JP6687828B2 - 空間光伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、空間光伝送装置に関する。

従来、空間光伝送装置として、情報を変調した電気信号を発光素子によって光信号に変換し、変換した光信号を空間に放出することで空間を通じて情報を送信するとともに、発光素子から放出される光信号によって空間を投光する投光器を兼ねた空間光伝送装置が提案されている（例えば、下記特許文献１、２参照）。

しかしながら、上記の空間光伝送装置では、光信号を放出する発光素子としてＬＥＤが採用されており発光素子の高輝度化が困難であるため、海中や水中のような光信号が減衰しやすい伝送空間において伝送距離の長距離化を図ることが困難である。

特開２００８−１５４０６３号公報 特開２０１３−２１４１３号公報

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、伝送距離の長距離化が可能な空間光伝送装置を提供することを目的とする。

本発明に係る空間光伝送装置は、電気信号を光信号に変換する発光部を備え、前記発光部が変換した前記光信号を水中又は海中からなる伝送空間に放出して外部機器との間で前記伝送空間を通じて情報を送信する空間光伝送装置において、前記発光部は、レーザ素子を有し、前記レーザ素子から放出された情報を含むレーザ光を有する白色光又は疑似白色光からなる光信号を前記伝送空間に放出して、前記伝送空間を通じた情報の送信と前記伝送空間の投光とを同時に行う通信投光モードと、前記伝送空間の投光が不要な前記外部機器との近接状態で実行されるモードであって、前記通信投光モードより前記レーザ素子の発光量が低く、前記レーザ素子から放出された情報を含むレーザ光を有する白色光又は疑似白色光からなる光信号を前記伝送空間に放出して前記伝送空間を通じた情報の送信を行う通信モードとを実行するものである。

本発明によれば、空間光伝送装置の伝送距離を長距離化することができる。

空間光伝送装置と外部機器の構成を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る空間光伝送装置１０は、図１に示すように、例えば、水中を航行する潜水艇に取り付けられ、海上の船舶や海中を航行する他の潜水艇に設けられた外部機器５０との間で海中において可視光を用いた空間光伝送により情報を送受信するとともに、送信用の可視光により海中を照明する装置である。

この空間光伝送装置１０は、筐体１１と、筐体１１の内部に収納された送信部１２及び受信部１４を備える。外部機器５０は、筐体５１と、筐体５１の内部に収納された送信部５２及び受信部５４を備える。空間光伝送装置１０と外部機器５０とは、送信部１２が伝送空間（海中）へ放出する光信号の波長帯（第１波長帯）と、送信部５２が伝送空間へ放出する光信号の波長帯（第２波長帯）とが異なっているが、他の構造は基本的に同一である。

筐体１１は、内部に送信部１２及び受信部１４を収納し水密状態で密閉されるものであって、外部機器５０との間で送受信する可視光が透過する窓部１１ａを備える。

送信部１２は、外部機器５０の受信部５４へ伝送する情報を光制御信号に変調する変調部１６と、変調部１６で生成された光制御信号が入力される発光部１８とを備える。

発光部１８は、光源部２０と、光源部２０を駆動する駆動部２１と、光源部２０の光軸上に配置された補正部２２とを備え、変調部１６から入力された光制御信号を光信号に変換する。

光源部２０は、青色の波長帯、この例では、中心波長が４３０ｎｍの第１波長帯のレーザ光を発光する青色レーザ素子からなる発光素子２０ａと、発光素子２０ａからの青色光が透過される黄色蛍光体２０ｂを備える。光源部２０は、発光素子２０ａからの青色光が黄色蛍光体２０ｂを透過する際、この青色光により黄色蛍光体２０ｂを励起させて黄色の蛍光を発生させている。これにより、光源部２０では、黄色の蛍光と黄色蛍光体２０ｂを透過する第１波長帯の青色光とが合成させることにより白色光（疑似白色光）となって出射される。

駆動部２１は、光源部２０を駆動する駆動電流を生成し、これを光源部２０の発光素子２０ａへ出力することで発光素子２０ａにおいてレーザ光を発光させる。本実施形態では、駆動部２１が、通信投光モード、投光モード、及び通信モードを切り替えて実行する。

通信投光モードは、駆動部２１が、変調部１６から入力された光制御信号に基づいて光源部２０を駆動する駆動電流を生成して伝送情報を重畳したレーザ光を発光素子２０ａから発光させ、光源部２０より白色のレーザ光を伝送空間へ放出させる。これにより、当該レーザ光によって伝送空間を通じて情報を送信するとともに伝送空間を投光する。

投光モードは、駆動部２１が、光源部２０を駆動する駆動電流として、例えば、一定周期のパルス信号を生成することで、光源部２０より伝送情報を含まない白色のレーザ光を伝送空間へ放出させる。これにより、伝送情報の送信を行うことなく伝送空間を投光する。

通信モードは、空間光伝送装置１０が外部機器５０と近接状態で通信する場合のように伝送空間の投光が不要な場合に実行するモードであって、駆動部２１が、変調部１６から入力された光制御信号に基づいて光源部２０を駆動する駆動電流を生成する。その際、駆動部２１は、上記した通信投光モード及び投光モードに比べて発光素子２０ａの発光量を低下させて伝送情報を重畳したレーザ光を発光素子２０ａから発光させ、光源部２０より白色のレーザ光を伝送空間へ放出させる。これにより、光源部２０から放出されるレーザ光によって伝送空間を通じて情報を送信する。

補正部２２は、光源部２０から放射された白色光の強度分布を水平面上で均一化するように補正した後、窓部１１ａから外部へ出力する。補正部２２として、例えば、光源部２０からの光を平行光にする凸レンズなどが用いられる。

受信部１４は、外部機器５０の送信部５２から送信される光信号を受信して電気信号に変換する受光部２４と、受光部２４で変換された電気信号を復調する復調部２６とを備える。

受光部２４は、外部から窓部１１ａを介して光が入射するフィルタ２４ａと、フィルタ２４ａを透過した光が入力される受光素子２４ｂとを備える。

フィルタ２４ａは、外部より入射した光のうち空間光伝送装置１０の光源部２０が発光する第１波長帯のレーザ光を吸収するとともに、外部機器５０の送信部５２から放出される第２波長帯のレーザ光を透過するバンドパスフィルタからなる。受光素子２４ｂは、フィルタ２４ａで第１波長帯のレーザ光を吸収した光が入力され電気信号に変換して復調部２６へ出力する。受光素子２４ａとしては、例えば、フォトダイオード（ＰＤ）やアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）や光電子増倍管（ＰＭＴ）などを用いることができる。特に、受光素子２４ａに光電子増倍管を用いると外部より入射した光が微弱な場合であってもこれを検出することができるとともに、光電子増倍管は検出した光量の変化量を出力することができるため、受光部２４に入力される光信号の光量が多い場合でも検出出力が飽和することなく光信号のパルスを検出することができる。つまり、受光素子２４ａに光電子増倍管を用いることで、光信号の光量が少なくなる長距離の光伝送から光信号の光量が多くなる近距離の光伝送まで、検出レンジの異なる受光素子に切り替えたり減光フィルタを用いたりすることなく光信号のパルスを検出することができる。

復調部２６は、受光部３２から入力された電気信号を復調して、外部より入射した光から、第２波長帯の光信号によって外部機器５０より送信された情報を取得する。

外部機器５０は、筐体５１の内部に送信部５２及び受信部５４を水密状態で収納しており、可視光が透過する窓部５１ａを介して空間光伝送装置１０との間で光信号を送受信する。

送信部５２は、空間光伝送装置１０の受信部１４へ伝送する情報を光制御信号に変調する変調部５６と、変調部５６で生成された光制御信号が入力される発光部５８とを備える。

発光部５８は、光源部６０と、光源部６０を駆動する駆動部６１と、光源部６０の光軸上に配置された補正部６２とを備え、変調部５６から入力された光制御信号を光信号に変換する。

光源部６０は、空間光伝送装置１０の光源部２０に設けられた発光素子２０ａと異なる波長帯、この例では、中心波長が４５０ｎｍの第２波長帯のレーザ光を発光する青色レーザ素子からなる発光素子６０ａと、発光素子６０ａからの青色光が透過される黄色蛍光体６０ｂを備える。光源部６０は、発光素子６０ａからの青色光が黄色蛍光体６０ｂを透過する際、この青色光により黄色蛍光体６０ｂを励起させて黄色の蛍光を発生させている。これにより、光源部６０では、黄色の蛍光と黄色蛍光体６０ｂを透過する第２波長帯の青色光とが合成させることにより白色光（疑似白色光）となって出射される。

駆動部６１は、光源部６０を駆動する駆動電流を生成し、これを光源部６０の発光素子６０ａへ出力することで発光素子６０ａにおいてレーザ光を発光させる。本実施形態では、空間光伝送装置１０に設けられた駆動部２１と同様、駆動部６１は、伝送情報を重畳した白色のレーザ光を発光素子６０ａから発光させて伝送空間を通じて情報を送信するとともに伝送空間を投光する通信投光モードと、伝送情報を含まない白色のレーザ光を伝送空間へ放出させて伝送情報の送信を行うことなく伝送空間を投光する投光モードと、通信投光モード及び投光モードに比べて発光素子６０ａの発光量を低下させて伝送情報を重畳したレーザ光を発光素子６０ａから発光させて伝送空間を通じて情報を送信する通信モードとを切り替えて実行する。

補正部６２は、光源部６０から放射された白色光の強度分布を水平面上で均一化するように補正した後、窓部５１ａから外部へ出力する。補正部６２として、例えば、光源部６０からの光を平行光にする凸レンズなどが用いられる。

受信部５４は、空間光伝送装置１０の送信部１２から送信される光信号を受信して電気信号に変換する受光部６４と、受光部６４で変換された電気信号を復調する復調部６６とを備える。

受光部６４は、外部から窓部５１ａを介して光が入射するフィルタ６４ａと、フィルタ６４ａを透過した光が入力される受光素子６４ｂとを備える。

フィルタ６４ａは、外部より入射した光のうち外部機器５０の光源部６０が発光する第２波長帯のレーザ光を吸収するとともに、空間光伝送装置１０の送信部１２から放出される第１波長帯のレーザ光を透過するバンドパスフィルタからなる。受光素子６４ｂは、フィルタ６４ａで第２波長帯のレーザ光を吸収した光が入力され電気信号に変換して復調部６６へ出力する。受光素子６４ａとしては、例えば、フォトダイオード（ＰＤ）やアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）や光電子増倍管（ＰＭＴ）などを用いることができる。なお、空間光伝送装置１０の受光素子２４ａと同様、受光素子６４も光電子増倍管を用いることが好ましい。

復調部６６は、受光部６４から入力された電気信号を復調して、外部より入射した光から、第１波長帯の光信号によって空間光伝送装置１０より送信された情報を取得する。

以上のように、本実施形態の空間光伝送装置１０では、発光部１８において光を放出する発光素子としてレーザ素子２０ａが採用されているため、発光部１８から放出される光の高輝度化することができ、海中や水中のような光信号が減衰しやすい伝送空間における伝送距離及び投光距離の長距離化を図ることができる。

また、伝送空間が海中や水中の場合、光信号の波長が長くなると伝送空間において減衰しやすくなり発光部１８に使用可能な発光素子の波長帯が制限されるが、本実施形態では発光部１８においてレーザ素子２０ａが採用され発光波長分布の小さい光信号を伝送空間に放出することができるため、異なる波長帯の信号との間で混信が発生しにくい。

また、本実施形態の空間光伝送装置１０では、伝送空間を通じて情報を送信するとともに伝送空間を投光する通信投光モードと、伝送情報の送信を行うことなく伝送空間を投光する投光モードと、通信投光モード及び投光モードに比べて発光素子２０ａの発光量を低下させて伝送空間を通じて情報を送信する通信モードとを切り替えて実行することができる。特に、空間光伝送装置１０が外部機器５０と近接状態で通信する場合のように伝送空間の投光が不要な場合に通信モードを実行することで、レーザ素子２０ａの発光量を抑えて消費電力量を抑えることができる。

また、本実施形態の空間光伝送装置１０では、受信部１４に設けられた受光部２４が第１波長帯の光を遮断するフィルタ２４ａを備えるため、送信部１２より伝送空間へ放出された光が、伝送空間を浮遊する障害物に反射して受信部１４の受光部２４に戻り光として入射しても、フィルタ２４ａにより戻り光が遮断され受光素子２４ｂへ入射することがなくなり、伝送距離が長くなっても安定して情報を送受信することができる。

（変更例１）
上記した実施形態では、発光部１８の光源部２０が、青色のレーザ光を発光する発光素子２０ａと黄色蛍光体２０ｂとを備え、疑似白色光を伝送空間に放出する場合について説明したが、例えば、黄色蛍光体２０ｂに換えて、あるいは黄色蛍光体２０ｂとともに緑色光及び赤色光を発光するレーザ素子を発光素子として設けてもよい。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示したものであり、
発明の範囲を限定することを意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実
施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変
更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様
に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…空間光伝送装置、１１…筐体、１１ａ…窓部、１２…送信部、１４…受信部、１６…変調部、１８…発光部、２０…光源部、２０ａ…発光素子、２０ｂ…黄色蛍光体、２１…駆動部、２２…補正部、２４…受光部、２４ａ…フィルタ、２４ｂ…受光素子、２６…復調部、５０…外部機器

Claims (2)

1. 電気信号を光信号に変換する発光部を備え、前記発光部が変換した前記光信号を水中又は海中からなる伝送空間に放出して外部機器との間で前記伝送空間を通じて情報を送信する空間光伝送装置において、
   前記発光部は、レーザ素子を有し、
   前記レーザ素子から放出された情報を含むレーザ光を有する白色光又は疑似白色光からなる光信号を前記伝送空間に放出して前記伝送空間を通じた情報の送信と前記伝送空間の投光とを同時に行う通信投光モードと、
   前記伝送空間の投光が不要な前記外部機器との近接状態で実行されるモードであって、前記通信投光モードより前記レーザ素子の発光量が低く、前記レーザ素子から放出された情報を含むレーザ光を有する白色光又は疑似白色光からなる光信号を前記伝送空間に放出して前記伝送空間を通じた情報の送信を行う通信モードとを実行する空間光伝送装置。
2. 前記レーザ素子から放出された情報を含まないレーザ光を有する白色光又は疑似白色光を前記伝送空間に放出して前記伝送空間を投光する投光モードを有し、
   前記通信モードは、前記投光モードより前記レーザ素子の発光量が低く、
   前記発光部が、前記通信投光モード、前記通信モード及び前記投光モードを切り換えて実行する請求項１に記載の空間光伝送装置。

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