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Free-space optics (FSO), or wireless optical communications, has received extensive research due to its promise of practically limitless bandwidths. However, FSO has challenges yet to be met for a cost effective realisation. This D.Phil thesis explores a solution using a ferro-electric liquid crystal spatial light modulator (FLC SLM) and binary phase holograms to significantly reduce the hardware complexity of an FSO system with auto-alignment and turbulence compensation. The theory of binary phase hologram is presented and extended to obtain a new algorithm that is suitable for a FLC SLM. The algorithm is able to be used in a demonstration system to broadcast data streams to multiple receivers, showing the capability of using FLC SLM to form any beam configuration. An FSO transmitter is then developed that uses retro-reflectors as markers for the receivers. The transmitter combines an imaging system with the FLC SLM as a reconfigurable beam steering system for acquiring the retro-reflector location. The FLC SLM is also used to reduce aberrations in the optics, resulting in a significant increase in the transmitted beam power density. The accuracy of the acquisition is measured to give a small steering error without the use of a closed loop controller. An optical turbulence simulator, using the principals of binary phase hologram, is constructed to simulate optical beam propagation in turbulent conditions. The simulator accurately produces aberrations that have the same statistics with the theoretical prediction. Analysis of the phase distortion due to turbulence is performed and a wavefront sensorless turbulence compensation method based on the FLC SLM gives significant reduction in calculated bit error rates. New scintillation index derivation for multiple optical beams is described and then used to demonstrate further decrease in bit error rates.

A medição de distâncias sempre foi uma das atividades mais básicas e importantes da engenharia. Existem diversas formas, métodos, equipamentos que são utilizados para se obter medidas com os mais variados graus de acurácia. Com o aumento da tecnologia, a determinação de distâncias em 3D tem-se tornado cada vez mais importante, favorecendo equipamentos de fácil manuseio e boa precisão. Em especial, a determinação da localização espacial vem ganhando ainda mais importância nas indústrias que estão começando a utilizar robôs não mais para o simples deslocamento de peças, mas para a execução de tarefas mais complexas, de controle mais sofisticado. O presente trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de um sistema a ser utilizado para a determinação de deslocamentos espaciais de um retro-refletor através de duas estações de rastreamento. Cada uma delas, composta basicamente por um sensor de quadrantes, um divisor de feixes e dois espelhos planos com eixos de rotação dispostos ortogonalmente entre si, emite um feixe laser contínuo direcionado ao retro-refletor. O feixe laser emitido por cada estação de rastreamento foi modelado como reta cuja equação é função essencialmente dos ângulos dos espelhos. Foram realizados dois experimentos visando a comparação entre os resultados obtidos com a utilização de motores de corrente continua e de galvanômetros para movimentação dos espelhos. No primeiro, a posição angular dos espelhos é conhecida através de encoders, no segundo, ela é determinada através de sinais emitidos pela placa controladora do galvanômetro. Finalmente, com o conhecimento da posição relativa entre as duas estações de rastreamento e do direcionamento dos feixes laser, a posição do retro-refletor no espaço é calculada por triangulação. / The measurement of distances has always been one of the most basic and important activities of engineering. It can be achieved in several ways and by many methods, and there is a variety of equipment that may be used to obtain measurements with different levels of accuracy. With technological development, the measurement of distances in 3D has become more and more common, favoring equipment with ease of handling and high precision. Specially, spatial positioning has become even more important in industries that are beginning to use robots not just to move pieces, but to perform more complex tasks, utilizing more sophisticated control techniques. The present work deals with the development of a two tracking station system to be used in the spatial displacement measurement of a retroreflector. Each one, consisting basically of a quadrant detector, a beam splitter, and two flat mirrors that can be rotated in orthogonal directions, emits a continuous laser beam directed to the retroreflector. The laser beam emitted by each of the tracking stations is considered a straight line the equation of which depends primary on the exact mirror angles. Two experiments, one using DC motors and the other galvanometers to drive the mirrors, were executed in other to compare the results. In the first, the angles are known through the use of encoders, and in the second, they are determined by signals generated in the galvanometer controllers (drives). Finally, with the knowledge of the tracking station positions and laser beam directions, the retroreflector space position can be calculated using triangulation.

A medição de distâncias sempre foi uma das atividades mais básicas e importantes da engenharia. Existem diversas formas, métodos, equipamentos que são utilizados para se obter medidas com os mais variados graus de acurácia. Com o aumento da tecnologia, a determinação de distâncias em 3D tem-se tornado cada vez mais importante, favorecendo equipamentos de fácil manuseio e boa precisão. Em especial, a determinação da localização espacial vem ganhando ainda mais importância nas indústrias que estão começando a utilizar robôs não mais para o simples deslocamento de peças, mas para a execução de tarefas mais complexas, de controle mais sofisticado. O presente trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de um sistema a ser utilizado para a determinação de deslocamentos espaciais de um retro-refletor através de duas estações de rastreamento. Cada uma delas, composta basicamente por um sensor de quadrantes, um divisor de feixes e dois espelhos planos com eixos de rotação dispostos ortogonalmente entre si, emite um feixe laser contínuo direcionado ao retro-refletor. O feixe laser emitido por cada estação de rastreamento foi modelado como reta cuja equação é função essencialmente dos ângulos dos espelhos. Foram realizados dois experimentos visando a comparação entre os resultados obtidos com a utilização de motores de corrente continua e de galvanômetros para movimentação dos espelhos. No primeiro, a posição angular dos espelhos é conhecida através de encoders, no segundo, ela é determinada através de sinais emitidos pela placa controladora do galvanômetro. Finalmente, com o conhecimento da posição relativa entre as duas estações de rastreamento e do direcionamento dos feixes laser, a posição do retro-refletor no espaço é calculada por triangulação. / The measurement of distances has always been one of the most basic and important activities of engineering. It can be achieved in several ways and by many methods, and there is a variety of equipment that may be used to obtain measurements with different levels of accuracy. With technological development, the measurement of distances in 3D has become more and more common, favoring equipment with ease of handling and high precision. Specially, spatial positioning has become even more important in industries that are beginning to use robots not just to move pieces, but to perform more complex tasks, utilizing more sophisticated control techniques. The present work deals with the development of a two tracking station system to be used in the spatial displacement measurement of a retroreflector. Each one, consisting basically of a quadrant detector, a beam splitter, and two flat mirrors that can be rotated in orthogonal directions, emits a continuous laser beam directed to the retroreflector. The laser beam emitted by each of the tracking stations is considered a straight line the equation of which depends primary on the exact mirror angles. Two experiments, one using DC motors and the other galvanometers to drive the mirrors, were executed in other to compare the results. In the first, the angles are known through the use of encoders, and in the second, they are determined by signals generated in the galvanometer controllers (drives). Finally, with the knowledge of the tracking station positions and laser beam directions, the retroreflector space position can be calculated using triangulation.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第24975号 / エネ博第471号 / 新制||エネ||88(附属図書館) / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー変換科学専攻 / (主査)教授 長﨑 百伸, 教授 田中 仁, 教授 稲垣 滋 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Energy Science / Kyoto University / DFAM