JP4462134B2 - 光信号伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、データ信号等により変調された光信号を送信・受信することによりデータ伝送を行う光信号伝送装置からなる光信号伝送システムに関する。

近年、情報信号の伝送手段として、光を用いた光信号伝送技術が提案されている。このような光信号伝送技術としては、例えば、複数のコンピュータ間で通信を行ういわゆる「光信号ＬＡＮ」や、映像情報や音声情報をＡＶ（Audio-Visual）機器に伝送する技術などが提案されている。このような光信号伝送は、受発光装置により構成された機器間において、データ信号（デジタル情報）に応じて変調された光信号（光ビーム）を送受信することにより行われる。

このような光信号伝送装置において、光信号の伝送のためには、送信側の発光素子として、ＬＤ（レーザダイオード）やＬＥＤ（発光ダイオード）が用いられている。

発光素子としてＬＥＤを用いる場合には、ＬＥＤからの光ビームは指向性の広いため、特許文献１に記載されているように、この光ビームを集束レンズによって集光させなければならない。しかし、集束レンズによって集光させることには限界があるため、発光素子としてＬＥＤを用いた装置では、長距離に亘って光信号を伝送するとビーム径が広がってしまい、受信されるパワーが減少してしまう。

これに対し、発光素子としてＬＤを用いた場合には、特許文献２に記載されているように、出射光ビームの指向性をより狭くすることができ、長距離に亘る光信号の伝送が可能となる。しかしながら、この場合には、狭指向性の光ビームを正確に伝送相手となる装置の受光部に当てなければならない。そのため、特許文献３に記載されているように、偏向手段となる反射光学系（可動ミラー）を用いて、送信側の装置と受信側の装置との間の光軸調整が行われている。

この光信号伝送装置においては、入射光を透過光及び反射光に分割するビームスプリッタを用いて、発光素子から出射される送信光信号と他の光信号伝送装置から送出される受信光信号とを、同軸として反射光学系に照射させ、この反射光学系を駆動することによって、送受信光の光軸を制御するようにしている。

すなわち、このような光信号伝送装置の送受信部は、図１２に示すように、データ信号により変調された光、または、制御用信号（パイロット信号）により変調されたパイロット光を出射する発光素子１０３を備えている。この送受信部においては、外部インターフェイス１０１から供給されるデータ信号に基づいて、発光素子１０３の発光強度を変調し、または、制御用信号（パイロット信号）に基づいて、発光素子１０３の発光強度を変調する。発光素子１０３から出射された光ビームは、コリメータレンズ１０４によって平行光束となされて、ビームスプリッタ１０５，１０６を透過し、偏向手段となる反射光学系１０７に入射する。この反射光学系１０７は、偏向制御可能な反射ミラーを有して構成され、ビームスプリッタ１０５，１０６を透過した光ビームを反射する。この反射ミラーにより反射された光ビームは、光信号伝送装置より出射される。

一方、通信相手となる光信号伝送装置から送信された光ビームは、反射光学系１０７において反射され、ビームスプリッタ１０６，１０５においてそれぞれ一部が反射され、集光レンズ１０８，１０９によりそれぞれ集光され、受光素子１１０，１１１によって受光される。

データ受信用の受光素子１１０から出力される光検出信号は、受信信号処理部１１２によって波形整形及びデジタルデータ化され、外部インターフェイス１１３に供給される。また、制御用の受光素子１１１から出力される光検出信号は、偏向角制御信号供給部１１４において、反射光学系１０７を制御するための信号処理をなされる。この偏向角制御信号供給部１１４は、制御用の受光素子１１１から出力される光検出信号に基づいて、反射光学系１０７を制御し、送受信する光ビームの光軸を通信相手となる光信号伝送装置の光軸に一致させる。

また、特許文献４には、前述のような光信号伝送装置を子機として用いて、複数の子機が、複数の光信号伝送装置を備える親機との間で、狭指向性光ビームによって双方向通信を行う光信号伝送システムが記載されている。

特許３０５９８７０号公報 特開平６−１５２５４１号公報 特開２００４‐３１２４１７公報 特開２００４‐３４９７９７公報

ところで、前述したような狭指向性の光ビームを用いて通信を行う光信号伝送装置においては、通信相手となる光信号伝送装置に対して、光ビームを正確に照射させ続けることが必要である。そのため、送信光信号及び受信光信号が同軸となるように制御する反射光学系の駆動手段としては、小型であって、高精度な制御が可能で、かつ、応答性が高速であることが要求される。

しかし、反射ミラーを駆動する実在する（既存の）小型アクチュエータの可動範囲は、十分な高速応答性を維持することを前提とすると、偏向角度として、数度（deg）から２０度程度である。したがって、この反射ミラーによって反射される光ビームの偏向角度は４０度程度以下となり、送受信が行える通信エリアは十分に広いものとはいえない。

また、前述したような、複数の子機を用いる光信号伝送システムにおいて、親機においては、通信エリア内のどの位置に子機となる光信号伝送装置があっても通信路を確立できるように、複数の光信号伝送装置を備えている必要がある。通信エリアを１５０度×１５０度の範囲とした場合、各光信号伝送装置における光信号の送受信の指向角が３０度×３０度であるとすると、親機は、２５個以上の光信号伝送装置を備えることが必要となり、実現が困難なものとなってしまう。

そこで、本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、データ信号に基づいて変調した光信号を送信するとともに、データ信号に基づいて変調された光信号を受信して復調することによって、データ伝送を行う光信号伝送装置において、送信する光信号を偏向させるとともに受信する光信号が入射される偏向手段における偏向可能な角度範囲が十分に広くなされ、送受信が行える通信エリアが十分に広い範囲となされた光信号伝送システムを提供することを目的とするものである。

上述の課題を解決するため、本発明に係る光信号伝送システムは、以下のいずれかの構成を有するものである。

〔構成１〕
データ信号に基づいて変調した光信号を出射する第１の発光素子、前記第１の発光素子より出射された光信号が入射されこの光信号を偏向させて光信号伝送子機に向けて送出する第１の偏向手段、及び、前記光信号伝送子機から送出された光信号を前記第１の偏向手段を介して受光する第１の受光素子からなる複数の受発光モジュールと、前記光信号伝送子機から送出された光信号を受光し前記光信号伝送子機の方向を検出する第１の撮像素子と、を有する光信号伝送親機と、
データ信号に基づいて変調した光信号を出射する第２の発光素子と、前記第２の発光素子より出射された光信号が入射され前記光信号を偏向させて前記光信号伝送親機に向けて送出する第２の偏向手段と、前記光信号伝送親機から送出された光信号を前記第２の偏向手段を介して受光する第２の受光素子と、前記光信号伝送親機から送出された光信号を受光し前記光信号伝送親機の方向を検出する第２の撮像素子と、ガイド光となる光信号を出射する第３の発光素子と、前記第２の発光素子、前記第２の受光素子及び前記第２の偏向手段間の位置関係を維持したまま前記第２の発光素子、前記第２の受光素子及び前記第２の偏向手段を回動操作する第３の偏向手段と、を有する複数の光信号伝送子機と
を備え、
前記光信号伝送親機は、前記第１の撮像素子で受光される前記光信号伝送子機からの光信号に基づいて前記複数の受発光モジュールのうち１つの受発光モジュールの割り当てを行い、前記第１の受光素子で受光される前記光信号伝送子機からの光信号に基づいて前記割り当てた受発光モジュールの前記第１の偏向手段を制御し、
前記光信号伝送子機は、前記第２の受光素子で受光される前記光信号伝送親機からの光信号に基づいて前記第２の偏向手段を制御し、前記第２の撮像素子で受光される前記光信号伝送親機からの光信号に基づいて前記第３の偏向手段を制御して、前記光信号伝送親機と前記光信号伝送子機との間の双方向通信を可能にする
ことを特徴とするものである。

〔構成２〕
構成１を有する光信号伝送システムにおいて、
前記第２の偏向手段は、光信号の送出方向を二軸回りにそれぞれ所定角度範囲内において偏向させることが可能に構成されており、
前記第３の偏向手段は、前記第２の発光素子、前記第２の受光素子及び前記第２の偏向手段を一軸回りに回動させることが可能に構成されており、
前記第３の偏向手段による回動操作の回動軸は、前記第２の偏向手段により光信号がいずれかの方向に最も偏向されたときの前記光信号の送出方向に略平行となっている
ことを特徴とするものである。

本発明に係る光信号伝送システムにおいては、光信号伝送親機は、第１の撮像素子で受光される光信号伝送子機からの光信号に基づいて複数の受発光モジュールのうち１つの受発光モジュールの割り当てを行い、第１の受光素子で受光される光信号伝送子機からの光信号に基づいて割り当てた受発光モジュールの第１の偏向手段を制御し、光信号伝送子機は、第２の受光素子で受光される光信号伝送親機からの光信号に基づいて第２の偏向手段を制御し、第２の撮像素子で受光される光信号伝送親機からの光信号に基づいて第３の偏向手段を制御して、光信号伝送親機と光信号伝送子機との間の双方向通信を可能にする。

そのため、この光信号伝送システムの光信号伝送子機においては、第２の偏向手段により、高速、かつ、高精度に光信号を偏向させることができるとともに、第３の偏向手段により、広範囲に亘って光信号を偏向させることが可能である。したがって、この光信号伝送システムにおいては、広範囲の通信エリア内において、通信相手となる光信号伝送親機に対して、高速、かつ、高精度な光軸調整が可能となり、さらに、移動しながらの通信も可能となる。

また、この光信号伝送システムの光信号伝送親機においては、光信号伝送子機から送出された光信号を受光し当該光信号伝送子機の方向を検出するセンサを備えることにより、迅速に、光信号伝送子機から送出された光信号が第１の偏向手段を介して受光素子に入射する状態とすることができる。

さらに、この光信号伝送システムの光信号伝送子機においては、光信号伝送子機の第３の偏向手段による回動操作の回動軸を、第２の偏向手段により光信号がいずれかの方向に最も偏向されたときの該光信号の送出方向に略平行とすることにより、光信号の偏向可能な範囲を最も広くすることができる。

すなわち、本発明は、データ信号に基づいて変調した光信号を送信するとともに、データ信号に基づいて変調された光信号を受信して復調することによって、データ伝送を行う光信号伝送システムにおいて、送信する光信号を偏向させるとともに受信する光信号が入射される偏向手段における偏向可能な角度範囲が十分に広くなされ、送受信が行える通信エリアが十分に広い範囲となされた光信号伝送システムを提供することができるものである。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。

本発明に係る光信号伝送システムを構成する光信号伝送装置は、データ信号に基づいて変調した光信号を送信するとともに、データ信号に基づいて変調された光信号を受信して復調することによって、データ伝送を行う光信号伝送装置である。また、この光信号伝送装置は、通信の相手方となる光信号伝送装置の方向、換言するならば、光ビームの入射方向を検出し、また、発光素子の光軸を受光素子の光軸に常に追従させる機能を有する光信号伝送装置である。

〔第１の実施の形態〕
図１は、本発明に係る光信号伝送システムを構成する光信号伝送装置の第１の実施の形態における要部の構成を示す側面図である。

この光信号伝送装置の主要部となる受発光部７は、図１に示すように、データ信号に基づいて変調した光信号を出射する発光素子となるレーザダイオード（ＬＤ）１と、このレーザダイオード１より出射された光信号が入射されこの光信号を偏向させて他の光信号伝送装置に向けて送出する第１、または、第２の偏向手段となる反射光学系４とを備えている。また、この受発光部７には、他の光信号伝送装置から送出された光信号を、反射光学系４を介して受光する受光素子６が設けられている。なお、反射光学系４は、この光信号伝送装置が、後述する第２の実施の形態（図５）におけるように、光信号伝送親機２０として使用され場合には第１の偏向手段となり、光信号伝送子機１９として使用され場合には第２の偏向手段となる。

この光信号伝送装置において、レーザダイオード１は、通信制御部１２により、ドライバ１１を介して、駆動される。すなわち、通信制御部１２は、データ信号に応じて強度変調した光信号をレーザダイオード１から出射させる。レーザダイオード１から出射された光信号は、コリメータレンズ２によって平行光束となされ、ビームスプリッタ３を透過して、反射光学系４に入射する。反射光学系４は、偏向角が制御可変となされた反射ミラーを有しており、この反射ミラーにより、入射した光信号を反射して、他の光信号伝送装置に向けて送信光として送出する。

そして、この光信号伝送装置に対して他の光信号伝送装置から送出される光信号は、反射光学系４によって反射され、ビームスプリッタ３に入射し、このビームスプリッタ３において反射される。ビームスプリッタ３において反射された光信号は、集光レンズ５等の集光光学系によって集光され、フォトダイオード（ＰＤ）などの受光素子６により受光される。この受光素子６の受光面は、中心部より放射状に複数の受光部に分割されており、いずれの受光部が入射光を受光しているかによって、入射光が中心部に対していずれの方向にずれているかを検出できるようになっている。

受光素子６からの出力信号は、レシーバ８を介して、方向検出部９に送られる。方向検出部９は、受光素子６からの出力信号に基づいて入射光のずれの方向を検出し、検出結果を偏向制御手段となる駆動制御部１０に送る。駆動制御部１０は、反射光学系４に対し、この反射光学系４の偏向を制御する信号を供給する。反射光学系４においては、駆動制御部１０から供給される制御信号に基づいて、反射ミラーの偏向角度が制御される。

この光信号伝送装置の受発光部７においては、送信光信号と受信光信号とは、ビームスプリッタ３を介して同軸に重ねられるので、他の光信号伝送装置から送信され受信された光信号の光軸を、この光信号伝送装置からの送信光信号の光軸に一致させることによって、この光信号伝送装置からの送信光信号は、他の光信号伝送装置に向けて送出されることになる。また、他の光信号伝送装置においても同様の光軸調整が行われ、他の光信号伝送装置からの送信光信号も、この光信号伝送装置に向けて送出されることになり、二つの光信号伝送装置の受発光部７の光軸が一致することとなる。

図２は、受発光部７の構成を示す斜視図である。この図２において、（ａ）は斜視図、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は側面から見たＹ軸偏向を示し、（ｅ）及び（ｆ）は側面から見たＸ軸偏向を示す概念図である。

この光信号伝送装置において、反射光学系４は、受発光部底面（図２において受光素子６が配置される面）に対して４５度（deg）の傾斜をもって配置され、Ｘ軸及びＹ軸の２軸について、独立的に反射ミラーを駆動することが可能となっている。この反射光学系４の反射ミラーの偏向角をＹ軸回りにθ度（deg）とした場合、受信光信号及び発信光信号のＹ軸回りの偏向は、図２中の（ｃ）及び（ｄ）に示すように、反射ミラーにおける反射により、２θ度、すなわち、反射ミラーの偏向角の２倍となる。

この反射光学系４において反射ミラーの偏向角をＸ軸回りにθ度（deg）とした場合には、受信光信号及び発信光信号のＸ軸回りの偏向は、図２中の（ｅ）及び（ｆ）に示すように、反射ミラーのＹ軸回りの偏向角により変化し、最大で２θ度となり、最小で約１．３９θ度、すなわち、反射ミラーの偏向角の１．３９倍となる。

反射光学系４の反射ミラーの駆動手段としては、電磁コイルを用いた小型アクチュエータを用いることにより、十分な高速応答性及び高精度制御が可能である。

図１３は、この電磁コイルアクチュエータの概略構造を示す断面図である。

この電磁コイルアクチュエータは、図１３に示すように、固定部、可動部、駆動手段の３つからなる。固定部は、ベース１１１と、このベース１１１の中心にベース１１１の上面に対して垂直になるように固定されているスピンドル１１２とにより構成されている。可動部は、反射ミラー１１３と、反射ミラー１１３を上面に保持するミラーステージ１１４と、ミラーステージ１１４の裏面の中心に裏面に対して垂直に固定されているベアリング１１５とから構成されている。ベアリング１１５は、スピンドル１１２の先端部と一点において接しており、固定部（ベース１１１及びスピンドル１１２）に対して自由に傾動可能なピボット軸受となる。そして、可動部の傾動を自在に行う駆動手段として、４個の直動アクチュエータが、スピンドル１１２を中心としてその周囲に９０度（deg）間隔に配置されている。各直動アクチュエータは、可動側であるミラーステージ１１４の裏面に固定されたマグネット１１６と、固定側であるベース１１１に固定されマグネット１１６に対向するコイル１１７とによりそれぞれが構成されている。

この電磁コイルアクチュエータにおいては、各直動アクチュエータのコイル１１７に駆動電流を供給することにより、反射ミラー１１３を２軸方向に自在に傾動させることができる。

このような小型アクチュエータにおいて、反射ミラーの偏向角θは、２０度程度である。したがって、受信光信号及び発信光信号の偏向角は、最大で、２７．８度乃至４０度程度となる。

図３は、本発明に係る光信号伝送装置の第１の実施の形態における構成を示す側面図である。

そして、この光信号伝送装置は、図３に示すように、受発光部７は、第３の偏向手段となる駆動機構１６Ａ，１６Ｂによって、水平軸回り及び鉛直軸回りに回動操作が可能となっている。これら駆動機構１６Ａ，１６Ｂは、レーザダイオード１、受光素子６及び反射光学系４間の位置関係を維持したまま、これらレーザダイオード１、受光素子６及び反射光学系４を水平軸回り及び鉛直軸回りに回動操作する。

前述の駆動制御部１０は、これら駆動機構１６Ａ，１６Ｂに対しても、これら駆動機構１６Ａ，１６Ｂを制御する信号を供給する。すなわち、この駆動制御部１０は、受光素子６により受光される他の光信号伝送装置から送出された光信号に基づいて、各駆動機構１６Ａ，１６Ｂを制御し、反射光学系４を経て送出される光信号の光軸を、他の光信号伝送装置から送出された光信号の光軸に一致させる。

そして、反射光学系４は、これら駆動機構１６Ａ，１６Ｂよりも、応答性が高速となっている。反射光学系４の反射ミラーを偏向させる小型アクチュエータが、高精度の制御が可能であって、かつ、高速応答性を有するものであることにより、この反射光学系４は、受光素子６において受光された他の光信号伝送装置からの受信光信号に基づいて高速に高精度制御され、常に、当該他の光信号伝送装置に対して光軸を一致させ続けることが可能となる。このとき、受発光部７は、反射ミラーを偏向させるアクチュエータの動作帯域において、この反射ミラーによる発信光信号の偏向角度範囲内にある他の光信号伝送装置に対して、追従可能となる。

また、各駆動機構１６Ａ，１６Ｂは、受発光部７を、広い角度範囲に亘って回動操作することができる。すなわち、受発光部７を鉛直軸回りに回動させる駆動機構１６Ａは、この受発光部７を、略３６０度に亘って回動させることができる。また、受発光部７を水平軸回りに回動させる駆動機構１６Ｂは、この受発光部７を、略１８０度に亘って回動させることができる。

この光信号伝送装置は、各駆動機構１６Ａ，１６Ｂによる広範囲の偏向と、反射光学系４による高精度、かつ、高速の追従動作との両方の機能を有しており、広い角度範囲内における追従動作が可能となっている。

ここで、反射光学系４及び駆動機構１６Ａ，１６Ｂの具体例として、反射光学系４の小型アクチュエータを電磁コイルを用いたアクチュエータとし、駆動機構１６Ａ，１６Ｂをステッピングモータとした場合を考える。

反射光学系４に用いる電磁コイルアクチュエータは、動作帯域が数百Ｈｚ程度であり、１０^−４度乃至１０^−５度の高分解能を有する。しかし、電磁コイルアクチュエータによる反射ミラーの偏向角度範囲は、２０度程度である。そのため、発信光信号の偏向角度範囲である２７．８度乃至４０度のエリア内に存在する光信号伝送装置に対しては、動作帯域内において、追従可能となる。

一方、各駆動機構１６Ａ，１６Ｂに用いる一般的なステッピングモータは、駆動範囲は３６０度、応答速度は毎分数十回転程度であり、広範囲に亘る高速駆動が可能である。しかし、分解能は、１ステップが２０度程度である。ギアを組合せることによって分解能を向上させることは可能であるが、この場合には、装置が大型化し、また、高速駆動はできなくなってしまう。

反射光学系４を経た発信光信号の偏向角度が２７．８度以上であることから、各駆動機構１６Ａ，１６Ｂの分解能は、２０度以上であればよい。すなわち、各駆動機構１６Ａ，１６Ｂが、通信相手となる他の光信号伝送装置が２０度の範囲内に入るように、受発光部７を回動操作すれば、この受発光部７においては、反射光学系４によって、他の光信号伝送装置に追従することが可能となる。

なお、本実施の形態において、反射光学系４の駆動手段は、電磁コイルアクチュエータに限られることなく、高精度駆動が可能であり、かつ、高速応答性を有するものであればよい。また、駆動機構１６Ａ，１６Ｂは、ステッピングモータに限られることなく、例えば、超音波モータなど、広い角度範囲に亘って高速に駆動可能な駆動機構であればよい。

受発光部７においては、図１及び図２に示したように、ビームスプリッタ３において送信光信号が透過し、受信光信号が反射される構成に限定されず、ビームスプリッタ３において送信光信号が反射され、受信光信号が透過する構成としてもよい。

また、受発光部７においては、受光素子６を多分割された受光部を有する素子として、この受光素子６がデータ受光部を兼ねるようにしてもよい。すなわち、受光素子６の一部の受光部において受光された受信光信号からの情報によって反射光学系４を制御するとともに、受光素子６の他の受光部において、他の光信号伝送装置においてデータ信号に基づいて強度変調された光信号を受光することにより、データ受信を行うことができる。このようにして、この光信号伝送装置と他の光信号伝送装置との間での双方向通信を行うことが可能となる。

図４は、受発光部７の構成の他の例を示す側面図である。

さらに、受発光部７は、図４に示すように、二つのビームスプリッタ３Ａ，３Ｂを備え、データ受光部１４を備えて構成されるものとしてもよい。

この受発光部７においては、レーザダイオード１から出射された送信光信号は、第１及び第２の二つのビームスプリッタ３Ａ，３Ｂを透過して、反射光学系４を介して送出される。そして、この受発光部７において、他の光信号伝送装置からの受信光信号は、反射光学系４を経て、一部が第２のビームスプリッタ３Ｂにおいて反射され、集光光学系１３を経て、受光素子１４からなるデータ受光部によって受光される。また、他の光信号伝送装置からの受信光信号の残部は、第２のビームスプリッタ３Ｂを透過し、前述した受発光部７におけると同様に、第１のビームスプリッタ３Ａにおいて反射され、集光光学系５を経て、受光素子６によって受光される。

この受発光部７においては、他の光信号伝送装置から送信されるデータ信号に基づいて強度変調された光信号を受光し、データ受光部から得られたデータ信号を通信制御部によって復調することにより、他の光信号伝送装置との間の双方向通信が可能となる。

〔第２の実施の形態〕
図５は、本発明に係る光信号伝送システムを示す斜視図である。

この実施の形態においては、前述した第１の実施の形態における光信号伝送装置を用いて、図５に示すように、光信号伝送システムを構成したものである。

この光信号伝送システムは、デスク上などに設置された複数の端末（パーソナルコンピュータ等）に接続される複数の光信号伝送子機１９−１，１９−２と、天井などの上部位置に設置される光信号伝送親機２０とで構成され、これら光信号伝送子機１９−１、１９−２及び光信号伝送親機２０間で双方向ビーム伝送を行うものである。光信号伝送子機１９−１，１９−２は、光信号伝送親機２０のサービスエリア内において、通常は、複数個が配置されるが、一個のみを配置してもよい。

図６は、光信号伝送子機１９の構成を示す側面図である。

光信号伝送子機１９は、図６に示すように、送受信モジュール１９Ａを有している。この送受信モジュール１９Ａは、前述した第１の実施の形態における光信号伝送装置と同様に構成されている。なお、この実施の形態においては、送受信モジュール１９Ａは、前記図４に示したように、二つのビームスプリッタ３Ａ，３Ｂを有し、双方向でデータ受信を行う構成のものとしている。発光素子は、レーザダイオードであり、受光素子６は、４分割フォトダイオード（ＰＤ）であり、受光素子１４は、フォトダイオード（ＰＤ）であるものとしている。

そして、この送受信モジュール１９Ａの上面部には、２次元撮像素子を備えた２次元撮像部１９Ｂ及び第２の発光素子であるＬＥＤ群１９Ｃが設けられている。

２次元撮像部１９Ｂは、光信号伝送親機２０（他の光信号伝送装置）から送出された光信号を受光し、光信号伝送親機２０の方向を検出することがてきるセンサである。駆動制御部１０は、２次元撮像部１９Ｂによる検出結果に基づいて、反射光学系４及び各駆動機構１６Ａ，１６Ｂを制御して、光信号伝送親機２０から送出された光信号が反射光学系４を介して受光素子６に入射する状態とすることができる。

図７は、２次元撮像部１９Ｂの構成を示す側面図である。

この２次元撮像部１９Ｂは、１秒間に数百フレームの画像を取り込むことのできる「ＣＭＯＳセンサ」１７及び１５０度（deg）（±７５度（deg））方向の光を素子上に集光することが可能な撮像レンズ１８から構成されている。「ＣＭＯＳセンサ」１７は、複数の画素に対応するセンサがマ卜リクス状に配置されて構成されている。なお、撮像レンズ１８は、不要な光をカットするため、可視光カットフィルタを有している。この２次元撮像部１９Ｂによって撮像された光信号伝送親機２０からの光信号（ガイド光）を含むサービスエリア全体の映像は、撮像データとして出力される。

光信号伝送子機１９の上部に設けられた、第２の発光素子であるＬＥＤ群１９Ｃは、サービスエリア全体に対して、自らの位置を知らせるためのガイド光を発光するためのものである。なお、送受信モジュール１９Ａ内のレーザダイオード１及びＬＥＤ群１９Ｃは、別々にドライブされる。このＬＥＤ群１９Ｃは、外乱光と区別するため、所定の周波数において点滅される。

そして、光信号伝送子機１９−１、１９−２の通信相手となる光信号伝送親機２０は、光信号伝送子機１９−１，１９−２と双方向通信を行う複数の後述する受発光モジュール２０Ａ及び通信エリア全体を撮像できる２次元撮像素子２０Ｂを備えている。光信号伝送親機２０の各受発光モジュール２０Ａは、前述した光信号伝送装置と同様の構成を有したものとなっている。

この光信号伝送親機２０の２次元撮像素子２０Ｂは、光信号伝送子機１９における２次元撮像部１９Ｂと同様に、図７に示すように、１秒間に数百フレームの画像を取り込むことのできる「ＣＭＯＳセンサ」１７及び１５０度（deg）（±７５度（deg））方向の光を素子上に集光することが可能な撮像レンズ１８からなる。撮像レンズ１８には、不要な光をカットするため、可視光カットフィルタを有している。

なお、この実施の形態においては、光信号伝送親機２０のサービスエリアの範囲を頂角が１５０度（deg）の円錐形の範囲とし、受発光モジュール２０Ａにおける発信光信号の偏向角度と、２次元撮像素子２０Ｂの撮像範囲はともに、いずれの方向についても１５０度（deg）としている。したがって、複数の受発光モジュール２０Ａのそれぞれの発光エリアは、互いに重なり合うことになり、サービスエリア内では、光信号伝送子機１９−１，１９−２がどのような位置に置かれても、光信号伝送親機２０との光路（通信路）を確立することができるようになっている。

図８は、光信号伝送子機の構成を示すブロック図である。

この光信号伝送システムの光信号伝送子機１９においては、図８に示すように、２次元撮像部１９Ｂからの撮像信号は、第１の方向検出部２１に送られる。この第１の方向検出部２１は、撮像信号に基づいて、送受信モジュール１９Ａ全体の方向を水平（パン（pan））及び鉛直（ティルト（tilt））方向に回動させる駆動機構１６Ａ，１６Ｂを駆動するための移動方向と移動量を示す「第１の方向情報」を取得し、方向情報格納部２２に蓄積する。また、制御部２３は、ドライバ２５を介して、ＬＥＤ群１９Ｃを駆動する。

「第１の方向情報」は、偏向制御手段となる駆動制御部２４に送られる。この駆動制御部２４は、受発光部７全体の方向を水平及び鉛直方向に駆動する駆動機構１６Ａ，１６Ｂを、「第１の方向情報」に基づいて駆動する。

また、受光素子６からの出力信号は、レシーバ８を介して、第２の方向検出部９に送られる。この第２の方向検出部９は、受光素子６からの出力信号より、反射光学系４のアクチュエータを駆動するための移動方向と移動量を示す「第２の方向情報」を取得する。この「第２の方向情報」は、駆動制御部１０に送られる。この駆動制御部１０は、反射光学系４のアクチュエータを、「第２の方向情報」に基づいて駆動する。

通信制御部１２は、ドライバ１１を介して、レーザダイオード１を駆動する。そして、データ受信用の受光素子１４からの出力信号は、レシーバ１５を介して、通信制御部１２に送られ、データの送受信が行われる。

この光信号伝送子機１９においては、効率よくデータを伝送するため、送信に平行光に近いビームを使用している。そのため、ビームの方向を正確に通信相手となる光信号伝送親機２０の受信部に向ける必要がある。この光信号伝送子機１９においては、光軸調整のために、第１及び第２の２つの方向検出部２１，９を有し、各方向検出部からの情報に基づいて、送受信モジュール１９Ａの方向制御を行う駆動機構１６Ａ，１６Ｂ、反射光学系４のアクチュエータを駆動し、光軸を調整している。

第１の実施の形態に記載したように、送受信モジュール１９Ａは、２７．８度乃至４０度程度のエリア内にある光信号伝送親機２０に対して、追従可能である。２７．８度以内の範囲については、第２の方向検出部９によって反射光学系４を駆動し、光信号伝送親機２０に追従することによって、広範囲のエリア内において、常に、送出する光信号の方向を光信号伝送親機２０に向け続けることが可能となる。

そして、２７．８度を超える範囲については、第１の方向検出部２１によって駆動機構１６Ａ，１６Ｂを駆動すれば、これら駆動機構１６Ａ，１６Ｂは広範囲に亘る高速の駆動が可能であるため、光信号伝送親機２０が送受信モジュール１９Ａにおける偏向角度内（２７．８度以内）に入るように、迅速に送受信モジュール１９Ａを移動させることができる。

図９は、光信号伝送親機の構成を示すブロック図である。

この光信号伝送システムの光信号伝送親機２０においては、図９に示すように、２次元撮像部２０Ｂからの撮像信号は、第１の方向検出部２１に送られる。この第１の方向検出部２１は、撮像信号より、複数の受発光モジュール２０Ａ−１、２０Ａ−２、・・・、２０Ａ−ｎからの一つの受発光モジュールの割り当てを行い、割り当てた受発光モジュール内の受発光部全体の方向を水平及び鉛直方向に転回させるアクチュエータを駆動するための移動方向と移動量を示すための、「第１の方向情報」を取得し、方向情報格納部２２に蓄積する。また、「第１の方向情報」は、制御部２３に送られる。この制御部２３は、「第１の方向情報」に基づいて、複数の受発光モジュール２０Ａ−１、２０Ａ−２、・・・、２０Ａ−ｎからの一つの受発光モジュールの割り当てを行う。さらに、制御部２３は、「第１の方向情報」を、割り当てた受発光モジュール内の駆動制御部に送り、この駆動制御部は、受発光モジュール内の受発光部全体の方向を水平及び鉛直方向に駆動するアクチュエータを、「第１の方向情報」に基づいて駆動する。

図１０は、光信号伝送親機内の受発光モジュールの構成を示すブロック図である。

この光信号伝送親機２０における各受発光モジュール２０Ａ−１、２０Ａ−２、・・・、２０Ａ−ｎにおいては、図１０に示すように、光信号伝送子機１９における受発光モジュール１９Ａと同様に、受光素子６からの出力信号は、レシーバ８を介して、第２の方向検出部９に送られる。この第２の方向検出部９は、受光素子６からの出力信号より、反射光学系４のアクチュエータを駆動するための移動方向と移動量を示す「第２の方向情報」を取得する。「第２の方向情報」は、駆動制御部１０に送られる。この駆動制御部１０は、反射光学系４のアクチュエータを、「第２の方向情報」に基づいて駆動する。

そして、通信制御部１２は、ドライバ１１を介して、レーザダイオード１を駆動する。そして、データ受信用の受光素子１４からの出力信号は、レシーバ１５を介して、通信制御部１２に送られ、データの送受信が行われる。

この光信号伝送親機においては、効率よくデータを伝送するため、送信に平行光に近いビームを使用している。そのため、ビームの方向を正確に通信相手となる光信号伝送子機１９の受信部に向ける必要がある。この光信号伝送親機２０においては、受発光モジュール２０Ａ−１、２０Ａ−２、・・・、２０Ａ−ｎの割り当て及び割り当てられた受発光モジュールにおける光軸調整のために、第１及び第２の２つの方向検出部２１，９を有し、各方向検出部２１，９からの情報に基づいて、受発光モジュールの割り当て及び反射光学系４のアクチュエータの駆動を行い、光軸を調整している。

この光信号伝送親機２０の各受発光モジュール２０Ａ−１、２０Ａ−２、・・・、２０Ａ−ｎは、光信号伝送子機１９と同様に、２７．８度乃至４０度程度のエリア内にある光信号伝送子機１９に対して、追従可能である。２７．８度以内の範囲については、第２の方向検出部９によって反射光学系４を駆動し、光信号伝送子機１９に追従することによって、広範囲のエリア内において、常に、送出する光信号の方向を光信号伝送子機１９に向け続けることが可能となる。

そして、２７．８度を超える範囲については、第１の方向検出部２１によって駆動機構１６Ａ，１６Ｂを駆動すれば、これら駆動機構１６Ａ，１６Ｂは広範囲に亘る高速の駆動が可能であるため、光信号伝送子機１９が送受信モジュール２０Ａにおける偏向角度内（２７．８度以内）に入るように、迅速に送受信モジュール２０Ａを移動させることができる。

〔第３の実施の形態〕
図１１は、本発明に係る光信号伝送システムを構成する光信号伝送装置の構成の他の例を示す側面図である。

この実施の形態における光信号伝送装置は、図１１中の（ａ）に示すように、前述した第１の実施の形態における光信号伝送装置と同様に、第１、または、第２の偏向手段として、光信号の送出方向を二軸回りにそれぞれ所定角度範囲内において偏向させることが可能な反射光学系４を備えている。

そして、この光信号伝送装置においては、図１１中の（ｂ）に示すように、第３の偏向手段となる駆動機構１６は、発光素子、受光素子及び反射光学系４を保持する受発光部７を一軸回りのみに回動させることが可能に構成されている。

そして、駆動機構１６による回動操作の回動軸は、反射光学系４により光信号がいずれかの方向に最も偏向されたときの光信号の送出方向に略平行となっている。

この実施の形態における光信号伝送装置の受発光部７は、前述した第１の実施の形態と同様に構成されており、図２に示したように、反射光学系４の反射ミラーの偏向角をθ度とすると、一方向（図１１中のＹ方向）については、受信光信号及び発信光信号の偏向角度は、ミラーにおける反射によって、２θ度(偏向角の２倍)となる。そして、他の方向（図１１中のＸ方向）については、受信光信号及び発信光信号の偏向角度は、最大で２θ度(反射ミラーの偏向角の２倍)、最小で約１．３９θ度(反射ミラーの偏向角の１．３９倍)となる。

この実施の形態においては、前述したように、駆動機構１６による回動操作の回動軸が、反射光学系４により光信号がいずれかの方向に最も偏向されたときの光信号の送出方向に略平行となっている。すなわち、駆動機構１６は、反射光学系４がＹ方向に最も偏向したときの送信光信号の送出方向を回転軸として、水平（パン（pan））方向に、受発光部７全体を回動操作するようになっている。

したがって、受発光部７における鉛直（ティルト（tilt））方向は、常に反射光学系４のＹ方向となり、鉛直方向の偏向角度は２θ度となる。この受発光部７は、駆動機構１６によって、水平方向に±１８０度回転させることができるので、この光信号伝送装置における出射光信号の偏向角度は、水平方向に３６０度、鉛直方向に４θ度となる。反射光学系４の駆動手段を、電磁コイルを用いたアクチュエータ（偏向角θは２０度程度）とした場合の鉛直方向の偏向角度は、約８０度となる。この実施の形態においては、受発光部７を単体で用いる場合に比較して、２倍の偏向角度の通信エリア内で、他の光信号伝送装置に対して追従可能となる。

なお、この実施の形態における光信号伝送装置は、第１の実施の形態及び第２の実施の形態に記載した光信号伝送装置に比較すると、送信光信号の偏向角度は狭い。しかし、頂角が８０度の円錐形の通信エリアが確保できれば、図５に示したような光信号伝送システムにおいて、光信号伝送親機２０の送受信モジュール２０Ａとして使用した場合、数個で全エリアをカバーすことができる。また、光信号伝送システムにおいて、光信号伝送子機１９として使用した場合でも、使用開始時において概ね光信号伝送親機の方向に向けて設置することによって、送信光信号の偏向角度内に光信号伝送親機を捉えることができるので、ビーム方向を瞬時に光信号伝送親機に向けることが可能となる。

さらに、この光信号伝送装置においては、広範囲の駆動を行う駆動機構１６が一つであることから、低消費電力化及び装置構成の小型化が可能となる。

本発明に係る光信号伝送システムを構成する光信号伝送装置の第１の実施の形態における要部の構成を示す側面図である。 前記光信号伝送装置における受発光部の構成を示す斜視図である。 前記光信号伝送装置の第１の実施の形態における構成を示す側面図である。 前記光信号伝送装置の受発光部の構成の他の例を示す側面図である。 本発明に光信号伝送システム（第２の実施の形態）を示す斜視図である。 前記光信号伝送システムにおける光信号伝送子機の構成を示す側面図である。 前記光信号伝送システムの光信号伝送子機における２次元撮像部の構成を示す側面図である。 前記光信号伝送システムの光信号伝送子機の構成を示すブロック図である。 前記光信号伝送システムの光信号伝送親機の構成を示すブロック図である。 前記光信号伝送システムの光信号伝送親機内の受発光モジュールの構成を示すブロック図である。 本発明に係る光信号伝送システムを構成する光信号伝送装置の構成の他の例を示す側面図である。 従来の光信号伝送装置の構成を示す側面図である。 電磁コイルアクチュエータの概略構造を示す断面図である。

符号の説明

１ 発光素子
３Ａ、３Ｂ ビームスプリッタ
４ 反射光学系
６ 受光素子
１０ 駆動制御部
１６Ａ，１６Ｂ 駆動手段
１７ ＣＭＯＳセンサ
１８ 撮像レンズ

Claims (2)

1. データ信号に基づいて変調した光信号を出射する第１の発光素子、前記第１の発光素子より出射された光信号が入射されこの光信号を偏向させて光信号伝送子機に向けて送出する第１の偏向手段、及び、前記光信号伝送子機から送出された光信号を前記第１の偏向手段を介して受光する第１の受光素子からなる複数の受発光モジュールと、前記光信号伝送子機から送出された光信号を受光し前記光信号伝送子機の方向を検出する第１の撮像素子と、を有する光信号伝送親機と、
   データ信号に基づいて変調した光信号を出射する第２の発光素子と、前記第２の発光素子より出射された光信号が入射され前記光信号を偏向させて前記光信号伝送親機に向けて送出する第２の偏向手段と、前記光信号伝送親機から送出された光信号を前記第２の偏向手段を介して受光する第２の受光素子と、前記光信号伝送親機から送出された光信号を受光し前記光信号伝送親機の方向を検出する第２の撮像素子と、ガイド光となる光信号を出射する第３の発光素子と、前記第２の発光素子、前記第２の受光素子及び前記第２の偏向手段間の位置関係を維持したまま前記第２の発光素子、前記第２の受光素子及び前記第２の偏向手段を回動操作する第３の偏向手段と、を有する複数の光信号伝送子機と
   を備え、
   前記光信号伝送親機は、前記第１の撮像素子で受光される前記光信号伝送子機からの光信号に基づいて前記複数の受発光モジュールのうち１つの受発光モジュールの割り当てを行い、前記第１の受光素子で受光される前記光信号伝送子機からの光信号に基づいて前記割り当てた受発光モジュールの前記第１の偏向手段を制御し、
   前記光信号伝送子機は、前記第２の受光素子で受光される前記光信号伝送親機からの光信号に基づいて前記第２の偏向手段を制御し、前記第２の撮像素子で受光される前記光信号伝送親機からの光信号に基づいて前記第３の偏向手段を制御して、前記光信号伝送親機と前記光信号伝送子機との間の双方向通信を可能にする
   ことを特徴とする光信号伝送システム。
2. 前記第２の偏向手段は、光信号の送出方向を二軸回りにそれぞれ所定角度範囲内において偏向させることが可能に構成されており、
   前記第３の偏向手段は、前記第２の発光素子、前記第２の受光素子及び前記第２の偏向手段を一軸回りに回動させることが可能に構成されており、
   前記第３の偏向手段による回動操作の回動軸は、前記第２の偏向手段により光信号がいずれかの方向に最も偏向されたときの前記光信号の送出方向に略平行となっている
   ことを特徴とする請求項１記載の光信号伝送システム。