JPS63215231A - 自動視準式光受信装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は自動視準式光受信装置に関し、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〕

自動視準用サーボ光を受光する４象限の受光素子の電流
供給側にインダクタンス回路を接続して、サーボ光より
も変調周波数が高い光データ信号を受光素子出力として
サーボ信号とは分離してインダクタンス回路から取出す
ようにした自動視準式光受信装置である。

〔従来の技術） 土木工事、港湾工事、沿岸工事等において、ブルドーザ
−２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
光軸をお互いに一敗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の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〕

対物レンズをサーボ光とデータ光とで共用する場合、半
透鏡等を用いて夫々の受光部に至る光軸を分割する必要
があり、挿入損失により遠距離の性能が低下する。この
ためサーボ用の４象限の受光素子の出力からデータ信号
をフィルタ等で分離して取出すことが考えられる。しか
し視準サーボの開始前など入射光と対物レンズの光軸と
がずれているときには、受光素子の４象限の１つには光
が全く入射しない場合や出力が略零になる場合がある。

従ってこのような状態でも光データの受信路を確保する
こめには、４象限の出力を全部加算した信号から光デー
タ信号を抽出する必要がある。

ところが５ＫＨｚ程度で変調されているサーボ信号に対
する４象限の受光素子の受信回路（狭帯域アンプやレベ
ル検波器等）は、５ＭＨｚ程の光データ信号に対しては
位相特性が悪（，４象限出力の加算によってデータエラ
ーが生じ易くなる。

上記狭帯域アンプやレベル検波器の位相特性を十分に良
くするには非常に高価な回路を必要とする本発明はこの
問題にかんがみ、受光素子の受光位置や４象限サ一ボ信
号の受信回路の移相特性に影響されずに、視準サーボ信
号と光データ信号とを分離して得るようにすることを目
的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の自動視準式光受信装置は、対物レンズの光軸に
配置されて、入射した視準サーボ光の結像点の上下左右
方向のずれを表す４象限の出力を導出する受光素子を備
える。

上記受光素子の出力に基づいて対物レンズの光軸を相手
局に向ける視準サーボ装置を作動させる。

上記受光素子の電流供給端子に上記視準サーボ光の変調
周波数に対して低インピーダンスを示すインダクタンス
回路を接続する。

上記視準サーボ光の変調周波数よりも高い変調周波数の
伝送データ光に対応するデータ信号を上記インダクタン
ス回路に接続した受信回路から得る構成である。

〔作用〕

受光素子の電流供給端子には、４象限サ一ボ信号の和の
電流が流れる。従ってサーボ光軸の位置によって４象限
出力の１つが零になることがあっても、光が入射してい
る限り４象限出力の和の電流が流れ続ける。従って視阜
サーボ系が乱れていても光データの受信路は確保される
。

インダクタンス回路は視準サーボ光の変調周波数に対し
てはインピーダンスが低いので、受光素子の給電ライン
に挿入しても、サーボ光の光電変換特性が変わることは
ない。一方、データ光の変調周波数に対してはインダク
タンス回路のインピーダンスが大きくなり、その電圧降
下によりデータ信号をサーボ信号から分離して取出すこ
とができる。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例を示す海洋作業月光測距シス
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ｌ
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ｌＯ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。

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。

送光レンズ１２は、一つ置きにサーボ用のグループとデ
ータ送信用のグループ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１２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（５ｋ
Ｈｚ）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１５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＜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・ノド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３　ｋＨｚにして、陸上局のＡＭ変調周波数の５
　ｋＨｚ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
のサーボ光（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）の半導体装置検出素子で
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
２１　ａ−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
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。

マイクロブロセ・ンサ内で番よ、Ｕ、Ｄ、ＬＳＲ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ボ
７）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９．１
０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
距が可能となる。

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
自動視準が行われる。

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ボッ）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）め測距光の発信及び測
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、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５．５ＭＨ２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１４
′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５ＭＨ２にして、陸上局からの送信データのキャ
リア周波数５．５Ｍ　Ｈｚと異ならせている。これによ
り距離計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、
５ＫＨ，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、５ＭＨ，のＦＭデータ信号に対しては、１次巻１
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５．５ＭＨ２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、５　Ｍ
　Ｈｚの受信データ信号に同調させである。

サーボ系が乱調を起こしたときやサーボの始動時には、
４象限の受光素子１５にサーボ光が光軸から大幅に偏倚
して、４象限出力の１つ乃至３つが略零になることがあ
る。このような場合でも、受光素子１５のアノードに接
続したトランス、３７からデータ信号を支障なく得るこ
とができる。

第４図Ａは第１図の受光素子１５として利用できる４象
限分割のフォトダイオード４３を示す。

このフォトダイオード４３は上下、左右に４分割された
エレメント４３３〜４３ｄを有し、各エレメントからサ
ーボ光の結像点のずれに対応した受光信号を得ることが
できる。このフォトダイオード４３の場合も、結像点が
原点から大幅に偏倚していると、４象限の１つの出力を
残して他の出力が零となることがある。

そこで第４図Ｂに示すように、４つのエレメント４３ａ
〜４３ｄのカソードを共通に接続して、カソードに連な
る電源ラインにトランス３７の１次巻線３７ａを挿入し
、その２次巻線３７ｂからアンプ２９を経て光データ信
号を得ている。サーボ信号は、各エレメント４３ａ〜４
５ｄのアノードと接地との間に挿入された同調゛トラン
ス２０ａ及び同調コンデンサ２０ｂから成る同調回路を
介して取出される。

第５図は第１図の受光回路部分の変形例を示す。

この例では受光素子１５のアノードＡにインダクタンス
素子４４を通じて電流を供給している。このインダクタ
ンス素子４４は例えばｌＯμＨで５ＭＨｚの光データ信
号に対しては約３００Ωのインピーダンスになる。従っ
てアノードＡにカップリングコンデンサ４５を介してＦ
ＥＴ４６等の高入力インピーダンスアンプを接続すれば
、データ信号を抽出することができる。

一方、インダクタンス素子４４は、５ＫＨｚのサーボ信
号に対しては０．３Ω程度の低インピーダンスとなる。

従って第１図と同様にサーボ信号を各カソードから同調
回路２０、アンプ２１ａ〜２１ｄを介して得ることがで
きる。

第６図は参考実施例であって、平面フォトダイオード形
の受光素子１５の４象限電極の夫々から同調回路２０、
アンプ２１ａ−ｄを介してサーボ信号を取出すと共に、
一つの電極の出力線中にトランス４７の１次巻線４７ａ
を挿入し、その２次巻ｉ％Ｉ４７ｂの一端からアンプ４
８を通じて光データ信号を得ている。トランス４７の１
次インピーダンスをサーボ信号周波数については十分低
くしであるので、この構成でも受光素子１５の出力から
サーボ信号とデータ信号とを分離して取出すことができ
る。

受光素子１５の原点から対向する電極１５ａ、１５ｂま
での距離をＬ（極間距離２Ｌ）とし、原点から入射光の
結像点までの距離をＸとすると、各電１ｉ１ｉ１５ａ、
１５ｂからのカソード電流は、ｔａ　＋７．−１ｏ　　
　（Ｉ。は光電流）となる。従って結像点の位置Ｘが電
極１５ｂの側に大幅に偏倚すると、ｘ＃Ｌとなって、電
極１５ａからの出力電流が零になる。従って第６図の構
成では、データ信号が得られなくなる場合も生じる。

〔発明の効果〕

本発明は上述の如く、視準サーボ用受光素子１５の電流
供給端子に、変調周波数の高い伝送データ光の受信信号
に対しては高インピーダンスを示すインダクタンス回路
を接続して、データ信号を抽出するようにしたので、受
光面上の結像点の位置が４象限出力の何れかに偏倚して
いても、インダクタンス回路に流れる４象限の合成電流
に基づいて、データ信号を支障無く得ることができる。

またインダクタンス回路が視準サーボ光の変調周波数に
対しては低インピーダンスを示すので、受光素子への供
給電流を妨げることがなく、従ってサーボ光に対する受
光感度が低下することがない。

よって視準サーボ光学系と光データ光学系とで１つの対
物レンズ及び１つの受光素子を夫々共用した簡易な自動
視準式光受信装置を構成することができる。

【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周光測距シス
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（Ａ）は受光
素子として使用する４象限分割フォトダイオードの受光
面の図、第４図（Ｂ）は受光回路の回路図、第５図は４
象限平面フォトダイオードを使用した場合の受光回路の
回路図、第６図は受光回路の参考例を示す回路図である
。 なお、図面に用いた符号において、 ２−−−−−一・・−一−−−−−・−自動視準装置３
−・−−−−−−・−−−−−・・−光波距離計４−−
−−−一・・−−−−−−ｍ−−−・反射器５・−・・
−一−−−−−−・−−−−一対物レンズ６−・・−・
−・−一一−−−−コーナキューブプリズム７−・−・
−・・・−−−一−−−・−水平架腕８−・−−−−−
−−一−・−・−・・・・垂直架腕９−・−・・・−−
−−一−〜・−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−・−一−−−−−−−−−・−受光レンズ１４・
−・−・・・−・−発光素子 １５−・−・・−・・−・受光素子 １８−・−・−・・−・−・・−発振器３３・・・−・
・−・−・−・モデム ３４・・・−・−−一−−−−−−・ＦＭ変調器３７−
−−−−−−−−・−・−トランス４０・・・−−−−
−−−−−−−−Ｆ　Ｍ復調器４３−・・・・・・・・
・−・・・−フォトダイオード４４−−−−−−一・−
・・・インダクタンス素子である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 対物レンズの光軸に配置されて、入射した視準サーボ光
   の結像点の上下左右方向のずれを表す４象限の出力を導
   出する受光素子と、 上記受光素子の出力に基づいて上記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と、上記受光素子の
   電流供給端子に接続されて、上記視準サーボ光の変調周
   波数に対して低インピーダンスを示すインダクタンス回
   路と、 上記インダクタンス回路に接続されて、上記視準サーボ
   光の変調周波数よりも高い変調周波数の伝送データ光に
   対応するデータ信号を得る受信回路とを備える自動視準
   式光受信装置。