空間光伝送装置
【課題】 空間光伝送装置において、広画角の光学系を備え、入力光の光利用効率が高く、比較的広範囲の軸外光の捕捉・追尾にも対応できるようにする。
【解決手段】 空間光伝送装置において、正のパワーを有する反射光学素子３、負のパワーを有し、反射部４ａと透過部４ｂとからなる凸面４Ａを有する分岐光学素子４を含み、それぞれが光軸に対して偏心または傾いて配置された偏心光学系１により実質的なアフォーカル光学系が形成され、反射部４ａによる反射光の光路上に射出瞳が形成される構成とする。
【解決手段】 空間光伝送装置において、正のパワーを有する反射光学素子３、負のパワーを有し、反射部４ａと透過部４ｂとからなる凸面４Ａを有する分岐光学素子４を含み、それぞれが光軸に対して偏心または傾いて配置された偏心光学系１により実質的なアフォーカル光学系が形成され、反射部４ａによる反射光の光路上に射出瞳が形成される構成とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間光伝送装置に関する。例えば、広範囲な捕捉・追尾が必要とされ、環境ノイズに強いことが要求される長距離追尾などを行うための空間光伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に空間光伝送装置を用いた通信は、送信側と受信側がお互いに相手側方向を向いて通信光を送受光する。そして通信中は、送信側からの通信光が受信側受光部から外れて通信がとぎれることがないように相手の光束を追尾し続ける必要がある。また、長距離の送受光を達成するためには、光学系による性能劣化を最小限にする必要がある。
このような従来の空間光伝送装置として、例えば、特許文献１には、凹面からなる主鏡に対して凸面からなる副鏡が共軸となるように対向配置し、これらの双方で反射された第１光束をコリメータレンズで平行光束化するカセグレンタイプ光学系により光通信を行い、主鏡で反射され副鏡を透過した第１光束と波長の異なる第２光束で通信相手の位置情報を検出するようにした光通信光学装置が記載されている。
また、特許文献２には、同様にカセグレンタイプ光学系からなり、副鏡の光軸近傍に光通過領域を設け、その光通過領域を介して標識光束を入出射するようにした光通信光学装置が記載されている。
【特許文献１】特開平６−３３７３５５号公報（第２−５頁、図１−２）
【特許文献２】特開平７−８４１８６号公報（第２−５頁、図１−２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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。
特許文献１に記載された技術では、カセグレンタイプ光学系を用いるので、球面収差、色収差の発生がなく光学系も折り畳むことができるため、コンパクトで高性能な装置とすることができるものの、主鏡と副鏡とが共軸に配置されているため、副鏡部分の光束が遮蔽される。また、副鏡後に位置検出器を配置しているため、位置検出器の大きさ（電気回路、メカ部材も含めて）の光束を遮蔽することになる。
そのため、光軸近傍の重要な光束を導くことができず、その分が光量損失となり、光利用効率が劣ってしまうという問題がある。
また、副鏡に第２光束を半透過するコーティングを施すことで、受信の際に第１光束の波長と異なる第２光束（ビーコン光）を受信し相手の位置を知ることができるが、送信の際は、高パワーのビーコン光が内部から副鏡に照射されるので、高パワーの送信ビーコン光が位置検出器に導かれる。そのため、送信時に、送信ビーコン光と受信ビーコン光を同時に検出することになるから、例えば時分割や波長分割などを行わなければ相手位置検出が難しくなるため装置構成が複雑で高価なものとなるという問題がある。
また、特許文献２に記載の技術では、同様にカセグレンタイプ光学系を用いるため、通信光、ビーコン光ともに、副鏡により光束の中心が遮蔽され光量損失が発生し、光利用効率が劣ってしまうという問題がある。
特に軸外光束においては、このような光量損失に加えて主鏡で反射した光束の一部が副鏡中心の光通過領域に導かれ内部光学系まで到達しないことによる光量損失が発生する。つまり軸外光束では画角によりケラレ量が変化し、その結果、追尾の際にビーコン光のパワーが変化して追尾エラーが発生しやすくなるという問題がある。
光量損失を低減するために、副鏡中心の光通過領域を小さくすることも考えられるが、光通過領域が小さいと送信ビーコン光の光束径を副鏡付近で小さくしなければならず、その結果、ビーコン光の拡散角が不適切となって追尾エラーが発生しやすいという問題がある。
【０００４】
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、入力光の光利用効率が高く、比較的広範囲の軸外光の捕捉・追尾にも対応可能な広画角の光学系を備えた空間光伝送装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するために、本発明の空間光伝送装置は、略平行な光束を入力光とする実質的なアフォーカル光学系を有する空間光伝送装置であって、前記実質的なアフォーカル光学系が、前記入力光の光路に沿う順に、前記入力光の光軸から偏心または傾いて配置された正のパワーを有する第１の光学素子と、前記入力光の光軸から偏心または傾いて配置された負のパワーを有する第１の部分反射面が形成された第２の光学素子とを備える偏心光学系からなり、前記第１の部分反射面による反射光の光路上に射出瞳が形成された構成とする。
このような構成によれば、第１の光学素子に入射する略平行な光束からなる入力光が正のパワーを受けて集光され、集光された光束が、第２の光学素子に形成された第１の部分反射面に対して画角ごとに異なる位置に入射する。そして第１の部分反射面上の入射位置による反射率分布に応じて光束の一部または全部が反射され、反射光は第１の部分反射面の負のパワーを受けて拡散され、光路上に射出瞳が形成される。したがって、この偏心光学系により、略平行な入力光の一部または全部が、入射画角に応じて所定の角倍率で縮径された略平行光束となる実質的なアフォーカル光学系が形成される。
一方、入力光の画角に応じて第１の部分反射面を透過する透過光は、第１の部分反射面を透過する際に正のパワーを受けてさらに集光される。
したがって、例えば、反射面を入力光の光軸の近傍の範囲に設けることにより、相対的に画角が小さい入力光を反射して射出瞳に導く実質的なアフォーカル光学系の光路と、相対的に画角が大きい入力光を第１の部分反射面で透過し、第２の光学素子の裏面側に導いて集光する入力光の分岐光学系の光路とを形成することができる。
そのため、簡素な構成により、少なくとも２つの入射画角範囲の入力光を観察およびセンシングしたり、受光したりすることができる。例えば、入射画角が小さい範囲の入力光は射出瞳の範囲で観察し、入射画角がその範囲を超える入力光は第２の光学素子の裏面側で観察することができる。その際、第２の光学素子の透過光は集光されているので、画角に比べて限定された範囲で観察することができる。その結果、コンパクトな構成でありながら、実質的なアフォーカル光学系のみからなる場合に比べて、広範囲の画角を有する入力光を観察することが可能となる。
例えば、前者を通信光や相対的に小さい画角範囲の追尾光として利用し、後者をより大きい画角範囲の追尾光などとして利用することにより、実質的なアフォーカル光学系のみの場合に比べて、広範囲の軸外光の捕捉、追尾を行うことが可能となる。
その際、第１、第２の光学素子は、入力光の光軸に対して偏心または傾いて配置された偏心光学系であるため、入力光が各光学素子により遮蔽されて光量損失が生じることがないように配置することができる。
【０００６】
ここで、第１の部分反射面は、入力光の一部が反射されるものであれば、例えば、一部に反射部、他部分に透過部が形成された構成でもよいし、また一部にハーフミラー部、他部分に透過部が形成された構成でもよいし、また全部がハーフミラー面からなる構成でもよい。また、それら反射部、透過部、ハーフミラー面の大きさ、形状、反射率分布は必要に応じて適宜に設定することができる。
【０００７】
本発明の空間光伝送装置では、前記実質的なアフォーカル光学系が、前記第２の光学素子の反射光の光路上に正のパワーを有する第３の光学素子を備え、前記第２の光学素子と前記第３の光学素子との間に中間像が形成され、前記第３の光学素子により射出瞳が形成される構成とすることが好ましい。
この場合、実質的なアフォーカル光学系を、第２の光学素子と第３の光学素子との間に中間像を形成して、第３の光学素子により射出瞳が形成されるものとするので、いわゆるケプラータイプのアフォーカル光学系とすることができる。
そのため、射出瞳位置に例えば偏向ミラーなどの光学素子を比較的容易に配置することができ、高機能な光学系を構成しやすくなる。例えば、中間像を形成しないいわゆるガリレオタイプのアフォーカル光学系ではアフォーカル光学系を構成する２つの光学素子の中間に射出瞳が形成されるため射出瞳位置に偏向ミラーなどの光学素子を配置することができない。そこでそのような光学素子を配置する場合には射出瞳位置以外の位置に配置しなければならず、ケラレを防止するためにはより広い光学面が必要となってしまう。したがって偏向ミラーなどの光学素子を配置する場合、このようなガリレオタイプに比べてケプラータイプは高倍率、高画角の光学系に対応しやすく小型化もしやすいものである。
【０００８】
また、本発明の空間光伝送装置では、前記第２の光学素子が、前記第１の部分反射面の透過側に、パワーを有する光学作用面を備える構成とすることが好ましい。
この場合、第１の部分反射面を透過した透過光がパワーを有する光学作用面により集光されるから、適宜のパワーを持たせることにより、透過光の光学特性、例えば集光位置、スポット径、画角に対する像面での走査特性などを適宜調整することができる。したがって、例えば透過光を追尾光として用いる場合には、光検出器に対する光学特性を調整して、レイアウトの最適化を図ったり、検出精度の向上を図ったりすることができる。
【０００９】
また、本発明の空間光伝送装置では、前記第２の光学素子が、前記第１の部分反射面の透過光を前記第１の部分反射面に向けて反射し、前記第１の部分反射面の裏面で少なくとも１回反射した光を透過させる第２の部分反射面を備えることが好ましい。
この場合、第２の部分反射面を設けることにより、第１の部分反射面を透過した透過光を、第２の部分反射面と第１の部分反射面とでそれぞれの少なくとも１回反射させてから、第２の部分反射面を透過させることができるので、第１の部分反射面を透過した透過光の光路を折り畳んでコンパクトな構成とすることができる。
また、第１、第２の部分反射面のパワーを内部反射面として用いることができるので、少ない部品構成で高性能な光学系を構成することができる。
【００１０】
ここで、第２の部分反射面は、第１の部分反射面の透過光を少なくとも１回反射できるものであれば、例えば、一部に反射部、他部分に透過部が形成された構成でもよいし、また一部にハーフミラー面、他部分に透過部が形成された構成でもよいし、また全部がハーフミラー面からなる構成でもよい。ただし、光利用効率の点では、反射部と透過部とを有する構成とすることが好ましい。また、第２の部分反射面の反射部は全反射面とすることがより好ましい。ここで言う全反射は、硝材内部で光線入射角が臨界角以上の場合に発生する全反射ではない。
また、第２の部分反射面は、パワーを有する形状としてもよいし、平面としてもよい。
【００１１】
また、本発明の空間光伝送装置では、前記入力光のうち、少なくとも前記第１の部分反射面の透過光を検出する光検出器を備えることが好ましい。
この場合、第１の部分反射面を透過した相対的に大きな入射画角を有する透過光を検出する光検出器を備えることにより、実質的なアフォーカル光学系からは得られない大きな入射画角の入力光の情報を得ることができる。例えば、光検出器により、透過光の位置情報を検出することにより、第１の部分反射面で反射されない広画角の範囲での入力光の位置検出を行うことができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の空間光伝送装置によれば、入力光の光軸から偏心または傾いて配置された偏心光学系により実質的なアフォーカル光学系を構成するので、光量損失を低減して入力光の光利用効率が高めることができ、入力光を入射画角に応じて、第２の光学素子の第１の部分反射面で反射される光と、第２の光学素子を透過する光とに分岐することにより、それぞれ入射画角の異なる光を観察およびセンシング、受光可能とするので、比較的広範囲の軸外光の捕捉・追尾にも対応可能な広画角の光学系を備えることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下では、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。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の符号を付し、共通する説明は省略する。
［第１の実施形態］
本発明の第１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は、本発明の第１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光学系の光軸を含む断面における模式断面図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る空間光伝送装置に用いる偏心光学系について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。図３は、同じく通信光の光路について説明するための光路図である。図４は、同じく粗追尾のための光路について説明するための平面視の光路図である。図５は、同じく精追尾のための光路について説明するための平面視の光路図である。図６は、同じく広追尾のための光路について説明するための光軸を含む断面の光路図である。なお図中の光線は、それぞれ主光線と２本の従属光線により描いている（以下、同様）。入射画角は、図３、５では０°、図４では０°、±１°（紙面垂直軸回り）、図６では０°、±１０°（紙面垂直軸回り）である。
【００１４】
本実施形態の空間光伝送装置１００は、互いに離れた複数の装置間で、ビーコン光を投射して互いの位置捕捉を行い、互いの出射方向を追尾しながら通信光を送受光するための装置である。その概略構成は、図１に示すように、ジンバルステージ４４により可動支持された筐体４３の内部に、ビーコン光光源３６、通信光光源３５、偏心光学系１、位置検出器１６Ａ（光検出器）、位置検出器１６Ｂ、４分割受光器１５、および入射方向検出手段４０からなる。
【００１５】
ジンバルステージ４４は、支持台４４ｃ上に、水平方向に回転移動可能な水平回転駆動部４４ｂと、鉛直面内で回転移動可能なティルト駆動部４４ａとからなる。そして、駆動制御手段４４ｄに入力された制御信号１０２に基づいて筐体４３を２軸方向まわりに回転移動できるようになっている。
【００１６】
ビーコン光光源３６は、光伝送の相手側の装置が空間光伝送装置１００の位置を捕捉するためのビーコン光５４を適宜の照射範囲が得られるような発散角で投射するための光源であり、例えば、レーザ光源およびコリメートレンズなどから構成される。
通信光光源３５は、光伝送の相手側の装置に通信光５３を投射するための光源であり、例えば、レーザ光源およびコリメートレンズなどから構成される。
通信光５３は、通信のＳ／Ｎ比が低下しないように正確にコリメートされた状態で、通信光光源３５から偏心光学系１に入射される。そして、倍率βで拡径されて開口絞り２から外部に出射されるようになっている。
【００１７】
また、通信光光源３５、ビーコン光光源３６は、それぞれ送光制御手段１１３と接続され、外部からの送光制御信号１０１に基づいて、送光の出力やタイミングが制御される。すなわち、適宜の通信手順に基づいて、例えば初期通信時にビーコン光５４のみを点灯し相手側により捕捉されてから通信光５３を送光する、といったような制御が行われる。
ここで、通信光５３とビーコン光５４との波長は、相手側により互いに区別できれば、同じ波長でもよいが、波長を変えておけば、相手側で通信光５３とビーコン光５４とを容易に区別できるので好都合である。
【００１８】
偏心光学系１は、装置の外部から開口絞り２を通して入射する略平行光の入射光束５１（入力光）を光束径が１／β倍に縮径された略平行光の入射光５２に変換する角倍率βの実質的なアフォーカル光学系と、その光路の途中で分岐光５５ａ、５５ｂ、５５ｃを分岐してそれぞれ位置検出器１６Ａ、１６Ｂ、４分割受光器１５に導く分岐光学系とからなる。
入射光５２は、カップリングレンズ１０により集光され、光ファイバ１１のファイバ受光面１１ａに結合される。そして光ファイバ１１を通して通信光１２として伝送されるようになっている。
【００１９】
分岐光５５ａは、入射光束５１のうち入射画角ωが相対的に大きい光束（本実施形態では、１°≦｜ω｜≦１０°）を分岐したものである。
位置検出器１６Ａは、送受光の相手側から送光されたビーコン光や通信光の入射画角を検出するために、分岐光５５ａを受光面１６ａにより受光し、受光面１６ａ上での２軸方向の位置を検出する位置検出器である。位置検出器１６Ａとしては、比較的小さいスポット径により広範囲で高精度に位置が検出できる光検出器、例えば、電子撮像素子（以下ＣＣＤ）、位置検出受光器（以下２次元ＰＳＤ）などを採用することができる。この検出出力は入射方向検出手段４０に送られて入射方向の検出に用いられる。
以下、分岐光５５ａを用いた追尾を広追尾と称する。
【００２０】
分岐光５５ｂは、入射光束５１のうち分岐光５５ａより入射画角ωが相対的に小さい光束（本実施形態では、０°≦｜ω｜≦１°）を分岐したものである。
位置検出器１６Ｂは、送受光の相手側から送光されたビーコン光や通信光の入射画角を検出するために、分岐光５５ｂを受光面１６ａで受光して、受光面１６ａ上での２軸方向の位置が検出可能な検出出力を生成するものである。位置検出器１６Ｂとしては、位置検出器１６Ａと同構成のもの、または基本構成が同一で受光面の大きさや受光面の位置分解能が異なるものを採用できる。
以下、分岐光５５ｂを用いた追尾を粗追尾と称する。
【００２１】
分岐光５５ｃは、送受光の相手側から送光されたビーコン光や通信光の入射画角を検出するために、入射光束５１を、分岐光５５ａ、５５ｂに比べてファイバ受光面１１ａに近い位置で分岐し、相対的に最も小さい範囲の入射画角ωの光束（本実施形態では、０°≦｜ω｜≦０．０５°）を高精度に位置検出できるようにしたものである。
４分割受光器１５は、４分割フォトダイオード（以下ＱＤ）からなる受光面１５ａにより分割面ごとの受光量を検出し、それらを演算することにより、受光面１５ａ上に入射する分岐光５５ｃの２軸方向の位置に応じた検出出力を生成する光検出器である。この検出出力は入射方向検出手段４０に送られて入射画角、入射方向の検出に用いられる。
４分割受光器１５は、例えばＣＣＤなどと比べて位置の検出範囲は狭いものの、高分解能を有している。そのため、４分割受光器１５によれば、本実施形態の場合、入射画角ω＝０．０５°以下の入射光束５１の入射画角を検出することができる。
以下、分岐光５５ｃを用いた追尾を精追尾と称する。
【００２２】
入射方向検出手段４０は、位置検出器１６Ａ、１６Ｂ、４分割受光器１５から送出される検出出力に所定の演算を施して、それぞれの受光面上での基準位置からのずれ量を算出し、それぞれの光学レイアウトに基づいて入射方向を検出し、入射画角を０°に近づけるための補正量に換算するための検出手段である。
そして、位置検出器１６Ａ、１６Ｂから検出される入射画角のずれに応じてジンバルステージ４４を駆動して、入射光束５１の入射方向に合わせて筐体４３を移動させる制御信号１０２を駆動制御手段４４ｄに対して送出するようになっている。
ずれ量が適宜の目標値に達し、精追尾動作可能となると、ジンバルステージ４４の位置を固定し、４分割受光器１５の検出出力により後述する偏向ミラー８（図２参照）の駆動手段（不図示）に制御信号１０３を送出して、入射光５２がファイバ受光面１１ａに最適にカップリングされるように偏向ミラー８の偏向角を制御する精追尾動作を行えるようになっている。
ここでずれ量の適宜の目標値は、精追尾に円滑に移行できる値とする。本実施形態の場合、±０．０５°かそれよりわずかに狭い範囲を採用することができる。ただし、精追尾範囲を異なる範囲に設定している場合には、この目標値も精追尾範囲に応じて変更することは言うまでもない。
【００２３】
次に、偏心光学系１の構成について説明する。
図２に示すように、偏心光学系１の概略構成は、開口絞り２、反射光学素子３（第１の光学素子）、分岐光学素子４（第２の光学素子）、光路分岐素子５、反射光学素子７（第３の光学素子）、偏向ミラー８、光路分岐素子９、および集光レンズ１４（図５参照）からなる。
【００２４】
開口絞り２は、入射光束５１の光束径を規制するためのもので、偏心光学系１の入射瞳をなしている。本実施形態では、直径Ｄの円孔絞りとしている。軸上主光線５０は、主光線のうち、開口絞り２の中心Ｏを通り、受光面の中心に入射する光線である。また軸上主光線に一致した光路を光軸とする。
なお、本実施形態では、図示の紙面垂直方向に入射画角を有していてもよい。しかし、以下では説明を簡単にするために、軸上主光線５０の光路を含む平面内の２次元光路について説明し、必要に応じて３次元光路について説明する。特に断らなければ、２次元光路について述べることは３次元光路にも容易に拡張できる。
【００２５】
反射光学素子３は、開口絞り２を透過した入射光束５１を反射して光路を折り畳むとともに集光するための光学素子で、反射面３ａが、正のパワーを有する回転非対称な曲面からなる自由曲面により構成されている。そして、反射面３ａは、反射光を物体の入射光束５１の光束外に導くため、入射光束５１の光軸に対して図示の紙面垂直軸から見て反時計回り（後述する座標系のＸ軸回り正方向）に偏心して配置されている。
反射面３ａの形状は、通常発生する収差の他にも、反射面３ａを偏心させたことにより発生する特殊な偏心収差、例えば軸上における非点収差、コマ収差、偏心収差独特の弓形や台形の形状になるディストーション（像歪み）などを補正するような形状とする。そのためには、図示の紙面に一致する平面（後述する座標系におけるＹ−Ｚ平面）のみを対称面とするような回転非対称な曲面とすることが好ましい。
反射光学素子３は、最も物体側の光学素子として、偏心光学系１の主たるパワーを担う光学素子とされている。
【００２６】
ここで、以下に用いる座標系と自由曲面式について説明する。
座標系は、図２に示すように、物体側から開口絞り２、反射光学素子３に向う光線追跡で、入射側光軸を、軸上主光線５０のうち絞り面を形成する開口絞り２の中心に直交し反射光学素子３の反射光学素子３の中心に至る光線として定義する。そして光線追跡において、開口絞り２の中心を偏心光学系の偏心光学面の原点Ｏとして（ただし、図示の座標軸は光路との重なりを避けるために原点位置をずらしている）、入射側光軸に沿う方向をＺ軸方向とし、物体側から偏心光学系の開口絞り２に向かう方向をＺ軸正方向とし、紙面をＹ−Ｚ平面とし、紙面の表から裏へ向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。
【００２７】
傾き角は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を中心とする傾き角をそれぞれα、β、γとしたとき、傾き角αとβの正はそれぞれＸ軸、Ｙ軸の正方向に対して反時計回りを、傾き角γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りの角度と定義する。
そして、各光学作用面を座標系で表す場合、軸上主光線５０を物体から像面に向かう方向で順光線追跡し、開口絞り２と軸上主光線５０が交差する点を原点として、Ｘ軸を紙面垂直方向に保って、Ｚ軸が軸上主光線５０に一致するように、Ｙ、Ｚ軸を回転させたローカル座標系で表す。ただし、後述する実施例１〜２の光路１において、面番号８以降の面は、面番号８の偏心座標（角度）を原点として扱う。同じく実施例３の光路１においては、面番号７以降の面を面番号７の偏心座標（角度）を原点として扱う。同じく実施例４の光路１においては、面番号６以降の面を面番号６の偏心座標（角度）を原点として扱う。
なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、面の中心軸とそのＸＹＺ直交座標系を、まずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した面の中心軸を新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させると共に１度回転した座標系もＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その２度回転した面の中心軸を新たな座標系の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。
【００２８】
本実施例で用いられる自由曲面の形状は、例えば、下記の式（ａ）により定義される自由曲面式で表現される。式（ａ）のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【数１】
ここで、（ａ）式の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。球面項中、Ｒは頂点の近軸曲率半径、ｋはコーニック定数（円錐定数）であり、ｒ＝√（Ｘ2 ＋Ｙ2 ）である。
【００２９】
自由曲面項は、
【数２】
ただし、Ｃｊ（ｊは１以上の整数）は係数である。
【００３０】
上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面共に対称面を持つことはないが、本実施形態ではＸの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式（ａ）においては、Ｃ2 、Ｃ5 、Ｃ7、Ｃ9 、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ16、Ｃ18、Ｃ20、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ29、Ｃ31、Ｃ33、Ｃ35・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
【００３１】
分岐光学素子４は、物体側から凸面４Ａ（第１の部分反射面）、透過面４Ｂ（パワーを有する光学作用面）を有するレンズであり、凸面４Ａは光軸に対して偏心または傾いて配置された自由曲面、透過面４Ｂは同じく凸球面からなる。
そして凸面４Ａは、光軸を中心とする所定範囲に反射ミラーコーティングされた反射部４ａが形成されている。凸面４Ａのうち反射部４ａを除いた部分は透過部４ｂとなっている。図２の破線は反射部４ａにより反射されるために位置検出器１６Ａに到達しない光束を示している（以下の図も同様）。
反射部４ａの有効範囲は粗追尾を行うために十分な大きさとされる。本実施形態では、入射画角ωが、０°≦｜ω｜≦１°の光束を略すべて反射できる大きさとされる。このような大きさであれば、反射部４ａの形状は適宜でよく、例えば、矩形、正方形、楕円、円などの形状とすることができる。
反射部４ａの負のパワー、偏心量は、反射面３ａで反射された光束を反射して反射光学素子３と干渉しない領域に光路を折り畳んでＹ−Ｚ平面において略Ｚ字状の光路を形成するとともに、反射光学素子３において発生する偏心収差を補正し、像側の所定位置に中間像６を結ぶことができるように設定される。
反射面４ａの形状は、通常発生する収差の他にも、反射面３ａを偏心させたことにより発生する特殊な偏心収差、例えば軸上における非点収差、コマ収差、偏心収差独特の弓形や台形の形状になるディストーション（像歪み）などを補正するような形状とする。そのためには、Ｙ−Ｚ平面のみを対称面とするような回転非対称な曲面とすることが好ましい。
【００３２】
光路分岐素子５は、図４に示すように、入射光束５１を粗追尾光として用いるために光路を分岐して分岐光５５ｂを形成するための光学素子である。そして、反射部４ａと中間像６（図２参照）との間に配置され、反射部４ａで反射された光束の一部をＸ軸負方向（図２の紙面手前方向）に反射して光路を分岐し、反射された光路上にもう１つの中間像６が形成されるようにするものである。例えば、適宜の光分岐面を備えるビームスプリッタ、ハーフミラーなどを採用することができる。この反射光路上の中間像６の略像面位置には位置検出器１６Ｂが配置される。
【００３３】
光路分岐素子５の分岐方向は、位置検出器１６Ｂの配置位置が他の光学素子と干渉しなければ、Ｘ軸負方向とは限定されず、必要に応じて任意に方向に分岐することができる。本実施形態のようにＸ軸方向に分岐すれば、偏心光学系１のＹ軸方向の高さをコンパクトとすることができて好ましい。
【００３４】
また、入射光束５１がビーコン光と通信光とで異なる波長を有する場合には、光路分岐素子５をビーコン光の波長光を反射し、通信光を透過する波長選択型反射コーティングが施された光分岐面を備える構成としてもよい。
【００３５】
反射光学素子７は、正のパワーを有することにより、光路分岐素子５を透過する光束が中間像６を形成した後の発散光を略平行光束として反射し、射出瞳を形成する自由曲面ミラーである。そのため、光軸に対して偏心または傾いて配置され、本実施形態では、図２に示すように光軸に対してＸ軸まわりの正方向に傾斜されている。
すなわち、反射光学素子３、分岐光学素子４、反射光学素子７は、中間像６を形成する実質的なアフォーカル光学系を構成している。
【００３６】
偏向ミラー８は、実質的なアフォーカル光学系の射出瞳の近傍に配置され、光束の出射方向を可変するための可動ミラーである。例えば、ガルバノミラーや光ＭＥＭＳなどから構成され、図示しない駆動手段に接続されている。そして、駆動手段が入射方向検出手段４０（図１参照）からの制御信号１０３に基づいて駆動手段が制御され、偏向ミラー８の偏向角が、４分割受光器１５の検出出力に応じて可変されるようになっている。
【００３７】
光路分岐素子９は、図５に示すように、入射光束５１を精追尾光として用いるために偏向ミラー８により反射された光束の一部をＸ軸負方向に反射して分岐するための光学素子である。例えば、ビームスプリッタ、ハーフミラーなどを採用することができる。
光路分岐素子９の反射後の光路上には、光束を集光する集光レンズ１４が設けられ、それにより集光された分岐光５５ｃが形成され、４分割受光器１５の受光面１５ａに導かれるようになっている。
光路分岐素子９を透過した光束は入射光５２としてカップリングレンズ１０に入射されファイバ受光面１１ａに結合される。
【００３８】
光路分岐素子９の分岐方向は、４分割受光器１５の配置位置が他の光学素子と干渉しなければ、Ｘ軸負方向とは限定されず、必要に応じて任意に方向に分岐することができる。本実施形態のようにＸ軸方向に分岐すれば、偏心光学系１のＹ軸方向の高さをコンパクトとすることができて好ましい。
【００３９】
次に空間光伝送装置１００の作用について、偏心光学系１の光路と追尾動作とを中心に説明する。
図７は、本発明の第１の実施形態に係る空間光伝送装置の第１の部分反射面上における入射画角とスポット径の位置関係について説明するため模式説明図である。図７（ａ）は、ω＝０°の場合を示す。図７（ｂ）〜（ｅ）は、Ｘ軸方向の入射画角成分をωＸ、Ｙ軸方向の入射画角成分をωＹと表すときに、（ωＸ，０°）、（０°，ωＹ）、（ωＸ，ωＹ）の場合のスポット径の位置および形状を示すものである。図７（ｂ）は、ωＸ＝ωＹ＝±０．０５°を、図７（ｃ）は、ωＸ＝ωＹ＝±１．０°を、図７（ｄ）は、ωＸ＝ωＹ＝±１０°を、図７（ｅ）は、ωＸ＝ωＹ＝±５．０°をそれぞれ示す。
【００４０】
相手側の装置から出射されたビーコン光や通信光は、長距離を通過するため回折により拡径した状態で空間光伝送装置１００を含む範囲に到達し、略平行光束である入射光束５１として開口絞り２から入射する。
入射光束５１は、図２に示すように、偏心光学系１に入射すると、反射面３ａによりＹ−Ｚ平面内でそれぞれ負方向に進む斜め方向に反射されて、分岐光学素子４の凸面４Ａに到達する。そして入射光束５１の入射画角に応じて光路が分岐される。
【００４１】
例えば、入射光束５１が光軸上を進む場合、図７（ａ）に示すように、スポットＳは反射部４ａの略中央に入射して反射される。
また入射画角成分が、ωＸ＝ωＹ＝±０．０５°の場合、スポットＳ…は反射部４ａの略中央に入射して反射される（図７（ｂ）参照）。
また入射画角成分が、ωＸ＝ωＹ＝±１．０°の場合、スポットＳ…は反射部４ａの範囲内に入射して反射される（図７（ｃ）参照）。
また入射画角成分が、ωＸ＝ωＹ＝±１０°の場合、スポットＳ…は反射部４ａの外部、すなわち透過部４ｂに入射し透過される（図７（ｄ）参照）。
また入射画角成分が、ωＸ＝ωＹ＝±５．０°の場合、スポットＳ…のそれぞれの一部の光束が反射部４ａにより反射され、残りの光束が透過部４ｂに入射し透過される。
【００４２】
すなわち、入射画角｜ω｜が１°以下の場合、入射光束５１の略全光束が反射部４ａにより、入射側の光路に干渉しない方向に反射されて、図３に示す光路を進む。つまり、反射部４ａの負のパワーの作用を受けて収差が補正されるとともに、所定距離離れた位置に中間像６を形成し、その後発散しながら進んで反射面７ａに到達する。
反射面７ａに到達した光束は、反射面７ａの正のパワーにより集光され略平行光束とされ、入射側の光路と重ならない方向に反射される。
そして、反射面８ａによりカップリングレンズ１０に向けて反射され、カップリングレンズ１０により集光され、結像面に結像する。
入射画角ωが十分小さければ、光軸上のファイバ受光面１１ａ上に結像され、光ファイバ１１を通じて通信光１２として伝送される。
入射角が大き過ぎる場合は、粗追尾動作および精追尾動作により入射画角が補正される。
【００４３】
このような光路における粗追尾および精追尾動作について説明する。
粗追尾は、図４に示すように、光路分岐素子５により分岐された光束の位置を位置検出器１６Ｂで検出することにより行う。
つまり、位置検出器１６Ｂに光束が入射すると、位置検出器１６Ｂにより受光面１６ａ上の位置検出が行われ、入射方向検出手段４０により入射画角と入射方向が算出される。入射方向検出手段４０は、その情報を基にして入射画角を０°にするためのジンバルステージ４４の移動量を決定し制御信号１０２として駆動制御手段４４ｄに出力する。
粗追尾の位置分解能およびジンバルステージ４４の位置補正量には限界があるので、入射画角が適宜量、例えば±０．０５°の範囲に収まると、ジンバルステージ４４の移動は停止され、精追尾制御に移行する。
【００４４】
ここで、入射光束５１がビーコン光と通信光とで異なる波長を有する場合には、光路分岐素子５として波長選択型反射コーティングが施された分岐面を備える構成を用いて、ビーコン光をすべて位置検出器１６Ｂに入射して粗追尾を行うことができる。
【００４５】
精追尾は、図５に示すように、光路分岐素子５を透過して反射光学素子７により略平行光束とされ偏向ミラー８により偏向された光束を、光路分岐素子９により分岐し集光レンズ１４により集光して分岐光５５ｃとし、その集光位置を４分割受光器１５で検出することにより行う。
反射光学素子７から出射される略平行光束は、入射画角の変化に応じた角度方向に向けて略射出瞳位置から出射されるから、集光レンズ１４を射出瞳位置から適宜距離だけ離すことにより、入射画角に対する受光面１５ａ上の移動量を適宜値に設定できる。例えば、入射画角±０．０５°の範囲の光束が受光面１５ａの受光範囲の略全域を移動するように設定することができる。そのため、位置検出範囲が同じセンサを用いる場合でも、粗追尾より狭い角度範囲をより高精度に検出することができる。
そして検出位置に応じて検出信号を入射方向検出手段４０に送出し、入射方向検出手段４０により入射画角、入射方向を検出する。
【００４６】
入射方向検出手段４０は、検出結果に応じて、入射画角のずれ量が０°となるような制御信号１０３を送出し、偏向ミラー８の偏向角を制御する。
その結果、光路分岐素子９を透過した入射光５２が光軸に沿ってファイバ受光面１１ａに最適に結合される。
そして、外乱などにより入射画角が変わっても、その都度、精追尾もしくは粗追尾が行われ、入射光束５１が光ファイバ１１に安定して入射する状態が維持される。
入射光束５１が通信光である場合にはそのまま通信が実施され、ビーコン光である場合には通信光を送信するための情報を通信光光源３５から相手側に送ることができる。
入射光束５１がビーコン光と通信光とで異なる波長を有する場合には、光路分岐素子５として波長選択型反射コーティングが施された光分岐面を備える構成を用いることにより、ビーコン光を受光した状態のまま、通信を行うことができる。
【００４７】
このように偏心光学系１では、光軸に対して偏心または傾いて配置された光学系からなるので、精追尾された場合、入射光束５１が光路中の光学素子などにより蹴られることなく、入射光５２として縮径され、光ファイバ１１に結合される。そのため、光利用効率が優れた光学系となっている。
【００４８】
通信光光源３５の送信光は、入射光５２の光路中にビームスプリッタやハーフミラーなどからなる不図示の光合成手段を配置し、通信光光源３５により略平行光束として出射される通信光５３を光軸上に入射させ、入射光束５１の光路を逆進して開口絞り２から出射することにより送光することができる。また、光利用効率については入射光束５１と同様の理由で良好となっている。
精追尾された状態では、分岐光学素子４に入射する通信光５３は反射部４ａに入射して反射される。本実施形態では、反射部４ａで略すべて反射されるので、高出力に調整された通信光５３が位置検出器１６Ａに入射して、追尾精度に影響することはない。
【００４９】
次に広追尾動作について説明する。
図７（ｄ）、（ｅ）に示すように、入射画角が±１°を超える範囲の入射光束５１は、一部が反射部４ａで反射されるものの、残りが透過部４ｂを透過する（図６参照）。そして、透過部４ｂの正のパワーにより集光され、透過面４Ｂの正のパワーによりさらに集光されて分岐光学素子４から出射される。そして、結像面１７で結像され、位置検出器１６Ａの受光面１６ａに入射する。
そして、位置検出器１６Ａの検出出力が入射方向検出手段４０に送出されることで、受光面１６ａ上の位置が算出され、入射画角が０°となるような制御信号１０２が駆動制御手段４４ｄに送出され、それに基づいてジンバルステージ４４が駆動される。そして、入射画角のずれ量が±１°程度になって粗追尾可能な入射画角が得られると、上記の粗追尾制御に移行する。
【００５０】
このように本実施形態の広追尾動作によれば、入射光束５１の入射画角ωが、１°≦｜ω｜≦１０°のように大幅にずれている場合でも追尾動作が可能となる。
その際、広追尾のための分岐光学系としては、実質的なアフォーカル光学系に含まれる分岐光学素子４の透過部４ｂと透過面４Ｂからなる簡素な構成とすることができ、部品点数が削減された構成となっている。
【００５１】
つまり、本実施形態の空間光伝送装置１００は、実質的なアフォーカル光学系を兼ねる分岐光学素子４を利用して、広追尾のための分岐光学系を構成した偏心光学系１を備えることにより、光利用効率に優れた送受光光学系を構成することができ、分岐光学系にそれぞれ位置検出器１６Ａ、１６Ｂ、４分割受光器１５などの光検出器を配置することで、広追尾、粗追尾、精追尾を段階的に移行して広範囲の入射画角に対して追尾制御を行うことができるものである。
【００５２】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る空間光伝送装置について説明する。
図８は、本発明の第２の実施形態に係る空間光伝送装置に用いる偏心光学系について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。図９は、同じく広追尾のための光路について説明するための光軸を含む断面の光路図である。
【００５３】
本実施形態の空間光伝送装置は、図１に示す空間光伝送装置１００の偏心光学系１に代えて偏心光学系２００（図８参照）を備える。
偏心光学系２００は、偏心光学系１の分岐光学素子４に代えて、分岐光学素子２１（第２の光学素子）を備え、それに合わせて偏心光学系１の反射光学素子３、反射光学素子７に代えて、それぞれ略同様の構成で光学パラメータが異なる反射光学素子２０（第１の光学素子）、反射光学素子２２（第３の光学素子）を備える。また、第１の実施形態の位置検出器１６Ａに代えて、４分割受光器１３（光検出器）を備える。以下、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００５４】
分岐光学素子２１は、物体側から凸面２１Ａ（第１の部分反射面）、部分反射面２１Ｂ（第２の部分反射面）を有する反射光学素子であり、それぞれ光軸に対して偏心または傾いて配置された自由曲面、平面からなる。
【００５５】
凸面２１Ａは、物体側からの入射光束を略反射するために、光軸を中心とする所定範囲に反射ミラーコーティングされた反射部２１ａが形成されている。凸面２１Ａのうち反射部２１ａを除いた部分は透過部２１ｂとなっている。
透過部２１ｂは、物体側からの入射光束を略透過し、像側から入射光束を略内部反射する光学特性を有している。ただし、この透過率、反射率は広追尾動作が可能な範囲において、適宜のコーティングなどにより調整することができる。
反射部２１ａの有効範囲は粗追尾を行うために十分な大きさとされる。本実施形態では、入射画角ωが、０°≦｜ω｜≦１°の光束を略すべて反射できる大きさとされる。このような大きさであれば、反射部２１ａの形状は適宜でよく、例えば、矩形、正方形、楕円、円などの形状とすることができる。
反射部２１ａの負のパワー、偏心量は、反射面２０ａで反射された光束を反射して反射光学素子２０と干渉しない領域に光路を折り畳んでＹ−Ｚ平面において略Ｚ字状の光路を形成するとともに、反射光学素子３において発生する偏心収差を補正し、像側の所定位置に中間像６を結ぶことができるように設定される。
反射面２１ａの形状は、通常発生する収差の他にも、反射面２１ａを偏心させたことにより発生する特殊な偏心収差、例えば軸上における非点収差、コマ収差、偏心収差独特の弓形や台形の形状になるディストーション（像歪み）などを補正するような形状とする。そのためには、Ｙ−Ｚ平面のみを対称面とするような回転非対称な曲面とすることが好ましい。
【００５６】
部分反射面２１Ｂは、透過部２１ｂを透過した光束の到達する周辺部に反射コーティングが施され、入射光束を凸面２１Ａ側に内部反射する反射部２１ｃとされている。そして、反射部２１ｃを除く中央部が透過部２１ｄとされ、反射部２１ｃで内部反射され、凸面２１Ａで内部反射された光束が透過できるように構成されている。
【００５７】
４分割受光器１３は、第１の実施形態の４分割受光器１５と同様な構成を有する。そして、受光面１６ａに代えて受光面１５ａに相当する受光面１３ａを備える。
受光面１３ａは、凸面２１Ａで内部反射された分岐光５５ａが結像面１７に結像しさらに拡径して適宜径のスポットが形成され、それらが広追尾範囲を動いても受光できる位置に、結像面１７と略平行に配置される。
【００５８】
反射光学素子２０、反射光学素子２２は、第１の実施形態の反射光学素子３、反射光学素子７と略同様な構成を有し、設計上の光学パラメータが異なるのみなので説明は省略する。
【００５９】
本実施形態によれば、反射面２０ａで反射され、反射部２１ａで反射された光束により、第１の実施形態と同様の入射画角の範囲で粗追尾動作および精追尾動作を行うことができる。
【００６０】
広追尾は、図９に示すように、反射面２０ａにより反射され透過部２１ｂを透過する光束により行う。本実施形態では、入射画角ωが、例えば、１°≦｜ω｜≦５°の範囲で広追尾できる。
透過部２１ｂを透過した光束は集光されつつ部分反射面２１Ｂの反射部２１ｃに入射して内部反射される。そして、凸面２１Ａの中央側に向かって進み凸面２１Ａで内部反射され、凸面２１Ａのパワーによりさらに集光される。そして、凸面２１Ａで内部反射された光束が透過部２１ｄを透過し分岐光５５ａが形成され、４分割受光器１３の受光面１３ａで受光される。そして、検出出力が入射方向検出手段４０に送られ、入射光束５１の入射画角と入射方向とが算出される。
したがって、第１の実施形態と同様に４分割受光器１３の検出出力により広追尾動作を行うことができる。
【００６１】
本実施形態の構成によれば、広追尾を行う分岐光学系に分岐光学素子２１を用いるので、２回の内部反射を用いることができる。
そのため光路が折り畳まれて分岐光学系を光軸方向にコンパクト化することができるという利点がある。
また、凸面２１Ａによる内部反射により透過面のみの場合に比べて大きなパワーを実現することができる。そのため、凸面２１Ａの比較的小さな曲率でも必要なパワーを実現できるので、分岐光学素子２１の製造が容易となる。また、部分反射面２１Ｂのパワーの自由度が大きくなる。例えば、本実施形態のように、パワーをすべて凸面２１Ａでまかなうことにして部分反射面２１Ｂを平面とすることができる。したがって分岐光学素子２１を簡素かつ安価な構成とすることができるという利点がある。
ただし、部分反射面２１Ｂとしてパワーを有する凸面や自由曲面などを採用してもよい。その場合、透過部２１ｂのパワーを低減したり、収差補正を行って受光面１３ａ上のスポット形状などの光学特性を良好にしたりすることができ、広追尾の精度を向上することができる。
【００６２】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る空間光伝送装置について説明する。
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る空間光伝送装置に用いる偏心光学系について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。図１１は、同じく広追尾のための光路について説明するための光軸を含む断面の光路図である。
【００６３】
本実施形態の空間光伝送装置は、図１に示す空間光伝送装置１００の偏心光学系１に代えて偏心光学系２０１（図１０参照）を備える。
偏心光学系２０１は、偏心光学系１の分岐光学素子４に代えて、分岐光学素子２５（第２の光学素子）を備え、それに合わせて偏心光学系１の反射光学素子３、反射光学素子７に代えて、それぞれ略同様の構成で光学パラメータが異なる反射光学素子２４（第１の光学素子）、反射光学素子２６（第３の光学素子）を備える。そして広追尾の光検出器として、第１の実施形態の位置検出器１６Ａに代えて、位置検出器３１（光検出器）を備える。以下、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００６４】
分岐光学素子２５は、第１の実施形態の分岐光学素子４の凸面４Ａ、透過面４Ｂに代えて、それぞれ凸面２５Ａ（第１の部分反射面）、透過平面２５Ｂを備える光学素子である。
凸面２５Ａは、凸面４Ａと同様に、反射部２５ａ、透過部２５ｂを備える部分反射面で曲面形状のみが異なっている。
透過部２５ｂの形状は、分岐光５５ａの結像面１７上の走査特性や結像性能が良好となる自由曲面が採用される。
そして結像面１７に位置検出器３１の受光面３１ａが配置される。
【００６５】
位置検出器３１は、位置検出器１６Ａと同様な構成を有し、受光面１６ａに代えて大きさや分解能などが異なる受光面３１ａを備えている。受光面３１ａの大きさや分解能は、広追尾の検出範囲に合わされている。そして、結像面１７に結像された分岐光５５ａの２軸方向の位置が検出可能な検出出力を生成できるようになっている。
【００６６】
反射光学素子２４、反射光学素子２６は、第１の実施形態の反射光学素子３、反射光学素子７と略同様な構成を有し、設計上の光学パラメータが異なるのみなので説明は省略する。
【００６７】
本実施形態によれば、反射面２４ａで反射され、反射部２５ａで反射された光束により、第１の実施形態と同様の入射画角の範囲で粗追尾動作を行うことができる。また入射画角ωが、例えば、０°≦｜ω｜≦０．０１°の範囲で精追尾できる。
【００６８】
広追尾は、図１１示すように、反射面２４ａにより反射され透過部２５ｂを透過する光束により行う。本実施形態では、入射画角ωが、例えば、１°≦｜ω｜≦６°の範囲で広追尾できる。
透過部２５ｂを透過した光束は集光されつつ透過平面２５Ｂから分岐光５５ａとして出射され、結像面１７上に結像される。そして位置検出器３１により受光面３１ａ上のスポットの位置が検出される。
そして、第１の実施形態の位置検出器１６Ａ代えて位置検出器３１の検出出力により、同様にして広追尾動作を行うことができるものである。
【００６９】
本実施形態の構成によれば、広追尾を行う分岐光学系の像面１７に位置検出器３１を配置するので、例えばＱＤを用いる場合のようにスポット径を拡径するために像面からデフォーカスする必要がないので、光軸方向にコンパクトな構成とすることができる。
また、位置検出器３１のようなＣＣＤや２次元ＰＳＤによれば、ＱＤよりも広範囲の入射画角に対して高精度の検出を行うことができるので、高精度な広追尾を行うことができるという利点がある。
【００７０】
なお、本実施形態では、透過部２５ｂの裏面にはパワーを有しない透過平面２５Ｂを用いているので、分岐光学素子２５を簡素かつ安価な構成とすることができるが、必要に応じて透過部２５ｂの裏面側の光学作用面にパワーを持たせてもよい。その場合、光路長をより短縮したり、結像性能をより向上したりすることができる。
【００７１】
［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係る空間光伝送装置について説明する。
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る空間光伝送装置に用いる偏心光学系について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。図１３は、同じく通信光の光路について説明するための光路図である。図１４は、同じく粗追尾のための光路について説明するための平面視の光路図である。図１５は、同じく広追尾のための光路について説明するための光軸を含む断面の光路図である。
【００７２】
本実施形態の空間光伝送装置は、図１に示す空間光伝送装置１００の偏心光学系１に代えて偏心光学系２０２（図１２参照）を備える。
偏心光学系２０２は、偏心光学系１から光路分割素子５、反射光学素子７を削除するとともに、偏心光学系１の分岐光学素子４に代えて、分岐光学素子３０（第２の光学素子）を備え、それらに合わせて偏心光学系１の反射光学素子３、反射光学素子７に代えて、略同様の構成で光学パラメータが異なる反射光学素子２９（第１の光学素子）を備える。また、位置検出器１６Ａに代えて位置検出器３１を備える。このような構成により、粗追尾と広追尾とを位置検出器３１で兼用することができるものである。以下、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
反射光学素子２９は、第１の実施形態の反射光学素子３と略同様な構成を有し、設計上の光学パラメータが異なるのみなので説明は省略する。
【００７３】
分岐光学素子３０は、第１の実施形態の分岐光学素子４の凸面４Ａ、透過面４Ｂに代えて、それぞれハーフミラー面３０Ａ（第１の部分反射面）、透過平面３０Ｂを備える光学素子である。
ハーフミラー面３０Ａは、例えば、反射率が９０％、透過率が１０％となるようなのコーティングとする。
そして、曲面形状は、反射面２９ａで集光された光束を少なくとも精追尾動作を行う入射画角ωの範囲、例えば０°≦｜ω｜≦０．０５°、に対しては反射光が略平行光束となるような負のパワーを有し、透過する光束に対しては、透過平面３０Ｂを透過後に結像面１７に結像する正のパワーを有するレンズを構成できる形状となっている。
すなわち、反射光学素子２９、ハーフミラー面３０Ａは、ハーフミラー面３０Ａで反射される光束に関して、中間像を形成しないタイプの実質的なアフォーカル光学系を構成している。
【００７４】
そして、図１３、１４に示すように、ハーフミラー面３０Ａと光路分割素子９との間に偏向ミラー８が配置され、偏向角可変に偏向できるようになっている。
偏向ミラー８で偏向された光束は、光路分割素子９に入射し、透過光が入射光５２となってカップリングレンズ１０を経てファイバ受光面１１ａに入射するようになっている。また、図１４に示すように、光路分割素子９で反射して分岐される光束が集光レンズ１４に入射して集光され分岐光５５ｃとして４分割受光器１５に入射するようになっている。
【００７５】
ハーフミラー面３０Ａを透過する光束の光路では、結像面１７に位置検出器３１が配置される。位置検出器３１に入射する光束は、入射画角ωの範囲は、０°≦｜ω｜≦４°の範囲とされている。したがって、位置検出器３１の検出出力は、上記第１〜第３の実施形態の粗追尾および広追尾に相当する追尾動作が行える角度範囲となっている。
【００７６】
本実施形態によれば、反射面２９ａで反射され、ハーフミラー面３０Ａで反射された光束により、少なくとも入射画角ωが、例えば、０°≦｜ω｜≦０．０１°の範囲で精追尾できる。
また、粗追尾および広追尾は、反射面２９ａにより反射されハーフミラー面３０Ａを透過する光束により行う。この場合、粗追尾と広追尾とを共通の光検出器で行えるため、部品点数が削減されるという利点がある。また、粗追尾と広追尾との制御動作も共通となるので、入射方向検出手段４０の制御や演算が簡素化されるため、その構成が容易となるという利点がある。
このように本実施形態では、入射画角ωが、例えば、１°≦｜ω｜≦４°の範囲で粗追尾と広追尾とを連続的に行うことができるものである。
【００７７】
本実施形態では、通信光光源３５から通信光５３を送光する場合、精追尾された状態でも、ハーフミラー面３０Ａに入射する光束のうち約１０％が透過する。
しかしながら、本実施形態の実質的なアフォーカル光学系は、それぞれの反射面が光軸に対して偏心または傾いて配置されて略Ｚ字状の光路を形成しているので、ハーフミラー面３０Ａにおいて、受光面３１ａに向けて透過する入射光束５１と通信光５３の透過光とは、十分大きな角度で交差するから、通信光５３の透過光は、受光面３１ａに向かう光束に対して十分傾斜しつつ透過平面３０Ｂを透過する。そのため、受光面３１ａの有効範囲に入射しない構成となっている。
したがって、送光のため高出力に調整された通信光５３を偏心光学系２０２に入射しても、通信光５３が受光面３１ａに到達して粗追尾および広追尾のエラーが発生せず、安定した追尾動作を行うことができるという利点がある。
このため、送受光および追尾動作を行う際、送光光の光検出器への入射を防止するために、例えば、時分割制御したり、偏光等の技術を用いることなく、簡素な構成により送受光および追尾動作を行うことができる。
【００７８】
なお、上記の第１〜第３の実施形態の説明では、第１の部分反射面の反射部の形状により粗追尾を行う入射画角の範囲が決まるものとして説明したが、精追尾、粗追尾、広追尾を分ける入射画角の範囲は一定のものではなく、必要に応じて変更することができる。
良好な追尾を行うためには、精追尾、粗追尾、広追尾の移行が円滑に行えることが重要となる。そのためには、例えば、それぞれの追尾の境界において追尾光のスポット形状や受光状態が急変しないような構成としてもよい。
そのために、例えば第１の部分反射面の反射部と透過部との境界の曲率や反射率を滑らかに変化させるようにしてもよい。
また、第１の部分反射面の反射部を粗追尾の検知範囲を超えて延長してもよい。
また、第１の部分反射面の反射部の領域内や、精追尾に用いる反射部と粗追尾の用いる反射部との間の領域などで反射率などを可変したり、徐変したりしてもよい。
【００７９】
また、上記の第４の実施形態の説明では、第１の部分反射面がハーフミラー面である例で説明したが、広追尾、粗追尾、精追尾に用いる追尾光の光量をそれぞれ可変できるようにハーフミラー面の反射率を可変してもよい。例えば、光束が光ファイバ１１に入射しない広追尾領域では、光量が低下しやすいビーコン光を効率よく受光するために透過率を高めて追尾光を高出力とし、通信が行われる精追尾領域では、反射率を高めて通信光を高出力とする、などというように可変してもよい。
【００８０】
また、上記の説明では、通信光の受光手段が光ファイバである例で説明したが、例えば、光検出器などの受光手段であってもよい。
【００８１】
また、上記の説明では、第２の光学素子が反射光学素子やレンズ素子などの場合で説明したが、実質的なアフォーカル光学系と、少なくとも広追尾を行うための分岐光学系を構成できれば、その他の構成を採用してもよい。例えば、フレネルレンズ、ＤＯＥ（回折光学素子）、ＨＯＥ（ホログラム素子）などであってもよい。
また、上記の説明では、第１の光学素子が反射光学素子の場合で説明したが、光軸に対して偏心または傾いて配置され、入射、出射光路上に光路の妨げとなる他の光学素子を配置することなく実質的なアフォーカル光学系を構成できれば、透過光学素子を用いてもよい。また光学素子のタイプは、フレネルレンズ、ＤＯＥ（回折光学素子）、ＨＯＥ（ホログラム素子）などであってもよい。
【００８２】
また、上記の説明では、送光するビーコン光と通信光とが別々の場合で説明したが、ビーコン光と通信光とを同軸に出射したり、通信光でビーコン光を兼用したりする構成を採用してもよい。
【００８３】
また、上記の第４の実施形態の説明で、第１の部分反射面に送光される通信光が透過する場合でも、光検出器に入射しないレイアウトが可能であると説明したが、このことは、第１〜第３の実施形態における第１の部分反射面の反射部が送信される通信光を１００％反射しない構成である場合にも同様に当てはまり、同様な効果を奏するものである。
【００８４】
また、上記に説明した技術的思想や技術要素は、技術的に可能な範囲で適宜に組み合わせた実施形態をとることができる。
【実施例１】
【００８５】
次に、上記に説明した第１の実施形態の空間光伝送装置の偏心光学系の第１数値実施例を示す。図３〜６は、本実施例の光路を示している。光路１、２、３は、それぞれ図３（５）、４、６に示す光路に対応する。
下記に第１数値実施例の光学系の構成パラメータを示す。図３〜６に表記されたｒｉ、ｄｉ、ｎｉ（ｉは整数）は、下記に示す光学系の構成パラメータの曲率半径、面間隔ｄｉ、屈折率ｎｉに対応する。また屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記している（各実施例共通）。
【００８６】
（光路１）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞ d1 =0.00
2 絞り面 d2 = 0.00
3 FFS[1] d3 = 0.00 偏心[1]
4 FFS[2] d4 = 0.00 偏心[2]
5 ∞ d5 = 0.00 偏心[3]
6 FFS[3] d6 = 0.00 偏心[4]
7 ∞ d7 = 0.00 偏心[5]
8 ∞ d8 = 0.00 偏心[6]
9 5.36 d9 = 1.39 n1 = 1.6700 ν1 = 47.2
10 ∞ d10= 7.17
像 面 ∞ d11= 0.00
ＦＦＳ[1]
Ｃ4 -3.7206x10-3 Ｃ6 -3.1817x10-3 Ｃ8 9.6762x10-6
Ｃ10 8.6162x10-6 Ｃ11 -4.9297x10-9 Ｃ13 -3.9445x10-8
Ｃ15 -3.8896x10-8
ＦＦＳ[2]
Ｃ4 -9.2260x10-3 Ｃ6 -6.8245x10-3 Ｃ8 1.3719x10-4
Ｃ10 1.1543x10-4 Ｃ11 1.7658x10-6 Ｃ13 -6.7535x10-8
Ｃ15 -2.1936x10-6
ＦＦＳ[3]
Ｃ4 -2.3942x10-2 Ｃ6 -2.1073x10-2 Ｃ8 -2.9866x10-4
Ｃ10 -2.1191x10-4 Ｃ11 1.0448x10-4 Ｃ13 1.0442x10-4
Ｃ15 -3.7073x10-6 Ｃ17 -5.3318x10-5
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 40.00
α 21.02 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -34.28 Ｚ 1.98
α 16.36 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -40.58 Ｚ 40.34
α -0.68 β -45.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ -47.00 Ｚ 79.45
α 10.67 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ -55.80 Ｚ 64.61
α 15.33 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ -55.80 Ｚ 77.70
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
【００８７】
（光路２）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞ d1 =0.00
2 絞り面 d2 = 0.00
3 FFS[1] d3 = 0.00 偏心[1]
4 FFS[2] d4 = 0.00 偏心[2]
5 ∞ d5 = 0.00 偏心[3]
12 ∞ d12= 0.00 偏心[7]
像 面 ∞ d13= 0.00
偏心[7]
Ｘ -29.91 Ｙ -44.87 Ｚ 40.29
α 0.00 β -90.00 γ 0.00
【００８８】
（光路３）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞ d1 =0.00
2 絞り面 d2 = 0.00
3 FFS[1] d3 = 0.00 偏心[1]
14 FFS[2] d14= 0.00 偏心[2] n2 = 1.5163 ν2 = 64.1
15 100.0 d15= 0.00 偏心[8]
16 ∞ d16= 0.00 偏心[9]
像 面 ∞ d17= 0.00
偏心[8]
Ｘ 0.00 Ｙ -42.00 Ｚ - 3.00
α 25.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[9]
Ｘ 0.00 Ｙ -46.73 Ｚ -14.90
α 44.00 β 0.00 γ 0.00
【実施例２】
【００８９】
次に、上記に説明した第２の実施形態の空間光伝送装置の偏心光学系に対応する第２数値実施例を示す。図８、４、９は本実施例の光路を示している。光路１、２、３は、それぞれ図８、４、９に示す光路に対応する。
下記に第２数値実施例の光学系の構成パラメータを示す。図８、４、９に表記されたｒｉ、ｄｉ、ｎｉ（ｉは整数）は、下記に示す光学系の構成パラメータの曲率半径、面間隔ｄｉ、屈折率ｎｉに対応する。座標系その他は実施例１と同様である。
【００９０】
（光路１）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞ d1 =0.00
2 絞り面 d2 = 0.00
3 FFS[1] d3 = 0.00 偏心[1]
4 FFS[2] d4 = 0.00 偏心[2]
5 ∞ d5 = 0.00 偏心[3]
6 FFS[3] d6 = 0.00 偏心[4]
7 ∞ d7 = 0.00 偏心[5]
8 ∞ d8 = 0.00 偏心[6]
9 5.36 d9 = 1.39 n1 = 1.6700 ν1 = 47.2
10 ∞ d10= 7.17
像 面 ∞ d11= 0.00
ＦＦＳ[1]
Ｃ4 -3.7206x10-3 Ｃ6 -3.1817x10-3 Ｃ8 9.6762x10-6
Ｃ10 8.6162x10-6 Ｃ11 -4.9297x10-9 Ｃ13 -3.9445x10-8
Ｃ15 -3.8896x10-8
ＦＦＳ[2]
Ｃ4 -9.2260x10-3 Ｃ6 -6.8245x10-3
ＦＦＳ[3]
Ｃ4 -2.3942x10-2 Ｃ6 -2.1073x10-2 Ｃ8 -2.9866x10-4
Ｃ10 -2.1191x10-4 Ｃ11 1.0448x10-4 Ｃ13 1.0442x10-4
Ｃ15 -3.7073x10-6 Ｃ17 -5.3318x10-5
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 40.00
α 21.02 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -34.28 Ｚ 1.98
α 16.36 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -40.58 Ｚ 40.34
α -0.68 β -45.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ -47.00 Ｚ 79.45
α 10.67 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ -55.80 Ｚ 64.61
α 15.33 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ -55.80 Ｚ 77.70
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
【００９１】
（光路２）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞ d1 =0.00
2 絞り面 d2 = 0.00
3 FFS[1] d3 = 0.00 偏心[1]
4 FFS[2] d4 = 0.00 偏心[2]
5 ∞ d5 = 0.00 偏心[3]
12 ∞ d12= 0.00 偏心[8]
像 面 ∞ d13= 0.00
偏心[8]
Ｘ -29.91 Ｙ -44.87 Ｚ 40.29
α 0.00 β -90.00 γ 0.00
【００９２】
（光路３）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞ d1 =0.00
2 絞り面 d2 = 0.00
3 FFS[1] d3 = 0.00 偏心[1]
14 FFS[2] d14= 0.00 偏心[2] n2 = 1.5163 ν2 = 64.1
15 ∞ d15= 0.00 偏心[9] n2 = 1.5163 ν2 = 64.1
16 FFS[2] d16= 0.00 偏心[2] n2 = 1.5163 ν2 = 64.1
17 ∞ d17= 0.00 偏心[9]
18 ∞ d18= 0.00 偏心[10]
像 面 ∞ d19= 0.00
偏心[9]
Ｘ 0.00 Ｙ -45.00 Ｚ 0.00
α 20.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[10]
Ｘ 0.00 Ｙ -45.00 Ｚ -10.00
α 25.00 β 0.00 γ 0.00
【実施例３】
【００９３】
次に、上記に説明した第３の実施形態の空間光伝送装置の偏心光学系に対応する第３数値実施例を示す。図１０、４、１１は、本実施例の光路を示している。光路１、２、３は、それぞれ図１０、４、１１に示す光路に対応する。
下記に第３数値実施例の光学系の構成パラメータを示す。図１０、４、１１に表記されたｒｉ、ｄｉ、ｎｉ（ｉは整数）は、下記に示す光学系の構成パラメータの曲率半径、面間隔ｄｉ、屈折率ｎｉに対応する。座標系その他は実施例１と同様である。
【００９４】
（光路１）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞ d1 =0.00
2 絞り面 d2 = 0.00
3 FFS[1] d3 = 0.00 偏心[1]
4 FFS[2] d4 = 0.00 偏心[2]
5 FFS[3] d5 = 0.00 偏心[3]
6 ∞ d6 = 0.00 偏心[4]
7 ∞ d7 =13.71 偏心[5]
8 5.36 d8 = 1.39 n1 = 1.6700 ν1 = 47.2
9 ∞ d9 = 7.17
像 面 ∞ d10= 0.00
ＦＦＳ[1]
Ｃ4 -3.4695x10-3 Ｃ6 -3.0627x10-3 Ｃ8 7.0058x10-6
Ｃ10 6.4008x10-6 Ｃ11 -4.5924x10-8 Ｃ13 -6.9392x10-8
Ｃ15 -2.9317x10-8
ＦＦＳ[2]
Ｃ4 -1.2961x10-2 Ｃ6 -1.0243x10-2 Ｃ8 1.5540x10-4
Ｃ10 1.2949x10-4 Ｃ11 -8.3760x10-6 Ｃ13 -2.0022x10-5
Ｃ15 -5.3816x10-6
ＦＦＳ[3]
Ｃ4 -2.4525x10-2 Ｃ6 -1.6367x10-2 Ｃ8 -3.4732x10-3
Ｃ10 -1.6409x10-4 Ｃ11 8.3339x10-3 Ｃ13 -3.7336x10-3
Ｃ15 -4.3095x10-4 Ｃ17 4.0623x10-3
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 40.00
α 19.04 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -36.88 Ｚ -7.27
α 15.82 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -47.00 Ｚ 77.48
α 27.87 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ -65.13 Ｚ 68.00
α 30.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ -65.21 Ｚ 70.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
【００９５】
（光路２）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞ d1 =0.00
2 絞り面 d2 = 0.00
3 FFS[1] d3 = 0.00 偏心[1]
4 FFS[2] d4 = 0.00 偏心[2]
11 ∞ d11= 0.00 偏心[6]
12 ∞ d12= 0.00 偏心[7]
像 面 ∞ d13= 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ -43.31 Ｚ 34.3
α -13.83 β -45.00 γ 0.00
偏心[7]
Ｘ -23.32 Ｙ -38.30 Ｚ 35.53
α 0.00 β -90.00 γ 0.00
【００９６】
（光路３）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞ d1 =0.00
2 絞り面 d2 = 0.00
3 FFS[1] d3 = 0.00 偏心[1]
14 FFS[2] d14= 0.00 偏心[2] n2 = 1.5163 ν2 = 64.1
15 ∞ d15= 0.00 偏心[8]
16 ∞ d16= 0.00 偏心[9]
像 面 ∞ d17= 0.00
偏心[8]
Ｘ 0.00 Ｙ -39.24 Ｚ -11.07
α 9.58 β 0.00 γ 0.00
偏心[9]
Ｘ -0.00 Ｙ -45.91 Ｚ -18.52
α 22.87 β 0.00 γ 0.00
【実施例４】
【００９７】
次に、上記に説明した第４の実施形態の空間光伝送装置の偏心光学系に対応する第４数値実施例を示す。図１３、１５は本実施例の光路を示している。光路１、２は、それぞれ図１３、１５に示す光路に対応する。
下記に第４数値実施例の光学系の構成パラメータを示す。図１３、１５に表記されたｒｉ、ｄｉ、ｎｉ（ｉは整数）は、下記に示す光学系の構成パラメータの曲率半径、面間隔ｄｉ、屈折率ｎｉに対応する。座標系その他は実施例１と同様である。
【００９８】
（光路１）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞ d1 =0.00
2 絞り面 d2 = 0.00
3 FFS[1] d3 = 0.00 偏心[1]
4 FFS[2] d4 = 0.00 偏心[2]
5 ∞ d5 = 0.00 偏心[3]
6 ∞ d6 =10.00 偏心[4]
7 5.36 d7 = 1.39 n1 = 1.6700 ν1 = 47.2
8 ∞ d8 = 7.17
像 面 ∞ d9 = 0.00
ＦＦＳ[1]
Ｃ4 -5.4558x10-3 Ｃ6 -4.8560x10-3 Ｃ8 1.2757x10-5
Ｃ10 1.8739x10-5 Ｃ11 -8.4074x10-8 Ｃ13 -2.1045x10-7
Ｃ15 -7.4453x10-8
ＦＦＳ[2]
Ｃ4 -3.0751x10-2 Ｃ6 -2.9836x10-2 Ｃ8 -1.1195x10-3
Ｃ10 1.1096x10-3 Ｃ11 -1.0608x10-4 Ｃ13 -1.6098x10-4
Ｃ15 2.0348x10-5 Ｃ17 6.1279x10-5 Ｃ19 -1.0386x10-4
Ｃ21 -4.1271x10-5
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 40.00
α 20.65 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -26.59 Ｚ 9.73
α 20.61 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -26.63 Ｚ 40.00
α 45.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ -45.00 Ｚ 40.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
【００９９】
（光路２）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞ d1 = 0.00
2 絞り面 d2 = 0.00
3 FFS[1] d3 = 0.00 偏心[1]
9 FFS[2] d9 = 0.00 偏心[2] n2 = 1.5163 ν2 = 64.1
10 ∞ d10= 0.00 偏心[5]
11 ∞ d11= 0.00 偏心[6]
像 面 ∞ d12= 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ -28.27 Ｚ 7.24
α 32.42 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ -30.86 Ｚ 3.56
α 30.86 β 0.00 γ 0.00
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の第１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光学系の光軸を含む断面における模式断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る空間光伝送装置に用いる偏心光学系について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。
【図３】同じく通信光の光路について説明するための光路図である。
【図４】同じく粗追尾のための光路について説明するための平面視の光路図である。
【図５】同じく精追尾のための光路について説明するための平面視の光路図である。
【図６】同じく広追尾のための光路について説明するための光軸を含む断面の光路図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る空間光伝送装置の第１の部分反射面上における入射画角とスポット径の位置関係について説明するため模式説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る空間光伝送装置に用いる偏心光学系について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。
【図９】同じく広追尾のための光路について説明するための光軸を含む断面の光路図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る空間光伝送装置に用いる偏心光学系について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。
【図１１】同じく広追尾のための光路について説明するための光軸を含む断面の光路図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る空間光伝送装置に用いる偏心光学系について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。
【図１３】同じく通信光の光路について説明するための光路図である。
【図１４】同じく粗追尾のための光路について説明するための平面視の光路図である。
【図１５】同じく広追尾のための光路について説明するための光軸を含む断面の光路図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１、２００、２０１、２０２ 偏心光学系
２ 開口絞り
３、２０、２４、２９ 反射光学素子（第１の光学素子）
３ａ、２０ａ、２４ａ、２９ａ 反射面
４、２１、２５、３０ 分岐光学素子（第２の光学素子）
４Ａ、２１Ａ、２５Ａ 凸面（第１の部分反射面）
４Ｂ 透過面（パワーを有する光学作用面）
４ａ、２１ａ、２１ｃ、２５ａ 反射部
４ｂ、２１ｂ、２１ｄ 透過部
５、９ 光路分割素子
６ 中間像
７ 反射光学素子（第３の光学素子）
７ａ、８ａ 反射面
８ 偏向ミラー
１０ カップリングレンズ
１１ 光ファイバ
１１ａ ファイバ受光面
１２ 通信光
１３、１５ ４分割受光器（光検出器）
１３ａ、１５ａ、１６ａ、３１ａ 受光面
１４ 集光レンズ
１６、３１ 位置検出器（光検出器）
１７ 結像面
２１Ｂ 部分反射面（第２の部分反射面）
２５Ｂ、３０Ｂ 透過平面
３０Ａ ハーフミラー面（第１の部分透過面）
３５ 通信光光源
４０ 入射方向検出手段
４４ ジンバルステージ
４４ｄ 駆動制御手段
５０ 軸上主光線（光軸）
５１ 入射光束（入力光）
１００ 空間光伝送装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間光伝送装置に関する。例えば、広範囲な捕捉・追尾が必要とされ、環境ノイズに強いことが要求される長距離追尾などを行うための空間光伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に空間光伝送装置を用いた通信は、送信側と受信側がお互いに相手側方向を向いて通信光を送受光する。そして通信中は、送信側からの通信光が受信側受光部から外れて通信がとぎれることがないように相手の光束を追尾し続ける必要がある。また、長距離の送受光を達成するためには、光学系による性能劣化を最小限にする必要がある。
このような従来の空間光伝送装置として、例えば、特許文献１には、凹面からなる主鏡に対して凸面からなる副鏡が共軸となるように対向配置し、これらの双方で反射された第１光束をコリメータレンズで平行光束化するカセグレンタイプ光学系により光通信を行い、主鏡で反射され副鏡を透過した第１光束と波長の異なる第２光束で通信相手の位置情報を検出するようにした光通信光学装置が記載されている。
また、特許文献２には、同様にカセグレンタイプ光学系からなり、副鏡の光軸近傍に光通過領域を設け、その光通過領域を介して標識光束を入出射するようにした光通信光学装置が記載されている。
【特許文献１】特開平６−３３７３５５号公報（第２−５頁、図１−２）
【特許文献２】特開平７−８４１８６号公報（第２−５頁、図１−２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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。
特許文献１に記載された技術では、カセグレンタイプ光学系を用いるので、球面収差、色収差の発生がなく光学系も折り畳むことができるため、コンパクトで高性能な装置とすることができるものの、主鏡と副鏡とが共軸に配置されているため、副鏡部分の光束が遮蔽される。また、副鏡後に位置検出器を配置しているため、位置検出器の大きさ（電気回路、メカ部材も含めて）の光束を遮蔽することになる。
そのため、光軸近傍の重要な光束を導くことができず、その分が光量損失となり、光利用効率が劣ってしまうという問題がある。
また、副鏡に第２光束を半透過するコーティングを施すことで、受信の際に第１光束の波長と異なる第２光束（ビーコン光）を受信し相手の位置を知ることができるが、送信の際は、高パワーのビーコン光が内部から副鏡に照射されるので、高パワーの送信ビーコン光が位置検出器に導かれる。そのため、送信時に、送信ビーコン光と受信ビーコン光を同時に検出することになるから、例えば時分割や波長分割などを行わなければ相手位置検出が難しくなるため装置構成が複雑で高価なものとなるという問題がある。
また、特許文献２に記載の技術では、同様にカセグレンタイプ光学系を用いるため、通信光、ビーコン光ともに、副鏡により光束の中心が遮蔽され光量損失が発生し、光利用効率が劣ってしまうという問題がある。
特に軸外光束においては、このような光量損失に加えて主鏡で反射した光束の一部が副鏡中心の光通過領域に導かれ内部光学系まで到達しないことによる光量損失が発生する。つまり軸外光束では画角によりケラレ量が変化し、その結果、追尾の際にビーコン光のパワーが変化して追尾エラーが発生しやすくなるという問題がある。
光量損失を低減するために、副鏡中心の光通過領域を小さくすることも考えられるが、光通過領域が小さいと送信ビーコン光の光束径を副鏡付近で小さくしなければならず、その結果、ビーコン光の拡散角が不適切となって追尾エラーが発生しやすいという問題がある。
【０００４】
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、入力光の光利用効率が高く、比較的広範囲の軸外光の捕捉・追尾にも対応可能な広画角の光学系を備えた空間光伝送装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するために、本発明の空間光伝送装置は、略平行な光束を入力光とする実質的なアフォーカル光学系を有する空間光伝送装置であって、前記実質的なアフォーカル光学系が、前記入力光の光路に沿う順に、前記入力光の光軸から偏心または傾いて配置された正のパワーを有する第１の光学素子と、前記入力光の光軸から偏心または傾いて配置された負のパワーを有する第１の部分反射面が形成された第２の光学素子とを備える偏心光学系からなり、前記第１の部分反射面による反射光の光路上に射出瞳が形成された構成とする。
このような構成によれば、第１の光学素子に入射する略平行な光束からなる入力光が正のパワーを受けて集光され、集光された光束が、第２の光学素子に形成された第１の部分反射面に対して画角ごとに異なる位置に入射する。そして第１の部分反射面上の入射位置による反射率分布に応じて光束の一部または全部が反射され、反射光は第１の部分反射面の負のパワーを受けて拡散され、光路上に射出瞳が形成される。したがって、この偏心光学系により、略平行な入力光の一部または全部が、入射画角に応じて所定の角倍率で縮径された略平行光束となる実質的なアフォーカル光学系が形成される。
一方、入力光の画角に応じて第１の部分反射面を透過する透過光は、第１の部分反射面を透過する際に正のパワーを受けてさらに集光される。
したがって、例えば、反射面を入力光の光軸の近傍の範囲に設けることにより、相対的に画角が小さい入力光を反射して射出瞳に導く実質的なアフォーカル光学系の光路と、相対的に画角が大きい入力光を第１の部分反射面で透過し、第２の光学素子の裏面側に導いて集光する入力光の分岐光学系の光路とを形成することができる。
そのため、簡素な構成により、少なくとも２つの入射画角範囲の入力光を観察およびセンシングしたり、受光したりすることができる。例えば、入射画角が小さい範囲の入力光は射出瞳の範囲で観察し、入射画角がその範囲を超える入力光は第２の光学素子の裏面側で観察することができる。その際、第２の光学素子の透過光は集光されているので、画角に比べて限定された範囲で観察することができる。その結果、コンパクトな構成でありながら、実質的なアフォーカル光学系のみからなる場合に比べて、広範囲の画角を有する入力光を観察することが可能となる。
例えば、前者を通信光や相対的に小さい画角範囲の追尾光として利用し、後者をより大きい画角範囲の追尾光などとして利用することにより、実質的なアフォーカル光学系のみの場合に比べて、広範囲の軸外光の捕捉、追尾を行うことが可能となる。
その際、第１、第２の光学素子は、入力光の光軸に対して偏心または傾いて配置された偏心光学系であるため、入力光が各光学素子により遮蔽されて光量損失が生じることがないように配置することができる。
【０００６】
ここで、第１の部分反射面は、入力光の一部が反射されるものであれば、例えば、一部に反射部、他部分に透過部が形成された構成でもよいし、また一部にハーフミラー部、他部分に透過部が形成された構成でもよいし、また全部がハーフミラー面からなる構成でもよい。また、それら反射部、透過部、ハーフミラー面の大きさ、形状、反射率分布は必要に応じて適宜に設定することができる。
【０００７】
本発明の空間光伝送装置では、前記実質的なアフォーカル光学系が、前記第２の光学素子の反射光の光路上に正のパワーを有する第３の光学素子を備え、前記第２の光学素子と前記第３の光学素子との間に中間像が形成され、前記第３の光学素子により射出瞳が形成される構成とすることが好ましい。
この場合、実質的なアフォーカル光学系を、第２の光学素子と第３の光学素子との間に中間像を形成して、第３の光学素子により射出瞳が形成されるものとするので、いわゆるケプラータイプのアフォーカル光学系とすることができる。
そのため、射出瞳位置に例えば偏向ミラーなどの光学素子を比較的容易に配置することができ、高機能な光学系を構成しやすくなる。例えば、中間像を形成しないいわゆるガリレオタイプのアフォーカル光学系ではアフォーカル光学系を構成する２つの光学素子の中間に射出瞳が形成されるため射出瞳位置に偏向ミラーなどの光学素子を配置することができない。そこでそのような光学素子を配置する場合には射出瞳位置以外の位置に配置しなければならず、ケラレを防止するためにはより広い光学面が必要となってしまう。したがって偏向ミラーなどの光学素子を配置する場合、このようなガリレオタイプに比べてケプラータイプは高倍率、高画角の光学系に対応しやすく小型化もしやすいものである。
【０００８】
また、本発明の空間光伝送装置では、前記第２の光学素子が、前記第１の部分反射面の透過側に、パワーを有する光学作用面を備える構成とすることが好ましい。
この場合、第１の部分反射面を透過した透過光がパワーを有する光学作用面により集光されるから、適宜のパワーを持たせることにより、透過光の光学特性、例えば集光位置、スポット径、画角に対する像面での走査特性などを適宜調整することができる。したがって、例えば透過光を追尾光として用いる場合には、光検出器に対する光学特性を調整して、レイアウトの最適化を図ったり、検出精度の向上を図ったりすることができる。
【０００９】
また、本発明の空間光伝送装置では、前記第２の光学素子が、前記第１の部分反射面の透過光を前記第１の部分反射面に向けて反射し、前記第１の部分反射面の裏面で少なくとも１回反射した光を透過させる第２の部分反射面を備えることが好ましい。
この場合、第２の部分反射面を設けることにより、第１の部分反射面を透過した透過光を、第２の部分反射面と第１の部分反射面とでそれぞれの少なくとも１回反射させてから、第２の部分反射面を透過させることができるので、第１の部分反射面を透過した透過光の光路を折り畳んでコンパクトな構成とすることができる。
また、第１、第２の部分反射面のパワーを内部反射面として用いることができるので、少ない部品構成で高性能な光学系を構成することができる。
【００１０】
ここで、第２の部分反射面は、第１の部分反射面の透過光を少なくとも１回反射できるものであれば、例えば、一部に反射部、他部分に透過部が形成された構成でもよいし、また一部にハーフミラー面、他部分に透過部が形成された構成でもよいし、また全部がハーフミラー面からなる構成でもよい。ただし、光利用効率の点では、反射部と透過部とを有する構成とすることが好ましい。また、第２の部分反射面の反射部は全反射面とすることがより好ましい。ここで言う全反射は、硝材内部で光線入射角が臨界角以上の場合に発生する全反射ではない。
また、第２の部分反射面は、パワーを有する形状としてもよいし、平面としてもよい。
【００１１】
また、本発明の空間光伝送装置では、前記入力光のうち、少なくとも前記第１の部分反射面の透過光を検出する光検出器を備えることが好ましい。
この場合、第１の部分反射面を透過した相対的に大きな入射画角を有する透過光を検出する光検出器を備えることにより、実質的なアフォーカル光学系からは得られない大きな入射画角の入力光の情報を得ることができる。例えば、光検出器により、透過光の位置情報を検出することにより、第１の部分反射面で反射されない広画角の範囲での入力光の位置検出を行うことができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の空間光伝送装置によれば、入力光の光軸から偏心または傾いて配置された偏心光学系により実質的なアフォーカル光学系を構成するので、光量損失を低減して入力光の光利用効率が高めることができ、入力光を入射画角に応じて、第２の光学素子の第１の部分反射面で反射される光と、第２の光学素子を透過する光とに分岐することにより、それぞれ入射画角の異なる光を観察およびセンシング、受光可能とするので、比較的広範囲の軸外光の捕捉・追尾にも対応可能な広画角の光学系を備えることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下では、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。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の符号を付し、共通する説明は省略する。
［第１の実施形態］
本発明の第１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は、本発明の第１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光学系の光軸を含む断面における模式断面図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る空間光伝送装置に用いる偏心光学系について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。図３は、同じく通信光の光路について説明するための光路図である。図４は、同じく粗追尾のための光路について説明するための平面視の光路図である。図５は、同じく精追尾のための光路について説明するための平面視の光路図である。図６は、同じく広追尾のための光路について説明するための光軸を含む断面の光路図である。なお図中の光線は、それぞれ主光線と２本の従属光線により描いている（以下、同様）。入射画角は、図３、５では０°、図４では０°、±１°（紙面垂直軸回り）、図６では０°、±１０°（紙面垂直軸回り）である。
【００１４】
本実施形態の空間光伝送装置１００は、互いに離れた複数の装置間で、ビーコン光を投射して互いの位置捕捉を行い、互いの出射方向を追尾しながら通信光を送受光するための装置である。その概略構成は、図１に示すように、ジンバルステージ４４により可動支持された筐体４３の内部に、ビーコン光光源３６、通信光光源３５、偏心光学系１、位置検出器１６Ａ（光検出器）、位置検出器１６Ｂ、４分割受光器１５、および入射方向検出手段４０からなる。
【００１５】
ジンバルステージ４４は、支持台４４ｃ上に、水平方向に回転移動可能な水平回転駆動部４４ｂと、鉛直面内で回転移動可能なティルト駆動部４４ａとからなる。そして、駆動制御手段４４ｄに入力された制御信号１０２に基づいて筐体４３を２軸方向まわりに回転移動できるようになっている。
【００１６】
ビーコン光光源３６は、光伝送の相手側の装置が空間光伝送装置１００の位置を捕捉するためのビーコン光５４を適宜の照射範囲が得られるような発散角で投射するための光源であり、例えば、レーザ光源およびコリメートレンズなどから構成される。
通信光光源３５は、光伝送の相手側の装置に通信光５３を投射するための光源であり、例えば、レーザ光源およびコリメートレンズなどから構成される。
通信光５３は、通信のＳ／Ｎ比が低下しないように正確にコリメートされた状態で、通信光光源３５から偏心光学系１に入射される。そして、倍率βで拡径されて開口絞り２から外部に出射されるようになっている。
【００１７】
また、通信光光源３５、ビーコン光光源３６は、それぞれ送光制御手段１１３と接続され、外部からの送光制御信号１０１に基づいて、送光の出力やタイミングが制御される。すなわち、適宜の通信手順に基づいて、例えば初期通信時にビーコン光５４のみを点灯し相手側により捕捉されてから通信光５３を送光する、といったような制御が行われる。
ここで、通信光５３とビーコン光５４との波長は、相手側により互いに区別できれば、同じ波長でもよいが、波長を変えておけば、相手側で通信光５３とビーコン光５４とを容易に区別できるので好都合である。
【００１８】
偏心光学系１は、装置の外部から開口絞り２を通して入射する略平行光の入射光束５１（入力光）を光束径が１／β倍に縮径された略平行光の入射光５２に変換する角倍率βの実質的なアフォーカル光学系と、その光路の途中で分岐光５５ａ、５５ｂ、５５ｃを分岐してそれぞれ位置検出器１６Ａ、１６Ｂ、４分割受光器１５に導く分岐光学系とからなる。
入射光５２は、カップリングレンズ１０により集光され、光ファイバ１１のファイバ受光面１１ａに結合される。そして光ファイバ１１を通して通信光１２として伝送されるようになっている。
【００１９】
分岐光５５ａは、入射光束５１のうち入射画角ωが相対的に大きい光束（本実施形態では、１°≦｜ω｜≦１０°）を分岐したものである。
位置検出器１６Ａは、送受光の相手側から送光されたビーコン光や通信光の入射画角を検出するために、分岐光５５ａを受光面１６ａにより受光し、受光面１６ａ上での２軸方向の位置を検出する位置検出器である。位置検出器１６Ａとしては、比較的小さいスポット径により広範囲で高精度に位置が検出できる光検出器、例えば、電子撮像素子（以下ＣＣＤ）、位置検出受光器（以下２次元ＰＳＤ）などを採用することができる。この検出出力は入射方向検出手段４０に送られて入射方向の検出に用いられる。
以下、分岐光５５ａを用いた追尾を広追尾と称する。
【００２０】
分岐光５５ｂは、入射光束５１のうち分岐光５５ａより入射画角ωが相対的に小さい光束（本実施形態では、０°≦｜ω｜≦１°）を分岐したものである。
位置検出器１６Ｂは、送受光の相手側から送光されたビーコン光や通信光の入射画角を検出するために、分岐光５５ｂを受光面１６ａで受光して、受光面１６ａ上での２軸方向の位置が検出可能な検出出力を生成するものである。位置検出器１６Ｂとしては、位置検出器１６Ａと同構成のもの、または基本構成が同一で受光面の大きさや受光面の位置分解能が異なるものを採用できる。
以下、分岐光５５ｂを用いた追尾を粗追尾と称する。
【００２１】
分岐光５５ｃは、送受光の相手側から送光されたビーコン光や通信光の入射画角を検出するために、入射光束５１を、分岐光５５ａ、５５ｂに比べてファイバ受光面１１ａに近い位置で分岐し、相対的に最も小さい範囲の入射画角ωの光束（本実施形態では、０°≦｜ω｜≦０．０５°）を高精度に位置検出できるようにしたものである。
４分割受光器１５は、４分割フォトダイオード（以下ＱＤ）からなる受光面１５ａにより分割面ごとの受光量を検出し、それらを演算することにより、受光面１５ａ上に入射する分岐光５５ｃの２軸方向の位置に応じた検出出力を生成する光検出器である。この検出出力は入射方向検出手段４０に送られて入射画角、入射方向の検出に用いられる。
４分割受光器１５は、例えばＣＣＤなどと比べて位置の検出範囲は狭いものの、高分解能を有している。そのため、４分割受光器１５によれば、本実施形態の場合、入射画角ω＝０．０５°以下の入射光束５１の入射画角を検出することができる。
以下、分岐光５５ｃを用いた追尾を精追尾と称する。
【００２２】
入射方向検出手段４０は、位置検出器１６Ａ、１６Ｂ、４分割受光器１５から送出される検出出力に所定の演算を施して、それぞれの受光面上での基準位置からのずれ量を算出し、それぞれの光学レイアウトに基づいて入射方向を検出し、入射画角を０°に近づけるための補正量に換算するための検出手段である。
そして、位置検出器１６Ａ、１６Ｂから検出される入射画角のずれに応じてジンバルステージ４４を駆動して、入射光束５１の入射方向に合わせて筐体４３を移動させる制御信号１０２を駆動制御手段４４ｄに対して送出するようになっている。
ずれ量が適宜の目標値に達し、精追尾動作可能となると、ジンバルステージ４４の位置を固定し、４分割受光器１５の検出出力により後述する偏向ミラー８（図２参照）の駆動手段（不図示）に制御信号１０３を送出して、入射光５２がファイバ受光面１１ａに最適にカップリングされるように偏向ミラー８の偏向角を制御する精追尾動作を行えるようになっている。
ここでずれ量の適宜の目標値は、精追尾に円滑に移行できる値とする。本実施形態の場合、±０．０５°かそれよりわずかに狭い範囲を採用することができる。ただし、精追尾範囲を異なる範囲に設定している場合には、この目標値も精追尾範囲に応じて変更することは言うまでもない。
【００２３】
次に、偏心光学系１の構成について説明する。
図２に示すように、偏心光学系１の概略構成は、開口絞り２、反射光学素子３（第１の光学素子）、分岐光学素子４（第２の光学素子）、光路分岐素子５、反射光学素子７（第３の光学素子）、偏向ミラー８、光路分岐素子９、および集光レンズ１４（図５参照）からなる。
【００２４】
開口絞り２は、入射光束５１の光束径を規制するためのもので、偏心光学系１の入射瞳をなしている。本実施形態では、直径Ｄの円孔絞りとしている。軸上主光線５０は、主光線のうち、開口絞り２の中心Ｏを通り、受光面の中心に入射する光線である。また軸上主光線に一致した光路を光軸とする。
なお、本実施形態では、図示の紙面垂直方向に入射画角を有していてもよい。しかし、以下では説明を簡単にするために、軸上主光線５０の光路を含む平面内の２次元光路について説明し、必要に応じて３次元光路について説明する。特に断らなければ、２次元光路について述べることは３次元光路にも容易に拡張できる。
【００２５】
反射光学素子３は、開口絞り２を透過した入射光束５１を反射して光路を折り畳むとともに集光するための光学素子で、反射面３ａが、正のパワーを有する回転非対称な曲面からなる自由曲面により構成されている。そして、反射面３ａは、反射光を物体の入射光束５１の光束外に導くため、入射光束５１の光軸に対して図示の紙面垂直軸から見て反時計回り（後述する座標系のＸ軸回り正方向）に偏心して配置されている。
反射面３ａの形状は、通常発生する収差の他にも、反射面３ａを偏心させたことにより発生する特殊な偏心収差、例えば軸上における非点収差、コマ収差、偏心収差独特の弓形や台形の形状になるディストーション（像歪み）などを補正するような形状とする。そのためには、図示の紙面に一致する平面（後述する座標系におけるＹ−Ｚ平面）のみを対称面とするような回転非対称な曲面とすることが好ましい。
反射光学素子３は、最も物体側の光学素子として、偏心光学系１の主たるパワーを担う光学素子とされている。
【００２６】
ここで、以下に用いる座標系と自由曲面式について説明する。
座標系は、図２に示すように、物体側から開口絞り２、反射光学素子３に向う光線追跡で、入射側光軸を、軸上主光線５０のうち絞り面を形成する開口絞り２の中心に直交し反射光学素子３の反射光学素子３の中心に至る光線として定義する。そして光線追跡において、開口絞り２の中心を偏心光学系の偏心光学面の原点Ｏとして（ただし、図示の座標軸は光路との重なりを避けるために原点位置をずらしている）、入射側光軸に沿う方向をＺ軸方向とし、物体側から偏心光学系の開口絞り２に向かう方向をＺ軸正方向とし、紙面をＹ−Ｚ平面とし、紙面の表から裏へ向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。
【００２７】
傾き角は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を中心とする傾き角をそれぞれα、β、γとしたとき、傾き角αとβの正はそれぞれＸ軸、Ｙ軸の正方向に対して反時計回りを、傾き角γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りの角度と定義する。
そして、各光学作用面を座標系で表す場合、軸上主光線５０を物体から像面に向かう方向で順光線追跡し、開口絞り２と軸上主光線５０が交差する点を原点として、Ｘ軸を紙面垂直方向に保って、Ｚ軸が軸上主光線５０に一致するように、Ｙ、Ｚ軸を回転させたローカル座標系で表す。ただし、後述する実施例１〜２の光路１において、面番号８以降の面は、面番号８の偏心座標（角度）を原点として扱う。同じく実施例３の光路１においては、面番号７以降の面を面番号７の偏心座標（角度）を原点として扱う。同じく実施例４の光路１においては、面番号６以降の面を面番号６の偏心座標（角度）を原点として扱う。
なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、面の中心軸とそのＸＹＺ直交座標系を、まずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した面の中心軸を新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させると共に１度回転した座標系もＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その２度回転した面の中心軸を新たな座標系の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。
【００２８】
本実施例で用いられる自由曲面の形状は、例えば、下記の式（ａ）により定義される自由曲面式で表現される。式（ａ）のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【数１】
ここで、（ａ）式の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。球面項中、Ｒは頂点の近軸曲率半径、ｋはコーニック定数（円錐定数）であり、ｒ＝√（Ｘ2 ＋Ｙ2 ）である。
【００２９】
自由曲面項は、
【数２】
ただし、Ｃｊ（ｊは１以上の整数）は係数である。
【００３０】
上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面共に対称面を持つことはないが、本実施形態ではＸの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式（ａ）においては、Ｃ2 、Ｃ5 、Ｃ7、Ｃ9 、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ16、Ｃ18、Ｃ20、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ29、Ｃ31、Ｃ33、Ｃ35・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
【００３１】
分岐光学素子４は、物体側から凸面４Ａ（第１の部分反射面）、透過面４Ｂ（パワーを有する光学作用面）を有するレンズであり、凸面４Ａは光軸に対して偏心または傾いて配置された自由曲面、透過面４Ｂは同じく凸球面からなる。
そして凸面４Ａは、光軸を中心とする所定範囲に反射ミラーコーティングされた反射部４ａが形成されている。凸面４Ａのうち反射部４ａを除いた部分は透過部４ｂとなっている。図２の破線は反射部４ａにより反射されるために位置検出器１６Ａに到達しない光束を示している（以下の図も同様）。
反射部４ａの有効範囲は粗追尾を行うために十分な大きさとされる。本実施形態では、入射画角ωが、０°≦｜ω｜≦１°の光束を略すべて反射できる大きさとされる。このような大きさであれば、反射部４ａの形状は適宜でよく、例えば、矩形、正方形、楕円、円などの形状とすることができる。
反射部４ａの負のパワー、偏心量は、反射面３ａで反射された光束を反射して反射光学素子３と干渉しない領域に光路を折り畳んでＹ−Ｚ平面において略Ｚ字状の光路を形成するとともに、反射光学素子３において発生する偏心収差を補正し、像側の所定位置に中間像６を結ぶことができるように設定される。
反射面４ａの形状は、通常発生する収差の他にも、反射面３ａを偏心させたことにより発生する特殊な偏心収差、例えば軸上における非点収差、コマ収差、偏心収差独特の弓形や台形の形状になるディストーション（像歪み）などを補正するような形状とする。そのためには、Ｙ−Ｚ平面のみを対称面とするような回転非対称な曲面とすることが好ましい。
【００３２】
光路分岐素子５は、図４に示すように、入射光束５１を粗追尾光として用いるために光路を分岐して分岐光５５ｂを形成するための光学素子である。そして、反射部４ａと中間像６（図２参照）との間に配置され、反射部４ａで反射された光束の一部をＸ軸負方向（図２の紙面手前方向）に反射して光路を分岐し、反射された光路上にもう１つの中間像６が形成されるようにするものである。例えば、適宜の光分岐面を備えるビームスプリッタ、ハーフミラーなどを採用することができる。この反射光路上の中間像６の略像面位置には位置検出器１６Ｂが配置される。
【００３３】
光路分岐素子５の分岐方向は、位置検出器１６Ｂの配置位置が他の光学素子と干渉しなければ、Ｘ軸負方向とは限定されず、必要に応じて任意に方向に分岐することができる。本実施形態のようにＸ軸方向に分岐すれば、偏心光学系１のＹ軸方向の高さをコンパクトとすることができて好ましい。
【００３４】
また、入射光束５１がビーコン光と通信光とで異なる波長を有する場合には、光路分岐素子５をビーコン光の波長光を反射し、通信光を透過する波長選択型反射コーティングが施された光分岐面を備える構成としてもよい。
【００３５】
反射光学素子７は、正のパワーを有することにより、光路分岐素子５を透過する光束が中間像６を形成した後の発散光を略平行光束として反射し、射出瞳を形成する自由曲面ミラーである。そのため、光軸に対して偏心または傾いて配置され、本実施形態では、図２に示すように光軸に対してＸ軸まわりの正方向に傾斜されている。
すなわち、反射光学素子３、分岐光学素子４、反射光学素子７は、中間像６を形成する実質的なアフォーカル光学系を構成している。
【００３６】
偏向ミラー８は、実質的なアフォーカル光学系の射出瞳の近傍に配置され、光束の出射方向を可変するための可動ミラーである。例えば、ガルバノミラーや光ＭＥＭＳなどから構成され、図示しない駆動手段に接続されている。そして、駆動手段が入射方向検出手段４０（図１参照）からの制御信号１０３に基づいて駆動手段が制御され、偏向ミラー８の偏向角が、４分割受光器１５の検出出力に応じて可変されるようになっている。
【００３７】
光路分岐素子９は、図５に示すように、入射光束５１を精追尾光として用いるために偏向ミラー８により反射された光束の一部をＸ軸負方向に反射して分岐するための光学素子である。例えば、ビームスプリッタ、ハーフミラーなどを採用することができる。
光路分岐素子９の反射後の光路上には、光束を集光する集光レンズ１４が設けられ、それにより集光された分岐光５５ｃが形成され、４分割受光器１５の受光面１５ａに導かれるようになっている。
光路分岐素子９を透過した光束は入射光５２としてカップリングレンズ１０に入射されファイバ受光面１１ａに結合される。
【００３８】
光路分岐素子９の分岐方向は、４分割受光器１５の配置位置が他の光学素子と干渉しなければ、Ｘ軸負方向とは限定されず、必要に応じて任意に方向に分岐することができる。本実施形態のようにＸ軸方向に分岐すれば、偏心光学系１のＹ軸方向の高さをコンパクトとすることができて好ましい。
【００３９】
次に空間光伝送装置１００の作用について、偏心光学系１の光路と追尾動作とを中心に説明する。
図７は、本発明の第１の実施形態に係る空間光伝送装置の第１の部分反射面上における入射画角とスポット径の位置関係について説明するため模式説明図である。図７（ａ）は、ω＝０°の場合を示す。図７（ｂ）〜（ｅ）は、Ｘ軸方向の入射画角成分をωＸ、Ｙ軸方向の入射画角成分をωＹと表すときに、（ωＸ，０°）、（０°，ωＹ）、（ωＸ，ωＹ）の場合のスポット径の位置および形状を示すものである。図７（ｂ）は、ωＸ＝ωＹ＝±０．０５°を、図７（ｃ）は、ωＸ＝ωＹ＝±１．０°を、図７（ｄ）は、ωＸ＝ωＹ＝±１０°を、図７（ｅ）は、ωＸ＝ωＹ＝±５．０°をそれぞれ示す。
【００４０】
相手側の装置から出射されたビーコン光や通信光は、長距離を通過するため回折により拡径した状態で空間光伝送装置１００を含む範囲に到達し、略平行光束である入射光束５１として開口絞り２から入射する。
入射光束５１は、図２に示すように、偏心光学系１に入射すると、反射面３ａによりＹ−Ｚ平面内でそれぞれ負方向に進む斜め方向に反射されて、分岐光学素子４の凸面４Ａに到達する。そして入射光束５１の入射画角に応じて光路が分岐される。
【００４１】
例えば、入射光束５１が光軸上を進む場合、図７（ａ）に示すように、スポットＳは反射部４ａの略中央に入射して反射される。
また入射画角成分が、ωＸ＝ωＹ＝±０．０５°の場合、スポットＳ…は反射部４ａの略中央に入射して反射される（図７（ｂ）参照）。
また入射画角成分が、ωＸ＝ωＹ＝±１．０°の場合、スポットＳ…は反射部４ａの範囲内に入射して反射される（図７（ｃ）参照）。
また入射画角成分が、ωＸ＝ωＹ＝±１０°の場合、スポットＳ…は反射部４ａの外部、すなわち透過部４ｂに入射し透過される（図７（ｄ）参照）。
また入射画角成分が、ωＸ＝ωＹ＝±５．０°の場合、スポットＳ…のそれぞれの一部の光束が反射部４ａにより反射され、残りの光束が透過部４ｂに入射し透過される。
【００４２】
すなわち、入射画角｜ω｜が１°以下の場合、入射光束５１の略全光束が反射部４ａにより、入射側の光路に干渉しない方向に反射されて、図３に示す光路を進む。つまり、反射部４ａの負のパワーの作用を受けて収差が補正されるとともに、所定距離離れた位置に中間像６を形成し、その後発散しながら進んで反射面７ａに到達する。
反射面７ａに到達した光束は、反射面７ａの正のパワーにより集光され略平行光束とされ、入射側の光路と重ならない方向に反射される。
そして、反射面８ａによりカップリングレンズ１０に向けて反射され、カップリングレンズ１０により集光され、結像面に結像する。
入射画角ωが十分小さければ、光軸上のファイバ受光面１１ａ上に結像され、光ファイバ１１を通じて通信光１２として伝送される。
入射角が大き過ぎる場合は、粗追尾動作および精追尾動作により入射画角が補正される。
【００４３】
このような光路における粗追尾および精追尾動作について説明する。
粗追尾は、図４に示すように、光路分岐素子５により分岐された光束の位置を位置検出器１６Ｂで検出することにより行う。
つまり、位置検出器１６Ｂに光束が入射すると、位置検出器１６Ｂにより受光面１６ａ上の位置検出が行われ、入射方向検出手段４０により入射画角と入射方向が算出される。入射方向検出手段４０は、その情報を基にして入射画角を０°にするためのジンバルステージ４４の移動量を決定し制御信号１０２として駆動制御手段４４ｄに出力する。
粗追尾の位置分解能およびジンバルステージ４４の位置補正量には限界があるので、入射画角が適宜量、例えば±０．０５°の範囲に収まると、ジンバルステージ４４の移動は停止され、精追尾制御に移行する。
【００４４】
ここで、入射光束５１がビーコン光と通信光とで異なる波長を有する場合には、光路分岐素子５として波長選択型反射コーティングが施された分岐面を備える構成を用いて、ビーコン光をすべて位置検出器１６Ｂに入射して粗追尾を行うことができる。
【００４５】
精追尾は、図５に示すように、光路分岐素子５を透過して反射光学素子７により略平行光束とされ偏向ミラー８により偏向された光束を、光路分岐素子９により分岐し集光レンズ１４により集光して分岐光５５ｃとし、その集光位置を４分割受光器１５で検出することにより行う。
反射光学素子７から出射される略平行光束は、入射画角の変化に応じた角度方向に向けて略射出瞳位置から出射されるから、集光レンズ１４を射出瞳位置から適宜距離だけ離すことにより、入射画角に対する受光面１５ａ上の移動量を適宜値に設定できる。例えば、入射画角±０．０５°の範囲の光束が受光面１５ａの受光範囲の略全域を移動するように設定することができる。そのため、位置検出範囲が同じセンサを用いる場合でも、粗追尾より狭い角度範囲をより高精度に検出することができる。
そして検出位置に応じて検出信号を入射方向検出手段４０に送出し、入射方向検出手段４０により入射画角、入射方向を検出する。
【００４６】
入射方向検出手段４０は、検出結果に応じて、入射画角のずれ量が０°となるような制御信号１０３を送出し、偏向ミラー８の偏向角を制御する。
その結果、光路分岐素子９を透過した入射光５２が光軸に沿ってファイバ受光面１１ａに最適に結合される。
そして、外乱などにより入射画角が変わっても、その都度、精追尾もしくは粗追尾が行われ、入射光束５１が光ファイバ１１に安定して入射する状態が維持される。
入射光束５１が通信光である場合にはそのまま通信が実施され、ビーコン光である場合には通信光を送信するための情報を通信光光源３５から相手側に送ることができる。
入射光束５１がビーコン光と通信光とで異なる波長を有する場合には、光路分岐素子５として波長選択型反射コーティングが施された光分岐面を備える構成を用いることにより、ビーコン光を受光した状態のまま、通信を行うことができる。
【００４７】
このように偏心光学系１では、光軸に対して偏心または傾いて配置された光学系からなるので、精追尾された場合、入射光束５１が光路中の光学素子などにより蹴られることなく、入射光５２として縮径され、光ファイバ１１に結合される。そのため、光利用効率が優れた光学系となっている。
【００４８】
通信光光源３５の送信光は、入射光５２の光路中にビームスプリッタやハーフミラーなどからなる不図示の光合成手段を配置し、通信光光源３５により略平行光束として出射される通信光５３を光軸上に入射させ、入射光束５１の光路を逆進して開口絞り２から出射することにより送光することができる。また、光利用効率については入射光束５１と同様の理由で良好となっている。
精追尾された状態では、分岐光学素子４に入射する通信光５３は反射部４ａに入射して反射される。本実施形態では、反射部４ａで略すべて反射されるので、高出力に調整された通信光５３が位置検出器１６Ａに入射して、追尾精度に影響することはない。
【００４９】
次に広追尾動作について説明する。
図７（ｄ）、（ｅ）に示すように、入射画角が±１°を超える範囲の入射光束５１は、一部が反射部４ａで反射されるものの、残りが透過部４ｂを透過する（図６参照）。そして、透過部４ｂの正のパワーにより集光され、透過面４Ｂの正のパワーによりさらに集光されて分岐光学素子４から出射される。そして、結像面１７で結像され、位置検出器１６Ａの受光面１６ａに入射する。
そして、位置検出器１６Ａの検出出力が入射方向検出手段４０に送出されることで、受光面１６ａ上の位置が算出され、入射画角が０°となるような制御信号１０２が駆動制御手段４４ｄに送出され、それに基づいてジンバルステージ４４が駆動される。そして、入射画角のずれ量が±１°程度になって粗追尾可能な入射画角が得られると、上記の粗追尾制御に移行する。
【００５０】
このように本実施形態の広追尾動作によれば、入射光束５１の入射画角ωが、１°≦｜ω｜≦１０°のように大幅にずれている場合でも追尾動作が可能となる。
その際、広追尾のための分岐光学系としては、実質的なアフォーカル光学系に含まれる分岐光学素子４の透過部４ｂと透過面４Ｂからなる簡素な構成とすることができ、部品点数が削減された構成となっている。
【００５１】
つまり、本実施形態の空間光伝送装置１００は、実質的なアフォーカル光学系を兼ねる分岐光学素子４を利用して、広追尾のための分岐光学系を構成した偏心光学系１を備えることにより、光利用効率に優れた送受光光学系を構成することができ、分岐光学系にそれぞれ位置検出器１６Ａ、１６Ｂ、４分割受光器１５などの光検出器を配置することで、広追尾、粗追尾、精追尾を段階的に移行して広範囲の入射画角に対して追尾制御を行うことができるものである。
【００５２】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る空間光伝送装置について説明する。
図８は、本発明の第２の実施形態に係る空間光伝送装置に用いる偏心光学系について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。図９は、同じく広追尾のための光路について説明するための光軸を含む断面の光路図である。
【００５３】
本実施形態の空間光伝送装置は、図１に示す空間光伝送装置１００の偏心光学系１に代えて偏心光学系２００（図８参照）を備える。
偏心光学系２００は、偏心光学系１の分岐光学素子４に代えて、分岐光学素子２１（第２の光学素子）を備え、それに合わせて偏心光学系１の反射光学素子３、反射光学素子７に代えて、それぞれ略同様の構成で光学パラメータが異なる反射光学素子２０（第１の光学素子）、反射光学素子２２（第３の光学素子）を備える。また、第１の実施形態の位置検出器１６Ａに代えて、４分割受光器１３（光検出器）を備える。以下、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００５４】
分岐光学素子２１は、物体側から凸面２１Ａ（第１の部分反射面）、部分反射面２１Ｂ（第２の部分反射面）を有する反射光学素子であり、それぞれ光軸に対して偏心または傾いて配置された自由曲面、平面からなる。
【００５５】
凸面２１Ａは、物体側からの入射光束を略反射するために、光軸を中心とする所定範囲に反射ミラーコーティングされた反射部２１ａが形成されている。凸面２１Ａのうち反射部２１ａを除いた部分は透過部２１ｂとなっている。
透過部２１ｂは、物体側からの入射光束を略透過し、像側から入射光束を略内部反射する光学特性を有している。ただし、この透過率、反射率は広追尾動作が可能な範囲において、適宜のコーティングなどにより調整することができる。
反射部２１ａの有効範囲は粗追尾を行うために十分な大きさとされる。本実施形態では、入射画角ωが、０°≦｜ω｜≦１°の光束を略すべて反射できる大きさとされる。このような大きさであれば、反射部２１ａの形状は適宜でよく、例えば、矩形、正方形、楕円、円などの形状とすることができる。
反射部２１ａの負のパワー、偏心量は、反射面２０ａで反射された光束を反射して反射光学素子２０と干渉しない領域に光路を折り畳んでＹ−Ｚ平面において略Ｚ字状の光路を形成するとともに、反射光学素子３において発生する偏心収差を補正し、像側の所定位置に中間像６を結ぶことができるように設定される。
反射面２１ａの形状は、通常発生する収差の他にも、反射面２１ａを偏心させたことにより発生する特殊な偏心収差、例えば軸上における非点収差、コマ収差、偏心収差独特の弓形や台形の形状になるディストーション（像歪み）などを補正するような形状とする。そのためには、Ｙ−Ｚ平面のみを対称面とするような回転非対称な曲面とすることが好ましい。
【００５６】
部分反射面２１Ｂは、透過部２１ｂを透過した光束の到達する周辺部に反射コーティングが施され、入射光束を凸面２１Ａ側に内部反射する反射部２１ｃとされている。そして、反射部２１ｃを除く中央部が透過部２１ｄとされ、反射部２１ｃで内部反射され、凸面２１Ａで内部反射された光束が透過できるように構成されている。
【００５７】
４分割受光器１３は、第１の実施形態の４分割受光器１５と同様な構成を有する。そして、受光面１６ａに代えて受光面１５ａに相当する受光面１３ａを備える。
受光面１３ａは、凸面２１Ａで内部反射された分岐光５５ａが結像面１７に結像しさらに拡径して適宜径のスポットが形成され、それらが広追尾範囲を動いても受光できる位置に、結像面１７と略平行に配置される。
【００５８】
反射光学素子２０、反射光学素子２２は、第１の実施形態の反射光学素子３、反射光学素子７と略同様な構成を有し、設計上の光学パラメータが異なるのみなので説明は省略する。
【００５９】
本実施形態によれば、反射面２０ａで反射され、反射部２１ａで反射された光束により、第１の実施形態と同様の入射画角の範囲で粗追尾動作および精追尾動作を行うことができる。
【００６０】
広追尾は、図９に示すように、反射面２０ａにより反射され透過部２１ｂを透過する光束により行う。本実施形態では、入射画角ωが、例えば、１°≦｜ω｜≦５°の範囲で広追尾できる。
透過部２１ｂを透過した光束は集光されつつ部分反射面２１Ｂの反射部２１ｃに入射して内部反射される。そして、凸面２１Ａの中央側に向かって進み凸面２１Ａで内部反射され、凸面２１Ａのパワーによりさらに集光される。そして、凸面２１Ａで内部反射された光束が透過部２１ｄを透過し分岐光５５ａが形成され、４分割受光器１３の受光面１３ａで受光される。そして、検出出力が入射方向検出手段４０に送られ、入射光束５１の入射画角と入射方向とが算出される。
したがって、第１の実施形態と同様に４分割受光器１３の検出出力により広追尾動作を行うことができる。
【００６１】
本実施形態の構成によれば、広追尾を行う分岐光学系に分岐光学素子２１を用いるので、２回の内部反射を用いることができる。
そのため光路が折り畳まれて分岐光学系を光軸方向にコンパクト化することができるという利点がある。
また、凸面２１Ａによる内部反射により透過面のみの場合に比べて大きなパワーを実現することができる。そのため、凸面２１Ａの比較的小さな曲率でも必要なパワーを実現できるので、分岐光学素子２１の製造が容易となる。また、部分反射面２１Ｂのパワーの自由度が大きくなる。例えば、本実施形態のように、パワーをすべて凸面２１Ａでまかなうことにして部分反射面２１Ｂを平面とすることができる。したがって分岐光学素子２１を簡素かつ安価な構成とすることができるという利点がある。
ただし、部分反射面２１Ｂとしてパワーを有する凸面や自由曲面などを採用してもよい。その場合、透過部２１ｂのパワーを低減したり、収差補正を行って受光面１３ａ上のスポット形状などの光学特性を良好にしたりすることができ、広追尾の精度を向上することができる。
【００６２】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る空間光伝送装置について説明する。
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る空間光伝送装置に用いる偏心光学系について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。図１１は、同じく広追尾のための光路について説明するための光軸を含む断面の光路図である。
【００６３】
本実施形態の空間光伝送装置は、図１に示す空間光伝送装置１００の偏心光学系１に代えて偏心光学系２０１（図１０参照）を備える。
偏心光学系２０１は、偏心光学系１の分岐光学素子４に代えて、分岐光学素子２５（第２の光学素子）を備え、それに合わせて偏心光学系１の反射光学素子３、反射光学素子７に代えて、それぞれ略同様の構成で光学パラメータが異なる反射光学素子２４（第１の光学素子）、反射光学素子２６（第３の光学素子）を備える。そして広追尾の光検出器として、第１の実施形態の位置検出器１６Ａに代えて、位置検出器３１（光検出器）を備える。以下、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００６４】
分岐光学素子２５は、第１の実施形態の分岐光学素子４の凸面４Ａ、透過面４Ｂに代えて、それぞれ凸面２５Ａ（第１の部分反射面）、透過平面２５Ｂを備える光学素子である。
凸面２５Ａは、凸面４Ａと同様に、反射部２５ａ、透過部２５ｂを備える部分反射面で曲面形状のみが異なっている。
透過部２５ｂの形状は、分岐光５５ａの結像面１７上の走査特性や結像性能が良好となる自由曲面が採用される。
そして結像面１７に位置検出器３１の受光面３１ａが配置される。
【００６５】
位置検出器３１は、位置検出器１６Ａと同様な構成を有し、受光面１６ａに代えて大きさや分解能などが異なる受光面３１ａを備えている。受光面３１ａの大きさや分解能は、広追尾の検出範囲に合わされている。そして、結像面１７に結像された分岐光５５ａの２軸方向の位置が検出可能な検出出力を生成できるようになっている。
【００６６】
反射光学素子２４、反射光学素子２６は、第１の実施形態の反射光学素子３、反射光学素子７と略同様な構成を有し、設計上の光学パラメータが異なるのみなので説明は省略する。
【００６７】
本実施形態によれば、反射面２４ａで反射され、反射部２５ａで反射された光束により、第１の実施形態と同様の入射画角の範囲で粗追尾動作を行うことができる。また入射画角ωが、例えば、０°≦｜ω｜≦０．０１°の範囲で精追尾できる。
【００６８】
広追尾は、図１１示すように、反射面２４ａにより反射され透過部２５ｂを透過する光束により行う。本実施形態では、入射画角ωが、例えば、１°≦｜ω｜≦６°の範囲で広追尾できる。
透過部２５ｂを透過した光束は集光されつつ透過平面２５Ｂから分岐光５５ａとして出射され、結像面１７上に結像される。そして位置検出器３１により受光面３１ａ上のスポットの位置が検出される。
そして、第１の実施形態の位置検出器１６Ａ代えて位置検出器３１の検出出力により、同様にして広追尾動作を行うことができるものである。
【００６９】
本実施形態の構成によれば、広追尾を行う分岐光学系の像面１７に位置検出器３１を配置するので、例えばＱＤを用いる場合のようにスポット径を拡径するために像面からデフォーカスする必要がないので、光軸方向にコンパクトな構成とすることができる。
また、位置検出器３１のようなＣＣＤや２次元ＰＳＤによれば、ＱＤよりも広範囲の入射画角に対して高精度の検出を行うことができるので、高精度な広追尾を行うことができるという利点がある。
【００７０】
なお、本実施形態では、透過部２５ｂの裏面にはパワーを有しない透過平面２５Ｂを用いているので、分岐光学素子２５を簡素かつ安価な構成とすることができるが、必要に応じて透過部２５ｂの裏面側の光学作用面にパワーを持たせてもよい。その場合、光路長をより短縮したり、結像性能をより向上したりすることができる。
【００７１】
［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係る空間光伝送装置について説明する。
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る空間光伝送装置に用いる偏心光学系について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。図１３は、同じく通信光の光路について説明するための光路図である。図１４は、同じく粗追尾のための光路について説明するための平面視の光路図である。図１５は、同じく広追尾のための光路について説明するための光軸を含む断面の光路図である。
【００７２】
本実施形態の空間光伝送装置は、図１に示す空間光伝送装置１００の偏心光学系１に代えて偏心光学系２０２（図１２参照）を備える。
偏心光学系２０２は、偏心光学系１から光路分割素子５、反射光学素子７を削除するとともに、偏心光学系１の分岐光学素子４に代えて、分岐光学素子３０（第２の光学素子）を備え、それらに合わせて偏心光学系１の反射光学素子３、反射光学素子７に代えて、略同様の構成で光学パラメータが異なる反射光学素子２９（第１の光学素子）を備える。また、位置検出器１６Ａに代えて位置検出器３１を備える。このような構成により、粗追尾と広追尾とを位置検出器３１で兼用することができるものである。以下、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
反射光学素子２９は、第１の実施形態の反射光学素子３と略同様な構成を有し、設計上の光学パラメータが異なるのみなので説明は省略する。
【００７３】
分岐光学素子３０は、第１の実施形態の分岐光学素子４の凸面４Ａ、透過面４Ｂに代えて、それぞれハーフミラー面３０Ａ（第１の部分反射面）、透過平面３０Ｂを備える光学素子である。
ハーフミラー面３０Ａは、例えば、反射率が９０％、透過率が１０％となるようなのコーティングとする。
そして、曲面形状は、反射面２９ａで集光された光束を少なくとも精追尾動作を行う入射画角ωの範囲、例えば０°≦｜ω｜≦０．０５°、に対しては反射光が略平行光束となるような負のパワーを有し、透過する光束に対しては、透過平面３０Ｂを透過後に結像面１７に結像する正のパワーを有するレンズを構成できる形状となっている。
すなわち、反射光学素子２９、ハーフミラー面３０Ａは、ハーフミラー面３０Ａで反射される光束に関して、中間像を形成しないタイプの実質的なアフォーカル光学系を構成している。
【００７４】
そして、図１３、１４に示すように、ハーフミラー面３０Ａと光路分割素子９との間に偏向ミラー８が配置され、偏向角可変に偏向できるようになっている。
偏向ミラー８で偏向された光束は、光路分割素子９に入射し、透過光が入射光５２となってカップリングレンズ１０を経てファイバ受光面１１ａに入射するようになっている。また、図１４に示すように、光路分割素子９で反射して分岐される光束が集光レンズ１４に入射して集光され分岐光５５ｃとして４分割受光器１５に入射するようになっている。
【００７５】
ハーフミラー面３０Ａを透過する光束の光路では、結像面１７に位置検出器３１が配置される。位置検出器３１に入射する光束は、入射画角ωの範囲は、０°≦｜ω｜≦４°の範囲とされている。したがって、位置検出器３１の検出出力は、上記第１〜第３の実施形態の粗追尾および広追尾に相当する追尾動作が行える角度範囲となっている。
【００７６】
本実施形態によれば、反射面２９ａで反射され、ハーフミラー面３０Ａで反射された光束により、少なくとも入射画角ωが、例えば、０°≦｜ω｜≦０．０１°の範囲で精追尾できる。
また、粗追尾および広追尾は、反射面２９ａにより反射されハーフミラー面３０Ａを透過する光束により行う。この場合、粗追尾と広追尾とを共通の光検出器で行えるため、部品点数が削減されるという利点がある。また、粗追尾と広追尾との制御動作も共通となるので、入射方向検出手段４０の制御や演算が簡素化されるため、その構成が容易となるという利点がある。
このように本実施形態では、入射画角ωが、例えば、１°≦｜ω｜≦４°の範囲で粗追尾と広追尾とを連続的に行うことができるものである。
【００７７】
本実施形態では、通信光光源３５から通信光５３を送光する場合、精追尾された状態でも、ハーフミラー面３０Ａに入射する光束のうち約１０％が透過する。
しかしながら、本実施形態の実質的なアフォーカル光学系は、それぞれの反射面が光軸に対して偏心または傾いて配置されて略Ｚ字状の光路を形成しているので、ハーフミラー面３０Ａにおいて、受光面３１ａに向けて透過する入射光束５１と通信光５３の透過光とは、十分大きな角度で交差するから、通信光５３の透過光は、受光面３１ａに向かう光束に対して十分傾斜しつつ透過平面３０Ｂを透過する。そのため、受光面３１ａの有効範囲に入射しない構成となっている。
したがって、送光のため高出力に調整された通信光５３を偏心光学系２０２に入射しても、通信光５３が受光面３１ａに到達して粗追尾および広追尾のエラーが発生せず、安定した追尾動作を行うことができるという利点がある。
このため、送受光および追尾動作を行う際、送光光の光検出器への入射を防止するために、例えば、時分割制御したり、偏光等の技術を用いることなく、簡素な構成により送受光および追尾動作を行うことができる。
【００７８】
なお、上記の第１〜第３の実施形態の説明では、第１の部分反射面の反射部の形状により粗追尾を行う入射画角の範囲が決まるものとして説明したが、精追尾、粗追尾、広追尾を分ける入射画角の範囲は一定のものではなく、必要に応じて変更することができる。
良好な追尾を行うためには、精追尾、粗追尾、広追尾の移行が円滑に行えることが重要となる。そのためには、例えば、それぞれの追尾の境界において追尾光のスポット形状や受光状態が急変しないような構成としてもよい。
そのために、例えば第１の部分反射面の反射部と透過部との境界の曲率や反射率を滑らかに変化させるようにしてもよい。
また、第１の部分反射面の反射部を粗追尾の検知範囲を超えて延長してもよい。
また、第１の部分反射面の反射部の領域内や、精追尾に用いる反射部と粗追尾の用いる反射部との間の領域などで反射率などを可変したり、徐変したりしてもよい。
【００７９】
また、上記の第４の実施形態の説明では、第１の部分反射面がハーフミラー面である例で説明したが、広追尾、粗追尾、精追尾に用いる追尾光の光量をそれぞれ可変できるようにハーフミラー面の反射率を可変してもよい。例えば、光束が光ファイバ１１に入射しない広追尾領域では、光量が低下しやすいビーコン光を効率よく受光するために透過率を高めて追尾光を高出力とし、通信が行われる精追尾領域では、反射率を高めて通信光を高出力とする、などというように可変してもよい。
【００８０】
また、上記の説明では、通信光の受光手段が光ファイバである例で説明したが、例えば、光検出器などの受光手段であってもよい。
【００８１】
また、上記の説明では、第２の光学素子が反射光学素子やレンズ素子などの場合で説明したが、実質的なアフォーカル光学系と、少なくとも広追尾を行うための分岐光学系を構成できれば、その他の構成を採用してもよい。例えば、フレネルレンズ、ＤＯＥ（回折光学素子）、ＨＯＥ（ホログラム素子）などであってもよい。
また、上記の説明では、第１の光学素子が反射光学素子の場合で説明したが、光軸に対して偏心または傾いて配置され、入射、出射光路上に光路の妨げとなる他の光学素子を配置することなく実質的なアフォーカル光学系を構成できれば、透過光学素子を用いてもよい。また光学素子のタイプは、フレネルレンズ、ＤＯＥ（回折光学素子）、ＨＯＥ（ホログラム素子）などであってもよい。
【００８２】
また、上記の説明では、送光するビーコン光と通信光とが別々の場合で説明したが、ビーコン光と通信光とを同軸に出射したり、通信光でビーコン光を兼用したりする構成を採用してもよい。
【００８３】
また、上記の第４の実施形態の説明で、第１の部分反射面に送光される通信光が透過する場合でも、光検出器に入射しないレイアウトが可能であると説明したが、このことは、第１〜第３の実施形態における第１の部分反射面の反射部が送信される通信光を１００％反射しない構成である場合にも同様に当てはまり、同様な効果を奏するものである。
【００８４】
また、上記に説明した技術的思想や技術要素は、技術的に可能な範囲で適宜に組み合わせた実施形態をとることができる。
【実施例１】
【００８５】
次に、上記に説明した第１の実施形態の空間光伝送装置の偏心光学系の第１数値実施例を示す。図３〜６は、本実施例の光路を示している。光路１、２、３は、それぞれ図３（５）、４、６に示す光路に対応する。
下記に第１数値実施例の光学系の構成パラメータを示す。図３〜６に表記されたｒｉ、ｄｉ、ｎｉ（ｉは整数）は、下記に示す光学系の構成パラメータの曲率半径、面間隔ｄｉ、屈折率ｎｉに対応する。また屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記している（各実施例共通）。
【００８６】
（光路１）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞ d1 =0.00
2 絞り面 d2 = 0.00
3 FFS[1] d3 = 0.00 偏心[1]
4 FFS[2] d4 = 0.00 偏心[2]
5 ∞ d5 = 0.00 偏心[3]
6 FFS[3] d6 = 0.00 偏心[4]
7 ∞ d7 = 0.00 偏心[5]
8 ∞ d8 = 0.00 偏心[6]
9 5.36 d9 = 1.39 n1 = 1.6700 ν1 = 47.2
10 ∞ d10= 7.17
像 面 ∞ d11= 0.00
ＦＦＳ[1]
Ｃ4 -3.7206x10-3 Ｃ6 -3.1817x10-3 Ｃ8 9.6762x10-6
Ｃ10 8.6162x10-6 Ｃ11 -4.9297x10-9 Ｃ13 -3.9445x10-8
Ｃ15 -3.8896x10-8
ＦＦＳ[2]
Ｃ4 -9.2260x10-3 Ｃ6 -6.8245x10-3 Ｃ8 1.3719x10-4
Ｃ10 1.1543x10-4 Ｃ11 1.7658x10-6 Ｃ13 -6.7535x10-8
Ｃ15 -2.1936x10-6
ＦＦＳ[3]
Ｃ4 -2.3942x10-2 Ｃ6 -2.1073x10-2 Ｃ8 -2.9866x10-4
Ｃ10 -2.1191x10-4 Ｃ11 1.0448x10-4 Ｃ13 1.0442x10-4
Ｃ15 -3.7073x10-6 Ｃ17 -5.3318x10-5
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 40.00
α 21.02 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -34.28 Ｚ 1.98
α 16.36 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -40.58 Ｚ 40.34
α -0.68 β -45.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ -47.00 Ｚ 79.45
α 10.67 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ -55.80 Ｚ 64.61
α 15.33 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ -55.80 Ｚ 77.70
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
【００８７】
（光路２）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞ d1 =0.00
2 絞り面 d2 = 0.00
3 FFS[1] d3 = 0.00 偏心[1]
4 FFS[2] d4 = 0.00 偏心[2]
5 ∞ d5 = 0.00 偏心[3]
12 ∞ d12= 0.00 偏心[7]
像 面 ∞ d13= 0.00
偏心[7]
Ｘ -29.91 Ｙ -44.87 Ｚ 40.29
α 0.00 β -90.00 γ 0.00
【００８８】
（光路３）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞ d1 =0.00
2 絞り面 d2 = 0.00
3 FFS[1] d3 = 0.00 偏心[1]
14 FFS[2] d14= 0.00 偏心[2] n2 = 1.5163 ν2 = 64.1
15 100.0 d15= 0.00 偏心[8]
16 ∞ d16= 0.00 偏心[9]
像 面 ∞ d17= 0.00
偏心[8]
Ｘ 0.00 Ｙ -42.00 Ｚ - 3.00
α 25.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[9]
Ｘ 0.00 Ｙ -46.73 Ｚ -14.90
α 44.00 β 0.00 γ 0.00
【実施例２】
【００８９】
次に、上記に説明した第２の実施形態の空間光伝送装置の偏心光学系に対応する第２数値実施例を示す。図８、４、９は本実施例の光路を示している。光路１、２、３は、それぞれ図８、４、９に示す光路に対応する。
下記に第２数値実施例の光学系の構成パラメータを示す。図８、４、９に表記されたｒｉ、ｄｉ、ｎｉ（ｉは整数）は、下記に示す光学系の構成パラメータの曲率半径、面間隔ｄｉ、屈折率ｎｉに対応する。座標系その他は実施例１と同様である。
【００９０】
（光路１）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞ d1 =0.00
2 絞り面 d2 = 0.00
3 FFS[1] d3 = 0.00 偏心[1]
4 FFS[2] d4 = 0.00 偏心[2]
5 ∞ d5 = 0.00 偏心[3]
6 FFS[3] d6 = 0.00 偏心[4]
7 ∞ d7 = 0.00 偏心[5]
8 ∞ d8 = 0.00 偏心[6]
9 5.36 d9 = 1.39 n1 = 1.6700 ν1 = 47.2
10 ∞ d10= 7.17
像 面 ∞ d11= 0.00
ＦＦＳ[1]
Ｃ4 -3.7206x10-3 Ｃ6 -3.1817x10-3 Ｃ8 9.6762x10-6
Ｃ10 8.6162x10-6 Ｃ11 -4.9297x10-9 Ｃ13 -3.9445x10-8
Ｃ15 -3.8896x10-8
ＦＦＳ[2]
Ｃ4 -9.2260x10-3 Ｃ6 -6.8245x10-3
ＦＦＳ[3]
Ｃ4 -2.3942x10-2 Ｃ6 -2.1073x10-2 Ｃ8 -2.9866x10-4
Ｃ10 -2.1191x10-4 Ｃ11 1.0448x10-4 Ｃ13 1.0442x10-4
Ｃ15 -3.7073x10-6 Ｃ17 -5.3318x10-5
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 40.00
α 21.02 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -34.28 Ｚ 1.98
α 16.36 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -40.58 Ｚ 40.34
α -0.68 β -45.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ -47.00 Ｚ 79.45
α 10.67 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ -55.80 Ｚ 64.61
α 15.33 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ -55.80 Ｚ 77.70
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
【００９１】
（光路２）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞ d1 =0.00
2 絞り面 d2 = 0.00
3 FFS[1] d3 = 0.00 偏心[1]
4 FFS[2] d4 = 0.00 偏心[2]
5 ∞ d5 = 0.00 偏心[3]
12 ∞ d12= 0.00 偏心[8]
像 面 ∞ d13= 0.00
偏心[8]
Ｘ -29.91 Ｙ -44.87 Ｚ 40.29
α 0.00 β -90.00 γ 0.00
【００９２】
（光路３）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞ d1 =0.00
2 絞り面 d2 = 0.00
3 FFS[1] d3 = 0.00 偏心[1]
14 FFS[2] d14= 0.00 偏心[2] n2 = 1.5163 ν2 = 64.1
15 ∞ d15= 0.00 偏心[9] n2 = 1.5163 ν2 = 64.1
16 FFS[2] d16= 0.00 偏心[2] n2 = 1.5163 ν2 = 64.1
17 ∞ d17= 0.00 偏心[9]
18 ∞ d18= 0.00 偏心[10]
像 面 ∞ d19= 0.00
偏心[9]
Ｘ 0.00 Ｙ -45.00 Ｚ 0.00
α 20.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[10]
Ｘ 0.00 Ｙ -45.00 Ｚ -10.00
α 25.00 β 0.00 γ 0.00
【実施例３】
【００９３】
次に、上記に説明した第３の実施形態の空間光伝送装置の偏心光学系に対応する第３数値実施例を示す。図１０、４、１１は、本実施例の光路を示している。光路１、２、３は、それぞれ図１０、４、１１に示す光路に対応する。
下記に第３数値実施例の光学系の構成パラメータを示す。図１０、４、１１に表記されたｒｉ、ｄｉ、ｎｉ（ｉは整数）は、下記に示す光学系の構成パラメータの曲率半径、面間隔ｄｉ、屈折率ｎｉに対応する。座標系その他は実施例１と同様である。
【００９４】
（光路１）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞ d1 =0.00
2 絞り面 d2 = 0.00
3 FFS[1] d3 = 0.00 偏心[1]
4 FFS[2] d4 = 0.00 偏心[2]
5 FFS[3] d5 = 0.00 偏心[3]
6 ∞ d6 = 0.00 偏心[4]
7 ∞ d7 =13.71 偏心[5]
8 5.36 d8 = 1.39 n1 = 1.6700 ν1 = 47.2
9 ∞ d9 = 7.17
像 面 ∞ d10= 0.00
ＦＦＳ[1]
Ｃ4 -3.4695x10-3 Ｃ6 -3.0627x10-3 Ｃ8 7.0058x10-6
Ｃ10 6.4008x10-6 Ｃ11 -4.5924x10-8 Ｃ13 -6.9392x10-8
Ｃ15 -2.9317x10-8
ＦＦＳ[2]
Ｃ4 -1.2961x10-2 Ｃ6 -1.0243x10-2 Ｃ8 1.5540x10-4
Ｃ10 1.2949x10-4 Ｃ11 -8.3760x10-6 Ｃ13 -2.0022x10-5
Ｃ15 -5.3816x10-6
ＦＦＳ[3]
Ｃ4 -2.4525x10-2 Ｃ6 -1.6367x10-2 Ｃ8 -3.4732x10-3
Ｃ10 -1.6409x10-4 Ｃ11 8.3339x10-3 Ｃ13 -3.7336x10-3
Ｃ15 -4.3095x10-4 Ｃ17 4.0623x10-3
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 40.00
α 19.04 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -36.88 Ｚ -7.27
α 15.82 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -47.00 Ｚ 77.48
α 27.87 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ -65.13 Ｚ 68.00
α 30.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ -65.21 Ｚ 70.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
【００９５】
（光路２）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞ d1 =0.00
2 絞り面 d2 = 0.00
3 FFS[1] d3 = 0.00 偏心[1]
4 FFS[2] d4 = 0.00 偏心[2]
11 ∞ d11= 0.00 偏心[6]
12 ∞ d12= 0.00 偏心[7]
像 面 ∞ d13= 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ -43.31 Ｚ 34.3
α -13.83 β -45.00 γ 0.00
偏心[7]
Ｘ -23.32 Ｙ -38.30 Ｚ 35.53
α 0.00 β -90.00 γ 0.00
【００９６】
（光路３）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞ d1 =0.00
2 絞り面 d2 = 0.00
3 FFS[1] d3 = 0.00 偏心[1]
14 FFS[2] d14= 0.00 偏心[2] n2 = 1.5163 ν2 = 64.1
15 ∞ d15= 0.00 偏心[8]
16 ∞ d16= 0.00 偏心[9]
像 面 ∞ d17= 0.00
偏心[8]
Ｘ 0.00 Ｙ -39.24 Ｚ -11.07
α 9.58 β 0.00 γ 0.00
偏心[9]
Ｘ -0.00 Ｙ -45.91 Ｚ -18.52
α 22.87 β 0.00 γ 0.00
【実施例４】
【００９７】
次に、上記に説明した第４の実施形態の空間光伝送装置の偏心光学系に対応する第４数値実施例を示す。図１３、１５は本実施例の光路を示している。光路１、２は、それぞれ図１３、１５に示す光路に対応する。
下記に第４数値実施例の光学系の構成パラメータを示す。図１３、１５に表記されたｒｉ、ｄｉ、ｎｉ（ｉは整数）は、下記に示す光学系の構成パラメータの曲率半径、面間隔ｄｉ、屈折率ｎｉに対応する。座標系その他は実施例１と同様である。
【００９８】
（光路１）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞ d1 =0.00
2 絞り面 d2 = 0.00
3 FFS[1] d3 = 0.00 偏心[1]
4 FFS[2] d4 = 0.00 偏心[2]
5 ∞ d5 = 0.00 偏心[3]
6 ∞ d6 =10.00 偏心[4]
7 5.36 d7 = 1.39 n1 = 1.6700 ν1 = 47.2
8 ∞ d8 = 7.17
像 面 ∞ d9 = 0.00
ＦＦＳ[1]
Ｃ4 -5.4558x10-3 Ｃ6 -4.8560x10-3 Ｃ8 1.2757x10-5
Ｃ10 1.8739x10-5 Ｃ11 -8.4074x10-8 Ｃ13 -2.1045x10-7
Ｃ15 -7.4453x10-8
ＦＦＳ[2]
Ｃ4 -3.0751x10-2 Ｃ6 -2.9836x10-2 Ｃ8 -1.1195x10-3
Ｃ10 1.1096x10-3 Ｃ11 -1.0608x10-4 Ｃ13 -1.6098x10-4
Ｃ15 2.0348x10-5 Ｃ17 6.1279x10-5 Ｃ19 -1.0386x10-4
Ｃ21 -4.1271x10-5
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 40.00
α 20.65 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -26.59 Ｚ 9.73
α 20.61 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -26.63 Ｚ 40.00
α 45.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ -45.00 Ｚ 40.00
α -90.00 β 0.00 γ 0.00
【００９９】
（光路２）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞ d1 = 0.00
2 絞り面 d2 = 0.00
3 FFS[1] d3 = 0.00 偏心[1]
9 FFS[2] d9 = 0.00 偏心[2] n2 = 1.5163 ν2 = 64.1
10 ∞ d10= 0.00 偏心[5]
11 ∞ d11= 0.00 偏心[6]
像 面 ∞ d12= 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ -28.27 Ｚ 7.24
α 32.42 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ -30.86 Ｚ 3.56
α 30.86 β 0.00 γ 0.00
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の第１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光学系の光軸を含む断面における模式断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る空間光伝送装置に用いる偏心光学系について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。
【図３】同じく通信光の光路について説明するための光路図である。
【図４】同じく粗追尾のための光路について説明するための平面視の光路図である。
【図５】同じく精追尾のための光路について説明するための平面視の光路図である。
【図６】同じく広追尾のための光路について説明するための光軸を含む断面の光路図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る空間光伝送装置の第１の部分反射面上における入射画角とスポット径の位置関係について説明するため模式説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る空間光伝送装置に用いる偏心光学系について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。
【図９】同じく広追尾のための光路について説明するための光軸を含む断面の光路図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る空間光伝送装置に用いる偏心光学系について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。
【図１１】同じく広追尾のための光路について説明するための光軸を含む断面の光路図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る空間光伝送装置に用いる偏心光学系について説明するための光軸を含む断面の模式光路図である。
【図１３】同じく通信光の光路について説明するための光路図である。
【図１４】同じく粗追尾のための光路について説明するための平面視の光路図である。
【図１５】同じく広追尾のための光路について説明するための光軸を含む断面の光路図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１、２００、２０１、２０２ 偏心光学系
２ 開口絞り
３、２０、２４、２９ 反射光学素子（第１の光学素子）
３ａ、２０ａ、２４ａ、２９ａ 反射面
４、２１、２５、３０ 分岐光学素子（第２の光学素子）
４Ａ、２１Ａ、２５Ａ 凸面（第１の部分反射面）
４Ｂ 透過面（パワーを有する光学作用面）
４ａ、２１ａ、２１ｃ、２５ａ 反射部
４ｂ、２１ｂ、２１ｄ 透過部
５、９ 光路分割素子
６ 中間像
７ 反射光学素子（第３の光学素子）
７ａ、８ａ 反射面
８ 偏向ミラー
１０ カップリングレンズ
１１ 光ファイバ
１１ａ ファイバ受光面
１２ 通信光
１３、１５ ４分割受光器（光検出器）
１３ａ、１５ａ、１６ａ、３１ａ 受光面
１４ 集光レンズ
１６、３１ 位置検出器（光検出器）
１７ 結像面
２１Ｂ 部分反射面（第２の部分反射面）
２５Ｂ、３０Ｂ 透過平面
３０Ａ ハーフミラー面（第１の部分透過面）
３５ 通信光光源
４０ 入射方向検出手段
４４ ジンバルステージ
４４ｄ 駆動制御手段
５０ 軸上主光線（光軸）
５１ 入射光束（入力光）
１００ 空間光伝送装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略平行な光束を入力光とする実質的なアフォーカル光学系を有する空間光伝送装置であって、
前記実質的なアフォーカル光学系が、前記入力光の光路に沿う順に、
前記入力光の光軸から偏心または傾いて配置された正のパワーを有する第１の光学素子と、
前記入力光の光軸から偏心または傾いて配置された負のパワーを有する第１の部分反射面が形成された第２の光学素子とを備える偏心光学系からなり、
前記第１の部分反射面による反射光の光路上に射出瞳が形成されたことを特徴とする空間光伝送装置。
【請求項２】
前記実質的なアフォーカル光学系が、
前記第２の光学素子の反射光の光路上に正のパワーを有する第３の光学素子を備え、
前記第２の光学素子と前記第３の光学素子との間に中間像が形成され、前記第３の光学素子により射出瞳が形成されることを特徴とした請求項１に記載の空間光伝送装置。
【請求項３】
前記第２の光学素子が、前記第１の部分反射面の透過側に、パワーを有する光学作用面を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の空間光伝送装置。
【請求項４】
前記第２の光学素子が、前記第１の部分反射面の透過光を前記第１の部分反射面に向けて反射し、前記第１の部分反射面の裏面で少なくとも１回反射した光を透過させる第２の部分反射面を備える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。
【請求項５】
前記入力光のうち、少なくとも前記第１の部分反射面の透過光を検出する光検出器を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の空間光伝送装置。
【請求項１】
略平行な光束を入力光とする実質的なアフォーカル光学系を有する空間光伝送装置であって、
前記実質的なアフォーカル光学系が、前記入力光の光路に沿う順に、
前記入力光の光軸から偏心または傾いて配置された正のパワーを有する第１の光学素子と、
前記入力光の光軸から偏心または傾いて配置された負のパワーを有する第１の部分反射面が形成された第２の光学素子とを備える偏心光学系からなり、
前記第１の部分反射面による反射光の光路上に射出瞳が形成されたことを特徴とする空間光伝送装置。
【請求項２】
前記実質的なアフォーカル光学系が、
前記第２の光学素子の反射光の光路上に正のパワーを有する第３の光学素子を備え、
前記第２の光学素子と前記第３の光学素子との間に中間像が形成され、前記第３の光学素子により射出瞳が形成されることを特徴とした請求項１に記載の空間光伝送装置。
【請求項３】
前記第２の光学素子が、前記第１の部分反射面の透過側に、パワーを有する光学作用面を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の空間光伝送装置。
【請求項４】
前記第２の光学素子が、前記第１の部分反射面の透過光を前記第１の部分反射面に向けて反射し、前記第１の部分反射面の裏面で少なくとも１回反射した光を透過させる第２の部分反射面を備える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。
【請求項５】
前記入力光のうち、少なくとも前記第１の部分反射面の透過光を検出する光検出器を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の空間光伝送装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００６−１７３６８８（Ｐ２００６−１７３６８８Ａ）
【公開日】平成１８年６月２９日（２００６．６．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３５９２３１（Ｐ２００４−３５９２３１）
【出願日】平成１６年１２月１０日（２００４．１２．１０）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月２９日（２００６．６．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月１０日（２００４．１２．１０）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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