JPH05188127A - 光ビーム検出方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 宇宙光通信等に於ける光ビームの検出方式に
関し、追尾検出時の角度分解能を向上させることを目的
とする。 【構成】 受信したガスウビーム光を楕円直線偏光に変
換し、この楕円直線偏光を互いに直交する十字光に変換
すると共に一方及び他方の楕円直線偏光を順次選択し一
定振幅で周期的に捜査した後、追尾検出時にはその光強
度変調を受けた楕円直線偏光を液晶マスクに設けた長方
形スリットを通過させて光検出し、この検出した信号の
内の二つの成分の比を取る事により受信光のＸ軸又はＹ
軸上の位置遍倚を求める様に構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光ビーム検出方式に関
し、特に宇宙光通信等に於ける光ビームの追尾モードに
於ける光ビーム検出方式に関するものである。

【０００２】宇宙光通信に於ける高精度の光ビーム制御
技術は、光リンク形成の為の基盤技術の一つである。宇
宙での光通信はまだ実証されてはいないが、近年、宇宙
光通信の実現を目指した研究開発が鋭意進められてい
る。

【０００３】この様な宇宙光通信に於いて相手衛星から
発するビーコン光の検出は、相手衛星を光学的に捕捉・
追尾して光リンクを形成するために不可欠であり、光ビ
ーム制御技術の要の技術となっている。

【０００４】

【従来の技術】研究段階ではあるが従来より研究されて
いるビーコン光の検出方式としては、精度は粗くてよい
が広い範囲で相手衛星を捕まえる必要がある捕捉検出モ
ード時には２次元ＣＣＤで行い、視野は狭くて良いが１
μｒａｄ以下という高精度の角度検出が求められる追尾
検出モード時には４象限ＡＰＤによる検出器で行い、結
果として多検出器による直接検波方式が提案されてい
る。

【０００５】しかしながら、この種の検出方式では、感
度、チャネル間クロストーク、チャネル間感度差ドリフ
ト、及び分割による不感帯等、高感度、高分解能検出系
としての実現を阻害する要因を含んでいた。

【０００６】この様な要因を解決する為、本出願人は、
特願平６２−３３２２０７号（捕捉・追尾方法）を既に
出願している。

【０００７】この捕捉・追尾方法に於いては、ビーコン
光を受信する逆望遠系と、この逆望遠系からの出力光を
互いに直交する十字光に変換する光学系と、この光学系
から出力された十字光にマスクを掛けて光検出を行う光
検出系統とを備えたものであり、捕捉検出時には、逆望
遠系に含まれる液晶マスクを時系列的に駆動制御して複
数のマスクパターンを発生し、このマスクパターンを光
軸回りに段階的に回転させることにより結果として微弱
な対象の捕捉と光軸からの二次元位置のオフセット量
（位置偏倚）が求められることになる。

【０００８】そして、これを光学系及び光検出系を経由
してジンバル機構（図示せず）に送り、ジンバル機構を
調整してビーコン光への大まかなポジショニングを行っ
ている。

【０００９】又、追尾検出時に於いては、上記の逆望遠
系に於ける液晶マスクは常に透明にしておき、光学系か
ら得られる十字光が光検出系の液晶マスク上に入力する
と、上記の様に捕捉モードによって大まかな位置合わせ
が完了しているので、十字光は座標原点から少しだけず
れた位置に来る事になるが、この十字光を液晶マスクを
駆動制御してＸ軸、Ｙ軸方向にそれぞれスリット状のマ
スクパターンを生成し、更にこれらのスリット状のマス
クパターンを周期的に一軸方向に操作する事により光検
出系の出力信号を演算処理し、以て上記の十字光の座標
原点からの２次元オフセット量が求められる。

【００１０】そして、このオフセット量がゼロとなる様
に追尾系のジンバル機構を駆動制御すればビーコン光は
常に光軸中心にポジショニングされることとなる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】この様な本出願人によ
る捕捉・追尾方法は、捕捉検出時には良好な結果が得ら
れるが、追尾検出時には、光検出系に於ける液晶マスク
にＸ軸及びＹ軸方向のスリット状のマスクパターンを生
成し、且つこのマスクパターンを周期的に操作した場合
の角度分解能が画素サイズの制約から悪くなってしまう
と言う問題点があった。

【００１２】従って本発明は、追尾検出時の角度分解能
を向上させることを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】図１は上記の目的を達成
するための本発明に係る光ビーム検出方式の構成原理を
示したもので、受信したガウスビーム光を楕円状の直線
偏光に変換する偏光変換手段１と、該楕円直線偏光を互
いに直交する十字光に変換すると共に該十字光の一方及
び他方の楕円直線偏光を順次出力する楕円偏光選択手段
２と、該楕円直線偏光を一定振幅で周期的に走査する光
強度変調手段３と、捕捉検出時には複数のマスクパター
ンを生成すると共に追尾検出時には該光強度変調を受け
た楕円直線偏光を検出するように対応した長方形スリッ
トを形成する液晶マスク４と、該液晶マスク４を通過し
た光信号を検出する光検出器５と、該光検出器５で検出
した信号の内の２つの成分の比を取ることにより該受信
光の各Ｘ軸又はＹ軸の位置偏倚を求める演算手段６とを
備えている。

【００１４】また本発明では、上記の楕円直線偏光選択
手段２を、偏光ビームスプリッタと、該偏光ビームスプ
リッタの一方の出力光であるＰ偏光成分を開閉する第１
のシャッタと、該偏光ビームスプリッタの他方の出力光
であるＳ偏光成分を開閉する第２のシャッタと、該第２
のシャッタからの該Ｓ偏光成分を９０°回転させるイメ
ージローテータと、該イメージローテータからの該Ｓ偏
光成分を元のＳ偏光位相に戻す２分の１波長板と、該第
１のシャッタからの該Ｐ偏光成分と該２分の１波長板か
らのＳ偏光成分とを合成する偏光ビームスプリッタとで
構成することができる。

【００１５】更に本発明では、上記の第１及び第２のシ
ャッタを、該十字光の内の一方の楕円直線偏光を切替選
択できるように制御し、該液晶マスク４の長方形スリッ
トが該楕円直線偏光に対応して変形できるようにするこ
とができる。

【００１６】更に本発明では、光強度変調手段３を、該
第１及び第２のシャッタの選択に合わせて超音波偏向器
を一定周波数により走査制御し、演算手段６を該検出信
号を基本波成分と２倍波成分とに分離し、該基本波成分
を該一定周波数により同期検波して第１の位置遍倚を求
め、該２倍波成分を整流して第２の位置遍倚を求め、両
位置遍倚の比から該受信光のＸ軸又はＹ軸位置遍倚を求
めるようにしてもよい。

【００１７】

【作用】図１に示す本発明に係る光ビーム検出方式に於
いては、まず受信した円形のガウスビーム光を偏光変換
手段１が楕円直線偏光に変換し、この楕円直線偏光を楕
円偏光選択手段２に於いて互いに直交する十字光に変換
すると共にこの十字光の一方及び他方の楕円直線偏光を
順次選択して出力する。

【００１８】この選択された楕円直線偏光は、光強度変
調手段３に於いて一定振幅で周期的に操作されて液晶マ
スク４に送られる。

【００１９】この液晶マスク４は捕捉選出時には複数の
マスクパターンを生成して従来と同様の動作を行うが、
追尾検出時には光強度変調手段３により光強度変調を受
けた楕円直線偏光を検出する為の対応した長方形のスリ
ットを形成し、この長方形スリットを通過した光信号が
光検出器５に於いて検出され、この検出された信号が演
算手段６に送られる事により、演算手段６では光検出信
号の内の２つの成分の比をとる事により受信光のＸ軸又
はＹ軸上の位置遍倚（オフセット量）が求められる。

【００２０】この様して本発明では、追尾検出時に液晶
マスクをＸ軸方向又はＹ軸方向の長方形スリットに駆動
するだけで良く、楕円直線偏光の操作は光強度変調手段
３によって行われるので、結果として液晶マスク４から
得られる光信号の検出感度が良くなるという利点があ
る。

【００２１】

【実施例】図２は本発明に係る光ビーム検出方式の実施
例を示したブロック図であり、この実施例では偏光変換
手段１がアナモフィックプリズム１１とλ／４（λは波
長）波長板とで構成されており、楕円偏光選択手段２
は、λ／４波長板１２からの出力光の内のＰ偏光成分を
透過させＳ偏光成分を反射させる偏光ビームスプリッタ
２１と、この偏光ビームスプリッタ２１からのＰ偏光成
分を阻止するシャッタ２２と、偏光ビームスプリッタ２
１からのＳ偏光成分を反射するミラー２３と、このミラ
ー２３の反射光を阻止するＳ偏光シャッタ２４と、この
シャッタ２４からのＳ偏光成分を９０°回転させるイメ
ージローテータ２５と、このイメージローテータ２５の
出力光を反射させるミラー２６と、このミラー２６の反
射光を１８０°ずらしてＳ偏光成分の元の位相に戻すた
めのλ／２波長板２７と、シャッタ２２からの出力光を
透過させλ／２波長板２７からの出力光を反射させる偏
光ビームスプリッタ２８とで構成されている。

【００２２】更に光強度変調手段３は、偏光ビームスプ
リッタ２８の出力光の内のＰ偏光成分のみを偏向させる
Ｐ偏向器３１と、Ｓ偏光成分のみを偏向させるＳ偏向器
３２と、これらの偏向器３１，３２の出力光を集光させ
る集光レンズ３３とで構成されている。

【００２３】この様な実施例の動作に於いては、まず受
信光はアナモフィックプリズム１１で円形ビームから楕
円形ビームに変形され、更にλ／４波長板１２により円
偏光から直線偏光に変換されて楕円直線偏光として偏光
ビームスプリッタ２１に送られる。尚、円形ビームのま
までもよいが、楕円形スリットビーム状光に変換した方
が検出軸方向の分離がよくなり、位置検出感度も高くな
る。

【００２４】偏光ビームスプリッタ２１では入力光をＰ
偏光成分とＳ偏光成分とに分離し、Ｐ偏光成分はシャッ
タ２２に送られ、Ｓ偏光成分はミラー２３で反射されて
シャッタ２４に送られる様になっている。そしてシャッ
タ２２，２４が開いている時には、シャッタ２２からの
出力光は偏光ビームスプリッタ２８に送られるが、シャ
ッタ２４からの出力光はイメージローテータ２５で９０
°回転させられ、更にミラー２６で反射した後、λ／２
波長板２７でＳ偏光の元の位相に戻されてから偏光ビー
ムスプリッタ２８に送られてシャッタ２２からのＰ偏光
成分と合成されて出力される。

【００２５】従って、シャッタ２２及び２４が開かれて
いる時には図３に示す様な十字光が出力されることとな
る。

【００２６】この十字光は光強度変調手段３に於ける偏
向器３１，３２に送られるが、これらの偏向器３１及び
３２は両方が動作するのでは無く、Ｐ偏光シャッタ２２
が動作してＰ偏光成分が阻止される時にはＳ偏向器３２
のみが動作し、反対にＳ偏光シャッタ２４が動作してＳ
偏光成分が阻止される時にはＰ偏向器３１のみが動作す
る様になっている。

【００２７】この偏向器３１，３２を含む光強度変調手
段の実施例が図４に示されており、この実施例では図を
簡略化するために偏向器（超音波偏向器）としてＰ偏向
器３１又はＳ偏向器３２のいずれか一方を示しており、
この超音波偏向器は発振周波数ｆ_m を有する発振器３６
からの出力信号によりＶＣＯ（電圧制御発振器）３５及
び増幅器３４を経由して制御される様になっており、こ
の実施例では図示の様にＸ軸方向に走査振幅ｍ_s で走査
周波数ｆ_m が所望の値となる様にＶＣＯ３５の入力電圧
の振幅と周波数とを制御することにより超音波偏向器３
１（３２）はＸ軸方向に振幅ｍ_s 、周波数ｆ_m で正弦波
状に走査され、偏光ビームスプリッタ２８からの十字光
の内の一方の楕円直線偏光成分を走査して光ビーム中心
までのＸ軸方向の位置ずれを検出しようとするものであ
る。

【００２８】従って、Ｘ軸方向の位置ずれが、十字光中
のＰ偏光のみをシャッタ２２から出力させＰ偏向器３１
で偏向させることにより検出できると仮定すれば、Ｙ軸
方向の位置ずれは十字光中のＳ偏光のみをシャッタ２４
から出力させＳ偏向器３２で偏向させることにより検出
されることとなる。

【００２９】この様にして超音波偏向器３１（３２）及
び集光レンズ３３を通過した光ビームは液晶マスク４に
送られるが、図４に示した液晶マスクの実施例は追尾モ
ード時の液晶マスクを示しており、この追尾モードの前
段階として実行される捕捉モード時の液晶マスク４に関
しては図５に示されており、この捕捉検出モードは本発
明の趣旨ではないため以下に簡単に説明する。

【００３０】まず、液晶マスク４は図５(1) に示す様に
Ｘ軸パターンとＹ軸パターンとがあり、これらのマスク
パターンはＭ系列を用いて作成する。次数ｎとすると、
２ⁿ −１のガロア体ＧＦ（２）の既約多項式（図５(2)
(a) 参照）から、一つの１次元パターンが決定される。
これを対応する座標軸上で１素子ごとに巡回移動させれ
は、その周期に等しい１２７通りの位置に対する最適な
差異をもつパターンが生成できる（図５(2) (b) 参
照）。

【００３１】Ｘ軸方向のパターンを〔Ｗ_ix〕で表せば、
その切り換えにより、 〔Ｉ_im〕＝〔Ｗ_ix〕×〔Ｉ_is〕 の光強度変調を受けることになる。ただし、ｉ＝１〜
Ｎ、入射光〔Ｉ_is〕＝Ｎ×１、出射光〔Ｉ_im〕＝Ｎ×
１、〔Ｗ_iX〕＝Ｎ×Ｎのマトリクスである。

【００３２】また、〔Ｉ_im〕は光検出器５で検波すれば
求まるので、Ｘ軸上の入射光強度成分は、 〔Ｉ_is〕＝〔Ｗ_ix〕^-1×〔Ｉ_im〕 となり、ビーム中心座標は、 ｉ＝（Σｉ×Ｉ_is）／ΣＩ_isから算出できる。又、Ｙ軸
方向も同様にして求めることが出来る。

【００３３】この様にして従来と同様の捕捉検出モード
を実行した後、本発明の特徴である追尾モードに於ける
検出を行うが、この時の液晶マスク４の実施例が図４に
示されており、この実施例では液晶マスク４はＹ方向に
長方形になったスリット４０を透明とし、斜線部分を不
透明とする様に液晶マスク駆動回路４１及び４２によっ
て駆動制御される様になっており、この長方形スリット
４０は偏光ビームスプリッタ２８からの十字光のうちの
選択されたＰ偏光成分又はＳ偏光成分の楕円直線偏光の
楕円方向に対応したものとなっている。

【００３４】この様な液晶マスク４のパターンに於い
て、長方形スリット４０の近傍で偏光ビームスプリッタ
２８からの楕円直線偏光を超音波偏光器３１（３２）に
よりＸ軸方向に走査振幅ｍ_s 、走査周波数ｆ_m で正弦波
状に振らせたとすると、この時の長方形スリット４０か
らの透過光強度は図６の関数で示される。

【００３５】尚、追尾分解能を１μｒａｄ以下にするた
めには、捕捉検出時の分解能も考慮すると、ダイナミッ
クレンジ２００：１が必要であり、液晶マスク４により
作成されるスリット幅を３０μｍとすれば、０．１５μ
ｍのビーム位置検出分解能を必要とする。衛星移動速度
がほぼ０．２μｒａｄ／ｍｓであるから、偏向器３１
（３２）の走査周波数ｆ_m は１khz 以上であることが必
要である。

【００３６】従ってスリット４０の中心は光ビーム中心
とのＸ軸上（又はＹ軸上）の位置遍倚（オフセット量）
をｄとした時、光ビームを上記の様に正弦波状に振らせ
る事によって同図に示す様に光空間変調を受けること
になる。そして、この透過光を光検出器５で検出し、演
算手段６で位置遍倚ｄを算出することとなる。

【００３７】尚、図６に示した位置偏倚ｄはＰ偏光成分
又はＳ偏光成分によるＸ軸又はＹ軸上のずれを示したも
のであり、両偏光成分によるＸ軸成分及びＹ軸成分の両
方の位置偏倚ｄを求めることにより受信光の中心のずれ
が求められることとなる。

【００３８】図７は演算手段６の実施例を示したもの
で、光検出器５で検出された検出信号はバンドパスフィ
ルタ６１及び６２に送られ、バンドパスフィルタ６１の
出力信号は整流回路６３とローパスフィルタ６５とＡ／
Ｄ変換器６７とを経てＣＰＵ６９に送られると共に、バ
ンドパスフィルタ６２の出力信号は同期検波回路６４と
ローパスフィルタ６６とＡ／Ｄ変換器６８とを経てＣＰ
Ｕ６９に送られる様になっている。

【００３９】そして、バンドパスフィルタ６２は光検出
器５の出力信号の内の基本波成分の内の基本波成分のみ
を取り出し、バンドパスフィルタ６２は２倍波を抽出す
る様に設定されており、但し基本波の場合には光ビーム
の正負符号が付いた位置遍倚が必要である為、同期検波
回路６４が用いられ、且つこの同期検波回路が図４に示
した発振器３６からの出力信号（周波数ｆ_m ）の出力信
号により制御される様になっている。一方，２倍波の場
合には正負符号付信号は不要であるので、整流回路６３
が用いられている。尚、ローパスフィルター６５，６６
は不要な雑音成分を除去する為のものであり、これらの
出力信号はＡ／Ｄ変換器６７，６８でディジタル信号に
変換されてＣＰＵ６９で演算処理されることとなる。

【００４０】この場合、上記の様に捜査振幅をｍ_s 、ス
リット４０の中心とビーム中心との位置遍倚をｄとすれ
ば、変調信号に関して次式が得られる。

【００４１】

【数１】

【００４２】即ち、Ａ／Ｄ変換器６７及び６８から出力
されるＶ2f_m 及びＶf _m が出力され、ｄ≦ｍ_s の関係か
らＶf _m はｄに比例し、Ｖ2f_m は概ね平坦な特性となる
ので、これらの比Ｖ（ｄ）＝Ｖｆ_m ／Ｖ2f_m を光ビーム
の遍倚信号とすれば、検出系全体の感度の時間的変動を
除去したＸ軸又はＹ軸上の位置ずれ検出信号が得られる
こととなる。

【００４３】

【発明の効果】以上述べた様に本発明に係る光ビーム検
出方式によれば、受信したガスウビーム光を楕円直線偏
光に変換し、この楕円直線偏光を互いに直交する十字光
に変換すると共に一方及び他方の楕円直線偏光を順次選
択し一定振幅で周期的に捜査した後、追尾検出時にはそ
の光強度変調を受けた楕円直線偏光を液晶マスクに設け
た長方形スリットを通過させて光検出し、この検出した
信号の内の二つの成分の比を取る事により受信光のＸ軸
又はＹ軸上の位置遍倚を求める様に構成したので、検出
系を構成する偏向器や液晶マスクなどの主要光学素子を
Ｘ軸、Ｙ軸それぞれに配列する必要が無く共用化させる
ことが出来ると共に液晶マスクにビーム位置検出の機能
を持たせた事になり、光ビーム制御の為の多検出器は不
要となる。

【００４４】また、受信光を円形ビームから楕円ビーム
に変換しこれに合わせて液晶マスクを長方形スリット状
に構成するので検出軸方向の分離がよくなり位置検出感
度が高くなると言う利点が生ずる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光ビーム検出方式の原理構成ブロ
ック図である。

【図２】本発明に係る光ビーム検出方式の実施例を示し
たブロック図である。

【図３】本発明で用いられる十字光の像を示した図であ
る。

【図４】光強度変調手段及び液晶マスクの実施例（追尾
モード時）を示したブロック図である。

【図５】捕捉検出モードを説明する為の図である。

【図６】追尾モード時の光検出器の出力波形図である。

【図７】演算手段の実施例を示したブロック図である。

【符号の説明】 １ 偏向変換手段 ２ 楕円偏光選択手段 ３ 光強度変調手段 ４ 液晶マスク ５ 光検出器 ６ 演算手段 図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 受信したガウスビーム光を楕円状の直線
   偏光に変換する偏光変換手段(1) と、 該楕円直線偏光を互いに直交する十字光に変換すると共
   に該十字光の一方及び他方の楕円直線偏光を順次出力す
   る楕円偏光選択手段(2) と、 該楕円直線偏光を一定振幅で周期的に走査する光強度変
   調手段(3) と、 捕捉検出時には複数のマスクパターンを生成すると共に
   追尾検出時には該光強度変調を受けた楕円直線偏光を検
   出するように対応した長方形スリットを形成する液晶マ
   スク(4) と、 該液晶マスク(4) を通過した光信号を検出する光検出器
   (5) と、 該光検出器(5) で検出した信号の内の２つの成分の比を
   取ることにより該受信光の各Ｘ軸又はＹ軸の位置偏倚を
   求める演算手段(6) と、 を備えたことを特徴とする光ビーム検出方式。
2. 【請求項２】 該楕円偏光選択手段(2) が、偏光ビーム
   スプリッタと、該偏光ビームスプリッタの一方の出力光
   であるＰ偏光成分を開閉する第１のシャッタと、該偏光
   ビームスプリッタの他方の出力光であるＳ偏光成分を開
   閉する第２のシャッタと、該第２のシャッタからの該Ｓ
   偏光成分を９０°回転させるイメージローテータと、該
   イメージローテータからの該Ｓ偏光成分を元のＳ偏光位
   相に戻す２分の１波長板と、該第１のシャッタからの該
   Ｐ偏光成分と該２分の１波長板からのＳ偏光成分とを合
   成する偏光ビームスプリッタとを備えていることを特徴
   とした請求項１に記載の光ビーム検出方式。
3. 【請求項３】 該第１及び第２のシャッタが該十字光の
   内の一方の楕円直線偏光を切替選択できるように制御さ
   れ、該液晶マスク(4) の長方形スリットが該楕円直線偏
   光に対応して変形できるようになっていることを特徴と
   した請求項２に記載の光ビーム検出方式。
4. 【請求項４】 該光強度変調手段(3) が、該第１及び第
   ２のシャッタの選択に合わせて超音波偏向器を一定周波
   数により走査制御し、該演算手段(6) が該検出信号を基
   本波成分と２倍波成分とに分離し、該基本波成分を該一
   定周波数により同期検波して第１の位置遍倚を求め、該
   ２倍波成分を整流して第２の位置遍倚を求め、両位置遍
   倚の比から該受信光のＸ軸又はＹ軸位置遍倚を求めるこ
   とを特徴とした請求項１乃至３のいずれかに記載の光ビ
   ーム検出方式。