JP2008271087A - 双方向空間伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シンチレーション量が多いときにシンチレーションによる影響を低減し、少ないときに受信光を無駄に損失させることなく受光する。
【解決手段】絞り機構は１００ｍｓごとに絞り駆動信号に基づいて開閉を行う。Ｓ１１において総受信レベルが閾値以下であればＳ１２に進み、絞り機構を開く方向に動かす。また、閾値レベルよりも大きければＳ１３に進み、１分間の角度ずれ信号の最大値と最小値を抽出し差を出力する。Ｓ１４、Ｓ１５で差が閉の閾値よりも大きいか小さいかを判定する。
最大値と最小値の差が閉の閾値よりも大きいと、シンチレーションが大きいと判断し、Ｓ１６で絞り機構を閉じる方向に動かす。差が閉の閾値よりも小さく、開の閾値よりも大きい場合は、絞り機構の口径の設定が最適と判断しＳ１７では開閉を行わない。差が開の閾値も小さい場合は、シンチレーションが小さいと判断しＳ１８で絞り機構を開ける方向に動かす。
【選択図】図９

Description

本発明は、シンチレーションの影響を少なくし、受信光を有効に利用する双方向光空間伝送装置に関するものである。

特許文献１に記載されたような従来の光空間伝送装置は、角度ずれ検出部として４分割した光−電気変換素子を有し、４つの受光素子に照射される光量の差から、相手装置の光軸と自装置の光軸の角度ずれを検出している。このような方式の場合に、相手装置と自装置の光軸が一致し、受信光のスポット中心が４分割の光−電気変換素子の中心に至っていても、光−電気変換素子の各素子に照射される光量に差があると、角度ずれを起こしていると判断してしまうことになる。

この現象は大気中でシンチレーション（大気の揺らぎ）が生じたときに起き易い。通信光路中にこのシンチレーションが発生すると、受信光の像は陽炎のように揺らぐため、光−電気変換素子上の受信光スポットには強度むらが発生し、強度中心は受信光スポットの中心からずれる。そのため、光−電気変換素子からは角度ずれが生じているのと同様な信号を出力してしまい、その結果、自装置の光軸を動かし、互いの光軸が外れ、エラーを引き起こすことになる。

このようなシンチレーションの影響を低減させるため、従来例においては、特許文献２に示すように、回折格子を４分割の光−電気変換素子の前に配置している。回折格子により、受信光スポット中心と強度分布の中心をほぼ一致させることができるため、光−電気変換素子の各素子からは、同じレベルの信号を出力することになり、結果的にシンチレーションによる誤動作を防止することができる。

特開２００１−１１１４９１号公報 特開平９−１８１３４０号公報

しかしながら上述の従来例においては、４分割の光−電気変換素子の前に回折素子を配置すると、悪天候時であっても回折格子が常時配置されていることになる。回折格子には挿入損があり、受光量を減衰させる特性がある。悪天候時にはシンチレーションが少なく、回折素子が必要ないにも拘らず、常に回折素子が配置されているため、挿入損により光の減衰に対する許容マージンを減少させることになる。

本発明の目的は、シンチレーション量が多いときにはシンチレーションによる影響を低減し、少ないときには受信光を無駄に損失させることなく受光する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空間伝送装置の技術的特徴は、異なる地点に相手装置との間で光ビームにより双方向の情報伝送を行い、前記相手装置に送信する送信光と前記相手装置からの受信光との角度ずれを補正する光軸角度調節部を備えた双方向光空間伝送装置において、前記相手装置に前記送信光を送出するための光源と、前記受信光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し、前記送信光の光軸と前記受信光の光軸のずれを検出する角度ずれ検出部と、該角度ずれ検出部が出力する角度ずれ信号を一定間隔でサンプリングし記憶するメモリと、該メモリに記憶してある前記角度ずれ信号の中から一定時間内での最大値と最小値を抽出し、これらの２つの差分を演算する絞り駆動信号演算部と、前記角度ずれ検出部の前方に、中心が前記角度ずれ検出部の中心と一致するように配置し、前記絞り駆動信号演算部からの絞り駆動信号に応じて絞り量を調節する絞り機構とを備えたことにある。

本発明に係る双方向空間伝送装置によれば、シンチレーション量が多いときは絞り機構を絞ることにより、角度ずれ検出部における角度ずれ信号の変動を抑制する効果が得られる。更に、シンチレーション量が小さいときは絞り機構を広げることにより、回折素子を入れたときのような挿入損がないため、受信光レベルを不必要に減衰させることがない。

本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は異なる地点に配置された相手装置との間で情報伝送を行う双方向空間伝送装置のブロック回路構成図である。光学的には、半導体レーザー光源を備えた電気−光変換部１からの送信光の出射方向に、送信レンズ２、偏光ビームスプリッタ３、光軸角度調節部４、送受信レンズ５、６が配列されている。また、送受信レンズ５、６方向からの光束の偏光ビームスプリッタ３の反射方向には、光分配器７、レンズ８、光−電気変換部９が配列されている。更に、光分配器７の反射方向にはレンズ１０、絞り機構１１、角度ずれ検出部１２が配列されている。

電気的には、電気−光変換部１にパイロット信号発生器１３からの出力と共に送信信号が接続されている。また、角度ずれ検出部１２の出力は光軸角度調節部４、メモリ１４、絞り駆動信号演算部１５に接続されている。メモリ１４の出力は絞り駆動信号演算部１５に接続され、絞り駆動信号演算部１５の出力は絞り機構１１に接続されている。

背景光と区別するために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で光源により光信号に変換され送信光として送出される。この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、角度ずれを補正する光軸角度調節部４により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。

半導体レーザー光源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３で送信光と受信光を分けることができる。光軸角度調節部４は角度ずれ検出部１２の角度ずれ信号に従い、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する。

相手装置から伝送されてきた受信光は、送受信レンズ５、６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は受信光を透過方向と反射方向に分ける機能を有し、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８対２としている。レンズ８により光−電気変換部９に受信光を集光すると、受光素子であるＰＩＮフォトダイオードにより電気信号に変換し受信信号とされる。

光分配器７で反射された受信光は、レンズ１０により絞り機構１１を経て角度ずれ検出部１２に集光され、角度ずれ検出部１２の前方に配置された絞り機構１１により受信光の中心部が適切な大きさの像に切り出される。角度ずれ検出部１２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、受信光を検出するためにパイロット信号が重畳された光のみを検出するようにしている。これにより、受信光と太陽光や街灯など相手装置以外からの外来光とを区別することができる。

角度ずれ検出部１２では、受信光の位置を検出し、自装置の受信光学系と受信光の角度ずれを演算し、角度ずれ信号として出力する。角度ずれ信号の一方は光軸角度調節部４に送られ送信光と受信光との角度ずれを補正し、他方はメモリ１４に送られる。

メモリ１４は角度ずれ検出部１２が出力する角度ずれ信号を一定間隔でサンプリングし記憶する。絞り駆動信号演算部１５はメモリ１４に記憶するためのメモリデータと角度ずれ検出部１２の総受信レベルから絞り駆動信号を生成する。この絞り駆動信号は３値の信号であり、例えば絞り機構１１を開く場合は＋１Ｖ、閉じる場合は−１Ｖ、動かさない場合は０Ｖを出力し、絞り機構１１はこの絞り駆動信号に基づいて開口の開閉を行う。

光軸角度調節部４では、角度ずれ信号に従ってミラーの角度を変え、受信光の光軸と自装置の受信光学系の光軸が一致するように調節する。メモリ１４では角度ずれ信号を１００ｍｓごとに記憶し、絞り駆動信号演算部１５がメモリ１４に記憶された一定時間内の最大値と最小値とを抽出しその差を求め、この差と予め設定した閾値に応じて、絞り駆動信号を出力する。

図２は図１の角度ずれ検出部１２の構成図を示し、角度ずれ検出部１２は例えば十字状に分割された複数の受光素子から成る光−電気変換素子２１ａ〜２１ｄにより構成されている。それぞれの光−電気変換素子２１ａ〜２１ｄからの受光信号Ｓａ〜Ｓｄは、電流電圧変換部２２ａ〜２２ｄ、パイロット信号検出部２３ａ〜２３ｄを介して、信号演算部２４で加算されている。

この角度ずれ検出部１２では、送信光の光軸と自装置の受信光学系の光軸を予め一致させておき、自装置の受信光学系の光軸と相手装置からの受信光の光軸との角度ずれ量を検出することにより、光軸同士の角度ずれを検出している。

図３（ａ）に示すように、角度ずれ検出部１２はレンズ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、Ｏは角度ずれ検出部１２の光学系の光軸、Ｏ’は受信光の光軸である。角度ずれ検出部１２はレンズ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ため、受信光Ｌは角度ずれ検出部１２上で、点ではなく或る程度の面により結像する。

図３（ｂ）は結像の様子を示し、Ｐは角度ずれ検出部１２を構成する光−電気変換素子２１ａ〜２１ｄ上の受信光像を示している。（ａ）に示すように、角度ずれ検出部１２の光学系の光軸Ｏと受信光の光軸Ｏ’が揃っている場合を考えると、受信光像Ｐは光−電気変換素子２１ａ〜２１ｄの中心に当たるため、光−電気変換素子２１ａ〜２１ｄは同一レベルの受光信号Ｓａ〜Ｓｄを出力する。

図４（ａ）に示すように、角度ずれ検出部１２の光学系の光軸Ｏと受信光の光軸Ｏ’にずれが生ずると、受信光Ｌは光−電気変換素子２１ａ〜２１ｄの中心に当らないため、各素子２１ａ〜２１ｄは受光量に比例したレベルの受光信号Ｓａ〜Ｓｄを出力する。

電流電圧変換部２２ａ〜２２ｄでは、光−電気変換素子２１ａ〜２１ｄから上述のようにして出力された電流信号である受光信号Ｓａ〜Ｓｄを電圧信号に変換する。電流電圧変換部２２ａ〜２２ｄから出力された電圧信号である受光信号Ｓａ〜Ｓｄは、パイロット信号検出部２３ａ〜２３ｄに送られ、パイロット信号が検波され、パイロット信号の振幅レベルに応じた直流電圧信号が出力される。

信号演算部２４では、パイロット信号検出部２３ａ〜２３ｄからの直流電圧信号の受光信号Ｓａ〜Ｓｄを四則演算し、相手装置の光軸と自装置の光軸の角度ずれを演算する。Ｘ、Ｙ方向の角度ずれ信号の演算は、次式による。
Ｘ＝（Ｓａ＋Ｓｄ）−（Ｓｂ＋Ｓｃ）
Ｙ＝（Ｓａ＋Ｓｂ）−（Ｓｃ＋Ｓｄ）

このように、角度ずれ検出部１２では結果的に受信光像Ｐの強度中心を求めている。したがって、受信光像Ｐの中心が角度ずれ検出部１２の光軸Ｏと一致していても、受信光像Ｐの強度中心が移動した場合に、角度ずれ検出部１２では角度ずれが生じたと判断してしまうことになる。

図５は天候が良く、シンチレーションが強い場合における角度ずれ信号の１分間の最大値と最小値の差である。図６は天候が悪く、シンチレーションが弱い場合における角度ずれ信号の最大値と最小値の差である。図５、図６の横軸は時間軸、縦軸は角度ずれ信号であり、絞り機構１１は最大に開いた状態で測定し、１分間の角度ずれ信号の最大値と最小値の差を１分ごとにプロットしたものである。縦軸が示す１は光−電気変換素子２１ａ〜２１ｄ上で、強度中心が約１．７μｍずれていることを意味している。

このように、シンチレーションが強いときは、受信光像Ｐの強度分布のむらが大きく生ずるため、最大値と最小値の差が大きい。逆に、シンチレーションが弱いときは、受信光像Ｐの強度分布むらが少ないため、最大値と最小値の差が小さくなる。本実施例では、シンチレーションの大小を判別し、絞り機構１１の開閉を調節する。

絞り機構１１は本来、光量を調節する絞りとして用いられるが、本実施例においては、受信光像Ｐの一部分の切り出し用として使用する。像を切り出すことにより、次に説明するようにシンチレーションによる角度ずれ信号の誤差を低減することができる。

図７は光−電気変換素子２１の説明図を示し、シンチレーション量が大きい場合には、受信光像Ｐのように受光レベルの強度分布の中心が偏った像になる。このため、自装置の受信光学系の光軸と受信光像Ｐの光軸が一致し、受信光像Ｐの中心が光−電気変換素子２１ａ〜２１ｄの中心にあっても、光−電気変換素子２１ａ〜２１ｄからは、像の濃淡に応じた受光信号Ｓａ〜Ｓｄを出力してしまう。

図８（ａ）のＰは光−電気変換素子２１上の受信光像、Ｐ’は受信光像Ｐを絞り機構１１で受信光像Ｐの中心部を切り出した受信光像を示し、（ｂ）はそれぞれの受信レベルを示している。（ｃ）は像Ｐ、Ｐ’の左右の受信レベルの比較、（ｄ）は左右の受信レベルの差を示している。像Ｐと像Ｐ’の差分量を比較したとき、像Ｐ’の差分量が小さいことが分かる。これは絞り機構１１で切り出した像Ｐ’の強度分布の中心が受信光像Ｐの中心に近付いたことを意味している。そして、絞り機構１１を絞れば絞るほど、受信光像Ｐの受信レベルの強度分布（ｄ）は均一化されるため、角度ずれ信号の変動量を低減することが可能となる。

ただし、絞り機構１１を絞るほど、光−電気変換素子２１で受信する受光レベルが低下するため、或る受光レベルを閾値として絞り動作を停止させる必要がある。

図９は絞り機構１１の制御フローチャート図を示している。スタートは１００ｍｓごとにタイマで実行される。絞り機構１１は絞り駆動信号に基づいて開閉を行うが、その開閉速度は絞り機構１１が完全に閉じた状態から完全に開いた状態になるまで、１００ｍｓ対して十分に余裕がある。したがって、１００ｍｓごとに更新される絞り駆動信号に対し、ハンチングを起こすことはない。

タイマによって駆動し、ステップＳ１１において総受信レベルが閾値以下であればステップＳ１２に進み絞り駆動信号を＋１Ｖに設定し、絞り機構１１を開く方向に動かす。また、或る閾値レベルよりも大きければ、ステップＳ１３に進む。

閾値はトラッキングが可能な最低の総受信レベルであり、総受信レベルがこの閾値よりも大きければ、最低のＳ／Ｎは確保されているためトラッキングを行うことができる。逆に、総受信レベルがこの閾値よりも低下すれば、Ｓ／Ｎが低いため正確なトラッキングを行うことはできない。この閾値は予め測定してあり、絞り駆動信号演算部１５で記憶してある数値である。

ステップＳ１３では現時刻から過去１分間の角度ずれ信号の最大値と最小値を抽出し、それらの差分を出力する。メモリ１４が１００ｍｓごとに角度ずれ信号を記憶しているため、１分間では６００（＝６０ｓ／１００ｍ）ポイントの測定値が存在し、その６００ポイントから最大値と最小値を抽出する。

ステップＳ１４、Ｓ１５でこの差分値が、閉の閾値よりも大きいか、開の閾値よりも小さいかを判定する。本実施例において、閉の閾値は１０、開の閾値は８に設定してある。これは、図５、図６中に記載している閾値であり、１は１．７μｍに相当する。

つまり、角度ずれ信号の１分間の最大値と最小値の差が閉の閾値の１０よりも大きい場合は、シンチレーションが大きいと判断し、ステップＳ１６で絞り機構１１を閉じる方向に動かす。１分間の最大値と最小値の差が閉の閾値の１０よりも小さく、開の閾値の８よりも大きい場合は、絞り機構１１の口径の設定が最適と判断し、ステップＳ１７では開閉を行わない。角度ずれ信号の１分間の最大値と最小値の差が開の閾値の８よりも小さい場合は、シンチレーションが小さいと判断し、ステップＳ１８で絞り機構１１を開ける方向に動かす。

このように、角度ずれ信号の最大値と最小値の差分値からシンチレーション量を判断し、絞り機構１１を制御することにより、角度ずれ検出部１２がシンチレーションの影響を低減し、角度ずれ信号の変動幅を抑えることができる。本実施例においては、シンチレーション量が少ない場合に絞り機構１１を開けるため、従来の回折格子のような挿入損はない。

以上の説明では、本発明の好ましい実施例について述べたが、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。

実施例のブロック回路構成図である。 角度ずれ検出部の構成図である。 受信光と光軸が一致している場合の光−電気変換部の出力信号の説明図である。 受信光と光軸がずれている場合の光−電気変換部の出力信号の説明図である。 シンチレーションが強い場合の角度ずれ信号の１分間の最大値と最小値の差のグラフ図である。 シンチレーションが弱い場合の角度ずれ信号の１分間の最大値と最小値の差のグラフ図である。 角度ずれ検出部に強度分布の不均一な像が結像したときの説明図である。 絞り機構の効果の説明図である。 絞り機構の制御フローチャート図である。

符号の説明

１ 電気−光変換部
３ 偏光ビームスプリッタ
４ 光軸角度調節部
５、６ 送受信レンズ
７ 光分配器
９ 光−電気変換部
１１ 絞り機構
１２ 角度ずれ検出部
１３ パイロット信号発生器
１４ メモリ
１５ 絞り駆動信号演算部
２１ 光−電気変換素子
２２ 電源電圧変換部
２３ パイロット信号検出部
２４ 信号演算部

Claims (4)

1. 異なる地点に配置された相手装置との間で光ビームにより双方向の情報伝送を行い、前記相手装置に送信する送信光と前記相手装置からの受信光との角度ずれを補正する光軸角度調節部を備えた双方向光空間伝送装置において、前記相手装置に前記送信光を送出するための光源と、前記受信光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し、前記送信光の光軸と前記受信光の光軸のずれを検出する角度ずれ検出部と、該角度ずれ検出部が出力する角度ずれ信号を一定間隔でサンプリングし記憶するメモリと、該メモリに記憶してある前記角度ずれ信号の中から一定時間内での最大値と最小値を抽出し、これらの２つの差分を演算する絞り駆動信号演算部と、前記角度ずれ検出部の前方に、中心が前記角度ずれ検出部の中心と一致するように配置し、前記絞り駆動信号演算部からの絞り駆動信号に応じて絞り量を調節する絞り機構とを備えたことを特徴とする双方向空間伝送装置。
2. 前記角度ずれ検出部は複数に分割した受光素子から構成した請求項１に記載の双方向空間伝送装置。
3. 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２に記載の双方向空間伝送装置。
4. 前記絞り機構は前記受信光の中心部を切り出す機能を有する請求項１に記載の双方向空間伝送装置。