JP3981036B2

JP3981036B2 - ワイヤレス光通信システム

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Publication number: JP3981036B2
Application number: JP2003086797A
Authority: JP
Inventors: 多寿子富岡
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2023-03-27
Also published as: JP2004297425A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は空間伝送する装置に関し、特にＬＥＤの光を用いて空間伝送するワイヤレス光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＥＤに青色や青紫色が加わり大出力化が可能になったため、より低消費電力・長寿命なＬＥＤによる照明を実現すべく研究開発がなされている。ＬＥＤで室内照明を実現するには大きく分けて２つの方法がある。１つは青紫色または紫外のＬＥＤに蛍光塗料を塗布し、ＬＥＤの光で励起して複数色の可視光の蛍光を得て、トータルで白色に見えるようにする。もう１つは、複数色の可視ＬＥＤを組み合わせて発光させ、トータルで白色に見えるようにするものである。
【０００３】
後者の方法の方が、電気エネルギーから光エネルギーへの変換効率は高い。しかし、各々のＬＥＤの発光特性が発光時間や周囲温度等によって変化してしまうためトータルの色合い（色温度）について安定した性能が得られず、照明用途では本命視されていない。
【０００４】
一方、この後者のＬＥＤ照明を用い、更にデータ通信を行うワイヤレス光通信システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１では、ＬＥＤを用いた照明装置に変調をかけ、室内に設置された端末に対してデータを伝送する。更に、三原色にてＬＥＤ照明を構成し、各々の色に個別なデータで変調をかける一種の波長多重伝送を行う方式が示されている。受信端末では３色の光を分離して異なる受光手段で受光し元の３つのデータを得る。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２９０３３５公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のワイヤレス光通信システムにおいては、照明としての色温度について安定かつ自在な性能が得られないという問題があった。
この発明は、照明としての色温度について安定かつ自在な性能が得られるワイヤレス光通信システムを提供することを目的とする。また、この発明は波長多重伝送機能を向上させたワイヤレス光通信システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、この発明においては、少なくとも１台の端末と、複数の発光ダイオードを用いて室内を照明すると共に前記端末との間で光無線通信を行う照明装置とからなるワイヤレス光通信システムにおいて、前記照明装置は、互いに異なる可視域の発光中心波長を有する４つ以上の群からなり、前記群毎にそれぞれ独立して異なるデータによりデータ変調した光を発光する複数の発光ダイオードと、前記複数の発光ダイオードを駆動する発光ダイオード駆動回路とを備え、前記端末の少なくとも１つは、前記４つ以上の群の内１つを透過し他の群を除去する光フィルタと、この光フィルタを透過した光を検出することにより前記データを抽出し前記光フィルタの光パワーに応じた信号を出力する光検出手段と、前記照明装置へ伝送するための上りデータが入力される上りデータ入力端と、前記上りデータ入力端から入力された上りデータと各々の前記光受信ユニットにより検出された光パワーに応じた信号とを前記照明装置へ発する発信手段とを備える、前記４つ以上の群の全てに対応した少なくとも１つ以上の光受信ユニットを有し、更に前記照明装置は、前記発信手段から発信された前記上りデータと前記光パワーに応じた信号とを受信する受信手段と、前記受信手段により受信された前記光パワーに応じた信号に応じて前記発光ダイオード駆動回路の駆動電流を変えることにより前記照明装置全体としての色温度を補正する色温度補正手段とを備えたことを特徴とするワイヤレス光通信システムを提供する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、本発明のワイヤレス光通信システムに係る第１の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明のワイヤレス光通信システム全体の構成を示す図である。
図１において、天井１０１に取り付けられた照明装置１０２はＬＥＤを光源としており、照明装置１０２内のＬＥＤは可視域である５種類の波長（λ１〜λ５）のＬＥＤを使用している。このように本発明ではＬＥＤは可視域で４色以上の異なる波長のＬＥＤを使用する。各波長は例えば、λ１＝７００ｎｍ、λ２＝６１２ｎｍ、λ３＝５４６ｎｍ、λ４＝４８０ｎｍ、λ５＝４３０ｎｍである。
【０００９】
５つの波長は各々異なるデータによって変調されており、室内の各端末１１０にデータが送られる。
各々の波長の光はデジタル振幅変調（ＡＳＫ）で変調され、変調レートは例えばそれぞれ５０Ｍｂｐｓである。そして照明装置１０２と端末１１０との間では、トータルで２５０Ｍｂｐｓのデータ伝送が行われている。
【００１０】
ＬＥＤドライバ１０３は、外部から入力されたデータに応じて照明装置１０２内のＬＥＤを駆動する。
ＬＥＤドライバ１０３は、各々の波長に対応するドライバからなり、場合によっては各ドライバは更に複数のドライブＩＣからなる。ドライバＩＣの電流駆動能力およびＬＥＤの所要電流量に依存して、１つのドライバＩＣに接続されるＬＥＤの数が決定されている。図では配線をまとめて１本の線で示している。
【００１１】
また、図示していないが、送信データはＬＥＤドライバ１０３に入力する以前に予め５つの波長に適宜割り振られている。
次に、照明装置１０２の構成について図２を用いて更に詳細に説明する。
図２は、天井１０１に設置されている照明装置１０２のランプカバーを外して、下から見た図である。
照明装置１０２のＬＥＤセル２１０の配置は例えば図２に示す通り、照明装置１０２の中心を中心とした同心円上に均等な間隔で規則正しく配設されている。最内周では４つのＬＥＤセル２１０が同心円上に配設されている。次に外側へ向かって１０個のＬＥＤセル２１０が同心円上に配設されている。最外周では１５個のＬＥＤセル２１０が同心円上に配設されている。
【００１２】
各ＬＥＤセル２１０は、５色のＬＥＤ２０１〜２０５が図２に示す通り配設されている。ＬＥＤ２０１〜２０５はできるだけ近づけて配設されている。これにより照明装置１０２からの光が室内の物体に光が当たったときにできる影が虹色ににじむ現象を抑えている。
【００１３】
これらＬＥＤセル２１０は、図１に示したＬＥＤドライバ１０３から各波長に対応する駆動電流が供給される。
各ＬＥＤ２０１〜２０５の直近にＬＥＤドライバ１０３が設置される場合には、送信するデジタルデータがＬＥＤセル２１０毎に設けられたＬＥＤドライバ１０３へ供給される。また、同じ波長の複数のＬＥＤが１つのＬＥＤドライバ１０３で駆動される場合には、波長毎に設けられたＬＥＤドライバ１０３から同じ波長のＬＥＤへ駆動電流が供給される。
【００１４】
この送信するデジタルデータに応じてＬＥＤへ供給される駆動電流またはＬＥＤセル２１０へ供給されるデジタル信号は、同じ波長のＬＥＤに対しては等長配線にて接続することが望ましい。この一例について図３を用いて説明する。
【００１５】
図３は、各ＬＥＤセル２１０内の波長λ４のＬＥＤ２０４に等長配線を行っている例である。
２点鎖線で示す配線３０１は、上記最外周の同心円上に配設されている１５個のＬＥＤセル２１０へ駆動電流を供給する。１点鎖線で示す配線３０２は内側から２番目の上記同心円上に配設されている１０個のＬＥＤセル２１０へ駆動電流を供給する。実線で示す配線３０３は上記最内側の同心円上に配設されている４個のＬＥＤセル２１０へ駆動電流を供給する。
【００１６】
図３に示す配線３０１，３０２，３０３は、照明装置１０２の中心からＬＥＤ２０４へ配線距離が全て同じとしている。他の４つの各波長についても等長配線を行う。
【００１７】
このように等長配線を行うことで同じ波長のＬＥＤはほぼ同じタイミングで変調されることとなる。この結果、同じ波長のＬＥＤの変調タイミングが異なることにより照明装置１０２の照明下にある端末１１０に届く信号（各ＬＥＤセル２１０から発光され、これらが加算されたトータルの信号）がなまった波形になるという問題を防ぐことが可能である。
【００１８】
次に、照明装置１０２から送信されたデータ光を受信する端末１１０側の構成について図面を用いて説明する。
図４は、端末１１０内に備えられた光受信器の構成の一例を示す図である。
図４（ａ）は図１の照明装置１０２が出力する全ての波長（λ１〜λ５）を受信する光受信器４００であり、図４（ｂ）は一部の波長のみを受信するタイプの光受信器４５０である。このように光受信器は必ずしも全ての波長（λ１〜λ５）を受信できるよう構成されている必要はない。
【００１９】
光受信器４００は、λ１〜λ５の全ての波長に対応する受光ユニット４０１，４０２，４０３，４０４，４０５を備えている。光受信器４５０は、λ１，λ２，λ３の計３つの波長に対応する受光ユニット４５１，４５２，４５３を備えている。
【００２０】
いずれの光受信器も、各受光ユニットの動作は同様であるため、図４（ａ）を用いて受光ユニットの動作を説明する。
図４（ａ）において、光受信器４００には照明装置１０２から出力された光が入射する。
受光ユニット４０１は受光器４１１の光入射部にλ１の光を透過するフィルタ４２１が備えられており、照明装置１０２のＬＥＤが出力する他の波長を除去し、波長λ１の光のみを通過させる。この結果、受光器４１１では、波長λ１の光に重畳されたデータのみを受信する。他の波長λ２〜λ５の受光ユニット４０２〜４０５も同様に、フィルタ４２２〜４２５が用いられ波長λ２，λ３，λ４，λ５の光に重畳されたデータのみを受信する。
【００２１】
受光ユニット４０１〜４０５は、受信したデータを、適宜次の処理（データのフォーマット変換等）をするブロックに出力する。
以上説明した通り、ＬＥＤ照明を４色以上のＬＥＤで構成する。
従来例に記されているように、３原色のＬＥＤがあれば白色光を合成することができ、さらに、それぞれの光のパワーを調整してあらゆる色の光を合成できる。しかしながら、以下のような点によって色数がより多い方が望ましい。
【００２２】
（ａ）３原色に対応するＬＥＤを用意しても、ＬＥＤ製造プロセスのバラツキ等によって正確に３原色に対応する波長のものを準備することは困難である。この結果、合成できる色に制限が生じる。色数が多ければ、それぞれの波長が多少不正確であっても、波長の不正確さによる合成色の制限は大幅に緩和される。
【００２３】
（ｂ）大容量の通信が望まれている。ＬＥＤ単体での変調速度はせいぜい数１００Ｍｂｐｓであり、照明用高輝度ＬＥＤでは変調可能な速度はさらに下がることから、波長数は多い方が大容量化が可能である。
【００２４】
（ｃ）ＬＥＤ照明を光源としてワイヤレス光通信を行う場合、拡散光（光源から四方八方に広がる光）による通信であるため、マルチパスによる波形の裾引きが発生する（詳細は後述する）。裾引きによって、部屋の構造等によってはＬＥＤ単体の変調速度よりも低い変調速度に制限される可能性がある。色数（波長多重数）が多ければ、各々の変調速度を低く抑えて裾引きによる制限を緩和しても、トータルである程度の伝送レートを保証できる。
【００２５】
このように構成することによって、照明としての色の可変幅を保証することが可能であり、さらに、高い伝送レートを実現できる。
次に、マルチパスによるビットレート制限について図５および図６を用いて説明する。
まず、室内のマルチパスによって波形が裾を引くという現象について、図５を用いて説明する。
図５に示すように端末１１０が、反射体である例えば壁５０１側にある場合、端末１１０には照明装置１０２から直接届く光５０２と、一旦壁５０１に反射してから届く光５０３とがある。
【００２６】
照明装置１０２が図３に示したように等長配線がなされていたとしても、端末１１０と照明装置１０２の位置関係によって、各々のＬＥＤから出射される光は、端末１１０に若干ずれて届くことになる。
【００２７】
このため、例え照明装置１０２の各々のＬＥＤから出射された波形が図６（ａ）に示す通り完全な矩形波であったとしても、端末１１０に届く波形の立ち上がりは図６（ｂ）に示す通り若干なまった波形となる。
【００２８】
立ち下がり部分に関しては、同様の理由で発生する波形なまりに加えて、壁５０１で一回反射されてきた光が遅れて届くため、裾を引く部分が加わった波形となる。
壁５０１からの反射の量にもよるが、この裾引きによってビットレートが著しく制限を受ける。
例えば２０Ｍｂｐｓのデータ信号の１タイムスロット時間は５０ｎｓであり、空気中を伝搬する光の光路長に換算すると１５ｍである。これが２００Ｍｂｐｓでは１．５ｍとなる。
【００２９】
照明装置１０２から端末１１０へ直接届く光と、壁５０１で反射してから届く光の光路長差の平均がおよそ５０ｃｍ程度とすると、２０Ｍｂｐｓでは１タイムスロットの１／３０程度であるため、波形なまりは殆ど発生しない。しかし、２００Ｍｂｐｓではこれが１／３となり、明確な波形なまりが観測される。
【００３０】
照明装置１０２によるワイヤレス光通信では光源のパワーが非常に大きいため、従来の拡散型ワイヤレス光通信で問題であったパワー不足によるビットレート制限は殆ど問題とならない。しかし、マルチパスによる裾引きによってビットレートは事実上制限される。もちろん、マルチパスの大きさが十分に小さければ問題にはならないが、マルチパスの大きさは反射を起こす物体の材質によるため、事実上制御不能である。
【００３１】
一方、照明装置１０２は拡散型の光源であるため、マルチパスによって発生する光路長差とそのパスを通ってきた光の大きさには相関があり、光路長差が大きくなるほどそのパスの光は小さくなる。
【００３２】
従って回線設計上、鏡のような反射率の高い物質からのマルチパスがあったとしても波形に重大な影響を与えない程度のビットレートに制限する必要がある。
以上が、マルチパスによるビットレート制限の詳細である。
なお、本願では従来例とは異なり複数の波長を分離することなく、光受信器に備えられた複数の受信ユニットによって個別に受信する。すなわち、各受信ユニットの入射面に各波長のみを抽出する光フィルタを付け、各々の光受信ユニットを空間的に並べて配置する形式を前提としている。ＬＥＤ照明からの光は拡散光であって数ｍｍから数ｃｍ離れた場所ではほぼ同じ内容の光が届いているためそれらを有効活用する。従来のような１つの入射口からの光を分離するためのダイクロイックフィルタをカスケード接続して用いるより、遙かに安価および単純で、損失も少ない。
【００３３】
本発明のワイヤレス光通信システムでは、ビットレートは波長毎に同じである必要はない。照明としての機能を重視するならば、波長毎のパワーの大小は必ず発生する。このときパワーの大きい波長では、より速いビットレートとするとよい。このようにパワーの大きい波長で、より速いビットレートとすることにより、自然光に近い照明で効率良くデータを送ることが出来る。
【００３４】
波長の数は上述の（ａ），（ｂ），（ｃ）の理由からは多ければ多いほど良い。しかし、ＬＥＤの発光スペクトルはある程度幅があり、可視域の限られた領域に、重なり合う部分を少なくして詰め込むには限度がある（当然であるが、重なる部分が多くなると、波長間クロストークが生じる。あるいは光受信ユニットの波長フィルタの中心波長、波長帯域幅への要求が厳しくなって歩留まりが悪化したり、発光スペクトルの端を切って受信する必要が生じるなどして波形歪みが発生する可能性がある）。
【００３５】
また、ＬＥＤの発光スペクトルの形状は、中心波長が同じでもＬＥＤの具体的な構造、組成によって微妙に異なるため、ＬＥＤのメーカ・型等が変わっても大きな設計変更が必要無いよう、適当な余裕を持って詰めることが望ましい。ＬＥＤの発光スペクトル幅は、例えば中心波長６５０ｎｍ程度のもので、約８０ｎｍ（ピークより２０ｄＢダウンの全幅）程度ある。発光スペクトル幅は中心波長が小さくなるほど小さくなっていく傾向があるが、可視域が４００ｎｍ〜８００ｎｍの４００ｎｍ程度しか無いことを考えれば、５色程度が余裕をもって詰められる数と言える。
【００３６】
一方、調光（色温度）という面から見た場合、例えば蛍光灯などは、おおよそ３原色に近い波長の輝線とそれらの中間にパワーの弱い輝線が１つずつあって、トータル５色で自然な色を実現している。また、インクジェットプリンタの比較的高級な機種では、自然な発色のために５色（＋黒）のインクを使用している。３色＋間に１色ずつという色の組み合わせは調光を行いやすい（色の制御のアルゴリズムが容易である）組み合わせである。このようなことから、きめ細かな色温度の制御には５色程度が適切である。
【００３７】
以上のことから、ＬＥＤ照明の可視域のダイオードの波長数（色数）を５色とすることにより、発光スペクトルの重なりを少なくして波長間クロストークを減らし、かつきめ細かな調光が可能となる。
【００３８】
（第２の実施の形態）
以下、本発明のワイヤレス光通信システムに係る第２の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。この第２の実施の形態では、端末側から照明装置側へ信号を送信することが可能となっている。
【００３９】
図７は本発明のワイヤレス光通信システム全体の構成を示す図である。
図７において、各端末７１０は赤外の波長λ６（例えば８５０ｎｍ）の上り用光送信器を備えている。これに対応して照明装置７０２はλ６に対応する上り用光受信器を備えている。上り信号のビットレートは例えば１Ｍｂｐｓである。
【００４０】
各端末７１０に備えられる上り用光送信器で用いられる光源は例えばＬＥＤであるが、上り信号光には照明としての機能は求められないので、眼への安全基準を満たす範囲の出力の半導体レーザ（ＬＤ）であってもかまわない。
【００４１】
また、照明装置７０２のように室内をあまねく照らす必要がないため、端末７１０の上り信号用光源の性質は拡散光であっても、ある程度広がり角を絞って、照明装置７０２の光受信器に向けて光を送出するビームでもかまわない。
【００４２】
ただし、後者の場合はビームのトラッキング機能が要求される。
また、上り信号は通常、下り信号ほどの帯域が要求されないことが多いため、下り信号よりビットレートが低くて良い。
ＬＥＤ照明からの光は拡散光であるため、照明装置側に受信ユニットをおくと、自身の光が回り込んで受信される可能性がある。そのため、照明装置が用いていない波長の光で上り通信を実現することが望ましい。照明装置で用いられていない可視域の波長の光を用いても良いが、可視域で単色の光が端末から照明装置に向かって送出されると、照明装置がその色で照らされる状態となり、照明の色のバランスが崩れてしまう。従って、端末から照明装置への上り回線は、赤外光・紫外光のいずれかが望ましく、その内、半導体発受光素子の発達している赤外光による通信が望ましい。
【００４３】
３つの端末７１０の内、全てが上り信号用光送信器を備えている必要はなく、この例では３つの端末７１０の内、例えば２つが上り信号用光送信器を備えている。
次に、端末７１０から送信された赤外線を用いたデータ光を受信する照明装置７０２の構成について図８を用いて更に詳細に説明する。
図８は、天井１０１に設置されている照明装置７０２のランプカバーを外して、下から見た図である。なお、図２と同じものについては同じ符号を付し説明は省略する。
【００４４】
照明装置７０２のＬＥＤセル２１０の配置は例えば図２と同様に配設されている。
照明装置７０２では、端末７１０から送信された波長λ６の赤外線を受光するための上り信号用光受信器８００が照明装置７０２の中心に配設されている。この上り用光受信器８００の構造は、図４に示した受光ユニット４０１と同様であるが、受光器４１１の受光面側に備えられる光フィルタ４２１が波長λ６の赤外線のみ透過するよう設計されている。これにより照明装置７０２は端末７１０から送信された波長λ６の赤外線を受光することが可能となる。
【００４５】
次に、端末７１０側の構成について図面を用いて説明する。
図９は、端末７１０の構成の一例を示す図である。なお、図４（ａ）と同じものについては同じ符号を付し説明は省略する。
図９において、端末７１０内には、光受信器４００の他に、上り信号用光送信器９０１が備えられている。この上り信号用光送信器９０１は、波長λ６の赤外線を用いて照明装置７０２側へデータを送信する。
【００４６】
図７の例では２台の端末７１０が上り信号用送信器９０１を有している。このように複数の端末７１０が同じ波長λ６の赤外線を用いて光信号を照明装置７０２へ出力する場合、なにがしかのアクセス制御が必要であり、例えばＴＤＭＡ等で信号の衝突を極力回避すると良い。ことのき、赤外光による狭帯域の回線を制御信号用回線（制御線）と共用して用いてもよい。この場合、アクセス許可等の制御信号を波長λ６の赤外線を介してやりとりするため、照明装置７０２側にも波長λ６の光送信器を配設する必要がある。このとき波長λ６の光受信ユニットとλ６の光送信器の間にλ６の光の回り込みが発生しないよう注意深く配置する必要がある。また同様に、端末７１０側にも波長λ６の光受信器を設置する必要がある。もちろん、下りの制御信号は可視光である波長λ１〜λ５のいずれかを用いてもよい。
【００４７】
以上説明した通り、ＬＥＤ照明から端末までの下り通信の他に、端末からＬＥＤ照明までの上り通信を赤外の光にて行うことで、端末７１０側から上りのデータを送信することが可能となる。
【００４８】
また、この例では端末から照明装置へ上りとして赤外線を用いたが、必ずしも光である必要はなく上りとして無線を利用しても良い。
（第３の実施の形態）
以下、本発明のワイヤレス光通信システムに係る第３の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。この第３の実施の形態では、上り用光送信器を備える端末のうち、全ての下り可視光の波長に対応する受光ユニットを備えている端末を用いて照明装置による照明光の色温度を制御することが可能となっている。
【００４９】
図１０は、このような機能に対応した照明装置と端末の構成を示す図である。なお、図７および図９と同じものについては同一番号を付し説明は省略する。
図１０において、端末１０１０は照明装置７０２から出力されている可視光の波長λ１〜λ５を受信する受光ユニット４０１〜４０５を備えている。
受光ユニット４０１〜４０５内に設けられた受光器４１１は、波長毎に検出した光パワーの値をパワーモニタ１０１１へ出力する。
パワーモニタ１０１１は、受光ユニット４０１〜４０５で検出された光パワーの値を上り信号用光送信器９０１へ出力する。
上り信号用光送信器９０１は、パワーモニタ１０１１から入力された光パワーの値を波長λ６の赤外線を用いて照明装置７０２へ出力する。
照明装置７０２側では、図８に示す上り用光受信器８００で受信されたパワー情報を色温度制御部１０５０へ出力する。色温度制御部１０５０は、端末１０１０から入力されたパワー情報からスペクトル形状、即ち色温度を推定（演算）し、所望の色温度からずれている分を補正するための色温度補正値をＬＥＤドライバ１０３へ出力する。ＬＥＤドライバ１０３は、照明装置７０２から出力される光が所望の色温度となるように各波長のパワー比を調整する。この結果、照明装置７０２から出力される全体の光の色温度は所望の色温度に保たれる。
【００５０】
なお、色温度を推定（演算）するための処理は必ずしも照明装置７０２側で行う必要はない。例えば端末１０１０が、予め照明装置７０２から通知される等して所望の色温度についての情報を保持しておく。そして端末１０１０がパワーモニタ１０１１により得られたパワー値から色温度を推定し、保持していた所望の色温度とから補正すべき波長とその補正値を求める。この求めた補正値を端末１０１０が赤外線λ６を用いた上り系を用いて照明装置７０２へ出力する構成としても良い。
【００５１】
なお、各受光ユニット４０１〜４０５における光パワーの検出は、最も単純にはフォトダイオードの直流光電流値を測定すればよい。
しかし、例えば夕暮れの太陽光などが差し込んだ結果、端末７１０の受光ユニット４０１〜４０５に照明装置７０２以外からの光が入って直流光電流を増大し、かつ、その太陽光等のスペクトルが照明装置７０２の所望の色温度に対応するスペクトルと異なっているような場合になることが想定される。
【００５２】
このような場合、太陽光まで含めたトータルでの色温度を最終目標とする所望の色温度とするならば、先に説明した直流光電流値の測定で良い。
しかし、通常は、照明装置７０２単体の色温度の制御を行うものであるため、夕暮れの太陽光等による測定値の変化は好ましくない。そこで、出来れば直流光電流値ではなく、波長λ１〜λ５に重畳されているデータ成分の振幅を検出すると良い。データ成分の振幅がもともと波長によって異なっている場合も有るが、この場合、照明装置７０２での変調信号の時点で、どの程度変調信号の振幅が異なっているか判っていれば端末１０１０側で検出されたときにどの程度振幅が異なっているかを知ることにより、スペクトル形状を推測し、色温度を推測することが可能である。
【００５３】
この結果、夕暮れの太陽光等の影響を受けず、常に照明装置単体の色温度を制御することができる。
このように第３の実施の形態では、照明装置の出す複数波長の可視光の全部を受光する受光ユニットを有する光受信器にて、それぞれの波長の光のパワーを検出する。これらの光パワーの比を検出することによって照明の色温度を推測することが出来る。そこで、これらの光パワーあるいは、それらを処理して比や色温度を計算した情報を上り回線を通して照明装置に送る。照明装置はそれらの情報を用いて所望の色温度に制御する。これにより色温度に関する情報がフィードバックされるため、照明の色温度の安定化が可能となる。
【００５４】
（第４の実施の形態）
光通信の受光素子としては通常フォトダイオードが用いられる。フォトダイオードは、若干であるが、温度によって変換効率や暗電流が変化する。
本実施の形態のワイヤレス光通信システムでは、非常に広い幅の波長多重が行われている。このような場合、同一の組成のフォトダイオードでは全ての波長を（効率良く）受光できない。異なる組成のフォトダイオード、あるいは同一の組成のフォトダイオードでも受光波長が著しく異なる場合は、受光特性は同様の温度特性を示さない。
【００５５】
この第４の実施の形態においては、各受光ユニットで検出された光パワーの比を計算するとき、各受光ユニットで用いられているフォトダイオードの異なる温度特性を考慮し特性補正を行う。これにより色温度の計算結果が温度によらず一定となるようにする。
【００５６】
以下、本発明のワイヤレス光通信システムに係る第４の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
図１１は本発明のワイヤレス光通信システム全体の構成を示す図である。なお、図１１において図１０と同じものについては同一番号を付し説明は省略する。図１１に示す通り、光受信器４００の受光ユニット４０１〜４０５の近傍に温度検出手段１１０１を配設する。この温度検出手段１１０１は、受光ユニット４０１〜４０５近傍の温度をパワーモニタ１０１１へ出力する。
【００５７】
パワーモニタ１０１１は、第３の実施の形態と比較して次に説明する点が異なっている。パワーモニタ１０１１は、更に各受光器４１１で用いられているフォトダイオードの温度特性が予め登録されている。この登録には、ＲＯＭ等のメモリや他に特性を登録できるものであれば何を用いてもかまわない。
【００５８】
パワーモニタ１０１１は、上記予め登録されている温度特性と温度検出手段１１０１により検出された温度とに応じて、各受光ユニット４０１〜４０５内の受光器４１１で測定された光パワーの値を、より正しい値となるよう補正する。
【００５９】
これにより季節や気温による色温度の推定誤差を小さくすることが可能となる。
（色温度の制御方法第１の例）
上記した色温度の制御を行う実施の形態において色温度の制御をするとき、何らかの形で各波長に設けられたＬＥＤの平均出力光パワーを制御する必要がある。
照明装置の色温度の制御で各波長のＬＥＤの平均光パワーを変える第１の方法として、データのマーク率（全ビットに対するビット"１"の割合）を変える。この例の照明装置７０２側の構成は図１０および図１１と同様であるが、ＬＥＤドライバ１０３内に色温度制御部１０５０からの制御信号に対応してマーク率を変更できるデジタル信号処理部が備えられている。
【００６０】
この方法を用いることにより、次の３つの効果を得ることが出来る。
・マーク率の変化はデジタル部の信号処理で行えるため、ハードの実装が容易である。
・データの変調振幅を変更しなくて済む。
・上記実施の形態では照明用ＬＥＤを駆動するＬＥＤドライバ１０３に高速で大電流な変調を行う必要があるが、このような動作が可能なＬＥＤドライバ１０３で細かい特性の操作と動作の安定性とを両立することは難しい。しかしマーク率の制御による方法を用いれば、振幅の制御が必要無いためＬＥＤドライバ１０３に細かい操作を加える必要がない。
【００６１】
図１２に、マーク率の制御によって光パワーを変えたときの動作を示す。
送信するデジタルデータは、ＬＥＤドライバ１０３内で予め図示しないデジタル信号処理部により所定のマーク率のデジタルデータに変換される。
図１２（ａ），図１２（ｂ）は、それぞれマーク率が約０．５と０．３のときの、ＬＥＤの発光パワーを示す図である。平均光パワーは図１２（ａ）に対して図１２（ｂ）は４割小さくなっている。
【００６２】
このようにマーク率を変更して平均光パワーの制御を行うことにより色温度制御を行うことができる。
（色温度の制御方法第２の例）
照明装置の色温度の制御のために各波長のＬＥＤの平均光パワーを変える第２の方法として、ＬＥＤ変調信号の直流オフセットを変更しても良い。
照明装置側のＬＥＤを消光比の悪い状態で駆動している場合は、変調信号の"０"に対応する直流オフセット分の調整によって、ＬＥＤの出力平均光パワーを制御できる。前述のように大電流高速な信号振幅ドライブ部を細かい操作が可能なように実現することは難しい。ＬＥＤに印加する電流を全部、情報に対応してオンオフさせるのではなく、そのほんの一部だけをオンオフさせる形態で動作させて、消光比を意図的に劣化させている場合、直流オフセットに対応する直流電流と変調信号に対応する変調電流を加算する回路があり、直流電流と変調電流は加算回路以前に独立に制御することが可能である。すなわち、平均光パワーを制御するために、直流電流の制御のみを行えば良い。このようにすることによって平均出力パワーの制御が容易となる。
【００６３】
以下、ＬＥＤ変調信号の直流オフセットを変更するときの照明装置７０２側の構成について図面を用いて説明する。
図１３は照明装置７０２側の構成を示す図である。なお、図１３において図１０と同じものについては同一番号を付し説明は省略する。
図１３において、送信するデジタルデータは入力端子１３００を介してＬＥＤドライバ１０３へ供給される。
ＬＥＤドライバ１０３内では、信号振幅ドライブ部１３０１が入力端子１３００から入力されたデジタルデータを、ＬＥＤを駆動する電流のデータに変換して電流加算器１３０２へ出力する。
【００６４】
一方、図８に示す上り用光受信器８００でパワー情報を受信し、このパワー情報をバイアス電流供給手段１３０３へ出力する。
バイアス電流供給手段１３０３は、色温度を算出し、所望の色温度にするための、各波長のＬＥＤのバイアス電流を電流加算器１３０２へ出力する。
電流加算器１３０２は、信号振幅ドライブ部１３０１から入力された電流とバイアス電流供給手段１３０３から入力されたバイアス電流とを加算し、ＬＥＤ２０１〜２０５へ出力する。
【００６５】
ＬＥＤ２０１〜２０５は、電流加算器１３０２から入力された各電流によりドライブされ発光する。
この動作について図１４を用いて説明する。
図１４は要求される平均光パワーに対応して変調信号の直流オフセットを変えている様子を示している。
図１４（ｂ）は直流オフセットの大きさを小さくしており、図１４（ｂ）は図１４（ａ）に対して約４割平均光パワーが減少している。
なお、図１４では信号振幅ドライブ部１３０１から出力されるデータ分の電流は、マーク率が１／２である。
図１４から判るように、直流オフセット分にデータ部に含まれる平均光パワーを加算したものが、トータルの平均光パワーである。
なお、ＬＥＤの電流−出力光パワーの特性が直線でない場合には、ＬＥＤに印加する直流電流値と出力光パワーの直流オフセット分は比例しないので、所望の出力光パワーが得られるような補正またはフィードバックが必要である。
【００６６】
以上の例では、バイアス電流供給手段１３０３から出力される直流オフセット分の電流（上記バイアス電流）と、信号振幅ドライブ部１３０１から出力されるデータ分の電流を供給する手段が異なっている。よって直流オフセットを変更するときにはバイアス電流供給手段１３０３からの電流のみを変更すれば良い。この方法では、バイアス電流供給手段１３０３から出力する電流のみを個別に変更することにより照明装置７０２からの照明光全体の色温度を所定の色温度に保つことができるので、大電流の高速スイッチングが必要な信号振幅ドライブ部１３０１に変更を加えなくて済み、その構成を単純化することができる。
【００６７】
なお、この色温度の制御方法では５つの可視光である波長λ１〜λ５を用いて照明しているものとして説明するが必ずしも５つである必要はなく、４つ以上であれば良い。
【００６８】
（第５の実施の形態）
第５の実施の形態では、照明装置の通信機能が昼間にも使用される場合を想定し、照明機能と通信機能の両方が機能するモードと、通信のみが機能するモードを別個に持つことを特徴とする。
【００６９】
本実施の形態では、上記（色温度の制御方法第２の例）で説明した方法を用いている。
本願の照明装置は室内のワイヤレス通信環境を提供するものである。室内でのワイヤレス通信は、昼間の太陽光が差し込む時間帯にも行う可能性が高い。ＬＥＤを消光比の悪い状態で用いる場合、直流オフセット分は室内の照明のために使用されている。そこで、室内照明が必要無い場合は、直流オフセット分は取り除いてしまい、変調信号に対応する電流のみでＬＥＤを駆動する。このようにすることによって、太陽光が差し込んでいて、室内照明が必要無いあるいは、少量で良いときには照明のためだけの電力を使用しないため、節電できる。
【００７０】
以下、ＬＥＤ変調信号の直流オフセットを変更するときの照明装置７０２側の構成について図面を用いて説明する。
図１５は照明装置７０２側の構成を示す図である。なお、図１３と同じものについては同一番号を付し説明は省略する。
図１５において、新たに照明ＯＮ／ＯＦＦ制御部１５０１が設けられている。照明ＯＮ／ＯＦＦ制御部１５０１には、ユーザによるスイッチ等の操作に応じて、照明をＯＮにするか或いはＯＦＦにするかを示す制御信号が供給される。照明ＯＮ／ＯＦＦ制御部１５０１は、この制御信号に応じてバイアス電流供給手段１３０３をＯＮ／ＯＦＦ制御する。照明をＯＮする場合にはＯＮに制御し、照明をＯＦＦにする場合にはＯＦＦに制御する。
【００７１】
バイアス電流供給手段１３０３は、照明ＯＮ／ＯＦＦ制御部１５０１によってＯＮに制御されると機能して電流加算器１３０２へ直流電流を供給し、ＯＦＦに制御されると機能を停止して電流加算器１３０２へ直流電流を供給しない。
【００７２】
次に図１６を用いてこのときの動作を説明する。
図１６（ａ）は照明機能と通信機能の両方を機能させているモードであり、直流オフセット分を大きく持ち、この部分が主に照明の機能を果たしている。
図１６（ｂ）は通信機能のみ機能させているモードであり、データ成分の平均パワーに相当する分の明るさのみで光っている状態である。
図１６（ａ）が煌々と灯りが照っている状態であるのに対して、図１６（ｂ）はほの暗く点いている状態である。
このように通信のみのモードをサポートすることによって、昼間に太陽光で明るい部屋で電灯をつけっぱなしにする必要がなく、省エネが実現できる。
なお、以上説明した各実施の形態においては、本願の構成に関連する主要部分のみが示されており、実際に照明装置や端末を構成する際に必要な他の要素（例えば、アクセス制御部、電源等）は省略している。
【００７３】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明によれば、可視４色以上のＬＥＤからなる照明装置を用いてワイヤレス光通信をしているので、より高い伝送レートと照明としての色温度について安定かつ自在な性能が得られるワイヤレス光通信システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のワイヤレス光通信システムに係る第１の実施の形態の全体構成を説明するための図。
【図２】照明装置の構成を説明するための図。
【図３】照明装置の等長配線を説明するための図。
【図４】端末の構成を説明するための図。
【図５】マルチパスによる波形の裾引きを説明するための図。
【図６】マルチパスによる波形の裾引きを説明するための図。
【図７】本発明のワイヤレス光通信システムに係る第２の実施の形態の全体構成を説明するための図。
【図８】照明装置の構成を説明するための図。
【図９】端末の構成を説明するための図。
【図１０】本発明のワイヤレス光通信システムに係る第３の実施の形態の端末の構成を説明するための図。
【図１１】本発明のワイヤレス光通信システムに係る第４の実施の形態の端末の構成を説明するための図。
【図１２】マーク率の制御による光パワーを変えたときの動作を説明するための図。
【図１３】照明装置の構成を説明するための図。
【図１４】光パワーを変える方法の動作を説明するための図。
【図１５】照明装置の構成を説明するための図。
【図１６】照明ＯＮ／ＯＦＦ制御時のＬＥＤ駆動電流を説明するための図。
【符号の説明】
１０１…天井、１０２，７０２…照明装置、１０３…ＬＥＤドライバ、１１０，７１０，１０１０…端末、２０１〜２０５…ＬＥＤ、２１０…ＬＥＤセル、３０１，３０２，３０３…配線、４００，４５０…光受信器、４０１，４０２，４０３，４０４，４０５，４５１，４５２，４５３…受光ユニット、４１１…受光器、４２１〜４２１…フィルタ、５０１…壁、５０２，５０３…光、８００…上り信号用光受信器、９０１…上り信号用光送信器、１０１１…パワーモニタ、１０５０…色温度制御部、１１０１…温度検出手段、１３０１…入力端子、１３０２…電流加算器、１３０３…バイアス電流供給手段、１３０４…信号振幅ドライブ部、１５０１…照明ＯＮ／ＯＦＦ制御部。

Claims

少なくとも１台の端末と、複数の発光ダイオードを用いて室内を照明すると共に前記端末との間で光無線通信を行う照明装置とからなるワイヤレス光通信システムにおいて、
前記照明装置は、
互いに異なる可視域の発光中心波長を有する４つ以上の群からなり、前記群毎にそれぞれ独立して異なるデータによりデータ変調した光を発光する複数の発光ダイオードと、
前記複数の発光ダイオードを駆動する発光ダイオード駆動回路とを備え、
前記端末は、
１つ以上の光受信ユニットを有し、
前記光受信ユニットは、
前記４つ以上の群の内１つを透過し、他の群を除去する光フィルタと、
この光フィルタを透過した光を検出することにより前記データと前記光フィルタを透過した光パワーに応じた信号を抽出する光検出手段と、
前記照明装置へ伝送するための上りデータが入力される上りデータ入力端と、
前記上りデータ入力端から入力された上りデータを前記照明装置へ発する発信手段とを備え、
更に前記端末の少なくとも１つは、前記４つ以上の群の全てに対応した光受信ユニットを有し、各々の前記光受信ユニットにより検出された光パワーに応じた信号を前記発信手段によって前記上りデータと共に発信し、
更に前記照明装置は、
前記発信手段から発信された前記上りデータと前記光パワーに応じた信号とを受信する受信手段と、前記受信手段により受信された前記光パワーに応じた信号に応じて前記発光ダイオード駆動回路の駆動電流を変えることにより前記照明装置全体としての色温度を補正する色温度補正手段とを備えたことを特徴とするワイヤレス光通信システム。
更に前記端末は、
前記受信ユニット近傍の温度を測定する温度測定手段と、
この温度特性手段により測定された温度に応じて、前記光パワーに応じた信号を、前記照明装置全体としての色温度がより正しく補正される方向に補正する補正手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス光通信システム。
前記照明装置は、
前記発光ダイオードを駆動する変調信号のマーク率を制御することにより前記照明装置全体が発光する光の色温度を補正することを特徴とする請求項１または２に記載のワイヤレス光通信システム。
前記照明装置は、
前記発光ダイオードを駆動する変調信号の直流オフセット量を制御することにより前記照明装置全体が発光する光の色温度を補正することを特徴とする請求項１または２に記載のワイヤレス光通信システム。
ユーザの操作に応じて発光ダイオードの直流オフセット量を略零とすることを特徴とする請求項４記載のワイヤレス光通信システム。
前記群の数は５であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のワイヤレス光通信システム。
前記照明装置と前記端末間で複数の発光中心波長を用いてワイヤレス光無線通信を行うときに、前記照明装置は、より光パワーの大きい発光中心波長の光でより速いビットレートのデータを前記端末へ送信することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のワイヤレス光通信システム。