JP4465044B2 - 光受信装置及び可視光通信装置 - Google Patents

Description

本発明は，可視光を用いて信号を伝送するデータ伝送システムに関し、例えば、蛍光体の発光を含む白色発光ダイオード（Light Emitting Diode：以下、白色ＬＥＤという）を使用する通信に好適な光受信装置及び可視光通信装置に関する。

近年、白色ＬＥＤの開発が盛んに行われ、照明，車載用ランプ，液晶バックライト等多岐に亘る。この白色ＬＥＤは、例えば蛍光灯などの白色光源と比較して、オン／オフの切り替え応答速度が非常に速いといった特徴を持っている。そこで、データ伝送媒体としてＬＥＤによる白色光を用い、白色ＬＥＤの照明光にデータ伝送機能を持たせる可視光通信システムが提案されている（下記特許文献１参照）。すなわち、白色ＬＥＤの発光強度を送信データに応じて変調し、受信側ではその光の強弱をフォトダイオード（Photo Diode：以下、ＰＤという）などの光電変換器により電気信号に変換することで、データ伝送を実現する。

ところで、白色ＬＥＤは，例えば下記非特許文献１にあるように、発光方式により主に３種類に分類することができる。

(1) 青色光励起型白色ＬＥＤ：青色ＬＥＤと、主に黄色を発光する蛍光体を組み合わせたものである。青色ＬＥＤの周囲にＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系に代表されるような蛍光体を配置し、一つのパッケージに納めた構造となっている。この方式では、中心に配置された青色ＬＥＤから出力された青色光によって周囲の蛍光体が励起され、この蛍光体から主に青色と補色関係のある光（主に黄色）が出力される。この蛍光体による黄色蛍光と、前記青色ＬＥＤによる青色光とを混色することで、擬似的に白色光を得ている。

このような青色光励起型白色ＬＥＤの長所としては、(1)他の方式と比較してエネルギー利用効率が高く、高い照度が得易いこと、(2)構成が簡便なため安価に作製が可能であることが挙げられる。一方、短所としては、演色性が悪いことが挙げられる。この演色性とは、照明による物体の色の見え方の特性を指し、色が自然光で見た場合に近いほど演色性がよいという。

図６(A)には、青色光励起型白色ＬＥＤの一例が示されている。同図に示すように、青色ＬＥＤ９００は、樹脂ケース９０２の主面上に設けられている。青色ＬＥＤ９００の駆動電圧印加端子（図示せず）は、引出し電極９０４，９０６にそれぞれ接続されている。これら引出し電極９０４，９０６に駆動電圧を印加すると、青色ＬＥＤ９００から青色光が出力されるが、その一部が蛍光体９０８に入射する。これにより蛍光体９０８が励起され、蛍光が出力される。青色ＬＥＤには、種々の波長の発光特性を持つものがあるが、ピーク波長が、４４０〜４７０ｎｍの範囲にあるものが使用される。蛍光体９０８は、青色ＬＥＤのピーク波長より長波長側の光を発光するものが使用される。そして、青色ＬＥＤが発光する光をさえぎらないように、放射状で厚みのある透光性樹脂中に蛍光体粒子９０８が配置される。図６(B)には、青色光励起型白色ＬＥＤの発光スペクトル特性が示されている。点線ＳＡで囲んだ部分が青色光の部分であり、点線ＳＢで囲んだ部分が蛍光体による発光の部分である。このように蛍光体による発光は、青色ＬＥＤの発光のピーク波長より長波長側に存在する。

(2) 紫外光励起型白色ＬＥＤは、紫外ＬＥＤとＲ，Ｇ，Ｂ（赤，緑，青）の３原色を発光する蛍光体を組み合わせたものである。紫外光ＬＥＤの周囲にＲ，Ｇ，Ｂの３原色を発光する蛍光体をそれぞれ配置し、一つのパッケージに納めた構造となっている。この方式では、中心に配置された紫外光ＬＥＤから出力された紫外光によって周囲の蛍光体が励起され、これらの蛍光体からＲ，Ｇ，Ｂの３原色の光がそれぞれ出力される。これらのＲ，Ｇ，Ｂの光を混色することで白色光を得ている。
紫外ＬＥＤには、種々の波長の発光特性を持つものがあるが、ピーク波長が、３８０〜４１０ｎｍの範囲にあるものが使用される。蛍光体は、紫外ＬＥＤのピーク波長より長波長側の光を発光するものが使用される。そして、紫外ＬＥＤが発光する光を十分に吸収して励起するように、放射状で厚みのある透光性樹脂中に光の３原色を発光する多数の蛍光体粒子が配置される。

このような紫外光励起型白色ＬＥＤの長所としては、上述した演色性が良好であることが挙げられる。一方、短所としては、(1)前記青色光励起型白色ＬＥＤと比較してエネルギーの利用効率が低く、高い照度が得られにくいこと，(2)紫外発光であるため、ＬＥＤの駆動電圧が高いこと，が挙げられる。

(3) ３色発光型白色ＬＥＤ：Ｒ，Ｇ，ＢのＬＥＤを組み合わせたものである。赤色ＬＥＤ，緑色ＬＥＤ，青色ＬＥＤの３種類のＬＥＤを一つのパッケージに収めた構造となっている。この方式は、３原色であるそれぞれのＬＥＤを同時に発光させることで、白色光が得られる。

このような３色発光型白色ＬＥＤの長所としては、前記紫外光励起型白色ＬＥＤと同様に演色性が良いことが挙げられる。一方、短所としては、３種類のＬＥＤを一つのパッケージに実装することになるので、他の方式と比較して高価となってしまうこと，が挙げられる。

次に、以上の各方式の白色ＬＥＤをデータ伝送に用いた場合の特徴は、以下の通りである。

(1)青色光励起型白色ＬＥＤを用いた場合、蛍光体から出力される光の応答速度が低速であるため、高々数Ｍｂｐｓ程度の伝送速度しか得られない（下記非特許文献２参照）。図７(A)には、この方式の送受信機構成が示されている。同図において、伝送対象のデータは、送信機９２０の変調器９２２に入力されて所定の変調を受け、変調信号が青色光励起型白色ＬＥＤ９２４に供給される。これにより、青色光励起型白色ＬＥＤ９２４の出力光が、例えばＯＯＫ（On-Off Keying）などの変調方式で変調されて点滅する。変調後の点滅光は、受信機９３０の光電変換器９３２に入力して電気信号に変換され、増幅器９３４で増幅された後に復調器９３６に入力され、ここでデータの復調が行われる。ここで、送信側で、発光のオン／オフを高速に行うと、蛍光体９０８から発光される光の応答速度が遅いことに起因して波形の鈍りが発生し、符号間干渉が生じることになる。すなわち、図７(B)に示すように、変調器９２２の変調信号ＳＰに対して、光電変換器９３２の出力信号ＳＱが鈍るようになる。これが、青色光励起型白色ＬＥＤを用いて高速伝送を実現する際の阻害要因となる。

また、この点を解決するため、光電変換器の前に青色のみ透過するＬＥＤ光透過カラーフィルタを設け、蛍光体から出力された応答速度の遅い光成分をこのカラーフィルタで除去することにより、高速化を図る方法が提案されている（下記特許文献１参照）。図７(C)には、この場合の送受信機構成が示されており、受信機９５０の光電変換器９３２の光入射側にＬＥＤ光透過カラーフィルタ９５２を配置した構成となっている。このＬＥＤ光透過カラーフィルタ９５２によって、光信号中の応答速度の遅い蛍光体から発光される光が除去される。これにより、光電変換器９３２には青色ＬＥＤ９００の光のみが入射することになり、結果として前記構成より速いデータ伝送を行うことができる。しかし、この方法を用いても、高々数１０Ｍｂｐｓ程度の伝送速度しか得られない。また、下記非特許文献３にあるように、白色ＬＥＤの発光特性の固体バラツキや経時劣化，色温度の空間分布の不均一が原因して、データの伝送品質を維持できないという指摘もある。

(2)紫外光励起型白色ＬＥＤを用いた場合、前記青色光励起型白色ＬＥＤを用いた場合と同様の理由により、伝送速度は数Ｍｂｐｓ程度となってしまう。加えて、ＬＥＤの駆動電圧が高くなることから、駆動回路の構成も難しくなる。

(3)３色発光型白色ＬＥＤを用いた場合、前記方式と比較して蛍光体発光成分もなく、各ＬＥＤが異なる信号を搬送するといった波長多重化を行ってデータ伝送することも可能となり、高速化が可能である（下記特許文献２参照）。しかし、複数のＬＥＤを用いるため、コストが高くなってしまう。

次に、ＬＥＤのような拡散光源とＰＤのような光電変換器の組み合わせによって空間光伝送を行う場合には、ＰＤで受光する光量が距離の二乗に反比例する（例えば下記非特許文献４ないし５参照）。このため、ある程度情報の伝送可能な距離範囲を確保するためには、受信機側に大きなダイナミックレンジが要求されることになる。例えば、赤外線通信の規格であるＩｒＤＡ（Infra-red Data Association）においては、１ｃｍ〜１００ｃｍの伝送距離範囲に対して、受信機側に１００ｄＢ以上のダイナミックレンジが要求される（下記特許文献３ないし非特許文献６の第２章参照）。

特に本発明のように、可視域の光をデータ伝送媒体として空間光伝送を行う場合、太陽光や蛍光灯などの外乱光が非常に大きい。また、赤外線通信と異なり、可視光カットフィルタによる光学的な外乱光の除去が困難である。このため、受信機側には、更に厳しい条件が課されることとなる。一般的に、受信機側で大きなダイナミックレンジを得るには、アンプにＡＧＣ（Auto Gain Control）回路を用いたり（下記非特許文献６の第７章）、ゲインの異なるアンプを複数用意し、入力信号レベルに応じてアンプのゲイン切り替えを行ったりする手段が採られる。

特許第３４６５０１７号公報 特開２００２−２９０３３５公報 特開平１０−５１３８７号公報 シーエムシー出版，「白色ＬＥＤ照明システム技術の応用と将来展望」 信学技報 ICD2005-44，Vol.105, No.184，25-30p，「可視光通信用ＬＥＤドライバーの試作と可視光ＬＥＤの応答性能の評価」 2006年電子情報通信学会，基礎・境界ソサイエティ大会「白色ＬＥＤの輝度劣化の考察」 水曜社「空間伝送光学」，第６章 2005年電子情報通信学会，通信ソサイエティ大会「並列光空間伝送方式の受信特性の光学的解析」 トリケップス社「赤外線通信技術」

上述のとおり、３色発光型白色ＬＥＤを用いることで伝送速度の高速化が可能となるが、ＬＥＤ自体が高価であるため、コストや汎用性の面から見てこの方式が適しているとは言い難い。

一方、青色光励起型白色ＬＥＤを用いる場合、かかるコスト面の不都合はなく、上述したように応答速度の遅い蛍光体９０８からの発光を遮断するようなＬＥＤ光透過カラーフィルタ９５２を用いることで、高速のデータ伝送を行うことができる。しかしながら、一般的な青色ＬＥＤのカットオフ周波数は高々数１０ＭＨｚ程度であり（前記非特許文献２参照）、この周波数を越える伝送速度でＯＯＫ変調を行うと、出力される光信号にはやはり図７(B)に示したような鈍りが生じ、符号間干渉が発生する。このため、データ伝送速度の上限が制限されることとなり、高々数１０Ｍｂｐｓ程度の伝送速度しか得られない。データの伝送品質も劣化する。

更に、紫外光励起型白色ＬＥＤを用いたデータ伝送の場合、前記青色光励起型白色ＬＥＤを用いたときと同様、蛍光体の発光の応答速度が遅いことにより伝送速度が遅くなるという不都合は回避できず、加えて紫外光ＬＥＤの駆動電圧が高くなるという不都合もある。

加えて、蛍光体材料の改良により蛍光体から出力される光の応答速度を速くするといった方法も考えられるが、所望の照度が得られないことや、蛍光体材料自体のコストが高くなるといった課題も発生し得る。このような点からすれば、汎用で価格の安い青色光励起型白色ＬＥＤを用いて高速データ伝送を行うことができれば好都合である。

一方、ＡＧＣ回路を用いたり、入力信号レベルに応じてアンプのゲインを切り替えて大きなダイナミックレンジを得る手法では、回路構成が複雑となってしまうのは否めない。また、送信機と受信機の距離が近接していてＰＤに入射する光量が大きい場合、空間電荷効果（Space Charge Effect，下記非特許文献７参照）により、図７(B)にグラフＳＱで示したように、信号波形の立下りに波尾が発生し、これが符号間干渉の要因となり、良好な伝送品質の確保の妨げとなる場合がある。

工学図書「光通信素子工学」

本発明は、以上の点に着目したもので、その目的は、光出力時の応答速度が異なる複数の発光手段から出力された複数の波長帯域の光を用いて高速のデータ伝送を行うことである。他の目的は、データ伝送の品質の維持を図ることである。更に他の目的は、良好なダイナミックレンジを得ることである。

前記目的を達成するため、本発明の光受信装置は、発光ダイオードとこの発光ダイオードの光源により励起されて発光する蛍光体とにより応答速度が異なる複数の発光手段からの出力を受けてデータ伝送を行うために変調された複数の波長帯域の光を受信する光受信装置において、前記変調された複数の波長帯域の光から、前記複数の波長帯域毎の光を選択的に透過させる複数のフィルタ手段と、前記複数のフィルタ手段を透過した複数の波長帯域の光のそれぞれを、波長帯域毎に電気信号に変換する複数の光電変換手段と、前記複数の光電変換手段による変換後の電気信号のそれぞれを、波長帯域毎に前記応答速度に対応して波形等化する複数の等化手段と、前記複数の等化手段の出力を一つの加算出力にする加算手段と、この加算手段の前記加算出力を弁別処理する弁別手段と、を備えたことを特徴とする。

他の形態の一つは、前記複数の発光手段が、ピーク波長が４４０〜４７０ｎｍの範囲にある発光ダイオードの光と、前記発光ダイオードの光源により励起されて前記発光ダイオードのピーク波長より長波長側の光を発光する蛍光体から発する光と、の混色により白色光となる青色光励起型白色発光手段であることを特徴とする。

更に、他の形態の一つは、前記複数の発光手段が、ピーク波長が３８０〜４１０ｎｍの範囲にある発光ダイオードの光源により励起されて前記発光ダイオードのピーク波長より長波長側の光を発光する複数種類の蛍光体から白色光を発光する紫外光励起型白色発光手段であることを特徴とする。

他の光受信装置の発明は、発光ダイオードとこの発光ダイオードの光源により励起されて発光する蛍光体とにより応答速度が異なる複数の発光手段からの出力を受けてデータ伝送を行うために変調された複数の波長帯域の光を受信する光受信装置において、前記変調された複数の波長帯域の光を選択的に透過させる複数のフィルタ手段と、これら複数のフィルタ手段を透過した光を、前記複数のフィルタ手段毎にそれぞれ電気信号に変換する複数の光電変換手段と、前記複数の光電変換手段の出力を一つの加算出力にする加算手段と、この加算手段の前記加算出力を弁別処理する弁別手段と、一方の光電変換手段の出力の信号レベルを検出し、この信号レベルが所定の閾値以下のとき、他方の光電変換手段の出力の前記加算手段への入力を遮断する信号制御手段と、を備えたことを特徴とする。

主要な形態の一つは、前記信号制御手段を、前記一方の光電変換手段の出力の信号レベルを検出する信号レベル検出手段と、この信号レベル検出手段の検出結果に応じて、前記他方の光電変換手段の出力を制御するスイッチ手段と、によって構成したことを特徴とする。更に他の形態としては、前記光電変換手段の出力に対し、前記発光手段による光出力時の応答速度に対応して波形等化を行う等化手段をそれぞれ設けたことを特徴とする。

更に他の形態の一つは、前記等化手段が、適応的に波形等化を行う適応等化器であることを特徴とする。

本発明の可視光通信装置は、送信側の光源として蛍光体を発光手段として含む白色発光手段を使用し、この白色発光手段から出力された光を前記いずれかに記載の光受信装置で受信することを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

本発明によれば、光出力時の応答速度が異なる複数の発光手段から出力された複数の波長帯域の光を受信する際に、前記それぞれの波長帯域毎にフィルタ手段によって光を選択的に透過させることとしたので、安価でかつ高速な汎用白色ＬＥＤを用いて、高速のデータ伝送が良好な伝送品質で可能になる。また、本発明によれば、ＬＥＤ光もしくは蛍光体光の入射光量レベルに応じて伝送に利用する光を選択することにより、受信機のダイナミックレンジを拡大，別言すればデータ伝送の距離範囲の拡大を図ることができる。更に、等化手段を付加することで、良好な伝送品質を得ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。

最初に、図１(A)及び図２を参照しながら、本発明の実施例１について説明する。図１(A)には、本実施例の主要部の回路構成が示されている。同図において、送信側から説明すると、伝送対象のデータは、送信機１０の変調器１２に入力されている。変調器１２の出力側は、白色発光手段である上述した青色光励起型白色ＬＥＤ１４が接続されている。変調器１２としては、青色光励起型白色ＬＥＤ１４の出力光を高速で変調可能なＬＥＤ駆動回路を用いることができる。
青色光励起型白色ＬＥＤ１４は、前記図６（Ａ）を参照して説明した装置が使用される。青色光励起型白色ＬＥＤ１４には光源として青色ＬＥＤが使用される。この青色ＬＥＤ９００には、種々の波長の発光特性を持つものがあるが、ピーク波長が、４４０〜４７０ｎｍの範囲にあるものが使用される。蛍光体９０８は、青色ＬＥＤ９００のピーク波長より長波長側の光を発光するものが使用される。そして、青色ＬＥＤが発光する光をさえぎらないように、放射状で厚みのある透明な樹脂中に粒子状の蛍光体９０８が散在するように配置される。

一方、受信側は、青色光励起型白色ＬＥＤ１４の青色ＬＥＤから出力されたＬＥＤ光のための回路と、蛍光体から出力された蛍光のための回路が含まれている。まず、ＬＥＤ光の回路から説明すると、光入射側に、フィルタ手段であるＬＥＤ光透過カラーフィルタ２２Ｂを介して光電変換手段である光電変換器２４Ｂが設けられている。この光電変換器２４Ｂの出力側は、増幅器２６Ｂを介して等化器又は適応等化器２８Ｂに接続されている。一方、蛍光体光の回路については、光入射側に、蛍光体光透過カラーフィルタ２２Ｆを介して光電変換器２４Ｆが設けられている。この光電変換器２４Ｆの出力側は、増幅器２６Ｆを介して等化器２８Ｆに接続されている。

以上の各部のうち、ＬＥＤ光透過カラーフィルタ２２Ｂは、青色光励起型白色ＬＥＤ１４内の青色ＬＥＤ９００（図６(A)参照）が発光する青色光を選択的に透過させるカラーフィルタである。一方、蛍光体光透過カラーフィルタ２２Ｆは、青色光励起型白色ＬＥＤ１４内の蛍光体９０８が発光する光を選択的に透過させるカラーフィルタである。光電変換器２４Ｂ，２４Ｆは、入力した光を電気信号に変換する光検出器であり、変換後の電気信号は増幅器２６Ｂ，２６Ｆでそれぞれ増幅される。等化器２８Ｂ，２８Ｆは、増幅された信号の高域を強調して波形等化する。

等化器２８Ｂ，２８Ｆの出力側は、加算手段である加算器３０の入力側に接続されており、加算器３０の出力側は、弁別手段である復調器３２の弁別器３４に接続されている。等化後の信号が加算器３０によって加算され、更に弁別器３４で二値信号に弁別される。

次に、以上のように構成された本実施例の動作を説明する。伝送対象のデータ信号は、送信機１０の変調器１２に供給され、この変調器１２によって青色光励起型白色ＬＥＤ１４の光出力が、例えばＯＯＫ方式で変調される。青色光励起型白色ＬＥＤ１４は、上述したように、図６(A)に示す構成となっており、青色ＬＥＤ９００の出力光が変調されると、蛍光体９０８の出力光も変調される。

変調後の青色ＬＥＤ光と蛍光体光とは受信機２０に入射する。受信機２０側では、入射光のうち、青色ＬＥＤ９００から出力された青色光（図６(B)点線ＳＡ参照）は、ＬＥＤ光透過カラーフィルタ２２Ｂを透過して光電変換器２４Ｂに入射する。一方、蛍光体９０８から出力された蛍光体光（図６(B)点線ＳＢ参照）は、蛍光体光透過カラーフィルタ２２Ｆを透過して光電変換器２４Ｆに入射する。光電変換器２４Ｂ，２４Ｆでは、入射光が電気信号に変換される。変換後の信号は、増幅器２６Ｂ，２６Ｆでそれぞれ増幅される。

図２には、各部の信号波形が示されている。同図(A)は、送信側のデータ信号波形である。これに対し、光電変換器２４Ｂによる青色光の変換信号波形は、同図(B)の点線のグラフＳＢ１で示すようになる。一方、光電変換器２４Ｆによる蛍光体光の変換信号波形は、同図(B)の一点鎖線のグラフＳＦ１で示すようになる。両者を比較すると、グラフＳＢ１に対してグラフＳＦ１は鈍った波形となっている。これは、上述したように、蛍光体９０８から出力された光の応答速度が遅いためである。

そこで、本実施例では、等化器２８Ｂ，２８Ｆにより、波形等化が行われる。等化器２８Ｂ，２８Ｆは，青色光の応答特性ないし蛍光体光の応答特性に対して、それぞれ周波数特性が調整されており、高調波成分を強調する。このため、同図(B)のグラフＳＢ１，ＳＦ１は、同図(C)に示すグラフＳＢ２，ＳＦ２のようになり、波形の鈍りが軽減されるようになる。等化後の信号は、加算器３０で加算された後、復調器３２の弁別器３４に入力されて二値化が行われる。波形の鈍りが改善されているので、二値化処理を良好に行うことができる。このため、高速のデータ伝送が可能となる。

上述した背景技術のように、青色光と蛍光体光を分離しない方法の場合、時間応答特性の異なる光が加算された状態で等化処理されることになる。このため、高速データ伝送を行うのに最適な等化を行うための等化器の回路構成が複雑となるとともに、調整も困難となるという不都合がある。これに対し、本実施例によれば、青色光と蛍光体光のそれぞれに対して等化器を構成すればよく、簡便で実用性が向上する。

次に、本発明の実施例２について説明する。なお、上述した実施例１と同一ないし対応する構成要素には同一の符号を用いることとする（実施例３以降についても同様とする）。本実施例は、上述した実施例１の等化器２８Ｂ，２８Ｆとして、増幅信号を適応的に波形等化する適応等化器を用いるようにした例である。前記実施例の等化器は係数固定（すなわち特性が固定）であるが、本実施例の適応等化器は係数が可変であり、特性が入力波形に応じて変化する。このような適応等化器を用いると、青色光励起型白色ＬＥＤ１４の発光特性の固体バラツキや経時劣化（前記非特許文献３参照）による出力光特性の変化に対し、常に良好なデータの伝送品質を維持することができる。特に、蛍光体はＬＥＤよりも劣化しやすいので、適応等化器が好適である。また、青色光励起型白色ＬＥＤ１４は、その発光方向に対して色ムラがあると言われている（前記非特許文献１参照）。具体的には、光の空間分布において、中心部分ほど青色が強く、外側に向かって黄色が強くなるように変化する。このような場合でも、本実施例によれば、青色光励起型白色ＬＥＤ１４と受信機２０の位置関係（具体的には光の入射角度）によらず、常に良好なデータ伝送品質を維持することが可能となる。

次に、図１(B)を参照しながら、本発明の実施例３について説明する。同図に示すように、本実施例では、送信機４０には白色発光手段である紫外光励起型白色ＬＥＤ４４が設けられており、変調器１２によってその出力光が高速で変調されるようになっている。一方、受信機５０側には、フィルタ手段として青色蛍光透過カラーフィルタ５２Ｂ，赤色蛍光透過カラーフィルタ５２Ｒ，緑色蛍光透過カラーフィルタ５２Ｇが設けられている。これらのうち、青色蛍光透過カラーフィルタ５２Ｂは、紫外光励起型白色ＬＥＤ４４から出力された白色光のうち、青色発光蛍光体により発光した光を選択的に透過させるフィルタである。同様に、赤色蛍光透過カラーフィルタ５２Ｒは、紫外光励起型白色ＬＥＤ４４から出力された白色光のうち、赤色発光蛍光体により発光した光を選択的に透過させるフィルタである。緑色蛍光透過カラーフィルタ５２Ｇは、紫外光励起型白色ＬＥＤ４４から出力された白色光のうち、緑色発光蛍光体により発光した光を選択的に透過させるフィルタである。

これらの各フィルタ５２Ｂ，５２Ｒ，５２Ｇの光出力側には光電変換手段である光電変換器５４Ｂ，５４Ｒ，５４Ｇがそれぞれ設けられており、これらによる変換後の電気信号は、増幅器５６Ｂ，５６Ｒ，５６Ｇで増幅されて等化手段である等化器（又は適応等化器）５８Ｂ，５８Ｒ，５８Ｇにそれぞれ供給されている。等化器５８Ｂ，５８Ｒ，５８Ｇの出力は加算手段である加算器６０で加算され、更に弁別手段としては復調器６２の弁別器６４で弁別されるようになっている。

本実施例では、紫外光励起型白色ＬＥＤ４４を用いているため、白色光を構成する青，赤，緑の光がいずれも蛍光体光である。そこで、これらの蛍光体光をカラーフィルタ５２Ｂ，５２Ｒ，５２Ｇでそれぞれ抽出し、上述した実施例と同様に、光電変換，増幅，等化の各処理を行っている。本実施例でも、等化器５８Ｂ，５８Ｂ，５８Ｇは、それぞれ青色，赤色，緑色の各蛍光体光の応答特性に対して周波数特性が調整されており、高調波成分を強調して波形の鈍りが改善される。このため、前記実施例と同様に二値化処理を良好に行うことができ、高速のデータ伝送が可能となる。
なお、発光手段の紫外光励起型白色ＬＥＤ４４は、ピーク波長が３８０〜４１０ｎｍの範囲にある発光ダイオードの光源により励起されて前記発光ダイオードのピーク波長より長波長側の光を発光する。これらは複数種類の蛍光体から青色、赤色、緑色の三原色を発光させ、これらの光合成により白色光が発光される。

次に、図３(A)を参照しながら、本発明の実施例４について説明する。本実施例は、ダイナミックレンジの拡大を目的とした実施例である。受信機１００の青色ＬＥＤ光側の回路における増幅器２６Ｂの出力側は、加算手段である加算器３０の一方の入力側と信号レベル検出器１０２との入力側に接続されている。一方、蛍光体側の回路における増幅器２６Ｆの出力側は、スイッチ手段のアナログスイッチ１０４の入力側に接続されており、このアナログスイッチ１０４の出力側は、前記加算器３０の他方の入力側に接続されている。上述した信号レベル検出器１０２の検出出力側は、アナログスイッチ１０４の制御端子に接続されており、信号レベル検出器１０２の検出結果に応じてアナログスイッチ１０４のＯＮ／ＯＦＦ動作が行われるようになっている。このように信号レベル検出器とアナログスイッチとで、信号制御手段が構成されている。加算器３０の出力側は、上述した実施例１と同様である。

以上のうち、信号レベル検出器１０２は、入力された信号の振幅レベルの大きさを検出して結果を出力するもので、例えば、ログアンプを利用したＲＳＳＩ（Received Signal Strength Indicator）やピークボトム検出器などが利用される。この信号レベル検出器１０２には、予め所定の閾値が設定されており、この閾値を入力信号レベルが越えないときは、制御信号によってアナログスイッチ１０４が「ＯＮ」に制御され、逆に閾値を入力信号レベルが越えたときは、アナログスイッチ１０４が「ＯＦＦ」に制御される構成となっている。

次に、以上のように構成された本実施例の動作を説明する。送信機１０側の動作は上述した実施例１と同様であり、データ信号に基づく変調後の青色ＬＥＤ光及び蛍光体光が受信機１００に入射する。受信機１００側の動作中、増幅器２６Ｂ，２６Ｆによる増幅信号出力までの動作も、実施例１と同様である。

増幅器２６Ｂから出力された青色ＬＥＤ光に関する信号は、信号レベル検出器１０２に入力される。ここで、青色ＬＥＤ光の信号レベルが所定の閾値を越えたと信号レベル検出器１０２で判断されたときは、アナログスイッチ１０４が「ＯＦＦ」に制御される。このため、加算器３０には、増幅器２６Ｂからの青色ＬＥＤ光に関する信号のみが供給され、これが復調器３２に供給されることとなる。一方、青色ＬＥＤ光の信号レベルが所定の閾値を越えないと信号レベル検出器１０２で判断されたときは、アナログスイッチ１０４が「ＯＮ」に制御される。このため、加算器３０には、増幅器２６Ｂからの青色ＬＥＤ光に関する信号と、増幅器２６Ｆからの蛍光体光に関する信号がそれぞれ供給されて加算され、これが復調器３２に供給されることとなる。

例えば、送信機１０と受信機１００との距離が近接しており、受信機１００に入射する青色ＬＥＤ光の光量が大きいときは、青色ＬＥＤ光の信号だけが復調器３２に入力される。この場合、青色ＬＥＤ光だけで十分に情報の伝送を行うことができる。蛍光体光を使用しないため、蛍光体光に起因する波形の鈍りや、空間電荷効果に起因する影響が低減されるようになる。逆に、送信機１０と受信機１００との距離が遠く、受信機１００に入射する青色ＬＥＤ光の光量が小さいときは、青色ＬＥＤ光と蛍光体光の各々の信号が加算されて復調器３２に入力され、青色ＬＥＤ光のみならず蛍光体光も有効に利用して復調が行われる。

このように、本実施例によれば、青色ＬＥＤ光の入射光量レベルに応じて伝送に利用する光を選択することにより、受信機のダイナミックレンジを拡大すること，別言すればデータ伝送の距離範囲を拡大することが可能となる。

次に、図３(B)を参照しながら、本発明の実施例５として第２の信号制御手段について説明する。同図に示すように、本実施例では、上述した実施例４と比較して、受信機１１０の蛍光体光側の増幅器２６Ｆ及びアナログスイッチ１０４の代わりにＰＧＡ（Programmable Gain Amplifier）１１２のスイッチ手段が接続されており、このＰＧＡ１１２の制御入力側に、上述した信号レベル検出器１０２の制御信号が入力される構成となっている。ＰＧＡ１１２は、信号レベル検出器１０２の検出結果に応じて信号増幅のゲイン調整が可能な機能を備えている。すなわち、信号レベル検出器１０２で入力信号レベルが閾値を越えないと判断されたときは、制御信号によってＰＧＡ１１２のゲインが所定値に制御され、逆に入力信号レベルが閾値を越えたと判断されたときは、ＰＧＡ１１２のゲインが「０」に制御される構成となっている。本実施例によれば、実施例４における増幅器２６Ｆとアナログスイッチ１０４の動作が、ＰＧＡ１１２によって行われる。

次に、図４(A)を参照しながら、本発明の実施例６について説明する。本実施例は、上述した図１(A)の実施例１と図３(A)の実施例４を組み合わせたものである。すなわち、受信機１２０の青色ＬＥＤ光側の回路である増幅器２６Ｂの出力側は、前記等化器２８Ｂの入力側及び信号レベル検出器１０２の入力側にそれぞれ接続されている。一方、蛍光体側の回路である増幅器２６Ｆの出力側は、前記アナログスイッチ１０４の入力側に接続されており、このアナログスイッチ１０４の出力側は、前記等化器２８Ｆの入力側に接続されている。そして、これら等化器２８Ｂ，２８Ｆの出力側が、前記加算器３０の入力側にそれぞれ接続されている。加算器３０の出力側は、上述した実施例１と同様である。

本実施例の動作は、上述した実施例１と実施例４を組み合わせたものとなる。すなわち、青色ＬＥＤ光の信号レベルが所定の閾値を越えたと信号レベル検出器１０２で判断されたときは、アナログスイッチ１０４が「ＯＦＦ」に制御される。このため、増幅器２６Ｂから出力された信号のみが等化器２８Ｂによって波形等化処理され、加算器３０に供給される。一方、青色ＬＥＤ光の信号レベルが所定の閾値を越えないと信号レベル検出器１０２で判断されたときは、アナログスイッチ１０４が「ＯＮ」に制御される。このため、増幅器２６Ｂ，２８Ｂから出力された信号は、等化器２８Ｂ，２８Ｆによってそれぞれ波形等化処理され、加算器３０で加算される。

本実施例によれば、実施例１の波形等化処理による効果と実施例４の信号選択による効果を得ることができる。すなわち、高速伝送時の伝送品質の向上を図ることができるのみならず、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。なお、等化器２８Ｂ，２８Ｆとして適応等化器を用いるようにすれば、実施例２と実施例４の組み合わせとなる。

次に、図４(B)を参照しながら、本発明の実施例７について説明する。同図に示すように、本実施例では、上述した実施例６と比較して、受信機１３０の蛍光体光側の増幅器２６Ｆ及びアナログスイッチ１０４の代わりにＰＧＡ１１２が接続されており、このＰＧＡ１１２の制御入力側に、上述した信号レベル検出器１０２の制御信号が入力される構成となっている。図１(A)の実施例１と図３(B)の実施例５を組み合わせたものと考えることもでき、前記実施例６の増幅器２６Ｆ及びアナログスイッチ１０４の動作がＰＧＡ１１２によって行われる。本実施例においても、等化器２８Ｂ，２８Ｆとして適応等化器を用いてよい。

次に、図５(A)を参照しながら、本発明の実施例７について説明する。同図に示すように、受信機１４０の信号レベル検出器１４２には、蛍光体光側の増幅器２６Ｆの出力側が接続されている。すなわち、上述した図３(A)の実施例４では、増幅器２６Ｂの青色ＬＥＤ光の信号レベルを検出したが、本実施例では、増幅器２６Ｆの蛍光体光の信号レベルを検出してアナログスイッチ１０４の制御が行われるようになっている。本実施例によれば、蛍光体光の信号レベルが所定の閾値を越えたと信号レベル検出器１４２で判断されたときは、アナログスイッチ１０４が「ＯＦＦ」に制御される。このため、加算器３０には、増幅器２６Ｂからの青色ＬＥＤ光に関する信号のみが供給され、これが復調器３２に供給されることとなる。一方、蛍光体光の信号レベルが所定の閾値を越えないと信号レベル検出器１４２で判断されたときは、アナログスイッチ１０４が「ＯＮ」に制御される。このため、加算器３０には、増幅器２６Ｂからの青色ＬＥＤ光に関する信号と、増幅器２６Ｆからの蛍光体光に関する信号がそれぞれ供給されて加算され、これが復調器３２に供給されることとなる。

次に、図５(B)を参照しながら、本発明の実施例８について説明する。本実施例は、上述した図１(A)の実施例１と図５(A)の実施例８を組み合わせたものである。すなわち、受信機１５０の青色ＬＥＤ光側の増幅器２６Ｂの出力側は、前記等化器２８Ｂの入力側に接続されている。一方、蛍光体側の増幅器２６Ｆの出力側は、前記アナログスイッチ１０４及び信号レベル検出器１４２の入力側にそれぞれ接続されており、このアナログスイッチ１０４の出力側は、前記等化器２８Ｆの入力側に接続されている。そして、これら等化器２８Ｂ，２８Ｆの出力側が、前記加算器３０の加算入力側にそれぞれ接続されている。加算器３０の出力側は、上述した実施例１と同様である。

本実施例の動作は、上述した実施例１と実施例８を組み合わせたものとなる。すなわち、蛍光体光の信号レベルが所定の閾値を越えたと信号レベル検出器１４２で判断されたときは、アナログスイッチ１０４が「ＯＦＦ」に制御される。このため、増幅器２６Ｂからの青色ＬＥＤ光に関する信号のみが等化器２８Ｂで等化処理されて加算器３０に供給され、更に復調器３２に供給されることとなる。一方、蛍光体光の信号レベルが所定の閾値を越えないと信号レベル検出器１４２で判断されたときは、アナログスイッチ１０４が「ＯＮ」に制御される。このため、増幅器２６Ｂ，２６Ｆの出力信号が等化器２８Ｂ，２８Ｆで等化処理されて加算器３０に供給される。そして、加算された信号が復調器３２に供給されることとなる。本実施例においても、等化器２８Ｂ，２８Ｆとして適応等化器を用いてよい。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例では、青色光励起型白色ＬＥＤの青色ＬＥＤ９００の光により励起された蛍光体９０８が、補色関係にある黄色の光を発光するとしたが、最近は、蛍光体発光成分に赤色成分を含むＬＥＤもあり、このようなＬＥＤも、「青色光励起型白色ＬＥＤ」に含まれる。
(2)上述した等化器ないし適応等化器としては、アナログ型，ディジタル型のいずれを用いてもよい。
(3)カラーフィルタと光電変換器を一体とし、カラーセンサないし受光素子として構成してもよい。受光素子は、光電変換する光の波長帯域があるので、これを所望の値に設定することで、カラーフィルタとしての特性を兼用することができる。

本発明によれば、蛍光体光を含む変調光から、複数の波長帯域の光を抽出して信号処理を行うこととしたので、高速のデータ伝送が可能になる。このため、白色ＬＥＤ，特に青色光励起型白色ＬＥＤを使用した可視光通信に好適である。

本発明の実施例の主要構成を示す回路ブロック図である。(A)は実施例１及び２のブロック図，(B)は実施例３のブロック図である。 前記実施例１における主要部の信号波形を示すグラフである。(A)はデータ信号波形，(B)は等化前の信号波形，(C)は等化後の信号波形をそれぞれ示す。 (A)は実施例４のブロック図，(B)は実施例５のブロック図である。 (A)は実施例６のブロック図，(B)は実施例７のブロック図である。 (A)は実施例８のブロック図，(B)は実施例９のブロック図である。 (A)は青色光励起型白色ＬＥＤの構成の一例を示す図，(B)はその発光スペクトル特性を示すグラフである。 (A)は従来技術の一例を示す回路ブロック図，(B)は信号波形例を示すグラフ，(C)従来技術の他の一例を示す回路ブロック図である。

符号の説明

１０：送信機
１２：変調器
１４：青色光励起型白色ＬＥＤ
２０：受信機
２２Ｂ：ＬＥＤ光透過カラーフィルタ
２２Ｆ：蛍光体光透過カラーフィルタ
２４Ｂ：光電変換器
２４Ｂ，２４Ｆ：光電変換器
２６Ｂ，２６Ｆ：増幅器
２８Ｂ，２８Ｆ：等化器
３０：加算器
３２：復調器
３４：弁別器
４０：送信機
４４：紫外光励起型白色ＬＥＤ
５０：受信機
５２Ｂ：青色蛍光透過カラーフィルタ
５２Ｇ：緑色蛍光透過カラーフィルタ
５２Ｒ：赤色蛍光透過カラーフィルタ
５４Ｂ，５４Ｒ，５４Ｇ：光電変換器
５６Ｂ，５６Ｒ，５６Ｇ：増幅器
５８Ｂ，５８Ｒ，５８Ｇ：等化器
６０：加算器
６２：復調器
６４：弁別器
１００：受信機
１０２：信号レベル検出器
１０４：アナログスイッチ
１１０：受信機
１１２：ＰＧＡ
１２０，１３０，１４０：受信機
１４２：信号レベル検出器
１５０：受信機
９００：青色ＬＥＤ
９０２：樹脂ケース
９０４，９０６：引出し電極
９０８：蛍光体
９２０：送信機
９２２：変調器
９２４：青色光励起型白色ＬＥＤ
９３０：受信機
９３２：光電変換器
９３４：増幅器
９３６：復調器
９５０：受信機
９５２：ＬＥＤ光透過カラーフィルタ

Claims (8)

1. 発光ダイオードとこの発光ダイオードの光源により励起されて発光する蛍光体とにより応答速度が異なる複数の発光手段からの出力を受けてデータ伝送を行うために変調された複数の波長帯域の光を受信する光受信装置において、
   前記変調された複数の波長帯域の光から、前記複数の波長帯域毎の光を選択的に透過させる複数のフィルタ手段と、
   前記複数のフィルタ手段を透過した複数の波長帯域の光のそれぞれを、波長帯域毎に電気信号に変換する複数の光電変換手段と、
   前記複数の光電変換手段による変換後の電気信号のそれぞれを、波長帯域毎に前記応答速度に対応して波形等化する複数の等化手段と、
   前記複数の等化手段の出力を一つの加算出力にする加算手段と、
   この加算手段の前記加算出力を弁別処理する弁別手段と、
   を備えたことを特徴とする光受信装置。
2. 前記複数の発光手段は、ピーク波長が４４０〜４７０ｎｍの範囲にある発光ダイオードの光と、前記発光ダイオードの光源により励起されて前記発光ダイオードのピーク波長より長波長側の光を発光する蛍光体から発する光と、の混色により白色光となる青色光励起型白色発光手段であることを特徴とする請求項１記載の光受信装置。
3. 前記複数の発光手段は、ピーク波長が３８０〜４１０ｎｍの範囲にある発光ダイオードの光源により励起されて前記発光ダイオードのピーク波長より長波長側の光を発光する複数種類の蛍光体から白色光を発光する紫外光励起型白色発光手段であることを特徴とする請求項１記載の光受信装置。
4. 発光ダイオードとこの発光ダイオードの光源により励起されて発光する蛍光体とにより応答速度が異なる複数の発光手段からの出力を受けてデータ伝送を行うために変調された複数の波長帯域の光を受信する光受信装置において、
   これら複数のフィルタ手段を透過した光を、前記複数のフィルタ手段毎にそれぞれ電気信号に変換する複数の光電変換手段と、
   前記複数の光電変換手段の出力を一つの加算出力にする加算手段と、
   この加算手段の前記加算出力を弁別処理する弁別手段と、
   一方の光電変換手段の出力の信号レベルを検出し、この信号レベルが所定の閾値を超えたとき、他方の光電変換手段の出力の前記加算手段への入力を遮断する信号制御手段と、
   を備えたことを特徴とする光受信装置。
5. 前記信号制御手段を、
   前記一方の光電変換手段の出力の信号レベルを検出する信号レベル検出手段と、
   この信号レベル検出手段の検出結果に応じて、前記他方の光電変換手段の出力を制御するスイッチ手段と、
   によって構成したことを特徴とする請求項４記載の光受信装置。
6. 前記複数の光電変換手段の出力のそれぞれを前記発光手段による光出力時の応答速度に対応して波形等化させる複数の等化手段を、前記複数の光電変換手段の後段にそれぞれ設けたことを特徴とする請求項４又は５記載の光受信装置。
7. 前記等化手段は、適応的に波形等化を行う適応等化器であることを特徴とする請求項１又は６記載の光受信装置。
8. 送信側の光源として蛍光体を発光手段として含む白色発光手段を使用し、この白色発光手段から出力された光を請求項１〜７のいずれかに記載の光受信装置で受信することを特徴とする可視光通信装置。

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