JP2980948B2 - 空間光伝送用投光装置 - Google Patents
空間光伝送用投光装置Info
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- JP2980948B2 JP2980948B2 JP2147859A JP14785990A JP2980948B2 JP 2980948 B2 JP2980948 B2 JP 2980948B2 JP 2147859 A JP2147859 A JP 2147859A JP 14785990 A JP14785990 A JP 14785990A JP 2980948 B2 JP2980948 B2 JP 2980948B2
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Description
この発明は、レーザー光を利用した空間光伝送のため
の投光装置に関する。
の投光装置に関する。
空間光伝送は、投光装置から、数km以上離れた位置に
設置された受光装置に向けて投光し、信号を伝搬させる
ものである。 このとき、例えば第６図に示されるように、半導体レ
ーザー１から投光レンズ２を経て受光装置３の受光面で
あるフレネルレンズ４にレーザービーム５を投光し、例
えばフォトトランジスタからなる受光器3Aにより受信し
て、これを電気信号に変換するようにされている。 ここで、半導体レーザー１の出力ビームは、出射向射
によって拡がり角度が異なる。即ち、出力ビームの中心
光軸に直交する断面でのビーム形状は略楕円となってい
る。 このため、従来は第７図及び第８図に示されるよう
に、半導体レーザー１と投光レンズ２の間に、コリメー
タレンズ６、シリンドリカルレンズ対７及びレンズ８を
介在させ、ビーム断面5Aが円形となるようにしている。
設置された受光装置に向けて投光し、信号を伝搬させる
ものである。 このとき、例えば第６図に示されるように、半導体レ
ーザー１から投光レンズ２を経て受光装置３の受光面で
あるフレネルレンズ４にレーザービーム５を投光し、例
えばフォトトランジスタからなる受光器3Aにより受信し
て、これを電気信号に変換するようにされている。 ここで、半導体レーザー１の出力ビームは、出射向射
によって拡がり角度が異なる。即ち、出力ビームの中心
光軸に直交する断面でのビーム形状は略楕円となってい
る。 このため、従来は第７図及び第８図に示されるよう
に、半導体レーザー１と投光レンズ２の間に、コリメー
タレンズ６、シリンドリカルレンズ対７及びレンズ８を
介在させ、ビーム断面5Aが円形となるようにしている。
上記のような空間光伝送システムにおいて、第６図の
投光レンズ２から出射されたレーザービーム５は、途中
の窓ガラス、大気、フィルターを経て受光装置３のフレ
ネルレンズ４に入射する。 ところで、レーザービーム５は大気中を伝搬する間
に、大気によって屈折される。大気は、その温度が日周
変動するために、大気の鉛直方向の屈折率勾配の変化に
よって、受光装置３の受光面位置でのレーザービーム５
の鉛直方向の位置が日周変動を生じる。 第９図は、半導体レーザー１と受光装置３との距離が
8kmであって、晴れた日の受光面におけるレーザービー
ム５の高さ位置の変動を示している。 これを、受光面であるフレネルレンズ４との関係でレ
ーザービーム５の位置を示すと第10図のようになる。 この場合、伝搬距離は前述の如く8km、投光レンズ出
力パワーP0＝15mW、フレネルレンズ４のサイズが30cm×
30cmとしたとき、フレネルレンズ４の位置でのビーム直
径Ｄは最も小さく絞っても70cmになり、その状態での受
光面に対する相対位置変動は第10図のようになる。 従って、第10図から判るように、フレネルレンズ４
は、８時から12時までの間しかレーザービーム５を受光
できないことになる。 即ち、日中４時間程度しか連続して通信を行うことが
できないことになる。 これを解消するためには、第６図の受光装置３に、レ
ーザービーム５を自動追尾する追尾装置を設けるか、ビ
ーム径を大きくするという手段を取ることになる。 前者の場合は、自動追尾装置が大掛かりとなるという
問題点がある。 又後者の場合、例えば第11図に示されるように、受光
装置の位置でのビーム直径Ｄ＝2.5mと拡大すると、８時
から16時の間、即ち日中の間、連続して受光ができるこ
とになる。 しかしながら、上記のように、投光レンズ出力パワー
P0＝15mWで伝搬距離8kmとした場合、受光装置への入射
パワーが0.40μＷと小さくなってしまい、受光位置での
ビーム直径を大きくすると通信等が不可能になる。 この発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたもので
あって、受光装置への入射パワーを大きく低減させるこ
となく、又受光装置の自動追尾装置を設けることなく、
日中長時間にわたり連続して通信を可能とすることがで
きるようにした空間光伝送用投光装置を提供することを
目的とする。
投光レンズ２から出射されたレーザービーム５は、途中
の窓ガラス、大気、フィルターを経て受光装置３のフレ
ネルレンズ４に入射する。 ところで、レーザービーム５は大気中を伝搬する間
に、大気によって屈折される。大気は、その温度が日周
変動するために、大気の鉛直方向の屈折率勾配の変化に
よって、受光装置３の受光面位置でのレーザービーム５
の鉛直方向の位置が日周変動を生じる。 第９図は、半導体レーザー１と受光装置３との距離が
8kmであって、晴れた日の受光面におけるレーザービー
ム５の高さ位置の変動を示している。 これを、受光面であるフレネルレンズ４との関係でレ
ーザービーム５の位置を示すと第10図のようになる。 この場合、伝搬距離は前述の如く8km、投光レンズ出
力パワーP0＝15mW、フレネルレンズ４のサイズが30cm×
30cmとしたとき、フレネルレンズ４の位置でのビーム直
径Ｄは最も小さく絞っても70cmになり、その状態での受
光面に対する相対位置変動は第10図のようになる。 従って、第10図から判るように、フレネルレンズ４
は、８時から12時までの間しかレーザービーム５を受光
できないことになる。 即ち、日中４時間程度しか連続して通信を行うことが
できないことになる。 これを解消するためには、第６図の受光装置３に、レ
ーザービーム５を自動追尾する追尾装置を設けるか、ビ
ーム径を大きくするという手段を取ることになる。 前者の場合は、自動追尾装置が大掛かりとなるという
問題点がある。 又後者の場合、例えば第11図に示されるように、受光
装置の位置でのビーム直径Ｄ＝2.5mと拡大すると、８時
から16時の間、即ち日中の間、連続して受光ができるこ
とになる。 しかしながら、上記のように、投光レンズ出力パワー
P0＝15mWで伝搬距離8kmとした場合、受光装置への入射
パワーが0.40μＷと小さくなってしまい、受光位置での
ビーム直径を大きくすると通信等が不可能になる。 この発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたもので
あって、受光装置への入射パワーを大きく低減させるこ
となく、又受光装置の自動追尾装置を設けることなく、
日中長時間にわたり連続して通信を可能とすることがで
きるようにした空間光伝送用投光装置を提供することを
目的とする。
この発明は、受光装置に対して、光源から出力される
レーザービームを、大気中を伝播、投光して信号を伝達
し、且つ、前記レーザビームが前記受光装置位置で鉛直
方向に日周変動する空間光伝送用投光装置において、前
記レーザービームのビーム断面形状を鉛直方向に長い楕
円形とし、且つ、前記レーザービームの前記受光装置位
置における鉛直断面形状が、鉛直方向の長径が、該レー
ザービームの鉛直方向の位置の、大気温度の日周変動に
よる大気の鉛直方向の屈折率勾配変化に基づく日周変動
量から前記受光装置の受光面の鉛直方向長さを減算した
距離よりも長くなるようにしたことを特徴とする空間光
伝送用投光装置により上記目的を達成するものである。 又、前記光源を半導体レーザーとすると共に、該半導
体レーザーを、その出力ビームの拡がり角の大きい方向
が鉛直方向となるように配置することにより上記目的を
達成するものである。 又、前記光源からのレーザービームを鉛直方向に拡径
し、且つ、水平方向に縮径するシリンドリカルレンズを
設けることにより上記目的を達成するものである。 更に又、前記レーザービームの前記受光装置位置にお
ける鉛直断面形状を、鉛直方向の長径が、前記日周変動
量から前記受光装置の受光面の鉛直方向長さを減算した
距離と略等しくなるようにすることにより上記目的を達
成するものである。
レーザービームを、大気中を伝播、投光して信号を伝達
し、且つ、前記レーザビームが前記受光装置位置で鉛直
方向に日周変動する空間光伝送用投光装置において、前
記レーザービームのビーム断面形状を鉛直方向に長い楕
円形とし、且つ、前記レーザービームの前記受光装置位
置における鉛直断面形状が、鉛直方向の長径が、該レー
ザービームの鉛直方向の位置の、大気温度の日周変動に
よる大気の鉛直方向の屈折率勾配変化に基づく日周変動
量から前記受光装置の受光面の鉛直方向長さを減算した
距離よりも長くなるようにしたことを特徴とする空間光
伝送用投光装置により上記目的を達成するものである。 又、前記光源を半導体レーザーとすると共に、該半導
体レーザーを、その出力ビームの拡がり角の大きい方向
が鉛直方向となるように配置することにより上記目的を
達成するものである。 又、前記光源からのレーザービームを鉛直方向に拡径
し、且つ、水平方向に縮径するシリンドリカルレンズを
設けることにより上記目的を達成するものである。 更に又、前記レーザービームの前記受光装置位置にお
ける鉛直断面形状を、鉛直方向の長径が、前記日周変動
量から前記受光装置の受光面の鉛直方向長さを減算した
距離と略等しくなるようにすることにより上記目的を達
成するものである。
この発明において、空間光伝送用投光装置から出射さ
れるレーザービームのビーム断面形状が鉛直方向に長い
楕円形とされ、且つ、受光面でのレーザービームの鉛直
方向変動範囲内に受光面が位置するような楕円長径とさ
れているので、レーザービーム伝搬経路中の大気の鉛直
方向の屈折率勾配の変化によって、受光面位置における
レーザービームの上下方向の変動に対しても、受光面を
常にレーザービーム内に配置させることができ、これに
よって、受光装置側にレーザービームの自動追尾装置を
設けたり、ビーム径を無駄に大きくしたりすることな
く、日中長時間にわたり通信が可能となる。 又、光源を半導体レーザーとし、且つ、半導体レーザ
ーの出力ビームの拡がり角の大きい方向を鉛直方向とし
ているので、特別なレンズを設けることなく、レーザー
ビームを鉛直方向に長い楕円形とすることができる。 更に、光源からのレーザービームを鉛直方向に拡径
し、且つ、水平方向に縮径するシリンドリカルレンズに
より、レーザービームを任意の鉛直方向に長い楕円形と
して、長径と短径の比を最適にし、効率的に光伝送を行
うことができる。 又、受光面位置におけるレーザービームの鉛直方向の
長径を、該レーザービームの鉛直方向の日周変動量から
受光面の長さの減算した距離と略等しくしているので、
受光面位置におけるレーザービームの鉛直方向の長さを
無駄に長くすることなく、効率的に光伝送を行うことが
できる。
れるレーザービームのビーム断面形状が鉛直方向に長い
楕円形とされ、且つ、受光面でのレーザービームの鉛直
方向変動範囲内に受光面が位置するような楕円長径とさ
れているので、レーザービーム伝搬経路中の大気の鉛直
方向の屈折率勾配の変化によって、受光面位置における
レーザービームの上下方向の変動に対しても、受光面を
常にレーザービーム内に配置させることができ、これに
よって、受光装置側にレーザービームの自動追尾装置を
設けたり、ビーム径を無駄に大きくしたりすることな
く、日中長時間にわたり通信が可能となる。 又、光源を半導体レーザーとし、且つ、半導体レーザ
ーの出力ビームの拡がり角の大きい方向を鉛直方向とし
ているので、特別なレンズを設けることなく、レーザー
ビームを鉛直方向に長い楕円形とすることができる。 更に、光源からのレーザービームを鉛直方向に拡径
し、且つ、水平方向に縮径するシリンドリカルレンズに
より、レーザービームを任意の鉛直方向に長い楕円形と
して、長径と短径の比を最適にし、効率的に光伝送を行
うことができる。 又、受光面位置におけるレーザービームの鉛直方向の
長径を、該レーザービームの鉛直方向の日周変動量から
受光面の長さの減算した距離と略等しくしているので、
受光面位置におけるレーザービームの鉛直方向の長さを
無駄に長くすることなく、効率的に光伝送を行うことが
できる。
以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。 この実施例は、第１図及び第２図に示されるように、
半導体レーザー10を、これから出力されるレーザービー
ムの拡がり角の大きい方向を鉛直方向となるように配置
して、投光レンズ12を経たレーザービーム14のビーム断
面14Aが、２点鎖線で示されるように、鉛直方向に長い
楕円形となるようにしたものである。 このとき、第６図の受光装置３におけるフレネルレン
ズ４の位置で、レーザービーム14の断面形状は、鉛直方
向の直径がレーザービーム14の鉛直方向の位置の日周変
動量からフレネルレンズ４の鉛直方向の長さを減算した
距離と略等しくなるように設定される。 即ち、レーザービーム14の伝搬経路における大気の鉛
直方向の屈折率勾配の変化により、伝搬されたレーザー
ビーム14は、受光面の位置で、鉛直方向に日周変動し、
晴天時では、午前８時において最も低く、午後４時にお
いて最も高い位置となる。 従って、午前８時におけるレーザービーム14の上端部
が受光面であるフレネルレンズ４を覆い、又16時におけ
るレーザービーム14の下端部がフレネルレンズ４を覆う
ようにすれば、該フレネルレンズ４は、日中常時レーザ
ービーム14を受光することになる。 しかも単に円形断面のままビーム直径を大きくした場
合と比較して、水平方向両側部分の光が楕円形内に集中
していることになるので、フレネルレンズ４への入射パ
ワーのロスが少ないことになる。 従って、レーザービーム14の水平方向の短絡は、でき
るだけフレネルレンズ４の水平方向の幅と近い寸法にす
るのがよい。 本発明者の実験によれば、投出レンズの出力パワーP0
＝15mW、伝搬距離8km、受光レンズであるフレネルレン
ズ４の寸法が30cm×30cmとして前記と同一条件とした
上、出射レーザービーム14の断面形状を、フレネルレン
ズ４の位置で鉛直方向の長径を2.5m、水平方向の短絡を
70cmとすると、午前８時から午後４時までの間連続して
フレネルレンズ４にレーザービーム14入射が可能であ
り、且つ、そのときの入射パワーは1.4μＷとなって、
第11図のように、レーザービームを円形断面のまま単に
直径をＤ＝2.5mとした場合と比較して、入射パワーは3.
5倍となり、通信が可能であった。 なお上記実施例は、半導体レーザー10からのレーザー
ビームを投光レンズ12を介して出射しているが、これ
は、例えば第３図及び第４図に示されるように、シリン
ドリカルレンズ16を、半導体レーザー10と投光レンズ12
の間に介在させて、ビーム断面14Aを、第３図に２点鎖
線で示されるように更に縦長とすることができる。 このようにすると、ビーム断面14Aの鉛直方向の幅即
ち直径を、更に長くすることができるので、大きな変動
にも対応することができる。 又上記実施例は、半導体レーザー10を光源とするもの
であるが、本発明はこれに限定されるものでなく、ガス
レーザー、固体レーザー等の他のレーザービーム発生手
段であってもよい。 但し、この場合は、半導体レーザー10と異なり、出力
ビームの拡がり角度が鉛直方向及び水平方向において異
ならないので、シリンドリカルレンズが必須となる。
半導体レーザー10を、これから出力されるレーザービー
ムの拡がり角の大きい方向を鉛直方向となるように配置
して、投光レンズ12を経たレーザービーム14のビーム断
面14Aが、２点鎖線で示されるように、鉛直方向に長い
楕円形となるようにしたものである。 このとき、第６図の受光装置３におけるフレネルレン
ズ４の位置で、レーザービーム14の断面形状は、鉛直方
向の直径がレーザービーム14の鉛直方向の位置の日周変
動量からフレネルレンズ４の鉛直方向の長さを減算した
距離と略等しくなるように設定される。 即ち、レーザービーム14の伝搬経路における大気の鉛
直方向の屈折率勾配の変化により、伝搬されたレーザー
ビーム14は、受光面の位置で、鉛直方向に日周変動し、
晴天時では、午前８時において最も低く、午後４時にお
いて最も高い位置となる。 従って、午前８時におけるレーザービーム14の上端部
が受光面であるフレネルレンズ４を覆い、又16時におけ
るレーザービーム14の下端部がフレネルレンズ４を覆う
ようにすれば、該フレネルレンズ４は、日中常時レーザ
ービーム14を受光することになる。 しかも単に円形断面のままビーム直径を大きくした場
合と比較して、水平方向両側部分の光が楕円形内に集中
していることになるので、フレネルレンズ４への入射パ
ワーのロスが少ないことになる。 従って、レーザービーム14の水平方向の短絡は、でき
るだけフレネルレンズ４の水平方向の幅と近い寸法にす
るのがよい。 本発明者の実験によれば、投出レンズの出力パワーP0
＝15mW、伝搬距離8km、受光レンズであるフレネルレン
ズ４の寸法が30cm×30cmとして前記と同一条件とした
上、出射レーザービーム14の断面形状を、フレネルレン
ズ４の位置で鉛直方向の長径を2.5m、水平方向の短絡を
70cmとすると、午前８時から午後４時までの間連続して
フレネルレンズ４にレーザービーム14入射が可能であ
り、且つ、そのときの入射パワーは1.4μＷとなって、
第11図のように、レーザービームを円形断面のまま単に
直径をＤ＝2.5mとした場合と比較して、入射パワーは3.
5倍となり、通信が可能であった。 なお上記実施例は、半導体レーザー10からのレーザー
ビームを投光レンズ12を介して出射しているが、これ
は、例えば第３図及び第４図に示されるように、シリン
ドリカルレンズ16を、半導体レーザー10と投光レンズ12
の間に介在させて、ビーム断面14Aを、第３図に２点鎖
線で示されるように更に縦長とすることができる。 このようにすると、ビーム断面14Aの鉛直方向の幅即
ち直径を、更に長くすることができるので、大きな変動
にも対応することができる。 又上記実施例は、半導体レーザー10を光源とするもの
であるが、本発明はこれに限定されるものでなく、ガス
レーザー、固体レーザー等の他のレーザービーム発生手
段であってもよい。 但し、この場合は、半導体レーザー10と異なり、出力
ビームの拡がり角度が鉛直方向及び水平方向において異
ならないので、シリンドリカルレンズが必須となる。
第１図は本発明に係る空間光伝送用投光装置の鉛直方向
の略示断面図、第２図は同実施例の水平方向の略示断面
図、第３図は本発明の空間光伝送用投光装置の第２実施
例を示す鉛直方向の略示断面図、第４図は同第２実施例
の水平方向の略示断面図、第５図は第１図及び第２図の
実施例によるレーザービームの受光面位置でのビーム形
状及び受光面との関係を示す平面図、第６図は従来の空
間光伝送用投光装置及び受光装置の概略を示す光学系統
図、第７図は同従来の空間光伝送用投光装置を示す略示
断面図、第８図は第７図と直交する断面での略示断面
図、第９図は空間光伝送システムにおける受光面位置で
のレーザービームの鉛直方向の日周変動を示す線図、第
10図は同様のレーザービームの日周変動と受光面との関
係を示す平面図、第11図はレーザービームの直径を大き
くした場合における受光面との関係を示す平面図であ
る。 ３……受光装置、 ４……フレネルレンズ、 ５……受光器、 ６……コリメータレンズ、 10……半導体レーザー、 12……投光レンズ、 14……レーザービーム、 14A……ビーム断面、 16……シリンドリカルレンズ。
の略示断面図、第２図は同実施例の水平方向の略示断面
図、第３図は本発明の空間光伝送用投光装置の第２実施
例を示す鉛直方向の略示断面図、第４図は同第２実施例
の水平方向の略示断面図、第５図は第１図及び第２図の
実施例によるレーザービームの受光面位置でのビーム形
状及び受光面との関係を示す平面図、第６図は従来の空
間光伝送用投光装置及び受光装置の概略を示す光学系統
図、第７図は同従来の空間光伝送用投光装置を示す略示
断面図、第８図は第７図と直交する断面での略示断面
図、第９図は空間光伝送システムにおける受光面位置で
のレーザービームの鉛直方向の日周変動を示す線図、第
10図は同様のレーザービームの日周変動と受光面との関
係を示す平面図、第11図はレーザービームの直径を大き
くした場合における受光面との関係を示す平面図であ
る。 ３……受光装置、 ４……フレネルレンズ、 ５……受光器、 ６……コリメータレンズ、 10……半導体レーザー、 12……投光レンズ、 14……レーザービーム、 14A……ビーム断面、 16……シリンドリカルレンズ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H04B 10/00 - 10/22
Claims (4)
- 【請求項１】受光装置に対して、光源から出力されるレ
ーザービームを、大気中を伝播、投光して信号を伝達
し、且つ、前記レーザビームが前記受光装置位置で鉛直
方向に日周変動する空間光伝送用投光装置において、前
記レーザービームのビーム断面形状を鉛直方向に長い楕
円形とし、且つ、前記レーザービームの前記受光装置位
置における鉛直断面形状が、鉛直方向の長径が、該レー
ザービームの鉛直方向位置の、大気温度の日周変動によ
る大気の鉛直方向の屈折率勾配変化に基づく日周変動量
から前記受光装置の受光面の鉛直方向長さを減算した距
離よりも長くなるようにしたことを特徴とする空間光伝
送用投光装置。 - 【請求項２】請求項１において、前記光源は半導体レー
ザーであり、且つ、該半導体レーザーはその出力ビーム
の拡がり角の大きい方向が鉛直方向となるように配置さ
れたことを特徴とする空間光伝送用投光装置。 - 【請求項３】請求項１又は２において、前記光源からの
レーザービームを鉛直方向に拡径、且つ、水平方向に縮
径するシリンドリカルレンズを設けたことを特徴とする
空間光伝送用投光装置。 - 【請求項４】請求項１、２又は３において、前記レーザ
ービームの前記受光装置位置における鉛直断面形状は、
鉛直方向の長径が、前記日周変動量から前記受光装置の
受光面の鉛直方向長さを減算した距離と略等しくなるよ
うにされたことを特徴とする空間光伝送用投光装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2147859A JP2980948B2 (ja) | 1990-06-06 | 1990-06-06 | 空間光伝送用投光装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2147859A JP2980948B2 (ja) | 1990-06-06 | 1990-06-06 | 空間光伝送用投光装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0440122A JPH0440122A (ja) | 1992-02-10 |
| JP2980948B2 true JP2980948B2 (ja) | 1999-11-22 |
Family
ID=15439867
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2147859A Expired - Fee Related JP2980948B2 (ja) | 1990-06-06 | 1990-06-06 | 空間光伝送用投光装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2980948B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07218862A (ja) * | 1994-02-04 | 1995-08-18 | Canon Inc | 空間光伝送装置 |
| JP5194637B2 (ja) | 2007-08-21 | 2013-05-08 | 三菱マテリアル株式会社 | エンドミル |
-
1990
- 1990-06-06 JP JP2147859A patent/JP2980948B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0440122A (ja) | 1992-02-10 |
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