JPH0415448B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (1) 発明の属する技術分野の説明 本発明は衛星間等宇宙の光通信やエネルギー伝
送用の光学装置に関するものである。

(2) 従来の技術の説明 従来の電波での宇宙通信の場合、電波のビーム
幅は一般にレーザビームより広く、電波ビームの
指向方向制御にはそれ程特殊な技術は必要として
いない。地上での通信で光フアイバーを用いた光
通信が主流になりつつあると同様、衛星間通信は
将来光が主流になることが世界的にも確実視され
ているが、用いるレーザ光のビーム幅を狭くしな
いといけないので極めて高精度のレーザビーム指
向方向制御技術を必要とする。また、エネルギー
伝送でも同様の高精度の技術が要求される。

従来、高精度のレーザビーム制御方法としては
米国の空軍等を中心に検討され衛星間光通信に使
用されようとしている方法があるが、この光学装
置は大略第１図のような構成になつている。まず
第１に、送受信同一望遠鏡で便利な反面、送・受
信が独立でないので同じ波長は用いられず異つた
波長を用いなければならない。第２に、送信の強
い光が受信側に及ぼす影響を常に心配しなければ
ならない。第３に、エネルギー伝送等著しく強い
ビームの伝送は不可能である。第４に、この方式
を宇宙通信に応用して半導体レーザ等で近接波長
を用いる場合、波長分離のためのアイソレータが
必要になるので送受信の電力はその分減少する。
第５に、望遠鏡部は簡単になるが内部に多くの光
学素子を必要とするので光学系の構造が複雑にな
りその分電力も損失する。第６に、送受信の分離
をビームスプリツタで行うため、可視と熱赤外等
使用光学材料の異なる二波長での送受信が不可
能。第７に、レーザの発振に起因するレーザビー
ム方向の変動が考慮されていない。第８に、送受
信とも同一のカセグレン式反射望遠鏡を用いてい
るが、反射望遠鏡を送信に用いる場合電波では問
題ないが、光の場合波長に比べ副鏡の口径が著し
く大きいので重要な問題が起こる。無限に遠い距
離では中心に強度の中心をもつ“フレネルの回折
パターン”になるものの、近中距離では特殊な回
折パターンとなり中心部の強度が零から有限の値
になることが距離とともに変化し何回か繰返され
（一般に数＋Kmにも及び、ビームの拡がりの測
定や調整が非常に困難であり、近・中距離での使
用ができない。また、レーザビームの強度が最大
の中心部の光が副鏡でけられてエネルギーも損失
する。等々の欠点があつた。

(3) 発明の目的 本発明では上記の欠点を除去するために、光の
送受信を分離して別の望遠鏡で行うという異つた
基本方式を採用して、下記のように１枚の両面反
射鏡を用いるなど新しい発想によつて、参照光の
方向を基にレーザビームの送信方向を超高精度に
かつ簡単な構造で制御を行うことが可能なことが
特徴であつて、その目的は衛星間通信に必要な〜
10μradの拡り角のレーザビームを〜1μradの精度
で指向方向を制御しなければならないという技術
的な要請に応えることができることであり、さら
に光通信にとどまらず、エネルギー伝送等強力な
電磁波ビームも同精度で伝送可能にさせることで
ある。本発明は衛星を含めた一般の宇宙飛翔体に
適用できるが、ここでは衛星という言葉を用いる
ことにする。

(4) 発明の構成及び作用の説明 第２図は本発明の実施例であつて、１は参照
光（相手の飛翔体から放射される参照用の自然
光やレーザ光）受信望遠鏡対物レンズ、２は同
接眼レンズ、３はビームスプリツタ、４は結像
レンズ、５はCCD等の固体撮像素子（以下
CCDという）、６は両面反射鏡（二軸の回りに
回転する）、７は結像レンズ、８は四象限光検
出器、９はＸ−Ｙシフター、１０はレーザ、１
１はアライメント兼用ビームスプリツタ（両面
平行）、１２はレーザ光送信望遠鏡接眼レンズ、
１３は同対物レンズ、１４はコーナリフレク
タ、１５は結像レンズ、１６は四象限光検出器
（アライメント及びレーザ発振モニタ用）、１７
は光学的バンドパスフイルタである。なお、本
光学装置はジンバル駆動によつて全体の光学軸
の方向制御ができるように固定されているもの
とする。

参照光は受信望遠鏡（１と２）から入り、３
のビームスプリツタで二つに分け、直進光は５
のCCDの撮像面で像を結び検出される。反射
光は６の両面反射鏡の一方の面で反射された
後、８の四象限光検出器に集光して検出され
る。２の凸レンズ使用故像は反転し、焦点の位
置が伸ばされる。８の零点の調整と光行差の補
正（後に詳述）は９のＸ−Ｙシフターで行う。
一方、送信レーザ光は１０のレーザから出て、
１１のアライメント兼用ビームスプリツタで反
射された後、６の両面反射鏡の他方の面で再度
反射され、１２の接眼（凹）レンズを経て、１
３の送信望遠鏡で外部の空間へ放射される。送
信レーザビームの一部は１１を透過後１４のコ
ーナレフレクタで反射され、１１で再反射され
た後１６で検出され、光学軸のアライメントや
レーザ発振（特にビームの方向）のモニタを行
う。一般には背景光雑音が無視できないので、
これを除去するため受信側に１７の光学的バン
ドパスフイルタを付ける。

６の両面反射鏡は第２図にも示したように、
紙面に垂直な軸と紙面に平行かつ鏡面に平行な
軸との二軸の回りに高精度でしかも速い応答速
度（100Hz以上：圧電効果等を用いて100Hz以上
の高速応答にすることは容易である。）で回転
できる機能をもつている。ただし回転範囲は小
さく（〜0.2°以内）でよい。８つの四象限光検
出器は、４個の検出器を４象限に並べた構造
（ピラミツド型の四角錐プリズム反射面を利用
して４個の検出器を横向にして離した等価構造
のものが一般に用いられる。）をしており、焦
点を少々ぼかして結像させ、各々の検出器に入
射した光強度から“重心”としてレーザビーム
スポツトの中心の位置を求めることができる。

第２図の送・受信光学系の光学軸が平行にな
るように調整（調整には恒星等からの平行光線
やオートコリメーシヨンの技術を用いる。）し
ておけば、ジンバルを駆動して装置全体を相手
飛翔体の方向に向け（捕そく）、参照レーザ光
のスポツト像の位置が５のCCD撮像面内の零
点に一致した時、送信レーザビームは正確に相
手に伝送される。衛星の姿勢変動等による送信
レーザビームのずれは、送受信系が一体となつ
ている故に、CCDで検出される参照光スポツ
ト像の位置のずれとなつて現れるので、ジンバ
ルを駆動させて一般の制御方法で高精度の追尾
が一応可能である。CCDは背景光雑音の影響
を少なくでき分解能も高く広視野がとれるので
初期捕そく及び追尾に適している。しかし、〜
1μradの精度となるとCCD−ジンバルシステム
では非常に難しく、高速応答も望めないので、
以下の述べるように四象限光検出器の信号をも
とに小型の内部平面鏡を駆動させて超高精度の
レーザビーム方向制御をCCD−ジンバルによ
る制御と併行して行う。

いま高速の姿勢変動やジンバルのジツター等
で送信レーザビームの方向がずれた場合、第２
図８の四象限光検出器に入射する参照光のスポ
ツト像の中心の位置は原点からずれる。そこで
この位置を原点に戻すように、即ち４個の検出
器での光強度が各々等しくなるように、６の反
射鏡を微調整（二つの軸の回りに微小回転させ
る。）する。すると、両面反射鏡の回転に連動
して送信レーザビームは反射方向が微小変化
し、送信望遠鏡から出る送信レーザビームの発
射方向は参照光の入射方向の変化に等しい角度
分だけ補正される。このためには参照光の入射
とレーザビームの発射の角度変化分が等しくな
るように本光学系の種々のパラメータを適当な
値に設定しておくことが必要であるが、これに
ついては後述する。短焦点の接眼レンズ１２の
使用により、この焦点距離と１３の送信望遠鏡
の対物レンズの焦点距離との比による倍率分だ
け６の両面反射鏡の回転角に対して縮小された
角度変化が得られ、高い指向角度精度が得られ
る仕組みになつている。

一般に宇宙に宇宙飛翔体は光速に対して無視
できない程高速に運動しているので、非常に狭
いビームを問題にする場合相手から放射される
参照光の方向にレーザビームを送信したのでは
正確にビームは当らず、相対速度分だけずらし
て“光行差”の補正を行つて伝送しなければな
らない。これを９のＸ−Ｙシフターにより８の
四象限光検出器の零点をずらすことによつて達
成する。また、６の反射鏡の微小回転を圧電効
果等を用いて行えば100Hz以上の高速応答が容
易に得られるので、レーザビームの高速・高精
度制御が可能となる。このようにして送信レー
ザビームは常に他の衛星に高精度で指向される
ことになり、８の四象限光検出器の位置信号と
６の両面反射鏡の回転角信号とを結合させたサ
ーボシステムを組むことにより、レーザビーム
の超高精度指向方向制御が実現される。

なお第２図を用いて送受信光学軸のアライメ
ントの方法を簡単に説明する。先ず平行光線
（レーザ等人工光か恒星の光）を１と１３の両
望遠鏡から入射させ、８と１６の四象限光検出
器で検出する。１６での光が弱過ぎる場合は１
１をはずした方が良い。６の反射鏡（の角度）
を調整して１６の中心で入射光を検出するよう
にした後、８の中心でも同時に検出できるよう
３のビームスプリツタを調整する。これで送受
信の光学系が平行に調整されたので、次はこれ
と平行にレーザビームを出してやればよい。１
１を取り付けた後（はずした場合）、１４のコ
ーナリフレクタからの反射光は180°反対方向に
反射されるので、１１のアライメント兼用ビー
ムスプリツタを調整して、１６の中心で送信レ
ーザ光が検出されるようにする。これで先に平
行に調整された送受信光学軸と平行にレーザ光
ビームが送信されることになり、目的のアライ
メントは終了する。

参照光の方向のずれに等しい分だけ送信レー
ザビームの方向を変化させるためには光学装置
のパラメータをある条件に合うように定めなけ
ればならない。いま第２図の下端のようにｘ，
ｙ，ｚ軸（矢印の方向を正にとる）を定義す
る。ｚ軸は光学軸と平行、ｙ軸は紙面に垂直、
ｘ軸は紙面に平行な軸である。したがつて、５
と８の撮像面は（ｘ，ｙ）座標で表わされる。
また以後回転角は反時計回りを正に定義する。

姿勢変動によつて、受信される参照光の見掛
けの方向が紙面に平行な成分として△θrだけ変
化したとすると、５のCCDでのスポツト像の
位置のずれのｘ方向成分△xcは、 △xc＝fr△θrl₁／fr ……(1) ただしfr及びfr′の各々は受信望遠鏡の対物レ
ンズ１及び接眼レンズ２の焦点距離である。四
象限光検出器（four quadrant detector）８で
の変化は受信望遠鏡の倍率mrを用い △xq＝−mr△θrl₂、mr＝−fr／fr′ ……(2) となる。ここで、l₁，l₂は各々結像レンズ４，
７から５のCCD、８の四象限光検出器までの
距離を示す。６の両面反射鏡を△αだけ紙面と
平行に回転させてレーザビームの送信方向を△
θtだけ変えたとすると △θt＝２ △α １／mt｝ ……(3) mt＝−ft／ft′ ここでft′，ftは各々接眼レンズ（eyepiece）
１２及び対物レンズ１３の焦点距離で、mtは
送信望遠鏡の倍率を意味する。ただし、(1)−(3)
式では凹レンズの焦点距離は負に定義してい
る。△αの回転による８での像のずれ△xq′は、
７と８の間の距離がl₂であるので △xq′＝−２ l₂△α ……(4) レーザビーム方向の補正（制御）の条件は、 △θt＝△θr′、 ……(5) △xq′＝−△xq、 ……(6) である。(5)と(6)式が同時に満足されれば、６の
両面反射鏡の戻しの回転が（反対方向にならな
いので）レーザビームの方向を補正することに
なる。光行差を△θtaとすると、９のＸ−Ｙシ
フターで補正すべきシフト量△xqaは(3)，(4)式
より求まり △xqa＝−l₂mt△θta、 ……(7) となる。(2)，(3)，(4)，(5)，(6)式より ft／ft′＝−fr／fr′ 又は mr＝−mt、 ……(8) が得られる。(8)が求めていた関係式である。紙
面に垂直な方向の回転成分（ｙ座標の変化）に
ついても同様の関係が成立し、(8)式が導かれる
(8)式の物理的な意味は、送・受信望遠鏡の倍率
（対物レンズと接眼レンズの焦点距離の比。）が
等しく、かつ異符号（像が倒立と正立で反対。）
であることを示している。第２図では受信側で
倒立、送信側で正立となつているが、この逆で
もよい。いずれにしても(8)式を満足するように
パラメータを定めてやればよい。

例えば、現実的な数値として、 fr＝90cm、 ft＝100cm、 mt＝20 にとると、mr＝−20となり、fr′＝4.5cm（凸レ
ンズ）、ft′＝−５cm（凹レンズ）で(8)の条件を
満足する。いま、1μradの角度の精度を考え、
l₂＝10cmとすると △θr＝△θt＝1μrad であるので、(2)式より△xq＝2μm、(3)式より
△α＝10μrad、となり四象限光検出器８のス
ポツト像の位置の精度は2μm、両面反射鏡の回
転角度精度は10μradが要求されるが、いずれ
も容易に得られる精度である｛例えば検出器８
でのスポツト像の直径を200μm（デフオーカス
にして像をぼかす。）とするとSN比約100
（20dB）でこの2μmの変位精度が得られる。原
理的にはこの直径を小さくして例えば20μmに
するとSN比約10dBで同精度が得られるはずで
あるが、現実にはスポツト像の直径を余り小さ
くすると直線性も悪くなり、光電面の感度むら
の問題も生じてサーボ系の精度は向上しない。｝
両面反射鏡の回転時厚みのため（回転軸が反射
面と一致しないため。）に生ずる誤差はビーム
の微小平行移動となるだけであつて、角度の誤
差とはならない。光行差の補正については、例
えば20μrad（地表から見た静止衛星）の時には
(7)式より９のＸ−Ｙシフターを40μmシフトさ
せればよい。

(5) 効果の説明 以上のように本発明による光学システムを用い
れば、従来よりもコンパクトな光学系（送受信の
効率も良くなる）によつて相手飛翔体からの参照
光を基にして当該衛星から送信されるレーザビー
ムの指向方向を超高精度（〜1μrad以内）に制御
可能となり、衛星間通信等の宇宙通信に即利用で
きるのみならず、送受信系が独立しているので非
常に大きな強度のレーザビームを含む一般の電磁
波ビームも同様の精度で伝送でき、エネルギー伝
送等へも応用できるという利点がある。送受信を
独立させている効果は大きく、送受信同一の場合
のように送信ビームの一部が受信側に入り込む心
配がなく、相手飛翔体からの参照光としてはレー
ザビーコンのみならず微弱な光に対しても可能で
あり、太陽の反射光や赤外放射光をも利用でき
る。さらに、送受信いかなる波長でも使用でき、
同一波長で使用可能の利点があるのみならず、使
用材料を異にしなければならない波長でも送受信
に用いられるという利点があり、通信のみならず
種々の方面への応用が期待できる。

送信望遠鏡として屈折望遠鏡を用いれば、ビー
ムパターンが距離によつて変化しないので、ビー
ムの調整が容易になるとともに近距離の宇宙空間
での使用も可能となる。

(6) その他 ここでは第２図に示したようにレンズを用いた
送・受信望遠鏡を考えたが、反射鏡を用いても原
理的には全く変りはない。特に受信系は集光用の
対物レンズ（鏡）の口径が大きいほど参照光検出
のSN比が大きくなるので、参照光が弱い場合や
SN比を上げたい場合は反射望遠鏡を用いた方が
口径が大きくでき（レンズには限界がある。）有
利である。

レーザの発振によるレーザビームの方向の変動
がある場合は、１６の出力を参照して１１のビー
ムスプリツタの角度を制御（８の出力で６を制御
した方法と同様。）すればよい。

ジンバル装置としては、光学装置全体を動かす
か、送・受信望遠鏡の前に大型の外部平面鏡を置
いて動かすかの二通りの方法が考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は先存技術の装置概略図、第２図は本発
明の装置ブロツク図である。第１図については、
ａ……送受信用（反射）望遠鏡対物鏡、ｂ……同
接眼レンズ、ｃ……二重構造反射鏡、ｄ……反射
鏡、ｅ……光学的バンドパスフイルタ、ｆ……結
像レンズ、ｇ……四象限光検出器（捕捉用）、ｈ
……高精度追尾用反射鏡（AZ，EL）、ｉ……二
色性ビームスプリツタ、ｊ……四象限光検出器
（高精度追尾用）、ｋ……光行差補正用反射鏡
（AZ，EL）、ｌ……レーザである。 第２図については、１……参照光受信望遠鏡対
物レンズ、２……同接眼レンズ、３……ビームス
プリツタ、４……結像レンズ、５……CCD、６
……両面反射鏡、７……結像レンズ、８……四象
限光検出器、９……Ｘ−Ｙシフター、１０……レ
ーザ、１１……アライメント兼用ビームスプリツ
タ、１２……レーザ光送信望遠鏡接眼レンズ、１
３……同対物レンズ、１４……コーナリフレク
タ、１５……結像レンズ、１６……四象限光検出
器（アライメント及びレーザ発振モニタ用）、１
７……光学的バンドパスフイルタである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 相手の飛翔体から放射される参照用の自然光
   やレーザ光（対象とするレーザビームと区別する
   ため以下参照光という）の受信と当該のレーザビ
   ームの送信とを別の光学アンテナ（望遠鏡）で行
   う第１の手段と、補そくのための装置全体の方向
   制御（CCD受光素子の信号を基にジンバルを駆
   動する）とレーザビームの高精度指向方向制御
   （四象限光検出器の信号を基に内部平面鏡を駆動
   する）とを併行して行う第２の手段と、受信及び
   送信望遠鏡の接眼部の短焦点レンズに各々凸、凹
   と反対の特性のものを使用する第３の手段と、光
   学的に不透明な１枚の平面鏡の両面を独立な反射
   面として用い各々受信した参照光と送信レーザビ
   ームの反射に用いる第４の手段と、第４の手段に
   用いる両面反射鏡の二軸の回転で参照光のスポツ
   ト像の位置と送信レーザビームの方向とを微小変
   化させる第５の手段と、送信用レーザが最初に反
   射する初段のレーザビーム反射鏡に微小透過型
   （大部分の光は反射するが一部の光は透過する）
   のビームスプリツタを用い、光学軸のアライメン
   トを同ビームスプリツタとコーナリフレクタを用
   いて行う第６の手段と、四象限光検出器を光学軸
   に垂直な平面内で微小平行移動（二次元的にシフ
   トさせる）させて光行差を補正する第７の手段と
   レーザの発振に起因するビーム方向の変動をも補
   正する（別の四象現光検出器の信号を基に同上ビ
   ームスプリツタを駆動して行う）第８の手段とを
   具備することを特徴とするレーザビームの超高精
   度方向制御方法。