JP2005229359A - 光空間通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 駆動回路及び駆動機構で消費電力を抑えることが出来、駆動機構の耐久性の向上を実現できる光空間通信装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 そのために、本発明では、光受信部からの光受信強度がある既定値より大きい、または、光受信部からの光受信強度がある既定値より大きくかつ、光位置検出手段からの位置ズレがある既定値より小さい時、制御手段の位置補正を行う指令信号を停止する、または、指令信号の時間間隔を長くする、または、駆動回路からのゲインを小さくする構成をとる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、離れた二地点間に対向設置されて、自由空間中を伝搬する光ビームにより光信号を送り通信を行う光空間通信装置で、特に装置の角度ずれによる光ビームの光軸補正機能を持つ装置に関するものである。

一般的に自由空間中に光ビームを伝搬させて通信を行う光空間通信装置は、光のパワーを効率よく伝送するために、光ビームの拡がり角を極力小さくした狭い光ビームで伝送する必要がある。しかし光ビームを狭くすると、建物あるいは設置架台の風圧や振動による揺れ、温度変動による歪み、径時変化による角度変動などのため、光ビームが相手方装置から外れやすくなり、安定した通信が難しい。そのために特許文献１のように、装置の角度が変わっても角度変化を補正して常に光ビームが相手側装置を向くような光軸ずれ補正機能を持つ装置が考案されている。

図９は対向する１対の装置の片側を示す。図９において、１０は光ビームの送信／受信のための光学系である。相手側装置への送信光信号は半導体レーザ等の発光素子２１より放出される。半導体レーザの光は偏光しており、偏光方向は紙面に水平になるように設定されている。この方向の偏光は偏光ビームスプリッタ２２で送受光レンズ２３の方向に反射され、送受光レンズ２３で、僅かに拡がりを持つほぼ平行の光ビーム２４となって相手側装置の方向に送信される。

他方相手側装置から送られて来た光は、自装置よりの送信光信号と同じ光軸上で逆の進路をたどり、送受光レンズ２３から偏光ビームスプリッタ２２に入るが、相手方装置からの受信光は偏光方向が送信光と直交するように（偏光方向は紙面に垂直）設定されているために、偏光ビームスプリッタ２２をそのまま透過し、ビームスプリッタ２５に入る。受信光の大部分はビームスプリッタ２５で反射し、光信号検出用の受光素子２６に入射して、通信用の信号が検出されるが、一部の光はビームスプリッタ２５を透過して、光位置検出素子２７に入射する。

光位置検出素子２７は、例えば図１０に示すような４分割されたフォトダイオードである。図１０は２７ａから２７ｄまでの４つに分割されたフォトダイオードに光スポット４２が当たっている様子を示す。４つのフォトダイオード２７ａから２７ｄの出力を比較することにより、光スポット４２の位置を知ることができる。光位置検出素子２７よりの信号は、角度補正情報として制御回路２８で演算処理され、光学系１０の駆動回路２９に駆動信号が出力される。そして駆動回路２９により、垂直方向の駆動機構３０および水平方向の駆動機構３１を動かして、光スポット４２の位置が光位置検出素子２７の中心に来て、４つのフォトダイオード２７ａから２７ｄの出力が全て等しくなるような方向に駆動・制御される。

光位置検出素子２７と発光素子２１、光信号検出用の受光素子２６は全て光学軸が一致するように位置調整がなされており、光位置検出素子２７の中心に光スポット４２が当たった状態では、光信号検出用の受光素子２６の中心にも光が入射しており、かつ発光素子２１からの光の中心は相手側装置の方向に放射される。

このようにして常に送信光が受信光の方向、即ち相手側装置の方向になるように光軸ずれ補正が行われる。
特開平１１−３４６１９２号公報

一般に、上記従来例のような光空間通信装置の受光素子２６としては、アバランシェフォトダイオード（以下ＡＰＤ）、ＰＩＮフォトダイオード（以下Ｐｉｎ−ＰＤ）等が使用されている。ところで、ＡＰＤ、Ｐｉｎ−ＰＤ等の受光素子の光受信強度と光検出品質を測る尺度であるビット誤り率の関係は、図８のようになっている。図８から分かるように、受光素子の光受信強度があるレベルより大きければ（図８ではＰｃとする）、通信に支障をきたすビット誤り率（１Ｅ−９以上）は発生しない。

また、発光素子２１としては、高速変調、高出力、出力光の光学系との結合容易性などの理由で半導体レーザーがよく使用される。半導体レーザーの光強度分布は、図１１のように扁平したガウス強度分布をしており、中心Ｓから離れるほど徐々に光強度が弱くなっていく。中心Ｓから少し離れた点、例えば図１１のＳａの光強度を受光素子２６が受信したとしても、受光素子２６の光受信強度が図８のＰｃより大きければ、ビット誤りは発生しない。

これは、図９の装置が少し傾いて、図１０のように、光位置検出素子２７への光スポット４２が中心から少しはずれ、光位置検出素子２７が角度ズレを検出しても、受光素子２６の光受信強度がＰｃより大きければ、ビット誤りを発生させないことを意味する。

しかし上記従来例では、光位置検出素子２７が角度ズレを検出すると、受光素子２６がたとえビット誤りを発生させない光受信強度であっても、光位置検出素子２７への光スポット４２が中心に移動するように常に角度補正を行ってしまうため、駆動回路及び駆動機構で電力が消費される。また、駆動機構のメカ機構は、耐久性が限られているが、常に動き続けることで駆動機構の耐久が劣化していく。

上記課題を達成するために、本出願にかかわる第一の発明は、
離れた地点間で対向設置されて光ビームにより通信を行う光空間通信装置であって、
相手側装置への送信光ビームを送信する送信光学系と送信光信号を発生させる半導体レーザ等の発光素子とで構成される光送信部、
相手側装置からの光ビームを受信するための受信光学系と、光信号を検出する受光素子で構成される光受信部、
相手側装置からの光ビームの到来方向を検出するための光位置検出手段と、
前記光位置検出手段からの信号により、前記送信部の方向角を制御する手段、又は、前記光受信部の方向角を制御する手段、もしくはその送受信部両方の方向角を同時に制御する手段と、
前記制御手段からの指令信号により、前記方向角を駆動する手段、
を有する自動追尾機構付きの光空間通信装置において、
前記光受信部または、前記光位置検出手段で検出された光受信強度から、光受信強度が強くなれば（ある既定値より大きければ）、前記制御手段から前記方向角を駆動するための信号を停止する（制御を止める）ことを特徴とする。

また、本出願にかかわる第二の発明は、前記光受信部または、前記光位置検出手段で検出された光受信強度と前記光位置検出手段からの位置ズレ情報から、光受信強度が強く、位置ズレが小さければ、前記制御手段から前記方向角を駆動するための信号を停止する（制御を止める）ことを特徴とする。

また、本出願にかかわる第三の発明は、前記光受信部または、前記光位置検出手段で検出された光受信強度から、光受信強度が強くなれば（ある既定値より大きければ）、前記制御手段から前記方向角を駆動する手段への信号出力の時間間隔（周期）を長くすることを特徴とする。

また、本出願にかかわる第四の発明は、前記光受信部または、前記光位置検出手段で検出された光受信強度と前記光位置検出手段からの位置ズレ情報から、光受信強度が強く、位置ズレが小さければ、前記制御手段から前記方向角を駆動する手段への信号出力の時間間隔（周期）を長くすることを特徴とする。

また、本出願にかかわる第五の発明は、前記光受信部または、前記光位置検出手段で検出された光受信強度から、光受信強度が強くなれば（ある既定値より大きければ）前記制御手段から前記方向角を駆動するための信号のゲインを小さくする（追従を遅くする）ことを特徴とする。

また、本出願にかかわる第六の発明は、前記光受信部または、前記光位置検出手段で検出された光受信強度と、前記光位置検出手段からの位置ズレ情報から、光受信強度が強く、位置ズレが小さければ、前記制御手段から前記方向角を駆動するための信号のゲインを小さくすることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、光軸ずれ補正により自動追尾を行う機能を有し、離れた地点間で対向設置されて光ビームにより通信を行う光空間通信装置において、
光受信部からの光受信強度がある既定値より大きい、または、光受信部からの光受信強度がある既定値より大きくかつ、光位置検出手段からの位置ズレがある既定値より小さい時、制御手段の位置補正を行う指令信号を停止する、または、指令信号の時間間隔を長くする、または、駆動回路からのゲインを小さくすることにより、駆動回路及び駆動機構で消費電力を抑えることが出来、駆動機構の耐久性の向上を実現できる。

（第１の実施例）
図１に本願発明による自動追尾により光軸ずれ補正機能を持つ光空間通信装置を示す。

図１において、発光素子２１からの光は、図９の従来の実施例と同様に偏光ビームスプリッタ２２で送受光レンズ２３の方向に反射され、送受光レンズ２３で、僅かに拡がりを持つほぼ平行の光ビーム２４となって相手側装置の方向に送信される。

他方相手側装置から送られて来た光は、これも図９の従来の実施例と同様偏光ビームスプリッタ２２をそのまま透過し、ビームスプリッタ２５に入る。受信光の大部分はビームスプリッタ２５で反射し、光信号検出用の受光素子２６に入射し、通信用の信号が検出されると同時に光受信強度の大きさが検出され、光受信レベル信号２６ａとして制御回路２８に入力される。また、受信光の一部の光はビームスプリッタ２５を透過して、光位置検出素子２７に入射し、光位置情報信号２７ｅとして制御回路２８に入力される。制御回路２８内部（後で詳しく説明する）では、光受信レベル信号２６ａがある既定値（図８のＰｃ）より大きければ（光強度が強ければ）、光学系１０の駆動回路２９に出力する駆動指令信号２８ａを出力しない。これにより、駆動回路２９により、垂直方向の駆動機構３０および水平方向の駆動機構３１を動かすための制御及び駆動が停止し、通信品質が保たれたまま電力消費を抑えることが可能となる。また、駆動機構３１を動かすためのメカ機構の消耗も抑えることができる。

逆に、受光素子２６の光受信レベル信号２６ａがある既定値より小さければ、図９の従来例と同様に、制御回路２８の駆動指令信号２８ａが駆動回路２９に入力され、駆動回路２９により、垂直方向の駆動機構３０および水平方向の駆動機構３１を動かして、光位置検出素子２７で検出された相手側装置の方向に送信光ビームが向けられる。

次に、図２の制御回路２８内部のフローについて説明する。

受光素子２６からの光受信レベル信号２６ａは、制御回路２８内の（１）光受信レベル判定に入力される。（１）の光受信レベル判定では、光受信レベル信号２６ａがある既定値より大きければ、受光素子２６からの光受信レベル信号２６ａを常に監視するループＡに戻り、次のフロー（２）、（３）、（４）には進まない。よって、（４）からの駆動指令信号２８ａは出力されない。

反対に、受光素子２６からの光受信レベル信号２６ａが、（１）の光受信レベル判定である既定値より小さければ、（２）の光位置検出素子２７の光位置情報信号２７ｅを読み込み、（３）の位置補正の演算処理が行われ、最後に（４）の駆動指令信号２８ａが出力される。

（第２の実施例）
第２の実施例では、上記第１の実施例に於ける図２のフローを図３のようにし、駆動指令信号２８ａの出力有無を、受光素子２６からの光受信レベル信号２６ａだけではなく、光位置検出素子２７の光位置情報信号２７ｅと組合わせて判定したものである。受光素子２６からの光受信レベル信号２６ａは、上記第１の実施例と同様に（１）の受信レベル判定に入力される。光位置検出素子２７の光位置情報信号２７ｅは、（２）の位置ズレ判定に入力される。（２）の位置ズレ判定では、図１０の光スポット４２が光位置検出素子２７の中心２７Ｓからどれ位ズレているか（ある既定値より大きい）を判定する。

例えば、図３において、受信レベル信号２６ａがある既定値より大きくかつ、光位置情報信号２７ｅがある既定値より小さければ、ループＡ、Ｂに各々戻り、次のフロー（３）、（４）、（５）には進まない。よって、（５）からの駆動指令信号２８ａは出力されないため、低消費化が図れる。

逆に、受光素子２６からの光受信レベル信号２６ａが、（１）の光受信レベル判定である既定値より小さい、または、光位置検出素子２７の光位置情報信号２７ｅがある既定値より大きければ、（３）の光位置検出素子２７の光位置情報信号２７ｅを読み込み、（４）の位置補正の演算処理が行われ、最後に（５）の駆動指令信号２８ａが出力される。

（第３の実施例）
第３の実施例では、上記第１の実施例に於ける図２のフローを図４のようにし、受光素子２６からの光受信レベル信号２６ａがある既定値より大きければ、光位置情報信号２７ｅをある時間間隔ｔ１（ｔ１＞ｔ２）毎に読み込むようにしたものである。これにより、（４）の駆動指令信号２８ａはｔ１毎の周期でしか出力されないため電力消費を抑えることができる。ここで、既定値ｔ１は、固定値ではなく、光受信レベル信号２６ａの大きさに合わせて徐々に時間間隔を変化させてもかまわない。

逆に、受光素子２６からの光受信レベル信号２６ａが、（１）の光受信レベル判定である既定値より小さければ、（２）の光位置検出素子２７の光位置情報信号２７ｅをｔ２毎（従来例と同じ時間間隔）に読み込み、（３）の位置補正の演算処理が行われ、最後に（４）の駆動指令信号２８ａが出力される。

（第４の実施例）
第４の実施例では、上記第２の実施例と上記第３の実施例を組合わせて、図３のフローを図５のようにし、受光素子２６からの光受信レベル信号２６ａがある既定値より大きくかつ、光位置検出素子２７からの光位置情報信号２７ｅがある既定値より小さければ、光位置情報信号２７ｅをある時間間隔ｔ１（ｔ１＞ｔ２）毎に読み込むようにしたものである。

逆に、受光素子２６からの光受信レベル信号２６ａが、（１）の光受信レベル判定である既定値より小さいまたは、光位置検出素子２７の光位置情報信号２７ｅが（２）の位置ズレ判定である既定値より大きければ、（３）の光位置検出素子２７の光位置情報信号２７ｅをｔ２毎（従来例と同じ時間間隔）に読み込み、（４）の位置補正の演算処理が行われ、最後に（５）の駆動指令信号２８ａが出力される。

（第５の実施例）
第５の実施例では、上記第１の実施例に於ける図２のフローを図６のようにし、受光素子２６からの光受信レベル信号２６ａが（１）の光受信レベル判定である既定値より大きければ、図１の駆動回路２９内のゲインを小さくする。ゲインを小さくすると、図１の駆動機構３０、３１を動作させる駆動回路２９からの信号２９ａ、２９ｂの電流または、電圧が小さくなり追従（動作）が遅くなる。追従性は遅くなるが、光受信レベルは、ビット誤りを発生させないある既定値に設定しているので、通信上の問題はなく、動作させる電流または電圧を小さくすることができるので低消費となる。

逆に、受光素子２６からの光受信レベル信号２６ａが、（１）の光受信レベル判定である既定値より小さければ、駆動回路２９内のゲインを元に戻し（上記従来例のゲイン）、上記従来例と同様の追従を行うようにする。

（第６の実施例）
第６の実施例では、上記第２の実施例と上記第５の実施例を組合わせて、図６のフローを図７のようにし、受光素子２６からの光受信レベル信号２６ａが（１）の光受信レベル判定である既定値より大きくかつ、光位置検出素子２７からの光位置情報信号２７ｅがある既定値より小さければ、図１の駆動回路２９内のゲインを小さくする。

反対に、受光素子２６からの光受信レベル信号２６ａが、（１）の光受信レベル判定である既定値より小さいまたは、光位置検出素子２７からの光位置情報信号２７ｅがある既定値より大きければ、駆動回路２９内のゲインを元に戻し（上記従来例のゲイン）、上記従来例と同様の追従を行うようにする。

本発明の第１の実施例 第１の実施例の制御回路２８内部のフロー 第２の実施例の制御回路２８内部のフロー 第３の実施例の制御回路２８内部のフロー 第４の実施例の制御回路２８内部のフロー 第５の実施例の制御回路２８内部のフロー 第６の実施例の制御回路２８内部のフロー 受光素子の光受信強度とビット誤り率の関係 従来の実施例 スポット位置検出素子の例 半導体レーザー素子の光強度分布

符号の説明

２１ 発光素子
２２ 偏光ビームスプリッタ
２６ 受光素子
２７ 光スポット位置検出素子
２８ 制御回路
２９ 駆動回路
３０、３１ 光学系の駆動機構

Claims (6)

1. 離れた地点間で対向設置されて光ビームにより通信を行う光空間通信装置であって、
   相手側装置への送信光ビームを送信する送信光学系と送信光信号を発生させる発光素子とで構成される光送信部、相手側装置からの光ビームを受信するための受信光学系と、光信号を検出する受光素子で構成される光受信部、相手側装置からの光ビームの到来方向を検出するための光位置検出手段と、前記光位置検出手段からの信号により、前記送信部の方向角を制御する手段、又は、前記光受信部の方向角を制御する手段、もしくはその送受信部両方の方向角を同時に制御する手段と、前記制御手段からの信号により、前記方向角を駆動する手段を有する自動追尾機構付きの光空間通信装置において、
   前記光受信部または、前記光位置検出手段で検出された光受信強度から、光受信強度が任意の既定値を越えた場合、前記制御手段から前記方向角を駆動するための信号を停止することを特徴とする光空間通信装置。
2. 離れた地点間で対向設置されて光ビームにより通信を行う光空間通信装置であって、
   相手側装置への送信光ビームを送信する送信光学系と送信光信号を発生させる発光素子とで構成される光送信部、相手側装置からの光ビームを受信するための受信光学系と、光信号を検出する受光素子で構成される光受信部、相手側装置からの光ビームの到来方向を検出するための光位置検出手段と、前記光位置検出手段からの信号により、前記送信部の方向角を制御する手段、又は、前記光受信部の方向角を制御する手段、もしくはその送受信部両方の方向角を同時に制御する手段と前記制御手段からの信号により、前記方向角を駆動する手段を有する自動追尾機構付きの光空間通信装置において、
   前記光受信部または、前記光位置検出手段で検出された光受信強度と前記光位置検出手段からの位置ズレ情報から、光受信強度が任意の既定値を越え、位置ズレが任意の既定値より小さければ、前記制御手段から前記方向角を駆動するための信号を停止することを特徴とする光空間通信装置。
3. 離れた地点間で対向設置されて光ビームにより通信を行う光空間通信装置であって、
   相手側装置への送信光ビームを送信する送信光学系と送信光信号を発生させる発光素子とで構成される光送信部、相手側装置からの光ビームを受信するための受信光学系と、光信号を検出する受光素子で構成される光受信部、相手側装置からの光ビームの到来方向を検出するための光位置検出手段と、前記光位置検出手段からの信号により、前記送信部の方向角を制御する手段、又は、前記光受信部の方向角を制御する手段、もしくはその送受信部両方の方向角を同時に制御する手段と、
   前記制御手段からの信号により、前記方向角を駆動する手段を有する自動追尾機構付きの光空間通信装置において、
   前記光受信部または、前記光位置検出手段で検出された光受信強度から、光受信強度が任意の既定値を越えた場合、前記制御手段から前記方向角を駆動する手段への信号出力の時間間隔を長くすることを特徴とする光空間通信装置。
4. 離れた地点間で対向設置されて光ビームにより通信を行う光空間通信装置であって、
   相手側装置への送信光ビームを送信する送信光学系と送信光信号を発生させる発光素子とで構成される光送信部、相手側装置からの光ビームを受信するための受信光学系と、光信号を検出する受光素子で構成される光受信部、相手側装置からの光ビームの到来方向を検出するための光位置検出手段と、前記光位置検出手段からの信号により、前記送信部の方向角を制御する手段、又は、前記光受信部の方向角を制御する手段、もしくはその送受信部両方の方向角を同時に制御する手段と前記制御手段からの信号により、前記方向角を駆動する手段を有する自動追尾機構付きの光空間通信装置において、
   前記光受信部または、前記光位置検出手段で検出された光受信強度と前記光位置検出手段からの位置ズレ情報から、光受信強度が任意の既定値を越え、位置ズレが任意の既定値より小さければ、前記制御手段から前記方向角を駆動する手段への信号出力の時間間隔を長くすることを特徴とする光空間通信装置。
5. 離れた地点間で対向設置されて光ビームにより通信を行う光空間通信装置であって、
   相手側装置への送信光ビームを送信する送信光学系と送信光信号を発生させる発光素子とで構成される光送信部、相手側装置からの光ビームを受信するための受信光学系と、光信号を検出する受光素子で構成される光受信部、相手側装置からの光ビームの到来方向を検出するための光位置検出手段と、前記光位置検出手段からの信号により、前記送信部の方向角を制御する手段、又は、前記光受信部の方向角を制御する手段、もしくはその送受信部両方の方向角を同時に制御する手段と、前記制御手段からの信号により、前記方向角を駆動する手段を有する自動追尾機構付きの光空間通信装置において、
   前記光受信部または、前記光位置検出手段で検出された光受信強度から、光受信強度が任意の既定値を越えた場合、前記制御手段から前記方向角を駆動するための信号のゲインを任意の既定値より小さくすることを特徴とする光空間通信装置。
6. 離れた地点間で対向設置されて光ビームにより通信を行う光空間通信装置であって、
   相手側装置への送信光ビームを送信する送信光学系と送信光信号を発生させる発光素子とで構成される光送信部、相手側装置からの光ビームを受信するための受信光学系と、光信号を検出する受光素子で構成される光受信部、相手側装置からの光ビームの到来方向を検出するための光位置検出手段と、前記光位置検出手段からの信号により、前記送信部の方向角を制御する手段、又は、前記光受信部の方向角を制御する手段、もしくはその送受信部両方の方向角を同時に制御する手段と、前記制御手段からの信号により、前記方向角を駆動する手段を有する自動追尾機構付きの光空間通信装置において、
   前記光受信部または、前記光位置検出手段で検出された光受信強度と、前記光位置検出手段からの位置ズレ情報から、光受信強度が任意の既定値を越え、位置ズレが任意の既定値より小さければ、前記制御手段から前記方向角を駆動するための信号のゲインを任意の既定値より小さくすることを特徴とする光空間通信装置。

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