(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、
上記レーザ光源から出射された光を拡散するディフューザと、
上記ディフューザで拡散された光を視準して出射するコリメータとを備える光源装置であって、
上記ディフューザは、入射光を反射して拡散する反射ディフューザであり、
上記コリメータは、上記反射ディフューザで拡散された光を反射する反射面と、上記反射面で反射された光を視準して出射する屈折面とを備え、
上記反射ディフューザ、上記反射面、上記屈折面は、単一の構造体の表面の一部にそれぞれ形成されていることを特徴とする光源装置。
【請求項２】
レーザ光源と、
上記レーザ光源から出射された光を拡散するディフューザと、
上記ディフューザで拡散された光を視準して出射するコリメータとを備える光源装置であって、
上記ディフューザは、入射光を透過して拡散する透過ディフューザであり、
上記コリメータは、第一の反射面、第二の反射面、屈折面を備え、
上記透過ディフューザで拡散された光は、上記第一の反射面で上記第二の反射面側へ反射されると共に、上記屈折面で内面反射され、
上記第二の反射面は、上記第一の反射面で反射された光と上記屈折面で内面反射された光とを反射し、
上記屈折面は、上記第二の反射面で反射された光を視準して出射し、
上記透過ディフューザ、上記第一の反射面、上記第二の反射面、上記屈折面は、単一の構造体の表面の一部にそれぞれ形成されていることを特徴とする光源装置。
【請求項３】
上記レーザ光源から出射された光を集光して上記反射ディフューザ又は上記透過ディフューザに入射させる集光系を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光源装置。
【請求項４】
上記反射ディフューザ又は上記透過ディフューザは、入射面が凹面であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光源装置。
【請求項５】
上記反射ディフューザの替わりに、マイクロミラーを用いることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
【請求項６】
上記透過ディフューザの替わりに、マイクロレンズを用いることを特徴とする請求項２記載の光源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源としてレーザダイオードを用い、光による無線通信に用いられる光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光による無線通信に関心が高まっている。この理由としては、光通信で用いられる電磁波の波長が法律で規制されていないこと、信頼性が高いこと、コストが安いことが挙げられる。また、光の直進性により、外部への情報漏洩の可能性が低く、秘話性が高い。光通信は、民生用電子機器で用いられるリモートコントローラの通信手段として普及している。この種の通信は、通常は一方向であり、通信速度も遅い。また、光が伝わる経路が障害物で遮られないことが必要とされ、人体の目に障害を及ぼさないように、出力と視準特性を制限して露光レベルを低下させなければならない。このような制限のため、大多数の機器では、発光ダイオード又は赤外線発光ダイオードが光源に用いられ、レーザダイオードが用いられることはあまりなかった。実際に、発光ダイオードや赤外線発光ダイオードを用い、無線通信で一般に必要とされるほぼ数十ミリワット以上のパワーを発生させると、素子のスイッチング時間が比較的長い（数ナノ秒程度）ため、伝送される光束の放射照度（単位面積当りの放射パワー）だけでなく伝送速度も制限される。これに対し、レーザダイオードは、スイッチング時間と発生する放射パワーに関して明らかに有利であり、コスト面でも、ＭＤ、ＣＤなどの光ディスク用デバイスとして普及しているため有利である。ただし、無線通信や照明のほとんどの分野で、レーザダイオードから発した光束が人体の目に達し得る場合、光束の特性を制限する（例えば、一般に、光束の放射照度を低下させる）必要がある。このような人体への影響を考慮し、レーザ製品の安全性に関する欧州規格CENELEC EN 60825-1(CEI 825-1:1993)と、欧州規格CENELEC EN 60825-2 (CEI 825-2:1993)、国内規格JICS6802改定:1997、国際規格IEC60825-2:1993において、最大許容露光レベルが規定されている。最大許容露光レベルは、波長、光パルスの持続時間と周波数、拡角又は視準された光源の種類などの要因に依存している。
【０００３】
放射照度は、適切なフィルタを用いて光束を減衰させることで、制限範囲に収めることができる。しかし、この方法によると、光学損失が非常に大きくなる。また、放射照度を低下させることで、光学損失を大きくすることなく、光束の断面積の拡大若しくは発散角の拡角、又はこれら両方を行うことができる。光束が拡角されると、必然的に放射照度は低下し、光束の遠視野軸方向に伝送されるパワーは増加する。
【０００４】
しかし、レンズやミラーを組み合わせた従来の光学系で拡角した光束は、人体の目に対して安全ではなくなる。これは、双眼鏡や望遠鏡などの光学機器は、光束の拡角と逆の操作を行うので、このような機器により光束が収束すると許容可能な露光レベルを超え得るからである。したがって、このような光学機器を用いて光束の観察すると危険である。さらに、このように光束を拡角させると、発散角が小さくなり、広範囲の指向許容誤差が必要とされる対象には適さなくなる。
【０００５】
一方、放射照度はディフューザを用いて低下させることもできる。ディフューザによると、光束の断面積を変更することなく、光束の発散角を拡角することができる。光束のエネルギーは保存されるので、当然に光束の平均放射照度（単位面積当り、単位立体角当りの放射パワー）は低下する。光束が拡角すると、非発散の場合より発散角が大きいので、光束の平均放射照度は拡散点からの距離に伴い急速に低下する。このようにすると、光源から短距離でも欧州規格CENELEC EN 60825-1(CEI825-1:1993)、国内規格JISC6802改訂:1997、国際規格IEC60825-1:1993の条件を満たすことができる。さらに、このような方法によって、光束の平均放射照度が低下すると、双眼鏡や望遠鏡のような光学機器を用いても最大放射照度が制限されるため、観察もより安全になる。このことは、拡散したレーザ光束の（空間）コヒーレンスの損失と関連している。これらのディフューザは、さまざまな方法で作成することができる。例えば、屈折が生じる表面の法線方向を確率変数とみなせるような、１つの面がつや消しの透過材料シートを用い、透過ディフューザを作成することができる。このような法線方向の確率分布関数とレーザ光束の強度分布から、拡散後の強度分布を計算できる。計算を正確に行うためには、大きな拡散に寄与するフレネル反射を考慮に入れる必要がある。波長程度の不規則性があると、ディフューザの出射強度分布を求めるためには波動光学を用いる必要がある。このことは、ホログラムを用いて作成されるディフューザに該当する。
【０００６】
また、ディフューザとして、反射ディフューザを用いることができる。反射ディフューザは、つや消し塗料を利用するだけで作成することができる。レーザ光がレフレクタに入射する発散角は小さいが、レフレクタから出射する反射角は大きい。積分球の内面コーティングとして用いられるような拡散の性質が良好なレフレクタは、ランバートパターンの反射強度で、すなわち、対向する半球に等方的に光を反射する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ディフューザは、発散角を拡角することで放射強度を低下させるので、光束の発散は安全基準により決定されるという問題がある。例えば、拡散点から１０ｃｍ離れた位置で放射照度が最大許容を下回る必要がある（１０ｃｍは、欧州規格CENELEC EN 60825-1(CEI 825-1:1993)、国内規格JISC6802改訂:1997、国際規格IEC60825-1:1993で規定された最小距離である）。このため、１／Ｃ（Ｃ＞１）倍だけ放射照度を低下させることになり、発散角が一定であれば距離Ｄにおける放射照度はＣ＝Ｄ２（１０ｃｍ）２のように低下する。この結果は、光束の発散が１０ｃｍの距離におけるディフューザの照明領域で画定された立体角よりもかなり大きく、レーザ光束の放射照度を低下させなければならない場合に対してほぼ正確である。このように、空中を光が伝播すると、伝播損失が大きくなるので、この方法は短距離でのみ有効である。
【０００８】
ディフューザには、第２の問題がある。すなわち、原理的に拡散によって光はランダムに散乱されるので、強度分布は出射方向の関数として緩やかに変化し、この依存性は制御することができない（粗面を基にしたディフューザの場合、強度はガウス分布する傾向がある）。一般に、所定の放出画角内にある人体の目に対して安全性の基準を満たし、この範囲外にはまったく放出しない（したがってレーザ出力の損失はない）ような強度分布が望ましい。このように狭い範囲に鋭い強度を有する分布は、ディフューザでは達成できず、ディフューザによると、一定の画角外にも一部の光束を出射し、さらに画角内の強度も一定に保つことができない。したがって、このような損失によってレーザ光の伝達効率は低下する。
【０００９】
本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであり、光束の発散角及び幅が制御され、短いスイッチング時間を有する単色又は多色のインコヒーレント光束を出射するような光源装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、本発明は、下記（１）〜（６）の構成を有する光源装置を提供する。
（１）  レーザ光源と、
上記レーザ光源から出射された光を拡散するディフューザと、
上記ディフューザで拡散された光を視準して出射するコリメータとを備える光源装置であって、
上記ディフューザは、入射光を反射して拡散する反射ディフューザであり、
上記コリメータは、上記反射ディフューザで拡散された光を反射する反射面と、上記反射面で反射された光を視準して出射する屈折面とを備え、
上記反射ディフューザ、上記反射面、上記屈折面は、単一の構造体の表面の一部にそれぞれ形成されていることを特徴とする光源装置。
（２）  レーザ光源と、
上記レーザ光源から出射された光を拡散するディフューザと、
上記ディフューザで拡散された光を視準して出射するコリメータとを備える光源装置であって、
上記ディフューザは、入射光を透過して拡散する透過ディフューザであり、
上記コリメータは、第一の反射面、第二の反射面、屈折面を備え、
上記透過ディフューザで拡散された光は、上記第一の反射面で上記第二の反射面側へ反射されると共に、上記屈折面で内面反射され、
上記第二の反射面は、上記第一の反射面で反射された光と上記屈折面で内面反射された光とを反射し、
上記屈折面は、上記第二の反射面で反射された光を視準して出射し、
上記透過ディフューザ、上記第一の反射面、上記第二の反射面、上記屈折面は、単一の構造体の表面の一部にそれぞれ形成されていることを特徴とする光源装置。
（３）  上記レーザ光源から出射された光を集光して上記反射ディフューザ又は上記透過ディフューザに入射させる集光系を備えることを特徴とする上記（１）又は（２）記載の光源装置。
（４）  上記反射ディフューザ又は上記透過ディフューザは、入射面が凹面であることを特徴とする上記（１）又は（２）記載の光源装置。
（５）  上記反射ディフューザの替わりに、マイクロミラーを用いることを特徴とする上記（１）記載の光源装置。
（６）  上記透過ディフューザの替わりに、マイクロレンズを用いることを特徴とする上記（２）記載の光源装置。
【００１１】
すなわち、本発明に係る光源装置は、レーザ光源となる１以上のレーザダイオードと、１以上のディフューザと、１以上のディフューザから出射された光を視準させるコリメータ視準光学系を備えている。この視準光学系は、コリメータと称される。ディフューザは、レーザ光束がディフューザを透過して拡散される透過ディフューザ、レーザ光束が反射して拡散される反射ディフューザ、又はこれらを組み合わせた混合ディフューザのいずれであってもよい。反射ディフューザは、単に鏡面反射係数よりも拡散反射係数がかなり大きいレフレクタである。レーザ光束は、ディフューザに向けて出射される。光源装置は、ディフューザにレーザ光束を集束させるような集光系を備えてもよい。集光系を用いると、ディフューザ上の放射照度の分布の制御が容易になる。レーザ光束は、ディフューザによって拡散された後、コリメータによって視準される。通常、ディフューザは、コリメータの焦点面に配置される。この場合、ディフューザにおける放射照度の分布によって、装置全体の強度分布が決定される。したがって、光源装置の強度分布の形状と値は、レーザ光束の集光系を適切に設計することで制御できる。また、出射画角は、ディフューザにおける照明領域を制限する絞りを用いるか、又はディフューザ領域を制限することで制御できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光源装置の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
本発明は、単色光又は多色光を発するレーザ光源と、レーザ光源から出射された光束を拡散するディフューザと、ディフューザから出射された光束を視準するコリメータと称する視準光学系とを備える、人体の目に対して安全であり、スイッチングが高速な光源装置である。ディフューザには、透過ディフューザ、反射ディフューザ、又は透過ディフューザと反射ディフューザを組み合わせた混合ディフューザを用いることができ、レーザ光源は、ディフューザに向けて直接に、又は集光系を介して光束を入射する。
【００１４】
図１は、本発明を適用した光源装置の概略を示す図である。
【００１５】
この光源装置は、レーザ光束を出射するレーザ光源１と、レーザ光源１から入射された光束を集光する集光系２と、集光系２で集光された光束を拡散する透過ディフューザ３と、ディフューザ３で拡散された光束を視準する視準光学系４、すなわちコリメータとを備えている。
【００１６】
図２は、本発明を適用した光源装置の具体例を示す図である。
【００１７】
この光源装置は、レーザ光源１と、単レンズで構成された集光系２と、透過ディフューザ３と、単レンズで構成された視準光学系４とを備えている。
【００１８】
レーザ光束を視準するために、集光系を用いる必要は必ずしもない。これは、ディフューザの照明領域がコリメータによって必要とされるように、レーザ光源からディフューザまでの距離を正確に調節できるからである。
【００１９】
図３は、集光系を備えない光源装置の具体例を示す図である。
【００２０】
この光源装置は、レーザ光源１と、反射ディフューザ３と、放物面鏡で構成された視準光学系４とを備えている。この光源装置では、レーザ光源１を出射したレーザ光束は、集光系を介することなく反射ディフューザ３に直接に入射している。
【００２１】
ディフューザは、必ずしもレーザ光束の軸方向に垂直な平面内にある必要はない。実際、ディフューザが、法線が入射レーザ光束の軸方向と任意の角度を有する平面内にある場合、多くの半導体レーザに共通する非点収差を補正することができる。
【００２２】
最も製作が容易で、最も安価なディフューザは、ランバートディフューザ又は準ランバートディフューザである。これらのディフューザの一点に入射する光は、この点でディフューザに接する接平面により画定される２つの半球の１つに等方的に拡散される。反射ディフューザの場合、光は、ディフューザ上の入射方向を含む半球に拡散される。透過ディフューザの場合、光は、もう１つの半球に拡散される。一般に、拡散された光の一部が反射されるため、効率の高い透過ディフューザを実現することは困難である。効率的な反射ディフューザの実現は容易である。いずれの場合も、２０００年３月１６日に米国特許商標庁に出願された米国特許仮出願第６０／１９０,１３０号（「設計方法と非常に小型で高効率の光学非画像コンセントレータ、コリメータ及びカプラに用いる方法から導出された装置（Method of Design and Apparatus Derived From Method for Ultra Compact, High Efficiency, Optical Non-imaging Concentrators, Collimators and Couplers）」）に記載された光学系をコリメータとして用いると非常に有効である。これらの光学系は、ランバートディフューザを用いる場合、等方的に拡散された光を視準するため効率よい。さらに、これらの光学系は、非常に簡単で小型である。
【００２３】
図４は、上述の米国特許仮出願第６０／１９０，１３０号に記載されたコリメータの１つを用いる光学装置の具体例を示す図である。
【００２４】
このコリメータは、ＲＸと称される。図４に示す光源装置は、レーザ光源１と、単レンズで構成された集光系２と、反射ディフューザ３と、視準光学系を構成するＲＸ４とを備えている。ＲＸ４は、反射面５と屈折面６とを有する単一の構造体として構成されている。反射ディフューザ３で拡散された光束は、反射面５で反射され、屈折面６で屈折されて視準される。図４に示す具体例では、集光系２はコリメータ４に組み込まれているため、ディフューザ、集光系及び視準光学系が、単一の構造体を構成している。なお、単一の構造体の一部が鏡面レフレクタでコーティングされ、他の表面にディフューザが取り付けられていてもよい。
【００２５】
図５は、上述した米国特許仮出願第６０／１９０，１３０号に記載されているＲＸＩコリメータを用いる光源装置の具体例を示す図である。
【００２６】
この光源装置は、レーザ光源１と、単レンズで構成された集光系２と、透過ディフューザ３と、視準光学系を構成するＲＸＩ４とを備えている。ＲＸＩ４は、後方部分に反射面５と前方部分にわずかな鏡面反射領域５と、内面反射によりレフレクタとしても作用する屈折面６とを有する単一の構造体として構成されている。透過ディフューザ３で拡散された光束は、反射面５の前方部分と、この時点で内面反射によりレフレクタとして作用する屈折面６とにより反射される。このように反射した後、光束は、反射面５の後方部分によって反射され、屈折面６により屈折されて視準される。図５に示す具体例では、ディフューザと視準光学系が、単一の構造体を構成している。なお、この具体例では、単一の構造体における表面の一部が鏡面レフレクタでコーティングされ、別の表面にディフューザが取り付けられていてもよい。
【００２７】
図６は、ディフューザと視準光学系が単一の構造体を構成している光源装置の具体例を示す図である。
【００２８】
この光源装置は、レーザ光源１と、単レンズで構成された集光系２と、透過ディフューザ３と、視準光学系を構成するＲＸＩ４とを備えている。
【００２９】
例えば、クラス１の安全基準に準拠し、波長λ＝７８０ｎｍを用いて通信を接続すると想定する。ここで、クラス１とは、安全基準の内でもっとも安全なものであり、予測可能なあらゆる使用状況におけるレーザ製品の安全性を保証するものである。この通信接続では、人体の目への露光時間が欧州規格CENELEC EN 60825-1(CEI 825-1:1993)、国内規格JISC6802改訂:1997、国際規格IEC60825-1:1993において許容された最大値（ｔ＝３００００ｓ）に達する場合を想定し、光源装置が発散角θ＝６０ｍｒａｄである必要がある。
【００３０】
光源装置から出射される最大許容パワーを以下の２つの場合について比較する。（１）発光器が、レーザと、発散角を特定の値θに調節するための従来のレンズとからのみなる場合と、（２）図４に示す光源装置が、出射開口径が２０ｍｍでランバートディフューザを用いて使用される場合である。比較を行うために、欧州規格CENELEC EN 60825-1(CEI 825-1:1993)、国内規格JISC6802改訂:1997、国際規格IEC60825-1:1993に規定されているように、発散角θ＝６０ｍｒａｄで回転対称性を有するガウス強度の遠視野像が両方の場合で発生し、完全な角度θ＝６０ｍｒａｄを画定する発光器上に中心がある円錐が、光源装置から出射された遠視野パワーの６３％を囲むものとする。
【００３１】
欧州規格CENELEC EN 60825-1(CEI 825-1:1993)、国内規格JISC6802改訂:1997、国際規格IEC60825-1:1993は、最大安全露光レベルだけでなく、この露光レベルの測定条件も規定している。ｔ＝３００００ｓ及びλ＝７８０ｎｍのクラス１の安全基準では、光源装置から距離ｒ＝１０ｃｍ離れた位置でパワーを測定する。パワーを測定するセンサのサイズとパワーの最大値（被爆放出限界（Accessible Emission Limit：ＡＥＬ）と呼ばれる。）は共に、発光器から距離ｒ＝１０ｃｍの位置での光源の角の大きさαに依存する。このような光源の角の大きさは、（２）の場合の光源装置における発散角θと一致するが、（２）の場合の光源装置では、ガウスレーザ光束を想定すると、その距離で光束の最大狭帯域を発生する角の大きさが与えられる。発散とガウス光束の最大狭帯域との間の基本的な関係を用いて、以下の式が得られる。
【００３２】
α（光源装置１）＝２ｔａｎ−１（λ/πｒθ）＝４１．３μｒａｄ
α（光源装置２）＝６０ｍｒａｄ                              （１）
欧州規格CENELEC EN 60825-1(CEI 825-1:1993)、国内規格JISC6802改訂:1997、国際規格IEC60825-1:1993によると、α＜１．５ｍｒａｄの値を有する光源（光源装置１の場合を含む）は、あらゆる露光状況でも安全性の面からみて同等である。これは、人体の目の分解能と無意識の自然運動（網膜上に焦点が静止しつづけないようにする運動）との両方の効果によるものである。
【００３３】
規格で示された条件で測定されるパワーの最大値は、以下の式により与えられる。
【００３４】
ＡＥＬ＝１２×１０−４×Ｃ４×Ｃ６（Ｗ）                    （２）
ここで、
0004290900.tif 000002
したがって、
ＡＥＬ（光源装置１）＝１７３．４μＷ
ＡＥＬ（光源装置２）＝９４５．９μＷ                        （５）
欧州規格CENELEC EN 60825-1/A11:1996、国内規格JISC6802改訂:1997、国際規格IEC60825-1 Amendment1:1997の修正版によれば、以下の直径ｄのセンサを用いてそれぞれの場合について測定しなければならない。
【００３５】
ｄ（光源装置１）＝５０ｍｍ
ｄ（光源装置２）＝（７ｍｍ）√（１００/（α（mrad）＋０．４６））＝９ｍｍ                                    （６）
光源装置１により出射されるパワーはすべて、センサにより収集される（ｒ＝１０ｃｍでは、θ＝６０ｍｒａｄをもつ発散光束の幅が約３ｍｍである。）。光源装置２は、出射開口の任意点で発生する放射照度が一定であり、ｒ＝１０ｃｍに配置されたセンサが受けるものと等しいことを保証する。式（５）及び式（６）と共にこのことを考慮すると、光源装置１，２が放出するパワーがこれらの値に制限されることが分かる。
【００３６】
Ｐｏｕｔ＜１７３．４μＷ（光源装置１）
Ｐｏｕｔ＜４．６７ｍＷ（光源装置２）                          （７）
式（７）から分かるように、この具体例では、本発明を適用した光源装置（光源装置２）は、クラス１の安全基準を満たしながら、同じ発散角を有し、同じ安全基準を満たす従来の光源装置（光源装置１）よりも２７倍大きいパワーで動作可能である。
【００３７】
一般に、コリメータにより放出される強度（単位立体角当りの放射パワー）は、所定の角領域内にある最大許容のものである必要がある。この理由は、目標とする角領域内の任意の方向で、この強度が許容最大値よりも小さければ、その方向への出射は小さくなるが、人体の目への安全性も高まることはないためである。コリメータの焦点面にディフューザが配置される場合、コリメータにより放出される強度が角領域内で一定であるという条件は、ディフューザ上のレーザビーム（集光系を通ったもの）により発生される放射照度が焦点面の所定の領域に対して一定であるという条件と同等である。
【００３８】
ディフューザ表面上の放射照度をほぼ一定のものにするため、従来の光学系構成部品が用いることができる。一般に、半導体レーザは、素子毎に大幅に異なる放射線図を有する。この性質は、あらゆる素子に対して有効な集光系を設計する際、この集光系が発する放射照度が一定のものであり、さらに集光系がエネルギー面から効率的なものであることが必要とされる場合に大きな妨げとなる。これは、ディフューザでの放射照度を一定にする以外にも、レーザが放出するパワーの大部分が一定の放射照度でディフューザを照明するものであることが必要とされる場合に該当する。放射照度の均一性がエネルギー効率よりも重要であれば、多面レンズの使用が効果的である。多面レンズは、多面形状の１以上の屈折面を有するレンズである。
【００３９】
多面レンズは、放射線図にかかわらず、ディフューザ表面の放射照度をほぼ一定のものにすることができるという利点を有する。レンズの任意の点がディフューザにおける領域の任意の点からの距離が長い位置にあれば十分であり、この場合、放射照度が均一であること、レーザ光束により発生する放射強度が多面の単一面内で大幅に変化することがないことが必要である。距離が十分に長いということ、又は多面内で放射照度がほとんど変化しないということを識別するには、ディフューザ上の放射照度がどのように均一でなければならないかを知る必要がある。多面レンズは、放射線図が製造プロセスにおいて広く分散しているレーザダイオードに対しても十分に使用可能である。
【００４０】
以下では、多面レンズの設計する方法について説明する。同様な基本的な手順に従って多面ミラーを設計することができる。
【００４１】
最初に、放射照度を均一にするディフューザの領域を識別する必要がある。この領域は、ディフューザの活性領域と呼ばれる。この領域の中心点をディフューザの中心点として選択する。
【００４２】
次に、レーザ光束のウエスト（waist：幅狭部の中心点）（点７）とディフューザの中心点（点８）との間の距離Ｄを選択する。値Ｄが大きいと、一般に必然的にサイズが大きくなるが、放射照度の均一性は高くなる。
【００４３】
続いて、点８に点７を集束させるデカルトの卵形線を描く。デカルトの卵形線の構成は単純なものでよく、点７と点８との光路長が、デカルトの卵形線の表面で屈折（ミラーでは反射）される光線に対して一定のものであれば十分である。（ｘ，ｙ，ｚ）を卵形線の一点の座標とすると、卵形線の表面は、以下の式で表される。
【００４４】
Ｌ１（ｘ，ｙ，ｚ）＋Ｌ２（ｘ，ｙ，ｚ）＝Ｌ                    （８）
ここで、Ｌ１（ｘ，ｙ，ｚ）は、点７と座標（ｘ，ｙ，ｚ）で与えられる卵形線の点との間の光路長であり、Ｌ２（ｘ，ｙ，ｚ）は、座標（ｘ，ｙ，ｚ）で与えられる卵形線の点と点８との間の光路長である。値Ｌは、ＡとＢ間の全光路長となる定数である。値Ｌは、手順の開始時点で設定される。値Ｌを変えると、その値Ｌによりレンズ（又はミラー）とディフューザ又はレーザとの間の間隔が広くなるか又は狭くなるため、ディフューザの面における照明の均一性を変化させることができる。屈折によるデカルトの卵形線では、式８で定められる表面がすべてデカルトの卵形線であるわけではない（詳しい説明は、例えば、オー・エヌ・ストラブディス（O.N.Stravoudis）著の「光線、波面及び火面の光学（The Optics of Rays、Wavefronts and Caustics）」、アカデミック・プレス（Academic Press）、ロンドン（London）、１９７２年を参照されたい。）この場合は、式（８）で与えられる表面は閉曲面であるので、光線を表す直線はこの表面を少なくとも２つに切り分ける。これらはデカルトの卵形線の点であり、点７から出る光線が、表面に対する法線（その点において）で点８に進む光線との法線により形成される角度の余弦（cosine）と同じ符号を余弦が有する角度を構成する式（８）で与えられる表面の点である。
【００４５】
図７は、卵形線及び点７と点８との間に光学要素がない場合での屈折のデカルトの卵形線を示す図である。
【００４６】
デカルトの卵形線９における表面の点は、式（８）で与えられる点の部分集合である。
【００４７】
図８は、直交軸１０、１１及び１２により与えられる座標系ｘ，ｙ，ｚを示す図である。
【００４８】
点８に点７の光線を集束させる卵形線の表面にある任意の点１５は、角度θ１３と角度φ１４で定められる。所定の点を通る卵形線に接する接平面はまた、角度１３,１４により一意的に定められる。ここでは、この平面が屈折（反射）面であるとする。光線追跡を用いて、点７から出射して最終的にディフューザの活性領域に到達する光線を通るこの平面の領域を識別できる。この領域は、平面１３，１４に対応する活性領域と呼ばれる。レンズを形成する多面表面を計算するための手順を以下に示す。
【００４９】
１．所定の方向にある平面に対応する活性領域、例えば、角度１３＝０に対応する活性領域を計算する。ここで、多面体は単一平面で構成される。変数ｉ＝０の値を決める。
【００５０】
２．ｉを１インクリメントする。
【００５１】
３．次に、角度１３を小さな値（例えば、π／２０）増加して、行ｉの面数である面数ｎを選択する。これらの面は、θｉと呼ぶ増加した値と同等の角度１３を有する卵形線の点で卵形線に接する接平面である。０〜２π／ｎ内にある任意の値φ０ｉを設定する。
【００５２】
４．角度１３＝θｉと角度１４＝φ０ｉ＋ｊ２π／ｎ（ｊ＝０，１，．．．，ｎ−１）の値に対応する活性領域を計算する。
【００５３】
５．角度１３＝θｉと角度１４＝φ０ｉ＋ｊ２π／ｎ（ｊ＝０，１，．．．，ｎ−１）に対応する平面に含まれる面で形成された多面体Ｐｉを計算する。
【００５４】
６．ステップ４で計算された活性領域が多面体の表面に含まれていなければ、ステップ３に戻り、これらの活性領域が多面体Ｐｉに含まれるまで、より小さな整数値をとる。レンズ（又はミラー）の効率をより高くするために、活性領域は多面体の側面に接する接平面であるか、又はこの状況に近似するものであることが望ましい。
【００５５】
７．これまで計算したすべての面で多面体Ｔｉを構成する。ステップ４で計算された活性領域が多面体Ｔｉの表面に含まれなければ、ステップ３に戻り、これらの活性領域が多面体Ｔｉに含まれるまで、角度１３の大きくするためのより小さな値をとるか、又は値φ０ｉを変更する。レンズ（又はミラー）の効率をより高くするために、活性領域は多面体の側面に接する接平面であるか、又はこの状況に近似するものであることが望ましい。
【００５６】
８．多面体Ｔｉの表面が、レーザ光束により放出されるパワーの大多数（８０％以上）を防ぐか、又はステップ３で角度（１３）が大きくなるとデカルトの卵形線に属さない点が得られるため、さらなる前進がなくなるまで、ステップ２に戻る。
【００５７】
９．干渉効果を考慮せずに、ディフューザの活性領域でのレーザとレンズにより発せられる放射照度と多面表面の効率（レーザで放出されるパワーでディフューザの活性表面上に収集されたパワーを除算したもの）を光線追跡で計算する。
【００５８】
１０．活性領域にある放射照度が十分に均一でなければ、デカルトの卵形線からさらに離れた位置にディフューザ又はレーザを配置するような構成にする。効率が不十分であれば、ステップ３において角度１３を増大するためにｎ又はより小さな値よりも大きい値を設定する。一般に、１００％の効率又は完全に均一な放射照度は得られない。最後に、設計した面の一部は、機械的な理由か、又はそれらの均一性及び効率への寄与があまり重要でないという理由で、除くことができる。このような除去の後、新たに分析を行うことが望ましい。
【００５９】
図９は、反復ｉ＝２を完了した後の多面レンズの構成を示す図である。
【００６０】
レンズ１７の屈折面は高屈折率の領域を画定し、これは、高い値に対応する低屈折率の領域におけるｘ軸１０の低い値に対応する。この表面は平坦な面から構成されている。また、図９は、卵形線に見える各面の活性領域１８を示す。これは、ディフューザ１６の活性領域に入る点７から出る光線を通る平坦な面の領域である。
【００６１】
図１０は、点７のｘ軸（軸１０）が８ｍｍであり、式（８）の値ＬがＬ＝１１．１６ｍｍである場合における多面レンズの実際の構成を示す図である。
【００６２】
レンズの屈折率は１．４８である。
【００６３】
図１１は、干渉効果を考慮せずに光線追跡により求めたディフューザの平面において求めた放射照度の計算結果（任意の単位）を示す図である。
【００６４】
角度（１３）＝０（ステップ１）に対応する平面で開始する必要はない。また、構成はステップ１をｉ＝０に制限してもよい。
【００６５】
上記の手順は、多面レンズとミラーの両方に有効である。レーザ光束の集光系が、反射又は屈折による少なくとも１つの多面表面を含む光学系からなる場合、ディフューザの表面での放射照度を均一にすることができる。
【００６６】
図１２は、拡散された放射及び視準光学系により放出される放射が、異なるレーザの放射を混合したものから生じる色のものであるように、ディフューザの同じ領域に集束される異なる波長を有する幾つかのレーザ光源を備える光源装置の具体例を示す図である。
【００６７】
この光源装置は、波長の異なるレーザ光を発する３つのレーザ光源１，１９，２０を備え、これらレーザ光源から出射したレーザ光束をそれぞれ集光系２を介して反射ディフューザ３に収束させている。
【００６８】
この具体例は、照明の分野において有効である。異なるレーザを用いることで、例えば、白色を得ることができ、適切な構成により、光束を人体の目に安全なものにすることができる。発光ダイオードと比較すると、レーザ光源は、今のところコストがかなり高めではあるが、電気エネルギーを光エネルギーに変換する際の効率が非常に高いという利点がある。
【００６９】
コリメータの方向に光束を放出するディフューザの領域を画定するため、円形又は他の任意形状の輪郭を定め、可変の開口を有する場合と有しない場合がある絞りが有益なことがある。視準光学系が、ディフューザを焦点面に配置するようなものであれば、拡散されたレーザ放射の放出の画角も、絞りを利用して画定される。さらに、この絞りの開口が可変であれば、それに従って放出の画角を変化させることができる。
【００７０】
多面レンズの他に、ディフューザで放出される放射照度の均一性を高める簡単な方法がある。ディフューザを出射してコリメータに入射する前、レーザ光束が幾つかの拡散反射を受けるような凹面を使用することができる。これは、積分球、すなわちヘルムホルツ球の原理である（詳しくは、例えば、ジェー・シー・ミナノ（J.C.Minano）著、「光起電エネルギー保存に対する物理的限界における光起電での光学制限（Optical confinement in Photovoltaics in Physical Limitations to Photovoltaic Energy Conversion）」、エー・リュク（A.Luque）、ジー・エル・アロジョ（G.L.Araujo）編、アダム・ヒルガー（Adam Hilger）、ブリストル（Bristol）、１９９０年を参照されたい）。
【００７１】
図１３は、拡散要素として作用する積分球の機能を示す図である。
【００７２】
積分球は、その内面が拡散反射材料（例えば、白色塗料）でコーティングされ、光束の入出射口となる開口を有する。入射レーザ光２１は、積分球の内面で反射される。このように反射された拡散光２２の一部は積分球の内面に再度反射されるため、開口２３を通過する出射光により、積分球が用いられない場合と比較して放射照度の均一性が高められる。ディフューザの出射口における放射照度を均一にするためには、表面を凹面にするだけで十分である。また、この概念は透過ディフューザにも応用することができる。透過ディフューザでは、一般に、光束の一部のみが反射される。この部分は、平坦なディフューザで失われるが、凹形の透過ディフューザでの均一性を高めるために用いられる。ディフューザの表面が凹面のものである場合、入射レーザ光束から分かるように、表面が平坦又は凸面である場合と比較すると、均一性を多少高めることができる。均一性がより高められるほど、ディフューザの領域とその開口の領域との比率が高くなる。
【００７３】
図１４は、凹形反射ディフューザ表面を用いる光学装置の具体例を示す図である。
【００７４】
この光学装置は、図４に示した構成の光学装置において、凹形反射ディフューザ３として積分球を用いたものである。
【００７５】
上述した全ての場合において、ディフューザをマイクロレンズ又はマイクロミラーの一組で置き換えることができる。マイクロレンズ又はマイクロミラーのそれぞれの焦点距離がディフューザの活性領域の最大直径に比べて小さければ、ディフューザに類似した効果が得られる。しかしながら、欧州規格CENELEC EN 60825-1と、欧州規格CENELEC EN 60825-2（CEI825-2:1993）、国内規格JISC6802改訂:1997、国際規格IEC60825-2:1993によりこの場合に与えられる取扱いは、ディフューザが使用される場合に与えられるものと異なり、一般に、マイクロレンズ又はマイクロミラーの数が非常に多数でなければ、これらのマイクロレンズ又はマイクロミラーのそれぞれが入射レーザ光束により伝わる少量のパワーを妨げる場合、人体の目に対する安全性を高める点から有効ではないことに留意されたい。マイクロレンズ又はマイクロミラーのセットがそれぞれ、レーザ光束により放出されるパワーの１０％を超えない少量のパワーを妨げるように、ディフューザがマイクロレンズ又はマイクロミラーのセットで置き換えられる場合、上述した規格において考慮されるべきレーザ光束のパワーが低下される。
【００７６】
図１５は、透過ディフューザの代わりにマイクロレンズの一組を用いた光源装置の具体例を示す図である。
【００７７】
この光源装置は、マイクロレンズ２４の一組から構成されている。
【００７８】
レーザ光２１は、短い焦点距離でマイクロレンズの一組２４に入射する。マイクロレンズを出射すると、光束２５の発散角は大きくなる。この光束はコリメータの方向に向けられる。
【００７９】
マイクロレンズ又はマイクロミラーの焦点面がコリメータの焦点面と一致する場合、入射レーザをいくつかのより低い強度のレーザ光束に分ける効果を有するため（照明されたマイクロレンズ又はマイクロミラーの数と同等の数）、本発明を適用した光通信におけるマルチスポット構成の発光源として使用してもよい（これらの構成は、例えば、エス・ジフコバ（S.Jivkova）、エム・カベーラド（M.Kavehrad）著の「無線赤外線アクセスに用いるマルチスポット拡散配置−マルチビーム送信機と角度分散受信機の共同最適化（Multi-spot diffusing configuration for wireless infrared access; joint optimization of multi-beam transmitter and angle diversity receiver）」、光学無線通信第２部（Optical Wireless Communications II）、エリック・コレバール（Eric Korevaar）編、ＳＰＩＥ紀要第３８５０巻（Proceedings of SPIE Vol.3850）、７２〜７９ページを参照されたい。）。
【００８０】
出射されるスペクトル組成を入射されるレーザ光束のスペクトル組成と異なるものにするために、入射光を吸収し、それを他の波長で再度放出する燐光材料又は蛍光材料を用いる方法がある。ディフューザが、拡散状に入射レーザ光を再放出し、そのスペクトル組成を修正する蛍光材料又は燐光材料から形成される場合、コリメータを照明する光束、ひいては光源装置を出射する光束は、入射するレーザ光とは異なるスペクトル組成をもつ。このように、例えば、レーザが単色（青色又は紫外）線を放出する場合、光源装置から白色光を出射することができる。
【００８１】
上述した光源装置の光学系は、ＰＭＭＡなどのプラスチック材料を用いて、数値制御（ＣＮＣ）式のダイヤモンドチップ旋盤により製造することができる。レフレクタは、アルミニウム蒸着を用いて製造することができる。反射ディフューザは、白色塗料を基板に塗布し、透過ディフューザは、表面を化学的又は機械的に処理して（例えば、研磨剤などで）、または数〜数十μｍの球状の透明材料を添加することで、つや消しした表面をもつ透過基板（例えば、ガラス又はＰＭＭＡ）を用いて製造することができる。
【００８２】
本実施の形態で説明した光源装置は、さまざまな分野で利用することができる。レーザ光源は必要以上に大きな放射照度が発生するため、光束の視準し、放射照度を低下させることが必要な対象に適用することができる。特に、本実施の形態は、無線通信システムにおける光源装置に、照明用の持続性の光源（可視スペクトル内及びそれ以外のスペクトル内の両方）に、さらに、医療分野に利用することができる。
【００８３】
【発明の効果】
上述したように、本発明によると、レーザダイオードを光源として用い、人体の目に安全で、スイッチングが高速な光源装置を提供することができる。この光源装置は、光による無線通信に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した光源装置の概略を示す図である。
【図２】本発明を適用した光源装置の具体例を示す図である。
【図３】集光系を備えない光源装置の具体例を示す図である。
【図４】米国特許仮出願第６０／１９０，１３０号に記載されたコリメータの１つを用いる光学装置の具体例を示す図である。
【図５】米国特許仮出願第６０／１９０，１３０号に記載されているＲＸＩコリメータを用いる光源装置の具体例を示す図である。
【図６】ディフューザと視準光学系が単一の構造体を構成している光源装置の具体例を示す図である。
【図７】卵形線及び点７と点８との間に光学要素がない場合での屈折のデカルトの卵形線を示す図である。
【図８】直交軸１０、１１及び１２により与えられる座標系ｘ，ｙ，ｚを示す図である。
【図９】反復ｉ＝２を完了した後の多面レンズの構成を示す図である。
【図１０】点７のｘ軸（軸１０）が８ｍｍであり、式（８）の値ＬがＬ＝１１．１６ｍｍである場合における多面レンズの実際の構成を示す図である。
【図１１】干渉効果を考慮せずに光線追跡により求めたディフューザの平面において求めた放射照度の計算結果（任意の単位）を示す図である。
【図１２】異なる波長を有する幾つかのレーザ光源を備える光源装置の具体例を示す図である。
【図１３】拡散要素として作用する積分球の機能を示す図である。
【図１４】凹形反射ディフューザ表面を用いる光学装置の具体例を示す図である。
【図１５】透過ディフューザの代わりにマイクロレンズの一組を用いた光源装置の具体例を示す図である。
【符号の説明】
１  レーザ光源、２  集光系、３  ディフューザ、４  視準光学系、５  反射面、６  屈折面
【図１】
0004290900.tif 000003
【図２】
0004290900.tif 000004
【図３】
0004290900.tif 000005
【図４】
0004290900.tif 000006
【図５】
0004290900.tif 000007
【図６】
0004290900.tif 000008
【図７】
0004290900.tif 000009
【図８】
0004290900.tif 000010
【図９】
0004290900.tif 000011
【図１０】
0004290900.tif 000012
【図１１】
0004290900.tif 000013
【図１２】
0004290900.tif 000014
【図１３】
0004290900.tif 000015
【図１４】
0004290900.tif 000016
【図１５】
0004290900.tif 000017