JP2008136178A - 光空間伝送モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】レーザの安全基準に基づいた光出力の上限値を緩和すると共に、レーザへの戻り光を低減し、小型化が可能な光空間伝送モジュールを提供する。
【解決手段】光空間伝送モジュールは、送信光を出力する発光部１００と、送信光を反射させる反射部１１１を有する台座部１１０と、反射部１１１で反射された反射光を拡散光に変換して反射する反射型拡散部１２０とを備える。反射部１１１は、送信光の反射後のビーム径を拡大させる機能を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、空間を媒体に光信号を伝送する光空間伝送モジュールに関する。

近年、ワイヤレス伝送の高速化方式として、電波の代わりに光波を用いた、光空間伝送技術が注目され始めている。光波は、その広帯域性を利用した高速性に加え、直進性／遮光性によるセキュリティ性などを有する。この光空間伝送に用いられる光源としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）或いは半導体レーザダイオード（ＬＤ）が使用されており、伝送速度向上のためには、高速変調可能なＬＤが有利である。

しかし、ＬＤは、ＬＥＤよりも光源サイズが小さく、出力光の干渉性が高い。そのため、ＬＤの出力光をそのまま空間へ放出した場合、光線があやまって目入ると、網膜上に高エネルギー密度の像が結ばれ、網膜が損傷する危険性がある。ＬＤでＬＥＤと同等の安全性を得るためには、光出力強度を低下させるか、拡散板等の光学部品を用いて出力光の干渉性を低下させた上で、仮想的な２次光源サイズを拡大させなくてはならない。後者の場合、網膜上に結ばれる像の大きさは、この２次光源サイズに依存する。光送信器の安全性を保ちつつ、より大きな光出力を得るためには、上記２次光源サイズを大きくすればよい。このようなレーザの安全性を確保する光学系としては、例えば、特許文献１に開示されている光送信器がある。図１０は、特許文献１に開示されている従来の光送信器の構成の一例を示す模式図である。

図１０において、従来の光送信器は、レーザ９００、集光レンズ９１０、レンズ９２０、反射型拡散部９２１、反射部９２２、開口部９２３、及び受光部９３０を備える。集光レンズ９１０は、レーザ９００から出力されたレーザ光線Ａを集光し、開口部９２３を介して反射型拡散部９２１へ照射する。反射型拡散部９２１は、照射されたレーザ光線Ａを拡散光Ｂに変換し反射する。反射部９２２は、拡散光Ｂを反射する。レンズ９２０は、反射部９２２で反射された拡散光Ｂを一定の方向へ配光し、送信光Ｃとして出力する。受光部９３０は、対向する光送信器から出力された信号光を受光する。この従来の光送信器では、反射型拡散部９２１でレーザ光線Ａの干渉性が乱され、反射型拡散部９２１上にランバーシャン分布をもつ仮想的な２次光源が形成される。そのため、レーザ単体で利用するよりも、安全性を高めることができる。
特開２００４−１６５９５７号公報

しかしながら、従来の光送信器では、レーザ光線Ａを反射型拡散部９２１に直接照射するので、反射した拡散光Ｂがレーザ９００に戻ってしまい、戻り光によりレーザ９００の動作不安定を引き起こす可能性がある。また、従来の光送信器では、反射機構を利用しているため、厚さは低減できるが、反射部９２２の直径が大きくなり、受光部９３０を含めた全体の占有面積が大きくなってしまうという課題もある。

それ故に、本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、レーザの安全基準に基づいた光出力の上限値を緩和すると共に、レーザへの戻り光を低減し、小型化が可能な光空間伝送モジュールを提供することを目的とする。

本発明は、空間を媒体に光信号を伝送する光空間伝送モジュールに向けられている。第１の局面では、光空間伝送モジュールは、送信光を出力する発光部と、送信光を反射させる反射部を有する台座部と、反射部で反射された送信光を拡散光に変換して反射する反射型拡散部とを備える。反射部は、送信光の反射後のビーム径を拡大させる機能を有する。

上記第１の局面によれば、反射部にて送信光のビーム径を広げた後に拡散光へ変換することで、より径の大きな２次光源を作ることができ、レーザの安全基準に基づいた光出力の上限値を緩和することができる。

第２の局面では、反射部は凸型形状のミラーである。

上記第２の局面によれば、凸型の断面における傾斜角度を一定値以上にすることで、送信光が反射部で反射された後に、再び発光部へ戻るのを防ぐ効果がある。

第３の局面では、反射部は、凸型形状のミラーと同等の機能をもつフレネルミラーで構成されている。

上記第３の局面によれば、フレネルミラーを用いることで反射部の厚みを薄くすることができる。

第４の局面では、反射型拡散部は、凹型形状である。

上記第４の局面によれば、反射型拡散部の断面の傾斜角あるいは曲率を制御することで光空間伝送モジュールから出力される拡散光の指向角を制御し、効率よく送信光を伝送することができる。

第５の局面では、光空間伝送モジュールは、光信号を受光する受光部をさらに備え、受光部は、台座部が有する反射部とは異なる面に配置されている。

上記第５の局面によれば、台座部が有する反射部とは異なる面に受光部を配置することで、受光部を送信器に一体化することで送受信器全体を小型化することができる。

第６の局面では、光空間伝送モジュールは、反射型拡散部を覆うように配置されたレンズ部をさらに備える。

上記第６の局面によれば、レンズ部で拡散光を集光することで拡散光の指向角を制御し、効率よく送信光を伝送することができる。

第７の局面では、レンズ部は、複数のレンズ領域を有し、複数のレンズ領域は、少なくとも拡散光を配光させる第１のレンズ領域と、受光部へ光信号を集光させる第２のレンズ領域とを有する。

上記第７の局面によれば、第１のレンズ領域と、第２のレンズ領域とをわけ、各領域で集光特性を最適化することで、より効率的に受光部へ光信号を集光することができる。

第８の局面では、レンズ部は、フレネルレンズで構成されている。

上記第８の局面によれば、光学系の厚みを薄くすることができる。

第９の局面では、反射部は、発光部と受光部との間に位置し、反射部、発光部、および受光部が略直線上に配置されている。

上記第９の局面によれば、発光部から出力された後、反射部で反射された光が直接受光部に結合することを防ぐことができる。

第１０の局面では、発光部は、半導体レーザで構成されている。

上記第１０の局面によれば、高速変調が可能である。

第１１の局面では、反射部は、発光部から垂直に放射される光線を中心として、垂直に放射される光線と垂直な面に対してそれぞれ特定の傾斜角αを有し、発光部と反射部との間の距離をＤ、発光部の発光領域径をφとすると、特定の傾斜角αは、式（１）の関係を満たすように設定される。
Ｄ・ｔａｎ（２α）＞ φ／２ ・・・・式（１）

上記第１１の局面によれば、発光部から出力される光線のうち、垂直に放射される光線が反射部で反射した後に、発光領域へ結合することを低減することができる。

以上のように、本発明に係る光空間伝送モジュールによれば、発光部から出力された送信光のビーム径を反射部で広げた後、反射型拡散部で拡散光へ変換することで、よりサイズの大きな２次光源を作ることができ、レーザの安全基準に基づいた光出力の上限値を緩和することができる。さらに、送信光を反射部にて発光部以外の方向へ反射させた後、拡散さることで反射部から発光部へ戻る光量を低減することができる。また、反射部を有する台座部に受光部を配置することで、受発光部を一体化することができ、小型化が可能となる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る光空間伝送モジュールについて、添付図面を参照ながら説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る光空間伝送モジュール構成の一例を示す模式図である。図１において、光空間伝送モジュールは、発光部１００、台座部１１０、反射部１１１、及び反射型拡散部１２０を備える。発光部１００は、発光部１００に入力される信号に応じて変調された送信光Ａを出力する。反射部１１１は、台座部１１０の一部に、発光部１００と対向するように設けられた凸型形状のミラーであり、具体的には円錐形状を有している。反射部１１１は、送信光Ａのビーム径が広がるように送信光Ａを反射する。凹型形状である反射型拡散部１２０は、反射部１１１で反射された反射光Ｂを、拡散光Ｃに変換して反射する。

ここで、図２Ａ〜Ｂ、及び図３Ａ〜Ｂを用いて、本発明の反射部１１１の形状と反射光Ｂとの関係について、従来方式と比較を行いながら説明する。図２Ａは、特許文献１に記載の従来方式における反射型拡散部９２１の形状と反射光Ｂとの関係を示す図である。図２Ｂは、本発明との比較のため、従来方式におけるレンズ１５０を備えない場合の反射型拡散部９２１の形状と反射光Ｂとの関係を示す図である。図３Ａは、本発明の第１の実施形態における反射部１１１の形状と反射光Ｂとの関係を示す図である。図３Ｂは、従来方式との比較のため、本発明の第１の実施形態におけるレンズ１５０を備えた場合の反射部１１１の形状と反射光Ｂとの関係を示す図である。図２Ａ〜Ｂ、及び図３Ａ〜Ｂにおいて、発光部１００は、放射角θで送信光Ａを出力するレーザ光源を有する構成である。反射部１１１は、傾斜角αの円錐形状のミラーを有する構成である。

図２Ａの従来方式は、発光部１００から出力された送信光Ａをレンズ１５０で集光後、対向する反射型拡散部９２１で拡散させる方式である。また、図２Ｂの従来方式は、発光部１００から出力された送信光Ａを直接対向する反射型拡散部９２１で拡散させる方式である。これらの方式では、発光部１００と対向する位置にある反射型拡散部９２１で、送信光Ａを広い角度範囲に拡散すると同時に反射させているため、拡散光Ｂの一部が発光部１００へ戻ってしまうという問題点がある。

一方、図３Ａの本発明では、発光部１００からほぼ垂直に出力された送信光Ａであっても、入射角度に対して２α傾いた反射光Ｂが得られる。発光部１００と反射部１１１との距離をＤとすると、反射光Ｂは、発光部１００からＤ×ｔａｎ２αだけ離れた位置に到達する。そのため、直接、反射型拡散部９２１にレーザ光を照射する従来方式よりも発光部１００へ戻ってしまう光量（以下、戻り光量と記す）を大幅に低減することが可能となる。また、サイズの大きな拡散光源（２次光源）を作ることができ、レーザの安全基準に基づいた光出力の上限値を緩和することができる。さらに、図３Ｂのようにレンズ１５０を備えた場合においても、傾斜角αを一定以上の大きさにすることで発光部１００への戻り光量を低減することが可能となる。

次に、図４及び図５に、従来方式と本発明との戻り光比率を計算した結果の一例を示す。ここで、戻り光比率とは、発光部１００から出力された送信光Ａが、反射・拡散されて発光領域へ到達する割合を示している。すなわち、戻り光比率＝戻り光量／送信光量で表される。図４は、図３Ａに示す本発明と図２Ｂに示す従来方式との戻り光比率の計算結果を示す図である。すなわち、図４は、互いにレンズ１５０を備えない場合の本発明と従来方式との戻り光比率の計算結果を示す図である。図４においては、反射部１１１の傾斜角αを可変パラメータとし、発光部１００の放射角θは２０ｄｅｇ、発光部１００の発光領域のサイズは８０μｍφ、発光部１００と反射部１１１との距離Ｄは０．５ｍｍ、反射型拡散部９２１は、ランバート拡散を行うものとして計算を行った。

図５は、図３Ｂに示す本発明と図２Ａに示す従来方式との戻り光比率の計算結果を示す図である。すなわち、図５は、互いにレンズ１５０を備えた場合の本発明と従来方式との戻り光比率の計算結果を示す図である。図５においては、反射部１１１の傾斜角αを可変パラメータとし、発光部１００の放射角θは２０ｄｅｇ、レンズ１５０は焦点距離１．６ｍｍの両凸レンズ、発光部１００の発光領域のサイズは２０μｍφ、反射型拡散部９２１はランバート拡散を行うものとして計算を行った。

図４を参照して、従来方式では、−１７ｄＢ程度の戻り光比率があるが、本発明では、傾斜角αを一定値以上（この計算条件では、２．４ｄｅｇ以上）に設定することで、−３０ｄＢ以下まで戻り光比率を低減することが可能であることが分かる。また、図５を参照して、従来方式では、−１７ｄＢ程度の戻り光比率があるが、本発明では、傾斜角αを一定値以上（この計算条件では、１０ｄｅｇ以上）に設定することで、−３０ｄＢ以下まで戻り光比率を低減することが可能であることが分かる。

ここで、図６を用いて、反射部１１１の傾斜角αの算出方法についてより詳細に説明する。図６には、反射部１１１の傾斜角αと、発光部１００と反射部１１１との間の距離Ｄと、発光部１００の発光領域径φとの関係を示している。図６を参照して、発光部１００から出力される光線のうち、垂直に放射される光線（放射角０°）は、一般的に強度が高く、発光領域へ戻った際の影響が大きい。そこで、放射角０°の光線が反射部１１１で反射した後、発光領域への結合を低減するには、傾斜角αを式（１）の関係を満たすように設定することが望ましい。
Ｄ・ｔａｎ（２α）＞ φ／２ ・・・・式（１）

以上のように、本発明の第１の実施形態に係る光空間伝送モジュールによれば、送信光Ａのビーム径を反射部１１１で広げた後、反射型拡散部１２０で散乱光Ｃへ変換することで、よりサイズの大きな２次光源を作ることができ、レーザの安全基準に基づいた光出力の上限値を緩和することができる。さらに、送信光Ａを反射部１１１にて発光部１００以外の方向へ反射させた後、拡散させることで反射部１１１から発光部１００へ戻る光量を低減することができる。

また、反射部１１１の凸型形状のミラーを、送信光Ａのビーム径よりも大きくすることで、送信光Ａをすべて反射することができるので効率的である。また、発光部１００と反射部１１１との間に、集光レンズ（例えば、レンズ１５０）を用い、送信光Ａのビーム径をコリメート、或いは集光すると、反射部１１１の凸型形状のミラーを集光レンズが無い場合に比べて小型化することができる。

なお、本実施例では、凸型形状ミラーの一例として円錐形状を示したが、この形状に限定されるものではなく、発光部１００の方向への反射光を低減できれば、球面形状や非球面形状でもよい。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る光空間伝送モジュールについて添付図面を参照しながら説明する。図７は、本発明の第２の実施形態に係る光空間伝送モジュールの構成の一例を示す模式図である。図７を参照して、第２の実施形態に係る光空間伝送モジュールは、第１の実施形態と比較して、レンズ部１３０と受光部１４０とを追加した構成となっている。ここで、本発明の第１の実施形態と同一の構成要素については同一の参照符号を付して、その説明を省略する。

図７において、レンズ部１３０は、複数のレンズ領域を有している。具体的には、レンズ部１３０は、拡散光を配光させる第１のレンズ領域１３１と、受光部１４０へ光線を集光させる第２のレンズ領域１３２とを有する。レンズ部１３０は、反射型拡散部１２０を覆うように配置される。受光部１４０は、台座部１１０の反射部１１１とは異なる面に配置される。

台座部１１０に設けられた反射部１１１は、発光部１００と対向するように配置されているため、反射部１１１の裏面にはスペースが生じる。そこで、通常使用されていない反射部１１１の裏面のスペースを利用して、そこに受光部１４０を配置することで受発光部を一体化したモジュールの形成が可能となる。さらに受光部１４０は、反射部１１１が発光部１００と受光部１４０との間に位置するよう配置され、かつこの３つの構成要素が略直線上に並ぶるよう配置を工夫することで、発光部１００から出力された送信光Ａが、受光部１４０に結合するのを避けることができる。

また、レンズ部１３０に第１のレンズ領域１３１と第２のレンズ領域１３２とを持たせることで、それぞれの領域に最適なレンズ形状を設計することができ、拡散光の配光特性と受光部１４０への集光特性を向上させることができる。

以上のように、本発明の第２の実施形態に係る光空間伝送モジュールによれば、第１の実施形態で説明した効果に加え、受光部１４０を台座部１１０に設けられた反射部１１１とは異なる面に配置することで、送受を一体化することができ、送受信器全体を小型化することができる。また、レンズ部１３０に、拡散光を配光させる第１のレンズ領域１３１と、受光部１４０へ光線を集光させる第２のレンズ領域１３２とを持たせることで、拡散光の配光特性と受光部１４０への集光特性とを向上させることができる。

（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係る光空間伝送モジュールについて、添付図面を参照しながら説明する。図８は、本発明の第３の実施形態に係る光空間伝送モジュール構成の一例を示す模式図である。図８において、光空間伝送モジュールは、第２の実施形態と比較して、反射部２１１とレンズ部２３０とをそれぞれ異なる構成で実現したものである。ここで、本発明の第２の実施形態と同一の構成要素については、同一の参照符号を付して、その説明を省略する。

図８において、反射部２１１は、発光部１００と対応するように設けられた凸型形状のミラーと同様の機能を持つフレネルミラーで構成されている。また、レンズ部２３０は、複数のレンズ領域を有するフレネルレンズで構成されている。具体的には、レンズ部２３０は、拡散光を配光させる第１のフレネルレンズ領域２３１と、受光部１４０へ光線を集光させる第２のフレネルレンズ領域２３２とを有する。

以上のように、本発明の第３の実施形態に係る光空間伝送モジュールによれば、第２の実施形態で説明した効果に加え、反射部２１１をフレネルミラーで、レンズ部２３０をフレネルレンズで構成することにより、レンズ部２３０の軽量・薄型化、反射部２１１の軽量化により、光空間伝送モジュール全体を軽量・薄型化することが可能となる。

（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態に係る光空間伝送モジュールについて、添付図面を参照しながら説明する。図９は、本発明の第４の実施形態に係る光空間伝送モジュール構成の一例を示す模式図である。図９において、光空間伝送モジュールは、第３の実施形態と比較して、反射型拡散部３２０とレンズ部３３０とをそれぞれ異なる構成で実現したものである。ここで、本発明の第３の実施形態と同一の構成要素については、同一の参照符号を付して、その説明を省略する。

図９において、レンズ部３３０は、受光部１４０と、台座部１１０とを収容する樹脂モールドで構成され、表面に複数のレンズ領域を有する。具体的には、レンズ部３３０は、拡散光を配光させる第１のフレネルレンズ領域３３１と、受光部１４０へ光線を集光させる第２のフレネルレンズ領域３３２とを有する。また、レンズ部３３０には、凸形状の開口部３３３が設けられている。反射型拡散部３２０は、レンズ部３３０の湾曲した側面上に形成される。ここで、発光部１００から出力された送信光は、開口部３３３から入射後、反射部２１１へ照射される。

第１のフレネルレンズ領域３３１、第２のフレネルレンズ領域３３２、および開口部３３３は、レンズ部３３０を作成する金型上に予め形状を作成しておくことで、レンズ部３３０と同時に作成することができる。また、反射型拡散部３２０は、レンズ部３３０の湾曲した側面を砂面加工した後、白色塗料などを塗布することで作成できる。

開口部３３３は、凸形状をしているため集光レンズの効果があり、反射部２１１へ照射するビーム径を小さくすることができる。そのため、反射部２１１の加工面積を小さくすることができ、反射部２１１の加工コスト、加工時間を短縮できる。

以上のように、本発明の第４の実施形態に係る光空間伝送モジュールによれば、レンズ部３３０の作成と同時に、第１のフレネルレンズ領域３３１、第２のフレネルレンズ領域３３２、反射型拡散部３２０、及び開口部３３３等の構成要素も作成することができるため、光空間伝送モジュールの部品点数や工数を削減することができ、モジュールの低コスト化が期待できる。

なお、レンズ部３３０の側面は、図９に示したような湾曲構造に限定するものではなく、逆円錐構造でも構わない。また、レンズ部３３０は、フレネルレンズに限定するものではなく、凸レンズであっても構わない。また、開口部３３３は、凸形状に限定するものではなくフレネルレンズであっても構わない。

本発明に係る光空間伝送モジュールは、簡易な構成でレーザ光源のアイセーフ化と受発光モジュールの一体化等を実現でき、光空間伝送システムの安全性および小型化等を図る構成として有用である。

以上、本発明を詳細に説明してきたが、前述の説明はあらゆる点において本発明の例示にすぎず、その範囲を限定しようとするものではない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。

本発明の第１の実施形態に係る光空間伝送モジュール構成の一例を示す模式図 従来方式における反射型拡散部９２１の形状と反射光Ｂとの関係を示す図 従来方式におけるレンズ１５０を備えない場合の反射型拡散部９２１の形状と反射光Ｂとの関係を示す図 本発明の第１の実施形態における反射部１１１の形状と反射光Ｂとの関係を示す図 本発明の第１の実施形態におけるレンズ１５０を備えた場合の反射部１１１の形状と反射光Ｂとの関係を示す図 図３Ａに示す本発明と図２Ｂに示す従来方式との戻り光比率の計算結果を示す図 図３Ｂに示す本発明と図２Ａに示す従来方式との戻り光比率の計算結果を示す図 反射部１１１の傾斜角αの算出方法を説明する図 本発明の第２の実施形態に係る光空間伝送モジュールの構成の一例を示す模式図 本発明の第３の実施形態に係る光空間伝送モジュール構成の一例を示す模式図 本発明の第４の実施形態に係る光空間伝送モジュール構成の一例を示す模式図 従来の光送信器の構成の一例を示す模式図

符号の説明

１００ 発光部
１１０ 台座部
１１１、２１１ 反射部
１２０、３２０ 反射型拡散部
１３０、２３０、３３０ レンズ部
１３１ 第１のレンズ領域
１３２ 第２のレンズ領域
２３１、３３１ 第１のフレネルレンズ領域
２３２、３３２ 第２のフレネルレンズ領域
１４０、 受光部
１５０ レンズ
３３３ 開口部
９００ レーザ
９１０ 集光レンズ
９２０ レンズ
９２１ 反射型拡散部
９２２ 反射部
９２３ 開口部
９３０ 受光部

Claims (11)

1. 空間を媒体に光信号を伝送する光空間伝送モジュールであって、
   送信光を出力する発光部と、
   前記送信光を反射させる反射部を有する台座部と、
   前記反射部で反射された送信光を拡散光に変換して反射する反射型拡散部とを備え、
   前記反射部は、前記送信光の反射後のビーム径を拡大させる機能を有することを特徴とする、光空間伝送モジュール。
2. 前記反射部は、凸型形状のミラーであることを特徴とする、請求項１に記載の光空間伝送モジュール。
3. 前記反射部は、凸型形状のミラーと同等の機能をもつフレネルミラーで構成されることを特徴とする、請求項１に記載の光空間伝送モジュール。
4. 前記反射型拡散部は、凹型形状であることを特徴とする、請求項１に記載の光空間伝送モジュール。
5. 光信号を受光する受光部をさらに備え、
   前記受光部は、前記台座部が有する反射部とは異なる面に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の光空間伝送モジュール。
6. 前記反射型拡散部を覆うように配置されたレンズ部をさらに備えることを特徴とする、請求項５に記載の光空間伝送モジュール。
7. 前記レンズ部は、複数のレンズ領域を有し、
   前記複数のレンズ領域は、少なくとも前記拡散光を配光させる第１のレンズ領域と、前記受光部へ光信号を集光させる第２のレンズ領域とを有することを特徴とする、請求項６に記載の光空間伝送モジュール。
8. 前記レンズ部は、フレネルレンズで構成されていることを特徴とする、請求項６に記載の光空間伝送モジュール。
9. 前記反射部は、前記発光部と前記受光部との間に位置し、
   前記反射部、前記発光部、および前記受光部が略直線上に配置されていることを特徴とする、請求項５に記載の光空間伝送モジュール。
10. 前記発光部は、半導体レーザであることを特徴とする、請求項１に記載の光空間伝送モジュール。
11. 前記反射部は、前記発光部から垂直に放射される光線の光軸を中心として、当該光線の光軸と垂直な面に対してそれぞれ特定の傾斜角αを有し、
    前記発光部と前記反射部との間の距離をＤ、前記発光部の発光領域径をφとすると、前記特定の傾斜角αは、式（１）の関係を満たすように設定されることを特徴とする、請求項１に記載の光空間伝送モジュール。
    Ｄ・ｔａｎ（２α）＞ φ／２ ・・・・式（１）

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