JP4585378B2 - 光空間通信システムのハイブリッド光軸補正装置 - Google Patents

Description

本発明は、空間中にレーザー光を伝播させて通信を行う光空間通信システムにおいて、送受信装置間の相対位置・姿勢変化に伴う光軸のズレを検出して補正を行うことの可能なハイブリッド光軸補正装置に関するものである。

従来、例えば２つの送受信機を対向配置してビル−ビル間光空間通信を行う場合、風や振動などによる軸ズレの影響を補正するメカニズムがシステムに組み込まれていることがあるが、想定されている送受信機の相対的な位置姿勢の変化は微小なものである。これに対し端末の移動を伴う大きな相対位置の変化に対応するための反射鏡付モーターを組み合わせた光軸調整メカニズムが提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。一方、角度調整の範囲を大きくすることは微小な角度調整のための分解能や変化に素早く対応するための高速応答性能が必ずしも十分でない場合が起こりえる。この場合、送受信機間の距離が大きくなったり突発的な外乱が作用したときに送受信機間の光軸ズレが増大して通信品質を劣化させる要因となることが考えられる。

Koichi Yoshida,Tatsuro Yano,and Takeshi Tsujimura:"Automatic Optical Axis Alignment for Active Free Space Optics",SICE Annual Conference in Sapporo,August4-6,2004,Hokkaido Institute of Tecnology,Japan,p.2035-2040 美多著 「Ｈ∞制御」昭晃堂出版 １９９４

本発明の目的は、上記従来技術の課題を克服し、広範囲の移動領域をカバーしブレや振動といった移動状況に左右されにくい通信品質を保ちえる光空間通信システムに有利なハイブリッド光軸補正装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の光空間通信システムのハイブリッド光軸補正装置は、空間中にレーザー光を伝播させて通信を行う光空間通信システムの送信装置側に、送信用レーザー光源によるレーザー光の発射方向（パン・チルト角）が調整可能なように回転軸に反射鏡が取り付けられた２つの反射鏡付モーターを備え、前記光空間通信システムの受信装置側に、送信側から到達したレーザー光の向きを調整し直列に配置された２つのビームスプリッターへ導く２つの反射鏡付モーターと、最初のビームスプリッターにより２分した一方の分岐光を次のビームスプリッターによりさらに２分した光それぞれの照射位置を検知する２つのＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ）と、最初のビームスプリッターによるもう１つの分岐光を受光する受信用ＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を備え、前記送信用レーザー光源と最初のビームスプリッターの間の光路に介在して設けられた２組の２自由度の反射鏡駆動素子を備えた光空間通信システムのハイブリッド光軸補正装置において、ＰＳＤ上のレーザースポットの基準位置からの変位を表す誤差ベクトルをフィードバックして２組の反射鏡駆動素子と４つの反射鏡付モーターへの入力とする制御装置を設け、送受信装置の２組の反射鏡駆動素子の微小な方向角変化に対するＰＳＤ上のレーザースポット座標の微小変化を関係付けるヤコビ行列と４つの反射鏡付モーターの微小回転に対するＰＳＤ上のレーザースポット座標の微小変化を関係付けるヤコビ行列の推定値を介して導出される線形システムに対して、反射鏡駆動素子と関連した入力については低周波数領域で重みを設定し、反射鏡付モーターに関する入力については高周波数領域で重みを設定してレーザースポット誤差ベクトルを出力とした周波数応答特性を最適化することを特徴とするものである。

また本発明は、前記光空間通信システムのハイブリッド光軸補正装置において、反射鏡駆動素子として、２軸制御式の反射鏡付圧電素子を用いることを特徴とするものである。

本発明は、光空間通信システムの送信装置が発射したレーザー光と受信装置との間の軸ズレ量を検出しこれを補正するように送受信装置の反射鏡駆動素子の方向角と反射鏡付モーターの回転角を調整することにより、送受信装置間の相対位置関係が変化しても光軸を一致させることが可能となる。特に、可動範囲が小さいが高速応答が可能な反射鏡駆動素子と時間応答性は低いものの大角度の調整範囲を有する反射鏡付モーターの特性を相補的に利用することによって、広範囲の移動領域をカバーしながら高い通信品質を維持することが可能となる。

また、移動端末におけるブレや振動といった外乱に対しては高速応答をもつ反射鏡駆動素子が光軸ズレを補正するように動作し、立ち上がりの急峻なステップ外力などに対しては最初に高速応答の反射鏡駆動素子が対応し時間の経過とともに大角度の可動範囲を持つ反射鏡付モーターが引き継ぐといった異なる性質を持ったアクチュエータの協調動作により通信品質を保持させることが可能となる。

以下図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態例に係る光空間通信システムのハイブリッド光軸補正装置を示す構成説明図である。図１において、送信装置１１には、送信用レーザー光源例えばレーザーダイオードＬＤが設けられ、レーザーダイオードＬＤから発射されるレーザー光Ｌの光路には２自由度の反射鏡駆動素子例えば２軸制御式のミラー（反射鏡）付圧電素子であるミラー付２軸圧電素子Ａ１が設けられる。前記ミラー付２軸圧電素子Ａ１で反射されるレーザー光Ｌの光路にはレーザー光の発射方向（パン・チルト角）が調整可能なようにそれぞれ対応して回転軸にミラー（反射鏡）Ｍ１，Ｍ２を取り付けた２つのミラー付モーターＤ１，Ｄ２が互いに回転軸を直交するように配置して設けられる。一方、受信装置１２には、送信装置１１側から到達したレーザー光Ｌの向きを調整するようにそれぞれ対応して回転軸にミラー（反射鏡）Ｍ３，Ｍ４を取り付けた２つのミラー付モーターＤ３，Ｄ４が互いに回転軸を直交するように配置して設けられる。前記ミラー付モーターＤ３，Ｄ４で反射されたレーザー光Ｌの光路には２自由度の反射鏡駆動素子例えば２軸制御式のミラー（反射鏡）付圧電素子であるミラー付２軸圧電素子Ａ２が設けられる。前記ミラー付２軸圧電素子Ａ２で反射されたレーザー光Ｌの光路にはそれぞれ対応してプリズム斜面Ｐ１，Ｐ２を有する２つのビームスプリッターＢ１，Ｂ２が直列に配置されて設けられる。最初のビームスプリッターＢ１により２分した一方の分岐光を次のビームスプリッターＢ２によりさらに２分したレーザー光Ｌそれぞれの照射位置にはレーザー光Ｌの照射位置を検知する２つのＰＳＤ１，ＰＳＤ２が設けられ、最初のビームスプリッターＢ１によるもう１つの分岐光を受光する位置には受信用ＰＤが設けられる。

すなわち、送信装置１１では，送信用ＬＤから発射されるレーザー光Ｌをミラー付２軸圧電素子Ａ１で反射させた後、さらにミラーＭ１，Ｍ２での反射を経て受信装置１２側へ送出する。受信装置１２では、送信装置１１側からの到達光をミラーＭ３，Ｍ４を経てさらにミラー付２軸圧電素子Ａ２で反射させて２つのビームスプリッターＢ１，Ｂ２へ導いている。最初のビームスプリッターＢ１で２分されたレーザー光の一方を受信用ＰＤで受光し、最初のビームスプリッターＢ１で２分されたレーザー光のもう一方はさらに次のビームスプリッターＢ２で２分されレーザービームスポット検出用の２つのＰＳＤ１，ＰＳＤ２に到達する。また、送信装置１１と受信装置１２間はそれぞれ対応して設けられた制御部１３，１４を用いて通常の電波無線や赤外線などによる無線ＬＡＮにより互いの情報を交換できるようになっている。非特許文献１で示されているように本来送受信装置それぞれに設置された一対のモーター付ミラーの回転角を調整することにより、ＬＤからのレーザー光をＰＤへ導くことが可能であるが、一般にこれらを大きな角度変化に対応させる場合、微小角度の変化に対する分解能が低下したり、必ずしも十分な高速応答性が確保できないことが起こりうる。そこで本実施形態例ではＬＤからＰＤまでの光路中に角度調整範囲は小さくとも高分解能・高速応答性に優れたミラー付２軸圧電素子Ａ１，Ａ２を介在させ、ミラー付モーターＤ１〜Ｄ４はミラー付２軸圧電素子Ａ１，Ａ２より大角度の調整を行い、ミラー付２軸圧電素子Ａ１，Ａ２はミラー付モーターＤ１〜Ｄ４より高速応答を行うことによって、送信装置１１と受信装置１２間の高範囲な相対位置姿勢変化に対しても常に高精度な光軸調整が可能となり通信品質の向上が期待できる。

次に、本発明の別の実施形態例について説明する。
前記光空間通信システムのハイブリッド光軸補正装置において、ＰＳＤ１，ＰＳＤ２上のレーザースポットの基準位置からの変位を表す誤差ベクトルをフィードバックして２組のミラー付２軸圧電素子Ａ１，Ａ２と４つのミラー付モーターＤ１〜Ｄ４への入力とする制御装置を設け、送信装置１１及び受信装置１２の２組のミラー付２軸圧電素子Ａ１，Ａ２の微小な方向角変化に対するＰＳＤ１，ＰＳＤ２上のレーザースポット座標の微小変化を関係付けるヤコビ行列と４つのミラー付モーターＤ１〜Ｄ４の微小回転に対するＰＳＤ１，ＰＳＤ２上のレーザースポット座標の微小変化を関係付けるヤコビ行列の推定値を介して導出される線形システムに対して、ミラー付２軸圧電素子Ａ１，Ａ２と関連した入力については低周波数領域で大きな重みを設定し、ミラー付モーターＤ１〜Ｄ４に関する入力については高周波数領域で大きな重みを設定してレーザースポット誤差ベクトルを出力とした周波数応答特性を最適化する。

いま、受信装置１２へのレーザー光が直列に配置された２つのビームスプリッターＢ１，Ｂ２を貫通するように送信装置１１及び受信装置１２のミラー付モーターＤ１〜Ｄ４のモーター回転角とミラー付２軸圧電素子Ａ１，Ａ２の方向角が調整されているものとする。このときプリズム斜面Ｐ１に対する受信用ＰＤの鏡像をＰＤ’、プリズム斜面Ｐ２に対するＰＳＤ２の鏡像をＰＳＤ２’とするとき、ＰＳＤ１とＰＳＤ２’が重ならないように配置されていればミラー付２軸圧電素子Ａ２からの反射光とＰＤ’の光軸との関係は反射光とＰＳＤ１及びＰＳＤ２’受光面との交点の座標によりパラメトライズされることがわかる。従って、ミラー付２軸圧電素子Ａ２からの反射光とＰＤの光軸が一致する場合の２つのＰＳＤ１，ＰＳＤ２上のレーザースポット座標を基準点とすれば、送信装置１１及び受信装置１２の相対位置が変化して光軸が外れたときもＰＳＤ１，ＰＳＤ２上のレーザースポットが基準点に戻るようにミラー付モーターＤ１〜Ｄ４のモーター回転角を調整することにより常に光軸を一致させることが可能となる。特に、送信装置１１と受信装置１２間相対位置の突発的な変化に対してはミラー付２軸圧電素子Ａ１，Ａ２を活用し、持続的で大きな角度変化を伴う場合にはミラー付モーターＤ１〜Ｄ４を活用するように両アクチュエータの相補的な役割分担を行う制御ができればより効率的な光軸調整が可能となる。

このような制御システムを設計するため、先ず送信装置１１及び受信装置１２のミラー付モーターＤ１〜Ｄ４のモーター回転角とミラー付２軸圧電素子Ａ１，Ａ２の方向角の変化に対してＰＳＤ１，ＰＳＤ２上のレーザー光スポット座標値の変化を関係付けることを考える。このため、送信側ＬＤから受信側ＰＳＤ１，ＰＳＤ２までの光線追跡を行う。送信側ＬＤからのレーザー光発射点と発射方向ベクトルをそれぞれｒ_ＬＤ，ｐ_ＬＤ、送信側ミラー付２軸圧電素子Ａ１から受信側ミラー付２軸圧電素子Ａ２までの光路における各ミラー反射面でのレーザー光の反射点と反射方向ベクトルをそれぞれｒ_ｉ，ｐ_ｉ（ｉ＝０，…，５）とする。また、ミラー付２軸圧電素子Ａ２からの反射光とＰＳＤ１及びＰＳＤ２’（ＰＳＤ２の鏡像）との交点をそれぞれｒ_ｐ１，ｒ_ｐ２で表す。各ミラーの中心位置ベクトルと反射面の法線ベクトルをそれぞれｍ_ｉ，ｎ_ｉとし、４つのモーター付ミラーＭ１〜Ｍ４の回転軸ベクトル及びこれと法線ベクトルの外積によって定義されるベクトルをそれぞれａ_ｉ，ｂ_ｉ（＝ａ_ｉ×ｎ_ｉ）（ｉ＝１，…，４）とする。また、送信装置１１及び受信装置１２それぞれのミラー付２軸圧電素子Ａ１，Ａ２によるミラー中心まわりの回転軸をａ_ｉ，ｂ_ｉ（ｉ＝０，５）とおく。ＰＳＤ１及びＰＳＤ２’の中心位置をｍ_Ｐ１，ｍ′_Ｐ２、受光面法線ベクトルをｎ_Ｐ１，ｎ′_Ｐ２、ｘ座標軸ベクトルをｅ_ｘＰ１，ｅ′_ｘＰ２、ｙ座標軸ベクトルをｅ_ｙＰ１，ｅ′_ｙＰ２とおく。

このときｒ_ＬＤ，ｐ_ＬＤをｒ_−１，ｐ_−１と読み替えればｒ_ｉ，ｐ_ｉとｒ_ｉ＋１，ｐ_ｉ＋１（ｉ＝−１，…，４）の関係は次のように記述できる。

また、ｒ_Ｐ１，ｒ′_Ｐ２はｉ＝５に対するｉ＋１＝６をＰ１のように読み替えれば次式で与えられる。

各ミラーの角度調整速度と比較して送信装置１１及び受信装置１２の相対位置変化速度が十分に小さいと仮定して式（１）と式（２）の両辺を微分し整理すれば次式が導かれる。

ただし、Ｉ３は３×３の単位行列を表す。

ここで、式（５）と式（６）をまとめて次のように表すことにする。

このとき、ｒ_Ｐ１，ｐ_Ｐ１の微分は前述の添え字の読み替えを行って次のように求められる。

ただし、Ａ_Ｐ１，ｉ＝Ａ_Ｐ１，５Ａ_５，４…Ａ_{ｉ＋１，ｉ}（ｉ＝０，…，５）である。

送信装置１１及び受信装置１２のミラー付２軸圧電素子Ａ１，Ａ２のａ_ｊ及びｂ_ｊ軸回りの方向調整角をそれぞれα_ｊ，β_ｊ（ｊ＝０，５）、モーター付ミラーＭ１〜Ｍ４のａ_ｉ軸回りの回転角をθ_ｉ（ｉ＝１，…，４）とすれば、各ミラーの法線ベクトルの微分に関して次式が得られる。

このときＰＳＤ１上のレーザー光スポット位置の時間微分

は次のように与えられる。

ここで、

ただし、Ｏ_ｍ，ｎはｍ×ｎの零行列を表す。同様に、ＰＳＤ２上のレーザー光スポット位置の時間微分

は次のように与えられる。

ここで、

結局、ミラー付２軸圧電素子Ａ１，Ａ２の方向角とミラー付モーターＤ１〜Ｄ４のモーター回転角の微小変化に対するＰＳＤ１，ＰＳＤ２上のレーザー光スポットの位置変化を関係付けるヤコビ行列Ｊ_ｐ，Ｋ_ｐは次式で定義することができる。

いま、ヤコビ行列の推定値を

とおきミラー付２軸圧電素子Ａ１，Ａ２の方向角とミラー付モーターＤ１〜Ｄ４のモーター回転角の微分の代わりにそれぞれ新たに次のような入力変数を考える。

このとき

とみなせれば次式が成り立つ。

ただし、ｅはｘ_０Ｐ１，ｙ_０Ｐ１，ｘ_０Ｐ２，ｙ_０Ｐ２を光軸が一致したときの各ＰＳＤ１，ＰＳＤ２の出力値としたときに次式で定義される。

過渡応答を考慮する必要がない場合は例えばｕ＝０，ｖ＝−ｋｅとしてミラー付モーターＤ１〜Ｄ４の応答速度に応じた適当なゲインｋ＞０を設定すればｔ→∞においてε→０を得ることは明らかである。

一方、方向角の調整範囲は小さいが高速応答可能なミラー付２軸圧電素子Ａ１，Ａ２と時間応答性能は低いが大角度の調整範囲を持つミラー付モーターＤ１〜Ｄ４それぞれの特性を相補的に組み合わせて効率的な光軸補正制御を行いたい場合には例えば非特許文献２にあるような周波数分離制御が利用できる。式（１１）が示すように新たに定義された入力変数ｕ，ｖはそれぞれミラー付２軸圧電素子Ａ１，Ａ２とミラー付モーターＤ１〜Ｄ４の入力のみに関連していることから、ｕには低周波領域で大きな重みをｖには高周波領域で大きな重みを与えて周波数応答を最適化することが可能となる。このようにして設計されたコントローラをまた式（１１）を使ってそれぞれのアクチュエータの制御入力として与えることによりミラー付２軸圧電素子Ａ１，Ａ２とミラー付モーターＤ１〜Ｄ４のそれぞれの特性を活かした光軸調整制御が実現できる。

なお、本発明は、上記実施形態例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態例に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態例に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態例に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

本発明の実施形態例に係る光空間通信システムのハイブリッド光軸補正装置を示す構成説明図である。

符号の説明

１１…送信装置、１２…受信装置、１３，１４…制御部、ＬＤ…レーザーダイオード、Ａ１，Ａ２…ミラー付２軸圧電素子、Ｍ１〜Ｍ４…ミラー（反射鏡）、Ｄ１〜Ｄ４…ミラー付モーター、Ｂ１，Ｂ２…ビームスプリッター、Ｐ１，Ｐ２…プリズム斜面、ＰＤ…フォトディテクタ、ＰＳＤ１，ＰＳＤ２…ポジションセンシングデバイス。

Claims (2)

1. 空間中にレーザー光を伝播させて通信を行う光空間通信システムの送信装置側に、送信用レーザー光源によるレーザー光の発射方向（パン・チルト角）が調整可能なように回転軸に反射鏡が取り付けられた２つの反射鏡付モーターを備え、
   前記光空間通信システムの受信装置側に、送信側から到達したレーザー光の向きを調整し直列に配置された２つのビームスプリッターへ導く２つの反射鏡付モーターと、最初のビームスプリッターにより２分した一方の分岐光を次のビームスプリッターによりさらに２分した光それぞれの照射位置を検知する２つのＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ）と、最初のビームスプリッターによるもう１つの分岐光を受光する受信用ＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を備え、
   前記送信用レーザー光源と最初のビームスプリッターの間の光路に介在して設けられた２組の２自由度の反射鏡駆動素子を備えた光空間通信システムのハイブリッド光軸補正装置において、
   ＰＳＤ上のレーザースポットの基準位置からの変位を表す誤差ベクトルをフィードバックして２組の反射鏡駆動素子と４つの反射鏡付モーターへの入力とする制御装置を設け、
   送受信装置の２組の反射鏡駆動素子の微小な方向角変化に対するＰＳＤ上のレーザースポット座標の微小変化を関係付けるヤコビ行列と４つの反射鏡付モーターの微小回転に対するＰＳＤ上のレーザースポット座標の微小変化を関係付けるヤコビ行列の推定値を介して導出される線形システムに対して、反射鏡駆動素子と関連した入力については低周波数領域で重みを設定し、反射鏡付モーターに関する入力については高周波数領域で重みを設定してレーザースポット誤差ベクトルを出力とした周波数応答特性を最適化することを特徴とする光空間通信システムのハイブリッド光軸補正装置。
2. 請求項１に記載の光空間通信システムのハイブリッド光軸補正装置において、
   反射鏡駆動素子として、２軸制御式の反射鏡付圧電素子を用いることを特徴とする光空間通信システムのハイブリッド光軸補正装置。

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