(57)【要約】【課題】振幅の小さい高速な角度変動と、振幅の大きい低速な角度変動の両方に対して同時に光軸ずれ補正を行うことを可能にし、適応範囲の制限のない補正能力の高い光軸ずれ補正機能を持った光空間通信装置を実現する。【解決手段】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、送受信光学系の内部にあって、角度の可変範囲は小さいが応答速度の速い光偏向用手段と、光学系の外部にあって、応答速度は遅いが角度の可変範囲が広い光学系自体を駆動する手段を併用する。【選択図】　　　　図１
2004015135.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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であって、
相手側装置に光ビームを送出し、また相手側装置からの光ビームを受信するための光学系と、
前記光学系の外部にあって光学系の方向の角度を変化させる手段と、
前記光学系の内部にあって、相手側装置に送出する光の角度と、相手側装置からの受信光の角度
の、いずれかまたは両方を変化させる手段を持つことを特徴とする光空間通信装置。
【請求項２】
前記光学系の外部にあって光学系の方向の角度を変化させる手段の角度可変範囲は、
前記光学系の内部にあって、相手側装置に送出する光の角度と、相手側装置からの受信光の角度
の、いずれかまたは両方を変化させる手段の角度可変範囲よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の光空間通信装置。
【請求項３】
前記光学系の内部にあって、相手側装置に送出する光の角度と、相手側装置からの受信光の角度
の、いずれかまたは両方を変化させる手段の角度変化の速度は、前記光学系の外部にあって光学系の方向の角度を変化させる手段の角度変化の速度よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の光空間通信装置。
【請求項４】
前記相手側装置からの光ビームを受信するための光学系は、光学系の光軸と相手側装置からの受信光の角度差を検出するための光検出器を持ち、前記光検出器より出力される角度信号のうち、
低い周波数成分に基づいて、前記光学系の外部にあって光学系の方向の角度を変化させる手段を制御して光学系の光軸と相手側装置からの受信光の角度差を補正し、
また高い周波数成分に基づいて、前記光学系の内部にあって、相手側装置に送出する光の角度と、相手側装置からの受信光の角度の、いずれかまたは両方を変化させる手段を制御して光学系の光軸と相手側装置からの受信光の角度差を補正することを特徴とする請求項１、２又は３記載の光空間通信装置。
【請求項５】
前記「光学系の内部にあって、相手側装置に送出する光の角度と、相手側装置からの受信光の角度の、いずれかまたは両方を変化させる手段」は自らの位置を検出する手段を持ち、
前記「光学系の外部にあって光学系の方向の角度を変化させる手段」は、前記位置を検出する手段より出力される信号に基づき、前記「光学系の内部にあって、相手側装置に送出する光の角度と、相手側装置からの受信光の角度の、いずれかまたは両方を変化させる手段」の位置を基準位置に戻すように角度が制御されることを特徴とする請求項４記載の光空間通信装置。
【請求項６】
前記「光学系の内部にあって、相手側装置に送出する光の角度と、相手側装置からの受信光の角度の、いずれかまたは両方を変化させる手段」は角度可変のミラーであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光空間通信装置。
【請求項７】
前記「光学系の内部にあって、相手側装置に送出する光の角度と、相手側装置からの受信光の角度の、いずれかまたは両方を変化させる手段」は１枚以上のレンズが光軸と垂直方向に移動するレンズシフト光学系であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光空間通信装置。
【請求項８】
前記　光学系の内部にあって、相手側装置に送出する光の角度と、相手側装置からの受信光の角度の、いずれかまたは両方を変化させる手段」は可変頂角プリズムであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光空間通信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、離れた二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。
【０００２】
【従来の技術】
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、光のパワーを効率よく伝送するために、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。しかし光ビームを狭くすると、建物あるい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などによる角度変動のため、光ビームが相手方装置から外れやすくなり、安定した通信が難しい。そのために図４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。
【０００３】
図４は対向する１対の装置の片側を示す。図４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２２で送受光レンズ２３の方向に反射され、送受光レンズ２３で、僅かに拡がりを持つほぼ平行の光ビーム２４となって相手側装置の方向に送信される。
【０００４】
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たどり、送受光レンズ２３から偏光ビームスプリッタ２２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２２をそのまま透過し、ビームスプリッタ２５に入る。受信光の大部分はビームスプリッタ２５で反射し、光信号検出用の受光素子２６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２５を透過して、光位置検出素子２７に入射する。
【０００５】
光位置検出素子２７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２７ａから２７ｄまでの４つに分割されたフォトダイオードに光スポット４２が当たっている様子を示す。４つのフォトダイオード２７ａから２７ｄ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２７よりの信号は、角度補正情報として制御回路２８で演算処理され、光学系１０の駆動回路２９に駆動信号が出力される。そして駆動回路２９により、垂直方向の駆動機構３０および水平方向の駆動機構３１を動かして、光スポット４２の位置が光位置検出素子２７の中心に来て、４つのフォトダイオード２７ａから２７ｄの出力が全て等しくなるような方向に、光学系１０の角度が駆動・制御される。
【０００６】
光学系１０の内部では光位置検出素子２７と発光素子２１、光信号検出用の受光素子２６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２７の中心に光スポット３２が当たった状態では、光信号検出用の受光素子２６の中心にも光が入射しており、かつ発光素子２１よりの光の中心は相手側装置の方向に放射される。
【０００７】
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。
【０００８】
また光学系自体を駆動することにより光軸ずれ補正を行う代わりに、光学系１０の内部に光を偏向させる機構を持つものがある。例えば図６に示すように駆動回路２９により水平方向偏向ミラー３２と垂直方向偏向ミラー３３の角度を駆動して、鏡筒内で光を偏向させることにより光軸ずれ補正を行う。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記２つの従来例では、ともに装置の角度が変わっても光軸ずれ補正を行うことにより、光ビームの拡がり角を小さくした場合も安定した通信を行うことができるがそれぞれ一長一短がある。すなわち、図４の例のような光学系の外部に駆動機構を持ち、光学系全体の角度を変える方式は、角度の可変範囲を自由に広く取ることができ、大きな角度変動に対応できるが、重量の大きなものを駆動することになるので、高速で角度を動かすことは難しく、速度の速い角度変動には応答できない。
【００１０】
他方図６の例のような光学系の内部に光を偏向させる機構を持つ方式では、高速で光の角度を変えることが比較的容易であるため、速度の速い角度変動には応答することができるが、光学系の大きさの制限があり、角度を大きく変えると光学系から光束が外れるため、角度の可変範囲を大きく取ることは難しい。そのために大きな角度変動に対応できなくなる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本出願にかかわる第一の発明は、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、相手側装置に光ビームを送出し、また相手側装置からの光ビームを受信するための光学系と、前記光学系の外部にあって光学系の方向の角度を変化させる手段と、前記光学系の内部にあって、相手側装置に送出する光の角度と、相手側装置からの受信光の角度の、いずれかまたは両方を変化させる手段を持つことを特徴とする。
【００１２】
また本出願にかかわる第二の発明は、本出願にかかわる第一の発明の光空間通信装置において、
前記光学系の外部にあって光学系の方向の角度を変化させる手段の角度可変範囲は、
前記光学系の内部にあって、相手側装置に送出する光の角度と、相手側装置からの受信光の角度
の、いずれかまたは両方を変化させる手段の角度可変範囲よりも大きいことを特徴とする。
【００１３】
また本出願にかかわる第三の発明は、本出願にかかわる第一の発明の光空間通信装置において、
前記光学系の内部にあって、相手側装置に送出する光の角度と、相手側装置からの受信光の角度
の、いずれかまたは両方を変化させる手段の角度変化の速度は、前記光学系の外部にあって光学系の方向の角度を変化させる手段の角度変化の速度よりも大きいことを特徴とする。
【００１４】
また本出願にかかわる第四の発明は、本出願にかかわる第一の発明から第三の発明の光空間通信装置において、前記相手側装置からの光ビームを受信するための光学系は、光学系の光軸と相手側装置からの受信光の角度差を検出するための光検出器を持ち、前記光検出器より出力される角度信号のうち、
低い周波数成分に基づいて、前記光学系の外部にあって光学系の方向の角度を変化させる手段を制御して光学系の光軸と相手側装置からの受信光の角度差を補正し、
また高い周波数成分に基づいて、前記光学系の内部にあって、相手側装置に送出する光の角度と、相手側装置からの受信光の角度の、いずれかまたは両方を変化させる手段を制御して光学系の光軸と相手側装置からの受信光の角度差を補正することを特徴とする。
【００１５】
また本出願にかかわる第五の発明は、本出願にかかわる第四の発明の光空間通信装置において、前記「光学系の内部にあって、相手側装置に送出する光の角度と、相手側装置からの受信光の角度の、いずれかまたは両方を変化させる手段」は自らの位置を検出する手段を持ち、
前記「光学系の外部にあって光学系の方向の角度を変化させる手段」は、前記位置を検出する手段より出力される信号に基づき、前記「光学系の内部にあって、相手側装置に送出する光の角度と、相手側装置からの受信光の角度の、いずれかまたは両方を変化させる手段」の位置を基準位置に戻すように角度が制御されることを特徴とする。
【００１６】
また本出願にかかわる第六の発明は、本出願にかかわる第四の発明の光空間通信装置において、前記「光学系の内部にあって、相手側装置に送出する光の角度と、相手側装置からの受信光の角度の、いずれかまたは両方を変化させる手段」は角度可変のミラーであることを特徴とする。
【００１７】
また本出願にかかわる第七の発明は、本出願にかかわる第四の発明の光空間通信装置において、前記「光学系の内部にあって、相手側装置に送出する光の角度と、相手側装置からの受信光の角度の、いずれかまたは両方を変化させる手段」は１枚以上のレンズが光軸と垂直方向に移動するレンズシフト光学系であることを特徴とする。
【００１８】
また本出願にかかわる第八の発明は、本出願にかかわる第四の発明の光空間通信装置において、前記「光学系の内部にあって、相手側装置に送出する光の角度と、相手側装置からの受信光の角度の、いずれかまたは両方を変化させる手段」は可変頂角プリズムであることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施例）
図１に本願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において発光素子２１よりの光は図４や図６の従来の実施例と同様に偏光ビームスプリッタ２２で送受光レンズ２３の方向に反射され、光偏向用ミラー３２と３３で正しい方向に調整された後、送受光レンズ２３で、僅かに拡がりを持つほぼ平行の光ビーム２４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たどり、送受光レンズ２３から光偏向用ミラー３２と３３で反射され偏光ビームスプリッタ２２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設定されているために、偏光ビームスプリッタ２２をそのまま透過し、ビームスプリッタ２５に入る。受信光の大部分はビームスプリッタ２５で反射し、光信号検出用の受光素子２６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２５を透過して、光位置検出素子２７に入射する。これも図４や図６の従来の実施例と同様である。
【００２２】
光位置検出素子２７よりの信号は、角度補正情報として制御回路２８で演算処理され、光偏向用ミラー３２と３３の駆動回路（Ａ）２９ａおよび光学系１０の駆動回路（Ｂ）２９ｂに駆動信号が出力される。
【００２３】
通常、装置に光軸ずれを与える、建物あるいは設置架台の風圧や振動などの角度変動は、周波数成分の高い高速な変動は振幅が小さく、それに対して周波数成分の低い低速な変動は振幅が大きい。
【００２４】
このような性質を持つ角度変動に対応するために、制御回路２８は光位置検出素子２７よりの角度変動信号を低周波の成分と高周波の成分に分離する。そして角度の可変範囲は小さいが応答速度の速い光偏向用ミラー３２と３３の駆動回路（Ａ）２９ａには、振幅が小さいが高い周波数成分の変動を補正するような駆動信号を出力する。他方応答速度は遅いが角度の可変範囲が広い光学系１０の駆動回路（Ｂ）２９ｂには、振幅が大きいが低い周波数成分の変動を補正するような駆動信号を出力する。このようにして振幅の小さい高速な角度変動と、振幅の大きい低速な角度変動の両方に対して光軸ずれ補正を行う。
【００２５】
但し、このように２系統の調整機構を持つと、それぞれの調整角度の相互関係を調節する必要がある。具体的には、調整角度範囲の狭い光偏向用ミラー３２と３３は、光軸ずれ補正を行っている間に徐々に端の方に寄ってしまうことのないように、常に調整範囲の中央部の基準位置付近で動いていることが望ましい。そのために本実施例では、光偏向用ミラー３２と３３に、それぞれ角度センサー３６と３７を設けて（角度センサーとしてはロータリーエンコーダ、ポテンショメーター、ホール素子、位置検出光学素子などが使える）、ミラーの角度情報を制御回路２８に送っている。制御回路２８はその角度情報に基づいて、光学系１０の駆動回路（Ｂ）２９ｂに対して、低速な角度変動に対する補正を行うと共に、光偏向用ミラー３２と３３の平均的な角度も補正するように制御信号を出力する。換言すれば、光学系１０の駆動機構３０と３１は、光偏向用ミラー３２あるいは３３が基準位置から外れて行くとそれを補正して基準位置に戻すような制御が行われる。
【００２６】
また本実施例の方式は、光学系１０の駆動機構３０と３１の角度駆動範囲が十分に大きければ、相手側装置あるいは自装置が車両や船舶上に設置された移動体間通信にも応用できる。移動に伴う大きな角度変化の補正に対しては光学系１０の駆動機構３０と３１で対応し、車両の振動などの速度の速い角度変化の補正に対しては、光偏向用ミラー３２と３３で対応することができる。
【００２７】
（第２の実施例）
図２の第二の実施例は、光学系の内部で光を高速で偏向する手段として、光偏向用ミラー３２と３３の代わりに、レンズが光軸と垂直方向にシフト移動するいわゆるレンズシフト光学系３８を用いたものである。図２では紙面に水平方向の移動を描いてあるが、実際は紙面に水平方向と垂直方向の２次元でレンズが自由にシフトし、レンズのシフト量に応じて光ビーム２４が偏向する。レンズシフトのための駆動手段としては、ボイスコイルを用いたアクチュエータや、リニアモータなどが使える。
【００２８】
またレンズの水平方向と垂直方向のシフト量を検出するためのレンズ位置センサ３９を備えており、第一の実施例と同様、位置情報を制御回路２８に送り、シフトレンズが常に中央部の基準位置付近で動くように光学系１０の駆動機構３０と３１が制御される。レンズ位置センサ３９としてはリニアポテンショメーター、ホール素子、位置検出光学素子などが使える。
【００２９】
（第３の実施例）
図３の第３の実施例は、光学系の内部で光を高速で偏向する手段として、光偏向用ミラー３２と３３の代わりに、可変頂角プリズム４０を用いたものである。可変頂角プリズムは、２枚の透明板の間に液状の透明体を入れ、２枚の透明板の相互の角度を変えることによって、光を曲げるなどのプリズムの効果の大きさを可変させるものである。図３では紙面に水平方向の頂角駆動を描いてあるが、実際は紙面に水平方向と垂直方向の２方向に頂角が自由に変化し、頂角の変化量に応じて光の屈折角が変わり、光ビーム２４が偏向する。可変頂角のための駆動手段としては、上と同じくボイスコイルを用いたアクチュエータや、リニアモータなどが使える。
【００３０】
またプリズムの水平方向と垂直方向の頂角を検出するための角度センサ４１を備えており、やはり第一の実施例と同様、位置情報を制御回路２８に送り、プリズムの頂角が常に０度付近の基準角付近で変わるように光学系１０の駆動機構３０と３１が制御される。角度センサ４１としてはロータリーエンコーダ、ポテンショメーター、ホール素子、位置検出光学素子などが使える。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、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、送受信光学系の内部にあって、角度の可変範囲は小さいが応答速度の速い光偏向用手段と、光学系の外部にあって、応答速度は遅いが角度の可変範囲が広い光学系自体を駆動する手段を併用することにより、振幅の小さい高速な角度変動と、振幅の大きい低速な角度変動の両方に対して同時に光軸ずれ補正を行うことを可能にし、適応範囲の制限のない補正能力の高い光軸ずれ補正機能を持った光空間通信装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例
【図２】本発明の第二の実施例
【図３】本発明の第三の実施例
【図４】従来の実施例
【図５】スポット位置検出素子の例
【図６】従来の実施例
【符号の説明】
１０・・・送受信光学系
２１・・・発光素子
２２・・・偏光ビームスプリッタ
２５・・・ビームスプリッタ
２６・・・受光素子
２７・・・スポット位置検出素子
２８・・・制御回路
２９・・・駆動回路
３０，３１・・・光学系駆動機構
３２，３３・・・光偏向ミラー
３６，３７，４１・・・角度センサー
３８・・・レンズシフト光学系
３９・・・レンズ位置センサー
４０・・・可変頂角プリズム
【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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