JPH09307174A

JPH09307174A - 分散光源装置

Info

Publication number: JPH09307174A
Application number: JP8145019A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Osawa; 康宏大澤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1996-05-15
Filing date: 1996-05-15
Publication date: 1997-11-28

Abstract

(57)【要約】【課題】光源から放射された光の人体に対する影響を
低減させるための方策と構造を持つ光空間伝送向けの発
光装置を提供する。【解決手段】半導体レーザ１２は通常外界の影響をな
くすために、普通は金属パッケージ１１に封入されてい
る。半導体レーザ１２から発した光は、通常ガラス窓で
構成されている光出力窓を透過してそのまま出力され
る。ガラス窓の代わりに拡散板１４を置くことで、点光
源である半導体レーザ１２の光を分散光源化している。
既存の半導体レーザパッケージのままで分散光源を形成
でき、小型化の分散光源が実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光空間伝送用の発
光装置の構造に関し、特に、発光装置が人体に与える影
響を低減する構造をもつ分散光源装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、電気配線、或は、光ファイバーを
用いた有線による光通信システムが実用化され広く用い
られるようになっている。これらの有線伝送システム
は、配線が繁雑になる、断線時の対応を考慮する必要が
ある、など幾つかの問題をもっている。この配線の問題
がない無線伝送システムとして、電波を用いたシステム
と光を用いたシステムがある。電波を用いたシステムで
は電波が壁を抜けて隣の区画にまで到達するなど、秘話
性の点で問題があるため、光を用いた光空間伝送システ
ムである、室内ＡＬＮや短距離接続のためのシステムが
開発・販売されている。

【０００３】現在の光空間伝送システムは、コストと人
体に対する安全性のために発光波長が８００−９００ｎ
ｍの発光ダイオードを発光素子に用いている場合がほと
んどである。しかし、発光ダイオードの変調速度は数十
ＭＨｚ程度が実用上の上限と考えられるため、それ以上
の高速な伝送を行うためには、発光素子として半導体レ
ーザを用いる必要がある。

【０００４】一方、半導体レーザも含めレーザ装置に
は、人体、特に可視光領域では目に対する安全性の観点
から、放射パワーや放射輝度などで制限を設けている
（国際規格はSafety of laser products,IEC Pub,825、
日本の規格はレーザ製品の放射安全基準、JIS-C6802(19
91)等)。これらの規格は近年少しずつ緩和の方向へ向か
っているが、まだレーザを光空間伝送装置を用いること
に対する制限となっている。また、国際規格では、発光
ダイオードもレーザと同等に扱うことになったので、近
い将来JIS規格もこれに沿って改訂されると予想され
る。そうなると、これまで規制のなかった発光ダイオー
ドについても、人体に対する安全性を考慮する必要があ
ると予想される。

【０００５】光空間伝送システムでは、一般に放射され
る光強度が強いほうが、遠くまで高速に受光できること
から、システムに課される条件のもとでなるべく光出力
を大きくしたい要請がある。しかしこれは前述した規制
に触れることになるので、光出力が同じ条件でもなるべ
く人体に安全な放射方法をとる必要がある。

【０００６】図９は、短距離の光空間伝送の例として、
発光ダイオードを用いたパソコン向けのシステム（特開
平６−２２４８５９号公報）を示す図で、光トランシー
バ９０へ、外部からシリアルインターフェース９１を通
して入力された信号は、エンコーダ９２を経由してＬＥ
ＤつきのＩＲトランスミッタ９３から対向する光トラン
シーバのＩＲレシーバ９４に入力され、デコーダ９５で
デコードされてシリアルインターフェース９１から外部
へ伝送される。低消費電力で低コストにまとめるため
に、ＩＲトランスミッタ９３の発光素子には発光波長が
９５０ｎｍの発光ダイオードを用いている。このような
発光ダイオードを用いるシステムでは、発光ダイオード
の変調特性から、数十ＭＨｚ以上の変調を行なえないの
で、比較的低速な伝送レートのシステムには向いている
が、今後、普通に使われるようになるであろう、１００
−１５６Ｍbpsの有線の高速ＬＡＮの伝送速度には追い
けけないと予想される。

【０００７】図１０は、光空間伝送システムの例とし
て、室内ＬＡＮ向けのシステム（特開平６−２２４８５
８号公報）を示す。送受信装置１０１Ａ，１０１Ｂには
レンズ付き発光ダイオード（ＬＥＤ）１０２とホトダイ
オード（ＰＤ）１０３が設けられており、各々の装置の
発光ダイオードからキャリア周波数が２５ＭＨｚと３０
ＭＨｚの光信号がやりとりされる。発光素子には発光ダ
イオードを用いているので、数十ＭＨｚ以上の変調を行
なえない制限は上記の例と同じである。たとえ、伝送速
度をこれ以上高くしないとしても、さらに遠くまで光を
伝送できるようにするには、放射パワーを上げる必要が
あるが、これは、将来的に、前述した規制に触れる可能
性があり、無制限に放射パワーを増加できる訳ではな
い。

【０００８】図１１は、中距離の光空間伝送の例とし
て、半導体レーザを用いたシステム（特開平６−２５２
８５０号公報）を示す図で、外部から送信機１１０Ａに
入力された信号は、増幅器１１１を経由してパッケージ
１１２の半導体レーザ１１３で光に変換され、レンズ１
１４でコリメートされる。レーザから出力された光は、
受信機１１０Ｂのレンズ１１５で集光され、バンドパス
フィルタ１１６を経由し受光素子１１７で電気信号に変
換され、増幅器１１８で増幅され外部に取り出される。
発光素子として半導体レーザを用いているので高速に光
を伝送できるが、遠距離まで光を伝送できるように、レ
ーザ光をコリメートしているので、この光が直接目に入
ると危険である。この例では、安全規格に準ずるように
光量の制限を行なっているが、基本的に点光源からのレ
ーザ光は、分散光源より光量制限が厳しい。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
空間光を信号の伝送に用いるシステムにおいては、遠距
離まで光を伝送できるようにレーザ光をコリメートして
いるので、この光が直接目に入ると危険である。

【００１０】本発明は、上述した従来の技術の問題点で
ある光源から放射された光の人体に対する影響を低域さ
せるための方策と構造を持つ光空間伝送向けの発光装置
を提供することを目的とする。また、発光装置全体をコ
ンパクトにまとめる構造を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、点光
源から放射された光を、適当な光学系を用いて分散光源
に変えること，請求項２，３，４の発明は、分散光源化
するために用いる光学系として一般的な拡散板と光源お
よび光学系を集積化したこと，請求項５，６，７，８，
９の発明は、拡散板の構造についても改良を加え、拡散
板の横から光をいれられるように拡散板に厚みを持た
せ、更には、拡散板全体に光を分散させるミラーを、拡
散板の横あるいは中央に組み付けること，を特徴とする
ものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】

（請求項１の発明）点光源から放射された波長がおよそ
４００−１４００ｎｍの光は、角膜を透過し眼底に集光
され１０⁵程度の密度増加が起こるため、放射角が大き
くても目に対して危険度が高いといえる。一方、点光源
ではなくある面積以上の発光面積を持つ分散光源の場合
は、眼底に広がりを持った像として照射されるので、点
光源より、より安全と考えてよい。この両者の差は定性
的なものではなく、光源の全光量、放射角、発光面積な
どに依存して定量的に比較できる。現在のレーザの規格
では、点光源とみなさせ場合と分散光源とみなさせる場
合は、異なる安全基準が設定されている。しかし、同一
の光量であれば、分散光源の方が目に対して安全といえ
る。

【００１３】なお、分散光源の定義は、ＪＩＳ規格ＪＩ
Ｓ６８０１レーザ安全用語で、「限界視角以上の大きさ
の視角をもつレーザ光源」となっており、光源の広がり
角ではなく、測定する人からみてある程度の視角以上の
面光源であることが特徴であることに注意して欲しい。
点光源は分散光源以外の場合で、人間の目の焦点の自動
的な調節作用により、測定者の網膜上のごく小さな点に
集光される光源である。また、現在の所、ＪＩＳ６８０
１の定義には「レーザ光」と記述があるが、国際規格Ｉ
ＥＣＰub.825-1では、「言葉“レーザ”が使われた場合
には、発光ダイオードを含む」という記述があり、今
後、ＪＩＳでもほぼ確実に発光ダイオードの規制を含む
ようになると予想される。

【００１４】点光源か分散光源かどうかは、安全規格の
定義に依存して変わりうるが、特定の距離から光源を見
る視角がある角度（限界視角）を越えているかどうかで
判断される。限界視角は波長依存性を持ち、半導体レー
ザも各種の構造があるが、一般に、半導体レーザから放
出される光は点光源とみなさせるほど小さい。現在は規
制のない発光ダイオードの場合も、いずれ同じ規格の取
り込まれると予想される。発光ダイオードは、一般に、
半導体レーザより発光面積が大きいので、分散光源とみ
なしうる場合もあるが、測定者と光源が離れたり、発光
面積が小さく点光源とみなされる場合は、レーザと同様
に点光源の規格を満たさなくてはならない。

【００１５】規格が変われば、以上の定量的な定義の部
分は変わりうるが、定性的には、光出力が同じ場合は、
点光源より分散光源の方が人体に対して安全なことは変
わらない。そこで、点光源とみなせる光源から放射され
た光を、分散光源化できれば、より人体に対して安全を
確保できることがわかる。

【００１６】請求項１の発明によれば、点光源から放射
された光は、なんらかの光学系を用いて分散光源に変え
られるので、同じ放射パワーの点光源に対して人体に対
する影響を低減することができる。

【００１７】請求項２，３，４の発明では、請求項１の
分散光源化する光学系として、拡散板を用いている。拡
散板には完全拡散を行うものから放射角を狭めたものま
で各種あるので、分散光源化しつつ放射角を制御するこ
とも容易である。

【００１８】請求項２の発明では、半導体レーザや発光
ダイオードの実装に良く使われている、窓付きの金属パ
ッケージの窓の部分に、拡散板付きの窓材を用いること
で、発光部と分散光源化する光学系を１つにまとめ、小
型化できる。

【００１９】しかし、請求項２の発明では、発光部の放
射角に応じて、拡散板に照射される面積が、分散光源と
みなさせるに必要な面積に達するように、発光部と拡散
板の距離を調節する必要がある。特に、放射角の狭い半
導体レーザと組み合わせる場合は、発光部と拡散板の距
離を大きくとらなくてはならない。

【００２０】請求項３の発明では、請求項２の発明の発
光部と拡散板の間に光を広げる光学系を設けることで、
発光素子と拡散板の距離を縮め、全体を小さくまとめる
ことができる。光学系としては凹レンズなどを発光部と
拡散板に間に挿入する、あるいは、凹レンズ付きの拡散
板を用いるなどの方法がとり得る。

【００２１】請求項４の発明では、発光ダイオードにお
いてよく用いられている、樹脂封止の発光部分を拡散板
として働かせるものである。樹脂で封止する場合は、型
に樹脂を流し込むことが普通なので、型を製作する場合
に発光部が拡散板として働くように型を製作しておけば
よい。通常の封止を行なってから、最後に発光部に拡散
板を取り付ける、あるいは、拡散板と作用するよう樹脂
を加工してもよい。請求項２，３の発明と同様に、発光
部と拡散板を含めた全体を小さくできる。

【００２２】請求項５の発明では、点光源を分散光源化
するための光学系として、横から光を導入できるように
厚さを確保した拡散板へ、横から光を入射させる光学系
を用いることで、拡散板全体が均質に近い発光を行な
え、拡散板と光学系を同一平面に納められるようにし、
全体を平坦で薄い形状にまとめられるようにしている。
発光素子と拡散板の光学的な結合は、レンズやミラーを
用いてもよいし、一方向にだけ広がった放射角を持つ発
光素子を用いてもよい。

【００２３】請求項６の発明では、請求項５の発明に加
え、拡散板と光源を導波路で接続することで、発光素子
から拡散板へ伝達する光量の損失を抑えることができ
る。導波路がフレキシブルな場合は、導波路と発光素子
の位置関係の自由度が増える。

【００２４】請求項７の発明では、請求項６の発明の拡
散板、導波路、光源を同一基板に集積化することで全体
を薄く小型にできる。拡散板、導波路、光源は独立に作
製してから基板に集積化することも、ＩＣや半導体レー
ザの製作に用いられている半導体プロセスを利用して製
作することもできる。

【００２５】請求項８の発明では、請求項５の発明の拡
散板の一辺に沿って、その辺に沿った入射光を拡散板全
体に広げるための細長いミラーを形成し、それにより、
拡散板全体で発光の均一化ができる。

【００２６】請求項９の発明では、請求項５の発明のよ
うな横から光を導入するのではなく、拡散板の中央付近
だけに光を導入する。光を導入した部分には、入射した
光を同心円状に光を分散させる同心円上のミラーが形成
されており、同心円状に広がった光が拡散板の拡散面に
照射されて、分散光源として作用させられる。拡散板と
光源を近づけられるので装置全体を小さくでき、同心円
のミラーを用いて拡散板内の光量を均一化できる。

【００２７】（実施例１）図１は、請求項２の発明に関
連した分散光源装置の例を示す図で、半導体レーザは通
常外界の影響をなくすために、普通は金属パッケージ１
１に封入されている。図１は、その断面を示したもの
で、半導体レーザ１２から発した光は、通常ガラス窓で
構成されている光出力窓１４を透過してそのまま出力さ
れる。本実施例では、ガラス窓の代わりに拡散板１４を
置くことで、点光源である半導体レーザ１２の光を分散
光源化している。簡単のためにモニタ用のフォトダイオ
ードや結線は省いた。このような構造をとることで、既
存の半導体レーザパッケージのままで分散光源を形成習
き、小型化の分散光源が実現できる。

【００２８】（実施例２）図２は、請求項３の発明に関
連した分散光源装置の例を示す図で、実施例１と同様
に、断面を示している金属パッケージ２１に封入された
半導体レーザ２２から出射された光は、凹レンズ２５で
広げられ、該凹レンズ２５と一体となった拡散板２４で
拡散光源に変換される。凹レンズ２５があるために、半
導体レーザ２２と拡散板２４の距離は凹レンズなしの場
合より近接させられる。この実施例は、半導体レーザの
放射角が小さい場合でも、拡散板と半導体レーザの距離
を近接させ、小さな金属パッケージに納められるように
できる。凹レンズは拡散板と分離して保持しても良い。

【００２９】（実施例３）図３は、請求項４の発明に関
連した分散光源装置の例を示す図で、発光ダイオード
は、樹脂で封止されて使われる場合がほとんどである。
本実施例では、図３に示すように、リード線を兼ねた発
光ダイオードのマウント３２に実装された発光ダイオー
ド３１が、樹脂３２に封止されている。発光ダイオード
３１の光が出力される部分３４を拡散板として機能する
ように、表面に細かい凹凸ができるように樹脂の金型を
設計しておく。実施例１，２の発明と同様に、既存の構
造を多少変更するだけで、点光源を分散光源に変更で
き、人体に対する安全性を高めることができる。

【００３０】（実施例４）図４は、請求項５の発明に関
連した分散光源装置の例を示す図で、半導体レーザ４１
から出射された光は、シリンドリカルレンズ４２で拡散
板４３の厚み方向に収束され、拡散板４３の横から拡散
板内部に導入される。拡散板４３の側面と底面には、導
入された光が外部に散乱しないようにミラー４５を形成
している。半導体レーザ４１から拡散板４３に導入され
た光は、ミラー４５により反射し、あるいは、直接拡散
面４４に達して、分散光に変換される。この構造を用い
ると、半導体レーザ４１、光学系（シリンドリカルレン
ズ４２）、拡散板４３を同一の平面内に並べることがで
きるので、全体を平坦で薄い構造に製造することができ
る。

【００３１】（実施例５）図５は、請求項６の発明に関
連した分散光源装置の例を示す図で、半導体レーザ５１
は集光用のレンズ５２を用いて、プラスチック導波路５
３を通して、プラスチック製の拡散板５４に接続され
る。実施例４と同様に、半導体レーザ５１から出射され
た光は、導波路５３を通して、拡散板側面と底面に蒸着
されたミラー５６により反射され、あるいは、直接拡散
面５５で拡散され、分散光に変換される。拡散板５４と
導波路５３は一体整形で製作できる。また、導波路５３
の口径が大きい場合は、半導体レーザ５１の光を絞るレ
ンズ５２は不要になる。この実施例でも実施例４と同様
に、装置全体を平坦で薄い構造にできること、導波路５
３の先端をプラスチックファイバーに接続すれば発光部
である半導体レーザ５１を、拡散板５４からはなれた所
に設置することもできる。

【００３２】（実施例６）図６は、請求項７の発明に関
連した分散光源装置の例を示す図で、まず、装置全体を
支える石英基板６１に、ＳｉＯ₂，ＳｉＮ，ＳｉＯ₂を各
々１μｍの厚さでＣＶＤ法で成膜し、３層導波路層を形
成する。ドライエッチングにより、拡散板本体６４と導
波路部分６３を形成する。導波路６３の先端に半導体レ
ーザ６２を、活性層を基板側に向けてボンディングす
る。半導体レーザ６２と導波路６３の高さを合わせて、
光の結合を確保している。拡散板本体６４の最上層のＳ
ｉＯ₂の上に、拡散面として機能する０.５μｍ周期の縦
横のストライプ６５を形成すると、半導体レーザ６２か
らの光は拡散面６５で分散光に変換される。この構造で
は、１つの基板上に、発光部、導波路、拡散板が集積化
されるので、１体構造の分散光源装置が製作できる。ま
た、上記の構造で、基板をＧａＡｓ，ＩｎＰなどの化合
物半導体基板とすると、半導体レーザを後からボンディ
ングしなくとも、導波路、拡散面と同時に製作できる。

【００３３】（実施例７）図７は、請求項８の発明に関
連した分散光源装置の例を示す図で、石英ガラス製の拡
散板７４の一辺を、曲面に研磨し、Ｃｒを蒸着してミラ
ー７３とする。この曲面７３は、半導体レーザ７１から
出射された光をシリンドリカルレンズ７２で平行化した
光が、拡散面７４に均一に照射されるように働く。ま
た、拡散板側面とミラー７３周辺の光を導入する部分を
除いた底面はＣｒを蒸着したミラー７６に形成され、外
部に光が逃げないようになっている。点光源である半導
体レーザ７１から出射された光は、最終的に拡散面７５
に照射された分散光に変換される。曲面ミラー７３を導
入することで、拡散面に照射される光量を均一化できる
ので、拡散面の一部が局部的に発光が強い場合より、発
光が人体に対する影響が緩和される。

【００３４】（実施例８）図８は、請求項９の発明に関
連した分散光源装置の例を示す図で、この実施例８は、
基本的には、実施例７を同心円状に構成したものであ
る。実施例７で一辺に形成した曲面ミラー７３に相当す
るミラー８３を、実施例８では、拡散板８２の中央の曲
面ミラー８３の位置に設け、その周りに拡散面８４が形
成されている。石英ガラス製の拡散板８２の中央に、研
磨あるいはエッチングで曲面を形成し、その後、Ｃｒを
蒸着して反射ミラー８３とする。半導体レーザ８１から
出射された光は、拡散板８２中央のミラー８３で反射さ
れ、拡散面８４に均一に照射され、分散光に変換され
る。この構造では、ミラーが中央にあるので広がりが少
なく、半導体レーザを集光するレンズが不要となり、装
置に必要な部品点数を減らせる。さらに、拡散板の側面
と、半導体レーザの光を導入する部分を除いた底面にＣ
ｒ蒸着してミラーとすれば、拡散板内部で反射や散乱さ
れた光を外に逃がすことなく再度拡散面に照射できる。

【００３５】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、光源として点
光源を用いた場合でも人体に対する安全性を確保できる
ので、安全な光空間伝送システムを構成できる。請求項
２，３，４の発明によれば、既存の発光素子に光学素子
を付け加えるだけで、点光源である光源を人体に安全性
なものへ変えるとともに、装置全体を小型に保てるの
で、低コストのまま携帯端末など移動体用の光空間伝送
にも適用できる。請求項５，６，７の発明によれば、拡
散板と光源を同一平面に納めることができるので、装置
全体を平坦で小さくまとめることができ、携帯端末など
移動体用の光空間伝送にも適用できる。請求項８，９の
発明によれば、発光面である拡散板内で発光強度の均一
性を上げることができるので、さらに人体に対する安全
性を確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の分散光源装置の一実施例
を説明するための図である。

【図２】本発明の実施例２の分散光源装置の一実施例
を説明するための図である。

【図３】本発明の実施例３の分散光源装置の一実施例
を説明するための図である。

【図４】本発明の実施例４の分散光源装置の一実施例
を説明するための図である。

【図５】本発明の実施例５の分散光源装置の一実施例
を説明するための図である。

【図６】本発明の実施例６の分散光源装置の一実施例
を説明するための図である。

【図７】本発明の実施例７の分散光源装置の一実施例
を説明するための図である。

【図８】本発明の実施例８の分散光源装置の一実施例
を説明するための図である。

【図９】従来例である光空間伝送システムの例であ
る。

【図１０】従来例である他の光空間伝送システムの例
である。

【図１１】従来例である他の光空間伝送システムの例
である。

【符号の説明】１１，２１…金属パッケージ、１２，２２，４１，５
１，６２，７１，８１…半導体レーザ、３１…発光ダイ
オード、１４，２４，４３，５４…拡散板、３４，４
４，５５，６５，７５，８４…拡散面、５３，６３，６
４…導波路、１３，２３，３３…リード線、２５…凹レ
ンズ、３２…樹脂、４２，７２…シリンドリカルレン
ズ、４５，５６，７３，７６，８３…ミラー、５２…集
光用レンズ、６１，７４，８２…石英基板。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】空間光を信号の伝送に用いるシステムに
おいて、点光源から発する光を、光学系を用いて分散光
源化することを特徴とした分散光源装置。
【請求項２】前記点光源が、半導体レーザあるいは発
光ダイオードの発光素子から成り、該発光素子を収容す
る金属パッケージの光り取り出し窓が拡散板であること
を特徴とする請求項１記載の分散光源装置。
【請求項３】前記拡散板と発光素子からなる点光源の
間に光の放射角を広げる光学系を有し、前記発光素子と
拡散板の間の距離を減少させたことを特徴とする請求項
２記載の分散光源装置。
【請求項４】前記点光源が樹脂で封止されている発光
ダイオードから成り、その封止材が拡散板として作用す
るように表面が荒れていることを特徴とする請求項１記
載の分散光源装置。
【請求項５】前記点光源を分散光源化するための光学
系として、横から光を導入できるように厚さを確保した
拡散板を用い、該拡散板へ横から光を入射させる光学系
を用いたことを特徴とする請求項１記載の分散光源装
置。
【請求項６】前記光源の光を効率良く拡散板の内部へ
導入できるように、前記光源と拡散板の端と間を導波路
で接続したことを特徴とする請求項５記載の分散光源装
置。
【請求項７】前記拡散板、導波路、光源を同一基板に
集積化したことを特徴とする請求項６記載の分散光源装
置。
【請求項８】前記拡散板の端に、該拡散板の内部へ光
を導入できるようにミラーを取り付けたことを特徴とす
る請求項５記載の分散光源装置。
【請求項９】前記点光源を分散光源化するための光学
系として、中央にミラーを設けて光を反射させて拡散板
内に分散させ、その後、同心円状の拡散板を用いて拡散
させることを特徴とする請求項１記載の分散光源装置。