JP7748841B2 - Optical axis adjustment device and optical communication device - Google Patents
Optical axis adjustment device and optical communication deviceInfo
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Description
本発明は、光軸調整装置および光通信装置に関する。 The present invention relates to an optical axis adjustment device and an optical communication device.
光通信においては、ビームの目的地までの中間伝送装置の数を減らすことが、効率を高める観点から好ましい。このためには、送受信のより高い精度が要求される。光通信における送信や受信では、一般に、光ビームの拡散と集光にレンズが用いられる。また、集光の精度を高めるために、図20に示されるように、発光素子110からレンズ130に向けて出射される光ビームLBの進行方向をウェッジプリズム対140によって制御し、光ビームLBを発信する技術が知られている。ウェッジプリズムによる光ビームの進行方向の制御は、ウェッジプリズムの回動によって実現される。ウェッジプリズムを回動させる技術には、回動の駆動源に中空モータを用いる技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。 In optical communications, it is preferable to reduce the number of intermediate transmission devices required to transmit the beam to its destination in order to increase efficiency. This requires higher accuracy in transmission and reception. Lenses are generally used to diffuse and focus the light beam during transmission and reception in optical communications. To increase the accuracy of focusing, a known technique is to transmit the light beam LB by controlling the direction of travel of the light beam LB emitted from the light-emitting element 110 toward the lens 130 using a wedge prism pair 140, as shown in Figure 20. Control of the direction of travel of the light beam by the wedge prism is achieved by rotating the wedge prism. One known technique for rotating the wedge prism uses a hollow motor as the driving source for rotation (see, for example, Patent Document 1).
中空モータは、構造的に微振動を発生させやすい。したがって、中空モータを駆動源としてウェッジプリズムの回動を実現する場合では、ウェッジプリズムによる光ビームの進行方向の高精度な制御が十分に発現されない場合がある。特に、光通信では、スラスト方向の揺れが大きい場合に、性能の著しい低下が生じやすい。このように、光通信におけるウェッジプリズムによる光ビームの進行方向の制御では、より高い精度の制御を実現する観点から検討の余地が残されている。 Hollow motors are structurally prone to generating micro-vibrations. Therefore, when using a hollow motor as a drive source to rotate a wedge prism, the wedge prism may not be able to fully control the direction of travel of the light beam with high precision. In particular, in optical communications, significant vibrations in the thrust direction can easily cause a significant degradation in performance. As such, there is still room for improvement in the control of the direction of travel of light beams using wedge prisms in optical communications, with the aim of achieving even more precise control.
本発明の一態様は、ウェッジプリズムによる光ビームの進行方向の制御を高い精度で実現することを目的とする。 One aspect of the present invention aims to achieve highly accurate control of the direction of travel of a light beam using a wedge prism.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光軸調整装置は、特定の軸を回転軸として回動可能に配置されているウェッジプリズムと、前記ウェッジプリズムを回動させるためのボイスコイルモータと、前記ウェッジプリズムの出射光の光軸の特定の向きに対応する前記ウェッジプリズムの回転角度に応じて前記ボイスコイルモータにおける通電を制御するための制御装置と、を有する。 In order to solve the above problem, an optical axis adjustment device according to one aspect of the present invention comprises a wedge prism that is rotatably arranged around a specific axis, a voice coil motor for rotating the wedge prism, and a control device for controlling the flow of current to the voice coil motor in accordance with the rotation angle of the wedge prism that corresponds to a specific orientation of the optical axis of light emitted from the wedge prism.
また、上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光通信装置は、上記の本発明の光軸調整装置を備える。 Furthermore, in order to solve the above-mentioned problems, an optical communication device according to one aspect of the present invention is equipped with the optical axis adjustment device of the present invention.
本発明の一態様によれば、ウェッジプリズムによる光ビームの進行方向の制御を高い精度で実現することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to control the direction of a light beam using a wedge prism with high precision.
〔光軸調整装置〕
[構成]
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る光軸調整装置の構成を模式的に示す図である。図2は、本発明の一実施形態に係る光軸調整装置のスラスト方向における構造を説明するために当該構造を模式的に示す図である。図1および図2に示されるように、光軸調整装置1は、基板2と、基板2の一主面上に支持されるウェッジプリズム対3と、基板2上にウェッジプリズム対3を収容するケーシング4とを有している。
[Optical axis adjustment device]
[composition]
An embodiment of the present invention will be described in detail below. Fig. 1 is a diagram schematically showing the configuration of an optical axis adjustment device according to an embodiment of the present invention. Fig. 2 is a diagram schematically showing the structure of the optical axis adjustment device according to an embodiment of the present invention in order to explain the structure in the thrust direction of the optical axis adjustment device. As shown in Figs. 1 and 2, the optical axis adjustment device 1 has a substrate 2, a wedge prism pair 3 supported on one main surface of the substrate 2, and a casing 4 on the substrate 2 that houses the wedge prism pair 3.
基板2は、平面視したときに円環状の形状を有する板材である。基板2は、その平面形状の中央に円形の孔を有している。この孔の中心を通り、基板の一主面と直交する軸を回転軸CAとする。 The substrate 2 is a plate material that has a circular ring shape when viewed in a plan view. The substrate 2 has a circular hole in the center of its planar shape. The axis that passes through the center of this hole and is perpendicular to one main surface of the substrate is the rotation axis CA.
基板2は、CPU21、第一コイル22、第二コイル23、第一ホール素子24および第二ホール素子25を有している。CPU21は、不図示の電源から第一コイル22、第二コイル23への通電を制御する。第一コイル22および第二コイル23は、基板2の一主面上に配置されている。 The substrate 2 has a CPU 21, a first coil 22, a second coil 23, a first hall element 24, and a second hall element 25. The CPU 21 controls the supply of electricity to the first coil 22 and the second coil 23 from a power supply (not shown). The first coil 22 and the second coil 23 are arranged on one main surface of the substrate 2.
図3は、本発明の一実施形態におけるコイルを模式的に示す平面図である。第一コイル22および第二コイル23は、いずれも、図3に示されるように、平面視したときに略扇形に巻かれている導線によって構成されている。なお、第一コイル22および第二コイル23の略扇形における中心軸に沿う方向が当該略扇形の直線状の外周縁部となす角度をθで表す。このように、第一コイル22および第二コイル23は、いずれも、平面視したときに回転軸から外側に向けて広がる扇形の形状を有している。 Figure 3 is a plan view schematically illustrating a coil according to one embodiment of the present invention. As shown in Figure 3, both the first coil 22 and the second coil 23 are constructed of conductive wire wound in a generally fan-shaped configuration when viewed in plan. Note that the angle θ represents the angle between the direction along the central axis of the generally fan-shaped first coil 22 and the second coil 23 and the linear outer edge of the generally fan-shaped configuration. In this way, both the first coil 22 and the second coil 23 have a fan-shaped configuration that spreads outward from the rotation axis when viewed in plan.
第一コイル22と第二コイル23は、それぞれ、複数配置されており、第一コイル22または第二コイル23のそれぞれは、平面視したときの回転対称の位置に配置される。第一コイル22と第二コイル23は、それぞれ同様に配置されている。 Multiple first coils 22 and multiple second coils 23 are arranged, and each first coil 22 or second coil 23 is arranged in a rotationally symmetrical position when viewed in a plane. The first coils 22 and second coils 23 are arranged in the same manner.
図4は、本発明の一実施形態におけるウェッジプリズムに対応して配置されるコイルの配置を模式的に示す図である。たとえば、第一コイル22は、図4に示されるように、平面視したときの回転軸CAを回転の中心とする三回回転対称の位置に配置されている。第二コイル23も、第一コイル22と同様の三回回転対称の位置に配置される。なお、図4中、符号31は後述する第一ウェッジプリズムを表し、符号35は後述する第一枠を表す。 Figure 4 is a diagram showing the arrangement of coils corresponding to the wedge prism in one embodiment of the present invention. For example, as shown in Figure 4, the first coil 22 is arranged in a position of three-fold rotational symmetry with the rotation axis CA as the center of rotation when viewed from above. The second coil 23 is also arranged in a position of three-fold rotational symmetry similar to the first coil 22. In Figure 4, reference numeral 31 denotes the first wedge prism, which will be described later, and reference numeral 35 denotes the first frame, which will be described later.
同一平面状に第一コイル22および第二コイル23が配置される場合では、第一コイル22と第二コイル23は、平面視したときの位置が互いにずれるように配置される。たとえば、第一コイル22と第二コイル23のそれぞれが三回回転対称の位置に配置される場合では、第一コイル22と第二コイル23は、互いに60°回転した位置となる位置関係で配置される。 When the first coil 22 and the second coil 23 are arranged on the same plane, the first coil 22 and the second coil 23 are arranged so that their positions are offset from each other when viewed in a plan view. For example, when the first coil 22 and the second coil 23 are arranged at positions with three-fold rotational symmetry, the first coil 22 and the second coil 23 are arranged in a positional relationship where they are rotated 60 degrees from each other.
第一コイル22および第二コイル23は、それぞれ、電源に接続される。図5は、本発明の一実施形態におけるコイルを含む電気回路の一例を模式的に示す図である。図5に示されるように、三つの第一コイル22が直列に電源に接続され、三つの第二コイル23が直列に電源に接続される。 The first coil 22 and the second coil 23 are each connected to a power source. Figure 5 is a schematic diagram showing an example of an electrical circuit including coils in one embodiment of the present invention. As shown in Figure 5, three first coils 22 are connected in series to a power source, and three second coils 23 are connected in series to a power source.
図6は、本発明の実施形態における基板に形成される凹条を模式的に示す図である。基板2は、図2に示されるように、その一主面上にボール受け部29を有している。ボール受け部29は、その平面形状が円弧状の突条部である。ボール受け部29の頂部には、ボール受け部29の長軸方向に沿って凹条26が形成されている。 Figure 6 is a schematic diagram showing the grooves formed on a substrate in an embodiment of the present invention. As shown in Figure 2, substrate 2 has a ball receiving portion 29 on one main surface. Ball receiving portion 29 is a protrusion portion whose planar shape is an arc. A groove 26 is formed at the top of ball receiving portion 29 along the longitudinal direction of ball receiving portion 29.
凹条26は、図6に示されるような、基板2の周方向(ボール受け部29の長軸方向)に沿う平面形状を有している。凹条26にはボール27が収容される。基板2におけるボール受け部29および凹条26は、平面視したときに周方向に隣り合う第一コイル22と第二コイル23との間に、ウェッジプリズム対3の回動方向への移動距離に応じた適当な大きさに形成される。凹条26およびボール27については後に説明する。なお、図中の矢印は、ウェッジプリズムの回動方向を示している。 As shown in Figure 6, the recessed rib 26 has a planar shape that runs along the circumferential direction of the substrate 2 (the long axis direction of the ball receiving portion 29). A ball 27 is accommodated in the recessed rib 26. The ball receiving portion 29 and recessed rib 26 on the substrate 2 are formed between the first coil 22 and the second coil 23 that are adjacent in the circumferential direction when viewed in plan, with an appropriate size that corresponds to the movement distance in the rotation direction of the wedge prism pair 3. The recessed rib 26 and ball 27 will be explained later. Note that the arrow in the figure indicates the rotation direction of the wedge prism.
一方、図1に示されるように、第一コイル22には第一ホール素子24が対応して配置されており、第二コイル23には第二ホール素子25が対応して配置されている。ホール素子は、コイルに対応する後述する磁石とヨークとの間に形成される磁場に応じた電圧力を出力する素子である。たとえば、回転軸CAに沿う方向においては、第一ホール素子および第二ホール素子25は、いずれも、磁石に対してコイルとは反対側に配置、例えば基板2に埋設、されている。そして、平面視した場合では、第一ホール素子24は、第一コイル22における略扇形の内側に配置されており、第二ホール素子25は、第二コイル23における略扇形の内側に配置されている。それぞれのホール素子は、CPU21に接続されている。 As shown in FIG. 1, a first Hall element 24 is disposed corresponding to the first coil 22, and a second Hall element 25 is disposed corresponding to the second coil 23. The Hall element is an element that outputs a voltage force corresponding to the magnetic field formed between the yoke and a magnet (described later) corresponding to the coil. For example, in the direction along the rotation axis CA, the first Hall element and the second Hall element 25 are both disposed on the opposite side of the magnet from the coil, for example, embedded in the substrate 2. In plan view, the first Hall element 24 is disposed inside the approximate sector of the first coil 22, and the second Hall element 25 is disposed inside the approximate sector of the second coil 23. Each Hall element is connected to the CPU 21.
さらに、図2に示されるように、基板2におけるコイルとは反対側の主面上には、ヨークが配置されている。ヨークは、磁石が形成する磁界の向きを、回転軸CAに沿う方向であって、かつコイルの導線の延出方向に対して直交する方向により揃えるために配置される。すなわち、第一コイル22には第一ヨーク28が対応して配置されており、第二コイル23には第二ヨークが対応して配置されている。 Furthermore, as shown in FIG. 2, a yoke is disposed on the main surface of the substrate 2 opposite the coil. The yoke is disposed to align the direction of the magnetic field generated by the magnet in a direction along the rotation axis CA and perpendicular to the direction in which the coil's conductor wire extends. That is, a first yoke 28 is disposed corresponding to the first coil 22, and a second yoke is disposed corresponding to the second coil 23.
ウェッジプリズム対3は、図1に示されるように、第一ウェッジプリズム31と第二ウェッジプリズム32とを有する。第一ウェッジプリズム31および第二ウェッジプリズム32は、いずれも、円形の平面形状を有し、その中心軸に対して直交する一端面と当該一端面に対して斜めに傾斜する他端面とを有している。ウェッジプリズムにおける一端面の平面方向に対する他端面の傾斜角を頂角とも言う(図16参照)。 As shown in Figure 1, the wedge prism pair 3 includes a first wedge prism 31 and a second wedge prism 32. Both the first wedge prism 31 and the second wedge prism 32 have a circular planar shape, one end face perpendicular to their central axes, and the other end face inclined obliquely relative to the one end face. The angle of inclination of the other end face relative to the planar direction of the one end face of the wedge prism is also called the apex angle (see Figure 16).
第一ウェッジプリズム31には第一磁石33が対応して配置されており、第二ウェッジプリズム32には第二磁石34が対応して配置されている。たとえば、第一ウェッジプリズム31は、図4に示されるように、円環板状の第一枠35における中央の円形の孔に嵌められており、第一磁石33は、第一ウェッジプリズム31の外周側において第一枠35に固定されている(図2参照)。同様に、第二ウェッジプリズム32は、円環板状の第二枠における中央の円形の孔に嵌められており、第二磁石34は、第二ウェッジプリズム32の外周側において第二枠に固定されている。 A first magnet 33 is arranged corresponding to the first wedge prism 31, and a second magnet 34 is arranged corresponding to the second wedge prism 32. For example, as shown in FIG. 4, the first wedge prism 31 is fitted into a central circular hole in a first annular plate-shaped frame 35, and the first magnet 33 is fixed to the first frame 35 on the outer periphery of the first wedge prism 31 (see FIG. 2). Similarly, the second wedge prism 32 is fitted into a central circular hole in a second annular plate-shaped frame, and the second magnet 34 is fixed to the second frame on the outer periphery of the second wedge prism 32.
図1に示されるように、第一ウェッジプリズム31および第二ウェッジプリズム32は、いずれも、基板2の中央の円形の開口上に配置され、回転軸CAを軸として回動可能に支持される。第一枠35および第二枠は、いずれも、基板2と同様に、その一主面において、周方向に沿う平面形状を有する前述の凹条を有している。当該凹条には、前述のボールが収容されている。そして、基板2の第一主面にある凹条26と第一枠35の第一主面にある凹条36とが向かい合うように、第一ウェッジプリズム31が基板2の上に重ねられる。また、例えば、第一枠35の第二主面にある凹条と第二枠の第一主面にある凹条とが向かい合うように、第二ウェッジプリズム32が第一ウェッジプリズム31の上に重ねられる。 As shown in FIG. 1, the first wedge prism 31 and the second wedge prism 32 are both positioned on a circular opening in the center of the substrate 2 and are supported rotatably around a rotation axis CA. Like the substrate 2, the first frame 35 and the second frame both have the aforementioned recessed grooves on one main surface, which have a planar shape along the circumferential direction. The aforementioned balls are accommodated in these recessed grooves. The first wedge prism 31 is then placed on the substrate 2 so that the recessed grooves 26 on the first main surface of the substrate 2 face the recessed grooves 36 on the first main surface of the first frame 35. Furthermore, for example, the second wedge prism 32 is placed on the first wedge prism 31 so that the recessed grooves on the second main surface of the first frame 35 face the recessed grooves on the first main surface of the second frame.
向かい合う凹条は、凹条に収容されるボールを共有する。たとえば、図2に示されるように、基板2の凹条26のボール27は、第一枠35の凹条36にも収容される。このような凹条26、36によってボール27の転がる方向が規定され、ボール27がスペーサとして機能するともにウェッジプリズムの回動時には転がりながら移動する。よって、第一枠35と第二枠は、より円滑に回動可能となる。 Opposing grooves share the balls housed in the grooves. For example, as shown in Figure 2, ball 27 in groove 26 of substrate 2 is also housed in groove 36 of first frame 35. These grooves 26, 36 determine the rolling direction of ball 27, allowing ball 27 to function as a spacer and to move while rolling when the wedge prism rotates. This allows first frame 35 and second frame 36 to rotate more smoothly.
図7は、本発明の一実施形態における磁石とコイルの位置関係を模式的に示す図である。図7に示されるように、第一ウェッジプリズム31は、第一枠35に保持されている第一磁石33が基板2上の第一コイル22上を通過し、移動する。第二ウェッジプリズム32も同様に、第二枠に保持されている第二磁石34が基板2上の第二コイル23上を通過し、移動する。 Figure 7 is a diagram showing the positional relationship between magnets and coils in one embodiment of the present invention. As shown in Figure 7, the first wedge prism 31 moves as the first magnet 33 held in the first frame 35 passes over the first coil 22 on the substrate 2. Similarly, the second wedge prism 32 moves as the second magnet 34 held in the second frame passes over the second coil 23 on the substrate 2.
ケーシング4は、図2に示されるように、その一端側では基板2の一主面上に固定され、第一枠35を外周側から囲む周壁部41と、周壁部41の一端縁から内側に延出して第一枠35の第二主面に当接する円環部42とを有している。ケーシング4は、凹条26、36を向かい合わせてボール27を介して互いに重なる基板2と第一枠35とを、回転軸CAに沿う方向におけるこれらの位置関係を維持するように、回動可能に保持している。 As shown in Figure 2, the casing 4 has one end fixed to one main surface of the substrate 2 and has a peripheral wall portion 41 that surrounds the first frame 35 from the outer periphery, and an annular portion 42 that extends inward from one edge of the peripheral wall portion 41 and abuts the second main surface of the first frame 35. The casing 4 rotatably holds the substrate 2 and the first frame 35, which overlap each other via the balls 27 with the recesses 26, 36 facing each other, so as to maintain their positional relationship in the direction along the rotation axis CA.
本実施形態では、基板2とそれに重なる第一枠35との重なり方向における上記のような位置関係は、ウェッジプリズム間の位置関係に適用され得る。すなわち、本実施形態では、同様の重なり方向の位置関係が、回転軸CAに沿う方向において隣り合う第nウェッジプリズムと第(n+1)ウェッジプリズムとの間、例えば第一ウェッジプリズム31および第一枠35と第二ウェッジプリズム32および第二枠との間で成立してもよい。 In this embodiment, the above-described positional relationship in the overlapping direction between the substrate 2 and the overlapping first frame 35 can also be applied to the positional relationship between the wedge prisms. That is, in this embodiment, a similar positional relationship in the overlapping direction may exist between the nth wedge prism and the (n+1)th wedge prism that are adjacent in the direction along the rotation axis CA, for example, between the first wedge prism 31 and first frame 35 and the second wedge prism 32 and second frame.
[ウェッジプリズムの回動]
本実施形態におけるウェッジプリズムの回動について、第一ウェッジプリズムの回動を例に説明する。図8は、本発明の実施形態における回動の推力の発生を説明するための図である。図8に示されるように、第一枠35の第一磁石33と第一ヨーク28との間には矢印Mで示す向きの磁界が形成される。図示の方向へ第一コイル22に電流を流すと、白抜きの矢印で示す方向の推力が生じる。第一ヨーク28および第一コイル22は基板2に対して固定されており、第一枠35は基板2に対して回動可能に配置されていることから、第一枠35が白抜きの矢印の方向に移動する。
[Rotation of the wedge prism]
The rotation of the wedge prisms in this embodiment will be described using the rotation of the first wedge prism as an example. Figure 8 is a diagram for explaining the generation of thrust due to rotation in this embodiment of the present invention. As shown in Figure 8, a magnetic field is formed between the first magnet 33 of the first frame 35 and the first yoke 28 in the direction indicated by arrow M. When a current is passed through the first coil 22 in the illustrated direction, a thrust is generated in the direction indicated by the open arrow. The first yoke 28 and the first coil 22 are fixed to the substrate 2, and the first frame 35 is disposed rotatably relative to the substrate 2, so that the first frame 35 moves in the direction indicated by the open arrow.
図9は、本発明の実施形態における回動の推力の向きを説明するための図である。第一コイル22は、前述したように、略扇形の平面形状を有し、その直線状の外周縁部は、平面形状の中心軸に沿う方向に対してθ°の角度で交差する。このため、図9に示されるように、第一コイル22の直線状の外周縁部においては、白抜きの矢印で示されるような、平面視したときに当該外周縁に対して直交する方向へ、第一枠35、すなわち第一ウェッジプリズム31を回動させる推力が発生する。この推力の向きは、第一枠35が回動するときの第一磁石33の中心が描く円形の軌跡を示す線分Lに実質的に沿う方向となっている。このように、第一コイル22および第一磁石33は、第一コイル22への通電によって第一ウェッジプリズム31を回動させるボイスコイルモータを構成している。 Figure 9 is a diagram illustrating the direction of rotational thrust in an embodiment of the present invention. As described above, the first coil 22 has a generally sectorial planar shape, and its linear outer peripheral edge intersects the central axis of the planar shape at an angle of θ°. Therefore, as shown in Figure 9, a thrust is generated at the linear outer peripheral edge of the first coil 22 in a direction perpendicular to the outer peripheral edge in a planar view, as indicated by the hollow arrow, which rotates the first frame 35, i.e., the first wedge prism 31. The direction of this thrust is substantially along the line segment L that indicates the circular trajectory traced by the center of the first magnet 33 when the first frame 35 rotates. In this way, the first coil 22 and the first magnet 33 constitute a voice coil motor that rotates the first wedge prism 31 when current is applied to the first coil 22.
ボイスコイルモータによるウェッジプリズムの回動は、CPU21によって制御される。図10は、本発明の実施形態におけるコイルの通電の制御を説明するための図である。図10に示されるように、ホール素子は、磁場(磁束密度)に応じた電圧を出力する。CPU21は、ホール素子から出力される電圧に応じて、ウェッジプリズムの回転角度(現在角度)を取得する。 The rotation of the wedge prism by the voice coil motor is controlled by the CPU 21. Figure 10 is a diagram for explaining the control of coil current flow in an embodiment of the present invention. As shown in Figure 10, the Hall element outputs a voltage corresponding to the magnetic field (magnetic flux density). The CPU 21 obtains the rotation angle (current angle) of the wedge prism according to the voltage output from the Hall element.
図11は、本発明の実施形態における、ホール素子の検出値とウェッジプリズムの回転角度との関係を模式的に示す図である。本発明の実施形態では、コイルと磁石の中心位置、すなわちウェッジプリズムの回転移動の範囲の中心を、そのウェッジプリズムを含む光軸調整の機構の基準位置としている。図11では、当該基準位置を原点(中心)とし、ウェッジプリズムの回転移動による磁束密度の変化が電圧値として表される。ウェッジプリズムの回転角度は、図11から明らかなように、基準位置を中心とする電圧の特定の範囲において、ホール素子が検出する電圧値(磁束密度)と一次式に近似可能である。現在角度は、当該一次式に基づいて算出してもよいし、当該特定の範囲における当該電圧値と回転角度とのデータを格納したマップから取得してもよい。 Figure 11 is a diagram schematically illustrating the relationship between the detection value of the Hall element and the rotation angle of the wedge prism in an embodiment of the present invention. In this embodiment of the present invention, the center position of the coil and magnet, i.e., the center of the range of rotational movement of the wedge prism, is used as the reference position for the optical axis adjustment mechanism including the wedge prism. In Figure 11, this reference position is used as the origin (center), and changes in magnetic flux density due to rotational movement of the wedge prism are expressed as voltage values. As is clear from Figure 11, the rotation angle of the wedge prism can be approximated by a linear equation using the voltage value (magnetic flux density) detected by the Hall element within a specific range of voltage centered on the reference position. The current angle may be calculated based on this linear equation, or may be obtained from a map storing data on the voltage value and rotation angle within that specific range.
上記の磁束密度の特定の範囲は、光軸調整装置を用いて測定してもよいし、コンピュータシミュレーションなどの計算によって求めてもよい。このようにCPU21は、例えば第一磁石33が形成する磁界の磁束密度に応じて第一ウェッジプリズム31の回転角度を取得する。 The above-mentioned specific range of magnetic flux density may be measured using an optical axis adjustment device, or may be determined by calculation such as computer simulation. In this way, the CPU 21 obtains the rotation angle of the first wedge prism 31 according to, for example, the magnetic flux density of the magnetic field generated by the first magnet 33.
次いで、CPU21は、目標とするウェッジプリズムの回転角度(目標回転角度)を取得する。図12は、本発明の実施形態における、ウェッジプリズムの回転角度とウェッジプリズムから出射される光ビームの屈折角との関係を模式的に示す図である。ウェッジプリズムによる光ビームの屈折角は、図12に示されるように、ウェッジプリズムの回転角度の特定の範囲において、当該回転角度と一次式で近似可能である。目標回転角度は、光軸調整装置1の位置情報に対する光通信すべき他の光通信装置の位置情報に基づいて取得してもよいし、特定のプログラムによって決められてもよい。上記の回転角度の特定の範囲は、図11に示される電圧値と回転角度との、一次式に近似可能な範囲に対応した範囲であってよい。このようにして、CPU21は、ホール素子からの出力値に応じて光ビームの位置を平面座標上に算出することができる。そして、CPU21は、上記の位置情報に基づき、ウェッジプリズムの目標回転角度を取得する。 Next, the CPU 21 obtains the target rotation angle of the wedge prism (target rotation angle). Figure 12 is a diagram schematically illustrating the relationship between the rotation angle of the wedge prism and the refraction angle of the light beam emitted from the wedge prism in an embodiment of the present invention. As shown in Figure 12, the refraction angle of the light beam by the wedge prism can be approximated by a linear equation with the rotation angle within a specific range of the wedge prism rotation angle. The target rotation angle may be obtained based on position information of other optical communication devices with which optical communication should be performed relative to the position information of the optical axis adjustment device 1, or may be determined by a specific program. The specific range of rotation angles may correspond to the range of voltage values and rotation angles shown in Figure 11 that can be approximated by a linear equation. In this way, the CPU 21 can calculate the position of the light beam on planar coordinates based on the output value from the Hall element. The CPU 21 then obtains the target rotation angle of the wedge prism based on the position information.
次いで、CPU21は、現在角度と目標回転角度とに応じて、当該目標回転角度を実現する電力の出力値の情報、例えば電流のオンオフにおけるオンの特定の時間幅に応じた信号、を取得する。 Next, the CPU 21 obtains information on the power output value that achieves the target rotation angle based on the current angle and the target rotation angle, for example, a signal corresponding to a specific on-time width when the current is turned on and off.
次いで、CPU21は、取得した電力の出力値の情報に基づいて、電源からの電力の供給を制御する。こうして、第一コイル22には、当該目標回転角度を実現させる電力が電源から供給され、第一ウェッジプリズム31が目標回転角を実現する位置まで回動する。 The CPU 21 then controls the supply of power from the power supply based on the acquired power output value information. Thus, the first coil 22 is supplied with power from the power supply to achieve the target rotation angle, and the first wedge prism 31 rotates to a position that achieves the target rotation angle.
[主な作用効果]
光軸調整装置1は、回転軸CAを軸として回動可能に配置されているウェッジプリズムを含む。このように、光軸調整装置1は、光ビームの進行方向を調整するための光学素子として、ウェッジプリズムを使用する。そして、光軸調整装置1は、ウェッジプリズムによる光ビームの進行方向の制御により、光通信の送受信において顕在化する光通信装置における光学的な構成の位置のズレを吸収している。本実施形態では、高い精度でウェッジプリズムの回動を制御することが可能であり、その結果、光通信の精度向上に著しい効果を発揮する。
[Major effects]
The optical axis adjustment device 1 includes a wedge prism that is rotatably disposed about a rotation axis CA. In this manner, the optical axis adjustment device 1 uses a wedge prism as an optical element for adjusting the traveling direction of an optical beam. By controlling the traveling direction of the optical beam using the wedge prism, the optical axis adjustment device 1 absorbs misalignment of the optical components in the optical communication device that becomes apparent during transmission and reception of optical communications. In this embodiment, it is possible to control the rotation of the wedge prism with high precision, which is highly effective in improving the accuracy of optical communications.
光軸調整装置1は、ウェッジプリズムを回動させるためのボイスコイルモータを含む。ウェッジプリズムを含む従来の機構では、前述したように、ウェッジプリズムの回動の駆動源として中空モータが一般に使用される。このため、回動のための構造の大きさあるいは重さが、ウェッジプリズムそのものに比べて大きくなり、その結果、光軸調整装置1の大きさおよび重さが大きくなる。 The optical axis adjustment device 1 includes a voice coil motor for rotating the wedge prism. As mentioned above, in conventional mechanisms including wedge prisms, a hollow motor is generally used as the drive source for rotating the wedge prism. As a result, the size and weight of the structure for rotation are larger than the wedge prism itself, and as a result, the size and weight of the optical axis adjustment device 1 are large.
光軸調整装置1は、ウェッジプリズム一つ一つに対応する回動機構として、ボイスコイルモータを有する。一般的な中空モータは、磁気回路の吸着と反発により回転力を発生させる。これに対して、ボイスコイルモータは、フレミングの左手の法則による推力を発現する。本実施形態では、フレミングの左手の法則に基づいて、磁界および電流の向きが適切に設定されることにより、ボイスコイルモータによるウェッジプリズムの回動の推力を、ウェッジプリズムの回動方向に向けることが可能である。このように、ボイスコイルモータは、ウェッジプリズムの回動方向に推力を生じさせる。よって、ウェッジプリズムのスラスト方向(回転軸CAに沿う方向)への揺れが抑制される。 The optical axis adjustment device 1 has a voice coil motor as a rotation mechanism corresponding to each wedge prism. A typical hollow motor generates rotational force through the attraction and repulsion of a magnetic circuit. In contrast, a voice coil motor generates thrust in accordance with Fleming's left-hand rule. In this embodiment, the direction of the magnetic field and current is appropriately set based on Fleming's left-hand rule, making it possible to direct the thrust of the voice coil motor's rotation of the wedge prism in the direction of rotation of the wedge prism. In this way, the voice coil motor generates thrust in the direction of rotation of the wedge prism. This suppresses shaking of the wedge prism in the thrust direction (along the rotation axis CA).
ボイスコイルモータは、他のモータに比べて幅を取らないため小型化に有利である。また、ボイスコイルモータは、簡易な構造で実現されるため、他のモータに比べてモータの重量を軽くすることが可能である。たとえば、ボイスコイルモータは、ウェッジプリズムと一体的に配置され、ウェッジプリズムの回転軸に沿う方向の磁界を発生させるための磁石を含んでもよい。このように、ウェッジプリズムと一体的に磁石が配置されることによりボイスコイルモータが構成され得るため、小型化および軽量化の実現に有利である。 Voice coil motors are advantageous for miniaturization because they require less width than other motors. Furthermore, because voice coil motors can be implemented with a simple structure, they can be made lighter than other motors. For example, a voice coil motor may include a magnet that is disposed integrally with a wedge prism and generates a magnetic field in a direction along the axis of rotation of the wedge prism. In this way, a voice coil motor can be constructed by arranging a magnet integrally with a wedge prism, which is advantageous for achieving miniaturization and weight reduction.
ボイスコイルモータは、ウェッジプリズムの回動方向および磁石による磁界の向きの両方に交差する方向に電気が流れるコイルを含む。本実施形態では、当該コイルは、ウェッジプリズムを回動可能に支持する支持体となる基板2に対して固定される。このように、本実施形態では、ボイスコイルモータにより生じるウェッジプリズムの回動を推進させる力を、当該ウェッジプリズムの回転方向に向けて生じさせる。よって、当該ボイスコイルモータによる当該推進させる力のロスが軽減する。なお、基板2は、ケーシング4に固定されている。したがって、ウェッジプリズムを回動可能に支持する支持体は、ケーシング4であってもよい。 The voice coil motor includes a coil through which electricity flows in a direction that intersects both the rotation direction of the wedge prism and the direction of the magnetic field generated by the magnet. In this embodiment, the coil is fixed to the substrate 2, which serves as a support that rotatably supports the wedge prism. In this embodiment, the force that propels the rotation of the wedge prism generated by the voice coil motor is directed in the direction of rotation of the wedge prism. This reduces loss of the propelling force from the voice coil motor. The substrate 2 is fixed to the casing 4. Therefore, the support that rotatably supports the wedge prism may be the casing 4.
本実施形態において、コイルの平面形状は、ウェッジプリズムの回動方向に上記の推力を発生させる形状となっている。すなわち、コイルは、平面視したときに光軸調整装置における回転軸CAから外側に向けて広がる扇形の形状を有する。このため、本実施形態では、磁界中の通電方向が、ウェッジプリズムの円形の回動軌道に対して90°で交差する方向となる。したがって、ウェッジプリズムを回動させる推力の向きが、当該扇形の直線状の外縁部に対して実質的に直交する方向となり、推力のロスがより一層軽減される。 In this embodiment, the planar shape of the coil is such that it generates the above-mentioned thrust in the rotation direction of the wedge prism. That is, when viewed in plan, the coil has a fan-like shape that spreads outward from the rotation axis CA of the optical axis adjustment device. Therefore, in this embodiment, the direction of current flow in the magnetic field is a direction that intersects the circular rotation orbit of the wedge prism at an angle of 90°. Therefore, the direction of the thrust that rotates the wedge prism is substantially perpendicular to the linear outer edge of the fan-like shape, further reducing thrust loss.
光軸調整装置1は、複数のボイスコイルモータを有している。そして、複数のボイスコイルモータのそれぞれは、一枚のウェッジプリズムに対して、ウェッジプリズムの回転方向における二か所以上の各位置に配置されている。一枚のウェッジプリズムを一つのボイスコイルモータで回動させることも可能であるが、ウェッジプリズム側に配置される磁石の磁力により、ウェッジプリズムがスラスト方向への吸着と反発に伴い移動する可能性がある。光軸調整装置1の回動の制御において、このような移動を回動と判断される可能性がある。 The optical axis adjustment device 1 has multiple voice coil motors. Each of the multiple voice coil motors is arranged at two or more positions relative to a single wedge prism in the rotational direction of the wedge prism. While it is possible to rotate a single wedge prism using a single voice coil motor, the magnetic force of a magnet arranged on the wedge prism side may cause the wedge prism to move due to attraction and repulsion in the thrust direction. When controlling the rotation of the optical axis adjustment device 1, such movement may be judged as rotation.
また、ウェッジプリズムの回動において、ウェッジプリズムの一部分に力が集中やすく、このため、ウェッジプリズムの回動に伴う振動が生じやすい。その結果、ウェッジプリズムにおける回動の位置が誤って認識される可能性がある。さらに、ボイスコイルモータを構成するコイルおよび磁石、任意に配置されるヨーク、がより大きくなる。このため、ウェッジプリズムの重量のバランスが悪くなり、ウェッジプリズムの回動が楕円を描き、一定とならない可能性が考えられる。 In addition, when the wedge prism rotates, force tends to concentrate on one part of the wedge prism, which makes it more likely to vibrate as it rotates. As a result, the rotational position of the wedge prism may be misidentified. Furthermore, the coils and magnets that make up the voice coil motor, as well as the arbitrarily placed yoke, become larger. This can lead to an imbalance in the weight of the wedge prism, which may cause the wedge prism to rotate in an elliptical pattern and not be constant.
このように、一枚のウェッジプリズムを一つのボイスコイルモータで回動させる場合では、ウェッジプリズムの回動位置の判定において無視できない誤差が生じる可能性があり、これらの事象により、光ビームの通信精度が低下する可能性が考えられる。 As such, when one wedge prism is rotated by one voice coil motor, there is a possibility that non-negligible errors may occur in determining the rotational position of the wedge prism, and these events may result in a decrease in the accuracy of light beam communication.
光軸調整装置1が複数のボイスコイルモータを有する構成では、複数のコイルが、ウェッジプリズムの回転方向においてバランスよく配置され得る。たとえば、複数のボイスコイルモータのそれぞれは、ウェッジプリズムを平面視したときに、回転軸CAを中心とする回転対称の位置に配置される。このように、いわゆる等配ピッチを採用し、特定の円周上における等間隔の位置に磁気回路を形成する。このため、磁気回路が一部分に集中することが回避され、ウェッジプリズムのスラスト方向への変位がより抑制される。よって、光軸調整装置の性能がより安定しやすい。 When the optical axis adjustment device 1 is configured with multiple voice coil motors, the multiple coils can be arranged in a balanced manner in the rotational direction of the wedge prism. For example, each of the multiple voice coil motors is arranged in a rotationally symmetrical position around the rotation axis CA when the wedge prism is viewed in a plan view. In this way, a so-called equal pitch is adopted, and magnetic circuits are formed at equally spaced positions on a specific circumference. This prevents the magnetic circuits from concentrating in one area, and further suppresses displacement of the wedge prism in the thrust direction. This makes it easier to stabilize the performance of the optical axis adjustment device.
光軸調整装置1は、ウェッジプリズムの出射光の光軸の特定の向きに対応するウェッジプリズムの回転角度に応じてボイスコイルモータにおける通電を制御するための制御装置であるCPU21を含む。また、当該回転角度を検出するために、第一磁石33および第二磁石34が形成するそれぞれの磁界の磁束密度を検出するホール素子を使用する。すなわち、CPU21は、ホール素子による磁束密度の検出値に応じて、ウェッジプリズムの出射光の光軸の特定の向きを実現するウェッジプリズムの回動角度を取得する。このように本実施形態では、ウェッジプリズムの回動角度の制御を電子制御で行う。したがって、ギヤ機構による当該回動角度の制御よりも高い精度で、ウェッジプリズムの回動角度が制御される。 The optical axis adjustment device 1 includes a CPU 21, which is a control device for controlling the power supply to the voice coil motor in accordance with the rotation angle of the wedge prism, which corresponds to a specific orientation of the optical axis of the light emitted from the wedge prism. To detect this rotation angle, a Hall element is used to detect the magnetic flux density of the magnetic fields formed by the first magnet 33 and the second magnet 34. In other words, the CPU 21 obtains the rotation angle of the wedge prism that achieves a specific orientation of the optical axis of the light emitted from the wedge prism in accordance with the magnetic flux density detected by the Hall element. In this manner, in this embodiment, the rotation angle of the wedge prism is electronically controlled. Therefore, the rotation angle of the wedge prism is controlled with greater precision than when the rotation angle is controlled by a gear mechanism.
一般に、ウェッジプリズムによる光ビームの光軸の向きの制御は、ウェッジプリズムの回動により行われる。この回動による光ビームの移動は、単純にウェッジプリズムの頂角による屈折で行われる。本実施形態では、光軸調整装置1は、一対のウェッジプリズムを有する。二枚のウェッジプリズムの組み合わせにより、光軸調整装置1から出射する光ビームの光軸の方向が、回転軸に直交する平面座標系における位置で制御される。 Generally, the direction of the optical axis of a light beam using a wedge prism is controlled by rotating the wedge prism. The movement of the light beam due to this rotation is simply caused by refraction due to the apex angle of the wedge prism. In this embodiment, the optical axis adjustment device 1 has a pair of wedge prisms. By combining the two wedge prisms, the direction of the optical axis of the light beam emitted from the optical axis adjustment device 1 is controlled by its position in a plane coordinate system perpendicular to the rotation axis.
図13は、本発明の実施形態における一対のウェッジプリズムによる光ビームの光軸の向きの調整を説明するための図である。図13に示されるように、ウェッジプリズム対3において、第一ウェッジプリズム31および第二ウェッジプリズム32のそれぞれを回動させる。図中の矢印は、ウェッジプリズム対3におけるウェッジプリズムの回動方向を示している。それにより、回転軸CAに直交するいかなる方向にも、ウェッジプリズムを通過する光の光軸の方向を調整することが可能となる。なお、図13および図14において、図中の矢印は、ウェッジプリズム対3におけるウェッジプリズムの回動方向を示している。 Figure 13 is a diagram illustrating the adjustment of the optical axis direction of a light beam using a pair of wedge prisms in an embodiment of the present invention. As shown in Figure 13, the first wedge prism 31 and the second wedge prism 32 in the wedge prism pair 3 are each rotated. The arrows in the figure indicate the rotation direction of the wedge prisms in the wedge prism pair 3. This makes it possible to adjust the direction of the optical axis of light passing through the wedge prisms in any direction perpendicular to the rotation axis CA. Note that in Figures 13 and 14, the arrows in the figures indicate the rotation direction of the wedge prisms in the wedge prism pair 3.
図14は、本発明の実施形態における二対のウェッジプリズムによる光ビームの光軸の向きの調整を説明するための図である。各ウェッジプリズムの回動角度を小さくしたい場合、あるいは、光ビームの屈折角を大きくとりたい場合は、ウェッジプリズムの数を増やすことにより対応することが可能である。すなわち、その場合は、各ウェッジプリズムおよび磁石をさらに配置し、磁石に対応するコイルを適宜に配置すればよい。このように、ウェッジプリズム対3は、複数あってもよく、図14に示されるように、二つのウェッジプリズム対3(四枚のウェッジプリズム)を有していてよい。 Figure 14 is a diagram illustrating the adjustment of the direction of the optical axis of a light beam using two pairs of wedge prisms in an embodiment of the present invention. If it is desired to reduce the rotation angle of each wedge prism or to increase the refraction angle of the light beam, this can be achieved by increasing the number of wedge prisms. In other words, in this case, it is sufficient to place more wedge prisms and magnets and appropriately position coils corresponding to the magnets. In this way, there may be multiple wedge prism pairs 3, and as shown in Figure 14, there may be two wedge prism pairs 3 (four wedge prisms).
本実施形態では、光軸調整装置1は、二対のウェッジプリズムを有していてよく、あるいは二対以上のウェッジプリズムを有していてもよい。回転軸CAに沿って併設されるウェッジプリズムの数が増えると、ウェッジプリズムのより小さな回動角度でウェッジプリズムの光ビームの所望の屈折角を実現することが可能である。ウェッジプリズムの数を増やしてウェッジプリズムの回動角度を小さくすることは、個々のウェッジプリズムの回転の移動距離が小さくなることから、光ビームの光軸の向きの調整の高速化に有利である。 In this embodiment, the optical axis adjustment device 1 may have two pairs of wedge prisms, or may have more than two pairs of wedge prisms. Increasing the number of wedge prisms arranged side by side along the rotation axis CA makes it possible to achieve the desired refraction angle of the light beam through the wedge prisms with a smaller rotation angle of the wedge prisms. Increasing the number of wedge prisms and reducing the rotation angle of the wedge prisms reduces the rotational movement distance of each wedge prism, which is advantageous for speeding up the adjustment of the direction of the optical axis of the light beam.
光ビーム通信では、通信に際して通信相手を探しだす機能(後述のビーコン)がある。このような通信相手の探索では、ランダムに光ビームを照射して、相手の位置を探し出す。一例として、光ビームの照射による探索は、特定の矩形の平面領域を設定し、当該平面領域を光ビームで走査することによって行われる。より具体的な例としては、当該平面領域における光ビームの横方向(左から右、右から左)の走査を、通信相手が検出されるまで、縦方向の位置を順次変えながら繰り返す方法が挙げられる。このような光ビームの走査では、ウェッジプリズムの回転角度がより小さくなると、ウェッジプリズムの回転の移動距離がより小さくなり、光ビームの光軸の向きの変更がより速く行われる。したがって、光ビームの走査速度をより速くすることが可能であり、その結果、通信相手をより迅速に検出することが可能になる。このように、二対以上のウェッジプリズムを有することは、一定の範囲の周期的な移動が速い高周波数の光ビームの走査においてより一層効果的である。 Light beam communications have a function for locating communication partners (beacons, described below). Such searches for communication partners involve randomly emitting light beams to locate the partner's location. One example of a search using light beam irradiation is to set a specific rectangular planar area and scan that area with the light beam. A more specific example is to repeatedly scan the planar area horizontally (from left to right, then from right to left) with the light beam, while sequentially changing its vertical position, until the communication partner is detected. In such light beam scanning, the smaller the rotation angle of the wedge prism, the smaller the rotational movement distance of the wedge prism, and the more quickly the direction of the optical axis of the light beam changes. This allows for faster scanning of the light beam, resulting in more rapid detection of the communication partner. Thus, having two or more pairs of wedge prisms is even more effective for scanning high-frequency light beams that move rapidly and periodically within a certain range.
また、通常、ケーシング4は、高周波数での電極供給による振動を受けやすい。ウェッジプリズムの数を増やし、ウェッジプリズムの回動角度をより小さくすることは、電極供給に伴うケーシング4の振動を抑制する観点からも好適である。 In addition, the casing 4 is typically susceptible to vibration due to high-frequency electrode supply. Increasing the number of wedge prisms and reducing the rotation angle of the wedge prisms is also advantageous from the perspective of suppressing vibration of the casing 4 due to electrode supply.
本実施形態では、回転軸CAに沿う方向で隣接する相対的に回動可能な部材、例えば基板2、第一枠35および第二枠などは、対向する主面に凹条26、36を有し、当該凹条に収容されるボール27を介して、回転軸CAに沿う方向で隣接している。このため、ウェッジプリズムがその回動方向へ円滑に回動可能である。また、ボールのサイズを調整することにより、コイルと磁石とのクリアランスが一定になる。その結果、ウェッジプリズムの回動の有無に関わらず、磁石が形成する磁界が安定する。 In this embodiment, adjacent components that can rotate relatively in the direction along the rotation axis CA, such as the substrate 2, first frame 35, and second frame, have grooves 26, 36 on their opposing main surfaces and are adjacent in the direction along the rotation axis CA via balls 27 housed in the grooves. This allows the wedge prism to rotate smoothly in its rotation direction. Furthermore, by adjusting the size of the balls, the clearance between the coil and the magnet is kept constant. As a result, the magnetic field generated by the magnet is stable regardless of whether the wedge prism rotates or not.
本実施形態では、ウェッジプリズムの通電時における回動方向の推力は、実質的にはウェッジプリズムの回動のみに使用される。本実施形態では、ケーシング4が、回転軸CAに沿う方向(スラスト方向)においてウェッジプリズムを拘束する。よって、ウェッジプリズムの回動の有無に関わらず、スラスト方向におけるウェッジプリズム間の位置が固定される。その結果、安定した磁界が形成されるとともに安定したウェッジプリズムの回動が実現される。 In this embodiment, the thrust force in the rotation direction when the wedge prism is energized is essentially used only to rotate the wedge prism. In this embodiment, the casing 4 restrains the wedge prism in the direction along the rotation axis CA (thrust direction). Therefore, regardless of whether the wedge prism rotates, the position between the wedge prisms in the thrust direction is fixed. As a result, a stable magnetic field is formed and stable rotation of the wedge prism is achieved.
本実施形態では、三つの第一コイル22を三回回転対称の位置に配置し、電源に対してそれぞれの第一コイル22を直列に接続する電気回路を形成している。このように複数のコイルを共通の電源で通電させることから、本実施形態では、第一ウェッジプリズム31を回動させる三つのボイスコイルモータへの通電のタイミングが実質的に同時となる。よって、回動の初期に起こるウェッジプリズムのスライド動作が起こりにくい。また、コイルの電気回路がシンプルに構成されることから、光軸調整装置1が多数(例えば二対以上)のウェッジプリズムを有する場合により有効である。 In this embodiment, three first coils 22 are arranged in positions with three-fold rotational symmetry, and an electrical circuit is formed that connects each first coil 22 in series to a power source. Because multiple coils are energized by a common power source in this way, in this embodiment, the timing of energization to the three voice coil motors that rotate the first wedge prism 31 is substantially simultaneous. Therefore, the sliding movement of the wedge prism that occurs at the beginning of the rotation is less likely to occur. Furthermore, because the coil electrical circuit is simply configured, this is particularly effective when the optical axis adjustment device 1 has a large number of wedge prisms (for example, two or more pairs).
また、コイルへの電力の供給は、前述したようなパルス幅変調(PWM)によるスイッチング駆動によって実施可能である。この場合、電源のオンオフに伴う電力の損出をより抑制することが好ましく、このような電力の損失を抑制する観点から、上記の直列回路のようなスイッチング部の少ない電気回路の構成が好ましい。 Furthermore, power can be supplied to the coil by switching drive using pulse width modulation (PWM) as described above. In this case, it is preferable to further reduce power loss caused by turning the power supply on and off. From the perspective of reducing such power loss, an electrical circuit configuration with fewer switching parts, such as the above-mentioned series circuit, is preferable.
〔光通信装置〕
本発明の一実施形態に係る光通信装置は、前述の本発明の実施形態に係る光軸調整装置と有する。当該光通信装置は、発信装置であれば発光素子を、受信装置であれば受光素子をさらに有する。
[Optical communication device]
An optical communication device according to an embodiment of the present invention includes the optical axis adjustment device according to the embodiment of the present invention. The optical communication device further includes a light-emitting element if it is a transmitting device, or a light-receiving element if it is a receiving device.
発光素子および受光素子には、光半導体を使用することが可能である。発光素子は、例えば電気を光に変換する素子であればよい。発光素子の例には、発光ダイオードおよび半導体レーザが含まれる。受光素子は、例えば光を電気に変換する素子であればよい。受光素子の例には、フォトダイオードおよびCMOSイメージセンサが含まれる。 Optical semiconductors can be used for the light-emitting element and the light-receiving element. The light-emitting element may be, for example, an element that converts electricity into light. Examples of light-emitting elements include light-emitting diodes and semiconductor lasers. The light-receiving element may be, for example, an element that converts light into electricity. Examples of light-receiving elements include photodiodes and CMOS image sensors.
本実施形態の光通信装置は、本実施形態の効果が得られる範囲において、光軸調整装置あるいは発光素子および受光素子以外の他の構成をさらに含んでいてもよい。このような他の構成の例には、集光レンズおよび拡散レンズなどの光学素子、発光素子または受光素子と光軸調整装置とを回動可能に支持するための架台、光通信装置からユーザへの、またはユーザから光通信装置への信号を送受信するための無線通信装置、などが含まれる。 The optical communication device of this embodiment may further include other components in addition to the optical axis adjustment device or the light-emitting element and the light-receiving element, as long as the effects of this embodiment can be achieved. Examples of such other components include optical elements such as a focusing lens and a diffusing lens, a mount for rotatably supporting the light-emitting element or light-receiving element and the optical axis adjustment device, and a wireless communication device for transmitting and receiving signals from the optical communication device to a user or from a user to the optical communication device.
図15は、本発明の一実施形態に係る光通信装置の構成を模式的に示す図である。図15に示されるように、光通信装置100は、発光素子110と、光軸調整装置120とを有している。光軸調整装置120は、二つのウェッジプリズム対3A、3Bを有する以外は、前述の光軸調整装置1と同様に構成されている。ウェッジプリズムの回転軸CAに直交する平面であって、当該平面における水平方向をヨー方向、当該平面における垂直方向をピッチ方向とする。光軸調整装置のうちの一方のウェッジプリズム対3Aは、例えばピッチ方向への屈折を制御する。光軸調整装置のうちの他方のウェッジプリズム対3Bは、例えばピッチ方向への屈折を制御する。 Figure 15 is a diagram schematically illustrating the configuration of an optical communication device according to one embodiment of the present invention. As shown in Figure 15, the optical communication device 100 has a light-emitting element 110 and an optical axis adjustment device 120. The optical axis adjustment device 120 has the same configuration as the optical axis adjustment device 1 described above, except that it has two wedge prism pairs 3A and 3B. The plane is perpendicular to the rotation axis CA of the wedge prism, and the horizontal direction in this plane is the yaw direction, and the vertical direction in this plane is the pitch direction. One wedge prism pair 3A of the optical axis adjustment device controls refraction in the pitch direction, for example. The other wedge prism pair 3B of the optical axis adjustment device controls refraction in the pitch direction, for example.
光通信装置100は、ビーコンに好適に用いられる。ビーコンとは、広い範囲に光ビームを照射して、通信相手に自分の位置を知らせる機能である。広い空間で通信相手の位置を正確に捕捉することは難しい。ビーコンでは、光ビームをおおよその方向に向けて、検索する範囲で照射する。当該検索は、前述したように光ビームの走査によって実行され得る。光の照射方向は、ピッチ方向の角度とヨー方向の角度との合成によって決められる。 The optical communication device 100 is suitable for use in beacons. A beacon emits a light beam over a wide area to notify the other party of its location. It is difficult to accurately capture the location of a communication partner in a large space. In a beacon, the light beam is directed in an approximate direction and emitted within the search area. This search can be performed by scanning the light beam, as described above. The light emission direction is determined by combining the pitch angle and yaw angle.
光通信装置100は、光軸調整装置を特定の方向に向けるためのさらなる回頭のための機構を有していてもよい。このさらなる機構は、例えばモータを用いて構成することが可能であり、光軸調整装置を特定の向きに向けている間に振動が実質的に発生しない機構から適宜に採用され得る。 The optical communication device 100 may have an additional rotation mechanism for pointing the optical axis adjustment device in a specific direction. This additional mechanism may be constructed using, for example, a motor, and may be appropriately selected from mechanisms that generate substantially no vibration while the optical axis adjustment device is pointed in a specific direction.
光軸調整装置120は、光軸調整装置1と同様に、ボイスコイルモータを採用したウェッジプリズムの回動システムを採用している。このため、小型化および軽量化を実現するのに好適である。さらに、小型化および軽量化が実現可能なため、さらなる高速駆動が可能となる。そのため、光ビームによる通信相手を検索する照射範囲を従来の光通信装置に比べてより短時間での光ビームの照射が可能となり、また通信相手をより早く発見することが可能となる。 Like the optical axis adjustment device 1, the optical axis adjustment device 120 employs a wedge prism rotation system that employs a voice coil motor. This makes it ideal for achieving compactness and light weight. Furthermore, the ability to achieve compactness and light weight allows for even faster driving. As a result, the irradiation range for searching for a communication partner using an optical beam can be expanded in a shorter time than with conventional optical communication devices, making it possible to find the communication partner more quickly.
図16は、従来の光通信装置の構成を模式的に示す図である。従来の光通信装置200、例えばジンバル機構を有する光通信装置は、図16に示されるように、発光素子を含む照射光学系を有する本体210と、本体210を支持する架台220とを有する。本体210は、照射光学系をピッチ方向に沿って回動させる第一中空モータをさらに有する。また、架台220は、本体210をヨー方向に沿って回動させる第二中空モータをさらに有する。ジンバル機構を有する光通信装置200では、照射光学系とは別に、二方向へ回動させるための二つの中空モータを要する。このため、光通信装置200が大型化する。また、本体210および架台220の回動において中空モータによる微振動が発生しやすく、照射光学系からの光ビームが振動し、光通信の精度が低下しやすい。 Figure 16 is a diagram schematically illustrating the configuration of a conventional optical communication device. As shown in Figure 16, a conventional optical communication device 200, for example, an optical communication device with a gimbal mechanism, includes a main body 210 having an irradiation optical system including a light-emitting element, and a mount 220 that supports the main body 210. The main body 210 further includes a first hollow motor that rotates the irradiation optical system in the pitch direction. The mount 220 further includes a second hollow motor that rotates the main body 210 in the yaw direction. The optical communication device 200 with a gimbal mechanism requires two hollow motors for rotating in two directions, in addition to the irradiation optical system. This increases the size of the optical communication device 200. Furthermore, the hollow motors are likely to generate micro-vibrations when the main body 210 and mount 220 rotate, causing the light beam from the irradiation optical system to vibrate and reducing the accuracy of optical communication.
〔その他の実施形態〕
本発明の実施形態は、光通信において光ビームの送信経路をウェッジプリズムにより屈折させ、規定の範囲内に光ビームを収束させる技術であって、光軸を調整する装置における光軸調整の精度をより高める技術に関する。本発明の実施形態は、本発明の実施形態の効果が得られる範囲において、前述した以外の構成を含んでいてもよい。
Other Embodiments
An embodiment of the present invention relates to a technology for improving the accuracy of optical axis adjustment in an optical axis adjustment device, which is a technology for refracting a transmission path of an optical beam using a wedge prism in optical communications and converging the optical beam within a specified range. The embodiment of the present invention may include configurations other than those described above, as long as the effects of the embodiment of the present invention can be obtained.
たとえば、本発明の実施形態では、ウェッジプリズムに対応するコイルの配置および大きさは一様でなくてもよい。光ビーム通信を行う場合に、光通信装置の取り付け状態は常に同じ状態ではなく、様々な取り付け姿勢を許容し得ることが好ましい。図17は、本発明の実施形態における回転体の重心が回転軸から外れるときのコイルの第一の配置例を模式的に示す図である。図18は、本発明の実施形態における回転体の重心が回転軸から外れるときのコイルの第二の配置例を模式的に示す図である。 For example, in an embodiment of the present invention, the placement and size of the coils corresponding to the wedge prisms do not have to be uniform. When performing optical beam communication, it is preferable that the mounting state of the optical communication device is not always the same, and that various mounting positions can be tolerated. Figure 17 is a diagram schematically showing a first example of coil placement when the center of gravity of the rotating body in an embodiment of the present invention is deviated from the rotation axis. Figure 18 is a diagram schematically showing a second example of coil placement when the center of gravity of the rotating body in an embodiment of the present invention is deviated from the rotation axis.
たとえば、図17に示されるように、光通信装置の特定の姿勢における回転体(例えば第一枠、磁石)の重心G1の位置が、回転体の平面形状における中心(回転軸CA)よりもずれることがある。この場合には、等間隔に配置された三つの第一コイル22の一つを、巻き数のより大きな第一コイル22Aに置き換えてもよい。この場合、回転体の中心が図17に示されるようにずれた場合に、より大きなコイルのボイスコイルモータの出力が他のボイスコイルモータよりも大きくなり、円滑な回転を実現する観点から好ましい。 For example, as shown in Figure 17, the position of the center of gravity G1 of the rotating body (e.g., first frame, magnet) in a particular orientation of the optical communication device may be shifted from the center (rotation axis CA) of the planar shape of the rotating body. In this case, one of the three evenly spaced first coils 22 may be replaced with a first coil 22A with a larger number of turns. In this case, when the center of the rotating body is shifted as shown in Figure 17, the output of the voice coil motor with the larger coil will be greater than the other voice coil motors, which is preferable from the perspective of achieving smooth rotation.
また、図18に示されるように、光通信装置の特定の姿勢における回転体の重心G2の位置が、回転体の平面形状における中心(回転軸CA)よりもずれている場合には、重心G2により近い位置により多くのコイルを配置してもよい。たとえば、三つの第一コイル22を等間隔で配置する仕様から、一つの第一コイル22を、重心を挟む位置に配置される二つの第一コイル22B、22Bに置き換えてもよい。このような場合では、第一コイル22の数が三つから四つになるため、四つの第一コイルが等間隔となるように、四回回転対称の位置に第一コイルを配置することが好ましい。 Furthermore, as shown in FIG. 18, if the position of the center of gravity G2 of the rotor in a particular orientation of the optical communication device is shifted from the center (rotation axis CA) of the planar shape of the rotor, more coils may be placed closer to the center of gravity G2. For example, in a specification in which three first coils 22 are placed at equal intervals, one first coil 22 may be replaced with two first coils 22B, 22B placed on either side of the center of gravity. In such a case, since the number of first coils 22 increases from three to four, it is preferable to place the first coils at positions with four-fold rotational symmetry so that the four first coils are equally spaced.
図17および図18に示されるようなコイルの配置は、光通信装置の取り付け姿勢に関わらずに、光通信の性能を安定させる観点から有利である。 The coil arrangement shown in Figures 17 and 18 is advantageous in terms of stabilizing optical communication performance regardless of the mounting position of the optical communication device.
本発明の実施形態では、図19に示されるように、コイルごとに電源を接続してコイルに電力を供給してもよい。図19は、本発明の実施形態におけるコイルと電源との電気回路の他の例を模式的に示す図である。個別にコイルに電源を接続する形態では、前述の回転体の重心Gの位置が回転体の回転中心からずれている場合に、コイルごとの通電量を個別に適宜に設定することによって、回転体の回転をより安定させることが可能である。したがって、このような形態も、光通信装置の取り付け姿勢に関わらず光通信の性能を安定させる観点から有利である。 In an embodiment of the present invention, as shown in Figure 19, a power supply may be connected to each coil to supply power to the coil. Figure 19 is a diagram schematically illustrating another example of an electrical circuit between a coil and a power supply in an embodiment of the present invention. In a configuration in which a power supply is connected to each coil individually, if the position of the center of gravity G of the aforementioned rotating body is offset from the center of rotation of the rotating body, it is possible to make the rotation of the rotating body more stable by individually and appropriately setting the amount of current flowing to each coil. Therefore, this configuration is also advantageous from the perspective of stabilizing the performance of optical communications regardless of the mounting orientation of the optical communications device.
本発明の実施形態において、磁石が形成する磁界の磁束密度に応じたウェッジプリズムの回動角度が一次式に近似可能な範囲は、形成される磁界および供給される電力などに応じて適宜に調整可能である。 In an embodiment of the present invention, the range in which the rotation angle of the wedge prism, which corresponds to the magnetic flux density of the magnetic field generated by the magnet, can be approximated by a linear equation, can be adjusted appropriately depending on the magnetic field generated, the power supplied, etc.
本発明の実施形態は、光ビームの光軸のより高速な調整において効果的である。光ビームの通信では、通信相手が常時固定される状態とは限らず、ゆっくりと移動するなど、通信相手との位置関係が相対的に変化する場合があり得る。このような場合でも通信相手の移動範囲が予想可能で、通信相手に合わせて光ビームの光軸方向を移動させることで対応可能であれば、光ビームを追従させることで通信状態を維持することが可能となる。すなわち、通信相手の位置が変化することが予めわかっている場合など、通信相手との通信が途絶える可能性がある場合は、前述したビーコンによって定期的な状態確認を行い、安定した通信を確保できる。電波での通信と比較した場合、光通信のようなより指向性の高い通信方法では、高精度で通信相手の位置を常時把握しなければならない。本発明の実施形態では、前述した電子技術によるウェッジプリズムの回転制御、および、前述した特定のボイスコイルモータを含む高精度アクチュエータの採用、によって、光通信における通信相手の位置を高精度で把握することを実現している。 Embodiments of the present invention are effective in enabling faster adjustment of the optical axis of a light beam. In optical beam communications, the communication partner is not necessarily fixed at all times; rather, the positional relationship with the communication partner may change relatively, such as by moving slowly. Even in such cases, if the communication partner's range of movement is predictable and the optical axis of the light beam can be adjusted to match the communication partner, the communication state can be maintained by tracking the light beam. In other words, if there is a possibility that communication with the communication partner will be interrupted, such as when it is known in advance that the communication partner's position will change, periodic status checks can be performed using the beacon described above to ensure stable communication. Compared to radio wave communications, more directional communication methods such as optical communications require the position of the communication partner to be constantly determined with high accuracy. In embodiments of the present invention, the position of the communication partner in optical communications can be determined with high accuracy by controlling the rotation of the wedge prism using the electronic technology described above and employing a high-precision actuator including the specific voice coil motor described above.
本発明は、上述した各実施形態に限定されず、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態も、本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the claims. Embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in different embodiments are also included in the technical scope of the present invention.
〔まとめ〕
以上の説明から明らかなように、本発明の実施形態に係る光軸調整装置(1)は、回転軸(CA)を軸として回動可能に配置されているウェッジプリズム(第一ウェッジプリズム31など)と、ウェッジプリズムを回動させるためのボイスコイルモータと、ウェッジプリズムの出射光の光軸の特定の向きに対応するウェッジプリズムの回動角度に応じてボイスコイルモータにおける通電を制御するための制御装置(CPU21)とを有する。また、本発明の実施形態に係る光軸調整装置(100)は、上記の本発明の実施形態に係る光軸調整装置を備える。よって、本発明の実施形態は、例えば前述した中空モータを回動の駆動源として用いる従来の光軸調整装置に比べて、ウェッジプリズムによる光ビームの進行方向の制御を高い精度で実現することができる。
〔summary〕
As is clear from the above description, the optical axis adjustment device (1) according to an embodiment of the present invention includes a wedge prism (such as the first wedge prism 31) rotatably arranged about a rotation axis (CA), a voice coil motor for rotating the wedge prism, and a control device (CPU 21) for controlling the energization of the voice coil motor in accordance with the rotation angle of the wedge prism corresponding to a specific orientation of the optical axis of light emitted from the wedge prism. Furthermore, the optical axis adjustment device (100) according to an embodiment of the present invention includes the optical axis adjustment device according to the embodiment of the present invention described above. Therefore, the embodiment of the present invention can achieve highly accurate control of the traveling direction of the light beam using the wedge prism, compared to, for example, a conventional optical axis adjustment device that uses the aforementioned hollow motor as a rotation drive source.
ボイスコイルモータは、ウェッジプリズムに対して固定され、ウェッジプリズムの回転軸に沿う方向の磁界を発生させるための磁石(第一磁石33など)と、ウェッジプリズムを回動可能に支持する支持体(基板2など)に対して固定され、ウェッジプリズムの回動方向および前記磁界の向きの両方に交差する方向に延在する部分を有するコイル(第一コイル22など)と、を有していてもよい。この構成は、光軸調整装置の小型化および軽量化を実現する観点からより一層効果的である。 The voice coil motor may have a magnet (such as first magnet 33) fixed to the wedge prism for generating a magnetic field in a direction along the rotation axis of the wedge prism, and a coil (such as first coil 22) fixed to a support (such as substrate 2) that rotatably supports the wedge prism and has a portion extending in a direction intersecting both the rotation direction of the wedge prism and the direction of the magnetic field. This configuration is even more effective in terms of achieving a smaller and lighter optical axis adjustment device.
コイルは、平面視したときに回転軸から外側に向けて広がる扇形の形状を有していてもよい。この構成は、ウェッジプリズムの回動における推力のロスを軽減する観点からより一層効果的である。 The coil may have a fan-like shape that spreads outward from the axis of rotation when viewed in a plane. This configuration is even more effective in reducing loss of thrust force during rotation of the wedge prism.
光軸調整装置は、磁石による磁界の磁束密度を検出するためのホール素子をさらに有し、制御装置は、ホール素子による磁束密度の検出値に応じて、ウェッジプリズムの出射光の光軸の特定の向きを実現するウェッジプリズムの回転角度を取得してもよい。この構成は、ウェッジプリズムの回転角度を迅速かつ簡易に求める観点からより一層効果的である。 The optical axis adjustment device may further include a Hall element for detecting the magnetic flux density of the magnetic field generated by the magnet, and the control device may obtain the rotation angle of the wedge prism that achieves a specific orientation of the optical axis of the light emitted from the wedge prism based on the magnetic flux density detected by the Hall element. This configuration is even more effective in terms of quickly and easily determining the rotation angle of the wedge prism.
光軸調整装置は、複数のボイスコイルモータを有し、一枚のウェッジプリズムの回動方向における二か所以上にボイスコイルモータが配置されていてもよい。この構成は、光軸調整装置の性能の安定性を高める観点からより一層効果的である。 The optical axis adjustment device may have multiple voice coil motors, with the voice coil motors being arranged at two or more locations in the rotation direction of a single wedge prism. This configuration is even more effective in terms of improving the stability of the performance of the optical axis adjustment device.
複数のボイスコイルモータのそれぞれは、ウェッジプリズムを平面視したときに、回転軸を中心とする回転対称の位置に配置されていてもよい。この構成は、磁気回路の集中によってウェッジプリズムがスラスト方向に変位することを抑制する観点からより一層効果的である。 Each of the multiple voice coil motors may be arranged at positions rotationally symmetrical about the rotation axis when the wedge prism is viewed in a plan view. This configuration is even more effective in preventing the wedge prism from displacing in the thrust direction due to concentration of magnetic circuitry.
光軸調整装置は、一対のウェッジプリズムを有していてもよい。この構成は、ウェッジプリズムの回転角度を小さくして電力供給に伴う振動の発生を抑制する観点からより効果的である。光軸調整装置は、二対以上のウェッジプリズムを有していてもよい。この構成は、上記の観点からより一層効果的である。 The optical axis adjustment device may have a pair of wedge prisms. This configuration is more effective from the perspective of reducing the rotation angle of the wedge prisms and suppressing the generation of vibrations associated with power supply. The optical axis adjustment device may have two or more pairs of wedge prisms. This configuration is even more effective from the above perspective.
本発明の実施形態に係る光軸調整装置および光通信装置によれば、より省電力でより高精度の光通信の実現が期待される。これにより、産業の生産性のさらなる向上およびさらなる経済成長がもたらされることが期待される。本発明の実施形態によれば、このようにして持続可能な開発目標(SDGs)の達成に貢献できることが期待される。 The optical axis adjustment device and optical communication device according to the embodiments of the present invention are expected to realize more energy-efficient and more accurate optical communications. This is expected to lead to further improvements in industrial productivity and further economic growth. In this way, the embodiments of the present invention are expected to contribute to the achievement of the Sustainable Development Goals (SDGs).
1、120 光軸調整装置
2 基板
3、3A、3B、140 ウェッジプリズム対
4 ケーシング
21 CPU(制御装置)
22、22A、22B 第一コイル
23 第二コイル
24 第一ホール素子
25 第二ホール素子
26、36 凹条
27 ボール
28 第一ヨーク
29 ボール受け部
31 第一ウェッジプリズム
32 第二ウェッジプリズム
33 第一磁石
34 第二磁石
35 第一枠
41 周壁部
42 円環部
100、200 光通信装置
110 発光素子
130 レンズ
210 本体
220 架台
CA 回転軸
G1、G2 重心
LB 光ビーム
1, 120 Optical axis adjustment device 2 Substrate 3, 3A, 3B, 140 Wedge prism pair 4 Casing 21 CPU (control device)
22, 22A, 22B First coil 23 Second coil 24 First hall element 25 Second hall element 26, 36 Concave rib 27 Ball 28 First yoke 29 Ball receiving portion 31 First wedge prism 32 Second wedge prism 33 First magnet 34 Second magnet 35 First frame 41 Peripheral wall portion 42 Annular portion 100, 200 Optical communication device 110 Light emitting element 130 Lens 210 Main body 220 Mount CA Rotation axis G1, G2 Center of gravity LB Light beam
Claims (7)
前記ウェッジプリズムを回動させるための複数のボイスコイルモータと、
前記ウェッジプリズムの出射光の光軸の特定の向きに対応する前記ウェッジプリズムの回転角度に応じて前記ボイスコイルモータにおける通電を制御するための制御装置と、
を有し、
一枚の前記ウェッジプリズムに対して、当該ウェッジプリズムの回転方向における二か所以上に前記ボイスコイルモータが配置されており、
前記複数のボイスコイルモータのそれぞれは、前記ウェッジプリズムを平面視したときに、前記回転軸を中心とする回転対称の位置に配置されている、
光軸調整装置。 a wedge prism that is rotatably disposed around a specific axis;
a plurality of voice coil motors for rotating the wedge prism;
a control device for controlling energization of the voice coil motor in accordance with a rotation angle of the wedge prism corresponding to a specific direction of the optical axis of the light emitted from the wedge prism;
and
the voice coil motors are arranged at two or more positions for one of the wedge prisms in the rotation direction of the wedge prism,
the plurality of voice coil motors are arranged at positions rotationally symmetrical about the rotation axis when the wedge prism is viewed in a plane;
Optical axis adjustment device.
前記ウェッジプリズムに対して固定され、前記ウェッジプリズムの回転軸に沿う方向の磁界を発生させるための磁石と、
前記ウェッジプリズムを回動可能に支持する支持体に対して固定され、前記ウェッジプリズムの回動方向および前記磁界の向きの両方に交差する方向に延在する部分を含むコイルと、
を有する、請求項1に記載の光軸調整装置。 The voice coil motor is
a magnet fixed to the wedge prism for generating a magnetic field in a direction along the rotation axis of the wedge prism;
a coil fixed to a support that rotatably supports the wedge prism and including a portion extending in a direction intersecting both the rotation direction of the wedge prism and the direction of the magnetic field;
The optical axis adjusting device according to claim 1 , further comprising:
前記制御装置は、前記ホール素子による磁束密度の検出値に応じて、前記ウェッジプリズムの出射光の光軸の特定の向きを実現する前記ウェッジプリズムの回転角度を取得する、
請求項2または3に記載の光軸調整装置。 further comprising a Hall element for detecting the magnetic flux density of the magnetic field;
the control device acquires a rotation angle of the wedge prism that realizes a specific orientation of the optical axis of the light emitted from the wedge prism, in accordance with a value of the magnetic flux density detected by the Hall element.
4. The optical axis adjusting device according to claim 2 or 3.
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