JP2008252570A - 可視光送信装置、可視光受信装置、可視光通信システム、及び可視光通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】色座標変調を利用して光通信する可視光送信装置、可視光受信装置、可視光通信システム、及び可視光通信方法を提供すること。
【解決手段】送信信号を多値変調して送信する送信装置と、多値変調された送信信号を復調する受信装置とを有する可視光通信システムが提供される。送信装置は、互いに異なる色で発光する複数の発光素子と、送信信号を色度座標に対応付ける色度座標計算部と、送信信号に対応付けられた色度に基づいて複数の発光素子の発光量を制御する発光制御部とを備える。受信装置は、互いに異なる色の光を受光して、その受光量を検出する複数の受光素子と、色毎に検出される受光量に基づいて色度座標値を算出する色度座標計算部と、色度座標値から送信信号を復調する復調部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、可視光送信装置、可視光受信装置、可視光通信システム、及び可視光通信方法に関する。

近年、可視光領域の光を利用した光通信技術に大変注目が集まっている。特に、発光ダイオード（ＬＥＤ；Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の発光素子を利用した照明装置の普及が急速に進んでいる状況を背景にし、屋内外に設置された照明装置等のインフラを活用して、利便性に富んだ、より高速なデータ通信を実現させるための技術開発が進められている。

上記のような高速な光データ通信に利用される発光手段としては、人体や医療機器等に対する影響を考慮するとＬＥＤが最も有力な候補になるが、より高速な応答性能を有するレーザーダイオード（ＬＤ；Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）やスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ；Ｓｕｐｅｒ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｏｄｅ）といった他の半導体発光素子の利用も想定される。なお、光通信におけるデータ伝送速度は、発光素子の応答速度に依存するという特徴がある。そのため、光通信におけるデータ伝送速度を向上させる手段として、発光素子が発する１シグナルの間に多くのデータを安定して伝送する技術が求められている。

上記の問題に鑑み、例えば、下記の特許文献１には、周波数多重化された信号に応じて、光源の発光量を変化させるための制御電圧を調整する構成が開示されている。この構成を適用すると、光源の光量変化、又はオン／オフ制御により多重化されたデータを送信することが可能になり、多重化しない場合に比べて、より高速なデータ伝送速度を実現することが可能になる。また、下記の特許文献２には、互いに異なるスペクトルを有する複数の光源を発光制御して、それぞれ異なるデータを送信する構成が開示されている。より詳細には、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号の切り替えタイミングの位相変化にデジタル値（１，０）を対応付けてデータ送信を実現する構成が開示されている。

特開２００４−１４７０６３号公報 特開２００６−３２５０８５号公報

しかし、上記の特許文献１に記載の伝送技術は、光の強度変調を利用して多重化されたデータを送信するため、伝送路での光量低下により伝送誤り率が増加するという問題がある。特に、可視光通信の場合、送信装置として利用される光源が照明機器である場合、遮光等の影響により光量が低下するため、伝送誤り率の増加に伴ってデータ伝送速度が低下してしまう。さらに、上記の特許文献１に記載の伝送技術を適用したとしても、光源の応答限界まで伝送レートを増加させることが困難である。

一方、上記の特許文献２に記載の伝送技術は、データの多重度が、互いに異なる発光スペクトルを有する光源の数以下であるため、高々数倍程度のデータ伝送速度の向上しか見込めないという問題がある。また、光源が発する光が白色以外の場合、さらに多重度が低下するという問題がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、光源数よりも大きい多値数で変調されたデータを伝送可能になると共に、伝送路での光量低下に起因する伝送誤り率の増加を抑制することが可能な、新規かつ改良された可視光送信装置、可視光受信装置、可視光通信システム、及び可視光通信方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、可視光通信する送信装置と受信装置とを有する可視光通信システムが提供される。前記送信装置は、互いに異なる色で発光する複数の発光部と、デジタル値を色度座標値に対応付ける色度座標計算部と、前記デジタル値に対応付けられた色度座標値に基づいて各前記発光部の発光量を制御する発光量制御部と、を備えることを特徴とする。前記受信装置は、互いに異なる分光特性を有する複数の受光部と、前記受光部毎に検出される受光量に基づいて色度座標値を計算する色度座標計算部と、前記色度座標値から前記デジタル値を復調する復調部と、を備えることを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、互いに異なる色で発光する複数の発光部と、デジタル値を色度座標値に対応付ける色度座標計算部と、前記デジタル値に対応付けられた色度座標値に基づいて各前記発光部の発光量を制御する発光量制御部と、を備えることを特徴とする、可視光送信装置が提供される。

また、前記可視光送信装置は、前記複数の発光部により構成される発光部群を複数備えるように構成することも可能である。

また、前記発光量制御部は、参照点となる所定の色度座標値に対応する発光量で前記複数の発光部を定期的に発光させるように構成することも可能である。

また、前記発光量制御部は、複数の前記発光部群の一部を利用して、参照点となる所定の色度座標値に対応する発光量で常時発光させるように構成することも可能である。

また、前記色度座標計算部は、ＤＣ−ｆｒｅｅ符号化された送信信号を前記色度座標値に対応付けるように構成することも可能である。

また、前記発光量制御部は、ＰＷＭの一周期の間に前記各発光部が発光する総光量の割合が前記デジタル値に対応付けられた色度座標値に対応するように、前記各発光部の発光量を制御するように構成することも可能である。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、色度座標値に対応付けられたデジタル値を復調する可視光受信装置が提供される。当該可視光受信装置は、互いに異なる分光特性を有する複数の受光部と、前記受光部毎に検出される受光量に基づいて色度座標値を計算する色度座標計算部と、前記色度座標値から前記デジタル値を復調する復調部と、を備えることを特徴とする。

また、前期可視光受信装置は、色再現性を補償するためのリニアマトリクスに対し、前記受光部毎に検出される受光量を成分とするベクトルを演算して、前記受光部毎に検出される受光量を補正する色度座標補正部をさらに備えるように構成することも可能である。

また、前記色度座標補正部は、参照点となる所定の色度座標値に対応する光を受信して検出される前記受光部毎の受光量と、前記参照点となる所定の色度座標値から算出される前記受光部毎の受光量とに基づいて、前記リニアマトリクスの各係数を算出するように構成することも可能である。

また、前記色度座標計算部は、ＰＷＭの一周期の間に各前記受光部が検出した総受光量に基づいて前記色度座標値を計算するように構成することも可能である。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、互いに異なる色で発光する複数の発光部を備える送信装置と、互いに異なる分光特性を有する複数の受光部を備える受信装置と、を有する可視光通信システムにおける可視光通信方法が提供される。当該可視光通信方法は、前記送信装置により、デジタル値を色度座標値に対応付ける色度座標計算ステップと、前記送信装置により、前記デジタル値に対応付けられた色度座標値に基づいて各前記発光部の発光量を制御する発光量制御ステップと、前記受信装置により、前記受光部毎に検出される受光量に基づいて色度座標値を計算する色度座標計算ステップと、前記受信装置により、前記色度座標値から前記デジタル値を復調する復調ステップと、を含むことを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、互いに異なる色で発光する複数の発光部を備える可視光送信装置における可視光通信方法が提供される。当該可視光通信方法は、デジタル値を色度座標値に対応付ける色度座標計算ステップと、前記デジタル値に対応付けられた色度座標値に基づいて各前記発光部の発光量を制御する発光量制御ステップと、を含むことを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、互いに異なる分光特性を有する複数の受光部を備え、色度座標値に対応付けられたデジタル値を復調する可視光受信装置における可視光通信方法が提供される。当該可視光通信方法は、前記受光部毎に検出される受光量に基づいて色度座標値を計算する色度座標計算ステップと、前記色度座標値から前記デジタル値を復調する復調ステップと、を含むことを特徴とする。

上記の構成を適用すると、デジタル値を色度座標に対応付けて伝送することが可能になるため、多値伝送によりデータ伝送速度を向上させることが可能になると同時に、伝送路における光量減衰の影響を受けないため、安定して高いデータ伝送速度を実現することが可能になる。

以上説明したように本発明によれば、光源数よりも大きい多値数で変調されたデータを伝送可能になると共に、伝送路での光量低下に起因する伝送誤り率の増加を抑制することが可能になる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜本発明に係る実施形態＞
まず、本発明の一実施形態に係る可視光通信システム１０００について説明する。本実施形態に係る可視光通信システム１０００は、多重化されたデジタル値を所定の表色系（ｃｏｌｏｒ ｓｙｓｔｅｍ）の色度座標（ｃｈｒｏｍａｔｉｃｉｔｙ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ；色）の値に対応付ける構成と、その色度座標値が示す色度で発光するように複数の発光部を制御する構成と、色度毎に受光した光量の割合に応じて色度座標値を検出する構成と、その色度座標値から元のデジタル値を復調する構成とに特徴を有する。以下、図面を参照しながら、より詳細に説明する。

［可視光通信システム１０００の構成］
まず、図１を参照しながら、本実施形態に係る可視光通信システム１０００の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る可視光通信システム１０００の構成を示す説明図である。

図１に示すように、可視光通信システム１０００は、主に、可視光送信装置１００と、可視光受信装置２００とにより構成される。可視光送信装置１００は、主に、複数の発光部１１０と、多値変調・発光制御部１２０とにより構成される。一方、可視光受信装置２００は、主に、複数の受光部２１０と、色度検出・復調部２２０とにより構成される。図中には明示しないが、可視光送信装置１００は、例えば、デジタル値をビット毎に直並列変換して多重化する直並列変換部を備えていてもよい。一方、可視光受信装置２００は、例えば、複数のビットデータを並直列変換してシリアルなデジタル値を復元する並直列変換部を備えていてもよい。

（可視光送信装置１００）
可視光送信装置１００は、多値変調・発光制御部１２０において、入力されたデジタル値を多重化して所定の表色系の色度座標値に対応付ける。このとき、所定の表色系には、変調多重度に応じて複数の色度点が配置されている。この色度点は、丁度、一般的な電波領域の多値通信方式において用いられるコンステレーション上の信号点に相当する。但し、表色系の色度座標は、色相と彩度とを同時に表現することができる点で上記の信号点とは明確に相違する。従って、彩度を表現できる分だけデジタル値の多重度を高めることができる。

また、多値変調・発光制御部１２０は、デジタル値が対応付けられた上記の色度点が示す色度で複数の発光部１１０を発光させるために、各発光部１１０の発光量を制御する。このとき、多値変調・発光制御部１２０は、全ての発光部１１０が発光する光量の総和が所定値になるように規格化した上で、各発光部１１０の発光する光量の割合を決定することができる。つまり、多値変調・発光制御部１２０は、多重化されたデジタル値に対応する変調信号を各発光部１１０が発光する光量の割合に対応付けるのである。その結果、伝送路における光量減少に起因して伝送誤り率が低下する問題を回避することができるのである。

（可視光受信装置２００）
可視光受信装置２００は、互いに異なる波長の受光感度（分光感度）を有する複数の受光部２１０により、上記の色度点に対応する光を受光して、波長（色）毎の受光量を測定する。そして、可視光受信装置２００が備える色度検出・復調部２２０は、等色関数を用いてデジタル変換された波長毎の受光量から三刺激値を算出して色度点を検出する。さらに、色度検出・復調部２２０は、その色度点の色度座標値に対応するデジタル値を復調する。このとき、色度検出・復調部２２０は、可視光送信装置１００が備える多値変調・発光制御部１２０が用いた所定の表色系と同じ表色系に基づいてデジタル値を復調する。なお、色度検出・復調部２２０は、所定の表色系に配置された色度点の位置に関する情報を予め保持していると仮定する。

以上、本実施形態に係る可視光通信システム１０００の構成について簡単に説明した。上記の構成によると、例えば、図１に示すように、ある多値信号Ｓ２、Ｓ８、Ｓ６に対応する色度点の情報を各発光部１１０が発光する光量の割合として伝送することが可能になる。その結果、発光部１１０の数以上に多重度を大きくすることが可能になると共に、伝送路における光量減少に起因して伝送誤り率が低下する問題を回避することができる。以下、可視光送信装置１００、及び可視光受信装置２００の機能構成について、図２及び図３を参照しながら、より詳細に説明する。

［可視光送信装置１００の機能構成］
次に、図２を参照しながら、本実施形態に係る可視光送信装置１００の機能構成について説明する。図２は、本実施形態に係る可視光送信装置１００の機能構成を示す説明図である。

図２に示すように、可視光送信装置１００は、主に、色度座標計算部１２２と、発光量制御部１２４と、光源駆動回路１１２と、光源１１４とにより構成される。但し、色度座標計算部１２２、及び発光量制御部１２４は、上記の多値変調・発光制御部１２０を構成する。また、光源駆動回路１１２、及び光源１１４は、上記の発光部１１０を構成する。なお、図中には明示しないが、上記の直並列変換部をさらに備えていてもよい。

（色度座標計算部１２２）
色度座標計算部１２２は、入力されたデジタル値αを色度点にマッピングする。つまり、色度座標計算部１２２は、所定の多値数を有する色度点配置に基づいて、各デジタル値を該当する色度点の色度座標値に対応付ける。このとき、色度座標計算部１２２は、色度点を配置する表色系として、例えば、国際照明委員会（ＣＩＥ；Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｅ ｄｅ ｌ’Ｅｃｌａｉｒａｇｅ）により規定されたＣＩＥ表色系（ＲＧＢ，ＸＹＺ（Ｙｘｙ），Ｌ＊ｕ＊ｖ＊，Ｌ＊ａ＊ｂ＊等）の他、マンセル表色系、又はオストワルト表色系等のあらゆる表色系を利用することができる。これは、後述するように、本実施形態に係る可視光通信システム１０００が分光測色法と同様の手法を利用して色度検出を実現できることによる。

ここで、図４を参照しながら、色度座標計算部１２２の具体的な機能について簡単に説明する。図４は、Ｙｘｙ表色系の上に規定される所定の色度点配置を示した説明図である。なお、図４には、参考までに２°視野（実線）の場合と１０°視野（鎖線）の場合とを両方示している。

例えば、図４に示すように、表色系には、予め所定の色度点配置ｓが設定されている。表色系の種類、及び色度点配置の情報は、可視光送信装置１００と可視光受信装置２００との間で予め共有しているか、又はデータ伝送の際に所定の手段で通知されて共有化される。図４の例は、デジタル値を４ビット多重する場合（変調多重度＝１６）の色度点配置ｓを示している。各色度点Ｓ０〜Ｓ１５には、例えば、図４（Ｂ）に示すようなデジタル値が対応付けられており、色度座標計算部１２２は、入力されるデジタル値αに応じて、色度点Ｓ０〜Ｓ１５の中から該当する色度点を選択して、その色度点の色度座標値（ｘ、ｙ）を決定する。

例えば、デジタル値α＝０ｘ７の場合、色度座標計算部１２２は、色度点Ｓ７を選択して該当する色度座標値（ｘ、ｙ）を後述する発光量制御部１２４に伝送する。上記の例が示すように、多値度を２＾Ｍ（Ｍは自然数）にすることにより、１つの色度点に対してＭビットのデジタル値を対応付けてデータ伝送することが可能になる。なお、図４（Ａ）に示す表色系上の色度点配置に関する情報は、図４（Ｂ）に示すようにテーブル化されて可視光送信装置１００、及び可視光受信装置２００が保持しておくことが可能である。

（発光量制御部１２４）
再び図２を参照する。発光量制御部１２４は、色度座標計算部１２２により決定された色度座標値（ｘ、ｙ）に基づいて、色度座標値（ｘ、ｙ）が示す色度で発光させるために、光の波長（色）毎に発光部１１０の発光量を決定する。特に、発光量制御部１２４は、色度座標値（ｘ、ｙ）に対応する色度を実現するために、光の波長毎に発光量の割合を算出する。発光量制御部１２４は、例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色を混合して色度座標値（ｘ、ｙ）に対応する色度を実現させるため、その混合比率を計算し、各色の発光量に応じて発光部１１０を駆動するための駆動電圧を計算する。

また、発光量制御部１２４は、発光部１１０により発光される総光量が所定値になるように色毎の発光量を決定し、それに対応する駆動電圧を算出する。これは、色度座標値が通常輝度で規格化されているため、総光量を勘案して発光部１１０の発光量を制御する方が望ましいからである。発光量制御部１２４は、色毎に算出された駆動電圧で後述する各光源１１４を発光させるために、後述する各光源駆動回路１１２に駆動回路制御信号を伝送する。この駆動回路制御信号は、上記の通り、各光源１１４の発光量（発光強度）を制御するための信号である。図２の例では、発光量制御部１２４は、３つの駆動回路制御信号ａ，ｂ，ｃをそれぞれ光源駆動回路（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に伝送する。

また、発光量制御部１２４は、所定時間内に各光源１１４が発光する総光量を制御することによって色度を表現することも可能である。つまり、発光量制御部１２４は、所定時間内に各光源１１４が発光した光量を色毎に積算し、色毎の積算値を色毎の受光量として色度座標値を計算したとき、上記の色度座標値（ｘ、ｙ）が再現されるように各光源１１４の駆動電圧を決定することも可能である。例えば、可視光送信装置１００がＰＷＭ制御する照明機器等である場合、ＰＷＭ周期に合わせて光量の積算値と色度座標値（ｘ、ｙ）とを対応付けることにより、ＰＷＭ制御による影響を除去することが可能になる。

さらに、発光量制御部１２４は、初期設定時、又は定期的に所定の色度座標点（以下、参照点、又は特定パターン）に対応する色度で発光するように各光源１１４の発光量を制御する。後述するように、可視光受信装置２００は、送信側の発光スペクトルと受信側の分光感度との違いを補償（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）するリニアマトリクス（ｌｉｎｅａｒ ｍａｔｒｉｘ）を色再現性の補正に利用する。そのため、可視光送信装置１００は、送信側の発光スペクトルの変化や受信側の分光感度の変化に対応するため、所定のタイミング、又は定期的に上記の参照点に対応する色度で発光することで、そのリニアマトリクスの値を補正するための参照信号を送信することができる。

（光源駆動回路１１２）
光源駆動回路１１２は、発光量制御部１２４から受けた駆動回路制御信号に応じて、後述する光源１１４の発光量を制御する。例えば、光源（Ａ）１１４に接続される光源（Ａ）駆動回路１１２は、駆動回路制御信号ａを受信して、その駆動回路制御信号ａが示す駆動電圧で光源（Ａ）１１４を発光させる。同様に、光源（Ｂ）駆動回路１１２、及び光源（Ｃ）駆動回路１１２も、それぞれ駆動回路制御信号ｂ，ｃに応じて光源（Ｂ）１１４、及び光源（Ｃ）１１４を発光させる。

（光源１１４）
光源１１４は、光源駆動回路１１２から供給される駆動電圧に応じて発光する。光源１１４は、例えば、ＬＥＤ、ＬＤ、又はＳＬＤ等の半導体発光素子により構成されていることが好ましいが、蛍光灯、ブラウン管（ＣＲＴ）ディスプレイ装置、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ）装置、有機電界発光（ＥＬ）ディスプレイ装置、又は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）装置等に含まれる発光機構により構成されていてもよい。

後段において詳述するように、本実施形態に係る可視光通信システム１０００は、デジタル値を色度座標に対応付けてデータ伝送するため、波長変調方式等によるデータ伝送とは異なり、光源１１４のスペクトル分布に影響を受けないためである。例えば、光源１１４にＬＥＤを利用して発光した白色光のスペクトルを検出すると、Ｒ，Ｇ，Ｂの波長にそれぞれ対応するピークが現れるが、上記の各ディスプレイ装置等を利用して発光した白色光のスペクトルを検出すると、Ｒ，Ｇ，Ｂの波長に対応するピークは小さく、ブロードなスペクトルが得られる。スペクトル形状や信号強度に基づいて信号検出する構成を採用すると、上記のスペクトル形状の違いが、そのまま復調データの相違として現れるため、光源として採用する機器の種類を限定する必要があるが、本実施形態のように、色度座標を用いてデータ伝送する場合、その光源１１４の種類に依らず同一の可視光受信装置２００を用いて信号を受信することができるのである。その結果、上記のような様々な発光機構を有する光源１１４に対応することができるのである。

図４に示すように、可視光送信装置１００は、複数の光源１１４を有している。光源１１４は、それぞれ固有の発光スペクトル分布を有しており、互いに異なる色の光（Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ）を発光することができる。なお、各光源１１４は、シングルモード（ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅ；単一波長）の発振装置に限定されるものではない。また、同一の色で発光する複数の光源１１４のグループを複数構成し、グループ単位で発光量を制御することも可能である。その場合、例えば、上記の光源駆動回路１１２が、グループ毎に光源１１４の駆動電圧を供給するように構成にするか、又は、上記の発光量制御部１２４から、同一グループに属する光源１１４に接続された光源駆動回路１１２に対して同一の駆動回路制御信号が伝送されるように構成することになる。他の方法として、各グループに属する光源１１４の一部又は全部をオン／オフ制御することにより、グループ毎に光源１１４の発光数を制御することで光の色度を調整する構成も可能である。

以上、本実施形態に係る可視光送信装置１００の機能構成について説明した。上記の構成を適用すると、色度座標を利用してデータ伝送するため、可視光送信装置１００が備える光源１１４の数以上の多値数でデータ変調することが可能になり、１つのパルスで送信可能なデータ量が増大する結果、より高速なデータ伝送が実現される。また、色毎の発光量比率に情報を載せることにより、伝送路における光量の減衰による影響をほとんど受けないため、伝送誤り率を低減することが可能になる。さらに、色度を利用してデータ伝送するため、それに含まれる彩度の分だけ多値数を増加して高速化を図ることが可能であるという利点があるだけでなく、光源１１４の種類を選ばないという利点もある。

［可視光受信装置２００の機能構成］
次に、図３を参照しながら、本実施形態に係る可視光受信装置２００の機能構成について説明する。図３は、本実施形態に係る可視光受信装置２００の機能構成を示す説明図である。

図３に示すように、可視光受信装置２００は、主に、フィルタ２１２と、光電変換素子２１４と、ＡＤ変換回路２１６と、色度座標補正部２２２と、色度座標値検出部２２４と、復調部２２６とにより構成される。但し、フィルタ２１２、光電変換素子２１４、及びＡＤ変換回路２１６は、上記の受光部２１０を構成する。また、色度座標補正部２２２、色度座標値検出部２２４、及び復調部２２６は、上記の色度検出・復調部２２０を構成する。

（フィルタ２１２、光電変換素子２１４）
フィルタ２１２は、特定の分光感度特性を有する光学フィルタである。より具体的には、フィルタ２１２は、色毎に光を分離するためのカラーフィルタである。フィルタ２１２を通して光が入射されると、光電変換素子２１４は、その受光量に応じた電力を出力する。従って、フィルタ２１２と光電変換素子２１４とを組み合わせることによって、色毎の受光量を検出することができる。

光電変換素子２１４は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ；Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ、ｐｎ型ＰＤ、ｐｉｎ型ＰＤ、ＡＰＤ；Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）等により構成され、受光量に比例した量の電流が出力される。そのため、光電変換素子２１４は、出力電流の大きさに応じて信号を出力することができる。なお、本実施形態に係る可視光通信システム１０００においては、後段でリニアマトリクスを利用した色再現性の補正が行われるため、可視光受信装置２００の分光感度と、可視光送信装置１００のスペクトル分布とが完全に一致していなくても色度座標値の検出が可能である。

（ＡＤ変換回路２１６）
ＡＤ変換回路２１６は、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータである。ＡＤ変換回路２１６は、光電変換素子２１４から出力される色毎の信号（アナログ信号）をデジタル信号に変換する。例えば、図３の例では、フィルタ（Ａ’）２１２を通じて光電変換素子２１４に入射された光がアナログ信号に光電変換された後、そのアナログ信号がＡＤ変換回路２１６によりデジタル信号ａ’にＡ／Ｄ変換され、色度座標補正部２２２に入力される。同様に、フィルタ（Ｂ’）（Ｃ’）２１２を通じて入射される光に対応して、デジタル信号ｂ’，ｃ’が色度座標補正部２２２に入力される。

（色度座標補正部２２２）
色度座標補正部２２２は、リニアマトリクス法を利用して色再現性を補償する。まず、リニアマトリクス法について簡単に説明する。

デジタルカメラやビデオカメラ等の撮像装置において、色再現性を補償するためにリニアマトリックス法という色補償技術が適用される。こうした撮像装置は、所定の条件下（例えば、照光条件が一定等）で撮影されたサンプル画像（特定のカラーパターン等）の色再現性と、実際の条件下で撮影されたサンプル画像の色再現性とを比較して、リニアマトリクスの成分を決定する機能を有している。具体的には、サンプル画像を撮影して、実際に撮影されたサンプル画像のＲＧＢデータ（色毎に測定される受光量）を、予め保持しているサンプル画像のＲＧＢデータに変換する行列要素を決定するのである。

そして、サンプル画像以外の画像に対しても、撮影して得られるＲＧＢデータにリニアマトリクスを演算して、フィルタ特性や受光感度特性の変化がない場合のＲＧＢデータに変換するのである。その結果、フィルタ特性や受光感度特性が変化したとしても、所定のサンプル画像を利用してリニアマトリクスを補正することが可能になるため、常に一定のフィルタ特性や受光感度特性に基づく出力結果を得ることができるのである。

上記のように色座標を利用して多重化されたデータを光伝送する場合、発光スペクトルが分離した光を受信して復調する通常の波長多重方式の場合とは異なり、受信側の分光感度が低下すると、信号を復調する際に誤り率が増加してしまう。また、受信側の分光感度は、例えば、光電変換素子２１４の分光感度、及び色分離用のフィルタ２１２の分光感度等に依存しており、これらが変化すると色再現性に影響が生じる。

そこで、ビデオカメラやデジタルカメラ等で利用されるリニアマトリクス法を適用する。この方法は、下式（１）のように、色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）毎の受光量を所定の行列（リニアマトリクス）に演算して色再現性が補償された色毎の受光量（Ｒ’，Ｇ’，Ｂ’）を算出する方法である。なお、ビデオカメラ等では、色再現性を映像信号の規格で定められた理想形に近づけるためにリニアマトリクス法が利用される。

行列の成分ａ１１〜ａ３３は、フィルタ２１２、及び光電変換素子２１４等の分光感度に依存して決まる係数である。リニアマトリクスの各係数は、受光量（Ｒ，Ｇ，Ｂ）と補償後の受光量（Ｒ’，Ｇ’，Ｂ’）とについて、少なくとも３組のデータを利用することで算出することができる。そこで、可視光送信装置１００は、送信信号に特定の色度座標値（参照点）に対応する参照信号を混入して定期的に、又は所定のタイミングで送信する。そして、可視光受信装置２００は、受光部２１０を介して、その参照信号を受信した上で、色度座標補正部２２２によりリニアマトリクスの各係数を算出することができる。もちろん、参照点に対応する補償後の受光量（Ｒ’，Ｇ’，Ｂ’）の値は、予め色度座標補正部２２２が保持しているものとする。なお、色度座標補正部２２２は、３組以上のデータに基づき、最小二乗法を利用してリニアマトリクスの各係数を算出することも可能である。この方法によると、より信頼性の高い係数を算出することができる。

色度座標補正部２２２は、上記の方法に基づいて算出されたリニアマトリクスを利用して、上式（１）の計算を実行する。つまり、色度座標補正部２２２は、送信側の色座標と受信側の色座標とが一致するように色再現性を補償する。その結果、可視光送信装置１００の発光スペクトル分布と可視光受信装置２００の分光感度とが完全に一致していない場合であっても、リニアマトリクス変換により両者の色座標を対応付けることが可能になる。例えば、可視光送信装置１００が備える光源１１４の色の組合せが変わっても、色度点（Ｓ０〜Ｓ１５）の色度点間隔と相対位置関係とが分かっていることで、色度点に対応付けられたデジタル値の復号が可能になる。

また、可視光受信装置２００が備える受光部２１０に、可視光送信装置１００以外から入射する光（ノイズ光）がある場合、受光量（Ｒ，Ｇ，Ｂ）から補正後の受光量（Ｒ’，Ｇ’，Ｂ’）に変換する際に加算項が付加される。従って、色度座標補正部２２２は、下式（２）の演算を実行することになる。

色度座標補正部２２２は、上式（１）又は上式（２）の演算処理を実行して色毎の受光量に対応するデジタル信号ａ’，ｂ’，ｃ’を補償した後、補償後のデジタル信号ａ，ｂ，ｃを色度座標値検出部２２４に伝送する。

（色度座標値検出部２２４）
色度座標値検出部２２４は、上記の色度座標補正部２２２により補償されたデジタル信号ａ，ｂ，ｃに基づいて色度座標値（ｘ，ｙ）を検出する。そのとき、色度座標値検出部２２４は、可視光送信装置１００が備える色度座標計算部１２２が用いた表色系に基づいて色度座標値（ｘ，ｙ）を検出する。例えば、図４に示すＹｘｙ表色系の場合、色度座標値検出部２２４は、人間の目に対応する分光感度を示す等色関数を用いて、上記のデジタル信号（ａ，ｂ，ｃ）から三刺激値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出し、その算出結果から色度座標値（ｘ，ｙ）を導出する。なお、一般的な分光測色方法と同様にして、デジタル信号（ａ，ｂ，ｃ）から色度座標値（ｘ，ｙ）を導出することができる。色度座標値検出部２２４は、上記の方法により導出された色度座標値（ｘ，ｙ）を復調部２２６に伝送する。

また、可視光送信装置１００が備える発光量制御部１２４がＰＷＭ制御を考慮して光源１１４を駆動させる場合、ＰＷＭ周期に合わせて信号が送信されるため、色度座標値検出部２２４は、ＰＷＭの１周期又は所定の時間に渉って色毎のデジタル信号（ａ，ｂ，ｃ）を積算し、その積算値（Ａ，Ｂ，Ｃ）に基づいて色度座標値（ｘ，ｙ）を導出する。

一般的な照明機器では、光源をＰＷＭ駆動して光量調整することにより、発光時間を長短させて人が感知する光量を調整することがある。上記の構成によると、少なくともＰＷＭの一周期に渉って積算した光量を用いて色度座標値（ｘ，ｙ）を測定するため、ＰＷＭ制御による影響をほとんど受けないで済む。但し、各光源１１４のＰＷＭ周期が同期する必要がある点に注意が必要である。

（復調部２２６）
復調部２２６は、色度座標値検出部２２４から伝送される色度座標値（ｘ，ｙ）に基づいて、元のデジタル値αを復調する。復調部２２６は、可視光送信装置１００が備える色度座標計算部１２２が用いた表色系上の色度点配置（図４を参照）に基づいて、上記の色度座標値（ｘ，ｙ）が示す色度点に対応するデジタル値αを検出することができる。但し、復調部２２６は、上記の色度点配置の情報を保持しているものとする。

以上、本実施形態に係る可視光受信装置２００の機能構成について詳細に説明した。上記の構成を適用すると、色毎の受光量に対応する色度座標値を算出して、その色度座標値に基づいて元のデジタル値αを復調するため、伝送路における光量の減衰による伝送誤り率の増加を抑制できる。また、リニアマトリクス法を利用して色再現性を補償するため、送信側の発光スペクトルと受信側の受光感度とが完全に一致していない場合であっても、元のデジタル値αを復調することが可能になる。以下、本実施形態に係る可視光通信システム１０００の構成を適用して得られる効果について、より詳細に説明する。

［本実施形態の効果］
ここで、本実施形態に係る可視光通信システム１０００の構成を適用した場合に得られる効果について詳細に説明する。まず、本実施形態とは異なる観点から可視光通信技術に関する考察をした上で、本実施形態が奏する効果について対比して説明する。

（考察１）
まず、３種類（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の光源をそれぞれオン／オフ制御して可視光通信する構成について検討する。例えば、光源Ｒ、光源Ｇ、光源Ｂのそれぞれが独立してオン／オフ制御する構成によると、Ｒ，Ｇ，Ｂのそれぞれが１ビットのデータを伝送することが可能になるため、その組合せにより一度に３ビットのデータを伝送することが可能になる。このとき、Ｒ，Ｇ，Ｂの組合せに８進数を対応付けて伝送する構成も考えられるが、一度に送信できるデータのビット数が光源数以上にならないため、データの転送レートを向上させることができない。これに対し、上記の本実施形態に係る可視光通信システム１０００は、色度座標に多値の色度点を配置して多重化されたデジタル値を対応付けるため、上記のＲ，Ｇ，Ｂを単純にオン／オフ制御する構成に対して、光源数以上の多重化が可能になるという点で格別の効果が得られる。

（考察２）
次に、３種類（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の光源がそれぞれ発光する発光量の絶対値にデータを対応付けて伝送する構成について検討する。例えば、送信側で各光源の発光量を調節して発光し、受信側でＲ，Ｇ，Ｂのそれぞれの受光量の絶対値を観測して、各受光量に対応するデータを復調する構成が考えられる。この構成によると、伝送路で光量が減衰するに連れて復調時の誤り率が増大するという問題がある。特に、この構成を照明機器等に適用すると、遮光等の影響を受けて光量が容易に減衰するため、伝送誤り率が増加し、結果としてデータ伝送速度を増加させることが困難である。これに対し、上記の本実施形態に係る可視光通信システム１０００は、色度座標にデジタル値を対応付けて送信するため、伝送路で光量が変化したとしても、色毎に測定される受光量の割合（相対値）に基づいて色度座標値が検出されるため、光量の変化が復調時の誤り率にほとんど影響しないという点で格別の効果が得られる。

（考察３）
次に、色相差にデジタル値を対応付けて送信する構成について検討する。色相差は、色相環の角度で表現することができる。例えば、赤色の位置にある色相で発光した次のタイミングに、赤色から１０°時計回りに色相環を移動した色相で発光したとき、データ１を表すという構成が可能である。この色相差を利用すると、本実施形態と同様に、伝送路での光量減衰が伝送誤り率にあまり影響を及ぼさないという利点が得られる。しかし、時計回りに１０°移動する際の色相差にデータ１を対応させると、連続してデータ１を伝送した際に色相が一定方向に大きく変化するため、照明機器等の色が大きく変化してしまい、利用できる照明機器等の種類が限定されるという問題がある。また、小さな色相差にデータを対応付けると、信号識別精度が低下して復調時の伝送誤り率が増加するため、結果としてデータ伝送速度が低下するという問題もある。これに対し、本実施形態に係る可視光通信システム１０００は、表色系上に形成された色度点配置によりデジタル値を多値変調するため、連続して伝送されるデータに依らず所定の色相範囲を利用して多重化することが可能になり、照明装置等の色相が大きく変化することがない（光源の種類や用途を選ばない）という格別の効果を奏する。また、色相差で変調する場合に比べて、色度が彩度を含む分だけ多値変調が可能になり、より高速なデータ伝送が可能になる。

以上説明したように、本実施形態に係る可視光通信システム１０００は、デジタル値を色座標に対応付けて伝送するという基本的な特徴によって上記の格別な効果を奏する。しかし、可視光通信システム１０００により得られる効果は、これらの効果に限定されない。

例えば、ＬＥＤよりも三原色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の発光スペクトルが広い液晶ディスプレイ装置やプラズマディスプレイ装置を光源として利用できるという効果がある。色度座標は、光のスペクトルに対応するのではなく、等色関数による応答を規定するものである。そのため、発光スペクトルが異なっていても同一の色度座標になり得るのである。例えば、ブロードな発光スペクトルを有する蛍光灯の白色と、ＬＥＤのＲ，Ｇ，Ｂで表現したＲ，Ｇ，Ｂ（例えば、６２３ｎｍ，５２３ｎｍ，４５６ｎｍ）に強いピークを有する白色とを比較した場合であっても同一の色度座標になる。従って、分光スペクトルの形状に基づいて信号識別をする構成に比べると、光源のスペクトル分布に依らずに信号識別が可能になる点で格別の効果を有する。

また、別の例として、Ｒ，Ｇ，Ｂの三原色を利用しなくてもよいという効果がある。受信側では、色度点の色度座標値を検知すればよいため、色度点間隔がノイズよりも大きく設定されていれば白色状態の光でなくともデータ伝送することが可能である。例えば、青（Ｂ）と緑（Ｇ）の光源だけを利用して多値化することも可能である。

さらに、別の例として、可視光送信装置１００の光源色を変更しても、可視光受信装置２００の構成を変更することなくデータ伝送が可能であるという効果がある。これは、参照点に対応する色度で特定パターンを送信してリニアマトリクスを補正する構成による。初期設定時、所定のタイミング、又は定期的に参照信号を送信してリニアマトリクスを補正する構成を適用すると、色度点間隔と相対位置関係とに基づき、送信側の色度座標と受信側の色度座標とを対応付けることができるため、リニアマトリクス変換した色毎の受光量に基づいて色度座標点を検出することが可能になる。

さらに、別の例として、伝送されるデータからクロックを生成することが可能であるため、様々な伝送速度に対応することができるという効果もある。

以上、本実施形態に係る可視光通信システム１０００が奏する効果について詳細に説明した。上記の通り、通常利用される照明用のＬＥＤ等では、比較的低速な変調しか実現されないため、これを利用する光通信においてはデータ伝送レートを上げる技術は重要である。その点、上記の構成を適用すると、低い変調速度の照明機器を利用して高速にデータ伝送することが可能になる。なお、上記の構成における多重化の上限は、色度間距離、ノイズ、受光感度のズレ幅、及び伝送誤り訂正能力に応じて決定され、データ伝送速度の上限もこれらの要因に依存して決定される。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記の実施形態に関する説明では、伝送経路について言及していなかったが、上記の実施形態に係る技術は、無線伝送路に加えて、光ファイバーによる伝送経路にも対応可能である。特に、伝送経路における光量減衰に対する耐性が高いため、多値化された信号を利用して高速な光ファイバー通信を実現させることも可能である。

また、上記の実施形態に関する説明では、複数の光源を空間的に多重化する構成については言及していなかったが、図５に示すように、同様の構成を有する複数の光源群を空間的（二次元的）に配置して多重化することが可能である。この場合、空間多重された分だけ高速にデータ伝送することができる。また、図５に示すように、一部の光源群から参照信号を送信する構成を適用すると、常時、参照点に対応する信号を用いてリニアマトリクスの補正が可能になるため、他の光源から光が入射した場合等においても、素早く元の状態に復帰することができる。なお、この構成を適用する場合、受信側の構成において、リニアマトリクスの補正を常時実行するのか、又は所定のタイミングで実行するのかを設定しておくことも可能である。

さらに、上記の実施形態に関する説明では、色毎に分光特性が異なる複数の受光部を用いて色毎の受光量を計測していたが、１つの分光センサ、又は１つのディテクタとスペクトルアナライザの組合せ等を利用して光のスペクトル分解を実行するように構成することも可能である。また、送信側でＤＣ−ｆｒｅｅ符号化した信号を利用して、人の目に単一の照明光として見えるように構成することも可能である。ここで、ＤＣ−ｆｒｅｅ符号とは、同数の１と０とを含む符号である。

本発明の第１実施形態に係る可視光通信システムの構成を示す説明図である。 同実施形態に係る可視光送信装置の機能構成を示す説明図である。 同実施形態に係る可視光受信装置の機能構成を示す説明図である。 同実施形態に係る色度座標マッピングを説明するための説明図である。 同実施形態に係る発光部の空間配置を示す説明図である。

符号の説明

１０００ 可視光通信システム
１００ 可視光送信装置
１１０ 発光部
１１２ 光源駆動回路
１１４ 光源
１２０ 多値変調・発光制御部
１２２ 色度座標計算部
２００ 可視光受信装置
２１０ 受光部
２１２ フィルタ
２１４ 光電変換素子
２１６ ＡＤ変換回路
２２０ 色度検出・復調部
２２２ 色度座標補正部
２２４ 色度座標値検出部
２２６ 復調部

Claims (14)

1. 可視光通信する送信装置と受信装置とを有する可視光通信システムであって、
   前記送信装置は、
   互いに異なる色で発光する複数の発光部と、
   デジタル値を色度座標値に対応付ける色度座標計算部と、
   前記デジタル値に対応付けられた色度座標値に基づいて各前記発光部の発光量を制御する発光量制御部と、
   を備え、
   前記受信装置は、
   互いに異なる分光特性を有する複数の受光部と、
   前記受光部毎に検出される受光量に基づいて色度座標値を計算する色度座標計算部と、
   前記色度座標値から前記デジタル値を復調する復調部と、
   を備えることを特徴とする、可視光通信システム。
2. 互いに異なる色で発光する複数の発光部と、
   デジタル値を色度座標値に対応付ける色度座標計算部と、
   前記デジタル値に対応付けられた色度座標値に基づいて各前記発光部の発光量を制御する発光量制御部と、
   を備えることを特徴とする、可視光送信装置。
3. 前記複数の発光部により構成される発光部群を複数備えることを特徴とする、請求項２に記載の可視光送信装置。
4. 前記発光量制御部は、参照点となる所定の色度座標値に対応する発光量で前記複数の発光部を定期的に発光させることを特徴とする、請求項２又は３に記載の可視光送信装置。
5. 前記発光量制御部は、複数の前記発光部群の一部を利用して、参照点となる所定の色度座標値に対応する発光量で常時発光させることを特徴とする、請求項３に記載の可視光送信装置。
6. 前記色度座標計算部は、ＤＣ−ｆｒｅｅ符号化された送信信号を前記色度座標値に対応付けることを特徴とする、請求項２〜５のいずれかに記載の可視光送信装置。
7. 前記発光量制御部は、ＰＷＭの一周期の間に前記各発光部が発光する総光量の割合が前記デジタル値に対応付けられた色度座標値に対応するように、前記各発光部の発光量を制御することを特徴とする、請求項２〜６のいずれかに記載の可視光送信装置。
8. 色度座標値に対応付けられたデジタル値を復調する可視光受信装置であって、
   互いに異なる分光特性を有する複数の受光部と、
   前記受光部毎に検出される受光量に基づいて色度座標値を計算する色度座標計算部と、
   前記色度座標値から前記デジタル値を復調する復調部と、
   を備えることを特徴とする、可視光受信装置。
9. 色再現性を補償するためのリニアマトリクスに対し、前記受光部毎に検出される受光量を成分とするベクトルを演算して、前記受光部毎に検出される受光量を補正する色度座標補正部をさらに備えることを特徴とする、請求項８に記載の可視光受信装置。
10. 前記色度座標補正部は、参照点となる所定の色度座標値に対応する光を受信して検出される前記受光部毎の受光量と、前記参照点となる所定の色度座標値から算出される前記受光部毎の受光量とに基づいて、前記リニアマトリクスの各係数を算出することを特徴とする、請求項９に記載の可視光受信装置。
11. 前記色度座標計算部は、ＰＷＭの一周期の間に各前記受光部が検出した総受光量に基づいて前記色度座標値を計算することを特徴とする、請求項８〜１０のいずれかに記載の可視光受信装置。
12. 互いに異なる色で発光する複数の発光部を備える送信装置と、互いに異なる分光特性を有する複数の受光部を備える受信装置と、を有する可視光通信システムにおける可視光通信方法であって、
    前記送信装置により、デジタル値を色度座標値に対応付ける色度座標計算ステップと、
    前記送信装置により、前記デジタル値に対応付けられた色度座標値に基づいて各前記発光部の発光量を制御する発光量制御ステップと、
    前記受信装置により、前記受光部毎に検出される受光量に基づいて色度座標値を計算する色度座標計算ステップと、
    前記受信装置により、前記色度座標値から前記デジタル値を復調する復調ステップと、
    を含むことを特徴とする、可視光通信方法。
13. 互いに異なる色で発光する複数の発光部を備える可視光送信装置における可視光通信方法であって、
    デジタル値を色度座標値に対応付ける色度座標計算ステップと、
    前記デジタル値に対応付けられた色度座標値に基づいて各前記発光部の発光量を制御する発光量制御ステップと、
    を含むことを特徴とする、可視光通信方法。
14. 互いに異なる分光特性を有する複数の受光部を備え、色度座標値に対応付けられたデジタル値を復調する可視光受信装置における可視光通信方法であって、
    前記受光部毎に検出される受光量に基づいて色度座標値を計算する色度座標計算ステップと、
    前記色度座標値から前記デジタル値を復調する復調ステップと、
    を含むことを特徴とする、可視光通信方法。

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