JPH10271067A - 光ワイヤレス通信装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光ワイヤレス通信装置は、送受信器の軸合せ
や通信可能領域の拡大のために、光送信パワーを増大さ
せる消費電力が大きくなっていた。 【解決手段】 曲率半径ｒ、レンズ径がｄの両凸レンズ
に関して、0.6ｄ≦ｒ≦1.2ｄより望ましくは0.8ｄ≦ｒ
≦ｄの条件を満たす両凸レンズを光受信器に備えた構成
とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、オフィスなどの室
内空間において、送信器の発光素子から空間伝送された
光信号を受信器の受光素子で受信することにより信号の
伝送を行う光ワイヤレス通信装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ワイヤレス通信装置の構成例の一つと
して、特開平7-177090号に開示されたような、少なくと
も発光素子を有する送信器および受光素子を有する受信
器を構成要素とする基地局および端末によって構築され
る光無線LAN通信装置がある。元来、光ワイヤレス通信
では、直進性の強い光を伝送媒体とすることから送信器
と受信器の配置を見通し状態にすることが、安定した無
線通信を得る条件になる。そこで、実際はオフィス内を
人間が動きまわるため、絶えず送信器と受信器を見通し
状態に保つには、送信器が机上であるため、自ずから受
信器の設置場所は受信器より上方に限定される。そのた
めに特開平8-139674号や特開平8-181695号に開示された
ように基地局を天井に設置する形式が一般的に採用され
ている。

【０００３】しかし、基地局を天井に設置する形式で
は、全ての天井に設置工事が可能な訳ではなく、また端
末の移動に対して柔軟な対応が取れないなどの問題も生
じる。この問題の解決手段として、特公平7-71039号に
あるように、送信器から送信された光信号を受信器の上
方の天井に照射し、この天井で乱反射して、拡散された
光を受光素子を含む受信器で受信するという光ワイヤレ
ス通信の検討が近年行われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術で述べた
光ワイヤレス通信では、送信器から送信される光の指向
先に受信器の受光素子が位置するように送信方向を合わ
せる、光軸合せの問題がある。これは直進性の強い光を
伝送媒体とするため、送信器の送信方向軸から受信器が
ずれると、安定したワイヤレス通信が行なえなく問題で
ある。

【０００５】さらに、光送信器から送信される光信号は
角度の広がりをもって伝搬するため、送信距離を２倍に
するためには光のエネルギーを４（＝２²）倍にしなく
てはならない。したがって、光ワイヤレス通信で上述の
問題を解決するために、装置の消費電力が非常に大きく
なってしまう問題点がある。

【０００６】一方、天井で乱反射し拡散された光を用い
る光ワイヤレス通信の場合は基地局を机上に配置するた
め、見通し型光無線LAN通信装置と比較すると、端末の
移動に対しても柔軟に対応が取れる利点がある。しか
し、基地局を机上に設置する天井反射型光無線LAN装置
では、送信器から送信された光を天井で乱反射して拡散
させるために、前記送受信器が見通し状態であるときよ
り、光送信パワーの増加や、受信装置に含まれる受光素
子への集光機能の強化が必要となる。そのため、天井反
射型光無線LAN通信装置は送信パワーを非常に大きくし
ないと実現できないことが判明している。

【０００７】したがって天井反射型光無線LAN通信装置
では、送信パワーの増加による消費電力の増大が大き
く、ノート型PC（パーソナルコンピュータ）に代表され
る携帯端末への応用利用を考えたときに、携帯端末とは
別に光送信器の電源を確保することが必要となる。その
ため、室内での光ワイヤレス通信装置としては、サイズ
が大きくて移動に不向きで、大消費電力であるなどの問
題点があった。

【０００８】本発明は従来技術の問題点である大消費電
力の問題を解決し、手軽に移動することができ、送信器
からの送信パワーを抑えても、安定した送受信が行なえ
る光ワイヤレス通信装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的は、光信号を送
信する送信器と前記光信号を受信する受信器を少なくと
も含んで構成される光ワイヤレス通信装置において、前
記受信器には１つの両凸レンズが設けられ、前記両凸レ
ンズの焦点距離fとレンズの直径dが0.6d≦f≦1.2dの関
係を満たすごとくに構成するか、或は、上記構成の光信
号を送信する送信器と前記光信号を受信する受信器を少
なくとも含んで構成される光ワイヤレス通信装置におい
て、前記受信器には、少なくともレンズ径d1のレンズ１
とd1以下のレンズ径d2であるレンズ２の２つのレンズが
設けられ、前記レンズ１と前記レンズ２を同心軸方向に
ずらして並べ、前記レンズ１で集光された光を再度前記
レンズ２によって前記受光素子へと集光させる配置構成
を含むようにする、ことによって達成される。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施形態を、図面
を用いて説明する。

【００１１】本発明による光ワイヤレス通信装置の第一
の実施例を図１から図５に示す。図１は第１のパーソナ
ルコンピュータ５から送信器３で光信号３ｂに変換され
て、空間中を伝搬し、受信器４で受信されて電気信号に
戻され、第２のパーソナルコンピュータ６へと情報を伝
送する様子を表わした図である。

【００１２】図２には、レンズ２によって光が受光素子
８の受光面８ａに集光されるように構成される受信器４
の概略図を示す。また、図３は受信器４の回路構成図を
示したものである。レンズ２で集光された光は受光素子
８でアナログ信号として受信され、増幅回路４ａによっ
て増幅されて、信号処理部４ｂでデジタル信号に変換さ
れる。

【００１３】図４は送信器３の概略図を示しており、複
数の発光素子３ａを含んで、複数の発光素子によって光
源体３ｃが構成される様子を表している。図５は送信信
号に応じて電圧変化をトランジスタ３ｄに与えると、こ
の電圧変化に対応した電流がＶ_CCから流れて発光素子３
ａが発光するという送信器３の回路構成図（簡単のため
発光素子２個の場合を示してある）を示している。

【００１４】図１について説明する。複数の発光素子か
らなる光源体３ｃからの光は受信器４に設けられた受光
素子８（図示せず）により受光される。理想的には、光
の中心軸（光軸）1は光源体３ａとレンズ２の中心点を
通る直線であり、点線７は光源体３ａから送信される光
の広がりを表わしている。ここで、光源体３ａとレンズ
２の距離はレンズの直径に比べて非常に大きいので、レ
ンズ２へ入射する光源体３ａからの光は光軸1の平行光
だけである。このレンズ２と平行光の様子を示したのが
図６である。

【００１５】図６中にはレンズ２による屈折の様子から
代表的な位置として５点（Ａ，Ｂ₁，Ｂ₂，Ｃ₁，Ｃ₂）の
みを表記した。レンズの中心軸1とレンズ面Ａに入射す
る光（光線）は入射角が０度なので、レンズ２で曲げら
れることなく直線に通過する。また、光軸1から少しず
れた位置の点Ｂ₁とＢ₂に入射する光線は曲げられて点Ｐ
で像を結ぶ。しかし、レンズの周縁部に入射する光線の
屈折光は点Ｐよりもレンズよりで光軸と交差するように
なり、代表点Ｃ₁とＣ₂の位置に入射する光線では点Ｑで
像を結ぶようになる。これは、一般的には球面収差と呼
ばれる現象であり、レンズに入射する光線が光軸から離
れれば離れるほど、光線はレンズの近くに像を結ぶこと
を示唆している。

【００１６】このレンズの周縁部に入射する光線がレン
ズよりの位置で光軸１と交叉するのは、レンズに入射す
る光線の入射角度が周縁部ほど大きくなるためである。
したがって、曲率半径を極端に大きくすれば周縁部にお
いても入射角度は小さくなり、球面収差はほとんど無視
できるほどになる。しかしながら、焦点距離がレンズの
直径に比べて非常に大きくなり、無線装置が大型化して
しまう。

【００１７】送信器と受信器間で安定した通信を行うた
めには、受光素子８の受光面に照射ムラのないように集
光させる必要がある。しかしながら、広範囲な入射光を
集光し受光強度を増加させようとしても、単にレンズ径
ｄを大きくする、あるいは単に曲率半径ｒを小さくする
といった手段によっては、機器の大きさという観点より
制限があり、さらに球面収差のため、受光素子８が受光
する受光強度は増大しない。そのためには、像を結ぶ点
Ｐ、Ｑの距離を抑えること、及び受光素子とレンズとの
相対位置関係がむしろ重要である。これにより、球面収
差に起因する集光劣化を最小限に抑えることができる。

【００１８】図７と図８は、レンズ屈折率ｎ＝1.3、受
光素子の形を1cm²の正方形、レンズ径（ｄ＝60mm）とし
て、曲率半径ｒ、受光素子とレンズとの相対位置を変化
させた場合の最大受光強度を両凸レンズと平凸レンズの
それぞれについてシミュレーションにより求めた結果を
示している。図７には、曲率半径ｒのときに受光素子の
位置を変化させて受光強度が最大になるときの値（相対
値）を、図８には最大受光強度を示したときのレンズと
受光素子との相対位置を示す。相対位置の指標として
は、レンズと受光素子との距離ｆを用いている。具体的
に図６を例にとれば、光軸１上でＡ点と受光素子８まで
の距離を指標としている。

【００１９】図７から、（両凸レンズを用いた場合の受
光強度）≧（平凸レンズを用いた場合の受光強度）の関
係を満たしており、同径のレンズに関しては、両凸レン
ズの方が平凸レンズより集光能力に優れていることが解
る。

【００２０】図８から、平凸レンズではレンズの曲率半
径ｒが増大するにつれて距離ｆも単調増加するが、両凸
レンズでは曲率半径rが35mmから70mmの範囲で距離ｆが
小さくなり、特に40mmから60mmの範囲で距離ｆは最小に
なることが解る。

【００２１】以上のことから、レンズ径ｄと曲率半径ｒ
が0.6(=36/60)ｄ≦ｒ≦1.2(=72/60)ｄ、より望ましくは
0.8(=50/60)ｄ≦ｒ≦1.0(=60/60)ｄの関係を満たす両凸
レンズを使うことによって、最大受光強度の90％以上の
受光が可能で、且つレンズと受光素子間の距離が最小と
なる最適条件下で使用できることがわかる。

【００２２】球面収差はレンズの縁側に入射する光に対
して生じ、中心から離れるに従って収差は大きくなる。
したがって、上述のシミュレーションはレンズ径を一定
の値（60mm）として行ったものであるが、レンズ径を大
きくする場合、増大したレンズ部分に入射する光の収差
はより大きくなるので受光強度はほとんど増大しない。
またレンズの直径を小さくする場合では収差が生じる縁
の部分が無くなるまでは受光強度の変化は緩やかに減少
し、収差が無くなったときからレンズの直径の２乗に比
例して減少するといえる。

【００２３】次に、本発明の別の実施例である光ワイヤ
レス通信装置を図９を用いて説明する。図９は送信器３
の光源体３ａからの光を受信器４の上方の天井に照射さ
せ、天井で乱反射した光を受信する光ワイヤレス通信シ
ステムを示している。図９に示された有効天井光源９ａ
は、天井面上での最大光強度の1/e（eは自然対数の底）
倍に相当する光強度の位置で決まる境界の内側として定
義され、楕円の形状になる。この場合には有効天井光源
９ａからの光がレンズ２へ届くことになり、有効天井光
源9aは受光素子の幅に対して数十倍以上の大きさにな
る。この条件下において、本発明は最適な光ワイヤレス
通信装置を与えるものである。

【００２４】上述の条件を満たすときのレンズ２に入射
する光は、最初の実施例とは異なり、光の中心軸に対し
て異なる角度をもった複数の平行光となる。この複数の
平行光とレンズ２の様子を図１０に示す。図１０に示さ
れた角度θ₁の平行光に対しては、点Ｅ、Ｆ₁、Ｆ₂に入
射する光はレンズの中心軸上ではない点Ｓに像を結び、
角度θ₂の平行光に関しても同様に、点Ｔに像を結ぶこ
とがわかる。このように、光軸上にない光源からの光線
が光軸からずれて像を結ぶことを一般にコマ収差とい
う。コマ収差では光線とレンズの中心軸１との角度
θ₁、θ₂が大きくなるにつれて、点Ｓ、Ｔの中心軸１か
らの距離が大きくなる。ここで、第１の光源１０と第２
の光源１１は有効天井光源９ａのエッジ上の光源であ
り、光源１０と光源１１間にある有効天井光源９ａから
の光は、結像点Ｓ、Ｔの間にそれぞれ像を結ぶ。そのた
め、線分ＳＴが受光素子８の受光面８ａの大きさより大
きい場合は、受光漏れを生じることになる。

【００２５】受光レンズの集光能力を高めるためには、
点Ｓ，Ｔの光軸からの距離を小さくすればよく、そのた
めには曲率半径を小さくすればよい。前実施例で説明し
た球面収差が大きくなり、また実効レンズの直径も小さ
くなることにより、受光劣化が増大する。逆に、レンズ
径を大きくして、有効レンズの直径を増大させることを
考えると、曲率半径が大きくなり、線分ＳＴが大きくな
ってしまう。受光面８ａの一辺の大きさが最大で1cm程
度と収差に比べて小さいことからも、レンズ径はある値
以上大きくしても受光強度を増すことは困難である。

【００２６】故に汎用のレンズを使用する限り無収差レ
ンズの実現は非常に困難でとなるので、前実施例と同様
にレンズの曲率半径、レンズと受光素子の相対位置を変
化させて、受光強度が最大となる条件を探し、集光劣化
を最小に抑えることが、低消費電力で安定した光送受信
を行なえる光ワイヤレス通信装置を実現するためには有
効な手段となる。

【００２７】第１の光源10と第２の光源11間距離を78cm
にしてシミュレーションした結果を図１１及び図１２に
示す。図１１は、レンズ径ｄを40mm、60mm、80mmに関し
て、それぞれ曲率半径を変化させたときの受光強度の最
大値である。図１１より直径60mmと80mmの最大受光強度
はほぼ等しく、直径が60mm以上の両凸レンズでは集光能
力の改善は期待できないことがわかる。図１２は、レン
ズの直径が60mmと80mmの場合の受光強度が最大値を示し
たときの受光素子のレンズからの距離とレンズ厚の和を
レンズの曲率半径に対して示した図である。

【００２８】図１１において、レンズの直径が60mmと80
mmの場合で比較することにより、受光素子の大きさが固
定されると、レンズ径を大きくしても最大受光強度の値
はある値に漸近していくことが判る。図１２の結果と合
わせると、レンズ径ｄ=60mmおよび80mmで0.6ｄ≦ｒ≦1.
2ｄ、より望ましくは0.8ｄ≦ｒ≦ｄの条件を満たすレン
ズを用いることにより、最大受光強度の90％以上の受光
が可能で、且つ焦点距離も最小値となる最適条件下で使
用することができることを示している。

【００２９】次に本発明の別の実施例による光ワイヤレ
ス通信装置の説明をする。本実施例による光ワイヤレス
通信装置の構成は図１と図７に示したものとほぼ同様で
ある。ただし、図１３に示したように、受信器４のレン
ズと受光素子の関係が異なる。図１３の受信器には２つ
のレンズが設けられていて、第２のレンズ１３と受光素
子８が一体型になっている。２つのレンズを設けた場合
の平行光とレンズの様子を図１４に示す。

【００３０】前述してきたように、球面収差や、中心軸
に対して角度を持った平行光による像を結ぶ点のズレに
起因する集光劣化を改善するためには、第１のレンズ１
２の直径ＵＶの円形の焦点スポットよりも大きなレンズ
径を有する第２のレンズ１３を使って２段階集光を行う
ことにより、一つのレンズによる集光効果よりも受光強
度を高めることが可能となり、受光素子の受光強度を増
大させることができる。さらに、図１４では第１のレン
ズ１２と第２のレンズ１３は共に両凸レンズで表記され
ているが、２枚のレンズを使用する場合は２枚の平凸レ
ンズ、また両凸レンズと平凸レンズで２枚の組合せのど
れでも、上述の受光強度の集光効果は変わることはな
い。

【００３１】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、受光
素子の受光強度を最大にし、且つ焦点距離を最小にする
ような好条件で使用することが可能となるため、光信号
の送信パワーを増加させずに安定した無線通信を実現で
き、光ワイヤレス通信装置のサイズも小さい光ワイヤレ
ス通信装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光ワイヤレス通信の構成を示した図で
ある。

【図２】受信器におけるレンズと受光素子の位置関係を
示す図である。

【図３】受信器の回路構成図である。

【図４】送信器の概観図である。

【図５】送信器の回路構成図である。

【図６】両凸レンズに光軸と平行な平行光が入射する様
子を示す図である。

【図７】両凸レンズと平凸レンズの曲率半径に対する最
大受光強度を示す図である。

【図８】最大受光強度を得たときの曲率半径に対する焦
点距離を示す図である。

【図９】本発明の光ワイヤレス通信の構成を示した図で
ある。

【図１０】レンズに第１光源と第２光源11からの平行光
が入射する様子を示す図である。

【図１１】直径が異なる両凸レンズにおける、曲率半径
に対する最大受光強度を示す図である。

【図１２】最大受光強度を得たときの曲率半径に対する
焦点距離を示す図である。

【図１３】光ワイヤレス通信装置における２枚のレンズ
と受光素子の位置関係を示す図である。

【図１４】 ２枚のレンズに入射する平行光の様子を示
す図である。

【符号の説明】

２…レンズ、３…送信器、３ａ…発光素子、３ｄ…トラ
ンジスタ、４…受信器、４ａ…増幅回路、４ｂ…信号処
理部、５，６…パーソナルコンピュータ、８…受光素
子、８ａ…受光面、９…天井、１０…第１の光源、１１
…第２の光源、１２…第１のレンズ、１３…第２のレン
ズ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光信号を送信する送信器と前記光信号を受
   信する受信器を少なくとも含んで構成される光ワイヤレ
   ス通信装置において、前記受信器には１つの両凸レンズ
   が設けられ、前記両凸レンズの焦点距離fとレンズの直
   径dが0.6d≦f≦1.2dの関係を満たすことを特徴とした光
   ワイヤレス通信装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の光ワイヤレス通信装置に
   おいて、前記送信器は複数の発光素子からなる集合発光
   体を含んで構成されており、前記光信号の送信方向に対
   して垂直平面内での前記集合発光体の配列幅が前記受光
   素子の幅よりも大きいことを特徴とした光ワイヤレス通
   信装置。
3. 【請求項３】請求項１及び請求項２に記載の光ワイヤレ
   ス通信装置において、前記送信器から送信された前記光
   信号を前記受信器の上方の天井に照射して、乱反射さ
   せ、乱反射した光のうち、天井と垂直方向への光強度が
   最大値の1/e（eは自然対数の底）以下である天井の領域
   によって構成される有効天井光源の最大幅が、前記受光
   素子の幅よりも大きいことを特徴とした光ワイヤレス通
   信装置。
4. 【請求項４】請求項１乃至請求項３において、光信号を
   送信する送信器と前記光信号を受信する受信器を少なく
   とも含んで構成される光ワイヤレス通信装置において、
   前記受信器には、少なくともレンズ径d1の第１のレンズ
   とd1以下のレンズ径d2である第２のレンズの２つのレン
   ズが設けられ、前記第１のレンズと前記第２のレンズを
   同心軸方向にずらして並べ、前記第１レンズで集光され
   た光を再度前記第２レンズによって前記受光素子へと集
   光させる配置構成を含むことを特徴とする光ワイヤレス
   通信装置。