ТЕРМИНАЛ СИСТЕМЫ ОТКРЫТОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

Полезная модель относится к области открытой оптической связи и может применяться в системах, предназначенных для передачи информации между удаленными друг от друга станциями без использования электрических проводов и/или оптических волокон, в том числе в случаях, когда на пути переносящего информацию излучения находятся оптически неоднородные объекты (турбулентная атмосфера, оконные стекла и т.п.).
Известен терминал системы открытой оптической связи, оборудованный средством, предназначенным для достижения направленности сигнального излучения на противоположный терминал (JP 10-051385). Указанное средство содержит несколько отражательных элементов, образующих интерферометр, фокусирующую оптику, устройство для слежения за сдвигом интерференционных полос, а также систему управления положением отражающих элементов. Недостатком этого терминала является то, что он является весьма сложным и дорогим, поскольку содержит большое количество оптических элементов и устройств слежения за их положением. Кроме того, вся система весьма чувствительна к стабильности взаимного расположения оптических элементов.
Известен терминал открытой оптической связи, снабженный средствами компенсации отклонений испускаемого им светового пучка, вызванных различного рода вибрациями (JP 2000-209157). Терминал содержит два светоделителя, два отражателя и механизмы управления положением отражателей. Недостатком этого устройства является его сложность и дороговизна, обусловленная большим количеством оптических и механических элементов.
Наиболее близким к заявляемому является терминал, известный из JP 08-149082 (патент-аналог US 5689354). Данный терминал включает в себя источник излучения, антенну и устройство, позволяющее юстировать по двум угловым координатам испускаемый световой пучок. Это устройство содержит управляющий процессор, зеркало с двухкоординатным приводом, несколько линз, светоделитель в виде полупрозрачного зеркала и поляризационный расщепитель, а также средство для определения смещения пучков от заданного положения. Недостатком известного терминала является его сложность, дороговизна, а также необходимость
обеспечения стабильности взаимного расположения оптических элементов.
Заявляемый терминал системы открытой оптической связи направлен на упрощение и удешевление конструкции, обеспечение простоты наведения испускаемого светового пучка на приемную станцию, находящуюся на противоположном конце линии связи, уменьшение чувствительности к механическим и термическим деформациям, увеличение мощности и стабильности сигнала, поступающего на приемную станцию.
Указанный результат достигается тем, что терминал системы открытой оптической связи содержит оптическую антенну, источник излучения, снабженный средством модуляции информационным сигналом испускаемого им и направляемого на антенну оптического излучения, а также размещенный между источником и антенной светоделитель, оптически связанный с регистратором изображений и с отражающим устройством, обеспечивающим совмещение осей падающего на него и отраженного им световых пучков, причем все упомянутые оптические элементы установлены на общей платформе, выполненной с возможностью ее углового перемещения.
Указанный результат достигается также тем, что отражающее устройство выполнено в виде трипельпризмы и фокусирующего объектива, установленного между трипельпризмой и светоделителем, причем расстояние от объектива до выходной апертуры источника равно фокусному расстоянию этого объектива.
Указанный результат достигается также тем, что отражающее устройство выполнено в виде вогнутого зеркала, ориентированного ортогонально к оси падающего на него светового пучка, причем расстояние от зеркала до выходной апертуры источника равно радиусу кривизны этого зеркала.
Указанный результат достигается также тем, что на пути распространения светового пучка от источника излучения до антенны установлено не менее двух клиновидных пластин из прозрачного для этого излучения материала, выполненных с возможностью независимого поворота каждой из них вокруг оси пучка.
Указанный результат достигается также тем, что диаметр выходной апертуры источника излучения много меньше светового диаметра антенны.
Указанный результат достигается также тем, что выходная апертура источника излучения выполнена в виде торца многомодового световода
Указанный результат достигается также тем, что выходная апертура источника излучения размещена вблизи фокальной области антенны.
Указанный результат достигается также тем, что источник излучения и регистратор изображений размещены на равных расстояниях от светоделителя.
Указанный результат достигается также тем, что между источником излучения и светоделителем и/или регистратором изображений и светоделителем размещены вспомогательные объективы.
Использование светоделителя, оптически связанного с регистратором изображений и с отражающим устройством, обеспечивающим совмещение осей падающего на него и отраженного им световых пучков, позволяет получать на регистраторе два изображения, положение которых в общем случае не совпадает. Так как пучок, идущий от отражающего устройства, коллинеарен пучку, падающему на это устройство, одно из указанных изображений соответствует положению диаграммы направленности пучка, излучаемого терминалом, а второе отмечает направление на приемник, установленный на противоположном конце линии связи. Совмещение указанных изображений, фиксируемое с помощью регистратора, соответствует точному наведению пучка на этот приемник.
Наиболее целесообразным представляется выполнение отражающего устройства в виде трипельпризмы и фокусирующего объектива, установленного между трипельпризмой и светоделителем. Такая конструкция обеспечивает совпадение осей отраженного и падающего на нее пучков независимо от угла падения пучка и тем самым независимо от точности установки элементов, а также механических и тепловых деформаций платформы.
В другом частном случае целесообразно выполнять отражающее устройство в виде вогнутого зеркала, установленного ортогонально падающему на него пучку, поскольку такое зеркало, вообще говоря, дешевле трипельпризмы.
Использование клиновидных пластин из прозрачного материала, выполненных с возможностью независимого поворота каждой из них, упрощает точное наведение пучка на противоположный терминал, так как их поворот обеспечивает плавное угловое смещение этого пучка. В частности, если пластин две, то их поворот относительно друг друга эквивалентен изменению клиновидности суммарной пластины, и, как следствие, отклонению пучка по отношению к оси устройства. Одновременный поворот обеих пластин приводит к вращению оси пучка вокруг оси устройства. Таким образом, осуществляя совместные и/или независимые повороты пластин, можно реализовать наведение пучка на противоположный терминал с
±
высокой точностью в диапазоне углов 2α(n-1), где α - преломляющий угол каждой
пластины, n - показатель преломления материала, из которого изготовлены эти пластины.
Предлагаемое размещение оптических элементов, закрепленных на общей платформе, позволяет избежать необходимости дополнительных юстировок элементов относительно друг друга в случае тепловых или механических деформаций этой платформы. Для восстановления требуемой ориентации передаваемого светового пучка достаточно произвести угловое смещение платформы в целом и/или поворот клиновидных пластин.
Выполнение диаметра выходной апертуры источника оптического излучения много меньшим светового диаметра антенны обеспечивает снижение угловой расходимости выходящего из терминала излучения до значений много меньше одного радиана, что в свою очередь повышает интенсивность света в поперечном сечении пучка, попадающего на противоположный терминал линии связи.
Выполнение выходной апертуры источника излучения в виде торца многомодового световода повышает стабильность сигнала при прохождении несущего информацию светового пучка сквозь оптически неоднородную среду, например, через турбулентную атмосферу или оконные стекла.
Расположение излучателя и регистратора изображений в фокальной области оптической антенны позволяет повысить точность регистрации за счет того, что при таком расположении световые пучки фокусируются на регистраторе в виде пятен малого диаметра, одно из которых содержит изображение антенны противоположного терминала, на которую должен быть нацелен излучаемый пучок.
Использование вспомогательных объективов, размещенных между источником излучения и светоделителем и/или регистратором изображений, позволяет регулировать масштаб изображений на регистраторе.
Сущность заявляемого терминала системы открытой оптической связи поясняется примерами его реализации и чертежами. На фиг.1 схематично показан вариант реализации терминала в общем виде; на фиг.2 схематично показан наиболее оптимальный вариант реализации терминала.
Терминал системы открытой оптической связи в общем виде содержит источник оптического излучения 1 (излучатель) со средствами модуляции испускаемого им светового пучка (на чертеже они не показаны в силу известности) и установленный на пути этого пучка светоделитель 2, оптически связанный с антенной 3, регистратором изображений 4 и с отражающим устройством 5, обеспечивающим совмещение осей падающего на него и отраженного им световых пучков. При
этом все упомянутые оптические элементы установлены на общей платформе (на чертеже она не показана), выполненной с возможностью ее углового перемещения.
Перечисленные выше элементы могут быть выбраны из числа известных. Например, излучателем 1 может служить выходная апертура различных оптических систем, например, выходной торец полупроводникового лазера, модулируемого информационным электрическим сигналом, или выходной торец многомодового волоконного световода, на вход которого подается излучение от такого лазера. Светоделитель 2 может быть выполнен в виде полупрозрачного зеркала или светоделительного кубика. Регистратором изображений 4 может служить координатно-чувствительный фотоприемник, (например, П3С - матрица), а также экран, доступный наблюдению оператора или просто глаз оператора, снабженный соответствующей оптикой.
В наиболее оптимальном варианте реализации терминала отражающее устройство выполнено в виде трипельпризмы 6 и фокусирующего объектива 7, установленного между светоделителем 2 и трипельпризмой 6 (см. фиг.2). Кроме того, терминал содержит установленные на пути распространения сигнального пучка клиновидные пластины 8 из прозрачного для этого пучка материала, которые выполнены с возможностью независимого поворота каждой из них вокруг оси пучка.
Терминал системы открытой оптической связи функционирует следующим образом. Несущее информацию излучение, которое испускается излучателем 1, попадает на светоделитель 2 и делится им на два пространственно подобных пучка. Один из них распространяется к оптической антенне 3 и далее излучается наружу. Второй пучок попадает на отражающее устройство 5. Свет, отраженный этим устройством, проходит через светоделитель 2 и поступает на средство регистрации изображений 4 (регистратор). Оптическая антенна 3 строит на том же регистраторе изображение апертуры антенны приемного терминала, установленного на противоположном конце линии связи.
Совпадение центра этого изображения с центром пучка, идущего от отражающего устройства, соответствует точному наведению передаваемого пучка на противоположный конец линии открытой оптической связи. Такое совпадение достигается, например, путем угловых перемещений платформы, на которой закреплены оптические элементы, представленные на фиг.1. Яркость изображений на регистраторе может быть отрегулирована путем установки на пути света подходящих
ослабителей. Прецизионная юстировка может быть осуществлена за счет установки на пути передаваемого пучка клиновидных пластин 8.
При выполнении отражающего устройства в виде трипельпризмы 6 и фокусирующего объектива 7 наиболее предпочтительным является такое расположение объектива, когда расстояние от него до выходной апертуры источника излучения равно фокусному расстоянию этого объектива. При этом расходящийся пучок световых лучей, испускаемых источником, трансформируется объективом в направленный, и этот свет попадает на трипельпризму. Она разворачивает падающие на нее световые лучи на 180°, а затем объектив фокусирует их на регистраторе.
В качестве отражающего устройства может также использовано вогнутое зеркало, ориентированное ортогонально к оси падающего на него светового пучка, причем расстояние от зеркала до выходной апертуры источника целесообразно выбрать равным радиусу кривизны этого зеркала, чтобы получить на регистраторе сфокусированный пучок.
Во многих случаях полезно снабдить предлагаемый терминал одним или несколькими светофильтрами и/или ослабителями (на чертежах не показаны в силу их известности). Оснащение терминала светофильтром позволяет беспрепятственно пропускать излучение на рабочей длине волны и, в то же время, защищать излучатель от вредного воздействия света от других объектов (например, от Солнца), имеющего иной спектральный состав. Снабжение терминала ослабителем, установленным на пути распространения передаваемого светового пучка, позволяет регулировать выходную мощность в зависимости от потерь света на трассе между этим терминалом и приемной станцией.
Фильтры и ослабители могут иметь различное исполнение. Ими, в частности, могут служить специально рассчитанные интерференционные покрытия, наносимые на оптические элементы терминала, а также сами оптические материалы, из которых изготавливаются эти элементы.
Предлагаемый терминал может быть модифицирован для одновременной работы как на передачу, так и на прием. Действительно, после наведения терминала на противоположного абонента линии связи, антенна 3 концентрирует на апертуре излучателя 1 свет, поступающий от этого абонента. Поэтому, если в этом свете содержится информация, посылаемая абонентом, а конструкция излучателя выбрана такой, что в ней обеспечивается пространственное разделение световых пучков, идущих в противоположные стороны (что достигается известными средствами), то терминал легко превратить в приемопередающий.. Для этого необходимо
снабдить его фотоприемным устройством с демодулятором и направить на это устройство свет от абонента, расположенного на противоположном конце линии связи, отделив этот свет вышеуказанным путем от пучка, испускаемого излучателем 1.
Другая возможность основана на том, что часть световых лучей, приходящих от удаленного абонента, попадает также на регистратор изображений 4 вместе с частью лучей от источника 1. Указанные лучи можно отделить друг от друга, если они различаются по длине волны и/или по поляризации. Поэтому и здесь может быть установлен приемник излучения, в результате чего предлагаемый терминал оказывается пригодным для двусторонней связи, т.е. он может одновременно работать как на передачу, так и на прием.