JP2007068108A - 光空間伝送装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な構成で高速に光受信装置の位置を特定することができ、かつ、装置を小型化することのできる光空間伝送装置を提供する。
【解決手段】光送信装置1は、電気信号を光信号に変換する発光素子2と、データ通信用の電気信号を発光素子2に適した形に変換して、発光素子2を駆動する送信回路3と、ハーフミラー4と、凹レンズ5と、凸レンズ6と、センサ7と、センサ7からの検知信号を処理して凹レンズ5と凸レンズ6とを制御する制御部8とで構成され、データ通信用の電気信号は、発光素子2で光信号に変換され、空間を介して光受信装置21へ送出される。光受信装置21は、空間伝送された光信号を受光素子22で受光し、電気信号に変換し、受信回路23から出力される。また、位置情報は、LED24から送出され、空間を介して、光送信装置1内のセンサ7で検知される。
【選択図】図1
【解決手段】光送信装置1は、電気信号を光信号に変換する発光素子2と、データ通信用の電気信号を発光素子2に適した形に変換して、発光素子2を駆動する送信回路3と、ハーフミラー4と、凹レンズ5と、凸レンズ6と、センサ7と、センサ7からの検知信号を処理して凹レンズ5と凸レンズ6とを制御する制御部8とで構成され、データ通信用の電気信号は、発光素子2で光信号に変換され、空間を介して光受信装置21へ送出される。光受信装置21は、空間伝送された光信号を受光素子22で受光し、電気信号に変換し、受信回路23から出力される。また、位置情報は、LED24から送出され、空間を介して、光送信装置1内のセンサ7で検知される。
【選択図】図1
Description
本発明は、光通信システムに関し、特には空間を媒体にして光信号を伝送する光空間伝送システムに関するものである。
一般に光空間伝送では、光の指向性を利用して、秘匿性に優れた通信が可能である。しかし、一方では、この指向性により通信エリアが限定されるため、光送信装置と光受信装置との間で光軸を一致させる必要がある。また、振動等により光軸がずれた場合、再度光軸を一致させなければならないという問題がある。
この問題を解決する光軸調整方法の1つとしては、例えば図16に示すものが挙げられる(特許文献1参照)。
図16に示すように、光送信装置101と光受信装置102との間で対向して通信を行う構成であり、光送信装置101は、送信回路103と、送信回路103からの電気信号を光信号に変換し、光信号の拡がり角度(以下、指向角)が狭い光信号を出射するデータ通信用発光素子104と、指向角が広い光信号を出射するサーチ用発光素子105とで構成されている。また、光受信装置102は、光送信装置101からの光信号を受光し、電気信号に変換する受光素子106と、変換された電気信号からデータ用電気信号を取り出すBPF107と、サーチ用電気信号を取り出すBPF108と、データ用電気信号を復調して出力する受信回路109と、サーチ用電気信号に応じたレベル表示信号を生成するレベル表示信号生成部110と、レベル表示信号生成部110からのレベル表示信号を表示する表示モニタ部111とで構成されている。
以下、動作を説明する。まず、サーチ用発光素子105から指向角の広い光信号を送信し、光受信装置102の受光素子106で受光する。このとき、表示モニタ部111でサーチ用電気信号に応じたレベル表示信号が表示される。例えば、光軸が一致していない場合、表示モニタ111では、小さいレベルが表示される。次に、表示モニタ111を見ながら、レベル表示が最大となるように、光送信装置101あるいは光受信装置102を手動で動かし、光軸を調整させる。最後に、レベル表示が最大になったときデータ用発光素子104からデータ信号を出力し、データ通信を開始する。したがって、ユーザーは光送信装置101あるいは光受信装置102を手動で動かし光軸を調整する必要があり、ユーザーにとって使い勝手が悪いという問題があった。また、光送信装置101と光受信装置102とが近距離に配置された場合、受光素子106で受光する光信号が許容値を超え、飽和してしまい、正常に通信することができないという問題があった。
これらの問題を解決する従来の光空間伝送装置は、図17に示すものが挙げられる(特許文献2参照)。光送信装置201と、光受信装置202とで対向して通信を行う構成であり、光受信装置202は、受光素子203と、受信回路204と、光受信装置202の位置情報を光送信装置201に知らせるLED205とで構成されている。また、光送信装置201は、送信回路206と、発光素子207と、ハーフミラー208と、指向角調整用レンズ209と、センサ210と、方向調整用駆動機構211と、指向角調整用制御部212と、方向調整用制御部213とで構成されており、光受信装置202からの位置情報をセンサ210で受信し、この情報を基に、指向角調整用レンズ209を光の進行方向に対して前後方向に移動させ、指向角を調整すると同時に、方向調整用制御部213からの制御信号により、方向調整用駆動機構211を上下左右方向に回転させ、方向を調整し、光受信装置202と光軸を一致させている。
特開平6−232818号公報
特公平6−83145号公報
しかしながら、従来の光空間伝送装置においては、光送信装置全体を動かす構成であるため、方向調整用制御部213に、大掛かりで大駆動の機械的な制御機構を設ける必要があり、光受信装置の位置を特定して、高速に光軸を一致させることが困難であった。また、方向調整用駆動機構211においても、光送信装置全体を動かす必要があるため、機械的な機構で構成する必要があり、装置が大型化するという問題があった。
本発明は、従来の問題を解決するためになされたもので、簡単な構成で高速に光受信装置の位置を特定することができ、かつ、装置を小型化することのできる光空間伝送装置を提供することを目的とする。
本発明の光空間伝送装置は、光信号を送信する光送信装置と、光信号を受信する光受信装置との間で光軸を調整して、光空間通信を行う光空間伝送システムであって、光受信装置は、光信号を電気信号に変換する光/電気変換手段と、光受信装置の位置情報を光送信装置に検知させる位置情報送信手段と、を備え、光送信装置は、電気信号を光信号に変換する電気/光変換手段と、電気/光変換手段の後段に配置され、光信号の拡がり角、および出射方向を調整する拡がり角・出射方向調整手段と、光受信装置からの位置情報を受信する位置情報受信手段と、位置情報受信手段からの位置情報を用いて、拡がり角・出射方向調整手段を制御する制御手段と、を備え、光受信装置の位置情報送信手段からの位置情報を光送信装置の位置情報受信手段にて検知し、この検知信号を基に、制御手段で拡がり角・出射方向調整手段の拡がり角、および出射方向を制御する構成を有している。
この構成により、簡単な構成で、高速に光受信装置の位置を特定することができ、かつ、装置を小型化することができる。
また、本発明の光空間伝送装置は、光受信装置の位置情報送信手段からの位置情報を光送信装置の位置情報受信手段にて検知できないとき、拡がり角・出射方向調整手段で拡がり角を広げ、位置情報受信手段で位置情報を検知するとともに、拡がり角・出射方向調整手段で位置情報方向に光信号の出射方向を調整し、光軸を一致させ、その後、拡がり角を狭くする制御を行う構成を有している。
この構成により、光受信装置のサーチ範囲を拡大することができ、さらに光軸を一致させることができる。
さらに、本発明の光空間伝送装置は、光受信装置の位置情報送信手段からの位置情報を光送信装置の位置情報受信手段で検知し、拡がり角・出射方向調整手段で光軸を一致させた後、位置情報の強度が大きい場合、拡がり角・出射方向調整手段で拡がり角を広げる制御を行う構成を有している。
この構成により、光送信装置と光受信装置とが近距離に配置された場合においても、光受信装置で光信号が飽和することなく、通信することができる。
さらに、本発明の光空間伝送装置の拡がり角・出射方向調整手段は、少なくとも2つのレンズで構成され、1つは拡がり角を調整する機能を有する第1のレンズで、もう1つは出射方向を調整する機能を有する第2のレンズで構成されている。
この構成により、拡がり角、および出射方向を簡単な構成で容易に調整することができる。
さらに、本発明の光空間伝送装置の拡がり角・出射方向調整手段は、電気/光変換手段、第1のレンズ、第2のレンズの順で配置される構成を有している。
この構成により、電気/光変換手段から出力された光信号を効率的に空間に送出することができる。
さらに、本発明の光空間伝送装置の第1のレンズは凹レンズで構成され、第2のレンズは凸レンズで構成されている。
この構成により、拡がり角・出射方向調整手段を簡単な構成で容易に作製することができる。
さらに、本発明の光空間伝送装置の拡がり角・出射方向調整手段は、1つのレンズで構成され、拡がり角は光信号の進行方向に対して前後に移動させて調整し、出射方向は光信号の進行方向に対して垂直面上を上下左右に移動させて調整する構成を有している。
この構成により、拡がり角、および出射方向を別の簡単な構成で容易に調整することができる。
さらに、本発明の光空間伝送装置の位置情報送信手段は、発光素子で構成され、ある特定の発光パターンで点滅させ、発光パターンから光受信装置の位置情報であることを位置情報受信手段で特定する構成を有している。
この構成により、光受信装置からの位置情報を精度よく特定することができる。
さらに、本発明の光空間伝送装置の位置情報送信手段は、少なくとも2つの発光素子で構成され、発光素子の数、配置関係から光受信装置の位置情報であることを位置情報受信手段で特定する構成を有している。
この構成により、光受信装置からの位置情報を画像情報から得ることができ、光受信装置から光送信装置へ位置情報を伝達するための付加的な構成が不要となる。
以上のように本発明は、発光素子の後段に拡がり角・出射方向調整手段を設け、光受信装置からの位置情報を基に、光信号の拡がり角、および光軸方向の調整を行うことにより、光受信装置を簡単な構成で高速に位置特定することができ、かつ、光送信装置と光受信装置とが近距離に配置された場合においても、拡がり角を広げる制御を行い、正常に通信を行うことができるという効果を有する光空間伝送装置を提供することができるものである。
以下、本発明の実施の形態の光空間伝送装置について、図面を用いて説明する。
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1の光空間伝送装置を図1に示す。
本発明の実施の形態1の光空間伝送装置を図1に示す。
図1において、光送信装置1は、電気信号を光信号に変換する発光素子2と、データ通信用の電気信号を発光素子2に適した形に変換して、発光素子2を駆動する送信回路3と、ハーフミラー4と、凹レンズ5と、凸レンズ6と、センサ7と、センサ7からの検知信号を処理して、凹レンズ5と、凸レンズ6とを制御する制御部8とで構成されている。
以上のように構成された光空間伝送装置について、図1から図8を用いてその動作を説明する。
まず、図1に示す光送信装置1の動作について説明する。図1において、データ通信用の電気信号は、送信回路3を介して、発光素子2で光信号401に変換される。出力された光信号401は、ハーフミラー4を透過し、凹レンズ5、凸レンズ6の順に介して、光送信装置1内から空間を介して光受信装置21(不図示)へ送出される。また、光受信装置21からの位置情報402は、凸レンズ6、凹レンズ5を順に介して、ハーフミラー4にて反射され、センサ7に入射される。センサ7は、例えば、2次元イメージセンサで構成され、画像認識させる。
センサ7から出力される検知信号は、制御部8に入力され、検知信号を基に凹レンズ5、および凸レンズ6の位置を制御する。
ここで、図2、および図3に凹レンズ5、および凸レンズ6の動作について示す。
図2において、凹レンズ5は、制御部8からの制御信号に応じて光信号401の進行方向(光軸方向)に対して前後方向に移動する動作を行う。一般に、凹レンズは光を広げる性質を有しており、中心から端に向かうにつれて、屈折率が高くなる。したがって、例えば、(a)に示すように発光素子2から遠い方向に移動させると、凹レンズ5の端に近いところまで光信号401が照射されるため、光信号401の指向角は広くなり、逆に、(b)に示すように発光素子2から近い方向に移動させると、光信号401の指向角は狭くなる動作を行う。
また、図3において、凸レンズ6は、制御部8からの制御信号に応じて光信号401の進行方向(光軸方向)に対して垂直な面上を上下左右方向に移動する動作を行う。一般に、凸レンズは光を集める性質を有しており、中心から端に向かうにつれて、屈折率が高くなる。したがって、例えば、(a)に示すように中心に対して上方向に移動させると、レンズの屈折率の差を利用して、光信号401の進行方向(光軸方向)を斜め上方向に変更することができる。また、逆に、(b)に示すように中心に対して下方向に移動させると、光信号401の進行方向(光軸方向)を斜め下方向に変更することができる。このようにして、凸レンズ6を光軸方向に対して垂直な面上を上下左右に移動させることにより、光信号401の進行方向を上下左右に調整することができる。
また、前後方向、および上下左右方向の制御機構については、電気信号を制御信号として高速微小動作が可能なMEMS、アクチュエータ等を用いることで実施可能である。
次に、光受信装置21のブロック図を図4に示す。また、図5に図4を左側から見た正面図を示す。図4において、光受信装置21は、受光素子22と、受信回路23と、LED24とで構成されている。
動作について説明する。光送信装置1から空間を介して伝送された光信号401は、受光素子22で受光され、電気信号に変換され、受信回路23から出力される。また、位置情報402は、LED24から送出され、空間を介して、光送信装置1内のセンサ7で検知される。
ここで、光受信装置21の位置特定の方法について、図6から図8を用いて説明する。図6は、フローチャート、図7は光送信装置1と光受信装置21との間で通信を行う光信号の動作説明図、図8は光送信装置1内のセンサ7で画像認識した画面を示している。この画面の中心が光軸を表している。なお、図7、図8の(a)から(d)までの状態は、図6のS1からS4の状態を示している。
まず、光送信装置1で光受信装置21の位置を検出できない場合(S1)を考える。この場合、図8(a)に示すように、画像認識した画面上では光受信装置21が見えないことがわかる。次に、凹レンズ5を光信号401の進行方向に対して発光素子2から遠い方向に移動させ、光信号401の指向角を広くする制御を行う。段階的に指向角を広げることで、4つのLED24からの位置情報402を検出する(S2)。ここでは、図8(b)に示すように、センサ7の画面上の右下に4つのLED24が発光する位置情報402を検知したとする。
次に、凸レンズ6を光信号401の進行方向に対して上下左右に移動させ、光信号401の光軸方向を調整し、光送信装置1と光受信装置21との光軸を一致させる(S3)。ここでは、図8(b)の状態から、凸レンズ6を右斜め下に移動させることで、図8(c)に示すように、センサ7の画面上の中心に移動させ、光軸を一致させる。
次に、再度、凹レンズ5を光信号401の進行方向に対して発光素子2から近い方向に移動させ、光信号401の指向角を狭くする制御を行う。4つのLED24の中心地点に光軸を一致させながら、徐々に指向角を狭くし、4つのLED24の大きさが図8(a)に示す規定値と一致するところで停止させる(S4)。その後、データ通信を開始する。
以上のように本発明の実施の形態1の光空間伝送装置によれば、発光素子の後段に凹レンズと、凸レンズとを設け、光受信装置からの位置情報を基に、光信号の指向角、および光軸方向の調整を行うことにより、簡単な構成で高速に光受信装置の位置を特定することができ、かつ、装置を小型化することができる。
なお、以上の説明では、光受信装置21の位置特定の方法として、画像認識させて、4つのLED24の中心に光軸を合わせる方法を用いた例について説明したが、例えば、図9、図10に示すように光受信装置21に受光素子22と、受信回路23と、1つのLED24とを設け、この1つのLED24に光軸を一致させる方法であっても同様に実施可能である。なお、図11に、この場合における図6のフローチャートに対応した図を示しておく。
また、以上の説明では、光受信装置21の位置特定の方法として、画像認識を用いて説明したが、その他の位置特定が可能な方法であれば、これに限定されない。
(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2の光空間伝送装置を図12に示す。
次に、本発明の実施の形態2の光空間伝送装置を図12に示す。
図12において、光送信装置1は、図1で示した実施の形態1の構成から送信用レンズと受信用レンズとをそれぞれ設ける。送信用レンズとして、第1の凹レンズ31と、第1の凸レンズ33を、受信用レンズとして、第2の凹レンズ32と、第2の凸レンズ34とを設ける。それ以外の構成は、図1と同様である。
第1の凹レンズ31と、第2の凹レンズ32とは、連結されており、制御部8からの制御信号に応じて、双方のレンズが連動して、光信号401の進行方向に対して前後移動する。第1の凸レンズ33と、第2の凸レンズ34も同様に連結されており、光信号401の進行方向に対して垂直な面上を上下左右に移動する。
また、光受信装置21は、例えば、図9、図10に示した構成のものとする。
動作に関して、実施の形態1と異なる点は、光信号401と位置情報402との光軸が一致していないことである。実施の形態1では、ハーフミラー4を用いて、光信号401と位置情報402とを合成、あるいは分離して光軸を一致させて伝送していたが、第2の実施の形態では、光軸を一致させていない。光信号401は、発光素子3から第1の凹レンズ31、第1の凸レンズ33を介して、光受信装置21の受光素子22で受光される。また、位置情報402は、光受信装置21のLED24から送出され、光送信装置1内の第2の凸レンズ34、第2の凹レンズ32を介して、センサ7で受光される。
以上のように本発明の実施の形態2の光空間伝送装置によれば、第1および第2の凹レンズと、第1および第2の凸レンズとを設けることで、別の簡易な構成で光受信装置を高速に位置特定することができ、かつ、装置を小型化することができる。さらに、光送信装置からの光信号401と、光受信装置からの位置情報402との光軸を一致させずに通信することができるため、光のクロストークを低減することができる。
(実施の形態3)
次に、本発明の実施の形態3の光空間伝送装置を図13に示す。
次に、本発明の実施の形態3の光空間伝送装置を図13に示す。
実施の形態3に関しては、光送信装置1と光受信装置21とが近距離に配置された場合についての制御方法に関して説明する。構成は、実施の形態2と同様である。
動作に関して、図13および図14を用いて説明する。なお、図13および図14の(a)から(c)は、図6のフローチャートのS2からS4に対応している。
まず、光送信装置1と光受信装置21とが近距離に配置され、位置情報を検知した場合(S2)、その後、光軸を一致させる動作を行う(S3)。
次に、近距離に配置された場合には、光受信装置21内の受光素子22は、センサ7の画面上にて大きく表示される。したがって、位置情報402の大きさが規定値になるように、第1および第2の凹レンズ31、32を移動させ、指向角が広くなるように制御し、位置情報402を規定値と一致させる(S4)。
以上のように本発明の実施の形態3の光空間伝送装置によれば、光送信装置と光受信装置とが近距離に配置された場合、光軸一致の動作後、指向角を広げる制御を行うことにより、近距離に配置された場合においても、正常に通信を行うことができる。
なお、実施の形態2および3の説明では、第1および第2の凹レンズ31、32と、第1および第2の凸レンズ33、34とを用いて指向角、および方向を調整する構成について説明したが、図15に示すように光信号401と、位置情報402の光軸をカバーする大きさのレンズを用いた構成においても同様に実施可能である。
また、実施の形態1から3の説明では、指向角、および方向を制御する方法として2つまたは4つのレンズを用いて説明したが、1つのレンズで、光軸に対して前後移動、および光軸に対して垂直な面を上下左右移動し、指向角、および方向を制御する構成においても同様に実施可能であり、レンズの数に限定されるものではない。
また、実施の形態1ないし3の説明では、指向角・出射方向調整手段として、レンズを用いた例について説明したが、その他のプリズム等であっても同様に実施可能である。
また、実施の形態1から3の説明では、指向角調整用レンズに凹レンズ5を用いた例について説明したが、その他の指向角を調整する機能を有するデバイスにおいても同様に実施可能である。
また、実施の形態1から3の説明では、出射方向調整用レンズとして凸レンズ6を用いた例について説明したが、その他の出射方向を調整する機能を有するデバイスにおいても同様に実施可能である。
また、実施の形態1から3の説明では、位置情報送信手段として、LEDを1つ、または4つ用いて点灯させることで、光受信装置の位置情報として特定した例について説明したが、ある発光パターンの点滅等(例えば、2値のデジタル信号で「101110」と点滅する発光パターン)をセンサで検出して、光受信装置の位置情報として特定する場合であっても同様に実施可能である。また、LEDの数に限定されるものでもない。
また、実施の形態1から3の説明では、位置情報送信手段としてLEDを用いた例について説明したが、その他のレーザダイオード、VCSEL等の光源であっても同様に実施可能である。
本発明は、光通信システムに関し、特には空間を媒体にして光信号を伝送する等において有用である。
1 光送信装置
2 発光素子
3 送信回路
4 ハーフミラー
5 凹レンズ
6 凸レンズ
7 センサ
8 制御部
21 光受信装置
22 受光素子
23 受信回路
24 LED
31 第1の凹レンズ
32 第2の凹レンズ
33 第1の凸レンズ
34 第2の凸レンズ
401 光信号
402 位置情報
2 発光素子
3 送信回路
4 ハーフミラー
5 凹レンズ
6 凸レンズ
7 センサ
8 制御部
21 光受信装置
22 受光素子
23 受信回路
24 LED
31 第1の凹レンズ
32 第2の凹レンズ
33 第1の凸レンズ
34 第2の凸レンズ
401 光信号
402 位置情報
Claims (10)
- 光信号を送信する光送信装置と、光信号を受信する光受信装置との間で光軸を調整して、光空間通信を行う光空間伝送システムであって、
前記光受信装置は、光信号を電気信号に変換する光/電気変換手段と、
前記光受信装置の位置情報を前記光送信装置に検知させる位置情報送信手段と、
を備え、
前記光送信装置は、電気信号を光信号に変換する電気/光変換手段と、
前記電気/光変換手段の後段に配置され、光信号の拡がり角、および出射方向を調整する拡がり角・出射方向調整手段と、
前記光受信装置からの位置情報を受信する位置情報受信手段と、
前記位置情報受信手段からの位置情報を用いて、前記拡がり角・出射方向調整手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記光受信装置の前記位置情報送信手段からの位置情報を前記光送信装置の前記位置情報受信手段にて検知し、この検知信号を基に、前記制御手段で前記拡がり角・出射方向調整手段の拡がり角、および出射方向を制御する光空間伝送装置。 - 前記光受信装置の前記位置情報送信手段からの位置情報を前記光送信装置の前記位置情報受信手段にて検知できないとき、前記拡がり角・出射方向調整手段で拡がり角を広げ、前記位置情報受信手段で位置情報を検知するとともに、前記拡がり角・出射方向調整手段で位置情報方向に光信号の出射方向を調整し、光軸を一致させ、その後、拡がり角を狭くする制御を行う請求項1記載の光空間伝送装置。
- 前記光受信装置の前記位置情報送信手段からの位置情報を前記光送信装置の前記位置情報受信手段で検知し、前記拡がり角・出射方向調整手段で光軸を一致させた後、前記位置情報の強度が大きい場合、前記拡がり角・出射方向調整手段で拡がり角を広げる制御を行う請求項1記載の光空間伝送装置。
- 前記拡がり角・出射方向調整手段は、少なくとも2つのレンズで構成され、1つは拡がり角を調整する機能を有する第1のレンズで、もう1つは出射方向を調整する機能を有する第2のレンズで構成される請求項1〜3いずれかに記載の光空間伝送装置。
- 前記拡がり角・出射方向調整手段は、前記電気/光変換手段の後段に、前記第1のレンズ、前記第2のレンズの順で配置される請求項4記載の光空間伝送装置。
- 前記第1のレンズは、凹レンズである請求項4または5記載の光空間伝送装置。
- 前記第2のレンズは、凸レンズである請求項4または5記載の光空間伝送装置。
- 前記拡がり角・出射方向調整手段は、1つのレンズで構成され、拡がり角は光信号の進行方向に対して前後に移動させて調整し、出射方向は光信号の進行方向に対して垂直面上を上下左右に移動させて調整する請求項1〜3いずれかに記載の光空間伝送装置。
- 前記位置情報送信手段は、発光素子で構成され、ある特定の発光パターンで点滅させ、前記発光パターンから前記光受信装置の位置情報であることを前記位置情報受信手段で特定する請求項1〜3いずれかに記載の光空間伝送装置。
- 前記位置情報送信手段は、少なくとも2つの発光素子で構成され、前記発光素子の数、配置関係から前記光受信装置の位置情報であることを前記位置情報受信手段で特定する請求項1〜3のいずれか記載の光空間伝送装置。
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---|---|---|---|
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