JP2005175720A - 光検出装置及び光空間伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 不均一な受信強度分布となることにより受信スポット位置検出の誤差を減少させ、安定した光軸ずれ補正を可能とする。
【解決手段】 受光素子と、外部から入射した光束を集光して前記受光素子の受光面に前記光束のスポットを形成する集光光学系と、前記受光素子からの出力に基づいて、前記スポットの位置に関する情報を生成する情報生成手段と、前記集光光学系の集光点と前記受光面との相対位置関係を複数の所定関係に変化させる位置可変手段とを有することを特徴とする光検出装置。
【選択図】 図２

Description

空間中を伝搬する光ビームにより光信号を送り通信を行う光空間通信装置及び光検出装置に関する。

一般的に空間中に光ビームを伝搬させて通信を行う光空間通信装置は、光のパワーを効率よく伝送するために、光ビームの拡がり角を極力小さくした狭い光ビームで伝送する必要がある。

しかし光ビームを狭くすると、建物あるいは設置架台の風圧や振動による揺れ、温度変動による歪み、経時変化による角度変動などのため、光ビームが相手装置から外れやすくなり、安定した通信が難しい。そのために図４のように、装置の角度が変わっても角度変化を補正して常に光ビームが相手装置を向くような光軸ずれ補正機能を持つ装置が考案されている。

図４は対向する１対の装置の片側を示す。図４において、１０は光ビームの送信／受信のための光学系である。相手装置への送信光信号は半導体レーザ等の発光素子２１より放出される。半導体レーザの光は偏光しており、偏光方向は紙面に水平になるように設定されている。この方向の偏光は偏光ビームスプリッタ２２で送受光レンズ２３の方向に反射され、送受光レンズ２３で、僅かに拡がりを持つ略平行の光ビーム２４となって相手装置の方向に送信される。

他方、相手装置から送られてくる光は、自装置よりの送信光信号と同じ光軸上で逆の進路をたどり、送受光レンズ２３から偏光ビームスプリッタ２２に入るが、相手装置からの受信光は偏光方向が送信光と直交するように（偏光方向は紙面に垂直）設定されているために、偏光ビームスプリッタ２２をそのまま透過し、ビームスプリッタ２５に入る。受信光の大部分はビームスプリッタ２５で反射し、光信号検出用の受光素子２６に入射して、通信用の信号が検出されるが、一部の光はビームスプリッタ２５を透過して、光位置検出素子２７に入射する。

光位置検出素子２７は、例えば図５（Ａ）に示すような４分割されたフォトダイオードである。図５（Ａ）は２７ａから２７ｄまでの４つに分割されたフォトダイオードに光スポット４２が当たっている様子を示す。

４つのフォトダイオード２７ａ〜２７ｄからは、光の強度分布に応じた信号が出力され、これらの出力を比較することにより、光スポット４２の位置を知ることができる。

また、別のタイプの光位置検出素子２７としては、例えば図５（Ｂ）のような一般にＰＳＤと言われる特殊な光スポット位置検出用のフォトダイオードがある。ＰＳＤでは光スポット４２の縦方向の位置は端子Ｙ１とＹ２の電圧を比較することにより、また横方向の位置は端子Ｘ１とＸ２の電圧を比較することにより知ることができる。

光位置検出素子２７よりの信号は、角度補正情報として制御回路２８で演算処理され、光学系１０の駆動回路２９に駆動信号が出力される。そして駆動回路２９により、垂直方向の駆動機構３０および水平方向の駆動機構３１を動かして、光スポット４２の位置が光位置検出素子２７の中心に来て、図５（Ａ）の例では４つのフォトダイオード２７ａから２７ｄの出力が全て等しくなるような方向に駆動・制御される。

光位置検出素子２７と発光素子２１、光信号検出用の受光素子２６は全て光学軸が一致するように位置調整がなされており、光位置検出素子２７の中心に光スポット３２が当たった状態では、光信号検出用の受光素子２６の中心にも光が入射しており、かつ発光素子２１から発せられる光の中心は相手装置の方向となる。このようにして常に送信光が受信光の方向、即ち相手装置の方向になるように光軸ずれ補正が行われる。

このような光位置検出素子２７を位置検出に使用する場合には、図５（Ａ）の例では、位置変化に対する出力の感度は集光スポットの大きさに依存する。４分割されたセンサの境界線を横切るときに急激に出力が変化することを防ぎ、適正な位置感度を得るために、受光スポット４２には適当な面積を持たせることが望ましい。

また、図５（Ｂ）の例ではＰＳＤの仕様上の制限で動作が保証されるスポットの大きさが規定されており、余り小さなスポットに集光して使用することが出来ない。このために、一般的には集光点よりもディフォーカスした位置に、光位置検出素子２７の受光面位置を設定している。

しかしながら、上述の従来例の大気中で送受光を行う空間光通信装置においては、大気の揺動によって伝送ビームがゆらぐ現象に影響を受ける。この大気の揺動は大別すると、伝送ビーム全体のゆらぎの原因となるマクロなゆらぎと、伝送ビーム内の強度分布の差を生じさせるミクロなゆらぎの２種類の揺動があり、大気のマクロなゆらぎに対しては、伝送地点での伝送ビーム径を或る程度広くすることや、自動追尾機構を備えることにより対処することができる。

一方、大気のミクロなゆらぎをモデル化した図６に示すように、通信を行う２装置間の伝送路においては、圧力や温度の異なる大気の混合等が発生するために、屈折率は時間的に変動する不均一な分布となる。

これにより、伝送ビームの広がりＷの中に強度の強い部分Ｗ１と強度の弱い部分Ｗ２が発生し、しかも空間の或る一点における光ビームの強度が時間的に変化することにより、強度の弱い部分Ｗ２が伝送ビームの広がりＷの中であたかもランダムに揺れているように観察され、これが大気のミクロなゆらぎと呼ばれる。

従来の光軸ずれ補正機能を有する双方向空間光通信装置においては、光位置検出素子２７は集光点よりもディ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なゆらぎがある状態では、受光面上の受光スポット４２は均一な強度分布とならずに、図７に示すように入射瞳に相当する装置のビーム取込口（図６のＭ）における光強度分布がそのまま投射されることになり、強度の弱い部分と強度の強い部分が発生し、光束中心とは異なる光強度中心が光軸と判断される。

図７の場合は実際に光軸ずれが発生していなくても、強度分布の不均一のため、図上で光スポットが左下にずれるように光軸ずれ補正がはたらく。この位置ずれ量に相当する角度だけ光軸方向のずれが発生し、その結果、光軸ずれ補正の誤差が大きくなり、最悪の場合相手装置において光ビームの外れの原因となり通信が不安定になるという問題が生ずる。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、受光ビームに不均一な強度分布があっても、これによって生ずる光軸ずれ補正誤差を減少させ、更に大気のミクロなゆらぎが発生しても安定した通信を行うことができる光軸ずれ補正機能（または光軸ずれ検出機能のみでもよい）を提供することにある。

上記課題を解決するために、本願発明の光検出装置の第１の構成は、受光素子と、外部から入射した光束を集光して受光素子の受光面に光束のスポットを形成する集光光学系と、受光素子からの出力に基づいて、スポットの位置に関する情報を生成する情報生成手段と、集光光学系の集光点と受光面との相対位置関係を複数の所定関係に変化させる位置可変手段とを有することを特徴とする。

ここで、位置可変手段に、受光面が集光点よりも集光光学系に近い側に位置する第１の相対位置関係と、受光面が集光点よりも集光光学系から遠い側に位置する第２の相対位置関係とに変化させるようにするとよい。

また、第１の相対位置関係と第２の相対位置関係においてそれぞれ受光面に形成されるスポット同士が点対称になるようにするのが好ましい。

また、位置可変手段に、集光光学系を受光面に対して移動させるようにさせるとよい。

また、位置可変手段に、受光素子を集光点に対して移動させるようにするとよい。

また、位置可変手段に、集光光学系と受光素子との間に配置した光学部材を移動させて受光面に対して集光点を移動させるようにさせるとよい。

情報生成手段に、相対位置関係の変化前後における受光素子からの出力を合成して情報を生成させるようにするとよい。

また、本願発明の空間を伝搬する光束により相手装置と通信を行う光空間伝送装置の第１の構成は、受光素子と、相手装置から入射した光束を集光して受光素子の受光面に光束のスポットを形成する集光光学系と、受光素子からの出力に基づいて、スポットの位置に関する情報を生成する情報生成手段と、集光光学系の集光点と受光面との相対位置関係を複数の所定関係に変化させる位置可変手段とを有することを特徴とする。

位置可変手段に、受光面が集光点よりも集光光学系に近い側に位置する第１の相対位置関係と、受光面が集光点よりも集光光学系から遠い側に位置する第２の相対位置関係とに変化するようにさせるのが好ましい。

第１の相対位置関係と第２の相対位置関係においてそれぞれ受光面に形成されるスポット同士が点対称の関係であることが好ましい。

位置可変手段は、集光光学系を受光面に対して移動させるのが好ましい。

位置可変手段を用いて、受光素子を集光点に対して移動させるようにするとよい。

位置可変手段を用いて、集光光学系と受光素子との間に配置した光学部材を移動させて受光面に対して集光点を移動させるとよい。

情報生成手段に、相対位置関係の変化前後における受光素子からの出力を合成して情報を生成させるとよい。

相手装置と光束による通信を行うための通信光学系と、情報に基づいて通信光学系又は該光空間伝送装置の向きを制御する制御手段と設けるとよい。

集光光学系に、通信光学系に入射した光束の一部を用いてスポットを形成させるとよい。

本願発明の光検出装置の第１の構成によれば、集光光学系の集光点と受光面との相対位置関係を変化させる位置可変手段により、受光面が集光点よりも集光光学系に近い側に位置する第１の相対位置関係と、受光面が集光点よりも集光光学系から遠い側に位置する第２の相対位置関係とに変化させることができるため、第１の相対位置関係と第２の相対位置関係においてそれぞれ受光面に形成されるスポット同士を点対称とすることもできる。そして、点対称の場合、情報生成手段に、相対位置関係の変化前後における受光素子からの出力を合成して情報を生成させるようにすることにより、光の強度分布を均一にすることができ、大気の揺らぎに影響されない正確な位置検出が出来るようになる。

また、本願発明の光空間伝送装置の第１の構成によれば、集光光学系の集光点と受光面との相対位置関係を変化させる位置可変手段により、受光面が集光点よりも集光光学系に近い側に位置する第１の相対位置関係と、受光面が集光点よりも集光光学系から遠い側に位置する第２の相対位置関係とに変化させることができるため、第１の相対位置関係と第２の相対位置関係においてそれぞれ受光面に形成されるスポット同士を点対称とすることもできる。そして、点対称の場合、情報生成手段に、相対位置関係の変化前後における受光素子からの出力を合成して情報を生成させるようにすることにより、光の強度分布を均一にすることができ、光軸ずれ補正の誤差を小さくするとともに相手装置に確実に光を伝送することができる。

図１に本願発明の実施例１である光軸ずれ補正機能を持つ光空間伝送装置を示す。相手装置からの受信光のうち一部の光がビームスプリッタ２５を透過して、集光光学系３２によって集光される。図５(Ａ)に示すように、集光光学系３２を透過した光はその集光点付近に配置された光位置検出素子２７の受光面にスポットが投影される。

光位置検出素子２７は、２７ａから２７ｄまでの４つに分割されたフォトダイオードにより構成されており、各フォトダイオードからは、光の強度分布に応じた信号が出力され、演算制御回路３３は、これらの出力信号を比較することにより、角度補正情報を生成する。

この角度補正情報は、駆動回路３４に送信され、この駆動回路３４が垂直方向の駆動機構３０および水平方向の駆動機構３１を駆動することにより、光スポット４２の位置が光位置検出素子２７の中心に来るように光軸ずれ補正が行われる。

集光光学系３２を光軸方向に所定タイミング(所定周期)で動かす集光点位置可変機構２９とその制御を司る集光点位置制御回路２８が配置されており、集光点を光位置検出素子２７の光軸方向前後に動かすことができる。

これにより、光位置検出素子２７の出力信号を時間的に連続して取り込み、集光点位置可変機構２９の駆動周波数よりも低い周波数で積分処理を演算制御回路３３で行うか、もしくは集光点に対して光位置検出素子２７がほぼ点対称の位置にきた時の、光位置検出素子２７の出力をサンプリングし、集光点の前後にきた時のサンプリング値を合成し演算制御回路３３で演算処理を行う。これが従来例との相違点である。

光位置検出素子２７と集光光学系３２との関係を図３で説明する。同図において破線で示す集光光学系３２´で集光された光は、その集光点をＦ１´の位置にもち、光位置検出素子２７は集光する前のスポットを受光する。

一方、集光点位置可変機構２９にて３２の位置に集光光学系３２が移動したとき、その集光点は光位置検出素子２７の前面Ｆ１になり、集光光学系が３２´の位置にあったときのスポットと点対称になった像を光位置検出素子２７に結ぶ。

すなわち、集光点がＦ１にある時のスポットと集光点がＦ１´にある時のスポットの光の強度分布は、互いに点対称の関係になるため、これらのスポットに基づき光位置検出素子２７から出力される各出力信号を合成することで、光束の強度分布の不均一がキャンセルし合って、大気の揺らぎに影響されない正確な位置検出が出来るようになる。

光位置検出素子２７のそれぞれの集光点に対する位置関係は図３で説明したものに限らず、光位置検出素子２７が集光点Ｆ１の前後を動くように構成したものであっても構わない。

実施例１では、図３で説明されるように集光光学系３２と光位置検出素子２７との相対位置関係を時間的に変化させることで二つの状態のスポットを光位置検出素子２７に結んでいる。

本実施例では、集光光学系３２と光位置検出素子２７との間の光路内の屈折率を、周期的に変化させる。図１０、図１１を用いて以下具体的に説明する。なお、図１０では、集光点位置制御回路２８によって駆動されることにより、光路内に所定タイミングで(周期的に)進退する屈折率切替機構３９を省略している。

図１０において、光学部材３８が光路内に進入する前の状態では、集光光学系３２からの光路は実線のように表され、光位置検出素子２７の前方に集光点Ｆ１が存在し、集光点以降で光位置検出素子２７の受光面にスポットを結ぶ。

一方、集光点位置制御回路２８により屈折率切替機構３９を駆動して、光路内にガラス等の屈折率の異なる光学部材３８を進入させると、光路は点線で示されるようになり、集光点がＦ１´の位置に移動し、集光点よりも前方のスポットを光位置検出素子２７の受光面に結ぶことができる。

次に、図２を用いて、このようにスポットを光位置検出素子２７の受光面に結ぶことによる効果を用いて説明する。集光光学系３２の集光点Ｆ１の前に光位置検出素子２７の受光面がおかれた場合（図７）と、光位置検出素子２７の受光面が集光光学系の集光点より後ろにおかれた場合（図８）とでは、大気の揺らぎによって生じるスポットの光強度分布は、互いに点対称の関係になる。ただし、光軸ずれが発生したときのスポットの移動方向はいずれも同じ方向になる。

もしそれぞれの位置検出素子を集光点Ｆ１の前と後ろに配置し、それぞれの位置検出素子の出力を合成することによって、スポットの光強度分布は中心を通る任意の直線に対しても点対称な分布となり、光束中心と光強度中心は常に一致する。

従って、大気の揺らぎによって生じるスポットの光強度分布が変化しても、光位置検出に影響を与えない。それに対して実際に光軸ずれが発生したときは、スポットの移動方向はいずれも同じ方向であるから、スポットの移動を正確に検出することが出来る。

なお、光学部材３８に代えて、それぞれ光軸方向の厚みが異なる第１の部分と第２の部分とを有するＬ字状の光学部材を配置し、第１の部分と第２の部分とを交互に光路内に進入させるようにしてもよい。

第１および第２の実施例においては、光位置検出素子２７よりの位置信号を演算処理し、角度補正情報として、垂直方向の駆動機構３０および水平方向の駆動機構３１を動かして、光スポット４２の位置が光位置検出素子２７の中心に来るように自動的に光軸ずれ補正を行っている。

しかし伝送距離が短い場合の用途など低コストの装置では自動的な光軸ずれ補正機構を持たず、単に光軸ずれ検出機能のみを持ち、設置時や保守時などに光軸調整を手動で行うだけの装置もある。

そのような光軸ずれ検出機能のみを持つ装置の実施例を図９に示す。ここでは、光位置検出素子２７の出力信号は、演算表示器３５により光スポットの位置ずれ情報として表示される。

設置時や保守時などに光軸調整を手動で行う時は、作業者が演算表示器３５の指示を見ながら、例えばボリュームなどの垂直方向の操作部３６と水平方向の操作部３７を操作することにより、垂直方向の駆動機構３０および水平方向の駆動機構３１を動かして、光軸調整を行う。この場合も実施例１と同様、大気の揺らぎで指示値が変動することがないため、作業も容易になり、正確な光軸調整が出来るようになる。

上述の実施例によれば、光軸ずれ検出機能および光軸ずれ補正機構を持つあるいは光軸ずれ検出機能のみを持つ光空間通信装置において、光位置検出用の集光光学系３２の後方に、その集光光学系の集光点の前後を光位置検出素子２７移動することができるようにし、それら二つの状態の出力を合成処理することによって光位置検出素子に集光するそれぞれの光束の強度分布の不均一がキャンセルし合って、大気の揺らぎに影響されない正確な位置検出が出来るようになる。その結果安定した通信が可能になる。

本発明の実施例１の光空間伝送装置の概略図 受光面を光軸方向に移動させることにより、スポットの光の強度分布が点対称になることを示した図 実施例１における集光光学系と集光点との関係を説明するための図 従来例の光空間伝送装置の図 受光面上に形成されたスポットの図 大気のミクロ的な揺らぎを説明するためのモデル図 大気揺らぎに起因する光強度の不均一の説明図 大気揺らぎに起因する光強度の不均一の説明図 本発明の実施例３の光空間伝送装置の概略図 実施例２の光学部材が光路内に進入することによって、光路が変更されることを示した図 本発明の実施例２の光空間伝送装置の概略図

符号の説明

２１・・・発光素子
２６・・・受光素子
２７・・・スポット位置検出素子
２８・・・集光点位置制御回路
２９・・・集光点位置可変機構
３０・・・垂直方向駆動部
３１・・・水平方向駆動部
３２・・・光位置検出用集光光学系
３３・・・制御回路
３４・・・駆動回路
３５・・・演算表示器

Claims (16)

1. 受光素子と、
   外部から入射した光束を集光して前記受光素子の受光面に前記光束のスポットを形成する集光光学系と、
   前記受光素子からの出力に基づいて、前記スポットの位置に関する情報を生成する情報生成手段と、
   前記集光光学系の集光点と前記受光面との相対位置関係を複数の所定関係に変化させる位置可変手段とを有することを特徴とする光検出装置。
2. 前記位置可変手段は、前記受光面が前記集光点よりも前記集光光学系に近い側に位置する第１の相対位置関係と、前記受光面が前記集光点よりも前記集光光学系から遠い側に位置する第２の相対位置関係とに変化させることを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
3. 前記第１の相対位置関係と前記第２の相対位置関係においてそれぞれ前記受光面に形成される前記スポット同士が点対称の関係を有することを特徴とする請求項２に記載の光検出装置。
4. 前記位置可変手段は、前記集光光学系を前記受光面に対して移動させることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の光検出装置。
5. 前記位置可変手段は、前記受光素子を前記集光点に対して移動させることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の光検出装置。
6. 前記位置可変手段は、前記集光光学系と前記受光素子との間に配置した光学部材を移動させて前記受光面に対して前記集光点を移動させることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の光検出装置。
7. 前記情報生成手段は、前記相対位置関係の変化前後における前記受光素子からの出力を合成して前記情報を生成することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光検出装置。
8. 空間を伝搬する光束により相手装置と通信を行う光空間伝送装置であって、
   受光素子と、
   前記相手装置から入射した光束を集光して前記受光素子の受光面に前記光束のスポットを形成する集光光学系と、
   前記受光素子からの出力に基づいて、前記スポットの位置に関する情報を生成する情報生成手段と、
   前記集光光学系の集光点と前記受光面との相対位置関係を複数の所定関係に変化させる位置可変手段とを有することを特徴とする光空間伝送装置。
9. 前記位置可変手段は、前記受光面が前記集光点よりも前記集光光学系に近い側に位置する第１の相対位置関係と、前記受光面が前記集光点よりも前記集光光学系から遠い側に位置する第２の相対位置関係とに変化させることを特徴とする請求項８に記載の光空間伝送装置。
10. 前記第１の相対位置関係と前記第２の相対位置関係においてそれぞれ前記受光面に形成される前記スポット同士が点対称の関係を有することを特徴とする請求項９に記載の光空間伝送装置。
11. 前記位置可変手段は、前記集光光学系を前記受光面に対して移動させることを特徴とする請求項８から１０のいずれか１つに記載の光空間伝送装置。
12. 前記位置可変手段は、前記受光素子を前記集光点に対して移動させることを特徴とする請求項８から１０のいずれか１つに記載の光空間伝送装置。
13. 前記位置可変手段は、前記集光光学系と前記受光素子との間に配置した光学部材を移動させて前記受光面に対して前記集光点を移動させることを特徴とする請求項８から１０のいずれか１つに記載の光空間伝送装置。
14. 前記情報生成手段は、前記相対位置関係の変化前後における前記受光素子からの出力を合成して前記情報を生成することを特徴とするる前記受光素子からの出力とを合成して前情報を生成することを特徴とする請求項８から１３のいずれか１つに記載の光空間伝送装置。
15. 前記相手装置と前記光束による通信を行うための通信光学系と、
    前記情報に基づいて前記通信光学系又は該光空間伝送装置の向きを制御する制御手段とを有することを特徴とする請求項８から１４のいずれか１つに記載の光空間伝送装置。
16. 前記集光光学系は、前記通信光学系に入射した前記光束の一部を用いて前記スポットを形成することを特徴とする請求項１５に記載の光空間伝送装置。