JP4822451B2 - 波長多重光の空間送信装置及び空間送信方法 - Google Patents

Description

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。

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・大容量のものとなってきており、光空間伝送システムにも高速化・大容量化が要求されている。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。

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いるものがあった（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。

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、λ１の波長の光は透過し、λ２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λ１の波長の光と発光素子５２ｂからのλ２の波長の光を合波する。また、ダイクロックミラー部５４ｂは、λ１およびλ２の波長の光は透過し、λ３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からのλ１、λ２の波長の光と発光素子５２ｃからのλ３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いた。

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。

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。
特開昭６３−１５１２３０号公報（第６−８頁、図１） 実開昭６２−５８９３８号公報（第１頁、図２）

しかしながら、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、小型化や低コスト化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〜５４ｃ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いう課題も有していた。

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化を図るものではなかった。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った。

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ことを目的とする。

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構成を有している。

本発明によれば、単一の上記拡散板により、複数の光源から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。

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から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い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かった。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、光源から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。しかも、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。

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。

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。

これらの特徴を備えることで、複数の光源から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。

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。

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。

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から入射するように構成することが好ましい。

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。

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い。

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。

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いることが好ましい。

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。

また本発明においては、上記拡散板から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いることが好ましい。

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。

また本発明においては、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。

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。

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。

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。

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

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。

また本発明においては、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から構成することが好ましい。

この特徴を備えることで、複数の光源を一体化することができ、簡単な構成とすることができる。

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。

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。

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いることが好ましい。

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。

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い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いることが好ましい。

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。

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、上記複数の光源か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。

本発明によれば、単一の上記拡散板により、複数の光源から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。

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、波長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く、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。

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。

（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。

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、１００１ｂ、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から構成されている。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。

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１０１１ａ、１０１１ｂ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λａおよびλｂ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λａ、λｂ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。

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／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、パラレル／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。

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。

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。

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とから構成されている。発光素子１０２ａ、１０２ｂは、それぞれ、相異なる波長λａ、λｂ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１０１ａ、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がり角は、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１０２０）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。

次に、実施の形態１における動作について説明する。

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β（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の面から放射される。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において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β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、β＝０°における放射強度を１とした時の各βにおける放射強度ｐの相対値を表している。β＝０°における放射強度が最大となり、βが０から離れるにつれて次第に小さくなり、β＝±９０°で強度がゼロとなる。

この特性は、例えば樹脂材料に微細な粒状材料を混入させたり、樹脂材料を微細発泡構造としたり、あるいはバ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λａ、λｂ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λａ、λｂの光が共に、ｃｏｓβのｎ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λａ、λｂ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λａ、λｂ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λａ、λｂの光は、反射角β＝０°においてそれぞれ最大強度の光が合波され、最大強度の波長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λａとλｂの合波された波長多重光信号は、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。

このように、波長λａ、λｂの光信号は共に、拡散板１０４での拡散反射後、拡散板１０４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λａ、λｂ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＝１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λａとλｂ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く、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。

また同時に、発光素子１０２ａ、１０２ｂ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。

以上のように、かかる構成によれば、異なる波長の光源１０１ａ、１０１ｂを、拡散板１０４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波長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が、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。

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。

光学フィルタ１２２１ａはλａの光を透過し、λｂの光を透過しない特性を有し、光学フィルタ１２２１ｂはλｂの光を透過し、λａ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λａ、およびλｂ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に相当し、受光レンズ１２２２ａおよび１２２２ｂが図１における受信光学系１０２３に相当し、受光素子１２２３ａおよび１２２３ｂが図１における受光部１００２ａ、１００２ｂに相当する。これにより、波長多重信号から２つの波長λａ、λｂ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。

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、ダイクロックミラー１３２１がλｂの光を透過し、λａの光を反射する特性である。λａ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。λｂ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。

（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。

図８において、光源２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃは、それぞれ、発光素子２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃと、光源レンズ２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃとから構成されている。発光素子２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃは、それぞれ、相異なる波長λａ、λｂ、λｃ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２０４に照射される。なお、発光素子２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ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２０４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。

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から出射された光が、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。

つぎに、実施の形態２における作用について説明する。

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β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ｐ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β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、例えば透明な樹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、或いは透明な樹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に、複数の光源２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃを配置している。光源２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃは、相異なる波長λａ、λｂ、λｃ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が、相異なる波長λａ、λｂ、λｃ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。

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、２０１ｂ、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波長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が、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。

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かった。よって、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。

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１０１ｃ〜１０１ｈ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く、８個の光源からの複数の光信号を合波することができる。

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化することにより、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，１０３ｂ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１１１ａ、１１１ｂが固定されている。

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いては図１１の場合と同一の符号を付している。

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、２０１ｃは、発光素子１０２ａ、１０２ｂおよび発光素子２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃからの光を、それぞれ光源レンズ１０３ａ、１０３ｂおよび光源レンズ２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃによってほぼ平行光とし、拡散板１０４、２０４にその平行光を照射しているが、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５０１ａ、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っても良い。

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から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きる。

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い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から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。

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、１０２ｂ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。

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が、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からの出射光と、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いる。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。

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化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１０５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や樹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。

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を一体化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の軸を互いにずらして配置しているので、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。

なお、実施の形態１および２において、光源１０１ａ、１０１ｂ、２０１ａ〜ｃを、それぞれ個別の発光素子１０２ａ、１０２ｂ、２０２ａ〜ｃと個別の光源レンズ１０３ａ、１０３ｂ、２０３ａ〜ｃで構成していたが、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く、また、レンズを一体化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を用いている点と、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を用いている点である。また、発光部９０２ａ、９０２ｂとレンズ部９０３ａ、９０３ｂ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能になる。

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波長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。

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 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 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 本発明の実施の形態１に用いる拡散板の特性説明図 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 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 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 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 本発明の実施の形態２に用いる拡散板の特性説明図 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 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 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 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 楕円状の遠視野像を持つ光源を示す斜視図 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 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 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 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 従来の波長多重光空間送信装置の構成図 従来の波長多重光空間送信装置の構成図

符号の説明

１０１ａ〜ｈ、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

Claims (14)

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反射型の拡散板であって、当該拡散板の面に垂直な方向の範囲外から当該拡散板の同一の箇所に照射された異なる波長の光を、同一の光軸に合波し、当該拡散板の面に垂直な方向に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. 前記拡散板から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。
7. 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。
8. 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。
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、前記放射レンズとを一体形成して構成した、請求項６に記載の波長多重光空間送信装置。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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い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。
14. 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、
    前記複数の光源からそれぞれ入射された光を反射型の拡散板で拡散して拡散光を出射するステップであって、当該拡散板の面に垂直な方向の範囲外から当該拡散板の同一の箇所に照射された異なる波長の光を、同一の光軸に合波し、当該拡散板の面に垂直な方向に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。

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