JP4684278B2

JP4684278B2 - 光伝送機構を備えた照明装置

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Publication number: JP4684278B2
Application number: JP2007285135A
Authority: JP
Inventors: 達也森岡; 元隆種谷
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2007-11-01
Filing date: 2007-11-01
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2023-06-03
Also published as: JP2008071765A

Description

本発明は、発光素子とその光の波長を変換して様々な色を発光し得る蛍光体とを含む照明装置に関し、特に空間を介して光信号を伝達する光伝送機能を兼ね備えた照明装置に関する。

空間光伝送機能を兼ね備えた照明装置の１例として、特許文献１の特開２００２−２９０３３５号公報において空間光伝送装置が開示されている。この空間光伝送装置は、照明用光源である赤、緑、および青のＬＥＤ（発光ダイオード）へ供給する電力波形を情報に応じて変調しながらその光源を点灯させる送信側装置と、この送信側装置からの照明光を受ける受光手段を介してその照明光から情報を復調する受信側装置とを含んでいる。

このような空間光伝送装置によれば、送信側装置を天井に配置できるので光伝送の障害が少なく、さらに通信機能と照明機能とを共通化することによって通信と照明の機能を兼ねる設備を簡素化し得る。
特開２００２−２９０３３５号公報

上述のような特許文献１の空間光伝送装置は、照明機能を兼ね備えるために、伝送用の光の光源として最低でも赤、緑、および青の３色を発光する複数のＬＥＤを用いる必要がある。

また、このように伝送光として可視帯の波長を用いる場合には、太陽光が存在する状況においてその太陽光が伝送用の各色光に対する背景ノイズ光となるので、光伝送において十分なＳ/Ｎ（信号対ノイズ）比を保つことができず、したがって十分な伝送速度を実現することができない。

特許文献１においては、空間光伝送装置の３原色光に別々の信号情報を含めて伝送することによって、いわゆるＷＤＭ（ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘ：波長分割多重）通信が可能であることも示唆されている。しかしながら、赤色、緑色、および青色を発光するそれぞれのＬＥＤの駆動電圧は、それらのＬＥＤに含まれる半導体発光層のバンドギャップに依存する。すなわち、異なる色を発光するＬＥＤを駆動するための駆動電圧は互いに顕著に異なり、ＬＥＤ毎に個別の電圧で動作するよう設計された異なる駆動回路を設ける必要が生じる。

上述のような先行技術における状況に鑑み、本発明は、ただ１つの光源を含みかつＳ/Ｎ比が良好な光通信機構を備えた照明装置を提供することを目的とし、さらにはＷＤＭ通信において複数の光源を駆動するために実質的に同一の電圧で動作する駆動回路を含む光通信機構を備えた照明装置を提供することをも目的としている。

本発明による光伝送機構を備えた照明装置は、伝送信号に応じて符号化電気信号を生じる送信側電気回路と、符号化電気信号に応じて強度変調光を放射する光源と、変調光の一部を照明光に変換する蛍光体を含む光波長変換手段と、変調光の他の一部を受光して再生変調電気信号に変換する光電変換手段と、再生変調電気信号から伝送信号を再生する受信側電気回路とを含み、電気信号はユニットごとに少なくとも１つの異なるバイナリコードを含むように符号化され、ユニットは複数の伝送信号に対応していることを特徴としている。

なお、光源から放射される光の波長は３８０ｎｍ以上であって、かつ蛍光体によって波長変換された照明光の波長未満であることが好ましい。さらに、光源としては、発光ダイオードが好ましく用いられ得る。

以上のように、本発明によれば、光伝送と照明光とを１つの光源を用いて共通化することができるので、光伝送機能を備えた照明装置が簡略に実現し得る。また、本発明によれば、波長の異なる複数の発光素子を光源に利用することによって、ＷＤＭ方式の光伝送機構を備えた照明装置を提供することもできる。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１による光伝送機構を備えた照明装置を模式的なブロック図で示しており、図２は図１の照明装置によって伝送され得る信号を模式的に示すタイミングチャートである。なお、本願の図面において、同一の参照符号は同一部分または相当部分を表している。

図１の照明装置においては、光伝送機能を備えた照明光学系１０５と送信用回路部１１２が部屋の天井部に配置されている。そして、この光伝送機能を備えた照明光学系１０５中の照明用光学部は、波長３９０ｎｍで発光するＧａＮ系発光ダイオード１００と、この発光ダイオードから放射された光を拡散させるレンズ１０１と、その光を２分割するビームスプリッタ１０２とを含み、分割された一方の光は赤色(Ｙ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ³⁺)、緑色(ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ)、および青色((Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ)₁₀(ＰＯ₄)₆：Ｅｕ³⁺)の蛍光体が分散されたアクリル樹脂板１０３に照射される。そして、それらの蛍光体からの蛍光１１５の混色光が空間に放射されることによって白色照明が行われ得る。

他方、光伝送機能を備えた照明光学系１０５中の伝送用の光学部では、ビームスプリッタ１０２で分割された他方の光が反射鏡１１７と透明アクリル樹脂板１０４を介して信号光１１６として空間に放射される。ここで、ＧａＮ系発光ダイオード１００は、伝送速度１０Ｍｂｐｓ（Ｍbits/sec）の０と１からなる２値のデジタル伝送信号列１０８に基づいた出力と、環境温度の変動により生じる出力変動の補正と照明の光量を調整するためのバイアス供給回路１０７からの出力とが入力される変調回路１０６の出力によって駆動される。

図２の模式的なタイミングチャートには、２値のデジタル電気信号列（ａ）、これに基づいて変調駆動されたＧａＮ系発光ダイオードの光出力強度（ｂ）、および蛍光体から放射される蛍光強度（ｃ）が示されている。すなわち、図２中の横軸は１目盛りが０．１μｓｅｃの時間軸を表し、縦軸は電気信号レベルまたは光出力強度を表している。この図２から分かるように、ＧａＮ系発光ダイオードは伝送信号の周波数（１０Ｍｂｐｓ）に基づいて変調駆動されているが、蛍光体から放射される蛍光の強度の減衰係数は通常数μｓｅｃ程度であるので、１ビットの信号伝送中の蛍光強度の変化は無視できる程度に小さい。また、この蛍光の強度変化は人間の目の光応答速度に対して十分に遅いので、目に感じるちらつきの問題をほとんど生じることがない。

他方、部屋の任意の場所に設置されているＰＣ（パソコン）や情報端末の１部分には、光伝送用の受信光学系１１１とそれに接続された受信用回路部１１４とが備えられている（図１参照）。この受信光学系１１１は、保護用の透明アクリル樹脂板１１０と、集光用レンズ１０１と、シリコン系の受光素子１０９を含んでいる。この受信光学系１１１によって、ＧａＮ系発光ダイオード１００から空間に放射された光が受光素子１０９へ効率よく入射する。そして、この受光素子１０９によって光電変換された電気信号が復調回路１１２に入力されて、伝送信号１１３が復調される。ここで、復調回路１１２は、入力された信号を増幅するプリアンプ回路、信号の０と１を識別するコンパレータ回路、およびコンパレータ回路の信号を波形整形する波形整形回路を含んでいる。

以上のように、蛍光体を励起する光源と伝送信号用の光源とを兼ねることが可能な光伝送機構を含む照明装置が実現され得る。そして、発光ダイオード１００から蛍光体１０３を介して放射される蛍光１１５の照明領域とその蛍光体を介することなく放射される伝送信号光１１６の領域とがほぼ一致するので、その照明領域によって伝送領域を明らかにすることもできる。

なお、本実施形態１における光学構成や回路構成などは、上述の例示に限られずに様々な形態をとることが可能である。また、本実施形態１においては送信部１０５、１１２と受信部１１１、１１４とが１対１で構成されているが、１対Ｎ（Ｎは複数の整数）やＮ対Ｎなどの配置を採用することも可能である。

発光ダイオード１００から放射される光の波長としては、太陽光による背景光ノイズを低減するために、太陽光スペクトルに存在しない波長である４３０ｎｍ以下で、かつ光伝送機構を備えた照明装置の各所に用いられるエポキシ樹脂の紫外線による黄色への変色を防止するために３８０ｎｍ以上であることが好ましい。

ところで、例えば０と１からなる２値のデジタル伝送信号列では、確率的に伝送信号が０または１に偏ってしまう（続けて発生する）場合が発生し得る。また、デジタル伝送信号の伝送速度が非常に低速（例えば数１００ｂｐｓ）の場合もあり得る。これらの場合には、蛍光体を励起する光の変調速度（Ｈｚ）が蛍光体の発光強度の減衰係数（ｓｅｃ）の逆数より小さいことに起因して蛍光のちらつきが発生してしまうので、そのままでは照明装置においては不適当である。

２値信号中の同じ信号が連続してしまうことを防ぐ手法として、伝送信号を任意のデータ数だけユニット化して、このユニット毎に信号列の配列に基づいた符号を付加するいわゆる符号化の処理が行なわれ得る（０が連続して続く場合や１が連続して続く場合に、１または０を付加するような処理）。この手法の具体例としては、例えば…０、０、０、０…の４つの伝送信号列に対して１を付加して…０、０、０、０、１…の信号列にする処理を行ない得る。

しかしながら、このような対策によっても、蛍光のちらつきを完全には抑制することは困難であり、さらに、低速の伝送速度の場合に蛍光のちらつきを防ぐことができない。このような問題を解決すべく、本発明によって改善された伝送方式による伝送信号列の一例が、図５に示されている。

図５のタイミングチャートにおいて、横軸は１目盛りが０．１ｓｅｃの時間軸を表し、縦軸は信号電力または光出力を表している。図５に示されているように、１０ｂｐｓの伝送速度における０と１の伝送電気信号列（ａ）に対応して、発光素子を駆動する駆動電流パルスの波高値が一定でデューティ比が５０％となるパルス周波数を変化させた変調電気信号列（ｂ）が用いられる。ここで、この変調信号列（ｂ）の変調帯域（Ｈｚ）は、蛍光体の発光強度の減衰係数（ｓｅｃ）の逆数よりも大きくされる。

なお、蛍光の減衰係数とは、初期の光強度を１とした場合に光強度が１／ｅに減少するまでの時間を意味する。一般的に、蛍光の減衰係数は数μｓｅｃ程度であるので変調帯域はＭＨｚ以上に設定しておけばよい。

上述のような伝送信号のユニット化によって、伝送信号列に０の信号列が続くような場合であっても、照明装置の蛍光強度（図５中の（ｃ）参照）のちらつきを抑制することが可能な光伝送機構を含む照明装置を実現し得る。すなわち、実際の蛍光体による蛍光強度は図５中の光出力（ｃ）の点線で表されるが、この点線の変動周波数は人間の目の応答速度に比べて十分速いので、実線で示された一定の蛍光強度として感じられる。さらに、このような変調信号列は、中速（数１０ｋｂｐｓ）の伝送に対しても効果を有し得る。そのような中速の伝送の例が、図６に図解されている。

図６のタイミングチャートにおいて、横軸は１目盛りが０．１ｍｓｅｃの時間軸を表し、縦軸は信号電力または光出力を表している。すなわち、図６において、１０ｋｂｐｓの伝送速度における０と１の伝送電気信号列（ｄ）に基づいて、発光素子の入力が直接変調される。そして、その場合に蛍光体から放射される蛍光の光強度は、図６中の光出力（ｅ）の点線で示される。しかし、この点線の変動周波数は人間の目の応答速度に比べて十分速いので、光出力（ｅ）の実線で示された一定の蛍光強度として感じられる。

このように、中速の伝送信号列の場合には、直接にその伝送信号列に基づいて光源が変調されても、蛍光体から放射される蛍光のちらつきを人間が感じることはない。しかしながら、実際の蛍光強度は光出力（ｅ）の点線で示されているように変調されている。そして、伝送信号によって変調された信号光と蛍光体からの照明用蛍光が同時に受光素子に入射する場合には、その入射光強度は信号光の強度成分に蛍光強度の裾部の影響が重畳された光強度（ｆ）となり、復調される伝送信号に対して蛍光強度の裾部がジッター成分となる。そして、このジッター成分がＳ／Ｎ比の低下の原因となる。

これに対して、図５中の伝送信号列（ｂ）により光源が変調される変調帯域（Ｈｚ）を蛍光体の発光強度の減衰係数（ｓｅｃ）の逆数より大きくなるように設定することによって、ジッター成分の影響を抑制することができる。

なお、本実施形態１においては０と１からなる２値のデジタル信号について説明されたが、多値のデジタル信号やアナログ信号であれば、それに応じてパルス周期を多値またはアナログ的に変調することもできる。また、このパルスのディーティ比を適宜に変更する方式を採用してもよい。

（実施形態２）
図３は、実施形態２において利用される光伝送機能を備えた照明光学系１０５を模式的断面図で示している。すなわち、実施形態１に比べて実施形態２の光伝送機構を備えた照明装置に特徴的なこととして、光源として発光ダイオードの代わりに半導体レーザ３００を用いている。また、蛍光体が分散されているアクリル樹脂板１０３の厚さおよび／またはそのアクリル樹脂板中の蛍光体の分散状態において、光源３００からのレーザ光の全てが蛍光板１０３に吸収されなくてその１部が空間に透過放射されるような厚さまたは分散状態に設定されている。

このように、発光ダイオードに比べて素子容量により決まる時定数が小さくて数ＧＨｚ以上の高速変調を行なうことが可能な半導体レーザ３００を光源として用いることによって、高速の光伝送を行なうことができる。また、この蛍光板１０３中で吸収されずに透過した光を信号光１１６として利用することによって、実施形態１に比べて本実施形態２の光学系の簡素化を図ることができる。

ところで、空間的なコヒーレンス（可干渉性）を有する半導体レーザを光源として用いる場合には、空間に放射されるレーザ光に関して目に対する安全性の問題が懸念される。しかしながら、本実施形態２におけるように蛍光板１０３に光を照射して、その蛍光体で吸収されずに空間に放射される光を信号光１０６として利用する場合には、蛍光板１０３内の蛍光体によってレーザ光が散乱されて空間的なコヒーレンスが低下するので、人間の目に対する安全性への問題を回避することができる。

本実施形態２の構成によって、実施形態１に比べてさらに高速伝送が可能な光伝送機構を含む照明装置が実現され得る。

（実施形態３）
図４は、本発明の実施形態３において利用される光伝送機能を備えた照明光学系１０５を模式的断面図で示している。すなわち、実施形態１に比べて実施形態３の光伝送機構を含む照明装置に特徴的なこととして、照明光学系１０５において、発光ダイオードの代わりに半導体レーザ３００を用いている。また、その半導体レーザから放射された光が照射される領域として、蛍光体が分散されている領域１０３と光を散乱させるＴｉＯ₂粒子が分散された領域４００とを含むアクリル樹脂板が設けられている。

このような実施形態３においても、光学系の簡素化を図ることができる。また、半導体レーザ３００から放射されたレーザ光の空間的なコヒーレンスは、ＴｉＯ₂粒子が分散された領域４００によって低下させられ得る。さらに、本実施形態３によって、高速の伝送が可能な光伝送機構を含む照明装置を実現し得る。なお、非常に高い伝送速度を要しない場合には、半導体レーザ以外に発光ダイオードも光源として用いられ得ることは言うまでもない。

（実施形態４）
図７の模式的グラフは、本発明の実施形態４による光伝送機構を備えた照明装置の光学的特性を図解している。すなわち、実施形態１に比べて実施形態４の光伝送機構を含む照明装置に特徴的なこととして、光伝送用の受信光学系１１１に含まれるシリコン受光素子１０９上に（図１参照）、信号光１１６のみを透過させる光学特性を有する光学膜（図示せず）が形成されている。

図７のグラフにおいて、横軸は光の波長（ｎｍ）を表し、左の縦軸は光強度（ａｒｂ．：任意単位）を表し、そして右の縦軸は光学膜の反射率（％）を表している。また、図７中の曲線（ａ）は発光素子からの光の波長スペクトルを表し、曲線（ｂ）は光学膜の光学特性（反射率）を表し、そして曲線（ｃ）は蛍光体から放射される蛍光のスペクトルを表している。すなわち、この光学膜は、光源から放射される中心波長３７５ｎｍの伝送信号に基づいて変調された光（ａ）のみを透過して、それ以外の波長の光を反射する光学特性（ｂ）を有している。

なお、このような光学特性を有する光学膜の設計手法においては、例えば酸化シリコン膜と窒化シリコン膜を含む多層膜構造が、膜中での光干渉の原理を利用して設定され得る。

本実施形態４によれば、蛍光体から放射される赤、緑、青色などの可視光帯の照明光や背景光ノイズとなる太陽光が受光素子に入射することを防止し得る。このことによって、空間に放射された信号光のパワーとそれ以外の波長の光のパワーとの比によって決まるＳ/Ｎ比を良好にすることができ、高速の伝送が可能な光伝送機構を含む照明装置を実現し得る。

（実施形態５）
図８は本発明の実施形態５による光伝送機構を備えた照明装置を模式的なブロック図で示しており、図９と図１０はこの照明装置の光学的特性を模式的なグラフで示している。実施形態１に比べて本実施形態５において特徴的なこととして、４２０ｎｍ、４２５ｎｍ、および４３０ｎｍの波長で発振する３つのＧａＮ系半導体レーザを含む光源と、これらの半導体レーザを駆動する３つの回路が用いられている。なお、図８中においては、図面の簡略化のために、２つＧａＮ系半導体レーザ３００とそれらに接続された２対の回路部のみが示されている。

図１０のグラフにおいて、横軸は光の波長（ｎｍ）を表し、左の縦軸は蛍光体の吸収係数（％）を表し、そして右の縦軸は光強度（ａｒｂ．）を表している。また、図１０中で、光源となる３つのＧａＮ系半導体レーザ３００の発振スペクトルが破線の曲線（ａ）で表され、蛍光体の吸収スペクトルが実線の曲線（ｂ）で示されている。図１０に示されているように、各ＧａＮ系半導体レーザの発振波長は、用いられる蛍光体の吸収帯内に含まれるように選択されている。

そして、図８に示されているように、各発振波長を有するＧａＮ系半導体レーザ３００は、実施形態１と同じ構成の伝送信号列１０８、バイアス供給回路１０７、および変調回路１０６によって個別に駆動される。これらのＧａＮ系半導体レーザ３００から放射されるレーザ光の１部は蛍光体が分散された媒質１０３に照射され、蛍光体から放射される蛍光１１５により照明が行われる。また、光拡散材が分散された媒質４００で散乱された光は信号光１１６として空間に放射される。

また、本実施形態５による光伝送用の受信光学系においては、３つの発振波長に対応して３つの受光素子設けられている。そして、ぞれぞれの受光素子上には、図９に示されているように、３つの波長４２０ｎｍ、４２５ｎｍ、および４３０ｎｍのうちの１つのみが透過する帯域フィルタとなる光学膜が設けられている。すなわち、図９のグラフにおいて、横軸は光の波長（ｎｍ）を表し、左の縦軸は光強度（ａｒｂ．）を表し、そして右の縦軸はフィルタの反射率（％）を表している。また、図９中の曲線（ａ）は半導体レーザの発光スペクトル分布を表し、曲線（ｂ）は信号光に対する光学膜の反射特性を示している。

このような本実施形態５によって、ＷＤＭ（波長分割多重通信）方式の光伝送機構を備えた照明装置を実現し得る。また、この場合の複数の半導体レーザは、ほぼ同じ発振波長すなわちほぼ同一のエネルギーギャップを有しているので、ほぼ同じ駆動電圧で駆動することができ、半導体レーザ毎に駆動回路の動作電圧を変更する必要がない。

なお、本実施形態５によるＷＤＭ方式の光伝送機構を備えた照明装置において用い得る発光素子としては、ＧａＮ系半導体レーザに限られず、ＧａＮ系発光ダイオードを使用することもできる。ただし、より多くの波長を用いて多重化する観点と、ノイズ成分光を光学膜で低減させてＳ/Ｎ比を良好に保つ観点とからは、発振スペクトル線幅の狭い半導体レーザを用いる方が好ましい。

また、本実施形態５では個々の伝送信号列に基づいて個別にＧａＮ系半導体レーザを駆動しているが、１つの伝送信号列をＴＤＭ（ＴｉｍｅＤｉｖｉｓｉｏｎｓＭｕｌｔｉｐｌｅｘ：時分割多重）処理して、それぞれのＧａＮ系発光ダイオードを時分割駆動することも可能である。

本発明の一態様による光伝送機構を含む照明装置を模式的に示すブロック図である。図１の照明装置における伝送電気信号列（ａ）と、これに基づいて送信用の変調回路部で変調された光信号強度（ｂ）と、蛍光体から放射される蛍光強度（ｃ）とにおける時間変化を示すタイミングチャートである。本発明における光伝送用の光学部の他の形態を示す模式的断面図である。本発明における光伝送用の光学部の他の形態を示す模式断面図である。伝送電気信号列（ａ）と、これに基づいて送信用の変調回路部で変調された光信号強度（ｂ）と、蛍光体から放射される蛍光強度（ｃ）とにおける時間変化を示すタイミングチャートである。伝送電気信号列（ｄ）と、蛍光体から放射される蛍光強度（ｅ）と、受光素子に入射する信号光と蛍光が重畳された光強度（ｆ）とにおける時間変化を示すタイミングチャートである。本発明の他の態様による光伝送用の受信光学系における光学特性を示す模式的グラフである。本発明の他の態様による光伝送機構を含む照明光学系を示す模式的ブロック図である。図８に示された光伝送用の受信光学系における光学特性を示す模式的グラフである。図８に示された光伝送機構を含む照明光学系における蛍光体の吸収特性と光源光の波長特性との関係を示す模式的グラフである。

符号の説明

１００発光ダイオード、１０１拡散レンズ、１０２ビームスプリッタ、１０３蛍光体が分散されたアクリル樹脂、１０４透明アクリル樹脂、１０５光伝送機能を備えた照明光学系、１０６変調回路、１０７バイアス供給回路、１０８伝送信号列、１０９受光素子、１１０透明アクリル樹脂、１１１受信光学系、１１２送信用電気回路部、１１３再生伝送信号列、１１４受信用電気回路部、１１５照明用蛍光、１１６信号光、１１７反射鏡、３００半導体レーザ、４００拡散体（ＴｉＯ₂）が分散されたアクリル樹脂。

Claims

伝送信号に応じて符号化電気信号を生じる送信側電気回路と、
前記符号化電気信号に応じて強度変調光を放射する光源と、
前記変調光の一部を照明光に変換する蛍光体を含む光波長変換手段と、
前記変調光の他の一部を受光して再生変調電気信号に変換する光電変換手段と、
前記再生変調電気信号から前記伝送信号を再生する受信側電気回路とを含み、
前記電気信号はユニットごとに少なくとも１つの異なるバイナリコードを含むように符号化され、前記ユニットは前記複数の伝送信号に対応していることを特徴とする光伝送機構を備えた照明装置。
前記光源から放射される光の波長は３８０ｎｍ以上であり、かつ前記蛍光体によって波長変換された前記照明光の波長未満であることを特徴とする請求項１に記載の光伝送機構を備えた照明装置。
前記光源が発光ダイオードであることを特徴とする請求項１または２に記載の光伝送機構を備えた照明装置。