JP2008182446A - 双方向照明光通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照明を行う半導体発光素子をそのまま受光にも用いて、受光のための素子を不要とした双方向照明光通信装置を提供する。
【解決手段】タイミング生成部１６は、受信時の発光素子群１３の消灯により照明としての機能が損なわれない周期で、受信と送信を切り替える切替信号を生成して出力している。送信時には、変調部１１が送信データを変調し、切替部１２を通じて送信データが発光素子群１３に供給され、発光素子群１３の各半導体発光素子が変調された送信データに従って点滅あるいは光量が変化して発光し、送信データを送信する。また受信時には、発光素子群１３は発光せず、受光して信号を出力する。この信号が切替部１２を通じて受信部１４に入力され、復調することにより通信端末装置２から送られてきたデータを受信する。複数の半導体発光素子で受光することによって、より大きな信号を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明光を用いて通信を行う技術に関するものである。

近年、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などの半導体発光素子を光源とする照明が実用化されており、その照明光を用いて情報を送信する技術も、例えば特許文献１などにおいて提案されている。照明として用いるためには、ある程度強い光が必要であり、そのような強い光により情報を伝送することができる。そのような強い光を得るため、照明装置には多数の半導体発光素子を設けて発光させている。

しかし、照明光は照明装置から放射されるだけであることから、一方向のみの通信となる。双方向の通信を実現するために、従来は照明器具に受光素子を設けていた。例えば特許文献２においても、照明用の半導体発光素子とは別に可視光あるいは赤外光の受光素子を設けている。

一方、発光素子である単一のＬＥＤが受光素子としても利用可能であることが、例えば非特許文献１などで知られている。しかし、ＬＥＤの受光特性は、現在広く受光素子として使用されているフォトダイオードの受光特性に比べて劣る。そのため、レンズなどの集光のための光学系を備え、送受信が固定された状態での通信しか行うことができなかった。

また、発光素子をそのまま受光素子として用いるためには、発光させない状態で受光しなければならない。しかし、照明として発光素子を用いている場合、その発光素子を発光させないことは照明としての機能を失うことになるという問題があった。

特許第３８２７０８２号公報 特開２００４−２２１７４７号公報 岡本研正、「超高輝度発光ダイオードを発光兼受光素子として用いた新しい光デバイス」、電子情報通信学会、信学技報ＯＱＥ９０−７、１９９０

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、照明を行う半導体発光素子をそのまま受光にも用いて、受光のための素子を不要とした双方向照明光通信装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、双方向照明光通信装置において、照明光を発光する複数の半導体発光素子からなる発光手段と、送信すべきデータを変調して前記発光手段の点滅あるいは光量を変化させる変調手段と、前記発光手段が発光していない状態で受光したときに得られる信号をもとに送られてきたデータを受信する受信手段と、前記発光手段の発光によるデータの送信と前記発光手段を発光させずに行うデータの受信とを切り替える切替手段と、前記切替手段に対してデータの送受信を時分割で切り替えるための切替信号を生成するタイミング信号生成手段を有することを特徴とするものである。

発光手段は、複数の半導体発光素子を並列に接続したり、あるいは複数の前記半導体発光素子のうち数個ずつをグループとして、グループ内の半導体発光素子を直列に接続するとともに、各グループを並列に接続して構成することができる。または、複数の前記半導体発光素子の接続を、タイミング信号生成手段からの切替信号により並列接続または直列接続に切り替えるように構成することもできる。

またタイミング信号生成手段は、データ受信時に前記発光手段を消灯してもちらつきが生じない周期でデータの送受信を切り替える切替信号を生成することを特徴としている。

本発明によれば、照明のために設けられている複数の半導体発光素子からなる発光手段を、データの送信に用いるとともに、データの受信にも用いることができ、発光手段だけでデータの送受信を行うことができる。また、単一の半導体発光素子では受光時の出力が非常に小さいが、照明のために設けられている複数の半導体発光素子を用いて受光することによって、データの受信に十分な出力を得ることができる。

さらに、データを受信する際には発光手段を発光させない状態で行わなければならず、発光手段を消灯することにより照明を行うことができなくなる。本発明では高速に送受信を切り替えることによって、人の目には連続して点灯しているかのように見え、これによって照明を行いながらデータの送受信を行うことができるという効果がある。

図１は、本発明の実施の一形態を示すブロック図である。図中、１は照明装置、１１は変調部、１２は切替部、１３は発光素子群、１４は受信部、１５はタイミング生成部、２は通信端末装置、２１は受光部、２２は受信部、２３は同期部、２４は変調部、２５は発光部である。

照明装置１は、発光して照明を行うための発光素子群１３とともに、変調部１１、切替部１２、受信部１４、タイミング生成部１５等を含んで構成されている。

変調部１１は、照明光により送信する送信データを変調する。変調方式は、どのような送信データを送信する場合でも、なるべく発光素子群１３から放射される光量が均一になるような方式であるとよい。

切替部１２は送受信を切り替えるものであり、送信時には変調部１１で変調された送信データを発光素子群１３に渡し、受信時には発光素子群１３で受光した信号を受信部１４に渡す。送受信を切り替えるための切替信号は、タイミング生成部１５から受け取る。

発光素子群１３は、多数のＬＥＤやＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）などの半導体発光素子によって構成されている。この実施の一形態では、各半導体発光素子は並列に接続されている。送信時には変調部１１で変調された送信データに従って点滅あるいは光量が変化して発光し、全体として照明光として利用される。また、受信時には発光のための信号はなくなり、受光した信号を受信部１４に伝える。このとき、各半導体発光素子は並列に接続されているので、ある程度の範囲で信号光（通信端末装置２で発光した信号光）が照射されれば、複数の半導体発光素子で受光でき、受光信号も大きくなる。また、直列接続の場合にはすべての半導体発光素子に信号光が照射されないと受信できないが、並列接続であれば一部に信号光が照射された場合でも受信可能である。

発光素子群１３を構成する各半導体発光素子として用いるＬＥＤには、照明光を発光させる必要上、白色あるいは白色に近い色を発光するものを使用することが望ましい。しかし、ＬＥＤでは波長が長い赤色に近いほど受信感度が高い特性がある。そのため、例えば青色の発光光を蛍光体に照射して白色光を得る光源よりも、ＲＧＢ３波長の光を発光する素子を用い、３波長のうち赤色の光の受光信号を得るようにするとよい。さらに、反射型ＬＥＤ等を用いることにより受光面積を大きくしてもよい。

受信部１４は、発光素子群１３で受光した信号を復調し、受信データを出力する。

タイミング生成部１５は、送受信を時分割で切り替えるための切替信号を生成する。このとき、発光素子群１３から放射される光は照明として用いることを前提としているため、受信時に消灯したことによって照明が阻害されたり、あるいは人がちらつきを感じないようにする必要がある。そのため、切り替えのための周期は数ｋＨｚ以上で行うことが望ましい。もちろん、点灯と消灯の時間が同じである必要はなく、照明時には点灯時間を長く取るようにしてもよい。逆に、照明の消灯時には受信の時間を長くしたり、あるいは送信していない間は受信状態としてもよい。

通信端末装置２は、照明装置１からの照明光により送られてくるデータを受信するとともに、データを光により送信する機能を有している。そのための構成として、通信端末装置２は、受光部２１、受信部２２、同期部２３、変調部２４、発光部２５等を含んで構成されている。

受光部２１は、照明光を受光して電気信号に変換する。例えばフォトダイオードなどの光を電気信号に変換する素子で構成することができる。受信部２２は、受光部２１から出力される信号を復調して、元のデータを受信する。また、受光部２１から受け取った信号を同期部２３にも渡し、また、データの受信の際には同期部２３から受け取った同期信号に従って行う。

同期部２３は、受信部２２から渡された信号を元に、照明装置１における送信タイミングを検知し、その検知結果を受信部２２及び変調部２４に渡す。特に、照明装置１では上述のように送信と受信を切り替えて行っているので、照明装置１が受信のフェーズに入ると照明光が無くなることに着目し、同期を取ることができる。

変調部２４は、同期部２３からの同期信号に従って、照明装置１へ送信すべきデータを変調して発光部２５へ渡す。発光部２５は、変調部２４から渡された変調されたデータを光に変換して送信する。発光部２５としてはＬＥＤなどの発光素子を用いることができる。発光光はなるべく照明装置１の発光素子群１３において効率よく受光できる波長であるとよく、例えば半導体発光素子１３としてＲＧＢの発光素子を用いている場合には赤色に近い色を用いるとよい。

なお、通信端末装置１においても受光部２１と発光部２５を照明装置１と同様に発光素子により構成してもよい。

次に、本発明の実施の一形態における動作について説明する。以下の説明では、発光素子群１３による発光光を照明として利用しているものとして説明する。タイミング生成部１６は、受信時の発光素子群１３の消灯により照明としての機能が損なわれない周期で、受信と送信を切り替える切替信号を生成して出力している。

タイミング生成部１６からの切替信号により送信データを照明光により送信する際には、変調部１１が送信データを変調し、切替部１２は変調された送信データを発光素子群１３に供給する。これにより、発光素子群１３の各半導体発光素子が変調された送信データに従って点滅あるいは光量が変化して発光し、送信データを送信する。このときの点滅あるいは光量変動は、高速に行うことにより人の目には感じられない。また、照明光の光量が変動しないように送信データの変調を行っておけば、発光素子群１３による発光光は、ほぼ一様な照明光として利用することができる。

発光素子群１３から放出された照明光は、通信端末装置２の受光部２１で受光し、復調部２２で復調すれば、送信データを受信することができる。なお、通信端末装置２では、照明光を受光して得られた信号から同期部２３が照明装置１における送受信の切替のタイミングを検出し、検出したタイミングに従ってデータの受信及びデータの送信を行う。

一方、通信端末装置２から照明装置１へデータを送信する場合には、照明光を受光することにより同期部２３で検出した照明装置１の送受信の切替タイミングに従い、照明装置１が受信状態にあるときに、変調部２４で変調したデータにより発光部２５を駆動し、光によりデータを送信する。

照明装置１では、データを受信する際には、タイミング生成部１６からの切替信号により切替部１２は発光素子群１３からの信号が受信部１４に渡されるように切り替える。通信端末装置２の発光部２５から放出される、データにより変調された光は、発光素子群１３により受光される。このとき、通信端末装置２からの光は、ある程度拡散するため、並列に接続されている複数の半導体発光素子により受光され、それぞれの半導体発光素子により電気信号に変換される。従って、１つの半導体発光素子では受光能力は小さいが、複数の半導体発光素子で受光することによって、より大きな信号を得ることができる。なお、受信時の信号の大きさは半導体発光素子の数が多いほど大きくなる。

発光素子群１３から出力された信号は受信部１４に入力され、復調することにより通信端末装置２から送られてきたデータを受信することができる。

本発明の実施の一形態における通信の具体例について説明する。図２は、データの送受信の一例の説明図である。ここでは一例として、変調方式としてＰＰＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス位置変調）方式を用い、１シンボルを８スロットで構成し、前半の４スロットを照明装置１から通信端末装置２への通信用に、後半の４スロットを通信端末装置２から照明装置１への通信用に用いることとしている。そして、それぞれの４スロットのいずれにパルスを配置するかにより、２ビットのパターンである００、０１、１０、１１のいずれかを示す。

図２に示した例において、照明装置１から通信端末装置２へ送信する場合には、一般に用いられているＰＰＭの波形を反転して用いている。すなわち、パルスが存在する位置において波形を立ち下げている。このようにＯＮの時間を長く取ることによって、照明光の光量低下をなるべく抑えるようにしている。また、ＰＰＭではデータによってＯＮ／ＯＦＦの時間がそれほど変わらないので、安定した照明光量を確保することができる。

通信端末装置２から照明装置１への通信については、照明装置１とは逆に発光時間を短くすることにより消費電力を抑えることができるので、一般的に用いられているＰＰＭ方式を使用してデータを送信している。

図３は、通信端末装置２におけるタイミング検出方法の一例の説明図である。図２に示したように照明装置１からＰＰＭ方式の反転した波形を用いてデータの送信を行うと、後半の４スロットについては必ずＯＦＦとなり、前半の４スロットについてもいずれかの１スロットがＯＦＦになるのみである。また、照明装置１がデータを送信していなければ、前半の４スロットはすべてＯＮとなる。

このような特性を用い、通信端末装置２の同期部２では、照明装置１における送受信の切替タイミングを検出することができる。すなわち、照明装置１から図３（Ａ）に示すように各種のデータが送信されているか、あるいはデータが送信されていなければ、１フレーム（８スロット）分の受信信号を合成、または加算あるいは平均化してゆけば、図３（Ｂ）に示すように前半の４スロットについてはＯＮとなり、後半の４スロットについてはＯＦＦとなる。この立ち上がりあるいは立ち下がりのエッジを検出すれば、照明装置１における送受信の切替タイミングを、通信端末装置２において検出することができる。このようにして検出した切替タイミングを用いて、通信端末装置２においてデータの送受信を切り替えればよい。

なお、切替タイミングを検出するためには、照明装置１からの照明光を複数フレーム分、合成、加算あるいは平均化等を行う必要があるが、このフレーム数を多くすればより正確なタイミングを検出することができる。また、照明装置１の消灯時には、一般のＰＰＭ波形を用いてデータの送信を行うことができるが、この場合でも、照明装置１からデータが送信されていれば同様の方法により切替タイミングを検出し、通信を行うことができる。

上述の通信方法は一例であって、１シンボルのスロット数や、１シンボル中の割当スロット数については設計時に決めればよい。例えば１シンボル１２スロットとし、８スロットを照明装置１から通信端末装置２へ、４スロットを通信端末装置２から照明装置１への通信に用いる、といった方法も可能である。この場合、聡明装置の発光素子群１３が発光している時間が長くなるため、照明光量を増加させることができる。もちろん、変調方式はＰＰＭに限られるものではないが、照明光としての光量変動が少ない変調方式を選択するとよい。

図４は、本発明の実施の一形態における第１の変形例を示すブロック図である。図１に示した構成例では、発光素子群１３における各半導体発光素子を並列に接続した。このように並列に接続すると、データの受信時に通信端末装置２からの光が照射された各半導体発光素子からの信号を利用することができる。しかし、発光させる際には並列接続された各半導体発光素子に対して駆動電流を供給する必要があるため、駆動電流が大きくなってしまう。そこで、発光時の電流を低減するため、図４に示した変形例ではいくつかの半導体発光素子をグループとして直列に接続し、そのようなグループを並列に接続している。なお、通信端末装置２の構成は図１に示した構成と同様でよい。

このような構成では、発光素子群１３を発光駆動する際の電圧を上げて電流を下げることができ、図１に示した構成に比べて少ない電流により発光素子群１３を駆動することができる。また、グループ内の半導体発光素子に光が当たっていれば信号を出力することができるので、発光素子群１３の一部に光が当たっている場合でも受光して信号を出力することができる。

図５は、本発明の実施の一形態における第２の変形例を示すブロック図である。この第２の変形例では、発光素子群１３の各半導体発光素子の接続を、送信時には直列接続、受信時には並列接続に切り替える構成を示している。図５（Ａ）は直列接続に切り替えた場合を、図５（Ｂ）は並列接続に切り替えた場合をそれぞれ示している。なお、通信端末装置２については図示を省略しているが、構成は図１と同様でよい。

照明装置１からデータを送信する場合には、照明光を発光することから大きな電力が必要である。そのため図５（Ａ）に示すように各半導体発光素子が直列に接続されるように切り替える。これによって、高い電圧を与え、少ない電流により発光駆動できるようにしている。また受信時には、各半導体発光素子が受光して出力される信号を効率よく利用するため、図５（Ｂ）に示すように各半導体発光素子が並列に接続されるように切り替える。複数の半導体発光素子を直列に接続した場合には、その直列接続された半導体発光素子から出力される信号のうち最も弱い信号しか出力されないが、並列接続であればそれぞれの半導体発光素子の出力も利用することができる。

なお、直列接続と並列接続の切替は、切替部１２で送受信の切替に用いているタイミング生成部１５からの切替信号を用いることができる。

上述の実施の一形態及びその変形例は一例であって、本発明の要旨を変更しない範囲内でそのほかの種々の変形が可能であることは言うまでもない。

本発明の実施の一形態を示すブロック図である。 データの送受信の一例の説明図である。 通信端末装置２におけるタイミング検出方法の一例の説明図である。 本発明の実施の一形態における第１の変形例を示すブロック図である。 本発明の実施の一形態における第２の変形例を示すブロック図である。

符号の説明

１…照明装置、１１…変調部、１２…切替部、１３…発光素子群、１４…受信部、１５…タイミング生成部、２…通信端末装置、２１…受光部、２２…受信部、２３…同期部、２４…変調部、２５…発光部。

Claims (5)

1. 照明光を発光する複数の半導体発光素子からなる発光手段と、送信すべきデータを変調して前記発光手段の点滅あるいは光量を変化させる変調手段と、前記発光手段が発光していない状態で受光したときに得られる信号をもとに送られてきたデータを受信する受信手段と、前記発光手段の発光によるデータの送信と前記発光手段を発光させずに行うデータの受信とを切り替える切替手段と、前記切替手段に対してデータの送受信を時分割で切り替えるための切替信号を生成するタイミング信号生成手段を有することを特徴とする双方向照明光通信装置。
2. 前記発光手段は、複数の前記半導体発光素子が並列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の双方向照明光通信装置。
3. 前記発光手段は、複数の前記半導体発光素子のうち数個ずつをグループとして、グループ内の半導体発光素子を直列に接続するとともに、各グループを並列に接続したことを特徴とする請求項１に記載の双方向照明光通信装置。
4. 前記発光手段は、複数の前記半導体発光素子の接続を、前記タイミング信号生成手段からの切替信号により並列接続または直列接続に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の双方向照明光通信装置。
5. 前記タイミング信号生成手段は、データ受信時に前記発光手段を消灯してもちらつきが生じない周期でデータの送受信を切り替える切替信号を生成することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の双方向照明光通信装置。

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