JP3220344B2

JP3220344B2 - 空間光通信装置

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Publication number: JP3220344B2
Application number: JP32969194A
Authority: JP
Inventors: 干城折野; 徹雄坂中
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1994-12-01
Filing date: 1994-12-01
Publication date: 2001-10-22
Anticipated expiration: 2016-10-22
Also published as: JPH08163041A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光走査機能又は光軸ず
れ補正機能を備え、空間を伝送路とし光ビームにより送
受信を行う空間光通信装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、図５に示すような光走査機能
を備えた空間光通信装置が知られている。情報を含む発
光素子１からの出射光を、正のパワーを有するレンズ群
２により、細径のほぼ平行な光ビームにし、この光ビー
ムの光軸O1に垂直な軸を回転軸とした回転ミラー３によ
り反射し、負のパワーを持つレンズ群４と正のパワーを
持つレンズ群５とで構成されるビームエクスパンダ６を
介して装置から外方へ投光する。

【０００３】走査信号発生部７は走査信号をミラー駆動
制御部８に送り、この信号に基づいて投光角可変部９に
設置された回転ミラー３の角度制御を行い、対向する相
手側装置で最適な受光が行えるように一次元光走査を行
う。

【０００４】図６は二次元走査機能を有する空間光通信
装置の斜視図であり、図５と同一の符号は同一の部材を
示している。発光素子１からの出射光はレンズ群２を通
り、互いに直交する第１の回転ミラー１０ａと第２の回
転ミラー１０ｂにより反射され、ビームエクスパンダ６
を通って相手側装置へ投光される。このとき、第１の回
転ミラー１０ａ、第２の回転ミラー１０ｂはそれぞれモ
ータ１１ａ、１１ｂの駆動により投光角を可変して、相
手側装置で最適受光状態となるよう走査される。

【０００５】図７、図８は対向設置した装置間で光通信
を行う双方向光通信装置の従来例の構成図、斜視図を示
し、上述と同様の二次元走査機能を有する。図７におい
て、受光素子１２からの送信光はレンズ群１３を通り送
受信光分離素子１４で反射され、送受光角可変部１５に
入射し、図８の第１の回転ミラー１６ａ、第２の回転ミ
ラー１６ｂで反射され、レンズ群１７、１８から成るビ
ームエクスパンダ１９を通って相手側装置へ投光され
る。このとき、第１の回転ミラー１６ａ、第２の回転ミ
ラー１６ｂは、それぞれモータ２０ａ、２０ｂを駆動に
より投光角が可変される。

【０００６】相手側装置から伝送される受信光はビーム
エクスパンダ１９に入射し、送受光角可変部１５で反射
し、送受信光分離素子１４、受信光分岐ミラー２１、レ
ンズ群２２を通って本信号検出用受光素子２３に受光さ
れる。また、受信光分岐ミラー２１で反射した一部の光
束は、レンズ群２４を通り位置検出用受光素子２５に受
光されて光軸ずれ信号となって信号制御部２６に入力さ
れ、信号制御部２６はミラー駆動用制御部２７を介して
送受光角可変部１５のモータ２０ａ、２０ｂを駆動し、
光軸ずれの補正を行う。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来例において光ビームの走査を行う場合に、図５に示
すように回転ミラー３を傾けてゆくと、投光光軸O2がビ
ームエクスパンダ６の光学系の光軸O1から外れ、投光角
０°のときの投光ビームL1から投光角ωのときの投光ビ
ームL2に変化して図５の斜線で示す部分だけとなる。こ
の結果、図９の斜線部に示すように、相手側装置Ａの受
信地点における投光ビームの拡がり範囲が出射角０°の
ときに比べて狭くなって所謂ビームのけられが発生し、
光走査制御誤差や装置の揺れの程度次第では、投光ビー
ムの広がり範囲が相手側装置から外れてしまい、受光不
能になるという問題を生ずる。

【０００８】このビームのけられの問題を解決するため
に、ビームエクスパンダ６を大きくすると、装置の大型
化・重量増加・コストアップという問題が生じ、更にビ
ームのけられを少なくする目的で、回転ミラー３の振れ
角を小さくしてビームエクスパンダ６のアフォーカル比
を１：１に近付けるようにしても、同様に回転ミラー３
及び投光光学系のレンズ群２が大型化し、重量の増大や
コストアップという問題が生ずる。

【０００９】また、図７、図８に示す従来例でも同様の
問題がある。

【００１０】本発明の第１の目的は、上述の問題を解消
し、投光角可変部以降の光学系における光ビームのけら
れを軽減した空間光通信装置を提供することにある。

【００１１】本発明の第２の目的は、正確な光ビームの
位置合わせを行って、双方向通信が可能な空間光通信装
置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の第１発明に係る空間光通信装置は、投光角可変部と、
該投光角可変部の出射光側に配置した拡大光学系とを有
する投光手段を備え、前記投光角可変部は投光角を可変
とし、該投光角の角度変化量に応じて光軸方向に沿って
前記投光角可変部の所定量の移動を可能としたことを特
徴とする。

【００１３】また、第２発明に係る空間光通信装置は、
投光光学系と本信号検出光学系と角度誤差検出手段と送
受光角可変光学系と送受共通光学系とを有し、双方向に
通信を行う空間光通信装置において、前記投光光学系と
本信号検出光学系と送受光角可変光学系の３つの光学系
の光軸を送受光角可変部において一致させ、前記送受光
角可変部の相手側装置への出入射光側に前記送受共通光
学系を配置し、前記角度誤差検出手段の出力により前記
送受光角可変部は送受光角を可変とし、該送受光角の角
度変化量に応じて光軸に沿って前記送受光角可変部の所
定量の移動を可能としたことを特徴とする。

【００１４】

【作用】上述の構成を有する第１発明の空間光通信装置
は、投光手段からの光ビームを投光角可変部を経由する
ことにより、光ビームの投光角を変化させ、この変化量
に応じて光軸方向に沿って投光角可変部を所定量移動さ
せて、光ビームを拡大光学系を介して相手側装置へ投光
する。

【００１５】また、第２発明の空間光通信装置は、投光
光学系からの光ビームを送受光角可変部、送受共通光学
系を介して相手側装置へ投光し、相手側装置からの受信
光を送受共通光学系、送受光角可変部を介して本信号検
出手段に受光する際に、角度誤差検出手段による検出信
号に基づいて送受光角可変部において送受光の角度を変
化させ、この変化量に応じて光軸方向に沿って送受光角
可変部を所定量移動させて双方向通信光ビームの光軸の
位置合わせをする。

【００１６】

【実施例】本発明を図１〜図４に図示の実施例に基づい
て詳細に説明する。図１は第１の実施例の構成図を示
し、発光素子３０から出射するレーザー光束の光軸O3上
に、正パワーを有するレンズ群３１、回転ミラー３２が
配列され、回転ミラー３２は光軸O3上に垂直な軸を回転
軸として回転するだけでなく、レンズ群３１の方向へ光
軸O3に沿って平行移動できるようになっている。この回
転ミラー３２の反射方向の光路O4上に、負パワーを有す
るレンズ群３３と正パワーを有するレンズ群３４から成
るビームエクスパンダ３５が配置されている。

【００１７】回転ミラー３２と、回転ミラー３２を駆動
する駆動手段とから投光角可変部３６が形成され、投光
角可変部３６にはミラー駆動用制御部３７の出力が接続
され、ミラー駆動用制御部３７には走査信号発生部３８
の出力が接続されている

【００１８】発光素子３０から出射された光ビームは、
レンズ群３１によりほぼ平行光とされて投光角可変部３
６に入射し、その内部に設けられた回転ミラー３２によ
り反射されて、ビームエクスパンダ３５のレンズ群３３
及びレンズ群３４を介してほぼ平行光の光ビームL1とし
て相手側装置へ投光される。

【００１９】例えば、レンズ群３３の焦点距離を−４０
ｍｍ、レンズ群３４の焦点距離を１６０ｍｍ、レンズ群
３３とレンズ群３４の主点間隔を１２０ｍｍとなる条件
で、ビームエクスパンダ３５を構成すると、装置外部へ
の投光角１°は回転ミラー３２側で４°に相当する。ま
た、回転ミラー３２の振れ角１°は、回転ミラー３２側
の光ビーム角度変化量で２°に相当する。従って、装置
外部への投光角をω、回転ミラー３２の回転角をθとす
ると、次の式(1) なる関係がある。 ω＝２θ・・・ (1)

【００２０】また、投光角０°のときの回転ミラー３２
の回転中心位置からビームエクスパンダ３５のレンズ群
３３の主点位置までの距離をＬ、回転ミラー３２の回転
中心の投光光学系側の光軸O3方向に沿った移動量をｄと
すると、式(2) の関係がある。ｄ＝Ｌ・ tan（４ω）・・・ (2)

【００２１】従って、回転ミラー３２をθだけ回転し、
ｄだけ光軸O3方向に沿って平行移動させれば、投光ビー
ムによるビームエクスパンダ３５でのけられが最も少な
くなり、投光角ωのときの投光ビームL2が、図２に示す
ように相手側装置Ａを上下左右ほぼ均等に照射するよう
にすることができる。例えば、図１において投光角ωを
１°にすれば、式(1) からミラー回転角θは２°とな
り、Ｌ＝５０ｍｍとした場合に、式(2) からミラー移動
量ｄが３．５ｍｍとなるようにすれば、投光ビームのけ
られを最小にすることができる。

【００２２】なお、相手側装置が移動して通信距離が変
化するような場合には、回転ミラー３２の回転動作と連
動させて、図１に示すレンズ群３１、レンズ群３３、レ
ンズ群３４の全体又は一部を光軸O3又はO4に沿って移動
させるような投光ビーム発散角可変動作を行って、投光
ビーム発散角を近距離では広く、遠距離では狭くするこ
とにより、相手側装置における受信光強度を安定化さ
せ、より高品質な受信信号を出力させるようにすること
ができる。

【００２３】図３は第２の実施例の構成を示す斜視図で
あり、一次元走査機能を備えた第１の実施例に対し、こ
の第２の実施例は二次元走査機能を備えた空間光通信装
置である。ここで、投光角可変部３９以外は第１の実施
例と同じであり、同一の符号は同一の部材を示してい
る。

【００２４】発光素子３０から出射する光束の光軸O5上
にレンズ群３１が配置され、その前方に投光角可変部３
９が配置されている。この第２の実施例の投光角可変部
３９には２枚の第１、第２の回転ミラー４０ａ、４０ｂ
が設けられ、回転ミラー４０ａ、４０ｂの回転軸は互い
に直交している。

【００２５】第１、第２の回転ミラー４０ａ、４０ｂが
配置される装置内に、それぞれ固定台４１ａ、４１ｂが
設けられ、固定台４１ａ、４１ｂ上にそれぞれモータ４
２ａ、４２ｂが設けられている。モータ４２ａ、４２ｂ
の回転軸にはそれぞれ摺動台４３ａ、４３ｂが設けられ
ており、モータ４２ａ、４２ｂが回転することにより、
それぞれ光軸O5、光軸O6方向に摺動台４３ａ、４３ｂが
平行移動するようになっている。

【００２６】更に、摺動台４３ａ、４３ｂ上にはそれぞ
れモータ４４ａ、４４ｂが設けられ、モータ４４ａ、４
４ｂの回転軸にそれぞれ第１の回転ミラー４０ａ、第２
の回転ミラー４０ｂが固定され、回転ミラー４０ａ、４
０ｂをそれぞれＹ軸、Ｘ軸方向に回転させるようになっ
ている。そして、第２の回転ミラー４０ｂの反射方向の
光軸O7上には、レンズ群３３とレンズ群３４から成るビ
ームエクスパンダ３５が配置されている。

【００２７】発光素子３０からのレーザー光は、レンズ
群３１を介して投光角可変部３９に入射し、第１の回転
ミラー４０ａと第２の回転ミラー４０ｂを反射して、ビ
ームエクスパンダ３５から相手側装置に投光される。

【００２８】いま、投光ビームの出射角が０°のとき、
第１の回転ミラー４０ａの光軸O5との交点と、第２の回
転ミラー４０ｂの光軸O7との交点との間の距離を５０ｍ
ｍ、第１の回転ミラー４０ａの光軸O5との交点とビーム
エクスパンダ３５のレンズ群３３の主点位置との間の距
離を５０ｍｍに設定すると、Ｘ軸方向に投光ビームを１
°走査する場合は、第１の実施例と同様に第１の回転ミ
ラー４０ａの回転角θを２°とし、第１の回転ミラー４
０ａの移動量を３．５ｍｍとすればよい。また、Ｙ軸方
向に投光ビームを１°走査する場合は、第２の回転ミラ
ー４０ｂの回転角θを２°とし、式(2) のＬは１００ｍ
ｍとなるから、第２の回転ミラー４０ｂの移動量を７ｍ
ｍとすればよい。

【００２９】従って、式(1) 、式(2) の関係を保持しな
がら、第１の回転ミラー４０ａと第２の回転ミラー４０
ｂを駆動させるようにすれば、従来例のようなビームエ
クスパンダ３５において生じたけられを減少させること
ができ、より広い二次元範囲での光走査を効率よく行う
ことが可能となる。

【００３０】図４は第３の実施例の双方向空間光通信装
置の斜視図を示し、送受光角可変部に第２の実施例の投
光角可変部３９の機構を採用している。レーザーダイオ
ードから成る発光素子４５からの受信光の進行方向に、
正パワーのレンズ群４６、ビームスプリッタから成る送
受信光分離素子４７、第１の回転ミラー４８ａ、第２の
回転ミラー４８ｂ等から成る送受信光角可変部４９、負
パワーのレンズ群５０と正パワーのレンズ群５１から成
るビームエクスパンダ５２が順次に配列されている。

【００３１】送受光角可変部４９において固定台５３
ａ、５３ｂが装置に固定され、固定台５３ａ、５３ｂ上
にはそれぞれモータ５４ａ、５４ｂが設けられている。
モータ５４ａ、５４ｂの回転軸には摺動台５５ａ、５５
ｂが設けられ、モータ５４ａ、５４ｂが回転すると、摺
動台５５ａ、５５ｂはそれぞれ光軸O9、光軸O10 に平行
に移動するようになっている。摺動台５５ａ、５５ｂ上
にはモータ５６ａ、５６ｂが設けられ、モータ５６ａ、
５６ｂの回転軸にそれぞれ第１の回転ミラー４８ａ、第
２の回転ミラー４８ｂが固定されており、それぞれＹ
軸、Ｘ軸方向に回転するようになっている。

【００３２】一方、相手側装置からの受信光の送受信光
分離素子４７の通過方向の光軸O9上には、入射光の１０
％を反射し９０％を透過するハーフミラーから成る受信
光分岐ミラー５７、正パワーのレンズ群５８、本信号検
出用受光素子５９が順次に配列され、受信光分岐ミラー
５７の反射方向には、正パワーのレンズ群６０、位置検
出用受光素子６１が配置されている。位置検出用受光素
子６１の出力は信号処理部６２に接続されて角度誤差検
出手段が形成されており、信号処理部６２の出力はミラ
ー駆動用制御部６３を介して送受光角可変部４９に接続
されている。

【００３３】発光素子４５から出射するレーザー光はレ
ンズ群４６によりほぼ平行光となり、送受信光分離素子
４７に反射されて送受光角可変部４９に入射する。送受
光角可変部４９の２枚の回転ミラー４８ａ、４８ｂに反
射された光ビームは、ビームエクスパンダ５２のレンズ
群５０、５１によってほぼ平行光となって、相手側装置
へ投光される。

【００３４】相手側装置からの通信光は受信光としてビ
ームエクスパンダ５２に入射して送受光角可変部４９に
至り、第１の回転ミラー４８ａ、第２の回転ミラー４８
ｂ、送受信光分離素子４７を透過して受信光分岐ミラー
５７に入射する。ここで、受信光の約９０％は受信光分
岐ミラー５７を透過し、レンズ群５８を介して本信号検
出用受光素子５９に受光される。また、残りの約１０％
の光は受信光分岐ミラー５７で反射され、レンズ群６０
を介して位置検出受光素子６１に受光される。

【００３５】発光素子４５から正パワーを持つレンズ群
４６に取り込まれるレーザー光は、偏光比で約１００：
１〜５００：１のほぼ直線偏光となり、図４の紙面に対
し垂直方向に偏光している。従って、送信光は偏光ビー
ムスプリッタである送受信光分離素子４７の貼り合わせ
面に対して平行となる位置関係の所謂Ｓ偏光となり、約
９９％のレーザー光が貼り合わせ面で反射される。一
方、受信光はこれに直交するＰ偏光となっており、約９
６％を透過するような多層薄膜が送受信光分離素子４７
の貼り合わせ面に蒸着されている。

【００３６】このように、同一構造の送受信装置を対向
配置させて送受信を行う場合は、送受信光分離素子４７
において互いの光ビームの偏光方向が直交するようする
ために、通信用光学系側の光軸O9を鉛直方向に対して４
５度の角度を成すようにする。

【００３７】広帯域化・高速応答が可能な大容量通信を
行う場合には、本信号検出用受光素子５９として、例え
ばアバランシェ・フォトダイオードのような有効受光域
が直径１ｍｍ程度の小さな受光素子が使われる。そし
て、位置検出用受光素子６１の中心にレーザー光のスポ
ットの中心が位置したときに、送信光が相手側装置を受
信可能な強度分布内の有効受光域を外れないようにする
必要がある。このために、装置の組立段階において、本
信号検出用受光素子５９と位置検出用受光素子６１と
は、送信光の光軸O9に対してμｍ単位で位置ずれが調整
されている。

【００３８】位置検出用受光素子６１の受光面上での受
信光のビームスポットの位置ずれ情報は、信号処理部６
２を介して光軸ずれ補正信号としてミラー駆動制御部６
３に送られ、ここから送受光角可変部４９の駆動部にミ
ラー駆動用信号が送られる。この信号に基づいて、駆動
部のモータ５６ａ及びモータ５６ｂが回転し、第１の回
転ミラー４８ａ及び第２ａ回転ミラー４８ｂがそれぞれ
の回転軸の周りに回転する。２つの回転ミラー４８ａ、
４８ｂの回転軸は互いに直交しているので、位置検出用
受光素子６１の受光面上での受信光ビームスポットの移
動量は互いに独立した直交２成分に分離することがで
き、これを利用して位置検出用受光素子６１の受光面の
中心近傍に、ビームスポットの中心を迅速に位置合わせ
ることができる。

【００３９】このように、空間を隔てて対向する双方向
空間光通信装置は、相手側装置からの受信光を受光素子
の中心で受光するための自己姿勢補正動作を継続的に行
っているので、双方の送信光の強度分布の中心が相手側
のビーム取込口に常に一致するようにされている。

【００４０】図３に示す投光角可変部３９と同様の機構
を、図４の送受光角可変部４９として使用することによ
り、第１及び第２の実施例で説明したと同様の原理で、
従来例よりも大きな角度範囲の光軸ずれを補正すること
が可能となり、装置の大きな揺れに対しても送信光が相
手側装置を外れることのないので、信頼性の高い双方向
空間光通信を実現することができる。

【００４１】なお、図４に示す第３の実施例では、一般
的には通信を行う２つの装置を対向設置して使用した
が、特に遠距離通信を行う場合には、ビームエクスパン
ダ５２への入射角が変化すると、送信光のけられや光線
収差の変化等の原因となり、このため相手側受信地点に
おいて送信光のビーム径が変化し、受光量の低下や送信
光のビーム外れなどが発生する。このような場合には、
第１の回転ミラー４８ａ、第２の回転ミラー４８ｂのう
ちの回転量の大きい方の回転ミラーの回転動作と連動さ
せて、レンズ群４６、レンズ群５０、レンズ群５１の全
体又は一部を光軸O9又はO10 に沿って移動させる送信光
ビーム発散角可変動作を行い、送信光を必要最小限のビ
ーム径とすることにより、更に信頼性の高い通信を行う
ことができる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように第１発明に係る空間
光通信装置は、投光角可変部を投光角の角度変化量に応
じて光軸方向に沿って所定量移動させることにより、光
走査範囲をより広くすることができ、光ビームのけられ
を軽減することができる。

【００４３】また、第２発明に係る空間光通信装置は、
双方向空間光通信において送受光角可変部を送受光角の
角度変化量に応じて光軸方向に沿って所定量移動させる
ことにより、風や設置場所の振動等により装置が揺れた
場合に、光ビームの外れによる通信断絶を生じ難くする
ことができ、また対向設置時に光走査を行って互いの装
置光軸を合わせる場合に、最初の装置の位置決めをより
迅速かつ容易に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の構成図である。

【図２】投光ビームの説明図である。

【図３】第２の実施例の斜視図である。

【図４】第３の実施例の斜視図である。

【図５】従来例の構成図である。

【図６】二次元走査機能を有する従来例の斜視図であ
る。

【図７】従来例の双方向空間光通信装置の構成図であ
る。

【図８】斜視図である。

【図９】投光ビームの説明図である。

【符号の説明】

３０、４５発光素子３２、４０ａ、４０ｂ、４８ａ、４８ｂ回転ミラー３５、５２ビームエクスパンダ３６、３９投光角可変部３７、６３ミラー駆動用制御部３８走査信号発生部４７送受信光分離素子４９送受光角可変部５７受信光分岐ミラー５９本信号検出用受光素子６１位置検出用受光素子６２信号処理部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平６−120900（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−5126（ＪＰ，Ａ) 特開平５−133716（ＪＰ，Ａ) 特開平５−134207（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−120534（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04B 10/00 - 10/26 H04J 14/00 - 14/08 G02B 7/00 G02B 26/10

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】投光角可変部と、該投光角可変部の出射
光側に配置した拡大光学系とを有する投光手段を備え、
前記投光角可変部は投光角を可変とし、該投光角の角度
変化量に応じて光軸方向に沿って前記投光角可変部の所
定量の移動を可能としたことを特徴とする空間光通信装
置。
【請求項２】前記投光角の角度変化量に応じて投光ビ
ーム発散角を所定量変化させる投光ビーム発散角可変手
段を備えた請求項１に記載の空間光通信装置。
【請求項３】前記投光角可変部はミラーを有し、該ミ
ラーは光軸に垂直な軸を回転軸として回転可能とし、該
回転角度に応じて光軸方向に沿って所定量の移動を可能
とした請求項１に記載の空間光通信装置。
【請求項４】前記投光角可変部は回転軸を互いに直交
する２つのミラーを有し、これら２つのミラーは光軸に
垂直な軸を回転軸として回転可能とし、これらの回転角
度に応じて光軸方向に沿って所定量の移動を可能とした
請求項１に記載の空間光通信装置。
【請求項５】投光光学系と本信号検出光学系と角度誤
差検出手段と送受光角可変光学系と送受共通光学系とを
有し、双方向に通信を行う空間光通信装置において、前
記投光光学系と本信号検出光学系と送受光角可変光学系
の３つの光学系の光軸を送受光角可変部において一致さ
せ、前記送受光角可変部の相手側装置への出入射光側に
前記送受共通光学系を配置し、前記角度誤差検出手段の
出力により前記送受光角可変部は送受光角を可変とし、
該送受光角の角度変化量に応じて光軸に沿って前記送受
光角可変部の所定量の移動を可能としたことを特徴とす
る空間光通信装置。
【請求項６】前記送受光角可変部は回転軸を互いに直
交する２つのミラーを有し、これら２つのミラーは光軸
に垂直な軸を回転軸として回転可能とし、これらの回転
角度に応じて、光軸方向に沿って所定量の移動を可能と
した請求項５に記載の空間光通信装置。
【請求項７】前記投光角の角度変化量に応じて光ビー
ム発散角を所定量移動変化させる光ビーム発散角可変手
段を備えた請求項５に記載の空間光通信装置。