JP2004312697A - 光空間伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 大気の影響により、受信光に不均一な強度分布が生じても、それによる光軸ズレ補正誤差を減少させ、安定した通信が可能で安価な光空間伝送装置を提供する。
【解決手段】 入射方向検出手段より相手送信部側に、２本以上のクロスパターンを持ったクロスパターンフィルタを用い、前記クロスパターンフィルタが位置検出用受光素子上に作り出すクロスパターンと位置検出用受光素子を分割する分割線とが重なり合わずに交差するように配置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、所定の距離を隔てて対向して配置し、双方向の情報伝送を行う光空間伝送装置に関するものである。

従来、相対する相手装置からの光束の入射方向を検出して、自装置が発する光束を該入射方向に向け射出する、所謂光軸補正手段を持つ光空間伝送装置としては図３に示すような特許文献１に開示されており、同様な２台の装置を空間的に隔てて対向配置して双方向通信を行うようになっている。

レーザーダイオード１０１から出射され紙面に垂直方向に直線偏光となるとなるレーザー光は、正のパワーを持つレンズ群１０２によりほぼ平行光束となり、偏光ビームスプリッタ１０３の境界面で反射され、更に光軸方向可動部１０４の角度可変全反射ミラー１０４ａにより反射されて、送信光ＬＡとして装置Ａから図示しない装置Ｂへ投光される。

装置Ｂからの受信光ＬＢは装置Ａに入射し、角度可変全反射ミラー１０４ａにより反射され、偏光ビームスプリッタ１０３を透過して受信光分岐素子１０５に至る。このとき、受信光ＬＢの約９０％は受光分岐素子１０５を透過して、正のパワーを持つレンズ群１０７により本信号検出用受光素子１０６に集光され、残りの約１０％は受光分岐素子１０５で反射されて、正のパワーを持つレンズ群１０９によって位置検出用受光素子１０８に受光される。

偏光ビームスプリッタ１０３としては、その貼り合わせ面に多層薄膜を蒸着した光学素子が使用されている。この多層薄膜は例えばＳ偏光を反射しＰ偏光を透過させるようになっている。この偏光ビームスプリッタ１０３を使用して最も効率の良い投受光を行うためには、送信光ＬＡをＳ偏光としたときに受信光ＬＢがＰ偏光となるような関係にすればよい。更に同一構成の送受信装置を対向させて最も効率のよい投受光を行うために、送受共通光軸であるビームスプリッタ側光軸１１２を紙面後方に傾斜させ、装置を対向した時に送信光ＬＡと受信光ＬＢの偏光方向が互いに直交するように配置することがよい。

また、伝送する情報量が多い大容量通信を行うためには、本信号検出用受光素子１０６としてアバランシェフォトダイオードのような有効受光域が直径１ｍｍに満たない小さな素子を使用しなければならない。そのため、受信光ＬＢが本信号検出用受光素子１０６の有効受光域を外れないように、本信号検出用受光素子１０６と位置検出用受光素子１０８の位置を合致させ、位置信号検出用受光素子１０８のほぼ中心に受信光ＬＢの光軸があるように、角度可変全反射ミラー１０４ａの角度を調整する。

この時、送信光ＬＡが相手側装置Ｂに向け効率よく投光するためには、送信光ＬＡの光軸を位置信号検出用受光素子１０８の中心と合致させればよい。

位置検出用受光素子１０８の受光面上に受信光ＬＢが作るスポットＳＰの位置ズレ情報は、信号処理部１１０を介して光軸ズレ補正信号としてミラー駆動用制御部１１１におくられ、ミラー駆動用制御部１１１から光軸方向変更信号が光軸方向可動部１０４に送られる。この信号に基づいて、可変ミラー１０４ａの角度を変化させて、送信光ＬＡと受信光ＬＢの光軸を合致させる。

この様な制御を通信時に継続して行い、空間を隔てて対向する双方向光通信装置が、相手装置から来る受信光ＬＢの光軸が位置検出用受光素子の中心となるように、互いに補正を行うことで、双方で送信光ＬＢと受信光ＬＡの光軸を合致させることが出来る。

この様な従来例における位置検出用受光素子１０８としては、図４に示すような４つの素子１２１に分割された４分割センサーが一般的に使用されているが、この様な受光素子１０８を位置検出用受光素子に使用する場合には、各分割素子間の分離帯１２２を横切るときに急激に出力が変化することを防ぐために、受信光ＬＢのスポットＳＰには適当な面積を持たせることが望ましい。このために、一般的には集光点よりもデフォーカスした位置に、４分割センサーの受光面位置を設定している。
特開平５−１３３７１６号公報

しかしながら、大気中で送受光を行う光空間伝送装置において、上述した従来例では、装置の設置場所の振動や大気の揺動によって伝送ビームが揺らぐ現象に影響を受ける。この大気の揺動は大別すると、送信光全体が揺らぐマクロ的な揺らぎと、送信光の強度分布が揺らぐミクロ的な揺らぎがある。大気のマクロ的な揺らぎは、設置場所の振動と同じように考えることが可能であるが、ミクロ的な揺らぎには別な思考が必要である。

図５は、モデル化した大気のミクロ的な揺らぎの説明図である。Ｗは、相手装置Ｂから投光された送信光ＬＡの受信装置Ａがある地点（位置）における広がりを示すものである。大気は、圧力や温度の異なることで対流が起こり、屈折率が空間的にも時間的にも変動する不均一な媒体である。このため、送信光ＬＡの拡がりＷの中に強度の強い部分Ｗ１と強度の弱い部分Ｗ２が発生する。この強度分布は時間的に変化するため、Ｗ２が送信光ＬＡの拡がりＷの中で、あたかも揺れているように観察される。これが大気のミクロ的な揺らぎと呼ばれ、その揺れはランダムである。従来の光空間伝送装置においては、位置検出用受光素子１０８は集光点よりもデフォーカスした位置に受光面が設定されるので、上述のような大気のミクロ的な揺らぎがある状態では、受光面上の適当な面積を持ったスポットＳＰは均一な強度分布とならずに、図５に示すように入射瞳に相当する装置のビーム取り込み口Ｍにおける光強度分布がそのまま投射され、受光面上の適当な面積を持ったスポットＳＰは図６のようになる。

従って、図７に示すように直径ＴのスポットＳＰには、斜線で示す強度の強い部分Ｐ１と強度の弱い部分Ｐ２とが発生し、光束中心ＢＣとは異なる光強度中心ＰＣが光軸と判断され、この位置ズレ量Ｓに相当する角度だけ送信光ＬＡの光軸方向にズレが発生し、その結果、相手側装置Ｂから送信光ＬＡが外れ、通信不能となる問題が生じる。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、大気のミクロ的な揺らぎが発生し、受信光に不均一な強度分布があっても、これによる光軸ズレ補正誤差を減少させ、安定した通信を行うことができ、且つ安価な光空間伝送装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に関わる光空間伝送装置は、電気信号を光信号に変換する送信部と、受信した光信号を電気信号に変換する受信部と、を備えた光空間伝送装置であって、
対向する相手装置の送信部から発せられた光束の入射方向を検出するための分割線で分割された複数の受光部を有する位置検出用受光素子を備えており、
前記位置検出用受光素子が受光する位置検出光の前記位置検出用受光素子の上でのスポット形状が線状に細長く、該スポット形状の長軸の長さをＬ１、該スポット形状の短軸の長さをＬ２、該分割線の幅をＤとしたとき以下の関係を満たすパターンを有しており、
Ｌ１／Ｌ２＞２ かつ Ｌ１＞２^１／２Ｄ
該分割線と該スポット形状とは角度を持って交差していることを特徴としている。

以上のように、所定の距離を隔てて対向して配置し、送信部側は電気信号を光信号に変換して送信し、受信部側は受信した光信号を電気信号に変換して双方向の情報伝送を行う光空間伝送装置であって、対向する相手送信部から発せられた光束の入射方向を検出する入射方向検出手段を持ち、前記光束の入射方向に自装置が発する光束を射出する光空間伝送装置において、前記入射方向検出手段より相手送信部側に２本以上のクロスパターンを持ったクロスパターンフィルタを用い、前記クロスパターンフィルタが位置検出用受光素子上に作り出すクロスパターンと位置検出用受光素子を分割する分割線とが重なり合わずに交差するように配置することで、安価で安定した通信が行える光空間伝送装置を提供することが出来る。

図１は、本発明の１実施例を示す光空間伝送装置の構成図である。レーザーダイオード１が射出した紙面に垂直方向に直線偏光となるレーザー光は、正のパワーを持つレンズ群２によりほぼ平行光束となり、偏光ビームスプリッタ３の境界面で反射され、更に光軸方向可動部４の可変ミラー４ａで反射されて、送信光ＬＡとして装置Ｍから図示しない装置Ｎへ投光する。

装置Ｎからの紙面にほぼ平行な直線偏光に近い受信光ＬＢは装置Ｍに入射し、角度可変全反射ミラー４ａにより反射され、偏光ビームスプリッタ３を透過して受光分岐素子５に至る。このとき、受信光ＬＢの大半は受光分岐素子５を透過して、正のパワーを持つレンズ群７により本信号検出用受光素子６に集光される。受光分岐素子５を反射した残りの受信光ＬＢｂは、正のパワーを持つレンズ群９により集光され、クロスパターンフィルタ１４を通り、位置検出用受光素子８に受光される。

ここで、クロスパターンフィルタとは、像の輝部を中心に放射状の光条を発生させる光学素子の総称で、クロスフィルターともスターフィルターとも云われるものである。クロスパターンフィルタの原理を説明する。図８の如く、レンズと焦点位置との間に、遮蔽物Ｓに開いたピンホールＰがあったとする。すると焦点位置では、ピンホールＰを通る光束の中心をピークにして、広がった光像が見られる。これは光束がピンホールＰを通ることで回折現象が現れ、一点に集束せず、広がってしまうために起こる現象である。ところが、バビネの原理なるものがあり、図９のように、透明基盤Ｂ上に先ほどのピンホールＰと全く同じ大きさの遮蔽物Ｓを形成し、正確に正負（透過と不透過）反対のパターンを配置した場合にも、ピンホールＰと正負反対である陰によって、ピンホールにより出来た光像と全く同じものが形成される。異なるのは、光像の中心に遮蔽物Ｓ以外の部分を通った光が集光して明るい点像を形成している点である。つまり、一点に集光する光束中に遮蔽物Ｓを置くと、光のにじみが起こる事になる。回折現象であるため、遮蔽物Ｓが小さければ、にじみの広がりは大きい。しかし、にじみ出す光の強度は小さくなる。逆に、遮蔽物Ｓが大きければ、にじみの広がりは小さいが、にじみ出す光は強くなる。ただし、大きすぎると陰として観測されるようになる。図１０は、遮蔽物Ｓを紙面と垂直な方向に伸ばした状態を表している。この場合、にじみ出す光は線状となる。クロスパターンフィルタとは、遮蔽物を線状にすることで、光のにじみを線状（光条と呼ぶ。）にしたものである。例えば、線の方向を９０度異なる二方向の遮蔽物を用意すると、９０度の角度をもって交差した光条を作ることが出来る。

遮蔽物を配置する手段としては、円形開口に細い糸状のものを格子状に配置する方法や透明基盤上にエッチングにより格子状パターンを形成する方法、クロムによる格子状のパターンを形成する方法などが考えられる。透明基盤上に格子状のパターンを形成する場合は、形成する面は平面であっても曲面であってもよい。また、透明基盤上にレプリカによるパターン形成などの方法で溝を設けたり、部分的に拡散面を設けたりすることでも遮蔽物を配置した場合と同様の効果を得ることが出来る。

このようなクロスパターンフィルタ１４を通り、位置検出用受光素子８上の各センサーで検出される光強度の違いは、信号処理部１１を介して位置ズレ情報としてミラー駆動用制御部１２に送られる。ミラー駆動用制御部１２は、位置ズレ情報に基づいて光軸方向変更信号を光軸方向可動部４に送る。光軸方向可動部４は、光軸方向変更信号に基づいて角度可変全反射ミラー４ａの角度を変化させ、光軸の調整を行う。クロスパターンフィルタ１４が作り出すクロスパターン２１は、図２に示すように位置検出用受光素子８上にセンサーを分割する分割線１２２とが重なり合わず交差するように配置されている。位置検出用受光素子８に受光される位置検出光は、２本以上の光条を有するクロスパターンとなり、且つセンサーを分割する分割線１２２と重なり合わず交差するように配置されているため、センサーを分割する分割線（不感帯）１２２に全ての光束が入り込むことがなく、位置検出光を見失うことがない。また、入射瞳に相当する装置のビーム取り込み口Ｍに入る光束の大部分が光条に集光するため、クロスパターンフィルタ１４が作り出すクロスパターン２１は位置検出用受光素子８上での集光度が高く、大気のミクロ的な揺らぎが発生してもその影響を受け難い。

スポットの形状としては、スポットの長軸の長さをＬ１、スポットの短軸の長さをＬ２、位置検出用受光素子の分割線の幅をＤとしたとき、以下の関係式を満たす形状がよい。
Ｌ１／Ｌ２＞３ ・・・（１）
Ｌ１＞２^１／２Ｄ ・・・（２）

条件式（１）は、スポット形状が図２中の２１のように線状としていることを示している。条件式（１）の下限値を超えると大気のミクロ的な揺らぎの影響を受けやすくなり、下限値より大きくしてスポット形状が線に近くなるほど大気のミクロ的な揺らぎの影響をより受け難くなる。

条件式（２）は、線状のスポット形状の長軸の長さ方向を規定するもので、位置検出用受光素子が光を受光する為に必要な最低限のスポット形状の長さである。望ましくは光空間伝送装置を構成する部品の精度や位置検出用受光素子の感度等を考慮するとＬ１はＤの２倍以上とするのがよい。

更によりよい構成として、分割線と分割線とが成す角をαとしたき、分割線とスポットの長さＬ１とが成す角θが以下の式を満たすように受光させるのがよい。
ｓｉｎ^−１（Ｄ／Ｌ１）＜｜θ｜＜α−ｓｉｎ^−１（Ｄ／Ｌ１） ・・・（３）

条件式（３）の上限値及び下限値を超えると条件式（１）、（２）を満たしていても分割線（不感対）に全ての光が入り込んでしまい、位置検出光を見失ってしまう。望ましくは光空間伝送装置を構成する部品の精度や位置検出用受光素子の感度等を考慮すると分割線とスポットの長さＬ１とが成す角θは、分割線と分割線とが成す角αの１／２程度とするのがよい。

位置検出用受光素子の受光領域は直径１ｍｍ、分割線１２２の幅Ｄは０．０２ｍｍ程度であるので、例えば線状のスポットの長さＬ１＝０．０７ｍｍ、線状のスポットの幅Ｌ２＝０．０２ｍｍ、分割線とスポットの長さＬ１とが成す角θ＝４５度、分割線と分割線とが成す角α＝９０度であった場合、
Ｌ１／Ｌ２＝３．５
Ｌ１＝０．０７＝３．５Ｄ
条件式（３）の下限値＝１．６４度、上限値＝８８．３６度
以上のようになり、条件式（１）〜（３）を満たしている。

そのため、センサーを分割する分割線（不感帯）１２２に全ての光束が入り込むことがなく、且つ大気のミクロ的な揺らぎの影響を受け難い安定した光通信を行うことができる。なお、位置検出用受光素子８上の集光状態が、センサーを分割する分割線（不感帯）に全ての光束が入り込むことがなければ、例えば図１１のような集光状態でも良く、必ずしも厳密な線状のクロスパターンである必要はない。

実施例の光空間伝送装置の構成図である。 実施例における位置検出用受光素子上の受光状態を示す図である。 従来の光空間伝送装置の構成図である。 位置検出用受光素子の正面図である。 モデル化した大気のミクロ的な揺らぎの説明図である。 従来の光空間伝送装置における位置検出用受光素子上の受光状態を示す図である。 従来の光空間伝送装置における位置検出用受光素子上のビームスポット図である。 ピンホールによる回折現象を表す模式図である。 バビネの原理による回折現象を表す模式図である。 バビネの原理を利用してできる光条の模式図である。 集光状態を示す図

符号の説明

１、１０１ レーザーダイオード
２、７、９、１０２、１０７、１０９ レンズ群
３、１０３ 偏光ビームスプリッタ
４、１０４ 光軸方向可動部
５、１０５ 受信光分岐素子
６、１０６ 本信号検出用受光素子
８、１０８ 位置検出用受光素子
１０、１１０ 信号処理部
１１、１１１ ミラー駆動用制御部
１２、１１２ ビームスプリッタ側光軸
１３ クロスパターンフィルタ
２１ 位置検出用受光素子上の集光部分
１２１ 位置検出用受光素子上のセンサー部分
１２２ センサーを分割する分割線
ＬＡ 受信光
ＬＢ 送信光
ＬＢａ 信号光
ＬＢｂ 位置検出光
Ｗ ある地点の信号光ＬＡの広がり
Ｗ１ ある地点の信号光ＬＡの広がり内における局所的に光強度の強い部分
Ｗ２ ある地点の信号光ＬＡの広がり内における局所的に光強度の弱い部分
Ｍ 装置のビーム取り込み径
ＳＰ 位置検出用受光素子上のビームスポット
ＢＣ 光束中心
ＰＣ 光強度中心
Ｐ１ 位置検出用受光素子上のビームスポット内における局所的に光強度が強い部分
Ｐ２ 位置検出用受光素子上のビームスポット内における局所的に光強度が弱い部分
Ｌ レンズ
Ｐ ピンホール
Ｓ 遮蔽物
Ｂ 透明基盤
Ｄ 光像

Claims (3)

1. 電気信号を光信号に変換する送信部と、受信した光信号を電気信号に変換する受信部と、を備えた光空間伝送装置であって、
   対向する相手装置の送信部から発せられた光束の入射方向を検出するための分割線で分割された複数の受光部を有する位置検出用受光素子を備えており、
   前記位置検出用受光素子が受光する位置検出光の前記位置検出用受光素子の上でのスポット形状が線状に細長く、該スポット形状の長軸の長さをＬ１、該スポット形状の短軸の長さをＬ２、該分割線の幅をＤとしたとき以下の関係を満たすパターンを有しており、
   Ｌ１／Ｌ２＞２ かつ Ｌ１＞２^１／２Ｄ
   該分割線と該スポット形状とは角度を持って交差していることを特徴とする光空間伝送装置。
2. 前記スポット形状は前記パターンが少なくとも２本以上重なり合うクロスパターンである請求項１記載の光空間伝送装置。
3. 前記位置検出用受光素子は、受光面積を等分するように少なくとも２本以上の分割線を有し、分割線の幅をＤ、前記スポット形状の長軸の長さをＬ１、分割線と分割線とが成す角をα、分割線とスポット形状の長軸とが成す角をθとしたとき、以下の関係を満たすことを特徴とした請求項１〜２に記載の光空間伝送装置。
   ｓｉｎ^−１（Ｄ／Ｌ１）＜｜θ｜＜α−ｓｉｎ^−１（Ｄ／Ｌ１）

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