JPH0996767A

JPH0996767A - 空間光通信装置

Info

Publication number: JPH0996767A
Application number: JP7276956A
Authority: JP
Inventors: Tateki Orino; 干城折野
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1995-09-29
Publication date: 1997-04-08
Anticipated expiration: 2015-09-29
Also published as: JP3192359B2

Abstract

(57)【要約】【目的】対向設置時の光軸合わせを再現性良く確実に
行う。【構成】光軸方向可変部２０の背後に、視準望遠鏡２
５と通信用光学系をそれらの光軸が互いに平行となるよ
うに配置し、検者は視準望遠鏡２５により光軸方向可変
部２０に入射する背景光を視認して、光軸方向可変部２
０を駆動して対向装置を検索する。更に、検者は対向装
置からのストロボ光Lsとの光軸合わせを行って受光レベ
ルを確認した後に、光軸方向制御動作を行うことにより
対向装置との通信を可能な状態とする。このようにし
て、実際の交信時に風等による振動や温度変化等の使用
環境上の変動が生じても、光軸方向可変部２０の駆動部
には光軸方向制御部２７による制御が働いて、交信終了
時には常に光軸合わせ直前の初期位置に検眼装置を精度
良く設定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光軸合わせのため
の観察手段を備え、空間を媒体として光ビームを投光・
受光する空間光通信装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、観察手段と光軸ずれ補正手段とを
備え、大気中で投光・受光を行う装置として、特開平５
−１３３７１６号公報に開示された空間光通信装置が知
られており、これは２台の同様な通信装置を空間を隔て
て対向設置して双方向での通信を行うものである。

【０００３】図８は従来例の空間光通信装置の構成図を
示し、架台に設けられた光軸調整台１上に、通信光の送
受を行う通信用光学系２と視準望遠鏡３とが固定され、
通信用光学系２の光軸O1と観察光学系である視準望遠鏡
３の光軸O2とが平行になるように組み立てられている。

【０００４】空間光通信装置には、送信光LAと受信光LB
を送受する位置に光軸方向可変部４が設けられ、光軸方
向可変部４内には光軸O1に対し略４５度に光軸方向可変
ミラー５が斜設されている。光軸方向可変ミラー５の反
射方向には、偏光ビームスプリッタ６、受光光分岐素子
７、正のパワーを有するレンズ群８、本信号検出用受光
素子９が順次に配列され、受光光分岐素子７の反射方向
には、正のパワーを有するレンズ群１０、４分割センサ
１１が配列されており、偏光ビームスプリッタ６の入射
方向には、正のパワーを有するレンズ群１２、信号発生
部の受光素子として紙面に垂直方向に直線偏光となるレ
ーザー光を発するレーザーダイオード１３が配列されて
いる。

【０００５】４分割センサ１１の出力は信号処理部１４
に接続され、信号処理部１４の出力は光軸方向制御部１
５を介して光軸方向可変部４に接続されている。

【０００６】偏光ビームスプリッタ６として、例えばＳ
偏光の光の殆どを反射しＰ偏光の光の殆どを透過するよ
うな誘電体多層薄膜を、貼り合わせ面に蒸着した光学素
子が用いられている。この偏光ビームスプリッタ６を使
用して、最も効率の良い投光・受光を行うには、送信光
LaをＳ偏光としたときに受信光LbがＰ偏光となる関係に
すればよく、また同一構造の送受信装置を対向的に配置
して最も効率の良い投光・受光を行うためには、通信用
光学系２を紙面の後方に向けて垂直方向に対し４５度に
傾斜させるようにすればよい。

【０００７】広帯域化や高速応答が可能な大容量通信を
行う場合には、本信号検出用受光素子９として、例えば
アバランシェフォトダイオードのように有効受光域が直
径１ｍｍ以下の小さな素子を使用することが多い。ま
た、４分割センサ１１の中心に受光ビームスポットＰの
中心が位置したときに、送信光Laが相手側装置Ｂを受信
可能な強度分布内で照射し、かつ相手装置Ｂからの受信
光Lbが本信号検出用受光素子９の有効受光域を外れない
ようにするために、装置の組立段階において、本信号検
出用受光素子９と４分割センサ１１の受光素子の中心
が、装置正面から見たときにレーザーダイオード１３の
発光点と一致するように調整する必要がある。

【０００８】レーザーダイオード１３からの出射光は、
レンズ群１２によりほぼ平行光束となり、偏光ビームス
プリッタ６の境界面で反射され、更に光軸方向可変ミラ
ー５によって反射されて、送信光Laとして装置Ａから図
示しない装置Ｂへ投光される。

【０００９】装置Ｂからの投光光は装置Ａに受信光Lbと
して入射し、ミラー５で反射され、偏光ビームスプリッ
タ６を透過して受光光分岐素子７に至る。ここで、全受
光量の約９０％は受光光分岐素子７を透過して、レンズ
群８により本信号検出用受光素子９に集光される。ま
た、残りの全受光量の約１０％の光束は、受光光分岐素
子７で反射され、レンズ群１０により４分割センサ１１
に受光される。

【００１０】４分割センサ１１の受光面上での受光ビー
ムスポットＰの位置ずれ情報は、信号処理部１４を介し
て光軸ずれ補正信号として光軸方向制御部１５に送ら
れ、光軸方向制御部１５から光軸方向可変部４の駆動部
にミラー駆動用信号が送られる。この信号に基づいて駆
動部のモータが回転し、光軸方向可変ミラー５が図９に
示すように軸Ｅと軸Ｆの周りに回動する。

【００１１】図１０、図１１はこのときの４分割センサ
１１の受光面上の受光ビームスポットＰの動きを示して
おり、可変ミラー５の軸Ｅの周りの回動は、受光ビーム
スポットＰを図１０の矢印に示すように受光面の上下方
向に移動させ、可変ミラー５の軸Ｆの周りの回動は、受
光ビームスポットＰを図１１の矢印に示すように受光面
の右上４５度方向に移動させる。このように、異なる２
方向へ受光ビームスポットＰを移動させる操作を繰り返
して、受光ビームスポットＰの中心が４分割センサ１１
の受光部有効域Ｓの中央の十字状分離体Ｔが交差する点
に位置するように制御を行う。

【００１２】以上のような光軸ずれ補正制御を、空間を
隔てて対向している双方向光通信装置が互いに作動する
ことによって、双方の送信ビームの広がりの中央部が対
向する装置のビーム取込口に常に一致する状態に維持す
ることができる。

【００１３】このように従来例の空間光通信装置は、対
向して設置して光軸合わせを行う際に、視準望遠鏡３を
覗いて対向装置からのレーザー光Lb又は対向装置からの
位置確認用ストロボ光Lsが、望遠鏡内の十字線が交差す
る点に位置するように、通信用光学系２と視準望遠鏡３
とを一体化した光軸調整台１の姿勢調整機構を使用し
て、水平・垂直の直交２方向のあおり調整を行ってい
る。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来例の空間光通信装置においては、光軸ずれ補正を行
う通信時において、光軸ずれを補正する度に対向設置し
た２台の装置の光軸合わせを行う必要があり、通信用光
学系２の光軸O1と観察光学系３の光軸O2とが平行となる
ように、光軸方向可変ミラー５を初期位置の姿勢に精度
良く復帰させなければならない。しかし、このときに温
度変化等の使用環境により復帰位置に変動が発生する傾
向があり、初期設定した後でも通信用光学系の光軸O1と
観察光学系３の光軸O2との平行性が崩れて、対向設置時
の光軸合わせが不能になるという問題が発生する。

【００１５】本発明の目的は、上述の問題点を解消し、
対向設置時の光軸合わせを再現性良く確実に行うことが
できる空間光通信装置を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る空間光通信装置は、投光光学系と信号発
生部から成る投光手段及び／又は第１の受光光学系と本
信号検出部から成る受光手段と、第２の受光光学系と受
光ビームスポット位置検出部から成り、対向装置からの
投光光を受光し受光面上の受光ビームスポットの基準位
置から求めた位置ずれ情報に基づいて受信光の光軸と前
記第２の受光光学系の光軸との光軸ずれを検出するする
光軸ずれ検出手段と、該光軸ずれ検出手段により検出さ
れた光軸ずれ情報に基づいて光軸方向可変部へ光軸ずれ
補正信号を送り自装置の投光光軸及び／又は受光光軸の
方向を制御する光軸方向制御手段と、前記対向装置を探
索する観察手段とを有し、前記光軸方向可変部において
前記投光光学系及び／又は前記第１の受光光学系の光軸
と前記第２の受光光学系の光軸と前記観察手段の光学系
の光軸とを平行に配置することにより、これらの全光学
系の光軸方向を平行性を維持しながら変更可能とするこ
とを特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明を図１〜図７に図示の実施
例に基づいて詳細に説明する。図１は第１の実施例の構
成図を示し、投光手段、光軸ずれ検出手段、光軸方向制
御手段、観察手段から成る投光装置である。光軸方向可
変部２０の背後には投光手段、光軸ずれ検出手段、観察
手段が並列に配列され、投光光軸O3と光軸ずれ検出側の
受光光軸O4と観察手段の光学系の光軸O5とが平行になる
ように配置されており、これら全ての光軸方向は平行性
を維持した状態で同時に変更可能とされている。

【００１８】投光手段は発光素子として、直線偏光のレ
ーザーダイオードを含む信号発生部２１と正のパワーの
レンズ群２２の投光光学系とから成り、光軸ずれ検出手
段は位置検出用受光素子として４分割センサを含む受光
ビームスポット位置検出部２３と正のパワーのレンズ群
２４の受光光学系とから成り、観察手段は視準望遠鏡２
５により構成されている。そして、受光ビームスポット
位置検出部２３の出力は信号処理部２６、光軸方向制御
部２７を介して光軸方向可変部２０に接続されている。

【００１９】光軸方向可変部２０は図９に示すような２
軸方向に回動制御される１枚のミラー５から成るもの、
図２に示すような２つの回転軸Ｇ、Ｈが直交する方向に
それぞれ１軸回動制御される２枚のミラー２８、２９か
ら成るもの、又は図３に示すような２枚の透明平行板３
０、３１の間に透明液体３２が蛇腹状のフィルム３３で
密封されて頂角可変制御される液体可変頂角プリズム３
４が使用される。

【００２０】なお、図３の液体可変頂角プリズム３４を
使用するときは、透明平行板３０又は３１から自己の送
信光Laの反射光が戻り、光軸方向制御誤差の原因となる
場合があるので、図４に示すように透明平行板３０と３
１を投光光軸O3に対して垂直な状態から最大頂角θ以上
傾けて配置し、投光光と透明平行板３０、３１とが垂直
にならないようにする。

【００２１】このような構成の送信装置を交信相手の対
向装置と光軸合わせをする場合は、先ず視準望遠鏡２５
を覗いて、背景光Lhを取り込み、光軸方向可変部２０を
駆動して対向装置を検索する。次に、対向装置からのス
トロボ光Lsと光軸合わせを行って受光レベルを確認した
後に、従来例と同様にして光軸方向制御動作を行うよう
にすれば通信可能状態となる。

【００２２】交信中に風や設置場所の振動等により生ず
る装置の揺れに伴い、光軸方向可変部２０の駆動部には
光軸方向制御部２７による制御が作用し、交信終了時に
は再び光軸合わせ直前の初期位置に設定される。このと
き、初期位置復帰誤差があっても、全ての光学系の光軸
O3、O4、O5の平行性が崩れることはないので、初期位置
復帰精度を上げるための手段を使用することなく、毎回
の光軸合わせを初回と同程度の精度で行うことができ
る。

【００２３】観察手段として視準望遠鏡２５ではなく、
ズームレンズ付きＣＣＤカメラを使用する場合には、広
角側ズーム位置で対向装置を探索してから、望遠側ズー
ム位置でストロボ光Ls又は受光光Lbとの光軸合わせを行
った後に、光軸方向制御動作を行うようにすればよい。
また、位置検出用受光素子として４分割センサの代りに
ＰＳＤ（Position Sensitive Device)のような非分割型
センサを使用してもよく、発光素子として直線偏光のレ
ーザーダイオードの代りに発光ダイオードを使用しても
よい。更に、投光手段の代りに従来例の本信号検出用受
光素子９と正のパワーを有するレンズ群８とから成る本
信号受光手段を使用して、受信を目的とする空間光通信
装置を構成することもできる。

【００２４】図５は第２の実施例の構成図を示し、図１
に本信号を受信する本信号受光手段を追加して、双方向
の通信を行うようにした空間光通信装置である。図１と
同じ符号は同じ部材を表している。光軸方向可変部２０
の背後には、投光手段と光軸ずれ検出手段と本信号検出
手段とが並列に配列されており、本信号検出手段の受光
光軸O6上に、正のパワーを有するレンズ群３６から成る
受光光学系と、本信号検出部３５とが配置されている。
更に、これら通信用光学系群の隙間に第１及び第２の２
枚のミラー３７ａ、３７ｂから成る光路折返部３８が配
置され、第１のミラー３７ａの反射方向に視準望遠鏡２
５が配置されている。この光路折返部３８は視準望遠鏡
２５の前方に観察光学系の光軸O5に対して４５度の傾角
で配置した第１のミラー３７ａと、光軸方向可変部３０
側に通信用光学系の光軸O3、O4、O5に対して４５度の傾
角で配置した第２のミラー３７ｂとから構成されてい
る。

【００２５】本実施例のように複数の光学系を並列配置
すれば、光軸方向可変部２０が大型化することは避けら
れない。しかし、消費電力及び光軸方向制御の応答性を
考慮すると、光軸方向可変部２０を必要最小限の大きさ
に抑える必要がある。従って、光路折返部３８は観察光
学系と光軸方向可変部２０との間で、通信用光学系側に
延在するように配置されている。また光路折返部３８と
して、図６に示すように２つのミラー部が一体化された
平行四辺形の側面を有するプリズム３９を使用すること
もできる。

【００２６】このような双方向光通信装置を２台対向設
置して光軸合わせをする場合も、第１の実施例と同様な
操作を互いに実行することにより双方向通信可能状態と
なり、毎回の光軸合わせを初回と同程度の精度で行うこ
とができる。

【００２７】図７は第３の実施例の構成図を示し、光ビ
ームの送受信を行う相手装置と対向する位置に光軸方向
可変部４０が設けられ、光軸方向可変部４０内には、光
軸方向可変ミラー４１が通信用光学系の光軸O7に対し４
５度に斜設されている。光軸方向可変ミラー４１の反射
方向には、正のパワーを有するレンズと負のパワーを有
するレンズから成り投光光を拡大し受光光を縮小するビ
ームエクスパンダ４２、投光光と受光光の何れか一方を
反射し他方を透過する投・受光光分岐部材４３、部分反
射ミラー４４、正のパワーを有するレンズ群４５、本信
号検出部４６が順次に配列されている。

【００２８】投・受光光分岐部材４３の入射方向には、
正のパワーを有するレンズ群４７、発光素子としてレー
ザーダイオードを使用した信号発生部４８が配列されて
おり、部分反射ミラー４４の反射方向には、正のパワー
を有するレンズ群４９、４分割センサ５０が配列されて
いる。そして、４分割センサ５０の出力は信号処理部５
１、光軸方向制御部５２を介して光軸方向可変部４０に
接続されている。

【００２９】また、ビームエクスパンダ４２と光軸方向
可変ミラー４１の間のビームエクスパンダ４２の外周付
近に光路折返部５３が設けられ、光路折返部５３の反射
方向の光軸O8上には観察光学系の視準望遠鏡５５が配置
されており、光路折返部５３の内部のミラー５５は観察
光学系の光軸O8に対し４５度の傾角で配置されている。

【００３０】信号発生部４８の発光素子としてレーザー
ダイオードを使用する場合には、発光波長や発光出力に
よっては、眼等の人体に対する安全性の観点から、送信
光の出射口径を大きくして出射照度を所定水準値以下に
抑える必要があり、また遠距離通信時には、伝送空間に
おいて光量の減衰が生じて単位面積当りの受光量が減少
するために、より大きな受信光の入射口径を必要とす
る。このように、入射や出射の口径を大きくすると光軸
方向可変ミラー４１が大型化する傾向が生ずるが、消費
電力や光軸方向の制御応答性等を考慮すると、光軸方向
可変ミラー４１は最小限の大きさに抑える必要がある。

【００３１】従って、本実施例においては、投光光と受
光光の何れか一方を反射し他方を透過する投・受光光分
岐部４３を使用して、光軸方向可変部４０において投光
光軸と受光光軸を一致させるようにし、ビームエクスパ
ンダ４２と光軸方向可変ミラー４１の間の外周部に光路
折返部５３を配置して、通信用光学系の光軸O7と観察光
学系の光軸O8とが平行となるようにしている。

【００３２】光路折返部５３は光軸ずれ検出側の受信光
Lcを遮光することなく、更に送信光Laの例えばピーク強
度比１３．５％以上の有効光束を遮光しない程度に、通
信光光束の中央部に近付けて、背景光Lhを観察光学系側
へ導くようにしている。

【００３３】また本実施例では、受光光分岐手段として
部分反射ミラー４４を使用して、受信光中央部光束Lcを
光軸ずれ検出部５０へ導き、受信光周辺部光束Lbを本信
号検出部４６へ導いている。更に、光路折返部５３のミ
ラー５５の反射面は金属膜を蒸着することにより形成し
てもよいが、誘電体薄膜蒸着によって反射面を形成すれ
ば、受信光Lbの遮光量を減らすようにすることができ
る。

【００３４】このような双方向光通信装置を２台対向配
置して交信させる場合には、互いに発光波長帯の異なる
発光素子を使用し、分光透過率又は分光反射率特性が逆
転する投・受光光分岐部４３により投・受光光を分離す
るとよく、また互いに同一発光波長帯の直線偏光のレー
ザーダイオードを発光素子として使用する場合には、従
来例と同様の分光特性を有する偏光ビームスプリッタ６
を使用して、図７の光学系を紙面後方に垂直方向に対し
て４５度に傾斜させた構成にするとよい。

【００３５】本実施例においても第１の実施例と同様
に、光軸方向可変部４０において、観察光学系の光軸O8
を通信用光学系の光軸O7と平行になるように配置してい
るので、光軸方向可変部４０の大きさを最小限に抑えな
がら、交信する対向装置との光軸合わせを常に初回と同
程度の精度で行うことができる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る空間光
通信装置は、光軸方向可変部において、観察光学系の光
軸を通信用光学系の光軸と平行になるように配置するこ
とにより、光軸方向可変部の初期位置復帰誤差が発生し
ていても、交信する相手装置との対向設置時の光軸合わ
せを常に初回と同程度の精度で行うことができるので、
確実な光軸合わせを行って再現性が良好な通信を実施す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の投光装置の構成図である。

【図２】光軸方向可変ミラーの斜視図である。

【図３】液体可変頂角プリズムの側面図である。

【図４】液体可変頂角プリズムの配置の説明図である。

【図５】第２の実施例の双方向通信装置の構成図であ
る。

【図６】光軸方向可変プリズムの側面図である。

【図７】第３の実施例の双方向通信装置の構成図であ
る。

【図８】従来例の構成図である。

【図９】光軸方向可変ミラーの斜視図である。

【図１０】４分割センサの正面図である。

【図１１】４分割センサの正面図である。

【符号の説明】

２０、４０光軸方向可変部２１、４８信号発生部２３、５０受光ビームスポット位置検出部２５、５５視準望遠鏡２６、５１信号処理部２７、５２光軸方向制御部３５、４６本信号検出部３８、５３光路折返部４１光軸方向可変ミラー４２ビームエクスパンダ４３投・受光光分岐部４４部分反射ミラー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】投光光学系と信号発生部から成る投光手
段及び／又は第１の受光光学系と本信号検出部から成る
受光手段と、第２の受光光学系と受光ビームスポット位
置検出部から成り、対向装置からの投光光を受光し受光
面上の受光ビームスポットの基準位置から求めた位置ず
れ情報に基づいて受信光の光軸と前記第２の受光光学系
の光軸との光軸ずれを検出するする光軸ずれ検出手段
と、該光軸ずれ検出手段により検出された光軸ずれ情報
に基づいて光軸方向可変部へ光軸ずれ補正信号を送り自
装置の投光光軸及び／又は受光光軸の方向を制御する光
軸方向制御手段と、前記対向装置を探索する観察手段と
を有し、前記光軸方向可変部において前記投光光学系及
び／又は前記第１の受光光学系の光軸と前記第２の受光
光学系の光軸と前記観察手段の光学系の光軸とを平行に
配置することにより、これらの全光学系の光軸方向を平
行性を維持しながら変更可能とすることを特徴とする空
間光通信装置。
【請求項２】前記光軸方向可変部はそれぞれに１つの
回転軸を有しこれらの回転軸が互いに直交する２つのミ
ラーを所定の間隔に配置し、前記光軸方向制御手段によ
り前記２つのミラーをそれぞれの回転軸の周りに回動し
て光軸方向を制御する請求項１に記載の空間光通信装
置。
【請求項３】前記光軸方向可変部は互いに直交する２
つの回転軸を有する１つのミラーを前記光軸方向制御手
段により前記２つの回転軸の周りに回動して光軸方向を
制御する請求項１に記載の空間光通信装置。
【請求項４】前記光軸方向可変部は間に透明液体を密
封した２つの透明部材の成す角を可変して光軸方向を制
御する請求項１に記載の空間光通信装置。
【請求項５】前記観察光学系と前記光軸方向可変部と
の間に、背景光を前記観察光学系へ導く光路折返手段を
備えた請求項１に記載の空間光通信装置。
【請求項６】投光光と受光光の何れか一方を反射させ
他方を透過させる投・受光光分岐手段を有し、前記光軸
方向可変部において投光光軸と受光光軸とを一致させ前
記観察光学系の光軸を前記２つの光軸と平行に配置する
ことにより、全光学系の光軸方向を平行性を維持しなが
ら同時に変更可能とした請求項５に記載の空間光通信装
置。