JP3823976B2 - 光無線伝送システム及び光無線伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、データ信号等により変調された光を送信及び受信することによりデータ伝送を行う光無線伝送システム及び光無線伝送装置に関する。

従来、光無線を用いた通信としては、いわゆるリモートコントロール装置に代表される拡散型通信方式と、高速無線ＬＡＮに代表される狭ビーム型通信方式とが知られている。拡散型通信方式においては、受発光部の各指向性を広く設定することにより、通信相手の方向を特定することなく、あるいは、受発光部を大まかに通信相手に向ける程度で通信が可能である。また、反射光も利用できるため、通信光の遮蔽にも強いが、反面、受光部に達する発光パワーが弱く、周りのノイズにも影響されやすいことから、高速通信は困難である。

一方、狭ビーム型通信方式では、受発光部の指向性を狭くすることにより、受光面に到達する発光パワーの減衰が抑えられ、また、受光部では外乱光等のノイズを抑えることができるため、高速無線ＬＡＮに代表される高速通信に向いている。反面、出射光を相手側の受光部に正確に照射する必要があり、これが技術的な課題となっている。

狭ビーム型通信方式において、出射光を相手側の受光部に向ける手法としては、例えぱ、特許文献１に記載されている屋内光無線伝送装置において採用されている手法がある。この屋内光無線伝送装置においては、図１９に示すように、一方の装置（親機１０１）にデータ光送信のための受発光部１０２とは別に発光手段１０３を設けておき、この発光手段１０３より、光軸調整用のガイド光を送出する。そして、他方の光無線伝送子機１０４においては、光軸方向を変位させて受光装置１０５によりガイド光を受信し、このガイド光の受光レベルに基づいて、光軸合わせを行っている。

このような光軸調整方法は、指向性の狭い受光装置１０５をステッピングモータ等により回転させることにより、水平及び垂直方向に走査させ、２次元座標において最大の受光レベルが得られる点をサーチするという形態で具現化されている。

また、別の手法としては、２次元撮像素子を用い、相手側装置からのガイド光を撮像した結果から相手側装置の方向を特定し、これに基づいて出射光を相手側装置の方向に向ける手法がある。この方式においては、２次元的に相手側装置を捜すため、高速に相手側装置の方向を特定することが可能である。なお、相手側装置の方向を特定するための手段としては、パターン認識により特定する手法を採用することもできるが、相手側装置の形状、距離等を考慮する必要があり、認識処理は複雑なものとなる。

この問題を解決するため、例えば、特許文献２には、相手側装置からのガイド光を点滅させることとし、この点滅に同期したタイミングにより撮像した後、フレーム間の差分をとるようにした光無線伝送装置の光軸調整方法が提案されている。

この方法における差分データでは、フレーム間において変化のないガイド光の周辺は暗くなり、ガイド光のみが抽出されるため、ガイド光を容易に認識できる。また、サービスエリアを広くし、かつ、高精度にて相手側装置に出射光を向けるためには、画素数の多い撮像素子を用いるか、または、ズームレンズを用いて撮像を行うこととし、まず、画角を広くして相手側装置の方向に光軸を向ける粗調整を行った後、次に、画角を狭くして相手側装置の方向に光軸を向ける微調整を行うことによって高精度の調整を行うという手法が考えられる。
特許第３０５９８７０号公報 特開平９−３３１２９５号公報

しかし、特許文献１に提案されているような、自動的に相手装置からのガイド光を検出する手法の場合、スキャン範囲にもよるが、相手を検出するまでに数十数秒の時間を要するのが実情であった。

また、通信相手からのガイド光の受光状態に基づく光軸調整は、受光軸が合っているときには出射光も相手側装置の受光部に到達することを前提とした調整手法である。したがって、両装置の各受発光の光軸が同軸上にない場合には、または、きわめて近い距離に受光部及び発光部が配置されていない場合には、発光ビームの指向角をより狭くした場合には、相手側装置の受光部に出射光を照射することは困難となる。

一方、特許文献２に提案されているような方法において、高精度な検出のために画素数を多くした場合は、フレームバッファが大きくなり、さらに、相手側装置の方向を特定するための演算量が多くなることから、ハイスペックな信号処理装置（ＣＰＵ）が必要となり、コストアップや、光軸調整に要する時間の長時間化につながる。また、ズームレンズを用いて撮像する場合には、ズームレンズ及びズームレンズを制御する手段が必要となることから、コストアップや、装置構成の大型化が招来されることとなる。

そこで、本発明の目的は、コストアップや装置構成の大型化を招来することなく、高速、かつ、高精度にて、光軸調整を行うことができる光無線伝送システム及び光無線伝送装置を提供することにある。

本発明は、複数の光無線伝送子機とこれら複数の光無線伝送子機との間でデータの送受信が可能な光無線伝送親機との間でデータ通信を行う光無線伝送システムであって、前述の課題を解決するため、光無線伝送親機と光無線伝送子機との間の相互のデータ通信は、指向角の狭い略々平行な送信光を用いて行われることを特徴とするものである。

そして、本発明は、前記光無線伝送システムにおいて光無線伝送子機として用いられる光無線伝送装置であって、通信相手となる装置からの入射光を反射するとともにこの入射光の光軸に対する偏向角を制御する駆動手段を有する反射光学系と、反射光学系を経た入射光の一部を反射し残りを透過させる光制御素子と、光制御素子によって反射された入射光を受光する受光素子と、通信可能エリア全体を撮像することが可能であり通信相手となる装置から入射する入射光を含む映像を撮像して撮像データとして出力する２次元撮像素子と、データ信号に基づいて変調された光を出射する第１の発光素子と、この第１の発光素子より出射された出射光を指向角の狭い略々平行な送信光に整形しこの出射光を光制御素子及び反射光学系を介して出射させる光学素子と、任意の周波数で点滅を繰り返し通信可能エリア全体に均等に照射されるガイド光を出射する少なくとも一の第２の発光素子と、２次元撮像素子により撮像された撮像データに基づいて通信相手となる装置からの入射光の入射方向を特定するとともに特定された入射光の入射方向に基づいて反射光学系の駆動手段を駆動するための移動方向と移動量を第１の相手側装置の方向情報として取得する第１の方向検出部と、受光素子により受光された入射光の受光データに基づいて反射光学系の駆動手段を駆動するための移動方向と移動量を第２の相手側装置の方向情報として取得する第２の方向検出部と、第１及び第２の方向検出部により取得された第１及び第２の相手側装置の方向情報に基づいて反射光学系の駆動手段を駆動する駆動制御部とを備えたことを特徴とするものである。

前記第１及び第２の発光素子は、同一基板上に構成された面発光レーザダイオード群であることが好ましい。

また、本発明は、前記光無線伝送システムにおいて光無線伝送親機として用いられる光無線伝送装置であって、通信可能エリア全体を撮像することが可能であり通信相手となる装置から入射する入射光を含む映像を撮像して撮像データとして出力する２次元撮像素子と、複数の受発光モジュールと、複数の受発光モジュールから一つの受発光モジュールを割り当てる方向検出部とを備え、受発光モジュールは、通信相手となる装置からの入射光の一部を反射し残りを透過させる光制御素子と、この光制御素子によって反射された入射光を受光する受光素子と、データ信号に基づいて変調された光を出射する発光素子と、この発光素子より出射された出射光を指向角の狭い略々平行な送信光に整形しこの出射光を前記光制御素子を介して出射させる光学素子と、を備えており、方向検出部は、２次元撮像素子により撮像された撮像データに基づいて通信相手となる装置からの入射光の入射方向を特定することにより、複数の受発光モジュールからの一つの受発光モジュールの割り当てを行うことを特徴とするものである。

本発明によれば、反射光学系の偏向角を制御することにより、送信光とガイド光の光軸合わせを同軸で制御することができるため、受光装置と発光装置とを同時に回転させる従来装置に比べて可動部分や光学素子が少なくなり、このためコストアップを招くことなく、装置の小型化を図ることができる。

また、広い範囲から高速に相手位置を特定できる第１の方向検出部と、高精度に相手位置を特定できる第２の方向検出部とを備えるため、発光ビームの指向角をより狭くした場合にも、高速、かつ、高精度に光軸調整を行うことができる。

すなわち、本発明により、狭指向の送信光を用いた双方向の光無線伝送システムにおいて、高速、かつ、正確に、相手側装置の方向に出射光を向けることが可能になり、効率の良いデータ伝送が可能となる。

以下、本発明に係る光無線伝送システム及び光無線伝送装置の最良の実施の形態について説明する。以下の説明において、データ信号により変調された光をデータ光、または、送信光といい、これらの光を送信することを適宜にデータ送信という。

図１は、本実施の形態に係る光無線伝送システムの全体構成を示す斜視図である。

この光無線伝送システムにおいては、デスク上などに設置され複数の端末（パーソナルコンピュータ等）に接続される複数の光無線伝送子機１ａ，１ｂと、天井などにの上部位置に設置される光無線伝送親機２とで構成され、これら光無線伝送子機１ａ，１ｂ及び光無線伝送親機２間で双方向ビーム伝送を行うものである。光無線伝送子機１ａ，１ｂは、サーピスエリア内において、通常は、複数個配置されるが、一個のみを配置してもよい。

光無線伝送子機１ａ，１ｂの通信相手となる光無線伝送親機２は、光無線伝送子機１ａ，１ｂに方向を知らせるためのガイド光を送信する複数の後述する受発光モジュール３及び通信エリア全体を撮像できる２次元撮像素子４を備えている。

この実施の形態では、サービスエリアの範囲を１５０°と定め、受発光モジュール３の発光指向角と、２次元撮像素子４の撮像範囲はともに、１５０°としている。したがって、複数の受発光モジュール３のそれぞれの発光エリアは、互いに重なり合うことになり、サービスエリア内では、光無線伝送子機１ａ，１ｂがどの位置に置かれても、光無線伝送親機２との光路（通信路）を確立することができる。

図２は、光無線伝送子機１ａ，１ｂの構成を示す断面図である。なお、この図２では、光無線伝送子機１ａ，１ｂの主要部である受発光ユニットのみを示している。

この光無線伝送子機は、図２に示すように、データ信号により変調されたデータ光を出射する第１の発光素子となるレーザダイオード（ＬＤ）５を備えている。このレーザダイオード（ＬＤ）５からの送信光は、光学素子であるコリメータレンズ６を介して平行光束に近いビームに整形され、第１及び第２の光制御素子となる第１及び第２のハーフミラー７，８を透過し、偏向角が可動となされた反射光学系９により反射され、この光無線伝送子機から送出される。レーザダイオード（ＬＤ）５からの出射光は、ビーム径が細く、さらに、コリメータレンズ６によって平行に近い光束とされることによって、高効率な出射光となっている。このレーザダイオード（ＬＤ）５からの出射光の波長は、近赤外に限らず、さらに長波長であってもよい。

一方、通信相手からの入射光は、この光無線伝送子機に入射すると、反射光学系９によって反射され、第２のハーフミラー８により一部が反射され、集光レンズ１０を介して、受光素子であるデータ受信用ＰＤ（フォトダイオード）１１により受光される。また、第１のハーフミラー８を透過した入射光は、第１のハーフミラー７によって反射され、集光レンズ１２を介して、受光素子である光軸調整用の４分割ＰＤ１３によって受光される。

この光無線伝送子機においては、第１及び第２のハーフミラー７，８を用いることにより、送信光の光軸と、４分割ＰＤ１３及びデータ受信用ＰＤ１１により受光される受光光軸との同軸を実現している。ここで、４分割ＰＤ１３の受光指向角は、±３°程度となっている。

光無線伝送子機の上部には、２次元撮像素子を備えた２次元撮像部１４が設けられている。

図３は、２次元撮像部１４の構成を示す側面図である。

この２次元撮像部１４は、１秒間に数百フレームの画像を取り込むことのできる「ＣＭＯＳセンサ」１５及び１５０°（±７５°）方向の光を素子上に集光することが可能な撮像レンズ１６からなる。「ＣＭＯＳセンサ」１５は、複数の画素に対応するセンサがマ卜リクス状に配置されて構成されている。撮像レンズ１６には、不要な光をカットするため、可視光カットフィルタを有している。この２次元撮像部１４によって撮像されたガイド光を含むサービスエリア全体の映像は、撮像データとして出力される。

そして、光無線伝送子機の上部には、図２に示すように、第２の発光素子であるＬＥＤ群１７が設けられている。このＬＥＤ群１７は、サービスエリア全体に対して、自機の位置を知らせるためのガイド光を発光するためのものである。なお、レーザダイオード（ＬＤ）５及びＬＥＤ群１７は、別々にドライブされる。このＬＥＤ群１７は、外乱光と区別するため、所定の周波数において点滅される。

図４は、反射光学系９の可動部として、ピエゾ素子を用いた構成一例を示す側面図である。

ピエゾアクチュエータは、ピエゾ素子の圧電効果を応用したものであり、図４中の（ａ）に示すように、電極１８に加えた電圧によって伸張する。

反射光学系９における反射面１９の裏側の２箇所にピエゾアクチュエータ２０を設け、これら２つのピエゾアクチュエータ２０に異なる電圧を印加することによって、図４中の（ｂ）及び（ｃ）に示すように、反射面１９を一次元で偏向させることが可能となる。反射光学系９においては、反射面１９の４箇所にピエゾアクチュエータ２０を設けることにより、これらピエゾアクチュエータ２０を用いて、反射面１９を２次元的に偏向操作することが可能である。

なお、本発明における駆動手段は、ピエゾアクチュエータ２０に限定されるものではなく、電流、または、電圧等により制御可能なアクチュエータを適宜に用いることができる。また、反射光学系９の反射面１９を曲面とし、この曲面が凹凸に駆動されることによって、光軸に対する偏向角を制御するような構造としてもよい。

図５は、４分割ＰＤ１３の受光面の構成を示す正面図である。

本実施の形態では、４分割ＰＤ１３及びデータ受信用ＰＤ１１を設けている。４分割ＰＤ１３は、図５中の（ａ）に示すように、４分割された受光部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを有している。この４分割ＰＤ１３の中央に、図５中の（ｂ）に示すように、中央ＰＤ２１ｅ設ければ、この中央ＰＤ２１ｅをデータ受信用に使用することが可能である。この場合には、第２のハーフミラー８、集光レンズ１０及びデータ受信用ＰＤ１１は不要となる。

図６は、光無線伝送子機の構成の他の例を示す断面図である。

４分割ＰＤ１３の中央に中央ＰＤ２１ｅ設け、第２のハーフミラー８、集光レンズ１０及びデータ受信用ＰＤ１１を不要とした場合には、この光無線伝送子機は、図６に示すように、レーザダイオード（ＬＤ）５から発せられた送信光は、第１のハーフミラー７を透過した後、反射光学系９に入射されることとなる。

図７は、光無線伝送親機の受発光モジュールの構成を示す断面図である。

この光無線伝送システムにおける光無線伝送親機の受発光モジュールは、図７に示すように、データ信号により変調されたデータ光を出射する発光素子となるレーザダイオード（ＬＤ）２２を備えている。このレーザダイオード（ＬＤ）２２からの送信光は、光学素子であるコリメータレンズ２３を介して平行光束に近いビームに整形され、第１及び第２の光制御素子となる第１及び第２のハーフミラー２４，２５を透過し、偏向角が可動となされた反射光学系２６により反射され、この光無線伝送親機の受発光モジュールから送出される。

一方、通信相手からの入射光は、この光無線伝送親機の受発光モジュールに入射すると、反射光学系２６によって反射され、第２のハーフミラー２５により一部が反射され、集光レンズ２７を介して、受光素子であるデータ受信用ＰＤ（フォトダイオード）２８により受光される。また、第１のハーフミラー２５を透過した入射光は、第１のハーフミラー２４によって反射され、集光レンズ３０を介して、受光素子である光軸調整用の４分割ＰＤ３１によって受光される。

この光無線伝送親機の受発光モジュールにおいては、第１及び第２のハーフミラー２４，２５を用いることにより、送信光の光軸と、４分割ＰＤ３１及びデータ受信用ＰＤ２８により受光される受光光軸との同軸を実現している。ここで、４分割ＰＤ３１の受光指向角は、±３°程度となっている。

この光無線伝送親機の４の２次元撮像素子４は、光無線伝送子機における２次元撮像部１４と同様に、図３に示すように、１秒間に数百フレームの画像を取り込むことのできる「ＣＭＯＳセンサ」１５及び１５０°（±７５°）方向の光を素子上に集光することが可能な撮像レンズ１６からなる。撮像レンズ１６には、不要な光をカットするため、可視光カットフィルタを有している。

図８は、光無線伝送子機の構成を示すブロック図である。

この光無線伝送システムの光無線伝送子機においては、図８に示すように、２次元撮像部１４からの撮像信号は、第１の方向検出部３２に送られる。この第１の方向検出部３２は、撮像信号より、反射光学系のアクチュエータを駆動するための移動方向と移動量を示す第１の相手側装置の方向情報を取得し、方向情報格納部３３に蓄積する。

また、制御部３４は、ドライバ３５を介して、ＬＥＤ群１７を駆動する。

第１の相手側装置の方向情報は、駆動制御部３６に送られる。この駆動制御部３６は、反射光学系９のアクチュエータを、第１の相手側装置の方向情報に基づいて駆動する。

また、４分割ＰＤ１３からの出力信号は、レシーバ３７を介して、第２の方向検出部３８に送られる。この第２の方向検出部３８は、４分割ＰＤ１３からの出力信号より、反射光学系９のアクチュエータを駆動するための移動方向と移動量を示す第２の相手側装置の方向情報を取得する。第２の相手側装置の方向情報は、駆動制御部３６に送られる。この駆動制御部３６は、反射光学系９のアクチュエータを、第２の相手側装置の方向情報に基づいて駆動する。

そして、通信制御部３９は、ドライバ４０を介して、レーザダイオード（ＬＤ）５を駆動する。そして、データ受信用ＰＤ１１からの出力信号は、レシーバ４１を介して、通信制御部３９に送られ、データの送受信が行われる。

この光無線伝送子機においては、効率よくデータを伝送するため、送信に平行光に近いビームを使用している。そのため、ビームの方向を正確に相手受信装置の受信部に向ける必要がある。この光無線伝送子機においては、光軸調整のために、第１及び第２の２つの方向検出部３２，３８を有し、各方向検出部からの情報に基づいて、反射光学系９のアクチュエータを駆動し、光軸を調整している。

図９は、光無線伝送親機の構成を示すブロック図である。

この光無線伝送システムの光無線伝送親機においては、図９に示すように、２次元撮像部４からの撮像信号は、第１の方向検出部３２に送られる。この第１の方向検出部３２は、撮像信号より、複数の受発光モジュール３ａ，３ｂ・・・３ｎからの一つの受発光モジュールの割り当てを行うための第１の相手側装置の方向情報を取得し、方向情報格納部３３に蓄積する。また、第１の相手側装置の方向情報は、制御部３４に送られる。この制御部３４は、第１の相手側装置の方向情報に基づいて、複数の受発光モジュール３ａ，３ｂ・・・３ｎからの一つの受発光モジュールの割り当てを行う。

この光無線伝送親機における各受発光モジュール３ａ，３ｂ・・・３ｎにおいては、光無線伝送子機における該当部分と同様に、４分割ＰＤ３１からの出力信号は、レシーバを介して、第２の方向検出部に送られる。この第２の方向検出部は、４分割ＰＤ３１からの出力信号より、反射光学系２６のアクチュエータを駆動するための移動方向と移動量を示す第２の相手側装置の方向情報を取得する。第２の相手側装置の方向情報は、駆動制御部に送られる。この駆動制御部は、反射光学系２６のアクチュエータを、第２の相手側装置の方向情報に基づいて駆動する。

そして、通信制御部は、ドライバを介して、レーザダイオード（ＬＤ）２２を駆動する。そして、データ受信用ＰＤ２８からの出力信号は、レシーバを介して、通信制御部に送られ、データの送受信が行われる。

この光無線伝送親機においては、効率よくデータを伝送するため、送信に平行光に近いビームを使用している。そのため、ビームの方向を正確に相手受信装置の受信部に向ける必要がある。この光無線伝送親機においては、受発光モジュールの割り当て及び割り当てられた受発光モジュールにおける光軸調整のために、第１及び第２の２つの方向検出部を有し、各方向検出部からの情報に基づいて、受発光モジュールの割り当て及び反射光学系２６のアクチュエータの駆動を行い、光軸を調整している。

以下に、この光無線伝送システムにおける各方向検出部の動作について述べる。

第１の方向検出部３２には、２次元撮像部からの撮像信号が供給される。そして、この第１の方向検出部３２は、この撮像信号におけるガイド光の位置に基づいて、相手側装置の方向を特定する。

この実施の形態においては、「ＣＭＯＳセンサ」として、９０×９０pixels（ピクセル）のセンサを使用している。

図１０は、２次元撮像部から得られる撮像信号の例を示す平面図である。

また、この実施の形態では、サービスエリア内に通信相手の装置が２つ存在することとしている。

第１の方向検出部では、図１０に示すように、撮像信号における最もレベルの高い画素に相当する方向を、相手側装置の方向と判断する。１５０°のエリアをカバーすることから、分解能は、略々１．７°となる。ただし、集光レンズの特性により、各方向についての画素座標の関係はリニアではないため、各ブロックに相当する正確な方向を、予め信号処理部にテーブルとして保存しておき、参照することが望ましい。

光束が２方向から入射した場合も、同様の手法で検出することが可能である。ただし、一方の光束と他方の光束とで、パワーに大きな差がある場合、一方の光束の周辺画素のほうが、他方の光束の特定画素（中心画素）よりも高出力となってしまうことがあるため、高出力の光束の受光部の周辺をマスクする必要がある。

このようにして、広い範囲から高速に、相手側装置の方向を検出することが可能となる。この実施の形態では、方向を検出するために、単に撮像レベルの高い画素を利用しているが、画素周辺を切り出した後に重心位置を求める手法や、フレームの列及び行を各々加算したデータよりピーク座標を確定する射影方式等、種々の手法を応用することができる。

そして、第２の方向検出部においては、４分割ＰＤに照射されるガイド光に基づいて、相手側装置の方向を特定する。

図１１は、４分割ＰＤの受光面上におけるガイド光の受光状態を示す平面図である。

この４分割ＰＤの受光指向角は、±３°と設定されている。そのため、反射光学系のアクチュエータを駆動し、ガイド光を±３°の方向に入れることで、図１１中の（ａ）及び（ｂ）に示すように、このガイド光の光スポットが、４分割ＰＤの受光面上に形成される。このガイド光の光スポットを、図１１中の（ｃ）に示すように、４つの受光面の中心位置となるように調整することにより、高精度の光軸調整が行われる。

図１２は、４分割ＰＤから第２の方向検出部に至るブロック図である。

ガイド光は、所定の周波数において点滅される光信号である。４分割ＰＤの４つの受光面２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄにおいて光−電気変換により得られた光検出信号は、図１２に示すように、受光量に応じた振幅を有する電気信号ＳＩＧ−Ａ、ＳＩＧ−Ｂ、ＳＩＧ−Ｃ、ＳＩＧ−Ｄとして、レシーバ（受光アンプ）３７及びＡ／Ｄコンバータ４２を介して、第２の方向検出部３８に送られる。

第２の方向検出部３８では、４分割ＰＤの中心を介して対向する受光面同士からの出力信号のレベルの差を算出し、その受光レベル差を０とするための、アクチュエータの移動方向及び移動量を算出し、Ｄ／Ａコンバータ４３及びドライバ３６を介して、反射光学系９，２６のアクチュエータを駆動する。

図１３は、第２の方向検出部の動作を示すフローチャートである。

まず、図１３のＳ１において、４分割ＰＤの各受光面における光−電気変換が行われ、Ｓ２において、４分割ＰＤの各受光面からの出力信号がレシーバ（受光アンプ）３７により増幅される。Ｓ３では、４分割ＰＤの各受光面からの出力信号がＡ／Ｄコンバータ４２によりデジタル変換される。

そして、Ｓ４において、第２の方向検出部３８は、４分割ＰＤの中心を介して対向する受光面同士からの出力信号のレベルの差を算出する。次のＳ５では、垂直方向に対向する４分割ＰＤの各受光面の受光量の差を演算し、差が０であるかを判別し、０であればＳ９に進み、０でなければＳ６に進む。Ｓ６では、４分割ＰＤの各受光面の受光量の差を０にする方向の移動量を算出し、Ｓ７で算出結果をアナログ変換し、Ｓ８で算出結果に基づいてアクチュエータを垂直方向に動かし、Ｓ５に戻る。

Ｓ９では、水平方向に対向する４分割ＰＤの各受光面の受光量の差を演算し、差が０であるかを判別し、０であれば調整を終了し、０でなければＳ１０に進む。Ｓ１０では、４分割ＰＤの各受光面の受光量の差を０にする方向の移動量を算出し、Ｓ１１で算出結果をアナログ変換し、Ｓ１２で算出結果に基づいてアクチュエータを水平方向に動かし、Ｓ９に戻る。

以上より、精度の高い光軸調整が可能となる。

図１４は、光軸調整のための動作を示す斜視図である。

この光無線伝送システムにおける光軸調整は、以下のようにして実行される。

（１）まず、図１４中の（１）に示すように、光無線伝送子機は、電源投入時または、リンク切断時には、サービスエリア全体にガイド光を照射するために、ＬＥＤ群１７を発光させる。また、光無線伝送親機は、対象となる光無線伝送子機がない場合には、二次元撮像素子により、サービスエリアをモニタリングしている。

（２）図１４中の（２）に示すように、光無線伝送親機は、第１の方向検出部により光無線伝送子機を検出し、方向を特定する（図１４では２台の親機がサービスエリア内に存在する）。次に、光無線伝送親機の受発光モジュール群の一つを割り当て、光無線伝送子機の方向情報を伝えることで、割り当てられた光無線伝送子機は、光無線伝送子機の方向情報に基づき、さらに、第２の方向検出部により、光無線伝送子機からのガイド光方向に光ビームを正確に照射する。このとき、光無線伝送親機からの光ビームは、光無線伝送子機からの光路、具体的には、反射光学系９に照射される必要がある。そのため、光無線伝送子機では、ＬＥＤ群１７と反射光学系９とが、なるべく近くに配置されていることが望ましい。

（３）図１４中の（３）に示すように、光無線伝送子機では、同時に２方向からビームが照射されることとなるが、光無線伝送子機の第１の方向検出部により最適な方向を決定し、反射光学系を移動操作した後、さらに第２の方向検出部により、より正確に光無線伝送親機からの光ビームの入射方向に、自らが発する光ビームを向ける（図１４では、親機２を選択している）。

（４）図１４中の（４）に示すように、光無線伝送子機は、光軸調整が終了したことを知らせるため、ガイド光の照射を中止する。光無線伝送親機２は、光無線伝送子機からのガイド光の方向にビーム光軸を合わせていたが、光無線伝送子機の発光が送信光に切り替わることにより、第２の方向検出部により、再調整を行う。

（５）図１４中の（５）に示すように、光無線伝送子機により選択されなかった光無線伝送親機（親機１）は、光無線伝送子機からのガイド光により一旦光軸を合わせるが、光無線伝送子機からのガイド光が消失するため、第１の方向検出部に光軸調整要求を発して待機状態となる。

以上より、光無線伝送親機と光無線伝送子機との間で、互いに光軸を合わせることが可能となり、双方向ビーム通信が実現できる。

次に、光無線伝送子機１ａ，１ｂにおいて、光軸調整及ぴ光路が遮断された場合に新たな光路を確立する動作について説明する。

図１５は、光無線伝送子機において、第１の方向検出部と第２の方法検出部を独立して駆動する場合の制御手順を示すフローチャートである。

光無線伝送子機への電源投入時には、図１５のＳ２１において、第２の方向検出部は、４分割ＰＤからの信号に基づいて、光無線伝送親機からのガイド光の有無を確認する。

光無線伝送親機からのガイド光が４分割ＰＤに照射されている場合には、Ｓ２２で、光軸調整要求を停止し、Ｓ２３で、第２の方向検出部により、４分割ＰＤの受光量に基づいて光軸が一致しているかどうかを判断する。ここで、光軸が一致していれば、Ｓ２４において、通信制御部にデータ送信要求を発し、データ送信を開始する。また、ステップＳ２３で光軸が一致していなければ、Ｓ２５において、光軸調整を行ってＳ２１に戻り、光軸が一致した時点で、Ｓ２４に進み、データ送信を開始する。

一方、Ｓ２１でガイド光が４分割ＰＤに照射されていない場合には、Ｓ２６に進み、第２の方向検出部は、通信制御部に対しデータ送信要求の停止要求を発し、次に、Ｓ２７において、第１の方向検出部に光軸調整要求を発する。第１の方向検出部は、ＬＥＤ群１７を点灯させ、ガイド光を発する。

第１の方向検出部は、Ｓ２８において、２次元撮像部により撮像された撮像信号を取得し、Ｓ２９において、撮像信号中にガイド光があるかどうかを判断する。ここで、撮像信号中にガイド光があれば、撮像信号に基づいて反射光学系の移動方向と移動量を取得し、Ｓ３０において、光軸調整を行う。このＳ３０において、４分割ＰＤには、光無線伝送親機からのガイド光が照射される状態となる。これによって、第２の方向検出部では、第１の方向検出部に対する光軸調整要求を取下げ、Ｓ２１乃至Ｓ２４の動作により、光軸が一致した時点でデータ送信を開始する。

この後、省電力のため、Ｓ３１において、２次元撮像部ヘの電源の供給を停止すると共に、ＬＥＤをオフにし、パワーセーブモードとする。

なお、ステップＳ２９において、撮像信号中にガイド光がない場合には、サービスエリア内に光無線伝送親機がないと判断して、第１の方向検出部は、表示用ＬＥＤなどを点灯させることにより、ユーザーにエラーを知らせる。

このように、第１の方向検出部により高速に相手側装置を特定し、続いて、第２の方向検出部により、高精度に相手側装置の位置が特定されるため、高速、かつ、高精度に光軸調整を行うことができる。また、一旦光軸を合せた後も、第２の方向検出部により光軸のずれをモニタしているため、光無線伝送子機１ａ，１ｂが移動した場合でも、その動きにあわせて光軸を追従させることが可能となる。

次に、光無線伝送親機において、光軸調整及び光路が遮断された場合に新たな光路を確立する動作について説明する。

図１６は、光無線伝送親機において、第１の方向検出部と第２の方法検出部を独立して駆動する場合の制御手順を示すフローチャートである。

光無線伝送親機への電源投入時には、図１６のＳ３２において、第１の方向検出部に基づく受発光モジュールの割り当てがなされているかを判別し、割り当てがなされていなければＳ３２に留まり、割り当てがなされていれば、Ｓ３３に進む。Ｓ３３では、割り当てられている受発光モジュールの反射光学系のアクチュエータを移動させ、Ｓ３４において、第２の方向検出部は、４分割ＰＤからの信号に基づいて、光無線伝送子機からのガイド光の有無を確認する。

光無線伝送子機からのガイド光が４分割ＰＤに照射されている場合には、Ｓ３５で、第２の方向検出部により、４分割ＰＤの受光量に基づいて光軸が一致しているかどうかを判断する。ここで、光軸が一致していれば、Ｓ３７において、通信制御部にデータ送信要求を発し、データ送信を開始する。また、ステップＳ３５で光軸が一致していなければ、Ｓ３６において、光軸調整を行ってＳ３４に戻り、光軸が一致した時点で、Ｓ３７に進み、データ送信を開始する。

一方、Ｓ３４でガイド光が４分割ＰＤに照射されていない場合には、Ｓ３８に進み、第２の方向検出部は、通信制御部に対しデータ送信要求の停止要求を発し、次に、Ｓ３９において、第１の方向検出部に光軸調整要求を発する。

第１の方向検出部は、Ｓ４０において、光軸調整要求がなされているかを判別し、光軸調整要求がなされていれば、Ｓ４４に進み、受発光モジュールの割り当てを解除し、Ｓ４１に進む。また、Ｓ４０において、光軸調整要求がなされていなければ、Ｓ４１に進む。

Ｓ４１では、第１の方向検出部は、２次元撮像部により撮像された撮像信号を取得し、Ｓ４２において、撮像信号中にガイド光があるかどうかを判断する。ここで、撮像信号中にガイド光があれば、Ｓ４３において、撮像信号に基づいて、受発光モジュールの割り当てを行う。

このようにして割り当てられた受発光モジュールにおいては、Ｓ３３において、４分割ＰＤにより、光無線伝送子機からのガイド光を検出する状態となる。これによって、第２の方向検出部では、第１の方向検出部に対する光軸調整要求を取下げ、Ｓ３４乃至Ｓ３７の動作により、光軸が一致した時点でデータ送信を開始する。

なお、ステップＳ４１において、撮像信号中にガイド光がない場合には、サービスエリア内に光無線伝送子機がないと判断して、第１の方向検出部は、表示用ＬＥＤなどを点灯させることにより、ユーザーにエラーを知らせる。

このように、第１の方向検出部により高速に相手側装置を特定して受発光モジュールを割り当て、続いて、割り当てられた受発光モジュールにおける第２の方向検出部により、高精度に相手側装置の位置が特定されるため、高速、かつ、高精度に光軸調整を行うことができる。また、一旦光軸を合せた後も、第２の方向検出部により光軸のずれをモニタしているため、光無線伝送子機１ａ，１ｂが移動した場合でも、その動きにあわせて光軸を追従させることが可能となる。

また、光無線伝送親機においては、前述のように、第１の方向検出部と第２の方向検出部が並行して動作している。そのため、光無線伝送子機がガイド光から通信光に切り替えた後も、２次元撮像素子にビーム光が照射された場合には、第１の方向検出部は、受発光モジュールを割り当てた光無線伝送子機からの光か、または、新たに追加された異なる光無線伝送子機からの光かを判断する機能が必要となる。そのため、光無線伝送子機からのビームが２次元撮像素子に入射することは望ましくない。したがって、光無線伝送親機においては、２次元撮像素子と送受光モジュールとの距離を適宜離すなどの考慮をすることが望ましい。

図１７は、本発明に係る光無線伝送システムの光無線伝送子機の構成の他の例を示す断面図である。

前述した実施の形態においては、データ送信用にレーザダイオード（ＬＤ）を用い、ガイド光用にＬＥＤ群を使用しているが、この光無線伝送子機は、図１７に示すように、データ送信用のレーザダイオード（ＬＤ）４４とガイド光用のＬＥＤ４５とを同一の基板４６上に構成可能な面発光レーザ群によって構成することがきる。この場合には、一層の装置構成の小型化を図ることができる。

図１８は、面発光レーザ群の構成を示す平面図である。

この面発光レーザ群は、図１８に示すように、同一の基板４６上に、レーザダイオード（ＬＤ）４４とガイド光用のＬＥＤ４５とが構成されておいる。また、ガイド光用には、通信可能エリア全体にガイド光を照射するための拡散材４７を設け、ガイド光が拡散されるようにする。

なお、前述した本発明に係る光無線伝送システムにおいて、２次元撮像素子として「ＣＭＯＳセンサ」を利用する場合、検出すべき光が弱い場合には、露光時間を長くすることで対応することができる。しかし、この場合には、同時にノイズレベルも上昇することから、素子が飽和してしまう虞れもある。このような場合においては、室内における使用でも、窓から直射される太陽光は大きなノイズ源となる。

前述した実施の形態においては、光無線伝送親機の「ＣＭＯＳセンサ」は、比較的レベルの低い光無線伝送子機からのガイド光を検出するため、長めの露光時間を必要とするが、光無線伝送親機を、例えば天井に設置することにより、太陽光の直射を受けないようにしている。そして、太陽光の直射を受ける可能性のある光無線伝送子機においては、光無線伝送親機からの送信光のみを検出するようになっているため、比較的短い露光時間で親機を検出できるようになっている。

本発明に係る光無線伝送システムの全体構成を示す斜視図である。 前記光無線伝送システムにおける光無線伝送子機の構成を示す断面図である。 前記光無線伝送子機の２次元撮像部の構成を示す側面図である。 前記光無線伝送子機の反射光学系の可動部として、ピエゾ素子を用いた構成一例を示す側面図である。 ４分割ＰＤの受光面の構成を示す正面図である。 前記光無線伝送システムにおける光無線伝送子機の構成の他の例を示す断面図である。 前記光無線伝送システムにおける光無線伝送親機の受発光モジュールの構成を示す断面図である。 前記光無線伝送システムにおける光無線伝送子機の構成を示すブロック図である。 前記光無線伝送システムにおける光無線伝送親機の構成を示すブロック図である。 前記光無線伝送システムにおいて２次元撮像部から得られる撮像信号の例を示す平面図である。 前記光無線伝送システムにおける４分割ＰＤの受光面上におけるガイド光の受光状態を示す平面図である。 前記光無線伝送システムにおける４分割ＰＤから第２の方向検出部に至るブロック図である。 前記光無線伝送システムにおける第２の方向検出部の動作を示すフローチャートである。 前記光無線伝送システムにおける光軸調整のための動作を示す斜視図である。 前記光無線伝送システムの光無線伝送子機において、第１の方向検出部と第２の方法検出部を独立して駆動する場合の制御手順を示すフローチャートである。 前記光無線伝送システムの光無線伝送親機において、第１の方向検出部と第２の方法検出部を独立して駆動する場合の制御手順を示すフローチャートである。 前記光無線伝送システムの光無線伝送子機の構成の他の例を示す断面図である。 前記光無線伝送システムの光無線伝送子機の構成のさらに他の例を示す断面図である。 従来の屋内光無線伝送装置の概略構成を示す側面図である。

符号の説明

１ａ 光無線伝送子機
１ｂ 光無線伝送子機
２ 光無線伝送親機
３ 受発光モジュール
４ ２次元撮像素子
５，２２ レーザダイオード（ＬＤ）
６，２３ コリメータレンズ
７，２４ 第１のハーフミラー
８，２５ 第２のハーフミラー
９，２６ 反射光学系
１４ ２次元撮像部
１７ ＬＥＤ群

Claims (2)

1. 複数の光無線伝送子機と、これら複数の光無線伝送子機との間でデータの送受信が可能な光無線伝送親機との間でデータ通信を行う光無線伝送システムであって、
   前記光無線伝送親機と光無線伝送子機との間の相互のデータ通信は、指向角の狭い略々平行な送信光を用いて行われ、
   前記光無線伝送親機は、
   通信可能エリア全体を撮像することが可能であり通信相手となる装置から入射する入射光を含む映像を撮像して撮像データとして出力する２次元撮像素子と、
   複数の受発光モジュールと、
   前記複数の受発光モジュールから一つの受発光モジュールを割り当てる方向検出部とを備え、
   前記受発光モジュールは、通信相手となる装置からの入射光の一部を反射し残りを透過させる光制御素子と、この光制御素子によって反射された入射光を受光する受光素子と、データ信号に基づいて変調された光を出射する発光素子と、この発光素子より出射された出射光を指向角の狭い略々平行な送信光に整形しこの出射光を前記光制御素子を介して出射させる光学素子とを備え、
   前記方向検出部は、前記２次元撮像素子により撮像された撮像データに基づいて前記通信相手となる装置からの入射光の入射方向を特定することにより、前記複数の受発光モジュールからの一つの受発光モジュールの割り当てを行い、
   前記光無線伝送子機は、
   通信相手となる装置からの入射光を反射するとともに、この入射光の光軸に対する偏向角を制御する駆動手段を有する反射光学系と、
   前記反射光学系を経た入射光の一部を反射し、残りを透過させる光制御素子と、
   前記光制御素子によって反射された入射光を受光する受光素子と、
   通信可能エリア全体を撮像することが可能であり、前記通信相手となる装置から入射する入射光を含む映像を撮像して撮像データとして出力する２次元撮像素子と、
   データ信号に基づいて変調された光を出射する第１の発光素子と、
   前記第１の発光素子より出射された出射光を指向角の狭い略々平行な送信光に整形し、この出射光を、前記光制御素子及び前記反射光学系を介して出射させる光学素子と、
   任意の周波数で点滅を繰り返し、通信可能エリア全体に均等に照射されるガイド光を出射する少なくとも一の第２の発光素子と、
   前記２次元撮像素子により撮像された撮像データに基づいて前記通信相手となる装置からの入射光の入射方向を特定するとともに、特定された入射光の入射方向に基づいて、前記反射光学系の駆動手段を駆動するための移動方向と移動量を第１の相手側装置の方向情報として取得する第１の方向検出部と、
   前記受光素子により受光された入射光の受光データに基づいて、前記反射光学系の駆動手段を駆動するための移動方向と移動量を第２の相手側装置の方向情報として取得する第２の方向検出部と、
   前記第１及び第２の方向検出部により取得された第１及び第２の相手側装置の方向情報に基づいて、前記反射光学系の駆動手段を駆動する駆動制御部とを備える
   ことを特徴とする光無線伝送システム。
2. 前記第１及び第２の発光素子は、同一基板上に構成された面発光レーザダイオード群であることを特徴とする請求項１記載の光無線伝送装置。

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