(57)【要約】【課題】送信系統において発光素子から送信側レンズまでの距離（光路長）を長くすることにより、優れたＳＮＲを達成しつつ小型化を図ることができる光通信装置を提供する。【解決手段】光通信装置（１）は、発光素子（１２）と、発光素子（１２）からの光を反射する反射部材（２０）と、反射部材（２０）からの光を相手方の光通信装置に導く送信側レンズ（３０）と、受光素子（４２）と、相手方の光通信装置からの光を受光素子（４２）に導く受信側レンズ（５０）とを有している。発光素子（１２）から反射部材（２０）に至る反射前光路（ＬＴ１）は、受信側レンズ（５０）から受光素子（４２）に至る光路（ＬＲ）に対して交差している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と、
前記発光素子からの光を反射する反射部材と、
前記反射部材からの光を相手方の光通信装置に導く送信側レンズと、
受光素子と、
前記相手方の光通信装置からの光を前記受光素子に導く受信側レンズと、
を有し、
前記発光素子から前記反射部材に至る反射前光路は、前記受信側レンズから前記受光素子に至る光路に対して交差している、
ことを特徴とする光通信装置。
【請求項２】
前記反射部材は、前記発光素子からの光を略直角に反射して前記送信側レンズに導き、
前記発光素子から前記反射部材に至る反射前光路は、前記受信側レンズから前記受光素子に至る光路に対して略直交しており、
前記反射部材から前記送信側レンズに至る反射後光路は、前記受信側レンズから前記受光素子に至る光路に対して略平行であることを特徴とする請求項１に記載の光通信装置。
【請求項３】
前記受光素子を囲むように配置されて前記受信側レンズからの光を一次反射する一次反射部材と、
前記受光素子に対向配置されて前記一次反射部材からの一次反射光を前記受光素子に向けて二次反射する二次反射部材と、をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光通信装置。
【請求項４】
前記発光素子と該発光素子を制御する発光制御部を送信側基板上に搭載してパッケージ化した送信側基板モジュールと、
前記受光素子と該受光素子を制御する受光制御部を受信側基板上に搭載してパッケージ化した受信側基板モジュールと、
前記送信側基板モジュールと前記受信側基板モジュールの一端部どうしを略Ｌ字型となるように接続する接続部と、をさらに有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の光通信装置。
【請求項５】
前記送信側基板モジュールの前記送信側基板上または前記受信側基板モジュールの前記受信側基板上には、前記発光制御部からの発光制御信号と前記受光制御部からの受光制御信号を制御する信号処理部が搭載されてパッケージ化されていることを特徴とする請求項４に記載の光通信装置。
【請求項６】
前記反射部材は、ミラー又はプリズムから構成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の光通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
出願人は、赤外線、可視光、紫外線等の光を使用した光通信システムの研究開発を進めている。この光通信システムでは、各光通信装置が相手方の光通信装置と光通信を行うための送信系統と受信系統を別個独立に有することで、光通信装置間の双方向通信が可能となっている。また、光通信システムでは電波を使わないので、免許、申請、従事者資格等が不要であるという利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１２４６８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光通信システムの光学的な性能（例えば通信速度や通信距離）は、信号対雑音比（ＳＮＲ：Signal-to-Noise  Ratio）により表すことができる。光通信システムにおけるＳＮＲは、主に、次の３つの項目によって変化する。
・送信系統の送信側レンズ及び受信系統の受信側レンズのサイズ
・送信系統及び受信系統の焦点距離（前者は発光素子から送信側レンズまでの距離（光路長）、後者は受信側レンズから受光素子までの距離（光路長））
・送信系統の発光素子のサイズ
【０００５】
送信系統においては、発光素子が理想点（面積ゼロの点）であれば、送信側レンズのサイズや焦点距離にかかわらず、優れたＳＮＲを実現可能である。しかし、発光素子のサイズがゼロになることはあり得ないので、送信系統の焦点距離をなるべく長く確保することが優れたＳＮＲを実現するために重要である。
【０００６】
受信系統においては、焦点距離が短いほど、ノイズの悪影響を受けてＳＮＲが低下する。また、受信エネルギーは受信側レンズの面積に比例し、受信側レンズの明るさは受信系統の焦点距離の二乗に反比例する。つまり、受信系統（光通信システム）にとっては、明るさはノイズと等価なものである。
【０００７】
一方、光通信システムにおいては、光通信装置の小型化が要求されている。光通信装置を小型化するための手法として、送信系統の送信側レンズ及び受信系統の受信側レンズのサイズを小さくすることが考えられる。しかし、送信系統の送信側レンズ及び受信系統の受信側レンズのサイズはＳＮＲに比例するので、送信系統の送信側レンズ及び受信系統の受信側レンズのサイズをむやみに小さくすると、ＳＮＲの低下に繋がってしまう。また、送信系統の送信側レンズ及び受信系統の受信側レンズのサイズを変えることなく焦点距離を短くすることが考えられるが、この場合も、送受信を合わせた通信区間でＳＮＲが著しく低下する。
【０００８】
さらに、本発明者は、鋭意研究の結果、光通信システムの送信系統と受信系統では、その性質に違いがあることを見出した。すなわち、受信系統では、受信側レンズの直径に比べて光の伝送距離が十分に長いため、理想的な平行光が入射する（テレセントリック性が確保される）と考えられる。この場合、受信側レンズに入る光は、当該受信側レンズ上では全面で均等な強さとなる。これに対し、送信系統では、発光素子のサイズに起因して、送信側レンズから光が広がって（発散して）しまい、理想環境とはならない。一般的な発光素子の場合、送信側レンズに入る光は、中央部が強く周辺部が弱い（発光素子からの光に指向性がある）。本発明者は、このような発光素子の特性（指向性）を送信側レンズで吸収するのは技術的に難しくコストがかかるため、送信系統の焦点距離（発光素子から送信側レンズまでの距離（光路長））を稼ぐ（長くする）ことが、優れたＳＮＲを達成しつつ小型化を図るために効果的であるとの着想に至った。
【０００９】
本発明は、送信系統において発光素子から送信側レンズまでの距離（光路長）を長くすることにより、優れたＳＮＲを達成しつつ小型化を図ることができる光通信装置を提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本実施形態の光通信装置は、発光素子と、前記発光素子からの光を反射する反射部材と、前記反射部材からの光を相手方の光通信装置に導く送信側レンズと、受光素子と、前記相手方の光通信装置からの光を前記受光素子に導く受信側レンズと、を有し、前記発光素子から前記反射部材に至る反射前光路は、前記受信側レンズから前記受光素子に至る光路に対して交差している、ことを特徴としている。
【００１１】
前記反射部材は、前記発光素子からの光を略直角に反射して前記送信側レンズに導き、前記発光素子から前記反射部材に至る反射前光路は、前記受信側レンズから前記受光素子に至る光路に対して略直交しており、前記反射部材から前記送信側レンズに至る反射後光路は、前記受信側レンズから前記受光素子に至る光路に対して略平行であることができる。
【００１２】
本実施形態の光通信装置は、前記受光素子を囲むように配置されて前記受信側レンズからの光を一次反射する一次反射部材と、前記受光素子に対向配置されて前記一次反射部材からの一次反射光を前記受光素子に向けて二次反射する二次反射部材と、をさらに有することができる。
【００１３】
本実施形態の光通信装置は、前記発光素子と該発光素子を制御する発光制御部を送信側基板上に搭載してパッケージ化した送信側基板モジュールと、前記受光素子と該受光素子を制御する受光制御部を受信側基板上に搭載してパッケージ化した受信側基板モジュールと、前記送信側基板モジュールと前記受信側基板モジュールの一端部どうしを略Ｌ字型となるように接続する接続部と、をさらに有することができる。
【００１４】
前記送信側基板モジュールの前記送信側基板上または前記受信側基板モジュールの前記受信側基板上には、前記発光制御部からの発光制御信号と前記受光制御部からの受光制御信号を制御する信号処理部が搭載されてパッケージ化されていることができる。
【００１５】
前記反射部材は、ミラー又はプリズムから構成されていることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、送信系統において発光素子から送信側レンズまでの距離（光路長）を長くすることにより、優れたＳＮＲを達成しつつ小型化を図ることができる光通信装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態による光通信装置の概略構成図である。
【図２】送信側基板モジュールと受信側基板モジュールの概略構成図である。
【図３】送信側基板モジュールと受信側基板モジュールの機能ブロック図である。
【図４】本実施形態による光通信装置（光通信システム）を電車の走行管理システムに適用した場合を示す概略構成図である。
【図５】光通信装置どうしを接続した光通信システムの一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
≪光通信装置１の構成≫
図１〜図３を参照して、本実施形態による光通信装置１について説明する。
【００１９】
本実施形態による光通信装置１は、相手方の光通信装置と光通信を行うための送信系統と受信系統を別個独立に有している。例えば、光通信装置１と相手方の光通信装置を対向させて、光通信装置１の送信系統からの光を相手方の光通信装置の受信系統で受信し、且つ、相手方の光通信装置の送信系統からの光を光通信装置１の受信系統で受信することにより、光通信装置１と相手方の光通信装置の間での双方向通信が可能となる（光通信システムが構築される）。なお、相手方の光通信装置の構成には自由度があり、光通信装置１と同一の構成を有していてもよいし、光通信装置１と異なる構成を有していてもよい。
【００２０】
光通信装置１による光通信で用いる光は、例えば、赤外線、可視光、紫外線等とすることができる。本実施形態では、１００Ｍｂｐｓ〜５００Ｍｂｐｓの通信速度を持つＬＥＤ通信（可視光通信）を例示して説明する。
【００２１】
光通信装置１は、送信系統として、送信側基板モジュール１０と、ミラー（反射部材）２０と、送信側レンズ３０とを有している。
【００２２】
図２、図３に示すように、送信側基板モジュール１０は、送信部１０Ｔとして、送信側基板１１と、発光素子（ＬＥＤ）１２と、発光素子１２を制御する発光制御部１３とを有している。送信側基板モジュール１０は、送信側基板１１上に発光素子１２と発光制御部１３を搭載してパッケージ化されている。
【００２３】
図１に示すように、ミラー２０は、発光素子１２からの光を略直角に反射して送信側レンズ３０に導く。図１の例では、発光素子１２が左方に発した光がミラー２０で上方に反射される。以下では、発光素子１２からミラー２０に至る光路を「反射前光路ＬＴ１」と呼び、ミラー２０から送信側レンズ３０に至る光路を「反射後光路ＬＴ２」と呼ぶことがある。なお、反射部材としてのミラー２０に代えてプリズムを設けることも可能である。
【００２４】
図１に示すように、送信側レンズ３０は、ミラー２０からの光を相手方の光通信装置に導く。図１では、送信側レンズ３０が平行平面板であるかのように描いているが、これは作図の便宜上の理由によるものであり、実際の送信側レンズ３０は、ミラー２０からの光を相手方の光通信装置に導くための所定のパワーを発揮させる凹凸面を有している。
【００２５】
光通信装置１は、受信系統として、受信側基板モジュール４０と、受信側レンズ５０と、一次反射ミラー（一次反射部材）６０と、二次反射ミラー（二次反射部材）７０とを有している。
【００２６】
図２、図３に示すように、受信側基板モジュール４０は、受信部４０Ｒとして、受信側基板４１と、受光素子（フォトダイオード）４２と、受光素子４２を制御する受光制御部４３とを有している。また、受信側基板モジュール４０は、送信側基板モジュール１０の発光制御部１３からの発光制御信号と受光制御部４３からの受光制御信号を制御する信号処理部４４を有している。受信側基板モジュール４０は、受信側基板４１上に受光素子４２と受光制御部４３と信号処理部４４を搭載してパッケージ化されている。なお、信号処理部４４は、送信側基板モジュール１０の送信側基板１１上に搭載してパッケージ化されていてもよい。
【００２７】
図２に示すように、送信側基板モジュール１０と受信側基板モジュール４０は、両部材の一端部どうしを接続部８０で接続することによって、略Ｌ字型となるように構成されている。これにより、送信側基板モジュール１０と受信側基板モジュール４０に囲まれた略Ｌ字型の空間内で、発光素子１２から出射した光と受光素子に入射する光が略直交するように交差する。
【００２８】
図１に示すように、受信側レンズ５０は、相手方の通信装置からの光を受光素子４２に導く。より具体的に、受信側レンズ５０に入射した光は、その一部分が直接的に受光素子４２に導かれ、その他部分が受光素子４２の周辺部に導かれる。図１では、受信側レンズ５０が平行平面板であるかのように描いているが、これは作図の便宜上の理由によるものであり、実際の受信側レンズ５０は、相手方の通信装置からの光を受光素子４２に導くための所定のパワーを発揮させる凹凸面を有している。
【００２９】
一次反射ミラー６０は、受信側基板モジュール４０上に受光素子４２を囲むように配置されている。一次反射ミラー６０は、受信側レンズ５０から受光素子４２の周辺部に導かれた光を一次反射する。
【００３０】
二次反射ミラー７０は、受信側レンズ５０の裏側（出射面側）に受光素子４２と対向するように配置されている。二次反射ミラー７０は、一次反射ミラー６０からの一次反射光を受光素子４２に向けて二次反射する。
【００３１】
このように、相手方の通信装置から受信側レンズ５０に入射した光は、その一部分が直接的に受光素子４２に導かれ、その他部分が一次反射ミラー６０と二次反射ミラー７０を経由して受光素子４２に導かれる。図１では光の反射の様子を誇張して描いているが、受信側レンズ５０から受光素子４２に至る光路は、概ね上下方向（鉛直方向）とみなすことができる。以下では、この概ね上下方向（鉛直方向）である受信側レンズ５０から受光素子４２に至る光路に「光路ＬＲ」の符号を付すことがある。
【００３２】
図１に示すように、発光素子１２からミラー２０に至る反射前光路ＬＴ１は、受信側レンズ５０から受光素子４２に至る光路ＬＲに対して交差している。より具体的に、発光素子１２からミラー２０に至る反射前光路ＬＴ１は、受信側レンズ５０から受光素子４２に至る光路ＬＲに対して略直交している。一方、ミラー２０から送信側レンズ３０に至る反射後光路ＬＴ２は、受信側レンズ５０から受光素子４２に至る光路ＬＲに対して略平行である。
【００３３】
≪光通信装置１の作用効果≫
通信装置１の受信系統では、相手方の通信装置から受信側レンズ５０に入射した光の大部分が、一次反射ミラー６０と二次反射ミラー７０の２回反射を経由して、受光素子４２に導かれる。これにより、通信装置１の受信系統において、受信側レンズ５０から受光素子４２までの距離（光路長）を長くして、優れたＳＮＲを達成しつつ小型化を図ることができる。ＳＮＲに関しては、レンズ側のミラー分の遮蔽とレンズ反射の減衰の影響を差し引いても、一次反射ミラー６０と二次反射ミラー７０を省略した場合よりも優れたＳＮＲを達成することができる（短距離、大容量、瞬間転送システムが実現可能となる）。小型化に関しては、受信系統のサイズ（厚み）を焦点距離の約１／３に抑制できるので、通信装置１についてもこれと同等の小型化が可能となる。
【００３４】
通信装置１の送信系統では、発光素子１２と送信側レンズ３０の間にミラー２０を設けたことによって、発光素子１２が発した光が、発光素子１２からミラー２０に至る反射前光路ＬＴ１と、ミラー２０から送信側レンズ３０に至る反射後光路ＬＴ２とを経由して、送信側レンズ３０から出射される。つまり、通信装置１の受信系統で反射式レンズ方式を採用しているので、当該受信系統における光の反射方向と交差（略直交）する方向を利用して、発光素子１２から送信側レンズ３０までの距離（光路長）を稼ぐことで、優れたＳＮＲを達成している（短距離、大容量、瞬間転送システムが実現可能となる）。また、通信装置１では、発光素子１２からミラー２０に至る反射前光路ＬＴ１と、受信側レンズ５０から受光素子４２に至る光路ＬＲとが、送信側基板モジュール１０と受信側基板モジュール４０に囲まれた略Ｌ字型の空間内でスペースを共有しているので、通信装置１の小型化を図ることができる。
【００３５】
≪光通信装置１（光通信システム）の適用例≫
図４は、光通信装置１（光通信システム）を電車の走行管理システムに適用した場合を示す概略構成図である。
【００３６】
図４では、電車の先頭車両の屋根に光通信装置１Ａ（LED  Backhaul）を搭載している。光通信装置１Ａには、電車の車両内に設置されたセキュリティカメラやデジタルサイネージ等に関する各種情報が集約される。一方、電車の運行路の所定位置（例えば駅の停止位置に一致させた所定位置）にも光通信装置１Ｂ（LED  Backhaul）と光通信装置１Ｃ（LED  Backhaul）が設けられている。電車が駅に停止したときに光通信装置１Ａと光通信装置１Ｂが光通信を行うことで、車両の駅間情報（例えば４分〜７分）、上述したセキュリティカメラやデジタルサイネージ等に関する各種情報を送受信することが可能である。光通信装置１Ｃは、光通信装置１Ｂとの光通信で情報を取得して、取得した情報を駅構内（改札売場内等）にあるサーバ、ルータ、光回線終端装置（ＯＮＵ：Optical  Network  Unit）に転送する。この情報は、ファイバー・トゥ・ザ・ホーム（ＦＴＴＨ：Fiber to the Home）等の手段によりコントロールセンターに送信される。
【００３７】
図５は、光通信装置１Ｄ（LED  Backhaul）と光通信装置１Ｅ（LED  Backhaul）を接続した光通信システムの一例を示すブロック図である。光通信装置１Ｄと光通信装置１Ｅは、所定のＬＥＤ通信区間における光通信が可能である。光通信装置１Ｄと光通信装置１Ｅの間のＬＥＤ通信区間は、カスケードによる延長が可能である。光通信装置１Ｄには、Ｈｕｂ１Ｄ−１を介して、ＩＰカメラ１Ｄ−２と、デジタルサイネージ装置１Ｄ−３が接続されている。光通信装置１Ｅには、サーバ、ルータ、光回線終端装置（ＯＮＵ：Optical  Network  Unit）等の装置１Ｅ−１が接続されており、装置１Ｅ−１は、ファイバー・トゥ・ザ・ホーム（ＦＴＴＨ：Fiber to the Home）等の手段によりコントロールセンターに接続されている。
【００３８】
図４、図５で例示したもの以外にも、本実施形態による光通信装置１（光通信システム）は、家庭用・業務用のエレベータ運行管理システム、街中の防犯カメラのバックホール回線、光ファイバが引き難いイベントや展示会等の一時的な回線として利用することができる。
【００３９】
≪変形例≫
以上の実施形態では、送信系統の発光素子と送信側レンズの間にミラー（反射部材）を設けることにより、送信系統において発光素子から送信側レンズまでの距離（光路長）を長くする場合を例示して説明した。これに対し、受信系統の受信側レンズと受光素子の間にミラー（反射部材）を設けることにより、受信系統において受信側レンズから受光素子までの距離（光路長）を長くする態様も可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１  光通信装置
１Ａ  １Ｂ  １Ｃ  １Ｄ  １Ｅ  光通信装置（LED  Backhaul）
１０  送信側基板モジュール
１０Ｔ  送信部
１１  送信側基板
１２  発光素子（ＬＥＤ）
１３  発光制御部
２０  ミラー（反射部材）
３０  送信側レンズ
４０  受信側基板モジュール
４０Ｒ  受信部
４１  受信側基板
４２  受光素子（フォトダイオード）
４３  受光制御部
４４  信号処理部
５０  受信側レンズ
６０  一次反射ミラー（一次反射部材）
７０  二次反射ミラー（二次反射部材）
８０  接続部
ＬＴ１  反射前光路
ＬＴ２  反射後光路
ＬＲ  光路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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