JP3849694B2

JP3849694B2 - 光無線通信装置

Info

Publication number: JP3849694B2
Application number: JP2004131269A
Authority: JP
Inventors: 勝久多田
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2004-04-27
Filing date: 2004-04-27
Publication date: 2006-11-22
Anticipated expiration: 2024-04-27
Also published as: JP2005318076A

Description

本発明は、いわゆる狭ビーム型通信方式により光無線通信による情報信号の送受信を行う光無線通信機器に関するものである。

従来、光無線通信を用いた通信方式として、狭ビーム型通信方式が提案されている。この狭ビーム型通信方式においては、受発光部の指向性を狭くすることにより、受光面に到達する光パワーの減衰が抑えられ、また、受光部では外乱光等のノイズを抑えることができる。そのため、この狭ビーム型通信方式は、高速無線ＬＡＮに代表される高速通信に向いている。反面、出射光を相手側の受光部に正確に照射する必要があり、これが技術的な課題となっている。

特許文献１に記載されているように、狭ビーム型通信方式において使用する光無線通信装置は、図６に示すように、通信の相手側装置から入射する光束をレンズ１０１及び偏向ミラー１０２を介して多分割受光素子１０３によって受光し、通信の相手側装置の方向を検出するように構成されている。偏向ミラー１０２は、ミラーの背面部に設けた電磁アクチュエータにより、偏向制御可能に構成されている。

この光無線通信装置においては、通信の相手側装置から入射された入射光は、レンズ１０１を経て、偏向ミラー１０２により反射され、第１のビームスプリッタ１０４に入射される。第１のビームスプリッタ１０４においては、入射光は、傾斜した反射面において、この反射面に対する透過光と反射光とに分割される。第１のビームスプリッタ１０４における反射光は、集光レンズ１０６を経て、多分割受光素子１０３によって受光される。また、第１のビームスプリッタ１０４における透過光は、第２のビームスプリッタ１０５に入射する。

第２のビームスプリッタ１０５においては、入射光は、傾斜した反射面において、この反射面に対する透過光と反射光とに分割される。第２のビームスプリッタ１０５における反射光は、集光レンズ１０７を経て、信号光受信用の受光素子１０８により受光される。この受光素子１０８では、受光した光束を電流に変換し、データ受信部に供給する。

この光無線通信装置においては、通信の相手側装置からの入射光がレンズ１０１の光軸に平行に入射する場合（すなわち、垂直入射の場合）には、偏向ミラー１０２を駆動させない状態において、このレンズ１０１を経た入射光は、多分割受光素子１０３の中心上に集光される。多分割受光素子１０３の受光面は、中心から放射状に分割されているので、入射光が中心上に集光された場合には、各受光面における受光量は等しくなり、各受光面からの光検出出力が等しくなる。したがって、この光無線通信装置においては、多分割受光素子１０３からの光検出出力を検出し、各受光面からの光検出出力が等しければ、垂直入射であり、各受光面からの光検出出力が等しくなければ、通信の相手側装置からの入射光がレンズ１０１の光軸に対して傾斜して入射している（すなわち、斜入射である）と判断することができる。

すなわち、多分割受光素子１０３における各受光面からの光検出出力が等しくなるように、偏向ミラー１０２の方向を調節し、通信の相手側装置からの入射光が多分割受光素子１０３の中心上に集光される状態とすれば、通信の相手側装置の方向を特定できる。

また、第１のビームスプリッタ１０５には、データ送信のための発光素子１０９からの光束が、コリメータレンズ１１０を経て入射される。この第１のビームスプリッタ１０５は、発光素子１０９からの光束を、入射光に対して同軸として、この入射光の光路に乗せる。すなわち、発光素子１０９から出射された光束は、コリメータレンズ１１０によって平行光に近いビームに成形され、第１及び第２のビームスプリッタ１０５，１０４を透過し、偏向ミラー１０２によって反射され、通信の相手側装置に向けて放射される。この放射光の光軸は、多分割受光素子１０３を含む受光のための光学系の光軸とあらかじめ一致されており、多分割受光素子１０３の各受光面からの出力信号レベルが等しい状態においては、この装置からの放射光軸と、通信の相手側装置からの入射光軸とは、合致していることとなる。

この光無線通信装置においては、まず、通信相手側を見つけるため、偏向ミラーによるスキャン動作をし、通信の相手側装置からの光束をサーチする。通信の相手側装置からの光束は、前述のように、多分割受光素子１０３及び受光素子１０８により受光され、サーチ時は、多分割受光素子１０３からの出力に基づいて通信の相手側装置の方向を特定行い、サーチが終了すると、信号光受信用の受光素子１０８により通信を開始する。

なお、従来、焦点距離可変の集光レンズとして、特許文献２に記載されているように、液晶レンズが提案されている。
特開２００３−８５１５号公報特開平１１−６４８１７号公報

ところで、特許文献１に提案されているような光無線通信装置においては、信号光受信用の受光素子１０８と、通信の相手側装置の方向を検出するための多分割受光素子１０３との、２つの受光素子が必要であり、また、これら受光素子１０８，１０３に対応した２系統の光学系が必要である。

そのため、この光無線通信装置においては、構成が複雑であり、また、製造が煩雑なものとなっている。

また、前述の光無線通信装置においては、通信の相手側装置からの入射光を２つの受光素子に分配して受光するため、入射光の利用効率が半分になってしまう。

そこで、本発明は、前述の実情に鑑みて提案されるものであって、その目的は、構成が簡素化され、製造が容易化されながら、入射光の利用効率が高くなされた光無線通信装置を提供することにある。

前述の課題を解決するため、本発明に係る光無線通信装置は、通信の相手側装置からの入射光が入射する焦点距離可変の集光レンズと、集光レンズを経た入射光を受光する複数の受光面を有する多分割受光素子とを備え、多分割受光素子において入射光をデフォーカス状態とし、この多分割受光素子の各受光面ごとの入射光の受光光量差に基づいて入射光の入射方向を検出するとともに、多分割受光素子において入射光をフォーカス状態とし、この多分割受光素子の一の受光面により信号光の受信を行うことを特徴とするものである。

また、本発明は、前述の光無線通信装置において、多分割受光素子は、信号光検出用の１つの受光面と、入射方向検出用の４つの受光面とを、モノリシックに構成したものであることを特徴とするものである。

さらに、本発明は、前述の光無線通信装置において、集光レンズは、液晶レンズであることを特徴とするものである。

そして、本発明は、前述の光無線通信装置において、液晶レンズは、電気信号によって屈折率が切替え可能である液晶素子からなることを特徴とするものである。

また、本発明は、前述の光無線通信装置において、液晶素子は、高分子分散液晶を用いて構成されていることを特徴とするものである。

本発明に係る光無線通信装置においては、集光レンズの焦点距離を切換えることにより、多分割受光素子において入射光をデフォーカス状態として多分割受光素子の各受光面ごとの入射光の受光光量差に基づいて入射光の入射方向を検出するとともに、多分割受光素子において入射光をフォーカス状態として多分割受光素子の一の受光面により信号光の受信を行う。

したがって、この光無線通信装置においては、１つの受光素子により、入射光の入射方向検出と信号光の受信とを行うことができ、この受光素子に対応する光学系も一系統で済むため、装置構成の簡素化、小型化、製造の容易化を図ることができる。

また、この光無線通信装置においては、光学系が一系統であるため、入射光の利用効率を高くすることができ、信号光の受信時のＳ／Ｎ比が良好となり、信頼性の高い通信を行うことができる。

本発明によると、構成が簡素化され、製造が容易化されながら、入射光の利用効率が高くなされた光無線通信装置を提供することができる。

以下、本発明に係る光無線通信装置を光無線伝送装置に適用した実施の形態について説明する。

この光無線伝送装置は、例えば、デスク上などに設置される端末（パーソナルコンピュータ等）に接続されて使用される。そして、この光無線伝送装置は、天井などの上部位置に設置されネットワーク幹線やサーバーに接続される光無線伝送親機を通信の相手側装置として、双方向ビーム伝送を行うものである。

この光無線伝送装置及び光無線伝送親機は、データ通信のために強度変調されたレーザ光を放射するとともに、通信の相手側装置から入射された光束に基づいて、通信の相手側装置の方向を検出し、放射光軸と入射光軸が合致するように、光軸を調整、制御した後に、データ伝送を行うようになっている。

図１は、本発明に係る光無線通信装置の構成を示す側面図である。

この光無線伝送装置においては、図１に示すように、通信の相手側装置から入射された入射光５は、魚眼レンズ１９を経て、偏向制御可能な偏向ミラー１８により反射され、ビームスプリッタ１７に入射される。このビームスプリッタ１７においては、入射光は、傾斜した反射面において、この反射面に対する透過光と反射光とに分割される。ビームスプリッタ１７における反射光は、焦点距離可変の集光レンズ１１を経て、多分割受光素子である５分割フォトダイオード１６により受光される。

偏向ミラー１８は、ミラーの背面部に設けた電磁アクチュエータにより、偏向制御可能に構成されている。

図２は、この光無線通信装置における集光レンズ１１の構成を示す断面図である。

集光レンズ１１は、液晶レンズであって、図２に示すように、一対のレンズ状ガラス基板１，１´が対向されて構成されている。これらレンズ状ガラス基板１，１´の互いに対向する側のレンズ面には、それぞれ透明電極２，２´が形成されている。そして、これら透明電極２，２´間には、高分子分散液晶３が封入されている。この高分子分散液晶３は、透明電極２，２´に接している。各レンズ状ガラス基板１，１´の外周部分は、スペーサ４によって封止されている。

なお、高分子分散液晶３は、入射光に対する平均屈折率が、高分子の溶媒の屈折率と同等である物質からなっている。

図３は、この光無線通信装置における集光レンズ１１の機能を説明する断面図である。

この集光レンズ１１の各透明電極２，２´には、図３中の（ａ）に示すように、高分子分散液晶３をオン−オフ制御するための電界が印加できるように、交流電源６が接続されている。

高分子分散液晶３に電界を印加しないときは、図３中の（ａ）に示すように、液晶層は、ランダムに配向される。この状態において、入射光５は、５分割フォトダイオード１６の受光面に対してフォーカス状態（集光状態）となる。

そして、高分子分散液晶３に電界を印加すると、図３中の（ｂ）に示すように、液晶層は、レンズ面に垂直（入射光に平行）に配向され、集光レンズ１１全体としての屈折率が小さくなる。この状態において、入射光５は、５分割フォトダイオード１６の受光面に対してデフォーカス状態（非集光状態）となる。

図４は、この光無線通信装置における５分割フォトダイオードの構成を示す正面図である。

５分割フォトダイオード１６は、図４に示すように、中心部分の信号光検出用の１つの受光面７と、中心から放射状に分割された入射方向検出用の４つの受光面８とを有しており、これらがモノリシックに構成されている。この５分割フォトダイオード１６は、各受光面７，８に照射された光を電流に変換し、各受光面７，８からそれぞれ独立した光検出出力が得られるようになっている。これら光検出出力は、信号光検出用の受光面７及び入射方向検出用の受光面８に対応されて形成された配線９，１０を介して取り出される。

なお、信号光検出用の受光面７は、高速応答が必要であるためと、入射方向検出用の受光面８の不感帯を小さくする必要があるため、あまり大きくすることはできず、例えば、直径が１０μｍ乃至２０μｍ程度とされて形成されている。

信号光検出用の受光面７及び入射方向検出用の受光面８からの光検出出力は、図示しない制御部に送られる。この制御部は、受信した入射方向検出用の各受光面８に対応する出力信号のレベルが等しい状態に保たれるように、偏向ミラー１８を制御して偏向させる。

また、ビームスプリッタ１７には、図１に示すように、データ送信のための発光素子（半導体レーザ）１４からの光束が、コリメータレンズ１５を経て入射される。このビームスプリッタ１７は、発光素子１４からの光束を、入射光に対して同軸として、この入射光の光路に乗せる機能を有している。

すなわち、発光素子１４から出射された拡がりのある光束（レーザ光）は、コリメータレンズ１５によって平行光に近いビームに成形され、ビームスプリッタ１７を透過し、偏向ミラー１８によって反射され、魚眼レンズ１９を経て、通信の相手側装置に向けて放射される。この放射光の光軸は、５分割フォトダイオード１６を含む受光のための光学系の光軸とあらかじめ一致されており、５分割フォトダイオード１６の入射方向検出用の各受光面８からの出力信号レベルが等しい状態においては、この装置からの放射光軸と、通信の相手側装置からの入射光軸とは、合致していることとなる。

なお、この光無線通信装置を構成する各素子は、図１に示すように、ベースプレート上に位置決めされて配置され、外筐体に収納されている。

図５は、この光無線通信装置の機能を説明する側面図である。

この光無線通信装置においては、入射方向検出時には、図５中の（ｂ）に示すように、集光レンズ１１の高分子分散液晶３に電圧を印加し屈折率を低くして、５分割フォトダイオード１６の受光面において入射光がデフォーカス状態になるようにする。この状態において、５分割フォトダイオード１６の入射方向検出用の各受光面８からの出力信号レベルが等しくなるように、偏向ミラー１８の偏向制御を行うことにより、入射方向検出を行う。

そして、この光無線通信装置においては、入射方向検出が完了すると、図５中の（ａ）に示すように、集光レンズ１１の高分子分散液晶３に電圧を印加しない状態として屈折率を高くして、５分割フォトダイオード１６の受光面において入射光がフォーカス状態になるようにする。この状態において、５分割フォトダイオード１６の信号光検出用の受光面７からの出力信号に基づいて、信号光受信（データ受信）を行う。

また、このとき、発光素子１４により、データ送信用の光束を、通信の相手側装置に向けて放射する。

本発明に係る光無線通信装置の構成を示す側面図である。前記光無線通信装置における液晶レンズの構成を示す断面図である。前記光無線通信装置における液晶レンズの機能を説明する断面図である。前記光無線通信装置における５分割フォトダイオードの構成を示す正面図である。前記光無線通信装置の機能を説明する側面図である。従来の光無線通信装置の構成を示す側面図である。

符号の説明

１レンズ状ガラス基板
２透明電極
３高分子分散液晶
４スペーサ
５入射光
６交流電源
７信号受信用の受光面
８入射方向検出用の受光面
１１集光レンズ
１６５分割フォトダイオード
１８偏向ミラー
１９魚眼レンズ

Claims

通信の相手側装置からの入射光が入射する、電圧の印加により焦点距離が可変される液晶よりなる一つの集光レンズと、
前記集光レンズを経た入射光を受光する複数の受光面を有する一つの多分割受光素子と
を備え、
前記集光レンズに対して電圧を印加することによって前記多分割受光素子における前記入射光をデフォーカス状態とし、この多分割受光素子の各受光面ごとの前記入射光の受光光量差に基づいて、前記入射光の入射方向を検出するとともに、前記集光レンズに対して電圧を印加しないことによって前記多分割受光素子における前記入射光をフォーカス状態とし、この多分割受光素子の一の受光面により、信号光の受信を行う
ことを特徴とする光無線通信装置。
前記多分割受光素子は、信号光検出用の１つの受光面と、入射方向検出用の４つの受光面とを、モノリシックに構成したものである
ことを特徴とする請求項１記載の光無線通信装置。