(57)【要約】  入射光を複数に分岐して出射する際に、分岐先の光量を柔軟に変化可能な光伝搬装置を提供する。本発明の光伝搬装置は、光を入射する入力ポートと、光を外部に出射する複数個の出力ポートを含む出力側ポートと、駆動電圧に対応した傾斜角度に制御されるチルトミラーを有し、チルトミラーの傾斜角度に従って入力ポートと出力側ポートのいずれかのポートとを光学的に結合するＭＥＭＳ光スイッチと、出力する光の光量に関する設定を受け付ける設定受付部と、光量に関する設定に基づいて、１巡周期毎の出力側ポートの各ポートの割当期間を示す切換スケジュールを設定する光量制御部と、切換スケジュールに基づいて、駆動電圧を出力する駆動制御部とを備えたことを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を入射する入力ポートと、
光を外部に出射する複数個の出力ポートを含む出力側ポートと、
駆動電圧に対応した傾斜角度に制御されるチルトミラーを有し、前記チルトミラーの傾斜角度に従って前記入力ポートと出力側ポートのいずれかのポートとを光学的に結合するＭＥＭＳ光スイッチと、
出力する光の光量に関する設定を受け付ける設定受付部と、
前記光量に関する設定に基づいて、１巡周期毎の前記出力側ポートの各ポートの割当期間を示す切換スケジュールを設定する光量制御部と、
前記切換スケジュールに基づいて、前記駆動電圧を出力する駆動制御部と、
を備えたことを特徴とする光伝搬装置。
【請求項２】
前記出力側ポートは、光を外部に出力しないオフポートを含むことを特徴とする請求項１に記載の光伝搬装置。
【請求項３】
前記設定受付部は、光の減衰量に関する設定を受け付け、
前記光量制御部は、設定された減衰量が大きいほど、前記オフポートに割り当てる期間を長く設定することを特徴とする請求項２に記載の光伝搬装置。
【請求項４】
前記設定受付部は、前記出力ポート毎の光量に関する設定を受け付け、
前記光量制御部は、設定された光量が大きい出力ポートほど、割当期間の割合を大きく設定することを特徴とする請求項２または３に記載の光伝搬装置。
【請求項５】
前記駆動制御部は、
前記チルトミラーを第１傾斜角度から第２傾斜角度に変化させる場合、前記第１傾斜角度に対応した第１信号から前記第２傾斜角度に対応した第２信号に切り替える際に、前記第１信号よりも大きく、前記第２信号よりも小さい中間電圧を中間電圧印加時間分出力することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光伝搬装置。
【請求項６】
前記中間電圧は、過渡応答時において前記チルトミラーの最大振幅時に前記第２傾斜角度となる駆動電圧であり、
前記中間電圧印加時間は、前記チルトミラーが最大振幅に達するまでの時間であることを特徴とする請求項５に記載の光伝搬装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の光伝搬装置と、
前記出力ポートに対応した発光窓と、
を備えたことを特徴とする表示装置。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の光伝搬装置と、
前記出力ポートに接続された光拡散ファイバと、
を備えたことを特徴とする照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光を複数に分岐して出射する光伝搬技術による光伝搬装置、表示装置および照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１０に示すように、レーザ光源等の光源３１０から発せられる光を１本の光ファイバ３２０に入射し、複数個（３４０ａ〜３４０ｎ）の光ファイバや出力ポートに分岐する光分岐素子３３０として、従来から光スプリッタが広く用いられている。光スプリッタは、入射光をあらかじめ定められた分岐比にしたがって分岐する。例えば、入射光を均一に分岐する光スプリッタであれば、分岐先の光ファイバ等（３４０ａ〜３４０ｎ）から等しい光量の光が同時に出射される。【０００３】
近年では、特許文献１に記載されているように、分岐先を切り替え可能な光スイッチも用いられるようになっている。光スイッチは、入射光を複数の分岐先のいずれかに切り替える光素子であり、例えば、分岐先の光ファイバ等（３４０ａ〜３４０ｎ）について、別途設けられた制御部の制御により出射光を任意のタイミングで順次切り替えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５０８７０８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光分岐素子３３０として光スプリッタを用いた場合には、あらかじめ定められた分岐比にしたがった光量の光が同時に得られる。また、光分岐素子３３０として光スイッチを用いた場合には、入射された光量のほぼすべてが画一的に切換選択された光ファイバ等から出射されることになる。【０００６】
このように、光分岐素子３３０を用いて光を分岐する場合、分岐先の光量を変化させることは考慮されていなかった。分岐先の光量を柔軟に変化させることができれば、光分岐素子３３０の適用対象が多様化し、光分岐素子３３０の利用価値を高めることができる。【０００７】
そこで、本発明は、入射光を複数に分岐して出射する際に、分岐先の光量を柔軟に変化可能な光伝搬装置、表示装置および照明装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様である光伝搬装置は、光を入射する入力ポートと、光を外部に出射する複数個の出力ポートを含む出力側ポートと、駆動電圧に対応した傾斜角度に制御されるチルトミラーを有し、前記チルトミラーの傾斜角度に従って前記入力ポートと出力側ポートのいずれかのポートとを光学的に結合するＭＥＭＳ光スイッチと、出力する光の光量に関する設定を受け付ける設定受付部と、前記光量に関する設定に基づいて、１巡周期毎の前記出力側ポートの各ポートの割当期間を示す切換スケジュールを設定する光量制御部と、前記切換スケジュールに基づいて、前記駆動電圧を出力する駆動制御部と、を備えたことを特徴とする。
ここで、前記出力側ポートは、光を外部に出力しないオフポートを含むことができる。
このとき、前記設定受付部は、光の減衰量に関する設定を受け付け、前記光量制御部は、設定された減衰量が大きいほど、前記オフポートに割り当てる期間を長く設定することが望ましい。
あるいは、前記設定受付部は、前記出力ポート毎の光量に関する設定を受け付け、前記光量制御部は、設定された光量が大きい出力ポートほど、割当期間の割合を大きく設定してもよい。
また、前記駆動制御部は、前記チルトミラーを第１傾斜角度から第２傾斜角度に変化させる場合、前記第１傾斜角度に対応した第１信号から前記第２傾斜角度に対応した第２信号に切り替える際に、前記第１信号よりも大きく、前記第２信号よりも小さい中間電圧を中間電圧印加時間分出力することができる。
このとき、前記中間電圧は、過渡応答時において前記チルトミラーの最大振幅時に前記第２傾斜角度となる駆動電圧であり、前記中間電圧印加時間は、前記チルトミラーが最大振幅に達するまでの時間とすることができる。
上記課題を解決するため、本発明の第２の態様である表示装置は上述の光伝搬装置と、前記出力ポートに対応した出光窓と、を備えたことを特徴とする。
上記課題を解決するため、本発明の第３の態様である照明装置は、上述の光伝搬装置と、前記出力ポートに接続された光拡散ファイバと、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、入射光を複数に分岐して出射する際に、分岐先の光量を柔軟に変化可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態に係る光伝搬装置の構成を示すブロック図である。
【図２】切換スケジュールの例を示す図である。
【図３】切換スケジュールの異なる例を示す図である。
【図４】切換スケジュールの異なる例を示す図である。
【図５】複数周期で切換スケジュールを変化させる例を示す図である。
【図６】チルトミラーの変化角度を示す模式図である。
【図７】一般的な駆動電圧の印加例を示す図である。
【図８】本実施形態における駆動電圧の印加例を示す図である。
【図９】本発明の適用例を示す図である。
【図１０】光源からの入射光を複数本に分岐する光素子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る光伝搬装置１００の構成を示すブロック図である。光伝搬装置１００は、入射光を複数に分岐して出射する装置であり、光分岐素子としてＭＥＭＳ光スイッチ１２０を用いている。ＭＥＭＳ光スイッチ１２０は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を適用した光スイッチであり、メカニカル光スイッチに比べ小型、高速で、耐久性に優れている。
【００１２】
図１に示すように、光伝搬装置１００は、ＭＥＭＳ光スイッチ１２０に加え、入力ポート１１０、複数個の出力ポート１３０、オフポート１３２、制御部１４０を備えている。
【００１３】
入力ポート１１０は、光の入射口であり、光ファイバ２２０等を介して、光源２１０からの光を入力する。光源２１０は、例えば、可視光レーザ光源を用いることができる。ただし、ＬＥＤ光源、ランプ等であってもよい。また、赤外光等の不可視光を出射するものであってもよい。
【００１４】
ＭＥＭＳ光スイッチ１２０は、チルトミラー１２１と駆動電極１２２を備えている。チルトミラー１２１は、入力ポート１１０から入力した光がその反射面に導かれる位置に配置されている。駆動電極１２２は、入力される駆動電圧にしたがって、チルトミラー１２１の傾斜角度を調整する。これにより、反射光の方向を変化させることができる。本実施形態では、１軸を例に説明するが、２軸であってもよい。
【００１５】
複数個の出力ポート１３０およびオフポート１３２は、入力ポート１１０に入力した光がチルトミラー１２１の反射により照射される位置に配置されている。出力ポート１３０、オフポート１３２をまとめて出力側ポート１３４と称する。
【００１６】
チルトミラー１２１の傾斜角度と出力側ポート１３４の各ポート（出力ボート１３０、オフポート１３２）位置とはあらかじめ光伝搬装置１００内において対応付けられており、チルトミラー１２１の傾斜角度を変化させることにより、出力側ポート１３４のいずれかのポートに入力ポート１１０に入力した光を照射させることができる。照射先となった出力側ポート１３４が入力ポート１１０と光学的に結合されることになる。
【００１７】
出力ポート１３０は、光の出射口であり、入力ポート１１０に入力した光が照射されると、光ファイバ２３０等を介して、その光を外部に出力する。一方、オフポート１３２は、入力ポート１１０に入力した光が照射されても外部にその光を出力しない。オフポート１３２は、隣接する出力ポート１３０の間に配置してもよいし、複数個設けてもよい。オフポート１３２は、単に光を遮蔽する壁で構成してもよい。
【００１８】
制御部１４０は、設定受付部１４１、光量制御部１４２、駆動制御部１４３を備えている。設定受付部１４１は、スイッチや操作キー等により構成することができ、光の減衰量、出力ポート毎の光量などの、出力ポート１３０から出力する光の光量に関する設定をユーザから受け付ける。
【００１９】
光量制御部１４２は、演算装置、メモリ等により構成することができ、設定受付部１４１が受け付けた光量に関する設定にしたがって、ＭＥＭＳ光スイッチ１２０のチルトミラー１２１の照射先の切換スケジュールを設定する。光量制御部１４２は、設定された減衰量が大きいほど、オフポート１３０に割り当てる期間を長く設定するとともに、設定された光量が大きい出力ポートほど、割当期間の割合を大きく設定する。切換スケジュールは、１巡周期毎の前記各出力側ポートの割当期間を示す。
【００２０】
駆動制御部１４３は、電圧出力装置等により構成することができ、切換スケジュールにしたがって、駆動電圧を駆動電極１２２に出力する。
【００２１】
次に、本実施形態における光伝搬装置１００の動作について説明する。ここでは、出力ポート１３０は、出力ポート１〜出力ポート４の４個が備えられているものとする。
【００２２】
光量制御部１４２が設定する、切換スケジュールは、出力側ポート１３４のそれぞれについての１巡周期における照射タイミングを規定するものである。例えば、図２に示すような切換スケジュールを例に説明する。
【００２３】
本図の例では、チルトミラー１２１の反射光を、出力ポート１に照射させる期間をＷ１、出力ポート２に照射させる期間をＷ２、出力ポート３に照射させる期間をＷ３、出力ポート４に照射させる期間をＷ４として、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４を同じ期間長で連続させたものを１巡周期として、複数周期繰り返す設定となっている。オフポート１３２への照射は行なわない。
【００２４】
なお、各周期は、その時間を点滅周期とした場合に、人間の目にちらつきを感じさせない時間とする。具体的には、３３ｍｓｅｃ（３０Ｈｚ）程度より短いことが好ましく、例えば、１６ｍｓｅｃ（６２．５Ｈｚ）程度とすることができる。
【００２５】
この場合、各出力ポートでは、ちらつきが感じられない周期で点滅を繰り返すため、人間の目には点灯状態が連続しているように感じられる。具体的には、各出力ポートの点灯期間長が等しいため、入力ポート１１０に入力した光の光量を１００％とすると、各出力ポートからは、それぞれ２５％の光量の光が同時に出力されているように認識される。なお、損失分は考慮しないものとする。
【００２６】
また、図３（ａ）に示すように、１巡周期内にオフポート１３２に照射させる期間ＷＯを設定し、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、ＷＯを同じ期間長で連続させると、各出力ポートからは、それぞれ２０％の光量の光が同時に出力されているように認識される。
【００２７】
さらに、図３（ｂ）に示すように、ＷＯを長く設定し、例えば、１巡周期の４０％の期間とし、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４を同じ期間長とすると、各出力ポートからは、それぞれ１５％の光量の光が同時に出力されているように認識される。
【００２８】
すなわち、１巡周期におけるオフポート１３２に照射させる期間ＷＯを調整し、残りの期間を各出力ポートで均等に割り当てることにより、各出力ポートの光量を一律に変化させることができるようになる。
【００２９】
この場合、各出力ポートの光量は等しくなるため、光量均一モードと称することができる。光量均一モードでは、期間ＷＯの設定は、光量の減衰量を設定することになる。
【００３０】
例えば、設定受付部１４１に「減衰量０」「減衰量中」「減衰量大」のスイッチを用意しておき、光量制御部１４２が、「減衰量０」が選択された場合は、図２に示したような切換スケジュールを設定し、「減衰量中」が選択された場合は、図３（ａ）に示したような切換スケジュールを設定し、「減衰量大」が選択された場合は、図３（ｂ）に示したような切換スケジュールを設定するような運用が可能となる。この場合、光量制御部１４２は、複雑な制御を行なう必要がないため、例えば、論理回路で実現することができ、簡易に構成することができる。もちろん、ＷＯの期間は任意に設定することも可能であり、減衰量は柔軟に設定することができる。
【００３１】
各出力ポートに割り当てる期間は均等でなくてもよい。例えば、図４に示すように、出力ポート１に割り当てるＷ１の期間を１巡周期の５０％とし、出力ポート２に割り当てるＷ２の期間を２５％とし、オフポートに割り当てるＷＯの期間を２５％とすると、出力ポート１からは、５０％の光量の光が出力され、出力ポート２からは２５％の光量の光が出力されているように認識される。このとき、出力ポート３および出力ポート４からは光は出力されない。
【００３２】
すなわち、１巡周期における出力側ポート１３４の各ポートに割り当てる期間を調整することで、光量を出力ポート毎に変化させることができるようになる。この場合、各出力ポートの光量割合を任意に変化させることができるため、光量割合変化モードと称することができる。このとき、ＷＯの期間を０％に設定してもよい。
【００３３】
例えば、設定受付部１４１に各出力ポートの光量割合を指定するキーと、減衰量を指定するキーとを用意しておき、光量制御部１４２が、減衰量の指定に基づいて、オフポートに割り当てるＷＯの期間を設定し、残りの期間については、光量割合の指定に基づいて各出力ポートに期間を割り当てた切換スケジュールを設定するような運用が可能となる。期間を割り当てる出力ポートを１つだけに設定した場合には、その出力ポートのみを光らせて、光量を任意に変化させることができるようになる。
【００３４】
図５に示すように、複数周期の各周期毎に、各出力ポートの光量を変化させるようにしてもよい。図５に示す例では、最初のＮ１周期では、出力ポート１の光量を５０％とし、出力ポート２の光量を１０％とし、出力ポート３の光量を１０％とし、出力ポート４の光量を０％としている。そして、次のＮ２周期では、出力ポート１の光量を０％とし、出力ポート２の光量を５０％とし、出力ポート３の光量を１０％とし、出力ポート４の光量を１０％とし、Ｎ１周期、Ｎ２周期、Ｎ３周期、Ｎ４周期の各周期毎に各出力ポートの光量が異なるように設定している。Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４・・・は、同じ周期数としてもよいし、異ならせてもよい。
【００３５】
このように、複数周期の各周期毎に各出力ポートの光量を変化させることで、例えば、最も明るい出力ポートを順次移動させたり、消灯している出力ポートを順次移動させたりすることができ、一層変化に富んだ光量変化を実現することができる。尚、図５に示すように、Ｎ１周期、Ｎ２周期、Ｎ３周期、Ｎ４周期・・・の各周期毎に各出力ポートの光量が異なるように設定しても良いが、各周期における各出力ポートの光量が同じになるように設定しても良い。
【００３６】
次に、駆動制御部１４３が出力する駆動電圧Ｖａ（ｔ）について説明する。ここでは、図６に示すように、駆動電圧Ｖａ（ｔ）を変化させて、チルトミラー１２１をある角度からθだけ変化させる場合を例にする。なお、上述のように、各出力側ポート１３４とチルトミラー１２１の傾斜角度とは光伝搬装置１００内で対応付けられている。
【００３７】
チルトミラー１２１の角度は駆動電極１２２に印加する駆動電圧Ｖａ（ｔ）に応じるため、チルトミラー１２１の変化前の角度に対応する駆動電圧Ｖａ（ｔ）をＶ０とし、θだけ変化したときの角度に対応する駆動電圧Ｖａ（ｔ）をＶ１とする。
【００３８】
例えば、図７に示すように、駆動電圧Ｖａ（ｔ）をＶ０から直接Ｖ１に変化させると、過渡応答において、チルトミラー１２１が振動し、角度θに収束して安定するまでに時間を要する。これは、チルトミラー１２１が、機械的共振周波数を持っており、その周波数で共振するためである。
【００３９】
このため、本実施形態では、図８に示すように、駆動電圧Ｖａ（ｔ）をＶ０からＶ１に変化させる前に、中間電圧であるＶ２を時間ｔ２だけ経由するようにしている。即ち、駆動制御部１４３は、チルトミラー１２１を第１傾斜角度から第２傾斜角度に変化させる場合、第１傾斜角度に対応した第１信号である駆動電圧Ｖ０から、第２傾斜角度に対応した第２信号である駆動電圧Ｖ１に切り替える際に、第１信号よりも大きく第２信号よりも小さい中間電圧Ｖ２を中間電圧印加時間分（時間ｔ２）出力する。中間電圧Ｖ２が第１信号よりも大きく第２信号よりも小さいとは、中間電圧Ｖ２が第１信号超および第２信号未満の範囲内の任意の電圧値であることを指し、必ずしも第１信号と第２信号の中間の電圧値に限定されない。
【００４０】
ここで、Ｖ２とｔ２とは、駆動電圧Ｖａ（ｔ）をＶ０からＶ２に変化させた場合に、過渡応答として、時間ｔ２後に、角度θの最大振幅となる関係を有しているものとする。すなわち、駆動電圧Ｖａ（ｔ）としてＶ２を印加して最大振幅の角度θとなった瞬間に、駆動電圧Ｖａ（ｔ）をＶ１に変化させる。これにより、チルトミラー１２１の振動を防ぐことができ、素早く角度θで安定させることができる。なお、実装上のＶ２、ｔ２については、理論的、実験的等に定めるようにする。
【００４１】
以上、本実施形態の光伝搬装置１００について説明したが、本発明は、種々の装置に適用することができる。例えば、図９（ａ）に示すように、出力ポート１３０の出光側に、出力ポート１３０に対応した発光窓１６２を形成することで、表示装置１６０として利用することもできる。発光窓１６２は、図９（ｂ）に示すように、横方向、縦方向の両方に配置するようにしてもよい。このようにすることで、文字や記号を表示可能な表示装置１６０として機能する。
【００４２】
また、通常の光ファイバ２３０に代えて、図９（ｃ）に示すように、側面からの発光が可能な光拡散ファイバ２３２を出力ポート１３０に接続することで、照明装置１７０として利用することもできる。
【符号の説明】
【００４３】
１００      光伝搬装置
１１０      入力ポート
１２０      ＭＥＭＳ光スイッチ
１２１      チルトミラー
１２２      駆動電極
１３０      出力ポート
１３２      オフポート
１３４      出力側ポート
１４０      制御部
１４１      設定受付部
１４２      光量制御部
１４３      駆動制御部
１６０      表示装置
１６２      発光窓
２３２      光拡散ファイバ
１７０      照明装置
２１０      光源
２２０      光ファイバ
２３０      光ファイバ
３１０      光源
【図１】
2017213069.tif 000003
【図２】
2017213069.tif 000004
【図３】
2017213069.tif 000005
【図４】
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【図５】
2017213069.tif 000007
【図６】
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【図７】
2017213069.tif 000009
【図８】
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【図９】
2017213069.tif 000011
【図１０】
2017213069.tif 000012
【国際調査報告】
2017213069.tif 000013
2017213069.tif 000014
2017213069.tif 000015
2017213069.tif 000016