(57)【要約】【課題】  光アンテナの寸法を小型化できる光空間通信装置を実現する。【解決手段】  中心部に貫通孔を有する主鏡と、中心部に貫通孔を有し、前記主鏡が反射した光が入射され、この光を第１のビームとして前記主鏡の前記貫通孔に向けて反射する副鏡と、前記副鏡の開口部に前記副鏡と同軸に設置され、入射した光を屈折し、第２のビームとして前記副鏡の前記貫通孔を通過させる透過レンズと、前記第１のビームを反射し、前記第２のビームを通過させる貫通孔を中心部に有する反射鏡と、前記反射鏡により反射された前記第１のビームを受光する受信手段と、前記反射鏡の前記貫通孔を通過した前記第２のビームを受光し、前記第２のビームの角度ずれを検出する角度ずれ検出手段と、を備えたことを特徴とする。【選択図】  図１
2017123500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心部に貫通孔を有する主鏡と、
中心部に貫通孔を有し、前記主鏡が反射した光が入射され、この光を第１のビームとして前記主鏡の前記貫通孔に向けて反射する副鏡と、
前記副鏡の開口部に前記副鏡と同軸に設置され、入射した光を屈折し、第２のビームとして前記副鏡の前記貫通孔を通過させる透過レンズと、
前記第１のビームを反射し、前記第２のビームを通過させる貫通孔を中心部に有する反射ミラーと、
前記反射ミラーにより反射された前記第１のビームを受光する受信手段と、
前記反射ミラーの前記貫通孔を通過した前記第２のビームを受光し、前記第２のビームの角度ずれを検出する角度ずれ検出手段と、
を備えたことを特徴とする光空間通信装置。
【請求項２】
前記主鏡から送信する送信光を発生する送信装置と、
前記送信光と、前記第１のビーム及び前記第２のビームと、を分離するビームスプリッタと、
を備えた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】
複数のレンズを有し、前記第２のビームにおける前記透過レンズの開口と前記反射ミラーの位置を共役の関係にするリレー光学系、
を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光空間通信装置。
【請求項４】
前記副鏡の幅に対する前記副鏡の前記貫通孔の幅の比率は、前記主鏡の幅に対する前記主鏡の前記貫通孔の幅の比率と略等しい
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光空間通信装置。
【請求項５】
前記透過レンズは凸レンズと凹レンズを有する
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光空間通信装置。
【請求項６】
前記透過レンズは２枚の凸レンズを有する
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光空間通信装置。
【請求項７】
前記角度ずれ検出手段で検出された前記第２のビームの角度ずれにしたがって、前記主鏡と前記副鏡とからなる光アンテナの方向を制御する方向制御手段、
を備えたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光空間通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光により、離れた場所の装置に空間通信を行うための光空間通信装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、一方の装置において信号変調されたレーザービームを空間に放出し、前記装置から距離的に離れた場所に設置される他方の装置において前記レーザービームを受光し、信号復調することによって通信を行なう光空間通信システムが知られている。（例えば、特許文献１）
【０００３】
送信器からレーザービームを空間に送信し、長距離空間伝播後のレーザービームを受信器で受信するこのような光空間通信システムにおいては、送信レーザービームのビーム径を所定の大きさに拡大して空間に放出し、また、相手局から送信され、空間を長距離伝搬することによりビーム径が拡大したレーザービームを集光して受信装置に導入する光アンテナを備えている。通信距離が長距離となるほどビーム径が広がる性質があるので、長距離通信用の従来の光アンテナは、大口径を必要とする。特許文献１に記載の光アンテナは、カセグレン型の反射望遠鏡を用いて構成されている。一方、従来の光空間通信システムの受信装置が受光可能なレーザービームの角度範囲はある狭い範囲に限定されている。光アンテナにより集光される際にレーザービームの光アンテナに対する角度ずれが拡大されるので、受信装置の受光可能な角度範囲から逸脱しやすくなるためである。従って、レーザービームを光アンテナが受光しても、受信装置には到達する確立は極めて低い。
【０００４】
この問題の解決のために、従来の光空間通信システムにおいては、光アンテナでレーザービームを集光し、受信装置に導入する途中でレーザービームの一部をビームスプリッタで分岐し、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）のような画像センサを用いた光センサで検出するように構成されている。この光センサは、そのセンサ面における受光位置に関する信号を光アンテナ制御部へ伝える。光アンテナ制御部は、この信号に基づいて、レーザービームの角度ずれを演算し、光アンテナ全体あるいはその内部の光学素子の向き又は角度を調節して受信装置の受信可能な角度範囲にレーザービームの角度ずれを補正するように構成されている。さらに、従来の光空間通信システムにおいては、一つの光センサでは検出分解能や、検出速度が不足するので、検出角度範囲の広い第一の光センサの他に、検出角度範囲が狭いかわりに検出分解能と検出速度に優れている第二の光センサを相補的に用いている。第二の光センサとして、典型的にはクアドラント・フォト・ディテクタ（ＱＤ）が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１５０４５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の光空間通信システムは以上に述べたように構成されているため、最初に光アンテナで受光した相手局からの送信ビームの角度ずれが大きくても、光センサによる角度ずれ検出と、光学調整による補正制御により受信装置でレーザービームを受信することが可能である。しかし、従来の光空間通信システムには以下に説明する問題があった。
光アンテナで受光したレーザービームの一部をビームスプリッタで第一の光センサ、及び第二の光センサに分岐する必要がある。このため、光アンテナで受光したレーザービームのエネルギーがそれぞれの光センサに到達する際に低下するので、このエネルギー低下分を考慮して光アンテナの口径を大きく設定する必要がある。従って、装置の寸法、増加につながり、特に、衛星などの搭載寸法の制限のある移動体に搭載する場合において問題が大きかった。
【０００７】
この発明は以上に述べた課題を解決するためになされたもので、光アンテナの寸法を小型化できる光空間通信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】
【０００８】
この発明に係る光空間通信装置は、
中心部に貫通孔を有する主鏡と、
中心部に貫通孔を有し、前記主鏡が反射した光が入射され、この光を第１のビームとして前記主鏡の前記貫通孔に向けて反射する副鏡と、
前記副鏡の開口部に前記副鏡と同軸に設置され、入射した光を屈折し、第２のビームとして前記副鏡の前記貫通孔を通過させる透過レンズと、
前記第１のビームを反射し、前記第２のビームを通過させる貫通孔を中心部に有する反射鏡と、
前記反射鏡により反射された前記第１のビームを受光する受信手段と、
前記反射鏡の前記貫通孔を通過した前記第２のビームを受光し、前記第２のビームの角度ずれを検出する角度ずれ検出手段と、
を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、光アンテナの寸法を小型化できる光空間通信装置を実現できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１による光空間通信装置を示す構成図
【図２】この発明の実施の形態２による光空間通信装置を示す構成図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための最良の形態について、添付の図面に従って説明する。
【００１２】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による光空間通信装置の構成を示す構成図である。図１において、１は光アンテナ、２は前記光アンテナを構成する主鏡、３は前記光アンテナを構成する副鏡、４は透過レンズ、５はコリメータレンズ、６はビームスプリッタである偏光ビームスプリッタ、７は反射ミラーであるビームスプリッタ、８はリレー光学系であるリレーレンズ、１０は送信装置、１１は受信手段である受信装置、１２は角度ずれ検出手段である粗捕捉センサ、１３は焦点である。
【００１３】
送信装置１０は信号変調されたレーザービーム（送信レーザービーム、送信光）を発生させる。前記送信レーザービームは偏光ビームスプリッタ６に入射する。偏光ビームスプリッタ６は、Ｐ偏光の偏波成分の光を透過し、Ｓ偏光の偏光成分の光を反射する部品であり、典型的には立方体型のガラス部品で構成される。前記送信装置１０から放出されるレーザービームはＰ偏光成分が支配的な略直線に偏光しているので、ほぼ全エネルギーが偏光ビームスプリッタ６を透過する。
【００１４】
偏光ビームスプリッタ６を透過した送信レーザービームは正のパワーをもつ屈折レンズであるコリメートレンズ５により、焦点１３に集光される。主鏡２、及び副鏡３はカセグレン型の反射望遠鏡を構成する。カセグレン型望遠鏡の焦点は前記焦点１３に一致している。従って、焦点１３を通過した前記送信レーザービームは副鏡、主鏡の順で反射されることによりビーム径が拡大され、かつ平行光に変換されて空間（図１において、右側）に放出される。
【００１５】
なお、光空間通信装置が受信にのみ用いられる場合には、送信装置１０および偏光ビームスプリッタ６を設けない構成も可能である。
【００１６】
次に、受信について説明する。相手局から到来した受信レーザービームは長距離を伝搬することによる回折広がりにより、大口径に広がった略平面波となって（図１において、右側から）中心部に貫通孔を有する主鏡２に入射する。このとき、受信レーザービームはまず、副鏡３による遮蔽を受け、次に主鏡２の有効反射範囲によって切り取られた部分のみが反射され、次に副鏡３で反射されて第１のビームとして前記焦点１３に集光される。
【００１７】
典型的には、主鏡２、副鏡３は円形であるので、前記受信レーザービームは中心が抜けたドーナツ型の円形ビームとなる。ここで、副鏡３にも中心部分に貫通孔である貫通穴が設けてある。この貫通穴は、前記ドーナツ形状の受信レーザービームが副鏡３に到達したときにこの貫通穴とドーナツ型ビームの内径とが略一致するように製作されている。すなわち、副鏡３の幅に対する副鏡３の貫通孔の幅の比率は、主鏡２の幅に対する主鏡２の貫通孔の幅の比率と略等しくなっている。したがって、前記受信レーザービームはこの貫通穴に該当する部分がもともと存在しないので、貫通穴に起因する光強度の損失は生じない。
【００１８】
受信レーザービームはコリメートレンズ５により略平行光に変換されて、偏光ビームスプリッタ６に入射する。偏光ビームスプリッタ６に入射する受信レーザービームはＳ偏光成分がほとんどとなるように設定されている。もしくは、図示せぬ波長板等を用いて、入射する受信レーザービームがほとんどＳ偏光成分となるように調整している。このため、受信レーザービームは偏光ビームスプリッタ６で反射されて紙面で下方向に屈曲される。
【００１９】
なお、図１では、偏光ビームスプリッタ６で送信レーザービームを直進させ、受信レーザービームを屈曲させる構成を示しているが、これに限らず、送信レーザービームを屈曲させ、受信レーザービームを直進させる構成とすることもできる。
【００２０】
受信レーザービームは２個の凸レンズで構成された等倍のテレスコープであるリレーレンズ８を透過して、ビームスプリッタ７に至る。リレーレンズ８は、レンズの結像作用を用いて、ビームスプリッタ７と光アンテナ１の開口（図１においてＡ−Ａ’間を結ぶ平面）とを共役関係とするように配置される。すなわちこの共役関係により、光アンテナ１の開口の中央に入射したビームは、たとえ光軸に対して傾斜を有していたとしても、ビームスプリッタ７の中央に到達する。ビームスプリッタ−７は入射する受信レーザービームに対し傾斜して配置された平面ミラーであり、受信レーザービームを反射屈曲させて受信装置１１に導入する。
【００２１】
受信装置１１は受信レーザービームを光電変換するフォトディテクターと信号復調回路を有する。また、ビームスプリッタ７の中心付近には貫通孔である貫通穴が設けられている。この貫通穴は、ドーナツ状に中心部分が切り取られている受信レーザービームの内径と径が略一致しており、また、貫通穴の中心と、前記受信レーザービームの内径の中心とは略一致している。従って、受信レーザービームの貫通穴に相当する部分はもともと欠けているので、貫通穴に起因する損失が生じることなく、受信レーザービームが受信装置１１へ屈曲される。
【００２２】
次に、粗捕捉について説明する。前記したように受信装置１１の受信可能な受信レーザービームの角度範囲は極めて狭く（典型的には数10μrad程度）、受信レーザービームに対し、なんらかの角度補正制御が必須である。この角度補正制御を行うためには、その時点における受信レーザービームの所定目標角度範囲からのずれを計測する手段が必要である。
【００２３】
この角度ずれの補正は、最初に、リアルタイムに角度を検出してフィードバック制御を行うための精捕捉センサ（従来例のＱＤに相当、図１では受信装置１１に内蔵されている）の受光角度範囲内に受信レーザービームを導入する制御から開始される。この最初の角度制御を、ここでは粗捕捉と呼ぶ。粗捕捉を行うには、受信レーザービームの角度ずれを検出する粗捕捉センサ１２（従来例のＣＣＤに相当）に受信レーザービームを入射させる必要がある。このため、受信レーザービームの一部を分岐して粗捕捉センサ１２に供給する必要がある。
【００２４】
以下、粗捕捉センサ１２のための受信レーザービーム（以下、粗捕捉レーザービームという）の導入方式について説明する。粗捕捉レーザービームは、透過レンズ４に入射した受信レーザービームを用いる。透過レンズ４は副鏡３と同軸に設置されており、副鏡３とほぼ開口径が等しい凸レンズと、凹レンズとで構成されている。透過レンズ４に入射した粗捕捉レーザービームは、第２のビームとして、図１の斜線で示される部分を伝搬する。すなわち、副鏡３に設けられた貫通穴を通過し、主鏡２、副鏡３に反射されずに伝搬する。透過レンズ４はまた、その焦点距離を主鏡２と副鏡３で構成される反射望遠鏡の焦点距離と略等しく構成されている。さらに透過レンズ４の焦点は、焦点１３にほぼ一致するように配置されている。
【００２５】
従って粗捕捉レーザービームは、焦点１３に向けて集光されたあと、主鏡２、副鏡３で反射された受信レーザービームと同じ光路を伝搬し、ビームスプリッタ７に到達する。ここで、粗捕捉レーザービームのビーム径は、前記ドーナツ型の受信レーザービームの内径とほぼ一致するように構成されている。従って、ビームスプリッタ７に設けられた貫通孔である貫通穴の径とほぼ等しいため、ほとんど損失なくビームスプリッタ７の貫通穴を通過する。
【００２６】
このとき、透過レンズ４の開口は光アンテナ１の開口とほぼ同じ位置にあので、透過レンズ４の開口とビームスプリッタ７の配置は、やはり共役関係となっている。すなわちこの共役関係により、透過レンズ４の開口の中央に入射したビームは、たとえ光軸に対して傾斜を有していたとしても、やはりビームスプリッタ７の中央に到達する。したがって、透過レンズ４の開口に入射した粗捕捉レーザービームは、たとえ光軸から傾いていたとしてもビームスプリッタ７に設けられた貫通穴をほとんど損失なく通過する。そして、粗捕捉センサ１２は、ビームスプリッタ７に設けられた貫通穴を通過した粗捕捉レーザービームを受光して受信レーザービームの角度ずれを検出する。
【００２７】
なお、図１には図示していないが、角度ずれ検出手段である粗捕捉センサ１２で検出された第２のビームの角度ずれにしたがって、主鏡２と副鏡３とからなる光アンテナ１の方向を制御する方向制御手段、を備えることもできる。
【００２８】
本発明の実施の形態１における光空間通信装置は以上述べたように構成されていることにより、以下に述べる効果を奏する。
副鏡３近傍に設けた透過レンズ４により受光した粗捕捉レーザービームを粗捕捉センサ１２で計測するように構成されている。従って、従来例において、主鏡２と副鏡３により反射された受信レーザービームを一部分岐して粗捕捉センサ１２に導入していることにより、受信装置１１の受信する受信レーザービームの強度低下が生じていたが、この強度低下を解消することができる。従って、従来よりも光アンテナ１の開口径を縮小でき、装置の小型化が可能となる。
【００２９】
実施の形態２．
図２は本発明の実施の形態２による光空間通信装置の構成を示す構成図である。図２において、図１と同じ記号、数字は同一の機能、動作をする部位を示し、説明を省略する。図２において、２０は凸レンズ（大）、２１は凸レンズ（小）である。凸レンズ（大）２０と凸レンズ（小）２１とで透過レンズ４を構成している。
【００３０】
凸レンズ（大）２０と、凸レンズ（小）２１は、本発明の実施の形態１における透過レンズ４と同等の機能を有している。異なる点は、凸レンズ（小）２１を、副鏡３を挟んで凸レンズ（大）２０の反対側に設置したことである。
【００３１】
本発明の実施の形態２における光空間通信装置は以上述べたように構成されていることにより、以下に述べる効果を奏する。
通常、凸レンズ（大）２０と、凸レンズ（小）２１を組み合わせて透過レンズ４を構成すると、途中で一回焦点を結ぶため、全長が長くなる。しかし、全長が長くなっても、副鏡３を挟んで、凸レンズ（大）２０と凸レンズ（小）２１を配置しているため、副鏡３から外側（図２において右側）に突出する長さを短縮することが可能である。従って、凸レンズ（大）２０と凸レンズ（小）２１を用いても装置全長の増大を招くことがないので、透過レンズ４の構成の設計自由度を担保することが可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１  光アンテナ、２  主鏡、３  副鏡、４  透過レンズ、５  コリメータレンズ、６  偏光ビームスプリッタ、７  ビームスプリッタ、８  リレーレンズ、１０  送信装置、１１  受信装置、１２  粗捕捉センサ、１３  焦点、２０  凸レンズ（大）、２１  凸レンズ（小）
【図１】
2017123500.tif 000003
【図２】
2017123500.tif 000004