JP2008053849A - 光無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 受信すべき光ビームが光無線通信装置から外れた場合に、高度な位置精度を要することのない簡易な機構によって、投光する光ビームの投光角度を一時的に拡大して、再び光ビームを追尾可能とすることのできる双方向の光無線通信装置を提供する。
【解決手段】 光無線通信装置１において、相手局からの光ビームを受信する受信手段と、相手局に光ビームを送信する送信手段と、相手局からの光ビームの位置を検出することによって、受信手段及び送信手段における光学系の向きを制御する追尾手段とを備え、送信手段における光ビーム送信用の光源１０とその光源からの光を集光する光学レンズ１３との間の光路に対し、透明でかつ屈折率が空気よりも大きい平行平板１８を挿入及び離脱可能に配置し、送信手段は、光路に対して平行平板１８が挿入されたときに、投受光用光学レンズ１１から投光される光ビームの投光角度が拡大される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、空間を介して双方向の光無線通信を行う光無線通信装置に関するものである。

送受信機能を備えた双方向光無線通信装置同士の通信を長距離間で行う場合、光ビームのパワー効率が低下しないように、光ビームの広がりを抑えてほぼ平行光に近いビームとして送信することがなされる。その場合、光ビームの幅が狭いために、どちらかの光無線通信装置の位置や角度が何らかの要因で変化すると、互いに送信する光ビームが相手局の光無線通信装置から外れてしまう事態が生じ易くなる。そのような事態を防止するために、相手局の光無線通信装置からの光ビームに合わせて、光無線通信装置における送受信手段の光学系の向きを制御する追尾機構を備えた装置が開発されている。

一方、送信する光ビームが相手局の光無線通信装置から外れないように、必要に応じて、送信する光ビームの投光角度を広くする手段も開発されている。特許文献１に記載の発明では、光ビーム送信用の光源からの光を集光する光学レンズ（図１における光学レンズ１３に相当するもの）を、光軸に沿って移動することにより、光無線通信装置から投光される光ビームの角度を広げるようにしている。
特開平５−１３４２０７号公報

ところで、上記のような追尾機構を備えた光無線通信装置であっても、どちらかの光無線通信装置の位置や角度が急激に大きく変化した場合や、追尾機構の誤動作が生じた場合には、やはり、互いの光ビームが相手局の光無線通信装置から外れてしまう。そのため、再度、追尾可能とするために、相手局の光無線通信装置に対して投光する光ビームの投光角度を拡大することが考えられる。ところが、その際に、特許文献１の発明のように、光源からの光を集光する光学レンズを光軸に沿って移動させる手段では、光軸方向への移動に伴って、光学レンズが光軸方向以外にもわずかながら位置ずれを生じる。この場合、その位置ずれが、例えば数μｍから１０μｍ程度であっても、光無線通信装置から投光される光ビームの光路は大きく影響を受けることになる。また、このような位置ずれを生じない精密な移動装置とするには、製造コストが大きくなる。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、受信すべき光ビームが光無線通信装置から外れた場合に、高度な位置精度を要することのない簡易な機構によって、投光する光ビームの投光角度を一時的に拡大して、再び光ビームを追尾可能とすることのできる双方向の光無線通信装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明の光無線通信装置は、空間を介して双方向の光無線通信を行う光無線通信装置であって、相手局からの光ビームを受信する受信手段と、 相手局に光ビームを送信する送信手段と、相手局からの光ビームの位置を検出することによって、受信手段及び送信手段における光学系の向きを制御する追尾手段とを備え、 送信手段における光ビーム送信用の光源とその光源からの光を集光する光学レンズとの間の光路に対し、前記光源からの光に対して透明でかつ屈折率が空気よりも大きい平行平板を挿入及び離脱可能に配置し、送信手段は、前記光路に対して平行平板が挿入されたときに、投受光用光学レンズから投光される光ビームの投光角度が拡大するような光学系とされたことを特徴とするものである。

この装置によれば、相手局からの光ビームの位置を検出することによって、光学系の向きを制御する追尾動作を行いつつ、空間を介して双方向の光無線通信を行うことができる。そして、互いの光ビームが相手局の光無線通信装置から外れて、追尾できなくなった場合、送信手段における光ビーム送信用の光源とその光源からの光を集光する光学レンズとの間の光路に対し、光源からの光に対して透明でかつ屈折率が空気よりも大きい平行平板を挿入することにより、高度な位置精度を要さない簡易な機構によって、しかも、投光される光ビームの光路に狂いを生じることなく、投受光用光学レンズから投光される光ビームの投光角度を拡大するようにできる。そのため、相手局の光無線通信装置によって光ビームが検知され、再度、追尾可能とすることができる。また、その後、光源とその光源からの光を集光する光学レンズとの間の光路から、平行平板を離脱させることで、投受光用光学レンズから投光される光ビームの投光角度の広がりを抑えて、パワー効率に優れた投光状態に戻すことができる。

また、平行平板が１枚の平行平板が進退自在に構成されることで、前記光路に対し、挿入及び離脱可能に配置されているようにした場合、１枚の平行平板が進退するだけの簡単な構成によって、平行平板が挿入されたときと、離脱したときの２段階に光ビームの投光角度を変化させることができる。

また、平行平板は、互いに異なる屈折率又は厚さを有する複数枚の平行平板から構成され、それらの１枚毎に、選択的に前記光路に対し、挿入及び離脱可能に配置されていることとした場合、平行平板が挿入されたときの光ビームの投光角度の広がりを、所定の多段階で選択することができる。

また、本発明の装置は、空間を介して双方向の光無線通信を行う光無線通信装置であって、相手局からの光ビームを受信する受信手段と、相手局に光ビームを送信する送信手段と、相手局からの光ビームの位置を検出することによって、受信手段及び送信手段における光学系の向きを制御する追尾手段とを備え、送信手段における光ビーム送信用の光源からの光を集光する光学レンズが複数枚のレンズからなり、それらのレンズの間であってかつその部分の光ビームが平行ビームでない光路に対し、光源からの光に対して透明でかつ屈折率が空気よりも大きい平行平板を挿入及び離脱可能に配置し、送信手段は、前記光路に対して平行平板が挿入されたときに、投受光用光学レンズから投光される光ビームの投光角度が拡大するような光学系とされたことを特徴とする。

この装置によれば、相手局からの光ビームの位置を検出することによって、光学系の向きを制御する追尾動作を行いつつ、空間を介して双方向の光無線通信を行うことができる。そして、互いの光ビームが相手局の光無線通信装置から外れて、追尾できなくなった場合、送信手段における光ビーム送信用の光源からの光を集光する複数枚のレンズの間であってかつその部分の光ビームが平行ビームでない光路に対し、光源からの光に対して透明でかつ屈折率が空気よりも大きい平行平板を挿入することにより、高度な位置精度を要さない簡易な機構によって、しかも、投光される光ビームの光路に狂いを生じることなく、投受光用光学レンズから投光される光ビームの投光角度を拡大するようにできる。そのため、相手局の光無線通信装置によって光ビームが検知され、再度、追尾可能とすることができる。また、その後、前記光路から、平行平板を離脱させることで、投受光用光学レンズから投光される光ビームの投光角度の広がりを抑えて、パワー効率に優れた投光状態に戻すことができる。この装置では、平行平板を光源に近い位置に配置することが困難な場合であっても、光源からの光を集光するレンズ群の中の適宜の位置に平行平板を配置することができる。

本発明によれば、受信すべき光ビームが光無線通信装置から外れた場合に、高度な位置精度を要することのない簡易な機構によって、投光する光ビームの投光角度を一時的に拡大して、再び光ビームを追尾可能とすることのできる双方向の光無線通信装置を提供することができる。

以下、図面に基づいて、本発明による光無線通信装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。図１は、本発明による実施形態の光無線通信装置の全体構成を示す概念図である。光無線通信装置１における可動基体２は、内部に送受信のための光学系を配置され、相手局からの光ビームに対して、光学系が追尾可能なように、制御手段３，上下回動駆動手段４，水平回動駆動手段５によって向きを自動的に調整可能とされている。可動基体２の追尾動作は、相手局からの光ビームの位置を検出する位置検出器８からの信号によって、制御手段３が上下回動駆動手段４及び水平回動駆動手段５を駆動制御することでなされる。なお、上下回動駆動手段４による可動基体２の上下方向への回動については、図１では図面が煩雑になるのを避けるために、可動基体２の右端外方に回動を示す矢印ａを記載しているが、上下回動の中心は、可動基体２の端部側に限られるものではなく、力のバランスやスペース効率から、可動基体２の長手方向ほぼ中央部分とすることが好ましい。同様に、水平回動駆動手段５によって、可動基体２は長手方向ほぼ中央部分において、水平方向での矢印ｂのような回動が可能とされている。

受信手段における光学系は、投受光用光学レンズ１１，光学レンズ１２，ビームスプリッタ１６，ビームスプリッタ１７，光学レンズ１４から構成される。投受光用光学レンズ１１で受光した相手局からの受信光Ａは、光学レンズ１２，ビームスプリッタ１６，１７を透過して、光学レンズ１４によって信号受信器９に集光される。そして、信号受信器９からの受信信号は、送受信回路７に送られる。受信光Ａのうちの一部は、ビームスプリッタ１７で反射されて光学レンズ１５によって、位置検出器８に集光される。位置検出器８は、例えば、４分割フォトダイオード等のセンサによって構成され、集光された受信光Ａの位置信号を制御手段３に送信することで、投受光用光学レンズ１１の光軸が受信光Ａの光路中心に一致するように、可動基体２の前記追尾動作がなされる。

送信手段における光学系は、投受光用光学レンズ１１，光学レンズ１２，ビームスプリッタ１６，光源１０からの光を集光する光学レンズ１３から構成される。光源１０は、送受信回路７からの送信信号で変調された光を発生するレーザダイオード等によって構成される。光学レンズ１３によって集光され、ほぼ平行にされた光ビームは、ビームスプリッタ１６によって反射され、光学レンズ１２を経て、投受光用光学レンズ１１から、送信光Ｂとして、相手局の光無線通信装置に送信される。

なお、双方向通信を行う際に、送信光と受信光の波長を異ならせることもでき、その場合、ビームスプリッタ１６には、送信光の波長の光ビームを反射し、受信光の波長の光ビームを透過するダイクロイックミラーを使用することで、送信光と受信光を分離することができる。また、送信光と受信光の偏光を異ならせることもでき、その場合、ビームスプリッタ１６には、送信光の偏光ビームを反射し、受信光の偏光ビームを透過する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を使用することで、送信光と受信光を分離することができる。

本実施形態においては、光源１０と光源１０からの光を集光する光学レンズ１３との間の光路に、光源１０からの光に対して透明すなわち当該光を透過することができ、かつ屈折率が空気よりも大きい平行平板１８を挿入及び離脱可能に配置する。平行平板１８としては、例えば、ガラス板などであるが、光源１０からの光を透過し、屈折率が空気よりも大きい平行平板であれば、ガラス板に限定されるものではない。平行平板１８は、例えば電磁駆動されるアクチュエータ６１からなる平行平板挿入手段６によって、進退可能にされている。平行平板挿入手段６は、位置検出器８による相手局からの受信光Ａの位置検出がされず、追尾作動ができない状況になったときに、制御手段３によって制御されて、平行平板１８を、光源１０と光学レンズ１３との間の光路に挿入する。その場合、光学レンズ１３に対して光源１０の位置が近づけられたと同様の作用によって、光ビームは、平行平板１８以降で破線のような経路を経て、投受光用光学レンズ１１から投光される光ビームが、平行平板１８が挿入されていない状態での送信光Ｂよりも拡大した投光角度の送信光Ｃとなる。

ここで、平行平板１８は、レンズのように光軸を有するものでもなく、光路に沿った位置によって集光度合いが変化するものでもないことから、光学レンズ１３の光軸にほぼ垂直に配置されれば、光軸に垂直な方向や光軸方向に正確な位置制御をされなくとも、送信光の光路を狂わすこと（変動させること）がない。そして、平行平板１８の厚さと屈折率によって定まる所定量だけ、投受光用レンズ１１から投光される送信光Ｃの投光角度を拡大することになる。

次に、本実施形態の光無線通信装置の作動について、図１，２によって説明する。図２は、図１の光無線通信装置１を自局と相手局にそれぞれ備えて双方向通信を行う場合の概念図である。図２（１）は、自局の光無線通信装置１−１，相手局の光無線通信装置１−２とも、互いに相手から送信される光ビームを検知して、可動基体２−１，２−２を駆動制御する追尾動作が可能な通常時の双方向通信を示している。この場合、互いに投光する光ビームＡ、Ｂは、パワー効率が低下しないように、ほぼ平行光に近い状態に広がりを抑えている。図１において、投受光用光学レンズ１１によって受光された受信光Ａは、信号受信器９に集光され、受信信号は送受信回路７に送られ、一方、送信信号は光源１０からの光ビームとして、光学レンズ１３によって集光され、投受光用光学レンズ１１から送信光Ｂとして送信される。また、受信光Ａの一部は、位置検出器８に集光されて位置が検出され、それに基づいて、制御手段３によって上下回動駆動手段４及び水平回動手段５が駆動されて、可動基体２内に配置された送受信手段における光学系の受信光に対する追尾動作がなされる。

ところが、図２（２）のように、一方の光無線通信装置１−２の可動基体２−２の向きや位置が大きく変化した場合、どちらの光ビームＡ、Ｂも幅が狭いために、互いに相手の送信光の位置を検出できず、追尾も不能となる。そこで、図１において、受信すべき受信光の位置を位置検出器８が検出できなくなった場合、制御手段３は平行平板挿入手段６を駆動して、平行平板１８を光源１０と光学レンズ１３との間の光路に挿入する。それによって、投受光用光学レンズ１１から投光される光ビームは、送信光Ｃのように投光角度が広がったものとなる。図２（３）に示すように、光無線通信装置１−１から送信される拡大された送信光Ｃによって、相手局の光無線通信装置１−２は送信光Ｃを検出することができ、その追尾機能によって、可動基体２−２が回動し、再び互いの光ビームを検出して追尾可能となる。この場合、相手局の光無線通信装置１−２は、必ずしも平行平板１８と平行平板挿入手段６を備える必要はないが、両方の光無線通信装置が備えている場合は、どちらの装置においても送信光を拡大できることはいうまでもない。また、追尾機能が回復すれば、制御手段３により、平行平板挿入手段６が平行平板１８を光源１０と光学レンズ１３との間の光路から離脱させることで、送信光を再びパワー効率のよいビーム幅の狭い送信光Ｂとする。

以上のように、本実施形態においては、平行平板１８を光源１０と光源１０からの光を集光する光学レンズ１３との間の光路に進退可能に挿入するだけの簡単な機構によって、光学レンズ１３の光軸に垂直な方向や光軸方向にも正確な位置合わせを必要とせずに、受信光の検出ができなくなった際に、送信光の投光角度を拡大することができる。

本実施形態においては、平行平板１８は１個であって、平行平板挿入手段６のアクチュエータ６１によって進退するようにしたが、図３，４に示すような多段階のものとしてもよい。図３は、平行平板挿入手段６を回転モータＭと回転円板６３から構成した場合の上下方向断面を示す概念図であり、図４は、そのIV−IV断面図である。回転円板６３には、互いに異なる屈折率又は厚さを有する複数枚の平行平板１８−１〜１８−７と、平行平板の存在しない窓部６４を円周に沿って配置されている。この装置の場合、光源１０からの光が光学レンズ１３によって集光される光路に窓部６４が位置するように、制御手段３がモータ６２の回転位置を制御しているときは、図１に示す送信光Ｂのとおり、狭い幅の光ビームとして投光される。そして、相手局からの受信光を位置検出器８が検出できない状態となったときには、前記光路に平行平板１８−１が位置するように回転モータ６２を駆動する。平行平板１８は、例えば、１８−１から１８−７まで順次送信光の投光角度が拡大するように、厚さ又は屈折率を設定しておくことができる。そうすれば、例えば、平行平板１８−１によっては、追尾機能が回復しなければ、平行平板１８−２、それでも回復しなければ平行平板１８−３というように、順次平行平板１８が前記光路に位置するような制御を行うことで、最初からあまりに送信光を拡大することなく、相手局からの光ビームのずれに応じた程度の送信光の投光角度の拡大によって、追尾機能を回復させることができる。

また、本実施形態においては、平行平板１８は、光源１０とその光を集光する光学レンズ１３との間に挿入可能に配置したが、図５に示すように、光学レンズ１３を複数のレンズ１３−１、１３−２によって構成した場合、それらのレンズの間に平行平板１８を挿入可能に配置することもできる。同様に、図６に示すように、光学レンズ１３を複数のレンズ１３−１、１３−２、１３−３によって構成し、それらのレンズの間の一カ所に平行平板１８を挿入可能に配置することもできる。挿入されるのは平行平板１８であることから、平行な光ビームの部分に配置しても、送信光の投光角度を変えることはできないが、図５、図６のように光ビームが拡大する部分に挿入可能に配置すれば、図１の光学系の場合、送信光の投光角度を拡大することができる。なお、送信手段における光学系を適宜変更すれば、光学レンズ１３を構成するレンズ間での光ビームが縮小する光路に平行平板１８を挿入することで、投受光用光学レンズ１１からの送信光を拡大することもできる。さらに、図５、図６の平行平板１８，平行平板挿入手段６として、図３，４に示したものを採用してもよい。このように光学レンズ１３を構成するレンズ間に平行平板１８を挿入可能に配置する場合、平行平板１８を光源１０に近い位置に配置することが困難な場合であっても、平行平板の挿入によって、送信光の投光角度を拡大することができる。

本発明の実施形態の光無線通信装置１の構成を示す概念図である。 本発明の実施形態における光無線通信装置１の双方向通信を示す概念図である。 本発明における平行平板１８と平行平板挿入手段６の別の形態を示す説明図である。 図３におけるIV−IV断面図である。 本発明における平行平板１８の配置について別の形態を示す説明図である。 本発明における平行平板１８の配置についてさらに別の形態を示す説明図である。

符号の説明

１‥光無線通信装置、２‥可動基体、３‥制御手段、４‥上下回動駆動手段、５‥水平回動駆動手段、６‥平行平板挿入手段、７‥送受信回路、８‥位置検出器、９‥信号受信器、１０‥光源、１１‥投受光用光学レンズ、１２‥光学レンズ、１３‥光学レンズ、１４‥光学レンズ、１５‥光学レンズ、１６‥ビームスプリッタ、１７‥ビームスプリッタ、１８‥平行平板、Ａ‥受信光、Ｂ‥送信光（平行平板を挿入しない場合）、Ｃ‥送信光（平行平板を挿入した場合）

Claims (4)

1. 空間を介して双方向の光無線通信を行う光無線通信装置であって、
   相手局からの光ビームを受信する受信手段と、
   相手局に光ビームを送信する送信手段と、
   相手局からの光ビームの位置を検出することによって、前記受信手段及び前記送信手段における光学系の向きを制御する追尾手段とを備え、
   前記送信手段における光ビーム送信用の光源とその光源からの光を集光する光学レンズとの間の光路に対し、前記光源からの光に対して透明でかつ屈折率が空気よりも大きい平行平板を挿入及び離脱可能に配置し、
   前記送信手段は、前記光路に対して前記平行平板が挿入されたときに、投受光用光学レンズから投光される光ビームの投光角度が拡大するような光学系とされたことを特徴とする光無線通信装置。
2. 前記平行平板は１枚の平行平板が進退自在に構成されることで、前記光路に対し、挿入及び離脱可能に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光無線通信装置。
3. 前記平行平板は、互いに異なる屈折率又は厚さを有する複数枚の平行平板から構成され、それらの１枚毎に、選択的に前記光路に対し、挿入及び離脱可能に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光無線通信装置。
4. 空間を介して双方向の光無線通信を行う光無線通信装置であって、
   相手局からの光ビームを受信する受信手段と、
   相手局に光ビームを送信する送信手段と、
   相手局からの光ビームの位置を検出することによって、前記受信手段及び前記送信手段における光学系の向きを制御する追尾手段とを備え、
   前記送信手段における光ビーム送信用の光源からの光を集光する光学レンズが複数枚のレンズからなり、それらのレンズの間であってかつその部分の光ビームが平行ビームでない光路に対し、前記光源からの光に対して透明でかつ屈折率が空気よりも大きい平行平板を挿入及び離脱可能に配置し、
   前記送信手段は、前記光路に対して前記平行平板が挿入されたときに、投受光用光学レンズから投光される光ビームの投光角度が拡大するような光学系とされたことを特徴とする光無線通信装置。
   
   

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