JP4533154B2

JP4533154B2 - 光空間通信装置

Info

Publication number: JP4533154B2
Application number: JP2005005031A
Authority: JP
Inventors: 潤二重田; 唯史金子
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-01-12
Filing date: 2005-01-12
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2025-01-12
Also published as: JP2006197078A

Description

本発明は、離れた２地点間に対向設置し、自由空間中を光ビームを用いて通信を行う装置であり、角度ずれによる光ビームの光軸補正機能を有する光空間通信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、光のパワーを効率良く伝送するために、送受信光ビームの拡がり角を極力小さくした狭い光ビームで情報を伝送する必要がある。

しかし、送信光ビームの拡がり角を狭くすると、建物或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、経時変化による角度変動等により、送信光ビームが相手方装置から外れ易くなり、安定した通信が困難となる。そのために、光空間通信装置の角度が変化しても、角度変化を補正することにより、常に送信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有する光空間通信装置が考案されている。

図６は光軸ずれ補正機能を有する光空間通信装置を示し、発光素子１から相手側装置に偏光された送信光ビームが出射され、偏光ビームスプリッタ２で反射され、送受光レンズ３において僅かに拡がりを有する送信光ビームＬ１となって相手側装置の方向に送信される。

一方、相手側装置から送信されてきた受信光ビームＬ２は、送信光信号と同じ光軸上で逆の光路を辿り、送受光レンズ３から偏光ビームスプリッタ２に入射するが、受信光ビームＬ２は偏光方向が送信光ビームＬ１と直交するように設定されているために、偏光ビームスプリッタ２をそのまま透過し、ビームスプリッタ４に入射する。受信光ビームＬ２の大部分はビームスプリッタ４で反射し、光ビーム検出用の受光素子５に入射することにより、受信用の信号が検出され、一部の受信光ビームＬ２はビームスプリッタ４を透過して、光位置検出素子６に入射する。

光位置検出素子６は例えば図７に示すような４分割されたフォトダイオード６ａ〜６ｄから成り、受信光ビームＬ２による光スポットＳが入射した場合に、この４つのフォトダイオード６ａ〜６ｄの出力を比較することにより、光位置検出素子６上での光スポットＳの位置を検出することができる。光位置検出素子６の信号は角度補正情報として制御回路７において演算処理され、駆動回路８に駆動信号が出力される。そして、駆動回路８により垂直方向の駆動機構９及び水平方向の駆動機構１０が駆動され、光スポットＳの位置が光位置検出素子６の中心に至り、４つのフォトダイオード６ａ〜６ｄの出力が全て等しくなるような方向に制御され、光軸ずれ補正が行われる。

ただし、無線通信という性格上、雨、霧、雪等の気象条件により伝搬する受信光ビームが減衰し、通信ができなくなる状態があり得る。このような場合には、相手側装置の受信光ビームＬ２を検出して行う光軸ずれ補正もできなくなり、自動追尾動作も停止する。このとき、検出される受信光ビームＬ２のレベルが閾値以下になると、その時点で追尾動作を停止し、その時点での角度駆動機構の位置を保持した状態で、光のレベルが回復して再び追尾動作が可能になるまで待機する。

しかし、自動追尾の停止状態が長時間継続すると、停止期間中に温度変化等の環境変化等で建物や架台が歪み、装置の方向が停止前から変化した場合には、仮に天候が回復しても、受信光ビームＬ２が光位置検出素子６から外れた状態となって、自動追尾動作を行うこともできず、通信を復帰することができなくなる。

更に、受信光ビームＬ２のレベルが閾値以下になり、その時点で追尾動作を停止した時点では、受信光ビームＬ２のレベルが低いため光位置検出素子６の出力にはノイズが多く混入し、位置精度の悪いものとなり、追尾動作を停止した位置自体も本来の位置から外れたものである可能性がある。そのために、停止期間中の角度ずれと重なると、更に通信の復帰が不確実なものになる。

これを解決するために特許文献１には、過去の複数個の駆動位置情報をメモリに保存し、その駆動位置情報を基に過去の位置に順次に戻し、相手側装置の位置を検索する方法が開示されている。

特開２００４−１５１３４号公報

しかしながら上述の従来例においては、追尾停止後でも復帰することが可能で、過去の駆動位置情報を基に随時に戻すことになるが、相手側装置も同様に動作するため、１ポイント駆動した後は必ず所定時間待機する必要がある。従って、追尾停止前の信頼性の低い駆動位置情報で時間を費やしてしまい、復帰までにかなりの時間を要してしまうことになる。

また、この動作は相手側装置の動きを考慮し、駆動速度、駆動後の待機時間を綿密に考えなくてはならないため、シーケンスが複雑になり、更に過去の複数の位置情報を保持していなくてはならず、メモリを圧迫する虞れもある。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、追尾停止後の復帰動作を迅速かつ容易に行い得る光空間通信装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る光空間通信装置の技術的特徴は、相手側装置と光ビームを送受信する光学系と、前記相手側装置からの受信光ビームの入射方向を検出するための第１の位置検出手段と、前記相手側装置に送出する送信光ビームの角度を調整する駆動手段と、該第１の位置検出手段からの信号を基に前記相手側装置に送出する送信光ビームの角度を制御するための駆動信号を前記駆動手段に出力する制御手段と、を備え、前記相手側装置の自動追尾を行い前記相手側装置との光軸ずれを補正するように、前記制御手段が前記駆動手段に前記駆動信号を出力する光空間通信装置であって、前記駆動手段による前記送信光ビームの角度を検出するための第２の位置検出手段と、前記第１の位置検出手段による検出結果をデジタルローパスフィルタにかけた値、又は所定時間内にサンプリングされた前記第１の位置検出手段による検出結果の総和をサンプリング数で除算した値、又は所定時間内にサンプリングされた前記第１の位置検出手段による検出結果の分布のピークとなる値と、該第２の位置検出手段による情報から前記送信光ビームの復帰情報を算出する算出手段と、を備え、前記第１の位置検出手段からの信号が所定レベル以下になると、前記自動追尾を停止すると共に、前記算出手段による前記復帰情報が示す位置に前記送信光ビームの角度を調整し、その後に前記第１の位置検出手段からの信号が所定レベル以上になると、前記自動追尾を再開する。

本発明に係る光空間通信装置によれば、過去の検出結果に基づいて送信光ビームの復帰情報を保持し、受信光ビームが減衰して自動追尾動作を停止した際に、この復帰情報を基に送信光ビームの方向を調整することにより、迅速に相手装置の受信光ビームを捕捉して復帰できる可能性を向上させることができる。

本発明を図１〜図５に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は本実施例における光空間通信装置の構成図を示し、光学系２１内には偏光したレーザー光を発する発光素子２２が設けられ、この発光素子２２から発光したレーザーの光路には、レンズ２３、偏光ビームスプリッタ２４が配置され、偏光ビームスプリッタ２４の反射方向にはレンズ２５、送受光レンズ２６が配列されている。一方、偏光ビームスプリッタ２４の後方には、ビームスプリッタ２７、レンズ２８、光位置検出素子２９が順次に配列され、ビームスプリッタ２７の反射方向にはレンズ３０、光信号検出用の受光素子３１が配置されている。

また、光位置検出素子２９の出力はメモリ３２を有する制御回路３３に接続されている。更に、この制御回路３３には、垂直方向の駆動機構３４に取り付けられた角度センサ３５、水平方向の駆動機構３６に取り付けられた角度センサ３７、これらの駆動機構３４、３６を駆動する駆動回路３８が接続されている。なお、角度センサ３５、３７はロータリエンコーダ、ポテンショメータ、ホール素子、光学的な位置検出素子等から成っている。

相手側装置の送信光ビームＬ１と偏光方向が直交するようにされた受信光ビームＬ２は、送受光レンズ２６、レンズ２５、偏光ビームスプリッタ２４をそのまま透過し、ビームスプリッタ２７に入射する。受信光ビームＬ２の大部分はこのビームスプリッタ２７で反射され、レンズ３０を透過し受光素子３１に入射して通信用の信号が検出されるが、一部の受信光ビームＬ２はビームスプリッタ２７、レンズ２８を透過して、光位置検出素子２９に入射する。

そして、この光位置検出素子２９の信号は制御回路３３に出力され、角度補正情報として演算処理され、光学系２１の駆動回路３８に駆動信号として出力され、駆動回路３８により垂直方向の駆動機構３４及び水平方向の駆動機構３６を駆動して、光位置検出素子２９で検出された相手側装置の方向に送信光ビームＬ１が向けられる。

また、角度センサ３５、３７の角度情報は制御回路３３に送られ、制御回路３３内のメモリ３２に記憶されている１つ前の所定時間内の平均位置データと、この角度情報から最新の平均位置データを算出し、制御回路３３内に設けたメモリ３２に記憶される。

図２は自動追尾動作の基本フローチャート図を示し、自動追尾を開始するまで、手動による粗調節の作業を行った後に、先ずステップＳ１においてメモリ３２のデータを初期化し、通常の自動追尾動作を開始する。続いてステップＳ２において、受信光ビームＬ２が検出されているか否かを判断し、検出されていればステップＳ３の自動追尾ルーチンに進み、検出できなければステップＳ２に戻り受信光ビームＬ２が検出されるまで同様の処理を繰り返す。なお、ここで光ビーム検出とは、受信光ビームＬ２のレベルが正常に検出可能な規定値以上であるという意味で用いている。

続いて、ステップＳ３の自動追尾ルーチンが終了し追尾がなされると、ステップＳ４に進み、メモリ３２に保存してある復帰位置に光学系２１の方向を調整した後に、ステップＳ１に戻り初期化を行う。

例えば、基台が大きく歪むなどによる急激な変化により、受信光ビームＬ２を受光しなくなる以外は、復帰位置に送信光ビームＬ１を駆動させると、自動追尾の検出範囲内に送信光ビームＬ１を向けることができるため、通信が回復する可能性が高い。従って、通常はステップＳ４の処理後にステップＳ２で光を検出し、自動追尾ルーチンが再開される。

図３は図２のステップＳ３の自動追尾ルーチンのフローチャート図を示し、ステップＳ１１において光位置検出素子２９から位置情報を読み込んだ後に、ステップＳ１２において制御回路３３により光軸ずれ補正のための演算処理を行う。ステップＳ１３において、ステップＳ１２における演算結果を駆動回路３８に出力し、駆動回路３８は駆動機構３４、３６を駆動することにより光学系２１の方向を調整する。続いて、ステップＳ１４においてメモリ３２に保存してある過去の所定時間内の復帰情報と、ステップＳ１１において取得した最新の位置情報を基に、最新の復帰位置を算出しメモリ３２に上書きする。

ステップＳ１３における演算処理の例としては、例えば所定時間をカットオフ周波数とするデジタルローパスフィルタ（ＬＰＦ）を経た値、所定時間内にサンプリングされた位置情報の総和をサンプリング数で除算した値、所定時間内にサンプリングされた位置情報の分布のピーク値、所定時間内にサンプリングされた位置情報の分布の中央値等が考えられる。

この所定時間は日照や外気の温度変化等の影響により、図４に示すように通常は一日を周期として装置の方向が変動することが知られているが、この時間単位の最大変動量と送信光ビームＬ１の拡がり角による変動マージンとシンチレーションや振動の周波数から、送信光ビームＬ１が相手側装置から外れない時間内で、シンチレーションや振動の変動周波数よりも十分に遅い時間内で最適な値となり、通常は数分程度となる。

図４は送信光ビームＬ１の一日における方向の変化を示し、時間単位の最大変動量はこのグラフの最も急な傾きに相当する。光学系２１の駆動機構３４、３６は一日の変化に十分対応できる稼動範囲を有しているが、光位置検出素子２９の検出範囲は一日の変化範囲より狭くなっている場合が多い。

従って、受信光ビームＬ２の光スポットは常に光位置検出素子２９の中心に位置するように制御されるため、光位置検出素子２９の範囲内での装置方向の変化又は制御速度よりも遅い装置方向の変化は追尾機能で吸収され、安定した通信を実現することができる。

図５は光位置検出素子２９上の中心にある光スポットＳが、周期的な装置の変動によって角度θだけ方向がずれ、光位置検出素子２９上から外れた位置の光スポットＳ’に移動した様子を示している。この角度θが相手側装置の方向を検出できる最大範囲となり、この範囲を越えた位置に復帰したとしても、その後に追尾動作を実行することはできない。

従って、復帰位置の算出は一日の周期的な変動による変化が、この角度θ内に収まる必要があり、この所定時間は（θ／（時間単位の最大変動量））以下となる。

従って、図３のステップＳ１５において、光信号が検出されているか否かを判断し、光信号が検出されていればステップＳ１１に戻り、同様の処理を繰り返す。またステップＳ１５において光信号が検出されなければ、自動追尾ルーチンを終了する。

光空間通信装置の構成図である。自動追尾動作の基本フローチャート図である。自動追尾ルーチンのフローチャート図である。一方向の装置のずれ量の一日の変化のグラフ図である。光位置検出素子の検出範囲の説明図である。従来の光空間通信装置の構成図である。光位置検出素子の説明図である。

符号の説明

２１光学系
２２発光素子
２４、２７偏光ビームスプリッタ
２６送受光レンズ
２９光位置検出素子
３１受光素子
３２メモリ
３３制御回路
３４、３６駆動機構
３５、３７角度センサ
３８駆動回路

Claims

相手側装置と光ビームを送受信する光学系と、
前記相手側装置からの受信光ビームの入射方向を検出するための第１の位置検出手段と、
前記相手側装置に送出する送信光ビームの角度を調整する駆動手段と、
該第１の位置検出手段からの信号を基に前記相手側装置に送出する送信光ビームの角度を制御するための駆動信号を前記駆動手段に出力する制御手段と、
を備え、
前記相手側装置の自動追尾を行い前記相手側装置との光軸ずれを補正するように、前記制御手段が前記駆動手段に前記駆動信号を出力する光空間通信装置であって、
前記駆動手段による前記送信光ビームの角度を検出するための第２の位置検出手段と、
前記第１の位置検出手段による検出結果をデジタルローパスフィルタにかけた値、又は所定時間内にサンプリングされた前記第１の位置検出手段による検出結果の総和をサンプリング数で除算した値、又は所定時間内にサンプリングされた前記第１の位置検出手段による検出結果の分布のピークとなる値と、該第２の位置検出手段による情報から前記送信光ビームの復帰情報を算出する算出手段と、を備え、
前記第１の位置検出手段からの信号が所定レベル以下になると、前記自動追尾を停止すると共に、前記算出手段による前記復帰情報が示す位置に前記送信光ビームの角度を調整し、その後に前記第１の位置検出手段からの信号が所定レベル以上になると、前記自動追尾を再開することを特徴とする光空間通信装置。