(57)【要約】【課題】アンテナビームの方向、強度分布の制御精度を向上させる。【解決手段】光波を発生するレーザ光源１と、レーザ光源１からの光波を分配する光波分配器２と、分配された光波の一方の周波数を変移させる光周波数シフタ３と、光周波数シフタ３からの第１の光波の位相分布を、所定のアンテナビームパターンに対応した位相分布に変換するＳＬＭ６と、ＳＬＭ６で変換された第１の光波と光波分配器２からの第２の光波とを合成するビームコンバイナ９と、合成された光波の干渉強度を空間的にサンプリングする光サンプリング手段１０と、サンプリングされた複数の光波を光電変換して各素子アンテナ１４に出力する光電変換手段１３と、ＳＬＭ６によって変換された光波の空間位相分布を検出する位相センサ２１と位相センサ２１の検出結果を反映させてＳＬＭ６の空間位相分布を演算する演算処理手段２２とを有するＳＬＭ制御装置２０とを備えている。【選択図】図１
2008118524.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光波を発生する光波発生手段と、
前記光波発生手段からの光波を第１の光波と第２の光波とに分配する光波分配器と、
無線信号が入力されて、前記光波分配器で分配された前記第１の光波の周波数または前記第２の光波の周波数を、前記無線信号の周波数だけ変移させる光周波数シフタと、
前記光周波数シフタまたは前記光波分配器から出力される第１の光波の位相分布を、所定のアンテナビームパターンに対応する位相分布に変換する第１の変換手段と、
前記第１の変換手段で変換された前記第１の光波と前記光波分配器から出力される前記第２の光波とを合成する合成手段と、
前記合成手段で合成された光波の干渉強度を空間的にサンプリングする光サンプリング手段と、
前記光サンプリング手段でサンプリングされた複数の光波をそれぞれ電気信号に光電変換して各素子アンテナに出力する光電変換手段と、
前記第１の変換手段によって変換された前記光波の空間位相分布を検出する空間位相分布検出手段と、前記空間位相分布検出手段によって検出された前記光波の空間位相分布を反映させて前記第１の変換手段が変換する空間位相分布を演算する演算手段とを有する第１の変換手段制御手段と
を備えたことを特徴とする光制御型ビーム形成回路。
【請求項２】
前記空間位相分布検出手段は、
検出対象の光波を２分岐する光波２分岐手段と、
前記光波２分岐手段によって２分岐された光波の一方を参照波面に変換するスペーシャルフィルタと、
前記光波２分岐手段により２分岐された光波の他方の光波と前記参照波面とを合波して得られる干渉強度分布を検出する２次元検出器と
から構成されたことを特徴とする請求項１に記載の光制御型ビーム形成回路。
【請求項３】
前記空間位相分布検出手段は、
検出対象の光波をその光波が所定距離伝播したときの波面と共役な波面に変換する第２の変換手段と、
前記第２の変換手段で変換された光波の強度分布を検出する２次元検出器と
を各々少なくとも１つ備えたことを特徴とする請求項１に記載の光制御型ビーム形成回路。
【請求項４】
前記空間位相分布検出手段は、
前記２次元検出器の出力を元にGerchberg-Saxtonアルゴリズムを用いて前記第１の変換手段によって変換された光波の空間位相分布を算出する演算処理手段をさらに備えたことを特徴とする請求項３に記載の光制御型ビーム形成回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光制御型ビーム形成回路に関し、特に、光波の位相、または位相と強度の空間分布を所定のパターンに形成後、その位相と強度を電気信号に変換し、アレイアンテナのアンテナ開口上の電界パターンを制御する、光制御型ビーム形成回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光制御型ビーム形成回路においては、光波の位相と強度を制御するためにレーザービームの２光波干渉光学系を設け、その一方の光路にレーザービームの空間位相分布を任意に制御する空間位相変調器を配置している（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
【非特許文献１】R A Wilson, P Sample, A Johnstone and M F Lewis, International topical meeting on Microwave Photonics論文集, IEEE Catalog Number 00EX430, pp. 23-26，Fig. 1
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の光制御型ビーム形成回路は以上のように構成されているので、光波の位相を制御することで、アンテナビームの方向と強度分布を所望の状態に形成することが可能である。しかし、以下に説明する問題点があった。
【０００５】
非特許文献１に示される従来の光制御型ビーム形成回路においては、空間位相変調器の位相変調量が所定の値に対し誤差をもつとアンテナビームの方向や強度分布が所望の状態からずれてしまうという問題点がある。一例として、５０×５０素子のアレイアンテナを制御する場合、光制御型ビーム形成回路において、光波の波長の１／２０の波面傾斜誤差が生じることにより、ビーム方向が約０．１度変位する。逆に言えば、０．１度の制御分解を要求するシステムでは、光波の位相を１／２０λＰＶ以下の精度で制御する必要がある。空間位相変調器の絶対制御精度や、温度、大気密度などの周囲環境変化を考慮すると、これを実現することは困難であるという問題点があった。
【０００６】
この発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、アンテナビームの方向、強度分布の制御精度を向上させることが可能な光制御型ビーム形成回路を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、光波を発生する光波発生手段と、前記光波発生手段からの光波を第１の光波と第２の光波とに分配する光波分配器と、無線信号が入力されて、前記光波分配器で分配された前記第１の光波の周波数または前記第２の光波の周波数を、前記無線信号の周波数だけ変移させる光周波数シフタと、前記光周波数シフタまたは前記光波分配器から出力される第１の光波の位相分布を、所定のアンテナビームパターンに対応する位相分布に変換する第１の変換手段と、前記第１の変換手段で変換された前記第１の光波と前記光波分配器から出力される前記第２の光波とを合成する合成手段と、前記合成手段で合成された光波の干渉強度を空間的にサンプリングする光サンプリング手段と、前記光サンプリング手段でサンプリングされた複数の光波をそれぞれ電気信号に光電変換して各素子アンテナに出力する光電変換手段と、前記第１の変換手段によって変換された前記光波の空間位相分布を検出する空間位相分布検出手段と、前記空間位相分布検出手段によって検出された前記光波の空間位相分布を反映させて前記第１の変換手段が変換する空間位相分布を演算する演算手段とを有する第１の変換手段制御手段とを備えた光制御型ビーム形成回路である。
【発明の効果】
【０００８】
この発明は、光波を発生する光波発生手段と、前記光波発生手段からの光波を第１の光波と第２の光波とに分配する光波分配器と、無線信号が入力されて、前記光波分配器で分配された前記第１の光波の周波数または前記第２の光波の周波数を、前記無線信号の周波数だけ変移させる光周波数シフタと、前記光周波数シフタまたは前記光波分配器から出力される第１の光波の位相分布を、所定のアンテナビームパターンに対応する位相分布に変換する第１の変換手段と、前記第１の変換手段で変換された前記第１の光波と前記光波分配器から出力される前記第２の光波とを合成する合成手段と、前記合成手段で合成された光波の干渉強度を空間的にサンプリングする光サンプリング手段と、前記光サンプリング手段でサンプリングされた複数の光波をそれぞれ電気信号に光電変換して各素子アンテナに出力する光電変換手段と、前記第１の変換手段によって変換された前記光波の空間位相分布を検出する空間位相分布検出手段と、前記空間位相分布検出手段によって検出された前記光波の空間位相分布を反映させて前記第１の変換手段が変換する空間位相分布を演算する演算手段とを有する第１の変換手段制御手段とを備えた光制御型ビーム形成回路であるので、アンテナビームの方向、強度分布の制御精度を向上させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための最良の形態について、添付の図面に従って説明する。
【００１０】
実施の形態１．
図１はこの発明による、実施の形態１に係る光制御型ビーム形成回路の装置構成を示す構成図である。図１に示すように、本実施の形態１に係る光制御型ビーム形成回路は、レーザ光を発生する光波発生手段としてのレーザ光源１と、レーザ光源１からのレーザ光を二つの光路に分岐する光波分配器２と、マイクロ波信号源（図示省略）から無線信号（マイクロ波）が入力されて、光波分配器２により分岐された一方のレーザ光の周波数を当該無線信号の周波数だけ変移（シフト）させる光周波数シフタ３と、光周波数シフタ３からのレーザ光を所定のビーム径に拡大し、空間に放射してレーザビームを形成する第１の拡大光学系４と、第1の拡大光学系４から空間に放射された光波を屈曲させるビームスプリッタ５と、ビームスプリッタ５が屈曲させたレーザビームの空間位相分布を任意に変化させる第１の変換手段としてのＳＬＭ(Spatial Light Modulator)６と、前記光波分配器２により２分岐された一方の光波を屈曲させるミラー７と、ミラー７で屈曲されたレーザ光を所定のビーム径に拡大し、空間に放射してレーザビームを形成する第２の拡大光学系８と、ＳＬＭ６から到来する光波と拡大光学系８より到来する光波とを合波し干渉させる合成手段としてのビームコンバイナ９と、前記ビームコンバイナ９が合波した光波の干渉強度を離散的にサンプリングして、後述の光ファイバアレイ１１に結合する光サンプリング手段１０と、光サンプリング手段１０によりサンプリングされた光強度信号を伝送する複数の光ファイバ１２から構成された光ファイバアレイ１１と、前記光ファイバアレイ１１から伝送された光強度信号を光電変換により電気信号（無線信号）に変換する光電変換手段１３と、素子アンテナ１４とを備えている。
【００１１】
本実施の形態１において、図１で示した１〜１４で構成される部位の機能は、ＳＬＭ６によって光波の位相分布を適当に制御することで、遠方アンテナビームの強度分布を所望の強度分布に可変制御するものであり、詳細な原理は非特許文献１に示されている。相違点は、本実施の形態１においては、人工衛星に搭載する通信用アンテナとしてデザインした事例を示しており、小型軽量のため光電変換後の増幅段を省略している。従って、実用に足るアンテナ出力を満足するために、レーザ光源１に通常よりも高出力のものを用いており、ＳＬＭ６は高出力対応の構成を用いる。
【００１２】
図２はこの発明の本実施の形態１におけるＳＬＭ６の構成を示す構成図である。図において、３１は複数のマイクロミラー３２を集積したマイクロミラーアレイ、３３はピエゾアクチュエータ、Ａはマイクロミラーの部分拡大図、３４はマイクロミラーの反射面、３５は板バネ、３６は枠である。マイクロミラーアレイ３１はシリコン板をエッチングプロセスで加工したものであり、半導体の製造設備で容易に製造可能である。マイクロミラーアレイ３２の反射面３４は、４本の板バネ３５を介して枠３６に固定されており、反射面３４の裏側に推力を受けると枠３６に対して鉛直方向に移動し、推力が減少すると板バネ３５の弾性力で逆方向に移動する。反射面３１の位置を制御することにより、反射面３１に入射したレーザビームの位相をマイクロミラー３２毎に任意に変化させることが可能となる。マイクロミラー３２に与える推力の制御は、ピエゾアクチュエータ３３によって実現される。ピエゾアクチュエータ３３は１ｍｍ程度の間隔に集積した製品が入手可能である。また、マイクロミラーアレイ３１の板バネ３５と枠３６はレーザビームを反射しないように吸収率の高い鍍金で覆われている。結果としてＳＬＭ６に入射し、反射されたレーザビームは前記吸収率の高い領域によって格子上の小口径ビームの束（ビームレット）となって空間を伝播する。このビームレットの間隔は光サンプリング手段１０のレンズレットの間隔に一致するようにデザインされている。
【００１３】
また、図１に示すように、この発明の実施の形態１に係る光制御型ビーム形成回路には、さらに、第１の変換手段としてのＳＬＭ６を制御するための第１の変換手段制御手段としてのＳＬＭ制御装置２０が設けられている。ピエゾアクチュエータ３３の駆動特性は一般にヒステリシスをもつため、位相制御を実現するための絶対精度が不足する。ＳＬＭ制御装置２０は、ＳＬＭ６が変換する空間位相分布変換量を適正に保つために機能する。図１において、２５はＳＬＭ６で空間位相分布を変換されたレーザビームを２分岐するビームスプリッタであり、２１は位相センサ、２２は演算処理手段（ＳＬＭ１制御演算）、２３は所望強度パターン、２４は位相パターン演算装置、２６は記憶媒体である。尚、ＳＬＭ制御装置２０は、位相センサ２１と演算処理手段２２とから構成されている。
【００１４】
次に、ＳＬＭ制御装置２０の動作を説明する。空間位相分布検出手段としての位相センサ２１は、２光波干渉を用いて、ＳＬＭ６で空間位相分布を変換された光波の空間位相分布を検出する。図３は位相センサ２１の構成を示す構成図である。図３に示すように、本実施の形態１においては、位相センサ２１には、空間位相分布検出対象である光波５１を２分岐する光波２分岐手段としてのビームスプリッタ５２と、ビームスプリッタ５２で分岐された一方の光波から特定ビームレットを選択する選択手段５３と、２つのミラー５４，５９と、ビームスプリッタ５２で分岐され選択手段５３を透過した一方の光波を参照波面に変換するスペーシャルフィルタ５５と、当該参照波面とビームスプリッタ５２で分岐された他方の光波とを合波するビームコンバイナ６０と、当該合波から干渉強度分布を検出する２次元検出器としてのＣＣＤ（Charged Coupled Device）６１と、当該干渉強度分布から空間位相分布を演算する信号処理装置６２とが設けられている。スペーシャルフィルタ５５は、レンズ５６、ピンホール５７、及びレンズ５８により構成される。レンズ５６、及びレンズ５８はレンズ間で焦点を結ぶケプラー型テレスコープであり、焦点位置に設置したピンホール５７により空間的に安定した成分のみを透過伝播させることにより、入射ビームの空間位相分布に依存せず常に位相の安定した参照光が得られる。
【００１５】
このように構成された位相センサ２１においては、まず、ビームスプリッタ５２で２分岐されて図の上方に進む光波は、選択手段５３に入射する。選択手段５３はビームレットの1本だけを透過させる遮蔽板である。選択手段５３を透過した１本のビームレットは、スペーシャルフィルタ５５で略平面の空間位相分布をもつ参照波面に変換される。この参照波面とビームスプリッタ５２で２分岐したもう一方の光波とをビームコンバイナ６０で合波干渉させ、干渉強度分布をＣＣＤ６１で検出する。信号処理装置６２はこの干渉強度分布から空間位相分布を演算する。
【００１６】
位相センサ２１の検出した空間位相分布はＳＬＭ６の位相変換量を反映している。所望強度パターン２３を得るための空間位相分布が如何であるかは、位相パターン演算装置２４で演算出力される。位相パターン演算装置２４は、簡易的には、あらかじめ制御したい強度パターンのバリエーション全てに対し、対応する空間位相分布を演算しておき、それらのデータを記憶媒体２６に記憶しておき、所望強度パターン２３の入力に対し、記憶媒体２６から、対応する空間位相分布のデータを読み出して出力することで実現される。演算処理手段２２には、位相センサ２１の出力（すなわち、ＳＬＭ６が実際に変換している今現在における空間位相分布）と、位相パターン演算装置２４の出力（すなわち、所望強度パターン２３を実現する空間位相分布）とが、入力される。演算処理手段２２では、これらの値に基づいて、位相センサ２１によって検出された光波の空間位相分布を反映させて、ＳＬＭ６の変換する空間位相分布を演算する。具体的には、演算処理手段２２では、所望強度パターン２３を実現する空間位相分布とＳＬＭ６が実際に変換している今現在における空間位相分布との差分を演算し、この差分が０となるようにＳＬＭ６に修正信号を出力する。以上述べたようにＳＬＭ制御装置２０はＳＬＭ６に対し、回帰制御を行うように機能する。
【００１７】
この発明の本実施の形態１は、以上述べたように、光波を発生するレーザ光源１と、レーザ光源１からの光波を分配する光波分配器２と、分配された光波の一方の周波数を変移させる光周波数シフタ３と、光周波数シフタ３からの第１の光波の位相分布を、所定のアンテナビームパターンに対応した位相分布に変換するＳＬＭ６と、ＳＬＭ６で変換された第１の光波と光波分配器２によって分配された他方の光波である第２の光波とを合成するビームコンバイナ９と、合成された光波の干渉強度を空間的にサンプリングする光サンプリング手段１０と、サンプリングされた複数の光波を光電変換して各素子アンテナ１４に出力する光電変換手段１３とを備え、さらに、ＳＬＭ６によって変換された光波の空間位相分布を検出する位相センサ２１と、位相センサ２１の検出結果を反映させてＳＬＭ６の空間位相分布を演算する演算処理手段２２とを有するＳＬＭ制御装置２０とを備えるように構成されているので、以下に説明する効果を奏する。
このように、ＳＬＭ制御装置２０を設けたことにより、ＳＬＭ６に対する回帰制御を行うことが可能となる。従って、ＳＬＭ６が位相変換誤差を持っていても、その誤差を検出して抑圧するように作用するので、アンテナビームの方向および強度分布の制御精度を向上させることができ、高精度なアンテナビーム形成が可能となる。
【００１８】
実施の形態２．
上述のこの発明の実施の形態１では、位相センサ２１として２光波干渉方式の装置を使用したが、これに限定されることはなく、空間位相分布を検出できる装置であれば何を用いても良い。たとえば、（本質的にアンテナ制御誤差を生じないピストン位相を除き）最も空間周波数の低い空間位相誤差は波面傾斜であるが、波面傾斜の検出はビームの進行する方位角から簡単に検出することができる。
【００１９】
図４は、ビームの波面傾斜の検出のみに特化した位相センサ２１Ａの構成を示す構成図である。図４においては、図３と同じ構成については同一符号を付して示し、ここでは説明を省略する。図４に示すように、本実施の形態２における位相センサ２１Ａは、ビームレット５１が入射される屈折レンズ７０と、屈折レンズ７０により集光されたビームレット５１の像が結像される焦平面を有する２次元検出器としてのＣＣＤ７１と、ＣＣＤ７１で検出された検出結果に基づいてＳＬＭ６によって変換された光波の空間位相分布を算出する演算処理手段としての信号処理装置７２とから構成されている。
【００２０】
図４の構成において、ビームレット５１を屈折レンズ７０で集光すると、焦平面に形成される像は、波面傾斜の方位、大きさに依存して、焦平面上における結像位置が変位する。従って、この結像位置の変化をＣＣＤ７１で検出し、信号処理装置７２で波面傾斜に変換することで、波面傾斜を検出することが可能となる。
【００２１】
この発明の実施の形態２における位相センサ２１Ａは、以上述べたように、ビームレット５１が入射される屈折レンズ７０と、屈折レンズ７０により集光されたビームレット５１の像が結像される焦平面を有するＣＣＤ７１と、ＣＣＤ７１で検出された検出結果が入力される信号処理装置７２とから構成されているので、上述の実施の形態１の図３で示した位相センサ２１と比較して、構成する部品点数が少なく、低コスト化が可能となる。
【００２２】
以上のように、本実施の形態２においては、実施の形態１と同様に、ＳＬＭ制御装置２０を設けたことにより、回帰制御を行うことが可能となり、従って、ＳＬＭ６が位相変換誤差を持っていても、その誤差を検出して抑圧するように作用するので、アンテナビームの方向および強度分布の制御精度を向上させることができ、高精度なアンテナビーム形成が可能となるという効果が得られるとともに、さらに、位相センサ２１Ａを少ない部品点数で構成するようにしたので、低コスト化が可能となるという効果が得られる。
【００２３】
実施の形態３．
また、位相センサ２１として、この発明の実施の形態１のような２光波干渉を用いない簡便な装置構成で、かつ、波面傾斜よりも空間周波数の高い空間位相分布を検出する装置構成も考えられる。図５は、さらなる別の位相センサの構成である位相センサ２１Ｂの構成を示す図である。図５において、図４と同じ構成については、同一符号を付して示し、ここでは説明を省略する。
【００２４】
図４と図５の構成の違いは、図５においては、ウェッジガラスプレート７３が追加されている点である。ウェッジガラスプレート７３は、空間位相分布検出対象である光波５１をその光波が所定距離伝播したときの波面と共役な波面に変換する第２の変換手段として機能する。ウェッジガラスプレート７３は、高精度に平面研磨されたガラス板で構成されているため、ウェッジガラスプレート７３を透過した光波が、裏面で反射し、更に、表面で反射する。このようにしてウェッジガラスプレート７３の裏面および表面で反射した光波による２つの像がＣＣＤ７１の焦平面上に形成される。これら２つの像は、ＣＣＤ７１の焦平面までの伝播光路長がウェッジガラスプレート７３の厚さ分だけ異なり、光路長差に依存した異なる強度分布を形成することになる。２次元検出器としてのＣＣＤ７１では、ウェッジガラスプレート７３で変換された光波の強度分布を検出する。なお、このような複数の像強度から、屈折レンズ７０に入射する前の空間位相分布を特定する演算アルゴリズムが一般に知られているので、当該演算アルゴリズムを用いて、信号処理装置７２はＳＬＭ６によって変換された光波の空間位相分布を算出する。すなわち、たとえば、Gerchberg-Saxtonアルゴリズム（例えば、R.W.Gerchberg and W.O.Saxton,"A practical algorithm for the determination of phase from image and diffraction plane picture," Optik,Vol,35,237-246(1972)参照。）として知られるアルゴリズムを適用すれば、信号処理装置７２が、ビームレット５１の空間位相分布を高い空間周波数まで検出することが可能となる。
【００２５】
この発明の実施の形態３は、以上述べたように構成されているので、実施の形態１と同様に、ＳＬＭ制御装置２０を設けたことにより、回帰制御を行うことが可能となり、従って、ＳＬＭ６が位相変換誤差を持っていても、その誤差を検出して抑圧するように作用するので、アンテナビームの方向および強度分布の制御精度を向上させることができ、高精度なアンテナビーム形成が可能となるという効果が得られるとともに、さらに、位相センサ２１Ｂを少ない部品点数で構成するようにしたので、低コスト化が可能となるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明の実施の形態１に係る光制御型ビーム形成回路の構成を示した構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る光制御型ビーム形成回路に設けられたＳＬＭの構成を示した構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る光制御型ビーム形成回路に設けられた位相センサの構成を示した構成図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係る光制御型ビーム形成回路に設けられた位相センサの構成を示した構成図である。
【図５】この発明の実施の形態３に係る光制御型ビーム形成回路に設けられた位相センサの構成を示した構成図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  レーザ光源、２  光波分配器、３  光周波数シフタ、４  第１の拡大光学系、５  ビームスプリッタ、６  ＳＬＭ、７  ミラー、８  第２の拡大光学系、９  ビームコンバイナ、１０  光サンプリング手段、１１  光ファイバアレイ、１２  光ファイバ、１３  光電変換手段、１４  素子アンテナ、３１  マイクロミラーアレイ、３２  マイクロミラー、３３  ピエゾアクチュエータ、３４  反射面、３５  板バネ、３６  枠、５１  光波、５２  ビームスプリッタ、５３  選択手段、５４，５９  ミラー、５５  スペーシャルフィルタ、６０  ビームコンバイナ、６１  ＣＣＤ、６２  信号処理装置、７０  屈折レンズ、７１  ＣＣＤ、７２  信号処理装置、７３  ウェッジガラスプレート。
【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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