JP2007282144A - Optical space communication apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、離れた二地点間に対向設置して、自由空間中を伝搬する光ビームにより光信号の通信を行い、装置の角度ずれによる光ビームの光軸ずれを補正する機能を有する光空間通信装置に関するものである。 The present invention is an optical space having a function of correcting an optical axis shift of a light beam due to an angle shift of an apparatus by communicating with an optical signal by a light beam propagating in a free space, facing two distant points. The present invention relates to a communication device.
一般的に、自由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、光のパワーを効率良く伝送するために、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、光ビームの拡がり角を狭くすると、建物或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、径時変化による角度変動等により、光ビームが相手方装置から外れ易く、安定した通信が困難となる。そのために、例えば特許文献1に示すように、装置の角度が変化しても角度変化を補正し、常に光ビームが相手側装置を向くような光軸ずれ補正機構を有する装置が提案されている。
In general, an optical space communication device that performs communication by propagating a light beam in free space needs to transmit with a narrow light beam with a light beam divergence angle as small as possible in order to transmit light power efficiently. There is. However, if the light beam divergence angle is narrowed, the light beam is likely to be detached from the counterpart device due to wind pressure or vibration of the building or installation base, distortion due to temperature fluctuation, angular fluctuation due to time variation, etc., making stable communication difficult. It becomes. Therefore, as shown in
図5は光ビームの送信/受信のための装置を示しており、台座1上には、調整台2を介して筐体3が装置され、筐体3内には水平方向の駆動機構4と垂直方向の駆動機構5を介して光学系6が設けられている。この光学系6内の発光素子7は、レンズ8、偏光ビームスプリッタ9に向けてレーザー光から成る送受光信号を出射する。偏光ビームスプリッタ9で反射されたレーザー光は、送受光レンズ10、11を経て相手側装置に光ビームLとして出射される。
FIG. 5 shows an apparatus for transmitting / receiving a light beam. A
また、相手側装置から送信されてきた光ビームLは、送受光レンズ11、10を経て、偏光ビームスプリッタ9をそのまま通過し、ビームスプリッタ12に入射し、ビームスプリッタ12において二岐され、一方はレンズ13を介して受光素子14に入射する。また、ビームスプリッタ12を透過した他方の光ビームは、レンズ15を経て光位置検出素子16に入射する。
The light beam L transmitted from the counterpart device passes through the transmission /
図6は光位置検出素子16の概略図を示しており、光位置検出素子16は4分割されたフォトダイオード16a〜16dから構成されており、レンズ15を経た光スポットSがこれらのフォトダイオード16a〜16dに入射する。これらの4分割されたフォトダイオード16a〜16dの出力を比較することにより、光スポットSの位置を検出することができる。
FIG. 6 shows a schematic diagram of the optical
光位置検出素子16からの信号は角度補正情報として制御回路17で演算処理され、駆動回路18に駆動信号が出力される。駆動回路18により水平方向の駆動機構4及び垂直方向の駆動機構5を駆動すると、光スポットSの位置が光位置検出素子16の中心に至り、4分割されたフォトダイオード16a〜16dの出力が全て等しくなるような方向に駆動・制御される。
A signal from the optical
発光素子7、受光素子14、光位置検出素子16は全て、光学軸が一致するように位置調整がなされている。従って、光位置検出素子16の中心16Sに光スポットSが当たった状態においては、受光素子14の中心にも光束が入射しており、かつ発光素子7からの光束の中心が相手装置側の方向に向けて光ビームが出射される。
The positions of the
上述した光軸ずれ補正機構は、光位置検出素子16の一部に光スポットSが受光されていないと作動しない。装置設置時における初期調整では、操作者は水平方向の駆動機構4及び垂直方向の駆動機構5を駆動範囲の中心付近の初期位置とした後に、調整台2を上下左右に駆動できる状態とし、手動で装置の方向調整を行う。この方向調整によって、光位置検出素子16の一部に光スポットSが受光されると、光軸ずれ補正機構が動作し、その状態で操作者は調整台2を固定する。
The optical axis deviation correction mechanism described above does not operate unless the light spot S is received by a part of the optical
上述の従来例において、操作者は手動で装置の方向調整を行うため、光軸ずれ補正機構が動作した後も、筐体3の方向を直ちに決定することはできず、多少動いてしまう。その状態で調整台2を固定すると、水平方向の駆動機構4及び垂直方向の駆動機構5は駆動範囲の中点付近になるとは限らない。水平方向の駆動機構4及び垂直方向の駆動機構5の駆動範囲が、設置当初に駆動範囲の端に近い位置にあると、通常の運用時に何らかの原因で自装置が傾いた場合には、正常な光軸ずれ補正ができなくなる場合が発生する。
In the above-described conventional example, since the operator manually adjusts the direction of the apparatus, the direction of the
図7は光ビームの放射方位角の駆動範囲を示し、説明のため垂直方向の方位角を示している。自装置21から相手側装置22に向けて光ビームLを出射しており、光ビームLの方向は自装置21の駆動機構が中点位置にある場合のZ方向である。角度A1は光ビームLの垂直方向の放射方位角の駆動範囲、角度A2は光軸ずれ補正機構動作時の自装置21の下向きへの放射方位角の駆動範囲、角度A3は上向きへの放射方位角の駆動範囲を示している。
FIG. 7 shows the driving range of the radiation azimuth angle of the light beam, and shows the vertical azimuth angle for explanation. The light beam L is emitted from the
例えば、図6のように光軸ずれ補正機構の動作中にA2≪A3である場合には、自装置21が下向きへの大きな変位には光軸ずれ補正ができる。しかし、上側への大きな変位には光軸ずれ補正機構の駆動範囲を超過しているため、光軸ずれ補正ができないことが発生し、光軸外れが発生してしまうことになる。
For example, when A2 << A3 during the operation of the optical axis deviation correction mechanism as shown in FIG. 6, the optical axis deviation can be corrected for a large downward displacement of the
本発明の目的は、上述の課題を解消し、光軸外れが発生する可能性を低減できる光空間通信装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an optical space communication device capable of solving the above-described problems and reducing the possibility of occurrence of off-axis.
上記目的を達成するための本願発明に係る光空間通信装置の技術的特徴は、離れた地点間で対向設置して光ビームにより通信を行う光空間通信装置において、相手側装置に送信する光ビームを発生させる発光素子と送信光学系から成る光送信部と、前記相手側装置からの光ビームを受信する受信光学系と受光素子から成る光受信部と、前記相手側装置からの光ビームの到来方向を検出するための光位置検出手段と、該光位置検出手段からの信号により前記光送信部及び前記光受信部の方位角を制御する制御手段と、該制御手段からの信号により前記方位角を調整する光軸ずれ補正機構とを有し、該光軸ずれ補正機構は、前記方位角駆動範囲を閾値以内に制限する調整モードと、前記方位角駆動範囲を前記閾値以内に制限しない通常モードとを有することにある。 In order to achieve the above object, the technical feature of the optical space communication device according to the present invention is that an optical beam transmitted to a counterpart device in an optical space communication device that communicates with a light beam by being opposed to each other between distant points. A light transmitting unit composed of a light emitting element and a transmitting optical system, a light receiving unit composed of a receiving optical system and a light receiving element for receiving a light beam from the counterpart device, and the arrival of the light beam from the counterpart device An optical position detection means for detecting a direction; a control means for controlling the azimuth angle of the optical transmission section and the optical reception section by a signal from the optical position detection means; and the azimuth angle by a signal from the control means An optical axis deviation correction mechanism that adjusts the azimuth angle driving range, the optical axis deviation correction mechanism includes an adjustment mode that limits the azimuth angle driving range to within a threshold value, and a normal mode that does not limit the azimuth angle driving range to within the threshold value And It is to.
本発明に係る光空間通信装置によれば、運用中に光軸外れが発生することが少ない。 The optical space communication apparatus according to the present invention is less likely to cause off-axis during operation.
本発明を図1〜図4に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。 The present invention will be described in detail based on the embodiment shown in FIGS.
図1は実施例1における光空間通信装置の構成図を示しており、対向する光ビームの送信/受信のための一対の装置の一方のみを示している。設置用固定台座31上には、装置の方向を粗調整し固定する調整台32を介して筐体33が設置されている。また筐体33内には、水平方向の駆動機構34と垂直方向の駆動機構35を介して光学系36が設けられている。
FIG. 1 is a configuration diagram of an optical space communication device according to the first embodiment, and shows only one of a pair of devices for transmitting / receiving opposing light beams. On the
光学系36においては、相手側装置側から送受光レンズ37、38、偏光ビームスプリッタ39、ビームスプリッタ40、レンズ41、光位置検出素子42が順次に配列されている。偏光ビームスプリッタ39の入射方向にはレンズ43、半導体レーザー光源から成る発光素子44が設けられ、ビームスプリッタ40の分岐方向にはレンズ45、受光素子46が設けられている。
In the
光位置検出素子42の出力は制御回路47に接続され、制御回路47の出力は駆動回路48を介して、駆動機構34、35に接続されている。また、制御回路47には位置設定時における初期調節モードと通常運用モードの切換え、及び初期調整モードにおいての光ビームLの照射方位角駆動範囲を設定する設定部49の出力が接続されている。
The output of the optical
なお、設定部49は筐体33の内部に収納されているが、設定部49の代りに、制御回路47に外部コンピュータをネットワークを介して接続することにより、同様の役割を行うことも可能である。
The
発光素子44から、レンズ43、偏光ビームスプリッタ39に向けて偏光方向を紙面に水平になるように偏光したレーザー光を出射すると、偏光ビームスプリッタ39で反射されたレーザー光は、送受光レンズ38、37を経て相手側装置に向けて出射する。この際に、送受光レンズ37で僅かに拡がりを有するほぼ水平の光ビームLとなる。
When laser light polarized so that the polarization direction is horizontal to the paper surface is emitted from the
また、相手側装置から送信されてきた光ビームLは偏光方向が紙面に垂直設定され、送信光と直交しているために、送受光レンズ37、38を経て、偏光ビームスプリッタ39をそのまま通過し、ビームスプリッタ40に入射する。そして、光ビームLはビームスプリッタ40において二岐され、光ビームLの大部分はレンズ45を介して受光素子46に入射する。また、ビームスプリッタ40を透過した他方の光ビームはレンズ41を経て光位置検出素子42に入射する。
Further, since the light beam L transmitted from the counterpart device has the polarization direction set perpendicular to the paper surface and is orthogonal to the transmission light, it passes through the
この光位置検出素子42により得られた信号は、制御回路47を介して駆動回路48に出力され、駆動回路48からの駆動信号が駆動機構34、35に出力される。
The signal obtained by the optical
図2は本実施例における光空間通信装置の初期調整モードと、通常運用モードにおいての光ビーム放射方位角の駆動範囲を示しており、自装置51から相手側装置52に向けて光ビームLを出射している。Z方向は自装置51の駆動機構が中点位置にある場合の光ビームLの方向を示している。ここでは、説明のために垂直方向の光ビーム放射方位角の駆動範囲を示すことにする。
FIG. 2 shows the driving range of the light beam radiation azimuth angle in the initial adjustment mode and the normal operation mode of the space optical communication apparatus in the present embodiment, and the light beam L is directed from the
初期調整モードにおける光軸ずれ補正機構の光ビーム放射方位角駆動範囲は角度B1、通常運用モードにおける駆動範囲は角度B2であり、B1<B2の関係にある。また、自装置51の駆動機構が中点位置にある場合の光ビームLのZ方向は角度B1と角度B2の中心に設定される。角度B3は通常運用モード時の自装置から角度B1を越えた上向きの部分の駆動範囲であり、角度B4は角度B1を越えた下向きの部分の駆動範囲であり、B2=B1+B3+B4の関係となる。
The light beam azimuth driving range of the optical axis deviation correction mechanism in the initial adjustment mode is the angle B1, the driving range in the normal operation mode is the angle B2, and B1 <B2. Further, the Z direction of the light beam L when the driving mechanism of the
水平方向の初期調整モードと通常運用モードの駆動範囲は、垂直方向と独立した設定を行うが動作原理は同様である。 The driving range in the horizontal initial adjustment mode and the normal operation mode is set independently of the vertical direction, but the operation principle is the same.
図3は光空間通信装置の設置時の初期調整方法のフローチャート図である。装置設置時における初期調整では、先ずステップS1において設定部49を介して初期調整モードに設定し、初期調整モードでの光ビーム放射方位角の駆動範囲を、図2に示すように角度B1、角度B2の中心方向に設定する。
FIG. 3 is a flowchart of the initial adjustment method when the optical space communication apparatus is installed. In the initial adjustment at the time of installation of the apparatus, first, in step S1, the initial adjustment mode is set via the
続いて、ステップS2において、制御回路47は水平方向の駆動機構34及び垂直方向の駆動機構35を中点付近の初期位置に設定するように駆動回路48に指令することにより、光ビームLは図2に示すZ方向に向けて出射される。続いて、ステップS3において、自装置51の駆動機構が中点位置にある場合の光ビームLのZ方向を中心として角度B1に制限する。
Subsequently, in step S2, the
ステップS4において、操作者は調整台32を上下左右に動かせる状態にして手動で装置の方向調整を行った後に、ステップS5において自動追尾機能の動作を判断する。つまり、方向調整によって光位置検出素子42の一部に光スポットSが受光されると、光軸ずれ補正機構が動作し、自動追尾機能が動作したと判断するとステップS6に進み、その状態で操作者は調整台32を固定する。光位置検出素子42に光スポットSが入射せず、自動追尾機能が動作しない場合にはステップS4に戻り、再度調整台32を調整する。
In step S4, the operator manually adjusts the direction of the apparatus with the
ステップS7においては、自動追尾動作が継続しているか否かを判断し、継続している場合はステップS8に進む。継続していない場合にはステップS4に戻り、調整台32の固定を解除して再度装置の方向調整を行う。初期調整モードでは、光ビーム放射方位角の駆動範囲を越えた方向に相手側装置が設置している可能性があるため、固定した状態で光軸ずれ補正動作が継続できるようになるまで、この調整動作を繰り返す。 In step S7, it is determined whether or not the automatic tracking operation is continued. If the automatic tracking operation is continued, the process proceeds to step S8. When not continuing, it returns to step S4, the fixation of the adjustment stand 32 is cancelled | released, and direction adjustment of an apparatus is performed again. In the initial adjustment mode, there is a possibility that the counterpart device is installed in the direction beyond the driving range of the light beam azimuth angle. Repeat the adjustment operation.
自動追尾動作が継続している場合には、光ビームLの方向は図2に示す角度B1の範囲にある。続いて、ステップS8において、調整台32を固定し光軸ずれ補正動作が継続している状態で、設定部49を介して通常運用モードに設定する。ステップS9において、通常運用モードにすることにより、光ビーム放射方位角の駆動範囲の制限を解除し、本来の角度B2を光軸ずれ補正可能範囲とする。
When the automatic tracking operation continues, the direction of the light beam L is within the range of the angle B1 shown in FIG. Subsequently, in step S8, in a state where the
これにより、設置後に何らかの要因により自装置51が傾いた場合でも、初期設置時に光軸ずれ補正可能な角度B3、B4が確保できているため、その範囲以内であれば自動追尾動作を継続することができる。
As a result, even if the
図4は実施例2における初期調整モードと通常運用モードにおける垂直方向の光ビーム放射方位角の駆動範囲を示している。実施例1と同様に、初期調整モードでの駆動範囲は角度B1、通常運用モードでの駆動範囲は角度B2であり、B1<B2の関係にある。また、自装置51の駆動機構が中点位置にある場合の光ビームLのZ方向は、角度B2の中心に設定される。角度B3は通常運用モード時の自装置51から角度B1を越えた上向き部分の駆動範囲であり、角度B4は角度B1を越えた下向き部分の駆動範囲であり、B2=B1+B4+B3の関係になる。
FIG. 4 shows the driving range of the vertical light beam azimuth angle in the initial adjustment mode and the normal operation mode in the second embodiment. As in the first embodiment, the driving range in the initial adjustment mode is the angle B1, the driving range in the normal operation mode is the angle B2, and B1 <B2. Further, the Z direction of the light beam L when the drive mechanism of the
図4に示すように、この実施例2においては、初期調整モードでの光軸ずれ補正機構の角度B1は、中点方向に対して下部方向に設定されている。自装置51が予め上方向よりも下方向に向くように動く可能性が高いことが明らかな場合には、設定部49において角度B1をこのように設定し、実施例1と同様に初期調整をする。それにより、下方向に自装置51が向くことが発生しても、下方向への可動範囲が上方向よりも拡がっているため、光軸ずれ補正動作中の光軸外れの可能性が減少する。
As shown in FIG. 4, in the second embodiment, the angle B1 of the optical axis deviation correction mechanism in the initial adjustment mode is set in the lower direction with respect to the midpoint direction. If it is clear that the
つまり、予めその方向に向く可能性が高い場合には、角度B1をその方向に設定しておく。また、垂直方向と水平方向のそれぞれの角度B1は、独立して設定するため、最適な位置、範囲に設定することが最も有効である。 That is, when there is a high possibility that the direction is directed in advance, the angle B1 is set in the direction. Further, since the angles B1 in the vertical direction and the horizontal direction are set independently, it is most effective to set them at the optimum position and range.
また、実施例では調整モードを初期調整モードとして説明したが、この調整モードは設定時において適用するだけでなく、任意に調整することができる。 In the embodiment, the adjustment mode is described as the initial adjustment mode. However, this adjustment mode is not only applied at the time of setting, but can be arbitrarily adjusted.
各実施例におけるこの調整モードでは、駆動機構の動作範囲を中点付近に制限した後に、光位置検出素子が光スポットSを受光するまで調整台32による調整を行う構成としている。光位置検出素子が光スポットSを受光するまでは駆動機構の駆動範囲を通常運用モードと同様に広く設定しておき、光スポットSを受光した後に調整台32による調整を伴いながら駆動範囲を小さくしていく構成としてもよい。この構成によれば、円滑に相手側装置の光スポットSを検出することができると共に、調整台32による調整を適切に行うことによって光軸外れが発生する可能性を低減することができる。
In this adjustment mode in each embodiment, after the operation range of the drive mechanism is limited to the vicinity of the midpoint, the adjustment by the adjustment stand 32 is performed until the light position detection element receives the light spot S. Until the light position detecting element receives the light spot S, the drive range of the drive mechanism is set as wide as in the normal operation mode, and after receiving the light spot S, the drive range is reduced while being adjusted by the
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことは云うまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist thereof.
34 水平方向の駆動機構
35 垂直方向の駆動機構
42 光位置検出素子
44 発光素子
46 受光素子
47 制御回路
48 駆動回路
49 設定部
51 自装置
52 相手側装置
34
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---|---|---|---|---|
JP2013044686A (en) * | 2011-08-25 | 2013-03-04 | Fuji Mach Mfg Co Ltd | Displacement measuring device and optical wireless communication system |
JP6762062B1 (en) * | 2019-07-08 | 2020-09-30 | サウレテクノロジー株式会社 | Optical axis alignment mechanism and optical axis alignment method |
WO2023007873A1 (en) * | 2021-07-27 | 2023-02-02 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Signal transmitting/receiving device |
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- 2006-04-12 JP JP2006109265A patent/JP2007282144A/en active Pending
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