JP4524403B2 - フーリエ変換光学装置及び光制御型フェーズドアレイアンテナ装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば、凸、凹、凸レンズの３枚で構成し、光学系全長を従来より短尺化したフーリエ変換光学装置と、このフーリエ変換光学装置を適用して小型なビーム形成回路を実現した光制御型フェーズドアレイアンテナ装置（光制御型ＰＡＡ）に関するものである。

従来、この種の光制御型フェーズドアレイアンテナとして、マイクロ波信号の周波数だけ周波数が異なる第１と第２のビーム光を空間に放射し、第１のビーム光を、信号光として、空間光変調器によりアレイアンテナからの放射ビームのパターンに対応した分布の信号光ビームに変換し、フーリエ変換レンズにより空間的にフーリエ変換するとともに、第２のビーム光を、ローカル光ビームとし、上記の信号光ビームと空間的に重ね合わせ、重ね合わされた合成ビーム光を光ファイバアレイにより空間的にサンプリングし、そのサンプリング光を複数の光電変換器によるヘテロダイン検波により、複数のマイクロ波信号に変換した後、アレイアンテナを用いて空間に放射するものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、上記空間光変調器の代わりに、複数の光ファイバを並べた光ファイバアレイを用い、光ファイバアレイを構成する一つ乃至は複数の光ファイバから信号光ビームを放射させるものがある（例えば、特許文献２参照）。

特開平０３−０４４２０２号公報（第１図参照） 特開平０９−１３９６２０号公報（図１参照）

ここで、信号光ビームの強度分布と、アレイアンテナから空間に放射するマイクロ波の主ビーム方向との関係を１次元の場合で説明する。例えば、特許文献１では、信号光ビームの分布をイメージマスクにより形成している。イメージマスクとしてピンホール（微小な穴）を用いた場合、アレイアンテナから放射するマイクロ波ビームは細いビームとなる。この時、ピンホールの位置を、光軸を基準にｘとおく。フーリエ変換レンズの焦点距離をｆ、光波の波長をλｏ、サンプリング用光ファイバアレイを構成する隣接光ファイバ間隔をｄｏ、マイクロ波の波長をλｍ、アレイアンテナの素子間隔をｄｍとし、アンテナ放射ビームの主ビーム方向を正面方向を基準にθｍとおくと、角度θｍは、次の式（１）とおける。

ｓｉｎθｍ＝（ｄｏ／λｏ）／（ｄｍ／λｍ）・ｘ／ｆ （１）

式（１）のように、ピンホール位置ｘを変えることにより、アンテナ放射ビームの主ビーム方向θｍを変えることができる。例えば、ｄｏ＝１ｍｍ、λｍ＝１．３μｍ、ｄｍ＝５ｃｍ、λｍ＝１０ｃｍ、ｆ＝５００ｍｍで、Ｘ＝１００μｍとした場合、主ビーム方向θｍは、１８度となる。

イメージマスクとしては、パターン生成の柔軟性から、特許文献１の実施例に記載されたように、液晶素子による空間光変調器や、特許文献２に記載のように、光ファイバアレイを代わりに用いてもよい。

例えば、空間光変調器を用いた場合の主ビーム方向にθｍについて計算例を示す。空間光変調器を構成する各素子のピッチが５０μｍの場合、イメージマスクのピンホールの位置に相当するｘはｘ＝０、５０、１００、１５０、２００、・・・、μｍの離散的な値をとる。この時、アンテナ放射ビームの主ビームの方向θｍは、式（１）及び前記の条件から、θｍ＝０、８．８、１８、２８、３８、・・・、度となる。

ここで、例えば、前記の空間光変調器を用いて正面方向付近で主ビームの方向を１度以下の刻みで走査をするためには、式（１）よりフーリエ変換レンズの焦点距離ｆは４．４ｍ以上が必要となる。この時、フーリエ変換レンズの前側焦点面と後側焦点面間の距離、即ちイメージマスク（この場合、空間光変調器）の出射面とサンプリング面（この場合、光ファイバアレイの入射端）間の距離は焦点距離ｆの２倍の８．８ｍが必要となる。

このように、アンテナ放射ビームを細かい刻みで走査するには、光学系の焦点距離を長くする必要があるため装置が大きくなる。更に、光学系が長いために、空間光変調器から出力した信号光ビームの波面は、大気の擾乱や光学系の振動、歪みによる劣化の影響を受け易くなるなどの課題がある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、光学系の全長を焦点距離の２倍以下に短尺化することができるフーリエ変換光学装置と、そのフーリエ変換光学装置を用いてアンテナ放射ビームの走査角の空間分解能を高めることができる光制御型フェーズドアレイアンテナ装置を得るものである。

この発明に係るフーリエ変換光学装置は、入力像の像面から順に、第１の凸レンズ、凹レンズ、第２の凸レンズが配置されたフーリエ変換光学装置であって、前記第１の凸レンズの焦点距離をｆ１、前記凹レンズの焦点距離をｆ２（＜０）、前記第２の凸レンズの焦点距離をｆ３としたときに、前記入力像の像面と前記第１の凸レンズの距離はｆ１で与えられ、前記第１の凸レンズと前記凹レンズの距離はｆ１＋ｆ２で与えられ、前記凹レンズと前記第２の凸レンズの距離はｆ２＋ｆ３で与えられ、前記第２の凸レンズから距離ｆ３の面に前記入力像をフーリエ変換し、｜ｆ１／ｆ２｜＞１、｜ｆ３／ｆ２｜＞１の関係を満たした場合、３枚のレンズの組合せ系の焦点距離をｆ０＝−（ｆ１・ｆ３）／ｆ２と設定したとき、ｆ１＝ｆ３のときに、前記入力像の像面である、３枚のレンズの組合せ系の前側焦点面と、前記距離ｆ３の面である、３枚のレンズの組合せ系の後側焦点面の間の距離Ｌ＝２（ｆ１＋ｆ２＋ｆ３）が最短である。

この発明に係るフーリエ変換光学装置は、光学系の全長を焦点距離の２倍以下に短尺化することができるという効果を奏する。また、この発明に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置は、上記フーリエ変換光学装置を用いてアンテナ放射ビームの走査角の空間分解能を高めることができるという効果を奏する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るフーリエ変換光学装置及び光制御型フェーズドアレイアンテナ装置について図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係るフーリエ変換光学装置の構成を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１において、この実施の形態１に係るフーリエ変換光学装置２０は、焦点距離ｆ１の第１の凸レンズ１と、焦点距離ｆ２（＜０）の凹レンズ２と、焦点距離ｆ３の第２の凸レンズ３とが設けられている。

つぎに、この実施の形態１に係るフーリエ変換光学装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図１において、光線は左から右に進むものとして説明する。入力像の像面１０に対し、焦点距離ｆ１の第１の凸レンズ１を像面１０から距離ｆ１の位置に設置すると、入力像は第１の凸レンズ１の右側の距離ｆ１の位置の像面１１にフーリエ変換される。

次に、像面１１に対し、焦点距離ｆ２（＜０）の凹レンズ２を、像面１１から距離ｆ２の位置に設置する。なお、凹レンズ２の焦点距離ｆ２は負であることから、凹レンズ２は図１のように像面１１の左側となる。像面１１と、凹レンズ２から距離ｆ２の像面１２（ｆ２＜０より、図１において像面１２は凹レンズ２の左側となる）は、お互いにフーリエ変換の関係にある。

更に、像面１２に対し、焦点距離ｆ３の第２の凸レンズ３を像面１２から距離ｆ３の位置に設置すると、像面１２と、第２の凸レンズ３から距離ｆ３の像面１３も、お互いにフーリエ変換の関係となる。

以上より、像面１０の入力像は、第１の凸レンズ１、凹レンズ２、第２の凸レンズ３でそれぞれ、合計３回フーリエ変換されることから、入力像は第２の凸レンズ３の像面１３にフーリエ変換される。

この時、３枚のレンズの組合せ系の前側焦点面（像面１０）と後側焦点面（像面１３）の間の距離Ｌは、
Ｌ＝２（ｆ１＋ｆ２＋ｆ３） （２）
組合せ系の焦点距離ｆ０は、
ｆ０＝−（ｆ１・ｆ３）／ｆ２ （３）
とおける。

焦点距離ｆ０の１枚の凸レンズにより構成したとき、前側焦点面と後側焦点面間の距離Ｌ’は、
Ｌ’＝２・ｆ０ （４）
であることから、
図１のように、｜ｆ１／ｆ２｜＞１、｜ｆ３／ｆ２｜＞１の場合、
式（２）、（３）より、Ｌ＜Ｌ’となる。

従って、前述のように光学系を構成することにより、組合せ光学系の焦点距離ｆ０を短くすることなく、光学系の全長Ｌ（前側焦点面と後側焦点面間の距離）を短尺化したフーリエ変換光学装置２０を実現することができる。

以下に計算例を示す。ｆ１＝５０ｍｍ、ｆ２＝−１０ｍｍ、ｆ３＝１００ｍｍとおくと、組合せ系の焦点距離ｆ０は、式（３）より、５００ｍｍとなる。このとき、光学系の全長Ｌは、式（２）より、２８０ｍｍとなる。

これを、焦点距離ｆ＝５００ｍｍの凸レンズ１枚で構成すると、前側、後側焦点面間の距離は、１０００ｍｍとなるため、本実施の形態１で構成することにより、光学系の全長を１／３．５７に短尺化することが可能となる。

次に、本フーリエ変換光学装置２０を適用した光制御型フェーズドアレイアンテナ装置について図２を用いて説明する。図２は、この発明の実施の形態１に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置の構成を示す図である。

図２において、この実施の形態１に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置は、レーザ光を出射するレーザ光源２１と、レーザ光を２つに分岐する光分波器２２と、信号光ビーム３０を出射するビーム光出射装置２６と、出射した信号光ビームの空間強度分布に強度変調を行う空間光変調器３２と、空間光変調器３２で強度変調された信号光ビーム３０を空間的にフーリエ変換するフーリエ変換光学装置２０と、ローカル光を出力する光周波数変換器２４と、ローカル光ビーム３１を出射する、もう１つのビーム光出射装置２６と、フーリエ変換光学装置２０によりフーリエ変換した信号光ビーム３０及びビーム光出射装置２６から出射したローカル光ビーム３１を空間的に重ね合わせ、合成ビームとする光ビーム合成器３４と、合成ビームを空間的にサンプリングする光ファイバアレイ３５と、光ファイバアレイ３５の出力をヘテロダイン検波することにより、マイクロ波信号に変換する光電変換器３６と、光電変換器３６により変換されたマイクロ波信号を空間に放射するアレイアンテナ３７とが設けられている。

なお、この発明に係る、マイクロ波周波数で離調した信号光ビーム３０とローカル光ビーム３１の２つのレーザ光ビームを空間に放射する光出力装置は、例えば、この実施の形態１では、レーザ光を出射するレーザ光源２１と、レーザ光を２つに分岐する光分波器２２と、信号光ビーム３０を出射するビーム光出射装置２６と、ローカル光を出力する光周波数変換器２４と、ローカル光ビーム３１を出射する、もう１つのビーム光出射装置２６とから構成されている。

図２に示すように、レーザ光源２１から放射させる光を光分波器２２により２つに分岐し、一方を信号光として、例えば、光ファイバ、レンズにより構成されたビーム光出射装置２６を介して、所定のビーム幅の信号光ビーム３０に変換して、空間に出射する。

空間に出射した信号光ビーム３０は、空間光変調器３２に入力する。この空間光変調器３２は、入射した信号光ビーム３０を、制御信号入力端子３３からの入力信号に従い、アレイアンテナ３７から放射させるマイクロ波ビーム３８の方向、形状に対応した強度分布の信号光ビーム３０に変換し、再び空間に出射する。

空間光変調器３２を出射した信号光ビーム３０は、前述のフーリエ変換光学装置２０に入力し、空間的にフーリエ変換される。空間光変調器３２としては、例えば、液晶を用いたものが既に実用化されている。

一方、レーザ光源２１から出射し、光分波器２２により分岐した他方の分岐光は、光周波数変換器２４により、マイクロ波入力端子２５から入力したマイクロ波信号の周波数により周波数偏移させて、ローカル光として出力する。このような、光周波数変換器２４としては、音響光学効果を用いた光周波数シフタなどが既に実用化されている。

ローカル光は、光ファイバ、レンズなどにより構成されたビーム光出射装置２６を介して、所定のビーム幅のローカル光ビーム３１に変換して、空間に出射する。

空間に出射したローカル光ビーム３１は、光ビーム合成器３４に入射し、信号光ビーム３０と空間的に重ね合わされ、合成ビーム光となる。合成ビーム光は、上記のフーリエ変換光学装置２０の後側焦点面（像面１３）を入射面とする光ファイバアレイ３５の各光ファイバに入射し、空間的にサンプルリングされる。光ファイバアレイ３５は、所定の間隔を置いて、光ファイバの長手方向が平行になるように、並置された複数本の光ファイバから構成される。光ファイバアレイ３５の入射端には、各光ファイバへの合成ビーム光の結合効率を高めるために、レンズアレイを備えても良い。

光ファイバアレイ３５を構成する各光ファイバに入射した各合成光は、光ファイバを伝搬し、各光ファイバの出射端側に接続した各光電変換器３６に入力され、ヘテロダイン検波によりマイクロ波信号に変換される。なお、マイクロ波信号の周波数は、マイクロ波信号源の周波数に対応する。マイクロ波信号は、必要に応じて、マイクロ波増幅器などを介して、アレイアンテナ３７の各アンテナ素子に給電し、マイクロ波ビーム３８として空間に放射される。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るフーリエ変換光学装置について図３を参照しながら説明する。図３は、この発明の実施の形態２に係るフーリエ変換光学装置における、第１の凸レンズの焦点距離ｆ１と第２の凸レンズの焦点距離ｆ３に対する、光学系の全長Ｌの依存性を示す図である。

上記の実施の形態１に係るフーリエ変換光学装置２０において、１枚の凸レンズ（焦点距離ｆ０）で構成したときの光学系全長Ｌ０（＝２ｆ０）に対する、上記実施の形態１における光学系全長Ｌの割合は、式（２）、（３）より、
Ｌ／Ｌ０＝２（ｆ１＋ｆ２＋ｆ３）／２ｆ０
＝（ｆ１＋ｆ２＋ｆ３）／（−（ｆ１・ｆ３）／ｆ２）
である。

この時、所望の組合せ系の焦点距離ｆ０に対し、凹レンズ２の焦点距離ｆ２を設定した時、第１の凸レンズ１の焦点距離ｆ１と第２の凸レンズ３の焦点距離ｆ３に対する、光学系の全長Ｌの依存性を、図３に模式的に示す。

このように、組合せ系の焦点距離ｆ０を設定した時、第１の凸レンズ１の焦点距離ｆ１と第２の凸レンズ３の焦点距離ｆ３が等しい時に光学系の全長Ｌを最短にすることが可能である。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係るフーリエ変換光学装置について図４を参照しながら説明する。図４は、この発明の実施の形態３に係るフーリエ変換光学装置の構成を示す図である。

図４において、この実施の形態３に係るフーリエ変換光学装置２０は、焦点距離ｆ１の第１の凸レンズ１と、焦点距離ｆ２（＜０）の第１の凹レンズ２と、焦点距離ｆ３の第２の凸レンズ３と、焦点距離ｆ４（＜０）の第２の凹レンズ４と、焦点距離ｆ５の第３の凸レンズ５とが設けられている。

つぎに、この実施の形態３に係るフーリエ変換光学装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図４において、光線は左から右に進むものとして説明する。入力像の像面１０に対し、焦点距離ｆ１の第１の凸レンズ１を像面１０から距離ｆ１の位置に設置すると、入力像は第１の凸レンズ１の右側の距離ｆ１の位置の像面１１にフーリエ変換される。

次に、像面１１に対し、焦点距離ｆ２（＜０）の第１の凹レンズ２を、像面１１から距離ｆ２の位置に設置する。なお、第１の凹レンズ２の焦点距離ｆ２は負であることから、第１の凹レンズ２は、図４のように像面１１の左側となる。像面１１と、第１の凹レンズ２から距離ｆ２の像面１２（ｆ２＜０より、図４において像面１２は、第１の凹レンズ２の左側となる）は、お互いにフーリエ変換の関係にある。

更に、像面１２に対し、焦点距離ｆ３の第２の凸レンズ３を像面１２から距離ｆ３の位置に設置すると、像面１２と、第２の凸レンズ３から距離ｆ３の像面１３もお互いにフーリエ変換の関係となる。

以上より、像面１０の入力像は、第１の凸レンズ１、第１の凹レンズ２、第２の凸レンズ３でそれぞれ、合計３回フーリエ変換されることから、入力像は第２の凸レンズ３の像面１３にフーリエ変換される。

同様に、像面１３に対し、焦点距離ｆ４（＜０）の第２の凹レンズ４を、像面１３から距離ｆ４の位置（ｆ４＜０より、像面１３の左側になる）に設置する。像面１３と、第２の凹レンズ４から距離ｆ４の像面１４もお互いにフーリエ変換の関係となり、更に、像面１４に対し、焦点距離ｆ５の第３の凸レンズ５を像面１４から距離ｆ５の位置に設置すると、像面１４と、第３の凸レンズ５から距離ｆ５の像面１５もお互いにフーリエ変換の関係となる。

以上より、像面１０の入力像は、第１の凸レンズ１、第１の凹レンズ２、第２の凸レンズ３、さらに．第２の凹レンズ４、第３の凸レンズ５で、それぞれ合計５回フーリエ変換されることから、入力像は第３の凸レンズ５の像面１５にフーリエ変換される。この時、最初の３枚のレンズ（第１の凸レンズ１、第１の凹レンズ２、第２の凸レンズ３）を組合わせて考えると、上記実施の形態１と同様のフーリエ変換光学装置２０の構成とみなすことができ、３枚で構成したときとよりも、さらに光学系を短尺化することが可能となる。

同様に、焦点面を一致させる位置に、順次、凹レンズ、凸レンズを追加することにより、同様に効果が得られることは言うまでもない。

上記の各実施の形態で述べたフーリエ変換光学装置２０は、光制御型フェーズドアレイアンテナ装置での使用に限定するものではなく、画像認識、ホログラムなどの光信号処理装置、光情報処理装置に適用できることは言うまでもない。

また、以上の説明では、各凸レンズ、凹レンズは単レンズを用いて説明しているが、各々のレンズを、複数毎による組合せレンズ群で構成されていても良いことは言うまでもない。

この発明の実施の形態１に係るフーリエ変換光学装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る光制御型フェーズドアレイアンテナ装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２に係るフーリエ変換光学装置における、第１の凸レンズの焦点距離ｆ１と第２の凸レンズの焦点距離ｆ３に対する、光学系の全長Ｌの依存性を示す図である。 この発明の実施の形態３に係るフーリエ変換光学装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ 第１の凸レンズ、２ 凹レンズ（第１の凹レンズ）、３ 第２の凸レンズ、４ 第２の凹レンズ、５ 第３の凸レンズ、２０ フーリエ変換光学装置、２１ レーザ光源、２２ 光分波器、２４ 光周波数変換器、２５ マイクロ波入力端子、２６ ビーム光出射装置、３０ 信号光ビーム、３１ ローカル光ビーム、３２ 空間光変調器、３３ 制御信号入力端子、３４ 光ビーム合成器、３５ 光ファイバアレイ、３６ 光電変換器、３７ アレイアンテナ。

Claims (2)

1. 入力像の像面から順に、第１の凸レンズ、凹レンズ、第２の凸レンズが配置されたフーリエ変換光学装置であって、
   前記第１の凸レンズの焦点距離をｆ１、前記凹レンズの焦点距離をｆ２（＜０）、前記第２の凸レンズの焦点距離をｆ３としたときに、
   前記入力像の像面と前記第１の凸レンズの距離はｆ１で与えられ、
   前記第１の凸レンズと前記凹レンズの距離はｆ１＋ｆ２で与えられ、
   前記凹レンズと前記第２の凸レンズの距離はｆ２＋ｆ３で与えられ、
   前記第２の凸レンズから距離ｆ３の面に前記入力像をフーリエ変換し、
   ｜ｆ１／ｆ２｜＞１、｜ｆ３／ｆ２｜＞１の関係を満たした場合、
   ３枚のレンズの組合せ系の焦点距離をｆ０＝−（ｆ１・ｆ３）／ｆ２と設定したとき、
   ｆ１＝ｆ３のときに、前記入力像の像面である、３枚のレンズの組合せ系の前側焦点面と、前記距離ｆ３の面である、３枚のレンズの組合せ系の後側焦点面の間の距離Ｌ＝２（ｆ１＋ｆ２＋ｆ３）が最短である
   ことを特徴とするフーリエ変換光学装置。
2. マイクロ波周波数で離調した信号光ビームとローカル光ビームの２つのレーザ光ビームを空間に放射する光出力装置と、
   前記光出力装置から出射した信号光ビームの空間強度分布に強度変調を行う空間光変調器と、
   前記空間光変調器で強度変調された信号光ビームを空間的にフーリエ変換する請求項１記載のフーリエ変換光学装置と、
   前記フーリエ変換光学装置によりフーリエ変換した信号光ビーム及び前記光出力装置から出射したローカル光ビームを空間的に重ね合わせ、合成ビームとする光ビーム合成器と、
   前記合成ビームを空間的にサンプリングする光ファイバアレイと、
   前記光ファイバアレイの出力をヘテロダイン検波することによりマイクロ波信号に変換する光電変換器と、
   前記光電変換器により変換されたマイクロ波信号を空間に放射するアレイアンテナと
   を備えたことを特徴とする光制御型フェーズドアレイアンテナ装置。

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