(57)【要約】【課題】  送受信光が不均一な空間を伝送媒体とすることで生じる空気の揺らぎまでを検出してしまい、異なる方向に送受信光を射出することによって、通信不能となるのを防止する。【解決手段】  受光素子(８)と、外部から入射した光束を集光して前記受光素子の受光面上に該光束のスポットを形成する集光光学系と、前記受光素子からの出力に基づいて、前記スポットの位置に関する情報を生成する情報生成手段(１１、１２)とを有し、前記集光光学系は、それぞれが集光作用を有する複数の光学素子部を備えた光学素子アレイ(２１)を有し、前記受光面上において前記複数の光学素子部により形成された複数の前記スポットが互いに略重なることを特徴とする光検出装置。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光素子と、
外部から入射した光束により前記受光素子の受光面上に該光束のスポットを形成する光学系と、
前記受光素子からの出力に基づいて、前記スポットの位置に関する情報を生成する情報生成手段とを有し、
前記光学系は、複数の光学素子部を備えた光学素子アレイを有し、前記受光面上において前記複数の光学素子部により形成された複数の前記スポットが互いに略重なることを特徴とする光検出装置。
【請求項２】
空間を伝搬する光束により相手装置と通信を行う光空間伝送装置であって、
受光素子と、
前記相手装置から入射した光束により前記受光素子の受光面上に該光束のスポットを形成する光学系と、
前記受光素子からの出力に基づいて、前記スポットの位置に関する情報を生成する情報生成手段とを有し、
前記光学系は、複数の光学素子部を備えた光学素子アレイを有し、前記受光面上において前記複数の光学素子部により形成された複数の前記スポットが互いに略重なることを特徴とする光空間伝送装置。
【請求項３】
前記相手装置と前記光束による通信を行うための通信光学系と、
前記情報に基づいて前記通信光学系又は該光空間伝送装置の向きを制御する制御手段とを有することを特徴とする請求項２に記載の光空間伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の距離を隔てて対向して配置し、双方向の情報伝送を行う光空間伝送装置及び光検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、相手装置から発せられた光束の入射方向を検出して、自装置が発する光束を該入射方向に向けて射出する光軸補正手段を有した光空間伝送装置が提案されている。具体的には、以下の特許文献１に開示されており、その特徴的な構成を図１２に示す。図１２に示す送信光学系と集光光学系を有し、構成を略同一とした2台の装置を空間的に隔てて対向配置することにより双方向通信を行うようになっている。
【０００３】
レーザダイオード1から出射され紙面に垂直方向に直線偏光となるとなるレーザ光は、正のパワーを持つレンズ群2により略平行な光束となり、偏光ビームスプリッタ3の境界面(偏光分離面)にて反射され、更に光軸方向可変部10のミラー4により反射されて、送信光LAとして装置Aから図示しない装置Bへ投光される。
【０００４】
相手装置から発せられた自装置における受信光LBは入射後、ミラー4により反射され、偏光ビームスプリッタ3を透過して受信光分岐ミラー5に至る。このとき、受信光LBの約90％は受信光分岐ミラー5を透過して、正のパワーを持つレンズ群7により本信号検出用受光素子6に集光され、残りの約10％は受信光分岐ミラー5で反射されて、正のパワーを持つレンズ群109によって位置検出用受光素子8に受光される。
【０００５】
偏光ビームスプリッタ3には、その貼り合わせ面に多層薄膜を蒸着した光学素子を使用している。この多層薄膜は、例えばS偏光を反射しP偏光を透過させるように構成されている。偏光ビームスプリッタ3を使用して最も効率の良い投受光を行うためには、送信光LAをS偏光としたときに受信光LBがP偏光となるような関係にすればよい。
【０００６】
更に、同一構成の送受信装置を対向させて最も効率のよい投受光を行うためには、送受信において共通光軸となるビームスプリッタ側光軸13を紙面後方に傾斜させ、装置を対向した時に送信光LAと受信光LBの偏光方向が互いに直交するように配置するのが好ましい。
【０００７】
また、伝送する情報量が多い大容量通信を行うためには、本信号検出用受光素子6としてアバランシェフォトダイオードのような有効受光域が直径1mmに満たない小さな素子を使用しなければならない。そのため、受信光LBが本信号検出用受光素子6の有効受光域を外れないように、本信号検出用受光素子6と位置検出用受光素子8の位置を一致させ、位置信号検出用受光素子8の略中心に受信光LBの光軸が配置されるように、ミラー4の角度を調整する。
【０００８】
この時、送信光LAが相手装置に向けて効率よく投光するためには、送信光LAの光軸、つまりレーザダイオード1を位置信号検出用受光素子8の中心と合致させればよい。
【０００９】
位置検出用受光素子8の受光面上に受信光LBが作るスポットSPの位置ズレ情報は、信号処理部11を介して光軸ズレ補正信号として光軸方向制御部12に送られ、光軸方向制御部12から光軸方向変更信号が光軸方向可変部10に送られる。
【００１０】
そして、この光軸方向偏光信号に基づき、ミラー4の角度を変化させて、送信光LAと受信光LBの光軸を一致させる。
【００１１】
このような制御を通信時に継続して行い、空間を隔てて対向する双方向光通信装置が、相手装置から来る受信光LBの光軸を位置検出用受光素子8の中心となるように、互いに補正することで、送信光LBと受信光LAの光軸を合致させることが出来る。
【００１２】
このような従来例における位置検出用受光素子8としては、図１３に示すような4つの素子14に分割された4分割センサ13が一般的に使用されているが、この様な受光素子8を位置検出用受光素子に使用する場合には、各分割素子間の分離帯15を横切るときに急激に出力が変化することを防ぐために、受信光LBのスポットSPには適当な面積を持たせることが望ましい。このために、一般的には集光点よりもデフォーカスした位置に、4分割センサの受光面位置を設定している。
【特許文献１】特開平５−１３３７１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、大気中で送受光を行う光空間伝送装置では、装置の設置場所の振動や大気の揺動によって伝送ビームが揺らぐ現象に伝送が影響される。この大気の揺動は、送信光全体が揺らぐマクロ的な揺らぎと、送信光の強度分布が揺らぐミクロ的な揺らぎに大別される。ここで、大気のマクロ的な揺らぎは、設置場所の振動と同じように考えることで問題を解消できるが、ミクロ的な揺らぎによる影響を解消するためには他の方法を考えなければならない。
【００１４】
図１４は、大気のミクロ的な揺らぎをモデル化した概念図である。Wは、相手装置からの受信光LBが自装置に到達したときの拡がりを示すものである。大気は、圧力や温度の異なることで対流が起こり、屈折率が空間的にも時間的にも変動する不均一な媒体である。このため、受信光LＢの拡がりWの中に強度の強い部分W1と強度の弱い部分W2が発生する。
【００１５】
この強度分布は時間的に変化するため、W2が送信光LAの拡がりWの中で、あたかも揺れているように観察される。これが大気のミクロ的な揺らぎと呼ばれ、この揺れはランダムである。従来の光空間伝送装置では、位置検出用受光素子8の受光面を集光点よりもデフォーカスした位置に配置しているため、上述のような大気のミクロ的な揺らぎがある状態では、受光面上の適当な面積を持ったスポットSPは均一な強度分布とならず、入射瞳に相当する装置のビーム取り込み口Mにおける光強度分布がそのまま投射されることになる(図１５参照)。
【００１６】
このビーム取り込み口Mより取り込まれた光束が集まって形成されたスポットSPの様子を図１６に示す。直径TのスポットSPには、斜線で示す強度の強い部分P1と強度の弱い部分P2とが発生し、光束中心BCとは異なるスポット光の重心PCが光軸と判断され、これらの位置ズレ量Sに応じた角度だけ送信光LAの光軸方向にズレが発生する。その結果、相手装置から送信光LAが外れ、通信不能となる問題が生じる。
【００１７】
また、これまでは、4分割センサに限定して説明してきたが、PSDと呼ばれる半導体像位置検出素子のように、分離帯のないセンサを使うことにより、急激な出力変化を防ぐためのデフォーカスは避けることが可能である。しかし、通信距離が、数十メートルから数キロメートルも変化する製品では、ベストに近い位置に位置検出用受光素子８を配置することは難しい。
【００１８】
更に、この様な製品では、レーザダイオード１とレンズ群2の位置関係を、短距離では送信光LAが人間の目に悪影響を与えないようにビームを大きく広げる方向に、長距離ではビームのエネルギーが確実に相手装置に到達するようにビームを狭くする方向に調整しなければならないこともあり、位置検出用受光素子８上でのデフォーカスは避けられない。
【００１９】
したがって、PSDにおいてもデフォーカスされた状況での使用が十分に考えられる。デフォーカス状態においても、PSDはスポット光の重心位置を検出するものであり、4分割センサと何ら替わりがない。
【００２０】
本発明の目的は、上述の問題点を解消し、大気のミクロ的な揺らぎが発生し、受信光に不均一な強度分布があっても、これによる光軸ズレ補正誤差を減少させ、安定した通信を行うことのできる光空間伝送装置及び光検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記課題を解決するために、本発明の光検出装置は、受光素子と、外部から入射した光束を集光して受光素子の受光面上に該光束のスポットを形成する集光光学系と、受光素子からの出力に基づいて、スポットの位置に関する情報を生成する情報生成手段とを有し、集光光学系は、それぞれが集光作用を有する複数の光学素子部を備えた光学素子アレイを有し、受光面上において複数の光学素子部により形成された複数のスポットが互いに略重なることを特徴としている。
【００２２】
また、本発明の光空間伝送装置は、空間を伝搬する光束により相手装置と通信を行う光空間伝送装置であって、受光素子と、相手装置から入射した光束を集光して受光素子の受光面上に該光束のスポットを形成する集光光学系と、受光素子からの出力に基づいて、スポットの位置に関する情報を生成する情報生成手段とを有し、集光光学系は、それぞれが集光作用を有する複数の光学素子部を備えた光学素子アレイを有し、受光面上において複数の光学素子部により形成された複数のスポットが互いに略重なることを特徴としている。
【００２３】
ここで、光空間装置に、相手装置と光束による通信を行うための通信光学系と、スポットの位置による情報に基づいて通信光学系又は光空間伝送装置の向きを制御する制御手段とを設けるようにしてもよい。この際、集光光学系に、通信光学系に入射した光束の一部を用いてスポットを形成させるようにするとよい。
【発明の効果】
【００２４】
集光光学系に、それぞれが集光作用を有する複数の光学素子部を備えた光学素子アレイを用いて、受光面上において複数の光学素子部により形成された複数のスポットが互いに略重なるようにさせることで、光束内部の強度分布を平均化することが可能となり、空間を伝送することによって生じた不均一な強度分布による影響を排除することができる。また、光空間伝送装置では、光軸ズレ補正を減少させ、安定した通信を行うことが可能となる。
【００２５】
スポットの位置による情報に基づいて例えばミラーなどの通信光学系や雲台などに搭載された光空間伝送装置の向きを制御することにより、送信光と受信光の光軸ズレが補正され、安定した通信を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。
【実施例】
【００２７】
図１は、本発明の実施例である第１の光空間伝送装置１０１の構成図である。尚、同じ機能を有するものは出来るだけ従来例と同一の記号を使用した。レーザダイオード1から射出された紙面に垂直方向に直線偏光となるレーザ光は、正のパワーを持つレンズ群2により略平行な光束とされ、偏光ビームスプリッタ3の境界面で反射され、更に光軸方向可変部10のミラー4で反射されて、送信光LAとして第１の光空間伝送装置１０１から図示しない第２の光空間伝送装置へ投光される。
第２の光空間伝送装置からの紙面にほぼ平行な直線偏光に近い受信光LBは装置１０１に入射し、ミラー4により反射され、偏光ビームスプリッタ3を透過して受信光分岐ミラー5に至る。このとき、受信光LBの大半は受信光分岐ミラー5を透過して、正のパワーを持つレンズ群7により本信号検出用受光素子6に集光される。受信光分岐ミラー5にて反射された残りの受信光LBｂは、正のパワーを持つレンズ群9により集光され、レンズアレイ21を通り、位置検出用受光素子8に受光される。
【００２８】
次に、図２を用いてレンズアレイ２１の機能について説明する。図２は、図１で示す破線Ａで囲んだ装置１０１の一部を詳細に示した図である。なお、図２は、図１を紙面上左右に反転させた図である。レンズ群9に導かれてきた受信光LBbは、レンズ群9で集束される。集束された光束は、まだ集光されないデフォーカスの位置に配置されたレンズアレイ21に入射する。
【００２９】
レンズアレイ２１は、板状のガラスに図３（A）、（B）のような六角形や四角形などの形をして曲率の付いた微小レンズを複数形成したものであり、レンズアレイの形状をした金型に、加熱して柔らかくされたガラス素材を挟み込んで作るモールド成形や、ガラスの表面に透明プラスチックなどの高分子材料で微小レンズを形成する方法や、プラスチックのみで一体成形する方法などにより製造される。レンズアレイ２１に形成された各レンズは、集光機能を有することもあれば、発散機能を有することもある
なお、レンズアレイ２１は、レンズ形状の基板に形成することもできる。また、六角形や四角形としたが、円形や三角形であってもよい。さらに、二つの微小レンズしか持たないレンズアレイなども考えられるが、通信不能を防止するためには、有効光束内に9個以上配置するのが望ましい。
【００３０】
ただし、以下の理由により微小レンズの数を制限する必要もある。これは、回折による広がりで光の効率が妨げられることを嫌う場合。レンズが小さくなりすぎて、大きなＲの微小レンズの製造が困難となり、レンズアレイ２１と位置検出用受光素子８の距離を適正に保てなくなった場合などである。
【００３１】
ここで、レンズアレイ２１の各微小レンズから射出された光束を図中上方からL1〜L5と番号を振る。レンズ9の光軸を含む光束L3は、一度焦点面Fに集光した後、位置検出用受光素子8に到達するまで、広がる。
【００３２】
L1、L2、L4及びL5は、レンズ9に対して偏心している微小レンズから射出された光束であり、これらの光束も光束L3と同様に、一度焦点面Fの近傍に集光した後、広がりながら位置検出用受光素子8に到達する。
【００３３】
レンズアレイ21と位置検出用受光素子8の距離は、位置検出用受光素子8に到達した光束L1〜L5が受光面上でもっとも重なり合う場所の近傍としている。近傍としたのは、レンズ9やレンズアレイ21の収差の関係で明確に規定できない場合があることや、動作保証上問題ないレベルでの位置ズレは許されるからである。
次に、上述のレンズアレイ２１の機能について図４を用いて説明する。
【００３４】
図４は、レンズアレイ21に光束LBcの強度分布（図１６のSPの強度分布と同じもの）を重ねた図である。光束LBcがレンズアレイ21の各微小レンズ（以下、「セルレンズ」という）により領域分けされているのがわかる。Ceで示した矢印方向の5つのセルレンズが図２で示した断面を含む。つまり、光束L1〜L5が射出するレンズである。
【００３５】
図５は、わかりやすいように、各セルレンズを射出した直後の光束L1〜L5の強度分布を表したものである。個々の光束にはまだ強度分布が残っているが、これらが位置検出受光素子8の受光面上で重ね合わされることで、図６に示すように、強度分布の平均化が行われる。
【００３６】
この説明ではCeで示す矢印方向の一列しか扱っていないが、光束およびレンズアレイは2次元方向に広がっているため、図４に示す全てのセルレンズで平均化が行われる。また、セルレンズが多い方がより平均化される。
【００３７】
図６に示したスポット６の大きさは、位置検出用受光素子８において４分割された受光部８１の径より小さくなければならない。これらの受光部８１の径より大きい場合は、図７に示す如く受光部８１が平均化された光束の中にちょうど収まってしまうため、スポット６の位置変化を検出できない。また、セルレンズの数が少なく、平均化の効果が十分でないときなどは、光束SP6の大きさは小さい方がよい。
【００３８】
しかしながら、小さすぎる場合は、従来例で示した4分割センサの不感帯の影響が大きくなる。従って、スポット６の大きさは、不感帯の影響を緩和できるように、スポット６の面積にしめる不感帯部の面積の割合が50％以下となる大きさから、設置条件や公差が重なっても4分割センサの大きさを上回らない直径、つまり、受光部８１の最短長90％程度を越えない大きさまでである。
【００３９】
次に、ミラー４の駆動制御について図１１のフローチャートを用いて説明する。位置検出用受光素子８に受信光LBが入射し、受光部８１にスポットが形成されると、受光部８１から信号処理部１１にスポットの光の強度分布に応じた信号が出力される（ステップ１）。  信号処理部１１は、この受光部８１からの出力信号に基づき、スポットの位置が中央にあるかどうかを判定し（ステップ２）、スポットの位置が中央からズレている場合には、受信光LBの入射方向を演算するとともにこの演算結果に基づき生成された光軸ズレ補正信号を光軸方向制御部１０に出力する。
【００４０】
そして、光軸方向制御部１０は、信号処理部１１から入力された光軸ズレ補正信号に基づき、ミラー４の駆動方向及び駆動角度を演算するとともにこの演算結果に基づき生成された駆動信号をミラー４の駆動源である不図示のアクチュエータに出力する（ステップ４）。
【００４１】
光軸方向制御部１０から入力された駆動信号に基づきアクチュエータが駆動されると、ミラー４は、受信光LBと送信光LAの光軸が一致するように所定の位置まで移動する（ステップ５）。これにより、第１の光空間伝送装置１０１と第２の光空間伝送装置とが通信不能となるのを防止することができる。
【００４２】
本実施例では、ミラー４の向きを変えることにより、送信光LAと受信光LBの光軸を一致させるようにしたが、例えば装置全体の向きを雲台により変えるようにしてもよい。
【００４３】
また、本実施例の光学系は、光検出装置、光空間伝送装置以外の様々な装置に用いることができる。
【００４４】
なお、図８に示すように、レンズアレイ２１と位置検出用受光素子８の間にレンズ４１を配置することにより、レンズアレイ２１から射出された光束を位置検出用受光素子８に導くようにしてもよい。同図に示すように、レンズ４１は、凸レンズであるが、凹レンズやメニスカスレンズなどにしてもよい。また、レンズアレイ２１を構成する基板は、平行平板のみならず、レンズ形状にしてもよい。
【００４５】
本実施例では、複数の光学素子部を備えた光学素子アレイとしてレンズアレイを使用したが、例えば、図９のように屈折率分布型レンズなどをまとめたものや、図１０に示すように凹ミラーを並べたものを使用してもよい。
【００４６】
また、本発明の受信光分岐ミラー５は、本信号検出受光素子に向かう光の量を位置検出受光素子に向かう光の量より多いとしているが、受光素子の感度などの影響により、この逆であっても何ら変わらないことは明白である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施例である光空間伝送装置の構成図
【図２】本発明の実施例である光空間伝送装置の要部断面図
【図３】レンズアレイの正面図
【図４】本発明の光区間伝送装置の要部断面図
【図５】光束L1〜L５の強度分布を示した図
【図６】強度分布が平均化された状態を示した図
【図７】受光部が平均化された光束の中に収まった状態を示した図
【図８】レンズアレイと位置検出用受光素子との間にレンズを配置した集光光学系の構成図
【図９】光学素子アレイである屈折率分布型レンズの構造図
【図１０】光学素子アレイである凹ミラーを複数配置したミラー群の構造図
【図１１】ミラーの駆動制御を説明するためのフローチャート
【図１２】従来例の光空間伝送装置の構造図
【図１３】従来例の４分割センサの構成図
【図１４】大気のミクロ的な揺らぎをモデル化した説明図
【図１５】強度分布が不均一なスポットの図
【図１６】図１５で示すスポットの状態を詳細にした図
【符号の説明】
【００４８】
1：レーザダイオード
2、7、9：レンズ
3：偏光ビームスプリッタ
4：ミラー
5：受信光分岐ミラー
6：本信号検出用受光素子
8：位置検出用受光素子
21：レンズアレイ
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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