(57)【要約】 【課題】  捕捉追尾装置を備えた送受光システムにおいて、信号光のビームの広がり角を最小にし、受信時における光量の損失を抑える。【解決手段】  光の捕捉追尾用の送光装置２０において、レーザ光源２２を備える放射光学系と、該レーザ光源２２から発せられたレーザ光に、その少なくとも一部分から中心位置を特定可能な放射パターンを付与するパターン光形成部とを備える送光装置２０を提供する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の捕捉追尾用の送光装置において、
レーザ光源を備える放射光学系と、
該レーザ光源から発せられたレーザ光に、その少なくとも一部分から中心位置を特定可能な放射パターンを付与するパターン光形成部とを備える送光装置。
【請求項２】
前記パターン光形成部が回折格子からなる請求項１に記載の送光装置。
【請求項３】
前記放射パターンが、直線パターンであり、
該放射パターンを光軸回りに回転させるパターン回転手段を備える請求項１または請求項２に記載の送光装置。
【請求項４】
パターン回転手段が、前記回折格子を光軸回りに回転させるアクチュエータからなる請求項３に記載の送光装置。
【請求項５】
前記放射パターンが、光軸を中心として放射方向に延びる複数の直線からなる放射状パターンである請求項２に記載の送光装置。
【請求項６】
前記放射パターンが、光軸を中心とする複数の同心円からなる円形パターンである請求項２に記載の送光装置。
【請求項７】
前記回折格子が、挿脱可能に配置されている請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の送光装置。
【請求項８】
前記回折格子が、その一部分に回折格子の加工を施されていない請求項２から請求項７のいずれか１項に記載の送光装置。
【請求項９】
前記回折格子が、窒素により封止されている構造である請求項２から請求項８のいずれか１項に記載の送光装置。
【請求項１０】
前記パターン形成部が反射素子である請求項１に記載の送光装置。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の送光装置と、
該送光装置に対して受光方向を変更可能に設けられ、前記レーザ光を検出可能な撮像素子を備えるとともに、検出されたレーザ光に基づいて受光方向を制御する制御部が設けられた受光装置とを備える捕捉追尾装置。
【請求項１２】
前記撮像素子による検出信号に基づいて、前記送光装置と前記受光装置との光軸のずれを演算する演算部を備える請求項１１に記載の捕捉追尾装置。
【請求項１３】
前記送光装置に通信変調手段と、前記受光装置に変調光検出手段とが設けられている請求項１１または請求項１２に記載の捕捉追尾装置。
【請求項１４】
請求項１１から請求項１３のいずれか１項に記載の捕捉追尾装置を対向して配置してなる送受光システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送光装置，捕捉追尾装置及びこれを備えた送受光システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、捕捉追尾装置として、捕捉追尾用センサを備えたものがある（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１の捕捉追尾用センサは、粗捕捉追尾用センサと精捕捉追尾用センサとを大口径のエリアセンサを用いて、一つの捕捉追尾センサで兼用している。また、この捕捉追尾用センサは、捕捉追尾センサの中心部をマルチポート化したＣＣＤにより、４分割された受光素子から構成されている。これにより、受光素子に光ビームスポットが形成された場合に、各受光素子において生成された信号を演算処理し、光ビームの入射角度方向を求めることができるようになっている。
【特許文献１】特開平１１−６８６６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の捕捉追尾用センサは、粗追尾可能な角度範囲がエリアセンサの口径により制限される。また、この捕捉追尾用センサは、エリアセンサ中心部を４分割構造としているが、粗捕捉追尾用センサと精捕捉追尾センサとを一つの捕捉追尾センサにより兼用しているため、さらに広い視野角を得ようとすると、一定の精追尾検出分解能を維持するためには、画素数の多いエリアセンサを必要とする。したがって、このような従来構造の捕捉追尾装置では、エリアセンサのコストアップや捕捉追尾装置の大型化を招き、また、信号処理系にかかる負荷が大きくなり、広視野角化が困難であるという不都合がある。
【０００４】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、広い粗捕捉追尾の視野角を得ることができる送光装置，捕捉追尾装置及び送受光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】
【０００５】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、光の捕捉追尾用の送光装置において、レーザ光源を備える放射光学系と、該レーザ光源から発せられたレーザ光に、その少なくとも一部分から中心位置を特定可能な放射パターンを付与するパターン光形成部とを備える送光装置を提供する。
【０００６】
この発明によれば、パターン光形成部において、レーザ光を放射パターンに変換することにより、光の出射角度範囲を広げることができる。したがって、放射パターンの中心位置が光軸からずれている場合においても、容易に捕捉追尾することが可能となる。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の送光装置において、前記パターン光形成部が回折格子からなる送光装置を提供する。
この発明によれば、回折格子を用いることにより、簡易に任意のパターンを形成でき、送光装置の小型・軽量化を図ることができる。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の送光装置において前記放射パターンが、直線パターンであり、該放射パターンを光軸回りに回転させるパターン回転手段を備える送光装置を提供する。
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の送光装置において、パターン回転手段が、前記回折格子を光軸回りに回転させるアクチュエータからなる送光装置を提供する。
これらの発明によれば、パターン回転手段により、回折格子を回転させることにより、必要な位置に直線パターンを配置させることができる。さらに、アクチュエータを用いることにより、自動的にパターンの配置を制御することが可能となる。
【０００９】
請求項５に係る発明は、請求項２に記載の送光装置において、前記放射パターンが、光軸を中心として放射方向に延びる複数の直線からなる放射状パターンである送光装置を提供する。
請求項６に係る発明は、請求項２に記載の送光装置において、前記放射パターンが、光軸を中心とする複数の同心円からなる円形パターンである送光装置を提供する。
これらの発明によれば、これらの放射パターンの一部分から、さらに容易に放射パターンの中心位置を特定することが可能となる。
【００１０】
請求項７に係る発明は、請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の送光装置において、前記回折格子が、挿脱可能に配置されている送光装置を提供する。
請求項８に係る発明は、請求項２から請求項７のいずれか１項に記載の送光装置において、前記回折格子が、その一部分に回折格子の加工を施されていない送光装置を提供する。
この発明によれば、回折格子による光量損失が通信品質に影響を与える場合、回折格子を送光装置から退避、または、回折格子の一部分のみ回折させることにより、光量損失を低減することが可能となる。
【００１１】
請求項９に係る発明は、請求項２から請求項８のいずれか１項に記載の送光装置において、前記回折格子が、窒素により封止されている構造である送光装置を提供する。
この発明によれば、回折格子の表面が外部空気に接触しないようにすることができる。これにより、環境温度及び湿度の急激な変化があった場合においても、回折格子の回折効率を維持することが可能となる。
【００１２】
請求項１０に係る発明は、請求項１に記載の送光装置において、前記パターン形成部が反射素子である送光装置を提供する。
この発明によれば、反射素子により、回折格子と同様の中心位置を特定可能な放射パターンを付与するパターン光形成部とすることができる。例えば、複数回の反射により、２つ以上の点に分離したパターンの光線とすることが可能となる。
【００１３】
請求項１１に係る発明は、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の送光装置と、該送光装置に対して受光方向を変更可能に設けられ、前記レーザ光を検出可能な撮像素子を備えるとともに、検出されたレーザ光に基づいて受光方向を制御する制御部が設けられた受光装置とを備える捕捉追尾装置を提供する。
この発明によれば、送光装置により発せされたレーザ光が、撮像素子により検出される。この撮像素子による検出信号に基づいて、制御部により受光方向を制御する。したがって、広い範囲において捕捉追尾することが可能となる捕捉追尾装置を構成することができる。
【００１４】
請求項１２に係る発明は、請求項１１に記載の捕捉追尾装置において、前記撮像素子による検出信号に基づいて、前記送光装置と前記受光装置との光軸のずれを演算する演算部を備える捕捉追尾装置を提供する。
この発明によれば、演算部においてレーザ光の光軸のずれを演算することにより、より正確に捕捉追尾することが可能となる。
【００１５】
請求項１３に係る発明は、請求項１１または請求項１２に記載の捕捉追尾装置において、前記送光装置に通信変調手段と、前記受光装置に変調光検出手段とが設けられている捕捉追尾装置を提供する。
請求項１４に係る発明は、請求項１１から請求項１３のいずれか１項に記載の捕捉追尾装置を対向して配置してなる送受光システムを提供する。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明に係る送光装置，捕捉追尾装置及び送受光システムによれば、送光装置に中心位置が特定可能な放射パターンを付与するパターン光形成部を備えることにより、広い粗捕捉追尾の視野角を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の第１実施形態に係る送受光システムについて図面を参照して説明する。
本実施形態に係る送受光システム１０は、外部に信号光を送信し、かつ外部からの信号光を受信するシステムである。この送受光システム１０は、図１に示すように、第１の捕捉追尾装置１１と、この第１の捕捉追尾装置１１に対向して配され第１の捕捉追尾装置１１と同一の構成を有している第２の捕捉追尾装置１２とを備えている。
前記第１の捕捉追尾装置１１は、アフォーカル光学系１３と、該アフォーカル光１３から入射された信号光の光軸を可変する可変ミラー１４と、外部に信号光を送信する送光装置２０と、外部から送信された信号光を受光する受光装置３０とを備えている。これらは、回転駆動可能なジンバルステージ１５上に搭載され、第２の捕捉追尾装置１２も第１の捕捉追尾装置１１と同様の装置がジンバルステージ１６上に搭載されている。
【００１８】
前記送光装置２０は、通信変調装置２１により通信情報として変調されたレーザ光源２２と、このレーザ光源２２から発せされたレーザ光を所定の放射パターンを有する信号光に変換する回折素子（回折格子）２３と、放射パターンが付与された信号光の広がり角をほぼ平行光に変換するコリメータ２４とを備えている。また、光路上に配されたビームスプリッタ２５により、コリメータ２４からの信号光をアフォーカル光学系１３に向けて反射させるようになっている。
前記回折素子２３により生成される放射パターンは、図２に示すように、一点を中心として放射状に延びる複数の直線から構成されている。これらの直線は、等しい角度、例えば、３０°の間隔をなしており、また、等しい長さとなっている。これにより、放射パターンの２箇所以上の一部分から、それぞれの直線を延長して交わる点が、放射パターンの中心位置であると分かる。したがって、この回折素子２３は、放射パターンの一部から放射パターンの中心位置を特定することが可能なパターン光形成部となっている。
【００１９】
前記受光装置３０は、粗捕捉追尾用の光検出光学系３１と、精捕捉追尾用の４分割フォトダイオード３２と、信号光を検出する通信光検出器３３と、変調された受信光を検出する変調検出装置３４とを備えている。また、光路上に配されたビームスプリッタ３５により、ビームスプリッタ２５を透過した信号光の一部を光検出光学系３１に反射させ、ビームスプリッタ３６により、ビームスプリッタ３５を透過した信号光の一部を４分割フォトダイオード３２に反射させるようになっている。
前記光検出光学系３１は、ビームスプリッタ３５により、反射された信号光を結像させる結像レンズ３７と、この結像レンズ３７の焦点位置に配されたＣＣＤ（撮像素子）３８とを備えている。
前記ＣＣＤ３８の中央位置は、第１の捕捉追尾装置１１の組み立て時に、精度良くアライメントされているため、この中央位置を基準光軸Ａとする。
【００２０】
前記ＣＣＤ３８は、演算装置（演算部）４０に接続されており、ジンバルステージ１５は、制御装置（制御部）５０に接続されている。
前記演算装置４０は、ＣＣＤ３８において受光された放射パターンの一部の位置により、ＣＣＤ３８の中心位置と放射パターンの中心位置との距離を検知することできる。そして、この検知した距離に基づいて、信号光の角度偏差を演算して求めるようになっている。
前記制御装置５０は、ＣＣＤ３８の中央位置と放射パターンの中心位置とが一致するように、シンバルステージ１５を駆動させるようになっている。
【００２１】
このように構成された本実施形態に係る送受光システム１０の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る送受光システム１０を用いて捕捉追尾を行うには、第２の捕捉追尾装置１２の通信変調装置２１において通信情報として、レーザ光源２２が変調される。変調されたレーザ光源２２から出射した信号光は、回折素子２３により放射パターンに変換された信号光となる。この信号光はコリメータ２４によりほぼ平行光となり、ビームスプリッタ２５により反射されて、可変ミラー１４に向かう。可変ミラー１４により反射した信号光は、アフォーカル光学系１３を経て第１の捕捉追尾装置１１に入射される。
【００２２】
第１の捕捉追尾装置１１に入射した信号光は、アフォーカル光学系１３を経て、可変ミラー１４により反射され、ビームスプリッタ２５に向かう。ビームスプリッタ２５により信号光の一部が透過され、透過した信号光はビームスプリッタ３５により反射され光検出光学系３１に導かれる。光検出光学系３１に導かれた光は、結像レンズ３７により結像される。このとき、例えば、図３に示すように、第１の捕捉追尾装置１１と第２の捕捉追尾装置１２との光軸が同一軸上にない場合、基準軸Ａに対してそれぞれθ1，θ2の光軸偏差が生じている。そして、ＣＣＤ３８には、図４に示すような、放射パターンの半径方向の端部の３箇所が受光される。
【００２３】
ＣＣＤ３８により放射パターンの端部が受光されると、その放射パターンの位置に基づいて、演算装置４０により第１の捕捉追尾装置１１と第２の捕捉追尾装置１２との相対的な角度偏差θが算出される。そして、算出された光軸のずれθは制御装置５０に送られる。ここで、算出された角度偏差θはθ＝θ1＋θ2であるため、制御装置５０によりジンバルステージ１５，１６を補正する角度としては、例えば、θ／２の同量の角度となる。補正した後、再度、演算装置４０により角度偏差θが算出され、ジンバルステージ１５，１６をθ／２補正する。これを繰り返すことにより、精追尾可能な検出範囲まで角度偏差が抑制される。精追尾可能な角度範囲まで偏差が抑制された後は、ジンバルステージ１５，１６は一旦固定し、４分割フォトダイオード３２で検出した偏差情報に基づいて、可変ミラー１４をリアルタイムに精追尾制御することにより、通信可能な状態となる。
【００２４】
すなわち、本実施形態に係る送受光システム１０は、回折素子２３において、レーザ光を放射パターン光に変換することによって、放射パターン光の一部により、角度偏差θを求めることができる。これにより、ＣＣＤ３８を大きくする必要がないため、捕捉追尾装置１１の小型・軽量化にもつながる。
また、送光装置２０に放射パターンを得るための回折素子２３を挿入することにより、回折光を追尾用送信光として使用でき、信号光のビームの広がり角を最小にすることができる。このため、受信時における光量の損失を抑えることが可能となる。さらに、信号光による粗追尾時の出射角度範囲を広げることが可能となる。
【００２５】
なお、本実施形態において、回折素子２３として、図２に示すような、放射パターンに変換する素子を用いたが、これに限るものではなく、図５（ａ）に示すような直線パターンや、図５（ｂ）に示すような円形パターンであっても良い。直線パターンの場合、回折素子２３をアクチュエータにより回転させることによって、自動的に直線パターンの位置を制御することが可能となる。
また、回折素子２３に代えて反射素子５１を用いることにより、中心位置を特定可能な放射パターンを付与するパターン光形成部とすることが可能となる。この反射素子５１は、例えば、図６及び図７に示すように、互いに平行でない透過及び反射角を有するハーフミラー５２とミラー５３とにより構成され、基準光軸Ａを中心に回転させることにより、中心位置を検出することができる。
また、回折素子２３による光量損失が通信品質に影響を与える場合、回折素子２３を送光装置２０から退避させても良い。また、図８に示すような、回折素子６０の中央部６１に回折素子の加工を施されていない形状の素子を用いてもよい。この場合、図９に示すように、回折素子の加工が施されている部分のみ回折され、中央部６１に入射した光は透過することになる。これらにより、光量損失を低減することが可能となる。
また、第１の捕捉追尾装置１１と第２の捕捉追尾装置１２との相対的な角度偏差θが大きく、放射パターン光の一部しかＣＣＤ３８上に結像しない場合、画像処理により２本以上の直線を延長・補間することにより、放射パターンの中心位置を求めることが可能となる。
また、回折素子２３を固定する構造体として、回折素子２３の表面が外部空気に接触しないように構造体の内側に位置するように固定し、内部を窒素などで封止する。これにより、環境温度及び湿度の急激な変化による結露があった場合においても、回折素子２３の回折効率を維持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る送受光システムの全体構成を示す概略図である。
【図２】図１の送受光システムの光学素子における出射光の放射パターン図である。
【図３】図１の送受光システムにおける第１の捕捉追尾装置及び第２の捕捉追尾装置と基準光軸との角度偏差を示す図である。
【図４】図１の送受光システムのＣＣＤにより撮影されるパターンを示す図である。
【図５】図１の送受光システムの回折素子による出射光の放射パターンの変形例を示す図である。
【図６】図１の回折素子の代わりに反射素子を用いたときの光路図である。
【図７】図１の回折素子の代わりに他の反射素子を用いたときの光路図である。
【図８】図１の送受光システムの回折素子の形状の変形例を示す図である。
【図９】図８に示す回折素子を用いた場合の光路図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０  送受光システム
１１  第１の捕捉追尾装置
２０  送光装置
２１  通信変調装置（通信変調手段）
２３，６０  回折素子（回折格子）
３４  変調検出装置（変調検出手段）
３８  ＣＣＤ（撮像素子）
４０  演算装置（演算部）
５０  制御装置（制御部）
５１  反射素子
【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】
2005027227.tif 000008
【図７】
2005027227.tif 000009
【図８】
2005027227.tif 000010
【図９】
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