(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを発射する光源と、光ビームを反射するスクリーンと、反射した光を受光する受像カメラとを備え、また、上記の光源の設けられた送信ヘッドと上記の受像カメラの設けられた受信ヘッドとの距離を調整する構成により予め決められた距離を置いて互いに固定された構成と、
送信ヘッドから発射された光ビームがスクリーンで反射され、反射された光が受信ヘッドで受光される構成と、
前記光ビームの上記の受信ヘッド上の位置を見出す手段と、
前記スクリーンの予め決められた点の受信ヘッド上の位置を見出す手段と、
上記の光ビームの受信ヘッド上の位置と、上記のスクリーンの予め決められた点の受信ヘッド上の位置とから、光ビームのスクリーン上の位置を見出す手段と、上記の距離を調整する構成により上記の送信ヘッドと上記の受信ヘッドと距離を変えて光空間伝搬の光路依存性を測定する手段と、を備えることを特徴とする光空間伝搬特性の評価装置。
【請求項２】
パルス状の光ビームを発射する光源と、光ビームが照射される残光性スクリーンと、前記残光性スクリーンからの光を受光する受像カメラとを備え、また、上記の光源の設けられた送信ヘッドと上記の受像カメラの設けられた受信ヘッドとは互いに固定された構成と、
送信ヘッドから発射された光ビームがスクリーンで反射され、反射された光が受信ヘッドで受光される構成と、
前記受光された光ビームの上記の受信ヘッド上の位置を見出す手段と、
上記のスクリーンの残光の放出点の上記の受信ヘッド上の位置を見出す手段と、前記スクリーンの予め決められた点の受信ヘッド上の位置を見出す手段と、
上記の光ビームの受信ヘッド上の位置と、上記のスクリーンの残光の放出点の上記の受信ヘッド上の位置と、上記のスクリーンの予め決められた点の受信ヘッド上の位置とから、光ビームのスクリーン上の位置と光ビームの残光のスクリーン上の位置とを見出す手段と、
光ビームのスクリーン上の位置と光ビームの残光のスクリーン上の位置とから光空間伝搬の時間変化を測定する手段と、を備えることを特徴とする光空間伝搬特性の評価装置。
【請求項３】
光ビームを発射する光源と、光ビームを反射するスクリーンと、反射した光を受光する受像カメラとを備え、また、上記の光源の設けられた送信ヘッドと上記の受像カメラの設けられた受信ヘッドとは互いに固定された構成と、送信ヘッドから発射された光ビームがスクリーンで反射され、反射された光が受信ヘッドで受光される構成と、前記光ビームの上記の受信ヘッド上の位置を見出す手段と、前記スクリーンの予め決められた点の受信ヘッド上の位置を見出す手段と、上記の光ビームの受信ヘッド上の位置と、上記のスクリーンの予め決められた点の受信ヘッド上の位置とから、光ビームのスクリーン上の位置を見出す手段と、を備えることを特徴とする評価装置を複数備え、
それぞれの評価装置について、送信ヘッドは同一の台座に固定され、それぞれの光ビームはそれぞれ異なる方向に発射される構成を持ち、それぞれの光ビームのそれぞれのスクリーンの位置の変化を用いて、上記の台座の時間変化、あるいはぞれぞれの光空間伝搬の時間変化を評価することを特徴とする光空間伝搬特性の評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光空間通信における通信品質を改善するための光空間伝搬特性の評価装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
隣接したビル間での通信に光空間通信が行われることがある。この通信では、一般に、変調されたレーザ光線などの光信号を発する送信器と、その光信号を受ける受信器とが用いられる。これらの送信器と受信器の間は、大気の空気や大気に含まれる水蒸気などの透明なガス体や、ガラスなどの透明な板材、あるいは光信号を反射する鏡などが設置される。
【０００３】
この通信方法の利点は、簡単な設備を導入するだけで、高速の通信路を実現できることにある。しかし、見とおしの利く遠距離に有る地点間の通信では、この通信方法は、いくつかの欠点を備えている。
【０００４】
たとえば、送信器は通常ビルなどに固定されるが、ビルの揺れがあるため、送信器も揺れることになり、それから送信される光ビームも微小な揺れを伴っている。この揺れは、より遠距離の光空間通信に適した高層ビルなどでより顕著になる。一般に、物体の運動成分は、平行移動成分と、回転運動成分に分けられる。送信器の揺れにおいては、揺れの平行移動成分は、距離の依存性を持たないが、回転運動成分は、通信距離が長くなるほど増大する。このため、遠距離の光空間通信では受光器に光が入射しないこともありうる。これを避けるためには、光ビームの発射角度を大きくすることも行われるが、この方法では、波面の乱れた光信号を受光することになり、通信速度の限界が低くなってしまう。
【０００５】
また、光空間通信の光路は、空気や水蒸気などの透明なガス体に設けられるが、その光路が長距離になると、時間的にあるいは空間的に変動する空気や水蒸気の密度変化の影響を多く受ける。空気の密度変化は、光路の温度変化や風によって起こる。また、水蒸気の密度変化は、光路の置かれた環境変化による。このような光路の変動は、乱雑であることが知られている。
【０００６】
光空間通信において、送信機から受信機へ向けて発射された光ビームは、気流等による大気の屈折率分布の変化により、図６に示す様にその進行方向が変化する。このような現象はビームベンディング、あるいは受信位置におけるビームスポットの動きに着目してスポットダンシングなどと呼ばれる。
【０００７】
伝搬距離が５〜６ｋｍの場合、ビーム到達位置の変動は５〜６ｍにも及ぶことがあり、光ビーム径が小さいと受信機の視野から外れ、受信不能となることがある。
【０００８】
そのため、送信機側でビームの発射角度を大きくすることも行われるが、この方法では受光効率が小さくなってしまうため、通信速度を高めることができない。
【０００９】
スポットダンシングのもう一つの対処方法として、送受信機に追尾機能を持たせることも行われている。この場合は、受信機側でビームの最適位置からのずれを何らかの方法で検出し、そのずれをキャンセルするように送信機側でビームの向きを変化させる。
【００１０】
スポットダンシングの特性（揺れの振幅、方向、周波数スペクトル）は、上に述べたような追尾機能の設計を行う上で重要な情報になる。
【００１１】
このように、光空間通信は、ビルの揺れや、光路の環境変化により影響を受ける、という欠点があるが、これらを簡単に評価する方法は、これまで提案されていなかった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
スポットダンシングは、大気伝搬後の光ビームをスクリーンに当てることにより、図７に示す様に、カメラなどで観察することができる。しかし、この場合のスクリーン上のスポットの動きは、大気の揺らぎによるものと、ビルあるいは送信機自体の揺れによるものとが重なったものである。従って、大気揺らぎのみの影響の大きさを知ることができない。
【００１３】
大気の影響とビルの揺れの影響を切り分けることができれば便利なことも多い。例えば、ビルあるいは送信機自体の揺れの影響が大きいことが分かれば、送信機の設置場所あるいは設置方法を工夫することができる。大気の影響が大きければ、その特性に従った、より普遍性の高い追尾機能の設計が可能となる。
【００１４】
上記の様に、光空間通信は、ビルの揺れや、光路の環境変化により影響を受ける、という欠点があるが、これらを簡単に評価する方法は、これまで提案されていなかった。
【００１５】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、必要に応じて送信ヘッドの揺れを除外しながら、光路の空間的変化や、時間的変化を評価することができる光空間伝搬特性の評価装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明における第１の発明は、光路の乱れの空間的な依存性のある光空間伝搬特性の評価装置に関しており、光ビームを発射する光源と、光ビームを反射するスクリーンと、反射した光を受光する受像カメラとを備え、また、上記の光源の設けられた送信ヘッドと上記の受像カメラの設けられた受信ヘッドとの距離を調整する構成により予め決められた距離を置いて互いに固定された構成と、
送信ヘッドから発射された光ビームがスクリーンで反射され、反射された光が受信ヘッドで受光される構成と、
前記光ビームの上記の受信ヘッド上の位置を見出す手段と、
前記スクリーンの予め決められた点の受信ヘッド上の位置を見出す手段と、
上記の光ビームの受信ヘッド上の位置と、上記のスクリーンの予め決められた点の受信ヘッド上の位置とから、光ビームのスクリーン上の位置を見出す手段と、上記の距離を調整する構成により上記の送信ヘッドと上記の受信ヘッドと距離を変えて光空間伝搬の光路依存性を測定する手段と、を備えることを特徴としている。
【００１７】
また、本発明における第２の発明は、光路乱れの時間依存性のある光空間伝搬特性の評価装置に関しており、パルス状の光ビームを発射する光源と、光ビームが照射される残光性スクリーンと、前記残光性スクリーンからの光を受光する受像カメラとを備え、また、上記の光源の設けられた送信ヘッドと上記の受像カメラの設けられた受信ヘッドとは互いに固定された構成と、
送信ヘッドから発射された光ビームがスクリーンで反射され、反射された光が受信ヘッドで受光される構成と、
前記受光された光ビームの上記の受信ヘッド上の位置を見出す手段と、
上記のスクリーンの残光の放出点の上記の受信ヘッド上の位置を見出す手段と、前記スクリーンの予め決められた点の受信ヘッド上の位置を見出す手段と、
上記の光ビームの受信ヘッド上の位置と、上記のスクリーンの残光の放出点の上記の受信ヘッド上の位置と、上記のスクリーンの予め決められた点の受信ヘッド上の位置とから、光ビームのスクリーン上の位置と光ビームの残光のスクリーン上の位置とを見出す手段と、
光ビームのスクリーン上の位置と光ビームの残光のスクリーン上の位置とから光空間伝搬の時間変化を測定する手段と、を備えることを特徴としている。
【００１８】
また、本発明における第３の発明は、台座の振動の影響を取り除くことのできる光空間伝搬特性の評価装置に関しており、光ビームを発射する光源と、光ビームを反射するスクリーンと、反射した光を受光する受像カメラとを備え、また、上記の光源の設けられた送信ヘッドと上記の受像カメラの設けられた受信ヘッドとは互いに固定された構成と、送信ヘッドから発射された光ビームがスクリーンで反射され、反射された光が受信ヘッドで受光される構成と、前記光ビームの上記の受信ヘッド上の位置を見出す手段と、前記スクリーンの予め決められた点の受信ヘッド上の位置を見出す手段と、上記の光ビームの受信ヘッド上の位置と、上記のスクリーンの予め決められた点の受信ヘッド上の位置とから、光ビームのスクリーン上の位置を見出す手段と、を備えることを特徴とする評価装置を複数備え、
それぞれの評価装置について、送信ヘッドは同一の台座に固定され、それぞれの光ビームはそれぞれ異なる方向に発射される構成を持ち、それぞれの光ビームのそれぞれのスクリーンの位置の変化を用いて、上記の台座の時間変化、あるいはぞれぞれの光空間伝搬の時間変化を評価することを特徴としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同様のもの、あるいは同様の機能をもつものには、同じ符号を付して説明する。
【００２０】
図１に示す装置は第１の実施の形態を示す図である。レーザ光源の送信ヘッド１と、望遠レンズのついた受信ヘッド２が固定され、送信ヘッド１から発射された光ビームは、スクリーンで反射あるいは散乱され、受信ヘッド２で受光される。この受信ヘッド２には、望遠レンズ４がつけられた撮像カメラが備えられており、この画像からコンピュータ処理によりスクリーン上の光ビームのスポットの位置が読み取れる様になっている。この受信ヘッドにより、スクリーン３の形状あるいは、スクリーン上の１点の座標が読み取れるように、スクリーンにマーカー２１ａ、２１ｂ、２１ｃが設けられている。また、この送信ヘッドと受信ヘッドとは、同じ台座１１に固定されるが、そのの距離は、スライドレール１２に送信ヘッドが乗せられる構成により、調整可能になっている。
【００２１】
この送信ヘッド１と受信ヘッド２との距離を変えてスポットダンシングを測定することにより、光空間伝搬特性における光路の乱れの空間的な依存性を得ることができる。
【００２２】
また、送信ヘッド１と受信ヘッド２とは固定して同じビルの上に配置される。これらは、同じ揺れ成分を持つので、例えばビルが右に揺れれば、光源とカメラは同様に右に揺れ、カメラの望遠レンズは、常に光ビームのスクリーン上のスポットを捕らえることになる。つまり、このカメラによってビームスポットを観察することにより、ビルの揺れ成分が除去されたスポットダンシングの特性を測定することが可能となる。
【００２３】
特に、光路の変動やビルの揺れの周期（Ｔ１）が、光ビームが送信ヘッドから発射されて、スクリーンで反射され、受信ヘッドに至る時間（Ｔ２）に比べて充分に大きいときは、受信ヘッドにおける光ビームの位置は変化しない。
【００２４】
しかし、Ｔ１がＴ２に比べて充分に大きくない場合は、光ビームが往復する間に光路やビルの位置が変動することによる影響が現れて受信ヘッドにおける光ビームの位置は変化するようになる。このため、受信ヘッドにおける光ビームの位置のスペクトルを評価することによって光路の変動やビルの揺れの周期の短い成分の評価を行うことができる。
【００２５】
また、送信ヘッド１とスクリーン９までの距離をパラメータとして変化させ、受信ヘッドにおける光ビームの位置のスペクトルの差分をとることにより、光路の変動やビルの揺れのスペクトルを得ることができる。
【００２６】
第２の実施の形態を図２に示す。図２に示す装置は、レーザ光源６と撮像カメラ５がひとつの望遠レンズ７をハーフミラー８あるいは部分的に反射する斜鏡を通して共用する送受信ヘッド１０である。このようなヘッド自体は、既によく知られたものである。しかし、本発明の特徴は、この送受信ヘッドから発射された光ビームを、スクリーン３で反射あるいは散乱させ、これを送受信ヘッドの撮像カメラ５で捕らえて、この画像からコンピュータ２０処理によりスクリーン上の光ビームのスポット３の位置を読み取る点に特徴がある。この送受信ヘッドにより、スクリーンの形状あるいは、スクリーン上の１点の座標が読み取れるように、スクリーンにマーカー２１ａ、２１ｂ、２１ｃが設けられている。マーカーは、１点のみでも光ビームのスポットを読み取ることは可能であるが、複数ある方がより正確になる。また、明確なスクリーンの像が得られる場合には、マーカーを設ける必要はない。
【００２７】
図２に示す送受信ヘッド１０の代わりに、図３に示すように送信ヘッドと受信ヘッドが互いに固定された構成の送受信ヘッドを用いることも可能である。
【００２８】
また、このスクリーンは、図４に示す様に、リン光を発する物質が塗布されたもので、残光性があり、光ビームが照射されるとその照射点の位置の変動が読み取れるようになっている。この残光の半減期は、評価しようとする変動速度によって選択を変えることがのぞましい。また、リン光を利用するため、送信ヘッドからの光ビームは、上記のリン光を発する物質を励起できる程度に短波長であることが望ましい。
【００２９】
ここで光ビームとして、連続光を用いる場合は、残光強度から、光ビームが照射された時間を知ることができる。また、光ビームとしてパルス光を用いる場合は、スクリーンに残る残光スポット列の順位から、光ビームが照射された時間を知ることができる。一般に、パルス光を用いた方が計測が容易であるので、光源としては、パルス光源を用いることが望ましい。
【００３０】
次に、図１あるいは図２に示した光空間伝搬特性の評価装置を用いた評価方法について説明する。
１）先ず、光ビームを発射し、スクリーンに光ビームスポットが生じるようにする。この際、スクリーンの反射率や受信ヘッドの感度、あるいは環境のノイズ光を考えて発射する光ビームの強度を設定する。また、スクリーンには、マーカーを設けておくことが望ましく、その数は１つでもよいが、好ましくは２つ以上、できれば３つであることが望ましい。
【００３１】
２）次に、このスポットが受信ヘッドに設けられた撮像カメラで捕らえられる様に望遠レンズを調整する。この望遠レンズの視野に、上記の光ビームスポットとマーカーが全て入り、これらがなるべく大きく撮影できるように設定することが望ましい。より詳しい測定を行う場合には、複数の受信ヘッドを用いて、同じスクリーンの異なる部分を撮影する事により評価を進めることも可能である。
【００３２】
３）次に、撮像カメラで捕らえた光ビームスポットとマーカーとの位置をコンピュータ処理により見出す。このようなプログラムはすでによく知られている。これらの位置をコンピュータの記憶装置に経時的に記録する。
【００３３】
４）光ビームスポットの位置が変化しない場合は、この点を原点とする。光ビームスポットの位置が変化する場合は、その平均位置を原点とする。この原点からのマーカーの位置を算出する。次に、スクリーン上のマーカーの位置のフーリエ変換を行って、そのスペクトルを得る。このようなフーリエ変換プログラムは、すでによく使われている。
５）光路の変動やビルの揺れの周期の短い成分の評価を行う場合には、光ビームスポットの位置についてのフーリエ変換を行う。
【００３４】
次に、第３の実施の形態として、台座の振動の影響を取り除くことのできる評価方法について説明する。まず、図５に示す様に、Ａ点からＢに向けたＡ−Ｂ光ビームおよびＡ点からＣに向けたＡ−Ｃ光ビームの２本の光ビームを発射する。ここで、Ａ点における二つの送信ヘッドは、十分に高い剛性を持った台座１１の上に強固に固定されており、また台座１１は建物１３に固定されているものとする。
【００３５】
図５は、建物１３の屋上に設置したそれぞれの送信ヘッドから発射されたそれぞれの光ビームはそれぞれの光路をたどって、Ｂ地点あるいはＣ地点のそれぞれのスクリーン３で反射あるいは散乱され、それぞれの受信ヘッドで受光される。それぞれの受信ヘッドからの光ビームの位置情報は、コンピュータ２０へ送られる。ここで、送信ヘッド２−１あるいは２−２から発射される光ビームは、近赤外光で有ることが望ましい。これは、光空間通信で用いられる光が、多くは、近赤外光で有るためである。しかし、近赤外光を見るには、それに応じた眼視装置が必要になることから、補助的には、赤色光を用いてもよい。
【００３６】
この場合、Ａ点におけるビルの揺れが、Ａ−Ｃ光ビームのスポットダンシングへ及ぼす影響とＡ−Ｂ光ビームのスポットダンシングへ及ぼす影響とは、同様であると考えられる。つまり、例えば、天から見てＡ点のビルの重心を中心としてこれが右にねじれれば、Ｂ、Ｃ点においてビームスポットは同様に天から見て右へ移動する。ただし、その移動量は、Ｂ、Ｃ点のＡ点からの距離に比例する。光ビームの発射方向と垂直に立てたスクリーン上におけるビームスポットの動きの（水平方向成分、垂直方向成分）を、Ｂ、Ｃ両点において、それぞれ(x1,y1)、(x2, y2)とおく。上述したように、(x1, y1)と(x2,y2)とは、強い相関を持ったビルの揺れ成分を持っているため、ビームの伝搬距離とビルの位置関係によって決まる係数を掛けて減算を行うことにより、スポットダンシングの観測データから、天から見て左右にねじれる事によるビルの揺れによる成分を除去することが可能である。
【００３７】
【発明の効果】
光空間伝搬特性の評価において、光源と測定用カメラとを近くに設置するようにしたので、スクリーンのそばに測定用のカメラを設置する必要がなくなり、そのスクリーンとして、専用に設置されたスククリーンのみでなく建物の壁面や雲などを利用することができる様になる。
【００３８】
特に、第１の発明では、送信ヘッドと受信ヘッドとの距離を調整するようにしたので、光空間伝搬特性において光路の乱れの空間的な依存性を得る事ができる様になる。
【００３９】
また、第２の発明では、残光性スクリーンを用いて受信ヘッドに光が戻るまでの時間を遅くする様にしたので、光空間伝搬特性において光路の乱れの時間的な依存性を得る事ができる様になる。
【００４０】
また、第３の発明では、それぞれ複数の送信ヘッドと受信ヘッドとスクリーンを用いるようにしたので、台座の振動の影響を取り除くことのできる光空間伝搬特性の評価装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す模式図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態を示す模式図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示す模式図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態を示す模式図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態を示す模式図である。
【図６】スポットダンシングの問題を示す模式図である。
【図７】従来のスポットダンシングの測定方法を示す模式図である。
【符号の説明】
１  受信ヘッド
２、２−１、２−２  送信ヘッド
３、３Ａ、３Ｂ  スクリーン
４  望遠レンズ
５  撮像カメラ
６  光源
７  望遠レンズ
８  ハーフミラー
９  ビームスポット
１０  送受信ヘッド
１１  台座
１２  スライドレール
１３  建物
２０  コンピュータ
２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ  マーカー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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