JP3732578B2 - 光空間伝送装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、互いに離れた位置に配置される送信光学系及び受信光学系を備え、前記送信光学系と前記受信光学系との間で光ビームを用いて信号の送受信を行う光空間伝送装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光空間伝送装置は、映像、音声、データ信号、制御信号などを光ビームで伝送する通信装置であり、信号ケーブルを布設することなく通信路を開設することができるという利便性から、屋外、屋内を問わず、現在、様々な箇所に設置されている。
【０００３】
光空間伝送装置には、普通、光送信を行う送信光学系と、該送信光学系から出射された光ビームを受信する受信光学系が設けられており、これらの間で光信号の空間伝送が実施される。
【０００４】
この光空間伝送は、電波伝送や音波伝送と比較して、伝搬の直線性に優れているが、その鋭い指向性のために、伝送路中に障害物が侵入すると伝送の維持が困難になるという欠点もある。
【０００５】
図６に、従来から行われている最も単純な光空間伝送の様子を示す。
【０００６】
同図において、３０は、光ビームを出射する送信光学系で、４０は、通信相手となる受信光学系である。送信光学系３０は、レーザ光源３１と、レーザ光源３１から発せられた光に適切な発散角度を持たせる発散光発生レンズ３２とを有する。受信光学系４０は、受光レンズ４１と、受光レンズ４１で集光した光を受光する受光素子４２とを有する。
【０００７】
同図の光空間伝送方式の場合、伝送用に設けられた光路は、ただ１つであり、この光路に障害物が入ると、受光レンズ４１に障害物の影が現れ、光伝送が遮断される。
【０００８】
光空間伝送を行う距離は、屋外の場合、例えば１００メートルから１５００メートル程度であり、この場合、設置時の光軸調整や振動による光軸ズレ等を考慮して、受信光学系４０の手前でビーム径が１ｍ程度となるよう、送光ビームを意図的に広げて照射するが、受信光学系４０の受光レンズ４１は、普通、直径５ｃｍ程度であるため、送信光学系３０に近い位置では、侵入する障害物の大きさが小さくとも、同図に示すように受光レンズ４１に光が入射しないことになる。すなわち、屋外においては、鳥等の比較的大きな障害物は勿論のこと、昆虫や雪片なども障害物となってしまうのである。
【０００９】
このような通信障害を回避する手段としては、例えば、図７に示すような伝送方式も考えられる。
【００１０】
ここでは、送信光学系３０に、単一の光源３１と、光源３１から出射された光を平行化するコリメータレンズ３２と、コリメータレンズ３２の光軸と直交する面上に配置された負のパワーを持つ複数のレンズ素子３３ａから成るマルチアレイレンズ３３を設けている。負のパワーを持つとは、光を発散させる作用をするという意味である。具体的には、レンズが空気中にある場合、いわゆる凹レンズが発散レンズとなる。受信光学系４０では、各レンズ素子３３ａからの発散光が重なる領域に受光レンズ４１が配置されている。４２は、受光素子である。マルチアレイレンズ３３を構成するレンズ素子３３ａの数は、図８に示すように４個（２×２＝４）である。図８において、２点鎖線は、個々のレンズ素子３３ａが独立した円形レンズである場合の仮想的な輪郭を表している。
【００１１】
図７において、送信光学系３０と受信光学系４０は、互いに約１０００ｍ程度離れて配置されており、送信光学系３０のコリメータレンズ３２には、直径３ｃｍ〜１０ｃｍ程度のレンズを用いている。
【００１２】
そして、各レンズ素子３３ａは、入射した平行光を、受信光学系４０の手前で直径１ｍ程度になるように発散させる。受光レンズ４１は、各レンズ素子３３ａからの発散光の重なり部分に配置されているため、障害物が一つの有効ビームを遮ったとしても、その他の有効ビームが受光レンズ４１を介して受光素子４２に到達し、伝送は遮断されない。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７の光空間伝送方式の場合、マルチアレイレンズを用いて光を空間的に分割するため、合成光の強度分布がきれいなガウス分布にならず、図１０に示すように、中央部の光強度が落ちこんでしまう。送信光学系と受信光学系の双方向で光軸合わせをする場合、最大の強度が得られなければ、大気減衰量に対するマージンが減少してしまう。
【００１４】
このような問題点に鑑み、本発明の目的は、障害物による伝送路の遮断が回避され、しかも、信頼性の高いデータ通信が可能な光空間伝送装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、互いに離れた位置に配置される送信光学系及び受信光学系を備え、前記送信光学系と前記受信光学系との間で光ビームを用いて信号の送受信を行う光空間伝送装置において、
前記送信光学系は、
与えられた電気信号を光に変換する電気−光変換部と、
前記電気−光変換部から発せられた光を強度に関して分割して複数の光ビームを生成し、生成した複数の光ビームのそれぞれを前記受信光学系に向けて出射する光学系とを備え、
前記受信光学系は、
与えられた光を電気信号に変換する光−電気変換部と、
前記送信光学系から出射された各々の光ビームを前記光−電気変換部に集光する光学系とを備えたことを特徴とする光空間伝送装置が提供される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１７】
図１には、本実施形態の光空間伝送装置の全体構成が示されている。
【００１８】
この光空間伝送装置は、屋外又は屋内にて、互いに離れた位置に配置される２つの送受光器（送受光器１０、２０）を含んで構成される。送受光器１０及び送受光器２０は、それぞれ同一の内部構成を有しており、同図に示すように、互いに向いあった状態で光空間伝送を実施する。
【００１９】
送受光器１０は、図２に示すように、与えられた電気信号を光に変換する電気−光変換回路１１と、電気−光変換回路１１から発せられた光に適切な発散角度を持たせる送光レンズ１２と、３つのビームスプリッター（ビームスプリッター１３、１４、１５）と、受光面（図示省略）に照射された光を電気信号に変換する光−電気変換回路１７と、ビームスプリッター１４、１５を介して得られた、通信相手である送受光器２０からの光を光−電気変換回路１７の受光面に集光する受光レンズ１６とを備える。これらの構成要素のうち、送信光学系としてのみ用いられるものは、電気−光変換回路１１と送光レンズ１２であり、受信光学系としてのみ用いられるものは、受光レンズ１６と光−電気変換回路１７である。ビームスプリッター１３、１４、１５については、送信時、受信時のどちらにも用いられる。ビームスプリッター１３、１４、１５は、入射光を２つに分割する光学素子であり、本実施形態では、これらのビームスプリッタのそれぞれに半透明鏡を用いている。送光レンズ１２及び受光レンズ１６のそれぞれの直径は、およそ５ｃｍである。電気−光変換回路１１には、発光源として発光ダイオードが内蔵されている。この発光ダイオードから取り出された光は、送信データを示す変調信号による直接変調を受けている。なお、この出力光は、光軸に垂直な断面上の波動の振幅分布がガウス関数で表される、いわゆるガウスビームである。光−電気変換回路１７には、受光素子としてフォトダイオードが内蔵されている。
【００２０】
以上の構成については、送受光器２０についても同様であるため、対応する構成要素の番号を図２の各括弧内に示すことで、該送受光器２０についての説明は省略する。
【００２１】
続いて、本光空間伝送装置の具体的な動作について説明する。
【００２２】
なお、送受光器１０と送受光器２０との間では、双方向の光空間伝送が可能であるが、説明を簡単にするため、ここでは、送受光器１０から送受光器２０に向けてデータを送信する場合を例にとる。
【００２３】
送受光器１０内において、送受光器２０に送信すべきデータは、まず、電気信号として電気−光変換回路１１に入力される。電気−光変換回路１１は、この電気信号を光に変換する。電気−光変換回路１１から発せられた光は、送光レンズ１２に入射する。送光レンズ１２は、入射した光を発散光として出射する。発散光の広がり角度については、送光レンズ１２を光軸方向に移動させることで、任意に調節可能である。送光レンズ１２の移動は、図示しない操作部材で行う。送光レンズ１２から出射された出射光は、まず、ビームスプリッター１３で２つに分割される。具体的には、出射光の一部は、ビームスプリッター１３を透過して、送受光器２０に向い、残りは、ビームスプリッター１３で反射されてビームスプリッター１４に向う。ビームスプリッター１４では、入射した光の一部が透過し、残りが送受光器２０に向って反射される。ビームスプリッター１４を透過した光は、その一部がビームスプリッター１５で反射され、送受光器２０に向かう。同図において、ビームスプリッター１３、１４、１５から送受光器２０に向かう光ビームは、順に、送光ビームＡ、Ｂ、Ｃとして表されている。送光ビームＡ、Ｂ、Ｃが進行する様子は、図１にも示されている。送光ビームＡ、Ｂ、Ｃのそれぞれの広がり角度は、送光レンズ１２の光軸方向の位置を調節することで設定できる。なお、送受光器１０と送受光器２０との間隔（すなわち、伝送距離）は、屋外の場合、例えば１００メートルから１５００メートル程度であり、この場合、設置時の光軸調整や振動による光軸ズレ等を考慮して、受信光学系の手前でビーム径が１ｍ程度となるよう、各送光ビームを意図的に広げて照射する。
【００２４】
一方、送受光器１０では、これらの送光ビームをビームスプリッター２４、２５で受け入れる。なお、ビームスプリッター２３、２４、２５については、送光ビームＡ、Ｂ、Ｃが重なる領域にあらかじめ配置されている。ビームスプリッター２５は、自身に入射する受光ビームＡの一部をビームスプリッター２４に向けて反射する。この反射光の一部は、ビームスプリッター２４でさらに反射され、受光レンズ２６に向かって進行する。ビームスプリッター２４は、自身に入射する受光ビームＢの一部を透過させる。この透過光も、受光レンズ２６に向かって進行する。
【００２５】
ビームスプリッター２４から送られた反射光と透過光は、ともに受光レンズ２６に入射し、この受光レンズ２６を通過することで光−電気変換回路２７の受光面に集光する。光−電気変換回路２７では、照射された光が電気信号に変換される。この電気信号は、その後、例えば、図示省略した処理装置で画像、音声、各種データとして出力される。
【００２６】
以上、本実施形態の光空間伝送装置の構成及び動作について説明したが、本光空間伝送装置によれば、送信光学系の近傍において複数の有効ビームが存在するため、図３に示すように、この近傍領域に小さな障害物（雪、昆虫等）が侵入しても、通信が遮断されるようなことがない。また、受信光学系の近傍においては、複数の有効ビームが互いに重なり合っているため、この近傍領域に比較的大きな障害物（鳥等）が侵入しても、通信が遮断されるようなことはない。
【００２７】
一方、従来の光空間伝送装置では、有効ビームが一本であるため、図９に示すような障害物の侵入により、通信が簡単に遮断されてしまう。
【００２８】
また、本実施形態の光空間伝送装置において、送光レンズ１２から出射された光は、ビームスプリッター１３、１４、１５で強度に関して分割され、分割された各々の光は、光空間伝送路にて合成される。すなわち、本実施形態で使用する光ビームは、強度に関して分割、合成されるため、図４に示すように、分割前の光の強度分布と、合成後の光の強度分布が、その分布曲線の形状においてほぼ相似形状となる。
【００２９】
一方、マルチアレイレンズを用いた従来の光空間伝送装置では、光を空間的に分割するため、図１０に示すように、合成光の強度分布がきれいなガウス分布にならず、中央部の光強度が落ちこんでしまう。送信光学系と受信光学系の双方向で光軸合わせをする場合、最大の強度が得られなければ、大気減衰量に対するマージンが低下してしまう。
【００３０】
また、本実施形態の光空間伝送装置によれば、送光ビームの広がり角を送光レンズ１２（２２）によって調整することができる。送受光器１０と送受光器２０との間の伝送距離は、目的に応じて様々であるが、いずれにしても、受光用のビームスプリッターは、各送光ビームが重なる領域に配置する必要があるので、このようなビーム広がり角調整は必須である。なお、本実施形態のビーム広がり角調整では、図５に示すように、各ビームによるオーバラップ領域の面積が変化しない。したがって、送受光器１０と送受光器２０とのアライメント調整を容易に行うことができる。
【００３１】
一方、マルチアレイレンズを用いた従来の光空間伝送装置では、光を空間的に分割しているため、図１１に示すように送光レンズ３２の位置調整を行ったとしても、各ビームのオーバッラップ領域は変化してしまう。すなわち、この光空間伝送装置では、所定の伝送距離で所定の大きさのオーバラップ領域を確保しようとした場合、それに見合ったマルチアイレンズを用意するしかない。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の光空間伝送装置によれば、送信光学系から複数の光ビームが出射されるため、これらの光ビームのうちの一部が障害物に遮られても、残りの光ビームによるデータ伝送が可能となる。
【００３３】
また、送光ビームの分割のみでなく、受光経路も分割しているため、比較的大きな障害物で一つの受光経路が遮られても、残りの受光経路による伝送が可能となる。
【００３４】
また、本発明の光空間伝送装置によれば、電気−光変換部から発せられた光を強度に関して分割して複数の光ビームを生成し、これらの光は、その後、光空間伝送路で合成されるため、合成後の光の強度分布に凹凸が生じず、信頼性のあるデータ伝送が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光空間伝送装置の一実施形態の全体構成を示す構成図。
【図２】図１の光空間伝送装置を構成する送受光器の内部の様子を示す説明図。
【図３】図１の光空間伝送装置で発生させた有効ビームと、障害物との関係を表した説明図。
【図４】図１の光空間伝送装置で発生させた有効ビームの分割前、分割後、合成後における光強度分布を表した説明図。
【図５】図１の光空間伝送装置で発生させた有効ビームの広がり角を調整した場合のオーバーラップ領域の変化の様子を表した説明図。
【図６】従来の光空間伝送装置の光学系を示した説明図。
【図７】マルチアレイレンズを用いた光空間伝送装置の一例を示した説明図。
【図８】図７の光空間伝送装置のマルチアレイレンズの構成を示した説明図。
【図９】従来の光空間伝送装置で発生させた有効ビームと、障害物との関係を表した説明図。
【図１０】図７の光空間伝送装置で発生させた有効ビームの分割前、分割後、合成後における光強度分布を表した説明図。
【図１１】図７の光空間伝送装置で発生させた有効ビームの広がり角を調整した場合のオーバーラップ領域の変化の様子を表した説明図。
【符号の説明】
１０、２０：送受光器、
１１、２１：電気−光変換回路、
１２、２２、３２：送光レンズ、
１３、１４、１５、２３、２４、２５：ビームスプリッタ、
１６、２６、４１：受光レンズ、
１７、２７：光−電気変換回路、
３０：送信光学系、
３１：光源、
３３：マルチアレイレンズ、
４０、受信光学系、
４２：受光素子、
５０：障害物

Claims (3)

1. 互いに離れた位置に配置される送信光学系及び受信光学系を備え、前記送信光学系と前記受信光学系との間で光ビームを用いて信号の送受信を行う光空間伝送装置において、
   前記送信光学系は、
   与えられた電気信号を光に変換する一系統の電気−光変換部と、
   前記電気−光変換部から発せられた光を強度に関して分割して複数の光ビームを生成し、生成した複数の光ビームのそれぞれを前記受信光学系に向けて出射する光学系とを備え、
   前記受信光学系は、
   与えられた光を電気信号に変換する光−電気変換部と、
   前記送信光学系から出射された各々の光ビームを前記光−電気変換部に集光する光学系とを備えたこと
   を特徴とする光空間伝送装置。
2. 互いに離れた位置に配置される送信光学系及び受信光学系を備え、前記送信光学系と前記受信光学系との間で光ビームを用いて信号の送受信を行う光空間伝送装置において、
   前記送信光学系は、
   与えられた電気信号を光に変換する電気―光変換部と、
   前記電気―光変換部から発せられた光を前記受信光学系に向けて出射する光学系とを備え、
   前記受信光学系は、
   与えられた光を電気信号に変換する一系統の光−電気変換部と、
   相手先通信装置の一つの前記送信光学系から出射された光ビームの一部を光ビームスポット面上の異なる複数の位置で受光し、前記複数の位置で受光した光ビームそれぞれを反射および/または透過により前記一系統の光−電気変換部に同軸で集光する光学系とを備えること、
   を特徴とする光空間伝送装置。
3. 互いに離れた位置で双方向の光空間伝送を行う２つの送受光器を有する光空間伝送装置において、
   前記２つの送受光器のそれぞれは、
   与えられた電気信号を光に変換する一系統の電気−光変換部と、
   与えられた光を電気信号に変換する一系統の光−電気変換部と、を備え、
   前記一系統の電気−光変換部から発せられた光を強度に関して分割して複数の光ビームを生成し、生成した複数の光ビームのそれぞれを相手先通信装置である送受光器に向けて出射すると共に、相手先通信装置の送受光器から出射された光ビームの一部を光ビームスポット面上の異なる複数の位置で受光し、前記複数の位置で受光した光ビームそれぞれを反射および/または透過により前記一系統の光−電気変換部に集光すること
   を特徴とする光空間伝送装置。

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