(57)【要約】【課題】光軸が通常の稼働状態における受光可能範囲を超えてずれてしまった場合であっても、送受信の各装置間が光軸の再調整を行うことができる光空間通信システムを提供する。【解決手段】光により双方向の無線通信を行う光空間通信システム１であって、第２受信部２２ｂが光信号を受信しない場合に、当該第２受信部２２ｂへの信号の射出態様を変化させながら光信号を送信する第１送信部２４ａと、前記第１送信部２４ａから送信された前記光信号を検出する第２受信部２２ｂと、検出された前記光信号の情報に基づいて、前記第１送信部２４ａを制御するための制御信号を生成する第２制御信号生成部２３ｂと、生成された前記制御信号を第１受信部２２ａに送信する第２送信部２４ｂとを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光により双方向の無線通信を行う光空間通信システムであって、
下流側及び／又は上流側の受信手段が光信号を受信しない場合に、当該受信手段への信号の射出態様を変化させながら光信号を送信する第１送信手段と、
前記第１送信手段から送信された前記光信号を検出する第２受信手段と、
検出された前記光信号の情報に基づいて、前記第１送信手段を制御するための制御信号を生成する制御信号生成手段と、
生成された前記制御信号を第１受信手段に送信する第２送信手段とを備えることを特徴とする光空間通信システム。
【請求項２】
請求項１に記載の光空間通信システムにおいて、
前記第１送信手段が、前記光信号の射出態様を変化させると共に、変化した態様を示す変化情報を光信号として送信し、前記制御信号生成手段が、検出された前記変化情報に基づいて、前記第１送信手段を制御するための制御信号を生成することを特徴とする光空間通信システム。
【請求項３】
請求項１に記載の光空間通信システムにおいて、
下流側及び／又は上流側の受信手段が光信号を受信しない場合に、前記第１送信手段が前記射出態様を変化させるための予め定められたルール情報を記憶するルール情報記憶手段を備え、
前記制御信号生成手段が、前記ルール情報に基づいて、前記第１送信手段を制御するための制御信号を生成することを特徴とする光空間通信システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の光空間通信システムにおいて、
前記第１送信手段が、前記光信号のビーム径を順次変更して前記射出態様を変化させることを特徴とする光空間通信システム。
【請求項５】
請求項４に記載の光空間通信システムにおいて、
前記第１送信手段が、任意の複数の光軸角度において前記ビーム径を順次変更して前記射出態様を変化させ、前記制御信号生成手段が、前記第２受信手段が受信した複数の前記光軸角度における前記ビーム径の情報に基づいて、前記第１送信手段の光軸を前記第２受信手段の方向に制御するための制御信号を生成することを特徴とする光空間通信システム。
【請求項６】
請求項１ないし３のいずれかに記載の光空間通信システムにおいて、
前記第１送信手段が、前記光信号の射出方向を順次変更して前記射出態様を変化させることを特徴とする光空間通信システム。
【請求項７】
請求項６に記載の光空間通信システムにおいて、
前記第１送信手段が、前記光信号の射出方向を円形に走査し、前記制御信号生成手段が、前記第２受信手段が受信した前記光信号の強度変化に基づいて、前記第１送信手段の光軸を前記第２受信手段の方向に制御するための制御信号を生成することを特徴とする光空間通信システム。
【請求項８】
請求項１ないし３のいずれかに記載の光空間通信システムにおいて、
前記第２受信手段が、格子状に配列された複数の受信素子を有し、前記制御信号生成手段が、前記各受信素子が検出した光強度の分布に基づいて、前記第１送信手段の光軸を前記第２受信手段の方向に制御するための制御信号を生成することを特徴とする光空間通信システム。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載の光空間通信システムにおいて、
前記第１送信手段から送信される前記光信号の受光強度分布を測定する強度分布測定手段と、
前記強度分布測定手段の手前に配設され、前記光信号の前記第２受信手段への光路を制御する光路制御手段とを備え、
前記制御信号生成手段が、前記強度分布測定手段にて測定された前記受光強度分布におけるビーム径が最小となるように、前記第１送信手段を制御するための前記制御信号を生成することを特徴とする光空間通信システム。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかに記載の光空間通信システムにおいて、
前記第２受信手段が、中央部分に前記光信号を通過する通過孔を有する第１検出部と、前記通過孔を通過した光信号を受光信号として検出する第２検出部とを備え、
前記制御信号生成手段が、前記第１検出部で検出される光強度が最小となるように、前記第１送信手段を制御するための前記制御信号を生成することを特徴とする光空間通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間中で光による双方向の無線通信を行う光空間通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光空間通信システムは、レンズやミラーを介して送受信装置間をレーザ光で結ぶシステムであり、電波無線と比較して伝送速度が速く秘匿性が高いという特徴を持っている。このような光空間通信システムは、光ファイバケーブルを敷設する必要がないため、山間部−山間部の通信やビル−ビルの通信を行う際に非常に有効なシステムである。
【０００３】
光空間通信システムに関する技術として、例えば、特許文献１に示す技術が開示されている。特許文献１に示す技術は、光受信装置２１への到達光がミラー２１１，２１３で反射されてビームスプリッタ２１５，２１６を貫通するようにモータ２１２，２１４の回転角が調整されているとき、ＰＤ２１７の鏡像をＰＤ’（＝ＰＳＤ１）、ＰＳＤ２１９の鏡像をＰＳＤ２’とするとき、ＰＳＤ１とＰＳＤ２’が重ならないように配置し、ミラー２１３からの反射光とＰＤ２１７の受光像の光軸を一致させ、ＰＳＤ２１８，２１９上のレーザスポット座標を基準点として、光送受信装置１１，２１の相対位置が変化して光軸が外れたとき、ＰＳＤ２１８，２１９上のレーザスポットが基準点に戻るようにモータ１１３，１１５，２１２，２１４の回転角を計算し調整するものであり、これにより、常に光軸を一致させることを可能とするものである。また、その他の光空間通信システムに関する技術として、特許文献２ないし５に示す技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３２３３１１号公報
【特許文献２】特開２００７−１９４９２７号公報
【特許文献３】特開平０７−１２３０５２号公報
【特許文献４】特開平１１−１７７５００号公報
【特許文献５】特開２００３−３０９５２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
長距離の光空間通信を行う場合には、例えば、システムの初期設定時に光軸の調整を非常に微細に行う必要があり、手動による作業ではとても手間が係るものとなってしまう。また、何らかの原因により光軸が通常の稼働状態における受光可能範囲を超えてずれてしまった場合には、そのずれを戻すのに手動だと非常に手間が掛かってしまう。
【０００６】
また、双方向の通信において光軸が通常の稼働状態における受光可能範囲を超えてずれてしまった場合に、上りと下りの双方の光軸を調整する必要があり、両装置の送信状態及び受信状態を相手側に伝送するには、対象となる相手の光信号を利用するしかないため、一旦光軸がずれてしまった後で再調整を行うのは極めて困難である。
【０００７】
上記特許文献に記載された技術は、いずれも光軸が通常の稼働状態における受光可能範囲を超えてずれてしまった場合の処理については示されておらず、上記のような課題を解決することはできない。また、平行光を作るためにコリメータレンズ等を用いることが開示されているが、現実的には距離に応じてビーム径が広がってしまうという問題がある。
【０００８】
本発明は、空間中で光による双方向の無線通信を行う光空間通信システムにおいて、光軸が通常の稼働状態における受光可能範囲を超えてずれてしまった場合であっても、送受信の各装置間で光軸の再調整を行うことができる光空間通信システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る光空間通信システムは、光により双方向の無線通信を行う光空間通信システムであって、下流側及び／又は上流側の受信手段が光信号を受信しない場合に、当該受信手段への信号の射出態様を変化させながら光信号を送信する第１送信手段と、前記第１送信手段から送信された前記光信号を検出する第２受信手段と、検出された前記光信号の情報に基づいて、前記第１送信手段を制御するための制御信号を生成する制御信号生成手段と、生成された前記制御信号を第１受信手段に送信する第２送信手段とを備えるものである。
【００１０】
このように、本発明に係る光空間通信システムにおいては、下流側及び／又は上流側の受信手段が光信号を受信しない場合に、当該受信手段への信号の射出態様を変化させながら光信号を送信し、送信された前記光信号を検出し、検出された前記光信号の情報に基づいて、前記第１送信手段を制御するための制御信号を生成して送信するため、射出態様を変化させることで、受信手段が信号を受信することができるようになり、その受信できた状態に応じて第１送信手段の制御を行うことが可能となり、光軸が通常の稼働状態における受光可能範囲を超えてずれてしまった場合であっても、送受信装置間で光軸の再調整が可能になるという効果を奏する。
【００１１】
本発明に係る光空間通信システムは、前記第１送信手段が、前記光信号の射出態様を変化させると共に、変化した態様を示す変化情報を光信号として送信し、前記制御信号生成手段が、検出された前記変化情報に基づいて、前記第１送信手段を制御するための制御信号を生成するものである。
【００１２】
このように、本発明に係る光空間通信システムにおいては、前記第１送信手段が、前記光信号の射出態様を変化させると共に、変化した態様を示す変化情報を光信号として送信し、前記第２送信手段が、検出された前記変化情報に基づいて、前記第１送信手段を制御するための制御信号を送信するため、射出態様が変化した光信号をその変化状態の情報と共に検出することで、第１送信手段の光軸の状態を受信側で把握することが可能となり、第１送信手段を制御するための適正な制御信号を生成することができるという効果を奏する。
【００１３】
本発明に係る光空間通信システムは、下流側及び／又は上流側の受信手段が光信号を受信しない場合に、前記第１送信手段が前記射出態様を変化させるための予め定められたルール情報を記憶するルール情報記憶手段を備え、前記制御信号生成手段が、前記ルール情報に基づいて、前記第１送信手段を制御するための制御信号を生成するものである。
【００１４】
このように、本発明に係る光空間通信システムにおいては、下流側及び／又は上流側の受信手段が光信号を受信しない場合に、前記第１送信手段が前記射出態様を変化させるための予め定められたルール情報を記憶し、ルール情報に基づいて、前記第１送信手段を制御するための制御信号を生成するため、射出態様が変化した光信号を検出した場合に、その検出したタイミングで射出態様がどのように変化しているかをルール情報から把握することが可能となり、第１送信手段を制御するための適正な制御信号を生成することができるという効果を奏する。
【００１５】
本発明に係る光空間通信システムは、前記第１送信手段が、前記光信号のビーム径を順次変更して前記射出態様を変化させるものである。
【００１６】
このように、本発明に係る光空間通信システムにおいては、前記第１送信手段が前記光信号のビーム径を順次変更して前記射出態様を変化させるため、光軸がずれて受信側を見失った場合でも受光範囲を拡大することができ、光信号を検出することが可能性になるという効果を奏する。
【００１７】
本発明に係る光空間通信システムは、前記第１送信手段が、任意の複数の光軸角度において前記ビーム径を順次変更して前記射出態様を変化させ、前記制御信号生成手段が、前記第２受信手段が受信した複数の前記光軸角度における前記ビーム径の情報に基づいて、前記第１送信手段の光軸を前記第２受信手段の方向に制御するための制御信号を生成するものである。
【００１８】
このように、本発明に係る光空間通信システムにおいては、前記第１送信手段が、任意の複数の光軸角度において前記ビーム径を順次変更して前記射出態様を変化させ、前記制御信号生成手段が、前記第２受信手段が受信した複数の前記光軸角度における前記ビーム径の情報に基づいて、前記第１送信手段の光軸を前記第２受信手段の方向に制御するための制御信号を生成するため、第１送信手段から見た第２受信手段の位置を演算で求めることができ、光軸の制御を正確に行うことができるという効果を奏する。
【００１９】
本発明に係る光空間通信システムは、前記第１送信手段が、前記光信号の射出方向を順次変更して前記射出態様を変化させるものである。
【００２０】
このように、本発明に係る光空間通信システムにおいては、前記第１送信手段が前記光信号の射出方向を順次変更して前記射出態様を変化させるため、射出方向を順次変更して受光範囲を拡大することができ、光信号を検出することが可能性になるという効果を奏する。
【００２１】
本発明に係る光空間通信システムは、前記第１送信手段が、前記光信号の射出方向を円形に走査し、前記制御信号生成手段が、前記第２受信手段が受信した前記光信号の強度変化に基づいて、前記第１送信手段の光軸を前記第２受信手段の方向に制御するための制御信号を生成するものである。
【００２２】
このように、本発明に係る光空間通信システムにおいては、前記第１送信手段が、前記光信号の射出方向を円形に走査し、前記制御信号生成手段が、前記第２受信手段が受信した前記光信号の強度変化に基づいて、前記第１送信手段の光軸を前記第２受信手段の方向に制御するための制御信号を生成するため、第１送信手段から見た第２受信手段の位置を演算で求めることができ、光軸の制御を正確に行うことができるという効果を奏する。
【００２３】
本発明に係る光空間通信システムは、前記第２受信手段が、格子状に配列された複数の受信素子を有し、前記制御信号生成手段が、前記各受信素子が検出した光強度の分布に基づいて、前記第１送信手段の光軸を前記第２受信手段の方向に制御するための制御信号を生成するものである。
【００２４】
このように、本発明に係る光空間通信システムにおいては、前記第２受信手段が、格子状に配列された複数の受信素子を有し、前記制御信号生成手段が、前記各受信素子が検出した光強度の分布に基づいて、前記第１送信手段の光軸を前記第２受信手段の方向に制御するための制御信号を生成するため、光強度分布に応じた光軸角度を演算することが可能となり、第１送信手段を制御するための適正な制御信号を生成することができるという効果を奏する。
【００２５】
本発明に係る光空間通信システムは、前記第１送信手段から送信される前記光信号の受光強度分布を測定する強度分布測定手段と、前記強度分布測定手段の手前に配設され、前記光信号の前記第２受信手段への光路を制御する光路制御手段とを備え、前記制御信号生成手段が、前記強度分布測定手段にて測定された前記受光強度分布におけるビーム径が最小となるように、前記第１送信手段を制御するための前記制御信号を生成するものである。
【００２６】
このように、本発明に係る光空間通信システムにおいては、前記第１送信手段から送信される前記光信号の受光強度分布を測定する強度分布測定手段と、前記強度分布測定手段の手前に配設され、前記光信号の前記第２受信手段への光路を制御する光路制御手段とを備え、前記制御信号生成手段が、前記強度分布測定手段にて測定された前記受光強度分布におけるビーム径が最小となるように、前記第１送信手段を制御するための前記制御信号を生成するため、受光強度分布に基づく最適なビーム径の光信号を送信することが可能となり、光信号の送信態様を適正にすることが可能になるという効果を奏する。
【００２７】
本発明に係る光空間通信システムは、前記第２受信手段が、中央部分に前記光信号を通過する通過孔を有する第１検出部と、前記通過孔を通過した光信号を受光信号として検出する第２検出部とを備え、前記制御信号生成手段が、前記第１検出部で検出される光強度が最小となるように、前記第１送信手段を制御するための前記制御信号を生成するものである。
【００２８】
このように、本発明に係る光空間通信システムにおいては、前記第２受信手段が、中央部分に前記光信号を通過する通過孔を有する第１検出部と、前記通過孔を通過した光信号を受光信号として検出する第２検出部とを備え、前記制御信号生成手段が、前記第１検出部で検出される光強度が最小となるように、前記第１送信手段を制御するための前記制御信号を生成するため、受光信号の強度が最大となるように送信態様を適正にすることが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】第１の実施形態に係る光空間通信システムに用いる送信装置及び受光装置の簡単な模式図である。
【図２】第１の実施形態に係る光空間通信システムの機能ブロック図である。
【図３】第１の実施形態に係る光空間通信システムにおける光信号の射出態様の変化を示す図である。
【図４】レーザ径を変化させる場合において制御信号を生成する処理を示す図である。
【図５】スポット光を走査させた場合において制御信号を生成する処理を示す図である。
【図６】光信号の強度勾配から光軸を求めて制御信号を生成する処理を示す図である。
【図７】３つの素子で光信号を受信する場合の処理方法を示す図である。
【図８】第１の実施形態に係る光空間通信システムの動作を示すフローチャートである。
【図９】第２の実施形態に係る光空間通信システムの機能ブロック図である。
【図１０】第２の実施形態に係る光空間通信システムの動作を示すフローチャートである。
【図１１】その他の実施形態に係る光空間通信システムにおける受光強度の制御処理を示す第１の模式図である。
【図１２】その他の実施形態に係る光空間通信システムにおける受光強度の制御処理を示す第２の模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態を説明する。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。
【００３１】
（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る光空間通信システムについて、図１ないし図８を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る光空間通信システムに用いる送信装置及び受光装置の模式図である。本実施形態に係る光空間通信システムは、双方向の無線通信を行うものであり、上流側の通信装置と下流側の通信装置のそれぞれが、図１に示す送信装置と受光装置をセットで備える構成となっている。
【００３２】
図１（Ａ）は送信装置の一例を示す模式図であり、例えば、２軸の回転鏡とそれを制御するモータとを搭載したガルバノスキャナによって、光信号発生器であるレーザダイオードから発射されたレーザを反射させて、レーザ光を照射対象に照射する。
【００３３】
図１（Ｂ）は受光装置の一例を示す模式図であり、例えば、中心部分に穴を設けた４つのフォトダイオードを有する。この４つのフォトダイオードは、４つの領域に分かれており、各々の領域における光強度が電圧として出力される。つまり、光強度の分布が検出されることで、光軸のずれを演算し、光が中心部分の穴に効率よく集光するように光軸を制御する。なお、このとき、光軸の制御を行ってもよいし、受光装置側の方向を制御して集光効率を上げるようにしてもよい。中心部分の穴の後方には、光信号受信器としてのフォトダイオードを有しており、送信装置から送信されたレーザが、中心部分の穴を通って光信号として入力される。すなわち、４つのフォトダイオードで光軸のずれを検知し、光信号情報をその中心を通るレーザ光から受信する。なお、この受光装置はあくまで一例を示したものであり、以下に示す本実施形態においては、必ずしも図１（Ｂ）に示す受光装置を用いる必要はなく、１つのフォトダイオードで光信号を検出する受光装置を用いてもよい。
【００３４】
本実施形態に係る光空間通信システムにおいては、上記による光軸の制御に加えて、受信側の位置や方向を完全に見失った場合、つまり、受光装置が送信装置からの信号を全く受信できなくなった場合における光軸の調整機能を有している。また、送信装置、受光装置の双方がそれぞれ信号を受信できなくなった場合であっても、送信側、受信側の双方の光軸を調整することで、手動による調整を行わなくても通信障害から復旧することができる機能を有している。
【００３５】
図２は、本実施形態に係る光空間通信システムの機能ブロック図である。光空間通信システム１は、複数の通信装置からなり、各通信装置間で双方向の無線通信を行う。図２では、一例として、上流側の第１通信装置２１ａと下流側の第２通信装置２１ｂからなる光空間通信システム１のシステム構成を示している。
【００３６】
第１通信装置２１ａと第２通信装置２１ｂとは同じ装置構成であり、ここでは分かり易くするために、各構成要素に「第１」又は「第２」を付加している。第１通信装置２１ａにおける各構成要素について説明する。第１通信装置２１ａは、第２通信装置２１ｂから送信された光信号を受信する第１受信部２２ａと、受信した光信号に基づいて、第２通信装置２１ｂの光軸を制御するための制御信号を生成する第１制御信号生成部２３ａと、生成された制御信号を第２通信装置２１ｂに送信する第１送信部２４ａと、第１受信部２２ａが受信した第２通信装置２１ｂ側から送られてきた制御信号に基づいて、光軸の制御を行うと共に、第２通信装置２１ｂとの通信が途切れた場合に、第２通信装置２１ｂをサーチするためにレーザの射出態様を変化させる制御を行う第１制御部２５ａとを備える。第２通信装置２１ｂにおいても、第１通信装置２１ａの各構成要件と同様の機能を有する各処理部を備えている。
【００３７】
第２受信部２２ｂが光信号を受信しない場合、すなわち、上流側の第１通信装置２１ａが何らかの原因で傾いたり、移動したりして、第１送信部２４ａからの光信号を第２受信部２２ｂが受信できなくなった場合に、第１制御部２５ａは、第１送信部２４ａからの光信号の射出態様を変化させて、第２受信部２２ｂをサーチする。
【００３８】
図３は、本実施形態に係る光空間通信システムにおける光信号の射出態様の変化の一例を示す図である。図３（Ａ）は、スポット光の光信号の射出方向を上下左右に走査させた場合を示し、図３（Ｂ）は、射出するレーザのスポット径を変化させた場合を示している。いずれの場合も、光の受光範囲を広げるものであり、その範囲内に第２受信部２２ｂが存在していれば、光信号を検出することができる。このとき、射出態様が変化している光信号には、その変化の状態に関する情報（以下、変化情報とする）が含まれている。
【００３９】
図３（Ａ）の場合、射出方向を走査しながらスポット光が受光装置に当たった瞬間に、その受信強度と方向（ミラーの角度等）の情報を受光装置側で取得する。なお、複数点受信した場合は、受信強度が最大のものを選択する。また、図３（Ｂ）の場合、径の大きさを次第に拡大し、拡大した光信号が受光装置に当たった瞬間に、その受信強度と径の情報を受光装置側で取得する。なお、受光装置が図１（Ｂ）に示すような４つのフォトダイオードからなる場合は、それぞれのフォトダイオードが光信号を受信した順序に基づいて、光軸の方向をある程度求めることができる。
【００４０】
図２に戻って、第２制御信号生成部２３ｂは、第２受信部２２ｂが受信した変化情報に基づいて、第１通信装置２１ａの光軸を制御するための制御信号を生成する。すなわち、第２通信装置２１ｂは、第２受信部２２ｂが変化情報を受信できた時点における第１送信部２２ａの状態を得ることができるため、第１制御部２５ａがどのような制御を行うことで、第１送信部２４ａから送られる光信号を受信することができるか演算することができ、そのように第１送信部２４ａを制御するための制御信号を生成する。
【００４１】
制御信号を生成する場合の処理について、より詳細に説明する。図４は、レーザ径を変化させる場合において制御信号を生成する処理を示す図である。光強度を光軸近傍に集中する場合、光軸近傍を外れると光強度は急激に低下する。つまり、光軸がずれた場合は、受光装置の最低受信感度より低い光強度しか届かないため、受光を検出できない。ビーム径を広げると受光装置に届く光強度が上昇し、最低受信感度を上回ることが期待できる。このとき、図４に示すように、光軸を中心として空間中に円錐状に広がるビームの円錐側面部分のいずれかの位置に受光装置があると推定することができる。
【００４２】
これを複数の角度で実行する。好ましくは、３次元空間における位置を特定するために、３つの異なる角度で実行する。ビームによる複数の円錐が設定されると、それらの円錐側面の共通する交点の位置を幾何学的計算により求めて受光装置の位置を一意に決定することができる。つまり、送信装置及び受光装置の相対的な位置関係に基いて、第１送信部２２ａの光軸を第２受信部２２ｂに合わせるように第１送信部２２ａを制御するための制御信号を生成することができる。なお、このとき、送信装置と受光装置との距離及び径を拡大する際の操作量は既知の情報であるとする。
【００４３】
また、図５は、スポット光を走査させた場合において制御信号を生成する処理を示す図である。図５の場合も各通信装置間の距離と、その距離における光強度分布が予め情報として保持されているとする。ここでのレーザ光はガウシアンビームの特性を有しており、図５の場合は、上下左右の走査ではなく、円形に走査している。つまり、光軸が近い位置では受信強度が大きくなり、走査するに従ってその受信強度が順次変化し、光軸が最も遠い位置では受信強度が弱くなる。このように、走査する円の径、受信した光強度及びその変化に基づいて、予め保持されている光強度分布を参照することで、第１送信部２２ａから見た第２受信部２２ｂの光軸の相対角度を求めることができる。つまり、第２受信部２２ｂに光軸を合わせるように第１送信部２２ａを制御するための制御信号を生成することができる。
【００４４】
さらに、図６は、光信号の強度勾配から光軸を求めて制御信号を生成する処理を示す図である。図６に示すように、第１送信部２２ａから送信された光信号を、第２受信部２２ｂが、格子状に配列された複数の素子で面的に受信することで、受信している光信号の強度勾配を求め、その強度勾配を最急傾斜で登る方向に強度のピーク、すなわちレーザ光の光軸があることが推定される。レーザ光軸をこの傾斜とは逆方向に移動するよう第１送信部２２ａを制御することにより効率的にレーザ光を第２受信部２２ｂに導くことができる。
【００４５】
なお、図６においては、複数の素子を格子状に配列して光信号の強度勾配を求めているが、図７に示すように、少なくとも３つの素子で光信号を受信することで、以下の方法により制御信号を生成することができる。ここでは、光信号がガウシアンビームであるとする。ガウシアンビームの光軸をｚ軸とすると、ｘ−ｙ平面上の点（ｘ，ｙ）での光強度は次式で与えられる。
【００４６】
【数１】
2015065492.tif 000003
【００４７】
ただし、Ｅ０は光軸上の光強度とする。これより次式が成立する。
【００４８】
【数２】
2015065492.tif 000004
【００４９】
３素子の座標（ｘ０，ｙ０）＝（ｘ−ｄｘ／２，ｙ−ｄｙ／２）、（ｘ１，ｙ０）＝（ｘ＋ｄｘ／２，ｙ−ｄｙ／２）、（ｘ０，ｙ１）＝（ｘ−ｄｘ／２，ｙ＋ｄｙ／２）に関してこれを適用して次式を得る。
【００５０】
【数３】
2015065492.tif 000005
【００５１】
２式の差を取れば
【００５２】
【数４】
2015065492.tif 000006
【００５３】
送信距離が十分大きいときは、光軸から受信部までの角度誤差は
【００５４】
【数５】
2015065492.tif 000007
【００５５】
となる。ｙ方向に関しても同様にして次式を得る。
【００５６】
【数６】
2015065492.tif 000008
【００５７】
以上により、光軸をθｘ，θｙだけ修正すれば受信部の中央に光軸を合わせることができる。つまり、制御信号を生成することができる。
【００５８】
このように、光信号を受信したときの射出態様から光軸を求めることができ、その値に応じて制御信号を生成することが可能となる。
【００５９】
図２に戻って、制御信号が生成された後は、仮に、第２通信装置２１ｂの第２送信部２４ｂが、第１通信装置２１ａの第１受信部２２ａに光信号を送信可能な状態（第２通信装置２１ｂ側は、第１通信装置２１ａの方向、位置を見失っていない状態）であるとすると、第２送信部２４ｂが生成した制御信号を第１受信部２２ａに送信する。第１制御部２５ａは、第１受信部２２ａが受信した制御信号に基づいて、第１送信部２４ａを制御することで、第２受信部２２ｂに光信号を正確に送信することができるようになる。
【００６０】
また、仮に、第１通信装置２１ａ側及び第２通信装置２１ｂ側の双方がそれぞれの相手を見失って一切情報のやり取りができない状態の場合であっても、基本的には上記と同様の処理をお互いの装置が実行する。つまり、それぞれの装置が射出態様を変化させながらその変化情報と共に情報を送信する。情報を受信した側の装置では、制御信号を生成し、射出態様を変化させながらその変化情報を送信するのに加え、生成した制御信号も含めて相手側に送信する。そして、制御信号を受信した側は、その制御信号に基づいて送信装置の光軸を制御すると共に、制御信号と同時に受信した相手側の変化情報に基づいて、相手側の送信装置を制御するための制御信号を生成し送信する。こうすることで、相互に相手先の方向や位置を特定して、双方向通信が可能になる。
【００６１】
次に、光空間通信システム１の動作について説明する。図８は、本実施形態に係る光空間通信システムの動作を示すフローチャートである。通信障害等により双方向通信ができない状態となった場合に、第１制御部２５ａの制御により、第１送信部２４ａが信号の射出態様を変化させながらその変化情報を含めて光信号の送信を行う（Ｓ８１）。第２受信部２２ｂが、第１送信部２４ａから送信された光信号を受信する（Ｓ８２）。第２制御信号生成部２３ｂが、第２受信部２２ｂで受信した変化情報（走査した場合の光軸の方向や角度等の情報、径を変化した場合の径の大きさの情報等）に基づいて、第１通信装置２１ａの状態を演算し（Ｓ８３）、第１送信部２４ａから送信される光信号を第２受信部２２ｂが適正に受信できるように、第１制御部２５ａが第１送信部２４ａを制御するための制御信号生成する（Ｓ８４）。第２送信部２４ｂが、生成された制御信号を第１受信部２２ａに送信する（Ｓ８５）。第１制御部２５ａが、第１受信部２２ａで受信した制御信号に基づいて第１送信部２４ａを制御する（Ｓ８６）。
【００６２】
なお、上述したように、第１通信装置２１ａ及び第２通信装置２１ｂの双方がお互いに相手を見失った場合は、それぞれで上記と同様の処理を行う。すなわち、相手の変化情報を受信するまでは、自分側の光信号の射出態様を変化させながらその変化情報を送信し、相手側の変化情報を受信した後は、さらに、相手側の変化情報に基づいて生成された制御信号も併せて送信する。そうすることで、双方が同時に受光し双方向通信が確立する条件が満たされなくても、各々が個別に受光する条件を見つけ、その情報をそれぞれが受光したタイミングで相手にフィードバックすることによって、相互に制御信号を受信することが可能となり、光軸の自動調整を短時間で行うことができる。
【００６３】
（本発明の第２の実施形態）
本実施形態に係る光空間通信システムについて、図９及び図１０を用いて説明する。なお、本実施形態において、前記第１の実施形態と重複する説明は省略する。
【００６４】
本実施形態に係る光空間通信システムは、受光装置が送信装置からの信号を全く受信できなくなった場合に行う動作の情報をルール情報として予め双方の通信装置に記憶させ、障害発生後の経時情報に応じて、そのルール情報に基づいて相手側の状態を推定し、適正な制御信号を生成するものである。
【００６５】
図９は、本実施形態に係る光空間通信システムの機能ブロック図である。第１の実施形態における図２の場合と異なるのは、第１ルール情報記憶部９１ａ、第２ルール情報記憶部９１ｂ、第１経時処理部９２ａ及び第２経時処理部９２ｂをさらに備えることである。また、各通信装置は、障害が発生した場合に光信号の射出態様を変化させるが、その際に、前記第１の実施形態の場合のようにその変化情報を併せて送る必要はない。つまり、障害発生後に何らかの光信号を受信したことだけが認識できればよい。
【００６６】
第１ルール情報記憶部９１ａ及び第２ルール情報記憶部９１ｂには、障害が発生して相互に送受信ができなくなった場合に、光信号の射出態様を変化させるためのルールが記憶されており、第１制御部２５ａ及び第２制御部２５ｂは、各ルール情報にしたがって射出態様を変化させて光信号を送信する。また、第１制御信号生成部２３ａ及び第２制御信号生成部２３ｂは、障害発生後に相手側から何かしらの光信号を受信した場合に、第１経時処理部９２ａ及び第２経時処理部９２ｂで計測された障害発生から何かしらの光信号を受信するまでの経過時間と、第１ルール情報記憶部９１ａ及び第２ルール情報記憶部９２ｂの内容とに基づいて、相手側の状態を演算し、相手側の光軸を適正に制御するための制御信号を生成する。
【００６７】
一例を挙げて具体的に説明する。第１ルール情報記憶部９１ａ及び第２ルール情報記憶部９１ｂには、同一のルール情報が記憶されており、例えば、相互に光信号の送受信ができなくなってから所定時間Ｘ秒経過後に、毎秒Ｙｃｍの速さでビーム径を大きくするというルール情報が記憶されている。第１経時処理部９２ａ及び第２経時処理部９２ｂは、相互に光信号の送受信ができなくなってから、相手側の射出態様の変化により次に何かしらの光信号を受信するまでの経過時間Ｚ秒を計測する。第１制御信号生成部２３ａ及び第２制御信号生成部２３ｂは、ビーム径＝（Ｚ−Ｘ）×Ｙにより相手側のビーム径を推定することができる。つまり、相手側からビーム径の情報を得る必要がなく、自分側で相手側のビーム径を推定演算することで、変化情報を得ることができる。変化情報が求められると、後は前記第１の実施形態の場合と同様に、その変化情報に基づいて制御信号が生成され、相手側の光軸が適正に制御される。
【００６８】
なお、射出態様の変化として光軸を走査する場合も上記と同様の処理を行うことで、光軸を制御することができる。この場合、相互に光信号の送受信ができなくなってから所定時間Ｘ秒経過後に、毎秒Ｙｃｍの速さで光軸を走査するというルール情報が記憶されている。また併せて、走査する始点（送信装置からの相対的な位置）、方向（例えば、上方向、下方向、右方向、左方向、円形方向等）、走査態様（例えば、ある位置から折り返す、ある位置から９０度方向を変更する、右回り又は左回り等）が記憶されており、経時情報が分かりさえすれば、相手側の光軸がどの方向に何度傾いているかを推定演算することが可能となる。
【００６９】
次に、光空間通信システム１の動作について説明する。図１０は、本実施形態に係る光空間通信システムの動作を示すフローチャートである。まず、通信障害等により双方向通信ができない状態となった場合に、第１ルール情報記憶部９１ａに記憶されたルール情報に基づいて、第１制御部２５ａが第１送信部２４ａを制御し、ルール情報に応じた射出態様で光信号の送信を行う（Ｓ１１）。第２受信部２２ｂが、第１送信部２４ａから送信された光信号を受信する（Ｓ１２）。第２経時処理部９２ｂが、相互に光信号の送受信ができなくなってから、上記の射出態様が変化した光信号を受信するまでの経過時間を計測し、第２制御信号生成部２３ｂが、計測された経過時間と、第２ルール情報記憶部９１ｂに記憶されたルール情報に基づいて、第１通信装置２１ａの状態を推定演算し（Ｓ１３）、第１送信部２４ａから送信される光信号を第２受信部２２ｂが適正に受信できるように、第１制御部２５ａが第１送信部２４ａを制御するための制御信号生成する（Ｓ１４）。第２送信部２４ｂが、生成された制御信号を第１受信部２２ａに送信する（Ｓ１５）。第１制御部２５ａが、第１受信部２２ａで受信した制御信号に基づいて第１送信部２４ａを制御する（Ｓ１６）。
【００７０】
なお、第１通信装置２１ａ及び第２通信装置２１ｂの双方がお互いに相手を見失った場合は、それぞれで上記と同様の処理を行う。このとき、第１の実施形態の場合と異なり、特に相手側から射出態様の変化に関する情報が送られていなくても、それぞれの装置が独自に相手側の状態を推定演算して制御信号を生成して、光軸の自動調整を行うことができる。
【００７１】
（その他の実施形態）
本実施形態に係る第１の光空間通信システムについて、図１１を用いて説明する。本実施形態に係る光空間通信システムは、上記各実施形態において送信装置の光軸がある程度自動調整された際に、光信号の強度を最適化するために送信装置の制御を行う。すなわち、本実施形態に係る光空間通信システムは、送信される光信号の受光強度分布を測定し、当該測定された受光強度分布におけるビーム径が最小となるように送信装置を制御し、その状態で受光装置への光路を設けて受光装置に光信号を送信するものである。
【００７２】
図１１は、本実施形態に係る光空間通信システムにおける受光強度の制御処理を示す第１の模式図である。送信装置から送信された光信号の受光強度を測定するための強度測定用受光装置が配設されており、この強度測定用受光装置は格子状に複数配設されたフォトダイオードの入力電圧に応じた受光強度分布を測定する。この測定結果に基づいて、ビーム径が最適となるように送信装置が制御される。送信装置の制御については、強度測定用受光装置側で制御信号を生成して送信装置に送ってもよいし、例えば、図１１に示すように、送信装置の制御部がアルゴリズムを用いて制御するようにしてもよい。
【００７３】
強度測定用受光装置の手前には、送信装置から送信された光信号の光路を受光装置の方向に切り替える反射鏡が設けられており、強度測定用受光装置でビーム径が最適化されたことが確認されたら反射鏡を制御して受光装置への光信号の送信を行う。このように、ビーム径を変えながら受光強度分布を測定し、ビーム径を最適化することができるため、受光強度を上げて安定的な通信を行うことができる。
【００７４】
本実施形態に係る第２の光空間通信システムについて、図１２を用いて説明する。本実施形態に係る光空間通信システムは、上記第１の光空間通信システムの場合と同様に、各実施形態において送信装置の光軸がある程度自動調整された際に、光信号の強度を最適化するために送信装置の制御を行う。
【００７５】
図１２は、本実施形態に係る光空間通信システムにおける受光強度の制御処理を示す第２の模式図である。図１２において、受光装置は、図１（Ｂ）に示したように中央部分に光信号を通過するための通過孔を有する検出部と、通過孔を通過した光信号を受光信号として検出する光信号受信器とを備え、検出部で検出される光強度が最小となるように、送信装置が制御される。送信装置の制御については、受光装置側で制御信号を生成して送信装置に送ってもよいし、例えば、図１２に示すように、送信装置の制御部がアルゴリズムを用いて制御するようにしてもよい。光信号のエネルギー総和は、ビーム径の大きさに拠らず一定であるため、検出部で検出される光強度が最小になることで、通過孔を通過する受光信号の強度を最大にすることができる。このように、通過孔に光エネルギーを集中させることで、受光強度を上げて安定的な通信を行うことが可能となる。
【符号の説明】
【００７６】
１  光空間通信システム
２１ａ  第１通信装置
２１ｂ  第２通信装置
２２ａ  第１受信部
２２ｂ  第２受信部
２３ａ  第１制御信号生成部
２３ｂ  第２制御信号生成部
２４ａ  第１送信部
２４ｂ  第２送信部
２５ａ  第１制御部
２５ｂ  第２制御部
５１ａ  第１ルール情報記憶部
５１ｂ  第２ルール情報記憶部
５２ａ  第１経時処理部
５２ｂ  第２経時処理部
【図２】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１】
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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１１】
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【図１２】
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