JP4449096B2 - 光学素子および該光学素子を用いた送受光装置、送光装置 - Google Patents
光学素子および該光学素子を用いた送受光装置、送光装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を用いて情報の送受信を行う光無線伝送システム等における情報の伝送速度を高速化し得るとともに十分な伝送距離を確保し得るようにレーザダイオード等のような光源から発生するコヒーレントな光を利用するために安全な光を発生し得る光学素子および該光学素子を用いた送受光装置、送光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光無線伝送システムに使用されている送受光装置は、図９に示すように、発光素子として発光ダイオード７を使用し、この発光ダイオード７から放出される光をレンズ８で指向角を絞って受光側に送光し、受光側において集光レンズ９で集光し、この集光された光をフォトダイオード１０で受光して電気信号に変換している。
【０００３】
図１０は、このような送受光装置に対する送受信信号を処理する処理回路の構成を示すブロック図である。この処理回路では、コネクタ２３からの入力信号を入出力インタフェース２４を介してデジタル信号処理部２５に供給し、このデジタル信号処理部２５で変調処理等を施した後、光送信駆動回路２７で図９の送受光装置の発光ダイオード７およびレンズ８等からなる送光部を駆動し、通信光として受光側に送光している。また、受光側では、光受信駆動回路２８で駆動された図９の送受光装置のレンズ９およびフォトダイオード１０等からなる受光部で通信光を受光して電気信号に変換し、この信号をデジタル信号処理部２６で復調処理等を施した後、入出力インタフェース２４を介してコネクタ２３から出力している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の送受光装置では、発光ダイオード７を使用し、この発光ダイオードから送出される光を利用して情報を伝送しているが、情報の伝送速度が速い場合には、発光ダイオードを駆動する入力電流に対して発光ダイオードの発光が追いつかず、光の空間伝送の場合、１００Ｍｂｐｓ程度までしか高速化することができない。
【０００５】
そこで、発光ダイオードの代わりに発光素子としてコヒーレントな光を発生するレーザダイオード（ＬＤ）を使用することが提案されている。レーザダイオードは情報の伝送速度の高速化が可能であるとともに、同等の発光量を得るための消費電力は発光ダイオードに比較して少ないという利点もある。
【０００６】
しかしながら、レーザダイオードから放射されるコヒーレント光、特に所望の伝送距離を確保し、情報伝送し得るように大きな発光レベルのコヒーレント光は、人体に良い影響を与えないという問題がある。
【０００７】
更に詳しくは、レーザ光は、人体に与える影響の中でも、特に眼に与える影響が非常に大きい。波長４００〜１４００ｎｍのレーザ光は、万が一眼に入って眼底に到達すると、眼の角膜、水晶体の集光作用により眼底での光のエネルギ密度は角膜上の１０4 倍以上となる可能性がある。すなわち、レーザ光は、位相の揃ったコヒーレント光であるため、角膜、水晶体によって眼底に集光した場合、図１１に示すように、眼球１１の底部１１ａの一点に同位相のレーザ光線が集まり、この点における光のエネルギ密度が大きくなり、眼底に影響を与える可能性がある。なお、図１１において、符号１２は等位相面を示している。
【０００８】
このように人体、特に眼に影響を与えるレーザダイオードから放射されるレーザ光から人体を保護するために、レーザ光による被爆放出限界、すなわち最大被爆放出レベルによってレーザ光の発光レベルはクラス１，２，３Ａ，３Ｂ，４に分けられ、クラスによって異なる安全規格に従った管理が要求されている。クラス１のレーザ光は、合理的に予知可能な運転条件下で安全が確保されるレーザ光であり、ＩＥＣ８２５による安全管理のための要求事項が免除されている。
【０００９】
民生用光無線伝送システムにおいて発光素子としてコヒーレント光を発生するレーザダイオードを使用する場合には、レーザ光の放射強度はクラス１のレベルが望ましいが、レーザダイオードの発光レベルをクラス１に抑えた場合、発光レベルが低すぎて、従来の光無線伝送システムと同等の通信距離を確保することが困難となるという問題がある。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、情報の伝送速度を高速化し得るようにコヒーレント光を発生するコヒーレント光源を利用するも人体に影響を及ぼさない光を発生し得る光学素子および該光学素子を用いた送受光装置、送光装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の本発明に係る送光装置は、コヒーレント光を発生し、ほぼ点光源とみなせる発光素子と、前記発光素子から発生するコヒーレント光を平行な光に変換するコリメートレンズと、第１の屈折率を有し空気を除く第１の物質と、前記第１の物質と接合されて、前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有し空気を除く第２の物質とを含み、前記第１の物質と前記第２の物質とが接合された境界面は波形状に連続的に変化している光学素子とを有することを要旨とする。
【００１８】
請求項１記載の本発明に係る送光装置にあっては、第１の屈折率を有する第１の物質と接合された第２の屈折率を有する第２の物質との境界面が波形状に連続的に変化していることから、ほぼ平行なコヒーレント光が入射すると、この平行光の位相が連続的に変化し、インコヒーレント光を生成し放出するため、このインコヒーレント光が人の目に入っても、同位相の光が眼底の一点に集まってエネルギ密度が大きくなることはなく、すなわち眼の網膜上に集光することなく、かつ情報伝送に十分な発光レベルの光を発生することが可能である。
【００１９】
また、請求項２記載の本発明に係る送光装置は、光学素子がレンズであることを要旨とする。
【００２０】
請求項２記載の本発明に係る送光装置にあっては、光学素子がレンズであることから、小型化、経済化を図ることができる。
【００２１】
更に、請求項３記載の本発明に係る送受光装置は、コヒーレント光を発生し、ほぼ点光源とみなせる発光素子、および該発光素子から発生する光を平行な光に変換するとともに、前記光の位相を連続的に変化させて、インコヒーレント光を生成し送出する光学素子を有する送光装置と、該送光装置から送出される平行なインコヒーレント光が入射し、この入射したインコヒーレント光の位相を前記光学素子における位相の変化と逆に変化させて、コヒーレント光を生成するとともに前記光を集光するコヒーレント光生成手段、およびこの集光した光を受光する受光手段を有する受光装置とを有することを要旨とする。
【００２２】
請求項３記載の本発明に係る送受光装置にあっては、発光素子から発生するコヒーレント光を平行な光に変換するとともに、この光の位相を連続的に変化させて、インコヒーレント光を送光装置から生成し送出し、受光装置においては送光装置から送出されるインコヒーレント光の位相を逆相に変換させて、コヒーレント光を生成し、集光した光を受光するため、送光装置から送出されるインコヒーレント光が人の目に入っても、同位相の光が眼底の一点に集まってエネルギ密度が大きくなることはなく、情報伝送に十分な発光レベルの光を発生することが可能である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る光学素子を用いた送光装置の構成を示す図である。同図に示す送光装置２９は、発光素子としてレーザダイオード５を使用し、このレーザダイオード５から発生するコヒーレント光をコリメートレンズ２で平行光にし、この平行なコヒーレント光は、光学素子１に入射される。
【００２４】
光学素子１は、入射光の位相のみを連続的に変化させて放出させる機能を持っているため、平行なコヒーレント光は光学素子１を透過することにより、その光の位相が連続的に変化して、インコヒーレント光に変換され、このインコヒーレント光が光学素子１から送出されることになる。このインコヒーレント光は、位相が連続的に変化して揃っていないため、人間の眼に入っても、図２に示すように眼球１１の底部１１ａの一点に集光することがなく、安全である。なお、図２において、１２はコヒーレント光の等位相面を示し、１４はインコヒーレント光を示している。
【００２５】
次に、図３を参照して、図１に示した光学素子１の具体的な構成について説明する。光学素子１は、図３（ａ）に断面図で示すように、第１の屈折率ｎ1 を有する第１の物質３６と第２の屈折率ｎ2 を有する第２の物質３７を接合して構成され、この接合した両物質３６，３７の境界面３５は波形状で連続的に変化している。
【００２６】
このように構成される光学素子１に入射する平行なコヒーレント光４１は、まず屈折率ｎ2 の第２の物質３７に入射し、境界面３５を通過して、屈折率ｎ1 の第１の物質３６に入射する。この結果、コヒーレント光４１は、境界面３５から屈折率の異なる第１の物質３６に入射した場合に、第１の物質３６に入射する境界面３５における入射角が境界面３５に当たった位置によってそれぞれ異なるため、境界面３５の位置によってそれぞれ異なった角度で第１の物質３６に入射し、第１の物質３６内を図３（ａ）に示すようにそれぞれ異なる光路長で透過し、これにより透過光の位相は境界面３５の位置に応じて連続的に変化し、第１の物質３６からインコヒーレント光４３として放出されるのである。このインコヒーレント光は、位相が変化して揃っていないため、図２で説明したように、眼に入っても眼底１１ａの一点に集光することがない。
【００２７】
図３（ｂ）は、図３（ａ）における第２の物質３７として空気３８を使用した光学素子１の断面を示す図である。このように第２の物質３７として空気３８を使用した光学素子１であっても、図３（ａ）の場合と同様に空気３８を通過し、境界面３５から第１の物質３６に入射するコヒーレント光４１は境界面３５から第１の物質３６への入射角が境界面３５に当たった位置によってそれぞれ異なり、第１の物質３６内をそれぞれ異なる光路長で透過するため、透過光の位相は境界面３５の位置に応じて連続的に変化し、第１の物質３６からインコヒーレント光４３として放出される。
【００２８】
第１の物質３６の屈折率ｎ1 と第２の物質３７の屈折率ｎ2 の関係がｎ1 ＞ｎ2 である場合、図３（ｃ）に示すように、第１の物質３６に対する入射角θ1 が大きくなる程、透過率は小さくなる。そして、入射角θ1 が臨界角（θc ＝ｓｉｎ- （ｎ2 ／ｎ1 ））である場合には、透過率は０となり、全反射する。従って、入射角θ1 があまり大きくならないように屈折率および境界面３５を設計する必要がある。
【００２９】
なお、上述したように光の位相を連続的に変化させる光学素子１は、例えばホログラムで構成することも可能である。
【００３０】
図４は、本発明の他の実施形態に係る光学素子を用いた送光装置の構成を示す図である。同図に示す送光装置３０は、図１に示した送光装置２９におけるコリメートレンズ２と光学素子１の代わりにコリメートレンズ２と光学素子１の両機能を有する光学素子３を用いた点が異なるものであり、その他の構成および作用は同じである。
【００３１】
図４に示す送光装置３０に使用されている光学素子３は、レーザダイオード５からのコヒーレント光を平行光に変換するとともに、該光の位相を連続的に変化させて、眼に安全なインコヒーレント光を生成して放出するように図１のコリメートレンズ２と光学素子１の両機能を備えているものである。
【００３２】
また、このように構成される光学素子３が有する両機能のうち、図１に示した光学素子１の機能に対応する位相変化機能は、図３で説明したものと同じように、屈折率ｎ1 を有する第１の物質３６と屈折率ｎ2 を有する第２の物質３７を接合し、この接合した両物質３６，３７の境界面３５が波形状で連続的に変化するように構成され、これによりコヒーレント光をインコヒーレント光に変換している。
【００３３】
図５は、本発明の更に他の実施形態に係る送受光装置の構成を示す図である。同図に示す送受光装置は、送光装置２９と受光装置３２から構成され、送光装置２９は、図１に示したと同様に、レーザダイオード５、コリメートレンズ２および光学素子１から構成され、受光装置３２は、送光装置２９から送出されて入射する平行なインコヒーレント光の位相を光学素子１における位相の変化と逆相に変化させて、元のコヒーレント光を生成する光学素子４、この光学素子４からのコヒーレント光を集光する集光レンズ３１、およびこの集光されたコヒーレント光を受光するフォトダイオード６から構成されている。
【００３４】
このように構成される送受光装置においては、送光装置２９に使用されている光学素子１が図１と同様にレーザダイオード５からのコヒーレント光をコリメートレンズ２で集光して光学素子１に入射し、光学素子１でコヒーレント入射光の位相を連続的に変化させて、インコヒーレントな光として空間に放出するため、人間の眼に入っても、眼底に集光することがなく、十分大きな発光レベルの光を発生することができる。
【００３５】
また、受光装置３２においては、送光装置２９から送出された平行なインコヒーレント光を光学素子４に入射し、この光学素子４において入射光の位相を光学素子１における位相の変化と逆相に変化させて、元のコヒーレント光を生成し、このコヒーレント光を集光レンズ３１で集光し、フォトダイオード６で受光するため、送光装置２９で発生した十分大きな発光レベルの光を受光装置３２において再生することができる。
【００３６】
なお、図５に示す送受光装置の送光装置２９に使用されているコリメートレンズ２および光学素子１の代わりに図２に示した光学素子３を使用してもよいものである。
【００３７】
図６は、本発明の別の実施形態に係る送光装置の構成を示す図である。同図に示す送光装置３４は、図１に示した送光装置２９に使用されているレーザダイオード５および光学素子１を使用するとともに、コリメートレンズ２の代わりにパラボラミラー３３を使用するように構成した点が異なるものである。
【００３８】
すなわち、図６に示す送光装置３４は、レーザダイオード５から発生するコヒーレント光を光学素子１に入射し、光学素子１においてレーザダイオード５からのコヒーレント光の位相を連続的に変化させて、インコヒーレント光として光学素子１から放出し、この光学素子１からのインコヒーレント光をパラボラミラー３３で平行光として反射し、この平行なインコヒーレント光をレーザダイオード５からの光の放射方向とは逆方向に放射するようにしているものである。
【００３９】
図７（ａ），（ｂ）は、それぞれ本発明の更に別の実施形態に係る送受光装置を用いた光無線伝送装置の概略構成および詳細構成を示す図である。
【００４０】
図７（ａ）に示す光無線伝送装置は、送受光端末装置５１と送受光端末装置５３から構成され、送受光端末装置５１から送出されるインコヒーレント光を送受光端末装置５３で受光し、また送受光端末装置５３から送出されるインコヒーレント光を送受光端末装置５１で受信し、両端末装置間で双方向光無線伝送を行うようになっている。
【００４１】
図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す光無線伝送装置の詳細構成を示す図である。図７（ｂ）に示すように、図７（ａ）の光無線伝送装置を構成している送受光端末装置５１と送受光端末装置５３の各々は、レーザダイオード５、コリメートレンズ２、光学素子１からなる図１に示した送光装置２９と光学素子４、集光レンズ３１、フォトダイオード６からなる図５に示した受光装置３２とを有して、同じように構成され、送受光端末装置５１は送受光駆動処理回路２１に接続され、また送受光端末装置５３は送受光駆動処理回路２２に接続されている。
【００４２】
このように構成される光無線伝送装置において、送受光駆動処理回路２１で変調処理等を施された送信信号は送受光端末装置５１の送光装置２９のレーザダイオード５に供給され、レーザダイオード５からコヒーレント光を発生し、このコヒーレント光はコリメートレンズ２で平行光にされてから、光学素子１でインコヒーレント光８１に変換されて送受光端末装置５３に送出される。
【００４３】
この送出されるインコヒーレント光８１は、送受光端末装置５３の受光装置３２の光学素子４で元のコヒーレント光に変換され、集光レンズ３１で集光され、フォトダイオード６で受光されて電気信号に変換される。この電気信号はフォトダイオード６から送受光駆動処理回路２２に供給され、復調処理等を施されて、図示しないデジタル信号処理回路等に供給される。
【００４４】
また、送受光駆動処理回路２２で変調処理等を施された送信信号は、送受光端末装置５３の送光装置２９のレーザダイオード５に供給され、レーザダイオード５からコヒーレント光を発生し、このコヒーレント光はコリメートレンズ２で平行光にされてから、光学素子１でインコヒーレント光８３に変換されて送受光端末装置５１に送出される。
【００４５】
送受光端末装置５１は、このインコヒーレント光８３を受光装置３２の光学素子４で元のコヒーレント光に変換し、集光レンズ３１で集光し、フォトダイオード６で電気信号に変換する。この電気信号はフォトダイオード６から送受光駆動処理回路２１に供給され、復調処理等を施されて、図示しないデジタル信号処理回路等に供給される。
【００４６】
このように構成される送受光端末装置５１と送受光端末装置５３の間では、所望の伝送距離を確保し得る発光レベルのレーザ光をレーザダイオード５から発生し、このレーザ光を光学素子１で眼に安全なインコヒーレント光に変換して空間に送出している。また、この空間に送出されたインコヒーレント光は、光学素子４で再び十分大きなレベルの元のコヒーレント光に戻され、フォトダイオード６で受光され、送受光端末装置５１，５３の両端末装置間において双方向の高速伝送を行うことができる。
【００４７】
図８は、図７に示した光無線伝送装置における送受光端末装置５１，５３の別の構成を示す図である。図８の送受光端末装置５１，５３は、図７における送受光端末装置５１，５３の送光装置２９の代わりに図４に示したレーザダイオード５、光学素子３からなる送光装置３０を使用するようにした点が異なるものであり、その他の構成および作用は図７のものと同じである。このように送光装置２９の代わりにレーザダイオード５と光学素子３からなる送光装置３０を使用することにより、光学素子３に平行光に変換する機能と光の位相を連続的に変化させる機能の両方を持たせることができ、小型化、経済化を図ることができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の本発明に係る光学素子によれば、ほぼ平行なコヒーレント光が入射すると、位相変化手段により入射光の位相は連続的に変化して、コヒーレント性が失われ、インコヒーレント光を生成し放出するので、このインコヒーレント光が人の目に入っても、同位相の光が眼底の一点に集まってエネルギ密度が大きくなることはなく、すなわち眼の網膜上に集光することなく、かつ十分な伝送距離を確保し得るとともに情報伝送に十分大きな発光レベルの光を発生することが可能である。
【００４９】
また、請求項２記載の本発明に係る光学素子によれば、コヒーレント光が入射すると、入射光を平行な光に変換するとともにその位相は連続的に変化して、コヒーレント性が失われ、インコヒーレント光を生成し放出するので、このインコヒーレント光が人の目に入っても、同位相の光が眼底の一点に集まってエネルギ密度が大きくなることはなく、所望の伝送距離を確保し得るとともに情報伝送に十分な発光レベルの光を発生することが可能であるとともに、また入射光を平行光線に変換するので、コリメートレンズが不要となり、小型化、経済化を図ることができる。
【００５０】
更に、請求項３記載の本発明に係る光学素子によれば、屈折率の異なる２つの物質で構成され、光が一方の物質を透過し、他方の物質との境界面に至り、この境界面から他方の物質に入ると、光は到達した境界面の位置により異なる角度で屈折して透過光に光路差が生じることで、光の位相が連続的に変化し、コヒーレント性が失われたインコヒーレント光を生成し放出するので、このインコヒーレント光が人の目に入っても、同位相の光が眼底の一点に集まってエネルギ密度が大きくなることはなく、所望の伝送距離を確保し得るとともに情報伝送に十分な発光レベルの光を発生することが可能である。
【００５１】
請求項４記載の本発明に係る送光装置によれば、発光素子から発生するコヒーレント光を平行な光に変換し、この平行光が光学素子に入射することで、この平行光の位相が連続的に変化し、インコヒーレント光を生成し放出するので、このインコヒーレント光が人の目に入っても、同位相の光が眼底の一点に集まってエネルギ密度が大きくなることはなく、情報伝送に十分な発光レベルの光を発生することが可能である。
【００５２】
また、請求項５記載の本発明に係る送光装置によれば、発光素子から発生するコヒーレント光を平行な光に変換するとともに、この光の位相を連続的に変化し、インコヒーレント光を生成し放出するので、このインコヒーレント光が人の目に入っても、同位相の光が眼底の一点に集まってエネルギ密度が大きくなることはなく、所望の伝送距離を確保し得るとともに情報伝送に十分な発光レベルの光を発生することが可能である。
【００５３】
更に、請求項６記載の本発明に係る送受光装置によれば、発光素子から発生するコヒーレント光を平行な光に変換するとともに、この光の位相を連続的に変化させて、インコヒーレント光を送光装置から生成し送出し、受光装置においては送光装置から送出されるインコヒーレント光の位相を逆相に変化させて、コヒーレント光を生成し、集光した光を受光するので、送光装置から送出されるインコヒーレント光が人の目に入っても、同位相の光が眼底の一点に集まってエネルギ密度が大きくなることはなく、所望の伝送距離を確保し得るとともに情報伝送に十分な発光レベルの光を発生することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る光学素子を用いた送光装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示した送光装置から送出されるインコヒーレント光が眼球に入って、眼底に到達する様子を示す図である。
【図３】図１に示した光学素子の具体的な構成を示す断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る光学素子を用いた送光装置の構成を示す図である。
【図５】本発明の更に他の実施形態に係る送受光装置の構成を示す図である。
【図６】本発明の別の実施形態に係る送光装置の構成を示す図である。
【図７】本発明の更に別の実施形態に係る送受光装置を用いた光無線伝送装置の概略構成および詳細構成を示す図である。
【図８】図７に示した光無線伝送装置における送受光端末装置の別の構成を示す図である。
【図９】従来の光無線伝送システムに使用されている送受光装置の構成を概略的に示す図である。
【図１０】図９に示した送受光装置に対する送受信信号を処理する処理回路の構成を示すブロック図である。
【図１１】コヒーレント光が人間の眼球に入って、眼底の一点に集光する様子を示す図である。
【符号の説明】
１，３，４ 光学素子
２ コリメートレンズ
５ レーザダイオード
６ フォトダイオード
２９，３０ 送光装置
３１ 集光レンズ
３２ 受光装置
３５ 境界面
３６ 第１の物質
３７ 第２の物質
５１，５３ 送受光端末装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を用いて情報の送受信を行う光無線伝送システム等における情報の伝送速度を高速化し得るとともに十分な伝送距離を確保し得るようにレーザダイオード等のような光源から発生するコヒーレントな光を利用するために安全な光を発生し得る光学素子および該光学素子を用いた送受光装置、送光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光無線伝送システムに使用されている送受光装置は、図９に示すように、発光素子として発光ダイオード７を使用し、この発光ダイオード７から放出される光をレンズ８で指向角を絞って受光側に送光し、受光側において集光レンズ９で集光し、この集光された光をフォトダイオード１０で受光して電気信号に変換している。
【０００３】
図１０は、このような送受光装置に対する送受信信号を処理する処理回路の構成を示すブロック図である。この処理回路では、コネクタ２３からの入力信号を入出力インタフェース２４を介してデジタル信号処理部２５に供給し、このデジタル信号処理部２５で変調処理等を施した後、光送信駆動回路２７で図９の送受光装置の発光ダイオード７およびレンズ８等からなる送光部を駆動し、通信光として受光側に送光している。また、受光側では、光受信駆動回路２８で駆動された図９の送受光装置のレンズ９およびフォトダイオード１０等からなる受光部で通信光を受光して電気信号に変換し、この信号をデジタル信号処理部２６で復調処理等を施した後、入出力インタフェース２４を介してコネクタ２３から出力している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の送受光装置では、発光ダイオード７を使用し、この発光ダイオードから送出される光を利用して情報を伝送しているが、情報の伝送速度が速い場合には、発光ダイオードを駆動する入力電流に対して発光ダイオードの発光が追いつかず、光の空間伝送の場合、１００Ｍｂｐｓ程度までしか高速化することができない。
【０００５】
そこで、発光ダイオードの代わりに発光素子としてコヒーレントな光を発生するレーザダイオード（ＬＤ）を使用することが提案されている。レーザダイオードは情報の伝送速度の高速化が可能であるとともに、同等の発光量を得るための消費電力は発光ダイオードに比較して少ないという利点もある。
【０００６】
しかしながら、レーザダイオードから放射されるコヒーレント光、特に所望の伝送距離を確保し、情報伝送し得るように大きな発光レベルのコヒーレント光は、人体に良い影響を与えないという問題がある。
【０００７】
更に詳しくは、レーザ光は、人体に与える影響の中でも、特に眼に与える影響が非常に大きい。波長４００〜１４００ｎｍのレーザ光は、万が一眼に入って眼底に到達すると、眼の角膜、水晶体の集光作用により眼底での光のエネルギ密度は角膜上の１０4 倍以上となる可能性がある。すなわち、レーザ光は、位相の揃ったコヒーレント光であるため、角膜、水晶体によって眼底に集光した場合、図１１に示すように、眼球１１の底部１１ａの一点に同位相のレーザ光線が集まり、この点における光のエネルギ密度が大きくなり、眼底に影響を与える可能性がある。なお、図１１において、符号１２は等位相面を示している。
【０００８】
このように人体、特に眼に影響を与えるレーザダイオードから放射されるレーザ光から人体を保護するために、レーザ光による被爆放出限界、すなわち最大被爆放出レベルによってレーザ光の発光レベルはクラス１，２，３Ａ，３Ｂ，４に分けられ、クラスによって異なる安全規格に従った管理が要求されている。クラス１のレーザ光は、合理的に予知可能な運転条件下で安全が確保されるレーザ光であり、ＩＥＣ８２５による安全管理のための要求事項が免除されている。
【０００９】
民生用光無線伝送システムにおいて発光素子としてコヒーレント光を発生するレーザダイオードを使用する場合には、レーザ光の放射強度はクラス１のレベルが望ましいが、レーザダイオードの発光レベルをクラス１に抑えた場合、発光レベルが低すぎて、従来の光無線伝送システムと同等の通信距離を確保することが困難となるという問題がある。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、情報の伝送速度を高速化し得るようにコヒーレント光を発生するコヒーレント光源を利用するも人体に影響を及ぼさない光を発生し得る光学素子および該光学素子を用いた送受光装置、送光装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の本発明に係る送光装置は、コヒーレント光を発生し、ほぼ点光源とみなせる発光素子と、前記発光素子から発生するコヒーレント光を平行な光に変換するコリメートレンズと、第１の屈折率を有し空気を除く第１の物質と、前記第１の物質と接合されて、前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有し空気を除く第２の物質とを含み、前記第１の物質と前記第２の物質とが接合された境界面は波形状に連続的に変化している光学素子とを有することを要旨とする。
【００１８】
請求項１記載の本発明に係る送光装置にあっては、第１の屈折率を有する第１の物質と接合された第２の屈折率を有する第２の物質との境界面が波形状に連続的に変化していることから、ほぼ平行なコヒーレント光が入射すると、この平行光の位相が連続的に変化し、インコヒーレント光を生成し放出するため、このインコヒーレント光が人の目に入っても、同位相の光が眼底の一点に集まってエネルギ密度が大きくなることはなく、すなわち眼の網膜上に集光することなく、かつ情報伝送に十分な発光レベルの光を発生することが可能である。
【００１９】
また、請求項２記載の本発明に係る送光装置は、光学素子がレンズであることを要旨とする。
【００２０】
請求項２記載の本発明に係る送光装置にあっては、光学素子がレンズであることから、小型化、経済化を図ることができる。
【００２１】
更に、請求項３記載の本発明に係る送受光装置は、コヒーレント光を発生し、ほぼ点光源とみなせる発光素子、および該発光素子から発生する光を平行な光に変換するとともに、前記光の位相を連続的に変化させて、インコヒーレント光を生成し送出する光学素子を有する送光装置と、該送光装置から送出される平行なインコヒーレント光が入射し、この入射したインコヒーレント光の位相を前記光学素子における位相の変化と逆に変化させて、コヒーレント光を生成するとともに前記光を集光するコヒーレント光生成手段、およびこの集光した光を受光する受光手段を有する受光装置とを有することを要旨とする。
【００２２】
請求項３記載の本発明に係る送受光装置にあっては、発光素子から発生するコヒーレント光を平行な光に変換するとともに、この光の位相を連続的に変化させて、インコヒーレント光を送光装置から生成し送出し、受光装置においては送光装置から送出されるインコヒーレント光の位相を逆相に変換させて、コヒーレント光を生成し、集光した光を受光するため、送光装置から送出されるインコヒーレント光が人の目に入っても、同位相の光が眼底の一点に集まってエネルギ密度が大きくなることはなく、情報伝送に十分な発光レベルの光を発生することが可能である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る光学素子を用いた送光装置の構成を示す図である。同図に示す送光装置２９は、発光素子としてレーザダイオード５を使用し、このレーザダイオード５から発生するコヒーレント光をコリメートレンズ２で平行光にし、この平行なコヒーレント光は、光学素子１に入射される。
【００２４】
光学素子１は、入射光の位相のみを連続的に変化させて放出させる機能を持っているため、平行なコヒーレント光は光学素子１を透過することにより、その光の位相が連続的に変化して、インコヒーレント光に変換され、このインコヒーレント光が光学素子１から送出されることになる。このインコヒーレント光は、位相が連続的に変化して揃っていないため、人間の眼に入っても、図２に示すように眼球１１の底部１１ａの一点に集光することがなく、安全である。なお、図２において、１２はコヒーレント光の等位相面を示し、１４はインコヒーレント光を示している。
【００２５】
次に、図３を参照して、図１に示した光学素子１の具体的な構成について説明する。光学素子１は、図３（ａ）に断面図で示すように、第１の屈折率ｎ1 を有する第１の物質３６と第２の屈折率ｎ2 を有する第２の物質３７を接合して構成され、この接合した両物質３６，３７の境界面３５は波形状で連続的に変化している。
【００２６】
このように構成される光学素子１に入射する平行なコヒーレント光４１は、まず屈折率ｎ2 の第２の物質３７に入射し、境界面３５を通過して、屈折率ｎ1 の第１の物質３６に入射する。この結果、コヒーレント光４１は、境界面３５から屈折率の異なる第１の物質３６に入射した場合に、第１の物質３６に入射する境界面３５における入射角が境界面３５に当たった位置によってそれぞれ異なるため、境界面３５の位置によってそれぞれ異なった角度で第１の物質３６に入射し、第１の物質３６内を図３（ａ）に示すようにそれぞれ異なる光路長で透過し、これにより透過光の位相は境界面３５の位置に応じて連続的に変化し、第１の物質３６からインコヒーレント光４３として放出されるのである。このインコヒーレント光は、位相が変化して揃っていないため、図２で説明したように、眼に入っても眼底１１ａの一点に集光することがない。
【００２７】
図３（ｂ）は、図３（ａ）における第２の物質３７として空気３８を使用した光学素子１の断面を示す図である。このように第２の物質３７として空気３８を使用した光学素子１であっても、図３（ａ）の場合と同様に空気３８を通過し、境界面３５から第１の物質３６に入射するコヒーレント光４１は境界面３５から第１の物質３６への入射角が境界面３５に当たった位置によってそれぞれ異なり、第１の物質３６内をそれぞれ異なる光路長で透過するため、透過光の位相は境界面３５の位置に応じて連続的に変化し、第１の物質３６からインコヒーレント光４３として放出される。
【００２８】
第１の物質３６の屈折率ｎ1 と第２の物質３７の屈折率ｎ2 の関係がｎ1 ＞ｎ2 である場合、図３（ｃ）に示すように、第１の物質３６に対する入射角θ1 が大きくなる程、透過率は小さくなる。そして、入射角θ1 が臨界角（θc ＝ｓｉｎ- （ｎ2 ／ｎ1 ））である場合には、透過率は０となり、全反射する。従って、入射角θ1 があまり大きくならないように屈折率および境界面３５を設計する必要がある。
【００２９】
なお、上述したように光の位相を連続的に変化させる光学素子１は、例えばホログラムで構成することも可能である。
【００３０】
図４は、本発明の他の実施形態に係る光学素子を用いた送光装置の構成を示す図である。同図に示す送光装置３０は、図１に示した送光装置２９におけるコリメートレンズ２と光学素子１の代わりにコリメートレンズ２と光学素子１の両機能を有する光学素子３を用いた点が異なるものであり、その他の構成および作用は同じである。
【００３１】
図４に示す送光装置３０に使用されている光学素子３は、レーザダイオード５からのコヒーレント光を平行光に変換するとともに、該光の位相を連続的に変化させて、眼に安全なインコヒーレント光を生成して放出するように図１のコリメートレンズ２と光学素子１の両機能を備えているものである。
【００３２】
また、このように構成される光学素子３が有する両機能のうち、図１に示した光学素子１の機能に対応する位相変化機能は、図３で説明したものと同じように、屈折率ｎ1 を有する第１の物質３６と屈折率ｎ2 を有する第２の物質３７を接合し、この接合した両物質３６，３７の境界面３５が波形状で連続的に変化するように構成され、これによりコヒーレント光をインコヒーレント光に変換している。
【００３３】
図５は、本発明の更に他の実施形態に係る送受光装置の構成を示す図である。同図に示す送受光装置は、送光装置２９と受光装置３２から構成され、送光装置２９は、図１に示したと同様に、レーザダイオード５、コリメートレンズ２および光学素子１から構成され、受光装置３２は、送光装置２９から送出されて入射する平行なインコヒーレント光の位相を光学素子１における位相の変化と逆相に変化させて、元のコヒーレント光を生成する光学素子４、この光学素子４からのコヒーレント光を集光する集光レンズ３１、およびこの集光されたコヒーレント光を受光するフォトダイオード６から構成されている。
【００３４】
このように構成される送受光装置においては、送光装置２９に使用されている光学素子１が図１と同様にレーザダイオード５からのコヒーレント光をコリメートレンズ２で集光して光学素子１に入射し、光学素子１でコヒーレント入射光の位相を連続的に変化させて、インコヒーレントな光として空間に放出するため、人間の眼に入っても、眼底に集光することがなく、十分大きな発光レベルの光を発生することができる。
【００３５】
また、受光装置３２においては、送光装置２９から送出された平行なインコヒーレント光を光学素子４に入射し、この光学素子４において入射光の位相を光学素子１における位相の変化と逆相に変化させて、元のコヒーレント光を生成し、このコヒーレント光を集光レンズ３１で集光し、フォトダイオード６で受光するため、送光装置２９で発生した十分大きな発光レベルの光を受光装置３２において再生することができる。
【００３６】
なお、図５に示す送受光装置の送光装置２９に使用されているコリメートレンズ２および光学素子１の代わりに図２に示した光学素子３を使用してもよいものである。
【００３７】
図６は、本発明の別の実施形態に係る送光装置の構成を示す図である。同図に示す送光装置３４は、図１に示した送光装置２９に使用されているレーザダイオード５および光学素子１を使用するとともに、コリメートレンズ２の代わりにパラボラミラー３３を使用するように構成した点が異なるものである。
【００３８】
すなわち、図６に示す送光装置３４は、レーザダイオード５から発生するコヒーレント光を光学素子１に入射し、光学素子１においてレーザダイオード５からのコヒーレント光の位相を連続的に変化させて、インコヒーレント光として光学素子１から放出し、この光学素子１からのインコヒーレント光をパラボラミラー３３で平行光として反射し、この平行なインコヒーレント光をレーザダイオード５からの光の放射方向とは逆方向に放射するようにしているものである。
【００３９】
図７（ａ），（ｂ）は、それぞれ本発明の更に別の実施形態に係る送受光装置を用いた光無線伝送装置の概略構成および詳細構成を示す図である。
【００４０】
図７（ａ）に示す光無線伝送装置は、送受光端末装置５１と送受光端末装置５３から構成され、送受光端末装置５１から送出されるインコヒーレント光を送受光端末装置５３で受光し、また送受光端末装置５３から送出されるインコヒーレント光を送受光端末装置５１で受信し、両端末装置間で双方向光無線伝送を行うようになっている。
【００４１】
図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す光無線伝送装置の詳細構成を示す図である。図７（ｂ）に示すように、図７（ａ）の光無線伝送装置を構成している送受光端末装置５１と送受光端末装置５３の各々は、レーザダイオード５、コリメートレンズ２、光学素子１からなる図１に示した送光装置２９と光学素子４、集光レンズ３１、フォトダイオード６からなる図５に示した受光装置３２とを有して、同じように構成され、送受光端末装置５１は送受光駆動処理回路２１に接続され、また送受光端末装置５３は送受光駆動処理回路２２に接続されている。
【００４２】
このように構成される光無線伝送装置において、送受光駆動処理回路２１で変調処理等を施された送信信号は送受光端末装置５１の送光装置２９のレーザダイオード５に供給され、レーザダイオード５からコヒーレント光を発生し、このコヒーレント光はコリメートレンズ２で平行光にされてから、光学素子１でインコヒーレント光８１に変換されて送受光端末装置５３に送出される。
【００４３】
この送出されるインコヒーレント光８１は、送受光端末装置５３の受光装置３２の光学素子４で元のコヒーレント光に変換され、集光レンズ３１で集光され、フォトダイオード６で受光されて電気信号に変換される。この電気信号はフォトダイオード６から送受光駆動処理回路２２に供給され、復調処理等を施されて、図示しないデジタル信号処理回路等に供給される。
【００４４】
また、送受光駆動処理回路２２で変調処理等を施された送信信号は、送受光端末装置５３の送光装置２９のレーザダイオード５に供給され、レーザダイオード５からコヒーレント光を発生し、このコヒーレント光はコリメートレンズ２で平行光にされてから、光学素子１でインコヒーレント光８３に変換されて送受光端末装置５１に送出される。
【００４５】
送受光端末装置５１は、このインコヒーレント光８３を受光装置３２の光学素子４で元のコヒーレント光に変換し、集光レンズ３１で集光し、フォトダイオード６で電気信号に変換する。この電気信号はフォトダイオード６から送受光駆動処理回路２１に供給され、復調処理等を施されて、図示しないデジタル信号処理回路等に供給される。
【００４６】
このように構成される送受光端末装置５１と送受光端末装置５３の間では、所望の伝送距離を確保し得る発光レベルのレーザ光をレーザダイオード５から発生し、このレーザ光を光学素子１で眼に安全なインコヒーレント光に変換して空間に送出している。また、この空間に送出されたインコヒーレント光は、光学素子４で再び十分大きなレベルの元のコヒーレント光に戻され、フォトダイオード６で受光され、送受光端末装置５１，５３の両端末装置間において双方向の高速伝送を行うことができる。
【００４７】
図８は、図７に示した光無線伝送装置における送受光端末装置５１，５３の別の構成を示す図である。図８の送受光端末装置５１，５３は、図７における送受光端末装置５１，５３の送光装置２９の代わりに図４に示したレーザダイオード５、光学素子３からなる送光装置３０を使用するようにした点が異なるものであり、その他の構成および作用は図７のものと同じである。このように送光装置２９の代わりにレーザダイオード５と光学素子３からなる送光装置３０を使用することにより、光学素子３に平行光に変換する機能と光の位相を連続的に変化させる機能の両方を持たせることができ、小型化、経済化を図ることができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の本発明に係る光学素子によれば、ほぼ平行なコヒーレント光が入射すると、位相変化手段により入射光の位相は連続的に変化して、コヒーレント性が失われ、インコヒーレント光を生成し放出するので、このインコヒーレント光が人の目に入っても、同位相の光が眼底の一点に集まってエネルギ密度が大きくなることはなく、すなわち眼の網膜上に集光することなく、かつ十分な伝送距離を確保し得るとともに情報伝送に十分大きな発光レベルの光を発生することが可能である。
【００４９】
また、請求項２記載の本発明に係る光学素子によれば、コヒーレント光が入射すると、入射光を平行な光に変換するとともにその位相は連続的に変化して、コヒーレント性が失われ、インコヒーレント光を生成し放出するので、このインコヒーレント光が人の目に入っても、同位相の光が眼底の一点に集まってエネルギ密度が大きくなることはなく、所望の伝送距離を確保し得るとともに情報伝送に十分な発光レベルの光を発生することが可能であるとともに、また入射光を平行光線に変換するので、コリメートレンズが不要となり、小型化、経済化を図ることができる。
【００５０】
更に、請求項３記載の本発明に係る光学素子によれば、屈折率の異なる２つの物質で構成され、光が一方の物質を透過し、他方の物質との境界面に至り、この境界面から他方の物質に入ると、光は到達した境界面の位置により異なる角度で屈折して透過光に光路差が生じることで、光の位相が連続的に変化し、コヒーレント性が失われたインコヒーレント光を生成し放出するので、このインコヒーレント光が人の目に入っても、同位相の光が眼底の一点に集まってエネルギ密度が大きくなることはなく、所望の伝送距離を確保し得るとともに情報伝送に十分な発光レベルの光を発生することが可能である。
【００５１】
請求項４記載の本発明に係る送光装置によれば、発光素子から発生するコヒーレント光を平行な光に変換し、この平行光が光学素子に入射することで、この平行光の位相が連続的に変化し、インコヒーレント光を生成し放出するので、このインコヒーレント光が人の目に入っても、同位相の光が眼底の一点に集まってエネルギ密度が大きくなることはなく、情報伝送に十分な発光レベルの光を発生することが可能である。
【００５２】
また、請求項５記載の本発明に係る送光装置によれば、発光素子から発生するコヒーレント光を平行な光に変換するとともに、この光の位相を連続的に変化し、インコヒーレント光を生成し放出するので、このインコヒーレント光が人の目に入っても、同位相の光が眼底の一点に集まってエネルギ密度が大きくなることはなく、所望の伝送距離を確保し得るとともに情報伝送に十分な発光レベルの光を発生することが可能である。
【００５３】
更に、請求項６記載の本発明に係る送受光装置によれば、発光素子から発生するコヒーレント光を平行な光に変換するとともに、この光の位相を連続的に変化させて、インコヒーレント光を送光装置から生成し送出し、受光装置においては送光装置から送出されるインコヒーレント光の位相を逆相に変化させて、コヒーレント光を生成し、集光した光を受光するので、送光装置から送出されるインコヒーレント光が人の目に入っても、同位相の光が眼底の一点に集まってエネルギ密度が大きくなることはなく、所望の伝送距離を確保し得るとともに情報伝送に十分な発光レベルの光を発生することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る光学素子を用いた送光装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示した送光装置から送出されるインコヒーレント光が眼球に入って、眼底に到達する様子を示す図である。
【図３】図１に示した光学素子の具体的な構成を示す断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る光学素子を用いた送光装置の構成を示す図である。
【図５】本発明の更に他の実施形態に係る送受光装置の構成を示す図である。
【図６】本発明の別の実施形態に係る送光装置の構成を示す図である。
【図７】本発明の更に別の実施形態に係る送受光装置を用いた光無線伝送装置の概略構成および詳細構成を示す図である。
【図８】図７に示した光無線伝送装置における送受光端末装置の別の構成を示す図である。
【図９】従来の光無線伝送システムに使用されている送受光装置の構成を概略的に示す図である。
【図１０】図９に示した送受光装置に対する送受信信号を処理する処理回路の構成を示すブロック図である。
【図１１】コヒーレント光が人間の眼球に入って、眼底の一点に集光する様子を示す図である。
【符号の説明】
１，３，４ 光学素子
２ コリメートレンズ
５ レーザダイオード
６ フォトダイオード
２９，３０ 送光装置
３１ 集光レンズ
３２ 受光装置
３５ 境界面
３６ 第１の物質
３７ 第２の物質
５１，５３ 送受光端末装置
Claims (3)
- コヒーレント光を発生し、ほぼ点光源とみなせる発光素子と、
前記発光素子から発生するコヒーレント光を平行な光に変換するコリメートレンズと、
第１の屈折率を有し空気を除く第１の物質と、前記第１の物質と接合されて、前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有し空気を除く第２の物質とを含み、前記第１の物質と前記第２の物質とが接合された境界面は波形状に連続的に変化している光学素子と
を有することを特徴とする送光装置。 - 前記光学素子はレンズであることを特徴とする請求項１記載の送光装置。
- コヒーレント光を発生し、ほぼ点光源とみなせる発光素子、および該発光素子から発生する光を平行な光に変換するとともに、前記光の位相を連続的に変化させて、インコヒーレント光を生成し送出する光学素子を有する送光装置と、該送光装置から送出される平行なインコヒーレント光が入射し、この入射したインコヒーレント光の位相を前記光学素子における位相の変化と逆に変化させて、コヒーレント光を生成するとともに前記光を集光するコヒーレント光生成手段、およびこの集光した光を受光する受光手段を有する受光装置と
を有することを特徴とする送受光装置。
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