(57)【要約】【課題】  光検出装置および光学システムにおいて、コンパクトでありながら広い範囲の入射角度の光束を損失なく検出できるようにする。【解決手段】  入射光束が軸上主光線１５ａに沿った所定光路に入射された場合に中立位置で光束を検出する位置検出センサ１１と、入射光束が所定光路からずれて位置検出センサ１１外に進む光路を軸上主光線１５ａに近づく側に偏向する筒状反射部材１２と、筒状反射部材１２で偏向された光束を受光して光検出する位置検出センサ１３を備える。そして、位置検出センサ１１、１３の検出出力により、入射光束の所定光路からのずれ量を検出する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光束の所定光路からのずれ量を検出する光検出装置であって、
前記ずれ量が相対的に小さいとき、前記入射光束を受光して光検出を行う第１光検出手段と、
前記ずれ量が相対的に大きいとき、前記入射光束のうち、前記第１光検出手段の受光範囲外に入射する光束を偏向する光路偏向手段と、
該光路偏向手段で偏向された光束を受光して光検出を行う第２光検出手段とを備え、
前記第１および第２光検出手段のうち少なくともいずれかにより、前記入射光束の所定光路からのずれ量を検出することを特徴とする光検出装置。
【請求項２】
前記光路偏向手段が、前記所定光路からずれた入射光束を前記所定光路の進行方向側かつ前記所定光路の光軸に近づく方向に光路を偏向することを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
【請求項３】
前記光路偏向手段が、前記所定光路の光軸を通る平面に対して対称に配置された反射面を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の光検出装置。
【請求項４】
前記対称に配置された反射面が、２対の平面反射面からなり、
該２対の平面反射面の各対向方向が互いに直交するよう配置されたことを特徴とする請求項３に記載の光検出装置。
【請求項５】
前記対称に配置された反射面が、前記所定光路の光軸を通る平面に略平行に配置されたことを特徴とする請求項３または４に記載の光検出装置。
【請求項６】
前記第１光検出手段と前記第２光検出手段とが、一体に設けられたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光検出装置。
【請求項７】
前記第１光検出手段および前記第２光検出手段の検出面が、同一平面上に配置されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光検出装置。
【請求項８】
前記第２光検出手段の検出面の中心が、前記所定光路の光軸上に配置されたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光検出装置。
【請求項９】
前記光路偏向手段が、内部に外部と屈折率の異なる光透過性の媒質が満たされ、外部との境界面に内部反射面が形成された光学素子からなることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光検出装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の光検出装置と、
少なくとも該光学検出装置を保持する保持部材と、
該光検出装置により検出されたずれ量に基づいて、前記入射光束が前記所定光路に沿って入射するように前記保持部材の姿勢を制御する姿勢制御手段とを備えることを特徴とする光学システム。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれかに記載の光検出装置と、
該光検出装置の入射側に前記入射光束の光路を偏向する入射光路偏向素子と、
前記光検出装置により検出されたずれ量に基づいて、前記光路を偏向された入射光束が前記所定光路に沿って入射するように前記入射光路偏向素子を制御することを特徴とする光学システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出装置および光学システムに関する。特に、粗追尾と精追尾とが可能な光捕捉追尾を行う種々の光学システム、例えば空間光伝送装置などに好適に用いることができる光検出装置および光学システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光検出装置として、光ビームの一部をビームスプリッタで分岐して、４分割ディテクタ等の光センサで受光し、受光された光スポットの位置により、光ビームの光軸傾きの方向を検出する方法を備えたものが知られている。例えば特許文献１では、受光した信号光を２つのハーフミラーにより分割し、微小な入射角変動に対する精追尾センサと大きな入射角変動に対応する粗追尾センサに導いている。
【０００３】
また、４分割ディテクタ等の光センサを使用しない光検出方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。この特許文献２に記載の光検出方法に用いられている装置は、垂直方向にティルト駆動する垂直駆動ミラーと、水平方向にティルト駆動する水平駆動ミラーと、集光レンズと、受光素子とを備えている。この装置を用いて光軸の傾きを検出し、補正するには、まず、制御電圧による２次元制御により、垂直駆動ミラーと水平駆動ミラーとを駆動させる。これにより、受光素子に集光した光スポットは円の軌跡を描いて受光素子上を動くことになる。このとき、光スポットの受光素子からのはみ出しの程度に応じて、受光素子により検出された検出信号は、周期的に変動する。一方、受光素子から光スポットがはみ出していない場合は、検出信号が一定となる。したがって、検出信号のレベルの変化が生じないように各ミラーの角度を調整することにより、損失することなく光を検出できるようになっている。したがって、受光素子が光軸のずれの検出と光信号の検出とを兼ねるため、光量を落とす素子を必要としないので、受信光による損失がない。
【特許文献１】特開２０００−２９２５４１号公報（第３−５頁、図１）
【特許文献２】特開平５−１２２１５５号公報（第３頁、図１−２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の方法によると、光追尾機能を有する空間光通信に用いられたとき、受信される光の一部が常時光軸の傾き検出に使われてしまうため、受光素子に検出される受信光が弱くなってしまう不都合がある。特に長距離通信の場合、受信される光自体が弱いものである。この光から精追尾、粗追尾センサの光をハーフミラーにて分離すると、各センサに受信される光が常に精追尾、粗追尾のどちらかの光路で光量の損失が生じ、検出時のＳ／Ｎ比が低下するという問題があった。
また特許文献２では、信号検出のための受光素子は、高速応答を求められているので、受光素子の容量を低くする必要があり、一般的に受光エリアが小さい。また、光を損失することなく検出するためには、必ず光スポットの一部が受光エリア内に重なるという前提があるので、光軸のずれの検出範囲が極めて狭くなる。そのため、広い範囲の入射角度を有する場合に対応できないという課題があった。
【０００５】
本発明は上記のような問題に鑑みてなされたものであり、捕捉追尾用の光量を損失することなく、広い範囲の入射角度の光束を検出できる光検出装置および光学システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、入射光束の所定光路からのずれ量を検出する光検出装置であって、前記ずれ量が相対的に小さいとき、前記入射光束を受光して光検出を行う第１光検出手段と、前記ずれ量が相対的に大きいとき、前記入射光束のうち、前記第１光検出手段の受光範囲外に入射する光束を偏向する光路偏向手段と、該光路偏向手段で偏向された光束を受光して光検出を行う第２光検出手段とを備え、前記第１および第２光検出手段のうち少なくともいずれかにより、前記入射光束の所定光路からのずれ量を検出する構成とする。
この発明によれば、入射光束の所定光路からのずれ量が相対的に小さいときは、第１光検出手段により光検出して入射光束のずれ量を検出できる。ずれ量が相対的に大きく第１光検出手段の受光範囲外に入射光束が入射するときは、第２光検出手段により光検出して、入射光束のずれ量を検出できる。したがって、広範囲のずれ量に対応して、異なる光検出手段によりずれ量を検出できる。
そして、第２光検出手段に入射する光束は、光路偏向手段により偏向されているので、光路をおりたたんでコンパクトなものとすることができる。
また、入射光束は、ずれ量の大きさに応じて第１光検出手段または第２光検出手段、あるいはそれらにまたがって入射するから、入射光束の光量がいずれかの光検出手段に入射するので、光量損失することなく光検出することができる。
【０００７】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の光検出装置において、前記光路偏向手段が、前記所定光路からずれた入射光束を前記所定光路の進行方向側かつ前記所定光路の光軸に近づく方向に光路を偏向する構成とする。
この発明によれば、所定光路からずれて第１光検出手段の受光範囲外を進む入射光束を、光路偏向手段により、所定光路の進行方向側かつ所定光路の光軸（以下、単に光軸と略称する場合がある）に近づく方向に偏向するから、第２光検出手段を所定光路の光路上または光路の近傍に配置して光検知することができる。したがって、入射光束の入射角度が大きくなっても、所定光路の延長上またはその近傍の比較的狭い範囲で光検出を行うことができる。
【０００８】
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の光検出装置において、前記光路偏向手段が、前記所定光路の光軸を通る平面に対して対称に配置された反射面を備える構成とする。
この発明によれば、反射面が配置される対称面（所定光路の光軸を通る平面）に対して、入射光束が面対称に反射されるので、第２光検出手段として、一様な光検出感度を有する光学素子を用いることができる。したがって、光検出量と入射光束のずれ量との関係が簡素化され、ずれ量の検出が容易となる。
【０００９】
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の光検出装置において、前記対称に配置された反射面が、２対の平面反射面からなり、該２対の平面反射面の各対向方向が互いに直交するよう配置された構成とする。
この発明によれば、光偏向手段による偏向方向が互いに直交するので第２光検出手段として直交する２軸方向の成分ごとに検出出力が得られる汎用的な光学素子、例えば４分割受光器、位置検出受光器などを用いた簡素な構成とすることができる。
【００１０】
請求項５に記載の発明では、請求項３または４に記載の光検出装置において、前記対称に配置された反射面が、前記所定光路の光軸を通る平面に略平行に配置された構成とする。
この発明によれば、反射面を所定光路の光軸を通る平面に略平行に配置するので、反射面の配置が容易となる。そのため、光路偏向手段を安価かつ高精度に製作することができる。
【００１１】
請求項６に記載の発明では、請求項１〜５のいずれかに記載の光検出装置において、前記第１光検出手段と前記第２光検出手段とが、一体に設けられた構成とする。
この発明によれば、第１および第２光検出手段が一体に設けられるので、配置・組立が容易となり、安価に装置を製作することができる。
【００１２】
請求項７に記載の発明では、請求項１〜６のいずれかに記載の光検出装置において、前記第１光検出手段および前記第２光検出手段の検出面が、同一平面上に配置された構成とする。
この発明によれば、第１および第２光検出手段の検出面が同一平面上に配置されるので、配置・組立が容易となり、安価な装置を製作できる。また、光軸方向にコンパクトな構成とすることができる。
【００１３】
請求項８に記載の発明では、請求項１〜７のいずれかに記載の光検出装置において、前記第２光検出手段の検出面の中心が、前記所定光路の光軸上に配置された構成とする。
この発明によれば、第２光検出手段の検出面の中心が光軸上に配置されるので、第２光検出手段として受光面中心に対して検出感度が対称な検出手段を採用することにより、ずれ量を容易に検出することができる。
【００１４】
請求項９に記載の発明では、請求項１〜８のいずれかに記載の光検出装置において、前記光路偏向手段が、内部に外部と屈折率の異なる光透過性の媒質が満たされ、外部との境界面に内部反射面が形成された光学素子からなる構成とする。
この発明によれば、光路偏向手段が外部との境界面に内部反射面が形成された光学素子からなるから、部品点数を低減でき、反射面の位置精度を高精度に保ちつつ容易に組み立てることができる。特に媒質の屈折率が１より大きい場合は、空気中などで用いる際、内部反射面を全反射面として構成することができるので反射膜コーティングを省略した安価な構成とすることができて好都合である。
【００１５】
請求項１０に記載の発明では、光学システムにおいて、請求項１〜９のいずれかに記載の光検出装置と、少なくとも該光学検出装置を保持する保持部材と、該光検出装置により検出されたずれ量に基づいて、前記入射光束が前記所定光路に沿って入射するように前記保持部材の姿勢を制御する姿勢制御手段とを備える構成とする。
この発明によれば、請求項１〜９のいずれかに記載の光検出装置により、入射光束の光軸に対するずれ量を検出し、その結果に基づいて、入射光束が光軸に沿って入射するように保持部材の姿勢を制御することができる。したがって、入射光束の入射角度変化を追尾することができる。すなわち、保持部材上に入射光束を入射させるための他の光学系を配置すれば、入射光束に対して、その光学系の相対的な姿勢を一定に保つよう制御することができる。その結果、光捕捉追尾可能な光学システムとすることができる。例えば、粗追尾・精追尾を行うことが可能な空間光伝送システムなどに好適な光学システムを構築することができる。そして、請求項１〜９のいずれかに記載の発明と同様の作用効果を備えることができる。
【００１６】
請求項１１に記載の発明では、光学システムにおいて、請求項１〜９のいずれかに記載の光検出装置と、該光検出装置の入射側に前記入射光束の光路を偏向する入射光路偏向素子と、前記光検出装置により検出されたずれ量に基づいて、前記光路を偏向された入射光束が前記所定光路に沿って入射するように前記入射光路偏向素子を制御する構成とする。
この発明によれば、請求項１〜９のいずれかに記載の光検出装置により検出された入射光束のずれ量に基づいて入射光路偏向素子を制御することにより、入射光束の入射角度変化を追尾し、入射光束を光捕捉することができる。そして、入射光路偏向素子の偏向角を検出することにより、入射光束の入射角度を検出することができる。またそのような入射角度の検出情報に基づいて、光学システム全体を姿勢制御することが可能となる。例えば、粗追尾・精追尾を行うことが可能な空間光伝送システムなどに好適な光学システムを構築することができる。そして、請求項１〜９のいずれかに記載の発明と同様の作用効果を備えることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の光検出装置およびそれを用いた光学システムによれば、第２光検出手段により広い範囲の入射角度の入射光束に対して光検出を行うことができるとともに、そのような入射光束を光路偏向手段により比較的狭い面積の範囲に偏向するのでコンパクトな光検出装置とすることができるという効果を奏する。また、その際、第１および第２光検出手段に入射する光束の光量損失をなくすことができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。なおすべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る光検出装置について説明する。
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る光検出装置の概略構成および動作について説明するための概略光路図である。図１（ｂ）は、その変形例の構成を説明するための概略光路図である。なお、いずれも後述するＹ−Ｚ平面における断面図である。
本実施形態の入射角度検出装置１０（光検出装置）の概略構成は、図１（ａ）に示したように、アパーチャ１６、位置検出センサ１１（第１光検出手段）、筒状反射部材１２（光偏向手段）、および位置検出センサ１３（第２光検出手段）からなる。
【００１９】
アパーチャ１６は、例えば直径Ｄの円形などの開口を備え図示左側から入射する光束を略円形に整形する光規制部材である。符号１５ａは、アパーチャ１６の開口の中心を通りアパーチャ１６に垂直に進む軸上主光線を示す。
【００２０】
位置検出センサ１１は、そのセンサ面１１ａ上に照射された光束の中心位置を検出する可能とする光学素子である。例えば、４分割受光器（４分割ＰＤ）、位置検出受光器（ＰＳＤ）や、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどの撮像素子が採用できる。以下では、位置ずれ量を高精度に検出できるように、一辺が長さｈ１の正方形の検出領域を有する４分割ＰＤを用いた例で説明する。
位置検出センサ１１の配置位置は、センサ面１１ａがアパーチャ１６から距離Ｌ１の位置で、センサ面１１ａの中心が軸上主光線１５ａ上に来るように設定される。すなわち、軸上主光線１５ａに沿って進む光束１４ａがセンサ面１１ａの中立位置で受光できるように配置される。そのため、位置検出センサ１１は、軸上主光線１５ａに沿って進む光路（所定光路）からのずれ量を検出できるものである。
位置検出センサ１１の一辺ｈ１は、図１（ａ）に示したように、光束１４ａの光束径Ｄよりも大きく、入射半画角がθ１以上の光束が受光範囲外となるように設定する。すなわち、
ｈ１＝２・Ｌ１・ｔａｎθ１−Ｄ                          （１）
とする。
【００２１】
筒状反射部材１２は、距離Ｈだけ離れて平行に対向しあう平面の反射面１２Ａ、１２Ｂと、同じく反射面１２Ｃ、１２Ｄ（不図示）とが内周面に形成された正方形断面の筒状部材である。例えば、ガラス、金属、合成樹脂などのブロック材に角穴を形成し、その内周面に反射膜コーティングを施したものや、４枚の表面反射鏡を筒状に貼り合わせたものなどが採用できる。また、筒状反射部材１２の内周側に適宜の屈折率の媒質を満たして反射面１２Ａなどで全反射が起こるように構成してもよい。その場合には、反射膜コーティングを省略できるという利点がある。
このように、本実施形態では、対向する反射面１２Ａ、１２Ｂ間を２等分する対称面と、対向する反射面１２Ｃ、１２Ｄ間を２等分する対称面とは互いに直交している。
そしてその交線が軸上主光線１５ａに重なるように配置される。すなわち、アパーチャ１６の中心Ｏを原点とするＸＹＺ直角座標系において、Ｚ軸を軸上主光線１５ａに一致させ、反射面１２Ａ、１２Ｂの対称面をＸ−Ｚ平面とすると、Ｙ−Ｚ平面が反射面１２Ｃ、１２Ｄの対称面になっている。
そして、Ｘ、Ｙ軸は位置検出センサ１１の検出方向の２軸に一致させておく。
なお、筒状反射部材１２の軸方向の位置は、図示のように位置検出センサ１１の後段（図示右側）に配置してもよいが、後段の光路の妨げとならない場合には、位置検出センサ１１を筒状反射部材１２の内部側に含むように配置してもよい。
【００２２】
位置検出センサ１３は、そのセンサ面１３ａ上に照射された光束の中心位置を検出可能とする光学素子である。位置検出センサ１１と同様に、例えば、４分割受光器（４分割ＰＤ）、位置検出受光器（ＰＳＤ）や、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどの撮像素子が採用できる。以下では、一辺の長さがｈ２の正方形の検出領域を有する４分割ＰＤを用いた例で説明する（ただし、ｈ２≦Ｈ）。
位置検出センサ１３の配置位置は、筒状反射部材１２の後段であって、センサ面１３ａがアパーチャ１６から距離Ｌ２（ただし、Ｌ１＜Ｌ２）の位置となり、センサ面１３ａの中心が軸上主光線１５ａ上に来るように設定される。
【００２３】
なお、図示しないが、本実施形態では、位置検出センサ１１、１３を動作させるために、適宜の電源や、センサ出力を波形処理したり演算処理したりして光束の中心位置を検出して光束の入射角度に換算する入射角度検出手段などは当然に備えるものである。入射角度検出手段は、例えば後述する演算処理がプログラムされたマイコンなどにより構成することができる。
【００２４】
次に入射角度検出装置１０の動作について、光路ごとに説明する。
図２（１ａ）、（１ｂ）は、本実施形態の位置検出センサ１１、１３の動作を説明するための模式図である。図２（２ａ）、（２ｂ）は、それぞれに対応するセンサ出力の一例を模式的に示したグラフである。各グラフにおいて、横軸は入射角度で、縦軸は４分割センサの各センサ面の出力の演算値であり、各センサ面の出力を図２（１ａ）、（１ｂ）のようにａ、ｂ、ｃ、ｄと表すとき、Ｙ軸方向の位置（ずれ量）を算出する演算値｛（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ）｝を示す。入射角度の符号は、図１の座標系において、Ｘ軸、Ｙ軸の正方向に対して反時計回りを正とする。
【００２５】
図１（ａ）に示したように、入射光束の入射角度が比較的小さい場合は、例えば、光束１４ａのように、光束の全部がセンサ面１１ａに到達し、位置検出センサ１１に受光される（以下、この場合の光路を中心部光路と称する）。
一方、入射角度が比較的大きくなり、例えば角度θ１に近づくと、光束の一部がセンサ面１１ａ外を通り、筒状反射部材１２側に進む（以下、境界部光路と称する）。そして、光束１４ｂのように、入射角度が角度θ１以上になると、光束の全部がセンサ面１１ａの検出領域外を通り、筒状反射部材１２に入射する（以下、周辺部光路と称する）。
例えば、光束１４ｂの主光線１５ｂは、点Ｑにおいて入射角（９０°−θ１）で反射面１２Ａに入射し光束１４ｃとして反射される。そして、センサ面１３ａに到達し、位置検出センサ１３により受光される。
【００２６】
反射面１２Ａは、軸上主光線１５ａと平行なので、出射角が（９０°−θ１）となり、光束１４ｃは、軸上主光線１５ａに接近しつつＺ軸正方向側に進む。すなわち、図１（ａ）に示したように、主光線１５ｃは、反射面１２Ａがなければ、線分ＱＲとなるところ、線分ＱＳのように折り返される。その結果、入射光束の入射角度が大きくなるにつれ、センサ面１３ａ上の光束中心が点Ｔに近づくように構成することができる。したがって、センサ面１３ａの大きさは、筒状反射部材１２の内周の断面積を越えることがないので検出可能な入射角度の範囲に比べて小さな位置検出センサ１３で検出することができるという利点がある。
【００２７】
中心部光路および境界部光路を通る光束の入射角度検出は、位置検出センサ１１により行うことができる。例えば、図２（１ａ）に示したように、Ｘ軸回りに入射角度が０°から（−θ１）に変化して、光束１４ａから光束１４ｂに傾斜した場合、センサ出力の演算値は、図２（２ａ）に示したように、曲線Ｏｉｊのように変化する。
曲線Ｏｉは、中心部光路での変化を示す。この光路では、光束の全部がセンサ面ａ、ｂ、ｃ、ｄで受光される。この場合、入射角度の変化と演算値とが略比例するので、入射角度が微小変化しても高精度かつ容易に検出することができる。
曲線ｉｊは、境界部光路での変化を示す。この光路では、光束の一部がセンサ面１１ａの外部を通過するのでセンサ出力の絶対値が減衰する結果、演算値が０に向かう。そして、入射角度が（−θ１）以下では、センサ出力が０となる。
【００２８】
境界部光路および周辺部光路を通る光束の入射角度検出は、位置検出センサ１３により行うことができる。例えば、図２（１ｂ）に示したように、Ｘ軸回りに入射角度が（−θ１）以下となるように光束１４ｂが傾斜した場合、センサ出力の演算値は、図２（２ｂ）に示したように、曲線ｋｍｎのように変化する。曲線Ｏｋは、中心部光路を通る光束が位置検出センサ１１に遮られて位置検出センサ１３に到達しないためにセンサ出力が０となる様子を示す。
曲線ｋｍは、境界部光路での変化を示す。この光路では、光束の一部がセンサ面１１ａの外部を通過して位置検出センサ１３のセンサ面ｃ、ｄ上に入射するので演算値が負方向に増大する。そして、入射角度が（−θ１）では、光束１４ｂのように光束の全部がセンサ面ｃ、ｄ上に受光されるので演算値が最小となる。さらに入射角度が負方向に増大すると、光束がセンサ面ａ、ｂでも受光され、演算値が０に向かって増大する。点ｎは、光束が位置検出センサ１３の中立位置に入射したことを示す。
なお、入射角度がＸ軸回りの正方向に変化する場合、およびＹ軸回りの変化を伴う場合は、上記の説明から容易に理解されるので説明を省略する。例えば、Ｙ軸回りの角度を検出するための演算値は｛（ａ＋ｄ）−（ｂ＋ｃ）｝を用いればよい。
【００２９】
入射光束の入射角度は、図２（２ａ）、（２ｂ）のグラフより一意的に決定することができる。位置検出センサ１１、１３の換算値出力に対して、それぞれ２つの入射角度が対応するが、中心部光路および周辺部光路では一方の換算値出力が０であり、境界部光路では位置検出センサ１１、１３の換算値出力がいずれも０ではないことを用いて、入射角度を一つに決定できる。
すなわち、周辺部光路（中心部光路）を検出する位置検出センサ１３（１１）の換算値出力が０である場合、中心部光路（周辺部光路）を検出する位置検出センサ１１（１３）の換算値出力に対応する入射角度の絶対値が小さい（大きい）角度が入射光束の入射角度となる。
【００３０】
これに対して、位置検出センサ１１、１３の換算値出力がいずれも０でない場合、位置検出センサ１１（１３）の換算値出力に対応する入射角度の絶対値が大きい（小さい）角度が入射光束の入射角度となる。この場合、それぞれから算出される入射角度が同一となることは言うまでもない。
ただし、この場合、それぞれのセンサ面に入射する光量によって、検出精度は異なる。そこで、入射光束が位置検出センサ１１、１３に半分ずつ入射する角度をθＢとして、位置検出センサ１１からは｜θ｜≦｜θＢ｜の範囲の入射角度θを、位置検出センサ１３からは｜θ｜＞｜θＢ｜の範囲の入射角度θを出力するようにしておけば、境界部光路の入射角度を受光量の多い方のセンサにより決定できるのでより高精度となるという利点がある。また、位置検出センサ１１、１３のいずれか一方により入射角度を検出できるので検出出力の処理が容易となるという利点がある。
【００３１】
このように本実施形態では、位置検出センサ１１、１３をそれぞれ用いて比較的小さい角度から比較的大きい角度まで入射角度を連続的に検出することができる。
ただし、入射角度検出の目的によっては、境界部光路での厳密な入射角度検出を必要としない場合もある。例えば、光捕捉追尾制御において、位置検出センサ１３は目標光路からの大きくずれた場合に入射光束を位置検出センサ１１内に入射させるための角度制御量を検出し（粗追尾）、位置検出センサ１１が目標光路への精追尾を行う、といった用途である。この場合には、位置検出センサ１３として検出精度の粗いセンサを採用することができる。
【００３２】
また、より高精度のずれ量を検出するためには、位置検出センサ１３に代えて、より分割数を増やしたセンサを用いることができる。例えば、図２（１ｃ）に示したような１６分割ＰＤからなる位置検出センサ１８など、センサ面の分割数の大きい光学素子を採用することができる。
位置検出センサ１８は、光束が少なくとも４つのセンサ面で同時に受光されるようにする。例えば、図示の光束１４ｂは、センサ面Ａｂ、Ａｃ、Ｂｂ、Ｂｃの４面により受光される。このとき、Ｘ軸方向の４つのセンサ面Ａａ、Ａｂ、Ａｃ、ＡｄをＡ部、同じくセンサ面Ｂａ、Ｂｂ、Ｂｃ、ＢｄをＢ部としてセンサ出力を合計して、出力Ａ、Ｂと表記すると、光束１４ｂがＹ軸方向に移動する際の入射角度と演算値（Ａ−Ｂ）との関係は図２（２ｃ）のようなグラフとなる。
すなわち、光束１４ｂの光束中心がＡ部、Ｂ部内にある限り、演算値は入射角度に対して略直線的な変化を示す（曲線ｑｓ参照）。したがって、このような複数のセンサ面の出力をエリア単位で加減して演算値を切り換えることにより、入射角度を、位置検出センサ１３に比べてより高精度に検出することが可能となる。
【００３３】
次に本実施形態の第１変形例について説明する。
図１（ｂ）は、本発明の実施形態に係る光検出装置の第１変形例について説明するための概略光路図である。
本実施形態の入射角度検出装置１７は、入射角度検出装置１０において位置検出センサ１１に入射する光路中に反射光学素子２９を設け、位置検出センサ１１を軸上主光線１５ａの軸外に配置した点が異なる。
反射光学素子２９は、例えば平面ミラーなどからなり、軸上主光線１５ａを適宜の位置Ｕで適宜角度で折り曲げるものである。そして、反射後の軸上主光線１５ｄ上に沿って光束１４ｄが進むようにする。そして、センサ面１１ａの中立位置が軸上主光線１５ｄ上に位置するように位置検出センサ１１を配置する。
【００３４】
このような構成により、軸上主光線１５ａ方向の寸法を広げることなく位置検出センサ１１までの光路長を調整できるのでコンパクトな装置とすることができる。また位置検出センサ１１を適宜の位置に配置できるので装置のレイアウトが容易となる利点がある。
また、このようにすれば、位置検出センサ１１が、センサ面１１ａの外周に非検知領域を有していても、非検知領域により位置検出センサ１３へ向かう光束がけられることがないから、光量損失がなく、高精度の入射角度検出を行うことができる利点がある。
また例えば、反射光学素子２９を光束のけられが少ない形状に形成することにより、位置検出センサ１３へ入射する入射角度θ２をより浅くすることができる（図１（ｂ）参照）。
また、反射光学素子２９はパワーを有する反射素子として、光束１４ｄを収斂光としたり拡散光としたりして、位置検出センサ１１上のスポット径を変えたり、光路長を変えたりしてもよい。
【００３５】
次に本実施形態の第２変形例について説明する。
図３は、本発明の実施形態に係る光検出装置の第２変形例について説明するための概略斜視図である。
本実施形態の入射角度検出装置１９は、入射角度検出装置１０の筒状反射部材１２に代えて透明光学ブロック２０（光路偏向手段）を、位置検出センサ１１、１３に代えて位置検出センサ２３を設け、透明光学ブロック２０と位置検出センサ２３との間に、集光レンズ２１を設けた点が異なる。
以下、異なる点を中心に簡単に説明する。
【００３６】
透明光学ブロック２０は、例えばガラス、合成樹脂などの屈折率１以上の媒質で構成され、両端面から光束が入出射可能とされた正四角柱状部材である。正四角柱の側面２０Ａおよび２０Ｂ、側面２０Ｃおよび２０Ｄは、それぞれ、筒状反射部材１２の反射面１２Ａおよび１２Ｂ、反射面１２Ｃおよび１２Ｄに対応し、部材内部を透過する光束を全反射可能な互いに対向する内部反射面を構成する。
そして、正四角柱の対称軸が軸上主光線１５ａに沿って配置される。
なお、透明光学ブロック２０の入射側には、透明光学ブロック２０によりけられるような大きな入射角度を有する光束が入射角度検出のノイズとなるのを防止する遮光用アパーチャ２０ａが設けられる。ただし透明光学ブロック２０の入射端面は、入射角度検出が必要な角度範囲の入射光束がけられることなく入射できる大きさを備える。
【００３７】
集光レンズ２１は、透明光学ブロック２０から出射される光束が、位置検出センサ２３上で適宜のスポット径とするための集光光学素子である。集光光学素子としては、どのようなものでもよいが、例えば、球面レンズ、フレネルレンズなどを採用することができる。
遮光用アパーチャ２２は、集光レンズ２１から出射されるフレア光などを遮光するものである。
【００３８】
位置検出センサ２３は、中心部位置検出センサ２４（第１光検出手段）と周辺部位置検出センサ２５（第２光検出手段）とをそれぞれの受光面を同一平面に配置して一体化したものである。
中心部位置検出センサ２４は、センサ面２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄを備える４分割ＰＤからなり、その中立位置が軸上主光線１５ａ上に配置される。
周辺部位置検出センサ２５は、中心部位置検出センサ２４の外周の四辺を取り囲むように配置されたセンサ面２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ、２５Ｅ、２５Ｆ、２５Ｇ、２５Ｈを備える。これらセンサ面は、それぞれが受光する光束の中心位置を検出可能とするもので、必要に応じて隣接するセンサ面の検出出力との間で演算を行うことにより、各センサ面にまたがった光束の中心位置を検出できるようにしている。したがって、個々のセンサ面は、４分割ＰＤ、ＰＳＤ、ＣＣＤなどの適宜の光学素子を採用することができる。
そして、透明光学ブロック２０、集光レンズ２１および位置検出センサ２３は、透明光学ブロック２０で内部反射されない光束が中心部位置検出センサ２４で受光され、透明光学ブロック２０で内部反射された光束が周辺部位置検出センサ２５で受光されるような位置関係に配置される。
【００３９】
また、位置検出センサ１１の代わりに光通信用のファイバー端面やＰＤなどの受光面としてもよい。この場合、受光面の大きさを入射光束と略同径とする。ただし第１の実施形態の変形例の場合は、反射光学素子２９の大きさを入射光束と略同径とする。
このようにすれば、入射光束の入射角が変わることにより、位置検出センサ１３に受光面を外れた光束が入射し、位置検出される。これにより通信光の光量損失なしに光捕捉追尾することができる光検出装置とすることができる。
【００４０】
このような構成によれば、軸上主光線１５ａからのずれ量が比較的小さい透明光学ブロック２０を透過する光束２６は、集光レンズ２１により中心部位置検出センサ２４上に集光され、精度よく位置検出される。その結果、光束２６の入射角度が検出される。
一方、軸上主光線１５ａからのずれ量が比較的大きい光束２７は、透明光学ブロック２０で内部反射面により偏向されてから集光レンズ２１を透過し、周辺部位置検出センサ２５上に集光され、周辺部位置検出センサ２５により位置検出されて入射角度が検出される。
したがって、比較的広範囲の入射角度を有する入射光束の入射角度を検出できる。その際、透明光学ブロック２０によりずれ量の大きな光束を折り畳んでいるので、広範囲な入射角度検出範囲を備えながら比較的狭いスペースに配置することができる。そして集光レンズ２１の有効径を小さくすることができる。その結果、コンパクトな光検出装置を構成することができるという利点がある。
また、中心部位置検出センサ２４および周辺部位置検出センサ２５が一体化されているので、高精度かつ容易に配置することができ、組立性のよい安価な装置を構成することができるという利点がある。
【００４１】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る光学システムについて説明する。
図４は、本発明の第２の実施形態に係る光学システムの概略構成について説明するための概略構成図である。
本実施形態に係る送受光システム３０は、本発明の第１の実施形態に係る入射角度検出装置１０を備えることにより光捕捉追尾制御を可能とした光学システムである。
送受光システム３０の概略構成は、ジンバルステージ４４（姿勢制御手段）に保持された筐体３２（保持部材）内に、送受光光学系３３、可動ミラー３４（入射光路偏向素子）、送光部３８、ビームスプリッタ３５、３６、通信光検出器３７、および入射角度検出装置１０が設けられてなる。
【００４２】
送受光光学系３３は、横倍率βを有する実質的なアフォーカル光学系からなる。そして、筐体３２に設けられたアパーチャ３１から入射する略平行光束である入射光束５１を適宜結像するなどして光束径の異なる略平行光束として出射するとともに、略平行光束を逆向きに入射させることにより、アパーチャ３１から所定径の略平行光束として出射できるようになっている。ここで符号５０は、送受光システム３０の光学系の軸上主光線を示す。
入射光束５１は、通信情報により強度などが変調されている。そして光電変換を行う通信光検出器３７によって受光されると、通信情報が取り出され、電気信号に変換されるようになっている。
可動ミラー３４は、可動ミラー制御手段３４ａにより２軸の回動を制御することにより、入射光束５１の微小な入射角度変化に応じて入射光束５１を偏向し、通信光検出器３７への入射位置を略一定に制御するための機構である。例えば、ガルバノミラー、光ＭＥＭＳなどの光偏向素子が採用できる。
【００４３】
ビームスプリッタ３５、３６は、可動ミラー３４で偏向された光路上に配置され、光路を分岐するための分岐光学素子である。例えば、ハーフミラー面、偏光方向により光分岐する偏光面、波長差により光分岐する波長選択面などを備えることにより光路分岐可能なプリズムや平行平面板などを採用することができる。
送光部３８は、ビームスプリッタ３５の分岐光路側に設けられたレーザ光源３８ａ、コリメートレンズ３８ｂなどからなる。そして、レーザ光源３８ａから所定の情報信号に基づいて変調された発散光が放射され、コリメートレンズ３８ｂにより平行光とされて、ビームスプリッタ３５で反射された後の軸上主光線５０上に入射させることができるようになっている。
【００４４】
ビームスプリッタ３６は、ビームスプリッタ３５を透過した入射光束５１を通信光検出器３７に入射する光路と入射角度検出装置１０に向かう光路に分岐するものである。
入射角度検出装置１０については説明を省略する。位置検出センサ１１、１３からの各センサ出力は入射角度検出手段４１に入力され、入射角度に換算されるようになっている。
【００４５】
ジンバルステージ４４は、筐体３２を２軸方向に姿勢制御可能に保持する移動機構であり、ティルト駆動部４４ａおよび水平回転駆動部４４ｂが支持台４４ｃ上に保持され、ティルト駆動部４４ａと水平回転駆動部４４ｂとの移動量を制御するための駆動制御手段４４ｄを備えてなる。
水平回転駆動部４４ｂとティルト駆動部４４ａは、それぞれ鉛直軸回りの回転と水平軸回りの所定角の回転とが可能とされ、それぞれの回転角制御可能な制御モータ（不図示）などによる機構により、駆動可能とされる。
駆動制御手段４４ｄは、制御装置４１が生成した制御信号に基づき、ティルト駆動部４４ａ、水平回転駆動部４４ｂの回転駆動量を算出して、所定の回転駆動を行うための手段である。
【００４６】
送受光システム３０の動作について簡単に説明する。
入射光束５１が軸上主光線５０上を進んで入射する場合、可動ミラー３４は中立位置に制御され、送受光光学系３３を出射された光束は可動ミラー３４により軸上主光線５０に沿って偏向され、ビームスプリッタ３５、３６を透過して通信光検出器３７に最適の状態で入射する。そして、ビームスプリッタ３６で分岐された入射光束５１は位置検出センサ１１の中心に入射される。
また、この状態で、送光部３８からビームスプリッタ３５に入射された光束は、可動ミラー３４で反射され、送受光光学系３３を入射光束５１と逆方向に進んで、アパーチャ３１より外部に出射される。したがって、離れた位置にある他の送光システムと安定した状態で通信を行うことができる。
【００４７】
入射光束５１が軸上主光線５０に対して入射角度θだけずれた場合、通信光検出器３７上では（β・θ）の偏差が生じるが、入射角度検出装置１０により入射角度θが検出される。入射角検出手段４１では、入射角度θの大きさ、または入射光束５１が位置検出センサ１１、１３のどちらに入射されたのかを判断する。
入射角度θの絶対値が所定値より大きい場合、または入射光束５１が位置検出センサ１３で検知された場合、入射角検出手段４１は、駆動制御手段４４ｄに２軸の移動量を制御する駆動制御信号１００を出力する。それにより、ジンバルステージ４４を駆動して筐体３２の姿勢を制御することにより入射光束５１のずれ量を低減させる。すなわち粗追尾動作を行う。
一方、入射角度θの絶対値が所定値より小さい場合、または入射光束５１が位置検出センサ１１で検知された場合、入射角検出手段４１は、可動ミラー制御手段３４ａに可動ミラー３４の２軸の姿勢制御信号１０１を出力する。それにより、可動ミラー３４を回動して、可動ミラー３４後の光路を偏向する。すなわち筐体３２の姿勢を変えることなく、可動ミラー３４で偏向後の入射光束５１が軸上主光線５０上を進むように精追尾動作を行う。そして精追尾のフィードバックが繰り返されることにより入射光束５１はリアルタイムで通信光検出器３７により安定して受光される。
なお外乱などにより、入射角度θが大きくなるなどした場合は、可動ミラー３４が中立位置に制御されるとともに、上記粗追尾動作が開始される。
【００４８】
このように、本実施形態の送受光システム３０によれば、入射光束５１の入射角度のずれ量に応じて粗追尾と精追尾とを選択的に行うので、通信光検出器３７の受光状態を安定させることができる。その結果、高精度な空間光通信を行うことができるものである。
その際、本発明の第１の実施形態に係る光検出装置を用いるので第１の実施形態に係る光検出装置と同様の作用効果を備えた光学システムとすることができる。
すなわち、ビームスプリッタ３６で分岐した光束により、精追尾と粗追尾とを行うので、精追尾用、粗追尾用にそれぞれ入射角度検出装置を備えて、通信光検出器３７に向かう光束を分岐する従来の光学システムに比べて、光量損失の少ない光学システムとすることができ、高精度かつコンパクトな光学システムとすることができる。
【００４９】
なお、上記第１の実施形態の説明では、光偏向手段の反射面が平行かつ軸上主光線を通る平面に対して対称な場合を例にして説明したが、必要なら非平行に対向させてもよいし、非対称に対向させてもよい。例えば、入射光束の入射角度の変化範囲に偏りがある場合は、光検出手段の検出感度に偏りがある場合には、その方が高精度の光検出を行うことができる場合がある。
また上記第１の実施形態の説明では、中心部光路において、４分割センサの検出出力がずれ量に対して直線的に変化する場合で説明したが、単調な曲線であれば入射角度検出および制御に支障はないので、直線に限るものではない。
【００５０】
また、上記第２の実施形態の説明では、光学システムとして光捕捉追尾機能を備えた空間光通信システムを例にして説明したが、これは一例であって、この用途に限定される物ではない。例えば、光捕捉追尾機能を備えた望遠鏡などの他の光学システムでもよい。また、本発明の第１の実施形態に係る光検出装置は、光検出手段上の受光位置を比較的小さい角度から比較的大きい角度まで連続的に検出できるから、例えば角度計測システムなどであってもよい。
【００５１】
また、上記の第２の実施形態の説明では、入射光路偏向素子３４を制御することにより精追尾を行う光学システムとして説明したが、例えば入射光路偏向素子３４を省略し、姿勢制御手段を粗追尾用、精追尾用に分けて設け、精追尾動作は精追尾用姿勢制御手段によって行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光検出装置の一例とその変形例の概略構成および動作について説明するための概略光路図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る第１および第２光検出手段の一例およびその変形例の構成および動作を説明するための模式図およびグラフである。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る光検出装置の第２変形例について説明するための概略斜視図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る光学システムの概略構成について説明するための概略構成図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０、１７、１９  入射角度検出装置（光検出装置）
１１  位置検出センサ（第１光検出手段）
１２  筒状反射部材（光偏向手段）
１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ  反射面
１３、１８  位置検出センサ（第２光検出手段）
１４ａ  光束（入射光束）
１５ａ、１５ｄ、５０  軸上主光線
２０  透明光学ブロック（光偏向手段）
２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ  側面（内部反射面）
２１  集光レンズ
２３  位置検出センサ
２４  中心部位置検出センサ（第１光検出手段）
２５  周辺部位置検出センサ（第２光検出手段）
２９  反射光学素子
３０  送受光システム（光学システム）
３２  筐体（保持部材）
３３  送受光光学系
３４  可動ミラー（入射光路偏向素子）
３５、３６  ビームスプリッタ
３７  通信光検出器
３８  送光部
４４  ジンバルステージ（姿勢制御手段）
【図１】
2005172704.tif 000003
【図２】
2005172704.tif 000004
【図３】
2005172704.tif 000005
【図４】
2005172704.tif 000006