JP2005229253A - 空間光伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 空間光伝送装置において、比較的長距離かつ広範囲の領域で光捕捉追尾することができ、例えば通信開始前などの初期光捕捉を容易に行うことができるようにする。
【解決手段】 送受光光学系１１、受光器１７、レーザ光源１３、粗追尾用位置検出部１４、精追尾用位置検出部１５を筐体１８に備え、ジンバルステージ４４などで姿勢制御できるようにした送受光装置１にビーコン光形成ユニット２を設ける。ビーコン光形成ユニット２は、ビーコン光光源部５から放射される複数光束を投影光学系４で投影し、比較的大きな射出角範囲を有するビーコン光Ｂを射出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は空間光伝送装置に関する。特に広範囲な光追尾領域を有し、長距離の空間光伝送に好適な空間光伝送装置に関する。

従来、空間光伝送通信では、送光される通信光が受光部から外れて通信がとぎれないようにするため、送光側の通信光を光捕捉追尾している。このような光捕捉追尾では風や振動による装置の方向ずれ、位置ずれはもちろんのこと、装置が移動体に設置されている場合にも対応できる広範囲な追尾領域を備えることが求められている。また、光伝送距離が長くなると、わずかの入射角度ずれでも受光範囲から外れ通信がとぎれることになるが、そのような長距離でも確実に追尾し、通信を再開できるようにすることが強く求められている。
そのため、例えば特許文献１には、追尾領域を広範囲に設定するために、通信光源を拡散光に設定して送信し、相手側が拡散された通信光源を捕捉して初期光軸調整を行った後、送信側でも初期光軸調整を行い、その後、双方の拡散通信光を集束光に変換して通信を行う追尾式光無線通信装置が記載されている。
また、特許文献２には、相手側の距離を距離測定手段で測定し、距離に合わせ送信側通信光の拡散光をビーム拡がり角自動偏向手段で制御し、追尾時の受信側の光量不足や、通信時に振動による通信のとぎれが発生しないような拡がり角に自動設定している光空間伝送装置が記載されている。
特開平６−１１５５９号公報（第４−７頁、図８） 特開２００１−２９２１０５号公報（第３−５頁、図１、３、４）

しかしながら、上記のような従来の空間光伝送装置には、以下のような問題があった。
光捕捉追尾を行う場合においては、入射通信光の光束の入射角度検出を行うために、光束が受光部の光学系の光軸に対して検出可能な所定の入射角度内に入射する必要がある。特に互いに通信を行っていない光捕捉の初期においては、おおよその方向に送受信装置の光軸を向け合うため、受光部に対する入射角度が広い範囲でばらつくことを考慮して、射出する光束の射出範囲、射出角度を大きくしなければならない。
一方、光束の射出範囲、射出角度を大きくすると、単位面積当たりの光強度は距離の２乗に反比例するから、距離が離れるにしたがって受光部の受光光量が急激に減少するものである。
特許文献１に記載の技術では、１つの光源による通信光を捕捉追尾用光と兼用している。そのため、いったん通信光の放射範囲、放射角度を広げて初期追尾した後、光通信を行う。このとき、通信に必要な光量を確保するために、光束の拡がり角を狭め通信用に最適の光束径とするものである。
その結果、通信中に互いの位置が比較的大きく移動したり、外乱により光軸ずれが発生したりするときには、光捕捉追尾できなくなり通信が不能となる可能性があるという問題がある。
また特許文献２に記載の技術では、相手側までの距離を測定し、送信光の広がり角を設定することにより振動などにより通信のとぎれが発生しないようにしているから、相手側の受信部よりかなり大きな光束径とされる。
その結果、長距離になるにしたがって受光部における光量が急激に低下し、空間光通信が不安定になる可能性があるという問題がある。
一方、光源の光量を増大させて受信部での光量を確保することも考えられるが、例えばレーザ安全規格などの光量規制を満足できなくなる可能性があるという問題がある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、比較的長距離かつ広範囲の領域で光捕捉追尾することができ、例えば通信開始前などに広範囲の初期光捕捉を容易に行うことができる空間光伝送装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、通信光を外部に送光する送光部と外部からの入射光束を受光する受光部とを有し、略対向する位置に少なくとも一対をなして配置されたときに所定角度内で入射する通信光を互いに受光可能とした空間光伝送装置であって、前記受光部に設けられ、前記所定角度より大きい角度範囲で前記入射光束の入射角度検出が可能とされた入射角度検出手段と、前記送光部の送光方向に向けて、前記所定角度より大きい角度範囲内に光を射出する複数光源を含んだ追尾用光源部と、前記入射角度検出手段により検出された前記外部からの入射光束の入射角度に応じて、前記受光部および送光部の光軸の方向を制御する光軸制御手段とを備える構成とする。
この発明によれば、追尾用光源部から射出される光が、通信光の受光可能な所定角度範囲より大きな角度範囲に射出される。つまり追尾用光源部から送光部の送光方向に向けて射出される光が全体として送光部から射出される通信光の射出角範囲より大きい範囲を覆うことができる。一方、受光時には、外部からそのような所定角度範囲より大きな角度範囲に入射された光の入射角度ずれを入射角度検出手段により検出することが可能である。
したがって、本装置を略対向する位置に配置すれば、通信光が光捕捉されない角度ずれがある場合でも、追尾用光源部から射出された光を光捕捉し、角度ずれを検出することができる。
そして、対向側の追尾用光源部から射出された光の入射角度に応じて光軸制御手段により入射角度ずれが低減するように受光部および送光部の光軸の方向を互いに制御することにより、初期光捕捉追尾を行うことができる。それから光軸制御手段により、追尾用光源部から射出された光の射出角範囲内にある通信光を探査し、通信光を光捕捉追尾することができる。それにより、通信光による高精度な精追尾に移行し、対向方向における送光部、受光部の対向姿勢を維持し、安定して通信光を送受光（送受信）できる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の空間光伝送装置において、前記追尾用光源部が、該追尾用光源部から射出する光の広がり角を制御する広がり角制御手段を備える構成とする。
この発明によれば、広がり角制御手段により、追尾用光源部から射出する光の広がり角を制御することができるので、その広がり角を可変して、射出角の範囲内で適宜距離にある追尾対象を追尾用光源部から射出する光により覆うことができるから、射出角の範囲内で追尾対象を確実に照射することができる。その結果、追尾対象側ではその光を確実に光捕捉することができる。

請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の空間光伝送装置において、前記広がり角制御手段が、前記複数光源の光軸方向に移動可能に設けられたパワーを有する光学素子からなる構成とする。
この発明によれば、光学素子を複数光源の光軸方向に移動することにより、追尾用光源部から射出される光の広がり角が可変される。そのため複数光源の広がり角を一括して可変することができ、迅速かつ効率的に追尾用光源部から射出される光の広がり角を可変することができる。

請求項４に記載の発明では、請求項１〜３のいずれかに記載の空間光伝送装置において、前記追尾用光源部の複数光源の一部を順次点滅させることにより、前記追尾用光源部から射出する光が順次点滅されるようにした構成とする。
この発明によれば、複数光源の一部を順次点滅させることにより、それに応じて追尾用光源部から射出される光が順次点滅され、一定周期のうちに射出される光が全部点滅される。したがって、一定周期で射出角の範囲が追尾用光源部から射出される光により走査される。そのため、その光を入射光束として光捕捉追尾を行う場合、一定周期ごとに光捕捉追尾動作を行うことにより、全部点灯したときと同等の光捕捉追尾を行うことができるものである。また、全部同時に点灯すると光量が安全規格を満たさなくなるといった場合にも、このように分割して点灯することにより安全規格を満たすようにすることができる。
その結果、同時に点灯される光源の光強度を低減した状態で比較的広範囲に追尾用光源部からの光を射出することができる。

本発明の空間光伝送装置によれば、光捕捉追尾を行うための光を複数光源により、広い範囲に射出でき、広範囲に射出することで射出面積あたりの光強度が低下することがないので、比較的長距離かつ広範囲の領域で光捕捉追尾することが可能となり、その結果、広範囲で初期光捕捉を容易に行うことができるという効果を奏する。

以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。なおすべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
本発明の実施形態に係る空間光伝送装置について説明する。
図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る空間光伝送装置の概略構成について説明するための模式説明図である。図１（ｂ）は、図１におけるＡ視の部分側面図である。図２は、本発明の実施形態に係る追尾用光源部の概略構成を説明するための光軸方向断面における模式説明図である。図３は、本発明の実施形態に係る追尾用光源部の光束が投影される様子を説明する光軸に直交する断面における模式説明図である。
なお、これらの図において、見易くするために光束の傾き角、広がり角を誇張して描いている（以下同様）。また、以下では、図２、３において方向を簡潔に表すため共通のＸＹＺ右手直角座標系を参照する場合がある。Ｚ軸正方向は光軸１０上を光束が進む方向に一致され、Ｙ軸正方向は送受光装置１の鉛直上向き方向に一致されるものとする。
本実施形態に係る送受光装置１（空間光伝送装置）の概略構成は、筐体１８、ジンバルステージ４４（光軸制御手段）、ビーコン光形成ユニット２（追尾用光源部）、送受光光学系１１、可動ミラー３４（光軸制御手段）、ビームスプリッタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、レーザ光源１３、受光器１７、粗追尾用位置検出部１４、精追尾用位置検出部１５、入射角度検出手段４１からなる。

筐体１８は、後述する各部材を一体に保持する保持部材と外装部材とを兼ねた部材であり、例えば、箱形などの適宜形状とされている。そして、図１（ａ）の図示左側に適宜の形状・大きさで光束を透過する開口部１９を備え、対向する側に位置する他の送受光装置から射出される光束を筐体１８内に導くことができるようになっている。

ジンバルステージ４４は、筐体１８を２軸方向に姿勢制御可能に保持する移動機構であり、垂直回転駆動部４４ａおよび水平回転駆動部４４ｂが支持台４４ｃ上に保持され、垂直回転駆動部４４ａと水平回転駆動部４４ｂとの移動量を制御するための駆動制御手段４４ｄを備えてなる。
水平回転駆動部４４ｂと垂直回転駆動部４４ａは、それぞれ鉛直軸回りの回転と水平軸回りの所定角の回転とが可能とされ、それぞれの回転角制御可能な機構（不図示）、例えば制御モータ、アクチュエータ、静電モータなどにより駆動可能とされる。
駆動制御手段４４ｄは、入射角度検出手段４１が生成する駆動制御信号１００に基づき、垂直回転駆動部４４ａ、水平回転駆動部４４ｂの回転駆動量を算出して、所定の回転駆動を行うための手段である。

ビーコン光形成ユニット２は、複数の光源Ｌ_ｎ（ｎ＝０、１、…、ｋ−１、ただしｋ≧２）により所定の射出角範囲に複数のビームＢ_ｎ（ｎ＝０、１、…、ｋ−１、ただしｋ≧２）を射出するための光源ユニットである。以下では、ビームＢ_ｎをまとめてビーコン光Ｂ（追尾用光源部から射出する光）と称する（図１参照）。本実施形態では、後述する送受光光学系１１の外周側を略等分する位置に３ユニットが設けられている。
ビーコン光形成ユニット２の概略構成は、図１、２に示したように、ビーコン光光源部５（複数光源）、投影光学系４（パワーを有する光学素子）および光源駆動制御手段３からなる。
ビーコン光光源部５は、平面上に所定間隔でｋ個の光源Ｌ_ｎを配列してなる。
光源Ｌ_ｎは、例えば半導体レーザ、気体レーザなどの放射光を適宜の光ファイバ、アパーチャ、光学系などにより適宜の光束径に整形して拡散光等として放射できるように構成したものや、ＬＥＤ光源などを採用することができる。光源Ｌ_ｎの波長は、波長λ_Ｌとされる。

投影光学系４は、ビーコン光光源部５から射出された光に所定の広がり角を持たせ、所定位置で所定大きさの光束径を有するビームＢ_ｎとし、光源Ｌ_ｎの位置、姿勢に応じた複数方向に射出するためのものである。符号１０は、投影光学系４の光軸を示す。図２において、光軸１０と、ビーコン光光源部５の中心に位置する光源Ｌ_０の光軸とは一致されている。
投影光学系４の構成は、パワーを有する光学素子または光学素子群からなる。光学素子としては、例えば、レンズ、レンズアレイ、フレネルレンズ、曲面ミラー、パワーを有するプリズム、ＤＯＥ（Diffractive Optical Element、回折光学素子）、ホログラムなどが採用できる。
本実施形態では、光軸１０上での配置位置を可変できるようにした焦点距離ｆの正パワーを有する可動レンズを採用している。

光源駆動制御手段３は、ビーコン光光源部５に対して、各光源Ｌ_ｎに選択的に電圧を供給して点滅制御を行う。また、投影光学系４の光軸１０に対する傾き角を可変するとともに、光軸１０に沿う方向に投影光学系４を移動させることができるようになっている。例えば、図示しないが、回転ステージやアクチュエータなどの直動移動機構を組み合わせ、それらをモータ駆動するなどの手段が採用できる。

送受光光学系１１は、対向する他の送受光装置との間で、波長λ_Ｃ（ただし、波長λ_Ｌとは異なる）を有する通信光５０を送受光するための適宜の角倍率を有する光学系である。送受光光学系１１は、本装置の送光部と受光部とを兼ねている。本実施形態における概略構成は、通信光５０を集光するための凹面反射鏡１１ａと、凹面反射鏡１１ａで集光された光束を結像するパワーを有する反射素子１１ｂと、反射素子１１ｂで結像されてから拡散する光束を略平行光束に集光するレンズ１１ｄからなる。
そして、外部から送受光光学系１１の光軸５１に対して入射角度θを持って入射する略平行光束の通信光５０を（θ×角倍率）とし、角倍率に応じた光束径に縮径された略平行光束として出射する実質的なアフォーカル光学系が構成される。送受光光学系１１では、レンズ１１ｄの像側には射出瞳が形成される。なお光軸５１と各光軸１０とは略平行に配置される。凹面反射鏡１１ａには、反射素子１１ｂで反射される光束を透過させるために開口１１ｃが設けられている。
なお、送受光光学系１１は、空間光伝送に使用可能な光学系であれば、これ以外の構成によってもよいことは言うまでもない。

可動ミラー３４は、レンズ１１ｄの像側に形成される射出瞳の近傍に配置され、送受光光学系１１から像側に進む略平行光束を偏向し、光軸の方向を制御するためのものである。そして、可動ミラー制御手段３４ａにより、偏向角が制御される。可動ミラー３４としては、例えば、ガルバノミラー、光ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）などが採用できる。

ビームスプリッタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、可動ミラー３４の中立位置における軸上主光線が波長に応じて分岐するように、物体側から像側に向けてこの順位配置された光路分岐手段である。例えば、ハーフミラー面、偏光反射面、波長選択フィルタ面などの光分岐面を有するビームスプリッタプリズム、平行平面板などが採用できる。
ビームスプリッタ１２ａは、例えば波長選択フィルタ面とし、通信光５０を略１００％透過し、外部から入射したビーコン光を略１００％反射するように構成されている。そして、ビームスプリッタ１２ａにおける軸上主光線の分岐方向には、集光レンズ１４ａ、受光器１４ｂなどからなり、入射光束の粗追尾を行うための粗追尾用位置検出部１４が設けられる。
このようにビームスプリッタ１２ａを波長選択フィルタ面とした場合、粗追尾に外部から入射したビーコン光が用いられ、通信光５０は粗追尾には使用されないので、通信光５０の光量損失を低減することができるという利点がある。

ビームスプリッタ１２ｂは、例えば、通信光５０のうちの一部を反射させその他の部分を透過させるように構成されている。そして、ビームスプリッタ１２ｂにおける軸上主光線の分岐方向には、集光レンズ１５ａ、受光器１５ｂなどからなり、少なくともμｒａｄオーダの精追尾を行うための精追尾用位置検出部１５が設けられる。
ビームスプリッタ１２ｃは、通信光５０を透過させ、分岐方向から入射するレーザ光源１３から射出される光束を反射させるよう構成されている。そして、ビームスプリッタ１２ｃにおける軸上主光線の分岐方向には、レーザ変調駆動手段１３ａにより変調された平行なレーザ光を射出するレーザ光源１３が配置される。

受光器１４ｂ、１５ｂは、例えば４分割ＰＤ、位置検出受光器（ＰＳＤ）、撮像素子（ＣＣＤ）など、受光面の光束の中心位置を検出できる受光器からなり、通信光５０の入射角度または可動ミラー３４の偏向角により中立軸からずれた光束の受光面上の位置を検出し、それぞれ検出信号１０２、１０３を入射角度検出手段４１に出力できるようになっている。本実施形態では、受光器１４ｂに粗追尾用としてＣＣＤ、受光器１５ｂに精追尾用として４分割ＰＤを用いている。

入射角度検出手段４１は、粗追尾用位置検出部１４、精追尾用位置検出部１５から出力される検出信号１０２、１０３を演算して、受光面での位置ずれ量ならびに光束の入射角度ずれに換算するための手段である。
そして、粗追尾用位置検出部１４により検出される比較的大きな角度ずれに応じて、角度ずれを低減する方向にジンバルステージ４４を駆動するための駆動制御信号１００を駆動制御手段４４ｄに出力できるようになっている。
また精追尾用位置検出部１５により検出される比較的小さな角度ずれに応じて、角度ずれを低減する方向に可動ミラー３４の偏向角を可変する偏向角制御信号１０１を可動ミラー制御手段３４ａに出力できるようになっている。

集光レンズ１６は、ビームスプリッタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃを透過した略平行光束を集光する光学素子である。
受光器１７は、集光レンズ１６で集光された光束を受光し、その光束が通信光５０であるとき、適宜の情報信号として取り出すために光電変換を行うためのものである。光電変換された情報信号の伝送経路および処理回路などを備えることは言うまでもないが、周知のことなので説明を省略する。
また受光器１７は、通信光を伝送する光ファイバの端面であってもよい。この場合光電変換をする必要がないので、部品点数を減らすことができ、コストを低減することができる。

以上に説明した構成において、送受光光学系１１、集光レンズ１６、受光器１７は、送受光装置１の受光部をなすものである。また、送受光光学系１１、ビームスプリッタ１２ｃ、レーザ光源１３、レーザ変調駆動手段１３ａは、送受光装置１の送光部をなすものである。

次にビーコン光形成ユニット２の動作について図２を参照して説明する。ここで、図２（図１（ｂ）、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）も同様）は、角度（長さの比）を誇張して描いている。実際には、ｈ_ｎ、ｈ_ｍの長さに対して、ｔ_１、ｔ_２の長さは十分長いものとする。
図２に示したように、ビーコン光光源部５上の各光源Ｌ_ｎは、光源駆動制御手段３により点灯されると投影光学系４に向けて光軸１０に平行な方向に拡散光を放射する。
例えば、投影光学系４の物体側主平面が光源部２から距離ｆにある時、各光束は、像側焦点を通過する平行光束として射出される。例えば光軸１０からＹ軸方向の最外部の高さ（−ｈ_ｍ）に位置する光源Ｌ_ｍから放射された光束は、投影光学系４からビームＢ_ｍとして射出され、焦点を通り、光軸１０に対して角度αだけ傾斜する方向に進む。ここでαは次式の関係を満足する。
ｈ_ｍ＝ｆ・ｔａｎα ・・・（１）
そして、光源部２から距離ｔ_１（ｔ_２）に位置する平面Ｓ_１（Ｓ_２）上のＹ軸方向の像高Ｈ_１ｍ（Ｈ_２ｍ）の位置に、スポットｓ_１ｍ（ｓ_２ｍ）が照射される。ここで、
Ｈ_１ｍ＝（ｔ_１−ｆ）・ｔａｎα ・・・（２）
Ｈ_２ｍ＝（ｔ_２−ｆ）・ｔａｎα ・・・（３）
である。

この場合、ビームＢ_ｍは平行光束となり、スポットｓ_１ｍ、ｓ_２ｍのスポット半径ｒ_１ｍ、ｒ_２ｍは等しくなる。そして、図３（ａ）、（ｂ）に示したように、各光源Ｌ_ｎの配列ピッチに応じて、スポットが平面Ｓ_１、Ｓ_２に分布する。
例えば、平面Ｓ_１上では、各スポットｓ_１ｎが互いに隣接して平面Ｓ_１をほとんど覆うように分布する。このように、本実施形態では、（２・Ｈ_１ｍ×２・Ｈ_１ｍ）の面積を有する略矩形領域に角度±αの範囲の光束が分布する。角度θ_ｘ＝２・αは、Ｘ軸回りの射出角範囲を表す。同様に図示しないが、Ｙ軸回りの射出角範囲は、角度θ_ｙ＝２・αである。

一方、平面Ｓ_２上では、各スポットｓ_２ｎが互いに離れて分布するので、平面Ｓ_１におけるより広い（２・Ｈ_２ｍ×２・Ｈ_２ｍ）の面積を有する略矩形領域に角度±αの範囲の光束が分布する。そこで、ビーコン光光源部５の光源Ｌ_ｎの密度を上げることにより、スポットｓ_ｐ（図３（ｂ）のドット模様ハッチング参照）でそれらの間を覆うようにすることもできる。またビーコン光形成ユニット２は、複数配置されているので重ね合わせによりそれらの間を覆うようにすることもできる。
この場合、このスポットｓ_ｐを点灯する光源Ｌ_ｐ（不図示）を光源駆動制御手段３で点滅制御することにより、スポットを投影する対象物の距離に応じて点灯する光源の量を可変できるようにしてもよい。

また、光源駆動制御手段３は、投影光学系４の光軸方向の位置と光軸に対する傾き角を制御できるので、光束の広がり角を可変でき、光軸に直交する平面上のスポット径を適宜可変できる。
図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、投影光学系４、ビーコン光光源部５の位置、姿勢を可変した場合の、光軸方向の一断面での光束の様子を示す模式光路図である。図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に対応して光軸に直交する平面上（図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の右側面方向）に形成されるスポット径分布を一方向について示した模式説明図である。

図４（ａ）、（Ａ）に示した例は、投影光学系４とビーコン光光源部５との距離を距離ｄ_１（ただし、ｄ_１＜ｆ）として、すべての光束径を距離に応じて均一に拡径するようにした場合である。この場合、射出角（２・α）の範囲にｊ本の光束が配列されるとすれば、例えば、１本の広がり角を、（２・α／ｊ）とすることにより、任意の距離で図３（ａ）のように所定領域内をスポットで覆うことができる。これにより、図２を用いて説明した隙間を覆うようにすることができる。
実際には、大気ゆらぎなどにより平行光を射出しても、出射径よりも大きくなる。そのため複数の光束が重なって受光素子に入射することになる。その場合は、受光素子における入射光位置の重心を求める機能を入射角度検出手段４１に持たせ、入射方向を算出してもよい。また、投影光学系４を移動させて、光束が重ならないようにすることもできる。

図４（ｂ）、（Ｂ）に示した例は、投影光学系４とビーコン光光源部５との距離を距離ｄ_２（ただし、ｄ_２＞ｆ）として、すべての光束径を距離に応じて均一に縮径するようにした場合である。この場合、結像面よりも物体側の平面上では、遠距離であっても面積当たりの光強度が低下しない光束を投影することができる。
図４（ｃ）、（Ｃ）に示した例は、ビーコン光光源部５を光軸１０に対して角度Ψだけ傾斜させ、光軸に直交する平面内でスポット径を可変するようにした例である。例えば、光源が投影光学系４に対してｆよりも近づいたビームＢ_ｊでは比較的大きなスポットｓ_Ｂｊが形成され、その反対のビームＢ_ｉでは比較的小さなスポットｓ_Ｂｉが形成される。
なお、以上では簡単のために、光軸を含む一断面の光路図とそれに対応する一方向のスポット径の変化を例にとって説明したが、実際には、ビーコン光光源部５は２次元的に配列され、スポット径も２次元的に変化する。上記の説明をこのような２次元に拡張して理解することは容易である。

本実施形態によれば、このような操作を適宜組み合わせることにより、ビーコン光Ｂを形成するビームＢ_ｎを発散光、平行光、集束光に適宜変換することができる。そして、適宜位置の平面上での光束径や光束間の隙間を制御することができる。その結果、所定の射出角の範囲でそれぞれ適宜の光強度分布を有するビーコン光Ｂを形成することができる。
そのため、追尾対象までの距離に応じて光束径を可変したり、例えば大気揺らぎなど環境によるノイズがある場合にＳ／Ｎ比が向上するように光束径を可変したりすることができる。したがって、１つの装置で長距離用、短距離用、悪環境用などの複数の状況に応じた汎用性の高い装置を構成することができるという利点がある。

次に、２つの送受光装置１を互いに対向させて空間光伝送システムを形成した場合の光捕捉追尾制御動作について説明する。
図５は、本発明の実施形態に係る送受光装置を組み合わせた空間光伝送システムの動作を説明するための模式説明図である。なお、以下では特に断らない限り、図中の部材などに付加された添字Ａ（Ｂ）は、その部材などが送受光装置１Ａ（Ｂ）に属することを必要に応じて明示するために用いる。それらの個々の構成は、上記に添字なしで説明している場合はそれと同じなので説明は省略する。

空間光伝送システム３０は、上記に説明した送受光装置１と同様の構成を有する送受光装置１Ａ、１Ｂを、それぞれの開口部１９を対向させて距離Ｌだけ離間して配置してなる。それぞれからは、レーザ光源１３により略平行光束である通信光５０Ａ、５０Ｂが射出される。距離Ｌは非常に大きいため、各通信光５０は拡径して、対向する側の開口部１９の開口径よりも大きく広がる。
各送受光光学系１１において、粗追尾用位置検出部１４で検出可能な入射半画角（所定角度）はβ_Ａ、β_Ｂである。一方、各送受光装置１に３台設けられたビーコン光形成ユニット２の光軸１０から計った射出角は、角度±α_Ａ、±α_Ｂ（ただし、α_Ａ＞β_Ａ、α_Ｂ＞β_Ｂ）とされる。
例えば、可動ミラー３４が中立位置で通信を行っていた状態から送受光装置１Ａが外乱などを受けて光軸５１Ａがずれたり、送受光光学系１１Ａからの出射角度がずれたりする場合を考える。このとき送受光光学系１１Ｂに入射する通信光５０Ａが、光軸５１Ｂに対して角度δ_Ａだけ角度ずれを起こすとする。

δ_Ａ＜β_Ｂの場合、角度δ_Ａは、送受光光学系１１に入射可能で、粗追尾用位置検出部１４の検出可能な入射角度範囲にある。ビーコン光Ｂ_Ａは、送受光光学系１１に入射して中立位置にある可動ミラー３４で偏向され、ビームスプリッタ１２ａ、１２ｂを透過した光束が粗追尾用位置検出部１４、精追尾用位置検出部１５に入射する。通信光５０Ａは、ビームスプリッタ１２ａを透過し、ビームスプリッタ１２ｂで分岐され、精追尾用位置検出部１５に入射しているので、入射角度検出手段４１により入射角度が検出される。
ここで精追尾用位置検出部１５で検出可能な入射角度範囲の場合や、あらかじめ設定されている入射角度範囲である場合は、可動ミラー３４を制御して通信光５０Ａが受光器１７に入射するようにする。上記以外の時は、粗追尾用位置検出部１４からの検出信号により入射角度検出手段４１にて、入射角度を検出し、駆動制御手段４４ｄに伝えることにより、ジンバルステージ４４を制御し、光軸５１Ｂを入射方向に向ける。
なお、ジンバルステージ４４のみで通信光５０Ａを受光器１７に入射させることもできるが、ジンバルステージ４４の精度が粗く、入射させることができないなどの場合、精追尾用位置検出部１５の検出信号１０３により可動ミラー３４が駆動され、光束が受光器１７の中心に入射するように制御される（図１参照）。したがって、通信光５０Ａは、受光器１７に入射され、通信が再開される。
以上の説明では、送受光装置１Ａが送信側、送受光装置１Ｂが受信側としたが、互いに同様の送受信機能を備えるので、互いに同じ工程を行って、通信を再開することができる。

一方、δ_Ａ≧β_Ｂの場合、ビーコン光Ｂ_Ａは角度δ_Ａの大きさによっては、粗追尾用位置検出部１４に入射しない。
そこで、このような場合や、通信開始時における初期光捕捉方法について説明する。
ビーコン光形成ユニット２Ａから射出されたビーコン光Ｂ_Ａは、角度（２・α_Ａ）の範囲内に広がり、通信光５０Ａよりも十分大きく広がっている。なお、図１、２において、ビーコン光Ｂ、Ｂ_Ａ、Ｂ_Ｂの光束の広がり角度は誇張して大きく描かれているが、適宜必要な角度に設定できる。また光束間の隙間も適宜設定できるものである。ビーコン光Ｂ_Ａのうちいずれかの光束が開口部１９に確実に入射するためには、光束間の隙間は少なくとも開口部１９の大きさより狭く設定することが好ましい。

まずビーコン光Ｂ_Ａが検出されない場合、ジンバルステージ４４を走査してビーコン光Ｂ_Ａを探査する。送受光装置１Ａも送受光装置１Ｂからのビーコン光Ｂ_Ｂを粗追尾用位置検出部１４で受光できない場合は同様にジンバルステージ４４を走査する。
送受光装置１Ａ、１Ｂが互いにジンバルステージ４４により走査を行い、ビーコン光Ｂ_Ａ、Ｂ_Ｂのうちいずれかのビームが他方の粗追尾用位置検出部１４に入射する。粗追尾用位置検出部１４は、そのうちの１つのビームＢ_ｎを捕捉すると、その光軸と光軸１０Ｂが略一致するようにジンバルステージ４４を制御する。互いにこの動作を行うことにより、通信光５０Ａが精追尾用位置検出部１５で検出されるようになり、精追尾用位置検出部１５に制御を移行する。以降は、δ_Ａ＜β_Ｂの場合と同様である。
このようにして、通信光５０Ａが捕捉された後、通信光５０Ａを変調して通信を開始する。
ここで、粗追尾をジンバルステージ４４で行い精追尾を可動ミラー３４で行うとしたが、条件が揃えば粗追尾を可動ミラー３４で、精追尾をジンバルステージとすることもできる。

このように本実施形態では、ビーコン光形成ユニット２により比較的広範囲の入射角度ずれがあっても対向する送受光装置により光捕捉追尾できるから、迅速かつ容易に光軸合わせをすることができるとともに安定した通信が実現できる。
その際、ビーコン光形成ユニット２を、複数光源を含み、通信光より広い射出角を有する構成とするので、比較的光強度の小さい光源であっても単位面積当たりの光強度を落とすことなく、比較的広範囲に射出することができるから、広範囲かつ高精度の光捕捉追尾を行うことができる。
また、通信光５０を初期光捕捉追尾に用いないので、通信光５０の広がり角を可変制御する必要がなく、通信のために最適な広がり角を固定して保持することができる。そのため、通信光の光量変化、ばらつきなどが低減されるとともに、光捕捉追尾から通信開始までの時間を短縮することができるという利点がある。
また、このような光捕捉追尾制御は、通信開始前の初期光捕捉追尾に限ることなく、通信中に大きな外乱により通信光５０が捕捉できなくなった場合にも適用できる。したがって、仮に通信中に通信光５０同士の間で追尾しきれなくなっても、ただちにビーコン光Ｂによる粗追尾を行い通信の断絶を回復できるから、安定した通信を維持できるという利点がある。

次に、本実施形態における第１変形例について説明する。
本変形例は、上記実施形態と同一の構成により、光源駆動制御手段３の制御を変更した例である。すなわち、上記の実施形態ではビーコン光形成ユニット２の光源Ｌ_ｎが同時点灯することにより、比較的広範囲に射出角を有する追尾光を形成したが、本変形例では、光源駆動制御手段３によりこれらの光源Ｌ_ｎの一部を順次点滅制御する。それにより、全射出角の範囲を所定時間Ｔ内で走査するようにしたものである。
点滅する単位は適宜の単位でよく、隣接する光源Ｌ_ｎ同士をまとめて点滅してもよいし、ランダムに点滅してもよい。
そして、送光側を送受光装置１Ａ、受光側を送受光装置１Ｂとすれば、これらの光捕捉追尾制御は、時間Ｔ毎に段階的に行われる。送受光装置１Ａでは、ビーコン光形成ユニット２を時間Ｔ内で、光源Ｌ_ｎの点滅制御を行う。一方、送受光装置１Ｂでは、初期に光捕捉するまでは、任意の動作により入射光束を探査するが、いったん光束の入射を検出すると、例えば時間（２・Ｔ）周期で制御動作を行う。
つまり光束を捕捉してから時間Ｔの間に、入射角を検出しその量に応じたジンバルステージ４４、可動ミラー３４などの制御を行い、この間、入射角度検出は停止する。そして、次の時間Ｔの間に、新たに移動した位置でいずれかのタイミングで光束が入射するのを待つ。これらを繰り返すことにより上記実施形態と実質的に同様の光捕捉追尾を行う。

本変形例によれば、同時に点灯する光源Ｌ_ｎの数を低減できるので、例えばレーザ安全規格などの要請により、光源Ｌ_ｎの全体総光量が規制されている場合でも、同時に点灯する光源Ｌ_ｎの数を適宜設定することで規制に対応ができる。したがって、射出角の範囲を広くするために全体光量が大きくなっても、レーザ安全規格などに抵触しない追尾用光源部とすることができる。

次に、本実施形態に係る第２変形例について説明する。
図６は、本発明の実施形態の第２変形例に係る光源について説明するための斜視説明図、Ｗ−Ｗ断面図およびこの光源により投影される光束径の様子を説明する模式説明図である。
本変形例は、上記の実施形態のビーコン光光源部５に代えてビーコン光光源部２０を用いたものである。
ビーコン光光源部２０は、ビーコン光光源部５が平面上に光源Ｌ_ｎが配置されるのに対して、少なくとも一方向に湾曲した光源保持部２０ａ上に複数の光源２０ｂを配置したものである。

図６（ｂ）に図６（ａ）のＷ−Ｗ断面図を示したように、光源保持部２０ａの湾曲に沿って配置された光源２０ｂは、光軸１０に平行な方向に拡散光を放射するが、光源保持部２０ａの湾曲量に応じて、投影光学系４との距離が異なり、図示のように光軸１０から離れるほど投影光学系４との距離が近づく場合は、図６（Ｂ）に示したように光軸１０上のビームＢ_０により最小の光束径を有するスポットｓ_０が形成され、光軸１０から最も離れたビームＢ_ｉ、Ｂ_ｊによりそれぞれ最大の光束径を有するスポットｓ_ｉ、ｓ_ｊが形成され、それらの間で光束径が徐変する光束径の分布を有する。これらは、スポット間の隙間を適宜埋めるように配置されるので、光軸１０に近づくほどスポット間の距離が短縮される配置とされる。

このようなビーコン光光源部２０によれば、より入射角度ずれが大きい領域で、光捕捉するための光束径が大きくなるので、初期光捕捉追尾を確実に行うことができる。
また、光軸１０の中心に近づくほど、スポット間の距離が短縮されるので、光軸方向の角度差が小さくなるから粗追尾であっても比較的高精度の光捕捉追尾を行うことができる。
なお、本変形例では、光源保持部２０ａを円筒面状に湾曲させたが、球面状に湾曲させてもよいことは言うまでもない。その場合、上記の作用が２軸方向に現れるものである。

次に、本実施形態に係る第３変形例について説明する。
図７は、本発明の実施形態の第３変形例に係る光源について説明するための斜視説明図である。
本変形例は、上記の実施形態のビーコン光光源部５に代えてビーコン光光源部２１を用いる。
ビーコン光光源部２１は、例えば面発光レーザなどの面状の発光体が少なくとも１つ配置された面発光光源２１ａの前面に適宜ピッチに設けられた開口からなる複数の射出口２１ｃを有する光規制部２１ｂを備えたものである。
これにより、部品点数の少ない複数光源を構成することができる。また、射出口２１ｃの加工によりきわめて容易に射出する光束の数を増大させることができ、しかも個々の光源を配置する場合と比べて、光源同士の間隔を自由に設定することができるという利点がある。

本変形例において、上記の第１変形例のような光源の点滅制御を行う場合には、例えば、射出口２１ｃに独立駆動可能なシャッタを形成し、シャッタの開閉制御により行うことができる。また例えば、面発光光源２１ａを独立駆動可能な複数の面発光光源の組み合わせにより設けることで、部分的な点滅制御を行うことができる。

なお、上記の説明を通じて、空間光伝送システム３０は、互いに対向する送受光装置１Ａ、１Ｂにより形成される例で説明したが、その位置は固定的なものに限定されるものではない。例えば、一方または両方の送受光装置が、例えば自動車、飛行機などの移動体に搭載されるものでもよい。また、対向する対象も１つとは限らず、例えば１つの送受光装置が水平方向に回転して、異なる方向、距離にある複数の送受光装置と対向できるようになっていてもよい。
それらの場合、相互の距離Ｌは変動するので、広がり角制御手段により光束径を変更し距離Ｌに応じて適切な光束径を射出できれば、きわめて好都合であり、より迅速かつ高精度な光捕捉追尾制御を行うことができるという利点がある。

また、上記の説明を通じて、射出角の範囲は略一定であるとして説明したが、投影光学系４として、例えば可変焦点光学系を採用することにより、射出角の範囲も容易に可変できるようにしてもよい。
その場合、光束の広がり角制御手段による制御に加えて、射出角の範囲を可変できるので、さらに広範囲の距離に対応して用いることができるようになるという利点がある。

また、上記の説明では、通信光５０の光量損失を低減するために、粗追尾に用いない例で説明したが、比較的近距離の通信など光量に余裕がある場合には、ビームスプリッタ１２ａで一部を反射させて粗追尾に用いるようにしてもよい。その場合、例えば撮像素子上でビーコン光Ｂによる光束と通信光５０による光束が重なることとなるが、入射角度検出手段４１に入射光の重心を演算する機能を持たせればよい。また複数の光源を点滅させる場合は、時分割した上で光量の重心を演算するようにしてもよい。
また、上記の技術は、通信光光源とビーコン光光源を別に持つものだけではなく、例えば、通信光光源を複数にし、ビーコン光の機能を有するようにしたものにも適用が可能なものである。

また、上記の説明では、図２などでビーコン光の射出角を誇張していると説明したが、例えば送受光光学系１１にズーム光学系を採用し、広角度に対応できるようにすれば、粗追尾用位置検出部１４で受光可能なビーコン光の射出角範囲を広げることができる。

本発明の実施形態に係る空間光伝送装置の概略構成について説明するための模式説明図およびそのＡ視の部分側面図である。 本発明の実施形態に係る追尾用光源部の概略構成を説明するための光軸方向断面における模式説明図である。 本発明の実施形態に係る追尾用光源部の光束が投影される様子を説明する光軸に直交する断面における模式説明図である。 広がり角制御手段により光路および光束径が可変される様子を説明するための模式光路図および光束径の様子を示す模式説明図である。 本発明の実施形態に係る送受光装置を組み合わせた空間光伝送システムの動作を説明するための模式説明図である。 本発明の実施形態の第２変形例に係る光源について説明するための斜視説明図、Ｗ−Ｗ断面図およびこの光源により投影される光束径の様子を説明する模式説明図である。 本発明の実施形態の第３変形例に係る光源について説明するための斜視説明図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ 送受光装置（空間光伝送装置）
２、２Ａ、２Ｂ ビーコン光形成ユニット（追尾用光源部）
３ 光源駆動制御手段
４ 投影光学系（パワーを有する光学素子）
５、２０、２１ ビーコン光光源部（複数光源）
１０、１０Ａ、１０Ｂ 光軸
１１ 送受光光学系（送光部、受光部）
１３ レーザ光源（送光部）
１４ 粗追尾用位置検出部
１５ 精追尾用位置検出部
１７ 受光器（受光部）
２０ｂ 光源
２１ａ 面発光光源
３０ 空間光伝送システム
３４ 可動ミラー（光軸制御手段）
３４ａ 可動ミラー制御手段
４４ ジンバルステージ（光軸制御手段）
４４ｄ 駆動制御手段
５０、５０Ａ、５０Ｂ 通信光
５１、５１Ａ、５１Ｂ 光軸
１００ 駆動制御信号
１０２、１０３ 検出信号
Ｂ、Ｂ_Ａ、Ｂ_Ｂ ビーコン光（追尾用光源部から射出する光）
Ｂ_ｎ ビーム
Ｌ_ｎ 光源

Claims (4)

1. 通信光を外部に送光する送光部と外部からの入射光束を受光する受光部とを有し、略対向する位置に少なくとも一対をなして配置されたときに所定角度内で入射する通信光を互いに受光可能とした空間光伝送装置であって、
   前記受光部に設けられ、前記所定角度より大きい角度範囲で前記入射光束の入射角度検出が可能とされた入射角度検出手段と、
   前記送光部の送光方向に向けて前記所定角度より大きい角度範囲内に光を射出する複数光源を含んだ追尾用光源部と、
   前記入射角度検出手段により検出された前記外部からの入射光束の入射角度に応じて、前記受光部および送光部の光軸の方向を制御する光軸制御手段とを備えることを特徴とする空間光伝送装置。
2. 前記追尾用光源部が、該追尾用光源部から射出する光の広がり角を制御する広がり角制御手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の空間光伝送装置。
3. 前記広がり角制御手段が、前記複数光源の光軸方向に移動可能に設けられたパワーを有する光学素子からなることを特徴とする請求項２に記載の空間光伝送装置。
4. 前記追尾用光源部の複数光源の一部を順次点滅させることにより、前記追尾用光源部から射出する光が順次点滅されるようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の空間光伝送装置。

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