(57)【要約】【課題】光ビーム送受信機では、光ビームの放射角が非常に狭いので、いったん光軸を見失うと、自動追尾は不可能になる。【解決手段】主信号送受信用の第１の光ビーム送受信機１０と、光軸調整用の第２の光ビーム送受信機２０と、これらを一体に支持したフレーム５０を備える。このフレーム５０を転動させて、第１の光ビーム送受信機１０と第２の光ビーム送受信機２０の光軸を同時に調整する光軸調整機構５１とを備える。第２の光ビーム送受信機２０の送信部光学系は、第１の光ビーム送受信機１０の送信部光学系よりも広い光ビームの放射角を有し、第２の光ビーム送受信機２０の受信部光学系は、第１の光ビーム送受信機１０の受信部光学系よりも広い光ビームの視野角を有し、第２の光ビーム送受信機２０の受信部光学系は、第１の光ビーム送受信機１０の受信部光学系よりも、波長帯域が広くて、互いに異なる波長の光ビームを使用する。【選択図】図１
2007228464.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主信号送受信用の第１の光ビーム送受信機と、
光軸調整用の第２の光ビーム送受信機と、
前記第１の光ビーム送受信機と前記第２の光ビーム送受信機とを一体に支持したフレームと、
このフレームを転動させて、前記第１の光ビーム送受信機と前記第２の光ビーム送受信機の光軸を同時に調整する光軸調整機構とを備え、
前記第２の光ビーム送受信機の送信部光学系は、前記第１の光ビーム送受信機の送信部光学系よりも広い光ビームの放射角を有し、
前記第２の光ビーム送受信機の受信部光学系は、前記第１の光ビーム送受信機の受信部光学系よりも広い光ビームの視野角を有し、
前記第２の光ビーム送受信機の受信部光学系は、前記第１の光ビーム送受信機の受信部光学系よりも広い波長帯域の光ビームを使用し、
前記第１の光ビーム送受信機と前記第２の光ビーム送受信機は、それぞれ、重なり合うことがない異なる波長の光ビームを使用したことを特徴とする光無線伝送装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光無線伝送装置において、
前記第１の光ビーム送受信機と前記第２の光ビーム送受信機は、それぞれ、異なる波長特性のレンズと光学フィルタを使用したことを特徴とする光無線伝送装置。
【請求項３】
請求項１に記載の光無線伝送装置において、
前記第１の光ビーム送受信機と前記第２の光ビーム送受信機は、それぞれ、光学的干渉が無視できるほど離間した波長の光ビームを使用したことを特徴とする光無線伝送装置。
【請求項４】
請求項１に記載の光無線伝送装置において、
前記第２の光ビーム送受信機は、前記第２の光ビーム送受信機よりも、低速／大出力の発光素子を使用したことを特徴とする光無線伝送装置。
【請求項５】
請求項１に記載の光無線伝送装置において、
前記第２の光ビーム送受信機は、前記第２の光ビーム送受信機よりも、低速／高利得の受光素子を使用したことを特徴とする光無線伝送装置。
【請求項６】
請求項１に記載の光無線伝送装置において、
前記光軸調整機構は、前記第２の光ビーム送受信機の受光可能レベルを、受信される光ビームのダイナミックレンジとほぼ等価に選定したことを特徴とする光無線伝送装置。
【請求項７】
請求項１に記載の光無線伝送装置において、
前記第２の光ビーム送受信機は、前記第１の光ビーム送受信機の故障時に、主信号の伝送を代行する接続切り換え回路を備えたことを特徴とする光無線伝送装置。
【請求項８】
請求項１に記載の光無線伝送装置において、
前記第２の光ビーム送受信機は、光ビームに送受信制御信号または、主信号の冗長用の信号を重畳する信号処理回路を備えたことを特徴とする光無線伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ビームを使用した送受信のために、送信側と受信側とで光軸を合わせる処理を容易に確実にした、光無線伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光無線伝送装置は、光ビーム送信機と光ビーム受信機とを所定の距離だけ離して配置して通信をする。伝送信号は光ビームに重畳される。光ビームの放射角を広げるとパワー損失が増大し効率が悪くなる。また、光ビームを受信する受信機の視野角を広くすると外乱光の影響を受けやすくなる。従って、非常に狭い角度に集光された光ビームを使用する。このような装置の光ビームの送受信方向を最適化し、通信品質を保持するために、自動追尾や手動による調整が行なわれる（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−２２９３５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ここで、従来の技術には、次のような解決すべき課題があった。
光軸調整は、送受信する光ビームの強度を測定しながら行う。しかしながら、受信する光ビームの放射角が非常に狭いので、いったん光軸を見失うと、自動追尾は不可能になる。手動調整では、受光素子とは別に用意したスコープを用いて広い範囲で受信強度を測定できるが、光ビーム送信機の位置を正確に認識していないと調整ができない。また、スコープの位置合わせがうまくいかないと調整が不可能になる。通信距離が長くなると放射角と視野角がますます狭くなり、調整が難しくなる。また、信号伝送を継続しながら光ビームの強度を測定すると、信号の一部を分岐するため、受信感度が低下するという問題がある。
本発明は以上の課題を解決するためになされたもので、光軸調整用として別途設けた光源を使用し、十分広い光ビームを強力なパワーで送信して調整をすることができる光無線伝送装置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】
【０００４】
本発明の各実施例においては、それぞれ次のような構成により上記の課題を解決する。
〈構成１〉
主信号送受信用の第１の光ビーム送受信機と、光軸調整用の第２の光ビーム送受信機と、上記第１の光ビーム送受信機と上記第２の光ビーム送受信機とを一体に支持したフレームと、このフレームを転動させて、上記第１の光ビーム送受信機と上記第２の光ビーム送受信機の光軸を同時に調整する光軸調整機構とを備え、上記第２の光ビーム送受信機の送信部光学系は、上記第１の光ビーム送受信機の送信部光学系よりも広い光ビームの放射角を有し、上記第２の光ビーム送受信機の受信部光学系は、上記第１の光ビーム送受信機の受信部光学系よりも広い光ビームの視野角を有し、上記第２の光ビーム送受信機の受信部光学系は、上記第１の光ビーム送受信機の受信部光学系よりも広い波長帯域の光ビームを使用し、上記第１の光ビーム送受信機と上記第２の光ビーム送受信機は、それぞれ、重なり合うことがない異なる波長の光ビームを使用したことを特徴とする光無線伝送装置。
【０００５】
主信号の送受信用とは別の光源を使用して光軸調整を行うので、光強度の測定と光軸合わせに最適な光源を調整用として使用できる。従って、光軸合わせが容易に正確にできる。
【０００６】
〈構成２〉
構成１に記載の光無線伝送装置において、上記第１の光ビーム送受信機と上記第２の光ビーム送受信機は、それぞれ、異なる波長特性のレンズと光学フィルタを使用したことを特徴とする光無線伝送装置。
【０００７】
それぞれ、異なる波長特性のレンズと光学フィルタを使用したので、主信号の光ビームと光軸合わせ用の光ビームとが、相互に干渉を生じることがない。
【０００８】
〈構成３〉
構成１に記載の光無線伝送装置において、上記第１の光ビーム送受信機と上記第２の光ビーム送受信機は、それぞれ、光学的干渉が無視できるほど離間した波長の光ビームを使用したことを特徴とする光無線伝送装置。
【０００９】
離間した周波数の波長の光ビームを使用したので、主信号の光ビームと光軸合わせ用の光ビームとが、相互に干渉を生じることがない。
【００１０】
〈構成４〉
構成１に記載の光無線伝送装置において、上記第２の光ビーム送受信機は、上記第２の光ビーム送受信機よりも、低速／大出力の発光素子を使用したことを特徴とする光無線伝送装置。
【００１１】
光ビーム送信用に低速／大出力の発光素子を使用したので、光軸調整用の光ビームの放射角を大きくできる。
【００１２】
〈構成５〉
構成１に記載の光無線伝送装置において、上記第２の光ビーム送受信機は、上記第２の光ビーム送受信機よりも、低速／高利得の受光素子を使用したことを特徴とする光無線伝送装置。
【００１３】
光ビーム受信用に低速／高利得の受光素子を使用したので、光軸調整用の光ビームの視野角を大きくできる。
【００１４】
〈構成６〉
構成１に記載の光無線伝送装置において、上記光軸調整機構は、上記第２の光ビーム送受信機の受光可能レベルを、受信される光ビームのダイナミックレンジとほぼ等価に選定したことを特徴とする光無線伝送装置。
【００１５】
受信側の受光可能電力を、光ビームのダイナミックレンジと等価に設定すると、光軸調整用光ビームの送信パワーを最大限有効に利用して、広範囲の調整ができる。
【００１６】
〈構成７〉
構成１に記載の光無線伝送装置において、上記第２の光ビーム送受信機は、上記第１の光ビーム送受信機の故障時に、主信号の伝送を代行する接続切り換え回路を備えたことを特徴とする光無線伝送装置。
【００１７】
２系統の光ビーム送受信機を使用したので、光軸調整専用としないで、主信号伝送のパックアップ用としても利用することができる。
【００１８】
〈構成８〉
構成１に記載の光無線伝送装置において、上記第２の光ビーム送受信機は、光ビームに送受信制御信号または、主信号の冗長用の信号を重畳する信号処理回路を備えたことを特徴とする光無線伝送装置。
【００１９】
送受信制御信号や冗長用の信号伝送を光軸調整用の光ビーム送受信機に負担させることで、設備資源を有効に活用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明では、主信号送受信用の第１の光ビーム送受信機と光軸調整用の第２の光ビーム送受信機とを設ける。即ち、２台の光ビーム送受信機を設けて、その一方を光軸調整用として使用する。光軸調整用の光ビーム送受信機は、その機能を最大限に生かす設計をする。
以下、本発明の実施の形態を具体例を用いて説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１は、実施例１の光無線伝送装置の斜視図である。
図の装置は、第１の光ビーム送受信機１０と第２の光ビーム送受信機２０を備える。第１の光ビーム送受信機１０は主信号を送受信するための装置である。第２の光ビーム送受信機２０は主として光軸調整用の装置として使用する。なお、第２の光ビーム送受信機２０は、後で説明するように非常時には主信号の送受信にも使用できる。第１の光ビーム送受信機１０と第２の光ビーム送受信機２０とは、フレーム５０に一体に支持されている。従って、フレーム５０の首振り運動をさせると、第１の光ビーム送受信機１０と第２の光ビーム送受信機２０の光軸調整が同時にできる。
【００２２】
図のような光無線伝送装置は、数十メートルから数百メートルの間隔を置いて対向配置され、光ビームを送受信して通信を行う。第１の光ビーム送受信機１０からは主信号の光ビーム１４が送信される。第２の光ビーム送受信機２０からは光軸調整用の光ビーム２４が出力される。これらのビームが、対向する光無線伝送装置に到達する。対向する光無線伝送装置からも、主信号の光ビームと光軸調整用の光ビームが到達する。これらの光ビームが正確に相手方の光無線伝送装置に到達するように、それぞれその光軸調整を行う。具体的には、図の矢印Ａに示すようにフレーム５０の上下方向の首振り運動をさせる。後述する図２で示した回転軸５３を中心にして回転をする。また、矢印Ｂに示すように支持軸５１を回転させて、フレーム５０の左右方向の首振り運動をさせる。フレーム５０の内部には、支持軸５１を回転させる光軸調整機構が収納され、フレーム５０は転動する。
【００２３】
図２は、実施例１の光無線伝送装置の側面図である。
図に示すように、第１の光ビーム送受信機１０と第２の光ビーム送受信機２０の出力する光ビームは、それぞれ放射角が異なる。第１の光ビーム送受信機が出力する光ビーム１４の放射角はＵで拡がりが少ない。一方、第２の光ビーム送受信機の出力する光ビーム２４の放射角はＶで、若干拡がりが大きい。主信号送信用の光ビーム１４は、十分に放射角を絞ることで効率良くしかも漏れや散乱のないように送信される。これに対して光軸調整用の光ビーム２４は、相手方に見失われることがないように、十分広角に発射される。即ち、Ｕ＜Ｖになるように選定している。
【００２４】
図３は、第１の光ビーム送受信機と第２の光ビーム送受信機の光学系部分の構造説明図である。
図の（ａ）は第１の光ビーム送受信機の発光素子と光学系の説明図である。発光素子４０の出力した光は、レンズ４１により所定の幅の光ビーム４３に絞られる。光学フィルタ４２は光ビームの波長帯域を調整するためのものである。こうして光ビーム４３が出力される。この放射角はレンズ４１によって調整される。図の（ｂ）は、第２の光ビーム送受信機の発光素子と光学系の説明図である。発光素子６０の光はレンズ６１により一定の放射角のビームに絞られる。光学フィルタ６２は第２の光ビーム送受信機のために設定された波長領域に光ビーム６３を調整するためのものである。このようにして、光学系の設定と光学フィルタの設定により、第１の光ビーム送受信機と第２の光ビーム送受信機の放射角を、それぞれ上記のＵ＜Ｖになるように選定する。さらに、光学フィルタの設定により、波長帯域の調整をする。
【００２５】
（ｃ）は第１の光ビーム送受信機の受光素子と光学系の説明図である。この光学系は（ａ）に示した発光素子４０の出力するような光ビームを受信する。視野角が広いと不要な雑音を受け入れることになる。従って、主信号送受信用の受光素子７０の視野角を狭くするようにレンズ７１の屈折率を調整している。光学フィルタ７２は受信する光ビーム７３の波長帯域を制限するためのものである。（ｄ）は第２の光ビーム送受信機の受光素子と光学系の説明図である。光軸調整用の受光素子８０は相手方から到達する光ビームを見失わないようにやや広めに視野角を設定する。受光素子８０はレンズ８１によって広い視野角から光を集めその光を検出する。光学フィルタ８２は受信する光ビーム８３の波長帯域を制限するためのものである。
【００２６】
以上のような構成によって第２の光ビーム送受信機の発する光ビームを相手方の第２の光ビーム送受信機に照射し、光無線伝送装置全体の光軸調整をすることが可能になる。この光軸合わせは手動でもよいが自動で行うこともできる。第２の光ビーム送受信機２０の光軸を相手方の第２の光ビーム送受信機と一致させれば、同時に自動的に第１の光ビーム送受信機１０の光軸も相手方の第１の光ビーム送受信機の光軸と一致させることができる。
【００２７】
なお、この時、第１の光ビーム送受信機が出力する光ビーム１４と第２の光ビーム送受信機２０が出力する光ビーム２４の相互緩衝が問題となる。これらの光ビームが同じ波長帯域の光を含んでいる場合、両方の光ビームがそれぞれ相手方の第１の光ビーム送受信機に飛び込むと、通信障害が発生する。そこで、この発明では、第１の光ビーム送受信機１０と第２の光ビーム送受信機２０に、それぞれ異なる波長の光ビームを使用する。即ち、第１の光ビーム送受信機と第２の光ビーム送受信機とはそれぞれ光学的緩衝が無視できるほど離れた周波数の波長の光ビームを使用することが好ましい。
【００２８】
さらに、第１の光ビーム送受信機よりも第２の光ビーム送受信機の方の波長帯域を広く設定することが好ましい。主信号伝送は、必要最小限の帯域で効率良く行われる。一方、光軸調整用の光ビームは、様々な環境変化に影響されずに、常にほぼ一定以上の強度の広いビーム幅の光を相手方の光無線伝送装置に照射することが好ましい。そこで、例えば、比較的低い周波数帯域で広い波長帯域を使用する。これには、低速で大出力の発光素子を使用するとよい。また、低速で高利得の受光素子を使用するとよい。こうして、光軸調整のための光ビーム送受信機２０を最大効率で動作させることができる。
【実施例２】
【００２９】
図４は自動的に光軸調整をすることができる光無線伝送装置のブロック図である。
図に示すように、第１の光ビーム送受信機１０は、通信用回路１１、送信回路１２、送信部光学系１３、受信回路１５、及び、受信部光学系１６を備える。通信用回路１１は、主信号送受信のための信号制御回路である。送信回路１２は、通信用回路１１の出力する主信号を送信部光学系１３に供給する機能を持つ。送信部光学系１３は、主信号を電気信号から光信号に変換して光ビーム１４を出力する機能を持つ。その放射角はＵである。受信部光学系１６は、相手方の光ビーム送受信機から出力された光ビーム３７を受信して、電気信号に変換する機能を持つ。受信部光学系１６の視野角はＷに選定されている。受信部光学系１６の出力信号は受信回路１５を経て通信用回路１１に送り込まれる。
【００３０】
第２の光ビーム送受信機２０は、光軸調整用回路２１、送信回路２２、送信部光学系２３、受信回路２５、及び、受信部光学系２６を備える。光軸調整用回路２１は、光軸調整用信号の送受信のための回路である。送信回路２２は、光軸調整用回路２１の出力する信号を送信部光学系２３に供給する機能を持つ。送信部光学系２３は、光軸調整用信号を電気信号から光信号に変換して光ビーム２４を出力する機能を持つ。その放射角はＶである。Ｕ＜Ｖである。受信部光学系２６は、相手方の光ビーム送受信機から出力された光ビーム３８を受信して、電気信号に変換する機能を持つ。受信部光学系２６の視野角はＸに選定されている。Ｗ＜Ｘである。受信部光学系２６の出力信号は受信回路２５を経て光軸調整用回路２１に送り込まれる。
【００３１】
光軸調整用回路２１は、受信した光信号のレベルが、所定のレベル以上になるように、好ましくは常に最大値となるように光軸調整機構３１を制御する。例えば、光軸調整用回路２１は、光軸調整機構３１を制御して、フレーム５０（図１）を転動させる。そして、入力信号が最大値を示す位置情報を取得する。その位置情報を光軸調整機構３１にセットして、光軸を相手方の光ビーム送受信機と一致させる。こうして、自動的に光軸を常に最適の状態に調整することができる。もちろん、光軸調整用回路２１の出力をモニターで見ながら、手動で光軸調整することもできる。
【００３２】
なお、このほかに、光軸調整用回路２１には主信号を制御するための通信用回路３２が接続されている。第２の光ビーム送受信機２０は、光軸調整動作を行う以外は、動作を休止できる。光軸調整動作のための光信号の送受信に、それほど負荷はかからない。そこで、光軸調整処理の空き時間に、第２の光ビーム送受信機２０を利用して様々な制御信号を送受信する。制御信号としては、例えば、相手方の光無線伝送装置の光信号パワーの調整指示信号等がある。制御信号重畳回路３３はこの処理を実行する。また、主信号のエラー訂正に必要な冗長用信号を送信することもできる。冗長用信号重畳回路３４はこの処理を実行する。いずれの信号も主信号とは別に送信するので、第１の光ビーム送受信機１０の負荷を軽減し、主信号の帯域を広くとることができる。
【００３３】
また、第１の光ビーム送受信機１０が例えば障害により機能を停止した時、第２の光ビーム送受信機２０をバックアップ用として動作させることができる。第１の光ビーム送受信機１０が機能を停止した時は、接続切り換え回路３５がこれを検出し、通信用回路１１の前段の出力を光軸調整用回路２１に供給する。光軸調整用回路２１は、通信用回路１１と同様の機能を持ち、主信号の送受信制御を行う。若干効率は低下するが、バックアップ用としての機能は十分に果たす。
【００３４】
図５は、光軸調整動作の説明図である。
２台の光無線伝送装置９１、９２が対向配置されているとき、その光軸調整は次のように行われる。まず、図の（ａ）に示すように、一方の光無線伝送装置９１の向きを調整する。光無線伝送装置９１は、相手方の光無線伝送装置９２の出力する光ビーム９３を受信する。そして、その受光強度が最大になるように、光無線伝送装置９１の向きを合わせる。これで、光無線伝送装置９１は光無線伝送装置９２に対して、光軸を合わせることができる。これが、図の（ｂ）の状態である。
【００３５】
次に、他方の光無線伝送装置９２の向きを調整する。光無線伝送装置９２は、相手方の光無線伝送装置９１の出力する光ビーム９４を受信する。これが、図の（ｃ）の状態である。そして、その受光強度が最大になるように、光無線伝送装置９２の向きを合わせる。これで、光無線伝送装置９１は光無線伝送装置９２に対して、光軸を合わせることができる。これが、図の（ｄ）の状態である。なお、光無線伝送装置９１と９２のいずれの装置を先に光軸調整しても同様の結果を得る。相手方が首振りをして転動している最中はこの処理はできない。従って、例えば、交互に調整を行うように相手方をリモートコントロールすることか好ましい。こうして自動的に光軸調整することで、両者が常に正対するように制御できる。
【００３６】
図６は、受光素子のダイナミックレンジ説明図である。
図に示す実線の円は受信側の光無線伝送装置に到達した光ビーム６３の輪郭である。この光ビームを受光素子８０により受光して光電変換する。図の下側に、この光ビームの受光レベルを縦軸に取り、光ビームに直交する方向の位置を横軸に取ったグラフを示す。光ビームの中心が最大の受光レベルを示し周辺に向かって次第に受光レベルが低下する、
【００３７】
受信側で検知可能な受光レベルの最小値はＳである。破線の円６４の範囲である。また、受光レベルの最大値はＭである。従って、Ｍ−Ｓの範囲が、受信される光ビームのダイナミックレンジである。これに対して、受光素子が効率良く光電変換できる受光レベルの範囲を合わせる。即ち、受光部光学系の受光可能なレベルの最大値をＭ、最小値をＳに設定する。このように設計をすると、光ビームのどの部分の光も漏れなく受光し、正常に効率良く光電変換して、光軸調整をすることができる。
【００３８】
具体例をあげれば、通信用の光無線伝送装置は、例えば、１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚ付近の信号周波数帯域を使用する。通信用として、例えば、ローカルエリアネットワーク用の信号を伝送する。その送信部光学系は、波長１５００ｎｍの光ビームを使用する。放射角（半値角）は０．１°である。受信部光学系は波長１５００ｎｍ以上の光を通す光学系フィルタを使用する。視野角は１度である。
【００３９】
一方、光軸調整用の光無線伝送装置は５００ＫＨｚ付近の信号周波数帯域を使用する。そして、その信号で、光軸調整のための基準電力を示す信号と、対向機のリモート制御用の信号と、通信用回線断時の冗長用信号を伝送する。送信部光学系は波長８５０ｎｍの光ビームを使用する。放射角（半値角）は１°である。受信部光学系は波長８５０ｎｍ以上の光を通過させる光学系フィルタを使用する。視野角は１０度である。このように、第１の光ビーム送受信機と第２の光ビーム送受信機とはそれぞれ、重なり合うことがない異なる波長の光ビームを使用して、相互干渉を無くして光通信を行う。
【００４０】
以上の装置は、光軸調整用の光源を使用し、十分広い光ビームを十分なパワーで送信して調整をするので、調整が容易で確実にできる。また、光ビームの幅が広く、自動追尾で相手を見失うことがない。さらに、伝送信号に影響を与えることなく光軸調整ができるので、主信号伝送用の光ビーム送受信機を最適な状態で運用できる。また、光軸調整以外に、バックアップや制御信号の送信等の機能を付与して、その能力を最大限に活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施例１の光無線伝送装置の斜視図である。
【図２】実施例１の光無線伝送装置の側面図である。
【図３】第１の光ビーム送受信機と第２の光ビーム送受信機の光学系部分の構造説明図である。
【図４】自動的に光軸調整をすることができる光無線伝送装置のブロック図である。
【図５】光軸調整動作の説明図である。
【図６】受光素子のダイナミックレンジ説明図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０  第１の光ビーム送受信機
１１  通信用回路
１２  送信回路
１３  送信部光学系
１５  受信回路
１６  受信部光学系
１４  光ビーム
２０  第２の光ビーム送受信機
２１  光軸調整用回路
２２  送信回路
２３  送信部光学系
２５  受信回路
２６  受信部光学系
２４  光ビーム
３１  支持軸
３２  通信用回路
３５  接続切り換え回路
３３  制御信号重畳回路
３４  冗長用信号重畳回路
【図１】
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【図２】
2007228464.tif 000004
【図３】
2007228464.tif 000005
【図４】
2007228464.tif 000006
【図５】
2007228464.tif 000007
【図６】
2007228464.tif 000008