(57)【要約】【課題】  本発明は、受光素子がより大きな入射光を受信できる（ダイナミックレンジを改善する）光空間伝送装置を提供することにある。【解決手段】  そこで、本発明では、離れた地点間で通信を行う光空間伝送装置において、過大入力時の受光素子のダイナミックレンジを改善するために、受信レベル信号に応じて、方向角を制御する。【選択図】  図１
2005333206.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、
相手側装置への送信光ビームを送信する送信光学系と送信光信号を発生させる半導体レーザー等の発光素子とで構成される光送信部、
相手側装置からの光ビームを受信するための受信光学系と、光信号を検出する受光素子で構成される光受信部、
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により、前記送信部の方向角を制御する手段、又は、前記光受信部の方向角を制御する手段、もしくはその送受信部両方の方向角を同時に制御する手段と
前記制御手段からの信号により、前記方向角を駆動する手段
を有する自動追尾機構付きの光空間通信装置において、
前記受信光学系は、前記受光素子に集光させる光スポット径を、受光素子の受光面積にほぼ等しい大きさに集光させ、
前記光受信部または、前記光位置検出手段は、光受信強度を検出する手段を備え、
前記光受信強度検出手段からの光受信強度信号に応じて、前記方向角を制御することを特徴とする光空間通信装置。
【請求項２】
前記光受信強度検出手段からの光受信強度信号が、あらかじめ設定された第1の所定値より大きい時は、第1の所定値以下になる位置に前記方向角を制御させ、
光受信強度信号が、第2の所定値より小さい時は、第2の所定値以上になる位置に前記方向角を制御す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】
請求項1記載の前記光送信部は、自装置の光受信強度信号を送信信号に多重する手段
請求項1記載の前記光受信部または、前記光位置検出手段で検出された信号から、相手装置の光受信強度信号を復調する手段
とを備え
相手装置の光受信強度に応じて、方向角を制御することを特徴とする自動追尾機構付きの光空間通信装置。
【請求項４】
請求項3記載の前記相手装置の光受信強度信号を復調する手段からの相手装置の光受信強度信号が、あらかじめ設定された第1の所定値より大きい時は、第1の所定値以下になる位置に前記方向角を制御させ、
光受信強度信号が、第2の所定値より小さい時は、第2の所定値以上になる位置に前記方向角を制御することを特徴とすることを特徴とする請求項3記載の光空間通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。そのために特許文献１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ー等の発光素子21より放出される。半導体レーザー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42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から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】
発光素子21としては、高速変調、高出力、出力光の光学系との結合容易性などの理由で半導体レーザーがよく使用されている。半導体レーザーの光強度分布は、図7のように扁平したガウス強度分布をしており、中心Sから離れるほど徐々に光強度が弱くなっていく。
【０００８】
光位置検出素子27の中心に光スポット42が当たった状態では、光信号検出用の受光素子26の光強度は最大となる。一方、図9のように相手装置が傾き、光スポットが中心から離れる場合、光強度は、小さくなっていく。
【０００９】
また、受光素子26の光スポット46は、図8のように受光素子の受光面で焦点を結ぶよう、または、受光面よりはるかに小さいスポット径となるように光学調整がなされている。また、光位置検出素子27の光スポット42が、光位置検出素子内に位置している時、光スポット46は、受光素子の受光面内に位置するようにも光学調整がなされている。よって、図10のように、自装置が傾いて光スポット42が、中心からはずれたとしても光位置検出素子内に位置している時は、受光素子の受光面の受光感度は、ほぼ均一なので、光スポット47が光位置検出素子の中心にある時と同じ最大の光受信強度を受信できるようになっている。
【特許文献１】特開平11-346192号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
一般に、受光素子26としては、アバランシェフォトダイオード（以下APD）、PINフォトダイオード（以下Pin-PD）等が使用されている。APD、Pin-PD等の受光素子は、入射光の光受信強度に対応した電気信号を出力する。図4に、受光素子の光受信強度と出力電流の関係を示す。受光素子がある光受信強度の値以上（図4ではPc）になると出力電流は一定値で飽和してしまい、入射光の光強度に対応した電流を出力することができなくなり、送信側から伝送された信号を復調することができない。よって、光空間伝送装置は、受光素子が飽和しない光受信強度以下で使用されなければならない。
【００１１】
しかし、上記従来例のような光空間通信装置は、光位置検出素子27の中心27Sで受光素子26の光受信強度が最大となるように、かつ角度ズレを検出すると光スポット42が中心位置27Sに移動するように角度補正を行っている。また、自装置が傾いて光スポット42が光位置検出素子内に位置している時も、受光素子に最大の光受信強度を受信できるようなっており、かつ光スポット42が中心位置27Sに移動するように角度補正を行っている。そのため、装置を近距離で使用または、相手装置の送信光の光出力が大きくなる等すると、受信装置は、常に最大の光受信強度になっているので、受光素子26が飽和レベルに達する光受信強度となり、入射光に追随した電気信号を生成することができない。
【００１２】
そこで、本発明は、受光素子がより大きな入射光を受信できる（ダイナミックレンジを改善する）光空間伝送装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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、相手側装置への送信光ビームを送信する送信光学系と送信光信号を発生させる半導体レーザー等の発光素子とで構成される光送信部、相手側装置からの光ビームを受信するための受信光学系と、光信号を検出する受光素子で構成される光受信部、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により、前記送信部の方向角を制御する手段、又は、前記光受信部の方向角を制御する手段、もしくはその送受信部両方の方向角を同時に制御する手段と前記制御手段からの指令信号により、前記方向角を駆動する手段を有する自動追尾機構付きの光空間通信装置において、前記受信光学系は、前記受光素子に集光させる光スポット径を、受光素子の受光面積にほぼ等しい大きさに集光させ、前記光受信部または、前記光位置検出手段は、光受信強度を検出する手段を備え、前記光受信強度検出手段からの光受信強度信号に応じて、前記方向角を制御することを特徴とする。
【００１４】
また、本出願にかかわる第二の発明は、前記光送信部は、自装置の光受信強度信号を送信信号に多重する手段、前記光受信部または、前記光位置検出手段で検出された信号から、相手装置の光受信強度信号を復調する手段とを備え相手装置の光受信強度信号に応じて、方向角を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
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、相手装置からの入射光が受光素子を飽和させる光受信強度であるとき、送受信光の方向角を制御することにより、受光素子の光受信強度を適正レベルにすることが可能となり、受光素子のダイナミックレンジを向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（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通信装置を示す。
【００１７】
図１において、発光素子21からの光は、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。
【００１８】
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に入射する。受光素子26の光スポット46は、集光レンズ23により受光面とほぼ同じ大きさに集光するように調整する。受光素子26では、通信用の信号が検出されると同時に光受信レベル検出回路32で光受信強度の大きさが検出され、光受信レベル信号32aとして制御回路28に入力される。また、受信光の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に入射し、光位置情報信号27eとして制御回路28に入力される。制御回路28の内部では、図2のフローが行われ（フローに関しては後で述べる）、光受信レベル信号32aの大きさに応じて、駆動指令信号28aが出力される。駆動指令信号28aは、駆動回路29に入力され、垂直方向の駆動機構30および水平方向の駆動機構31を駆動させる。
【００１９】
ここで、図2の制御回路28内部のフローについて述べる。まず、（１）で位置情報信号27eを読み込み、（２）で光スポット42が光位置検出素子27の中心27Sに位置しているかどうか判定する。中心になければ、（３）で光スポット42が中心に来るように補正演算され、（４）から、駆動指令信号28aが出力される。（１）〜（４）までは、光スポット42が中心にくるまで行われる。
【００２０】
次に、光スポット42が中心に来たら、（５）で光受信レベル信号32aを読み込み、（６）の光受信レベル判定を行う。（６）の光受信レベル判定では、光受信レベル信号が、受光素子26の最大出力電流の70〜100％の範囲となるレベルで設定された第1の既定値Pcより大きい時、光受信レベルが小さくなる位置、つまり光スポット42が光位置検出素子27の中心27Sより離れるように、（７）の位置情報信号27eを読み込んだ後、（８）で演算処理され、（１３）から駆動指令信号28aを出力する。ここで、光位置検出素子27と受光素子26は、光学軸が一致しており、受光素子の光スポット46は、受光面とほぼ同じ大きさなので、図11のように光位置検出素子の光スポット42が中心から離れれば、受光素子26の光スポット46と受光面の重なり合う面積が小さくなり光受信強度は小さくなる。
【００２１】
（６）、（７）、（１０）、（１３）のフローは、（６）で光受信レベルが適正値になるまで繰り返される。光受信レベルが適正値になると、（８）で、その時の光位置情報信号27eを読み込み、（１１）でこの位置を方向角を制御する基準位置とする。光軸ズレが発生した時は、光スポット42がこの基準位置にくるよう補正演算され、（１３）から、駆動指令信号28aを出力する。
【００２２】
一方、悪天候などにより、（６）で光受信レベル信号が小さくなり、受光素子26の最大出力電流の0〜40％の範囲になるレベルで設定された第2の既定値Paより小さくなれば、（９）で現在の位置情報信号27eを読み込み、受光素子の光受信レベルが大きくなる位置、つまり光位置検出素子27の中心側に基準位置が戻るように、（１２）で補正演算され、（１３）から駆動指令信号28aが出力される。
【００２３】
以上のような制御回路28内部のフローにより、光受信レベル信号の大きさにより光位置検出素子27上での光スポット42の位置を変化させ、つまり受光素子26の受光面と光スポット46の重なり合う面積を変化させることで光受信強度を適正値にし、かつ、適正値となる光スポット42の位置を基準位置として光軸ズレ補正を行っている。
【００２４】
（第2の実施例）
第2の実施例を図3に示す。第2の実施例は、第1の実施例の図1に、送信部では、自装置の光受信レベル信号32aの大きさに応じてパイロット信号発生器33からのパイロット信号を周波数変調する変調器34、本信号と変調器34から出力される光受信レベル変調信号34aを合成する合波器35が付加されている。また、発光素子21には、合波器35が接続され、送信用本信号と自装置の変調信号34aを送信している。一方、受光部では、相手装置からの光ビームから、本信号と変調信号を分離する分波器36及び変調信号から相手装置の光受信レベル信号を復調する復調器37が付加され、復調器37から復調された相手装置の光受信レベル信号37ｂが制御部28に入力されている。また、受光素子26の光スポット46は、受光面と同じ大きさにする必要はない。上記以外の構成は、第1の実施例と同様である。
【００２５】
また、制御回路28内部のフローは、第1の実施例の自装置の光受信レベル信号32aに応じて、方向角を駆動、制御するかわりに、相手装置の光受信レベル信号37bに応じて方向角を駆動、制御するようにした以外は同じである。
【００２６】
ここで、相手装置の光受信レベルが大きい時、自装置の方向角を制御する、つまり光位置検出素子27の光スポット42が検出素子の中心から離れるようにすることは、相手装置へ送信する光ビームの光軸を相手装置の中心からはずすこととなり、図7の光強度分布のピーク値から小さくなる方向に方向角が制御されることとなって、相手装置の光受信レベルを小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第1の実施例
【図２】第1の実施例の制御回路28内部のフロー
【図３】第2の実施例
【図４】受光素子の光受信強度と出力電流関係
【図５】従来の実施例
【図６】光位置検出素子の例
【図７】半導体レーザー素子の光強度分布
【図８】受光素子の光スポット
【図９】相手装置が傾いた時の光強度分布の例
【図１０】自装置が傾いた時の光強度分布の例
【図１１】第1の実施例の光位置検出素子、受光素子の光スポット
【符号の説明】
【００２８】
21  発光素子
22  偏光ビームスプリッタ
23  集光レンズ
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  光受信レベル検出回路
33  パイロット信号発生器
34  変調器
35  合波器
36  分波器
37  復調器
【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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【図１１】
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