JP2005175967A - 光空間伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 相手装置への送信光の射出及び受信光の受光素子への集光が可能な光学系を有する光空間伝送装置において、光の伝送効率を低コストで上昇させる。
【解決手段】 発光素子（１）と、受光素子（４）と、発光素子から発せられた送信光を集光して相手装置に向けて射出するとともに、相手装置から入射した受信光を受光素子に対して集光する光学系（２）と、送信光および受信光のうち少なくとも一方を反射する反射部材（３）とを有し、反射部材を用いて、送信光を光学系における中央部を含む第１の領域に入射させる送信光路と、光学系の第１の領域よりも周辺側の第２の領域からの受信光のみを受光素子に入射させる受信光路とを形成したことを特徴とする光空間伝送装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、相手装置との間で光軸を一致させながら光通信を行なう光空間伝送装置に関する。

従来、離れた地点間に対向設置し、空間を伝播する光信号により情報伝送を行う双方向光空間伝送装置が、双方向の情報伝送を行う場合、自装置から相手装置へ光信号を送信する光学系と相手装置から送信された光信号を受信する光学系の２つの光学系が、図６のように必要となる（例えば、特許文献１、２参照）。

遠隔地に対して光信号を正確に伝送するためには、送信光および受信光の光軸を平行にしておく必要がある。

これらの光軸が平行ではない場合、通信不能となり、相手装置に送信光を送ることが出来ても相手装置からの送信光を受信することが出来ない、または、相手装置からの送信光を受信することが出来ても相手装置に送信光を送ることが出来ない等の不具合が生じる。

このように双方向光空間伝送装置において、送信系と受信系に２つの光学系が必要であり、両者間で精度の高い光学調整が必要であった。

しかしながら上述の従来例では、送信系と受信系の２つの光学系が必要になるため、装置自体が大型化し、レンズの数も多くなるためコストが高くなる。しかも、送信系と受信系の光学系が全く独立しているため、遠隔地に対し光束にて情報伝送を行うためには、送信系と受信系の間に精度の高い光学調整が必要となる。

これらの問題は、送受信の光学系を一つにすることにより解決できる。その一つの方法として、図７のように、偏光ビームスプリッタ８１、またはハーフミラーを用いる方法がある。前者の偏光ビームスプリッタ８１を用いる場合は、偏光ビームスプリッタ自体のコストが高いため、コスト面での問題が残り、後者のハーフミラーを用いる場合は、自装置から相手装置に送る送信光と相手装置から送られてくる受信光の強度がハーフミラーを透過及び反射することにより、共に半分に減少してしまい、通信の伝送マージンが落ちてしまうため、両者ともに得策とは言えない。

これらの問題を解決するために、図８に示すような光空間伝送装置が提案されている。図８において９１は電気信号を光信号に変換するレーザダイオード、９２は送受信光学系、９３は受信光を受光部９４に反射させるミラー、９４は光信号を電気信号に変換する受光部である。

ミラー９３は送受信光学系９２から平行光で入射する光量のほぼ半分を反射するように配置されており、ミラー９３で反射した受信光は、受信部９４の受光面に入射し、電気信号に変換される。レーザダイオード９１は出射レンズ９２の焦点に配置されており、レーザダイオード９１の出射光強度の中心がレンズ９２の中心とレンズ９２の端のほぼ中央に位置するように、レーザダイオードを傾けてある。

その傾き方向は、レーザ光の長円形の出射パターンにおける短径方向に等しくなるように構成してある。レーザダイオードから出力される光は、断面形状が長円形の出射パターンであるため、レーザダイオードを傾けて送信するだけで、従来と同様の光強度のまま、送受信光学系９２の半分を送信系として、残りの半分に受信系とすることができ、レンズ１つによる双方向通信が実現できるようになる。

この構成の場合、相手装置から送られてきた光のうち、送受信光学系９２における送信光学系に入射した光が、レーザダイオードに照射されることになるが、レーザダイオードの発光光量と比較し微小であるため、問題にはならない。
特開平０５−１３３７１６号公報(段落番号００１２、図１) 特開平０５−１４５４９６号公報(段落番号００１６、図１)

しかしながら、双方向光空間伝送装置において、自装置から出射される段階で光学系の収差が大きい場合、送信光の波面が崩れて送信光の一部が広がってしまうため、相手装置まで届かなかったり、相手装置の受光素子に形成されるスポットの光の強度分布が不均一になったり、明暗パターンを生じたりする。その結果、伝送性能が劣化する。このため、送信の光学系は出射段階で収差が極力少ないものにし、広がりによる損失を極力少なくする必要がある。

ところが、上記の従来例においては、図５に示すように送受信光学系９２の光軸方向視において、上側の半円で示す受信領域のうち略全部である領域５２を受信光が透過し、下側の半円で示す送信領域のうち楕円状の領域５１を送信光が透過するようになっており、図示するように、送信光の光束は、レンズの中央部から周辺部までを透過することになる。レンズは中心部付近の収差を取るのは容易であるが、中央部から周辺部のすべて収差を取るためには、レンズの枚数を増やした複雑な構成が必要となり、コストの増加を招いていた。

また、送信領域のうち、送信光が透過しない領域である領域５３に入射した受信光は受信されないという問題がある。

さらに、従来例においては、レーザダイオードから出力された光ビームの強度中心がレンズの中心ではなく、中心と端との中間に配置されるように精度良くレーザダイオードを傾けて調整する必要がある。このため、レーザダイオードを傾けるための取り付け機構を追加する必要があり、かつ、高精度の調整に費やす製造コストの問題があった。

上記課題を解決するために、本願発明の光空間伝送装置の第１の構成は、発光素子（例えばレーザダイオード）と、受光素子（例えばフォトダイオード）と、発光素子から発せられた送信光を集光して相手装置に向けて射出するとともに、相手装置から入射した受信光を受光素子に対して集光する光学系（例えばレンズ）と、送信光および受信光のうち少なくとも一方を反射する反射部材（例えば反射ミラー）とを有し、反射部材を用いて、送信光を光学系における中央部を含む第１の領域に入射させる送信光路と、光学系の第１の領域よりも周辺側の第２の領域からの受信光のみを受光素子に入射させる受信光路とを形成したことを特徴とする。

ここで、反射部材は、その中心位置が光学系の光軸上に位置するように配置するのが好ましい。また、反射部材と光学系との間において、送信光路は、受信光路の内側に形成するのが好ましい。第２の領域の面積を、第１の領域の面積よりも大きくするのが好ましい。

本願発明の光空間伝送装置の第２の構成は、発光素子と、受光素子と、発光素子から発せられた送信光を集光して相手装置に向けて射出するとともに、相手装置から入射した受信光を受光素子に対して集光する光学系と、送信光を反射して光学系に導く反射部材とを有し、反射部材は、光学系からの受信光の光路の内側に配置され、かつ該反射部材に入射する際の送信光の断面形状と略同一形状を有することを特徴とする光空間伝送装置。

ここで、反射部材は、送信光を光学系における中央部を含む第１の領域に導き、光学系における第１の領域よりも周辺側の第２の領域からの受信光のみが受光素子に入射するように構成するのが好ましい。また、反射部材は、その中心位置が光学系の光軸上に位置するように配置するのが好ましい。また、第２の領域の面積を、第１の領域の面積よりも大きくするのが好ましい。

本願発明の光空間伝送装置の第３の構成は、発光素子と、受光素子と、発光素子から発せられた送信光を集光して相手装置に向けて射出するとともに、相手装置から入射した受信光を受光素子に対して集光する光学系と、光学系からの受信光を反射して受光素子に導く反射部材とを有し、反射部材に、送信光が通過する開口部が形成されており、開口部を、該開口部を通過する際の送信光の断面形状と略同一形状に構成するのが好ましい。

また、送信光を、光学系における中央部を含む第１の領域に入射させ、反射部材に、光学系における第１の領域よりも周辺側の第２の領域からの受信光のみを受光素子に導くようにさせるのが好ましい。また、反射部材を、その中心位置が光学系の光軸上に位置するように配置するのが好ましい。さらに、第２の領域の面積を、第１の領域の面積よりも大きくするのが好ましい。

本願発明の第１の構成によれば、送信光および受信光のうち少なくとも一方を反射する反射部材を用いて、送信光を光学系における中央部を含む第１の領域に入射させる送信光路と、光学系の第１の領域よりも周辺側の第２の領域からの受信光のみを受光素子に入射させる受信光路とを形成するようにしているため、光学系の中央部を含む第１の領域を送信光の透過領域、光学系の第１の領域よりも周辺側の第２の領域を受信光の透過領域とすることができるため、受信光の透過領域を増加させることができ、受光効率を上げることができる。さらに、光学系として例えばレンズを用いた場合に、収差補正の容易なレンズ中央部を送信系に割り当て、多少収差が残る周辺部を受信系に割り当てることができるため、光学系を単純化してレンズの枚数を減らすことが可能となる。

ここで、反射部材を、その中心位置が光学系の光軸上に位置するように配置した場合、送信光を確実に光学系の中央部を含む第１の領域に入射させることができる。

また、反射部材と光学系との間において、送信光路を、受信光路の内側に形成することにより、光学系における中央部を含む第１の領域に送信光を、光学系の第１の領域よりも周辺側の第２の領域に受信光を確実に導くことができる。

また、第２の領域の面積を第１の領域の面積よりも大きくすることにより、光学系を透過する受信光の受光面積を増やすことができるため、受光効率を高めることができる。

本願発明の第２の構成によれば、送信光を反射する反射部材を、光学系からの受信光の光路の内側に配置するとともに、反射部材に入射する際の送信光の断面形状と略同一の形状を有するように構成しているため、発光素子から発せられた送信光のうち大部分の光を反射部材で反射して、光学系に入射させることができる。

ここで、反射部材を、送信光を光学系における中央部を含む第１の領域に導き、光学系における第１の領域よりも周辺側の第２の領域からの受信光のみが受光素子に入射するように構成することにより、光学系の中央部を含む第１の領域を送信光が透過し、光学系の第１の領域よりも周辺側の第２の領域を受信光が透過するようにできるため、受信光の透過領域を増加させることができ、受光効率を上げることができる。

また、反射部材を、その中心位置が光学系の光軸上に位置するように配置した場合、送信光を確実に光学系の中央部を含む第１の領域に入射させることができる。

また、第２の領域の面積を第１の領域の面積よりも大きくすることにより、光学系を透過する受信光の受光面積を増やすことができるため、受光効率を高めることができる。

本願発明の第３の構成によれば、受信光を受光素子に導く反射部材を設け、この反射部材に送信光を通過させるための開口部を形成し、この開口部の形状を開口部を通る際の送信光の断面形状と略同一としているので、発光素子から発せられた送信光のうち大部分の光を、光学系の入射させることができる。

ここで、送信光を光学系における中央部を含む第１の領域に入射させ、反射部材を光学系における第１の領域よりも周辺側の第２の領域からの受信光のみを受光素子に導くように構成することにより、光学系の中央部を含む第１の領域を送信光が透過し、光学系の第１の領域よりも周辺側の第２の領域を受信光が透過するようにできるため、受信光の透過領域を増加させることができ、受光効率を上げることができる。

また、反射部材を、その中心位置が光学系の光軸上に位置するように配置した場合、送信光を確実に光学系の中央部を含む第１の領域に入射させることができる。

また、第２の領域の面積を第１の領域の面積よりも大きくすることにより、光学系を透過する受信光の受光面積を増やすことができるため、受光効率を高めることができる。

以下、本発明の実施例について説明する。

図１は、本実施例の光空間伝送装置の概略図であり、発光素子にはレーザダイオードを使用している。図１（Ａ）において、２は送受信レンズ（光学系）であり、送受信レンズ２の焦点位置には不図示の相手装置からの受信光を電気信号に変換するフォトダイオード４（受光素子）が配置されている。

３はレーザダイオード１から出力された送信光を反射する反射ミラーであり、送受信レンズ２からの受信光の光束を部分的に遮るように、送受信レンズ２の光軸上に中心が位置するように斜設されている。

１は電気信号を光信号に変換するレーザダイオードであり、送受信レンズ２の光軸と平行に入射した平行光が、送受信レンズ２を透過し、ミラー３で反射された後、焦点を結ぶ位置に配置している。

また、レーザダイオードから出力された光ビームは、図６に示したようなビームパターンをしている。

ミラー３は、図１（Ｂ）で示すように、ミラー３に入射する際の送信光の断面形状と略同一の入射面形状を有しており、レーザダイオード１から出射される光量の大部分を反射することができるように構成されている。また、図１（Ａ）に示す周辺部Ｂを透過した受信光の一部は、ミラー３によって反射されるようになっている。

ここで、送受信レンズ２における送信光と受信光の透過領域は、図２のように領域分けすることができる。図２は、光軸方向視における送受信レンズ２の全体図である。

同図において、楕円形状の領域２１（第１の領域）は、レーザダイオード１から出力され、ミラー３にて反射された送信光が透過する領域を示しており、この領域２１には、図１（Ａ）で示す送受信レンズ２の中央部が含まれるようになっている。

領域２２（第２の領域）は、図１（Ａ）の周辺部Ｂに対応した、該相手装置から送信された受信光が透過する領域である。

このように、ミラー３を、ミラー３に入射する際の送信光の断面形状と略同一の入射面形状を有するように構成することにより、送受信レンズ２において、従来よりも送信系の占める面積比が小さくなるため、受光系に割り当てる面積を広げることができる。また、受信光の透過面積の増加に応じて、送受信レンズ２を主として光軸直交方向に小型化することができるため、光空間伝送装置をコンパクトにすることができる。

また、送受信レンズ２の光軸上にミラー３を配置することにより、送受信レンズ２の周辺部Ｂを送信系に使用する必要がなくなる。すなわち、収差補正の容易なレンズの中央部Ａを送信系に割り当て、多少収差が残る周辺部Ｂを受信系に割り当てることが可能になるため、光学系を単純化してレンズ枚数を減らすことができるようになる。これにより、低コスト化が図れるようになる。

また、ミラー３を主として送信光の反射のために用いているため、受信光を反射する部分を設ける必要がなくなり、その分ミラー３を小型化することができる。

さらに、レーザダイオード１を傾ける必要も無くなるため、取り付け構造が簡素化でき、調整も容易にできるようになる。

図３（Ａ）は、本実施例の光空間伝送装置の概略図であり、発光素子にはレーザダイオードを使用している。図３（Ａ）において３２は送受信レンズである。その送受信レンズ３２の焦点位置に電気信号を光信号に変換するレーザダイオード３１を配置している。レーザダイオード３１から出力される光ビームは、図４に示すように断面形状が略楕円状となっている。

３３は反射用のミラーであり、送受信レンズ３２の光軸上に中心部が位置するように配置されており、ミラー３３の中心部を含む領域には、レーザダイオード３１から出力された送信光を通過させる図３（Ｂ）に示す開口部３３ａが形成されている。

したがって、レーザダイオード３１から出力された送信光の大部分は、ミラー３３の開口部３３ａを通過し、送受信レンズ３２の中央部Ａに入射する。

３４は光信号を電気信号に変換するフォトダイオードであり、送受信レンズ３２の周辺部Ｂから入射した受信光がミラー３３で反射された後、焦点を結ぶ位置に配置している。

このように、本実施例では、送受信レンズ３２のうち中央部Ａを除いた周辺部Ｂを受信光の透過領域としている。つまり、実施例１と同様に、図２に示すように中心部Ａを含む領域２１が送信光の透過領域となり、周辺部Ｂである領域２２が受信光の透過領域となる。したがって、従来例よりも、送受信レンズ２における受信光の透過面積を増加させることができる。

また、受信光の透過領域の増加に応じて、送受信レンズ２を主として光軸直交方向に小型化することもできるため、光空間伝送装置をコンパクトにすることができる。

また、ミラー３３を送受信レンズ２の光軸上に中央部が位置するように配置するとともに、レーザダイオード３１から出力された送信光を通過させるための開口部３３ａをミラー３３に形成しているため、送受信レンズ２の中央部Ａが送信光の透過領域となり、周辺部Ｂを送信系に使用する必要がなくなる。すなわち、収差補正の容易なレンズの中央部Ａを送信系に割り当て、多少収差が残る周辺部Ｂを受信系に割り当てることが可能になるため、光学系を単純化してレンズ枚数を減らすことができるようになる。これにより、低コスト化が図れるようになる。

また、ミラー３３を送受信レンズ３２の周辺部Ｂを透過する受信光を反射させるために用いているため、ミラー３３を大きくして装置内の上端部および下端部に取り付けることができるため、ミラー３３を指示するための支柱などを設ける必要がなくなる。

さらに、レーザダイオード３１を傾ける必要も無くなるため、取り付け構造が簡素化でき、調整も容易にできるようになる。

実施例１の光空間伝送装置の構成図。 光軸方向視における送受信レンズの送信光及び受信光の透過領域を示す図。 実施例２の光空間伝送装置の構成図。 レーザダイオードから出力された光ビームの断面形状を示した図。 光軸方向視における従来例の送受信レンズの送信光及び受信光の透過領域を示す図。 送信系と受信光を別に設けた従来例の光空間伝送装置の概略図。 偏光ビームスプリッタの構成図。 従来例の光空間伝送装置の構成図。

符号の説明

１ ３１ レーザダイオード
２ ３２ 送受信レンズ
３ ３３ ミラー
４ ３４ フォトダイオード

Claims (12)

1. 発光素子と、
   受光素子と、
   前記発光素子から発せられた送信光を集光して相手装置に向けて射出するとともに、前記相手装置から入射した受信光を前記受光素子に対して集光する光学系と、
   前記送信光および受信光のうち少なくとも一方を反射する反射部材とを有し、
   前記反射部材を用いて、前記送信光を前記光学系における中央部を含む第１の領域に入射させる送信光路と、前記光学系の前記第１の領域よりも周辺側の第２の領域からの前記受信光のみを前記受光素子に入射させる受信光路とを形成したことを特徴とする光空間伝送装置。
2. 前記反射部材は、その中心位置が前記光学系の光軸上に位置することを特徴とする請求項１に記載の光空間伝送装置。
3. 前記反射部材と前記光学系との間において、前記送信光路は、前記受信光路の内側に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の光空間伝送装置。
4. 前記第２の領域の面積が、前記第１の領域の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の光空間伝送装置。
5. 発光素子と、
   受光素子と、
   前記発光素子から発せられた送信光を集光して相手装置に向けて射出するとともに、前記相手装置から入射した受信光を前記受光素子に対して集光する光学系と、
   前記送信光を反射して前記光学系に導く反射部材とを有し、
   前記反射部材は、前記光学系からの前記受信光の光路の内側に配置され、かつ該反射部材に入射する際の前記送信光の断面形状と略同一形状を有することを特徴とする光空間伝送装置。
6. 前記反射部材は、前記送信光を前記光学系における中央部を含む第１の領域に導き、
   前記光学系における前記第１の領域よりも周辺側の第２の領域からの前記受信光のみが前記受光素子に入射することを特徴とする請求項５に記載の光空間伝送装置。
7. 前記反射部材は、その中心位置が前記光学系の光軸上に位置することを特徴とする請求項５又は６に記載の光空間伝送装置。
8. 前記第２の領域の面積が、前記第１の領域の面積よりも大きいことを特徴とする請求項６に記載の光空間伝送装置。
9. 発光素子と、
   受光素子と、
   前記発光素子から発せられた送信光を集光して相手装置に向けて射出するとともに、前記相手装置から入射した受信光を前記受光素子に対して集光する光学系と、
   前記光学系からの前記受信光を反射して前記受光素子に導く反射部材とを有し、
   前記反射部材に、前記送信光が通過する開口部が形成されており、前記開口部は、該開口部を通過する際の前記送信光の断面形状と略同一形状を有することを特徴とする光空間伝送装置。
10. 前記送信光が、前記光学系における中央部を含む第１の領域に入射し、
    前記反射部材は、前記光学系における前記第１の領域よりも周辺側の第２の領域からの前記受信光のみを前記受光素子に導くことを特徴とする請求項９に記載の光空間伝送装置。
11. 前記反射部材は、その中心位置が前記光学系の光軸上に位置することを特徴とする請求項９又は１０に記載の光空間伝送装置。
12. 前記第２の領域の面積が、前記第１の領域の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１０に記載の光空間伝送装置。