JP4653828B2 - 可視光通信システム及び可視光通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、可視光を利用した双方向通信を実現する可視光通信技術に関する。

近年、発光ダイオード素子（以下、ＬＥＤと表記する場合がある）などを使用する光源からの可視光を利用した可視光通信技術の開発が推進されている。可視光を利用した双方通信を実現する場合、送信側と受信側の双方に光源を有する方式以外に、可視光通信に赤外線通信や電波通信を組み合わせるハイブリッド方式が提案されている。

しかしながら、ハイブリッド方式は、人の目で見える光が届いている範囲でのみ通信が可能であるという可視光通信の特長を十分に発揮できない場合がある。また、送信側と受信側の双方に光源を有する方式は、それぞれに光源用の電力が必要となる。このため、可視光通信装置として、特に消費電力量の制限がある携帯端末などに適用することは困難である。

そこで、一方の通信装置側の光源から発光された可視光を受光する他方の通信装置側が、その反射光を利用してデータを送信する単一光源方式が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。この単一光源方式では、他方の通信装置側として、光源用の電力が不要になるため、低消費電力特性が要求される携帯端末などに適用することが可能である。
特開２００４−２２１７４７号公報

単一光源方式により、低消費電力特性が要求される携帯端末などを通信装置とする双方向可視光通信の実現が可能になっている。しかしながら、単一光源方式では、送信側から発光された可視光には送信データが重畳されているため、単にその反射光を利用してデータを送信することはできず、送信データが重畳されていない時間帯の可視光を選択して通信を行なうな等の制約が必要となる。

そこで、本発明の目的は、単一光源方式で、双方向通信を確実に実現できる可視光通信装置を提供することにある。

本発明の観点は、再帰反射機能と色多重通信機能を用いた単一光源方式の双方向可視光通信システムを実現する可視光通信装置である。

本発明の観点に従った可視光通信装置は、第１の送信データで変調された第１の発光色の可視光、及び前記第１の発光色とは異なる第２の発光色の可視光を受光する受光手段と、前記第１の発光色の可視光を抽出する第１の光フィルタ手段と、前記第２の発光色の可視光を抽出する第２の光フィルタ手段と、前記第１の発光色の可視光から前記第１の送信データを復調する復調手段と、前記第２の発光色の可視光の反射光を生成する再帰反射手段と、前記反射光を第２の送信データで変調し送信する送信手段とを備えた構成である。

本発明によれば、単一光源方式で、双方向通信を確実に実現できる可視光通信装置を提供することができる。特に、例えば携帯端末などを通信装置とする双方向可視光通信システムを実現することが可能となる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（可視光通信システムの構成）
図１は、本実施形態に関する可視光通信システムの構成を説明するためのブロック図である。図１に示すように、本実施形態の可視光通信システムは、一方の可視光通信装置１０と他方の可視光通信装置２０とを有し、可視光を利用した双方向通信を行なうように構成されている。本実施形態では、一方の可視光通信装置１０は、例えば建物内の天井などに固定されている照明機器に組み込まれた通信装置であり、便宜的に可視光送受信装置１０と表記する。他方の可視光通信装置２０は、例えば携帯電話などに組み込まれた通信装置であり、便宜的に携帯端末２０と表記する。

可視光送受信装置１０は、データ送信部１１と、データ受信部１２と、光源１３と、受光部１４とを有する。可視光送受信装置１０は、図３に示すように、ネットワーク３０に接続されており、このネットワーク３０を介して図示しないサーバなどから伝送される送信データＴＤを受信する。データ送信部１１は、送信データＴＤを変調した変調データを光源１３に出力する。

光源１３は、青色ＬＥＤ（Ｂ）１５Ｂ、赤色ＬＥＤ（Ｒ）１５Ｒ、緑色ＬＥＤ（Ｇ）１５Ｇの各ＬＥＤチップが一体化されたＬＥＤパッケージ（３in oneパッケージ）１５及びＬＥＤドライバ（図示せず）から構成されている。ＬＥＤドライバは、図３に示すように、ＬＥＤパッケージ１５を駆動して、照明光として可視光１００を発光する。ここで、ＬＥＤパッケージ１５では、ＬＥＤ（Ｂ）１５Ｂは、ＬＥＤドライバにより、データ送信部１１からの変調データに応じて駆動されて、青色の可視光１００Ｂを発光する。またＬＥＤ（Ｂ）１５Ｂと同時に、ＬＥＤパッケージ１５では、ＬＥＤ（Ｒ）１５Ｒ及びＬＥＤ（Ｇ）１５Ｇは、ＬＥＤドライバにより無変調で駆動されて、それぞれ赤色の可視光１００Ｒ及び緑色の可視光１００Ｇを発光する。

受光部１４は、後述するように、携帯端末２０からの可視光から赤色の可視光２００Ｒのみを通過（抽出）させる光フィルタ（Ｒ）１６、及び当該赤色の可視光２００Ｒを電気信号に変換する光電変換部１７を含む。データ受信部１２は、光電変換部１７からの電気信号から、赤色の可視光２００Ｒに重畳されているデータ（後述する応答データ）ＲＤを復調する。

一方、携帯端末２０は、図３に示すように、受光部と反射部を含む光入出力部２７を有する。携帯端末２０は、図１に示すように、光入出力部２７には、青色の可視光１００Ｂのみを通過（抽出）させる光フィルタ（Ｂ）２１Ｂ、及び赤色の可視光１００Ｒのみを通過（抽出）させる光フィルタ（Ｒ）２１Ｒを有する。さらに、携帯端末２０は、光入出力部２７には、再帰反射装置（以下、ＣＣＲと表記する場合がある）２５を有する。

ＣＣＲ２５は、図２に示すように、コーナーキューブ・レフレクタ（corner-cube reflector）を構成するプリズム２５Ａ、及び液晶シャッタで構成される光シャッタ部２５Ｂを有する。ＣＣＲ２５は、光フィルタ（Ｒ）２１Ｒを通過する赤色の可視光１００Ｒを入光し、光シャッタ部２５Ｂで変化する反射率に応じて、当該可視光１００Ｒの再帰反射光を出力する。

さらに、携帯端末２０は、光電変換部２２、データ受信部２３、データ送信部２４及び制御部２６を有する。光電変換部２２は、光フィルタ（Ｂ）２１Ｂにより抽出された青色の可視光１００Ｂを電気信号に変換する。データ受信部２３は、光電変換部２２からの電気信号から、青色の可視光１００Ｂに重畳されている送信データＴＤを復調する。

本実施形態の制御部２６は、データ受信部２３で復調された送信データＴＤを解析し、当該送信データＴＤに応じた応答データＲＤを生成する機能を有する。制御部２６は、生成した応答データＲＤを送信用データとして、データ送信部２４に送出する。データ送信部２４は、応答データＲＤを変調した変調信号を出力し、この変調信号によりＣＣＲ２５の光シャッタ部２５Ｂを制御する。ＣＣＲ２５は、変調信号に応じて変化する再帰反射率に基づいて、応答データＲＤで変調された可視光１００Ｒの再帰反射光を出力する。

（可視光通信システムの動作）
次に、図４のフローチャートを参照して、本実施形態のシステムの動作を説明する。

本実施形態では、図３に示すように、可視光送受信装置１０は、携帯端末２０を操作するユーザに対して、例えばＩＤ情報などを問い合わせるための質問データとして生成された送信データＴＤを、ネットワーク３０を介して受信する（ステップＳ１）。データ送信部１１は、送信データＴＤを変調した変調データを光源１３のＬＥＤドライバに出力する。ＬＥＤドライバは、当該変調データに応じてＬＥＤ（Ｂ）１５Ｂを駆動する（ステップＳ３）。これにより、ＬＥＤ（Ｂ）１５Ｂは、送信データＴＤ（変調データ）を重畳した青色の可視光１００Ｂを発光する（ステップＳ４）。

また、光源１３のＬＥＤドライバは、ＬＥＤ（Ｂ）１５Ｂの駆動と同時に、ＬＥＤ（Ｒ）１５Ｒ及びＬＥＤ（Ｇ）１５Ｇのそれぞれを、無変調で駆動する（ステップＳ５）。これにより、ＬＥＤ（Ｒ）１５Ｒは、赤色の可視光１００Ｒを発光する（ステップＳ６）。また、ＬＥＤ（Ｇ）１５Ｇは、緑色の可視光１００Ｇを発光する（ステップＳ７）。これらの可視光１００Ｂ、１００Ｒ、１００Ｇは、照明光としても利用される。

携帯端末２０は、図３に示す光入出力部２７により、可視光送受信装置１０の光源１３から発光された可視光１００Ｂ、１００Ｒ、１００Ｇを受光する。携帯端末２０は、受光した可視光から、光フィルタ（Ｂ）２１Ｂにより青色の可視光１００Ｂを抽出する（ステップＳ１０）。即ち、光フィルタ（Ｂ）２１Ｂは、青色の可視光１００Ｂのみを通過させて、他の可視光１００Ｒ、１００Ｇを通過させない。

光電変換部２２は、光フィルタ（Ｂ）２１Ｂにより抽出された青色の可視光１００Ｂを電気信号に変換し、データ受信部２３に出力する（ステップＳ１１）。データ受信部２３は、光電変換部２２から出力される電気信号から、青色の可視光１００Ｂに重畳されている送信データ（ここでは質問データ）ＴＤを復調し、制御部２６に出力する（ステップＳ１２，Ｓ１３）。

制御部２６は、データ受信部２３で復調された送信データ（質問データ）ＴＤを解析し、例えばユーザのＩＤ情報を問い合わせる質問データとして認識する。制御部２６は、諮問データに対する応答データ（ここではＩＤ情報）を生成し、データ送信部２４に出力する（ステップＳ１４，Ｓ１５）。データ送信部２４は、応答データ（ＩＤ情報）を変調し、変調信号をＣＣＲ２５に出力する（ステップＳ１６）。

携帯端末２０は、図３に示す光入出力部２７で受光した可視光から、光フィルタ（Ｒ）２１Ｒにより赤色の可視光１００Ｒを抽出する（ステップＳ１７）。即ち、光フィルタ（Ｒ）２１Ｒは、赤色の可視光１００Ｒのみを通過させて、他の可視光１００Ｂ、１００Ｇを通過させない。ＣＣＲ２５は、光フィルタ（Ｒ）２１Ｒを通過する赤色の可視光１００Ｒのみを入光する。ＣＣＲ２５は、データ送信部２４からの応答データ（ＩＤ情報）の変調信号に応じて光シャッタ部２５Ｂの反射率が変化し、この反射率に応じて変調される可視光１００Ｒの再帰反射光２００Ｒを出力する（ステップＳ１８）。

可視光送受信装置１０の受光部１４は、携帯端末２０からの再帰反射光２００Ｒを受光する。受光部１４は、受光した可視光から、光フィルタ（Ｒ）１６により赤色の可視光２００Ｒを抽出する（ステップＳ２０）。即ち、応答データ（ＩＤ情報）で変調された可視光２００Ｒのみが、光フィルタ（Ｒ）１６を通過して光電変換部１７に送られる。光電変換部１７は、当該赤色の可視光２００Ｒを電気信号に変換してデータ受信部１２に出力する（ステップＳ２１）。データ受信部１２は、光電変換部１７から出力される電気信号から、赤色の可視光２００Ｒに重畳されている応答データ（ここではＩＤ情報）を復調し、受信データＲＤとしてネットワーク３０に出力する（ステップＳ２２，Ｓ２３）。

以上のようにして本実施形態の可視光通信システムであれば、例えば固定された照明機器に組み込まれた可視光送受信装置１０の単一光源１３から発光される可視光を利用して、移動可能な携帯端末２０との間で、双方向の可視光通信を行なうことができる。即ち、光を正確に光源に向けて反射させる再帰反射装置（ＣＣＲ）２５、光学フィルタ系、及び発光色による多重通信を利用して、単一光源でかつ確実な可視光双方向通信を実現することができる。

本実施形態のシステムであれば、単一光源１３を有する一方の通信装置１０に対して、他方の通信装置２０として、消費電力量が制限されている携帯端末を適用できる。即ち、携帯端末２０は、電力を消費する光源を必要とすることなく、他方の通信装置として可視光通信を行なうことができる。この場合、ＣＣＲと光学フィルタを使用した発光色による多重通信を実現することにより、双方向通信における各可視光間で混信するような通信障害の発生を招くことなく、確実な可視光双方向通信を実現できる。また、ＣＣＲを使用することにより、再帰反射の特長である光源に対する正確な反射を実現できるため、通信を行う際の位置合わせや、光軸合わせなどの作業が不要である。

本実施形態では、ＣＣＲ２５として、プリズム２５Ａを使用する構成について説明したが、これに限ることなく、再帰反射する反射鏡または球体透明ビーズを使用する構成でもよい。あるいは、多数並べた再帰反射板を使用する構成でもよい。

本実施形態では、単一光源として、青色ＬＥＤ（Ｂ）１５Ｂ、赤色ＬＥＤ（Ｒ）１５Ｒ、緑色ＬＥＤ（Ｇ）１５Ｇの各ＬＥＤチップが一体化されたＬＥＤパッケージ（３in oneパッケージ）１５を使用する構成について説明したが、これに限ることはない。即ち、少なくとも２色の発光色の可視光を発光する光源であればよく、例えば青色ＬＥＤと赤色ＬＥＤのそれぞれが独立して駆動制御される構成であればよい。また、当然ながら、発光色は青色と赤色の組合せ以外でもよい。但し、各発光色の可視光に対応する光フィルタが必要となる。

また、本実施形態では、一方の通信装置として、照明機器に組み込まれた可視光送受信装置１０を想定したが、これに限ることなく、例えば道路上や建物の外部に設置された通信専用の装置でも良い。また、他方の通信装置として、携帯電話などの携帯端末２０に組み込まれた装置を想定したが、これに限ることなく、通信専用の装置でも良い。但し、携帯可能で、消費電力量に制限されている装置に適用することが有効である。

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。

本発明の実施形態に関する可視光通信システムの構成を示すブロック図。 本実施形態に関する再帰反射装置の一例を説明するための図。 本実施形態に関する可視光送受信装置の一例を説明するための図。 本実施形態に関するシステムの動作を説明するためのフローチャート。

符号の説明

１０…可視光送受信装置、１１…データ送信部、１２…データ受信部、１３…光源、
１４…受光部、１５…ＬＥＤパッケージ、１５Ｂ…青色ＬＥＤ（Ｂ）、
１５Ｒ…赤色ＬＥＤ（Ｒ）、１５Ｇ…緑色ＬＥＤ（Ｇ）、１６…光フィルタ（Ｒ）、
１７…光電変換部、２０…携帯端末、２１Ｂ…光フィルタ（Ｂ）、
２１Ｒ…光フィルタ（Ｒ）、２２…光電変換部、２３…データ受信部、
２４…データ送信部、２５…、再帰反射装置（ＣＣＲ）、２６…制御部、
２７…光入出力部、３０…ネットワーク。

Claims (8)

1. 第１の送信データで変調された第１の発光色の可視光、及び前記第１の発光色とは異なる第２の発光色の可視光を受光する受光手段と、
   前記第１の発光色の可視光を抽出する第１の光フィルタ手段と、
   前記第２の発光色の可視光を抽出する第２の光フィルタ手段と、
   前記第１の発光色の可視光から前記第１の送信データを復調する復調手段と、
   前記第２の発光色の可視光の反射光を生成する再帰反射手段と、
   前記反射光を第２の送信データで変調し送信する送信手段と
   を有することを特徴とする可視光通信装置。
2. 前記再帰反射手段の再帰反射率を変化させる光シャッタ手段を含み、
   前記送信手段は、前記光シャッタ手段を介して前記第２の送信データに応じて前記反射光を変調するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の可視光通信装置。
3. 第１の発光色及び第１の発光色とは異なる第２の発光色の各可視光を発光する光源を有し、第１の送信データで変調した前記第１の発光色の可視光と無変調の前記第２の発光色の可視光とを前記光源から同時に発光させる可視光データ送信装置と、
   前記光源から発光された可視光を受光して、前記第１の送信データを復調する可視光通信装置とを有し、
   前記可視光通信装置は、
   前記第１の発光色の可視光を抽出する第１の光フィルタ手段と、
   前記第２の発光色の可視光を抽出する第２の光フィルタ手段と、
   前記第１の発光色の可視光から前記第１の送信データを復調する復調手段と、
   前記第２の発光色の可視光の反射光を生成する再帰反射手段と、
   前記反射光を第２の送信データで変調し送信する送信手段と
   を有する構成であることを特徴とする可視光通信システム。
4. 前記可視光通信装置から送信された前記第２の送信データを受信する可視光データ受信装置を更に有し、
   前記可視光データ受信装置は、
   前記送信手段からの反射光を受光する受光手段と、
   前記受光手段により受光された反射光から前記第２の発光色の可視光を抽出する光フィルタ手段と、
   前記光フィルタ手段により抽出された可視光から前記第２の送信データを復調する復調手段とを有することを特徴とする請求項３に記載の可視光通信システム。
5. 前記可視光通信装置は、
   前記復調手段により復調された前記第１の送信データに応じた前記第２のデータを生成する手段を有することを特徴とする請求項３に記載の可視光通信システム。
6. 前記光源は、
   前記第１の発光色の発光ダイオード素子及び前記第２の発光色の発光ダイオード素子をそれぞれ含み、当該各発光ダイオード素子毎に駆動が可能なＬＥＤパッケージから構成されていることを特徴とする請求項３に記載の可視光通信システム。
7. 請求項１又は請求項３のいずれか１項に記載の前記可視光通信装置が組み込まれて、
   前記復調手段により復調された前記第１の送信データを記憶する記憶手段と、
   前記第２の送信データを生成するためのデータ処理手段と
   を有する構成であることを特徴とする携帯型端末。
8. 請求項３に記載の可視光データ送信装置と、請求項４に記載の前記可視光データ受信装置とが組み込まれた構成であることを特徴とする照明機器。

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