JP5278890B2 - 光捕捉追尾装置 - Google Patents

Description

この発明は、光の空間伝搬を用いて通信を行う光通信装置に使用する光捕捉追尾装置に関している。

空間伝搬を用いた光通信を行なう場合、送受信側双方で望遠鏡が使われる事はよく知られている。この際の望遠鏡は、通常図１２（ａ）に示すような、２軸ジンバルに搭載され、これの駆動によって望遠鏡の向きが直接制御され、従って、送信方向や受信方向が制御されている。他の例として、図１２（ｂ）に示すように望遠鏡開口の前部に２軸あるいは１軸ジンバル機構を有する大型反射鏡を配置し、この駆動により、送信方向や受信方向を制御する例もある。

上記の望遠鏡や大型反射鏡の回転動作の制御駆動には、ジンバルの軸毎に駆動装置と回転角検出用センサが必要である。このため、その分の装置のサイズと重量が増すことになる。また、上記の望遠鏡や反射鏡は、たわみや微小振動を避けるため一般に頑強につくる必要があり、その重量は増加しがちである。また、重量物の回転動作時には回転モーメントが発生する。この回転モーメントは、特に、衛星などに搭載する場合には問題であって、構体の姿勢角度に影響を与えてしまう。

［従来例１］ 特許文献１（特開２００２−３５７５０７号公報）には、拡大光学系を用いる場合においても光束を自動で追尾して常に像を拡大光学系でとらえてレンズの光学性能の検査を可能とするレンズの光学性能検査装置が開示されている。これは、固体撮像素子から得られるピンホール像の撮像信号を基に演算処理装置により被検レンズの主光線と拡大光学系の光軸とのズレ量を求め、光軸方向に顕微鏡を移動させる際には、ズレ量に基づいて演算処理装置が顕微鏡のＸ、Ｙ方向の補正量を算出し、顕微鏡・ＣＣＤ駆動系を制御して顕微鏡を補正量分駆動する。これにより、顕微鏡を用いる場合においても常にピンホール像の自動追尾を可能ならしめるものである。

［従来例２］ また、特許文献２（特開平８−６３２３２号公報）には、測定器等の受光部が常に太陽を指向するようにした太陽自動追尾装置が開示されている。これは、センサ収納部の受光窓のピンホールを介して太陽光が入射され、センサ部を構成する４素子の受光素子からの出力を各増幅器で増幅する。各増幅器からの出力をデジタル演算処理して、センサ収納部の軸心と太陽光の光軸が一致して各受光素子の受光量が同一となるように、センサ収納部が取付けられた測定器等の支持台を方位角方向と天頂角方向において駆動するものである。

しかし、特許文献１の開示では、光学系と撮像素子とを移動させることで光束を追尾するものであり、移動部分の重量が大きいという問題があった。

また、特許文献２の開示では、支持台を方位角方向と天頂角方向において駆動して、受光窓用ピンホールを備えたセンサ収納部を正しく太陽方向に向けるものであり、上記のジンバルを用いた望遠鏡や反射鏡の場合と同様の欠点を備えている。

特開２００２−３５７５０７号公報 特開平８−６３２３２号公報

光望遠鏡を通した光の空間伝搬を用いて光通信を行う光通信装置に使用し、光捕捉追尾操作を行なう際に発生する回転モーメントを抑制した光捕捉追尾装置を実現する。

この発明を人工衛星間の光通信用の光捕捉追尾装置に用いることで、光捕捉追尾操作における構体の姿勢角度に与える影響を抑制することができる。また、小型軽量化を計ることができるので、衛星搭載時の負荷を削減することができる。

本発明は、概略、望遠鏡が形成する光焦点の位置が、望遠鏡開口への光の到来角に依存することを利用し、焦点面に配置した板のピンホールを面内で駆動することにより、望遠鏡の視野方向を制御するものである。または、任意の位置に光が透過する領域を生成できる遮光板を焦点面に配置し、光が透過する領域を移動制御することにより、望遠鏡の視野方向を制御するものである。ピンホール板の平面移動、あるいは任意の位置に光を透過する領域を設けることができる遮光板を利用することにより、重量物の回転動作に伴うモーメントの発生をなくし、視野方向の制御機能の小型化、軽量化を図る。

より詳しく述べれば、本発明は、追尾対象からの光を捕捉し追尾する光捕捉追尾装置であって、追尾対象を含む視野からの光を集光系によって結像する結像手段と、上記結像した追尾対象からの光を選択する光選択手段と、上記選択された光を少なくとも第１光路と第２光路に分岐する第１分岐手段と、第１光路の位置を検出する第１位置検出手段と、第２光路の光に重畳された信号を検出する信号検出手段と、上記位置検出手段の出力で上記光選択手段の選択位置を制御する選択位置制御手段とを備えており、
上記光捕捉追尾装置は光の空間伝搬による光通信に用いるものであり、
上記光選択手段は、上記結像手段からの光の一部を除いて選択的に遮光し、遮光領域のサイズと位置を外部から制御することが可能な遮光器であり、
第１分岐手段は、上記遮光器からの光を分岐する第１のビームスプリッタであり、
上記位置検出手段は、２次元光センサである。

さらに第２光路上に設けられた第１光路調整手段を備え、上記選択位置制御手段の選択位置の移動に対応した光路の移動の変化による上記信号検出手段への入射光量の変化を抑制するようにしてもよい。

また、上記の光捕捉追尾装置の構成に加えて、送信する光信号を生成する送信信号光源と、上記送信信号光源から上記集光系に至る光路を、第２光路上にあって上記集光系から上記信号検出手段に至る光路に隣接して設定する光路合成手段と、を備え、上記送信信号光源からの光を上記集光系を通して送信するものである。

また、上記光路合成手段と上記送信信号光源との間に第２光路調整手段をさらに備えた光捕捉追尾装置であって、上記集光系から入射する光の光路と出射する光の光路とを僅かにずらして、上記追尾対象の移動による追尾誤差を補償することができる。

上記の第１あるいは第２光路調整手段は、入射した光の光路を変える可動鏡と、該可動鏡からの光を分岐する分岐手段と、分岐された光の一方の光路位置を検出する位置検出手段と、該位置検出手段からの信号で上記可動鏡の向きを制御する制御手段と、を備え、分岐された光の他方を出射するものである。

特に、上記の第２光路調整手段は、入射した光の光路を変える可動鏡と、
該可動鏡からの光を分岐する分岐手段と、分岐された光の一方の光路位置を検出する位置検出手段と、該位置検出手段からの信号で上記可動鏡の向きを制御する制御手段と、を備え、分岐された光の他方を出射するようにしてもよい。

送信する光信号を生成する送信信号光源と、上記送信信号光源から上記集光系に至る光路を、第２光路上にあって上記集光系から上記信号検出手段に至る光路に隣接して設定する光路合成手段と、を備え、上記光路合成手段は、第１光路調整手段の上記可動鏡と上記分岐手段との間の光路に設けてもよい。

上記光路合成手段には、ビームスプリッタを用いることができる。

また、上記集光系はレンズを用いたものであり、上記の光選択手段は透過型の光選択手段である。

また、上記集光系は反射鏡を用いたものであり、上記の光選択手段は反射型の光選択手段である。

上記集光系にレンズを用いる場合、上記光選択手段は、可動板に設けられた絞り機構、液晶シャッタ、あるいは過飽和吸収体を用いて構成することができる。

また、上記集光系に反射鏡を用いる場合、上記光選択手段は、微小可動鏡群を用いて構成することができる。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。また、この実施例では可動鏡を用いているが、図１２に示す従来例の場合に比べて、そのサイズは、極端に小さく、従って、重量も格別小さい。

図１は、本発明の光捕捉追尾装置を受信装置に適用した例を示す。結像手段１は、集光系で集光し、光選択手段２の遮光器の面上に追尾対象からの光を結像させる。集光系として、ここではレンズを用いた例を図示しているが、後に示す様に反射型の集光系であってもよい。光選択手段２では、遮光器を用いて目的とする光を選択的に透過させるようにする。ここで、大きさおよび位置は任意に調整できる光を通す領域（以降では、光透過窓と称す）を形成する。透過した光を、分岐手段３で、２次元光センサを用いた位置検出手段４と信号検出手段６へ分岐する。ここで、分岐手段は３はビームスプリッタである。位置検出手段４は、光選択手段２を通過した光を検出し、この結果を選択位置制御手段５に供給して、光選択手段２の動作制御を行って光透過窓位置を設定する。また、分岐手段は３の別の分岐を、信号検出器６に入射して重畳された信号を検出する。

ここで、光選択手段２としては、図７に示す遮光器で、可動架台上に設けた絞りを用いることができる。この絞りは、Ｘ軸用の架台とＹ軸用の架台に乗っており、選択位置制御手段５の制御によって位置を変えることが出来るものである。また、絞りの瞳径も選択位置制御手段５の制御によって変えることが出来る。絞り以外の部分は遮光する。また、架台では、光を透過するガラス板を用いるか、中心部分をくり抜いて用いる。

また、光選択手段２として、図８に示す液晶シャッタを用いることができる。この液晶シャッタは、指定した部分で光を透過するようにするため、その部分での光の偏光方向を、偏光板を透過する偏光の偏光方向と平行になるように設定する。光透過窓位置は、液晶シャッタ用の選択位置制御手段５で制御する。

また、図９は、光選択手段２用の遮光器として過飽和吸収体を用いる例を示す。光が透過する部分を形成するために、過飽和吸収体を過飽和に出来る程度に強力なレーザ光（過飽和光）をレーザ装置から照射する。このレーザ光の照射位置、つまり光透過窓位置は、選択位置制御手段５で制御する。

図１の構成の光捕捉追尾装置の場合には、光が遮光器２を通過する位置に応じて、信号検出器６への入射位置が変化する。この入射位置の変化を抑制するために、図２に示す様に光路調整手段３０を用いる。

図３は、光路調整手段３０の構成を示す模式図である。これは、入射した光の光路を変える可動鏡３６と、該可動鏡からの光を分岐する分岐手段３５と、分岐された光の一方の光路位置を検出する位置検出手段３４と、該位置検出手段からの信号で上記可動鏡の向きを制御する制御手段３１と、を備え、分岐された光の他方を出射するものである。可動鏡３６は、その法線方向を駆動装置３２と３３とで移動する。また、分岐手段３５はビームスプリッタであり、位置検出手段３４は、２次元光センサである。

図４に結像手段１に反射鏡を用いる例を示す。この場合、光選択手段２としては、図１０に示すＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）である微小可動鏡群を用いることができる。また、図には示していないが可変形鏡などを用いることができる。分岐手段３以降は、図４（ａ）は図１と、図４（ｂ）は図２同様である。光透過窓位置は、特定の角度に反射する部分を指定し、それ以外の角度に反射する部分は、遮光部分とすることによって設定することができる。

図１の構成の一部を変更して送受信装置を実現する例を図５に示す。ここでは、動作上障害にならない漏れ光などは、省略している。変更する部分は、図１、図２あるいは図４の信号検出手段６の部分である。これによって、送受信を同時に行なうことが出来る。

より具体的には、信号検出手段６を、図５（ａ）の送受信ユニット２０で置き換える。この送受信ユニット２０は、光路合成手段１０と信号検出手段１３と送信信号光源１２とを用いたものである。具体的には、光路合成手段１０はビームスプリッタであり、信号検出手段１３は光電変換器であり、送信信号光源１２は変調されたレーザ光を生成するものである。

また、図５（ｂ）に示す送受信ユニット２１で、図１、図２あるいは図４の信号検出手段６を置き換えてもよい。ここでは、送信信号光源１２からの光を光路調整手段３０を通して、光路合成手段１０に入射する。これによって、入射光の光路に対して出射光の光路を僅かにずらして、例えば、移動している追尾対象の受信位置に正しく向けて送信することができるようになる。遠距離にある衛星間の光通信では、光の伝搬時間が無視できなくなり、受信方向と同じ方向に送信することは正しい方向でない場合がある。

また、図６に示す図５（ｂ）に示す送受信ユニット２２で、図１、図２あるいは図４の信号検出手段６を置き換えてもよい。これは、受信用の光路調整手段と、送信用の光路調整手段３０とを備えたものとみることができる。つまり受信用の光路調整手段は、可動鏡３６と、分岐手段３５と、位置検出手段３４と、制御手段３１と、から成るものである。可動鏡３６と分岐手段３５との間の光路上に光路合成手段１０を配置し、送信信号光源１２からの光は光路調整手段３０で光路を調整した後、光路合成手段１０に入射する。光路調整手段３０は、上記と同様に、入射光の光路に対して出射光の光路を僅かにずらすために使用する。また、図６の可動鏡３６は、例えば図２の光路調整手段３０で相殺できなかった光路の変動を補正するために用いることができる。

図１１に、本発明を用いて捕捉追尾を行なう手順を示す。この操作は、捕捉追尾対象が変わる度に、繰り返す。
Ｆ１：通信相手局の位置の取得；軌道情報などから通信相手局の位置を取得する。
Ｆ２：光選択手段２である遮光器の光透過窓の形成；遮光器に光を通す領域を形成する。この際、相手の予測位置と実際の位置の誤差に対応するため、はじめは光を通す領域を大きめにする。
Ｆ３：遮光器の光透過窓の位置制御；通信相手局方向に対応する集光系の焦点位置で光が通るように、遮光器の光を通す領域の位置を制御する。
Ｆ４：通信相手局の光の検出；通信相手からの光を位置検出手段４の２次元センサで検出する。
Ｆ５：判断；光焦点は２次元センサで検出されているか？
検出されなければ、Ｆ６へ移行し、
検出されれば、Ｆ７へ移行する。
Ｆ６：光透過窓のサイズの拡大；遮光器の光を通す領域の大きさを広げ、Ｆ５へ戻る。
Ｆ７：遮光器の位置の制御；光焦点の位置が遮光器の光を通す領域の中央に位置するよう、遮光器の位置を２次元センサの情報を元に制御する。
Ｆ８：遮光器の光透過窓のサイズの調整；遮光器２の光を通す領域の大きさを適切に設定し、Ｆ５へ戻る。

本発明は、光の入射側からみて透過光の位置センサより手前に、特定の波長のみを選択する波長選択フィルタを設けることによって、その波長で光を放射する物体の追尾を行なうことができる。従って、例えば、送信側の波長を変えることで、遮光器を通過する光の光源が複数の場合でも、特定の光源を追尾することを容易に行なうことができる。

本発明の光捕捉追尾装置例を示す模式図である。 光路調整手段を用いた光捕捉追尾装置例を示す模式図である。 光路調整手段の構成を示す模式図である。 結像手段に反射鏡を用いた光路調整手段の構成を示す模式図である。 送受信ユニットの例を示す図である。 送受信ユニットの例を示す図である。 可動架台上に設けた絞りを用いた遮光器を示す模式図である。 液晶シャッタを用いた遮光器を示す模式図である。 過飽和吸収体を用いた遮光器を示す模式図である。 ＭＥＭＳである微小可動鏡群を用いた遮光器を示す模式図である。 捕捉追尾を行なう手順を示すフローチャートである。 従来例を示す模式図である。

符号の説明

１ 結像手段
２ 光選択手段
３ 分岐手段
４ 位置検出手段
５ 選択位置制御手段
６ 信号検出手段
１０ 光路合成手段
１２ 送信信号光源
１３ 信号検出手段
２０、２１、２２ 送受信ユニット
３０ 光路調整手段
３１ 制御手段
３２、３３ 駆動装置
３４ 位置検出手段
３５ 分岐手段
３６ 可動鏡

Claims (12)

1. 追尾対象からの光を捕捉し追尾する光捕捉追尾装置であって、
   追尾対象を含む視野からの光を集光系によって結像する結像手段と、
   上記結像した追尾対象からの光を選択する光選択手段と、
   上記選択された光を少なくとも第１光路と第２光路に分岐する第１分岐手段と、
   第１光路の位置を検出する第１位置検出手段と、
   第２光路の光に重畳された信号を検出する信号検出手段と、
   上記位置検出手段の出力で上記光選択手段の選択位置を制御する選択位置制御手段と、
   を備えており、
   上記光捕捉追尾装置は光の空間伝搬による光通信に用いるものであり、
   上記光選択手段は、上記結像手段からの光の一部を除いて選択的に遮光し、遮光領域のサイズと位置を外部から制御することが可能な遮光器であり、
   第１分岐手段は、上記遮光器からの光を分岐する第１のビームスプリッタであり、
   上記位置検出手段は、２次元光センサであることを特徴とする光捕捉追尾装置。
2. さらに第２光路上に設けられた第１光路調整手段を備え、
   上記選択位置制御手段の選択位置の移動に対応した光路の移動の変化による上記信号検出手段への入射光量の変化を抑制することを特徴とする請求項１に記載の光捕捉追尾装置。
3. 請求項１あるいは２のいずれか１つに記載の光捕捉追尾装置の構成に加えて、
   送信する光信号を生成する送信信号光源と、
   上記送信信号光源から上記集光系に至る光路を、第２光路上にあって上記集光系から上記信号検出手段に至る光路に隣接して設定する光路合成手段と、を備え、
   上記送信信号光源からの光を上記集光系を通して送信することを特徴とする光捕捉追尾装置。
4. 上記光路合成手段と上記送信信号光源との間に第２光路調整手段をさらに備え、上記集光系から入射する光の光路と出射する光の光路とを僅かにずらして、上記追尾対象の移動による追尾誤差を補償することを特徴とする請求項３に記載の光捕捉追尾装置。
5. 上記の第１光路調整手段は、
   入射した光の光路を変える可動鏡と、
   該可動鏡からの光を分岐する分岐手段と、
   分岐された光の一方の光路位置を検出する位置検出手段と、
   該位置検出手段からの信号で上記可動鏡の向きを制御する制御手段と、を備え、
   分岐された光の他方を出射することを特徴とする請求項２に記載の光捕捉追尾装置。
6. 上記の第２光路調整手段は、
   入射した光の光路を変える可動鏡と、
   該可動鏡からの光を分岐する分岐手段と、
   分岐された光の一方の光路位置を検出する位置検出手段と、
   該位置検出手段からの信号で上記可動鏡の向きを制御する制御手段と、を備え、
   分岐された光の他方を出射することを特徴とする請求項４に記載の光捕捉追尾装置。
7. 送信する光信号を生成する送信信号光源と、上記送信信号光源から上記集光系に至る光路を、第２光路上にあって上記集光系から上記信号検出手段に至る光路に隣接して設定する光路合成手段と、を備え、上記光路合成手段は、第１光路調整手段の上記可動鏡と上記分岐手段との間の光路に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の光捕捉追尾装置。
8. 上記光路合成手段は、ビームスプリッタを用いたものであることを特徴とする請求項３、４、６、７のいずれか１つに記載の光捕捉追尾装置。
9. 上記集光系はレンズを用いたものであり、上記の光選択手段は透過型の光選択手段であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の光捕捉追尾装置。
10. 上記集光系は反射鏡を用いたものであり、上記の光選択手段は反射型の光選択手段であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の光捕捉追尾装置。
11. 上記光選択手段は、可動板に設けられた絞り機構、液晶シャッタ、あるいは過飽和吸収体を用いたものであることを特徴とする請求項９に記載の光捕捉追尾装置。
12. 上記光選択手段は、微小可動鏡群を用いたものであることを特徴とする請求項１０に記載の光捕捉追尾装置。

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