JP3706487B2 - 光空間伝送装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は,LAN等の通信ネットワークに接続されたパーソナルコンピュータ等の情報端末機器間におけるデータ通信を通信ネットワークに対する光通信で行う光空間伝送装置に関し,より詳細には,1ないし複数個の光ビームを天井等の拡散面にスポット照射して拡散光を形成し,所望のエリアに配置された光送受信装置間における光伝送路の最適化を行い,その最適光伝送路によって光送受信装置間で情報信号光による相互通信する,光無線LANや光インターコネクション等にも利用可能な光空間伝送装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
最近のオフィス環境において,パーソナルコンピュータ(PC)等の情報端末機器の急速な普及に伴って,ローカルエリアネットワーク(LAN)に複数の情報端末機器(パーソナルコンピュータ,ワークステーション等)2相互通信可能に接続したネットワークシステムを構築している。特に,通信の手段として,信号ケーブルが不要等の優れた利点を有する光信号の伝搬によって相互通信を可能にする,いわゆる光空間送受信装置が利用されつつある。
【0003】
光空間送受信装置における伝送方式は,光信号を直接送受信する直射方式と,拡散反射光によって通信を行うために,例えばマルチビームを用いた拡散反射方式とに分類され,それぞれシステムの形態に応じて用いられている。
【0004】
上記マルチビームを用いた拡散射光無線システムとして信学技報,A・P96−142,EMCJ96−77,RCS96−156,MV96−182(1997−02)に開示されている。図9は,上記技法に開示されているマルチビーム方式のシステムモデルを示す説明図である。このシステムは,送信機901が天井900に照射スポット群903を照射・拡散し,受信機902がこの照射・拡散された照射スポットを受光することにより通信を行うものである。この際に,マルチビームによる遅延広がりの増大を抑制するために受信側で各ビームからの信号光を個別に受信し,それら受信信号を適当な時間遅れを持たせて合成するか,あるいは送信側で各ビームにあらかじめ適当な時間差を持たせて通信を行う。
【0005】
また,ビーム方向を特定する技術として,例えば特開平6−224858号公報に開示されている光軸調整方法がある。この光軸調整方法を図10を用いて説明する。送信装置10には,比較的広い指向性を有する光軸調整用送光器13が取付けられ,受信装置20のPD(ピンフォトダイオード)には光レベル検出器24とレベルメータ25が接続されている。このような構成において,まず,受信装置20側においてレベルメータ25が最大値になるようにバラボラリフレクタ(不図示)の光軸を調整する。調整終了後,送信装置10側の光軸調整用送光器13をオフし,LEDから光を送出する。そして,レベルメータ25を監視して受信装置20側の光軸を調整する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら,上記に示されるような従来の技術にあっては以下のような問題点があった。図9に示すマルチビーム方式の場合,マルチビームによる広範囲な通信と設置状態に対する制約が少なくユーザビリティに優れているが,その反面,遅延広がりを抑制するために受信回路が複雑になり,コスト面にも影響を及ぼす。これを回避するには送信側で遅延広がりを抑制することも可能であるが,そのためにはあらかじめ通信時の伝送路の状態を把握する必要があり,また伝送路状態の変化に対応しにくい。
【0007】
また,図10に示す光軸調整方法にあっては,対象とする全空間を機械的に走査して絞り込むため,光軸合わせに多くの時間がかかる。さらに,その調整機構を実現するにはコスト上昇を招来させることにもなる。また,平行ビームによる対向通信のため,人や遮断物等により通信路が遮断されて通信状態が不安定になりやすく,設置場所等に制約が生じる。
【0008】
本発明は,上記に鑑みてなされたものであって,広範囲な通信と設置状態に対する制約が少ないユーザビリティを維持し,高速で安定した通信状態を経済的に実現することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために,請求項1に係る光空間伝送装置にあっては,1ないし複数個の光ビームを拡散面にスポット照射して拡散光を形成し,所望のエリアに配置された光送受信装置間における光伝送路によって光送受信装置間で情報信号光による相互通信を行う光空間伝送装置であって,受信側あるいは(および)送信側の光送受信装置に,スポット照射して形成された各拡散光を集光し,縮小して結像する集光光学手段と,前記集光光学手段により結像された前記拡散光の位置を判別する集光スポット位置判別手段と,前記集光スポット位置判別手段の出力に基づいて通信における物理状態御する手段とを備える光空間伝送装置において,前記集光スポット位置判別手段の位置検出素子および前記情報信号光を受光する受光部の受光素子には,受光領域を所定のパターンに分割された分割フォトダイオードを用い,かつ両検出素子を一体構成したものである。
【0010】
また,請求項2に係る光空間伝送装置にあっては,前記集光スポット位置判別手段により,前記拡散面における照射スポット位置の相対的なスポット位置を判別し,該スポット位置を送信側の光送受信装置に送信し,前記スポット位置に基づいて受信側の光送受信装置の受信部に最も近い光ビームを送信側の光送受信装置で選択するものである。
【0011】
また,請求項3に係る光空間伝送装置にあっては,前記情報信号光を受光する受光部に対して前記集光スポット位置判別手段の光学軸を平行に配置し,さらに前記集光スポット位置判別手段は,スポット照射方向を算出する信号処理手段と,前記集光スポット位置判別手段を前記スポット照射方向に指向させる方向調整手段と,を備えたものである。
【0012】
また,請求項4に係る光空間伝送装置にあっては,前記集光スポット位置判別手段は,送信側の光送受信装置で前回の光伝送路の履歴情報を参照し,前回選択した光ビームと該光ビームに近接する複数の光ビームを順次送信し,受信側の光送受信装置で前記拡散面におけるスポット照射位置を判別し,前記スポット照射位置を送信側の光送受信装置に送信し,前記スポット照射位置に基づいて受信側の光送受信装置の設置状態を判断し,前回の設置状態と異なる場合,前回選択した光ビーム以外を順次送信し,受信側の光送受信装置に最も近い光ビームに変更し,前記履歴情報を更新するものである。
【0013】
また,請求項5に係る光空間伝送装置にあっては,送信側の光送受信装置は,前記最適化された光伝送路の遮断が生じた場合,スポット位置情報に基づいて1あるいは複数の光ビームを新たな光伝送路として送信するものである。
【0014】
また,請求項6に係る光空間伝送装置にあっては,前記集光スポット位置判別手段の位置検出素子としてCCD(電荷結合素子)のような入射光により励起された電荷を空間的に分離して受光し,認識可能な受光素子を用いるものである。
【0015】
また,請求項7に係る光空間伝送装置にあっては,前記分割された分割フォトダイオードからの出力の和が前記受光された情報信号光であり,前記集光スポット位置判別手段により判別されたスポット位置は,前記出力の和の演算結果により取得されるものである。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下,本発明の光空間伝送装置の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【0017】
〔実施の形態1〕
図1は,本発明の実施の形態1に係る光空間伝送装置の概略構成を示す説明図である。また,図2は,図1における送受信部の構成を示す説明図である。この光空間伝送装置は,大きくは図1に示すように,例えばHUB(集線装置)等のLANノード等(A)に接続する送信側の光送受信装置100とPC(パソーナルコンピュータ)や携帯端末等の情報端末機器等(B)に接続する受信側の光送受信装置120とから構成される。
【0018】
光送受信装置100は,LAN等からのデータを送信するための複数の発光素子を有する発光部101a,101b,・・(発光部は複数有するが,以下発光部101a,101bの2つを発光部と記述する)と,送受信した信号を次段に転送するための信号処理手段としての信号処理部200(図2参照)とから構成されている。
【0019】
この発光部101a,101bからの信号光は,光学系によりそれぞれ所定のビーム径を有する概略平行なビーム光になるよう光学系が設けられている。また,この発光部の照射方向および発光素子の数は所望のエリアを伝送することを考慮し,最適になるように設定されてる。また,受光部102は高視野角を有する。例えば半球レンズ付受光素子等で構成される。
【0020】
また,端末側の光送受信装置120も,上記光送受信装置100と同様に端末側からのデータを送信するための発光素子を有する発光部121と,光送受信装置100からの信号光を受信するための高視野角を有する光学系201と受光素子202とからなる受光部122と,送受信した信号を次段に転送するための信号処理部200と,から構成されている。
【0021】
なお,発光部121は光送受信装置100の発光部101a,101bと同様なビーム系による照射光学系であってもよいが,広範囲な伝送可能エリアと端末からのアップリンクでは一般に低速な伝送路でもよいので,照射角の広い光学系と発光素子とを組み合わせた発光部の構成としてもよい。
【0022】
さらに,この実施の形態では,光送受信装置100から天井に照射された信号光の照射スポット像103a,103b,・・を概略縮小結像(ここでは,集光スポット光203と呼称する)するための集光光学手段としての集光光学系204と,概略結像位置に集光スポット光203の二次元入射位置が判別可能な受光素子205として,例えばPSDのような位置検出素子および位置検出回路206を配置した集光スポット位置判別手段としての集光スポット位置判別部123とを設ける。
【0023】
次に,以上のように構成された光空間伝送装置の動作について説明する。光送受信装置100により天井に照射された信号光の照射スポット像103a,103bからの拡散光は,集光スポット位置判別部123においてほぼ平行光として入射する。また,照射スポット像103a,103bは天井等の平面に形成されるので,上記照射スポット位置は集光スポット位置判別部123への入射角度に対応することになり,図3に示すように,端末側の光送受信装置120に近い照射スポットの集光スポット像ほど光学系の光軸付近に形成される。
【0024】
上述の性質を用いることにより,照射スポット像103a,103bの相対的な位置関係を知ることができる。つまり,本発明では,この情報に基づいて伝送路の状態を制御し,通信の安定化を図る。
【0025】
例えば,図1に示すように,光送受信装置100から発光部101a,101bを順次駆動して発光させ,集光スポット位置判別部123により天井における照射スポット像103a,103bの相対的な位置を判別し,スポット位置判定情報を光送受信装置100に送信し,それを基に受信側の受信部に最も近いビームを送信側で選択することにより,受信側の光送受信装置120から最短距離にある照射スポット像103bを選択する。
【0026】
照射スポットの判別は,例えばビーム選択時の際に駆動する発光部101a,101bにそれぞれ固有の識別信号をビームの強度変調を行って伝送し,集光スポット位置判別部123での集光スポット位置情報と受光部122で受信した上記識別信号とを対応させてテーブル化し,履歴情報として保存する。そして,そのテーブル化された履歴情報を送信側の光送受信装置100に転送する。光送受信装置100では上記テーブル化された履歴情報を参照し,照射スポット像103b(=駆動する発光素子)を決定する。これにより,伝送ロスの少ない伝送路を選択することが可能となり,十分な受信光量を確保することができ,高速で,かつ安定した受信状態が実現する。
【0027】
〔実施の形態2〕
図4は,本発明の実施の形態2に係る光空間伝送装置の構成を示す説明図である。この光空間伝送装置400は,前述した実施の形態1における光送受信装置120を,照射スポット像103cからの集光スポット位置判別部123への入射角が概略光軸に平行となるような調整機構を設ける。すなわち,光送受信装置120を支持する支持部材401と,支持部材401に装着された光送受信装置120を回動するため筐体402と,から構成されている。なお,方向調整手段としての支持部材401と筐体402が機能する。
【0028】
以上のように構成された光空間伝送装置400は,図4に示すように一つのビーム光のうち受信側の受信部に最も近いビームを送信側で選択した後などで,集光スポット位置判別部123によりスポット方向を算出し,受光部122を含む受信部が取り付けている筐体402を機械的に駆動する。このとき,照射スポット像103cからの集光スポット位置判別部123への入射角が概略光軸に平行となるように駆動・調整し,概略照射スポット位置に指向させる。これにより,受信光量を十分に確保し,安定した通信状態を維持することが可能となる。なお,このときあらかじめ受光部122と集光スポット位置判別部123の光軸は平行になるように設定しておく。
【0029】
〔実施の形態3〕
ところで,上述した実施の形態の光空間伝送装置における集光スポット位置判別は,主に光送受信装置を最初に設置したときに行うが,設置状況が変更されていないときにも,その都度,送信側の光送受信装置100の発光部101a,101b,・・の全部を個別駆動して伝送路の最適化を行うのでは伝送路の起動時間をいたずらに長くしてしまことが考えられる。そこで,この実施の形態3では,この不具合を解消するために以下のようにする。
【0030】
図5は,本発明の実施の形態3に係る光空間伝送装置の伝送路最適化例を示す説明図である。送信側の光送受信装置100において前回の履歴(テーブル情報)を参照し,前回選択した照射スポット像103aとそれに近接する複数のビームである照射スポット像103b,103cを順次送信する。そして,受信側の光送受信装置120において天井における照射スポット位置を判別した後,そのスポット位置判定情報を送信側の光送受信装置100に送信する。
【0031】
そして,この送信情報に基づいて上記テーブル情報との比較から受信側の光送受信装置120の設置状況の変化を判断し,変化のない場合は前回の照射ビーム光を選択し,他方,設置状況が前回と異なるときはさらに選択した照射ビーム光以外も順次送信して上記テーブル情報を更新し,受信側の光送受信装置120に最も近い照射ビーム光を再選択し,通信を行う。これにより,設置状況の変化がないときに光送受信装置の起動時間を短縮することが可能となる。
【0032】
〔実施の形態4〕
この実施の形態4では,伝送路が障害物等によって遮断された際に,スポット位置判定情報に基づいて送信側の光送受信装置100で近接する一つあるいは複数の照射ビーム光を新たな伝送路として送信する例について説明する。
【0033】
図6は,本発明の実施の形態4に係る光空間伝送装置の伝送路遮断発生時における伝送路変更例を示す説明図である。図6において,人や障害物600によってそれまで選択されていた照射スポット像103aによる伝送路が遮断され,受信信号レベルが著しく低下した際には,受信側の光送受信装置120から信号低下を示すアラーム情報を伝送する。そして,そのアラーム情報に基づいて送信側の光送受信装置100でテーブル情報を参照し,現在選択しているビームに近接する一つあるいは複数の照射ビーム光である照射スポット像103bから送信を行い,新たな伝送路とし,伝送路の障害物による遮断を回避する。
【0034】
〔実施の形態5〕
この実施の形態5では,集光スポット位置判別部123の位置検出素子としてCCD(電荷結合素子)を用い,検出精度を向上させる例について説明する。
【0035】
図7は,本発明に実施の形態5に係る光空間伝送装置の集光スポット位置判別素子を用いた場合における光強度分布を示すグラフである。図7に示すように,スポット位置としてPSDにようなアナログ素子では集光スポットの光強度分布701の重心を検出することから,光軸付近では光強度のピーク値と重心位置はほぼ一致し,精度のよいスポット位置を検出することができる。しかし,図示するように,斜め入射角のような光軸より離れた位置での集光スポット像はレンズの収差等により大きく歪むため,上記重心位置とピーク値とは一致せずに位置検出誤差となる。
【0036】
そこで,本発明では,CCDのような光により励起されたキャリアが空間的に分離されて受光する特性を有する素子を用いることにより,ピーク値近傍のみの画素により光強度値702a〜702eから重心を算出する。これによって,上述の如く生じる検出誤差を低減することが可能となる。
【0037】
〔実施の形態6〕
この実施の形態6では,図8に示すように,受光領域を所定のパターンに分割(この場合は4面)された分割PD(光学検出素子)801を集光スポット位置判別部123とデータ伝送用の受光素子として用いる。これにより,集光スポット位置判別部123と受信部光学系を一体化することが可能となり,かつ装置の小型化が実現する。
【0038】
このとき,分割された各PD801a〜801dからの出力の和が受信信号であり,集光スポット位置情報は各PD801a〜801dの出力値の演算結果により取得する。また,得られる位置情報は大まかな情報となってしまうが,特に高速な伝送路を必要としない低価格な光送受信装置に支障なく搭載することができ,装置の小型化およ低コスト化が実現する。
【0039】
ところで,以上説明してきた各実施の形態以外に,本発明の狙いとする主旨の範囲で様々な形としてもよい。例えば,発光部・受光部および位置判別手段を,その光軸に平行に構成した同一筐体に配置した光送受信装置120を対に用い,一方の筐体を手動で概略その照射スポットがもう一方の光送受信装置の真上に配するように設定し,その一方の光送受信装置が上記位置判別手段を用いて上記筐体を照射スポットに自動的に対向させるようにし,対向通信を行うことでも実現することが可能である。また,各光学系には発光素子(例えばLED,LD)の波長以外をカットするような光学フィルタを配置してもよい。
【0040】
【発明の効果】
以上説明したように,本発明に係る光空間伝送装置(請求項1,2)によれば,集光スポット位置判別手段の出力に基づいて通信における物理状態の制御を実行することにより設置状態に対する制約が少なくなると共にその構成が比較的簡単であるので,ユーザビリティを損なわずに,高速で安定した通信状態を経済的に提供することができる。特に、集光スポット位置を検出する部分と情報信号光を受光する部分とを一体化するので,装置の小型化および低コスト化の実現が可能となる。
【0041】
また,本発明に係る光空間伝送装置(請求項3)によれば,情報信号光を受光する受光部に対して集光スポット位置判別手段の光学軸を概略平行に配置し,さらに集光スポット位置判別手段が,スポット照射方向を算出する信号処理手段と,集光スポット位置判別手段を概略スポット照射方向に指向させる方向調整手段と,を備えたので,受光光量の改善が可能で,かつ高速で安定した通信状態を経済的に提供することができる。
【0042】
また,本発明に係る光空間伝送装置(請求項4)によれば,送信側の光送受信装置で前回の光伝送路の最適化の履歴情報を参照し,前回選択した光ビームと該光ビームに近接する複数の光ビームを順次送信し,受信側の光送受信装置で天井におけるスポット照射位置を判別し,そのスポット照射位置を送信側の光送受信装置に送信し,上記スポット照射位置に基づいて受信側の光送受信装置の設置状態を判断し,前回の設置状態と異なる場合,前回選択した光ビーム以外を順次送信し,受信側の光送受信装置に最も近い光ビームに変更し,前回までの履歴情報を更新し,これを次回の情報として利用するため,装置の起動時の光伝送路の決定から通信可能な状態までの待機時間を短縮することができる。
【0043】
また,本発明に係る光空間伝送装置(請求項5)によれば,最適化された光伝送路の遮断が生じた場合,スポット位置情報に基づいて1あるいは複数の光ビームを新たな光伝送路として送信するため,光伝送路の遮断によって通信不能になるケースを回避することができる。
【0044】
また,本発明に係る光空間伝送装置(請求項6)によれば,集光スポット位置判別手段の位置検出素子としてCCD(電荷結合素子)のような入射光により励起された電荷を空間的に分離して受光し,認識可能な受光素子を用いるため,レンズの収差による集光スポットの歪みによる位置検出誤差を小さくすることができ,かつ正確な照射スポット位置検出や入射角度の算出が実現可能となる。
【0045】
また,本発明に係る光空間伝送装置(請求項7)によれば,高速な伝送路を必要としない低価格な光送受信装置に支障なく搭載することができ,装置の小型化および低コスト化が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1に係る光空間伝送装置の概略構成を示す説明図である。
【図2】図1における送受信部の構成を示す説明図である。
【図3】本発明の実施の形態に係る光空間伝送装置の照射スポット群から適切な照射スポットを得るための原理を示す説明図である。
【図4】本発明の実施の形態2に係る光空間伝送装置の構成を示す説明図である。
【図5】本発明の実施の形態3に係る光空間伝送装置の伝送路最適化例を示す説明図である。
【図6】本発明の実施の形態4に係る光空間伝送装置の伝送路遮断発生時における伝送路変更例を示す説明図である。
【図7】本発明に実施の形態5に係る光空間伝送装置の集光スポット位置判別素子を用いた場合における光強度分布を示すグラフである。
【図8】本発明に実施の形態6に係る光空間伝送装置の分割PD例を示す説明図である。
【図9】従来におけるマルチビーム方式のシステムモデルを示す説明図である。
【図10】従来におけるビームの光軸調整方法を示す説明図である。
【符号の説明】
100 光送受信装置(送信側)
101 発光部
102 受光部
103a〜103c 照射スポット像
120 光送受信装置(受信側)
121 発光部
122 受光部
123 集光スポット位置判別部
200 信号処理部
201 光学系
202 受光素子
203 集光スポット光
204 集光光学系
205 受光素子
206 位置検出回路
600 障害物
801 分割PD

Claims (7)

  1. 1ないし複数個の光ビームを拡散面にスポット照射して拡散光を形成し,所望のエリアに配置された光送受信装置間における光伝送路によって光送受信装置間で情報信号光による相互通信を行う光空間伝送装置であって,
    受信側あるいは(および)送信側の光送受信装置に,
    スポット照射して形成された各拡散光を集光し,縮小して結像する集光光学手段と,
    前記集光光学手段により結像された前記拡散光の位置を判別する集光スポット位置判別手段と,前記集光スポット位置判別手段の出力に基づいて通信における物理状態御す手段とを備える光空間伝送装置において
    前記集光スポット位置判別手段の位置検出素子および前記情報信号光を受光する受光部の受光素子には,受光領域を所定のパターンに分割された分割フォトダイオードを用い,かつ両検出素子を一体構成したことを特徴とする光空間伝送装置。
  2. 前記集光スポット位置判別手段により,前記拡散面における照射スポット位置の相対的なスポット位置を判別し,該スポット位置を送信側の光送受信装置に送信し,前記スポット位置に基づいて受信側の光送受信装置の受信部に最も近い光ビームを送信側の光送受信装置で選択することを特徴とする請求項1に記載の光空間伝送装置。
  3. 前記情報信号光を受光する受光部に対して前記集光スポット位置判別手段の光学軸を平行に配置し,さらに前記集光スポット位置判別手段は,スポット照射方向を算出する信号処理手段と,前記集光スポット位置判別手段を前記スポット照射方向に指向させる方向調整手段と,を備えたことを特徴とする請求項1に記載の光空間伝送装置。
  4. 前記集光スポット位置判別手段は,送信側の光送受信装置で前回の光伝送路の履歴情報を参照し,前回選択した光ビームと該光ビームに近接する複数の光ビームを順次送信し,受信側の光送受信装置で前記拡散面におけるスポット照射位置を判別し,前記スポット照射位置を送信側の光送受信装置に送信し,前記スポット照射位置に基づいて受信側の光送受信装置の設置状態を判断し,前回の設置状態と異なる場合,前回選択した光ビーム以外を順次送信し,受信側の光送受信装置に最も近い光ビームに変更し,前記履歴情報を更新することを特徴とする請求項2または3に記載の光空間伝送装置。
  5. 送信側の光送受信装置は,前記最適化された光伝送路の遮断が生じた場合,スポット位置情報に基づいて1あるいは複数の光ビームを新たな光伝送路として送信することを特徴とする請求項2または3に記載の光空間伝送装置。
  6. 前記集光スポット位置判別手段の位置検出素子としてCCD(電荷結合素子)のような入射光により励起された電荷を空間的に分離して受光し,認識可能な受光素子を用いることを特徴とする請求項1に記載の光空間伝送装置。
  7. 前記分割された分割フォトダイオードからの出力の和が前記受光された情報信号光であり,前記集光スポット位置判別手段により判別されたスポット位置は,前記出力の和の演算結果により取得されることを特徴とする請求項1に記載の光空間伝送装置。
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