JP2012120056A

JP2012120056A - 光空間伝搬模擬装置

Info

Publication number: JP2012120056A
Application number: JP2010269774A
Authority: JP
Inventors: Jiro Suzuki; 二郎鈴木; Toshiyuki Ando; 俊行安藤; Naritaka Itakura; 成孝板倉; Eisuke Haraguchi; 英介原口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2012-06-21
Anticipated expiration: 2030-12-02
Also published as: JP5606297B2

Abstract

【課題】実験系の構築が容易であり、複数の異なる空間伝搬距離に対する試験を行うときでも、コストを低くすることができる光空間伝搬模擬装置を得る。
【解決手段】光空間伝搬模擬装置は、送信レーザービームを出射する光送信器と、出射する送信レーザービームの遠方界領域に位置する光受信器とを有する光空間通信システムにおいて遠方界に伝搬した送信レーザービームの受信光を模擬し、光送信器から出射された送信レーザービームが入射するように配置されたレンズと、レンズの焦点面位置に配置されレンズにより結像された送信レーザービームの位置に応じた電気信号を出力する光位置検出器と、光位置検出器の出力である電気信号から送信レーザービームの指向角度を演算出力する信号処理装置と、送信レーザービームの光路上に配置され、信号処理装置の要求に応じて送信レーザービームの透過強度を変化させる光強度可変装置と、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば一方の装置において信号変調されたレーザービームを空間に放出し、他方の装置において前記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の評価試験に用いる実験装置に関し、特に送受信局間がレーザービームの遠方界領域に位置する状態を模擬するための実験装置に関するものである。

送信器からレーザービームを空間に送信し、長距離空間伝搬後のレーザービームを受信器で受信する光空間通信システムにおいては、送信レーザービームの指向角度を高精度に制御する指向制御装置や、レーザービームの拡がり角を所定の範囲内に維持する高安定な送信光学系を実現する必要がある。このような技術開発において、送受信器を長距離をおいて配置して通信試験を行うためには莫大なコストと時間を要するため、実験室内で長距離通信試験するための光空間伝搬模擬装置が求められている。
そこで、レンズを用いて送信レーザービームの遠方界強度分布をレンズ焦点面に生成し、その一部をピンホールで切り出して受信する方式により光空間伝搬模擬装置を実現している（例えば、特許文献１参照）。

特開平４−１６０３３７号公報

従来の光空間伝搬模擬装置は以上述べたように構成されているため、実験室内においてレーザービームの長距離空間伝搬後の強度分布を模擬し、長距離空間伝搬模擬試験を行うことができる。
しかし、送信レーザービームの遠方界におけるビーム径は、一般に受信器の光学開口径に対し非常に大きい。例えばビーム径と光学開口径との比を１０００とした場合、１０μｍのピンホールを受信器の模擬光学開口にみたてると、直径１０ｍｍの遠方界ビーム径をレンズで発生させなければならない。このような条件を実現するレンズの焦点距離は１０ｍ〜１００ｍオーダとなり、実験レイアウトの実現が必ずしも容易ではなかった。

この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、光送信器から放出された送信レーザービームが長距離空間伝搬により遠方界となり、光受信器で受信される現象を抵コストで模擬する光空間伝搬模擬装置を提供することを目的とする。

この発明に係る光空間伝搬模擬装置は、送信レーザービームを出射する光送信器と、該光送信器が出射する前記送信レーザービームの遠方界領域に位置する光受信器とを有する光空間通信システムにおいて遠方界に伝搬した前記送信レーザービームの受信光を模擬する光空間伝搬模擬装置において、前記光送信器から出射された前記送信レーザービームが入射するように配置されたレンズと、前記レンズの焦点面位置に配置され前記レンズにより結像された送信レーザービームの位置に応じた電気信号を出力する光位置検出器と、前記光位置検出器の出力である電気信号から前記送信レーザービームの指向角度を演算出力する信号処理装置と、前記送信レーザービームの光路上に配置され、前記信号処理装置の要求に応じて前記送信レーザービームの透過強度を変化させる光強度可変装置と、を備える。

この発明に係る光空間伝搬模擬装置は、レンズの焦点距離を長くする必要がないので、実験系の構築が容易であり、コストを低くすることが可能となる。また、複数の異なる空間伝搬距離に対する試験を行うときでも、信号処理装置の演算処理コードを書き換えるだけで良く、コストを低くすることが可能となる。

この発明の実施の形態１に係る光空間伝搬模擬装置の構成を示す構成図である。この発明の実施の形態２に係る光空間伝搬模擬装置の構成を示す構成図である。

以下、本発明の光空間伝搬模擬装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る光空間伝搬模擬装置の構成を示す構成図である。
この発明の実施の形態１に係る光空間伝搬模擬装置は、図１に示すように、レーザービームを送信する送信器１、レーザービームを受信する受信器２、レンズ３ａ、３ｂ、無偏光ビームスプリッタ４、スペーシャルフィルタ５、二次元検出器６、信号処理装置７、及び、光強度可変装置８を備える。
送信器１は試験に供される光空間通信システムの送信器である。また、受信器２も試験に供される光空間通信システムの受信器である。

送信器１から送信された送信レーザービームは、１万キロメートル以上の長距離伝搬を行う光空間通信システムを想定しており、従って高度にコリメートされている。
送信器１から出射された直後の送信レーザービームの径は光空間通信システムによって異なるが、典型例としては１００ｍｍ程度である。送信レーザービームはレンズ３ａによってその焦点面に集光され遠方界を作り、さらに空間伝搬することで発散光束としてレンズ３ｂに入射する。
レンズ３ｂの焦点面はレンズ３ａの焦点面に一致しており、従ってレンズ３ｂを透過することで発散光束であった送信レーザービームはコリメート光束に変換され、受信器２に入射する。

受信器２の受信光学開口径は典型的には送信器１から出射直後の送信レーザービーム径と同程度であり、例えばφ１００ｍｍである。
スペーシャルフィルタ５は、レンズ３ａによって得られた送信レーザービームの遠方界のメインローブの一部分を透過させるフィルタであり、典型的には円形ピンホールで構成される。

二次元検出器６は、レーザービームの集光位置を光電変換により電気信号として出力する光電変換素子であり、例えばＣＭＯＳイメージセンサにより実現する。尚、二次元検出器６は他にＰＳＤ（ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｎｇＤｅｔｅｃｔｏｒ）、または四象限フォトダイオードなどを用いてもよい。

無偏光ビームスプリッタ４は、表面に部分反射コーティングを施した平面ガラス板であり、レンズ３ａで集光された送信レーザービームの一部を分岐して二次元検出器６に向けて反射屈曲させる。無偏光ビームスプリッタ４で屈曲された送信レーザービームは二次元検出器６の光検出面上にレンズ３ａによる集光像を結像する。

信号処理装置７は、電気信号の入出力インターフェースを搭載し、あらかじめプログラムした演算式に基づき入力信号に演算処理を行い、結果を出力する演算処理装置であり、例えばＦＰＧＡを用いたシステムにより実現している。信号処理装置７は、二次元検出器６の出力信号から送信レーザービームの指向角度を演算する。また、信号処理装置７は、演算した送信レーザービームの指向角度と、仮想的な長距離空間伝搬後に受信器２が受信できる見込みアンテナ利得を演算し出力する。

光強度可変装置８は、信号処理装置７の演算出力した見込みアンテナ利得に応じて送信レーザービームの透過率を動的に可変できる光アッテネータであり、例えばＡＯ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ）強度変調モジュールにて実現する。尚、光強度可変装置８は、ＡＯ強度変調モジュールに限らず例えば透過率の異なるＮＤフィルタを複数用いてもよい。

そこで、この発明の実施の形態１に係る光空間伝搬模擬装置は上述のように構成されているので、従来の光空間伝搬模擬装置と比較し以下のような効果を奏する。
第一に従来の光空間伝搬模擬装置では、遠方界を模擬するために長い焦点距離のレンズを用いる必要があったが、この発明の実施の形態１に係る光空間伝搬模擬装置ではレンズの焦点距離を長くする必要がない。従って実験系の構築が容易であり、コストを低くすることが可能となる。
第二に、従来の光空間伝搬模擬装置では、模擬する空間伝搬距離に応じた焦点距離のレンズを用いる必要があったため、複数の異なる空間伝搬距離に対する試験を行うことが困難であったが、この発明の実施の形態１に係る光空間伝搬模擬装置では信号処理装置７の演算処理コードを書き換えるだけでよく、コストを低くすることが可能となる。

実施の形態２．
図２は本発明の実施の形態２による光空間伝搬模擬装置の構成を示す構成図である。
図２において、図１と同じ記号、数字は同じ機能を示す部位を示し、説明を省略する。
この発明の実施の形態２に係る光空間伝搬模擬装置は、この発明の実施の形態１に係る光空間伝搬模擬装置の光強度可変装置８の代りにＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）ミラー２０、開口絞り２１、ビームエキスパンダ２２を適用したことが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。

ＭＥＭＳミラー２０は、入力電気信号に応じて傾斜角を任意に可変可能な微小な平面ミラーであり、一般に入手可能である。ＭＥＭＳミラー２０は、反射面の中心の位置がレンズ３ａ、３ｂの焦点に一致するように配置されている。そして、ＭＥＭＳミラー２０の反射面の傾斜角度が原点にあるとき、ＭＥＭＳミラー２０の反射によりレンズ３ａとレンズ３ｂの光軸が一致するように配置されている。

開口絞り２１は、開口中心がレンズ３ｂの光軸と一致した円形開口が設けられ、受信開口を模擬するものである。例えば、模擬する仮想距離伝搬後の送信レーザービーム径と受信器の受信光学開口径との比が１０００：１であった場合、レンズ３ｂによりコリメートされた送信レーザービーム径の１／１０００程度に開口絞り２１の開口径を設定する。
ビームエキスパンダ２２は、焦点距離の異なる２個のレンズで構成されたビームエキスパンダであり、開口絞り２１を通過することで、ビーム径が細くなった送信レーザービームのビーム径を、受信器２の受信開口径同等以上に拡大する。

ここで、送信レーザービームの強度分布が略ガウス分布である場合を仮定する。ガウス分布のレーザービームの特徴として、遠方界においてもビーム径が拡大するだけでビームプロファイルはガウス分布を維持される。今ＭＥＭＳミラー２０が原点状態にあるとき、図２の実線で示した光路を送信レーザービームが進行する。送信レーザービームのガウス分布の中心が開口絞り２１の中心に一致しているため、透過率が最も高い。

一方、ＭＥＭＳミラー２０の反射面の傾斜角度が大きくなると、例えば図２の点線のように送信レーザービームの光路が変位する。送信レーザービームのガウス分布の中心から離れた部分を開口絞り２０が切り取って透過させることになり、ＭＥＭＳミラー２０が原点状態にあるときに比べて透過率が低下する。

以上述べた作用により、ＭＥＭＳミラー２０を制御することにより透過率を任意に可変することが可能となる。信号処理装置７はこのＭＥＭＳミラー２０に対し指令値を与え、実施の形態１と同様の制御をおこなう。

この発明の実施の形態２に係る光空間伝搬模擬装置は上述のように構成されているので、従来の光空間伝搬模擬装置と比較し以下の効果を奏する。
第一に、この発明の実施の形態１に係る光空間伝搬模擬装置と同等の効果を奏する。
第二に、高速に駆動可能なＭＥＭＳミラー２０を用いているため、高速に空間伝搬効率が変動する状態を模擬することが可能となる。
第三に、開口絞り２１で送信レーザービームを空間的に切り出すため、この切り出されたレーザービームの強度分布は、実際に長距離伝搬後に大きく拡がった送信レーザービームの極一部を受信器２の受信開口で受信する場合の強度分布に非常に近似しており、現実に近い条件で試験を行うことが可能となる。

１送信器、２受信器、３ａ、３ｂレンズ、４無偏光ビームスプリッタ、５スペーシャルフィルタ、６二次元検出器、７信号処理装置、８光強度可変装置、２０ＭＥＭＳミラー、２１開口絞り、２２ビームエキスパンダ。

Claims

送信レーザービームを出射する光送信器と、該光送信器が出射する前記送信レーザービームの遠方界領域に位置する光受信器とを有する光空間通信システムにおいて遠方界に伝搬した前記送信レーザービームの受信光を模擬する光空間伝搬模擬装置において、
前記光送信器から出射された前記送信レーザービームが入射するように配置されたレンズと、
前記レンズの焦点面位置に配置され前記レンズにより結像された送信レーザービームの位置に応じた電気信号を出力する光位置検出器と、
前記光位置検出器の出力である電気信号から前記送信レーザービームの指向角度を演算出力する信号処理装置と、
前記送信レーザービームの光路上に配置され、前記信号処理装置の要求に応じて前記送信レーザービームの透過強度を変化させる光強度可変装置と、
を備えることを特徴とする光空間伝搬模擬装置。
前記光強度可変装置は、ＡＯモジュールにより構成されることを特徴とする請求項１に記載の光空間伝搬模擬装置。
前記光強度可変装置は、レンズと、前記レンズの焦点面近傍に配置されたＭＥＭＳミラーで構成されたことを特徴とする請求項１に記載の光空間伝搬模擬装置。