(57)【要約】【課題】従来の光空間伝送装置では、光ビームの拡がり角、受光角、射出方向および受光方向を変更するための構成が複雑になり易い。【解決手段】情報を無線伝達するための光ビームを射出する光源１２と、微小ミラーがマトリクス状に配置され、光源から射出された光ビームを、離れた場所に設置された光受信手段１１に向けて反射する微小ミラーアレイユニット１４とを設けて光空間伝送装置１０を構成する。また、情報を無線伝達するための光ビームを受光する受光手段１３と、微小ミラーがマトリクス状に配置され、離れた場所に設置された光送信手段から射出された光ビームを受光手段に向けて反射する微小ミラーアレイユニット１５とを設けて光空間伝送装置１１を構成する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
情報を無線伝達するための光ビームを射出する光源と、
微小ミラーがマトリクス状に配置され、前記光源から射出された光ビームを、離れた場所に設置された光受信手段に向けて反射する微小ミラーアレイユニットとを有することを特徴とする光空間伝送装置。
【請求項２】
前記微小ミラーアレイユニットを構成する個々の微小ミラーの向きを独立して制御する制御手段を有することを特徴とする請求項１に記載の光空間伝送装置。
【請求項３】
前記制御手段による前記個々の微小ミラーの向きの制御により、反射する光ビームの拡がり角、光ビームのパターンおよび反射方向の少なくとも１つを変更可能としたことを特徴とする請求項２に記載の光空間伝送装置。
【請求項４】
情報を無線伝達するための光ビームを受光する受光手段と、微小ミラーがマトリクス状に配置され、離れた場所に設置された光送信手段から射出された光ビームを前記受光手段に向けて反射する微小ミラーアレイユニットとを有することを特徴とする光空間伝送装置。
【請求項５】
前記微小ミラーアレイユニットを構成する個々の微小ミラーの向きを独立して制御する制御手段を有することを特徴とする請求項３に記載の光空間伝送装置。
【請求項６】
前記制御手段による前記個々の微小ミラーの向きの制御により、反射する光ビームの集光角、光ビームのパターンおよび反射方向の少なくとも１つを変更可能としたことを特徴とする請求項５に記載の光空間伝送装置。
【請求項７】
請求項１に記載の光空間伝送装置と、請求項４に記載の光空間伝送装置とを含むことを特徴とする光空間伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ビームの無線伝送により情報を伝達する光空間伝送装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光空間伝送システムでは、送信側の光伝送装置において送信信号を光信号に変調し、この光信号を対向して設けられた受信側の光伝送装置に向かって光ビームとして射出する。射出された光ビームは、大気空間中を伝送され、受信側の光伝送装置において受光される。受信側の光伝送装置は、この光ビームによって伝送された送信側からの光信号を復調することによって情報信号の送受信を行う。
【０００３】
但し、上記のような光空間伝送システムにおいては、大気の揺らぎ等によって光ビームの経路が変動することがある。また、光伝送装置の設置場所である、例えばビルの屋上なども温度変化により微少な変形が生じ易いために、光ビームの射出方向が変動することもある。
【０００４】
このような外的要因によって、受信側における光ビームの到達位置が変動すると、受信側の光伝送装置の受信レベルが低下し、最悪の場合には、通信が不通になってしまう。
【０００５】
また、同様に受信装置側における設置場所等の変形により、受信側において入射する光ビームに対して適切な方向を向かなくなった場合、受信レベルの低下や受信不能を生じる。
【０００６】
このような問題を解決するために、受信側で受信する光ビーム径が大きくなるように光伝送装置から光ビームを射出し、ビーム経路の変化やビーム射出方向の変動に対しても、受信側にて安定した受信レベルが確保できるようにしている。
【０００７】
また、受信側もある程度の受光角（受信可能な角度範囲）を持つように設計される。
【０００８】
図７には、従来の光空間伝送システムの例を示す。図７において、左側が送信側の光空間伝送装置５０であり、右側が受信側の光空間伝送装置７１である。送信側において、光源７２から放射された光ビームは、光学系７３によって僅かに拡がりのあるほぼ平行の光ビーム７６の形に変換される。一方、受信側においても、平行光に対して僅かに拡がりのある受光角を持つように光学系７５が設計され、この光学系７５により収束された光ビームが受光素子７４により受光される。
【０００９】
このような光空間伝送システムにおいて、ビーム出射角や受光角を変化させる場合、光学系や光源や受光素子を機械的に動かし、その相対位置関係を変化させて行うのが一般的である。このような場合、図７の発光素子７２とレンズ７３の相対位置関係を移動させ、拡がり角を可変する。受信側も同様に受光素子７４とレンズ７５の相対位置関係を変化させ、受光視野角を可変する。
【００１０】
光空間通信では、一般に双方向同時通信が行われ、光空間伝送装置には送信部と受信部が構成され、トランシーバとして動作する。自装置の送信光軸と受信光軸が一致している場合、相手装置からの光入射方向を検出し、相手装置よりの光軸方向に自装置の送受信光軸を一致させるといった自動追尾機能を搭載することが可能であるが、送受信ビーム方向を変化させる手段が必要になる。
【００１１】
送受信ビーム方向を変化させる方法として、装置全体をまたは光学系全体の角度変化をする、光学系内にてミラーを用いて角度的な変化を与える、レンズ及び送受光素子との位置的変化を与える等にて実現している。
【００１２】
図８にはその一例を示している。発光素子８１ａより拡がり角８３にて出射された光ビームは、レンズ８２にてほぼ平行のビーム８５にて射出される。
【００１３】
一方、ビーム射出方向を変化させる場合、発光素子（光源）８１ａとレンズ８２との相対位置を変化させて実現できる。図８にて発光素子８１ａを８１ｂの位置に移動させた場合、レンズ８２に入射した光ビーム８４はレンズ８２から射出ビーム８６の形で空間に放出され、ビーム方向が変化する。
【００１４】
これら手法は自動追尾機能の実現のみならず、装置設置時のビーム方向合わせにも使用される。
【００１５】
このような送受光素子と光学系との相対位置関係を変化させる構成について図６を用いて説明する。
【００１６】
図６の上側の図において、発光素子６１の端面より拡がり角６５で示される光ビームが放射され、レンズ６２にてビーム拡がり角が狭められ、ほぼ平行に近いビーム拡がり角６８にて空間に送出される。このビーム拡がり角を狭くし、受信部での受光電力密度を上げる場合、図６の下側の図のように、発光素子６１をレンズ６２に対して遠ざける方向に光軸上で動かす。発光素子６１からの出力光のうちレンズ６２に有効に入射する角度範囲６６の光信号は、先の場合よりもビーム射出角６８が狭くなり、より平行光に近くすることができる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発光素子６１から出力される光の拡がり角６５は一定であるため、レンズ６２に対して有効に入射しない光成分６７は無効となり、レンズ６２を通して空間に伝送される光電力が小さくなってしまうという欠点がある。
【００１８】
発光素子６１とレンズ６２との相対位置関係を変化させず、レンズ６２の曲率を変化させることができれば有効な拡がり角制御が行えるが、曲率を変化させることができるレンズもしくはレンズ群を構成することは非常に困難であり、構成も複雑になってしまう。また、その射出方向が変化しないように精密な機構および正確な制御が要求される。
【００１９】
一般に光空間通信では、十分な受光電力を得るために、受信到達地点でのビーム径をできる限り小さくする必要があり、精密な機構を必要とされる。したがってビーム射出角や受光角を自由に変化させることのできる光空間伝送装置を構成することが困難であり、また可動機構を設けるため構成が複雑となる。
【００２０】
更に、ビーム拡がり角のみならず、ビーム形状制御を必要とする場合がある。一般に光空間伝送装置では、受信側での受光角も広く設定することは先に述べたが、送信側の背景に太陽等の強力な光源が存在すると、受光素子にその強力な光が入射して、目的とする光ビームをクリアに受信できない。
【００２１】
図５には、受信側から観察した送信側装置の様子を示す。受信側装置から見た送信側装置４１を含む受信範囲４２内には、太陽等の強力な別光源４３が入っている。
【００２２】
特に、太陽光は、送信側装置４１からの光ビームが持つ光電力に比較してはるかに大きな光電力（エネルギー）を持っている。したがって、受光角内に僅かでも太陽光が入った場合、通信異常を招くおそれが生ずる。
【００２３】
従来のレンズを用いた光伝送装置においては、上記したような強力な背景光の入射に対し、受信角を狭く設定したり、図６のように受光素子とレンズ６２との相対位置関係を状況に応じて動かしたりする方法が採られるが、設置環境の揺れ等に対して安定的な通信を確保しにくくなる等の問題がある。
【００２４】
一方、ビームパターンの成形制御等を行う場合、ビームの射出角や受光角を制御する光学系とは別に該制御を行う光学系を準備する必要がある。
【００２５】
更に、成形制御されるビームパターン形状（及び電力密度分布）は準備された光学系によって一義的に決定されてしまい、自由に変化させることができない。
【００２６】
さらに、ビームの射出方向や受光方向を変化させる場合、図８に示した構成では、ビーム射出角や受光角の制御方法と同様に、発光素子８１ａから出力される光電力が有効に使われないという問題がある。
【００２７】
具体的には、図８中に８７で示す部分がレンズ８２に有効に入射せず、空間に伝送されない無駄な成分となる。また、８１を受光素子として考えた場合、有効な受光角は８６で示すように本来の受光角に相当する角度８５より狭くなってしまい、受信効率が低下してしまう。
【００２８】
また、それぞれの目的として構成される光学系は固体化されたレンズ、あるいはプリズム等となり、それらをそれぞれもしくは同時に高速に変化させることは困難である。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本願第１の発明の光空間伝送装置では、情報を無線伝達するための光ビームを射出する光源と、微小ミラーがマトリクス状に配置され、光源から射出された光ビームを、離れた場所に設置された光受信手段に向けて反射する微小ミラーアレイユニットとを有する。
【００３０】
また、本願第２の発明の光空間伝送装置では、情報を無線伝達するための光ビームを受光する受光手段と、微小ミラーがマトリクス状に配置され、離れた場所に設置された光送信手段から射出された光ビームを受光手段に向けて反射する微小ミラーアレイユニットとを有する。
【００３１】
これにより、上記微小ミラーアレイユニットを構成する個々の微小ミラーの向きを独立して変化させて、光源から射出された光ビームの無駄な成分が少なくなるように、また複雑な機構を設けることなく、微小ミラーアレイユニットで反射する光ビームの拡がり角、集光角、パターン形状および反射方向を制御することが可能となる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図１には、本発明の実施形態である光空間伝送システムの概要を示す。本実施形態のシステムでは、従来のシステムで用いていたレンズやプリズム等の代わりに、それぞれが独立して向きを制御可能な多数の微小ミラーをマトリックス状に配置して構成した微小ミラーアレイユニットを用いるものである。
【００３３】
図１において、１０は送信側の光空間伝送装置（以下、送信側装置という）であり、１１は受信側の光空間伝送装置（以下、受信側装置という）である。
【００３４】
送信側装置１０は、半導体レーザ等の発光素子（光源）１２と、この発光素子１２から射出された光ビーム（送信すべき情報に応じて変調されている）を受信側装置１１に向けて反射する微小ミラーアレイユニット１４と、この微小ミラーアレイユニット１４を構成する個々のミラーの向きを独立して制御する制御回路１８とを有して構成されている。
【００３５】
一方、受信側装置１１は、受光素子１３と、送信側装置１０から射出された光ビームを受光素子１３に向けて反射する微小ミラーアレイユニット１５と、この微小ミラーアレイユニット１５を構成する個々のミラーの向きを独立して制御する制御回路１９とを有して構成されている。
【００３６】
このように構成されたシステムにおいて、送信側装置１０の発光素子１２から射出された光ビームは微小ミラーアレイユニット１４で反射する。この反射された光ビーム１６は、微小ミラーアレイユニット１４を構成する各ミラーの向きを制御回路１８を通じて制御することによってその拡がり角（つまりはビーム径）、パターン（形状）および射出方向、受光方向を可変設定することができる。なお、各微小ミラーは、空間に射出する光ビーム１６がある程度の拡がり角を持つようにその向きが制御される。
【００３７】
一方、送信側装置１０から射出され、受信側装置１１に入射した光ビーム１７は、受信側装置１１の微小ミラーアレイユニット１５にて集光され、受光素子１３に入射する。このとき、各ミラーはある程度の受光角を持ち、かつ受光素子１３上に小さなスポットを形成するようにその向きが制御される。
【００３８】
さらに、送信側および受信側装置１０，１１の制御回路１８，１９は、送信側装置１０と受信側装置１１との距離（伝送距離）、シンチレーション、天候、送信側装置１０と受信側装置１１との間に存在する建物の大きさや形状、さらには、送信側および受信側装置１０，１１がそれぞれ設置されている架台の揺れ等の伝送条件に対して最適な上記光ビームの拡がり角、受光角、パターンおよび射出方向、受光方向を設定するように各ミラーの向きを制御する。なお、図示はしていないが、上記各伝送条件を検出して制御回路１８，１９に検出信号を送る検出器等が設けられている。また、一部の伝送条件に関しては、設置者がミラーの向きを設定してもよい。
【００３９】
ビームの射出方向、受光方向を変える場合、図１の構成では、微小ミラーアレイユニット１４，１５の個々の微小ミラーに一様の角度変化を与えればよい。例えば。射出角度を０．２°変化させたい場合、個々の微小ミラーを全て同じ方向に０．１°動くように制御すればよい。
【００４０】
この射出方向制御および受光方向制御は、先に説明した光ビームの拡がり角制御、ビームパターン制御と同時に、同一の微小ミラーアレイユニット１４，１５にて実現することができる。
【００４１】
このようにシステムを構成することにより、送信側装置１０と受信側装置１１の設置条件や環境に応じて光ビームの拡がり角、受光角、パターンおよび射出方向、受光方向を容易に設定することが可能である。
【００４２】
次に、微小ミラーアレイユニット１４，１５について図２を用いて詳しく説明する。なお、図２には、送信側装置１０に設けられた微小ミラーアレイユニット１４のみを示しているが、受信側装置１１に設けられた微小ミラーアレイユニット１５の構成も同様である。
【００４３】
微小ミラーアレイユニット１４は、微小ミラー１４ａが縦横にマトリックス状に多数配置されて構成されており、その１枚１枚の角度を制御回路１８からの電気信号によって可変設定することができる。なお、図２では、縦１５個×横１５個の計２２５個の微小ミラー１４ａからなるミラーアレイユニットを示しているが、微小ミラーの数はこれ以外でもよく、またミラーアレイユニットの形状も図２に示す正方形でなくても、円形状や多角形状でもよい。
【００４４】
このように構成された微小ミラーアレイユニット１４，１５の個々の微小ミラーの向きを独立して制御することにより、微小ミラーアレイユニット１４，１５が集光光学系の機能を果たす。
【００４５】
図２に示した微小ミラーアレイユニット１４のＡ−Ａ’断面を図３に示す。図３は、発光素子（点光源）１２を微小ミラーアレイユニット１４の前方に配置し、ほぼ平行光である光ビームを射出する様子を示している。
【００４６】
このように、微小ミラーアレイユニット１４の個々のミラーの向きを制御することにより、ほぼ平行光とした光ビームを射出したり、さらに拡がり角が大きな又は小さな光ビームを射出したりすることができる。
【００４７】
また、受信側装置１１の微小ミラーアレイユニット１５は、送信側装置１０の背景として存在する不要な光源からの光を受光素子１３に受光させないようにその向きが制御される。不要な光源が太陽のように移動する場合には、その動きに応じてミラーの向きを制御するようにしてもよい。
【００４８】
具体的には、図５に示すような状況下においては、受信側装置１１の微小ミラーアレイ１５には、図４に示すように、送信側装置１０からの光ビームが入射する領域５５と、太陽光等の不要光が入射する領域５６とができる。この場合、不要光が入射する領域５６の微小ミラー５７（図において濃い部分）をここで反射した光が受光素子１１３に集光しないように受光素子１３以下の方向に向きを制御し、この不要光領域５６に含まれる微小ミラー５７を除いた微小ミラーにて受光素子１３に対する集光ミラーを構成する。
【００４９】
このように、入射する目的の光以外の光が受光素子１３に入射しないように個々の微小ミラーを制御し、受信障害を防ぐ。
【００５０】
なお、本実施形態では、送信側装置と受信側装置とに別れている場合について説明したが、１つの微小ミラーアレイユニットと、光源（発光素子）と、受光素子とを備えた送受信が可能な装置を構成し、この装置を複数台設けてシステムを構成してもよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、微小ミラーアレイユニットを用いて光ビームの射出角、受光角、更には射出方向、受光方向を制御できるため、光源から射出される光ビームのうち無駄になる成分を極力少なくして伝送空間に送出することができ、また簡単な構成で光ビームの拡がり角等の制御を行うことができる。
【００５２】
さらに、光ビームのパターンをも同時に制御することができ、従来の固体化されたレンズ等の光学系を用いた場合に比べて、装置の簡素化、小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態である光空間伝送システムの構成を示す概略図。
【図２】上記光空間伝送システムの微小ミラーアレイユニットを説明する図。
【図３】上記微小ミラーアレイユニットの集光作用を説明する図。
【図４】上記微小ミラーアレイユニットに不要光が入射した場合の対処方法を説明する図。
【図５】従来の光空間伝送システムにおいて、送信側の背景に太陽が存在する場合を説明する図。
【図６】従来の光空間伝送システムを説明する図。
【図７】従来の光空間伝送システムにおける光ビーム径の制御方法を説明する図。
【図８】従来の光空間伝送システムにおける光ビーム射出方向の制御方法を説明する図。
【符号の説明】
１０　送信側装置
１１　受信側装置
１２　発光素子
１３　受光素子
１４，１５　微小ミラーアレイユニット
【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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