JP4251294B2 - 光無線通信装置、光無線通信装置の光軸調整方法、光無線通信方法、及び光無線通信システム - 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・受信することによりデータ伝送を行う光無線通信装置、光無線通信装置の光軸調整方法、光無線通信方法、及び光無線通信システムに関する。

一般に、光無線を介して信号を伝送する場合、送信側の発光素子としてＬＥＤ（発光ダイオード）やレーザダイオードが用いられている。このうち、ＬＥＤにより信号を送信する装置では、指向性の広いＬＥＤ光のビーム径を集束レンズで絞らなければならないが、この絞りに限界があるために長距離を伝送するとビーム径が広がり、受信されるパワーが減少する。この様にビーム径が広がると、複数の装置をパラレルで用いた場合に干渉が発生するという問題点がある。

これを解決するため、例えば、図２２に示すような屋内光無線通信装置が提案されている。この光無線通信装置では、一方の装置（親機２１）にデータ信号送信のための発光部２２とは別に発光手段２３を設け、この発光手段２３から光軸調整用のパイロット光２３Ａを送信し、他方の光無線通信装置（子機２４）では、その光軸方向を変位させて受光装置２４Ａによりパイロット光２３Ａを受信し、このパイロット光２３Ａの受光レベルに基づいて光軸合わせを行うように構成されている。本装置は、ＬＥＤ光をパラボラリフレクタにより平行化してビーム径を絞るようにしたもので、指向性の狭いビーム光を送信する受光装置２４Ａ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・垂直方向に走査して、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体化されている（例えば、特許文献１参照）。

一方、レーザダイオードを用いた屋外光無線通信装置においては、ミラーとビームスプリッタによる光軸調整方法が採用されている（例えば、特許文献２参照）。

特許第３０５９８７０号

特開平６−１５２５４１号

上記の屋内光無線通信装置で光軸調整を行うには、受光素子、及びその光学系を含む受光装置と、発光素子及びその光学系を含む発光装置とを同時に回転させる必要があるため、屋内で使用するには装置が大型なものとなる。

また、より高速な伝送を行うためには、受信側で、相手装置からの送信光を高効率に受光する必要があり、送信光は指向角数度［ｄｅｇ］程度の非常に狭い指向角のビームにしなければならない。双方向通信を行う場合は、同一装置内に配置された発光装置と受光装置の光軸とを一致させる必要があるが、送信光の指向性が非常に狭い場合、本装置のように上下に配置された発光装置と受光装置の光軸合わせを高精度且つ高速に行うことは困難であった。

さらに、送信と受信の光軸とを一致させる光軸調整方法として、上記の屋外光無線通信装置の調整方法が考えられるが、本装置は多数の光学素子が用いられた大規模なものであるために装置が大型なものとなり、また、ある程度光軸調整を行った後の微調整に用いられているため、相手装置をサーチ可能な範囲が数度程度と狭く、屋内の様々な場所に移動して使用される装置には適さないものとなっている。

本発明の目的は、装置の小型化を図ると共に、光軸合わせを高精度且つ高速に行うことが可能であり、屋内使用にも適した光無線通信装置、光無線通信装置の光軸調整方法、光無線通信方法、及び光無線通信システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、光軸調整用のパイロット光を出射する発光素子と、入射光の一部を反射し、残りを透過する光制御素子と、前記発光素子から出射され前記光制御素子を透過する前記パイロット光の一部を反射して相手装置に向けて送信すると共に、前記相手装置から送信された光の一部を入射しパイロット光として反射する反射部および当該反射部の偏向角を制御する駆動手段を有する反射光学系と、前記反射光学系により反射された前記相手装置からのパイロット光を受光する第１受光素子とを有する受発光部と、前記受発光部に並設され、前記相手装置から送信され前記受発光部に入射されず前記受発光部の近傍に照射される光の一部を光学素子により集光して前記相手装置からのデータ信号として受光する第２受光素子を有するデータ受信部と、前記第１受光素子によって受光された前記相手装置からのパイロット光に基づいて前記反射光学系の反射部の偏向角を制御するための偏向角制御信号を算出し、当該偏向角制御信号に基づいて前記反射光学系の駆動手段を制御する偏向角制御信号供給部と、を有し、前記受発光部と前記データ受信部の各光軸が略平行となり、且つ、前記データ受信部の前記第２受光素子が、前記受発光部の前記光制御素子および前記反射光学系の反射部にて反射されず、前記反射光学系の近傍を通過する前記相手装置から送信された光を、前記光学素子で集光して前記第２受光素子でデータ信号として受光するように配置され、前記第１受光素子で受光した前記パイロット光に基づいて前記反射光学系の偏向角を制御することにより、前記発光素子から出射する光と前記相手装置から入射する光の光軸合わせを行うことを特徴とする光無線通信装置である。

請求項２の発明は、請求項１記載の光無線通信装置において、前記発光素子は、さらに、データ信号により変調されたデータ信号光を出射し、前記反射光学系の反射部により反射させて前記相手装置に向けて送信する、ことを特徴とする光無線通信装置である。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２記載の光無線通信装置において、前記受発光部は、さらに、前記発光素子と前記反射光学系との間に設けられ、前記発光素子から出射された前記データ信号光および前記パイロット光のうち少なくとも一方を透過して前記反射光学系の反射部に送る一方、前記反射光学系により反射された前記相手装置からのパイロット光を反射して前記第１受光素子へ送る光制御素子、を有する光無線通信装置である。

請求項４の発明は、請求項１または請求項２記載の光無線通信装置において、前記受発光部は、さらに、前記第１受光素子と前記反射光学系との間に設けられ、前記反射光学系により反射された前記相手装置からのパイロット光を透過して前記第１受光素子へ送る一方、前記発光素子から出射された前記データ信号光および前記パイロット光のうち少なくとも一方を反射して前記反射光学系の反射部に送る光制御素子、を有する光無線通信装置である。

請求項５の発明は、前記請求項４に記載の光無線通信装置において、前記光制御素子の反射面は、前記反射光学系で反射される光の面積よりも小さいことを特徴とする光無線通信装置である。

請求項６の発明は、前記請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光無線通信装置において、前記第１受光素子は、多分割された受光素子により構成され、前記偏向角制御信号供給部は、前記受光素子の各分割領域での受光量に基づいて前記反射光学系の移動方向と移動量を演算して偏向角制御信号を得る演算手段と、前記演算手段で演算された偏向角制御信号に基づいて前記反射光学系の駆動手段を水平方向又は垂直方向に駆動して、前記発光素子から出射する光と前記相手装置から入射する光の光軸合わせを行う制御手段と、を備えることを特徴とする光無線通信装置である。

請求項７の発明は、前記請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光無線通信装置において、前記受発光部及び前記データ受信部を同一基板上に一体に配置したことを特徴とする光無線通信装置である。

請求項８の発明は、前記請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光無線通信装置の光軸調整方法において、前記相手装置から入射する光を前記第１受光素子で受光し、当該第１受光素子を構成する前記各受光素子における受光量に基づいて前記反射光学系の移動方向と移動量を演算して偏向角制御信号を得ると共に、当該偏向角制御信号に基づいて前記反射光学系の駆動手段を水平方向又は垂直方向に駆動することにより、前記発光素子から出射する光と前記相手装置から入射する光の光軸合わせを行うことを特徴とする光無線通信装置の光軸調整方法である。
請求項９の発明は、前記請求項８に記載の光軸調整方法により光軸調整を行う光無線通信装置を第１、第２の光無線通信装置として所定間隔で対向配置し、前記第１、第２の光無線通信装置について前記請求項８に記載の光軸調整方法により光軸合わせを行った後、前記第１、第２の光無線通信装置を用いて通信を行うことを特徴とする光無線通信方法である。
請求項１０の発明は、前記請求項９に記載の光無線通信方法において、前記第１、第２の光無線通信装置について前記請求項８に記載の光軸調整方法により光軸合わせを行った後、前記第１、第２の光無線通信装置の送信光を一定量シフトさせ、それぞれの送信光が互いに相手装置のデータ受信部に照射されるように制御した後、前記第１、第２の光無線通信装置を用いて通信を行うことを特徴とする光無線通信方法である。
請求項１１の発明は、前記請求項８に記載の光軸調整方法により光軸調整を行う光無線通信装置を第１、第２の光無線通信装置として所定間隔で対向配置した光無線通信システムであって、前記第１、第２の光無線通信装置について前記請求項８に記載の光軸調整方法により光軸合わせを行った後、前記第１、第２の光無線通信装置を用いて通信を行うことを特徴とする光無線通信システムである。

以上説明したように、本発明においては、反射光学系の偏向角を制御することにより、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が少なくなり、装置を小型化することができる。

以下、本発明に係わる光無線通信装置、光無線通信装置の光軸調整方法、光無線通信方法、及び光無線通信システムの実施の形態について説明する。

以下の説明においては、データ信号により変調された光又は光軸調整用のパイロット光を適宜に光という。このうち、データ信号により変調された光を適宜にデータ信号の光と表記する。また、相手装置へ送信する光を送信光、出射光又は出射する光といい、相手装置から受信する光を受信光、入射光又は入射する光という。さらに、これらの光を発することを送信といい、受けることを受光又は受信という。

［実施の形態１］
まず図１、２を参照して、実施の形態１に係わる光無線通信装置の構成と、本装置を組み合わせた屋内光無線通信システムについて説明する。

図１は、実施の形態１に係わる光無線通信装置の概略構成図である。

受発光部９は、データ信号により変調された光又は光軸調整用のパイロット光を出射する発光素子１と、コリメータレンズなどのレンズ２と、入射光の一部を反射し、残りを透過する光制御素子３と、入射光を反射し且つ当該入出射光の光軸に対する偏向角を制御する図示しない駆動手段を有する反射光学系４と、同一構成の図示しない相手装置から送信されたパイロット光を集光するレンズ５と、このレンズ５で集光されたパイロット光を受光するフォトダイオード（以下、適宜にＰＤという）などの第１受光素子６とを備えている。

発光素子１とレンズ２は、発光素子１からレンズ２を経て発せられた出射光が、光制御素子３を透過（一部は反射、以下同様）し、反射光学系４で反射されて送信光として送信されるように配置されている。発光素子１はデータ供給部７、外部インターフェース７Ａと接続されている。また、レンズ５と第１受光素子６は、相手装置から入射した光が反射光学系４で反射され、光制御素子３で反射（一部は透過、以下同様）された後、レンズ５を経て第１受光素子６で受光されるように配置されている。第１受光素子６及び反射光学系４は偏向角制御信号供給部８と接続されている。

受発光部９において、相手装置との光軸合わせを行う場合には、光軸調整用のパイロット光が発光素子１から出射される。一方、相手装置との間で双方向通信を行う場合には、外部インターフェース７Ａからデータ信号が供給されたデータ供給部７によって、データ信号に応じて強度変調された光が発光素子１から出射される。これらの光はレンズ２により平行光に近いビーム光に成形され、光制御素子３を通過した後、反射光学系４で反射されて送信光として送信される。また、光軸合わせにおいて、相手装置から送信されたパイロット光は、反射光学系４で反射されて光制御素子３で反射された後、レンズ５で集光されて第１受光素子６で受光される。第１受光素子６では、受光したパイロット光が光−電気変換され、相手装置の位置情報として偏向角制御信号供給部８へ出力される。

データ受信部３９は、相手装置から送信された光を集光するレンズ３７と、レンズ３７で集光された光を受光するフォトダイオードなどの第２受光素子３６とを備えている。第２受光素子３６は、受信信号処理部３８、外部インターフェース３８Ａと接続されている。

データ受信部３９では、双方向通信を行う場合、相手装置からの光はレンズ３７により集光されて第２受光素子３６で受光される。第２受光素子３６では、受光した送信光が光−電気変換され、データ信号として受信信号処理部３８に供給される。

図２は、上記光無線通信装置を２つ組み合わせて屋内光無線通信システムとして構成した場合の概略構成図である（図１と同等部分を同一符号で示す）。受発光部９から送信される送信光がある程度の指向性を有し、且つ本実施の形態のように受発光部９の近傍にデータ受信部３９を配置した場合は、上記のような光軸合わせを行うことにより、データ受信部３９においても、自装置の受発光部９に向けて送信された相手装置からの送信光を受光することができ、また自装置のデータ供給部７からのデータ信号を、相手装置の受信信号処理部３８に双方向で伝送することが可能となる。

次に、図３〜図９を参照して、受発光部９及びデータ受信部３９を構成する各部について更に詳細に説明する。

発光素子１としては、レーザダイオードを用いることができる。レーザダイオードは出射光のビームが細く、それを更にレンズ２によって平行に近いビーム光にすることによって、出射光を高効率で光制御素子３及び反射光学系４に照射することができる。レーザの波長は近赤外に限らず、長波長のものでもよい。

また、送信光の指向性が狭い場合、図１のように受発光部９の近傍にデータ受信部３９を設置する構造では、データ受信部３９で十分な受光量を得られない可能性がある。この様な場合、データ受信部３９の光軸と受発光部９の光軸とが略平行になるような配置とせず、図３に示すように、反射光学系４の下方にミラー４０を設け、このミラー４０に照射される光の漏れ光を９０度反射させ、第２受光素子３６へ照射するように構成する。これにより、送信光の指向性が狭い場合でも、データ受信部３９において充分に送信光を受光することが可能となる。

図４は、データ供給部７の構成を示すブロック図である。データ供給部７は、外部インターフェース７Ａからのデータ信号を、光によって伝送可能な信号に変換する信号処理部１１と、信号処理された信号によって、光が点滅する様に発光素子１を駆動する発光駆動部１０から成る。

図２のような屋内光無線通信システムのアプリケーションとしてＬＡＮを考え、外部インターフェース７Ａから入力される信号が１００Ｂａｓｅ−ＦＸである場合、データ供給部７内の信号処理部１１では、図５のブロック図に示すように、４Ｂ／５Ｂエンコーダ１０１によりクロック自己再生のための４Ｂ／５Ｂ符号化を行い、デスクランブル／スクランブル部１０２によりデータをスクランブル化し、パラレル／シリアル変換部１０３によりパラレルデータをシリアルデータに変換し、更にＮＲＺ／ＮＲＺＩ変換部１０４（及びＰＬＬ１０５）により、ＤＣ成分を持たない信号にするためにＮＲＺ／ＮＲＺＩ変換を行う、という信号処理がなされ、データ信号として発光駆動部１０に入力される。

図６は、偏向角制御信号供給部８の構成を示すブロック図である。受発光部９の第１受光素子６は、相手装置からのパイロット光を光−電気変換し、受信光の有無、または受光量、受光方向などの位置情報信号を偏向角制御信号供給部８へ供給する。偏向角制御信号供給部８は、受発光部９から得られた位置情報信号に基づいて、相手装置からの光に自身の受信の光軸を合わせるように、反射光学系４を動かす移動方向及び移動量を演算して偏向角制御信号を得る演算部１３と、反射光学系４の図示しない駆動手段を前記偏向角制御信号に基づいて水平方向又は垂直方向に駆動する制御部１２から成る。

受信信号処理部３８は、データ受信部３９で得られたデータ信号をアプリケーションに適した信号に変換する。屋内光無線通信システムのアプリケーションとしてＬＡＮを考え、外部インターフェース３８Ａへ出力する信号が１００Ｂａｓｅ−ＦＸである場合、受信信号処理部３８では、図７のブロック図に示すように、受信した信号をＮＲＺＩ／ＮＲＺ変換部１１１（及びＰＬＬ１１２）によりＮＲＺＩ／ＮＲＺ変換を行い、シリアル／パラレル変換部１１３によりシリアルデータをパラレルデータに変換し、続いてスクランブル／デスクランブル部１１４によりスクランブル化された信号をデスクランブルし、更に４Ｂ／５Ｂデコーダ１１５により４Ｂ／５Ｂ符号化された信号のデコードを行う、という信号処理がなされ、データ信号として外部インターフェース３８Ａに入力される。なお、クロック再生回路１１６では、データ信号に含まれるクロックのタイミング間隔を再生している。

図８は、反射光学系４の駆動手段として、ピエゾアクチュエータを用いた場合の構成図である。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、図８（ａ）のように反射光学系４の反射部１８の裏側の４箇所にピエゾアクチュエータ１９を設けている（図８ではそのうちの２つを示す）。各ピエゾアクチュエータ１９は、図８（ｂ）、（ｃ）に示すように、電極２０に加えた電圧によって伸張する。したがって、４つのピエゾアクチュエータ１９に異なる電圧を印加して反射光学系を３次元で偏向させることにより、光軸に対する偏向角を制御することができる。

なお、本発明における駆動手段はピエゾアクチュエータに限定されるものではなく、電流又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４の反射部１８が曲面を有し、そ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。

反射光学系４の反射部１８としては、光学樹脂へＡｕ（金）を蒸着することにより生成されたミラーを用いることができる。Ａｕ膜の反射率分光特性を図９に示す。また、特定の波長のみ反射するような薄膜を蒸着した場合、受信光における外来光成分をカットするフィルタの機能も果たすことにもなる。

光制御素子３としては、無偏光ビームスプリッタ（以下、単にビームスプリッタという）を用いることができる。また、特定の波長のみを通過（反射）するようなビームスプリッタを用いることも可能であり、その場合は、受信光における外来光成分をカットするフィルタの機能も果たすことにもなる。

次に、図１０〜図１２を参照して、偏向角制御信号供給部８において、受発光部９から得られた情報に基づいて光軸に対する偏向角を制御する場合の動作について説明する。

図１０は、偏向角制御信号供給部８による反射光学系４の制御手順を示すフローチャート。図１１は、４分割ＰＤで構成された第１受光素子６上で受光したパイロット光の受光スポットが段階的に移動する様子を示す説明図。図１２は、偏向角制御信号供給部８において図１０の制御手順を実現するための構成を示すブロック図である。

ここでは、図１２に示すように、第１受光素子６が４分割されたフォトダイオード（ＰＤ＿Ａ、＿Ｂ、＿Ｃ、＿Ｄ）により構成され、且つ、反射光学系４が３次元に制御可能な場合を例とする。以下、図１０のフローチャートに従って、適宜に図１０、１２を参照しながら説明する。

相手装置からのパイロット光は、ある周波数を有する光信号であり、受発光部９では、４分割されたＰＤ（第１受光素子６）のそれぞれのＰＤ（ＰＤ＿Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）での受光量が光−電気変換され、受光量に応じた振幅を有する電気信号（ＳＩＧ＿Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）として、偏向角制御信号供給部８に送られる（ステップＳ１）。偏向角制御信号供給部８内の演算部１３では、それぞれの信号振幅をアンプ２１、２２、２３、２４によって増幅し（ステップＳ２）、Ａ／Ｄコンバータ２５、２６、２７、２８によってその振幅値をＡ／Ｄ変換することによって、信号レベル、すなわち各ＰＤでの受光量をＤＣ値として得る（ステップＳ３）。続いて、マイコン・ＤＳＰなどのマイクロプロセッサ２９によって、水平方向（Ｐａｎ）・垂直方向（Ｔｉｌｔ）に対向するＰＤ同士の受光レベルの差を演算し（ステップＳ４）、その受光レベル差を０とするための、反射光学系４の移動方向・及び移動量を演算して、制御部１２に送る（ステップＳ５→Ｓ６、ステップＳ９→Ｓ１０）。制御部１２は、与えられた値をＤ／Ａコンバータ３０、３１によりＤ／Ａ変換し、偏向角制御信号としてドライバ３２、３３に与え、ドライバ３２、３３によって反射光学系４を水平・垂直方向に駆動する（ステップＳ７→Ｓ８、ステップＳ１１→Ｓ１２）。

次に、４分割ＰＤ上での受光スポットの動きを図１１により説明する。図中、符号６Ａはパイロット光が照射したときの４分割ＰＤ上での受光スポットを示す。

図１１において、1)のステップでは、まず垂直方向に対向するＡ、ＢそれぞれのＰＤの受光量の差を演算し、差を０にする方向（図１１では下方向）に光が照射されるように、反射光学系４を垂直方向に動かす。次いで、2)のステップでは、水平方向に対向するＣ、ＤのそれぞれのＰＤの受光量の差を演算し、差を０にする方向（図１１では右方向）に光が照射されるように、反射光学系４を水平方向に動かす。

このように、受発光部９においては、送信光と受信光とが光制御素子３により同軸で制御可能であるため、図２のように同一構成の相手装置から送信される光と本装置で受信する光軸とを合わせることによって、本装置の送信光を相手装置に照射することになる。また、相手装置も同様に光軸合わせを行い、本装置からの送信光が照射されることになり、２つの装置のそれぞれの受発光部９の光軸が一致することになる。

なお、本実施の形態では、第１受光素子６を４分割ＰＤで構成した例について示したが、第１受光素子６の分割数は３分割でもよいし、或いは５分割、８分割…というように更に分割数を多くしたものであってもよい。また、本実施の形態では、ＰＤでの受光量の差がゼロになるように反射光学系４の移動方向と移動量を演算する例について示したが、他のアルゴリズムにより移動方向と移動量を演算するようにしてもよい。

上記実施の形態１に係わる光無線通信装置では、第１受光素子６で受光した光軸調整用のパイロット光に基づいて反射光学系４の偏向角を制御することにより、送信光と受信光の光軸合わせを同軸で行うように構成されているため、受光装置と発光装置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、装置の小型化を図ることができる。特定の従来装置との比較では、少なくとも体積比で１／２以下を達成している。

また、実施の形態１に係わる光無線通信装置の光軸調整方法により光軸合わせを実施したところ、従来のモータを用いた屋内光無線通信装置のサーチ精度が０．２［ｄｅｇ］程度、サーチ速度が１００〜３００［ｒａｄ／ｓｅｃ］程度であったのに対し、本実施の形態の装置ではサーチ精度は０．００１［ｄｅｇ］以下、サーチ速度は５００［ｒａｄ／ｓｅｃ］以上となり、高精度且つ高速な光軸合わせを実現している。このように、互いに相手装置から送信されるパイロット光と自装置で受信する光軸とを一致させる構成とすることによって、屋内光無線通信システムとして送信光に狭い指向角のビームを用いた場合でも、高精度な双方向通信を行うことが可能となる。

さらに、相手装置をサーチ可能な範囲が広いため、屋内使用において様々な場所に移動させて使用することができる。

図１３は、実施の形態１に係わる光無線通信装置の他の構成例を示す概略構成図である。図１３に示すように、データ受信部３９において、レンズ３７を広指向のもの（魚眼レンズ等）とした場合、又はレンズ３７の上方に広指向型のレンズ４１を設けた場合、広い範囲で送信光を受信することが可能となる。

次に、図１４、図１５を参照して、光軸調整後に送信光を一定量シフトする場合について説明する。

実施の形態１において、発光素子１としてレーザダイオードを用い、送信光の指向性が狭い場合、上記制御手順による光軸調整終了後、二つの装置の送信光は、それぞれ相手装置の反射光学系４に照射されることになるため、データ受信部３９で相手装置からのデータ信号を受信できなくなる。そこで、図１４に示すように、光軸調整後、それぞれの装置で送信光を一定量（θ分）シフトさせて、相手装置のデータ受信部３９の位置に照射させることにより、双方向通信が可能となる。

図１５は、光軸調整後に送信光を一定量シフトする場合の制御手順を示すフローチャートである。偏向角制御信号供給部８では、図１０の制御手順により光軸調整を行った後（ステップＳ１０１）、反射光学系４を駆動して送信号を一定量シフトさせ、送信号が相手装置のデータ受信部３９へ照射するように制御し、双方向通信を行う（ステップＳ１０２→Ｓ１０３）。通信中、受発光部９の第１受光素子６では相手装置からの送信光は受光しないため、偏向角制御信号供給部８では制御のための情報が得られない。このため、データ受信部３９から受信光の有無の情報が偏向角制御信号供給部８へ供給される。偏向角制御信号供給部８では、装置の移動等により、相手装置からの送信光をデータ受信部３９で受光できなかった場合は、再び図１０の制御手順により光軸調整を行うルーチンに戻る（ステップＳ１０４→Ｓ１０１）。

上記実施の形態によれば、送信光の指向性が狭い場合においても、データ受信部３９では常に相手装置からのデータ信号を受信することができるため、より高精度な双方向通信を行うことが可能となる。

［実施の形態２］
次に、図１６〜１８を参照して、実施の形態２に係わる光無線通信装置の構成について説明する。いずれの図も図１と同等部分を同一符号で示す。

図１６は、実施の形態２に係わる光無線通信装置の概略構成図である。図１と同等部分を同一符号で示している。

実施の形態２では、発光素子１とレンズ２、及びレンズ５と第１受光素子６が図１と逆に配置されている。すなわち、発光素子１とレンズ２は、発光素子１からレンズ２を経て発せられた出射光が、光制御素子３で反射された後、反射光学系４で反射されて送信光として送信されるように配置されている。また、レンズ５と第１受光素子６は、相手装置から入射したパイロット光が反射光学系４で反射され、光制御素子３を透過し、レンズ５で集光されて第１受光素子６で受光されるように配置されている。

本実施の形態のように、図１における発光素子１とレンズ２、及びレンズ５と第１受光素子６の配置を入れ替えた構成とした場合でも、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

ところで、光軸調整の際に相手装置からの光の情報をより多く得るためには、受発光部９の第１受光素子６に対し光を効率よく照射する必要がある。そのため実施の形態１に示す光無線通信装置の構成（図１）では、光制御素子３の反射面を、反射光学系４で反射される光の面積と同等、もしくは大きくする必要がある。

実施の形態２の他の構成例としては、図１７に示すように、発光素子１とレンズ２、及びレンズ５と第１受光素子６の配置を入れ替えると共に、光制御素子３の反射面３Ａが、反射光学系４で反射される光の面積Ｓより小さくなるように、図１６よりもサイズの小さい光制御素子３を配置している。

図１７の構成において、第１受光素子６に照射される光は光制御素子３の透過光であるため、光制御素子３が小さく、反射面３Ａが反射光学系４で反射される光の面積Ｓより小さい場合でも、光制御素子３に照射されない光は、直接に第１受光素子６に照射される。このため、図１６に示すように光制御素子３の反射面が大きい場合と同等、もしくはそれ以上の受光量を得ることが出来る。発光素子１がレーザダイオードなどの場合、送信光の指向性は狭いため、光制御素子３の反射面は小さくてもよい。

また、本実施の形態においては、光制御素子３を小型化にすることにより、図１８に示すように、反射光学系４を光制御素子３に近づけることができるため、受発光部９全体を小型化することが可能となり、受発光部９の設計にも柔軟性をもたせることができる。

［実施の形態３］
図１９は、実施の形態３に係わる光無線送伝送装置の構成例を示す説明図である。実施の形態１〜３における受発光部９及びデータ受信部３９の光学部材を同一の基板３４上に配置することによって、光無線通信装置を小型のモジュール３５として構成することができる。例えば、ホログラムピックアップの組み立て技術などを応用し、５ｍｍ角〜３０ｍｍ角程度の大きさのモジュールとした場合、図２０のようにパソコン４２などの機器に組み込むことも可能である。

本実施の形態に示すように、受発光部９とデータ受信部３９を同一基板上に一体に配置した場合は、装置の小型化が可能となるだけでなく、それに伴う低コスト化、サーチ時間の短縮などの効果が得られる。また、一体構造とする際に、現在のＩＣの微細加工技術、及びホログラムピックアップの組み立て技術などを応用することができるため、高精細な配置が可能となり、送信と受信の光軸調整もさらに容易なものとなる。

［実施の形態４］
次に、入射光の一部を反射し、残りを透過する機能を備えた光制御素子３の他の構成例について説明する。

光制御素子３としては、上記各実施の形態に示すビームスプリッタ以外に、一部領域に入射した光を透過し、他の領域に入射した光を反射する光制御素子を用いることができる。

実施の形態１において、発光素子１がレーザダイオードなどの場合、送信光の指向性が狭いため、光制御素子３の透過面は小さくてもよい。この場合は、図２１（ａ）に示すように、発光素子１からの出射光が透過する中心部分を透過領域５２、残りの部分（裏面）すべてを反射面５３とする光制御素子５１を用いることができる。この光制御素子５１は、ベースとなる透過光学素子の中心部分を除いた領域に反射材を蒸着することにより製作することができる。光制御素子５１において、発光素子１からの出射光は透過領域５２を透過し、相手装置から受信した光は反射面５３で反射されて第１受光素子６に導かれることになる。なお、光制御素子５１の透過領域５２は開口部であってもよい。この場合は、ベースとなる透過光学素子の中心部分の除去することにより製作することができる。

また、実施の形態２のように、発光素子１からの出射光が光制御素子３で反射される構成とした場合は、図２１（ｂ）に示すように、発光素子１からの出射光が反射する中心部分を反射面６２、残りの部分すべてを透過面６３とする光制御素子６１を用いることができる。この光制御素子６１は、ベースとなる透過光学素子の中心部分を除く残りの部分すべてをマスキングし、反射面が形成される面上に反射材料を蒸着することにより製作することができる。光制御素子６１において、発光素子１からの出射光は反射面６２で反射し、また相手装置から受信した光は透過面６３を透過し、レンズ５を経て第１受光素子６に導かれることになる。

［実施の形態５］
次に、上記各実施の形態におけるレーザ出力について説明する。

光無線通信装置において、装置から送信される光は安全基準によって制限される。例えば、レーザダイオードの場合、ＩＥＣ６０８２５−１（日本ではＪＩＳＣ６８０２：レーザ製品の放射安全基準）によって、その放射強度などが定められている。この基準は、装置から出力される光を制限するものであり、上記各実施の形態に示す光無線通信装置において、発光素子１をレーザダイオードとした場合、装置からの出力を基準内とするためのレーザ出力は、実際にレーザダイオードが出力可能なレベルに比べ十分小さい。そのため、実施の形態１の場合には、光制御素子３の透過・反射の比率を変え、透過率を低く、反射率を高くすることによって、送信光を安全な出力レベルで送信し、且つ、受信光を高効率で第１受光素子６に集光することが可能となる。例えば、装置から送信可能な出力のレベルに対して、レーザダイオードが出力可能なレベルが１０倍とすると、光制御素子３の透過率を１０％、反射率を９０％とする。

また、上記各実施の形態に示す発光素子１において、その出力レベルを減衰可能なものとし、光制御素子３を透過し、反射光学系４によって反射されて装置外に送信される送信光が安全基準によって制限されたレベル以下になるよう、調整可能なものとすることによって、目に安全なレベルの強度で高速な双方向通信が可能となる。

なお、上述した各実施の形態においては、光軸調整用のパイロット光を発光素子１から発するように構成しているが、パイロット光は受発光部９の内部又は外部に配置した別の発光素子から出射するように構成してもよい。この発光素子の光軸は受発光部９の光軸と同軸又は略並行となるように配置される。また、発光素子１から出射するデータ信号の光をパイロット光として使用することもできる。

以上説明した各実施の形態においては、反射光学系の偏向角を制御することにより、送信光と受信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が少なくなり、装置を小型化することができる。また、送信光に狭い指向角のビームを用いた場合でも、高精度且つ高速な光軸合わせが可能となる。さらに、相手装置をサーチ可能な範囲が広いため、屋内使用において様々な場所に移動させて使用することができる。

したがって、本発明に係わる光無線通信装置、光無線通信装置の光軸調整方法、光無線通信方法、及び光無線通信システムを屋内光無線通信システムに適用した場合は、高精度な双方向通信を行うことが可能となる。

実施の形態１に係わる光無線通信装置の概略構成図。 光無線通信装置を２つ組み合わせて屋内光無線通信システムとして構成した場合の概略構成図。 実施の形態１において反射光学系の下方にミラーを設けた場合の概略構成図。 データ供給部の構成を示すブロック図。 信号処理部の構成を示すブロック図。 偏向角制御信号供給部の構成を示すブロック図。 受信信号処理部の構成を示すブロック図。 （ａ）は反射光学系の駆動手段としてピエゾアクチュエータを用いた場合の構成図。（ｂ）、（ｃ）はピエゾアクチュエータを伸張させた場合の説明図。 Ａｕ膜の反射率分光特性を示す説明図。 偏向角制御信号供給部による反射光学系の制御手順を示すフローチャート。 ４分割ＰＤで構成された受光素子で受光したパイロット光の受光スポットが段階的に移動する様子を示す説明図。 偏向角制御信号供給部おいて図１０の制御手順を実現するための構成を示すブロック図。 実施の形態１に係わる光無線通信装置の他の構成例を示す概略構成図。 双方向通信において光軸調整後に送信光を一定量シフトする場合の説明図。 光軸調整後に送信光を一定量シフトする場合の制御手順を示すフローチャート。 実施の形態２に係わる光無線通信装置の概略構成図。 図１６において光制御素子を小さくした場合の概略構成図。 図１７において反射光学系を光制御素子に近づけた場合の概略構成図。 実施の形態３に係わる光無線通信装置の構成例を示す説明図。 実施の形態３に係わる光無線通信装置をパソコンに搭載した場合の説明図。 光制御素子の他の構成例を示す説明図。（ａ）は出射光が透過する中心部分を透過領域、残りの部分すべてを反射面とした場合の説明図。（ｂ）は出射光が反射する中心部分を反射面、残りの部分すべてを透過面とした場合の説明図。 従来の屋内光無線通信装置の概略構成図。

符号の説明

１…発光素子
２…レンズ（第１光学素子）
３…光制御素子
３…光学素子
３Ａ…透過領域
４…反射光学系
４Ａ…実反射領域
５…レンズ（第２光学素子）
６…第１受光素子
７…データ供給部
７Ａ…外部インターフェース
８…偏向角制御信号供給部
９…受発光部
１０…発光駆動部
１１…信号処理部
１２…制御部
１３…演算部
１８…反射部
１９…ピエゾアクチュエータ
２０…電極
２１…アンプ
２１…親機
２２…発光部
２３…発光手段
２３Ａ…パイロット光
２４…子機
２４Ａ…受光装置
２５…コンバータ
２９…マイクロプロセッサ
３０…コンバータ
３２…ドライバ
３４…基板
３５…モジュール
３６…第２受光素子
３７…レンズ（第３光学素子）
３８…受信信号処理部
３８Ａ…外部インターフェース
３９…データ受信部
４０…ミラー
４１…レンズ
４２…パソコン
１０１…４Ｂ／５Ｂエンコーダ
１０２…デスクランブル／スクランブル部
１０３…パラレル／シリアル変換部
１０４…ＮＲＺ／ＮＲＺＩ変換部
１０５，１１２…ＰＬＬ
１１１…ＮＲＺＩ／ＮＲＺ変換部
１１３…シリアル／パラレル変換部
１１４…スクランブル／デスクランブル部
１１５…４Ｂ／５Ｂデコーダ
１１６…クロック再生回路

Claims (11)

1. 光軸調整用のパイロット光を出射する発光素子と、入射光の一部を反射し、残りを透過する光制御素子と、前記発光素子から出射され前記光制御素子を透過する前記パイロット光の一部を反射して相手装置に向けて送信すると共に、前記相手装置から送信された光の一部を入射しパイロット光として反射する反射部および当該反射部の偏向角を制御する駆動手段を有する反射光学系と、前記反射光学系により反射された前記相手装置からのパイロット光を受光する第１受光素子とを有する受発光部と、
   前記受発光部に並設され、前記相手装置から送信され前記受発光部に入射されず前記受発光部の近傍に照射される光の一部を光学素子により集光して前記相手装置からのデータ信号として受光する第２受光素子を有するデータ受信部と、
   前記第１受光素子によって受光された前記相手装置からのパイロット光に基づいて前記反射光学系の反射部の偏向角を制御するための偏向角制御信号を算出し、当該偏向角制御信号に基づいて前記反射光学系の駆動手段を制御する偏向角制御信号供給部と、
   を有し、
   前記受発光部と前記データ受信部の各光軸が略平行となり、且つ、前記データ受信部の前記第２受光素子が、前記受発光部の前記光制御素子および前記反射光学系の反射部にて反射されず、前記反射光学系の近傍を通過する前記相手装置から送信された光を、前記光学素子で集光して前記第２受光素子でデータ信号として受光するように配置され、前記第１受光素子で受光した前記パイロット光に基づいて前記反射光学系の偏向角を制御することにより、前記発光素子から出射する光と前記相手装置から入射する光の光軸合わせを行うことを特徴とする光無線通信装置。
2. 請求項１記載の光無線通信装置において、
   前記発光素子は、さらに、
   データ信号により変調されたデータ信号光を出射し、前記反射光学系の反射部により反射させて前記相手装置に向けて送信する、
   ことを特徴とする光無線通信装置。
3. 請求項１または請求項２記載の光無線通信装置において、
   前記受発光部は、さらに、
   前記発光素子と前記反射光学系との間に設けられ、前記発光素子から出射された前記データ信号光および前記パイロット光のうち少なくとも一方を透過して前記反射光学系の反射部に送る一方、前記反射光学系により反射された前記相手装置からのパイロット光を反射して前記第１受光素子へ送る光制御素子、を有する光無線通信装置。
4. 請求項１または請求項２記載の光無線通信装置において、
   前記受発光部は、さらに、
   前記第１受光素子と前記反射光学系との間に設けられ、前記反射光学系により反射された前記相手装置からのパイロット光を透過して前記第１受光素子へ送る一方、前記発光素子から出射された前記データ信号光および前記パイロット光のうち少なくとも一方を反射して前記反射光学系の反射部に送る光制御素子、を有する光無線通信装置。
5. 前記請求項４に記載の光無線通信装置において、
   前記光制御素子の反射面は、前記反射光学系で反射される光の面積よりも小さいことを特徴とする光無線通信装置。
6. 前記請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光無線通信装置において、
   前記第１受光素子は、多分割された受光素子により構成され、
   前記偏向角制御信号供給部は、前記受光素子の各分割領域での受光量に基づいて前記反射光学系の移動方向と移動量を演算して偏向角制御信号を得る演算手段と、前記演算手段で演算された偏向角制御信号に基づいて前記反射光学系の駆動手段を水平方向又は垂直方向に駆動して、前記発光素子から出射する光と前記相手装置から入射する光の光軸合わせを行う制御手段と、
   を備えることを特徴とする光無線通信装置。
7. 前記請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光無線通信装置において、
   前記受発光部及び前記データ受信部を同一基板上に一体に配置したことを特徴とする光無線通信装置。
8. 前記請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光無線通信装置の光軸調整方法において、
   前記相手装置から入射する光を前記第１受光素子で受光し、当該第１受光素子を構成する前記各受光素子における受光量に基づいて前記反射光学系の移動方向と移動量を演算して偏向角制御信号を得ると共に、当該偏向角制御信号に基づいて前記反射光学系の駆動手段を水平方向又は垂直方向に駆動することにより、前記発光素子から出射する光と前記相手装置から入射する光の光軸合わせを行うことを特徴とする光無線通信装置の光軸調整方法。
9. 前記請求項８に記載の光軸調整方法により光軸調整を行う光無線通信装置を第１、第２の光無線通信装置として所定間隔で対向配置し、前記第１、第２の光無線通信装置について前記請求項８に記載の光軸調整方法により光軸合わせを行った後、前記第１、第２の光無線通信装置を用いて通信を行うことを特徴とする光無線通信方法。
10. 前記請求項９に記載の光無線通信方法において、
    前記第１、第２の光無線通信装置について前記請求項８に記載の光軸調整方法により光軸合わせを行った後、前記第１、第２の光無線通信装置の送信光を一定量シフトさせ、それぞれの送信光が互いに相手装置のデータ受信部に照射されるように制御した後、前記第１、第２の光無線通信装置を用いて通信を行うことを特徴とする光無線通信方法。
11. 前記請求項８に記載の光軸調整方法により光軸調整を行う光無線通信装置を第１、第２の光無線通信装置として所定間隔で対向配置した光無線通信システムであって、
    前記第１、第２の光無線通信装置について前記請求項８に記載の光軸調整方法により光軸合わせを行った後、前記第１、第２の光無線通信装置を用いて通信を行うことを特徴とする光無線通信システム。

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