JP2006114684A - 光制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＤ等の光源を用い、肉眼に対して安全なエネルギ密度にまでビーム径を拡張し、光無線ＬＡＮ等の機器間接続部に利用可能とする。僅かな光出力で高いＳ／Ｎ比において実現可能とし、機器間接続も簡便化する。該目的に有効な送信装置直後や受信装置直前に取付ける光学要素を微小サイズで低価格にて提供する。
【解決手段】コンパクト化のため単体レンズ化、ボールレンズの使用、光散乱要素とレンズの組合せ、一部のレンズを凸面鏡又は凹面鏡などに置換等の手法で光制御装置を形成し、光拡散手段として球面収差等を利用。本発明の光制御装置を送信装置直後に取付け、該光制御装置内でビーム径の拡張を完了後投射して安全性を確保し、必要充分な立体角度の円錐方向に光を拡散照射して光エネルギを有効利用できるよう光学設計する。受信装置直前に取付け、所望立体角度範囲の円錐方向からの信号を本発明の光制御装置で効果的に導きセンサ素子に検知させる。
【選択図】図１

Description

本発明（以下で、この発明という）は、限定的ではないが、オフィスおよび／または家庭室内でのネットワーク構築に好適な、光無線ＬＡＮ送受信用などの光制御装置に関する。また、光ファイバー通信のファイバー端末と機器間の簡便な接続手段にも関する。さらに詳しくは、半導体レーザー（以下、ＬＤと略称する）、ＬＥＤ（発光ダイオード）などの発光素子、または光ファイバー通信のファイバー端末からなる光信号投射口から、受光素子、または各種中継装置（天井サテライト、ハブ、リピーターなどとも呼ばれる）までの通信距離Ｌが、数センチメートルないし数十メートルの範囲内での、室内間光無線通信に関する。この室内間光無線通信を、極めて僅かな送受信エネルギー量で、優れたＳ／Ｎ比（有効信号／ノイズ比率）において、確実に送受信を実施するための、発光素子の直後、または受光素子の直前に装着するための、光制御装置に関する。さらに、小型高集積化するオプトエレクトロニクス産業の動向に追随できるように、小型軽量で、しかも量産性が優れた光制御装置であって、高密度のコリメート光を発するＬＤなどに対するアイセーフ（眼の保護）のためにも、光源の光束径よりも、光投射口（装置出口）での光束径自体を太くするとともに、限定された所望円錐頂角範囲内に、投射光を平行なコリメート光ではなく、若干広げて円錐状に投射するための、光拡散機能付きのビームエキスパンダー等の光制御装置に関する。また、意図する立体角度方向範囲に感度を確保できるようにする受光側の光制御装置にも関する。これらの使用目的に適合するように構成された光制御装置を、いかに経済的、かつコンパクトサイズで実現するかの手法に、この発明は特に重点をおくものである。

ビームエキスパンダーは、アフォーカルレンズとも称され、古くから公知のものである。ビームエキスパンダーは、レーザーの出現以降、レーザーから出る平行光線つまりコリメート光を、コリメート状態を保ったまま、そのビーム径を広げる、または細く絞る目的で多用されるようになった。その構成は、望遠鏡を逆方向に使うような仕組みで、凸レンズと、凸レンズまたは凹レンズとから成る一対のレンズを、焦点を共有する位置関係に配置するもので、前者はケプラー式、後者はガリレオ式と呼ばれる。現在、市販部品として例えば、シグマ光機株式会社（本社、東京都墨田区）、エドモントオプティクスジャパン株式会社（本社、東京都文京区）などのカタログにも記載して市中に供給されており、その代表的なものは、サイズがおよそ直径５０ｍｍ、長さが１１０ｍｍ〜１３０ｍｍとかなりの大型で、ビーム直径の拡大倍率が５Ｘ，１０Ｘ，２０Ｘなどのものがあり、カタログ表示価格は、およそ４０，０００円前後である。さらに、単価が数十万円級のものも存在する。このように、大型で高価な光学素子類は、そのままでは、小型高集積化、低価格化傾向が進む汎用通信機器分野に採用することは、ほとんど不可能であろう。また、従来から、ビームエキスパンダーに別のレンズを追加して、光を拡散させること自体は公知であるが、上記の通り大型で高価なレンズ系全体の、コストとサイズをさらに増大させる結果となり、そのような追加的手法は、この発明が目指す用途、使用目的には、到底利用できそうもない。

また、赤外光線などを用いた無線ＬＡＮシステム、光ファイバー通信なども普及し始めているが、通信の大容量、高速化、あるいはオフィス内をカバーできる通信距離の達成、混信・盗聴防止、機器コストの低減化、僅か直径が１０μｍ級のシングルモード光ファイバーを軸合わせしてつなぐ、スプライシングをはじめとする光ファイバー接続取扱いなどの技術的困難さ、その高作業コスト克服など、市場ニーズを充足し、本格的に普及させるには残された課題が多い。中でも光学式に限らず、電波使用を含む全形式の無線ＬＡＮシステムで、信号誤り率の大きさが特に問題とされる。

関連する従来技術とこの発明との相異を明確にするため、ここで特許文献を三点例示する。
特開平８−４６５７２号公報、（発明の名称：光発信装置、出願人：日東光学株式会社、日東樹脂工業株式会社、および小池康博） この従来例（特許文献１）に記載された内容は、基本的に光投射口に光散乱層だけを配置する手法と理解できる。この方法では、ふたつの大きな問題点が残ると思われる。 １）強い光散乱性を与えようとすると、目的以外の方向へ光が拡散するので、 この発明が目指す微小出力の光源を用いる場合、僅か数ｃｍ〜数十ｃｍ 程度の通信距離Ｌであっても、優れたＳ／Ｎ比で光無線ＬＡＮを有効に 実施することは困難と推定される。 ２）逆に光散乱範囲を狭い円錐角度範囲に限定した場合、ＬＤからのコリメ ート光の大部分が直進してしまい、つまり光散乱ブロックを素通りするの で、アイセーフの機能が確保できないであろう。 この従来例（特許文献１）では、レーザーを用いる場合を記載しているが、アイセーフ対策の必要性について言及しておらず、そのアイセーフ機能を確保する手法についても何ら開示、示唆していない。従って、この発明と、本件とでは構成内容が、別個のものである。

特開平２−１７２０２７号公報、（発明の名称：双方向伝送用空間通信システム、出願人：松下電器産業株式会社） この従来例（特許文献２）に記載された内容で光送信に関する部分では、凹レンズ、ホログラム素子、またはグレイティング素子を用いて光を拡散させるものと理解できる。この従来例（特許文献２）では、レーザーを用いる場合を記載しているが、アイセーフ対策の必要性について言及しておらず、そのアイセーフ機能を確保する手法についても何ら開示、示唆していない。この方式では、一枚の凹レンズ、ホログラム素子、またはグレイティング素子だけを使うので、これら光送信装置を出た直後での光束径は、光源からでたときの光束径と実質上大差無く、この発明が目指すような、光制御装置をビームエキスパンダーとして用いてレンズ、素子を出た直後での光束径を格段に太くするという、アイセーフの機能が確保できないであろう。さらに詳しくは図１０に示すが、ビームエキスパンダーとは異なり、１枚のレンズ３８だけで光を拡散させるときは、同じひとつのレンズ３８であっても、図１０ａ、図１０ｂに表されるように、入射ビームの直径に応じて、光拡散立体角が変化するという問題がある。つまり、細いビーム（図１０ａ、図１０ｂに示す矢印Ｃ、Ｃの間がビーム径を表す）では拡散角度が小さく、太いビーム（図１０ａ、図１０ｂに示す矢印Ｂ、Ｂの間がビーム径を表す）では広い立体角度範囲に拡散する。図１１に示すように、公知のビームエキスパンダーでは、入射ビーム直径の大小（図１１に示す矢印Ｂ，Ｂの間が、大きな入射ビーム径を表し、矢印Ｃ，Ｃの間が小さな入射ビーム径を表す）とは無関係に、入射側レンズの焦点距離と、出射入射側レンズの焦点距離との相対比で、ビーム径の拡大倍率が規定され、平行入射したビームは、平行に出射する。この発明によるビームエキスパンダーにおいても、入射ビーム直径の大小が拡散角度範囲におよぼす影響は、その構造機能上僅小である。従って、この発明と、従来例（特許文献２）とでは目的、構成内容ともに異なり、実施する場合の安全性についても、大きな差異が生ずるであろう。従って、この発明と、従来例（特許文献２）とでは構成内容が、別個のものである。

特公昭６２−０２２５５７号公報、（発明の名称：半導体発光装置とその製造方法、出願人：東京芝浦電気株式会社） この従来例（特許文献３）に記載された内容は、個々の発光素子に光散乱層を密着させた光源ユニットを、アレイ状に並べて、光散乱性面発光機能を発揮させる装置、および製法と理解できる。このような装置では、この発明が目指す微小出力の光源で、光無線ＬＡＮを確実に行なう目的に適用できるのは、至近距離の場合に限られるであろう。また凹レンズを用いること自体については記載してあるが、所望方向に光を送るために、光源からの光に、制御された指向特性を与える具体的手法については、なんら示唆していない。また、アイセーフの機能を確保する手法についても何ら開示、示唆していない。凸レンズ、凹レンズのどちらを使うとしても、１枚のレンズだけでは、レンズを出た直後での光束径は、光源からでたときの光束径と実質上大差無く、この発明が目指すような、光制御装置をビームエキスパンダーをとして用いてレンズ、光学要素を出た直後での光束径を格段に太くするというようには、アイセーフの機能が確保できないであろう。さらに詳しくは、ビームエキスパンダーとは異なり、１枚のレンズだけで光を拡散させるときは、同じひとつのレンズであっても、入射ビームの直径に応じて、光拡散立体角が変化するという問題がある。つまり、細いビームでは拡散角度が小さく、太いビームでは広い立体角度範囲に拡散する。（図１０参照）公知のビームエキスパンダーでは、入射ビーム直径の大小とは無関係に、入射側レンズの焦点距離と、出射入射側レンズの焦点距離との相対比で、ビーム径の拡大倍率が規定され、平行入射したビームは、平行に出射する。（図１１参照）この発明によるビームエキスパンダーにおいても、入射ビーム直径の大小が拡散角度範囲におよぼす影響は、その構造機能上僅小で、むしろ公知のビームエキスパンダーに近い機能を発現する。従って、この発明と、従来例（特許文献３）とでは目的、構成内容ともに別個のものである。

そこで、この発明の目的のひとつは、上記した諸問題を解決する一助として、例えば、特にＬＤが可視光、赤外光、紫外光を問わず、発光波長域が極めて狭い光源であることに着眼し、それに対応する狭い有効受信波長領域の受光素子を組み合わせることにより、合理的で、しかも機器接続作業が格段に楽な光通信システムを、極めて僅かな光出力で、数十メートル級の通信距離でも、高いＳ／Ｎ比のもとに、低コストで実現し、特別に訓練された技能者でなくても、簡単に接続可能な光無線ＬＡＮシステムを構築することであり、それに有用な、光路制御用の光学要素を提供しようとするものである。また、通信用光ファイバーを、端末機器に接続するとき、つなぎ込むのではなく、この発明の光制御装置付き光学要素を装着した、光ファイバー先端部を、機器の受信口方向に大体向けて設置するだけで、送受信が可能なようにすることも、この発明の目的のひとつである。

また、レーザー光線特有の肉眼に対する危険性を回避できるようにすることも、この発明の目的のひとつである。レーザー光線は、単位断面積あたりのエネルギー密度が、太陽直射光線をはるかに上回るほど大きいのが一般的で、特色のひとつでもあるが、これは同時に肉眼に対する大きな危険性をはらむものであり、ＪＩＳＣ６８０２、およびＩＥＣ６０８２５−１には、クラス１〜クラス４の安全基準が規定されている。そこで、光源から出たビーム径を、例えば、５倍に太くすれば、単位断面積あたりのエネルギー密度が、１／２５に減少し、１０倍に太くすれば、１／１００に減少できることを考慮し、この発明では、安全対策の重要な必須要因と考える。

さらにＬＤやＬＥＤなどの現行素子サイズを越えない程度の、具体的には、外径・長さともに約５〜１０ｍｍ以内程度の、微小サイズの光学要素であって、しかも無線ＬＡＮとして、数十メートル級の比較的長い通信距離にも対応でき、部品単価が現行市販品とくらべ、１／１００以下の価格に相当するような、安価なものを提供できるようにすることが、この発明の目的のひとつである。

発光波長帯域が狭いＬＤ、ＬＥＤなどを送信用光源として採用し、それに対応する感度領域を有するフォトダイオードなどの受光素子を組み合わせて、光無線ＬＡＮシステムを構築する。
このとき、発信装置から信号光を投射する、円錐状立体角度範囲を、過不足のない無い、必要充分な範囲に設定できるようにするために、発信装置の光投射口に、この発明による、信号投射範囲を制御するための、光制御装置を装着する。この光制御装置は、各特許請求項、および実施例項に記載説明するように、光投射光軸と軸を共有する、略円錐台または略円筒状レンズ体の入射部分に、短焦点かつ小さな直径の凹レンズまたは凸レンズを設け、該レンズ体の出射側端面には、入射側のレンズよりも長焦点かつ大きな直径の凸レンズを設け、しかも入射／出射両側一対のレンズが実質上焦点を共有している。また、この発明による光制御装置は、前記レンズ体の入出射側両レンズの内、少なくとも一方に球面レンズを採用して、その球面収差を前記信号光の拡散手段として利用することもできる。

また、この発明による光制御装置は、信号光の光投射光軸上の入射側に、短焦点かつ小さな直径の凹レンズ、または凸レンズを配置し、出射側に入射側レンズよりも長焦点かつ大きな直径の凸レンズを配置し、これら二個のレンズが実質上焦点を共有するように配置され、しかもこれら二個のレンズの内、少なくとも一個にボールレンズを採用しても良い。

また、上記の各レンズ体（または二個のレンズの組み合わせ）は、入／出射側にある両レンズの軸上位置を、焦点共有位置から僅かにずらして、互いに接近させるか、あるいは引離す位置に設定することを、光拡散手段として利用し、高密度のコリメート光を発するＬＤなどに対するアイセーフのためにも、光源からの出射光束径よりも、光投射口での光束径自体を格段に太くするとともに、限定された所望円錐頂角範囲内に、投射光を平行なコリメート光ではなく、若干広げて円錐状に投射できるように光学設計することも可能である。

また、上記の各レンズ体の入射部分には粒子等を含有する光拡散層、または光拡散性の微細凹凸粗面を設け、該レンズ体の出射側端面には凸レンズを設け、この凸レンズの焦点位置、またはその近傍に前記光拡散層（または光散乱性の微細凹凸粗面）を位置させるように設定し、かつ前記光散乱層（または光散乱性の微細凹凸粗面）が有する光散乱立体角範囲が、実質上前記凸レンズを覆うように照射できる、立体角に等しくなるよう構成することもできる。

また、光軸からどこまで離れた範囲をレンズ面として採用するかにより、前記した信号光を拡散放射する方向を示す、円錐頂角の範囲を選定する。

また、この発明の光制御装置は、上記に説明したような、発光素子の光投射口に装着する使い方ではなく、受光素子の直前に入射側と出射側の端面を逆向きにして装着すると、様々な角度からの信号光を受光素子に集めるための光制御装置としても使用可能である。この際、該光制御装置の入射部分にはカバーを装着しても良い。このカバーには凹レンズ形状を採用しても良いし、光を散乱する粒子などを含有させるか、光散乱性の微細凹凸粗面を形成して、光散乱機能をもたせても良い。上記凹レンズ形状と光散乱機能を併せ持つように形成してももちろん良い。

また、上記光制御装置の各レンズ体のうち、レンズの少なくとも一つをフレネルレンズ形状、または回折レンズ形状に形成することもできる上、凸レンズまたは凹レンズの内の少なくとも一つを凸面鏡または凹面鏡で置換することも可能である。

また、レーザー光等の高エネルギー密度の平行光線を、ＪＩＳＣ６８０２等の安全基準を満足できる範囲内まで、エネルギー密度を低下させるために、（光線を拡散して投射するため）、以下のような構成を採用しても良い。
レンズ体の、入射ビームと正対する場所に、入射ビーム径以上の光路断面積を有する凸面鏡、または凹面鏡からなる第一反射鏡を配置し、この第一反射鏡と正対する位置に、第一反射鏡よりも光路断面積が大きく、焦点距離が長い凹面鏡であって、その中心部に入射ビームを通過させる小さな穴を有する第二反射鏡を正対配置し、これら第一反射鏡と第二反射鏡とが焦点を実質上共有する関係に形成することもできる。
さらに、上記反射鏡を一対形成する方法を採用する場合、以下の四つの形状が考えられるが、このうちのどれか、またはこれらの組み合わせを採用しても構わない。

第一反射鏡の外周部に円錐斜面から成る反射鏡を配置して、第二反射鏡から反射して投射方向に向かうビームの一部を、光軸と斜め方向に曲げて反射させる。
第二反射鏡の一部にフレネル溝型式の鋸歯状反射面を設けて、第二反射鏡から反射して投射光軸方向に向かうビームの一部を、光軸と斜め方向に曲げて反射させる。

第一反射鏡と第二反射鏡との間に、透明樹脂、ガラス、透明セラミックなどのレンズ作用を発揮できる素材を配置し、その出射面を、トロイダルレンズとしてビームを拡散出射させる。

第一反射鏡と第二反射鏡との間に、透明樹脂、ガラス、透明セラミックなどのレンズ作用を発揮できる透光素材を配置し、第二反射鏡からのビームの一部を外周面で全反射させた後、トロイダルレンズとした出射面から、ビームを拡散出射させる。

上記の光制御装置はＬＤやＬＥＤなどの現行素子サイズを越えない程度に微小サイズで、小型軽量に形成し、部品点数、組み立て、調整要素を極小化する量産性が優れた光学要素である。

従来存在する微小光学要素、例えば複数のレンズを互いに光軸合わせする組み立て作業は、極めて困難なものとなるが、本発明実施例に示すような単体レンズの形態をとれば、金型技術と成形技術とが相応以上の水準である限り、量産態勢が比較的容易に確保できる。

シングルモード光ファイバーの出射端のように、直径が約１０μｍという極めて細い光束に入射側の微小レンズを光軸合わせすることは、それ相応の部品精度を必要とするが、この発明に係る実施例に示すように入射側を光散乱層、または光散乱粗面で構成すれば、位置合わせは不要となる。

以上のような構成によれば、無線ＬＡＮとして、僅かな光出力で、数十メートル級の比較的長い通信距離にも対応できるだけでなく、信号送受信装置間の接続作業が簡便に実施でき、しかも、部品単価が現行市販品とくらべ、格段に低価格化できるようになる。

発明を実施するための形態

この発明による光制御装置を装着した、光無線信号の投射範囲制御用光学要素などを具体化する手法について、添付図面を参照しながら、以下にいくつかの実施例として例示する。具体例を用いて説明するが、この特許の範囲を限定するものではなく、特許請求の範囲に記載する趣旨に反しない限り、その用途、構成内容、その他全て様々に変更、置換、組み合わせ、応用することは、公知の技術に基いて可能であり、それらの結果もまた、この特許の範囲内に含まれる。

図１は本発明による光制御装置１を表す正面図である。この光制御装置１は半導体レーザーや赤外線発信装置などの各種発光装置１０の光投射口１１に装着するための光学要素であり、光投射光軸と軸を共有する、略円錐台、または円筒状のレンズ体２の入射側側面３に短焦点かつ小さな直径の凹レンズ５、または凸レンズを設け、出射側端面４には、入射側レンズ５よりも長焦点かつ大きな直径の凸レンズ６を設け、しかも、これら両側一対のレンズ５、６が実質上焦点を共有する単体レンズで、光拡散放射機能を備える。
レンズ体２の素材は、ＭＭＡ，ＰＣなどの透明樹脂、各種の光学ガラスなどが好適である。ここでいう両側一対のレンズが実質上焦点を共有するという真意は、以下にも詳述するようにレンズの内、少なくとも一方が、球面収差などの収差を含むことを想定しており、その収差領域のどこを選ぶかという選択幅を意識している点にある。単体レンズとは、一体的に成形したものだけでなく、接着、溶着などにより一体化したものも含む。

図４に、本発明による光制御装置１の他の実施例を示す。光制御装置１の、上記入出射側両レンズ５、６の内、少なくとも一方に球面レンズを採用し、その球面収差を光拡散手段として利用している。図５には、球面レンズにおいて、光軸から離れるに従って球面収差が増大する様子を示す図表である。図５（ａ）はレンズ素材がＭＭＡの場合、図５（ｂ）はレンズ素材がＰＣの場合を表す。光軸からどこまで離れた範囲をレンズ面として採用するかにより、光を拡散放射する方向を示す、円錐頂角の範囲を選定することができる。

本発明による光制御装置１の他の実施例を図３にて示す。本発明による光制御装置１は半導体レーザーや赤外線発信装置などの各種発光装置１０の光投射口に装着するための光学要素であり、光投射光軸上の入射側に小さな直径のボールレンズ７を配置し、出射側にボールレンズ７より大きな直径のボールレンズ８を配置する。これら二個のボールレンズ７、８が、実質上焦点を共有するように構成し、光拡散放射機能を備えるようにした。
このボールレンズ７、８を希望の位置に保持するため、略円錐状、または略円管状や円錐に切り込みを入れた略Ｃの字状などに形成されたレンズハウジング９を発光装置１０に装着し、レンズハウジング９内に上記ボールレンズ７、８を収める。詳しくは、レンズハウジング９の一方の端には、円管を塞ぐようにレンズ座１６が形成されていて、レンズ座１６の中央部分には、発光装置１０からの平行光を邪魔しない大きさの径で光を通す、光投射口１１が貫通開口形成されている。レンズ座１６の内側(内壁)から光投射口１１に向かって徐々に窄まるテーパー加工がされていて、このテーパー加工された部分に小径のボールレンズ７が嵌まるようになっている。さらに、円管状リングの両端面を円の軸中心方向へ向けて窄まるテーパー形状に形成した弾性体スペーサー１４を、ボールレンズ７をレンズ座１６と挟むようにしてレンズハウジング９内に配設する。レンズハウジング９を縦に保持し（図３の状態から９０度起こした状態にし）、レンズ座１６を一番下にして、ボールレンズ７、弾性体スペーサー１４という順にレンズハウジング９内に収めるとボールレンズは自然とレンズ座１０と弾性体スペーサー１４の各テーパー部の窪みに収まるため組み立てがとても簡単である。
さらに、弾性体スペーサー１４のもう一方の端側のテーパー加工された部分には大径のボールレンズ８を配設し、その上からストッパー１５をレンズハウジング９のもう一方の端に嵌め込んでボールレンズ７、８をレンズハウジング９内に保持する。ストッパー１５は円管状で外周にはネジ部１７が形成してあり、このネジ部１７はレンズハウジング９のもう一方の端の内周に形成されたネジ部１８と螺合する形状になっている。ストッパー１５の内周側の、ボールレンズ８に接する部分には内側（円管の軸方向）に向かって徐々に窄まるテーパー加工が施されており、ボールレンズ８を保持する形状になっている。
ストッパー１５を回してネジ部分を締めると、ストッパー１５はレンズハウジング９に螺合し、ネジ部分を緩めない限りは外れないため、これによりレンズハウジング内にボールレンズ７、８を固定して保持することができる。
以上の構成により、この発明の実施例は自動的に光軸が所定位置におさまるという、自動調芯機能があるので、微小部品のわりには組みたて調整が楽で量産効果が高まる。
さらに、ストッパー１５をさらに回して締めつけると、ボールレンズ８と弾性体スペーサー１４がボールレンズ７に向かって押され、弾性体スペーサー１４は、各種ゴムやエラストマー、シリコンゴム等、弾力性を有した公知の材料にて形成されており、その性質により多少縮むので、これによりボールレンズ７と８の間の距離を調節できる。希望する位置に光の焦点を設定することが可能であり、かつ組み立て後の微調整も簡単にできる。
また、レンズハウジング９の発光装置１０に接する側の端には係止爪１２を突出して形成し、係止爪１２の先端は（この形状に限定はしないが）鉤状などで発光装置１０の端に係止する形状に、合成樹脂等の弾力性と剛性をあわせもつ素材にて形成する。係止爪１２の付根部分はたわむ形状にしておくと良い。これに対応して発光装置１０の端部には係止爪１２が係止できるよう凹部を予め形成しておく。
上記スナップフィット式取り付け方法は作業が簡単な上、製作する際の金型も簡単な形状にできるため、低コストにて製作が可能であり量産に向いていると言える。
この他ネジ方式などでも取り付け可能である。

この実施例３の応用例として、片方のレンズをボールレンズ以外の、非球面レンズを含む普通の凸レンズ、または凹レンズなどで置換しても良い。

入／出射側にある両レンズの軸上位置を、焦点共有位置から、僅かにずらして、接近させるか、あるいは引離す位置に設定することを、光拡散手段として利用することを特徴とする、実施例１、実施例２、または実施例３に記載の光制御装置。

図２に、本発明による光制御装置１の他の実施例を示す。本発明による光制御装置１は半導体レーザーや赤外線発信装置などの各種発光装置１０の光投射口１１に装着するための光学要素である。
この光制御装置１の入射側の端には、微細なガラスビーズ等の粒子２８を含有させるなどのした光散乱層１９を光制御装置１のレンズ体２と一体に形成するか、または光散乱性の微細凹凸粗面２０を設け、出射側端面には、凸レンズ６を設け、この凸レンズ６の焦点位置、またはその近傍に前記光散乱層１９、または微細凹凸粗面２０を位置させるように設定し、かつ前記光散乱層１９、または微細凹凸粗面２０が有する光散乱立体角範囲が、実質上前記凸レンズを覆うように照射でき、立体角に等しいことを特徴とする光拡散放射機能を備えている。この光散乱層１９、または微細凹凸粗面２０が有する光散乱立体角特性は、試行錯誤的に試作・計測実験を繰返し、数種類以上の所望状態を達成しておき、目的に応じて使い分けすると良い。光散乱性の微細凹凸粗面２０は、回折現象を利用する光散乱面でも良い。簡単な実験結果によれば、光散乱層１９、または微細凹凸粗面２０が有する光散乱立体角が小さく、これらの光散乱手段単独では、ＬＤを照射すると、中心部にレーザー光が通り抜ける、いわゆるホットスポットができる状態であっても、上記凸レンズと組み合わせ、この凸レンズ６の焦点位置、またはその近傍に前記光散乱層１９、または微細凹凸粗面２０を位置させるように設定すると、ホットスポットが見事に解消し、均等な光拡散状態が得られることが分かった。

本発明は以下に示す実施例の形状や構成、用法に限定するものではないが、説明のため図６に本発明による光制御装置１を利用した光無線通信システムの一例を示す。
室内に設置した光無線式ＬＡＮの受発信ユニット２５は、ＬＡＮ電子回路２４と光無線ＬＡＮ用受発信ヘッド２１を備えている。また、受発信ユニット２５は投射方向調節器２２を備えていると、光の送受信の際に希望するサテライト２３の方向に受発信ヘッド２１が向くよう角度調整が出来て良い。
前記受発信ヘッド２１内には発光素子１０と本発明による光制御装置１を組み合わせたものが送信用に、さらに受信装置と本発明による光制御装置１を組み合わせたものが受信装置として組み込まれており、前記ユニット２５を設置した室内の天井や壁面にはサテライト２３が設置されていて、前記受発信ユニット２５の受発信ヘッド２１から発信された光をサテライト２３に向けて投射したり、サテライト２３から送信された光を受発信ユニット２１によって拾ったりする仕組みになっている。
上記光無線式LANの受発信ユニット２５は室内に限らず、送受信するための光が届くのであれば、屋外に設置してももちろんよい。

上記のような光無線式ＬＡＮ用の受発信ユニット２５の受発信ヘッド２１またはサテライト２３等に使用する、実施例１ないし実施例５に記載の光制御装置１は、前記した光を拡散放射する方向を示す、円錐の頂角（図７に一例を示す）が約１度〜６０度の範囲内になるように光学設計することを特徴とする。
例えば、１０ｍの通信距離Ｌにおいて、直径１ｍの円内に照射光線が分布する状態にする場合の、円錐の頂角は、約２．９度である。この円錐頂角を上記所望状態になるように光学設計することは、光学技術を理解できる当業者には、当然可能なことである。従って、その設計技法についてはあえて説明しない。円錐の頂角が約１度近辺の狭い拡散状態に設計するためには、少なくとも一方のレンズを非球面化すると良い場合が多い。広い室内で、比較的遠方の天井サテライトに向けて投射、または天井自体で散乱反射させるには、円錐頂角を比較的狭くし、比較的近距離のＬＡＮについては、円錐頂角を広くすると良い。目的に応じて使い分けできるように、数種類の円錐頂角を有する、この発明による製品群を揃えておくのが合理的である。信号発信用光源の出力と、受信側素子の有効感度次第で、どのような円錐頂角を有する製品が選ばれるか、関連素子技術の発展とともに変化してゆく性質のものである。

上記各実施例に加えて、前記した光を拡散放射する方向を示す、円錐の頂角が約１度〜２０度の範囲内になるように光学設計することを特徴とする実施例１ないし実施例５に記載の光制御装置。

上記実施例に加えて、前記した光を拡散放射する方向を示す、円錐の頂角が約１度〜１０度の範囲内になるように光学設計することを特徴とする、実施例１ないし実施例５に記載の光制御装置。比較的長い通信距離Ｌを必要とする場合を想定した設定である。

前記した実施例１ないし実施例８において、制御された光指向特性を備える光制御装置を、光投射口ではなく、受光素子の直前に、光制御装置の入射側と出射側とを逆向きにして、装着することを特徴とする実施例１ないし実施例８に記載の光制御装置。図８にその一例を示す。

実施例９において、逆向きに装着する光制御装置のさらに直前に、光散乱層、または光散乱粗面から成るカバーを装着することを特徴とする、実施例９に記載の光制御装置。光散乱性のカバーを装着することにより、直射日光に曝された場合、予期しない場所に焦点を結び、思わぬ局所的高温度が発生する事故を防止できる。また、光散乱性のカバーは、偏光解消の効果も有するので、反射を繰返しながら進む、光ファイバーからの出射光に対しても、Ｐ波、Ｓ波組成比の偏りを是正する効果が期待できる。これらの場合、光拡散機能は、円錐頂角が１度前後の軽微なものでも、充分有効である。

実施例９において、光制御装置の直前に装着する、カバーが凹レンズであることを特徴とする実施例９に記載の光制御装置。凹レンズを直前に配置すると、魚眼レンズなどのワイドレンズのように、広い立体角範囲からの光に感度を確保できるようになる。また、正面方向からの光だけをカットし、斜め方向だけ検知したい場合には、凹レンズの中心部に光遮蔽マスクを設けると良い。

実施例９において、光制御装置の直前に装着する、カバーが光散乱機能と凹レンズ機能を併せもつことを特徴とする実施例９に記載の光制御装置。光散乱機能と凹レンズ機能を併せもたせる方法としては、個別に作ったカバー部品を重ね合わせる方法、凹レンズを作る素材に光散乱粒子などを添加する方法、凹レンズの片方の面を光散乱粗面とするなどの方法が採用できる。

実施例１ないし実施例１２において、レンズの少なくともひとつがフレネルレンズであることを特徴とする光制御装置。

実施例１ないし実施例１２において、レンズの少なくともひとつが回折レンズであることを特徴とする光制御装置。

本発明にかかる光制御装置は、実施例１ないし実施例１４において、外径・長さが、ともに１０ｍｍ以内の、微小サイズの光学要素であることを特徴とする。さらに望ましくは、外径・長さが、ともに５ｍｍ以内の、微小サイズの光学要素であるとなお良い。

本発明にかかる光制御装置は、実施例１ないし実施例１５において、凸レンズ、または凹レンズの内の少なくともひとつを、凹面鏡、または凸面鏡で置換した構成にすることも可能である。例えば、実施例１および図１で示した、凹レンズおよび凸レンズを夫々、凸面鏡および凹面鏡に置換した一例を、図９に示す。この図９の例では光の入射側に凹面鏡３６、出射側に凸面鏡３７を配置した。図１と図９を比較すると明確なように、後者の方が、一層コンパクト化できることがわかる。なお、図９に示した反射鏡式一体型光制御装置において、入射面３、または／および、出射面４を平面ではなく、適宜のレンズ面として、さらなる拡散角度調節を行なっても良い。上記各凸面鏡３７または凹面鏡３６の反射面は、ＡＬなどの蒸着、および保護塗装の他、酸化チタンなどの高反射性微粒子類を含有する塗膜などを用いるのも良い。また、鏡面状の反射面だけでなく、少なくとも一部に、拡散性反射面を採用しても良い。反射鏡を金属などで、別個に作る方法も採用できる。

高エネルギー密度の平行光線を、光制御装置１内で、ビーム光路断面積を拡大することにより、ＪＩＳＣ６８０２、およびＩＥＣ６０８２５−１に規定される安全基準を満足できる範囲内まで、エネルギー密度を低下させる処理を完了後、所望方向へ拡散投射するため、本発明実施例にかかる光制御装置1は、入射ビームと正対する場所に、入射ビーム径以上の光路断面積を有する凸面鏡、または凹面鏡から成る第１反射鏡４７を配置し、この第１反射鏡４７と正対する位置に、第１反射鏡４７よりも光路断面積が大きく、焦点距離が長い凹面鏡であって、その中心部に入射ビームを通過させる小さな穴を有する第２反射鏡５５を正対配置し、これら第１反射鏡４７と、第２反射鏡５５とが焦点を実質上共有する関係にあって、しかも次のグループから選ばれる少なくともひとつの要素を備えることを特徴とする。

ａ）第１反射鏡４７の外周部に円錐斜面から成る反射鏡４６を配置して、第２反射鏡５５から反射して投射光軸方向に向かうビームの一部を、光軸と斜め方向に曲げて反射させる。

ｂ）第２反射鏡の一部にフレネル溝型式の鋸歯状反射面４０を設けて、第２反射鏡から反射して投射光軸方向に向かうビームの一部を、光軸と斜め方向に曲げて反射させる。

ｃ）第１反射鏡４７と、第２反射鏡５５との間に、透明樹脂、ガラス、透明セラミックなどのレンズ作用を発揮できる素材を配置し、その出射面を、トロイダルレンズ４４としてビームを拡散出射させる。

ｄ）第１反射鏡４７と、第２反射鏡５５との間に、透明樹脂、ガラス、透明セラミックなどのレンズ作用を発揮できる透光素材を配置し、第２反射鏡からのビームの一部を外周面で全反射させた後、トロイダルレンズ４４とした出射面から、ビームを拡散出射させる。

これらの結果、発信器近くのほぼ全方位に微小出力の光を拡散させること、および必要に応じて、かなり遠方にある照準点、例えば光無線ＬＡＮにおける天井サテライトへも、同一光源からの光を所望比率で送り出すという、複合機能を発揮させることができる。つまり、近隣の光無線ＬＡＮ受信器に対しては、天井サテライトを経由せずに直接信号を送り届けることができる仕組みが可能となる。ここで用いる反射面は、ＡＬなどの蒸着、および保護塗装の他、酸化チタンなどの高反射性微粒子類を含有する塗膜などを用いるのも良い。また、鏡面状の反射面だけでなく、少なくとも一部に、拡散性反射面を採用しても良い。反射鏡を金属などで、別個に作る方法も採用できる。これら反射鏡の背面に放熱フィン、ヒートパイプなどの冷却手段を備えても良い。この方式の光制御装置は、小型・軽量のものに限らず、大型化して半導体レーザー以外のヘリウムネオンレーザーはじめ、各種大型レーザー類にも適用することが可能である。

図１４は本発明実施例にかかる光制御装置１を、ＬＤなどの発光素子に取り付ける方法を簡略に表した一例である。略円錐形または円筒形のレンズハウジング９内にＬＤ１０等の発光素子と本発明の光制御装置１（レンズ体２）を入れ、レンズハウジング９の係止爪１２はＬＤの外周の段部に係止し、係止爪５３は光制御装置１の、レンズ体２の出射側端面４の端部に係止する。レンズハウジング９は合成樹脂等の弾力性と剛性を併せ持つ材料にて形成するため、５２のたわみ部分によって引き寄せバネ力が発生するため、レンズハウジング９内でＬＤや光制御装置１が遊ぶ（動く）ことなく保持される。これにより、光軸がずれたりすることなく、安全に使用することができる。また、組立や製造も簡単であるという利点がある。但し、本発明にかかる光制御装置は、この形状・構成に限定するわけではない。

本発明による一体型光制御装置（単体レンズ）の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 本発明による拡散乱入射式光制御装置の実施方法を示した説明図である。（実施例５） 本発明によるボールレンズ式光制御装置の実施方法を示した説明図である。（実施例３） 本発明によるＰＣ樹脂製単体レンズ式光制御装置の一例を示す寸法入り側面図である。 参考例としてのＭＭＡ、およびＰＣ樹脂製球面レンズの、軸はずれ距離と球面収差の関係を示すグラフである。（実施例２） この発明による光制御装置を用いた、光無線ＬＡＮシステムの一例を示す斜視図である。 投射光を拡散放射する方向、または受信光感知範囲の立体角度を示す、円錐頂角の説明図である。ＬＤや光制御装置は簡略化して表した。 受光素子の直前に設置する光路制御素子の説明図である。 本発明による反射鏡式一体型光制御装置（単体レンズ）の実施方法を示した説明図である。（実施例１６） 同じ１枚のレンズであっても、光拡散角度範囲が入射ビームの太さに依存して変化する様子を説明する図である。（公知技術の説明） ビームエキスパンダーでは、入射ビーム径の大小とは無関係に、平行入射したコリメート光は、平行出射する様子を説明する図である。（公知技術の説明） 複合機能光制御装置を説明する図である。 複合機能光制御装置が有する、各方向角への投射光量分布（配光性能特性）の一例を説明する図である。 本発明の光制御装置をＬＤ等に取り付ける実施例を示す図である。

符号の説明

１ 本発明による光制御装置
２ レンズ体
３ 入射側端面
４ 出射側端面
５ 凹レンズ部分
６ 凸レンズ部分
７ ボールレンズ
８ ボールレンズ
１０ 発光素子
１１ 光投射口
１２ 係止爪
１３ テーパー部分
１４ スペーサー
１５ ストッパー
１６ レンズ座
１７ ネジ山
１８ ネジ山
１９ 光散乱層
２０ 凹凸粗面
２１ 光無線ＬＡＮ用受発信ヘッド
２２ 投射方向調節器
２３ サテライト
２４ ＬＡＮ電子回路
２５ 光無線式ＬＡＮ用受発信ユニット
２６ 投射・受信方向の円錐頂角
２７ コンピューター
２８ 散乱剤
２９ 光の送信方向
３０ 光の受信方向
３１ 光の受信方向
３２ 光の送信方向
３３ 受光素子
３４ 広角集光凹レンズ
３５ 受光範囲立体角
３６ 凹面鏡
３７ 凸面鏡
３８ レンズ
４０ フレネルレンズ
４１ 蒸着ミラー
４２ 凹面鏡
４３ 全反射面
４４ トロイダルレンズ
４５ 凹面鏡
４６ 円錐面鏡
４７ 第一反射鏡
４８ 目指す性能特性を表す曲線
５１ 光の拡散放射立体角度
５２ たわみ部分
５３ 係止爪
５５ 第二反射鏡

Claims (17)

1. 光投射口に装着するための光学要素であって、光投射光軸と軸を共有する、略円錐台、または略円筒状レンズ体の入射部分に短焦点、かつ小さな直径の凹レンズ、または凸レンズを設け、出射側端面には、入射側レンズよりも長焦点、かつ大きな直径の凸レンズを設け、しかも、これら両側一対のレンズが実質上焦点を共有する、単体レンズであることを特徴とする、光拡散放射機能を備える光制御装置。
2. 上記入出射側両レンズの内、少なくとも一方に球面レンズを採用し、その球面収差を光拡散手段として利用することを特徴とする、請求項１に記載の光制御装置。
3. 光投射口に装着するための光学要素であって、光投射光軸上の入射側に短焦点、かつ小さな直径の凹レンズ、または凸レンズを配置し、出射側に入射側レンズよりも長焦点、かつ大きな直径の凸レンズを配置し、これら二個のレンズが、実質上焦点を共有するように配置する構成であって、しかも、これら二個のレンズの内少なくとも一個がボールレンズであることを特徴とする光拡散放射機能を備える光制御装置。
4. 入出射側にある両レンズの軸上位置を、焦点共有位置から、僅かにずらして、互いに接近させるか、あるいは引離す位置に設定することを、光拡散手段として利用することを特徴とする、請求項１、請求項２、または請求項３に記載の光制御装置。
5. 光投射口に装着するための光学要素であって、入射側には、粒子含有などの光散乱層、または光散乱性の微細凹凸粗面を設け、出射側端面には、凸レンズを設け、この凸レンズの焦点位置、またはその近傍に前記光散乱層、または光散乱性の微細凹凸粗面を位置させるように設定し、かつ前記光散乱層、または光散乱性の微細凹凸粗面が有する光散乱立体角範囲が、実質上前記凸レンズを覆うように照射できる、立体角に等しいことを特徴とする光拡散放射機能を備える光制御装置。
6. 前記した光を拡散放射する方向を示す、円錐の頂角が約１度〜６０度の範囲内になるように光学設計することを特徴とする、請求項１ないし請求項５に記載の光制御装置。
7. 前記した光を拡散放射する方向を示す、円錐の頂角が約１度〜２０度の範囲内になるように光学設計することを特徴とする、請求項１ないし請求項５に記載の光制御装置。
8. 前記した光を拡散放射する方向を示す、円錐の頂角が約１度〜１０度の範囲内になるように光学設計することを特徴とする、請求項１ないし請求項５に記載の光制御装置。
9. 前記した請求項１ないし請求項８において、制御された光指向特性を備える光学要素を、光投射口ではなく、受光素子の直前に、光学要素の入射側と出射側とを逆向きにして、装着することを特徴とする請求項１ないし請求項８に記載の光制御装置。
10. 請求項９において、逆向きに装着する光学要素のさらに直前に、光散乱層、または光散乱粗面から成るカバーを装着、あるいは該カバーを一体に形成することを特徴とする請求項９に記載の光制御装置。
11. 請求項９において、光学要素の直前に装着する、カバーが凹レンズであることを特徴とする請求項９に記載の光制御装置。
12. 請求項９において、光学要素の直前に装着する、カバーが光散乱機能と凹レンズ機能を併せもつことを特徴とする請求項９に記載の光制御装置。
13. 請求項１ないし請求項１２において、レンズの少なくともひとつがフレネルレンズであることを特徴とする光制御装置。
14. 請求項１ないし請求項１２において、レンズの少なくともひとつが回折レンズであることを特徴とする光制御装置。
15. 請求項１ないし請求項１４において、外径・長さが、ともに１０ｍｍ以内の、微小サイズの光学要素であることを特徴とする光制御装置。
16. 請求項１ないし請求項１５において、凸レンズ、または凹レンズの内の少なくともひとつを、凹面鏡、または凸面鏡で置換した構成であることを特徴とする光制御装置。
17. 高エネルギー密度の平行光線を、光制御装置内で、ビーム光路断面積を拡大することにより、ＪＩＳＣ６８０２、およびＩＥＣ６０８２５−１に規定される安全基準を満足できる範囲内まで、エネルギー密度を低下させる処理を完了後、所望方向へ拡散投射するためのビーム拡散投射器具であって、入射ビームと正対する場所に、入射ビーム径以上の光路断面積を有する凸面鏡、または凹面鏡から成る第１反射鏡を配置し、この第１反射鏡と正対する位置に、第１反射鏡よりも光路断面積が大きく、焦点距離が長い凹面鏡であって、その中心部に入射ビームを通過させる小さな穴を有する第２反射鏡を正対配置し、これら第１反射鏡と、第２反射鏡とが焦点を実質上共有する関係にあって、しかも次のグループから選ばれる少なくともひとつの要素を備えることを特徴とする光制御装置。
    ａ）第１反射鏡の外周部に円錐斜面から成る反射鏡を配置して、第２反射鏡から反射して投射光軸方向に向かうビームの一部を、光軸と斜め方向に曲げて反射させる。
    ｂ）第２反射鏡の一部にフレネル溝型式の鋸歯状反射面を設けて、第２反射鏡から反射して投射光軸方向に向かうビームの一部を、光軸と斜め方向に曲げて反射させる。
    ｃ）第１反射鏡と、第２反射鏡との間に、透明樹脂、ガラス、透明セラミックなどのレンズ作用を発揮できる素材を配置し、その出射面を、トロイダルレンズとしてビームを拡散出射させる。
    ｄ）第１反射鏡と、第２反射鏡との間に、透明樹脂、ガラス、透明セラミックなどのレンズ作用を発揮できる透光素材を配置し、第２反射鏡からのビームの一部を外周面で全反射させた後、トロイダルレンズとした出射面から、ビームを拡散出射させる。
    
    

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