JP4677903B2

JP4677903B2 - 光無線伝送装置

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Publication number: JP4677903B2
Application number: JP2006000614A
Authority: JP
Inventors: 学坂根
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2006-01-05
Filing date: 2006-01-05
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2026-01-05
Also published as: JP2007184705A

Description

本発明は、データ信号等により変調された光を送受信することによりデータ伝送を行うための光無線伝送装置に関する。

従来、光無線を用いた通信方式としては、いわゆるリモートコントロール装置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存在する。

拡散型通信方式においては、受発光部それぞれの指向性を広く設定することにより、通信相手の方向を特定することや受発光部を高精度で通信相手に対向させることなく通信が可能である。また、反射光も利用できるため、通信光の遮蔽による影響を受けにくいという利点も有する。反面、発光部の指向性を広く設定していることから、受光部に達する光量が少なく、周囲のノイズにも影響されやすいという問題点も有しており、この問題点から、拡散型通信方式を高速通信に用いることは困難であると考えられている。

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により、受光面に到達する光の減衰が抑制され、また、受光部では外乱光等のノイズを抑制す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適している。しかしながら、出射光を相手側の受光部に正確に照射する必要があり、これが技術的な課題となっている。

この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は、２次元撮像素子を用いることにより、相手装置からのガイド光を撮像し、撮像結果から相手側装置の方向を特定し、これに基づいて出射光を相手装置の方向に向ける方法が挙げられる。この方法では、２次元的に通信相手を探すため、この通信相手を迅速に特定することが可能である。なお、通信相手の方向を特定するにあたっては、パターン認識等を用いるが、通信相手の形状ならびに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。

この問題の解決策としては、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光軸調整方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

上記の光軸調整方法の差分データにおいては、フレーム間の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により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、この方法においては、撮像素子の取り込みタイミングと正確に同期された信号に基づいて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、受光素子、変調回路等をさらに設ける必要があり、装置の大型化、コストの上昇を招いていた。

この問題の解決策としては、通信相手から発せられる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ずに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）。
特開平９−３３１２９５号公報特開２００４−３４９９６８号公報

図１１は、従来例の光無線伝送システムの全体構成図である。この光無線伝送システムは、端末６００側に設置された撮像素子により得られた撮像データを用いて光軸調整を行う光無線伝送装置である子機６０１と、天井に設置され、前記の光無線伝送装置６０１の通信相手となる光無線伝送装置である親機６０２とからなる。これらのうち、親機６０２は、通信光及びガイド光を発光するＬＥＤ（Light Emitting Diode）を備える発光部６０３と、子機６０１からの通信光を受光する受光素子を備える受信部６０４とからなる。

図１２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である。

本例においては、発光部６０３内のＬＥＤはガイド光を発し、所定の時間Ｔの周期で点滅を繰り返す。一方、子機６０１の撮像素子はＴ／４周期のタイミングで露光を繰り返す。

この結果、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。

このうち、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、通信相手側のガイド光が点灯中又は消灯している際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こととなる。

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、通信相手側のガイド光の点滅タイミングにおける立ち上がり時又は立ち下がり時に露光しているため、得られるデータは不定となる。

このような現象が生じる理由としては、親機６０２のＬＥＤの点滅タイミングと子機６０１の撮像素子の露光タイミングとを互いに同期させていない点が挙げられる。

このため、図１２に示した例においては、撮像素子により蓄積される電荷の量は、奇数フレームN０.３＞（偶数フレームＮＯ．２及びＮＯ．４）＞奇数フレームＮ０．１となる。その結果、２つの奇数フレームＮＯ．１及びＮＯ．３の差分をとることにより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の差分をとることにより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を示す最適なデータが選択されることになる。

なお、本例を実現するためには、図１３に示すような構成が必要となる。図示するように、奇数フレーム同士の差分フレームデータと、偶数フレーム同士の差分フレームデータとをもとに通信相手方向を決定するため、少なくとも４つのフレームバッファと２系統の減算器を含むピーク検出回路が必要となる。

さらに、奇数／偶数フレーム単位でバッファを切り替えるためのセレクタ６０１−１、各奇数フレームおよび偶数フレームを格納するためのフレームバッファ６０１−２Ａ及び６０１−２Ｂ、レジスタ６０１−３Ａ及び６０１−３Ｂ、減算器６０１−４Ａ及び６０１−４Ｂ、奇数フレーム間差分フレームデータおよび偶数フレーム間差分フレームデータをそれぞれ格納するためのフレームバッファ６０１−５Ａ及び６０１−５Ｂ、奇数フレーム間差分フレームデータおよび偶数フレーム間差分フレームデータ毎に通信相手からの光を検出するためのピーク検出部６０１−６Ａ及び６０１−６Ｂを設ける必要があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、光軸を簡易的且つ正確に調整可能な光無線伝送装置をさらに小型化することにある。

本発明は、上記課題を解決するため、所定の周期で点滅するガイド光を照射する相手装置の通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を調整した後、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であって、前記通信光を送信する送信手段と、前記相手装置から送られてきた通信光を受光する受光手段と、前記相手装置から発せられたガイド光を２次元のフレーム画像として撮像する２次元撮像手段と、前記通信光の光軸を変更する光軸変更手段と、前記撮像データから前記相手装置の方向を特定し、特定した相手装置の方向に基づいて前記光軸変更部を制御して該通信光の光軸を該相手装置に向ける制御手段とを有し、前記２次元撮像手段は、前記フレーム画像に対応する複数の画素から構成された撮像面を有する撮像素子と、フレーム画像毎に露光タイミングを決定する露光制御手段と、前記ガイド光が前記撮像面に向かって入射された際に、前記露光制御手段により決定された露光タイミングに応じて該撮像面に露光されるガイド光に基づいて画素毎に得られる電荷データをフレーム画像として順次撮像する撮像制御手段と、前記撮像制御手段により撮像された時間的に隣接するフレーム画像の各画素間の減算処理を行って該隣接するフレーム画像の各画素間の差分データを求めることにより、前記時間的に隣接するフレーム画像間の差分フレームデータを生成する差分フレーム生成手段とを備え、前記露光制御手段は、前記相手装置から照射されるガイド光の点滅周期をＴとした場合、時間的に連続するフレームのうちｎ番目のフレーム（ｎは正の整数）の第１の露光タイミング、（ｎ＋１）番目のフレームの第２の露光タイミング、および（ｎ＋２）番目のフレームの第３の露光タイミングを、前記第１の露光タイミングと前記第２の露光タイミングとの間隔が前記ガイド光の点滅周期Ｔの１／２になり、かつ、前記第２の露光タイミングと前記第３の露光タイミングとの間隔が前記ガイド光の点滅周期Ｔの１／２よりも短くなるように設定することを要旨とする。

本発明によれば、ガイド光が撮像面に向かって入射され、露光制御手段により決定された露光タイミングに応じて撮像面に露光された際に、撮像制御手段により、そのガイド光に基づいて画素毎に得られる電荷データがフレーム画像として順次撮像される。そして、差分データを求める手段により、撮像制御手段により撮像された時間的に隣接するフレーム画像の各画素間の減算処理が実行され、隣接するフレーム画像の各画素間の差分データが求められる。求められた差分データに基づいて、差分フレーム生成手段により、時間的に隣接するフレーム画像間の差分フレームデータが生成される。

すなわち、本発明によれば、時間的に隣接しない偶数フレーム間の差分フレームデータ、および奇数フレーム間の差分フレームデータを求めるのではなく、時間的に隣接するフレーム画像間（具体的にいえば、奇数フレーム画像および偶数フレーム画像間）の差分フレームデータを求めている。

このため、奇数フレーム毎および偶数フレーム毎にそれぞれ必要であったフレームバッファ、レジスタ、差分フレームバッファ、およびピーク検出器の数を約半減させることができ、撮像装置、およびこの撮像装置を備えた光無線伝送装置及び撮像装置をさらに小型化および低コスト化することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、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」と呼称する。

[第１実施形態]
図１は、本発明の第１実施形態に係る光無線伝送システムの全体構成図である。

この光無線伝送システムは、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）等の端末装置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、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とから構成される。

親機１０２は、例えば天井Ｃに設置されており、電源容量が大である。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°の範囲から到来する光を、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には、そのうちの１個を示している。

図２は、子機１０１の概略図であり、図２（ａ）はその断面を、図２（ｂ）は光の入出側端から見たときの正面をそれぞれ示している。なお、本図においては光学系の記載は省略している。

子機１０１は、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・水平方向に駆動させる駆動ユニット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、反射されなかった光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により集光された通信光を受光する受光素子２０５とから構成される。

発光素子２０１から発せられた出射光は、レンズ２０２で任意の指向角を有する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。上記の光制御素子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に照射された際、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。このレーザダイオードは、ビーム径が細く、それを更にレンズ２０２によって略平行の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。なお、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。なお、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を備える駆動ユニット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、２次元撮像部２０９が設置されている。この２次元撮像部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（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサといった２次元撮像素子で構成される。なお、２次元撮像部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。

２次元撮像部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できる２次元撮像素子であるＣＭＯＳセンサ２０９Ａと、９０°（±４５°）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、不要な光を除去するため、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（ｎ、ｍは、２以上の整数）画素に分割されており、これにより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。２次元撮像部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。

本実施形態においては、上記のとおり２次元撮像素子としてＣＭＯＳセンサ２０９Ａを用いるため、装置の小型化が可能となる。

図４は、上記のＣＭＯＳセンサ２０９Ａのブロック図である。

このＣＭＯＳセンサ２０９Ａにおいては、露光信号及びクロックがＬＯＧＩＣ部２０９−１に入力されることで、内部用の各種制御信号が生成される。センサ部２０９−３より取り込まれた光信号はフレーム毎にＣＤＳ部２０９−４Ａ及び２０９−４Ｂにてノイズを除去された後、アンプ２０９−５にて各画素毎に減算され、ＡＤコンバータ２０９−６を介して、デジタルデータが出力されると同時に、ロッジク（ＬＯＧＩＣ）部２０９−１より、ＨおよびＶ同期信号が出力される。

なお、シフトレジスタ２０９−２は、センサ部２０９−３の光信号を水平ライン毎にＣＤＳ（Correlated Double Sampling：相関２重サンプリング）部２０９−４Ａ及び２０９−４Ｂに順次伝達していくためのものである。

図５は、センサ部２０９−３の１画素の構成を示す図である。

この画素においては、ＰＤ２０９−７に照射された光は、電気信号としてセレクタ２０９−８を介して奇数フレームと、偶数フレームとに分けられる。

奇数フレーム撮像時は、信号がＣＤＳ部２０９−４Ａを介してアンプ２０９−５に伝達され、その一方、蓄積部２０９−９Ｂに蓄積された１フレーム前の画素データはＣＤＳ部２０９−４Ｂを介して前記と同様にアンプ２０９−５へと伝達される。

アンプ２０９−５では、両画素データを減算し、ＡＤコンバータ２０９−６へと伝達する。また、このＡＤコンバータ２０９−６でのダイナミックレンジを広げるため、また、後述する外部信号処理を簡素化するため、アンプ２０９−５に絶対値回路を付加することが有効である。ＡＤコンバータ２０９−６は、減算により得られた差分画素データをデジタルデータに変換する。このようにして、時間的に隣接する奇数フレームおよび偶数フレーム間の画素毎の差分データを表す差分フレーム画像データＤ１が生成される。

また、偶数フレーム撮像時は、信号がＣＤＳ部２０９−４Ｂを介してアンプ２０９−５に伝達され、その一方、蓄積部２０９−９Ａに蓄積された１フレーム前の画素データがＣＤＳ部２０９−４Ｂを介してアンプ２０９−５へと伝達される。

図６は、子機１０１の制御系の構成を示すブロック図である。なお、本図に示した図２と同様に部分には同一符号を付与している。

信号処理部３０１は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等のマイクロプロセッサにより構成され、２次元撮像部２０９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ともに、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を駆動するにあたって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軸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・水平方向に駆動させる。

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へ伝達される。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を駆動させ、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へ伝達される。

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際の子機１０１の動作を図７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、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、通信路が確立しているか否かを示すリンク信号を通信制御部３０４から受信し、イネーブル、つまり通信路が確立しているか否かを判断する（ステップＳ１０）。

ここで、リンク信号がイネーブルの場合（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、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Ｓ２０）。

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Ｓ１０：NO）は、信号処理部３０１は２次元撮像部２０９に対しＣＭＯＳセンサに露光を行わせるための露光信号を出力し、２次元撮像部２０９から撮像データを取得する（ステップＳ３０）。

信号処理部３０１は、２次元撮像部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Ｓ４０）。ここで、ガイド光を検出できた場合（ステップＳ４０：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へ伝達し、モータを駆動させることにより光軸調整を実施し（ステップＳ５０）、これにより親機１０２との間で通信路が確立され、通信光の送信が可能となる。

また、上記のステップＳ４０においてガイド光の照射位置を特定できない場合（ステップＳ４０：ＮＯ）は、図示しない表示用ＬＥＤを点灯させ、エラーが発生した旨を表示する（ステップＳ６０）。

次に、図８から図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際のデータ処理について説明する。

本実施形態では、親機１０２のガイド光は時間Ｔの周期で点滅する。また、ＣＭＯＳセンサ２０９Ａの露光時間をｗ１、１フレーム分を出力するために要する時間をｗ２とする。さらにＣＭＯＳセンサ２０９Ａの露光タイミングは奇数フレームから偶数フレーム間では時間Ｔ／２とし、ＣＭＯＳセンサの出力に要する時間（ｗ１＋ｗ２）とする。ここで、ｗ１＋ｗ２はＴ／２より十分に短い時間とする。

図８は、信号処理部３０１のブロック図である。以下、各部の機能について説明する。

この信号処理部３０１は、前述の２次元撮像部２０９からの差分撮像データが入力されるフレームバッファ４０２、加算器４０１、方向制御部４０３、方向テーブル格納部４０４、これらの動作を制御するための制御信号を送信するコントローラ４０５を備えている。なお、前記の制御信号には露光タイミング信号、クロックが含まれる。また、撮像部からのＨおよびＶ同期信号が入力される。

加算器４０１は、複数の差分フレームデータを加算するためのものであり、フレームバッファに蓄積された差分フレームデータを２次元撮像素子からの差分フレームデータと加算する。加算回数は、多いほど精度が向上するが、反面、所要時間がかかるため、ＣＭＯＳセンサ２０９Ａの動作速度を加味する必要がある。

方向制御部４０３は、差分フレームデータを任意の回数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４０４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（本実施形態では、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のは、２次元撮像部２０９のＣＭＯＳセンサ２０９Ａ上に取り付けられた集光レンズ２０９Ｂの特性上、ＣＭＯＳセンサ２０９Ａ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、２次元撮像部２０９内のＣＭＯＳセンサ２０９Ａ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。図中のデータＤ１、Ｄ２（図８参照）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、図９を参照しつつ、信号処理部３０１によるガイド光の照射位置を確定させるためのデータ処理を説明する。

まず、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／２の露光タイミングにて２次元撮像部２０９は露光し、ＣＭＯＳセンサ２０９Ａ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は、絶対値をとるため、通常は点滅時及び消灯時のデータの差分となり、光量に準じた値を示すこととなる。ただし、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した場合（ＯＤＤ２、ＥＶＥＮ２）、ともにほぼ同レベルとなり、差分データはゼロに近い値となる場合もある。本実施形態では、前記状態を極力回避するため、偶数フレームから奇数フレーム間の露光間隔をあえてＴ／２より短くすることで、上記の状態が連続して発生する状態を回避することができる。

また、相手方向を確定するまでの時間を短縮するために、前記間隔を露光時間＋出力時間としている。さらに、複数データを加算することで前記状態での誤検出を回避する（D２）。

なお、本実施形態では時間Ｔを特定していないが、電源周波数と同周期にすることにより、特に室内において誤動作のもととなる蛍光灯の点滅光ノイズを除去することも可能である。

[第２実施形態]
図１０は、本発明の第２実施形態に係る光無線伝送装置である子機（送受信ユニット）５の構成図である。この子機５は光軸調整にアクチュエータを用いるものである。なお、その他の構成及び動作は第１実施形態と同様であるので説明は省略する。

図示するように、子機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、コリメートレンズなどのレンズ５０２と、入射光の一部を反射し、その他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とを備える。

発光素子５０１とレンズ５０２は、発光素子５０１からレンズ５０２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により略平行のビーム光にされ、光制御素子５０５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５０５で反射された後、レンズ５０４で集光されて受光素子５０３に受光される。

以上の構成を有する子機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で駆動させるため、上記第１実施形態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、これと同様に機能する他のアクチュエータを用いることができる。

また、上記の第１および第２実施形態では、本発明を光無線伝送装置に適用した例を説明しているが、本発明の２次元撮像装置を用いることで、セキュリティシステム等に利用される導体検出装置等の他の装置を容易に実現することが可能となる。

以上説明したように、第１および第２実施形態によれば、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ともに、撮像素子にフレーム差分機能を内蔵したＣＭＯＳセンサを用いることにより装置を簡略化ならびに小型化でき、さらに光軸を簡易的且つ正確に調整することが可能となる。

特に、第１および第２実施形態によれば、時間的に隣接しない偶数フレーム間の差分フレームデータ、および奇数フレーム間の差分フレームデータを求めるのではなく、時間的に隣接する奇数フレーム画像および偶数フレーム画像間の差分フレームデータを求め、この差分フレームデータを用いて通信相手装置の方向を特定している。

本発明の第１実施形態に係る光無線伝送システムの全体構成図である。（ａ）は、図１の子機の断面図であり、（ｂ）は、この子機の正面図である。図２の撮像部の構成図である。図３のＣＭＯＳセンサの構成図である。図４のセンサ部２０９−３の画素の構成図である。図１の子機制御系の構成図である。親機との間で通信路を確立し、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。図６の信号処理部の構成図である。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。本発明の第２実施形態に係る子機の構成図である。従来の光無線伝送システムの構成図である。従来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。従来の子機制御系の構成図である。

符号の説明

５、１０１子機
１０２親機
１０３ＬＥＤ
１０４受光部
１０５サービスエリア
１２１発光部
１２２受光部
２０１、５０１発光素子
２０２、２０４、５０２、５０４レンズ
２０３、５０５光制御素子
２０５、５０３受光素子
２０６、２０７可動軸
２０８軸受け部
２０９、５０７２次元撮像部
２０９ＡＣＭＯＳセンサ
２０９Ｂ集光レンズ
２０９−１ＬＯＧＩＣ部
２０９−２シフトレジスタ
２０９−４ＣＤＳ部
２０９−５アンプ
２０９−６ＡＤコンバータ
２０９−７ＰＤ
２０９−８セレクタ
２０９−９蓄積部
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
３０５ドライバ
３０６レシーバ
３０７第１のモータ
３０８第２のモータ
４０１加算器
４０２フレームバッファ
４０３方向制御部
４０４方向テーブル格納部
４０５コントローラ
５０１発光素子
５０６反射光学系

Claims

所定の周期で点滅するガイド光を照射する相手装置の通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を調整した後、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であって、
前記通信光を送信する送信手段と、
前記相手装置から送られてきた通信光を受光する受光手段と、
前記相手装置から発せられたガイド光を２次元のフレーム画像として撮像する２次元撮像手段と、
前記通信光の光軸を変更する光軸変更手段と、
前記撮像データから前記相手装置の方向を特定し、特定した相手装置の方向に基づいて前記光軸変更部を制御して該通信光の光軸を該相手装置に向ける制御手段とを有し、
前記２次元撮像手段は、
前記フレーム画像に対応する複数の画素から構成された撮像面を有する撮像素子と、
フレーム画像毎に露光タイミングを決定する露光制御手段と、
前記ガイド光が前記撮像面に向かって入射された際に、前記露光制御手段により決定された露光タイミングに応じて該撮像面に露光されるガイド光に基づいて画素毎に得られる電荷データをフレーム画像として順次撮像する撮像制御手段と、
前記撮像制御手段により撮像された時間的に隣接するフレーム画像の各画素間の減算処理を行って該隣接するフレーム画像の各画素間の差分データを求めることにより、前記時間的に隣接するフレーム画像間の差分フレームデータを生成する差分フレーム生成手段とを備え、
前記露光制御手段は、前記相手装置から照射されるガイド光の点滅周期をＴとした場合、時間的に連続するフレームのうちｎ番目のフレーム（ｎは正の整数）の第１の露光タイミング、（ｎ＋１）番目のフレームの第２の露光タイミング、および（ｎ＋２）番目のフレームの第３の露光タイミングを、前記第１の露光タイミングと前記第２の露光タイミングとの間隔が前記ガイド光の点滅周期Ｔの１／２になり、かつ、前記第２の露光タイミングと前記第３の露光タイミングとの間隔が前記ガイド光の点滅周期Ｔの１／２よりも短くなるように設定する、
ことを特徴とする光無線伝送装置。