JP2005102171A - 光信号受信装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 より広い角度範囲から信号光を効率よく受光することが可能な受光装置を提供する。
【解決手段】 光信号受信装置は、例えば家庭の部屋内にチューナやインターネットに接続された端末装置などの光信号送信装置を配置し、そこから送信される光信号を受信して、TVなどの映像機器やアンプ、スピーカなどを備えるオーディオ機器へ映像情報や音声情報を供給する。光信号受信装置は、光信号を集光レンズで受光素子上に集光する光学系を備える。ここで、受光素子は集光レンズの集光点よりも集光レンズ側に設けられ、かつ、前記集光レンズは、前記集光レンズの光軸に対して所定角度範囲内で傾斜して入射した入射光の受光素子配置平面における強度分布を受光素子上に強く分布させる非球面形状を有する。これにより、集光レンズに対して広範囲から入射する光信号を所定の受光強度で受光することが可能となる。
【選択図】 図3
Description
本発明は、高周波変調光信号などの光信号を受信する光信号受信装置に関する。
LEDその他の光デバイスを用い、情報を光変調して送受信する技術が知られている。そのような光信号通信を家庭用の端末装置やAV機器などに適用することが考えられている。例えば、家庭の部屋内にチューナやインターネットに接続された端末装置などを配置し、そこからTVなどの映像機器やアンプ、スピーカなどを備えるオーディオ機器へ映像情報や音声情報を送信し、再生することが可能である。
部屋の隅や機器の近くに光送信装置及び光受信装置を配置し、映像情報や音声情報により変調した信号光を受信する場合、信号が高速になればなるほど天井や壁などによる散乱光ではなくて直接光の受信が必要になり、光送信装置の位置と受光装置の受光可能角度との相対関係が微妙になってしまう。よって、光受信装置の光学系においては、受光する信号光の入射角度に応じて受光強度が異なってしまい、入射角度によっては十分な受光強度が得られなくなるという問題がある。
広い入射角度から来る信号光に対して受光効率の高い角度範囲を拡大する方法としては、光受信装置の光学系に複数の光センサ(受光素子)を設けることが考えられる。しかし、複数の光センサを設けると、光センサ全体の電気的容量が増大するので周波数特性が低下し高速伝送性能が落ちてしまう(伝送容量が下がってしまう)。また、複数の光センサは異なる位置に配置されるため、受光信号の位相の調整が必要となる。複数の光センサを利用する方法には、このようにいくつかの不具合がある。
本発明が解決しようとする課題には、上記のようなものが例として挙げられる。本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、より広い角度範囲から信号光を効率よく受光することが可能な光信号の受信装置を提供することを課題とする。
請求項1に記載の発明は、光信号を集光レンズで受光素子上に集光して受信する光信号受信装置であって、前記受光素子は前記集光レンズの集光点よりも前記集光レンズ側に配置され、前記集光レンズは、前記集光レンズの光軸に対して所定角度範囲内で傾斜して入射した入射光の受光素子配置平面における強度分布を受光素子上に強く分布させる非球面形状を有することを特徴とする。
本発明の1つの好適な実施形態では、光信号を集光レンズで受光素子上に集光して受信する光信号受信装置は、前記受光素子は前記集光レンズの集光点よりも前記集光レンズ側に配置され、前記集光レンズは、前記集光レンズの光軸に対して所定角度範囲内で傾斜して入射した入射光の受光素子配置平面における強度分布を受光素子上に強く分布させる非球面形状を有する。
この光信号受信装置は、例えば家庭の部屋内にチューナやインターネットに接続された端末装置などの光信号送信装置を配置し、そこから送信される光信号を受信して、TVなどの映像機器やアンプ、スピーカなどを備えるオーディオ機器へ映像情報や音声情報を供給する。光信号受信装置は、光信号を集光レンズで受光素子上に集光する光学系を備える。ここで、受光素子は集光レンズの集光点よりも集光レンズ側に設けられ、かつ、前記集光レンズは、前記集光レンズの光軸に対して所定角度範囲内で傾斜して入射した入射光の受光素子配置平面における強度分布を受光素子上に強く分布させる非球面形状を有する。これにより、集光レンズに対して広範囲から入射する光信号を所定の受光強度で受光することが可能となる。これは、光信号受信装置を部屋の隅などに設置し、部屋の壁や天井方
向などを含む広角度範囲から入射する光信号を受光するのに適している。
向などを含む広角度範囲から入射する光信号を受光するのに適している。
上記の集光レンズは、円弧を偶数次補正して得られる2つの曲線を各々の頂点を一致させて相互に直交させて配置し、前記2つの曲線のうち一方の曲線を他方の曲線に沿って平行移動することにより規定される非球面を有することで実現する。2つの曲線は、前記集光レンズの1つの径方向をX軸方向、前記1つの径方向に垂直な他の径方向をY軸方向、前記集光レンズの光軸方向をZ軸方向としたとき、それぞれX方向及びY方向に延びる曲線として規定される。
また、上記の光信号受信装置は、前記集光レンズと前記受光素子の間に配置された、前記集光素子による前記光信号の受光角度範囲を拡大する別の集光レンズをさらに備えることができる。この別の集光レンズを設けることにより、光信号の受光角度範囲をさらに拡大することが可能となる。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例について説明する。
まず、受信装置の光学系に球面レンズを使用した場合の受光強度分布について説明する。図1(a)に、球面レンズを使用した光学系の一例を示す。図1(a)において、球面レンズ50の焦点距離はfであり、球面レンズ50の光軸52上で焦点位置から所定距離dだけ前方又は後方へシフトした位置に光センサなどの受光素子51が配置される。なお、この光学系においては、図1(a)及び(b)に示すように、紙面に垂直な方向にX軸をとり、図中の縦方向にY軸をとり、球面レンズ50の光軸52の方向にZ軸をとることとする。
図1(a)に示す位置に配置された受光素子51に入射する入射光の受光強度特性(3次元特性)55の概略を等高線図により図2(a)及び(b)に示す。受光強度特性55は各々が所定の受光強度に対応する複数の等高線56により示されている。また、図2(a)及び(b)において、X軸及びY軸上の数値は、それぞれ図1に示したX軸及びY軸方向における入射光の光軸52に対する角度を示す。即ち、水平方向角度及び垂直方向角度がともに0に対応する点の受光強度が、図1に示す球面レンズ50の光軸52に平行に入射する光の受光強度を示す。
図2(a)の例では、光軸52上に平行な入射光が最も受光強度が高く、光軸52に対する入射角がX軸方向及びY軸方向に大きくなるにつれて、受光強度は急激に低下する。つまり、光軸52に対する入射角が小さい入射光(例えば図1(a)における入射光54)ほど受光素子51による受光強度が高く、光軸に対する入射角が大きい入射光(例えば図1(a)における入射光53)は受光素子51による受光強度が小さくなる。
また、図2(b)の例では、受光強度のピークが所定の入射角にある。つまり、X軸方向、Y軸方向とも、光軸に対して平行な入射光からその入射角の入射光までは受光強度が増加するが、その入射角を超えると図1(a)の例と同様に受光強度は低下していく。
図2(a)の例では、光軸52に対する入射光の入射角が大きいほど受光強度が低下してしまう。また、図2(b)の例では受光強度のピーク点に対応する所定の入射角までは受光強度は比較的フラットな特性を維持するが、その入射角を超えると受光強度が低下してしまう。つまり、光軸52に対する入射角が一定以上になると、受光強度は急激に低下してしまう。
また、図2(a)及び(b)の例では、受光強度分布特性の等高線がほぼ円形となっている。前述のように受光装置を部屋の隅などに配置する場合、受光装置の光学系に入射する信号光の入射角の分布、すなわち、送信側光源の方向は、円形というよりはむしろ矩形にちかい分布を有する。従って、入射角依存特性が円形である光学系では、信号光を十分に受光することが難しい。
図3に、上記の点を改良した、本発明の実施例にかかる光学系の構成を示す。図3に示す光学系は、前述の受信装置などに適用されるものであり、本発明を適用した集光レンズ10を備える。なお、図3におけるX軸、Y軸及びZ軸は図1(a)及び(b)において規定したものと同様である。
受光素子11は、光軸52上で、集光レンズ10の集光位置、即ち焦点位置12よりも集光レンズ10側に距離Dだけシフトして配置される。これにより、受光素子11により受光可能な入射光の角度範囲が増大する。
集光レンズ10は、出射側(図中右側)の面10a及び入射側の面10bがともに非球面形状であり、集光レンズ10の光軸52に対して所定角度範囲内で傾いて入射した入射光の受光素子配置平面における強度分布を受光素子11上に強く分布させるように形成される。図3において、集光レンズ10の光軸52と平行に入射する光が入射光15であり、光軸52に対して所定角度αだけ傾斜して入射した光が入射光16で示されている。このように、光軸52に対して傾斜して入射された入射光の受光素子配置平面における強度分布を受光素子11上に強く分布させるように、集光レンズ10の形状、即ち集光レンズ10の両方の非球面10a及び10bの形状が決定される。なお、集光レンズ10の形状の具体例については後述する。
図4(a)〜(c)は、一般的な球面レンズに対して、図3(a)に示す入射光16の光軸52に対する傾斜角αを0°、10°、20°とした場合の、受光素子11における受光強度を示す。即ち、図3(a)において集光レンズ10の代わりに通常の球面レンズを配置した場合の受光素子11上における入射光の受光強度を示す。図4(a)〜(c)において、横軸は受光素子配置平面における受光素子11の中心位置の、光軸52からのずれの距離(図3(b)における距離SF、以下、これを「ズレ量」とも呼ぶ。)を示している。すなわち、本来光軸52上にあるべき受光素子11の中心を光軸に直交するX−Y平面内で光軸52からXまたはY方向にズレ量SFだけずらした場合の受光強度をこのグラフは示している。
図4(a)では、入射光の傾斜角α=0°であり、受光素子11の中心をX又はY方向に約−18〜18mmの範囲でずらした場合でも必要な受光強度で入射光を受光できることを示している。受光素子11のズレ量SF=約−18mm及び18mmの位置にに受光強度のピークがある。
図4(b)では、入射光の傾斜角α=10°であり、受光素子11の中心をX又はY方向に約−20〜10mmの範囲でずらした場合でも必要な受光強度で入射光を受光できることを示している。受光素子11のズレ量SF=約−20mm及び10mmの位置に受光強度のピークがある。
図4(c)では、入射光の傾斜角α=20°であり、受光素子11の中心をX又はY方向に約−17〜8mmの範囲でずらした場合でも必要な受光強度で入射光を受光できることを示している。受光素子11のズレ量SF=約−17mm及び8mmの位置に受光強度のピークがあるが、ズレ量SF=8mm付近のピークにおける受光強度は、ズレ量SF=−17mm付近のピークにおける受光強度よりかなり小さい。
図4(a)〜(c)において、受光素子11が良好に入射光を受光することができる位置(以下、「最適受光位置」と呼び、図4中符号「CE」で示す)はほぼ各特性の面積を2分する位置により示される。図4(a)においては、ズレ量SF=0mmの位置を中心としてほぼ左右対称の特性であるので、最適受光位置CEはズレ量SF=0mmの位置、即ち光軸52上にある。一方、図4(b)においては最適受光位置CEはズレ量SF=約−5mmの位置付近になり、図4(c)においてはズレ量SF=約−8mmの位置付近になる。このように、球面レンズを使用した場合、球面レンズに対する入射光の傾斜角αを0°〜20°へと変化させると、受光素子11が配置されたX−Y平面上における最適受光位置CEはズレ量SF=−5mm、−8mmというように、光軸上から負の方向、即ち傾斜角αと逆の方向へ変化していく。しかしながら、実際の受信装置においては、受光素子11は光軸52上、即ち、ズレ量SF=0の位置に配置される。よって、球面レンズに対する入射光の傾斜角αが大きくなるほど受光素子11による受光強度が低くなる。つまり、球面レンズに対して外側から大きな傾斜角で入射する光ほど受光素子11で受光しにくくなる。
次に、本発明による集光レンズ10を用いた場合の同様の特性を図5(a)〜(c)に示す。図5(a)〜(c)は、集光レンズ10に対して、図3に示す入射光16の光軸52に対する傾斜角αを0°、10°、20°とした場合の、受光素子11における受光強度を示す。図4(a)〜(c)と同様に、図5(a)〜(c)において横軸は受光素子11の配置平面における光軸52からのズレ量SFを示している。
図5(a)では、入射光の傾斜角α=0°であり、受光素子11の中心をX又はY方向に約−20〜20mmの範囲でずらした場合でも必要な受光強度で入射光を受光できることを示している。また、受光素子11のズレ量SF=約−20〜20mmの範囲内では受光強度はほぼ一定である。よって、最適受光位置CEはほぼズレ量SF=0、即ち光軸上にある。
図5(b)では、入射光の傾斜角α=10°であり、受光素子11の中心をX又はY方向に約−25〜15mmの範囲でずらした場合でも必要な受光強度で入射光を受光できることを示している。また、受光素子11のズレ量SF=−25mm側には受光強度の大きなピークは存在せず、ズレ量SF=15mmの付近に受光強度の大きなピークがあるため、最適受光位置CEはほぼズレ量SF=0、即ち光軸上に維持される。
図5(c)では、入射光の傾斜角α=20°であり、受光素子11の中心をX又はY方向に約−25〜8mmの範囲でずらした場合でも必要な受光強度で入射光を受光できることを示している。また、受光素子11のズレ量SF=−25mm側には受光強度の大きなピークは存在せず、ズレ量=8mmの付近に受光強度の大きなピークがあるため、最適受光位置CEはほぼズレ量=0、即ち光軸52上に維持される。
このように、本発明の非球面型集光レンズ10を用い、受光素子11を集光レンズ10よりに配置することにより、入射光の傾斜角αが変化しても、入射光の最適受光位置CE、即ち入射光を必要な受光強度で受光することができる位置をズレ量SF=0付近、即ちほぼ光軸52上に維持することができるので、集光レンズ10に対して広い角度で入射する入射光を十分な強度で受光することが可能となる。
図6(a)に集光レンズ10に対する入射光の受光素子11上における受光強度分布を3次元の等高線図で示す。なお、X軸及びY軸の定義は図1と同様である。また、図6(b)は図6(a)に示す等高線図を上方から見た図を示す。図示のように、受光強度はX軸方向及びY軸方向の傾斜角=0の位置を中心として受光強度が比較的フラットな領域70を有する。図2と比較すると理解されるように、集光レンズ10によれば光軸に対して垂直及び水平方向に入射角が多少ずれた場合でも、受光強度が大きく低下しないことを示している。
次に、集光レンズ10の作製方法について説明する。集光レンズ10は、円弧から偶数次補正した曲線に基づいて作製することができる。集光レンズ10の作製方法を図7に模式的に示す。なお、図7においてX軸、Y軸及びZ軸は図3に示すのと同方向に規定される。
まず、図7(a)に示すように、Y軸方向に延びる所定長さの曲線30を規定する。この曲線は、円弧を偶数次補正(2次、4次、6次、...)することにより規定される。曲線30は、頂点30aを有する。次に、図7(b)に示すように、この曲線30と同一形状の曲線であってX軸方向に延びる曲線35を規定する。曲線35は、曲線30の頂点30aに対応する頂点35aを有する。
次に、図7(c)に示すように、頂点30aと頂点35aとが一致するように曲線30及び35を直交させ、図7(d)に示すように曲線35をY軸の正負の方向(図の上下方向)に曲線30に沿って平行移動する。これにより、図7(e)に示すように非球面37が規定される。集光レンズ10は、こうして作製された非球面を入射側面10b及び出射側面10aに有する。なお、入射側面10bと出射側面10bの非球面は、曲線30及び35の形状を異ならせることにより、異なる形状の非球面として形成される。
なお、上記方法は、Y軸方向に延びる曲線30と同一形状の曲線35をY軸方向に沿って平行移動することにより非球面を形成しているが、その逆に、X軸方向に延びる曲線と同一形状の曲線をX軸方向に沿って平行移動することにより非球面を形成することもできる。
図8に、上記の方法に従って作製された集光レンズの例を示す。この例では、Y方向に延びる曲線30の形状は式1により規定される。
ここで、Cは非球面の曲率を示し、kは非球面の形状を規定する係数である。
なお、式1においてZの値はY2の関数であり、式1は円弧を2次で補正した曲線30を示している。円弧を4次、6次などで補正した曲線の式は、式1にY2、Y4などの項を有し、それら各項に係数k(k1、k2、...)が乗算されることになる。また、X軸方向の曲線35もXに関する同様の式2により規定される。
図8に示す集光レンズ10の例における各値は以下の通りであり、Y軸方向もX軸方向も同一である。
・レンズ幅:70mm
・屈折率:1.41
・入射側非球面の曲率Cin:40mm-1
・入射側非球面の形状係数:−1
・出射側非球面の曲率Cout:50mm-1
・出射側非球面の形状係数:−5
・レンズ厚さ:15mm
・受光位置:レンズの入射側面から50mm(図8の受光素子11の位置)
この集光レンズ例について、図8に示す位置に受光素子11を配置し、集光レンズ10に対して入射角α=20°(図3参照)で入射させた光の受光強度を図9に示す。図5(c)に示す例と同様に、受光強度分布の中央、即ち、最適受光位置CEはズレ量SF=0付近にあることがわかる。
・屈折率:1.41
・入射側非球面の曲率Cin:40mm-1
・入射側非球面の形状係数:−1
・出射側非球面の曲率Cout:50mm-1
・出射側非球面の形状係数:−5
・レンズ厚さ:15mm
・受光位置:レンズの入射側面から50mm(図8の受光素子11の位置)
この集光レンズ例について、図8に示す位置に受光素子11を配置し、集光レンズ10に対して入射角α=20°(図3参照)で入射させた光の受光強度を図9に示す。図5(c)に示す例と同様に、受光強度分布の中央、即ち、最適受光位置CEはズレ量SF=0付近にあることがわかる。
図10に本発明による受信装置の光学系の応用例を示す。図10に示すように、本発明の集光レンズ10と受光素子11との間に第2の集光レンズ14を配置することができる。この第2の集光レンズ14は球面レンズとすることができる。第2の集光レンズ14により、集光レンズ10により受光した入射光の受光量を改善し、受光角度範囲を拡大することができる。
[受信装置の例]
次に、上記の受信装置の適用例を説明する。図11(a)に本発明の受信装置を適用した光通信システムの基本構成を示す。送信装置100から光変調波101を送信し、これを受信装置200により受信する。
次に、上記の受信装置の適用例を説明する。図11(a)に本発明の受信装置を適用した光通信システムの基本構成を示す。送信装置100から光変調波101を送信し、これを受信装置200により受信する。
図11(b)に、送信装置100及び受信装置200の構成を示す。図示のように、送信装置100は、変調部110と光送信部120とを備える。変調部110には、送信すべきデータが入力され、これを変調して変調波M1Txを生成し、光送信部120へ供給する。光送信部120は、変調波M1Txを光信号に変換し、光変調波101として送信する。
受信装置200は、光受信部220と復調部210とを備える。光受信部220は、光変調波101を受信し、電気信号に変換して変調波M1Rxを生成し、復調部210へ供給する。復調部210は、送信装置100の変調部110の変調方式に応じた復調処理を行い、データを復元する。
図12(a)に、変調部110の構成を示す。変調部110は、変調処理部111と、ルートナイキストフィルタ112と、アップコンバータ113と、D/A変換器114と、スムージングフィルタ115とを含む。データは、変調処理部111により所定の変調がなされ、ルートナイキストフィルタ112により帯域制限がなされた後、アップコンバータ113によりキャリア周波数にアップコンバートされる。キャリア周波数へ変換後の信号はD/A変換器114によりアナログ信号に変換され、ローパスフィルタであるスムージングフィルタにより、D/A変換による折り返し成分などが除去される。こうして、変調波M1Txが生成される。
図13(a)に光送信部120の構成を示す。光送信部120は、電圧電流変換部121と、光デバイス122と、レンズ123を有する。なお、光デバイス122としては、レーザダイオード、LEDとレーザの中間のデバイスであるSLD(スーパールミネッセントダイオード)、LEDなどを使用することができる。電圧電流変換部121は変調波M1Txの電圧を電流に変換し、光デバイス122に通電する電流を生成する。光デバイス122は、生成された電流により駆動されて発光し、光変調波L1を出力する。その光変調波L1はレンズ123により集められて送信される。
図13(b)に光受信部220の構成を示す。光受信部220は、レンズ221と、光デバイス222と、電流電圧変換部223と、アンプ224とを有する。レンズ221は光変調波L1を集光して光デバイス222へ送る。光デバイス222は、受光した光量に応じた電流を出力し、これを電流電圧変換器223が電圧に変換してアンプ224へ供給する。アンプ224は入力された信号を所定の割合で増幅して変調波M1Rxを出力する。本発明の集光レンズ10はこのレンズ221として使用することができる。また、光デバイス222は前述の受光素子11に対応する。受光素子としてはPINフォトダイオード、アバランシェフォトダイオード等を使用することが出来る。
図3(b)に、復調部210の構成を示す。復調部210は、アンチエイリアスフィルタ211と、A/D変換器212と、ダウンコンバータ213と、ルートナイキストフィルタ214と、復調処理部215とを有する。変調波M1Rxはアンチエイリアスフィルタ211に入力され、帯域制限された後、A/D変換器212によりデジタル信号に変換される。そのデジタル信号はキャリア周波数であるので、ダウンコンバータ213によりベースバンドに周波数変換される。そして、ルートナイキストフィルタ214により使用帯域に帯域制限され、復調処理部215により元データが復元される。
以上のようにして、光デバイスを使用して送信装置100から受信装置200へのデータ通信が行われる。
10 集光レンズ
11 受光素子
14 第2の集光レンズ
15、16 入射光
100 送信装置
200 受信装置
11 受光素子
14 第2の集光レンズ
15、16 入射光
100 送信装置
200 受信装置
Claims (4)
- 光信号を集光レンズで受光素子上に集光して受信する光信号受信装置であって、
前記受光素子は前記集光レンズの集光点よりも前記集光レンズ側に配置され、
前記集光レンズは、前記集光レンズの光軸に対して所定角度範囲内で傾斜して入射した入射光の受光素子配置平面における強度分布を受光素子上に強く分布させる非球面形状を有することを特徴とする光信号受信装置。 - 前記集光レンズは、円弧を偶数次補正して得られる2つの曲線を各々の頂点を一致させて相互に直交させて配置し、前記2つの曲線のうち一方の曲線を他方の曲線に沿って平行移動することにより規定される非球面を有することを特徴とする請求項1に記載の光信号受信装置。
- 前記集光レンズと前記受光素子の間に配置され、前記集光素子による前記光信号の受光角度範囲を拡大する別の集光レンズを備えることを特徴とする請求項1に記載の光信号受信装置。
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