JP4446087B2

JP4446087B2 - 光検出装置及びこれを用いた光検出システム

Info

Publication number: JP4446087B2
Application number: JP2004056769A
Authority: JP
Inventors: 浩一 ▲高▼橋; 好徳有本
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2004-03-01
Filing date: 2004-03-01
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2024-03-01
Also published as: US20050237511A1; JP2005249430A

Description

本発明は、光検出装置及びこれを用いた光学システムに関し、特に、空間光通信用の光追尾用受光装置の光軸傾きを検出する光検出装置及びこれを用いた光学システムに関する。

従来より、光検出装置として、光ビームの一部をビームスプリッタで分岐して４分割ディテクタ等の光センサで受光し、受光された光スポットの位置により、光ビームの光軸傾きの方向を検出するようにしたものがある。この装置によると、光追尾機能を有する空間光通信に用いられたとき、受信される光の一部が常時光軸の傾き検出に使われてしまうため、受光素子に検出される受信光が弱くなってしまう不都合がある。特に長距離通信の場合、受信される光自体が弱いものである。この光から傾き検出用の光を分離すると、受光素子に受信される光が極めて弱くなり、Ｓ／Ｎが低下するという問題が生じる。この問題を解決するために、４分割ディテクタ等の光センサを使用しない光検出方法が提案されている。
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。
特開平５−１２２１５５号公報

しかしながら、信号検出のための受光素子４は高速応答を求められるので、受光素子４の容量を低く抑える必要があり、一般的に受光エリアが小さい。また、光を損失することなく検出するためには、必ず光スポットの一部が受光素子４の受光エリア内に重なるという前提があるので、光軸のズレの検出範囲が極めて狭くなるという不具合がある。そのため、光が広い範囲の入射角を有する場合に対応できないという問題があった。
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。

本発明による光検出装置は、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、受光面は、光路偏向手段と一体に構成されているので、受光面と光路偏向手段の構成を簡略化でき、組み立て等を容易にでき、光路偏向手段によって受光面を保護できる。
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、受光面を一体に設けていて該受光面の周囲に設けた透過面をなす入射面と、基準光軸に対して傾斜して配設されていて入射面を透過した光ビームを偏向させる反射面とを有しているので、受光面を外れた光ビームは入射面を透過して光路偏向手段の内部に進入し、反射面で透過面とは異なる方向に偏向させられて光検出素子に導かれる。受光面と入射面が略同一面であり、加工が容易である上に、反射面が光路偏向手段の内部に位置するために取り扱いが容易になる。
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。

光路偏向手段の光ビームを偏向させる反射面に対する光ビームの光軸の入射角θは、
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。

受光面と光ビームの光軸とのなす角度をβとして、下記条件式を満足することが好ましい。
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）′

また、本発明による光学システムは、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ことを特徴とする。
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。

本発明による光検出装置によれば、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できる。
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。

以下、本発明の実施の形態による光検出装置を備えた光学システムについて添付図面により説明する。
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。

そして三角プリズム１６には信号光ビームを受光するための受光素子として光ファイバー１８が内部に固着されて一体化されている。光ファイバー１８の入射端面１８ａ（受光面）は入射面１６ａと同一面上（または入射面１６ａから若干外側に突出していてもよく、内側に引っ込んでいてもよい）に配置されている。しかも、ガルバノミラー１２で反射した信号光ビームが集光レンズ１５で集光する光路において、光軸Ａを有する信号光ビームが例えば入射面１６ａ上で集光する場合、この信号光ビームは集光位置またはその近傍に位置する入射端面１８ａで光ファイバー１８内に受光されるように構成されている。このような信号光ビームの光軸Ａを基準光軸とする。
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。

ここで、光ファイバー１８の入射端面１８ａは、信号光ビームの集光点前後の直径寸法より若干大きい内径寸法を有している。しかも、受光面である入射端面１８ａと信号光ビームの光軸とのなす角度をβとすると、
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。

また、信号光ビームが三角プリズム１６の反射面１６ｂで反射する際、反射面１６ｂへの入射角θは、
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。

本実施の形態による光学システムは上述の構成を備えており、次にその作用を説明する。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で偏向させられて光検出装置１１の集光レンズ１５に向かう。信号光ビームが集光レンズ１５を通過する光路において、信号光ビームの光軸が基準光軸Ａと一致する場合、図１に示すように、集光レンズ１５を透過した信号光ビームは集光して、集光点またはその近傍で光ビーム全体が三角プリズム１６の入射面１６ａに設けた光ファイバー１８の入射端面１８ａに進入して受光される。そして、光ファイバー１８で全ての信号光を検出できる。
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。

ＣＣＤ２０では、光スポットの位置の検出信号を電気信号に変換して制御手段１３に出力する。制御手段１３では、入力した検出信号に基づいて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。このズレ方向とズレ量を信号光ビームの補正信号としてガルバノミラー１２に出力し、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ガルバノミラー１２を２軸回りに所定量それぞれ回動させる。これによって、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。
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。

上述のように本実施の形態によれば、上述した従来の装置では光ビームがその受光面である入射端面１８ａで検出されないぐらい大きく光軸が傾斜している場合でも、ＣＣＤ２０でその光軸の傾きを検出することができる。しかも、ガルバノミラー１２を用いて基準光軸Ａに対する信号光ビームの光軸のズレを補正するため、信号光ビームの入射光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が全くない。そのため、信号光ビームの受光面に対する入射角の変動が大きい長距離の光空間通信システムにおいて、微弱な信号光を検出するのに好適である。

次に本発明の他の実施の形態を参考例とともに説明するが、上述の実施の形態と同一または同様な部材、部分には同一の符号を用いてその説明を省略する。
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。

本参考例による光学システム２２は上述の構成を有しているから、ガルバノミラー１２で偏向した外部からの信号光ビームの光軸が基準光軸Ａからずれている場合、集光レンズ１５を通して収束光は受光面である入射端面１８ａには入射せず、三角プリズム２３の反射面２３ａに入射角θで入射する。反射面２３ａで反射した信号光ビームは結像レンズ１９を通過して収斂させられ、ＣＣＤ２０上に光スポットとして結像する。
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。

なお、上述の第一の参考例では、光ファイバー１８の入射端面１８ａは基準光軸Ａに垂直な方向に端面が形成されているが、これに代えて図９に示すように入射端面１８ａの端面を反射面２３ａと同一面状になるように傾斜面として形成してもよい。このように設定すれば、光ファイバー１８の端面に関し、入射端面１８ａを構成するコア１８ｂの周囲のクラッド１８ｃが反射面２３ａと同一面となって反射面２３ａの一部を構成する。そのため、ＣＣＤ２０へ向かう反射光の損失がより小さくなる。なお、図９で反射面２３ａ上にはクラッド１８ｃの端面も含めて反射コート層２４が設けられていてもよい。

次に第一の実施の形態または第一の参考例による光学システム１０、２２に関して、光路偏向手段及び受光面の変形例について図５乃至８により説明する。なお、光路偏向手段及び受光面以外の構成は同一であるものとする。
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。

図６は第三の参考例である第二変形例による光路偏向手段及び受光面を示すものであり、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２７が集光レンズ１５に対向して配設されている。この平行平板２７を挟んで集光レンズ１５と反対側の位置に反射ミラー２８が設けられている。平行平板２７の対向する第一面２７ａ及び第二面２７ｂはいずれも透過面であり、好ましくは基準光軸Ａと略垂直をなしている。集光レンズ１５に対向する第一面２７ａには、基準光軸Ａに交差する位置に受光素子として例えばフォトディテクタ２９が設けられている。そのため、基準光軸Ａと重なる光軸を有する信号光ビームはフォトディテクタ面２９ａを受光面として受光される。
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７は第二の実施の形態である第三変形例による光路偏向手段及び受光面を示すものである。
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８は第三の実施の形態である第四変形例による光路偏向手段及び受光面を示すものである。
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。

なお、上述の各実施の形態および各参考例において、ガルバノミラー１２を２軸回転させることで信号光ビームを光ファイバー１８の入射端面１８ａまたはフォトディテクタ面２９ａ等の受光面に入射するよう角度調整するようにしたが、これに代えて光学システム１０、２２をステージ等に搭載して一体で角度調整する調整手段を備えていてもよい。
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。

即ち、外部から入射する平行光の信号光ビームはアフォーカル光学系３９に入力し、所定の光束径となる。この信号光ビームはその光軸が基準光軸Ａに一致する場合にはフォトディテクタ４０に入射して電気信号として出力される。信号光ビームの光軸が基準光軸Ａに一致しない場合には、三角プリズム１６の反射面１６ｂで反射してＣＣＤ２０に入射する。ＣＣＤ２０ではフォトディテクタ２９に対する信号光ビームのズレ方向とズレ量を検出して制御手段１３で補正量を演算する。この演算値に基づいて補正信号を出力してジンバルステージ４１を２軸回りに所定量回動させる。すると信号光ビームがフォトディテクタ４０に追い込まれてその光軸は基準光軸Ａに一致させられる。
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。

なお、上述の各実施の形態および各参考例において、ガルバノミラー１２を平面の反射面としたが、同じ作用を有するフレネル面やＤＯＥ（回折光学素子）面でもよく、本発明の本質はこのような面形状に限定されない。また光検出素子として、ＣＣＤ２０に代えてＰＳＤ（半導体位置検出素子）やＰＤアレイ（フォトダイオードアレイ）等の光センサーを用いてもよい。
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。

本発明の第一の実施の形態による光学システムを示す構成図である。図１に示す光学システムにおいて信号光ビームが基準光軸からズレている場合の光路を示す図である。本発明を説明するための第一の参考例による光学システムを示す構成図である。図３に示す光学システムにおいて信号光ビームが基準光軸からズレている場合の光路を示す図である。光路偏向手段の第二の参考例である第一変形例を示す図である。光路偏向手段の第三の参考例である第二変形例を示す図である。光路偏向手段の第二の実施の形態である第三変形例を示す図である。光路偏向手段の第三の実施の形態である第四変形例を示す図である。第一の参考例による光学システムにおける受光面付近の構成の変形例である。本発明を説明するための第四の参考例による光学システムを示す構成図である。従来の光軸傾きを検出する光検出装置を示す図である。

符号の説明

１０、２２、３８光学システム
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
２０ＣＣＤ（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
２９ａ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

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。