JPWO2004068746A1 - 光アンテナ - Google Patents
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Abstract
光ファイバ1,2のファイバ端1a,2aを互いに異なる位置に配置する光素子マウント3と、そのファイバ端1a,2aからレーザービームが放射されると、そのレーザービームを空間に向けて平行光にコリメートし、空間からレーザービームが到来すると、そのレーザービームをファイバ端1a,2aに集光する光送受信光学系4とを設ける。これにより、複雑な機械要素を搭載することなく、2つの光送受信方向5,6を設定することができる。
Description
この発明は、空間に向けてレーザービームを送受信する光アンテナに関するものである。
従来の光アンテナは、光学系の結像レンズに対する光ファイバの位置を3次元的に移動調整する位置調整部を設け、また、光アンテナを収納配置する筐体を移動制御するジンバル機構を設けることにより、レーザービームの送受信方向を制御している(以下の特許文献1を参照)。
特開平10−233738号公報(段落番号[0018]から[0022]、図2)
従来の光アンテナは以上のように構成されているので、測定対象物の位置が変化しても、測定対象物の位置に応じてレーザービームの送受信方向を制御することができる。しかし、レーザービームの送受信方向を制御するには、複雑な機械要素から為る位置調整部とジンバル機構を設ける必要があるため、コスト高や重量の増大を招く課題があった。
また、測定対象物の位置が変化する度に、光ファイバや筐体を3次元的に移動調整する必要があるため、位置調整部やジンバル機構の位置決め時間に依存するタイムラグが存在する課題もあった。
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、複雑な機械要素を搭載することなく、複数の光送受信方向を設定することができる光アンテナを得ることを目的とする。
また、測定対象物の位置が変化する度に、光ファイバや筐体を3次元的に移動調整する必要があるため、位置調整部やジンバル機構の位置決め時間に依存するタイムラグが存在する課題もあった。
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、複雑な機械要素を搭載することなく、複数の光送受信方向を設定することができる光アンテナを得ることを目的とする。
この発明に係る光アンテナは、複数の光送受信手段を互いに異なる位置に配置する配置手段と、その光送受信手段から光信号が放射されると、その光信号を球面波に屈折して空間に送信し、空間から光信号が到来すると、その光信号を光送受信手段に集光する光学系とを設けたものである。
このことによって、複雑な機械要素を搭載することなく、複数の光送受信方向を設定することができる効果がある。
このことによって、複雑な機械要素を搭載することなく、複数の光送受信方向を設定することができる効果がある。
第1図はこの発明の実施の形態1による光アンテナを示す構成図である。
第2図はこの発明の実施の形態2による光アンテナを示す構成図である。
第3図はこの発明の実施の形態3による光アンテナを示す構成図である。
第4図はこの発明の実施の形態4による光アンテナを示す構成図である。
第5図はこの発明の実施の形態5による光アンテナを示す構成図である。
第6図はこの発明の実施の形態6による光アンテナを示す構成図である。
第7図はこの発明の実施の形態7による光アンテナを示す構成図である。
第8図はこの発明の実施の形態8による光アンテナを示す構成図である。
第9図はこの発明の実施の形態9による光アンテナを示す構成図である。
第10図はこの発明の実施の形態10による光アンテナの一部を示す構成図である。
第2図はこの発明の実施の形態2による光アンテナを示す構成図である。
第3図はこの発明の実施の形態3による光アンテナを示す構成図である。
第4図はこの発明の実施の形態4による光アンテナを示す構成図である。
第5図はこの発明の実施の形態5による光アンテナを示す構成図である。
第6図はこの発明の実施の形態6による光アンテナを示す構成図である。
第7図はこの発明の実施の形態7による光アンテナを示す構成図である。
第8図はこの発明の実施の形態8による光アンテナを示す構成図である。
第9図はこの発明の実施の形態9による光アンテナを示す構成図である。
第10図はこの発明の実施の形態10による光アンテナの一部を示す構成図である。
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための最良の形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態1.
第1図はこの発明の実施の形態1による光アンテナを示す構成図である。図において、光送受信部(光送受信手段)の光ファイバ1,2は、その光送受信部から送信されるレーザービーム(光信号)を光送受信光学系4に放射する一方、光送受信光学系4により集光されたレーザービームを受光して光送受信部に出力する。
光素子マウント3は光送受信光学系4の像面上において、光ファイバ1,2のファイバ端1a,2aを互いに異なる位置に配置している。なお、光素子マウント3は配置手段を構成している。光送受信光学系4は写真レンズなどの撮像光学系を原型とする透過型レンズであり、光ファイバ1,2のファイバ端1a,2aからレーザービームが放射されると、そのレーザービームを球面波に屈折して空間に送信する。即ち、空間に向けて平行光にコリメートする。また、空間からレーザービームが到来すると、そのレーザービームを光ファイバ1,2のファイバ端1a,2aに集光する。
なお、光送受信光学系4は光ファイバ1,2の光軸からの高さ以上の像高で収差が十分小さくなるように構成されている。
次に動作について説明する。
この実施の形態1では、レーザービームの光送受信方向として、固定的な2方向を得るため、光素子マウント3が光送受信光学系4の像面上において、光ファイバ1,2のファイバ端1a,2aを互いに異なる位置に配置している。
例えば、光ファイバ1のファイバ端1aからレーザービームが放射されると、光送受信光学系4は、そのレーザービームを平行光にコリメートし、光送受信方向5のレーザービームを空間に出射する。
また、光ファイバ2のファイバ端2aからレーザービームが放射されると、光送受信光学系4は、そのレーザービームを平行光にコリメートし、光送受信方向6のレーザービームを空間に出射する。
逆に、空間から光送受信方向5のレーザービームが到来すると、光送受信光学系4は、そのレーザービームを光ファイバ1のファイバ端1aに集光する。これにより、そのレーザービームが光ファイバ1のファイバ端1aに入射されるため、そのレーザービームが光ファイバ1に接続されている光送受信部に受光される。
また、空間から光送受信方向6のレーザービームが到来すると、光送受信光学系4は、そのレーザービームを光ファイバ2のファイバ端2aに集光する。これにより、そのレーザービームが光ファイバ2のファイバ端2aに入射されるため、そのレーザービームが光ファイバ2に接続されている光送受信部に受光される。
ここで、光送受信光学系4によりコリメートされたレーザービームの口径をD、光ファイバ1,2のファイバ端1a,2aから空間に放射されるレーザービームの放射角度の半角をθとすると、光送受信光学系4の焦点距離fは下記の式(1)、(2)から決定される。
また、光送受信方向5,6は、光ファイバ1,2のファイバ端1a,2aの位置により決定される。
即ち、第1図に示すように、光送受信光学系4の像面上に直行座標系(X,Y)をとり、原点O(0,0)から光送受信光学系4を見込む方向にZ軸をとると、光ファイバ1のファイバ端1aは光軸上にあるので
より表される。
また、光ファイバ2のファイバ端2aのXY平面上の座標をP(X1
下記の式(4)により表される。
以上で明らかなように、この実施の形態1によれば、光ファイバ1,2のファイバ端1a,2aを互いに異なる位置に配置する光素子マウント3と、そのファイバ端1a,2aからレーザービームが放射されると、そのレーザービームを空間に向けて平行光にコリメートし、空間からレーザービームが到来すると、そのレーザービームをファイバ端1a,2aに集光する光送受信光学系4とを設けるように構成したので、複雑な機械要素を搭載することなく、2つの光送受信方向5,6を設定することができる効果を奏する。
なお、複雑な機械要素を搭載する必要がないので、小型軽量化と低コスト化が可能になる。また、機械的駆動を用いないので、光送受信方向の再現性を高めることができる。
この実施の形態1では、光素子マウント3が光送受信部を構成する光ファイバ1,2のファイバ端1a,2aを互いに異なる位置に配置するものについて示したが、これに限るものではなく、例えば、光送受信部を構成する光源や受光素子を配置するようにしてもよい。この場合、光送受信部はレーザービームの送信又は受信のいずれか一方のみを実施することになる。
実施の形態2.
第2図はこの発明の実施の形態2による光アンテナを示す構成図である。図において、第1図と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
光送受信部の光ファイバ11〜15は、その光送受信部から送信されるレーザービームを光送受信光学系4に放射する一方、光送受信光学系4により集光されたレーザービームを受光して光送受信部に出力する。
光送受信方向21〜25は光アンテナにより設定されるレーザービームの方向である。
上記実施の形態1では、レーザービームの光送受信方向として、固定的な2方向を得るものについて示したが、光素子マウント3が3本以上の光ファイバのファイバ端を配置するようにすれば、レーザービームの光送受信方向として、3方向以上設定することができる。
第2図の例では、光素子マウント3が5本の光ファイバ11〜15のファイバ端11a〜15aを配置することにより、5方向の光送受信方向21〜25を得ている。
実施の形態3.
第3図はこの発明の実施の形態3による光アンテナを示す構成図である。図において、第1図と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。第3図の光アンテナは、風速計測LIDAR装置に適用される。
光送受信部31,32は空間に向けて送信するレーザービームを放射、または、空間から到来するレーザービームを受光する光送受信手段を構成している。光送受信部31,32のレーザー光源33は制御装置36の指示の下、レーザービームを発光し、光路2分岐部34は光ファイバ1,2を2分岐している。光受信機35は光ファイバ1,2からレーザービームを受光し、そのレーザービームを電気信号に変換して制御装置36に出力する。制御装置36はレーザー光源33の駆動を制御するとともに、光受信機35から出力される電気信号を監視して測定点41,42(測定対象物)の風速を計測する。
なお、第3図の光送受信光学系4はダブルガウス型の構成を示している。
次に動作について説明する。
2つの異なる測定点41,42の風速を同時に計測する場合、制御装置36が光送受信部31,32のレーザー光源33を同時に駆動する。
光送受信部31,32のレーザー光源33は、制御装置36から駆動指令を受けると、レーザービームを発光する。レーザー光源33から発光されたレーザービームは、光路2分岐部34を経由して、光ファイバ1,2のファイバ端1a,2aから光送受信光学系4に放射される。
光送受信光学系4は、光ファイバ1,2のファイバ端1a,2aからレーザービームが放射されると、そのレーザービームを平行光にコリメートし、そのレーザービームを測定点41,42に向けて出射する。なお、光送受信光学系4から出射されるレーザービームの光送受信方向5,6は、上記実施の形態1と同様に、光素子マウント3によるファイバ端1a,2aの配置により決定されるので、レーザービームが測定点41,42に集光するように、光素子マウント3がファイバ端1a,2aを配置しているものとする。
また、光送受信光学系4は、高度に収差補正を行うので、光送受信光学系4を通過したレーザービームは精度の高い球面波になる。
測定点41,42に集光されたレーザービームは、測定点41,42に存在する塵により散乱され、一部のレーザービームが光送受信光学系4に戻ってくる。
光送受信光学系4は、一部のレーザービームが戻ってくると、光送受信方向5のレーザービームは光ファイバ1のファイバ端1aに集光し、光送受信方向6のレーザービームは光ファイバ2のファイバ端2aに集光する。
これにより、光送受信方向5のレーザービームは光ファイバ1のファイバ端1aに入射され、光路2分岐部34経由で光受信機35に到達する。
また、光送受信方向6のレーザービームは光ファイバ2のファイバ端2aに入射され、光路2分岐部34経由で光受信機35に到達する。
光送受信部31,32の光受信機35は、光ファイバ1,2からレーザービームを受光すると、そのレーザービームを電気信号に変換して制御装置36に出力する。
制御装置36は、光送受信部31,32の光受信機35から電気信号を受けると、その電気信号を監視して測定点41,42の風速を計測する。
以上で明らかなように、この実施の形態3によれば、上記実施の形態1と同様に、複雑な機械要素を搭載することなく、2つの光送受信方向5,6を設定することができるので、重量の増加やコスト高を招くことなく、2方向の風速を計測することができる効果を奏する。
なお、この実施の形態3では、2方向の風速を計測するものについて示したが、上記実施の形態2と同様にして、光素子マウント3が3本以上の光ファイバのファイバ端を配置するようにすれば、3方向以上の風速を計測することができる。
また、この実施の形態3では、2方向の風速を同時に計測するものについて示したが、2方向の風速を必ずしも同時に計測する必要はなく、制御装置36が光送受信部31の光受信機35又は光送受信部32の光受信機35のいずれかを適宜駆動するようにしてもよい。
実施の形態4.
第4図はこの発明の実施の形態4による光アンテナを示す構成図である。図において、第3図と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
直進レール51の移動要素は光ファイバ1,2を固定し、直進レール51のガイドは光素子マウント3に固定されている。移動平板53はロッド54にベアリングを介して保持され、直進アクチュエータ52によって駆動されると、ロッド54に沿う方向に移動する。
なお、直進レール51、直進アクチュエータ52、移動平板53及びロッド54からファイバ端1a,2aの位置を可変する駆動機構が構成されている。
上記実施の形態3では、光送受信方向を任意に設定可能な光アンテナを示したが、測定距離Sを変更することはできない。
しかし、写真撮影において、被写体の距離に応じて焦点合わせを行うことを応用すれば、同じ光送受信光学系4で異なる距離の測定を行うこともできる。
この実施の形態4では、異なる距離の測定を行える光アンテナについて説明する。
まず、写真を撮影するときは、被写体にピントが合うようにレンズと写真乾板との間隔を調整する。その繰り出し量は被写体の距離がわかれば計算で求まる。
そこで、この実施の形態4では、測定距離Sとファイバ端1a,2aの位置とが結像関係と一致するように制御する。
即ち、直進アクチュエータ52を制御すれば、移動平板53をロッド54に沿う方向に移動させることができ、移動平板53と直進レール51の移動要素が接触することで、ファイバ端1a,2aの位置が直進レール51のガイドに沿う方向に移動する。
よって、直進アクチュエータ52を適宜制御することにより、ファイバ端1a,2aを所望の位置に変更することができる。
この実施の形態4によれば、光送受信方向を任意に設定することができるとともに、測定点までの距離を変更することができるので、測定点の自由度を高めることができる効果を奏する。
実施の形態5.
第5図はこの発明の実施の形態5による光アンテナを示す構成図である。図において、第3図と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
光ファイバ1A,1Bのファイバ端は光素子マウント3の異なる位置に配置され、光ファイバ2A,2Bのファイバ端は光素子マウント3の異なる位置に配置されている。光素子切替部61は遠測定点41a,42aの風速を測定する場合には、光ファイバ1,2をそれぞれ光ファイバ1A,2Aと接続し、近測定点41b,42bの風速を測定する場合には、光ファイバ1,2をそれぞれ光ファイバ1B,2Bと接続する。なお、光素子切替部61は選択手段を構成している。
上記実施の形態4では、駆動機構を用いて測定距離Sを変更するものについて示したが、駆動機構を搭載すると、重量の増大やコスト高を招くことがある。また、光送受信方向5,6は固定で、測定点までの距離のみを変化させるので、同時計測する2つの測定点の間隔が測定距離Sに比例して変化する。風速の測定では、この測定点の間隔の変化が測定誤差の原因となる可能性がある。
この実施の形態5では、駆動機構を用いずに測定距離Sを変更できるとともに、測定距離Sに関係なく2つの測定点の間隔を一定にしている光アンテナについて説明する。
光素子マウント3は、光送受信光学系4から放射されたレーザービームが遠測定点41a,42aに集光するように光ファイバ1A,2Aのファイバ端を配置し、光送受信光学系4から放射されたレーザービームが近測定点41b,42bに集光するように光ファイバ1B,2Bのファイバ端を配置している。
光素子切替部61は、遠測定点41a,42aの風速を測定する場合、光ファイバ1,2をそれぞれ光ファイバ1A,2Aと接続し、近測定点41b,42bの風速を測定する場合、光ファイバ1,2をそれぞれ光ファイバ1B,2Bと接続する。
この実施の形態5によれば、光送受信方向を任意に設定することができるとともに、測定点までの距離を変更することができるので、測定点の自由度を高めることができる効果を奏する。
また、駆動機構を用いずに測定距離Sを変更できるので、駆動機構の位置決め時間に依存するタイムラグがなく、瞬時に測定距離を切り替えることができる効果を奏する。
さらに、駆動機構を搭載しないので、装置の軽量化と低コスト化を図ることができる効果を奏する。
実施の形態6.
第6図はこの発明の実施の形態6による光アンテナを示す構成図である。図において、第3図と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
光素子切替部62は光素子マウント3に配置されている複数の光ファイバn(n=1,2,・・・,N)の中から、測定対象物である移動目標43の位置に対応する光ファイバnを選択し、その光ファイバnと光ファイバ1を接続する。なお、光素子切替部62は選択手段を構成している。
上記実施の形態5では、測定点までの距離を変更する際に光素子切替部61が光ファイバ1,2の接続先を切り替えるものについて示したが、移動目標43が移動して、送受信光学系4が移動目標43を見込む角度が随時変化するとき、光送受信方向5が移動目標43を見込む角度と一致するように、光素子切替部62が光ファイバ1の接続先を切り替えるようにしてもよい。
この実施の形態6によれば、駆動機構を搭載することなく、移動目標43を随時捕捉することができるので、装置の軽量化と低コスト化を図ることができる効果を奏する。また、駆動機構の位置決め時間に依存するタイムラグがないので、移動目標43が高速に移動する場合でも、移動目標43の捕捉を継続することができる効果を奏する。
実施の形態7.
第7図はこの発明の実施の形態7による光アンテナを示す構成図である。図において、第6図と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
制御装置64は移動目標43の位置変化に応じて光素子切替部62及び直進ステージ63の少なくとも一方を制御して、送受信光学系4の位置又は角度を可変する。なお、制御装置64及び直進ステージ63は選択手段を構成している。
上記実施の形態6では、光送受信方向5が移動目標43を見込む角度と一致するように、光素子切替部62が光ファイバ1の接続先を切り替えるものについて示したが、光素子マウント3に実装できる光ファイバnの密度(間隔)は物理的制限があり、光送受信方向5の角度が離散的になることは避けられない。したがって、移動目標43が遠方になる程、測定できない時間が長くなり、移動目標43をロストする可能性が高まる。
この実施の形態7では、移動目標43が遠方に位置しても、測定できない時間を短くして、移動目標43をロストする可能性を低減するようにしている。
具体的には次の通りである。
移動目標43までの測定距離Sが短い場合、光送受信方向5の角度が離散的であることに伴う測定できない時間は短い。このときは、制御装置64が光素子切替部62を制御することにより、上記実施の形態6と同様にして、光ファイバ1の接続先を切り替えるようにする。
一方、移動目標43までの測定距離Sが長い場合、光送受信方向5の角度が離散的であることに伴う測定できない時間が長くなり、移動目標43を見失う可能性が高まる。このときは、制御装置64が直進ステージ63を制御して、光送受信光学系4を微小量移動させることにより(光ファイバnの切替による光送受信方向5の角度のピッチよりも細かい角度に対する分だけ移動させる)、移動目標43を追尾する。
そして、光送受信方向5が隣接する光ファイバn−1(またはn+1)の光送受信方向との差分だけ移動すると、光素子切替部62が光ファイバ1の接続先を隣接する光ファイバn−1(またはn+1)に切り替えて、直進ステージ63を元の位置に復帰させるようにする。
この実施の形態7によれば、移動目標43が遠方に位置しても、測定できない時間を短くして、移動目標43をロストする可能性を低減することができる効果を奏する。
なお、この実施の形態7の場合、駆動機構を必要とするが、直進ステージ63の制御は、あくまでも光素子切替部62による光送受信方向5の制御を補うものであるため、従来のものと比べて駆動制御を行う範囲は微小でよく、小型軽量や低コスト化に与える影響は少ない。
実施の形態8.
第8図はこの発明の実施の形態8による光アンテナを示す構成図である。図において、第6図と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
ステッピングモータ67,68は制御装置69の指示の下、光送受信光学系4の移動目標43側に設置されているウェッジプリズム65,66を回転駆動する。制御装置69は移動目標43の位置変化に応じてステッピングモータ67,68を制御する。なお、ステッピングモータ67,68及び制御装置69は選択手段を構成している。
上記実施の形態7では、制御装置64が直進ステージ63を適宜制御することにより、光素子切替部62による光送受信方向5の制御分解能の限界を補うものについて示したが、制御装置69が移動目標43の位置変化に応じてステッピングモータ67,68を制御することにより、ウェッジプリズム65,66によるレーザービームの屈折角度を調整して、光送受信方向5を微調整するようにしてもよく、上記実施の形態7と同様の効果を奏することができる。
なお、この実施の形態8の場合、駆動機構を必要とするが、ステッピングモータ67,68の制御は、あくまでも光素子切替部62による光送受信方向5の制御を補うものであるため、従来のものと比べて駆動制御を行う範囲は微小でよく、小型軽量や低コスト化に与える影響は少ない。
実施の形態9.
第9図はこの発明の実施の形態9による光アンテナを示す構成図である。図において、第6図と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
筐体70は光送受信光学系4と光素子マウント3を固定保持し、2軸ジンバル駆動機構71は制御装置72の指示の下、筐体70の設置角度を変化させる。制御装置72は移動目標43の位置変化に応じて2軸ジンバル駆動機構71を制御する。なお、2軸ジンバル駆動機構71及び制御装置72は選択手段を構成している。
上記実施の形態7では、制御装置64が直進ステージ63を適宜制御することにより、光素子切替部62による光送受信方向5の制御分解能の限界を補うものについて示したが、制御装置72が移動目標43の位置変化に応じて2軸ジンバル駆動機構71を制御することにより、筐体70の設置角度を変化させて、光送受信方向5を微調整するようにしてもよく、上記実施の形態7と同様の効果を奏することができる。
なお、この実施の形態9の場合、駆動機構を必要とするが、2軸ジンバル駆動機構71の制御は、あくまでも光素子切替部62による光送受信方向5の制御を補うものであるため、従来のものと比べて駆動制御を行う範囲は微小でよく、小型軽量や低コスト化に与える影響は少ない。
実施の形態10.
第10図はこの発明の実施の形態10による光アンテナの一部を示す構成図である。図において、第3図と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
単レンズ81は正の屈折力を有する第1のレンズを構成し、単レンズ82は負の屈折力を有する第2のレンズを構成し、単レンズ83は正の屈折力を有する第3のレンズを構成し、単レンズ84は正の屈折力を有する第4のレンズを構成する。
なお、85は光送受信光学系4の像面、86,87は光送受信光学系4の焦点である。
上記実施の形態1〜9では、特に言及していないが、例えば、光アンテナをLIDAR装置に適用する場合、遠距離の測定点41,42を測定するには、大口径のレーザービームを送受信する必要がある。例えば、測定点41,42までの距離が数100mの場合、φ100mm程度のレーザービームを送受信できる送受信光学系4が必要となる。従って、市販の撮像光学系を必ずしも適用することができず、専用設計が必要となり、製造コストが高くなることがある。
また、上記実施の形態3〜5における送受信光学系4の例では、単に撮像光学系を拡大しただけであるため、送受信するレーザービームの口径に対して、レンズの口径が2倍近くもあり、重量やサイズが問題となる。
この実施の形態10は、上記実施の形態1〜9に用いる送受信光学系4の小型・軽量化を図るものである。
第10図の光送受信光学系4は、以下の条件下で計測を行うように構成している。
・測定距離S 10m〜無限遠
・測定方向 <±10°
・送受信ビーム直径 100mm
・NA 0.1
一般に、レンズの設計においては、同じレンズ枚数であれば、拘束条件が少ない程、高度な収差補正が可能であり、結像性能が向上する。
一方、同じ結像性能であれば、拘束条件が少ない程、レンズ枚数を削減することが可能となる。
そこで、光送受信光学系4においては、写真レンズと比較し、以下の拘束条件を開放して設計している。
(a)写真レンズは、平面である写真乾板上に焦点を結ぶ必要があるが、送受信光学系4の像面85は湾曲を許容する。
(b)写真レンズは、広い波長で色収差を補正する必要があるが、送受信光学系4では、使用するレーザービームの波長でのみ収差補正を行う。
さらに、光送受信光学系4においては、小型軽量や製造容易性の向上のため、以下のような工夫を施している。
(c)レンズ81,83,84を製造容易な平凸形状とする。
(d)レンズ81の対物側からレンズ84の像面側までの長さL1が長くなると、光線束の光軸からのずれ量が大きくなり、結果としてレンズ直径が大きくなるので、光送受信光学系4では、全長L1を焦点距離の1/3以下にして、レンズ81〜84の有効径をレーザービームの直径の1.35倍以下に抑える。
この実施の形態10によれば、4枚のレンズで光送受信光学系4を構成し、口径がレーザービーム径の1.35倍以下に抑えているので、小型軽量で、かつ、低コストを実現することができる。
また、4枚のレンズのうち、3枚を平凸形状としているので、生産が容易になり、低コストを実現することができる。
実施の形態1.
第1図はこの発明の実施の形態1による光アンテナを示す構成図である。図において、光送受信部(光送受信手段)の光ファイバ1,2は、その光送受信部から送信されるレーザービーム(光信号)を光送受信光学系4に放射する一方、光送受信光学系4により集光されたレーザービームを受光して光送受信部に出力する。
光素子マウント3は光送受信光学系4の像面上において、光ファイバ1,2のファイバ端1a,2aを互いに異なる位置に配置している。なお、光素子マウント3は配置手段を構成している。光送受信光学系4は写真レンズなどの撮像光学系を原型とする透過型レンズであり、光ファイバ1,2のファイバ端1a,2aからレーザービームが放射されると、そのレーザービームを球面波に屈折して空間に送信する。即ち、空間に向けて平行光にコリメートする。また、空間からレーザービームが到来すると、そのレーザービームを光ファイバ1,2のファイバ端1a,2aに集光する。
なお、光送受信光学系4は光ファイバ1,2の光軸からの高さ以上の像高で収差が十分小さくなるように構成されている。
次に動作について説明する。
この実施の形態1では、レーザービームの光送受信方向として、固定的な2方向を得るため、光素子マウント3が光送受信光学系4の像面上において、光ファイバ1,2のファイバ端1a,2aを互いに異なる位置に配置している。
例えば、光ファイバ1のファイバ端1aからレーザービームが放射されると、光送受信光学系4は、そのレーザービームを平行光にコリメートし、光送受信方向5のレーザービームを空間に出射する。
また、光ファイバ2のファイバ端2aからレーザービームが放射されると、光送受信光学系4は、そのレーザービームを平行光にコリメートし、光送受信方向6のレーザービームを空間に出射する。
逆に、空間から光送受信方向5のレーザービームが到来すると、光送受信光学系4は、そのレーザービームを光ファイバ1のファイバ端1aに集光する。これにより、そのレーザービームが光ファイバ1のファイバ端1aに入射されるため、そのレーザービームが光ファイバ1に接続されている光送受信部に受光される。
また、空間から光送受信方向6のレーザービームが到来すると、光送受信光学系4は、そのレーザービームを光ファイバ2のファイバ端2aに集光する。これにより、そのレーザービームが光ファイバ2のファイバ端2aに入射されるため、そのレーザービームが光ファイバ2に接続されている光送受信部に受光される。
ここで、光送受信光学系4によりコリメートされたレーザービームの口径をD、光ファイバ1,2のファイバ端1a,2aから空間に放射されるレーザービームの放射角度の半角をθとすると、光送受信光学系4の焦点距離fは下記の式(1)、(2)から決定される。
また、光送受信方向5,6は、光ファイバ1,2のファイバ端1a,2aの位置により決定される。
即ち、第1図に示すように、光送受信光学系4の像面上に直行座標系(X,Y)をとり、原点O(0,0)から光送受信光学系4を見込む方向にZ軸をとると、光ファイバ1のファイバ端1aは光軸上にあるので
より表される。
また、光ファイバ2のファイバ端2aのXY平面上の座標をP(X1
下記の式(4)により表される。
以上で明らかなように、この実施の形態1によれば、光ファイバ1,2のファイバ端1a,2aを互いに異なる位置に配置する光素子マウント3と、そのファイバ端1a,2aからレーザービームが放射されると、そのレーザービームを空間に向けて平行光にコリメートし、空間からレーザービームが到来すると、そのレーザービームをファイバ端1a,2aに集光する光送受信光学系4とを設けるように構成したので、複雑な機械要素を搭載することなく、2つの光送受信方向5,6を設定することができる効果を奏する。
なお、複雑な機械要素を搭載する必要がないので、小型軽量化と低コスト化が可能になる。また、機械的駆動を用いないので、光送受信方向の再現性を高めることができる。
この実施の形態1では、光素子マウント3が光送受信部を構成する光ファイバ1,2のファイバ端1a,2aを互いに異なる位置に配置するものについて示したが、これに限るものではなく、例えば、光送受信部を構成する光源や受光素子を配置するようにしてもよい。この場合、光送受信部はレーザービームの送信又は受信のいずれか一方のみを実施することになる。
実施の形態2.
第2図はこの発明の実施の形態2による光アンテナを示す構成図である。図において、第1図と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
光送受信部の光ファイバ11〜15は、その光送受信部から送信されるレーザービームを光送受信光学系4に放射する一方、光送受信光学系4により集光されたレーザービームを受光して光送受信部に出力する。
光送受信方向21〜25は光アンテナにより設定されるレーザービームの方向である。
上記実施の形態1では、レーザービームの光送受信方向として、固定的な2方向を得るものについて示したが、光素子マウント3が3本以上の光ファイバのファイバ端を配置するようにすれば、レーザービームの光送受信方向として、3方向以上設定することができる。
第2図の例では、光素子マウント3が5本の光ファイバ11〜15のファイバ端11a〜15aを配置することにより、5方向の光送受信方向21〜25を得ている。
実施の形態3.
第3図はこの発明の実施の形態3による光アンテナを示す構成図である。図において、第1図と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。第3図の光アンテナは、風速計測LIDAR装置に適用される。
光送受信部31,32は空間に向けて送信するレーザービームを放射、または、空間から到来するレーザービームを受光する光送受信手段を構成している。光送受信部31,32のレーザー光源33は制御装置36の指示の下、レーザービームを発光し、光路2分岐部34は光ファイバ1,2を2分岐している。光受信機35は光ファイバ1,2からレーザービームを受光し、そのレーザービームを電気信号に変換して制御装置36に出力する。制御装置36はレーザー光源33の駆動を制御するとともに、光受信機35から出力される電気信号を監視して測定点41,42(測定対象物)の風速を計測する。
なお、第3図の光送受信光学系4はダブルガウス型の構成を示している。
次に動作について説明する。
2つの異なる測定点41,42の風速を同時に計測する場合、制御装置36が光送受信部31,32のレーザー光源33を同時に駆動する。
光送受信部31,32のレーザー光源33は、制御装置36から駆動指令を受けると、レーザービームを発光する。レーザー光源33から発光されたレーザービームは、光路2分岐部34を経由して、光ファイバ1,2のファイバ端1a,2aから光送受信光学系4に放射される。
光送受信光学系4は、光ファイバ1,2のファイバ端1a,2aからレーザービームが放射されると、そのレーザービームを平行光にコリメートし、そのレーザービームを測定点41,42に向けて出射する。なお、光送受信光学系4から出射されるレーザービームの光送受信方向5,6は、上記実施の形態1と同様に、光素子マウント3によるファイバ端1a,2aの配置により決定されるので、レーザービームが測定点41,42に集光するように、光素子マウント3がファイバ端1a,2aを配置しているものとする。
また、光送受信光学系4は、高度に収差補正を行うので、光送受信光学系4を通過したレーザービームは精度の高い球面波になる。
測定点41,42に集光されたレーザービームは、測定点41,42に存在する塵により散乱され、一部のレーザービームが光送受信光学系4に戻ってくる。
光送受信光学系4は、一部のレーザービームが戻ってくると、光送受信方向5のレーザービームは光ファイバ1のファイバ端1aに集光し、光送受信方向6のレーザービームは光ファイバ2のファイバ端2aに集光する。
これにより、光送受信方向5のレーザービームは光ファイバ1のファイバ端1aに入射され、光路2分岐部34経由で光受信機35に到達する。
また、光送受信方向6のレーザービームは光ファイバ2のファイバ端2aに入射され、光路2分岐部34経由で光受信機35に到達する。
光送受信部31,32の光受信機35は、光ファイバ1,2からレーザービームを受光すると、そのレーザービームを電気信号に変換して制御装置36に出力する。
制御装置36は、光送受信部31,32の光受信機35から電気信号を受けると、その電気信号を監視して測定点41,42の風速を計測する。
以上で明らかなように、この実施の形態3によれば、上記実施の形態1と同様に、複雑な機械要素を搭載することなく、2つの光送受信方向5,6を設定することができるので、重量の増加やコスト高を招くことなく、2方向の風速を計測することができる効果を奏する。
なお、この実施の形態3では、2方向の風速を計測するものについて示したが、上記実施の形態2と同様にして、光素子マウント3が3本以上の光ファイバのファイバ端を配置するようにすれば、3方向以上の風速を計測することができる。
また、この実施の形態3では、2方向の風速を同時に計測するものについて示したが、2方向の風速を必ずしも同時に計測する必要はなく、制御装置36が光送受信部31の光受信機35又は光送受信部32の光受信機35のいずれかを適宜駆動するようにしてもよい。
実施の形態4.
第4図はこの発明の実施の形態4による光アンテナを示す構成図である。図において、第3図と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
直進レール51の移動要素は光ファイバ1,2を固定し、直進レール51のガイドは光素子マウント3に固定されている。移動平板53はロッド54にベアリングを介して保持され、直進アクチュエータ52によって駆動されると、ロッド54に沿う方向に移動する。
なお、直進レール51、直進アクチュエータ52、移動平板53及びロッド54からファイバ端1a,2aの位置を可変する駆動機構が構成されている。
上記実施の形態3では、光送受信方向を任意に設定可能な光アンテナを示したが、測定距離Sを変更することはできない。
しかし、写真撮影において、被写体の距離に応じて焦点合わせを行うことを応用すれば、同じ光送受信光学系4で異なる距離の測定を行うこともできる。
この実施の形態4では、異なる距離の測定を行える光アンテナについて説明する。
まず、写真を撮影するときは、被写体にピントが合うようにレンズと写真乾板との間隔を調整する。その繰り出し量は被写体の距離がわかれば計算で求まる。
そこで、この実施の形態4では、測定距離Sとファイバ端1a,2aの位置とが結像関係と一致するように制御する。
即ち、直進アクチュエータ52を制御すれば、移動平板53をロッド54に沿う方向に移動させることができ、移動平板53と直進レール51の移動要素が接触することで、ファイバ端1a,2aの位置が直進レール51のガイドに沿う方向に移動する。
よって、直進アクチュエータ52を適宜制御することにより、ファイバ端1a,2aを所望の位置に変更することができる。
この実施の形態4によれば、光送受信方向を任意に設定することができるとともに、測定点までの距離を変更することができるので、測定点の自由度を高めることができる効果を奏する。
実施の形態5.
第5図はこの発明の実施の形態5による光アンテナを示す構成図である。図において、第3図と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
光ファイバ1A,1Bのファイバ端は光素子マウント3の異なる位置に配置され、光ファイバ2A,2Bのファイバ端は光素子マウント3の異なる位置に配置されている。光素子切替部61は遠測定点41a,42aの風速を測定する場合には、光ファイバ1,2をそれぞれ光ファイバ1A,2Aと接続し、近測定点41b,42bの風速を測定する場合には、光ファイバ1,2をそれぞれ光ファイバ1B,2Bと接続する。なお、光素子切替部61は選択手段を構成している。
上記実施の形態4では、駆動機構を用いて測定距離Sを変更するものについて示したが、駆動機構を搭載すると、重量の増大やコスト高を招くことがある。また、光送受信方向5,6は固定で、測定点までの距離のみを変化させるので、同時計測する2つの測定点の間隔が測定距離Sに比例して変化する。風速の測定では、この測定点の間隔の変化が測定誤差の原因となる可能性がある。
この実施の形態5では、駆動機構を用いずに測定距離Sを変更できるとともに、測定距離Sに関係なく2つの測定点の間隔を一定にしている光アンテナについて説明する。
光素子マウント3は、光送受信光学系4から放射されたレーザービームが遠測定点41a,42aに集光するように光ファイバ1A,2Aのファイバ端を配置し、光送受信光学系4から放射されたレーザービームが近測定点41b,42bに集光するように光ファイバ1B,2Bのファイバ端を配置している。
光素子切替部61は、遠測定点41a,42aの風速を測定する場合、光ファイバ1,2をそれぞれ光ファイバ1A,2Aと接続し、近測定点41b,42bの風速を測定する場合、光ファイバ1,2をそれぞれ光ファイバ1B,2Bと接続する。
この実施の形態5によれば、光送受信方向を任意に設定することができるとともに、測定点までの距離を変更することができるので、測定点の自由度を高めることができる効果を奏する。
また、駆動機構を用いずに測定距離Sを変更できるので、駆動機構の位置決め時間に依存するタイムラグがなく、瞬時に測定距離を切り替えることができる効果を奏する。
さらに、駆動機構を搭載しないので、装置の軽量化と低コスト化を図ることができる効果を奏する。
実施の形態6.
第6図はこの発明の実施の形態6による光アンテナを示す構成図である。図において、第3図と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
光素子切替部62は光素子マウント3に配置されている複数の光ファイバn(n=1,2,・・・,N)の中から、測定対象物である移動目標43の位置に対応する光ファイバnを選択し、その光ファイバnと光ファイバ1を接続する。なお、光素子切替部62は選択手段を構成している。
上記実施の形態5では、測定点までの距離を変更する際に光素子切替部61が光ファイバ1,2の接続先を切り替えるものについて示したが、移動目標43が移動して、送受信光学系4が移動目標43を見込む角度が随時変化するとき、光送受信方向5が移動目標43を見込む角度と一致するように、光素子切替部62が光ファイバ1の接続先を切り替えるようにしてもよい。
この実施の形態6によれば、駆動機構を搭載することなく、移動目標43を随時捕捉することができるので、装置の軽量化と低コスト化を図ることができる効果を奏する。また、駆動機構の位置決め時間に依存するタイムラグがないので、移動目標43が高速に移動する場合でも、移動目標43の捕捉を継続することができる効果を奏する。
実施の形態7.
第7図はこの発明の実施の形態7による光アンテナを示す構成図である。図において、第6図と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
制御装置64は移動目標43の位置変化に応じて光素子切替部62及び直進ステージ63の少なくとも一方を制御して、送受信光学系4の位置又は角度を可変する。なお、制御装置64及び直進ステージ63は選択手段を構成している。
上記実施の形態6では、光送受信方向5が移動目標43を見込む角度と一致するように、光素子切替部62が光ファイバ1の接続先を切り替えるものについて示したが、光素子マウント3に実装できる光ファイバnの密度(間隔)は物理的制限があり、光送受信方向5の角度が離散的になることは避けられない。したがって、移動目標43が遠方になる程、測定できない時間が長くなり、移動目標43をロストする可能性が高まる。
この実施の形態7では、移動目標43が遠方に位置しても、測定できない時間を短くして、移動目標43をロストする可能性を低減するようにしている。
具体的には次の通りである。
移動目標43までの測定距離Sが短い場合、光送受信方向5の角度が離散的であることに伴う測定できない時間は短い。このときは、制御装置64が光素子切替部62を制御することにより、上記実施の形態6と同様にして、光ファイバ1の接続先を切り替えるようにする。
一方、移動目標43までの測定距離Sが長い場合、光送受信方向5の角度が離散的であることに伴う測定できない時間が長くなり、移動目標43を見失う可能性が高まる。このときは、制御装置64が直進ステージ63を制御して、光送受信光学系4を微小量移動させることにより(光ファイバnの切替による光送受信方向5の角度のピッチよりも細かい角度に対する分だけ移動させる)、移動目標43を追尾する。
そして、光送受信方向5が隣接する光ファイバn−1(またはn+1)の光送受信方向との差分だけ移動すると、光素子切替部62が光ファイバ1の接続先を隣接する光ファイバn−1(またはn+1)に切り替えて、直進ステージ63を元の位置に復帰させるようにする。
この実施の形態7によれば、移動目標43が遠方に位置しても、測定できない時間を短くして、移動目標43をロストする可能性を低減することができる効果を奏する。
なお、この実施の形態7の場合、駆動機構を必要とするが、直進ステージ63の制御は、あくまでも光素子切替部62による光送受信方向5の制御を補うものであるため、従来のものと比べて駆動制御を行う範囲は微小でよく、小型軽量や低コスト化に与える影響は少ない。
実施の形態8.
第8図はこの発明の実施の形態8による光アンテナを示す構成図である。図において、第6図と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
ステッピングモータ67,68は制御装置69の指示の下、光送受信光学系4の移動目標43側に設置されているウェッジプリズム65,66を回転駆動する。制御装置69は移動目標43の位置変化に応じてステッピングモータ67,68を制御する。なお、ステッピングモータ67,68及び制御装置69は選択手段を構成している。
上記実施の形態7では、制御装置64が直進ステージ63を適宜制御することにより、光素子切替部62による光送受信方向5の制御分解能の限界を補うものについて示したが、制御装置69が移動目標43の位置変化に応じてステッピングモータ67,68を制御することにより、ウェッジプリズム65,66によるレーザービームの屈折角度を調整して、光送受信方向5を微調整するようにしてもよく、上記実施の形態7と同様の効果を奏することができる。
なお、この実施の形態8の場合、駆動機構を必要とするが、ステッピングモータ67,68の制御は、あくまでも光素子切替部62による光送受信方向5の制御を補うものであるため、従来のものと比べて駆動制御を行う範囲は微小でよく、小型軽量や低コスト化に与える影響は少ない。
実施の形態9.
第9図はこの発明の実施の形態9による光アンテナを示す構成図である。図において、第6図と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
筐体70は光送受信光学系4と光素子マウント3を固定保持し、2軸ジンバル駆動機構71は制御装置72の指示の下、筐体70の設置角度を変化させる。制御装置72は移動目標43の位置変化に応じて2軸ジンバル駆動機構71を制御する。なお、2軸ジンバル駆動機構71及び制御装置72は選択手段を構成している。
上記実施の形態7では、制御装置64が直進ステージ63を適宜制御することにより、光素子切替部62による光送受信方向5の制御分解能の限界を補うものについて示したが、制御装置72が移動目標43の位置変化に応じて2軸ジンバル駆動機構71を制御することにより、筐体70の設置角度を変化させて、光送受信方向5を微調整するようにしてもよく、上記実施の形態7と同様の効果を奏することができる。
なお、この実施の形態9の場合、駆動機構を必要とするが、2軸ジンバル駆動機構71の制御は、あくまでも光素子切替部62による光送受信方向5の制御を補うものであるため、従来のものと比べて駆動制御を行う範囲は微小でよく、小型軽量や低コスト化に与える影響は少ない。
実施の形態10.
第10図はこの発明の実施の形態10による光アンテナの一部を示す構成図である。図において、第3図と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
単レンズ81は正の屈折力を有する第1のレンズを構成し、単レンズ82は負の屈折力を有する第2のレンズを構成し、単レンズ83は正の屈折力を有する第3のレンズを構成し、単レンズ84は正の屈折力を有する第4のレンズを構成する。
なお、85は光送受信光学系4の像面、86,87は光送受信光学系4の焦点である。
上記実施の形態1〜9では、特に言及していないが、例えば、光アンテナをLIDAR装置に適用する場合、遠距離の測定点41,42を測定するには、大口径のレーザービームを送受信する必要がある。例えば、測定点41,42までの距離が数100mの場合、φ100mm程度のレーザービームを送受信できる送受信光学系4が必要となる。従って、市販の撮像光学系を必ずしも適用することができず、専用設計が必要となり、製造コストが高くなることがある。
また、上記実施の形態3〜5における送受信光学系4の例では、単に撮像光学系を拡大しただけであるため、送受信するレーザービームの口径に対して、レンズの口径が2倍近くもあり、重量やサイズが問題となる。
この実施の形態10は、上記実施の形態1〜9に用いる送受信光学系4の小型・軽量化を図るものである。
第10図の光送受信光学系4は、以下の条件下で計測を行うように構成している。
・測定距離S 10m〜無限遠
・測定方向 <±10°
・送受信ビーム直径 100mm
・NA 0.1
一般に、レンズの設計においては、同じレンズ枚数であれば、拘束条件が少ない程、高度な収差補正が可能であり、結像性能が向上する。
一方、同じ結像性能であれば、拘束条件が少ない程、レンズ枚数を削減することが可能となる。
そこで、光送受信光学系4においては、写真レンズと比較し、以下の拘束条件を開放して設計している。
(a)写真レンズは、平面である写真乾板上に焦点を結ぶ必要があるが、送受信光学系4の像面85は湾曲を許容する。
(b)写真レンズは、広い波長で色収差を補正する必要があるが、送受信光学系4では、使用するレーザービームの波長でのみ収差補正を行う。
さらに、光送受信光学系4においては、小型軽量や製造容易性の向上のため、以下のような工夫を施している。
(c)レンズ81,83,84を製造容易な平凸形状とする。
(d)レンズ81の対物側からレンズ84の像面側までの長さL1が長くなると、光線束の光軸からのずれ量が大きくなり、結果としてレンズ直径が大きくなるので、光送受信光学系4では、全長L1を焦点距離の1/3以下にして、レンズ81〜84の有効径をレーザービームの直径の1.35倍以下に抑える。
この実施の形態10によれば、4枚のレンズで光送受信光学系4を構成し、口径がレーザービーム径の1.35倍以下に抑えているので、小型軽量で、かつ、低コストを実現することができる。
また、4枚のレンズのうち、3枚を平凸形状としているので、生産が容易になり、低コストを実現することができる。
以上のように、この発明に係る光アンテナは、空間に向けてレーザービームを送受信するに際して、低コスト化や小型軽量化等を図る必要があるLIDAR装置や光通信装置などに搭載するものに適している。
Claims (11)
- 空間に向けて送信する光信号を放射、または、空間から到来する光信号を受光する複数の光送受信手段を互いに異なる位置に配置する配置手段と、上記光送受信手段から光信号が放射されると、その光信号を球面波に屈折して空間に送信し、空間から光信号が到来すると、その光信号を上記光送受信手段に集光する光学系とを備えた光アンテナ。
- 空間に向けて送信する光信号を放射、または、空間から到来する光信号を受光する複数の光送受信手段と、上記複数の光送受信手段を互いに異なる位置に配置する配置手段と、上記光送受信手段から光信号が放射されると、その光信号を球面波に屈折して空間に送信し、空間から光信号が到来すると、その光信号を上記光送受信手段に集光する光学系とを備えた光アンテナ。
- 複数の光送受信手段を同時に駆動させる制御手段を設けたことを特徴とする請求の範囲第2項記載の光アンテナ。
- 複数の光送受信手段のうち、任意の光送受信手段を駆動させる制御手段を設けたことを特徴とする請求の範囲第2項記載の光アンテナ。
- 配置手段により配置されている光送受信手段の位置を可変する駆動機構を設けたことを特徴とする請求の範囲第2項記載の光アンテナ。
- 配置手段が配置している複数の光ファイバの中から任意の光ファイバを選択し、その光ファイバを光送受信手段に接続する選択手段を設けたことを特徴とする請求の範囲第2項記載の光アンテナ。
- 選択手段は、測定対象物の位置に対応する光ファイバを選択することを特徴とする請求の範囲第6項記載の光アンテナ。
- 選択手段は、測定対象物の位置変化に応じて光学系の位置又は角度を可変することを特徴とする請求の範囲第7項記載の光アンテナ。
- 選択手段は、光学系の測定対象物側にウェッジプリズムが設置されている場合、その測定対象物の位置変化に応じて当該ウェッジプリズムを回転させることを特徴とする請求の範囲第7項記載の光アンテナ。
- 選択手段は、測定対象物の位置変化に応じて光学系及び配置手段をジンバル駆動することを特徴とする請求の範囲第7項記載の光アンテナ。
- 正の屈折力を有する第1のレンズと、負の屈折力を有する第2のレンズと、正の屈折力を有する第3のレンズと、正の屈折力を有する第4のレンズとから光学系を構成し、測定対象物側から順番に上記第1のレンズ、上記第2のレンズ、上記第3のレンズ及び上記第4のレンズを配置することを特徴とする請求の範囲第1項記載の光アンテナ。
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