(57)【要約】【課題】  ビーム径を拡大することなく光軸補正が可能で、秘匿性に優れ、複数同時通信時の干渉も少なく、小型軽量化が図れるようにする。【解決手段】  光受信装置２１への到達光がミラー２１１，２１３で反射されてビームスプリッタ２１５，２１６を貫通するようにモータ２１２，２１４の回転角が調整されているとき、ＰＤ２１７の鏡像をＰＤ′（＝ＰＳＤ１）、ＰＳＤ２１９の鏡像をＰＳＤ２′とするとき、ＰＳＤ１とＰＳＤ２′が重ならないように配置し、ミラー２１３からの反射光とＰＤ２１７の受光像の光軸を一致させ、ＰＳＤ２１８，２１９上のレーザスポット座標を基準点として、光送受信装置１１，２１の相対位置が変化して光軸が外れたとき、ＰＳＤ２１８，２１９上のレーザスポットが基準点に戻るようにモータ１１３，１１５，２１２，２１４の回転角を計算し調整する。これにより、常に光軸を一致させることが可能となる。【選択図】      図１
2005323311.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光送信装置から送出されるレーザ光を、空間を伝播させて光受信装置で受光することにより光通信を行う光空間通信システムにおいて、
前記光送信装置は、前記レーザ光を生成する送信用レーザ装置と、前記送信用レーザ装置から出射されるレーザ光を第１及び第２のモータそれぞれの回転軸に装着された第１及び第２のミラーで順次反射して前記空間に向けて送出し、前記第１及び第２のミラーの反射角度をそれぞれ前記第１及び第２のモータで調整して前記レーザ光出射光軸のパン・チルト角を制御する出射光軸制御手段とを備え、
前記光受信装置は、前記空間を伝播して到達するレーザ光を第３及び第４のモータそれぞれの回転軸に装着された第３及び第４のミラーで順次反射し、前記第３及び第４のミラーの反射角度をそれぞれ前記第３及び第４のモータで調整して前記レーザ光入射光軸のパン・チルト角を制御する入射光軸制御手段と、前記入射光軸制御手段で光軸調整されるレーザ光の光軸上に直列に配置されそれぞれ入射光を２方向に分光する第１及び第２のビームスプリッタと、前記第１のビームスプリッタで光軸から分岐されるレーザ光を受光する受信用光検出器と、前記第２のビームスプリッタで２分岐されるレーザ光がそれぞれ入射され、受光面の入射光ビームスポットの照射位置から基準軸に対するずれ方向及びその大きさを検知する第１及び第２の照射位置検知器とを備え、
前記出射光軸及び入射光軸制御手段は、前記第１及び第２の照射位置検知器の検知結果から前記レーザ光光軸のずれ量及び方向を検出し、この検出結果に基づいて前記第１及び第４のモータを回転駆動して前記ずれを補正することを特徴とする光空間通信システム。
【請求項２】
前記出射光軸及び入射光軸制御手段は、前記送信及び受信側合わせて前記第１乃至第４のモータの微小回転と前記第１及び第２の照射位置検知器の受光面上におけるレーザスポット座標の微小変化との関係を記述するヤコビ行列を求めておき、このヤコビ行列の逆行列を前記第１及び第２の照射位置検知器で得られるレーザスポットの基準位置からの変位を表す誤差ベクトルに乗じて前記第１乃至第４のモータの速度指令ベクトルとするフィードバックループを有することを特徴とする請求項１記載の光空間通信システム。
【請求項３】
前記光送信装置が前記出射光軸制御手段を複数個備え、互いに別の送信用レーザ装置のレーザ光または共通の送信用レーザ装置の分岐光を前記複数の出射光軸制御手段で互いに別の方向へ照射し、相対位置固定の複数の光受信装置で受信したとき、前記出射光軸及び入射光軸制御手段は、光送受信装置における反射鏡の回転角と前記第１及び第２の照射位置検知器の受光面上のレーザスポット座標から光受信装置と光送信装置間の相対位置姿勢をオンラインで推定することを特徴とする請求項１記載の光空間通信システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか記載の光空間通信システムに用いられ、前記出射光軸及び入射光軸制御手段からの指示に従って前記第１及び第２のモータを駆動制御することを特徴とする光送信装置。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか記載の光空間通信システムに用いられ、前記出射光軸及び入射光軸制御手段からの指示に従って前記第３及び第４のモータを駆動制御することを特徴とする光受信装置。
【請求項６】
光送信装置から送出されるレーザ光を、空間を伝播させて光受信装置で受光することにより光通信を行う光空間通信システムに用いられ、
前記光送信装置が、前記レーザ光を生成する送信用レーザ装置と、前記送信用レーザ装置から出射されるレーザ光を第１及び第２のモータそれぞれの回転軸に装着された第１及び第２のミラーで順次反射して前記空間に向けて送出し、前記第１及び第２のミラーの反射角度をそれぞれ前記第１及び第２のモータで調整して前記レーザ光出射光軸のパン・チルト角を制御する出射光軸制御手段とを備え、
前記光受信装置が、前記空間を伝播して到達するレーザ光を第３及び第４のモータそれぞれの回転軸に装着された第３及び第４のミラーで順次反射し、前記第３及び第４のミラーの反射角度をそれぞれ前記第３及び第４のモータで調整して前記レーザ光入射光軸のパン・チルト角を制御する入射光軸制御手段と、前記入射光軸制御手段で光軸調整されるレーザ光の光軸上に直列に配置されそれぞれ入射光を２方向に分光する第１及び第２のビームスプリッタと、前記第１のビームスプリッタで光軸から分岐されるレーザ光を受光する受信用光検出器と、前記第２のビームスプリッタで２分岐されるレーザ光がそれぞれ入射され、受光面の入射光ビームスポットの照射位置から基準軸に対するずれ方向及びその大きさを検知する第１及び第２の照射位置検知器とを備えるとき、
前記送信及び受信側合わせて前記第１乃至第４のモータの微小回転と前記第１及び第２の照射位置検知器の受光面上におけるレーザスポット座標の微小変化との関係を記述するヤコビ行列を求めるヤコビ行列演算ステップと、
前記第１及び第２の照射位置検知器の検知情報からレーザスポットの基準位置からのずれ量及び方向の変位を表す誤差ベクトルを求める誤差ベクトル演算ステップと、
前記ヤコビ行列の逆行列に前記誤差ベクトルに乗じて前記第１乃至第４のモータの速度指令ベクトルを求める速度指令ベクトル演算ステップとを備え、
前記速度指令ベクトルを前記第１乃至第４のモータの駆動にフィードバックすることを特徴とする光空間通信システムの光軸補正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間中にレーザ光を伝播させて光通信を行う光空間通信システムにおいて、送受信装置間の相対位置・姿勢変化に伴う光軸のずれを検出し補正を行う光軸補正技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば２組の光送受信装置をビル間に対向配置して光空間通信を行う場合、風や振動などによる光軸ずれの影響を補正する必要が生じる。この光軸補正の手法としては、それぞれの光送信装置側で出射するレーザ光のビーム径を拡大し、光受信装置側で到達光を集光しその入射方向を検出してレーザ光の送出方向と一致するように調整することにより、２組の光送受信装置の光軸を互いに一致させる手法が一般的である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ところが、上記の手法の場合、それぞれの光送受信装置でレーザ光のビーム径が拡大されるため、レーザ光に漏れが生じ、情報漏洩の虞や近接した複数の送受信装置による同時通信の場合の相互干渉などが予想される。
【０００４】
さらに、２組の光送受信装置の相対位置・姿勢が大きく変化する場合には、光軸の補正が集光レンズを含む光学系全体の向きを調整する必要があるため、駆動装置が大型化・重量化してしまい、特に移動を伴う光空間通信では相互干渉の問題と共に大きな制約となってしまう。
【特許文献１】特開平０５−１３３７１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上のように、従来の光空間通信システムでは、光軸補正にビーム径を拡大する手法を採用するため、情報の漏洩、相互干渉等の問題が生じ、さらには駆動装置の大型化・重量化等の問題も指摘されている。
【０００６】
本発明の目的は、上記の問題を解決するためになされたもので、ビーム径を拡大することなく光軸補正が可能であり、秘匿性に優れ、複数同時通信時の干渉も少なく、小型軽量化で移動通信にも適用可能な光空間通信システムとこのシステムに用いられる光送信装置、光受信装置及び光軸補正方法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】
【０００７】
このような目的を達成するために本発明に係る光空間通信システム及びこのシステムに用いられる光送信装置及び光受信装置は、以下のように構成したことを特徴とする。
【０００８】
（１）  光送信装置から送出されるレーザ光を、空間を伝播させて光受信装置で受光することにより光通信を行う光空間通信システムにおいて、  
前記光送信装置は、前記レーザ光を生成する送信用レーザ装置と、前記送信用レーザ装置から出射されるレーザ光を第１及び第２のモータそれぞれの回転軸に装着された第１及び第２のミラーで順次反射して前記空間に向けて送出し、前記第１及び第２のミラーの反射角度をそれぞれ前記第１及び第２のモータで調整して前記レーザ光出射光軸のパン・チルト角を制御する出射光軸制御手段とを備え、  
前記光受信装置は、前記空間を伝播して到達するレーザ光を第３及び第４のモータそれぞれの回転軸に装着された第３及び第４のミラーで順次反射し、前記第３及び第４のミラーの反射角度をそれぞれ前記第３及び第４のモータで調整して前記レーザ光入射光軸のパン・チルト角を制御する入射光軸制御手段と、前記入射光軸制御手段で光軸調整されるレーザ光の光軸上に直列に配置されそれぞれ入射光を２方向に分光する第１及び第２のビームスプリッタと、前記第１のビームスプリッタで光軸から分岐されるレーザ光を受光する受信用光検出器と、前記第２のビームスプリッタで２分岐されるレーザ光がそれぞれ入射され、受光面の入射光ビームスポットの照射位置から基準軸に対するずれ方向及びその大きさを検知する第１及び第２の照射位置検知器とを備え、  
前記出射光軸及び入射光軸制御手段は、前記第１及び第２の照射位置検知器の検知結果から前記レーザ光光軸のずれ量及び方向を検出し、この検出結果に基づいて前記第１及び第４のモータを回転駆動して前記ずれを補正する光軸補正手段とを具備することを特徴とする。
【０００９】
（２）（１）の構成において、前記出射光軸及び入射光軸制御手段は、前記送信及び受信側合わせて前記第１乃至第４のモータの微小回転と前記第１及び第２の照射位置検知器の受光面上におけるレーザスポット座標の微小変化との関係を記述するヤコビ行列を求めておき、このヤコビ行列の逆行列に前記第１及び第２の照射位置検知器で得られるレーザスポットの基準位置からの変位を表す誤差ベクトルに乗じて前記第１乃至第４のモータの速度指令ベクトルとするフィードバックループを有することを特徴とする。
【００１０】
（３）（１）の構成において、前記光送信装置が前記出射光軸制御手段を複数個備え、互いに別の送信用レーザ装置のレーザ光または共通の送信用レーザ装置の分岐光を前記複数の出射光軸制御手段で互いに別の方向へ照射し、相対位置固定の複数の光受信装置で受信したとき、前記出射光軸及び入射光軸制御手段は、光送受信装置における反射鏡の回転角と前記第１及び第２の照射位置検知器の受光面上のレーザスポット座標から光受信装置と光送信装置間の相対位置姿勢をオンラインで推定することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る光空間通信システムの光軸補正方法は、光送信装置から送出されるレーザ光を、空間を伝播させて光受信装置で受光することにより光通信を行う光空間通信システムに用いられ、  
前記光送信装置が、前記レーザ光を生成する送信用レーザ装置と、前記送信用レーザ装置から出射されるレーザ光を第１及び第２のモータそれぞれの回転軸に装着された第１及び第２のミラーで順次反射して前記空間に向けて送出し、前記第１及び第２のミラーの反射角度をそれぞれ前記第１及び第２のモータで調整して前記レーザ光出射光軸のパン・チルト角を制御する出射光軸制御手段とを備え、  
前記光受信装置が、前記空間を伝播して到達するレーザ光を第３及び第４のモータそれぞれの回転軸に装着された第３及び第４のミラーで順次反射し、前記第３及び第４のミラーの反射角度をそれぞれ前記第３及び第４のモータで調整して前記レーザ光入射光軸のパン・チルト角を制御する入射光軸制御手段と、前記入射光軸制御手段で光軸調整されるレーザ光の光軸上に直列に配置されそれぞれ入射光を２方向に分光する第１及び第２のビームスプリッタと、前記第１のビームスプリッタで光軸から分岐されるレーザ光を受光する受信用光検出器と、前記第２のビームスプリッタで２分岐されるレーザ光がそれぞれ入射され、受光面の入射光ビームスポットの照射位置から基準軸に対するずれ方向及びその大きさを検知する第１及び第２の照射位置検知器とを備えるとき、  
前記送信及び受信側合わせて前記第１乃至第４のモータの微小回転と前記第１及び第２の照射位置検知器の受光面上におけるレーザスポット座標の微小変化との関係を記述するヤコビ行列を求めるヤコビ行列演算ステップと、  
前記第１及び第２の照射位置検知器の検知情報からレーザスポットの基準位置からのずれ量及び方向の変位を表す誤差ベクトルを求める誤差ベクトル演算ステップと、  
前記ヤコビ行列の逆行列に前記誤差ベクトルに乗じて前記第１乃至第４のモータの速度指令ベクトルを求める速度指令ベクトル演算ステップとを備え、  
前記速度指令ベクトルを前記第１乃至第４のモータの駆動にフィードバックすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように本発明によれば、ビーム径を拡大することなく光軸補正が可能であり、秘匿性に優れ、複数同時通信時の干渉も少なく、小型軽量化で移動通信にも適用可能な光空間通信システムとこのシステムに用いられる光送信装置、光受信装置及び光軸補正方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明に係る光空間通信システムの一実施形態の構成を示す斜視図であり、１１は光送信装置１１、２１は光受信装置を示している。
【００１５】
光送信装置１１において、送信用ＬＤ（Laser Diode：レーザダイオード）１１１から出射されるレーザ光の光軸上には第１のミラー１１２が配置される。この第１のミラー１１２は第１のモータ１１３の回転軸に取り付けられ、当該モータ１１３によって角度調整することが可能となされている。また、第１のミラー１１２で角度調整されるレーザ光の光軸上には第２のミラー１１４が配置される。この第２のミラー１１４は第２のモータ１１５の回転軸に取り付けられ、当該モータ１１５によって角度調整される。すなわち、送信用ＬＤ１１１から出射されるレーザ光は、第１及び第２のミラー１１２，１１４の反射を経て光受信装置２１に向けて送出されるが、その送出光のパン・チルト角は第１、第２のミラー１１２，１１４を回転軸に装着した第１及び第２のモータ１１３，１１５の駆動制御によって適宜調整可能となっている。上記第１及び第２のモータ１１３，１１５は光軸制御部１１６からの指令信号に基づいて駆動制御される。
【００１６】
光受信装置２１において、上記光送信装置１１から到達するレーザ光は、第３のミラー２１１及び第４のミラー２１３で順次反射されて第１のビームスプリッタ２１５に入射される。上記第３のミラー２１１及び第４のミラー２１３は、それぞれ第３のモータ２１２、第４のモータ２１４の回転軸に装着され、各モータ２１２，２１４の回転駆動によって角度調整される。
【００１７】
上記第１のビームスプリッタ２１５に入射されたレーザ光はプリズム斜面（１）にて２分岐され、一方の分岐光（反射光）は受信用ＰＤ（Photo Detector：光検出器）２１７で受光され、他方の分岐光（透過光）は第２のビームスプリッタ２１６に入射される。この第２のビームスプリッタ２１６に入射されたレーザ光はプリズム斜面（２）にて２分岐され、一方の分岐光（透過光）は第１のＰＳＤ（Position Sensitive Device：照射位置検知器）２１８に入射され、他方の分岐光（反射光）は第２のＰＳＤ２１９に入射される。
【００１８】
上記第１及び第２のＰＳＤ２１８，２１９は、それぞれ入射されるレーザ光の基準軸に対するずれ方向及びその大きさを測定するためのもので、その測定結果は光軸制御部２２０に送られる。この光軸制御部２２０は、送信側の光軸制御部１１６と例えば無線ＬＡＮ等によって情報の送受が可能となされており、双方で第１及び第２のＰＳＤ２１８，２１９の検知結果からレーザ光光軸のずれ量及び方向を検出し、この検出結果に基づいて光送受信装置１１，２１それぞれの第１及び第４のモータ１１３，１１５，２１２，２１４を回転駆動して光軸のずれを補正する。
【００１９】
いま、光受信装置２１への到達光が図１（ｂ）に示すように第３のミラー２１１で反射され、さらに第４のミラー２１３で反射されて、直列に配置された第１及び第２のビームスプリッタ２１５，２１６を貫通するように、第３及び第４のモータ２１２，２１４の回転角が調整されているものとする。このとき、第１のビームスプリッタ２１５のプリズム斜面に対する受信用ＰＤ２１７の鏡像をＰＤ′（＝第２のビームスプリッタ２１６の透過像ＰＳＤ１）、第２のビームスプリッタ２１６のプリズム斜面に対する第２のＰＳＤ２１９の鏡像をＰＳＤ２′とするとき、ＰＳＤ１とＰＳＤ２′が重ならないように配置されていれば、第４のミラー２１３からの反射光と受光用ＰＤ２１７の鏡像ＰＤ′の光軸との関係は反射光とＰＳＤ１及びＰＳＤ２′受光面との交点の座標によりパラメトライズされることがわかる。
【００２０】
したがって、第４のミラー２１３からの反射光と受光用ＰＤ２１７の受光像ＰＤの光軸が一致する場合に、第１及び第２のＰＳＤ２１８，２１９上のレーザスポット座標を基準点とすれば、光送信装置１１及び光受信装置２１の相対位置が変化して光軸が外れたときも、第１及び第２のＰＳＤ２１８，２１９上のレーザスポットが基準点に戻るように、第１乃至第４のモータ１１３，１１５，２１２，２１４の回転角を計算し調整することにより、常に光軸を一致させることが可能となる。
【００２１】
（第１の実施例）
以下、光送受信装置１１，２１それぞれの光軸が一致する条件を満たすモータ回転角が存在することを、第１の実施例として説明する。
【００２２】
図２は、光送受信装置１１，２１それぞれのモータ回転角の調整により、レーザ光の向きが変化する様子を模式的に示したものである。光送信装置１１の送信用ＬＤ１１１から出射されたレーザ光が第１のミラー１１２の表面上にある回転軸と交わる点をＯ、第２のミラー１１４の表面上にある回転軸をベクトルＡ、ＯからＡへ降ろした垂線の足を中心としてＯを通過する円をＣ、垂線の方向を基準方向とする。この場合、光送信装置１１から送出されるレーザ光は円Ｃ上の点ＰからベクトルＡ上の点を結ぶ直線として表現することができる。このことは、レーザ光のチルト角が第１のミラー１１２によって、パン角が第２のミラー１１４によって調整可能であることを意味する。
【００２３】
但し、Ａの長さは第２のミラー１１４における回転軸方向の長さに対応しているため、これがチルト角の範囲を制限する。また、円Ｃ上の点Ｐの可動範囲は、レーザ光が光送信装置１１自身の構造物に遮断されない範囲に応じて決定される。
【００２４】
一方、光受信装置２１の受信用ＰＤ２１７を仮想的なＬＤで置き換えてレーザ光を出射させたときのパン・チルト角も、第３のミラー２１１における回転軸ａ上の点ｑ、同様に定義される円ｃ上の点ｐによってパラメトライズされる。したがって、光送受信装置２１の光軸が一致することは、点Ｐ，Ｑ，ｑ，ｐが同一直線上に並ぶことと等化となる。
【００２５】
図３はある相対位置関係にある光送受信装置を図２の模式図を使用して表したものである。但し、この位置関係において、次の条件が成立しているものとする。
【００２６】
“光送信装置１１の送信用ＬＤ１１１から出射されるレーザ光は、光受信装置２１におけるα軸上の任意の点に到達可能であり、また、光受信装置２１の受信用ＰＤ２１７を仮想的なＬＤで置き換えて送出したレーザ光は、光送信装置１１におけるＡ軸上の任意の点に到達可能である。”
このとき、条件の前半から、円Ｃ上の一点からＡ軸上の一点を通過してａ軸の端点ａ0 に達する直線が存在する。この直線の円Ｃとの交点をＰ0 、Ａ軸との交点をＱ0 とする。同様にａ1 に達する直線に対応する点をそれぞれＰ1 ，Ｑ1 とする。また、条件の後半から、円ｃ上の一点からａ軸上の一点を通過してＡ軸の端点Ａ0 に達する直線が存在する。この直線の円ｃとの交点をｐ0 、ａ軸との交点をｑ0 とする。同様にＡ1 に達する直線に対応する点をそれぞれｐ1 ，ｑ1 とする。
【００２７】
いま、ａ軸を含みこれを回転軸とする平面が円ｃと交差する点をｐ、Ａ軸と交差する点をＱ、ｐとＱを結ぶ直線がａ軸と交差する点をｑとすれば、ｐがｐ0 からｐ1 まで移動するとき、ｑはｑ0 からｑ1 まで、ＱはＡ0 からＡ1 まで移動する。同様に、Ａ軸を含みこれを回転軸とする平面を考えた場合、この平面が円Ｃ及びａ軸と交差する点を結ぶ直線がｑと一致するときの交点をそれぞれＰ，ｒとする。
【００２８】
このような交点は少なくともＱがＱ0 とＱ1 の間にあるときには必ず存在する。したがって、ｐがｐ0 からｐ1 まで移動するとき、ｑはｑ0 からｑ1 まで、ＱはＡ0 からＡ1 まで移動し、ＰはＰ0 とＰ1 を含む区間を、ｒはａ0 とａ1 を含む区間を移動することになる。よって、ある時点でｒがｑと一致し、線分ｑＱとＱｒは同一線分となり、点ｐ，ｑ，Ｑ，Ｐは同一直線上に並ぶことになる。
【００２９】
（第２の実施例）
次に、第２の実施例として、第１の実施例で説明した光送受信装置間の光軸一致を実現する具体的な手法について説明する。まず、光送受信装置１１，２１のモータ回転角の変化に対する第１及び第２のＰＳＤ２１８，２１９上のレーザ光スポット座標値の変化を関連付けるため、送信側のＬＤ１１１から受信側のＰＳＤ２１８または２１９までの光線追跡を行う。送信側のＬＤ１１１からレーザ光出射点と出射方向ベクトルをそれぞれｒ0 ，ｐ0 、第１乃至第４のミラー１１２，１１３，２１１，２１３でのレーザ光の反射点と反射方向ベクトルをそれぞれｒi ，ｐi （ｉ＝１，…，４）とする。また、第４のミラー２１３からの反射光とＰＳＤ１及びＰＳＤ２′（ＰＳＤ２の鏡像）との交点をそれぞれｒP1 ，ｒ'P2 で表す。
【００３０】
各ミラーの中心位置、回転軸及び反射面の法線ベクトルをそれぞれｍi ，ａi ，ｎi とし、さらに回転軸と法線ベクトルから外積によって定義されるベクトルをｂi (＝ａi ×ｎi ）とする。ＰＳＤ１及びＰＳＤ２′の中心位置をｍP1 ，ｍ'P2 、受光面法線ベクトルをｎP1 ，ｎ'P2 、ｘ座標軸ベクトルをｅxP1 ，ｅ'xP2 、ｙ座標軸ベクトルをｅyP1 ，ｅ'yP2 とおく。
【００３１】
このとき、ｒi ，Ｐi とｒi+1 ，Ｐi+1 （ｉ＝０，…，３）の間の関係は次のように記述できる。  
【数１】
2005323311.tif 000003
【００３２】
また、ｒP1 ，ｒ'P2 は次式で与えられる。  
【数２】
2005323311.tif 000004
【００３３】
モータの回転速度に対して光送信装置及び光受信装置の相対位置変化速度が十分に小さいと仮定して式（１）と式（２）の両辺を微分する。その際、ｎi ＝ｂi θi の微分値を考慮して整理すれば、次式が得られる。  
【数３】
2005323311.tif 000005
【００３４】
但し、θi はモータｉの回転角、Ｉ3 は３×３の単位行列を表す。
【００３５】
ここで、式（５）と式（６）をまとめて次のように表すことにする。  
【数４】
2005323311.tif 000006
【００３６】
このとき、ｒP1 ，ｐP1 の微分は式（５）、式（６）のｉ＋１をＰ1 のように読み換えれば、次のように求められる。  
【数５】
2005323311.tif 000007
【００３７】
但し、ＡP1,i ＝ＡP1,4 Ａ4,3 …Ａi+1,i （ｉ＝１，…，４）である。
【００３８】
したがって、ＰＳＤ１上のレーザ光スポット位置の時間微分
【数６】
2005323311.tif 000008
は次のように与えられる。  
【００３９】
【数７】
2005323311.tif 000009
【００４０】
ここで、ＪP1 は、  
【数８】
2005323311.tif 000010
と与えられる。但し、Ｏm,n はｍ×ｎの零行列を表す。同様に、ＰＳＤ２上のレーザ光スポット位置の時間微分  
【００４１】
【数９】
2005323311.tif 000011
は次のように与えられる。  
【００４２】
【数１０】
2005323311.tif 000012
【００４３】
ここで、ＪP2 は、
【数１１】
2005323311.tif 000013
と与えられる。
【００４４】
結局、モータ回転角の微小変化に対するＰＳＤ上のレーザ光スポットの位置変化を関係付けるヤコビ行列ＪP は次式で定義することができる。  
【数１２】
2005323311.tif 000014
【００４５】
今、ヤコビ行列の推定値をＪ^P とおいて、次のようなモータへの速度指令フィードバックを考える。  
【数１３】
2005323311.tif 000015
【００４６】
ここで、ｘ0P1 ，ｙ0P1 ，ｘ0P2 ，ｙ0P2 は第４のミラー２１３からの反射光とＰＤ２１７の光軸が一致している場合の各ＰＳＤ上のレーザ光スポットの座標値である。
【００４７】
式（１１）を式（１０）に代入すれば、  
【数１４】
2005323311.tif 000016
とみなせるとき、次式が成り立つ。  
【数１５】
2005323311.tif 000017
【００４８】
ここで、  
【数１６】
2005323311.tif 000018
と表される。よって、ｋP ＞０であれば、ｔ→∞においてε→０となり、第４のミラー２１３からの反射光はＰＤ２１７の光軸に一致することがわかる。
【００４９】
（第３の実施例）
次に、第３の実施例として、光送信装置１１側に２組の反射鏡を備えるレーザ光送出用の光学系が用意され、互いに異なる方向にレーザ光が送出され、それぞれ別々の光受信装置で受信される場合のシステム構成を提案する。この場合、光送信装置１１に固定された座標系をΣm 、この座標系をΣm から見た第２のミラー１１４上の反射点をそれぞれｍr2 ，ｍr'2 、反射方向ベクトルをｍp2 ，ｍp'2 とする。一方、受信側に固定された基準座標系Σから見た２つの光受信装置の位置・姿勢は既知であるとする。また、ＰＳＤ上のレーザ光スポット位置とモータの回転角による光線軌跡から第３のミラー２１１上の反射点と反射方向スペクトラムが求まるので、Σから見た反射点をｒ3 ,ｒ'3、反射方向ベクトルをｐ3 ，ｐ'3とおく。Σから見たΣm の位置と姿勢をｒm ，Ｏm で表せば、次式が成立する。  
【数１７】
2005323311.tif 000019
【００５０】
いま、ｐ3 ，ｐ'3 は平行でないと仮定すれば、左辺及び右辺右側の行列は正則となるから、Ｏm を決定することができる。一方、送信及び受信側のレーザ反射点に関して次式が成立する。  
【数１８】
2005323311.tif 000020
【００５１】
但し、ｔ，ｔ′は未知のスカラー乗数である。これより次式が得られる。  
【数１９】
2005323311.tif 000021
【００５２】
前述のように、ｐ3 ，ｐ'3 は平行でないと仮定すれば、上式の左辺第１項の行列はフルランクとなり、これをＣ、右辺の行列をＤとすると、ｒm ，ｔ，ｔ′は以下のように求められる。  
【数２０】
2005323311.tif 000022
【００５３】
以上の説明から明らかなように、上記構成による本発明の光空間通信システムによれば、光送信装置１１が出射したレーザ光と光受信装置２１との間の軸ずれ量を検出し、これを補正するように光送受信装置１１，２１の反射鏡回転用モータの回転角を調整するようにしているので、光送受信装置１１，２１間の相対位置関係が変化しても、光軸を一致させ、通信状態を維持することが可能となる。このとき、ビーム径を絞った状態での光通信も可能であることから、従来のビーム径を拡大する方法に比して秘匿性が高く、また、複数同時通信時の干渉性を低く抑えることができる。さらに、光学系自体をモータで駆動する場合と異なり、光送受信装置１１，２１の各構成要素は独立しており、それぞれの持つ反射鏡の角度を調整するだけでよいため、小型軽量化に適するという効果がある。
【００５４】
また、モータ回転角の微小変化に対する軸ずれ量の微小変化を関係付けるヤコビ行列の逆行列を軸ずれ量に乗じてフィードバックし、モータの速度指令値とすることにより、軸ずれ量がとらえられている限り、自動的に光軸補正が行われ、光送受信装置間の相対位置が連続して変化する場合でも、継続した光通信が維持可能となる。
【００５５】
また、光送受信装置１１，２１に２組以上の反射鏡回転用モータを用意し、同時に２つ以上の光通信リンクを形成することにより、光送受信装置間の相対位置・姿勢がオンラインで求められることになり、ヤコビ行列の計算や送信側の位置・姿勢に応じた、より最適な光受信装置への切替判断等に使用可能となる。さらに、光リンクの一つが障害物などによって遮断させたときでも、他の光リンクにより通信を継続させることができるという効果がある。
【００５６】
尚、上記実施形態では、光送信装置と光受信装置との間で光軸ずれの情報を送受するために無線ＬＡＮを利用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の無線通信手段を利用してもよい。
【００５７】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形してもよいことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明に係る光空間通信システムの第１の実施形態の構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示すシステムにおいて、モータ回転角の調整によりレーザ光の向きが変化する様子を模式的に示す図である。
【図３】図１に示すシステムにおいて、ある相対位置関係にある光送受信装置を図２の模式図を使用して表した図である。
【符号の説明】
【００５９】
１１…光送信装置、
１１１…送信用ＬＤ、
１１２…第１のミラー、
１１３…第１のモータ、
１１４…第２のミラー、
１１５…第２のモータ、
１１６…光軸制御部、
２１…光受信装置、
２１１…第３のミラー、
２１２…第３のモータ、
２１３…第４のミラー、
２１４…第４のモータ、
２１５…第１のビームスプリッタ、
２１６…第２のビームスプリッタ、
２１７…受信用ＰＤ、
２１８…第１のＰＳＤ、
２１９…第２のＰＳＤ、
２２０…光軸制御部。
【図１】
2005323311.tif 000023
【図２】
2005323311.tif 000024
【図３】
2005323311.tif 000025