JP2764567B2 - 狭ビームレーザー送信装置 - Google Patents

狭ビームレーザー送信装置

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JP2764567B2
JP2764567B2 JP7351880A JP35188095A JP2764567B2 JP 2764567 B2 JP2764567 B2 JP 2764567B2 JP 7351880 A JP7351880 A JP 7351880A JP 35188095 A JP35188095 A JP 35188095A JP 2764567 B2 JP2764567 B2 JP 2764567B2
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雅宏 豊田
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JUSEISHO TSUSHIN SOGO KENKYUSHOCHO
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、ビーム 幅を狭
めた狭ビームレーザーを遠距離の目標物に向けて送信す
る狭ビームレーザー光学装置に関し、光学機器の技術分
野に属するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より、レーザービームを目標物に送
信することは空間レーザー通信の分野等で行なわれてき
た。これらは、目標物までの距離が短く容易に送信でき
るか、または、レーザービームの拡がりが大きく、レー
ザービームの出射方向の精度が要求されない場合が多か
った。また、目標物までの距離が遠く、かつ、レーザー
ビームの拡がりを絞って送信する必要がある場合には、
一般には、ビームの拡がりを大きくしてから目標物に向
けて送信し、その後、序々に拡がりを小さくしていく方
法、あるいは、ビームの方向を順次変えて、目標物の方
向を走査する方法が取られていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したよう
な従来の技術出は、拡がりの制御機構や走査のための機
能を整備する必要があり、また、所望のパワーのレーザ
ー送信の完了までに時間が掛かり、目標物が移動してい
る場合などには、より迅速なレーザー送信が要求されて
いた。解決しようとする問題点は、拡がりの小さいレー
ザービームを遠方の目標物に精度よく、かつ、迅速に送
信するという点にある。 そこで、本発明は、ビーム幅
の拡がりの小さい狭レーザービームを遠方の目標物に精
度良く送信できる狭ビームレーザー送信装置の提供を目
的とするものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】大気中のような、レーザ
ー光を散乱させる物質が存在する媒質中において、レー
ザービームを伝搬させ、それを後方から見ると、後方散
乱光の画像がくさび状に観測できる。本発明は、この、
くさび状の散乱光の画像からレーザービームの送信方向
を特定できる特性を利用するものである。すなわち、
レーザー送信用の望遠鏡と、目標物とレーザーの散乱光
の像を捉える観測用望遠鏡を同一の指向制御装置上に設
置し、また、レーザーの送信方向を内部光学装置により
微小角変えられるように設定する。目標物とレーザービ
ームの散乱光の像を同時に撮像し、くさび状のレーザー
ビームの散乱光像の二等分線上で、散乱光強度の最高点
から所定の距離に目標物の像が位置するように、レーザ
ーの送信方向を調整するのである。
【0005】
【発明の実施形態】次に、本発明に係る狭ビームレーザ
ー送信装置の一実施形態を、添付図面に基づいて詳細に
説明する。図1は、本発明に係わる狭ビームレーザー送
信装置の概略構成を示すもので、例えば、レーザー装置
8、送信用望遠鏡2および内部光学装置7とからなるレ
ーザー送信手段と、望遠鏡指向制御装置4上に配置さ
れ、遠方にある目標物とレーザーの散乱光の像を捉える
観測用望遠鏡3とカメラ5およびカメラ出力画像モニタ
ー6で構成される。また、送信用望遠鏡2が観測用望遠
鏡3の斜め上側に、両望遠鏡の光軸がほぼ平行になるよ
うに配置されている。使用法は、目標物とレーザービー
ムの散乱光の像を同時に撮像し、散乱光像の二等分線上
で、散乱光強度の最高点から所定の距離に目標物の像が
位置するように、レーザーの送信方向を内部光学装置7
を用いて調整するだけで、容易に拡がり角の狭いレーザ
ービーム1を目標物に送信することができ、従来の走査
方式やビーム拡がり可変方式に比べて短時間でビームの
送信が図れる。レーザー光の強度や散乱を発生させる物
質の種類や密度によって、送信ビームの像の強度が異な
るが、レーザービームの散乱光像の二等分線上を目標物
像を走査することにより送信が可能になる。
【0006】また、図2には、目標物9に対してレーザ
ー送信を行なった狭ビームレーザー送信装置の概略構成
を併せて、カメラ出力画像13を示してある。このと
き、狭ビームレーザー送信装置から目標物9の間に大気
のようなレーザービーム1が散乱される媒質が満たされ
ているとする。
【0007】目標物9からは、目標物自体が発する光
か、または、ある光源から伝搬した光が目標物9におい
て散乱反射し、観測用望遠鏡3の方向に伝搬して来る場
合を想定している。レーザービーム1の散乱は、伝搬路
上の各位置で発生するが、ここでは、送信望遠鏡からの
距離L110,送信望遠鏡からの距離 L211, 送信望遠鏡
からの距離L312における、散乱光について考える。こ
のとき、カメラ出力画像13の画面上では、目標物の像
14とレーザービーム1のL1からの後方散乱光の像1
5, L2からの後方散乱光の像16, L3からの後方散乱光
の像17を同時に見ることができる。送信望遠鏡2から
レーザービーム1の散乱が発生する地点までの距離がL
1, L2, L3と長いほど、各地点で発生した散乱光の画面
上での像は小さくなり、像の位置は目標物の像14に近
くなる。実際にレーザービーム1の散乱光を撮映した場
合のカメラ画像は、レーザービーム1の伝搬路上の各位
置での後方散乱光像を重ね合せることになり、最も遠方
からの散乱光像を頂点とした、くさび状に見える。
【0008】図3に実際に撮影したときの、目標物の像
14とレーザービームの後方散乱光像20のカメラ出力
画像13を示す。くさび状の後方散乱光像の二等分線1
8上に、後方散乱光像の最高強度点19がある。また、
レーザービームの伝搬方向が、くさび状の後方散乱光像
の二等分線18上にあることから、目標物の像14を後
方散乱光像の二等分線18上に位置させ、後方散乱光像
の最高強度点19と目標物の像14距離を調整すること
によって、目標物へのレーザービームの送信が可能とな
る。
【0009】後方散乱光像の最高強度点と目標物の像の
最適な位置関係を求めるために、後方散乱光像の二等分
線上での強度分布の算出を行なった。図4に示すような
目標物9、レーザービーム1、観測用望遠鏡開口21、
カメラ受光面22の位置関係とし、観測用望遠鏡開口2
1の中心を原点としてレーザービーム1の伝搬方向と平
行な方向にZ軸、垂直な方向にX軸とY軸を、カメラ受光
面22の中心を原点としてX軸に平行な方向にξ軸、Y軸
に平行な方向にη軸をとり、幾何光学的な解析をした。
【0010】散乱発生位置(x,y,z)における、レーザー
ビーム1の放射強度をI(x,y,z)、散乱媒質による後方散
乱係数をσb(x,y,z)とする。レーザービーム1の後方散
乱光の一部が観測用望遠鏡で受光され、カメラ受光面2
2に像を作る。この像の受光面上の二次元強度分布D
(ξ,η)は、数式1で与えられる。
【0011】
【数1】
【0012】ここで、Tは散乱発生地点までの透過率、B
(ξ,η|x,y,z)はカメラ受光面22での散乱光像の分布
を表す関数、fは観測用望遠鏡の焦点距離である。B(ξ,
η|x,y,z)は、fと(x,y,z)および観測用望遠鏡開口21
の形状によって定まる。B(ξ,η|x,y,z)は、観測用望
遠鏡開口21での強度分布を与える瞳関数A(x,y)で表す
と数式2 で与えられる。
【0013】
【数2】
【0014】σbは一次の後方散乱のみを考慮して、大
気分子とエアロゾルによる散乱係数σmとσaの和として
数式3で与えられる。
【0015】
【数3】
【0016】ここで、gm、ga は大気分子とエアロゾル
の散乱の角度依存性を表す位相関数である。
【0017】目標物が仰角48゜の上空の宇宙空間に存在
し、レーザービームを地上から大気中に伝搬させて、目
標物に送信する場合の数値計算を行なった。大気の高度
分布として、U.S.標準大気モデルを仮定し、数式1、数
式2、数式3を用いて、レーザービームの後方散乱光像
のくさびの二等分線上での強度分布を算出した。図5に
計算結果のグラフを示す。レーザービームの伝搬方向か
らの角度を横軸に、相対受光強度を縦軸にとった。σb
は、エアロゾルの散乱の割合を変えて3種類の値につい
て算出した。エアロゾルの散乱の割合が大きくσbが0.1
3σm+0.03σaとした場合には、計算結果1のグラフよう
にレーザービームの伝搬方向から400μrad付近に最高点
を有し、ga(π)の値を小さくして、エアロゾルによる後
方散乱の割合を低下させていくと、計算結果2のグラ
フ、計算結果3のグラフのようにレーザービームの伝搬
方向から100〜150μradに最高強度をもつ分布となっ
た。
【0018】大気の状態は場所や時刻により変化するた
め、狭ビームレーザーを送信する環境に応じて散乱光像
の二等分線上で、最高強度点と目標物の像の位置関係を
調整する必要がある。例えば、人工衛星などの宇宙空間
にある目標物に対して、地上からレーザーを送信する場
合には、図5での計算結果から、最高強度点と目標物の
像の角度間隔はエアロゾルの散乱係数の値によって百か
ら数百μradの角度になり、図3に示した実際に人工衛
星へレーザー送信をしたときには約150μradであった。
【0019】最高強度点と目標物の像の位置関係を調整
する手段には2つの方法があり、望遠鏡指向制御装置を
動作させる方法ではカメラ出力画像上で目標物の像が動
き、内部光学装置を動作させる方法では散乱光の像が動
く。この2方法のうちで、便利な方法を用いればよい。
【0020】レーザーの散乱媒質は、レーザー送信装置
から目標物までの全てに渡って満たされている必要は無
く、地上から宇宙空間にように、レーザー送信点から、
ある程度の距離まで散乱媒質が存在していれば十分であ
る。
【0021】レーザー送信装置と目標物が相対的に運動
している場合には、光行差角を考慮した方向調整によっ
て、最大の強度で送信できる。光行差角φとは、慣性系
において、相対速度ベクトルのうち視線方向に対して垂
直な成分vと光速cを用いて数式4で与えられる。
【0022】
【数4】
【0023】この角度分だけ、vの方向に送信方向をず
らして送信することにより、最大の強度で送信される。
【0024】この狭ビームレーザー送信装置では、レー
ザービームの散乱光の像をリアルタイムで観測しながら
送信しているため、散乱光像のぼやけ具合から、ビーム
の拡がりや収差の状態を観測することができる。
【0025】観測用望遠鏡カメラの視野範囲は、ビーム
の拡がり角、レーザー送信用望遠鏡と観測用望遠鏡の光
軸の間隔、レーザー散乱媒質の分布によって決まり、例
えば、人工衛星に対して数十μradの拡がり角のレーザ
ービームを伝送する場合には、数百μradが適当であ
る。
【0026】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る狭ビ
ームレーザー送信装置によれば、ビーム幅の拡がりの小
さい狭レーザービームを遠方の目標物に精度良く送信す
ることができる。しかも、大気や水中のようなレーザー
ビームを散乱させる媒質中においてレーザー送信を行な
う場合に好適であることから、応用性に富んだものとな
る。また、レーザー送信中にレーザービームの状態が観
測できるため便利である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る狭ビームレーザー送信方法に用い
る狭ビームレーザー送信装置の概略構成図である。
【図2】カメラ出力画像を示して狭ビームレーザー送信
装置の動作原理の説明した図である。
【図3】人工衛星を目標物として実際にレーザービーム
を送信したときのカメラ出力画像である。
【図4】くさび状散乱光像の二等分線上の強度分布を算
出するための、目標物、レーザービーム、観測用望遠鏡
開口、カメラ受光面の位置関係を表した図である。
【図5】くさび状散乱光像の二等分線上での相対受光強
度分布を、レーザービームの伝搬方向からの角度を横軸
にして、3種類のエアロゾルの後方散乱の割合について
算出したグラフである。
【符号の説明】
1 レーザービーム 2 送信用望遠鏡 3 観測用望遠鏡 4 望遠鏡指向制御装置 5 カメラ 6 カメラ出力画像モニター 7 内部光学装置 8 レーザー装置 9 目標物 10 送信望遠鏡からの距離L1 11 送信望遠鏡からの距離L2 12 送信望遠鏡からの距離L3 13 カメラ出力画像 14 目標物の像 15 L1からの後方散乱光の像 16 L2からの後方散乱光の像 17 L3からの後方散乱光の像 18 後方散乱光像の二等分線 19 後方散乱光像の最高強度点 20 レーザービームの後方散乱光像 21 観測用望遠鏡開口 22 カメラ受光面 L1 送信望遠鏡からの距離 L2 送信望遠鏡からの距離 L3 送信望遠鏡からの距離 X 観測用望遠鏡開口の中心を原点としてレーザービー
ムの伝搬方向と垂直方向にとった座標軸 Y 観測用望遠鏡開口の中心を原点としてレーザービー
ムの伝搬方向と垂直方向で、X軸と垂直な方向にとった
座標軸 Z 観測用望遠鏡開口の中心を原点としてレーザービー
ムの伝搬方向と平行な方向にとった座標軸 ξ カメラ受光面の中心を原点としてX軸に平行な方向
な座標軸 η カメラ受光面の中心を原点としてY軸に平行な方向
な座標軸 σb(x,y,z) 散乱発生位置での散乱媒質による後方散乱
係数 σm 大気分子による散乱係数 σa エアロゾルによる散乱係数

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】レーザー光を散乱させる物質が存在する媒
    質を介して、レーザー光の送信対象である目標物と対峙
    させたレーザー光送信手段と、該レーザー光送信手段の
    光軸と平行な光軸を有するように配した観測用望遠鏡
    と、上記レーザー光送信手段の光軸と目標物と観測用望
    遠鏡の光軸とに相対的な変化を与えることなく両光軸の
    指向方向を変化させ得る指向方向可変手段とを備え、上
    記レーザー光送信手段から送信されたレーザービームの
    散乱光のくさび状の像を上記観測用望遠鏡によって取得
    し、上記指向方向可変手段によって、くさび状の像の二
    等分線上で、かつ、最高光強度点を基準として、散乱媒
    質の状態で決まる所定の位置に、目標物の像を位置させ
    るようにレーザーの送信方向を調整することで、狭ビー
    ムレーザーを目標物へ送信することを特徴とする狭ビー
    ムレーザー送信装置。
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