JP3870198B2

JP3870198B2 - 光空間伝送装置

Info

Publication number: JP3870198B2
Application number: JP2004026755A
Authority: JP
Inventors: 文昭臼井; 隆司大室
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2004-02-03
Publication date: 2007-01-17
Anticipated expiration: 2024-02-03
Also published as: JP2004312699A

Description

本発明は、所定の距離を隔てて対向して配置し、双方向の情報伝送を行う光空間伝送装置に関するものである。

従来、相対する相手装置からの光束の入射方向を検出して、自装置が発する光束を該入射方向に向け射出する、所謂光軸補正手段を持つ光空間伝送装置として図６に示すような特許文献１に開示されており、同様な２台の装置を空間的に隔てて対向配置して双方向通信を行うようになっている。

レーザーダイオード１０１から出射され紙面に垂直方向に直線偏光となるレーザー光は、正のパワーを持つレンズ群１０２によりほぼ平行光束となり、偏光ビームスプリッタ１０３の境界面で反射され、更に光軸方向可動部１０４の角度可変全反射ミラー１０４ａにより反射されて、送信光ＬＡとして装置Ａから図示しない装置Ｂへ投光される。

装置Ｂからの受信光ＬＢは装置Ａに入射し、角度可変全反射ミラー１０４ａにより反射され、偏光ビームスプリッタ１０３を透過して受信光分岐素子１０５に至る。このとき、受信光ＬＢの約９０％は受光分岐素子１０５を透過して、正のパワーを持つレンズ群１０７により本信号検出用受光素子１０６に集光され、残りの約１０％は受光分岐素子１０５で反射されて、正のパワーを持つレンズ群１０９によって位置検出用受光素子１０８に受光される。

偏光ビームスプリッタ１０３としては、その貼り合わせ面に多層薄膜を蒸着した光学素子が使用されている。この多層薄膜は例えばＳ偏光を反射しＰ偏光を透過させるようになっている。この偏光ビームスプリッタ１０３を使用して最も効率の良い投受光を行うためには、送信光ＬＡをＳ偏光としたときに受信光ＬＢがＰ偏光となるような関係にすればよい。更に同一構成の送受信装置を対向させて最も効率のよい投受光を行うために、送受共通光軸であるビームスプリッタ側光軸１１２を紙面後方に傾斜させ、装置を対向した時に送信光ＬＡと受信光ＬＢの偏光方向が互いに直交するように配置することがよい。

また、伝送する情報量が多い大容量通信を行うためには、本信号検出用受光素子１０６として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に満たない小さな素子を使用しなければならない。そのため、受信光ＬＢが本信号検出用受光素子１０６の有効受光域を外れないように、本信号検出用受光素子１０６と位置検出用受光素子１０８の位置を合致させ、位置信号検出用受光素子１０８のほぼ中心に受信光ＬＢの光軸があるように、角度可変全反射ミラー１０４ａの角度を調整する。

この時、送信光ＬＡが相手側装置Ｂに向け効率よく投光するためには、送信光ＬＡの光軸を位置信号検出用受光素子１０８の中心と合致させればよい。位置検出用受光素子１０８の受光面上に受信光ＬＢが作るスポットＳＰの位置ズレ情報は、信号処理部１１０を介して光軸ズレ補正信号としてミラー駆動用制御部１１１におくられ、ミラー駆動用制御部１１１から光軸方向変更信号が光軸方向可動部１０４に送られる。この信号に基づいて、可変ミラー１０４ａの角度を変化させて、送信光ＬＡと受信光ＬＢの光軸を合致させる。

この様な制御を通信時に継続して行い、空間を隔てて対向する双方向光通信装置が、相手装置から来る受信光ＬＢの光軸が位置検出用受光素子の中心となるように、互いに補正を行うことで、双方で送信光ＬＢと受信光ＬＡの光軸を合致させることが出来る。

この様な従来例における位置検出用受光素子１０８として図７に示すような４つの素子１２１に分割された４分割センサーが一般的に使用されているが、この様な受光素子１０８を位置検出用受光素子に使用する場合には、受信光ＬＢのスポットが各分割素子間の分離帯１２２を横切るときに急激に出力が変化する。更に、分離帯はセンサーの中心を通って交差しているため、スポットがセンサーの中心に落ち込むとセンサーからの出力を得られなくなる。これらのことを防ぐために、受信光ＬＢのスポットＳＰには適当な面積を持たせることが望ましい。このために、一般的には集光点よりもデフォーカスした位置に、４分割センサーの受光面位置を設定している。

また、２次元ＰＳＤ（半導体像位置検出素子）に代表されるような分離帯のないセンサーを使うことにより意識的なデフォーカスを避けることが可能であるが、ＰＳＤには温度による出力値の変化が大きく、位置検出の精度に関しては４分割センサーに比べて大きく劣るというような弱点があるため、４分割センサーを使わざるを得ないというのが現状である。
特開平５−１３３７１６号公報

しかしながら、大気中で送受光を行う光空間伝送装置において、上述した従来例では、装置の設置場所の振動や大気の揺動によって伝送ビームが揺らぐ現象に影響を受ける。この大気の揺動は大別すると、送信光全体が揺らぐマクロ的な揺らぎと、送信光の強度分布が揺らぐミクロ的な揺らぎがある。大気のマクロ的な揺らぎは、設置場所の振動と同じように考えることが可能であるが、ミクロ的な揺らぎには別な思考が必要である。

図８は、モデル化した大気のミクロ的な揺らぎの説明図である。Ｗは、相手装置Ｂから投光された送信光ＬＡの受信装置Ａがある地点（位置）における広がりを示すものである。大気は、圧力や温度の異なることで対流が起こり、屈折率が空間的にも時間的にも変動する不均一な媒体である。このため、送信光ＬＡの拡がりＷの中に強度の強い部分Ｗ１と強度の弱い部分Ｗ２が発生する。この強度分布は時間的に変化するため、Ｗ２が送信光ＬＡの拡がりＷの中で、あたかも揺れているように観察される。これが大気のミクロ的な揺らぎと呼ばれ、その揺れはランダムである。従来の光空間伝送装置においては、位置検出用受光素子１０８は集光点よりもデフォーカスした位置に受光面が設定されるので、上述のような大気のミクロ的な揺らぎがある状態では、受光面上の適当な面積を持ったスポットＳＰは均一な強度分布とならずに、図８に示すように入射瞳に相当する装置のビーム取り込み口Ｍにおける光強度分布がそのまま投射され、受光面上の適当な面積を持ったスポットＳＰは図９のようになる。

従って、図１０に示すように直径ＴのスポットＳＰには、斜線で示す強度の強い部分Ｐ１と強度の弱い部分Ｐ２とが発生し、光束中心ＢＣとは異なる光強度中心ＰＣが光軸と判断され、この位置ズレ量Ｓに相当する角度だけ送信光ＬＡの光軸方向にズレが発生し、その結果、相手側装置Ｂから送信光ＬＡが外れ、通信不能となる問題が生じる。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、大気のミクロ的な揺らぎが発生し、受信光に不均一な強度分布があっても、これによる光軸ズレ補正誤差を減少させ、安定した通信を行うことができ、且つ安価な光空間伝送装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に関わる光空間伝送装置は、複数の光空間伝送装置を空間的に隔てて対向配置して双方向通信を行う光空間伝送装置であって、レーザーダイオードから出射されたレーザー光は、第１のレンズ群により平行光束となり、偏光ビームスプリッタの境界面で反射され、更に光軸方向可動部の角度可変全反射ミラーにより反射されて、送信光として対向する光空間伝送装置へ投光され、対向する光空間伝送装置からの受信光が入射すると、前記角度可変全反射ミラーにより反射され、前記偏光ビームスプリッタを透過して、受信光分岐素子で一部が反射され第２のレンズ群によって位置検出用受光素子に受光されるとともに、前記受信光分岐素子を透過した受信光は、第３のレンズ群により本信号検出用受光素子に集光され、前記位置検出用受光素子の受光面上に前記受信光が作るスポットの位置ズレ情報に基づいて前記角度可変全反射ミラーの角度を変化させて、送信光及び受信光の光軸を合致させる光空間伝送装置において、前記位置検出用受光素子は、対向する相手装置の発光素子から発せられた光束の入射位置を分離帯で分割された複数の受光部により検出する位置検出用受光素子であって、前記第２のレンズ群または前記位置検出用受光素子の少なくとも一方を前記光学系の光軸と垂直な平面内で移動させる移動手段を有し、前記移動手段による前記光学系の光軸と前記位置検出用受光素子の相対的な移動量は前記分離帯の幅よりも大きくし、各状態における前記位置検出用受光素子の位置検出信号で相互補正を行い前記スポットの位置ずれ情報を得ることを特徴としている。

以上のような構成により本システムにおいては位置検出用第受光素子に分離帯が存在しても位置検出光を見失うことがなく、大気のミクロ的な揺らぎが発生してもその影響を全く受けなくなり安定した通信を行うことができる。

図１は、本発明の第１実施例を示す光空間伝送装置の構成図である。レーザーダイオード１が射出した紙面に垂直方向に直線偏光となるレーザー光は、正のパワーを持つレンズ群２によりほぼ平行光束となり、偏光ビームスプリッタ３の境界面で反射され、更に光軸方向可動部４の可変ミラー４ａで反射されて、送信光ＬＡとして装置Ｍから図示しない装置Ｎへ投光する。

装置Ｎからの紙面にほぼ平行な直線偏光に近い受信光ＬＢは装置Ｍに入射し、角度可変全反射ミラー４ａにより反射され、偏光ビームスプリッタ３を透過して受光分岐素子５に至る。このとき、受信光ＬＢの大半は受光分岐素子５を透過して、正のパワーを持つレンズ群７により本信号検出用受光素子６に集光される。受光分岐素子５を反射した残りの受信光ＬＢｂは、正のパワーを持ち且つ以降の光軸を理想光軸の略垂直な断面にてシフトさせる機能を有するレンズ群９により集光され、位置検出用受光素子８に受光される。この時のレンズ群９のシフト駆動制御はレンズシフト駆動用制御部１３によって行われる。

図２に示すようにレンズ群９のシフト駆動制御が施されない状態では、位置検出用受光素子８は位置検出用受光素子用光学系の光軸に対して受光素子の分離帯（＝不感帯）の交点が一致するように配置されているため、実際の光軸もこの交点に結像する。これに対し、図３に示すように、レンズ群９のシフト駆動制御が施されているときには位置検出用受光素子用光学系の理想光軸に対して、垂直・水平方向共に実際の光軸は位置検出用受光素子面上の分離帯の交点から分離帯幅Ｌ以上のシフト量Ｄ離れた位置に結像する。

本実施例において、受光素子の分離帯幅Ｌは、０．０２ｍｍである。

このレンズ群９のシフト駆動制御のオン・オフ状態を受光素子上の同一の理想光軸上で考えた場合、図４の黒色部に示すようにシフト駆動制御のオン・オフ状態による合成作用により、不感帯は分離幅同士が交差する２点のみとなり、受光素子の不感帯の面積が略０となる。即ち、シフト駆動制御のオン・オフ状態状態での検出信号が相互補正を行えるため、受信光ＬＢｂのスポットが実際には最良の位置である位置検出用受光素子８の分離帯の中心に落ち込んでも、レンズ群９のシフト駆動制御を施すことにより検出が可能である。このため、制御部は位置検出用受光素子８からの信号が無い場合にはレンズ群９のシフト駆動制御を施すことにより、実際の光軸が８の中心に存在することを認識することができる。

また、従来例のように位置検出用受光素子が固定されている構成ではＬＢｂのスポットが分離帯に沿って移動する場合に、その方向を検知することは不可能であった。これに対し、本実施例の構成では、残された不感帯である２点（二つの素子の分離帯の交点）にＬＢｂのスポットが落ち込んだ場合でも、位置検出用受光素子が一つの場合の線状とは異なり、僅かな面積の点であるため、レンズ群９をシフト駆動させ、スポットを僅かにでも移動させればその方向を検知できるので、システムの機能を損なうことは殆ど無くなる。

位置検出用受光素子８センサーで検出される光強度の違いは、信号処理部１０を介して位置ズレ情報としてミラー駆動用制御部１１に送られる。相手送信部から発せられた受信光を見失うことなく検知できている通常モード時には位置検出用受光素子８からの位置ズレ情報を信号処理部１０にて処理する。これに対し、相手送信部から発せられた受信光が位置検出用受光素子８の分離帯に入り込んでしまい、検知不能の状態に陥ったモード時には、レンズ群９を所定量シフト駆動させて、分離帯ではなく検知可能な部位にて受光し、位置ズレ情報を信号処理部１０にて処理する。このようなモード切替えにより、本システムではセンサー上に分離帯が存在することの影響を殆ど受けなくなる。即ち、前述の受信光に対する意識的なデフォーカスの必要性がなくなり、ビームを従来の技術以上に絞り込むことができるので、大気のミクロ的な揺らぎの影響を極力抑制することが可能となる。

更に、位置検出用受光素子８にて検知不能の状態に陥ったモード時のレンズ群９をシフト駆動させてから、その位置ズレ情報を信号処理部１０にて処理する際、本実施例では実際の光軸を、センサーの分離帯交点から垂直・水平方向ともに所定量Ｄずらしているが、実際にはセンサーの分離帯交点からの距離は√２×Ｄずれているので、この理想光軸からの距離及び方向を補正した光軸方向検知の処理を行う必要がある。

Ｄは、スポットが２つのセンサーともに分離帯に陥ることがない様、分離帯幅より大きいことを前提にしている。しかし、例えば片方のセンサーが感知しなくなった時に、もう片方のセンサーを使用すると言った時系列的な使用をした場合、チャタリングを起して、センサーの切り替えがうまく行かないことがある。このようなことを避けるためには、Ｄは、分離帯幅の１．２倍以上取ることが望ましい。また、図４の矢印Ｃｅで示す様に、センサー中央部の重なる部分がある。センサーは、分離帯が集まる中央部分でより敏感であるが、この部分（Ｃｅ）が大きすぎると、スポットがここに位置した時、２つのセンサーの敏感な部分が使えず、効率が良くない。したがって、Ｄは、分離帯幅の１０倍未満であることが望ましくない。

つまり、１．２×Ｌ≦Ｄ＜１０×Ｌを満たすことが好ましい。

この理想光軸からの距離と方向に関する補正を行わないと、モード切替え時に検知方向に誤りが生じてしまうので、システムとして機能しなくなってしまう。また、この理想光軸からの距離と方向の補正量はレンズ群９の光軸に対する垂直・水平方向のズラシ量で決まるものである。

ミラー駆動用制御部１１は、位置ズレ情報に基づいて光軸方向変更信号を光軸方向可動部４に送る。光軸方向可動部４は、光軸方向変更信号に基づいて角度可変全反射ミラー４ａの角度を変化させ、光軸の調整を行う。

図５は、本発明の第２実施例を示す光空間伝送装置の構成図である。レーザーダイオード１が射出した紙面に垂直方向に直線偏光となるレーザー光は、正のパワーを持つレンズ群２によりほぼ平行光束となり、偏光ビームスプリッタ３の境界面で反射され、更に光軸方向可動部４の可変ミラー４ａで反射されて、送信光ＬＡとして装置Ｍから図示しない装置Ｎへ投光する。

装置Ｎからの紙面にほぼ平行な直線偏光に近い受信光ＬＢは装置Ｍに入射し、角度可変全反射ミラー４ａにより反射され、偏光ビームスプリッタ３を透過して受光分岐素子５に至る。このとき、受信光ＬＢの大半は受光分岐素子５を透過して、正のパワーを持つレンズ群７により本信号検出用受光素子６に集光される。受光分岐素子５を反射した残りの受信光ＬＢｂは、正のパワーを持つレンズ群９により集光され、理想光軸の略垂直な断面にてシフトさせる機能を有する位置検出用受光素子８に受光される。この時の位置検出用受光素子８のシフト駆動制御は受光素子シフト駆動用制御部１４によって行われる。

図２にて実施例１と同様に示せるように受光素子シフト駆動用制御が施されない状態では、位置検出用受光素子８は位置検出用受光素子用光学系の光軸に対して受光素子の分離帯（＝不感帯）の交点が一致するように配置されている。これに対し、図３に示すように、位置検出用受光素子８のシフト駆動制御が施されているときには位置検出用受光素子８は位置検出用受光素子用光学系の光軸に対して垂直方向、水平方向共に受光素子の分離帯幅Ｌ以上のシフト量Ｄを有した位置に配置されている。

この位置検出用受光素子８の２つのシフト状態を受光素子上の同一の理想光軸上で考えた場合、図４の黒色部に示すように位置検出用受光素子８のシフト駆動制御のオン・オフによる合成作用により、不感帯は分離幅同士が交差する２点のみとなり、受光素子の不感帯の面積が略０となる。即ち、位置検出用受光素子８のシフト駆動制御のオン・オフ状態での検出信号が相互補正を行えるため、受信光ＬＢｂのスポットが実際には最良の位置である位置検出用受光素子８の分離帯の中心に落ち込んでも、位置検出用受光素子８のシフト駆動制御を施すことにより検出が可能である。このため、制御部は位置検出用受光素子８からの信号が無い場合には位置検出用受光素子８のシフト駆動制御を施すことにより、実際の光軸が８の中心に存在することを認識することができる。

以上のように、所定の距離を隔てて対向して配置し、送信部側は電気信号を光信号に変換して送信し、受信部側は受信した光信号を電気信号に変換して双方向の情報伝送を行う光空間伝送装置であって、対向する相手送信部から発せられた光束の入射方向を検出する入射方向検出手段を持ち、前記光束の入射方向に自装置が発する光束を射出する光空間伝送装置において、前述の回折光学素子等の技術よりもコストが安価で、尚且つ安定した通信が行える光空間伝送装置を提供することが出来る。

実施例１の光空間伝送装置の構成図実施例１、２におけるシフト制御が施されない場合の位置検出受光素子と光軸の配置実施例１、２におけるシフト制御が施された場合の位置検出受光素子と光軸の配置実施例における検出可能な面積のイメージ図実施例２の光空間伝送装置の構成図従来の光空間伝送装置の構成図位置検出用受光素子の正面図モデル化した大気のミクロ的な揺らぎの説明図従来の光空間伝送装置における位置検出用受光素子上の受光状態を示す図従来の光空間伝送装置における位置検出用受光素子上のビームスポット図

符号の説明

１、１０１レーザーダイオード
２、７、９、１０２、１０７、１０９レンズ群
３、１０３偏光ビームスプリッタ
４、１０４光軸方向可動部
５、１０５受信光分岐素子
６、１０６本信号検出用受光素子
８、１０８位置検出用受光素子
１０、１１０信号処理部
１１、１１１ミラー駆動用制御部
１２、１１２ビームスプリッタ側光軸
１３レンズシフト駆動用制御部
１４受光素子シフト駆動用制御部
２１位置検出用受光素子上のクロスパターン
１２１位置検出用受光素子上のセンサー部分
１２２センサーを分割する分割線
ＬＡ受信光
ＬＢ送信光
ＬＢａ信号光
ＬＢｂ位置検出光
Ｗある地点の信号光ＬＡの広がり
Ｗ１ある地点の信号光ＬＡの広がり内における局所的に光強度の強い部分
Ｗ２ある地点の信号光ＬＡの広がり内における局所的に光強度の弱い部分
Ｍ装置のビーム取り込み径
ＳＰ位置検出用受光素子上のビームスポット
ＢＣ光束中心
ＰＣ光強度中心
Ｐ１位置検出用受光素子上のビームスポット内における局所的に光強度が強い部分
Ｐ２位置検出用受光素子上のビームスポット内における局所的に光強度が弱い部分

Claims

複数の光空間伝送装置を空間的に隔てて対向配置して双方向通信を行う光空間伝送装置であって、
レーザーダイオードから出射されたレーザー光は、第１のレンズ群により平行光束となり、偏光ビームスプリッタの境界面で反射され、更に光軸方向可動部の角度可変全反射ミラーにより反射されて、送信光として対向する光空間伝送装置へ投光され、
対向する光空間伝送装置からの受信光が入射すると、前記角度可変全反射ミラーにより反射され、前記偏光ビームスプリッタを透過して、受信光分岐素子で一部が反射され第２のレンズ群によって位置検出用受光素子に受光されるとともに、前記受信光分岐素子を透過した受信光は、第３のレンズ群により本信号検出用受光素子に集光され、
前記位置検出用受光素子の受光面上に前記受信光が作るスポットの位置ズレ情報に基づいて前記角度可変全反射ミラーの角度を変化させて、送信光及び受信光の光軸を合致させる光空間伝送装置において、
前記位置検出用受光素子は、対向する相手装置の発光素子から発せられた光束の入射位置を分離帯で分割された複数の受光部により検出する位置検出用受光素子であって、
前記第２のレンズ群または前記位置検出用受光素子の少なくとも一方を前記光学系の光軸と垂直な平面内で移動させる移動手段を有し、
前記移動手段による前記光学系の光軸と前記位置検出用受光素子の相対的な移動量は前記分離帯の幅よりも大きくし、各状態における前記位置検出用受光素子の位置検出信号で相互補正を行い前記スポットの位置ずれ情報を得ることを特徴とする光空間伝送装置。