JP4428252B2 - 光無線伝送装置の光軸調整方法、光無線伝送装置、及び光無線伝送システム - 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及び受信することによりデータ通信を行う光無線伝送装置の光軸調整方法、光無線伝送装置、及び光無線伝送システムに関する。

従来、光無線を用いた通信としては、リモコンに代表される「拡散型通信方式」と、高速無線ＬＡＮ（Local Area Network）に代表される「狭ビーム型通信方式」とがある。

拡散型通信方式では、受発光部の各指向性を広く設定することにより、通信相手を意識することなく、或いは受発光部を大まかに通信相手に向ける程度で通信が可能である。また、反射光も利用できるため、遮蔽にも強いが、反面、受光部に達する発光パワーが弱く、周りのノイズにも影響されやすいことから、高速通信は困難である。

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

狭指向ビーム型通信方式において、通信相手側の受光部にビームを向ける手法として、２次元撮像素子を用い、相手装置からのガイド光（データ通信を行う前に装置間で通信路を確立するために使用する光）を撮像した結果から相手方向を特定し、これに基づいてビームを相手方向に向ける手法がある。本方式では、２次元的に相手を捜すため、高速に特定することが可能である。相手方向を特定するための手段としては、パターン認識により特定することも出来るが、相手の形状、距離等を考慮する必要があり、認識処理は複雑なものとなる。

この問題を解決するため、相手からのガイド光を点滅させ、前記点滅に同期したタイミングにて撮像後、フレーム間の差分をとるようにした光無線伝送装置の光軸調整方法が提案されている。（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−３３１２９５号公報 出願番号２００３−１４３８９２

前述した従来例の光軸調整方法によると、差分データでは、フレーム間で変化のない周辺は暗くなり、ガイド光のみが抽出されるため、認識は容易となる。また、蛍光灯の点滅に同期して撮像することで、差分データでは蛍光灯のフリッカーも除去することができる。しかしながら、本従来例では、撮像素子の取り込みタイミングに正確に同期した信号でガイド光を点滅させる必要があるため、通信には不要な発光素子や、受光素子、変調回路等を付加する必要があり、装置の大規模化、コストアップにつながることになる。

その対策として、通信相手からのガイド光の点滅タイミングと撮像素子の露光タイミングとを同期させないで、フレーム間の差分をとる方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、本従来例は、次のような不都合がある。この点について、図１４〜図１６を参照して説明する。

図１４は、従来例の光無線伝送システムの全体構成を示す。図１４に示す光無線伝送システムは、端末６００側に設置された撮像素子の撮像データを用いて光軸調整が可能な光無線伝送装置である子機６０１と、この子機６０１の通信相手となる天井に設置された光無線伝送装置である親機６０２とを有する。この内、親機６０２は、通信光及びガイド光を発光するＬＥＤ（Light Emitting Diode）を有する発光部６０３と、子機６０１からの通信光を受光する受光素子を有する受信部６０４とを備える。

図１５は、子機６０１側の撮像素子の露光タイミングと撮像素子で得られる撮像データとの関係を示すタイミングチャートを示す。

図１５の例では、親機６０２側の時間Ｔの周期で点滅を繰り返す発光部６０３内のＬＥＤによるガイド光の点滅タイミングに対し、子機６０１側の撮像素子により時間Ｔ／４周期の露光タイミングで露光が繰り返されている。その結果、時間Ｔの周期では、フレームＮｏ．１（奇数フレーム）→フレームＮｏ．２（偶数フレーム）→フレームＮｏ．３（奇数フレーム）→フレームＮｏ．４（偶数フレーム）の順にデータが繰り返し撮像される。

この内、２つの奇数フレームＮｏ．１及びＮｏ．３のデータが得られる露光タイミングでは、親機６０２のＬＥＤによるガイド光点滅タイミングが点灯中又は消灯中に露光しているため、ガイド光の照射される画素は強い光を受けるか、又は光を全く受けない。一方、２つの偶数フレームＮｏ．２及びＮｏ．４のデータが得られる露光タイミングでは、親機６０２のＬＥＤによるガイド光点滅タイミングの立ち上がり時又は立ち下がり時に露光している。このようなタイミングが生じる理由は、親機６０２のＬＥＤによるガイド光の点滅タイミングと子機６０１の撮像素子による露光タイミングとを互いに同期させていないためである。

このため、撮像素子により蓄積される電荷の量は、図１４の例では、奇数フレームＮｏ．３＞（偶数フレームＮｏ．２及びＮｏ．４）＞奇数フレームＮｏ．１となる。その結果、２つの奇数フレームＮｏ．１及びＮｏ．３の差分をとって得られる差分フレームデータの絶対値と、２つの偶数フレームＮｏ．２及びＮｏ．４の差分をとって得られる差分フレームデータの絶対値とに基づいて、ＬＥＤからのガイド光の方向として最適なデータが選択されることになる。

本従来例では、ＤＣ光及び蛍光灯フリッカーを除去し、容易に通信相手方向を特定することで光軸調整を実現しているが、室内における光無線伝送システムを実現する場合、人の動きを考慮する必要がある。

例えば、図１５に示すように、本来、室内の窓から入る太陽光等の外乱光はＤＣ光として差分データでは除去できるが、その光を室内の歩行者ＰＳが遮った場合、子機６０１側の撮像素子ではあたかもガイド光の点滅と同様の判断することとなる。室内の照明を点灯又は消灯した瞬間の一時的点滅もこれと同様であり、相手方向判定において誤判定をする可能性がある。

図１６（ａ）及び（ｂ）は、窓から入射される室外光を人が遮蔽した場合のフレーム差分データのイメージ図である。図１６（ａ）は、通常のフレーム差分データであるが、図１６（ｂ）に示すように窓から入る外乱光を歩行者ＰＳが一時的に遮った場合、本従来例では窓からの光をＬＥＤからのガイド光と誤認識し、その結果、ノイズ源である外乱光の方向を相手方向と誤判定する可能性がある。

本発明の目的は、装置を大規模化することなく、誤動作を最小限に抑え、正確に光軸調整を行うことができる光無線伝送装置、光無線伝送装置の光軸調整方法、及び光無線伝送システムを提供することにある。

請求項１に記載の発明は、時間Ｔの周期で点滅するガイド光を送信する相手装置の送信エリア内に配置され、前記相手装置から送信されるガイド光の撮像データに基づいて光軸調整した後、前記相手装置との間で通信光の送受信を行う光無線伝送装置の光軸調整方法であって、前記相手装置から送信されたガイド光を含む映像を、前記時間Ｔの１／ｎ（ｎ：偶数）の撮像サイクルでフレーム毎に撮像するステップと、撮像された撮像データを成す複数のフレームデータの内、所定数のフレームデータである第１のフレームデータと、前記各第１のフレームデータのｎ／２フレーム時間後の第２のフレームデータとの差分フレームデータをフレーム毎に前記所定数分抽出するステップと、抽出された前記所定数分の差分フレームデータの絶対値をそれぞれ加算した加算データを得るステップと、得られた加算データをもとにピークレベルとなる撮像部の画素を検出し、検出した画素の位置データに基づいて前記画素の座標平面上の座標位置から座標中心位置までの移動方向と移動量とを特定するステップと、特定された前記移動方向と移動量とに基づいて光軸調整するステップとを有することを特徴とする。

前記相手装置の位置を特定するステップは、前記２次元座標で特定される位置から座標中心位置までの移動方向と移動量のデータを、座標平面上の各座標位置から座標中心位置までの移動方向と移動量を記述した方向テーブルから取得し、前記光軸調整するステップは、前記データに基づいて光軸調整してもよい。

請求項２に記載の発明は、時間Ｔの周期で点滅するガイド光を送信する相手装置の送信エリア内に配置され、前記相手装置から送信されるガイド光の撮像データに基づいて光軸調整した後、前記相手装置との間で通信光の送受信を行う光無線伝送装置において、前記通信光を送信する発光部と、前記相手装置からの通信光を受光する受光部と、前記相手装置から送信されたガイド光を含む映像を、前記時間Ｔの１／ｎ（ｎ：偶数）の撮像サイクルでフレーム毎に撮像する撮像部と、前記通信光の光軸を同軸で制御する駆動手段を有する光路変更部と、前記撮像部で撮像された撮像データを成す複数のフレームデータの内、所定数のフレームデータである第１のフレームデータと、前記各第１のフレームデータのｎ／２フレーム時間後の第２のフレームデータとの差分フレームデータをフレーム毎に前記所定数分抽出し、抽出された前記差分フレームデータの絶対値をそれぞれ加算した加算データをもとにピークレベルとなる前記撮像部の画素を検出し、検出した画素の位置データに基づいて前記画素の座標平面上の座標位置から座標中心位置までの移動方向と移動量とを特定すると共に、前記座標位置から座標中心位置までの移動方向と移動量のデータを取得する信号処理部と、前記データに基づいて前記駆動手段を制御して前記通信光の光軸を調整する駆動制御部とを備えることを特徴とする。

前記信号処理部は、前記撮像部により連続して撮像されるｎフレーム分の撮像データのうち、連続したｎ／２フレーム分の撮像データを蓄積する第１のフレームバッファと、前記撮像部により撮像されるｎフレーム分の撮像データのうち、前記連続したｎ／２フレーム分の撮像データに続く連続したｎ／２フレーム分の撮像データを蓄積する第２のフレームバッファと、前記第１、第２のフレームバッファのうちで書き込み中でない方からの出力を選択するセレクタと、前記セレクタから出力される撮像データと前記撮像部からの撮像データとの差分フレームデータを抽出する抽出部と、抽出された前記差分フレームデータを複数回加算する加算部と、前記加算部により加算された前記差分フレームデータの加算データに基づいて、前記相手装置から送信されたガイド光の位置を特定する方向制御部とを備えてもよい。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の光無線伝送装置と、送信エリア内に時間Ｔの周期で点滅するガイド光を送信する相手装置とを備え、電源周期に基づいて点滅する照明光の元で使用される光無線伝送システムであって、前記相手装置は、前記照明光の点滅周期の偶数倍となる時間Ｔで点滅するガイド光を送信することを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、撮像素子の露光タイミングとガイド光の点滅タイミングとを正確に同期させる必要がないため、同期をとるための発光素子や、受光素子、変調回路等が不要となると共に、人の動き等による見かけ上の点滅光の影響を軽減することが可能となる。したがって、装置の大規模化、コストアップを招くことなしに、正確に光軸調整を行うことが可能となる。

以下、本発明に係わる光無線伝送装置の光軸調整方法、光無線伝送装置、及び光無線伝送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、子機と親機との間で送受信される光信号を「通信光」、光軸調整のために親機から送信される光信号を「ガイド光」と呼ぶ。

図１は、本実施例に係わる光無線伝送システムの全体構成図である。

図１に示す光無線伝送システムは、パソコン（ＰＣ）などの端末装置１００に接続された光無線伝送装置である子機１０１と、子機１０１の通信相手となる光無線伝送装置（相手装置）である親機１０２とで構成される。親機１０２は、図示しないネットワーク幹線に接続されている。

親機１０２は、自機の送信エリアであるサービスエリア１０５内に、時間Ｔの周期で点滅するガイド光及びデータ信号や制御信号等により変調された通信光を送信する複数の近赤外ＬＥＤ１０３と、子機１０１からの通信光を受光する受光素子を有する受光部１０４とを備えている。

親機１０２は、天井に設置され、電源容量が大きい。このため、ＬＥＤ１０３には、高出力ＬＥＤが使用され、下部±４５°の範囲がサービスエリア１０５となっている。受光部１０４も、同様に、下部±４５°の範囲からの光を、レンズを通して受光素子に集光可能となっている。

子機１０１は、親機１０２のサービスエリア１０５内に、通常、複数個配置されるが、図１の例ではそのうちの一つを示している。

図２（ａ）及び（ｂ）は、子機１０１の概略構成図であり、図２（ａ）は概略断面図、図２（ｂ）は光の入出側から見たときの概略正面図（光学系の図示を省略）である。

子機１０１は、通信光及び通信光を送受信する送受信ユニット２１０と、この送受信ユニット２１０を垂直・水平方向に駆動する駆動ユニット２１１とから構成されている。

送受信ユニット２１０は、通信光を出射する発光素子２０１と、レンズ２０２と、入射光の一部を反射して残りを透過するハーフミラー等の光制御素子２０３と、通信光を集光するレンズ２０４と、このレンズ２０４で集光された通信光を受光する受光素子２０５とを備えている。

発光素子２０１から発せられた出射光は、レンズ２で任意の指向角にもつビームに成形された後、光制御素子２０３を透過（一部反射、以下同様）し、通信光として送信される。また親機１０２から出射された通信光は、光制御素子２０３で反射（一部透過、以下同様）され、レンズ２０４で集光されて受光素子２０５で受光される。光制御素子２０３を用いることにより、通信光の光軸を同軸で制御することができる。これにより、通信光が親機１０２に照射されたとき、親機１０２からの通信光も子機１０１の受光素子２０５上に照射されることになる。

発光素子２０１としては、例えば近赤外ＬＤ（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、出射光のビーム光が細く、それを更にレンズ２０２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２０３に照射することができる。発光素子２０１とレンズ２０２は、発光部１２１を構成している。

受光素子２０５としては、例えばＰＤ（フォトダイオード）を用いることができる。また親機の発光パワー、通信距離等に起因して受光感度が不足する場合には、より感度の高いＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）を用いてもよい。受光素子２０５とレンズ２０４は、受光部１２２を構成している。

送受信ユニット２１０は、２つの可動軸２０６、２０６により駆動ユニット２１１に回動自在に支持され、水平方向（ＰＡＮ）に±４５°の範囲で方向が制御される。また駆動ユニット２１１は、軸受け部２０８に取り付けられた２つの可動軸２０７により回動自在に支持されており、垂直方向（ＴＩＬＴ）に±４５°の範囲で方向が制御される。可動軸２０６及び２０７は、図示しない第１及び第２のモータにより回転駆動され、これにより送受信ユニット２１０は垂直・水平方向に駆動される。

軸受け部２０８の上面には、撮像部２０９が設置されている。この撮像部２０９は、親機１０２から送信されるガイド光を含む映像を撮像するためのＣＭＯＳセンサなどの２次元撮像素子で構成される。撮像部２０９は、可動しない位置であれば他の場所に設置してもよい。

撮像部２０９は、図３に示すように、１秒間に数百フレームの画像を取り込むことの出来る２次元撮像素子であるＣＭＯＳセンサ２０９Ａと、９０°（±４５°）の方向の光をＣＭＯＳセンサ２０９Ａの素子上に集光する集光レンズ２０９Ｂとから構成される。レンズ２０９Ｂは、不要な光をカットするため、可視光カットフィルタで形成されている。また、ＣＭＯＳセンサ２０９Ａは、ｎ×ｍ画素に分割されており、ここで撮像された、ガイド光を含むサービスエリア１０５全体の映像は電気信号に変換され、撮像データとして出力される。撮像部２０９からは、後述する所定の露光タイミングに従って、ｎ×ｍ画素で撮像された撮像データが１フレーム単位で出力される。

図４は、子機１０１の制御系の構成を示すブロック図であり、図２と同等の部分には同一符号を付している。

信号処理部３０１は、マイコンやＤＳＰ（Digital Signal Processor）等のマイクロプロセッサにより構成され、撮像部２０９で撮像された映像の撮像データに基づいて、親機１０２が送信するガイド光の照射位置を特定すると共に、特定したガイド光の照射位置と光軸の基準位置（撮像面の中心位置）とが一致するように、図２の駆動ユニット２１１を駆動するための移動方向と移動量のデータを取得し、相手方向情報として駆動制御部３０３へ供給する。

駆動制御部３０３は、信号処理部３０１から供給された相手方向情報を可動部２０６及び２０７の回転方向と回転量に対応する駆動信号に変換し、この駆動信号を第１のモータ３０７及び第２のモータ３０８に供給することにより、送受信ユニット２１０を垂直・水平方向に駆動する。

外部から供給されるデータ信号は、通信制御部３０４を介してドライバ３０５に渡される。ドライバ３０５では、データ信号を光によって伝送可能な信号に変換し、この信号に基づいて光が点滅するように発光部１２１を駆動して通信光を送信する。また、親機１０２から送信された通信光は受光部１２２で受光され、レシーバ３０６で整形された後、通信制御部３０４へ渡される。

次に、親機１０２との間で通信路を確立して通信光を送信する場合の子機１０１の動作を図５のフローチャートを参照しながら説明する。

まず、親機１０２のサービスエリア１０５内に子機１０１を配置して、その電源をＯＮすることにより動作がスタートする。これに際し、信号処理部３０１は、通信制御部３０４から送られてくる、通信路が確立しているか否かを示すリンク信号を確認し、イネーブルかどうかを判断する（ステップＳ１）。

ここで、リンク信号がイネーブルの場合は、光軸調整の必要がないため、信号処理部３０１は通信制御部３０４に送信要求を送り、これにより発光部１２１から通信光を送信させる（ステップＳ２）。一方、リンク信号が非イネーブル（ディスエーブル）の場合（ステップＳ１：ＮＯ）は、信号処理部３０１は撮像部２０９に対しＣＭＯＳセンサを露光するための露光信号を出力し、撮像部２０９から撮像データを取得する（ステップＳ３）。

信号処理部３０１は、撮像部２０９で取得された撮像データに基づいて、ガイド光を検出できたかどうかを判断する（ステップＳ４）。ここで、ガイド光を検出できた場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）は、ガイド光の照射位置から光軸調整時の移動方向と移動量のデータを取得し、これを相手方向情報として駆動制御部３０３へ渡して、モータ駆動により光軸調整を実施する（ステップＳ５）。この光軸調整により親機１０２との間で通信路が確立するリンク信号がイネーブルとなり、通信光の送信が可能となる。

また、上記ステップＳ４の処理にてガイド光の照射位置を特定できない場合（ステップＳ４：ＮＯ）は、図４に図示していない表示用ＬＥＤを点灯させて、エラー表示を行う（ステップＳ６）。

次に、図６〜図９を参照して、信号処理部３０１の構成と、撮像データに基づいてガイド光の照射位置を特定するデータ処理について説明する。

本実施例では、時間Ｔの周期で点滅を繰り返すガイド光の点滅タイミングに対し、ＣＭＯＳセンサでは時間Ｔ／８周期で露光を繰り返し、時間Ｔの周期で、フレームＮｏ．１→Ｎｏ．２→Ｎｏ．３→Ｎｏ．４→Ｎｏ．５→Ｎｏ．６→Ｎｏ．７→Ｎｏ．８の順に繰り返し撮像されることとする。

図６は、信号処理部３０１内の内部構成を示す概略ブロック図である。以下、各部の機能について説明する。

信号処理部３０１は、機能上、前述の撮像部２０９からの撮像データが入力される第１のフレームバッファ４０１及び第２のフレームバッファ４０２と、両バッファ４０１、４０２の出力側に順次接続されるセレクタ４０３、減算器４０４、絶対値演算部（以下、「ＡＢＳ」）４０５、加算器４０６、差分フレームバッファ４０７、方向制御部４０８、及び方向テーブル格納部４０９と、これら各機能ブロック４０１、４０２、４０３、４０７及び撮像部に対しその動作を制御する各種制御信号を与えるコントローラ４１０とを備えている。

第１のフレームバッファ４０１は、撮像部２０９から取得したフレームＮｏ．１からＮｏ．８までの計８フレーム分の画像データの内、フレームＮｏ．１からＮｏ．４までの計４フレーム分を蓄積する。

第２のフレームバッファ４０２は、撮像部２０９から取得したフレームＮｏ．１からＮｏ．８までの計８フレーム分の画像データの内、フレームＮｏ．５からＮｏ．８までの計４フレーム分を蓄積する。

図７（ａ）及び（ｂ）に第１及び第２のフレームバッファ４０１、４０２の詳細を示す。４フレームを蓄積できる各バッファ４０１、４０２では、図示のごとく、フレームＮｏ．１とＮｏ．５、フレームＮｏ．２とＮｏ．６、フレームＮｏ．３とＮｏ．７、フレームＮｏ．４とＮｏ．８がそれぞれ同じアドレス位置になるように設定されている。図中のアドレス表記は、上位２ビットが各フレーム番号に対応し、残り下位ビットが“０．．０００”より画素毎に１ずつ加算されていき、最終画素が“ｘ・・ｘｘｘ”となることを示している。例えば、撮像素子が１２８×１２８画素であった場合、下位ビットは１４ビットにて“００００ｈ”から“３ＦＦＦｈ”となる。

セレクタ４０３は、コントローラ４１０からの選択信号（Sel_Ctrl）信号により、第１のフレームバッファ４０１に画像データの書き込みをしているとき（第１の書き込み信号ＷＥ１がアクティブ状態にあるとき、例えば図中の例では論理Ｈレベルのとき）は、第２のフレームバッファ４０２の出力を、また第２のフレームバッファ４０２に書き込みをしているとき（第２の書き込み信号ＷＥ２がアクティブ状態にあるとき、例えば図中の例では論理Ｈレベルのとき）は、第１のフレームバッファ４０１の出力をそれぞれ選択し、選択されたフレームデータを減算器４０４に出力する。

減算器４０４は、セレクタ４０３から出力されたフレームデータと、撮像部２０９から取り込まれた撮像データとの差分をとり、その差分フレームデータをＡＢＳ４０５に出力する。

ＡＢＳ４０５は、減算器４０４による出力された差分フレームデータの絶対値を演算して加算器４０６に出力する。ここで、各フレームバッファ４０１、４０２に入力されるアドレス（address）信号は同じであるため、ＡＢＳ４０５の出力は、フレームＮｏ．１とＮｏ．５との差分フレームデータの絶対値、フレームＮｏ．２とＮｏ．６との差分フレームデータの絶対値、フレームＮｏ．３とＮｏ．７との差分フレームデータの絶対値、フレームＮｏ．４とＮｏ．８との差分フレームデータの絶対値を繰り返すことになる。

加算器４０６は、ＡＢＳ４０５からの複数の差分フレームデータの絶対値を加算するため、差分フレームバッファ４０７にすでに蓄積された同画素位置の差分フレームデータの絶対値と、ＡＢＳ４０５からの差分フレームデータの絶対値とを任意の回数（本実施例では８回）加算し、差分フレームバッファ４０７に出力する。

差分フレームバッファ４０７は、図８に示すよう、１フレーム分のサイズであり、第１のフレームバッファ４０１、第２のフレームバッファ４０２に示したアドレスの上位２ビットを削除したものである。また、差分フレームバッファ４０７は、差分フレームデータを任意の回数（本実施例では８回）加算した後、コントローラ４１０からのリセット（Reset）信号により、全て「０」にクリアされ、再度蓄積を始める構成となっている。

方向制御部４０８は、任意の回数（本実施例では８）の差分フレームデータを加算したデータをもとに、ピークレベルとなる画素を検出した後、確定した画素の位置データに基づいて方向テーブル格納部４０９の方向テーブルを検索し、光軸調整時の移動方向と移動量のデータを取得する。

方向テーブルは、各画素毎に、その画素の位置データと対応するアドレスが割り付けられ、各画素の座標平面上の座標位置から座標中心位置（本実施例では、光軸の基準位置となる撮像面中心）までの移動方向（垂直、水平）と、それぞれの移動量（角度）を記述したテーブルである。したがって、確定した画素の位置データに基づいて方向テーブルを参照することにより、光軸調整時の移動方向と移動量のデータを得ることができる。ここで、方向テーブルを用いる理由は、撮像部２０９のＣＭＯＳセンサ上に取り付けられた集光レンズの特性上、ＣＭＯＳセンサ上に撮像されたガイド光は入射角度に対してリニアに集光位置が変化しないことや製造時の取り付け誤差等があるため、ガイド光の正確な照射位置を特定するには、出荷時に補正をかける必要があるためである。

図９は、撮像部２０９内のＣＭＯＳセンサの露光タイミングとその撮像データとの関係を示すタイミングチャートである。図９に示すタイミングチャート上のデータＤ１〜Ｄ５（図６参照）は、得られた撮像データを構成する全画素のうち、ガイド光が照らされた１画素分のデータを示している。以下、得られた撮像データに基づいて、ガイド光の照射位置を確定するまでの信号処理部３０１によるデータ処理を説明する。

まず、図９に示すようなガイド光の点滅タイミングと撮像部２０９の露光タイミングの場合、通信相手である親機１０２側のＬＥＤ１０３によるガイド光の点滅周期時間Ｔに対して、Ｔ／８の露光タイミングにて撮像部２０９は露光し、ＣＭＯＳセンサにて撮像された画像データＤ１を取り込む。取り込まれた画像データＤ１のうち、フレームＮｏ．１〜Ｎｏ．４の連続する画像データＤ２が第１のフレームバッファ４０１に順次蓄積され、フレームＮｏ．５〜Ｎｏ．８の連続する画像データＤ３が第２のフレームバッファ４０２に順次蓄積されている。

ここで、ＬＥＤ１０３によるガイド光の点滅タイミングと撮像部２０９の露光タイミングは、同期していないため、第１のフレームバッファ４０１に蓄積されたフレームＮｏ．２の画像データＤ２と、第２のフレームバッファ４０２に蓄積されたフレームＮｏ．６の画像データＤ３では、ガイド光の立ち上がり又は立ち下がりタイミングにて、撮像素子の露光が原因で所望の受光レベルを得ることが出来ていない。

このため、ＡＢＳ４０５から順次出力されるＡＢＳ出力データＤ４、即ちフレームＮｏ．１とＮｏ．５との差分フレームデータの絶対値ａｂｓ（１−５）、フレームＮｏ．２とＮｏ．６との差分フレームデータの絶対値ａｂｓ（２−６）、フレームＮｏ．３とＮｏ．７との差分フレームデータの絶対値ａｂｓ（３−７）、フレームＮｏ．４とＮｏ．８との差分フレームデータの絶対値ａｂｓ（４−８）の内、フレームＮｏ．２とＮｏ．６との差分フレームデータの絶対値ａｂｓ（２−６）出力時のみレベルが小さくなっている。

従って、４フレーム中３フレームでは、ガイド光が点灯（又は消灯）時に確実に撮像することが可能となる。このため、差分フレームバッファ４０７の出力データＤ５、即ち差分フレームデータの絶対値の加算データでは、相当のガイド光を得ることができるため、これを用いてガイド光の照射位置を確実に抽出することが可能となる。

図１０は、従来例（図１４〜図１６参照）で示した様な人の動き等による見かけ上の光源の一時的点滅や電気スタンドのオン／オフ等による外乱光の一時的点滅（点滅光）が生じた場合のタイミングチャートを示す。

図１０において、差分フレームバッファ４０７の出力データＤ５中の点線部は、外乱光とガイド光が同レベルの光量であると想定した場合に得られるガイド光の差分フレームデータの絶対値の加算データを示している。これによれば、ガイド光の場合（点線部）と、これと同レベルの光量のノイズ源となる外乱光の場合（実線部）とは、差分フレームデータの加算データである差分フレームバッファ４０７の出力データＤ５上で明確に相違し、これにより両者の区別が容易に可能となる。ここで、ノイズ源となる外乱光は、ガイド光との相関性はないため、加算回数を８回から増やすことで、さらに相対的にノイズ光を軽減することが可能となる。

図１１（ａ）は、通常の場合に得られる差分フレームデータの加算データ（図９参照）による画像であり、図１１（ｂ）は、窓から入射される光（太陽光）を歩行者が一時的に遮った場合に得られる差分フレームデータの加算データ（図１０参照）による画像である。これによれば、従来例で得られる画像（図１６参照）と比べて、ノイズ源となる窓から入射される外乱光の光量を大幅に抑制することが可能である。

従って、本実施例によれば、ＣＭＯＳセンサの露光タイミングと通信相手からのガイド光点滅タイミングとを正確に同期させる必要がないため、同期をとるための発光素子や、受光素子、変調回路等が不要となると共に、人の動き等による見かけ上の点滅光の影響を軽減することが可能となり、これにより装置の大規模化、コストアップを招くことなしに、より正確に光軸調整を行うことが可能となる。

本実施例は、室内環境において、ガイド光の検出時にノイズ源となる蛍光灯のフリッカーを除去する手法を適用したものである。本実施例の装置構成及び信号処理部３０１の動作は、上記実施例１と同様のためその説明を省略する。

図１２（ａ）及び（ｂ）は、本実施例における撮像素子の露光タイミングと撮像データとの関係を示すタイミングチャートである。

蛍光灯は、通常、ＡＣ電源の２倍の周波数で点滅を繰り返している。そのため、撮像素子に照射される蛍光灯の光は、図１２（ａ）及び（ｂ）に示す信号波形となる。

仮に、図１２（ａ）に示すように、撮像素子の露光タイミングと蛍光灯の点滅周波数とに相関性がない場合は、上記実施例１と同様の信号処理を行えば、図中の斜線部で示すタイミングでの蛍光灯レベル差から分かるように、差分データでは常に蛍光灯ノイズが出力される。そのため、加算データにおいても無視できないレベルになることもある。

しかしながら、図１２（ｂ）に示すように、ガイド光の周期Ｔを蛍光灯の点滅周期ｔの４倍に設定することで、減算すべき２つのフレームデータでは、蛍光灯ノイズレベルは同等になるため、差分データにおいて蛍光灯ノイズは他の外乱光と同様にうち消すことができる。

従って、本実施例によれば、蛍光灯のフリッカーに影響されずに、ガイド光の照射位置をより正確に特定することが可能となる。なお、本実施例では、ガイド光の点滅周期である時間Ｔを蛍光灯の点滅周期の４倍と等しくなるように設定したが、２倍、６倍、…、ｎ倍（ｎは偶数）というように偶数倍に設定することにより同様の効果を得ることができる。

本実施例は、上記実施例１の子機を構成する光無線伝送装置（図２参照）に代えて、光軸調整のためにアクチュエータを用いた光無線伝送装置を適用したものである。その他の構成及び動作は、上記実施例１と同様のためその説明を省略する。

図１３は、本実施例の光無線伝送装置である子機の概略構成図である。

図１３に示す子機において、送受信ユニット５は、データ信号により変調された光を出射する発光素子５０１と、コリメータレンズなどのレンズ５０２と、入射光の一部を反射し、残りを透過するハーフミラーなどの光制御素子５０５と、入射光を反射し且つ入出射光の光軸に対する偏光角を制御するアクチュエータ５０８を有する反射光学系５０６と、親機１０２から送信された通信光を集光するレンズ５０４と、このレンズ５０４で集光された通信光を受光するフォトダイオードなどの受光素子５０３と、本体上部に配置され図示しない親機から送信されたガイド光を含む映像を撮像する２次元撮像部５０７とを備えている。

発光素子５０１とレンズ５０２は、発光素子５０１からレンズ２を経て発せられた出射光が光制御素子５０５を透過（一部反射、以下同様）し、反射光学系５０６で反射されて通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５０４と受光素子５０３は、親機から出射された通信光が反射光学系５０６で反射され、光制御素子５０５で反射（一部透過、以下同様）された後、レンズ５０４を経て受光素子５０３で受光されるように配置されている。これにより、通信光の光軸は光制御素子５０５により同軸で制御される。

送受信ユニット５において、データ信号に応じて変調された光が発光素子５０１から出射されると、この光はレンズ５０２により平行光に近いビーム光に成形され、光制御素子５−５を透過した後、反射光学系５０６で反射されて通信光として送信される。また、送受信ユニット５において、親機から送信された通信光は反射光学系５０６、光制御素子５−５でそれぞれ反射された後、レンズ５−４で集光されて受光素子５０３に受光される。

図１３に示す送受信ユニット５では、光軸調整のための反射光学系５０６をアクチュエータ５０８で駆動するため、上記実施例１のように送受信ユニットをモータで駆動する場合に比べて、装置をより小型化することが可能となる。なお、アクチュエータ５０８としては電流又は電圧により動作を制御可能なものが望ましく、例えばピエゾアクチュエータや、同等に機能する他のアクチュエータを用いることができる。

本発明の実施例１に係る光無線伝送システムの全体構成図である。 光無線伝送装置である子機の概略構成図で、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は光の入出側から見たときの概略正面図である。 撮像部の構成図である。 子機の制御系の構成を示すブロック図である。 親機との間で通信路を確立して通信光を送信する場合の子機の動作を示すフローチャートである。 信号処理部の概略構成を示すブロック図である。 （ａ）は、第１のフレームバッファの構成図、（ｂ）は、第２のフレームバッファの構成図である。 差分フレームバッファの構成図である。 撮像素子の露光タイミングと撮像データとの関係を示すタイミングチャートである。 一時的点滅が生じた場合の撮像素子の露光タイミングと撮像データとの関係を示すタイミングチャートである。 各差分フレームバッファに記録された撮像データ及び差分加算データの一例を示す説明図で、（ａ）は通常の差分フレームデータを示す図、（ｂ）は人が光を遮断した場合の差分フレームデータを示す図である。 本発明の実施例２による露光タイミングと撮像データとの関係を示すタイミングチャートで、（ａ）はガイド光と蛍光灯の点滅周期に相関性がない場合のタイミングチャート、（ｂ）はガイド光と蛍光灯の点滅周期に相関性がある場合のタイミングチャートである。 本発明の実施例３に係る子機の概略構成図である。 従来例に係わる光無線伝送システムの全体構成図である。 従来例の撮像素子の露光タイミングと撮像データとの関係を示すタイミングチャートである。 従来例の各差分フレームバッファに記録された撮像データの一例を示す説明図で、（ａ）は通常の差分フレームデータを示す図、（ｂ）は人が光を遮断した場合の差分フレームデータを示す図である。

符号の説明

２０１ 発光素子
２０３ 光制御素子
２０５ 受光素子
２０６、２０７ 可動軸
２０９ 撮像部
２１０ 送受信ユニット
２１１ 駆動ユニット
３０１ 信号処理部
３０３ 駆動制御部
３０４ 通信制御部
３０７ 第１のモータ
３０８ 第２のモータ
４０１ 第１のフレームバッファ
４０２ 第２のフレームバッファ
４０３ セレクタ
４０４ 減算部
４０５ 絶対値演算部
４０６ 加算部
４０７ 差分フレームバッファ
４０８ 方向制御部
４０９ 方向テーブル格納部
４１０ コントローラ
１２１ 発光部
１２２ 受光部

Claims (3)

1. 時間Ｔの周期で点滅するガイド光を送信する相手装置の送信エリア内に配置され、前記相手装置から送信されるガイド光の撮像データに基づいて光軸調整した後、前記相手装置との間で通信光の送受信を行う光無線伝送装置の光軸調整方法であって、
   前記相手装置から送信されたガイド光を含む映像を、前記時間Ｔの１／ｎ（ｎ：偶数）の撮像サイクルでフレーム毎に撮像するステップと、
   撮像された撮像データを成す複数のフレームデータの内、所定数のフレームデータである第１のフレームデータと、前記各第１のフレームデータのｎ／２フレーム時間後の第２のフレームデータとの差分フレームデータをフレーム毎に前記所定数分抽出するステップと、
   抽出された前記所定数分の差分フレームデータの絶対値をそれぞれ加算した加算データを得るステップと、
   得られた加算データをもとにピークレベルとなる撮像部の画素を検出し、検出した画素の位置データに基づいて前記画素の座標平面上の座標位置から座標中心位置までの移動方向と移動量とを特定するステップと、
   特定された前記移動方向と移動量とに基づいて光軸調整するステップとを有することを特徴とする光無線伝送装置の光軸調整方法。
2. 時間Ｔの周期で点滅するガイド光を送信する相手装置の送信エリア内に配置され、前記相手装置から送信されるガイド光の撮像データに基づいて光軸調整した後、前記相手装置との間で通信光の送受信を行う光無線伝送装置において、
   前記通信光を送信する発光部と、
   前記相手装置からの通信光を受光する受光部と、
   前記相手装置から送信されたガイド光を含む映像を、前記時間Ｔの１／ｎ（ｎ：偶数）の撮像サイクルでフレーム毎に撮像する撮像部と、
   前記通信光の光軸を同軸で制御する駆動手段を有する光路変更部と、
   前記撮像部で撮像された撮像データを成す複数のフレームデータの内、所定数のフレームデータである第１のフレームデータと、前記各第１のフレームデータのｎ／２フレーム時間後の第２のフレームデータとの差分フレームデータをフレーム毎に前記所定数分抽出し、抽出された前記差分フレームデータの絶対値をそれぞれ加算した加算データをもとにピークレベルとなる前記撮像部の画素を検出し、検出した画素の位置データに基づいて前記画素の座標平面上の座標位置から座標中心位置までの移動方向と移動量とを特定すると共に、前記座標位置から座標中心位置までの移動方向と移動量のデータを取得する信号処理部と、
   前記データに基づいて前記駆動手段を制御して前記通信光の光軸を調整する駆動制御部とを備えることを特徴とする光無線伝送装置。
3. 請求項２に記載の光無線伝送装置と、
   送信エリア内に時間Ｔの周期で点滅するガイド光を送信する相手装置とを備え、電源周期に基づいて点滅する照明光の元で使用される光無線伝送システムであって、
   前記相手装置は、前記照明光の点滅周期の偶数倍となる時間Ｔで点滅するガイド光を送信することを特徴とする光無線伝送システム。

Images