JPH0851400A

JPH0851400A - 光受信機

Info

Publication number: JPH0851400A
Application number: JP6204429A
Authority: JP
Inventors: Takeo Ichikawa; 武雄市川
Original assignee: Nippon Columbia Co Ltd
Current assignee: Nippon Columbia Co Ltd
Priority date: 1994-08-05
Filing date: 1994-08-05
Publication date: 1996-02-20

Abstract

(57)【要約】【目的】空間伝送された光信号を受信する光受信機の
受信距離のダイナミックレンジの拡大と、放射照度レベ
ルの高い照明下や太陽光下での受信を可能にする。【構成】平行光を入射する入射手段と、入射手段によ
って入射した平行光の光路に配置した回折格子と、回折
格子を通過した０次回折光を受光する第１のフォトダイ
オードと、回折格子によって平行光の１次回折光を受光
する第２のフォトダイオードと、第１のフォトダイオー
ドの電気出力と第２のフォトダイオードの電気出力とを
切り換えるスイッチ回路と、第１のフォトダイオードの
光・電気変換特性の飽和点を検出する飽和検出回路とを
具備し、第１のフォトダイオードの受光量が飽和領域に
達したとき飽和検出回路を作動によってスイッチ回路を
駆動して、第２のフォトダイオードの電気出力に切り換
える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空間伝送によって光信
号を受信する受信装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３のブロック図を用いて一般的な光空
間伝送について説明する。図において、送信機３１はオ
ーディオ、映像等の各種信号源から出力された電気信号
３２をエンコード回路３３に入力し、その出力を駆動回
路３４に加えて電力増幅し、赤外発光ダイオード３５を
駆動させて信号成分を含む光を空間伝送する。このよう
にして、空間伝送した信号成分を含む光は、受信機３６
のフォトダイオード３７に到達する。

【０００３】このフォトダイオード３７にて受光した光
は、電気信号に変換されて増幅器３８に入力し、増幅
後、デコード回路３９を通して元の電気信号３２に戻さ
れる。これら光による空間伝送は、電気信号による伝送
に比べ、混信が少なく安価に実用に供することができる
ため、ワイヤレスリモートコントロールやＡＶ機器にお
いて広く利用されている。そして、送信側と受信側の距
離は目的により異なるが、普通は数十ｃｍから数ｍの範
囲が伝送可能範囲となっている。

【０００４】これらの受信機３６に用いられるフォトダ
イオード３７は、出力端の両端を短絡した状態で光を照
射した場合は、光量に対し直線的に比例した光電流が流
れ、両端を開放にしておけば開放電圧が生ずる。光通信
やワイヤレスリモートコントロールでは、高速応答が要
求されるため、フォトダイオードはシリコンＰＩＮ型の
構造のものが用いられ、立上がり特性を良くするため逆
バイアス電圧をかけている。

【０００５】ＰＩＮシリコンフォトダイオードの受光量
と出力電流及び逆バイアス電圧の関係図を図４に示す。
尚、図４の横軸の放射照度の単位は、使用する光の波長
が可視光ではないので、使用する単位は放射照度(単
位：Ｗ／ｍ² )を用いている。照度との換算値を記す
と、ＣＩＥ標準光源Ａによる全放射照度(実測値)による
１ルックスは、５×１０^-6ワット／平方センチである。

【０００６】フォトダイオードの受光量と出力電流との
関係は、種類・回路・逆バイアス電圧の設定によって変
化するが、図４に示すように広範囲で直線性を有する。
フォトダイオードの感応波長帯域は種類により特性は異
なるが、おおよそ図５(イ)のフォトダイオードの分光感
度特性で示すように広い帯域で感応し、長波長の帯域で
は、波長約１１００ｎｍ以上が無感帯となる。尚、図
５は、フォトダイオードの分光感度、赤外発光ダイオー
ドの放射強度、光学フィルターの透過率、一般電球の比
エネルギー(蛍光灯のエネルギーはほぼ可視域のみ)、太
陽光の分光放射強度を夫々のピークを１として、波長と
の対応を示したスペクトル分布特性図である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】フォトダイオードは、
広い波長帯域に感応することができるので、送信機から
の信号を光空間伝送して受信機に組み込まれたフォトダ
イオードが受光している時に種々の問題が発生する。そ
の一つとして室内光や太陽光等の外来光が一緒に入射し
信号にノイズとして重畳し不要の信号となる場合と、外
来光や発光出力の大きい送信機等からの受光によって、
受光量がフォトダイオードの飽和点を越える場合であ
り、後者の場合は信号成分を取り出すことができなくな
ってしまうため、問題が大きくなる。

【０００８】これらの対策として、外来光ではフォトダ
イオードの受光面に発光ダイオードの発光波長帯域の短
波長側の裾より短い波長の光を遮断する図５(ロ)光学フ
ィルタの透過率特性に示す光学フィルタが用いられ、実
用で効果をあげている。しかし、図５(ハ)太陽光の分光
放射強度特性に示すように、太陽光や光学フィルタの透
過域においてフォトダイオードの飽和点を越える強い光
には、前記光学フィルタは効果がない。

【０００９】その為、フードを用いて直接入射しないよ
うにする工夫はあるが、受光面が前記外来光に向かざる
を得ない使用状態になる場合には効果は無い。また、
バンドパス光学フィルタで必要帯域外の波長を遮断する
方法もあるが、真空蒸着により作られるものは非常に高
価となること、樹脂と染料によって作られるものは、目
的とする波長帯域での透過率が低く、十分な性能が得ら
れないなどの理由から難点がある。また、飽和点を越え
る送信機出力の大きい光に対しては、ＮＤフィルタを用
いる方法があるが、送信機から遠く距離の離れた場所で
の受信ができなくなってしまう問題点がある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そのため本発明では、平
行光を入射する入射手段と、入射手段によって入射した
平行光の光路に配置した回折格子と、回折格子を通過し
た０次回折光を受光する第１のフォトダイオードと、回
折格子によって平行光の１次回折光を受光する第２のフ
ォトダイオードと、第１のフォトダイオードの電気出力
と第２のフォトダイオードの電気出力とを切り換えるス
イッチ回路と、第１のフォトダイオードの光・電気変換
特性の飽和点を検出する飽和検出回路とを具備し、第１
のフォトダイオードの受光量が飽和領域に達したとき飽
和検出回路の出力によってスイッチ回路を駆動し、第２
のフォトダイオードの電気出力に切り換えることを特徴
としている。

【００１１】さらには、回折格子と１次回折光を受光す
るフォトダイオードとの光路間にスリットを有するマス
クを挿入し、マスクは、選択すべき光信号の波長で予め
定めた帯域幅における上限波長の１次回折角と下限波長
の１次回折角との差によって得られる角度と回折格子か
らマスクまでの距離とから算出される長さのスリット幅
を有することを特徴としたものである。

【００１２】

【作用】飽和点を越える強い放射照度を有する直射日光
と光信号とが受信装置の受光部に入射した場合を説明す
る。例えば東京の３月、昼頃晴天時の８５０ｎｍの波長
の光は、放射照度で２０ｍＷ／ｃｍ² 程度となってお
り、最も放射照度の高い４８０ｎｍ付近の光の放射照度
レベルの６０％程度である。もし、０次回折光を受光素
子が受光したとすると、波長の選択ができないため、全
波長の放射エネルギーを受光することになり、飽和点に
達して光信号を検出できなくなってしまう。

【００１３】しかしながら、１次回折光は０次回折光に
比べて１／１００程度に減衰し、さらに、選択された波
長成分しか通過しないので、１次回折光を受光した受光
素子は飽和点に達せず光信号の検出は可能となる。なぜ
ならば、光信号も１次回折光は１／１００程度に減衰す
るが、直射日光の電気変換された信号は直流成分であ
り、光信号は交流の電気信号に変換されるため、電気的
なフィルタにより信号成分だけを抽出することができ
る。

【００１４】また、受光素子の電気変換の直線性は広範
囲な為、受光素子が飽和領域に達しない範囲であれば、
微少な光信号でも電気変換時の歪みを発生させず、増幅
器で増幅すれば実用で問題はない。このようにして、０
次回折光を受光している第１のフォトダイオードの動作
領域が飽和点に達するような場合は、１次回折光を受光
している第２のフォトダイオードの電気信号に切り換え
ることによって、光信号を途切れさすことなく電気信号
に変換できる。

【００１５】また、回折格子に垂直に入射する光は、回
折現象により直進する０次回折光の光路を対称軸とし
て、両側に±ｎ次の回折光が生ずる。１次回折光の回折
角θは回折格子のピッチＰと入射光の波長λによって決
定され、関係式により、θ＝Ｓｉｎ^ー1 λ／Ｐとなる。
例えばピッチ１.５μｍの回折格子を用いると、波長８
００ｎｍの１次回折光の回折角はθ＝３２.２゜,９００
ｎｍの１次回折光の回折角はθ＝３６.９゜となる。

【００１６】そして、例えば、それぞれの波長で±３０
ｎｍの帯域幅を選択するバンドパスフィルタを構成させ
るには、両方の波長における１次回折光の光路にマスク
を配置し、このマスクに帯域幅に対応するスリットを設
けて、必要な波長帯域のみ通過させればよい。このよう
に、スリットを有するマスクを一つの光信号毎に配置す
ることにより、複数の波長の光信号に対して、選択して
目的の光信号を得る事ができるので複数の光信号が光受
信機に入射した場合でも目的の光信号だけを選択し電気
信号にすることができる。

【００１７】

【実施例】図１の概略構成図によって本発明の一実施例
を示す。尚、送信機は図３のブロック図に示す一般的構
成のため説明を省略する。入射光１０は、伝送波長帯域
を通す光学フィルタ１１を通過後、集光レンズ１２によ
ってビーム状に絞られ、コリメートレンズ１３によって
平行光に整形されて回折格子１４に入射する。平行光は
回折格子１４を通過して直進する０次回折光１５と、回
折角を有して０次回折光１５の両側に形成されるｎ次回
折光に分離する。

【００１８】０次回折光１５は、フォトダイオード１６
に入射し、光電変換が行われて電気信号になる。この電
気信号はフォトダイオード１６の飽和を検出する飽和検
出回路１７と、スイッチ回路１９に入力し、飽和検出回
路１７の出力によってスイッチ回路１９を制御する。こ
の飽和検出回路１７は、フォトダイオード１６が飽和点
に達しなければ、スイッチ回路１９は０次回折光の電気
信号をフィルタ回路１８に入力する。フィルタ回路１８
では、信号若くは信号の変調波を取り出すバンドパスフ
ィルタを構成して直流成分や外来ノイズ成分を除外し、
増幅器２０で増幅後デコード回路に入力する。

【００１９】フォトダイオード１６に入射した０次回折
光の受光量が大きくフォトダイオード１６の出力が飽和
領域に達してしまう場合には、飽和検出回路１７が作動
して１次回折光を受光しているフォトダイオード２１
Ａ，２１Ｂの出力している電気信号にスイッチ回路１９
によって切り換える。次に１次回折光による信号検出を
図２(ａ)の概略構成図によって説明する。例えば、８５
０ｎｍを中心波長とし、±３０ｎｍの帯域幅を有する単
波長の赤外発光ダイオードによる光信号は、光学フィル
タ１１，集光レンズ１２，コリメートレンズ１３を通過
して平行光になり回折格子１４によって直進する０次回
折光１５と、この０次回折光１５を対称軸として、両側
にｎ次回折光が出現する。

【００２０】このうち１次回折光は、回折格子１４のピ
ッチＰを１.５μｍとして入射光の波長λを８５０ｎｍ
とするとθ＝Ｓｉｎ^ー1 λ／Ｐの関係式から、８２０ｎ
ｍの波長ではθ1＝３３.１４゜，８８０ｎｍの波長では
θ2＝３５.９２゜となって波長の差による回折角の差は
２.７８゜となる。ここで回折格子１４からマスク２２
Ａ，２２Ｂまでの距離を１５ｍｍとすると、スリット幅
は０.７３ｍｍとなる。

【００２１】このスリット幅によって選択されたバンド
パス光学フィルタとしての特性は、図２(ｂ)に示すよう
に遮断特性の優れたものとなる。このようにしてマスク
２２Ａや２２Ｂを通過した１次回折光２３Ａ，２３Ｂ
は、フォトダイオード２１Ａ，２１Ｂに入射し、電気信
号に変換される。そしてフォトダイオード２１Ａ，２１
Ｂの電気出力は加算され、フィルタ回路１８によって信
号成分を抽出し、増幅器２４で０次回折光の出力レベル
と略等しい信号レベルまで増幅してスイッチ回路１９に
接続する。以上の構成を用いて大きな効果の得られるも
のとして、例えばステレオ装置に用いられるコードレス
ヘッドフォンがある。

【００２２】このステレオ装置に用いられるコードレス
ヘッドフォンに本願発明の受信機を組み入れた場合で説
明を詳述する。ステレオ装置で再生された音声信号は、
２.７ＭＨｚの周波数でＦＭ変調されて赤外発光ダイオ
ードに印加され、発光して光信号となって空間伝送す
る。赤外発光ダイオードは８５０ｎｍの発光波長で半値
幅３０ｎｍ，光出力１５ｍＷ程度の性能を有するもの
で、通常８〜１０個程度用いて受信可能範囲をカバーし
ている。

【００２３】そして、空間伝送距離を図４の中で示すよ
うに０.５ｍから７ｍ程度に設定し、５ｍＷ／ｃｍ² か
ら０.０２ｍＷ／ｃｍ²の放射照度を得ている。空間伝送
された信号成分を含む光は、コードレスヘッドフォンに
組み込まれた受信機の受光部に入射する。入射した光
は、図１に示すように入射光１０となって光学フィルタ
１１により伝送波長帯域より波長の短い帯域を遮断し、
集光レンズ１２，コリメートレンズ１３を通過して平行
ビームとなり回折格子１４を経て０次回折光１５を受光
するフォトダイオード１６に入射する。

【００２４】フォトダイオード１６は、通常光通信用で
高速応答のできるＰＩＮシリコンダイオードが用いら
れ、図４で示すように、入射光の光量によって出力電流
が飽和しない直線性の良好な範囲で動作させる。しかし
ながら感度波長範囲が広いため、光学フィルタで十分遮
断できないような強い光(例えば直射日光)や赤外域の出
力の大きい光源等の外来光を受光した場合は、フォトダ
イオード１６が飽和領域に入ってしまい、光信号成分を
取り出すことができなくなる。

【００２５】このフォトダイオード１６が飽和領域に達
すると、飽和検出回路１７が作動して１次回折光を受光
しているフォトダイオード２１Ａ，２１Ｂの出力信号を
得るように、スイッチ回路１９を切り換える。１次回折
光の受光量は、０次回折光の受光量に対して１／１００
程度に減少するので、フォトダイオード２１Ａ，２１Ｂ
で受光する受光量では飽和領域に達することはない。ま
たフォトダイオード２１Ａ，２１Ｂと回折格子１４との
光路間にマスク２２Ａ，２２Ｂを配置して光学フィルタ
を形成し、選択された波長の光を受光するようになって
いる。

【００２６】この光学フィルタは、マスク２２Ａ，２２
Ｂに設けたスリットの幅によって通過できる１次回折光
の波長の帯域幅が決定される。このスリット幅は、図２
(ａ)に示すように、送信機側の光の発光波長帯域の上限
周波数が回折格子１４によって回折する１次回折光の回
折角と、下限周波数が回折格子１４によって回折する回
折角との角度差によって得られる角度と、回折格子１４
からマスク２２Ａ，２２Ｂまでの距離とから算出される
長さで決定される。

【００２７】そのため、前述した外来光が入射しても、
光信号の波長帯域外は取り除かれ、マスク２２Ａ，２２
Ｂを通過した光は、光信号と光信号と同じ波長を有する
外来光とが重畳したものとなって、フォトダイオード２
１Ａ，２１Ｂに照射する。フォトダイオード２１Ａ，２
１Ｂで電気信号に変換された光信号と、光信号と同じ波
長を有する外来光は、後段に設けたフィルタ回路１８に
よって分離する。

【００２８】光信号は、２.７ＭＨｚのＦＭ変調による
変調信号になっているので、フィルタ回路１８はこの変
調周波数を中心とする所定の帯域幅を有するバンドパス
フィルタを構成することによって、例えば直流成分を主
とする直射日光や、電源周波数によって変調された照明
装置の光源等と簡単に分離することができる。フォトダ
イオード２１Ａ，２１Ｂによって変換されたそれぞれの
電気信号は、加算されてフィルタ回路１８で２.７ＭＨ
ｚのＦＭ変調信号を取り出し、増幅器２４でフォトダイ
オード１６で得られる電気信号の出力レベルまで増幅し
てスイッチ回路１９に接続させる。

【００２９】スイッチ回路１９によって選択された電気
信号は、図３の従来例と同様にデコード回路にて復調
後、元の信号となってコードレスヘッドフォンを駆動す
る。このような構成のコードレスヘッドフォンであれ
ば、例え直射日光の下でもステレオ装置からの光信号を
受信することが可能となり、実用範囲を大幅に広げるこ
とができる。また、送信機３１の発光出力が大きく、送
信機３１の近接位置での聴受でフォトダイオード１６が
飽和レベルに達してしまう場合にも、受信可能となって
受信可能範囲を拡大することができる。

【００３０】尚、他に大きな効果が得られるものとし
て、ガレージ等で車両の出入りを検出する検出装置があ
る。車両からの送信信号を受光する受信機の受光部は、
通常、屋外の壁や柱等に設置されているが、時間帯によ
っては直射日光を受けざるを得ない場所に設置されるこ
ともある。このような環境下においても本発明の光受信
機では、正常に光信号を検出することができる。

【００３１】また他の実施例として光路系を図６の概略
構成図のようにしてもよい。図において、入射光１０を
平行光にしたあと、ハーフミラー等光路分割手段６１に
より光路を２分割にし、一方の光路はフォトダイオード
１６で受光して電気信号に変換し、フィルタ回路１８と
飽和検出回路１７に入力し、フルタ回路１８の出力はス
イッチ回路１９に接続する。そしてもう一方の光路は、
回折格子１４によって１次回折光を抽出し、スリット入
りのマスク２２Ａ，２２Ｂによって所定の波長帯域だけ
通過させ、フォトダイオード２１Ａ，２１Ｂに受光させ
て電気信号に変換する。

【００３２】変換されたそれぞれの出力信号は加算され
てフィルタ回路１８，増幅回路２４を経てスイッチ回路
１９に接続する。また、飽和検出回路１７では、フォト
ダイオード１６が飽和領域に達するとスイッチ回路１９
を切り換える駆動信号を出力して、フォトダイオード２
１Ａ，２１Ｂの出力信号に切り換える。以上の構成によ
って、前述の実施例と同様の機能を有することができ
る。

【００３３】さらに他の実施例として、図７に示すよう
に、図１における光学フィルタ１１の配置を回折格子１
４に近接配置、若くは回折格子１４にフィルタの機能を
持たせて、部品点数の削減を行ってもよい。

【００３４】

【発明の効果】以上本発明によれば、放射照度レベルの
高い照明下や太陽光の下でも光空間伝送された信号を受
信することができる。また、受信距離のダイナミックレ
ンジを拡大することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す概略構成図。

【図２】(ａ)は光学バンドパスフィルタを説明するため
の概略構成図。(ｂ)は光学バンドパスフィルタの遮断特
性を示す特性図。

【図３】光空間伝送における送・受信機のブロック図。

【図４】フォトダイオードの光・電気変換特性及び逆バ
イアス電圧の関係図。

【図５】フォトダイオード・赤外発光ダイオード・光学
フィルタ・太陽光のスペクトル分布特性図。

【図６】本発明の他の実施例を示す概略構成図。

【図７】本発明の他の実施例を示す概略構成図。

【符号の説明】

１０入射光１１光学フィルタ１２集光レンズ１３コリメートレンズ１４回折格子１５０次回折光１６フォトダイオード１７飽和検出回路１８フィルタ回路１９スイッチ回路２０増幅器２１Ａ，２１Ｂフォトダイオード２２Ａ，２２Ｂマスク２３Ａ，２３Ｂ１次回折光２４増幅器３１送信機３２信号３３エンコード回路３４駆動回路３５赤外発光ダイオード３６受信機３７フォトダイオード３８増幅器３９デコード回路６１光路分割手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０２Ｂ 5/18 Ｈ０４Ｂ 10/02 10/18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平行光を入射する入射手段と、該入射手
段によって入射した前記平行光の光路に配置した回折格
子と、該回折格子を通過した０次回折光を受光する第１
のフォトダイオードと、前記回折格子によって前記平行
光の１次回折光を受光する第２のフォトダイオードと、
前記第１のフォトダイオードの電気出力と前記第２のフ
ォトダイオードの電気出力とを切り換えるスイッチ回路
と、前記第１のフォトダイオードの光・電気変換特性の
飽和点を検出する飽和検出回路とを具備し、前記第１の
フォトダイオードの受光量が飽和領域に達したとき前記
飽和検出回路の出力によって前記スイッチ回路を駆動
し、前記第２のフォトダイオードの電気出力に切り換え
ることを特徴とする光受信機。
【請求項２】回折格子と１次回折光を受光するフォト
ダイオードとの光路間にスリットを有するマスクを挿入
し、該マスクは、選択すべき光信号の波長で予め定めた
帯域幅における上限波長の１次回折角と下限波長の１次
回折角との差によって得られる角度と前記回折格子から
前記マスクまでの距離とから算出される長さのスリット
幅を有することを特徴とする請求項１記載の光受信機。