JP4665585B2 - 光送信機、光受信機及び光通信システム - Google Patents

Description

本発明は、たとえば、店頭における商品説明、博物館や展覧会における展示品説明、建築物等のランドマーク表示、広告表示、遊園地等の遊戯施設混雑状態表示など、様々な用途に利用できる光送信機、光受信機及び光通信システムに関する。

従来から、商品や展示品などに関する情報の提示、あるいは、建築物等のランドマーク表示、広告表示、遊園地等の遊戯施設混雑状態表示などは、もっぱら、紙、垂れ幕、看板またはプレートなど（以下、便宜的に「情報提示物」という。）の上に書かれた文字情報の形で行われていた。

しかし、このような文字主体の情報提示は、（１）情報提示対象物の数が多い場合、看板等の情報提示物の数も多くなり、肝心の対象物が目立たなくなるうえ、情報提示物と情報提示対象物との対応関係が把握しにくく、誤った情報理解、例えば、商品Ａの情報を商品Ｂの情報と誤解してしまうことがある。（２）また、情報提示物の上に書かれた文字情報は、通常の視力を有する人であれば誰でも読み取ることができるため、特定の人だけを対象とした限定的情報（例えば、商品の仕入価格や最大値引率等）を提示する場合は、符牒化して書込むなどの保全策を講じるが、あまり複雑な符牒化は使い勝手が悪いことから簡単なものにせざるを得ず、情報の保全効果が低下して容易に読み取られるおそれがある。

そこで、本件出願人は、先に、光空間伝送による情報伝送を利用することによって、情報提示対象品とその提示情報との対応関係を明確にして情報把握の誤解をなくすことができる「情報伝送方式、情報伝送方法、撮像装置及び情報伝送方法」を提案している（特許文献１参照）。以下、この提案に係る技術を、従来技術という。

従来技術の原理は、概略、次のとおりである。なお、説明の都合上、光送信機から光受信機に送る送信情報ＴＸを「０１０１１０００」の８ビットのビット列とする。

光送信機は、まず、予め決められているＭビットの二つの拡散符号（Ｃ０及びＣ１という）を用いて、送信情報ＴＸの各ビットを拡散符号化する。拡散符号Ｃ０、Ｃ１とは、自然界の光などの外乱光の点滅パターンと異なる繰り返しパターンを持つ符号のことをいう。たとえば、Ｍ＝５、Ｃ０＝００１０１、Ｃ１＝１１０１０などとすることができる。

今、拡散符号Ｃ０を送信情報ＴＸの論理０に割り当て、拡散符号Ｃ１を送信情報ＴＸの論理１に割り当てることにすると、拡散後の送信情報ＴＸは、Ｃ０、Ｃ１、Ｃ０、Ｃ１、Ｃ１、Ｃ０、Ｃ０、Ｃ０の並びになる。つまり、８ビットのビット列（０１０１１０００）である送信情報ＴＸが、Ｍ×８ビットの信号（００１０１，１１０１０，００１０１，１１０１０，１１０１０，００１０１，００１０１，００１０１）に拡散されたことになる。なお、（ ）内のカンマは送信情報ＴＸの各ビットを示すための便宜的な区切り記号である。

光送信機は、上記拡散後の送信情報ＴＸの各ビットの論理（０／１）に従って、ＬＥＤ等の単一の発光素子を点滅させ、当該論理情報を持つ情報光を空間に発射する。この情報光は、Ｍ×８ビットの信号（００１０１，１１０１０，・・・・）の各ビットの論理が“０”のときに暗（輝度ゼロまたは所定値以下の輝度）となり、論理が“１”のときに明（暗に対して明と視認される輝度または所定値以上の輝度）となる単一の点滅光（情報光）である。

一方、光受信機は、光送信機の点滅光を受光素子で受光し、その受光信号を二値信号に変換して逆拡散する。逆拡散に用いられる拡散符号は、光送信機の拡散符号Ｃ０、Ｃ１と同じものである。この逆拡散では、二値信号のビット列をＭビットずつに区切り、二つの拡散符号Ｃ０、Ｃ１との一致／不一致を判定し、一致した方の拡散符号に対応する論理に変換するという処理を行う。具体的には、ある区分のビット列が「００１０１」である場合は、このビット列は一方の拡散符号Ｃ０に一致するので、拡散符号Ｃ０の論理（＝０）に変換し、また、他のある区分のビット列が「１１０１０」である場合は、このビット列は他方の拡散符号Ｃ１に一致するので、拡散符号Ｃ１の論理（＝１）に変換するという処理をすべての区分について繰り返し実行する。

これにより、最終的に、Ｍ×８ビットの点滅パターン（００１０１，１１０１０，００１０１，１１０１０，１１０１０，００１０１，００１０１，００１０１）が、８ビットの受信情報ＲＸ（０１０１１０００）に復元され、したがって、前記の送信情報ＴＸを受信側で再生することができる。

特開２００３−１７９５５６号公報

このように、従来技術においては、ＬＥＤ等の光の点滅を利用して情報を送信することができるので、たとえば、昨今、注目を集めている可視光通信（可視光通信とは：http://www.vlcc.net/about.html参照）などに応用することができ、室内照明や街路灯あるいは看板照明などの既存光源を利用して周囲に任意の情報を送信することができる点で有益ではあるが、送信可能な情報量の点で未だ改善すべき余地がある。

すなわち、従来技術では、単一の点滅光によって情報を送信しているため、たとえば、前記の例示のように、送信情報ＴＸのビット数を拡散符号のビット数Ｍ倍した点滅時間が必要となるからである。

したがって、本発明の目的の一つは、発光素子の数をＮ個にして情報送出量をＮ倍に増やすこと、また、本発明の目的の二は、Ｎ個の点滅光（情報光）を受信側で正しく分離識別できるようにすることにある。

請求項１記載の発明は、光学ズーム部と、前記光学ズーム部を介して受光したＮ個の情報光を電気信号に変換する二次元撮像デバイスと、前記二次元撮像デバイスによって撮影された撮影画像の中から基準拡散符号の画素を検出し、その検出結果に従って基準拡散符号のサンプリング点を決定するとともに、その基準拡散符号のサンプリング点を起点にして他の拡散符号のサンプリング点を順次に決定するマッチング部と、Ｎ個の拡散符号を生成する拡散符号生成部と、前記サンプリング点の各々から出力された電気信号を二値化し、当該二値化した各々の信号を前記拡散符号生成部において生成された各拡散符号によって逆拡散することで受信情報の各ビットを出力するＮ個の逆拡散部と、前記Ｎ個の逆拡散部の出力を組み合わせて受信情報を復元する情報復元化回路とを備えたことを特徴とする光受信機である。
請求項２記載の発明は、前記Ｎ個の逆拡散部は、前記サンプリング点の信号の直流分及び低周波成分を取り出して該直流分及び低周波成分からなる基準信号を生成する平均値抽出部と、前記サンプリング点の信号と前記拡散符号生成部からの拡散符号と前記基準信号とを入力するとともに前記基準信号よりも前記サンプリング点の信号が大きいときには前記拡散符号をそのまま出力し、前記基準信号よりも前記サンプリング点の信号が小さいときには拡散符号を反転出力する極性切替部と、前記極性切替部からの信号を積分してその積分値のサンプルホールド値を出力する積分部と、前記積分部の出力を二値化して受信情報の各ビットとして出力する二値化部とを有することを特徴とする請求項１記載の光受信機である。
請求項３記載の発明は、光送信機と光受信機とで構成される光通信システムであって、前記光送信機は、送信情報をＮビットずつに区切って多値化する多値化部と、Ｎ個の拡散符号を生成する拡散符号発生部と、前記多値化された送信情報の各ビットを前記拡散符号発生部において生成された各拡散符号によって符号拡散するＮ個の拡散部と、各々の拡散部からの信号で駆動されるＮ個の発光部とを備え、前記光受信機は、請求項１または２に記載の光受信機を含むことを特徴とする光通信システムである。

本発明によれば、発光素子の数をＮ個にして情報送出量をＮ倍に増やすことができるとともに、Ｎ個の点滅光（情報光）を受信側で正しく分離識別できる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明における様々な細部の特定ないし実例および数値や文字列その他の記号の例示は、本発明の思想を明瞭にするための、あくまでも参考であって、それらのすべてまたは一部によって本発明の思想が限定されないことは明らかである。また、周知の手法、周知の手順、周知のアーキテクチャおよび周知の回路構成等（以下「周知事項」）についてはその細部にわたる説明を避けるが、これも説明を簡潔にするためであって、これら周知事項のすべてまたは一部を意図的に排除するものではない。かかる周知事項は本発明の出願時点で当業者の知り得るところであるので、以下の説明に当然含まれている。

まず、第１の実施形態について説明する。
図１は、光送信機１の構成図である。この図において、光送信機１は、多値化回路２、拡散符号発生回路３、拡散部４（ｉ）及び発光部５（ｉ）を備える。なお、ｉは１〜Ｎであり、Ｎは２を越える整数である。以下同様とする。多値化回路２は、シリアルのビット列で与えられる送信情報ＴＸをＮビット、たとえば、５ビットずつに区切ってパラレルの信号列に変換して出力する。今、送信情報ＴＸのビットの並びを「１０１０１１００１１・・・・」とする。これに５ビットずつの区切り記号（，）を入れると、「１０１０１，１００１１，・・・・」となる。多値化回路２では、各区切り毎のビット列をパラレル変換する。すなわち、「１０１０１」を一度に出力し、次いで、「１００１１」を一度に出力し・・・・という動作を所定の周期（上記の５ビットの区切り周期）毎に繰り返す。

図２は、光送信機１の信号タイムシーケンス図である。この図に示すように、送信情報ＴＸのビットの並びは「１０１０１１００１１・・・・」であり、多値化回路２によってパラレル変換されたビットの並びは、同図中のＴＸ（ｉ）で示されている。たとえば、送信情報ＴＸの区切り周期をＴ１、Ｔ２・・・・とすると、周期Ｔ１では、図面の上から下に向かって論理１、論理０・・・・論理１が並び、周期Ｔ２では、図面の上から下に向かって論理１、論理０・・・・論理１が並び、周期Ｔ３では、図面の上から下に向かって論理１、論理１・・・・論理０が並び、周期Ｔ４では、図面の上から下に向かって論理０、論理１・・・・論理０が並んでいる。これらの並びは、同一時間上であり、したがって、これらのＴＸ（ｉ）は、送信情報ＴＸのビット列をパラレルに並べ替えたものである。

再び、図１において、拡散符号発生回路３は、Ｎ個の拡散符号Ｃ（ｉ）を発生する。拡散符号Ｃ（ｉ）は、たとえば、７ビットの符号であり、冒頭の従来技術でも述べたように、自然界の光などの外乱光の点滅パターンと異なる繰り返しパターンを持つ符号である。なお、従来技術の拡散符号はＣ０とＣ１の二つであったが、本実施形態の拡散符号Ｃ（ｉ）は、二よりも多いＮ個である点で相違する。

さて、Ｎ個の拡散符号Ｃ（ｉ）は、上記のとおり、自然界の光などの外乱光の点滅パターンと異なる繰り返しパターンを持つ符号であればよいが、後述のＮ個の情報光Ｐ（ｉ）の受信側での分離識別を容易にするために、Ｎ個の拡散符号Ｃ（ｉ）のそれぞれを異なる符号としておくことが望ましい。

そのためには、Ｎ個の拡散符号Ｃ（ｉ）をそれぞれ個別に生成してもよいが、本実施形態では、図２に示すように、基準となる一個の拡散符号を所定量ずつ（たとえば、１ビットずつ）ずらしながらＮ個の拡散符号Ｃ（ｉ）を生成するようにした。このようにすると、保持すべき拡散符号の数が１個で済むため、メモリ等の記憶容量を削減でき、コストダウンを図ることができる。

このように、基準となる一個の拡散符号を所定量ずつ（たとえば、１ビットずつ）ずらしながらＮ個の拡散符号Ｃ（ｉ）を生成するようにした場合、拡散符号のビット数は、原理上は少なくともＮビットであればよい。Ｎは拡散部や発光部の数（すなちわ、情報光の数）である。本実施形態の場合、拡散符号のビット数は７であるから、Ｎ＝７まで、つまり、拡散部や発光部を最大７個まで設けることができる。なお、この数（Ｎ＝７）は説明上の便宜に過ぎない。Ｎの数（したがって、拡散符号のビット数）は、送信すべき情報量に応じて決めればよく、たとえば、数十ないしは数百またはそれ以上であってもよい。

Ｎ個の拡散部４（ｉ）は、パラレル変換された信号ＴＸ（ｉ）の各ビットの論理に応じて、対応する拡散符号（ｉ）をそのまま出力したり、反転させて出力したりする。たとえば、拡散部４（１）に注目すると、この拡散部４（１）には、信号ＴＸ（１）と拡散符号（１）が入力されているので、信号ＴＸ（１）の論理が“１”のときには拡散符号（１）をそのまま出力し、信号ＴＸ（１）の論理が“０”のときには拡散符号（１）を反転させて出力する。

Ｎ個の発光部５（ｉ）は、高応答性の発光素子（たとえば、ＬＥＤ）とその駆動回路で構成されている。発光素子は、それぞれの発光部５（ｉ）毎に１個であってもよいが、より強力な光を出すために、複数の発光素子を組み合わせて各発光部５（ｉ）に設けてもよい。各々の発光部５（ｉ）には、対応する拡散部４（ｉ）からの信号が加えられており、発光部５（ｉ）は、図２に示すように、その信号の論理（０／１）に対応して点滅する情報光Ｐ（ｉ）を空間に発射する。

ここまでをまとめると、本実施形態の光送信機１は、シリアル例の送信情報ＴＸをＮビットずつに区切ってパラレル変換する多値化回路２と、Ｎ個の拡散符号Ｃ（ｉ）を生成する拡散符号発生部３と、パラレル変換された送信情報ＴＸ（ｉ）の各ビットの論理に対応して拡散符号Ｃ（ｉ）をスルーで出力したり、反転出力したりするＮ個の拡散部４（ｉ）と、各々の拡散部４（ｉ）からの信号で駆動されるＮ個の発光部５（ｉ）とを備え、Ｎ個の発光部５（ｉ）を同時に点滅させることによって、Ｎ個の情報光Ｐ（ｉ）を空間に発射する。

ここで、本実施形態の光送信機１における情報送出量は、情報光Ｐ（ｉ）の数Ｎに相当して、単純計算で冒頭の従来技術のＮ倍になる。これは、図２を参照すれば、本実施形態では、単位時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ２・・・・毎にＮ個の情報光Ｐ（ｉ）を同時に発射しているのに対して、冒頭の従来技術では単一の点滅光（情報光）しか発射していないからである。

このように、本実施形態の光送信機１によれば、発光素子の数をＮ個にして情報送出量をＮ倍に増やすことができる。

次に、上記の光送信機１と対で用いられる光受信機６を説明する。
図３は、光受信機６の構成図である。この図において、光受信機６は、Ｎ個の受光部７（ｉ）、拡散符号発生回路８、Ｎ個の逆拡散部９（ｉ）、情報復元回路１０及び同期回路１１を備える。Ｎ個の受光部７（ｉ）は、光送信機１から発射されたＮ個の情報光Ｐ（ｉ）をそれぞれ受光し、二値化して出力する。

Ｎ個の受光部７（ｉ）は、それぞれＮ個の情報光Ｐ（ｉ）を個別に受光する必要がある。つまり、第１の受光部７（１）で第１の情報光Ｐ（１）を受光し、第２の受光部７（２）で第２の情報光Ｐ（２）を受光し、・・・・第Ｎの受光部７（Ｎ）で第Ｎの情報光Ｐ（Ｎ）を受光する必要がある。

しかし、このような一対一の受光（複数の情報光の分離受光）は、たとえば、Ｎ個の情報光Ｐ（ｉ）が光ビームのような指向性を持ち、且つ、その光ビームの軸上に一つの受光部が位置するといった一定の条件を満たさない限り困難であり、条件を満たさない場合には、一つの受光部で複数の情報光を同時に受光してしまうことになるため、受信情報を正しく復元できないおそれがあるが、ここでは、説明の便宜上、Ｎ個の情報光Ｐ（ｉ）がＮ個の受光部７（ｉ）に一対一の関係で受光されているものとして説明を続ける。複数の情報光の分離受光に関する解決策については、後で詳しく説明する。

さて、Ｎ個の受光部７（ｉ）は、光の強さを電気信号に変換する光電変換素子で構成されている。このような素子の代表はフォトダイオードであるが、これに限らず、たとえば、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などの二次元撮像デバイスであってもよい。かかる二次元撮像デバイスは行列方向にマトリクス配列された多数の画素を備え、各々の画素から光の強さに対応した電気信号を出力するからである。

拡散符号発生回路８は、Ｎ個の拡散符号Ｃ（ｉ）を発生する。このＮ個の拡散符号Ｃ（ｉ）も、自然界の光などの外乱光の点滅パターンと異なる繰り返しパターンを持つ符号であって、且つ、光送信機１の拡散符号発生回路８で生成されるＮ個の拡散符号Ｃ（ｉ）と同じものである。

なお、この拡散符号発生回路８で生成されるＮ個の拡散符号Ｃ（ｉ）も個別に生成してもよいが、本実施形態では、光送信機１と同様に、保持すべき拡散符号の数を１個にしてメモリ等の記憶容量を削減し、コストダウンを図るために、基準となる一個の拡散符号を所定量ずつ（たとえば、１ビットずつ）ずらしながらＮ個の拡散符号Ｃ（ｉ）を生成することにする。

Ｎ個の逆拡散部９（ｉ）には、情報光Ｐ（ｉ）を二値化した信号と拡散符号Ｃ（ｉ）が入力される。逆拡散部９（ｉ）は、情報光Ｐ（ｉ）を二値化した信号と拡散符号Ｃ（ｉ）とを比較してそれら二つの信号の位相が同じであれば、論理“１”を出力し、逆位相であれば論理“０”を出力する。すなわち、光送信機１のＮ個の拡散部４（ｉ）と反対の操作（逆拡散）を行い、Ｎビットずつのパラレルの信号ＲＸ（ｉ）を生成する。情報復元化回路１０は、そのパラレルの信号ＲＸ（ｉ）をシリアルの信号列に変換し、冒頭の送信情報ＴＸと同じ内容の受信情報ＲＸを復元する。なお、同期回路１１は、拡散符号Ｃ（ｉ）の生成周期と送信側の拡散符号の生成周期（図２のＴ１、Ｔ２、Ｔ３・、Ｔ４・・・）とを同期させるためのものである。

ここまでをまとめると、本実施形態の光受信機６は、光送信機１からのＮ個の情報光Ｐ（ｉ）をＮ個の受光部７（ｉ）で個別に受光して二値化信号に変換し、Ｎ個の逆拡散部９（ｉ）で、光送信機１のＮ個の拡散部４（ｉ）と逆の操作を行って、Ｎビットのパラレル信号ＲＸ（ｉ）に変換し、さらに、その信号ＲＸ（ｉ）をシリアル信号に変換してそれを受信情報ＲＸとして出力する。したがって、送信情報ＴＸと同じ内容の受信情報ＲＸを復元できるので、光を利用した比較的近距離の通信システム、たとえば、店頭における商品説明、博物館や展覧会における展示品説明、建築物等のランドマーク表示、広告表示、遊園地等の遊戯施設混雑状態表示など、様々な用途に利用できる可視通信などのシステムに応用することができる。

さて、上記のシステムを実用化するためには、先に説明した課題（複数の情報光の分離受光）を解決しなければならない。
図４は、この課題を解決した光受信機６の要部構成図である。受光部７（２）には、本来受光すべき情報光Ｐ（２）の他に様々な不要な光が入り込んでいる。たとえば、隣接する情報光Ｐ（１）、Ｐ（３）やその他の外乱光Ｐａなどが入り込んでいる。受光部７（２）は、これらの光を足し合わせた値（Ｐ（１）＋Ｐ（３）＋Ｐａ）に相当する大きさの信号ＰＪ（２）を出力する。信号ＰＪ（２）は、単純な二値信号（１／０）ではなく、振幅が様々に変化する多値のアナログ信号である。

逆拡散部７（２）は、平均値抽出回路１２、極性切替回路１３、積分及びサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路１４（積分回路）、二値化回路１５を含む。平均値抽出回路１２は、信号ＲＪ（２）の直流分及び低周波成分のみを取り出し、それを基準信号ＲＥＦ（２）として極性切替回路１３と積分及びサンプルホールド回路１４に出力する。

極性切替回路１３には、拡散符号生成回路８からの拡散符号Ｃ（２）も入力されており、極性切替回路１３は、信号ＲＪ（２）に対して、拡散符号Ｃ（２）＝１のときは、拡散符号Ｃ（２）をそのまま信号ＲＫ（２）として出力し、拡散符号Ｃ（２）＝０のときは、拡散符号（Ｃ２）を反転し信号ＲＫ（２）として出力する。正転／反転の判断レベルは基準信号ＲＥＦ（２）である。

積分及びサンプルホールド回路１４は、信号ＲＫ（２）を積分（１サンプルホールド期間の面積積分）し、その積分値をサンプルホールドして信号ＲＳ（２）として二値化回路１５に出力する。二値化回路１５は、信号ＲＳ（２）を二値化信号ＲＸ（２）に変換して情報復元回路１０に出力し、情報復元回路１０は、この二値化信号ＲＸ（２）と不図示の他の二値化信号ＲＸ（１）、ＲＸ（３）・・・・ＲＸ（Ｎ）とを一緒にしてシリアル変換し、元の送信情報ＴＸと同じ内容の受信情報ＲＸを復元する。

ここで、本来の情報光Ｐ（２）以外の不要光〔情報光Ｐ（１）、Ｐ（３）及び外乱光Ｐａなど〕は、積分及びサンプルホールド回路１４の出力信号ＲＳ（２）の段階で取り除かれる。これは、本来の情報光Ｐ（２）の拡散符号と他の情報光Ｐ（１）、Ｐ（３）の拡散符号が違っているからであり、また、外乱光Ｐａは拡散符号そのものを持たないからである。

一般に、拡散通信における拡散ゲインＧＫは、式（１）で与えられる。
ＧＫ＝２０ＬｏｇＭ（ｄＢ） ・・・・（１）
但し、Ｍは、拡散符号のビット数
また、拡散変調した信号を多重したときの多重ノイズ量ＧＮは、式（２）で与えられる。
ＧＮ＝２０ＬｏｇＮ（ｄＢ） ・・・・（２）
但し、Ｎは多重数
したがって、拡散多重通信におけるノイズマージンＧＹは、
ＧＹ＝ＧＫ−ＧＮ（ｄＢ）
＝２０ＬｏｇＭ−２０ＬｏｇＮ
＝２０Ｌｏｇ（Ｍ／Ｎ） ・・・・（３）
但し、全ての多重信号が同一レベルのとき
となり、この式（３）に、本実施形態の拡散符号ビット数Ｍ＝７と情報光数Ｎ＝３とを代入すると、
ＧＹ＝２０Ｌｏｇ（７／３）
＝７．３（ｄＢ） ・・・・（４）
となる。式（４）は、本実施形態の構成によれば、まだ、７ｄＢ以上のマージンがあり、したがって、そのマージン分だけ、本来の情報光Ｐ（２）以外の不要光（情報光Ｐ（１）、Ｐ（３）及び外乱光Ｐａなど）の影響を排除できることを示している。

次に、先の課題（複数の情報光の分離受光）を解決するための他の実施形態（第二の実施形態）を説明する。
図５は、第二の実施形態の光送信機２０の正面外観図である。この図において、光送信機２０は、３×３個のボックスを１単位のブロックにして、そのブロックを複数個（図では６個）組み合わせて構成されている。一つ一つのボックスが情報光を空間に発射する発光部である。したがって、図示の例の光送信機２０は、全部で３×３×６＝５４個、すなわち、Ｎ＝５４個の発光部を備える。

ボックス内の文字列（アルファベット大文字＋二桁の数字）は、次の意味がある。先頭のアルファベット大文字（Ａ〜Ｉ）は、拡散符号の種類を表している。つまり、この例では、第Ａの拡散符号（以下、ＣｏｄｅＡ）から第Ｉの拡散符号（以下、ＣｏｄｅＩ）までの９種類の拡散符号を使用する。

二桁の数値の上位桁はブロック位置を表し、下位桁はブロック内のボックス（発光部）の位置を表している。具体的には、００は上段左ブロックの上段左に位置する発光部を表し、０１は同ブロックの上段中に位置する発光部を表し、０２は同ブロックの上段右に位置する発光部を表し、０３は同ブロックの中段左に位置する発光部を表し、０４は同ブロックの中段中に位置する発光部を表し、０５は同ブロックの中段左に位置する発光部を表し、０６は同ブロックの下段左に位置する発光部を表し、０７は同ブロックの下段中に位置する発光部を表し、０８は同ブロックの下段左に位置する発光部を表している。

同様に、１０は上段中ブロックの上段左に位置する発光部を表し、１１は同ブロックの上段中に位置する発光部を表し、１２は同ブロックの上段右に位置する発光部を表し、１３は同ブロックの中段左に位置する発光部を表し、１４は同ブロックの中段中に位置する発光部を表し、１５は同ブロックの中段左に位置する発光部を表し、１６は同ブロックの下段左に位置する発光部を表し、１７は同ブロックの下段中に位置する発光部を表し、１８は同ブロックの下段左に位置する発光部を表している。

同様に、２０は上段右ブロックの上段左に位置する発光部を表し、２１は同ブロックの上段中に位置する発光部を表し、２２は同ブロックの上段右に位置する発光部を表し、２３は同ブロックの中段左に位置する発光部を表し、２４は同ブロックの中段中に位置する発光部を表し、２５は同ブロックの中段左に位置する発光部を表し、２６は同ブロックの下段左に位置する発光部を表し、２７は同ブロックの下段中に位置する発光部を表し、２８は同ブロックの下段左に位置する発光部を表している。

同様に、３０は下段左ブロックの上段左に位置する発光部を表し、３１は同ブロックの上段中に位置する発光部を表し、３２は同ブロックの上段右に位置する発光部を表し、３３は同ブロックの中段左に位置する発光部を表し、３４は同ブロックの中段中に位置する発光部を表し、３５は同ブロックの中段左に位置する発光部を表し、３６は同ブロックの下段左に位置する発光部を表し、３７は同ブロックの下段中に位置する発光部を表し、３８は同ブロックの下段左に位置する発光部を表している。

同様に、４０は下段中ブロックの上段左に位置する発光部を表し、４１は同ブロックの上段中に位置する発光部を表し、４２は同ブロックの上段右に位置する発光部を表し、４３は同ブロックの中段左に位置する発光部を表し、４４は同ブロックの中段中に位置する発光部を表し、４５は同ブロックの中段左に位置する発光部を表し、４６は同ブロックの下段左に位置する発光部を表し、４７は同ブロックの下段中に位置する発光部を表し、４８は同ブロックの下段左に位置する発光部を表している。

同様に、５０は下段右ブロックの上段左に位置する発光部を表し、５１は同ブロックの上段中に位置する発光部を表し、５２は同ブロックの上段右に位置する発光部を表し、５３は同ブロックの中段左に位置する発光部を表し、５４は同ブロックの中段中に位置する発光部を表し、５５は同ブロックの中段左に位置する発光部を表し、５６は同ブロックの下段左に位置する発光部を表し、５７は同ブロックの下段中に位置する発光部を表し、５８は同ブロックの下段左に位置する発光部を表している。

このように、図示の光送信機２０は、５４個の発光部を備え、これらの発光部の各々から、９種類の拡散符号ＣｏｄｅＡ〜ＣｏｄｅＩで変調された５４個の情報光を同時に空間に発射する。以下、これらの情報光をボックス内の文字列（Ａ００、Ａ０１・・・・）で識別することにする。

図６は、上記の光送信機２０と対で用いられる光受信機２１の外観図である。なお、ここでは、光受信機２１に汎用のデジタルカメラを利用したものを示すが、これに限定されない。ＣＣＤやＣＭＯＳなどの二次元撮像デバイスを備えた撮像機器であればよく、より詳細には、９種類の拡散符号ＣｏｄｅＡ〜ＣｏｄｅＩで変調された５４個の情報光を画素単位または複数画素の集まり単位で受光することができ、且つ、それらの受光信号を個別に信号処理できる信号処理機能を備えた撮像機器であればよい。

特に限定しないが、光受信機２１は、手持ちに適した形状のボディ２２の前面に沈胴式のレンズ鏡筒２３、ストロボ発光窓２４、ファインダ前面窓２５及び録音用の集音穴２６などを配置すると共に、ボディ２２の上面に撮影用のシャッターボタン２７及び電源スイッチ２８などを配置し、さらに、ボディ２２の背面に音声出力用の拡声穴２９、ファインダ後面窓３０、モード切り換えスイッチ３１、ズーム操作スイッチ３２、ＭＥＮＵボタン３３、カーソルキー３４、ＳＥＴボタン３５、ＤＩＳＰボタン３６及び液晶モニター３７などを配置し、加えて、ボディ２２の底面にカバー３８を設け、このカバー３８を開くことによってボディ２２の内部に実装されたバッテリ３９やカード型メモリまたはカード型ハードディスクなどの大容量の外部メモリ４０を着脱できるようになっている。

図７は、光受信機２１の内部ブロック図である。この図において、光受信機２１は、機能毎に、音声入力系４１、撮像系４２、制御系４３、音声出力系４４、画像記憶系４５、表示系４６及び操作系４７などに分類することができる。

これらの系毎に説明すると、音声入力系４１は、ボディ前面の集音穴２６の後ろに配置されたマイク４８と、このマイク４８で拾った音を増幅するアンプ４９と、アンプ４９で増幅されたアナログの音声信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部５０と、デジタル変換された音声信号を一時的に記憶する音声メモリ５１とを備える。

撮像系４２は、ボディ前面のレンズ鏡筒２３に収められたズーム機能及びオートフォーカス機能付の撮影レンズ群５２と、この撮影レンズ群５２を通過した被写体像を二次元の画像信号に変換するＣＣＤやＣＭＯＳなどからなる二次元撮像デバイス５３と、この二次元撮像デバイス５３からの画像信号に対して所要の画像処理を施す映像処理部５４と、画像処理後の画像信号を一時的に記臆する画像メモリ５５とを備えるとともに、レンズ鏡筒２３の不図示のフォーカス機構を駆動するフォーカス駆動部５６と、同ズーム機構を駆動するズーム駆動部５７と、ボディ前面のストロボ発光窓２４に設けられたストロボ５８と、このストロボ５８を駆動するストロボ駆動部５９と、これらの各部（二次元撮像デバイス５３、映像処理部５４、フォーカス駆動部５６、ズーム駆動部５７、ストロボ駆動部５９）を制御するための撮影制御部６０とを備える。

制御系４３は、上記の各系を制御して光受信機２１の動作を集中的にコントロールするワンチップマイクロプロセッサを用いた制御回路６１（マッチング手段）と、この制御回路６１の動作に必要な各種プログラムを不揮発的に記憶するプログラムメモリ６２と、ユーザ固有のデータなどを不揮発的且つ書き換え可能に記憶するユーザデータメモリ６３とを備える。

音声出力系４４は、制御回路６１から適宜に出力される音声データをアナログの音声信号に変換するＤ／Ａ変換部６４と、この音声信号を増幅するアンプ６５と、増幅された音声信号を拡声するためにボディ背面の拡声穴２９の近くに設けられたスピーカ６６とを備える。

画像記憶系４５は、画像データや音声データまたはその他のデータを外部メモリ４０に書き込んだり、外部メモリ４０から読み出したりするメモリ入出力部６７と、それらのデータを書き換え可能に記憶する外部メモリ４０とを備える。

表示系４６は、制御回路６１から適宜に出力される表示データを所定の表示フォーマット（液晶モニター３７の解像度に適合した表示フォーマット）に変換する表示制御部６８と、表示制御部６８の出力信号を表示するためにボディ背面に設けられた液晶モニター３７とを備える。

操作系４７は、ボディ上面のシャッターボタン２７や背面のモード切り換えスイッチ３１、ズーム操作スイッチ３２、ＭＥＮＵボタン３３、カーソルキー３４、ＳＥＴボタン３５及びＤＩＳＰボタン３６などを含む操作入力部６９と、この操作入力部６９からの操作信号を制御回路６１に入力するための入力回路７０とを備える。

図８は、二次元撮像デバイス５３の撮像面の拡大図である。この図において、行方向と列方向にマトリクス配列された多数の升目は、二次元撮像デバイス５３の撮像面に並べられた画素を模式化して表したものである。フォーカスが適正な場合、撮影レンズ群５２を通過した被写体からの光はこの撮像面上に焦点を結び、したがって、撮像面に被写体像が投影（結像）される。撮像面の各々の画素（升目の一つ一つ）は、自己の画素面積に照射された光の強さに応じた電気信号（画素信号）を生成出力する。二次元撮像デバイス５３は、それらの画素信号を線順次に読み出して１枚の画像信号として出力する。したがって、たとえば、撮像面の画素が６４０×４８０個であった場合、１枚の画像信号は６４０×４８０個の画素信号から構成される。

図９は、光受信機２１の動作フローチャートを示す図である。光受信機２１の電源スイッチ２８をオンにすると、モード切り換えスイッチ３１の現在のポジションを調べて再生モードであるか、撮影モードであるかを判断する（ステップＳ１１）。「再生モード」の場合は、所定の“再生モード処理”を実行する（ステップＳ１２）。再生モード処理とは、外部メモリ４０から撮影済の画像データを読み出し、それを液晶モニター４７に再生表示するモードのことである。

一方、「撮影モード」の場合は、まず、“光通信”を行うか否かを判定する（ステップＳ１３）。光通信とは、前記の光送信機２０（図５参照）からの多数の光情報を受光し、その情報を復元して液晶モニター４７に表示することをいう。ユーザは、光通信を行いたい場合はモード切り換えスイッチ３１を「撮影モード」ポジションにし、且つ、予め定められている所定のボタン操作（たとえば、カーソルキー３４を所定方向に所定回数押した後、ＳＥＴボタン３５を押すなどの操作）を実行する。

光通信を行わない場合は、“通常の撮影モード処理”を実行する（ステップＳ１４）。通常の撮影モード処理とは、液晶モニター４７に映し出されたスルー画像を見ながら構図を調整し、所望の構図が得られたときにシャッターボタン２７を押し下げ操作して撮影を行い、その撮影データを圧縮処理して外部メモリ４０に記録するという一連の処理を実行するモードのことをいう。

さて、光通信を行う場合、ユーザは「撮影モード」の状態のまま、対象物（図５の光送信機２０）にレンズ鏡筒２３を向け、液晶モニター４７にその対象物の全体が収まるように構図を調整する。このとき、対象物の全体が液晶モニター４７に収まりきらない場合や小さすぎる場合にはズーム操作スイッチ３２を調整して撮影画角を広げたり（広角にしたり）、狭くしたり（望遠にしたり）してもよい。

適当な構図が得られた段階で、ユーザによって、所定のボタン操作（たとえば、カーソルキー３４を所定方向に所定回数押した後、ＳＥＴボタン３５を押すなどの操作）が実行されると、まず、マッチング処理を行い（ステップＳ１５：マッチング手段）、次いで、対象物（図５の光送信機２０）からの情報の読み取りを行い（ステップＳ１６）、最後に、その情報を液晶モニター４７に表示する（ステップＳ１７）。

マッチング処理とは、先の課題（複数の情報光の分離受光）を解決するためのものである。すなわち、図５の光送信機２０は、多数（図示の例では５４個）の発光部を平面上に配列しており、一方、光受信機２１も、多数の画素をマトリクス状に配列した二次元撮像デバイス５３を備えているが、発光部の数及び配列の仕方と、二次元撮像デバイス５３の画素の数及び配列の仕方は当然ながら一致せず、しかも、光送信機２０から光受信機までの距離も一定しないため、光受信機２１で「複数の情報光の分離受光」を行うための何らかの処理を必要とするからである。

図１０は、光送信機２０から光受信機２１までの距離を示す図である。この図において、光送信機２０から距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７離れた各々の位置に、光受信機２１を所持したユーザ７１〜７７が立っているものとする。すべてのユーザ７１〜７７は光送信機２０の点滅に気が付いており、且つ、その光の点滅が任意の情報を含む光通信であることも承知しているものとする。さて、すべてのユーザ７１〜７７が自分の光受信機２１を光受信機２１に向け、所定のボタン操作を行って光通信を開始したとすると、各人の光受信機２１の液晶モニター４７には距離Ｌ１〜Ｌ７に応じて大きさが異なる画像が映し出される。

映し出される画像の大きさは、距離Ｌ１で最も大きく、距離Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４・・・・になるにつれて徐々に小さくなり、距離Ｌ７で最も小さくなる。なお、ここでは、説明を簡単化するためにズーム操作は行わないものとする。

図１１は、距離Ｌ１における光送信機２０の発光部と光受信機２１の画素との関係図である。（ａ）に示すように、上段左の発光部の光情報が“Ａ００”、上段中の発光部の光情報が“Ｂ０１”、上段右の発光部の光情報が“Ｃ０２”、中段左の発光部の光情報が“Ｄ０３”、中段中の発光部の光情報が“Ｅ０４”、中段右の発光部の光情報が“Ｆ０５”、下段左の発光部の光情報が“Ｇ０６”、下段中の発光部の光情報が“Ｈ０７”、下段右の発光部の光情報が“Ｉ０８”であるとする。すなわち、各々の発光部が異なる９個の拡散符号（ＣｏｄｅＡ〜ＣｏｄｅＩ）で変調されているものとする。ここで、ＣｏｄｅＡはマッチング処理において基準となる拡散符号である。

光送信機２０に最も近い距離Ｌ１では、光受信機２１の二次元撮像デバイス５３によって、光送信機２０のすべての発光部が充分な大きさで撮像される。このため、（ｂ）に示すように、二次元撮像デバイス５３によって撮影された画像には、ＣｏｄｅＡの非検出画素Ｕの中にＣｏｄｅＡの検出画素Ｄの塊（図示の例では３×３画素）が存在することになる。このような場合は、検出領域Ｄの中心をＣｏｄｅＡのサンプリング点とし、そのＣｏｄｅＡのサンプリング点を起点にして順次にＣｏｄｅＢのサンプリング点、ＣｏｄｅＣのサンプリング点、ＣｏｄｅＤのサンプリング点・・・・を決定していけばよい。

図１２は、距離Ｌ２における光送信機２０の発光部と光受信機２１の画素との関係図である。この図において、前記の距離Ｌ１よりもやや遠い距離Ｌ２では、ＣｏｄｅＡの検出画素Ｄの塊が距離Ｌ１のときよりも小さくなる。たとえば、（ｂ）に示すように、２×２画素程度になることがある。ＣｏｄｅＡのサンプリング点は、この狭い範囲（２×２画素程度の範囲）のどこかに存在するが、情報が少なく、確実なＣｏｄｅＡのサンプリング点を決めにくい。そこで、このような場合には、とりあえず２×２画素のうちの一つの画素（たとえば、完全にハッチングで覆われた画素）の中心を暫定的なＣｏｄｅＡのサンプリング点とし、この暫定サンプリング点を起点にして順次にＣｏｄｅＢのサンプリング点、ＣｏｄｅＣのサンプリング点、ＣｏｄｅＤのサンプリング点・・・・を決定する。そして、それらのサンプリング点を使用して誤りが多ければ、他の検出画素Ｄに暫定サンプリング点を移動して上記の動作を繰り返す。

図１３は、距離Ｌ３における光送信機２０の発光部と光受信機２１の画素との関係図である。距離Ｌ２よりもさらに遠い距離Ｌ３では、一つの発光部と一つの画素が一対一に対応することがある。このような場合は、各検出画素Ｄの中心をＣｏｄｅＡのサンプリング点とし、そのＣｏｄｅＡのサンプリング点を起点にして順次にＣｏｄｅＢのサンプリング点、ＣｏｄｅＣのサンプリング点、ＣｏｄｅＤのサンプリング点・・・・を決定していけばよい。

図１４は、距離Ｌ４における光送信機２０の発光部と光受信機２１の画素との関係図である。距離Ｌ３よりもさらに遠い距離Ｌ４では、（ｂ）に示すように、ＣｏｄｅＡの検出画素ＤとＣｏｄｅＡの非検出画素Ｕの出現比率が行方向で１対３になることがある。この場合、発光部と画素の割合は行方向で２対３であり、ＣｏｄｅＡのサンプリング点は、検出画素Ｄのハッチング中心で与えられるので、そのＣｏｄｅＡのサンプリング点を起点にして順次にＣｏｄｅＢのサンプリング点、ＣｏｄｅＣのサンプリング点、ＣｏｄｅＤのサンプリング点・・・・を決定していけばよい。

図１５は、距離Ｌ５における光送信機２０の発光部と光受信機２１の画素との関係図である。距離Ｌ４よりもさらに遠い距離Ｌ５では、ＣｏｄｅＡの検出画素Ｄと非検出画素Ｕの比が行方向で２対１になることがある。この場合、発光部と画素の割合は行方向で１対２であり、ＣｏｄｅＡのサンプリング点は、検出画素Ｄのハッチング中心で与えられるので、そのＣｏｄｅＡのサンプリング点を起点にして順次にＣｏｄｅＢのサンプリング点、ＣｏｄｅＣのサンプリング点、ＣｏｄｅＤのサンプリング点・・・・を決定していけばよい。

図１６は、距離Ｌ６における光送信機２０の発光部と光受信機２１の画素との関係図である。距離Ｌ５よりもさらに遠い距離Ｌ６では、すべての画素がＣｏｄｅＡの検出画素Ｄとなることがある。この場合、各画素に対してすべての拡散符号（ＣｏｄｅＡ〜ＣｏｄｅＩ）で相関をとることになる。なお、距離Ｌ６よりもさらに遠い距離Ｌ７の場合にも、図１６と同様の関係になるが、この場合は、各画素に、隣の繰り返しパターンが入ってくるため、再生不能として取り扱う（たとえば、エラーメッセージを表示してユーザに告知する）。

図１７は、マッチング処理のフローチャートを示す図である。この図において、マッチング処理を開始すると、まず、全画素で基準の拡散符号（ＣｏｄｅＡ）のマッチングをとる（ステップＳ１５ａ）。そして、非検出領域Ｕの中に連続した検出領域Ｄが存在するか否かを判定し（ステップＳ１５ｂ）、存在していなければ、非検出領域Ｕと検出領域Ｄの比から重なり具合を計算し（ステップＳ１５ｃ）、その計算結果に基づいてマッチングパターンを選択する（ステップＳ１５ｄ）。

一方、非検出領域Ｕの中に連続した検出領域Ｄが存在している場合には、次に、非検出領域Ｕと検出領域Ｄの比が期待した比になっているか否かを判定し（ステップＳ１５ｅ）、期待した比になっていれば、検出領域Ｄの中央をＣｏｄｅＡのマッチング点とし（ステップＳ１５ｆ）、そのマッチング点を起点にして他のＣｏｄｅのマッチング点を決定する（ステップＳ１５ｇ）。または、期待した比になっていなければ、検出領域Ｄの画素の一つをＣｏｄｅＡのマッチング点とし（ステップＳ１５ｈ）、そのマッチング点を起点にして他のＣｏｄｅのマッチング点を決定する（ステップＳ１５ｉ）。

このように、第二の実施形態によれば、光受信機２１の二次元撮像デバイス５２で撮影された光送信機２０の撮影画像の中から基準拡散符号（ＣｏｄｅＡ）の画素（検出画素Ｄ）を検出し、その検出結果に従ってＣｏｄｅＡのサンプリング点を決定するとともに、そのＣｏｄｅＡのサンプリング点を起点にして他の拡散符号（ＣｏｄｅＢ〜ＣｏｄｅＩ）のサンプリング点を順次に決定するので、光送信機２０からの距離（但し、Ｌ１〜Ｌ６の間）に関わらず、複数の情報光を正しく分離識別して、光送信機２０からの情報を光受信機２１で復元再生することができる。したがって、たとえば、店頭における商品説明、博物館や展覧会における展示品説明、建築物等のランドマーク表示、広告表示、遊園地等の遊戯施設混雑状態表示など、様々な用途に利用できる光送信機、光受信機及び光通信システムの実用化に供することができる。

第１の実施形態の光送信機１の構成図である。 光送信機１の信号タイムシーケンス図である。 第１の実施形態の光受信機６の構成図である。 複数の情報光の分離受光を可能にした光受信機６の要部構成図である。 第二の実施形態の光送信機２０の正面外観図である。 光送信機２０と対で用いられる光受信機２１の外観図である。 光受信機２１の内部ブロック図である。 二次元撮像デバイス５３の撮像面の拡大図である。 光受信機２１の動作フローチャートを示す図である。 光送信機２０から光受信機２１までの距離を示す図である。 距離Ｌ１における光送信機２０の発光部と光受信機２１の画素との関係図である。 距離Ｌ２における光送信機２０の発光部と光受信機２１の画素との関係図である。 距離Ｌ３における光送信機２０の発光部と光受信機２１の画素との関係図である。 距離Ｌ４における光送信機２０の発光部と光受信機２１の画素との関係図である。 距離Ｌ５における光送信機２０の発光部と光受信機２１の画素との関係図である。 距離Ｌ６における光送信機２０の発光部と光受信機２１の画素との関係図である。 マッチング処理のフローチャートを示す図である。

符号の説明

Ｃ（ｉ） 拡散符号
Ｐ（ｉ） 情報光
Ｓ１５ ステップ（マッチング手段）
ＴＸ 送信情報
１ 光送信機
２ 多値化回路
３ 拡散符号発生部
４（ｉ） 拡散部
５（ｉ） 発光部
６ 光受信機
７（ｉ） 受光部
８ 拡散符号発生部
９（ｉ） 逆拡散部
１０ 情報復元化回路
１２ 平均値抽出回路
１３ 極性切替回路
１４ 積分及びサンプルホールド回路（積分回路）
１５ 二値化回路
５３ 二次元撮像デバイス
６１ 制御回路（マッチング手段）
２１ 光受信機

Claims (3)

1. 光学ズーム部と、
   前記光学ズーム部を介して受光したＮ個の情報光を電気信号に変換する二次元撮像デバイスと、
   前記二次元撮像デバイスによって撮影された撮影画像の中から基準拡散符号の画素を検出し、その検出結果に従って基準拡散符号のサンプリング点を決定するとともに、その基準拡散符号のサンプリング点を起点にして他の拡散符号のサンプリング点を順次に決定するマッチング部と、
   Ｎ個の拡散符号を生成する拡散符号生成部と、
   前記サンプリング点の各々から出力された電気信号を二値化し、当該二値化した各々の信号を前記拡散符号生成部において生成された各拡散符号によって逆拡散することで受信情報の各ビットを出力するＮ個の逆拡散部と、
   前記Ｎ個の逆拡散部の出力を組み合わせて受信情報を復元する情報復元化部と
   を備えたことを特徴とする光受信機。
2. 前記Ｎ個の逆拡散部は、
   前記サンプリング点の信号の直流分及び低周波成分を取り出して該直流分及び低周波成分からなる基準信号を生成する平均値抽出部と、
   前記サンプリング点の信号と前記拡散符号生成部からの拡散符号と前記基準信号とを入力するとともに前記基準信号よりも前記サンプリング点の信号が大きいときには前記拡散符号をそのまま出力し、前記基準信号よりも前記サンプリング点の信号が小さいときには拡散符号を反転出力する極性切替部と、
   前記極性切替部からの信号を積分してその積分値のサンプルホールド値を出力する積分部と、
   前記積分部の出力を二値化して受信情報の各ビットとして出力する二値化部と
   を有することを特徴とする請求項１記載の光受信機。
3. 光送信機と光受信機とで構成される光通信システムであって、
   前記光送信機は、
   送信情報をＮビットずつに区切って多値化する多値化部と、
   Ｎ個の拡散符号を生成する拡散符号発生部と、
   前記多値化された送信情報の各ビットを前記拡散符号発生部において生成された各拡散符号によって符号拡散するＮ個の拡散部と、
   各々の拡散部からの信号で駆動されるＮ個の発光部と
   を備え、
   前記光受信機は、
   請求項１または２に記載の光受信機を含む
   ことを特徴とする光通信システム。

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