JP2010287323A - Programmable light source device - Google Patents

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JP2010287323A JP2009138093A JP2009138093A JP2010287323A JP 2010287323 A JP2010287323 A JP 2010287323A JP 2009138093 A JP2009138093 A JP 2009138093A JP 2009138093 A JP2009138093 A JP 2009138093A JP 2010287323 A JP2010287323 A JP 2010287323A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve problems that energy efficiency is low, manufacturing cost is high and the size is enlarged in a conventional programmable light source device because of a mirror array (MEMS) or a space division type liquid crystal light switch as a programmable filter. <P>SOLUTION: Light-emitting diode elements 1-1, 1-2, 1-3, 1-4, 1-5, 1-6 having different optical spectra are jointed to light-incident terminals T<SB>in</SB>of each fiber bundle B<SB>11</SB>, B<SB>12</SB>, B<SB>13</SB>, B<SB>14</SB>, B<SB>15</SB>, B<SB>16</SB>. The fiber bundles B<SB>11</SB>, B<SB>12</SB>, B<SB>13</SB>, B<SB>14</SB>, B<SB>15</SB>, B<SB>16</SB>are bundled to form a fiber bundle B<SB>2</SB>. Optical fibers of the fiber bundles B<SB>11</SB>, B<SB>12</SB>, B<SB>13</SB>, B<SB>14</SB>, B<SB>15</SB>, B<SB>16</SB>only consist of core layers without clad layers, and are intermingled in the fiber bundle B<SB>2</SB>. Colors of optical spectra among the optical fibers are mixed by repeating electric field transition (tunnel) among optical fibers through near-field light of the optical fibers of the fiber bundles B<SB>11</SB>, B<SB>12</SB>, B<SB>13</SB>, B<SB>14</SB>, B<SB>15</SB>, B<SB>16</SB>, in the fiber bundle B<SB>2</SB>. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、所望のスペクトル分布を有する光を出力するプログラマブル光源装置に関する。   The present invention relates to a programmable light source device that outputs light having a desired spectral distribution.

一般に、カメラ、ディスプレイ等における色の評価、太陽電池の開発評価用シミュレータ、顕微鏡、内視鏡等においては、色情報の忠実な再現のために、照明光はユーザ所望のスペクトル分布を有することが要求される。このような所望のスペクトル分布を有する光を出力するものとしてプログラマブル光源装置がある。   In general, in a color evaluation in a camera, a display, a solar cell development evaluation simulator, a microscope, an endoscope, etc., the illumination light may have a user-desired spectral distribution for faithful reproduction of color information. Required. There exists a programmable light source device as what outputs the light which has such a desired spectrum distribution.

図13は第1の従来のプログラマブル光源装置を示す図である(参考:非特許文献1)。   FIG. 13 is a diagram showing a first conventional programmable light source device (reference: Non-Patent Document 1).

図13において、たとえばXeランプ(図示せず)からの500Wの白色入力光Linをグレーティングプリズム101によって光学的に色分けしてn個の色光信号L1、L2、…、Lnを得る。次いで、色光信号L1、L2、…、Lnをミラー行1021、1022、…、102nよりなるプログラマブルフィルタとしてのミラーアレイ(MEMS)102に照射する。ミラーアレイ102は、たとえば約30000個のミラーよりなり、n個のミラー行1021、1022、…、102nによりスペクトル調整し、各ミラー行の列に並ぶミラー数を選択することにより光強度調整する。このミラーアレイ102の各ミラーは制御ユニット(たとえばマイクロコンピュータ、パーソナルコンピュータ)103によって選択制御され、この結果、選択ミラーによって反射された光のみが集光レンズ(図示せず)によって集光されてライトガイド104に照射されて混色され、所望のスペクトル分布の光出力Loutが出力される。この場合、ミラーの行数及び列数を増加させることにより高精度のスペクトル分布を有する光出力Loutを得ることができる。 13, for example Xe lamp of n color light signals L 1 color-coded optically by the grating prism 101 white input light L in the 500W from (not shown), L 2, ..., obtaining L n. Next, the color light signals L 1 , L 2 ,..., L n are applied to a mirror array (MEMS) 102 as a programmable filter composed of mirror rows 1021, 1022,. The mirror array 102 is composed of, for example, about 30000 mirrors, and the spectrum is adjusted by n mirror rows 1021, 1022,..., 102n, and the light intensity is adjusted by selecting the number of mirrors arranged in each mirror row column. Each mirror of the mirror array 102 is selectively controlled by a control unit (for example, a microcomputer or a personal computer) 103. As a result, only the light reflected by the selection mirror is condensed by a condenser lens (not shown) and light is emitted. The guide 104 is irradiated and mixed in color, and a light output L out having a desired spectral distribution is output. In this case, the light output Lout having a highly accurate spectral distribution can be obtained by increasing the number of rows and columns of the mirror.

図14は第2の従来のプログラマブル光源装置を示す図である(参考:特許文献1)。   FIG. 14 is a diagram showing a second conventional programmable light source device (reference: Patent Document 1).

図14において、白色光源201からの光をコリメータレンズ202によって平行光に変換する。次いで、この平行光を回折格子203で回折させ各波長領域毎に空間的に分散させる。次いで、分散させた光を結像レンズ204を介してプログラマブルフィルタとしての空間分割型液晶光スイッチ205上に結像させる。空間分割型液晶光スイッチ205の波長領域毎の透過率は制御ユニット(たとえばマイクロコンピュータ、パーソナルコンピュータ)206によって選択制御され、所望のスペクトル分布を有する光に変換される。その後、空間分割型液晶光スイッチ205を透過した光は集光レンズ207によって集光されて混色用ライトガイド208において均一に混合されて出力光Loutが得られる。この場合も、空間分割型液晶光スイッチの行数及び列数を増加させることにより高精度のスペクトル分布を有する光出力Loutが得られる。 In FIG. 14, light from the white light source 201 is converted into parallel light by the collimator lens 202. Next, the parallel light is diffracted by the diffraction grating 203 and spatially dispersed for each wavelength region. Next, the dispersed light is imaged on a space division type liquid crystal optical switch 205 as a programmable filter through an imaging lens 204. The transmittance of each wavelength region of the space-divided liquid crystal optical switch 205 is selectively controlled by a control unit (for example, a microcomputer or a personal computer) 206, and converted into light having a desired spectral distribution. Thereafter, the light transmitted through the space-divided liquid crystal optical switch 205 is collected by the condenser lens 207 and is uniformly mixed in the color mixing light guide 208 to obtain the output light L out . Also in this case, the light output L out having a highly accurate spectral distribution can be obtained by increasing the number of rows and the number of columns of the space division type liquid crystal optical switch.

特開平11−101944号公報JP-A-11-101944 特開2008−158148号公報JP 2008-158148 A

http://www.onelightcorp.com/products/index.htmel,. OneLight-Spectrahttp://www.onelightcorp.com/products/index.htmel ,. OneLight-Spectra 左貝潤一、“導波工学”、共立出版株式会社、p.158、2004年2月15日Junichi Sakai, “Waveguide Engineering”, Kyoritsu Publishing Co., Ltd., p.158, February 15, 2004

しかしながら、図13の第1の従来のプログラマブル光源装置においては、Xeランプの入力光Linの集光損失、グレーティングプリズム101の分光損失、ミラーアレイ102での反射損失、集光レンズの集光損失、集光レンズからライトガイド104への結合損失から、たとえばXeランプの出力500Wの入力光Linに対して、ミラーアレイ102のミラーのミラーをすべてオンした場合に得られる白色光である出力光Loutは0.25Wとなり、エネルギー効率は1/1000以下と非常に小さいという課題がある。また、ミラーアレイ102の製造コストが高く、この結果、プログラマブル光源装置の製造コストが高いという課題もある。さらに、プログラマブル光源装置が大型であるという課題もある。 However, in the first conventional programmable light source device 13 includes a condenser loss of the input light L in the Xe lamp, the spectral loss of the grating prism 101, the reflection loss of the mirror array 102, light collection loss of the condenser lens from coupling losses to the light guide 104 from the condenser lens, for example, with respect to the input light L in the output 500W of Xe lamp, all the mirrors of the mirror of the mirror array 102 is a white light obtained when the oN output light L out is 0.25W, and there is a problem that energy efficiency is very small, 1/1000 or less. In addition, the manufacturing cost of the mirror array 102 is high, and as a result, there is a problem that the manufacturing cost of the programmable light source device is high. Furthermore, there is a problem that the programmable light source device is large.

また、図14の第2の従来のプログラマブル光源装置においても、白色光源201の入力光の集光損失、コリメータレンズ202の損失、回折格子203の分光損失、結像レンズ204の結合損失、空間分割型液晶光スイッチ205の透過損失、集光レンズの集光損失、集光レンズ207からライトガイド208の結合損失からやはりエネルギー効率は非常に小さいという課題がある。また、空間分割型液晶光スイッチ205の製造コストが高く、この結果、プログラマブル光源装置の製造コストが高いという課題もある。さらに、プログラマブル光源装置が大型であるという課題もある。   Also in the second conventional programmable light source device of FIG. 14, the condensing loss of the input light of the white light source 201, the loss of the collimator lens 202, the spectral loss of the diffraction grating 203, the coupling loss of the imaging lens 204, and the space division. From the transmission loss of the liquid crystal optical switch 205, the condensing loss of the condensing lens, and the coupling loss of the condensing lens 207 to the light guide 208, the energy efficiency is still very small. In addition, the manufacturing cost of the space division type liquid crystal optical switch 205 is high, and as a result, there is a problem that the manufacturing cost of the programmable light source device is high. Furthermore, there is a problem that the programmable light source device is large.

上述の課題を解決するために、本発明に係るプログラマブル光源装置は、光スペクトルが異なる複数の発光源たとえば発光ダイオード(LED)と、クラッド層なしの部分を有する複数の光ファイバと、複数の発光源を選択かつ光強度を調整する制御ユニットとを具備し、複数の光ファイバの入光端側を束ねて複数の第1のファイババンドルを形成すると共に、各複数の発光源を各複数の第1のファイババンドルの入光端に結合し、複数の光ファイバの出光端側を束ねると共に各第1のファイババンドルに属する複数の光ファイバのクラッド層なしの部分を混在させて第2のファイババンドルを形成したものである。これにより、発光源と第1のファイババンドルとの結合損失以外にエネルギー損失はなくなる。また、発光源及び光ファイバを主構成部品とするので、製造コストが低下しかつ小型化する。   In order to solve the above-described problem, a programmable light source device according to the present invention includes a plurality of light sources having different light spectra, for example, light emitting diodes (LEDs), a plurality of optical fibers having a portion without a cladding layer, and a plurality of light emitting devices. A control unit that selects a light source and adjusts the light intensity, and bundles light incident ends of a plurality of optical fibers to form a plurality of first fiber bundles. The second fiber bundle is coupled to the light input end of one fiber bundle, bundles the light output end sides of the plurality of optical fibers, and mixes the portions of the plurality of optical fibers belonging to each first fiber bundle without the cladding layer. Is formed. Thereby, there is no energy loss other than the coupling loss between the light emitting source and the first fiber bundle. Further, since the light emitting source and the optical fiber are main components, the manufacturing cost is reduced and the size is reduced.

また、第2のファイババンドルの光ファイバ間に散在させた複数の透明な誘電体微小球を具備する。これにより、WGモードを利用する。   In addition, a plurality of transparent dielectric microspheres scattered between the optical fibers of the second fiber bundle are provided. This uses the WG mode.

本発明によれば、エネルギー損失を小さくしてエネルギー効率を高くできると共に、製造コストを低減でき、また、小型化できる。   According to the present invention, energy loss can be reduced to increase energy efficiency, manufacturing cost can be reduced, and miniaturization can be achieved.

本発明に係るプログラマブル光源装置の第1の実施の形態を示す図である。It is a figure which shows 1st Embodiment of the programmable light source device which concerns on this invention. 図1の発光ダイオード素子の波長特性を示すグラフである。It is a graph which shows the wavelength characteristic of the light emitting diode element of FIG. 太陽光スペクトルを得るために光強度調整された図1の発光ダイオード素子の波長特性を示すグラフである。It is a graph which shows the wavelength characteristic of the light emitting diode element of FIG. 1 in which light intensity was adjusted in order to obtain a sunlight spectrum. 図1のファイババンドルB2内の光ファイバの光スペクトルの第1の例を示し、(A)は入り口における各ファイバが有する単一光スペクトル状態、(B)は出口における混色後に各ファイバが有する多重光スペクトル状態を示す。1A shows a first example of the optical spectrum of an optical fiber in the fiber bundle B 2 of FIG. 1, where FIG. 1A shows a single optical spectrum state of each fiber at the entrance, and FIG. The multiple optical spectrum state is shown. 図1のファイババンドルB2内の光ファイバの光スペクトルの第2の例を示し、(A)は入り口における各ファイバが有する単一光スペクトル状態、(B)は出口における混色後に各ファイバが有する多重光スペクトル状態を示す。 2 shows a second example of the optical spectrum of the optical fiber in the fiber bundle B 2 of FIG. 1, where (A) is a single optical spectrum state of each fiber at the entrance, and (B) is each fiber after color mixing at the exit. The multiple optical spectrum state is shown. 図1のファイババンドルB2内の光ファイバの光スペクトルの第3の例を示し、(A)は入り口における各ファイバが有する単一光スペクトル状態、(B)は出口における混色後に各ファイバが有する多重光スペクトル状態を示す。3 shows a third example of the optical spectrum of the optical fiber in the fiber bundle B 2 of FIG. 1, where (A) shows a single optical spectrum state of each fiber at the entrance, and (B) shows that each fiber has after color mixing at the exit. The multiple optical spectrum state is shown. 図1のファイババンドルB2内の光ファイバを示す図である。It is a diagram showing an optical fiber in the fiber bundle B 2 in FIG. 1. 図1のファイババンドルB2内の近接場光結合モードを説明する図である。It is a diagram illustrating a near-field optical coupling modes in the fiber bundle B 2 in FIG. 1. 図8における光ファイバ内の電場移動を説明する図である。It is a figure explaining the electric field movement in the optical fiber in FIG. 図8における光ファイバ内の光強度を説明する図である。It is a figure explaining the light intensity in the optical fiber in FIG. 本発明に係るプログラマブル光源装置の第2の実施の形態を示す図である。It is a figure which shows 2nd Embodiment of the programmable light source device which concerns on this invention. 図11のファイババンドルB2’内のWGモードを説明する図である。It is a diagram illustrating a WG mode in the fiber bundle B 2 'of FIG. 11. 第1の従来のプログラマブル光源装置を示す図である。It is a figure which shows a 1st conventional programmable light source device. 第2の従来のプログラマブル光源装置を示す図である。It is a figure which shows the 2nd conventional programmable light source device.

図1は本発明に係るプログラマブル光源装置の第1の実施の形態を示す図である。   FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of a programmable light source device according to the present invention.

図1のプログラマブル光源装置は、たとえば6個のビーム指向特性10°〜20°の砲弾型発光ダイオード(LED)素子1−1、1−2、1−3、1−4、1−5、1−6を有する。LED素子1−1、1−2、1−3、1−4、1−5、1−6の出力波長特性は、図2に示すごとく、たとえば、太陽光線の波長λ=400nm〜1500nmの全範囲に分布している。プログラマブル光源装置に用いられるLED素子1−1、1−2、1−3、1−4、1−5、1−6としては狭帯域であればある程良いので、実際には、狭帯域のLED素子を用い、LED素子数はたとえば100個程度であるが、説明を簡単化するために、図1においては、LED素子数を6とする。また、LED素子の出力波長特性は、図2の太陽光線の波長λ=400nm〜1500nmの全範囲をカバーできない場合には、蛍光体を塗布して波長特性を変化させたLED素子を用いることもできる。さらに、LED素子の波長特性をより狭帯域にするために、量子ドット蛍光体を塗布することもできる。尚、図2のIは光強度を示す。   The programmable light source device of FIG. 1 includes, for example, six bullet-type light emitting diode (LED) elements 1-1, 1-2, 1-3, 1-4, 1-5, 1 having beam directivity characteristics of 10 ° to 20 °. -6. The output wavelength characteristics of the LED elements 1-1, 1-2, 1-3, 1-4, 1-5, 1-6 are as shown in FIG. 2, for example, the total wavelength of the sun light wavelength λ = 400 nm to 1500 nm. Distributed in the range. As the LED elements 1-1, 1-2, 1-3, 1-4, 1-5, 1-6 used in the programmable light source device are better in the narrow band, in practice, the narrow band Although LED elements are used and the number of LED elements is about 100, for example, in order to simplify the explanation, the number of LED elements is 6 in FIG. In addition, when the output wavelength characteristics of the LED element cannot cover the entire range of the wavelength λ = 400 nm to 1500 nm of the sunlight shown in FIG. 2, an LED element in which the wavelength characteristic is changed by applying a phosphor may be used. it can. Further, a quantum dot phosphor can be applied to make the wavelength characteristics of the LED element narrower. Note that I in FIG. 2 indicates the light intensity.

LED素子1−1、1−2、1−3、1−4、1−5、1−6の選択及び光強度制御は制御ユニット(たとえばマイクロコンピュータ、パーソナルコンピュータ)2によって行われる。たとえばLED素子1−1、1−2、1−3、1−4、1−5、1−6の光強度Iを図3のごとく調整すると、合成スペクトルは太陽光スペクトルに近づく。   Selection of the LED elements 1-1, 1-2, 1-3, 1-4, 1-5, 1-6 and light intensity control are performed by a control unit (for example, a microcomputer or a personal computer) 2. For example, when the light intensity I of the LED elements 1-1, 1-2, 1-3, 1-4, 1-5, and 1-6 is adjusted as shown in FIG. 3, the combined spectrum approaches the sunlight spectrum.

図1に戻ると、LED素子1−1、1−2、1−3、1−4、1−5、1−6の入力光Lin1、Lin2、Lin3、Lin4、Lin5、Lin6は、それぞれ、ファイババンドルB11、B12、B13、B14、B15、B16の入光端Tinに結合される。 Returning to FIG. 1, the input light L in1 , L in2 , L in3 , L in4 , L in5 , L of the LED elements 1-1, 1-2, 1-3 , 1-4 , 1-5 , 1-6 . in6 are each coupled to a light incident end T in the fiber bundle B 11, B 12, B 13 , B 14, B 15, B 16.

各ファイババンドルB11、B12、B13、B14、B15、B16は、たとえば100本のプラスチック光ファイバよりなり、たとえば、この場合、これらのプラスチック光ファイバはクラッド層なしでコア層のみのマルチモードファイバである。クラッド層があると、光ファイバ同士の接近による近接場光結合が発生しなくなるからである。 Each fiber bundle B 11 , B 12 , B 13 , B 14 , B 15 , B 16 consists of, for example, 100 plastic optical fibers. For example, in this case, these plastic optical fibers are not clad layers but only the core layer Multimode fiber. This is because when there is a cladding layer, near-field optical coupling due to the approach of optical fibers does not occur.

ファイババンドルB11、B12、B13、B14、B15、B16は、互いの電場を完全に移行するように、つまり、ファイババンドルB11、B12、B13、B14、B15、B16の色光信号が完全に混色するように、1つのファイババンドルB2に移行する。この場合、ファイババンドルB2の光ファイバはファイババンドルB11、B12、B13、B14、B15、B16の光ファイバと共通であり、従って、ファイババンドルB2は600(6×100)本のプラスチック光ファイバよりなる。つまり、600本の光ファイバの入光端Tin側を100本ずつ束ねてファイババンドルB11、B12、B13、B14、B15、B16を形成し、この600本の光ファイバの出光端Tout側を束ねてファイババンドルB2を形成する。この場合、各ファイババンドルB11、B12、B13、B14、B15、B16の各光ファイバはファイババンドルB2内において規則的もしくは不規則的に混在するように束ねられている。尚、上述のごとく、LED素子の個数が100であれば、ファイババンドルB2は10000(=100×100)本のプラスチック光ファイバよりなる。また、1本の光ファイバの直径が0.1mm以下であれば、ファイババンドルB2の直径はおよそ10mm程度である。 The fiber bundles B 11 , B 12 , B 13 , B 14 , B 15 , B 16 are designed to completely shift each other's electric field, that is, the fiber bundles B 11 , B 12 , B 13 , B 14 , B 15 , The color light signal of B 16 is shifted to one fiber bundle B 2 so that the colors are completely mixed. In this case, the optical fibers of the fiber bundle B 2 is common to the optical fibers of the fiber bundle B 11, B 12, B 13 , B 14, B 15, B 16, therefore, the fiber bundle B 2 is 600 (6 × 100 ) It consists of a plastic optical fiber. That is, the light entering end T in side 600 of the optical fiber to form a fiber bundle B 11, B 12, B 13 , B 14, B 15, B 16 are bundled by 100, of the 600 optical fibers The light output end T out side is bundled to form the fiber bundle B 2 . In this case, the optical fibers of the fiber bundles B 11 , B 12 , B 13 , B 14 , B 15 , and B 16 are bundled so as to be mixed regularly or irregularly in the fiber bundle B 2 . Incidentally, as described above, if the number of LED elements 100, fiber bundle B 2 consists of a plastic optical fiber of 10000 (= 100 × 100) present. If the diameter of one optical fiber is 0.1 mm or less, the fiber bundle B 2 has a diameter of about 10 mm.

ファイババンドルB2の長さ、つまり、接触相互作用距離は1〜100mmたとえば1mmであれば、ファイババンドルB2において、ファイババンドルB11、B12、B13、B14、B15、B16の接触した各光ファイバ(ファイバ間距離1-10μm)同士が次々と電場移行(トンネル)を繰返す。この結果、ファイババンドルB2において、ファイババンドルB11、B12、B13、B14、B15、B16のスペクトル分布が統計的に平均化される。従って、図4の(A)に示すように、ファイババンドルB2の入口において、各光ファイバが異なる光スペクトルを有しているが、図4の(B)に示すように、ファイババンドルB2の出口つまり出光端Toutにおいては、各光ファイバが同一多重光スペクトルを有する出力光Loutが得られる。このようにして、混色がファイババンドルB2間における近接場相互作用によってもたらされる。 If the length of the fiber bundle B 2 , that is, the contact interaction distance is 1 to 100 mm, for example 1 mm, in the fiber bundle B 2 , the fiber bundles B 11 , B 12 , B 13 , B 14 , B 15 , B 16 The contacted optical fibers (fiber distance 1-10 μm) repeat the electric field transition (tunnel) one after another. As a result, the fiber bundle B 2, the spectral distribution of the fiber bundle B 11, B 12, B 13 , B 14, B 15, B 16 are statistically averaged. Therefore, as shown in FIG. 4A, each optical fiber has a different optical spectrum at the entrance of the fiber bundle B 2. However, as shown in FIG. 4B, the fiber bundle B 2 At the exit, that is, the output end T out , output light L out is obtained in which each optical fiber has the same multiplexed light spectrum. In this way, mixing is provided by near-field interaction between the fiber bundle B 2.

尚、ファイババンドルB2において、各光ファイバが同一径とすると、図4に示すごとく、正三角形格子状配置であれば、1つの光ファイバが隣接する光ファイバ数は最大6本であるが、8つ以上の光スペクトルを混色させることは不可能でない。つまり、上述のごとく、接触した各光ファイバ間において次々と電場移行が起こるからである。 In the fiber bundle B 2 , if each optical fiber has the same diameter, as shown in FIG. 4, if the arrangement is an equilateral triangular lattice, the number of optical fibers adjacent to one optical fiber is six at maximum. It is not impossible to mix more than eight light spectra. That is, as described above, the electric field shift occurs one after another between the optical fibers that are in contact with each other.

同様に、ファイババンドルB2において、図5に示すごとく、正方形格子状配置であれば、1つの光ファイバが隣接する光ファイバ数を最大4本とすることもできる。この場合においても、5つ以上の光スペクトルを混色できる。また、図6に示すごとく、線状格子状配置であれば、1つの光ファイバが隣接する光ファイバ数を最大2本とすることもできる。この場合においても、3つ以上の光スペクトルを混色できる。尚、線状格子状配置は光ファイバを円筒状に配置した円光源などに適用できる。 Similarly, in the fiber bundle B 2 , as shown in FIG. 5, if a square lattice arrangement is used, the number of optical fibers adjacent to one optical fiber can be four at the maximum. Even in this case, five or more light spectra can be mixed. Moreover, as shown in FIG. 6, if it is a linear lattice arrangement, the maximum number of optical fibers adjacent to one optical fiber can be two. Even in this case, three or more light spectra can be mixed. The linear lattice arrangement can be applied to a circular light source in which optical fibers are arranged in a cylindrical shape.

また、ファイババンドルB2はその外側をファイバよりも屈折率の小さい接着剤で固定させることもできる。これによりファイババンドルB2を固定し破損を防ぐのみならず、屈折率が小さいためファイババンドルとの境界面で全反射が起こり光損失を防ぐことが可能になる。ファイバと接着剤との屈折率の違いはできるだけ大きいほうがより好ましい。 Further, the fiber bundle B 2 can also be fixed with adhesive having low refractive index than fiber outside. As a result, not only is the fiber bundle B 2 fixed and the breakage is prevented, but since the refractive index is small, total reflection occurs at the interface with the fiber bundle, thereby preventing light loss. The difference in refractive index between the fiber and the adhesive is preferably as large as possible.

また、図7の(A)に示すごとく、ファイババンドルB2は光ファイバ同士が並行に接触させるだけではなく、図7の(B)に示すごとく、各光ファイバを捻っても良い。これにより各光ファイバは多くのその他の光ファイバと点接触することとなり、より混色させることが可能となる。 Further, as shown in FIG. 7A, the fiber bundle B 2 is not only made to contact the optical fibers in parallel, but each optical fiber may be twisted as shown in FIG. 7B. As a result, each optical fiber comes into point contact with many other optical fibers, and it is possible to mix colors.

上述のファイババンドルB2においては、2つの光ファイバが近接して光ファイバ間の近接場結合によって光つまり電場がしみ出し、この結果、光がある光ファイバからの他の光ファイバにトンネル結合するという光ファイバ間の光結合器の原理を利用している。この原理を図8、図9、図10を用いて説明する。尚、図9、図10については、非特許文献2を参照されたし。 In the fiber bundle B 2 described above, two optical fibers are close to each other and light, that is, an electric field oozes out by near-field coupling between the optical fibers, and as a result, light is tunnel-coupled from one optical fiber to another optical fiber. The principle of the optical coupler between optical fibers is used. This principle will be described with reference to FIG. 8, FIG. 9, and FIG. Refer to Non-Patent Document 2 for FIGS.

図8において、2つのクラッド層なしでコア層のみのマルチモード光ファイバa、bが結合距離dで接近している。尚、上述のごとく、クラッド層を有する光ファイバ間においてはクラッド層での反射により近接場光のしみ出しはなく、従って、電場の結合は起こらない。ここでは、説明を簡略化するために、光ファイバa、bは単一モードとする。   In FIG. 8, the multimode optical fibers a and b having only the core layer without the two cladding layers are close to each other at the coupling distance d. As described above, near-field light does not ooze out between the optical fibers having the clad layer due to reflection from the clad layer, and therefore electric field coupling does not occur. Here, in order to simplify the description, the optical fibers a and b are assumed to be a single mode.

光ファイバa、bの屈折率をn1、光ファイバ間の屈折率をn0(<n1)とすれば、光ファイバ間結合の厳密な取扱は光ファイバa、b中において与えられた境界条件でマックスウェル方程式を解かなければならないが、この場合、光ファイバa、bは孤立していなく、光ファイバa、b間で近接場光のしみ出し状況を解析するので、結合距離dに依存する有限差分時間領域(Finite Difference Time Domain)法を利用することになる。しかし、定量的議論のためには、以下の単純化された結合モード理論で十分である。   If the refractive index of the optical fibers a and b is n1 and the refractive index between the optical fibers is n0 (<n1), the strict handling of the coupling between the optical fibers is performed under the boundary conditions given in the optical fibers a and b. Although the well equation must be solved, in this case, the optical fibers a and b are not isolated, and the oozing state of the near-field light is analyzed between the optical fibers a and b, so that the finite difference depending on the coupling distance d The time domain (Finite Difference Time Domain) method will be used. However, the following simplified coupled mode theory is sufficient for quantitative discussion.

単純化された結合モード理論では、モードの横方向空間分布、伝播定数(波数)及びモード結合定数が光ファイバa、b間の結合によって影響を受けることなく、電場振幅のみが変調すると仮定する。つまり、光の伝播距離をz、電場の重なり方向(距離)をyとすると、光ファイバa、bを伝播する光同士の電場移行の様子は図9に示される。図9において、
R(z):光ファイバaでの電場振幅、
βa:光ファイバaでの伝播定数(波数)、
κab:光ファイバbから光ファイバaへのモード結合定数、
S(z):光ファイバbでの電場振幅、
βb:光ファイバbでの伝播定数(波数)、
κba:光ファイバaから光ファイバbへのモード結合定数
である。図9の電場移行を電場振幅変化を記述する微分方程式に変換すると、
dR(z)/dz = iβaR(z)-iκabS(z) (1)
dS(z)/dz = iβbS(z)-iκbaR(z) (2)
となる。(1)、(2)はモード結合方程式と呼ばれ、光ファイバaでの電場は光ファイバbで散乱されて、光ファイバbの中に光ファイバaでの電場成分が生じるようになり、他方、光ファイバbでの電場は光ファイバaで散乱されて、光ファイバaの中に光ファイバbでの電場成分が生じるようになることを示している。単純化された結合モード理論においては、2つの光ファイバa、b構造を同一と仮定するので、
βa = βa = β (3)
κab = κba = κ (4)
(1)、(2)、(3)、(4)式を解くと、最終的には、伝播距離zにおける光ファイバa、bでの光強度Ia(z)、Ib(z)は、
Ia(z) = |R(z)|2
= |A(0)cos(κz)|2 (5)
Ib(z) = |S(z)|2
= |A(0)sin(κz)|2 (6)
但し、A(0)はz=0における振幅値、
と表わすことができる。
In simplified coupled mode theory, it is assumed that the lateral spatial distribution of modes, propagation constants (wavenumbers) and mode coupling constants are not affected by coupling between optical fibers a and b, but only the electric field amplitude is modulated. That is, FIG. 9 shows the state of the electric field transition between the light propagating through the optical fibers a and b, where z is the propagation distance of light and y is the overlapping direction (distance) of the electric fields. In FIG.
R (z): electric field amplitude in the optical fiber a,
β a : propagation constant (wave number) in the optical fiber a,
κ ab : mode coupling constant from the optical fiber b to the optical fiber a,
S (z): electric field amplitude in the optical fiber b,
β b : propagation constant (wave number) in the optical fiber b,
κ ba : Mode coupling constant from the optical fiber a to the optical fiber b. When the electric field transition of FIG. 9 is converted into a differential equation describing the electric field amplitude change,
dR (z) / dz = iβ a R (z) -iκ ab S (z) (1)
dS (z) / dz = iβ b S (z) -iκ ba R (z) (2)
It becomes. (1) and (2) are called mode coupling equations, and the electric field in the optical fiber a is scattered by the optical fiber b, and an electric field component in the optical fiber a is generated in the optical fiber b. The electric field in the optical fiber b is scattered by the optical fiber a, and the electric field component in the optical fiber b is generated in the optical fiber a. In the simplified coupled mode theory, the two optical fibers a and b are assumed to be identical, so
β a = β a = β (3)
κ ab = κ ba = κ (4)
Solving the equations (1), (2), (3), and (4), finally, the light intensities Ia (z) and Ib (z) in the optical fibers a and b at the propagation distance z are
Ia (z) = | R (z) | 2
= | A (0) cos (κz) | 2 (5)
Ib (z) = | S (z) | 2
= | A (0) sin (κz) | 2 (6)
Where A (0) is the amplitude value at z = 0,
Can be expressed as

図10は(5)、(6)式の光強度Ia、Ibを表わす。尚、図10の光強度Iは相対的光強度を表わす。   FIG. 10 shows the light intensities Ia and Ib of the equations (5) and (6). Note that the light intensity I in FIG. 10 represents the relative light intensity.

図10に示すように、距離Lc=π/(2κ)毎に、光ファイバa、bの一方の光強度は完全に光ファイバa、bの他方へ移行することが分かる。つまり、光ファイバa、bでは、光強度Iが周期的に交換されることになる。従って、接触相互作用長δzを実験的に最適化して種々の電場(光強度)が交じり合うようにできる。 As shown in FIG. 10, it can be seen that the optical intensity of one of the optical fibers a and b completely shifts to the other of the optical fibers a and b at every distance L c = π / (2κ). That is, in the optical fibers a and b, the light intensity I is periodically exchanged. Therefore, it is possible to experimentally optimize the contact interaction length δz so that various electric fields (light intensity) are mixed.

上述の単純化された結合モード理論は、単一光スペクトルに対して適用されたものであるが、図1の多重光スペクトルの交じり合いつまり混色については、各光スペクトルに対して光ファイバ間のモード結合定数κ及び各光ファイバにおける伝播定数βが異なるものと考えればよい。従って、図1のファイババンドルB2においては、マルチモード光ファイバ間を近接場結合させると、光ファイバ間で光のトンネルが発生し、この結果、各光スペクトルは十分に混色されて各光ファイバは同一多重光スペクトルを有することが分かる。 The simplified coupled mode theory described above has been applied to a single optical spectrum, but for the intermixing or color mixing of multiple optical spectra in FIG. It may be considered that the mode coupling constant κ and the propagation constant β in each optical fiber are different. Therefore, in the fiber bundle B 2 in FIG. 1, when near-field coupling is performed between the multimode optical fibers, a light tunnel is generated between the optical fibers. As a result, each optical spectrum is sufficiently mixed and each optical fiber is mixed. Can be seen to have the same multiple light spectrum.

図1においては、各LED素子1−1、1−2、1−3、1−4、1−5、1−6の入力光Lin1、Lin2、Lin3、Lin4、Lin5、Lin6の 集光損失以外にエネルギー損失はほとんどないので、出力光Loutのエネルギー効率は50%以上と非常に大きくなる。また、LED素子及び光ファイバを主部品として構成できるので、製造コストを低減できると共に、プログラマブル光源装置の構成が簡単で小型化できる。 In FIG. 1, the input light L in1 , L in2 , L in3 , L in4 , L in5 , L of each LED element 1-1, 1-2, 1-3 , 1-4 , 1-5 , 1-6 . Since there is almost no energy loss other than the in6 condensing loss, the energy efficiency of the output light L out becomes very large at 50% or more. In addition, since the LED element and the optical fiber can be configured as main components, the manufacturing cost can be reduced, and the configuration of the programmable light source device can be simplified and reduced in size.

図11は本発明に係るプログラマブル光源装置の第2の実施の形態を示す図である。図11においては、図1のファイババンドルB2の代りに、ファイババンドルB2’を設ける。ファイババンドルB2’ においては、図1のファイババンドルB2の光ファイバ間に透明な誘電体の微小球3(図12参照)を混在させている。微小球3はたとえばSiO2、TiO2よりなる。このような微小球3を用いた形態ではLED素子の波長成分からより狭帯域のスペクトルを抜き出すことが可能となり、さらに、微小球3のサイズを調節することによりスペクトルを任意に選ぶことができる。また、微小球3のサイズは1〜100μmが最も好ましい。微小球3のサイズを小さくしすぎてしまうと取り出すことができる波長成分が少なくなりすぎ混色が行われないためであり、また、微小球3のサイズを大きくしすぎると微小球3ならびに光ファイバ間をトンネルするための共鳴モードの重なりが少なくなるためである。微小球3については特許文献2を参照されたし。 FIG. 11 is a diagram showing a second embodiment of a programmable light source device according to the present invention. In Figure 11, instead of the fiber bundle B 2 in FIG. 1, provided fiber bundle B 2 '. In the fiber bundle B 2 ′, transparent dielectric microspheres 3 (see FIG. 12) are mixed between the optical fibers of the fiber bundle B 2 in FIG. The microsphere 3 is made of, for example, SiO 2 or TiO 2 . In such a form using the microsphere 3, it is possible to extract a narrower band spectrum from the wavelength component of the LED element, and furthermore, the spectrum can be arbitrarily selected by adjusting the size of the microsphere 3. The size of the microsphere 3 is most preferably 1 to 100 μm. This is because if the size of the microsphere 3 is made too small, there are too few wavelength components that can be taken out and color mixing is not performed, and if the size of the microsphere 3 is made too large, the space between the microsphere 3 and the optical fiber is too small. This is because the overlap of resonance modes for tunneling is reduced. For the microsphere 3, see Patent Document 2.

図11のファイババンドルB2’においては、WG(Whispering-Generally)モードを利用する。これを図12を参照して説明する。 The fiber bundle B 2 ′ in FIG. 11 uses a WG (Whispering-Generally) mode. This will be described with reference to FIG.

図12において、2つのマルチモード光ファイバa、b間に微小球3が近接して微小球3の光モードと光ファイバa、bの光モードとの間で光のトンネル現象としてエバネッセント場の結合が生じ、たとえば光ファイバb中を伝播する光が光ファイバbに近接した微小球3に伝播し、微小球3内に閉じ込められた光モード、いわゆるWG(Whispering-Generally)モードが形成される。   In FIG. 12, an evanescent field is coupled as a light tunnel phenomenon between the optical mode of the microsphere 3 and the optical mode of the optical fibers a and b due to the proximity of the microsphere 3 between the two multimode optical fibers a and b. For example, light propagating in the optical fiber b propagates to the microsphere 3 adjacent to the optical fiber b, and an optical mode confined in the microsphere 3, a so-called WG (Whispering-Generally) mode is formed.

LED素子1−1、1−2、1−3、1−4、1−5、1−6が比較的広帯域の波長領域を有していても、光ファイバbを微小球3に接触させるだけで、光ファイバbの広帯域スペクトルの一部の周波数が微小球3に乗り移り、さらに、微小球3に乗り移った光は隣の光ファイバaに乗り移る。このような周波数ドロップにより、混色は可能となる。   Even if the LED elements 1-1, 1-2, 1-3, 1-4, 1-5, and 1-6 have a relatively wide wavelength range, only the optical fiber b is brought into contact with the microsphere 3. Thus, a part of the frequency of the broadband spectrum of the optical fiber b is transferred to the microsphere 3, and the light transferred to the microsphere 3 is transferred to the adjacent optical fiber a. Color mixing is possible by such a frequency drop.

たとえば、光ファイバbから微小球3へ入射する光の絶対量はトンネル効果として表わされるので、光ファイバbと微小球3との距離が近づけば近づく程大きくなる。このとき、同時に、微小球3から光ファイバbへのエバネッセント結合の程度も大きくなるので、微小球3から光ファイバbへ逆戻り過程も存在する。この場合、光ファイバbの光をほぼ100%微小球3のWGモードへ損失なく変換する条件は、微小球3内の光の吸収、散乱損失係数、微小球3との距離を最適化することによって得られる。しかしながら、光ファイバbと微小球3との距離を最適化しなくても、LED素子のような広帯域なスペクトルを有する光の場合にはWGモードへ変換できる光周波数が必ず存在するので、上述の周波数(波長)ドロップの原理を応用した波長多重光源を構成することができる。   For example, the absolute amount of light incident on the microsphere 3 from the optical fiber b is expressed as a tunnel effect, and therefore increases as the distance between the optical fiber b and the microsphere 3 decreases. At the same time, since the degree of evanescent coupling from the microsphere 3 to the optical fiber b increases, there is also a process of returning from the microsphere 3 to the optical fiber b. In this case, the conditions for converting the light of the optical fiber b to the WG mode of the almost 100% microsphere 3 without loss are to optimize the light absorption in the microsphere 3, the scattering loss coefficient, and the distance to the microsphere 3. Obtained by. However, there is always an optical frequency that can be converted to the WG mode in the case of light having a broad spectrum such as an LED element without optimizing the distance between the optical fiber b and the microsphere 3. A wavelength-multiplexed light source that applies the principle of (wavelength) drop can be configured.

また、微小球3と光ファイバa、bとの接合は、特殊な接着剤を用いずとも、ファンデルワール力によって可能である。しかしながら、微小球3と光ファイバa、bとの接合距離を制御することは困難であり、かつ現実的でないので、多数の微小球3を多数の光ファイバに接触及び固定させることにより、統計平均的処理により互いに光ファイバ間において均一に混色した同一スペクトルを得るようにする。このような微小球を用いた形態では帯域の狭いスペクトルに対し特に有効である。   The microsphere 3 and the optical fibers a and b can be joined by van der Waal force without using a special adhesive. However, since it is difficult and impractical to control the joining distance between the microsphere 3 and the optical fibers a and b, a statistical average is obtained by contacting and fixing a large number of microspheres 3 to a large number of optical fibers. The same spectrum with uniform color mixing between the optical fibers can be obtained by the optical processing. Such a form using microspheres is particularly effective for a narrow-band spectrum.

図11の本発明の第2の実施の形態においても、図1の本発明の第1の実施の形態と同様の効果を達成できる。   Also in the second embodiment of the present invention shown in FIG. 11, the same effect as that of the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 can be achieved.

尚、上述の実施の形態においては、光ファイバの直径が大きい場合には、ファイババンドルB11、B12、B13、B14、B15、B16を1つの光ファイバとしてもLED素子と光ファイバとの結合損失を小さくできる。この場合には、たとえば、100個のLED素子を100本の光ファイバの入光端に結合させ、この100本の光ファイバの出光端側を束ねてファイババンドルB2、B2’を形成する。 In the above-described embodiment, when the diameter of the optical fiber is large, the fiber bundles B 11 , B 12 , B 13 , B 14 , B 15 , and B 16 are formed as one optical fiber and the LED element and the light. The coupling loss with the fiber can be reduced. In this case, for example, 100 LED elements are coupled to the light input ends of 100 optical fibers, and the light output ends of the 100 optical fibers are bundled to form fiber bundles B 2 and B 2 ′. .

また、上述の実施の形態において、光を光ファイバの入光端Tin側から出光端Tout側に進行させるが、その際、光ファイバの出光端Tout側から入光端Tin側に逆行する光も存在する。このような逆行する光を阻止する一方向性を保証する構造、例えばフォトニック結晶光ファイバ、光ファイバアイソレータ、光ファイバファラデー回転ミラーなどを用いることができる。 Further, in the above embodiment, although the progress of the light from the light incident end T in side of the optical fiber to the Tadashi Idemitsu T out side, this time from the output end T out side of the optical fiber to the light entering end T in side There is also retrograde light. Such a structure that guarantees unidirectionality to block the reverse light, such as a photonic crystal optical fiber, an optical fiber isolator, an optical fiber Faraday rotating mirror, or the like can be used.

さらに、上述の実施の形態においては、混色を行うためのファイババンドルB2を、ファイバ出口に設けたが、これに限るものではなくファイババンドルB2をファイバ中間位置に持ってきて出口側のファイバを再度個別に分散させることも可能である。このような形態にすることで任意に多数の位置に同一の多重光スペクトルを持つ光源を設けることが可能である。 Further, in the embodiment described above, the fiber bundle B 2 for performing color mixture, is provided to the fiber outlet, which fiber bundle B 2 is not limited to bring the fiber intermediate position the outlet side of the fiber It is also possible to distribute them individually again. By adopting such a configuration, it is possible to provide light sources having the same multiple light spectrum at any number of positions.

さらにまた、上述の実施の形態においては、光ファイバ全体がクラッド層の無いコアのみを有するものとした、近接場相互作用を行うために設けたファイババンドルB2のみにクラッド層のない部分を必要とするので、そのほかの部分はクラッド層を有していても良い。これにより、クラッド層を有している部分は破損に強い、曲げ部分生じる光散乱、損失(漏れ光)を防止することができる、などの効果を有する。 Furthermore, in the above-described embodiment, the optical fiber as a whole has only a core without a cladding layer, and only the fiber bundle B 2 provided for performing near-field interaction needs a portion without a cladding layer. Therefore, the other part may have a clad layer. As a result, the portion having the clad layer has effects such as being resistant to breakage, preventing light scattering occurring in the bent portion, and loss (leakage light).

1−1、1−2、1−3、1−4、1−5、1−6:発光ダイオード(LED)素子
2:制御ユニット
3:微小球
B11、B12、B13、B14、B15、B16…:第1のファイババンドル
B2、B2 : 第2のファイババンドル
Tin:入光端
Tout:出光端
101:グレーティングプリズム
102:ミラーアレイ
103:制御ユニット
104:ライトガイド
201:白色光源
202:コリメータレンズ
203:回折格子
204:結像レンズ
205:空間分割型液晶光スイッチ
206:制御ユニット
207:集光レンズ
208:ライトガイド
1-1, 1-2, 1-3, 1-4, 1-5, 1-6: Light emitting diode (LED) element 2: Control unit 3: Microsphere
B 11 , B 12 , B 13 , B 14 , B 15 , B 16 ...: First fiber bundle
B 2 , B 2 ' : Second fiber bundle
T in : Incident end
T out : light exit end 101: grating prism 102: mirror array 103: control unit 104: light guide 201: white light source 202: collimator lens 203: diffraction grating 204: imaging lens 205: space division type liquid crystal optical switch 206: control unit 207: Condensing lens 208: Light guide

Claims (5)

光スペクトルが異なる複数の発光源と、
クラッド層なしの部分を有する複数の光ファイバと、
前記複数の発光源を選択かつ光強度を調整する制御ユニットと
を具備し、
前記複数の光ファイバの入光端側を束ねて複数の第1のファイババンドルを形成すると共に、前記各複数の発光源を前記各複数の第1のファイババンドルの入光端に結合し、
前記複数の光ファイバの出光端側を束ねると共に前記各第1のファイババンドルに属する前記複数の光ファイバのクラッド層なしの部分を混在させて第2のファイババンドルを形成したプログラマブル光源装置。
A plurality of light sources having different light spectra;
A plurality of optical fibers having a portion without a cladding layer;
A control unit that selects the plurality of light emitting sources and adjusts the light intensity;
Bundling the light incident end sides of the plurality of optical fibers to form a plurality of first fiber bundles, and coupling the light emitting sources to the light incident ends of the plurality of first fiber bundles;
A programmable light source device in which light output end sides of the plurality of optical fibers are bundled and a portion without the cladding layer of the plurality of optical fibers belonging to each first fiber bundle is mixed to form a second fiber bundle.
前記第2のファイババンドルの光ファイバ間に散在させた複数の透明な誘電体微小球を具備する請求項1に記載のプログラマブル光源装置。   The programmable light source device according to claim 1, comprising a plurality of transparent dielectric microspheres scattered between optical fibers of the second fiber bundle. 前記各発光源が発光ダイオード素子である請求項1に記載のプログラマブル光源装置。   The programmable light source device according to claim 1, wherein each of the light emitting sources is a light emitting diode element. 前記各第1のファイババンドルの代りにクラッド層なしでコア層のみの1つの光ファイバを設け、該光ファイバは複数のクラッド層なしの部分を有する分枝型ファイバであり、該各分枝型光ファイバの枝分かれした部分を混在させて前記第2のファイババンドルを形成した請求項1あるいは2に記載のプログラマブル光源装置。   Instead of each of the first fiber bundles, one optical fiber having only a core layer without a cladding layer is provided, and the optical fiber is a branched fiber having a portion without a plurality of cladding layers. The programmable light source device according to claim 1, wherein the second fiber bundle is formed by mixing branched portions of optical fibers. 前記第2のファイババンドルを構成する光ファイバはねじられている請求項1から4のいずれか1つに記載のプログラマブル光源装置。
The programmable light source device according to any one of claims 1 to 4, wherein the optical fiber constituting the second fiber bundle is twisted.
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