JP4446087B2 - 光検出装置及びこれを用いた光検出システム - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1に記載された光ビーム追尾受信装置は、図11(a)に示すように、垂直方向にチルト駆動する垂直駆動ミラー1と、水平方向にチルト駆動する水平駆動ミラー2と、集光レンズ3と、受光素子4とを備えている。この装置を用いて光軸の傾きを検出し、補正するには、まず、制御電圧による2次元制御により、垂直駆動ミラー1と水平駆動ミラー2とを駆動させる。これにより、受光素子4に集光した光スポットは円の軌跡を描いて受光素子4上を動くことになる。このとき、光スポットの受光素子4からのはみ出しの程度に応じて、受光素子4により検出された検出信号は、図11(b)に示すように周期的に変動する。一方、受光素子4から光スポットがはみ出していない場合は、検出信号が一定となる。
したがって、検出信号のレベルの変化が生じないようにミラー1,2の角度を調整することにより、損失を生じることなく光を検出できるようになっている。しかも、受光素子4が光軸のずれの検出と光信号の検出とを兼ねるため、光量を落とす素子を必要とせず、受信光による損失がない。
本発明は、このような実情に鑑みて、損失を生じることなく広い範囲の入射角を有する光を検出できるようにした光検出装置及びこれを用いた光学システムを提供することを目的とする。
前記光ビームを集光する集光手段と、
前記基準光軸と一致する光軸を有する前記光ビームが前記集光手段により集光する位置付近に配設されている受光面と、
該受光面の周囲に設けた透過面をなす入射面と、前記基準光軸に対して傾斜して配設されていて、前記基準光軸からずれた光軸を有する前記光ビームを前記集光手段を経由し前記入射面を透過した後に偏向させる反射面とを有するガラス部材からなる光路偏向手段と、
該光路偏向手段で偏向した前記光ビームを検出する光検出素子とを備え、
前記受光面は、前記ガラス部材に埋め込んで一体化された光ファイバーの端面であって、かつ、前記反射面上にまたは前記基準光軸に沿う方向において前記反射面よりも前記入射面側配置された端面からなることを特徴とする。
本発明では、入射した光ビームについてその光軸が基準光軸と一致する場合には、受光面に向かう過程で集光手段によって損失を生じることなく収斂光となり、受光面で受光される。そのため、受光され検出される光ビームに損失はない。一方、光ビームの光軸が基準光軸と異なる場合には、少なくとも光ビームの一部が受光面からはみ出すことになる。この場合、受光面から外れた光ビームは光路偏向手段によって偏向させられ、光検出素子に導かれる。そして光検出素子で受光面の受光位置により基準光軸とのズレの情報(光ビームの光軸の傾き角度等)をもつ検出信号が検出される。
このようにして光ビームの基準光軸に対する光軸の傾きを測定できる。そのため、測定結果に基づいて、光検出素子に光ビームが検出されないように光ビームの光軸を調整する手段・機能を設けることにより、更に広い範囲の入射角に対応して光ビームの光軸の傾きを補正することが可能になる。そして、光ビームからなる光スポットの一部が受光エリア内に常に重なる必要がないので光軸のズレの検出範囲を広くできる。つまり、空間光通信の初期の捕捉や、大きくずれたときには(光通信が中断されても)再度の捕捉に対応することができる。
また、光路偏向手段は、受光面の近傍周囲に反射面を配設しているので、一部でも受光面を外れた光ビームを確実に光路偏向手段の反射面で光路を偏向させて光検出素子に導くことができる。
なお、受光面の近傍周囲とは、受光面に対して基準光軸の進行方向やや前方からやや後方までの範囲、そして集光手段による集光位置を含む。更に、受光面に向かう光ビームが基準光軸を外れた場合に光ビームが到達する範囲を含む。
また、光路偏向手段は、反射面が基準光軸に対して傾斜して配設されているので、光ビームの光軸が基準光軸に対して傾いている場合には、受光面を外れた光ビームは反射面で偏向されて効率良く光検出素子に導かれる。
また、光路偏向手段はプリズムであってもよい。
光検出装置の組み立て時の角度調整が容易である。特に光路偏向手段と受光面とを一体構造にする加工が容易になる。しかも受光面を光電変換面とすれば、この光電変換素子が収まるように空間を形成しておき、素子を落とし込むことで位置精度を出すことができ、組み立て容易である。受光面を光ファイバーとすれば、プリズム中に光ファイバー用の孔を形成しておき、光ファイバーを挿入して接着剤で固定すればよく、基準光軸に対する位置調整が容易である。
25°≦|θ|≦65° (1)
なる条件を満足するようにするのが好ましい。
上記条件式(1)の範囲内であれば、光検出素子や光路偏向手段などの光学素子同士の干渉を防止し、装置の小型化を実現できる。一方、下限値を外れると入射した光ビームの光軸に光検出素子が近づくので集光手段と光検出素子が干渉する可能性がある。また上限値を越えると光検出素子が入射光の光軸から大きく離れ、装置が大型化する。特に入射角θが例えば45°であると、入射光と射出光が直交する関係になり、光検出素子などの光学素子の配置が容易になる。なお、望ましくは入射角θの範囲は下記(1)′式に示すように設定するとよい。
30°≦|θ|≦60° (1)′
また、下記条件式を満足するようにしてもよい。
Sin-1(1/N)≦α (2)
ただし、N:プリズムの媒質の使用波長における屈折率
α:プリズムの反射面において入射した全画角の主光線の入射角。
反射面がプリズム等の光路偏向手段の内部にあって内部を透過する光ビームが反射面で反射する際、臨界角であるSin-1(1/N)以上の入射角αで反射面に入射することで、反射面に反射コーティングを施すことなく全反射させることができる。
70°<β<110° (3)
角度βが上記範囲内であれば、基準光軸に一致する光軸を有する光ビームを受光面で損失なく受光できる。また上記(3)式の範囲を外れると光ビームが蹴られてしまうおそれがある。特にβが90°であると光軸は受光面に垂直になり、理論的には結合効率が最高となるが、反射による戻り光の影響がある光学系となっている場合には、受光面は光軸に対して(3)式の範囲内で90°より若干傾いていることが望ましい。
なお、角度βは下記(3)′式の範囲に設定するのがさらに好ましい。
80°<β<100° (3)′
この発明では、光ビームが受光面からはみ出した場合、光検出素子で測定した光ビームのズレ方向及びズレ量等の検出信号に基づいて制御手段で光ビームの基準光軸に対する補正値を演算して、光ビームをその光軸が基準光軸と一致するように傾き等を補正する。これによって光ビームを受光面に追い込むことができる。
また、集光手段に向かう光ビームの方向を調整可能な光偏向素子を更に備えていて、制御手段によって基準光軸に対する光ビームの光軸のズレ(ズレ方向とズレ量)を演算して、該光軸のズレを低減する方向に光偏向素子を制御するようにしてもよい。
光ビームの基準光軸に対する光軸の傾き等の補正はガルバノミラー等の光偏向素子によって偏向方向を制御して行われる。
また、集光手段に向かう光ビームに対して光学システム全体の傾きを調整可能な調整手段を更に備えていて、制御手段によって基準光軸に対する光ビームの光軸のズレを演算して、該光軸のズレを低減する方向に調整手段を制御するようにしてもよい。
この発明では、調整手段によって光学システム全体の姿勢を調整することで、外部から入射する光ビームの光軸のズレを低減する方向に調整する。
基準光軸に対する光ビームの光軸の傾斜等の補正はジンバルステージ等の調整手段によって光学システム全体の傾きを制御して行われる。
また、本発明による光学システムによれば、簡易な構成で、損失を生じることなく広い範囲の入射角を有する光を検出して、光ビームのズレを抑制することができる。
図1及び図2は第一の実施の形態による光学システム10を示すものであり、外部から送信されてくる光を受信するシステムである。この光学システム10は、外部から送信されてくる信号光ビームの光軸のズレを検出する光検出装置11と、外部から送信されてくる信号光ビームを光検出装置11内に導く光偏向素子、例えばガルバノミラー12と、光検出装置11で検出された光ビームの光軸のズレについての検出信号を入力して光軸のズレを低減する方向にガルバノミラー12を駆動制御するべく補正量を演算して出力する制御手段13とを備えている。
ガルバノミラー12は、例えばX軸及びY軸の2軸を中心に回転可能であり、任意の角度方向にチルト駆動可能とされている。
光検出装置11では、ガルバノミラー12で反射された外部からの信号光ビームを透過して集光させる集光レンズ15を備えている。集光レンズ15による集光位置近傍には光路偏向手段として三角プリズム16が設けられている。三角プリズム16は例えば図に示す側面視で略直角三角形を形成し、集光レンズ15に対向する面が入射面16aとされ、プリズム16内に進入した信号光ビームを反射させる反射面16bと、反射面16bで反射した信号光ビームを射出する出射する出射面16cとを有している。入射面16aは透過面であって透過の損失を低減するためにARコーティングされている。
三角プリズム16の反射面16bは基準光軸Aに対し例えば45°の角度で傾斜する斜面である。基準光軸Aに対し、三角プリズム16に向かう信号光ビームの光軸がずれている場合には、この信号光ビームの少なくとも一部が入射端面18aを外れて入射面16aを透過して内部に進入し、反射面16bで全反射されて出射面16cに向かうことになる。
出射面16cに対向する位置には反射面16bで反射した信号光ビームを結像させる結像レンズ19が配設されている。結像レンズ19による信号光ビームの結像位置に検出素子として例えばCCD20が設けられている。CCD20では、受光した光スポットの結像位置により光ファイバー18の入射端面18aに対する信号光ビームのズレ方向とズレ量を光軸のズレとして検出できる。このズレ方向とズレ量を含む検出信号を制御手段13へ入力してガルバノミラー12の角度補正量を演算制御することになる。
70°<β<110° (3)
なる条件を満たすことが好ましい。この範囲内であれば、信号光ビームがけられることなく確実に入射端面18a内に受光できる。なお、βが90°であれば受光面である入射端面18aに垂直になるため、理論的には信号光ビームを光ファイバー内に受光する光学系の結合効率が最高になる。しかし、信号光ビームが反射光等の戻り光の悪影響を受ける光学系となっている場合には、光軸に対して受光面である入射端面18aが若干相対的に傾いている(βが90°より若干大きいか、または小さい角度となる)ことが望ましい。
三角プリズム16に入射した信号光ビームが反射面16bで全反射するためには、三角プリズム16の媒質の使用波長における屈折率をNとし、反射面16bに入射する全画角の主光線の入射角をαとすると、
Sin−1(1/N)≦α (2)
の条件を満たす必要がある。
三角プリズム16内における反射面16bへの入射角αが臨界角以上になっていれば、全反射を起こすために反射面16bに反射コーティングを行う必要はない。例えば、三角プリズム16が屈折率N=1.52の光学ガラスで構成されていると、臨界角は41.14°以下になる。このとき基準光軸Aに対する信号光ビームの光軸のズレ角γは最大±3.86°の範囲であれば、反射面16bに反射コーティングを行なわなくても検出可能である。
しかし、基準光軸Aに対する信号光ビームの光軸のズレ角γの検出範囲を上述した範囲よりも大きくとる設定にした場合には、入射角αの範囲がより大きくなる。この場合には、反射面16bに反射コーティングを施して全反射させる必要がある。
25°≦|θ|≦65° (1)
の条件を満足することが好ましい。
この範囲内であれば反射面16cから離れた位置にCCD20を配設することができ、干渉を生じない。
また、外部から送信されてくる信号光ビームがガルバノミラー12で偏向させられて集光レンズ15に向かう光路において、図2に示すように、信号光ビームの光軸が基準光軸Aとズレている場合、信号光ビームは三角プリズム16の入射面16aで入射端面18aを外れてしまう。信号光ビームは入射面16aを透過して反射面16bに所定の入射角θで入射し、全反射する。この反射光は出射面16cを透過して結像レンズ19によって収斂光となってCCD20上で光スポットとして結像する。
このようにして信号光ビームを入射端面18a内に導くよう調整することができる。
図3及び図4は第一の参考例による光学システム22を示すものである。
図3及び図4に示す光学システム22において、光路偏向手段を構成する三角プリズム23を除く他の光学系は第一の実施の形態によるものと同一構成である。三角プリズム23は、斜面が反射面23aを構成し、反射コーティングされている。この反射面23aは図3に示すように集光レンズ15と結像レンズ19とに略対向する位置に配設され、しかも基準光軸Aに対して所望の鋭角、例えば45°の角度で傾斜している。そして光ファイバー18は三角プリズム23に埋め込まれ、好ましくは基準光軸Aの延長線上に配設されている。受光面をなす入射端面18aは略反射面23a上で基準光軸Aに交差する位置に設けられている。集光レンズ15を透過して集光された基準光軸Aを含む信号光ビームは集光点またはその近傍で光ファイバー18の入射端面18aに受光されることになる。
また、信号光ビームの光軸が基準光軸Aに対してズレている場合には、信号光ビームは三角プリズム23の反射面23aで反射して結像レンズ19を通過してCCD20上に結像することになる。
CCD20では、光スポットの位置を検出信号として制御手段13に出力し、受光面である光ファイバー18の入射端面18aに対するズレ方向とズレ量を演算する。この演算値に基づく補正信号を出力してガルバノミラー12を2軸回りに所定量回動させる。こうして、ガルバノミラー12で偏向する信号光ビームの偏向方向が受光面である入射端面18aに追い込まれて、その光軸は基準光軸Aと一致させられる(図3参照)。
従って、第一の実施の形態と同様に、ガルバノミラー12を作動制御して基準光軸Aに対する外部からの信号光ビームの光軸のズレを補正して、信号光ビームの全てを受光面である入射端面18aで検出できて信号光の損失を全く生じないという効果を奏する。
図5は第二の参考例である第一の変形例を示す縦断面図であり、光学システム10、22において、光路偏向手段として三角プリズム16,23に代えてガラス部材からなる平行平板25が設けられている。この平行平板25は集光レンズ15に対向する第一面(上面)が反射面25aとされ、基準光軸Aに対して適宜の鋭角、例えば45°傾斜した状態に保持されている。しかも、この平行平板25には光ファイバー18が埋め込まれて固着されており、反射面25a上に光ファイバー18の入射端面18aが受光面として形成されている。図に示す例では光ファイバー18は基準光軸Aの延長線上に延びて平行平板25をその第二面(裏面)25bから厚み方向に貫通して固着されている。
上述の構成によっても基準光軸Aからずれた信号光ビームは反射面25aで反射して結像レンズ19及びCCD20へ向かうことになる。そして、CCD20で検出した検出信号に基づいて制御手段13で演算して、ガルバノミラー12を2軸回動得させて信号光ビームが入射端面18aに入射するように光軸のズレを調整できる。
なお、上述の第一変形例では、平行平板25の集光レンズ15に対向する第一面を反射面25aとしたが、第一の実施の形態の変形例として、これに代えて集光レンズ15に対向する第一面25aを透過面とし、第二面25bを反射面としてもよい。
また、平行平板27の背面側に位置する反射ミラー28は平行平板27に対して所定角度、例えば45°傾斜した状態に配設され、平行平板27を透過する信号光ビームは反射ミラー28で反射して結像レンズ19に向かうことになる。
図に示す光路偏向手段は、二つの三角プリズム31、32がそれぞれの傾斜面31a,32aを当接させて接合面33を形成してなるキューブ形状をなしている。接合面33には反射コーティングが施されており、反射面を構成する。第一の三角プリズム31は集光レンズ15に対向する入射面31bと結像レンズ19に対向する出射面31cとを透過面としている。第二の三角プリズム32は光ファイバー18が内部に埋め込まれて固着されており、その入射端面18aは接合面33上に位置している。しかも入射端面18aは基準光軸Aの延長線上に位置する受光面を構成する。
そのため、信号光ビームの光軸が基準光軸Aと一致する場合には、信号光ビームは入射端面18aで受光される。基準光軸Aに対して角度のずれた光軸を有する信号光ビームは入射面31bを透過して接合面33で反射され、出射面31cを通して結像レンズ19に向かうことになる。なお、第二の三角プリズム32は光ビームが通過するものでないから、必ずしもプリズムである必要はない。例えば光を通さない金属などの任意の部材で構成されていてもよい。
図に示す光路偏向手段は、二つの三角プリズム35、36がそれぞれの傾斜面35a,36a間に若干の間隙を形成して対向配置されていて、キューブ形状をなしている。特に第一の三角プリズム35は傾斜面35aが全反射面である反射面35aを構成している。この反射面35aは信号光ビームの入射角α(θ)が上記(2)式の範囲内であれば全反射するが、入射角α(θ)が(2)式の範囲を外れれば反射コーティングする必要がある。そして、集光レンズ15に対向する面が入射面35b、結像レンズ19に対向する面が出射面35cを構成する。
また第二の三角プリズム36は光ファイバー18が内部に埋め込まれて固着されており、その入射端面18aは傾斜面36aから突出して第一の三角プリズム35の反射面35aと同一面上に位置して受光面を構成する。
そのため、信号光ビームの光軸が基準光軸Aと一致する場合には、信号光ビームは反射面35a上で入射端面18a内に受光される。基準光軸Aに対して角度のずれた光軸を有する信号光ビームは入射面35bを透過して反射面35aで反射され、出射面35cを通して結像レンズ19に向かうことになる。
なお、第二の三角プリズム36は光ビームが通過するものでないから、第三変形例と同様に必ずしもプリズムである必要はない。また、第一の三角プリズム35と第二の三角プリズム36との間隙はマスク部材37として用いられるリンセイ銅板等を介在させて設定すればよい。
このような光学システムの一例を第四の参考例として図10により説明する。図10に示す光学システム38は、第一の実施の形態における光学システム10でガルバノミラー12を省略して、集光レンズ15に入射する基準光軸Aの延長線上にアフォーカル光学系39を配設している。また、光検出装置11内では光ファイバー18に代えてフォトディテクタ40を三角プリズム16の入射面16aに配設している。そして、アフォーカル光学系39、光検出装置11、制御手段13はジンバルステージ41(ステージ)によって一体に保持されている。ジンバルステージ41は支え部材42で保持された回動軸43によって例えばX軸及びY軸の互いに直交する2軸回りに回転可能に支持されており、これらは調整手段44を構成する。そして制御手段13によって検出する基準光軸Aと信号光ビームの光軸とのズレをなくすように調整手段44でジンバルステージ41に保持された光学システム38全体を回動させることになる。
なお、アフォーカル光学系39の前方にガルバノミラー12をジンバルステージ41とは別個に設けてもよい。この場合、信号光ビームの小さな光軸ズレはガルバノミラー12で調整し、大きな光軸ズレはジンバルステージ41で調整することにより、効率の良い調整を行える。
また、上述した各実施の形態および各参考例において、光検出装置11及び光学システム10,22、38は空間光通信などの光捕捉追尾を行う受光装置の光軸傾き検出用として好適に用いることができる。例えば、光学システム10,22のガルバノミラー12に対し、信号光ビーム進行方向後方にアフォーカル光学系を配置し、ガルバノミラー12の前方の光検出装置11との間にビームスプリッタ、コリメータ、レンズ及び光源を配置して送光装置部分を形成する。そして、光の入射方向に対して光路を逆方向に進み、アフォーカル光学系から通信信号を射出できるようにする。また、受光面に光通信のファイバー端面やフォトディテクタなどを配置して受光光から通信信号を取り出せるようにして受光装置部分を形成する。これらにより構成した送受光可能な装置を2つ離れたところに対向して配置し、双方向空間光通信可能な光学システムとしてもよい。これにより、送受光可能とした装置が相対的に移動し光追尾を行うなど広い入射角を持つ光に対応することができる。
11 光検出装置
12 ガルバノミラー(光偏向素子)
13 制御手段
15 集光レンズ(集光手段)
16、23 三角プリズム(光路偏向手段)
16b、23a、25a、35a 反射面
18 光ファイバー
18a 入射端面(受光面)
19 結像レンズ
20 CCD(光検出素子)
24 反射コート層
25、27 平行平板
28 反射ミラー
29、40 フォトディテクタ
29 aフォトディテクタ面(受光面)
33 接合面
41 ジンバルステージ(ステージ)
44 調整手段
Claims (5)
- 光ビームの光軸について基準光軸からのズレを検出する光検出装置であって、
前記光ビームを集光する集光手段と、
前記基準光軸と一致する光軸を有する前記光ビームが前記集光手段により集光する位置付近に配設されている受光面と、
該受光面の周囲に設けた透過面をなす入射面と、前記基準光軸に対して傾斜して配設されていて、前記基準光軸からずれた光軸を有する前記光ビームを前記集光手段を経由し前記入射面を透過した後に偏向させる反射面とを有するガラス部材からなる光路偏向手段と、
該光路偏向手段で偏向した前記光ビームを検出する光検出素子とを備え、
前記受光面は、前記ガラス部材に埋め込んで一体化された光ファイバーの端面であって、かつ、前記反射面上または前記基準光軸に沿う方向において前記反射面よりも前記入射面側に配置された端面からなることを特徴とする光検出装置。 - 前記光路偏向手段はプリズムであり、
前記光路偏向手段の前記反射面に対する光ビームの光軸の入射角θと、前記ガラス部材の媒質の使用波長における屈折率Nと、前記反射面において入射した全画角の主光線の入射角αと、前記受光面と光ビームの光軸とのなす角度をβとは、以下の条件を満足することを特徴とする請求項1に記載の光検出装置。
25°≦|θ|≦65°
Sin−1(1/N)≦α
70°<β<110° - 請求項1または2に記載の光検出装置と、
該光検出装置における光検出素子で検出した光ビームの検出信号に基づいて該光ビームをその光軸が前記基準光軸と一致するように調節する制御手段と
を備えた光学システム。 - 前記集光手段に向かう光ビームの方向を調整可能な光偏向素子を更に備えていて、
前記制御手段によって前記基準光軸に対する光ビームの光軸のズレを演算して、該光軸のズレを低減する方向に前記光偏向素子を制御するようにした請求項3に記載の光学システム。 - 前記集光手段に向かう光ビームに対して前記光学システム全体の傾きを調整可能な調整手段を更に備えていて、
前記制御手段によって基準光軸に対する光ビームの光軸のズレを演算して、該光軸のズレを低減する方向に前記調整手段を制御するようにした請求項3に記載の光学システム。
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