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JP4352763B2 - Digital communication optical system and condensing element used therefor - Google Patents

Digital communication optical system and condensing element used therefor Download PDF

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JP4352763B2
JP4352763B2 JP2003150646A JP2003150646A JP4352763B2 JP 4352763 B2 JP4352763 B2 JP 4352763B2 JP 2003150646 A JP2003150646 A JP 2003150646A JP 2003150646 A JP2003150646 A JP 2003150646A JP 4352763 B2 JP4352763 B2 JP 4352763B2
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light
light receiving
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condensing element
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映治 田中
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Panasonic Corp
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デジタル通信光学系及びこれに用いる集光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
IT活用が進められる中、その情報伝達形態においても単にLANケーブル等を用いて直接的に接続する配線接続方式から、接続レイアウトを簡易化できるワイアレスLANのような電波信号を用いた無線接続方式に移行してきている。
【0003】
また、転送データの大容量化に伴い転送レートを高めるため光ファイバ等のデジタル光信号を用いる形態が利用されるようになってきており、さらにはデジタル光信号を用いた無線接続形態が考えられている。
【0004】
この場合、図4に示されるような光源1から発せられたデジタル光信号を受光素子2に集光させる集光素子3が必要となるのであるが、このようなデジタル通信光学系に用いられる集光素子3には、一点鎖線で示す光源1の光軸合わせが容易と出来るように大きな有効径を備えたものであることと、デジタル光信号の入射角の変動に対して焦点位置の変動が受光素子2の受光領域内に収めることが要求される。
【0005】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1が知られている。
【0006】
【特許文献1】
特開平1−192233号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、デジタル処理回路のクロックスピードが速くなるにつれ、それに対応する受光素子2はより高感度なものが要求されることとなり、結果として受光素子2が非常に小さなものを用いることとなってしまう。
【0008】
そして、先に述べた集光素子3における有効径を大きくするという条件と、受光素子の受光領域内に焦点移動領域を設定するという条件とを勘案する場合、集光素子の有効径は(数1)によって表され、
【0009】
【数1】

Figure 0004352763
【0010】
受光素子における受光領域は(数2)によって表される。
【0011】
【数2】
Figure 0004352763
【0012】
つまり、集光素子3の有効径Aを大きくするためには焦点距離fや開口数NAを大きくすることになるが、焦点距離fを大きくする場合、受光領域dが一定であることから正接条件に従う画角θを小さくしなければならない。そして、この画角θを小さくすることは、この画角θの正弦条件に従う開口数NAの値を小さなものとすることとなり、必然的に集光素子3の有効径Aを大きくすることに対して制限が加わることとなる。
【0013】
また、有効径Aを大きくするのにあたって開口数NAを大きくする場合、画角θを大きくするのであるが、この時受光領域dを決定する正接値も併せて大きくなるため、焦点距離fを小さくしなければならず、先と同様に集光素子3の有効径Aを大きくすることに対して制限が加わることになる。
【0014】
従って、集光素子3の有効径Aをデジタル通信に適した大きさに設定することが困難なものとなっていた。
【0015】
そこで、本発明はこのような問題を解決し、デジタル通信に適したデジタル通信光学系及びこれに用いる集光素子を提供するものである。
【0016】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明の請求項1に記載の発明は、特にデジタル通信光学系において、集光素子を光源側に配置された第1のレンズと受光素子側に配置された第2のレンズとから形成し、第1のレンズの像点と第2のレンズの物点とを一致させたことで、集光素子の有効径を大きくすることが出来るとともに、高感度な小型の受光素子を用いることができ、デジタル通信に適したデジタル通信光学系を提供できるのである。
【0017】
請求項2に記載の発明は、特に第1のレンズと第2のレンズとを鏡筒を用いて一体化したことで、集光素子の取り扱いが容易に出来るとともに、集光素子の収差を抑制することが出来るのである。
【0018】
請求項3に記載の発明は、特にデジタル通信光学系において、集光素子を光源側に配置された第1のレンズと受光素子側に配置された第2のレンズとから形成し、第1のレンズの像点と第2のレンズの物点とを一致させたことで、集光素子の有効径を大きくすることが出来るとともに、高感度な小型の受光素子を用いることができ、デジタル通信に適した集光素子を提供できるのである。
【0019】
請求項4に記載の発明は、特に第1のレンズと第2のレンズとを鏡筒を用いて一体化したことで、集光素子の取り扱いが容易に出来るとともに、集光素子の収差を抑制することが出来るのである。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について図を用いて説明する。なお前述した従来の技術と同様の構成については同じ符号を付して説明するものとする。
【0021】
図1は、光源1から発せられたデジタル光信号を無線方式、いわゆる空間伝送方式を用いて受光素子2に集光させ電気信号に変換させるデジタル光学系を装置として示したもので、光源1から発せられたデジタル光信号をコリメータレンズ4を介して発散光から平行光に変換し、この平行光となったデジタル光信号の光束を集光素子3を用いて受光素子2であるフォトディテクタの受光領域に結像させ電気信号に変換させる構造となっている。
【0022】
そしてこの装置において集光素子3は、2枚のレンズ5,6を組み合わせることにより形成しており、光源1側に位置するレンズ5の像点7を受光素子2側に位置するレンズ6の物点8と一致させた構造として、集光素子3の有効径を大きくするとともに、デジタル光信号の入射角の変動に伴う焦点位置の変動を小さくしている。
【0023】
これは、集光素子3の有効径を決定するレンズ5を大きく設定しても、このレンズ5により光束を一旦集光させ、この像点7を通過する光束を再度レンズ6を用いて受光素子2に結像させることで、レンズ6が縮小レンズの役割を果たし受光素子2に対する焦点位置9の変動を小さくすることができるのである。
【0024】
すなわち、図4に示された従来の構成においては、集光素子3が1枚のレンズで形成されていたため、前述したように集光素子3の有効径が開口数によって制限を受けていたのであるが、この図1に示す集光素子3のように光源1側のレンズ5と受光素子2側のレンズ6による2枚組構成とすることで、集光素子3の有効径を形成するレンズ5と焦点移動量を制御するレンズ6とを独立して設計できるようになり、レンズ5はその開口数に制限されることなくその有効径を決定でき、このレンズ5によって集光された光束をレンズ6で収縮できるので、図2に示されるように集光素子3に対してある傾斜角をもって入射した光束においてもレンズ5により一旦結像してからレンズ6に入射され収縮された後に再度受光素子2に結像されることになり、結果として焦点移動が少なくデジタル通信に適したデジタル通信光学系を構成できるのである。
【0025】
また、受光素子2に対する焦点位置9の変動の抑制においては、レンズ5,6の焦点距離f1,f2の比により自在に調節可能であり、互いのレンズ5,6の開口数によって調節することができ、多様な受光領域に対応することができるのである。
【0026】
さらに、このような集光素子3においては特に図示していないが、レンズ5,6を鏡筒(図示せず)を用いて一体化したことで、2枚のレンズ5,6における光軸ズレを組立によって制御でき、集光素子3の取り付けなどにおける取り扱いが容易にでき、集光素子3の収差の発生を抑制することが出来るのである。
【0027】
なお、単に受光素子2に対する焦点位置9の変動を小さくするのであれば、図3に示すように光源1側のレンズ10の像点に至る手前部分に受光素子2側のレンズ11を配置することも考えられるが、この場合光軸に沿ってレンズ10に入射される光束はレンズ11によって受光素子2に結像できるのであるが、破線で示すようにレンズ10に対してある傾斜角をもって入射された光束はレンズ11によって分散されてしまい、結果として光利用効率が極端に低くなってしまうため、デジタル通信光学系に適合しないものとなってしまうのである。
【0028】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、特にデジタル通信光学系において、集光素子を光源側に配置された第1のレンズと受光素子側に配置された第2のレンズとから形成し、第1のレンズの像点と第2のレンズの物点とを一致させたことで、集光素子の有効径を大きくすることが出来るとともに、高感度な小型の受光素子を用いることができ、デジタル通信に適したデジタル通信光学系を提供できるのである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態におけるデジタル通信光学系を示す概略図
【図2】同デジタル通信光学系の入射位置の変動に対する光路変動を示す概略図
【図3】同デジタル通信光学系の比較例を示す概略図
【図4】従来のデジタル通信光学系を示す概略図
【符号の説明】
1 光源
2 受光素子
3 集光素子
5 (第1の)レンズ
6 (第2の)レンズ
7 像点
8 物点[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a digital communication optical system and a condensing element used therefor.
[0002]
[Prior art]
As IT is being used, even in the information transmission mode, from a wire connection method that directly connects using a LAN cable or the like to a wireless connection method that uses radio signals such as a wireless LAN that can simplify the connection layout. It has moved.
[0003]
In addition, with the increase in transfer data capacity, a form using a digital optical signal such as an optical fiber has been used to increase the transfer rate, and further, a wireless connection form using a digital optical signal is considered. ing.
[0004]
In this case, the light condensing element 3 for condensing the digital light signal emitted from the light source 1 as shown in FIG. 4 on the light receiving element 2 is necessary. However, the light collecting element 3 used in such a digital communication optical system is necessary. The optical element 3 has a large effective diameter so that the optical axis of the light source 1 indicated by the alternate long and short dash line can be easily adjusted, and the focal position varies with respect to the incident angle of the digital optical signal. It is required to be within the light receiving area of the light receiving element 2.
[0005]
As prior art document information related to the invention of this application, for example, Patent Document 1 is known.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-1-192233 [0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, as the clock speed of the digital processing circuit is increased, the light receiving element 2 corresponding to the digital processing circuit is required to have a higher sensitivity, and as a result, the light receiving element 2 is very small.
[0008]
Then, when considering the above-described conditions for increasing the effective diameter of the light-collecting element 3 and the conditions for setting the focal movement area within the light-receiving area of the light-receiving element, the effective diameter of the light-collecting element is (several 1),
[0009]
[Expression 1]
Figure 0004352763
[0010]
The light receiving area in the light receiving element is represented by (Equation 2).
[0011]
[Expression 2]
Figure 0004352763
[0012]
That is, in order to increase the effective diameter A of the light condensing element 3, the focal length f and the numerical aperture NA are increased. However, when the focal length f is increased, the light receiving region d is constant, so that the tangent condition is satisfied. Must be reduced. Further, reducing the angle of view θ reduces the value of the numerical aperture NA according to the sine condition of the angle of view θ, and inevitably increases the effective diameter A of the light collecting element 3. Limit.
[0013]
Further, when the numerical aperture NA is increased to increase the effective diameter A, the field angle θ is increased. At this time, the tangent value for determining the light receiving region d is also increased, so the focal length f is decreased. In the same way as before, there is a restriction on increasing the effective diameter A of the light condensing element 3.
[0014]
Therefore, it has been difficult to set the effective diameter A of the light collecting element 3 to a size suitable for digital communication.
[0015]
Therefore, the present invention solves such a problem and provides a digital communication optical system suitable for digital communication and a condensing element used therefor.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, the invention according to claim 1 of the present invention is the first lens disposed on the light source side and the second lens disposed on the light receiving element side, particularly in the digital communication optical system. The effective diameter of the condensing element can be increased, and a small sensitive light receiving device with high sensitivity can be obtained by matching the image point of the first lens with the object point of the second lens. An element can be used, and a digital communication optical system suitable for digital communication can be provided.
[0017]
In the invention according to claim 2, the first lens and the second lens are integrated by using a lens barrel, so that the light collecting element can be easily handled and the aberration of the light collecting element is suppressed. It can be done.
[0018]
According to a third aspect of the present invention, in the digital communication optical system, the light collecting element is formed of a first lens disposed on the light source side and a second lens disposed on the light receiving element side. By matching the image point of the lens and the object point of the second lens, the effective diameter of the condensing element can be increased, and a highly sensitive small light receiving element can be used for digital communication. A suitable condensing element can be provided.
[0019]
In the invention according to claim 4, particularly, the first lens and the second lens are integrated by using a lens barrel so that the light collecting element can be easily handled and the aberration of the light collecting element is suppressed. It can be done.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol shall be demonstrated and demonstrated about the structure similar to the prior art mentioned above.
[0021]
FIG. 1 shows, as a device, a digital optical system that condenses a digital optical signal emitted from a light source 1 on a light receiving element 2 and converts it into an electrical signal using a wireless method, so-called spatial transmission method. The emitted digital light signal is converted from divergent light into parallel light via a collimator lens 4, and the light beam of the digital light signal that has become the parallel light is collected using the light collecting element 3 and the light receiving region of the photodetector that is the light receiving element 2. The image is formed into an image and converted into an electrical signal.
[0022]
In this apparatus, the light condensing element 3 is formed by combining two lenses 5 and 6, and the image point 7 of the lens 5 located on the light source 1 side is the object of the lens 6 located on the light receiving element 2 side. As a structure matched with the point 8, the effective diameter of the light condensing element 3 is increased, and the variation in the focal position accompanying the variation in the incident angle of the digital optical signal is reduced.
[0023]
This is because even if the lens 5 that determines the effective diameter of the light condensing element 3 is set large, the light beam is once condensed by the lens 5, and the light beam that passes through the image point 7 is again used by the lens 6. By forming an image on 2, the lens 6 serves as a reduction lens, and the fluctuation of the focal position 9 relative to the light receiving element 2 can be reduced.
[0024]
That is, in the conventional configuration shown in FIG. 4, since the condensing element 3 is formed by a single lens, the effective diameter of the condensing element 3 is limited by the numerical aperture as described above. However, a lens that forms an effective diameter of the light condensing element 3 by using a double-lens configuration with the lens 5 on the light source 1 side and the lens 6 on the light receiving element 2 side as in the light condensing element 3 shown in FIG. 5 and the lens 6 for controlling the amount of focal movement can be designed independently. The lens 5 can determine its effective diameter without being limited by its numerical aperture, and the luminous flux condensed by this lens 5 can be determined. Since it can be contracted by the lens 6, as shown in FIG. 2, a light beam incident on the condensing element 3 with a certain inclination angle is once imaged by the lens 5 and then incident on the lens 6 and contracted to receive light again. Imaging on element 2 It is can configure the digital communications optics focus shift is suitable for small digital communications as a result.
[0025]
The suppression of the fluctuation of the focal position 9 with respect to the light receiving element 2 can be freely adjusted by the ratio of the focal lengths f1 and f2 of the lenses 5 and 6, and can be adjusted by the numerical aperture of the lenses 5 and 6. It can cope with various light receiving areas.
[0026]
Further, although not particularly shown in such a condensing element 3, the optical axes of the two lenses 5 and 6 are shifted by integrating the lenses 5 and 6 using a lens barrel (not shown). Can be controlled by assembling, handling of the condensing element 3 can be easily performed, and the occurrence of aberration of the condensing element 3 can be suppressed.
[0027]
If the variation of the focal position 9 with respect to the light receiving element 2 is simply reduced, the lens 11 on the light receiving element 2 side is disposed in the front side to the image point of the lens 10 on the light source 1 side as shown in FIG. In this case, the light beam incident on the lens 10 along the optical axis can be imaged on the light receiving element 2 by the lens 11, but as shown by the broken line, it is incident on the lens 10 with a certain inclination angle. The luminous flux is dispersed by the lens 11 and, as a result, the light utilization efficiency becomes extremely low, so that it is not suitable for the digital communication optical system.
[0028]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, particularly in the digital communication optical system, the light condensing element is formed of the first lens disposed on the light source side and the second lens disposed on the light receiving element side, and the first By making the image point of the lens and the object point of the second lens coincide with each other, the effective diameter of the condensing element can be increased, and a small highly sensitive light receiving element can be used. It is possible to provide a digital communication optical system suitable for the above.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a digital communication optical system according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram showing optical path fluctuations with respect to fluctuations in the incident position of the digital communication optical system. FIG. 4 is a schematic diagram showing a conventional digital communication optical system.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light source 2 Light receiving element 3 Condensing element 5 (1st) lens 6 (2nd) lens 7 Image point 8 Object point

Claims (4)

光源から発せられたデジタル光信号を受光素子に入射し電気信号に変換するデジタル通信光学系において、前記デジタル光信号を前記受光素子に集光させる集光素子を前記光源側に配置された第1のレンズと前記受光素子側に配置された第2のレンズとから形成し、前記第1のレンズの像点と前記第2のレンズの物点とを一致させたことを特徴とするデジタル通信光学系。In a digital communication optical system for converting a digital light signal emitted from a light source into a light receiving element and converting it into an electrical signal, a light condensing element for condensing the digital light signal on the light receiving element is disposed on the light source side. And a second lens disposed on the light receiving element side, and an image point of the first lens and an object point of the second lens are made to coincide with each other. system. 第1のレンズと第2のレンズとを鏡筒を用いて一体化したことを特徴とする請求項1に記載の集光素子。The condensing element according to claim 1, wherein the first lens and the second lens are integrated using a lens barrel. 光源から発せられたデジタル光信号を受光素子に集光させる集光素子は、前記光源側に配置された第1のレンズと前記受光素子側に配置された第2のレンズとから形成し、前記第1のレンズの像点と前記第2のレンズの物点とを一致させたことを特徴とする集光素子。A condensing element for condensing a digital light signal emitted from a light source on a light receiving element is formed of a first lens disposed on the light source side and a second lens disposed on the light receiving element side, A condensing element characterized in that an image point of a first lens coincides with an object point of the second lens. 第1のレンズと第2のレンズとを鏡筒を用いて一体化したことを特徴とする請求項3に記載の集光素子。The condensing element according to claim 3, wherein the first lens and the second lens are integrated using a lens barrel.
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