JPH06337355A - 光通信光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 各要素を適切に配置することにより、装置全
体の小型化を図りつつ、設計上、組立て調整上の誤差の
許容量を増大して信頼性を向上させ、常に良好な光通信
を可能とした光通信光学装置を提供すること。 【構成】 主鏡に対して副鏡を対向配置し、該主鏡と副
鏡の双方で反射した第１光束で光通信を行なう通信信号
手段と、該主鏡で反射し副鏡を透過した該第１光束とは
波長の異なる第２光束で通信相手の位置情報を検出する
位置信号手段とを有したこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光通信光学装置に関し、
特に通信相手の捕捉や追尾をすることにより、常に良好
な光通信が行えるようにした、例えば人工衛星と他の人
工衛星との間の光通信や、人工衛星と地上局との間の光
通信等に好適な光通信光学装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に人工衛星間又は人工衛星と地上局
との間で行われる光通信に於いて、良好な通信状態を確
保する為には、送信側より射出する通信信号光束の方向
と受信アンテナの向きを正確に一致させる必要がある。

【０００３】このとき信号伝達に使用する通信信号光束
はアンテナゲインを大きくする為に、光束の広がりを約
１／１０００秒程度に狭めて使用している。これに対
し、人工衛星の姿勢制御能力は１／１０〜１／１００秒
程度であり、そのままでは通信信号光束の射出方向と受
信アンテナの向きとを一致させることは不可能に近い。

【０００４】そこで受信者側がまず自分の正確な位置を
送信者に知らせる為、送信者が捕捉し易いよう若干広が
りを持たせた光束をビーコンビームとして送信者側に射
出し、これを送信側が受信してビーコンビームの到来方
向を正確に検出し、その方向に通信信号光束を射出して
いる。

【０００５】また、送信者或は受信者が地球の周りを周
回している場合は、相対位置関係が常に変化してしま
う。このとき、単にビーコンビームに基づいて通信信号
光束を射出しても受信者に届くまでの時間に通信相手が
移動して通信信号光束の光束外に出てしまい、通信でき
なくなる場合がある（以下、これを光行差エラーと呼
ぶ）。

【０００６】従って通信信号光束をこの時間差と、相手
の衛星との相対位置変化とを考慮して射出する必要があ
り、高精度の位置検出装置や、相対位置計算システム等
を用いたポインティング機構を必要としている。

【０００７】図３（Ａ）は従来の光通信光学装置４０の
要部光路図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）の一部分の拡大説
明図である。

【０００８】図中、２０は主鏡であり、通信相手側に凹
面を向けた放物状の反射面である。２１は副鏡であり、
主鏡２０側に凸状の反射面を向けて設けている。主鏡２
０と副鏡２１は所謂カセグレン式の反射光学系４３を構
成している。２２は正のパワーを持つコリメーターレン
ズであり、焦点位置が反射光学系４３の焦点位置Ｐと光
軸Ｌａ上で一致するように配置されている。

【０００９】通信相手からの通信信号光束は略平行光に
なっており、反射光学系４３で焦点位置Ｐに収斂され、
コリトメーターレンズ２２により再び平行光に変換され
る。この際、光束の径は反射光学系４３及びコリメータ
レンズ２２の焦点距離と以下の式によって決定される。

【００１０】

【数１】 ４４はポインティング手段であり、全反射ミラー３４，
３５を有している。ポインティング手段４４は全反射ミ
ラー３４と全反射ミラー３５とを相対的に傾けることに
より、ビームスプリッター２３以降の光学要素が成す光
軸Ｌｂと反射光学系４３やコリメーターレンズ２２の成
す光軸Ｌａとの傾きを調整し、射出する通信信号光束の
方向を通信相手の方向に正確に向けている。

【００１１】２３，２６，２９は光束を波長により透過
光と、反射光とに分割するビームスプリッタである。

【００１２】ビームスプリッター２３は通信相手からの
ビーコンビームを、捕捉センサー２５側に導光してい
る。２４は集光レンズであり、ビームスプリッター２３
で反射分離されたビーコンビームを捕捉センサー２５上
に集光させている。

【００１３】ビームスプリッター２６はビームスプリッ
ター２３からのビーコンビームを、追尾センサー２８側
に導光している。２７は集光レンズであり、ビームスプ
リッター２６で反射分離されたビーコンビームを追尾セ
ンサー２８上に集光させている。

【００１４】３１はビーコンビーム発光部であり、自分
が受信者の場合に、通信の送信者側に自分の正確な位置
を知らせる為のビーコンビームを発している。３０は凸
レンズであり、ビーコンビーム発光部３１から射出され
たビーコンビームを略平行光に変換している。尚、ビー
コンビーム発光部３１は凸レンズ３０の焦点位置より光
軸Ｌ´上の少しずれた位置に配置されており、通信信号
光束と比べやや広がりを有した平行光を放射している。

【００１５】２９はビームスプリッターであり、ビーコ
ン信号発生部３１からのビーコンビームを反射光学系４
３側へ導光している。

【００１６】３３は通信信号手段であり、ハーフミラー
４９や、通信用光束発光部（レーザダイオード）４１、
通信信号受信器４２等を有している。

【００１７】レーザダイオード４１から射出される通信
用光束は凸レンズ３２により平行光とされ、ビームスプ
リッター２９，２６，２３を透過して、コリメータレン
ズ２２によって再び収斂され、副鏡２１と主鏡２０で反
射されてから非常に精度の高い平行光になり、通信相手
に向けて射出される。

【００１８】又、通信相手側からの通信信号光束は先ず
主鏡２０と副鏡２１とで焦点位置Ｐに集光され、コリメ
ーターレンズ２２で平行光とされる。そして、ポインテ
ィング手段４４を介し、ビームスプリッタ２３，２６，
２９を透過して、集光レンズ３２で通信信号手段３３の
受光素子４２上に集光されている。

【００１９】光通信を行う場合、先ず自分と通信相手の
起動位置及び、姿勢方向を計算で算出し、本装置４０が
略通信相手方向に向くよう姿勢制御を行う。次に受信側
は送信側に自分の正確な位置を伝える為に、ビーコンビ
ームを射出する。

【００２０】そして、送信側は受信側から送られてきた
ビーコンビームを補足センサー２５及び追尾センサー２
８上に導光する。捕捉センサー２５は出力信号を通信相
手の大まかな位置及び方角を計算する制御システムコン
トローラーに提供する。

【００２１】制御システムコントローラーは通信信号光
束を射出する自分の光学系の向きと通信相手の方向との
ズレを計算し、衛星全体の姿勢を制御して該ズレを解消
する。同様に、追尾センサー２８からの出力信号を制御
システムコントローラーに提供する。

【００２２】そして制御システムコントローラーはポイ
ンティング手段４４を調節することによって、光軸のズ
レを高精度に補正する。この時、自分の衛星の振動、通
信相手及び自分の衛星の運動による光行差エラーを補正
する動きも行う。

【００２３】追尾センサー２８により、通信相手の方向
に自分の通信用光学系の光軸が正確に向いたことを確認
した後、通信信号手段３３から通信信号光束を射出す
る。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】図３に示す光通信光学
装置に於いて入射角０度で射出する光束は、図４の実線
で示すように光軸Ｌ上での光束として進むが、図４の点
線で示すような斜入射光束の場合、射出瞳位置より後ろ
側では、射出瞳位置から離れるほど、光束は光軸から離
れてしまう。該射出光束の傾き量は入射光束の傾きに比
例し、次の式で表される。

【００２５】

【数２】 尚、一般に装置全体の小型化の為、反射光学系４３とコ
リメーターレンズ２２の焦点距離の比は約２０倍前後が
多く採用されている。また、光束の入射角度は±０．５
度程度が要求されている。

【００２６】この場合コリメータレンズ２２より射出側
の射出光束角度は最大で１０度にもなり、コリメーター
レンズ２２の後ろ側に配置された各種の光学素子（ビー
ムスプリッターや、結像用の凸レンズ等）の径を大きく
しなければならない。又、入射角変化が大きく成りビー
ム分割特性が悪化する等システムの小型化、高性能化に
非常に大きな影響を与えるという問題点があった。

【００２７】本発明は各要素を適切に配置することによ
り、装置全体の小型化を図りつつ、設計上、組立て調整
上の誤差の許容量を増大して信頼性を向上させ、常に良
好な光通信を可能とした光通信光学装置の提供を目的と
している。

【００２８】

【課題を解決するための手段】本発明の光通信光学装置
は主鏡に対して副鏡を対向配置し、該主鏡と副鏡の双方
で反射した第１光束で光通信を行なう通信信号手段と、
該主鏡で反射し副鏡を透過した該第１光束とは波長の異
なる第２光束で通信相手の位置情報を検出する位置信号
手段とを有したことを特徴としている。

【００２９】この他、主鏡に対して副鏡を対向配置し、
該主鏡と副鏡の双方で反射した第１光束で光通信を行な
う通信信号手段と、該主鏡で反射し該副鏡を透過した該
第１光束とは波長の異なる第２光束で通信相手の位置情
報を検出する位置信号手段Ｅａと、該主鏡と該副鏡の双
方で反射した第２光束で通信相手の位置情報を検出する
位置信号手段Ｅｂとを有したことを特徴としている。

【００３０】特に、前記副鏡は前記第２光束が射出する
射出面が射出側に凹面を向けた非球面であることを特徴
としている。

【００３１】

【実施例】図１は本発明の実施例１の一部分の要部概略
図であり、図２（Ａ）は実施例１の光路図、図２（Ｂ）
は図２（Ａ）の一部分の拡大説明図である。

【００３２】本実施例では通信信号光束（第１光束）で
光通信を行なう際に、該通信信号光束と波長の異なるビ
ーコンビーム（第２光束）で通信相手の位置を確認して
ポインティング操作を行なうようにしている。

【００３３】図中、１は主鏡であり、通信相手側に凹面
を向けた放物状の反射面である。２は副鏡であり、主鏡
１側に凸状の後述する分光特性を有する反射面を向けて
設けている。主鏡１と副鏡２は所謂カセグレン式の反射
光学系１２を構成している。４は正のパワーを持つコリ
メーターレンズであり、焦点位置が反射光学系１２の焦
点位置Ｐと光軸Ｌａ上で一致するように配置されてい
る。

【００３４】副鏡２の反射面２ａは入射光束を波長によ
り分割するビームスプリッターとしての作用を有してお
り、通信信号光束に対しては略１００％の反射特性を持
ち、ビーコンビームに対しては略５０％の反射率と透過
率を持っている。

【００３５】通信相手からの通信信号光束は略平行光と
なっており、主鏡１に入射し副鏡２で反射されて焦点位
置Ｐに収斂し、コリメーターレンズ４により再び平行光
に変換される。又、通信信号光束の波長と異なる波長の
ビーコンビームは主鏡１に入射し副鏡２の反射面２ａを
透過して捕捉センサ３に入射している。

【００３６】１３はポインティング手段であり、全反射
ミラー３４，３５等を有している。ポインティング手段
１３は全反射ミラー３４と全反射ミラー３５とを相対的
に傾けることにより、ビームスプリッター２６以降の光
学要素が成す光軸Ｌｂと反射光学系１２やコリメーター
レンズ４の成す光軸Ｌａとの傾きを調整し、射出する通
信信号光束の方向を通信相手の方向へ正確に向けてい
る。

【００３７】２６，２９は光束を波長により透過光と反
射光とに分割するビームスプリッタである。

【００３８】ビームスプリッター２６は、通信相手から
のビーコンビームを、追尾センサー２８に導光してい
る。２７は集光レンズであり、ビームスプリッター２６
で反射分離されたビーコンビームを追尾センサー２８上
に集光させている。

【００３９】３１はビーコンビーム発光部であり、自分
が受信者の場合に、通信の送信者側に自分の正確な位置
を知らせる為のビーコンビームを発している。３０は凸
レンズであり、ビーコンビーム発光部３１から射出され
たビーコンビームを略平行光に変換している。尚、ビー
コンビーム発光部３１は凸レンズ３０の焦点位置より光
軸Ｌ´上の少しずれた位置に配置されており、通信信号
光束と比べてやや広がりを有した平行光と成っている。

【００４０】２９はビームスプリッターであり、ビーコ
ン信号発生部３１からのビーコンビームを反射光学系１
２側へ導光している。

【００４１】３３は通信信号手段であり、ハーフミラー
４９や通信光束発光部（レーザダイオード）４１、通信
信号受信器４２等を有している。

【００４２】通信光束発光部４１から射出される通信信
号光束は凸レンズ３２により平行光とされ、ビームスプ
リッター２９，２６を透過して、コリメータレンズ４に
よって再び収斂され、副鏡２と主鏡１で反射されてから
非常に精度の高い平行光と成って射出される。

【００４３】又、通信相手側からの通信信号光束は先ず
主鏡１と副鏡２とで焦点位置Ｐに集光され、コリメータ
ーレンズ４で平行光とされる。そして、ポインティング
手段１３を介し、ビームスプリッタ２６，２９を透過し
て、集光レンズ３２で通信信号手段３３の受光素子４２
上に集光されている。

【００４４】本実施例に於いて光通信を行う場合、先ず
自分と通信相手の軌道位置及び、姿勢方向を計算で算出
し、本装置１０が略通信相手方向に向くよう姿勢制御を
行う。次に受信側は送信側に自分の正確な位置を伝える
為に、ビーコンビームを射出する。

【００４５】そして、送信側は受信側から送られてきた
ビーコンビームを捕捉センサー３及び追尾センサー２８
上に導光する。捕捉センサー３は出力信号を通信相手の
大まかな位置及び方角を計算する制御システムコントロ
ーラー（不図示）に提供する。

【００４６】制御システムコントローラーは通信信号光
束を射出する自分の光学系の向きと通信相手の方向との
ズレを計算し、衛星全体の姿勢を制御してズレを解消す
る。

【００４７】更に、追尾センサー２８からの出力信号を
制御システムコントローラーに提供し、ポインティング
手段１３を調節することによって、光軸のズレを高精度
に補正する。この時、自分の衛星の振動、相手及び自分
の衛星の運動による光行差エラーを補正する動きも行
う。

【００４８】そして追尾センサー２８により、通信相手
の方向に自分の通信用光学系の光軸が正確に向いたこと
を確認した後、通信信号手段３３から通信信号光束を射
出し光通信を開始する。

【００４９】尚、本実施例に於いて副鏡２の射出面２ｂ
を捕捉センサ側に凹面を向けた非球面とする事により、
光学系の収差を良好に補正することができる。図５，図
６，図７は夫々後述の反射光学系の数値実施例１，２，
３に於ける捕捉センサ３上の結像性能をスポットダイヤ
グラムで示した説明図であり、図中（Ａ）は射出面２ｂ
を非球面にした場合、（Ｂ）は射出面２ｂを平面にした
場合で、夫々入射角度を変えて比較している。これより
結像性能が大幅に向上し、位置検出が高精度に行なえる
ことが確認できる。

【００５０】以上のように本実施例によれば、コリメー
ターレンズ４の後ろ側に配置する光学素子の数を減らせ
る為、光学系の小型化が可能と成る。また最も広視野が
必要な捕捉センサーがコリメーターレンズ４の後側でな
くなった為、反射光学系１２やコリメーターレンズ４に
要求される視野角が半分以下に成り、設計上、組立調整
上の許容量が増大し、信頼性も非常に高く成る。

【００５１】次に本発明の反射光学系１２の数値実施例
を示す。数値実施例においてＲｉは物体側からの光束の
反射又は通過順に第ｉ番目の屈折面の曲率半径、Ｄｉは
物体側より第ｉ番目の屈折面の間隔、そしてＮｉは物体
側より順に第ｉ番目の媒質の屈折率である。

【００５２】ここでＲ１，Ｒ２の非球面形状は光軸方向
にＸ軸、光軸と垂直方向にｈ軸、光の進行方向を正と
し、ｋ，Ｒ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを非球面係数としたとき

【００５３】

【数３】 なる式で表わしている。

【００５４】また、Ｒ３の非球面形状は光軸方向にＸ
軸、光軸と垂直方向にｈ軸、光の進行方向を正とし、
Ｒ，Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを非球面係数としたとき

【００５５】

【数４】 なる式で表わしている。 （数値実施例１） 合成焦点距離 ４６９．１８ｍｍ Ｒ１ 有効径 φ３００ｍｍ 番 号 曲率半径Ｒｉ 間隔Ｄｉ 屈折率Ｎｉ １ -1004.000 -390.0 -1.0 ２ -329.412 -20.0 -1.45319 ３ ∞ -1.0 非球面係数 Ｒ１ Ｒ＝-1004.0 Ｂ＝０ Ｃ＝０ Ｋ＝ -1.0 Ｄ＝０ Ｅ＝０ Ｒ２ Ｒ＝ -329.412 Ｂ＝０ Ｃ＝０ Ｋ＝ -3.76817 Ｄ＝０ Ｅ＝０ Ｒ３ Ｒ＝０ Ｂ＝-1.28263×10^-7 Ａ＝０ Ｃ＝０ Ｄ＝０ Ｅ＝０ （数値実施例２） 合成焦点距離 ３７８．１２ｍｍ Ｒ１ 有効径 φ３００ｍｍ 番 号 曲率半径Ｒｉ 間隔Ｄｉ 屈折率Ｎｉ １ -840.000 -350.0 -1.0 ２ -189.000 -20.0 -1.45319 ３ ∞ -1.0 非球面係数 Ｒ１ Ｒ＝-840.0 Ｂ＝０ Ｃ＝０ Ｋ＝ -1.0 Ｄ＝０ Ｅ＝０ Ｒ２ Ｒ＝-189.000 Ｂ＝０ Ｃ＝０ Ｋ＝ -2.89 Ｄ＝０ Ｅ＝０ Ｒ３ Ｒ＝０ Ｂ＝０ Ｃ＝０ Ａ＝-1.16777E-3 Ｄ＝０ Ｅ＝０ （数値実施例３） 合成焦点距離 ３５７．５９ｍｍ Ｒ１ 有効径 φ３００ｍｍ 番 号 曲率半径Ｒｉ 間隔Ｄｉ 屈折率Ｎｉ １ -700.000 -280.0 -1.0 ２ -200.000 -20.0 -1.45319 ３ ∞ -1.0 非球面係数 Ｒ１ Ｒ＝-700.0 Ｋ＝0.0 Ｂ＝2.78207E-10 Ｃ＝4.05590E-16 Ｄ＝4.73434E-22 Ｅ＝7.20895E-28 Ｒ３ Ｒ＝０ Ｂ＝０ Ｃ＝０ Ａ＝-1.16777E-3 Ｄ＝０ Ｅ＝０

【００５６】

【発明の効果】本発明によれば前述の如く各要素を適切
に配置することにより、装置全体の小型化を図りつつ信
頼性を向上させ、常に良好な光通信を可能とした光通信
光学装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例の要部概略図

【図２】 本発明の一実施例の光路図

【図３】 従来の光通信光学装置の要部概略図

【図４】 図３の一部分の拡大説明図

【図５】 本発明の数値実施例１の収差図

【図６】 本発明の数値実施例２の収差図

【図７】 本発明の数値実施例３の収差図

【符号の説明】

１ 主鏡 ２ 副鏡 ３ 捕捉センサ（位置信号手段Ｅａ） ４ コリメーターレンズ １２ 反射光学系 １３ ポインティング手段 １６ 通信信号手段 ２８ 追尾センサ（位置信号手段Ｅｂ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主鏡に対して副鏡を対向配置し、該副鏡
   と主鏡の双方で反射した第１光束で光通信を行なう通信
   信号手段と、該主鏡で反射し副鏡を透過した該第１光束
   とは波長の異なる第２光束で通信相手の位置情報を検出
   する位置信号手段とを有したことを特徴とする光通信光
   学装置。
2. 【請求項２】 主鏡に対して副鏡を対向配置し、該副鏡
   と主鏡の双方で反射した第１光束で光通信を行なう通信
   信号手段と、該主鏡で反射し該副鏡を透過した該第１光
   束とは波長の異なる第２光束で通信相手の位置情報を検
   出する位置信号手段Ｅａと、該主鏡と該副鏡の双方で反
   射した第２光束で通信相手の位置情報を検出する位置信
   号手段Ｅｂとを有したことを特徴とする光通信光学装
   置。
3. 【請求項３】 前記副鏡は前記第２光束が射出する射出
   面が射出側に凹面を向けた非球面であることを特徴とす
   る請求項１又は２の光通信光学装置。