JP2014174041A - Optical antenna and optical wave rader system - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、レーザー光を空間に向け送受信する光アンテナと、光アンテナにより受信されたレーザー光から目標を観測する送受信装置を有する光波レーダ装置とに関するものである。 The present invention relates to an optical antenna that transmits and receives laser light toward a space, and a light wave radar device that includes a transmission and reception device that observes a target from laser light received by the optical antenna.
空間に存在している目標に向けてレーザー光を発振し、目標によって散乱や反射された戻り光のドップラーシフトから目標の速度を推定する光波レーダ装置では、レーザー光を所望の方向や距離に向けて放射する一方、目標により散乱されて戻ってきたレーザー光を光受信装置に集光する光アンテナが用いられる。
光アンテナがレーザー光の送受信方向を変化させる手段として、光アンテナから放射されるレーザー光(あるいは、光アンテナに戻ってくるレーザー光)を透過するウェッジプリズムを配置し、ウェッジプリズムを透過するときのレーザー光の屈折方向をウェッジプリズムの回転によって変化させる方式が知られている(例えば、特許文献1を参照)。
In a light wave radar device that oscillates laser light toward a target existing in space and estimates the target speed from the Doppler shift of the return light scattered or reflected by the target, the laser light is directed to a desired direction or distance. An optical antenna that collects the laser beam scattered and returned by the target on the optical receiver is used.
As a means for the optical antenna to change the transmission / reception direction of the laser beam, a wedge prism that transmits the laser beam radiated from the optical antenna (or the laser beam that returns to the optical antenna) is arranged and transmitted through the wedge prism. A method of changing the refraction direction of laser light by rotating a wedge prism is known (for example, see Patent Document 1).
ただし、ウェッジプリズムを回転させるには、有限の時間を要するため、例えば、瞬間的な風速を計測したいアプリケーションには適さない。
そこで、レーザー光を伝送する光ファイバをコリメートレンズの焦点面近傍に複数本配置し、複数本の光ファイバのうち、光受信装置と接続される光ファイバを切り替えることで、瞬時に送受信方向を変更することが可能な光ファイバ型走査方式が開発されている(例えば、特許文献2を参照)。
However, since it takes a finite time to rotate the wedge prism, it is not suitable for, for example, an application for measuring instantaneous wind speed.
Therefore, multiple optical fibers that transmit laser light are placed near the focal plane of the collimator lens, and the transmission / reception direction can be changed instantaneously by switching the optical fiber connected to the optical receiver among the multiple optical fibers. An optical fiber scanning system that can be used has been developed (see, for example, Patent Document 2).
また、風速を計測する光波レーダ装置では、レーザー光が所望の計測距離に集光するように、光ファイバを光アンテナの焦点面から移動させる必要がある。
そのとき、最大のSN(Signal to Noise ratio)比を得るには、レーザー光の径を計測距離に応じて可変することが望ましい。
これを実現するために、写真レンズのズームレンズと同じ原理の焦点距離可変手段を光アンテナの内部に設けている方式が開発されている(例えば、特許文献3を参照)。
Further, in the light wave radar device that measures the wind speed, it is necessary to move the optical fiber from the focal plane of the optical antenna so that the laser light is condensed at a desired measurement distance.
At that time, in order to obtain the maximum SN (Signal to Noise ratio) ratio, it is desirable to vary the diameter of the laser beam according to the measurement distance.
In order to realize this, a method has been developed in which focal length variable means having the same principle as that of a zoom lens of a photographic lens is provided inside an optical antenna (see, for example, Patent Document 3).
従来の光アンテナは以上のように構成されているので、複数本の光ファイバをコリメートレンズの焦点面近傍に配置して、光受信装置と接続される光ファイバを切り替える方式を採用する場合には(特許文献2の場合)、広い視野を有するコリメートレンズが必要である。しかし、このようなコリメートレンズは、一般的でないため、製造コストが高くなる。また、広い視野を確保するには、コリメートレンズが大口径になるとともに、送受信方向に応じた複数本の光ファイバをコリメートレンズの焦点面に配置する必要があるため、光アンテナが大型化して重量が増加してしまう課題があった。
また、焦点距離可変手段を光アンテナの内部に設ける方式では(特許文献3の場合)、レーザー光の径の可変に伴って、コリメートレンズの焦点距離が変化してしまうため、意図しない方向にレーザー光が変化してしまう課題があった。
Since the conventional optical antenna is configured as described above, when adopting a system in which a plurality of optical fibers are arranged near the focal plane of the collimating lens and the optical fiber connected to the optical receiver is switched. (In the case of Patent Document 2), a collimating lens having a wide field of view is required. However, since such a collimating lens is not common, the manufacturing cost increases. In addition, in order to secure a wide field of view, the collimating lens has a large diameter, and a plurality of optical fibers according to the transmission / reception direction must be arranged on the focal plane of the collimating lens. There was a problem that would increase.
Further, in the method in which the focal length changing means is provided inside the optical antenna (in the case of Patent Document 3), the focal length of the collimating lens changes as the diameter of the laser light changes, so that the laser is directed in an unintended direction. There was a problem that light changed.
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、大型化やコスト高を招くことなく、所望の方向にレーザー光を瞬時に切り替えることができる光アンテナ及び光波レーダ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 provides an optical antenna and a light wave radar device capable of instantaneously switching laser light in a desired direction without incurring an increase in size and cost. With the goal.
この発明に係る光アンテナは、レーザー光を伝送する複数本の光ファイバと、光ファイバの一方の終端部と接続されており、焦点距離を可変する焦点距離可変機構及びフォーカスを調整するフォーカス調整機構を備えた複数のバリフォーカルレンズとを設け、光ファイバ選択手段が、複数本の光ファイバの中から任意の光ファイバを1本選択して、その光ファイバの他方の終端部を送受信装置と接続するようにしたものである。 An optical antenna according to the present invention is connected to a plurality of optical fibers that transmit laser light, and one end of the optical fiber, and a focal length variable mechanism that varies a focal distance and a focus adjustment mechanism that adjusts the focus A plurality of varifocal lenses provided with optical fiber selecting means, and an optical fiber selecting means selects one arbitrary optical fiber from the plurality of optical fibers and connects the other end of the optical fiber to the transmitting / receiving device It is what you do.
この発明によれば、光ファイバの一方の終端部と接続されており、焦点距離を可変する焦点距離可変機構及びフォーカスを調整するフォーカス調整機構を備えた複数のバリフォーカルレンズを設け、光ファイバ選択手段が、複数本の光ファイバの中から任意の光ファイバを1本選択して、その光ファイバの他方の終端部を送受信装置と接続するように構成したので、大型化やコスト高を招くことなく、所望の方向にレーザー光を瞬時に切り替えることができる効果がある。 According to the present invention, there is provided a plurality of varifocal lenses that are connected to one end portion of an optical fiber and are provided with a focal length variable mechanism that varies a focal distance and a focus adjustment mechanism that adjusts the focus. Since the means is configured to select one optical fiber from a plurality of optical fibers and connect the other end of the optical fiber to the transmission / reception device, the size and cost are increased. There is an effect that laser light can be instantaneously switched in a desired direction.
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による光アンテナを実装している光波レーダ装置を示す構成図である。
図1において、送受信装置1は光アンテナ10から空間に放射されるレーザー光を光アンテナ10に出力する一方、光アンテナ10により入射されたレーザー光から目標を観測する装置である。
送受信装置1の送信光生成部2はレーザー光(送信光)を発振するレーザー光源である。
サーキュレーター3は送信光生成部2により発振されたレーザー光を光アンテナ10に出力するとともに、そのレーザー光を局部発振光として光ヘテロダイン受信部4に出力する一方、光アンテナ10により入射されたレーザー光(受信光)を光ヘテロダイン受信部4に出力する光分岐部である。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a block diagram showing a light wave radar apparatus equipped with an optical antenna according to Embodiment 1 of the present invention.
In FIG. 1, a transmission / reception device 1 is a device for observing a target from laser light incident on the
The transmission
The circulator 3 outputs the laser light oscillated by the transmission
光ヘテロダイン受信部4はサーキュレーター3から出力された局部発振光とレーザー光(受信光)との差分周波数成分の光強度に応じた電気信号を生成する処理を実施する。
信号処理部5は光ヘテロダイン受信部4により生成された電気信号に基づいて、目標を観測する処理を実施する。目標を観測する処理としては、例えば、風速を計測する処理などが該当するが、これらの処理は公知の技術を想定しているので、詳細な説明は省略する。
The
The
光アンテナ10は送受信装置1から出力されたレーザー光(送信光)を空間に放射する一方、空間に存在している目標に散乱されて戻ってきたレーザー光(受信光)を入射して、そのレーザー光(受信光)を送受信装置1に出力する機器である。
光アンテナ10は光ファイバ11を介して送受信装置1と接続されており、光アンテナ10の内部には、複数本の光ファイバ12が配線されている。
図1の例では、4本の光ファイバ12が配線されているが、これは一例に過ぎず、2本以上の光ファイバ12が配線されていればよい。
The
The
In the example of FIG. 1, four
バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dは光ファイバ12A,12B,12C,12Dの一方の終端部と接続されており、焦点距離を可変する焦点距離可変機構及びフォーカスを調整するフォーカス調整機構を備えている光部品である。
この実施の形態1では、後述するように、ウェッジプリズム14A,14B,14C,14Dが配置されているため、バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dの光軸が互いに平行に配置されているが、ウェッジプリズム14A,14B,14C,14Dが配置されていない場合、レーザー光の送受信方向が所望方向と一致するように、バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dの光軸が互いに異なる角度で傾けられて配置される。
The
In the first embodiment, as will be described later, since the
ウェッジプリズム14A,14B,14C,14Dはバリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dの両面のうち、光ファイバ12A,12B,12C,12Dの一方の終端部と接続されていない側の面に配置されており、バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dから出射されたレーザー光を互いに異なる方向に屈折させて空間に放射する一方、互いに異なる方向から戻ってきたレーザー光をバリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dに入射させる光部品である。
光ファイバスイッチ15は光ファイバ12A,12B,12C,12Dの中から、任意の光ファイバ12を1本選択して、その光ファイバ12の他方の終端部を光ファイバ11と接続する処理を実施する。なお、光ファイバスイッチ15は光ファイバ選択手段を構成している。
The
The
ここで、バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dにおける鏡胴の外周には焦点距離変更用ギア16が固定されており、各焦点距離変更用ギア16は互いに噛み合っている。
焦点距離変更用ギア16にはギア付き電動モーターであるステッピングモーター17のピニオンギア17aが噛み合っており、ステッピングモーター17がピニオンギア17aを回転させることで、バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dにおける鏡胴を光軸まわりに回転させて、バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dの焦点距離を可変する。なお、焦点距離変更用ギア16及びステッピングモーター17から焦点距離可変機構が構成されている。
Here, a focal
The focal
また、バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dにおける鏡胴の外周にはフォーカス調整用ギア18が固定されており、各フォーカス調整用ギア18は互いに噛み合っている。
フォーカス調整用ギア18にはギア付き電動モーターであるステッピングモーター19のピニオンギア19aが噛み合っており、ステッピングモーター19がピニオンギア19aを回転させることで、バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dにおける鏡胴を光軸まわりに回転させて、バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dのフォーカスを調整する。なお、フォーカス調整用ギア18及びステッピングモーター19からフォーカス調整機構が構成されている。
A
The
図2はこの発明の実施の形態1による光アンテナ10のバリフォーカルレンズ13Aを示す断面図である。
バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dの構成は概ね同一であり(一部相違する部分は後述する)、図2は代表的に、バリフォーカルレンズ13Aの構成を示している。
図2において、フォーカシングレンズ21は正の屈折力を有する凸レンズである。
バリエーターレンズ22は負の屈折力を有する凹レンズである。
光ファイバレセプタクル23は光ファイバ12Aの一方の終端部を保持する保持具である。
FIG. 2 is a sectional view showing the
The
In FIG. 2, a focusing
The
The
第1の鏡胴である鏡胴24はフォーカシングレンズ21を内部に固定する円筒状の部品である。
第2の鏡胴である鏡胴25はバリエーターレンズ22を内部に固定する円筒状の部品である。
なお、鏡胴24は円筒の内面に内ネジを有し、鏡胴25は円筒の外面に外ネジを有しており、その内ネジと外ネジが互いに噛み合っている。
第3の鏡胴である鏡胴26は光ファイバレセプタクル23を内部に固定しており、鏡胴25と一体的に移動する部品である。
The
The
The
The
調整環27はフォーカス調整用ギア18と一体となって回転する円筒状の部品であり、円筒の内面には鏡胴25の外ネジと噛み合う内ネジを有している。
ベアリング28は調整環27の回転力を吸収し、ネジによる伸縮方向の力のみを鏡胴26に伝達する部材である。
The
The
次に動作について説明する。
光アンテナ10には4本の光ファイバ12が配線されている。
光ファイバスイッチ15は、光ファイバ12A,12B,12C,12Dの中から、レーザー光の所望の送受信方向に対応するバリフォーカルレンズ13が接続されている光ファイバ12を1本選択して、その光ファイバ12の終端部を光ファイバ11と接続するように動作する。
このような光ファイバスイッチ15は、例えば、光ファイバ12A,12B,12C,12Dの何れかから空間に放射されたレーザー光がレンズで別の光ファイバ11の終端部と接続するように構成されている。また、光ファイバ12A,12B,12C,12Dと光ファイバ11の間の空間に、電動モーターで角度が可動するミラー等が設置され、そのミラー等の角度が可動されることで、空間を伝搬するレーザー光が所望の光ファイバ12と結合されるように、動的に反射屈曲させることで実現することができる。
Next, the operation will be described.
Four
The
Such an
4本の光ファイバ12の一方の終端部は、上述したように、バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dと接続されている。
バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dは、後述する僅かな違いを除いて、同一の寸法・機能・性能であり、内蔵している複数のレンズによって、光ファイバ12A,12B,12C,12Dから出射されたレーザー光を略平行光に変換して、空間に放射する。
また、バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dは、鏡胴24の外周に固定されている焦点距離変更用ギア16がステッピングモーター17によって回転させられると、内部のレンズ群が移動することで、焦点距離を任意に可変することができる(詳細は後述する)。
また、バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dは、鏡胴である調整環27の外周に固定されているフォーカス調整用ギア18がステッピングモーター19によって回転させられると、内部のレンズ群(レンズ系の焦点)と光ファイバ12A,12B,12C,12Dの終端部との距離が増減することで、空間に放射されたレーザー光(送信光)が集光する距離(光波レーダー装置の測定対象の距離)を任意に変化させることができる(詳細は後述する)。
One terminal portion of the four
The
The
The
バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dは、上述したように、光軸が互いに平行になるように配置されている。
したがって、バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dのレーザー光の送受信方向は平行である。
バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dから出射されるレーザー光(送信光)や、バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dに入射されるレーザー光(受信光)は、ウェッジプリズム14A,14B,14C,14Dを透過する。
As described above, the
Therefore, the transmission / reception directions of the laser beams of the
Laser light (transmitted light) emitted from the
ウェッジプリズム14A,14B,14C,14Dは、両面が平面研磨されたガラス又は他の光学材質の板であり、両面が平行ではなく、所定の角度を持つように構成されている。
このため、ウェッジプリズム14A,14B,14C,14Dを透過する送受信光は、空気とガラスとの屈折率差と、両面の角度差とに応じた角度だけ屈折して、レーザー光の送受信方向が変化する。
例えば、形状が同じで、屈折角が同等であるウェッジプリズム14A,14B,14C,14Dを使用する場合、ウェッジプリズム14A,14B,14C,14Dの傾斜の向きが異なるように配置される。
図1の例では、ウェッジプリズム14Aを基準とすると、ウェッジプリズム14B,14C,14Dの傾斜の向きが90度、180度、270度となるように配置される。
The
Therefore, the transmission / reception light transmitted through the
For example, when the
In the example of FIG. 1, when the
したがって、光ファイバスイッチ15が選択する光ファイバ12を切り替えると、レーザー光を送受信するバリフォーカルレンズ13が切り替わる。
バリフォーカルレンズ13が切り替わると、レーザー光の送受信方向が瞬時に切り替わる。
よって、光ファイバスイッチ15が、所望の送受信方向に対応するバリフォーカルレンズ13が接続されている光ファイバ12を選択することで、レーザー光の送受信方向を所望の方向に瞬時に切り替えることができる。
Therefore, when the
When the varifocal lens 13 is switched, the laser beam transmission / reception direction is switched instantaneously.
Therefore, the
バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dの焦点距離変更用ギア16及びフォーカス調整用ギア18は、ステッピングモーター17,19によって回転される。
このステッピングモーター17,19は、一般的なステッピングモーターで構成されており、図示せぬドライバ回路に制御信号を入力することで、所定の角度だけ回転してから回転を止めて、その回転角を保持する動作を任意に行うことができる。
ステッピングモーター17,19は、ピニオンギア17a,19aが回転軸に取り付けられており、ステッピングモーター17のピニオンギア17aは焦点距離変更用ギア16と噛み合っている。また、ステッピングモーター19のピニオンギア19aはフォーカス調整用ギア18と噛み合っている。
したがって、バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dは、ステッピングモーター17,19によって、焦点距離の変更やフォーカスの調整を行うことが可能となる。
The focal
The stepping
The stepping
Therefore, the
また、バリフォーカルレンズ13Aの焦点距離変更用ギア16は、バリフォーカルレンズ13B,13Cの焦点距離変更用ギア16と噛み合っており、バリフォーカルレンズ13Dの焦点距離変更用ギア16も、バリフォーカルレンズ13B,13Cの焦点距離変更用ギア16と噛み合っている。
したがって、ステッピングモーター17の回転運動は、バリフォーカルレンズ13Aの焦点距離変更用ギア16からバリフォーカルレンズ13B,13Cの焦点距離変更用ギア16に伝達されて、バリフォーカルレンズ13Dの焦点距離変更用ギア16に伝達される。
ここで、バリフォーカルレンズ13A,13Dの焦点距離変更用ギア16と、バリフォーカルレンズ13B,13Cの焦点距離変更用ギア16とは、回転方向に対する焦点距離移動方向が逆方向になっており、移動量の絶対値は等しく構成されている。
The focal
Accordingly, the rotational movement of the stepping
Here, the focal
例えば、バリフォーカルレンズ13A,13Dは、上から見て右回転で焦点距離が正方向に移動するが、バリフォーカルレンズ13B,13Cは、上から見て左回転で焦点距離が正方向に移動する。
即ち、ステッピングモーター17の回転に対して、バリフォーカルレンズ13A,13Dは逆転し、バリフォーカルレンズ13B,13Cは正転する。
以上の構成をとることにより、焦点距離変更用ギア16の回転によって、焦点距離変更を行うことにより、同じ移動方向、移動量だけ焦点距離が変化する。
For example, the focal lengths of the
That is, with respect to the rotation of the stepping
By adopting the above configuration, the focal length is changed by the same moving direction and moving amount by changing the focal length by the rotation of the focal
また、バリフォーカルレンズ13Aのフォーカス調整用ギア18は、バリフォーカルレンズ13B,13Cのフォーカス調整用ギア18と噛み合っており、バリフォーカルレンズ13Dのフォーカス調整用ギア18も、バリフォーカルレンズ13B,13Cのフォーカス調整用ギア18と噛み合っている。
したがって、ステッピングモーター19の回転運動は、バリフォーカルレンズ13Aのフォーカス調整用ギア18からバリフォーカルレンズ13B,13Cのフォーカス調整用ギア18に伝達されて、バリフォーカルレンズ13Dのフォーカス調整用ギア18に伝達される。
ここで、バリフォーカルレンズ13A,13Dのフォーカス調整用ギア18と、バリフォーカルレンズ13B,13Cのフォーカス調整用ギア18とは、回転方向に対するフォーカス移動方向(光ファイバ12の終端部とレンズ群との距離の増減方向)が逆方向になっており、移動量の絶対値は等しく構成されている。
Further, the
Therefore, the rotational motion of the stepping
Here, the
例えば、バリフォーカルレンズ13A,13Dは、上から見て右回転でフォーカスが正方向に移動するが、バリフォーカルレンズ13B,13Cは、上から見て左回転でフォーカスが正方向に移動する。
即ち、ステッピングモーター19の回転に対して、バリフォーカルレンズ13A,13Dは逆転し、バリフォーカルレンズ13B,13Cは正転する。
以上の構成をとることにより、フォーカス調整用ギア18の回転によって、フォーカス調整を行うことにより、同じ移動方向、移動量だけフォーカス位置が変化する。
For example, the
That is, with respect to the rotation of the stepping
By adopting the above configuration, the focus position is changed by the same movement direction and movement amount by performing the focus adjustment by the rotation of the
次に、バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dの内部の動作(焦点距離の可変、フォーカスの調整)を説明する。
鏡胴24,25は、上述したように、円筒状の部品であり、鏡胴24は円筒の内面に内ネジを有し、鏡胴25は円筒の外面に外ネジを有しており、その内ネジと外ネジが互いに噛み合っている。
また、鏡胴25は、図示せぬ保持具に固定されており、鏡胴24は、焦点距離変更用ギア16と一体になって回転するので、鏡胴24と鏡胴25の間でネジの回転作用により、鏡胴24と鏡胴25はテレスコピックに伸縮する。
この伸縮によって、鏡胴24内のフォーカシングレンズ21と、鏡胴25内のバリエーターレンズ22との間隔が変化し、フォーカシングレンズ21とバリエーターレンズ22の合成焦点距離を変化させることが可能になる。
Next, the internal operation (variable focal length, focus adjustment) of the
The lens barrels 24 and 25 are cylindrical parts as described above. The
Further, the
By this expansion and contraction, the distance between the focusing
調整環27は、上述したように、円筒状の部品であり、円筒の内面には鏡胴25の外ネジと噛み合う内ネジを有している。
調整環27は、フォーカス調整用ギア18と一体になって回転するので、調整環27と鏡胴25の間でネジの回転作用により、調整環27と鏡胴25はテレスコピックに伸縮する。
また、ベアリング28は、アウターレース、インナーレース及びボールベアリングによって構成されるアンギュラーベアリングであり、アウターレースが調整環27と固定され、インナーレースが鏡胴26と固定されている。
このため、ベアリング28は、調整環27の回転力を吸収し、ネジによる伸縮方向の力のみを鏡胴26に伝達するように作用する。
これにより、ステッピングモーター19が、フォーカス調整用ギア18を回転させることで、調整環27と鏡胴25がテレスコピックに伸縮し、この伸縮によって、鏡胴26内の光ファイバレセプタクル23及び光ファイバ12の終端部も同時に移動する。
したがって、フォーカシングレンズ21とバリエーターレンズ22が形成する合成焦点距離と、光ファイバ12の終端部との間隔を変化させることができる。
As described above, the
Since the
The
Therefore, the bearing 28 acts to absorb the rotational force of the adjusting
Thereby, the stepping
Therefore, the distance between the combined focal length formed by the focusing
なお、バリフォーカルレンズ13Aとバリフォーカルレンズ13Dは全く同様の構成である。
バリフォーカルレンズ13B,13Cは、バリフォーカルレンズ13A,13Dとほとんど同じ構成であるが、以下の2点の構成が異なっている。
第1の相違点は、鏡胴24,25のネジにおいて、ピッチはバリフォーカルレンズ13A,13Dと等しいが、螺旋の方向がバリフォーカルレンズ13A,13Dと逆である。
第2の相違点は、鏡胴24及び調整環27のネジにおいて、ピッチはバリフォーカルレンズ13A,13Dと等しいが、螺旋の方向がバリフォーカルレンズ13A,13Dと逆である。
したがって、バリフォーカルレンズ13A,13Dとバリフォーカルレンズ13B,13Cにおいて、焦点距離変更用ギア16及びフォーカス調整用ギア18の回転方向が逆のときに、等しく動作する(回転角に対する焦点距離変動量及びフォーカス移動量が一致する)。
The
The
The first difference is that in the screws of the lens barrels 24 and 25, the pitch is equal to that of the
The second difference is that in the screw of the
Therefore, the
以上で明らかなように、この実施の形態1によれば、焦点距離を可変する焦点距離可変機構及びフォーカスを調整するフォーカス調整機構を備えたバリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dを設け、光ファイバスイッチ15が、光ファイバ12A,12B,12C,12Dの中から、任意の光ファイバ12を1本選択して、その光ファイバ12の他方の終端部を光ファイバ11と接続するように構成したので、大型化やコスト高を招くことなく、所望の方向にレーザー光を瞬時に切り替えることができる効果を奏する。
As apparent from the above, according to the first embodiment, the
即ち、この実施の形態1によれば、従来の光ファイバ走査型の光アンテナと比べて、以下に述べる効果を奏する。
(1)バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dにより、フォーカス調整と焦点距離を独立に制御することが可能になる。
(2)バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dの要求として、広い視野が必要とされない。このため、レンズ径が小さい汎用的なレンズを使用することが可能になり、低コスト化を実現することができる。
(3)バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dを平行に配置することで、焦点距離可変機構及びフォーカス調整機構の駆動を平歯車の連動によって2個のモーターで簡易的に構成することができる。また、バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dを近接して配置することができる。このため、光アンテナが専有する容積が小さくなり、モーター数も2個で足りるので、低コスト化や小型化を実現することができる。
That is, according to the first embodiment, the following effects can be obtained as compared with the conventional optical fiber scanning optical antenna.
(1) With the
(2) A wide field of view is not required as a requirement of the
(3) By disposing the
この実施の形態1では、光アンテナ10には4本の光ファイバ12が配線され、4個のバリフォーカルレンズ13が設置されているものを示したが、これは一例に過ぎず、2本以上の光ファイバ12が配線され、2個以上のバリフォーカルレンズ13が設置されているものであればよい。
In the first embodiment, four
この実施の形態1では、1個のバリフォーカルレンズ13に対して、1個のウェッジプリズム14を配置している例を示しているが、1個のバリフォーカルレンズ13に対して、2個以上のウェッジプリズム14を配置するようにしてもよい。
2個以上のウェッジプリズム14を配置する場合、各ウェッジプリズム14の方位角を調整することにより、合成屈折角が変化するので、送受信方向の調整が容易になり、また、屈折角を大きくすることが可能になるメリットがある。
In the first embodiment, an example in which one wedge prism 14 is disposed for one varifocal lens 13 is shown, but two or more are provided for one varifocal lens 13. Alternatively, the wedge prism 14 may be arranged.
When two or more wedge prisms 14 are arranged, the combined refraction angle is changed by adjusting the azimuth angle of each wedge prism 14, so that the transmission / reception direction can be easily adjusted, and the refraction angle is increased. There is a merit that becomes possible.
この実施の形態1では、バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dが2個のレンズを実装している例を示したが、3個以上のレンズを実装するようにしてもよい。
3個以上のレンズを実装する場合、フォーカス調整機構として、光ファイバレセプタクル23を動かす代わりに、レンズ又はレンズ群を動かすように構成してもよい。
また、一つのバリフォーカルレンズ13において、焦点距離可変機構及びフォーカス調整機構として、鏡胴間のネジを用いる代わりに、例えば、カム環など、ズームレンズの技術として公知である他の方式を用いるようにしてもよい。
In the first embodiment, an example in which the
When three or more lenses are mounted, the focus adjustment mechanism may be configured to move the lens or lens group instead of moving the
Further, in one varifocal lens 13, instead of using a screw between the lens barrels as a focal length variable mechanism and a focus adjustment mechanism, for example, another method known as a zoom lens technique such as a cam ring is used. It may be.
実施の形態2.
図3はこの発明の実施の形態2による光アンテナを示す構成図であり、図において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
図3の光アンテナは、雨、塵等の外的環境から遮蔽保護する筐体(図示せず)に内蔵されており、この筐体には、レーザー光が透過する光学ウインドウ31が施されている。
この光学ウインドウ31は、平面又は曲面のガラス、あるいは、透明材料で製作された板である。
バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13D及びウェッジプリズム14A,14B,14C,14Dは、それぞれ一つ同心円の円周上に光軸が一致するように配置されている。
また、ウェッジプリズム14A,14B,14C,14Dの屈折角は等しく、送受信方向32の全てが略1点で交差するように配置されている。
FIG. 3 is a block diagram showing an optical antenna according to
The optical antenna of FIG. 3 is built in a housing (not shown) that shields and protects from the external environment such as rain and dust, and this housing is provided with an
The
The
Further, the
このように構成することで、光学ウインドウ31の直径がバリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dの最大有効径と略一致する大きさに構成することができるため、光学ウインドウ31の製造コストが安価になり、低コスト化を実現することができる効果を奏する。
ここでは、バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13D及びウェッジプリズム14A,14B,14C,14Dは、それぞれ一つ同心円の円周上に光軸が一致するように配置されているものを示したが、複数の同心円の円周上に光軸が一致するように配置されているものであってもよい。
With this configuration, the
Here, the
実施の形態3.
図4はこの発明の実施の形態3による光アンテナを示す構成図であり、図において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
ギヤベルト41はゴム等で製造され、内側にギアの歯が設けられている動力伝達用の帯であり、内側のギアの歯がバリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dにおける焦点距離変更用ギア16と噛み合っている。
ギヤベルト42はゴム等で製造され、内側にギアの歯が設けられている動力伝達用の帯であり、内側のギアの歯がバリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dにおけるフォーカス調整用ギア18と噛み合っている。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 4 is a block diagram showing an optical antenna according to Embodiment 3 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG.
The
The
上記実施の形態1では、バリフォーカルレンズ13A,13Dの焦点距離可変機構及びフォーカス調整機構と、バリフォーカルレンズ13B,13Cの焦点距離可変機構及びフォーカス調整機構とが一部相違しているものを示したが、この実施の形態3では、バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dにおける焦点距離可変機構及びフォーカス調整機構の構成はすべて同一である。
即ち、この実施の形態3では、バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dにおける焦点距離変更用ギア16及びフォーカス調整用ギア18同士を直接噛み合わせて連動させるのではなく、図4に示すように、ギヤベルト41,42を介して、連動させるようにしているので、バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dにおける焦点距離可変機構及びフォーカス調整機構の回転角に対する焦点距離変動量及びフォーカス移動量を揃えることができる。したがって、バリフォーカルレンズ13A,13B,13C,13Dの構成を同一にすることができる。
これにより、更なる低コスト化を実現することができる。
In the first embodiment, the focal length variable mechanism and the focus adjustment mechanism of the
That is, in the third embodiment, the focal
Thereby, further cost reduction can be realized.
この実施の形態3では、ギヤベルト41,42を用いて、動力の伝達を図るものを示したが、これに限るものではなく、別途設けたギアを用いて動力を伝達するようにしてもよい。
また、焦点距離変更用ギア16及びフォーカス調整用ギア18の代わりに、スプロケットを用いて、チェーンにより動力を伝達するように構成してもよい。
In the third embodiment, the
Further, instead of the focal
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。 In the present invention, within the scope of the invention, any combination of the embodiments, or any modification of any component in each embodiment, or omission of any component in each embodiment is possible. .
1 送受信装置、2 送信光生成部、3 サーキュレーター、4 光ヘテロダイン受信部、5 信号処理部、10 光アンテナ、11 光ファイバ、12A,12B,12C,12D 光ファイバ、13A,13B,13C,13D バリフォーカルレンズ、14A,14B,14C,14D ウェッジプリズム、15 光ファイバスイッチ(光ファイバ選択手段)、16 焦点距離変更用ギア(焦点距離可変機構)、17 ステッピングモーター(焦点距離可変機構)、17a ピニオンギア、18 フォーカス調整用ギア(フォーカス調整機構)、19 ステッピングモーター(フォーカス調整機構)、19a ピニオンギア、21 フォーカシングレンズ、22 バリエーターレンズ、23 光ファイバレセプタクル、24 鏡胴(第1の鏡胴)、25 鏡胴(第2の鏡胴)、26 鏡胴(第3の鏡胴)、27 調整環、28 ベアリング、31 光学ウインドウ、32 送受信方向、41,42 ギヤベルト。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transmission / reception apparatus, 2 Transmission light generation part, 3 Circulator, 4 Optical heterodyne reception part, 5 Signal processing part, 10 Optical antenna, 11 Optical fiber, 12A, 12B, 12C, 12D Optical fiber, 13A, 13B, 13C, 13D Focal lens, 14A, 14B, 14C, 14D wedge prism, 15 optical fiber switch (optical fiber selection means), 16 focal length changing gear (focal length variable mechanism), 17 stepping motor (focal length variable mechanism), 17a pinion gear , 18 Focus adjustment gear (focus adjustment mechanism), 19 Stepping motor (focus adjustment mechanism), 19a Pinion gear, 21 Focusing lens, 22 Variator lens, 23 Optical fiber receptacle, 24 Lens barrel (first lens barrel), 2 Barrel (second lens barrel) 26 barrel (third lens barrel) 27 adjusting ring, 28 bearing, 31
Claims (7)
上記レーザー光を伝送する複数本の光ファイバと、
上記光ファイバの一方の終端部と接続されており、焦点距離を可変する焦点距離可変機構及びフォーカスを調整するフォーカス調整機構を備えた複数のバリフォーカルレンズと、
上記複数本の光ファイバの中から任意の光ファイバを1本選択して、上記光ファイバの他方の終端部を上記送受信装置と接続する光ファイバ選択手段と
を備えていることを特徴とする光アンテナ。 In an optical antenna that radiates laser light output from a transmission / reception device to a space, and enters the laser light that has been scattered and returned to a target existing in space, and outputs the laser light to the transmission / reception device ,
A plurality of optical fibers for transmitting the laser light;
A plurality of varifocal lenses that are connected to one end of the optical fiber and include a focal length variable mechanism that varies a focal length and a focus adjustment mechanism that adjusts the focus;
An optical fiber comprising: an optical fiber selecting means for selecting an arbitrary optical fiber from the plurality of optical fibers and connecting the other end of the optical fiber to the transmitting / receiving device. antenna.
上記複数のウェッジプリズムは、上記バリフォーカルレンズから出射されたレーザー光を互いに異なる方向に屈折させて空間に放射する一方、互いに異なる方向から戻ってきたレーザー光を上記バリフォーカルレンズに入射させる
ことを特徴とする請求項1記載の光アンテナ。 A plurality of wedge prisms are arranged on the surface of the varifocal lens that is not connected to one end of the optical fiber,
The plurality of wedge prisms refract the laser light emitted from the varifocal lens in different directions and radiate it into the space, while allowing the laser light returned from different directions to enter the varifocal lens. The optical antenna according to claim 1.
正の屈折力を有するフォーカシングレンズと、
負の屈折力を有するバリエーターレンズと、
光ファイバの一方の終端部を保持する光ファイバレセプタクルと、
上記フォーカシングレンズを内部に固定する第1の鏡胴と、
上記バリエーターレンズを内部に固定する第2の鏡胴と、
上記光ファイバレセプタクルを内部に固定しており、上記第2の鏡胴と一体的に移動する第3の鏡胴とを備え、
焦点距離可変機構は、上記第1の鏡胴を光軸まわりに回転させることで、上記第1の鏡胴と上記第2の鏡胴の長さをテレスコピックに伸縮させて、上記フォーカシングレンズと上記バリエーターレンズの間隔を変化させる機構であり、
フォーカス調整機構は、上記第2の鏡胴を光軸まわりに回転させることで、上記第2及び第3の鏡胴を一体的に移動させて、上記フォーカシングレンズと上記バリエーターレンズにより形成される合成焦点と上記光ファイバの一方の終端部との間隔を変化させる機構である
ことを特徴とする請求項1または請求項2記載の光アンテナ。 Vari-focal lens
A focusing lens having positive refractive power;
A variator lens having negative refractive power;
An optical fiber receptacle holding one end of the optical fiber;
A first lens barrel for fixing the focusing lens therein;
A second lens barrel for fixing the variator lens therein;
The optical fiber receptacle is fixed inside, and includes a third lens barrel that moves integrally with the second lens barrel,
The focal length variable mechanism is configured to telescopically expand and contract the lengths of the first lens barrel and the second lens barrel by rotating the first lens barrel around the optical axis. It is a mechanism that changes the interval between variator lenses,
The focus adjustment mechanism rotates the second lens barrel around the optical axis, thereby moving the second and third lens barrels together to form a synthetic lens formed by the focusing lens and the variator lens. The optical antenna according to claim 1, wherein the optical antenna is a mechanism that changes a distance between a focal point and one end portion of the optical fiber.
焦点距離可変機構は、複数のバリフォーカルレンズにおける第1の鏡胴の外周に固定されて、互いに噛み合っている複数のギヤと、上記複数のギヤを回転させることで、上記複数のバリフォーカルレンズにおける第1の鏡胴を光軸まわりに回転させるギア付き電動モーターとから構成されており、
フォーカス調整機構は、複数のバリフォーカルレンズにおける第2の鏡胴の外周に固定されて、互いに噛み合っている複数のギヤと、上記複数のギヤを回転させることで、上記複数のバリフォーカルレンズにおける第2の鏡胴を光軸まわりに回転させるギア付き電動モーターとから構成されている
ことを特徴とする請求項3記載の光アンテナ。 The plurality of varifocal lenses have optical axes arranged in parallel to each other,
The variable focal length mechanism is fixed to the outer periphery of the first lens barrel of the plurality of varifocal lenses and rotates the plurality of gears and the plurality of gears, thereby rotating the plurality of varifocal lenses. It consists of a geared electric motor that rotates the first lens barrel around the optical axis,
The focus adjustment mechanism is fixed to the outer periphery of the second lens barrel of the plurality of varifocal lenses and rotates the plurality of gears and the plurality of gears, thereby rotating the first varifocal lens. The optical antenna according to claim 3, wherein the optical antenna includes a geared electric motor that rotates the lens barrel of 2 around the optical axis.
焦点距離可変機構は、複数のバリフォーカルレンズにおける第1の鏡胴の外周に固定されている複数のギヤと、上記複数のギヤと噛み合っているギヤベルトと、上記ギヤを回転させることで、上記複数のバリフォーカルレンズにおける第1の鏡胴を光軸まわりに回転させるギア付き電動モーターとから構成されており、
フォーカス調整機構は、複数のバリフォーカルレンズにおける第2の鏡胴の外周に固定されている複数のギヤと、上記複数のギヤと噛み合っているギヤベルトと、上記ギヤを回転させることで、上記複数のバリフォーカルレンズにおける第2の鏡胴を光軸まわりに回転させるギア付き電動モーターとから構成されている
ことを特徴とする請求項3記載の光アンテナ。 The plurality of varifocal lenses have optical axes arranged in parallel to each other,
The variable focal length mechanism includes a plurality of gears fixed to the outer periphery of the first lens barrel of the plurality of varifocal lenses, a gear belt meshing with the plurality of gears, and the gears rotating to rotate the plurality of the plurality of gears. And a geared electric motor that rotates the first lens barrel of the varifocal lens around the optical axis.
The focus adjustment mechanism includes: a plurality of gears fixed to the outer periphery of the second lens barrel of the plurality of varifocal lenses; a gear belt engaged with the plurality of gears; The optical antenna according to claim 3, wherein the optical antenna includes a geared electric motor that rotates the second lens barrel of the varifocal lens around the optical axis.
複数のウェッジプリズムは、上記複数のバリフォーカルレンズの送受信方向が上記光学ウインドウの中心方向に屈曲するように配置されている
ことを特徴とする請求項2記載の光アンテナ。 The plurality of varifocal lenses are built in a housing having an optical window through which laser light is transmitted, and are arranged such that the optical axes coincide with each other on one or more concentric circles,
The optical antenna according to claim 2, wherein the plurality of wedge prisms are arranged such that transmission / reception directions of the plurality of varifocal lenses are bent toward a center direction of the optical window.
上記光アンテナから空間に放射されるレーザー光を上記光アンテナに出力する一方、上記光アンテナにより入射されたレーザー光から上記目標を観測する送受信装置とを備えた光波レーダ装置において、
上記光アンテナが、
上記レーザー光を伝送する複数本の光ファイバと、
上記光ファイバの一方の終端部と接続されており、焦点距離を可変する焦点距離可変機構及びフォーカスを調整するフォーカス調整機構を備えた複数のバリフォーカルレンズと、
上記複数本の光ファイバの中から任意の光ファイバを1本選択して、上記光ファイバの他方の終端部を上記送受信装置と接続する光ファイバ選択手段とを備えていることを特徴とする光波レーダ装置。 An optical antenna that radiates laser light into space and that is incident on the laser light that has been scattered and returned to a target that exists in space;
In the light wave radar device comprising: a laser beam emitted from the optical antenna to the space; and a transmitter / receiver for observing the target from the laser beam incident on the optical antenna.
The optical antenna is
A plurality of optical fibers for transmitting the laser light;
A plurality of varifocal lenses that are connected to one end of the optical fiber and include a focal length variable mechanism that varies a focal length and a focus adjustment mechanism that adjusts the focus;
An optical wave comprising: an optical fiber selecting means for selecting an arbitrary optical fiber from the plurality of optical fibers and connecting the other end of the optical fiber to the transmitting / receiving device. Radar device.
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