JP2006023626A - コリメーション調整機構、それを用いた光アンテナ装置およびコリメーション調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ビーム調整機構、それを用いた光アンテナ装置およびコリメーション調整方法において、簡素な構成により、ビーム拡がり角の検出、調整を高速に行うことができるようにする。
【解決手段】 送光光を光サーキュレータ３０のポートｐ_１から入射し、光ファイバ１を通してファイバ端部１ｂから射出し、コリメートレンズ４により略平行光束とする。ビームスプリッタ３１により一部を反射させて可動ミラー１２、アフォーカル光学系１３を通して送光する。ビームスプリッタ３１を透過した光はコーナーキューブ１１で光路を反転させる。コリメートレンズ４を通して、集光された光のうちファイバ端部１ｂに結合された光を光サーキュレータ３０のポートｐ_３に導き、光検出器６で検出し、その検出出力により移動制御部７を介してレンズ移動機構５を制御してコリメーション調整を行う。
【選択図】 図３

Description

本発明は、コリメーション調整機構、それを用いた光アンテナ装置およびコリメーション調整方法に関する。例えば、空間光通信装置に用いて、送光光のビーム拡がり角を適切に調整できるものに関する。

近年、空間光通信の発達に伴って、遠距離間の通信ニーズが高まっている。遠距離間の空間光通信では、送光側で平行光束に調整しても、回折現象のため、受光側ではビーム径が拡大する。そのため、通信光のビーム拡がり角の調整が不適切であると、回折限界による拡がり以上にビームが拡大するため、受光される送光光強度が低下し、通信の安定性が損なわれる場合がある。
また、空間光通信に用いる追尾光は、所定の追尾範囲を確保するために、ある程度のビーム拡がり角を持つように調整されるが、この調整が不適切であると、拡径されすぎて追尾光の光強度が低下したり、拡径が不十分で追尾光の到達範囲が狭くなりすぎたりして、良好な追尾が行えなくなる。
そのため、従来、通信光、追尾光などを送光光として送光する光アンテナ装置には、送光光のビーム拡がり角を調整するコリメーション調整機構が設けられる場合がある。少なくとも、設置に当たって所定のコリメーション調整方法により送光光が適切なビーム拡がり角を有するように調整される。
例えば、特許文献１には、対向するターミナルとの光通信を行うために、送信光を生成し送信ビームを送出する光送信システムと、光送信システムから送出する送信ビームのビーム径を変換する円形開孔を有するビーム変換器と、送信ビームを拡大し対向するターミナルへ送出する光アンテナと、光アンテナで受光する光ビームを追尾する光追尾システムとを備え、ビーム変換器により送信ビームの拡がり角を調整してから、光アンテナより送信できるようにした空間光通信装置が記載されている。
また、従来例として、レンズを用いたビーム変換器により送信ビームの拡がり角を調整する空間光通信装置が記載されている。
特開平９−２８１４３４号公報（第２−３頁、図１）

しかしながら、上記のような従来の空間光通信装置に用いられるコリメーション調整機構には、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、円形開孔を有するビーム変換器によりビーム径を変えることで、ビーム拡がり角を調整するので、円形開孔の製作誤差などにより、ビーム拡がり角がばらついてしまうという問題がある。また、円形開孔によりビームがけられるため、光量損失が生じるという問題がある。
また、虹彩絞りなどにより円形開孔の径を可変できる構成も記載されているが、ビーム拡がり角を検出して制御することができないので、調整誤差をなくすことができないという問題がある。
また、このような円形開孔による調整では、開孔径を変えることで、回折現象によるビーム拡がり角の差を調整することができるだけで、ビーム拡がり角を絞る方向において調整することができないという問題がある。
また、レンズを用いたビーム変換器は、ビーム径の大きさ、ビーム拡がり角の拡がり側、絞り側の調整ができるものの、それらの検出手段を有さないので、調整誤差をなくすことができないという問題がある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであって、ビーム拡がり角の検出、調整を高速に行うことができる簡素なビーム調整機構、それを用いた光アンテナ装置およびコリメーション調整方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明のコリメーション調整機構は、光射出部から射出される発散光を略平行光束にするコリメーション調整機構であって、前記発散光を略平行光束にするコリメート素子と、該コリメート素子と前記光射出部との間の光軸方向の距離を相対的に可変する移動調整手段と、前記コリメート素子により略平行光束とされた光を集光する集光素子と、該集光素子で集光された光のうち、所定位置を通る光を受光する受光部と、該受光部が受光する光量を検出する光検出手段とを備え、前記移動調整手段により、前記光検出手段の検出出力に応じて前記コリメート素子と前記光射出部との光軸方向の距離を変えることで、前記略平行光束のビーム拡がり角を調整する構成とする。
このような構成により、光射出部から射出される発散光をコリメート素子で略平行光束として集光素子で集光し、所定位置通る光を受光部により受光する。そして、受光光の光量を光検出手段により検出する。このとき、略平行光束のビーム拡がり角に応じてデフォーカスが生じて受光量が変化するので、ビーム拡がり角が検出できる。例えば、受光部を集光素子の焦点位置に配置すれば、受光量が最大となるとき、コリメート素子から射出される略平行光束が平行光束となるから、受光量の変化に応じてビーム拡がり角の変化を検出できる。
したがって、ビーム拡がり角に応じた受光量となるように、移動調整手段により、コリメート素子と光射出部との間の距離を変える制御を行うことで、ビーム拡がり角を調整できる。
このように光量を検出出力とするので、例えば２箇所でビーム径の大きさを測定してビーム拡がり角を検出する場合などと比べて簡素な手段により高速に検出することができる。

また、本発明のコリメーション調整機構では、前記コリメート素子により略平行光束とされた光の進行方向を反転させる光路反転手段を設けることで、前記コリメート素子および前記光射出部が、前記集光素子および前記受光部を兼ねる構成とし、前記光検出手段と前記光射出部との間に、前記光射出部に入射する光のみを前記光検出手段に導く光分離手段を配置した構成とすることが好ましい。
この場合、光路反転手段を設けることで、コリメート素子および集光素子、ならびに光射出部および受光部がそれぞれ兼用されるので部品点数を削減することができ、光路を折り畳むことによりコンパクトな構成とすることができる。
また、コリメート素子と集光素子とが同一なので、部品差による調整誤差がなくなるから、高精度なコリメーション調整を行うことができる。

また、本発明のコリメーション調整機構では、前記コリメート素子により略平行光束とされた光を分岐する光分岐手段を備える構成とすることが好ましい。
この場合、光分岐素子で分岐される一方の光が、光検出手段に導かれることでコリメーション調整に用いられ、他方の光は、例えば通信などの他の用途に同時に利用できるから、そのような用途と同時並行的にコリメーション調整を行うことができる。

また、本発明のコリメーション調整機構では、光路反転手段を設ける場合、前記光射出部および前記受光部が、光ファイバの端面からなり、前記光分離手段が、前記光ファイバと接続された光ファイバ分岐素子からなる構成とすることが好ましい。
この場合、受光部を光ファイバの端面とすることにより、光ファイバのコア径の範囲で受光することになるので、光が入射する所定位置を光規制部材などで規制する必要がないから、受光部を簡素に構成することができる。また、光分離手段として、光ファイバ分岐素子を用いるため、空間光を分離する場合に比べて、組立や配置が容易となり、レイアウトの自由度が高い機構として構成することができる。
ここで、光ファイバ分岐素子は、複数のポートを備えて、それぞれを光ファイバと接続できるようにしたもので、例えば、光サーキュレータ、光カプラ、およびそれらの組合せなどを採用することができる。

本発明の第１の光アンテナ装置は、送光光を発散光として射出する光射出部と、前記光射出部から射出される送光光を略平行光束にする上記のコリメーション調整機構と、該コリメーション調整機構で略平行光束とされた送光光のビーム径を拡径して送光する送光光学系とを備える構成とする。
このような構成によれば、本発明のコリメーション調整機構の作用効果を備えた光アンテナ装置とすることができる。特に、光分岐手段を備える場合には、送光光を分岐して、コリメーション調整を行うことができるとともに、光量を検出することにより高速の検出を行うことができるので、送光中であっても同時並行的にコリメーション調整を行うことができる。

本発明の第２の光アンテナ装置は、送光光を発散光として射出する光射出部と、前記光射出部から射出される送光光を略平行光束にする請求項３または４のいずれかに記載のコリメーション調整機構と、該コリメーション調整機構で略平行光束とされた送光光のビーム径を拡径して送光するとともに、外部からの光を受光する送受光光学系とを備え、前記光分岐手段が、前記送光光および前記外部からの光の光路を分岐する手段を兼ねる構成とする。
このような構成によれば、本発明のコリメーション調整機構のうち光分岐手段を有する構成の作用効果を備えるとともに、光分岐手段が、送受光光学系を通る送光光および外部からの光の光路を分岐する手段を兼ねるから、部品点数を削減し、コンパクトな構成とすることができる。

本発明のコリメーション調整方法は、光射出部から射出される発散光を略平行光束にするコリメーション調整方法であって、前記光射出部の光軸方向の相対的な距離が可変とされたコリメート素子により前記発散光を略平行光束とし、該略平行光束を集光素子により集光し、該集光素子により集光された光のうち、所定位置の受光部を通る光の光量を光検出手段により検出し、該光検出手段の検出出力に応じて、前記コリメート素子を移動させることで、前記略平行光束のビーム拡がり角を調整する方法とする。
このような方法によれば、本発明のコリメーション調整機構を用いてコリメーション調整を行うのと同様の作用効果を備える。

また、本発明のコリメーション調整方法では、光路反転手段により、前記略平行光束の進行方向を反転させることで、前記コリメート素子を前記集光素子として用い、前記光射出部を前記受光部として用いる方法とすることが好ましい。
この場合、本発明のうち、光路反転手段を備える場合のコリメーション調整機構を用いてコリメーション調整を行うのと同様の作用効果を備える。

本発明のビーム調整機構、それを用いた光アンテナ装置およびコリメーション調整方法によれば、略平行光束を集光し、集光位置の所定位置からのずれを光量変化により検出することで、ビーム拡がり角を検出し、ビーム拡がり角が所定値となるようにコリメート素子と光射出部との間の光軸方向の距離を可変するので、簡素な手段により、略平行光束のビーム拡がり角を高速に制御することができるという効果を奏する。

以下では、本発明の実施の形態の詳細について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係るコリメーション調整機構およびそれを用いた光アンテナ装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るコリメーション調整機構を用いた光アンテナ装置の概略構成について説明するための模式説明図である。

本実施形態の光アンテナ１００（光アンテナ装置）は、例えば光ファイバ通信網を伝送される光を所定ビーム径、所定のビーム拡がり角を有する略平行光束として、空間光として送光するとともに、外部から空間光として入射される光を受光して、双方向に光通信を行うための装置である。そして、受光光の一部を用いて通信の相手側を追尾する追尾機能を備えている。
光アンテナ１００の概略構成は、図１に示すように、光カプラ３（光分離手段）、光ファイバ１、光検出器６（光検出手段）、移動制御部７と、ジンバルステージ９により可動に支持され開口部８ａを有する筐体８に納められた、コリメートレンズ４（コリメート素子）、レンズ移動機構５（移動調整手段）、ビームスプリッタ１０、可動ミラー１２、アフォーカル光学系１３、コーナーキューブ１１（光路反転手段）、および受光光検出部３５からなる。

光カプラ３は、複数の光ファイバ溶融接合することにより、光伝送路を分岐する光ファイバ分岐素子であり、本実施形態では、ポートＰ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４を有する２×２型の光カプラからなる。ポートＰ_２から伝送される光が略すべてポートＰ_３に伝送され、ポートＰ_３から伝送される光が略すべてポートＰ_１に伝送されるような光分離特性を有している。
図示しないが、ポートＰ_２には、送光光を生成する適宜の光源、もしくは光源が接続された光ファイバ通信網に接続されている。

光ファイバ１は、光カプラ３のポートＰ_３と筐体８の内部とを結ぶ光伝送路を形成するもので、一端側のコネクタ部１ａが光カプラ３のポートＰ_３と、他端側が筐体８とそれぞれ接続され、他端側のファイバ端部１ｂが、筐体８の内部の所定位置に配置されている。
ファイバ端部１ｂは、光ファイバ１のモードフィールド径で決まるＮＡの範囲で光を入出射できるようになっている。

光検出器６は、光ファイバ１を介して、光カプラ３のポートＰ_３からポートＰ_１に伝送される光を受光して、光量を検出するための適宜の感度を有するフォトディテクタなどの受光素子である。なお、光量の検出精度を向上するために、ポートＰ_１からの出射光を光検出器６上の所定範囲に集光するレンズなどの光学素子を設けてもよい。
移動制御部７は、後述するレンズ移動機構５によるコリメートレンズ４の移動量を制御するために、光検出器６の検出出力に応じて制御信号を出力するものである。

ジンバルステージ９は、受光光検出部３５により検出された受光光の方向ずれに応じて、受光光を最適の方向で受光するために、受光光検出部３５の検出出力に応じて筐体８の姿勢を制御する可動支持機構であり、２軸まわりに回動できるようになっている。

コリメートレンズ４は、ファイバ端部１ｂから射出される発散光を略平行光束化するための正のパワーを有する光学素子であり、例えば、正のパワーを有する単レンズまたはレンズ群などからなる。そしてレンズ移動機構５により、ファイバ端部１ｂの光軸と同軸の状態で、光軸方向に移動できるように可動支持され、ファイバ端部１ｂに対して相対的な距離を変えるフォーカシング動作を行うことができるようになっている。
コリメートレンズ４の初期位置は、コリメートレンズ４の後側焦点位置がファイバ端部１ｂに略一致するような位置に設定される。

レンズ移動機構５は、例えば、コリメートレンズ４を保持する不図示の鏡筒をステッピングモータなどのモータ駆動により１軸方向に移動させる機構が採用できる。この移動は、移動制御部７から出力される制御信号に応じて、随時行われるようになっている。

ビームスプリッタ１０は、コリメートレンズ４により略平行光束化された送光光を分岐面で反射して光路を折り曲げるとともに、その反射後の光路を逆進する光（受光光）が分岐面を透過することで、それらの光路を分岐できるようにした光学素子である。この分岐面は、ハーフミラー面として構成されていてもよいし、波長や偏光方向に応じて分岐するものであってもよい。波長や偏光方向で分岐する場合には、送光光、受光光の波長や偏光方向を変えておくことにより、それぞれに光量損失が生じないように光路を分岐することができて好都合である。

可動ミラー１２は、ビームスプリッタ１０による分岐前の光路中に配置され、反射面が２軸方向に回動可能とされ、受光光のビームスプリッタ１０に対する入射角度を制御信号に応じて可変できるようにしたもので、例えば、ガルバノミラーや、光ＭＥＭＳ素子などの光偏向素子を採用することができる。

アフォーカル光学系１３は、可動ミラー１２により反射された送光光を入射して所定の角倍率に対応して拡径して開口部８ａから外部に送光するとともに、外部から開口部８ｂによりビーム径を規制されて入射する略平行光束からなる受光光を所定の角倍率に対応して縮径して、可動ミラー１２に入射させるものである。すなわち、送光光学系と受光光学系を兼ねる送受光光学系となっている。
アフォーカル光学系１３の構成としては、適宜の光学系を採用できるが、例えば、ケプラー型、ガリレオ型のレンズ系によるビームエキスパンダや、カセグレン型、グレゴリー型などの共軸反射型のビームエキスパンダや、偏心反射型光学系、あるいは複数の偏心反射面を有するプリズム光学系などを採用することができる。

コーナーキューブ１１は、互いに垂直な３面の内部反射面を有するプリズムであり、ビームスプリッタ１０から可動ミラー１２に向かう光の光路を反転させるために、ビームスプリッタ１０と可動ミラー１２の間の光路中に、手動または適宜のモータ、アクチュエータなどを用いた移動機構により進退可能に配置されている。
光路反転手段としては、例えば、光路に直交する反射面を有するミラーを用いてもよいことは言うまでもないが、コーナーキューブ１１によれば、光路に対する配置姿勢に多少の誤差が生じても入射光と反射光とを同軸とすることができるから、簡素な進退機構であっても、高精度に光路を反転させることができるという利点がある。
また、コーナーキューブ１１として、反射ミラー型のコーナーキューブリトロリフレクターを用いることもできる。この場合、表面反射を用いるので、波長による軸ずれ誤差を除去することができるから、より高精度に光路を反転させることができるという利点がある。

このような構成において、光カプラ３、光検出器６、移動制御部７、レンズ移動機構５、コリメートレンズ４、ビームスプリッタ１０およびコーナーキューブ１１は、本実施形態のコリメーション調整機構を構成している。そして、コリメートレンズ４は、コリメート素子と集光素子とを兼ね、ファイバ端部１ｂは、光射出部と受光部とを兼ねている。

受光光検出部３５は、ビームスプリッタ１０を透過した受光光を通信光と追尾光とに分岐して、それぞれ光検出するものであり、光路分岐手段１４、１５、粗追尾検出器１６、精追尾検出器１７、通信光検出器１８とからなる。
光路分岐手段１４、１５は、例えばハーフミラー、ビームスプリッタなどからなり、ビームスプリッタ１０を透過した受光光の光路中に、この順に配置され、それぞれ受光光の一部を光路外に分岐するようになっている。
それぞれの分岐先には、分岐光を受光して受光位置のずれを検出する粗追尾検出器１６、精追尾検出器１７が配置されている。このため、粗追尾検出器１６よりも精追尾検出器１７の方が受光面までの光路長が長くなっており、受光光の方向ずれに対する受光位置変化量が相対的に大きくなっている。

粗追尾検出器１６、精追尾検出器１７は、受光光の受光位置を検出し、基準位置からのずれ量を検出し、不図示の制御手段により、粗追尾検出器１６の検出出力に応じてジンバルステージ９の姿勢を制御し、精追尾検出器１７の検出出力に応じて可動ミラー１２の角度を制御できるようにしたものである。それにより、受光光の入射方向がずれても、受光光が通信光検出器１８の略一定位置に入射できるようになっている。また、送光光は、受光光の光軸と同方向に出射できるようになっている。
粗追尾検出器１６、精追尾検出器１７としては、適宜の光学センサ、例えば、位置検出器（ＰＳＤ）、ＣＣＤ、２分割ＰＤ、４分割ＰＤなどの光学センサを好適に採用できる。

通信光検出器１８は、光路分岐手段１４、光路分岐手段１５により分岐されない光を受光して光電変換を行い、受光光に含まれる情報信号を取り出すためのものであり、受光光の波長に受光感度を有する高速応答性のフォトディテクタなどが採用できる。
なお、図示しないが、光路分岐手段１４と粗追尾検出器１６との間、また、光路分岐手段１５と精追尾検出器１７、通信光検出器１８との間には、例えばレンズ、フィルタ、偏光板など適宜の光学素子を必要に応じて配置することができる。

次に本実施形態の光アンテナ１００におけるコリメーション調整方法について、光アンテナ１００の動作とともに説明する。
図２（ａ）は、本発明の実施形態に係るコリメーション調整機構の動作について説明するための模式説明図、図２（ｂ）は、コリメーション調整時のコリメート素子の位置（レンズ位置）と光検出手段の受光量との関係を示す模式的なグラフである。

光アンテナ１００では、コリメーション調整時に、図１に実線で示すように、コーナーキューブ１１を送光光の光路中に進出させておく。
そして光カプラ３のポートＰ_２から、送光光を入射させ、ポートＰ_３を介して、光ファイバ１に伝送し、ファイバ端部１ｂから出射する。出射された送光光は、図２（ａ）に実線で示すように、発散光として空間を伝搬し、ファイバ端部１ｂから距離ｘに位置するコリメートレンズ４に入射し、正のパワーにより集光されて、略平行光束とされる。
すなわち、距離ｘがコリメートレンズ４の焦点距離ｆに一致している場合は、平行光束、すなわちビーム拡がり角が０°の光として出射される。また、ｘ＞ｆの場合、ビーム拡がり角が負となって収束する略平行光束となり、ｘ＜ｆの場合、ビーム拡がり角が正となって発散する略平行光束となる。

略平行光束とされた送光光は、ビームスプリッタ１０で反射され、コーナーキューブ１１に入射する。
コーナーキューブ１１に入射した送光光は、図２（ａ）に示すように互いに直交する反射面で２回反射されて、入射方向と同軸の方向に出射される。そのため、例えば、破線のように光路が反転され、コリメートレンズ４に入射して所定位置に結像する。ここで、所定位置が、ファイバ端部１ｂ上であれば、光ファイバ１に再結合されて、すべての光が光ファイバ１内に伝送される。
図示のように、例えばｘ＞ｆとすると、結像位置はファイバ端部１ｂとコリメートレンズ４の間にずれて、ファイバ端部１ｂ上ではデフォーカス状態となり、送光光の一部しか光ファイバ１に結合されないことになる。
光ファイバ１に結合された光は、ポートＰ_３に伝送され、ポートＰ_１に伝送され、ポートＰ_１の端部から出射されて、光検出器６に入射する。

そこで、光検出器６の受光量とコリメートレンズ４のレンズ位置ｘとの関係は、図２（ｂ）に示すように、ｘ＝ｆでピークを有する山形の曲線２００のようになる。したがって、光検出器６の検出出力により、送光光のビーム拡がり角が検出される。
そのため、例えば、移動制御部７により、光検出器６の検出出力の最大値が目標値となるようにコリメートレンズ４を駆動する制御信号を生成し、レンズ移動機構５に送ることで、コリメートレンズ４から出射される送光光を平行光束とすることができる。
また、図２（ｂ）の特性曲線に基づいて、適宜のビーム拡がり角となる状態に移動制御することができる。

例えば、送光光が通信光である場合、自由空間損失により、相手局の位置で光強度が低下しないように、ビーム拡がり角が大きくなりすぎないように調整する。
また例えば、遠距離通信の場合、回折現象によるビームの拡がりが大きくなるので、送光直後ではわずかに収束するように調整してもよい。
また、送光光が追尾光である場合、相手局の位置で、追尾光を見失わないような所定のビーム径となるように、ビーム拡がり角を最適化する。
なお、このような制御は、フィードバック制御により高速に収束する自動制御として行うことが可能である。

このように、本実施形態のコリメーション調整方法によれば、コリメートレンズ４から出射する略平行光束を、コーナーキューブ１１を用いてコリメートレンズ４に対して同軸光路上で再入射し、光ファイバ１に再結合する光量を検出することでビーム拡がり角を調整している。そのため、コリメートレンズ４以外にパワーを有する光学素子を用いないため、そのような光学素子の収差や製作誤差などによる調整精度が劣化することがなく、高精度の調整を行うことができる。
また、開口絞りなどを用いないので、開口絞りによる光量損失も発生しない。
また、検出手段として、光検出器６のみを用いるので、簡素な方法となり、例えば、離れた２箇所でのビーム径を測定して、ビーム拡がり角に換算するなどの手間がかからず、高速な制御を行うことができる。
コーナーキューブ１１をアフォーカル光学系１３の外側に配置した場合は、コーナーキューブ反射位置からコリメートレンズ４までの距離が長くなるため、出射光線の拡がり角が平行でない場合にコーナーキューブ反射光がコリメートレンズ４の開口により蹴られやすくなる。コーナーキューブ１１をアフォーカル光学系１３の内側に配置した場合は、距離が短いためコリメートレンズ４の開口により蹴られない拡がり角ずれ範囲が広い。また、拡大倍率分だけ光束径も小さいため、小型のコーナーキューブで構成できる。

コリメーション調整終了後、コーナーキューブ１１を送光光の光路から退避させることで送受光動作が可能となる。
すなわち、送光光は可動ミラー１２で反射されて、アフォーカル光学系１３により拡径され、開口部８ａから送光される。
また、開口部８ａから入射した受光光は、アフォーカル光学系１３により縮径され、可動ミラー１２で反射されて、ビームスプリッタ１０を透過する。そして、受光光検出部３５内で、追尾光と通信光とに分岐される。
追尾光は、粗追尾検出器１６、精追尾検出器１７により受光光の位置ずれが検出され、それぞれの検出出力に応じて、ジンバルステージ９、可動ミラー１２の姿勢制御が行われる。そのため、受光光の入射方向が変化しても、通信光が、通信光検出器１８上を外れることなく良好に受光される。また、送光光は、受光光と略同軸に送光される。

次に本実施形態の変形例について説明する。
本変形例は、上記実施形態において、コリメーション調整時に必要な部材を着脱自在に設けたものである。すなわち、コーナーキューブ１１を送光光の光路に進退させる移動機構を省き、コーナーキューブ１１の取付部のみが設けておく。光カプラ３、光検出器６、移動制御部７も接続部のみ設けて、着脱できるようにしておく。
このようにすれば、製造時またはメンテナンス時などに必要に応じて、これらの部材を装着して、上記と同様にして、コリメーション調整を行い、終了後に取り外すことができるから、装置を簡素に構成することができる。
なお、製造工程のみで、本実施形態のコリメーション調整方法を実施する場合には、コーナーキューブ１１は、治具などを用いて配置することによりコーナーキューブ１１の取付部を省略することもできる。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係るコリメーション調整機構およびそれを用いた光アンテナ装置について説明する。
図３は、本発明の第２の実施形態に係るコリメーション調整機構を用いた光アンテナ装置の概略構成について説明するための模式説明図である。

本実施形態の光アンテナ１０１（光アンテナ装置）は、第１の実施形態の光アンテナ１００の、ビームスプリッタ１０に代えてビームスプリッタ３１（光分岐手段）を備え、光カプラ３に代えて光サーキュレータ３０（光分離手段）を備えたものである。
以下、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。

ビームスプリッタ３１は、コリメートレンズ４により略平行光束化された送光光のうち、送光効率が許容できる範囲の光を、ビームスプリッタ１０と同様に分岐面で反射して可動ミラー１２に向けて折り曲げ、それ以外の光を透過させるようにしたものである。また、可動ミラー１２により反射されてから入射する受光光については、ビームスプリッタ１０と同様に、分岐面で略すべてを透過するようになっている。
このようなビームスプリッタ３１は、例えば、キューブ型のガラスプリズムを用いて接合面に誘電体多層膜を形成し、適宜の透過・反射分光比を設定することで構成することができる。
また、ビームスプリッタ３１として、送光光の波長に応じて選択された膜厚、例えば数ミクロン程度のニトロセルロース膜で形成されたペリクル膜を用いるようにしてもよい。このようなペリクル膜は、入射光束径に比べて厚さが非常に薄いため、キューブ型プリズムなどで生じるような迷光が実質的に発生しないので、光通信のＳ／Ｎ比を向上できるという利点がある。

そして、第１の実施形態とは異なり、図３に示すように、ビームスプリッタ３１を透過する送光光の光路上にコーナーキューブ１１を固定配置し、ビームスプリッタ３１を透過した送光光の光路を反転して、ビームスプリッタ３１に再入射させる構成とする。そのため、ビームスプリッタ３１に入射した送光光は、分岐面を透過して、コリメートレンズ４に入射するようになっている。

光サーキュレータ３０は、光非相反性を利用した光回路素子であり、第１の実施形態の光カプラ３に代えて用いることができる光ファイバ分岐素子の例となっている。そして、図３に示すように、ポートｐ_１に伝送された光がポートｐ_２に伝送され、ポートｐ_２から伝送される光がポートｐ_３に伝送されるようになっている。
図示しないが、ポートｐ_１には、送光光を生成する適宜の光源、もしくは光源が接続された光ファイバ通信網に接続されている。
コネクタ部１ａとポートｐ_２が接続され、ポートｐ_３から出射される光を光検出器６で受光できるようになっている。

光サーキュレータ３０としては、ファラデー効果を利用したビスマス置換希土類ガーネット厚膜などを用いたファラデー回転素子と、ＬｉＮｂＯ_３単結晶などを用いた偏光分離合成素子とで構成される受動部品を採用することができる。
このような構成によれば、例えば、偏光依存性が無く、挿入損出１ｄＢ以下、アイソレーション４０ｄＢ以上、ポートｐ_１からポートｐ_３へのダイレクティビティ６０ｄＢといった優れた特性を有するものを容易に得ることができる。

このような構成において、光サーキュレータ３０、光検出器６、移動制御部７、レンズ移動機構５、コリメートレンズ４、ビームスプリッタ３１およびコーナーキューブ１１は、本実施形態のコリメーション調整機構を構成している。

本実施形態の構成によれば、図３に示すように、光サーキュレータ３０のポートｐ_１から、送光光を入射させ、ポートｐ_２を介して、光ファイバ１に伝送し、ファイバ端部１ｂから出射する。出射された送光光は、発散光として空間を伝搬してコリメートレンズ４に入射し、集光されて略平行光束とされる。
略平行光束とされた送光光は、一部がビームスプリッタ３１を透過し、コーナーキューブ１１に入射する。そして、コーナーキューブ１１により、光路が反転され、コリメートレンズ４に入射して集光され、コリメートレンズ４の位置により、その一部または全部がファイバ端部１ｂを通して光ファイバ１に再結合され、光ファイバ１内に伝送される。
光ファイバ１に結合された光は、ポートｐ_２を介して、ポートｐ_３に伝送され、ポートｐ_３の端部から出射されて、光検出器６に入射する。
そして、第１の実施形態と同様にして、移動制御部７、レンズ移動機構５により、コリメーション調整動作を行うことができる。
なお、ビームスプリッタ３１で反射された送光光およびビームスプリッタ３１を透過する受光光に関する動作は第１の実施形態と同様なので説明を省略する。

このように、本実施形態では、光アンテナ１０１に固定配置されたビームスプリッタ３１により、分岐された送光光の一部を用いてコリメーション調整を行うので、ビームスプリッタ３１で反射される送光光とビームスプリッタ３１を透過する受光光とにより、通信光の送受光や追尾動作を行いつつ、それらと同時並行的にコリメーション調整を行うことができる。
したがって、通信動作中や追尾動作中であっても、常に所定のビーム拡がり角を動的に保持することができる。また、例えば、通信動作と追尾動作との切替時など、ビーム拡がり角を変更する必要が生じた場合には、動的にビーム拡がり角を変更することができる。

なお、ビームスプリッタ３１は、アフォーカル光学系１３を共有する受光光と送光光との光路を分岐する第１の実施形態のビームスプリッタ１０の機能と、送光光の一部をビーム拡がり角検出用に分離する光分離手段としての機能を兼用する部材となっている。そのため、光アンテナ１０１の部品点数低減と小型化に寄与しているものである。

［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係るコリメーション調整機構およびそれを用いた光アンテナ装置について説明する。
図４は、本発明の第３の実施形態に係るコリメーション調整機構を用いた光アンテナ装置の概略構成について説明するための模式説明図である。

本実施形態の光アンテナ１０２（光アンテナ装置）は、第２の実施形態の光アンテナ１０１のコーナーキューブ１１に置き換えて、集光レンズ１９（集光素子）、ピンホール板２０（受光部）を配置し、光検出器６（光検出手段）の代わりにピンホール板２０の近傍に配置された光検出器２１を設け、さらに、光ファイバ１に代えて、レーザ光源２２（光射出部）を備えるものである。光ファイバ１が省略されたことにより光サーキュレータ３０は省略されている。
すなわち、光分岐手段を省略して、集光素子、および光射出部とは異なる受光部を設けることで、光分離手段を省略した例となっている。また、光ファイバ光学系を用いず、全体を空間光学系で構成した例ともなっている。
以下、第２の実施形態と異なる点を中心に簡単に説明する。

レーザ光源２２は、例えば適宜波長のレーザダイオードからなり、不図示の変調駆動手段により変調された発散光を放射できるようになっている。
コリメートレンズ４は、レーザ光源２２の発光点近傍に配置されている。
集光レンズ１９は、ビームスプリッタ３１を透過した略平行光束を集光するため光学素子である。コリメートレンズ４と同じ焦点距離を有する光学素子を用いてもよいが、異なる焦点距離の光学素子を用いることもできる。そうすれば、集光位置を変えることで部品配置レイアウトの自由度を向上できる。
ピンホール板２０は、集光レンズ１９で結像された光を透過させるピンホールを有する光量規制板であり、例えば、送光光を平行光束に調整するためには、集光レンズ１９に対する焦点位置に配置する。
光検出器２１は、ピンホール板２０を透過する光の光量を検出する受光素子であり、光検出器６と同様の受光素子を用いることができる。光検出器２１の検出出力は、移動制御部７に接続されている。

このような構成において、コリメートレンズ４、レンズ移動機構５、ビームスプリッタ３１、集光レンズ１９、ピンホール板２０、光検出器２１は、本実施形態のコリメーション調整機構を構成している。

本実施形態の構成によれば、図４に示すように、レーザ光源２２から発散光として送光光を出射し、コリメートレンズ４により集光されて略平行光束とされる。
略平行光束とされた送光光は、一部がビームスプリッタ３１を透過し、集光レンズ１９に入射して集光され、ピンホール板２０に入射する光の光量が光検出器２１により検出される。
そして、ビーム拡がり角により、ピンホール板２０に入射する光量が変化するので、第１の実施形態と同様にして、移動制御部７、レンズ移動機構５により、コリメーション調整動作を行うことができる。
なお、ビームスプリッタ３１で反射された送光光およびビームスプリッタ３１を透過する受光光に関する動作は第１の実施形態と同様なので説明を省略する。

このように、本実施形態では、第２の実施形態と同様に、光アンテナ１０２に固定配置されたビームスプリッタ３１により、分岐された送光光の一部を用いてコリメーション調整を行うので、ビームスプリッタ３１で反射される送光光とビームスプリッタ３１を透過する受光光とにより、通信光の送受光や追尾動作を行いつつ、それらと同時並行的にコリメーション調整を行うことができる。
また、コリメーション調整の光検出を空間光により行うので、コンパクトな構成とすることができ、筐体８内に容易に搭載することができるという利点がある。

なお、上記の第１の実施形態の説明では、コリメート素子と光分離手段との間にビームスプリッタ１０を用いた例で説明した。この場合、コリメートレンズ４から可動ミラー１２までの間の光路を用いるので、比較的光路長を長くとることができ、コリメーション調整の精度を向上しやすいという利点がある。
ただし、ビームスプリッタ１０は、送光光と受光光とがアフォーカル光学系１３を共用する第１の実施形態の光路レイアウトでは必要な部材であるが、コリメーション調整動作のために本質的に必要な部材というわけではない。
例えば、コーナーキューブ１１をコリメートレンズ４とビームスプリッタ１０との間の光路中に進退できるようにしてもよい。そうすれば、送光光のコリメーション調整中に受光動作を続けることが可能となる。

また、上記の各実施形態の説明では、コリメーション調整は、移動調整手段により、コリメート素子を移動する例で説明したが、移動調整手段により、光射出部を移動できるようにしてもよい。

また、上記の第３の実施形態の説明では、光路反転手段を用いない例で説明したが、光路反転手段を用いてもよい。
例えば、第２の実施形態と同様にビームスプリッタ３１を透過する略平行光束の光路を反転するコーナーキューブ１１などを光路反転手段として配置し、ビームスプリッタ３１とコリメートレンズ４の間に、コーナーキューブ１１により光路を反転された光を受光部に導く、例えばビームスプリッタなどの光分離手段を配置し、その分離後の光路上に集光レンズ１９、ピンホール板２０、光検出器２１を配置する、といった構成としてもよい。
このようにすれば、光路を折り畳むことができて、コンパクトな構成とすることができ、また光検出手段までの距離を比較的長くとることができるので、コリメーション調整精度をより向上しやすいという利点がある。

また上記の説明では、光アンテナ装置として、光源や通信光検出器を含む例で説明したが、これら光電変換素子を備えず、すべて光のみで通信可能な光アンテナ装置に適用することも可能である。例えば、通信光検出器１８を設ける代わりに、光カプラ３や光サーキュレータ３０などの光分離手段を多段構成とすることにより、通信ポートからの送受信を光分離手段だけで構成することができる。このような構成とすれば、光電変換を行わないので、光電変換による時間遅れのない高速・大容量な光通信が可能となる。

また上記の説明では、コリメーション調整機構を光アンテナ装置に用いた例で説明したが、本発明のコリメーション調整機構は、コリメーション調整が必要な他の光学機器にも好適に用いることができる。
また、光源のコリメーション調整装置として、コリメーション調整機構だけで単独の装置を構成してもよい。

本発明の第１の実施形態に係るコリメーション調整機構を用いた光アンテナ装置の概略構成について説明するための模式説明図である。 本発明の実施形態に係るコリメーション調整機構の動作について説明するための模式説明図、およびコリメーション調整時のコリメート素子の位置（レンズ位置）と光検出手段の受光量との関係を示す模式的なグラフである。 本発明の第２の実施形態に係るコリメーション調整機構を用いた光アンテナ装置の概略構成について説明するための模式説明図である。 本発明の第３の実施形態に係るコリメーション調整機構を用いた光アンテナ装置の概略構成について説明するための模式説明図である。

符号の説明

１ 光ファイバ
１ｂ ファイバ端部（光射出部）
３ 光カプラ（光分離手段）
４ コリメートレンズ（コリメート素子）
５ レンズ移動機構（移動調整手段）
６、２１ 光検出器（光検出手段）
７ 移動制御部
９ ジンバルステージ
１１ コーナーキューブ（光路反転手段）
１３ アフォーカル光学系（送光光学系）
１９ 集光レンズ（集光素子）
２０ ピンホール板（受光部）
２２ レーザ光源（光射出部）
３０ 光サーキュレータ（光分離手段）
３１ ビームスプリッタ（光分岐手段）
３５ 受光光検出部
１００、１０１、１０２ 光アンテナ（光アンテナ装置）

Claims (8)

1. 光射出部から射出される発散光を略平行光束にするコリメーション調整機構であって、
   前記発散光を略平行光束にするコリメート素子と、
   該コリメート素子と前記光射出部との間の光軸方向の距離を相対的に可変する移動調整手段と、
   前記コリメート素子により略平行光束とされた光を集光する集光素子と、
   該集光素子で集光された光のうち、所定位置を通る光を受光する受光部と、
   該受光部が受光する光量を検出する光検出手段とを備え、
   前記移動調整手段により、前記光検出手段の検出出力に応じて前記コリメート素子と前記光射出部との光軸方向の距離を変えることで、前記略平行光束のビーム拡がり角を調整することを特徴とするコリメーション調整機構。
2. 前記コリメート素子により略平行光束とされた光の進行方向を反転させる光路反転手段を設けることで、前記コリメート素子および前記光射出部が、前記集光素子および前記受光部を兼ねる構成とし、
   前記光検出手段と前記光射出部との間に、前記光射出部に入射する光のみを前記光検出手段に導く光分離手段を配置したことを特徴とする請求項１に記載のコリメーション調整機構。
3. 前記コリメート素子により略平行光束とされた光を分岐する光分岐手段を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のコリメーション調整機構。
4. 前記光射出部および前記受光部が、光ファイバの端面からなり、
   前記光分離手段が、前記光ファイバと接続された光ファイバ分岐素子からなることを特徴とする請求項２〜３のいずれかに記載のコリメーション調整機構。
5. 送光光を発散光として射出する光射出部と、
   前記光射出部から射出される送光光を略平行光束にする請求項１〜４のいずれかに記載のコリメーション調整機構と、
   該コリメーション調整機構で略平行光束とされた送光光のビーム径を拡径して送光する送光光学系とを備えることを特徴とする光アンテナ装置。
6. 送光光を発散光として射出する光射出部と、
   前記光射出部から射出される送光光を略平行光束にする請求項３または４のいずれかに記載のコリメーション調整機構と、
   該コリメーション調整機構で略平行光束とされた送光光のビーム径を拡径して送光するとともに、外部からの光を受光する送受光光学系とを備え、
   前記光分岐手段が、前記送光光および前記外部からの光の光路を分岐する手段を兼ねることを特徴とする光アンテナ装置。
7. 光射出部から射出される発散光を略平行光束にするコリメーション調整方法であって、
   前記光射出部に対する光軸方向の相対的な距離が可変とされたコリメート素子により前記発散光を略平行光束とし、
   該略平行光束を集光素子により集光し、
   該集光素子により集光された光のうち、所定位置の受光部を通る光の光量を光検出手段により検出し、
   該光検出手段の検出出力に応じて、前記コリメート素子を移動させることで、前記略平行光束のビーム拡がり角を調整することを特徴とするコリメーション調整方法。
8. 光路反転手段により、前記略平行光束の進行方向を反転させることで、
   前記コリメート素子を前記集光素子として用い、
   前記光射出部を前記受光部として用いることを特徴とする請求項７に記載のコリメーション調整方法。

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