(57)【要約】自由空間光通信システム用の装置は、表面と裏面を有する素子（１６）を備える。ホログラフィック光学素子（２４）は、自由空間光通信システムからの光信号（１８）を受信するとともに、特定波長を有する光信号を素子の面の一方に向けて角度をつけて方向付け、光信号に内部全反射により素子の表面と裏面の間を伝播させるように配置される。内部反射した光信号は最終的に集束し、光検出回路にて受信される。同時に、背景可視光を含む他の波長を有する光がＨＯＥを通過することにより、装置は透明で目立たない外観となる。
2004531978.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由空間光通信システムからの光信号を通過させる第１の素子と、
前記第１の素子に隣接して配置された第１の面と、第２の面とを有する第２の素子と、
前記第１の素子を通過した前記光信号を受信するための干渉パターンが記録されたホログラフィック材料であって、前記干渉パターンが、前記光信号が内部反射により前記第１および第２の面の間を伝播するように前記第２の素子の前記面の一方に向けて前記光信号を方向付けるように構成されるホログラフィック材料と
を備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記ホログラフィック材料に記録された前記干渉パターンは透過ホログラムの一部により構成されることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。
【請求項３】
前記ホログラフィック材料は前記第１の素子と前記第２の素子の前記第１の面との間に配置され、前記干渉パターンは前記第２の素子の前記第２の面に向けて前記光信号を回折させるように構成されることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。
【請求項４】
前記ホログラフィック材料は前記第２の素子内に配置されることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。
【請求項５】
前記ホログラフィック材料は前記第２の素子の前記第２の面に配置され、前記干渉パターンは前記第２の素子の前記第１の面に向けて前記光信号を反射させるように構成されることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。
【請求項６】
前記ホログラフィック材料は重クロム酸化ゼラチン材料からなることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。
【請求項７】
前記ホログラフィック材料はフォトポリマー材料からなることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。
【請求項８】
前記第１および第２の素子はガラス材料からなることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。
【請求項９】
前記第１および第２の素子はプラスチック材料からなることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記第２の素子に接続され、内部反射により前記第２の素子の前記第１および第２の面の間を伝播する前記光信号を受信する光検出回路をさらに備えることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記光検出回路は、前記第１および第２の面とは異なる前記第２の素子の端面に配置された光フィアバを備えることを特徴とする特許請求の範囲第１０項に記載の装置。
【請求項１２】
前記光検出回路は、前記第１および第２の面とは異なる前記第２の素子の面付近に配置された光検出器を備えることを特徴とする特許請求の範囲第１０項に記載の装置。
【請求項１３】
前記第２の素子の前記第１の面に隣接して配置され、前記第２の素子の前記第１および第２の面の間を伝播する前記光信号の一部を得るカプラープリズムと、
前記カプラープリズムに接続され、前記カプラープリズムにより得られた前記光信号の一部に基づく配向情報を与える位置検出器と
をさらに備えることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記第２の素子の前記第１の面に隣接して配置され、前記第２の素子の前記第１および第２の面の間を伝播する前記光信号の一部を得るカプラープリズムをさらに備え、前記カプラープリズムと前記第１の面との間隔が、前記光検出回路に到達する前記光信号の量を制御するように調整可能であることを特徴とする特許請求の範囲第１０項に記載の装置。
【請求項１５】
前記第１および第２の面とは異なる前記第２の素子の面を覆うとともに、前記光信号を通過させる面とは異なる前記第１の素子の面を覆う黒コーティングをさらに備えることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。
【請求項１６】
前記ホログラフィック材料は、前記第２の素子の前記第２の面から反射された前記光信号が入射しないように選択された長さを有することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。
【請求項１７】
前記光信号は近赤外線波長を有し、前記干渉パターンは、その波長を有する前記光信号を角度をつけて回折するとともに、背景光を含む他の波長を有する他の光に前記第２の素子をほぼ通過させるように構成されることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。
【請求項１８】
前記第２の素子の前記第１および第２の面の間を伝播した他の光信号を、前記第１の素子を通過するとともに前記自由空間光通信システムに向かうように方向付ける他の干渉パターンが記録された他のホログラフィック材料をさらに備えることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。
【請求項１９】
前記自由空間光通信システムからの前記光信号と、前記他の干渉パターンにより前記自由空間光通信システムに向けて方向付けられた前記他の光信号とは、異なる波長を有することを特徴とする特許請求の範囲第１８項に記載の装置。
【請求項２０】
表面と裏面を有する素子と、
光信号を前記素子の前記面の一方に向けて角度をつけ、前記光信号に内部反射により前記素子の前記表面および裏面の間を伝播させるように配置されたホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）と
を備えることを特徴とする装置。
【請求項２１】
前記ＨＯＥ上に配置され、前記光信号を自由空間光通信システムから前記ＨＯＥに送るための他の素子をさらに備えることを特徴とする特許請求の範囲第２０項に記載の装置。
【請求項２２】
前記ＨＯＥは、前記素子の前記裏面に向けて前記光信号を回折させる干渉パターンが記録されたホログラフィック材料からなることを特徴とする特許請求の範囲第２０項に記載の装置。
【請求項２３】
前記ＨＯＥは、前記素子の前記表面に向けて前記光信号を反射させる干渉パターンが記録されたホログラフィック材料からなることを特徴とする特許請求の範囲第２０項に記載の装置。
【請求項２４】
前記ＨＯＥは、干渉パターンが記録され、前記素子の前記表面に配置されたホログラフィック材料からなることを特徴とする特許請求の範囲第２０項に記載の装置。
【請求項２５】
前記素子に接続され、前記素子の前記表面および裏面の間を伝播する前記光信号を集束点付近で受信する光検出回路をさらに備えることを特徴とする特許請求の範囲第２０項に記載の装置。
【請求項２６】
前記素子の前記表面に隣接して配置され、前記素子の前記表面および裏面の間を伝播する前記光信号の一部を得るカプラープリズムをさらに備え、前記カプラープリズムと前記表面との間隔が、前記光検出回路に到達する前記光信号の量を制御するように調整可能であることを特徴とする特許請求の範囲第２５項に記載の装置。
【請求項２７】
前記素子の前記面の一方に隣接して配置され、前記素子の前記表面および裏面の間を伝播する前記光信号の一部を得るカプラープリズムと、
前記カプラープリズムに接続され、前記カプラープリズムにより得られた前期光信号の一部に基づく配向情報を与える位置検出器と
をさらに備えることを特徴とする特許請求の範囲第２０項に記載の装置。
【請求項２８】
前記光信号は特定波長を有し、前記ＨＯＥは、その波長を有する前記光信号を回折させるとともに、背景光を含む他の波長を有する他の光に前記第２の素子をほぼ通過させるように構成されることを特徴とする特許請求の範囲第２０項に記載の装置。
【請求項２９】
前記表面および裏面とは異なる前記素子の面を覆うコーティングをさらに備えることを特徴とする特許請求の範囲第２０項に記載の装置。
【請求項３０】
前記ＨＯＥは、前記素子の前記裏面から反射された前記光信号が入射することがないように選択された長さを有することを特徴とする特許請求の範囲第２０項に記載の装置。
【請求項３１】
前記素子の前記表面および裏面の間を伝播した他の光信号を、自由空間光通信システムに向けて方向付ける他のＨＯＥをさらに備えることを特徴とする特許請求の範囲第２０項に記載の装置。
【請求項３２】
表面と裏面を有する素子と、
データが変調され、自由空間光通信システムから受信された光信号を、前記素子の前記面の一方に向けて角度をつけ、前記光信号に内部反射により前記素子の前記表面および裏面の間を伝播させるように配置されたホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）と
前記素子に接続され、前記素子の前記表面および裏面の間を伝播する前記光信号を受信するとともに、データが変調された前記受信された光信号を表す電気信号を生成する光検出回路と
を備えることを特徴とするシステム。
【請求項３３】
前記光検出回路は前記表面および裏面とは異なる前記素子の面に接続された光フィアバを有することを特徴とする特許請求の範囲第３２項に記載のシステム。
【請求項３４】
前記表面および裏面とは異なる前記素子の面付近に配置された光検出器をさらに備えることを特徴とする特許請求の範囲第３２項に記載のシステム。
【請求項３５】
前記光信号は特定波長を有し、前記ＨＯＥは、その波長を有する前記光信号を前記裏面に向けて角度をつけて回折するとともに、背景光を含む他の波長を有する他の光に前記素子をほぼ通過させるように構成されることを特徴とする特許請求の範囲第３２項に記載のシステム。
【請求項３６】
前記ＨＯＥは、前記素子の前記表面に向けて前記光信号を反射する干渉パターンが記録されたホログラフィック材料からなることを特徴とする特許請求の範囲第３２項に記載のシステム。
【請求項３７】
前記素子の前記面の一方に隣接して配置され、前記素子の前記表面および裏面の間を伝播する前記光信号の一部を得るカプラープリズムと、
前記カプラープリズムに接続され、前記カプラープリズムにより得られた前期光信号の一部に基づく配向情報を与える位置検出器と
をさらに備えることを特徴とする特許請求の範囲第３２項に記載のシステム。
【請求項３８】
前記素子の前記表面に隣接して配置され、前記素子の前記表面および裏面の間を伝播する前記光信号の一部を得るカプラープリズムをさらに備え、前記カプラープリズムと前記表面との間隔が、前記光検出回路に到達する前記光信号の量を制御するように調整可能であることを特徴とする特許請求の範囲第３２項に記載のシステム。
【請求項３９】
前記素子の前記表面および裏面の間を伝播した他の光信号を、自由空間光通信システムに向けて方向付ける他のＨＯＥをさらに備えることを特徴とする特許請求の範囲第３２項に記載のシステム。
【請求項４０】
自由空間光通信システムから光信号を受信し、
ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）を用いて、前記光信号を素子の表面または裏面に向けて角度をつけて方向付け、前記光信号に内部反射により前記表面および裏面の間を伝播させることを特徴とする方法。
【請求項４１】
さらに、前記素子の前記面の一方から前記光信号の一部を得て、
前記得られた光信号の一部に基づく配向情報を与えることを特徴とする特許請求の範囲第４０項に記載の方法。
【請求項４２】
さらに、カプラープリズムと、前記光信号を内部反射する前記素子の前記面の一方のある領域との間隔を変更することにより、光検出回路に到達する前記光信号の量を制御することを特徴とする特許請求の範囲第４０項に記載の方法。
【請求項４３】
前記光信号を方向付ける際に、前記ＨＯＥの干渉パターンを用いて前記光信号を前記素子の前記裏面に向けて回折することを特徴とする特許請求の範囲第４０項に記載の方法。
【請求項４４】
前記光信号を方向付ける際に、前記ＨＯＥの干渉パターンを用いて前記光信号を前記素子の前記表面に向けて反射させることを特徴とする特許請求の範囲第４０項に記載の方法。
【請求項４５】
さらに、内部反射により前記素子内を伝播する前記光信号を集束点付近で受信することを特徴とする特許請求の範囲第４０項に記載の方法。
【請求項４６】
前記光信号を角度をつけて方向付ける際に、特定波長を有する前記光信号を前記素子の前記裏面に向けて回折させるとともに、背景光を含む他の波長を有する他の光に前記素子をほぼ通過させることを特徴とする特許請求の範囲第４０項に記載の方法。
【請求項４７】
さらに、ホログラフィック材料に入射する２つの干渉光波面を用いて、前記ＨＯＥの一部からなる干渉パターンを記録することを特徴とする特許請求の範囲第４０項に記載の方法。
【請求項４８】
さらに、エアギャップにより前記素子の前記裏面を膜から分離することを特徴とする特許請求の範囲第４０項に記載の方法。
【請求項４９】
さらに、他のＨＯＥを用いて、前記素子の前記表面および裏面の間を伝播した他の光信号を、自由空間光通信システムに向けて方向付けることを特徴とする特許請求の範囲第４０項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は一般に無線通信システムに関し、それに限られたものではないが特に自由空間光通信システム用のホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）を用いた内部反射装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットおよび／またはワールドワイドウェブ（ＷＷＷ）等の広域ネットワークの普及に伴い、近年、ネットワークの発達と通信量が急増してきた。ネットワークユーザは、より高速のネットワークを要求し続けており、ネットワークの要求が増え続けるにつれて、既存のネットワークインフラストラクチャや技術が限界に達しつつある。
【０００３】
既存のハードワイヤまたはファイバネットワーク技術に代わるものは、無線光通信技術の利用である。無線光通信では、レーザ等の光ビームを光通信信号として利用するので、各位置間をケーブルやファイバで結ぶ必要がない。データすなわち情報は光ビームに符号化されて光送信装置から自由空間を通って光受信装置に送られる。
【０００４】
基本レベルでは、典型的な光受信装置は、基本的に、光ビームのデータを復調したり他の処理を行う関連電子部品などの多数の構成部品を有する望遠鏡である。これらの光受信装置は多数の部品を有しているため、全体としてのサイズあるいは「設置面積」が大きくなる。個々の部品自体も設置面積が大きい。この設置面積の増大は、装置を目立たないように設置しなければならない場合に不利となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一例として、光受信装置等、ほとんどの窓通過型光通信装置における問題は、窓のスペースを取る傾向があるということである。光受信装置の集光器開口部が大きいほど、より多くの光を集めることはできるが、スペースが犠牲になる。光受信装置は大型であるため、大幅にしかも好ましくない状態で窓を塞ぎ、日光や見えるであろうはずの美しい景観を遮ってしまう。
【０００６】
また、これらの光受信装置は大型であるため、重量も大きい。重量が大きいので、このような光受信装置をしっかりと構造的に支える必要があり、設置、移動、再配置が困難になる。これらの光受信装置の部品点数が多いことも全体としてのコストを上げており、光受信装置の複雑性はコスト効率の高い大量生産技術を利用できないので相当な製造費用がかかる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、装置は、表面と裏面を有する素子を備える。光信号が内部反射によりホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）の表面と裏面との間を伝播するような角度で素子の両面のいずれかに光信号を導くようにホログラフィック光学素子が配置されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の非限定的かつ非網羅的な実施形態について図面を参照して説明するが、図中、同じ参照番号は、特に記載のない限り種々の図面において同じ部分を示すものである。
【０００９】
以下、ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）を用いた内部反射装置および方法の実施形態を説明する。以下の説明では、本発明の実施形態を完全に理解できるように多くの具体的詳細事項について説明する。しかし、当該分野の技術者であれば、それらの具体的詳細事項の１以上がなくても、あるいは、他の方法、構成要素、材料等を用いても、本発明を実施できることがわかるであろう。また、本発明の態様を不明瞭にしないために、既知の構造、材料、動作については図示や説明を省略する。
【００１０】
本明細書において「ひとつの実施形態」または「一実施形態」とは、その実施形態に関して説明する、ある特定の特徴、構造、特性が、本発明の少なくともひとつの実施形態に含まれるという意味である。したがって、本明細書の様々な部分で「ひとつの実施形態において」または「一実施形態において」という語句が出てくるが、必ずしもすべてが同じ実施形態に関するものではない。さらに、１以上の実施形態において、特定の特徴、構造、特性を適切に組み合わせてもよい。
【００１１】
概略として、本発明の一実施形態では、自由空間光通信システムにおける光受信装置の一部として用いることができる装置を提供している。この装置は、窓のスペースが大事であり、あるいは、窓のスペースを求めている顧客を前提とした、ほとんど目立たない家庭用集光装置である。この装置は軽量で、目に安全であるとともに、十分な信号光を集めることができる大きさとすることが可能である。他種の光受信装置と異なり、本発明の一実施形態に係る装置は、背景の可視光を透過させることにより、信号光を受光する受光器からの背景可視光のフィルタリングを行うことができる。
【００１２】
したがって、本発明の一実施形態では、他の光受信装置と同じようには窓のスペースを使用しない、十分な大きさの開口部を有する装置が得られる。可視光は本装置を通過する。本発明の一実施形態では、可視光を透過させ、例えばガラス板の間に挟まれたホログラフィック素子（ＨＯＥ）を使用して所望の光信号を集める。ＨＯＥは、近赤外線（ＩＲ）の光（例えば通信用光信号）を効率的に回折させ、光信号がガラス板の一方から脱出できずに内部全反射によりそのガラス板内を伝播するように光を屈折させる。可視光は赤外線の光よりも回折が少ないので、可視光はガラス板から脱出することができる。
【００１３】
図１を参照する。全体として１０として示すのが本発明の一実施形態に係る装置である。より具体的には、図１は装置１０の配置を示す図である。装置１０は窓ガラス１２の近くに取り付けられている。図１からわかるように、装置１０は比較的大きな集光面積を有しながらも、ほとんど目立たない。さらに、装置１０は可視光を透過させるので、装置１０を通して窓ガラス１２の向かいの景色を見ることができる。
【００１４】
図２は、図１の装置１０の断面側面図である。装置１０は、第１の素子１４と第２の素子１６を備えている。第１の素子１４および第２の素子１６は、ガラス材料（例えば、ＢＫ−７ガラスや他のガラス等）、プラスチック材料、または他の透明材料により構成することができる。第１の素子１４は、自由空間光通信システムからの光信号１８（図１では複数の光線として表される）に向き合うように配置されている。配置されている間、図１に示すように、第１の素子１４は光信号１８を受信するように窓ガラス１２に向けて配置されている。
【００１５】
第２の素子１６は、第１の素子１４に隣接して配置された第１の面２０（例えば表面）と、第２の面２２（例えば裏面）を有している。一実施形態において、第１の素子１４と第２の素子１６の第１の面２０との間には、干渉パターンが記録されたホログラフィック材料２４を備えたＨＯＥが配置されている。他の実施形態では、ホログラフィック材料２４を第２の素子１６内に配置することができる。さらに他の実施形態では、ホログラフィック材料２４を第２の素子１６の第２の面２２上に配置することができる。
【００１６】
図３は、図１〜図２の装置１０の動作を詳細に説明する部分断面側面図である。光信号１８は第１の素子１４を通過し、ホログラフィック材料２４に記録された干渉パターン２６により受信される。本発明の一実施形態によれば、干渉パターン２６は回折ホログラムの一部により構成される。干渉パターン２６は、第２の素子１６の第２の面２２に向けて光信号１８に角度をつける、すなわち、回折させるように構成されている。
【００１７】
第２の面２２に向く光信号１８の回折する角度を適切に選択することにより、光信号１８を内部全反射により第２の面２２と第１の面２０との間を伝播させることができる。本発明の一実施形態によれば、水平面から下方に測定した内部全反射の「臨界角」の値に応じて、４２度以上の角度ｙで光信号１８の光線を第２の面２２に向ければよい。このような範囲で回折角ｙを選択することにより、光信号１８の光線は、第２の素子１６を水平方向に通過するのではなく、第１の面２０と第２の面２２との間で内部反射する。一実施形態において、内部全反射を達成するのに必要な適切な角度は、第２の素子１６に使用する材料と第１の面２２に隣接する材料によって決めることができる。
【００１８】
ホログラフィック材料２４が第２の素子１６内に配置されている実施形態では、干渉パターン２６は透過ホログラムまたは反射ホログラムにより構成することができる。この実施形態において、干渉パターン２６が透過ホログラムにより構成される場合、干渉パターン２６は、光信号１８を適切な臨界角ｙで第２の素子１６の第２の面２２に向けて回折させる。一方、この実施形態において、干渉パターン２６が反射ホログラムにより構成される場合、干渉パターン２６は、光信号１８を適切な臨界角ｙで第２の素子１６の第１の面２０に向けて反射させる。光信号１８は、第２の素子１６の適切な面に向けて回折または反射されると、内部全反射により第１の面２０と第２の面２２との間を伝播することができる。
【００１９】
ホログラフィック材料２４が第２の素子１６の第２の面２２上に配置されている実施形態では、干渉パターン２６は反射ホログラムにより構成することができる。このような実施形態では、光信号１８は干渉パターン２６に達するまで第２の素子１６を通過する。干渉パターン２６は光信号１８を臨界角ｙで第１の面２０に向けて反射するように構成されている。その後、光信号１８は、内部全反射により第１の面２０と第２の面２２との間を伝播することができる。
【００２０】
ホログラフィック材料２４が第２の面２０上に配置され、干渉パターン２６が回折ホログラムにより構成される一実施形態については、図３に示すように、光信号１８は２度反射される（例えば、第２の面２２の反射領域２８と第１の面２０の反射領域３０にて「はね返される」）。「はね返り」回数に影響を与える要因は、第２の素子１６の厚さである。第２の素子１６の厚さが薄くなると、反射回数は増加する。さらに、（内部全反射により）第２の素子１６内を伝播する光信号１８の光線は集束し、この集束はＨＯＥの記録プロセスに基づいて設計および制御することができる。したがって、図２に示すように、光信号１８の光線は、第２の素子１６の端面３４付近にある集束点３２に近付く。
【００２１】
事実上、装置１０の一実施形態は分散装置である。装置１０の受光開口部に入ってくる背景光（例えば第１の素子１４に入射する光）は、干渉パターン２６により回折される特定波長の光信号１８以外は、装置１０を通過するときに分散される。すなわち、光が干渉パターン２６により回折されるよう設計された特定波長範囲になければ、第２の素子１６をほぼ通過する。回折される特定波長の光と、透過される他の波長の光については、後述するように、干渉パターン２６の記録プロセスに応じて設計、または、記録プロセス中に選択することができる。
【００２２】
図２に戻ると、光検出回路３６は、第２の素子１６を通して内部反射された光信号１８を受信するように動作する。一実施形態において、光検出回路３６は、集束点３２付近の端面３４に配置された端面領域を有する大型コア光ファイバ（例えばコアの直径が１〜２ｍｍ）により構成されている。光ファイバ端部の表面領域は、例えば水平位置から約１４度傾けて、集束点３２付近の光線に直面して受光するようにしてもよい。一方、光ファイバは、光信号１８に変調されたデータを抽出する光処理電子部品や他の構成部品（図示せず）に接続されている。他の実施形態では、光検出回路３６を、集束点３２付近に配置されたフォトダイオード、フォトトランジスタ、ＰＩＮディテクタ、アバランシェフォトダイオード、電荷結合素子または他の光検出器等の感光素子で構成することにより、光ファイバを使用する必要性を低減または排除することができる。
【００２３】
さらに、装置１０は、第２の素子１６の端面（例えば第１の面２０および第２の面２２とは異なる面）を覆うコーティング３８（黒コーティングまたは他の不透明コーティング等）を備えている。コーティング３８は、第１の素子１４の端面を覆ってもよい。コーティング３８は、光が装置１０の側部／端部から入り、光検出回路３６内に入ることを防止する。すなわち、コーティング３８は、開口部を介して入る光以外については、装置１０を「暗い状態」に保つ。
【００２４】
さらに、装置１０の一実施形態は、第２の素子１６の第１の面２０に隣接して配置されたカプラープリズム４０を備えている。カプラープリズム４０は、第１の面２０と第２の面２２との間を伝播する光信号１８の一部を得る。例えば、図３の反射領域３０付近におけるカプラープリズム４０と第２の素子１６の第１の面２０との間隔を制御することにより、カプラープリズム４０は反射領域３０における光信号１８の一部を得ることができる。反射領域３０で得られる光の量は、カプラープリズム４０と第１の面２０との間隔を調整することにより増減できる。
【００２５】
カプラープリズム４０は、得られた光信号１８の一部を補助的用途に使用することができる装置に接続されている。例えば、位置検出器４２を接続して、カプラープリズム４０からの光信号の一部を受信し、得られた光信号１８の一部に基づく配向情報を与えることができる。位置検出器４２の好適な例としては、追跡用途に使用することができる４分割素子検出器がある。
【００２６】
一実施形態において、カプラープリズム４０は、光信号１８の自動利得制御や他のパワー／振幅制御に使用することができる。例えば、反射領域３０におけるカプラープリズム４０と第１の面２０との間隔を大きくすることにより、光検出回路３６に到達する光の量を増やすことができる。逆に、反射領域３０におけるカプラープリズム４０と第１の面２０との間隔を小さくすることにより、光検出回路３６に到達する光の量を減らすことができ、カプラープリズム４０を第１の面２０と面一にする（接触させる）ことにより、光が光検出回路３６にほとんど到達しないようにすることもできる。
【００２７】
なお、図２のカプラープリズム４０は、ホログラフィック材料２４が切れる、装置１０の下部の約１／４の部分に配置されている。ホログラフィック材料２４は、第２の面２２の反射領域２８から反射された光信号１８が入射（例えば反射領域３０付近）されないように選択された長さを有している。ホログラフィック材料２４の干渉パターン２６に内部反射光が入射しないようにすることにより、干渉パターン２６から回折された光は干渉されない。
【００２８】
装置１０の一実施形態では、第２の素子１６の第２の面２２を覆う透明膜４４を有している。膜４４は、透明なプラスチック等の材料により構成することができる。エアスペースすなわちエアギャップ４６により、膜４４と第２の面２２を分離することができる。膜４４は、内部反射光に悪影響を与えるおそれのある、ごみ、ほこり、汚れ等から第２の面２２を保護する機能を果たす。エアギャップ４６の存在により、確実に第２の面２２は、膜４４上に付着するこれらの汚染物から完全に隔離されるので、第２の面２２を内部反射のために清潔かつ歪のない状態に保つことができる。
【００２９】
図４は、装置１０の一実施形態の動作をさらに説明する正面図である。具体的には、図４は、ホログラフィック材料２４に記録された干渉パターン２６がどのように光信号１８を回折するかを示す。内部反射により、光信号１８は第２の素子１６の端面３４付近の集束点３２で最終的に集束する。
【００３０】
また、図４は、装置１０が楕円形または半円形等、見た目に美しい形状を有することができることを示している。装置１０の開口部の直径の一例として、２〜２４インチ（５０．８〜６０９．６ｍｍ）とすることができるが、用途によって開口部には他の大きさも用いることができる。なお、装置１０は、図４に示す形状とは異なる形状を有してもよく、他の実施形態において異なる大きさの開口部を有してもよい。装置１０の全体の厚さは、例えば約３ｃｍ〜１ｍｍとすることができる。すなわち、装置１０の一実施形態は、ほとんど平坦で目立たないので、装置１０の上にブラインドやカーテンを引かなければならないような場合の窓置き型に適している。この薄い形状とかなり大きい開口部のため、装置１０は軽量となるが、窓を占領しているように見えずに十分な光を集めることが可能である。
【００３１】
図５は、本発明の一実施形態に係る装置１０のＨＯＥの記録プロセス４８を説明する概略図である。記録プロセス４８は、ホログラフィック材料２４に回折格子または回折ホログラムとしての干渉パターン２６を形成するのに用いることができる。干渉パターン２６が反射ホログラムからなる実施形態においては、本開示の利益を受ける当該分野の技術者ならば、干渉パターン２６が光信号を回折するのではなく、好適な臨界角で光信号を反射させるようなホログラムの記録方法を理解できるであろう。したがって、反射ホログラムの記録プロセスについては、ここでは詳細な説明を省略する。
【００３２】
一実施形態において、構成および再生波長は、４８８ｎｍまたは５１４ｎｍなどのように、同じである。なお、これらの波長は単なる例であり、他の種々の実施形態において約３５０〜８５０ｎｍの範囲とすることができる。この同じ波長で「シングルステップ」記録および再生プロセスでは単純であるという利点が得られるが、記録波長とは異なる波長でＨＯＥを再生する実施形態でＨＯＥを設けることも可能である。例えば、記録波長を４８８ｎｍ、再生波長（例えば光信号１８の波長）を７８５ｎｍ、８５０ｎｍまたは１５５０ｎｍとすることができる。一実施形態では、再生用の光信号１８はレーザ光等からなる。
【００３３】
記録と再生の波長が大きく変わらない場合の実施形態においては、より高いＨＯＥの性能が得られる。しかし、ＨＯＥの効率と焦点は、再生波長が赤外線である場合等、これら２つの波長が大きく異なる場合に最適化することができる。これは、事実上いずれの種類の回折格子についても回折効率とスポットサイズ（例えば焦点）を計算することができるからである。
【００３４】
図５に示すように、記録プロセス４８では、まず、（記録プロセス４８における基盤として機能する）第２の素子１６の表面２０にホログラフィック材料２４の塗布を行う。ホログラフィック材料２４には、種々のエマルジョン材料等、種々の好適な混合物を使用することができる。一実施形態では、ホログラフィック材料２４に重クロム酸化ゼラチン材料を用いることができる。当該分野の技術者により知られている比率で重クロム酸と混合することができる好適なゼラチンの種類の一例としては、ユタ州パラダイスシティのラルコン・ディベロップメント・ラボ（Ｒａｌｃｏｎ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  Ｌａｂ）により設計され、アイオワ州スーシティのカインド＆ノックス・ゼラチン社（Ｋｉｎｄ＆Ｋｎｏｘ  Ｇｅｌａｔｉｎｅ，Ｉｎｃ．）により製造された、光ゼラチンのジェリタ（Ｇｅｌｉｔａ、登録商標）系統、タイプ７６７７、ロット２がある。他の実施形態では、収縮特性が小さく加熱不要のフォトポリマー材料を用いることができる。このようなフォトポリマー材料の一例としては、デュポン・ホログラフィックス（実験ステーション、Ｐ．Ｏ．Ｂｏｘ（私書箱）８０３５２、デラウェア州ウィルミントン、１９８８０−０３５２）から販売されている製造番号ＨＲＦ−６００Ｘ１１３−６＊０．５ＧＢ／ＴＲＡＮＳがある。記録プロセス４８の開始前にホログラフィック材料２４にハレーション防止層（図示せず）を塗布してもよい。
【００３５】
次に、２つの光ビーム５０および５２をホログラフィック材料２４に向ける。光ビーム５０（例えば参照ビーム）は、第２の面２２に垂直に入射し、ホログラフィック材料２４に向かって第２の素子１６を通過する。光ビーム５２は、まず、光ビーム５２をピンホール５６に向けて集束させる空間フィルタまたはレンズ５４を通過する。光ビーム５２はピンホール５６から拡散し、第２の素子１６の端面３４に入射する。図５に示すように、端面３４は、一実施形態において垂直位置から測定して角度ｘを有するように、斜めに面取りすることができる。
【００３６】
光ビーム５２はホログラフィック材料２４に向かう。ホログラフィック材料２４上で光ビーム５０と５２が重なると、ホログラフィック材料２４上のその位置における干渉が干渉パターン２６として記録される。場合によっては、装置１０の一実施形態で用いる回折角が大きいために、回折効率が偏光依存型になることもある。ホログラフィック材料２４の厚さを厚くすると、ニア・ブラッグ・マッチ状態(near-Bragg match condition)における偏光依存性を改善することができる。干渉パターン２６が記録された後、ハレーション防止層を除去する。接着剤または他の手段により第１の素子１４をホログラフィック材料２４に固定し、密封する。
【００３７】
図６は、本発明の一実施形態により光信号の送受信を行うことができる装置５８を説明する部分正面図である。装置５８は、前述の図面および説明において図示および説明したものと同様の構成部品を備えることができる。このような同様の構成部品には、自由空間光通信システムからの光信号を受信するとともに、光信号を第２の素子の一面に向け、内部全反射により光信号を第２の素子内に伝播させるＨＯＥ、端部のコーティング、光検出回路等が含まれる。図６に示す実施形態と上述の他の実施形態との違いは、装置５８が送受信の両方を行えることである。
【００３８】
装置５８は、第１の干渉パターン６２が記録された第１のホログラフィック材料６０を有し、これらが第１のＨＯＥを構成する。この第１のＨＯＥは、光信号１８を受信し、受信した光信号１８が内部全反射的に伝播して光検出回路により最終的に受光されるように方向付けるため、上述と同様の配置、構造、構成、記録プロセス、動作、形状、その他の特徴を有するものとすることができる。
【００３９】
第１のＨＯＥに隣接して、第２の干渉パターン６６が記録された第２のホログラフィック材料６４からなる第２のＨＯＥが配置されている。一実施形態において、第２のＨＯＥは、図６に示すように第１のＨＯＥの隣に「両眼的」に配置することができる。なお、この配置は単なる例であり、第２のＨＯＥを第１のＨＯＥに対して装置５８上の他の位置に配置することもできることを理解すべきである。第１および第２のＨＯＥを同じ面（例えば平面配置）に配置してもよく、また、異なる平面に配置してもよい（例えば、第１のＨＯＥを素子の表面に配置し、第２のＨＯＥをその素子の裏面に配置する）。第２のＨＯＥの特定位置に基づいて、その干渉パターン６６は透過性または反射性となる。本発明の一実施形態によれば、第２のＨＯＥは第１のＨＯＥとほぼ同様としてもよい。すなわち、上述と同様の材料および記録プロセスを用いて、第２のＨＯＥを作成してもよい。
【００４０】
送信の場合の装置５８の動作は、図２の装置１０の一実施形態に第２のホログラフィック材料６４と第２の干渉パターン６６を設けたものを参照して説明することができる。まず、第２の素子１６の端面３４付近に配置されたソース（レーザ等）から、他の光信号が送られる。光信号は、ソースにより好適な臨界角にて第２の素子１６の一方の面に向けられ、内部全反射により第２の素子の第１の面２０と第２の面２２との間を伝播する。次に、第２の素子１６の両面間を伝播したこの光信号は第２の干渉パターン６６に到達し、第２の干渉パターン６６により、第１の素子１４を通過するように、また、自由空間光通信システムに向かうように方向付けられる。
【００４１】
一実施形態において、第２の干渉パターン６６は、第２のホログラフィック材料６４が第２の素子１６の第１の面２０上または第２の素子１６内に配置される場合のように、第１の素子１４を通して光信号を回折させることができる。他の実施形態では、第２の干渉パターン６６は、第２のホログラフィック材料６４が第２の素子１６の第２の面２２上又は第２の素子１６内に配置される場合のように、第１の素子１４を通して光信号を反射させることができる。種々の実施形態によれば、受信された光信号と送信された光信号とは、受信波長が１５５０ｎｍ、送信波長が１６２５ｎｍ等、異なる波長とすることができる。
【００４２】
結論として、装置１０の一実施形態は、ＨＯＥを用いて特定波長の光（例えば光信号１８）を集光するとともに、背景光を含む他の波長の光をほぼ透過させる。光信号１８はＨＯＥにより回折され、内部全反射により最終的に光検出回路３６に到達するように角度をつけられる。可視光は透過されるので、装置１０の開口部の大きさは、窓スペースの邪魔にならずに大きくすることができる。開口部の大きさが大きい方が、より多くの光を集光することができるのに加えて、目に対する安全性、シンチレーション等も補えるので、小さい開口部よりも良い。
【００４３】
上述の本発明の実施形態の説明には、要約書に記載したものも含まれるが、排他的、あるいは、開示した形式そのものに本発明を限定するものではない。説明のために本発明の具体的な実施形態および例を記載したが、当該技術分野の技術者ならばわかるように、本発明の主旨の範囲内において種々の変更が可能である。
【００４４】
例えば、装置１０について半円形状を図１および図４に示したが、他の実施形態では、装飾デザイン、利用可能な窓スペース、窓ガラス１２の形状、集光したい光の量等に基づいて、他の形状をとることができる。さらに、カプラープリズム４０（例えばガラスまたはプラスチックからなる）および位置検出器４２は、追跡用途に使用できるとして説明したが、装置１０の他の実施形態では追跡は不要であることを理解すべきである。このため、これら他の実施形態については、カプラープリズム４０および／または位置検出器４２の設置、使用は不要である。
【００４５】
本発明に対するこれらの変更は、上述の詳細な説明に鑑みて行うことができる。以下の特許請求の範囲で用いる用語は、明細書および特許請求の範囲に開示した特定の実施形態に本発明を限定するものと解釈されてはならない。本発明の主旨は完全に以下の特許請求の範囲により決定されるのであって、特許請求の範囲は、確立されたクレーム解釈の原則に従って解釈されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施形態に係る装置の配置を示す図である。
【図２】図１の装置の断面側面図である。
【図３】図１〜図２の装置の動作を詳細に説明する部分断面側面図である。
【図４】図１〜図２の装置の動作を説明する部分正面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る図１〜図２の装置のためのホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）についての記録プロセスを説明する概略図である。
【図６】本発明の一実施形態による光信号の送受信を行うことができる装置を説明する部分正面図である。
【国際公開パンフレット】
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2004531978.tif 000004
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【国際調査報告】
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