(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号発生部と投光光学系とを含む投光手段から光ビームを発し、受光光学系と信号検出部とを含む受光手段で受光して光通信を行う光空間伝送装置において、前記信号検出部を構成する受光素子を、前記投光光学系と前記受光光学系が光通信を行える範囲内で最も離れて位置するときの前記受光光学系の焦点位置から前記受光光学系に近づく方向にデフォーカスした位置に配置すると共に、前記受光光学系により収斂した光ビームのスポット径が前記受光素子の有効受光部の径の２０％以上で前記有効受光部の径よりも小さくなる位置に配置したことを特徴とする光空間伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、信号発生部と投光光学系から成る投光手段から光ビームを発し、受光光学系と信号検出部から成る受光手段で受光して光通信を行う光空間伝送装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の光空間伝送装置は、図６に示すように投光手段の投光光学系１と受光手段の受光光学系２とから成り、受光手段は受光素子３を備えている。このような光空間伝送装置が、投光光学系１の光軸と受光光学系２の光軸とのずれ量を検出するずれ量検出手段と、この検出手段により検出したずれ量に基づいて光軸のずれを補正する光軸補正手段とを備えていない場合には、大気の揺らぎ等によるビームの曲がりなどを補正できないため、受光光学系２の指向性をより広げておくことが望ましい。
【０００３】
図７は受光光学系２の模式図であり、実線で示す光ビームＬａは受光素子３の有効受光部３’の光軸上に入射し、１点鎖線で示す光ビームＬｂは有効受光部３’のほぼ端部に入射し、２点鎖線で示す光ビームＬｃは有効受光部３’の端部から外れて入射する様子を表している。また、これらの光ビームＬａ〜Ｌｃはほぼ焦点を合わせた状態となっている。
【０００４】
図８は光ビームＬａ〜Ｌｃと有効受光部３’との位置関係の模式図であり、図８(a)では光ビームＬａのスポットの全体が有効受光部３’内に収まっており、有効受光部３’は取り込んだ光ビームＬａの全部を検出できる状態になっている。図８(b)では光ビームＬｂのスポットのほぼ半分が有効受光部３’から外れ、有効受光部３’は取り込んだ光ビームＬｂのほぼ半分を検出できる状態になっている。そして、図８(c)では光ビームＬｃのスポットの全体が有効受光部３’から外れ、有効受光部３’は光ビームＬｃを検出できない状態になっている。
【０００５】
図９は光ビームＬａ〜Ｌｃと有効受光部３’との位置関係のグラフ図であり、図８をグラフ化している。横軸は光ビームＬａ〜Ｌｃのスポットの中心と受光光学系２の光軸との距離つまり像高ｈと有効受光部３’の半径との比率とし、図８(b)に対応する位置を１００％としている。縦軸は光ビームＬａ〜Ｌｃが有効受光部３’に重なっている部分の比率つまり出力比とし、図８(a)に対応する点Ａの位置を１００％とし、図８(c)に対応する点Ｃの位置を０％としている。図８(b)に対応する点Ｂの前後の位置においてその出力は１００〜０％に変化している。この図９は、受光光学系２の焦点を受光素子３にほぼ合わせた状態では、有効受光部３’の端部まではほぼ１００％の出力が得られるが、有効受光部３’の端部から僅かに外れた場合には出力が得られないことを示している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来例では、図６に示すように受光光学系２の指向性をその光軸に垂直で投光光学系１の開口を含む面において受光領域Ｒａで表すことができるが、受光領域Ｒａ内に投光光学系１の開口が存在しない場合には通信が不可能になる。これに対し、ずれ量検出手段と光軸補正手段を備えている場合には、図１０に示すように少なくとも受光光学系２の光軸を投光光学系１の開口内に向けることが可能となり、受光光学系２の指向性が狭くとも受光領域Ｒａを投光光学系１の開口に合わせて通信可能な状態にすることができる。
【０００７】
そして、ずれ量検出手段と光軸補正手段とを備えていない場合には、投光光学系１の光軸と受光光学系２の光軸のずれを補正できないので、図１１に示すように受光光学系２の指向性を広げてその受光領域Ｒａ’が投光光学系１の開口を含むようにする必要がある。
【０００８】
しかしながら、現状では受光素子３の大きさを自由に選択できないので、光ビームＬａ〜Ｌｃを受光素子３に導くためには、受光光学系２の焦点距離を短くする必要がある。また、受光光学系２が必要とする光エネルギの絶対値を落とさないためには、受光光学系２の開口を小さくすることができない。従って、光ビームＬａ〜Ｌｃを受光素子３に導くためには、受光光学系２の開口の大きさを変化させずに焦点距離を短くすることとなり、Ｆ値を小さくすることと等価となる。
【０００９】
例えば、以下に具体的な数値で示す。投光光学系１と受光光学系２の間の通信距離（Ｄ）が１ｋｍ、投光光学系１の開口（Ｏ1）が６０ｍｍ、受光光学系２の位置における投光光学系１のビームの径（Ｏ2）が２ｍ、受光素子３の有効径（Ｒ）が０．２ｍｍであり、受光光学系２の指向性を投光光学系１と同等とした場合には、投光光学系１の光軸と受光光学系２の光軸との最大ずれ量（Ｅ）が１ｍとなり、Ｒ／（２Ｅ）≪１であるため、受光光学系２の必要な焦点距離（ｆ）は実質的にｆ／{Ｏ2Ｄ／(Ｏ2−Ｏ1)}＝Ｒ／(２Ｅ)から計算でき、ｆ＝１０３ｍｍとなる。一方、受光光学系２の受光感度を保つためには、受光光学系２の開口をあまり小さくすることができない。ここで、受光光学系２の開口を投光光学系１の開口（Ｏ1）と同じ６０ｍｍとすると、受光光学系２に必要なＦ値は１．７となる。
【００１０】
このように、指向性を広げながら受光光のエネルギを確保するためには、Ｆ値の小さなレンズが必要になる。更に、指向性を広げたり、より多くの光エネルギを確保しようとＦ値を更に小さくしたりすると、球面収差の悪化が無視できなくなる。この球面収差の悪化を抑制するためには、レンズ枚数の増加を招いたり、高価な非球面レンズを使用せざるを得なくなり、結果として装置が大型化したり、製造コストが高くなるという問題点が生ずる。
【００１１】
本発明の目的は、上述の問題点を解消し、受光光学系の大型化と高コスト化を抑制して受光光学系の指向性を向上させ得る光空間伝送装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る光空間伝送装置は、信号発生部と投光光学系とを含む投光手段から光ビームを発し、受光光学系と信号検出部とを含む受光手段で受光して光通信を行う光空間伝送装置において、前記信号検出部を構成する受光素子を、前記投光光学系と前記受光光学系が光通信を行える範囲内で最も離れて位置するときの前記受光光学系の焦点位置から前記受光光学系に近づく方向にデフォーカスした位置に配置すると共に、前記受光光学系により収斂した光ビームのスポット径が前記受光素子の有効受光部の径の２０％以上で前記有効受光部の径よりも小さくなる位置に配置したことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明を図１〜図５に図示の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は第１の実施の形態の構成を説明するための模式図であり、光空間伝送装置は図示しない信号発生部と投光光学系１１を含む投光手段と、受光光学系１２と受光素子１３を含む受光手段とから構成されている。図２は受光素子１３の位置を説明するための受光光学系１２の模式図であり、受光素子１３の有効受光部１３’は光軸上に配置されている。投光光学系１１から発した光ビームＬａ〜Ｌｃのうちで、実線で示す光ビームＬａの中心は光軸上に入射し、１点鎖線で示す光ビームＬｂの中心は有効受光部１３’のほぼ端部に入射し、２点鎖線で示す光ビームＬｃの中心は有効受光部１３’を完全に外れて通過している。
【００１４】
ここで、受光素子１３の有効受光部１３’は、従来では光ビームＬａ〜Ｌｃが受光光学系１２で収斂したほぼ焦点位置に配置されていたが、この第１の実施の形態では前記焦点位置よりも受光光学系１２側の方向にデフォーカスされた位置に配置されている。このとき、投光光学系１１は製品仕様において受光光学系１２から最も離れた位置に設置されている。また、デフォーカス位置は投光光学系１１から発した光ビームＬａ〜Ｌｃが受光光学系１２で収斂したときに、光ビームＬａ〜Ｌｃのスポット径が有効受光部１３’の径の７５％となる位置とされている。
【００１５】
図３は光ビームＬａ〜Ｌｃと有効受光部１３’の位置関係の模式図であり、(a)は光ビームＬａのスポットの全部が有効受光部１３’内に収まっていることを示している。(b)は光ビームＬｂのスポットのほぼ半分が有効受光部１３’から外れ、取り込んだ光ビームＬｂのほぼ半分が信号検出に使用し得る状態にあることを示している。(c)は光ビームＬｃのスポットの中心が有効受光部１３’から外れているが、有効受光部１３’をデフォーカスした位置に配置しているので、スポットの一部が有効受光部１３’に重なっていることを示している。
【００１６】
図４は図３の光ビームＬａ〜Ｌｃと有効受光部１３’の位置関係のグラフ図であり、横軸は光ビームＬａ〜Ｌｃのスポットの中心と受光光学系１２の光軸との距離つまり像高ｈと有効受光部１３’の半径との比率としている。そして、縦軸は光ビームＬａ〜Ｌｃが有効受光部１３’に重なっている部分の比率つまり出力比とし、図３(a)に対応する点Ａの位置を１００％とし、図３(b)に対応する点Ｂの前後の位置を１００〜５％とし、図３(c)に対応する点Ｃの位置を５％としている。
【００１７】
図３(a)に示すように、光ビームＬａのスポットの全部が有効受光部１３’内に完全に収まっていると１００％の受信レベルが得られ、像高ｈが大きくなって光ビームＬａのスポットの一部が有効受光部１３’から外れ始めるまで、そのレベルを維持する。次に、図３(b)に示すように像高ｈがより大きくなって光ビームＬｂのスポットの一部が有効受光部１３’から外れ始めると、出力比は漸次に減少して５０％程度となる。そして、図３(c)に示すように像高ｈが更に大きくなって光ビームＬｃのスポットの中心が有効受光部１３’のほぼ端部に位置すると、出力比は５％程度となってその後に０％になる。
【００１８】
この第１の実施の形態では、受光素子１３を、最遠方に位置する投光光学系１１から発した光ビームＬａ〜Ｌｃが受光光学系１２で収斂したときに、光ビームＬａ〜Ｌｃのスポット径が最小となる位置、つまり焦点位置から受光光学系１２側に近付いた位置に設定した。投光光学系１１には光ビームＬａ〜Ｌｃの指向性を変化させる機構を設けていないので、投光光学系１１と受光光学系１２を近接させて通信距離を短くしても、光ビームＬａ〜Ｌｃのスポット径が受光素子１３上で最小になることはない。逆に、受光素子１３上の光ビームＬａ〜Ｌｃのスポット径は単調に増加するので、距離の自乗に比例して増大するそのエネルギ量を補正することができる。
【００１９】
これに対し、通信距離を規定通りに維持する場合には、従来の受信範囲をカバーすべき光ビームＬａ〜Ｌｂの光エネルギ量は大きく変化していないので、回路系への負担も増やすことはない。また、受光光学系１２への負担、例えばレンズの枚数を増やすことなく、図３(c)に示す範囲まで受光光学系１２の指向性を広げることができる。仮に、回路系が出力比５％までの低下が許容できるものならば、受光光学系１２の指向性を像高ｈで換算した割合で従来の１．６倍程度に広げることができる。
【００２０】
図５は第２の実施の形態を説明するための図４に対応するグラフ図であり、光ビームＬａ〜Ｌｃのスポット径が有効受光部１３’の径の２０％となる位置に受光素子１３をデフォーカスさせている。この第２の実施の形態では、出力比を第１の実施の形態と同様な５％まで許容した場合に、受光光学系１２の指向性を第１の実施の形態と同様な換算で１．１５倍程度に広げることができる。
【００２１】
なお、光ビームＬａ〜Ｌｃのスポット径が有効受光部１３’の２０％以下となる位置、つまりスポットの大きさが未だ極めて小さい位置に受光素子１３をデフォーカスさせた場合には、従来の受光素子を焦点位置に配置する方法における製造上の誤差があった場合と何ら変わらなくなってしまうので、受光素子１３は光ビームＬａ〜Ｌｃのスポット径が有効受光部１３’の径の２０％以上となる位置にデフォーカスさせる必要がある。また、デフォーカス時のスポット径が受光素子１３の径よりも大きくなることは、光ビームＬａの位置においても、得られるエネルギが従来よりも低下してしまうので、際限なくデフォーカスさせればよいと云うものでもない。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る光空間伝送装置は、本信号検出部を構成する受光素子を、投光光学系と受光光学系が光通信を行える範囲内で最も離れて位置するときの受光光学系の焦点位置からデフォーカスさせたので、通信距離を短くしても光ビームのスポット径が受光素子上で最小になることはなく、逆に受光素子上の光ビームのスポット径は単調に増加するため、距離の自乗に比例して増大する光ビームのエネルギ量を補正することができる。また、通信距離を規定通りに維持する場合には、従来の受信範囲をカバーする光ビームのエネルギ量の変化は少ないので、回路系の負担を増やすことなく、受光光学系への負担、例えばレンズの枚数を増加させる必要もない。そのため、受光光学系の大型化や高コスト化を抑制して受光光学系の指向性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の構成を説明するための模式図である。
【図２】受光素子の位置を説明するための受光光学系の模式図である。
【図３】光ビームのスポットと受光素子の有効受光部との位置関係の模式図である。
【図４】像高／有効受光部半径と出力比のグラフ図である。
【図５】第２の実施の形態を説明するための図４に対応するグラフ図である。
【図６】従来例の模式図である。
【図７】従来例の受光素子の位置を説明するための受光光学系の模式図である。
【図８】従来例の光ビームのスポットと受光素子の有効受光部の関係の模式図である。
【図９】従来例の像高／有効受光部半径と出力比のグラフ図である。
【図１０】従来例の指向方向を変化させた場合の模式図である。
【図１１】従来例の指向性を広げた場合の模式図である。
【符号の説明】
１１  投光光学系
１２  受光光学系
１３  受光素子
１３’  有効受光部
Ｌａ〜Ｌｃ  光ビーム
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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