(57)【要約】【課題】光軸ずれ補正により自動追尾を行う機能を有し、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、追尾停止中に装置の角度が変わっても、相手装置の光を補足して復帰できる可能性が非常に高くなる。【解決手段】自動追尾運転中などにその時点の位置情報を随時記憶し、光が減衰して自動追尾動作を停止した際に、所定の時間待機しても光が検出されない場合は、時間をさかのぼって、過去の位置情報に記憶された位置を順次サーチする。【選択図】　　　　図１
2004015134.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、
相手側装置からの光ビームの到来方向を検出するための光位置検出手段と、
前記光位置検出手段からの信号から相手側装置に送出する光ビームの方向角を制御するための制御手段と、
前記制御手段からの指令により相手側装置に送出する光ビームの方向角を駆動する手段とを備えて、自動追尾を行う、光軸ずれ補正機能を持ち、
前記光ビームの方向角を駆動する手段がどの方向に向けているかを検出するための駆動位置検出手段と、前記駆動位置検出手段よりの位置情報を複数個記臆するメモリとを備え、
以下の動作を行うことを特徴とする光空間通信装置。
▲１▼　前記光位置検出手段からの信号が既定のレベル以下になると、追尾動作を停止する。
▲２▼　停止時間が所定の値ｔ１を越えると、前記メモリに記臆された複数個の駆動位置情報に示す位置に、所定の時間間隔ｔ２で、記憶された時間の新しいものから古いものの順に順次方向を駆動する。
▲３▼　所定の数の位置情報の示す位置に方向を駆動したのち、最初の方向に戻り停止する。
▲４▼　前記▲２▼と▲３▼を繰り返す。
▲５▼　前記▲２▼から▲３▼の動作の間に前記光位置検出手段からの信号が既定のレベル以上になると、その時点で自動追尾を再開する。
【請求項２】
前記待ち時間ｔ１は固定値ではなく、動作の周期の度に所定の値を中心にランダムに値の変わる可変値である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】
前記時間間隔ｔ２は固定値ではなく、次のメモリ位置への移動の度に所定の値を中心にランダムに値の変わる可変値である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】
前記待ち時間ｔ１は対向する２台の装置でそれぞれ異なった固定値である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５】
前記時間間隔ｔ２は対向する２台の装置でそれぞれ異なった固定値であることを特徴とする請求項１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、径時変化による角度変動などのため、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５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５は対向する１対の装置の片側を示す。図５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６に示すような４分割されたフォトダイオードである。図６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駆動・制御される。
【０００６】
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。
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。
【０００７】
ただし、無線通信という性格上、雨、霧、雪などの気象条件により伝搬する光信号が減衰し、通信が出来なくなる状態があり得る。このような場合、相手側装置の光を検出して行う光軸ずれ補正も出来なくなるので、自動追尾動作も停止させる。この場合、検出される光信号のレベルがある値（しきい値）以下になると、その時点で追尾動作を停止して、その時点での角度駆動機構の位置を保持した状態で、光のレベルが回復して再び追尾動作が可能になるまで待つことになる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例では、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、雨、霧、雪などの気象条件により伝搬する光信号が減衰し、通信が出来なくなった場合は、前記のように追尾動作を停止して、その時点での角度駆動機構の位置を保持した状態で、光のレベルが回復して再び追尾動作が可能になるまで待つことになる。
【０００９】
しかし追尾の停止状態が長くなると、停止している期間中に温度変化などの環境変化などで建物や架台がゆがんで装置の方向が停止前から変化した場合は、天候がかりに回復しても、光ビームがはずれた状態となって、自動追尾動作に入ることも出来ず、通信が復帰することも出来なくなる。
【００１０】
さらに光信号のレベルがしきい値以下になり、その時点で追尾動作を停止した時点では、光信号のレベルが低いため光位置検出素子２７の出力はノイズの多い、位置精度の悪いものであるから、追尾動作を停止した位置自体も少し本来の位置から外れたものである可能性がある。そのために停止期間中の角度ずれと重なると、更に通信の復帰が不確実なものになる。
【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、
相手側装置からの光ビームの到来方向を検出するための光位置検出手段と、
前記光位置検出手段からの信号から相手側装置に送出する光ビームの方向角を制御するための制御手段と、
前記制御手段からの指令により相手側装置に送出する光ビームの方向角を駆動する手段とを備えて、自動追尾を行う、光軸ずれ補正機能を持ち、
前記光ビームの方向角を駆動する手段がどの方向に向けているかを検出するための駆動位置検出手段と、前記駆動位置検出手段よりの位置情報を複数個記臆するメモリとを備え、
以下の動作を行うことを特徴とする。
【００１２】
▲１▼　前記光位置検出手段からの信号が既定のレベル以下になると、追尾動作を停止する。
【００１３】
▲２▼　停止時間が所定の値ｔ１を越えると、前記メモリに記臆された複数個の駆動位置情報に示す位置に、所定の時間間隔ｔ２で、記憶された時間の新しいものから古いものの順に順次方向を駆動する。
【００１４】
▲３▼　所定の数の位置情報の示す位置に方向を駆動したのち、最初の方向に戻り停止する。
【００１５】
▲４▼　前記▲２▼と▲３▼を繰り返す。
【００１６】
▲５▼　前記▲２▼から▲３▼の動作の間に前記光位置検出手段からの信号が既定のレベル以上になると、その時点で自動追尾を再開する。
【００１７】
また本出願にかかわる第二の発明および第三の発明は、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、前記待ち時間ｔ１あるいは前記時間間隔ｔ２は固定値ではなく、動作の度に所定の値を中心にランダムに値の変わる可変値であることを特徴とする。
【００１８】
また本出願にかかわる第四の発明および第五の発明は、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、前記待ち時間ｔ１あるいは前記時間間隔ｔ２は対向する２台の装置で異なった値の固定値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に本願発明による自動追尾により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５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、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、これも図５の従来の実施例と同様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。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、光位置検出素子２７で検出された相手側装置の方向に送信光ビームが向けられる。
【００２２】
また駆動機構３０および３１の位置（この場合は駆動角度）を検出するための角度センサ３３および３４を持ち、角度センサ３３および３４よりの角度情報は、制御回路２８に送られ、適当な数値データに変換されたのち制御回路２８中にあるメモリ３２に記憶される。この角度センサ３３および３４としては、ロータリーエンコーダ、ポテンショメータ、ホール素子、光学的な位置検出素子などが使える。
【００２３】
次に本実施例での光空間通信装置の自動追尾の動作を説明する。
【００２４】
図２は通常時の基本的な動作のフローである。最初は自動追尾に引き込むまで、手動による粗調節の作業が入るが、それが終わると▲１▼の初期化処理の後通常の自動追尾の動作を開始する。先ず▲２▼で光信号が検出されているかどうかを判断し、光信号が検出されていれば自動追尾ルーチンに入る。なおここで言う光信号検出とは、光信号のレベルが、正常に検出可能な規定値以上であるという意味で用いている。
【００２５】
図３は自動追尾ルーチンであり、先ず▲５▼で光位置検出素子２７から位置情報を読み込み、▲６▼で制御回路２８により光軸ずれ補正のための演算処理を行い、▲７▼で駆動回路２９から駆動機構３０および３１を動かして光学系１０の方向を駆動する。この後、▲８▼で現在時刻が角度センサ３３および３４よりの角度情報をメモリ３２に書き込むための指定されたタイミングであるかどうかをチェックする。ほとんどの場合はそのタイミングでないので、そのままルーチンを出て▲２▼に戻り、同様に繰り返す。
【００２６】
もしその書き込みのタイミングであれば、▲９▼で既にメモリにあるデータを順次新しいメモリ位置に移動して更新した後、空きの出来た最新データを書き込むためのメモリ位置に現在の角度情報を書き込む。その結果メモリの内容は、「現在の角度情報、Ａ１時間前の角度情報、Ａ２時間前の角度情報・・・Ａｎ時間前の角度情報」というように並ぶ。
【００２７】
書き込みのタイミングは設置環境に応じて適当に設定すればよいが、温度変化などによる装置の角度変動が１日周期であることを考えれば、少なくとも現在から２４時間以上前までの位置情報をメモリに入れておくことが望ましい。
【００２８】
雨、霧、雪などの気象条件により伝搬する光信号が減衰し、▲２▼で光信号が検出されなくなった場合は、その時点での角度情報をメモリに書き込んだ後、▲４▼で自動追尾動作を停止し、図４に示す復帰待ちルーチンに入る。
【００２９】
復帰待ちルーチンでは先ず入力待ち状態に入り、（１０）で光信号が検出されるまで待つことになる。たいていの場合はそのままの状態で待っていれば、天候が回復して光の減衰が無くなれば光を検出できるようになる。光信号が検出されれば、直ちに復帰待ちルーチンを出て通常の自動追尾ルーチンに移ることができる。しかし「発明が解決しようとする課題」にあるように、停止している期間中に温度変化などの環境変化などで建物や架台がゆがんで装置の方向が変化した場合は、いくら待っても光を検出できなくなる。そこで（１２）で予め定められた待ち時間ｔ１を経過すると、サーチ動作のルーチンに移る。
【００３０】
サーチ動作のルーチンでは、先ず（１３）で現在の自動追尾停止の直前の角度位置から、メモリに記憶された一番近い時点の位置情報で示された位置に角度を駆動する。その新たな位置で（１４）で光信号が検出されれば、直ちに復帰待ちルーチンを出て通常の自動追尾ルーチンに移る。しかし（１５）での所定時間ｔ２が経っても光信号が検出されない場合は、次の更に以前の時点の位置情報を読んでその位置に角度を駆動して、以下同様に光信号が検出されるようになるまで、時間をさかのぼってサーチを行う。そして（１６）で全てのメモリの位置まで動かしても光信号が検出されなかった場合は、まだ光の減衰が大きい状態である可能性が高いと判断して、最初の自動追尾停止の直前の角度位置に戻り、入力待ち状態に再び入る。そして待ち時間ｔ１を経過すると、またサーチ動作のルーチンに移り、これを繰り返す。
【００３１】
最初の待ち時間ｔ１はシステムの要求にも依るが、数１０分〜数時間程度が適切である。次の位置に移動するまでの間隔ｔ２は、その間に光信号が検出されればよいのであるから、数秒以下程度の短時間で十分である。
【００３２】
温度変化などの環境変化は、先に述べたように日周サイクルが主であるから、１日分以上の過去の位置情報を何点か記憶しておけば、かりに自動追尾停止中に装置の角度が変わっても、記憶した位置を順次サーチすることによって復帰できる可能性が非常に高くなる。また記憶した位置情報の大部分は通常の受信状態の良いときのデータであるから、ノイズの少ない精度の高い物であるため、更に復帰の可能性が高くなる（但し気象条件によっては、１日のうち何度も自動追尾を停止することもあり、そのような場合は自動追尾時の位置情報と、自動追尾停止直前の位置情報が混在することになる。またそのような場合は、自動追尾が復帰した直後の位置情報を記憶しておくと有効である）。
【００３３】
（第２の実施例）
第二の実施例では上記第一の実施例に於ける入力待ち状態での待ち時間ｔ１と、サーチ動作での次の位置に移るまでの時間間隔ｔ２を、定められた固定値ではなく、定められた時間値を中心としてランダムに長さが変化する、不規則な可変値としたものである。
【００３４】
自装置で光信号が検出されないときは、相手側装置でも同様に光信号が検出されない状態であると考えられ、相手側装置も自装置と同じ図４の動作を行っている。その場合、２台の装置で動作の周期が一致してしまうと、場合によってはお互いに相手の装置から逃げあっている状態となり、相手の光を補足することが妨げられる可能性がある。そのために、入力待ち状態での待ち時間ｔ１を固定値とせず、その長さが、擬似的なランダムの数値系列に従って、標準値を中心として不規則に変化する可変値とすれば、互いに動作が一致することなく、ほとんどの場合片側が動いているときは片側が停止しているという状態になり、補足がより確実となる。更にサーチ動作での次の位置に移るまでの時間間隔ｔ２も同様に標準値を中心としてランダムに変化する可変値とすれば、偶然サーチ動作の開始が２台の装置で一致したとしても２台両方が動いている時間確率が小さくなり、補足が更に容易になる。
【００３５】
なお、入力待ち状態での待ち時間ｔ１と、サーチ動作での次の位置に移るまでの時間間隔ｔ２を、固定値であるが、対向する２台の装置で値を変えておけば、ランダムに可変するのと近い効果が得られるが、対向する２台の装置の仕様が異なってしまうため、設置や交換時の時間設定の管理が面倒になってくる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光軸ずれ補正により自動追尾を行う機能を有し、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、
過去の位置情報を複数点記憶し、光が減衰して自動追尾動作を停止した際に、所定の時間待機しても光が検出されない場合は、時間をさかのぼって記憶した位置を順次サーチすることにより、かりに自動追尾停止中に装置の角度が変わっても、相手装置の光を補足して復帰できる可能性が非常に高くなり、信頼性の高い光空間通信装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例
【図２】本発明の実施例における基本動作フロー
【図３】本発明の実施例における自動追尾のフロー
【図４】本発明の実施例における自動追尾停止時の復帰待ちフロー
【図５】従来の実施例
【図６】スポット位置検出素子の例
【符号の説明】
２１・・・発光素子
２２・・・偏光ビームスプリッタ
２６・・・受光素子
２７・・・光スポット位置検出素子
２８・・・制御回路
２９・・・駆動回路
３０，３１・・・光学系の駆動機構
３２・・・メモリ
【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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