JPH11215062A

JPH11215062A - 光空間通信装置

Info

Publication number: JPH11215062A
Application number: JP10316832A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Sakanaka; 徹雄坂中
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-10-24
Filing date: 1998-10-20
Publication date: 1999-08-06
Anticipated expiration: 2018-10-20
Also published as: JP3902876B2

Abstract

(57)【要約】【課題】パイロット信号を使用することなく背景光の
影響を取り除くことかできる。【解決手段】信号D2の(a) に相当するラインの信号は
背景光が殆ど同じで、信号光のない(b) のようになって
いる。(a) の信号と(b) の信号を取り込んだ時間の差は
僅かなので、その間の背景光の変化は殆どない。この両
者を減算することにより、背景光成分が無くなり信号光
だけが抽出され、(c) に示す信号となり、信号D3として
トラッキング制御回路５２へ出力され、トラッキング制
御回路５２は信号D3のピークの位置を調べて信号光スポ
ットの位置検出を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、送信信号により変
調した光信号をビーム状にして大気中を伝搬し、離れた
２地点間で通信を行う光空間通信装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に光信号を利用した通信は、高速で
大容量の情報の伝達が可能であり、特に伝送路を自由空
間とする光空間通信は、光ファイバ等の有線通信に比べ
て可搬性に富み、簡便に通信路を開設することができる
という利点がある。従来の通信装置では、光空間通信の
信頼性を向上するために、光信号が装置から外れないよ
うに、光ビームの出射方向の角度補正を行う自動追尾
（オートトラッキング）が行われている。

【０００３】図４は従来例のトラッキング機能を有する
光空間通信装置の構成図を示し、相手側装置と対向する
位置に送受信用のレンズ１が配置され、レンズ１の背後
の光路上にはレンズ２、可動ミラー３が配置されてい
る。可動ミラー３の入射方向には、偏光ビームスプリッ
タ４、レンズ５、半導体レーザー光源等から成る発光素
子６が配列されている。偏光ビームスプリッタ４の反射
方向には、光束分割ミラー７、レンズ８、位置検出素子
９が配列され、光束分割ミラー７の反射方向には、レン
ズ１０、光学素子１１が配列されている。

【０００４】発光素子６には合波器１２の出力が接続さ
れており、送信信号入力端子１３の出力が増幅器１４を
介して合波器１２に接続され、また合波器には発振器１
５の出力が接続されている。更に、受光素子１１の出力
は増幅器１６を介して受信信号出力端子１７に接続され
ている。

【０００５】位置検出素子９の出力はトラッキング制御
回路１８に接続され、トラッキング制御回路１８の出力
は、可動ミラー３の角度を変更する２個のアクチュエー
タ１９、２０を介して可動ミラー３に接続されている。
また、検者が視覚により確認するための視準スコープ２
１が、可動ミラー３の光軸とほぼ平行に設けられてい
る。

【０００６】送信時には、送信信号を送信信号入力端子
１３から入力すると、増幅器１４により増幅され、更に
発振器１５からの信号が合波器１２で合波された後に、
発光素子６に出力される。発光素子６は発振光を入力信
号に従って強度変調し光信号に変換する。発光素子６か
らの光束はレンズ５を経て偏光ビームスプリッタ４に至
り、この光束は紙面と平行に偏光しているので、そのま
ま偏光ビームスプリッタ４を透過し、可動ミラー３で左
方に反射され、レンズ２、１を経て相手側装置の方向に
出射される。

【０００７】受信時には、相手側装置からの光ビームは
左方からレンズ１に入射し、レンズ３を通り可動ミラー
３で下方に反射され、偏光ビームスプリッタ４に至る。
この光束は紙面と垂直に偏光しているので、偏光ビーム
スプリッタ４の貼り合わせ面で右方に反射され、光束分
割ミラー７において２方向に分割される。光束分割ミラ
ー７で反射された光束は、レンズ１０通って受光素子１
１で受信されて電気信号に変換された後に、増幅器１６
で適当なレベルに増幅され、受信信号出力端子１７から
出力される。

【０００８】他方、光束分割ミラー７を透過した光束は
レンズ８により集光し、スポット像Ｓとして位置検出素
子９で受光される。位置検出素子９ではスポット像Ｓの
位置を求め、位置信号としてトラッキング制御回路１８
に出力する。トラッキング制御回路１８はこの位置信号
に基づいて、相手側装置からの光ビームが自装置の光路
となす角度を算出し、アクチュエータ１９、２０の駆動
信号を作成する。アクチュエータ１９、２０は可動ミラ
ー３の角度を調節して、スポット像Ｓが位置検出素子９
の中心で受光されるようにする。

【０００９】これに伴って、発光素子６の位置も調節さ
れることになるために、出射ビームと入射ビームの光路
は一致して、光ビームは相手側装置に向けて正確に出射
される。通信時に装置が傾いたりして受信光の光路がず
れ、位置検出素子９のスポット像Ｓの位置が中心からず
れると、直ちに可動ミラー３が移動し、スポット像Ｓを
位置検出素子９の中心で受光するように、光ビームの入
射の光路が逐次に修正されて、入射してくる光ビームが
装置から外れないようにしている。

【００１０】ここで、位置検出素子９は相手側装置の周
囲の背景光の影響により、背景光の強い方向に位置検出
信号が引き寄せられて誤差を生ずることを防ぐために、
特定の周波数の交流パイロット信号のみを選択して検出
する。このパイロット信号は発振器１５から発生し、合
波器１２で送信信号に合波されて相手側装置に送られ
る。

【００１１】図５は４つに分割された位置検出素子９の
正面図を示し、分割された４つ光検出素子９ａ〜９ｄの
それぞれの出力を比較することによって、スポット像Ｓ
の位置を求める。また、図６は二次元光位置検出素子９
ｅを示し、この位置検出素子９ｅ上のスポット像Ｓの上
下方向の位置は、増幅器２２の＋入力端子と−入力端子
の入力電圧の差で検出し、また左右方向の位置は増幅器
２３の＋入力端子と−入力端子の入力電圧の差で検出す
る。図５、図６の何れの場合においても、位置検出素子
９ａ〜９ｅにはスポット像Ｓ以外に背景光が入射するの
で、パイロット信号の周波数成分以外は後段のフィルタ
や周波数選択性増幅器等の電気回路で除去されて検出さ
れることはない。

【００１２】上述のトラッキング機能は、相手側装置か
らの光ビームが受信可能なレベルで到達し、かつ位置検
出素子９の一部にスポット像Ｓが受光されていないと作
動しない。このために、装置設置時における初期調節で
は、操作者は可動ミラー３を中点付近の初期位置で固定
し、視準スコープ２１により相手側装置を観察しなが
ら、手動で装置の方向調節を行っている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述従来
例の光空間通信装置では、背景光の影響を除くためにパ
イロット信号を使用しているので、次のような問題点が
ある。

【００１４】(1) パイロット信号の発振器１５及び合波
器１２を必要とし、また受信側ではパイロット信号のみ
を抽出する回路が必要となるために、コスト高になる。

【００１５】(2) パイロット信号を送信信号に重畳する
ので、発光素子６、受光素子１１、増幅器１６等の非直
線性のために、相互変調等の信号の干渉が生じて、信号
品質が劣化する。

【００１６】(3) パイロット信号と送信信号の周波数帯
域が重ならないようにするために、送信信号の周波数帯
域が制限される。更に、位置検出素子９は通常では受光
面積が小さいので、受信光を正しく入射するために、視
準スコープ２１により観察しながらの初期調節が必要と
なる。また、視準スコープ２１と位置検出素子９の位置
関係を精密に調節しなければならないので、視準スコー
プ２１の実装と調節のためのコストが掛かる。

【００１７】本発明の目的は、上述の問題点を解決し、
パイロット信号を使用することなく背景光の影響を取り
除くことができる光空間通信装置を提供することにあ
る。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る光空間通信装置は、離れた２地点間に対
向設置して自由空間中に光信号を伝送して通信を行う光
空間通信装置であって、相手側装置の発光素子から発す
る光を選択して遮断し、該遮断した光以外の周囲の背景
光の内、少なくとも可視波長域の光を透過する信号選択
手段と、自装置の相手側装置に対する角度を検出する角
度検出手段と、前記信号選択手段が相手側装置の光を遮
断したときと遮断していないときの前記角度検出手段の
出力信号を比較し、該両出力信号間の差に相当する信号
を出力する信号出力手段とを有することを特徴とする。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明を図１〜５に図示の実施例
に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の光空間通信
装置の第１の実施例の構成図を示し、相手側装置と対向
する位置に送受信用のレンズ３０が配置され、このレン
ズ３０の背後の光路上にはレンズ３１、可動ミラー３２
が配置されている。可動ミラー３２の入射方向の光路上
には、信号光のような赤外波長域の光束に対しては紙面
に平行な偏波面成分を透過し、紙面に垂直な偏波面成分
をその組み合わせ面で反射する偏光ビームスプリッタ３
３、レンズ３４、赤外波長域の光束を発生する半導体レ
ーザー等の発光素子３５が配列され、発光素子３５に
は、送信信号入力端子３６の出力が増幅器３７を介して
接続されている。

【００２０】偏光ビームスプリッタ３３の反射方向には
光束分割ミラー３８が配置され、光束分割ミラー３８の
反射方向の光路上には、レンズ３９、アバランシェフォ
トダイオード又はＰＩＮダイオード等の受光素子４０が
配置されており、受光素子４０の出力は、増幅器４１を
介して受信信号出力端子４２に接続されている。

【００２１】光束分割ミラー３８の透過方向の光路上に
は、液晶板４３、紙面に垂直方向の偏光を透過する偏光
板４４、レンズ４５、位置検出素子と視準用ファインダ
を兼用するＣＣＤ撮像素子４６が順次に配列され、この
ＣＣＤ撮像素子４６には液晶制御手段４７の出力が接続
されている。なお、液晶板４３と偏光板４４は、レンズ
４５とＣＣＤ撮像素子４６の間に配置してもよい。

【００２２】ＣＣＤ撮像素子４６の出力は、ＣＣＤ制御
回路４８、Ａ／Ｄ変換器４９、画像メモリ５０、減算器
５１、トラッキング制御回路５２に順次に接続されてお
り、ＣＣＤ制御回路４８の出力はファインダモニタ端子
５３に接続され、Ａ／Ｄ変換器４９の出力は直接減算器
５１に接続されている。そして、トラッキング制御回路
５２の出力は２個のアクチュエータ５４、５５を介して
可動ミラー３２に接続されており、また液晶制御手段４
７、画像メモリ５０に接続されている。

【００２３】送信時には、送信信号を送信信号入力端子
３６から入力すると、送信信号は増幅器３７で増幅され
発光素子３５に出力される。発光素子３５において光信
号に変換された送信信号は、レンズ３４を経て偏光ビー
ムスプリッタ３３に至り、この光束は紙面と平行に偏光
しているので、そのまま偏光ビームスプリッタ３３を透
過し、可動ミラー３２で左方に反射され、レンズ３１、
３０を経て相手側装置の方向に出射される。

【００２４】受信時には、相手側装置からの光ビームは
左方からのレンズ３０に入射し、レンズ３１を通って可
動ミラー３２で下方に反射され、偏光ビームスプリッタ
３３に至る。この光束は紙面と垂直に偏光しているの
で、偏光ビームスプリッタ３３の貼り合わせ面で右方に
反射され、光束分割ミラー３８において２方向に分割さ
れる。光束分割ミラー３８で反射された光束は、レンズ
３９を通って受光素子４０で受信され、電気信号に変換
された後に増幅器４１で適当なレベルに増幅され、受信
信号出力端子４２から出力される。

【００２５】他方、光束分割ミラー３８を透過した光束
は紙面に垂直に偏光しているので、トラッキング制御回
路５２からのタイミング信号Ｔにより、液晶板４３に電
圧が印加されていない状態では、液晶板４３と偏光板４
４を殆ど減衰なしに透過し、レンズ４５を通過し、ＣＣ
Ｄ撮像素子４６に入射する。また、背景光も同じ光路を
通ってＣＣＤ撮像素子４６に入射するが、偏光ビームス
プリッタ３３は、背景光のような可視波長域の光束に対
しては単なるビームスプリッタとして働くため、背景光
は全ての偏光成分を含んでいるので、偏光板４４を透過
する際に強度が１／２に減衰する。ＣＣＤ撮像素子４６
に入射した受信信号光と背景光は、ＣＣＤ制御回路４８
で映像信号となり、更にＡ／Ｄ変換器４９でデジタル信
号に変換され、画像メモリ５０に１フィールド又は１フ
レームの映像情報が書き込まれる。この書き込まれた画
像情報の中央部付近の１ライン分を時間軸で見ると、例
えば図２(a) のようになっている。なお、中央部のピー
クは受信信号光である。

【００２６】次に、液晶板４３に電圧が印加されると、
液晶板４３が旋光性を持ち、透過する光の偏光方向が９
０度回転する。その結果、受信信号光の大部分は偏光板
４４を透過しなくなり、それに対して背景光は１／２に
減衰するだけで、液晶板４３に電圧を印加する前と強度
の変化はない。従って、ＣＣＤ撮像素子４６には背景光
だけが入射し、その画像信号はＣＣＤ制御回路４８、Ａ
／Ｄ変換器４９を経て信号D2として減算器５１に送られ
る。一方、画像メモリ５０に書き込まれている画像信号
は、同じタイミングで読み出されて信号D1として減算器
５１に送られる。減算器５１はロジック回路によるハー
ド又はＣＰＵによるソフトにより、信号D2と信号D1を減
算して結果を出力する。

【００２７】信号D2の図２(a) に相当するラインの信号
は背景光と信号光とを含み、図２(b) に相当するライン
の信号は背景光が殆ど同じで信号光がないようになって
おり、図２(a) の信号と図２(b) の信号の取込時間の差
は僅かなので、その間の背景光の変化は殆どない。この
両者を減算することにより背景光成分が無くなり、信号
光だけが抽出されて図２(c) に示すような信号となり、
信号D3としてトラッキング制御回路５２に出力される。
トラッキング制御回路５２は信号D3のピークの位置を調
べて信号光スポットの位置検出を行う。信号D3は背景光
成分によるノイズがないので、簡便に精度良くピーク位
置の検出ができる。また、背景光の強い方向に位置検出
結果が引き寄せられて誤差を生ずることもない。

【００２８】信号光の信号選択手段の透過／非透過のタ
イミングと画像メモリ５０の読み書きのタイミングの制
御は、トラッキング制御回路５２からのタイミング信号
Ｔにより行われる。トラッキング制御回路５２は検出し
た位置信号に基づいてアクチュエータ５４、５５の駆動
信号を発生し、従来例と同様に可動ミラー３２の角度を
調節する。

【００２９】また、ＣＣＤ制御回路４８からのビデオ信
号は、分岐されてファインダモニタ端子５３に出力され
る。ファインダモニタ端子５３はテレビモニタを接続し
てＣＣＤ撮像素子４６で取り込んだ映像を観察すること
ができるので、視準スコープが不要となるだけでなく、
ケーブルを延長することにより、離れた場所からの観察
も可能となる。

【００３０】図３は第２の実施例の構成図に示し、位置
検出素子９としては、従来例の図５の４分割素子９ａ〜
９ｄや図６の二次元光位置検出素子９ｅ等と同様の位置
検出素子５６が使用されている。位置検出素子５６の出
力は従来例と同様のトラッキング制御回路５７に接続さ
れ、第１の実施例のＣＣＤ撮像素子４６、ＣＣＤ制御回
路４８、Ａ／Ｄ変換器４９、画像メモリ５０、減算器５
１、トラッキング制御回路５２は使用しない。そして、
従来例と同様に視準スコープ５８が装備されており、従
来例のパイロット信号発振器１５と合波器１２は使用し
ない。その他は第１の実施例と同様で同じ信号は同じ部
材を表している。

【００３１】最初に、液晶板４３に電圧が印加されてい
ない状態では、受信信号光と背景光は共に液晶板４３と
偏光板４４を透過して位置検出素子５６に入射する。こ
のとき、位置検出素子５６は受信信号光と背景光が重な
った光の強度分布の重心に相当する位置を、位置検出信
号として出力する。

【００３２】トラッキング制御回路５７はこの信号をＣ
ＰＵのメモリ内に一時的に記憶しておく、なお記憶する
情報量は僅かなので第１の実施例のような特別なメモリ
は不要である。次に、液晶板４３に電圧を印加して受信
信号光を遮断し、背景光だけを位置検出素子５６に入射
する。このときの位置検出素子５６の出力は背景光の強
度分布の重心位置を示している。トラッキング制御回路
５７は先に記憶しておいた受信信号光と背景光の重なっ
た位置信号と今回の背景光のみによる位置信号を減算す
ることにより、背景光成分が相殺された受信信号光のみ
の成分の位置信号を得る。これにより、背景光の状態に
拘らず正確に受信信号光のみの位置検出が可能となる。

【００３３】この実施例では視準スコープ５８は必要で
あるが、パイロット信号は不要なので、パイロット信号
の干渉による信号劣化や、信号の周波数帯域の制限はな
くなる。

【００３４】位置検出素子５６に入射する背景光の強度
に影響を与えず、必要なタイミングで受信信号光のみを
透過／遮断する信号選択手段としては、第１、第２の実
施例の液晶板４４と偏光板４５の組合わせの他に次のよ
うな方式がある。

【００３５】(1) 液晶板４３の代りに１／２波長板を使
用し、１／２波長板は入射した光の偏波方向と結晶軸の
なす角度の２倍の角度だけ出射光の偏波面を回転させ
る。従って、１／２波長板を光学系（レンズ４５）の光
軸を中心に４５度回転させることにより、信号光の透過
／遮断の切換えを行うことができる。

【００３６】(2) 液晶板４３を用いず偏光板４４のみと
し、偏光板４４を光学系（レンズ４５）の光軸を中心に
回転できるようにし、偏光板を９０度回転すると信号光
の透過／遮断が切換わる。

【００３７】(3) 光は可視波長域の光が大部分を占めて
いる。従って、液晶板４３と偏光板４４の組合わせの代
りに、可視光を通過させて赤外光をカットするような波
長選択性の光学フィルタを受信光路上に挿入することに
より、信号光だけを透過から遮断に切換えることができ
る。１例として、円型のガラス板の一部である半円部を
波長透過フィルタに加工したものを、光軸を中心として
回転することにより、信号の透過／遮断の切換えを行う
ことができる。

【００３８】上述の実施例は自動トラッキング機能を有
する光空間通信装置であるが、自動トラッキング機能を
持たずに、手動で角度調節を行うような装置の角度検出
方式としても使用することができる。この場合には、調
節作業は位置検出素子４６、５６等の出力のメータの指
示や数字による表示等を見ながら手動で角度調節を行う
が、自動トラッキングの場合と同様に背景光に影響され
ない正確な角度調節ができる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る光空間
通信装置は、角度検出用のパイロット信号を使用するこ
となく、背景光の影響を受けないで正確な角度検出を低
コストで行うことができ、パイロット信号による送受信
信号への影響がないので、高精度の光通信を行うことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の構成図である。

【図２】背景光の影響の除去を説明するためのグラフ図
である。

【図３】第２の実施例の構成図である。

【図４】従来例の構成図である。

【図５】位置検出素子の正面図である。

【図６】他の従来例の位置検出素子の構成図である。

【符号の説明】

３２角度可動ミラー３３偏光ビームスプリッタ３５発光素子４０受光素子４３液晶板４４偏光板４６、５６位置検出素子４８ＣＣＤ制御回路５０画像メモリ５１減算器５２、５７トラッキング制御回路５８視準スコープ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】離れた２地点間に対向設置して自由空間
中に光信号を伝送して通信を行う光空間通信装置であっ
て、相手側装置の発光素子から発する光を選択して遮断
し、該遮断した光以外の周囲の背景光の内、少なくとも
可視波長域の光を透過する信号選択手段と、自装置の相
手側装置に対する角度を検出する角度検出手段と、前記
信号選択手段が相手側装置の光を遮断したときと遮断し
ていないときの前記角度検出手段の出力信号を比較し、
該両出力信号間の差に相当する信号を出力する信号出力
手段とを有することを特徴とする光空間通信装置。
【請求項２】前記角度検出手段はＣＣＤ撮像素子とし
た請求項１に記載の光空間通信装置。
【請求項３】前記角度検出手段は４分割した光検出素
子とした請求項１に記載の光空間通信装置。
【請求項４】前記角度検出手段は二次元光位置検出素
子とした請求項１に記載の光空間通信装置。
【請求項５】前記信号選択手段は液晶と偏光板から構
成する請求項１〜４の何れか１つの請求項に記載の光空
間通信装置。
【請求項６】前記信号選択手段は受信光学系の光軸を
回転軸として回転可能な１／２波長板と偏光板から構成
する請求項１〜４の何れか１つの請求項に記載の光空間
通信装置。
【請求項７】前記信号選択手段は受信光学系の光軸を
回転軸として回転可能な偏光板により構成する請求項１
〜４の何れか１つの請求項に記載の光空間通信装置。
【請求項８】前記信号選択手段は受信光路上への挿入
状態と非挿入状態との切換えが可能な波長選択性の光学
フィルタにより構成する請求項１〜４の何れか１つの請
求項に記載の光空間通信装置。