JP6426176B2 - 光学ビームから光学エネルギーを抽出する方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には、光学通信で使用されるビーコンビームを生成するように構成されたレンズを含む、光学通信システムに関する。

レーザー通信システムのような光学通信システムは、遠距離（例えば何マイルも）を経て、自由空間を通って（例えば空中や宇宙を通って）データを伝達するために、定方向の光ビームを使用し得る。光ビームは、第１の装置（例えば第１のレーザー通信端末）によって生成され得、第１の装置から離れた位置にある第２の装置（例えば別のレーザー通信端末）によって受容され得る。第１の装置及び第２の装置は、データを送信及び受信する双方向通信を確立するために光ビームを使用し得る。光ビームは狭い角度発散を有し得るため、第２の装置は、光ビームの位置を特定するのに困難を有し得る。第２の装置の光ビーム位置特定性能を向上するため、第１の装置はビーコンビームを生成し得る。ビーコンビームのための光学エネルギー（即ち、光）は、（１）主要光学エネルギー源（例えばレーザー）に隣接して位置する専用ビーコン光源（例えばビーコンビーム光源）、又は（２）主要光学エネルギー源（例えばレーザー）によって作成された光学エネルギーの一部がビーコンビームの作成に使用するため抽出され得ること、によって作成され得る。後者の例では、光ビームの一部を方向転換するため、光ビーム（例えば主要光学エネルギー源によって作成される光）の経路内に機械的マウント又はブラケットによってレンズが配置され得る。機械的マウント又はブラケットによって、光ビームの一部が第１の装置から第２の装置に向かって伝送されることが遮断され得る。一部の光ビームが遮断されることによって、光ビームの強度が低減される。

レーザー通信端末は、第２のレーザー通信端末との通信を確立するために使用されるビーコンビームを生成するように構成されている、レンズを含み得る。レンズは、レンズ表面上に配置される１以上の屈折エレメントを含む。１以上の屈折エレメントは、レーザー通信端末の光源から発せられた光の一部を方向転換することによって、ビーコンビームを生成するように構成されている。レンズは、ほぼ透明な板（例えば光学ガラス板又はポリマー板）であり得る。レーザー通信端末はまた、遠隔レーザー通信端末との通信に使用されるプライマリビームを生成するようにも構成され得る。１以上の屈折エレメントは、プライマリビームを生成するために使用される光の一部を方向転換してビーコンビームを生成するように構成され得る。１以上の屈折エレメントがほぼ透明なレンズによって光の経路内に保持されるため、機械的マウント及びブラケットに関連する光の損失は、除去され得る。また、本明細書で開示される１以上の実施形態で説明されるレンズを含むレーザー通信端末は、機械的マウント又はブラケットを使用したレーザー通信端末と比べてより低い送信電力の下でも、望ましいビームの強度及び／又は通信データレートを達成することが可能であり得る。

具体的な実施形態では、装置は光源、主鏡、副鏡、及びレンズを含む。光源は、レーザービームのような、ガウシアン強度プロファイルを持った光を発するように構成され得る。主鏡及び副鏡は、カセグレン光学系を形成し得る。レンズは、レンズの第１の表面上に配置されている２つの屈折エレメントを含む。２つの屈折エレメントは、レンズの第１の表面の中心から、ほぼ等距離に配置され得る。主鏡及び副鏡は、光源から発せられた光を使用してプライマリビームを生成するように構成され得る。レンズは光源と主鏡の間に配置され、２つの屈折エレメントは、光源から発せられた光の少なくとも一部を使用してビーコンビームを生成するように構成され得る。ビーコンビームは、遠距離場で、均一かつ均衡した状態で部分的に重複及び／又は集束する、２つの個別ビーコンビームを含み得る。第１の個別ビーコンビームは、第１の屈折エレメントによって生成され得、第２の個別ビーコンビームは、第２の屈折エレメントによって生成され得る。

別の実施形態では、レーザー通信端末は、第１のレンズ、第２のレンズ、及び光源を含む。第１のレンズは対物レンズであり得、第１のレンズ及び光源は、中心部に障害物のない屈折光学系（例えば屈折望遠鏡）を形成するように配置され得る。第２のレンズは、ビーコンビームを生成するように構成され、中心部に位置する屈折エレメントを含み、光源と第１のレンズとの間に配置され得る。中心部に位置する屈折エレメントは、レーザー通信端末の光軸の中心に位置し得る。レーザー通信端末の第１のレンズは、光源から発せられた光を使用してプライマリビームを生成するように構成され得、第２のレンズの中心部に位置する屈折エレメントは、光源から発せられた光の少なくとも一部を使用して、単一のビーコンビームを生成するように構成され得る。

一実施形態では、レンズは第１の表面及び第２の表面を有し、第１の表面は第２の表面からレンズの厚さによって隔てられ得る。レンズの第１の表面は、第１の屈折エレメント及び第２の屈折エレメントを含み得る。第１の屈折エレメント及び第２の屈折エレメントは、レンズの第１の表面の中心からほぼ等距離に配置され得る。レンズが望遠鏡に搭載される際、第１の屈折エレメント及び第２の屈折エレメントは、望遠鏡の光源から発せられた光がレンズを通過するときにビーコンビームを生成するように構成され得る。ビーコンビームは、遠距離場で、均一かつ均衡した状態で部分的に重複及び／又は集束する、２つの個別ビーコンビームを含み得る。第１の個別ビーコンビームは、第１の屈折エレメントによって生成され得、第２の個別ビーコンビームは、第２の屈折エレメントによって生成され得る。

別の実施形態では、方法は、光源から発せられた光を使用してプライマリビームを生成することを含む。プライマリビームは、典型的なカセグレン光学の配置におけるように、望遠鏡の主鏡及び副鏡を使用して光を反射することによって生成され得るか、又はプライマリビームは、典型的な屈折光学の配置におけるように、対物レンズによって生成され得る。方法は、望遠鏡のレンズを用いて光の一部を使用することで、セカンダリビーム（例えばビーコンビーム）を生成することを含む。中心部に障害物を有する光学系（例えばカセグレン光学の配置に従って配置される望遠鏡）においては、レンズは、レンズの第１の表面の中心からほぼ等距離に配置される２以上の屈折エレメントを含み、２以上の屈折エレメントを使用して光の一部を方向転換することによって、セカンダリビームが生成される。中心部に障害物を有しない光学系（例えば屈折光学の配置に従って配置される望遠鏡）においては、レンズは、中心部に位置しレンズ表面に配置された屈折エレメントを含み、中心部に位置する屈折エレメントを使用して光の一部を方向転換することによって、セカンダリビームが生成される。

プライマリビーム及びビーコンビームを生成するように構成された、レーザー通信端末の例示的な実施形態のブロック図である。 ビーコンビームを生成するように構成されたレンズの例示的な実施形態である。 ビーコンビームを生成するように構成されたレンズの側面図である。 レーザー通信システムの例示的な実施形態である。 プライマリビーム及びセカンダリビームに関連付けられた、光の強度プロファイルの例示の投影像である。 プライマリビーム及びセカンダリビームを生成する方法の実施形態のフローチャートである。

図１を参照すると、プライマリビーム及びセカンダリビーム（ビーコンビーム）を生成するように構成された、レーザー通信端末１００の例示的な実施形態のブロック図が示されている。レーザー通信端末１００は、光源１０２、主鏡１０４、副鏡１０６、及びレンズ１２０を含む。一実施形態では、光源１０２はレーザー通信端末１００の外部にあり、レーザー通信端末１００とは別個である。一実施形態では、光源１０２はレーザーであり得、及び／又は他の構成要素（例えばプリズム、鏡、その他）を含み得る。

主鏡１０４及び副鏡１０６は、光源１０２から発せられた光１１０を使用してプライマリビーム１１０Ｂを生成するように構成され得る。説明すると、光源１０２は、光１１０が副鏡１０６に対して方向づけられるよう、光１１０を発するように構成され得る。一実施形態では、主鏡１０４及び副鏡１０６は、カセグレン光学系を形成し得る。主鏡１０４は、光１１０が妨害されずに主鏡１０４を経由して副鏡１０６に達することを可能にするように構成される、（図１に図示せぬ）中心部の開口を含み得る。副鏡１０６は、光１１０のほとんどを、光１１０Ａとして主鏡１０４に向けて反射するように構成され得る。主鏡１０４は、光１１０Ａをプライマリビーム１１０Ｂとして反射するように構成され得る。

一実施形態では、レーザー通信端末１００は、レーザー通信システムの一部として動作し得、プライマリビーム１１０Ｂを介して（図１に図示せぬ）遠隔レーザー通信端末にデータを送信し得る。例えば、データはプライマリビーム１１０Ｂ内で、（例えば、振幅変調、周波数変調、パルス幅変調などを用いて）エンコードされ得る。一実施形態では、プライマリビーム１１０Ｂはほぼコリメートされた（ｃｏｌｌｉｍａｔｅｄ）ビームである。プライマリビーム１１０Ｂは、レーザー通信端末１００から遠隔レーザー通信端末に、開放空間（例えば空中、宇宙など）を通って及び長距離（１マイルを超え得る距離）を経て、伝送され得る。具体的な実施形態では、レーザー通信端末１００は第１の望遠鏡であり得、（図１に図示せぬ）遠隔レーザー通信端末は第２の望遠鏡であり得る。第１の望遠鏡及び第２の望遠鏡は、電磁放射線を捕集し、伝送し、及び受容し、並びに観測の際に補助する機器に相当し得る。

遠隔レーザー通信端末において第１の光１１０Ｂを検出することは、困難でありうる。それはレーザー通信端末１００からのプライマリビーム１１０Ｂの角度発散が小さいことと、プライマリビーム１１０Ｂが遠隔レーザー通信端末の受光開口部によって捕捉され受容されるためには、レーザー通信端末１００からのプライマリビーム１１０Ｂがどこを狙えば良いかに関する正確な先験的知識の欠如とによる。例えば、プライマリビーム１１０Ｂは、約１から２秒の角度発散を有し得る。遠隔レーザー通信端末におけるプライマリビーム１１０Ｂの可視性を増大させるため、及び遠隔レーザー通信端末がプライマリビーム１１０Ｂの位置を特定し、プライマリビーム１１０Ｂを介してデータの受信を開始する速度を増加するため、レーザー通信端末１００はレンズ１２０を用いてビーコンビーム１２２を生成し得る。ビーコンビーム１２２は、遠隔レーザー通信端末によるプライマリビーム１１０Ｂの位置特定を容易にし得る。前述のとおり、レーザー通信端末１００によって生成されるプライマリビーム１１０Ｂは小さい角度発散（例えば１から２秒）を有し得、そのような角度発散は、遠隔レーザー通信端末がレーザー通信端末１００から何マイルも離れている場合には位置の特定や検出が困難であり得る。反対に、レーザー通信端末１００によって生成されるビーコンビーム１２２は、適度に大きい角度発散（例えば１度の１０分のいくつか）を有し得る。例えば、ビーコンビーム１２２の直径は、遠距離場（即ち、遠隔レーザー通信端末の位置）において、プライマリビーム１１０Ｂの直径よりも大きいものであり得る。遠距離場におけるビーコンビーム１２２の直径は、遠隔レーザー通信端末の受光開口部を包含するのに十分なほど大きいものであり得る。レーザー通信端末１００は、こうして「人工の星」として遠隔端末から見えるものとなり、こうして遠隔レーザー通信端末が継続して追跡するように捉え続ける（ｅｎｇａｇｅ）又は「ロックオン」するための光学的信号を提供するだろう。もし双方向通信が計画されるなら、遠隔レーザー通信端末において同様の構造的配置が実装され得、こうしてレーザー通信端末１００にとって「ロックオン」対象である「人工の星」が提供される。例えば、遠隔レーザー通信端末は、レーザー通信端末１００のレンズ１２０、主鏡１０４及び副鏡１０６の配置と同様に配置される、レンズ、主鏡、及び副鏡を含み得る。具体的な実施形態では、ビーコンビーム１２２、プライマリビーム１１０Ｂ、又はこの双方は、遠距離場において円形でない断面を有し得る。この実施形態では、ビーコンビーム１２２の断面の代表長さは、プライマリビーム１１０Ｂの断面の対応する代表長さよりも長くなり得る。

一実施形態では、レンズ１２０の表面は、ほぼ平ら（例えば平面又は望ましい機械加工公差の範囲内）であり得る。一実施形態では、レンズ１２０は、プライマリビーム１１０Ｂの波長に関して透明な素材から作成され得る（例えば、レンズ１２０は光学的にほぼ中立であり得る）。レンズ１２０は、１以上の屈折エレメントを含み得る。例えば、１以上の屈折エレメントはレンズ１２０の第１の表面上、レンズ１２０の第２の表面上、レンズ１２０の内部、又はレンズ１２０の第１の表面及び第２の表面上に配置され得る。レンズに２以上の屈折エレメントが含まれる場合、２以上の屈折エレメントは、レンズの第１の表面の中心からほぼ等距離に配置され得る。レンズに１つの屈折エレメントが含まれる場合（即ち、レンズが中心部に障害物が含まれない望遠鏡に搭載される場合）、屈折エレメントは中心に配置され得る。

１以上の屈折エレメントは、光源１０２から発せられた光１１０の少なくとも一部を使用してビーコンビーム１２２を生成するように構成され得る。一実施形態では、レンズ１２０に２以上の屈折エレメントが含まれる場合、２以上の屈折エレメント中の第１の屈折エレメントは、光１１０の第１の部分１２２Ａを方向転換し得、２以上の屈折エレメント中の第２の屈折エレメントは、光１１０の第２の部分１２２Ｂを方向転換し得、追加の屈折エレメントの場合も同様である。ビーコンビーム１２２は、第１の部分１２２Ａ及び第２の部分１２２Ｂ（追加の屈折エレメントの場合も同様）に相当する、光の全部又は一部を含み得る。一実施形態では、第１の部分１２２Ａは第１のビーコンビームを形成し得、第２の部分１２２Ｂは第２のビーコンビームを形成し得る。第１のビーコンビーム及び第２のビーコンビームは、遠距離場で見たときに単一のビーコンビーム（例えばビーコンビーム１２２）として見え得る。一実施形態では、図１に示すように、レンズ１２０は光源１０２と主鏡１０４との間に配置され得る。別の実施形態では、レンズ１２０は主鏡１０４の中心部の開口内、又はビーコンビーム１２２Ａを作り出すために適切な別の位置に配置され得る。

一実施形態では、レンズ１２０の１以上の屈折エレメントは、光１１０の一部を相対的に大きな角度で方向転換することによって、光１１０の方向転換された部分のうちの一部が副鏡１０６を迂回する（例えば、副鏡で反射されない）ようにして、ビーコンビーム１２２を生成するように、構成され得る。当業者は、これによってビーコンビーム１２２の遠距離場の光学放射パターンに不連続性が発生し得るということを認識するであろう。ビーコンビーム１２２の遠距離場の光学放射パターンにおける不連続性は、レーザー通信端末１００の具体的な応用にとって不適切であり得る。したがって、別の実施形態では、レンズ１２０の１以上の屈折エレメントは、ビーコンビーム１２２が、副鏡１０６及び主鏡１０４の双方によって捕捉され反射されるよう、光１１０の一部を方向転換して発散角のより小さいビーコンビーム１２２にすることによってビーコンビーム１２２を生成するように、構成され得る。この実施形態では、ビーコンビーム１２２は、レーザー通信端末１００によって作成されたプライマリビーム１１０Ｂの、わずかに焦点がずれた部分として考えることができる。この実施形態によって、ビーコンビーム１２２の遠距離場の光学放射パターンにおける不連続性は、除去され得る。具体的には、１以上の軸外れしたビーコンビームがレンズ１２０の屈折エレメントによって生成され得る。そのビーコンビームは次いで、１以上のビーコンビームがレーザー通信端末１００から出る際に副鏡１０６によって隠されないように、主鏡１０４及び副鏡１０６のそれぞれの軸外れした部分で反射されるであろう。このように、遠距離場の放射パターンには不連続性が生じない。レンズ１２０の１以上の屈折エレメントの屈折力は、副鏡によって隠されることを避けながら、ビーコンビーム１２２の望ましい発散角度が達成されるように、限られた範囲で調整され得る。

図１に示されるように、ビーコンビーム１２２は、プライマリビーム１１０Ｂの直径（又は断面の代表長さ）よりも大きい直径（又はビーコンビーム１２２の断面の代表長さ）を有し得る。レンズ１２０にはほぼ透明な板（例えば光学ガラス板又はポリマー板）が含まれるため、光１１０がレンズ１２０を通過する際に失われる光の量は、減少し得る。例えば、光１１０の経路内に屈折エレメントを配置するために不透明なブラケットやリングといった機械的マウントを使用するレーザー通信端末は、１０％を超える光１１０を遮断し得る。これによってレーザー通信端末から伝送されるプライマリビームの強度及びデータ通信速度が減少し得、それはレーザー通信端末の送信電力を増強することで補償され得る。ほとんどの場合には、このタイプの損失を調節するためにレーザー通信端末の送信電力を代償的に増強することは選択肢ではあり得ず、このため達成可能なデータ速度及び／又は通信範囲が低下する。対照的に、レンズ１２０は、主要な面に高効率の反射防止膜を含んだほぼ透明な板（例えば透明なガラス又はポリマーの板）であり、したがって光１１０はほぼ全てがレンズ１２０を通過することが可能である。このように、機械的にマウントされる屈折エレメント又はレンズを使用するレーザー通信端末と比較して、プライマリビーム１１０Ｂを望ましい強度で伝送し、及び／又は望ましいデータ通信速度を達成するのにレーザー通信端末１００が必要とする送信電力の量は、レンズ１２０によって低減され得る。

図２を参照すると、図１に示すレンズ１２０の例示的実施形態が示されている。図２に示されるように、レンズ１２０には第１の屈折エレメント２１０Ａ及び第２の屈折エレメント２１０Ｂ（合わせて、２以上の屈折エレメント２１０と呼ぶ）が含まれる。一実施形態では、２以上の屈折エレメント２１０は、直径２６０を有する実質的な円形を有し得る。一実施形態では、直径２６０は約３．６ミリメートルである。具体的な実施形態では、２以上の屈折エレメント２１０はレンズ１２０の第１の表面の凹部に相当し得る。別の具体的な実施形態では、２以上の屈折エレメント２１０はレンズ１２０の第１の表面の凸部に相当し得る。別の具体的な実施形態では、２以上の屈折エレメント２１０はレンズ１２０の第１の表面の斜角部に相当し得る。別の具体的な実施形態では、２以上の屈折エレメント２１０は、レンズ１２０の残りの部分とは異なる屈折率を有する、レンズ１２０の部分に相当し得る。例えば、レンズ１２０は第１の屈折率を有する光学ガラス板であり得、レンズ１２０の２以上の屈折エレメント２１０を画定する部分は、第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有し得る。

図２に示されるように、中心２３０から、第１の屈折エレメント２１０Ａはレンズの第１の表面の直径２２０に沿って、第１の距離２４０に配置され得、第２の屈折エレメント２１０Ｂはレンズの第１の表面の直径２２０に沿って、第２の距離２５０に配置され得る。一実施形態では、第１の距離２４０及び第２の距離２５０は等しくあり得る。例えば、第１の距離２４０及び第２の距離２５０は、中心２３０から約５．２４ミリメートルであり得る。したがって、２以上の屈折エレメント２１０のそれぞれの中心は、中心２３０から約５．２４ミリメートルに配置され得る。一実施形態では、直径２２０は光ビーム１１０の直径２７０より大きい。例えば、光ビーム１１０の直径２７０が１インチの２／３である場合、レンズ１２０の直径２２０は約２５ミリメートルであり得る。一実施形態では、第１の距離２４０及び第２の距離２５０は等しいか又はほぼ等しく、第１の屈折エレメント２１０Ａ及び第２の屈折エレメント２１０Ｂはレンズ１２０の第１の表面の中心２３０から等距離又はほぼ等距離に配置されている。

別の実施形態では、第１の屈折エレメント２１０Ａ及び第２の屈折エレメント２１０Ｂはレンズ１２０の中心２３０から等距離に配置されなくても良い。例えば、第１の距離２４０は第２の距離２５０よりも大きいか又は小さくあり得る。更に別の実施形態では、屈折エレメント２１０はレンズ１２０の中心２３０から等距離又はほぼ等距離に配置され得、（図２に図示せぬ）別の屈折エレメントがレンズ１２０の第１の表面上に配置され得る。別の実施形態では、レンズ１２０には、レンズ１２０の中心２３０の周囲に対称的に配置される２を超える数の屈折エレメントが含まれ得る。例えば、２を超える数の屈折エレメントが中心２３０の周りに、三角形、正方形、又は望ましい特性のビーコンビームを生成するように構成される別のパターンで、対称的に配置され得る。屈折エレメントがレンズ１２０の中心２３０の周りに対称的に配置される際、ビーコンビーム１２２は、図５を参照して説明されるようにほぼ対称の強度プロファイルを有し得、その場合はレーザー通信端末はガウシアンプロファイルを有するレーザービームを伝導または伝達する。レンズ１２０に含まれる屈折エレメントの数が増加するにつれて、より多くの光１１０が方向転換され得、プライマリビームの強度を低減させ得るより強いビーコンビームが作られる。

図３を参照すると、図１及び図２のレンズ１２０の側面図が示されている。図３に示されるように、レンズ１２０は第１の表面３０２及び第２の表面３０４を有する。レンズ１２０の第１の表面３０２及び第２の表面３０４は、厚さ３０６によって隔てられ得る。具体的な実施形態では、レンズ１２０の厚さ３０６は、約２．０ミリメートルであり得る。

図２では、レンズ１２０には、第１の屈折エレメント２１０Ａ及び第２の屈折エレメント２１０Ｂが含まれる。図２に関連して説明されるように、第１の屈折エレメント２１０Ａは、第１の表面３０２上の中心２３０に対して第１の距離２４０のところに配置され得、第２の屈折エレメント２１０Ｂは、中心２３０から第２の距離２５０のところに配置され得る。一実施形態では、第１の表面３０２は、（第１の屈折エレメント２１０Ａに相当する）第１の領域及び（第２の屈折エレメント２１０Ｂに相当する）第２の領域を除き、ほぼ平らな表面である。一実施形態では、第２の表面はほぼ平らな表面である。一実施形態では、屈折エレメント２１０は第２の表面３０４上に配置され得る。この実施形態では、第１の表面３０２はほぼ平らな表面であり得、第２の表面３０４は（第１の屈折エレメント２１０Ａに相当する）第１の領域及び（第２の屈折エレメント２１０Ｂに相当する）第２の領域を除き、ほぼ平らな表面であり得る。別の実施形態では、屈折エレメントは、レンズ１２０の第１の表面３０２及び第２の表面３０４の双方の上に配置され得る。

一実施形態では、第１の屈折エレメント２１０Ａ及び第２の屈折エレメント２１０Ｂは、レンズ１２０の第１の表面３０２に対して凹形を有し得る。屈折エレメント２１０のそれぞれの凹形の形状は、レンズ１２０の厚さ３０６に対して深さ３２０まで延伸し得、直径（例えば図２の直径２６０）及び図３の曲率半径３１０を有し得る。一実施形態では、直径２６０は約３．６ミリメートルであり得、曲率半径３１０は約５１．６８ミリメートルであり得、深さ３２０は約０．０３ミリメートルであり得る。代替的な一実施形態では、第１の屈折エレメント２１０Ａ及び第２の屈折エレメント２１０Ｂは、レンズ１２０の第１の表面３０２に対して凸形を有し得る。屈折エレメント２１０が凸形を有する場合、屈折エレメント２１０はレンズ１２０の表面３０２から離れるように延伸し得る。別の具体的な実施形態では、レンズ１２０には、レンズ１２０の１以上の表面に対して凹形を有する１以上の屈折エレメントと、レンズ１２０の１以上の表面に対して凸形を有する追加の１以上の屈折エレメントとが含まれ得る。更に別の実施形態では、レンズ１２０には、完全にレンズ１２０の厚み３０６の内部に配置される屈折エレメントが含まれ得、第１の表面３０２及び第２の表面３０４は、ほぼ平らな表面であり得る。

レンズ１２０の（屈折エレメント２１０を含む）第１の表面３０２及び第２の表面３０４は、反射防止膜でコーティングされ得る。一実施形態では、反射防止膜は、屈折エレメント２１０を含む表面（例えば第１の表面３０２又は第２の表面３０４）につき１％未満（＜１％）の反射率を提供し、１，５３０から１，５６０ナノメートルの波長の、「Ｖ字型」の反射防止プロファイルを有する反射防止膜を含み得る。具体的な実施形態では、レンズ１２０の第１の表面３０２及び第２の表面３０４は、高度に研磨され得る。例えば、レンズ１２０はスクラッチ−ディグの品質水準で２０／１０相当まで研磨され得る。一実施形態では、レンズ１２０の端部は、研磨はされず、４００メッシュ相当まで精細に研削され得る。一実施形態では、レンズ１２０の表面３０２及び３０４間の透過波面収差は、波長６３３ナノメートルについて、ＰＶ値で波長の１／４であり得る。

図４を参照すると、レーザー通信システム４００の例示的実施形態が示されている。図４に示されるとおり、レーザー通信システム４００には、第１のレーザー通信端末４０２及び第２のレーザー通信端末４０４が含まれる。第１のレーザー通信端末４０２は、プライマリビーム４１０及びセカンダリビーム４１２（例えばビーコンビーム）を生成するように構成され得る。具体的な実施形態では、第１のレーザー通信端末４０２は図１のレーザー通信端末１００であり得る。この実施形態では、プライマリビーム４１０は図１のプライマリビーム１１０Ｂであり得、セカンダリビーム４１２は図１のビーコンビーム１２２であり得る。

第２のレーザー通信端末４０４は、プライマリビーム４１０の検出を容易にするように構成されている、光学エレメント４０６を含み得る。例えば、第２のレーザー通信端末４０４は、最初にセカンダリビーム４１２を検出することによって、プライマリビーム４１０を検出し得る。第２のレーザー通信端末４０４がセカンダリビーム４１２の検出を完了すると、第２のレーザー通信端末４０４は光学エレメント４０６をプライマリビームと位置合わせし得、プライマリビーム４１０を介して第１のレーザー通信端末４０２からデータを受信し始め得る。

図５を参照すると、プライマリビーム及びセカンダリビーム（例えばビーコンビーム）に関連した遠距離場の光強度分布の例示が、スポットダイアグラム５０２及び５１０によって示され、遠距離場の光強度が点の密度及び色分けの両方によって表されている。プライマリビーム（例えば図１のプライマリビーム１１０）の遠距離場の表示が、スポットダイアグラム５０２及び５１０の中心の、解像しない点によって示されている。セカンダリビーム（例えばビーコンビーム）は、スポットダイアグラム５０２及び５１０中で、大きな、焦点のボケた不明瞭な領域で示されている。スポットダイアグラム５０２及び５１０は、図１のレーザー通信端末１００のような代表的なカセグレン光学系内に、放射のガウシアン強度分布を伴う、コリメートされた光線束を発射することによって、光線追跡プログラムで生成されたものである。入射するプライマリビーム（例えば、図１のプライマリビーム１１０）は、カセグレン光学系内に進入する際、不均一な（例えばガウシアンの）放射強度分布を示すと想定される。入射するプライマリビームは、光学系の内部全体を伝播する際に、不均一な放射強度分布を保持する。

図５で、スポットダイアグラム５０２は、レンズの第１の表面の中心に対して中心をずらして配置された単一の屈折エレメントを含むレンズを用いて作成される。屈折エレメントはまた、不均一なプライマリビームに対しても、中心がずれていてよい。単一の軸のずれた屈折エレメントは、図１の１２２Ａで輪郭が描かれるように、発散する（円錐状の）セカンダリビームを作成する。単一の屈折エレメントの軸のずれた配置の結果として、遠距離場における第２のビームのプロファイルは非対称の強度分布を示し、この非対称の強度分布は、軸のずれた屈折エレメントによって捕捉された図１の第１のビーム１１０の非対称の強度分布の各部分を再現している。
この結果は、スポットダイアグラム５０２の部分５０４及び５０６における不均等な点密度によって示されている。

対照的に図５では、スポットダイアグラム５１０は、レンズの第１の表面の中心に対して対称に配置された２つの屈折エレメントによって作成される。２つの軸のずれた屈折エレメントは、図１の１２２Ａ及び図１２２Ｂで輪郭が描かれるように、別々の発散するセカンダリビームを作成する。第１の屈折エレメントによって作成された非対称な遠距離場の放射強度分布は、遠距離場において、第２の屈折エレメントによって作成される、同等だが反転した放射強度分布によって重ねられ得、それによって遠距離場では、スポットダイアグラム５１０の部分５１２及び５１４の同等の点密度で示されるように、均一な強度分布が作り出される。

図６を参照すると、プライマリビーム及びセカンダリビーム（例えばビーコンビーム）を生成する方法の実施形態のフローチャート６００が示され指定される。一実施形態では、方法６００は図１のレーザー通信端末１００によって実施され得る。例えば、レーザー通信端末１００は、プライマリビームを生成するために光源１０２、主鏡１０４、及び副鏡１０６を使用し得、セカンダリビーム（例えば図１のビーコンビーム１２２）を生成するためにレンズ１２０を使用し得る。

方法６００は、６０２において、光源から発せられた光を使用してプライマリビームを生成することを含む。プライマリビーム（例えば図１のプライマリビーム１１０Ｂ）は、典型的なカセグレン型の望遠鏡（例えば図１のレーザー通信端末１００）の主鏡（例えば図１の主鏡１０４）及び副鏡（例えば図１の副鏡１０６）を使用して光を反射することによって生成され得る。方法は、６０４において、望遠鏡のレンズ（例えば図１のレンズ１２０）を用いて光（例えば図１の光１１０）の一部を使用することで、セカンダリビーム（例えば図１のビーコンビーム１２２）を生成することを含む。図１のレーザー通信端末１００のような典型的な反射型の光学系においては、レンズ（例えば図１のレンズ１２０）は、レンズの第１の表面の中心からほぼ等距離に配置されている、２以上の、軸のずれた屈折エレメント（例えば図２の屈折エレメント２１０）を含み得る。セカンダリビームは、図１に関連して説明されるように、２以上の屈折エレメントを用いて光の一部を方向転換させることによって、生成され得る。例えば、セカンダリビームの光は、２以上の屈折エレメントによって小さな角度に方向転換され得る。発散するセカンダリビームは、望遠鏡の主鏡及び副鏡のそれぞれの、軸のずれた部分によって反射され、セカンダリビームが望遠鏡の副鏡によって隠されることを回避しながら、このようにプライマリビームの一部分のコリメーション（即ち焦点）の度合いの変化を生じさせる。プライマリビームの中の、焦点がずれたセカンダリビームの部分が、ビーコンビーム（例えば図１のビーコンビーム１２２）として使用され得る。

このように、方法６００を実施することが可能な望遠鏡は、主鏡及び副鏡を用いて光源からの光を反射することによってプライマリビームを生成し、図１から図３のレンズ１２０のようなレンズを使用してセカンダリビームを生成するように構成されている。望遠鏡は、方法６００を実施する場合に、セカンダリビームがレンズを使用して生成されるとき、プライマリビームを生成するために使用される送信電力がより少ない量で済む。なぜならば、レンズがセカンダリビームを生成するため光の一部を方向転換させ、他方で残りの光がプライマリビームを生成するため使用されることを可能にするからである。

本明細書に記載の実施形態の例示は、様々な実施形態の構造の全体的な理解を促すことを意図している。これら例示は、本明細書に記載の構造又は方法を利用する装置及びシステムの、すべての要素及び特徴の網羅的な記載として機能することを意図していない。本開示を精査することにより、当業者には他の多くの実施形態が明らかであろう。例えば、本明細書の実施形態の多くでは、レンズ１２０はカセグレン構成（例えば主鏡及び副鏡）を持つ反射型の光学望遠鏡の内部に組み込まれたものとして説明されている。しかし、図１及び図２のレンズ１２０は、異なる構成（例えば、中心部の障害物を含まない屈折型望遠鏡）を有する他のレーザー通信端末との組み合わせで使用し得る。本開示の範囲を逸脱することなく構造的及び論理的な置き換え及び変更がなされるように、本開示から、他の実施形態が利用され導かれ得る。例えば、方法のステップは例示のものとは異なる順序で実施され得るか、又は、一もしくは複数の方法のステップは省略され得る。したがって、本明細書の記載及び図は、限定的ではなく例示的なものと見なされるべきである。

さらに、具体的な実施形態が本明細書で例示され記載されてきたが、同じ又は類似の結果を達成するように設計されるいかなる後発の構成も、示されている具体的な実施形態に置き換えられ得るということが理解されるべきである。本開示は、様々な実施形態の後発するすべての応用形態又は変形形態をカバーすることを意図している。上述の実施形態の組み合わせ及び本明細書に特段の記載のない他の実施形態は、本開示の記載を精査する当業者には明らかである。

前述の「発明を実施するための形態」において、様々な特徴が組み合わせられたり、単独の実施形態として説明されたりしたかもしれないが、それは本開示を簡潔にする目的である。本開示は、特許請求される実施形態が、各請求項に記載されるもの以外の特徴を要求するという意図を反映すると解釈されるものではない。むしろ、下記の特許請求の範囲が反映しているように、特許請求される主題は、説明されたいずれの実施の形態のすべての特徴よりも少ない特徴を有するものに関しうる。
また、本願は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
主鏡、
副鏡、及び
１以上の屈折エレメントを備えるレンズを備える装置であって、
前記主鏡及び前記副鏡が光源から発せられた光を用いてプライマリビームを生成するよう構成されており、
前記レンズが前記光源と前記主鏡との間に配置されており、
前記１以上の屈折エレメントが前記光源から発せられた前記光の少なくとも一部を使用してビーコンビームを生成するように構成されている、
装置。
（態様２）
前記プライマリビームを介して第２の望遠鏡とデータを通信するように構成されている第１の望遠鏡を備える、態様１に記載の装置。
（態様３）
前記第１の望遠鏡が第１の位置に配置され、前記第２の望遠鏡が前記第１の位置から離れた第２の位置に配置されている、態様２に記載の装置。
（態様４）
前記第２の望遠鏡が少なくとも部分的に前記ビーコンビームに基づいて前記第１の望遠鏡の位置を特定するように構成されている、態様２に記載の装置。
（態様５）
前記１以上の屈折エレメントが２つの屈折エレメントを含み、前記２つの屈折エレメントが前記レンズの第１の表面上に配置され、前記２つの屈折エレメントのそれぞれが前記レンズの前記第１の表面に対して凹形状を有する、態様１に記載の装置。
（態様６）
前記２つの屈折エレメントのそれぞれの前記凹形状が、前記レンズの厚さ方向に延びている、態様５に記載の装置。
（態様７）
前記１以上の屈折エレメントが２つの屈折エレメントを含み、前記２つの屈折エレメントが前記レンズの第１の表面上に配置され、前記２つの屈折エレメントのそれぞれが前記レンズの前記第１の表面に対して凸形状を有する、態様１に記載の装置。
（態様８）
前記２つの屈折エレメントのそれぞれの前記凸形状が、前記レンズの前記第１の表面から離れるように延伸する、態様７に記載の装置。
（態様９）
前記プライマリビームが第１の直径を有し、前記ビーコンビームが遠距離場において前記第１の直径よりも大きい第２の直径を有する、態様１に記載の装置。
（態様１０）
前記レンズが反射防止膜によってコーティングされている、態様１に記載の装置。
（態様１１）
前記光源がレーザーを含む、態様１に記載の装置。
（態様１２）
第１の表面、及び
第２の表面を備える望遠鏡レンズであって、
前記第１の表面が前記第２の表面と厚さによって隔てられており、
前記第１の表面が第１の屈折エレメントを含み、
前記第１の屈折エレメントが前記第１の表面上にあり、
前記第１の屈折エレメントが、光源から発せられた光が前記レンズを通過するときにビーコンビームの少なくとも一部を生成するように構成されている、
望遠鏡レンズ。
（態様１３）
前記第２の表面が、ほぼ平らな表面を含む、態様１２に記載の望遠鏡レンズ。
（態様１４）
前記第１の表面が第２の屈折エレメントを含み、前記第２の屈折エレメントが、前記光源から発せられた光が前記レンズを通過するときに前記ビーコンビームの第２の部分を生成するように構成されている、態様１３に記載の望遠鏡レンズ。
（態様１５）
前記第１の屈折エレメント及び前記第２の屈折エレメントが前記第１の表面に対して凹形状を有し、前記第１の表面が、前記第１の屈折エレメント及び前記第２の屈折エレメントを除いてほぼ平らである、態様１４に記載の望遠鏡レンズ。
（態様１６）
前記第１の屈折エレメント及び前記第２の屈折エレメントが前記第１の表面に対して凸形状を有し、前記第１の表面が、前記第１の屈折エレメント及び前記第２の屈折エレメントを除いてほぼ平らである、態様１４に記載の望遠鏡レンズ。
（態様１７）
前記レンズの前記第１の表面及び前記第２の表面が、反射防止膜でコーティングされている、態様１２に記載の望遠鏡レンズ。
（態様１８）
光源によって発せられた光を使用してプライマリビームを生成すること、及び
望遠鏡のレンズを用いて前記光の一部を使用してセカンダリビームを生成することであって、前記レンズが１以上の屈折エレメントを含み、前記セカンダリビームが、前記１以上の屈折エレメントを使用して前記光の前記一部を方向転換することによって生成される、生成すること
を含む方法。
（態様１９）
前記プライマリビームが、前記望遠鏡の主鏡及び副鏡を使用して前記光を反射することによって生成され、前記レンズが反射防止膜によってコーティングされている、態様１８に記載の方法。
（態様２０）
前記１以上の屈折エレメントの中の第１の屈折エレメントが、前記レンズの第１の表面上に配置され、前記１以上の屈折エレメントの中の第２の屈折エレメントが、前記レンズの第２の表面上に配置される、態様１８に記載の方法。

Claims (10)

1. 主鏡、
   副鏡、及び
   実質的に平坦な部分に囲まれた１以上の屈折エレメントを備える光学素子を備える装置であって、
   前記主鏡及び前記副鏡が光源から発せられた光を用いてプライマリビームを生成するよう構成されており、前記プライマリビームを介して第２の装置とデータを通信し、
   前記主鏡が前記光学素子と前記副鏡との間に配置されており、
   前記１以上の屈折エレメントが前記光源から発せられた前記光の一部を使用してビーコンビームを生成するように構成され、前記ビーコンビームは前記副鏡及び前記主鏡の両方によって反射されて第２の装置によるプライマリビームの位置特定を容易にする、
   装置。
2. 前記１以上の屈折エレメントが２つの屈折エレメントを含み、前記２つの屈折エレメントが前記光学素子の第１の表面上に配置され、前記２つの屈折エレメントのそれぞれが前記光学素子の前記第１の表面に対して凹形状を有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記２つの屈折エレメントのそれぞれの前記凹形状が、前記光学素子の厚さ方向に延びている、請求項２に記載の装置。
4. 前記１以上の屈折エレメントが２つの屈折エレメントを含み、前記２つの屈折エレメントが前記光学素子の第１の表面上に配置され、前記２つの屈折エレメントのそれぞれが前記光学素子の前記第１の表面に対して凸形状を有する、請求項１に記載の装置。
5. 前記２つの屈折エレメントのそれぞれの前記凸形状が、前記光学素子の前記第１の表面から離れるように延伸する、請求項４に記載の装置。
6. 前記プライマリビームが第１の直径を有し、前記ビーコンビームが遠距離場において前記第１の直径よりも大きい第２の直径を有する、請求項１に記載の装置。
7. 前記光源がレーザーを含む、請求項１に記載の装置。
8. 装置において、プライマリビームであって、前記プライマリビームを介して第２の装置とデータを通信する、プライマリービーム及びセカンダリビームであって、第２の装置によるプライマリビームの位置特定を容易にする、セカンダリビームを生成する方法であって、
   望遠鏡の主鏡及び副鏡により、光源によって発せられた光を使用して前記プライマリビームを生成すること、及び
   前記望遠鏡の光学素子を用いて前記光の一部を使用して前記セカンダリビームを生成することを含み、前記光学素子が実質的に平坦な部分に囲まれた１以上の屈折エレメントを含み、前記主鏡が前記光学素子と前記副鏡との間に配置されており、前記セカンダリビームが、前記１以上の屈折エレメントを使用して前記光の前記一部を方向転換することによって生成され、前記セカンダリビームは前記副鏡及び前記主鏡の両方によって反射される、
   方法。
9. 前記光学素子が反射防止膜によってコーティングされている、請求項８に記載の方法。
10. 前記１以上の屈折エレメントの中の第１の屈折エレメントが、前記光学素子の第１の表面上に配置され、前記１以上の屈折エレメントの中の第２の屈折エレメントが、前記光学素子の第２の表面上に配置される、請求項８に記載の方法。

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