JP3902876B2 - 光空間通信装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、送信信号により変調した光信号をビーム状にして大気中を伝搬し、離れた2地点間で通信を行う光空間通信装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に光信号を利用した通信は、高速で大容量の情報の伝達が可能であり、特に伝送路を自由空間とする光空間通信は、光ファイバ等の有線通信に比べて可搬性に富み、簡便に通信路を開設することができるという利点がある。従来の通信装置では、光空間通信の信頼性を向上するために、光信号が装置から外れないように、光ビームの出射方向の角度補正を行う自動追尾(オートトラッキング)が行われている。
【0003】
図4は従来例のトラッキング機能を有する光空間通信装置の構成図を示し、相手側装置と対向する位置に送受信用のレンズ1が配置され、レンズ1の背後の光路上にはレンズ2、可動ミラー3が配置されている。可動ミラー3の入射方向には、偏光ビームスプリッタ4、レンズ5、半導体レーザー光源等から成る発光素子6が配列されている。偏光ビームスプリッタ4の反射方向には、光束分割ミラー7、レンズ8、位置検出素子9が配列され、光束分割ミラー7の反射方向には、レンズ10、光学素子11が配列されている。
【0004】
発光素子6には合波器12の出力が接続されており、送信信号入力端子13の出力が増幅器14を介して合波器12に接続され、また合波器には発振器15の出力が接続されている。更に、受光素子11の出力は増幅器16を介して受信信号出力端子17に接続されている。
【0005】
位置検出素子9の出力はトラッキング制御回路18に接続され、トラッキング制御回路18の出力は、可動ミラー3の角度を変更する2個のアクチュエータ19、20を介して可動ミラー3に接続されている。また、検者が視覚により確認するための視準スコープ21が、可動ミラー3の光軸とほぼ平行に設けられている。
【0006】
送信時には、送信信号を送信信号入力端子13から入力すると、増幅器14により増幅され、更に発振器15からの信号が合波器12で合波された後に、発光素子6に出力される。発光素子6は発振光を入力信号に従って強度変調し光信号に変換する。発光素子6からの光束はレンズ5を経て偏光ビームスプリッタ4に至り、この光束は紙面と平行に偏光しているので、そのまま偏光ビームスプリッタ4を透過し、可動ミラー3で左方に反射され、レンズ2、1を経て相手側装置の方向に出射される。
【0007】
受信時には、相手側装置からの光ビームは左方からレンズ1に入射し、レンズ3を通り可動ミラー3で下方に反射され、偏光ビームスプリッタ4に至る。この光束は紙面と垂直に偏光しているので、偏光ビームスプリッタ4の貼り合わせ面で右方に反射され、光束分割ミラー7において2方向に分割される。光束分割ミラー7で反射された光束は、レンズ10通って受光素子11で受信されて電気信号に変換された後に、増幅器16で適当なレベルに増幅され、受信信号出力端子17から出力される。
【0008】
他方、光束分割ミラー7を透過した光束はレンズ8により集光し、スポット像Sとして位置検出素子9で受光される。位置検出素子9ではスポット像Sの位置を求め、位置信号としてトラッキング制御回路18に出力する。トラッキング制御回路18はこの位置信号に基づいて、相手側装置からの光ビームが自装置の光路となす角度を算出し、アクチュエータ19、20の駆動信号を作成する。アクチュエータ19、20は可動ミラー3の角度を調節して、スポット像Sが位置検出素子9の中心で受光されるようにする。
【0009】
これに伴って、発光素子6の位置も調節されることになるために、出射ビームと入射ビームの光路は一致して、光ビームは相手側装置に向けて正確に出射される。通信時に装置が傾いたりして受信光の光路がずれ、位置検出素子9のスポット像Sの位置が中心からずれると、直ちに可動ミラー3が移動し、スポット像Sを位置検出素子9の中心で受光するように、光ビームの入射の光路が逐次に修正されて、入射してくる光ビームが装置から外れないようにしている。
【0010】
ここで、位置検出素子9は相手側装置の周囲の背景光の影響により、背景光の強い方向に位置検出信号が引き寄せられて誤差を生ずることを防ぐために、特定の周波数の交流パイロット信号のみを選択して検出する。このパイロット信号は発振器15から発生し、合波器12で送信信号に合波されて相手側装置に送られる。
【0011】
図5は4つに分割された位置検出素子9の正面図を示し、分割された4つ光検出素子9a〜9dのそれぞれの出力を比較することによって、スポット像Sの位置を求める。また、図6は二次元光位置検出素子9eを示し、この位置検出素子9e上のスポット像Sの上下方向の位置は、増幅器22の+入力端子と−入力端子の入力電圧の差で検出し、また左右方向の位置は増幅器23の+入力端子と−入力端子の入力電圧の差で検出する。図5、図6の何れの場合においても、位置検出素子9a〜9eにはスポット像S以外に背景光が入射するので、パイロット信号の周波数成分以外は後段のフィルタや周波数選択性増幅器等の電気回路で除去されて検出されることはない。
【0012】
上述のトラッキング機能は、相手側装置からの光ビームが受信可能なレベルで到達し、かつ位置検出素子9の一部にスポット像Sが受光されていないと作動しない。このために、装置設置時における初期調節では、操作者は可動ミラー3を中点付近の初期位置で固定し、視準スコープ21により相手側装置を観察しながら、手動で装置の方向調節を行っている。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述従来例の光空間通信装置では、背景光の影響を除くためにパイロット信号を使用しているので、次のような問題点がある。
【0014】
(1) パイロット信号の発振器15及び合波器12を必要とし、また受信側ではパイロット信号のみを抽出する回路が必要となるために、コスト高になる。
【0015】
(2) パイロット信号を送信信号に重畳するので、発光素子6、受光素子11、増幅器16等の非直線性のために、相互変調等の信号の干渉が生じて、信号品質が劣化する。
【0016】
(3) パイロット信号と送信信号の周波数帯域が重ならないようにするために、送信信号の周波数帯域が制限される。更に、位置検出素子9は通常では受光面積が小さいので、受信光を正しく入射するために、視準スコープ21により観察しながらの初期調節が必要となる。また、視準スコープ21と位置検出素子9の位置関係を精密に調節しなければならないので、視準スコープ21の実装と調節のためのコストが掛かる。
【0017】
本発明の目的は、上述の問題点を解決し、パイロット信号を使用することなく背景光の影響を取り除くことができる光空間通信装置を提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る光空間通信装置は、所定の情報信号で変調された信号光を送受信する光空間通信装置において、相手側装置から送信された信号光を遮断し、該信号光以外の少なくとも可視波長域の背景光を透過する信号選択手段と、前記信号光及び前記背景光の受光位置を検出する受光位置検出手段と、前記信号選択手段による前記信号光の遮断時及び非遮断時における前記受光位置検出手段の出力信号を比較し、該出力信号の差に相当する信号を出力する信号出力手段とを有することを特徴とする。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明を図1〜5に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図1は本発明の光空間通信装置の第1の実施例の構成図を示し、相手側装置と対向する位置に送受信用のレンズ30が配置され、このレンズ30の背後の光路上にはレンズ31、可動ミラー32が配置されている。可動ミラー32の入射方向の光路上には、信号光のような赤外波長域の光束に対しては紙面に平行な偏波面成分を透過し、紙面に垂直な偏波面成分をその組み合わせ面で反射する偏光ビームスプリッタ33、レンズ34、赤外波長域の光束を発生する半導体レーザー等の発光素子35が配列され、発光素子35には、送信信号入力端子36の出力が増幅器37を介して接続されている。
【0020】
偏光ビームスプリッタ33の反射方向には光束分割ミラー38が配置され、光束分割ミラー38の反射方向の光路上には、レンズ39、アバランシェフォトダイオード又はPINダイオード等の受光素子40が配置されており、受光素子40の出力は、増幅器41を介して受信信号出力端子42に接続されている。
【0021】
光束分割ミラー38の透過方向の光路上には、液晶板43、紙面に垂直方向の偏光を透過する偏光板44、レンズ45、位置検出素子と視準用ファインダを兼用するCCD撮像素子46が順次に配列され、このCCD撮像素子46には液晶制御手段47の出力が接続されている。なお、液晶板43と偏光板44は、レンズ45とCCD撮像素子46の間に配置してもよい。
【0022】
CCD撮像素子46の出力は、CCD制御回路48、A/D変換器49、画像メモリ50、減算器51、トラッキング制御回路52に順次に接続されており、CCD制御回路48の出力はファインダモニタ端子53に接続され、A/D変換器49の出力は直接減算器51に接続されている。そして、トラッキング制御回路52の出力は2個のアクチュエータ54、55を介して可動ミラー32に接続されており、また液晶制御手段47、画像メモリ50に接続されている。
【0023】
送信時には、送信信号を送信信号入力端子36から入力すると、送信信号は増幅器37で増幅され発光素子35に出力される。発光素子35において光信号に変換された送信信号は、レンズ34を経て偏光ビームスプリッタ33に至り、この光束は紙面と平行に偏光しているので、そのまま偏光ビームスプリッタ33を透過し、可動ミラー32で左方に反射され、レンズ31、30を経て相手側装置の方向に出射される。
【0024】
受信時には、相手側装置からの光ビームは左方からのレンズ30に入射し、レンズ31を通って可動ミラー32で下方に反射され、偏光ビームスプリッタ33に至る。この光束は紙面と垂直に偏光しているので、偏光ビームスプリッタ33の貼り合わせ面で右方に反射され、光束分割ミラー38において2方向に分割される。光束分割ミラー38で反射された光束は、レンズ39を通って受光素子40で受信され、電気信号に変換された後に増幅器41で適当なレベルに増幅され、受信信号出力端子42から出力される。
【0025】
他方、光束分割ミラー38を透過した光束は紙面に垂直に偏光しているので、トラッキング制御回路52からのタイミング信号Tにより、液晶板43に電圧が印加されていない状態では、液晶板43と偏光板44を殆ど減衰なしに透過し、レンズ45を通過し、CCD撮像素子46に入射する。また、背景光も同じ光路を通ってCCD撮像素子46に入射するが、偏光ビームスプリッタ33は、背景光のような可視波長域の光束に対しては単なるビームスプリッタとして働くため、背景光は全ての偏光成分を含んでいるので、偏光板44を透過する際に強度が1/2に減衰する。CCD撮像素子46に入射した受信信号光と背景光は、CCD制御回路48で映像信号となり、更にA/D変換器49でデジタル信号に変換され、画像メモリ50に1フィールド又は1フレームの映像情報が書き込まれる。この書き込まれた画像情報の中央部付近の1ライン分を時間軸で見ると、例えば図2(a) のようになっている。なお、中央部のピークは受信信号光である。
【0026】
次に、液晶板43に電圧が印加されると、液晶板43が旋光性を持ち、透過する光の偏光方向が90度回転する。その結果、受信信号光の大部分は偏光板44を透過しなくなり、それに対して背景光は1/2に減衰するだけで、液晶板43に電圧を印加する前と強度の変化はない。従って、CCD撮像素子46には背景光だけが入射し、その画像信号はCCD制御回路48、A/D変換器49を経て信号D2として減算器51に送られる。一方、画像メモリ50に書き込まれている画像信号は、同じタイミングで読み出されて信号D1として減算器51に送られる。減算器51はロジック回路によるハード又はCPUによるソフトにより、信号D2と信号D1を減算して結果を出力する。
【0027】
信号D2の図2(a) に相当するラインの信号は背景光と信号光とを含み、図2(b) に相当するラインの信号は背景光が殆ど同じで信号光がないようになっており、図2(a) の信号と図2(b) の信号の取込時間の差は僅かなので、その間の背景光の変化は殆どない。この両者を減算することにより背景光成分が無くなり、信号光だけが抽出されて図2(c) に示すような信号となり、信号D3としてトラッキング制御回路52に出力される。トラッキング制御回路52は信号D3のピークの位置を調べて信号光スポットの位置検出を行う。信号D3は背景光成分によるノイズがないので、簡便に精度良くピーク位置の検出ができる。また、背景光の強い方向に位置検出結果が引き寄せられて誤差を生ずることもない。
【0028】
信号光の信号選択手段の透過/非透過のタイミングと画像メモリ50の読み書きのタイミングの制御は、トラッキング制御回路52からのタイミング信号Tにより行われる。トラッキング制御回路52は検出した位置信号に基づいてアクチュエータ54、55の駆動信号を発生し、従来例と同様に可動ミラー32の角度を調節する。
【0029】
また、CCD制御回路48からのビデオ信号は、分岐されてファインダモニタ端子53に出力される。ファインダモニタ端子53はテレビモニタを接続してCCD撮像素子46で取り込んだ映像を観察することができるので、視準スコープが不要となるだけでなく、ケーブルを延長することにより、離れた場所からの観察も可能となる。
【0030】
図3は第2の実施例の構成図に示し、位置検出素子9としては、従来例の図5の4分割素子9a〜9dや図6の二次元光位置検出素子9e等と同様の位置検出素子56が使用されている。位置検出素子56の出力は従来例と同様のトラッキング制御回路57に接続され、第1の実施例のCCD撮像素子46、CCD制御回路48、A/D変換器49、画像メモリ50、減算器51、トラッキング制御回路52は使用しない。そして、従来例と同様に視準スコープ58が装備されており、従来例のパイロット信号発振器15と合波器12は使用しない。その他は第1の実施例と同様で同じ信号は同じ部材を表している。
【0031】
最初に、液晶板43に電圧が印加されていない状態では、受信信号光と背景光は共に液晶板43と偏光板44を透過して位置検出素子56に入射する。このとき、位置検出素子56は受信信号光と背景光が重なった光の強度分布の重心に相当する位置を、位置検出信号として出力する。
【0032】
トラッキング制御回路57はこの信号をCPUのメモリ内に一時的に記憶しておく、なお記憶する情報量は僅かなので第1の実施例のような特別なメモリは不要である。次に、液晶板43に電圧を印加して受信信号光を遮断し、背景光だけを位置検出素子56に入射する。このときの位置検出素子56の出力は背景光の強度分布の重心位置を示している。トラッキング制御回路57は先に記憶しておいた受信信号光と背景光の重なった位置信号と今回の背景光のみによる位置信号を減算することにより、背景光成分が相殺された受信信号光のみの成分の位置信号を得る。これにより、背景光の状態に拘らず正確に受信信号光のみの位置検出が可能となる。
【0033】
この実施例では視準スコープ58は必要であるが、パイロット信号は不要なので、パイロット信号の干渉による信号劣化や、信号の周波数帯域の制限はなくなる。
【0034】
位置検出素子56に入射する背景光の強度に影響を与えず、必要なタイミングで受信信号光のみを透過/遮断する信号選択手段としては、第1、第2の実施例の液晶板44と偏光板45の組合わせの他に次のような方式がある。
【0035】
(1) 液晶板43の代りに1/2波長板を使用し、1/2波長板は入射した光の偏波方向と結晶軸のなす角度の2倍の角度だけ出射光の偏波面を回転させる。従って、1/2波長板を光学系(レンズ45)の光軸を中心に45度回転させることにより、信号光の透過/遮断の切換えを行うことができる。
【0036】
(2) 液晶板43を用いず偏光板44のみとし、偏光板44を光学系(レンズ45)の光軸を中心に回転できるようにし、偏光板を90度回転すると信号光の透過/遮断が切換わる。
【0037】
(3) 光は可視波長域の光が大部分を占めている。従って、液晶板43と偏光板44の組合わせの代りに、可視光を通過させて赤外光をカットするような波長選択性の光学フィルタを受信光路上に挿入することにより、信号光だけを透過から遮断に切換えることができる。1例として、円型のガラス板の一部である半円部を波長透過フィルタに加工したものを、光軸を中心として回転することにより、信号の透過/遮断の切換えを行うことができる。
【0038】
上述の実施例は自動トラッキング機能を有する光空間通信装置であるが、自動トラッキング機能を持たずに、手動で角度調節を行うような装置の角度検出方式としても使用することができる。この場合には、調節作業は位置検出素子46、56等の出力のメータの指示や数字による表示等を見ながら手動で角度調節を行うが、自動トラッキングの場合と同様に背景光に影響されない正確な角度調節ができる。
【0039】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る光空間通信装置は、角度検出用のパイロット信号を使用することなく、背景光の影響を受けないで正確な角度検出を低コストで行うことができ、パイロット信号による送受信信号への影響がないので、高精度の光通信を行うことができる。
【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】背景光の影響の除去を説明するためのグラフ図である。
【図3】 第2の実施例の構成図である。
【図4】従来例の構成図である。
【図5】位置検出素子の正面図である。
【図6】他の従来例の位置検出素子の構成図である。
【符号の説明】
32 角度可動ミラー
33 偏光ビームスプリッタ
35 発光素子
40 受光素子
43 液晶板
44 偏光板
46、56 位置検出素子
48 CCD制御回路
50 画像メモリ
51 減算器
52、57 トラッキング制御回路
58 視準スコープ
Claims (8)
- 所定の情報信号で変調された信号光を送受信する光空間通信装置において、相手側装置から送信された信号光を遮断し、該信号光以外の少なくとも可視波長域の背景光を透過する信号選択手段と、前記信号光及び前記背景光の受光位置を検出する受光位置検出手段と、前記信号選択手段による前記信号光の遮断時及び非遮断時における前記受光位置検出手段の出力信号を比較し、該出力信号の差に相当する信号を出力する信号出力手段とを有することを特徴とする光空間通信装置。
- 前記受光位置検出手段はCCD撮像素子であることを特徴とする請求項1に記載の光空間通信装置。
- 前記受光位置検出手段は4分割した光検出素子であることを特徴とする請求項1に記載の光空間通信装置。
- 前記受光位置検出手段は二次元光位置検出素子であることを特徴とする請求項1に記載の光空間通信装置。
- 前記信号選択手段は液晶と偏光板により構成することを特徴とする請求項1〜4の何れか1つの請求項に記載の光空間通信装置。
- 前記信号選択手段は受信光学系の光軸を回転軸として回転可能な1/2波長板と偏光板により構成することを特徴とする請求項1〜4の何れか1つの請求項に記載の光空間通信装置。
- 前記信号選択手段は受信光学系の光軸を回転軸として回転可能な偏光板であることを特徴とする請求項1〜4の何れか1つの請求項に記載の光空間通信装置。
- 前記信号選択手段は受信光路へ挿脱可能な波長選択フィルタであることを特徴とする請求項1〜4の何れか1つの請求項に記載の光空間通信装置。
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