JP2002515611A - 入射変調波を逆反射する通信装置 - Google Patents

入射変調波を逆反射する通信装置

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JP2002515611A JP2000548976A JP2000548976A JP2002515611A JP 2002515611 A JP2002515611 A JP 2002515611A JP 2000548976 A JP2000548976 A JP 2000548976A JP 2000548976 A JP2000548976 A JP 2000548976A JP 2002515611 A JP2002515611 A JP 2002515611A
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オブライエン、ドミニク・シー
エドワーズ、デイヴィッド・ジョン
シェアード、スティーヴン・ジェイ
フォークナー、ジー・イー
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アイシス イノヴェイション リミテッド
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Abstract

(57)【要約】 パーソナルＩＤカードのような通信装置は、衣服の外側に身につけられるバッジ或いはラベルの形を取る。該バッジは、逆反射する繰返しパターンを形成された内側表面を有する透過性材料からなる第１の層（１１）を備える。同様に透過性材料からなる第２の層（１２）は、対応する繰返しパターンを有する内側表面を有する。電界をかけることによりその屈折率を変更することができる液晶材料からなる層（１３）が、その２つの層に挟まれて形成される。層（１３）の屈折率が第１の層（１１）及び第２の層（１２）の屈折率に近いとき、入射した放射は、ほとんど散乱することなく装置を通過する。しかしながら、層（１３）の屈折率が電界をかけることにより変更されるとき、入射した放射は、層（１３）と第１の層（１１）との整合する境界面から逆反射される。その通信装置は、層（１３）の屈折率を変更することにより、入射した放射を逆反射し、その放射を変調することができ、その結果、反射したビームは受信機に情報を搬送することができる。このようにして、ほとんど動作電力を必要としない装置を用いて、非接触の環境において情報を搬送することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、簡単で、強度もある光トランスポンダとして機能し、ＩＤカードの
ような個人用情報搬送手段として用いるのに適した通信装置に関する。
【０００２】 ＩＤカードや、製品上のラベルに付されるバーコードのような他の情報搬送手
段は、増す増す機械化され、コンピュータ制御されるようになってきた今日の環
境において、そのようなカード及びバーコードを割り当てられた人間及び製品を
識別できるようにするために、世界中で一般的に用いられている。今のところ、
そのような情報搬送手段の開発は、表示することができる決まった情報の量を増
加すること、かつコンピュータ化された環境においてインタラクティブな「スマ
ートカード」を作製することに集中している。個人用情報搬送手段、例えば旅行
許可証の場合には、磁気ストライプ上に情報が記録されており、読取り装置を通
してカードに記憶された情報を読み出さなければならない。同様に、製品上のラ
ベルに付されたバーコードも、可搬型の読取り装置によって、或いはバーコード
を掃引する固定式の読取り装置によって読み取られる。
【０００３】 米国特許第４，９８３，０２１号には、ある距離に位置する物体において用い
るのに適した反射装置システムが記載される。入射経路に沿って、電磁放射の送
信機に隣接する受信機に電磁放射を反射させて戻すために逆反射表面が用いられ
る。反射光の経路を選択的に遮断して、反射光を変調するために、逆反射体の前
面に個別のシャッタが設けられる。例えば、シャッタが液晶である場合、液晶の
透過性が、透明状態から不透明状態に変更される。
【０００４】 本発明は、構成が簡単で、しかも製造コストが安価である、個人用情報搬送手
段として用いるのに適した通信装置を提供するものである。さらに個人用情報搬
送手段として、本発明は、情報搬送手段を読取り装置で掃引する必要性がなく、
装置内に記憶された情報を供給することができる光学手段（すなわち非接触の手
段）を提供するものである。さらに本発明は、仮に必要であったとしても、非常
に小型の、例えば太陽電池により提供されるような電源しか必要としない通信装
置を提供するものである。
【０００５】 本発明は、放射センサと、逆反射形状に形成された表面を有する調整可能な反
射層と、その調整可能な反射層の反射特性を変更するための調節手段と、前記反
射特性の変化を制御するために前記センサ及び調節手段と通信するコントローラ
とを備える通信装置を提供する。
【０００６】 前記調整可能な反射層は、電界に依存する屈折率を有する材料からなり、その
場合に、前記調節手段が前記調整可能な反射層に電界をかけるためのバイアス手
段を備えることが好ましい。
【０００７】 好ましい実施形態では、調整可能な反射層の輪郭を形成された表面は、入射す
る放射線に対して実質的に透過性を有する外側層と接触し、それにより調整可能
な反射層の屈折率が、外側層の屈折率に略同じ屈折率と、外側層の屈折率と異な
る屈折率との間で調整可能である。別の外側層が、輪郭を形成された表面と反対
側の調整可能な反射層の表面に接触して設けられ、その別の外側層の表面と調整
可能な反射層との境界面が、輪郭を形成された表面の前面において散乱境界面を
形成し、それにより調節手段が、散乱境界面により引き起こされる放射線の散乱
の度合を調整する。
【０００８】 代替的な実施形態では、調節手段は、調整可能な反射層に機械的な振動を加え
るために、調整可能な反射層と接触する圧電性層を備える。
【０００９】 逆反射された放射線は、調整可能な反射層により振幅変調される。代替的な方
法、或いは、追加の別方法では、逆反射された放射線は、調整可能な反射層によ
り位相／偏波変調される場合もある。
【００１０】 ここで言及される、逆反射形状に形成された表面とは、逆反射している、繰返
しの３次元パターンを有する表面を指すことを意図することが理解されよう。
【００１１】 さて、本発明の実施形態が、添付の図面を参照して、例を示すものとして記載
されるであろう。
【００１２】 図１の通信装置は、印加される電界に応じて屈折率が変動する電界応答性（el
ectro-sensitive）材料からなる活性層２等の調整可能な反射層から構成される
。例えば活性層２は、電界に依存する屈折率を有する、ドープされた半導体材料
から構成してもよい。活性層２の第１の表面３は、コーナ・キューブの繰返しパ
ターンのような、逆反射する表面を構成するように形成される。活性層２の反対
側の表面４は平坦であり、放射吸収材料或いは塗料５でコーティングされる。
【００１３】 １つ或いは複数の光検出器６（図１には１つのみが示される）が、第１の表面
３上に入射する電磁放射を検出するために、第１の表面３上に設けられることが
好ましい。別法では、光検出器６は、第２の表面４と放射吸収コーティング５と
の間の活性層２の第２の表面４上に取り付けてもよい。接点７が、活性層２の反
対側の端部に設けられ、電界が層全体にかけられるようにする。接点７及び１つ
或いは複数の光検出器６がコントローラ８に接続される。コントローラ８は、光
検出器６によって検出される入射する放射線に応じて、かつコントローラのメモ
リ領域に記憶された伝送のためのあらゆる情報に基づいて、活性層２にかけられ
る電磁界を制御する。また光検出器６は、コントローラ８の動作を維持するため
に用いられる電気エネルギーを生成する太陽電池として動作してもよい。
【００１４】 使用時に、活性層２は、通常、その包囲体の屈折率ｎsに略等しい屈折率を有
する。このモードでは、第１の表面３に入射する光は、第１の表面からほとんど
反射、或いは散乱せず、活性層２を通過し、その後活性層の第２の表面４上の光
吸収材料５によって吸収される。それゆえ、通信装置によては、ほとんど或いは
全く光は反射されない。コントローラ８と組み合わせて、光検出器６は、所定の
周波数であって、かつ／または所定の変動する信号を搬送しうる、所定の問合せ
信号等の入射放射線に対してのみ応答するようにプログラミングされる。問合せ
信号が検出されるとき、コントローラ８は、接点７を介して活性層２にかける電
界を変更する。またこれにより、屈折率が包囲体の屈折率と異なるように、活性
層２の屈折率がｎs＋Δｎに変更される。この活性層の屈折率の変化により、活
性層の第１の表面からの反射が生じるようになる。第１の表面が特定の形状に警
醒されていることにより、その表面は、変更された屈折率で逆反射体として作用
し、入射した放射線は略その放射経路に沿って反射して戻されるようになる。逆
反射される放射線が変調されて情報を搬送するように、加えられる電界が、コン
トローラ８の制御下で変更されるようにしてもよい。
【００１５】 問合せ信号を生成するリモート送受信機１８は、反射された放射と、逆反射信
号に含まれるあらゆる情報を受信するように、放射源に隣接する検出器１９を有
する。
【００１６】 図２では、活性層２が圧電性変調層９に載置される、代替的な通信装置／トラ
ンスポンダが示される。圧電性層９はコントローラ８に接続され、逆反射層２を
物理的に歪ませ、それによりその逆反射表面３から反射される放射を変調するよ
うに作用する。圧電装置は、数十ＭＨｚまでの周波数で動作することができ、そ
れにより反射された放射を変調して、大量のデータが、短時間に伝送されるよう
にする。
【００１７】 図３には、さらに別の通信装置が示される。その通信装置は、屈折率ｎsの第
１の略透明な層１１の外側の略平坦な表面に取り付けられた１つ或いは複数の放
射センサ１０（図３に５個が示される）を備える。第１の層１１の反対側の内側
表面は、浮き彫り状の繰返しの３−Ｄキューブ・コーナパターンに形成されてい
る。同様に、屈折率ｎsの第２の略透明な層１２は、対応する繰返しパターン３
−Ｄキューブ・コーナパターンをエンボス加工された内側表面を有する。図３に
示されるように、第１及び第２の層１１及び１２は、それらのパターン化された
内側表面が互いに対面するように相互に位置付けられ、第１の層１１の内側表面
上の突出部が、第２の層１２の内側表面上の窪部（ウェル）と一致するように横
方向に整列される。
【００１８】 第１及び第２の層１１及び１２は、印加された電界によりその屈折率を調節す
ることができ、屈折率の値が、ｎa≒ｎs及びｎa＋Δｎa≠ｎsのようなｎaとｎa
＋Δｎaの間で変更可能である電界応答材料からなる、図１の活性層と同様の活
性層１３により離隔される。内側のパターン化された表面と反対側の、第２の層
１２の外側の略平坦な表面は、放射吸収層１４で覆われる。
【００１９】 コントローラ１５は放射センサ１０と通信し、電界が活性層全体にかけられる
ように配列された接点（図示せず）により、活性層１３に接続される。図１の相
装置を参照して記載したのと同様に、コントローラ１５は、センサ１０が問合せ
信号を検出するのに応答して、かけられた電界を制御し、逆反射された信号の輝
度（強度）変調により逆反射された信号をエンコード（符号化）する。
【００２０】 活性層１３の屈折率が第１及び第２の層１１及び１２の屈折率と略同じである
ような状態にあるとき、装置に入射する大部分の放射は、第１の層１１、活性層
１３及び第２の層１２を通って伝送され、放射吸収層１４に至る。この層は装置
の背面から不要な反射が生じるのを防ぐとともに、伝送された光が装置を駆動す
るために用いられるように光電特性を有することが好ましい。ただし、場合によ
っては、小型の電池（図示せず）を用いてもよい。活性層１３の屈折率が第１及
び第２の層１１及び１２と異なる状態にあるとき、活性層１３の第１及び第２の
層１１及び１２との境界面において、入射した放射の反射が生じる。その境界面
における表面の形状（整合性）により、入射した放射は入射経路に沿って、確実
に逆反射して戻される。
【００２１】 図４はさらに別の通信装置或いはトランスポンダを示しており、上記のように
、略透明な層１１及び１２は活性層１３により離隔される。しかしながら図４で
は、第１の略透明な層１１と活性層１３との間の境界面は、散乱性境界面１６で
ある。この構造を用いると、活性層１３の屈折率が第１及び第２の層１１及び１
２の屈折率に略等しい場合、入射した放射は、散乱性境界面１６により全方向に
散乱される。活性層１３の屈折率が電界をかけることにより変更されるとき、散
乱性境界面１６は、入射した放射に関係する限りにおいて消失し、散乱は大きく
低減される。代わりに、入射した放射は、活性層１３と第２の層１２との間の逆
反射境界面１７に衝突し、放射の大部分が同じ経路に沿って戻るようになる。図
４に示されるトランスポンダを用いる場合、逆反射される信号の変調は、散乱性
境界面１６を「除去」することにより行われることが理解されよう。
【００２２】 図３及び図４に示される装置の層１１及び１２は同じ屈折率を有するものとし
て記載されたが、それらの層が異なる屈折率を有する場合もあり、その場合には
入射した放射の逆反射は、活性層との１つの境界面でのみ生じうるものと考えら
れる。さらに上記の説明は、逆反射される信号の輝度（強度）変調について記載
してきたが、屈折率のような活性層の特性の変化により、逆反射される信号の位
相／偏波変調を行うこともできる。
【００２３】 入射放射源１８に隣接して、ここで用いられるタイプの検出器１９は、変調さ
れた戻り信号に含まれる任意の情報を抽出するために、どのタイプの変調がモニ
タされるかを判定するであろう。
【００２４】 コントローラ８、１５は、腕時計電池、太陽電池等の小型の電源（図示せず）
を備えいてもよい。好ましい形態では、通信装置は、問合せ信号が光検出器６或
いはセンサ１０によって検出された場合にのみ動作する。それゆえ、活性層２、
１３の調節を行う場合にのみ電源が必要とされ、従って非常の小型の電源しか必
要としない。当然、図３及び図４の場合には、活性層の屈折率を非反射状態に維
持するために、電源が必要とされる場合もある。上記のように、データトランス
ポンダ／通信装置は、入射光を用いて装置を駆動するように、太陽電池を備える
場合もある。
【００２５】 屈折率が調整可能な任意の適切な材料を、活性層２、１３のために用いること
ができる。その材料は、ＩＩＩ／Ｖ半導体系のようなドープされた半導体材料、
或いは強誘電性或いは電傾（electro-clinic）液晶のような液晶であってもよい
。そのような材料を用いる場合、反射された放射を用いて１０〜１００ｋｂｉｔ
ｓ／ｓの速度で、データを伝送することができる。逆反射パターンが用いられる
ので、装置の角感度（angular sensitivity）の限度は、主に活性層の動作特性
によって制限される。一般に、光の供給、及び特に液晶の角感度を改善するため
の種々の方法が知られており、そのような改善法は本明細書に援用される。
【００２６】 液晶を用いる場合、振幅変調を用いて直接映像を伝送することは比較的帯域幅
の効率がよいが、雑音耐性が低いため、高品質の受信信号を確保するためには大
きな電力が伝送されなければならない。多くの場合、その通信装置が用いられそ
うな環境では、周囲光及び人工光からの雑音に曝されるため、直接振幅変調以外
の変調方式が好ましい。そのような好ましい変調方式は、帯域幅利用効率が高く
、比較的電力効率のよい位相変調方式（ＰＳＫ）及び横軸振幅変調（ＱＡＭ）を
含む。実験的には、ＱＡＭが全てに優れていることがわかっている。
【００２７】 多くの場合、伝送される電力を完全に変調することを想定する場合もあるが、
高い周波数では、液晶の応答により、実現できない可能性が高い。従って強磁性
或いは電傾液晶の周波数応答を測定する実験では、それぞれの液晶の場合に、光
学的応答において１６ｄＢ／ｄｅｃａｄｅ、２０ｄＢ／ｄｅｃａｄｅのロールオ
フが見られる。ビットレートに関して２、４、８、１６及び３２レベルの変調方
式の電力効率が検討された。一般にカットオフ周波数より低いビットレートでは
、２レベルの変調方式が最も効率がよいことがわかっている。しかしながら、ビ
ットレートが高くなると、１６及び３２レベルの変調方式が、より電力効率がよ
くなることがわかった。最もよいＱＡＭ変調方式を用いる場合、多値振幅変調方
式を用いて達成されるレベルより、約１５ｄＢ改善される。
【００２８】 ＱＡＭ方式は、信号の立体配座（コンスタレーション）を形成するため、電気
信号の位相及び振幅変調からなる。これは、液晶セルに対する駆動波形の電気的
な位相変調を用いることにより、かつ多数のセルを用いて照明用放射を調節する
ことにより達成することができる。従って、１６レベル方式は、各領域が１：２
：４：８の割合になるように配列され、個別に駆動される、４つの強誘電体セル
から構成することができる。
【００２９】 使用時に、例えば旅行許可証のように、通信装置は、人の衣服の外側にカード
として身につけられる。人が端末にアクセスしようとするとき、その人は、放射
源１８及び読取り装置１９からなる問合せ装置、すなわち読取り装置を通過する
。放射源１８からの放射は、許可証の光検出器６或いはセンサ１０に入射し、コ
ントローラ８、１５を作動させる。コントローラが作動すると、その入射角度に
関係なく、許可証に入射した放射は反射され、逆反射表面或いは境界面によって
同じ経路に沿って戻される。反射した放射の振幅／位相／偏波は、屈折率のよう
な活性層の特性を変化させることにより変更され、反射した放射は、情報を読取
り装置１９に供給するための搬送手段として機能するようになる。反射した放射
が、入射した放射と略同じ経路に沿って通過するので、読取り装置１９は放射源
１８に隣接して配置される。一旦反射した放射が検出されたなら、読取り装置１
９は、反射した放射の変調波に含まれる情報に基づいて、その許可証を承認する
。
【００３０】 上記の通信装置は、ＩＤカード又はタグとして、旅行許可証として、或いは倉
庫管理用の製品の荷印として用いることもできる。そのような場合には、そのト
ランスポンダを略クレジットカードの大きさにすることが好ましい。しかしなが
ら、そのトランスポンダの代替的な応用形態では、道路標識、信号或いは夜間反
射装置のような他の道路上の機構として用いることができる。トランスポンダが
道路標識として用いられる場合には、非常に大きく、例えば直径約５０ｃｍにす
る場合もある。この代替的な応用形態を用いる場合、トランスポンダは道路の端
に配置され、例えば自動車のヘッドライトからの光により起動される。トランス
ポンダにより提供されるその情報は、車両搭載のナビゲーションシステムで用い
る、例えば高速道路への進入合流点の識別子の形で提供されることもできる。
【００３１】 また通信装置は、スマートカードの応用形態において、例えば自動道路料金徴
収システムの一部として用いることもできる。その通信装置は、メモリ内に、通
行料のプリペイドの度数についての固有の証明書及び詳細情報を記憶しているで
あろう。車両が放射源及び隣接した読取り装置を備える料金所を通過するとき、
通信装置が起動して反射された放射を変調し、メモリ内に記憶された情報を提供
するように、例えばその通信装置は、フロントガラスの角に搭載される。このよ
うにして、料金所では、その車が道路を走行し続けるだけの十分なクレジット（
残高）があるか否かを判定することができるであろう。この装置の利点は、活性
層の逆反射動作に起因して、角度の変位（ずれ）に比較的影響を受けないことで
ある。
【００３２】 その通信装置に関して想定される、さらに可能性のある使用形態は、電力分散
ネットワークである。高圧線の鉄塔に通信装置を搭載することにより、ケーブル
から近い電界を用いて、通信装置の活性層の屈折率を調節することができる。そ
れゆえ、通信装置から反射される放射は、電流値及び周波数を示すであろう。
【００３３】 上記の実施形態を用いる場合、問合せを行うために入射する放射は連続してい
るが、しかしながら問合せビームそれ自体が変調され、問合せユニットとトラン
スポンダとの間でより複雑な通信を行うことができる場合も想定される。このよ
うな構成では、新しいデータを、トランスポンダ或いはスマートカードのメモリ
に加えることができるであろう。別法では、トランスポンダを接続することがで
きる別個のプログラミングユニットによりデータを導入することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による第１の通信装置の概略図である。
【図２】 本発明による第２の通信装置の概略図である。
【図３】 本発明による第３の通信装置の概略図である。
【図４】 本発明による第４の通信装置の概略図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年４月２８日（２０００．４．２８）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エドワーズ、デイヴィッド・ジョン イギリス国、オックスフォードシャー・オ ーエックス１・３ピージェイ、オックスフ ォード、パークス・ロード、オックスフォ ード・ユニヴァーシティ、デパートメン ト・オブ・エンジニアリング・サイエンス (72)発明者 シェアード、スティーヴン・ジェイ イギリス国、オックスフォードシャー・オ ーエックス１・３ピージェイ、オックスフ ォード、パークス・ロード、オックスフォ ード・ユニヴァーシティ、デパートメン ト・オブ・エンジニアリング・サイエンス (72)発明者 フォークナー、ジー・イー イギリス国、オックスフォードシャー・オ ーエックス１・３ピージェイ、オックスフ ォード、パークス・ロード、オックスフォ ード・ユニヴァーシティ、デパートメン ト・オブ・エンジニアリング・サイエンス Ｆターム(参考） 5K002 BA21 CA14 FA03 【要約の続き】 情報を搬送することができる。

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 放射センサと、逆反射形状に形成された表面を有する調整可
    能な反射層と、前記調整可能な反射表面の反射特性を変更するための調節手段と
    、前記センサ及び前記調節手段と通信を行って前記反射特性の変化を制御するコ
    ントローラと、を備えることを特徴とする通信装置。
  2. 【請求項２】 前記調整可能な反射層は、電界に依存する屈折率を有する材
    料からなることを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
  3. 【請求項３】 前記調節手段は、前記調整可能な反射層に電界をかけるため
    のバイアス手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の通信装置。
  4. 【請求項４】 前記調整可能な反射層の逆反射形状に形成された表面は、入
    射する放射に対して実質的に透過性を有する外側層と接触し、それにより前記調
    整可能な反射層の前記屈折率が、前記外側層の屈折率と略等しい屈折率と、前記
    外側層の前記屈折率と異なる屈折率との間で調整可能であることを特徴とする請
    求項２又は３に記載の通信装置。
  5. 【請求項５】 前記調整可能な反射層の、前記逆反射形状に形成された表面
    と反対側の表面と接触して、さらに別の外側の層が設けられ、前記別の外側の層
    と前記調整可能な反射層との境界面が、前記逆反射形状に形成された表面の前面
    において散乱性境界面を形成し、それにより前記調節手段が、前記散乱性境界面
    により生じる放射の散乱の度合を調整することを特徴とする請求項４に記載の通
    信装置。
  6. 【請求項６】 前記調節手段は、前記調整可能な反射層に機械的な振動を加
    えるために、前記調整可能な反射層と接触する圧電性層を備えることを特徴とす
    る請求項１に記載の通信装置。
  7. 【請求項７】 前記放射センサは、１つ或いは複数の検出器であることを特
    徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の通信装置。
  8. 【請求項８】 前記調整可能な反射層の前記逆反射形状に形成された表面の
    裏面に設けられる放射吸収層をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至７の
    いずれか一項に記載の通信装置。
  9. 【請求項９】 前記逆反射される放射は、前記調整可能な反射層により振幅
    変調されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の通信装置。
  10. 【請求項１０】 前記逆反射される放射は、前記調整可能な反射層により位
    相および／または偏波変調されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一
    項に記載の通信装置。
  11. 【請求項１１】 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載される１つ或いは
    複数の通信装置を備える道路標識。
  12. 【請求項１２】 請求項１乃至１１のいずれか一項に記載される通信装置か
    ら構成されるＩＤカード。
  13. 【請求項１３】 逆反射形状に形成された表面を有する調整可能な反射層を
    備える電力モニタ装置と、電源の近傍に前記モニタ装置を搭載するための手段と
    、を備える装置。
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