DE69835326T2 - Gerät zur optischen Übertragung im freien Raum - Google Patents

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    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B10/00Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/11Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Kommunikation im freien Raum, um eine drahtlose, optische Kommunikation zwischen zwei voneinander entfernten Orten durchzuführen.
  • Verwandter Stand der Technik
  • 1 zeigt den Aufbau einer herkömmlichen Vorrichtung zur optischen Kommunikation im freien Raum mit automatischer Nachstellfunktion. Ein Lichtübertragungs-/Empfangs-Linsensystem 1 und ein bewegbarer Spiegel 2 sind in einer Position gegenüber der Partnervorrichtung angeordnet, und ein Polarisationsstrahlteiler 3, ein optisches Übertragungssystem 4, und ein Halbleiter-Laserlichtemissionselement 5 befinden sich der Reihe nach in Einfallsrichtung des bewegbaren Spiegels 2. In Reflexionsrichtung des Polarisationsstrahlteilers 3 befinden sich ein Strahlteilungsspiegel 6, ein optisches Empfangssystem 7 und ein 4-teiliger Photodetektor 8. In Reflexionsrichtung des Strahlteilungsspiegels 6 befinden sich ein optisches Empfangssystem 9 und ein Hauptsignalphotodetektor 10.
  • Der Ausgang eines Multiplexers 11 ist mit dem Lichtemissionselement 5 verbunden. Der Ausgang eines Pilotsignalgenerators 12 zum Erzeugen eines Pilotsignals mit einer einzelnen Frequenz, welche niedriger ist als jene des Hauptsignals für die Positionserfassung, ist mit dem Multiplexer 11 verbunden, und der Ausgang eines Hauptsignaleingangsanschlusses 14 ist über einen Verstärker 13 mit dem Multiplexer 11 verbunden. Der Ausgang des Photodetektors 10 ist über einen Verstärker 15, dessen Ausgang über einen Detektionsschaltkreis 17 rückgekoppelt ist, mit einem Hauptsignalausgangsanschluss 16 verbunden. Der Ausgang des 4-teiligen Photodetektors 8 ist über vier Verstärker 18a bis 18d mit einem Kontrollschaltkreis 19 verbunden, und der Ausgang des Kontrollschaltkreises 19 ist über zwei bewegbare Spiegeltreiber 20a und 20b mit dem bewegbaren Spiegel 2 verbunden. Es sei bemerkt, dass der bewegbare Spiegel 2 um Achsen senkrecht und parallel zur Papierebene von 1 in zwei Richtungen gedreht werden kann.
  • Ein von dem Eingangsanschluss 14 zugeführtes, zu übertragendes Hauptsignal wird durch den Verstärker 13 verstärkt, und wird mit einem Pilotsignal von dem Pilotsignalgenerator 12 durch den Multiplexer 11 einem Multiplexen unterworfen. Das Hauptsignal wird dann durch das Lichtemissionselement 5 in ein optisches Signal konvertiert. Das von dem Lichtemissionselement 5 kommende, abgegebene Licht ist polarisiertes Licht, dessen Polarisationsebene parallel zur Papierebene von 1 ist, und wird durch das optische Übertragungssystem 4 und den Polarisationsstrahlteiler 3 übertragen. Das Hauptsignallicht wird dann durch den bewegbaren Spiegel 2 reflektiert, und wird von dem Übertragungs-/Empfangslinsensystem in Form eines Lichtstrahls zur Partnervorrichtung abgegeben.
  • Andererseits tritt ein von der Partnervorrichtung kommender, empfangener Lichtstrahl in das Übertragungs-/Empfangslinsensystem 1 ein, wird durch den bewegbaren Spiegel 2 reflektiert, und trifft dann auf den Polarisationsstrahlteiler 3. Da in diesem Fall der empfangene Lichtstrahl in Richtung senkrecht zur Papierebene polarisiert ist, wird er durch die geklebte Oberfläche des Polarisationsstrahlteilers 3 reflektiert und pflanzt sich in Richtung des Strahlteilungsspiegels 6 fort. Der empfangene Lichtstrahl wird durch den Strahlteilungsspiegel 6 in zwei Richtungen geteilt. Ein Lichtstrahl wird durch den Strahlteilungsspiegel 5 reflektiert und wird auf den Hauptsignalphotodetektor 10 fokussiert. Andererseits wird der andere Lichtstrahl durch den Strahlteilungsspiegel 6 durchgelassen und auf den vier-teiligen Photodetektor 8 fokussiert.
  • Das optische Signal wird durch den Hauptsignalphotodetektor 10 in ein elektrisches Signal konvertiert, und das elektrische Signal wird durch den Verstärker 15 verstärkt. Das verstärkte Signal wird dann als Empfangssignal von dem Ausgangsanschluss 16 abgegeben. Gleichzeitig empfängt der Verstärker 15 ein von dem Detektionsschaltkreis 17 rückgekoppeltes Signal, um eine automatische Verstärkungsregelung zu erreichen.
  • Da andererseits der vier-teilige Photodetektor 8 eine niedrige Antwortgeschwindigkeit hat, ist er nahezu unempfindlich auf das hoch-frequente Hauptsignal und erfasst lediglich das nieder-frequente Pilotsignal. Ein fokussierter Lichtfleck wird auf den vier Photodetektionsabschnitten 8a bis 8d des vierteiligen Photodetektors 8 geformt, und die Ausgangssignale dieser vier Photodetektionsabschnitte 8a bis 8d werden dem Kontrollschaltkreis 19 zugeführt, nachdem sie jeweils durch die Verstärker 18a bis 18d verstärkt wurden. Der Kontrollschaltkreis 19 sendet auf den Signalen von den vier Phototdetektionsabschnitten 8a bis 8d basierende Steuersignale zu den Treibern 20a und 20b des bewegbaren Spiegels, um den bewegbaren Spiegel 2 zu steuern, so dass sich die Position des fokussierten Lichtflecks in der Mitte des 4-teiligen Photodetektors 8 befindet und die Ausgangssignale der vier Photodetektionsabschnitte 8a bis 8d einander angleichen.
  • Da die Positionen des Lichtemissionselements 5, des 4-teiligen Photodetektors 8 und des Hauptsignalphotodetektors 10 im Voraus eingestellt werden, so dass diese auf der optischen Achse miteinander übereinstimmen, wird, wenn der Lichtfleck in der Mitte des 4-teiligen Photodetektors 8 erzeugt wird, der Lichtstrahl auch im mittigen Abschnitt des Hauptsignalphotodetektors 10 fokussiert. Gleichzeitig wird normalerweise der von dem Lichtemissionselement 5 kommende Übertragungslichtstrahl in Richtung der Partnervorrichtung abgegeben.
  • Sogar wenn sich der Winkel der Vorrichtung aufgrund einer äußeren Kraft, Temperaturwechsel und dergleichen geändert hat, bewirkt die automatische Nachstellfunktion auf diese Weise, dass durch Bewegen des bewegbaren Spiegels 2 der Strahlfleck in der Mitte des 4-teiligen Photodetektors 8 geformt wird, wodurch ein zufrieden stellender Kommunikationszustand ohne jegliche Abweichung des Lichtstrahls von der Richtung der Partnervorrichtung aufrecht erhalten bleibt.
  • Jedoch erfordert der vorgenannte Stand der Technik den Strahlteilungsspiegel 6 zum Teilen des empfangenen Lichtstrahls, und der 4-teilige Photodetektor 8, der Hauptsignalphotodetektor 10 und das Lichtemissionselement 5 erfordern eine genaue Positionseinstellung. Infolgedessen sind das optische System und sein Haltemechanismus kompliziert und Einstellungen nach Zusammenbau sind schwierig. In einem Abschnitt elektrischer Schaltkreise benötigt der Sender den Pilotsignalgenerator 12 und den Multiplexer 11, und der Empfänger benötigt, entsprechend den Photodetektionsabschnitten 8a bis 8d des 4-teiligen Photodetektors 8, die Verstärker 18a bis 18d. Ferner sind Einstellungen zum Anpassen von Eigenschaften der vier Verstärker 18a bis 18d erforderlich. Auf diese Weise wird die Vorrichtung teuer, was von der automatischen Nachstellfunktion und ihrer Gewichts- und Größenzunahme her rührt.
  • US-A-3 566 126 offenbart ein Laserkommunikationssystem mit zwei Sender-Empfänger-Anschlüssen, die jeweils ein einziges Strahlsteuerelement zur simultanen Kontrolle der Richtungen von gesendeten und empfangenen Signalen umfassen.
  • EP-A-0 653 852 offenbart eine Vorrichtung zur optischen Kommunikation im freien Raum mit einer Expansionswinkelvariationsvorrichtung zum Variieren des Expansionswinkels des zu emittierenden Lichtstrahls.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur optischen Kommunikation im freien Raum zur Verfügung zu stellen, welche die vorgenannten Probleme lösen kann, den Winkelbereich der automatischen Nachstellung durch einen einfachen Aufbau verbreitern kann, und eine preiswerte, automatische Nachstellfunktion aufweist.
  • Diese Aufgaben werden durch die Vorrichtung zur optischen Kommunikation im freien Raum gemäß Anspruch 1 und das Verfahren zum Ändern von Sende-/Empfangsrichtungen eines Lichtstrahls in einer Vorrichtung zur optischen Kommunikation im freien Raum gemäß Anspruch 9 erfüllt. Die anderen Ansprüche betreffen weitere Ausgestaltungen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Diagramm, welches den Aufbau einer herkömmlichen Vorrichtung zur optischen Kommunikation im freien Raum zeigt;
  • 2 ist ein Diagramm, welches den Aufbau einer Vorrichtung zur optischen Kommunikation im freien Raum gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 3A und 3B sind Darstellungen zum Erklären des Zusammenhangs zwischen der Lichtfleckposition auf einem Photodetektor und der Empfangsleistung;
  • 4 ist eine erklärende Darstellung des Verfahrens zum Suchen der maximalen Empfangsleistung;
  • 5 ist eine erklärende Darstellung des Verfahrens zum Suchen der maximalen Empfangsleistung;
  • 6 ist ein Diagramm, welches den Aufbau gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 7 ist eine erklärende Darstellung der Winkelbereichseinstellung bei der automatischen Nachstellung eines Photodetektors;
  • 8 ist ein Diagramm, welches den Aufbau gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 9 ist ein Diagramm, welches den Aufbau gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
  • 10 ist ein Diagramm, welches den Aufbau gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGFORMEN
  • Eine Vorrichtung zur optischen Kommunikation im freien Raum gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Weiteren anhand der in den 2 bis 20 veranschaulichten Ausführungsformen detailliert beschrieben.
  • 2 zeigt den Aufbau der ersten Ausführungsform. Ein Licht-Sende-/Empfangs-Linsensystem 30 und eine bewegbarer Spiegel 31 befinden sich in einer Position gegenüber der Partnervorrichtung, und ein Polarisationsstrahlteiler 32, ein optisches Sendesystem 33 und ein Halbleiterlaserlichtemissionselement 34 befinden sich der Reihe nach in der Einfallsrichtung des bewegbaren Spiegels 31. In Reflexionsrichtung des Polarisationsstrahlteilers 32 befinden sich ein optisches Empfangssystem 35 und ein Photodetektor 36.
  • Der Ausgang eines Sendesignaleingangsanschlusses 38 ist über einen Verstärker 37 mit dem Lichtemissionselement 34 verbunden. Der Ausgang des Photodetektors 36 ist über einen Verstärker 39 mit einem Empfangssignalausgangsanschluss 40 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 39 ist über einen Detektionsschaltkreis 41, dessen Ausgang zum Verstärker 39 rückgekoppelt ist, mit einem Kontrollschaltkreis 42 verbunden. Der Ausgang des Kontrollschaltkreises 42 ist über zwei bewegbare Spiegeltreiber 32a und 32b mit dem bewegbaren Spiegel 31 verbunden.
  • Ein Übertragungssignal wird über den Eingangsanschluss 38 zugeführt und durch den Verstärker 37 verstärkt. Das Signal wird dann durch das Lichtemissionselement 34 in ein optisches Signal konvertiert, und das optische Signal wird durch das optische Sendesystem 33 und den Polarisationsstrahlteiler 33 übertragen. Das optische Signal wird in Form eines Lichtstrahls über den bewegbaren Spiegel 31 und das Sende-/Empfangs-Linsensystem 30 an die Partnervorrichtung abgegeben.
  • Andererseits wird ein von der Partnervorrichtung kommender, empfangener Lichtstrahl über das Sende-/Empfangs-Linsensystem 30 zugeführt und durch den bewegbaren Spiegel 31 und die geklebte Oberfläche des Polarisationsstrahlteilers 32 reflektiert. Anschließend wird der empfangene Lichtstrahl durch das optische Empfangssystem 35 auf den Hauptsignalphotodetektor 36 fokussiert. Ein elektrisches Signal, welches durch den Photodetektor aus dem optischen Signal konvertiert wird, wird durch den Verstärker 39 verstärkt und dann als Empfangssignal von dem Ausgangsanschluss 40 abgegeben. Ein Ausgangssignal des Detektionsschaltkreises 41 wird dem Kontrollschaltkreis 42 zugeführt und zum Detektieren der Empfangsleistung verwendet. Der Kontrollschaltkreis 42 sendet auf dem Eingangssignal basierende Steuersignale zu den Treibern 43a und 43b des bewegbaren Spiegels. Gleichzeitig wird das Ausgangssignal des Detektionsschaltkreises 41 in der automatischen Verstärkungsregelung des Verstärkers 39 verwendet.
  • In dieser Ausführungsform wird der Empfangsrichtungswinkel als Empfangswinkelbereich eines von der Partnervorrichtung gesendeten optischen Signals so eingestellt, dass er kleiner ist als der Divergenzwinkel des Übertragungslichtstrahls ist. Wenn zum Beispiel die Brennweite f des optischen Empfangssystems 35 200 mm beträgt und der Durchmesser d des Detektionsabschnitts des Photodetektors 36 0,2 mm ist, beträgt der Empfangsrichtungswinkel aus ±tan–1(d/2f) rund 0,029°. Wenn andererseits der Abstand L des Übertragungslichtstrahls 1000 m ist, und der Strahldurchmesser D in dieser Position 2 m beträgt, ist der Divergenzwinkel aus ±tan–1(D/2L) rund 0,057°.
  • Um eine automatische Nachstellung zu erreichen, muss ein Übertragungslichtstrahl der eigenen Vorrichtung die Partnervorrichtung erreichen, und ebenso muss ein Übertragungslichtstrahl der Partnervorrichtung auch die eigene Vorrichtung erreichen.
  • Wenn der Divergenzwinkel des Übertragungslichtstrahls kleiner als der Empfangsrichtungswinkel ist, erreicht der Übertragungslichtstrahl der eigenen Vorrichtung nicht immer die Partnervorrichtung, sogar wenn die eigene Vorrichtung den Übertragungslichtstrahl der Partnervorrichtung empfängt.
  • Umgekehrt, wenn der Empfangsrichtungswinkel kleiner als der Divergenzwinkel des Übertragungslichtstrahls ist und der Winkel der eigenen Vorrichtung eingestellt ist, um den Übertragungslichtstrahl der Partnervorrichtung zu empfangen, kann der Übertragungslichtstrahl der eigenen Vorrichtung in diesem Zustand die Partnervorrichtung sicher erreichen.
  • In der Vorrichtung zur optischen Kommunikation im freien Raum der vorliegenden Erfindung wird der Empfangswinkelbereich eines von der Partnervorrichtung übertragenen optischen Signals (zweites optisches Signal) so eingestellt, dass er gleich oder kleiner als der Divergenzwinkel eines von der eigenen Vorrichtung abzugebenden Lichtstrahls (erster Lichtstrahl) ist.
  • Insbesondere ist der Empfangswinkelbereich des zweiten optischen Signals vorzugsweise kleiner als der Divergenzwinkel des ersten Lichtstrahls.
  • Um die Partnervorrichtung in einer optimalen Position nahe der Mitte des Übertragungslichtstrahls zu lokalisieren, muss die folgende automatische Nachstellungskontrolle gemacht werden, so dass der durch Fokussieren des empfangenen Lichtstrahls gewonnene Lichtfleck nahe der Mitte des Photodetektors 36 lokalisiert ist.
  • Wie in 3A gezeigt ist, wenn der empfangene Lichtstrahl auf der Lichtempfangsfläche des Photodetektors 36 fokussiert wird, sind Änderungen in der Empfangsleistung entsprechend der mittigen Position des Strahlflecks durch eine Kurve mit einem mittigen Peak definiert, wie in 3B gezeigt ist. Somit kann durch Kontrollieren des bewegbaren Spiegels 31 zum Formen eines Lichtflecks an einer der maximalen Empfangsleistung entsprechenden Position die Richtung des Übertragungslichtstrahls gleichzeitig auf eine optimale Position eingestellt werden.
  • Die 4 und 5 sind erklärende Darstellungen des Verfahrens zum Aufsuchen der Position der maximalen Empfangsleistung durch Steuerung des bewegbaren Spiegels 31. In 4 stellt PO die aktuelle mittige Position des Lichtflecks dar, wobei der Lichtfleck wird in der +x-Richtung in einem kleinen Umfang bewegt wird, um die mittige Position von PO nach P1 zu bewegen. Gleichzeitig wird, wenn die Empfangsleistung gleich bleibt oder zunimmt, P1 als neues PO aktualisiert. Wenn umgekehrt die Empfangsleistung infolge der Bewegung abnimmt, wird der Lichtfleck auf die vorige Position PO rückgesetzt. Ein solcher Vorgang erfolgt als eine Einheit, wobei nach Beendigung dieses Vorgangs der gleiche Vorgang in einer anderen Richtung (z. B. +y-Richtung) erfolgt. Auch wiederholt sich der Vorgang selbst in den –x- und –y-Richtungen. Durch Wiederholen einer Reihe solcher Vorgänge konvergiert die Lichtfleckposition zur Position der maximalen Empfangsleistung.
  • 5 zeigt ein weiteres Verfahren. Die Lichtfleckposition wird der Reihe nach zu den Punkten P1 bis P4 um die aktuelle Position PO herum bewegt und die Empfangsleistung wird an diesen Positionen gemessen. Die Lichtfleckposition wird dann zur Maximalen dieser Punkte bewegt, um ein neues PO zu bestimmen.
  • Solche Funktionsweisen werden von Schwankungen der optischen Empfangsleistung beeinflusst, die aus Luftfluktuationen resultieren. Da sich jedoch die gleichen Funktionsweisen immer selbst wiederholen, werden die Einflüsse der Schwankungen gemittelt, so dass der Fleck nahe der Mitte konvergiert. Es sei bemerkt, dass die dem Kontrollschaltkreis 42 zugeführten Signale im Voraus elektrisch gefiltert werden können, um Schwankungskomponenten zu entfernen.
  • Ein solches Kontrollverfahren hat eine niedrige Antwortgeschwindigkeit. Jedoch kann eine ausreichend hohe Nachstellgeschwindigkeit gegenüber großen Umgebungsschwankungen, wie Winkeländerungen aufgrund einer Biegung des Vorrichtungsinneren, eines die Vorrichtung stützendes Trägers, eines den Träger haltenden Gebäudes und dergleichen infolge von Temperaturschwankungen bei verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizient, und einer sich aus einer nichteinheitlichen Lufttemperaturverteilung ergebenden Lichtstrahlkrümmung gewährleistet werden.
  • 6 zeigt den Aufbau der zweiten Ausführungsform. In dieser Ausführungsform ist ein Antriebsmittel 44, wie ein Motor oder dergleichen, an dem Photodetektor 36 befestigt, so dass der Photodetektor 36 in Richtung der optischen Achse des optischen Empfangssystems 35, das den empfangenen Lichtstrahl fokussiert, bewegbar ist. In der ersten Ausführungsform ist der zur automatischen Nachstellung geeignete Winkelbereich relativ eng, da er nahezu gleich zum empfangbaren Winkel des Photodetektors 36 ist. Da jedoch in dieser Ausführungsform der Photodetektor 36 in Richtung der optischen Achse bewegbar ist, kann der zur automatischen Nachstellung geeignete Winkelbereich verbreitert werden.
  • 7 ist eine erklärende Darstellung des Winkelbereichs der automatischen Nachstellung. Es wird angenommen, dass sich vor der Einstellung nach Aufbau der Vorrichtung, oder wenn die Vorrichtung eine Neigung infolge einer äußeren Kraft aufweist, der Lichtempfangsabschnitt des Photodetektors 26 an einer Position A befindet, und dass sich das empfangene Licht in eine durch die gestrichelte Linie angegebene Richtung fortpflanzt. Da in einem solchen Zustand das empfangene Licht nicht auf den Photodetektor 36 trifft, ist eine automatische Nachstellung nicht möglich. Wenn jedoch der Photodetektor 36 in eine Position B innerhalb des empfangenen Lichts bewegt wird, ist eine automatische Nachstellung möglich. Anschließend wird die einer maximalen Empfangsleistung entsprechende Position durch Rückbringen des Photodetektors 36 in einem kleinen Umfang in Richtung der Position A aufgesucht. Schließlich pflanzt sich das empfangene Licht in eine durch die durchgezogene Linie angegebene normale Richtung fort, und der Photodetektor kehrt zur ursprünglichen Position A zurück. Dann erfolgt eine automatische Nachstellung in der gleichen Weise wie in der ersten Ausführungsform.
  • 8 zeigt den Aufbau der dritten Ausführungsform. In dieser Ausführungsform ist der Photodetektor 36 in seiner Position fixiert und das Antriebsmittel 44 ist an einem Linsensystem 45 des optischen Empfangssystems zum Fokussieren des empfangenen Lichtstrahls befestigt. Bei diesem Aufbau kann ein Bewegen des Photodetektors aus der Abbildungsposition des empfangenen Lichtstrahls durch Bewegen des Linsensystems 45 in Richtung der optischen Achse realisiert werden, und der Nachstellwinkelbereich kann in Richtung der optischen Achse verbreitert werden. Somit kann in der dritten Ausführungsform die Position des Brennpunkts des optischen Systems, welches den empfangenen Lichtstrahl auf den Photodetektor 36 fokussiert, in Richtung der optischen Achse bewegbar sein.
  • 9 zeigt den Aufbau der vierten Ausführungsform. In dieser Ausführungsform wird der eine automatischen Nachstellung ermöglichende Winkelbereich auch durch Verwenden eines zweidimensionalen Halbleiterpositionsdetektors verbreitert. Ein Strahlteilungsspiegel 46 zum Teilen eines Lichtstrahls befindet sich in Reflektionsrichtung des Polarisationsstrahlteilers 32, und ein optisches Empfangssystem 47 und ein zweidimensionaler Positionsdetektor 48 befinden sich in der Übertragungsrichtung des Strahlteilungsspiegels 46. Ebenso befinden sich das optische Empfangssystem 35 und der Photodetektor 36 in der Reflektionsrichtung des Strahlteilungsspiegels 46. Der Ausgang des zweidimensionalen Positionsdetektors ist über zwei Verstärker 49a und 49b mit dem Kontrollschaltkreis 42 verbunden. Andere Anordnungen sind gleich zu jenen der ersten Ausführungsform.
  • Einige Lichtkomponenten des empfangenen Lichts werden durch den Strahlteilungsspiegel 46 geteilt, und werden auf den zweidimensionalen Positionsdetektor 48 abgebildet. Ein der beleuchteten Position des Lichtflecks auf dem Positionsdetektor 48 in horizontaler Richtung entsprechendes differentielles Stromsignal wird dem Verstärker 49a zugeführt und in ein die Lichtfleckposition darstellendes Spannungssignal konvertiert. Das Spannungssignal wird dem Kontrollschaltkreis 42 zugeführt. Gleichermaßen wird ein der beleuchteten Position des Lichtflecks auf dem Positionsdetektor 48 in vertikaler Richtung entsprechendes differentielles Stromsignal dem Verstärker 49b zugeführt und in gleicher Weise in Form eines Spannungssignals dem Kontrollschaltkreis 42 zugeführt. Der Kontrollschaltkreis 42 steuert den bewegbaren Spiegel 31 basierend auf diesen Lichtfleckpositionssignalen, so dass sich der Lichtfleck in der Mitte des Positionsdetektors 48 befindet.
  • In dieser Ausführungsform wird der Strahlteilungsspiegel 46 wie im Stand der Technik verwendet. Da jedoch diese Ausführungsform einen solchen Spiegel für den folgenden Zweck verwendet, ist weder eine strikte Positions- oder Signalgenauigkeit erforderlich. Das, heißt, wenn der Hauptsignalphotodetektor 36 außerhalb des empfangenen Lichtstrahls ist, kontrolliert der Positionsdetektor 48 eine Einstellung des Winkels, um auf diese Weise zu bewirken, dass das empfangene Licht auf den Photodetektor 36 fällt. Nachdem das empfangene Licht dem Photodetektor zugeführt ist, erfolgt eine Nachstellung in derselben Weise wie in der ersten Ausführungsform.
  • Um nochmals festzuhalten, es sind weder eine strikte Positionseinstellung noch ein Mechanismus zum Aufrechterhalten einer hohen Genauigkeit, wie ein 4-teiliger Photodetektor erforderlich, und die elektrischen Schaltungen um die Verstärker 49a und 49b und dergleichen erfordern keine hohe Genauigkeit. Ebenso benötigt der Sender keine spezielle Signalquelle, wie einen Pilotsignalgenerator, wodurch Kosten im Vergleich zum Stand der Technik reduziert werden können. Somit kann der Nachstellungswinkelbereich durch einen einfachen Aufbau unter Verwendung des zweidimensionalen Positionsdetektors verbreitert werden.
  • 10 zeigt die Anordnung der fünften Ausführungsform. Die ersten bis vierten Ausführungsformen sind für langsame Variationen effektiv, wie die Biegung eines Gebäudes, Trägers und dergleichen, können jedoch nicht auf schnelle Änderungen infolge von Vibrationen und dergleichen reagieren. Da diese Ausführungsform auch Beschleunigungsdetektoren 50a und 50b verwendet, kann die Vorrichtung somit an einem nichtstabilen Ort, wo es wahrscheinlich ist, dass Vibrationen oder dergleichen auftreten, aufgestellt werden. Der Beschleunigungsdetektor 50a zum Detektieren der Winkelgeschwindigkeit der Rotation um die Achse parallel zur Papierebene von 10 und der Beschleunigungsdetektor 50b zum Detektieren der Winkelgeschwindigkeit der Rotation um die Achse senkrecht zur Papierebene von 10 werden angeordnet und ihre Ausgänge sind über Verstärker 51a und 51b mit dem Kontrollschaltkreis verbunden.
  • Wenn eine Winkelgeschwindigkeit aufgrund einer Bewegung der Vorrichtung erzeugt wird, erzeugen die Beschleunigungsdetektoren 50a und 50b jeweils Signale, welche den Winkelgeschwindigkeiten in den jeweiligen Richtungen entsprechen, und diese Signale werden, nachdem sie durch die Verstärker 51a und 51b verstärkt wurden, dem Kontrollschaltkreis 42 zugeführt. Nach Empfang dieser Signale steuert der Kontrollschaltkreis 42 den bewegbaren Spiegel 31, um die Richtung der optischen Achse wieder zu erlangen. Da die Beschleunigungsdetektoren 50a und 50b keine Empfindlichkeit auf Bewegung mit geringer Geschwindigkeit haben, wird eine automatische Nachstellung für Bewegung mit geringer Geschwindigkeit auf Basis der von dem Photodetektor 36 detektierten Intensität des Lichtstrahls kontrolliert, wie in den ersten bis vierten Ausführungsformen, und jene für Bewegung mit hoher Geschwindigkeit wird auf Basis der von den Beschleunigungsdetektoren 50a und 50b ausgegebenen Signale kontrolliert.
  • Zusammenfassend festgestellt, kann, da in der Vorrichtung zur optischen Kommunikation im freien Raum eine automatische Nachstellung erfolgt um die Intensität des Detektionssignals der Detektoreinrichtung zu maximieren, eine kostengünstige, automatische Nachstellfunktion realisiert werden.
  • Das heißt, da die herkömmliche Vorrichtung zur optischen Kommunikation im freien Raum eine automatischen Nachstellfunktion aufweist, durch welche bewirkt wird, dass der Lichtfleck immer die Mitte des 4-teiligen Photodetektors trifft, ist ihr Aufbau kompliziert und die Vorrichtung teuer.
  • Da im Unterschied hierzu in der Vorrichtung zur optischen Kommunikation im freien Raum gemäß der vorliegenden Erfindung der bewegbare Spiegel, der Photodetektor und dergleichen lediglich in einer vorbestimmten Richtung bewegt werden, um die Intensität des Detektionssignals des Photodetektors zu maximieren, ist der Aufbau einfach und die Vorrichtung preiswert.
  • In der Vorrichtung zur optischen Kommunikation im freien Raum der vorliegenden Erfindung wird der Empfangswinkelbereich eines von der Partnervorrichtung übertragenen, optischen Signals (zweites optisches Signal) derart eingestellt, dass er gleich oder kleiner als der Divergenzwinkel eines von der eigenen Vorrichtung abzugebenden Lichtstrahls (erster Lichtstrahl) ist. Infolgedessen kann, sogar wenn die automatische Nachstellfunktion wirkt, der von der eigenen Vorrichtung übertragene Lichtstrahl sicher die Partnervorrichtung erreichen.

Claims (9)

  1. Vorrichtung zur optischen Kommunikation im freien Raum, umfassend: eine Übertragungseinrichtung (34, 33, 32, 31, 30) zum Umwandeln eines ersten elektrischen Signals in ein erstes optisches Signal und Übertragen des letzteren in Form eines ersten Lichtstrahls zu einer Partnervorrichtung; eine Empfangseinrichtung (30, 31, 32, 35, 36, 47, 48) zum Empfangen eines zweiten optischen Signals in Form eines zweiten Lichtstrahls von der Partnervorrichtung, wobei die Empfangseinrichtung umfasst eine Photodetektoreinrichtung zum Detektieren des zweiten optischen Signals aus dem zweiten Lichtstrahl und Umwandeln des ersteren in ein zweites elektrisches Signal; und eine Änderungseinrichtung (31, 43a, 43b) zum Ändern der Übertragungsrichtung des ersten Lichtstrahls und der Empfangsrichtung des zweiten Lichtstrahls in eine Richtung zwecks Maximierung der Intensität des zweiten elektrischen Signals, das durch Umwandeln des durch die Photodetektoreinrichtung detektierten zweiten optischen Signals gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungs-, die Empfangs- und die Photodetektoreinrichtung derart angeordnet sind, dass der Empfangswinkelbereich des zweiten optischen Signals nicht größer ist als der Divergenzwinkel des zu übertragenden ersten Lichtstrahls.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Übertragungs-, die Empfangs- und die Photodetektoreinrichtung derart angeordnet sind, dass der Empfangswinkelbereich des zweiten optischen Signals kleiner als der Divergenzwinkel des zu übertragenden ersten Lichtstrahls ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend: eine Strahlteilereinrichtung (46) zum Teilen des zweiten Lichtstrahls und eine Detektionseinrichtung (48) zum Detektieren einer zweidimensionalen optischen Position, wobei der eine Lichtstrahl der durch die Strahlteilereinrichtung (46) geteilten Lichtstrahlen der Photodetektoreinrichtung (36) und der andere Lichtstrahl der Detektionseinrichtung (48) zugeführt werden.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein optisches System (35) zum Fokussieren des zweiten Lichtstrahls auf die Photodetektoreinrichtung (36), wobei die Photodetektoreinrichtung (36) in Richtung der optischen Achse des optischen Systems in eine Position bewegbar ist, in der der Empfangswinkelbereich des zweiten optischen Signals nicht größer als der Divergenzwinkel des zu übertragenden ersten Lichtstrahls ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Photodetektoreinrichtung (36) in eine Position bewegbar ist, in der der Empfangswinkelbereich des zweiten optischen Signals kleiner als der Divergenzwinkel des zu übertragenden ersten Lichtstrahls ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein optisches System (45) zum Fokussieren des zweiten Lichtstrahls auf die Photodetektoreinrichtung (36), wobei das optische System in Richtung seiner optischen Achse in eine Position bewegbar ist, in der der Empfangswinkelbereich des zweiten optischen Signals nicht größer als der Divergenzwinkel des zu übertragenden ersten Lichtstrahls ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der das optische System (45) in eine Position bewegbar ist, in der der Empfangswinkelbereich des zweiten optischen Signals kleiner ist als der Divergenzwinkel des zu übertragenden ersten Lichtstrahls.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner umfassend: eine Beschleunigungsdetektoreinrichtung (50a, 50b) zum Detektieren einer Beschleunigung, wobei die Änderungseinrichtung (31, 43a, 43b) auf der Basis eines von der Beschleunigungsdetektoreinrichtung detektierten Beschleunigungssignals gesteuert wird.
  9. Verfahren zum Betreiben eines Systems zur optischen Übertragung im freien Raum zum Kommunizieren zwischen zwei Orten unter Verwendung eines Lichtstrahls, umfassend die Schritte: Umwandeln eines ersten elektrischen Signals in ein erstes optisches Signal und Übertragen des letzteren in Form eines ersten Lichtstrahls zu einer Partnervorrichtung; Empfangen eines zweiten von der Partnervorrichtung übertragenen Lichtstrahls; Detektieren eines zweiten optischen Signals aus ersterem und Umwandeln des zweiten optischen Signals in ein zweites elektrisches Signal; und Ändern der Übertragungsrichtung des ersten Lichtstrahls und der des zweiten Lichtstrahls in eine Richtung zwecks Maximierung der Intensität des zweiten elektrischen Signals, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte Übertragen, Empfangen und Detektieren derart ausgeführt werden, dass der Empfangswinkelbereich des zweiten optischen Signals nicht größer ist als der Divergenzwinkel des zu übertragenden ersten Lichtstrahls.
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