JP3852457B2 - 光検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、光無線伝送装置などにおいて、入射光束が垂直入射か斜入射であるかを検出するための光検出装置に関する。

従来、光無線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、受光面に到達する発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無線伝送装置においては、図９に示すように、通信の相手側の装置から入射する光束をレンズ１０１を介して多分割受光素子１０２によって受光し、通信の相手側の装置の方向を検出する光検出装置が用いられている。

すなわち、この光検出装置においては、通信の相手側の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、このレンズ１０１を経た入射光は、多分割受光素子１０２の中心上に集光される。多分割受光素子１０２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、この光検出装置においては、多分割受光素子１０２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、通信の相手側の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１０２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、方向を調節し、通信の相手側の装置からの入射光が垂直入射となる状態とすれば、通信の相手側の装置の方向を特定できる。

また、図１０に示すように、前述の光検出装置において、レンズ１０１の出射面に回折格子１０３を設けたものも提案されている。
特開２００３−８５１５号公報

ところで、特許文献１に提案されているような光検出装置においては、図９に示すように、通信の相手側の装置からの入射光が、レンズ１０１の光軸に対して平行なままで光軸に垂直な方向にシフトした場合には、多分割受光素子１０２の受光面上における光スポットは、この多分割受光素子１０２の中心からずれた方向に移動してしまう。このとき、多分割受光素子１０２の各受光面からの光検出出力は、互いに等しくなくなり、通信の相手側の装置からの入射光が斜入射であると判断されることとなる。

しかしながら、通信の相手側の装置からの入射光がレンズ１０１の光軸に垂直な方向にシフトする現象は、通信の相手側の装置の方向が変化したことによるのではなく、途中の障害物等によって光束の一部が遮断されたため、または、遠方に設置された相手側が自身の位置を中心に回転したためであると考えられる。したがって、この場合には、通信の相手側の装置の方向は変化しておらず、入射光が斜入射であると判断することは誤動作の原因となる。

また、図１０に示した光検出装置においては、通信の相手側の装置からの入射光がレンズ１０１の光軸に対して平行なままで光軸に垂直な方向にシフトした場合には、多分割受光素子１０２の受光面上における光スポットは、図１０中の（ｂ）に示すように、回折格子１０３の作用により、多分割受光素子１０２の中心からずれた方向に移動することはないが、複数の光スポットに分割される。このとき、光束のシフトの程度や状態によっては、多分割受光素子１０２の各受光面からの光検出出力が互いに等しくなくなる虞れがあり、入射光が斜入射であると判断されてしまい誤動作が生ずる虞れがある。

そこで、本発明の目的は、入射光の入射方向が光軸に平行なまま光軸に垂直な方向にシフトした場合、または、入射光の光束が均一な分布でない場合に、この入射光が斜入射であるという誤った判断がなされることが防止された光検出装置を提供することにある。

本発明は、複数の受光面を有する多分割受光素子に入射された光束の各受光面ごとの光量に基づいて入射光が垂直入射であるか斜入射であるかを検出し光軸の調整、制御を行う光検出装置において、入射光束を微小光束に分割して発散させ、または、収束させる機能を有する光束分割手段と、この光束分割手段と同軸となされて設置され光束分割手段により微小光束に分割された各光束が入射されこれら各光束を一定距離離れた同位置に同形状で合成する機能を有する光束合成手段と、この光束合成手段と同軸となされ光束合成手段が分割された各々の光束を合成する位置に設置されこの光束合成手段が合成した光束を受光する多分割受光素子とを備えていることを特徴とするものである。

また、本発明は、前記光検出装置において、光束分割手段は、複数の光束分割領域を有し、各光束分割領域において、階段状、または、鋸歯状の構造を有しており、光束合成手段は、階段状、または、鋸歯状の構造を有していることを特徴とするものである。

さらに、本発明は、前記光検出装置において、光束分割手段は、各分割領域において、中心部から外周側に向けて屈折率が変化する材料で構成されていることを特徴とするものである。

そして、本発明は、前記光検出装置において、光束分割手段は、拡散透過性を有する材料で構成されていることを特徴とするものである。

本発明においては、入射光は、光束分割手段により微小光束に分割して発散され、または、収束され、光束合成手段により一定距離離れた同位置に同形状で合成されて、多分割受光素子によって受光されるので、この入射光が光軸に対して平行なままで光軸に垂直な方向にシフトした場合に、多分割受光素子の受光面における中心回りの光強度が変化することがない。したがって、この場合において、入射光が斜入射であると判断されることがない。

また、本発明は、光束分割手段を、階段状、または、鋸歯状の構造を有する複数の光束分割領域を有するものとし、光束合成手段を、階段状、または、鋸歯状の構造を有してものとすることにより、前述の効果を良好に奏することができる。さらに、本発明においては、光束分割手段を、各分割領域において中心部から外周側に向けて屈折率が変化する材料により構成することによっても、前述の効果を良好に奏することができる。そして、本発明においては、光束分割手段を、拡散透過性を有する材料により構成することによっても、前述の効果を良好に奏することができる。

すなわち、本発明は、入射光の入射方向が光軸に平行なまま光軸に垂直な方向にシフトした場合に、この入射光が斜入射であるという誤った判断がなされることが防止された光検出装置を提供することができるものである。

以下、本発明に係る光検出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。

〔第１の実施の形態〕
図１は、本発明に係る光検出装置を用いた光無線伝送装置の構成を示す側面図である。

この光無線伝送装置は、図１に示すように、デスク上などに設置され複数の端末（パーソナルコンピュータ等）２０１に接続される複数の光無線伝送子機２０２と、天井などに上部位置に設置されネットワーク幹線２００やサーバーに接続される光無線伝送親機２０３とで構成され、これら光無線伝送子機２０２及び光無線伝送親機２０３間で、双方向ビーム伝送を行うものである。

なお、この光無線伝送装置は、映像再生装置（チューナ、ＶＨＳ、ＤＶＤ等）２０１に接続される複数の光無線伝送子機２０２と、天井などに上部位置に設置される映像表示装置（ＰＤＰパネル、液晶モニタ、ＴＶ、プロジェクタ等）に接続される光無線伝送親機２０３とで構成することもできる。

これら光無線伝送子機２０２及び光無線伝送親機２０３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、他方の装置から入射されたレーザ光に基づいて、他方の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２は、光無線伝送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２に示すように、他方の装置から入射された入射光は、偏向制御可能な反射光学系２０４により反射され、第１のビームスプリッタ２０５を透過して、第２のビームスプリッタ２０６に入射する。この第２のビームスプリッタ２０６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２０６における反射光は、集光レンズ２０７を経て、データ受信のための受光素子２０８により受光される。そして、第２のビームスプリッタ２０６における透過光は、本発明に係る光検出装置に入射される。

なお、第１のビームスプリッタ２０５には、データ送信のための発光素子２０９からの光束が、コリメータレンズ２１０を経て入射される。この第１のビームスプリッタ２０５は、発光素子２０９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ためのものである。

そして、本発明に係る光検出装置に入射された入射光は、光束分割手段となる回折格子アレイ１を透過し、光束合成手段となる回折格子２を透過して、多分割受光素子３によって受光される。回折格子アレイ１と回折格子２とは、同一の光学素子である平行平面板４の入射面及び出射面にそれぞれ形成されている。

回折格子アレイ１は、入射光束を微小光束に分割して発散させ、または、収束させる機能を有している。回折格子２は、回折格子アレイ１と同軸となされて設置されており、回折格子アレイ１により微小光束に分割された各光束が入射され、これら各光束を一定距離離れた同位置に同形状で合成する機能を有している。

そして、多分割受光素子３は、回折格子２と同軸となされ、回折格子２が光束を合成する位置に設置され、この回折格子２が合成した光束を受光する。この多分割受光素子３は、中心から放射状に分割された複数の受光面を有しており、各受光面に照射された光を電流に変換し、各受光面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。そして、これら光検出出力は、光無線伝送装置の受信部２１１に送られる。

受信部２１１では、受信した多分割受光素子３の各受光面に対応する出力信号のレベル差が小さくなるように、偏向制御信号を生成し、偏向制御部２１２に供給する。偏向制御部２１２では、偏向制御信号に基づいて、反射光学系２０４を制御して偏向させし、多分割受光素子３の各受光面からの各出力信号レベルが等しい状態に保たれるように、反射光学系２０４を調整、制御する。

一方、第２のビームスプリッタ２０６において反射された光束は、集光レンズ２０７で集光され、受光素子２０８により受光される。受光素子２０８では、受光した光束を電流に変換し、図示しないデータ受信部に供給する。

また、発光素子２０９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２１０（回折素子などを含むコリメート光学系としてもよい）によって平行光に近いビームに成形され、第１のビームスプリッタ２０５及び反射光学系２０４によって反射され、他方の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３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３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、他方の装置からの入射光軸とは、合致していることとなる。

図３は、本発明に係る光検出装置の第１の実施の形態における構成を示す側面図である。

この光検出装置は、図３に示すように、ガラスやプラスティック材料からなる平行平面板４の表面（入射面）に形成された回折素子アレイ１と、平行平面板４の裏面（出射面）に形成された回折素子２とを有している。回折素子アレイ１に垂直に入射した光束は、複数の光束に分割されるとともに、それぞれ発散され、回折素子２によって、多分割受光素子３の中心位置において、同形状となされて照射される。

このとき、多分割受光素子３の各受光面からの各出力信号レベルは等しく、放射光軸と、他方の装置からの入射光軸は、合致した状態を保つ。

図４は、回折素子アレイ及び回折素子の構造を示す断面図である。

回折素子アレイ１は、図４に示すように、入射光を発散させる階段状の構造を複数有している。これら各構造が、複数の光束分割領域となる。

そして、回折素子２は、回折素子アレイ１で分割され発散された各々の発散光を、多分割受光素子３の受光面上に結像させるための階段状の形状を有している。回折素子２及び回折素子アレイ１の階段形状は、段数を多くすることにより、光検出に用いる＋１次光の回折効率を上げることができる。さらに、階段形状を連続した曲面、または、平面を有する鋸歯形状とすることにより、＋１次光の回折効率を、ほぼ１００％とすることができる。

図３及び図４において、多分割受光素子３上に照射される光スポットのサイズを、回折素子アレイ１で分割される微小エリアよりも大きくするには、回折素子アレイ１の各曲面を凸形状を有するものとし、回折素子アレイ１に入射した光が収束されるようにする。

図５は、分布に偏りがある光束が垂直に入射した場合（ａ）及び光束が斜めに入射した場合（ｂ）の光路を示す側面図である。

この光検出装置において、図５中の（ａ）に示すように、垂直入射光束の光量分布に偏りがある場合においても、入射光は、回折素子アレイ１により一旦分割された後、回折素子２で集光されるため、多分割受光素子３の中心位置に同形状で照射される。したがって、このとき、多分割受光素子３の各受光面からの各出力信号レベルは等しく、この装置からの放射光軸と他方の装置からの入射光軸は合致した状態を保つ。

そして、図５中の（ｂ）に示すように、この光検出素子に対して、斜入射光が照射された場合には、回折素子アレイ１で分割された光束は、回折素子２で集光された後、多分割受光素子３の受光面上に照射されたとき、この多分割受光素子３の中心からずれた位置に照射される。したがって、このとき、多分割受光素子３の各受光面からの出力信号レベルには差が生じ、入射光が垂直入射光ではなく、斜入射光であることが検出される。

そして、反射光学系が偏向制御されることにより、この装置からの放射光軸と他方の装置からの入射光軸の調整動作が行われる。

〔第２の実施の形態〕
図６は、本発明の光検出装置の第２の実施の形態における構成を示す側面図である。

本発明に係る光検出装置は、図６に示すように、ガラスやプラスティック材料からなる平行平面板４の表面に形成されたレンズアレイ１ａとレンズ２ａとを有するものとしてもよい。レンズアレイ１ａは、回折素子アレイ１に代わるものであり、レンズ２ａは、回折格子２に代わるものである。

この光検出装置において、レンズアレイ１ａに入射した入射光は、複数の光束に分割されるとともに、それぞれ発散され、レンズ２ａによって多分割受光素子３の受光面上の同位置に同形状で照射される。

レンズアレイ１ａは、複数の微小な凹面で構成されている。レンズ２ａは、単一の連続した曲面で構成される。

レンズアレイ１ａの代わりに、第１の実施の形態に示した回折素子アレイ１を配置してもよい。また、レンズ２ａの代わりに、第１の実施の形態で示した回折素子２を配置してもよい。回折素子アレイ１、または、回折素子２の代わりに、鋸歯状に形成されたフレネルレンズアレイ、または、フレネルレンズを配置してもよい。

さらに、多分割受光素子３の受光面上に照射するスポットサイズを、レンズアレイ１ａで分割される微小エリアよりも大きくするには、レンズアレイ１ａの各曲面は凸面を有するものとし、レンズアレイ１ａに入射した光が収束されるようにする。

〔第３の実施の形態〕
図７は、本発明の光検出装置の第３の実施の形態における構成を示す側面図である。

本発明に係る光検出装置は、図７に示すように、ガラスやプラスティック材料からなる平行平面板４の表面に形成されたレンズ１ｂと拡散面２ｂとを有するものとしてもよい。レンズ１ｂは、回折素子アレイ１に代わるものであり、拡散面２ｂは、回折格子２に代わるものである。

この光検出装置において、レンズ１ｂに入射した光は収束され、拡散面２ｂに照射される。拡散面２ｂに照射された光束は、拡散面２ｂの各々の点から任意の指向性で透過拡散され、多分割受光素子３の同位置に同形状で合成される。

拡散面２ｂは、ガラスやプラスティックの基材に屈折率のわずかに異なる数μｍから数十μｍの球体や染料を添加した拡散材として、または、表面のサンドブラスト加工、あるいは、ホログラム加工により、拡散作用を有するものとして構成することができる。

なお、レンズ１ｂの代わりに、第１の実施の形態で示した回折素子２や鋸歯状に形成されたフレネルレンズを用いてもよい。

〔第４の実施の形態〕
図８は、本発明の光検出装置の第４の実施の形態における構成を示す側面図である。

本発明に係る光検出装置は、図８に示すように、図６に示した第２の実施の形態におけるレンズアレイ１ａとレンズ２ａとが、それぞれ別体のガラスやプラスティック材料からなる平行平面板４，５のそれぞれの一面に形成されるようにしてもよい。

このように、レンズアレイ１ａとレンズ２ａとを別体とすることにより、多分割受光素子３の受光面上に照射される光スポットのサイズや、レンズ２ａの焦点距離の変更や調整が容易となる。

また、レンズアレイ１ａの代わりに、第１の実施の形態で示した回折素子アレイ１を配置してもよい。さらに、レンズ２ａの代わりに、第１の実施の形態で示した回折素子２を配置してもよい。さらに、回折素子アレイ１、または、回折素子２の代わりに、鋸歯状に形成されたフレネルレンズアレイ、または、フレネルレンズを配置してもよい。

本発明に係る光検出装置を用いた光無線伝送装置の構成を示す側面図である。 前記光無線伝送装置の構成を示す側面図である。 本発明に係る光検出装置の第１の実施の形態における構成を示す側面図である。 前記光検出装置における回折素子アレイ及び回折素子の構造を示す断面図である。 前記光検出装置において、分布に偏りがある光束が垂直に入射した場合（ａ）及び光束が斜めに入射した場合（ｂ）の光路を示す側面図である。 本発明に係る光検出装置の第２の実施の形態における構成を示す側面図である。 本発明に係る光検出装置の第３の実施の形態における構成を示す側面図である。 本発明に係る光検出装置の第４の実施の形態における構成を示す側面図である。 従来の光検出装置の構成を示す側面図である。 従来の光検出装置の構造と動作を示す側面図である。

符号の説明

１ 回折格子アレイ
１ａ レンズアレイ
１ｂ レンズ
２ 回折格子
２ａ レンズ
２ｂ 拡散面
３ 多分割受光素子
４，５ 平行平面板

Claims (4)

1. 複数の受光面を有する多分割受光素子に入射された光束の各受光面ごとの光量に基づいて、入射光が垂直入射であるか斜入射であるかを検出し、光軸の調整、制御を行う光検出装置であって、
   入射光束を微小光束に分割して発散させ、または、収束させる機能を有する光束分割手段と、
   前記光束分割手段と同軸となされて設置され、前記光束分割手段により微小光束に分割された各光束が入射され、これら各光束を一定距離離れた同位置に同形状で合成する機能を有する光束合成手段と、
   前記光束合成手段と同軸となされ、前記光束合成手段が前記分割された各々の光束を合成する位置に設置され、この光束合成手段が合成した光束を受光する多分割受光素子と
   を備えていることを特徴とする光検出装置。
2. 請求項１記載の光検出装置であって、
   前記光束分割手段は、複数の光束分割領域を有し、各光束分割領域において、階段状、または、鋸歯状の構造を有しており、
   前記光束合成手段は、階段状、または、鋸歯状の構造を有していること
   を特徴とする光検出装置。
3. 請求項１記載の光検出装置であって、
   前記光束分割手段は、前記各分割領域において、中心部から外周側に向けて屈折率が変化する材料で構成されていること
   を特徴とする光検出装置。
4. 請求項１記載の光検出装置であって、
   前記光束分割手段は、拡散透過性を有する材料で構成されていること
   を特徴とする光検出装置。

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