(57)【要約】【課題】メカ的な駆動手段に付随する摩耗や故障がなく、低コストで信頼性の高い光軸ずれ補正機能を持つ光空間装置を実現する。【解決手段】相手側装置に光ビームを送出するための発光源の発光波長を変化させる手段と、入射光束の波長により出射光束の方向を変化させる光学的手段とを有し、前記発光源の発光波長を変化させることにより、メカ的手段を用いることなく、相手側装置に送出する光ビームの方向を変化させる。【選択図】　　　　図１
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【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するための発光源を持ち、
前記発光源の発光波長を変化させる手段と、
入射光束の波長により出射光束の方向を変化させる光学的手段とを有し、
前記発光源の発光波長を変化させることにより相手側装置に送出する光ビームの方向を変化させることを特徴とする光空間通信装置。
【請求項２】
相手側装置からの光ビームを受信するための光信号検出手段を持ち、
前記光信号検出手段の受光角度範囲は、相手側装置に送出する光ビームの方向の可変角度範囲よりも広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】
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を持ち、
前記光位置検出手段の受光角度範囲は、相手側装置に送出する光ビームの方向の可変角度範囲よりも広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】
発光源は半導体レーザであって、前記相手側装置に送出する光ビームの方向の可変方向は、断面が長円形に近似される発光パターンの短径の方向であ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】
前記入射光束の波長により出射光束の方向を変化させる光学的手段は、波長分散性の素材で作られたプリズムであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光空間通信装置。
【請求項６】
前記入射光束の波長により出射光束の方向を変化させる光学的手段は、回折格子であることを特徴とする請求項１乃至４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、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７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７は対向する１対の装置の片側を示す。図７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。
【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】
また鏡筒全体を駆動することにより光軸ずれ補正を行う代わりに、図９に示すような、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とを駆動することにより、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方法もある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
１．光軸を垂直方向、水平方向の二軸に駆動するための機構が必要となり、かつこの機構には角度精度の要求が厳しいため精密な機構となり、装置が高価になる。
【００１０】
２．この種の通信装置は通常常時連続運転で使用されるが、メカ的な可動部があり、かつ精密な機構であるために、摩耗による寿命があり、また故障を起こしやすい。
【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するための発光源を持ち、前記発光源の発光波長を変化させる手段と、入射光束の波長により出射光束の方向を変化させる光学的手段とを有し、前記発光源の発光波長を変化させることにより、メカ的手段を用いることなく、相手側装置に送出する光ビームの方向を変化させることを特徴とする。
【００１２】
メカ的手段を用いないために、安価であり、かつ摩耗や故障のない光軸ずれ補正が可能となり、信頼性の高い光軸ずれ補正機能を有した光空間通信装置が実現できる。
【００１３】
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、
相手側装置からの光ビームを受信するための光信号検出手段を持ち、
前記光信号検出手段の受光角度範囲は、相手側装置に送出する光ビームの方向の可変角度範囲よりも広いことを特徴とする。
【００１４】
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、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を持ち、
前記光位置検出手段の受光角度範囲は、相手側装置に送出する光ビームの方向の可変角度範囲よりも広いことを特徴とする。
【００１５】
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、発光源は半導体レーザであって、前記相手側装置に送出する光ビームの方向の可変方向は、断面が長円形に近似される発光パターンの短径の方向であることを特徴とする。
【００１６】
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一の発明から第四の発明の光空間通信装置において、前記入射光束の波長により出射光束の方向を変化させる光学的手段は、波長分散性の素材で作られたプリズムであることを特徴とする。
【００１７】
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一の発明から第四の発明の光空間通信装置において、前記入射光束の波長により出射光束の方向を変化させる光学的手段は、回折格子であることを特徴とする。
【００１８】
【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。
【００１９】
図１において発光素子２１よりの光は図７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。但し発光素子２１と偏光ビームスプリッタ２２との光路間にプリズム１１が挿入されている。
【００２０】
このプリズムは波長分散性の材質で作られており、図２のように波長λ１の光と波長λ２の光とでは屈折して透過する光線の方向が変わる。
【００２１】
また発光素子２１は半導体レーザであり、半導体レーザは温度や順電流で発振波長が変化する。図３は半導体レーザの温度に対する発振波長の特性の一例であるが、これだとケース温度が０℃から６０℃に変わると発振波長λは、階段状であるが、ほぼ直線的に約２０ｎｍ変化する。また順電流でも発振波長が変化するが、温度一定の時の順電流による波長変化幅は数ｎｍ程度で余り大きくはない。
【００２２】
例えばプリズム１１が波長７６５ｎｍでの屈折率が１．８９５１１、波長７８５ｎｍでの屈折率が１．８９３１６というガラス材（（株）ＯＨＡＲＡ製Ｓ−ＮＰＨ２等）で作られていた場合、頂角が５１．３°、入射角を３９．４°とすると、上記の温度変化による波長変化幅２０ｎｍに対して、出射光を約０．９度偏向させることが出来る。
【００２３】
図４は発光素子２１の取付部を示す。半導体レーザである発光素子２１は取付金具１７に取り付けられている。端子Ｓ１，Ｓ２は通信用の信号入力端子である。また取付金具１７はペルチェ効果を用いた電子冷却素子１５に付けられている。端子Ｐ１，Ｐ２は電子冷却素子１５への電流を流すためのもので、電流の方向を変えることにより、取付金具１７と発光素子２１を冷却または加熱することができる。さらに取付金具１７には温度センサ１６が付けられており、温度信号が端子Ｔ１，Ｔ２から出力される。温度センサ１６により温度を検出して、電子冷却素子１５への電流を制御することにより、発光素子２１の温度を自由に変化させることが出来る。それにより半導体レーザである発光素子２１の発振波長を制御することができる。
【００２４】
他方相手側装置から送られて来た光は、これも図７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。
【００２５】
光位置検出素子２７よりの光スポット位置信号は、制御回路２８で演算処理され、必要な送出ビームの偏向角とその偏向角を得るための発光素子２１の発振波長を求めて、波長制御回路１２に情報を送る。波長制御回路１２は電子冷却素子１５を駆動して、必要な発振波長が得られるように発光素子２１の温度を制御する。このようにしてプリズム１１から出た光は偏向され、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。
【００２６】
この実施例では、光ビームは１方向（図１では上下方向）にしか補正されないが、例えば特開平３−２３５４３９号公報にあるように、光ビームの光軸ずれは１方向へのずれが主であるために、１方向だけでも光軸ずれ補正の効果は大きく、さらに構成が従来例に比べて非常に簡単なためコストも大幅に低減される。
【００２７】
さらに半導体レーザは通常長円形に近似されるファーフィールドの放射パターンとなっており、長径方向の光軸ずれに対しては余裕があるが、短径方向の光軸ずれに対してはあまり余裕がない。そこで図１０に示すように短径の方向に光軸ずれ補正を行うようにすれば、広い範囲に対する光軸ずれをカバーすることができる。
【００２８】
ここで光軸ずれ補正の角度範囲は、位置検出素子２７の検出角度範囲内であり、つまり光軸ずれが位置検出素子２７の受光角度範囲を越えると、補正はできなくなる。従ってプリズム１１による光ビームの角度の可変範囲よりも位置検出素子２７の受光角度範囲の方が広くなるように設定しておく。
【００２９】
また光信号検出用の受光素子２６の受光角度範囲も、プリズム１１による光ビームの角度の可変範囲よりも広くなるように設定することにより、光軸ずれ補正を行うことにより受光素子２６に光信号が入らなくなり、通信が途絶えるという事態にはならない。
【００３０】
このように本実施例ではメカ的な駆動手段を用いることなく光軸ずれ補正を行なっているため、メカ的な駆動手段に付随する摩耗や故障がなく、信頼性の高い光軸ずれ補正機能を持つ光空間装置となっている。加えて構造も簡単になりコストも低くすることができる。
【００３１】
（第２の実施例）
図５の第二の実施例では（発光素子２１から偏光ビームスプリッタ２２の周辺部のみを示す）、入射光束の波長により出射光束の方向を変化させる光学的手段として、プリズム１１の代わりに回折格子１３を用いている。回折格子は図６のように波長λ１の光と波長λ２の光とでは反射する光線の方向が変わる。例えば回折格子１３の格子間隔１１．２μｍで入射角が４５°とすると、図３の例のような半導体レーザの温度変化による波長変化幅２０ｎｍに対して、反射光を約０．５度偏向させることが出来る。
【００３２】
それ例外の構成、動作等は第一の実施例と同じである。
【００３３】
【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、相手側装置に光ビームを送出するための発光源を持ち、前記発光源の発光波長を変化させる手段と、入射光束の波長により出射光束の方向を変化させる光学的手段とを有し、前記発光源の発光波長を変化させることにより、メカ的手段を用いることなく、相手側装置に送出する光ビームの方向を変化させることを特徴とする。
【００３４】
メカ的な駆動手段を用いることなく光軸ずれ補正を行なっているため、メカ的な駆動手段に付随する摩耗や故障がなく、信頼性の高い光軸ずれ補正機能を持つ光空間装置となっている。加えて構造も簡単になり低価格な光軸ずれ補正機能を持つ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】波長により出射光束の方向を変化させる光学的手段
【図３】半導体レーザの温度発振波長特性例
【図４】温度制御を行うための半導体レーザの実装図
【図５】本発明の第二の実施例
【図６】波長により出射光束の方向を変化させる光学的手段
【図７】従来の実施例
【図８】スポット位置検出素子の例
【図９】従来の実施例
【図１０】短径方向の光軸ずれ補正の説明図
【符号の説明】
１１・・・プリズム
１２・・・波長制御回路
１３・・・回折格子
１５・・・電子冷却素子
１６・・・温度センサ
２１・・・発光素子
２２・・・偏光ビームスプリッタ
２６・・・受光素子
２７・・・スポット位置検出素子
２８・・・制御回路
【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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【図９】
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【図１０】
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