JP2009139692A - Laser beam scanner and optical antenna device - Google Patents

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Jiro Suzuki
二郎 鈴木
Toshiyuki Ando
俊行 安藤
Yukihisa Tamagawa
恭久 玉川
Yoshihito Hirano
嘉仁 平野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser beam scanner allowing quick spiral scanning over a wide range, and to provide an optical antenna. <P>SOLUTION: The laser beam scanner includes: a first wedge prism 1 and a second wedge prism 2; a first rotation-driving means and a second rotation-driving means for rotating the first wedge prism 1 and the second wedge prism 2, respectively; and a rotation speed control means for controlling the first rotation-driving means and the second rotation-driving means to rotate the first wedge prism 1 and the second wedge prism 2 at different rotation speeds, respectively. The first wedge prism 1 and the second wedge prism 2 are arranged to transmit a laser beam, and respective rotation directions thereof are equal with respect to an advancing direction of the laser beam. With such an arrangement, the scanner allows the laser beam scanning of drawing a desired spiral locus on an optional face in a space. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、例えば、一方の装置で信号変調されたレーザービームを空間に放出し、他方の装置でそのレーザービームを受光し、信号復調することによって通信を行なう光空間通信に用いられるレーザービーム走査装置および光アンテナ装置に関する。   The present invention, for example, emits a laser beam that has been signal-modulated by one apparatus into space, receives the laser beam by the other apparatus, and performs signal demodulation to perform laser beam scanning used for optical space communication. The present invention relates to a device and an optical antenna device.

レーザー光を用いた人工衛星同士の光通信(光衛星間通信)において、非常に遠距離の相手衛星に対して、収束した送信レーザービームを到達させるためには、相手衛星の方向を光学的に探知する手段が必要である。相手衛星の放出したレーザービームを受信している場合には、そのレーザービームの到来方向を検出するセンサを搭載することで解決できる。しかしながら、そうでない場合には、相手衛星の方向を光学的に探知するための別の手段がさらに必要である。   In optical communication between artificial satellites using laser light (optical inter-satellite communication), the direction of the partner satellite is optically determined in order to reach a converging transmission laser beam to a partner satellite at a very long distance. A means to detect is needed. When the laser beam emitted from the partner satellite is received, the problem can be solved by mounting a sensor for detecting the direction of arrival of the laser beam. However, if this is not the case, another means for optically detecting the direction of the counterpart satellite is further required.

このような、相手衛星の方向を光学的に探知するための手段として、送信レーザービームの角度を時間的に変化させ、相手衛星の存在可能性のある角度範囲をくまなく走査することで、相手衛星の正確な方向を知らなくても、相手衛星が自衛星の送信レーザービームを必ず受信できるようにするレーザービーム走査装置がある(例えば、非特許文献1参照)。   As a means for optically detecting the direction of the other satellite, the angle of the transmitted laser beam is changed with time, and the other satellite is scanned over the range of possible angles. There is a laser beam scanning device that makes it possible for a partner satellite to always receive a transmission laser beam of its own satellite without knowing the exact direction of the satellite (see, for example, Non-Patent Document 1).

非特許文献1に記載されたレーザービーム走査装置は、レーザービームの角度を屈曲させるために、平面ミラーの傾斜を制御して反射角度を変化させるものであり、また、スパイラルスキャンと呼ばれる渦巻き状の走査パターンを行なうものである。   The laser beam scanning device described in Non-Patent Document 1 changes the reflection angle by controlling the inclination of a plane mirror in order to bend the angle of the laser beam, and also has a spiral shape called spiral scan. A scanning pattern is performed.

スパイラルスキャンにおいて、相手衛星が存在し得る空間を見込む(2次元ベクトル)角度範囲は、軌道計算により概ね円形境界の内側に制限できる。さらに、相手衛星の存在確率は、この円形境界の中心をピークとして分布する。従って、レーザービームの走査を円形境界の中心から開始すると、確率的に短時間で目的が達せられるため、このようなスパイラルスキャンがよいとされている。   In the spiral scan, the angular range (two-dimensional vector) that allows for the space where the partner satellite can exist can be limited to approximately the inside of the circular boundary by orbit calculation. Further, the existence probability of the partner satellite is distributed with the center of the circular boundary as a peak. Therefore, if the scanning of the laser beam is started from the center of the circular boundary, the purpose can be achieved in a short time in a short time, and such a spiral scan is considered good.

従って、従来のレーザービーム走査装置は、以上述べたように構成されているため、相手衛星の正確な方向を知らなくても、相手衛星に自衛星の送信レーザービームを到達させることができる。   Therefore, since the conventional laser beam scanning apparatus is configured as described above, the transmission laser beam of the own satellite can reach the partner satellite without knowing the exact direction of the partner satellite.

"Beaconless satellite laser acquisition - modeling and feasibility", Military Communications Conference、 2004. MILCOM 2004. IEEE Vol.1、 P41-47 発行日: 31 Oct.-3 Nov. 2004"Beaconless satellite laser acquisition-modeling and feasibility", Military Communications Conference, 2004. MILCOM 2004. IEEE Vol. 1, P41-47 Date: 31 Oct. -3 Nov. 2004

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
第1に、1回あたりの走査時間を短時間とするためには、レーザービームの角度を屈曲させる平面ミラー傾斜の角速度を高速にする必要がある。しかしながら、角速度の高速化は、駆動機構とミラーの慣性重量に依存する限界がある。従って、1回あたりの走査時間の短縮には、限界があるという課題があった。
However, the prior art has the following problems.
First, in order to shorten the scanning time per time, it is necessary to increase the angular velocity of the plane mirror tilt for bending the angle of the laser beam. However, increasing the angular velocity has a limit that depends on the inertia weight of the drive mechanism and the mirror. Therefore, there is a problem that there is a limit to shortening the scanning time per time.

また、第2に、平面ミラーは、ミラーの慣性重量を小さくするために、レーザービーム径を変換する望遠鏡の小口径側に置かれるが、一方、傾斜角度範囲は、望遠鏡の倍率分大きい必要がある。例として、10倍の望遠鏡を使って半径0.2degの範囲を走査するためには、1degの傾斜角度範囲が必要であり、高速性能との両立が困難という課題があった。   Second, the plane mirror is placed on the small aperture side of the telescope that converts the laser beam diameter in order to reduce the inertia weight of the mirror. On the other hand, the tilt angle range needs to be larger by the magnification of the telescope. is there. As an example, in order to scan a range of radius 0.2 deg using a 10 × telescope, a tilt angle range of 1 deg is required, and there is a problem that it is difficult to achieve high speed performance.

本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、高速に広範囲をスパイラル走査可能なレーザービーム走査装置および光アンテナ装置を得ることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to obtain a laser beam scanning apparatus and an optical antenna apparatus capable of spiral scanning over a wide range at high speed.

本発明に係るレーザービーム走査装置は、空間を伝搬するレーザービームを屈曲させ、かつ屈曲角度を時間的に変化させることにより、空間における任意の面上で所望の渦巻き状の軌跡を描くようにレーザービームを走査するレーザービーム走査装置であって、第1のウェッジプリズムおよび第2のウェッジプリズムと、第1のウェッジプリズムおよび第2のウェッジプリズムをそれぞれ回転させる第1の回転駆動手段および第2の回転駆動手段と、第1のウェッジプリズムおよび第2のウェッジプリズムが異なる回転速度で回転するように第1の回転駆動手段および第2の回転駆動手段を制御する回転速度制御手段とを備え、第1のウェッジプリズムおよび第2のウェッジプリズムは、レーザービームが透過するように配置され、かつ、レーザービームの進行方向に対するそれぞれの回転方向が等しいものである。   The laser beam scanning apparatus according to the present invention bends the laser beam propagating in the space and changes the bending angle with time so as to draw a desired spiral trajectory on an arbitrary surface in the space. A laser beam scanning device for scanning a beam, wherein a first wedge prism and a second wedge prism, a first wedge driving prism and a second wedge prism are respectively rotated by a first rotation driving means and a second wedge prism. A rotation drive means, and a rotation speed control means for controlling the first rotation drive means and the second rotation drive means so that the first wedge prism and the second wedge prism rotate at different rotation speeds; The first wedge prism and the second wedge prism are arranged to transmit the laser beam and Those equal each rotational direction with respect to the traveling direction of the Zabimu.

また、本発明に係る光アンテナ装置は、レーザー信号を空間に送信する光アンテナ装置において、本願発明のレーザービーム走査装置を適用したものである。   The optical antenna apparatus according to the present invention is an optical antenna apparatus that transmits a laser signal to a space, to which the laser beam scanning apparatus according to the present invention is applied.

本発明によれば、2つのウェッジプリズムを同一の回転方向で異なる回転速度で回転させることで、空間における任意の面上で所望の渦巻き状の軌跡を描くようにレーザービームを走査することにより、高速に広範囲をスパイラル走査可能なレーザービーム走査装置および光アンテナ装置を得ることができる。   According to the present invention, by rotating two wedge prisms in the same rotation direction at different rotation speeds, by scanning a laser beam so as to draw a desired spiral trajectory on an arbitrary surface in space, A laser beam scanning device and an optical antenna device capable of spiral scanning over a wide range at high speed can be obtained.

以下、本発明のレーザービーム走査装置および光アンテナ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of a laser beam scanning device and an optical antenna device of the present invention will be described with reference to the drawings.

実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1におけるレーザービーム走査装置の構成図である。図1のレーザービーム走査装置は、頂角の等しいウェッジプリズム1、2、ウェッジプリズム1、2それぞれの回転軸受け3、4、ウェッジプリズム1、2とともに回転する平歯車5a、5b、平歯車5a、5bのそれぞれに駆動力を伝達するピニオンギア6a、6b、およびピニオンギア6a、6bの回転軸に接続された電気モータ7で構成される。このような構成を有するレーザービーム走査装置からは、偏向されたレーザービーム8(すなわち、偏向角9を有するレーザービーム8)が出力される。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a configuration diagram of a laser beam scanning apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. The laser beam scanning apparatus of FIG. 1 includes wedge prisms 1 and 2 having the same apex angle, rotary bearings 3 and 4 of the wedge prisms 1 and 2, spur gears 5 a and 5 b rotating with the wedge prisms 1 and 2, spur gear 5 a, 5b includes pinion gears 6a and 6b for transmitting a driving force to each of them, and an electric motor 7 connected to the rotation shafts of the pinion gears 6a and 6b. From the laser beam scanning device having such a configuration, a deflected laser beam 8 (that is, a laser beam 8 having a deflection angle 9) is output.

次に、本実施の形態1におけるレーザービーム走査装置の動作について説明する。なお、ピニオンギア6aおよび平歯車5aの歯数で決まる減速比と、ピニオンギア6bおよび平歯車5bの歯数で決まる減速比とは、異なるように構成されている。従って、電気モータ7を一定速度で駆動した場合には、ウェッジプリズム1とウェッジプリズム2の回転方向は同一であるが、異なる回転速度で回転することになる。   Next, the operation of the laser beam scanning apparatus according to the first embodiment will be described. The speed reduction ratio determined by the number of teeth of the pinion gear 6a and the spur gear 5a is different from the speed reduction ratio determined by the number of teeth of the pinion gear 6b and the spur gear 5b. Therefore, when the electric motor 7 is driven at a constant speed, the wedge prism 1 and the wedge prism 2 rotate in the same rotational direction but at different rotational speeds.

このウェッジプリズム1、2に対し、レーザービームを透過させると、屈折作用により進行方向が偏向される。さらに、上述した回転運動により、偏向方向が時間的に変化し、空間走査をすることができる。   When the laser beam is transmitted through the wedge prisms 1 and 2, the traveling direction is deflected by refraction. Further, due to the rotational movement described above, the deflection direction changes with time, and spatial scanning can be performed.

このような構成においては、平歯車5a、5b、ピニオンギア6a、6b、および電気モータ7が、回転駆動手段に相当する。また、ピニオンギア6aおよび平歯車5aの歯数で決まる減速比と、ピニオンギア6bおよび平歯車5bの歯数で決まる減速比とを異なるように構成することにより、回転速度制御手段を実現している。   In such a configuration, the spur gears 5a and 5b, the pinion gears 6a and 6b, and the electric motor 7 correspond to the rotation driving means. Further, by configuring the reduction ratio determined by the number of teeth of the pinion gear 6a and the spur gear 5a to be different from the reduction ratio determined by the number of teeth of the pinion gear 6b and the spur gear 5b, the rotational speed control means is realized. Yes.

次に、ウェッジプリズム1、2の回転運動による空間走査パターンが、スパイラルスキャンとなる点について説明する。図2は、本発明の実施の形態1におけるレーザービーム走査による偏向角をあらわすパラメータの説明図である。図2においては、先の図1に示したレーザービーム走査装置10、および走査パターンを視覚的に表すための仮想平面11が示されている。   Next, the point that the spatial scanning pattern by the rotational movement of the wedge prisms 1 and 2 is a spiral scan will be described. FIG. 2 is an explanatory diagram of parameters representing the deflection angle by laser beam scanning in the first embodiment of the present invention. 2 shows the laser beam scanning apparatus 10 shown in FIG. 1 and a virtual plane 11 for visually representing a scanning pattern.

ここで、レーザービーム走査による偏向角のスカラー成分θ1と、方位角θ2を図2のように定義する。これらパラメータは、ウェッジプリズム1、2による偏向角のベクトル和で表すことができる。   Here, the scalar component θ1 and the azimuth angle θ2 of the deflection angle by laser beam scanning are defined as shown in FIG. These parameters can be expressed as a vector sum of deflection angles by the wedge prisms 1 and 2.

図3は、本発明の実施の形態1における偏向角のベクトル和の関係を示す説明図である。図3において、偏向角ベクトルを直線矢印で表し、矢印の長さをスカラー成分、方位角を水平線と成す角で表す。   FIG. 3 is an explanatory diagram showing the relationship of the vector sum of deflection angles in the first embodiment of the present invention. In FIG. 3, the deflection angle vector is represented by a straight arrow, the length of the arrow is represented by a scalar component, and the azimuth is represented by an angle formed with a horizontal line.

図3においては、3つの偏向角ベクトル20a、20b、22が示されている。偏向角ベクトル20aは、ウェッジプリズム1による偏向角ベクトルである。また、偏向角ベクトル20bは、ウェッジプリズム2による偏向角ベクトルである。さらに、偏向角ベクトル22は、偏向角ベクトル20aと偏向角ベクトル20bの合成で表されたレーザービーム走査装置10による偏向角ベクトルである。   In FIG. 3, three deflection angle vectors 20a, 20b, and 22 are shown. The deflection angle vector 20 a is a deflection angle vector by the wedge prism 1. Further, the deflection angle vector 20 b is a deflection angle vector by the wedge prism 2. Further, the deflection angle vector 22 is a deflection angle vector by the laser beam scanning device 10 expressed by a combination of the deflection angle vector 20a and the deflection angle vector 20b.

また、図3においては、2つの軌跡21、23が示されている。軌跡21は、ウェッジプリズム1を固定し、かつウェッジプリズム2を回転させたときの偏向角ベクトル22が描く軌跡である。また、軌跡23は、偏向角ベクトル20aと20bとの成す角Δφを固定しつつ、ウェッジプリズム1、2を回転させたときの偏向角ベクトル22が描く軌跡である。   Further, in FIG. 3, two trajectories 21 and 23 are shown. The locus 21 is a locus drawn by the deflection angle vector 22 when the wedge prism 1 is fixed and the wedge prism 2 is rotated. The locus 23 is a locus drawn by the deflection angle vector 22 when the wedge prisms 1 and 2 are rotated while the angle Δφ formed by the deflection angle vectors 20a and 20b is fixed.

この図3からも明らかなように、Δφを変化させると、偏向角ベクトル22のスカラー成分(図2のθ1)を0〜任意値に無段階に変化させることが可能である。さらに、Δφを一定に保ちつつ、ウェッジプリズム1、2を同一方向に回転させた場合には、軌跡23が示しているように、偏向角ベクトル22は、円形の走査パターンとなる。   As is clear from FIG. 3, when Δφ is changed, the scalar component (θ1 in FIG. 2) of the deflection angle vector 22 can be changed steplessly from 0 to an arbitrary value. Further, when the wedge prisms 1 and 2 are rotated in the same direction while keeping Δφ constant, the deflection angle vector 22 becomes a circular scanning pattern as indicated by the locus 23.

すでに説明したように、ウェッジプリズム1、2は、減速比の異なる歯車列を介して回転駆動されるので、Δφは、時間的に変化することになる。従って、偏向角ベクトル22が0ベクトルである状態、すなわち、Δφが180degの状態から回転駆動を開始すると、方位角θ2が増加するとともに、偏向角ベクトル22のスカラー成分θ1も時間的に増加していく。この結果、スパイラルスキャンを実現することができる。   As already described, since the wedge prisms 1 and 2 are rotationally driven via gear trains having different reduction ratios, Δφ changes with time. Accordingly, when the rotational drive is started from the state where the deflection angle vector 22 is the 0 vector, that is, the state where Δφ is 180 degrees, the azimuth angle θ2 increases and the scalar component θ1 of the deflection angle vector 22 also increases with time. Go. As a result, spiral scan can be realized.

また、偏向角ベクトル22のスカラー成分θ1が最大値に達した時刻、すなわち、Δφが0となった時刻を超えると、外側から内向きのスパイラルスキャンに自動的に切り替わることがわかる。従って、電気モータ7の回転方向が常に一定であっても、恒常的にスパイラルスキャンを行ない続けることが可能となる。上述した減速比および回転速度を適切な値となるように設計することにより、所望の渦巻き状の軌跡を描くように、レーザービームを走査することができる。   Further, it can be seen that when the scalar component θ1 of the deflection angle vector 22 reaches the maximum value, that is, when the time when Δφ becomes 0, it automatically switches from the outside to the inward spiral scan. Therefore, even if the rotation direction of the electric motor 7 is always constant, the spiral scan can be continuously performed. By designing the above-described reduction ratio and rotation speed so as to have appropriate values, the laser beam can be scanned so as to draw a desired spiral trajectory.

以上のように、実施の形態1によれば、上述の構成を備えたレーザービーム走査装置を用いることにより、次の2点の効果を有する。第1点として、平面ミラーを傾動させる従来方式では、ミラーの角度を往復運動させなければならなかった。これに対して、本実施の形態1におけるレーザービーム走査装置は、電気モータを一定の方向に回転するだけでよく、高速で安定した走査を、低コストで実現可能である。   As described above, according to the first embodiment, the following two effects can be obtained by using the laser beam scanning apparatus having the above-described configuration. As a first point, in the conventional method in which the plane mirror is tilted, the angle of the mirror has to be reciprocated. On the other hand, the laser beam scanning apparatus according to the first embodiment only needs to rotate the electric motor in a certain direction, and can realize high-speed and stable scanning at low cost.

また、第2点として、走査範囲を拡大するためには、平面ミラーを傾動させる従来方式では、ミラー角度の駆動量を大きくする必要があった。これに対して、本実施の形態1におけるレーザービーム走査装置は、屈折率の高いウェッジプリズム、あるいは頂角の大きいウェッジプリズムを用いて、必要に応じて、歯車列の減速比を変更するだけで、走査範囲を拡大することができる。従って、様々な走査範囲を低コストで実現することが可能である。
なお、平歯車5a、5b、ピニオンギア6a、6bの代替として類似の機能をもつ機械要素(減速装置)を用いてもよい。例えば、傘歯車、ウオームギアを用いても良いし、自動車のCVT(歯車を用いない変速装置)のような機構を用いてもよい。
As a second point, in order to expand the scanning range, in the conventional method in which the plane mirror is tilted, it is necessary to increase the driving amount of the mirror angle. On the other hand, the laser beam scanning apparatus according to the first embodiment uses a wedge prism with a high refractive index or a wedge prism with a large apex angle, and only changes the reduction ratio of the gear train as necessary. The scanning range can be expanded. Therefore, various scanning ranges can be realized at low cost.
A mechanical element (reduction gear) having a similar function may be used as an alternative to the spur gears 5a and 5b and the pinion gears 6a and 6b. For example, a bevel gear or a worm gear may be used, or a mechanism such as a CVT (transmission device not using a gear) of an automobile may be used.

実施の形態2.
先の実施の形態1では、頂角の等しいウェッジプリズムを2個必要とした。しかしながら、一般に入手できるウェッジプリズムの頂角は、製造公差を含むので、要求精度によっては、使用することができない。そこで、本実施の形態2では、このような製造公差のあるウェッジプリズムを用いて、先の実施の形態1と同等の効果を得る構成について説明する。
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment, two wedge prisms having the same apex angle are required. However, the vertex angle of commonly available wedge prisms includes manufacturing tolerances and cannot be used depending on the required accuracy. Therefore, in the second embodiment, a configuration that obtains an effect equivalent to that of the first embodiment using the wedge prism having the manufacturing tolerance will be described.

本実施の形態2によるレーザービーム走査装置の構成は、ウェッジプリズム2の代わりに、2枚のウェッジプリズムを同じホルダにまとめて固定して用いるだけであり、構成図を省略する。   In the configuration of the laser beam scanning apparatus according to the second embodiment, instead of the wedge prism 2, only two wedge prisms are used while being fixed together in the same holder, and the configuration diagram is omitted.

図4は、本実施の形態2におけるレーザービーム走査装置の偏向角ベクトルの説明図である。この図4において、先の図3と同じ数字、記号は、同等の意味を示し、説明を省略する。本実施の形態2では、ウェッジプリズム2により偏向角ベクトル20bを得る代わりに、2枚のウェッジプリズムの一方による偏向角ベクトル20b1と、他方による偏向角ベクトル20b2との合成により、偏向角ベクトル20bを得ている。   FIG. 4 is an explanatory diagram of the deflection angle vector of the laser beam scanning apparatus according to the second embodiment. In FIG. 4, the same numerals and symbols as those in FIG. 3 have the same meaning and description thereof is omitted. In the second embodiment, instead of obtaining the deflection angle vector 20b by the wedge prism 2, the deflection angle vector 20b is obtained by combining the deflection angle vector 20b1 by one of the two wedge prisms and the deflection angle vector 20b2 by the other. It has gained.

ここで、偏向角ベクトル20b1、20b2は、明らかに偏向角ベクトル20aと異なっている。しかしながら、偏向角ベクトル20b1、20b2の合成ベクトルである偏向角ベクトル20bは、それぞれの偏向角ベクトル20b1、20b2の成す角を適切に設定することで、偏向角ベクトル20aと等しくすることができる(図4参照)。従って、これら2個のウェッジプリズムをウェッジプリズム2の代用とすることにより、先の実施の形態1によるレーザービーム走査装置と同等の動作が可能である。   Here, the deflection angle vectors 20b1 and 20b2 are clearly different from the deflection angle vector 20a. However, the deflection angle vector 20b, which is a combined vector of the deflection angle vectors 20b1 and 20b2, can be made equal to the deflection angle vector 20a by appropriately setting the angles formed by the respective deflection angle vectors 20b1 and 20b2 (FIG. 4). Therefore, by using these two wedge prisms as a substitute for the wedge prism 2, an operation equivalent to that of the laser beam scanning apparatus according to the first embodiment is possible.

以上のように、実施の形態2によれば、上述の構成を備えたレーザービーム走査装置を用いることにより、次の2点の効果を有する。第1点として、先の実施の形態1によるレーザービーム走査装置と同等の効果を得ることができる。また、第2点として、公差の大きいウェッジプリズムを使用可能であることから、先の実施の形態1によるレーザービーム走査装置と比較し、低コスト化が可能である。   As described above, according to the second embodiment, the following two effects are obtained by using the laser beam scanning apparatus having the above-described configuration. As a first point, an effect equivalent to that of the laser beam scanning apparatus according to the first embodiment can be obtained. Further, as the second point, since a wedge prism having a large tolerance can be used, the cost can be reduced as compared with the laser beam scanning apparatus according to the first embodiment.

なお、上述の実施の形態2では、ウェッジプリズム2の代わりに、2枚のウェッジプリズムを同じホルダにまとめて固定する場合について説明したが、このような構成に限定されるものではない。異なる速度で回転する2つのウェッジプリズム1、2のいずれか一方と等しい回転速度で回転する3つ目のウェッジプリズムを有することにより、同様の効果を得ることができる。   In the second embodiment described above, the case where two wedge prisms are collectively fixed to the same holder instead of the wedge prism 2 has been described. However, the present invention is not limited to such a configuration. A similar effect can be obtained by having a third wedge prism that rotates at a rotational speed equal to one of the two wedge prisms 1 and 2 that rotate at different speeds.

実施の形態3.
先の実施の形態1では、ピニオンギア6a、6bの回転軸に共通の1台の電気モータ7が接続される回転駆動手段の構成について説明した。これに対して、本実施の形態3では、ピニオンギア6a、6bの回転軸にそれぞれ個別のモータが接続される回転駆動手段の構成について説明する。
Embodiment 3 FIG.
In the first embodiment, the configuration of the rotation driving means in which one common electric motor 7 is connected to the rotation shafts of the pinion gears 6a and 6b has been described. On the other hand, in the third embodiment, a configuration of a rotation driving unit in which individual motors are connected to the rotation shafts of the pinion gears 6a and 6b will be described.

図5は、本発明の実施の形態3におけるレーザービーム走査装置の構成図である。図5において、先の図1と同等の数字、記号は、同等の部位を示し、説明を省略する。先の図1の構成と比較すると、図5の構成においては、電気モータ7の代わりに、ステッピングモータ30a、30b、ステッピングモータドライバ31a、31b、およびシーケンス制御装置32を備えている。   FIG. 5 is a configuration diagram of the laser beam scanning apparatus according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 5, the numerals and symbols equivalent to those in FIG. Compared to the configuration shown in FIG. 1, the configuration shown in FIG. 5 includes stepping motors 30 a and 30 b, stepping motor drivers 31 a and 31 b, and a sequence control device 32 instead of the electric motor 7.

ステッピングモータドライバ31a、31bは、それぞれステッピングモータ30a、30bに駆動パルスを与えるドライバである。また、シーケンス制御装置32は、ステッピングモータドライバ31a、31bに制御指令を与えるコントローラである。   The stepping motor drivers 31a and 31b are drivers that give drive pulses to the stepping motors 30a and 30b, respectively. The sequence control device 32 is a controller that gives control commands to the stepping motor drivers 31a and 31b.

このような構成においては、平歯車5a、5b、ピニオンギア6a、6b、およびステッピングモータ30a、30bが、回転駆動手段に相当する。また、ステッピングモータドライバ31a、31b、およびシーケンス制御装置32が、回転速度制御手段に相当する。   In such a configuration, the spur gears 5a and 5b, the pinion gears 6a and 6b, and the stepping motors 30a and 30b correspond to the rotation driving means. Further, the stepping motor drivers 31a and 31b and the sequence control device 32 correspond to the rotation speed control means.

次に、動作について説明する。ピニオンギア6a、6bは、それぞれステッピングモータ30a、30bによって駆動される。従って、ウェッジプリズム1、2を任意回転速度で回転させることが可能である。シーケンス制御装置32は、あらかじめ決定されたプログラムに従い、ウェッジプリズム1、2を回転させるための制御指令を、それぞれのステッピングモータドライバ31a、31b与える。   Next, the operation will be described. The pinion gears 6a and 6b are driven by stepping motors 30a and 30b, respectively. Therefore, the wedge prisms 1 and 2 can be rotated at an arbitrary rotational speed. The sequence control device 32 gives a control command for rotating the wedge prisms 1 and 2 according to a predetermined program to the respective stepping motor drivers 31a and 31b.

換言すると、シーケンス制御装置32は、所望の渦巻き状の軌跡を得るようにステッピングモータ30a、30bを駆動するための駆動パルス時間変化パターンをあらかじめ記憶部(図示せず)に記憶しておき、駆動パルス時間変化パターンに基づいてステッピングモータドライバ31a、31bに対する制御指令として、駆動パルスを出力する。   In other words, the sequence control device 32 stores a drive pulse time change pattern for driving the stepping motors 30a and 30b in advance in a storage unit (not shown) so as to obtain a desired spiral trajectory. A drive pulse is output as a control command for the stepping motor drivers 31a and 31b based on the pulse time change pattern.

以上のように、実施の形態3によれば、上述の構成を備えたレーザービーム走査装置を用いることにより、次の3点の効果を有する。第1点として、先の実施の形態1によるレーザービーム走査装置と同等の効果を得ることができる。   As described above, according to the third embodiment, the use of the laser beam scanning apparatus having the above-described configuration has the following three effects. As a first point, an effect equivalent to that of the laser beam scanning apparatus according to the first embodiment can be obtained.

また、第2点として、偏向角のスカラー量θ1の角速度と、方位角θ2の角速度を独立に任意に制御することが可能である。従って、スパイラルスキャン走査パターンの渦巻きのピッチを等間隔に揃えるように制御することが可能である。さらに、第3点として、スパイラルスキャン角度範囲における放射発散度を均一となるように制御することが可能である。   As a second point, the angular velocity of the deflection angle scalar quantity θ1 and the angular velocity of the azimuth angle θ2 can be arbitrarily controlled independently. Therefore, it is possible to control the spiral pitch of the spiral scan scanning pattern so as to be evenly spaced. Furthermore, as a third point, it is possible to control the radiation divergence in the spiral scan angle range to be uniform.

実施の形態4.
先の実施の形態3では、ピニオンギア6a、6bの回転軸にそれぞれ個別のステッピングモータが接続される構成について説明した。これに対して、本実施の形態4では、ピニオンギア6a、6bの回転軸にそれぞれ個別のDCサーボモータが接続される構成について説明する。
Embodiment 4 FIG.
In the third embodiment, the configuration in which individual stepping motors are connected to the rotation shafts of the pinion gears 6a and 6b has been described. On the other hand, in the fourth embodiment, a configuration in which individual DC servo motors are connected to the rotation shafts of the pinion gears 6a and 6b will be described.

図6は、本発明の実施の形態4におけるレーザービーム走査装置の構成図である。図6において、先の図1、図5と同等の数字、記号は、同等の部位を示し、説明を省略する。先の図5の構成においては、電気モータ7の代わりに、ステッピングモータ30a、30b、ステッピングモータドライバ31a、31b、およびシーケンス制御装置32を備えていた。これに対して、図6の構成においては、電気モータ7の代わりに、DCサーボモータ40a、40b、サーボモータドライバ41a、41b、フィードバック制御装置42、およびロータリーエンコーダー43a、43bを備えている。   FIG. 6 is a configuration diagram of a laser beam scanning apparatus according to the fourth embodiment of the present invention. In FIG. 6, the numerals and symbols equivalent to those in FIGS. 1 and 5 indicate the same parts and the description thereof is omitted. In the configuration shown in FIG. 5, stepping motors 30 a and 30 b, stepping motor drivers 31 a and 31 b, and a sequence control device 32 are provided instead of the electric motor 7. On the other hand, in the configuration of FIG. 6, instead of the electric motor 7, DC servo motors 40 a and 40 b, servo motor drivers 41 a and 41 b, a feedback control device 42, and rotary encoders 43 a and 43 b are provided.

サーボモータドライバ41a、41bは、サーボモータ40a、40bに駆動電力を供給するドライバである。また、ロータリーエンコーダー43a、43bは、ウェッジプリズム1.2と共に回転するスケールとスケール読み取りセンサとからなり、回転量を読み取る。さらに、フィードバック制御装置42は、ロータリーエンコーダー43a、43bの読み取り数値を演算し、サーボモータドライバ41a、41bに制御指令値を与えるコントローラである。   The servo motor drivers 41a and 41b are drivers that supply driving power to the servo motors 40a and 40b. The rotary encoders 43a and 43b include a scale that rotates together with the wedge prism 1.2 and a scale reading sensor, and reads the rotation amount. Further, the feedback control device 42 is a controller that calculates numerical values read by the rotary encoders 43a and 43b and gives control command values to the servo motor drivers 41a and 41b.

このような構成においては、平歯車5a、5b、ピニオンギア6a、6b、およびサーボモータ40a、40bが、回転駆動手段に相当する。また、サーボモータドライバ41a、41b、フィードバック制御装置42、およびロータリーエンコーダー43a、43bが、回転速度制御手段に相当する。   In such a configuration, the spur gears 5a and 5b, the pinion gears 6a and 6b, and the servo motors 40a and 40b correspond to the rotation driving means. The servo motor drivers 41a and 41b, the feedback control device 42, and the rotary encoders 43a and 43b correspond to the rotation speed control means.

次に、動作について説明する。フィードバック制御装置42は、ロータリーエンコーダー43a、43bの出力に基づいて、時々刻々のウェッジプリズム1、2の回転速度と、相対方位角Δφの現在値をフィードバック量として演算する。また、フィードバック制御装置42内には、所望のスパイラル走査パターンを得るための目標値として、時間経過に伴うΔφの値に対するウェッジプリズム1、2の回転速度、および回転加速度が関数、または数値テーブルの形式であらかじめ記憶部(図示せず)に記憶されている。   Next, the operation will be described. Based on the outputs of the rotary encoders 43a and 43b, the feedback control device 42 calculates the rotational speed of the wedge prisms 1 and 2 and the current value of the relative azimuth angle Δφ as feedback amounts. Further, in the feedback control device 42, as a target value for obtaining a desired spiral scanning pattern, the rotational speed and rotational acceleration of the wedge prisms 1 and 2 with respect to the value of Δφ with the passage of time are functions or numerical values in a numerical table. The format is stored in advance in a storage unit (not shown).

そして、フィードバック制御装置42は、フィードバック量と目標値とに基づいてフィードバック制御を行い、サーボモータドライバ41a、41bに対し制御指令を与える。これにより、所望のスパイラル走査パターンを得ることができる。   The feedback control device 42 performs feedback control based on the feedback amount and the target value, and gives a control command to the servo motor drivers 41a and 41b. Thereby, a desired spiral scanning pattern can be obtained.

換言すると、フィードバック制御装置42は、所望の渦巻き状の軌跡を得るようにサーボモータ40a、40bを駆動するための目標回転速度時間変化パターンをあらかじめ記憶部(図示せず)に記憶しておき、相対角度検出器に相当するロータリーエンコーダー43a、43bの出力値をフィードバックデータとして、それぞれのサーボモータドライバ41a、41bに対し制御指令を与えてフィードバック制御を行う。   In other words, the feedback control device 42 stores in advance a target rotational speed time change pattern for driving the servo motors 40a and 40b so as to obtain a desired spiral locus in a storage unit (not shown), Using the output values of the rotary encoders 43a and 43b corresponding to the relative angle detector as feedback data, a control command is given to the respective servo motor drivers 41a and 41b to perform feedback control.

以上のように、実施の形態4によれば、上述の構成を備えたレーザービーム走査装置を用いることにより、次の2点の効果を有する。第1点として、先の実施の形態3によるレーザービーム走査装置と同等の効果を得ることができる。また、第2点として、サーボモータの速度、加速度をフィードバック制御することにより、先の実施の形態3で述べたステッピングモータのシーケンス制御と比較して、滑らかで正確な走査パターンを描くことが可能となる。   As described above, according to the fourth embodiment, the following two effects are obtained by using the laser beam scanning device having the above-described configuration. As a first point, an effect equivalent to that of the laser beam scanning apparatus according to the third embodiment can be obtained. The second point is that feedback control of the speed and acceleration of the servo motor enables a smoother and more accurate scanning pattern to be drawn compared to the stepping motor sequence control described in the third embodiment. It becomes.

実施の形態5.
本実施の形態5では、先の実施の形態1〜4で説明したレーザービーム走査装置を、光アンテナ装置に適用する場合について説明する。図7は、本発明の実施の形態5における光アンテナ装置の構成図である。本実施の形態5に示す光アンテナ装置は、光衛星間通信に適用されるものである。
Embodiment 5 FIG.
In the fifth embodiment, a case where the laser beam scanning device described in the first to fourth embodiments is applied to an optical antenna device will be described. FIG. 7 is a configuration diagram of an optical antenna device according to Embodiment 5 of the present invention. The optical antenna device shown in the fifth embodiment is applied to communication between optical satellites.

図7の光アンテナ装置は、先の実施の形態1〜4で説明したレーザービーム走査装置10のいずれかを備えている。また、その他の構成要素として、図7の光アンテナ装置は、レーザービーム送信手段50、レーザービーム受信手段51、第1のビームスプリッタ52、第2のビームスプリッタ53、チップチルト駆動ミラーであるFPM54、望遠鏡55、2軸ジンバル駆動ミラーであるCPM56、レンズ57、およびCCDデバイスである2次元検出器58を備えている。   The optical antenna device of FIG. 7 includes any of the laser beam scanning devices 10 described in the first to fourth embodiments. As other components, the optical antenna apparatus of FIG. 7 includes a laser beam transmitting unit 50, a laser beam receiving unit 51, a first beam splitter 52, a second beam splitter 53, an FPM 54 which is a chip tilt drive mirror, A telescope 55, a CPM 56 that is a two-axis gimbal drive mirror, a lens 57, and a two-dimensional detector 58 that is a CCD device are provided.

次に、動作について説明する。レーザービーム送信手段50から放出された送信レーザービームは、レーザービーム走査装置10、ビームスプリッタ52、FPM54、望遠鏡55、CPM56を経て筐体外に放出される。CPM56は、図示されない電子計算機による軌道計算によって相手衛星の存在可能性が高い方向へ送信ビームを屈曲する。   Next, the operation will be described. The transmitted laser beam emitted from the laser beam transmitting means 50 is emitted outside the casing through the laser beam scanning device 10, the beam splitter 52, the FPM 54, the telescope 55, and the CPM 56. The CPM 56 bends the transmission beam in the direction in which the other satellite is highly likely to exist by orbit calculation by an electronic computer (not shown).

レーザービーム走査装置10は、相手衛星に送信レーザービームを到達させるためにスパイラル走査を実行する。一方、相手衛星が同じシステムによりスパイラル走査を行なっているときには、レーザービーム走査装置10は、スパイラル走査を停止させる。   The laser beam scanning apparatus 10 performs spiral scanning in order to make the transmitted laser beam reach the partner satellite. On the other hand, when the partner satellite is performing spiral scanning with the same system, the laser beam scanning device 10 stops spiral scanning.

そして、相手衛星の送信レーザービームをCPM56が受光したとする(以下、受光したレーザービームを受信レーザービームと呼ぶ)。この場合には、受信レーザービームはCPM56、望遠鏡55、FPM54、第1のビームスプリッタ52、第2のビームスプリッタ53、レンズ57を経て、2次元検出器58に到達する。   Assume that the CPM 56 receives the transmission laser beam of the partner satellite (hereinafter, the received laser beam is referred to as a reception laser beam). In this case, the received laser beam reaches the two-dimensional detector 58 through the CPM 56, the telescope 55, the FPM 54, the first beam splitter 52, the second beam splitter 53, and the lens 57.

2次元検出器58の集光位置に基づき、図示されない電子計算機によりレーザービーム受信手段51に入射するレーザービームの角度ずれが演算され、演算結果に基づいてFPM54の角度が補正される。   Based on the condensing position of the two-dimensional detector 58, an angle shift of the laser beam incident on the laser beam receiving means 51 is calculated by an electronic computer (not shown), and the angle of the FPM 54 is corrected based on the calculation result.

さらに、図示されない電子計算機により、送受レーザービームの光行差を演算し、この光行差を補正するようにレーザービーム走査装置10の偏向角が制御される。以上により、相手衛星へ送信ビームを到達させることが可能となる。   Furthermore, the deflection angle of the laser beam scanning device 10 is controlled by a computer (not shown) so as to calculate the optical difference between the transmitted and received laser beams and correct the optical difference. As described above, the transmission beam can reach the partner satellite.

以上のように、実施の形態5によれば、上述の構成を備えた光アンテナ装置を用いることにより、次の2点の効果を有する。第1点として、先の実施の形態4に示す方式のレーザービーム走査装置10を用いたことにより、高速なスパイラルスキャンが可能となる。従って、短時間に相手衛星に送信ビームを到達させることが可能となる。また、第2点として、レーザービーム走査装置によって光行差補正を行なうことにより、装置の小型化、低コスト化が可能となる。   As described above, according to the fifth embodiment, the use of the optical antenna device having the above-described configuration has the following two effects. As a first point, by using the laser beam scanning apparatus 10 of the system shown in the previous embodiment 4, high-speed spiral scanning becomes possible. Therefore, it is possible to make the transmission beam reach the partner satellite in a short time. Further, as a second point, the optical line difference correction is performed by the laser beam scanning device, so that the size and cost of the device can be reduced.

本発明の実施の形態1におけるレーザービーム走査装置の構成図である。It is a block diagram of the laser beam scanning apparatus in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1におけるレーザービーム走査による偏向角をあらわすパラメータの説明図である。It is explanatory drawing of the parameter showing the deflection angle by the laser beam scanning in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における偏向角のベクトル和の関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship of the vector sum of the deflection angle in Embodiment 1 of this invention. 本実施の形態2におけるレーザービーム走査装置の偏向角ベクトルの説明図である。It is explanatory drawing of the deflection angle vector of the laser beam scanning apparatus in this Embodiment 2. FIG. 本発明の実施の形態3におけるレーザービーム走査装置の構成図である。It is a block diagram of the laser beam scanning apparatus in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態4におけるレーザービーム走査装置の構成図である。It is a block diagram of the laser beam scanning apparatus in Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施の形態5における光アンテナ装置の構成図である。It is a block diagram of the optical antenna apparatus in Embodiment 5 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1、2 ウェッジプリズム、5a、5b 平歯車、6a、6b ピニオンギア、7 電気モータ、10 レーザービーム走査装置、11 仮想平面、20a、20b、20b1、20b2、22 偏向角ベクトル、21、23 軌跡、30a、30b ステッピングモータ、31a、31b ステッピングモータドライバ、32 シーケンス制御装置、40a、40b サーボモータ、41a、41b サーボモータドライバ、42 フィードバック制御装置、43a、43b ロータリーエンコーダー、50 レーザービーム送信手段、51 レーザービーム受信手段、52 第1のビームスプリッタ、53 第2のビームスプリッタ、54 FPM、55 望遠鏡、56 CPM、57 レンズ、58 2次元検出器。   1, 2 wedge prism, 5a, 5b spur gear, 6a, 6b pinion gear, 7 electric motor, 10 laser beam scanning device, 11 virtual plane, 20a, 20b, 20b1, 20b2, 22 deflection angle vector, 21, 23 locus, 30a, 30b Stepping motor, 31a, 31b Stepping motor driver, 32 Sequence control device, 40a, 40b Servo motor, 41a, 41b Servo motor driver, 42 Feedback control device, 43a, 43b Rotary encoder, 50 Laser beam transmission means, 51 Laser Beam receiving means, 52 first beam splitter, 53 second beam splitter, 54 FPM, 55 telescope, 56 CPM, 57 lens, 58 two-dimensional detector.

Claims (6)

空間を伝搬するレーザービームを屈曲させ、かつ屈曲角度を時間的に変化させることにより、空間における任意の面上で所望の渦巻き状の軌跡を描くように前記レーザービームを走査するレーザービーム走査装置であって、
第1のウェッジプリズムおよび第2のウェッジプリズムと、
前記第1のウェッジプリズムおよび前記第2のウェッジプリズムをそれぞれ回転させる第1の回転駆動手段および第2の回転駆動手段と、
前記第1のウェッジプリズムおよび前記第2のウェッジプリズムが異なる回転速度で回転するように前記第1の回転駆動手段および前記第2の回転駆動手段を制御する回転速度制御手段と
を備え、
前記第1のウェッジプリズムおよび前記第2のウェッジプリズムは、前記レーザービームが透過するように配置され、かつ、前記レーザービームの進行方向に対するそれぞれの回転方向が等しい
ことを特徴とするレーザービーム走査装置。
A laser beam scanning device that scans the laser beam so as to draw a desired spiral trajectory on an arbitrary surface in the space by bending the laser beam propagating in the space and changing the bending angle with time. There,
A first wedge prism and a second wedge prism;
A first rotation driving means and a second rotation driving means for rotating the first wedge prism and the second wedge prism, respectively;
A rotation speed control means for controlling the first rotation drive means and the second rotation drive means so that the first wedge prism and the second wedge prism rotate at different rotation speeds;
The first wedge prism and the second wedge prism are arranged so as to transmit the laser beam, and the respective rotation directions with respect to the traveling direction of the laser beam are equal to each other. .
請求項1に記載のレーザービーム走査装置において、
前記第1の回転駆動手段および前記第2の回転駆動手段は、1つの電気モータと、前記電気モータの回転を前記第1のウェッジプリズムおよび前記第2のウェッジプリズムのそれぞれの回転運動へと動力伝達する第1の平歯車および第2の平歯車とで構成され、
前記回転速度制御手段は、前記第1の平歯車による減速比と前記第2の平歯車による減速比とを異ならせることで構成される
ことを特徴とするレーザービーム走査装置。
The laser beam scanning apparatus according to claim 1, wherein
The first rotation driving means and the second rotation driving means are driven by one electric motor and rotation of the electric motor to the respective rotary motions of the first wedge prism and the second wedge prism. A first spur gear and a second spur gear for transmission;
The rotation speed control means is configured by making a reduction ratio by the first spur gear different from a reduction ratio by the second spur gear.
請求項1に記載のレーザービーム走査装置において、
異なる回転速度で回転する前記第1のウェッジプリズムおよび第2のウェッジプリズムのいずれか一方と等しい回転速度で回転する第3のウェッジプリズムをさらに備え、
前記第1のウェッジプリズム、前記第2のウェッジプリズム、および前記第3のウェッジプリズムは、前記レーザービームが透過するように配置され、かつ、前記レーザービームの進行方向に対するそれぞれの回転方向が等しい
ことを特徴とするレーザービーム走査装置。
The laser beam scanning apparatus according to claim 1, wherein
A third wedge prism that rotates at a rotational speed equal to one of the first wedge prism and the second wedge prism that rotate at different rotational speeds;
The first wedge prism, the second wedge prism, and the third wedge prism are arranged so as to transmit the laser beam, and have the same rotation direction with respect to the traveling direction of the laser beam. A laser beam scanning device characterized by the above.
請求項1に記載のレーザービーム走査装置において、
前記第1の回転駆動手段および前記第2の回転駆動手段は、それぞれステッピングモータにより構成され、
前記回転速度制御手段は、前記所望の渦巻き状の軌跡を得るように前記ステッピングモータを駆動するための駆動パルス時間変化パターンをあらかじめ記憶する記憶部を有し、前記駆動パルス時間変化パターンに基づいて前記ステッピングモータに駆動パルスを出力する
ことを特徴とするレーザービーム走査装置。
The laser beam scanning apparatus according to claim 1, wherein
Each of the first rotation driving means and the second rotation driving means is constituted by a stepping motor,
The rotational speed control means has a storage unit for storing in advance a drive pulse time change pattern for driving the stepping motor so as to obtain the desired spiral trajectory, and based on the drive pulse time change pattern A laser beam scanning device that outputs a driving pulse to the stepping motor.
請求項1に記載のレーザービーム走査装置において、
前記第1のウェッジプリズムおよび前記第2のウェッジプリズムのそれぞれの所定の基準に対する相対角度を出力する第1の相対角度検出器および第2の相対角度検出器をさらに備え、
前記第1の回転駆動手段および第2の回転駆動手段は、それぞれサーボモータにより構成され、
前記回転速度制御手段は、前記所望の渦巻き状の軌跡を得るように前記サーボモータを駆動するための目標回転速度時間変化パターンをあらかじめ記憶する記憶部を有し、前記第1の相対角度検出器および前記第2の相対角度検出器から出力されるそれぞれの相対角度をフィードバックデータとして、それぞれのサーボモータの回転速度をフィードバック制御する
ことを特徴とするレーザービーム走査装置。
The laser beam scanning apparatus according to claim 1, wherein
A first relative angle detector and a second relative angle detector for outputting a relative angle of each of the first wedge prism and the second wedge prism with respect to a predetermined reference;
The first rotation driving means and the second rotation driving means are each constituted by a servo motor,
The rotation speed control means includes a storage unit that stores in advance a target rotation speed time change pattern for driving the servo motor so as to obtain the desired spiral trajectory, and the first relative angle detector And a feedback control of the rotational speed of each servo motor using each relative angle output from the second relative angle detector as feedback data.
レーザー信号を空間に送信する光アンテナ装置において、
請求項1ないし5のいずれか1項に記載のレーザービーム走査装置を適用したことを特徴とする光アンテナ装置。
In an optical antenna device that transmits a laser signal to space,
6. An optical antenna device to which the laser beam scanning device according to claim 1 is applied.
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