JP6353305B2 - 光無線通信システム及び光無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、空間を媒体として光無線通信を行う光無線通信システム及び光無線通信方法に関する。

近年、通信の高速化に伴い、ＦＳＯ（Ｆｒｅｅ Ｓｐａｃｅ Ｏｐｔｉｃｓ）として知られる光無線通信システムが注目されている。光無線通信システムは、空間を媒体としてレーザ光を用いて通信するシステムである。この光無線通信システムは、光ファイバを敷設せず、無線のように光送信機、光受信機の設置のみで通信できること、電波を利用する無線通信システムと異なり、免許が必要なく、広帯域の通信が可能であることという利点がある。

光無線通信システムの適応先の一つとして、光無線信号に窓などに設置されたガラスなどの媒質を透過させる通信（以下、ガラス越し通信）が提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照。）。ガラス越し通信は、壁などで仕切られた部屋と部屋の間の通信や、室内と室外との間の通信などにおいて、壁に穴を開けることなく窓などのガラス越しに光無線信号を透過させるものである。

特開２００７−２２８４６６号公報

辻村健他、「ガラス越し光空間通信システムの提案」、電子情報通信学会技術研究報告、光ファイバ応用技術ＯＦＴ２００７−５、１０７（５２）、１９−２４頁、２００７年５月１７日

しかし、光無線信号は、電波よりも通過する媒質による減衰や拡散の影響を受けやすいという欠点がある。例えば、ガラス越し通信では、ガラス等の媒質を透過する際の損失による信号光の強度低下という品質劣化要因以外に、反射による符号間干渉が品質劣化要因になる。

ガラス越し通信の例を図１、図２に示す。図１において、光送信機２０１からの光無線信号は、自由空間を伝搬し、途中でガラス１１２、ガラス１１１を透過して、光受信機２０２で直接光信号Ｓｄｉｒｅｃｔとして受信される。直接光信号Ｓｄｉｒｅｃｔは、光送信機２０１から光受信機２０２へ直接伝搬する光無線信号を表す。その一方、図２において、光送信機２０１からの光無線信号には、ガラス１１１で反射され、逆方向に戻り、ガラス１１２で反射され、光受信機２０２で受信される多重反射光信号Ｓｒｅｆｌｅｃｔとなるものがある。

なお、光受信機２０２とガラス１１１との間、ガラス１１１とガラス１１２との間、およびガラス１１２と光送信機２０１との間は自由空間とみなせる空気、または、ガラス１１１、ガラス１１２と異なる誘電率を持つ媒質によって満たされている。また、図２では、説明の都合上、反射毎の多重反射光信号が同一直線状に並んでいないが、実際には同一直線状にある。なお、実際にはガラスは厚みを持っており、ガラスの両側の表面同士の間でも多重反射光信号が生成される。

ここで、光受信機２０２で受信する直接光信号Ｓｄｉｒｅｃｔ及び多重反射光信号Ｓｒｅｆｌｅｃｔのそれぞれの光強度をＰｄｉｒｅｃｔ及びＰｒｅｆｌｅｃｔとすると、符号間干渉を受ける場合の光無線信号を受信する際のＳＮ比は、Ｐｄｉｒｅｃｔ／Ｐｒｅｆｌｅｃｔとなる。つまり、ガラス越し通信では、このＰｄｉｒｅｃｔ／Ｐｒｅｆｌｅｃｔを大きくすることが、通信品質や通信速度を向上させるために重要となる。

本発明は、このような課題に対して、光受信機で受信する多重反射光信号の強度を小さくすることによって、直接光信号を受信する際のＳＮ比を大きくすることで通信品質を改善し、より高速で、安定した通信が可能な光無線通信システム及び光無線通信方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、光送信機と光受信機との間に配置された１以上の透明平板によって、光送信機の送信する光無線信号から多重反射光信号が生成されても、光受信機で受信されないように、透明平板の垂直方向に対して所定の角度で前記光無線信号を送信する。

具体的には、本発明に係る光無線通信システムは、光無線通信を行う光送信機及び光受信機を備え、前記光送信機と前記光受信機との間に配置された１以上の透明平板での多重反射によって、前記光送信機の送信する光無線信号から生成された多重反射光信号が、前記光受信機で受信されないように、前記光送信機は、前記透明平板に対して、前記透明平板の垂直方向との角度が０°以上９０°未満となる角度で前記光無線信号を送信する。

具体的には、本発明に係る光無線通信システムは、光無線通信を行う光送信機及び光受信機を備え、前記光送信機と前記光受信機との間に配置された１以上の透明平板での多重反射によって、前記光送信機の送信する光無線信号から生成された多重反射光信号が、前記光受信機で受信されないように、前記多重反射光信号の生成される箇所、又は前記多重反射光信号の生成される箇所よりも前記光送信機の側に設置したプリズムで光路を屈曲させる。

本発明の光無線通信システムでは、前記光無線信号はビーム広がりを持ち、前記光受信機は、前記光無線信号が多重反射されることなく伝搬した直接光信号を集光するレンズ及び集光された前記直接光信号を受光する受光素子を備え、前記レンズは、前記レンズの中心が前記ビーム広がりの中心からずれた位置で、かつ、前記レンズの光軸が前記レンズの中心を通る前記直接光信号の光線に平行であってもよい。

具体的には、本発明に係る光無線通信方法は、光送信機及び光受信機の光無線通信方法であって、前記光送信機と前記光受信機との間に配置された１以上の透明平板での多重反射によって、前記光送信機の送信する光無線信号から生成された多重反射光信号が、前記光受信機で受信されないように、前記光送信機は、前記透明平板に対して、前記透明平板の垂直方向との角度が０°以上９０°未満となる角度で前記光無線信号を送信する。

具体的には、本発明に係る光無線通信方法は、光送信機と光受信機との間の光無線通信方法であって、前記光送信機と前記光受信機との間に配置された１以上の透明平板での多重反射によって、前記光送信機の送信する光無線信号から生成された多重反射光信号が、前記光受信機で受信されないように、前記多重反射光信号の生成される箇所、又は前記多重反射光信号の生成される箇所よりも前記光送信機の側に設置したプリズムで光路を屈曲させる。

本発明の光無線通信方法では、前記光無線信号はビーム広がりを持ち、前記光受信機は、前記光無線信号が多重反射されることなく伝搬した直接光信号を集光するレンズ及び集光された前記直接光信号を受光する受光素子を備え、前記レンズは、前記レンズの中心が前記ビーム広がりの中心からずれた位置で、かつ、前記レンズの光軸が前記レンズの中心を通る前記直接光信号の光線に平行であってもよい。

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

本発明によれば、光受信機で受信する多重反射光信号の強度を小さくすることによって、直接光信号を受信する際のＳＮ比を大きくすることで通信品質を改善し、より高速で、安定した通信が可能な光無線通信システム及び光無線通信方法を提供することができる。

光無線通信に適用する光送信機及び光受信機の配置を説明する図である。 光無線通信で生成される多重反射光信号を説明する図である。 本発明の光無線通信システムの構成を説明する図である。 本発明の光無線通信システムの構成を説明する図である。 本発明の光無線通信システムの構成を説明する図である。 本発明の光無線通信システムの構成を説明する図である。 本発明の光無線通信システムの構成を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態１）
本実施形態の光無線通信システムは、光無線通信を行う光送信機及び光受信機を備え、光送信機と光受信機との間に配置された１以上の透明平板での多重反射によって、光送信機の送信する光無線信号から多重反射光信号が生成されても、光受信機で受信されないように、光送信機は透明平板の垂直方向に対して所定の角度で光無線信号を送信する。

本実施形態の光無線通信システムの構成を図３に示す。図３において、光送信機１０１と光受信機１０２との間に、自由空間とは異なる誘電率をもつ媒質である透明平板、即ちガラス１１１及びガラス１１２の２枚が配置されている。光送信機１０１は光無線信号を送信する。光無線信号は空気等の自由空間と見做せる空間（以下、自由空間）を介して、ガラス１１１及びガラス１１２を経由して、光受信機１０２で直接光信号Ｓｄｉｒｅｃｔとして受信される。ガラス１１１及びガラス１１２が平行に配置されていると、光送信機１０１からの光無線信号がガラス１１１とガラス１１２との間で多重反射されて、多重反射光信号Ｓｒｅｆｌｅｃｔが生成される。

本実施形態では、光送信機１０１は、ガラス１１２に対して、ガラス１１２の垂直方向との角度が０°以上９０°未満となる角度θ１で光無線信号を送信する。送信された光無線信号は、自由空間３、ガラス１１２、自由空間２を経てガラス１１１で反射し、自由空間２を経てガラス１１２で反射し、再び自由空間２、ガラス１１１、自由空間１を経て多重反射光信号Ｓｒｅｆｌｅｃｔが生成される。

図３に示すように、光送信機１０１がガラス１１２の垂直方向に対して角度θ１で光無線信号を送信すると、直接光信号Ｓｄｉｒｅｃｔは光受信機１０２で受信されるが、多重反射光信号Ｓｒｅｆｌｅｃｔは光受信機１０２で受信されないようにすることができる。多重反射光信号Ｓｒｅｆｌｅｃｔは直接光信号Ｓｄｉｒｅｃｔに対して、光路がずれているからである。

ここで経由する自由空間１、自由空間２、自由空間３、ガラス１１１、およびガラス１１２は、空気やガラスに限らず、お互いに誘電率が異なりその境界面で反射が発生する媒質でもよい。以下の実施形態でも同様である。これにより、多重反射光信号Ｓｒｅｆｌｅｃｔは、光受信機１０２に入射しなくなるか、入射しても弱い光となる。その結果、Ｐｄｉｒｅｃｔ／Ｐｒｅｆｌｅｃｔは大きくなり、より高速で、安定した通信が可能な光無線通信システム又は光無線通信方法が実現できる。

本実施形態では、透明平板をガラス１１１及びガラス１１２の２枚としたが、３枚以上でも同様である。また、透明平板に厚みがあり、その厚みによって両表面間で多重反射を生じる場合は、１枚の透明平板でも同様となる。

光無線信号のビームが広がり角θ２を持つ場合の例を図４に示す。光無線信号のビームが広がり角θ２を持つ場合は、直接光信号Ｓｄｉｒｅｃｔ及び多重反射光信号Ｓｒｅｆｌｅｃｔもビームが広がり角θ２を持つ。従って、図４に示すように、ビーム広がりのある多重反射光信号Ｓｒｅｆｌｅｃｔの一部が光受信機１０２に受信されないよう、光送信機１０１の送信する光無線信号の角度θ１を設定することが望ましい。

（実施形態２）
本実施形態の光無線通信システムは、光無線通信を行う光送信機及び光受信機を備え、光送信機と光受信機との間に配置された１以上の透明平板での多重反射によって、光送信機の送信する光無線信号から多重反射光信号が生成されても、光受信機で受信されないように、多重反射光信号が生成される箇所、又は多重反射光信号が生成される箇所よりも光送信機の側にプリズムを設置する。設置されたプリズムを利用して、光路を屈曲させる。

本実施形態の光無線通信システムの構成を図５に示す。図５において、実施形態１と異なり、ガラス１１２の光送信機１０１の側にプリズム１２２、ガラス１１１の光受信機１０２の側にプリズム１２１を備える。

光送信機１０１と光受信機１０２の位置関係から、光送信機１０１はガラス１１２の垂直方向に光無線信号を送信せざるを得ない場合であっても、光送信機１０１がガラス１１２の垂直方向に光無線信号を送信すると、プリズム１２２によってガラス１１２から角度θ１で出射することとなる。これにより、多重反射光信号Ｓｒｅｆｌｅｃｔは、光受信機１０２に入射しなくなるか、入射しても弱い光となる。その結果、Ｐｄｉｒｅｃｔ／Ｐｒｅｆｌｅｃｔは大きくなり、より高速で、安定した通信が可能な光無線通信システム又は光無線通信方法が実現できる。

実施形態１のように、ガラス１１２に対して、ガラス１１２の垂直方向との角度が０°以上９０°未満となる角度で、光送信機１０１が光無線信号を送信する場合であっても、プリズムを用いることによって、さらに、多重反射光信号の影響を軽減することができる。

図５では、プリズム１２２をガラス１１２の光送信機１０１の側、つまり、多重反射光信号が生成される箇所よりも光送信機１０１の側に設置しているが、ガラス１１２の光受信機１０２の側、つまり、多重反射光信号が生成される箇所に設置してもよい。プリズム１２２は、ガラス面に接しなくても良い。

図５では、プリズム１２１を設置しているが、プリズム１２２だけでもよい。また、プリズム１２１をガラス１１１の光受信機１０２の側に設置しているが、ガラス１１１の光送信機１０１の側に設置してもよい。プリズム１２１は、ガラス面に接しなくても良い。

プリズム１２２を設置することにより、多重反射光信号Ｓｒｅｆｌｅｃｔは、光受信機１０２に入射しなくなるか、入射しても弱い光となる。その結果、Ｐｄｉｒｅｃｔ／Ｐｒｅｆｌｅｃｔは大きくなり、より高速で、安定した通信が可能な光無線通信システム又は光無線通信方法が実現できる。

さらに、プリズム１２１を設置することによって、直接光信号Ｓｄｉｒｅｃｔの光路と多重反射光信号Ｓｒｅｆｌｅｃｔの光路は平行でなくなるため、プリズム１２１と光受信機１０２との距離をとれば、光受信機１０２が直接光信号Ｓｄｉｒｅｃｔを受信する際に、多重反射光信号Ｓｒｅｆｌｅｃｔの影響をより小さくすることができる。

本実施形態では、透明平板をガラス１１１及びガラス１１２の２枚としたが、３枚以上でも同様である。また、透明平板に厚みがあり、その厚みによって両表面間で多重反射を生じる場合は、１枚の透明平板の光送信機１０１の側にプリズムを設置すれば同様の効果を得ることができる。

なお、プリズム１１１及びプリズム１１２は、断面が３角形でなくてもよく、光無線信号に対して透明で、光無線信号の入射角と出射角が異なるような媒質であればよい。

（実施形態３）
本実施形態では、光受信機がレンズ及び受光素子を備える。レンズ及び受光素子を利用して、直接光信号Ｓｄｉｒｅｃｔを受信する際に、多重反射光信号Ｓｒｅｆｌｅｃｔの影響を小さくする。

本実施形態の光無線通信システムの構成を図６に示す。図６において、無線光信号はビーム広がりを持ち、光受信機１０２は、受光部１０５を含む。受光部１０５は、光無線信号が多重反射されることなく伝搬した直接光信号Ｓｄｉｒｅｃｔを集光するレンズ１０３及び集光された直接光信号Ｓｄｉｒｅｃｔを受光する受光素子１０４を備える。レンズ１０３は、レンズ１０３の中心が直接光信号Ｓｄｉｒｅｃｔのビーム広がりの中心からずれた位置で、かつ、レンズ１０３の光軸がレンズ１０３の中心を通る直接光信号Ｓｄｉｒｅｃｔの光線に平行である。

図６のように、レンズ１０３の中心が直接光信号Ｓｄｉｒｅｃｔのビーム広がりの中心からずれた位置で、かつ、レンズ１０３の光軸がレンズ１０３の中心を通る直接光信号Ｓｄｉｒｅｃｔの光線に平行に配置されていると、直接信号光Ｓｄｉｒｅｃｔは受光素子１０４に集光される。

本実施形態の光無線通信システムと多重反射光信号との関係を図７に示す。図７のように、レンズ１０３の中心が直接光信号Ｓｄｉｒｅｃｔのビーム広がりの中心からずれた位置で、かつ、レンズ１０３の光軸がレンズ１０３の中心を通る直接光信号Ｓｄｉｒｅｃｔの光線に平行に配置されていると、多重反射光信号Ｓｒｅｆｌｅｃｔは受光素子１０４に集光されない。多重反射光信号Ｓｒｅｆｌｅｃｔにとって、レンズ１０３の光軸がレンズ１０３の中心を通る多重反射光信号Ｓｒｅｆｌｅｃｔの光線とは平行にならないからである。

このような配置とすると、受光素子１０４は直接光信号Ｓｄｉｒｅｃｔのみを選択的に受信できる。これにより、多重反射光信号Ｓｒｅｆｌｅｃｔが光受信機に入射したとしても、受光素子１０４は多重反射光信号Ｓｒｅｆｌｅｃｔを受信しないか、弱い多重反射光信号Ｓｒｅｆｌｅｃｔを受信することとなる。その結果、Ｐｄｉｒｅｃｔ／Ｐｒｅｆｌｅｃｔは大きくなり、より高速で、安定した通信が可能な光無線通信システム又は光無線通信方法が実現できる。

本発明は、光無線信号に窓などに設置されたガラスなどの媒質を透過させる通信であるガラス越し通信に適用することができる。

１０１：光送信機
１０２：光受信機
１１１：ガラス
１１２：ガラス
１０３：レンズ
１０４：受光素子
１０５：受光部
１２１：プリズム
１２２：プリズム
２０１：光送信機
２０２：光受信機

Claims (6)

1. 光無線通信を行う光送信機及び光受信機を備え、
   前記光送信機と前記光受信機との間に配置された１以上の透明平板での多重反射によって、前記光送信機の送信する光無線信号から生成された多重反射光信号が、前記光受信機で受信されないように、前記光送信機は、前記透明平板に対して、前記透明平板の垂直方向との角度が０°以上９０°未満となる角度で前記光無線信号を送信する光無線通信システムであって、
   前記光無線信号はビーム広がりを持ち、
   前記光受信機は、前記光無線信号が多重反射されることなく伝搬した直接光信号を集光するレンズ及び集光された前記直接光信号を受光する受光素子を備え、
   前記レンズは、前記レンズの中心が前記ビーム広がりの中心からずれた位置で、かつ、前記レンズの光軸が前記レンズの中心を通る前記直接光信号の光線に平行であることを特徴とする光無線通信システム。
2. 光無線通信を行う光送信機及び光受信機を備え、
   前記光送信機と前記光受信機との間に配置された１以上の透明平板での多重反射によって、前記光送信機の送信する光無線信号から生成された多重反射光信号が、前記光受信機で受信されないように、前記多重反射光信号の生成される箇所、又は前記多重反射光信号の生成される箇所よりも前記光送信機の側に設置したプリズムで光路を屈曲させる光無線通信システム。
3. 前記光無線信号はビーム広がりを持ち、
   前記光受信機は、前記光無線信号が多重反射されることなく伝搬した直接光信号を集光するレンズ及び集光された前記直接光信号を受光する受光素子を備え、
   前記レンズは、前記レンズの中心が前記ビーム広がりの中心からずれた位置で、かつ、前記レンズの光軸が前記レンズの中心を通る前記直接光信号の光線に平行であることを特徴とする請求項２に記載の光無線通信システム。
4. 光送信機及び光受信機の光無線通信方法であって、
   前記光送信機と前記光受信機との間に配置された１以上の透明平板での多重反射によって、前記光送信機の送信する光無線信号から生成された多重反射光信号が、前記光受信機で受信されないように、前記光送信機は、前記透明平板に対して、前記透明平板の垂直方向との角度が０°以上９０°未満となる角度で前記光無線信号を送信する光無線通信方法であって、
   前記光無線信号はビーム広がりを持ち、
   前記光受信機は、前記光無線信号が多重反射されることなく伝搬した直接光信号を集光するレンズ及び集光された前記直接光信号を受光する受光素子を備え、
   前記レンズは、前記レンズの中心が前記ビーム広がりの中心からずれた位置で、かつ、前記レンズの光軸が前記レンズの中心を通る前記直接光信号の光線に平行であることを特徴とする光無線通信方法。
5. 光送信機と光受信機との間の光無線通信方法であって、
   前記光送信機と前記光受信機との間に配置された１以上の透明平板での多重反射によって、前記光送信機の送信する光無線信号から生成された多重反射光信号が、前記光受信機で受信されないように、前記多重反射光信号の生成される箇所、又は前記多重反射光信号の生成される箇所よりも前記光送信機の側に設置したプリズムで光路を屈曲させる光無線通信方法。
6. 前記光無線信号はビーム広がりを持ち、
   前記光受信機は、前記光無線信号が多重反射されることなく伝搬した直接光信号を集光するレンズ及び集光された前記直接光信号を受光する受光素子を備え、
   前記レンズは、前記レンズの中心が前記ビーム広がりの中心からずれた位置で、かつ、前記レンズの光軸が前記レンズの中心を通る前記直接光信号の光線に平行であることを特徴とする請求項５に記載の光無線通信方法。

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