JPH0784186A - 光通信光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 標識光束を副鏡に設けた光通過領域を介して
射出することにより、効率良く高い強度で射出すること
ができ、通信相手に与える光強度分布を均一として、常
に良好な状態での光通信を可能とした光通信光学装置を
提供すること。 【構成】 通信相手側に凹面を向けた主鏡に対して副鏡
を対向配置した反射光学系と、通信相手からの通信光束
を該反射光学系の主鏡と副鏡の順に反射させて受光し光
通信を行う通信光束受信部と、通信相手に自分の位置を
知らせる標識光束を該副鏡に設けた光通過領域を介して
該反射光学系の光軸と略同方向の通信相手側へ射出する
標識光束送信部とを、有したこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光通信光学装置に関し、
特に通信相手に自分の位置を知らせる為の標識光束を用
いて通信相手を補足し、常に良好な状態で光通信が行え
るようにした、例えば人工衛星と他の人工衛星との間の
光通信や、人工衛星と地上局との間の光通信等に好適な
光通信光学装置に関するものである。

【０００２】

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

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

【０００４】そこで通信光束とは別に標識光束（ビーコ
ンビーム）を用いて通信相手の位置を検出し、該検出結
果に基づき通信光束を通信相手に向けて（所謂ポインテ
ィング操作をして）射出している。

【０００５】即ち、受信者側がまず自分の正確な位置を
送信者に知らせる為、送信者が捕捉し易いよう若干広が
りを持たせた光束をビーコンビームとして送信者側に射
出し、これを送信側が受信してビーコンビームの到来方
向を正確に検出し、その方向に通信光束を射出してい
る。

【０００６】図４（Ａ）は従来の光通信光学装置３０の
要部光路図、図４（Ｂ），図４（Ｃ）は図４（Ａ）の一
部分の拡大説明図である。

【０００７】図中、３１は主鏡であり、通信相手側に凹
面を向けた放物状の反射面である。２１は副鏡であり、
主鏡３１側に凸状の反射面を向け配置している。主鏡３
１と副鏡２１は所謂カセグレン式の反射光学系３２を構
成している。２２は正のパワーを持つコリメーターレン
ズであり、焦点位置が反射光学系３２の焦点位置Ｐと光
軸Ｌａ上で一致するように配置されている。

【０００８】３３はポインティング手段であり、全反射
ミラー２８，２９を有している。ポインティング手段３
３は全反射ミラー２８と全反射ミラー２９とを相対的に
傾けることにより、全反射ミラー２９以降の光学要素が
成す光軸Ｌｂと反射光学系３２やコリメーターレンズ２
２の成す光軸Ｌａとの傾きを調整し、射出する通信光束
の方向を通信相手の方向に正確に向けている。

【０００９】２４は光束を波長により透過光と、反射光
とに分割するビームスプリッタであり、同図では通信光
束を透過し、標識光束を反射している。

【００１０】２６は凸レンズ、２３は通信光束送受信手
段である。通信光束送受信手段２３は通信光束受信部３
４や通信光束送信部３５、そしてハーフミラー３９等を
有している。通信相手からの通信光束は凸レンズ２６で
収斂されハーフミラー３９を透過し、通信光束受信部３
４上に集光されて光電変換される。また通信光束送信部
３５からの通信光束はハーフミラー３９で反射され凸レ
ンズ２６で平行光束とされている。

【００１１】２７は凸レンズ、２５は標識光束送受信手
段である。標識光束送受信部２５は標識光束受信部３６
や標識光束送信部３７、そしてハーフミラー３８等を有
している。通信相手からのビーコンビームは凸レンズ２
７で収斂され標識光束送受信手段２５のハーフミラー３
８を介し、標識光束受信部３６上に集光されて光電変換
される。

【００１２】標識光束送信部３７は凸レンズ２７の焦点
位置から光軸方向へ僅かにずらした位置に配置してお
り、該標識光束送信部３７より射出するビーコンビーム
はハーフミラー３８で反射され凸レンズ２７でやや広が
りを有した平行光束とされている。また凸レンズ２７は
光軸Ｌ′方向に移動可能に設けられており、標識光束送
信部３７に対して焦点位置を変えてビーコンビームのビ
ーム幅を変更可能にしている。

【００１３】光通信を行う場合、まず自分と通信相手の
軌道位置及び姿勢方向を計算で算出し、本装置３０が略
通信相手方向に向くよう姿勢制御を行う。

【００１４】次に受信側は送信側へ自分の正確な位置を
伝えるために、ビーコンビームを射出する。そして該ビ
ーコンビームを受光した送信者は受信者の位置を求め、
受信者の位置と、送信しようとする通信光束の光軸との
ズレを算出し、該光軸のズレを補正するようにポインテ
ィング手段３３を調整して通信光束を射出し、光通信を
行っている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】図４に示す光通信光学
装置に於てビーコンビームは送信側が受信し易いよう
に、若干広がりを有しているので、図５に示すように副
鏡２１で光束の外側が制限され、利用できる主鏡３１の
面積が限られてしまい、これを補うためには大きな面積
の主鏡が必要と成り装置全体が大型化するといった問題
点があった。

【００１６】また、ビーコンビームの中心が副鏡２１に
遮られて、光軸と垂直な面内に於て強度分布が周辺部で
強く中心部で弱い、所謂ドーナツ状に成ってしまう。特
に、本来強度の強い光束中心付近が影に成ることによ
り、総合出力が大幅に低下してしまうという問題点があ
った。

【００１７】更に、通信相手がビーコンビームを用いて
ポインティング操作を行う際に、ドーナツ状であること
を考慮しなければならず、ポインティング操作のアルゴ
リズムに非常に大きな影響を与えるという欠点があっ
た。

【００１８】本発明はビーコンビームを副鏡に設けた光
通過領域を介して射出することにより、効率良く高い強
度で射出することができ、通信相手に与える光強度分布
を均一として、常に良好な状態での光通信を可能とした
光通信光学装置の提供を目的としている。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の光通信光学装置
は通信相手側に凹面を向けた主鏡に対して副鏡を対向配
置した反射光学系と、通信相手からの通信光束を該反射
光学系の主鏡と副鏡の順に反射させて受光し光通信を行
う通信光束受信部と、通信相手に自分の位置を知らせる
標識光束を該副鏡に設けた光通過領域を介して該反射光
学系の光軸と略同方向の通信相手側へ射出する標識光束
送信部と、を有したことを特徴としている。

【００２０】この他、通信相手側に凹面を向けた主鏡に
対して副鏡を対向配置した反射光学系と、通信相手から
の通信光束を該反射光学系の主鏡と副鏡の順に反射させ
て受光し光通信を行う通信光束受信部と、通信相手に自
分の位置を知らせる標識光束を該反射光学系の光軸と略
同方向の通信相手側へ標識光束用レンズ系と該副鏡に設
けた光通過領域とを介して射出する標識光束送信部とを
有し、該副鏡の光通過領域の径をＤ２、該標識光束用レ
ンズ系の副鏡側の最終レンズ面を通る該標識光束の光束
径をＤ１、該最終レンズ面と該副鏡までの光軸上の距離
をＬ、該最終レンズ面と該最終レンズ面を通過した標識
光束の集光位置との距離をＸとしたとき、

【００２１】

【数２】 を満足することを特徴としている。

【００２２】

【実施例】図１は本発明の実施例１の要部概略図であ
る。本実施例では通信光束を用いて、例えば人工衛星間
での光通信を行なうものであり、通信光束と異なる波長
の標識光束（ビーコンビーム）で通信相手の位置を確認
してポインティング操作を行っている。

【００２３】図中１は主鏡であり、通信相手側に凹面を
向けた放物面より成る反射面１ａを有している。２は副
鏡であり、主鏡１側に凸面を向けた反射面２ａを有し、
該反射面２ａの略中央部に貫通穴（光通過領域）２ｂを
設けている。

【００２４】主鏡１と副鏡２は所謂カセグレン式の反射
光学系１２を構成している。

【００２５】３は正のパワーを有するコリメーターレン
ズであり、焦点位置が反射光学系１２の焦点位置Ｐと光
軸Ｌａ上で一致するように配置している。

【００２６】７はポインティング手段であり、全反射鏡
８，９を有し、該全反射鏡８と全反射鏡９とを相対的に
かたむけることにより全反射鏡９以降の光学素子の成す
光軸Ｌｂと反射光学系１２やコリメーターレンズ３の成
す光軸Ｌａとの傾きを調整して、射出する通信光束を通
信相手へ正確に向けている。

【００２７】４は光束を波長により透過光と反射光とに
分割するビームスプリッターであり、本発明では通信光
束を透過させ、ビーコンビームを反射している。

【００２８】６は凸レンズ、１１は通信光束送受信手段
である。通信光束送受信手段１１は通信光束受信部１３
や通信光束送信部１４、そしてハーフミラー１５等を有
している。通信相手からの通信光束は凸レンズ６で収斂
されハーフミラー１５を介し、通信光束受信部１３上に
集光されて光電変換される。また通信光束送信部１４か
らの通信光束はハーフミラー１５で反射され凸レンズ６
で平行光束とされている。

【００２９】５は凸レンズ、１６は標識光束送受信手段
である。標識光束送受信手段１６は標識光束送信部１８
や標識光束受信部１７、ハーフミラー１９などを有して
いる。凸レンズ５はビームスプリッタ４で反射された通
信相手側からの標識光束受信部１７上に集光している。
また凸レンズ５は標識光束送信部１８からのビーコンビ
ームを集光しており、その集光位置を変え通信相手に対
して効率良く射出可能とするために光軸Ｌ′方向へ移動
可能に設けている。

【００３０】凸レンズ５とコリメーターレンズ３はビー
コンビームを副鏡２の貫通穴２ｂの略中央の位置Ｓに集
光する標識光束用レンズ系の一要素を構成している。

【００３１】本実施例に於て光通信を行う場合、まず自
分と通信相手の軌道位置及び姿勢方向を計算で算出し、
本装置１０が略通信相手方向に向くよう姿勢制御を行
う。

【００３２】次に受信側は送信側に自分の正確な位置を
伝えるために、標識光束送信部１８からビーコンビーム
１８ａを射出する。そして該ビーコンビームを受光した
送信側は受信側の正確な位置を求め、受信者の位置と送
信しようとする通信光束の光軸とのズレを算出し、該光
軸のズレを補正するようにポインティング手段７を調整
して通信光束送信部１４より通信光束１４ａを射出し、
光通信を行っている。

【００３３】このときの通信光束１４ａを図１中、実線
で示している。通信相手からの通信光束は主鏡１の反斜
面１ａに入射し、入射してきた方向に収斂しながら反射
された後、副鏡２の反射面２ａで反射され、光軸Ｌａ上
の集光位置Ｐに一旦集光し、コリメーターレンズ３によ
り平行光束に変換される。

【００３４】そしてポインティング手段７を介し、ビー
ムスプリッター４を透過して凸レンズ６で通信光束受信
手段１３上に集光され光電変換される。

【００３５】また通信相手へ送信される通信光束は通信
光束送信部１４よりハーフミラー１５で反射されて凸レ
ンズ６で平行光とされて受信時と略逆の光路をたどる。

【００３６】一方、通信相手からのビーコンビームは主
鏡１と副鏡２の順で反射し集光されて、コリメーターレ
ンズ３、ポインティング手段７を介してビームスプリツ
タ４で反射され凸レンズ５で標識光束受信部１７上に集
光されている。

【００３７】また通信相手側へ射出するビーコンビーム
１８ａは図１中、点線で示すように標識光束送信部１８
より射出し、ハーフミラー１９を透過し、凸レンズ５で
集光される。

【００３８】凸レンズ５で集光された光束はビームスプ
リッタ４で反射されポインティング手段７を介してコリ
メータレンズ３で位置Ｓに集光されて副鏡２に設けた貫
通穴２ｂを通り通信相手側へ射出している。

【００３９】ここでビーコンビーム１８ａが効率よく射
出するためには副鏡２の反射面２ａで遮られることなく
貫通穴２ｂを通過する必要がある。

【００４０】従って副鏡２の光軸中心に開けられた貫通
穴２ｂの径をＤ２、ビーコンビーム１８ａを位置Ｓに集
光する標識光束用レンズ系のうち最も位置Ｓ側のレンズ
面（以下単に最終レンズ面と称する。なお、本実施例で
最終レンズ面はコリメーターレンズ３のレンズ面３ａで
ある。）でのビーコン光束径をＤ１、最終レンズ面３ａ
から副鏡２までの光軸上の距離をＬ、該最終レンズ面３
ａからビーコンビームの集光位置Ｓまでの距離をＸとし
たとき、次式を満足することが望ましい。

【００４１】

【数３】 これらの構成により本実施例では中心に影の無い、一様
に広がったビーコンビームを効率良く射出している。

【００４２】本実施例に於て、全反射ミラー８をビーム
スプリッターとし、又ビームスプリッター４を全反射ミ
ラーとし、その後方に標識光束送受信手段１６を配置し
ても良い。

【００４３】図２，図３は本発明の実施例２の光路図で
ある。図２は通信相手からの通信光束の光路を示し、図
３は通信相手へ射出するビーコンビームの光路を示して
いる。

【００４４】図中４０は主鏡であり、通信相手側に凹面
を向けた放物面より成る反射面４０ａを有している。４
１は副鏡であり、主鏡４０側に凹面を向けた反射面４１
ａを有し、該反射面４１ａの略中央部に貫通穴（光通過
領域）４１ｂを設けている。

【００４５】主鏡４０と副鏡４１は所謂グレゴリー式の
反射光学系５５を構成しており、光軸上の一点で両反射
面４０ａ，４１ａの球心が一致するように配置されてい
る。

【００４６】４２は入射光束を波長により透過光と、反
射光とに分割する中央部に貫通穴４２ｂを有したビーム
スプリッターであり、ビーコンビームを透過させ、通信
光束を反射している。

【００４７】５６はポインティング手段であり全反射鏡
４３，４４を有している。ポインティング手段５６は全
反射鏡４３と全反射鏡４４とを相対的に傾けることによ
り全反射鏡４４以降の光学要素が成す光軸Ｌｂと反射光
学系５５等の成す光軸Ｌａとの傾きを調整し、射出する
通信光束を通信相手へ正確に向けている。

【００４８】４５は凸レンズ、４６は通信光束送受信手
段である。通信光束送受信手段４６は通信光束受信部４
７や通信光束送信部４８、そしてハーフミラー４９など
を有している。通信相手からの通信光束は凸レンズ４５
で収斂されハーフミラー４９を介し、通信光束受信部４
７上に集光されて光電変換される。また通信光束送信部
４８からの通信光束はハーフミラー４９で反射され凸レ
ンズ４５で平行光束とされている。

【００４９】５０は凸レンズ（標識光束用レンズ系）、
５３は標識光束送受信手段である。標識光束送受信手段
５３は標識光束受信部５１や標識光束送信部５２、ハー
フミラー５４などを有している。凸レンズ５０は通信相
手からのビーコン光束をビーコン光束受信部５１上に集
光している。また凸レンズ５０は標識光束送信部５２か
らのビーコンビームを光軸Ｌａ上の位置Ｓに集光してい
る。

【００５０】本実施例に於て、通信相手からの通信光束
は主鏡４０の反斜面４０ａに入射し反射されて、入射し
てきた方向に収斂しながら、ビームスプリッター４２の
貫通穴４２ｂを通過し、副鏡２に入射する。そして副鏡
２の反射面２ａで反射し略平行光とされて、ビームスプ
リッタ４２で反射される。

【００５１】ビームスプリッタ４２で反射された通信光
束はポインティング手段５６を介した後、凸レンズ４５
により通信光束受信部４７上に集光されて光電変換され
る。

【００５２】また、通信相手へ射出するビーコンビーム
は標識光束送信部５２から射出し、ハーフミラー５４を
反射して凸レンズ５０に入射し、凸レンズ５０で焦点位
置Ｓに集光するよう収斂され、副鏡４１の貫通穴４１ｂ
を通り通信相手側に射出している。

【００５３】光通信を行う場合、まず自分と通信相手の
軌道位置及び姿勢方向を計算で算出し、本装置２０が略
通信相手方向に向くよう姿勢制御を行う。次に受信側は
送信側に自分の正確な位置を伝えるために、標識光束送
信部５２からビーコンビームを射出し、該ビーコンビー
ムを受光した送信側は受信側の正確な位置及び方角を求
め、受信者と、自分が送信しようとする通信光束の光軸
とのズレを算出する。

【００５４】そして該光軸のズレを補正するようにポイ
ンティング手段５６を調整して通信光束を射出し、光通
信を行っている。

【００５５】ここでビーコンビームはポインティング手
段５６を経由しないので、反射光学系５５等の光軸Ｌａ
の動き量や移動方向を検出して標識光束送受信手段５３
の位置を制御し、光軸Ｌａの移動と連動させるか、ビー
コンビームの広がり角を通信光学系の光軸移動量以上に
設定しておくと良い。

【００５６】これらの構成により本実施例では、自分の
ビーコンビームが自分の通信光束受光手段４７に与える
ゴーストの影響を大幅に小さくしている。

【００５７】また、本実施例ではビーコンビームが副鏡
４１で遮られる事なく効率良く射出でき、主鏡４０の面
積や標識光束送信部（レーザーダイオード等）５２の出
力及び消費電力の増大化を防止し、衛星の軽量化、長寿
命化を可能としている。

【００５８】尚、本実施例に於て光通過領域は副鏡４１
に設けた貫通穴４１ｂとして説明したが、これに限ら
ず、例えば副鏡４１を透明部材とし、主鏡側の面４１ａ
に反射膜を形成し、一部（貫通穴４１ｂに相当する領
域）に開口を設けて該開口若しくはハーフミラー面を介
してビーコンビームを射出するように構成しても良い
し、該主鏡側の面４１ａの一部にダイクロイック膜や半
透過膜等を形成することにより、ビーコンビームを透過
し、通信光束を反射する構成としても良い。

【００５９】

【発明の効果】本発明によれば標識光束（ビーコンビー
ム）を副鏡の光通過領域を介して射出することにより、
ビーコンビームを効率良く高い強度で射出することがで
き、通信相手に与える光強度分布を均一として、常に良
好な状態での光通信を可能とした光通信光学装置を達成
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１の要部概略図

【図２】 本発明の実施例２の要部光路図

【図３】 本発明の実施例２の要部光路図

【図４】 従来の光通信光学装置の要部該略図

【図５】 従来の光通信光学装置の光路説明図

【符号の説明】

１，４０ 主鏡 ２，４１ 副鏡 １２，５５ 反射光学系 １３，４７ 通信光束受信部 １４，４８ 通信光束送信部 １７，５１ 標識光束受信部 １８，５２ 標識光束送信部 ７，５６ ポインティング手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 通信相手側に凹面を向けた主鏡に対して
   副鏡を対向配置した反射光学系と、通信相手からの通信
   光束を該反射光学系の主鏡と副鏡の順に反射させて受光
   し光通信を行う通信光束受信部と、通信相手に自分の位
   置を知らせる標識光束を該副鏡に設けた光通過領域を介
   して該反射光学系の光軸と略同方向の通信相手側へ射出
   する標識光束送信部と、を有したことを特徴とする光通
   信光学装置。
2. 【請求項２】 通信相手側に凹面を向けた主鏡に対して
   副鏡を対向配置した反射光学系と、通信相手からの通信
   光束を該反射光学系の主鏡と副鏡の順に反射させて受光
   し光通信を行う通信光束受信部と、通信相手に自分の位
   置を知らせる標識光束を該反射光学系の光軸と略同方向
   の通信相手側へ標識光束用レンズ系と該副鏡に設けた光
   通過領域とを介して射出する標識光束送信部とを有し、
   該副鏡の光通過領域の径をＤ２、該標識光束用レンズ系
   の副鏡側の最終レンズ面を通る該標識光束の光束径をＤ
   １、該最終レンズ面と該副鏡までの光軸上の距離をＬ、
   該最終レンズ面と該最終レンズ面を通過した標識光束の
   集光位置との距離をＸとしたとき、 【数１】 を満足することを特徴とする光通信光学装置。