WO2006082893A1

WO2006082893A1 - 波長多重光の空間送信装置及び空間送信方法

Info

Publication number: WO2006082893A1
Application number: PCT/JP2006/301767
Authority: WO
Inventors: Tomoaki Ieda
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2005-02-07
Filing date: 2006-02-02
Publication date: 2006-08-10
Also published as: JP4822451B2; US20070242958A1; JPWO2006082893A1; US8064772B2

Abstract

　簡単な構成で、高精度な光軸調整を必要とすることなく、複数の波長の光信号を合波して波長多重信号を得られると共に、目などの人体への安全性の向上も可能とした波長多重光の空間送信装置及び空間送信方法を提供する。送信装置は、相異なる波長の信号光を出射する光源（１０１ａ、１０１ｂ）が、拡散板（１０４）のほぼ同一の箇所を照射するように配置され、拡散板（１０４）から出射される拡散光が、放射レンズ（１０５）により自由空間の伝送に適した角度に進行する光に変換され、この変換後の光が自由空間に放出される構成である。これにより、簡単な構成で、高精度な光軸調整も必要とせず、相異なる波長の光信号を同一の光軸上に合波できると共に、目に対する障害の危険性も低減した波長多重光空間送信装置を実現することができる。

Description

明細書

波長多重光の空間送信装置及び空間送信方法

技術分野

[0001] 本発明は、映像信号、音声信号、デジタルデータ信号などの情報データを、光信号として自由空間を介して伝送する光信号の空間送信装置及び空間送信方法に関するものであり、さらに限定的には、自由空間を介して光受信装置へ複数波長の光信号を多重して伝送する波長多重光の空間送信装置及び空間送信方法に関するものである。

背景技術

[0002] 光送信装置と光受信装置との間で、自由空間を介して光信号を伝送する光空間伝送システムが実用化されている。しかし、伝送される信号は次第に高速 '大容量のものとなつてきており、光空間伝送システムにも高速化'大容量ィ匕が要求されている。また、伝送する信号としてデータ、映像、音声など、異なる信号を同時に伝送する用途もある。このような高速化'大容量化や、複数信号の同時伝送のため、複数の波長の光信号を波長多重して伝送する波長多重光の空間伝送システムが考案されている。

[0003] 従来の波長多重光空間伝送システムとしては、その光送信装置において、複数のダイクロックミラーを用いて互いに異なる波長の光信号を合波して、るものがあった（例えば、特許文献 1参照)。図 19は、前記特許文献 1に記載された従来の波長多重光空間送信装置の構成を示すものである。

[0004] 図 19において、発光素子 52a〜52dは互いに異なる波長で光信号を送出する。ダイクロックミラー部 54aは、 λ ΐの波長の光は透過し、 λ 2の波長の光は中央の反射面で反射する特性を有し、これにより発光素子 52aからの λ 1の波長の光と発光素子 5 2bからのえ 2の波長の光を合波する。また、ダイクロックミラー部 54bは、 λ 1および λ 2の波長の光は透過し、 λ 3の波長の光は中央の反射面で反射する特性を有し、これにより発光素子 52a、 52b力らの λ 1、え 2の波長の光と発光素子 52cからの λ 3 の波長の光を合波する。このように順次合波することによって、光軸の一致した波長多重光信号を生成して、た。 [0005] また、一方で、従来の光空間送信装置としては、拡散板を用いて送信光の安全性を高めているものがあった (例えば、特許文献 2参照)。図 20は、前記特許文献 2に記載された従来の光空間送信装置を示すものである。

[0006] 図 20に示される装置では、光源 61から送出した送信光を、反射型の拡散板 64で非収束性の拡散光に変換する。これにより、自由空間を介して伝送される光信号が人体、特に目に照射された場合の安全性を高めていた。

特許文献 1 :特開昭 63— 151230号公報 (第 6— 8頁、図 1)

特許文献 2 :実開昭 62— 58938号公報 (第 1頁、図 2)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] し力しながら、図 19に示した前記従来の構成では、それぞれ特性の異なる複数のダイクロックミラー部 54a〜54cが必要であり、構成部品の種類 ·数が多くなり、小型化や低コストィ匕が困難であるという課題を有していた。また、ダイクロックミラー部 54a〜5 4cへの入射角に応じて反射方向も変化するので、ダイクロックミラー部 54a〜54cへの光の入射方向がずれていたり、或いはダイクロックミラー部 54a〜54cの向きがずれていると合波後の光軸がずれてしまう。このため、複数の光信号の光軸を一致させるために高精度な光軸角度調整が必要であり、これに伴い製造工数の増大とそれによるコストアップを招くと、う課題も有して、た。

[0008] また、図 20に示した前記従来の構成は、自由空間を介して伝送される光信号が人体、特に目に照射された場合の安全性を高めるものであり、波長多重により光空間伝送システムの伝送高速ィ匕を図るものではな力つた。また、図 19に示した従来の構成においても安全性を高めるためには、図 20の様な構成をさらに追加する必要があつた o

[0009] 本発明は、前記従来の課題を解決するもので、極めて簡単な構成で、高精度な光軸角度調整を必要とすることなぐ複数の波長の光信号を合波して波長多重信号を得られると共に、目などの人体への安全性の向上も可能とした波長多重光の空間送信装置及び空間送信方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段 [0010] 上記従来の課題を解決するために、本発明の波長多重光空間送信装置は、自由空間を介して複数波長の光信号を多重して送信する波長多重光空間送信装置であつて、それぞれ異なる波長の光を出射する複数の光源と、前記複数の光源力それぞれ入射された光を拡散して拡散光を出射する拡散板とを備え、前記複数の光源は、前記拡散板へのそれぞれの出射光の照射範囲が重なるよう配置されており、前記拡散板から出射される拡散光を多重された光信号として自由空間に放射する構成を有している。

[0011] 本発明によれば、単一の上記拡散板により、複数の光源力出射された波長の相異なる複数の光信号を合波する。また、拡散板で光を拡散することにより、自由空間に放射される光信号を人体に安全なものに変換する。従って、人体に安全な波長多重光を生成し送信する波長多重光送信装置を簡単な構成で実現することができる。

[0012] 作用について詳述すると、本発明においては、拡散板で光源からの光を拡散する

。拡散光とすることで、光のコヒーレント性及び指向性が低下する。その結果、光の集光性が低下し、またエネルギー密度も低下する。ここで、集光性とは、レンズ等に入射し該レンズ等力出射される光が小さな径のスポットに集光されやすい性質を指す。よって、レーザ光源を使用した場合であっても、拡散の過程を経て光の集光性及びエネルギー密度を低下させ、自由空間に出射された光の人体、特に目に対する安全性を高めることができる。レーザ光等の集光性及びエネルギー密度が高、光はそのままでは目に危険なので、従来は光を低強度で自由空間に出射せざるを得な力つた。これに対し、本発明のように光の集光性及びエネルギー密度を低下させて安全な光に変換し自由空間に出射すれば、光源力も高強度の光を出射することができ、これにより通信速度を高めることができる。し力も、光の指向性を低下させることで光束の径が受信側において比較的大きくなるので、受信装置における受信容易性を高めることができる。また本発明では、拡散板において光の拡散を行うと同時に、波長が相異する複数の光を合波する。よって、極めて簡単な構成で波長多重信号光を生成し、通信速度をより一層高めることができる。拡散板は少なくとも 1枚あればよい。

[0013] 本発明においては、上記拡散板は、上記拡散板の面にほぼ直角な方向への拡散光の出射電力が最大となる光拡散材料により形成されていることが好ましい。 [0014] また本発明においては、上記拡散板は、ランバーシャン分布に近似される分布の拡散光を出射する光拡散材料により形成されていることが好ましい。

[0015] これらの特徴を備えることで、複数の光源力入射したすべての光信号について、拡散板の面にほぼ直角な方向に大きな光出力が得られ、光軸の一致した合波光信号を得ることができる。

[0016] また本発明においては、上記拡散板から出射される拡散光の内、拡散板の面にほぼ直角な方向の拡散光を上記光信号として自由空間に放射することが好ましい。

[0017] この特徴を備えることで、放射電力密度が最大となる直角方向付近の拡散光を利用できるので、拡散板からの拡散光を効率よく自由空間に放射することができる。

[0018] また本発明においては、上記複数の光源から拡散板に入射する光は、上記拡散板の面にほぼ直角な方向の範囲外の方向力も入射するように構成することが好ましい。

[0019] この特徴を備えることで、上記複数の光源が、放射電力密度が最大となる直角方向付近の拡散光の進行を妨害することがないので、拡散板からの拡散光を効率よく自由空間に放射することができる。

[0020] また本発明においては、上記拡散板は、入射された光を拡散反射して出射する反射型の拡散板であることが好まし、。

[0021] この特徴を備えることで、波長の異なる複数の光源からの光信号を合波した反射拡散光を、簡単な構成で得ることができる。

[0022] また本発明におヽては、上記拡散板は、入射された光を拡散透過して出射する透過型の拡散板であり、上記透過型の拡散板から出射される透過拡散光を自由空間に放射する構成を有して、ることが好まし、。

[0023] この特徴を備えることで、波長の異なる複数の光源からの光信号を合波した透過拡散光を、簡単な構成で得ることができる。

[0024] また本発明においては、上記拡散板力離間して上記拡散光の出射側に放射レンズを設け、該放射レンズに拡散光を入射させて該拡散光の広がり角を調整する構成を有して!/、ることが好まし!/、。

[0025] この特徴を備えることで、拡散板からの出射光の広がり角を、伝送に適した角度に調整することができる。 [0026] また本発明にお、ては、上記複数の光源の各々を、発光素子と、上記発光素子からの出射光を、ほぼ平行光に変換する光源レンズとから構成していることが好ましい。

[0027] この特徴を備えることで、発光素子と拡散板の距離の設定に自由度を持たせることができる。

[0028] また本発明においては、上記複数の光源を、ほぼ円状に配置していることが好ましい。

[0029] この特徴を備えることで、多数の光源を、小さな体積の中に実装することができる。

[0030] また本発明にお、ては、上記放射レンズと光源レンズとを一体形成して、ることが好ましい。

[0031] この特徴を備えることで、レンズの部品点数を削減でき構成を簡単にすることができる。

[0032] また本発明にお、ては、上記複数の光源を、複数の発光部を一体形成した発光素子アレイと、上記発光素子アレイの複数の発光部に対応して配置したレンズアレイと力も構成することが好ましい。

[0033] この特徴を備えることで、複数の光源を一体ィ匕することができ、簡単な構成とすることがでさる。

[0034] また本発明においては、上記複数の光源を、上記拡散板上における光源の照射位置を通り且つ該拡散板の面に直角な軸に対し、互いに軸対称とならない位置に配置していることが好ましい。

[0035] この特徴を備えることで、複数の光源に、互いに他の光源の反射光が入射することを防止することができ、反射光入射による雑音増加を防ぐことができる。

[0036] また本発明においては、上記複数の光源は、遠視野像が楕円状の光を出射するものであり、上記拡散板の面と直角な軸に対し、上記複数の光源を、楕円状の遠視野像の短軸方向に傾けて配置して、ることが好まし!/、。

[0037] この特徴を備えることで、拡散板へ入射する光の像を、該拡散板上でほぼ円形にすることができ、空間伝送に適した伝送光の分布を得ることが容易になる。

[0038] また本発明においては、上記複数の光源の内、上記拡散板上における光源の照射位置を通り且つ該拡散板の面に直角な軸に対し互!、にほぼ軸対称な位置に配置した光源の対を、互いに出射光の偏光面が直交する方向に配置して、ることが好ましい。

[0039] この特徴を備えることで、互いに軸対称な位置に配置した光源に、拡散板に反射された光が入射しても、光源から出射する光と光源に入射する反射光が結合 (干渉)するのを防止することができる。これにより、反射光入射による雑音増加を防ぐことができる。

[0040] 本発明の波長多重光空間送信方法は、自由空間を介して複数波長の光信号を多重して送信する波長多重光空間送信方法であって、複数の光源からそれぞれ異なる波長の光を出射する出射ステップと、上記複数の光源カゝらそれぞれ入射された光を拡散板で拡散して拡散光を出射する拡散ステップとを備え、上記出射ステップでは、上記複数の光源から上記拡散板上で照射範囲が重なるように光を出射し、上記拡散ステップでは、上記拡散光を多重された光信号として自由空間に放射する構成を有している。

[0041] 本発明によれば、単一の上記拡散板により、複数の光源力出射された波長の相異なる複数の光信号を合波する。また、拡散板で光を拡散することにより、自由空間に放射される光信号を人体に安全なものに変換する。従って、人体に安全な波長多重光を生成し送信する波長多重光送信方法を簡単な構成を用いて実現することができる。

発明の効果

[0042] 本発明の波長多重光空間光送信装置によれば、波長の相異なる複数の光源からの光信号を、単一の拡散板を用いるという簡単な構成で、光軸角度の高精度な調整も必要とせず光軸の一致した光信号に合波し、周波数多重信号光を生成することができる。また、安全性向上のための別の光学系を設けること無ぐ安全性を高めた拡散光への変換も同時に行うことができる。

図面の簡単な説明

[0043] [図 1]図 1は、本発明の波長多重光空間送信装置を用いた波長多重光空間伝送システムの構成を示すブロック図である。

[図 2]図 2は、本発明の波長多重光空間送信装置を用いた波長多重光空間伝送システムの改変例の構成を示すブロック図である。

[図 3]図 3は、本発明の実施の形態 1に係る波長多重光空間送信装置の構成を示す側面図である。

[図 4]図 4は、本発明の実施の形態 1に用いる拡散板の特性説明図である。

[図 5]図 5は、本発明の実施の形態 1に用いる拡散板の特性を示すグラフである。

[図 6]図 6は、本発明の波長多重光空間送信装置からの光信号を受信する波長多重光空間受信装置の構成を示す側面図である。

[図 7]図 7は、本発明の波長多重光空間送信装置からの光信号を受信する波長多重光空間受信装置の改変例の構成を示す側面図である。

[図 8]図 8は、本発明の実施の形態 2に係る波長多重光空間送信装置の構成を示す側面図である。

[図 9]図 9は、本発明の実施の形態 2に用いる拡散板の特性説明図である。

[図 10]図 10は、本発明の実施の形態 1に係る波長多重光空間送信装置の第 1改変例の構成を示す正面図である。

[図 11]図 11は、本発明の実施の形態 1に係る波長多重光空間送信装置の第 2改変例の構成を示す断面図である。

[図 12]図 12は、本発明の実施の形態 2に係る波長多重光空間送信装置の第 1改変例の構成を示す断面図である。

[図 13]図 13は、本発明の実施の形態 1に係る波長多重光空間送信装置の第 3の改変例の構成を示す側面図である。

圆 14]図 14は、楕円状の遠視野像を持つ光源を示す斜視図である。

[図 15]図 15は、本発明の実施の形態 1および 2に用いる光源の配置例を示す斜視図である。

[図 16]図 16は、本発明の実施の形態 1に係る波長多重光空間送信装置の第 4の改変例の構成を示す側面図である。

[図 17]図 17は、本発明の実施の形態 1に係る波長多重光空間送信装置の第 5の改変例の構成を示す平面図である。

[図 18]図 18は、本発明の実施の形態 1に係る波長多重光空間送信装置の第 5の改変例の構成を示す側面図である。

[図 19]図 19は、従来の波長多重光空間送信装置の構成図である。

[図 20]図 20は、従来の波長多重光空間送信装置の構成図である。

符号の説明

[0044] 101a〜！ i、 201a〜c、 501a〜b、 601a〜b、 801a〜b、 1001a〜b 光源

102a〜b、 202a〜c、 802a〜b 発光素子

103a〜b、 203a〜c、 803a〜b 光源レンズ

104、 204 拡散板

105、 205 放射レンズ

106、 206 拡散板の面に直角な軸

107、 207 入射光線

607 遠視野像

607a 遠視野像の長軸

607b 遠視野像の短軸

902 発光素子アレイ

903 レンズアレイ

発明を実施するための最良の形態

[0045] 以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

[0046] (実施の形態 1)

図 1は、本発明の波長多重光空間送信装置を用いた波長多重光空間伝送システムの構成を示すブロック図である。

[0047] 波長多重光空間伝送システム 1000は、光送信装置 1010と光受信装置 1020から構成されている。光送信装置 1010は、変調回路 1011a、 1011b,光源 1001a、 10 01b、光合波部 1012、送信光学系 1013から構成され、光受信装置 1020は、受信光学系 1023、光分波部 1022、受光部 1002a、 1002b,復調回路 1021a、 1021b 力構成されている。なお、図 1において、二重線矢印、二重線破線矢印は光信号を、実線矢印、実線破線矢印は電気信号を示している。

[0048] 次に、波長多重光空間伝送システムの動作について説明する。 2種類の相異なる入力信号 a、 bは、それぞれ光送信装置 1010の 2つの変調回路 101 la、 101 lbに入力され、ここで光源 1001a、 1001bの光搬送波を変調、例えば強度変調するための電気信号に変換された後出力される。各出力信号は 2つの光源 1001a、 1001bに入力される。 2つの光源 1001a、 1001bは、互いに異なる波長え aおよびえ bの光搬送波を生成し、入力された電気信号により光搬送波を変調し、その変調光を光信号として出力するものである。この相異なる波長を有する光信号は、光合波部 1012により、ほぼ同軸の光に合波された後、送信光学系 1013により広がり角などが調整され、光送信装置 1010から自由空間に放射される。放射された光信号が、図 1における二重線破線矢印である。自由空間に放射された光信号は、受信光学系 1023で光受信装置 1020内に取り込まれる。ここでは、光信号は光分波器 1022で 2つの波長 a、 bに分波される。その後、分波された信号はそれぞれ受光部 1002a、 1002b で電気信号に変換される。各電気信号は、復調回路 1021a、 1021bに入力され、それぞれ元の入力信号 a、 bに準じた出力信号 a、 bに復調される。

[0049] 尚、図 2に示されるように、入力信号、出力信号は複数でなくてもよい。図 2に示される例では、一つの入力信号が変調回路 1111で、シリアル Zパラレル変換等により 2 つの信号に分離され、分離された信号はそれぞれ光源 1001a、 1001bの光搬送波を変調するための電気信号に変換される。また、受光部 1002a、 1002bから出力された 2つの信号は、それぞれ復調回路 1121で復調され、ノラレル Zシリアル変換等により元の入力信号に準じた一つの出力信号とされる。

[0050] 以上のようにして、複数の異なる信号の同時伝送や、高速'大容量伝送が可能となるのである。

[0051] 図 3は、図 1で説明した波長多重光空間伝送システムで用いられる本発明の波長多重光空間送信装置の構成を示す側面図である。

[0052] 図 3において、光源 101a、 101bは、それぞれ、発光素子 102a、 102bと、光源レンズ 103a、 103bと力構成されている。発光素子 102a、 102bは、それぞれ、相異なる波長 a、 bの信号光を出力する。光源レンズ 103a、 103bは、それぞれ、発光素子 102a、 102bとほぼ軸を一致させて配置されている。発光素子 102a、 102bから出力された光信号は、それぞれ光源レンズ 103a、 103bによってほぼ平行光に変換され、その平行光は拡散板 104に照射される。光源 101a、 101bは、図 1で説明した波長多重光空間伝送システムにおける光源 1001a、 1001bに相当する。この光源 1 Ola, 101bの種類は特に限定されるものではないが、例えば半導体レーザ装置とすることができる。なお、発光素子 102a、 102bは、これらに接続された変調回路により、入力電気信号に応じて光搬送波を変調し、光信号を送出する。尚、説明の理解を容易にするため、変調回路については説明を省略し、図 3では図示していない。光源 101a、 101bからの光信号の出射方向には反射型の拡散板 104を設けており、光源 101a、 101bは、拡散板 104の、ほぼ同一の箇所を照射するように配置されている。この拡散板 104は、図 1で説明した波長多重光空間伝送システムにおける光合波部 1012に相当する。拡散板 104で拡散反射され出射される光すなわち拡散光は、放射レンズ 105により、その広がり角を自由空間の伝送に適した角度に変換され、自由空間に放出される。この放射レンズ 105は、図 1で説明した波長多重光空間伝送システムにおける送信光学系 1013に相当する。自由空間へ放出される拡散光の広力 Sり角は、例えば伝送距離を長くする場合には小さく設定され、平行度の高い光に変換される。放射レンズ 105の焦点位置付近に拡散板 104を配置すれば、そのような設定にすることができる。一方、広い範囲に伝送する場合には広がり角の大きな光に変換する。このように、用途に応じて変換後の広がり角を設定することができる。自由空間に放出された光信号は、対向する光受信装置（図 1における光受信装置 102 0)に受信される。受信された光信号は、電気信号に変換された後、復調される。

[0053] 次に、実施の形態 1における動作について説明する。

[0054] 図 4は、実施の形態 1の光送信装置で用いられる反射型の拡散板 104の特性説明図である。反射型の拡散板 104は、入射した光を拡散して反射するものである。図 4 では、拡散板 104の面に直角な軸 106に対して入射角 αで入射光線 107が入射している。この入射光は、拡散板 104の面で拡散される。その結果、拡散板 104の面に直角な軸 106からの角度 j8 (出射角度を表す）に応じて強度 pが異なる拡散光が、拡散板 104の面力も放射される。図 4においては、この放射強度 pを矢印の長さで表している。拡散板 104からの拡散光の強度 pの分布は、理想的にはランバーシャン分布、すなわち (式 1)

となる。 nは拡散板 104の材料特性により異なる値となるが、一般的には 1に近い値を採る。図 4の円状の一点鎖線は式 1にお、て n= 1の場合の放射強度 pの分布を示している。また、横軸に角度 j8をとり、この放射強度 pの分布を表すと図 5に示されるグラフのようになる。ただし、図 5における縦軸は、 /3 =0° における放射強度を 1とした時の各 j8における放射強度 pの相対値を表している。 j8 =0° における放射強度が最大となり、 j8が 0から離れるにつれて次第に小さくなり、 |8 = ± 90° で強度がゼロとなる。

この特性は、例えば榭脂材料に微細な粒状材料を混入させたり、榭脂材料を微細発泡構造としたり、あるヽはノリウムなどの材料を添加した塗料を板材に塗布することで実現される。実施の形態 1では、このような特性の反射型の拡散板 104に対してほぼ同一の箇所を照射するように、相異なる波長 a、 bの信号光を出力する複数の光源 101a、 101bを配置している（図 3参照)。したがって、拡散板 104の照射された部分では、波長え a、え bの光が共に、 cos βの η乗に比例した強度分布で反射される（式 1参照)。すなわち、相異なる波長 a、 bの光信号が相異なる方向から入射される一方、反射型の拡散板 104により、相異なる波長 a、 bは対応する若しくは一致する光強度毎に同一の光軸に合波されて出射される。例えば、反射角 0° の光は式 1によると入射角に関係なく強度が最大となる。従って、相異なる波長 a、 l b の光は、反射角 j8 =0° においてそれぞれ最大強度の光が合波され、最大強度の周波数多重光を光軸を一致させた状態で出射することができる。波長え aとえ bの合波された周波数多重光信号は、放射レンズ 105により広がり角を調整され、自由空間中に出射される。この放射レンズ 105は、反射角 βが 0° 付近より大きい光を利用する場合に特に有効な部材である。この放射レンズ 105を用いることで、広がり角の小さな光を得ることができる。広がり角の小さな光を得れば、光受信装置 (後述する）が受信する光のエネルギーが増加し、 SN比 (信号対雑音比）を維持したまま情報伝送速度を向上させることができる。また、光受信装置の光受信容易性を向上させることができる。光受信容易性の向上は、光信号の有効伝送距離を伸ばすことにも繋がる [0056] このように、波長 a、 bの光信号は共に、拡散板 104での拡散反射後、拡散板 1 04と直角な方向付近に大きな強度を持つ。従って、直角方向付近の拡散光を放射レンズ 105で自由空間中に出射することで、波長 a、 bの光信号双方に対して効率の良い光信号伝送を行うことができる。たとえば、式 1において n= lの場合、開口率 NA=0. 85のレンズを用いると、拡散光の 40%以上の光電力を伝送光として自由空間に出射することができる。この合波された光信号は対向する光受信装置において、光学フィルタを用いるなどの既知の適当な方法により波長え aとえ bの光信号に分波される。分波された光信号はそれぞれ電気信号に変換され、この電気信号は復調される。これにより、波長多重伝送を行うことができる。また、複数の光源 101a、 101bは、拡散板 104においてほぼ同一箇所を照射すればよぐ入射角度の影響を受けない。よって、光源 101a、 101bの光軸調整も容易になるという効果も得られる。

[0057] また同時に、発光素子 102a、 102b力例えば半導体レーザのようにコヒーレント性、指向性、集光性及びエネルギー密度の高い光源であっても、拡散板 104で拡散反射されてコヒーレント性、指向性、集光性、及びエネルギー密度が低下した 2次光源となり、放射レンズ 105から自由空間に出射される。したがって、自由空間に出射された光が誤って目に照射され、あるいは出射光を誤って双眼鏡などで観察した場合でも、目に対する障害の危険性は低くなる。つまり、自由空間に出射された光の安全性を高めることができる。

[0058] 以上のように、力かる構成によれば、異なる波長の光源 101a、 101bを、拡散板 10 4のほぼ同一の箇所を照射するように配置し、拡散板 104での拡散光を、放射レンズ 105により自由空間での伝送に適した角度に変換して自由空間に放出する構成とすることにより、以下の効果を奏することができる。すなわち、単一の拡散板 104を用いた簡単な構成で、高精度な光軸角度調整を必要とせず、相異なる波長を有する複数の光信号を同一の光軸上に合波して周波数多重信号光を得られると共に、また目に対する障害の危険性も同時に低減した、波長多重光空間伝送用の送信装置を実現することができる。さらに、拡散板 104と直角方向付近を含む光を用いることで効率の良い光信号伝送が可能となる。尚、放射レンズ 105は、拡散光の多くを一方向に向ける、すなわち光の進行方向を揃えるのに有効である力本実施形態に必ずしも必要ではない。例えば、出射角 β (図 4参照）が小さい範囲の拡散光、すなわち拡散板 104にほぼ直角な方向の拡散光を光伝送に利用する場合には、放射レンズ 105を使用しないことも可能である。

[0059] 図 6は、光受信装置の構成の一例を示す側面断面図である。図 6において、光学フィルタ 1221a, 1222b,受光レンズ 1222a, 1222b,受光素子 1223a, 1223bは光学系筐体 1224に固定されている。復調回路基板 1225、出力端子 1227a, 1227b は回路ケース 1226に固定されている。光学系筐体 1224と回路ケース 1226は互いに接合され、受光素子 1223a, 1223bが復調回路基板 1225に接続されている。

[0060] 光学フィルタ 1221aは λ aの光を透過し、 λ bの光を透過しない特性を有し、光学フィルタ 1221bはえ bの光を透過し、 λ aの光を透過しない特性を有する。従って、受光レンズ 1222aおよび 1222bには、それぞれ a、およびえ bの信号光のみが到達する。これら信号光は、受光レンズ 1222aおよび 1222bにより受光素子 1223aおよび 1223bに集光される。光学フィルタ 1221aおよび 1222bが図 1における光分波器 1022にネ目当し、受光レンズ 1222aおよび 1222b力 S図 1における受信光学系 1023 にネ目当し、受光素子 1223aおよび 1223b力 S図 1における受光咅 1002a、 1002bに相当する。これにより、周波数多重信号から 2つの波長 a、 bの光信号に分離される。分離された各光信号は電気信号に変換され復調回路基板 1225に入力される。復調回路基板 1225では、増幅、レベル調整、復調処理等が行われ、光送信装置への入力信号に準じた信号が出力される。

[0061] 尚、光受信装置は、図 7に示されるように構成することも可能である。図 7に示される光受信装置は、図 6に示される光受信装置と以下の点で異なる。すなわち、ダイク口ックミラー 1321がえ bの光を透過し、 λ aの光を反射する特性である。 aの光はダイクロックミラー 1321により反射され、レンズ 1322aにより受光素子 1323aに集光される。 bの光はダイクロックミラー 1321で透過され、ミラー 1328で反射されたのち、レンズ 1322bにより受光素子 1323bに集光される。その他の構成は図 6の場合と同様であるので、図 6の場合と同一の符号を付して説明を省略する。

[0062] (実施の形態 2) 図 8は、本発明の実施の形態 2の波長多重光空間送信装置の構成を示す側面図である。

[0063] 図 8【こお!ヽて、光源 201a、 201b, 201ciま、それぞれ、発光素子 202a、 202b, 20 2cと、光源レンズ 203a、 203b, 203cと力ら構成されている。発光素子 202a、 202b 、 202cは、それぞれ、相異なる波長 a、 λ の信号光を出力する。光源レンズ 203a, 203b, 203cは、それぞれ、発光素子 202a、 202b, 202cとほぼ軸を一致させて配置されている。発光素子 202a、 202b, 202cから出力された光信号は、それぞれ光源レンズ 203a、 203b, 203cによってほぼ平行光に変換され、その平行光は拡散板 104に照射される。なお、発光素子 102a、 102bは、これらに接続された変調回路により、入力電気信号に応じて光搬送波を変調し、光信号を送出する。尚、説明の理解を容易にするため、変調回路については説明を省略し、図 8では図示していない。光源 201a、 201b, 201cから光信号を出射する方向には透過型の拡散板 20 4が設けられている。透過型の拡散板 204の特性については後述する。光源 201a、 201b, 201cは、拡散板 204の、ほぼ同一の箇所を照射するように配置されている。光信号は、拡散板 204で拡散透過される。その結果、拡散板 204から出射される拡散光は、放射レンズ 205により、その広がり角を自由空間の伝送に適した角度、例えば平行度の高い光に変換され、自由空間に放出される。自由空間に放出された光信号は、対向する光受信装置（図 1における光受信装置 1020)により受信され、そこで電気信号に変換された後、復調される。

[0064] すなわち、実施の形態 1と比較すると、透過型の拡散板 204を用いていることと、これに伴い、光源 201a、 201b, 201cから出射された光力透過型の拡散板 204を透過し、拡散板 204において入射側とは反対側の面から出射されている点が異なる。

[0065] つぎに、実施の形態 2における作用について説明する。

[0066] 図 9は、実施の形態 2の光送信装置で用いられる透過型の拡散板 204の特性説明図である。拡散板 204の面に直角な軸 206に対して入射角 αで光線 207が入射している。透過型の拡散板 204は、入射した光を拡散させる点は反射型の拡散板 104と同様であるが、拡散した光を透過させて出射する点が拡散板 104とは異なる。拡散板 204の面に直角な軸 206と拡散光の出射方向とがなす角度を |8としたとき、理想的には、入射角 αに拘わらず透過光の強度分布 ρは前出の式 1のランバーシャン分布となる。図 9の円状の一点鎖線は式 1において η= 1の場合の放射強度 ρの分布を示している。また、横軸に角度 j8をとり、この放射強度 pの分布を表すと図 5に示されるグラフのようになる。この特性は、例えば透明な榭脂材料に屈折率の異なる微細な粒状透明材料を混入させ、或いは透明な榭脂材料を微細発泡構造とすることで実現される。実施の形態 2では、このような特性の透過型の拡散板 204のほぼ同一の箇所を照射するよう【こ、複数の光源 201a、 201b, 201cを酉己置して!/ヽる。光源 201a、 20 lb、 201cは、相異なる波長 a、 λ λ cの信号光をそれぞれ出射する。実施の形態 2は、実施の形態 1に対し、拡散時に入射光を反射するか或いは透過するかの点で相異する力相異なる波長 λ a、 λ の光信号が同一の光軸に合波されること、また同時に、光源 201a、 201b, 201cが、例えば半導体レーザのようにコヒーレント性、指向性、集光性及びエネルギー密度の高い光源であっても、拡散板 204で拡散されて、目に対する障害の危険性を低減することができ、安全性を高められるという作用は実施の形態 1と同様である。

[0067] 以上のように、実施の形態 2では、相異なる波長の信号光を出射する光源 201a、 2 01b、 201cを、拡散板 204のほぼ同一の箇所を照射するように配置すると共に、拡散板 204で生成された拡散光を、放射レンズ 205により自由空間の伝送に適した角度に変換して自由空間に放出する構成としている。これにより、単一の拡散板 204を用いた簡単な構成で、高精度な光軸角度調整も必要とせず、相異なる波長の光信号を同一の光軸上に合波して周波数多重信号光を得られると共に、安全性向上のための光学系を別途設けることなく目に対する障害の危険性も同時に低減した波長多重光空間伝送用の送信装置を実現することができる。また、拡散板 204の面とほぼ直角をなす方向の光を用いることで効率の良い光信号伝送が可能となる。尚、放射レンズ 205は、拡散光の多くを一方向に向ける、すなわち光の進行方向を揃えるのに有効である力本実施形態に必ずしも必要ではない。例えば、出射角 β (図 9参照）が小さい範囲の拡散光、すなわち拡散板 204にほぼ直角な方向の拡散光を光伝送に利用する場合には、放射レンズ 205を使用しないことも可能である。

[0068] なお、実施の形態 1および 2において、光源 101a、 101bまたは光源 201a、 201b 、 201cがそれぞれ 2個および 3個の場合を例示したが、光源は例示した数に限らないことは言うまでもない。光源の数を増やした場合においても、光源からの光信号をただ 1枚の拡散板 104または拡散板 204のほぼ同一箇所に照射することによって、光軸の一致した合波信号を得ることができる。従来例では、上述のように、光源の数（波長数）が増すに従って、ダイクロックミラーの数も増やさなければならな力つた。よつて、従来例と比較すると、構成を簡単にできるという本発明の効果は、光源の数が増すほど顕著になると言える。

[0069] また、光源の数が増える場合には、光源を円状に配置することにより、光源の配置が容易となる。例えば実施の形態 1においては、放射レンズ 105の付近に円状に配置すると良い。図 10は、実施の形態 1において、光源数を 8としたときの構成例を示す、図 3の A方向から見た正面図である。この例では、出射する光信号の波長が相異なる 2個の光源 101a、 101bの他に、出射する光信号の波長が相異なる 6個の光源 1 01c〜： LOlhを円状に配置されている。このように配置することにより、光送信装置の容積をあまり大きくすることなぐ 8個の光源力の複数の光信号を合波することができる。

[0070] また、実施の形態 1および 2において、構成部品を筐体に固定してモジュールィ匕することにより、取扱や組み立てを容易にすることができる。図 11は、図 3の構成（実施の形態 1)について、筐体、回路基板、及び入力端子を含めて示した断面図である。発光素子 102a, 102bと光源レンズ 103a, 103bが光源筐体 109a, 109b内にそれぞれ固定されている。発光素子 102a, 102bの発光部をそれぞれレンズ 103a, 103 bの焦点位置付近に配置することで、出射光が平行光になる。筐体 108の光学系部 108aに拡散板 104と放射レンズ 105が固定され、光源筐体 109a, 109bが挿入固定されている。筐体の回路部 108bには変調回路基板 110 (図 1の 1011a、 1011b に相当）と入力端子 11 la、 11 lbが固定されて、る。

[0071] 図 12は、図 8の構成 (実施の形態 2)について、筐体、回路基板、及び入力端子を含めて示した断面図である。図 12は、図 11と比べて筐体への組み込みを実施の形態 1に代えて実施の形態 2に適用した点が異なるだけなので、その説明を省略する。尚、同一の機能を有する部材につ、ては図 11の場合と同一の符号を付して、る。 [0072] なお、実施の形態 1および 2において、光源 101a、 101bおよび光源 201a、 201b 、 201dま、発光素子 102a、 102bおよび発光素子 202a、 202b, 202c力らの光を、それぞれ光源レンズ 103a、 103bおよび光源レンズ 203a、 203b, 203c【こよってまぼ平行光とし、拡散板 104、 204にその平行光を照射している力光源から拡散板に照射する光は必ずしも平行光である必要はない。例えば図 13は、図 3における光源 101a, 101bの代わりに広がり光を出射する光源 501a、 501bを設けている。光源 5 Ola, 501bから出射する信号光の広がり角が適切であれば、図 13のように広がり光を出射しても良い。また、発光素子の出射広がり角次第では、光源レンズを必要としない場合もある。また、当然の事ながら、レーザ光等の収束光を出射する光源であつても良い。

[0073] また、光源の出射光は楕円状の遠視野像を持つ場合がある。例えば端面発光型の半導体レーザ装置では、図 14に示されるように遠視野像が楕円状の光が出射される。この楕円は、長軸 607a及び短軸 607bを有する。また、このような発光素子力の光をレンズを介して出射しても、一般的には楕円状の光が出射される。このように楕円状の遠視野像を持つ光源 601aを使用する場合は、光源 601aを短軸 607aの方向に傾けて配置すると良い。図 15は、楕円状の遠視野像を持つ光源を配置する場合の構成を示す斜視図である。光源 601aは、出射光の遠視野像の短軸 607bの方向に傾けて配置されている。これにより、拡散板 604上では、出射光の像において短軸方向の軸 607b 'と長軸方向の軸 607a'の長さの差を小さくすることができる。その結果、拡散板 604上で円に近い照射パターンを得ることができる。波長の異なる他の光源 601bも同様に配置すると、それぞれの照射パターンを整合しやすくなり、自由空間に出射される合波信号光をも、相異なる波長間でより近い照射パターンとすることがでさる。

[0074] なお、実施の形態 1および 2において、拡散板 104または 204が図 4または図 9に示した理想的な拡散特性ではなく、鏡面反射板の特性を一部残して!/ヽる場合も考えられる。この場合、例えば図 3において、光源 101aと光源 101bが拡散板 104の面に直角な軸に対し対称の位置関係にあると、光源 101aと光源 101bの光が拡散板 104 で反射されたときに反射光はそれぞれ相手側の発光素子 102a、 102bに入射する。このため、発光素子 102a、 102bで出射光と入射光の干渉が起こり、これにより雑音が増加するという問題が生じる。したがって、光源 101aと光源 101bとを、拡散板 104 の面に対して鏡面反射の位置関係、すなわち光の照射部を通り且つ拡散板 104の面に直角な軸に対して対称な位置関係力外して配置すると良い。これにより、反射光による発光素子 102a、 102bでの雑音増加を防止することができる。

[0075] 或いは、光源 101aと光源 101bとを、拡散板 104の面に対して鏡面反射の位置関係から外す代わりに、光源 101aの出射光の偏光面と光源 101bの出射光の偏光面とが互いに直交するように配置しても良い。これにより、対称位置の発光素子 102a、 1 02bに反射光が入射しても、その反射光が発光素子 102a、 102bの出射光と光学的に結合 (干渉)せず、発光素子 102a、 102bでの雑音増加を防止することができる。

[0076] なお、実施の形態 1および 2においては、発光素子の軸と光源レンズの軸をほぼ一致させて配置した力軸をずらして配置しても良い。例えば図 16は、実施の形態 1における発光素子 102a、 102b,光源レンズ 103a、 103bの代わりに、発光素子 802a 、 802b,光源レンズ 803a、 803bを用い、それぞれ互いに軸をずらして配置した構成例を示している。発光素子 802aと光源レンズ 803aの軸をずらすことにより、光が光源レンズ 803aの軸に対して斜めに出射する。これを利用して、光源レンズ 803a力らの出射光と、光源レンズ 803bからの出射光とが、反射型の拡散板 104上のほぼ同一の箇所に照射されてヽる。このように、発光素子 802a、 802bと光源レンズ 803a、 803bの軸をずらして配置しても、図 3に示した実施の形態 1と同様の効果が得られる。また、発光素子 802a、 802bの軸、光源レンズ 803a、 803bの軸、放射レンズ 105 の軸を互いに全て平行にし、各軸を拡散板 104の面と直角にすることも可能となる。これにより、光送信装置全体の機構設計が容易になるという効果も得られる。

[0077] また、放射レンズの周囲に光源レンズを配置する場合には、放射レンズと光源レンズを一体ィ匕したレンズを用いることもできる。例えば図 3に示す例では、放射レンズ 10 5の周囲に光源レンズ 103a、 103bが配置されている。拡散板 104から出射される光の強度分布は、光源 101a、 101bからの光の入射角に依存しないので、光源レンズ 103a, 103bを放射レンズ 105にさらに近接させて配置することも可能である。この場合、放射レンズ 105と光源レンズ 103a、 103bは、たとえばガラス材料ゃ榭脂材料を用いた金型成型方式のレンズを用いて一体形成することが可能となる。これにより、部品点数が低減し、組み立ての容易な光送信装置を実現することができる。

[0078] 図 16に示す例においても、同様に放射レンズ 105と光源レンズ 803a、 803bを一体ィ匕することが可能である。さらにこの場合には、発光素子 802a、 802bと光源レンズ 803a、 803bの軸を互!ヽ【こずらして酉己置して!/ヽるので、光源レンズ 803a、 803bの軸と放射レンズ 105の軸を互いに平行とすることができる。軸が平行となることにより、金型成型などでレンズを一体形成する際に、金型の製作加工が容易になり、成型レンズの品質も維持しやすくなると言う効果を得ることができる。

[0079] なお、実施の形態 1および 2において、光源 101a、 101b, 201a〜cを、それぞれ個另 IJの発光素子 102a、 102b, 202a〜cと個另 Uの光源レンズ 103a、 103b, 203a〜 cで構成してヽたが、発光素子は複数の発光部を有する発光素子アレイで構成しても良ぐまた、レンズを一体ィ匕して構成しても良い。例えば図 17および図 18は、発光素子アレイ 902とレンズアレイ 903を用いた構成における平面図および側面図である。実施の形態 1を示す図 3と比較して、反射型の拡散板 104と放射レンズ 105は同様である。異なる点は、発光素子 102a、 102bの代わりに、 2つの相異なる波長の光を出射する発光部 902a、 902bがアレイ化された発光素子アレイ 902を用いて、る点と、光源レンズ 103a、 103bの代わりに 2つのレンズ部 903a、 903bが一体化されたレンズアレイ 903を用!ヽて!ヽる点、である。また、発光咅 902a、 902bとレンズ咅 903a、 9 03bは、それぞれ軸をずらして配置され、これによりレンズ部 903a、 903bから軸に対し斜めに光が出射され、各出射光は拡散板 104のほぼ同一の箇所に照射される。このような構成とすることにより、極めて少ない部品点数で光送信装置を構成することが可會になる。

産業上の利用可能性

[0080] 本発明にかかる波長多重光の空間送信装置及び空間送信方法は、相異なる複数波長の光信号を、波長数にかかわらず単一の拡散板を用いた極めて簡単な構成で合波して周波数多重することができる。また、安全性向上のための構成を別途設けることなく目に対する障害の危険性も同時に低減することができるという特徴を有し、自由空間を介して情報データを伝送する光空間伝送システム等に用いられる送信装置及び送信方法として有用である。また映像信号や音声信号等の空間伝送やリモコン等の用途にも応用することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 自由空間を介して複数波長の光信号を多重して送信する波長多重光空間送信装置であって、

それぞれ異なる波長の光を出射する複数の光源と、

前記複数の光源からそれぞれ入射された光を拡散して拡散光を出射する拡散板とを備え、

前記複数の光源は、前記拡散板へのそれぞれの出射光の照射範囲が重なるよう配置されており、

前記拡散板から出射される拡散光を多重された光信号として自由空間に放射する波長多重光空間送信装置。

[2] 前記拡散板を、前記拡散板の面にほぼ直角な方向への拡散光の出射電力が最大となる光拡散材料により構成した、請求項 1に記載の波長多重光空間送信装置。

[3] 前記拡散板を、ランバーシャン分布に準じた光強度分布の拡散光を出射する光拡散材料により構成した、請求項 1に記載の波長多重光空間送信装置。

[4] 前記拡散板から出射される拡散光の内、拡散板の面にほぼ直角な方向の拡散光を前記光信号として自由空間に放射する請求項 1に記載の波長多重光空間送信装置。

[5] 前記複数の光源から拡散板に入射する光が、前記拡散板の面にほぼ直角な方向の範囲外の方向から入射するように構成した、請求項 1に記載の波長多重光空間送信装置。

[6] 前記拡散板は、入射された光を拡散反射して出射する反射型の拡散板である請求項 1に記載の波長多重光空間送信装置。

[7] 前記拡散板は、入射された光を拡散透過して出射する透過型の拡散板である請求項 1に記載の波長多重光空間送信装置。

[8] 前記拡散板力も離間して前記拡散光の出射側に放射レンズを設け、該放射レンズに拡散光を入射させて該拡散光の広がり角を調整する請求項 1に記載の波長多重光空間送信装置。

[9] 前記複数の光源の各々を、発光素子と、前記発光素子からの出射光を、ほぼ平行光に変換する光源レンズとから構成した、請求項 1に記載の波長多重光空間送信装置。

[10] 前記複数の光源を、ほぼ円状に配置した、請求項 1に記載の波長多重光空間送信装置。

[11] 前記放射レンズと光源レンズとを一体形成した、請求項 9に記載の波長多重光空間送信装置。

[12] 前記複数の光源を、複数の発光部を一体形成した発光素子アレイと、前記発光素子アレイの複数の発光部に対応して配置したレンズアレイとから構成した、請求項 1 に記載の波長多重光空間送信装置。

[13] 前記複数の光源を、前記拡散板上における光源の照射位置を通り且つ該拡散板の面に直角な軸に対し、互いに軸対称とならない位置に配置した、請求項 1に記載の波長多重光空間送信装置。

[14] 前記複数の光源は、遠視野像が楕円状の光を出射するものであり、前記拡散板の面と直角な軸に対し、前記複数の光源を、楕円状の遠視野像の短軸方向に傾けて配置した、請求項 1に記載の波長多重光空間送信装置。

[15] 前記複数の光源の内、前記拡散板上における光源の照射位置を通り且つ該拡散板の面に直角な軸に対し互!、に略軸対称な位置に配置した光源の対を、互いに出射光の偏光面が直交する方向に配置した、請求項 1に記載の波長多重光空間送信装置。

[16] 自由空間を介して複数波長の光信号を多重して送信する波長多重光空間送信方法であって、

複数の光源力それぞれ異なる波長の光を出射する出射ステップと、

前記複数の光源力それぞれ入射された光を拡散板で拡散して拡散光を出射する拡散ステップとを備え、

前記出射ステップでは、前記複数の光源から前記拡散板上で照射範囲が重なるように光を出射し、

前記拡散ステップでは、前記拡散光を多重された光信号として自由空間に放射する波長多重光空間送信方法。