(V) is applied to the mirror, and Vs (V) may be applied when the mirror swings to a set value angle by applying V'(V).
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。 According to the configuration having such a second feature, it is possible to prevent the resonance of the mirror, so that ringing to the optical output of the emitted light propagating in the optical waveguide is prevented. Therefore, the switching time for switching the input port is shortened, and high-speed switching operation becomes possible. By enabling high-speed switching operation, it has become possible to prevent light flicker recognition in applications that require visual recognition by the naked eye of humans.
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。 The present invention may have the following configuration as a third feature. That is, in the present invention, while each input port is optically coupled to each optical waveguide at regular intervals, the switching control device transfers the emitted light to the optical waveguide during the propagation time of the emitted light to each optical waveguide. The duty ratio of the on / off time of propagation of is may be changed.
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。 According to the configuration shown in this third feature, the light emitted from the optical waveguide to the outside can be adjusted to the emitted light having an arbitrary hue, lightness, and saturation according to the change value of the duty ratio. Will be.
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。 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.
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。 According to the configuration shown in the fourth feature, it is possible to emit light from the end face of the optical fiber.
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。 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.
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。 According to the configuration shown in this fifth feature, it is possible to radiate light over the side surface of the optical fiber.
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。 Further, by forming the optical waveguide with an optical fiber, it is possible to obtain an effect that the optical waveguide can be installed in an arbitrary shape due to the flexibility of the optical fiber. Such an effect can be obtained even when the optical fiber is an optical diffusion fiber.
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。 In the present invention, the optical fiber is defined as a fiber that propagates light and emits light from an end face to emit light. Further, in the present invention, the optical diffusion fiber is defined as an optical fiber that emits light from a side surface.
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。 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 set to 15 msec.
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。 According to the configuration shown in this sixth feature, it is possible to prevent the recognition of flicker of emitted light by the human naked eye.
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。 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.
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。 According to the configuration shown in the seventh feature, it is possible to realize an optical display device capable of arbitrarily adjusting the hue, lightness, and saturation of full color.
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。 The present invention may have the following configuration as an eighth feature. That is, the present invention may be an optical propagation device having the configuration shown in the seventh feature and having a resolution of 256 divisions in which the duty ratio is changed at regular intervals.
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。 According to the configuration shown in the eighth feature, it is possible to form an optical display device capable of displaying with emitted light of true color (about 16.77 million colors).
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。 The present invention may have the following configuration as a ninth feature. That is, the present invention comprises a light propagating device having the first feature or a light propagating device having the first feature and having at least one or more features from the second feature to the eighth feature. It may be a display device.
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。 According to the configuration shown in the ninth feature, it is possible to realize an optical display device having each effect described in the eighth feature from the first feature.
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。 The present invention may have the following configuration as a tenth feature. That is, the present invention comprises a light propagating device having the first feature or a light propagating device having the first feature and at least one or more features from the second feature to the seventh feature. It may be a device.
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。 According to the configuration shown in the tenth feature, it is possible to realize a lighting device having each of the above-mentioned effects described in the first feature to the seventh feature.
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。 Hereinafter, the light propagation apparatus according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 8. The
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。 The
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。 A light emitting diode (LED) may be used for each of the
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。 Since the light emitted from each of the
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。 One ends of
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。 In the MEMS
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。 On the other hand, an
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。 Further, the switching
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。 The switching
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)。 The cycle for switching the
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。 The MEMS
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。 Therefore, in the present invention, the voltage V'(V) which is more than Vp (V) and less than Vs (V) is applied to the mirror during the transition from Vp (V) to Vs (V). The voltage value of V'(V) is a voltage value at which the maximum swing width of the mirror becomes the set value angle when the V'(V) is applied to the mirror. By applying V'(V) during the transition and swinging the mirror to the set value angle in advance, and applying Vs (V) when the mirror swings to the set value angle, the mirror is directly moved from the initial state. The applicant has found by verification that resonance at a set value angle is prevented. That is, in a state where the mirror swings to a predetermined value angle by applying V'(V), the mirror tries to swing to a predetermined value angle by applying Vs (V), so that resonance of the mirror can be prevented.
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。 Since it is possible to prevent the resonance of the mirror, ringing to the optical output of the emitted light propagating to the
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。 Further, depending on the resonance frequency of the mirror (for example, when the resonance frequency is 1 kHz), a high-order low-pass filter or notch filter becomes unnecessary. Further, when the circuit for driving the MEMS
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。 The switching
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。 As shown by an arrow in FIG. 2, when the
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。 FIG. 5 shows an example of adjusting the hue when the duty ratio is changed. In the pattern (a) of FIG. 5, the duty ratio in the period Tb at each
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。 In the pattern (b) of FIG. 5, only the R (red)
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。 In the pattern (c) of FIG. 5, the on-time of the R (red)
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。 Of course, the adjustment of the hue is not limited to the example of FIG. 5, and the duty ratios of the
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。 FIG. 6 shows an example of adjusting the brightness when the duty ratio is changed. In the pattern (a) of FIG. 6, the duty ratio in the period Tb at each input port is set to 50%, the on-time of each of the
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。 In the pattern (b) of FIG. 6, the on-time in the period Tb at each input port is set to 100% (
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。 Of course, the adjustment of the brightness is not limited to the example of the white light shown in FIG. 6, and the duty ratios of the
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。 FIG. 7 shows an example of adjusting the saturation according to the duty ratio change. In the pattern (a) of FIG. 7, the on-time of the R (red)
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。 In the pattern (b) of FIG. 7, the on-time of the R (red)
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。 Of course, the adjustment of saturation is not limited to the example of orange light shown in FIG. 7, and can be adjusted within the range of 0% to 100% of each duty ratio of the
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。 The optical fiber used as an example of the
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。 Further, examples of the optical diffusion fiber used as an example of the
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。 The clad 8 surrounds the
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。 The
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。The inner annular 7b of the
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。 The nano-sized structure 5c scatters light from the
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。 By using such an optical fiber or an optical diffusion fiber, it is possible to install the
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。 The
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。 Further, by dividing the resolution for changing the duty ratio at regular intervals of Tb into 256, it is possible to form an optical display device capable of displaying with emitted light of true color (about 16.77 million colors). Is possible. In order to obtain 24-bit (8 bits x RGB) true color, it is necessary to set the resolution of duty ratio change to 8 bits. The minimum duty ratio control time at this time is 5 msec / 256 = about 20 μsec. However, although it is shortened as described above, since there is a switching time for switching the
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。 As described above, according to the
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。 In the
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。 However, by forming the
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。 Further, in the
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。 The output (power) value from the
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。 In the present invention, when the hue of the emitted light is deviated due to the difference in insertion loss (IL) due to the wavelength dependence of the mirror reflectance of the MEMS optical switch, the correction duty ratio control is performed for each light source according to the difference in IL. You may go. When there are a plurality of light sources, the duty ratios of the other light sources may be corrected with one of the light sources as a reference. For example, the IL difference is red (R) -2dB, green (G) -5dB, blue (B) -8dB, and the correction duty ratio is controlled. When the B light source is used as a reference, R is 25% and G is 50% duty ratio. Then, you can check the operation. Alternatively, 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 visually.
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。 Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following examples.
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。 In this embodiment, the light source includes three individual LD light sources for each RGB. Each individual light source had a fixed output of 100% (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 n of input ports of the MEMS optical switch is set to 3. The number m of one output port was set to 1.
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。 In the mirror of the MEMS optical switch of this embodiment, the mirror swings once (degree) when the initial voltage Vp = 0 (V) to 25 (V) is applied. The 1 degree was set as the set value angle, and the maximum change in the resonance angle was ± 0.5 degrees. At this time, the set voltage is 25 (V). Then, it was observed that when the set voltage 25 (V) was applied directly from Vp, a switching time of 20 msec was required. The reason is that when a direct pulse drive is performed, a voltage signal having a wide frequency band due to harmonics is obtained, and resonance occurs due to the resonance frequency component (about 1 kHz).
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。 In this embodiment, when V'(V) is applied to the mirror, it is driven by a step voltage. 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). When this V'(12 (V)) voltage is applied to the mirror and the mirror swings to the maximum once, the set voltage 25 (V) is applied to reduce the switching time of the input port by 0.5 m. It was observed that it could be shortened to seconds.
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。 The switching control device is formed by a logic circuit, and the control circuit is composed of a frequency dividing circuit by a flip-flop counter of the logic circuit. The cycle Ta over all input ports was set to 15 msec (66.7 Hz), and the cycle Tb for switching each input port of the MEMS optical switch was set to 5 msec. By changing the duty ratio of the on / off time, the hue, lightness, and saturation of the emitted light emitted from the optical waveguide were adjusted. The resolution for changing the duty ratio was set to 4 bits.
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。 The clock (Clock) set the off time by logical decoding according to the color specification at 3.2 kHz, and the MEMS optical switch was controlled by the switching control device.
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。 The 3 × 1 MEMS optical switch has an insertion loss (IL) difference due to the wavelength dependence of the mirror reflectance. However, in this embodiment, a MEMS optical switch using a mirror having a small wavelength dependence was used (Δ0.5 dB). This prevented the hue of the emitted light from shifting, and made it unnecessary to correct the duty ratio.
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。 As the optical waveguide, a light diffusion fiber (numerical aperture (> 0.5), core diameter 170 μm, outer diameter 230 μm) was used, and the hue, brightness, and saturation of the scattered light from the side surface of the fiber were observed.
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。 In this embodiment, 13 colors were reproduced by changing the duty ratio as shown in Table 1 below. The duty ratios of each of the RGB light sources in Table 1 indicate the ratio of the on-time within the period Tb (“R-duty” indicates the duty ratio of the R light source, hereinafter G. The same applies to the light source and the B light source). In Table 1, blue-green refers to Cyanogen Green, and patina refers to Cyanogen Blue.
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。 As a result of observing the hues of the 13 colors of emitted light emitted from the light diffusion fiber, it was confirmed that visually good results were obtained.
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
1
6a, 6b,
Claims (9)
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、
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)が印加される光伝搬装置。 The optical propagation device is composed 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 the emitted light is 445 nm or more and 700 nm or less.
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, and each optical waveguide is optically coupled to each output port.
Each input port is switched in a fixed cycle by the switching control device, each input port is optically coupled to each optical waveguide in each cycle, and the emitted light from the light source is propagated to the optical waveguide.
The MEMS optical switch has a mirror and is equipped with a mirror.
The angle of the mirror is controlled by applying voltage,
Each of the input ports is optically coupled to each of the optical waveguides at regular intervals.
During the transition from the initial voltage Vp (V) to the set voltage Vs (V) that controls the angle of the mirror to the desired set value angle, the voltage V'(V) is more than Vp (V) and less than Vs (V). ) Is applied to the mirror,
An optical propagation device in which Vs (V) is applied when the mirror swings to a set value angle by applying V'(V) .
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に記載の光伝搬装置。The light propagation according to claim 1, wherein the switching control device changes the duty ratio of the on / off time of propagation of the emitted light to the optical waveguide in the propagation time of the emitted light to each optical waveguide. Device.
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JP2016102487 | 2016-05-23 | ||
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