JP2002131691A - 投光装置及びそれを用いた光通信システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 長距離投光したときの投光光の光軸に垂直な
断面において、著しい光強度変化や干渉縞を発生させる
ことなく、効率の良い光強度分布の投光光を投光するこ
とができる投光装置及びそれを用いた光通信システムを
得ること。 【解決手段】 可干渉性のある光を発光する発光部と投
光光学系を有し、光軸に垂直な有効断面内の光強度分布
が、光軸から外周方向にかけて低下する光束を投光する
投光装置において、仕様上の最大投光距離で使用する時
の装置状態で、投光光の波面が参照球面よりも光の進行
方向側にある時の波面収差を正とする時、前記投光装置
からの出射直後の投光光の波面において、有効光束断面
内の７割光線の波面収差が負である場合に、７割光線か
ら１０割光線までの波面収差について、任意の微小区間
における光束の外周方向の波面収差の変化量が、ゼロま
たは負であること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空間を隔てて対向
配置する受光装置に向かって光ビームを投光する投光装
置及びそれを用いた光通信システムに関し、特に屋外に
おいて光信号の送信を行う空間光通信装置に好適なもの
である。

【０００２】

【従来の技術】一般に人工衛星間又は人工衛星と地上局
との間で行われる光通信に於いて、良好な通信状態を確
保する為には送信側より射出する通信信号光束を適切に
設定する必要がある。

【０００３】従来より空間を隔てて対向配置する受光装
置に向かって光ビームを投光して通信を行う空間光通信
装置として、半導体レーザーを発光素子として用いる発
光部と、正のパワーを持つ投光光学系とで構成する投光
装置を用いているものがある。

【０００４】半導体レーザーからの出射光の光軸（発光
中心に沿った軸）に垂直な断面内における光強度分布の
例を図１３に示す。ｘ軸方向（水平方向）の相対光強度
をｉ(ｘ)、ｙ軸方向（垂直方向）の相対光強度をｉ(ｙ)
で表している。図１３に示すように半導体レーザーから
の出射光は光軸に垂直な断面内において、光強度分布が
ガウス分布状で、光束断面形状が楕円形であるのが一般
的である。従ってｘ軸方向が長径方向に相当し、ｙ軸方
向が短径方向に相当する。

【０００５】また屋外で使用される従来の空間光通信装
置においては装置の開口および受光地点における投光光
束径に比較して対向する受光装置までの投光距離が非常
に大きい場合が一般的である。従って投光装置の発光部
に半導体レーザーのように発振スペクトルの半値幅が１
５Å以下程度の単色光で可干渉性のある光源を用いてい
る場合には投光装置の開口による回折現象により、長距
離の投光による投光光の光軸に垂直な断面内において、
同心円状の干渉縞を発生させる原因となる。

【０００６】その例として出射光の光強度分布が図１３
に示すような半導体レーザーを有する投光部と、焦点距
離が８５ｍｍで前玉有効径が５０ｍｍである、Ｆナンバ
ーで１.７の投光光学系を用いて構成する投光装置から
の投光光において、無収差の場合と収差が残存している
場合の例について説明する。

【０００７】まず、この投光装置から無収差の投光光を
投光する場合について説明する。投光距離２ｋｍの地点
における投光光の光強度分布を図１４に示す。投光光の
ｘ軸方向の相対光強度Ｉ₅を実線で示している。更に投
光距離２ｋｍの地点において、前玉有効径が５０ｍｍで
ある受光光学系を有する受光装置を対向配置し、受光装
置を投光光の中心からｘ軸方向に移動させて、この投光
光を受光した時の相対受光強度Ｊ₅を図１４に破線で示
す。

【０００８】図１４から解るように無収差の投光光であ
っても、投光光の短径方向の光強度分布において、回折
現象に起因する干渉作用による光強度の変化が比較的に
大きく投光光が揺れた場合に受光装置における受光量の
変動が比較的に大きい。

【０００９】次に投光装置において収差が残存している
場合について説明する。投光装置からの出射直後の投光
光における波面収差が、図１５で示されるような収差曲
線で表される時の投光距離２ｋｍの地点における投光光
の光強度分布を図１６に示す。

【００１０】図１６において、投光光のｘ軸方向（長径
方向）の相対光強度Ｉ₆を実線で示す。更に前玉有効径
が５０ｍｍである受光光学系を有する受光装置を対向配
置し、受光装置を投光光の中心からｘ軸方向に移動させ
て、この投光光を受光した時の相対受光強度Ｊ₆を図１
６に破線で示す。

【００１１】図１４と図１６を比較して解るように投光
装置からの出射直後の投光光における波面収差が図１５
に示すように極めて少ないにも関わらず、その投光光の
相対光強度Ｉ₆の変化は無収差の場合の投光光の相対光
強度Ｉ₅の変化を更に増幅させる結果となり、投光距離
２ｋｍの地点の投光光の光軸に垂直な断面内において、
明確な同心円状の干渉縞を形成する。その結果、投光光
が揺れた場合に受光装置における受光量の変動が激しく
なる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】従って投光装置と受光
装置を長距離を隔てて対向配置させて利用するような空
間光通信システムにおいては、投光光が無収差でも投光
装置からの投光光の光軸に垂直な断面内で回折現象に起
因する同心円状の干渉縞を形成する原因となる。また投
光光の残存収差によっては更にその干渉作用を増幅させ
ることも起こり得る。

【００１３】このような現象が発生すると投光装置の揺
れや大気の揺れにより投光光の揺れが生じた場合に対向
配置する受光装置における受光量の変動が大きく、信号
対雑音比の劣化の原因となる。更に図１６に示す様な光
強度分布のように干渉縞が顕著な場合には伝送路内にお
いて、投光光を吸収する塵埃や水蒸気等が比較的微量で
も断続的な通信断状態を発生させる原因となり得る。

【００１４】本発明は投光光において、干渉縞を発生さ
せることなく光軸に垂直な断面内の光強度分布における
強度変化を無収差の投光光の場合よりも更に軽減させ
て、投光光に揺れが生じた場合でも受光装置における受
光量の変動が少ない投光光を投光することが出来、常に
良好な光通信を可能とした投光装置及びそれを用いた光
通信システムの提供を目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の投光装
置は、可干渉性のある光を発光する発光部と投光光学系
を有し、光軸に垂直な有効断面内の光強度分布が、光軸
から外周方向にかけて低下する光束を投光する投光装置
において、仕様上の最大投光距離で使用する時の装置状
態で、投光光の波面が参照球面よりも光の進行方向側に
ある時の波面収差を正とする時、前記投光装置からの出
射直後の投光光の波面において、有効光束断面内の７割
光線の波面収差が負である場合に、７割光線から１０割
光線までの波面収差について、任意の微小区間における
光束の外周方向の波面収差の変化量が、ゼロまたは負で
あることを特徴としている。

【００１６】請求項２の発明の投光装置は、可干渉性の
ある光を発光する発光部と投光光学系を有し、光軸に垂
直な有効断面内の光強度分布が、光軸から外周方向にか
けて低下する光束を投光する投光装置において、仕様上
の最大投光距離で使用する時の装置状態で、投光光の波
面が参照球面よりも光の進行方向側にある時の波面収差
を正とする時、前記投光装置からの出射直後の投光光の
波面において、有効光束断面内の７割光線の波面収差が
正である場合に、７割光線から１０割光線までの波面収
差について、任意の微小区間における光束の外周方向の
波面収差の変化量が、一定であるか、正で減少するか、
または負であるかの何れかであることを特徴としてい
る。

【００１７】請求項３の発明の光投受信装置は、請求項
１又は２の投光装置と光通信する相手側からの光信号を
受光する受光装置とを有していることを特徴としてい
る。

【００１８】請求項４の発明の光通信システムは、請求
項３の光投受信装置を、複数用いて光通信を行うことを
特徴としている。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１７（Ａ）は本発明の空間光通
信システムにおける要部概略図である。図１７（Ｂ）は
図１７（Ａ）の一部分の拡大説明図である。

【００２０】図１７では光通信を行う際の通信信号光束
の光路を示している。

【００２１】１３はポインティング手段であり、全反射
ミラー３４，３５等を有している。ポインティング手段
１３は全反射ミラー３４と全反射ミラー３５とを相対的
に傾けることにより、ビームスプリッター２６以降の光
学要素が成す光軸Ｌｂの傾きを調整し、射出する通信信
号光束の方向を通信相手の方向へ正確に向けている。

【００２２】２６，２９は光束を波長により透過光と反
射光とに分割するビームスプリッタである。ビームスプ
リッター２６は、通信相手からのビーコンビームを、追
尾センサー２８に導光している。２７は集光レンズであ
り、ビームスプリッター２６で反射分離されたビーコン
ビームを追尾センサー２８上に集光させている。

【００２３】３１はビーコンビーム発光部であり、自分
が受信者の場合に、通信の送信者側に自分の正確な位置
を知らせる為のビーコンビームを発している。３０は凸
レンズであり、ビーコンビーム発光部３１から射出され
たビーコンビームを略平行光に変換している。尚、ビー
コンビーム発光部３１は凸レンズ３０の焦点位置より光
軸Ｌ’上の少しずれた位置に配置されており、通信信号
光束と比べてやや広がりを有した平行光と成っている。

【００２４】２９はビームスプリッターであり、ビーコ
ン信号発生部３１からのビーコンビームを通信相手側へ
導光している。

【００２５】３３は通信信号手段であり、ハーフミラー
４９や通信光束発光部（半導体レーザ）４１、通信信号
受信器（受光素子）４２等を有している。

【００２６】通信光束発光部４１から射出される通信信
号光束は凸（正の屈折力）レンズ３２により平行光とさ
れ、ビームスプリッター２９，２６を透過して、全反射
ミラー３５、３４を介して非常に精度の高い平行光と成
って射出される。発光部４１から全反射ミラー３４に至
る光路上の各要素は投光装置の一要素を構成している。
レンズ３２は単一レンズで示しているが、複数のレンズ
より成っていても良い。

【００２７】又、通信相手側からの通信信号光束はポイ
ンティング手段１３を介し、ビームスプリッタ２６，２
９を透過して、集光レンズ３２で通信信号手段３３の受
光素子４２上に集光されている。ここで集光レンズ３２
と受光素子４２は受光装置の一要素を構成している。

【００２８】本実施例に於いて光通信を行う場合、先ず
自分と通信相手の軌道位置及び、姿勢方向を計算で算出
し、本装置が略通信相手方向に向くよう姿勢制御を行
う。次に受信側は送信側に自分の正確な位置を伝える為
に、ビーコンビームを射出する。そして送信側は受信側
から送られてきたビーコンビームを追尾センサー２８上
に導光する。

【００２９】追尾センサー２８からの出力信号を制御シ
ステムコントローラー（不図示）に提供し、ポインティ
ング手段１３を調節することによって、光軸のズレを高
精度に補正する。この時、自分の衛星の振動、相手及び
自分の衛星の運動による光行差エラーを補正する。そし
て追尾センサー２８により、通信相手の方向に自分の通
信用光学系の光軸が正確に向いたことを確認した後、通
信信号手段３３から通信信号光束を射出し光通信を開始
する。

【００３０】図１７において１は投光装置から射出され
る参照球面、２は投光光の波面を示している。ＣＡは投
受光装置の筐体である。

【００３１】本実施形態では可干渉性のある光（波長
λ）を発光する光源を持つ発光部４１と正のパワーを持
つ投光光学系３２を有し、装置ＣＡからの出射直後の投
光光の、光軸Ｌｂに垂直な断面内の光強度分布は光束の
外周方向に光強度が低下している。そして最大投光距離
における設定状態で、投光光の波面２が参照球面１より
も光の進行方向側にある時の波面収差を正とする時、装
置ＣＡからの出射直後の投光光の、最大光束（有効断面
光束）の光軸と垂直方向（光軸に対して上下方向、以下
同じ）での７割光線の波面収差が負である場合に、最大
光束の７割光線から１０割光線までの波面収差につい
て、任意の微少区間における光束の外周方向の変化量
が、ゼロまたは負（波面で５λ以下）であるように各要
素を設定している。

【００３２】逆に装置からの出射直後の投光光の最大光
束の光軸と垂直方向での７割光線の波面収差が正である
場合に、最大光束の７割光線から１０割光線までの波面
収差について、任意の微小区間における光束の外周方向
の波面収差の変化量が、一定であるか、正で減少する
か、または負（波面で５λ以下）であるかの何れかであ
るように各要素を設定している。ここで変化量が５λ以
上となると受信地点で発散角が大きくなって振動等で受
光装置への光の受光効率が低下してくる。

【００３３】次に本発明の投光光の波面収差に関する理
論的背景について説明しながら、「従来の技術」で説明
した投光装置からの投光光について、その光強度分布を
計算により導いてみる。

【００３４】『光学』村田和美著（１９７９年）によれ
ば開口関数 ｕ₀(ｘ₀,ｙ₀)で表される開口透過光が開口
からｚの距離伝播した時の回折光 ｕ(ｘ,ｙ)は次式で表
される。

【００３５】 ｕ(ｘ,ｙ) ＝(ｉ／λ)∬ ｕ₀(ｘ₀,ｙ₀)・(ｅ^-ikr／ｒ) ｄｘ₀ｄｙ₀ ・（１） ここで、λは伝播光の波長で、波数ｋは ｋ＝２π／λ
で定義される。

【００３６】ある開口による回折波の分布は開口からの
伝播距離ｚによって変わる。上記（１）式の中のｒは開
口内の一点 Ｑ(ｘ₀,ｙ₀,０）と回折光の観測点 Ｐ(ｘ,
ｙ,ｚ)の距離であるからｒは次式で表される。

【００３７】 ｒ＝ [ ｚ² ＋(ｘ−ｘ₀)² ＋(ｙ−ｙ₀)² ]^1/2 ＝ ｚ[ １＋(ｘ−ｘ₀)²／ｚ² ＋(ｙ−ｙ₀)²／ｚ² ]^1/2 ・・・（２） ここで、（ｘ−ｘ₀）、（ｙ−ｙ₀）に比べてｚは大きい
から、上記（２）式を展開すると次式となる。

【００３８】 ｒ＝ ｚ＋(１／２ｚ)[(ｘ−ｘ₀)²＋(ｙ−ｙ₀)²] −(１／８ｚ³)[(ｘ−ｘ₀)²＋(ｙ−ｙ₀)²]² ＋・・・・ ・・（３） もし上記（３）式の第３項以降が充分小さく無視できる
ときは第２項までを前記（１）式に代入し、またｒ≒ｚ
として次式を得る。

【００３９】 ｕ(ｘ,ｙ)＝（ｉｅ^-ikz／λｚ）∬ｕ₀(ｘ₀,ｙ₀) ・exp［−(ｉｋ／２ｚ)[(ｘ−ｘ₀)² ＋(ｙ−ｙ₀)²]］ｄｘ₀ｄｙ₀ ・・・（４） このようにｒが前記（３）式の第２項までで近似できる
ｚの領域をFresnel領域、またこの領域で観察され、上
記（４）式で与えられる回折をFresnel回折と呼んでい
る。Fresnel領域は（３）式から、次式で表される条件
により決まる。

【００４０】 ｚ³ ≫ (１／８λ)[ (ｘ−ｘ₀)²＋(ｙ−ｙ₀)² ]²max ・・・（５） 以上が、村田和美著『光学』の記すところである。

【００４１】ところで投光光の光軸に垂直な断面内で投
光光の揺れる方向について、あらゆる方向を考慮する必
要のある空間光通信システムにおいては、前述した図１
３に出射光の光強度分布を示すような半導体レーザーを
発光素子として用い、光束断面形状を楕円形のままで投
光光を投光する場合に短径方向（ 図１３ではｙ軸方向
）の投光光の広がりにより、実質的に利用可能な投光
光の広がりが制限される。

【００４２】従って長径方向（図１３ではｘ軸方向）の
光強度分布において、最大光強度を１とする時の相対光
強度が０.５程度までの広がりが実質的に利用可能な投
光光の広がりとなる。

【００４３】以上のような半導体レーザーを光源として
用いている投光装置の場合も考慮して、本発明では仕様
上の最大投光距離Ｌの地点における投光光の光軸に垂直
な断面内における最大光強度を１とした時の長径方向の
相対光強度が０.５となる２点間距離の最大値を投光光
束径Ｂと定義する。

【００４４】従来、地上で利用される空間光通信システ
ムにおいては、最大投光距離Ｌが１ｋｍの地点における
投光光束径Ｂは０.５ｍ程度である。この時、発光素子
からの出射光が図１３に示すような光強度分布となる半
導体レーザーを用いれば、｜ｘ｜max ＝ Ｂ、｜ｙ｜max
＝ Ｂ／２ であるから次式が得られる。

【００４５】 [(ｘ−ｘ₀)²＋(ｙ−ｙ₀)²]²max = [Ｂ²＋(Ｂ／２)²]² =０.０９８Ｂ⁴［ ｍ⁴］ ・・・（６） また地上で利用される空間光通信システムにおいては投
光装置の投光光学系を構成する光学ガラスに一般的に使
用される材質の内部透過率は波長２μｍを越えると急激
に低下し始める。従って、使用する光源の波長λの実用
的な最大値は２μｍ程度であるから、このλの値と
（６）式で得られた値を前記（５）式の右辺に代入する
と下記の値となる。

【００４６】 [(５)式の右辺の最大値 ] ＝（１／８・２・１０^-6）・０.０９８ ＝ ６.１×１０³ [ ｍ³] 一方、ｚ³＝Ｌ³＝１０⁹［ ｍ³］であるから、前記
（５）式を満足する。

【００４７】従って、本発明の対象とする空間光通信シ
ステムに用いる投光装置からの最大投光距離の地点にお
ける投光光の伝播現象はFresnel回折として取り扱うこ
とが出来る。

【００４８】即ち、本発明の対象とする空間光通信シス
テムにおいては投光光の断面形状が円形である場合も含
めて、Ｌ、λ、Ｂを前述の定義による諸元とすると次式
が成り立つ。

【００４９】Ｌ³ ≫ (２Ｂ²)²／８λ ＝ Ｂ⁴／２λ 従って、次式が成立する時に、Fresnel回折として取り
扱うことが出来る。

【００５０】Ｂ⁴／λ・Ｌ³ ≪ ２ 次に投光装置から出射直後の投光光において、球面波の
半径をＲとする発散光を投光する時の投光光の開口関数
ｕ₀(ｘ₀,ｙ₀) は次式で表される。但し、Ｒの符号は負
である。

【００５１】 ｕ₀(ｘ₀,ｙ₀) ＝ exp｛ (ｉｋ／２Ｒ)(ｘ₀ ²＋ｙ₀ ²) ｝・・・（７） ここで、投光装置における投光光学系の前玉有効径の半
分、即ち開口の半径をｄ/２として、上記（７）式は
(ｘ₀ ²＋ｙ₀ ²)^1/2 ≦ ｄ/２ の時の開口関数ｕ₀で、(ｘ
₀ ²＋ｙ₀ ²)^1/2＞ｄ/２ の時の開口関数ｕ₀はｕ₀(ｘ₀,
ｙ₀) ＝ ０である。

【００５２】更に投光装置からの出射直後の投光光の光
強度分布が、図１３に示すように光軸に直交する断面内
において、直交する２つの光強度分布の対称軸の交点が
光軸と一致する２次元ガウス分布である場合について考
える。この２次元ガウス分布関数 Ｇ(ｘ₀,ｙ₀)は次式で
表される。

【００５３】 Ｇ(ｘ₀，ｙ₀）＝ exp[ −ｘ₀ ²／[σ(ｘ₀)]² −ｙ₀ ²／[σ(ｙ₀)]² ]・・（８） 但し、σｘ₀、σｙ₀は、それぞれ次式で定義される。

【００５４】 σ(ｘ₀) ≡ (−１／logＨ)^1/2、σ(ｙ₀) ≡ (−１／logＶ)^1/2・・・（９） ここでＨおよびＶは光軸上の光強度を１とした時のそれ
ぞれ水平方向および垂直方向の光束端、即ちそれぞれ
(ｘ₀)maxおよび (ｙ₀)maxにおける相対光強度である。

【００５５】以上より、投光装置から投光距離ｚの地点
における投光光の振幅分布関数ｕ(ｘ,ｙ) は次式で表さ
れる。

【００５６】ｕ(ｘ,ｙ) ＝（ｉｅ^-ikz／λｚ）∬ Ｇ(ｘ
₀,ｙ₀)・ｕ₀(ｘ₀,ｙ₀)・exp［− (ｉｋ／２ｚ)｛ (ｘ−
ｘ₀)² ＋ (ｙ−ｙ₀)² ｝］ｄｘ₀ｄｙ₀ 従って、投光装置から投光距離ｚの地点における投光光
の光強度分布Ｉ(ｘ,ｙ) は次式で表される。

【００５７】 Ｉ(ｘ,ｙ) ＝｜ｕ(ｘ,ｙ)｜² ＝ Ａ [ [ Ｃ₁(ｘ,ｙ) ]² ＋[ Ｓ₁(ｘ,ｙ) ]² ] ・・・（１０） 但し、 Ａ ＝［ [ sin（−ｋｚ）]² ＋[ cos（−ｋｚ）]²］／
λ²ｚ² Ｃ₁(ｘ,ｙ) ＝ ∬ exp[ −ｘ₀ ²／[σ(ｘ₀)]²−ｙ₀ ²／
[σ(ｙ₀)]² ]・cos(ｋ／２)[(ｘ₀ ²＋ｙ₀ ²)／Ｒ−(ｘ−
ｘ₀)²／ｚ−(ｙ−ｙ₀)²／ｚ]ｄｘ₀ｄｙ₀ Ｓ₁(ｘ,ｙ) ＝ ∬ exp[ −ｘ₀ ²／[σ(ｘ₀)]²−ｙ₀ ²／
[σ(ｙ₀)]² ]・sin(ｋ／２)[(ｘ₀ ²＋ｙ₀ ²)／Ｒ−(ｘ−
ｘ₀)²／ｚ−(ｙ−ｙ₀)²／ｚ]ｄｘ₀ｄｙ₀ この（１０）式が投光装置からの投光光が無収差で投光
される場合の投光距離ｚの地点における投光光の光強度
分布を算出する計算式である。そこで、「従来の技術」
の説明で述べた無収差の投光光を投光する投光装置につ
いて、投光距離ｚ＝２ｋｍの地点における投光光の光強
度分布を計算してみる。

【００５８】その投光装置はＦナンバーが１.７の投光
光学系であるので光源からの出射光の片側取込角θが１
６゜となる。よって、tanθ＝０.２９であるので前述の
（９）式における諸元ＨおよびＶの値は、それぞれ Ｈ
＝０.３０および Ｖ＝０.０１である。

【００５９】半導体レーザーからの出射光においては、
図１３に示すようにtanθ＝０.２９の時のｙ軸方向の相
対光強度は微量である。従って、回折の影響を受ける可
能性の強い方向、即ちｘ軸方向の光強度分布のみについ
て説明する。以降の本発明に係る実施例における記述に
ついても同様である。

【００６０】そして本投光装置をｚ＝２ｋｍの投光距離
で使用する時には、投光装置からの出射直後の投光光に
おける球面波の半径Ｒが、−１.０４X１０⁵となるよう
に半導体レーザーの発光点位置を投光光学系側にディフ
ォーカスさせた発散光で投光させる。

【００６１】以上に説明した投光装置を投光距離ｚ＝２
ｋｍで使用する時の投光光の光強度分布を前述の説明で
導いた計算式に基づいて計算してみる。前述の（１０）
式により、投光光のｘ軸に沿った光強度分布、即ちｙ＝
０の時の光強度分布Ｉ(ｘ,０) を数値計算により求め、
Ａを１に規格化した相対光強度Ｉ₅を図１４に実線で示
す。

【００６２】更に本投光装置から投光距離ｚ＝２ｋｍの
地点において、前玉有効径が５０ｍｍである受光光学系
を有する受光装置を対向配置させて受光装置を投光光の
中心からｘ軸方向に移動させて投光光を受光した時の相
対受光強度Ｊ₅を図１４に破線で示す。

【００６３】次に投光装置から投光する投光光におい
て、収差が残存している場合の投光距離ｚの地点におけ
る投光光の光強度分布を計算してみる。残存する波面収
差をＷ(ｘ₀,ｙ₀)とした時の投光距離ｚの地点における
投光光の振幅分布関数ｕ(ｘ,ｙ)は次式で表される。

【００６４】ｕ(ｘ,ｙ) ＝（ｉｅ^-ikz／λｚ）∬ Ｗ(ｘ
₀,ｙ₀)・Ｇ(ｘ₀,ｙ₀)・ｕ₀(ｘ₀,ｙ₀)・exp［− (ｉｋ／
２ｚ)｛ (ｘ−ｘ₀)² ＋ (ｙ−ｙ₀)² ｝］ｄｘ₀ｄｙ₀ 従って、この投光装置から投光距離ｚの地点における投
光光の光強度分布Ｉ(ｘ,ｙ) は次式で表される。

【００６５】 Ｉ(ｘ,ｙ) =｜ｕ(ｘ,ｙ)｜² = Ａ [ [ Ｃ₂(ｘ,ｙ) ]² ＋ [ Ｓ₂(ｘ,ｙ) ]² ] ・・・（１１） 但し、Ａ ＝［ [ sin（−ｋｚ）]² ＋ [ cos（−ｋ
ｚ）]²］／λ²ｚ² Ｃ₂(ｘ,ｙ) ＝ ∬ Ｗ(ｘ₀,ｙ₀)・exp[ −ｘ₀ ²／[σ
(ｘ₀)]²−ｙ₀ ²／[σ(ｙ₀)]² ]・cos(ｋ／２)[(ｘ₀ ²＋ｙ
₀ ²)／Ｒ−(ｘ−ｘ₀)²／ｚ−(ｙ−ｙ₀)²／ｚ]ｄｘ₀ｄｙ₀ Ｓ₂(ｘ,ｙ) ＝ ∬ Ｗ(ｘ₀,ｙ₀)・exp[ −ｘ₀ ²／[σ
(ｘ₀)]²−ｙ₀ ²／[σ(ｙ₀)]² ]・sin(ｋ／２)[(ｘ₀ ²＋ｙ
₀ ²)／Ｒ−(ｘ−ｘ₀)²／ｚ−(ｙ−ｙ₀)²／ｚ]ｄｘ₀ｄｙ₀ この（１１）式が投光装置から投光する投光光におい
て、収差が残存している場合の投光距離ｚの地点におけ
る投光光の光強度分布を算出する計算式である。

【００６６】そこで本投光装置において、収差曲線を図
１５に示すような波面収差が残存し、その波面収差Ｗが
次式で表される場合について、投光距離ｚ＝２ｋｍにお
ける投光光の光強度分布を計算してみる。

【００６７】 Ｗ(ｘ₀,ｙ₀) ＝（ａ₁ｒ₀ ⁴＋ａ₂ｒ₀ ⁶＋ａ₃ｒ₀ ⁸）λ・・・・・（１２） 但し、ｒ₀ ²＝ｘ₀ ²＋ｙ₀ ²， ａ₁＝−２.５０， ａ₂＝１.
６７， ａ₃＝１.１０上記（１２）式を前述の（１１）
式に代入して、投光距離ｚ＝２ｋｍの地点における投光
光のｘ軸に沿った光強度分布、即ちｙ＝０の時の光強度
分布Ｉ(ｘ,０) を数値計算により求め、Ａを１に規格化
した相対光強度 Ｉ₆を図１６に実線で示す。

【００６８】更に本投光装置から投光距離２ｋｍの地点
において、前玉有効径が５０ｍｍである受光光学系を有
する受光装置を対向配置し、受光装置を投光光の中心か
らｘ軸方向に移動させて、この投光光を受光した時の相
対受光強度 Ｊ₆を図１６に破線で示す。

【００６９】図１４と図１６から解るように投光装置か
らの投光光において、波面収差量が比較的に少ないにも
関わらず、投光距離２ｋｍの地点における光強度分布に
おいては無収差の投光光を投光する場合の光強度分布よ
りも光強度の変化量を更に増幅し、明確な干渉縞を形成
するまでに至っている。

【００７０】本発明は前述の理論に基づき、投光装置か
らの出射直後の投光光における波面の形状と、長距離の
投光地点における投光光の垂直な断面内における光強度
分布の形状との間の関係を調べ、両者の間に明確な相関
関係があることを解明したものである。そして投光光の
波面が所定の形状になるように投光光学系の収差補正を
施した投光装置とすることによって前述した本発明の目
的を達成している。

【００７１】次に以上に説明した理論的背景の下に本発
明の投光装置に係る実施形態について図１から図１２を
用いて詳細に説明する。

【００７２】なお、本発明に係る実施形態では装置から
全て断面形状が楕円形の光ビームを出射する、半導体レ
ーザーを発光素子として用いた例で説明している。この
代わりに本発明による投光装置に光束断面形状が円形の
レーザー光を出射する光源を用いると、より効果的であ
る。

【００７３】あるいは発光部からの出射光の光束断面形
状が楕円形の場合には長径方向と短径方向の長さの比を
１対１、即ち円形に近付けるための光束断面形状変換手
段を本発明による投光装置に用いると、より効果的であ
る。

【００７４】前記光束断面形状変換手段とは、例えば平
行光束内において、正のパワーを持つシリンドリカルレ
ンズと負のパワーを持つシリンドリカルレンズを配置さ
せた光学系を用いたり、あるいは１個または２個の楔状
プリズムを配置させる光学系を用いて一軸方向の光束径
は変えずに、それに直交する軸方向の光束径を変えるこ
とにより光束断面形状を円形に近付ける手段が適用でき
る。

【００７５】[第１の実施例]本発明に係る第１の実施例
について説明する。本実施例の投光装置は発光素子とし
て半導体レーザーを用いる発光部と、前玉有効径が１０
０ｍｍで焦点距離が１３０ｍｍである、Ｆナンバーが
１.３の投光光学系を備えている。その投光光の波面収
差は本投光装置からの出射直後の投光光において、最大
光束の７割光線の波面収差が負で、最大光束の７割光線
から１０割光線までの波面収差について、任意の微小区
間における光束の外周方向の波面の変化量が、負となる
例である。そして、その収差曲線を図１に示すように波
面収差Ｗは次式で表される。図１において１は参照球
面、２は投光光の波面を示している。

【００７６】 Ｗ(ｘ₀,ｙ₀) ＝ −ｒ₀ ⁴・λ・・・（１３） 但し、ｒ₀ は ｒ₀ ²＝ｘ₀ ²＋ｙ₀ ² で定義され、他の実
施例についても同様である。

【００７７】半導体レーザーからの出射光の発振波長λ
は０.８３μｍで、光軸に垂直な断面内の光強度分布は
前述の説明と同様に図１３に示すように直交する２つの
軸（ｘ軸とｙ軸）を強度分布の対称軸とするガウス分布
状である。従って、この半導体レーザーからの出射光の
光束断面形状は前述と同様に楕円形である。

【００７８】半導体レーザーからの出射光の光強度分布
が前述の図１３に示す分布形状をしている時にＦナンバ
ーが１.３である投光光学系を用いる場合には光源から
の出射光の片側取込角θが２１゜となる。従って、tan
θ＝０.３８であるから、前述の（９）式における諸元
ＨおよびＶは、それぞれ Ｈ＝０.１３および Ｖ＝０.０
０１となる。

【００７９】そして本実施例の投光装置を投光距離ｚ＝
２ｋｍで使用する時には出射直後の投光光における球面
波の半径Ｒが、−１.６０X１０⁵ となるように半導体レ
ーザーの発光点位置を投光光学系側にディフォーカスさ
せた発散光で投光させる。

【００８０】以上に説明した本実施例の投光装置を用い
た時の投光距離ｚ＝２ｋｍの地点における投光光の光強
度分布を前述の説明で導いた計算式に基づいて計算して
みる。上記（１３）式を前述の（１１）式に代入して、
ｘ軸に沿った光強度分布、即ちｙ＝０の時の光強度分布
Ｉ(ｘ,０) を数値計算により求め、Ａを１に規格化し
た相対光強度I₁を図２に実線で示す。

【００８１】更に投光距離２ｋｍの地点において、前玉
有効径が５０ｍｍである受光光学系を有する受光装置を
対向配置させ、受光装置を投光光の中心からｘ軸方向に
移動させて、この投光光を受光した時の相対受光強度J₁
を図２に破線で示す。

【００８２】図２から解るように本実施例の投光装置を
用いた時の投光距離２ｋｍの地点における投光光の光強
度分布において、水平方向（ｘ軸方向）の光強度変化は
比較的少なく、投光距離２ｋｍの地点に対向配置させた
受光装置で、この投光光を受光した場合には投光光にｘ
軸方向の揺れが生じても受光強度の変動は少ない。

【００８３】[第２の実施例]次に本発明に係る第２の実
施例について説明する。本実施例に用いる投光装置は第
１の実施例と同一仕様の発光部および投光光学系を備え
ているが、投光光の波面収差が異なる例である。その波
面収差は本投光装置からの出射直後の投光光において、
最大光束の７割光線の波面収差が負で、最大光束の７割
光線から１０割光線までの波面収差について、任意の微
小区間における光束の外周方向の変化量が、負またはゼ
ロとなる例である。そして、その収差曲線を図３に示す
ように波面収差Ｗは次式で表される。

【００８４】 Ｗ(ｘ₀,ｙ₀) ＝ −(３.０ｒ₀ ⁴−２.０ｒ₀ ⁶)・λ ・・・（１４） そして、本実施例の投光装置を投光距離ｚ＝１ｋｍで使
用する時には投光装置からの出射直後の投光光における
球面波の半径Ｒが、−０.９６X１０⁵ となるように半導
体レーザーの発光点位置を投光光学系側にディフォーカ
スさせた発散光で投光させる。

【００８５】以上に説明した本実施例の投光装置を用い
た時の投光距離ｚ＝１ｋｍの地点における投光光の光強
度分布を前述の説明で導いた計算式に基づいて計算して
みる。上記（１４）式を前述の（１１）式に代入して、
投光光のｘ軸に沿った光強度分布、即ちｙ＝０の時の光
強度分布 Ｉ(ｘ,０) を数値計算により求め、Ａを１に
規格化した相対光強度Ｉ₂を図４に実線で示す。

【００８６】更に本投光装置から投光距離１ｋｍの地点
において、前玉有効径が５０ｍｍである受光光学系を有
する受光装置を対向配置させ、受光装置を投光光の中心
からｘ軸方向に移動させて、この投光光を受光した時の
相対受光強度J₂を図４に破線で示す。

【００８７】図４から解るように本実施例の投光装置か
らの投光光の投光距離１ｋｍ地点の光強度分布におい
て、投光光の広がりの中の光強度の変化が少なく、本投
光装置から投光距離１ｋｍの地点に受信装置を対向配置
させて、この投光光を受光する場合には投光光に揺れが
生じても受光強度の変動は少ない。

【００８８】ところで本実施例の投光装置と同一仕様の
発光部および投光光学系を備えているが、投光装置から
の出射直後の投光光において、特に周辺部の波面収差が
本実施例の投光装置とは異なる投光装置について、投光
光の光強度分布を計算してみる。

【００８９】即ち、最大光束の８割光線から１０割光線
までの波面収差について、任意の微小区間における光束
の外周方向の変化量が正となる波面収差の場合である。
そして、その収差曲線を図５に示すように波面収差Ｗは
次式で表される。

【００９０】 Ｗ(ｘ₀,ｙ₀) ＝ −( ５.００ｒ⁴−３.３３ｒ⁶−２.２０ｒ⁸ )・λ （１５） この投光装置を投光距離ｚ＝１ｋｍで使用する時には投
光装置からの出射直後の投光光における球面波の半径Ｒ
が、−０.８７X１０⁵となるように半導体レーザーの発
光点位置を投光光学系側にディフォーカスさせた発散光
で投光させる。

【００９１】以上の投光装置を用いた時の投光距離ｚ＝
１ｋｍの地点における投光光の光強度分布を前述の説明
で導いた計算式に基づいて計算してみる。前記（１５）
式を前述の（１１）式に代入して、投光光のｘ軸に沿っ
た光強度分布Ｉ(ｘ,０) を数値計算により求め、Ａを１
に規格化した相対光強度I₂₁を、図６に実線で示す。

【００９２】図６から解るようにこの投光装置を用いた
場合には投光距離１ｋｍの地点における投光光の光強度
分布において、周辺部の光強度変化が顕著になる。同時
に周辺部にエネルギーが集中し過ぎて利用される頻度の
最も高い光束中央部において、光強度が低下しているた
めに、投光光の利用効率が低下する。

【００９３】これは最大光束の８割から１０割の投光光
が最大光束の６割から８割の投光光と干渉作用を起こ
し、投光光の周辺部において光強度変化の特に著しい強
度分布を形成させるからである。

【００９４】従って投光装置からの出射直後の投光光の
最大光束の７割光線の波面収差が負である場合には最大
光束の７割光線から１０割光線までの波面収差につい
て、任意の微小区間における光束の外周方向の変化量
が、ゼロまたは負（最大で５λ以内）の方が良い。

【００９５】[第３の実施例]次に本発明に係る第３の実
施例について説明する。本実施例の投光装置は第１の実
施例に用いたと同一仕様の発光部と、前玉有効径が１０
０ｍｍで焦点距離が１７０ｍｍである、Ｆナンバーが
１.７の投光光学系を備えている。

【００９６】そして、この投光光の波面収差は本投光装
置からの出射直後の投光光において、最大光束の７割光
線の波面収差が正で、最大光束の７割光線から８割光線
までの外周方向の変化量が、正で減少し、最大光束の８
割光線近傍における変化量がゼロで、８割光線から１０
割光線までの外周方向の変化量が、負となる例である。
その収差曲線を図７に示すように波面収差Ｗは次式で表
される。

【００９７】 Ｗ＝ ( ５.００ｒ⁴−３.３３ｒ⁶−２.２０ｒ⁸ )・λ ・・・（１６） 半導体レーザーからの出射光が前述の図１３に示すよう
な光強度分布をしている時にＦナンバーが１.７の投光
光学系を用いる場合には光源からの出射光の片側取込角
θが１６°となる。従って、tanθ＝０.２９であるか
ら、前述の（９）式における諸元ＨおよびＶの値は、そ
れぞれ Ｈ＝０.３０および Ｖ＝０.０１となる。

【００９８】そして、本実施例の投光装置を投光距離ｚ
＝２ｋｍで使用する時には装置からの出射直後の投光光
における球面波の半径Ｒが、−１.３３X１０⁵となるよ
うに半導体レーザーの発光点位置を投光光学系側にディ
フォーカスさせた発散光で投光させる。

【００９９】以上に説明した本実施例の投光装置を用い
た時の投光距離ｚ＝２ｋｍの地点における投光光の光強
度分布を前述の説明で導いた計算式に基づいて計算して
みる。前記（１６）式を前述の（１１）式に代入して、
投光光のｘ軸に沿った光強度分布 Ｉ(ｘ,０) を数値計
算により求め、Ａを１に規格化した相対光強度I₃を図８
に示す。

【０１００】更に本投光装置から投光距離２ｋｍの地点
に前玉有効径が５０ｍｍである受光光学系を有する受光
装置を対向配置し、受光装置を投光光の中心からｘ軸方
向へ移動させて、この投光光を受光した場合の相対受光
強度J₃を図８に破線で示す。

【０１０１】図８から解るように本実施例の投光装置か
らの投光光の投光距離２ｋｍの地点における光強度分布
については、投光光の広がりの中における光強度の変化
が極めて少なく、本投光装置から距離２ｋｍの地点に受
光装置を対向配置して、この投光光を受光する場合に投
光光の揺れが生じても受光強度の変動が少ない。

【０１０２】[第４の実施例]次に本発明に係る第４の実
施例について説明する。本実施例に用いる投光装置は第
３の実施例と同一仕様の投光部および投光光学系を備え
ているが投光光の波面収差が異なる例である。そしてこ
の投光光の波面収差は本投光装置からの出射直後の投光
光において、最大光束の７割光線の波面収差が正で、最
大光束の７割光線から１０割光線までの波面収差につい
て、任意の微小区間における光束の外周方向の変化量が
正で、その絶対値が減少し、１０割光線近傍における変
化率がゼロである例である。

【０１０３】その収差曲線を図９をに示すように波面収
差Ｗは次式で表される。

【０１０４】 Ｗ(ｘ₀,ｙ₀) ＝ ( ３.０ｒ⁴−２.０ｒ⁶ )・λ ・・・（１７） そして本実施例の投光装置を投光距離ｚ＝２ｋｍで使用
する時には装置からの出射直後の投光光における球面波
の半径Ｒが、−１.６４X１０⁵となるように半導体レー
ザーの発光点位置を投光光学系側にディフォーカスさせ
た発散光で投光させる。

【０１０５】以上に説明した本実施例の投光装置を用い
た時の投光距離ｚ＝２ｋｍの地点における投光光の光強
度分布を前述の説明で導いた計算式に基づいて計算して
みる。前記（１７）式を前述の（１１）式に代入して、
ｘ軸に沿った光強度分布 Ｉ(ｘ,０) を数値計算により
求め、Ａを１に規格化した相対光強度I₄を図１０に示
す。

【０１０６】更に本投光装置から距離２ｋｍの地点にお
いて、前玉有効径が５０ｍｍである受光光学系を有する
受光装置を対向配置し、受光装置を投光光の中心からｘ
軸方向に移動させて、この投光光を受光した場合の相対
受光強度J₄を図１０に破線で示す。

【０１０７】図１０から解るように本実施例の投光装置
からの投光光は投光距離２ｋｍにおける光強度分布にお
いて、投光光の広がりの中の光強度の変化が少なく、本
投光装置から距離２ｋｍの地点に対向配置された受光装
置で受光した時に投光光の揺れが生じても受光強度の変
動が少ない。

【０１０８】ところで本実施例と同一仕様の投光装置を
用いているが、投光光の波面収差が異なる場合につい
て、同一の投光距離の地点における投光光の光強度分布
を計算してみる。この投光光の波面収差は投光装置から
の出射直後の投光光において、最大光束の７割光線から
１０割光線までの波面収差について、任意の微小区間に
おける光束の外周方向の変化量が、正で増加するような
波面収差である。

【０１０９】その収差曲線を図１１に示すように波面収
差Ｗは次式で表される。

【０１１０】 Ｗ ＝ ( ０.５ｒ⁴＋０.５ｒ⁶ ) ・λ ・・・（１８） そしてこの投光装置を投光距離ｚ＝２ｋｍで使用する時
には装置からの出射直後の投光光における球面波の半径
Ｒが、−１.６２X１０⁵となるように半導体レーザーの
発光点位置を投光光学系側にディフォーカスさせた発散
光で投光させる。

【０１１１】以上に説明した投光装置を用いた時の投光
距離ｚ＝２Ｋｍの地点における投光光の光強度分布を前
述の説明で導いた計算式に基づいて計算してみる。上記
（１８）式を前述の（１１）式に代入して、投光光のｘ
軸に沿った光強度分布、即ちｙ＝０の時の光強度分布Ｉ
(ｘ,０) を数値計算により求め、Ａを１に規格化した相
対光強度Ｉ₄₁を、図１２に実線で示す。

【０１１２】更にこの投光装置から投光距離２ｋｍの地
点において、前玉有効径が５０ｍｍである受光光学系を
有する受光装置を配置し、受光装置を投光光の中心から
ｘ軸方向へ移動させて、この投光光を受光した時の相対
受光強度Ｊ₄₁を図１２に破線で示す。

【０１１３】図１２から解るようにこの投光装置からの
投光光の投光距離２ｋｍの地点における光強度分布にお
いては、光強度の変化が目立ち始め、光強度が周辺部に
偏り、投光光の利用効率が低下する。これは最大光束の
８割から１０割までの光線が最大光束の６割から８割ま
での光線に対して干渉作用を及ぼすからである。

【０１１４】従って投光装置からの出射直後の投光光に
おいて、最大光束の７割光線の波面収差が正である場合
には最大光束の７割から１０割光線までの波面収差につ
いて、任意の微小区間における光束の外周方向の変化量
が、一定であるか、正で減少するか、または負であるか
の何れかが良い。

【０１１５】以上説明したように本発明に係る投光装置
によれば、可干渉性のある光を発光する光源を持つ発光
部と正のパワーを持つ投光光学系を有し、装置又は投光
光学系からの出射直後の投光光の光軸に垂直な断面内の
光強度分布が、光軸から外周部方向に低下する光束を投
光するとき、装置又は投光光学系からの出射直後の投光
光の波面を所定の形状になるように投光光学系の収差補
正を施し、これにより長距離投光した時の投光光の光軸
に垂直な断面において、著しい光強度変化や干渉縞を発
生させることなく効率の良い光強度分布の投光光を投光
することが出来る。

【０１１６】又、投光装置と受光装置を長距離の空間を
隔てて対向配置させて利用される空間光通信システムに
適用すれば、大気の揺れや投光装置の揺れが発生した場
合に投光光の揺れが生じても対向配置する受光装置にお
ける受光強度の変動を軽減させることが出来るという効
果がある。その結果、従来より信号対雑音比の劣化が少
なく、また断続的な通信断状態を起こすことなく、より
信頼性のある空間光通信システムを実現出来る。

【０１１７】

【発明の効果】本発明によれば投光光において、干渉縞
を発生させることなく、光軸に垂直な断面内の光強度分
布における強度変化を、無収差の投光光の場合よりも更
に軽減させて、投光光に揺れが生じた場合でも、受光装
置における受光量の変動が少ない投光光を投光すること
が出来、常に良好な光通信を可能とした投光装置及びそ
れを用いた光通信システムを達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る第１の実施例の投光光の波面収
差図

【図２】 本発明に係る第１の実施例の光強度分布図

【図３】 本発明に係る第２の実施例の投光光の波面収
差図

【図４】 本発明に係る第２の実施例の光強度分布図

【図５】 本発明に係る第２の実施例の補足説明のため
の波面収差図

【図６】 本発明に係る第２の実施例の補足説明のため
の光強度分布図

【図７】 本発明に係る第３の実施例の投光光の波面収
差図

【図８】 本発明に係る第３の実施例の光強度分布図

【図９】 本発明に係る第４の実施例の投光光の波面収
差図

【図１０】 本発明に係る第４の実施例の光強度分布図

【図１１】 本発明に係る第４の実施例の捕捉説明のた
めの波面収差図

【図１２】 本発明に係る第４の実施例の補足説明のた
めの光強度分布図

【図１３】 半導体レーザーからの出射光の光強度分布
の例を説明する図

【図１４】 「発明の理論的背景」の説明に用いた無収
差の投光光による光強度分布図

【図１５】 「発明の理論的背景」の説明に用いた投光
光の波面収差図

【図１６】 「発明の理論的背景」の説明に用いた収差
の残存する投光光による光強度分布図

【図１７】 本発明の光投受信装置の実施形態の要部概
略図

【符号の説明】

１：参照球面 ２：波面 Ｉ₁，Ｉ₂，Ｉ₃，Ｉ₄，Ｉ₅，Ｉ₆，Ｉ₂₁，Ｉ₄₁：投光光の
ｘ軸方向の相対光強度 Ｊ₁，Ｊ₂，Ｊ₃，Ｊ₄，Ｊ₅，Ｊ₆：受光装置におけるｘ軸
方向の受光強度 ｉ(ｘ)：半導体レーザーからの出射光のｘ軸方向の相対
光強度 ｉ(ｙ)：半導体レーザーからの出射光のｙ軸方向の相対
光強度

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】可干渉性のある光を発光する発光部と投光
   光学系を有し、光軸に垂直な有効断面内の光強度分布
   が、光軸から外周方向にかけて低下する光束を投光する
   投光装置において、 仕様上の最大投光距離で使用する時の装置状態で、投光
   光の波面が参照球面よりも光の進行方向側にある時の波
   面収差を正とする時、 前記投光装置からの出射直後の投光光の波面において、
   有効光束断面内の７割光線の波面収差が負である場合
   に、７割光線から１０割光線までの波面収差について、
   任意の微小区間における光束の外周方向の波面収差の変
   化量が、ゼロまたは負であることを特徴とする投光装
   置。
2. 【請求項２】可干渉性のある光を発光する発光部と投光
   光学系を有し、光軸に垂直な有効断面内の光強度分布
   が、光軸から外周方向にかけて低下する光束を投光する
   投光装置において、 仕様上の最大投光距離で使用する時の装置状態で、投光
   光の波面が参照球面よりも光の進行方向側にある時の波
   面収差を正とする時、 前記投光装置からの出射直後の投光光の波面において、
   有効光束断面内の７割光線の波面収差が正である場合
   に、７割光線から１０割光線までの波面収差について、
   任意の微小区間における光束の外周方向の波面収差の変
   化量が、一定であるか、正で減少するか、または負であ
   るかの何れかであることを特徴とする投光装置。
3. 【請求項３】請求項１又は２の投光装置と光通信する相
   手側からの光信号を受光する受光装置とを有しているこ
   とを特徴とする光投受信装置。
4. 【請求項４】請求項３の光投受信装置を、複数用いて光
   通信を行うことを特徴とする光通信システム。