JP2016012839A - 液晶による空間分割装置、ならびに該空間分割装置を用いた受光装置および光通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自由空間上での光通信において、複数の光源からの光線のうち任意の光線を選択的に受光する上で、さらにより多くの光量を確保することができ、ノイズ成分もさらに除去可能な技術を提供すること。【解決手段】受光器の手前に設ける空間分割装置であって、平面空間上に配置した液晶を少なくとも備え、前記液晶へと入射する複数の光線に対し、前記液晶の画素単位で透過率を変更することにより、前記受光器への導入の有無を切替え可能とする。【選択図】図１

Description

本発明は、空間に配置された複数の光源のうち、特定の光源からの光線を選択的に受光するための、液晶による空間分割装置、ならびに該空間分割装置を用いた受光装置および光通信装置に関するものである。

複数の通信装置間で自由空間上での光通信（以下、単に「光通信」という。）を行うために、通信相手以外の光信号を効率的に除去するための空間分割装置として、出願人は以下の特許文献１に記載の空間分割装置を開発した。
この空間分割装置は、受光器の手前にそれぞれ反射角度の変更可能な鏡の集合体（ＤＭＤ(Digital Micromirror Device)など）を設け、複数の光線のうち、受光器に導きたい光線のみを受光器側に反射させることで、任意の光線を受光器へと送るよう構成している。

特許第５２６５７８８公報

上記特許文献１に記載の空間分割装置においても、任意の光線を選択受光することは可能であったが、以下の点で、改善の余地があった。
（１）鏡の間の空間による光量不足
鏡を複数配置し、各鏡の反射角度を変更するように稼働させる構造上、鏡と鏡の間に空間を確保する必要がある。この空間は全体面積の３割程度にも及ぶ。
選択対象の光線が、前記空間を含んでしまうと、鏡による十分な反射ができず、十分な光量を得ることができない場合がある。
（２）散乱光への対策不足
ＤＭＤの鏡を用いて反射させる構造上、目的とする光線以外の光も散乱光として受光器に入射される恐れがあり、ノイズ成分の除去が十分でない場合がある。

以上説明したとおり、本発明は自由空間上での光通信において、複数の光源からの光線のうち任意の光線を選択的に受光する上で、さらにより多くの光量を確保することができ、ノイズ成分もさらに除去可能な技術の提供を目的とするものである。

本願の第１発明は、受光器の手前に設ける空間分割装置であって、平面空間上に配置した液晶を少なくとも備え、前記液晶へと入射する複数の光線に対し、前記液晶の画素単位で透過率を変更することにより、前記受光器への導入の有無を切替え可能としたことを特徴とする、空間分割装置を提供する。
また、本願の第２発明は、複数の光源からの光線のうち、任意の光源からの光線を選択して受光可能な受光装置であって、前記第１発明に記載の空間分割装置と、スプリッタと、受光器と、を少なくとも備え、前記空間分割装置は、前記選択した光源からの光線が入射する箇所の液晶の画素の透過率を上げて、前記選択した光源からの光線を前記スプリッタへと入射し、その他の箇所の画素は透過率を下げて遮光し、前記スプリッタは、前記入射した光線を前記受光器に導くことを特徴とする、受光装置を提供する。
また、本願の第３発明は、前記第２発明に記載の受光装置であって、前記受光器を複数設けるとともに、各受光器の手前に分光装置を設けて、前記光線を波長の異なる光線に分光しながら各受光器で受光することを特徴とする、受光装置を提供する。
また、本願の第４発明は、前記第１発明に記載の空間分割装置、もしくは前記第２発明または第３発明に記載の受光装置を少なくとも具備する、光通信装置を提供する。

本発明によれば、空間に存在する複数の通信装置のうち、任意の通信装置間での光通信が可能となると共に、従来のＤＭＤ方式に比べより多くの光量を確保し、かつノイズ除去に優れた空間分割装置、受光装置および光通信装置を提供することが可能となる。

本発明の通信装置の概要図。 本発明の空間分割装置の概要図。 空間分割装置にＤＭＤまたはＬＣＤを用いた場合の実験結果。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。

＜１＞全体構成
図１に、本発明の受光装置Ａの構成を示す。
本実施例に係る受光装置Ａは、光通信を行う為の光通信装置Ｃにおいて、受信側の機構として組み込まれる装置である。
従って、光通信装置Ａが、光通信の送受信を行う場合には、本発明に係る受光装置Ａと、その他の光通信装置Ｃへ光線を発する為の送信用光源Ｂを少なくとも備えた構成となる。
一方、光通信装置Ｃが光通信の受信側のみの機能を有する場合には、送信用光源Ｂを除き、受光装置Ａのみを備えた構成としてもよい。

＜２＞受光装置
本発明の受光装置Ａは、空間分割装置１０と、スプリッタ２０と、受光器３０と、を少なくとも備えて構成する。
その他、空間分割装置１０の手前に、光源からの光線を収束するためのレンズ４０や、ハーフミラー５０を設けることができる。
ハーフミラー５０は、ビームスプリッタと置き換えることもできる。
空間分割装置１０とスプリッタ２０との間には、集光レンズ６０を配置することもできる。
空間分割装置１０を除く各種の部材は、公知の部材を使用することができるため、詳細な説明を省略する。

＜３＞空間分割装置
空間分割装置１０は、入射した複数の光線のうち、任意の光線をスプリッタ２０に導く為の装置である。前記任意の光線とは、単数及び複数本の光線の何れをも含む意である。

空間分割装置１０の構成について説明する。
空間分割装置１０は、平面上に配置した複数の画素からなる液晶で構成する。
この複数の画素それぞれに対し、個別に透過率を制御することで、画素単位での光の透過／非透過を変更可能に構成する。
当該構成により、光線のスプリッタへの入光の有無を制御することができる。

［液晶の種類］
液晶は、ＳＴＮ液晶、アモルファス液晶、低温ポリシリコンまたは高温ポリシリコン透過型液晶などが選択可能である。
その中でも、従来のＤＭＤの走査性能（４０００ＦＰＳ）と光の反射性能（液晶の場合は透過性能）や、トランジスタの小型化、太陽光の赤外成分への耐久性などを踏まえると、走査性能（２００ＦＰＳ）に優れた、高温ポリシリコン透過型液晶が好適であった。

＜４＞原理
本発明の受光装置Ａを用いた通信原理について説明する。
図１では、自由空間内に、本発明の受光装置Ａと、その他の通信装置の送信側の光源Ｘ１〜Ｘ４が４つ存在している状態を示している。
各光源Ｘ１〜Ｘ４からの光線は、レンズ４０を介して、空間分割装置１０における投射平面上に向けられており、図２に示すように、空間分割装置１０の投射平面上には光源の数だけ光点Ｙ１〜Ｙ４が存在している。
上記Ｙ１〜Ｙ４の光源は光通信を行う場合、時分割、パルス幅変調、アナログ変調、マルチキャリア変調などのいずれかの変調手段により変調された光源を構成する。
このとき、例えば、光源Ｙ１からの光線のみを受光器３０側に送りたい場合には、当該光源による光点の位置に存する液晶の画素１１（制御対象の画素１２）についてスプリッタ２０へ入光するように透過率を上げ、その他の光源からの光線Ｙ２〜Ｙ４が投影されている部分の液晶の画素１１は、遮光するように透過率を下げれば良い。
このような制御を行うことで、複数の光源Ｙのうち、任意の光源Ｙの光線のみを受光器３０に導くことが可能となる。

＜５＞従来技術との比較
（１）光量の観点
特許文献１のように空間分割装置にＤＭＤを用いた場合、鏡と鏡の間にある空間が全体面積の３０％程度にも及んでいるため、光量が不足気味であるのに対し、本発明における液晶では画素間の隙間が狭く、全体面積の３％程度であったため、損失が小さく、十分な光量を得ることができた。
（２）ノイズ除去の観点
特許文献１のように空間分割装置にＤＭＤを用いた場合、制御対象以外の鏡も光線を不特定の箇所へ反射するため、光線の乱反射によってノイズが発生する可能性があったが、本発明における液晶では、透過したい光線以外の光線は、液晶の画素で遮断し、積極的に反射するものでは無いため、ノイズが発生しにくい、という効果が得られた。

図３に空間分割装置にＤＭＤを用いた場合と、ＬＣＤを用いた場合との実験結果を示す。
図３（ａ）は、距離１ｍで、ＤＭＤを用いたＤＬＰ面に全透過した場合の波形である。
図３（ｂ）は、距離２ｍで、ＤＭＤを用いたＤＬＰ面に全透過した場合の波形である。図３（ａ）と比較すると、外乱光の影響受け、波形が乱れている。
図３（ｃ）は、距離２ｍで、ＤＭＤを用いたＤＬＰ面で絞込みを行った場合の波形である。図３（ｂ）と比較すると外乱光の影響によるノイズは減るが、内乱反射により波形が乱れている。
図３（ｄ）は、距離２ｍで、ＬＣＤ面で絞込みを行った場合の波形である。図３（ｂ）または（ｃ）と比較すると、外乱光／内乱反射の影響は低減し、波形が再現されていることがわかる。

本発明では、複数の光線のうち、何れか複数の光線を同時に受光する構成も可能である。
例えば、図１，２に示すように、光源Ｘ１だけでなく、光源Ｘ４の光線も受光したい場合には、光点Ｙ４の位置にある液晶の画素１２も制御してスプリッタ２−へと入射し、複数設けておいた受光器３０の手前に波長選択板（ダイクロイックミラー）などの分光装置（図示せず）を設け、該分光装置で分光して、各光線を異なる受光器３０に振り分けるように構成することもできる。
前記分光装置は、波長の選択が可能であればその他公知の装置を用いることができ、回折格子やプリズムなどを使用できる。
このような構成とすれば、複数の光源から、波長の異なる光（赤、緑、青、紫外線、赤外線など）を発光させ、それらの光を同時に選択受光することができる。

その他、液晶の画素１１に投射される光線の強度を走査することで、空間分割装置１０の投射平面上における光点Ｙの位置がどちらの方向に遷移しているかを検知・予測することもできる。この方法を用いれば、光源Ｘを自動的に追尾しながらの受信作業も可能となる。

Ａ 受光装置
Ｂ 送信用光源
Ｃ 光通信装置
Ｘ 光源
Ｙ 交点
１０ 空間分割装置
１１ 液晶画素
１２ 制御対象の画素
２０ スプリッタ
３０ 受光器
４０ レンズ
５０ ハーフミラー
６０ 集光レンズ

Claims (4)

1. 受光器の手前に設ける空間分割装置であって、
   平面空間上に配置した液晶を少なくとも備え、
   前記液晶へと入射する複数の光線に対し、前記液晶の画素単位で透過率を変更することにより、前記受光器への導入の有無を切替え可能としたことを特徴とする、空間分割装置。
2. 複数の光源からの光線のうち、任意の光源からの光線を選択して受光可能な受光装置であって、
   請求項１に記載の空間分割装置と、スプリッタと、受光器と、を少なくとも備え、
   前記空間分割装置は、
   前記選択した光源からの光線が入射する箇所の液晶の画素の透過率を上げて、前記選択した光源からの光線を前記スプリッタへと入射し、その他の箇所の画素は透過率を下げて遮光し、
   前記スプリッタは、前記入射した光線を前記受光器に導くことを特徴とする、受光装置。
3. 請求項２に記載の受光装置であって、前記受光器を複数設けるとともに、各受光器の手前に分光装置を設けて、前記光線を波長の異なる光線に分光しながら各受光器で受光することを特徴とする、受光装置。
4. 請求項１に記載の空間分割装置、もしくは請求項２または３に記載の受光装置を少なくとも具備する、光通信装置。