JP4508352B2 - 光空間伝送システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遠隔地に対して光無線により情報伝達を行う光空間伝送システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光空間伝送装置は、送信側において送信信号を光信号に変調し、この光信号を受信側に向かって大気空間中を伝送し、受信側において送信側からの光信号を復調することにより、情報信号の伝達を大気空間を介して行っている。
【０００３】
このとき、対向装置の移動や大気の揺らぎ又は移動時における振動により、光ビームの径路が変化するために、光ビームの出射方向が常に変動する。この送信側への外的要因による光ビームの出射方向の変動を少しでも解決するために、受信側での光ビーム径を大きくして、送信ビームが受信装置から外れないようにする必要がある。また、受信側に安定した光パワーを供給するために、送信側の光出力レベルを高く設定する必要がある。
【０００４】
一方で、人体に対する悪影響を防ぐために出力レベルが規制されており、送信側で十分な光出力レベルを用意できるとは限らない。従って、遠隔地で十分な光パワーを受信できるように、受信側での光ビーム径をできるだけ小さくし、かつ送信光ビームが対向装置から外れないようにするために、送信光ビーム角度誤差を補正する機能を有する光空間伝送装置が実用されている。
【０００５】
図５は従来例の光空間伝送装置の構成図を示し、主信号入力部１の出力はパイロット信号発生器２の出力と共に合波部３に接続され、合波部３の出力は電気−光変換部４に接続されている。電気−光変換部４の光路上にはレンズ５、ビームスプリッタ６、送信ビーム角度可変部７が順次に配列されている。ビームスプリッタ６の送信ビーム角度可変部７からの方向の光束の反射方向の光路上には、ビームスプリッタ８、主信号受光部９が配列され、主信号受光部９の出力は主信号出力部１０に接続されている。また、ビームスプリッタ８の反射方向には送信ビーム角度誤差検出部１１が配置され、送信ビーム角度誤差検出部１１の出力は、光軸角度調整駆動制御部１２を介して送信ビーム角度可変部７に接続されている。
【０００６】
送信側で主信号入力部１から入力された対向配置の光空間伝送装置に伝送する主信号に、パイロット信号発生器２から出力された送信光ビーム角度誤差検出のための狭帯域信号、例えば正弦波のパイロット信号が合波部３において重畳され、受信側においては、送信ビーム角度誤差検出部１１で検波され、その情報により光軸角度調整駆動制御部１２が送信ビーム角度可変部７を駆動して、運転開始時や運転中の角度補正が行われる。
【０００７】
従来例の光空間伝送装置では、予め自装置内において送信部と受信部の光軸を一致させておき、自装置の受信部の光軸と相手装置から伝送される受信光の光軸との角度誤差を検出して補正している。このような操作を対向するそれぞれの装置において行うことにより、予め装置内の送信部の光軸と受信部の光軸が一致するように調節されるので、相手側装置から伝送される受信光と同一光軸で送信光を投光することができ、常に安定した光空間伝送を行うことができる。
【０００８】
このような送光部の光ビーム角度を補正する機能を備えた光空間伝送装置では、主信号にパイロット信号を送信側で重畳して送信するのが一般的である。このパイロット信号は主信号に比べて狭帯域なために、微弱信号でも高いＳＮ比で検出することができる。従って、主信号が所要の品質で伝送できなくなった場合でも、制御機能が維持できる程度のレベルは必要であるが、通常は主信号に比べて遥かに低いレベルでパイロット信号を設定することができる。更に、直流光ではないパイロット信号を使用して角度誤差を検出するので、背景光による影響を低減することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述の従来例においては、ビーム拡がり角が通信時に一定であるために、対向する装置間の距離が遠い場合に合わせてビーム拡がり角を設定すると、対向する装置の両方又は片方が移動して対向する装置間距離が近くなったときに、受光径が小さくなって僅かな振動又は移動によって送信光ビームが対向装置から外れてしまう。また、対向装置が光軸に対して垂直方向に同じ速度で移動する場合には、装置間距離が近い方が遠い場合に比べて、光ビームの出射方向の変動が大きくなるために、近距離通信時の送信光ビーム角度補正が困難になるという問題点がある。
【００１０】
更に、対向する装置間距離が近い場合に合わせてビーム拡がり角を設定すると、対向する装置の両方又は片方が移動して対向する装置間の距離が遠くなったときに、受光径が広がり過ぎてしまい、受信側で十分な光パワーを受信することができなくなるという問題点が生ずる。
【００１１】
本発明の目的は、上述の問題点を解消し、対向する装置間距離が変更しても常に最適な受光径を維持することができる光空間伝送システムを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る光空間伝送システムは、光空間伝送装置と、該光空間伝送装置と距離を隔てて対向して配置した対向装置とから成り、情報を伝送を行う光空間伝送システムであって、前記光空間伝送装置は、第１直線偏光を発する光源と、前記対向装置からの反射光を受ける受光素子と、前記光源から発した前記第１直線偏光を送信光として前記対向装置に導き、前記対向装置からの前記第１直線偏光と偏光方向が直交する第２直線偏光である前記反射光を前記受光素子に導く偏光ビームスプリッタと、前記受光素子で前記反射光を受信し、該受光素子の出力から距離検出用信号を抽出することにより測定した前記光空間伝送装置と前記対向装置との距離に応じて、前記送信光のビーム拡がり角を自動的に変更するビーム拡がり角可変制御部とを備え、前記対向装置は、前記送信光の少なくとも一部を前記光空間伝送装置に向けて反射光として反射する反射部と、前記送信光と前記反射光が通過する光路上に設けられ、前記第１直線偏光を前記第２直線偏光に変換する１／４波長板とを備えており、前記ビーム拡がり角可変制御部が、前記光空間伝送装置と前記対向装置との距離が遠い場合は、近い場合に比べて、前記ビーム拡がり角を狭くすることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明を図１〜図４に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は第１の実施例の光空間伝送システムの構成図である。光空間伝送装置である送信部においては、対向装置に伝送するデータを入力する主信号入力部２０の出力は、角度誤差及び距離検出用信号発生部２１の出力と共に、本信号と角度誤差検出用信号を合波する合波部２２に接続されている。合波部２２の出力は合波された電気信号を光信号に変更する電気−光変換部２３に接続され、電気−光変換部２３は例えばレーザー駆動回路２４とレーザーダイオード光源２５から構成されている。
【００１４】
レーザーダイオード光源２５の前方の光路上には、光軸方向に移動してビーム拡がり角を調整するビーム拡がり角調節用レンズ２６、送信光と受信光を分離するための偏光ビームスプリッタ２７が配列されており、偏光ビームスプリッタ２７の左反射方向には、送信ビーム角可変部２８、レンズ２９、３０が順次に配列されている。
【００１５】
また、偏光ビームスプリッタ２７の右方向には、レンズ３１、送信ビーム方向のずれ量を検出するための位置検出用受光素子３２が配列されている。位置検出用受光素子３２の出力は、距離検出用信号を抽出するためのフィルタ部３３を介して、角度誤差及び距離検出用信号発生部２１で発生した信号と共に送り返されてきた距離検出用信号の位相差を検出するための例えばアナログ乗算機のような位相比較部３４に接続されている。位相比較部３４の出力は送信光のビーム拡がり角を可変するためのビーム拡がり角可変制御部３５を介して、拡がり角調節用レンズ２６に接続されている。また、位置検出用受光素子３２の出力は、送信ビーム角度を制御するための光軸角調整駆動制御部３６を介して、送信ビーム角可変部２８に接続されている。
【００１６】
対向装置である受信部においては、受信光の光路上にレンズ４０、４１、入射した光束を分離するためのハーフミラー４２、紙面に垂直な方向に偏光された光束を紙面に水平方向に偏光して送信部に送り返すための１／４波長板４３、レンズ４４、送信部から送られてきた光束を反射して送り返すための反射部４５が順次に配列されている。ハーフミラー４２の反射方向には、レンズ４６、受信光を電気信号に変換する光−電気変換部４７が配列されており、この光−電気変換部４７は受光素子４８と受光回路４９から構成されている。また、受光素子４８の出力は、対向装置から送られてきた主信号成分を抽出するためのフィルタ部５０を介して主信号出力部５１に順次に接続されている。
【００１７】
このような構成により、本実施例では送信している信号と対向装置から折り返してきた信号の位相差によって距離を検出する。送信している信号と対向装置から折り返してくる信号とは、装置間を往復してくる時間分ずれが発生する。このずれは装置間距離に比例するので、この位相のずれを検出することによって装置間距離を検出することができる。ここで、距離検出用の周波数を高くすると距離測定の分解能は上がるが、位相のずれが１波長分を越えてしまうために長距離の測定を行うことができない。逆に、周波数を低くすると長距離の測定を行うことができるが分解能は下がる。
【００１８】
主信号入力部２０に入力した主信号は、角度誤差及び距離検出用信号発生部２１から出力された検出用信号と合波部２２で合波される。ここで、角度誤差及び距離検出用信号発生部２１から出力される信号は、角度誤差検出用信号と距離検出用信号が共通であるが、別の信号であっても支障はない。合波部２２で合波された信号は電気−光変換部２３で光信号に変換される。ここで、電気−光変換部２３から出力された光信号は紙面に垂直に偏光されているために、ビーム拡がり角調節用レンズ２６を通って偏光ビームスプリッタ２７で反射されて送信ビーム角可変部２８に出力される。更に、レンズ２９、３０を通って、対向装置に出力される。
【００１９】
レンズ３０から出力した光ビームは、対向する受信部のレンズ４０、４１を通り、ハーフミラー４２により２分割され、一方はレンズ４６を通り、光−電気変換部４７に入力して電気信号に変換され、フィルタ部５０で主信号成分が抽出されて主信号出力部５１から外部に出力される。ハーフミラー４２で分割された他方の光ビ−ムは、１／４波長板４３を通りレンズ４４で集光し反射部４５で反射される。ここで、光ビームはレンズ４４により集光し、その焦点で反射されるために、反射部４５の表面が入射した光軸に完全に垂直でなくても、レンズ４４から１／４波長板４３に出力される光束は、対向する送信部から入射した光軸と平行になる。
【００２０】
図２はこのときの様子を表しており、集光レンズ４４で集光した光ビームは、反射部４５に傾き角θで反射される。ここで、反射部４５の代りに受光素子４８の表面による反射を利用して距離検出用信号を送り返しても、装置間距離がそれほど離れていなければ同等の効果を得ることができる。また、レンズ４４と反射部４５の代りにコーナーキューブを使用してもよい。反射部４５で反射された光束は、レンズ４４、１／４波長板４３、ハーフミラー４２、レンズ４１、４０を戻って、対向する送信部に送信される。このとき、送信部に送信された光束は１／４波長板４３を２回通過しているので、偏波面が紙面と垂直方向から紙面と水平方向に偏光されている。
【００２１】
反射光は送信部のレンズ３０、２９を通り、送信ビーム角可変部２８、偏光ビームスプリッタ２７に至る。ここで、受信部から反射された光ビームは紙面と水平に偏向されているために、偏光ビームスプリッタ２７を透過し、レンズ３１を通って位置検出用受光素子３２に入力する。位置検出用受光素子３２から得られた光軸誤差情報は光軸角調整駆動制御部３６に出力され、送信ビーム角可変部２８を動かして光軸の補正が行われる。
【００２２】
また、位置検出用受光素子３２で電気変換された信号は、フィルタ部３３において距離検出用信号が抽出されて位相比較部３４に出力される。位相比較部３４においてはフィルタ部３３から入力した対向装置の受信部から送り返されてきた距離検出用信号と、角度誤差及び距離検出用信号発生部２１で発生した距離検出用信号の位相差を電圧信号に変換して、ビーム拡がり角可変制御部３５に出力する。ビーム拡がり角可変制御部３５は、位相比較部３４から入力した電圧情報と、予め入力されている距離検出用信号の周波数情報とを基に装置間距離を解析し、ビーム拡がり角調節用レンズ２６を光軸方向に動かして、送信する光ビーム拡がり角を最適値に調節する。
【００２３】
図３は第２の実施例の構成図を示し、距離測定用信号の反射部に受光素子を使用した場合である。対向装置に伝送するデータを入力する主信号入力部６０の出力は、距離検出用信号発生部６１の出力と共に、本信号と距離検出用信号を合波するための合波部６２に接続されている。合波部６２の出力は合成された電気信号を光信号に変換する電気−光変換部６３に接続されており、電気−光変換部６３は例えばレーザー駆動回路６４とレーザーダイオード光源６５から構成されている。レーザーダイオード光源６５の前方の光路上には、ビーム拡がり角調節用レンズ６６、送信光と受信光を分離するための偏光ビームスプリッタ６７が配列され、偏光ビームスプリッタ６７の左反射方向にレンズ６８、６９が配列されている。
【００２４】
偏光ビームスプリッタ６７の右方向には、レンズ７０、受信光を電気信号に変換する光−電気変換部７１が配列され、光−電気変換部７１は例えば受光素子７２と受光回路７３から構成されている。受光回路７３の出力は距離検出用信号を抽出するためのフィルタ部７４、距離検出用信号発生部６１で発生した信号と受信装置から送り返されてきた距離検出用信号の位相差を検出するための位相比較部７５に順次に接続され、位相比較部７５の出力は送信光のビーム拡がり角を可変するためのビーム拡がり角可変制御部７６を介して、光軸方向に移動可能なビーム拡がり角調節用レンズ６６に接続されている。
【００２５】
対向する装置の受信部において、受信光が入射する光路上にレンズ８０、８１、紙面と垂直方向に偏光された光束を紙面と水平方向に偏光して送信部に送り返すための１／４波長板８２、レンズ８３、受信光を電気信号に変換する光−電気変換部８４が順次に配列されており、光−電気変換部８４は例えば受光素子８５と受光回路８６から構成されており、受光回路８６の出力は対向装置から送られてきた主信号成分を抽出するためのフィルタ部８７を介して主信号出力部８８に順次に接続されている。
【００２６】
このような構成により、主信号入力部６０に入力された主信号は、距離検出用信号発生部６１から出力された距離検出用信号と合波部６２で合波される。合波部６２で合波された信号は電気−光変換部６３で光信号に変換される。電気−光変換部６３から出力された光信号はビーム拡がり角調節用レンズ６６を通り、紙面と垂直方向に偏光されているために偏光ビームスプリッタ６７で反射され、レンズ６８、６９を通って対向装置に出力される。
【００２７】
レンズ６９から出力された光ビームは、対向する受信部のレンズ８０、８１、１／４波長板８２を通り、レンズ８３により受光素子８５に集光し、一部の光ビームは光−電気変換部８４で電気信号に変換され、フィルタ部８７で主信号が抽出されて、主信号出力部８８から外部に出力される。
【００２８】
また、レンズ８３で集光した光ビームの他の一部は、受光素子８５の表面で反射され、この受光素子８５で反射された光束は、レンズ８３、１／４波長板８２、レンズ８１、８０を通って、対向する送信部に送信される。ここで、送信部に送信された光束は１／４波長板８２を２度通ってきたために、偏波面が紙面と垂直方向から紙面と水平方向に偏光されている。
【００２９】
この受信部から反射されてきた反射光は、送信部のレンズ６９、６８を通り、偏光ビームスプリッタ６７に至る。ここで、この光ビームは紙面に水平に偏光されているために、偏光ビームスプリッタ６７を透過し、レンズ７０を通って光−電気変換部７１に入力する。光−電気変換部７１で電気変換された信号は、フィルタ部７４で距離検出用信号が抽出され、位相比較部７５に出力される。位相比較部７５はフィルタ部７４から入力した対向装置の受信部から送り返された距離検出用信号と、距離検出用信号発生部６１で発生した距離検出用信号の位相差を電圧信号に変換して、ビーム拡がり角可変制御部７６に出力する。ビーム拡がり角可変制御部７６は位相比較部７５から入力した電圧情報と、予め入力されている距離検出用信号の周波数情報を基に装置間距離を解析し、ビーム拡がり角調節用レンズ６６を光軸方向に動かして、送信する光ビーム拡がり角を最適値に調節する。
【００３０】
図４は第３の実施例の構成図を示し、対向する装置間の距離に応じて距離検出用の信号の周波数を変更する機能を有している。距離検出用信号発生部９０の出力は電気信号を光信号に変換する電気−光変換部９１に接続され、電気−光変換部９１はレーザー駆動回路９２とレーザーダイオード光源９３から構成されている。レーザーダイオード光源９３の光路上には、送信ビーム拡がり角調節用レンズ９４、送信光と受信光を分離するための偏光ビームスプリッタ９５が配列され、偏光ビームスプリッタ９５の右方向には、レンズ９６、受信光を電気信号に変換する光−電気変換部９７が配列され、光−電気変換部９７は受光素子９８と受光回路９９から構成されている。
【００３１】
受光回路９９の出力は、距離測定用信号を抽出するためのフィルタ部１００、送信している距離検出用信号と対向装置から送り返されてきた距離検出用信号の位相差を検出するための位相比較部１０１に順次に接続されている。位相比較部１０１の出力は、例えばＰＬＬシンセサイザのような距離検出用信号可変部１０２及びビーム拡がり角可変制御部１０３に接続され、距離検出用信号可変部１０２の出力は距離検出用信号発生部９０及びビーム拡がり角可変制御部１０３に接続されている。更に、ビーム拡がり角可変制御部１０３の出力は送信ビーム拡がり角調節用レンズ９４に接続され、位相比較部１０１には距離検出用信号発生部９０の出力が接続されている。
【００３２】
このような構成により、距離検出用信号発生部９０で発生した距離検出用信号は電気−光変換部９１で光信号に変換され、ビーム拡がり角調節用レンズ９４、偏光ビームスプリッタ９５を通って対向装置に送信される。また、対向装置から折り返された光ビームは偏光ビームスプリッタ９５、レンズ９６を通り、光−電気変換部９７で電気信号に変換されて、フィルタ部１００に出力される。フィルタ部１００に入力した電気信号は、距離検出用信号が抽出されて位相比較部１０１に出力される。位相比較部１０１は、フィルタ部１００から入力した距離検出用信号と、距離検出用信号発生部９０から、その入力した距離検出用信号から位相差を電圧信号として距離検出用信号可変部１０２及びビーム拡がり角可変制御部１０３に出力する。
【００３３】
距離検出用信号可変部１０２は位相比較部１０１から入力した電圧信号を基に、位相差に１波長分のずれに対して十分に余裕があるときには、距離検出用信号発生部９０から発生する距離検出用信号の周波数を上げ、また位相差に１波長分のずれに対して十分余裕がないときには、距離検出用信号発生部９０から発生する距離検出用信号の周波数を下げる。そして、距離検出用信号の周波数はビーム拡がり角可変制御部１０３に出力され、ビーム拡がり角可変制御部１０３は位相比較部１０１から入力した位相差情報と距離検出用信号可変部１０２から入力した距離検出用信号の周波数情報とを基に装置間距離を解析し、ビーム拡がり角調節用レンズ９４を光軸方向に動かして、送信する光ビーム拡がり角を最適値に調節する。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る光空間伝送システムは、距離測定手段により測定した距離に応じて、送信する光束のビーム拡がり角を自動的に変更するようにしたことにより装置間距離が可変しても適切な送信光ビーム拡がり角を維持することができ、自動的に受信径が最適の大きさになるために、装置間の距離が遠い場合は十分な光パワーを受信することができ、装置間の距離が近い場合は装置の移動等により送信ビームが対向装置から外れることを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例の構成図である。
【図２】距離測定用信号の反射部に入射する光ビームの説明図である。
【図３】第２の実施例の構成図である。
【図４】第３の実施例の構成図である。
【図５】従来例の構成図である。
【符号の説明】
２０、６０ 主信号入力部
２１ 角度誤差及び距離検出用信号発生部
２２、６２ 合波部
２３、６３、９１ 電気−光変換部
２６、６６、９４ ビーム拡がり角調節用レンズ
２７、６７、９５ 偏光ビームスプリッタ
２８ 送信ビーム角可変部
３２ 位置検出用受光素子
３４、７５、１０１ 位相比較部
３５、７６、１０３ ビーム拡がり角可変制御部
３６ 光軸角調整駆動制御部
４２ ハーフミラー
４３、８２ １／４波長板
４５ 反射部
４７、７１、８４、９７ 光−電気変換部
５１、８８ 主信号出力部
６１，９０ 距離検出用信号発生部
１０２ 距離検出用信号可変部

Claims (4)

1. 光空間伝送装置と、該光空間伝送装置と距離を隔てて対向して配置した対向装置とから成り、情報を伝送を行う光空間伝送システムであって、
   前記光空間伝送装置は、第１直線偏光を発する光源と、前記対向装置からの反射光を受ける受光素子と、前記光源から発した前記第１直線偏光を送信光として前記対向装置に導き、前記対向装置からの前記第１直線偏光と偏光方向が直交する第２直線偏光である前記反射光を前記受光素子に導く偏光ビームスプリッタと、前記受光素子で前記反射光を受信し、該受光素子の出力から距離検出用信号を抽出することにより測定した前記光空間伝送装置と前記対向装置との距離に応じて、前記送信光のビーム拡がり角を自動的に変更するビーム拡がり角可変制御部とを備え、
   前記対向装置は、前記送信光の少なくとも一部を前記光空間伝送装置に向けて反射光として反射する反射部と、前記送信光と前記反射光が通過する光路上に設けられ、前記第１直線偏光を前記第２直線偏光に変換する１／４波長板とを備えており、
   前記ビーム拡がり角可変制御部が、前記光空間伝送装置と前記対向装置との距離が遠い場合は、近い場合に比べて、前記ビーム拡がり角を狭くすることを特徴とする光空間伝送システム。
2. 前記光空間伝送装置は、伝送する主信号と別の距離測定用の距離検出用信号を発生する距離検出用信号発生部を備え、前記距離検出用信号を前記対向装置に送信し、前記距離検出用信号の前記対向装置からの反射光の位相差から前記光空間伝送装置と前記対向装置の間の距離を測定することを特徴とする請求項１に記載の光空間伝送システム。
3. 前記対向装置が、前記反射部上に、前記送信光を集光するレンズを備えていることを特徴とする請求項１に記載の光空間伝送システム。
4. 前記反射部はコーナーキューブであることを特徴とする請求項１に記載の光空間伝送システム。

Images