JP2000089155A - 光無線装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡易な構成かつ小型な、光軸角度補正を行い得
る光無線装置を得る。 【解決手段】送信光ビームを出射するとともに受信光ビ
ームを受光する送受信手段１０と、第１の凸レンズ３６
及び第２の凸レンズ３７からなり、所定の伝送対象から
出射された受信光ビームを第１の凸レンズ３６で受光し
受信光ビームの光束径を縮小して出射するとともに、送
受信手段１０から出射された送信光ビームを第２の凸レ
ンズ３７で受光し、送信光ビームの光束径を拡大して所
定の伝送対象に出射する、ケプラー光学系でなる光束径
変換手段３５と、光束径変換手段３５と送受信手段１０
との間の送信光ビーム及び受信光ビームの光路におけ
る、第２の凸レンズ３７の瞳位置に介挿された光軸補正
手段２０とを設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光無線装置に関し、
例えば光ビームエクスパンダを用いて光ビームの光束系
を拡大して送出する光無線装置に適用して好適なもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、光ビームを介して情報信号を伝送
する光無線装置が考えられている。この種の光無線装置
においては、所定の情報信号でレーザダイオードを駆動
し、このレーザダイオードから射出される光ビームの光
束径を光ビームエクスパンダで拡大し、対向して設置さ
れた通信対象である他の光無線装置に送出する。そして
当該他の光無線装置において、この光ビームを受光素子
で受光し受光素子の出力信号を復調することにより情報
信号を得、かくして光ビームを介して情報信号が伝送さ
れる。同様に他の光無線装置からも光ビームを介して情
報信号が伝送される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような光無線装置
においては、相手の光無線装置に向けて出射する送信光
ビームを相手の光無線装置に合致させる光軸角度補正を
行う必要があり、この光軸補正を行う方法として様々な
方法が考えられる。

【０００４】例えば上下左右に可動するジンバルで光無
線装置を支持し、当該光無線装置全体の方向を変化させ
ることにより光軸角度補正を行うことが考えられるが、
この場合光無線装置全体を動かす必要があるために装置
全体が大きく複雑になり、光軸角度補正の応答速度が遅
くなるという問題を有している。

【０００５】また光ビームエクスパンダから出射される
送信光ビームをサーボミラーで反射するようにし、この
サーボミラーの角度を制御することにより光軸角度補正
を行うことが考えられるが、この場合サーボミラーは光
ビームエクスパンダにより光束径が拡大された光ビーム
全体を反射する必要があるため、サーボミラーの反射面
が大きくなり、装置が大きくなるとともに、光軸角度補
正の応答速度が遅くなるという問題を有している。

【０００６】また光ビームエクスパンダに入射される前
の送信光ビームの角度をサーボミラーで制御し、この角
度制御された送信光ビームを光ビームエクスパンダで光
束拡大して出射するという方法が考えられる。すなわ
ち、図３は光無線装置１を示し、光ビームを送受信する
光学ブロック１０、光ビームの光束径を拡大または縮小
する光ビームエクスパンダ３０、及び光ビームの光軸角
度を制御するサーボミラー２０で構成される。

【０００７】光無線装置１は受信時において、通信対象
の光無線装置（図示せず）から入射する受信光ビームＬ
２を光ビームエクスパンダ３０で受光し、凸レンズでな
る対物レンズ３２及び凹レンズでなる接眼レンズ３１を
用いて受信光ビームＬ２の光束径を縮小し、サーボミラ
ー２０が有するミラー２１を介して光学ブロック１０に
送出する。

【０００８】光学ブロック１０は、受信光ビームＬ２を
ビームスプリッタＭ１で透過させた後、さらにビームス
プリッタＭ２において受信光ビームＬ２の一部を反射さ
せレンズ１６を介して位置検出素子１３に集光するとと
もに、受信光ビームＬ２の残りをビームスプリッタＭ２
をそのまま透過させレンズ１５を介して受光素子１２に
集光する。そして光無線装置１は、集光された受信光ビ
ームＬ２を受光素子１２で電気信号に光電変換した後、
後段の信号処理回路（図示せず）で復号することにより
情報信号を復元する。

【０００９】また光無線装置１は送信時において、外部
から供給される情報信号でレーザダイオード１１を駆動
し、当該レーザダイオード１１から出射される送信光ビ
ームＬ１をレンズ１４で平行光に変換してビームスプリ
ッタＭ１で反射し、さらに送信光ビームＬ１をサーボミ
ラー２０で反射して光ビームエクスパンダ３０に入射す
る。光ビームエクスパンダ３０は、接眼レンズ３１及び
対物レンズ３２を用いて送信光ビームＬ１の光束径を拡
大し、通信対象の光無線装置に対し出射する。かくして
光無線装置１は、送信光ビームＬ１及び受信光ビームＬ
２を介して情報信号を送受する。

【００１０】このとき光無線装置１は、ミラー２１の角
度を制御して送信光ビームＬ１を相手の光無線装置に合
致させる光軸角度補正を行う。すなわち、位置検出素子
１３は当該位置検出素子１３の受光面における受信光ビ
ームＬ２の受光位置情報を制御部（図示せず）に送出す
る。制御部は、送信光ビームＬ１と受信光ビームＬ２の
光軸角度が一致した状態における受信光ビームＬ２の受
光位置（基準位置）と実際の受光位置との差を算出し、
これに基づいてミラー２１の角度を可変することにより
受信光ビームＬ２の受光位置を基準位置に制御し、これ
により相手の光無線装置に対して出射する送信光ビーム
Ｌ１と相手の光無線装置から入射する受信光ビームＬ２
の光軸角度を一致させ、光軸角度補正を行うようになさ
れている。

【００１１】このように光学ブロック１０と光ビームエ
クスパンダ３０の間にサーボミラー２０を設けることに
より、ミラー２１を小型化することができ、装置全体を
小型化することができる。

【００１２】ところがこのような凸レンズと凹レンズを
用いたいわゆるガリレオタイプの光ビームエキスパンダ
において、当該光ビームエクスパンダの光軸に対して受
信光ビームＬ２が傾いて入射した場合、ミラー２１の角
度を可変することにより受信光ビームＬ２の光軸角度と
光学ブロック１０の光軸角度は一致する、すなわちこれ
らの光軸は平行になるものの、受信光ビームＬ２の光軸
の中心と光学ブロック１０の光軸中心は合致せず、横方
向（光軸に対して直角方向）のずれを生じる。

【００１３】このため、光学的に性能が劣るレンズ周辺
部を受信光ビームＬ２が通過するという不具合が生じる
とともに、光ビームエクスパンダに入射した受信光ビー
ムＬ２の光束全てを受光するためには光学ブロック１０
を構成するレンズやプリズムを大型化する必要があり、
装置が大型化するという問題を有している。

【００１４】本発明は以上の点を考慮してなされたもの
で、光軸角度補正を行い得る、簡易な構成かつ小型な光
無線装置を提案しようとするものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
め本発明においては、送信光ビームを出射するとともに
受信光ビームを受光する送受信手段と、第１の凸レンズ
及び第２の凸レンズからなり、所定の伝送対象から出射
された受信光ビームを第１の凸レンズで受光し受信光ビ
ームの光束径を縮小して出射するとともに、送受信手段
から出射された送信光ビームを第２の凸レンズで受光
し、送信光ビームの光束径を拡大して所定の伝送対象に
出射する、ケプラー光学系でなる光束径変換手段と、光
束径変換手段と送受信手段との間の送信光ビーム及び受
信光ビームの光路における、第２の凸レンズの瞳位置に
介挿された光軸補正手段とを設けた。

【００１６】光束径変換手段を第１の凸レンズ及び第２
の凸レンズからなるケプラー光学系で構成し、光軸補正
手段を第２の凸レンズの瞳位置に設けたことにより、送
受信手段に入射する受信光ビームの光軸のずれを無く
し、これにより送受信手段を小型化することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下図面について本発明の一実施
の形態を詳述する。

【００１８】図３との対応部分に同一符号を付して示す
図１において、２は全体として光無線装置を示し、光ビ
ームを送受信する送受信手段としての光学ブロック１
０、光ビームの光軸角度を制御する光軸補正手段として
のサーボミラー２０、光ビームの光束径を４倍に拡大ま
たは１／４に縮小する光束径変換手段としての光ビーム
エクスパンダ３５を有している。

【００１９】サーボミラー２０は、平面鏡でなるミラー
２１、ミラー２１を回転駆動するアクチュエータ２２及
びスキューセンサ２３からなり、ミラー２１はミラー支
持部（図示せず）によって回転自在に支持されている。
スキューセンサ２３はミラー２１の角度情報をスキュー
センサ角度検出部２５を介してＣＰＵ（Central Proces
sing Unit ）４８に送出する。

【００２０】電源部５０は、電源（図示せず）から電源
コネクタ４９を介して供給される電流を所定の電圧に変
換し、光無線装置２を構成する各部に供給する。

【００２１】光無線装置２は受信時において、通信対象
の光無線装置（図示せず）から入射する受信光ビームＬ
２を光ビームエクスパンダ３５で受光する。光ビームエ
クスパンダ３５は、クラウンガラス製の両凸レンズ３６
Ａ及びフリントガラス凹平レンズ３６Ｂを接着してなる
アクロマティックレンズ構成の第１の凸レンズとしての
対物レンズ３６、及び一方の面が凹で他方の面が凸のメ
ニスカス形状の第２の凸レンズとしての接眼レンズ３７
で構成されており、対物レンズ３６及び接眼レンズ３７
はどちらも正の特性を有するいわゆる凸レンズである。
接眼レンズ３６の焦点距離は対物レンズ３７の焦点距離
の１／４であり、光ビームエクスパンダ３５において対
物レンズ３６及び接眼レンズ３７は同軸上にあり、それ
ぞれの焦点が一致するようにしたいわゆるケプラー光学
系を構成している。

【００２２】光ビームエクスパンダ３５は、平行光でな
る受信光ビームＬ２を対物レンズ３６で集光し、当該対
物レンズ３６の焦点において収束した後、接眼レンズ３
７に入射する。そして接眼レンズ３７は受信光ビームＬ
２を平行光にして出射する。ここで、接眼レンズ３７の
焦点距離は対物レンズ３６の焦点距離の１／４であるた
め、接眼レンズ３７から出射する受信光ビームＬ２の光
束径は対物レンズ３６に入射する受信光ビームＬ２の光
束径の１／４になる。かくして光ビームエクスパンダ３
５は、対物レンズ３６に入射した受信光ビームＬ２の光
束径を１／４に縮小し、ミラー２１を介して光学ブロッ
ク１０に出射する。

【００２３】ミラー２１は、対物レンズ３６の中心を通
過した光線が接眼レンズ３７の後方で光ビームエクスパ
ンダ３５の光軸中心ＣＢＥと交わる位置、すなわち接眼
レンズ３７の瞳位置に、ビームエクスパンダ３５の光軸
ＣＢＥに対して４５度の角度を有して設けられており、
さらにビームエクスパンダ３５の光軸ＣＢＥ及び光学ブ
ロック１０の光軸ＣＯＰは、ミラー２１を介して直角に
なるように配置されている。

【００２４】光学ブロック１０において、受信光ビーム
Ｌ２はプリズム１７に入射する。プリズム１７は、大き
さの等しい第１の直角プリズム１７Ａ及び第２の直角プ
リズム１７Ｂと、第３の直角プリズム１７Ｃからなり、
第１の直角プリズム１７Ａ及び第２の直角プリズム１７
Ｂの斜面と、第３の直角２等辺三角プリズム１７Ｃの直
角面とが同一形状になるように形成されている。そして
プリズム１７は、第１及び第２の直角プリズム１７Ａ及
び１７Ｂの各斜面をそれぞれ第３の直角プリズム１７Ｃ
の各直角面に接着して形成され、第１の直角プリズム１
７Ａと第３の直角プリズム１７Ｃの接着面に偏光ビーム
スプリッタＭ１を形成し、第２の直角プリズム１７Ｂと
第３の直角プリズム１７Ｃの接着面にビームスプリッタ
Ｍ２を形成するようになされている。偏光ビームスプリ
ッタＭ１は、入射する光ビームの偏波面に応じて当該光
ビームを直角に反射または直進透過させる。またビーム
スプリッタＭ２は、入射する光ビームの一部を直角に反
射するとともに、当該入射する光ビームの一部を直進透
過させる。

【００２５】プリズム１７の偏光ビームスプリッタＭ１
は、受信光ビームＬ２の偏波面に応じて当該受信光ビー
ムＬ２を直進透過し、ビームスプリッタＭ２に導く。ビ
ームスプリッタＭ２は、受信光ビームＬ２の一部を反射
しレンズ１６を介して位置検出素子１３に集光するとと
もに、受信光ビームＬ２の残りを透過しレンズ１５を介
し受光素子１２に集光する。

【００２６】受光素子１２は、レンズ１５により集光さ
れた受信光ビームＬ２を光−電流変換して出力信号Ｓ１
２を生成しＰＤ（Photo Diode ）受光回路４４に送出
し、さらにＰＤ受光回路４４は出力信号Ｓ１２を電流−
電圧変換して出力信号Ｓ４４を生成し復調部４５に送出
する。復調部４５は出力信号Ｓ４４を復調して情報信号
Ｓ４５を生成し、出力コネクタ４６を介して外部に送出
する。

【００２７】また光無線装置２は送信時において、外部
から入力コネクタ４１を介して供給される情報信号Ｓ１
を変調部４２において所定のキャリア周波数で変調し、
変調信号Ｓ４２としてレーザダイオード駆動部４３に出
力する。レーザダイオード駆動回路４３は、変調信号Ｓ
４２を電圧−電流変換して駆動電流Ｓ４３を生成しレー
ザダイオード１１に送出し、レーザダイオード１１はレ
ーザ駆動電流Ｓ３２を電流−光変換して送信光ビームＬ
１を送出する。

【００２８】レンズ１４は送信光ビームＬ１を平行光線
に変換してプリズム１７が有する偏光ビームスプリッタ
Ｍ１に送出する。偏光ビームスプリッタＭ１は送信光ビ
ームＬ１の偏光面に応じて当該送信光ビームＬ１を反射
し、サーボミラー２０を介して光ビームエクスパンダ３
５に送出する。光ビームエクスパンダ３５は、レンズ３
７及び３６を介して送信光ビームＬ１の光束径を４倍に
拡大し、相手の光無線装置に対して出射する。

【００２９】かくして光無線装置２は、送信光ビームＬ
１及び受信光ビームＬ２を介して情報信号を送受する。
このとき光無線装置２は、送信光ビームＬ１と受信光ビ
ームＬ２の光軸角度を一致させることにより、送信光ビ
ームＬ１の光軸を相手の光無線装置に合致させる光軸角
度補正を行う。位置検出素子１３は、レンズ１６により
集光された受信光ビームＬ２を受光し、当該位置検出素
子１３の受光面における受信光ビームＬ２の強度重心位
置に応じた電流レベルを有する位置信号Ｓ１３を生成し
ＰＳＤ受光回路４７に送出する。ＰＳＤ受光回路４７は
位置信号Ｓ１３を電流−電圧変換し、ＣＰＵ４８に送出
する。

【００３０】ＣＰＵ４８は、位置信号Ｓ１３を用いて位
置検出素子１３の受光面における受信光ビームＬ２の焦
点位置を算出し、所定の焦点基準点と受信光ビームＬ２
の焦点位置とが一致するようにサーボミラー２０を制御
することにより、光空間伝送装置１０に入出射する受信
光ビームＬ２及び送信光ビームＬ１の光軸が一致するよ
うに制御する。すなわちＣＰＵ４８は、位置信号Ｓ１３
の電圧に基づいて位置検出素子１３の受光面における受
信光ビームＬ２の焦点位置と所定の焦点基準点との位置
差を算出し、かかる位置差に応じた駆動信号Ｓ４８をア
クチュエータ駆動部２４に送出する。アクチュエータ駆
動部２４は駆動信号Ｓ４８に応じてアクチュエータ２２
を駆動しミラー２１を回転させる。ミラー２１の回転に
より、受信光ビームＬ２の焦点位置は焦点基準点に移動
する。

【００３１】ここで、図２に示すようにミラー２１の中
心は、対物レンズ３６の中心を通過した光線が接眼レン
ズ３７の後方で光ビームエクスパンダ３５の光軸中心Ｃ
ＢＥと交わる位置、すなわち接眼レンズ３７の瞳位置に
設けられている。このため対物レンズ３６の中心を通過
して入射した受信光ビームＬ２の光軸ＣＬ２は、ミラー
２１の反射面の中心において光ビームエクスパンダ３５
の光軸中心ＣＢＥと一致する。これによりミラー２１で
反射された受信光ビームＬ２は、当該受信光ビームＬ２
の光軸ＣＬ２と光学ブロック１０の光軸中心ＣＯＰが一
致した状態で光学ブロック１０に入射する。

【００３２】対物レンズ３６の周辺部を通過して入射し
た受信光ビームＬ２は、ミラー２１の反射面の周辺部で
反射される。ミラー２１は光ビームエクスパンダ３５の
光軸中心ＣＢＥに対して４５度の角度を持って設けられ
ているため、ミラー２１の反射面の周辺部は接眼レンズ
３７の瞳位置に一致しない。このため受信光ビームＬ２
が光ビームエクスパンダ３５に対して斜めに入射した場
合、対物レンズ３６の周辺部を通過して入射した受信光
ビームＬ２は、ミラー２１で反射されることにより横方
向のずれを生じる。ミラー２１に入射する受信光ビーム
Ｌ２の、光ビームエクスパンダ３５の光軸中心ＣＢＥと
のなす角をθとすると、受信光ビームＬ２の横方向のず
れ量はｔａｎθで与えられる。光学ブロック１０を構成
する各部、すなわちプリズム１７、レンズ１４〜１６等
をこの横方向のずれ量（ｔａｎθ）だけ大きく設計する
ことにより、対物レンズ３６に入射した受信光ビームＬ
２を全て受光することができる。例えばθ＝４度とする
と、ｔａｎθ≒０．０７となり、光学ブロック１０を構
成する各部を７％大きくすれば良い。

【００３３】以上の構成において、光無線装置２は受信
光ビームＬ２をビームエクスパンダ３５で受光し、当該
ビームエクスパンダ３５が有する対物レンズ３６及び接
眼レンズ３７で受信光ビームＬ２の光束径を縮小してミ
ラー２１に出射する。ミラー２１は受信光ビームＬ２を
反射してその光軸を９０度曲げ、光学ブロック１０に出
射する。ここで、ビームエクスパンダ３５はそれぞれ凸
レンズでなる対物レンズ３６及び接眼レンズ３７による
ケプラー光学系を構成し、ミラー２１は接眼レンズ３７
の瞳位置に設けられているため、対物レンズ３６の中心
を通過した受信光ビームＬ２の光軸ＣＬ２は、常に光学
ブロック１０の光軸中心ＣＯＰと一致した状態で当該光
学ブロック１０に入射する。

【００３４】以上の構成によれば、ビームエクスパンダ
３５の対物レンズ３６及び接眼レンズ３７に凸レンズを
用いてケプラー光学系を構成するとともにミラー２１を
接眼レンズ３７の瞳位置に設けたことにより、光学ブロ
ック１０に入射する受信光ビームＬ２の光軸のずれを無
くし、光学ブロック１０を小型化することができる。

【００３５】なお上述の実施の形態においては、所定の
通信対象との間で光ビームを介して情報信号を送受する
光無線装置について述べたが、本発明はこれに限らず、
所定の通信対象に対して光ビームを介して情報信号を送
信する光無線装置や所定の通信対象から光ビームを介し
て情報信号を受信する光無線装置に適用しても良い。

【００３６】また上述の実施の形態においては、対物レ
ンズとしてクラウンガラス製の両凸レンズ及びフリント
ガラス凹平レンズを接着してなるアクロマティックレン
ズを用いるとともに、接眼レンズとして一方の面が凹で
他方の面が凸のメニスカスレンズを用いたが、本発明は
これに限らず、要は対物レンズ及び接眼レンズの双方を
凸レンズとし、ケプラー光学系を構成するようにすれば
良い。また、凸レンズの代わりに、凸レンズと同等の効
果を有する反射鏡を用いても良い。

【００３７】さらに上述の実施の形態においては、光軸
補正手段としてサーボミラーを用いたが、本発明はこれ
に限らず、例えば光軸可変プリズム等、他の様々な光軸
補正手段を用いても良い。

【００３８】

【発明の効果】上述のように本発明によれば、光束系変
換手段をケプラー光学系で構成し、光束系変換手段の第
２の凸レンズの瞳位置に光軸補正手段を設けたことによ
り、送受信手段に入射する受信光ビームの光軸のずれを
無くし、これにより送受信手段を小型化でき、光無線装
置全体を小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光無線装置の一実施の形態を示す
ブロック図である。

【図２】本発明による光無線装置の光学系を示すブロッ
ク図である。

【図３】光無線装置を示すブロック図である。

【符号の説明】

１、２……光無線装置、１０……光学ブロック、２０…
…サーボミラー、２１……ミラー、３０、３５……ビー
ムエクスパンダ、３１、３７……接眼レンズ、３２、３
６……対物レンズ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の伝送対象に対して送信光ビームを出
   射するとともに上記所定の伝送対象から出射される受信
   光ビームを受光し、上記送信光ビーム及び上記受信光ビ
   ームを介して上記所定の伝送対象との間で情報信号を送
   受する光無線装置において、 上記送信光ビームを出射するとともに上記受信光ビーム
   を受光する送受信手段と、 第１の凸レンズ及び第２の凸レンズからなり、上記所定
   の伝送対象から出射された上記受信光ビームを上記第１
   の凸レンズで受光し、上記受信光ビームの光束径を縮小
   して上記第２の凸レンズから上記送受信手段に出射する
   とともに、上記送受信手段から出射された上記送信光ビ
   ームを上記第２の凸レンズで受光し、上記送信光ビーム
   の光束径を拡大して上記第１の凸レンズから上記所定の
   伝送対象に出射する光束径変換手段と、 上記光束径変換手段と上記送受信手段との間の上記送信
   光ビーム及び上記受信光ビームの光路における上記第２
   の凸レンズの瞳位置に介挿され、上記送信光ビーム及び
   上記受信光ビームの光軸角度を補正する光軸補正手段と
   を具えることを特徴とする光無線装置。
2. 【請求項２】上記第１の凸レンズ及び上記第２の凸レン
   ズは、ケプラー光学系を構成することを特徴とする請求
   項１に記載の光無線装置。