JPH0642648B2 - 送受光装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は送受光装置に関し、特に対物レンズの光軸を相
手局に視準させる視準サーボ装置を備える自動視準式光
データ通信装置や自動視準式測距装置（光波距離計）に
用いて最適なものである。

〔発明の概要〕

大口径の受光レンズの周囲に小口径の送光レンズを環状
に配して、データ光及び視準サーボ光の送光能力を増強
すると共に、送受光軸の平行度を軽減し、もって小型軽
量でありながら送受光距離を長くした送受光装置であ
る。

〔従来の技術〕

土木工事、港湾工事、沿岸工事等において、ブルトーザ
ー、浚渫船、作業船台等の移動体の位置又は距離を固定
位置から計測するシステムが求められている。

従来、固定位置及び移動体の一方に光波距離計、他方に
反射器（コーナキューブプリズム等）を設け、これらの
光軸をお互いに一致させる自動視準式にして、船台等の
移動体が揺動しても支障無く位置計測ができるようにし
たシステムが知られている（例えば実公昭５９−８２２
１号公報）。

公知の自動視準式光波距離計は、距離計と平行な視準サ
ーボ用光軸を有し、測定点からの視準サーボ光を４分割
受光素子（受光面を水平、垂直の４象限に分割したホト
ダイオード等）で受けて、その出力を水平、垂直の首振
りモータにフィードバックして、受光素子の原点にサー
ボ光を結像させるようなサーボ系を備えている。

距離計による測距データは船台側で使用されるので、通
常は船台側に距離計が置かれ、陸地側に反射器を置く構
成が採用されている。

反射器としてコーナキューブプリズムを用いると、プリ
ズムに３０゜程の光軸変動が生じても、距離計と反射器
との間の放射光路及び反射光路は全く変化しない性質が
ある。従って船台側にコーナキューブプリズムを置き、
陸上に距離計を置く構成であれば、船のピッチングやロ
ーリングに影響されない安定な測距ができる。ところが
この場合には陸上側の測距データを船台側に伝送しなけ
ればならない。

更に測定データや気温、気圧等の気象状況補正データ等
を船台側から陸上へ又はその逆に伝送する必要もある。
また船台等の作業装置が無人の場合、位置測定値を基に
計算された位置制御や作業制御を指令データを無人装置
に伝送しなければならない。

このように高度な海洋作業システムではデータ伝送シス
テムが不可欠になっているが、そのために通信路及び受
発信装置を専用に設けるのは非常にコスト高になる。そ
こで視準サーボ用の光路を光データ通信路として利用す
ることが考えられる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述のような光データ送受装置や自動視準用送受光装置
では、送光光学系と受光光学系とが同軸配置されている
ものと、両者が平行二軸を成すものとが知られている。
前者では対物レンズ（受光用集光レンズ）と光送出用コ
リメータレンズとが共用され、鏡筒も一つでよいから、
軽量小型化に適す。しかしレンズ後方で光軸を送光／受
光に分割する必要があり、半透鏡等の挿入損の大きい分
光手段を必要とし、また送光出力を増強すると、鏡筒内
で迷光による妨害が発生し易い。従って遠距離の送受光
には適さない。

一方、平行二軸形は、鏡筒が別になるので送光出力を増
強しても迷光による妨害が無く、また受光能率が良いの
で、原理的には遠距離の送受光が可能である。

しかし平行二軸形は、大型で重量が大となり、携帯性に
欠ける。しかも送受光軸を完全に平行にしないと、距離
が遠くなるに従って送光と受光との角度差による光軸の
開きが大きくなり、二局間での送受光が困難になる。送
光ビームに発散角を付けると送受光軸の平行度は或る程
度緩和されるが、発散によって相手局（受光側）の光量
が著しく低下するので、やはり遠距離の送受光が困難に
なる。

本発明は上述の問題にかんがみ、小形、軽量に構成で
き、しかも遠距離の送受光を可能にすることを目的とす
る。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の送受光装置は、大口径の受光レンズ１３と、こ
の受光レンズ１３の周囲に環状に複数個配置された小口
径の送光レンズ１２と、上記受光レンズおよび送光レン
ズに対応する受光系および送光系とからなる。上記受光
系は、上記受光レンズ１３の光軸上に配置され、原点に
対する受光レンズの結像点の上下左右方向のずれを検出
する受光素子１５と、上記受光素子１５の出力に基づい
て上記受光レンズ光軸を水平方向および垂直方向に偏向
させることにより光軸を相手局に視準させる視準装置２
と、上記受光レンズ１３を介して相手局から送光された
データ信号の受光信号を受けるデータ受信回路（モデム
３３）とを備える。また上記送光系は、一つ置きの二群
に分けられた上記送光レンズ１２の各群に対応した発光
素子１４と、一方の群の上記発光素子から所定周波数で
変調された視準サーボ光を送出する発振器１８と、他方
の群の上記発光素子から送信データ光を送出するデータ
送信回路（モデム３３）とを備える。

〔作用〕

比較的コンパクトな構成で、受光レンズを大きくして受
光感度を高めると共に、送光出力を容易に増強すること
ができる。多数の送光レンズが受光光軸の回りに同心円
に沿って配列されるので、平均的な１本の送光光軸を考
えることができる。受光光軸と個々の送光光軸との間で
幾分の角度ずれがあっても、多数の平均により角度差が
相殺され、平均的な送光光軸が受光光軸と合致する。従
って送／受の軸平行性が比較的低くてよく、製造が容易
で、しかも送受光の距離限界が延びる。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例を示す海洋作業用光測距シス
テムの全体のブロック図で、第２図及び第３図は陸上局
及び船台局の各測距装置の正面図である。各局は基台１
上に設けられた自動視準装置２を備え、各視準装置２と
平行光軸を成して陸上局には光波距離計３、船台局には
反射器４が夫夫設けられている。光波距離計３は対物レ
ンズ５（送受光レンズ）を備え、反射器４はコーナキュ
ーブプリズム６を備えている。

視準装置２は、水平面内で回動自在の水平架腕７及び垂
直面内で回動自在の垂直架腕８を備え、夫々Ｘ軸ギヤモ
ータ９及びＹ軸ギヤモータ１０によって駆動される。垂
直架腕８上には、送光レンズ１２及び受光レンズ１３を
備える送受光ユニット１１が取付けられている。送光レ
ンズ１２の焦点にはＬＥＤ等の発光素子１４が配置さ
れ、受光レンズ１３の焦点にはフォトダイオード等の受
光素子１５が配置されている。なお陸上局及び船台局の
送受光ユニット１１は全く同一の光学系を備えている。

第４図の送受光ユニット１１の正面図に示すように、受
光レンズ１３は比較的大口径であり、その周囲の同心円
に沿って複数の送光レンズ１２が環状に配置されてい
る。従って非常に遠方からの弱い送信光を大口径の受光
レンズ１３により高感度で集光することができる。また
多数の小口径の送光レンズ１２から送光することによ
り、送光量を容易に増強することができる。従って比較
的コンパクトな光学系でもってかなりの遠距離の送受光
が可能となる。

送受光距離が遠くなると、送光光軸と受光光軸の角度差
が問題になる。実施例では、送光レンズ１２が受光レン
ズ１３の光軸の回りに環状に多数配列されているので、
幾何的平均の一本の送光光軸を考えることができる。こ
の平均的送光光軸は受光光軸と合致し、送／受の平行度
が多少緩くても、相互の角度差が平均化され、平均的に
は同軸度が高まる。よって調軸機構等を設けなくても、
比較的容易に長距離性能が得られる。

なお一般に送光ビームは、 で表される発散角αを有しているので、多数の送光ビー
ムが一つの光束となって相手局に到達する。

第４図に示すように送光レンズ１２は、サーボ用のグル
ープとデータ送信用のグループ（斜線で示す）とに分け
られている。第１図において、サーボ用の送光レンズ１
２の夫々の焦点に配置された発光素子１４には、発振器
１８の正弦波出力（５kHz ）がドライブ回路１９を経て
供給される。これにより、ＡＭ変調された視準サーボ光
が送光レンズ１２を通って船台側の視準光学系の受光レ
ンズ１３に入射され、その焦点に配置された受光素子１
５に結像する。

一方、船台側の送受光ユニット１１における送光用発光
素子１４からは、同じくＡＭ変調された視準サーボ光が
送光レンズ１２を通して陸上局に向けて放射され、陸上
局の受光レンズ１３を介して受光素子１５で受光され
る。

なお陸上局の送受光ユニット１１から船台局へ送出され
た視準サーボ光が、船台局の反射器４で反射されて自局
の受光系に戻って来て、サーボ系の妨害信号となる。こ
れを防ぐために、船台局の視準サーボ光のＡＭ変調周波
数を３kHz にして、陸上局のＡＭ変調周波数の５kHz と
異ならせている。陸上局サーボ系は後述のように受信サ
ーボ信号の周波数選択を行って、船台局からのサーボ広
（３kHz ）のみに応答し、自局の戻り光（５kHz ）によ
る妨害を排除している。

受光素子１５は、例えば光スポットの原点からの位置を
検出する二次元（Ｘ−Ｙ平面）の半導体位置検出素子で
あってよい。この素子は方形受光面を持つフォトダイオ
ードの四辺に４つの電極（Ｘ、Ｙ二対）を設けた構造を
有し、光スポットが当たった位置に生成された電荷が、
光電流として各電極までの距離に反比例して受光面の抵
抗層によって電圧分割されて各電極から取出されるよう
に成されている。

第１図において、受光素子１５の各電極の出力は、同調
トランス２０ａ及び同調コンデンサ２０ｂから成る同調
回路２０で周波数選択（３kHz に同調）され、アンプ２
１ａ〜ｄを通り、検波器２２ａ〜ｄで同期検波されて、
受光位置に対応したレベル値のＤＣレベル信号に変換さ
れる。４局の検波出力は、上下（Ｕ、Ｄ）及び左右
（Ｌ、Ｒ）の位置検出信号として、Ａ／Ｄ変換器２３で
ディジタル値に変換されてから、バス２４を介してシス
テムコントローラ２４内のマイクロプロセッサに取込ま
れる。

マイクロプロセッサ内では、Ｕ、Ｄ、Ｌ、Ｒの位置検出
データから受光素子１５の受光面における受光スポット
のＸ−Ｙ座標位置が演算される。システムコントローラ
２５はこの座標位置データに基づいて各軸のモータドラ
イブ回路２６Ｘ、２６Ｙに駆動パルスを導出し、これに
よりＸ軸、Ｙ軸のギヤモータ９、１０が夫々駆動され
る。受光素子１５からモータ９、１０に至るサーボルー
プは、受光素子１５の受光スポットが受光面のＸ−Ｙ座
標の原点に位置するように動作する。サーボが利いてい
る状態では、陸上局及び船台局の視準光学系光軸が一致
する。この結果、陸上局の光波距離計３の光軸が船台局
の反射器４に正しく向けられて、測拒が可能となる。

なお船台局には同様の視準サーボ系が設けられているの
で、対向する二局でお互いに視準し合うことになる。

各局の視準装置２の光軸の向きを微調する手段が設けら
れている。第１図ではこの微調手段はジョイスティック
２７であるが、各Ｘ−Ｙ軸のモータ９、１０のギヤ系に
微調つまみを設けてもよい。ジョイスティック２７のＸ
方向及びＹ方向の操作に対応した電圧出力がＡ／Ｄ変換
器２８を介してシステムコントローラ２５に送られ、コ
ントローラ２５からモータドライブ回路２６Ｘ、２６Ｙ
に微調用駆動パルスが導出されて各モータ９、１０が微
動される。従ってオペレータは例えば光波距離計３の視
準望遠鏡を覗きながらジョイスティック２７を操作して
相手局を視準する。視準が完了した時点でサーボのスタ
ート釦を押すと、上述の視準サーボが始動し、その後は
船台のゆれや移動に追従した自動基準が行われる。

受光素子によって検出された光軸のずれ等は、システム
コントローラ２５のバス２４に連なる表示器２９によっ
て表示される。表示器２９は例えばＣＲＴであって、そ
のＸＹ座標表示におけるスポット２９ａが、Ｘ軸（水平
方向）及びＹ軸（垂直方向）の原点からのずれを示す。
ＣＲＴのバー表示２９ｂが受光素子１５の総合受光レベ
ル（受光強度）を示す。

視準状態で光波距離計３の回路部３０が作動すると、対
物レンズ５の焦点位置に置かれた送受光ユニット３１に
より、約１５ＭＨz （ＡＭ）の測路光の発信及び測定点
からの反射光の受信が行われる。これらの発信光と受信
光との位相差が回路部３１で測定されて、それに基づい
て局間距離が算出される。距離データは、インターフェ
ース３２、バス２４を通じてシステムコントローラ２５
に転送され、更にモデム３３を通じて船台局に送出され
る。

陸上局と船台局との間の自動視準用の送光光路及び受光
光路を双方向光通信路としても利用している。即ち、デ
ータ送受信回路であるモデム３３の送信端子Ｓからの出
力は、ＦＭ変調器３４に導入され 5.5ＭＨz のキャリア
が送信データでもってＦＭ変調される。ＦＭ出力はドラ
イブ回路３５を介して送信用発光素子１４′に与えられ
る。この発光素子１４′からの送信データ光は、送光デ
ータ光は、送光レンズ１２を通して船台局に送られる。

一方、船台局は同様なモデム３３や送信用発光素子１
４′等を備えていて、送信データ光を陸上局のサーボ用
受光光路に乗せて送信して来る。この際、既述の視準サ
ーボ系と同じ理由により、船台局からの送信光のＦＭキ
ャリアを５ＭＨz にして、陸上局からの送信データのキ
ャリア周波数5.5ＭＨz と異ならせている。これによう
距離計３の反射光路が存在することに起因する陸上局側
の自己漏話を無くしている。船台局からの送信データは
例えば気圧、温度等の測距用の物理条件補正データであ
る。

船台局から送られて来たデータ光は、受光レンズ１３を
通してサーボ光と共に受光素子１５によって受光され
る。データ信号は受光素子１５を構成する平面フォトダ
イオードのアノードからサーボ信号と分離して取出され
る。上記平面フォトダイオードのアノードＡにはデカッ
プリングコンデンサ３６を設けた電源ラインからトラン
ス３７の１次巻線３７ａを通して電流が供給される。こ
の１次巻線３７ａのインダクタンスを１μＨ程にする
と、５ＫＨz のサーボ信号に対しては、インピーダンス
が0.03Ω以下であり、挿入損失は無視できる。従ってデ
カップリングコンデンサ３６を利かせて、サーボ周波数
で変調されない直流を受光素子１５のアノードＡに供給
することができる。

一方、５ＭＨz のＦＭデータ信号に対しては、１次巻線
３７ａのインピーダンスは３０Ω程になって、その挿入
損失分を２次巻線３７ｂから取出すことができる。取出
されたデータ信号はアンプ３９を介してＦＭ復調器４０
に導出される。なお既述のように５．５ＭＨz の発信デ
ータ信号の自己漏話を無くすために、トランス３７の２
次巻線３７ｂに同調コンデンサ３８を結合して、５ＭＨ
z の受信データ信号に同調させてある。

ＦＭ復調器４０の出力は、モデム３３の受信端子Ｒに入
力され、デコード処理されてからシステムコントローラ
２５に与えられる。システムコントローラ２５では、受
信データを用いて測距データの補正等が行われる。

第５図は送光レンズ１２に連なるＬＥＤ等の発光素子１
４、１４′の駆動回路例を示す。〔Ａ〕は第１図の実施
例に対応し、グループ分けされた発光素子１４、１４′
はグループごとに配列に接続されて、発振器／ドライブ
回路１８、１９及び変調器／ドライブ回路３４、３５に
よって駆動される。〔Ｂ〕は参考例であるが、視準サー
ボ系が無く、例えば固定局間でデータ送受信のみを行う
場合であって、全部の発光素子１４を並列接続して、送
信データを入力とする変調／ドライブ回路４２の出力で
もって各素子を駆動する。なおＡ、Ｂの何れの場合で
も、発光素子１４を直列に接続してもよい。

第６図〔Ａ〕は発光素子１４の駆動回路の参考例を示
し、送信データ信号とサーボ信号とを変調／ドライブ回
路４２に供給して、多重変調し、並列接続の発光素子１
４を駆動する。サーボ光（５ＫＨz ＡＭ）とデータ光
（５．５ＭＨz ＦＭ）とは、第６図〔Ｂ〕に示すように
振巾方向に５０％ずつの変調度で多重されて送光され
る。

第７図は第１図の送光レンズ１２及び発光素子１４とし
て使用できるレンズ付ＬＥＤを示す。このＬＥＤはレン
ズ４３を備えるので、このような複数個のＬＥＤを受光
レンズ１３の周囲に環状に直接配設することができる。
発光角が５゜、１２゜３０゜位のものが市販品として種
々入手し得るので、距離性能に応じて適当なものを選択
すればよい。場合によっては送送レンズ１２と組合わす
ことができる。また発光素子１４の数を増すことも容易
である。

第８図は送受光ユニットレンズ配置の別の例を示す。こ
の例では、受光レンズ１３と並べて、光波距離計の対物
レンズ５を別々の鏡筒内に軸平行に配置してある。各レ
ンズ１３、５の周囲に小口径の送光レンズ１２を略環状
に配し、これらをサーボ光及びデータ光の送光用に用い
ている。送光レンズ１２の１つ又は複数を、光波距離計
の送光用（１５ＭＨz ＡＭ）としてもよい。

第９図はサーボ光学系と光波距離計の光学系とを共用し
た例の光学系を示す。サーボ光の複数の発光素子１４か
ら環状配置の送光レンズ１２を介して送光される。発光
素子１４の１つを光波距離計の光源として用い、送光レ
ンズ１２から船台局の反射器に向けて送光する。船台局
からのサーボ光（１５ＫＨz ＡＭ）及び及び反射器から
の測距離反射光（１５ＭＨz ＦＭ）は、大口径の受光レ
ンズ１３で集光され、受光素子１５（位置センサー）に
結像されると共に、結像空間に挿入された半透鏡４４を
介して光波距離計の受光素子４５に入光される。従って
この例では視準サーボ光学系と光波距離計の光軸が一致
（共通）するから、各光軸を平行にする調軸機構が不要
である。

サーボ光と測距光とは変調周波数が異なるので、処理回
路に周波数選択手段を設ければ、相互に干渉することは
ない。また半透鏡４４の挿入損失を軽減するために、サ
ーボ光と測距光との波長を例えば９００ｎｍと１１００
ｎｍとに分けて、半透鏡４４の代りに波長１１００ｎｍ
以上を効率良く反射し、それ以下を損失無く透過させる
カットフィルタ又はダイクロイックミラーを用いるとよ
い。

〔発明の効果〕

本発明は上述の如く、受光レンズ１３を大口径にする一
方で小口径送光レンズを受光レンズの周囲に環状に多数
配した構成であるので、光学系が小形でしかも受光感度
及び送光出力を夫々増強でき、より遠距離の送受光が可
能となる。また多数の送光光軸の幾何的平均が受光光軸
と一致し、送／受の光軸の不平行度が多数の平均により
緩和される。従って調軸機構を設けなくても、見かけ上
光軸平行度を上げることができ、簡易な構造で遠距離の
送受光性能を一層高めることができる。

また環状に配置された複数の小口径受光レンズを一つ置
きの二群に分けて、各群をデータ光と視準サーボ光とに
割り当てているので、各群の送光能力を増強することが
できると共に、送信データ光と視準サーボ光の光軸角度
差を平均的に略ゼロとすることができ、従って、視準状
態でデータの送受信をすることにより、自局と相手局の
送受光軸を合致させて非常に遠距離の光通信ができるよ
うになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す海洋作業用光測距シス
テムの全体ブロック図、第２図及び第３図は夫々陸上局
及び船台局の各測距装置の正面図、第４図は送受光レン
ズの配置例を示す送受光学系の正面図、第５図は発光素
子の駆動回路図、第６図は発光素子の駆動回路の参考例
と送光信号の波形を示す回路図及び波形図、第７図は発
光素子及び送光レンズとして使用できるレンズ付ＬＥＤ
の概略図、第８図は送受光レンズの配置の別例を示す光
学系の正面図、第９図はサーボ光学系と測距光学系の光
軸を共用した例の光学系の略線図である。 なお、図面に用いた符号において、 ２……自動視準装置 ３……光波距離計 ４……反射器 ５……対物レンズ ６……コーナキューブプリズム ７……水平架腕 ８……垂直架腕 ９……Ｘ軸ギヤモータ １０……Ｙ軸ギヤモータ １１……送受光ユニット １２……送光レンズ １３……受光レンズ １４……発光素子 １５……受光素子 ３３……モデム ３４……ＦＭ変調器 である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 沼沢 典夫 東京都町田市三輪町315−１ 株式会社オ プテック内 (72)発明者 林 孝一 東京都町田市三輪町315−１ 株式会社オ プテック内 (72)発明者 町田 操 東京都町田市三輪町315−１ 株式会社オ プテック内 (72)発明者 楠本 惠洋 東京都町田市三輪町315−１ 株式会社オ プテック内 (72)発明者 関川 晴道 東京都町田市三輪町315−１ 株式会社オ プテック内 (56)参考文献 特開 昭54−134653（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−80332（ＪＰ，Ａ) 実開 昭53−18178（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−199948（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】大口径の受光レンズと、この受光レンズの
   周囲に環状に複数個配置された小口径の送光レンズと、
   上記受光レンズおよび送光レンズに対応する受光系およ
   び送光系とからなり、 上記受光系は、 上記受光レンズの光軸上に配置され、原点に対する受光
   レンズの結像点の上下左右方向のずれを検出する受光素
   子と、 上記受光素子の出力に基づいて上記受光レンズの光軸を
   水平方向および垂直方向に偏向させることにより光軸を
   相手局に視準させる視準装置と、 上記受光レンズを介して相手局から送光されたデータ信
   号の受光信号を受けるデータ受信回路とを備え、 上記送光系は、 一つ置きの二群に分けられた上記送光レンズの各群に対
   応した発光素子と、 一方の群の上記発光素子から所定周波数で変調された視
   準サーボ光を送出する発振器と、 他方の群の上記発光素子から送信データ光を送出するデ
   ータ送信回路とを備えることを特徴とする送受光装置。