JP2002231976A - 受光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光通信用送信部から出射される通信光を反射
器で受け、その反射光を受光素子に導くようにした従来
の光通信用受光装置は形状を小型化するために受光部の
奥行き寸法を小さくすると受光素子の受光面に入射する
光の入射角度が大きくなり、受光出力が小さくなり、通
信できないので、受光部の奥行き寸法は５０ｍｍ程度必
要であり大型となっていた。 【解決手段】 本発明では反射器の反射面を４以上に等
分し、各反射面は二次曲線を回転させて形成される反射
面とし、受光素子を前記二次曲線の焦点に配置するよう
にし、前記反射面と受光素子からなる受光部を４以上設
けるとともに、各反射面に対応する受光素子で発生する
出力を加算し、その加算された出力を通信光の受信入力
信号として処理する光通信用受光装置とすることで課題
を解決する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光通信に用いられる
受光装置に関するもので、詳しくは通信光を反射器で受
光し、その反射光を受光素子に導くようにした光通信用
受光装置に関するものである。

【０００２】

【従来技術】近年、移動体基地局間光通信や光ＬＡＮ或
いはロボット等に光通信が用いられている。これら光通
信は送信装置から送信される通信光を受信装置である受
光装置の受光素子で受け、その光を電気信号に変換し信
号処理している。その場合受光装置で受ける通信光が弱
いと受信信号レベルが小さくなり、通信ができなくな
る。そのため、できる限り大きな受信信号レベルとする
必要がある。その方法として送信装置から送信される通
信光を強くする方法もあるが、弱い光を受光素子に集め
て信号レベルをアップさせる方法もある。後者の方法と
しては大きな反射器を使い、反射器に入射した通信光を
受光素子に集光させるようにしている。

【０００３】反射器としては例えばＢＳテレビの受信に
使われているパラボラアンテナのようなカップ状の反射
器が用いられ、反射器に入射する通信光を受光素子に集
光させている。このような反射器と受光素子から構成さ
れる受光部を図４、図５を用いて説明する。

【０００４】図４は受光部の要部を説明するための正面
図で、１は外形が円形で反射面がカップ状とされる反射
器、２はその反射面、そして、３は受光素子である。通
信光は図示していないが、紙面の表側から紙面の裏側に
突き抜ける方向に入射している。そして、通信光は反射
面２で反射し、その反射光は受光素子の反射器と向き合
っている受光面に入射している。

【０００５】図５は図４のＵＵ断面図で、受光素子３と
反射器１の位置関係を示している。本図では実用化され
ている受光部の寸法を表示している。反射器の外形は直
径が５０ｍｍの円形であり、受光素子は反射器前方５０
ｍｍの位置に配置されている。通信光は光軸を反射器の
中心に垂直方向とし、左から右に平行光として入射して
いる。

【０００６】通信光は反射器に入射し反射面で反射し、
反射光となるが、そのすべての反射光は受光素子に集め
られるように反射面が形成されているので、全ての反射
光は受光素子の受光面に集光される。例えば、４ａ，５
ａで示される通信光は反射面に入射し、それらの光は反
射光４ｂ，５ｂとなって、受光素子３の受光面に入射す
る。その他の通信光についても同様に反射面に入射した
光は反射面で反射され受光素子の受光面に入射する。

【０００７】受光素子はこれらの光を受けて出力を生
じ、その出力は反射器の裏側に配置されている信号処理
回路に送られ信号処理される。そのため、受光素子と信
号処理回路とは電線で接続されている。また、受光素子
３は図示しない反射器に設けた支柱或いは受光装置のケ
ースに設けた支柱等に固着されている。

【０００８】このように構成した受光装置は前記したよ
うに受光素子と信号処理回路を電線で接続しなければな
らず、構造が複雑になる上に、微弱信号を扱う関係で電
線が長くなることにより、耐ノイズ性が著しく低下す
る。このため、図５の受光素子３の位置に鏡（ミラー）
を配置し、通信光を反射器で反射させ、その反射光を鏡
で更に反射させ、その反射光を反射器１の中央部に設け
た孔を通して裏側に配置される受光素子に導くようにし
た構造のものもある。説明を簡単にするために受光素子
を反射器の前面に配置している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに配置した受光部では反射器の外形を５０ｍｍとした
場合、受光部の奥行き寸法、即ち、反射器と受光素子の
距離は５０ｍｍ程度必要であり、大型になることであ
る。光通信に使われる受光装置は屋内に設置される場合
も多く、このような用途を考えるとできる限り小型の受
光装置が望まれている。

【００１０】受光装置を小型化する場合、受光部の奥行
き寸法は小さくしなければならない。図６は受光部の奥
行き寸法を５０ｍｍから２０ｍｍに小さくした場合の断
面図で、この図を用いて受光部の小型化について検討す
る。光を受光面に集光させるということからすれば、奥
行き寸法が５０ｍｍの受光部でも、奥行き寸法が２０ｍ
ｍの受光部でも、同じ面積の反射面で反射させた反射光
を全て受光素子に集光しているわけで、受光面に入射す
る光量は同じである。

【００１１】しかし、受光面に入射する光の入射角度が
異なることである。ここに入射角度とは受光面の垂直方
向を０°として、光が右側または左側にある角度で入射
した場合にその角度をいう。図５で受光面に入射する光
は複数あり、それらの光の入射方向は異なっているが、
その入射方向は図で示す角度αに含まれている。そし
て、この角度は５６°である。また、受光素子が反射器
の対称位置に配置されているので、最大入射角度は５６
°の１／２で２８°である。図６に対しても同様に、受
光面に入射する光の入射方向が角度βに含まれ、その角
度は１２８°である。最大入射角度は１２８°の１／２
で６４°となる。次に受光面に入射する光の入射角度が
異なると受光素子出力にどのように影響するか検討す
る。

【００１２】受光素子の受光面に光が入射すれば受光素
子に出力を生じるが、受光面に入射する光の入射角度が
異なると受光素子で発生する出力（以後、受光出力と略
称する）が異なることが知られている（これをランバー
トの法則と言う）。そして、この入射角度と受光出力と
の関係は指向特性と呼ばれ、例えば図７に示すような指
向特性とされる。図７は光が受光面に垂直に入射した場
合の入射角度を０°とし、その光による受光出力を１０
０とする。そして、光が右側または左側にある角度で入
射した場合、その光による受光出力がどのような値にな
るかを示している。尚、受光素子出力の大きさは中心か
らの長さで示されている。

【００１３】図７を参照すると、光が受光面に垂直に入
射した場合の受光出力が１００であり、左または右側に
６８°の角度で光が入射した場合の受光出力が５０に低
下していることが分かる。そして、他の入射角度で光が
入射した場合について、光の入射角度と受光出力の関係
を調べると、受光出力は受光面に入射する光の入射角度
に大きく影響され、入射角度が小さい程受光出力は大き
く、入射角度が大きい程受光出力は小さくなっているこ
とが分かる。そして、入射角度が０°の場合、即ち、受
光面に垂直に入射した場合が受光出力が最大となってい
る。

【００１４】この指向特性を参照しながら、図５、図６
について検討する。図５で受光面に入射する光の中で入
射角度が最大になる光は反射器の外縁部分で反射した後
入射する光である。この光の入射角度は前記したように
２８°である。受光素子の指向特性を図７とすれば、受
光面に２８°で入射した光で発生する受光出力は受光面
に垂直に入射した光で発生する受光出力より約２０％低
下することが分かる。受光面にはこの光以外の反射光も
含まれるが、いずれの光も入射角度が２８°以下であ
り、それらの光で発生する受光出力は入射角度２８°で
発生する受光出力より必ず大きくなっている。

【００１５】一方、図６の場合は受光面に入射する光で
入射角度が最大になる光は反射器の外縁部分で反射され
る光であり、この光の入射角度は前記したように６４°
である。受光素子の指向特性を図７とすれば、受光面に
６４°で入射した光で発生する受光出力は受光面に垂直
に入射した光で発生する受光出力より約５０％低下する
ことが分かる。受光面にはこの光以外の反射光も含まれ
るが、いずれの光も入射角度が６４°以下であり、それ
らの光で発生する受光出力は入射角度６４°で発生する
受光出力より必ず大きくなっている。

【００１６】図５と図６の受光出力を比較すると、図５
では受光素子に入射する光の入射角度は０〜２８°であ
り、図６では受光素子に入射する光の入射角度は０〜６
４°である。このことから、図６には入射角度２８〜６
４°の光を含み、この範囲の光による受光出力は指向特
性を参照すると図５の受光出力より必ず小さくなってい
ることが分かる。従って、図５の受光出力は図６の受光
出力より大きくなっている。図６の受光部を試作検討し
てみると受光レベルが小さく問題が発生することが分か
った。

【００１７】このことから、受光装置の寸法を小さくす
るために奥行き寸法を図５から図６のように小さくする
と、受光面に入射する入射光の入射角度が大きくなり、
受光出力は小さくなる。そうすると、受信レベルが小さ
くなり、Ｓ／Ｎが低下し、信号検出に悪影響を及ぼすこ
とになるので、従来の受光装置で奥行き寸法を小さくし
たのでは受光装置として使えないという問題が生じる。

【００１８】本発明の目的とするところは受光装置を小
型化しても、受光素子と反射器の形状および配置を工夫
することで受光素子の出力レベルが低下しなく、Ｓ／Ｎ
が大きくとれる受光装置を提供しようとするものであ
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために本発明に係わる受光装置は次のように構成した
ものである。

【００２０】（１）光通信用送信部から出射される通信
光を反射器で受け、その反射光を受光素子に導くように
した光通信用受光装置であって、前記反射器の反射面を
複数に分割し、分割された各反射面に対応して受光素子
を設け、前記各反射面は二次曲線を回転させて形成され
る反射面とし、前記各受光素子は前記反射面の焦点に配
置し、通信光が前記受光素子に入射した時に、各受光素
子に出力が生じ、これら出力の和を受信入力信号として
信号処理するようにした。

【００２１】

【発明の実施の形態】発明者は図４のように受光素子と
反射面を配置して、奥行き寸法を５０ｍｍから２０ｍｍ
に小さくしたのでは受光面に入射する入射光の入射角度
が大きくなり、受光素子の指向特性から出力が小とな
る。そして、入射角度が大きくなるということは反射面
が広いためであり、狭くすれば入射角度は小さくなり、
受光素子出力が大きくなる。このような考えのもとに検
討を進めた。

【００２２】以下本発明の受光装置を詳しく説明する。
図１は本発明の受光装置の要部を説明するための正面図
で、図２がその断面図である。そして、従来の受光装置
と比較しやすいように反射器の大きさは図４の反射器と
同寸法の直径５０ｍｍとし、反射器の奥行き寸法は図６
の寸法と同じ２０ｍｍとしている。

【００２３】図１において、７は反射器で、この反射器
は従来の反射器の反射面が４等分されており、それら分
割された反射面は反射面８ａ、反射面８ｂ，反射面８
ｃ，そして、反射面８ｄとされる。そして、各反射面に
はその反射面に対応する受光素子Ａ，受光素子Ｂ，受光
素子Ｃ，そして、受光素子Ｄが中心部に図のように配置
されている。

【００２４】反射面８ａに入射した通信光はその面で反
射し、その反射光は受光素子Ａに入射し、反射面８ｂに
入射した通信光はその面で反射し、その反射光は受光素
子Ｂに入射している。同様に、反射面８ｃに入射した光
はその面で反射し受光素子Ｃに入射し、反射面８ｄに入
射した光はその面で反射し受光素子Ｄに入射している。

【００２５】図２は図１のＶＶ断面図で、斜線部分が反
射器で、この反射器は従来の反射器より反射面が深く形
成されている。そして、Ａ，Ｃ，Ｄは受光素子で、受光
面は入射光に平行になるように配置されている。この反
射器に通信光が入射すると、その光は反射面で全て反射
され、対応する受光素子に集光される。尚、受光素子は
反射器中央部に設けられた孔を通して図示しないプリン
ト基板に実装されている。プリント基板には信号処理回
路が実装されており、その回路で受信信号が処理され
る。

【００２６】次に、反射面８ａに入射した光が受光素子
Ａに集光される様子を図２を用いてさらに説明する。反
射面８ａに入射した通信光の全てがその面で反射され、
反射光となって受光素子Ａの受光面に入射するが、それ
ら光の中で入射角度が最大になる光を調べるとその光は
反射面の外縁部で反射される光である。即ち、通信光４
ａおよび通信光６ａに対する反射光であり、一方が反射
光４ｂで、他方が反射光６ｂである。そして、これら反
射光がつくる角度が６２°である。そのため、入射光の
入射角度が最大になる角度は３１°である。受光面に
は、これらの光以外に複数の光が入射するが、これら光
の入射角度は必ず３１°以下である。

【００２７】そして、図６の場合、受光面に入射する光
で入射角度が最大になる光は反射器の外縁部分で反射さ
れる光であり、この光の入射角度は前記したように６４
°である。図２の最大入射角度と図６の最大入射角度を
比較すると、前者が後者より格段に小さくなっている。
そして、図５の場合の最大入射角度が２８°で、この値
に近い値になっている。このことは受光装置の奥行き寸
法を２０ｍｍにしても、受光素子の受光面に入射する光
の入射角度は従来の奥行き寸法５０ｍｍの受光装置に匹
敵する入射角度となっているので、受光素子で発生する
出力も同程度の出力が得られることを意味する。

【００２８】さらに、図２では受光面に垂直に入射する
光についても示している。通信光５ａは反射器の中間部
の反射面に入射し、その面で反射し反射光５ｂとなり受
光素子Ａに入射している。この光は受光面に垂直に入射
する光であり、受光面に入射角度０°で入射している。
このことは受光出力が最大となる光を利用している。こ
れに対して従来の受光装置では光軸部分に受光面を配置
しているため、入射角度０°の光は遮断され利用されて
いない。

【００２９】このように８ａの反射面と受光素子Ａとで
構成する受光部は従来の図５に匹敵する入射角度とする
ことができ、受光出力も同程度の出力を得ることができ
る。しかし、この出力は反射面８ａに対する受光素子Ａ
で発生する出力であり、他の反射面からの反射光で発生
する出力、即ち、受光素子Ｂに対する出力、受光素子Ｃ
に対する出力、受光素子Ｄに対する出力があり、これら
の出力を加算すれば図５の受光素子で得られる出力と同
程度の出力となる。従って、受光部の奥行き寸法を小さ
くしても従来と同等の出力を得ることができることにな
る。

【００３０】ここまでの説明で反射面に入射した光が反
射され、その反射光が受光素子に集光されると述べてき
たが、このように集光させることができる反射面につい
て次に説明する。図３は横軸をＸ軸、縦軸をＹ軸とし、
ａを定数として、二次曲線Ｘ＝（１／４ａ）Ｙ^２ を描
いたものである。この曲線がである。この曲線の焦点
Ｆは座標（ａ，０）である。そして、Ｎを定数として、
Ｙ＝Ｎ の直線をで示す。そして、これらの交点を
Ｑとし、二次曲線上のＱ点での曲線に対する法線をと
する。

【００３１】このようにすると、直線と法線とのつ
くる角度γ１と線分ＱＦと法線とのつくる角度γ２と
は同じになることが知られている。このため左からＸ軸
に平行に入射してくる光は全て焦点Ｆに集光させること
ができる。本発明では反射面の断面を前記二次曲線を使
って曲面を形成し、受光素子の受光面を焦点Ｆに配置す
るようにしているので、反射器に入射した光を受光素子
の受光面に集光させることができる。

【００３２】また、図１では反射器の反射面を４等分
し、４等分された各反射面に対して受光素子を配置して
いる。これは分割された反射面と受光素子からなる受光
部を４組使った場合を示している。この受光部を３組に
した場合、或いは、５組にした場合等について次に検討
する。

【００３３】３組の場合はカップ状反射器の反射面が３
等分され、分割された反射面に入射される通信光は反射
面に対応して設けられる受光素子の受光面に集光される
が、受光面に入射する光の入射角度は４組の場合より大
きい入射角度の光を含み、受光出力は４組の場合に比べ
て小になる。

【００３４】５組の場合は受光素子の受光面に入射する
光の入射角度は４組の場合に比べて小さくなり、受光素
子の受光出力は４組の場合に比べて大になる。従って感
度の良い受光装置となる。６組の場合は５組の場合より
出力がさらに大となる。

【００３５】出力が大となるのであれば反射器の外形を
小さくできるので、４組で示した図１の場合より受光装
置が小型化できることになる。しかし、受光素子数が多
くなり、それに伴い処理回路が複雑になり、コストもア
ップするので、目的、用途等に要求される仕様をもとに
５組が良いか、６組が良いか或いはそれ以上が良いか判
断されるものである。

【００３６】また、反射器の外形が円になる場合を図１
で示したが、外形が他の形とすることもできる。受光装
置の外形から例えば長方形にすることもできる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように従来の受光部の受光
面は反射器の中心方向に配置していたので、受光装置を
小型にする目的で受光部の奥行き寸法を小さくすると、
受光面に入射する光の入射角度が大きくなり、受光素子
の指向特性から受光素子出力が小さくなり、小さくなる
と、Ｓ／Ｎが小となり、受信できなくなっていた。

【００３８】これに対して、本発明では反射器の反射面
を４以上に等分し、分割された反射面に対応して受光素
子を配置するようにした。そして、各反射面を二次曲線
を回転して形成される反射面とし、受光素子の受光面を
二次曲線の焦点に配置するようにしたので、奥行き寸法
を小さくした受光装置であっても、反射面に入射する光
は全て反射面に対応する受光素子の受光面に集光させる
ことができ、しかも入射光の入射角度を小さくすること
ができるので、受光素子の受光出力が大きく、これら複
数の受光素子出力を加算することにより、従来より小型
の受光装置を提供できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の受光部を通信光の入射方向から見
た図

【図２】 本発明の受光部断面図（図１のＶＶ断面
図）

【図３】 本発明の二次曲線からなる反射面の説明図

【図４】 従来の受光部を通信光の入射方向から見た
正面図

【図５】 従来の受光部断面図（図４のＵＵ断面図）

【図６】 従来の奥行寸法を小とした受光部断面図

【図７】 受光素子の指向特性

【符号の説明】

１ 反射器 ２ 反射面 ３ 受光素子 ４ａ，５ａ，６ａ 入射光 ４ｂ，５ｂ，６ｂ 反射光 ７ 反射器 ８ａ〜８ｄ 分割された反射面 Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ 受光素子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光通信用送信部から出射される通信光を
   反射器で受け、その反射光を受光素子に導くようにした
   光通信用受光装置であって、前記反射器の反射面を複数
   に分割し、分割された各反射面に対応して受光素子を設
   け、前記各反射面は二次曲線を回転させて形成される反
   射面とし、前記各受光素子は前記反射面の焦点に配置
   し、通信光が前記受光素子に入射した時に、各受光素子
   に出力が生じ、これら出力の和を受信入力信号として信
   号処理するようにしたことを特徴とする光通信用受光装
   置