(57)【要約】【課題】大気の揺らぎに影響されることなく、高速な光軸ずれ補正機能を持つ双方向光空間伝送装置を提供すること。【解決手段】隔てた２地点間を光ビームで双方向の情報伝送を行う双方向光空間伝送装置において、相手装置から伝送された受信光を受光し、相手装置の方向を検出するための角度検出用光学系及び角度誤差検出用光−電気変換素子と、自装置の角度ズレ変動量を検出するための角速度センサを有し、前記角度誤差検出用光−電気変換素子の角度ズレ信号を基に、光ビームの出力方向と相手装置から出力された光ビームを受光する方向を変える第１の手段を有し、前記角速度センサからの角度ズレ変動量の信号を基に、光ビームの出力方向と相手装置から出力された光ビームを受光する方向を変える第２の手段を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
隔てた２地点間を光ビームで双方向の情報伝送を行う双方向光空間伝送装置において、
相手装置から伝送された受信光を受光し、相手装置の方向を検出するための角度検出用光学系及び角度誤差検出用光−電気変換素子と、自装置の角度ズレ変動量を検出するための角速度センサを有し、前記角度誤差検出用光−電気変換素子の角度ズレ信号を基に、光ビームの出力方向と相手装置から出力された光ビームを受光する方向を変える第１の手段を有し、前記角速度センサからの角度ズレ変動量の信号を基に、光ビームの出力方向と相手装置から出力された光ビームを受光する方向を変える第２の手段を有することを特徴とする双方向光空間伝送装置。
【請求項２】
前記角度誤差検出用光−電気変換素子の角度ズレ信号に大気の揺らぎ成分をカットするためのフィルタが挿入されていることを特徴とする請求項１記載の双方向光空間伝送装置。
【請求項３】
前記第１の手段は、大気の揺らぎによる前記角度誤差検出用光−電気変換素子の角度ズレ信号の変動速度よりも駆動速度が低速であり、前記第２の手段は装置の振動よりも高速駆動が可能であることを特徴とする請求項１又は２記載の双方向光空間伝送装置。
【請求項４】
前記第２の手段は、駆動位置が中心から一定量以上ずれると、前記第１の手段の駆動速度より遅い速度で中心に戻る機能を有することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の双方向光空間伝送装置。
【請求項５】
前記第１の手段と第２の手段の駆動機構は同一であることを特徴とする請求項１又は２記載の双方向光空間伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、離れた２地点間に対向設置されて、自由空間中を伝搬する光ビームにより光信号を送り通信を行う光空間通信装置で、特に装置の角度ずれによる光ビームの光軸補正機能を持つ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に自由空間中に光ビームを伝搬させて通信を行う光空間通信装置は、光のパワーを効率良く伝送するために、光ビームの拡がり角を極力小さくした狭い光ビームで伝送する必要がある。
【０００３】
しかし、光ビームを狭くすると、建物或は設置架台の風圧や振動による揺れ、温度変動による歪み、経時変化による角度変動等のため、光ビームが相手方装置から外れ易くなり、安定した通信が難しい。そのために図６のように、装置の角度が変わっても角度変化を補正して常に光ビームが相手側装置を向くような光軸ずれ補正機能を持つ装置が考案されている。
【０００４】
図６は対向する１対の装置の片側を示す。図６において、１０は光ビームの送信／受信のための光学系である。相手側装置への送信光信号は、半導体レーザ等の発光素子２１より放出され、集光レンズ２２で集光される。半導体レーザの光は偏光しており、偏光方向は紙面に水平になるように設定されている。この方向の偏光は、偏光ビームスプリッタ２３で送受光レンズ２４の方向に反射され、送受光レンズ２４で、僅かに拡がりを持つほぼ平行の光ビーム２５となって相手側装置の方向に送信される。
【０００５】
他方、相手側装置から送られて来た光は、自装置よりの送信光信号と同じ光軸上で逆の進路を辿り、送受光レンズ２４から偏光ビームスプリッタ２３に入るが、相手方装置からの受信光は偏光方向が送信光と直交するように（偏光方向は紙面に垂直）設定されているために、偏光ビームスプリッタ２３をそのまま透過し、ビームスプリッタ２６に入る。受信光の大部分は、ビームスプリッタ２６で反射し、光信号検出用の受光素子２７に入射して、通信用の信号が検出されるが、一部の光はビームスプリッタ２６を透過して光位置検出素子２８に入射する。
【０００６】
光位置検出素子２８は、図８に示すような４分割されたフォトダイオードである。図８は４つに分割されたフォトダイオードに光スポットが当たっている様子を示す。４つのフォトダイオードの出力を比較することにより、光スポットの位置を知ることができる。光位置検出素子２８よりの信号は、角度補正情報として制御回路２９で演算処理され、光学系１０の駆動回路３０に駆動信号が出力される。そして、駆動回路３０により、垂直方向の駆動ミラー３３及び水平方向の駆動ミラー３４を動かして、光スポットの位置が光位置検出素子２８の中心に来て、４つのフォトダイオードの出力が全て等しくなるような方向に駆動・制御される。
【０００７】
光位置検出素子２８と発光素子２１、光信号検出用の受光素子２７は、全て光学軸が一致するように位置調整がなされており、光位置検出素子２８の中心に光スポットが当たった状態では、光信号検出用の受光素子２７の中心にも光が入射しており、且つ、発光素子２１よりの光の中心は相手側装置の方向に放射される。
【０００８】
このようにして常に送信光が受信光の方向、即ち相手側装置の方向になるように光軸ずれ補正が行われる。
又、駆動ミラーを駆動することにより光軸ずれ補正を行う代わりに、図６に示すような、駆動回路３０により垂直方向の駆動機構３１及び水平方向の駆動機構３２を動かして、鏡筒全体を動かすことによりより光軸ずれ補正を行う方法もある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記従来例では、相手装置の方向ズレを検出するために、相手装置からの光ビームの入射方向のズレ量を使用していたため、大気の揺らぎ等による光ビームのパターン変化により、相手装置の方向の誤検出が発生する場合があった。図７及び図８を用いて、この問題について説明する。
【００１０】
図７は光ビームのパターンが大気中を透過する前と後でどのように変化するかを示している。大気１０２は大小様々な濃度の違う空気の塊が時間と共に変動している。この影響により、送信光のビームパターン１０１が均一であったとしても、大気１０２を通過した後の受信光のビームパターン１０３は不均一なパターンとなってしまう。例えば、図７の場合は、上側が暗く、下側が明るい受信光パターンとなっている。ここで、図８で示すように、上が暗く、下が明るい光スポット４２ａの位置が光位置検出素子２８の中心にある場合は、光位置検出素子２８は、均一な光スポット４２ｂが光位置検出素子２８の中心より下に存在する場合と同じ信号を出力してしまい、これが角度ズレの誤検出となってしまう原因である。
この問題を解決する手段として、従来は、光位置検出素子２８の角度ズレ情報から大気の揺らぎによる変動速度よりも十分遅い周波数成分のみを抽出し、その情報を基に補正を行うことで、大気の揺らぎによる誤検出を防いでいた。しかし、この対処により、ビルのゆっくりとした傾き等による光軸ズレには追従できるが、風等の影響による装置の速い振動には追従することができなくなってしまった。
【００１１】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、大気の揺らぎに影響されることなく、高速な光軸ずれ補正機能を持つ双方向光空間伝送装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、隔てた２地点間を光ビームで双方向の情報伝送を行う双方向光空間伝送装置において、相手装置から伝送された受信光を受光し、相手装置の方向を検出するための角度検出用光学系及び角度誤差検出用光−電気変換素子と、自装置の角度ズレ変動量を検出するための角速度センサを有し、前記角度誤差検出用光−電気変換素子の角度ズレ信号を基に、光ビームの出力方向と相手装置から出力された光ビームを受光する方向を変える第１の手段を有し、前記角速度センサからの角度ズレ変動量の信号を基に、光ビームの出力方向と相手装置から出力された光ビームを受光する方向を変える第２の手段を有することを特徴とする。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記角度誤差検出用光−電気変換素子の角度ズレ信号に大気の揺らぎ成分をカットするためのフィルタが挿入されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記第１の手段は、大気の揺らぎによる前記角度誤差検出用光−電気変換素子の角度ズレ信号の変動速度よりも駆動速度が低速であり、前記第２の手段は装置の振動よりも高速駆動が可能であることを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載の発明において、前記第２の手段は、駆動位置が中心から一定量以上ずれると、前記第１の手段の駆動速度より遅い速度で中心に戻る機能を有することを特徴とする。
【００１６】
請求項５記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記第１の手段と第２の手段の駆動機構は同一であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、離れた地点間で対向設置されて光ビームにより通信を行う光空間通信装置において、相手装置からの光ビームの位置検出による光軸ズレ補正機能だけでなく、装置自身の揺れ、振動を検出する角速度センサを使用し、両方の情報から光軸ズレ補正を行うことにより、大気の揺らぎに影響されることなく、高速な光軸ずれ補正機能を持つ双方向光空間伝送装置が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１９】
＜実施の形態１＞
図１に本発明による光軸ずれ補正機能を持つ光空間伝送装置を示す。
【００２０】
図１において、１０は光ビームの送信／受信のための光学系である。相手側装置への送信光信号は、半導体レーザ等の発光素子２１より放出され、集光レンズ２２で集光される。半導体レーザの光は偏光しており、偏光方向は紙面に水平になるように設定されている。この方向の偏光は、偏光ビームスプリッタ２３で送受光レンズ２４の方向に反射され、送受光レンズ２４で、僅かに拡がりを持つほぼ平行の光ビーム２５となって相手側装置の方向に送信される。
【００２１】
他方相手側装置から送られて来た光は、自装置よりの送信光信号と同じ光軸上で逆の進路を辿り、送受光レンズ２４から偏光ビームスプリッタ２３に入るが、相手方装置からの受信光は、偏光方向が送信光と直交するように（偏光方向は紙面に垂直）設定されているために、偏光ビームスプリッタ２３をそのまま透過し、ビームスプリッタ２６に入る。受信光の大部分は、ビームスプリッタ２６で反射し、光信号検出用の受光素子２７に入射して通信用の信号が検出されるが、一部の光はビームスプリッタ２６を透過して光位置検出素子２８に入射する。
【００２２】
光位置検出素子２８は、例えば図５に示すような４分割されたフォトダイオードである。図５は４つに分割されたフォトダイオード２８ａ〜２８ｄに光スポット４２が当たっている様子を示す。４つのフォトダイオード２８ａ〜２８ｄの出力を比較することにより、光スポット４２の位置を知ることができる。光位置検出素子２８よりの信号は、角度補正情報として低速制御回路３５で演算処理され、低速駆動回路３６に駆動信号が出力される。ここで、演算処理としては、信号にＬＰＦを通して、高周波成分をカットする処理も行っている。そして、低速駆動回路３６により、垂直方向の駆動機構３１及び水平方向の駆動機構３２を動かして、光スポット４２の位置が光位置検出素子２８の中心に来て、４つのフォトダイオード２８ａ〜２８ｄの出力が全て等しくなるような方向に駆動・制御される。
【００２３】
光位置検出素子２８と発光素子２１、光信号検出用の受光素子２７は、全て光学軸が一致するように位置調整がなされており、光位置検出素子２８の中心に光スポット４２が当たった状態では、光信号検出用の受光素子２７の中心にも光が入射しており、且つ、発光素子２１よりの光の中心は相手側装置の方向に放射される。
【００２４】
又、低速制御回路３５及び低速駆動回路36で補正し切れない装置の振動等による高速の角度ズレに関しては、そのズレ角速度を垂直方向角速度センサ３７及び水平方向角速度センサ３８で検出し、その信号を高速制御回路３９に出力する。高速制御回路３９では、前記垂直方向角速度センサ３７及び水平方向角速度センサ３８から出力された信号を積分処理を行い角度ズレ量に変換し、この変動量を基に、駆動量を算出して、その信号を高速駆動回路４０に出力する。
【００２５】
高速駆動回路４０は、前記高速制御回路３９から出力された信号を基に、垂直方向の駆動ミラー３３及び水平方向の駆動ミラー３４を動かし、装置振動等によりズレた光スポット４２の補正を行う。このとき、垂直方向角速度センサ３７及び水平方向角速度センサ３８だけの情報で光軸ズレを補正すると、垂直方向角速度センサ３７及び水平方向角速度センサ３８の信号誤差が積算され、光軸ズレ量が増加していく可能性があるが、この誤差は、位置が光位置検出素子２８から出力される誤差信号となり、低速制御回路３５、低速駆動回路３６、垂直方向の駆動機構３１及び水平方向の駆動機構３２によって補正されるので問題ない。ここで、通常、高速駆動補正範囲は、低速駆動補正範囲より狭い場合が多く、垂直方向の駆動ミラー３３及び水平方向の駆動ミラー３４が駆動可能範囲限界位置まで駆動してしまい、高速の補正が行えなくなる場合がある。
【００２６】
この問題を防ぐために、垂直方向の駆動ミラー３３及び水平方向の駆動ミラー３４が中心位置から大きく移動した位置にいる場合は、高速駆動回路４０は、垂直方向の駆動機構３１及び水平方向の駆動機構３２が十分追従できる速度で垂直方向の駆動ミラー３３及び水平方向の駆動ミラー３４の位置を中心方向に動かすことにより、光スポット４２の位置ずれを自動的に垂直方向の駆動機構３１及び水平方向の駆動機構３２で補正し、光軸ズレが発生しないまま、垂直方向の駆動ミラー３３及び水平方向の駆動ミラー３４の駆動マージンを増やすことができる。
【００２７】
＜実施の形態２＞
図２に本発明による駆動機構を１つにした光軸ずれ補正機能を持つ光空間伝送装置を示す。
【００２８】
光位置検出素子２８から相手装置の位置情報が出力されるまでは実施の形態１と同じである。
【００２９】
前記光位置検出素子２８からの位置情報は制御回路２９に入力される。更に、装置が振動等により装置方向にズレが生じた場合は、そのズレ角速度が垂直方向角速度センサ３７及び水平方向角速度センサ３８で検出され、その信号が制御回路２９に入力される。制御回路２９の内部動作を図３を用いて説明する。
【００３０】
図３は垂直方向のみの制御動作を示しているが、水平方向に関して基本的な動作は同じである。位置検出素子２８からの位置情報は、垂直方向ズレ検出２９ａ１で垂直方向のズレ量のみが抽出され、ＬＰＦ２９ａ２に出力される。前期ズレ量はＬＰＦ２９ａ２で高周波成分がカットされ、制御演算２９ａ３に出力される。制御演算２９ａ３ではＰＩＤ制御等の制御演算が行われ、駆動量情報として加算機２９ｃに出力される。
【００３１】
又、垂直方向角速度センサ３７からの装置振動の垂直方向の角速度信号は、角速度／角度変換２９ｂ１に出力される。ここで、ノイズ成分やＤＣ成分をカットするために、ＨＰＦを挿入して、低周波及びＤＣ成分をカットしても良い。
【００３２】
前記角速度信号は、角速度／角度変換１９ｂ１で角度成分に変換され、制御演算２９ｂ２で角度／駆動量変換を行い、駆動量情報として加算機２９ｃに出力される。加算機２９ｃは、入力した２つの信号を加算し、駆動回路３０に出力する。駆動回路３０は、制御回路２９の信号を基に、垂直方向の駆動ミラー３３及び水平方向の駆動ミラー３４を動かして光軸ズレを補正する。この例では、垂直方向角速度センサ３７の信号に対してフィードバックを行っていないが、制御演算２９ａ３で出力された駆動量の積算値から位置検出素子２８による駆動位置を算出し、この値と垂直方向の駆動ミラー３３の現在位置から、垂直方向角速度センサ３７の信号のみで駆動された場合の垂直方向駆動ミラー３３の位置を算出することができる。制御演算２９ｂ２で出力された駆動量の積算値、つまり垂直方向角速度センサ３７の信号のみの期待駆動位置と垂直方向角速度センサ３７の信号のみで駆動された場合の現在位置を比較し、フィードバックを掛けることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による光軸ずれ補正機能を持つ光空間伝送装置を示す図である。
【図２】駆動機構を１つにした光軸ずれ補正機能を持つ光空間伝送装置を説明する図である。
【図３】制御回路ブロック図である。
【図４】従来例を示す図である。
【図５】従来例を示す図である。
【図６】スポット位置検出素子の例を示す図である。
【図７】大気を追加した光パターンの変化を示した図である。
【図８】不均一な光パターンによる角度ズレの誤検出を説明する図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０      光学系
２１      発光素子
２２      集光レンズ
２３      偏光ビームスプリッタ
２４      送受光レンズ
２５      光ビーム
２６      ビームスプリッタ
２７      受光素子
２８      位置検出素子
２８ａ〜２８ｄ  フォトダイオード
２９      制御回路
２９ａ１  垂直方向ズレ量検出
２９ａ２  ＬＰＦ部
２９ａ３  制御演算部
２９ｂ１  ＨＰＦ部
２９ｂ２  角速度／角度変換部
２９ｂ３  制御演算部
２９ｃ    加算機
３０      駆動回路
３１      垂直方向の駆動機構
３２      水平方向の駆動機構
３３      垂直方向偏向ミラー
３４      水平方向偏向ミラー
３５      低速制御回路
３６      低速駆動回路
３７      垂直方向角速度センサ
３８      水平方向角速度センサ
３９      高速制御回路
４０      高速駆動回路
４２      光スポット
４２ａ    均一な光スポット
４２ｂ    不均一な光スポット
【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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【図８】
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