JP2004235899A

JP2004235899A - 空間光通信システム

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Publication number: JP2004235899A
Application number: JP2003021133A
Authority: JP
Inventors: Keiichiro Kagawa; 景一郎香川; Atsushi Ota; 淳太田; Kokukan Watanabe; 國寛渡辺; Saku Miyakita; 索宮北
Original assignee: MICROSIGNAL KK
Current assignee: MICROSIGNAL KK
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】小径の光ビームを使用して双方向データ通信を行う場合に、高ＳＮ比で通信が可能なような良好な通信経路を迅速に確立する。
【解決手段】まずノード２及びハブ３は共に拡散光を放射し、それぞれの受光部では２次元画像を捉えるイメージセンサ動作モードでの動作により相手側の位置を検出する。その後、ハブ３は、ノード検出位置を中心にした所定の範囲でビーム径を絞った非拡散光をスキャンし、その際にビームの出射角度データを送信信号に載せる。ノード２側では、ハブ検出位置に応じた特定の画素信号のみを高速に読み出す高速通信動作モードに切り替えた上で上記スキャン中に受光量を監視し、最良に受光できるときの出射角度データを抽出する。同様にしてノード２からハブ３に対し非拡散光のスキャンを行う際に、先の最適出射角度データを送信信号に載せることにより、ハブ３側に対しその角度を知らせる。
【選択図】図１１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は空間光通信システムに関し、更に詳しくは、オフィス内等の比較的通信距離が短い反面、通信対象としてカバーすべき範囲が広いような空間における無線ＬＡＮ（ＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）等の光通信に好適なシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、オフィス等の比較的狭い空間において、コンピュータ間や周辺機器、他のＯＡ機器等を相互に接続するために、赤外線等による空間光通信を利用したシステムが知られている（例えば特許文献１など参照）。図１は、こうした空間光通信システムの典型的な構成を簡略化して示した一例である。
【０００３】
この光空間通信システムでは、コンピュータやプリンタなどの各端末機器１にそれぞれ送受光端末機であるノード２が接続され、一方、そのノード２に対して見通しのよい天井や壁の高い位置などにアクセスポイントとしてのハブ３が設置される。各ハブ３は所定面積で且つ所定距離内のエリアを送受信可能範囲としてカバーしており、端末機器１の配置条件などに応じてハブ３の設置間隔が決められる。各ハブ３は、例えば天井裏内空間等に敷設されたイントラネット等のネットワーク回線４に接続される場合もあるし、或いは単に中継ポイントとしてのみ利用される場合もあり得る。
【０００４】
こうした空間光通信システムにおいては、ノード２とハブ３とはそれぞれ、情報を載せた光ビームを出射する送光部と、相手側の送光部から到来する光ビームを受ける受光部とを具備しており、これによりノード２とハブ３との間では双方向に光を介したデータ通信が可能となっている。
【０００５】
受光部には、ホトダイオード等の受光素子を有する受光センサが用いられるが、一般に、このような受光センサでは、応答の高速性と受光信号のＳＮ比の向上とは相反した要求である。即ち、通信速度を上げるべく高速応答を実現するには、受光素子の接合容量を小さくする必要があり、そのためには受光面の面積を小さくしなければならない。すると、受光量が減少して信号強度が低くなり、高いＳＮ比を確保することが難しくなる。その結果、送受信可能な距離が短くなったり、或いは外乱光による影響を受け易くなったりする。逆に、高い信号強度を確保するには受光面の面積を或る程度広くする必要があるが、それに伴い接合容量も増加して応答特性が低下し、それによって通信速度が制限される。
【０００６】
特に最近、ネットワークの高速化、大容量化の進展に伴い、無線ＬＡＮにおける高速化に対する要求が一段と高まっており、高いＳＮ比を確保しつつ通信速度を如何に上げるかということが、空間光通信における大きな課題の一つになっている。
【０００７】
ところで、こうした空間光通信システムでは、ノード２の設置位置が、それほど頻繁ではないものの（移動体通信に比較すれば）或る程度変更されることが想定される。そのため、天井や壁面上部に設置されたハブ３は複数のノード２との通信が必要になる上に、或る程度の範囲内のいずれに置かれたノード２とも通信が可能であるようにする必要がある。一方、ノード２側においても、自らの放射光がいずれかのハブ３に届くようにする必要がある。そのため、図２に示すように、ノード２、ハブ３のいずれにおいても、或る程度の広い出射角（ノード２側角度θｎ、ハブ３側角度θｈ）を有して広がるような拡散光を光信号として出射するのが一般的である。
【０００８】
しかしながら、こうした場合、実際に通信に利用されるのはごく一部の光にすぎないから、無駄なエネルギーを消費していることになる。また、広い範囲に光を放射しようとすると、単位面積当たりに照射される光のエネルギー（光量）は少なくならざるをえないから、通信路のＳＮ比を高くすることが難しく、データのエラー発生確率が高くなるとともに、通信のデータレートを上げるにも不利である。即ち、こうした拡散光による双方向通信は、上述したような高いＳＮ比と高い通信速度を実現するためには、非常に不利な方法である。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−２４６６５号公報
【非特許文献１】
香川景一郎、他８名、「光無線用高速ビジョンチップの開発」、光通信システム、電子情報通信学会技術研究報告、社団法人電子情報通信学会、平成１３年９月７日、Ｖｏｌ．１０１、Ｎｏ．２８３、ｐ．３１−３６
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
こうした課題の解決策の１つとして、本発明者らは、非特許文献１や特願２００２−５８６９８号等により、新規の受光センサを利用した空間光通信システムを提案している。この受光センサは、ＣＣＤセンサ等の一般のイメージセンサと同様に、画素を構成する微小受光素子が２次元的に配列された受光面を有しながら、画素全体を利用した撮像機能と特定の画素のみを選択的に利用した高速通信機能とを併せ持つ。そこで、例えばハブがノードの位置を認識していない場合、まずノードは広い角度範囲に光を放射するような拡散光を発する一方、ハブは撮像機能（イメージセンサモード）を利用して２次元画像を取得し、その画像中でノードを検出することによりノードの位置を特定する。その後、ノードから到来する光ビームが照射されている１乃至複数の受光素子（画素）のみを選択し、それら受光素子による受光信号を加算して高速に取り出すことができる。
【００１１】
こうした通信方法では、送光側において光ビームの径を絞るほど単位断面積当たりの光量が増加し、ＳＮ比を改善するのに有利であるとともに、受光面の面積も小さくて済むので高速化にも有利である。しかしながら、その反面、光ビームが少しずれてしまっただけで受光面から外れる恐れがある。つまり、光ビームの位置ずれに対する許容度が低いため、良好な通信状態を確保するためには、受光部側にとって最適な方向に向けて送光側から光ビームを出射するべく、出射方向の調整を高い精度で行うことが望ましい。
【００１２】
また、こうして光ビームの出射方向を調整して良好な通信経路を一旦確立しても、様々な要因によって光ビームのずれが生じ、通信状態が劣化することがあり得る。従って、良好な通信状態を維持するためには、たとえ通信中であっても、必要に応じて光の出射方向を修正するといった処理が必要となる場合がある。
【００１３】
本発明はかかる課題を解決するために成されたものであり、その第１の目的とするところは、或る２つの送受信装置の間で小径の光ビームを用いて双方向に空間光通信を行う場合に、高いＳＮ比が得られるような高品位の信号による通信経路を迅速に確立することができる空間光通信システムを提供することである。
【００１４】
また、本発明の第２の目的とするところは、上記のように通信経路を確立した後に光ビームのずれが生じた場合でも、迅速にこれを修正して高品位な通信経路を維持することができる空間光通信システムを提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために成された第１発明は、共に送光部及び受光部を具備する第１及び第２の送受信装置を含み、一方の送受信装置の送光部から他方の送受信装置の受光部に向けて小径の光ビームを放射して双方向に光通信を行う空間光通信システムにおいて、
第１送受信装置は、
ａ１）第１送光部において光ビームの出射方向を走査する光ビーム走査手段と、
ａ２）その光ビーム走査時に、当該時点での光の出射方向又はそれに相当する出射方向情報を送信信号に含ませる第１送信信号処理手段と、
ａ３）前記走査された光ビームに応答して第２送受信装置から送られて来る光ビームを第１受光部により受けた後、その受信信号に含まれる後記最適出射方向情報を抽出する第１受信信号処理手段と、
ａ４）その最適出射方向情報に基づいて第１送光部における光ビームの出射方向を設定するビーム出射方向設定手段と、
を備え、第２送受信装置は、
ｂ１）前記第１送受信装置から送られて来る前記走査された光ビームを第２受光部により受け、その受信信号が最大又はそれに近い略最適な通信状態となる状態を検出する通信状態検出手段と、
ｂ２）前記略最適な通信状態であるとされたときの受信信号に含まれる前記出射方向情報を取得する第２受信信号処理手段と、
ｂ３）前記取得された出射方向情報を最適出射方向情報として送信信号に含ませ、前記第２送光部により第１送受信装置に向けて光ビームを出射する第２送信信号処理手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１６】
また、上記第２の目的を達成するために成された第２発明は、共に送光部及び受光部を具備する第１及び第２の送受信装置を含み、一方の送受信装置の送光部から他方の送受信装置の受光部に向けて小径の光ビームを放射して双方向に光通信を行う空間光通信システムにおいて、
第１送受信装置は、
ａ１）第１送光部により当該第１送受信装置から第２送受信装置に向けて出射された光ビームに対応して、該第２送受信装置から送られて来る光ビームを第１受光部により受けた後、その受信信号に含まれる後記ずれ情報を抽出する第１受信信号処理手段と、
ａ３）該ずれ情報に基づいて第１送光部における光ビームの出射方向を調整する光ビーム調整手段と、
を備え、第２送受信装置は、
ｂ１）第２受光部の受光面の手前にあって光軸を囲んで複数設けられた受光手段の出力に基づいて、前記第１送受信装置からの光ビームによる該第２受光部に対する入射光の方向のずれ量を検出するずれ検出手段と、
ｂ２）該ずれ量を表すずれ情報を送信信号に含ませ、第２送光部により第１送受信装置に向けて光ビームを出射する第２送信信号処理手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態、及び効果】
第１発明に係る空間光通信システムでは、次のような手順により、第１及び第２光通信装置の間での通信経路を確立する。即ち、第１送受信装置において、光ビーム走査手段ａ１）は、第１送光部において光ビームの出射方向を所定の範囲内で走査する。その際に、第１送信信号処理手段ａ２）はそれぞれ時点での光の出射方向又はそれに相当する出射方向情報を送信信号に含ませる。従って、実際の光ビームの出射方向とその光ビームによる送信信号に含まれる出射方向情報が示す出射方向とは一致している。
【００１８】
一方、第２送受信装置においては、第１送受信装置から送られて来る光ビームを第２受光部により受けて受信信号を取り出すが、上述したようにその光ビームは走査されているから、受信信号の大きさはその走査に伴って変動する。この受信信号が最大であるときに第１送受信装置における光ビームの出射方向は最適であると看做せるから、通信状態検出手段ｂ１）は、光ビームの走査の過程において受信信号が最大又はそれに近い略最適な通信状態となる状態を検出する。第２受信信号処理手段ｂ２）は、略最適な通信状態であるとされたときの受信信号に含まれる出射方向情報を取得する。この時点で、第１送受信装置における光ビームの最適出射方向が第２送受信装置において認識できる。
【００１９】
次に、今度は第２送受信装置から第１送受信装置に向けて応答信号を送るべく、第２送信信号処理手段ｂ３）は、その出射方向情報を最適出射方向情報として送信信号に含ませ、第２送光部により第１送受信装置に向けて光ビームを出射する。第１送受信装置では、上記のような光ビームの出射と並行して又は時分割で、第１受光部により第２送受信装置から送られて来る光ビームを受け、第１受信信号処理手段ａ３）はその受信信号に含まれる最適出射方向情報を抽出する。この時点で、第１送受信装置における光ビームの最適出射方向が、当該第１送受信装置においても認識できる。そこで、ビーム出射方向設定手段ａ４）は、その最適出射方向情報に基づいて、第１送光部における光ビームの出射方向を設定する。
【００２０】
これにより、第１送受信装置から第２送受信装置に向けて小径の光ビームで信号を送る際の最適又はそれに近い状態の通信経路が確立できる。但し、この状態では第２送受信装置から第１送受信装置に向けて光信号を送る際の通信経路は最適又はそれに近い状態であるとは限らない（一般的にはそうでない）から、逆方向にも同様の動作を行うようにすることによって、双方向通信の際の通信経路を確立することができる。
【００２１】
このように第１発明に係る空間光通信システムによれば、光ビームの径を小さくしても受光がほぼ最良となるようなビーム出射角度を迅速に確定し、空間内での良好な通信経路を確立することができる。従って、通信経路確立後に行うデータ通信の際には単位面積当たりの受光面で受ける受光強度が大きくなり、高いＳＮ比を確保し易くなるとともに、或る程度のＳＮ比を確保しつつ受光面積を小さくすることもできる。これによって、受光素子の接合容量の影響が小さくなり、応答の高速化が図れるため、通信速度を向上させることができる。
【００２２】
なお、第１発明に係る空間光通信システムの好ましい一実施形態として、前記受光部は、２次元状に配置された複数の受光素子による受光信号を利用して２次元画像を取得する第１の動作モードと、前記複数の受光素子のうちの特定の１乃至複数の受光素子による受光信号のみを選択的に読み出すことにより高速の信号読み出しを行う第２の動作モードとの切り替えが可能であり、前記第１送受信装置にあって光ビーム走査手段は、第１受光部において第１の動作モードにより第２送受信装置の位置を検出した上で、その検出位置に基づいて光ビームの走査範囲を決める構成とすることができる。
【００２３】
この構成によれば、予め相手側の送受信装置の位置をおおよそ特定した上で、その位置付近に対して光ビームの走査を実行すればよいので、光ビームの走査範囲をかなり絞ることができ、通信経路の確立を短時間で行うことができる。
【００２４】
また、この場合、前記第２送受信装置にあって通信状態検出手段は、第２受光部において第１の動作モードにより第１送受信装置の位置を検出し、その検出位置に基づいて特定の受光素子を決定して第２の動作モードに切り替えた上で、通信状態の判定を行う構成とすることができる。
【００２５】
第２発明に係る空間光通信システムでは、次のような手順により、第１及び第２送受信装置の間での通信経路を維持する。即ち、第１送光部により第１送受信装置から第２送受信装置に向けて光ビームが出射されている状態において、第２送受信装置では、ずれ検出手段ｂ１）が、その光ビームによる該第２受光部に対する入射光の方向のずれ量を検出する。第２送信信号処理手段ｂ２）は、定期的又は不定期的に上記ずれ量を表すずれ情報を送信信号に含ませ、第２送光部により第１送受信装置に向けて光ビームを出射する。従って、第２送受信装置から第１送受信装置に向けて送られる光ビームによる光信号には、少なくとも適宜の時点で、第１送受信装置の第１送光部と第２送受信装置の第２受光部とでの光線方向のずれ量を反映したずれ情報が含まれる。
【００２６】
第１送受信装置では、光ビームの出射と並行して又は時分割で、第１受光部により第２送受信装置から送られて来る光ビームを受け、第１受信信号処理手段ａ１）はその受信信号に含まれるずれ情報を抽出する。この時点で、上記のような光線方向のずれ量が第１送受信装置においても認識できる。そこで、ビーム調整手段ａ２）は、そのずれ情報に基づいて第１送光部における光ビームの出射方向を調整する。これにより、第１送受信装置の第１送光部と第２送受信装置の第２受光部とで光線方向がほぼ一致し、第２受光部の受光面に対し最良の状態（一般には受光強度が最大になる状態）で光ビームが到達する。
【００２７】
このように第２発明に係る空間光通信システムによれば、上述のようにして一旦、空間内での通信経経路が確立された後、温度等による機械的なドリフト要因などによって光線方向がずれてきた場合であっても、このずれを迅速に修正し、良好な通信状態を維持することができる。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明に係る空間光通信システムの一実施例について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２９】
まず、本実施例による空間光通信システムに利用される受光センサの構成及び動作について、簡単に説明する。この受光センサは、上記非特許文献１や特願２００２−５８６９８号により、本願発明者が提案しているものである。図３は、この受光センサ１００の内部構成の概略図である。
【００３０】
イメージセル部１０１には、１画素を構成する単位セル１０２が２次元の行列状に多数配置されている。各単位セル１０２はそれぞれ受光素子としてホトダイオード（ＰＤ）を備えており、イメージセル部１０１に照射された光は各ＰＤにより光電変換され、画素単位で電気信号を発生する。イメージセル部１０１には行デコーダ１０３、１Ｈメモリ１０４、メモリ制御部１０７が接続されている。行デコーダ１０３は列方向に配列された単位セル１０２を順次選択し、選択された単位セル１０２から垂直信号線（図示しない）への電気信号の読み出しを制御する。１Ｈメモリ１０４は、行デコーダ１０３により選択された単位セル１０２から読み出された電気信号を画素単位でサンプルホールドする。１Ｈメモリ１０４にホールドされた１水平ライン分の電気信号は、列デコーダ１０５の制御の下に１画素ずつ順次読み出され、アンプ１０６で増幅された後に画像信号として出力される。
【００３１】
一方、メモリ制御部１０７は、各単位セル１０２に備えられるセル選択メモリへの選択制御データの書き込みを制御する。イメージセル部１０１からは出力信号線として２本（３本以上に拡張可能）の高速読み出し信号線１０８、１０９が引き出されており、それら高速読み出し信号線１０８、１０９はそれぞれ電流加算アンプ１１０、１１１を通して通信信号出力Ａ、Ｂとして外部へと出力される。単位セル１０２は、上記ＰＤ及びセル選択メモリのほかに、ＰＤで光電変換された電気信号（電荷）を蓄積し、その蓄積電荷信号を増幅する蓄積増幅器、ＰＤで光電変換により生じた信号電流を蓄積することなく高速で電流増幅する電流増幅器、セル選択メモリに保持された制御データに応じて、後述のイメージセンサ動作モードに対応した電荷蓄積モードと高速通信動作モードに対応した電荷非蓄積モードとの切り替えを行う選択部などをを備える。
【００３２】
次に、上記構成を有する受光センサ１００の動作を説明する。この受光センサ１００では、外部より供給される各種制御信号に応じて、イメージセンサ動作モード（第１の動作モード）と高速通信動作モード（第２の動作モード）との２つのモードでの動作が可能である。
【００３３】
（１）イメージセンサ動作モード
一般的なＣＭＯＳイメージセンサと同様の読み出し動作を行うモードであって、電荷蓄積期間と信号読み出し期間とが時分割で設けられる。電荷蓄積期間において、イメージセル部１０１に何らかの２次元画像が投影されると、イメージセル部１０１に含まれる各単位セル１０２中のＰＤはその２次元画像のうちの微小領域に対応する光をそれぞれ受光し、その受光強度に応じた電荷を発生する。この信号電荷は時間の経過に伴って蓄積されるから、受光強度が微弱であっても、電荷蓄積期間を長くとることにより高いレベルの電気信号を得ることができる。所定の電荷蓄積期間が終了した後、信号読み出し期間に移行し、１Ｈメモリ１０４を介して、イメージセル部１０１に含まれる全ての画素に対応する電気信号が順次１画素ずつ画像信号出力として読み出される。この電気信号により２次元画像を構成することができる。
【００３４】
（２）高速通信動作モード
イメージセル部１０１に含まれる単位セル１０２のうち、任意の１乃至複数の単位セル１０２のみを選択して、それら単位セル１０２のＰＤで光電変換により発生した信号電流を、蓄積することなく加算して外部へと出力する。単位セル１０２の選択は、メモリ制御部１０７からセル選択メモリへ書き込まれる選択制御データに応じて制御される。複数の単位セル１０２が選択された場合には、高速読み出し信号線１０８又は１０９に対し複数の単位セル１０２から同時に信号電流が出力され、その信号線１０８又は１０９上で電流が加算（合成）される。
【００３５】
この高速通信動作モードでは、ＰＤで発生した電気信号を積分することなく電流増幅器を介して出力するため、単位セル１０２毎の応答が非常に高速である。また、高速通信動作モードで動作する際のＰＤの実効的な容量は電流加算する画素数に依存するが、加算する最大画素数を制限することにより、実効的な容量を小さくして通信速度を優先することができる。また、イメージセル部１０１内で光が照射されていない領域の単位セル１０２におけるＰＤの暗電流や、それらＰＤに外乱光が照射されて生じる電気信号の影響を排除できるので、受光信号の純度が向上しＳＮ比が改善できる。
【００３６】
次に、上記受光センサ１００を受光部に利用した、本実施例の空間光通信システムの一実施例について説明する。図４はこの空間光通信システムを構成するハブ３の要部のブロック構成図である。なお、ノード２の構成も基本的にはハブ３の構成と同様である。
【００３７】
ハブ３は、送光部１０として拡散出射光学系１１と非拡散出射光学系１２の２つの光学系を備える。拡散出射光学系１１は光源としてＬＥＤなどを含み、図示するように広い照射角度範囲に向けて光を出射する。一方、非拡散出射光学系１２は、ＬＥＤなどの光源、複数のレンズ系のほか、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）デバイスなどで駆動される超小型ミラー１３や２次元スキャンレンズ１４などを含み、図示するように狭い照射角度範囲に向けて平行光に近い光径の小さな光を出射し、しかも、超小型ミラー１３の回動によって、所定の範囲内で上記出射光の出射方向の調整が可能となっている。なお、周知のように、ＭＥＭＳデバイスによれば出射光の方向調整は非常に高速で行える。また、受光部１５は、入射光を集光するレンズ１６と上述した構成の受光センサ１７とを備える。
【００３８】
電気系回路としては、受光センサ１７からの画像信号出力を受ける画像処理部２０、該画像処理部２０で作成された画像に対して画像認識等の処理を施すことにより目的とするノード２（又はハブ３）の位置を検出する位置検出部２１、受光センサ１７からの通信信号出力を受けてデータ復調処理等を行って所望のデータを取り出す受信処理部２２、上記送光部１０の光源を駆動するとともに２つの出射光学系を切り替える機能を有する光源駆動部２３、超小型ミラー１３を駆動するミラー駆動制御部２４、ネットワーク回線４（又は端末機器１）に接続されたインタフェイス部２６を経て入力されて来るデータに対してデータ変調処理などを行って送信可能な形式に変換する送信処理部２５と、上記各部の動作を制御する制御部２７、などを備える。
【００３９】
本実施例の空間光通信システムでは、拡散出射光学系１１と非拡散出射光学系１２とを使い分け、且つ受光センサ１７を含む受信回路系では上記イメージセンサ動作モードと高速通信動作モードとを使い分けることにより、ハブ３とノード２との間での双方向通信を行う際の通信経路の確立動作を行う。次に、その点について詳細に説明する。
【００４０】
図５及び図６は通信経路確立処理の動作手順を示すフローチャート、図７はハブ側でのスパイラルスキャン処理の動作手順を示すフローチャート、図８はノード側でのピーク検出処理の動作手順を示すフローチャート、図９はノード側でのスパイラルスキャン処理の動作手順を示すフローチャート、図１０はハブ側でのピーク検出処理の動作手順を示すフローチャートである。また、図１１はハブ３とノード２との間での光の照射状態を模式的に示す図、図１２はノード側でのイメージセンサ動作モードの際に取得される２次元画像の一例を示す図、図１３はスパイラルスキャンの際のビームの移動軌跡を模式的に示す図である。なお、以下の説明では、ハブ３側とノード２側とでの構成要素の符号を区別するために、ハブ３側は上記説明に使用した符号の後にｈを付し、ノード２側は同じ符号の後にｎを付す。
【００４１】
まず、ハブ３側では、通信の相手先であるノード２に自らの位置を知らせるために、位置通知用拡散光点滅出射モードでの動作を実行する（ステップＨＳ１）。即ち、制御部２７ｈは、所定の周波数で点滅する（つまり強度変調された）拡散光を出射するように光源駆動部２３ｈを制御する。これにより、図１１（ａ）に示すように、拡散出射光学系１１ｈにより、ハブ３からノード２の設置場所を含む広い範囲に広がる光が照射される。
【００４２】
一方、ノード２側では、制御部２７ｎはハブ３の位置を検出するために、受光センサ１７ｎをイメージセンサ動作モードで動作させる（ステップＮＳ１）。上述したように受光センサ１７ｎの画像信号出力には、イメージセル部１０１で捉えられている２次元画像に対応する画素信号が順次出力される。画像処理部２０ｎはこの画素信号を受けて、例えば図１２に示すような２次元画像を作成する。該２次元画像内にはハブ３の投影像Ｐｈを含み、且つ、上記のようにハブ３から放射される拡散光は所定周波数で点滅しているから、位置検出部２１はこのような２次元画像に対して画像認識処理を行うことにより、容易にハブ３の位置を検出することができる。
【００４３】
この位置検出結果により、制御部２７ｎはイメージセル部１０１においてハブ３の位置に対応した画素（単位セル１０２）の位置と数とをそれぞれ決定し、受光センサ１７ｎに対し、選択された１乃至複数の単位セル１０２を高速通信動作モードで動作するように切り替える（ステップＮＳ２）。これにより、ノード２側においてハブ３から送られて来る光を高速で受光する準備が整う。
【００４４】
次いで、今度はノード２側において、通信相手先であるハブ３に自らの位置を知らせるために、位置通知用拡散光点滅出射モードでの動作を実行する（ステップＮＳ３）。即ち、制御部２７ｎは、所定周波数で点滅する拡散光を出射するように光源駆動部２３ｎを制御する。これにより、図１１（ｂ）に示すように、ノード２からハブ３の設置場所を含む広い範囲に広がる拡散光が照射される。
【００４５】
ハブ３側では、ノード２側のステップＮＳ１、ＮＳ２と同様のステップＨＳ２、ＨＳ３の処理により、受光センサ１７ｈをイメージセンサ動作モードで動作させ、位置検出部２１ｈはイメージセル部１０１で捉えた２次元画像に基づいてノード２の位置を検出する。そして、制御部２７ｈは、イメージセル部１０１においてノード２の位置に対応した画素（単位セル）の位置と数とをそれぞれ決定し、受光センサ１７ｈに対し、選択された１乃至複数の単位セル１０２を高速通信動作モードで動作するように切り替える。これにより、ハブ３側でもノード２から送られて来る光を高速で受光する準備が整う。
【００４６】
その後、ハブ３側ではスパイラルスキャン処理を実行し（ステップＨＳ４）、ノード２側ではピーク検出処理を実行する（ステップＮＳ４）。即ち、ハブ３側では、非拡散出射光学系１２ｈにより出射する小光径の光ビームの出射角度（θｈｘ，θｈｙ）をまず初期角度（θｈｘ０，θｈｙ０）に設定する（ステップＳ２１）。この出射角度（θｈｘ，θｈｙ）が、ハブ３から出射されるビームの出射方向を決めるパラメータである。そして、超小型ミラー１３ｈを制御してその方向へ光が照射されるようにミラー駆動制御部２４ｈを制御し、拡散光に代えて、出射角度データ〔θｈｘ，θｈｙ〕を情報の一部として含むような信号光を送出する（ステップＳ２４）。
【００４７】
ここで、初期角度（θｈｘ０，θｈｙ０）の決め方の一例について説明する。そもそも、このような光ビームのスキャンを行うことによって最適な出射角度を決めるのは、上述したように２次元画像に基づいて検出したノード（ハブでも同様）の位置座標が或る程度の曖昧さを有しているためである。これは受光センサ１７の１画素が見込む角度が有限であること等に由来する。従って、ビーム径がこの検出位置の曖昧さよりも小さい場合には、光ビームがレンズ１６に入らない場合があり得る。そこで、この曖昧さを含む領域内で光ビームをスキャンして正確な出射角度を探索することが、スパイラルスキャン処理の意図である。
【００４８】
一般に、拡散光を発しているハブ３の投影像Ｐｈは、図１２にも示したように複数画素に跨って検出される。この場合、その光源位置座標（Ｘ，Ｙ）は、それら複数の画素の重心（Ｘ’，Ｙ’）で与えるのが妥当である。そこで、この重心（Ｘ’，Ｙ’）を（Ｘ，Ｙ）として次式に適用することにより、初期出射角度を求めることができる。
（θｘ，θｙ）＝（ａｒｃｔａｎ（Δｘ・Ｘ／ｆ），ａｒｃｔａｎ（Δｙ・Ｙ／ｆ））
ここで、Δｘ×Δｙは画素サイズ、ｆは撮像レンズの焦点距離である。但し、上記式は、画素サイズが有限であることに加え、受光側の結像レンズ１６と送光側の２次元スキャンレンズ１４との位置が異なることに起因する誤差を含む近似的な式である。
【００４９】
ハブ３（ノード２でも同様）の制御部２７ｈは、位置検出部２１ｈで検出されたノードの位置に基づき、上記のような処理を実行することにより、適切な初期出射角度を算出することができる。これにより、図１１（ｃ）に示すように、ハブ３からノード２の方向に向けて、ほぼ平行光である光ビームが出射角度（θｈｘ，θｈｙ）で以て照射される。或る出射角度（θｈｘ，θｈｙ）の状態は、後述するようなノード２側でのピーク検出処理で１つの出射角度に対する処理を終了するのに要する時間を考慮して、その時間以上継続される。
【００５０】
上記時間だけ或る出射角度で以て光ビームを放射した後、領域内スキャンを終了したか否かを判定し（ステップＳ２５）、終了するまではステップＳ２２へと進み、ピーク検出処理が終了しているか否かを判定する。図５及び図６のフローチャートではステップＨＳ４のスパイラルスキャン処理の後にステップＨＳ５のピーク検出処理を実行するようになっているが、実際には、スパイラルスキャン処理とほぼ同時にピーク検出処理は開始される。これは、スパイラルスキャン処理の開始直後にノード２側からの応答信号が到来する可能性があるからである。この点については後で詳述する。
【００５１】
ステップＳ２２でピーク検出処理が終了していると判定される場合には、既に最適なビーム出射角度が見い出されているか、或いは逆にタイムアウト等により適切なビーム出射角度が見つからないことが明確になっているかのいずれかであるから、スパイラルスキャン処理を終了する。一方、ステップＳ２２でピーク検出処理が終了していないと判定された場合には、ビームの出射角度（θｈｘ，θｈｙ）を次の角度、即ち、図１３に示したようにスパイラル状に移動する経路上の次の角度に更新し（ステップＳ２３）、再びステップＳ２４以降へと進む。ここでスパイラル状にスキャンする理由は、最も効率良くつまり短時間で最適出射角度を見つけることができると想定されるからであって、もちろんスキャンの順序や方向はこれに限るものではない。
【００５２】
ステップＳ２５で所定領域内のスキャンを終了したと判定された場合には、次に所定回数（例えば３回）のスキャンを終了したか否かを判定し（ステップＳ２６）、未だ所定回数のスキャンを終了していなければステップＳ２１へと戻り、出射角度を初期値に設定して新たなスキャンを実行する。従って、途中でピーク検出処理が終了するまで所定回数のスパイラルスキャンを繰り返し実行し、所定回数に達したときにスパイラルスキャン処理を終了することになる。
【００５３】
一方、上記スパイラルスキャンによる光ビームを受けるノード２側では、光ビームがレンズ１６ｎを経て受光センサ１７ｎのイメージセル部１０１に照射される。上記のように高速通信動作モードに設定された１乃至複数個の単位セル１０２からの合算信号を取り出し、受信処理部２２ｎはその信号レベルが所定の閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ３１、Ｓ３２）。信号レベルが閾値以上である場合には、受光信号に含まれる出射角度データ〔θｈｘ，θｈｙ〕を抽出するとともに（ステップＳ３３）、信号レベルがそのピーク検出処理において過去に得られた信号レベルと比較して最大であるか否かを判定する（ステップＳ３４）。最大である場合には上記ステップＳ３３で抽出した出射角度データ〔θｈｘ，θｈｙ〕を仮の最適出射角度として（θｈｘｂ，θｈｙｂ）に上書き保存する（ステップＳ３５）。そして、信号レベルが所定の処理終了閾値以上であるか否かを判定し（ステップＳ３６）、処理終了閾値以上であればこのピーク検出処理を終了する。
【００５４】
ステップＳ３２で検出値が閾値以上でない、ステップＳ３４で検出値が最大でない、又はステップＳ３６で検出値が終了閾値以上でないと判断された場合、いずれもステップＳ３７へと進み、処理開始から所定時間が経過したか否かを判定する。所定時間が経過していなければ上記ステップＳ３１とへ戻るが、所定時間が経過している場合にはステップＳ３８へと進み、最適出射角度（θｈｘｂ，θｈｙｂ）が得られたか否かを判定する。上記処理で１回でもステップＳ３４からＳ３５へと進めば最適出射角度（θｈｘｂ，θｈｙｂ）が得られるが、例えば信号レベルの検出値が常に閾値未満であるような場合には最適出射角度（θｈｘｂ，θｈｙｂ）が得られない。そこで、最適出射角度（θｈｘｂ，θｈｙｂ）が得られていなければピーク検出異常であると判断し（ステップＳ３９）、例えば異常フラグを設定した上で処理を終了する。それ以外の場合には、ピーク検出処理の結果、最適出射角度（θｈｘｂ，θｈｙｂ）が検出されている筈である（ステップＮＳ５）。
【００５５】
次に、今度はノード２側において、上記ハブ３側と同様にしてスパイラルスキャン処理を実行する（ステップＮＳ６）。上記ピーク検出処理が終了するとすぐにスパイラルスキャン処理が開始されるから、ピーク検出処理の開始直後に最適出射角度（θｈｘｂ，θｈｙｂ）が見い出された場合には、ハブ３側でのスパイラルスキャン処理の開始とノード２側でのスパイラルスキャン処理の開始とで時間遅れは非常に小さく、すぐに非拡散光である光ビームがノード２からハブ３へと送られ始める。これが、上述したように、ハブ３側でスパイラルスキャン処理と並行してピーク検出処理を実行する理由である。
【００５６】
ノード２側におけるスパイラルスキャン処理の手順は図９のフローチャートに示すように、ハブ３側におけるスパイラルスキャン処理の手順（図７）とほほ同様である。異なる点は、光ビームの初期出射角度がノード２側での画像処理結果から求まったハブ３の検出位置に基づいて決められた角度（θｎｘ０，θｎｙ０）であることと、送信信号に情報の一部として、その時点でのノード２からの光ビーム出射角度を表す角度データ〔θｎｘ，θｎｙ〕のみならず、先に取得したハブ３側における最適出射角度を表す角度データ〔θｈｘｂ，θｈｙｂ〕も含むようにすることである。
【００５７】
一方、ハブ３側ではステップＨＳ５によりピーク検出処理が実行される。ハブ３側におけるピーク検出処理の手順は図１０のフローチャートに示すように、ノード２側におけるピーク検出処理の手順（図８）とほほ同様である。異なる点は、２つの角度データ、〔θｎｘ，θｎｙ〕及び〔θｈｘｂ，θｈｙｂ〕を取得することとである。このような処理により、多くの場合、ノード２側の最適出射角度（θｎｘｂ，θｎｙｂ）を取得することができ、並行して自らの最適出射角度（θｈｘｂ，θｈｙｂ）を認識することができる（ステップＨＳ６）。
【００５８】
最適出射角度（θｈｘｂ，θｈｙｂ）が得られたならば、ミラー駆動制御部２４ｈを介して超小型ミラー１３ｈを駆動し、光ビームの出射角度をその角度（θｈｘｂ，θｈｙｂ）に設定する。そして、今度は、送信処理部２５ｈが角度データ〔θｎｘｂ，θｎｙｂ〕を情報の一部として送信信号に埋め込み、送光部１０ｈはその送信信号を光ビームとしてノード２に向けて送出する（ステップＨＳ７）。この光ビームを受け、ノード２側では、受信処理部２５ｈが角度データ〔θｎｘｂ，θｎｙｂ〕を抽出することにより、自らの最適出射角度（θｎｘｂ，θｎｙｂ）を認識することができる（ステップＮＳ７）。
【００５９】
その後、ノード２側でも、ミラー駆動制御部２４ｎを介して超小型ミラー１３ｎを駆動し、光ビームの出射角度を（θｎｘｂ，θｎｙｂ）に設定した上で、所定の確認信号を送出する（ステップＮＳ８）。ハブ３側では、所定のタイムアウト時間が経過するまで確認信号の到来を監視し（ステップＨＳ８、ＨＳ９）、確認信号を受信したならば通信経路が確立したものと判断する。その一方、確認信号が来る前にタイムアウトに到った場合には通信経路の確立ができなかったものと判断する。
【００６０】
このようにしてハブ３、ノード２の双方で互いに相手側から送られてくる光ビームの出射角度を確定することにより、両者の間で最良又はそれに近い状態の通信経路を確立することができるから、以降は、その状態で所望のデータ通信を開始すればよい。
【００６１】
なお、通信を開始する前に上記のように通信経路を確立する動作を行うのはもちろんであるが、データ通信の途中で通信の途切れが或る時間継続した場合には、上記のような手順で通信経路の確立を再度試みるようにするとよい。即ち、データ通信中に通信の途切れが発生した場合、様々な原因が考えられるが、頻度の高い原因としては、光の遮蔽とノード２の移動（但し、固定設置でない場合）とが考え得る。光の遮蔽の場合、短時間の遮蔽であれば、そのまま待機していればすぐに通信を回復させることが可能であるが、ノード２が移動された場合には、光ビームの出射角度を設定し直す必要がある。この場合でも、上記処理を実行することによって、ノード２とハブ３とは互いに位置を検出し、通信を再開することができる。また、通信の途切れとは無関係に、一定時間間隔毎、或いはデータ通信の合間をぬって上記のような通信経路の確立動作を実行し、ノード２とハブ３とのそれぞれの位置を再確認するような制御を行ってもよい。
【００６２】
上記説明はハブ３とノード２とが一対一に対応している場合の例であるが、１台のハブ３は複数のノード２に対して実質的に同時並行で通信を行うことが可能である。その場合には、各ノード２が存在する方向に対応してそれぞれ出射角度を決定した後、所定時間毎に超小型ミラー１３を高速駆動することによって、時分割で通信を行うようにすればよい。もちろん、より高速に通信を行いたい場合には、ハブ側に、対応するノード２の数だけ非拡散出射光学系１２を用意しておき、各ノード２の位置を検出した後に、それらノード２に向けて非拡散出射光学系１２の出射角度をそれぞれ決めるようにするとよい。
【００６３】
上記のように明らかにノード２が移動しない場合でも、例えば非拡散出射光学系１２の超小型ミラー１３のドリフト等の要因によって、光ビームの出射角度が時間経過や温度変化に伴って微妙にずれてくることがある。そこで、本実施例の空間光通信システムでは、こうした光ビームの出射角度の微妙なずれを調整するための手段を設けている。次に、この点について図１４、１５により説明する。図１４は受光部におけるビームずれ検出機構の概略構成を示す図、図１５は図１４中のアパーチャ板３０の正面図である。ここでは、ハブ３からノード２に向けて放射する光ビームの出射角度のずれを修正する場合を例に挙げて説明するが、ノード２からハブ３に向けて放射する光ビームの出射角度のずれを修正する場合も全く同様である。
【００６４】
図１４、図１５に示すように、ノード２の受光部１５ｎのレンズ１６ｎの絞り面には、中心に光を通過する円形状の開口部３１を穿設したアパーチャ板３０を設置している。開口部３１の周囲には、略９０°間隔で４つに分割されたホトダイオード３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄが配置されている。この４個のホトダイオード３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄの検出出力はずれ量算出部３３に入力されており、４つの信号に対して所定の演算処理を行うことにより光ビームのずれ量を算出する。
【００６５】
即ち、ハブ３から送られて来る光ビームがレンズ１６ｎの入射瞳の略中心に来るように入射している場合、光ビームは完全に開口部３１を通過し、受光センサ１７ｎの受光面に当たる。その状態からハブ３の送光部１０ｈで出射角度がずれると、アパーチャ板３０上では光ビームの照射範囲が開口部３１を外れ、１乃至複数のホトダイオード３２に光ビームの一部が入射する。そのため、ホトダイオード３２ではその入射光量に応じた電気信号が発生する。例えば図１５の例では、ホトダイオード３２ｄにのみ電気信号が発生する。
【００６６】
入射光の空間分布がガウス分布に従うものと仮定すると、開口部３１の中心からの光ビームのずれ量（ｘ_０，ｙ_０）は次式で与えられる。
ｘ_０≒（ｗ^２／４ｂ）・｛（ｉ_ｘ−ｉ_−ｘ）／ｉ_０｝
ｙ_０≒（ｗ^２／４ｂ）・｛（ｉ_ｙ−ｉ_−ｙ）／ｉ_０｝
ここで、ｂはホトダイオードの位置（中心からの距離）、ｗはビーム径、ｉ_ｘ、ｉ_−ｘ、ｉ_ｙ、ｉ_−ｙは４個のホトダイオードによる受光強度信号、ｉ_０は入射光強度である。ずれ量算出部３３は、例えばこうした式に基づく計算アルゴリズムに従って、ホトダイオード３２ａ〜３２ｄから入力された受光強度信号を演算処理し、ビームのずれ量を算出する。
【００６７】
図示しないものの、上述のようにして算出されたずれ量はノード２の送信処理部２５ｎへと時々刻々と送られ、送信処理部２５ｎは一定間隔毎又は不定期に（例えばずれ量が大きく変化したときに）、送信信号の情報の一部にずれ量データを載せる。これにより、ずれ量は上記ビームを出射したハブ３側へとフィードバックされることになるから、ハブ３側の受信処理部２２ｈは受信信号からずれ量データを抽出し、ミラー駆動制御部２４はそのずれを修正するように超小型ミラー１３ｎを調整する。その結果、送光部１０ｈの非拡散出射光学系１２ｈから出射される光ビームの出射角度が修正され、ノード２の受光部１５では光ビームが開口部３１を完全に通過して受光センサ１７ｎに到達する。
【００６８】
なお、上記説明は、ビーム径がレンズ１６の径よりも小さい場合を想定しているが、ビーム径がレンズ径に比べて充分に大きい場合には、レンズ１６の入射面にアパーチャ板３０を設置する構成としてもよい。
【００６９】
なお、第１及び第２発明に係る空間光通信システムは必ずしも双方向に光通信を行うものだけでなく、一方向のみに光通信を行うものにも適用が可能である。また、上記実施例は本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加等を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の適用対象である空間光通信システムの典型的な構成の一例の概略図。
【図２】図１に示した空間光通信システムで従来の一般的な通信時における光の照射状態を模式的に示した図。
【図３】本実施例の空間光通信システムで使用される受光センサの内部構成の概略図。
【図４】本実施例の空間光通信システムにおけるハブ（又はノード）の要部のブロック構成図。
【図５】本実施例の空間光通信システムにおいて通信経路確立処理の動作手順を示すフローチャート。
【図６】本実施例の空間光通信システムにおいて通信経路確立処理の動作手順を示すフローチャート。
【図７】本実施例の空間光通信システムにおいてハブ側でのスパイラルスキャン処理の動作手順を示すフローチャート。
【図８】本実施例の空間光通信システムにおいてノード側でのピーク検出処理の動作手順を示すフローチャート。
【図９】本実施例の空間光通信システムにおいてノード側でのスパイラルスキャン処理の動作手順を示すフローチャート。
【図１０】本実施例の空間光通信システムにおいてハブ側でのピーク検出処理の動作手順を示すフローチャート。
【図１１】本実施例の空間光通信システムにおいてハブとノードとの間での光の照射状態を模式的に示す図。
【図１２】本実施例の空間光通信システムにおいてノード側でのイメージセンサ動作モードの際に取得される２次元画像の一例を示す図。
【図１３】本実施例の空間光通信システムにおいてスパイラルスキャンの際のビームの移動軌跡を模式的に示す図。
【図１４】本実施例の空間光通信システムにおいて受光部でのビームずれ検出機構の概略構成を示す図。
【図１５】図１４中のアパーチャ板の概略正面図。
【符号の説明】
１…端末機器
２…ノード
３…ハブ
４…ネットワーク回線
１０…送光部
１１…拡散出射光学系
１２…非拡散出射光学系
１３…超小型ミラー
１４…２次元スキャンレンズ
１５…受光部
１６…レンズ
１７…受光センサ
２０…画像処理部
２１…位置検出部
２２…受信処理部
２３…光源駆動部
２４…ミラー駆動制御部
２５…送信処理部
２６…インタフェイス部
２７…制御部
３０…アパーチャ板
３１…開口部
３２…ホトダイオード
３３…ずれ量算出部

Claims

共に送光部及び受光部を具備する第１及び第２の送受信装置を含み、一方の送受信装置の送光部から他方の送受信装置の受光部に向けて小径の光ビームを放射して双方向に光通信を行う空間光通信システムにおいて、
第１送受信装置は、
ａ１）第１送光部において光ビームの出射方向を走査する光ビーム走査手段と、
ａ２）その光ビーム走査時に、当該時点での光の出射方向又はそれに相当する出射方向情報を送信信号に含ませる第１送信信号処理手段と、
ａ３）前記走査された光ビームに応答して第２送受信装置から送られて来る光ビームを第１受光部により受けた後、その受信信号に含まれる後記最適出射方向情報を抽出する第１受信信号処理手段と、
ａ４）その最適出射方向情報に基づいて第１送光部における光ビームの出射方向を設定するビーム出射方向設定手段と、
を備え、第２送受信装置は、
ｂ１）前記第１送受信装置から送られて来る前記走査された光ビームを第２受光部により受け、その受信信号が最大又はそれに近い略最適な通信状態となる状態を検出する通信状態検出手段と、
ｂ２）前記略最適な通信状態であるとされたときの受信信号に含まれる前記出射方向情報を取得する第２受信信号処理手段と、
ｂ３）前記取得された出射方向情報を最適出射方向情報として送信信号に含ませ、前記第２送光部により第１送受信装置に向けて光ビームを出射する第２送信信号処理手段と、
を備えることを特徴とする空間光通信システム。
前記受光部は、２次元状に配置された複数の受光素子による受光信号を利用して２次元画像を取得する第１の動作モードと、前記複数の受光素子のうちの特定の１乃至複数の受光素子による受光信号のみを選択的に読み出すことにより高速の信号読み出しを行う第２の動作モードとの切り替えが可能であり、前記第１送受信装置にあって光ビーム走査手段は、第１受光部において第１の動作モードにより第２送受信装置の位置を検出した上で、その検出位置に基づいて光ビームの走査範囲を決めることを特徴とする請求項１に記載の空間光通信システム。
前記第２送受信装置にあって通信状態検出手段は、第２受光部において第１の動作モードにより第１送受信装置の位置を検出し、その検出位置に基づいて特定の受光素子を決定して第２の動作モードに切り替えた上で、通信状態の判定を行うことを特徴とする請求項２に記載の空間光通信システム。
共に送光部及び受光部を具備する第１及び第２の送受信装置を含み、一方の送受信装置の送光部から他方の送受信装置の受光部に向けて小径の光ビームを放射して双方向に光通信を行う空間光通信システムにおいて、
第１送受信装置は、
ａ１）第１送光部により当該第１送受信装置から第２送受信装置に向けて出射された光ビームに対応して、該第２送受信装置から送られて来る光ビームを第１受光部により受けた後、その受信信号に含まれる後記ずれ情報を抽出する第１受信信号処理手段と、
ａ３）該ずれ情報に基づいて第１送光部における光ビームの出射方向を調整する光ビーム調整手段と、
を備え、第２送受信装置は、
ｂ１）第２受光部の受光面の手前にあって光軸を囲んで複数設けられた受光手段の出力に基づいて、前記第１送受信装置からの光ビームによる該第２受光部に対する入射光の方向のずれ量を検出するずれ検出手段と、
ｂ２）該ずれ量を表すずれ情報を送信信号に含ませ、第２送光部により第１送受信装置に向けて光ビームを出射する第２送信信号処理手段と、
を備えることを特徴とする空間光通信システム。