(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の情報信号で変調された信号光を送受信する光空間通信装置において、相手側装置から送信された信号光を遮断し、該信号光以外の少なくとも可視波長域の背景光を透過する信号選択手段と、前記信号光及び前記背景光の受光位置を検出する受光位置検出手段と、前記信号選択手段による前記信号光の遮断時及び非遮断時における前記受光位置検出手段の出力信号を比較し、該出力信号の差に相当する信号を出力する信号出力手段とを有することを特徴とする光空間通信装置。
【請求項２】
前記受光位置検出手段はＣＣＤ撮像素子であることを特徴とする請求項１に記載の光空間通信装置。
【請求項３】
前記受光位置検出手段は４分割した光検出素子であることを特徴とする請求項１に記載の光空間通信装置。
【請求項４】
前記受光位置検出手段は二次元光位置検出素子であることを特徴とする請求項１に記載の光空間通信装置。
【請求項５】
前記信号選択手段は液晶と偏光板により構成することを特徴とする請求項１〜４の何れか１つの請求項に記載の光空間通信装置。
【請求項６】
前記信号選択手段は受信光学系の光軸を回転軸として回転可能な１／２波長板と偏光板により構成することを特徴とする請求項１〜４の何れか１つの請求項に記載の光空間通信装置。
【請求項７】
前記信号選択手段は受信光学系の光軸を回転軸として回転可能な偏光板であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１つの請求項に記載の光空間通信装置。
【請求項８】
前記信号選択手段は受信光路へ挿脱可能な波長選択フィルタであることを特徴とする請求項１〜４の何れか１つの請求項に記載の光空間通信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、送信信号により変調した光信号をビーム状にして大気中を伝搬し、離れた２地点間で通信を行う光空間通信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に光信号を利用した通信は、高速で大容量の情報の伝達が可能であり、特に伝送路を自由空間とする光空間通信は、光ファイバ等の有線通信に比べて可搬性に富み、簡便に通信路を開設することができるという利点がある。従来の通信装置では、光空間通信の信頼性を向上するために、光信号が装置から外れないように、光ビームの出射方向の角度補正を行う自動追尾（オートトラッキング）が行われている。
【０００３】
図４は従来例のトラッキング機能を有する光空間通信装置の構成図を示し、相手側装置と対向する位置に送受信用のレンズ１が配置され、レンズ１の背後の光路上にはレンズ２、可動ミラー３が配置されている。可動ミラー３の入射方向には、偏光ビームスプリッタ４、レンズ５、半導体レーザー光源等から成る発光素子６が配列されている。偏光ビームスプリッタ４の反射方向には、光束分割ミラー７、レンズ８、位置検出素子９が配列され、光束分割ミラー７の反射方向には、レンズ１０、光学素子１１が配列されている。
【０００４】
発光素子６には合波器１２の出力が接続されており、送信信号入力端子１３の出力が増幅器１４を介して合波器１２に接続され、また合波器には発振器１５の出力が接続されている。更に、受光素子１１の出力は増幅器１６を介して受信信号出力端子１７に接続されている。
【０００５】
位置検出素子９の出力はトラッキング制御回路１８に接続され、トラッキング制御回路１８の出力は、可動ミラー３の角度を変更する２個のアクチュエータ１９、２０を介して可動ミラー３に接続されている。また、検者が視覚により確認するための視準スコープ２１が、可動ミラー３の光軸とほぼ平行に設けられている。
【０００６】
送信時には、送信信号を送信信号入力端子１３から入力すると、増幅器１４により増幅され、更に発振器１５からの信号が合波器１２で合波された後に、発光素子６に出力される。発光素子６は発振光を入力信号に従って強度変調し光信号に変換する。発光素子６からの光束はレンズ５を経て偏光ビームスプリッタ４に至り、この光束は紙面と平行に偏光しているので、そのまま偏光ビームスプリッタ４を透過し、可動ミラー３で左方に反射され、レンズ２、１を経て相手側装置の方向に出射される。
【０００７】
受信時には、相手側装置からの光ビームは左方からレンズ１に入射し、レンズ３を通り可動ミラー３で下方に反射され、偏光ビームスプリッタ４に至る。この光束は紙面と垂直に偏光しているので、偏光ビームスプリッタ４の貼り合わせ面で右方に反射され、光束分割ミラー７において２方向に分割される。光束分割ミラー７で反射された光束は、レンズ１０通って受光素子１１で受信されて電気信号に変換された後に、増幅器１６で適当なレベルに増幅され、受信信号出力端子１７から出力される。
【０００８】
他方、光束分割ミラー７を透過した光束はレンズ８により集光し、スポット像Ｓとして位置検出素子９で受光される。位置検出素子９ではスポット像Ｓの位置を求め、位置信号としてトラッキング制御回路１８に出力する。トラッキング制御回路１８はこの位置信号に基づいて、相手側装置からの光ビームが自装置の光路となす角度を算出し、アクチュエータ１９、２０の駆動信号を作成する。アクチュエータ１９、２０は可動ミラー３の角度を調節して、スポット像Ｓが位置検出素子９の中心で受光されるようにする。
【０００９】
これに伴って、発光素子６の位置も調節されることになるために、出射ビームと入射ビームの光路は一致して、光ビームは相手側装置に向けて正確に出射される。通信時に装置が傾いたりして受信光の光路がずれ、位置検出素子９のスポット像Ｓの位置が中心からずれると、直ちに可動ミラー３が移動し、スポット像Ｓを位置検出素子９の中心で受光するように、光ビームの入射の光路が逐次に修正されて、入射してくる光ビームが装置から外れないようにしている。
【００１０】
ここで、位置検出素子９は相手側装置の周囲の背景光の影響により、背景光の強い方向に位置検出信号が引き寄せられて誤差を生ずることを防ぐために、特定の周波数の交流パイロット信号のみを選択して検出する。このパイロット信号は発振器１５から発生し、合波器１２で送信信号に合波されて相手側装置に送られる。
【００１１】
図５は４つに分割された位置検出素子９の正面図を示し、分割された４つ光検出素子９ａ〜９ｄのそれぞれの出力を比較することによって、スポット像Ｓの位置を求める。また、図６は二次元光位置検出素子９ｅを示し、この位置検出素子９ｅ上のスポット像Ｓの上下方向の位置は、増幅器２２の＋入力端子と−入力端子の入力電圧の差で検出し、また左右方向の位置は増幅器２３の＋入力端子と−入力端子の入力電圧の差で検出する。図５、図６の何れの場合においても、位置検出素子９ａ〜９ｅにはスポット像Ｓ以外に背景光が入射するので、パイロット信号の周波数成分以外は後段のフィルタや周波数選択性増幅器等の電気回路で除去されて検出されることはない。
【００１２】
上述のトラッキング機能は、相手側装置からの光ビームが受信可能なレベルで到達し、かつ位置検出素子９の一部にスポット像Ｓが受光されていないと作動しない。このために、装置設置時における初期調節では、操作者は可動ミラー３を中点付近の初期位置で固定し、視準スコープ２１により相手側装置を観察しながら、手動で装置の方向調節を行っている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述従来例の光空間通信装置では、背景光の影響を除くためにパイロット信号を使用しているので、次のような問題点がある。
【００１４】
(1) パイロット信号の発振器１５及び合波器１２を必要とし、また受信側ではパイロット信号のみを抽出する回路が必要となるために、コスト高になる。
【００１５】
(2) パイロット信号を送信信号に重畳するので、発光素子６、受光素子１１、増幅器１６等の非直線性のために、相互変調等の信号の干渉が生じて、信号品質が劣化する。
【００１６】
(3) パイロット信号と送信信号の周波数帯域が重ならないようにするために、送信信号の周波数帯域が制限される。更に、位置検出素子９は通常では受光面積が小さいので、受信光を正しく入射するために、視準スコープ２１により観察しながらの初期調節が必要となる。また、視準スコープ２１と位置検出素子９の位置関係を精密に調節しなければならないので、視準スコープ２１の実装と調節のためのコストが掛かる。
【００１７】
本発明の目的は、上述の問題点を解決し、パイロット信号を使用することなく背景光の影響を取り除くことができる光空間通信装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る光空間通信装置は、所定の情報信号で変調された信号光を送受信する光空間通信装置において、相手側装置から送信された信号光を遮断し、該信号光以外の少なくとも可視波長域の背景光を透過する信号選択手段と、前記信号光及び前記背景光の受光位置を検出する受光位置検出手段と、前記信号選択手段による前記信号光の遮断時及び非遮断時における前記受光位置検出手段の出力信号を比較し、該出力信号の差に相当する信号を出力する信号出力手段とを有することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明を図１〜５に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の光空間通信装置の第１の実施例の構成図を示し、相手側装置と対向する位置に送受信用のレンズ３０が配置され、このレンズ３０の背後の光路上にはレンズ３１、可動ミラー３２が配置されている。可動ミラー３２の入射方向の光路上には、信号光のような赤外波長域の光束に対しては紙面に平行な偏波面成分を透過し、紙面に垂直な偏波面成分をその組み合わせ面で反射する偏光ビームスプリッタ３３、レンズ３４、赤外波長域の光束を発生する半導体レーザー等の発光素子３５が配列され、発光素子３５には、送信信号入力端子３６の出力が増幅器３７を介して接続されている。
【００２０】
偏光ビームスプリッタ３３の反射方向には光束分割ミラー３８が配置され、光束分割ミラー３８の反射方向の光路上には、レンズ３９、アバランシェフォトダイオード又はＰＩＮダイオード等の受光素子４０が配置されており、受光素子４０の出力は、増幅器４１を介して受信信号出力端子４２に接続されている。
【００２１】
光束分割ミラー３８の透過方向の光路上には、液晶板４３、紙面に垂直方向の偏光を透過する偏光板４４、レンズ４５、位置検出素子と視準用ファインダを兼用するＣＣＤ撮像素子４６が順次に配列され、このＣＣＤ撮像素子４６には液晶制御手段４７の出力が接続されている。なお、液晶板４３と偏光板４４は、レンズ４５とＣＣＤ撮像素子４６の間に配置してもよい。
【００２２】
ＣＣＤ撮像素子４６の出力は、ＣＣＤ制御回路４８、Ａ／Ｄ変換器４９、画像メモリ５０、減算器５１、トラッキング制御回路５２に順次に接続されており、ＣＣＤ制御回路４８の出力はファインダモニタ端子５３に接続され、Ａ／Ｄ変換器４９の出力は直接減算器５１に接続されている。そして、トラッキング制御回路５２の出力は２個のアクチュエータ５４、５５を介して可動ミラー３２に接続されており、また液晶制御手段４７、画像メモリ５０に接続されている。
【００２３】
送信時には、送信信号を送信信号入力端子３６から入力すると、送信信号は増幅器３７で増幅され発光素子３５に出力される。発光素子３５において光信号に変換された送信信号は、レンズ３４を経て偏光ビームスプリッタ３３に至り、この光束は紙面と平行に偏光しているので、そのまま偏光ビームスプリッタ３３を透過し、可動ミラー３２で左方に反射され、レンズ３１、３０を経て相手側装置の方向に出射される。
【００２４】
受信時には、相手側装置からの光ビームは左方からのレンズ３０に入射し、レンズ３１を通って可動ミラー３２で下方に反射され、偏光ビームスプリッタ３３に至る。この光束は紙面と垂直に偏光しているので、偏光ビームスプリッタ３３の貼り合わせ面で右方に反射され、光束分割ミラー３８において２方向に分割される。光束分割ミラー３８で反射された光束は、レンズ３９を通って受光素子４０で受信され、電気信号に変換された後に増幅器４１で適当なレベルに増幅され、受信信号出力端子４２から出力される。
【００２５】
他方、光束分割ミラー３８を透過した光束は紙面に垂直に偏光しているので、トラッキング制御回路５２からのタイミング信号Ｔにより、液晶板４３に電圧が印加されていない状態では、液晶板４３と偏光板４４を殆ど減衰なしに透過し、レンズ４５を通過し、ＣＣＤ撮像素子４６に入射する。また、背景光も同じ光路を通ってＣＣＤ撮像素子４６に入射するが、偏光ビームスプリッタ３３は、背景光のような可視波長域の光束に対しては単なるビームスプリッタとして働くため、背景光は全ての偏光成分を含んでいるので、偏光板４４を透過する際に強度が１／２に減衰する。ＣＣＤ撮像素子４６に入射した受信信号光と背景光は、ＣＣＤ制御回路４８で映像信号となり、更にＡ／Ｄ変換器４９でデジタル信号に変換され、画像メモリ５０に１フィールド又は１フレームの映像情報が書き込まれる。この書き込まれた画像情報の中央部付近の１ライン分を時間軸で見ると、例えば図２(a) のようになっている。なお、中央部のピークは受信信号光である。
【００２６】
次に、液晶板４３に電圧が印加されると、液晶板４３が旋光性を持ち、透過する光の偏光方向が９０度回転する。その結果、受信信号光の大部分は偏光板４４を透過しなくなり、それに対して背景光は１／２に減衰するだけで、液晶板４３に電圧を印加する前と強度の変化はない。従って、ＣＣＤ撮像素子４６には背景光だけが入射し、その画像信号はＣＣＤ制御回路４８、Ａ／Ｄ変換器４９を経て信号D2として減算器５１に送られる。一方、画像メモリ５０に書き込まれている画像信号は、同じタイミングで読み出されて信号D1として減算器５１に送られる。減算器５１はロジック回路によるハード又はＣＰＵによるソフトにより、信号D2と信号D1を減算して結果を出力する。
【００２７】
信号D2の図２(a) に相当するラインの信号は背景光と信号光とを含み、図２(b) に相当するラインの信号は背景光が殆ど同じで信号光がないようになっており、図２(a) の信号と図２(b) の信号の取込時間の差は僅かなので、その間の背景光の変化は殆どない。この両者を減算することにより背景光成分が無くなり、信号光だけが抽出されて図２(c) に示すような信号となり、信号D3としてトラッキング制御回路５２に出力される。トラッキング制御回路５２は信号D3のピークの位置を調べて信号光スポットの位置検出を行う。信号D3は背景光成分によるノイズがないので、簡便に精度良くピーク位置の検出ができる。また、背景光の強い方向に位置検出結果が引き寄せられて誤差を生ずることもない。
【００２８】
信号光の信号選択手段の透過／非透過のタイミングと画像メモリ５０の読み書きのタイミングの制御は、トラッキング制御回路５２からのタイミング信号Ｔにより行われる。トラッキング制御回路５２は検出した位置信号に基づいてアクチュエータ５４、５５の駆動信号を発生し、従来例と同様に可動ミラー３２の角度を調節する。
【００２９】
また、ＣＣＤ制御回路４８からのビデオ信号は、分岐されてファインダモニタ端子５３に出力される。ファインダモニタ端子５３はテレビモニタを接続してＣＣＤ撮像素子４６で取り込んだ映像を観察することができるので、視準スコープが不要となるだけでなく、ケーブルを延長することにより、離れた場所からの観察も可能となる。
【００３０】
図３は第２の実施例の構成図に示し、位置検出素子９としては、従来例の図５の４分割素子９ａ〜９ｄや図６の二次元光位置検出素子９ｅ等と同様の位置検出素子５６が使用されている。位置検出素子５６の出力は従来例と同様のトラッキング制御回路５７に接続され、第１の実施例のＣＣＤ撮像素子４６、ＣＣＤ制御回路４８、Ａ／Ｄ変換器４９、画像メモリ５０、減算器５１、トラッキング制御回路５２は使用しない。そして、従来例と同様に視準スコープ５８が装備されており、従来例のパイロット信号発振器１５と合波器１２は使用しない。その他は第１の実施例と同様で同じ信号は同じ部材を表している。
【００３１】
最初に、液晶板４３に電圧が印加されていない状態では、受信信号光と背景光は共に液晶板４３と偏光板４４を透過して位置検出素子５６に入射する。このとき、位置検出素子５６は受信信号光と背景光が重なった光の強度分布の重心に相当する位置を、位置検出信号として出力する。
【００３２】
トラッキング制御回路５７はこの信号をＣＰＵのメモリ内に一時的に記憶しておく、なお記憶する情報量は僅かなので第１の実施例のような特別なメモリは不要である。次に、液晶板４３に電圧を印加して受信信号光を遮断し、背景光だけを位置検出素子５６に入射する。このときの位置検出素子５６の出力は背景光の強度分布の重心位置を示している。トラッキング制御回路５７は先に記憶しておいた受信信号光と背景光の重なった位置信号と今回の背景光のみによる位置信号を減算することにより、背景光成分が相殺された受信信号光のみの成分の位置信号を得る。これにより、背景光の状態に拘らず正確に受信信号光のみの位置検出が可能となる。
【００３３】
この実施例では視準スコープ５８は必要であるが、パイロット信号は不要なので、パイロット信号の干渉による信号劣化や、信号の周波数帯域の制限はなくなる。
【００３４】
位置検出素子５６に入射する背景光の強度に影響を与えず、必要なタイミングで受信信号光のみを透過／遮断する信号選択手段としては、第１、第２の実施例の液晶板４４と偏光板４５の組合わせの他に次のような方式がある。
【００３５】
(1) 液晶板４３の代りに１／２波長板を使用し、１／２波長板は入射した光の偏波方向と結晶軸のなす角度の２倍の角度だけ出射光の偏波面を回転させる。従って、１／２波長板を光学系（レンズ４５）の光軸を中心に４５度回転させることにより、信号光の透過／遮断の切換えを行うことができる。
【００３６】
(2) 液晶板４３を用いず偏光板４４のみとし、偏光板４４を光学系（レンズ４５）の光軸を中心に回転できるようにし、偏光板を９０度回転すると信号光の透過／遮断が切換わる。
【００３７】
(3) 光は可視波長域の光が大部分を占めている。従って、液晶板４３と偏光板４４の組合わせの代りに、可視光を通過させて赤外光をカットするような波長選択性の光学フィルタを受信光路上に挿入することにより、信号光だけを透過から遮断に切換えることができる。１例として、円型のガラス板の一部である半円部を波長透過フィルタに加工したものを、光軸を中心として回転することにより、信号の透過／遮断の切換えを行うことができる。
【００３８】
上述の実施例は自動トラッキング機能を有する光空間通信装置であるが、自動トラッキング機能を持たずに、手動で角度調節を行うような装置の角度検出方式としても使用することができる。この場合には、調節作業は位置検出素子４６、５６等の出力のメータの指示や数字による表示等を見ながら手動で角度調節を行うが、自動トラッキングの場合と同様に背景光に影響されない正確な角度調節ができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る光空間通信装置は、角度検出用のパイロット信号を使用することなく、背景光の影響を受けないで正確な角度検出を低コストで行うことができ、パイロット信号による送受信信号への影響がないので、高精度の光通信を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例の構成図である。
【図２】背景光の影響の除去を説明するためのグラフ図である。
【図３】  第２の実施例の構成図である。
【図４】従来例の構成図である。
【図５】位置検出素子の正面図である。
【図６】他の従来例の位置検出素子の構成図である。
【符号の説明】
３２  角度可動ミラー
３３  偏光ビームスプリッタ
３５  発光素子
４０  受光素子
４３  液晶板
４４  偏光板
４６、５６  位置検出素子
４８  ＣＣＤ制御回路
５０  画像メモリ
５１  減算器
５２、５７  トラッキング制御回路
５８  視準スコープ
【図１】
0003902876.tif 000002
【図２】
0003902876.tif 000003
【図３】
0003902876.tif 000004
【図４】
0003902876.tif 000005
【図５】
0003902876.tif 000006
【図６】
0003902876.tif 000007