JP2005333207A

JP2005333207A - 双方向光空間伝送装置

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Publication number: JP2005333207A
Application number: JP2004147569A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Otsubo; 雅俊大坪; Tetsuo Sakanaka; 徹雄坂中
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-05-18
Filing date: 2004-05-18
Publication date: 2005-12-02

Abstract

【課題】本発明は、相手装置を検出する精度を高め、相手装置を高精度に追従することを目的とする。
【解決手段】そこで、本発明では、送信信号に重畳されるパイロット信号の周波数を、自装置と相手装置で異なる周波数に設定し、装置内で送信光と受信光の光軸を検出する機能を有することにより、上記目的を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、隔てた２地点間を光ビームで双方向の情報伝送を行い、送信光と受信光の角度ずれを補正する角度補正機能を備えた双方向光空間伝送装置に関するものである。

一般に、隔てた２点を光ビームにより情報伝送を行う場合には、風、日射等の作用により、受信光の光軸と送信光の光軸とがずれて、自装置の光ビームが相手装置に到達しなくなり、通信不能となることがある。このため、光空間伝送装置において、運転中は常に受信光の光軸と送信光の光軸の角度ずれを検出・補正することにより、常に送信光学系の光軸が相手装置の方向へ向くように制御している。

そして、相手装置を正確に追尾するために、送信信号にパイロット信号を重畳させている。光空間伝送装置は主に屋外で使用するため、受信レンズには背景光がいろいろな角度から入射してしまう。背景光は、直流光であるため、単に自装置に入射した直流光を検出し、補正をかけていたのでは、背景光と受信光を区別することが出来ず、相手装置を正確に追尾することが出来ない。そこで、送信信号に、単一周波数の交流信号であるパイロット信号を重畳させ、このパイロット信号を含んだ受信光を検出・補正することにより、直流成分の背景光と受信光との区別ができるため、相手装置を確実に追尾することが出来る。また、このパイロット信号の振幅レベルは、送信光の直流レベルに比例する。図４を用いてこれを説明する。図４の51は10mWの送信光。52は送信光に4mWp-pのパイロット信号の変調をかけた様子を示している。そしてこの送信光51が雨や霧などにより半分に減衰した場合、図４の53のように直流光レベルが5mWとなり半分になるが、54に示す交流レベルも半分の2mWp-pになる。つまり、直流光レベルとパイロット信号の振幅レベルは比例しているため、パイロット信号の振幅レベルを監視していれば、直流光レベルを監視することが出来る。

図８は従来の装置内のブロック回路構成図である。101は、電気信号である送信信号を光信号に変換する電気-光変換部であり、発光素子としてここでは半導体レーザを備えている。102は半導体レーザから出力される送信光を平行光束にする送信光レンズ、103は、偏光ビームスプリッタである。半導体レーザから出力される光は偏光しており、送信光と受信光の偏波面を直交させることにより、送信光が持つ偏光方向の光は透過し、それと直行する偏光をもつ受信光は反射するため、この偏光ビームスプリッタで送信光と受信光を分けることができる。104は光軸角度調節部であり、110の角度誤差検出部の角度誤差信号に従い、光軸角度調節部内部のミラーの角度を変えて、受信光と送信光の光軸が一致するように制御している。105、106は、送受信レンズであり、相手装置から伝送されてきた光を受光し、また自装置からの送信光を送信するのに用いられる。107は、光信号である受信光を電気信号に変換する光-電気変換部、108は、透過方向に80％、反射方向に20％に分ける光分配器である。分配比は角度検出と信号検出の感度により適切な値に設定されており、従来例では8対2としている。109は、108の光分配器から送られてくる受信光を角度誤差検出部110に集光させる角度誤差検出部のレンズである。110は送信光の光軸と受信光の光軸のずれを検出する角度誤差検出部である。角度誤差検出部は、送信光の光軸と受信光の光軸の角度ずれを検出することを目的としている。実際には、送信光と角度誤差検出部の光学系の光軸を、予め一致させておき、角度誤差検出部の光学系の光軸と受信光の光軸の角度ずれ量を検出することにより、送信光の光軸と受信光の光軸の角度ずれを検出している。

次に信号の流れを説明する。パイロット信号が重畳された送信信号は電気-光変換部101で光信号に変換され送信される。これを送信光と呼ぶ。送信光は送信レンズ102で平行光束になり、偏光ビームスプリッタ103を通過し、光軸角度調節部104で相手装置の方向に向けられ、送受信レンズ105,106で最適な広がり角に調整されて相手装置に送信される。

相手装置から伝送されてきた受信光は、送受信レンズ105、106で整形された後、光軸角度調節部104を通り、偏光ビームスプリッタ103で反射し、光分配器108に送られる。光分配器108から光-電気変換部107に送られた受信光は電気信号に変換される。光分配器108から角度誤差検出部110の方へ送られた受信光は、レンズ109により、角度誤差検出部110に集光される。

次に図９を用いて角度誤差検出部を説明する。図９は、図８の角度誤差検出部110の構成を示したものである。角度誤差検出部は、2次元のスポット位置検出素子として４つに分割された光-電気変換部135を有し、その後段に受信光に含まれるパイロット信号を取り出すフィルタ136〜139、信号検出部140〜143、演算部144で構成されている。134は、受信光が光-電気変換部135に結像している様子を示している。

光−電気変換素子135は、図７(a)のようにレンズ109のフォーカス位置よりレンズ側に配置されている。ここで、135は光-電気変換素子、109は受信光を光-電気変換素子135に集光させる角度誤差検出部のレンズ、91は角度誤差検出部の光学系の光軸、92は受信光の光軸を示している。93は光−電気変換素子135上の受信光の像を示している。そのため、受信光は光-電気変換素子135上で、点ではなく、ある程度面積をもって結像する。結像の様子を図７(c)に示す。図７(a)のように角度誤差検出部の光学系の光軸91と受信光の光軸92が揃っている場合は、図７(c)のように、受信光は光−電気変換素子135の中心に当たるため、４つの光-電気変換素子135a〜135dは同じ振幅のパイロット信号を出力するが、もし図７(b)のように、角度誤差検出部の光学系の光軸91と受信光の光軸92にずれが生じた場合は、図７(d)のように光−電気変換素子135の中心に当たらないため、各素子135a〜135dは受光した光量に比例した振幅のパイロット信号をそれぞれ発生する。この４つのパイロット信号の振幅から、受信光の像93の中心と光-電気変換素子135の中心とのずれ量94を計算することが出来る。

組立て時は、自装置の送信光軸と一致した光軸のビームを受信光として入射し、そのビームが光―電気変換素子135の中心に結像するように、光―電気変換素子135を調整している。この調整により送信光の光軸と角度誤差検出部の光学系の光軸91が一致する。

上記従来例は、例えば特許文献１に記載されている。
特開2001-292104号公報

しかしながら上述の従来例では、送信光学系と角度誤差検出部の光学系の光軸を、組立て時にメカ的に調整して一致させているため、以下のような欠点があった。

相手装置に自装置からの送信光を正確に伝送するためには、送信光と受信光の光軸を一致させる必要がある。なぜならば、自装置の送信光と受信光の光軸が一致し、かつ相手装置の送信光と受信光の光軸が互いに一致しているならば、自装置から送出された送信光は、受信光と同じ経路を逆にたどり、必ず相手装置に到達するからである。そこで、自装置と相手装置で、互いに送信光と受信光の光軸を一致させるように制御する必要がある。

しかしながら、実際の装置では、送信光の光軸と角度誤差検出部の光学系の光軸が一致しているという前提のもと、角度誤差検出部の光学系の光軸と受信光の光軸のずれを検出し、この２つの光軸が一致するようにミラーを制御している。角度誤差検出部の光学系の光軸と受信光の光軸が一致すれば、送信光学系の光軸と受信光の光軸が一致するはずだからである。そのため、万が一送信光の光軸と角度誤差検出部の光学系の光軸が何らかの原因でずれてしまった場合、受信光の光軸と角度検出部の光軸を一致させても、送信光と受信光の光軸は一致しない。

送信光学系と角度誤差検出部の光学系の光軸がずれる要因としては、熱によるメカ構造の歪みと運送時の振動の２つが考えられる。

光空間伝送装置は屋外に設置され、気温変化が激しい土地でも使用されるため、光学系を維持しているメカ構造が気温の変化により、膨張や収縮を起こす。常温時に一致させた送信光の光軸と角度誤差検出部の光学系の光軸は、この膨張や収縮により高温時や低温時において少なからずずれを起こす。また、運送時においても、常温時に一致させた送信光の光軸と角度誤差検出部の光学系の光軸が、衝撃や振動により、ずれる可能性がある。

これらの要因により、送信光と受信光の光軸がずれた場合、図５の(a)のように、自装置から出射した送信光ビームの中心は、相手装置の受信レンズから外れてしまう。そして、伝送距離が長くなるほどそのずれの影響が大きくなり、最悪の場合、自装置から出射したビームが相手装置の受信レンズに到達できず、通信断になる恐れがある。

したがって、従来例においては、図５の(b)のようにこれらの要因による送信光と受信光の光軸の角度ずれを考慮して、送信光のビームの広がり角を大きくし、ビーム径を広げている。こうすることにより、自装置から出射した送信光ビームの中心が、相手装置の受信レンズから外れても、自装置から出射した送信光ビームは相手装置の受信レンズに到達することが出来る。しかしながら、ビーム径を広げることにより、相手装置で受信できる光量が減少するため、雨や霧により、受信光が減衰したときの余裕度が低下してしまう。

また、メカ的に送信光学系と角度誤差検出部の光学系の光軸を調整するためには、高精度の調整が必要となる。そのため、この２つの光軸を調整する部分に微調機構が必要となることや、調整に時間がかかることなど、コスト面でのデメリットが多い。

上記目的を達成するための本発明に係る、隔てた２地点間を光ビームで双方向の情報伝送を行い、送信光と受信光の角度ずれを補正する角度補正機能を備えた双方向光空間伝送装置は、相手装置から送られてくる光ビームと背景光を区別するためのパイロット信号を送信信号に重畳していることと、前記パイロット信号が相手装置と自装置で異なる周波数であることと、相手装置と自装置との角度ずれを検出する光-電気変換素子を有することと、前記光-電気変換素子の出力に自装置と相手装置で使用されている２つのパイロット信号の各々を抽出するためのフィルタを備えたことと、前記フィルタによってフィルタリングされた自装置のパイロット信号と相手装置のパイロット信号から送信光の光軸と受信光の光軸を検出する機能を有していることと、その送信光の光軸と受信光の光軸を一致させるための光軸角度調節部を有していることを特徴とする。

上述の構成を有する双方向光空間伝送装置は、送信光と受信光の光軸を検出することが可能であるため、送信光学系と角度誤差検出部の光学系の光軸が何らかの原因でずれてしまった場合であっても、送信光と受信光の光軸一致させることが出来るため、正確に相手装置を追尾することが可能になる。

以上説明したように、本発明は、相手装置と自装置で異なる周波数のパイロット信号を有し、その２つを自装置内で検出することにより、高精度に送信光と受信光の光軸のずれ量を検出することが可能になるため、従来例のように補正後であっても送信光と受信光の光軸の誤差が生じてしまうということは無くなる。従って、送信ビームを広げる必要がないため、減衰に対するマージンを最大限に確保することが出来る。

（実施例１）
図1は本説明の特徴を表す実施例の図であり、装置内のブロック構成を示している。本発明を図1に基づいて説明する。

1は、電気信号である送信信号を光信号に変換する電気-光変換部であり、発光素子としてここでは半導体レーザを備えている。2は半導体レーザから出力される送信光を平行光束にする送信光レンズ、3は、偏光ビームスプリッタである。半導体レーザから出力される光は偏光しており、送信光と受信光の偏波面を直交させることにより、送信光が持つ偏光方向の光は透過し、それと直行する偏光をもつ受信光は反射するため、この偏光ビームスプリッタで送信光と受信光を分けることができる。4は、透過方向へ８０％、反射方向へ２０％、光を分配する光分配器である。光分配器の分岐比は、角度検出と信号検出の感度により適切な値に設定されるが、本実施例では８：２と設定している。５は、4の光分配器から送られてくる受信光を角度誤差検出部6に集光させる角度誤差検出部のレンズである。６は送信光の光軸と受信光の光軸のずれを検出する角度誤差検出部である。角度誤差検出部では、送信光の光軸と受信光の光軸の角度ずれを検出している。7は光軸角度調節部であり、角度誤差検出部6の角度誤差信号に従い、光軸角度調節部内部７のミラーの角度を変えて、受信光の光軸と送信光の光軸が一致するように制御している。8は、送受信レンズ群であり、相手装置から伝送されてきた光を受光し、また自装置からの送信光を送信するのに用いられる。9は、3の偏光ビームスプリッタからの受信光を10に結合させるレンズ、10は、光信号である受信光を電気信号に変換する光-電気変換部である。11は、送信光を角度誤差検出部に反射させるための反射鏡であり、本実施例においては、内部にレンズを配置し、そのレンズのフォーカス位置にミラーを配置してある。フォーカス位置であるため多少のミラーの傾きやずれに対しては、高い精度を必要としない。また、図２のようにコーナーキューブを用いても構わない。

次に信号の流れを説明する。送信信号にパイロット信号が重畳され電気―光変換部1に送られる。このパイロット信号の周波数は、例えば自装置が10MHzに、相手装置が20MHzに設定されている。この２つの周波数は、互いの信号が干渉せず、フィルタで容易に分離できる周波数に設定する必要があり、本実施例においては10MHzと20MHzを採用した。パイロット信号が重畳された送信信号は電気-光変換部1で光信号に変換され送信される。これを送信光と呼ぶ。送信光は送信レンズ2で平行光束になり、偏光ビームスプリッタ3を通過し、４の光分配器に送られる。光分配器4で透過した80％の送信光は、光軸角度調節部7で相手装置の方向に向けられ、送受信レンズ8で最適な広がり角に調整されて相手装置に送信される。光分配器4で反射した20％の送信光は、11の反射鏡で反射したのち、再度光分配器に入る。再度光分配器に入射した20％の送信光のうち、光分配器4を通過した(0.2×0.8＝0.16)16％の送信光は、レンズ５で集光され、６の角度誤差検出部へ送られる。

受信光は、レンズ群８にて取り込まれ、7のミラーで反射され光分配器に入る。光分配器4を透過した80％の受信光は、送信光と偏光が直行しているため、３の偏光ビームスプリッタで反射し、レンズ９で集光され、光-電気変換部10へ送られる。光分配器4を反射した20％の受信光は、レンズ5で集光され6の角度誤差検出部へ送られる。

このように、角度誤差検出部6には、送信光と受信光が入射しており、この2つの光軸のずれ量を検出し、光軸角度調節部内部７のミラーの角度を変え、送信光と受信光が一致するように補正することにより、正確に相手装置を追尾することが可能になる。

次に図３を用いて角度誤差検出部における送信光軸と受信光軸のずれ量の検出方法を説明する。角度誤差検出部は、2次元のスポット位置検出素子として４つに分割された光-電気変換素子21を有し、その後段には送信光に含まれるパイロット信号(10MHz)を取り出すバンドパスフィルタ23〜26、受信光に含まれるパイロット信号(20MHz)を取り出すバンドパスフィルタ27〜30、信号検出部31〜38、演算部39で構成されている。22は光-電気変換素子21上の送信光の像、40は光-電気変換素子21上の受信光の像である。

図1のレンズ5と図3の光-電気変換素子21の位置関係及び、光-電気変換素子21と送信光22の位置関係を、図６の(a)、(c)に示す。21は光-電気変換素子。61は送信光の光軸、62は角度誤差検出部の光軸、63は光-電気変換素子上の送信光の像を示している。従来例と同様に、光-電気変換素子21がレンズ5のフォーカス位置よりレンズ側に配置されているため、図６(a)のように入射した送信光は、光-電気変換素子135上で、点ではなくある程度面積をもって結像する。そして、送信光の中心が４つに分割された光-電気変換部135の中心と一致するように調整されている。この調整は従来例のような精度は必要なく、粗く調整したものである。

次に信号の流れを説明する。図３のように送信光22と受信光40が結像した場合、４つの光-電気変換素子から送信光の光量に応じた10MHzのパイロット信号と、受信光の光量に応じた20MHzのパイロット信号が出力される。そして、送信光の受光位置を検出するためには、10MHzのパイロット信号を10MHzのバンドパスフィルタ23〜26でフィルタリングし、検出し、演算する。同様に受信光の受光位置を検出するためには、20MHzのパイロット信号を20MHzのバンドパスフィルタ156〜159でフィルタリングし、検出し、演算すればよい。そして角度誤差検出部では、このようにして得られた送信光と受信光の位置の差を取り、送信光と受信光のずれ量を検出している。

そして、自装置においてずれが生じたときは、20MHzのパイロット信号で検出された受信光の位置が、10MHzのパイロット信号で検出された送信光の位置に来るように光軸角度調節部内部７のミラーの角度を変え、送信光と受信光の光軸が一致するように制御する。相手装置においてずれが生じたときは、10MHzのパイロット信号で検出された受信光の位置が、20MHzのパイロット信号で検出された送信光の位置に来るように光軸角度調節部内部７のミラーの角度を変え、送信光と受信光の光軸が一致するように制御する。互いが上記のように制御することにより、確実に追尾を行うことができる。

上記構成にして、直接、送信光と受信光のずれ量を検出することにより、熱や振動により送信光学系と角度誤差検出部の光学系の光軸がずれたとしても、角度誤差検出部の光学系と送信光学系の光軸のずれは無視できるようになる。

実施例１の装置内の構成を表す図である。図１の反射鏡11をコーナーキューブに変えた場合を示す図である。実施例１の角度誤差検出部を表す図である。パイロット信号の振幅レベルが送信光の直流レベルに比例することを示した図である。従来例での送信光と受信光の光軸ずれの補償方法を示した図である。実施例１で送信光と光-電気変換部の位置を示した図である。従来例で受信光と光-電気変換部の位置を示した図である。従来例の装置内の構成を表す図である。従来例の角度誤差検出部を表す図である。

Claims

隔てた２地点間を光ビームで双方向の情報伝送を行い、送信光と受信光の角度ずれを補正する角度補正機能を備えた双方向光空間伝送装置において、相手装置から送られてくる光ビームと背景光を区別するためのパイロット信号を送信信号に重畳していることと、前記パイロット信号が相手装置と自装置で異なる周波数であることと、相手装置と自装置との角度ずれを検出する２次元の光スポット位置検出素子を有することと、前記光-電気変換素子の出力に自装置と相手装置で使用されている２つのパイロット信号の各々を抽出するためのフィルタを備えたことと、前記フィルタによってフィルタリングされた自装置のパイロット信号と相手装置のパイロット信号から送信光の光軸と受信光の光軸を検出する機能を有していることと、その送信光の光軸と受信光の光軸を一致させるための光軸角度調節部を有していること
を特徴とする光空間伝送装置。
前記双方向光空間伝送装置において、送信光と受信光を分ける偏光ビームスプリッタを有することと、送信光及び受信光から光-電気変換素子へ光を分配する光分配器を有することと、前記光分配器が前記偏光ビームスプリッタによって送信光と受信光が分離されていない光路上に配置されていること
を特徴とする双方向光空間伝送装置。