JP2013148626A - Optical antenna for optical radio communication apparatus using infrared laser beam - Google Patents

Optical antenna for optical radio communication apparatus using infrared laser beam Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To inexpensively provide an optical system for optical radio communication that can provide an imaging performance of diffraction limit in an infrared wavelength region of wavelengths 1.0 μm to 1.6 μm in four times wider or more viewing field than the conventional art, by combination of commercial lenses.SOLUTION: An optical antenna for a Kepler-type optical radio communication apparatus has an object lens facing toward the exterior space and an eyepiece facing toward the inside of the apparatus, and includes an object lens B1 and an eyepiece B3 which are lenses selected from commercial lenses whose optical aberration is corrected for general imaging. The ratio of curvature radiuses of a front face and a back face of the eyepiece is 0.8 to 1.2. A plano-concave lens serving as a correction lens B2 is arranged between the object lens B1 and the eyepiece B3 so as to direct the concave surface of the plano-concave lens toward an object lens side. The position of the correction lens B2 is in a range of 0.25 to 0.9 times the focal distance of the object lens B1, and corrects the optical aberrations of the object lens B1 and the eyepiece B3 simultaneously.

Description

光無線通信において、10Gbps/sを超える伝送容量を持った新しい光無線通信システムを実用化するため、既存のシングルモード光ファイバ(Single Mode Fiber、以後「SMF」とも記載する)との接続を前提とし、自由空間を伝送した光を直接光ファイバに結合する光無線通信方式が開発されている。   In optical wireless communication, in order to put into practical use a new optical wireless communication system having a transmission capacity exceeding 10 Gbps / s, it is assumed that it is connected to an existing single mode fiber (hereinafter also referred to as “SMF”). An optical wireless communication system has been developed in which light transmitted through free space is directly coupled to an optical fiber.

光ファイバ技術を活用した光無線通信装置の主な光学系は、光ファイバ通信で用いられている波長1.31μmあるいは1.55μmのレーザ光に対して、装置外の空間光と装置内の空間光のビーム径を変換するビームエキスパンダと装置内の空間光を光ファイバに効率良く導入するためのファイバカップラ用結像レンズである。光アンテナであるビームエキスパンダは装置外からの空間光を集光する対物レンズと集光した光ビームを小口径の平行ビームに変換する接眼レンズから構成される。この際、一般に用いられているビームエキスパンダでは対物レンズには長い焦点距離を持った凸レンズ、接眼レンズには短い焦点距離を持つ凹レンズが用いられる。この構成はガリレオ型の望遠鏡と同じである。   The main optical system of the optical wireless communication device utilizing the optical fiber technology is that the spatial light outside the device and the space inside the device with respect to laser light having a wavelength of 1.31 μm or 1.55 μm used in optical fiber communication A beam expander for converting the beam diameter of light and an imaging lens for a fiber coupler for efficiently introducing spatial light in the apparatus into an optical fiber. A beam expander, which is an optical antenna, includes an objective lens that collects spatial light from the outside of the apparatus and an eyepiece that converts the collected light beam into a small-diameter parallel beam. At this time, in a generally used beam expander, a convex lens having a long focal length is used as an objective lens, and a concave lens having a short focal length is used as an eyepiece. This configuration is the same as a Galileo telescope.

しかしながら、光無線通信用の光アンテナ(ビームエキスパンダ)では射出瞳の位置にミラー駆動機構をおいて、装置内部のビームの変位を小さくする必要がある。このためには、接眼レンズにも凸レンズを用いるケプラー型の望遠鏡と同一の構成が必要になる。ケプラー型の構成を持ったビームエキスパンダは市販されていないので、上記の波長帯のレーザ光の結像に必要な回折限界の光学特性と光パワー損失の少ない良好な透過率を持ったビームエキスパンダを設計し、安価に製造する技術が必要とされている。   However, in an optical antenna (beam expander) for optical wireless communication, it is necessary to place a mirror drive mechanism at the position of the exit pupil to reduce the displacement of the beam inside the apparatus. For this purpose, the same configuration as a Kepler-type telescope using a convex lens as an eyepiece is required. A beam expander with a Kepler configuration is not available on the market, so it has a diffraction-limited optical characteristic necessary for image formation of laser light in the above wavelength band and a good transmittance with low optical power loss. There is a need for technology to design and inexpensively manufacture pandas.

ところで、顕微鏡対物レンズや望遠鏡の対物レンズでは、無収差の基準として、入射面から焦点の参照面に向かって光線追跡を行い、複数の入射光線について光路差(OPD)を求めて、その最大値がλ/4以下となることや、入射光束全体について光路差の2乗平均を求め、その平方根(rms値)がλ/13以下になるといった条件が用いられる。以下の説明では、レーザ光に対する回折限界の結像条件として、入射光束全体にわたる光路差の2乗平均の平方根(この値を総合波面収差と呼ぶ)がλ/10(rms)以下であることをその波面収差の条件とする。   By the way, in the objective lens of a microscope objective or a telescope, ray tracing is performed from the incident surface toward the reference surface of the focal point as an aberration-free standard, and an optical path difference (OPD) is obtained for a plurality of incident rays, and the maximum value is obtained. Is used, and the square root (rms value) of the optical path difference is obtained for the entire incident light beam and the square root (rms value) thereof is λ / 13 or less. In the following description, as a diffraction-limited imaging condition for laser light, the root mean square of the optical path difference over the entire incident light beam (this value is referred to as total wavefront aberration) is λ / 10 (rms) or less. The condition of the wavefront aberration is assumed.

光無線通信装置に用いられるビームエキスパンダの対物レンズと接眼レンズには、装置の振動や熱膨張等によるレーザ光の入射角変動を許容するため、0.2度から4.0度までの幅広い入射角に対して回折限界の性能を維持する必要がある。   The beam expander's objective lens and eyepiece used in optical wireless communication devices have a wide range from 0.2 degrees to 4.0 degrees in order to allow fluctuations in the incident angle of the laser beam due to vibration or thermal expansion of the apparatus. It is necessary to maintain diffraction limited performance with respect to the incident angle.

つまり、超高速の光ファイバ直結型の光無線通信装置に用いられるビームエキスパンダには、波長多重に対応する適度な色消し特性と、空間を飛来するレーザビームの入射角変動に対応できる大きな視野角が求められる。   In other words, the beam expander used in the ultrahigh-speed optical fiber direct-coupled optical wireless communication device has an appropriate achromatic characteristic corresponding to wavelength multiplexing and a large field of view that can cope with fluctuations in the incident angle of a laser beam flying in space. A corner is required.

光無線通信でも設置の容易性、製造費用の削減の要求から光学系の小型化が求められている。光無線通信で用いられるビームエキスパンダは所謂アフォーカル結像光学系であるが、軸長を短くして小型化するために、対物レンズと接眼レンズの間に凹レンズを入れる構成(特許文献1を参照)あるいは反射鏡を用いて光路を折りたたむ構成(特許文献2を参照)が開示されている。   Even in optical wireless communication, downsizing of the optical system is demanded from the request of easy installation and reduction of manufacturing cost. A beam expander used in optical wireless communication is a so-called afocal imaging optical system. However, in order to shorten the axial length and reduce the size, a configuration in which a concave lens is inserted between an objective lens and an eyepiece (see Patent Document 1). (Refer to Patent Document 2) in which an optical path is folded using a reflecting mirror.

しかしながら、特許文献1、で開示されている構成では焦点距離に関する結像条件が考慮されているだけで、上記の広い視野にわたる回折限界の結像性能を達成するための光学的な条件は考慮されていない。また、特許文献2で開示されている構成では、視野が画角で1mrad(0.058度)と狭いため、光通信装置全体を何らかの駆動機構の上に設置して、レーザ光の入射角変動をこの視野以内に収める必要があった。これらの文献に限らず、従来のレーザビームエキスパンダでは、軸上光線の結像性能だけが問題であり、良好な軸外の結像性能を得ることは不可能と考えられてきた。   However, in the configuration disclosed in Patent Document 1, only the imaging condition related to the focal length is considered, and the optical condition for achieving the diffraction-limited imaging performance over the wide field of view is considered. Not. In addition, in the configuration disclosed in Patent Document 2, since the field of view is as narrow as 1 mrad (0.058 degrees), the entire optical communication device is installed on some drive mechanism to change the incident angle of the laser beam. Must be within this field of view. In addition to these documents, it has been considered that conventional laser beam expanders are problematic only in the imaging performance of on-axis rays, and it is impossible to obtain good off-axis imaging performance.

特開平8−68936号公開公報Japanese Patent Laid-Open No. 8-68936 特開平5−72477号公開公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-72477

可視光の領域のカメラレンズ等とは異なり、赤外波長帯で回折限界の結像性能を持った光学系は一般的でなく、市販製品も少ないため、従来は当該波長帯で特別に設計・製造されたレンズや反射鏡を用いて、高精度の光学系保持機構と合わせて装置を組み立てる必要があった。このため、量産効果も期待できず、大変高価な(1台あたり数百万以上)装置になる場合が多かった。また、従来の集光光学系では回折限界の結像性能が保証できる視野は、倍率10倍の場合で0.2度程度と比較的狭く、装置の設置調整に困難が伴う場合が多かった。   Unlike camera lenses in the visible light region, optical systems with diffraction-limited imaging performance in the infrared wavelength band are not common, and there are few commercial products. It was necessary to assemble the device together with a high-precision optical system holding mechanism using the manufactured lens and reflecting mirror. For this reason, mass production effects cannot be expected, and the apparatus is often very expensive (a million or more per unit). Further, in the conventional condensing optical system, the field of view that can guarantee the diffraction-limited imaging performance is relatively narrow at about 0.2 degrees when the magnification is 10 times, and there are many cases where installation adjustment of the apparatus is difficult.

そこで本発明では光無線通信用に、波長が1.0μmから1.6μmの赤外波長域で回折限界の結像性能を従来の4倍以上の広い視野で提供できる光学系を、2枚あるいは3枚の市販レンズの組み合わせにより安価に製作する方法を提供することを課題とする。   Therefore, in the present invention, two optical systems that can provide diffraction-limited imaging performance in the infrared wavelength range of 1.0 μm to 1.6 μm in a wider field of view that is four times or more that of the prior art for optical wireless communication. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing at low cost by combining three commercially available lenses.

請求項1に記載された発明に係る光アンテナは、外部空間に向けられた対物レンズ及び装置内に向けられた接眼レンズを有するケプラー型の光無線通信装置用の光アンテナであって、前記対物レンズおよび前記接眼レンズが、一般の結像用に収差が補正された市販のレンズから選択されたレンズであり、前記接眼レンズの前面の曲率半径と後面の曲率半径との比が0.8乃至1.2であることを特徴とする。図3に請求項1に係る光アンテナを示す。   An optical antenna according to a first aspect of the present invention is an optical antenna for a Kepler-type optical wireless communication apparatus having an objective lens directed to an external space and an eyepiece lens directed to the inside of the apparatus. The lens and the eyepiece lens are selected from commercially available lenses whose aberrations are corrected for general imaging, and the ratio of the curvature radius of the front surface of the eyepiece lens to the curvature radius of the rear surface is 0.8 to 1.2. FIG. 3 shows an optical antenna according to claim 1.

請求項2に記載された発明に係る光アンテナは、請求項1に記載の光アンテナにおいて、前記対物レンズと前記接眼レンズとの間に補正レンズとして1枚の平凹レンズが対物レンズ側に凹面を向けて配置され、前記補正レンズの位置が前記対物レンズの焦点距離の0.25倍乃至0.9倍の範囲で、前記対物レンズと前記接眼レンズの光学収差を同時に補正する位置であることを特徴とする。図4に請求項2に係る光アンテナを示す。   An optical antenna according to a second aspect of the present invention is the optical antenna according to the first aspect, wherein one plano-concave lens has a concave surface on the objective lens side as a correction lens between the objective lens and the eyepiece. The position of the correction lens is within a range of 0.25 to 0.9 times the focal length of the objective lens, and is a position for simultaneously correcting optical aberrations of the objective lens and the eyepiece. Features. FIG. 4 shows an optical antenna according to claim 2.

請求項3に記載された発明に係る光アンテナは、請求項2に記載の光アンテナにおいて、前記対物レンズが2枚以上の複数のレンズからなる凸組レンズであることを特徴とする。図5に請求項3に係る光アンテナを示す。   An optical antenna according to a third aspect of the present invention is the optical antenna according to the second aspect, wherein the objective lens is a convex assembled lens composed of a plurality of two or more lenses. FIG. 5 shows an optical antenna according to a third aspect.

請求項4に記載された発明に係る光アンテナは、請求項2に記載の光アンテナにおいて、前記接眼レンズが2枚以上の複数のレンズからなる組レンズであることを特徴とする。図6に請求項4に係る光アンテナを示す。   An optical antenna according to a fourth aspect of the present invention is the optical antenna according to the second aspect, wherein the eyepiece is a combined lens composed of a plurality of two or more lenses. FIG. 6 shows an optical antenna according to a fourth aspect.

請求項5に記載された発明に係る光アンテナは、請求項2に記載の光アンテナにおいて、前記対物レンズが、凸ダブレットレンズ及び他のレンズからなる組レンズであり、前記接眼レンズが、凸ダブレットレンズ及び他のレンズからなる組レンズであることを特徴とする。   An optical antenna according to a fifth aspect of the present invention is the optical antenna according to the second aspect, wherein the objective lens is a combined lens including a convex doublet lens and another lens, and the eyepiece is a convex doublet. It is a combined lens composed of a lens and another lens.

本発明による光アンテナを使用することにより、ミラー駆動機構を動作させた状態で、複数の波長(例えば1.31μ、1.55μm)の空間を通して伝送されるレーザ光と、シングルモードファイバ中を伝搬するファイバ光を損失無く結合することができ、将来、この波長帯を全て利用する100Tbpsを超える超大容量の光無線通信が必要になった場合でもその光学系を安価に提供することができる。また本発明による光アンテナは視野角が広いので、従来、光無線通信装置全体の方向を制御するために用いられて来たモータや角度センサ等の機構部品を省略することが可能になり、小型でより実用性の高い光無線通信装置を実現することができる。さらに、本発明の適用範囲は光無線通信に限らず、回折限界の光学系を必要とするレーザレーダ(ライダー)やレーザ測距装置などの光計測分野への適用することができる。   By using the optical antenna according to the present invention, a laser beam transmitted through a space of a plurality of wavelengths (for example, 1.31 μm and 1.55 μm) and a single mode fiber while the mirror driving mechanism is operated. In the future, even if ultra-high-capacity optical wireless communication exceeding 100 Tbps using all of this wavelength band becomes necessary, the optical system can be provided at low cost. In addition, since the optical antenna according to the present invention has a wide viewing angle, it is possible to omit mechanical parts such as a motor and an angle sensor that have been conventionally used for controlling the direction of the entire optical wireless communication apparatus, and the size is small. Thus, a more practical optical wireless communication device can be realized. Furthermore, the application range of the present invention is not limited to optical wireless communication, but can be applied to the optical measurement field such as a laser radar (rider) or a laser distance measuring device that requires a diffraction-limited optical system.

光無線通信装置の光学系構成図である。It is an optical system block diagram of an optical wireless communication apparatus. 光無線通信装置の全体構成図である。1 is an overall configuration diagram of an optical wireless communication apparatus. 請求項1に記載の光アンテナのレンズ形状と光路図である。It is a lens shape and optical path diagram of the optical antenna according to claim 1. 請求項2に記載の光アンテナのレンズ形状と光路図である。It is a lens shape and optical path diagram of the optical antenna according to claim 2. 請求項3に記載の光アンテナのレンズ形状と光路図である。It is a lens shape and optical path diagram of the optical antenna according to claim 3. 請求項4に記載の光アンテナのレンズ形状と光路図である。It is a lens shape and optical path diagram of the optical antenna according to claim 4.

図1に光無線通信装置の光学系構成図を示す。光学系全体は3つの部分、すなわち、外部空間からの光を受光して装置内へリレーするとともに、装置内からの光を外部空間へ放射する光アンテナになるビームエキスパンダ5、2軸一体型のミラー駆動機構4、追尾センサを内蔵したファイバカプラ部から構成される。図1には、一点鎖線で示す、ビームエキスパンダの光軸に沿って入射した光線を実線で、大きな到来角で入射した光線を点線で示している。   FIG. 1 shows an optical system configuration diagram of an optical wireless communication apparatus. The entire optical system has three parts, that is, a beam expander 5 that is an optical antenna that receives light from the external space and relays it into the device and radiates light from the device to the external space. The mirror driving mechanism 4 and a fiber coupler unit incorporating a tracking sensor. In FIG. 1, a light ray incident along the optical axis of the beam expander indicated by a one-dot chain line is indicated by a solid line, and a light ray incident at a large arrival angle is indicated by a dotted line.

追尾センサの誤差信号によりミラーを駆動し、ファイバカプラ部への入射条件を一定にするためには、光アンテナの射出瞳をミラー駆動機構の位置に一致させる必要がある。従ってビームエキスパンダの構成としてガリレオ型でなく、図1に示すケプラー型を採用する必要がある。   In order to drive the mirror by the error signal of the tracking sensor and make the incident condition to the fiber coupler unit constant, it is necessary to make the exit pupil of the optical antenna coincide with the position of the mirror driving mechanism. Therefore, it is necessary to adopt the Kepler type shown in FIG. 1 instead of the Galileo type as the configuration of the beam expander.

空間光とSMFとの結合効率の劣化を1dB以下に収めるために、光学系全体としての収差を波長の1/13(rms)以下になるように設計する。このような回折限界の結像条件を満たすため、従来は、レンズ等の結像系の開口を絞る(例えば単レンズではNAを0.06以下にする)ことにより収差の増大を抑えることが行われてきた。あるいは、図1に示すファイバカプラ部の結像レンズのように軸上での結像性能だけが問題であれば非球面レンズを用いることにより回折限界の性能が実現できる。しかしながら、光学系全体を小型・軽量化するためには、前者のような長焦点の光学系は採用できず、後者の非球面レンズでは大きな入射角の変動に対応できないといった問題があった。   In order to reduce the degradation of the coupling efficiency between the spatial light and the SMF to 1 dB or less, the aberration of the entire optical system is designed to be 1/13 (rms) or less of the wavelength. In order to satisfy such a diffraction-limited imaging condition, conventionally, an increase in aberration is suppressed by narrowing the aperture of an imaging system such as a lens (for example, NA is 0.06 or less for a single lens). I have been. Alternatively, if only the imaging performance on the axis is a problem as in the imaging lens of the fiber coupler portion shown in FIG. 1, the performance of the diffraction limit can be realized by using an aspheric lens. However, in order to reduce the size and weight of the entire optical system, there is a problem that a long-focus optical system like the former cannot be adopted, and the latter aspherical lens cannot cope with a large change in incident angle.

ビームエキスパンダの倍率をMとすると、相手局からの光ビーム径を1/M倍に縮小するとともにビームの振れ角がM倍になるので、接眼レンズには広い視野にわたって回折限界の結像特性が要求される。図1の点線で示される軸外し光ビームを見ると、対物レンズ側では主光線と光軸がほぼ平行であり、接眼レンズ側では主光線が光軸と平行とは言えないのでこの光アンテナは物側テレセントリックの結像をしていると考えられる。   If the magnification of the beam expander is M, the diameter of the light beam from the partner station is reduced to 1 / M times and the deflection angle of the beam is increased M times. Is required. Looking at the off-axis light beam indicated by the dotted line in FIG. 1, the principal ray and the optical axis are almost parallel on the objective lens side, and the principal ray is not parallel to the optical axis on the eyepiece side. It is thought that object-side telecentric imaging is performed.

具体的な数値で説明すると、今回開発して光無線通信装置の場合、内部ビーム径は2mmで、1km程度の伝送距離に用いるためには20mm程度のビーム径が必要なことからビームエキスパンダの倍率は10程度となる。また、対物レンズと接眼レンズのNAは0.1程度が必要になる。   In terms of specific numerical values, in the case of the optical wireless communication device developed this time, the internal beam diameter is 2 mm, and a beam diameter of about 20 mm is necessary for use in a transmission distance of about 1 km. The magnification is about 10. Further, the NA of the objective lens and the eyepiece lens needs to be about 0.1.

一方、装置の設置条件から0.4度程度の到来角変動を許容するとすれば、倍率10倍のビームエキスパンダを用いる場合は4度程度のビームの振れ角を補償する必要があり、接眼レンズはこれと同じ大きさのビームの振れ角変動においても回折限界の結像特性が求められる。   On the other hand, if an arrival angle variation of about 0.4 degrees is allowed from the installation conditions of the apparatus, when using a beam expander with a magnification of 10 times, it is necessary to compensate for a beam deflection angle of about 4 degrees. Therefore, diffraction-limited imaging characteristics are required even when the deflection angle of a beam of the same size is changed.

上記に説明したように、ミラー駆動機構を持ったSMF結合光学系には、広視野かつ比較的大きなNA(〜0.1)を持つ回折限界の結像光学系が必要である。従来はこのような条件を満たす接眼レンズは多数の組レンズで構成される場合が多かったが、市販されているレンズを使用しその配置を工夫することにより必要な性能を満たす光学系が製造可能になった。   As described above, the SMF coupling optical system having a mirror driving mechanism requires a diffraction-limited imaging optical system having a wide field of view and a relatively large NA (˜0.1). In the past, eyepieces that fulfilled these conditions often consisted of a large number of assembled lenses, but by using commercially available lenses and devising their arrangement, an optical system that meets the required performance can be manufactured. Became.

図2にミラー駆動機構を用いた追尾機能を有する光学系の具体例を示す。図1の光学系に加えて4分割Siフォトディテクタによる追尾センサ11と波長980nm帯のビーコン光の光源9が増えている。図2ではビーコン光を点線で、波長1.55μmの信号光を実線で示している。   FIG. 2 shows a specific example of an optical system having a tracking function using a mirror drive mechanism. In addition to the optical system of FIG. 1, the tracking sensor 11 by the 4-partition Si photodetector and the light source 9 of the beacon light of a wavelength 980nm band are increasing. In FIG. 2, beacon light is indicated by a dotted line, and signal light having a wavelength of 1.55 μm is indicated by a solid line.

光学系の構成要素を極力少なくするため、追尾センサ11はファイバカプラ部と一体化している。SMFを保持する透明なガラスフェルールを用い空間光をファイバ光と結合するとともにSMFの外側に漏れてくるビーコン光を斜めカットしたミラーにより追尾センサ11へ導いている。送信用ビーコン光は信号光と波長多重カプラ7により多重化されて、ファイバカプラ部へ供給される。   In order to minimize the components of the optical system, the tracking sensor 11 is integrated with the fiber coupler unit. A transparent glass ferrule holding the SMF is used to couple the spatial light with the fiber light, and the beacon light leaking outside the SMF is guided to the tracking sensor 11 by an obliquely cut mirror. The transmission beacon light is multiplexed with the signal light by the wavelength multiplexing coupler 7 and supplied to the fiber coupler unit.

ビーコン光と信号光を波長多重カプラ7で多重化することにより2つの異なる波長の光ビームについて同軸性が常に保たれる。   By multiplexing the beacon light and the signal light by the wavelength multiplexing coupler 7, the coaxiality is always maintained for the light beams having two different wavelengths.

送受信のビーコン光をSMFの端面で空間的に分離するために、受信ビーコン光についてはファイバカプラ部内のファイバ結像レンズ3の焦点位置をSMF端面から少なくとも1mm前側に置く必要がある。一方、送信ビーコン光については、安定なビーコン追尾を受信側で維持するために、光アンテナから送信する際に2ミリラジアン程度の適度なビーム広がりを持たせる必要がある。   In order to spatially separate transmitted / received beacon light at the end face of the SMF, it is necessary to place the focal position of the fiber imaging lens 3 in the fiber coupler portion at least 1 mm forward from the end face of the SMF. On the other hand, for transmission beacon light, in order to maintain stable beacon tracking on the receiving side, it is necessary to have an appropriate beam spread of about 2 milliradians when transmitting from the optical antenna.

ビーコン光についての上記の2つの条件を満たすために、レンズに一定の色収差を持たせて1.5μm帯の信号光は平行光に、0.98μm帯のビーコン光は受信点で十分な大きさをもつような収束・発散光を送信するようにしている。   In order to satisfy the above two conditions for the beacon light, the lens has a certain chromatic aberration, the 1.5 μm band signal light is parallel light, and the 0.98 μm beacon light is sufficiently large at the reception point. Convergent / divergent light that has

一般に光学ガラスは波長が短いほど強い屈折力を有しているため、この特性を用いて図2の点線に示すように光アンテナから送信直後に一旦焦点を結び、その後、必要なビーム広がりを持ったビームとなって受信点に到達する。   In general, optical glass has a strong refractive power as the wavelength is shorter. Therefore, as shown by the dotted line in FIG. 2, the optical glass is focused once immediately after transmission from the optical antenna, and then has the necessary beam spread. The beam reaches the receiving point.

図2においてミラー駆動機構は2軸の自由度を有し、2mm角の4分割Siフォトディテクタによる追尾センサ11からの誤差信号に基づいて駆動されて、光無線通信装置の追尾機能を実現している。   In FIG. 2, the mirror drive mechanism has a biaxial degree of freedom, and is driven based on an error signal from the tracking sensor 11 by a 2 mm square four-divided Si photodetector to realize the tracking function of the optical wireless communication apparatus. .

波長1.5μmの信号光に対する装置全体の内部損失は2.2dBである。この数値には空間光とSMFとの理論結合損失0.9dBが含まれているので、光ファイバ直結型の光無線装置としての低損失化はほぼ限界に達している。   The internal loss of the entire apparatus with respect to signal light having a wavelength of 1.5 μm is 2.2 dB. This numerical value includes a theoretical coupling loss of 0.9 dB between the spatial light and the SMF, so that the reduction in loss as an optical fiber direct-coupled optical wireless device has almost reached its limit.

従来、このような高精度の光学系は、特別に設計・製作した光学部品を微調機構とともに、高価な測定器を用いて組み立てることが常識であったが、本装置ではSMFの結像点で1μm以下の精度(外部のビーム角度にすると1μrad)を実現しているにもかかわらず、ビームエキスパンダの焦点調節機構とミラー駆動機構以外には微調整機構は一切用いていない。   Conventionally, it has been common knowledge in such high-precision optical systems to assemble specially designed and manufactured optical components together with a fine adjustment mechanism and an expensive measuring device. Despite achieving an accuracy of 1 μm or less (1 μrad for an external beam angle), no fine adjustment mechanism is used other than the focus adjustment mechanism and mirror drive mechanism of the beam expander.

上記が実現できた理由は、(1)SMFが理想的な点光源でありこの開口から複数の波長の光を送受することで軸合わせの要求が緩和されている。(2)使用するレーザ光の波長が可視光に比べて長いので、市販されているレンズでも良好な波面収差特性が得られる。(3)空間光のビーム径をなるべく小さくして波面収差の影響を軽減している。ことにある。   The reason why the above can be realized is as follows. (1) The SMF is an ideal point light source, and the request for axis alignment is eased by transmitting and receiving light of a plurality of wavelengths from this aperture. (2) Since the wavelength of the laser beam to be used is longer than that of visible light, even a commercially available lens can obtain good wavefront aberration characteristics. (3) The effect of wavefront aberration is reduced by reducing the spatial light beam diameter as much as possible. There is.

[実施例1]ビーム口径20mm用の光アンテナ
図3の構成で有効径20mm、倍率10倍のビームエキスパンダを実現した例を示す。第1レンズA1は、Edmund Optics社の45806−Lで焦点距離f=100mmの貼り合わせダブレット、第2レンズA2はThorlabs社のAC060−010−Cで焦点距離f=10mmの貼り合わせダブレットで2つのレンズ間隔は103.5mmである。第2レンズA2の前面の曲率半径は9.20mm、後面の曲率半径は10.35mmで、請求項1の接眼レンズの曲率半径に関する条件を満たしている。
[Example 1] Optical antenna for beam diameter 20 mm An example in which a beam expander having an effective diameter of 20 mm and a magnification of 10 times is realized with the configuration of FIG. The first lens A1 is a doublet of Edmund Optics 45806-L with a focal length f = 100 mm, and the second lens A2 is a Thorlabs AC060-010-C with a doublet of focal length f = 10 mm. The lens interval is 103.5 mm. The curvature radius of the front surface of the second lens A2 is 9.20 mm, and the curvature radius of the rear surface is 10.35 mm, which satisfies the condition regarding the curvature radius of the eyepiece lens according to claim 1.

この構成で、口径20mmの入射ビームに対して全角0.8°で回折限界の性能を示すことが分かった。光アンテナとファイバ結像レンズを含めた光学系全体の光学収差を表1に示す。最初の行が全体の光学収差、A1の行とA2の行が光アンテナを構成するレンズA1,A2の光学収差を、A3の行がファイバ結像レンズの収差を示す。縦の列は順番に球面収差、コマ、非点収差、像面湾曲、像面歪曲、色収差を示す。表1から収差の主要な成分は、光アンテナ第1レンズの球面収差であることが分かる。   With this configuration, it was found that a diffraction-limited performance was exhibited at a full angle of 0.8 ° with respect to an incident beam having a diameter of 20 mm. Table 1 shows optical aberrations of the entire optical system including the optical antenna and the fiber imaging lens. The first row shows the entire optical aberration, the rows A1 and A2 show the optical aberrations of the lenses A1 and A2 constituting the optical antenna, and the row A3 shows the aberration of the fiber imaging lens. The vertical columns indicate spherical aberration, coma, astigmatism, field curvature, field distortion, and chromatic aberration in order. From Table 1, it can be seen that the main component of the aberration is the spherical aberration of the optical antenna first lens.

実施例1の2枚組10倍光アンテナの光学収差特性を表1に示す。   Table 1 shows the optical aberration characteristics of the two-pack 10 × optical antenna of Example 1.

Figure 2013148626
Figure 2013148626

これらのレンズはビーコン光の波長(982/972nm)から信号光の波長(1550nm)までの波長帯で無反射コーティングを施した市販ダブレットレンズの中から最適な組み合わせを選定した。この候補として、Edmund社の赤外通信用ダブレットのNIRIIコート品を使用することができる。また、ThorLab社のレンズもCコートを指定することにより、1050nmから1550nmの波長帯で良好な無反射コート特性を持つ製品を選定することができる。   For these lenses, an optimal combination was selected from commercially available doublet lenses having anti-reflection coating in the wavelength band from the wavelength of beacon light (982/972 nm) to the wavelength of signal light (1550 nm). As this candidate, NIRII coated product of doublet for infrared communication manufactured by Edmund can be used. In addition, by specifying the C coat for the ThorLab lens, it is possible to select a product having good antireflection coating characteristics in the wavelength band of 1050 nm to 1550 nm.

次に、市販されているEdumumd Optics社、Thorlabs社、及びCVI社の赤外コートレンズの中から図4の構成を用いて設計・製作した光アンテナのリストを表2に示す。表2に示すレンズの組み合わせにより、倍率4倍から20倍までの広視野・回折限界のビームエキスパンダが実現できた。   Next, Table 2 shows a list of optical antennas designed and manufactured by using the configuration of FIG. 4 among commercially available infrared coated lenses of Edomum Optics, Thorlabs, and CVI. By combining the lenses shown in Table 2, a wide-field, diffraction-limited beam expander with a magnification of 4 to 20 times was realized.

この表の中で接眼レンズとして用いたAC064−013−Cの前面の曲率半径は12.42mm、後面の曲率半径は13.15mmである。このレンズも請求項1の接眼レンズの曲率半径に関する条件を満たす赤外レーザ結像用ダブレットであり広い視野で良好な結像性能がえられる。また、図4で追加された補正レンズである第2レンズB2の位置は第1レンズB1の焦点距離の0.25〜0.9倍で良好な収差補正特性が得られた。以下に代表的な2つの例、表2のe及びaについて構成を説明する。   In this table, the curvature radius of the front surface of AC064-013-C used as an eyepiece in this table is 12.42 mm, and the curvature radius of the rear surface is 13.15 mm. This lens is also a doublet for infrared laser imaging satisfying the condition relating to the radius of curvature of the eyepiece of claim 1, and good imaging performance can be obtained in a wide field of view. Further, the position of the second lens B2, which is a correction lens added in FIG. 4, is 0.25 to 0.9 times the focal length of the first lens B1, and good aberration correction characteristics are obtained. The configuration of two typical examples, e and a in Table 2, will be described below.

表2に試作に用いたレンズ、アンテナ口径、倍率、有効視野角の関係を示す。   Table 2 shows the relationship among the lens, antenna aperture, magnification, and effective viewing angle used in the prototype.

Figure 2013148626
Figure 2013148626

[実施例2]ビーム口径13mm用の光アンテナ(表2のeの行)
距離が10m程度の近距離伝送に使うことを想定して、図4に示す3枚のレンズ構成で、表2のeの行に示すレンズを用い有効口径15mmの近距離光アンテナを設計・製作した。ビームエキスパンダの倍率は6.5倍である。第1レンズB1は、Edmund Optics社の45802−Lで焦点距離f=45mmの貼り合わせダブレット、第2レンズB2は補正レンズでThorlabs社のLC1439−Cで焦点距離f=−50mmの平凹レンズ、第3レンズB3はThorlabs社のAC060−010−Cで焦点距離f=10mmの貼り合わせダブレットである。
[Example 2] Optical antenna for beam aperture of 13 mm (row e in Table 2)
Designing and manufacturing a short-distance optical antenna with an effective aperture of 15 mm using the lens shown in row e of Table 2 with the three-lens configuration shown in FIG. 4, assuming that it is used for short-distance transmission with a distance of about 10 m. did. The magnification of the beam expander is 6.5 times. The first lens B1 is a doublet with a focal length f = 45 mm from Edmund Optics 45802-L, the second lens B2 is a correction lens, a plano-concave lens with a focal length f = -50 mm from LC1439-C from Thorlabs. The three lenses B3 are Thorlabs AC060-010-C and a doublet with a focal length of f = 10 mm.

第1レンズB1と第2レンズB2の間隔は22.9mm、第2レンズB2と第3レンズB3の間隔は28.0mmである。補正レンズB2の位置は対物レンズと接眼レンズの光学収差が同時に補正されるように決め、対物レンズB1の焦点距離45mmの0.51倍になっている。   The distance between the first lens B1 and the second lens B2 is 22.9 mm, and the distance between the second lens B2 and the third lens B3 is 28.0 mm. The position of the correction lens B2 is determined so that the optical aberrations of the objective lens and the eyepiece lens can be corrected simultaneously, and is 0.51 times the focal length of 45 mm of the objective lens B1.

この構成で、口径12.9mmの入射ビームに対して、全角視野2.0°にわたって回折限界の精度が得られた。上記に説明した表2のeの行の構成による光アンテナとファイバ結像レンズを含めた光学収差を表3に示す。最初の行が光学系全体の収差を、B1の行からB3の行が光アンテナを構成する各レンズの収差、B4の行がファイバ結像レンズの収差を示す。表1に示した2レンズ構成の光アンテナに比べて、第2レンズB2によって特に第1レンズの球面収差とコマの大半が補正できていることが分かる。   With this configuration, the accuracy of diffraction limit was obtained over a full angle field of 2.0 ° with respect to an incident beam having a diameter of 12.9 mm. Table 3 shows optical aberrations including the optical antenna and the fiber imaging lens according to the configuration of row e in Table 2 described above. The first row shows the aberration of the entire optical system, the rows B1 to B3 show the aberration of each lens constituting the optical antenna, and the row B4 shows the aberration of the fiber imaging lens. As compared with the optical antenna having the two-lens configuration shown in Table 1, it can be seen that the second lens B2 can correct most of the spherical aberration and coma of the first lens.

実施例2(表2のeの行の光アンテナ)の3枚組6.5倍光アンテナの光学収差特性を表3に示す。   Table 3 shows the optical aberration characteristics of the triplex 6.5 × optical antenna of Example 2 (optical antenna in row e of Table 2).

Figure 2013148626
Figure 2013148626

[実施例3]ビーム口径42mm用の光アンテナ(表2のaの行)
図4の構成で、Edmund Optics社の直径50mmの大口径貼り合わせダブレットを用いて設計した、倍率21倍のビームエキスパンダの結果を示す。表2のaの行に示すレンズを用い、第1レンズB1は、Edmund Optics社の47318−Lで焦点距離f=150mmの貼り合わせダブレット、第2レンズB2はCVI社のPLCC−15.0−38.6−C−1050−1600で直径15mm、焦点距離f=−75mmの平凹レンズ、第3レンズB3はThorlabs社のAC060−010−Cで焦点距離f=10mmの貼り合わせダブレットである。
[Example 3] Optical antenna for a beam diameter of 42 mm (line a in Table 2)
FIG. 5 shows the result of a beam expander with a magnification of 21 times designed using the large-diameter bonded doublet of 50 mm in diameter manufactured by Edmund Optics with the configuration of FIG. 4. The first lens B1 is 47318-L of Edmund Optics with a focal length f = 150 mm, and the second lens B2 is PLCC-15.0- of CVI. 38.6-C-1050-1600 is a plano-concave lens having a diameter of 15 mm and a focal length f = -75 mm, and the third lens B3 is a doublet of Thorlabs AC060-010-C having a focal length f = 10 mm.

第1レンズB1と第2レンズB2の間隔は119.4mm、第2レンズB2と第3レンズB3の間隔は36.4mmである。補正レンズB2の位置は対物レンズと接眼レンズの光学収差が同時に補正されるように決め、対物レンズB1の焦点距離45mmの0.796倍になっている。   The distance between the first lens B1 and the second lens B2 is 119.4 mm, and the distance between the second lens B2 and the third lens B3 is 36.4 mm. The position of the correction lens B2 is determined so that the optical aberrations of the objective lens and the eyepiece lens are corrected simultaneously, and is 0.796 times the focal length of 45 mm of the objective lens B1.

この構成で、口径42mmの入射ビームに対して、全角視野0.6°にわたって回折限界の精度が得られた。表2のaの行の構成による光アンテナとファイバ結像レンズを含めた光学収差を表4に示す。最初の行が光学系全体の収差を、B1の行からB3の行が光アンテナを構成する各レンズの収差、B4の行がファイバ結像レンズの収差を示す。第2レンズB2(平凹レンズ)によって特に第1レンズのコマと非点収差の大半が補正できているが、球面収差の補正効果は表3よりも少なくなっている。   With this configuration, diffraction limit accuracy was obtained over an incident angle of 42 mm over a full-angle field of 0.6 °. Table 4 shows optical aberrations including the optical antenna and the fiber imaging lens according to the configuration of row a in Table 2. The first row shows the aberration of the entire optical system, the rows B1 to B3 show the aberration of each lens constituting the optical antenna, and the row B4 shows the aberration of the fiber imaging lens. Although most of the coma and astigmatism of the first lens can be corrected by the second lens B2 (plano-concave lens), the effect of correcting spherical aberration is less than that of Table 3.

実施例3(表2のaの行)の3枚組21倍の光アンテナの光学収差特性を表4に示す。   Table 4 shows the optical aberration characteristics of the optical antenna of the triplex 21 times optical antenna of Example 3 (line a in Table 2).

Figure 2013148626
Figure 2013148626

[実施例4]ビーム口径46mm用の光アンテナ
対物レンズに複数の組レンズを用いた図5の構成で倍率23倍のビームエキスパンダを設計した結果を示す。対物レンズ(第1レンズC1と第2レンズC2)にはThorlabs社のAC508−250−C及びLE1985−Cを用いている。また第3レンズC3にはThorlabs社の焦点距離f=−25mmの平凹レンズLC1054−Cを用いる。第4レンズC4には図4と同じThorlabs社のAC060−010−Cを用いている。第1レンズC1と第2レンズC2の間隔は1mm、第2レンズC2と第3レンズC3の間隔は118.6mm、第3レンズC3と第4レンズC4の間隔は22.5mmである。
[Example 4] Optical antenna for a beam aperture of 46 mm FIG. 5 shows the result of designing a beam expander with a magnification of 23 times in the configuration of FIG. 5 using a plurality of combination lenses as an objective lens. The objective lenses (first lens C1 and second lens C2) are Thorlabs AC508-250-C and LE1985-C. The third lens C3 is a plano-concave lens LC1054-C having a focal length f = −25 mm from Thorlabs. For the fourth lens C4, the same Thorlabs AC060-010-C as in FIG. 4 is used. The distance between the first lens C1 and the second lens C2 is 1 mm, the distance between the second lens C2 and the third lens C3 is 118.6 mm, and the distance between the third lens C3 and the fourth lens C4 is 22.5 mm.

この構成で、口径45.9mmの入射ビームに対して、全角視野0.4°にわたって回折限界の精度が得られた。光アンテナとファイバ結像レンズを含めた実施例4の光学系の光学収差を表5に示す。最初の行が光学系全体の収差を、C1の行からC4の行が光アンテナを構成する各レンズの収差、C5の行がファイバ結像レンズの収差を示す。   With this configuration, diffraction-limited accuracy was obtained over an incident angle of 45.9 mm over a full-angle field of view of 0.4 °. Table 5 shows optical aberrations of the optical system of Example 4 including the optical antenna and the fiber imaging lens. The first row shows the aberration of the entire optical system, the rows C1 to C4 show the aberration of each lens constituting the optical antenna, and the row C5 shows the aberration of the fiber imaging lens.

第3レンズC3(平凹レンズ)によって第1レンズC1の球面収差、コマと非点収差の大半が補正できている。視野が実施例3よりも小さくなった原因は第4レンズC4(接眼レンズ)の光線高が大きくなって収差が急激に増加するためである。しかしながら、このビーム口径、入射角で回折限界の性能を示すビームエキスパンダは従来の技術では実現できなかったものである。ビームエキスパンダの全長は168mmで、倍率23倍としては小型になった。   The third lens C3 (plano-concave lens) corrects most of the spherical aberration, coma and astigmatism of the first lens C1. The reason that the field of view is smaller than that of Example 3 is that the ray height of the fourth lens C4 (eyepiece lens) is increased and the aberration is rapidly increased. However, the beam expander which shows the performance of the diffraction limit at the beam aperture and the incident angle cannot be realized by the conventional technology. The total length of the beam expander was 168 mm, and the beam expander was reduced in size to 23 times.

実施例4の4枚組23倍の光アンテナの光学収差特性を表5に示す。   Table 5 shows the optical aberration characteristics of the four-element set 23-fold optical antenna of Example 4.

Figure 2013148626
Figure 2013148626

[実施例5] 広視野の光アンテナ
実施例4の光アンテナで視野を制限している要因が接眼レンズの光学性能であることが分かったので、より広視野にするために、実施例3の構成で第3レンズに使用している貼り合わせダブレット(2枚組)から三枚の貼り合わせトリプレットレンズ構成に変えたのが図6の構成である。この第3レンズD3(接眼レンズ)の対称型の貼り合わせ3枚組レンズとして市販レンズの中でこのような構成のレンズは、Edmund Optics社のSteinheilトリプレットレンズしかなく、表面の無反射コートも赤外波長までは対応していない。
[Example 5] Optical antenna with a wide field of view Since it was found that the factor limiting the field of view with the optical antenna of Example 4 was the optical performance of the eyepiece lens. The configuration shown in FIG. 6 is changed from a doublet (two-disc set) used for the third lens to a three-triplet triplet configuration. Among the commercially available lenses, this third lens D3 (eyepiece lens) is a symmetrical laminated three-lens lens, and the only lens with such a configuration is a Steinheile triplet lens manufactured by Edmund Optics. It does not support up to outside wavelengths.

そこで、第3レンズD3を市販されている焦点距離12.5mmのSteinheilトリプレット47673−Lを用いて、結像性能を評価した。残りのレンズは実施例3と同じである。この構成で、倍率は17.5倍となり口径35mmの入射ビームに対して、全角で0.8°まで回折限界の光学性能が得られた。この実施例5の光学収差の計算結果を表6に示す。このような対称構成のトリプレットでは、前面の曲率半径と後面の曲率半径が等しくなり、請求項1の条件を満たす。   Therefore, the imaging performance was evaluated using a commercially available Steinheile triplet 47673-L having a focal length of 12.5 mm. The remaining lenses are the same as in Example 3. With this configuration, the magnification was 17.5 times, and a diffraction-limited optical performance up to 0.8 ° in full angle was obtained for an incident beam having a diameter of 35 mm. Table 6 shows the calculation results of the optical aberration of Example 5. In such a symmetrical triplet, the curvature radius of the front surface and the curvature radius of the rear surface are equal, and the condition of claim 1 is satisfied.

実施例5の3枚組の接眼レンズを用いた17.5倍光アンテナの光学収差特性を表6に示す。   Table 6 shows optical aberration characteristics of the 17.5 × optical antenna using the triplet eyepiece of Example 5.

Figure 2013148626
Figure 2013148626

[実施例6] 大口径かつ広視野の光アンテナ
さらに、実施例4で用いた対物レンズ群(C1,C2)に実施例5で用いた貼り合わせ3枚組の接眼レンズD3とを組み合わせることにより、大口径かつ広視野の光アンテナが実現できた。この構成が請求項5に対応する。光アンテナを構成するレンズの数が増加すると、各面での反射損失やゴーストの影響が増加し、重量やコストも増加するので、最適なレンズ構成がどれかは必要な視野やビーム口径によって変わってくるが、本実施例を参考にすることにより、市販レンズの中から最適な組み合わせを選択することにより、従来考えられなかった光学性能を持った光アンテナ(ビームエキスパンダ)が実現できることが分かった。
[Example 6] Optical antenna having a large aperture and a wide field of view Further, by combining the objective lens group (C1, C2) used in Example 4 with the three-piece eyepiece D3 bonded in Example 5 An optical antenna with a large aperture and a wide field of view could be realized. This configuration corresponds to claim 5. As the number of lenses that make up an optical antenna increases, the effects of reflection loss and ghosting on each surface increase, and the weight and cost also increase, so the optimal lens configuration depends on the required field of view and beam aperture. However, by referring to this example, it is understood that an optical antenna (beam expander) with optical performance that has not been conceived in the past can be realized by selecting an optimal combination from commercially available lenses. It was.

1 対物レンズ
2 接眼レンズ
3 ファイバ結像レンズ
4 ミラー駆動機構
5 光アンテナ(ビームエキスパンダ)
6 ガラスフェルール
7 波長多重カプラ
8 ファイバカプラ部
9 ビーコン光の光源
10 干渉フィルタ
11 4分割Si−PD
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Objective lens 2 Eyepiece 3 Fiber imaging lens 4 Mirror drive mechanism 5 Optical antenna (beam expander)
6 Glass Ferrule 7 Wavelength Multiplexing Coupler 8 Fiber Coupler 9 Beacon Light Source 10 Interference Filter 11 Four-Division Si-PD

Claims (5)

外部空間に向けられた対物レンズ及び装置内に向けられた接眼レンズを有するケプラー型の光無線通信装置用の光アンテナであって、
前記対物レンズおよび前記接眼レンズが、一般の結像用に光学収差が補正された市販のレンズから選択されたレンズであり、
前記接眼レンズの前面の曲率半径と後面の曲率半径との比が0.8乃至1.2であることを特徴とする光アンテナ。
An optical antenna for a Kepler-type optical wireless communication device having an objective lens directed to an external space and an eyepiece directed to the inside of the device,
The objective lens and the eyepiece lens are lenses selected from commercially available lenses with optical aberrations corrected for general imaging,
An optical antenna, wherein a ratio of a curvature radius of a front surface of the eyepiece and a curvature radius of a rear surface is 0.8 to 1.2.
前記対物レンズと前記接眼レンズとの間に補正レンズとして1枚の平凹レンズが対物レンズ側に凹面を向けて配置され、
前記補正レンズの位置が前記対物レンズの焦点距離の0.25倍乃至0.9倍の範囲で、前記対物レンズと前記接眼レンズの光学収差を同時に補正する位置であることを特徴とする請求項1に記載の光アンテナ。
Between the objective lens and the eyepiece lens, one plano-concave lens is arranged as a correction lens with the concave surface facing the objective lens side,
The position of the correction lens is a position that simultaneously corrects optical aberrations of the objective lens and the eyepiece in a range of 0.25 to 0.9 times the focal length of the objective lens. The optical antenna according to 1.
前記対物レンズが2枚以上の複数のレンズからなる凸組レンズであることを特徴とする請求項2に記載の光アンテナ。   The optical antenna according to claim 2, wherein the objective lens is a convex lens assembly composed of a plurality of two or more lenses. 前記接眼レンズが2枚以上の複数のレンズからなる組レンズであることを特徴とする請求項2に記載の光アンテナ。   The optical antenna according to claim 2, wherein the eyepiece is a combined lens composed of a plurality of two or more lenses. 前記対物レンズが、凸ダブレットレンズ及び他のレンズからなる組レンズであり、
前記接眼レンズが、凸ダブレットレンズ及び他のレンズからなる組レンズであることを特徴とする請求項2に記載の光アンテナ。
The objective lens is a combined lens composed of a convex doublet lens and another lens,
The optical antenna according to claim 2, wherein the eyepiece is a combined lens including a convex doublet lens and another lens.
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