(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間中で光ビームを伝播させて通信を行う光空間通信システムに用いられ、前記光ビームの光軸ずれを補正するための光ビーム制御装置であって、
前記光ビームの光路のずれを測定するセンサーと、
前記光ビームの光路を変位指令値に従って動的に補正する補正機構と、
前記センサーの測定結果にフィードバックゲインを乗じ積分して前記補正機構へ変位指令値として出力する制御部と
を具備し、
前記制御部は、
前記光ビームの受光パワーを検出するパワー検出手段と、
前記パワー検出手段の検出レベルを基準値と比較し、前記検出レベルが前記基準値を下回った場合に、前記積分処理を中断させて前記変位指令値を固定する中断手段と、
前記パワー検出手段の検出レベルが前記基準値を下回ってから一定時間内に前記基準値を上回るか判断する判断手段と、
前記判断手段で前記基準値を上回るとき、前記積分処理を再開させる再開手段と、
前記判断手段で前記基準値を上回らないとき、前記変位指令値の出力を停止させるフィードバック停止手段と、
前記判断手段で前記基準値を上回らないとき、前記光ビームの送出を停止させる光ビーム送出停止手段と
を有することを特徴とする光空間通信システムの光ビーム制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間中にレーザーによる光ビームを伝播させることによって双方向通信を行う光空間通信システムに係り、特に光ビームのずれを補正する光ビーム制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光空間通信システムは、空間中にレーザーによる光ビームを伝播させ、対向する端末間で双方向通信を行うものである。このシステムは、例えば見通しのよいビルとビルの間で光ファイバを新たに敷設することなく光通信システムを構築したり、建造物の壁面に光ファイバを通線させたりすることが困難な場合、窓ガラスを介して光通信を行うことが可能となる等のメリットを有している。その場合、振動や風などの外乱が存在しても、一組の光通信端末間における光ビームの入出力が維持されていなければならない。このため、光ビームの受信側通信端末において、光ビーム光軸の基準軸に対するずれを監視してそのずれによる誤差信号に求め、この誤差信号に基づいて光ビームの伝播経路を動的に補正する光ビーム制御装置が利用されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、上記のような光ビーム制御装置では、空間中を伝播する光ビームが何らかの障害物によって遮断される場合には、光軸のずれを表す正常な誤差信号が得られず、制御装置内に異常なフィードバックループを構成してしまう危険性がある。この危険性を回避するため、光ビームの受光パワーをモニターしてその低下により一時的に制御を中断することも考えられるが、パワーの復旧前後では不連続なフィードバック指令値が発生し、ビーム伝播経路を補正する機構に過度な負担を与えてしまうリスクが生じる。また、光ビームの受光レベルの低下が人の通行によるものだったり、通信の漏洩につながるものであったりするリスクも懸念されるという問題があった。
【非特許文献１】吉田他：単一モード光フアイバ伝送への光空間通信の適用性に関する検討，信学技法OFT2006-41, pp.5-10, 2006
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上述べたように、従来の光空間通信システムでは、外乱の影響による光軸ずれを補正するための光ビーム制御装置において、光ビームの遮断が生じた場合に制御動作が不安定となり、補正機構に過度な負担をかけたり、復旧が遅れたりする等の問題があった。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、光ビームの遮断による不安定動作を解消し、これによって制御機構への悪影響を回避し、スムーズな復旧を実現する光空間通信システムの光ビーム制御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】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明に係る光空間通信システムの光ビーム制御装置は、以下のように構成される。
【０００７】
（１）  空間中で光ビームを伝播させて通信を行う光空間通信システムに用いられ、前記光ビームの光軸ずれを補正するための光ビーム制御装置であって、前記光ビームの光路のずれを測定するセンサーと、前記光ビームの光路を変位指令値に従って動的に補正する補正機構と、前記センサーの測定結果にフィードバックゲインを乗じ積分して前記補正機構へ変位指令値として出力する制御部とを具備し、前記制御部は、前記光ビームの受光パワーを検出するパワー検出手段と、前記パワー検出手段の検出レベルを基準値と比較し、前記検出レベルが前記基準値を下回った場合に、前記積分処理を中断させて前記変位指令値を固定する中断手段とを有することを特徴とする。
【０００８】
（２）（１）において、前記制御部は、さらに、前記パワー検出手段の検出レベルが前記基準値を下回ってから一定時間内に前記基準値を上回るか判断する判断手段と、前記判断手段で前記基準値を上回るとき、前記積分処理を再開させる再開手段と、前記判断手段で前記基準値を上回らないとき、前記変位指令値の出力を停止させるフィードバック停止手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
（３）（１）において、さらに、前記制御部は、前記判断手段で前記基準値を上回らないとき、前記光ビームの送出を停止させる光ビーム送出停止手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
要するに本発明によれば、光ビームの遮断による不安定動作を解消し、これによって制御機構への悪影響を回避し、スムーズな復旧を実現する光空間通信システムの光ビーム制御装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。  
図１は本発明に係る光空間通信システムの光ビーム制御装置の一実施形態を示す構成図である。このシステムは固定側コリメータ１１とユーザー側コリメータ１２との間に光ビーム制御装置１３を配置し、固定側コリメータ１１から照射される光ビームを光ビーム制御装置１３によって光軸補正してユーザー側コリメータ１２に導く構成となっている。
【００１２】
上記光ビーム制御装置１３では、固定側コリメータ１１から伝播される光ビームを位置補正用駆動ミラー（駆動機構が一体化されているものとする）１３１で光路変更し、第１ビームスプリッタ（Ｂ／Ｓ）１３２を介して角度補正用駆動ミラー（駆動機構が一体化されているものとする）１３３に導き、このミラー１３３によって光路変更された光ビームを第２ビームスプリッタ１３４を介してユーザー側コリメータ１２に導く。
【００１３】
上記第１ビームスプリッタ１３２は、ミラー１３１からの光ビームを一部分岐するもので、分岐された光ビームは第１ＰＳＤ（Position Sensing Devise：位置検出器）１３５の受光面に導かれる。この第１ＰＳＤ１３５は、入射ビームを受光して受光領域の中心位置に対するビームスポット位置に相当する信号を出力するもので、この信号はビーム位置制御器１３６に送られる。このビーム位置制御器１３６は、第１ＰＳＤ１３５で得られた信号からビーム位置のずれを演算し、その演算結果に基づいて位置補正用駆動ミラー１３１の反射方向を駆動制御する。
【００１４】
また、上記第２ビームスプリッタ１３４はミラー１３３で反射された光ブームを一部分岐するもので、分岐された光ビームは凸レンズ１３７によって第２ＰＳＤ１３８の受光面に集光される。この第２ＰＳＤ１３８は、凸レンズ１３７によって集光された入射ビームを受光して、受光領域の中心位置に対するビームスポット位置に相当する信号を出力するもので、この信号はビーム角度制御器１３９に送られる。このビーム角度制御器１３９は、第２ＰＳＤ１３８で得られた信号からビーム光軸の角度ずれを演算し、その演算結果に基づいて角度補正用駆動ミラー１３３の反射方向を駆動制御する。
【００１５】
以下、上記構成による光ビーム制御装置の具体的な制御内容を説明する。
【００１６】
まず、対向する一組のコリメータ１１，１２の片方または両方に加えられる振動等の外乱に起因する軸ずれを動的に補正し、双方向通信状態を維持するには、平行軸ずれとあおり角の計４自由度の光路調整が必要となる。本装置は片側コリメータ１１をパッシブにするため、もう片側のコリメータ１２に光軸調整機構を集約させる非対称構成が可能となっている。具体的には、コリメータ１１，１２の遥動によるビーム位置の変動をカバーするのに十分な開口を有する位置補正用駆動ミラー１３１が固定側コリメータ１１からの光ビームを反射させ、さらに角度補正用駆動ミラー１３３を経由してユーザー側コリメータ１２へと導く構成となっている。
【００１７】
２つのミラー１３１，１３３はそれぞれパン・チルト角を制御可能な２自由度の駆動機構を備えている。位置補正用駆動ミラー１３１は光ビームを角度補正用駆動ミラー１３３の中心に導くように制御され、さらに角度補正用駆動ミラー１３３はその反射光がコリメータ１２の光軸と一致するように制御され、これによって２つのコリメータ１１，１２の光軸が互いに一致するようにしている。
【００１８】
位置補正用駆動ミラー１３１と角度補正用駆動ミラー１３３との間には第１ビームスプリッタ１３２が配置され、通過光ビームの一部が分岐される。ここで分岐された光ビームの光軸上には、角度補正用駆動ミラー１３３の鏡像位置に第１ＰＳＤ１３５が配置されている。このため、ビーム位置制御器１３６では、第１ＰＳＤ１３５の出力から角度補正用駆動ミラー１３３の中心に対する光ビームの反射点の位置を検出し、位置補正用駆動ミラー１３１へフィードバックして、光ビームを角度補正用駆動ミラー１３３の中心へ導く。
【００１９】
一方、角度補正用駆動ミラー１３３とユーザー側コリメータ１２との間には第２ビームスプリッタ１３４が配置され、通過光ビームの一部が分岐される。ここで分岐された光ビームの光軸上には、凸レンズ１３７及び第２ＰＳＤ１３８が配置されている。この場合、第２ビームスプリッタ１３４によって分岐される光ビームは、凸レンズ１３７によって第２ＰＳＤ１３８の受光面に集光される。このため、ビーム角度制御器１３９では、第２ＰＳＤ１３８で得られる信号からユーザー側コリメータ１２の光軸に対する角度誤差を検出し、角度補正用駆動ミラー１３３へフィードバックして光ビームをコリメータ１２の光軸と一致させる。
【００２０】
上記構成において、図２に図１の光ビーム制御装置におけるビーム位置制御器１３６を対象とした本発明の実施例を示す。図２において、ビーム位置制御器１３６では、第１ＰＳＤ１３５上のビームスポット位置のｘ成分から駆動ミラー１３１のｘ用回転軸を駆動制御し、これと独立してビームスポット位置のｙ成分から駆動ミラー１３１のｙ用回転軸を駆動制御する。尚、図２に示すビーム位置制御器１３６の構成はｘ及びｙ成分の制御に関して共通のものである。
【００２１】
上記第１ＰＳＤ１３５から出力されたビームスポット位置信号は、減算器２１に送られ、ここで光軸一致に必要な目標値との差分が求められる。この差分結果はアンプ２２で適切なフィードバックゲインＫが乗ぜられて乗算器２３に送られる。このゲインＫは線形フィードバックであればその分子の次数が分母の次数を超えないプロパーな伝達関数で表現されるものである。
【００２２】
一方、第１ＰＳＤ１３５の受光パワー信号は、比較器（Ｃ）２４において定められた闘値と比較される。比較器２４は、受光パワー信号が閾値を上回る場合には乗算器２３に“１”を出力し、乗算器２３にアンプ２２からの出力を積分器（１／ｓ）２５に伝達させる。この積分器２５の出力は駆動ミラー１３１の変位指令値として用いられる。上記フィードバックゲインＫはこのフィードバックループが安定になるように設計される。受光パワーが闘値を下回る場合には、比較器２４は“０”を出力し、乗算器２３にアンプ２２からの信号を遮断させ、積分器２５への入力を０とする。したがって、コリメータ１１から光ビーム制御装置１３へ伝播される光ビームが何らかの理由により遮断された場合には、その後、積分器２５は遮断が発生する直前の出力を維持することになる。
【００２３】
光ビームが復旧した後、再びアンプ２２からの出力が積分器２５に入力されることになる。このとき、アンプ２２からの出力が光ビーム遮断の前後で不連続に変化する。しかしながら、積分器２５の出力は連続的に変化するため、駆動ミラー１３１に不連続な指令値を与えて過度な負荷を発生させることはない。
【００２４】
一方、ビーム角度制御器１３９もビーム位置制御器１３６と同様に構成されており、ビーム角度の２成分はそれぞれ独立に制御されることになる。そして、コリメータ１１から光ビーム制御装置１３へ伝播される光ビームが遮断された場合の制御も同様に行われ、制御器１３９は遮断の発生直前の出力を維持することになる。
【００２５】
ところで、光ビームの遮断が発生した場合、その時点からタイマーを起動して、一定時間以上遮断が続く場合には、フィードバック動作を終了させ、アラーム等を発生させることもできる。さらに、遮断の原因が人の通行によるものであることが想定される場合には、光ビームの送出を停止させてもよい。これは、受光パワーの減少が通信信号の漏洩につながる危険が想定される場合にも有効に作用する。また、図１の光ビーム制御装置１３には２つの制御器１３５，１３９が存在するが、その何れかのＰＳＤ１３５，１３８の出力が闘値を下回った場合に、２つの制御器１３５，１３９の積分動作を共に停止する構成としてもよい。
【００２６】
以上のように、上記構成による光ビーム制御装置では、光空間通信における振動や風などの外乱の影響による光軸ずれを動的に補正している状況で、何らかの原因による光ビームの遮断が発生した場合でも、それがある一定時間内のものであれば、スムーズにフィードバック制御を再開させることができる。また、遮断の原因が人の通行や通信光の漏洩に関係していることが想定できる場合には、アラームを発したり、光ビームの送信を停止したりすることにより対応することが可能となる。
【００２７】
なお、本発明は、上記実施形態のそのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種種の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る光空間通信システムに用いられる光ビーム制御装置の一実施形態を示す概略構成図。
【図２】図１に示すビーム位置制御器の具体的な構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００２９】
１１，１２…コリメータ、１３…光ビーム制御装置、１３１…位置補正用駆動ミラー、１３２…第１ビームスプリッタ（Ｂ／Ｓ）、１３３…角度補正用駆動ミラー、１３４…第２ビームスプリッタ、１３５…第１ＰＳＤ、１３６…ビーム位置制御器、１３７…凸レンズ、１３８…第２ＰＳＤ、１３９…ビーム角度制御器、２１…減算器、２２…アンプ、２３…乗算器、２４…比較器（Ｃ）、２５…積分器（１／ｓ）。
【図１】
0004881846.tif 000002
【図２】
0004881846.tif 000003