JP2017055356A

JP2017055356A - 可視光通信装置

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Publication number: JP2017055356A
Application number: JP2015180015A
Authority: JP
Inventors: 玲橋本; Rei Hashimoto; 敏英泉谷; Toshihide Izumitani; 高橋　望; Nozomi Takahashi; 望高橋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2015-09-11
Filing date: 2015-09-11
Publication date: 2017-03-16

Abstract

【課題】実施形態は、半導体発光素子を光源とする可視光を用いて、大容量のデータ通信を行う可視光通信装置を提供する。【解決手段】実施形態に係る可視光通信装置は、第１送信機と、第１受信機と、第２送信機と、第２受信機と、を備える。第１送信機は、第１発光部と第１蛍光体層とを含む第１発光素子と、前記第１送信手段を駆動する第１変調手段と、を有する。第１受信機は、可視光を受光して電気信号に変換する第１受光素子と、この電気信号を復調する第１復調手段と、を有する。第２送信機は、第２発光部と第２蛍光体とを含む第２発光素子と、前記第２発光素子を駆動する第２変調手段と、を有する。第２受信機は、前記第２蛍光体層の発光光の波長を通過させる光学フィルタと、前記光学フィルタを通過した通過光を受光して電気信号に変換する第２受光素子と、第２信号に復調する第２復調手段と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、可視光通信装置に関する。

発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）や半導体レーザなどの半導体発光素子は、高速動作が可能であり、信号を乗せて通信を行うことが可能である。

半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせることにより、照明用の光源である白色光などを得ることができる。しかし、この場合、半導体発光素子から放出される発光光によって励起して所望の波長の光を発光する蛍光体の応答速度が遅く、大容量の通信データを適切に通信することが困難である。

特開２００９−１０９１６号公報

実施形態は、半導体発光素子を光源とする可視光を用いて、大容量のデータ通信を行う可視光通信装置を提供する。

実施形態に係る可視光通信装置は、第１波長の可視光を含む第１発光光を放出する第１発光部と前記第１発光部の前記第１発光光によって励起されて前記第１波長よりも長い波長の第２波長の可視光を含む第２発光光を放出する第１蛍光体層とを含む第１発光素子と、第１信号を変調して変調された前記第１信号によって前記第１発光素子を駆動する第１変調手段と、を有する第１送信機と、前記第１発光光を受光して電気信号に変換する第１受光素子と、前記第１受光素子の出力にもとづいて前記第１信号に復調する第１復調手段と、を有する第１受信機と、前記第１波長の可視光を含む第３発光光を放出する第２発光部と、前記第３発光光によって励起されて前記第２波長の可視光を含む第４発光光を放出する第２蛍光体層と、を含む第２発光素子と、第２信号を変調して変調された前記第２信号によって前記第２発光素子を駆動する第２変調手段と、を有する第２送信機と、前記第２波長の可視光を通過させる光学フィルタと、前記光学フィルタを通過した前記第４発光光を受光して電気信号に変換する第２受光素子と、前記第２受光素子の出力にもとづいて前記第２信号を復調する第２復調手段と、を有する第２受信機と、を備える。前記第１信号は、前記第２信号よりも高い周波数で変調される。前記第２信号は、前記第２蛍光体層の発光の応答周波数よりも低い周波数で変調される。

第１の実施形態に係る可視光通信装置を例示するブロック図である。第２の実施形態に係る可視光通信装置を例示するブロック図である。図３（ａ）は照明器具に導入した場合の可視光通信装置を例示する模式図である。図３（ｂ）は、発光モジュールを例示する模式図である。第３の実施形態に係る可視光通信装置を例示するブロック図である。発光モジュールを例示する模式図である。第４の実施形態に係る可視光通信装置を例示するブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る可視光通信装置を例示するブロック図である。
図１に示すように、本実施形態の可視光通信装置１は、送信機１０と、受信機２０と、を備える。送信機１０は、受信機２０に向けて可視光３０を放出する。受信機２０は、可視光３０を受光する。可視光３０は、たとえば白色光である。

送信機１０は、発光素子１２と変調回路１６とを含む。発光素子１２は、変調回路１６に電気的に接続されている。変調回路１６は、発光素子１２に供給する電流値を制御して変調信号に応じて発光素子１２が点灯するように駆動する。変調回路１６は、たとえば外部からデータＤ１を供給されて、所定の変調方式によって、データＤ１を変調する。所定の変調方式とは、たとえばＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）変調方式やＯＯＫ（On-Off-Keying）変調方式等である。変調方式には、光偏波等の光変調方式を用いてもよい。これらの変調方式を用途等に合わせて選択し適用することができる。変調回路１６は、供給されるデータＤ１を１００ＭＨｚ以上の周波数で変調する。

発光素子１２は、発光部１３と蛍光体層１４とを有する。発光部１３は、発光層を含む半導体層を有しており、半導体層への電流の供給により、発光部１３は所定の波長で発光する。半導体層は、窒化物半導体、たとえば窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む層であり、青色光３１を発光する。蛍光体層１４は、発光部１３から放出される発光光によって励起され、所定の色で発光する蛍光材料を含んでいる。可視光３０を白色光とする場合には、青色光３１によって励起されて青色光の補色である黄色光を発光する蛍光材料が含まれている。蛍光体層１４は、青色光によって黄色光を発光する。青色光３１と黄色光３２とが混色されて、発光素子１２は、可視光３０として白色光を放出する。以下、発光素子１２という場合には、特に断らない限り、発光ダイオード（Light Emitting Diode）およびレーザダイオード（Laser Diode）を含むものとする。
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、Ｂ_ｘＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙおよびｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電型などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、および、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。

受信機２０は、受光素子２２と、復調回路２４と、信号処理回路２６と、を含む。受光素子２２は、送信機１０の発光素子１２によって放出された可視光３０を受光する。受光素子２２は、シリコン（Ｓｉ）等の半導体材料を含み、光を受光して電気信号に変換するトランスデューサである。

復調回路２４は、受光素子２２から出力される電気信号を入力して、送信信号に含まれデータＤ１を復調する。復調回路２４の復調方式は、送信機１０の変調方式に合わせて選択される。たとえば、ＯＯＫ変調された信号を受信する場合には、復調回路２４は、ＯＯＫで復調する。

信号処理回路２６は、復調回路２４の出力に接続されている。信号処理回路２６は、復調されたデータにもとづいて、データの解釈等行う。信号処理回路２６は、たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit）等である。ＣＰＵは、ＣＰＵの内部または外部に設けられた記憶部に格納されたプログラムのステップにしたがい、復調されたデータの解釈、命令の実行等を行う。

受光素子２２と復調回路２４との間に、ハイパスフィルタ２３を接続して、低域の変調波等を除去するようにしてもよい。図示しないが、ハイパスフィルタ２３と同時に、あるいはハイパスフィルタ２３とは別に、信号レベルが所定のしきい値以上のものを選別するような波形整形回路を設けるようにしてもよい。ハイパスフィルタ２３は、変調する周波数を通過帯域とするバンドパスフィルタであってもよい。さらに、信号処理回路２６において、エラー訂正処理を行うようにしてもよい。

送信機１０と受信機２０との可視光３０による伝送経路内に光学フィルタ２１を追加してもよい。光学フィルタ２１は、受光素子２２の受光窓近傍に設けられる。光学フィルタ２１は、青色光の波長（４５０ｎｍ〜４９５ｎｍ程度）を通過させる。光学フィルタ２１によって、送信機１０の発光素子１２から放出される白色光のうち、青色光が受光素子２２に供給される。

本実施形態の可視光通信装置１の動作について説明する。
本実施形態の可視光通信装置１は、送信機１０の変調回路１６において、１００ＭＨｚ以上の周波数によって、データの変調を行う。この例では、変調する周波数は、１００ＭＨｚであるものとする。

１００ＭＨｚの周波数によって、発光素子１２の発光部１３は、駆動される。変調方式がＯＯＫ変調の場合には、発光部１３は、１００ＭＨｚの周波数でオンオフを繰り返す。発光部１３は、１００ＭＨｚの周波数で点灯および消灯を繰り返す青色光を放出する。つまり、発光部１３は、変調回路１６によって直接変調された青色光３１を放出する。

一方、蛍光体層１４の蛍光材料は、１００ＭＨｚの周波数で変調された青色光によって励起される。しかし、蛍光体層１４の蛍光材料の発光の応答速度は、数ＭＨｚ以下であるため、変調信号に対しては、ローパスフィルタとして機能する。つまり、蛍光体層１４から放出される黄色光３２は、数ＭＨｚ以下の周波数成分を含む。

青色光３１および黄色光３２は、それぞれ１００ＭＨｚ以上および数ＭＨｚ以上の周波数でオンオフ等している。一方、人間の目の応答速度は、これらよりも十分遅いので、人間の目には単なる白色光が可視光３０として放出されているように見える。

受信機２０の受光素子２２は、青色光３１および黄色光３２に応答し、電気信号に変換して、変換された電気信号を復調回路２４に供給する。

復調回路２４では、受光素子２２によって生成された青色光３１および黄色光３２にもとづく電気信号を復調する。青色光３１にもとづく信号は１００ＭＨｚの周波数成分を有し、黄色光３２にもとづく信号は、数ＭＨｚ以下の周波数成分を有している。それぞれの信号の周波数には２ケタの相違があるので、黄色光３２にもとづく信号は、青色光３１にもとづく信号にほとんど影響を与えない。受光素子２２と復調回路２４との間にカットオフ周波数が１００ＭＨｚのハイパスフィルタ２３や通過周波数が１００ＭＨｚ程度のバンドパスフィルタを設けることによって、より確実に青色光３１にもとづく信号を抽出することができる。ＯＯＫ変調等の場合には、黄色光の低周波成分によって青色光のパルス波形になまりを生ずる等の影響がある場合には、受光素子２２と復調回路２４との間に波形整形回路を挿入してもよい。なお、受光素子２２の受光部に青色光３１を通過させる光学フィルタ２１を設けた場合には、黄色光３２はカットされるので、青色光３１による信号が抽出される。

復調回路２４によって復元されたデータＤ１は、信号処理回路２６によって所定の処理が行われる。なお、復調回路２４によって復調されたデータが、黄色光３２にもとづく信号によって、復調されたデータに誤りビット等を含む場合には、信号処理回路２６によって、周知のアルゴリズム等を用いて適切なエラー訂正を行うようにしてもよい。

このようにして、本実施形態の可視光通信装置１では、青色光３１と、青色光３１で励起されて発光される黄色光３２との混色により放出される白色光である可視光３０から青色光３１を選別してデータＤ１を復調する。

本実施形態の可視光通信装置１の作用および効果について説明する。
本実施形態の可視光通信装置１では、青色光３１を発光する発光部１３と、青色光３１によって励起されて黄色光３２を発光する蛍光体層１４を含む発光素子１２を有する送信機１０と、可視光３０を受光して変調信号を出力する受光素子２２を有する受信機２０とを備えている。直接光である青色光３１は、高周波で直接変調されている。一方、黄色光３２は、蛍光体層１４が一種のローパスフィルタとして機能するため、直接変調された青色光３１の低周波成分のみを有する。蛍光体層１４の蛍光材料の応答速度は、変調信号の周波数に比べて十分遅く、蛍光材料のローパスフィルタの効果によって、青色光３１に含まれる高周波のデータはローパスフィルタを通過することができないので、黄色光３２中には、青色光１３にもとづくデータは含まれないと考えられる。そのため、送信機１０および受信機２０の光学回路構成が容易になり、小形で簡素な大容量通信が可能な可視光通信装置１を実現することができる。

（第２の実施形態）
図２は、本実施形態の可視光通信装置６０を例示するブロック図である。
図３は、照明器具に導入した場合の可視光通信装置６０を例示する概念図である。
図２に示すように、本実施形態の可視光通信装置６０は、２つの送信機１０，７０と、それぞれに対応する受信機２０，８０と、を備える。送信機および受信機の組のうち一方は、第１の実施形態の可視光通信装置１の送信機１０および受信機２０と同一である。なお、本実施形態では、受信機２０は、光学フィルタ２１とハイパスフィルタ２３とを有することが好ましい。送信機および受信機の組のうち他方は、変調回路７６および復調回路８４が第１の実施形態の可視光通信装置１の場合と相違する。また、受信機８０は、黄色の光学フィルタ８１を有する点でも、第１の実施形態の可視光通信装置１の場合と相違する。第１の実施形態の可視光通信装置１と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

一方の送信機１０は、発光素子１２と、変調回路１６と、を含む。発光素子１２は、青色光３１ａを発光する発光部１３と、青色光３１ａによって励起されて黄色光３２ａを発光する蛍光体層１４とを有する。

追加された送信機７０は、発光素子１２と、変調回路７６と、を含む。発光素子１２は、青色光３１ｂを発光する発光部１３と、青色光３１ｂによって励起されて黄色光３２ｂを発光する蛍光体層１４とを有する。変調回路７６は、発光素子１２に電流を供給して、発光素子１２を点灯させる。変調回路７６は、外部回路から供給されるデータＤ２を変調して変調信号を生成する。ここで、変調回路７６は、蛍光体層１４を構成する蛍光体の発光の応答速度以下の周波数でデータＤ２を変調する。変調回路７６によって変調されたデータは、可視光３０に乗って受信機８０に送信される。

一方の送信機１０の発光素子１２および追加された送信機の発光素子１２は、同一の組成の半導体層等を含み、同一の波長の青色光を発光する。また、両方の発光素子１２は、同一の蛍光材料を含み、同一波長の黄色光を発光する蛍光体層１４を含む。したがって、双方の青色光および黄色光は光学的にはまったく同一であるが、変調信号として乗せられているデータが異なるので、一方の送信機１０から放出される青色光を３１ａ、黄色光３２ａとし、追加された送信機７０から放出される青色光を３１ｂ、黄色光を３２ｂと、符号を変えて説明する。

追加された受信機８０は、光学フィルタ８１と、受光素子２２と、復調回路８４と、を含む。光学フィルタ８１は、可視光３０の伝送経路内で受光素子２２の受光部近傍に配置されている。光学フィルタ８１は、黄色光の波長（たとえば５７０ｎｍ〜５９０ｎｍ）を通過させるフィルタである。

受信機８０の受光素子２２は、光学フィルタ８１を通過する黄色光３２ｂを受光して、電気信号に変換する。電気信号に変換された受光信号は、復調回路８４に入力される。復調回路８４は、受光信号を適切な方式で復調する。

上述の構成により、本実施形態の可視光通信装置６０は、２つの通信チャネルＡ，Ｂを有する。通信チャネルＡでは、送信機１０および受信機２０によって、１００ＭＨｚ以上の周波数による高速通信が行われる。通信チャネルＢでは、送信機７０および受信機８０によって、数ＭＨｚ以下の周波数による低速通信が行われる。
なお、送信機および受信機の組は、通信チャネルごとに別体で構成する必要はなく、たとえば、送信機ごとにまとめて１つの筐体に収納し、受信機ごとにまとめて１つの筐体に収納するようにしてももちろんかまわない。

本実施形態の可視光通信装置６０の動作について説明する。
以下では、通信チャネルＡにおいては、１００ＭＨｚの周波数で変調されたデータＤ１が伝送され、通信チャネルＢにおいては、１ＭＨｚの周波数で変調されたデータＤ２が伝送されるものとする。
通信チャネルＡを形成する送信機１０では、データＤ１が１００ＭＨｚの周波数で変調され、この周波数で発光素子１２の発光部１３が直接駆動される。青色光３１ａは、そのまま放出され、変調されたデータＤ１が送信される。なお、送信機１０の発光素子１２の蛍光体層１４は、１００ＭＨｚの周波数を有する青色光３１ａが通過することによって励起される。蛍光体層１４は、青色光３１ａにもとづくデータに対しては、ローパスフィルタとして機能する。蛍光体層１４に入射された青色光３１ａは、数ＭＨｚのカットオフ周波数で高域成分が除去されて低周波成分が放出される。そのため、黄色光３２ａには、青色光３１ａにもとづくデータＤ１は乗っていないと考えてよい。

通信チャネルＢを形成する送信機７０では、データＤ２が１ＭＨｚの周波数で変調され、この周波数によって発光素子１２の蛍光体層１４の蛍光体が励起される。つまり、送信機７０の発光素子１２の蛍光体層１４は、１ＭＨｚの周波数によって変調された黄色光３２ｂを発光する。なお、この発光素子１２は、この周波数によって直接駆動されるので、１ＭＨｚで変調された青色光３２ｂも同時に放出する。

通信チャネルＡを構成する受信機２０の受光素子２２および通信チャネルＢを構成する受信機８０の受光素子２２には、可視光３０が入射される。受信機２０，８０は、同一の可視光３０を入射する。可視光３０には、１００ＭＨｚで変調されたデータＤ１が乗っている青色光３１ａと、この青色光３１ａが蛍光体層１４によって高域カットされた黄色光３２ａ、１ＭＨｚで変調されたデータＤ２が乗っている黄色光３２ｂおよび青色光３１ｂが含まれる。

１００ＭＨｚで変調されたデータＤ１が乗っている青色光３１ａと、他の発光光とは、周波数帯域が２ケタ相違するので、通信チャネルＡの受信機２０の復調回路２４は、青色光３１ａにもとづくデータを識別することができる。より好ましくは、光学フィルタ２１およびハイパスフィルタ２３等を通過させることによって、より確実に青色光３１ａにもとづくデータが乗った信号が識別される。

通信チャネルＢの受信機８０は、黄色光を抽出する光学フィルタ８１を有している。したがって、受信機８０の受光素子２２は、黄色光の成分のみを抽出して復調回路８４に供給する。ここで、黄色光の成分は、通信チャネルＡに対応する黄色光３２ａと、通信チャネルＢに対応する黄色光３２ｂとを含んでいる。通信チャネルＡに対応する黄色光３２ａは、１００ＭＨｚの周波数を有する青色光３１ａによる励起光であるため、蛍光体層１４のローパスフィルタ効果によって高域カットされており、黄色光３２ａ自体は、データＤ１，Ｄ２に関する何らの情報を有しているわけではない。そのため、復調回路８４は、データＤ２を復調することができる。なお、黄色光３２ａ，３２ｂでは、ローパスフィルタのかとオフ周波数と変調周波数とがほぼ同一であるため、復調回路８４において、これらにもとづくデータを識別して正しいデータＤ２として出力できない場合には、信号処理回路８６等において、エラー訂正処理を行うことが望ましい。

本実施形態の可視光通信装置６０の作用および効果について説明する。
図３（ａ）は照明器具に導入した場合の可視光通信装置を例示する模式図である。図３（ｂ）は、複数の発光素子の配列を含む発光モジュールを例示する模式図である。
送信機１０および受信機２０の組によって形成される通信チャネルＡでは、１００ＭＨｚ以上の周波数で変調されたデータを含む青色光が含まれる。送信機７０および受信機８０の組によって形成される通信チャネルＢでは、数ＭＨｚの周波数で変調されたデータを含む黄色光が含まれる。通信チャネルＡおよび通信チャネルＢでは、それぞれ伝送されるデータの周波数に２ケタの相違があるので、互いに干渉することなく、可視光通信を行うことができる。いずれの通信チャネルにおいても、可視光の波長等には相違がないので、人間の目には、同一の照明が提供されているように見える。本実施形態の可視光通信装置６０では、２つの通信チャネルを干渉を生ずることなく用いることができるので、黄色光のデータを通信の確立のためのハンドシェーク信号に用い、青色光のデータを大容量通信に用いる等することができる。

図３（ａ）に示すように、可視光通信装置６０は、たとえば照明器具４０と携帯情報端末５０との間の通信に用いることができる。照明器具４０は、送信機１０，７０を有している。送信機１０，７０は、たとえば、照明器具４０の筐体４１内に設けられる。この筐体４１は、照明光を放出する下方を除いてシェード４２によって外周を覆われており、外部から視認できないようになっている。発光素子１２は、可視光３０である照明光を下方に向かって放出する。照明器具４０は、送信機１０，７０の発光素子１２を点灯させて、所望の空間の照明を提供する。照明器具４０は、複数の発光素子１２を同時に点灯させて所望の明るさを実現する。たとえば、図３（ｂ）に示すように、発光モジュール４３は、１６個の発光素子１２を含む。発光モジュール４３では、発光素子１２は、４列、４行の格子状に配列されている。このうちたとえば左側の２列の発光素子１２群は、同一の変調回路１６によって駆動される。右側の２列の発光素子１２群は、同一の変調回路７６によって駆動される。つまり、１つの発光モジュール４３内の発光素子を通信チャネルＡおよび通信チャネルＢのために用いることができる。

たとえば、受信機２０，８０は、受光素子２２，２２のための開口部８８を有する筐体８９に収納され、携帯情報端末５０に脱着可能に取り付けられる。筐体８９は、携帯情報端末５０にあらかじめ内蔵されていてもよい。受信機２０，８０は、開口部８８を照明器具４０に向けることによって、可視光３０を受光することができる。

照明器具を利用した可視光通信は、原子炉内における通信等、電波による無線の利用ができない用途や、美術館の作品案内アナウンス等、データを送信する相手を特定の位置に制限する用途等に、有用な通信手段として期待されている。

しかしながら、白色ＬＥＤを利用して可視光通信を行う場合には、上述したように蛍光材料の発光にもとづく応答速度のため、−３［ｄＢ］規格で、数ＭＨｚ程度の通信速度しか実現できない。本実施形態の可視光通信装置６０では、発光素子１２の発光部１３の発光動作を直接用いるので、駆動周波数に応じた応答速度が得られ、１００ＭＨｚを超える周波数での変調信号の送信が可能になる。そのため、高速なデータ通信が可能となり、原子炉制御や音声通信等の大容量のデータ伝送が可能になる。

本実施形態の可視光通信装置６０の場合には、蛍光材料の応答速度に応じた低周波の変調データを異なる通信チャネル上を伝送させることができ、実質的に全体の通信チャネルの大容量化が可能になる。そして、可視光通信装置６０を照明器具に用いた場合では、同一の可視光である発光光を放出する発光素子を用いて、異なる通信チャネルを形成することができるので、照明の機能や照明器具のデザインをそのまま維持しつつ、大容量通信が可能になる。

（第３の実施形態）
図４は、本実施形態に係る可視光通信装置を例示するブロック図である。
図４に示すように、可視光通信装置９０は、送信機１０と、受信機２０と、送信機１００と、受信機１１０と、送信機１２０と、受信機１３０と、を備える。送信機１０および受信機２０の組は、第１の実施形態の可視光通信装置１の場合と同じものである。送信機１００および受信機１１０の組は、送信機１０および受信機２０の組と、変調されたデータを乗せる可視光の発光色が相違する。送信機１００および受信機１１０の組が送受信する可視光の発光色は、赤色である。また、送信機１２０および受信機１３０の組は、送信機１０および受信機２０の組ならびに送信機１００および受信機１１０の組と、変調されたデータを乗せる可視光の発光色が相違する。送信機１２０および受信機１３０の組が送受信する可視光の発光色は、緑色である。

送信機１００は、発光素子１２ａと、変調回路１０６と、を含む。発光素子１２ａは、発光部１３ａを含むが、蛍光体層を含まない。たとえば、発光素子１２ａは、ＡｌＧａＡｓやＧａＡｓＰ等を含む発光ダイオードである。発光素子１２ａは、変調回路１０６によって駆動されて、赤色を含む可視光を発光する。変調回路１０６は、１００ＭＨｚ以上の周波数で外部から入力されるデータＤ３から変調信号を生成する。

受信機１１０は、光学フィルタ１１１と、受光素子２２と、復調回路１１４とを含む。光学フィルタ１１１は、赤色の可視光の波長（たとえば６２０ｎｍ〜７５０ｎｍ程度）を通過させる。光学フィルタ１１１に入射した可視光のうち赤色の波長成分は、受光素子２２に入力される。受光素子２２は、赤色の光を電気信号に変換して復調回路１１４に供給する。復調回路１１４は、入力された電気信号を復調し、元のデータＤ３を復元する。なお、受光素子２２と復調回路１１４との間にハイパスフィルタ１１３を設けてもよい。ハイパスフィルタ１１３に代えて、周波数を通過帯域とするバンドパスフィルタを設けてもよい。

送信機１２０は、発光素子１２ｂと、変調回路１２６と、を含む。発光素子１２ｂは、発光部１３ｂを含むが、蛍光体層を含まない。たとえば発光素子１２ｂは、ＧａＰやＡｌＧａＩｎＰ等を含む緑色ＬＥＤである。変調回路１２６は、１００ＭＨｚ以上の周波数で外部から入力されるデータＤ４から変調信号を生成する。

受信機１３０は、光学フィルタ１３１と、受光素子２２と、復調回路１３４とを含む。光学フィルタ１３１は、緑色の可視光の波長（たとえば４９５ｎｍ〜５７０ｎｍ程度）を通過させる。光学フィルタ１３１に入射した可視光のうち緑色の波長成分は、受光素子２２に入力される。受光素子２２は、緑色の光を電気信号に変換して復調回路１３４に供給する。復調回路１３４は、入力された電気信号を復調し、元のデータＤ４を復元する。なお、受光素子２２と復調回路１３４との間にハイパスフィルタ１３３や、バンドパスフィルタを設けてもよい。

上述の構成により、本実施形態の可視光通信装置９０は、３つの通信チャネルＡ、Ｃ，Ｄを有する。通信チャネルＡでは、送信機１０および受信機２０によって、１００ＭＨｚ以上の周波数で変調されたデータの通信が行われる。通信チャネルＣでは、送信機１００および受信機１１０によって、１００ＭＨｚ以上の周波数による通信が行われる。通信チャネルＤでは、送信機１２０および受信機１３０によって１００ＭＨｚ以上の周波数による通信が行われる。

本実施形態の可視光通信装置９０の動作について説明する。
以下では、通信チャネルＡにおいては、１００ＭＨｚの周波数で変調されたデータＤ１が伝送され、通信チャネルＣにおいて、１００ＭＨｚの周波数で変調されたデータＤ３が伝送され、通信チャネルＤにおいて、１００ＭＨｚの周波数で変調されたデータＤ４が伝送されるものとする。
送信機１０および受信機２０の組では、青色光３１ａがデータ伝送に用いられる。上述したように、青色光３１ａは、発光部１３の直接駆動によって放出され変調されたデータＤ１が送信される。青色光３１ａには、１００ＭＨｚの周波数で変調されたデータＤ１が乗っている。変調され、送信されたデータは、受信機２０において、復調される。なお、青色光３１ａと同時に放出される黄色光３２ａでは、青色光３１ａの高域成分はフィルタリングされ、低域成分のみを含んでいる。

送信機１００および受信機１１０の組では、発光素子１２ａによって生成された赤色光３３がデータ伝送に用いられる。赤色光３３は、変調回路１０４によって駆動された発光素子１２ａから直接放出される。そのため、赤色光３３には１００ＭＨｚの周波数で変調されたデータＤ３が乗った状態で伝搬する。送信されたデータＤ３は、受信機１１０の光学フィルタ１１１によって、赤色の波長成分が抽出され、電気信号に変換されて復調回路１１４によって元のデータＤ３に復調される。

送信機１２０および受信機１３０の組では、発光素子１２ｂによって生成された緑色光３４がデータ伝送に用いられる。緑色光３４は、変調回路１２６によって駆動された発光素子１２ｂから直接放出される。そのため、緑色光３４には１００ＭＨｚの周波数で変調されたデータＤ４が乗った状態で伝搬する。送信されたデータＤ４は、受信機１３０の光学フィルタ１３１によって、緑色の波長成分が抽出され、電気信号に変換されて復調回路１３４によって元のデータＤ４に復調される。

本実施形態の可視光通信装置９０の作用および効果について説明する。
本実施形態の可視光通信装置９０では、赤色光３３の送受信を行う送信機１００および受信機１１０の組、ならびに、緑色光３４の送受信を行う送信機１２０および受信機１３０の組をさらに備え、赤色光３３および緑色光３４とも１００ＭＨｚ以上の周波数で変調されている。各送信機および受信機の組では、可視光中の光の波長の相違によって通信チャネルＡ，Ｃ，Ｄが形成されているので、形成された通信チャネルの数だけ、データ通信容量が拡大される。この例では、青色、赤色および緑色の３色を用いて、通信チャネルを３つ形成するので、３倍のデータ通信容量を得ることができる。

本実施形態の可視光通信装置９０では、可視光中の光の波長にもとづいて形成された通信チャネルＡ，Ｃ，Ｄを用いるので、変調回路１６，１０６，１２６および復調回路２４，１１４，１３４では、同一の周波数を用いることができる。したがって、これらを共通の回路で構成することができ、通信装置全体の構成を簡素化することができる。

図３にすでに示したように、照明器具４０には、光源として複数の発光素子を含む場合がある。光源から放出される可視光について演色性を向上させるには、青色の発光部および黄色の蛍光体の組み合わせに、さらに赤色および緑色を発光する光源を追加することが効果的である。たとえば、図５に示すように、青色の発光部１３および黄色の蛍光体層１４による白色光源である発光素子１２の配列に、赤色の光源である発光素子１２ａおよび緑色の光源である発光素子１２ｂを追加した発光モジュール４３ａとすることによって、より演色性の高い照明光や、自然光に近い照明光を得ることができる。つまり、赤色および緑色の光源を付加することによって、青色および黄色のみからなる白色光の演色性（平均演色評価数Ｒａ）を７０程度から９０程度まで向上させることができる。

本実施形態の可視光通信装置９０は、このような照明器具４０に導入して、高い演色効果を有する照明を提供するとともに、より大容量のデータ通信を可能にする。

本実施形態の可視光通信装置９０では、異なる波長の発光光を放出する発光素子を含む送信機、および、その発光光を通過させるフィルタを含む受信機を追加することによって、通信チャネルをさらに増やすことができる。

可視光の波長領域は、４００ｎｍ〜７００ｎｍ程度であり、この範囲を複数の波長に分割して通信チャネルを割り当てる場合を考える。一般的には、発光素子として発光ダイオードを用いた場合には、発光ダイオードの発光スペクトル半値幅は、３０ｎｍ程度である。発光光の波長のピークを５０ｎｍ間隔に設定した場合には、可視光の波長領域を６〜７波長に分割することができる。つまり、可視光中に、６〜７重の多重通信チャネルを形成することができる。たとえば、各通信チャネルを構成する送信機に、周波数応答性能が５００ＭＨｚの発光ダイオードを用いた場合には、６組の送信機および受信機の組を用いることによって、３ＴＨｂｐｓ以上の高速通信を行うことができる。

発光素子として、半導体レーザダイオードを用いた場合には、スペクトル半値幅は、数ｎｍであるため、原理的には可視光中に数１０〜数１００重の多重通信チャネルを形成することができる。

（第４の実施形態）
図６は、本実施形態の可視光通信装置１４０を例示するブロック図である。
上述の実施形態においては、演色性を向上させるために赤色ＬＥＤおよび緑色ＬＥＤを用いたが、赤色および緑色を発光する蛍光材料をあらかじめ導入した蛍光体層を含む発光素子を用いてもよい。
図６に示すように、可視光通信装置１４０は、送信機１５０と、受信機２０と、送信機１６０と、受信機１７０と、送信機１８０と、受信機１９０と、を備える。送信機１５０および受信機２０によって通信チャネルＡが形成される。送信機１６０および受信機１７０によって通信チャネルＥが形成される。送信機１８０および受信機１９０によって通信チャネルＦが形成される。

通信チャネルＡでは、青色光３１ａによって、１００ＭＨｚ以上で変調されたデータＤ１が伝送される。青色光３１ａは、直接変調された発光光である。通信チャネルＥでは、赤色光３３ｅによって、数ＭＨｚ以下で変調されたデータＤ５が伝送される。赤色光３３ｅは、青色光３１ｅによって励起された蛍光体層１４ａから放出される赤色蛍光材料の発光光である。通信チャネルＦでは、緑色光３４ｆによって、数ＭＨｚ以下で変調されたデータＤ６が伝送される。緑色光３４ｆは、青色光３１ｆによって励起された蛍光体層１４ｃから放出される緑色蛍光材料の発光光である。

各通信チャネルＡ，Ｅ，Ｆのためのそれぞれの送信機１５０，１６０，１８０は、同一の発光素子１２ｃを含む。発光素子１２ｃは、発光部１３と蛍光体層１４ａとを含む。蛍光体層１４ａは、黄色を発光する蛍光材料のほか、赤色を発光する蛍光材料および緑色を発光する蛍光材料を含んでいる。発光素子１２ｃは、発光部１３から放出される青色光と、青色光によって励起された各蛍光材料から放出される黄色光、赤色光および緑色光とを放出する。発光素子１２ｃは、これらの発光光の混色により演色性が向上された白色光を発光する。

通信チャネルＡのための送信機１５０の変調回路１６は、上述の他の実施形態において説明した変調回路１６と同一のものである。１００ＭＨｚ以上の周波数でデータＤ１を変調する。通信チャネルＥ，Ｆのための変調回路１６６，１８６は、それぞれ周波数が相違する。変調回路１６６，１８６の周波数は、蛍光体層１４ａの発光の応答速度に応じて数ＭＨｚ以下に設定される。

通信チャネルＡのための受信機２０は、上述の実施形態において説明した受信機２０と同一のものであり、説明を省略する。

通信チャネルＥのための受信機１７０は、光学フィルタ１７１と、受光素子２２と、バンドパスフィルタ１７３と、復調回路１７４と、信号処理回路１７６とを含む。光学フィルタ１７１は、赤色光を通過させる。バンドパスフィルタ１７３は、送信機１６０の周波数を通過させる通過帯域を有する。復調回路１７４は、抽出された信号成分からデータＤ５を復元する。

通信チャネルＦのための受信機１９０は、光学フィルタ１９１と、受光素子２２と、バンドパスフィルタ１９３と、復調回路１９４と、信号処理回路１９６とを含む。光学フィルタ１９１は、緑色光を通過させる。バンドパスフィルタ１９３は、送信機１８０の周波数を通過させる通過帯域を有する。復調回路１９４は、抽出された信号成分からデータＤ６を復元する。

本実施形態の可視光通信装置１４０の動作について説明する。
以下では、通信チャネルＡにおいては、１００ＭＨｚの周波数で変調されたデータＤ１が伝送され、通信チャネルＥにおいて、１ＭＨｚの周波数で変調されたデータＤ５が伝送され、通信チャネルＦにおいて、２ＭＨｚの周波数で変調されたデータＤ６が伝送されるものとする。
送信機１５０および受信機２０の組では、青色光３１ａがデータ伝送に用いられる。青色光３１ａは、発光部１３の直接駆動によって高速動作可能であるため、１００ＭＨｚの周波数を用いてデータＤ１が変調される。変調され、送信されたデータは、受信機２０において、復調される。

送信機１６０および受信機１７０の組では、１ＭＨｚの周波数で変調されたデータＤ５は、発光素子１２ｂの赤色蛍光材料の発光による赤色光３３ｅがデータ伝送に用いられる。送信されたデータは、受信機１７０の光学フィルタ１７１によって、赤色の波長成分が抽出され、電気信号に変換される。

ここで、光学フィルタ１７１は、送信機１６０が発光する赤色光３３ｅだけでなく、他の送信機１０，１８０が送信する赤色光３３ａ，３３ｆを通過させる。赤色光３３ａは、データを含んでいないと言えるが、赤色光３３ｆは、データＤ６に関する情報を含んでいる。データＤ５は、１ＭＨｚで変調されており、データＤ６は、２ＭＨｚで変調されている。バンドパスフィルタ１７３は、１ＭＨｚを中心とする通過帯域を有しているので、復調回路１７４には、赤色光３３ｅに関する信号のみが入力される。入力された信号は、復調回路１７４によって元のデータＤ５に復調される。

送信機１８０および受信機１９０の組では、２ＭＨｚの周波数で変調されたデータＤ６は、発光素子１２ｂの緑色蛍光材料の発光による緑色光３４ｆがデータ伝送に用いられる。送信されたデータは、受信機１９０の光学フィルタ１９１によって、緑色の波長成分が抽出され、電気信号に変換される。

光学フィルタ１９１は、送信機１８０が発光する緑色光３４ｆだけでなく、他の送信機１０，１６０が送信する緑色光３４ａ，３４ｅを通過させる。緑色光３４ａは、データを含んでいないと言えるが、緑色光３４ｅは、データＤ５に関する情報を含んでいる。データＤ５は、１ＭＨｚで変調されており、データＤ６は、２ＭＨｚで変調されている。バンドパスフィルタ１９３は、２ＭＨｚを中心とする通過帯域を有しているので、復調回路１９４には、緑色光３４ｆに関する信号のみが入力される。入力された信号は、復調回路１９４によって元のデータＤ６に復調される。入力された信号は、復調回路１９４によって元のデータＤ６に復調される。

本実施形態の可視光通信装置１４０の作用および効果について説明する。
本実施形態の可視光通信装置１４０では、複数の蛍光材料を含む蛍光体層を含む発光素子１２ｃを含む送信機を備えているので、各通信チャネルで同一の発光素子を用いることができ、装置の構成を簡素化することができる。

本実施形態の可視光通信装置１４０では、通信チャネルを形成するために、通信チャネルごとに変調の周波数を変えることによって、低域の周波数帯域において通信チャネルの多重化が可能となり、ノイズ環境の厳しい用途に用いることができる。

以上説明した実施形態によれば、半導体発光素子を光源とする可視光を用いて、大容量のデータ通信を行う可視光通信装置を実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１可視光通信装置、１０送信機、１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ発光素子、１３発光部、１４，１４ａ蛍光体層、１６変調回路、２０受信機、２１光学フィルタ、２２受光素子、２４復調回路、２６信号処理回路、３０可視光、４０照明器具、５０携帯端末装置、６０可視光通信装置、７０送信機、７６変調回路、８０受信機、８１光学フィルタ、８４復調回路、９０可視光通信装置、１００送信機、１０６変調回路、１１０受信機、１１１光学フィルタ、１１４復調回路、１１６信号処理回路、１２０送信機、１２６変調回路、１３０受信機、１３１光学フィルタ、１３４復調回路、１３６信号処理回路、１４０可視光通信装置、１５０，１６０，１８０送信機、１６６，１８６変調回路、１７０，１９０受信機、１７１，１９１光学フィルタ、１７３、１９３バンドパスフィルタ、１７４、１９４復調回路、１７６、１９６信号処理回路

Claims

第１波長の可視光を含む第１発光光を放出する第１発光部と前記第１発光部の前記第１発光光によって励起されて前記第１波長よりも長い波長の第２波長の可視光を含む第２発光光を放出する第１蛍光体層とを含む第１発光素子と、第１信号を変調して変調された前記第１信号によって前記第１発光素子を駆動する第１変調手段と、を有する第１送信機と、
前記第１発光光を受光して電気信号に変換する第１受光素子と、前記第１受光素子の出力にもとづいて前記第１信号に復調する第１復調手段と、を有する第１受信機と、
前記第１波長の可視光を含む第３発光光を放出する第２発光部と、前記第３発光光によって励起されて前記第２波長の可視光を含む第４発光光を放出する第２蛍光体層と、を含む第２発光素子と、第２信号を変調して変調された前記第２信号によって前記第２発光素子を駆動する第２変調手段と、を有する第２送信機と、
前記第２波長の可視光を通過させる光学フィルタと、前記光学フィルタを通過した前記第４発光光を受光して電気信号に変換する第２受光素子と、前記第２受光素子の出力にもとづいて前記第２信号を復調する第２復調手段と、を有する第２受信機と、
を備え、
前記第１信号は、前記第２信号よりも高い周波数によって変調され、
前記第２信号は、前記第２蛍光体層の発光の応答周波数よりも低い周波数によって変調された可視光通信装置。
第１波長の可視光を含む第１発光光を放出する第１発光部を含む第１発光素子と、第１信号を変調して変調された前記第１信号によって前記第１発光素子を駆動する第１変調手段と、を有する第１送信機と、
前記第１発光光を受光して電気信号に変換する第１受光素子と、前記第１受光素子の出力にもとづいて前記第１信号に復調する第１復調手段と、を有する第１受信機と、
第３波長の可視光を含む第３発光光を放出する第２発光部を含む第２発光素子と、第２信号を変調して変調された前記第２信号によって前記第２発光素子を駆動する第２変調手段と、を有する第２送信機と、
前記第３波長の可視光を通過させる第１光学フィルタと、前記第１光学フィルタを通過した前記第３発光光を受光して電気信号に変換する第２受光素子と、前記第２受光素子の出力にもとづいて前記第２信号を復調する第２復調手段と、を有する第２受信機と、
を備えた可視光通信装置。
第４波長の可視光を含む第４発光光を放出する第３発光部を含む第３発光素子と、第３信号を変調して変調された前記第３信号によって前記第３発光素子を駆動する第３変調手段と、を有する第３送信機と、
前記第４波長の可視光を通過させる第２光学フィルタと、前記第２光学フィルタを通過した第４発光光を受光して電気信号に変換する第３受光素子と、前記第３受光素子の出力にもとづいて前記第３信号を復調する第３復調手段と、を有する第３受信機と、
をさらに備えた請求項２記載の可視光通信装置。
前記第２発光部は、赤色の波長を含む可視光を発光し、前記第３発光部は、緑色の波長を含む可視光を放出する請求項２または３に記載の可視光通信装置。
前記第２信号および前記第３信号は、前記第１信号と同じ周波数で変調された請求項４記載の可視光通信装置。
同一の周波数によって変調された信号によって駆動され、異なる波長の可視光を放出する発光部をそれぞれに含む複数の発光素子を有する送信機と、
前記異なる波長の可視光をそれぞれに通過させる複数の光学フィルタ有するを受信機と、
を備えた可視光通信装置。
第１波長の可視光を含む第１発光光を放出する第１発光部を含む第１発光素子と、第１信号を変調して変調された前記第１信号によって前記第１発光素子を駆動する第１変調手段と、を有する第１送信機と、
前記第１発光光を受光して電気信号に変換する第１受光素子と、前記第１受光素子の出力にもとづいて前記第１信号に復調する第１復調手段と、を有する第１受信機と、
前記第１波長の可視光を含む第２発光光を放出する第２発光部と、前記複数の波長の可視光を含む発光光を放出する蛍光体層と、を含む第２発光素子と、第２信号を変調して変調された前記第２信号によって前記第２発光素子を駆動する第２変調手段と、を有する第２送信機と、
前記複数の波長の可視光から１つの波長の発光光を通過させる光学フィルタと、前記光学フィルタを通過した通過光を受光して電気信号に変換する第２受光素子と、前記第２信号の変調のための周波数を通過帯域に含むバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタの出力にもとづいて前記第２信号を復調する第２復調手段と、を有する第２受信機と、
を備え、
前記第１信号は、前記第２信号よりも高い周波数で変調され、
前記第２信号は、前記蛍光体層の発光の応答周波数よりも低い周波数で変調された可視光通信装置。