(57)【要約】【課題】光送信装置で高光出力パワーを確保するとともに、光軸調整の微調整が不要で、光出力信号の伝搬範囲を適応的に変化させることができる光送信装置を提供する。【解決手段】拡散液体レンズ３０は、光を散乱させる散乱物質を含む第１の液体と、第２の液体とを含み、制御部７から印加される制御電圧に従って、第１の液体及び第２の液体間の界面の曲率を変化させる。発光素子３から出力された第１の光信号ＯＳ１は、第１の液体中で拡散され、当該界面の曲率に応じた拡がり角θと、ほぼ一様な放射強度分布とを有する第２の光信号ＯＳ２として放射される。【選択図】図１
2007068157.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由空間を通じて、光受信装置へと光信号を送信する光送信装置であって、
送信すべき第１の電気信号を光信号に変換し、前記光信号を出射する電気光変換部と、
前記光信号の伝搬方向に凸の界面を形成し、かつ、前記電気光変換部の光軸に沿って、前記伝搬方向に順に分離する第１の液体及び第２の液体と、前記第１の液体に混合され、前記光を散乱させる散乱物質とを含み、印加される制御電圧に応じて、前記界面の曲率が変化する拡散液体レンズと、
前記拡散液体レンズに印加する制御電圧を調節する制御部とを備える、光送信装置。
【請求項２】
データ信号を受け取り、前記データ信号に基づいて、前記第１の電気信号を生成する送信部と、
前記光信号の一部が前記光受信装置から反射された反射光信号を受信し、前記反射光信号を第２の電気信号に変換する反射光受信部と、
前記第１の電気信号に対する前記第２の電気信号の遅延時間を算出し、前記遅延時間を示す遅延信号を前記制御部に出力する遅延時間算出部とを更に備え、
前記制御部は、前記遅延信号に基づいて、前記制御電圧を調節することを特徴とする、請求項１に記載の光送信装置。
【請求項３】
前記送信部は、
予め定められたタイミング信号を出力するタイミング信号発生部と、
前記データ信号と前記タイミング信号とを加算して前記第１の電気信号を生成する加算部とを含み、
前記遅延時間算出部は、前記タイミング信号発生部から出力されるタイミング信号と、前記第２の電気信号に含まれるタイミング信号との検出時刻の差に基づいて、前記遅延時間を算出することを特徴とする、請求項２に記載の光送信装置。
【請求項４】
前記タイミング信号発生部は、前記加算部が前記データ信号を受け取る前に、前記タイミング信号を出力することを特徴とする、請求項３に記載の光送信装置。
【請求項５】
前記タイミング信号発生部は、振幅レベルが互いに異なり、かつ、前記データ信号のよりパルス幅が小さい一連のタイミング信号を繰り返して出力することを特徴とする、請求項３に記載の光送信装置。
【請求項６】
前記遅延時間算出部は、前記タイミング信号発生部から出力されるタイミング信号のピーク値と、前記第２の電気信号に含まれるタイミング信号のピーク値とを検出し、検出されたピーク値の各々に基づいて、前記遅延時間を算出することを特徴とする、請求項５に記載の光送信装置。
【請求項７】
前記遅延信号によって表される遅延時間毎に、前記制御電圧が予め定められた制御情報を記憶するメモリ部を更に備え、
前記制御部は、前記遅延信号と前記制御情報とに基づいて、前記制御電圧を調節することを特徴とする、請求項２に記載の光送信装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記送信部に前記データ信号が入力される前の初期状態にあっては、前記界面の曲率が最大となるように前記制御電圧を調節することを特徴とする、請求項２に記載の光送信装置。
【請求項９】
前記遅延時間算出部は、検出する遅延時間の最大値及び最小値を予め定め、
前記制御部は、前記遅延時間が前記最大値である時に、前記界面の曲率が最小となるように前記制御電圧を制御し、前記遅延時間が前記最小値であるときに、前記界面の曲率が最大となるように、前記制御電圧を制御することを特徴とする、請求項２に記載の光送信装置。
【請求項１０】
前記遅延時間算出部は、前記第２の電気信号に含まれるタイミング信号のピーク値の最大値及び最小値を予め定め、
前記制御部は、前記ピーク値が前記最大値である時に、前記界面の曲率が最大となるように前記制御電圧を制御し、前記ピーク値が前記最小値であるときに、前記界面の曲率が最小となるように、前記制御電圧を制御することを特徴とする、請求項３に記載の光送信装置。
【請求項１１】
前記データ信号と前記タイミング信号の伝送速度を変更する伝送速度変更部を更に備える、請求項３に記載の光送信装置。
【請求項１２】
前記光受信装置は、前記光信号の強度を示す強度信号を送信し、
前記光送信装置は、前記強度信号を受信する強度信号受信部を更に備え、
前記制御部は、前記強度信号受信部によって受信された前記強度信号によって表される強度が所定の閾値より小さい場合には、前記拡散液体レンズの界面の曲率が小さくなるように前記制御電圧を制御し、前記強度信号によって表される強度が前記閾値より大きい場合には、前記拡散液体レンズの界面の曲率が大きくなるように前記制御電圧を制御することを特徴とする、請求項１に記載の光送信装置。
【請求項１３】
前記強度信号は、無線信号であることを特徴とする、請求項１２記載の光送信装置。
【請求項１４】
前記強度信号は、有線信号であることを特徴とする、請求項１２記載の光送信装置。
【請求項１５】
前記強度信号は、光信号であることを特徴とする、請求項１２記載の光送信装置。
【請求項１６】
前記強度信号は、前記光送信装置から出力された光信号の一部が前記光受信装置によって反射された反射光信号であることを特徴とする、請求項１２記載の光送信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光送信装置に関し、より特定的には、自由空間を通じて、光受信装置へと光信号を送信する光送信装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、自由空間を通じて光信号を伝送する光空間通信が知られている。光空間通信の伝送媒体である光には指向性があるため、光送信装置と光受信装置との間で光軸を調整する必要がある。
【０００３】
図２１は、光軸調整機能を有する光空間伝送装置の例を示す図である。
【０００４】
光送信装置１０１及び光受信装置１０２の各々は、水平軸及び垂直軸を中心に回動自在の光軸調整機構１０３ａ及び１０３ｂを備える。光送信装置１０１及び光受信装置１０２間の光通信を可能とするため、光軸調整機構１０３ａ及び１０３ｂは、光送信装置１０１及び光受信装置１０２の各々の光軸がほぼ一致するように調整される。
【０００５】
例えば、光受信装置１０２がａ地点に配置される場合、光送信装置１０１及び光受信装置１０２の光軸は、光受信装置１０２の受光面が、光送信装置１０１から出射される光の伝搬面Ｐａ内に含まれるように調整されていれば良い。一方、光受信装置１０２がｂ地点に配置される場合には、ａ地点における伝搬面Ｐａより小さな伝搬面Ｐｂに光受信装置１０２の受光面が含まれるように、光軸調整を行う必要がある。
【０００６】
したがって、図２１に示される光空間伝送装置には、光送信装置１０１及び光受信装置１０２間の距離が比較的遠い場合には、光軸調整が容易であるが、両者の距離が近づくにつれて光軸調整が困難になるという問題があった。
【０００７】
そこで、上記の問題を解決するために、次のような光空間伝送装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００８】
図２２は、従来の光伝送装置の概略構成を示す図である。
【０００９】
図２２を参照して、光送信装置２０１及び光受信装置２０２は、互いに対向するように配置されている。光送信装置２０１は、送信回路部２０３と、電気信号を光信号に変換する発光素子２０４と、ズームレンズ２０５と、ズームレンズ２０５のズーム比を調節するための制御信号を出力する駆動制御部２０６と、光軸を調整する光軸調整機構２０７ａとを備える。また、受信装置２０２も光軸調整機構２０７ｂを有する。
【００１０】
光送信装置２０１及び光受信装置２０２の各々の光軸は、図２１の例と同様に、光軸調整機構２０７ａ及び２０７ｂを用いて調整される。これに加え、駆動制御部２０６から出力される制御信号に従って、ズームレンズ２０５を構成する一部のレンズが光軸に沿って前後する。当該一部のレンズの移動は、光信号の拡がり角を変化させるので、光受信器２０２の受光面に対して、光送信装置２０１から出射される光信号の伝搬面の面積が変化する。
【００１１】
したがって、光送信装置２０１及び光受信装置２０２の距離が比較的近い場合であっても、出射光の拡がり角が大きくなるようにズームレンズ２０５のズーム比の調節により、光送信装置２０１及び光受信装置２０２の光軸調整を容易にすることができる。
【特許文献１】特公平６−８３１４５号公報（第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、光空間伝送装置においては、使用者に対する安全性の観点から、光出力パワーには制限が設けられている。したがって、実際には、ズームレンズ２０５によって拡がり角を広くした状態で光通信を行うことはできない。
【００１３】
具体的には、発光素子２０４から出力された光信号がズームレンズ２０５を通じて出射される場合、ズームレンズ２０５の出射面から見た光源は、点光源であると想定される。例えば、波長λが８５０ｎｍの光を出力する発光素子２０４がズームレンズ２０５を通じて光信号を出力する場合、目に安全な最大光出力パワーは、ＩＥＣ６０８２５−１の安全規格において、０．７８ｍＷと定められている。
【００１４】
当該定められた光出力パワーは、光空間通信をするために十分ではない。そこで、限られた光出力パワーを効率的に利用するために、光軸調整機構２０７ａ及び２０７ｂを操作して、光送信装置２０１及び光受信装置２０２の光軸同士を一致させた後、ズームレンズ２０５によって、出射光の拡がり角を再度狭めるように調整する必要があった。
【００１５】
更に、通信速度が速くなるのに伴い、光受信装置２０２の実質的な受光感度が低下するので、光送信装置から出力される光出力パワーは、可能な限り大きいことが好ましい。
【００１６】
それ故に、本発明は、上記の従来の問題を解決するためになされたもので、光出力パワーが大きく、また、光軸調整の微調整が不要であり、更に、出射光の伝搬面積を適応的に調節可能な光送信装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、自由空間を通じて、光受信装置へと光信号を送信する光送信装置に向けられている。当該光送信装置は、送信すべき第１の電気信号を光信号に変換し、光信号を出射する電気光変換部と、光信号の伝搬方向に凸の界面を形成し、かつ、電気光変換部の光軸に沿って、伝搬方向に順に分離する第１の液体及び第２の液体と、第１の液体に混合され、光を散乱させる散乱物質とを含み、印加される制御電圧に応じて、界面の曲率が変化する拡散液体レンズと、拡散液体レンズに印加する制御電圧を調節する制御部とを備える。
【００１８】
また、上記の光送信装置は、データ信号を受け取り、データ信号に基づいて、第１の電気信号を生成する送信部と、光信号の一部が光受信装置から反射された反射光信号を受信し、反射光信号を第２の電気信号に変換する反射光受信部と、第１の電気信号に対する第２の電気信号の遅延時間を算出し、遅延時間を示す遅延信号を制御部に出力する遅延時間算出部とを更に備えても良い。この場合、制御部は、遅延信号に基づいて、制御電圧を調節すれば良い。
【００１９】
また、送信部は、予め定められたタイミング信号を出力するタイミング信号発生部と、データ信号とタイミング信号とを加算して第１の電気信号を生成する加算部とを含んでいても良い。この場合、遅延時間算出部は、タイミング信号発生部から出力されるタイミング信号と、第２の電気信号に含まれるタイミング信号との検出時刻の差に基づいて、遅延時間を算出すれば良い。
【００２０】
また、タイミング信号発生部は、加算部がデータ信号を受け取る前に、タイミング信号を出力しても良い。
【００２１】
あるいは、タイミング信号発生部は、振幅レベルが互いに異なり、かつ、データ信号のよりパルス幅が小さい一連のタイミング信号を繰り返して出力しても良い。
【００２２】
また、遅延時間算出部は、タイミング信号発生部から出力されるタイミング信号のピーク値と、第２の電気信号に含まれるタイミング信号のピーク値とを検出し、検出されたピーク値の各々に基づいて、遅延時間を算出しても良い。
【００２３】
また、上記の光送信装置は、遅延信号によって表される遅延時間毎に、制御電圧が予め定められた制御情報を記憶するメモリ部を更に備え、制御部は、遅延信号と制御情報とに基づいて、制御電圧を調節しても良い。
【００２４】
また、制御部は、送信部にデータ信号が入力される前の初期状態にあっては、界面の曲率が最大となるように制御電圧を調節しても良い。
【００２５】
また、遅延時間について、検出可能な最大値及び最小値が予め定められていても良い。この場合、制御部は、遅延時間が最大値である時に、界面の曲率が最小となるように制御電圧を制御し、遅延時間が最小値であるときに、界面の曲率が最大となるように、制御電圧を制御する。
【００２６】
また、タイミング信号のピーク値の最大値及び最小値が予め定められていても良い。この場合、制御部は、ピーク値が最大値である時に、界面の曲率が最大となるように制御電圧を制御し、ピーク値が最小値であるときに、界面の曲率が最小となるように、制御電圧を制御する。
【００２７】
また、上記の光送信装置は、データ信号とタイミング信号の伝送速度を変更する伝送速度変更部を更に備えても良い。
【００２８】
光受信装置は、光信号の強度を示す強度信号を送信し、光送信装置は、強度信号を受信する強度信号受信部を更に備えても良い。この場合、制御部は、強度信号受信部によって受信された強度信号によって表される強度が所定の閾値より小さい場合には、拡散液体レンズの界面の曲率が小さくなるように制御電圧を制御し、強度信号によって表される強度が閾値より大きい場合には、拡散液体レンズの界面の曲率が大きくなるように制御電圧を制御すれば良い。
【００２９】
また、強度信号は、無線信号、有線信号、光信号及び光送信装置から出力された光信号の一部が反射された反射光信号のいずれであっても良い。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係る光送信装置は、電気光変換部から出力された光を拡散液体レンズによって拡散させ、拡散液体レンズの界面の曲率に応じた拡がり角を有する光信号を出力する。拡散液体レンズから出力される光信号は、分散光源と見なすことができるので、電気光変換部の出力パワーを大きくすることが可能となる。
【００３１】
また、拡散液体レンズから出力される光の放射強度分布は、光軸からの距離に依存して大きく変化しないので、光送信装置及び光受信装置の光軸同士を厳密に調整する必要がなく、利用者の利便性が向上する。
【００３２】
更に、制御電圧に基づいて、拡散液体レンズの界面の曲率を変化させることができるので、光送信装置及び光受信装置間の距離を考慮して、光信号の拡がり角を適応的に制御することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光伝送システムのブロック図である。
【００３４】
図１を参照して、光伝送システムは、自由空間中において、互いに対向するように配置される光送信装置１及び光受信装置２によって構成される。光送信装置１は、自由空間を通じて光信号を送信し、光受信装置２は、光送信装置１から送信された光信号を受信する。
【００３５】
まず、光送信装置１は、送信回路４と、発光素子３と、拡散液体レンズ３０と、駆動部３１と、反射光受信部１７と、遅延時間算出部１８とを備える。
【００３６】
送信回路４は、データ信号Ｄｔを受け取り、受け取ったデータ信号Ｄｔに基づいて、後段の発光素子３を駆動するための第１の電気信号ＥＳ１を生成する。より詳細には、本実施の形態に係る送信回路４は、タイミング信号発生部３３と、加算部３４とを含む。タイミング信号発生部３３は、予め定められた第１のタイミング信号Ｔ１を生成し、第１のタイミング信号Ｔ１を加算部３４と、遅延時間算出部１８とに出力する。加算部３４は、データ信号Ｄｔと第１のタイミング信号Ｔ１とを加算することによって第１の電気信号ＥＳ１を生成する。
【００３７】
発光素子３は、加算部３４から出力される第１の電気信号ＥＳ１を第１の光信号ＯＳ１へと電気光変換する。発光素子３は、第１の光信号ＯＳ１を拡散液体レンズ３０へ出射する。
【００３８】
拡散液体レンズ３０は、その内部で第１の光信号ＯＳ１を拡散させ、拡がり角θを有する第２の光信号ＯＳ２を出力する。尚、拡散液体レンズ３０の詳細は後述する。
【００３９】
反射光受信部１７は、光受信装置２の反射部１６によって反射された反射光信号ＯＳｒを受信し、受光した光信号ＯＳｒを第２の電気信号ＥＳ２に変換する。そして、反射光受信部１７は、第２の電気信号ＥＳ２を遅延時間算出部１８に出力する。反射光信号ＯＳｒは、第２の光信号ＯＳ２の一部が反射されたものである。したがって、第２の電気信号ＥＳ２は、第１の電気信号ＥＳ１と同一の成分（データ信号及び第１のタイミング信号）を含む。以下では、説明の便宜上、第２の電気信号ＥＳ１に含まれるタイミング信号を、第１のタイミング信号と識別するため、「第２のタイミング信号」という。
【００４０】
遅延時間算出部１８は、タイミング信号発生部３３から出力される第１のタイミング信号Ｔ１と、第２の電気信号ＥＳ２に含まれる第２のタイミング信号Ｔ２とに基づいて、第１のタイミング信号Ｔ１に対する第２のタイミング信号Ｔ２の遅延時間を算出する。具体的には、遅延時間算出部１８は、第１のタイミング信号Ｔ１の検出時刻と、第２のタイミング信号Ｔ２の検出時刻の差を遅延時間として算出する。遅延時間算出部１８は、算出された遅延時間を示す遅延信号Ｄｌを生成し、遅延信号Ｄｌを制御部７に出力する。
【００４１】
制御部７は、遅延時間算出部１８から出力される遅延信号Ｄｌに基づいて、拡散液体レンズ３０に印加する制御電圧を調節する。
【００４２】
次に、光受信装置２は、光送信装置１から出力された第２の光信号ＯＳ２を電気信号ＥＳｒに光電変換する受光素子１０と、電気信号ＥＳｒに増幅等の処理を施し、データ信号Ｄｔを復調する受信回路１１と、光送信装置１に向けて配置される反射部１６とを備える。反射部１６によって反射された第２の光信号ＯＳ２の一部は、反射光信号ＯＳｒとして、上記の反射光受信部１７に入射する。
【００４３】
本実施の形態に係る光送信装置１は、主として、１）拡散液体レンズ、２）遅延時間検出、３）制御電圧調整の３点に特徴を有する。以下、これらの特徴の詳細について順を追って説明する。
【００４４】
＜１．拡散液体レンズ＞
図２は、図１に示される拡散液体レンズを示す模式図である。
【００４５】
図２（ａ）を参照して、拡散液体レンズ３０は、入射面Ｆｉ及び出射面Ｆｏを有する中空形状のチャンバー３５と、外部から制御電圧が印加される駆動部３１とを含む。チャンバー３５の内部には、第１の液体Ｌｑ１と、第２の液体Ｌｑ２と、光を散乱させる散乱物質３６とが封入されている。散乱物質３６の種類は、特に限定されるものではなく、光を乱反射する性質を有し、かつ、第１の液体と親和性が高い公知の種々の微粒子や化合物を利用できる。
【００４６】
第１の液体Ｌｑ１及び第２の液体Ｌｑ２は、第１の光信号ＯＳ１の伝搬方向に凸の界面Ｉｎｆを形成し、光軸Ａｘに沿って、第１の光信号ＯＳ１の伝搬方向に順に分離している。図２（ｂ）に示されるように、第１の液体Ｌｑ１及び第２の液体Ｌｑ２の界面Ｉｎｆの曲率は、駆動部３１に印加される制御電圧に応じて変化する。界面Ｉｎｆの曲率が変化する原理は、既に知られている液体レンズに係るものと同一であるので、ここでの説明を省略する。
【００４７】
拡散液体レンズ３０の入射面Ｆｉから入射した光は、第１の液体Ｌｑ１内部の散乱物質３６によって散乱し、界面Ｉｎｆの全体から出射される。このとき、図２（ａ）及び２（ｂ）の細い矢印によって示されるように、出射光は、主に界面Ｉｎｆの法線方向に進むので、界面Ｉｎｆの曲率に応じた拡がり角を有する第２の光信号ＯＳ２が、第２の液体Ｌｑ２を通過して、拡散液体レンズ３０の出射面Ｆｏから放射される。
【００４８】
上記のように、拡散液体レンズ３０の出射面Ｆｏから出射される第２の光信号ＯＳ２は、光軸Ａｘと直交する平面上で、ほぼ一様な放射強度分布を有する。したがって、発光素子から出力された光信号が拡散液体レンズ３０を通じて出射される場合、拡散液体レンズ３０の出射面Ｆｏから見た光源は、分散光源と想定される。ＩＥＣ６０８２５−１の安全規格によれば、波長λが８５０ｎｍの光を出射する発光素子が、拡散液体レンズ３０を通じて光信号を出力する場合、目に安全な最大光出力パワーは２９．４ｍＷである。
【００４９】
したがって、本実施の形態に係る拡散液体レンズ３０を用いれば、安全性を確保しつつ、上述したズームレンズが用いられる場合（最大光パワー０．７８ｍＷ）と比べて、光の出力パワーを格段に大きくすることができる。光出力パワーの増加に伴って、通信が可能な光送信装置１及び光受信装置２間の距離を大きくすることができる。
【００５０】
＜２．遅延時間検出＞
第２の光信号ＯＳ２の光信号の利用効率を向上するためには、第２の光信号ＯＳ２の拡がり角を可能な限り小さくして、出力光のパワーロスを低減することが好ましい。ただし、第２の光信号ＯＳ２の拡がり角を調節したときの、光信号の受光可能範囲（すなわち、光信号の伝搬面積）の変化量は、光送信装置１と光受信装置２との距離に応じて異なる。したがって、第２の光信号ＯＳ２の拡がり角を可能な限り小さく調整するためには、光送信装置１及び光受信装置２間の距離を考慮する必要がある。
【００５１】
そこで、第２のタイミング信号Ｔ２の遅延時間検出方法の詳細を説明するのに先立ち、光送信装置１及び光受信装置２間の距離の推定の観点で、本実施の形態に係る拡散液体レンズが、ズームレンズに比べて優位である点を説明する。
【００５２】
図３は、ズームレンズ及び拡散液体レンズのそれぞれの放射強度分布を示す模式図である。これらの図においては、説明の便宜上、光受信装置の受光面が配置され得る位置が二点鎖線によって示されている。
【００５３】
一般に、ズームレンズから放射される光の放射強度分布は、図３（ａ）に示されるガウシアン分布によって表される。光軸と直交する平面Ｐｌ上において、ズームレンズの放射強度は、光軸から距離がある値以下の範囲で極めて大きく、光軸からの距離が当該ある距離を超えると急激に減少する。すなわち、平面Ｐｌ上への光の伝搬面の中心と周辺とで放射強度に大きな差が生じる。光受信装置の受光面の中心が光軸と一致する場合（位置Ａ）と、光軸からずれている場合（位置Ｂ）とで、光受信装置における受光量が顕著に相違する。それ故、光軸から受光面の中心までの距離が定まらない限り、光送信装置及び光受信装置間の距離を、光受信装置の受光量に基づいて決定することは困難である。
【００５４】
一方、拡散放射レンズから放射される光の放射強度分布は、図３（ｂ）に示されるように、平面Ｐｌ上においてほぼ一様である。したがって、光受信装置の受光面の中心が光軸と一致する場合（位置Ａ）と、光軸からずれている場合（位置Ｂ）とで、光受信装置における受光量の差は、ズームレンズと比べて小さい。それ故に、光送信装置及び光受信装置との光軸同士が厳密に一致しない場合でも、光受信装置の受光量に基づいて、両者間の距離を精度良く見積もることが可能となる。
【００５５】
そこで、本実施形態においては、一例として、光送信装置１及び光受信装置２間の距離を推定するために、光受信装置２によって反射された反射光信号ＯＳｒを利用する。この理由は、次の通りである。
【００５６】
第２の光信号ＯＳ２と同一成分（データ信号及びタイミング信号）を含む。また、両光信号に含まれる同一成分同士の遅延時間と、光送信装置１及び光受信装置２間の距離は、理論的には比例する。それ故に、第２のタイミング信号Ｔ２の遅延時間を検出すれば、拡散液体レンズ３０の界面の曲率を調節するために必要な光送信装置１及び光受信装置２間の距離を推定することができる。
【００５７】
図４は、データ信号を送信する前に遅延時間を検出する方法を示すタイミング図である。当該遅延時間検出方法は、例えば、光送信装置１の起動時に１回行われれば良い。尚、図４において、横軸は時間を表し、縦軸は信号の振幅を示す。
【００５８】
タイミング信号発生部３３は、加算部３４にデータ信号Ｄｔが入力される前に第１のタイミング信号Ｔ１を出力する（図４（ｂ））。加算部３４は、タイミング信号発生部３３から出力された第１のタイミング信号Ｔ１と、送信すべきデータ信号Ｄｔ（図４（ａ））とを加算し、第１の電気信号ＥＳ１を生成する。既に説明したように、第１の電気信号ＥＳ１は、第２の光信号ＯＳ２として光受信装置２へと送信される（図４（ｃ））。また、光受信装置２から反射された反射光信号ＯＳｒ（図４（ｄ））は、第１の電気信号ＥＳ１と振幅が相違するが、第１の電気信号ＥＳ１と同一成分を含む第２の電気信号ＥＳ２（図４（ｅ））に変換される。
【００５９】
遅延時間算出部１８は、タイミング信号発生部３３から出力された第１のタイミング信号Ｔ１と、反射光受信部１７から出力された第２のタイミング信号Ｔ２とを検出し、２つのタイミング信号の立ち上がりエッジの検出時刻差を、遅延時間τとして算出する。
【００６０】
図５は、データ信号Ｄｔを送信しながら遅延時間を検出する方法を示すタイミング図である。図５においても、横軸は時間を表し、縦軸は信号の振幅を示す。
【００６１】
データ信号Ｄｔ及び第１のタイミング信号Ｔ１が加算される場合に、遅延時間を検出するため、タイミング信号発生部３３には、次の２つの特徴がある。
【００６２】
第１に、タイミング信号発生部３３は、第１のタイミング信号Ｔ１のパルス幅がデータ信号Ｄｔのパルス幅より小さくなるように、第１のタイミング信号Ｔ１を生成する。この理由は、データ信号Ｄｔの振幅と第２のタイミング信号Ｔ２の振幅とを区別するためである。
【００６３】
第２に、タイミング信号発生部３３は、振幅の異なる複数のパルス信号の組み合わせを繰り返し生成する。この理由は、第１のタイミング信号Ｔ１と第２のタイミング信号Ｔ２との比較対象を特定するためである。
【００６４】
遅延時間算出部１８は、第１のタイミング信号Ｔ１及び第２のタイミング信号Ｔ２のピーク値を検出し、２つのピーク値の時刻差を遅延時間τとして算出することができる。
【００６５】
本実施の形態のように、光送信装置１及び光受信装置２間の距離を推定するために、光受信装置２からの反射光信号ＯＳｒを利用する場合、光受信装置２に別段の回路部品等を組み込むことなく、光送信装置１の構成によって実現することができる点で利点がある。ただし、距離を推定するために必要な情報を光受信装置２から光送信装置１へとフィードバックする方法は、上記の遅延時間を利用する方法に限定されるわけではない。距離推定方法のバリエーションについては、後続の実施の形態において説明する。
【００６６】
＜３．制御部による制御電圧調整＞
遅延時間算出部１８は、算出された遅延時間を示す遅延信号Ｄｌを生成し、遅延信号Ｄｌを制御部７に出力する。以下では、制御部７が遅延信号に基づいて、拡散液体レンズ３０に印加する制御電圧を調節する方法について説明する。
【００６７】
図６は、図１に示されるメモリ部３７が保持する制御情報を示す図である。
【００６８】
制御情報は、遅延信号Ｄｌによって表される遅延時間の値τ１〜τ３と、遅延時間の値τ１〜τ３の各々について予め定義される制御電圧Ｖ１〜Ｖ３とを含む。更に、図６には、説明を容易にするために、制御電圧Ｖ１〜Ｖ３が印加されたときの拡散液体レンズ３０の界面の曲率半径ｒ１〜ｒ３が示されている。
【００６９】
制御部７は、遅延時間算出部１８から出力される遅延信号Ｄｌと、メモリ部３７に記憶される制御情報とに基づいて、拡散液体レンズ３０の駆動部３１に印加する制御電圧を調節する。印加される制御電圧に応じて、拡散液体レンズ３０の界面の曲率が変化するので、第２の光信号ＯＳ２の拡がり角が変化する。
【００７０】
以上説明したように、本実施形態に係る光送信装置１は、発光素子３から出力された第１の光信号ＯＳ１を拡散液体レンズ３０によって拡散させ、拡散液体レンズ３０の界面の曲率に応じた拡がり角を有する第２の光信号ＯＳ２を出力する。第２の光信号ＯＳ２は、拡散液体レンズ３０の界面の全体から出射される分散光と見なすことができるので、発光素子３の出力光パワーを大きくすることができる。その結果、光送信装置１が光信号を伝送することができる距離を大きくできる。
【００７１】
また、拡散液体レンズ３０から出力される光の放射強度分布は、光軸からの距離に依存して大きく変化しないので、光送信装置１及び光受信装置２の光軸同士を厳密に調整する必要がなく、利用者の利便性が向上する。
【００７２】
更に、タイミング信号発生部３３において生成された第１のタイミング信号Ｔ１と、反射光信号ＯＳｒから検出された第２のタイミング信号Ｔ２との時間差に基づいて、第２の光信号ＯＳ２の伝搬面積が可能な限り小さくなるように、拡散液体レンズ３０の界面の曲率が調節される。したがって、光送信装置１及び光受信装置２の実際の使用環境（例えば、設置位置や設置距離）に基づいて、光受信装置２に入射する光信号のパワーを適応的に最適化することができる。
【００７３】
（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２に係る光送信装置の構成を示すブロック図である。
【００７４】
本実施の形態に係る光送信装置１は、実施の形態１に係る光送信装置１の構成に加えて、更に、伝送速度変更部２８を備える。伝送速度変更部２８は、送信すべきデータ信号Ｄｔを受け取り、データ信号Ｄｔの伝送速度を変更する。伝送速度変更部２８は、データ信号Ｄｔの伝送速度の変更と共に、タイミング信号の発生間隔の変更を指示するタイミング変更信号Ｃｔをタイミング信号発生部３３に出力する。
【００７５】
図８は、図７に示される加算部３４に供給されるデータ信号及びタイミング信号を示すタイミング図である。
【００７６】
図８（ａ）を参照して、伝送速度変更部２８が伝送速度Ｒ１でデータ信号Ｄｔを出力する場合、タイミング信号発生部３３は、同一の振幅を有するパルス同士の間隔がｔ１となるように、タイミング信号を生成する。
【００７７】
次に、図８（ｂ）を参照して、伝送速度変更部２８が伝送速度をＲ１からＲ２（Ｒ２＜Ｒ１）へと変更する場合、タイミング変更信号Ｃｔをタイミング信号発生部３３に出力する。タイミング信号発生部３３は、タイミング変更信号Ｃｔに基づいて、同一の振幅を有するパルス同士の間隔をｔ１からｔ２（ｔ２＞ｔ１）に変更する。
【００７８】
本実施形態に係る光送信装置１によれば、タイミング信号の発生間隔を変更することができるので、光送信装置１及び光受信装置２間の距離に応じて、遅延時間算出部１８において検出可能な遅延時間の幅を増減することが可能となる。
【００７９】
（実施の形態３）
図９は、本発明の実施の形態３に係る光伝送システムの構成を示すブロック図である。本実施の形態に係る光伝送システムの基本的な構成は実施の形態１に係るものと同様であるので、以下においては、本実施の形態と実施の形態１との相違点を中心に説明する。
【００８０】
本実施形態に係る光送信装置１は、実施の形態１（図１）に示される反射光受信部１７及び遅延時間算出部１８の代わりに、受光素子３９を備える。また、光受信装置２は、実施の形態１（図１）に示される反射部１６の代わりに、発光部１２を備える。発光部１２が出力する光の波長は、光送信装置１の発光素子３が出力する光の波長と異なっている。
【００８１】
光送信装置１と光受信装置２とが通信を開始する際（例えば、光送信装置１及び光受信装置２の起動時）、光受信装置２の発光部１２は、光信号ＯＳ３を出力する。これに対し、光送信装置１において、受光素子３９は、光信号ＯＳ３のパワーに応じた電気信号ＥＳ３を生成し、電気信号ＥＳ３を制御部７に出力する。
【００８２】
制御部７は、受光素子３９から出力された電気信号ＥＳ３に基づいて、拡散液体レンズ３０に印加する制御電圧を調節する。より詳細には、光送信装置１及び光受信装置２間の距離と、光信号ＯＳ３の受光パワー（電気信号ＥＳ３のレベル）と、第２の光信号ＯＳ２の最適な拡がり角との関係は、予め測定によって求めることができる。そこで、制御部７は、電気信号ＥＳ３のレベル毎に予め定義された制御電圧を拡散液体レンズ３０に印加する。この結果、拡散液体レンズ３０の界面の曲率が変化し、第２の光信号ＯＳ２の最適な拡がり角が設定される。
【００８３】
例えば、光送信装置１及び光受信装置２間の距離が、図９に示される距離Ｄより大きくなると、光送信装置１内の受光素子３９に入射する光信号ＯＳ３のパワーが低下するので、電気信号ＥＳ３のレベルは小さくなる。制御部７は、電気信号ＥＳ３のレベルに応じて、拡散液体レンズ３０に印加する電圧を小さくする。この結果、拡散液体レンズ３０の界面の曲率半径が小さくなり、第２の光信号ＯＳ２の拡がり角を小さくすることができる。
【００８４】
逆に、光送信装置１及び光受信装置２間の距離が、図９に示される距離Ｄより小さくなると、光送信装置１内の受光素子３９に入射する光信号ＯＳ３のパワーが増加するので、電気信号ＥＳ３のレベルは大きくなる。制御部７は、電気信号ＥＳ３のレベルに応じて、拡散液体レンズ３０に印加する電圧を大きくする。この結果、拡散液体レンズ３０の界面の曲率半径が大きくなり、第２の光信号ＯＳ２の拡がり角を大きくすることができる。
【００８５】
以上のように、本実施の形態に係る光伝送システムによれば、簡易な構成によって、第２の光信号ＯＳ２の拡がり角を最適化することができる。
【００８６】
（実施の形態４）
図１０は、本発明の実施の形態４に係る光伝送システムの構成を示すブロック図である。本実施の形態に係る光伝送システムの基本的な構成は実施の形態１に係るものと同様であるので、以下においては、本実施の形態と実施の形態１との相違点を中心に説明する。
【００８７】
本実施形態に係る光送信装置１は、実施の形態１（図１）に示される反射光受信部１７及び遅延時間算出部１８の代わりに、受光パワー受信部１５を備える。また、光受信装置２は、実施の形態１（図１）に示される反射部１６の代わりに、受光パワー検出部１３と受光パワー送信部１４とを備える。
【００８８】
まず、光受信装置２において、受光素子１０は、光送信装置１から出力された第２の光信号ＯＳ２を電気信号ＥＳｒに変換し、電気信号ＥＳｒを受信回路１１と受光パワー検出部１３とに出力する。受光パワー検出部１３は、電気信号ＥＳｒのレベルを検出する。受光パワー送信部１４は、受光パワー検出部１３によって検出されたレベルに基づき、電気信号ＥＳｒのレベルを示す無線信号ＲＳを出力する。
【００８９】
次に、光送信装置１において、受光パワー受信部１５は、無線信号ＲＳを受信し、無線信号ＲＳによって示される電気信号ＥＳｒのレベル、すなわち、第２の光信号ＯＳ２の受光パワーを示す電気信号を制御部７に出力する。制御部７は、受光パワー受信部１５から出力される電気信号に基づいて、光受信装置２における第２の光信号ＯＳ２の受光パワーが可能な限り大きくなるように、拡散液体レンズ３０に印加する制御電圧を調節する。
【００９０】
以上のように、本実施の形態に係る光伝送システムによれば、簡易な構成によって、第２の光信号ＯＳ２の拡がり角を最適化することができる。
【００９１】
尚、受光パワー送信部１４及び受光パワー受信部１５は、無線通信を行う代わりに、有線通信または光通信を行っても良い。
【００９２】
（実施の形態５）
図１１は、本発明の実施の形態５に係る光伝送システムの構成を示すブロック図である。本実施の形態に係る光伝送システムは、実施の形態１（図１）に示される光送信装置１から遅延時間算出部１８と、タイミング信号発生部３３とが取り除かれたものである。
【００９３】
本実施形態に係る光送信装置１は、実施の形態１と同様に、光受信装置２から反射された反射光ＯＳｒに基づいて、拡散液体レンズ３０の界面の曲率を調節する。ただし、本実施形態においては、拡散液体レンズ３０の制御が、単純に、反射光ＯＳｒのパワーに基づいて行われる。
【００９４】
光受信装置２から出力される反射光ＯＳｒのパワーと、光送信装置１及び光受信装置２間の距離との関係は、予め測定によって求められる。すなわち、光送信装置１及び光受信装置２間の距離が大きくなるにつれて、反射光受信部１７によって検出される反射光ＯＳｒのパワーは低下する。そこで、制御部７は、反射光受信部１７から出力される電気信号のレベル毎に予め定義された制御電圧を拡散液体レンズ３０に印加する。
【００９５】
以上のように、本実施の形態に係る光伝送システムによれば、簡易な構成によって、第２の光信号ＯＳ２の拡がり角を最適化することができる。
【００９６】
（実施の形態６）
図１２は、本発明の実施の形態６に係る光伝送システムの構成を示すブロック図である。
【００９７】
本実施の形態に係る光伝送システムは、送信回路４と、発光素子３と、拡散部４０と、制御部７とを備える光送信装置１と、実施の形態１に係るものと同一の光受信装置２とから構成されている。以下では、本実施の形態に係る光送信装置１に特徴的な拡散部４０を中心に説明する。
【００９８】
拡散部４０は、可撓性を有するシート形状の材料よりなり、光を散乱する物質が混合された拡散板５と、拡散板５の外周の一部と、当該一部と対向する他の一部とを押圧する少なくとも一対の圧電素子６ａ及び６ｂとを備える。
【００９９】
拡散板５は、発光素子３から出射された光を散乱させ、その表面の全体から放射する。圧電素子６ａ及び６ｂは、制御部７から印加される制御電圧に応じて、互いに近づく方向に拡散板５を押圧する。拡散板５は、圧電素子６ａ及び６ｂによる押圧に従って、第１の光信号ＯＳ１の進行方向に凸の曲面を形成する。したがって、拡散部４０は、実施の形態１に係る拡散液体レンズ３０と同様に、拡散板５の曲率に応じた拡がり角を有する第２の光信号ＯＳ２を出力することができる。
【０１００】
図１３は、拡散板の具体例を示す平面図である。
【０１０１】
拡散板５は、矩形あるいは円形シート状の材料の一部を切り欠くことによって形成されている。より特定的には、拡散板５は、矩形あるいは円形シート状の第１のシート部４１と、第１のシート部４１の外周縁に一体的に接続され、第１のシート部４１の中心から放射状に延びる複数の第２のシート部４２とを備える。
【０１０２】
尚、拡散板５の形状は、図１３の例に限定されるものではなく、所定の曲面を形成することができるものであれば良い。ただし、図１３に示される例のように、拡散板５の形状が対称性を有していれば、第２の光信号ＯＳ２の拡がりを対称にできる点で利点がある。
【０１０３】
拡散板５の材料として、透明な樹脂材料（例えば、スチレン系特殊樹脂）に、当該樹脂材料とは屈折率の異なる微細な粒状透明材料（例えば、石英ガラス）を混合したものを用いることができる。
【０１０４】
図１４は、図１２に示される圧電素子６ａ及び６ｂを示す模式図である。
【０１０５】
圧電素子６ａ及び６ｂは、制御部７から印加される制御電圧に応じた移動量だけ、拡散板５の外周縁を移動させる。本実施の形態においては、当該素子６ａ及び６ｂは、積層型圧電素子によって実現されている。積層型圧電素子６ａ及び６ｂは、圧電素子を複数積層することによって構成され、図１４に矢印で示されるように、印加される電圧に応じて、圧電素子が積層される方向に伸縮する性質を備える。
【０１０６】
ここで、拡散部４０の具体的な動作について説明する。
【０１０７】
図１５は、図１３（ａ）に示される拡散板を有する拡散部の動作を示す平面図及び正面図である。また、図１６は、図１５に対応する斜視図である。尚、図１６においては、固定部８ａ及び８ｂの記載が省略されている。
【０１０８】
図１５（ａ）に示されるように、拡散板５の第２のシート部４２ａ及び４２ｃは、固定部８ａ及び８ｂに固定され、移動が阻止されている。また、一対の圧電素子６ａ及び６ｂは、第２のシート部４２ｂ及び４２ｄの外周縁の一部に沿って、互いに対向するように配置されている。
【０１０９】
圧電素子６ａ及び６ｂに制御電圧が印加される前は、拡散板５は平坦な状態である（図１５（ａ）及び１６（ａ））。圧電素子６ａ及び６ｂの各々に制御電圧が印加されると、圧電素子６ａ及び６ｂは、互いに近づくように伸長して、第２のシート部４２ｂ及び４２ｄを押圧する。圧電素子６ａ及び６ｂによる押圧に従って、第１のシート部４１が突出するように拡散板５が曲面状に変形する（図１５（ｂ）及び１６（ｂ））。この結果、圧電素子６ａ及び６ｂに印加された電圧の大きさに応じた曲率を有する曲面が形成される。
【０１１０】
尚、上記の例では、第２のシート部４２ａ及び４２ｃは、固定部８に固定されているが、第２のシート部４２ａ及び４２ｃの各々を押圧する圧電素子が更に設けられても良い。
【０１１１】
図１７は、図１３（ｂ）に示される拡散板を有する拡散部の動作を示す平面図及び正面図である。また、図１８は、図１７に対応する斜視図である。尚、図１８においては、アクチュエータ９の記載が省略されている。
【０１１２】
図１７（ａ）を参照して、拡散板５の複数の第２のシート部４２は、印加される制御電圧に従って伸縮駆動するアクチュエータ９によって制御されても良い。
【０１１３】
アクチュエータ９に電圧が印加される前は、拡散板５は平坦である（図１７（ａ）及び１８（ａ））。アクチュエータ９の各々に制御電圧が印加されると、圧電素子６は、互いに近づくように伸長して、第２のシート部４２の各々を、第１のシート部４１の中央に向かってを押圧する。アクチュエータ９による押圧に従い、第１のシート部４１が突き出され、拡散板５がドーム状に変形する（図１７（ｂ）及び１８（ｂ））。この結果、アクチュエータ９に印加された電圧の大きさに応じた曲率を有する曲面が形成される。
【０１１４】
以上のように、本実施の形態に係る光送信装置１は、発光素子３から出射された第１の光信号ＯＳ１を拡散し、かつ、制御部７から印加される電圧に応じた曲率を有する曲面を形成する拡散部４０を備える。したがって、本実施の形態に係る光送信装置１は、第１の実施の形態に係るものと同様の効果を奏することができる。
【０１１５】
尚、本実施の形態では、拡散板５の曲率を変化させる駆動装置として、積層型圧電素子６ａ及び６ｂ、または、アクチュエータ９が用いられているが、電気信号で拡散板５の曲率を制御することができる他の装置が用いられても良い。
【０１１６】
（実施の形態７）
図１９は、本発明の実施の形態７に係る光送信装置の一部を示す模式図である。
【０１１７】
図１９を参照して、光送信装置１は、発光素子３と、光を散乱させる散乱物質を含む４つの拡散板２１〜２４と、拡散板２１〜２４の各々を同一平面上に保持する回転板２５と、回転板２５をその中心軸の周りに回転させる回転駆動部２６と、制御部７とを備える。拡散板２１〜２４に混合される散乱物質の量は、拡散板２１〜２４の順に増加する。
【０１１８】
図２０は、図１９に示される４つの拡散板と、光の拡がり角との関係を示す図である。
【０１１９】
拡散板２１〜２４の各々は、拡散物質を含むため、発光素子３から出射された光を拡散させる。光の拡散の程度は、混合されている拡散物質の量に応じて、拡散板２１〜２４の順に増加するので、出力光の拡がり角は、図２０（ａ）〜２０（ｄ）に示されるように変化する。
【０１２０】
再度図１９を参照して、本実施形態に係る光送信装置１は、制御部７から出力される制御信号に基づいて、拡散板２１〜２４のいずれか１つが発光素子３の出射面に対向するように、回転板２５を回転させる。よって、本実施形態に係る光送信装置１によれば、複数の拡散板を切り替えることによって、光信号の拡がり角を変化させることができる。
【０１２１】
尚、本実施の形態においては、回転板２５に４つの拡散板２１〜２４が取り付けられているが、拡散板の数は、３以下または５以上であっても良い。
【０１２２】
更に、上記の各実施の形態では、光送信装置１は、１つの発光素子を備えているが、複数の発光素子を備えていても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１２３】
本発明は、例えば、自由空間を通じて光信号を伝送する光伝送システムに有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る光伝送システムのブロック図
【図２】図１に示される拡散液体レンズを示す模式図
【図３】ズームレンズ及び拡散液体レンズのそれぞれの放射強度分布を示す図
【図４】データ信号Ｄｔを送信する前に遅延時間を検出する方法を示すタイミング図
【図５】データ信号Ｄｔを送信しながら遅延時間を検出する方法を示すタイミング図
【図６】図１に示されるメモリ部が保持する制御情報を示す図
【図７】本発明の実施の形態２に係る光送信装置の構成を示すブロック図
【図８】図７に示される加算部に供給されるデータ信号及びタイミング信号を示すタイミング図
【図９】本発明の実施の形態３に係る光伝送システムの構成を示すブロック図
【図１０】本発明の実施の形態４に係る光伝送システムの構成を示すブロック図
【図１１】本発明の実施の形態５に係る光伝送システムの構成を示すブロック図
【図１２】本発明の実施の形態６に係る光伝送システムの構成を示すブロック図
【図１３】拡散板の具体例を示す平面図
【図１４】図１２に示される圧電素子を示す模式図
【図１５】図１３（ａ）に示される拡散板を有する拡散部の動作を示す平面図及び正面図
【図１６】図１５に対応する斜視図
【図１７】図１３（ｂ）に示される拡散板を有する拡散部の動作を示す平面図及び正面図
【図１８】図１７に対応する斜視図
【図１９】本発明の実施の形態７に係る光送信装置の一部を示す模式図
【図２０】図１９に示される４つの拡散板と、光の拡がり角との関係を示す図
【図２１】光軸調整機能を有する光空間伝送装置の例を示す図
【図２２】従来の光伝送装置の概略構成を示す図
【符号の説明】
【０１２５】
１  光送信装置
２  光受信装置
３  発光素子
４  送信回路
７  制御部
１０  受光素子
１１  受信回路
３０  拡散液体レンズ
３１  駆動部
３３  タイミング信号発生部
３４  加算部
３６  散乱物質
３７  メモリ部
３８  伝送速度変更部
【図１】
2007068157.tif 000003
【図２】
2007068157.tif 000004
【図３】
2007068157.tif 000005
【図４】
2007068157.tif 000006
【図５】
2007068157.tif 000007
【図６】
2007068157.tif 000008
【図７】
2007068157.tif 000009
【図８】
2007068157.tif 000010
【図９】
2007068157.tif 000011
【図１０】
2007068157.tif 000012
【図１１】
2007068157.tif 000013
【図１２】
2007068157.tif 000014
【図１３】
2007068157.tif 000015
【図１４】
2007068157.tif 000016
【図１５】
2007068157.tif 000017
【図１６】
2007068157.tif 000018
【図１７】
2007068157.tif 000019
【図１８】
2007068157.tif 000020
【図１９】
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【図２０】
2007068157.tif 000022
【図２１】
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【図２２】
2007068157.tif 000024