JP2006319882A - 双方向光空間伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自装置から相手装置の光ビームの出射方向を容易に変えることができるようにする。
【解決手段】自装置側にパイロット信号の振幅変調器、自装置側と相手装置側でパイロット信号の同期を取る手段、角度補正機能を備え、受信側の角度ずれを検出する４分割の変換素子４１ａ〜４１ｄの切換タイミングに同期して送信側のパイロット信号の振幅レベルを変化させるために、パイロット信号αとパイロット信号βを用いて、受信側の変換素子４１ａ〜４１ｄに角度ずれ信号を生じさせる。角度ずれ信号のずれ分が０になるように補正をかけると、結果として光ビームの出射方向が変化する。
【選択図】図６

Description

本発明は、隔てた２地点間で光ビームにより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点間で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、相互の光ビームが相手装置に到達しなくなって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は、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し、補正を行うことにより、送信光学系の光軸が相手装置の方向に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ることがある。

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種々の角度から入射する。しかし、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できず、相手側装置を正確に追尾することができない。

そこで、送信側において送信光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ると、受信側でこのパイロット信号を含んだ受信光を検出することにより、直流成分の背景光と受信光との区別が可能となる。従って、受信側ではこのパイロット信号を検出し補正することにより、相手装置を確実に追尾することができる。

また、このパイロット信号の振幅レベルは、光の直流レベルに比例する。図８（ａ）において、ａは１０ｍＷの送信光であり、ｂはこの送信光ａ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ａが雨や霧などにより、（ｂ）に示すように半分に減衰した場合に、ｃのように直流光レベルが５ｍＷとなり半分になるが、ｄ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検出することにより、光の直流レベルを検出したことと同等の結果を得ることができる。

図９は従来の双方向光空間伝送装置のブロック回路構成図である。送信信号はパイロット信号を重畳された後に、電気−光変換部１で光信号である送信光に変換されて送信され、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、光軸角度調節部４で相手装置の方向に向けられ、送受信レンズ５、６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６、５で整形された後に、光軸角度調節部４を通り、偏光ビームスプリッタ３で反射し、光分配器７に送られる。光分配器７からレンズ８を介して光−電気変換部９に送られた受信光は電気信号に変換される。また、光分配器７からレンズ１０を介して送られた受信光は、レンズ１０により角度誤差検出部１１に集光され、角度誤差検出部１１の出力は光学角度調節部４に接続されている。

送信光と角度誤差検出部１１の光学系の光軸を予め一致させておき、角度誤差検出部１１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できる。

図１０は例えば特許文献１に開示されているような角度誤差検出部１１の構成図を示し、角度誤差検出部１１は４つに分割された変換素子１２ａ〜１２ｄから成る光−電気変換部１２、信号切換器１３、信号処理部１４、演算部１５により構成されている。そして、角度誤差検出部１１の光−電気変換部１２は、図９に示すレンズ１０のフォーカス位置よりもレンズ側にデフォーカスされた位置に配置されている。

図１１（ａ）は角度誤差検出部１１の光学系を示し、レンズ１０で集光した光束は光−電気変換部１２に集光するようになっている。光−電気変換部１２はレンズ１０の焦点から外れて配置されているため、（ｂ）に示すように受信光は光−電気変換部１２上で受信光の受光スポット像Ｓは点ではなく、或る程度面積を持って結像する。

図１１（ａ）に示すように、レンズ１０の光軸Ｏ１と受信光の光軸Ｏ２が一致している場合は、受光スポット像Ｓは光−電気変換部１２の中心に入射するため、図ａ１１（ｃ）に示すように４つの変換素子１２ａ〜１２ｄは同じレベルの信号を出力する。信号切換器１３は演算部１５からの切換信号により、４つの変換素子１２ａ〜１２ｄの出力を切換えて信号処理部１４に送る。

しかし、図１２（ａ）に示すように、レンズ１０の光軸Ｏ１と受信光の光軸Ｏ２にずれが生じた場合には、図１２（ｂ）に示すように受光スポット像Ｓは光−電気変換部１２の中心から外れる。従って、各変換素子１２ａ〜１２ｄは受光量に比例したレベルの信号をそれぞれ発生し、図１２（ｃ）に示すようにそれぞれ異なった振幅レベルの信号を出力する。

図１３はそのときの信号の様子を示し、信号切換器１３が各変換素子１２ａ〜１２ｄの出力を切換えることになり、信号切換器１３から例えば図示のような出力信号が出力されることになる。これは、信号切換器１３が受光スポット像Ｓの動きを一定周期でサンプリングしていることにほかならない。この信号切換器１３による各変換素子１２ａ〜１２ｄを切換える周波数は、受光スポット像Ｓの動く速度の最大周波数よりも十分に大きいため、受光スポット像Ｓの動きを的確に捉えることができる。

図１０に示す演算部１５では、信号切換器１３に対し出力を切換える切換信号を出力し、光−電気変換部１２ａ〜１２ｄから出力される信号を取得している。取得した各変換素子１２ａ〜１２ｄの信号の加減算を行うことにより、受光スポット像Ｓの中心と光−電気変換部１２の中心とのずれ量を求めることができる。このずれ量と、レンズ１０と光−電気変換部１２間の距離を用いて、レンズ１０の光軸Ｏ１と受信光の光軸Ｏ２の角度ずれ量を求めることができる。

特開２００５−８６７２７号公報

しかしながら上述の従来例では、次のような２つの欠点がある。第１には、相手装置における角度誤差検出部１１の光学系の光軸と送信光の光軸のずれにより、相手装置からの光ビームのピークが自装置に当たらない場合がある。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ことが必要となる。

即ち、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れば、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生ずる。

実際の装置では、送信光の光軸と角度誤差検出部１１の光学系の光軸が一致しているという前提の基に、角度誤差検出部１１の光学系の光軸Ｏ１と受信光の光軸Ｏ２のずれを検出し、これらの２つの光軸Ｏ１、Ｏ２が一致するように光軸角度調整部４内のミラーを制御している。これにより、角度誤差検出部１１の光学系の光軸Ｏ１と受信光の光軸Ｏ２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ことになる。

しかしながら、製造時において送信光の光軸と角度誤差検出部１１の光学系の光軸を一致させる調整が行われてはいるものの、僅かな調整誤差は避けられない。また、調整誤差が殆どない場合でも、屋外使用環境下では温度変化によるずれや、経時変化によるずれが発生することがある。この２つの光軸Ｏ１、Ｏ２がずれてしまった場合に、受信光の光軸Ｏ２と角度誤差検出部の光軸Ｏ１を一致させても、送信光と受信光の光軸は一致しないことがあり得る。

従って、従来例においては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。かくすることにより、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できる。しかし、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ことになる。

第２には、近距離時に相手装置からの光ビームが強い場合に、自装置の受光素子が飽和してしまう可能性がある。従来装置においては、相手装置からのビーム径を広げたり、光ビームの強度を弱めることにより対応している。しかし、ビーム径を広げたり、光ビームの強度を弱めることにより、相手装置で受信できる光量が減少するため余裕度が低下してしまう問題が発生する。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、パイロット信号に対する変調を利用して確実に角度ずれを補正し得る双方向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係る双方向光空間伝送装置の技術的特徴は、隔てた２地点間で光ビームにより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、相手装置に光ビームを送出するための発光源と、前記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前記送信光に重畳する手段と、前記パイロット信号に対し振幅変調をかける振幅変調手段と、前記相手装置と自装置との角度ずれを検出をするための受光領域を複数に分割した受光素子と、該分割した受光素子の出力を時分割で切換える切換手段とを備えたことにある。

本発明に係る双方向光空間伝送装置によれば、相手装置がトラッキング中であっても、自装置がパイロット信号に変調をかけることにより、相手装置側の角度検出部に誤差成分を持たせることが可能になるため、自装置から相手側装置の光ビームの方向を変化させることが可能になり、相手装置における角度誤差検出部の光学系の光軸と送信光の光軸のずれにより、相手装置からの光ビームのピークが自装置に当たらない場合であっても、自装置にピークを当てることができる。

また、近距離時に相手側装置からの光ビームが強い場合に、自装置の受光素子が飽和してしまう可能性があるが、この場合にも自装置から相手側装置の光ビームの方向をずらすことにより、受光レベルを下げることが可能になる。

本発明を図１〜図７に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は実施例の装置のブロック回路構成図である。半導体レーザー光源から成る電気−光変換部２１は、光ビームをレンズ２２、偏光ビームスプリッタ２３、光軸角度調節部２４、送受信レンズ２５、２６を経て相手側装置に出射するようになっている。また、送受信レンズ２６、２５を経て受光した光ビームは、光軸角度調節部２４、偏光ビームスプリッタ２３を経て、光分配器２７により二岐され、一方はレンズ２８を経て光−電気変換部２９に入射し、その出力は受信信号として外部に出力される。光分配器２７により分岐された他方の光はレンズ３０を経て角度誤差検出部３１に入射し、その出力は光軸角度調節部２４に接続されている。

また、パイロット信号制御部３２に入力する操作信号は、第１のパイロット減衰器３３、第２のパイロット減衰器３４に接続されている。第１のパイロット信号発生器３５、第２のパイロット信号発生器３６の出力は、それぞれ第１、第２のパイロット減衰器３３、３４を経て送信信号と合成され、これらのパイロット信号が合成された送信信号は、電気−光変換部２１に接続されている。

第１のパイロット信号発生器３５によるパイロット信号αの周波数は、送受信信号と干渉しない周波数を選定するが、本実施例においては１０ＭＨｚを採用している。また、パイロット信号αは従来例におけるパイロット信号と同じ役割を担っている。第２のパイロット信号発生器３６からのパイロット信号βの周波数は２０ＭＨｚであり、このパイロット信号βは送信側のパイロット信号αの振幅レベルを切換えるタイミングと受信側の角度誤差検出部３１における光−電気変換素子の出力を切換えるタイミングを一致させるためのものである。

従来例と異なることは、パイロット信号αを第１のパイロット減衰器３３により振幅変調することにある。この第１のパイロット減衰器３３は受信側の角度誤差検出部３１における光−電気変換素子の出力を切換える周波数と同じ周波数でパイロット信号αの振幅レベルを変化させ、第２のパイロット減衰器３４はパイロット信号βの振幅レベルを変化させる。

パイロット信号制御部３２は機外からの操作信号に応じて、第１のパイロット減衰器３３の減衰量を制御すると同時に、パイロット信号αを減衰させるタイミングとパイロット信号βを減衰させるタイミングとを制御している。

電気−光変換部２１から出力される光ビームは偏光しており、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、それと直交する偏光を持つ受信光は反射するため、偏光ビームスプリッタ２３で送信光と受信光とを分けることができる。光軸角度調節部２４は角度誤差検出部３１の角度誤差信号に従って、光軸角度調節部２４の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。

光分配器２７は入射光を透過方向に８０％、反射方向に２０％に分けて出力し、この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、実施例では前述のように８対２とされている。レンズ２８は光−電気変換部２９に受信光を集光し、光−電気変換部２９は受光素子としてピンフォトダイオードを備え、光信号である受信光を電気信号に変換する。

レンズ３０は光分配器２７からの受信光を角度誤差検出部３１に集光し、角度誤差検出部３１は送信光の光軸と受信光の光軸のずれを検出し、送信光の光軸と受信光の光軸の角度ずれを検出する。実際には、送信光と角度誤差検出部３１の光学系の光軸を予め一致させておき、角度誤差検出部３１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。

図２は角度誤差検出部３１の構成図を示し、光−電気変換面を十字状に分割した４個の変換素子４１ａ〜４１ｄの出力は信号切換器４２を介して、信号処理部４３、演算部４４に接続されている。また、変換素子４１ａ〜４１ｄの出力の一部は、パイロット信号合波器４５、パイロット信号処理部４６を経て演算部４４に接続されている。

図１に示すパイロット信号制御部３２は操作信号に応じたパイロット信号αの減衰量を演算し、第１のパイロット減衰器３３に制御信号を送り、この制御信号に応じてパイロット信号αを減衰させる。例えば、相手装置から送られてくる光ビームを上に動かす場合には、図３に示すようにＡとＢを小さく（減衰大）、ＣとＤを大きく（減衰なし）なるように制御する。

図３中のＡ〜Ｄは角度誤差検出部３１の各変換素子４１ａ〜４１ｄの出力に相当しており、Ａは信号切換器４２により変換素子４１ａの信号をサンプリングし、Ｂは信号切換器４２により変換素子４１ｂの信号をサンプリングするようなタイミングで振幅を変化させている。

パイロット信号制御部３２はパイロット信号αの振幅レベル変化のタイミングと同期したパイロット信号βを生成するために、第２のパイロット減衰器３４に対して制御信号を送る。図４に示すように、パイロット信号βはパイロット信号αのＤのタイミングで１パルスが立ち上がるように生成されており、受信側ではこのパルスの下りエッジを検出し、パイロット信号αの振幅が切換わるタイミングと各変換素子４１ａ〜４１ｄを切換えるタイミングの同期を取っている。

このようにして生成されたパイロット信号αとパイロット信号βとを送信信号に重畳し、電気−光変換部２１で光信号に変換し送信光とする。送信光は送信レンズ２２で平行光束になり、偏光ビームスプリッタ２３を通過し、光軸角度調節部２４で相手装置の方向に向けられ、送受信レンズ２５、２６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２５、２６で整形された後に光軸角度調節部２４を通り、偏光ビームスプリッタ２３で反射し、光分配器２７に送られ、光分配器２７から光−電気変換部２９に送られた受信光は電気信号に変換される。光分配器２７からの受信光は、レンズ３０により角度誤差検出部３１に集光される。角度誤差検出部３１は図１に示すレンズ３０のフォーカス位置よりもレンズ３０側にデフォーカスされた位置に配置されている。従って、受光スポット像Ｓは変換素子４１ａ〜４１ｄ上で、点ではなく或る程度の面積を持って結像する。

図５（ａ）に示すように、角度誤差検出部３１の光学系の光軸Ｏ１と受信光の光軸Ｏ２が一致している場合は、図５（ｂ）に示すように受光スポット像Ｓは変換素子４１ａ〜４１ｄの中心に入射するため、従来例の場合は４つの変換素子４１ａ〜４１ｄは同じレベルの信号を出力する。

しかし本実施例の構成においては、角度誤差検出部３１の信号切換器４２が信号をサンプリングするタイミングに合わせて、送信側のパイロット信号の振幅レベルを変化させているため、受光スポット像Ｓが角度誤差検出部３１の中心に入射した場合に、変換素子４１ａ〜４１ｄからは送信側から送信されたパイロット信号αと同じ振幅レベルの信号が各変換素子４１ａ〜４１ｄから出力される。

図６は受信光が角度誤差検出部３１の変換素子４１ａ〜４１ｄに入射する様子を示している。説明の都合上、パイロット信号αとパイロット信号βは別々に描いているが、実際には送信光に重畳されている。パイロット信号αは送信側で振幅変調をかけられており、その振幅を切換える周波数は、受信側の変換素子４１ａ〜４１ｄを切換える周波数と一致している。

そして、パイロット信号βはパイロット信号αのＤのタイミングで振幅が大になるパルスを形成している。これを検波することにより、受信側においてパイロット信号αのＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの同期をとっている。送信側でＡとして変調をかけた信号は変換素子４１ａで、送信側でＢとして変調をかけた信号は変換素子４１ｂで取得される。従って、受光スポット像Ｓが角度誤差検出部３１の中心に入射した場合でも、各変換素子４１ａ〜４１ｄからは送信側に変調をかけたレベルに応じた信号が出力される。

信号切換器４２及び信号処理部４３は従来例の信号切換器１３、信号処理部１４と同じであり、信号切換器４２は演算部４４からの切換信号により、４つの変換素子４１ａ〜４１ｄの出力を切換えて信号処理部４３に送る。信号処理部４３では、後段の演算部４４が変換素子４１ａ〜４１ｄから出力される信号を読み込むことができるように、電流−電圧変換、検波及びスケール変換などの信号処理を行っている。

一方、パイロット信号合波器４５は変換素子４１ａ〜４１ｄから出力されるパイロット信号βに対し論理積を取り、信号をパイロット信号処理部４６に送る。パイロット信号処理部４６では、後段の演算部４４が変換素子４１ａ〜４１ｄの合波信号を読み込むことができるように、電流−電圧変換、検波及びスケール変換などの信号処理を行っている。

演算部４４では、信号切換器４２に対し切換信号を出力し、変換素子４１ａ〜４１ｄから出力される信号を取得している。従来例においては、取得した変換素子４１ａ〜４１ｄの信号の加減算を行うことにより、受光スポット像Ｓの中心と角度誤差検出部３１の中心とのずれ量を求めていたが、本実施例においては、受光スポット像Ｓの中心ではなく受光スポット像Ｓの重心Ｇと、角度誤差検出部３１の中心とのずれ量を求める。

ここで、受光スポット像Ｓの重心Ｇとは受光パワーの重心ではなく、角度誤差検出部３１の各変換素子４１ａ〜４１ｄが受信したパイロット信号αの振幅レベルの重心を意味している。つまり、図７に示すように受光スポット像Ｓが角度誤差検出部３１の中心に入射している場合でも、パイロット信号αが図７に示すような振幅レベルである場合には、これらの振幅レベルを演算することにより受光スポット像Ｓの重心Ｇに当たっていることと同等になり、受光スポット像Ｓの重心Ｇは変換素子４１ｂの方に偏っていることになる。そして、従来例と同様にこのずれ量が０になるようにモータを制御しトラッキングを行う。

パイロット信号αの振幅レベルの重心Ｇは、送信側において決めることができるので、結果的に送信側装置で受信側の光ビームの送信方向を変化させることが可能になる。

上記においては、送信側と受信側を個別に説明してきたが、送受信を通した例として、相手装置の光ビームを下に動かす場合を考えると、相手装置の光ビームを下に動かすには、相手装置の角度誤差検出部３１において、受光スポット像Ｓの重心Ｇが角度誤差検出部３１の中心より上に至るようにすればよい。

この場合には、変換素子４１ａ、４１ｂに振幅レベルの大きいパイロット信号αが、変換素子４１ｃ、４１ｄに振幅レベルの小さいパイロット信号αが照射されればよいことになる。そこで自装置側では、パイロット信号αのＡとＢのタイミングで振幅レベルを大きく、ＣとＤのタイミングで振幅レベルを小さくするように変調をかける。

相手装置側においては、角度誤差検出部３１の素子４１ａ、４１ｂの振幅レベルが大きく、変換素子４１ｃ、４１ｄの振幅レベルが小さく検出されるため、光−電気変換素子４１の中心よりも上に当たっている、つまり光ビームを上に出射していると検知する。そして、受光スポット像Ｓの重心Ｇと角度誤差検出部３１の中心とのずれを０にするために、光ビームの出射方向を下方にずらす。

本発明の主眼は、角度ずれを検出する４分割の変換素子４１ａ〜４１ｄの切換タイミングに同期して、相手側装置のパイロット信号のレベルを変化させることであり、本実施例ではそのタイミングを同期させる手段として、パイロット信号αの他にパイロット信号βを用いる方式を例にとって説明した。しかし、同期させる方法は他にも選択でき、本実施例とは別の方式であっても支障はない。

実施例のブロック回路構成図である。 角度誤差検出部の構成図である。 パイロット信号αの説明図である。 パイロット信号α、βの説明図である。 角度誤差検出部のレンズと光−電気変換素子及び受光スポット像の位置の説明図である。 変調したパイロット信号αを受光したときの説明図である。 変調がかかったパイロット信号αを光−電気変換素子で受けたときの受光スポット像の重心の説明図である。 直流光レベルとパイロット信号の振幅レベルの関係の説明図である。 従来例の双方向光空間伝送装置のブロック回路構成図である。 従来例の角度誤差検出部の構成図である。 従来例の光−電気変換素子の中心位置に受光スポット像が入射した状態の説明図である。 従来例の光−電気変換素子の中心から外れた位置に受光スポット像が入射した状態の説明図である。 従来例の角度誤差検出部における出力信号の説明図である。

符号の説明

２１ 電気−光変換部
２３ 偏光ビームスプリッタ
２４ 光軸角度調整部
２５、２６ 送受信レンズ
２７ 光分配器
２９ 光−電気変換部
３１ 角度誤差検出部
３２ パイロット信号制御部
３３、３４ パイロット減衰器
３５、３６ パイロット信号発生器
４１ａ〜４１ｄ 変換素子
４２ 信号切換器
４３ 信号処理部
４４ 演算部
４５ パイロット信号合波器
４６ パイロット信号処理部

Claims (4)

1. 隔てた２地点間で光ビームにより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、相手装置に光ビームを送出するための発光源と、前記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前記送信光に重畳する手段と、前記パイロット信号に対し振幅変調をかける振幅変調手段と、前記相手装置と自装置との角度ずれを検出するための受光領域を複数に分割した受光素子と、該分割した受光素子の出力を時分割で切換える切換手段とを備えたことを特徴とする双方向光空間伝送装置。
2. 前記受光素子は十字状に４分割したことを特徴とする請求項１に記載の双方向光空間伝送装置。
3. 前記パイロット信号の振幅変調レベルが切換わるタイミングと、前記切換手段による前記受光素子の切換タイミングとを同期させる手段を有することを特徴とする請求項１に記載の双方向光空間伝送装置。
4. 前記２つの切換タイミングを周期させる手段は、前記送信光に重畳する第２のパイロット信号によるものとした請求項３に記載の双方向光空間伝送装置。

Images