(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザを信号用光源とし、送信信号に応じて前記半導体レーザのレーザ光を変調して外部に出射することにより送信を行う送信手段と、外部から入射する変調されたレーザ光を受光すると共に復調して信号を得る受信手段とを有する光空間伝送装置において、
前記信号用光源を、波長が１４００ｎｍ以上、１６００ｎｍ以下の半導体レーザで構成して、これを第一の光源とし、
前記第一の光源から得られる前記レーザ光を波長変換素子によって可視光またはシリコンによる撮像素子が感度を有する光に変換することにより前記光空間伝送装置の装置間光軸を合わせ込む為の光源を得る構成にして、これを第二の光源とする
ことを特徴とする光空間伝送装置。
【請求項２】
前記第二の光源を、前記第一の光源から得られる前記レーザ光の光エネルギーにより発光するフォトルミネッセンス材を当該レーザ光を吸収する部材に分散包含して成る光波長変換素子によって構成した
ことを特徴とする請求項１に記載の光空間伝送装置。
【請求項３】
前記光波長変換素子は、前記フォトルミネッセンス材を含んで成る前記光を吸収する部材の表面を平滑面にすると共に、裏面に光反射部材を設けた
ことを特徴とする請求項２に記載の光空間伝送装置。
【請求項４】
前記光波長変換素子は、前記フォトルミネッセンス材を含んで成る前記光を吸収する部材の表面を平滑面にすると共に、裏面に可視光透過部材を設けた
ことを特徴とする請求項２に記載の光空間伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はレーザ光を信号用光源とする光空間伝送装置に関し、更に詳しくは発振波長が赤外線領域であるレーザを用いた装置の光軸調整を容易にする光空間伝送装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光空間伝送装置に関して図５ないし図９を参照して説明する。
まず、従来の光空間伝送装置とは送る情報を光の強度変調に変換し、前記強度変調した光を受信する側に向かって大気中に出射し、受信側においては入射した変調光を復調することにより、所望の情報信号の伝達を大気空間を介して行うものである。
【０００３】
即ち、図５に示すように一方の光空間伝送装置５０Ａと他方の光空間伝送装置５０Ｂとの間で行われる双方向の光空間伝送は、一方の光空間伝送装置５０Ａ（又は５０Ｂ）から送信信号で変調されたレーザ光をレンズ１Ｄを介して出射（出射光Ｌ１  ）し、他方の光空間伝送装置５０Ｂ（又は５０Ａ）からの同様に変調されたレーザ光（入射光Ｌ２  ）をレンズ１Ｄを介して受光することで実現される。
【０００４】
つぎに、本件の出願人等によって発明され、既に特願平５−３５３４１０号明細書として出願されている可視光の半導体レーザを用いた光空間伝送装置の一例について、その概略を図６を参照して説明する。同図に示す光空間伝送装置は送信と受信の機能を一体にした構成をしていて、全く同じ装置を対向して設置することにより、双方向の情報伝達を行うことができる構成例を示している。
【０００５】
まず、光学系の基本構成は光源となる半導体レーザ３Ｃ、レーザビームを平行ビームに変換するレンズ１Ａ、光を分離する偏光ビームスプリッター２、再度レーザビームを絞るレンズ１Ｂ、レーザビームを出射するレンズ１Ｄ、および入射光を光検出素子４に集光するレンズ１Ｃとから成っている。
【０００６】
つぎに送信機としての動作は、伝達すべき情報は送信信号処理回路１０によって送信信号に変換され、半導体レーザ３Ｃを駆動するドライバ１１に入力される。前記ドライバ１１により送信信号に応じて駆動された半導体レーザ３Ｃのレーザ光はレンズ１Ａで一定の径のビームに拡大された後、偏光ビームスプリッター２を通って再度レンズ１Ｂにより絞られ、最後に出射用の大口径レンズ１Ｄにより略平行な出射光Ｌ１  に変換されて相手側装置に送り出される。
【０００７】
また、受信機としての動作は、相手側装置から送られてきたレーザ光、即ち入射光Ｌ２  は大口径レンズ１Ｄとレンズ１Ｂによって一定の径に変換され、偏光ビームスプリッター２で曲げられた後レンズ１Ｃによって光検出素子４に集光される。前記光検出素子４で光信号が電気信号に変換され、プリアンプ１３、ＡＧＣ１４等で信号が整形され、受信信号処理回路１５で元の情報に復元される。
【０００８】
上述した光空間伝送装置においては、相手側装置を自動的に捕獲し、双方の伝送光軸を一致させて保持し続ける為の自動追尾方式を採用している。この自動追尾方式において、光学系全体を移動させて姿勢を制御する方法を採った場合、制御の性能は光学系の質量に大きく依存するため、この質量は小さいほど自動追尾性能の高い光空間伝送装置にすることができる。
【０００９】
ここで、光学系で支配的に大きいものは出射用のレンズ１Ｄであり、これを小さくすることで光学系の質量を効果的に減じることができるが、送信パワーを保つためには、逆に半導体レーザ３Ｃの発振強度を増加しなければならない。しかしながら、環境衛生上、レーザの発振波長に対する単位面積のパワー密度が規定されていて、上述した従来の装置で用いられた可視光帯域ではそのパワー密度は小さな値に制限されている。
【００１０】
これを眼に対する保護の観点から規定されているものであり、その背景を図７を参照して述べる。
同図は角膜から入って光の眼底までの透過率と眼底での吸収率の波長との関係を示していて、両者とも角膜上を１００％としている。この図７より紫外線または１５００ｎｍよりも長波長の遠赤外線では、眼内に殆ど光は入らない。一方、可視光および近赤外線の略４００ｎｍ〜１２００ｎｍに対して角膜および水晶体は透明であり、水晶体の集光作用によって眼底では単位面積当たりの光強度は、極めて大きなものとなる。また、眼底での光の吸収率は青色光では大きいが、波長が長くなるに従って減少し、光が眼底に達してもエネルギーの絶対吸収量は極めて小さくなることが分かる。
【００１１】
従って、このような観点から眼に対する環境衛生上、レーザの波長に対する許容パワー密度が規定されている。例えば、従来からよく用いられている波長７８０ｎｍ〜８３０ｎｍの単位面積の許容パワー密度、即ち最大許容露光量は長時間の露光状態において０．３２ｍＷ／ｃｍ２  である。一方、１４００ｎｍ〜１６００ｎｍの半導体レーザのそれは１００ｍＷ／ｃｍ２  であり、波長７８０ｎｍ〜８３０ｎｍのものに比べて極めて大きい。
【００１２】
従って、上述した１４００ｎｍ〜１６００ｎｍの半導体レーザを用いることによりパワー密度を大きくすることができるので、即ち光学系を小さくすることができるのでＣ／Ｎ向上と光空間伝送装置の小型化および自動追尾制御の性能向上を図ることができる。
【００１３】
さて、本件の発明者等による従来の光空間装置には、光軸調整と回線保持のためにコリメートスコープと称する光学装置が開発され、搭載されている（以下、この光学装置を「コリメートスコープ」と記す）。このコリメートスコープ１６０とは図８にその概略が示されているように、プリズム２５Ａ、２５Ｂと、撮像光学系７と、撮像素子８を主要な部材として構成されている。プリズム２５Ａ、２５Ｂにかわってハーフミラーで構成されることもある。前記撮像素子８は後述するように相手装置側の背景を人間の視覚と一致させて撮像する必要があり、従ってビデオカメラ等で一般的に用いられているシリコンのＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）を採用している。
【００１４】
前記コリメートスコープ１６０の働きは、自装置からの出射光Ｌ１  と相手装置から来る入射光Ｌ２  および相手装置側の背景像を同時に撮像し、自装置からの出射光Ｌ１  が相手側のどの位置に到達しているかを自装置側で検出するものであって、この情報に基づいて光軸の調整と保持を行うものである。
【００１５】
更に、前記コリメートスコープ１６０の作用を図９を加えて説明する。
まず、相手装置側から来る光はプリズム２５Ｂを通し撮像光学系７によって撮像素子８上に集光する。この様子が図９（ａ）に示されていて、相手側即ち受信側装置３０とその背景が撮影されている。
【００１６】
つぎに、自装置からの出射光Ｌ１  はレンズ１Ｄで略平行光になり、その一部がプリズム２５Ａで反射され撮像光学系７を通って撮像素子８上に集光する。この様子が図９（ｂ）に示されていて、出射方向に明るい点３１として撮影される。
【００１７】
実際にモニター（図示せず）上に表示される画像は図９（ｃ）に示される同図（ａ）と（ｂ）を合成したものであり、これによって、相手装置の位置と自装置からの出射光Ｌ１  が到達している相手側の場所を一目で認知することができるものである。従って矢印Ｙで示す方向に明るい点３１を自装置の調整により移動して受信側装置３０と一致させることにより光軸を一致することができ、即ち回線の接続ができるものである。光軸を一致させる動作は上述した画像データにより自動的に行うことが可能である。
【００１８】
しかしながら、前述したように波長が１４００ｎｍ〜１６００ｎｍの半導体レーザを用いた場合、前記コリメートスコープ１６０ではその撮像素子８の特性から可視光である背景と赤外光である出射光Ｌ１  および入射光Ｌ２  を同時に撮像することができず、このままではこれら光の位置情報を得ることができないという問題があった。
【００１９】
また、視覚的問題を解決するために赤外光と可視光を合成し、２つの光軸を一致させることは従来より広く行われてきた。例えば加工用のＹＡＧレーザ光にガイド用のＨｅＮｅ光を同軸で重ね合わせることは周知である。しかしながら従来の技術では、重ね合わせの精度を光空間伝送で要求されるレベルまで向上させることは極めて困難である。例えば特開昭６３−２５４４０５号明細書に記述されているように２つのレーザ光源をそれぞれ異なる周波数の変調手段を通して変調し、重ね合わせの程度を分割光検出器で調べ、制御する等が行われているが、規模が大きくなり光空間伝送装置で採用することは難しい。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、光学系の小型化と共に自動追尾制御の性能を向上させる為、主信号伝送用光源に赤外の半導体レーザを用いることにより、視覚あるいは視覚と略同一の感度を有する撮像素子によるレーザ光の認識ができなくなり、装置間の光軸調整が困難となる問題があった。
従って、本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、その目的は主信号伝送用光源に赤外光を用いる光空間伝送装置の装置間の光軸調整を容易にできるようにしようとするものである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明はこれら光空間伝送装置の問題点を解決するために案出されたものであって、その解決手段として次に述べる方法を採るものである。
【００２２】
送信する情報で変調した赤外光の半導体レーザの光に、光カプラーを介してコリメートスコープの撮像素子が感度を有する他の波長で発振する半導体レーザのレーザ光を合成し、この合成された光を相手装置に向けて出射し、更に相手装置は送られてくる合成された光のうち前記撮像素子が感度を有する光を検出して光軸調整を行う。
【００２３】
赤外光を受けて前記撮像素子が感度を有する他の波長に変換する波長変換素子をコリメートスコープの光路中に設け、この変換された光を検出して光軸調整を行うようにして上記課題を解決する。
【００２４】
【作用】
本発明の光空間伝送装置によれば、視覚あるいはシリコンの撮像素子による送信用の赤外レーザ光の認識ができなくなる問題を簡単な方法で解決することができるので、装置間の光軸調整を本件の発明者等が既に開発しているコリメートスコープの技術を用いて装置間の光軸調整を自動的に行うことができる。
【００２５】
更に、上述したように最大許容露光量の大きい赤外レーザ光を用いることができるので、装置の小型化とともに自動追尾制御の性能が向上する。
【００２６】
【実施例】
本発明による光空間伝送装置について図１ないし図４を参照して説明する。
本発明の要旨は光源として単位面積当たりのパワー密度が比較的大きく許容されている波長、例えば波長１４００ｎｍ〜１６００ｎｍの半導体レーザを用い、更にコリメートスコープの技術による装置間の光軸調整をも簡単にできるようにする技術についてであり、従って、光空間伝送装置の基本的構成およびその伝送システムについては従来例と同一であり、その同一構成部位には同一の符号を付して構成および機能の説明は省略する。
【００２７】
また、前述したように本発明による光空間伝送装置のコリメートスコープに採用する撮像素子は相手装置側の背景を、人間の視覚に一致して撮像する必要があり、この視覚感度に略同一の感度を有するシリコンの撮像素子（例えばＣＣＤ）を用いる。従って、主信号伝送用の波長１４００ｎｍ〜１６００ｎｍのレーザ光を認識するために、このレーザ光と同軸であり前記撮像素子が感度を有する波長の光を得ることが必要とされるものである。
【００２８】
関連事項の説明
図１において、主信号伝送用の波長１４００ｎｍ〜１６００ｎｍで発振する半導体レーザ３Ａを第一の光源とすると共に、可視光またはシリコンによる撮像素子（例えばＣＣＤ）が感度を有する波長で発振する半導体レーザ３Ｂを第二の公然として、それぞれのレーザ光を光ファイバー９Ａ、９Ｂに入れ、その出力端を光カプラー５に接続する。この時、前記光カプラー５内で２つのレーザ光は合成されるが、主信号伝送用のレーザ光のパワーを無駄にしないために、光ファイバー９Ａを主ポートに、光ファイバー９Ｂを幅ポートに接続してその間の結合を少なくすること、即ち接合損失を大きくすること（例えば３ｄＢ以上）が望ましい。
【００２９】
光カプラー５内で合成された２つのレーザ光は再び光ファイバー９Ｃに入射し、図１に示すようにレンズ１Ａの焦点まで光ファイバー９Ｃにより導かれ、光学系を径てレンズ１Ｄより相手側装置に向かって出射光Ｌ１  として放射される。
【００３０】
従来例で説明したようにレンズ１Ｄからの出射光Ｌ１  と相手装置側からの入射光Ｌ２  を取り込むコリメートスコープ１６０が設けられていて、出射光Ｌ１  の一部は合成プリズム６Ａを形成するプリズム２５Ａで反射され、撮像光学系７により撮像素子８上に集光される。この時、撮像素子８の感度特性により出射光Ｌ１  に合成されている半導体レーザ３Ｂのレーザ光を検出し、従って、一方の合成光である主信号伝送用の半導体レーザ３Ａの出射方向を認識することができる。この様子は図９（ｂ）に示すものと同一である。
【００３１】
つぎに、相手側装置を含む背景からの光はプリズム２５Ｂを通って、やはり撮像光学系７により撮像素子８上に集光される。この様子は図９（ａ）に示すものと同一である。
【００３２】
実際にモニター（図示せず）に表示される画像は図９（ｃ）に示すものであり、これから相手側装置と出射光Ｌ１  の到達している相対的位置関係を認識することができる。従って、この位置関係の情報から光空間伝送装置の装置間光軸を簡単に調整することができるものである。
【００３３】
更に、合成する第二のレーザ光を利用し、第一のレーザ光による主信号とは独立して、例えば装置の制御、または装置間の連絡用の信号を乗せることができる。従って、主信号の品位を高めることができると共に、主信号の回線数を多く確保することができるものである。
【００３４】
実施例１
次に本発明の第一の実施例を、図２（ａ）および図３（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。
本実施例は主信号伝送用の波長１４００ｎｍ〜１６００ｎｍで発振する半導体レーザ３Ａのレーザ光エネルギーを利用し、可視、またはシリコンの撮像素子が感度を有する波長に変換して、出射光Ｌ１の出射方向を認識しようとするものである。
【００３５】
図２（ａ）の符号１００は反射型光波長変換素子を示し、長波長光吸収材２１にフォトルミネッセンス粒子２０が含まれて形成されていて、その表面１８は光が散乱しないように平滑化されている。またその裏面１９には基板として光反射部材２２が密着されていて、光をこの面において反射するものである。
【００３６】
フォトルミネッセンス粒子２０は短波長の光エネルギーにより励起された電子が赤外光の照射によりホールと結合する際に可視光を放射するものである。従って、これにより主信号伝送用の波長１４００ｎｍ〜１６００ｎｍのレーザ光エネルギーを利用して、可視、またはシリコンの撮像素子が感度を有する波長光を得るものである。
【００３７】
つぎに、反射型光波長変換素子１００を用いた出射光Ｌ１  の出射方向の認識する装置を図３を参照して説明する。図３（ａ）は本実施例の光学構成を示すものであって、光源が半導体レーザ３Ａだけであり、また合成プリズムの構成が図３（ｂ）に示すものにかわった他は、実施例１において説明した図１と同一である。尚、合成プリズム６Ｂはプリズム２５Ａとプリズム２５Ｂおよびプリズム２５Ａと２５Ｂの間に挟まれた反射型光波長変換素子１００で構成されている。
【００３８】
半導体レーザ３Ａのレーザ光は光学系を通ってレンズ１Ｄより相手装置側に向かって出射される。このとき出射光Ｌ１  の一部はプリズム２５Ａからコリメートスコープ１６０に取り込まれ、反射して撮像素子８上に撮像光学系７により集光される。この時、合成プリズム６Ｂの反射型光波長変換素子１００において半導体レーザ３Ａのレーザ光エネルギーにより可視、またはシリコンの撮像素子が感度を有する波長光を発し、撮像素子８で撮像される。この様子は図９（ｂ）に示すものと同一である。
【００３９】
つぎに、相手側装置を含む背景光はプリズム２５Ｂを通って、やはり撮像光学系７により撮像素子８上に集光される。この様子は図９（ａ）に示すものと同一である。
【００４０】
実際にモニター（図示せず）に表示される画像は図９（ｃ）に示すものであり、これから相手側装置と出射光Ｌ１  の到達している相対的位置関係を認識することができる。従って、この位置関係の情報から光空間伝送装置の装置間光軸を簡単に調整することができるものである。
【００４１】
実施例２
本発明の第二の実施例について図２（ｂ）および図４を参照して説明する。
本実施例はフォトルミネッセンス粒子による透過型光波長変換素子１０１（詳しくは後述する）を用いるものであり、光空間伝送装置の光学的構成は図３（ａ）に示す第一の実施例と略同一であり、合成プリズムには反射型光波長変換素子１００を用いるかわりに撮像素子８の直前に透過型光波長変換素子１０１を設けることにおいて異なるものである。
【００４２】
即ち本実施例においても主信号伝送用の波長１４００ｎｍ〜１６００ｎｍで発振する半導体レーザ３Ａのレーザ光エネルギーを利用し、可視、またはシリコンの撮像素子が感度を有する波長に変換して、出射光Ｌ１  の出射方向を認識しようとするものである。
【００４３】
まず、図２（ｂ）に示す透過型光波長変換素子１０１は、長波長吸収材２１にフォトルミネッセンス粒子２０が含まれて形成し、その表面１８は光が散乱しないように平滑化されている。またその裏面１９には基板として可視光から波長１６００ｎｍまでの光透過部材２３が設けられている。従って、前記フォトルミネッセンス粒子２０によって波長１４００ｎｍ〜１６００ｎｍのレーザ光エネルギーを利用して、可視またはシリコンの撮像素子が感度を有する波長を得ると共に、光を透過するものである。
【００４４】
つぎに、透過型光波長変換素子１０１を用いた出射光Ｌ１  の出射方向の認識する装置を図４を参照して説明する。図４は本実施例の要部であるコリメートスコープ１６０における撮像光学系７と撮像素子８および透過型光波長変換素子１０１の構成を示す。
【００４５】
本実施例の出射光Ｌ１  の出射方向の認識方法について図３（ａ）を加えて説明すると、半導体レーザ３Ａのレーザ光は光学系を通ってレンズ１Ｄより相手装置側に向かって出射される。このとき出射光Ｌ１  の一部はプリズム２５Ａからコリメートスコープに取り込まれ、反射して撮像素子８上に撮像光学系７により集光される。この時、撮像素子８の直前の装着部材９に設定された透過型光波長変換素子１０１により、半導体レーザ３Ａのレーザ光エネルギーにより可視、またはシリコンの撮像素子が感度を有する波長光を発し、撮像素子８で撮像される。この様子は図９（ｂ）に示すものと同一である。
【００４６】
つぎに、相手側装置を含む背景光はプリズム２５Ｂを通って、やはり撮像光学系７により撮像素子８上に集光される。この様子は図９（ａ）に示すものと同一である。
【００４７】
実際にモニター（図示せず）に表示される画像は図９（ｃ）に示すものであり、これから相手側装置と出射光Ｌ１  の到達している相対的位置関係を認識することができる。従って、この位置関係の情報から光空間伝送装置の装置間光軸を簡単に調整することができるものである。
【００４８】
以上、第一の実施例及び第二の実施例においては、一つの装置で送信と受信ができる送受一体構成の光空間伝送装置に本発明を適用した例について述べてきたが、送信と受信がそれぞれ分離した形態の装置に適用しても良いことは論を待たない。
【００４９】
尚、フォトルミネッセンス材料は粉末状であるが、透過型光波長変換素子１０１の表面１８を平滑に形成すると共に、撮像素子８の極めて前面近傍に配設することでフォトルミネッセンス材料による光散乱を使用上問題のない程度に低減することができる。
【００５０】
【発明の効果】
光源として波長が１４００ｎｍ〜１６００ｎｍのレーザ光を用いても、視覚的に、またはシリコンの撮像素子によって認識することのできる光源を容易に得ることができると共に、これによって装置間の光軸合わせも容易に行うことができる。
【００５１】
光空間伝送装置において極めて重要である相手側装置をサーチし自動追尾するサーボ機構を設けるにあたって、最大許容露光量の大きな波長が１４００ｎｍ〜１６００ｎｍのレーザ光を用いるので出射用レンズを小さくすることができ、従って、光学系全体の質量を小さくすることができるので、サーボ特性の向上を図ることができる。
【００５２】
また、前記波長が１４００ｎｍ〜１６００ｎｍのレーザ光を用いるので、眼に対する環境衛生上の効果がある。
【００５３】
更に、合成する第二のレーザ光にも主信号とは独立して、例えば装置の制御、または装置間の連絡用の信号を乗せることができるので、主信号の品位を高めることができると共に、主信号の回線数を多く確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】関連事項を説明するための図である。
【図２】本発明に用いる光波長変換素子の概略断面図であって、（ａ）は反射型光波長変換素子を示し、（ｂ）は透過型光波長変換素子を示す。
【図３】本発明による第一の実施例を説明するための図であり、（ａ）はその光学構成を示し、（ｂ）は本例に用いる合成光学系を示す。
【図４】本発明による第二の実施例を説明するための図である。
【図５】光空間伝送装置の伝送状態を説明するための図である。
【図６】従来の光空間伝送装置の基本構成を示すブロック図である。
【図７】眼の角膜から入った光の眼底までの透過率と眼底での吸収率を示す図である。
【図８】コリメートスコープについて説明するための概略図である。
【図９】コリメートスコープによる光空間伝送装置の光軸調整について説明するための図であって、（ａ）は受信側装置を捕られている画像であり、（ｂ）は送信側装置からの出射光が受信側装置への出射方向を示し、（ｃ）は、（ａ）と（ｂ）を合成した実際のコリメートスコープによる撮像画像である。
【符号の説明】
１Ａ〜１Ｄ  レンズ
２  偏光ビームスプリッタ
３Ａ〜３Ｃ  半導体レーザ
４  光検出素子
５  光カプラー
６Ａ、６Ｂ  合成プリズム
７  撮像光学系
８  撮像素子
９Ａ〜９Ｃ  光ファイバー
１０  送信信号処理回路
１１  ドライバ
１３  プリアンプ
１４  ＡＧＣ
１５  受信信号処理回路
２０  フォトルミネッセンス粒子
２１  長波長光吸収材
２２  光反射部材
２３  光透過部材
２５Ａ、２５Ｂ  プリズム
５０Ａ、５０Ｂ  光空間伝送装置
【図１】
0003604019.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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