(57)【要約】【課題】  十分な画素数を備え、変調光の光源を的確に検出し、光源からの信号を検出する受信機を提供する。【解決手段】      光受信機は、それぞれが短周期用の画素ユニットおよび長周期用の画素ユニットからなる複数の撮像ブロックを行列状に配列した受光部と、外界からの光を受け、前記受光部に結像させるレンズとを備える。この光受信機はさらに、受光部の全撮像ブロックの長周期用の画素ユニットを走査する長周期走査手段と、長周期用の画素ユニットから読み出される出力から光源を検出する光源検出手段とを備える。この光受信機は、検出された光源に対応する画素ユニット近辺の複数の撮像ブロックを含む光源検出領域において短周期用の画素ユニットを走査する短周期走査手段と、短周期用の画素ユニットから読み出される出力から信号を検出する信号検出手段とを備える。   【選択図】図１５
2010034666.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調された光を出す光源からの光を受け取る、光受信機であって、
それぞれが短周期用の画素ユニットおよび長周期用の画素ユニットからなる複数の撮像ブロックを行列状に配列した受光部と、
外界からの光を受け、前記受光部に結像させるレンズと、
前記受光部の全撮像ブロックの長周期用の画素ユニットを走査する長周期走査手段と、
前記長周期用の画素ユニットから読み出される出力から光源を検出する光源検出手段と、
前記検出された光源に対応する画素ユニット近辺の複数の撮像ブロックを含む光源検出領域において前記短周期用の画素ユニットを走査する短周期走査手段と、
前記短周期用の画素ユニットから読み出される出力から信号を検出する信号検出手段と、
を備える、前記光受信機。
【請求項２】
前記光源検出手段は、前記長周期用の画素ユニットのそれぞれからの差分出力を用いることにより環境光を除去して光源を検出するよう構成されている、請求項１に記載の光受信機。
【請求項３】
前記短周期走査手段は、前記光源からの信号のレートの２倍以上のレートでサンプリングをすることができる速度で前記光源検出領域を走査するよう構成されている、請求項１に記載の光受信機。
【請求項４】
前記短周期用の画素ユニットは、受光領域で生成される電荷を逐次複数の電荷蓄積部に振り分けるよう構成されており、該振り分けにより前記サンプリングが実行されるよう構成されている、請求項３に記載の光受信機。
【請求項５】
前記撮像ブロックの前記長周期用の画素の行に接続された第１の垂直走査回路と、
前記撮像ブロックの前記短周期用の画素の行に接続された第２の垂直走査回路と、
前記撮像ブロックの前記長周期用の画素の列に接続された第１の水平走査回路と、
前記撮像ブロックの前記短周期用の画素の列に接続された第２の水平走査回路と、
を備える、請求項１に記載の光受信機。
【請求項６】
前記撮像ブロックのそれぞれは、短周期用の第１および第２の画素ユニットと、長周期用の第１および第２の画素ユニットからなり、前記第１の画素ユニットの読み出し期間において前記第２の画素ユニットの露光（電荷蓄積）を行い、前記第２の画素ユニットの読み出し期間において前記第１の画素ユニットの露光を行うよう構成されている、請求項１に記載の光受信機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光通信の分野に属し、変調された光を受信して復調する受信機に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、可視光通信システムの基本的な規格が記載されている。可視光通信には、ベースバンド通信方式と副搬送波通信方式とがあり、前者は、情報を電気信号に変換した状態のまま直接通信する方式であり、後者は情報を電気信号に変換した後、所定の副搬送波（サブキャリア）を変調して送受信する方式である。どちらの方式にもディジタル方式とアナログ方式とがある。
【０００３】
非特許文献２には、可視光を搬送波として用いた単方向の通信システム（可視光IDシステム）の基本的な規格が記載されている。28.8kHzの副搬送波を変調する符号化方式として4PPMが使われ、SC-4PPMと呼ばれている。4PPMでは、一つのシンボルを４つのスロットに分け、どのスロットに副搬送波のパルス列が配置されるかによって、２ビットのコードを表す。すなわち、４つのスロットのうち、第１のスロットに副搬送波のパルス列が配置されると、00を表し、第２のスロットにパルス列が配置されると、01を表し、第３のスロットにパルス列が配置されると、10を表し、第４のスロットにパルス列が配置されると、11を表す。
【０００４】
特許文献１には、家電製品の赤外線を用いたリモコンからの光を検出する信号処理回路として、受光素子の出力を増幅し、バンドパスフィルタで搬送波の周波数帯域をフィルタリングした後、検波器で検波し、積分器で積分し、ヒステリシス特性を有する比較器で波形整形することにより復調を行うことが記載されている。
【０００５】
また、特許文献２には、発光源からパルス状に光を照射し、視野からフォトダイオードに入射した光により発生した電荷を、ゲートを介してフォトダイオードに接続された複数のコンデンサに光の照射に同期して振り分けることが記載されている。この複数のコンデンサに蓄積された電荷について信号処理を行って、発光源からのパルス状の光照射に対応する出力波形を取り出して、その位相差から被写体までの距離を測定することが記載されている。
【０００６】
特許文献３には、埋め込み型フォトダイオードの構造および製造方法が記載されている。半導体基板に形成したフォトダイオードのN型領域６（第１図(e)）の上にP型領域13を形成して、N型フォトダイオード領域６を埋め込む（第１図(f)）。フォトダイオード領域６で生成された電荷は、転送ゲートとなるシリコン電極の作用により電荷転送部となるN型領域７に転送される。
【０００７】
非特許文献３には、複数のLEDからパラレルに変調光を送り、受信機ではレンズを介して２次元に受光素子を配置した受光面に光源の像を形成し、複数の画像位置で受信した光をパラレルに復調処理する、パラレル光通信方式が記載されている。
【０００８】
非特許文献４には、ビーコンのIDを長距離から認識することができるCMOSイメージセンサを用いたIDカメラシステムが記載されている。このカメラシステムにはシーンモードとIDモードの２つの動作モードがあり、IDモードでは、画像の全画素（192 x 124）すべてについて12kHzのサンプリング処理を行ってID画像を作成する。
【０００９】
非特許文献４の方式で対応することができる周波数は、12kHzであり、一般的なリモコンで使われている変調光の周波数40kHzに対応することができない。
【特許文献１】特開平8-237207号公報
【特許文献２】米国特許6,239,456
【特許文献３】特開平2-304974号公報
【非特許文献１】可視光通信システム、JEITA CP-1221、（社）電子情報技術産業協会、2007年３月発行
【非特許文献２】可視光IDシステム、JEITA CP-1222、（社）電子情報技術産業協会、2007年６月発行
【非特許文献３】”Analysis of LED-Allocation for High-Speed Parallel Wireless Optical Communication System”, Satoshi Miyauchi, Radio and Wireless Symposium, 2006 IEEE, January 17-19, 2006, pp 191-194
【非特許文献４】”ID CAM: a smart camera for scene capturing and ID recognition Mixed and augmented Reality”, Nobuyuki Matsushita, 2003, Proceedings, The Second IEEE and ACM International Symposium, October 7-10, 2003, pp 227-236
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
受光素子を２次元に配置し、十分な画素数を備えながら、変調光の光源を的確に検出し、光源からの信号を検出することができる受信機が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係る、変調された光を出す光源からの光を受け取る、光受信機は、それぞれが短周期用の画素ユニットおよび長周期用の画素ユニットからなる複数の撮像ブロックを行列状に配列した受光部と、外界からの光を受け、前記受光部に結像させるレンズとを備える。この光受信機はさらに、受光部の全撮像ブロックの長周期用の画素ユニットを走査する長周期走査手段と、長周期用の画素ユニットから読み出される出力から光源を検出する光源検出手段とを備える。また、この光受信機は、検出された光源に対応する画素ユニット近辺の複数の撮像ブロックを含む光源検出領域において短周期用の画素ユニットを走査する短周期走査手段と、短周期用の画素ユニットから読み出される出力から信号を検出する信号検出手段とを備える。
【００１２】
この発明によると、長周期で受光部全体を走査して光源を検出し、検出された光源のある領域を短周期で走査して信号を検出するので、全体として効率的に信号検出を行うことができる。
【００１３】
この発明の一形態では、光源検出手段は、長周期用の画素ユニットのそれぞれからの差分出力を用いることにより環境光を除去して光源を検出するよう構成されている、請求項１に記載の光受信機。
【００１４】
この形態によると、画素ユニットからの差分出力を用いることにより環境光が相殺され、点滅する光源からの光では、オン状態の出力とオフ状態の出力との差分として光が検出されるので、光源を検出することができる。
【００１５】
この発明のもう一つの形態では、短周期走査手段は、光源からの信号のレートの２倍以上のレートでサンプリングをすることができる速度で光源検出領域を走査するよう構成されている。
【００１６】
この形態によると、サンプリング理論にしたがい、光源検出領域だけを的確にサンプリングすることができる。
【００１７】
この発明の一形態では、短周期用の画素ユニットは、受光領域で生成される電荷を逐次複数の電荷蓄積部に振り分けるよう構成されており、該振り分けにより前記サンプリングが実行されるよう構成されている。
【００１８】
この形態によると、画素ユニットの物理的な構造に基づき電荷振り分け操作によりサンプリングが行われるので、回路による処理の負担が軽減する。
【００１９】
この発明の一形態では、光受信機は、撮像ブロックの長周期用の画素の行に接続された第１の垂直走査回路と、撮像ブロックの短周期用の画素の行に接続された第２の垂直走査回路と、撮像ブロックの長周期用の画素の列に接続された第１の水平走査回路と、撮像ブロックの短周期用の画素の列に接続された第２の水平走査回路と、を備える。
【００２０】
また、この発明のもう一つの形態では、撮像ブロックのそれぞれは、短周期用の第１および第２の画素ユニットと、長周期用の第１および第２の画素ユニットからなり、第１の画素ユニットの読み出し期間において第２の画素ユニットの露光（電荷蓄積）を行い、第２の画素ユニットの読み出し期間において第１の画素ユニットの露光を行うよう構成されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
ベースとなる技術
次に図１から図１４を参照して、まずこの発明のベースとなる技術を説明する。このベースとなる技術は、この出願の出願人による特願2008-148455に記載されている。図１は、光受信機10の機能ブロック図であり、光受信機10は、レンズ19によって形成される画像を受けとる受光部12を有する。受光部12は、複数の画素ユニットを２次元に配列した構造になっている。画素ユニットは、光電変換部で発生される電荷について所定の時間間隔で一周期に４つのサンプルを出力し、サンプリング・コンデンサ14a、14b、14c、14dにホールドする。
【００２２】
差分回路16は、サンプリング・コンデンサにホールドされた電圧の差分をとる。常時光を出す光源からの光は、差分をとると、差分としてのサンプル値がゼロになる。これに対し、強度変調された光、すなわち点滅する光源からの光は、差分の値が光パルスの強さを表す値になる。パルス判別器18は、この基準にしたがって、光パルスの存在を判別し、順次検出した光パルスに対応する電気パルス信号を復号器20に送る。タイミング制御部22は、受信対象となる強度変調光のパルス周波数に適合した速度で画素ユニットの４つの電荷蓄積領域から電荷を読み出すよう、読み出しタイミングを制御する。
【００２３】
受光部12のすべての画素ユニットについてパルス判別の処理を行うことにより、画像の中に強度変調した光を出す一つまたは複数の光源を検出することができる。パルス判別器18の働きについては、後に詳しく説明する。
【００２４】
図１において、投光器17は、計算機11から提供され、符号器13でコーディングされ、変調器15で光パルスとして変調された点滅する光を出力する。投光器17は、高レート（繰り返し周波数）の光パルスを放射することのできる発光ダイオード（LED）またはレーザダイオードであってよい。また、投光器17は、高レートの赤外線パルスを放射する発光ダイオードであってもよい。
【００２５】
図２は、受光部12における画素ユニット25の従来の一般的な配列を示す。図３は、特許文献２に記載されている画素ユニットのレイアウトを推測して作成した図である。それぞれの画素ユニット25は、光を電荷に変える光電変換部25aを備える。A-A’断面図に示されるように光電変換部25aは、半導体基板のP型領域（Pウェル）にN型領域を埋め込んで形成された埋め込みフォトダイオードである。光電変換部25aで生成される電荷は、振り分けゲートTx1およびTx2によって振り分けられて、第１の電荷蓄積領域27aおよび第２の電荷蓄積領域27bに異なるタイミングで蓄積される。第１および第２の電荷蓄積領域27a、27bは、P型領域に埋め込まれたN型領域で形成されている。
【００２６】
図２の差分回路16は、垂直操作回路23および水平走査回路27による制御にしたがって、各画素の第１および第２の電荷蓄積領域から電荷を読み出し、出力値の差分をとり、差分画像出力として出力する。電荷蓄積領域27a、27bはリセットゲートRa、Rbを介してリセット電極29a、29bに接続される。光電変換部25aで生成される電荷を検出するサイクルの最初に、リセットゲートRa、Rbが開かれ、リセット電極に加えられる電圧Vによって電荷蓄積領域27a、27bが充電される。これをリセットといい、光電変換部25aで生成される電子は、充電状態の電荷蓄積領域27a、27bの電荷を減らす方向に作用する。
【００２７】
図３は、たとえば特許文献２に示されるような受光部の画素ユニット25の構造を模型的に示す。画素ユニット25の光電変換部25aは、フォトダイオードであり、振り分けゲートTx1を介して電荷蓄積領域27a、振り分けゲートTx2を介して電荷蓄積領域27bに接続されている。電荷蓄積領域27a、27bはリセットゲートRa、Rbを介してリセット電極29a、29bに接続される。図３の下部に示す断面図は、光電変換部25aが半導体基板のP型井戸にN型領域を埋め込んで形成されていることを示している。N型領域の縁が基板表面にせり上がって描かれているのは、特許文献３の第１図(f)、第２図(e)、第３図(a)に描かれているN型領域６の縁部と同様の構造を表すためであり、公知の構造を表している。ゲートTx1に電位が加えられることにより、電荷が光電変換領域25aから電荷蓄積領域27aのN＋領域に移動する。
【００２８】
図３の下部は、画素ユニット25のA-A’断面を示す。P 型の井戸（P-well）にN型の層25aが埋め込まれ、その上に形成されているP+領域との間のPN接合によりフォトダイオードが形成されている。MOS構造の転送ゲートTx1の隣に電荷蓄積領域27aが形成されている。電荷蓄積領域27aは、P型の井戸領域61に埋め込まれたN領域で構成されていている。N+領域29aはリセット電極を構成し、電圧Vの配線に接続されている。N+領域27aとN+領域29aとはMOS構造のゲートR1に信号を加えることにより電気的に接続される。画素ユニット25は、光電変換領域25aを除き遮光幕51で全体を覆われている。
【００２９】
図４は、図３の画素ユニットの回路図であり、図５は、この回路におけるポテンシャル井戸の変化を表している。受光領域25aすなわち光電変換部25aは、光電変換作用を持つダイオードとコンデンサC0で示す。図５を参照すると、(A)は、回路になんらの操作を加えていない状態でのポテンシャル井戸を示す。(B)において、振り分けゲートTx1、Tx2およびリセットゲートR1、R2を開いて電圧Vを加えて、光電変換部および電荷蓄積領域の電荷をなくす。（C）は１回目の露光の第１期間中で光電変換部25aで電荷が生成されている状態を示す。（D）は振り分けゲートTx1を開いて光電変換部25aにたまった電荷を電荷蓄積領域27a（コンデンサC1）に転送する様子を示す。
【００３０】
次に、（E）は、１回目の露光の第２期間中に光電変換部25aで電荷が生成される様子を示す。（F）は、振り分けゲートTx2を開いて電荷を電荷蓄積領域C2に転送する様子を示す。（G）は、２回目の露光の第１期間が始まった状態を、（H）は、（G）で光電変換部にたまった電荷を電荷蓄積領域27a（コンデンサC1）に転送する様子を示す。このようにして、露光サイクルをｎ回繰り返し、この間に電荷蓄積領域27a（コンデンサC1）および電荷蓄積領域27b（コンデンサC2）に蓄積された電荷が出力ゲートTを開いて読み出される。L1およびL2のFETトランジスタは、レベルシフト用のトランジスタで、出力ゲートTが開かれた際、コンデンサC1またはC2の電位に応じた電流を下流のサンプリング・コンデンサ（差分回路）に送る作用をする。
【００３１】
図６は、光受信機10の受光部12で使われる画素ユニット25のレイアウト図である。この例では、一つの画素の光電変換部は、４つの微小変換部25a、25b、25c、25dに分割されている。この４つの微小変換部に対応して４つの電荷蓄積領域27a、27b、27c、27dが設けられている。微小変換部25a、25b、25c、25dで生成された電荷がよりポテンシャルの低い電荷移送領域31に移動する。４つの微小変換部25a、25b、25c、25dおよび電荷移送領域31は、P型領域（P-well）に埋め込まれた一体的なN型領域で形成することができる。この一体的なN型領域の上方に遮光幕（遮光マスク）を設けて微小変換部25a、25b、25c、25dだけに光が入るようにする。
【００３２】
後述するタイミングで振り分けゲートTx1、Tx2、Tx3、Tx4の一つが開かれると、電荷移送領域31の電荷が開かれたゲートに対応する電荷蓄積領域27a、27b、27c、27dの一つに流れる。画素ユニット25は、図３の構造と同様に、光電変換領域である微小変換部25a、25b、25c、25dを除いて遮光幕（図示しない）で覆われている。
【００３３】
画素ユニット25には、電荷蓄積領域27a、27b、27c、27dに隣接してリセット電極29a、29b、29c、29dが設けられている。リセットゲートR1、R2、R3、R4が開かれると、リセット電極29a、29b、29c、29dに加えられている電圧Vにより電荷蓄積領域27a、27b、27c、27dが充電されてリセット状態になる。後に示すタイミング図から明らかなように、リセット処理は、全画素ユニットの全電荷蓄積領域に対して同時に行われる。
【００３４】
図７は、図６の画素ユニット25の等価回路であり、微小変換部25a、25b、25c、25dがフォトダイオードとコンデンサC0a、C0b、C0c、C0dの対で示されている。電荷移送領域31は、コンデンサC3で示されている。振り分けゲートTx1、Tx2、Tx3、Tx4にそれぞれ隣接する電荷蓄積領域27a、27b、27c、27dがコンデンサC1、C2、C3、C4で表されている。これらのコンデンサは、リセットゲートR1、R2、R3、R4のFETトランジスタがオンにされることにより、電圧Vで充電される。この動作は、リセットと呼ばれ、フォトダイオードで生成される電荷を蓄積する前の初期状態を作るためのものである。
【００３５】
FETトランジスタL1、L2、L3、L4は、レベルシフト・トランジスタで、読み出しゲートT1、T2、T3、T4が開かれるとき、コンデンサC1、C2、C3、C4にホールドされている電荷に応じた電流を図１のサンプリング・コンデンサ14a、14b、14c、14dに送り出す作用をする。
【００３６】
図８は、画素ユニット25の動作タイミングを示す。入射光の波形は、可視光ID送信機、赤外線リモコン、ビーコンなどから出された変調光のパルス波形を示す。この例では、リモコンからの光は、副搬送波を用いて送信されており、図８の入射光の波形は、副搬送波のパルス波形を示す。この例では、副搬送波の１周期につき４回サンプリングを行う。
【００３７】
まず、リモコン光のシンボルの直前で、画素ユニット25をリセットする。リセットゲートを開くと同時に４つの振り分けゲートTx1、Tx2、Tx3、Tx4を開いて電荷移送領域31および電荷蓄積領域27a、27b、27c、27dをリセットする（充電する）。次いで、第１のサンプリング期間では、振り分けゲートTx1を開いて、４つの微小変換部25a、25b、25c、25dで生成される電荷を電荷移送領域31を介して電荷蓄積領域27a（コンデンサC1）に蓄える。電荷移送領域31から受け取る電荷は、コンデンサC1の電圧を下げる方向に作用する。
【００３８】
続いて第２サンプリング期間では、振り分けゲートTx2を開き、４つの微小変換部25a、25b、25c、25dで生成される電荷を電荷移送領域31を介して電荷蓄積領域27b（コンデンサC2）に蓄える。次に、第３サンプリング期間では、振り分けゲートTx3を開き、４つの微小変換部25a、25b、25c、25dで生成される電荷を電荷移送領域31を介して電荷蓄積領域27c（コンデンサC3）に蓄える。さらに、第４サンプリング期間では、振り分けゲートTx4を開き、４つの微小変換部25a、25b、25c、25dで生成される電荷を電荷移送領域31を介して電荷蓄積領域27d（コンデンサC4）に蓄える。
【００３９】
こうして一つの周期を終えると、次の周期に入り、同様のサンプリングを繰り返す。コンデンサC1、C2、C3、C4にはm周期を終了するまで、各周期の第１、第２、第３、第４のサンプリングで受け取る電荷が逐次積分されていく。m周期が終了すると、転送ゲートT１、T2、T3、T4が開かれる。レベルシフト・トランジスタL1，L2、L3、L4のゲートにはコンデンサC1、C2、C3、C4の電圧が加えられているので、それぞれのコンデンサの電圧レベルに応じた電流が図１のサンプリング・コンデンサ14a、14b、14c、14dに流れる。
【００４０】
図９は、21個の副搬送波パルスで変調光の一つのシンボルのパルスが表示される例におけるサンプリングの形態を表すタイミング図である。図１０は、複数のシンボルにわたってのサンプリングのタイミングを表す。言い換えると、図９は、図１０の一つのシンボルのパルスを構成する21個の副搬送波パルスのレベルでのサンプリングのタイミングを表す。
【００４１】
図９において、この例では、副搬送はパルスの５周期ごとに、蓄積サイクルと読み出しサイクルを繰り返す。この手法では、蓄積サイクルにおいて電荷蓄積領域27a、27b、27c、27dに電荷を蓄積した後、読み出しサイクルにおいて出力ゲートを開いてサンプリング・コンデンサ14a、14b、14c、14dに出力し、差分回路16およびパルス判別器18でサンプリング値を求める。図11の例で、サンプリング・コンデンサ14a、14b、14c、14dから読み出された値をC(θ0)、C(θ1)、C(θ2)、C(θ3)とすると、次に示す数１に従ってサンプリング値Rを求める。数１には、変調光の位相θを求める式も含まれている。
【数１】
2010034666.tif 000003
【００４２】
図９では、作図上の制約の為、振り分けゲートではTx1だけを示してあるが、図８に示すタイミングにより、蓄積サイクルにおいては振り分けゲートTx1、Tx2、Tx3、Tx4は同じ回数開かれる。リセットゲートは、蓄積サイクルの始めに開かれる。
【００４３】
図10は、21個の副搬送波パルスで構成される主パルスの後に同じ幅のスペースが続くことで論理値ゼロを表し、主パルスの後にの３倍の幅のスペースが続くことで論理値１を表すリモコン信号の例を示す。図10では、第１シンボルが論理値ゼロを表し、第２シンボルが論理値１を表す。それぞれのシンボルにおいて図９に示すタイミングでサンプリングが行われる。図１のパルス判別器18によりサンプリング値が決定され、図１０の(D)に示すパルス列が復号器20に送られる。
【００４４】
図12は、家電製品の赤外線光を用いたリモコンに使用される強度変調の仕様の一例を示す。図12（A）を参照すると、副搬送波として38KHzのパルスが用いられ、論理ゼロのシンボルは、21個の副搬送波パルス（560マイクロ秒)に同じ幅のスペースが続くことで表される。論理１のシンボルは、21個の副搬送波パルスにその３倍の幅のスペースが続くことにより表される。
【００４５】
図12（B）を参照すると、シンボル列の前にシンボル列の開始を示すリーダとして9ミリ秒の連続した副搬送波パルス列とこれに続く4.5ミリ秒のスペースが配置される。シンボル列は、低位アドレス(Address low)および高位アドレス(Address high)からなる機器の番号を示す16ビットを含んでいる。このアドレスにコマンドの8ビットが続き、さらにこのコマンドを反転させた8ビットが続く。この後に、シンボル列の終端に終端を示すパルス列が配置され、次のシンボル列との間にはトレーラとして空白区間が設けられる。
【００４６】
図13は、この手法を用いて図11に示すリモコン信号からリーダを検出する処理を示す。リーダは図12(B)に示すように9ミリ秒のパルス列であるので、これを検出するため、タイミング制御器22は、リーダ期間の1/4の周期である2.25ミリ秒の周期で電荷蓄積を行うモードに入る。(101)。図８に示すように副搬送波の１周期は26.7マイクロ秒なので、2.25ミリ秒は、副搬送波の84.3周期に相当する。したがって、図８においてm=84として電荷蓄積領域27a、27b、27c、27dへの電荷蓄積が行われ、続いてサンプリング・コンデンサ14a、14b、14c、14dに読み出し、差分回路16の差分演算に基づいてパルス判別器18がサンプリング値を決める。この処理をリーダ期間の9ミリ秒の間に繰り返すことにより、パルス判別器18がリーダパルスを判別する。
【００４７】
この処理を受光部12の全画面について実行する(103)。これにより、リモコン信号を発信している一つまたは複数の光源からのリーダの送信を検出することができる。リーダを検出すると（105）、タイミング制御器22は、リーダに続く4.5ミリ秒のスペースを検出するため、その1/4の1.1ミリ秒の周期で電荷蓄積を行うモードに入る。1.1ミリ秒は、副搬送波の41.2周期に相当する。したがって、このモードでは、図８における電荷蓄積の周期数mをm=41として、上記のようなパルス判別を行う。このモードでは全画面について処理を行う必要はなく、リーダを検出して画素およびその周辺の数個ないし数十個の画素についての部分的な読み出しを行うことができる(109)。
【００４８】
この部分読み出し処理によって光パルスが検出されなければ、4.5ミリ秒のスペースを検出したことになる。したがって、プロセスは、560マイクロ秒のシンボルパルスを検出するため、その1/4の期間の140マイクロ秒の電荷蓄積モードに入る(113)。このモードにおいても、リーダを検出した画素およびその周辺の画素に限定した部分読み出しを行う(115)。
【００４９】
このモードにおいて光パルスが検出されると(117)、リーダ検出のプロセスは終了して、引き続き図14のビット読み取り処理に入る。ビット読み取り処理では、図10を参照して説明したシンボルの取り決めにしたがって、シンボルの論理値を判定する。ブロック131および133は、図13のブロック113および115と同一である。140マイクロ秒の電荷蓄積モードにおいて光パルスが検出されず、画素が暗い状態であると（135）、560マイクロ秒のスペースが検出されたことを意味するので、スペースのカウントｎを１とする（137）。続いて、ブロック139および141で140マイクロ秒の電荷蓄積を行い、スペースのカウントｎを１だけインクリメントする。（143）。画素が明るくなるまで、ステップ139から143を繰り返す。
【００５０】
画素が明るくなり、すなわち光パルスが検出されたとき（145）、カウントｎが３を超えていれば、スペースの幅がパルス幅の３倍あることを意味するので、論理値を１と判定する（149）。ｎが３を超えていなければ、図12(A)の符号化規則にしたがって、シンボルの論理値を０と判定する(151)。こうして、リモコン信号の復号が行われる。
【００５１】
第１実施例
図15は、この発明の一実施例の光受信機の構成を示す。画素ユニット25-00、25-01、・・・・25-pkは、光電変換領域で生成された電荷を所定の時間間隔で振り分けて蓄積し、読み出し回路において差分を取り出すことができる構造のものである。具体的には、図３に示した一画素が一つの光電変換領域に対応する構造でもよく、図６に示した一画素が４つの微細な光電変換領域に対応する構造でもよい。
【００５２】
この実施例では、画素ユニットは、図６に示した構造のものであり、装置の全体的な構成は図１に示したのと同様である。図15において画素ユニットから読み出し回路16a、16bに至る配線が１本の線で示されているが、図７に示した等価回路に見られるように、画素ユニットからの出力線は４本ある。図15では、この４本の出力線を束ねて１本の線として示している。
【００５３】
一実施例では、隣り合う２つの画素ユニットが一つの撮像ブロックを形成する。たとえば、画素ユニット25-00および25-10が一つの撮像ブロックを形成し、他のすべての画素ユニットが同様に１対となって撮像ブロックを形成する。
【００５４】
一つの撮像ブロックに含まれる２つの画素ユニットの一方を長周期走査用とし、他方を短周期走査用とする。たとえば、画素ユニット25-00を長周期走査用とし、画素ユニット25-10を短周期走査用とする。すべての撮像ブロックについて同様の割り当てをするので、画素ユニット25-00、25-01、・・・・25-0kの行が長周期走査用の行となる。同様に、画素ユニット25-10、25-11、・・・・25-1kの行が短周期走査用の行となる。受光部の画素ユニット・アレイ50全体を同様に構成するので、長周期走査用の行と短周期走査用の行とが交互に配置される。
【００５５】
長周期走査部51は、撮像ブロックの長周期用の画素ユニットを走査して順に読み出す。図16の高速読み出し設定開始201は、長周期走査の処理を示す。この走査は、発光する光源を検出するための処理であるから、比較的低速度で走査を行う。一実施例では、受光面の画素数は、横２４０、縦１８０である。長周期用の画素の数は、240 × 180/2 = 21,600 である。これをたとえば2.25ミリ秒の半分の時間で読み出し、半分の時間で判断する。この場合、読み出し周波数は、19MHzである。
【００５６】
長周期走査により受光面全体を読み取り（203）、長周期用の画素ユニットの差分出力により光源を検出する（205）。光源検出部53は、受光面において検出された一つまたは複数の光源のそれぞれを、たとえば縦横10ピクセルの領域で表し、その開始点のｘｙ座標を発光領域リストとして作成し(207)、これを短周期走査部55に送る。
【００５７】
短周期操作部55は、受け取った一つまたは複数の発光領域のｘｙ座標をレジスタに保存し、この発光領域の短周期、すなわち高速の読み出しを実行する。図16の高速読み出し開始211は、このプロセスを示す。初期状態として、読み出し済みの発光領域の数ｍをゼロに設定する（213）。光源検出部53から送られてきた一つまたは複数の発光領域の開始点のｘｙ座標をレジスタに設定する（215）。
【００５８】
まず、一つの発光領域について高速サンプリングの部分読み取りを実行する（217）。その発光領域の発光を検出し読み取りを完了すると（219）、その発光領域は処理済みとして発光領域の設定を更新する（221）。更新は、処理済みの発光領域に処理済みのフラグを立てることにより行うことができる。処理済みの発光領域の数ｍをインクリメントし（223）、ｍが発光領域の総数より小さければ、ステップ215に戻り、次の発光領域の短周期走査を実行する。こうして、処理済みの発光領域の数ｍが発光領域の総数に達すると（225）、この処理を終了する。
【００５９】
短周期走査は、開始点をｘｙ座標で規定された発光領域を走査して、図９から図14で説明した手法により信号を検出する。
【００６０】
第２実施例
次にこの発明のもう一つの形態を説明する。この形態では、撮像ブロックは、４つの画素ユニットで構成される。図15を参照すると、この実施形態では、第１の撮像ブロックは、４つの画素ユニット25-00、25-01、25-10、25-11で構成される。同様にすべての画素ユニットが撮像ブロックに組み入れられ受光面50全体が４画素構成の撮像ブロックのアレイとなる。
【００６１】
第１の撮像ブロックにおいて、画素ユニット25-00は、短周期走査用の偶画素であり、画素ユニット25-01が短周期走査用の奇画素である。また、画素ユニット25-10は、長周期走査用の偶画素であり、画素ユニット25-11が長周期走査用の奇画素である。すべての撮像ブロックの４つの画素がこれと同様に構成される。
【００６２】
図17は、この実施例の撮像ブロックを使ったときの、図9に対応するタイミング図である。このタイミング図は、短周期走査時のものである。図9では、電荷の蓄積サイクルと読み出しサイクルが交互に生じている。図17では、偶画素ユニットが電荷蓄積サイクル（偶露光で示す）を終えて、読み出しサイクルに入ると、奇画素ユニットが電荷蓄積サイクルに入り、偶画素の読み出しサイクルと奇画素の電荷蓄積サイクル（奇露光で示す）とが同時に並行して進行する。
【００６３】
図9のタイミング図では、画素ユニットが読み出しサイクルにあるときは、光源からの情報を取り入れることができないが、この実施例によると、すべての時間において光源からの情報を取り込むことができ、信号処理の効率が向上する。
【００６４】
図18は、この実施例の撮像ブロックを使ったときの、図10に対応するタイミング図である。偶画素が振り分けゲートを用いた電荷蓄積サイクルを終えて出力サイクルに入ったとき、奇画素が振り分けゲートを用いた電荷蓄積サイクルに入ることが示されている。同様に、奇画素が出力サイクルに入ったとき、偶画素は電荷蓄積サイクルに入る。
【００６５】
参考例
図19から図21は、非特許文献２に示される可視光IDのパルス位置変調(Pulse Position Modulation、略称PPM)の一例を示す。シンボルの周期が４つのスロットに分けられ、４つのスロットのどこに変調光（点滅する光）があるかにより、コーディングを行う。このように４つのスロットを用いたコーディングを４PPMと呼ぶ。最初のスロットに変調光があれば00、２番目のスロットに変調光があれば01、３番目のスロットに変調光があれば10、４番目のスロットに変調光があれば11を表す。
【００６６】
図19に示すように、１シンボル、４スロットの時間は、416マイクロ秒であり、１スロットの時間は、その４分の一の104マイクロ秒である。副搬送波の周波数は、28.8kHzであるから、１スロットに副搬送波が３周期（28.8 * 0.104 = 3）現れる。副搬送波の１周期は、34.7マイクロ秒（104 / 3 = 34.7）である。
【００６７】
図19に見られるように、可視光IDの４PPM信号のスタートは、第１、第２、第３の３つのスロットに副搬送波を連続して配置し、これに９スロットの０が続く12スロット（３シンボル期間）1248マイクロ秒のプリアンブルで示される。
【００６８】
図20は、副搬送波パルスをサンプリングするタイミングを示す。34.7マイクロ秒の露光期間に１画素の４つの微小光電変換領域に電荷が振り分けられ、次の34.7マイクロ秒の読み出し期間に各微小光電変換領域の電荷が読み出されて数１にしたがってサンプル値Rが求められる。このように、１回のサンプリングには、露光期間34.7マイクロ秒と読み出し期間34.7マイクロ秒、計69.4マイクロ秒を要するので、一つのシンボルの416マイクロ秒の間に、416/69.4 = 6 回のサンプリングが実行される。
【００６９】
図21は、4PPMによるコーディングのフレーム構造を示す。フレームは、プリアンブルのフィールドに続いてフレームタイプのフィールドが配置されている。その後にペイロード（データ）のフィールドが続き、最後にCRCのフィールドが配置されている。
【００７０】
４PPMでは、第４スロットに副搬送波のあるシンボル”11”に続いて第１スロットに副搬送波のあるシンボル”00”が来ると副搬送波のあるスロットが２つ連続する。しかし、データのコーディングにおいて副搬送波のあるスロットが３つ連続することはない。したがって、３つスロットに副搬送波が連続して存在し、その後に副搬送波のないスロットが連続することを検出することにより、プリアンブルを検出することができる。
【００７１】
図22は、上述の事項に基づいてプリアンブルを検出するプロセスを示す。副搬送波の１周期である34.7マイクロ秒の露光（241）を行い、光源画検出された領域部分の画素を読み出す（243）。上述のようにして算出されるサンプル値が１のとき、明るい画素があると判定する（245）。明るい画素が検出されると露光読み出しサイクルのカウント数iを０にセットする（247）。ステップ249、251により次の露光および読み出しサイクルを実行し、カウント数iをインクリメントする（253）。明るい画素が検出されれば（255）、ステップ249にもどり、さらに次の画素の露光および読み出しサイクルを実行する。
【００７２】
カウントiは０からスタートしている。ステップ255で明るい画素が検出されなくなると、カウント数iが３を超えたかどうかを判定する(257)。カウント数iが３以下のときは、プリアンブルは検出されていないので、ステップ241にもどる。図19を参照して説明したように、一つのシンボルについて６回の露光および読み出しサイクルが実行され、プリアンブルは、３つの連続スロットに副搬送波パルスがあるから、６回のサンプリングにおいて4.5回（6*3/4 = 4.5）明るい画素として検出される。すなわち、4回以上連続して明るい画素を検出することによりプリアンブルを検出する。
【００７３】
カウント数iが４以上であると、ブランクの画素の露光および読み出しサイクルの数をカウントするカウンタのカウント数jを０にセットして（259）、ブランクの画素の露光読み出しサイクル数をカウントする（261、263、265）。i+jが３シンボルに対応する18に達するまでブランク画素の露光および読み出しサイクルのカウントを行い(267)、18に達すると、すなわちプリアンブルを構成する３シンボルにわたる処理が完了すると（269）、プリアンブルの検出を終了する。
【００７４】
図21に示すように、４PPM信号のフレームには、プリアンブルに続く４スロット（８ビット）がフレームタイプを表す。図23は、フレームタイプを表す４スロットを読みとる処理のフローを示す。
【００７５】
図21に示すように、フレームタイプを表す４スロットの次に256スロット（512ビット）のペイロード（データ）のフィールドが配置されている。図24は、このペイロードの256スロットを読みとる処理のフローを示す。
【００７６】
図21に見られるように、４PPMのフレームには、８スロット（16ビット）のCRC（Cyclic Redundancy Check）コードが配置されている。CRCは、伝送エラーを検出するための巡回符号(Cyclic Code)である。図25は、この８スロットを読みとるための処理のフローを示す。
【００７７】
次に図26から図28を参照してフレームタイプ・フィールド、ペイロード・フィールドおよびCRCフィールドのデコーディングを説明する。プリアンブルの３シンボルを前述のようにして検出することにより、シンボルの区分が明らかになる。図26は、復号表であり、最右列が４PPMの一つのシンボルが表す２ビットを示す。t0は、シンボルのはじまりから副搬送波のパルスが検出されるまでの露光および読み出しサイクルのカウント数である。t1は、副搬送波パルスが検出された露光および読み出しサイクルのカウント数である。t2は、そのシンボルにおいて副搬送波パルスを検出した後、パルスが検出されなくなったスロットにおける露光および読み出しサイクルのカウント数である。
【００７８】
前述のように、一つのシンボルについて６回の露光および読み出しサイクルがあるから、t0+t1+t02=6 である。図19と図26を見ると、図26の１行目および２行目は、t0のカウントが０で、t1のカウントが１または２で残りがt2のカウントであるとき、第１スロットに副搬送波があると判定され、シンボルが００の２ビットにデコードされることを示している。
【００７９】
同様に３行目および４行目は、t0が１または２で、t1が２または１で残りがt2のカウントであるとき、第２スロットに副搬送波があると判定され、シンボルが０１の２ビットにデコードされることを示している。
【００８０】
また、５行目および６行目は、t0が３で、t1が１または２でt2が２または１のとき、第３スロットに副搬送波があると判定され、シンボルが１０の２ビットにデコードされることを示している。さらに、７行目および８行目は、t0が４または５で、t1が２または１であるとき、第４スロットに副搬送波があると判定され、シンボルが１１の２ビットにデコードされることを示している。
【００８１】
図27および図28は、もう一つのデコーディング方法を実行する処理の流れ図である。34.7マイクロ秒露光303および部分読み出し305は、図20に関連して説明した露光および読み出しのサイクルである。ｔの初期値はステップ301で-1にセットされており、最初のステップ307で０にセットされる。ステップ303および305の露光および読み出しサイクルによるサンプリングの結果、明るい（すなわち、副搬送波パルスあり）と判定されると、V[0]に１がセットされ(311)、副搬送波パルスが検出されなければ、V[0]に０がセットされる(313)。V[0]は、１回目のサンプリングの結果の数値１または０を保存する。
【００８２】
ｔが１シンボルのサンプリング回数６より小さければ(315)、ステップ303にもどり、露光および読み出しサイクルを繰り返す。その結果に応じて２回目のサンプリングの値を保存するV[1]に１または０が入れられる（311、313）。このプロセスが６回のサンプリングが終了するまで繰り返され、V[2]、V[3]、V[4]、V[5]に結果の値が保存される。
【００８３】
図28は、こうして得られたV[t]の配列の値に基づいてシンボルをデコードするアルゴリズムを示す。１回目のサンプリングの結果V[0]が１であれば(321)、第１スロットに副搬送波があるので、シンボルを００にデコードする(329)。３回目のサンプリングの結果V[2]が１であれば（323）、第２スロットに副搬送波があるので、シンボルを０１にデコードする(331)。４回目のサンプリングの結果V[3]が１であれば(325)、第３スロットに副搬送波があるので、シンボルを１０にデコードする(333)。また、６回目のサンプリングの結果V[5]が１であれば(327)、第４スロットに副搬送波があるので、シンボルを１１にデコードする(335)。
【００８４】
以上にこの発明を具体的な実施例について説明したが、この発明は、このような実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】この発明の一実施例の光受信機の全体的な構成を示すブロック図。
【図２】受光素子の配列の一例を示す図。
【図３】従来技術の受光素子のレイアウトを示す図。
【図４】図３の等価回路を示す図。
【図５】図３の受光素子におけるポテンシャルと電荷の動きを示す図。
【図６】この発明の一実施例の画素ユニットの構造を示す図。
【図７】図６の画素ユニットの等価回路を示す図。
【図８】画素ユニットにおけるサンプリングのタイミングを示す図。
【図９】電荷蓄積サイクルと読み出しサイクルの関係を示す図。
【図１０】図９のタイミングをマクロ的に示すタイミング図。
【図１１】サンプリングの原理を示す図。
【図１２】シンボルのコーディングと副搬送波の関係を示す図。
【図１３】リーダ探索のプロセスを示す流れ図。
【図１４】ビット読み取りのプロセスを示す流れ図。
【図１５】この発明の実施例の撮像装置の構造を示す図。
【図１６】長周期と短周期を用いた走査処理を示すフローチャート。
【図１７】偶露光と奇露光を用いた読み取りのタイミングを示す図。
【図１８】偶露光と奇露光を用いた読み取りのタイミングを示す図。
【図１９】パルス位置変調（PPM）のコーディング例を示す図。
【図２０】４PPM信号の副搬送波を読みとるための露光サイクルおよび読み出しサイクルの関係を示すタイミング図。
【図２１】４PPM信号のフレーム構成を示す図。
【図２２】４PPM信号のプリアンブルを探索する処理を示すフローチャート。
【図２３】４PPM信号のフレームタイプを読みとる処理を示すフローチャート。
【図２４】４PPM信号のペイロードを読みとる処理を示すフローチャート。
【図２５】４PPM信号に含まれるCRCを読みとる処理を示すフローチャート。
【図２６】４PPM信号のデコードに使うことができるテーブルの一例を示す図。
【図２７】４PPM信号をデコードする処理の一例を示すフローチャート。
【図２８】４PPM信号をデコードする処理の一例を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００８６】
５０    画素ユニット・アレイ
５１    長周期走査部
５３    光源検出部
５５    短周期走査部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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