JP3774768B2 - 光通信用送信装置およびコリメータレンズ - Google Patents
光通信用送信装置およびコリメータレンズ Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、指向性の高い光によって自由空間を介して通信を行う光通信の送信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自由空間を介して光通信を行う通信システムには、指向性の低い発散光を用いるものと、指向性の高い平行光を用いるものがある。前者は、送信側の装置と受信側の装置との相対的な向きに制約が少ないという特長を有する一方で、光の利用効率が低いため、Ｓ／Ｎ比が悪く、通信速度が低い。このため、例えば家電製品の遠隔操作のように、通信量が少ないシステムに採用される。後者は、ほとんど全ての光を通信に利用することができて、Ｓ／Ｎ比がよく、通信速度は高い。このため、複数のパーソナルコンピュータから成るローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）で採用されつつある。
【０００３】
しかしながら、指向性の高い光を用いる従来の通信システムでは、送信側の装置の送信部と受信側の装置の受信部を対向させて配置しており、その向きの設定に時間を要していた。この時間を短縮するための提案もいくつかなされている。例えば、特開２０００−２８６７９９号公報では、双方向通信を行う送受信装置において、送受信部を直交する２方向に回動可能にするとともに、送受信部に多数のコーナーキューブを設けて、一方の装置からサーチ光を射出し、他方の装置のコーナーキューブで再帰反射された光を検出することにより、送受信部の適切な向きを求めることが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２８６７９９号公報
【０００５】
このように送受信部の向きを可変とすると、向きの設定に要する時間を短縮させることができるだけでなく、１つの装置から複数の装置への送信も可能となり、ＬＡＮに好適な送受信装置となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記公報では、送信部を光源とその光を平行光とする放物面リフレクタで構成し、受信部を光を検出するセンサとセンサ上に光を集める放物面リフレクタで構成しているため、小型化は難しい。また、送受信部全体を回動させるため、大きな駆動力が必要である上、高速での回動も困難である。
【０００７】
近年、反射面上の一点を中心として互いに直交する２方向に回動可能で、ＭＥＭＳ（Micro-Electro Mechanical Systems）によって駆動される小型のミラーが開発され、高速に向きを変え得る光学部材として注目されている。このＭＥＭＳミラーを送信部の光路上に備えて射出する光の方向を変化させるようにすれば、送信部全体を回動させる必要がなくなって、送信装置の小型化が可能になり、また、光の射出方向の高速な変化も可能になる。
【０００８】
ただし、光源からの光を平行光とし、その平行光の光路上にＭＥＭＳミラーを配置するのでは、ミラーの大きさを平行光の光束径以下にすることはできず、小型化に限界が生じるとともに、光の射出方向を変化させる速度も遅くなる。また、ミラーの向きのみによって平行光の射出方向を変えようとすると、射出方向が変化する角度はミラーの回動角の２倍に限られてしまい、射出方向をあまり大きく変化させることはできない。
【０００９】
本発明は、平行光の射出方向を高速にかつ大きく変化させることが可能な送信装置、および、これに適したコリメータレンズを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、指向性の高い光によって自由空間を介して通信を行う光通信の送信装置において、光源と、光源からの光を収束光とする集光レンズと、集光レンズからの収束光を反射するとともに、光を反射する面上の一点を中心として互いに直交する２方向に回動して、反射後の光の方向を変化させるミラーと、ミラーの回動中心を通る光軸を有し、ミラーからの収束光を受けて収束後の光を略平行な光として射出するとともに、射出する光の方向の変化量をミラーからの光の方向の変化量よりも大きくするコリメータレンズと、を備え、ミラーからの光の中心の光線がコリメータレンズの光軸に一致している状態からミラーを角θ M1 だけ回動させたときに、コリメータレンズが射出する略平行な光がコリメータレンズの光軸と成す角θ B1 は、近似的に次の式 (1A) で表される構成とする。更に好ましくは、コリメータレンズに射出側から平行光を入射させたときに生じる結像面の形状に、前記収束光の収束面の形状が近づくように、コリメータレンズはミラーからの光が最初に透過する面で収束面の湾曲の符号を反転させる構成とする。
θ B1 ≒２・ｒ 1 ・θ M1 ／ｆ … (1A)
ここで、
ｒ 1 ：ミラーの回動中心から空中に形成される光源像までの距離 ( ただし、レンズの内部で光を収束させる設定では、レンズが存在しないとした場合のものである。 ) 、
ｆ：コリメータレンズの焦点距離、
である。
【００１１】
この送信装置では、光源からの光を収束光としてコリメータレンズに導き、コリメータレンズに向かう収束光の方向をミラーによって変化させる。ミラーは反射面上の一点を中心として直交する２方向に回動可能であるから、コリメータレンズに向かう光を任意の方向に変化させることができる。コリメータレンズは、ミラーからの収束光を、その方向にかかわらず、略平行な光とする。
【００１２】
ミラーからの光の方向が変化するとコリメータレンズが略平行にした光の方向も変化するが、コリメータレンズは射出する光の方向の変化量をミラーからの光の方向の変化量よりも大きくする。したがって、射出する略平行な光の方向の変化量は、ミラーの回動角の２倍を超える。ミラーは、収束しつつある光を反射するため、コリメータレンズが略平行にした後の光の光束径よりも小さくすることが可能である。また、コリメータレンズが略平行にした光の光束径がミラーの大きさによって制約されることもない。
【００１３】
ここで、コリメータレンズが、ミラーからの光の中心の光線と光軸との成す角が所定値以下の範囲内で、ミラーからの光の方向の変化量に対する射出する光の方向の変化量の比を略一定にするようにするとよい。方向の変化量の比が一定であれば、射出する略平行な光の方向の変化量がミラーの回動角に比例することになり、所望の方向に光を射出するためのミラーの制御が容易になる。
【００１４】
前記目的を達成するために、本発明ではまた、収束光を略平行な光とする軸対称なコリメータレンズにおいて、光軸上の一点を中心とする球面上に収束する方向可変の収束光を受けて、収束後の光を略平行な光として射出するとともに、射出する光の方向の変化量を受ける光の方向の変化量よりも大きくする構成とし、収束光の中心の光線がコリメータレンズの光軸に一致している状態から、収束光の方向を前記光軸上の一点を中心として角θ M2 だけ変化させたときに、射出する略平行な光が光軸と成す角θ B2 は、近似的に次の式 (1B) で表されるものとする。このコリメータレンズを備えることで、上述の送信装置が実現される。更に好ましくは、回動するミラーが反射した収束光を略平行な光とする軸対称なコリメータレンズにおいて、このコリメータレンズに射出側から平行光を入射させたときに生じる結像面の形状に、前記収束光の収束面の形状が近づくように、ミラーからの光が最初に透過する面で収束面の湾曲の符号を反転させる構成とする。
θ B2 ≒２・ｒ 2 ・θ M2 ／ｆ … (1B)
ここで、
ｒ 2 ：光が収束する球面の曲率半径 ( ただし、レンズの内部で光を収束させる設定では、レンズが存在しないとした場合のものである。 ) 、
ｆ：コリメータレンズの焦点距離、
である。
【００１５】
ここで、受ける光の中心の光線と光軸との成す角が所定値以下の範囲内で、受ける光の方向の変化量に対する射出する光の方向の変化量の比を略一定にするようにするとよい。射出する光の方向の制御が容易になる。
【００１６】
また、２枚のレンズで構成し、光を最初に受けるレンズの内部または直前において光を収束させるようにするとよい。この構成では、収束後の光を略平行な光とするために３つまたは４つの面を利用することができて、射出する略平行な光の方向を大きく変化させるための設計の自由度が高い。受ける光をレンズの内部で収束させる設定では、光が収束する面の形状を最初に光が透過する面によって球面から変化させることが可能であり、これにより、レンズの直前で収束させる設定と同様に、射出する光の方向を大きく変化させることができる。また、構成レンズを２枚に限ることで、大型化が避けられる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態の送受信装置について図面を参照しながら説明する。図１に、本実施形態の送受信装置１を含む光通信システム３の構成を模式的に示す。各送受信装置１は、略平行な光に情報を担持させて送出する送信部と、情報を担持した略平行な光を受けてその情報を取得する受信部より成り、屋内に配置されてＬＡＮを形成している。いくつかの送受信装置１は、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置２に接続または内蔵されており、他の送受信装置１は、単独で配設されている。単独の送受信装置１は、例えば天井に取り付けられて、情報処理装置２に接続または内蔵されている送受信装置１間の通信の中継を行う。
【００１８】
送受信装置１の送信部の光学構成を図２に示す。送信部は、光源１１、光源１１からの光を結像させて光源像を形成するリレーレンズ１２、リレーレンズ１２からの光を反射するミラー１３、およびミラー１３からの光を略平行な光として射出するコリメータレンズ１４より成る。光源１１としては、波長８５０ｎｍの赤外光を発する面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）を用いている。
【００１９】
リレーレンズ１２は、２つのレンズ１２ａ、１２ｂより成り、光源１１の各点からの光を収束光とする集光レンズとしても機能する。レンズ１２ａは光源１１の各点からの発散光を平行光とし、レンズ１２ｂはその平行光を収束光とする。なお、リレーレンズ１２として単一のレンズを用いてもよい。
【００２０】
ミラー１３は、リレーレンズ１２とリレーレンズ１２からの光の収束位置（結像位置）との間に配置されており、リレーレンズ１２からの収束しつつある光を反射する。ミラー１３は、光を反射する面上の一点を中心に、互いに直交する２方向に回動可能であり、その回動中心がリレーレンズ１２の光軸上に位置するように配置されている。ミラー１３としては、回動を高速に行い得るＭＥＭＳミラーを用いている。
【００２１】
コリメータレンズ１４は２つのレンズ１４ａ、１４ｂから成り、その光軸Ａｘはミラー１３の回動中心を通る。コリメータレンズ１４は、ミラー１３からの光を最初に受けるレンズ１４ａの内部または直前でミラー１４ａからの光を収束（結像）させ、光が発散光となった状態で略平行な光とする。
【００２２】
ミラー１３の回動によりコリメータレンズ１４に向かうミラー１３からの光の方向は変化するが、コリメータレンズ１４は、ミラー１３からの光の方向にかかわらず、その光を略平行な光とする。ミラー１３が回動すると、レンズ１４ａの内部または直前に形成される光源像は移動し、移動する光源像からの光によって空間が走査されることになる。
【００２３】
送受信装置１の回路構成を図３に模式的に示す。送受信装置１は、情報送信のために、前述の光源１１、ミラー１３等のほか、パラレル／シリアル変換回路１５、符号化回路１６、光源駆動回路１７、ミラー制御回路１８、およびミラー駆動回路１９を備えている。パラレル／シリアル変換回路１５は、パラレル信号として与えられるデジタルの送信データをシリアル信号に変換し、符号化回路１６は、シリアル信号とされた送信データを符号化する。光源駆動回路１７は、符号化された送信データに基づいて、光源１１の発光と非発光の状態を切り替える。
【００２４】
ミラー制御回路１８は、コリメータレンズ１４が射出する略平行な光が送信先の送受信装置１に向かうように、ミラー駆動回路１９を介して、ミラー１３の向きを制御する。ミラー駆動回路１９は、ミラー制御回路１８からの指示に応じて、直交する２方向（ｘ、ｙ方向）にミラーを回動させる。
【００２５】
送受信装置１は、情報受信のために、光センサ２１、センサ駆動回路２２、増幅回路２３、デジタル化回路２４、復号化回路２５、およびシリアル／パラレル変換回路２６を備えている。光センサ２１は、波長選択フィルタを備えており、波長８５０ｎｍ程度の赤外光に感度を有し、可視光には感応しない。センサ駆動回路２２は光センサ２１を駆動し、増幅回路２３は光センサ２１の出力信号を増幅する。デジタル化回路２４は、増幅回路２３からアナログ信号として与えられる光センサ２１の出力信号をデジタル信号に変換し、復号化回路２５はそのデジタル信号を復号化する。シリアル／パラレル変換回路２６はシリアル信号となっている復号化回路２５からのデジタル信号をパラレル信号に変換する。
【００２６】
送受信装置１はまた、全体を制御する制御部１０を有する。制御部１０はマイクロコンピュータやＡＳＩＣ（特定用途向けＩＣ）等で構成されており、演算、記憶等の機能を有する。前述の情報処理装置２に接続または内蔵されている送受信装置１では、制御部１０は、送信データを情報処理装置２から得てパラレル／シリアル変換回路１５に与え、シリアル／パラレル変換回路２６からの受信データを情報処理装置２に与える。通信の中継を行う独立の送受信装置１では、制御部１０は、シリアル／パラレル変換回路２６からの受信データをパラレル／シリアル変換回路１５に与える。
【００２７】
制御部１０は略平行な光の射出方向の制御も司る。この制御はミラー制御回路１８を介して行われる。制御部１０は、送受信装置１の初期設定時に、略平行な光の射出方向を変化させて射出した光によって空間を走査し、その光を受けた他の送受信装置１の受光強度が最大になる方向を、その送受信装置１に対する光の射出方向として記憶しておく。通信の中継を行う送受信装置１の制御部１０は、複数の送受信装置１に対する光の射出方向を記憶しており、送信先の送受信装置１に応じて略平行な光の射出方向を切り替える。
【００２８】
送信部のコリメータレンズ１４について説明する。ミラー１３の回動によりミラー１３からの光の方向が変化すると、コリメータレンズ１４が射出する略平行な光の方向も変化する。ミラー１３からの光の中心の光線がコリメータレンズ１４の光軸Ａｘに一致している状態からミラーを角θMだけ回動させたときに（図２参照）、コリメータレンズ１４が射出する略平行な光がコリメータレンズ１４の光軸Ａｘと成す角θBは、近似的に次の式１で表される。
【００２９】
θB≒２・ｒ・θM／ｆ … 式１
ここで、ｒは、光が収束する球面の曲率半径、すなわちミラー１３の回動中心から空中に形成される光源像までの距離であり、レンズ１４ａの内部で光を収束させる設定では、レンズ１４ａが存在しないとした場合のものである。ｆは、コリメータレンズ１４の焦点距離である。
【００３０】
式１は角θBが角θMに略比例することを表している。また、例えば、ｒ＝３ｍｍ、ｆ＝２ｍｍとすると、θB＝３・θMとなって、ミラー１３からの光の中心の光線がコリメータレンズ１４の光軸Ａｘと成す角（２・θM）よりも大きくなる。送受信装置１では、これを利用して、ミラー１３からコリメータレンズ１４に向かう光の方向の変化量よりも、射出する略平行な光の方向の変化量を大きくするとともに、前者に対する後者の比を略一定とする。
【００３１】
以下、コリメータレンズ１４の設計例をいくつか示す。なお、各設計例において、非球面は次の式２で定義している。
ここで、ｚは光軸方向のサグ、ｒは光軸からの距離、Ｒは曲率半径、Ａ2〜Ａ10は偶数（２〜１０）次の非球面係数である。
【００３２】
＜設計例１＞
設計例１のコリメータレンズ１４の形状を図４に示し、諸パラメータを下記に掲げる。本設計例では、ミラー１３からの光はレンズ１４ａの内部で収束する。
【００３３】
【００３４】
なお、Ｆ数の１．０４という値は焦点距離と有効直径から求まる値であり、有効直径内の一部分を通る実際の光に対するＦ数は、括弧内に記したように２．８６である。
【００３５】
上記設計例１のコリメータレンズ１４を含む送信部の光学系全体の設計例を図５に示す。本設計例では、リレーレンズ１２の光軸とコリメータレンズ１４の光軸Ａｘを直交させて、これらの光軸に対して４５゜の角度を成す方向をミラー１３の基準方向として、基準方向を中心にミラー１３を回動させるようにしている。光源１１の大きさ（キャビティサイズ）は１５μｍ、その光の放射角は２０゜（全角）、波長は前述のように８５０ｎｍである。また、リレーレンズ１２は焦点距離３ｍｍの薄肉理想レンズとしている。なお、図５には、コリメータレンズ１４の鏡胴とその寸法も示した。
【００３６】
ミラー１３からコリメータレンズ１４に向かう光の中心の光線とコリメータレンズ１４の光軸Ａｘの成す角が０゜のとき、つまりミラー１３が基準方向を向いているときの、コリメータレンズ１４が射出する光の放射角は２．８５×１０-3゜（全角）である。ミラー１３の基準方向からの回動角θMと、コリメータレンズ１４が射出する略平行な光の偏向角（中心の光線とコリメータレンズ１４の光軸Ａｘの成す角）θBの関係を図６に示す。ミラー１３の回動角θMが５．５゜程度になるまで、偏向角θBは回動角θMに略比例しており、その比例係数は３である。すなわち、コリメータレンズ１４は、射出する略平行な光の方向の変動量をミラー１３からの光の方向の変化量の１．５倍にしている。
【００３７】
コリメータレンズ１４の射出面（第４面）Ｓ４からの距離が２ｍの平面上での略平行な光の光束径は、ミラー１３の回動角θMが０゜、１゜、２゜、３゜、４゜、５゜のとき、それぞれ３．７ｍｍ、３．６ｍｍ、３．６ｍｍ、４．３ｍｍ、５．８ｍｍ、１１．７ｍｍである。コリメータレンズ１４が射出する光のスポットダイアグラムを図７に示す。これは、上記平面上に焦点距離３ｍｍの撮像レンズを配置して、略平行な光を結像させて得たものである。
【００３８】
＜設計例２＞
設計例２のコリメータレンズ１４の形状を図８に示し、諸パラメータを下記に掲げる。本設計例でも、ミラー１３からの光はレンズ１４ａの内部で収束する。
【００３９】
【００４０】
本設計例では、ミラー１３からの光が最初に透過するレンズ１４ａの面Ｓ１も非球面としている。射出する略平行な光の偏向角θBは、設計例１と同様に、ミラー１３の回動角θMが５゜程度になるまで回動角θMに略比例しており、その比例係数は３である。コリメータレンズ１４の射出面Ｓ４からの距離が２ｍの平面上での略平行な光の光束径は、４〜６ｍｍである。撮像レンズを用いて前述のようにして得たスポットダイアグラムを図９に示す。
【００４１】
＜設計例３＞
設計例３のコリメータレンズ１４の形状を図１０に示し、諸パラメータを下記に掲げる。本設計例では、ミラー１３からの光はレンズ１４ａの直前、すなわち第１面Ｓ１の近傍の空中で収束する。
【００４２】
【００４３】
本設計例では、硝材としてＰＭＭＡ（屈折率１．４９）よりも屈折率の大きいＳ−ＴＩＨ５３（屈折率１．８３）を用いている。また、射出する略平行な光の偏向角θBとミラー１３の回動角θMが比例関係を有する範囲を、設計例１や設計例２の約１．５倍としている。すなわち、回動角θMが７．５゜を超えるまで偏向角θBは回動角θMに略比例する。その比例係数は３であり、偏向角θBの最大値は２２．５゜以上である。コリメータレンズ１４の射出面Ｓ４からの距離が２ｍの平面上での略平行な光の光束径は、４〜１０ｍｍである。撮像レンズを用いて前述のようにして得たスポットダイアグラムを図１１に示す。
【００４４】
前述のように、コリメータレンズ１４は、ミラー１３からの光を最初に受けるレンズ１４ａの内部または直前でミラー１３からの収束光を収束させ、発散光となった状態で略平行な光とする。設計例３のようにレンズ１４ａの直前で光を収束させる場合、および、設計例１や設計例２のようにレンズ１４ａの内部で光を収束させる場合のいずれも、平行化に関与するのは、主として面Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の３つである。レンズ１４ａの内部で光を収束させる設計例１、設計例２では、ミラー１３からの光が最初に透過する面Ｓ１は、レンズ１４ａが存在しなければ球面となるミラー１３からの収束光の収束面（各収束点を連ねた面）を、面Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４による光の平行化に適する形状にする機能を有する。この点について説明する。
【００４５】
設定例１のコリメータレンズ１４を例にとって、図１２に、面Ｓ１を透過してレンズ１４ａ内で収束するミラー１３からの光の収束面（曲線Ａ）、コリメータレンズ１４の射出瞳を通って逆方向（レンズ１４ｂの面Ｓ４側）から入射する光の結像面（曲線Ｂ）、および、レンズ１４ａが存在しない場合のミラー１３からの光の収束面（曲線Ｃ）、を示す。図１２において、縦軸（ｙ軸）は光軸からの距離を表し、横軸（ｚ軸）は光軸Ａｘに平行な方向の距離を表す。なお、レンズ１４ａが存在しない場合のミラー１３からの光の収束面Ｃは、実際は光軸（ｚ軸）方向にシフトしているが、ここではレンズ１４ａ内の収束面Ａと原点を一致させて表している。レンズ１４ａ内の収束面Ａと逆方向から入射する光の結像面Ｂとは原点が一致している。
【００４６】
一般に、レンズによって光を結像させる場合、結像面には像面湾曲が生じる。図１２においても、結像面Ｂは湾曲している。ところが、結像面Ｂの湾曲とレンズ１４ａがない場合のミラー１３からの光の収束面Ｃ（球面）の湾曲とは符号が逆であり、結像面Ｂと収束面Ｃには大きな形状差がある。このため、仮にレンズ１４ａの面Ｓ１を平面とすると、収束面Ａの形状は収束面Ｃの形状からあまり変化せず、偏向角θBが非常に狭い範囲でしか略平行な光を得ることができなくなる。
【００４７】
図１２より明らかなように、面Ｓ１は収束面Ａの湾曲の符号を収束面Ｃの湾曲の符号から反転させている。これにより、収束面Ａの形状が結像面Ｂの形状に近づき、広い偏向角θBにわたって平行光にきわめて近い光を得ることが可能になっている。
【００４８】
レンズ１４ａの直前で光を収束させる設計例３では、逆方向から入射する光の結像面Ｂはレンズ１４ａの外部（面Ｓ１の近傍）に位置する。面Ｓ１は、結像面Ｂの湾曲の符号を収束面Ｃの湾曲の符号と同じにして、結像面Ｂと収束面Ｃの形状差を小さく機能を有する。
【００４９】
光の収束位置をレンズ１４ａの内部としてもレンズ１４ａの直前としても、射出側から見た光源像が実像になるか虚像になるかの違いがあるだけで、コリメータレンズ１４の光学特性に本質的な差異は生じない。用いる硝材の屈折率に応じて、設計の容易な方を採用すればよい。
【００５０】
なお、コリメータレンズ１４を構成するレンズの数を３以上とすれば、射出する略平行な光の偏向角θBを一層大きくすることができる。ただし、構成レンズ数を増すほどコリメータレンズ１４は大型化するから、移動式の送受信装置では、上記の各設計例のように、コリメータレンズ１４を２つのレンズで構成するのが望ましい。
【００５１】
また、本実施形態では、光の射出方向を高速で変化させるためにミラー１３としてＭＥＭＳミラーを用いたが、ミラーの駆動方式はこれに限定されるものではない。光源１１についても、レーザに限定されるものではなく、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の他の種類を用いてかまわない。
【００５２】
【発明の効果】
指向性の高い光によって自由空間を介して通信を行う光通信の送信装置において、本発明のように、光源と、光源からの光を収束光とする集光レンズと、集光レンズからの収束光を反射するとともに、光を反射する面上の一点を中心として互いに直交する２方向に回動して、反射後の光の方向を変化させるミラーと、ミラーの回動中心を通る光軸を有し、ミラーからの収束光を受けて収束後の光を略平行な光として射出するとともに、射出する光の方向の変化量をミラーからの光の方向の変化量よりも大きくするコリメータレンズと、を備え、ミラーからの光の中心の光線がコリメータレンズの光軸に一致している状態からミラーを角θ M1 だけ回動させたときに、コリメータレンズが射出する略平行な光がコリメータレンズの光軸と成す角θ B1 は、近似的に前記式 (1A) で表されるようにすると、ミラーを小さくすることができて、射出する略平行な光の方向を高速に変化させることが可能になる上、射出する光の方向をミラーの回動角の２倍を超えて変化させることができる。
【００５３】
コリメータレンズが、ミラーからの光の中心の光線と光軸との成す角が所定値以下の範囲内で、ミラーからの光の方向の変化量に対する射出する光の方向の変化量の比を略一定にするようにすると、所望の方向に光を射出するためのミラーの制御が容易になる。
【００５４】
収束光を略平行な光とする軸対称なコリメータレンズにおいて、本発明のように、光軸上の一点を中心とする球面上に収束する方向可変の収束光を受けて、収束後の光を略平行な光として射出するとともに、射出する光の方向の変化量を受ける光の方向の変化量よりも大きくするようにし、収束光の中心の光線がコリメータレンズの光軸に一致している状態から、収束光の方向を前記光軸上の一点を中心として角θ M2 だけ変化させたときに、射出する略平行な光が光軸と成す角θ B2 は、近似的に前記式 (1B) で表されるものとすると、指向性の高い光で通信を行う送信装置に好適なコリメータレンズとなる。
【００５５】
受ける光の中心の光線と光軸との成す角が所定値以下の範囲内で、受ける光の方向の変化量に対する射出する光の方向の変化量の比を略一定にするようにすると、射出する光の方向の制御が容易になる。
【００５６】
２枚のレンズで構成し、光を最初に受けるレンズの内部または直前において光を収束させるようにすると、射出する略平行な光の方向を大きく変化させるための設計の自由度が高い上、大型化も避けられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態の送受信装置を含む光通信システムの構成をに模式的に示す図。
【図２】 送受信装置の送信部の光学構成を示す図。
【図３】 送受信装置の回路構成を模式的に示す図。
【図４】 送受信装置の送信部が備えるコリメータレンズの一設計例の断面図。
【図５】 送受信装置の送信部の光学系全体の設計例を示す図。
【図６】 送受信装置の送信部が備えるミラーの回動角と図４のコリメータレンズが射出する略平行な光の偏向角の関係を示す図。
【図７】 図４のコリメータレンズが射出する光のスポットダイアグラム。
【図８】 送受信装置の送信部が備えるコリメータレンズの他の設計例の断面図。
【図９】 図８のコリメータレンズが射出する光のスポットダイアグラム。
【図１０】 送受信装置の送信部が備えるコリメータレンズの他の設計例の断面図。
【図１１】 図１０のコリメータレンズが射出する光のスポットダイアグラム。
【図１２】 図４のコリメータレンズの第１面によるミラーからの光の収束面の変化を示す図。
【符号の説明】
１ 送受信装置
２ 情報処理装置
３ 光通信システム
１０ 制御部
１１ 光源
１２ リレーレンズ
１２ａ、１２ｂ レンズ
１３ ミラー
１４ コリメータレンズ
１４ａ、１４ｂ レンズ
１５ パラレル／シリアル変換回路
１６ 符号化回路
１７ 光源駆動回路
１８ ミラー制御回路
１９ ミラー駆動回路
２１ 光センサ
２２ センサ駆動回路
２３ 増幅回路
２４ デジタル化回路
２５ 復号化回路
２６ シリアル／パラレル変換回路
Ｓ１〜Ｓ４ コリメータレンズ面
【発明の属する技術分野】
本発明は、指向性の高い光によって自由空間を介して通信を行う光通信の送信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自由空間を介して光通信を行う通信システムには、指向性の低い発散光を用いるものと、指向性の高い平行光を用いるものがある。前者は、送信側の装置と受信側の装置との相対的な向きに制約が少ないという特長を有する一方で、光の利用効率が低いため、Ｓ／Ｎ比が悪く、通信速度が低い。このため、例えば家電製品の遠隔操作のように、通信量が少ないシステムに採用される。後者は、ほとんど全ての光を通信に利用することができて、Ｓ／Ｎ比がよく、通信速度は高い。このため、複数のパーソナルコンピュータから成るローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）で採用されつつある。
【０００３】
しかしながら、指向性の高い光を用いる従来の通信システムでは、送信側の装置の送信部と受信側の装置の受信部を対向させて配置しており、その向きの設定に時間を要していた。この時間を短縮するための提案もいくつかなされている。例えば、特開２０００−２８６７９９号公報では、双方向通信を行う送受信装置において、送受信部を直交する２方向に回動可能にするとともに、送受信部に多数のコーナーキューブを設けて、一方の装置からサーチ光を射出し、他方の装置のコーナーキューブで再帰反射された光を検出することにより、送受信部の適切な向きを求めることが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２８６７９９号公報
【０００５】
このように送受信部の向きを可変とすると、向きの設定に要する時間を短縮させることができるだけでなく、１つの装置から複数の装置への送信も可能となり、ＬＡＮに好適な送受信装置となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記公報では、送信部を光源とその光を平行光とする放物面リフレクタで構成し、受信部を光を検出するセンサとセンサ上に光を集める放物面リフレクタで構成しているため、小型化は難しい。また、送受信部全体を回動させるため、大きな駆動力が必要である上、高速での回動も困難である。
【０００７】
近年、反射面上の一点を中心として互いに直交する２方向に回動可能で、ＭＥＭＳ（Micro-Electro Mechanical Systems）によって駆動される小型のミラーが開発され、高速に向きを変え得る光学部材として注目されている。このＭＥＭＳミラーを送信部の光路上に備えて射出する光の方向を変化させるようにすれば、送信部全体を回動させる必要がなくなって、送信装置の小型化が可能になり、また、光の射出方向の高速な変化も可能になる。
【０００８】
ただし、光源からの光を平行光とし、その平行光の光路上にＭＥＭＳミラーを配置するのでは、ミラーの大きさを平行光の光束径以下にすることはできず、小型化に限界が生じるとともに、光の射出方向を変化させる速度も遅くなる。また、ミラーの向きのみによって平行光の射出方向を変えようとすると、射出方向が変化する角度はミラーの回動角の２倍に限られてしまい、射出方向をあまり大きく変化させることはできない。
【０００９】
本発明は、平行光の射出方向を高速にかつ大きく変化させることが可能な送信装置、および、これに適したコリメータレンズを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、指向性の高い光によって自由空間を介して通信を行う光通信の送信装置において、光源と、光源からの光を収束光とする集光レンズと、集光レンズからの収束光を反射するとともに、光を反射する面上の一点を中心として互いに直交する２方向に回動して、反射後の光の方向を変化させるミラーと、ミラーの回動中心を通る光軸を有し、ミラーからの収束光を受けて収束後の光を略平行な光として射出するとともに、射出する光の方向の変化量をミラーからの光の方向の変化量よりも大きくするコリメータレンズと、を備え、ミラーからの光の中心の光線がコリメータレンズの光軸に一致している状態からミラーを角θ M1 だけ回動させたときに、コリメータレンズが射出する略平行な光がコリメータレンズの光軸と成す角θ B1 は、近似的に次の式 (1A) で表される構成とする。更に好ましくは、コリメータレンズに射出側から平行光を入射させたときに生じる結像面の形状に、前記収束光の収束面の形状が近づくように、コリメータレンズはミラーからの光が最初に透過する面で収束面の湾曲の符号を反転させる構成とする。
θ B1 ≒２・ｒ 1 ・θ M1 ／ｆ … (1A)
ここで、
ｒ 1 ：ミラーの回動中心から空中に形成される光源像までの距離 ( ただし、レンズの内部で光を収束させる設定では、レンズが存在しないとした場合のものである。 ) 、
ｆ：コリメータレンズの焦点距離、
である。
【００１１】
この送信装置では、光源からの光を収束光としてコリメータレンズに導き、コリメータレンズに向かう収束光の方向をミラーによって変化させる。ミラーは反射面上の一点を中心として直交する２方向に回動可能であるから、コリメータレンズに向かう光を任意の方向に変化させることができる。コリメータレンズは、ミラーからの収束光を、その方向にかかわらず、略平行な光とする。
【００１２】
ミラーからの光の方向が変化するとコリメータレンズが略平行にした光の方向も変化するが、コリメータレンズは射出する光の方向の変化量をミラーからの光の方向の変化量よりも大きくする。したがって、射出する略平行な光の方向の変化量は、ミラーの回動角の２倍を超える。ミラーは、収束しつつある光を反射するため、コリメータレンズが略平行にした後の光の光束径よりも小さくすることが可能である。また、コリメータレンズが略平行にした光の光束径がミラーの大きさによって制約されることもない。
【００１３】
ここで、コリメータレンズが、ミラーからの光の中心の光線と光軸との成す角が所定値以下の範囲内で、ミラーからの光の方向の変化量に対する射出する光の方向の変化量の比を略一定にするようにするとよい。方向の変化量の比が一定であれば、射出する略平行な光の方向の変化量がミラーの回動角に比例することになり、所望の方向に光を射出するためのミラーの制御が容易になる。
【００１４】
前記目的を達成するために、本発明ではまた、収束光を略平行な光とする軸対称なコリメータレンズにおいて、光軸上の一点を中心とする球面上に収束する方向可変の収束光を受けて、収束後の光を略平行な光として射出するとともに、射出する光の方向の変化量を受ける光の方向の変化量よりも大きくする構成とし、収束光の中心の光線がコリメータレンズの光軸に一致している状態から、収束光の方向を前記光軸上の一点を中心として角θ M2 だけ変化させたときに、射出する略平行な光が光軸と成す角θ B2 は、近似的に次の式 (1B) で表されるものとする。このコリメータレンズを備えることで、上述の送信装置が実現される。更に好ましくは、回動するミラーが反射した収束光を略平行な光とする軸対称なコリメータレンズにおいて、このコリメータレンズに射出側から平行光を入射させたときに生じる結像面の形状に、前記収束光の収束面の形状が近づくように、ミラーからの光が最初に透過する面で収束面の湾曲の符号を反転させる構成とする。
θ B2 ≒２・ｒ 2 ・θ M2 ／ｆ … (1B)
ここで、
ｒ 2 ：光が収束する球面の曲率半径 ( ただし、レンズの内部で光を収束させる設定では、レンズが存在しないとした場合のものである。 ) 、
ｆ：コリメータレンズの焦点距離、
である。
【００１５】
ここで、受ける光の中心の光線と光軸との成す角が所定値以下の範囲内で、受ける光の方向の変化量に対する射出する光の方向の変化量の比を略一定にするようにするとよい。射出する光の方向の制御が容易になる。
【００１６】
また、２枚のレンズで構成し、光を最初に受けるレンズの内部または直前において光を収束させるようにするとよい。この構成では、収束後の光を略平行な光とするために３つまたは４つの面を利用することができて、射出する略平行な光の方向を大きく変化させるための設計の自由度が高い。受ける光をレンズの内部で収束させる設定では、光が収束する面の形状を最初に光が透過する面によって球面から変化させることが可能であり、これにより、レンズの直前で収束させる設定と同様に、射出する光の方向を大きく変化させることができる。また、構成レンズを２枚に限ることで、大型化が避けられる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態の送受信装置について図面を参照しながら説明する。図１に、本実施形態の送受信装置１を含む光通信システム３の構成を模式的に示す。各送受信装置１は、略平行な光に情報を担持させて送出する送信部と、情報を担持した略平行な光を受けてその情報を取得する受信部より成り、屋内に配置されてＬＡＮを形成している。いくつかの送受信装置１は、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置２に接続または内蔵されており、他の送受信装置１は、単独で配設されている。単独の送受信装置１は、例えば天井に取り付けられて、情報処理装置２に接続または内蔵されている送受信装置１間の通信の中継を行う。
【００１８】
送受信装置１の送信部の光学構成を図２に示す。送信部は、光源１１、光源１１からの光を結像させて光源像を形成するリレーレンズ１２、リレーレンズ１２からの光を反射するミラー１３、およびミラー１３からの光を略平行な光として射出するコリメータレンズ１４より成る。光源１１としては、波長８５０ｎｍの赤外光を発する面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）を用いている。
【００１９】
リレーレンズ１２は、２つのレンズ１２ａ、１２ｂより成り、光源１１の各点からの光を収束光とする集光レンズとしても機能する。レンズ１２ａは光源１１の各点からの発散光を平行光とし、レンズ１２ｂはその平行光を収束光とする。なお、リレーレンズ１２として単一のレンズを用いてもよい。
【００２０】
ミラー１３は、リレーレンズ１２とリレーレンズ１２からの光の収束位置（結像位置）との間に配置されており、リレーレンズ１２からの収束しつつある光を反射する。ミラー１３は、光を反射する面上の一点を中心に、互いに直交する２方向に回動可能であり、その回動中心がリレーレンズ１２の光軸上に位置するように配置されている。ミラー１３としては、回動を高速に行い得るＭＥＭＳミラーを用いている。
【００２１】
コリメータレンズ１４は２つのレンズ１４ａ、１４ｂから成り、その光軸Ａｘはミラー１３の回動中心を通る。コリメータレンズ１４は、ミラー１３からの光を最初に受けるレンズ１４ａの内部または直前でミラー１４ａからの光を収束（結像）させ、光が発散光となった状態で略平行な光とする。
【００２２】
ミラー１３の回動によりコリメータレンズ１４に向かうミラー１３からの光の方向は変化するが、コリメータレンズ１４は、ミラー１３からの光の方向にかかわらず、その光を略平行な光とする。ミラー１３が回動すると、レンズ１４ａの内部または直前に形成される光源像は移動し、移動する光源像からの光によって空間が走査されることになる。
【００２３】
送受信装置１の回路構成を図３に模式的に示す。送受信装置１は、情報送信のために、前述の光源１１、ミラー１３等のほか、パラレル／シリアル変換回路１５、符号化回路１６、光源駆動回路１７、ミラー制御回路１８、およびミラー駆動回路１９を備えている。パラレル／シリアル変換回路１５は、パラレル信号として与えられるデジタルの送信データをシリアル信号に変換し、符号化回路１６は、シリアル信号とされた送信データを符号化する。光源駆動回路１７は、符号化された送信データに基づいて、光源１１の発光と非発光の状態を切り替える。
【００２４】
ミラー制御回路１８は、コリメータレンズ１４が射出する略平行な光が送信先の送受信装置１に向かうように、ミラー駆動回路１９を介して、ミラー１３の向きを制御する。ミラー駆動回路１９は、ミラー制御回路１８からの指示に応じて、直交する２方向（ｘ、ｙ方向）にミラーを回動させる。
【００２５】
送受信装置１は、情報受信のために、光センサ２１、センサ駆動回路２２、増幅回路２３、デジタル化回路２４、復号化回路２５、およびシリアル／パラレル変換回路２６を備えている。光センサ２１は、波長選択フィルタを備えており、波長８５０ｎｍ程度の赤外光に感度を有し、可視光には感応しない。センサ駆動回路２２は光センサ２１を駆動し、増幅回路２３は光センサ２１の出力信号を増幅する。デジタル化回路２４は、増幅回路２３からアナログ信号として与えられる光センサ２１の出力信号をデジタル信号に変換し、復号化回路２５はそのデジタル信号を復号化する。シリアル／パラレル変換回路２６はシリアル信号となっている復号化回路２５からのデジタル信号をパラレル信号に変換する。
【００２６】
送受信装置１はまた、全体を制御する制御部１０を有する。制御部１０はマイクロコンピュータやＡＳＩＣ（特定用途向けＩＣ）等で構成されており、演算、記憶等の機能を有する。前述の情報処理装置２に接続または内蔵されている送受信装置１では、制御部１０は、送信データを情報処理装置２から得てパラレル／シリアル変換回路１５に与え、シリアル／パラレル変換回路２６からの受信データを情報処理装置２に与える。通信の中継を行う独立の送受信装置１では、制御部１０は、シリアル／パラレル変換回路２６からの受信データをパラレル／シリアル変換回路１５に与える。
【００２７】
制御部１０は略平行な光の射出方向の制御も司る。この制御はミラー制御回路１８を介して行われる。制御部１０は、送受信装置１の初期設定時に、略平行な光の射出方向を変化させて射出した光によって空間を走査し、その光を受けた他の送受信装置１の受光強度が最大になる方向を、その送受信装置１に対する光の射出方向として記憶しておく。通信の中継を行う送受信装置１の制御部１０は、複数の送受信装置１に対する光の射出方向を記憶しており、送信先の送受信装置１に応じて略平行な光の射出方向を切り替える。
【００２８】
送信部のコリメータレンズ１４について説明する。ミラー１３の回動によりミラー１３からの光の方向が変化すると、コリメータレンズ１４が射出する略平行な光の方向も変化する。ミラー１３からの光の中心の光線がコリメータレンズ１４の光軸Ａｘに一致している状態からミラーを角θMだけ回動させたときに（図２参照）、コリメータレンズ１４が射出する略平行な光がコリメータレンズ１４の光軸Ａｘと成す角θBは、近似的に次の式１で表される。
【００２９】
θB≒２・ｒ・θM／ｆ … 式１
ここで、ｒは、光が収束する球面の曲率半径、すなわちミラー１３の回動中心から空中に形成される光源像までの距離であり、レンズ１４ａの内部で光を収束させる設定では、レンズ１４ａが存在しないとした場合のものである。ｆは、コリメータレンズ１４の焦点距離である。
【００３０】
式１は角θBが角θMに略比例することを表している。また、例えば、ｒ＝３ｍｍ、ｆ＝２ｍｍとすると、θB＝３・θMとなって、ミラー１３からの光の中心の光線がコリメータレンズ１４の光軸Ａｘと成す角（２・θM）よりも大きくなる。送受信装置１では、これを利用して、ミラー１３からコリメータレンズ１４に向かう光の方向の変化量よりも、射出する略平行な光の方向の変化量を大きくするとともに、前者に対する後者の比を略一定とする。
【００３１】
以下、コリメータレンズ１４の設計例をいくつか示す。なお、各設計例において、非球面は次の式２で定義している。
【００３２】
＜設計例１＞
設計例１のコリメータレンズ１４の形状を図４に示し、諸パラメータを下記に掲げる。本設計例では、ミラー１３からの光はレンズ１４ａの内部で収束する。
【００３３】
なお、Ｆ数の１．０４という値は焦点距離と有効直径から求まる値であり、有効直径内の一部分を通る実際の光に対するＦ数は、括弧内に記したように２．８６である。
【００３５】
上記設計例１のコリメータレンズ１４を含む送信部の光学系全体の設計例を図５に示す。本設計例では、リレーレンズ１２の光軸とコリメータレンズ１４の光軸Ａｘを直交させて、これらの光軸に対して４５゜の角度を成す方向をミラー１３の基準方向として、基準方向を中心にミラー１３を回動させるようにしている。光源１１の大きさ（キャビティサイズ）は１５μｍ、その光の放射角は２０゜（全角）、波長は前述のように８５０ｎｍである。また、リレーレンズ１２は焦点距離３ｍｍの薄肉理想レンズとしている。なお、図５には、コリメータレンズ１４の鏡胴とその寸法も示した。
【００３６】
ミラー１３からコリメータレンズ１４に向かう光の中心の光線とコリメータレンズ１４の光軸Ａｘの成す角が０゜のとき、つまりミラー１３が基準方向を向いているときの、コリメータレンズ１４が射出する光の放射角は２．８５×１０-3゜（全角）である。ミラー１３の基準方向からの回動角θMと、コリメータレンズ１４が射出する略平行な光の偏向角（中心の光線とコリメータレンズ１４の光軸Ａｘの成す角）θBの関係を図６に示す。ミラー１３の回動角θMが５．５゜程度になるまで、偏向角θBは回動角θMに略比例しており、その比例係数は３である。すなわち、コリメータレンズ１４は、射出する略平行な光の方向の変動量をミラー１３からの光の方向の変化量の１．５倍にしている。
【００３７】
コリメータレンズ１４の射出面（第４面）Ｓ４からの距離が２ｍの平面上での略平行な光の光束径は、ミラー１３の回動角θMが０゜、１゜、２゜、３゜、４゜、５゜のとき、それぞれ３．７ｍｍ、３．６ｍｍ、３．６ｍｍ、４．３ｍｍ、５．８ｍｍ、１１．７ｍｍである。コリメータレンズ１４が射出する光のスポットダイアグラムを図７に示す。これは、上記平面上に焦点距離３ｍｍの撮像レンズを配置して、略平行な光を結像させて得たものである。
【００３８】
＜設計例２＞
設計例２のコリメータレンズ１４の形状を図８に示し、諸パラメータを下記に掲げる。本設計例でも、ミラー１３からの光はレンズ１４ａの内部で収束する。
【００３９】
本設計例では、ミラー１３からの光が最初に透過するレンズ１４ａの面Ｓ１も非球面としている。射出する略平行な光の偏向角θBは、設計例１と同様に、ミラー１３の回動角θMが５゜程度になるまで回動角θMに略比例しており、その比例係数は３である。コリメータレンズ１４の射出面Ｓ４からの距離が２ｍの平面上での略平行な光の光束径は、４〜６ｍｍである。撮像レンズを用いて前述のようにして得たスポットダイアグラムを図９に示す。
【００４１】
＜設計例３＞
設計例３のコリメータレンズ１４の形状を図１０に示し、諸パラメータを下記に掲げる。本設計例では、ミラー１３からの光はレンズ１４ａの直前、すなわち第１面Ｓ１の近傍の空中で収束する。
【００４２】
本設計例では、硝材としてＰＭＭＡ（屈折率１．４９）よりも屈折率の大きいＳ−ＴＩＨ５３（屈折率１．８３）を用いている。また、射出する略平行な光の偏向角θBとミラー１３の回動角θMが比例関係を有する範囲を、設計例１や設計例２の約１．５倍としている。すなわち、回動角θMが７．５゜を超えるまで偏向角θBは回動角θMに略比例する。その比例係数は３であり、偏向角θBの最大値は２２．５゜以上である。コリメータレンズ１４の射出面Ｓ４からの距離が２ｍの平面上での略平行な光の光束径は、４〜１０ｍｍである。撮像レンズを用いて前述のようにして得たスポットダイアグラムを図１１に示す。
【００４４】
前述のように、コリメータレンズ１４は、ミラー１３からの光を最初に受けるレンズ１４ａの内部または直前でミラー１３からの収束光を収束させ、発散光となった状態で略平行な光とする。設計例３のようにレンズ１４ａの直前で光を収束させる場合、および、設計例１や設計例２のようにレンズ１４ａの内部で光を収束させる場合のいずれも、平行化に関与するのは、主として面Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の３つである。レンズ１４ａの内部で光を収束させる設計例１、設計例２では、ミラー１３からの光が最初に透過する面Ｓ１は、レンズ１４ａが存在しなければ球面となるミラー１３からの収束光の収束面（各収束点を連ねた面）を、面Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４による光の平行化に適する形状にする機能を有する。この点について説明する。
【００４５】
設定例１のコリメータレンズ１４を例にとって、図１２に、面Ｓ１を透過してレンズ１４ａ内で収束するミラー１３からの光の収束面（曲線Ａ）、コリメータレンズ１４の射出瞳を通って逆方向（レンズ１４ｂの面Ｓ４側）から入射する光の結像面（曲線Ｂ）、および、レンズ１４ａが存在しない場合のミラー１３からの光の収束面（曲線Ｃ）、を示す。図１２において、縦軸（ｙ軸）は光軸からの距離を表し、横軸（ｚ軸）は光軸Ａｘに平行な方向の距離を表す。なお、レンズ１４ａが存在しない場合のミラー１３からの光の収束面Ｃは、実際は光軸（ｚ軸）方向にシフトしているが、ここではレンズ１４ａ内の収束面Ａと原点を一致させて表している。レンズ１４ａ内の収束面Ａと逆方向から入射する光の結像面Ｂとは原点が一致している。
【００４６】
一般に、レンズによって光を結像させる場合、結像面には像面湾曲が生じる。図１２においても、結像面Ｂは湾曲している。ところが、結像面Ｂの湾曲とレンズ１４ａがない場合のミラー１３からの光の収束面Ｃ（球面）の湾曲とは符号が逆であり、結像面Ｂと収束面Ｃには大きな形状差がある。このため、仮にレンズ１４ａの面Ｓ１を平面とすると、収束面Ａの形状は収束面Ｃの形状からあまり変化せず、偏向角θBが非常に狭い範囲でしか略平行な光を得ることができなくなる。
【００４７】
図１２より明らかなように、面Ｓ１は収束面Ａの湾曲の符号を収束面Ｃの湾曲の符号から反転させている。これにより、収束面Ａの形状が結像面Ｂの形状に近づき、広い偏向角θBにわたって平行光にきわめて近い光を得ることが可能になっている。
【００４８】
レンズ１４ａの直前で光を収束させる設計例３では、逆方向から入射する光の結像面Ｂはレンズ１４ａの外部（面Ｓ１の近傍）に位置する。面Ｓ１は、結像面Ｂの湾曲の符号を収束面Ｃの湾曲の符号と同じにして、結像面Ｂと収束面Ｃの形状差を小さく機能を有する。
【００４９】
光の収束位置をレンズ１４ａの内部としてもレンズ１４ａの直前としても、射出側から見た光源像が実像になるか虚像になるかの違いがあるだけで、コリメータレンズ１４の光学特性に本質的な差異は生じない。用いる硝材の屈折率に応じて、設計の容易な方を採用すればよい。
【００５０】
なお、コリメータレンズ１４を構成するレンズの数を３以上とすれば、射出する略平行な光の偏向角θBを一層大きくすることができる。ただし、構成レンズ数を増すほどコリメータレンズ１４は大型化するから、移動式の送受信装置では、上記の各設計例のように、コリメータレンズ１４を２つのレンズで構成するのが望ましい。
【００５１】
また、本実施形態では、光の射出方向を高速で変化させるためにミラー１３としてＭＥＭＳミラーを用いたが、ミラーの駆動方式はこれに限定されるものではない。光源１１についても、レーザに限定されるものではなく、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の他の種類を用いてかまわない。
【００５２】
【発明の効果】
指向性の高い光によって自由空間を介して通信を行う光通信の送信装置において、本発明のように、光源と、光源からの光を収束光とする集光レンズと、集光レンズからの収束光を反射するとともに、光を反射する面上の一点を中心として互いに直交する２方向に回動して、反射後の光の方向を変化させるミラーと、ミラーの回動中心を通る光軸を有し、ミラーからの収束光を受けて収束後の光を略平行な光として射出するとともに、射出する光の方向の変化量をミラーからの光の方向の変化量よりも大きくするコリメータレンズと、を備え、ミラーからの光の中心の光線がコリメータレンズの光軸に一致している状態からミラーを角θ M1 だけ回動させたときに、コリメータレンズが射出する略平行な光がコリメータレンズの光軸と成す角θ B1 は、近似的に前記式 (1A) で表されるようにすると、ミラーを小さくすることができて、射出する略平行な光の方向を高速に変化させることが可能になる上、射出する光の方向をミラーの回動角の２倍を超えて変化させることができる。
【００５３】
コリメータレンズが、ミラーからの光の中心の光線と光軸との成す角が所定値以下の範囲内で、ミラーからの光の方向の変化量に対する射出する光の方向の変化量の比を略一定にするようにすると、所望の方向に光を射出するためのミラーの制御が容易になる。
【００５４】
収束光を略平行な光とする軸対称なコリメータレンズにおいて、本発明のように、光軸上の一点を中心とする球面上に収束する方向可変の収束光を受けて、収束後の光を略平行な光として射出するとともに、射出する光の方向の変化量を受ける光の方向の変化量よりも大きくするようにし、収束光の中心の光線がコリメータレンズの光軸に一致している状態から、収束光の方向を前記光軸上の一点を中心として角θ M2 だけ変化させたときに、射出する略平行な光が光軸と成す角θ B2 は、近似的に前記式 (1B) で表されるものとすると、指向性の高い光で通信を行う送信装置に好適なコリメータレンズとなる。
【００５５】
受ける光の中心の光線と光軸との成す角が所定値以下の範囲内で、受ける光の方向の変化量に対する射出する光の方向の変化量の比を略一定にするようにすると、射出する光の方向の制御が容易になる。
【００５６】
２枚のレンズで構成し、光を最初に受けるレンズの内部または直前において光を収束させるようにすると、射出する略平行な光の方向を大きく変化させるための設計の自由度が高い上、大型化も避けられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態の送受信装置を含む光通信システムの構成をに模式的に示す図。
【図２】 送受信装置の送信部の光学構成を示す図。
【図３】 送受信装置の回路構成を模式的に示す図。
【図４】 送受信装置の送信部が備えるコリメータレンズの一設計例の断面図。
【図５】 送受信装置の送信部の光学系全体の設計例を示す図。
【図６】 送受信装置の送信部が備えるミラーの回動角と図４のコリメータレンズが射出する略平行な光の偏向角の関係を示す図。
【図７】 図４のコリメータレンズが射出する光のスポットダイアグラム。
【図８】 送受信装置の送信部が備えるコリメータレンズの他の設計例の断面図。
【図９】 図８のコリメータレンズが射出する光のスポットダイアグラム。
【図１０】 送受信装置の送信部が備えるコリメータレンズの他の設計例の断面図。
【図１１】 図１０のコリメータレンズが射出する光のスポットダイアグラム。
【図１２】 図４のコリメータレンズの第１面によるミラーからの光の収束面の変化を示す図。
【符号の説明】
１ 送受信装置
２ 情報処理装置
３ 光通信システム
１０ 制御部
１１ 光源
１２ リレーレンズ
１２ａ、１２ｂ レンズ
１３ ミラー
１４ コリメータレンズ
１４ａ、１４ｂ レンズ
１５ パラレル／シリアル変換回路
１６ 符号化回路
１７ 光源駆動回路
１８ ミラー制御回路
１９ ミラー駆動回路
２１ 光センサ
２２ センサ駆動回路
２３ 増幅回路
２４ デジタル化回路
２５ 復号化回路
２６ シリアル／パラレル変換回路
Ｓ１〜Ｓ４ コリメータレンズ面
Claims (7)
- 指向性の高い光によって自由空間を介して通信を行う光通信の送信装置において、
光源と、
光源からの光を収束光とする集光レンズと、
集光レンズからの収束光を反射するとともに、光を反射する面上の一点を中心として互いに直交する２方向に回動して、反射後の光の方向を変化させるミラーと、
ミラーの回動中心を通る光軸を有し、ミラーからの収束光を受けて収束後の光を略平行な光として射出するとともに、射出する光の方向の変化量をミラーからの光の方向の変化量よりも大きくするコリメータレンズと、を備え、
ミラーからの光の中心の光線がコリメータレンズの光軸に一致している状態からミラーを角θ M1 だけ回動させたときに、コリメータレンズが射出する略平行な光がコリメータレンズの光軸と成す角θ B1 は、近似的に次の式 (1A) で表されることを特徴とする送信装置；
θ B1 ≒２・ｒ 1 ・θ M1 ／ｆ … (1A)
ここで、
ｒ 1 ：ミラーの回動中心から空中に形成される光源像までの距離 ( ただし、レンズの内部で光を収束させる設定では、レンズが存在しないとした場合のものである。 ) 、
ｆ：コリメータレンズの焦点距離、
である。 - コリメータレンズに射出側から平行光を入射させたときに生じる結像面の形状に、前記収束光の収束面の形状が近づくように、コリメータレンズはミラーからの光が最初に透過する面で収束面の湾曲の符号を反転させることを特徴とする請求項１に記載の送信装置。
- コリメータレンズが、ミラーからの光の中心の光線と光軸との成す角が所定値以下の範囲内で、ミラーからの光の方向の変化量に対する射出する光の方向の変化量の比を略一定にすることを特徴とする請求項１又は２に記載の送信装置。
- 収束光を略平行な光とする軸対称なコリメータレンズにおいて、
光軸上の一点を中心とする球面上に収束する方向可変の収束光を受けて、収束後の光を略平行な光として射出するとともに、射出する光の方向の変化量を受ける光の方向の変化量よりも大きくする構成になっており、収束光の中心の光線がコリメータレンズの光軸に一致している状態から、収束光の方向を前記光軸上の一点を中心として角θ M2 だけ変化させたときに、射出する略平行な光が光軸と成す角θ B2 は、近似的に次の式 (1B) で表されることを特徴とするコリメータレンズ；
θ B2 ≒２・ｒ 2 ・θ M2 ／ｆ … (1B)
ここで、
ｒ 2 ：光が収束する球面の曲率半径 ( ただし、レンズの内部で光を収束させる設定では、レンズが存在しないとした場合のものである。 ) 、
ｆ：コリメータレンズの焦点距離、
である。 - 回動するミラーが反射した収束光を略平行な光とする軸対称なコリメータレンズにおいて、このコリメータレンズに射出側から平行光を入射させたときに生じる結像面の形状に、前記収束光の収束面の形状が近づくように、ミラーからの光が最初に透過する面で収束面の湾曲の符号を反転させることを特徴とする請求項４に記載のコリメータレンズ。
- 受ける光の中心の光線と光軸との成す角が所定値以下の範囲内で、受ける光の方向の変化量に対する射出する光の方向の変化量の比を略一定にすることを特徴とする請求項４又は５に記載のコリメータレンズ。
- ２枚のレンズより成り、光を最初に受けるレンズの内部または直前において光を収束させることを特徴とする請求項６に記載のコリメータレンズ。
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| JP2003167420A JP3774768B2 (ja) | 2003-06-12 | 2003-06-12 | 光通信用送信装置およびコリメータレンズ |
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