JP6674207B2

JP6674207B2 - 空間光伝送装置

Info

Publication number: JP6674207B2
Application number: JP2015156270A
Authority: JP
Inventors: 隆史小薮; 正輝堀
Original assignee: ダイトロン株式会社
Priority date: 2015-08-06
Filing date: 2015-08-06
Publication date: 2020-04-01
Anticipated expiration: 2035-08-06
Also published as: JP2017038098A

Description

本発明は、空間光伝送装置に関する。

従来、空間に放出された光信号によって情報を伝送する空間光伝送装置として、電気信号を光信号に変換し、変換した光信号を空間に放出することで空間を通じて情報を送信する送信部と、外部から入力された光を電気信号に変換して外部機器より送信される情報を受信する受信部とを備えた送受信相互の信号を伝送するものが知られている。

このような送受信を行う空間光伝送装置では、外部機器からの光信号が自己の送信部から放出された光信号と混信するのを防ぐため、送信部と受信部に互いに偏光方向が直交する偏光フィルタを設けることがあるが、このような場合、偏光フィルタによって光信号が減衰するため、伝送距離が短くなる問題がある（例えば、下記特許文献１、２参照）。

ところで、海中や水中や霧中のようなにマリンスノーや気泡や水蒸気等の障害物が浮遊している空間における光伝送では、空間を浮遊する障害物に光信号が阻まれ伝送距離の長距離化が難しいという問題がある。

特開２０００−２４４４０９号公報特開２０１１−１５１２４号公報

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、伝送距離の長距離化が可能な空間光伝送装置を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題に鑑み鋭意検討していく中で、海中や水中や霧中のようなにマリンスノーや気泡や水蒸気等の障害物が浮遊している空間において光伝送を行う場合に伝送距離が短くなる原因の一つとして、伝送距離が長くなるにつれて外部機器から送信される光信号が弱くなり外乱成分の影響を受けやすくなるため、送信部の光信号が空間を浮遊する障害物に反射して受信部に戻り光として取り込まれ、当該戻り光が外乱成分となっていることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明に係る空間光伝送装置は、互いに異なる波長帯に設定された第１波長帯及び第２波長帯の光を用いた水中又は海中における光伝送により外部機器との間で情報を送受信する空間光伝送装置において、電気信号を前記第１波長帯の光信号に変換する発光部を備え、前記発光部が変換した前記第１波長帯の前記光信号を水中又は海中に放出して水中又は海中を通じて情報を前記外部機器へ送信する送信部と、外部から入力される光を電気信号に変換する受光部を備え、前記受光部が変換した電気信号から前記第２波長帯の光信号によって前記外部機器より送信された情報を受信する受信部と、前記第１波長帯の光によって水中又は海中を投光する投光部と、を備え、前記受信部は、前記外部機器において前記第２波長帯の光を水中又は海中へ放出する外部機器側送信部と対向して配置され、前記送信部は、前記外部機器において前記第１波長帯の光が入力される外部機器側受信部と対向して配置され、前記受信部は、外部から入力される光から前記第１波長帯の光を遮断して前記送信部から放出された光と前記投光部から放出された光を遮断するフィルタを備えるものである。

本発明によれば、光信号を空間に放出して空間を通じて情報を送信する送信部と、外部機器が空間に放出した光信号を受信する受信部とを備えた空間光伝送装置の伝送距離を長距離化することができる。

空間光伝送装置と外部機器の構成を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る空間光伝送装置１０は、図１に示すように、例えば、水中を航行する潜水艇に取り付けられ、海上の船舶や海中を航行する他の潜水艇に設けられた外部機器５０との間で海中におけて可視光を用いた空間光伝送により情報を送受信する装置である。

この空間光伝送装置１０は、筐体１１と、筐体１１の内部に収納された送信部１２及び受信部１４を備える。外部機器５０は、筐体５１と、筐体５１の内部に収納された送信部５２及び受信部５４を備える。空間光伝送装置１０と外部機器５０とは、送信部１２が伝送空間（海中）へ放出する光信号の波長帯（第１波長帯）と、送信部５２が伝送空間へ放出する光信号の波長帯（第２波長帯）とが異なっているが、他の構造は基本的に同一である。

筐体１１は、内部に送信部１２及び受信部１４を収納し水密状態で密閉されるものであって、外部機器５０との間で送受信する可視光が透過する窓部１１ａを備える。

送信部１２は、外部機器５０の受信部５４へ伝送する情報を光制御信号に変調する変調部１６と、変調部１６で生成された光制御信号が入力される発光部１８とを備える。

発光部１８は、光源部２０と、光源部２０の光軸上に配置された補正部２２とを備え、変調部１６から入力された光制御信号を光信号に変換する。

光源部２０は、青色の波長帯、この例では、中心波長が４３０ｎｍの第１波長帯（４２５〜４３５ｎｍ）のレーザ光を発光する青色レーザからなる発光素子２０ａと、発光素子２０ａからの青色光が透過される黄色蛍光体２０ｂを備える。光源部２０は、発光素子２０ａからの青色光が黄色蛍光体２０ｂを透過する際、この青色光により黄色蛍光体２０ｂを励起させて黄色の蛍光を発生させている。これにより、光源部２０では、黄色の蛍光と黄色蛍光体２０ｂを透過する第１波長帯の青色光とが合成させることにより白色光（疑似白色光）となって出射される。

補正部２２は、光源部２０から放射された白色光の強度分布を水平面上で均一化するように補正した後、窓部１１ａから外部へ出力する。補正部２２として、例えば、光源部２０からの光を平行光にする凸レンズなどが用いられる。

受信部１４は、外部機器５０の送信部５２から送信される光信号を受信して電気信号に変換する受光部２４と、受光部２４で変換された電気信号を復調する復調部２６とを備える。

受光部２４は、外部から窓部１１ａを介して光が入射するフィルタ２４ａと、フィルタ２４ａを透過した光が入力される受光素子２４ｂとを備える。

フィルタ２４ａは、外部より入射した光のうち空間光伝送装置１０の光源部２０が発光する第１波長帯のレーザ光を吸収するとともに、外部機器５０の送信部５２から放出される第２波長帯のレーザ光を透過するバンドパスフィルタからなる。なお、フィルタ２４ａは、第１波長帯のレーザ光を吸収するフィルタに加えて、例えば、波長が４９０〜７５０ｎｍまでの緑色光や黄色光や赤色光を吸収するフィルタを備えてもよい。

受光素子２４ｂは、フィルタ２４ａで第１波長帯のレーザ光を吸収した光が入力され電気信号に変換して復調部２６へ出力する。受光素子２４ａとしては、例えば、フォトダイオード（ＰＤ）やアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）や光電子増倍管（ＰＭＴ）などを用いることができる。特に、受光素子２４ａに光電子増倍管を用いると外部より入射した光が微弱な場合であってもこれを検出することができるとともに、光電子増倍管は検出した光量の変化量を出力するため、受光部２４に入力される光信号の光量が多い場合でも検出出力が飽和することなく光信号のパルスを検出することができる。つまり、受光素子２４ａに光電子増倍管を用いることで、光信号の光量が少なくなる長距離の光伝送から光信号の光量が多くなる近距離の光伝送まで、検出レンジの異なる受光素子に切り替えたり減光フィルタを用いたりすることなく光信号のパルスを検出することができる。

復調部２６は、受光部３２から入力された電気信号を復調して、外部より入射した光から、第２波長帯の光信号によって外部機器５０より送信された情報を取得する。

外部機器５０は、筐体５１の内部に送信部５２及び受信部５４を水密状態で収納しており、可視光が透過する窓部５１ａを介して空間光伝送装置１０との間で光信号を送受信する。

送信部５２は、空間光伝送装置１０の受信部１４へ伝送する情報を光制御信号に変調する変調部５６と、変調部５６で生成された光制御信号が入力される発光部５８とを備える。

発光部５８は、光源部６０と、光源部６０の光軸上に配置され補正部６２とを備え、変調部５６から入力された光制御信号を光信号に変換する。

光源部６０は、空間光伝送装置１０の光源部２０に設けられた発光素子２０ａと異なる波長帯、この例では、中心波長が４５０ｎｍの第２波長帯（４４５〜４５５ｎｍ）のレーザ光を発光する青色レーザからなる発光素子６０ａと、発光素子６０ａからの青色光が透過される黄色蛍光体６０ｂを備える。光源部６０は、発光素子６０ａからの青色光が黄色蛍光体６０ｂを透過する際、この青色光により黄色蛍光体６０ｂを励起させて黄色の蛍光を発生させている。これにより、光源部６０では、黄色の蛍光と黄色蛍光体６０ｂを透過する第２波長帯の青色光とが合成させることにより白色光（疑似白色光）となって出射される。なお、発光素子６０ａが発光する第２波長帯の中心波長は、発光素子２０ａが発光する第１波長帯の中心波長より２０ｎｍ以上離れた波長に設定することが好ましい。

補正部６２は、光源部６０から放射された白色光の強度分布を水平面上で均一化するように補正した後、窓部５１ａから外部へ出力する。補正部６２として、例えば、光源部６０からの光を平行光にする凸レンズなどが用いられる。

受信部５４は、空間光伝送装置１０の送信部１２から送信される光信号を受信して電気信号に変換する受光部６４と、受光部６４で変換された電気信号を復調する復調部６６とを備える。

受光部６４は、外部から窓部５１ａを介して光が入射するフィルタ６４ａと、フィルタ６４ａを透過した光が入力される受光素子６４ｂとを備える。

フィルタ６４ａは、外部より入射した光のうち外部機器５０の光源部６０が発光する第２波長帯のレーザ光を吸収するとともに、空間光伝送装置１０の送信部１２から放出される第１波長帯のレーザ光を透過するバンドパスフィルタからなる。なお、フィルタ６４ａは、第２波長帯のレーザ光を吸収するフィルタに加えて、例えば、波長が４９０〜７５０ｎｍまでの緑色光や黄色光や赤色光を吸収するフィルタを備えてもよい。

受光素子６４ｂは、フィルタ６４ａで第２波長帯のレーザ光を吸収した光が入力され電気信号に変換して復調部６６へ出力する。受光素子６４ａとしては、例えば、フォトダイオード（ＰＤ）やアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）や光電子増倍管（ＰＭＴ）などを用いることができる。なお、空間光伝送装置１０の受光素子２４ａと同様、受光素子６４も光電子増倍管を用いることが好ましい。

復調部６６は、受光部６４から入力された電気信号を復調して、外部より入射した光から、第１波長帯の光信号によって空間光伝送装置１０より送信された情報を取得する。

以上のように、本実施形態の空間光伝送装置１０では、受信部１４に設けられた受光部２４が第１波長帯の光を遮断するフィルタ２４ａを備えるため、送信部１２より伝送空間へ放出された光が、伝送空間を浮遊する障害物に反射して受信部１４の受光部２４に戻り光として入射しても、フィルタ２４ａにより戻り光が遮断され受光素子２４ｂへ入射することがない。そのため、伝送距離が長くなり受光部２４に入力される外部機器５０からの光信号の光量が少なくなっても外部機器５０からの情報を安定して受信することができ、る。

また、本実施形態の空間光伝送装置１０では、外部機器５０へ情報を送信する光信号が白色光であるため、発光部１８を、送信用の光信号を生成する光源としてだけでなく、伝送空間を照明する投光器として利用することができる。

しかも、本実施形態では、発光部１８において光を放出する発光素子２０ａとしてレーザ素子２０ａが採用されているため、発光部１８から放出される光の高輝度化することができ、海中や水中のような光信号が減衰しやすい伝送空間における伝送距離及び投光距離の長距離化を図ることができる。

また、本実施形態では、発光部１８が送信用の光信号を生成する光源と伝送空間を照明する投光器とを兼ねており、送信用の光信号の波長帯と、伝送空間を照明する光の波長帯とが同一であるため、フィルタ２４ａと別個に投光器から放出される照明光を吸収するフィルタを受信部１４の受光部２４に設ける必要がなくなり、空間光伝送装置１０の構造が簡単になる。

（変更例１）
上記した実施形態では、発光部１８が、送信用の光信号を生成する光源と、伝送空間を照明する投光器とを兼ねている場合について説明したが、例えば、伝送空間を照明する投光器を発光部１８と別個に設けてもよい。その場合、発光部１８が放出する第１波長帯の光を吸収するフィルタ２４ａに加えて投光器の光を吸収するフィルタを受信部１４の受光部２４に設けることができる。

（変更例２）
上記した実施形態では、発光部１８の光源部２０が、青色光を発光する発光素子２０ａと黄色蛍光体２０ｂとを備え、疑似白色光を伝送空間に放出する場合について説明したが、例えば、黄色蛍光体２０ｂに換えて、あるいは黄色蛍光体２０ｂとともに緑色光及び赤色光を発光する発光素子を設けてもよい。

（変更例３）
上記した実施形態では、発光部１８の光源部２０に設けられた発光素子２０ａが、青色のレーザ光を発光する青色レーザの場合について説明したが、レーザに換えてＬＥＤを発光素子としてもよい。また、発光素子２０ａの発光波長は、青色の波長帯に限定されず、緑色や赤色などの任意の波長帯に設定することができるが、例えば、３８０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲内の設定することができる。発光素子２０の発光波長が３８０ｎｍ〜６００ｎｍであると伝送空間が海中や水中の場合に伝送空間における光信号の減衰が少なくなり、伝送距離の長距離化が可能となる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示したものであり、
発明の範囲を限定することを意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実
施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変
更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様
に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…空間光伝送装置、１１…筐体、１１ａ…窓部、１２…送信部、１４…受信部、１６…変調部、１８…発光部、２０…光源部、２０ａ…発光素子、２０ｂ…黄色蛍光体、２２…補正部、２４…受光部、２４ａ…フィルタ、２４ｂ…受光素子、２６…復調部、５０…外部機器

Claims

互いに異なる波長帯に設定された第１波長帯及び第２波長帯の光を用いた水中又は海中における光伝送により外部機器との間で情報を送受信する空間光伝送装置において、
電気信号を前記第１波長帯の光信号に変換する発光部を備え、前記発光部が変換した前記第１波長帯の前記光信号を水中又は海中に放出して水中又は海中を通じて情報を前記外部機器へ送信する送信部と、
外部から入力される光を電気信号に変換する受光部を備え、前記受光部が変換した電気信号から前記第２波長帯の光信号によって前記外部機器より送信された情報を受信する受信部と、
前記第１波長帯の光によって水中又は海中を投光する投光部と、
を備え、
前記受信部は、前記外部機器において前記第２波長帯の光を水中又は海中へ放出する外部機器側送信部と対向して配置され、
前記送信部は、前記外部機器において前記第１波長帯の光が入力される外部機器側受信部と対向して配置され、
前記受信部は、外部から入力される光から前記第１波長帯の光を遮断して前記送信部から放出された光と前記投光部から放出された光を遮断するフィルタを備える空間光伝送装置。
前記送信部が、前記発光部が変換した前記第１波長帯の光信号を平行光にする補正部を備える請求項１に記載の空間光伝送装置。
前記発光部は、前記第１波長帯の光信号として青色の波長帯の光を発光する青色光源と、青色の波長帯の光を吸収し黄色の波長帯の光を蛍光する蛍光体を備える請求項１又は２に記載の空間光伝送装置。
前記発光部は、レーザ素子を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の空間光伝送装置。
前記発光部が放出する前記光信号の波長が、３８０〜６００ｎｍである請求項１〜４のいずれか１項に記載の空間光伝送装置。
前記受光部は、光電子増倍管を備える請求項１〜５のいずれか１項に記載の空間光伝送装置。