JP2008514146A - 間接的自由空間光通信システムおよび高速データの広帯域による伝送方法 - Google Patents

Abstract

輸送手段（飛行機）において、高速データを広帯域で伝送する間接的自由空間光通信システムは、変調可能な光源を有する送信機（１１，１２）と、光検出器（４３）を備え、送信機（１１，１２）から放射される光を受信して、電気信号に変換する受信機（５ａ，５ｂ，７ａ，７ｂ）とを有する。送信機（１１，１２）と受信機とは、少なくとも一つの共通の平面（８ａ，８ｂ）に向くように設けられ、前記共通の平面は、送信機（１１，１２）から放射される光を、この光が前記受信機に到達する前に反射する。このとき自由空間通信システムは、セルを有して構成され、複数のセル（Ｚ１，Ｚ２）を有し、前記セルはそれぞれ、少なくとも一つの送信機と、対応する少なくとも一つの受信機とを有し、前記セル（Ｚ１，Ｚ２）の形成は、それぞれ隣接するセルに対する漏話が防止され、それぞれ独立している。

Description

本発明は、請求項１のおいて書き部分に記載の、高速データを広帯域で伝送するための、間接的自由空間光通信システムと、請求項１３のおいて書き部分に記載の、高速データを広帯域で伝送するための方法、に関するものである。

コンピュータとその他の技術システムとの間で行われる通信は、オフィスやコンピュータ室において重要であるだけでなく、輸送手段の内部でもその重要性を増しつつある。輸送手段においてもデータ通信の重要性が増大する傾向にあるためである。バス、列車、飛行機、船舶空間などの比較的大きな輸送手段には、ディスプレイ、ヘッドホン端末、入力装置もしくは受信装置、あるいはデータステーションなどが装備されている。これらの装備によって、乗客は乗車中に会話をしたり、情報を得たりできるし、乗務員は、データを中央データステーションとやり取りする、などのことができる。このようにデータ通信を応用する場合、一部ではきわめて大きな容量のデータが、多くの場合に中央データ記憶装置もしくは送信装置から、一つまたは複数のデータ受信装置に伝送され、またその逆の伝送が行われる。

データの伝送は、アナログまたはデジタルで行われ、たとえば送信装置と受信装置とをケーブルで接続して行われる。

まず、すべての端末装置にケーブルを装備する必要がある。すなわち、内部空間にある、すべての受信装置／送信装置もしくはすべてのデータステーションには、対応するプラグを設けなければならない。そして、ケーブルは、接続箇所において、対応するコネクタを備えていなくてはならない。このような状況において、受信装置／送信装置の移動の自由は限定的なものでしかなく、さらに、相応に規格化されたコネクタを必要とする。また、可能な受信装置の数は、ケーブルに設けられたプラグの数、あるいは、ケーブルの数によってあらかじめ規定されている。データステーションの場所も、所定の空間配置によって限定されている。これらの点は、受信装置の数と場所があらかじめ決まっておらず、柔軟に対応しなければならないような場合に、特に問題となる。非常に多くのケーブルやコネクタを有する装備は、高価であるとともに故障しやすい。

ケーブルはまた、電磁放射線による妨害（ＥＭＶ）にさらされている。特にアナログ信号を伝送する際に、品質への悪影響が強くなるが、デジタル伝送の場合にも障害が発生する。この問題は、特に輸送手段において扱いにくいものである。その理由は、移動する乗り物においては、固定された建物の場合と異なり、伝送経路において、環境と放射線を一定に保つことができないので、移動中には、せいぜいシールドをきわめて大きくすることによって、放射線を軽減することしかできない。しかしながら、このようにシールドを大きくしたケーブルは、重く、高価で、動かしにくい。さらに、輸送手段自体が、電磁気による汚染や電磁放射線による妨害（ＥＭＶ）を引き起こすものであり、これらの障害を遮断するのは困難である。

さらに、ケーブルは放射線にさらされるだけでなく、みずからも放射線を発する。このため、輸送手段内部のほかの電子工学システムに対して、または、たまたま近くにとどまっているほかの輸送手段に関しても、同様に、ＥＭＶ（電磁障害）が発生する。また、このようなシステムは傍受可能である。

ケーブルの帯域が限定されているために、伝送可能なデータ転送速度が限られているという点も、さらなる不利点である。データ転送速度が高くなるほど、減衰や分散といった理由から、当該データを、電気的な接続を介して伝送することは困難になり、ＥＭＶ（電磁障害）やシールドの問題もさらに増大する。

ＥＭＶ（電磁障害）の問題を克服するために、光導波路を介して、変調された光信号を用いて、データの伝送を行う試みがなされている。このとき、光源は振幅変調されていることが多いが、周波数変調や位相変調も可能である。送信源の光は、ケーブルに替わる、ガラスまたはプラスチックの光導波路を介して、受信装置に伝送される。受信装置は、光信号を電気信号に変換するための光検出器を有している。このようにすると、きわめて高いデータ転送速度を実現することができ、ＥＭＶ（電磁障害）も解消される。

しかしながら、内部空間において接続すべきステーションが、数と場所の点で柔軟性を欠くという問題は依然として存在する。特に、光導波路とプラグ式コネクタのためのコストは、電気的接続に比べて、一般に高価であり、敷設も、より困難である。あとから接続されるステーションに対して、開放型のプラグ式コネクタを取り付けるのも、困難であったり、高いコストを払わなければできない。

ケーブルを敷設する問題を解決するために、無線通信の分野で従来から知られているような、ワイヤレス通信システムを用いる試みがなされている。ラジオや無線機による通信と同様に、あらゆる種類のデータは無線で伝送することができるが、その場合、可能なデータ転送速度は、使用される電磁波の周波数に依存する。最近では、ギガヘルツ領域の周波数を有する小型マイクロ波受信器で、数メガバイト／秒の領域のデータ通信が可能である。無線通信を用いる場合の不利点は、原理的にデータ転送速度が限定されていることであり、電磁障害となる放射線に曝されたり、輸送手段のほかのシステムにそのような放射線を発したりする問題や、傍受に対する安全性の問題も依然として存在する。飛行機や船舶など、世界の異なる国々で使用されることを主とする輸送手段の場合は、さらに、使用される周波数帯域や変調の種類に対する地域的な法的規制に留意しなければならない。このような規制によって、自由に使用できる周波数帯域の選択が著しく制限され、周波数帯域の国際的な使用を複雑にしている。

前記のものに替わる別の解決法として、ワイヤレスではあるが、光によるデータ伝送システムがある。この方法では、データによって変調された光線が、直接的に空間内に放射され、光検出器によって受信される（たとえばＩｒＤＡ規格：赤外線データ通信機能標準化協会による規格）。この方法はたとえばモバイルコンピュータと、プリンタとの間のデータの転送に関して用いられるが、この方法の不利点は、受信機と送信機との間で相互視認性が行われなければならないことであり、受信機と送信機との距離は、比較的小さくなければならない、すなわち典型的には１−２ｍより小さくなければならないことである。光線は、受信機の一定の角度領域内であって、典型的に＋／−１５°の範囲になければならず、受信機に対して、直接的視認性を有している必要がある。

散乱赤外線を用いた、赤外線データ送信システムは、相当大きな距離範囲および受光角を有し、オフィス空間におけるコンピュータを接続するのに適している。このような赤外線データ送信システムは、たとえば非特許文献１に記載されている。

さらに別のシステムが特許文献１に記載されている。この種のシステムは、すでに、数メガバイト／秒からおよそ１００メガバイト／秒の範囲の大きな帯域と、何メートルもの無線通信距離を可能にし、しかも、散乱光を用いて光線の方向づけを行う必要がなく、帯域は主に、多重反射の際に生じる複数値（マルチパス伝搬）によって画定されている。

図１は、高速データを広帯域で伝送するための、このように知られた自由空間光通信システムを示す。この通信システムは、変調可能な光源を有する送信機１と、送信機１から放出される光を受信し、電気信号に変換するために、光検出器を有する少なくとも一つの受信機５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄと、を有してなり、送信機１と、受信機５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄとは、送信機１から放出される光が、平面７において散乱または反射された後に、輸送手段内部で、受信機５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄによって検出可能および／あるいは検出されるように、形成されている。平面７は、輸送手段の内部もしくは内部空間、たとえば天井８に設けられている。光源としては、一つまたは複数のＬＥＤ（発光ダイオード）、レーザーダイオード、端面発光型レーザーダイオード、および／あるいは、ＶＣＳＥＬ（垂直共振器表面発光ダイオード）レーザーが用いられ、送信機と、受信機との間で、双方向の通信が実現可能である。

より自由に応用がきくという理由から、双方向通信を優先的に用いるべきである。したがって、以下において、送信機について述べる場合、それはたとえば特に、輸送手段の車体に固定されている送信機または送受信機を意味しており、データステーションという場合は、特に使用者に対向している、すなわち、たとえば乗客の座席、もしくは、このような座席に連結されたマルチメディアユニット、たとえば手持型機器、に取り付けられている受信機または送受信機を意味している。したがって、これらの区別が可能となるように、以下においては、単に分配器とデータステーションについて述べる。
独国特許発明第１０１０７５３８号明細書 F.R．グフェラー（F.R.Gfeller）、Ｕ．バプスト（U. Bapst）、アメリカ電気電子技術者協会会報、（Proceedings of the IEEE)、１９７９年１１月、第６７巻

本発明の課題は、知られている自由空間光通信システムを改良し、帯域を高めることである。特に、飛行機や自動車などの輸送手段の内部において、全体としてギガバイト／秒、あるいはそれ以上の領域の高速データを伝送することを課題とする。

前記の課題は、請求項１に記載の、高速データを広帯域で伝送するための、自由空間光通信システムと、請求項１３に記載の、高速データを広帯域で伝送するための方法によって、解決される。本発明のその他の好適な特徴や局面や詳細は、従属請求項、明細書および図面に記載されている。

本発明に係る、間接自由空間光通信システムは、高速データを広帯域で伝送するために用いられ、変調可能な光源を有する送信機と、光検出器を有する受信機と、を備え、それによって、送信機から放出される光を受信し、電気信号に変換する。送信機と、受信機とは、少なくとも一つの共通の平面に向けられており、この共通の平面は、送信機から放出される光を、受信機に到達する前に反射し、前記フリースペース通信システムは、セル方式に形成されており、複数のセルを有する。これらのセルはそれぞれ、少なくとも一つの送信機と、少なくとも一つの受信機を有し、セルは、それぞれに隣接するセルに対する混信が防止されるように形成されており、それによって、セルは互いに独立している。

前記通信システムによって、ギガバイト／秒、あるいはそれ以上の領域の高速データが、一つの送信機から複数の受信機（単方向）に、もしくは、一つの送信機から複数の分配された受信機（単方向広帯域）に、あるいは、送受信機の間で（双方向）光によって伝送可能である。このシステムは、輸送手段または自動車の内部に適用可能であり、コストを減少させ、帯域を増大させた状態で、高速データの伝送を確実に行う。

特に、前記通信システムによって、自動車、飛行機、列車、船舶、衛星などの輸送手段において、高い転送速度を有するデータを簡単な方法で転送できる。しかも、受信機と送信機との間に、直接的な相互視認性がある必要がなく、受信機と送信機との間で、データを伝送するためのケーブルを敷設する必要がない。本発明により、さらに、電磁放射線による妨害（ＥＭＶ）の問題が克服され、さらに、盗聴に対する安全性も保証される。

本発明により、たとえば座席の列の間に、二つまたは複数の通路を有する飛行機において、複数の送信機に対して受信機が配設されている場合、これらの送信機は、たがいに独立して、たとえばおよそ１００メガバイト／秒の広帯域全体を使用できる。これは、すでに全体として使用可能な帯域の２倍に相当する。このようにして、通信システムの同一の物理的な媒体に基づいた、二つあるいはそれ以上の「セル」が実現される。これらのセルは、照明の位置を比較的良好に確定できるために、混信がない。この点は、本発明の場合に用いられる、光の領域においてのみ可能である。無線波の場合であれば、周波数が比較的小さいと、伝播の方向づけがしにくくなるため、このように明確に画定することは不可能であると思われるためである。

分配器もしくは送信機、および、データステーションもしくは受信機が配列されている平面は、データ伝送が行われる輸送手段の内部空間に設けられているのが好適である。好適には、自動車、飛行機、列車、船舶、人工衛星などである。それによって、データの伝送を、可動システムにおいて、特に簡単に行うことができる。コストは減少し、快適性は増大する。受信機の場所に関して、まったく制限がないか、もしくは、あってもわずかな制限にすぎないからである。

それぞれの送信機の光線を形成するための手段、および／あるいはそれぞれの受信機の受信開口角度を限定するための手段が好適に設けられ、混信が防止される。このようにして、光線の伝搬は、好適に、空間的に限定された照明が生じるように形成される。このとき、たとえば、マルチパス伝搬が行われるために、データ伝送速度がおよそ１００メガバイト／秒に限定されている点にも留意される。

間接的自由空間光通信システムは、以下のように形成されるのが好適である。すなわち、共通の平面の反射領域または散乱領域が、隣接するセル内で、互いに重ならないように形成される。このようにして、飛行機、あるいは一般に輸送手段において、通路に沿って、独立した通信セルを実現することができる。

たとえば通路が二つある飛行機において、両通路の天井パネルは、独立した受信機または送受信機によって照明され、それによって、両通路の送信機および受信機の、照明された平面、もしくは、受信機の視野にある平面が、重ならないようになっている。

特に、たとえば飛行機の、同じ通路に沿った領域を別個に照明し、それによって、それぞれ一つの領域の、異なる分配器およびデータステーションの、互いに隣接する共通の平面が、その他の領域の、異なる分配器およびデータステーションの、互いに隣接する共通の平面と、重ならず、互いに独立して通信できるようにし、それによって、一つの通路に沿って、異なって独立し、かつ、混線のない通信セルが生じる。照明された平面の画定は、送信レンズおよび受信レンズを好適に選択するか、あるいは、光学的に非透過性の光線絞りを用いて遮光することにより、互いに独立して照明されている平面の境界において行われる。

したがって好適に一つまたは複数の遮光素子が設けられる。これらの遮光素子は、セルの共通の平面から反射される光を、別のセルに属する受信機に対して遮光するために、用いられる。

隣接するセルの光源は、特に好適に、異なる波長を有している。これによって、照明された平面および／あるいは受信機の視野にある平面は、場合によっては、その境界がわずかに重なる。光の異なる波長とは、たとえば８１０ｎｍと、９６０ｎｍであり、これらは受信機に設けられた単一フィルターを介して、特に簡単に分離することができる。したがって、送信側においては、相応の光源、好適には、前記二つの波長領域のＬＥＤあるいはレーザーが用いられる。

異なる手段を互いに組み合わせることが、特に好ましい。これにより、以下のような有利点が得られる。

たとえば飛行機の二つの通路は、中央領域に荷物置き場があるために、境界領域に遮光が起こり、それによって光のガイドを介して、独立した通信セルとして、分離されているが、通路に沿っては、異なる波長を有するセルがわずかに重なるという状態が実現する。このように、視野の照明／調整は、好適に以下のように行われる。つまり、境界を接するセルの境界領域において、重なりが生じる可能性はあるが（必ずしも必要ではない）、その次の次のセルとは重なり合わないのである。こうして、一つの通路に沿って、二つの異なる波長Ｌ１およびＬ２のみが使用され、これらの波長は、たとえばＬ１−Ｌ２−Ｌ１−Ｌ２−Ｌ１−Ｌ２のように交互に設けられる。その結果、装備のコストは、必要とされる波長の数を二つに限定することによって少なくなり、特にそれほど厳密にフィルタリングする必要がない一方で、波長を交互に用いることによって、ほとんど任意の大きさのデータ転送速度を実現することができる。

すなわち、セルは好適に列をなして設けられており、光の波長は、境界を接するセルにおいて交互に現れる。

しかしながらセルは空間的に互いに分離されているのも好適である。セルの平面は、特に、壁あるいはデータが転送される空間の内部に設けられた対象物の表面である。

それぞれの送信機の光源は、たとえば一つあるいは複数のＬＥＤ（発光ダイオード），レーザーダイオード、端面発光型レーザーダイオード、および／あるいはＶＣＳＥＬ（垂直共振器表面発光ダイオード）レーザーを有する。

それぞれの受信機は、たとえば光源を有し、それぞれの送信機は、たとえば光検出器を有し、それによって、双方向通信を行う。作動中は、一つのセルの単一の送信機が、多数の受信機に対して、同一あるいは異なるデータを供給することができる。

本発明の別の観点によれば、以下の工程を備えた、高速データを間接的に光によって伝送する方法が提起される。すなわち、光源を用いて光を発生させ、その光を、伝送すべきデータの周波数で変調する工程と、変調された光を平面に向かって送信し、その平面が光を反射および／あるいは散乱する工程と、前記平面によって散乱および／あるいは反射された光を受信し、それによって、光が間接的な経路で、光源から受信機に到達する工程と、変調された光を電気信号に変換し、光の送信と受信が、複数の互いに独立したセルにおいて行われ、これらのセルがそれぞれ少なくとも一つの送信機と、少なくとも一つの受信機と、を備え、それぞれ隣接するセルに対する混信が、能動的に回避される工程と、を備えた、高速データを間接的に光によって伝送する方法である。

本発明に係るシステムに関して、前記された有利点は、本発明に係る方法にも当てはまり、また、本発明に係る方法に関して、前記された有利点は、本発明に係るシステムにも当てはまる。

好適に、一つのセルの受信機から放射された光は、その発射角が限定されており、別のセルの受信機に到達しないようになっている。

また、たとえば一つのセルの、それぞれの受信機の受信開口角を限定し、隣接するセルの光源からの光が、受信機に到達しないようにすることもできる。

特に、一つのセルの平面から反射された光を、別のセルに属する受信機に対して、遮光することができる。

隣接するセルにおいては、好適に、異なる波長の光が用いられる。

以下に、図面に基づいて、例を挙げながら、本発明を詳細に説明する。図面に示すのは以下のとおりである。

図１は、本発明によって改良される、知られた自由空間光通信システムの概略断面図である。このシステムは、特許文献1に詳細に記載されている。

「分配器」あるいは送信機１は、輸送手段の、たとえばホルダ１７に固定され、この送信機から放射される光が、輸送手段の天井８の、離れたところにある平面７を照射するように設置されている。この場合、輸送手段とは、飛行機、自動車、列車、バス、鉄道、衛星などである。分配器１から離れて、データステーション５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，４０および対応するマルチメディアステーション４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが設置されている。これらは、平面７によって反射または散乱される光を受信する。このようにして、光は間接的な経路で、分配器１からデータステーションに到達するが、斜線を施した領域が分配器１から放射される光を表し、異なる向きの斜線を施した領域６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが、それぞれのデータステーションの受信領域を表している。図１において、斜線が交差して重なった部分は、分配器１から発信される光であって、データステーション５ａ−５ｄ，４０のそれぞれの受信領域６ａ−６ｄにおいて、これらのデータステーションに到達する光を表わしている。光が平面７において散乱することによって、分配器１とデータステーション５ａ−５ｄ，４０との間に、直接的な相互視認性がある必要がなくなる。すなわち、分配器１とデータステーション５ａ−５ｄ，４０との間に、障害があることすら可能である。本図において番号３ａ−３ｅで示されるのは座席である。

図１に示す知られた自由空間通信システムは、知られているシステムを改良している本発明の好適な実施の形態の部分をなす。

平面７は、たとえば輸送手段の内張りの一部であってよい。たとえば自動車の天井張りまたはドアの側面張り、天井の柱張り、あるいは赤外線を反射する窓の面などである。さらに、平面７としては、たとえば飛行機または列車において、天井、床、側壁、内部空間の内張り部などが考えられる。一般的に表現すると、光源を用いて放射でき、当たった光線の少なくとも一部を反射あるいは散乱するあらゆる平面が好適である。

滞在空間や輸送手段には、本発明に係るやり方で、自由空間光通信システムの部分として使用可能な平面が多数設けられている。しかしながら、光線を反射させるために構造化された表面を有してなる、特殊な反射素子または散乱素子を、システムの部分として設けることも可能である。

双方向通信の場合、データステーション５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，４０には、送信ユニットも組み込まれている。したがって領域６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄは、データステーションに組み込まれた送信ユニットの対応するビーム角でもある。データステーションの受信機と送信機の二つのビーム角は同一である必要はない。二つのビーム角が同一でない場合、伝送方向の区別はプロトコルによって行われる。しかしながら、データステーションの受信機と送信機の二つのビーム角は、図１に示す基本的な図では、単純に表すために区別されていない。

さらに別の座席３ｅには、ポータブルコンピュータまたは手持型機器４０が設けられている。この機器は、データステーションとして形成されているか、もしくは、平面７を介して行う通信のための、本発明に係る入力ユニットおよび／あるいは送信ユニットを有している。

分配器１は、本発明の好適な実施の形態によれば、光源としての、一つあるいは複数のＬＥＤ（発光ダイオード），端面発光型レーザーダイオード、レーザーダイオード、あるいは、ＶＣＳＥＬ（垂直共振器表面発光ダイオード）レーザーダイオードからなる。このとき、光源の出力は、下方に対して、次のような理由から制限されている。すなわち、輸送手段の幾何学的な所与条件、および、内部の表面の反射率に応じて、十分な光量が反射を介して、データステーションに到達できるためである。分配器１の光源の出力は、上方に関しては、目に対する安全性の限界によって制限されている。すなわち、本発明では、作動中に目に損傷をこうむることはない。輸送手段の特殊な実施の形態に応じて、それぞれ相応の低い出力で作動させることができる。

しかしながら、従来の、近赤外領域における、すなわち、大概、１μｍより小さい波長を有するＬＥＤ（発光ダイオード）あるいはＶＣＳＥＬ（垂直共振器表面発光ダイオード）レーザーダイオードの必要な出力が、法律で規定された限度よりも高い場合は、網膜の許容範囲に関して、損傷限度がはるかに高い波長において、たとえば１．５５μｍにおいて、光線を放射する、ＬＥＤ（発光ダイオード）あるいはＶＣＳＥＬ（垂直共振器表面発光ダイオード）レーザーダイオードを使用することができる。

分配器１は、ホルダ１７を用いて輸送手段に取り付けられており、飛行機においては、たとえば機体の長手方向に光線を放射するため、通路に沿って、一つまたは複数の天井パネル８を照明する。分配器はまた、機体に対して横断方向に取り付けることもできる。その場合、分配器は、単一の天井パネルの天井ラックの間を照明するか、あるいは、任意の角度をなすようにヘッドラックの間に設けられ、相応に斜めの照明特性を有する。分配器は、たとえばキャビンの照明装置と共に、共通のケーシングに収納することもできる。キャビンの照明手段として照明ダイオードを用いる場合には、このような収納は特に好適であろう。

少なくともデータステーション５ａ−５ｄもしくは手持型機器４０、あるいは分配器１に設けられている受信機は、一つあるいは複数の光検出器からなり、これらの光検出器の平面は、容量によって、そのために可能なデータ伝送速度によって、画定されている。下方に対しての画定は、感受性によって決められている。輸送手段の内部における反射を介して、検出器に到達する光線を検出するために、検出器面は概ね、少なくとも数ｍｍ^２の大きさを有する。

ＬＥＤ（発光ダイオード）を用いると、発散が大きいために、反射する面あるいは、輸送手段の内壁の広い面積を照射することができるが、この場合、出力には限りがある。場合によって、比較的高い出力を発生させるために、複数のＬＥＤが用いられる。

ＶＣＳＥＬは、構成の大きさが小さく、特に廉価に製造可能であり、はるかに高い効率で、はるかに大きな出力を発生させることができる。すなわち、５Ｖより小さい電圧で、わずかな電流、典型的には１０−２０ｍＡより小さい電流が生じる。しかしながら、このようなＶＣＳＥＬの放射特性は、はるかに収束的であり、発散は、典型的に数度の範囲にある。さらにＶＣＳＥＬは、電圧が小さく、電流がきわめてわずかであるために、電子工学的なドライバ素子もしくは標準型ＴＴＬドライバによって直接的に制御することができる。このような制御は、場合によっては分圧器を用いて行われる。これにより、非常に簡単に電流が供給され、ＶＣＳＥＬ素子の容量が小さいこととあいまって、きわめて大きなデータ伝送速度が実現できる。その速度はたとえば、１ギガバイト／秒よりも大きい。

図２は二つの通路６１および６２として空間的に分離された領域を有してなる、本発明に係る配置を示す。これらの領域がセルＺ１，Ｚ２を形成している。二つのセルＺ１，Ｚ２に属する構成要素は以下のように表される。５ａ，５ｂは通路６１のデータステーションを表し、関連番号７ａ，７ｂは通路６２のデータステーションを表している。通路６１には、分配器１１が、送信機または送受信機として配設されている。通路６２には、別の分配器１２が、送信機または送受信機として配設されている。通路６１に対する分配器１１もしくは送信機と、対応する受信機もしくはデータステーション５ａ，５ｂは、共通の平面８ａを向くように配置されている。通路６２に対する分配器１２と、対応する受信機もしくはデータステーション７ａ，７ｂは、共通の平面８ｂを向くように配置されている。

データステーション５ａ，５ｂおよび７ａ，７ｂは、それぞれ視野もしくは受信角９ａ，９ｂもしくは１０ａ，１０ｂを有する。本図では、視野もしくは受信角は、同時に送信機の個々の放射特性に対応する。受信機は場合によっては、データステーション５ａ，５ｂ，７ａ，７ｂに設けられている。

分配器１１，１２は、それぞれ放射特性１１ａもしくは１２ａを有し、これらの放射特性は同時に、場合によっては、分配器１１，１２に設けられている受信機の視野に対応している。

データステーション５ａ，５ｂおよび７ａ，７ｂは、それぞれ座席３ａ，３ｂもしくは１３ａ，１３ｂに取り付けられており、座席３ａ，３ｂのグループは通路６１に属し、座席１３ａ，１３ｂのグループは通路６２に属している。

二つの通信セルは互いに独立しており、混信することはありえない。その理由は、中央の荷物置き場３０によって、通路６１の素子に対する共通の平面８ａは遮光され、逆に通路６２の素子に対する平面８ｂは遮蔽されるためである。

このように通信網の二つのセルが成立する。これらのセルは二つの通路６１および６２に対応し、独立しており、互いに混信することなく作動させることができる。

前記の手段を講じることで、単一のシステムに対して、伝送されるデータの速度は、全体で２倍になる。

図３は本発明に係るさらに別の好適な実施の形態を示すものである。この場合は、通路６１もしくは６２に沿って、複数の独立したセルがあって、作動される。このようにして、さらにはるかに大きなデータ伝送速度を実現することができる。たとえば、きわめて多くのデータステーションを備えた輸送手段、特に座席数の非常に多い飛行機などでは、大きなデータ伝送速度が必要である。

図３に示す例では、座席３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは第１のセルＺ１に対して設けられ、座席１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは第２のセルＺ２に対して設けられている。このとき、混線は、以下のようにして回避される。すなわち、個々のセルＺ１，Ｚ２の照明された平面を十分に分離し、それによって、座席１４ａ−１４ｄの領域の視野は、セルＺ１の照明された領域を見ることがなく、またその逆も成り立つ。

別の解決は、分配器のレンズを、照射される平面が明瞭に区分されるように形成する、というものである。この解決について、以下に詳しく説明する。

図４ａは、旅客機の内部空間もしくはキャビンを示している。座席の列または座席には、それぞれデータステーション５ａ，７ａおよび１７ａが設けられている。天井の羽目板または壁の羽目板には、多数の分配器１１，１２，１９が固定されており、これらの分配器は、機体の軸に対して横断方向もしくはキャビンの長手軸に対して横断方向に、放射角１１ａ，１２ａ，１９ａをなして放射する。このようにして、分離された多数のセルが形成される。本図の例では３つである。

この場合、データステーション５ａは視野もしくは受信開口角９ａとともに、正確に分配器１１に対応して設けられている。データステーション７ａは視野もしくは受信開口角１０ａとともに、正確に分配器１２に対応して設けられ、データステーション１７ａは視野もしくは受信開口角１８ａとともに、正確に分配器１９に対応して設けられている。分配器１１，１２，１９は、これらの放射角１１ａ，１２ａ，１９ａによって、異なる、互いに独立したセルＺ１，Ｚ２，Ｚ３を形成する。このような方法で、非常に良好に区画して形成可能な、光学的媒体の光線を形成することにより、共通の平面を明瞭に区分することができ、それによって区分された通信セルを、混信が起こらないように形成することができる。

図４ｂは、本発明のさらに別の実施の形態を示す。本実施の形態では、遮蔽素子４０がキャビンの天井の羽目板に取り付けられており、これらの遮蔽素子は、光線の拡散を制限する。これによって、遮蔽された領域が生じ、これらの遮蔽された領域が、個々のデータステーション５ａ，７ａ，１７ａの視野９ａ，１０ａ，１８ａを制限し、それによって、この実施の形態においても区分されたセルＺ１，Ｚ２，Ｚ３が成立する。遮蔽素子４０によって、特に、個々の分配器の光線の拡散が制限されるため、各分配器が対応する平面素子を照明し、この平面素子は、別の分配器による、光の入射に対して遮蔽されている。座席３ａ，１４ａおよび１５ａに設置されたデータステーション５ａ，７ａ，１７ａは、互いに区分された、独立した通信セルＺ１，Ｚ２，Ｚ３に属し、これらの通信セルは互いに分離された、異なる分配器もしくは送信機を有し、遮蔽素子４０によって互いに分離された、異なる平面素子を照明し、これらの平面素子が光線を反射もしくは散乱させる。視野９ａ，１０ａ，１８ａはそれぞれ、このような平面素子に正確に対応して、調整されている。

図５ａは、本発明の特に好適な実施の形態を示している。本実施の形態においては、飛行機の通路６１に沿って、複数の、混信の起こらないセルＺ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４が作動し、二つの異なる通信波長Ｌ１，Ｌ２が用いられる。本実施の形態では、個々のセルの光線および視野は、特別に形成または制限する必要はなく、光学的に重なることさえありうる。その場合、個々のセルＺ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４は、使用される波長がセルの列に沿って交互に現れるように形成されている。本図の例では、セルＺ１は波長Ｌ１で作動し、これに隣接するセルＺ２は、波長Ｌ１とは異なる波長Ｌ２で作動する。さらに隣の、セルＺ２に隣接するセルＺ３では、再び第１の波長Ｌ１が用いられる。第１の波長は、一般には、第１のセルＺ１のデータステーションの視野９０の領域から発しているためである。このようにして、わずか二つの異なる波長を用いて、これらを交互に使用することによって、互いに独立した通信セルをほとんど任意に配列することができる。本図の例では、座席３ａ−ｄがセルＺ１に対応して設けられ、座席１４ａ−１４ｄがセルＺ２に対応して設けられ、座席１５ａ−１５ｄがセルＺ３に対応して設けられ、座席２７ａ−２７ｄがセルＺ４に対応して設けられる。すべてのセルは通路６１に沿って設けられている。第２の通路６２は第１の通路６１と同様に、すなわち、セルＺ１からＺ４を有して形成することができる。

特別な例として以下のようなものが考えられる。
二つの通路と、三つの座席列とからなる飛行機において、外側の座席列はそれぞれ２つの座席、内側の座席列は４つの座席を備える場合、飛行機はたとえば３３６の座席を有するが、このような飛行機では、二つの通路の天井の羽目板が照明すべき共通の平面として／視野として使用される。三つの座席列のすべてにおいて、二つの波長が交互に用いられる。中央の座席列のデータステーションは、それぞれ、より近くにある通路の羽目板に向かうように設けられている。

このように、一つの通信セルには、常に１２の座席が対応する。個々の通路に沿って、使用する波長が交互になるようにすると、全部で２８個の独立した通信セルが成立する。

個々のセルが、たとえば１００Ｍｂｉｔ／ｓのデータ伝送速度を有すると、飛行機全体では、２．８Ｇｂｉｔ／ｓで、互いに独立した通信が行われることになる。個々の座席に対しては、８Ｍｂｉｔ／ｓの伝送速度が割り当てられる。しかしながら、１００Ｍｂｉｔ／ｓを有するセルの１２の座席のそれぞれの接続を、ほかの座席がデータを伝送しないか、もしくは、データ伝送速度を異なる配分で分割する場合に、必要に応じて、１００Ｍｂｉｔ／ｓのデータ伝送速度をフルに使用できるように、行うことが可能である。

図５ｂは、前記のような、セルが重なり合う構成の詳細図である。ここで、分配器１１は送信機または送受信機であって、波長Ｌ１を有するＬＥＤとしての光源を用いて、平面８ａを照明する。この平面８ａは、データステーション５ａの受信機によって、この受信機の視野９ａを介して見ることができる。平面８ａによって反射される光は、視野９ａを規定するレンズ４１を介して、光検出器４３に到達し、レンズとして形成されているレンズ４１と、光検出器４３との間にフィルター４２ａが設けられている。フィルター４２ａは、波長Ｌ１を有する光を透過させ、波長Ｌ２を有する光を遮る。このようなフィルターは、当然、レンズ４１または光検出器４３に、誘電層として、および／またはレンズ４１の材料の選択や着色を相応に行うことにより、取り付けることができる。

さらに別の分配器１２は、平面８ａと重なる平面８ｂを照射する。このとき波長Ｌ２を有する光源が用いられる。照明された平面８ａおよび８ｂは、必ずしも重なり合う必要はなく、分離されていてもよい。分配器１２に対して設けられているデータステーション７ａは、データステーション５ａと同様に形成されているが、フィルター４２ｂは、波長Ｌ１を有するを遮断し、分配器１２から放射される、波長Ｌ２を有する光を透過させる。

図６は、本発明のさらに別の実施の形態において、本発明に係るさまざまな特徴を組み合わせたものである。この組み合わせは、互いに独立した非常に多くのセルを有し、使用するセルが一つのみである場合に比べて、きわめて大きなデータ転送速度を実現する。隣り合う通路６１および６２におけるセルＺ１およびＺ１ａは、同一の波長を有することもあるが、これらのセルの間では、混信が起こらない。その理由は、飛行機の中央の荷物置き場３０（図２参照）が、二つのセルＺ１およびＺ１ａの共通の平面を光学的に遮蔽し、個々の受信機は、それぞれ別のセルの共通の平面を見ることができないからである。

通路６１に沿って、セルＺ１に隣接するさらに別のセルＺ２がある。このとき、場合によっては重なることがあるセルＺ１およびＺ２の光学的領域は、第二の波長を用いることによって、混信しないように分離されている。同様に、隣り合う通路６２に、二つのセルＺ１およびＺ２が設けられている。

通路６１では、二つの隣接するセルＺ３およびＺ４は、セルＺ１およびＺ２に対して、遮蔽素子４５によって互いに対して遮蔽され、それによって混信が起こらないようにされる。遮蔽素子４５は、たとえば乗客室のクラスの仕切り部もしくはカーテンである。遮蔽素子４５によって、また、セルＺ１およびＺ２から分離されていることによって、これらのセルについても、混信が起こらない。同様に通路６２にはセルＺ３ａとＺ４ａとが設けらており、これらのセルは、同様に遮蔽素子４５によって、セルＺ１ａとＺ２ａに対して、混信しないようにガードされている。それぞれ境界を接する二つのセルＺ３とＺ４、もしくは、Ｚ３ａとＺ４ａは、異なる波長Ｌ１およびＬ２を有している。

次の、通路６１におけるセルＺ５とＺ６、もしくは、通路６２におけるＺ５ａとＺ６ａは、セルＺ４とセルＺ４ａに対して、より大きな空間的仕切りを介して分離されている。すなわち、セルの共通の平面は、それぞれ別のセルの受信機の視野の外側にあるため、ここでも混信は起こらない。それぞれ境界を接する二つのセルＺ５とＺ６、もしくは、Ｚ５ａとＺ６ａは、波長Ｌ１およびＬ２において相違する。

このように、本発明に係る手段の好適な組み合わせまたは選択によって、飛行機の機体全体に、独立し、かつ、混信の生じないセルを設けることができる。それによって、個々のセルの名目上の帯域の倍数で、非常に広い帯域のデータ網が実現できる。このとき、本発明に係る手段によって、特に、光学的な伝送媒体の有利な特性が十分に利用される。無線通信の領域では、同一の伝送帯域をこれほど倍数化して用いることは、無線通信では伝搬挙動がまったく異なるために、不可能であると思われる。

したがって、本発明によって提案されるデータ伝送システムは、非常に大きな通信速度のデータを伝送するのに適している。このとき電磁放射線による妨害（ＥＭＶ）は少なく、しかも、非常に柔軟な対応が可能である。送信機と受信機との間に、直接的な視合通信は必要ないので、送信機と受信機の空間的な配置を、非常に柔軟に行うことができる。

送信モジュールおよび受信モジュールは、データステーションに直接組み込むことができる。たとえば、ディスプレイや小型計算機などに設けられる。送信素子および受信素子の数は、ケーブル、プラグなどによって制限されず、柔軟に変更できる。

さらに、漏話に対する安全性も増大する。この点は従来の無線による方法に比べて有利である。ほとんどの素材に対して、光学的な放射線の透過性は小さいために、変調された光線が、輸送手段から外部に放射されることはない。窓の場合は、拡散が大きく、散乱光線の強度が比較的小さいために、輸送手段から数メートル距離をおくと、それ以上の光線は検知できない。このような残留線をさらに抑制するために、さらに、窓の表面をコーティングし、それによって、一般には近赤外線の領域にある送信機の光線の波長が、窓を透過できなくなり、しかも、可視領域において光線が窓を透過することは制限されない。そのために、たとえば特定のコーティング、特に誘電体層をもうけることができる。

要約すると、本発明は、高速データ、たとえば映像データを、広帯域で伝送するための自由空間データ通信システムを提供する。この通信システムは、少なくとも一つの送信機と、少なくとも一つの受信機と、からなり、データの伝送は自動車、飛行機、列車、船舶、衛星などの輸送手段内部で行われ、送信機はＬＥＤ（発光ダイオード）や、ＶＣＳＥＬ（垂直共振器表面発光ダイオード）レーザーなどの、少なくとも一つの光源を有し、この光源は、伝送すべきデータ、および、場合によってはコード化されたデータの周波数によって変調され、受信機は少なくとも一つの光検出器を有し、この光検出器は、輸送手段の内部空間において散乱された光、あるいは、壁において反射された光を受信し、このとき、送信機と受信機との間に直接的な相互視認性は必要ではなく、このように変調された光信号は、再び電気信号に変換される。

本発明から、特に以下の有利点が得られる。ケーブルの敷設が不要であるため、重量を減らすことができる。プラグ、ケーブル分岐装置などはいらなくなる。これによって、より柔軟な使用が実現される。減衰がわずかである。本発明に係るシステムでは、大きなデータ通信速度での伝送が可能であり、その際、電磁放射線による妨害（ＥＭＶ）はごくわずかであるか、まったく起こらない。さらに、相互視認性は不要であるので、本発明に係るシステムは、柔軟に設置することができる。ディスプレイなどを組み込むことも可能である。さらに、漏話に対する安全性も高くなる。

相互視認性を有さないデータ通信経路の光線のガイドを備えた従来技術の例である。 本発明に係る配置の実施形態における概略図である。二つの通路を有する飛行機の両方の通路が、分離された通信セルとして作動される。 飛行機の一つの通路に沿って、独立した、漏話の生じないセルが作動される本発明に係る配置の概略図である。 好適な光線のガイドによって漏話が防止される、図３に示す本発明に係る配置を示す図である。 好適なビームストッパまたは遮蔽素子によって漏話が防止される、図３に示す本発明に係る配置を示す図である。 飛行機の一つの通路に沿って、複数の独立した、漏話の生じないセルが、二つの異なる伝送波長を使用することによって作動される、本発明に係る配置の概略図である。 異なる伝送波長を有する、隣接する二つのセルの概略図である。 前記の方法の組み合わせによる、本発明の好適な実施の形態を示す図である。

符号の説明

１ 送信機（分配器）
３ａ 座席
３ｂ 座席
３ｃ 座席
３ｄ 座席
４ａ マルチメディアステーション
４ｂ マルチメディアステーション
４ｃ マルチメディアステーション
４ｄ マルチメディアステーション
５ａ データステーション
５ｂ データステーション
５ｃ データステーション
５ｄ データステーション
６ａ 受信領域
６ｂ 受信領域
６ｃ 受信領域
６ｄ 受信領域
７ 平面
７ａ データステーション
７ｂ データステーション
８ 天井
８ａ 共通の平面
８ｂ 共通の平面
９ａ 受信角
９ｂ 受信角
１０ａ 受信角
１０ｂ 受信角
１１ 分配器
１１ａ 放射特性
１２ 分配器
１２ａ 放射特性
１３ａ 座席
１３ｂ 座席
１４ａ 座席
１４ｂ 座席
１４ｃ 座席
１４ｄ 座席
１５ａ 座席
１５ｂ 座席
１５ｃ 座席
１５ｄ 座席
１８ａ 受信開口角
１９ 分配器
１９ａ 放射角
４０ 遮蔽素子
４１ レンズ
４２ａ フィルター
４２ｂ フィルター
４３ 光検出器
４５ 遮蔽素子
６１ 通路
６２ 通路
９０ 視野
Ｚ１ セル
Ｚ１ａ セル
Ｚ２ セル
Ｚ２ａ セル
Ｚ３ セル
Ｚ３ａ セル
Ｚ４ セル
Ｚ４ａ セル
Ｚ５ セル
Ｚ５ａ セル
Ｚ６ セル
Ｚ６ａ セル

Claims (17)

1. 高速データを広帯域で伝送するための、間接的自由空間光通信システムであって、
   変調可能な光源を有する送信機（１１，１２，１９）と、
   光検出器（４３）を有し、それによって前記送信機（１１，１２，１９）から放射される光を受信するとともに、電気信号に変換する受信機（５ａ，５ｂ，７ａ，７ｂ；１７ａ）と、を有してなる間接的自由空間光通信システムであって、
   前記送信機（１１，１２，１９）と、前記受信機（５ａ，５ｂ，７ａ，７ｂ；１７ａ）とは、少なくとも一つの共通の平面（８ａ，８ｂ）に向くように設けられており、前記共通の平面は、前記送信機（１１，１２，１９）から放射される光を、この光が前記受信機（５ａ，５ｂ，７ａ，７ｂ；１７ａ）に到達する前に反射する、間接的自由空間光通信システムにおいて、
   前記自由空間通信システムは、セルを有して構成され、複数のセル（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４）を有し、前記セルはそれぞれ、少なくとも一つの送信機（１１，１２，１９）と、対応する少なくとも一つの受信機（５ａ，５ｂ，７ａ，７ｂ；１７ａ）と、を有し、
   前記セル（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４）の形成は、それぞれ隣接するセルに対する漏話が防止されるように行われ、それによって、前記セル（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４）がそれぞれ独立していることを特徴とする、間接的自由空間光通信システム。
2. 漏話を防止するための、前記それぞれの送信機（１１，１２，１９）の光線を形成するための手段および／あるいはそれぞれの受信機（５ａ，５ｂ）の受信開口角を限定するための手段（４１）を、さらに有することを特徴とする請求項１に記載の間接的自由空間光通信システム。
3. セル（Ｚ１）の前記共通の平面（８ａ，８ｂ）から反射される光を、別のセル（Ｚ２）に属する受信機（７ａ）に対して遮蔽するための、一つまたは複数の遮蔽素子（３０；４０；４５）をさらに有することを特徴とする、請求項１または２に記載の間接的自由空間光通信システム。
4. 隣接するセル（Ｚ１，Ｚ２）の前記光源は、異なる波長（Ｌ１，Ｌ２）を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の間接的自由空間光通信システム。
5. 前記セル（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３）の前記反射する平面（８ａ，８ｂ）は、データの伝送が行われる輸送手段の内部空間、好適には自動車、飛行機、列車、船舶、衛星などに設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の間接的自由空間光通信システム。
6. 前記共通の平面（８ａ，８ｂ）の反射領域または散乱領域は、隣接するセル内部で、たがいに重なり合わないことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の間接的自由空間光通信システム。
7. 前記セル（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４）は列をなすように設けられており、前記光の波長（Ｌ１，Ｌ２）は、境界を接する前記セル（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４）において、交互に用いられることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の間接的自由空間光通信システム。
8. 前記セル（Ｚ１，Ｚ２）は空間的にたがいに分離されていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の間接的自由空間光通信システム。
9. セル（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４）の前記平面（８ａ，８ｂ）は、データが伝送される空間の内部にある壁あるいは対象物の表面であることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の間接的自由空間光通信システム。
10. 前記それぞれの送信機（１１，１２，１９）の前記光源は、一つまたは複数のＬＥＤ（発光ダイオード）、レーザーダイオード、端面発光型レーザーダイオード、および／あるいは、ＶＣＳＥＬ（垂直共振器表面発光ダイオード）レーザーを有することを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の間接的自由空間光通信システム。
11. 前記それぞれの受信機（５ａ，５ｂ，７ａ，７ｂ；１７ａ）は、光源を有し、前記それぞれの送信機（１１，１２，１９）は光検出器を有し、それによって、双方向通信を行うことを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の間接的自由空間光通信システム。
12. 作動中に、セル（Ｚ１，Ｚ２）の単一の送信機（１１，１２）が、複数の受信機（５ａ，５ｂ，７ａ，７ｂ；１７ａ）に対して、同時に、同一の、あるいは、異なるデータを供給することを特徴とする、請求項１から１１のいずれか１項に記載の間接的自由空間光通信システム。
13. 高速データを間接的に光によって伝送するための方法であって、
    伝送すべきデータの周波数によって変調される光源を用いて、光を発生させる工程と、
    前記変調された光を平面（８ａ，８ｂ）に当て、該平面が前記光を反射および／あるいは散乱させる工程と、
    前記平面（８ａ，８ｂ）によって散乱および／あるいは反射された光を受信し、それによって、前記光は、間接的な経路によって、前記光源から前記受信機（５ａ，５ｂ，７ａ，７ｂ；１７ａ）に到達する工程と、
    前記変調された光を、電気信号に変換する工程と、を有する方法において、
    前記光の送信と、受信とは、複数のたがいに独立したセル（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４）において行われ、前記セルはそれぞれ、少なくとも一つの送信機（１１，１２，１９）と、少なくとも一つの受信機（５ａ，５ｂ，７ａ，７ｂ；１７ａ）と、を有し、
    それぞれ隣接するセル（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４）に対する漏話が能動的に回避されることを特徴とする、高速データを間接的に光によって伝送するための方法。
14. セル（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３）の送信機から放射される光の放射角（９ａ，１０ａ，１８ａ）が限定され、それによって、光が別のセル（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３）の受信機（５ａ，７ａ，１７ａ）に到達しないことを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
15. セル（Ｚ１）の前記それぞれの受信機（５ａ）の受信開口角（９ａ）が限定され、それによって、光が、隣接するセル（Ｚ２，Ｚ３）の光源から、前記受信機（５ａ）に到達しないことを特徴とする、請求項１３または１４に記載の方法。
16. セル（Ｚ１）の前記平面（８ａ，８ｂ）から反射される光は、別のセル（Ｚ２）に属する受信機（７ａ）に対して遮蔽されることを特徴とする、請求項１３から１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 隣接するセル（Ｚ１，Ｚ２）において、異なる波長（Ｌ１，Ｌ２）を有する光が用いられることを特徴とする、請求項１３から１６のいずれか１項に記載の方法。

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