捕捉追尾装置
【課題】簡易な構成で、初期捕捉および高精度捕捉を行い、受信部で受光する光ビームの損失を最小限に低減し、受光量が微量な場合でも捕捉追尾を行う。
【解決手段】光ビームを偏向する第１の光路偏向手段１と、光ビームを集光する集光手段３と、光ビームを偏向する第２の光路偏向手段５と、第２の光路偏向手段５に設け、光ビームが基準光軸３０と一致する際の集光スポット近傍かつ集光スポットサイズ以上のピンホール４と、第２の光路偏向手段５を通過した光ビームを受信する受信部１０と、第２の光路偏向手段５により偏向された光ビームに基づき光ビームと基準光軸との角度ズレを検出する第１の光検出手段６と、光ビームを分岐する光分岐手段２と、分岐された光ビームに基づき光ビームと基準光軸３０との角度ズレを高精度に検出する第２の光検出手段７と、角度ズレに基づき、第１の光偏向手段１の偏向方向を補正する偏向方向補正手段８とを備えた。
【解決手段】光ビームを偏向する第１の光路偏向手段１と、光ビームを集光する集光手段３と、光ビームを偏向する第２の光路偏向手段５と、第２の光路偏向手段５に設け、光ビームが基準光軸３０と一致する際の集光スポット近傍かつ集光スポットサイズ以上のピンホール４と、第２の光路偏向手段５を通過した光ビームを受信する受信部１０と、第２の光路偏向手段５により偏向された光ビームに基づき光ビームと基準光軸との角度ズレを検出する第１の光検出手段６と、光ビームを分岐する光分岐手段２と、分岐された光ビームに基づき光ビームと基準光軸３０との角度ズレを高精度に検出する第２の光検出手段７と、角度ズレに基づき、第１の光偏向手段１の偏向方向を補正する偏向方向補正手段８とを備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光ビームの捕捉追尾を行う捕捉追尾装置に関し、特に光空間通信用の捕捉追尾装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
各光空間通信装置では、双方向通信を成立させるため、互いの送信光（光ビーム）を捕捉追尾する捕捉追尾装置を搭載している。この捕捉追尾装置では、装置の振動や大気擾乱などの小さな振動の影響だけではなく、装置が移動体に設置されている場合であっても対応可能とするため、広範囲の領域で光ビームを捕捉可能な装置が求められており、通信用の光ビームとは別に初期捕捉用にビーコン光が用いられることが多い。しかし、広範囲の領域でビーコン光を捕捉するためにはこのビーコン光の拡がり角を大きくする必要がある。特に長距離通信の場合、光の強度は距離の２乗に反比例するため、受信側の捕捉追尾センサに必要な光量を確保するためには大電力を要するといった問題が生じる。
【０００３】
一方、ビーコン光を用いずに、拡がり角の小さな通信用の光ビームを走査することで初期捕捉を行う光空間通信方式（以下、ビーコンレス光空間通信と称する）を採用した捕捉追尾装置が存在する。このビーコンレス光空間通信用の捕捉追尾装置では、ビーコン光用ユニットが不要となり、装置の小型化や低消費電力化のメリットがある。しかし、広範囲の領域を塗りつぶしなく走査するためには非常に高精度なビーム指向精度が要求される。また、通信用の光ビームと捕捉追尾用の光ビームが共通化されているため、ビーコン光を用いた方式のように通信光と捕捉追尾光を波長で分離できず、通信用の光ビームの一部を初期捕捉用の捕捉追尾センサに分岐する必要がある。そのため、長距離通信の場合には受信側での受信光強度が極めて小さくなり、ビーコンレス光空間通信用の捕捉追尾装置では受信光の効率的な利用が課題となる。
【０００４】
そこで、例えば特許文献１に記載されたビーコンレス光空間通信用の捕捉追尾装置では、外部からの光ビームを光検出装置側に偏向させるガルバノミラー（可動ミラー）を反射面に水平な２軸まわりに回転可能に配置している。このガルバノミラーで曲げられた光ビームは、光検出装置の集光レンズで集光されて光ファイバやフォトデテクタなどの受光面で受光される。ここで、光ビームの光軸が集光レンズの基準光軸とずれている場合には、この光ビームは、集光レンズを介してプリズムの反射面で反射され、結像レンズを介してＣＣＤで検出される。そして、制御手段は、ＣＣＤで検出された検出信号に基づき光軸のズレを演算し、基準光軸に一致させる方向にガルバノミラーを回転調整する。これにより、損失を生じることなく広い範囲の入射角を有する光を検出して、光ビームのズレを抑制可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２４９４３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載された従来のビーコンレス光空間通信用の捕捉追尾装置において、光ビームの光軸が基準光軸と完全に一致した場合には、光ビームの全強度が受光面に入射されるため、ＣＣＤ側への反射光がなくなってしまう。この場合、ガルバノミラーのクローズドループ制御が不能となり、その後、光ビームが受光面からはみ出した際にガルバノミラーの回転調整を再開することとなる。そのため、受光面の中心位置に常に光ビームを固定し続けることができないという課題があった。また、これにより受光面に入射される光ビームの光強度にふらつきが生じ安定しないという課題もあった。
【０００７】
また、例えば送信光と受信光の光路が一部共通化され、送信光と受信光が共にガルバノミラーを通過するような光空間伝送装置では、ガルバノミラーのふらつきの影響で、長距離通信で送信光に要求される非常に高精度な指向安定性が得られないといった課題があった。また、実際にプリズムやミラー上に受光面である光ファイバやフォトデテクタを構成するには高度な技術が必要であり、容易には実現できないといった課題もあった。
【０００８】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ビーコンレス光空間通信用の捕捉追尾装置において、簡易な構成で、広範囲の領域での光ビームの初期捕捉および初期捕捉後の高精度な捕捉を実行し、かつ、受信部で受光する光ビームの損失を最小限に低減することができ、長距離通信において光ビームの受光量が微量な場合であっても捕捉追尾が可能となる捕捉追尾装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る捕捉追尾装置は、入射された光ビームを所定方向に偏向させる第１の光路偏向手段と、第１の光路偏向手段により偏向された光ビームを集光する集光手段と、集光手段により集光された光ビームを所定方向に偏向させる第２の光路偏向手段と、第２の光路偏向手段に設けられ、集光手段に入射された光ビームの光軸が当該集光手段の基準光軸と一致するときに第２の光路偏向手段上に形成される集光スポット位置の近傍、かつ、当該集光スポットサイズより大きなサイズであるピンホールと、受光面が基準光軸上に位置し、ピンホールを介して第２の光路偏向手段を通過した光ビームを受信する受信部と、第２の光路偏向手段により偏向されて入射された光ビームに基づき、集光手段に入射された光ビームの光軸と基準光軸との角度ズレを検出する第１の光検出手段と、第１の光路偏向手段から受信部までの間のいずれかの位置に設けられ、光ビームの一部を分岐する光分岐手段と、光ビームがピンホールを介して第２の光路偏向手段を通過する状態となることで光分岐手段により分岐された光ビームが入射され、当該光ビームに基づき、集光手段に入射された光ビームの光軸と基準光軸との角度ズレを第１の光検出手段より高精度に検出する第２の光検出手段と、第１の光検出手段および第２の光検出手段により検出された角度ズレに基づいて、第１の光路偏向手段の偏向方向を補正する偏向方向補正手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、上記のように構成したので、簡易な構成で、広範囲の領域での光ビームの初期捕捉および初期捕捉後の高精度な捕捉を実行でき、かつ、受信部で受光する光ビームの損失を最小限に低減することができ、長距離通信において光ビームの受光量が微量な場合であっても捕捉追尾が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１に係る捕捉追尾装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る捕捉追尾装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】この発明の実施の形態２に係る捕捉追尾装置の構成を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態３に係る捕捉追尾装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る捕捉追尾装置の構成を示す図である。
捕捉追尾装置は、相手側光空間通信装置（不図示）との間で双方向通信を行う自機側光空間通信装置（不図示）に搭載され、相手側光空間通信装置からの送信光（光ビーム）を捕捉追尾するビーコンレス光空間通信用の捕捉追尾装置である。この捕捉追尾装置は、図１に示すように、可動ミラー（第１の光路偏向手段）１、ビームスプリッタ（光分岐手段）２、集光レンズ（集光手段）３、ピンホール４を有するミラー（第２の光路偏向手段）５、粗捕捉用光検出部（第１の光検出手段）６、精捕捉用光検出部（第２の光検出手段）７、可動ミラー制御部（偏向方向補正手段）８、集光レンズ９および受信部１０から構成される。
【００１３】
可動ミラー１は、入射された入射光ビーム２０ａを反射して所定方向に偏向させるものである。ここで、入射光ビーム２０ａは、相手側光空間通信装置の送信側ターミナル（不図示）から送信された通信用および捕捉追尾用を兼ねたコリメート光ビームであり、一般的には、ジンバル機構により角度制御可能な光アンテナ（不図示）などを介して捕捉追尾装置に入射される。
そして、可動ミラー１は、この光アンテナが形成する射出瞳近傍に設置され、例えばミラーを反射面に対して水平な２軸まわりに回転可能とすることで、入射光ビーム２０ａを任意の光軸方向に偏向可能とする。
【００１４】
ビームスプリッタ２は、可動ミラー１により偏向されて入射された入射光ビーム２０ａを２分岐するものであり、入射光ビーム２０ａのうちの一部は透過し、残りは反射して所定方向に偏向する。
集光レンズ３は、ビームスプリッタ２を透過して入射された入射光ビーム２０ａ（第１の分岐光ビーム２０ｂ）を集光するものである。
【００１５】
ミラー５は、集光レンズ３により集光されて入射された第１の分岐光ビーム２０ｂを反射して所定方向に偏向するものである。また、ミラー５には、集光レンズ３に入射された第１の分岐光ビーム２０ｂの入射角度（光軸）が集光レンズ３の基準光軸３０と一致するときにミラー５上に形成される集光スポットの位置の近傍にピンホール４が設けられている。なお、ピンホール４は、集光スポットサイズより大きなサイズに構成されている。
このようにミラー５にピンホール４を設けることで、集光レンズ３に入射された第１の分岐光ビーム２０ｂの光軸が基準光軸３０に概ね一致する場合には、第１の分岐光ビーム２０ｂはピンホール４を介してミラー５を通過する。一方、第１の分岐光ビーム２０ｂの光軸が基準光軸３０に対してずれている場合（例えば図１に示す角度ズレ光ビーム２０ｄ）には、ミラー５上に形成される集光スポットの位置がピンホール４の形成位置から外れるため、第１の分岐光ビーム２０ｂはミラー５により反射される。なお図１に示す角度ズレ光ビーム２０ｄは、見易くするために、ビームの傾きを誇張し、瞳位置も考慮せずに示している。
【００１６】
粗捕捉用光検出部６は、可動ミラー制御部８とともに粗捕捉（初期捕捉）制御を行うため、ミラー５により偏向されて入射された第１の分岐光ビーム２０ｂ（反射光ビーム２０ｅ）に基づいて、第１の分岐光ビーム２０ｂの光軸と基準光軸３０との角度ズレを検出するものである。この粗捕捉用光検出部６は、集光レンズ６１および光検出器６２から構成されている。
集光レンズ６１は、ミラー５からの反射光ビーム２０ｅを集光するものである。
光検出器６２は、集光レンズ６１の集光面上に配置され、集光レンズ６１により集光されて入射された反射光ビーム２０ｅを受光し、その受光位置と集光面の中心位置との位置ズレを検出することで、第１の分岐光ビーム２０ｂの光軸と基準光軸３０との角度ズレを検出するものである。この光検出器６２は、例えばＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ、ＰＳＤセンサ、４象限フォトダイオードなどの受光位置を検出可能な光検出器から構成される。
【００１７】
精捕捉用光検出部７は、第１の分岐光ビーム２０ｂがピンホール４を介してミラー５を通過する状態となることでビームスプリッタ２により反射された入射光ビーム２０ａ（第２の分岐光ビーム２０ｃ）が入射され、可動ミラー制御部８とともに精捕捉（高精度な捕捉）制御を行うため、この第２の分岐光ビームに基づいて、第１の分岐光ビーム２０ｂの光軸と基準光軸３０との角度ズレを高精度に検出するものである。この精捕捉用光検出部７は、粗捕捉用光検出部６と同様に、集光レンズ７１および光検出器７２から構成されている。
集光レンズ７１は、ビームスプリッタ２からの第２の分岐光ビーム２０ｃを集光するものである。
光検出器７２は、集光レンズ７１の集光面上に配置され、集光レンズ７１により集光されて入射された第２の分岐光ビーム２０ｃを受光し、その受光位置と集光面の中心位置との位置ズレを検出することで、第１の分岐光ビーム２０ｂの光軸と基準光軸３０との角度ズレを検出するものである。
【００１８】
なお、精捕捉用光検出部７では、最低でもμ［ｒａｄ］オーダーの捕捉追尾精度が要求されるが、捕捉追尾領域が非常に狭いため、例えば集光レンズ７１に長焦点のレンズを用いることで高分解能化を実現する。また、装置の振動や大気の擾乱を抑制するためには、光検出器７２に高速応答性が求められるが、光検出器７２の受光面積を小さくすることが可能であるため、高速応答性を実現可能である。
【００１９】
可動ミラー制御部８は、粗捕捉用光検出部６および精捕捉用光検出部７により検出された角度ズレに基づいて、この角度ズレを低減させる方向に可動ミラー１の回転調整を行うことで、入射光ビーム２０ａに対する偏向方向を補正するものである。
【００２０】
集光レンズ９は、基準光軸が集光レンズ３の基準光軸３０上に位置し、ピンホール４を介してミラー５を通過して入射された第１の分岐光ビーム２０ｂ（通過光ビーム２０ｆ）を集光するものである。なおレンズ９は、レンズ８との組合せによってアフォーカル光学系（焦点距離が無限大の光学系）を構成しており、受信部１０に対して最適なビーム径のコリメート光を形成することができる。
受信部１０は、受光面の中心位置が基準光軸３０上に位置し、集光レンズ９により集光されて入射された通過光ビーム２０ｆを受信するものである。
【００２１】
次に、上記のように構成された捕捉追尾装置の動作について説明する。図２はこの発明の実施の形態１に係る捕捉追尾装置の動作を示すフローチャートである。
この捕捉追尾装置の動作では、図２に示すように、相手側光空間通信装置の送信側ターミナルから光ビームが送信され、光アンテナを介して捕捉追尾装置に入射されると、まず、可動ミラー１は、この光ビーム（入射光ビーム２０ａ）を反射して所定方向に偏向する（ステップＳＴ１）。そして、ビームスプリッタ２は、この入射光ビーム２０ａのうち一部は透過して残りは反射することで２分岐する（ステップＳＴ２）。このビームスプリッタ２を透過した入射光ビーム２０ａ（第１の分岐光ビーム２０ｂ）は、集光レンズ３を介してミラー５に入射される。
【００２２】
ここで、初期捕捉の段階では、集光レンズ３に入射された第１の分岐光ビーム２０ｂの光軸と基準光軸３０とが一致している可能性は非常に低いため、一般的には、第１の分岐光ビーム２０ｂはミラー５により反射されて、粗捕捉用光検出部６に入射される（ステップＳＴ３）。
そして、粗捕捉用光検出部６の集光レンズ６１は、この第１の分岐光ビーム２０ｂ（反射光ビーム２０ｅ）を集光し、光検出器６２は、反射光ビーム２０ｅの受光位置と集光面の中心位置との位置ズレを検出することで、第１の分岐光ビーム２０ｂの光軸と基準光軸３０との角度ズレを検出する。そして、可動ミラー制御部８は、粗捕捉用光検出部６により検出された角度ズレに基づいて、この角度ズレを低減する方向に可動ミラー１の回転調整を行うことで、第１の分岐光ビーム２０ｂの光軸と基準光軸３０とを概ね一致させることができる（ステップＳＴ４）。
【００２３】
この粗捕捉用光検出部６および可動ミラー制御部８による粗捕捉制御によって、第１の分岐光ビーム２０ｂがピンホール４を介してミラー５を通過できる程度にまでビーム角度を追い込んだ段階になると、ビームスプリッタ２により反射された入射光ビーム２０ａ（第２の分岐光ビーム２０ｃ）が精捕捉用光検出部７の集光レンズ７１により集光され、光検出器７２に入射されるようになる（ステップＳＴ５）。また、第１の分岐光ビーム２０ｂがピンホール４を介してミラー５を通過し、粗捕捉用光検出部６側には反射されなくなるため、粗捕捉制御は終了する。
【００２４】
そして、光検出器７２は、第２の分岐光ビーム２０ｃの受光位置と集光面の中心位置との位置ズレを検出することで、第１の分岐光ビーム２０ｂの光軸と基準光軸３０との角度ズレを高精度に検出する。そして、可動ミラー制御部８は、精捕捉用光検出部７により検出された角度ズレに基づいて、この角度ズレを低減する方向に可動ミラー１の回転調整を行うことで、第１の分岐光ビーム２０ｂの光軸と基準光軸３０とを高精度に一致させることができる（ステップＳＴ６）。以後、可動ミラー１の回転調整を継続することで、相手側光空間通信装置から送信された光ビームを捕捉追尾することができる。
【００２５】
そして、精捕捉用光検出部７および可動ミラー制御部８による精捕捉制御によって、第１の分岐光ビーム２０ｂの光軸が基準光軸３０と高精度に一致すると、第１の分岐光ビーム２０ｂの全光強度がピンホール４を介してミラー５を通過するようになる。このミラー５を通過した第１の分岐光ビーム２０ｂ（通過光ビーム２０ｆ）は、集光レンズ９により集光されて最適なビーム径のコリメート光となった後、受信部１０に入射される（ステップＳＴ７）。
この受信部１０に入射された光ビーム（受信光）は、精捕捉用光検出部７および可動ミラー制御部８により高精度に捕捉され、光強度変動が小さいため、安定した通信が可能となる。また、精捕捉制御時には粗捕捉用光検出部６側には光ビームが分岐されず、受信部１０で効率的に受信できるため、微量の光量しか受信できない長距離間の光空間通信であっても通信を成立することができる。また、送信側ターミナルの送信光源の出力要求レベルを下げることにもつながる。
【００２６】
以上のように、この実施の形態１によれば、集光レンズ３に入射された光ビームの光軸が基準光軸３０と一致するときにミラー５上に形成される集光スポット位置の近傍、かつ、この集光スポットサイズ以上のサイズであるピンホール４を有するミラー５を備え、この光ビームの光軸が基準光軸３０に対してずれている場合にはこの光ビームをミラー５で反射して、粗捕捉用光検出部６で広範囲領域での角度ズレ検出を行い、この光ビームの光軸が基準光軸３０に概ね一致した場合にはピンホール４を介してミラー５を通過させて精捕捉用光検出部７で高分解能かつ高速応答可能な角度ズレ検出を行うように構成したので、簡易な構成で、広範囲の領域での光ビームの初期捕捉および初期捕捉後の高精度な捕捉を実行することができる。また、粗捕捉用光検出部６による粗捕捉制御時では、受信部１０には光ビームが入射されず、精捕捉用光検出部７による精捕捉制御時では、粗捕捉用光検出部６には光ビームが入射されず、受信部１０に光ビームが入射されるため、受信部１０で受光する光ビームの損失を最小限に低減することができ、長距離通信において光ビームの受光量が微量な場合であっても捕捉追尾および通信が可能となる。
【００２７】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２に係る捕捉追尾装置の構成を示す図である。
図３に示す実施の形態２に係る捕捉追尾装置は、図１に示す実施の形態１に係る捕捉追尾装置の構成に対して、ビームスプリッタ２および精捕捉用光検出部７の設置位置を、可動ミラー１と集光レンズ３との間から集光レンズ９と受信部１０との間に変更したものである。その他の構成は同様であり、同様の構成については同一の符号を付記し説明は省略する。
【００２８】
実施の形態１に係る捕捉追尾装置では、ピンホール４を有するミラー５の前段にビームスプリッタ２および精捕捉用光検出部７を配置したが、実施の形態２に係る捕捉追尾装置では、ピンホール４を有するミラー５の後段にビームスプリッタ２および精捕捉用光検出部７を配置している。
これにより、粗捕捉用光検出部６による粗捕捉制御時には、ビームスプリッタ２による光ビームの分岐が発生せず、光ビーム（反射光ビーム２０ｅ）の全光強度が粗捕捉用光検出部６に入射されることとなる。そのため、捕捉追尾装置に入射される光ビームの光量が微量の場合であっても粗捕捉制御を行うことが可能となる。
【００２９】
なお、粗捕捉制御によって集光レンズ３に入射された入射光ビーム２０ａの光軸と基準光軸３０とが概ね一致し、ピンホール４を介してミラー５を通過した入射光ビーム２０ａ（通過光ビーム２０ｆ）は、集光レンズ９で最適なビーム径のコリメート光となった後、ビームスプリッタ２に入射される。そして、ビームスプリッタ２を透過した通過光ビーム２０ｆ（第１の分岐光ビーム２０ｂ）は受信部１０に入射され、ビームスプリッタ２により反射された通過光ビーム２０ｆ（第２の分岐光ビーム２０ｃ）は精捕捉用光検出部７に入射されて精捕捉制御が行われる。その他の動作については実施の形態１に係る捕捉追尾装置の動作と同様であり、その説明を省略する。
【００３０】
以上のように、この実施の形態２によれば、ビームスプリッタ２および精捕捉用光検出部７をピンホール４を有するミラー５の後段に配置したので、実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、粗捕捉制御時には光ビームの全光強度が粗捕捉用光検出部６に入射されるため、微量な受信光量であっても粗捕捉制御を行うことができる。
【００３１】
実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３に係る捕捉追尾装置の構成を示す図である。
図４に示す実施の形態３に係る捕捉追尾装置は、図３に示す実施の形態２に係る捕捉追尾装置のビームスプリッタ２を偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２ｂに変更し、１／４λ波長板１１、１／２λ波長板１２および回転機構１３を追加したものである。その他の構成は同様であり、同様の構成については同一の符号を付記し説明は省略する。なお以下では、相手側光空間通信装置から送信され、捕捉追尾装置に入射される光ビームは円偏光のビームであるとする。
【００３２】
１／４λ波長板１１は、可動ミラー１と集光レンズ３との間に基準光軸３０に対して光学軸が略垂直となるように配置され、可動ミラー１により偏向されて入射された円偏光の入射光ビーム２０ａを直線偏光のビームに変換するものである。
１／２λ波長板１２は、レンズ９とＰＢＳ２ｂとの間に基準光軸３０に対して光学軸が略垂直となるように配置され、１／４λ波長板１１により直線偏光に変換され、集光レンズ９により集光されて入射された入射光ビーム２０ａ（通過光ビーム２０ｆ）の偏光面と光学軸とのなす角度に応じて、偏光面を所定角度回転させるものである。なお、１／２λ波長板１２による偏光面の回転角度は、通過光ビーム２０ｆの偏光面と１／２λ波長板１２の光学軸とがなす角度の２倍である。
回転機構１３は、１／２λ波長板１２を支持し、精捕捉用光検出部７により検出された第２の分岐光ビーム２０ｃの光強度に基づいて、１／２λ波長板１２を基準光軸３０まわりに回転させるものである。
【００３３】
ＰＢＳ２ｂは、１／２λ波長板１２により偏光面が回転されて入射された通過光ビーム２０ｆをＰ偏光とＳ偏光の光ビームに分離する光学素子であり、Ｐ偏光の光ビームは透過し、Ｓ偏光の光ビームは反射して所定方向に偏向する。このＰＢＳ２ｂを透過したＰ偏光の光ビーム（第１の分岐光ビーム２０ｂ）は受信部１０に入射され、ＰＢＳ２ｂにより反射されたＳ偏光の光ビーム（第２の分岐光ビーム２０ｃ）は精捕捉用光検出部７に入射される。
なお、精捕捉用光検出部７の光検出器７２では、実施の形態１，２における機能に加えて、受光した第２の分岐光ビーム２０ｃの光強度を検出する。
【００３４】
次に、上記のように構成された捕捉追尾装置の動作について説明する。
実施の形態２に係る捕捉追尾装置では、精捕捉用光検出部７および受信部１０への光分岐手段として一般的なビームスプリッタ２を備え、ある一定の分岐比で光分岐を行っていた。これに対し実施の形態３に係る捕捉追尾装置では、まず、１／４λ波長板１１が、入射された円偏光の入射光ビーム２０ａを直線偏光のビームに変換する。そして、粗捕捉用光検出部６による粗捕捉制御によって、集光レンズ３に入射される直線偏光の入射光ビーム２０ａの光軸が基準光軸３０と概ね一致すると、この入射光ビーム２０ａがピンホール４を介してミラー５を通過する。そして、この入射光ビーム２０ａは、集光レンズ９で最適なビーム径のコリメート光となった後、回転機構１３に支持された１／２波長板１２を介してＰＢＳ２ｂに入射する。そして、ＰＢＳ２ｂによりＳ偏光の入射光ビーム２０ａが反射されて精捕捉用光検出部７に入射される。
【００３５】
ここで、精捕捉用光検出部７では、精捕捉制御を行うにあたり最適な入射光量があり、多すぎても少なすぎても捕捉追尾精度や安定性が劣化する。そこで、精捕捉用光検出部７の光検出器７２で、受光した第２の分岐光ビーム２０ｃの光強度を検出し、回転機構１３に通知する。そして回転機構１３は、この光強度に基づいて、１／２波長板１２を回転させて、ＰＢＳ２ｂに入射する入射光ビーム２０ａの偏光面の方向を調整することで分岐光量が最適となるように自動調整する。これによって、精捕捉用光検出部７で常に高精度な捕捉追尾が可能となる。また、精捕捉用光検出部７に無駄に多くの光量を分岐することがなくなるため、受信部１０に入射される光ビームに無駄な損失が一切生じない。その他の動作については実施の形態１に係る捕捉追尾装置の動作と同様であり、その説明を省略する。
【００３６】
以上のように、この実施の形態３によれば、円偏光の光ビームを１／４λ波長板１１で直線偏光のビームに変換し、ピンホール４を介してミラー５を通過した光ビームを、回転機構１３に支持された１／２λ波長板１２で、精捕捉用光検出部７への分岐光量が最適となるようにＰＢＳ２ｂへ入射する光ビームの偏光面の方向を自動調整するように構成したので、実施の形態２と同様の効果が得られるとともに、精捕捉用光検出部７で常に高精度な捕捉追尾が実現可能となる。また、精捕捉用光検出部７に無駄に多くの光量を分岐することがなくなるため、受信部１０に入射される光ビームに無駄な損失が一切生じない。
【００３７】
なお、図４に示す捕捉追尾装置では、図３に示す実施の形態２に係る捕捉追尾装置の構成を基に各機能部の変更・追加を行った場合について示したが、これに限るものではなく、図１に示す実施の形態１に係る捕捉追尾装置の構成を基に各機能部の変更・追加を行うようにしてもよい。また、その場合においても、同様の効果を奏する。
また、実施の形態３に係る捕捉追尾装置では、相手側光空間通信装置から円偏光の光ビームが送信され、捕捉追尾装置に入射される場合について説明したが、相手側光空間通信装置から直線偏光の光ビームが送信され、捕捉追尾装置に入射される場合についても同様に適用可能である。なおこの場合には、１／４λ波長板１１は不要となる。
【００３８】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１ 可動ミラー（第１の光路偏向手段）、２ ビームスプリッタ（光分岐手段）、２ｂ 偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、３ 集光レンズ（集光手段）、４ ピンホール、５ ミラー（第２の光路偏向手段）、６ 粗捕捉用光検出部（第１の光検出手段）、７ 精捕捉用光検出部（第２の光検出手段）、８ 可動ミラー制御部（偏向方向補正手段）、９ 集光レンズ、１０ 受信部、１１ １／４λ波長板、１２ １／２λ波長板、１３ 回転機構、２０ａ〜２０ｆ 光ビーム、３０ 基準光軸、６１ 集光レンズ、６２ 光検出器、７１ 集光レンズ、７２ 光検出器。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光ビームの捕捉追尾を行う捕捉追尾装置に関し、特に光空間通信用の捕捉追尾装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
各光空間通信装置では、双方向通信を成立させるため、互いの送信光（光ビーム）を捕捉追尾する捕捉追尾装置を搭載している。この捕捉追尾装置では、装置の振動や大気擾乱などの小さな振動の影響だけではなく、装置が移動体に設置されている場合であっても対応可能とするため、広範囲の領域で光ビームを捕捉可能な装置が求められており、通信用の光ビームとは別に初期捕捉用にビーコン光が用いられることが多い。しかし、広範囲の領域でビーコン光を捕捉するためにはこのビーコン光の拡がり角を大きくする必要がある。特に長距離通信の場合、光の強度は距離の２乗に反比例するため、受信側の捕捉追尾センサに必要な光量を確保するためには大電力を要するといった問題が生じる。
【０００３】
一方、ビーコン光を用いずに、拡がり角の小さな通信用の光ビームを走査することで初期捕捉を行う光空間通信方式（以下、ビーコンレス光空間通信と称する）を採用した捕捉追尾装置が存在する。このビーコンレス光空間通信用の捕捉追尾装置では、ビーコン光用ユニットが不要となり、装置の小型化や低消費電力化のメリットがある。しかし、広範囲の領域を塗りつぶしなく走査するためには非常に高精度なビーム指向精度が要求される。また、通信用の光ビームと捕捉追尾用の光ビームが共通化されているため、ビーコン光を用いた方式のように通信光と捕捉追尾光を波長で分離できず、通信用の光ビームの一部を初期捕捉用の捕捉追尾センサに分岐する必要がある。そのため、長距離通信の場合には受信側での受信光強度が極めて小さくなり、ビーコンレス光空間通信用の捕捉追尾装置では受信光の効率的な利用が課題となる。
【０００４】
そこで、例えば特許文献１に記載されたビーコンレス光空間通信用の捕捉追尾装置では、外部からの光ビームを光検出装置側に偏向させるガルバノミラー（可動ミラー）を反射面に水平な２軸まわりに回転可能に配置している。このガルバノミラーで曲げられた光ビームは、光検出装置の集光レンズで集光されて光ファイバやフォトデテクタなどの受光面で受光される。ここで、光ビームの光軸が集光レンズの基準光軸とずれている場合には、この光ビームは、集光レンズを介してプリズムの反射面で反射され、結像レンズを介してＣＣＤで検出される。そして、制御手段は、ＣＣＤで検出された検出信号に基づき光軸のズレを演算し、基準光軸に一致させる方向にガルバノミラーを回転調整する。これにより、損失を生じることなく広い範囲の入射角を有する光を検出して、光ビームのズレを抑制可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２４９４３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載された従来のビーコンレス光空間通信用の捕捉追尾装置において、光ビームの光軸が基準光軸と完全に一致した場合には、光ビームの全強度が受光面に入射されるため、ＣＣＤ側への反射光がなくなってしまう。この場合、ガルバノミラーのクローズドループ制御が不能となり、その後、光ビームが受光面からはみ出した際にガルバノミラーの回転調整を再開することとなる。そのため、受光面の中心位置に常に光ビームを固定し続けることができないという課題があった。また、これにより受光面に入射される光ビームの光強度にふらつきが生じ安定しないという課題もあった。
【０００７】
また、例えば送信光と受信光の光路が一部共通化され、送信光と受信光が共にガルバノミラーを通過するような光空間伝送装置では、ガルバノミラーのふらつきの影響で、長距離通信で送信光に要求される非常に高精度な指向安定性が得られないといった課題があった。また、実際にプリズムやミラー上に受光面である光ファイバやフォトデテクタを構成するには高度な技術が必要であり、容易には実現できないといった課題もあった。
【０００８】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ビーコンレス光空間通信用の捕捉追尾装置において、簡易な構成で、広範囲の領域での光ビームの初期捕捉および初期捕捉後の高精度な捕捉を実行し、かつ、受信部で受光する光ビームの損失を最小限に低減することができ、長距離通信において光ビームの受光量が微量な場合であっても捕捉追尾が可能となる捕捉追尾装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る捕捉追尾装置は、入射された光ビームを所定方向に偏向させる第１の光路偏向手段と、第１の光路偏向手段により偏向された光ビームを集光する集光手段と、集光手段により集光された光ビームを所定方向に偏向させる第２の光路偏向手段と、第２の光路偏向手段に設けられ、集光手段に入射された光ビームの光軸が当該集光手段の基準光軸と一致するときに第２の光路偏向手段上に形成される集光スポット位置の近傍、かつ、当該集光スポットサイズより大きなサイズであるピンホールと、受光面が基準光軸上に位置し、ピンホールを介して第２の光路偏向手段を通過した光ビームを受信する受信部と、第２の光路偏向手段により偏向されて入射された光ビームに基づき、集光手段に入射された光ビームの光軸と基準光軸との角度ズレを検出する第１の光検出手段と、第１の光路偏向手段から受信部までの間のいずれかの位置に設けられ、光ビームの一部を分岐する光分岐手段と、光ビームがピンホールを介して第２の光路偏向手段を通過する状態となることで光分岐手段により分岐された光ビームが入射され、当該光ビームに基づき、集光手段に入射された光ビームの光軸と基準光軸との角度ズレを第１の光検出手段より高精度に検出する第２の光検出手段と、第１の光検出手段および第２の光検出手段により検出された角度ズレに基づいて、第１の光路偏向手段の偏向方向を補正する偏向方向補正手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、上記のように構成したので、簡易な構成で、広範囲の領域での光ビームの初期捕捉および初期捕捉後の高精度な捕捉を実行でき、かつ、受信部で受光する光ビームの損失を最小限に低減することができ、長距離通信において光ビームの受光量が微量な場合であっても捕捉追尾が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１に係る捕捉追尾装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る捕捉追尾装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】この発明の実施の形態２に係る捕捉追尾装置の構成を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態３に係る捕捉追尾装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る捕捉追尾装置の構成を示す図である。
捕捉追尾装置は、相手側光空間通信装置（不図示）との間で双方向通信を行う自機側光空間通信装置（不図示）に搭載され、相手側光空間通信装置からの送信光（光ビーム）を捕捉追尾するビーコンレス光空間通信用の捕捉追尾装置である。この捕捉追尾装置は、図１に示すように、可動ミラー（第１の光路偏向手段）１、ビームスプリッタ（光分岐手段）２、集光レンズ（集光手段）３、ピンホール４を有するミラー（第２の光路偏向手段）５、粗捕捉用光検出部（第１の光検出手段）６、精捕捉用光検出部（第２の光検出手段）７、可動ミラー制御部（偏向方向補正手段）８、集光レンズ９および受信部１０から構成される。
【００１３】
可動ミラー１は、入射された入射光ビーム２０ａを反射して所定方向に偏向させるものである。ここで、入射光ビーム２０ａは、相手側光空間通信装置の送信側ターミナル（不図示）から送信された通信用および捕捉追尾用を兼ねたコリメート光ビームであり、一般的には、ジンバル機構により角度制御可能な光アンテナ（不図示）などを介して捕捉追尾装置に入射される。
そして、可動ミラー１は、この光アンテナが形成する射出瞳近傍に設置され、例えばミラーを反射面に対して水平な２軸まわりに回転可能とすることで、入射光ビーム２０ａを任意の光軸方向に偏向可能とする。
【００１４】
ビームスプリッタ２は、可動ミラー１により偏向されて入射された入射光ビーム２０ａを２分岐するものであり、入射光ビーム２０ａのうちの一部は透過し、残りは反射して所定方向に偏向する。
集光レンズ３は、ビームスプリッタ２を透過して入射された入射光ビーム２０ａ（第１の分岐光ビーム２０ｂ）を集光するものである。
【００１５】
ミラー５は、集光レンズ３により集光されて入射された第１の分岐光ビーム２０ｂを反射して所定方向に偏向するものである。また、ミラー５には、集光レンズ３に入射された第１の分岐光ビーム２０ｂの入射角度（光軸）が集光レンズ３の基準光軸３０と一致するときにミラー５上に形成される集光スポットの位置の近傍にピンホール４が設けられている。なお、ピンホール４は、集光スポットサイズより大きなサイズに構成されている。
このようにミラー５にピンホール４を設けることで、集光レンズ３に入射された第１の分岐光ビーム２０ｂの光軸が基準光軸３０に概ね一致する場合には、第１の分岐光ビーム２０ｂはピンホール４を介してミラー５を通過する。一方、第１の分岐光ビーム２０ｂの光軸が基準光軸３０に対してずれている場合（例えば図１に示す角度ズレ光ビーム２０ｄ）には、ミラー５上に形成される集光スポットの位置がピンホール４の形成位置から外れるため、第１の分岐光ビーム２０ｂはミラー５により反射される。なお図１に示す角度ズレ光ビーム２０ｄは、見易くするために、ビームの傾きを誇張し、瞳位置も考慮せずに示している。
【００１６】
粗捕捉用光検出部６は、可動ミラー制御部８とともに粗捕捉（初期捕捉）制御を行うため、ミラー５により偏向されて入射された第１の分岐光ビーム２０ｂ（反射光ビーム２０ｅ）に基づいて、第１の分岐光ビーム２０ｂの光軸と基準光軸３０との角度ズレを検出するものである。この粗捕捉用光検出部６は、集光レンズ６１および光検出器６２から構成されている。
集光レンズ６１は、ミラー５からの反射光ビーム２０ｅを集光するものである。
光検出器６２は、集光レンズ６１の集光面上に配置され、集光レンズ６１により集光されて入射された反射光ビーム２０ｅを受光し、その受光位置と集光面の中心位置との位置ズレを検出することで、第１の分岐光ビーム２０ｂの光軸と基準光軸３０との角度ズレを検出するものである。この光検出器６２は、例えばＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ、ＰＳＤセンサ、４象限フォトダイオードなどの受光位置を検出可能な光検出器から構成される。
【００１７】
精捕捉用光検出部７は、第１の分岐光ビーム２０ｂがピンホール４を介してミラー５を通過する状態となることでビームスプリッタ２により反射された入射光ビーム２０ａ（第２の分岐光ビーム２０ｃ）が入射され、可動ミラー制御部８とともに精捕捉（高精度な捕捉）制御を行うため、この第２の分岐光ビームに基づいて、第１の分岐光ビーム２０ｂの光軸と基準光軸３０との角度ズレを高精度に検出するものである。この精捕捉用光検出部７は、粗捕捉用光検出部６と同様に、集光レンズ７１および光検出器７２から構成されている。
集光レンズ７１は、ビームスプリッタ２からの第２の分岐光ビーム２０ｃを集光するものである。
光検出器７２は、集光レンズ７１の集光面上に配置され、集光レンズ７１により集光されて入射された第２の分岐光ビーム２０ｃを受光し、その受光位置と集光面の中心位置との位置ズレを検出することで、第１の分岐光ビーム２０ｂの光軸と基準光軸３０との角度ズレを検出するものである。
【００１８】
なお、精捕捉用光検出部７では、最低でもμ［ｒａｄ］オーダーの捕捉追尾精度が要求されるが、捕捉追尾領域が非常に狭いため、例えば集光レンズ７１に長焦点のレンズを用いることで高分解能化を実現する。また、装置の振動や大気の擾乱を抑制するためには、光検出器７２に高速応答性が求められるが、光検出器７２の受光面積を小さくすることが可能であるため、高速応答性を実現可能である。
【００１９】
可動ミラー制御部８は、粗捕捉用光検出部６および精捕捉用光検出部７により検出された角度ズレに基づいて、この角度ズレを低減させる方向に可動ミラー１の回転調整を行うことで、入射光ビーム２０ａに対する偏向方向を補正するものである。
【００２０】
集光レンズ９は、基準光軸が集光レンズ３の基準光軸３０上に位置し、ピンホール４を介してミラー５を通過して入射された第１の分岐光ビーム２０ｂ（通過光ビーム２０ｆ）を集光するものである。なおレンズ９は、レンズ８との組合せによってアフォーカル光学系（焦点距離が無限大の光学系）を構成しており、受信部１０に対して最適なビーム径のコリメート光を形成することができる。
受信部１０は、受光面の中心位置が基準光軸３０上に位置し、集光レンズ９により集光されて入射された通過光ビーム２０ｆを受信するものである。
【００２１】
次に、上記のように構成された捕捉追尾装置の動作について説明する。図２はこの発明の実施の形態１に係る捕捉追尾装置の動作を示すフローチャートである。
この捕捉追尾装置の動作では、図２に示すように、相手側光空間通信装置の送信側ターミナルから光ビームが送信され、光アンテナを介して捕捉追尾装置に入射されると、まず、可動ミラー１は、この光ビーム（入射光ビーム２０ａ）を反射して所定方向に偏向する（ステップＳＴ１）。そして、ビームスプリッタ２は、この入射光ビーム２０ａのうち一部は透過して残りは反射することで２分岐する（ステップＳＴ２）。このビームスプリッタ２を透過した入射光ビーム２０ａ（第１の分岐光ビーム２０ｂ）は、集光レンズ３を介してミラー５に入射される。
【００２２】
ここで、初期捕捉の段階では、集光レンズ３に入射された第１の分岐光ビーム２０ｂの光軸と基準光軸３０とが一致している可能性は非常に低いため、一般的には、第１の分岐光ビーム２０ｂはミラー５により反射されて、粗捕捉用光検出部６に入射される（ステップＳＴ３）。
そして、粗捕捉用光検出部６の集光レンズ６１は、この第１の分岐光ビーム２０ｂ（反射光ビーム２０ｅ）を集光し、光検出器６２は、反射光ビーム２０ｅの受光位置と集光面の中心位置との位置ズレを検出することで、第１の分岐光ビーム２０ｂの光軸と基準光軸３０との角度ズレを検出する。そして、可動ミラー制御部８は、粗捕捉用光検出部６により検出された角度ズレに基づいて、この角度ズレを低減する方向に可動ミラー１の回転調整を行うことで、第１の分岐光ビーム２０ｂの光軸と基準光軸３０とを概ね一致させることができる（ステップＳＴ４）。
【００２３】
この粗捕捉用光検出部６および可動ミラー制御部８による粗捕捉制御によって、第１の分岐光ビーム２０ｂがピンホール４を介してミラー５を通過できる程度にまでビーム角度を追い込んだ段階になると、ビームスプリッタ２により反射された入射光ビーム２０ａ（第２の分岐光ビーム２０ｃ）が精捕捉用光検出部７の集光レンズ７１により集光され、光検出器７２に入射されるようになる（ステップＳＴ５）。また、第１の分岐光ビーム２０ｂがピンホール４を介してミラー５を通過し、粗捕捉用光検出部６側には反射されなくなるため、粗捕捉制御は終了する。
【００２４】
そして、光検出器７２は、第２の分岐光ビーム２０ｃの受光位置と集光面の中心位置との位置ズレを検出することで、第１の分岐光ビーム２０ｂの光軸と基準光軸３０との角度ズレを高精度に検出する。そして、可動ミラー制御部８は、精捕捉用光検出部７により検出された角度ズレに基づいて、この角度ズレを低減する方向に可動ミラー１の回転調整を行うことで、第１の分岐光ビーム２０ｂの光軸と基準光軸３０とを高精度に一致させることができる（ステップＳＴ６）。以後、可動ミラー１の回転調整を継続することで、相手側光空間通信装置から送信された光ビームを捕捉追尾することができる。
【００２５】
そして、精捕捉用光検出部７および可動ミラー制御部８による精捕捉制御によって、第１の分岐光ビーム２０ｂの光軸が基準光軸３０と高精度に一致すると、第１の分岐光ビーム２０ｂの全光強度がピンホール４を介してミラー５を通過するようになる。このミラー５を通過した第１の分岐光ビーム２０ｂ（通過光ビーム２０ｆ）は、集光レンズ９により集光されて最適なビーム径のコリメート光となった後、受信部１０に入射される（ステップＳＴ７）。
この受信部１０に入射された光ビーム（受信光）は、精捕捉用光検出部７および可動ミラー制御部８により高精度に捕捉され、光強度変動が小さいため、安定した通信が可能となる。また、精捕捉制御時には粗捕捉用光検出部６側には光ビームが分岐されず、受信部１０で効率的に受信できるため、微量の光量しか受信できない長距離間の光空間通信であっても通信を成立することができる。また、送信側ターミナルの送信光源の出力要求レベルを下げることにもつながる。
【００２６】
以上のように、この実施の形態１によれば、集光レンズ３に入射された光ビームの光軸が基準光軸３０と一致するときにミラー５上に形成される集光スポット位置の近傍、かつ、この集光スポットサイズ以上のサイズであるピンホール４を有するミラー５を備え、この光ビームの光軸が基準光軸３０に対してずれている場合にはこの光ビームをミラー５で反射して、粗捕捉用光検出部６で広範囲領域での角度ズレ検出を行い、この光ビームの光軸が基準光軸３０に概ね一致した場合にはピンホール４を介してミラー５を通過させて精捕捉用光検出部７で高分解能かつ高速応答可能な角度ズレ検出を行うように構成したので、簡易な構成で、広範囲の領域での光ビームの初期捕捉および初期捕捉後の高精度な捕捉を実行することができる。また、粗捕捉用光検出部６による粗捕捉制御時では、受信部１０には光ビームが入射されず、精捕捉用光検出部７による精捕捉制御時では、粗捕捉用光検出部６には光ビームが入射されず、受信部１０に光ビームが入射されるため、受信部１０で受光する光ビームの損失を最小限に低減することができ、長距離通信において光ビームの受光量が微量な場合であっても捕捉追尾および通信が可能となる。
【００２７】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２に係る捕捉追尾装置の構成を示す図である。
図３に示す実施の形態２に係る捕捉追尾装置は、図１に示す実施の形態１に係る捕捉追尾装置の構成に対して、ビームスプリッタ２および精捕捉用光検出部７の設置位置を、可動ミラー１と集光レンズ３との間から集光レンズ９と受信部１０との間に変更したものである。その他の構成は同様であり、同様の構成については同一の符号を付記し説明は省略する。
【００２８】
実施の形態１に係る捕捉追尾装置では、ピンホール４を有するミラー５の前段にビームスプリッタ２および精捕捉用光検出部７を配置したが、実施の形態２に係る捕捉追尾装置では、ピンホール４を有するミラー５の後段にビームスプリッタ２および精捕捉用光検出部７を配置している。
これにより、粗捕捉用光検出部６による粗捕捉制御時には、ビームスプリッタ２による光ビームの分岐が発生せず、光ビーム（反射光ビーム２０ｅ）の全光強度が粗捕捉用光検出部６に入射されることとなる。そのため、捕捉追尾装置に入射される光ビームの光量が微量の場合であっても粗捕捉制御を行うことが可能となる。
【００２９】
なお、粗捕捉制御によって集光レンズ３に入射された入射光ビーム２０ａの光軸と基準光軸３０とが概ね一致し、ピンホール４を介してミラー５を通過した入射光ビーム２０ａ（通過光ビーム２０ｆ）は、集光レンズ９で最適なビーム径のコリメート光となった後、ビームスプリッタ２に入射される。そして、ビームスプリッタ２を透過した通過光ビーム２０ｆ（第１の分岐光ビーム２０ｂ）は受信部１０に入射され、ビームスプリッタ２により反射された通過光ビーム２０ｆ（第２の分岐光ビーム２０ｃ）は精捕捉用光検出部７に入射されて精捕捉制御が行われる。その他の動作については実施の形態１に係る捕捉追尾装置の動作と同様であり、その説明を省略する。
【００３０】
以上のように、この実施の形態２によれば、ビームスプリッタ２および精捕捉用光検出部７をピンホール４を有するミラー５の後段に配置したので、実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、粗捕捉制御時には光ビームの全光強度が粗捕捉用光検出部６に入射されるため、微量な受信光量であっても粗捕捉制御を行うことができる。
【００３１】
実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３に係る捕捉追尾装置の構成を示す図である。
図４に示す実施の形態３に係る捕捉追尾装置は、図３に示す実施の形態２に係る捕捉追尾装置のビームスプリッタ２を偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２ｂに変更し、１／４λ波長板１１、１／２λ波長板１２および回転機構１３を追加したものである。その他の構成は同様であり、同様の構成については同一の符号を付記し説明は省略する。なお以下では、相手側光空間通信装置から送信され、捕捉追尾装置に入射される光ビームは円偏光のビームであるとする。
【００３２】
１／４λ波長板１１は、可動ミラー１と集光レンズ３との間に基準光軸３０に対して光学軸が略垂直となるように配置され、可動ミラー１により偏向されて入射された円偏光の入射光ビーム２０ａを直線偏光のビームに変換するものである。
１／２λ波長板１２は、レンズ９とＰＢＳ２ｂとの間に基準光軸３０に対して光学軸が略垂直となるように配置され、１／４λ波長板１１により直線偏光に変換され、集光レンズ９により集光されて入射された入射光ビーム２０ａ（通過光ビーム２０ｆ）の偏光面と光学軸とのなす角度に応じて、偏光面を所定角度回転させるものである。なお、１／２λ波長板１２による偏光面の回転角度は、通過光ビーム２０ｆの偏光面と１／２λ波長板１２の光学軸とがなす角度の２倍である。
回転機構１３は、１／２λ波長板１２を支持し、精捕捉用光検出部７により検出された第２の分岐光ビーム２０ｃの光強度に基づいて、１／２λ波長板１２を基準光軸３０まわりに回転させるものである。
【００３３】
ＰＢＳ２ｂは、１／２λ波長板１２により偏光面が回転されて入射された通過光ビーム２０ｆをＰ偏光とＳ偏光の光ビームに分離する光学素子であり、Ｐ偏光の光ビームは透過し、Ｓ偏光の光ビームは反射して所定方向に偏向する。このＰＢＳ２ｂを透過したＰ偏光の光ビーム（第１の分岐光ビーム２０ｂ）は受信部１０に入射され、ＰＢＳ２ｂにより反射されたＳ偏光の光ビーム（第２の分岐光ビーム２０ｃ）は精捕捉用光検出部７に入射される。
なお、精捕捉用光検出部７の光検出器７２では、実施の形態１，２における機能に加えて、受光した第２の分岐光ビーム２０ｃの光強度を検出する。
【００３４】
次に、上記のように構成された捕捉追尾装置の動作について説明する。
実施の形態２に係る捕捉追尾装置では、精捕捉用光検出部７および受信部１０への光分岐手段として一般的なビームスプリッタ２を備え、ある一定の分岐比で光分岐を行っていた。これに対し実施の形態３に係る捕捉追尾装置では、まず、１／４λ波長板１１が、入射された円偏光の入射光ビーム２０ａを直線偏光のビームに変換する。そして、粗捕捉用光検出部６による粗捕捉制御によって、集光レンズ３に入射される直線偏光の入射光ビーム２０ａの光軸が基準光軸３０と概ね一致すると、この入射光ビーム２０ａがピンホール４を介してミラー５を通過する。そして、この入射光ビーム２０ａは、集光レンズ９で最適なビーム径のコリメート光となった後、回転機構１３に支持された１／２波長板１２を介してＰＢＳ２ｂに入射する。そして、ＰＢＳ２ｂによりＳ偏光の入射光ビーム２０ａが反射されて精捕捉用光検出部７に入射される。
【００３５】
ここで、精捕捉用光検出部７では、精捕捉制御を行うにあたり最適な入射光量があり、多すぎても少なすぎても捕捉追尾精度や安定性が劣化する。そこで、精捕捉用光検出部７の光検出器７２で、受光した第２の分岐光ビーム２０ｃの光強度を検出し、回転機構１３に通知する。そして回転機構１３は、この光強度に基づいて、１／２波長板１２を回転させて、ＰＢＳ２ｂに入射する入射光ビーム２０ａの偏光面の方向を調整することで分岐光量が最適となるように自動調整する。これによって、精捕捉用光検出部７で常に高精度な捕捉追尾が可能となる。また、精捕捉用光検出部７に無駄に多くの光量を分岐することがなくなるため、受信部１０に入射される光ビームに無駄な損失が一切生じない。その他の動作については実施の形態１に係る捕捉追尾装置の動作と同様であり、その説明を省略する。
【００３６】
以上のように、この実施の形態３によれば、円偏光の光ビームを１／４λ波長板１１で直線偏光のビームに変換し、ピンホール４を介してミラー５を通過した光ビームを、回転機構１３に支持された１／２λ波長板１２で、精捕捉用光検出部７への分岐光量が最適となるようにＰＢＳ２ｂへ入射する光ビームの偏光面の方向を自動調整するように構成したので、実施の形態２と同様の効果が得られるとともに、精捕捉用光検出部７で常に高精度な捕捉追尾が実現可能となる。また、精捕捉用光検出部７に無駄に多くの光量を分岐することがなくなるため、受信部１０に入射される光ビームに無駄な損失が一切生じない。
【００３７】
なお、図４に示す捕捉追尾装置では、図３に示す実施の形態２に係る捕捉追尾装置の構成を基に各機能部の変更・追加を行った場合について示したが、これに限るものではなく、図１に示す実施の形態１に係る捕捉追尾装置の構成を基に各機能部の変更・追加を行うようにしてもよい。また、その場合においても、同様の効果を奏する。
また、実施の形態３に係る捕捉追尾装置では、相手側光空間通信装置から円偏光の光ビームが送信され、捕捉追尾装置に入射される場合について説明したが、相手側光空間通信装置から直線偏光の光ビームが送信され、捕捉追尾装置に入射される場合についても同様に適用可能である。なおこの場合には、１／４λ波長板１１は不要となる。
【００３８】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１ 可動ミラー（第１の光路偏向手段）、２ ビームスプリッタ（光分岐手段）、２ｂ 偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、３ 集光レンズ（集光手段）、４ ピンホール、５ ミラー（第２の光路偏向手段）、６ 粗捕捉用光検出部（第１の光検出手段）、７ 精捕捉用光検出部（第２の光検出手段）、８ 可動ミラー制御部（偏向方向補正手段）、９ 集光レンズ、１０ 受信部、１１ １／４λ波長板、１２ １／２λ波長板、１３ 回転機構、２０ａ〜２０ｆ 光ビーム、３０ 基準光軸、６１ 集光レンズ、６２ 光検出器、７１ 集光レンズ、７２ 光検出器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射された光ビームを所定方向に偏向させる第１の光路偏向手段と、
上記第１の光路偏向手段により偏向された光ビームを集光する集光手段と、
上記集光手段により集光された光ビームを所定方向に偏向させる第２の光路偏向手段と、
上記第２の光路偏向手段に設けられ、上記集光手段に入射された光ビームの光軸が当該集光手段の基準光軸と一致するときに上記第２の光路偏向手段上に形成される集光スポット位置の近傍、かつ、当該集光スポットサイズより大きなサイズであるピンホールと、
受光面が上記基準光軸上に位置し、上記ピンホールを介して上記第２の光路偏向手段を通過した光ビームを受信する受信部と、
上記第２の光路偏向手段により偏向されて入射された光ビームに基づき、上記集光手段に入射された光ビームの光軸と上記基準光軸との角度ズレを検出する第１の光検出手段と、
上記第１の光路偏向手段から上記受信部までの間のいずれかの位置に設けられ、上記光ビームの一部を分岐する光分岐手段と、
上記光ビームが上記ピンホールを介して上記第２の光路偏向手段を通過する状態となることで上記光分岐手段により分岐された光ビームが入射され、当該光ビームに基づき、上記集光手段に入射された光ビームの光軸と上記基準光軸との角度ズレを上記第１の光検出手段より高精度に検出する第２の光検出手段と、
上記第１の光検出手段および上記第２の光検出手段により検出された角度ズレに基づいて、上記第１の光路偏向手段の偏向方向を補正する偏向方向補正手段と
を備えたことを特徴とする捕捉追尾装置。
【請求項２】
上記光分岐手段は、上記第２の光路偏向手段の前段に配置される
ことを特徴とする請求項１記載の捕捉追尾装置。
【請求項３】
上記光分岐手段は、上記第２の光路偏向手段の後段に配置される
ことを特徴とする請求項１記載の捕捉追尾装置。
【請求項４】
上記光分岐手段は偏光ビームスプリッタであり、
上記第２の光検出手段は、上記偏光ビームスプリッタにより分岐された光ビームの光強度を検出し、
上記偏光ビームスプリッタの前段に上記基準光軸に対して光学軸が略垂直となるように設けられ、入射された光ビームの偏光面と当該光学軸とのなす角度に応じて、当該偏光面を所定角度回転させる１／２λ波長板と、
上記第２の光検出手段により検出された光ビームの光強度に基づいて、上記１／２λ波長板を上記基準光軸まわりに回転させる回転機構とを備え、
上記１／２λ波長板に入射される光ビームは直線偏光である
ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の捕捉追尾装置。
【請求項１】
入射された光ビームを所定方向に偏向させる第１の光路偏向手段と、
上記第１の光路偏向手段により偏向された光ビームを集光する集光手段と、
上記集光手段により集光された光ビームを所定方向に偏向させる第２の光路偏向手段と、
上記第２の光路偏向手段に設けられ、上記集光手段に入射された光ビームの光軸が当該集光手段の基準光軸と一致するときに上記第２の光路偏向手段上に形成される集光スポット位置の近傍、かつ、当該集光スポットサイズより大きなサイズであるピンホールと、
受光面が上記基準光軸上に位置し、上記ピンホールを介して上記第２の光路偏向手段を通過した光ビームを受信する受信部と、
上記第２の光路偏向手段により偏向されて入射された光ビームに基づき、上記集光手段に入射された光ビームの光軸と上記基準光軸との角度ズレを検出する第１の光検出手段と、
上記第１の光路偏向手段から上記受信部までの間のいずれかの位置に設けられ、上記光ビームの一部を分岐する光分岐手段と、
上記光ビームが上記ピンホールを介して上記第２の光路偏向手段を通過する状態となることで上記光分岐手段により分岐された光ビームが入射され、当該光ビームに基づき、上記集光手段に入射された光ビームの光軸と上記基準光軸との角度ズレを上記第１の光検出手段より高精度に検出する第２の光検出手段と、
上記第１の光検出手段および上記第２の光検出手段により検出された角度ズレに基づいて、上記第１の光路偏向手段の偏向方向を補正する偏向方向補正手段と
を備えたことを特徴とする捕捉追尾装置。
【請求項２】
上記光分岐手段は、上記第２の光路偏向手段の前段に配置される
ことを特徴とする請求項１記載の捕捉追尾装置。
【請求項３】
上記光分岐手段は、上記第２の光路偏向手段の後段に配置される
ことを特徴とする請求項１記載の捕捉追尾装置。
【請求項４】
上記光分岐手段は偏光ビームスプリッタであり、
上記第２の光検出手段は、上記偏光ビームスプリッタにより分岐された光ビームの光強度を検出し、
上記偏光ビームスプリッタの前段に上記基準光軸に対して光学軸が略垂直となるように設けられ、入射された光ビームの偏光面と当該光学軸とのなす角度に応じて、当該偏光面を所定角度回転させる１／２λ波長板と、
上記第２の光検出手段により検出された光ビームの光強度に基づいて、上記１／２λ波長板を上記基準光軸まわりに回転させる回転機構とを備え、
上記１／２λ波長板に入射される光ビームは直線偏光である
ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の捕捉追尾装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２３７６２８（Ｐ２０１２−２３７６２８Ａ）
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０６２６０（Ｐ２０１１−１０６２６０）
【出願日】平成２３年５月１１日（２０１１．５．１１）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１１日（２０１１．５．１１）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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