JP2006109268A - 光無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光無線通信装置において、任意の強度分布を有する信号光を発生させる光源等を用いた場合であっても投光する信号光の強度の均一化を図る。
【解決手段】 光無線通信装置１００は、信号光を出射する信号光出射部１１と、出射される信号光を無線通信信号として投光する投光レンズ１２と、信号光出射部１１と投光レンズ１２との間の光軸上に設けられ、出射される信号光を投光レンズ１２方向に向けて拡散させる拡散板１３とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光無線通信装置に関する。

従来から、空間光通信を行う技術が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。
特開平６−６９８８９号公報

現在、面発光レーザ素子を光源として用いた光無線通信装置の開発が進められている。面発光レーザ素子を用いた光無線通信装置は、低消費電力かつ低価格で高速な通信にも対応することが期待できる。しかし、面発光レーザ素子から出射される光は、その強度に不均一性が生じる。光無線通信において、無線通信信号として投光した信号光の強度に不均一性があると通信の安定性に欠けるという問題がある。

上記特許文献１には、強度分布がガウス分布となる投光する信号光の強度を均一化する技術が記載されている。しかしながら、面発光レーザ素子から出射される光の強度分布は必ずしもガウス分布のような所定の分布とはならない。従って、上記特許文献１に記載された技術を適用し、このような一般的な強度分布の信号光に充分に対応することは難しい。このような問題は面発光レーザ素子以外の光源を用いた場合においても同様に生じるおそれがある。

本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、任意の強度分布を有する信号光を発生させる光源等を用いた場合であっても投光する信号光の強度の均一化を図ることを可能とする光無線通信装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明による光無線通信装置は、信号光を出射する信号光出射手段と、信号光出射手段から出射される信号光を無線通信信号として投光する投光手段と、信号光出射手段と投光手段との間の光軸上に設けられ、信号光出射手段から出射される信号光を前記投光手段方向に向けて拡散させる拡散手段と、を備えることを特徴とする。

上記した光無線通信装置では、信号光出射手段により出射される信号光は、投光手段により投光される前に、拡散手段により拡散され強度の均一化が図られる。従って、任意の強度分布を有する信号光を発生させる光源等を用いた場合であっても、投光する信号光の強度の均一化を図ることが可能となる。

また、光無線通信装置は、信号光出射手段と拡散手段との間の光軸上に設けられ、信号光出射手段から出射される信号光を当該光軸上で収束させる収束光学系を更に備え、拡散手段は、収束光学系により信号光が収束する位置に設けられる、ことが好ましい。この構成によれば信号光が、収束した位置で拡散されるので、投光する信号光の広がり角を抑えることができる。

また、拡散手段は、信号光出射手段における信号光を出射する先端部に対して設けられることが好ましい。この構成によれば、信号光出射手段により出射される信号光の出射角が大きくない位置で拡散されるので、投光する信号光の広がり角を抑えることができる。

また、信号光出射手段は、面発光レーザ素子を光源として備えることが好ましい。この構成によれば、面発光レーザ素子を光源として用いた光無線通信装置でも、均一化された強度を有する信号光を投光することができる。

また、拡散手段として、ホログラムパターンを施した拡散板を用いることが好ましい。この構成によれば、信号光が高い透過率で拡散手段を透過することができる。

本発明によれば、投光する信号光を拡散させることにより、信号光が任意の強度分布を有していたとしても、信号光の強度の均一化を図ることができる。

以下、図面とともに本発明による光無線通信装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

図１は、本発明による光無線通信装置１００における信号光送信用の光学系１１０の構成を概略的に示す構成図である。光無線通信装置１００は、無線通信信号としての信号光を通信相手の光無線通信装置（本発明による光無線通信装置と同様の構成であっても、同様の構成でなくてもよい）に対して投光する。なお、通信相手の光無線通信装置及び光無線通信装置は、通信可能なように互いに投受光可能な位置に設置されている。また、光無線通信装置１００は、図１に示されない信号光受信用の光学系等も備えていることが好ましい。その場合、光無線通信装置１００は、通信相手の光無線通信装置により無線通信信号として投光された信号光を受光する。

投受光される信号光は、例えば、ＬＡＮ（Local Area Network）等のネットワークに入出力されるものである。ネットワークが電気信号によりデータを送受信するものである場合、投受光される信号光と電気信号とは、光無線通信装置１００の内部あるいは外部でフォトダイオードやレーザダイオードにより互いに変換される。また、ネットワークが光信号によりデータを送受信するものである場合、その光信号をそのまま用いることとしてもよい。

図１に示すように、光無線通信装置１００における信号光送信用の光学系１１０は、信号光出射部１１と、投光レンズ１２と、拡散板１３と、収束レンズ１４とを含んで構成される。

信号光出射部１１は、信号光を出射する信号光出射手段である。ここで出射される信号光は、例えば上述したようにネットワークから入力される電気信号が、信号光出射部１１が備える素子等により変換されたものである。信号光出射部１１は、光源として面発光レーザ素子を含んで構成されることが好ましい。面発光レーザは、低消費電力かつ低価格で高速な通信にも対応できる。

但し、面発光レーザ素子を光源として用いた場合、信号光出射部１１から出射される信号光の強度分布に不均一性が生じることがある。ここで生じる不均一性は、ガウス分布のような所定の分布となるものに限られず、一般的な強度分布になるものも含む。例えば、信号光の中心部で強度が小さくなり、ピーク強度が信号光の周囲部に位置するというような不均一性が生じる。このような信号光を無線通信信号として投光したとすると、送信効率が悪くなるという問題が生じる。また、受光側でピーク強度を有する信号光の周囲部を受光しようとすると、ビームが外れやすくなり通信の安定性に欠ける。

また、信号光出射部１１は、面発光レーザ素子以外のレーザダイオードや信号光を伝搬させ出射させるマルチモードファイバ等の光ファイバを含んで構成されることとしてもよい。このような場合でも、上記のような、信号光に不均一性を生じるおそれがある。なお、信号光出射部１１から出射される信号光の光エネルギー密度は、投光レンズ１２から投光された際に、空間光通信を行うのに適切な密度、例えば目に安全な密度となるように設定することが好ましい。

投光レンズ１２は、信号光出射部１１から出射される信号光を無線通信信号として投光する投光手段である。信号光出射部１１と投光レンズ１２とは、信号光の投光が可能なように光軸が合った状態で位置決めされて固定されている。投光レンズ１２として、具体的には例えば凸レンズが用いられ、また投光する信号光を平行光にするものが用いられることが好ましい。

拡散板１３は、信号光出射部１１と投光レンズ１２との間の光軸上に設けられ、入射した信号光を拡散させる拡散手段である。拡散板１３は、信号光出射部１１から出射される信号光を、投光レンズ１２に向けて拡散させるように位置決めして固定されている。また拡散板１３として、ホログラフィックディフューザのように、信号光が入射する面等に特殊ホログラムパターンを施したものを用いることが好ましい。また、拡散板１３として、摺りガラスやオパール拡散ガラスを用いることとしてもよい。但し、これらを用いた場合は、拡散光の透過率が比較的低く、拡散角度が必要以上に広がるおそれがある。一方、ホログラムパターンを施した拡散板では、高い透過率が達成される。また、ホログラムパターンの設計により拡散角度を任意の角度に設定することができる。

収束レンズ１４は、信号光出射部１１と拡散板１３との間の光軸上に設けられ、信号光出射部１１から出射される信号光を当該光軸上で収束させる収束光学系である。収束レンズ１４は、収束させる信号光が拡散板１３に入射するように位置決めして固定されている。収束レンズ１４として、具体的には例えば凸レンズが用いられる。

ところで、光無線通信装置１００が、短距離間の光無線通信でなく、長距離間の光無線通信を行うことを想定した装置である場合、高いパワー効率で信号光を投光しなければならない。そのため、投光する信号光の広がり角を小さく抑える必要がある。なお、上記特許文献１に記載された装置では信号光の強度の均一化を拡散により行うものではなく、均一化を行うフィルタを透過して投光される信号光の広がり角が大きくなるという問題点がある。

上記の広がり角の問題に対処するため、上記の拡散板１３が固定される光軸方向の位置は、収束レンズ１４により信号光が収束する位置であることが好ましい。特に、図１に示すように収束レンズ１４により収束する信号光のビーム径が最も小さくなる位置であることが好ましい。拡散板１３をビーム径が最も小さくなる箇所に配置することとすれば、拡散板１３の配置位置に形成されるアパーレント光源（見た目の光源）が、図２（ａ）に示すように点光源に近い状態となる。アパーレント光源が点光源に近い状態であれば、図２（ａ）に示すように、投光レンズ１２により投光される信号光は、より平行光に近くなる。投光される信号光が平行光であれば、高効率な投光が実現でき長距離間の光無線通信に適している。

一方、拡散板１３が、収束する信号光のビーム径が最も小さくなる位置でない位置に設けられた場合、図２（ｂ）に示すように、アパーレント光源は、ある程度の大きさの径を有する。この場合、図２（ｂ）に示すように、投光レンズ１２により投光される信号光は、角度のばらつきによる広がり角が大きくなる。従って、長距離間の光無線通信を行う場合等、高いパワー効率で信号光を投光する必要があるときは、拡散板１３を信号光のビーム径が最も小さくなる位置に設けることとするのが好ましい。但し、高いパワー効率を必要としない場合等は、必ずしも拡散板１３をビーム径が最も小さくなる位置に設ける必要はなく、信号光の投光効率が適切な範囲になる位置に設けることとすればよい。

引き続いて、光無線通信装置１００の動作を説明する。光無線通信装置１００から通信相手の光無線通信装置に信号光が送信される場合を説明する。光無線通信装置１００では、信号光出射部１１から、無線通信信号として送信される信号光が出射される。信号光出射部１１における光源として面発光レーザ素子を用いた場合、図１に示すように、出射された信号光は径方向に不均一な強度分布Ｄ１を有する。なお、図１にしめす強度分布Ｄ１は、縦方向が信号光の位置、横方向が信号光の強度をそれぞれ表し、中心の軸は光軸の位置を示す（強度分布Ｄ２も同様。なお縦方向のサイズは、構成を示した部分と一致していない）。

信号光出射部１１から出射された信号光は収束レンズ１４に入射し、収束レンズ１４により光軸上で収束させられる。収束した信号光は、入射角θ_２で拡散板１３に入射し、拡散板１３により拡散させられる。当該拡散により、信号光の強度は均一化される。拡散された信号光は、拡散板１３から一定の拡散角θ_１で出射し、投光レンズ１２から投光される。上記のように信号光の強度は均一化されているので、図１に示すように、投光された信号光は径方向にほぼ均一な強度分布Ｄ２を有する。なお、信号光は拡散板１３により拡散されていることから、図１に示すように、上記一定の拡散角θ_１は入射角θ_２よりも広いものになっている。

上述したように、本実施形態によれば、光源として面発光ダイオード等を用いた場合のように信号光出射部１１から出射される信号光が不均一な強度分布等の任意の強度分布を有していたとしても、拡散により投光する信号光の強度の均一化を図ることができる。また、本実施形態によれば、上記のように面発光ダイオードを光源として用いることができるので、低消費電力かつ低価格で高速な通信を行うことが実用上、可能となる。

また、本実施形態のように、収束レンズ１４を用いて信号光を収束させ、収束した位置で拡散させることとすれば、投光する信号光の広がり角を抑えることができる。また、信号光が収束した位置で拡散させることにより、より効率的に強度の均一化を図ることができる。また、上記位置で拡散させることにより、拡散板１３における信号光の反射を抑えることができる。

また、拡散板１３において信号光を拡散させ拡散板１３から出射する信号光の拡散角θ_１が入射角θ_２よりも大きくなることにより、拡散板１３と投光レンズ１２との間の距離を短くすることができる。比較例として、図３に、拡散板１３を有さない光無線通信装置１００ａにおける信号光送信用の光学系の構成を示す。図３に示すように、拡散板１３を有さない構成では、本実施形態の光無線通信装置１００に比べ、収束レンズ１４から投光レンズ１２まで長い焦点距離を必要とする。このように、光軸方向における構成要素間の距離を短くすることができ、装置の小型化が可能となる。

また、本実施形態のように拡散手段としてホログラムパターンを施した拡散板１３を用いることとすれば、高い透過率が達成される。また、ホログラムパターン設計により拡散角度を任意の角度に設定することができる。高い透過率等が必要とされない場合は、別の拡散手段を用いることとしてもよい。

なお、上記の光無線通信装置１００の構成では、収束光学系は１つの収束レンズ１４から構成されていたが、図４に示すように複数のレンズ等から構成されていてもよい。図４に示す光無線通信装置１００ｂは、収束光学系としてコリメートレンズ１４ａ及び収束レンズ１４ｂとを備える。コリメートレンズ１４ａ及び収束レンズ１４ｂは、例えば凸レンズで構成され、信号光出射部１１と拡散板１３との間の光軸上に信号光出射部１１の方からコリメートレンズ１４ａ、収束レンズ１４ｂの順に位置決めされて固定される。信号光出射部１１により出射された信号光は、コリメートレンズ１４ａにより平行光にされ、収束レンズ１４ｂにより収束され拡散板１３に入射する。

また、上記の実施形態では、収束レンズ１４を光無線通信装置の構成要素としたが、収束レンズ１４を有さない構成とすることもできる。そのような光学系を有する装置の例として、図５に光無線通信装置２００を示す。図５に示すように、光無線通信装置２００における信号光送信用の光学系２１０は、信号光出射部１１と、投光レンズ１２と、拡散板１３とを含んで構成される。これらの構成要素は、固定される位置を除けば光無線通信装置１００における各構成要素と同様の構成である。

光無線通信装置２００において、拡散板１３は、信号光出射部１１における信号光を出射する先端部に対して、出射された信号光を拡散できるように設けられる。拡散板１３は、先端部に接触するように固定されていてもよいし、あるいは、先端部のごく近い位置に接触しないように固定されていてもよい。先端部から出射された信号光は、出射角が大きくない状態で拡散される。従って、投光する信号光の広がり角を抑えることができる。

上述した実施形態では、信号光送信用の光学系のみを説明したが、光無線通信装置は受信用の光学系を含んで構成されることが好ましい。そのような装置の例として、図６に信号光送信用の光学系３１０と信号光受信用の光学系３２０とを含んで構成される光無線通信装置３００を示す。

図６に示すように、信号光送信用の光学系３１０と信号光受信用の光学系３２０とは、別々に構成されており、信号光送信用の光学系３１０は上述した実施形態と同様に、信号光出射部１１と、投光レンズ１２と、拡散板１３と、収束レンズ１４とを含んで構成され、上述した動作と同様に動作する。図６に示すように、信号光受信用の光学系３２０は、フォトダイオード等により構成される受信光検出部２１と、凸レンズ等により構成される受光レンズ２２とを含んで構成される。

受信光検出部２１は、受光レンズ２２により受光された信号光を検出できるように位置決めされて固定されている。受光レンズ２２は、光無線通信装置３００に対して無線通信信号として投光された信号光を受光できるよう、その受光面が投光レンズ１２の投光面と同一の方向を向くように位置決めされて固定される。通信相手の光無線通信装置から光無線通信装置３００に信号光が送信されると、受光レンズ２２が信号光を受光し、受信光検出部２１が受光された信号光を検出し、無線通信信号の受信が行われる。

光無線通信装置は、図７に示すように同一の光軸上で信号光の送受信が行われる構成をとっていてもよい。図７に示すように、光無線通信装置４００は、信号光送信用の光学系４１０として、信号光出射部１１と、拡散板１３と、収束レンズ１４と、集光レンズ１５とを含んで構成される。また、光無線通信装置４００は、信号光受信用の光学系４２０として、受信光検出部２１と、集光レンズ２３と、ビームスプリッタ２４と、集光レンズ２５と、位置検出部２６とを含んで構成される。また、光無線通信装置４００は、信号光送信用及び信号光受信用に共通する光学系として、投受光レンズ３１と、発散レンズ３２と、ダイクロイックミラー３３とを含んで構成される。

信号光送信用の光軸上に、信号光出射部１１、収束レンズ１４、拡散板１３、集光レンズ１５、ダイクロイックミラー３３、発散レンズ３２及び投受光レンズ３１の順に信号光出射部１１から出射された信号光を投光できるように位置決めして固定されている。信号光出射部１１、拡散板１３及び収束レンズ１４は上述した実施形態における各構成要素と同様の構成である。集光レンズ１５は凸レンズ等が用いられ、拡散板１３から出射される信号光をダイクロイックミラー３３に入射させる。ダイクロイックミラー３３は、当該信号光を発散レンズ３２に入射させる。発散レンズ３２は、凹レンズ等が用いられ、ダイクロイックミラー３３から入射される信号光を発散させて投受光レンズ３１に入射させる。投受光レンズ３１は、例えば発散レンズ３２に対している面が平面、投光面が凸面であるレンズ等が用いられ、発散レンズ３２により発散された信号光を無線通信信号として投光する投光手段である。

また、投受光レンズ３１は、光無線通信装置４００に対して無線通信信号として投光された信号光を受光する。受光された信号光は、発散レンズ３２により平行光にされ、ダイクロイックミラー３３に入射される。ダイクロイックミラー３３は、投受光レンズ３１により受光され発散レンズ３２を経由した信号光を入射させる面を有しており、当該面に入射した光を反射させ信号光受信用の光学系に誘導する。ダイクロイックミラー３３は、例えばこの反射光が信号光送信用の光軸上と９０°等の所定の角度となるように所定の位置決めをして固定されている。この反射は、信号光の波長に応じて行われる。なお、本実施形態では送信光を拡散板で拡散させているので、本装置４００のように投受光で共通の光学系（投受光レンズ３１）を行う場合での送信光と受信光との切り分けを偏光により行うのは難しい（偏光により切り分けを行おうとすると装置が大型化する）。従って、上記のようにダイクロイックミラー３３で、切り分けを信号光の波長により行うことが好ましい。

ビームスプリッタ２４は、ダイクロイックミラー３３により反射された受信光の一部を反射させる。反射した信号光は集光レンズ２３により集光される。受信光検出部２１が当該信号光を検出し、無線通信信号の受信が行われる。ビームスプリッタ２４を通過した信号光は、集光レンズ２５により集光される。位置検出部２６が当該信号光を検出し、検出した信号光から、受光された信号光の方向を検出する。このように検出された信号光の方向は、受光位置の調整等に用いられる。なお、上記の集光レンズ２３，２５は例えば凸レンズが用いられる。また、受信光検出部２１及び位置検出部２６における信号光の検出は、例えばフォトダイオードを用いることにより行われる。

上述したように光無線通信装置を構成することとすれば、任意の強度分布を有する信号光を発生させる光源等を用いた場合であっても投光する信号光の強度の均一化を図ることができ、更に信号光の受信も適切に行うことができる。

本発明の実施形態における光無線通信装置における信号光送信用の光学系の構成を示す図である。 拡散板配置位置におけるアパーレント光源と投光される信号光との関係を示した図である。 比較例としての、拡散板を含まない信号光送信用の光学系の構成を示す図である。 実施形態における光無線通信装置における信号光送信用の光学系の別の例の構成を示す図である。 実施形態における光無線通信装置における信号光送信用の光学系の別の例の構成を示す図である。 実施形態における光無線通信装置における信号光送信用及び受信用の光学系の構成の一例を示す図である。 実施形態における光無線通信装置における信号光送信用及び受信用の光学系の構成の一例を示す図である。

符号の説明

１００，２００，３００，４００…光無線通信装置、１１…信号光出射部、１２…投光レンズ、１３…拡散板、１４，１４ｂ…収束レンズ、１４ａ…コリメートレンズ、１５…集光レンズ、２１…受信光検出部、２２…受光レンズ、２３，２５…受光レンズ、２４…ビームスプリッタ、２６…位置検出部、３１…投受光レンズ、３２…発散レンズ、３３…ダイクロイックミラー。

Claims (5)

1. 信号光を出射する信号光出射手段と、
   前記信号光出射手段から出射される信号光を無線通信信号として投光する投光手段と、
   前記信号光出射手段と前記投光手段との間の光軸上に設けられ、前記信号光出射手段から出射される信号光を前記投光手段方向に向けて拡散させる拡散手段と、
   を備える光無線通信装置。
2. 前記信号光出射手段と前記拡散手段との間の光軸上に設けられ、前記信号光出射手段から出射される信号光を当該光軸上で収束させる収束光学系を更に備え、
   前記拡散手段は、前記収束光学系により信号光が収束する位置に設けられる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光無線通信装置。
3. 前記拡散手段は、前記信号光出射手段における信号光を出射する先端部に対して設けられることを特徴とする請求項１に記載の光無線通信装置。
4. 前記信号光出射手段は、面発光レーザ素子を光源として備える請求項１〜３の何れか一項に記載の光無線通信装置。
5. 前記拡散手段として、ホログラムパターンを施した拡散板を用いることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の光無線通信装置。
   

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