JPS63108317A - レ−ザビ−ムの超高精度方向制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （１）　　発明の属する技術分計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
で光ファ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
軍等を中心に検討これ衛星間光通信に使用きれようとし
ている方法があるが、この光学装置は大略第１図のよう
な構成になっている。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
られず異っ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
をビームスブリ、ツタで行うため、可視と熱赤外等使月
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きれ（一般に数十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０等々の欠点があった。

（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った基本方式を採用
して、下記のように１枚の両面反射鏡を用いるなど斯し
い発想によって、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一簡単な構造で制御を行うこと
が可能なことが特徴であって、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〜１μ
ｒａｄ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、うら
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０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って、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
スブリフタ、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、１１はアライメ
ント兼用ビームスプリッタ（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ィルタである。なお、本光学装置
はジンバル駆動によっ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
ムスプリッタで二つに分け、盲進光は５のＣＣＤの撮像
面で像を結び検出される。又射光は６０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
検出きれる、２の凸レンズ便用放像は反転し、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ッタで反射された後、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、１３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
フーナレフレクタで反射され、１１で再反射された後１
６で検出きれ、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ィルタを付ける。

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は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１０ＧＨｚ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っている。ただし回
転範囲は小きく（〜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（ピラミッ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ッ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１１（調整には恒星等からの平行光線やオートコリ
メーシＳンの技術を用いる。）しておけば、ジンバルを
駆動し℃装置全体を相手飛翔体の方向に向け（浦そ＜）
、参照レーザ光のスポット像の位置が５のＣＣＤの撮像
面内の零点に一致した時、送２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っている故に、ＣＣ
Ｄで検出される参照光スポット像の位置のずれとなって
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Ｃ０Ｄ−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、以下に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Ｃ０Ｄ−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ッター等で送信レー
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ッ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１１１！（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先の入射方向の変化
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１
３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きれた角
度変化が得られ、高い指向角度精度が得られる仕組みに
なっている。

一般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
相手から放射き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”の補正を行っ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って達成する、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
上の高速応答が害鳥に得られるので、レーザビームの高
速・高精度制−が可能をなる。このようにして送信レー
ザービームは常に他の衛星に高精度で指向ネれることに
な与、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ネ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
を箇１１４：説明する。先ず平行光線（レーザ等人工光
か恒屋の光）を１と１３の両望遠鏡から入射きせ、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１１をはずした方が良い、６の叉射鏡（の角度
）を調整して１６の中も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
リフタを調整する。これで送受信の光学系が平行に調ｔ
すれたので、次はこれと平行にレーザビームも出してや
ればよい、１１を取や付行た後（はずした場合）、１４
のフーナリプレクタからの反射光は１８００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
ッタを調整して、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ｌｉｍ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１テイメントは終了する。

の　参照先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、１．２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
、Ｉ軸は紙面に平行な軸である。したがって、５と８の
撮像面は（Ｘ％ｙ）座標で表わ啓れる。また以後回転角
は反時計回りを正に定義する。

変化したとすると、５のＣＣＤでのスポット像の位置の
ずれのＸ力向成分Δｘｃは、 ΔｘｅｍｆｒΔ０ｒ−ＬＬ−Ｆ・・・・・・・・・・・
・・・・・・（１）ｆｒ 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　ｄｅｔ
ｅｃｔｏｒ）　８での変化は受信望遠鏡の倍率ｍｒを用
いΔｘｑ”−ｍｒΔ０ｒｌｌ、　ｍ、−−Ｌ呻、、、（
２）ｆｒ となる、ここでｌい　覧、は各々結像レンズ４．７から
５のＣＣＤ、８０四象限光検出器までの距離を示す、６
０両面反射鏡をΔα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Δθｔだけ変えたとすると Δ０ｔ−２°Δα二）・・・・・・・・・・・（３）ｍ
ｔ ｍｔｍ　−−ムー ｍｔ ここでｆｔ’、ｒｔは各々接眼レンズ（＠γ＠ｐｉ＠ｃ
ａ）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。Δαの回転
による８での像のずれΔＩｑ゛は、７と８の間の距離が
皿、であるのでΔｘｑ゛−−２　　ｉｎ　Δα　・・・
・・・・・・・・・・・・・（４）レーザビーム方向の
補正（制ｇ４）の条件は、Δθを霞Δθｒ°、　　・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（Ｓ）Δ
ｚ　ｑ　’　＃−Δｘｑ、・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・（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
ることシフターで補正すべきシフト量Δｘｑａは（３）
、（４）式より求まり Δｘｑａｗａ　−１、ｍｔΔθｔａ　、・・・・・・・
・・・・−（７）となる、（２）、（３）、（４）、（
５）、（６）式より−Ｌ」〒、−−ＬＪ〒又１ｔ　　−
ｒ−−ｍｔ、、、、、（ｇ）ｆｔ　　　　ｆ’ｒ 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（ｙｌ！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２１！１では受信側で倒立、送信側で正文となってい
るが、この逆でもよい、いずれにしても（８）式を満足
するようは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、 ｆｒｍ９０ｃｍ。

ｆｔ−ＬＯＯｃｍ。

ｍｔ＝２０ にとると、ｍｒ＝−２０となり、ｒｒ’−４，５ｃｍ（
凸レンズ）、ｌｔ’ｍ−５ｃｍ（凹レンズ）で（８）の
条件を満足する。いま、１μｒ・ｄの角度の精度を考え
、１ｍ−１０ｃｍとするとΔ０ｒ−Δ０ｔ−１μｒａｄ であるので、（２）式よりΔｘｑｍ２μｍ、（３）式よ
りΔαｍ　１０　Ｊｒａｄ、となり四象限光検出器８の
スポット像の位置の精度は２μｍ１両面反射鏡の回転角
度精度は１０　Ｉｔｒａｄ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でのスポット
像の直径を２００５ｍ（デフォーカスにして像をぼかす
、）とするとＳＮ比約Ｚｏｏ（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２（ＩＩｌｍにするとＳＮ比約１０ｄＢで同精
度が得られるはずであるが、現実には一ボ系の精度は向
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って、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２０ｔ１ｒａｄ（
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４０５ｍ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
）によっ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（〜
１＃ｒａｄ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フン
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接望遠鏡を用いれば、ビームパター
ンが距離によって変化しないので、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のビームスプリッタの
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４　図の簡単な説明 第１図は先存技術の装置概略図、第２図は本発明の装置
ブロック図である。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、Ｃ・・・光学的
バンドパスフィルタ、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・・・二色性ビ追尾用）、ｋ、・・
・光行差補正用反射鏡（ＡＺ、ＥＬ）、！・・・レーザ
である。

第２図については、１・・・参照先受ＭＷＩ遠鏡対物レ
ンズ、２・・・同接眼レンズ、３・・・ビームスプリッ
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ッタ、１２・・・
レーザ光送侶望遠鏡接眼レンズ、１３・・・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）、１７・・・光学的バンドパスフィル
タである。

特許出願人　郵政省電波研究所長 第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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、ＣＣＤ受光素
   子とジンバルによる捕そくのための装置全体の方向制御
   と四象限光検出器と内部平面鏡によるレーザビームの高
   精度指向方向制御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、１枚の平面
   鏡の両面を独立させて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ット像の位置
   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、初段のレーザビーム反射鏡に微小透過型のビーム
   スプリッタを用い、光学軸のアライメントを同鏡とコー
   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。