JP3995959B2

JP3995959B2 - Spatial optical communication sensor, spatial optical communication receiver, and spatial optical communication system including the receiver

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Publication number: JP3995959B2
Application number: JP2002058698A
Authority: JP
Inventors: 景一郎香川; 淳太田; 國寛渡辺; 康司山嵜
Original assignee: マイクロシグナル株式会社
Priority date: 2002-03-05
Filing date: 2002-03-05
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2022-03-05
Also published as: JP2003258736A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空間光通信（伝送）における受信装置の受光センサとして好適な光通信用センサ、該センサを用いた空間光通信用受信装置、及び該受信装置を含む空間光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
オフィス等においてコンピュータネットワークを構築する際のハードウエア上の問題の１つは、各機器を相互に接続するためのケーブルを配設しなければならないことである。こうしたケーブルによる接続は、ケーブルの配設が煩雑であって見栄えも悪くなりがちであるというほかに、機器の設置場所が制限されたり、或いは機器の自由な移動を妨げたりするという問題がある。こうした問題を解決する手段として有効なのが、無線による機器間の接続である。無線方式には大別して電波を利用したものと光（主として赤外線）を利用したものとがあるが、後者は、他の機器への電気的妨害がないこと、電波法などの規制を受けないこと、情報の漏洩などに対するセキュリティ性に優れること、等の利点を有している。
【０００３】
しかしながら、周知のように光は直進性を有しており、その経路上に障害物があると通信に支障をきたすという根本的な問題がある。そこで、従来のこの種の空間光通信装置では、各機器に接続した送受光端末機との間の光の送受を天井や壁の上部などに取り付けた送受光中継装置との間で行うという構成が採用されている。図１４はこうした空間光通信システムの典型的な構成例である。
【０００４】
この光空間通信システムでは、コンピュータやプリンタなどの各端末機器１００にそれぞれ送受光端末機であるノード２００が接続され、一方、該ノード２００に対して見通しのよい位置、通常は天井や壁の高い位置などにアクセスポイントとしてのハブ３００が設置される。各ハブ３００は送受信が可能である範囲として所定広さで且つ所定距離内のエリアをカバーしており、端末機器１００の配置条件などに応じてハブ３００の設置間隔が決められる。各ハブ３００は例えば天井裏空間などに敷設されたイントラネットなどのネットワーク回線４００に接続される。ノード２００とハブ３００とはそれぞれ、データを含む光を放射する送光部と、送光部から放射されて到来する光を受ける受光部とを備えており、ノード２００とハブ３００との間では相互に光を介したデータ通信が可能となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
こうした空間光通信システムの受信装置（図１４では、ノード２００、ハブ３００共に、受信装置を構成の一部として含んでいるとみることができる）には、ホトダイオード等の受光素子を有する受光センサが用いられるが、一般に、このような受光素子において、応答の高速性と受光信号のＳ/Ｎ比向上とは相反した要求である。すなわち、伝送速度を上げるべく高速応答を実現するには、受光素子の接合容量を小さくする必要があり、そのためには受光面の面積を小さくしなければならない。すると、受光量が減少して信号強度が低くなり、高いＳ/Ｎ比を確保することが難しくなる。その結果、送受信可能な距離が短くなったり、或いは外乱光などの妨害の影響を受け易くなる。集光レンズを使用して小さな受光面に光を入射させるという方法も考えられるが、こうした高精度なレンズは高価であり、装置のコストを大きく増加させる。
【０００６】
逆に、高い信号レベルを確保するには受光面の面積を或る程度大きくする必要があるが、それに伴い接合容量も増加して応答特性が低下し、それによって通信速度が制限されてしまう。また、受光面の面積を大きくしても、その受光面全体で光を受けるようにしないと、必ずしもＳ/Ｎ比の改善には繋がらない。特に最近、ネットワークの高速化、大容量化の進展に伴い、空間光通信の高速化に対する要求が高まっており、高いＳ/Ｎ比を確保しつつ通信速度を如何に上げるかということが、大きな課題の一つになっている。
【０００７】
本発明はこのような点に鑑みて成されたものであり、その主たる目的とするところは、空間光通信における通信速度を向上しつつ、高いＳ/Ｎ比でもって受光信号を得ることができる空間光通信用センサ、該センサを用いた空間光通信用受信装置、及び該受信装置を含む空間光通信システムを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明に係る空間光通信用センサは、空間光通信の受信装置に用いられる空間光通信用センサであって、
a)１画素を構成する微小な受光素子が２次元の行列状に多数配置された光電変換手段と、
b)前記各受光素子で光電変換されて生じた信号電荷を画素単位で蓄積する電荷蓄積手段と、
c)第１動作モードにおいて、前記電荷蓄積手段で蓄積された信号電荷を画素単位で順次、外部へ読み出すための第１の信号読み出し手段と、
d)第２動作モードにおいて、前記光電変換手段に含まれる１乃至複数の受光素子を選択し、該選択された受光素子で光電変換されて生じた信号電流を蓄積することなく加算して外部へ読み出すための第２の信号読み出し手段と、
を備えることを特徴としている。
【０００９】
ここで、電荷蓄積手段は光電変換手段と別に設けてもよいが、光電変換手段に含まれる各受光素子が有する容量（接合容量）を利用して信号電荷を蓄積する構成とすることもできる。すなわち、この構成では、機能的に光電変換手段と電荷蓄積手段とを分けることは可能であるが、実体としては一体化されている。
【００１０】
また、本発明に係る空間光通信用受信装置は、上記本発明に係る空間光通信用センサを搭載し、離間した位置に配置された送信装置から送られてくる信号光を受信する空間光通信用受信装置において、
a)前記第１動作モードにおいて、前記第１の信号読み出し手段により読み出された２次元画像に対応する信号に基づき、前記送光側装置の位置を特定する画像認識手段と、
b)前記光電変換手段に含まれる受光素子のうち、前記画像認識手段により特定された送光側装置の位置に対応する１乃至複数の受光素子を選択するように前記第２の信号読み出し手段を制御する読み出し制御手段と、
c)前記第２動作モードにおいて、前記読み出し制御手段の制御に応じて前記第２の信号読み出し手段により読み出された信号電流に基づいて、前記送光側装置から送出された光に含まれる情報を受信する受信手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１１】
更にまた、本発明に係る空間光通信システムは、上記本発明に係る空間光通信用受信装置と、該受信装置から離間した位置に配置された送信装置と、を含むことを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態、及び効果】
本発明に係る空間光通信用センサでは、第１及び第２なる２種類の動作モードでそれぞれ特徴的な受光及び受光信号の出力動作を行うことができる。すなわち、第１動作モードは一般的なＣＭＯＳ/ＣＣＤイメージセンサと同様の動作を行うモードであって、所定の電荷蓄積期間中に２次元画像に対応した光を受け、各受光素子で光電変換されて生じた信号電荷を電荷蓄積手段にそれぞれ蓄積し、その後の信号転送期間に、第１の信号読み出し手段により光電変換手段の行方向又は列方向に並んだ各画素の蓄積信号電荷を順次シフトさせながら読み出す。
【００１３】
したがって、第１動作モードでは、信号電荷を蓄積するために蓄積時間が必要であるとともに、蓄積した信号電荷を外部へ読み出すにも時間を要する。その反面、全ての画素に対する蓄積電荷を個別に読み出すことができ、また、光電変換により得られた信号電荷を蓄積することにより、光電変換手段がカバーする２次元領域の画像を高い感度で取得することができる。
【００１４】
一方、第２動作モードは光電変換で生じた信号電荷の蓄積を行わない（厳密に言えば蓄積せずに読み出してしまう）非蓄積モードであって、例えば単一の受光素子であるホトダイオードなどにおいて、照射光が光電変換されて生じた信号電流をそのまま出力するのと同様である。但し、本発明に係る空間光通信用センサの第２動作モードでは、第２の信号読み出し手段により、２次元の行列状に多数配置された受光素子のうちの任意の位置及び任意の数の受光素子を選択し、その選択された受光素子で生じる信号電流のみをアナログ的に加算して外部に読み出すことができる。
【００１５】
したがって、或る送信装置から到来する光が光電変換手段のうちの一部の１乃至複数の受光素子の受光面に当たっている場合、その受光素子のみを選択することにより、光が当たっていない他の受光素子の暗電流や外乱光に起因する電流などの影響を受けることなく、所望の光に対応する信号電流を高いＳ/Ｎ比で読み出すことができる。また、この第２動作モードでは、信号電荷を蓄積せず、不要な接合容量の影響も殆ど受けずにすみ、しかも信号の読み出しも画素単位の逐次読み出しではないので、光が照射されている部分のみの受光面を持つような１個の受光素子で受光した場合と同様の、非常に高速な応答が可能である。
【００１６】
本発明に係る空間光通信用受信装置では、上記空間光通信用センサの特徴を活かし、第１動作モードにおいて送信装置の位置の特定を行い、第２動作モードにおいては、先に位置が特定された送信装置との光通信を行う。より詳しく述べると、まず第１動作モードにおいて、上記送信装置を含む２次元画像を取得したならば、画像認識手段により、光電変換手段の受光面の中で所望の送信装置から出射された光が当たる部分を検出し、その部分に対応する受光素子の位置と数とを特定する。その後、第１動作モードから第２動作モードに動作を切り替え、読み出し制御手段により、第２の信号読み出し手段に対して選択すべき受光素子の位置を指示する。これに応じて第２の信号読み出し手段は、上記送信装置からの信号光が入射している１乃至複数の受光素子で生じた信号電流のみを選択し、これを電流加算して出力する。受信手段はこの信号電流を受けて、例えばデータ復調などの信号処理を行って受信信号に含まれる情報を取り出す。
【００１７】
したがって、本発明に係る空間光通信用受信装置によれば、高速で大容量のデータ通信が可能となる。また、受光信号のＳ/Ｎ比が向上するので、例えば、送信装置の発光素子の発光強度を下げることができ、それによって発光光源等のコストを低減することができる。また、光電変換手段の前に集光レンズを介挿する場合に、集光スポット径をそれほど絞る必要がなく、また収差等が大きくても問題がないので、レンズの機械的精度が低くてもよい。そのため、高価なレンズを必要とせず、例えば安価なプラスチックレンズを用いても充分な性能を得ることができる。
【００１８】
更にまた、複数の送信装置から同時に信号光が到来する場合に、その光を同時に処理するためには、上記本発明に係る空間光通信用センサにおいて、第２の信号読み出し手段は、光電変換手段に含まれる多数の受光素子のうち互いに同一でない１乃至複数の受光素子をそれぞれ選択して、該選択された受光素子で光電変換されて生じた信号電流を加算して並列に外部へ読み出すための複数の信号経路を有する構成とするとよい。
【００１９】
また、このような構成の空間光通信用センサを用いた空間光通信用受信装置では、上記画像認識手段は同時に複数の送信装置の位置を特定し、上記信号読み出し制御手段は、その複数の特定位置に対して同時にそれぞれ異なる信号経路を介して信号電流を読み出すべく第２の信号読み出し手段を制御する構成とすることができる。
【００２０】
この構成によれば、１つの受信装置と複数の送信装置との間で光通信を行う場合でも、時分割で光通信を行う必要がなく、同時に並行して異なるデータを送ることが可能であるので、高速度で通信を行うのに非常に有用である。
【００２１】
また、本発明に係る空間光通信用センサでは、光電変換手段に含まれる各受光素子毎に高速の電流増幅手段を備え、第２の信号読み出し手段は該電流増幅手段の出力電流を選択的に加算する構成とすることができる。この構成によれば、応答の高速性を維持しつつ、信号レベルを上げることができる。
【００２２】
更にまた、本発明に係る空間光通信用センサでは、第２の信号読み出し手段は、光電変換手段に含まれる各受光素子毎の選択制御情報を保持しておく記憶手段を含み、該選択制御情報に基づいて、当該受光素子で光電変換されて生じる信号電流の選択／非選択や信号電流を出力するための前記複数の信号経路のうちの１つの接続先を制御する構成とすることができる。一態様としては、各画素内にそれぞれ記憶手段を設ける構成とすることができるが、そのほか、画素の外側、例えば列毎及び行毎にそれぞれ記憶手段を設け、列の選択と行の選択との組み合わせにより、或る行列上に位置する受光素子を選択するようにしてもよい。
【００２３】
このような構成では、一旦、選択制御情報を設定しさえすれば、該選択制御情報を変更する必要のない限り、外部より選択制御情報を与える必要がない。したがって、空間光通信装置の受光側装置における信号読み出し制御手段の負担が軽くなる。
【００２４】
更にまた、同時に多数の受信光を受けてそれぞれ独立に読み出すために、全画素を複数の領域に区分し、前記第２の信号読み出し手段は、前記区分された領域毎に、少なくとも該領域に含まれる画素の受光素子による信号を加算して外部へ読み出すための信号経路をそれぞれ２つ以上有する構成としてもよい。また、この構成では、前記加算対象である画素は２つ以上の前記領域に跨っている構成とすることが好ましい。このような構成によれば、受信光の広がりが上記領域内に収まるという条件の下で、配線や回路構成をそれほど煩雑にすることなく、同時に高速で読み出し可能な信号数を格段に増加させることができる。
【００２５】
また、このような空間光通信システムでは、送信装置の設置場所は常に一定であるとは限らず、ユーザにより適宜に移動されることを想定する必要がある。そこで、本発明に係る空間光通信用受信装置では、画像認識手段による位置の特定を一定又は不定時間間隔で繰り返し行うことにより送信装置の位置の追尾を行う位置追尾制御手段を備える構成とすることが好ましい。
【００２６】
この構成では、例えば第２動作モードで通信を行っているときに一定又は不定時間間隔で第１動作モードに切り替え、画像認識手段により送信装置の位置の特定を再度行い、位置が変化している場合にはそれに応じて選択すべき受光素子を変更する。第１動作モードへの切替えの頻度を高くするほど送信装置の移動に対する追従性は向上するが、その反面、通信を休止している期間が長くなって総合的な通信速度が低下する。したがって、送光側装置の許容し得る移動速度などに応じて位置の追尾の頻度を決めるとよい。また、受光光が途切れたと判断したときに上記追尾動作を行うようにしてもよい。
【００２７】
また、第２動作モードによる通信を行うのと並行して第１動作モードによる画像認識（送信装置の位置検出など）を行うことも可能である。もちろん、この場合、第２動作モードにおいて選択されている画素の信号は画像認識に利用することができないものの、それ以外の画素の信号は何等問題なく利用できるため、送信装置が移動したか否かの判断や、移動した場合の移動先の確定を実行することができる。
【００２８】
また、本発明に係る空間光通信用受信装置において、前記読み出し制御手段は、１乃至複数の受光素子を選択するに際して加算対象となる受光素子の最大個数を所定個数以下に制限する構成とすることができる。これは、通信速度を優先するべく光電変換手段の実効的な容量を小さく抑えるために有効である。また、通信速度以外にも、後段の回路（例えば増幅器）において信号レベルが飽和しないように信号レベルを抑制したい場合にも有用である。
【００２９】
また、本発明に係る空間光通信システムにおいて、前記送信装置は、広い範囲に光を放射する拡散光モードと、任意の特定方向の狭い範囲に光を放射する非拡散光モードとを切替え可能に有し、前記受信装置が送信装置の位置の特定を行う際に、該送信装置は拡散光モードで動作する構成とすることができる。この構成によれば、送信装置が受信装置に対してどのような位置に在っても、受信装置が送信装置の位置を検出する際に検出が容易になり、検出見逃しなどの不具合をなくすことができる。
【００３０】
また、送信装置から出射された信号光を周辺光（換言すれば外乱光）と確実に区別して検出する一態様として、前記送信装置は、前記受信装置が送信装置の位置の特定を行う際に所定の変調を施した信号光を出射する構成とするとよい。
また、前記受信装置は、送信装置の位置の特定を行う際に該送信装置の信号光の波長近傍を抽出する波長選別手段を備える構成としてもよく、上述した送信側の信号光の変調との併用も有用である。
【００３１】
また、送信装置が拡散光モードで動作している場合に、その出射光のうち受信装置に到達する光はごく一部に過ぎないから、受光素子での受光量を充分に確保するのが難しいことがある。そこで、一態様として、前記送信装置は、所定のデューティ比を有する駆動電流を発光素子に供給する発光駆動手段を備え、該発光駆動手段は、前記受信装置が送信装置の位置の特定を行う際に駆動電流を増加させる一方、デューティ比を減少させる構成としてもよい。これにより出射光の光エネルギ密度が高まり、送信装置に対する位置検出が容易になる。
【００３２】
更にまた、上述したように送信装置において信号光を変調する場合、前記受信装置は、前記信号光の変調周波数よりも速いフレームレートで前記２次元画像に対応する信号を取得する構成とすることが好ましい。具体的には、例え１kHzの変調信号に対してフレームレートを２kHz以上（好ましくは５〜10kHz程度）とするとよい。これにより、光信号検出の時間分解能が向上するから、位置検出の精度を高めることができる。
【００３３】
【実施例】
以下、本発明に係る空間光通信用センサ、該センサを利用した空間光通信用受信装置、及び該受信装置を含む空間光通信システムの実施例について、詳細に説明する。
【００３４】
先ず、本実施例による空間光通信用センサの構成及び動作について説明する。図１は本実施例による空間光通信用センサの内部構成の概略図である。
【００３５】
イメージセル部１は、１画素を構成する単位セル２が２次元の行列状に多数配置されることにより形成されている。後で詳述するが、各単位セル２はそれぞれ受光素子としてホトダイオード（ＰＤ）を備えており、イメージセル部１に照射された光は各ホトダイオードにより光電変換され、画素単位で信号電荷を発生する。イメージセル部１には行デコーダ３と１Ｈメモリ４とが接続されている。行デコーダ３は列方向（水平ライン）に配列された単位セル２を順次選択し、選択された単位セル２から垂直信号線への電気信号の読み出しを制御する。１Ｈメモリ４は、行デコーダ３により選択された単位セル２から読み出された電気信号を画素単位でサンプルホールドする。１Ｈメモリ４にホールドされた１水平ライン分の電気信号は、列デコーダ５の制御の下に１画素ずつ順次読み出され、アンプ７で増幅された後に画像信号として出力される。なお、リセット用デコーダ６は、各単位セル２の信号電荷を読み出す前又は後に、基準電位を定めるべくリセットを行う機能を有する。
【００３６】
また、イメージセル部１にはメモリ制御部８が接続されており、後述するように各単位セル２に備えられるセル選択メモリへの選択制御データの書き込みを制御する。また、イメージセル部１から出力信号線として複数本（本例では２本）の高速読み出し信号線９，１０が引き出されており、第１，第２高速読み出し信号線９，１０はそれぞれ電流加算アンプ１１，１２を通して通信信号出力Ａ，Ｂとして外部へと出力される。なお、タイミング制御部１３は、外部から複数のクロック信号を受けて、行デコーダ３、列デコーダ５、メモリ制御部８を駆動するための制御信号を生成する。このように図１に示した全ての構成要素は、周知の半導体プロセスを用いて全て１枚の半導体基板上に形成されており、１チップの半導体素子として提供される。なお、行選択及び列選択にデコーダを用いる理由は、単位セル２内に含まれるセル選択メモリにランダムにアクセスするためであり、これにより所望の画素をごく短時間で指定することができる。
【００３７】
図２は図１中の１個の単位セル２の概略構成図である。単位セル２は、光電変換手段として、入射光を光電変換して電気信号とするホトダイオード２０を備え、該ホトダイオード２０の接合容量（コンデンサ２１）が、光電変換で生じた電荷を蓄積する電荷蓄積手段として機能する。また、単位セル２は、ホトダイオード２０を電荷蓄積モード（後述のイメージセンサ動作モード）と電荷非蓄積モード（後述の高速通信動作モード）とで切り換えるための２つのモード切替え用ゲートスイッチ２２ａ，２２ｂと、リセット用のゲートスイッチ２２ｃと、コンデンサ２１に蓄積された電荷を増幅する増幅器２３と、該増幅器で増幅された電荷信号を画像信号垂直信号線へと送出するための読み出しゲートスイッチ２４と、ホトダイオード２０で光電変換により生じた信号電流を高速で電流増幅する電流増幅器２５と、該電流増幅器２５で増幅された信号電流を２本の高速読み出し信号線９，１０へ選択的に振り分けるセレクタ２６と、該セレクタ２６へ制御信号を与えるために外部から送られた選択制御データを保持しておくセル選択メモリ２７と、を備える。なお、コンデンサ２１はホトダイオード２０の接合容量を利用する以外に、他の接合容量を利用してもよい。
【００３８】
図２において、従来の一般的なＣＭＯＳイメージセンサの単位セルが備える構成要素は、ホトダイオード２０、コンデンサ２１、増幅器２３、読み出しゲートスイッチ２４などであり、モード切替え用ゲートスイッチ２２ａ，２２ｂ、電流増幅器２５、セレクタ２６、セル選択メモリ２７などは、本実施例の空間光通信用センサが特徴的に備える構成要素である。
【００３９】
次に、上記構成を有する本実施例の空間光通信用センサの動作を説明する。本空間光通信用センサは、第１動作モードとしてのイメージセンサ動作モードと第２動作モードとしての高速通信動作モードとの２つの動作モードで動作する。なお、以下の説明で明らかになるが、本実施例では、各単位セル２毎に、イメージセンサ動作モードと高速通信動作モードとを切替え可能な構成としているため、一部の単位セル２を高速通信動作モードで動作させながら、他の単位セル２をイメージセンサ動作モードで動作させることができる。そのため、センサ全体としてみれば、実質的に、イメージセンサ動作モードと高速通信動作モードとを同時並行的に実行することができる。
【００４０】
（１）イメージセンサ動作モード
イメージセンサ動作モードは、一般的なＣＭＯＳイメージセンサと同様の読み出し動作を行うモードであって、後述のようにしてセル選択メモリ２７に格納された制御データにより、モード切替え用ゲートスイッチ２２ａはオンし、もう一方のモード切替え用ゲートスイッチ２２ｂはオフされる。このイメージセンサ動作モードでは、電荷蓄積期間と信号読み出し期間とが時間的に分けて設けられる。電荷蓄積期間において、イメージセル部１に何らかの２次元画像が投影されると、イメージセル部１に含まれる各単位セル２中のホトダイオード２０はその２次元画像のうちの微小領域に対応する光をそれぞれ受光し、その受光強度に応じた電荷を発生する。この信号電荷は時間の経過に伴ってコンデンサ２１に蓄積されるから、受光強度が微弱であっても、電荷蓄積期間を長くとることにより高いレベルの電気信号を得ることができる。
【００４１】
所定の電荷蓄積期間が終了した後、信号読み出し期間に移行する。信号読み出し期間では、その単位セル２の読み出しゲートスイッチ２４に接続されている行選択信号線に選択信号が供給されると、その直前の電荷蓄積期間において変化したコンデンサ２１の電位が増幅器２３で増幅され、読み出しゲートスイッチ２４経て画像信号垂直信号線へと読み出される。上述したように、イメージセル部１においては各列毎に順次単位セル２から電気信号が垂直信号線に読み出され、１Ｈメモリ４に一旦ホールドされた後に１画素ずつ読み出される。１Ｈメモリ４にホールドされていた電気信号が全て読み出されると、次の行の多数の単位セル２から電気信号が垂直信号線を通して１Ｈメモリ４に送られる。このようにして、信号読み出し期間中に、イメージセル部１に含まれる全ての画素に対応する電気信号が画像信号出力として読み出されるから、この電気信号により２次元画像を形成することができる。
【００４２】
（２）高速通信動作モード
上記イメージセンサ動作モードでは、光電変換で生じた信号電荷を所定時間蓄積するとともに、電荷の蓄積と信号の読み出しとを時分割で行っており、更に全画素の電気信号を画素単位で読み出しているため、１通りの（つまり１画像分の）信号取得に要する時間が長い。これに対し、高速通信動作モードでは、イメージセル部１に含まれる単位セル２のうち、所望の光が照射されている単位セル２のみを選択して、その１乃至複数の単位セル２のホトダイオード２０で光電変換により発生した信号電流を、蓄積つまり積分することなく加算して外部へと出力する。
【００４３】
高速通信動作モードでは、セレクタ２６の接続先を制御するための選択制御データが予めセル選択メモリ２７に格納される。セル選択メモリ２７は各画素毎に設けられているから、列選択信号線に与える列方向アドレス信号及び行選択信号線に与える行方向アドレス信号により所望の１個のセル選択メモリ２７を指定し、その上で選択制御データ信号線に所望の選択制御データを流し、書き込み信号線を介して書き込み信号を供給すると、指定されているセル選択メモリ２７に選択制御データが格納される。列方向アドレス信号及び行方向アドレス信号を適宜に指定することによって、イメージセル部１に含まれる任意の位置及び任意の数の単位セル２におけるセル選択メモリ２７の選択制御データを設定することができる。
【００４４】
この実施例では高速読み出し信号線が２本用意されているが、セレクタ２６でいずれの高速読み出し信号線９，１０とも選択しない状態（換言すれば当該単位セル２がイメージセンサ動作モードで動作している状態）もあり得るため、３つの選択状態を規定するために２ビットの選択制御データが必要である。例えば、２ビットの選択制御データに対する選択状態として、
00：いずれの高速読み出し信号線９，１０へも信号電流を出力せず
01：第１高速読み出し信号線９へ信号電流を出力
10：第２高速読み出し信号線１０へ信号電流を出力
11：規定せず
と定めることができる。
【００４５】
図３は、本空間光通信用センサにおける高速通信動作モードでの電流加算についての要部の構成図である。上述の如く各単位セル２が備える電流増幅器２５の出力は電流信号であるから、或る高速読み出し信号線９又は１０に対して複数の単位セル２のセレクタ２６から同時に信号電流が出力されると、その信号線９又は１０上で電流が加算（合成）される。このとき単位セル２は１個のみでもよいし、最大、イメージセル部１に含まれる全ての単位セル２でもよい。
【００４６】
また、イメージセル部１の２次元受光面上で互いに重ならない２箇所の領域に対応する１乃至複数の単位セル２をそれぞれ選択指定し、その単位セル２が備えるホトダイオード２０で光電変換して生じた信号電流を加算した電流を、それぞれ別の通信信号出力Ａ，Ｂから取り出すことができる。もちろん、高速読み出し信号線９，１０の数を更に増加し、それに対応してセレクタ２６による選択先を増加させる構成とすれば、イメージセル部１の２次元受光面上でそれぞれ独立に受光可能な領域の数を増すことができる。
【００４７】
この高速通信動作モードによる動作の主な利点は、受光の応答特性が高速であること、信号のＳ/Ｎ比が改善できること、及び、信号レベルを外部から調整できることである。
【００４８】
すなわち、この空間光通信用センサにおいて、高速通信動作モードでは、ホトダイオード２０で発生した電気信号を積分することなく電流増幅器２５を介して出力しているため、単位セル２毎の応答が非常に高速である。また、高速通信動作モードで動作する際のホトダイオード２０の実効的な容量は電流加算する画素数に依存するが、加算する最大画素数を制限する（つまり、イメージセル部１内で光が照射されていない領域、又は光が照射されている領域の一部に相当する画素を加算対象としない）ことにより、実効的な容量を小さくして通信速度を優先する使用形態とするとができる。また、イメージセル部１内で光が照射されていない領域の単位セル２におけるホトダイオード２０の暗電流や、それらホトダイオード２０に外乱光が照射されて生じる電気信号の影響を排除できるので、受光信号の純度が向上し、Ｓ/Ｎ比が改善できる。更にまた、電流信号を加算する対象となる単位セル２の数を任意に設定できることを利用すれば、通信信号出力Ａ，Ｂの後段に接続される増幅器の許容入力レベルに出力レベルを適合させて、該増幅器での信号の飽和を回避することもできる。
【００４９】
以上のように、本実施例による空間光通信用センサでは、タイミング制御部１３に対して外部より供給する各種制御信号に応じて、上述したような全く特徴の相違する２つの動作モードを実行させることができる。
【００５０】
なお、上記空間光通信用センサの構成は各種形態に変形することが可能である。例えば、光電変換手段としてホトダイオードに代えてホトゲートを利用することもできる。特に、イメージセンサ動作モードにおいて特定の変調信号光を画素単位で抽出したいような場合にはホトゲートが有用である。
【００５１】
ところで、上記のように高速読み出し信号線９，１０の数を更に増加し、それに対応してセレクタ２６による選択先を増加させる構成とすれば、イメージセル部１の２次元受光面上でそれぞれ独立に受光可能な領域の数を増すことができるわけであるが、その数を増加させるほど配線に要する領域が急激に増加してしまい、受光面の領域が相対的に小さくなるという問題が生じる。上記構成では、最大限全ての単位セル２による受光信号を加算して出力することが可能であるが、或る１個の受信光の最大スポット径はレンズ等により絞ることができるから、その最大スポット径を制限しても実用上問題はない。そこで、次に説明するような加算領域をオーバーラップさせる手法を導入することにより、配線などをあまり複雑にすることなく同時に受光可能な領域の数を格段に増加させることができる。
【００５２】
図１２は水平方向にのみ加算領域をオーバーラップさせる場合の構成の一例を示す概念図である。この構成では、垂直方向に並んだ各単位セル２に共通な２本の高速信号読み出し線（例えば９ａ，１０ａ）を設け、水平方向に隣接する加算領域が交互にオーバーラップするように、２本の高速信号読み出し線（例えば１０ａと９ｂ）上の信号を加算する加算アンプ（例えば１１ａ）を設ける。したがって、或る１個の加算アンプは水平方向に隣接する２行に含まれる全ての単位セル２の出力を加算するとともに、或る任意の１個の単位セル２で見れば、その信号の出力先として２つの選択肢を有することになる。この構成では、或る１個の受信光の最大スポット径は水平方向に２個の単位セル分（垂直方向には制限なし）までに制限されるものの、互いにスポットが重ならない限り、同時に多数の受信光を受けることが可能な領域の数を増すことができる。例えば、図１２の例では、Ａ１，Ａ２，Ａ３の３個の受信光のスポットに対してそれぞれ加算アンプ１１ｂ，１１ｃ，１１ｅから独立に加算出力を取り出すことができる。
【００５３】
このように垂直方向に並んだ各単位セルに共通な２本の高速信号読み出し線を配設した構成を一般化すると、イメージセル部１の総画素数がＮ×Ｍであって、加算領域をｎ画素（但しｎは偶数）とした場合、最大（２Ｎ／ｎ）−１個の同時読み出しが可能となる。
【００５４】
図１３は垂直、水平方向ともに加算領域をオーバーラップさせる場合の構成の一例を示す概念図である。この構成では、垂直方向に並んだ各単位セル２に共通な２本の高速信号読み出し線（例えば９ｖａ，１０ｖａ）を設け、水平方向に隣接する加算領域が交互にオーバーラップするように、２本の高速信号読み出し線（例えば１０ｖａと９ｖｂ）上の信号を加算する加算アンプ（例えば１１ｈａ）を設けるとともに、水平方向に並んだ各単位セル２に共通な２本の高速信号読み出し線（例えば９ｈａ，１０ｈａ）を設け、垂直方向に隣接する加算領域が交互にオーバーラップするように、２本の高速信号読み出し線（例えば１０ｈａと９ｈｂ）上の信号を加算する加算アンプ（例えば１１ｖａ）を設けている。したがって、或る１個の加算アンプは水平方向に隣接する２行に含まれる全ての単位セル２の出力、又は垂直方向に隣接する２列に含まれる全ての単位セル２の出力を加算するとともに、或る任意の１個の単位セル２でみれば、その信号の出力先として４つの選択肢を有することになる。この構成では、或る１個の受信光の最大スポット径は水平方向に２個及び垂直方向に２個の単位セル分までに制限されるものの、互いにスポットが重ならない限り、同時に多数の受信光を受けることが可能な領域の数を格段に増すことができる。例えば、図１２の例では、Ａ１，Ａ２，Ａ３の３個の受信光のスポットに対してそれぞれ加算アンプ１１ｖａ，１１ｈｃ，１１ｈｄから独立に加算出力を取り出すことができる。
【００５５】
このように垂直方向及び水平方向に並んだ各単位セルにそれぞれ共通な２本の高速信号読み出し線を配設した構成を一般化すると、イメージセル部１の総画素数がＮ×Ｍであって、加算領域をｎ×ｍ画素（但しｎ，ｍは偶数）とした場合、最大〔（２Ｎ／ｎ）−１〕＋〔（２Ｍ／ｍ）−１〕個の同時読み出しが可能となる。
【００５６】
次に、上述した空間光通信用センサを受光センサとして利用した空間光通信用受信装置を含む空間光通信システムの一実施例について説明する。本実施例の空間光通信システムは、図１４に示したように、ネットワーク回線４００に接続されるハブ３００と、各端末機器１００に接続されるノード２００とを備える。なお、ハブ３００とノード２００とは双方向通信を行うために、それぞれ本発明における空間光通信用受信装置と該装置に信号光を送る送信装置とを備える。
【００５７】
既に説明したように、上記実施例による空間光通信用センサでは、高速通信動作モードにおいて最大２つの異なる照射光を独立に受けることが可能であるから、ハブ３００にこの空間光通信用センサを搭載した場合、ハブ３００は最大限２個のノード２００との間で通信が可能となる。そこで、図４に示すように、ハブ３００が通信可能である角度範囲θ内に２個のノード２００Ａ，２００Ｂが存在するとして考える。なお、３個以上のノードが存在する場合には、時分割による通信を行うようにすることができる。
【００５８】
図５は本実施例による空間光通信システムにおけるノード２００の概略ブロック構成図、図６はハブ３００の概略ブロック構成図である。
【００５９】
ノード２００は、光を照射するために拡散出射光学系２０１と非拡散出射光学系２０２の２つの光学系を備える。拡散出射光学系２０１は光源としてLEDなどを含み、広い照射角度範囲に向けて光を出射する。一方、非拡散出射光学系２０２は、ＬＥＤなどの光源、複数のレンズ系のほか、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスなどで駆動される超小型ミラー２０３や２次元スキャンレンズ２０４などを含み、狭い照射角度範囲に向けて平行光に近い光径の小さな光を出射し、しかも、超小型ミラー２０３の回動位置によって、所定の範囲内で上記出射光の出射方向の調整が可能となっている。なお、周知のように、ＭＥＭＳデバイスによれば出射光の方向調整が非常に高速で行える。また、受光光学系２０５は、入射光を略並行光にするレンズ２０６と上述した構成の空間光通信用センサ２０７とを備える。
【００６０】
電気系回路としては、上記空間光通信用センサ２０７からの画像信号出力を受ける画像処理部２１０、該画像処理部２１０で作成された画像に対して画像認識処理などにより目的とするハブ３００の位置を検出するハブ位置検出部２１１、空間光通信用センサ２０７からの通信信号出力を受けてデータ復調処理などを行って所望の通信データを取り出す受信処理部２１２、上記出射光学系の光源を駆動するとともに、２つの出射光学系を切り替える機能を有する光源駆動部２１３、超小型ミラー２０３を駆動するミラー駆動制御部２１４、端末機器１００に接続されたインタフェイス部２１６を経て入力されて来る通信データに対してデータ変調処理などを行って送信可能な形式に変換する送信処理部２１５と、上記各部の動作を制御する制御部２１７などを備える。
【００６１】
ハブ３００は、光を照射するために、上記非拡散出射光学系２０２と同様の構成を有する出射光学系３０２を備える。すなわち、出射光学系３０２は、LEDなどの光源、複数のレンズ系のほか、MEMSデバイスなどで駆動される超小型ミラー３０３や２次元スキャンレンズ３０４などを含み、狭い照射角度範囲に向けて平行光に近い光径の小さな光を出射し、しかも、超小型ミラー３０３の回動位置によって、上記角度θの範囲内で上記出射光の出射方向の調整が高速に行える。一方、受光光学系３０５は、入射光を略並行光にするレンズ３０６と上述した構成の空間光通信用センサ３０７とを備える。
【００６２】
電気系回路としては、上記空間光通信用センサ３０７からの画像信号出力を受ける画像処理部３１０、該画像処理部３１０で作成された画像に対して画像認識処理などによりノード２００Ａ，２００Ｂの位置を検出するノード位置検出部３１１、空間光通信用センサ３０７からの２系統の通信信号出力Ａ，Ｂをそれぞれ受けてデータ復調処理などを行って所望の通信データを取り出す第１及び第２受信処理部３１２Ａ，３１２Ｂ、上記出射光学系の光源を駆動する光源駆動部３１３、超小型ミラー３０３を駆動するミラー駆動制御部３１４、ネットワーク回線４００に接続されたインタフェイス部３１６を経て入力されて来る通信データに対してデータ変調処理などを行って送信可能な形式に変換する送信処理部３１５と、上記各部の動作を制御する制御部３１７などを備える。
【００６３】
図７は上記構成を備える本空間光通信システムの動作手順を示すフローチャート、図８はノード２００Ａとハブ３００との間の光の送受の状態を示す概念図、図９はハブ３００の空間光通信用センサがイメージセンサ動作モードで動作する際に取得される２次元画像の一例を示す図、図１０は図９中の一部の拡大図、図１１はハブ３００の受光光学系３０５における受光状態を概念的に示した斜視図である。以下、これらの図面を参照しながら、本実施例の空間光通信システムの動作を説明する。
【００６４】
先ず、ハブ３００側において、制御部３１７はノード２００Ａの位置を検出するために、空間光通信用センサ３０７をイメージセンサ動作モードで動作させるべく設定を行う（ステップＳ１）。一方、ノード２００Ａ側では、制御部２１７はハブ３００の位置の検出を行うために空間光通信用センサ２０７をイメージセンサ動作モードで動作させるべく設定するとともに、拡散光を出射するように光源駆動部２１３を制御する（ステップＳ11）。これにより、図８（Ａ）に示すように、ノード２００Ａから広い範囲に広がる光が照射される。好ましくは、このときに出射される光は特定の変調パターンを有する等、他のノードから出た光と識別可能な光とするとよい。ここで、ノード検出動作にノード側から拡散光を出射するのは、当該ノードに対してハブがどうのような位置に在っても、ハブに光が届くようにするためであって、これにより、後述のノード位置の捕捉が容易になる。
【００６５】
ハブ３００側においては、上述したように空間光通信用センサ３０７の画像信号出力にはイメージセル部１で捉えられている２次元画像に対応する画素信号が順次出力される。画像処理部２１０はこの画素信号を受けて、コントラスト調整などの所定の画像処理を施し、例えば図９に示すような２次元画像を作成する。図９において、符号Ｐaはノード２００Ａの投影像、符号Ｐbはもう１個のノード２００Ｂの投影像である。ノード位置検出部３１１はこのような２次元画像に対して画像認識処理を行うことにより、２次元画像に含まれるノード２００Ａ，２００Ｂの位置をそれぞれ検出する（ステップＳ２）。
【００６６】
こうしたノード位置検出結果は制御部３１７に入力され、制御部３１７は先ずイメージセル部１において２個のノード位置に対応した画素（単位セル２）の位置と数とをそれぞれ決定する。ここで、通常の方法としては、ノードの位置に対応する画素全てを選択するが、例えば、図１０に示すように、ノードの投影像Ｐaの輪郭に相当する位置の単位セル２では、照射光がそのホトダイオード２０の受光面の一部にのみ当たっている場合もある。そうしたホトダイオード２０の受光量は小さく受光信号のＳ/Ｎ比は良好でないから、例えば或る受光量以下の単位セル２を除外し、ホトダイオード２０の受光面の全てに光が当たっているような、ノードの投影像Ｐaの中心部に近い単位セル２（図１１中のＱの範囲）のみを適宜に選択するようにしてもよい。もちろん、上述したように、通信速度を優先させるべく選択する単位セル２０の数を更に制限してもよい。
【００６７】
制御部３１７は選択すべき単位セル２の位置と数とを決めた後、空間光通信用センサ３０７に対し、選択された１乃至複数の単位セル２を指定するための選択制御データを所定のセル選択メモリ２７に書き込むとともに、少なくとも該当する単位セル２が高速通信動作モードで動作するように切り替える（ステップＳ３）。これにより、ハブ３００側においてノード２００Ａから送られて来る光を高速で受光する準備が整う。更に、制御部３１７はノードの位置からそのノードへ照射する光の方向を決定し、それにより超小型ミラー３０３を制御してその方向へ光が照射されるようにミラー駆動制御部３１４を制御する（ステップＳ４）。そして、所定のノード確認用信号光を送出する（ステップＳ５）。これにより、図８（Ｂ）に示すように、ハブ３００側からノード２００Ａに向けて、小さな光径のほぼ平行光であるノード確認用信号光が照射される。
【００６８】
一方、ノード２００Ａ側では、イメージセンサ動作モードで空間光通信用センサ２０７を動作させるが、ノード確認用信号光が来るまではハブ３００の位置を把握できない（ステップＳ１２で「Ｎ」）。ノード確認用信号光がレンズ２０６を経て空間光通信用センサ２０７のイメージセル部１に照射されると、２次元画像上でハブ３００の位置が明瞭になるため、ハブ位置検出部２１１は画像処理部２１０で作成された２次元画像を用いてハブ位置の検出を行う（ステップＳ１３）。なお、このステップＳ１３を含めてＳ１３〜Ｓ１５の動作はハブ３００側でのＳ２〜Ｓ４の動作と同様であるので詳しい説明を省略する。その後、拡散光出射モードから非拡散光出射モードに切り替えるべく光源駆動部２１３を制御する（ステップＳ１６）。そして、図８（Ｃ）に示すように、非拡散出射光学系２０２からハブ３００へ向けて所定の確認応答信号光を出射する（ステップＳ１７）。
【００６９】
ハブ３００側の空間光通信用センサ３０７では、ステップＳ３でセル選択メモリ２７に格納された選択制御データに基づいて、ノード２００Ａの位置に対応した特定の単位セル２が選択され、その単位セル２のホトダイオード２０で光電変換により生じた信号電流が加算されて通信信号出力Ａから出力される。この状態でノード２００Ａから送られて来た確認応答信号光を受光すると、この受信光による電気信号が第１受信処理部３１２Ａに入力され、データ復調処理されて元の信号列が取り出される。制御部３１７はこの情報を受けてノード２００Ａとの通信が可能となったことを認識し（ステップＳ６で「Ｙ」）、光通信によるデータ通信をノード２００Ａとの間で開始する（ステップＳ７）。
【００７０】
このようにして、ハブ３００とノード２００Ａとは互いに位置を確認し合って、それぞれ相手の存在する位置に向けて信号光を照射するとともに、相手から照射された光が当たっている単位セル２による受光信号のみを適宜加算することにより、良好なデータ通信を行うことができる。また、ハブ３００が複数のノード２００Ａ，２００Ｂに対して同時並行的に送信を行う場合には、各ノード２００Ａ，２００Ｂが存在する方向に対応して所定時間毎にミラー３０３を高速駆動し、時分割で通信を行うようにすることができる。但し、より高速に通信を行いたい場合には、対応するノードの数だけ出射光学系３０２を用意しておき、各ノードの位置を検出した後にそのノードの位置に向けて出射光学系３０２による出射光の方向を固定するようにするとよい。
【００７１】
なお、ハブ３００は固定的に設置されているのに対し、ノード２００Ａ，２００Ｂは任意の位置に移動が可能である。本システムでは、基本的に、移動途中にあるノードとの通信に対応しないが、通信途中でノードが移動されたとき、移動後の位置において通信を継続できることが望ましい。そこで、上述したような手順で通信が開始された後、例えば、或る所定時間、通信が途絶えたことを検出すると、再び上述したような位置検出の動作を実行し、ノードの位置を確定するような制御を行うとよい。また、通信が途絶えとは無関係に、所定時間経過毎に通信動作を一時的に中断して上述したような位置検出の動作を実行し、ノードの位置を確定するような制御を行ってもよい。すなわち、このようにすれば、ほぼ常に通信対象であるノードの位置を追跡しながら、通信を継続することができる。
【００７２】
上記実施例では、ハブ３００は非拡散光を利用して特定の位置に在るノード２００Ａ，２００Ｂとの間の通信を行うように構成されていたが、ミラー３０３を用いずに拡散光を発するようにしてもよい。この構成によれば、ノードは常にハブからの光を受光することが可能であるので、迅速にハブの位置を検出することができるという利点がある。
【００７３】
なお、上記実施例は一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜変形や修正を行えることは明らかである。
【００７４】
例えば、上記実施例の空間光通信システムにおいて、ハブとノードとの基本的相違は、ハブは複数のノードと同時並行的に通信が可能である構成を有しているという点のみであり、これは１又は複数のハブが各ノードを見渡せる位置に配置されることを前提としている。しかしながら、複数のノードのうちの少なくとも任意の２台が互いに見通せる位置に配置されているようなシステムを前提とすれば、ハブを用いない構成とすることができる。すなわち、ノード自体が複数の他のノードと同時並行的に通信可能が構成としておき、互いに見通すことができない２台のノードの間で通信を行う必要がある場合には、１乃至複数の他のノードを経由して空間光通信によるデータ通信を実行する。このようなシステムは、例えば家庭内に配置された電気機器（ＡＶ製品等）間でデータ通信を行うようなシステムを構築する場合に特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による空間光通信用センサの内部構成の概略図。
【図２】本実施例の空間光通信用センサの１個の単位セルの概略構成図。
【図３】本実施例の空間光通信用センサにおける高速通信動作モードでの電流加算についての要部の構成図。
【図４】本発明の一実施例による空間光通信システムの基本構成図。
【図５】本実施例による空間光通信システムのノードの概略ブロック構成図。
【図６】本実施例による空間光通信システムのハブの概略ブロック構成図。
【図７】本実施例による空間光通信システムの動作を示すフローチャート。
【図８】本実施例による空間光通信システムにおいてノードとハブとの間の光の送受の状態を示す概念図。
【図９】本実施例による空間光通信システムにおけるハブの空間光通信用センサで撮影した２次元画像の一例を示す図。
【図１０】図９の２次元画像の一部の拡大図。
【図１１】本実施例による空間光通信システムにおいてハブの受光光学系での受光状態を概念的に示した斜視図。
【図１２】本実施例の空間光通信用センサにおいて、水平方向にのみ加算領域をオーバーラップさせる場合の構成の一例を示す概念図。
【図１３】本実施例の空間光通信用センサにおいて、垂直、水平方向ともに加算領域をオーバーラップさせる場合の構成の一例を示す概念図。
【図１４】空間光通信システムの典型的な構成例を示す図。
【符号の説明】
１…イメージセル部
２…単位セル
２０…ホトダイオード（光電変換手段）
２１…コンデンサ（電荷蓄積手段）
２２ａ，２２ｂ…モード切替え用用ゲートスイッチ
２２ｃ…リセット用ゲートスイッチ
２３…増幅器
２４…読み出しゲートスイッチ
２５…電流増幅器
２６…セレクタ
２７…セル選択メモリ
３…行デコーダ
４…１Ｈメモリ
５…列デコーダ
６…リセット用デコーダ
７…アンプ
８…メモリ制御部
９，１０…高速読み出し信号線
１１，１２…電流加算アンプ
１３…タイミング制御部
１００…端末機器
２００，２００Ａ，２００Ｂ…ノード
２０１…拡散出射光学系
２０２…非拡散出射光学系
２０３…超小型ミラー
２０４…２次元スキャンレンズ
２０５…受光光学系
２０６…レンズ
２０７…空間光通信用センサ
２１０…画像処理部
２１１…ハブ位置検出部
２１２…受信処理部
２１３…光源駆動部
２１４…ミラー駆動制御部
２１５…送信処理部
２１６…インタフェイス部
２１７…制御部
３００…ハブ
３０２…出射光学系
３０３…超小型ミラー
３０４…２次元スキャンレンズ
３０５…受光光学系
３０６…レンズ
３０７…空間光通信用センサ
３１０…画像処理部
３１１…ノード位置検出部
３１２Ａ，３１２Ｂ…第１受信処理部
３１３…光源駆動部
３１４…ミラー駆動制御部
３１５…送信処理部
３１６…インタフェイス部
３１７…制御部
４００…ネットワーク回線[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical communication sensor suitable as a light receiving sensor of a receiving device in spatial optical communication (transmission), a spatial optical communication receiving device using the sensor, and a spatial optical communication system including the receiving device.
[0002]
[Prior art]
One of the hardware problems when building a computer network in an office or the like is that a cable for connecting each device to each other must be provided. In addition to the complicated arrangement of the cable and the tendency to deteriorate in appearance, the connection by such a cable has a problem that the installation location of the device is limited or the free movement of the device is prevented. An effective means for solving these problems is wireless connection between devices. There are two types of wireless systems: those that use radio waves and those that use light (mainly infrared), but the latter has no electrical interference with other devices and is not subject to regulations such as the Radio Law. It has advantages such as excellent security against leakage of information.
[0003]
However, as is well known, light has straightness, and there is a fundamental problem that if there is an obstacle on the path, communication will be hindered. Therefore, in this type of conventional space optical communication device, light is transmitted to and received from a transmitter / receiver terminal connected to each device with a transmitter / receiver relay device attached to the top of the ceiling or wall. Is adopted. FIG. 14 shows a typical configuration example of such a spatial light communication system.
[0004]
In this optical space communication system, a node 200 as a light transmitting / receiving terminal is connected to each terminal device 100 such as a computer or a printer. A hub 300 as an access point is installed at a position or the like. Each hub 300 covers an area having a predetermined width and a predetermined distance as a range in which transmission and reception are possible, and the installation interval of the hub 300 is determined according to the arrangement condition of the terminal device 100 and the like. Each hub 300 is connected to a network line 400 such as an intranet laid in, for example, a ceiling space. Each of the node 200 and the hub 300 includes a light transmitting unit that emits light including data and a light receiving unit that receives light radiated from the light transmitting unit. Data communication with each other via light is possible.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In a receiver of such a spatial light communication system (in FIG. 14, it can be considered that both the node 200 and the hub 300 include the receiver as a part of the configuration), a light receiving sensor having a light receiving element such as a photodiode is provided. In general, in such a light receiving element, the high speed response and the improvement in the S / N ratio of the received light signal are contradictory requirements. That is, in order to realize a high-speed response in order to increase the transmission speed, it is necessary to reduce the junction capacitance of the light receiving element, and for this purpose, the area of the light receiving surface must be reduced. Then, the amount of received light decreases, the signal intensity decreases, and it becomes difficult to ensure a high S / N ratio. As a result, the distance that can be transmitted / received is shortened, or is easily affected by disturbance such as ambient light. Although a method of making light incident on a small light receiving surface using a condensing lens is also conceivable, such a high-precision lens is expensive and greatly increases the cost of the apparatus.
[0006]
Conversely, in order to ensure a high signal level, it is necessary to increase the area of the light receiving surface to some extent, but as a result, the junction capacitance also increases and the response characteristics deteriorate, thereby limiting the communication speed. Further, even if the area of the light receiving surface is increased, the S / N ratio is not necessarily improved unless light is received by the entire light receiving surface. In particular, with recent progress in network speed and capacity, there has been an increasing demand for high-speed spatial optical communication, and how to increase the communication speed while ensuring a high S / N ratio is a major issue. One of the challenges.
[0007]
The present invention has been made in view of the above points, and a main object of the present invention is to obtain a received light signal with a high S / N ratio while improving the communication speed in spatial light communication. It is an object to provide a spatial light communication sensor, a spatial light communication receiver using the sensor, and a spatial light communication system including the receiver.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The spatial optical communication sensor according to the present invention, which has been made to solve the above problems, is a spatial optical communication sensor used in a spatial optical communication receiver,
a) photoelectric conversion means in which a large number of minute light receiving elements constituting one pixel are arranged in a two-dimensional matrix;
b) charge accumulation means for accumulating signal charges generated by photoelectric conversion in the respective light receiving elements in units of pixels;
c) In the first operation mode, first signal readout means for sequentially reading out the signal charges accumulated in the charge accumulation means in units of pixels;
d) In the second operation mode, one or more light receiving elements included in the photoelectric conversion means are selected, and the signal current generated by the photoelectric conversion by the selected light receiving elements is added without being accumulated, and is sent to the outside. A second signal reading means for reading;
It is characterized by having.
[0009]
Here, the charge accumulating means may be provided separately from the photoelectric conversion means, but the signal charge can be accumulated using the capacitance (junction capacitance) of each light receiving element included in the photoelectric conversion means. That is, in this configuration, it is possible to functionally separate the photoelectric conversion means and the charge storage means, but they are integrated as a substance.
[0010]
The spatial optical communication receiver according to the present invention is equipped with the spatial optical communication sensor according to the present invention, and receives the spatial light communication transmitted from the transmitter arranged at a separated position. In the receiving device for
a) image recognition means for specifying the position of the light transmission side device based on a signal corresponding to the two-dimensional image read by the first signal reading means in the first operation mode;
b) The second signal reading unit is configured to select one or more light receiving elements corresponding to the position of the light transmitting side device specified by the image recognition unit among the light receiving elements included in the photoelectric conversion unit. Read control means for controlling;
c) Information included in the light transmitted from the light transmission side device based on the signal current read by the second signal reading means in accordance with the control of the reading control means in the second operation mode. Receiving means for receiving
It is characterized by having.
[0011]
Still further, a spatial optical communication system according to the present invention includes the spatial optical communication receiving apparatus according to the present invention, and a transmission apparatus disposed at a position spaced apart from the receiving apparatus.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The spatial light communication sensor according to the present invention can perform characteristic light reception and light reception signal output operations in the first and second types of operation modes, respectively. That is, the first operation mode is a mode for performing the same operation as a general CMOS / CCD image sensor, and receives light corresponding to a two-dimensional image during a predetermined charge accumulation period, and is photoelectrically converted by each light receiving element. The signal charges generated are accumulated in the charge accumulating means, and during the subsequent signal transfer period, the accumulated signal charges of the pixels arranged in the row direction or the column direction of the photoelectric conversion means are sequentially shifted by the first signal readout means. Read while.
[0013]
Therefore, in the first operation mode, an accumulation time is required to accumulate signal charges, and it takes time to read the accumulated signal charges to the outside. On the other hand, the accumulated charges for all the pixels can be read out individually, and by accumulating the signal charges obtained by photoelectric conversion, an image of the two-dimensional area covered by the photoelectric conversion means is acquired with high sensitivity. be able to.
[0014]
On the other hand, the second operation mode is a non-accumulation mode in which signal charges generated by photoelectric conversion are not accumulated (strictly speaking, they are read without accumulating). For example, in a photodiode that is a single light receiving element, etc. This is the same as outputting the signal current generated as a result of photoelectric conversion of the irradiated light. However, in the second operation mode of the spatial light communication sensor according to the present invention, the second signal readout means receives an arbitrary position and an arbitrary number of light receiving elements among a plurality of light receiving elements arranged in a two-dimensional matrix. An element can be selected, and only the signal current generated by the selected light receiving element can be added in an analog manner and read out to the outside.
[0015]
Therefore, when light arriving from a certain transmitting device hits the light receiving surface of one or more light receiving elements of the photoelectric conversion means, by selecting only that light receiving element, The signal current corresponding to the desired light can be read out with a high S / N ratio without being affected by the dark current of the light receiving element or the current caused by the disturbance light. Further, in this second operation mode, signal charge is not accumulated, and it is hardly affected by unnecessary junction capacitance, and signal readout is not sequential readout in units of pixels. A very high-speed response is possible as in the case where light is received by one light receiving element having only a light receiving surface.
[0016]
In the receiver for spatial light communication according to the present invention, the position of the transmitting device is specified in the first operation mode by taking advantage of the characteristics of the sensor for spatial light communication, and the position is specified first in the second operation mode. Optical communication with the transmitter. More specifically, when a two-dimensional image including the transmission device is acquired in the first operation mode, light emitted from a desired transmission device within the light receiving surface of the photoelectric conversion unit is obtained by the image recognition unit. The corresponding portion is detected, and the position and number of the light receiving elements corresponding to the portion are specified. Thereafter, the operation is switched from the first operation mode to the second operation mode, and the position of the light receiving element to be selected is instructed to the second signal reading unit by the reading control unit. In response to this, the second signal reading means selects only the signal current generated by the one or more light receiving elements on which the signal light from the transmission device is incident, adds the currents, and outputs the result. The receiving means receives this signal current and performs signal processing such as data demodulation to extract information contained in the received signal.
[0017]
Therefore, according to the receiver for spatial light communication according to the present invention, high-speed and large-capacity data communication is possible. In addition, since the S / N ratio of the light reception signal is improved, for example, the light emission intensity of the light emitting element of the transmission device can be lowered, thereby reducing the cost of the light emitting light source and the like. In addition, when a condensing lens is inserted in front of the photoelectric conversion means, it is not necessary to reduce the condensing spot diameter so much, and there is no problem even if the aberration is large, so even if the mechanical accuracy of the lens is low. Good. Therefore, an expensive lens is not required, and sufficient performance can be obtained even if, for example, an inexpensive plastic lens is used.
[0018]
Furthermore, in the case where signal light simultaneously arrives from a plurality of transmission devices, in order to process the light simultaneously, in the spatial optical communication sensor according to the present invention, the second signal readout means is a photoelectric conversion means. For selecting one or a plurality of light receiving elements that are not identical to each other, adding the signal currents generated by photoelectric conversion by the selected light receiving elements, and reading them to the outside in parallel A configuration having a plurality of signal paths is preferable.
[0019]
Further, in the spatial light communication receiving device using the spatial light communication sensor having such a configuration, the image recognition means simultaneously specifies the positions of a plurality of transmission devices, and the signal readout control means has the plurality of specification. The second signal reading means can be controlled so as to read the signal current simultaneously through different signal paths with respect to the position.
[0020]
According to this configuration, even when optical communication is performed between one receiving device and a plurality of transmitting devices, it is not necessary to perform optical communication in a time division manner, and different data can be sent simultaneously in parallel. Therefore, it is very useful for communication at high speed.
[0021]
The spatial optical communication sensor according to the present invention further includes a high-speed current amplifying unit for each light receiving element included in the photoelectric conversion unit, and the second signal reading unit selectively selects the output current of the current amplifying unit. It can be set as the structure which adds. According to this configuration, it is possible to increase the signal level while maintaining high response speed.
[0022]
Furthermore, in the sensor for spatial light communication according to the present invention, the second signal readout means includes storage means for holding selection control information for each light receiving element included in the photoelectric conversion means, and the selection control information On the basis of the selection / non-selection of the signal current generated by photoelectric conversion by the light receiving element, One connection of the plurality of signal paths for outputting a signal current It can be set as the structure which controls a tip. As an aspect, a storage unit may be provided in each pixel. In addition, a storage unit may be provided outside the pixel, for example, for each column and each row. You may make it select the light receiving element located on a certain matrix by a combination.
[0023]
In such a configuration, once the selection control information is set, it is not necessary to provide the selection control information from outside unless it is necessary to change the selection control information. Therefore, the load on the signal readout control means in the light receiving side device of the spatial light communication device is reduced.
[0024]
Furthermore, in order to receive a large number of received lights at the same time and read them independently, all the pixels are divided into a plurality of areas, and the second signal reading means is included in at least each of the divided areas. A configuration may be adopted in which two or more signal paths for adding signals from the light receiving elements of the pixels to be read and reading them to the outside are provided. In this configuration, it is preferable that the pixel to be added straddles two or more regions. According to such a configuration, the number of signals that can be read out at a high speed can be greatly increased without complicating the wiring and circuit configuration under the condition that the spread of the received light falls within the above-described region. Can do.
[0025]
Further, in such a spatial light communication system, the installation location of the transmission device is not always constant, and it is necessary to assume that the transmission device is appropriately moved by the user. Therefore, the spatial light communication receiving apparatus according to the present invention includes a position tracking control means for tracking the position of the transmitting apparatus by repeatedly specifying the position by the image recognition means at regular or indefinite time intervals. Is preferred.
[0026]
In this configuration, for example, when communication is performed in the second operation mode, the position is changed to the first operation mode at regular or indefinite time intervals, the position of the transmission device is specified again by the image recognition means, and the position is changed. In this case, the light receiving element to be selected is changed accordingly. As the frequency of switching to the first operation mode is increased, the followability to the movement of the transmission device is improved, but on the other hand, the period during which communication is suspended becomes longer and the overall communication speed decreases. Therefore, the position tracking frequency may be determined according to the allowable moving speed of the light transmission side device. Further, the tracking operation may be performed when it is determined that the received light is interrupted.
[0027]
In addition, it is possible to perform image recognition (such as position detection of the transmission device) in the first operation mode in parallel with communication in the second operation mode. Of course, in this case, the signal of the pixel selected in the second operation mode cannot be used for image recognition, but the signal of the other pixels can be used without any problem. It is possible to execute the determination and to confirm the movement destination when moving.
[0028]
In the receiver for spatial light communication according to the present invention, the readout control means is configured to limit the maximum number of light receiving elements to be added to a predetermined number or less when selecting one or more light receiving elements. Can do. This is effective for reducing the effective capacity of the photoelectric conversion means to give priority to the communication speed. In addition to the communication speed, it is also useful when it is desired to suppress the signal level so that the signal level does not saturate in a subsequent circuit (for example, an amplifier).
[0029]
Further, in the spatial light communication system according to the present invention, the transmission device can switch between a diffused light mode that emits light in a wide range and a non-diffused light mode that emits light in a narrow range in any specific direction. And when the receiving device specifies the position of the transmitting device, the transmitting device can be configured to operate in a diffused light mode. According to this configuration, regardless of the position of the transmission device relative to the reception device, detection becomes easy when the reception device detects the position of the transmission device, and problems such as missed detection are eliminated. Can do.
[0030]
Further, as one aspect for reliably distinguishing and detecting signal light emitted from the transmission device from ambient light (in other words, disturbance light), the transmission device can determine the position of the transmission device. A configuration may be adopted in which signal light subjected to predetermined modulation is emitted.
The receiving apparatus may include a wavelength selecting unit that extracts the vicinity of the wavelength of the signal light of the transmitting apparatus when specifying the position of the transmitting apparatus. Combinations are also useful.
[0031]
Further, when the transmission device is operating in the diffused light mode, only a small part of the emitted light reaches the reception device, so it is difficult to secure a sufficient amount of light received by the light receiving element. Sometimes. Therefore, as one aspect, the transmission device includes a light emission drive unit that supplies a drive current having a predetermined duty ratio to the light emitting element, and the light emission drive unit is used when the reception device specifies the position of the transmission device. Alternatively, the drive current may be increased while the duty ratio may be decreased. This increases the light energy density of the emitted light and facilitates position detection with respect to the transmission device.
[0032]
Furthermore, as described above, when the signal light is modulated in the transmission device, the reception device is configured to acquire a signal corresponding to the two-dimensional image at a frame rate faster than the modulation frequency of the signal light. preferable. Specifically, the frame rate for a modulation signal of 1 kHz is preferably 2 kHz or more (preferably about 5 to 10 kHz). Thereby, since the time resolution of optical signal detection is improved, the accuracy of position detection can be increased.
[0033]
【Example】
Embodiments of a spatial optical communication sensor according to the present invention, a spatial optical communication receiver using the sensor, and a spatial optical communication system including the receiver will be described in detail below.
[0034]
First, the configuration and operation of the sensor for spatial light communication according to the present embodiment will be described. FIG. 1 is a schematic diagram of the internal configuration of the sensor for spatial light communication according to the present embodiment.
[0035]
The image cell unit 1 is formed by arranging a large number of unit cells 2 constituting one pixel in a two-dimensional matrix. As will be described in detail later, each unit cell 2 includes a photodiode (PD) as a light receiving element, and light irradiated to the image cell unit 1 is photoelectrically converted by each photodiode to generate a signal charge on a pixel basis. . A row decoder 3 and a 1H memory 4 are connected to the image cell unit 1. The row decoder 3 sequentially selects the unit cells 2 arranged in the column direction (horizontal line), and controls reading of electric signals from the selected unit cells 2 to the vertical signal lines. The 1H memory 4 samples and holds the electric signal read from the unit cell 2 selected by the row decoder 3 in units of pixels. The electrical signals for one horizontal line held in the 1H memory 4 are sequentially read out pixel by pixel under the control of the column decoder 5, amplified by the amplifier 7, and then output as an image signal. Note that the reset decoder 6 has a function of performing a reset to determine a reference potential before or after reading the signal charge of each unit cell 2.
[0036]
Further, a memory control unit 8 is connected to the image cell unit 1 and controls selection control data writing to a cell selection memory provided in each unit cell 2 as will be described later. Also, a plurality of (two in this example) high-speed read signal lines 9 and 10 are drawn out from the image cell unit 1 as output signal lines, and the first and second high-speed read signal lines 9 and 10 add currents respectively. Communication signal outputs A and B are output to the outside through the amplifiers 11 and 12. The timing control unit 13 receives a plurality of clock signals from the outside and generates control signals for driving the row decoder 3, the column decoder 5, and the memory control unit 8. As described above, all the components shown in FIG. 1 are formed on a single semiconductor substrate by using a known semiconductor process, and are provided as a one-chip semiconductor element. The reason why the decoder is used for row selection and column selection is to randomly access the cell selection memory included in the unit cell 2, whereby a desired pixel can be specified in a very short time.
[0037]
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of one unit cell 2 in FIG. The unit cell 2 includes, as a photoelectric conversion means, a photodiode 20 that photoelectrically converts incident light into an electrical signal, and a junction capacitor (capacitor 21) of the photodiode 20 stores charge generated by the photoelectric conversion. Function as. The unit cell 2 includes two mode switching gate switches 22a and 22b for switching the photodiode 20 between a charge accumulation mode (an image sensor operation mode described later) and a charge non-accumulation mode (a high-speed communication operation mode described later). A reset gate switch 22c, an amplifier 23 for amplifying the charge accumulated in the capacitor 21, a read gate switch 24 for sending the charge signal amplified by the amplifier to the image signal vertical signal line, and a photodiode A current amplifier 25 that amplifies the signal current generated by photoelectric conversion at 20 at high speed, and a selector 26 that selectively distributes the signal current amplified by the current amplifier 25 to the two high-speed read signal lines 9 and 10; Selection control data sent from the outside in order to give a control signal to the selector 26 is held. Comprising a Le selection memory 27. The capacitor 21 may use other junction capacitances in addition to using the junction capacitance of the photodiode 20.
[0038]
In FIG. 2, the constituent elements of a unit cell of a conventional general CMOS image sensor are a photodiode 20, a capacitor 21, an amplifier 23, a readout gate switch 24, etc., a mode switching gate switches 22a and 22b, and a current amplifier 25. The selector 26, the cell selection memory 27, and the like are components that are characteristically included in the spatial light communication sensor of this embodiment.
[0039]
Next, the operation of the spatial light communication sensor of the present embodiment having the above configuration will be described. The sensor for spatial light communication operates in two operation modes: an image sensor operation mode as a first operation mode and a high-speed communication operation mode as a second operation mode. As will be apparent from the following description, in this embodiment, each unit cell 2 is configured to switch between the image sensor operation mode and the high-speed communication operation mode. While operating in the communication operation mode, other unit cells 2 can be operated in the image sensor operation mode. Therefore, when viewed as the entire sensor, the image sensor operation mode and the high-speed communication operation mode can be substantially simultaneously executed.
[0040]
(1) Image sensor operation mode
The image sensor operation mode is a mode in which a read operation similar to that of a general CMOS image sensor is performed, and the mode switching gate switch 22a is turned on by control data stored in the cell selection memory 27 as described later. The other mode switching gate switch 22b is turned off. In this image sensor operation mode, the charge accumulation period and the signal readout period are provided separately in time. When any two-dimensional image is projected on the image cell unit 1 during the charge accumulation period, the photodiode 20 in each unit cell 2 included in the image cell unit 1 emits light corresponding to a minute region in the two-dimensional image. Each receives light and generates a charge corresponding to the received light intensity. Since this signal charge is accumulated in the capacitor 21 over time, a high level electric signal can be obtained by taking a long charge accumulation period even if the received light intensity is weak.
[0041]
After the predetermined charge accumulation period ends, the signal reading period starts. In the signal readout period, when a selection signal is supplied to the row selection signal line connected to the readout gate switch 24 of the unit cell 2, the potential of the capacitor 21 that has changed in the immediately preceding charge accumulation period is amplified by the amplifier 23. Then, it is read out to the image signal vertical signal line through the read gate switch 24. As described above, in the image cell unit 1, the electric signal is sequentially read from the unit cell 2 to the vertical signal line for each column, temporarily held in the 1H memory 4, and then read pixel by pixel. When all the electrical signals held in the 1H memory 4 are read, the electrical signals are sent from the large number of unit cells 2 in the next row to the 1H memory 4 through the vertical signal lines. In this manner, during the signal readout period, electrical signals corresponding to all the pixels included in the image cell unit 1 are read out as image signal outputs, so that a two-dimensional image can be formed using the electrical signals.
[0042]
(2) High-speed communication operation mode
In the image sensor operation mode, signal charges generated by photoelectric conversion are accumulated for a predetermined time, charge accumulation and signal readout are performed in a time-sharing manner, and electric signals of all pixels are read out in units of pixels. Therefore, it takes a long time to acquire one type of signal (that is, one image). On the other hand, in the high-speed communication operation mode, only the unit cell 2 irradiated with desired light is selected from the unit cells 2 included in the image cell unit 1, and the photodiodes of the one to a plurality of unit cells 2 are selected. The signal current generated by photoelectric conversion at 20 is added without being accumulated, that is, integrated, and output to the outside.
[0043]
In the high-speed communication operation mode, selection control data for controlling the connection destination of the selector 26 is stored in the cell selection memory 27 in advance. Since the cell selection memory 27 is provided for each pixel, a desired one cell selection memory 27 is designated by a column direction address signal applied to the column selection signal line and a row direction address signal applied to the row selection signal line. Then, when desired selection control data is supplied to the selection control data signal line and a write signal is supplied through the write signal line, the selection control data is stored in the designated cell selection memory 27. By appropriately specifying the column direction address signal and the row direction address signal, selection control data of the cell selection memory 27 in an arbitrary position and an arbitrary number of unit cells 2 included in the image cell unit 1 can be set. .
[0044]
In this embodiment, two high-speed readout signal lines are prepared. However, the selector 26 does not select any of the high-speed readout signal lines 9 and 10 (in other words, the unit cell 2 operates in the image sensor operation mode. Therefore, 2-bit selection control data is required to define the three selection states. For example, as a selection state for 2-bit selection control data,
00: No signal current is output to any of the high-speed readout signal lines 9 and 10
01: Outputs signal current to the first high-speed read signal line 9
10: Output signal current to the second high-speed read signal line 10
11: Not specified
Can be determined.
[0045]
FIG. 3 is a configuration diagram of a main part regarding current addition in the high-speed communication operation mode in the spatial optical communication sensor. Since the output of the current amplifier 25 included in each unit cell 2 is a current signal as described above, when a signal current is simultaneously output from the selectors 26 of the plurality of unit cells 2 to a certain high-speed read signal line 9 or 10. The current is added (synthesized) on the signal line 9 or 10. At this time, only one unit cell 2 may be used, or all the unit cells 2 included in the image cell unit 1 may be used.
[0046]
Further, one or a plurality of unit cells 2 corresponding to two regions that do not overlap each other on the two-dimensional light receiving surface of the image cell unit 1 are selected and designated, and photoelectric conversion is performed by the photodiode 20 provided in the unit cell 2. The current obtained by adding the signal currents can be taken out from different communication signal outputs A and B, respectively. Of course, if the number of high-speed readout signal lines 9 and 10 is further increased and the number of selection destinations by the selector 26 is increased accordingly, light can be received independently on the two-dimensional light receiving surface of the image cell unit 1. The number of areas can be increased.
[0047]
The main advantages of the operation in this high-speed communication operation mode are that the response characteristic of light reception is high speed, the signal S / N ratio can be improved, and the signal level can be adjusted from the outside.
[0048]
That is, in this spatial light communication sensor, in the high-speed communication operation mode, the electrical signal generated by the photodiode 20 is output through the current amplifier 25 without being integrated, so that the response of each unit cell 2 is very fast. It is. The effective capacity of the photodiode 20 when operating in the high-speed communication operation mode depends on the number of pixels to which current is added, but limits the maximum number of pixels to be added (that is, light is irradiated in the image cell unit 1). The pixel corresponding to a part of the area that is not illuminated or that is irradiated with light is not subject to addition), thereby reducing the effective capacity and giving priority to the communication speed. Further, the influence of the dark current of the photodiodes 20 in the unit cell 2 in the region where the light is not irradiated in the image cell unit 1 and the influence of the electric signal generated when the photodiodes 20 are irradiated with disturbance light can be eliminated. Purity is improved and the S / N ratio can be improved. Furthermore, if the fact that the number of unit cells 2 to which current signals are added can be arbitrarily set is used, the output level is adapted to the allowable input level of the amplifier connected to the subsequent stage of the communication signal outputs A and B. It is also possible to avoid signal saturation in the amplifier.
[0049]
As described above, in the sensor for spatial light communication according to the present embodiment, the two operation modes having completely different characteristics as described above are executed according to various control signals supplied from the outside to the timing control unit 13. be able to.
[0050]
Note that the configuration of the spatial light communication sensor can be modified in various forms. For example, a photogate can be used as the photoelectric conversion means instead of the photodiode. In particular, a photogate is useful when it is desired to extract specific modulated signal light in units of pixels in the image sensor operation mode.
[0051]
By the way, if the number of the high-speed readout signal lines 9 and 10 is further increased as described above and the number of selection destinations by the selector 26 is increased accordingly, each of them can be independently formed on the two-dimensional light receiving surface of the image cell unit 1. However, as the number increases, the area required for the wiring increases rapidly, resulting in a problem that the area of the light receiving surface becomes relatively small. In the above configuration, it is possible to add and output the light reception signals from all the unit cells 2 as much as possible, but the maximum spot diameter of a certain received light can be reduced by a lens or the like. There is no practical problem even if the spot diameter is limited. Therefore, by introducing a method of overlapping the addition regions as described below, the number of regions that can simultaneously receive light can be significantly increased without making wirings and the like complicated.
[0052]
FIG. 12 is a conceptual diagram showing an example of a configuration in the case where the addition regions are overlapped only in the horizontal direction. In this configuration, two high-speed signal readout lines (for example, 9a and 10a) that are common to the unit cells 2 arranged in the vertical direction are provided, and two adjacent addition regions in the horizontal direction are alternately overlapped. An addition amplifier (for example, 11a) for adding the signals on the high-speed signal readout lines (for example, 10a and 9b) is provided. Accordingly, a certain summing amplifier adds the outputs of all the unit cells 2 included in two rows adjacent in the horizontal direction, and when viewed from any one unit cell 2, the output of the signal is output. You will have two options first. In this configuration, the maximum spot diameter of a single received light is limited to two unit cells in the horizontal direction (no limit in the vertical direction), but as long as the spots do not overlap each other, The number of areas that can receive the received light can be increased. For example, in the example of FIG. 12, it is possible to independently extract the addition output from the addition amplifiers 11b, 11c, and 11e for the three received light spots A1, A2, and A3.
[0053]
Generalizing the configuration in which two high-speed signal readout lines common to the unit cells arranged in the vertical direction are arranged in this way, the total number of pixels of the image cell unit 1 is N × M, and the addition region is When n pixels (where n is an even number), a maximum of (2N / n) -1 simultaneous readouts are possible.
[0054]
FIG. 13 is a conceptual diagram showing an example of a configuration in the case where the addition regions overlap in both the vertical and horizontal directions. In this configuration, two high-speed signal readout lines (for example, 9 va and 10 va) common to the unit cells 2 arranged in the vertical direction are provided, and two addition regions adjacent to each other in the horizontal direction are alternately overlapped. Are provided with an addition amplifier (for example, 11ha) for adding signals on the high-speed signal readout lines (for example, 10va and 9vb), and two high-speed signal readout lines (for example, 9ha, 10ha), and an addition amplifier (for example, 11va) that adds signals on two high-speed signal readout lines (for example, 10ha and 9hb) is provided so that the addition regions adjacent in the vertical direction are alternately overlapped. . Therefore, a certain summing amplifier adds the outputs of all the unit cells 2 included in two rows adjacent in the horizontal direction or the outputs of all the unit cells 2 included in two columns adjacent in the vertical direction. If one arbitrary unit cell 2 is viewed, there are four options as the output destination of the signal. In this configuration, the maximum spot diameter of a certain received light is limited to two unit cells in the horizontal direction and two in the vertical direction. However, as long as the spots do not overlap each other, The number of areas that can be received can be greatly increased. For example, in the example of FIG. 12, the summed output can be taken out independently from the summing amplifiers 11va, 11hc, and 11hd for the three received light spots A1, A2, and A3.
[0055]
Generalizing the configuration in which two high-speed signal readout lines common to the unit cells arranged in the vertical and horizontal directions are arranged in this way, the total number of pixels in the image cell unit 1 is N × M. When the addition area is n × m pixels (where n and m are even numbers), [(2N / n) −1] + [(2M / m) −1] simultaneous readings are possible.
[0056]
Next, an embodiment of a spatial light communication system including a spatial light communication receiver using the above-described spatial light communication sensor as a light receiving sensor will be described. As shown in FIG. 14, the spatial optical communication system of the present embodiment includes a hub 300 connected to the network line 400 and a node 200 connected to each terminal device 100. The hub 300 and the node 200 each include a spatial light communication receiving device and a transmitting device that transmits signal light to the device in order to perform bidirectional communication.
[0057]
As described above, the spatial light communication sensor according to the above embodiment can receive a maximum of two different irradiation lights independently in the high-speed communication operation mode. In this case, the hub 300 can communicate with a maximum of two nodes 200. Therefore, as shown in FIG. 4, it is assumed that there are two nodes 200A and 200B within an angle range θ in which the hub 300 can communicate. Note that when there are three or more nodes, it is possible to perform communication by time division.
[0058]
FIG. 5 is a schematic block configuration diagram of the node 200 in the spatial optical communication system according to the present embodiment, and FIG. 6 is a schematic block configuration diagram of the hub 300.
[0059]
The node 200 includes two optical systems, a diffusing outgoing optical system 201 and a non-diffusing outgoing optical system 202, for irradiating light. The diffuse emission optical system 201 includes an LED or the like as a light source, and emits light toward a wide irradiation angle range. On the other hand, the non-diffusive emission optical system 202 includes a light source such as an LED, a plurality of lens systems, a micro mirror 203 driven by a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) device, a two-dimensional scan lens 204, and the like, and is narrow. Light with a small diameter close to parallel light is emitted toward the irradiation angle range, and the emission direction of the emitted light can be adjusted within a predetermined range by the rotational position of the micro mirror 203. . As is well known, the MEMS device can adjust the direction of the emitted light at a very high speed. In addition, the light receiving optical system 205 includes a lens 206 that makes incident light substantially parallel light, and the spatial light communication sensor 207 configured as described above.
[0060]
The electrical circuit includes an image processing unit 210 that receives an image signal output from the spatial light communication sensor 207, and a position of the target hub 300 by performing image recognition processing on an image created by the image processing unit 210. A hub position detection unit 211 for detecting the signal, a reception processing unit 212 for receiving a communication signal output from the spatial light communication sensor 207 and performing data demodulation processing to extract desired communication data, and driving a light source of the emission optical system. At the same time, the communication data input via the light source drive unit 213 having a function of switching between the two emission optical systems, the mirror drive control unit 214 for driving the micro mirror 203, and the interface unit 216 connected to the terminal device 100 are received. A transmission processing unit 215 that performs data modulation processing or the like to convert the data into a format that can be transmitted, and a control that controls the operation of each unit. It provided with the parts, etc. 217.
[0061]
The hub 300 includes an output optical system 302 having the same configuration as the non-diffuse output optical system 202 in order to irradiate light. That is, the output optical system 302 includes a light source such as an LED, a plurality of lens systems, a micro mirror 303 driven by a MEMS device, a two-dimensional scan lens 304, and the like, and parallel light toward a narrow irradiation angle range. In addition, the direction of emission of the emitted light can be adjusted at high speed within the range of the angle θ depending on the rotational position of the micro mirror 303. On the other hand, the light receiving optical system 305 includes a lens 306 that makes incident light substantially parallel light, and the spatial light communication sensor 307 configured as described above.
[0062]
The electrical circuit includes an image processing unit 310 that receives an image signal output from the spatial light communication sensor 307, and positions of the nodes 200A and 200B by image recognition processing or the like on an image created by the image processing unit 310. First and second reception processing units that receive the two communication signal outputs A and B from the node position detection unit 311 to detect and the spatial light communication sensor 307, respectively, and perform data demodulation processing to extract desired communication data. 312A and 312B, a light source driving unit 313 for driving the light source of the above-described emission optical system, a mirror driving control unit 314 for driving the micro mirror 303, and communication data input via the interface unit 316 connected to the network line 400 The transmission processing unit 315 that performs data modulation processing on the data and converts it into a transmittable format, and the operation of each of the above units Comprising etc. Gosuru control unit 317.
[0063]
FIG. 7 is a flowchart showing an operation procedure of the spatial optical communication system having the above configuration, FIG. 8 is a conceptual diagram showing a light transmission / reception state between the node 200A and the hub 300, and FIG. 9 is a spatial optical communication of the hub 300. FIG. 10 is an enlarged view of a part of FIG. 9, and FIG. 11 is a light receiving state in the light receiving optical system 305 of the hub 300. FIG. FIG. Hereinafter, the operation of the spatial optical communication system of the present embodiment will be described with reference to these drawings.
[0064]
First, on the hub 300 side, in order to detect the position of the node 200A, the control unit 317 performs setting so that the spatial light communication sensor 307 operates in the image sensor operation mode (step S1). On the other hand, on the node 200A side, the control unit 217 sets the spatial light communication sensor 207 to operate in the image sensor operation mode in order to detect the position of the hub 300, and also emits diffused light. 213 is controlled (step S11). Thereby, as shown in FIG. 8A, light spreading over a wide range from the node 200A is irradiated. Preferably, the light emitted at this time is a light that can be distinguished from light emitted from another node, such as having a specific modulation pattern. Here, the reason why the diffused light is emitted from the node side in the node detection operation is to allow the light to reach the hub regardless of the position of the hub with respect to the node. This makes it easy to capture the node position described later.
[0065]
On the hub 300 side, pixel signals corresponding to the two-dimensional image captured by the image cell unit 1 are sequentially output to the image signal output of the spatial light communication sensor 307 as described above. The image processing unit 210 receives this pixel signal, performs predetermined image processing such as contrast adjustment, and creates a two-dimensional image as shown in FIG. 9, for example. In FIG. 9, the symbol Pa is a projected image of the node 200A, and the symbol Pb is a projected image of another node 200B. The node position detection unit 311 detects the positions of the nodes 200A and 200B included in the two-dimensional image by performing image recognition processing on such a two-dimensional image (step S2).
[0066]
The node position detection result is input to the control unit 317. The control unit 317 first determines the position and number of pixels (unit cell 2) corresponding to the two node positions in the image cell unit 1. Here, as a normal method, all the pixels corresponding to the position of the node are selected. For example, as shown in FIG. 10, in the unit cell 2 at the position corresponding to the outline of the projected image Pa of the node, the irradiation light May hit only a part of the light receiving surface of the photodiode 20. Since the received light amount of the photodiode 20 is small and the S / N ratio of the received light signal is not good, for example, the unit cell 2 having a certain received light amount or less is excluded, and light is applied to all the light receiving surfaces of the photodiode 20. Only the unit cell 2 (the range of Q in FIG. 11) close to the center of the projected image Pa of the node may be selected as appropriate. Of course, as described above, the number of unit cells 20 selected to prioritize the communication speed may be further limited.
[0067]
After determining the position and number of the unit cells 2 to be selected, the control unit 317 supplies selection control data for designating the selected one or a plurality of unit cells 2 to the spatial light communication sensor 307. The cell selection memory 27 is written, and at least the corresponding unit cell 2 is switched to operate in the high-speed communication operation mode (step S3). As a result, the hub 300 is ready to receive light transmitted from the node 200A at high speed. Further, the control unit 317 determines the direction of light radiated to the node from the position of the node, and thereby controls the micro mirror 303 to control the mirror drive control unit 314 so that the light is radiated in that direction. (Step S4). Then, a predetermined node confirmation signal light is transmitted (step S5). As a result, as shown in FIG. 8B, node confirmation signal light that is substantially parallel light having a small light diameter is emitted from the hub 300 side toward the node 200A.
[0068]
On the other hand, on the node 200A side, the spatial light communication sensor 207 is operated in the image sensor operation mode, but the position of the hub 300 cannot be grasped until the node confirmation signal light comes ("N" in step S12). When the node confirmation signal light is applied to the image cell unit 1 of the spatial light communication sensor 207 via the lens 206, the position of the hub 300 becomes clear on the two-dimensional image. Therefore, the hub position detection unit 211 performs image processing. The hub position is detected using the two-dimensional image created by the unit 210 (step S13). In addition, since the operation | movement of S13-S15 including this step S13 is the same as the operation | movement of S2-S4 in the hub 300 side, detailed description is abbreviate | omitted. Thereafter, the light source driving unit 213 is controlled to switch from the diffused light emission mode to the non-diffused light emission mode (step S16). Then, as shown in FIG. 8C, a predetermined confirmation response signal light is emitted from the non-diffusing emission optical system 202 toward the hub 300 (step S17).
[0069]
The spatial optical communication sensor 307 on the hub 300 side selects a specific unit cell 2 corresponding to the position of the node 200A based on the selection control data stored in the cell selection memory 27 in step S3, and the unit cell 2 The signal current generated by the photoelectric conversion by the photodiode 20 is added and output from the communication signal output A. When the acknowledgment signal light transmitted from the node 200A is received in this state, an electrical signal based on the received light is input to the first reception processing unit 312A, and the original signal sequence is extracted by performing data demodulation processing. Upon receiving this information, the control unit 317 recognizes that communication with the node 200A is possible ("Y" in step S6), and starts data communication with the node 200A by optical communication (step S7). .
[0070]
In this way, the hub 300 and the node 200A confirm the positions of each other, irradiate the signal light toward the position where the partner exists, and the unit cell 2 to which the light emitted from the partner hits. Good data communication can be performed by appropriately adding only the received light signals. Further, when the hub 300 transmits to a plurality of nodes 200A and 200B simultaneously in parallel, the mirror 303 is driven at a high speed every predetermined time corresponding to the direction in which the nodes 200A and 200B exist, Communication can be performed in a divided manner. However, in order to perform communication at higher speed, as many outgoing optical systems 302 as the number of corresponding nodes are prepared, and the position of each node is detected and then the outgoing optical system 302 is directed toward the position of that node. It is advisable to fix the direction of the light.
[0071]
The hub 300 is fixedly installed, whereas the nodes 200A and 200B can be moved to arbitrary positions. Although this system basically does not support communication with a node that is in the middle of movement, it is desirable that communication can be continued at the position after movement when the node is moved during communication. Therefore, after communication is started in the above-described procedure, for example, when it is detected that communication has been interrupted for a certain predetermined time, the position detection operation as described above is executed again to determine the position of the node. It is good to perform such control. In addition, regardless of the interruption of communication, the communication operation may be temporarily interrupted every predetermined time, and the position detection operation as described above may be executed to determine the position of the node. . In other words, in this way, communication can be continued while tracking the position of the node that is the communication target almost always.
[0072]
In the above embodiment, the hub 300 is configured to communicate with the nodes 200A and 200B located at a specific position using non-diffused light. However, the hub 300 emits diffused light without using the mirror 303. You may do it. According to this configuration, since the node can always receive light from the hub, there is an advantage that the position of the hub can be detected quickly.
[0073]
It should be noted that the above embodiment is merely an example, and it is obvious that modifications and corrections can be made as appropriate within the scope of the present invention.
[0074]
For example, in the spatial optical communication system of the above-described embodiment, the basic difference between a hub and a node is only that the hub has a configuration capable of simultaneous communication with a plurality of nodes. Is based on the premise that one or more hubs are arranged at positions overlooking each node. However, assuming a system in which at least any two of a plurality of nodes are arranged at positions where they can be seen from each other, a configuration in which a hub is not used can be achieved. In other words, if the node itself is configured to be able to communicate with a plurality of other nodes simultaneously and it is necessary to communicate between two nodes that cannot be seen from each other, one or more other nodes Data communication by space optical communication is executed via the node. Such a system is particularly useful when, for example, a system for performing data communication between electrical devices (AV products or the like) disposed in a home is constructed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of an internal configuration of a spatial light communication sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of one unit cell of the sensor for spatial light communication according to the embodiment.
FIG. 3 is a configuration diagram of a main part of current addition in a high-speed communication operation mode in the spatial light communication sensor of the present embodiment.
FIG. 4 is a basic configuration diagram of a spatial light communication system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic block diagram of a node of the spatial light communication system according to the present embodiment.
FIG. 6 is a schematic block configuration diagram of a hub of the spatial optical communication system according to the present embodiment.
FIG. 7 is a flowchart showing the operation of the spatial light communication system according to the present embodiment.
FIG. 8 is a conceptual diagram showing a light transmission / reception state between a node and a hub in the spatial optical communication system according to the present embodiment.
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a two-dimensional image captured by the spatial optical communication sensor of the hub in the spatial optical communication system according to the present embodiment.
10 is an enlarged view of a part of the two-dimensional image in FIG.
FIG. 11 is a perspective view conceptually showing a light receiving state in a light receiving optical system of a hub in the spatial light communication system according to the present embodiment.
FIG. 12 is a conceptual diagram showing an example of a configuration in the case where the addition region is overlapped only in the horizontal direction in the spatial light communication sensor of the present embodiment.
FIG. 13 is a conceptual diagram showing an example of a configuration in the case where the addition regions overlap in the vertical and horizontal directions in the spatial light communication sensor of the present embodiment.
FIG. 14 is a diagram showing a typical configuration example of a spatial light communication system.
[Explanation of symbols]
1. Image cell part
2. Unit cell
20 ... Photodiode (photoelectric conversion means)
21. Capacitor (charge storage means)
22a, 22b ... Gate switch for mode switching
22c ... Gate switch for reset
23 ... Amplifier
24 ... Reading gate switch
25 ... Current amplifier
26 ... Selector
27: Cell selection memory
3 ... row decoder
4 ... 1H memory
5 ... Column decoder
6 ... Reset decoder
7 ... Amplifier
8 ... Memory control unit
9, 10 ... high-speed read signal line
11, 12 ... Current summing amplifier
13. Timing control unit
100: Terminal equipment
200, 200A, 200B ... node
201: Diffuse emission optical system
202 ... Non-diffusive exit optical system
203 ... Ultra-small mirror
204 ... Two-dimensional scan lens
205. Light receiving optical system
206 ... Lens
207 ... Spatial optical communication sensor
210: Image processing unit
211 ... Hub position detector
212 ... Reception processing unit
213: Light source driving unit
214 ... Mirror drive control unit
215: Transmission processing unit
216 ... Interface part
217 ... Control unit
300 ... Hub
302: Output optical system
303 ... Ultra-small mirror
304 ... Two-dimensional scan lens
305 ... Light receiving optical system
306 ... Lens
307 ... Spatial optical communication sensor
310 ... Image processing unit
311: Node position detection unit
312A, 312B ... 1st reception processing part
313: Light source driving unit
314: Mirror drive control unit
315: Transmission processing unit
316: Interface part
317: Control unit
400: Network line

Claims

A spatial light communication sensor used in a spatial light communication receiver,
a) photoelectric conversion means in which a large number of minute light receiving elements constituting one pixel are arranged in a two-dimensional matrix;
b) charge accumulation means for accumulating signal charges generated by photoelectric conversion in the respective light receiving elements in units of pixels;
c) In the first operation mode, first signal readout means for sequentially reading out the signal charges accumulated in the charge accumulation means in units of pixels;
d) In the second operation mode, one or more light receiving elements included in the photoelectric conversion means are selected, and the signal current generated by the photoelectric conversion by the selected light receiving elements is added without being accumulated, and is sent to the outside. A second signal reading means for reading;
A spatial optical communication sensor comprising:

The second signal reading unit is generated by selecting one or a plurality of light receiving elements that are not identical to each other among the plurality of light receiving elements included in the photoelectric conversion unit, and performing photoelectric conversion on the selected light receiving elements. The sensor for spatial light communication according to claim 1, further comprising a plurality of signal paths for adding signal currents and reading the currents in parallel.

The high-speed current amplifying means is provided for each light receiving element included in the photoelectric conversion means, and the second signal reading means selectively adds the output current of the current amplifying means. The sensor for spatial light communication according to 2.

The second signal reading means includes storage means for holding selection control information of each light receiving element included in the photoelectric conversion means, and is generated by photoelectric conversion by the light receiving element based on the selection control information. 3. The sensor for spatial optical communication according to claim 2 , wherein a connection destination of one of the plurality of signal paths for outputting / selecting a signal current or outputting a signal current is controlled.

A signal path for dividing all the pixels into a plurality of regions, and for the second signal reading means to add at least signals from the light receiving elements of the pixels included in the divided regions and read them out to the outside. The spatial optical communication sensor according to claim 2, wherein each of the sensors has two or more.

The sensor for spatial light communication according to claim 5, wherein the pixel to be added extends over two or more of the regions.

In the receiver for spatial light communication, which is equipped with the sensor for spatial light communication according to any one of claims 1 to 6 and receives signal light transmitted from a transmitter disposed at a separated position,
a) image recognition means for specifying the position of the transmission device based on a signal corresponding to the two-dimensional image read by the first signal reading means in the first operation mode;
b) controlling the second signal reading means so as to select one or more light receiving elements corresponding to the position of the transmitting device specified by the image recognition means among the light receiving elements included in the photoelectric conversion means. Reading control means;
c) receiving information contained in the signal light coming from the transmission device based on the signal current read by the second signal reading means in accordance with the control of the reading control means in the second operation mode; Receiving means for
A receiver for spatial light communication, comprising:

The image recognizing unit simultaneously identifies the positions of a plurality of transmitting devices, and the signal readout control unit simultaneously reads the second signal readout to read out signal currents through different signal paths with respect to the plurality of specific positions. The spatial optical communication receiving apparatus according to claim 7, wherein the means is controlled.

The spatial optical communication according to claim 7 or 8, further comprising position tracking control means for tracking the position of the transmission device by repeatedly performing position specification by the image recognition means at regular or indefinite time intervals. Receiving device.

8. The receiver for spatial optical communication according to claim 7, wherein the reading control means limits a maximum number of light receiving elements to be added to a predetermined number or less when selecting one or more light receiving elements.

A spatial optical communication system, comprising: the spatial optical communication receiving device according to any one of claims 7 to 10; and a transmission device disposed at a position separated from the receiving device.

The transmission device can switch between a diffuse light mode that emits light in a wide range and a non-diffuse light mode that emits light in a narrow range in an arbitrary specific direction, and the reception device can change the position of the transmission device. 12. The spatial optical communication system according to claim 11, wherein the transmitting apparatus operates in a diffused light mode when performing identification.

The spatial light communication system according to claim 11 or 12, wherein the transmitting device emits signal light subjected to predetermined modulation when the receiving device specifies the position of the transmitting device.

The spatial light according to any one of claims 11 to 13, wherein the receiving device includes wavelength selecting means for extracting the vicinity of the wavelength of the signal light of the transmitting device when specifying the position of the transmitting device. Communications system.

The transmission device includes a light emission drive unit that supplies a drive current having a predetermined duty ratio to the light emitting element, and the light emission drive unit increases the drive current when the reception device specifies the position of the transmission device. On the other hand, the duty ratio is decreased, and the spatial optical communication system according to any one of claims 11 to 14.

The said receiving apparatus acquires the signal corresponding to the said two-dimensional image at a frame rate faster than the modulation frequency of the said signal light, when specifying the position of a transmitting apparatus. Spatial optical communication system.