JP2008271317A - 照明光通信システムおよび照明光通信用の送信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大容量のデータを高速で伝送することを可能にした新規な照明光通信システムを提供する。
【解決手段】送信装置１は、送信すべきデータに応じて変調された変調光を有機ＥＬ光源４より出射する。受信装置２は、有機ＥＬ光源４より出射された変調光を受光して電気信号に変換し、この変換された電気信号からデータを復調する。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明光を利用してデータを伝送する照明光通信システムおよび照明光通信用の送信装置に関する。

高速通信技術の進展とともに、光を用いた屋内無線通信技術が利用されるようになってきた。特に、赤外線を用いたＬＡＮ（Local Area Network）は、オフィスや家庭に普及してきている。しかしながら、赤外線通信では、送信機と受信機の間に存在する遮蔽物によって通信に支障が生じることが多く、また、信号電力が小さいので通信が不安定になり易いという問題があった。

このような赤外線通信の問題を解決する通信方式として、照明光を用いた通信方式が考えられている。照明光用の光源としては、化合物半導体系の白色発光ダイオード（以下、白色ＬＥＤ（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）という）が用いられる。白色ＬＥＤを用いた照明は、蛍光などの照明と比較して、長寿命、小型、低消費電力といった優れた特長を有し、実用化が期待されている。非特許文献１および特許文献１には、このような白色ＬＥＤの特長に着目した照明光通信システムが開示されている。

「可視光通信に適した変調方式の実験的検討」 （信学技報IEICE Technical Report OCS2005-19(2005-5) 第４３〜４８頁 社団法人 電子情報通信学会） 特開２００３−３１８８３６号公報

しかしながら、白色ＬＥＤを用いた照明光通信では、大容量の光データを高速で伝送することに限界がある。白色ＬＥＤは、半導体レーザーと比較して応答速度が低いからである。照明に利用される白色ＬＥＤとしては、蛍光体を利用するタイプが主に用いられているが、このタイプは、蛍光体を利用しないＬＥＤと比較して応答速度が更に低い。

そこで、本発明の目的は、大容量のデータを高速で伝送することを可能にした新規な照明光通信システムを提供することである。

かかる課題を解決するために、第１の発明は、送信装置と、受信装置とを有する照明光通信システムを提供する。送信装置は、送信すべきデータに応じて変調された変調光を照明用光源としての有機ＥＬ光源より出射する。受信装置は、照明用光源より出射された変調光を受光して電気信号に変換し、この変換された電気信号からデータを復調する。

ここで、第１の発明において、照明用光源は、複数の有機ＥＬ素子によって構成されており、有機ＥＬ素子のそれぞれの発光面積は、１０^-8cm²以上１０^-1cm²以下であることが好ましい。

また、第１の発明において、照明用光源を、送信すべきデータに応じて変調された変調光を出射する通信用の有機ＥＬ素子と、一定の非変調光を出射する照明用の有機ＥＬ素子とで構成してもよい。この場合、通信用の有機ＥＬ素子は、蛍光を利用した発光材料を用いて形成されていることが好ましい。また、照明用の有機ＥＬ素子は、リン光を利用した発光材料を用いて形成されていることが好ましい。

また、第１の発明において、送信装置は、照明用光源を構成するそれぞれの有機ＥＬ素子を制御する制御回路を含み、制御回路は、有機ＥＬ素子のそれぞれに一体化して形成されていることが好ましい。

第２の発明は、複数の走査線と、複数のデータ線と、照明用光源と、駆動回路とを有する照明光通信用の送信装置を提供する。照明用光源は、走査線とデータ線との交差に対応してマトリクス状に設けられた複数の発光素子によって構成されている。駆動回路は、データの書込対象となる発光素子に対応する走査線を選択するとともに、この書込対象となる発光素子に対応するデータ線に対して、受信装置に送信すべきデータを出力することによって、照明用光源を駆動する。駆動回路は、照明用光源を複数の領域に分割することによって規定されたグループ単位で、それぞれのグループを時分割で駆動する。また、駆動回路は、同一グループに属する複数の発光素子に対しては、同一データを供給する。

ここで、第２の発明において、駆動回路は、同一グループに対応する複数の走査線を順次または同時に選択するとともに、これらの走査線の選択期間において、同一グループに対応する複数のデータ線のレベルを同一データに応じたレベルに維持してもよい。

また、第２の発明において、発光素子は、データ線を介して供給されたデータを保持する保持手段と、保持手段に保持されたデータに応じて変調された発光強度で発光する有機ＥＬ素子とを有していてもよい。有機ＥＬ素子の駆動方法として、電流プログラム方式および電圧プログラム方式のいずれを採用してもよい。電流プログラム方式の場合、駆動回路は、データ線に対して、データに応じた電流レベルを有するデータ電流を出力する。この場合、発光素子のそれぞれは、プログラミングトランジスタをさらに有することが好ましく、保持手段に対するデータの書き込みは、プログラミングトランジスタのチャネルにデータ電流が流れることにより発生するゲート電圧に基づいて行われる。一方、電圧プログラム方式の場合、駆動回路は、データ線に対して、データに応じた電圧レベルを有するデータ電圧を出力する。この場合、保持手段に対するデータの書き込みは、データ電圧に基づいて行われる。

第１の発明によれば、照明光通信システムの照明用光源として、高速応答性を材質的な特長とする有機ＥＬ素子を用いる。これにより、従来の白色ＬＥＤと比較して、単位時間当たりのデータ送信量を高めることができるので、大容量のデータを高速で伝送することが可能になる。

また、第２の発明によれば、照明用光源を複数のサブ光源に分割し、これらを並列に駆動させる。これにより、データを並列に伝送できるので、大容量のデータを高速で伝送することが可能になる。また、サブ光源を複数の発光素子で構成することにより、照明光通信を行うのに必要な光量を容易に確保することができる。さらに、照明用光源を構成するすべての発光素子に対するデータの書き込みを、一括で行うのではなく、走査線の選択による部分的な書き込みを繰り返すことによって順次行う。これにより、駆動能力が高い駆動回路を必要とすることなく、走査線の選択やデータ線へのデータ出力を高速化でき、結果的に、データ書き込みの高速化を図ることが可能になる。

本実施形態の主たる特徴は、照明光通信における照明用光源として有機ＥＬを用いる点である。有機ＥＬは、自由なサイズ設計が可能、超小型が可能、高速応答が可能といった優れた特長を有する。一般に、照明光通信に利用するためには、個々の素子面積は小さいものが好ましい。発光素子の面積に比例する静電容量が素子のＲＣ時定数を規定するので、ＲＣ時定数が小さくなるほど（すなわち面積が小さくなるほど）応答速度が高くなるからである。素子面積(発光面積）は、１０^-8cm²以上１cm²以下が好ましく、より好ましくは、１０^-8cm2以上１０^-1cm²以下、さらに好ましくは１０^-8cm²以上１０^-2cm²以下である。従来のＬＥＤでは、半導体基板に発光素子を形成した後、半導体基板を分割して個々のチップとし、配線形成された回路基板にチップを取り付けて使用する。半導体基板を分割してチップ化するので、チップの小型化には自ずと限界がある。また、高価な半導体結晶を有効に利用するためには、個々のチップに形成する発光素子の面積をチップ面積に近いものにせざるを得ない。そのため、従来のＬＥＤでは、小さな素子を製造することが困難であった。これに対して、有機ＥＬ素子は、配線を形成した基板上に発光素子を直接形成して、これをそのまま利用できるので、設計上の自由度が高く、小さな素子の製造も比較的容易である。以上のような理由から、有機ＥＬ素子は、照明光通信用の発光素子として好適に利用できる。

大容量データの高速通信を可能にするためには、複数の発光素子からデータを並列に送信することが好ましく、そのためには、発光素子を複数配列する必要がある。従来のＬＥＤでは、個々のＬＥＤチップ、または、チップに台座と樹脂レンズとからなる素子を配列するために、実際に発光する部分よりも大きな面積が必要であった。これに対して、有機ＥＬ素子では、配線を形成した基板上に発光素子を直接形成し、これをそのまま利用できるので、発光素子の高集積化が容易であり、全体として小さな通信用照明体(送信装置）が実現できる。

また、従来のＬＥＤの場合、送信装置における照明用光源の強度変調は、ドライバＩＣ（ＩＣ：Integrated Circuit）といった外部駆動回路を用いて行う必要があった。そのため、送信装置を構成するユニットの小型化が困難であった。これに対して、有機ＥＬの場合、有機ＥＬ層の下に薄膜トランジスタ等の変調素子からなる制御回路を形成することができる。制御回路と発光素子とを積層して一体化すれば、ユニットの小型化が容易である。

このように、有機ＥＬ素子を利用することにより、発光素子の小型化や集積化が可能であり、これと制御回路との積層構造も容易に製造できるので、高速大容量の照明光通信に対応した送信装置を小型のユニットで実現することが可能になる。

有機ＥＬ素子としては、蛍光とリン光（一重項遷移と三重項遷移）が知られているが、どちらを使用してもよい。発光素子を小さくし、ＲＣ時定数を小さくして応答速度を上げても、発光の減衰時間で規定される速度以上に応答速度を上げることはできない。有機ＥＬ素子は、その発光のメカニズムによって、蛍光（一重項からの発光）とリン光（三重項からの発光）とが知られている。一般に、蛍光はリン光よりも発光の減衰時間が短く、室温では蛍光で約１０ns程度、リン光で約1μs程度である。したがって、どちらを用いても、素子単体で１Ｍbps程度の伝送速度までは対応可能である。

また、蛍光およびリン光の双方を混載した集積デバイスを照明用光源として用いてもよい。蛍光は、リン光よりも応答速度を高くできるので、高速な通信用途に適しているといえる。一方、リン光は、蛍光よりも発光効率を高くできるので、照明用途に適している。有機ＥＬでは、発光層材料を素子毎に分けて形成できるので、照明用光源をリン光および蛍光とからなる複数種の有機ＥＬ素子で構成してもよい。この場合、蛍光素子には、照明機能および通信機能の双方を担わせて、送信すべきデータに応じて変調された変調光を出射する通信用素子としてこれを用いる。一方、リン光素子には、照明機能のみを担わせて、一定の非変調光を出射する照明用素子としてこれを用いる。これにより、照明効率の向上と通信の高速化とを両立した照明システムが構築できる。ただし、このような構成では、照明からの全光量に対して、通信情報が重畳された光の割合が小さくなる。したがって、受信装置として、光の強度変化に敏感なシステムが必要になる。全光量に対する蛍光の割合としては、１％以上５０％以下であることが望ましい。

一般照明を用いて照明光通信を行う場合、照明用光源は白色であることが望ましい。有機ＥＬ光源で白色光を得るためには、大きく２つの方法がある。一つは、赤色発光素子（Ｒ素子）、緑色発光素子（Ｇ素子）および青色発光素子（Ｂ素子）を同時に発光させて、光の３原色から白色を得る方法である。この方法は、（１）ＲＧＢの各発光素子を基板面内にタイル状に配列させ方法と、（２）１つの素子内部にＲＧＢの発光層を積層する方法とに分けられる。もう一つは、発光層自身が複数の波長ピークを有する白色発光材料からなるものを利用することにより白色を得る方法である。

これらの白色有機ＥＬ素子は、従来の蛍光体を用いた白色ＬＥＤのような、電流注入による青色発光→蛍光体励起→黄色発光というプロセスを経ないで、電流注入直接再結合により複数の波長の発光を出射する。そのため、従来の蛍光体を用いた白色ＬＥＤよりも応答速度が高いという特長があり、照明光通信システムに適している。

つぎに、有機ＥＬ素子の材料について説明する。有機ＥＬ素子の材料としては、低分子系材料および高分子系材料のどちらも利用可能である。発光材料としては、主として蛍光またはりん光を発光する有機物と、これを補助するドーパントとが用いられる。本実施形態において用いることができる発光層を形成する材料としては、例えば、以下の色素系材料、金属錯体系材料、高分子系材料が挙げられる。

（色素系材料）
色素系材料としては、例えば、シクロペンダミン誘導体、テトラフェニルブタジエン誘導体化合物、トリフェニルアミン誘導体、オキサジアゾール誘導体、ピラゾロキノリン誘導体、ジスチリルベンゼン誘導体、ジスチリルアリーレン誘導体、ピロール誘導体、チオフェン環化合物、ピリジン環化合物、ペリノン誘導体、ペリレン誘導体、オリゴチオフェン誘導体、トリフマニルアミン誘導体、オキサジアゾールダイマー、ピラゾリンダイマーなどが挙げられる。

（金属錯体系材料）
金属錯体系材料としては、例えば、アルミキノリノール錯体、ベンゾキノリノールベリリウム錯体、ベンゾオキサゾリル亜鉛錯体、ベンゾチアゾール亜鉛錯体、アゾメチル亜鉛錯体、ポルフィリン亜鉛錯体、ユーロピウム錯体など、中心金属に、Ａｌ、Ｚｎ、Ｂｅ、またはＴｂ、Ｅｕ、Ｄｙなどの希土類金属、あるいはＩｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅなどの重金属を有し、配位子にオキサジアゾール、チアジアゾール、フェニルピリジン、フェニルベンゾイミダゾール、キノリン構造などを有する金属錯体などを挙げることができる。特に中心金属にＩｒ、Ｐｔ、Ｅｕ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅを用いた金属錯体は高効率のリン光材料として利用できる。

（高分子系材料）
高分子系材料としては、ポリパラフェニレンビニレン誘導体、ポリチオフェン誘導体、ポリパラフェニレン誘導体、ポリシラン誘導体、ポリアセチレン誘導体、ポリフルオレン誘導体、ポリビニルカルバゾール誘導体、上記色素体や金属錯体系発光材料を高分子化したものなどが挙げられる。

上記発光性材料のうち、青色に発光する材料としては、ジスチリルアリーレン誘導体、オキサジアゾール誘導体、およびそれらの重合体、ポリビニルカルバゾール誘導体、ポリパラフェニレン誘導体、ポリフルオレン誘導体などを挙げることができる。なかでも高分子材料のポリビニルカルバゾール誘導体、ポリパラフェニレン誘導体やポリフルオレン誘導体などが好ましい。

また、緑色に発光する材料としては、キナクリドン誘導体、クマリン誘導体、およびそれらの重合体、ポリパラフェニレンビニレン誘導体、ポリフルオレン誘導体などを挙げることができる。なかでも高分子材料のポリパラフェニレンビニレン誘導体、ポリフルオレン誘導体などが好ましい。

また、赤色に発光する材料としては、クマリン誘導体、チオフェン環化合物、およびそれらの重合体、ポリパラフェニレンビニレン誘導体、ポリチオフェン誘導体、ポリフルオレン誘導体などを挙げることが出来る。なかでも高分子材料のポリパラフェニレンビニレン誘導体、ポリチオフェン誘導体、ポリフルオレン誘導体などが好ましい。

（ドーパント材料）
発光層中に発光効率の向上や発光波長を変化させるなどの目的で、ドーパントを添加することができる。このようなドーパントとしては、例えば、ペリレン誘導体、クマリン誘導体、ルブレン誘導体、キナクリドン誘導体、スクアリウム誘導体、ポルフィリン誘導体、スチリル系色素、テトラセン誘導体、ピラゾロン誘導体、デカシクレン、フェノキサゾンなどを挙げることができる。なお、このような発光層の厚さは、通常約２０〜２０００Åである。

また、発光層と他の電荷輸送性材料とを積層する場合には、上記成膜方法で発光層を設ける前に、陽極上に正孔輸送層を形成する、または、発光層を設けた後に電子輸送層を形成することが望ましい。

（正孔輸送層）
正孔輸送層は、陽極と発光層との間、または正孔注入層と発光層との間に設けられる。正孔輸送層を形成する正孔輸送性材料としては、例えば、トリフェニルアミン類、ビス類、ピラゾリン誘導体、ポリフィリン誘導体に代表される複素環化合物、ポリマー系では上記単量体を側鎖に有するポリカーボネート、スチレン誘導体、ポリビニルカルバゾール、ポリシランが挙げられる。正孔輸送層の膜厚としては、１nm〜１μm程度が好ましい。

（正孔注入層）
正孔注入層は、陽極と正孔輸送層との間、または陽極と発光層との間に設けることができる。正孔注入層を形成する材料としては、フェニルアミン系、スターバースト型アミン系、フタロシアニン系、酸化バナジウム、酸化モリブデン、酸化ルテニウム、酸化アルミニウム等の酸化物、アモルファスカーボン、ポリアニリン、ポリチオフェン誘導体等が挙げられる。

（電子輸送層）
電子輸送層は、発光層と陰極との間、または発光層と電子注入層との間に設けることができる。電子輸送層を形成する材料としては、例えば、オキサジアゾール類、アルミニウムキノリノール錯体など、一般的に安定なラジカルアニオンを形成し、イオン化ポテンシャルの大きい物質が挙げられる。具体的には、１，３，４−オキサジアゾール誘導体、１，２，４−トリアゾール誘導体、イミダゾール誘導体などが挙げられる。電子輸送層の膜厚としては、１nm〜１μm程度が好ましい。

（電子注入層）
電子注入層は、電子輸送層と陰極との間、または発光層と陰極との間に設けられる。電子注入層としては、発光層の種類に応じて、Ｃａ層の単層構造からなる電子注入層、または、Ｃａを除いた周期律表ＩＡ族とＩＩＡ族の金属であり、かつ、仕事関数が１．５〜３．０eVの金属およびその金属の酸化物、ハロゲン化物および炭酸化物の何れか１種または２種以上で形成された層とＣａ層との積層構造からなる電子注入層を設けることができる。仕事関数が１．５〜３．０eVの、周期律表ＩＡ族の金属またはその酸化物、ハロゲン化物、炭酸化物の例としては、リチウム、フッ化リチウム、酸化ナトリウム、酸化リチウム、炭酸リチウム等が挙げられる。また、仕事関数が１．５〜３．０eVの、Ｃａを除いた周期律表ＩＩＡ族の金属またはその酸化物、ハロゲン化物、炭酸化物の例としては、ストロンチウム、酸化マグネシウム、フッ化マグネシウム、フッ化ストロンチウム、フッ化バリウム、酸化ストロンチウム、炭酸マグネシウム等が挙げられる。電子注入層は、蒸着法、スパッタリング法、印刷法等により形成される。電子注入層の膜厚としては、１nm〜１μm程度が好ましい。

なお、本発明の目的および効果を損なわない範囲であれば、上述した層以外の機能層が設けられていても構わない。このような機能層としては、通常の有機ＥＬ素子または発光表示体に用いられている低屈折率層、反射層、光吸収層、バリアー層、封止剤等が挙げられる。また、隔壁が設けられているものも含まれる。

図１は、単一光源による照明光通信システムの概略図である。この通信システムは、送信装置１と受信装置２とを主体に構成されている。送信装置１は、制御回路３と、有機ＥＬ光源４とを有する。照明用光源としての有機ＥＬ光源４は、制御回路３によって制御され、送信すべきデータ(送信情報）に応じて変調された変調光（例えば、点滅制御された光または光量制御された光）を受信装置２に向けて出射する。受信装置２は、受光部５と復調部６とを有する。受光部５は、光電変換装置を内蔵しており、有機ＥＬ光源４より出射された変調光を受光し、これを電気信号に変換する。復調部６は、受光部５によって変換された電気信号から、元のデータ(送信情報）を復調する。

送信装置１が受信装置２に対してデータを送信しない状態においては、有機ＥＬ光源４をそのまま照明装置として利用することができる。一方、送信装置１がデータを送信する場合には、送信すべきデータが制御回路３に供給される。データの供給を受けた制御回路３は、このデータに基づいて有機ＥＬ光源４を制御する。これによって、送信すべきデータによって変調された変調光が有機ＥＬ光源４から出射される。上述したように有機ＥＬ光源４は、高速応答性を有するので、高速に点滅させたり、高速に光量を変化させたりしても、視覚的には感知されず、ほぼ一定の光量で光っているように見える。したがって、有機ＥＬ光源４から出射された変調光は、人に違和感を与えることなく、そのまま照明光としても利用することができる。

１Ｇbps程度以上の大容量の伝送を行なうためには、送信装置１において多数の有機ＥＬ光源４を二次元的に配列し、これらを並列に動作させればよい。このような並列システムを従来のＬＥＤを用いて実現するためには、多数のＬＥＤを二次元的に配列し、分割器との配線接続を行なう必要があり、システムとして大型にならざるを得なかった。白色ＬＥＤに代えて有機ＥＬを用いると、出来上がった個々の発光素子を配線ボード上に後から配列するのではなく、有機ＥＬ素子を二次元的に配置した集積デバイスを基板上に最初から製造できるので、分割器などの素子を加えても非常にコンパクトな送信装置１を実現できる。

図２は、複数光源による照明光通信システムの概略図である。この構成は、図１に示した構成をベースに、有機ＥＬ光源４および受光部５のセットを複数設け、送信装置１に直列／並列変換回路７を追加し、更に、受信装置２に並列／直列変換回路８とレンズ９とを追加したものである。送信装置１において、複数の有機ＥＬ光源４は、二次元的に配置されている。なお、図１に示した回路要素と同一のものについては、同一の符号を付して、ここでの説明を省略する。

直列／並列変換器７は、送信すべきシリアルデータを複数のパケット（パラレルデータ）に分割し、分割された個々のパケットを有機ＥＬ光源４のそれぞれに供給する。これによって、各有機ＥＬ光源４は、各々のパケットに応じて変調された変調光を出射する。出射された変調光は、レンズ９によって空間的に分離された上で、各受光部５におけるピクセルで受信される。各ピクセルで受信された光は、図示しないＡ／Ｄコンバータによってデジタル化され、並列／直列変換回路８によってシリアルデータに変換される。復調部６は、このシリアルデータから元のデータを復調する。このように、多数の有機ＥＬ光源４を並列に駆動することによって、大容量のデータを高速で伝送することができる。

図２に示した送信装置１において、有機ＥＬ光源４の制御(変調制御を含む）は、外部駆動回路としてのドライバＩＣを用いて行ってもよいが、それぞれの有機ＥＬ発光光源４（または有機ＥＬ素子）と、制御回路３等を構成する回路素子とを一体化して形成してもよい。このような回路素子として薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）を用いることができる。薄膜トランジスタとしては、ポリシリコントランジスタ、アモルファスシリコントランジスタ、有機半導体材料を用いた有機トランジスタ等が知られている。薄膜トランジスタと有機ＥＬ素子とを一体形成することで、送信装置１の一層の小型化が可能になる。

つぎに、上述した照明光通信システムの送信装置１の一例として、アクティブマトリクス型光源を用いた送信装置について説明する。アクティブマトリクス型とは、最小発光単位である発光素子をマトリクス状に配列し、それぞれの発光素子の駆動をＴＦＴ等の駆動素子によって行うタイプをいう。発光素子の一例としての有機ＥＬ素子を用いてアクティブマトリクス型光源を構成した場合、その駆動方法は、電流プログラム方式および電圧プログラム方式の二種類に大別される。「電流プログラム方式」とは、データ線に対するデータの供給を電流ベースで行う方式をいい、「電圧プログラム方式」とは、データ線に対するデータの供給を電圧ベースで行う方法をいう。

（電流プログラム方式）
図３は、アクティブマトリクス型光源を用いた送信装置のブロック構成図である。照明用光源１０は、例えば、ＴＦＴ等の駆動素子によって有機ＥＬ素子を駆動するアクティブマトリクス型のパネルである。この照明用光源１０には、ｍドット×ｎライン分の発光素子１１がマトリクス状（二次元平面的）に並んでいる。また、照明用光源１０には、それぞれが水平方向に延在している走査線群Ｙ1〜Ｙnと、それぞれが垂直方向に延在しているデータ線群Ｘ1〜Ｘmとが設けられており、これらの交差に対応して発光素子１１が配置されている。なお、本実施形態では、１つの発光素子１１を最小発光単位としているが、１つの発光素子１１をＲＧＢの３つのサブ素子で構成してもよい。また、同図では、それぞれの発光素子１１に対して所定の電圧Ｖdd，Ｖssを供給する電源線等が省略されている。

図４は、電流プログラム方式における発光素子１１の回路図である。１つの発光素子１１は、発光素子の一例としての有機ＥＬ素子OLED、４つのトランジスタＴ1〜Ｔ4、および、データを保持するキャパシタＣで構成されている。トランジスタＴ1，Ｔ2，Ｔ4はｎチャネル型であり、トランジスタＴ3はｐチャネル型であるが、これは一例であって、本発明はこれに限定されるものではない。

ダイオードとして表記された有機ＥＬ素子OLEDは、自己を流れる駆動電流Ｉoledによって輝度が設定される。トランジスタＴ1のゲートは、走査信号ＳＥＬが供給される１本の走査線Ｙに接続され、そのソースは、データ電流Ｉdataが供給される１本のデータ線Ｘに接続されている。このトランジスタＴ1のドレインは、トランジスタＴ2のソース、トランジスタＴ3のドレインおよびトランジスタＴ4のドレインに共通接続されている。トランジスタＴ2のゲートは、トランジスタＴ1と同様に、走査信号ＳＥＬが供給される走査線Ｙに接続されている。トランジスタＴ2のドレインは、キャパシタＣの一方の電極と、トランジスタＴ3のゲートとに共通接続されている。キャパシタＣの他方の電極とトランジスタＴ3のソースとには、電源電圧Ｖddが印加されている。駆動信号ＧＰがゲートに供給されたトランジスタＴ4は、トランジスタＴ3のドレインと有機ＥＬ素子OLEDのアノード（陽極）との間に設けられている。この有機ＥＬ素子OLEDのカソード（陰極）には、電源電圧Ｖddよりも低い基準電圧Ｖssが印加されている。なお、データを保持する回路要素として、キャパシタＣの代わりに、多ビットのデータを記憶可能なメモリ（ＳＲＡＭ等）を用いることもできる。

図５は、図４に示した発光素子１１の動作タイミングチャートである。走査線駆動回路１２による走査線Ｙ1〜Ｙnの線順次走査によって、ある発光素子１１の選択が開始されるタイミングをｔ0とし、この発光素子１１の選択が次に開始されるタイミングをｔ2とする。この期間ｔ0〜ｔ2は、前半のプログラミング期間ｔ0〜ｔ1と、後半の駆動期間ｔ1〜ｔ2とに分けられる。

プログラミング期間ｔ0〜ｔ1では、キャパシタＣに対するデータの書き込みが行われる。まず、タイミングｔ0において、走査信号ＳＥＬが高レベル（以下「Ｈレベル」という）に立ち上がり、スイッチング素子として機能するトランジスタＴ1，Ｔ2が共にオン（導通）する。これにより、データ線ＸとトランジスタＴ3のドレインとが電気的に接続されるとともに、トランジスタＴ3は、自己のゲートと自己のドレインとが電気的に接続されたダイオード接続となる。トランジスタＴ3は、データ線Ｘより供給されたデータ電流Ｉdataを自己のチャネルに流し、このデータ電流Ｉdataに応じた電圧がゲート電圧Ｖgとして発生する。トランジスタＴ3のゲートに接続されたキャパシタＣには、発生したゲート電圧Ｖgに応じた電荷が蓄積され、蓄積された電荷量に相当するデータが書き込まれる。

プログラミング期間ｔ0〜ｔ1において、トランジスタＴ3は、自己のチャネルを流れるデータ信号に基づいて、キャパシタＣに対するデータの書き込みを行うプログラミングトランジスタとして機能する。また、駆動信号ＧＰが低レベル（以下「Ｌレベル」という）に維持されているため、トランジスタＴ4はオフ（非導通）のままである。したがって、有機ＥＬ素子OLEDに対する駆動電流Ｉoledの経路はトランジスタＴ4によって遮断され、有機ＥＬ素子OLEDは発光しない。

続く駆動期間ｔ1〜ｔ2では、駆動電流Ｉoledが有機ＥＬ素子OLEDを流れて、有機ＥＬ素子OLEDの輝度の設定が行われる。まず、タイミングｔ1において、走査信号ＳＥＬがＬレベルに立ち下がり、トランジスタＴ1，Ｔ2が共にオフする。これにより、データ電流Ｉdataが供給されるデータ線ＸとトランジスタＴ3のドレインとが電気的に分離され、トランジスタＴ3のゲートとドレインとの間も電気的に分離される。トランジスタＴ3のゲートには、キャパシタＣの蓄積電荷に応じたゲート電圧Ｖgが印加され続ける。タイミングｔ1における走査信号ＳＥＬの立ち下がりと同期（同一タイミングであるとは限らない）して、それ以前はＬレベルだった駆動信号ＧＰがＨレベルに立ち上がる。これにより、電源電圧Ｖddから基準電圧Ｖssに向かって、トランジスタＴ3，Ｔ4と有機ＥＬ素子OLEDとを介した駆動電流Ｉoledの経路が形成される。有機ＥＬ素子OLEDを流れる駆動電流Ｉoledは、トランジスタＴ3のチャネル電流に相当し、その電流レベルは、キャパシタＣの蓄積電荷に起因したゲート電圧Ｖgによって制御される。駆動期間ｔ1〜ｔ2において、トランジスタＴ3は、有機ＥＬ素子OLEDに駆動電流Ｉoledを供給する駆動トランジスタとして機能する。その結果、有機ＥＬ素子OLEDは、この駆動電流Ｉoledに応じて、換言すれば、キャパシタＣに保持されたデータに応じて変調された発光強度で発光する。

図３に示すように、照明用光源１０を駆動するための駆動回路は、走査線駆動回路１２とデータ線駆動回路１３とによって構成されており、両者は、図示しない上位装置による同期制御の下、互いに協働して動作する。走査線駆動回路１２は、シフトレジスタ、出力回路等を主体に構成されており、走査線Ｙ1〜Ｙnに走査信号ＳＥＬを出力することによって、走査線Ｙ1〜Ｙnを所定の選択順序で順番に選択する線順次走査を行う。走査信号ＳＥＬは、ＨレベルまたはＬレベルの２値的な信号レベルをとり、データの書込対象となる行（１水平ライン分の発光素子群）に対応する走査線ＹはＨレベル、これ以外の走査線ＹはＬレベルにそれぞれ設定される。そして、１垂直走査期間（１Ｆ）において、所定の選択順序で、それぞれの行が順番に選択されていく。なお、走査線駆動回路１２は、走査信号ＳＥＬ以外に、図２に示したトランジスタＴ4を導通制御する駆動信号ＧＰ（またはそのベース信号）も出力する。この駆動信号ＧＰによって、駆動期間、すなわち、発光素子１１中に含まれる有機ＥＬ素子OLEDの輝度設定を行う期間が設定される。

一方、データ線駆動回路１３は、走査線駆動回路１２による線順次走査と同期して、それぞれのデータ線Ｘ1〜Ｘmに対するデータ信号の供給を電流ベースで行う。電流プログラム方式の場合、データ線駆動回路１３は、発光素子１１より出射される変調光の変調度合いを規定するデータ（データ電圧Ｖdata）をデータ電流Ｉdataへと変換する可変電流源を含む。データ線駆動回路１３は、１水平走査期間（１Ｈ）において、今回データを書き込む行に対するデータ電流Ｉdataの一斉出力と、次の水平走査期間で書き込みを行う行に関するデータの点順次的なラッチとを同時に行う。ある水平走査期間において、データ線Ｘの本数に相当するｍ個のデータが順次ラッチされる。そして、次の水平走査期間において、ラッチされたｍ個のデータは、データ電流Ｉdataに変換された上で、それぞれのデータ線Ｘ1〜Ｘmに対して一斉に出力される。

ここで、走査線駆動回路１２およびデータ線駆動回路１３は、照明用光源１０に設定されたサブ光源単位で、複数のサブ光源を並列に駆動する。図６に示すように、サブ光源Ａ〜Ｄは、照明用光源１０を縦横に領域分割することによって規定され、同図の例では照明用光源１０を４分割することによって、４つのサブ光源が設定されている。サブ光源Ａ〜Ｄのそれぞれは、その内部に存在する複数の発光素子１１によって構成される。同一のサブ光源に属する複数の発光素子１１は、すべて同一の発光状態になるように制御されるが、異なるサブ光源については互いに独立かつ並列に制御される。これにより、照明用光源１０には、４つの独立した伝送チャネルが形成されることになる。走査線Ｙ1〜Ｙjが選択されている状態でデータ線Ｘ1〜Ｘiに供給されたデータ（すべて同一の電流レベル）は、サブ光源Ａ内の各発光素子１１に共通に供給され、これによって、サブ光源Ａの発光状態が制御される。また、この状態でデータ線Ｘi+1〜Ｘmに供給されたデータは、サブ光源Ｂ内の各発光素子１１に共通に供給され、これによって、サブ光源Ｂの発光状態が制御される。一方、走査線Ｙj+1〜Ｙnが選択されている状態でデータ線Ｘ1〜Ｘiに供給されたデータは、サブ光源Ｃ内の各発光素子１１に共通に供給され、これによって、サブ光源Ｃの発光状態が制御される。また、この状態でデータ線Ｘi+1〜Ｘmに供給されたデータは、サブ光源Ｄ内の各発光素子１１に共通に供給され、これによって、サブ光源Ｄの発光状態が制御される。以下の説明では、サブ光源Ａ，Ｂに対応した走査線Ｙ1〜Ｙjを「走査線Ｙab」と総称し、サブ光源Ｃ，Ｄに対応した走査線Ｙj+1〜Ｙnを「走査線Ｙcd」と総称する。同様に、サブ光源Ａ，Ｃに対応したデータ線Ｘ1〜Ｘiを「データ線Ｘac」、サブ光源Ｂ，Ｄに対応したデータ線Ｘi+1〜Ｘmを「データ線Ｘbd」とそれぞれ総称する。

図７は、１フレームにおける照明用光源の動作タイミングチャートである。最上の走査線Ｙ1から最下の走査線Ｙmに向かって走査線Ｙが順次選択されていくものとする。この場合、照明用光源１０全体に対してデータ書き込みを行うのに要する１フレーム期間ｔ0〜ｔ2は、前半のサブ光源Ａ，Ｂ選択期間ｔ0〜ｔ1と、後半のサブ光源Ｃ，Ｄ選択期間ｔ1〜ｔ2とに分けられる。

サブ光源Ａ，Ｂ選択期間ｔ0〜ｔ1は、走査線Ｙabに属する走査線Ｙ1の選択が開始されてから走査線Ｙjの選択が終了するまでの期間に相当する。この期間ｔ0〜ｔ1において、データ線Ｘacにはサブ光源Ａ用のデータＤaが共通して供給され、このデータＤaに応じたレベルにデータ線Ｘacが維持される。データ線Ｘacには、サブ光源Ａのみならずサブ光源Ｃも接続されているが、走査線Ｙcdが非選択なのでサブ光源Ｃは電気的に分離されている。したがって、データ線Ｘacに供給されたデータＤaは、サブ光源Ａにのみ供給され、これに応じた書き込みがサブ光源Ａにおいて行われる。また、この期間ｔ0〜ｔ1において、データ線Ｘbdにはサブ光源Ｂ用のデータＤbが共通して供給され、このデータＤbに応じたレベルにデータ線Ｘbdが維持される。データ線Ｘbdには、サブ光源Ｂのみならずサブ光源Ｄも接続されているが、走査線Ｙcdが非選択なのでサブ光源Ｄは電気的に分離されている。したがって、データ線Ｘbdに供給されたデータＤbは、サブ光源Ｂにのみ供給され、これに応じた書き込みがサブ光源Ｂにおいて行われる。

一方、サブ光源Ｃ，Ｄ選択期間ｔ1〜ｔ2は、走査線Ｙcdに属する走査線Ｙj+1の選択が開始されてから走査線Ｙnの選択が終了するまでの期間に相当する。この期間ｔ1〜ｔ2において、データ線Ｘacにはサブ光源Ｃ用のデータＤcが共通して供給され、このデータＤcに応じたレベルにデータ線Ｘacが維持される。その際、データ線Ｘacに接続されたサブ光源Ａは、走査線Ｙabが非選択なので電気的に分離されている。したがって、データ線Ｘacに供給されたデータＤcは、サブ光源Ｃにのみ供給され、これに応じた書き込みがサブ光源Ｃにおいて行われる。また、期間ｔ1〜ｔ2において、データ線Ｘbdにはサブ光源Ｄ用のデータＤdが共通して供給され、このデータＤdに応じたレベルにデータ線Ｘbdが維持される。その際、データ線Ｘbdに接続されたサブ光源Ｂは、走査線Ｙabが非選択なので電気的に分離されている。したがって、データ線Ｘbdに供給されたデータＤdは、サブ光源Ｂにのみ供給され、これに応じた書き込みがサブ光源Ｄにおいて行われる。

なお、図７は、同一のサブ光源に対応する走査線群を順次走査するケースを例示したが、駆動回路の駆動能力を十分に確保できるのであれば、この走査線群を同時に一括選択してもよい。この点は、次に述べる電圧プログラム方式においても同様である。

（電圧プログラム方式）
電圧プログラム方式であっても、送信装置の全体的な構成については図３に示したものとほぼ同様であるが、データ電圧Ｖdataをデータ線Ｘにそのまま出力する関係上、データ線駆動回路４の可変電流源が不要になる。図８は、電圧プログラム方式における発光素子１１の回路図であり、特に、ＣＣ（Conductance Control）法と呼ばれるものに関する。１つの発光素子１１は、有機ＥＬ素子OLED、３つのトランジスタＴ1，Ｔ4，Ｔ5およびキャパシタＣによって構成されている。トランジスタＴ1，Ｔ4，Ｔ5のタイプはすべてｎチャネル型であるが、これは一例であって、本発明はこれに限定されるものではない。

スイッチングトランジスタＴ1のゲートは、走査信号ＳＥＬが供給される走査線に接続され、そのドレインは、データ電圧Ｖdataが供給されるデータ線Ｘに接続されている。スイッチングトランジスタＴ1のソースは、キャパシタＣの一方の電極と、駆動トランジスタＴ4のゲートとに共通接続されている。キャパシタＣの他方の電極には電位Ｖssが印加されており、駆動トランジスタＴ4のドレインには電源電位Ｖddが印加されている。制御トランジスタＴ5は、駆動信号ＧＰによって導通制御され、そのソースは、有機ＥＬ素子OLEDのアノードに接続されている。この有機ＥＬ素子OLEDのカソードには、電位Ｖssが印加されている。

図９は、図８に示した発光素子１１の動作タイミングチャートである。まず、タイミングｔ0において、走査線ＳＥＬがＨレベルに立ち上がり、スイッチングトランジスタＴ1がオンする。これにより、データ線Ｘに供給されたデータ電圧Ｖdataが、スイッチングトランジスタＴ1を介して、キャパシタＣの一方の電極に印加され、データ電圧Ｖdata相当の電荷がキャパシタＣに蓄積される（データの書き込み）。なお、タイミングｔ0からタイミングｔ1までの期間において、駆動信号ＧＰはＬレベルに維持されるため、制御トランジスタＴ5はオフのままである。したがって、有機ＥＬ素子OLEDに対する駆動電流Ｉoledの電流経路が遮断されるため、前半の期間ｔ0〜ｔ1において、有機ＥＬ素子OLEDは発光しない。

前半の期間ｔ0〜ｔ1に続く後半の期間ｔ1〜ｔ2では、キャパシタＣに蓄積された電荷に応じた駆動電流Ｉoledが有機ＥＬ素子OLEDを流れ、有機ＥＬ素子OLEDが発光する。タイミングｔ1では、走査信号ＳＥＬがＬレベルに立ち下がり、スイッチングトランジスタＴ1がオフする。これにより、キャパシタＣの一方の電極に対するデータ電圧Ｖdataの印加が停止するが、キャパシタＣの蓄積電荷によって、駆動トランジスタＴ4のゲートにはゲート電圧Ｖg相当が印加される。タイミングｔ1における走査信号ＳＥＬの立ち下がりと同期して、それ以前はＬレベルだった駆動信号ＧＰは、Ｈレベルに立ち上がり、発光素子１１の次の選択が開始されるタイミングｔ2に至るまでＨレベルが継続される。これにより、駆動電流Ｉoledの電流経路が形成され、有機ＥＬ素子OLEDは、キャパシタＣに保持されたデータに応じて変調された発光強度で発光する。

電圧プログラム方式においても、電流プログラム方式と同様、図７で示した動作タイミングチャートにしたがって、図６に示したサブ光源Ａ〜Ｄの並列駆動を実現できる。

このように、本実施形態によれば、照明光通信システムの照明用光源１０として、高速応答性を材質的な特長とする有機ＥＬ光源を用いる。これにより、従来の白色ＬＥＤと比較して、単位時間当たりのデータ送信量を高めることができるので、大容量のデータを高速で伝送することが可能になる。

また、本実施形態によれば、照明用光源１０を複数のサブ光源Ａ〜Ｄに分割し、これらを並列に駆動させる。これにより、データを並列に伝送できるので、大容量のデータを高速で伝送することが可能になる。また、サブ光源Ａ〜Ｄを複数の発光素子１１で構成することにより、照明光通信を行うのに必要な光量を容易に確保することができる。さらに、照明用光源１０を構成するすべての発光素子１１に対するデータの書き込みを一括で行うのではなく、走査線の選択による部分的な書き込みを繰り返すことによって順次行う。これにより、駆動能力が高い駆動回路を必要とすることなく、走査線の選択やデータ線へのデータ出力を高速化でき、結果的に、データ書き込みの高速化を図ることが可能になる。

単一光源による照明光通信システムの概略図 複数光源による照明光通信システムの概略図 アクティブマトリクス型光源を用いた送信装置のブロック構成図 電流プログラム方式における発光素子の回路図 電流プログラム方式における発光素子の動作タイミングチャート サブ光源の説明図 １フレームにおける照明用光源の動作タイミングチャート 電圧プログラム方式における発光素子の回路図 電圧プログラム方式における発光素子の動作タイミングチャート

符号の説明

１ 送信装置
２ 受信装置
３ 制御回路
４ 有機ＥＬ光源
５ 受光部
６ 復調部
７ 直列／並列変換回路
８ 並列／直列変換回路
９ レンズ
１０ 照明用光源
１１ 発光素子
１２ 走査線駆動回路
１３ データ線駆動回路

Claims (10)

1. 照明光通信システムにおいて、
   送信すべきデータに応じて変調された変調光を照明用光源としての有機ＥＬ光源より出射する送信装置と、
   前記照明用光源より出射された変調光を受光して電気信号に変換し、当該変換された電気信号から前記データを復調する受信装置と
   を有することを特徴とする照明光通信システム。
2. 前記照明用光源は、複数の有機ＥＬ素子によって構成されており、
   前記有機ＥＬ素子のそれぞれの発光面積は、１０^-8cm²以上１０^-1cm²以下であることを特徴とする請求項１に記載された照明光通信システム。
3. 前記照明用光源は、
   送信すべきデータに応じて変調された変調光を出射する通信用の有機ＥＬ素子と、
   一定の非変調光を出射する照明用の有機ＥＬ素子と
   を有することを特徴とする請求項１に記載された照明光通信システム。
4. 前記通信用の有機ＥＬ素子は、蛍光を利用した発光材料を用いて形成されており、
   前記照明用の有機ＥＬ素子は、リン光を利用した発光材料を用いて形成されていることを特徴とする請求項３に記載された照明光通信システム。
5. 前記送信装置は、前記照明用光源を構成するそれぞれの有機ＥＬ素子を制御する制御回路を含み、
   前記制御回路は、前記有機ＥＬ素子のそれぞれに一体化して形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載された照明光通信システム。
6. 照明光通信用の送信装置において、
   複数の走査線と、
   複数のデータ線と、
   前記走査線と前記データ線との交差に対応してマトリクス状に設けられた複数の発光素子によって構成された照明用光源と、
   データの書込対象となる発光素子に対応する前記走査線を選択するとともに、当該書込対象となる発光素子に対応する前記データ線に対して、受信装置に送信すべきデータを出力することによって、前記照明用光源を駆動する駆動回路とを有し、
   前記駆動回路は、前記照明用光源を複数の領域に分割することによって規定されたサブ光源単位で、複数のサブ光源を並列に駆動するとともに、同一のサブ光源に属する発光素子群に対しては、同一のデータを供給することを特徴とする照明光通信用の送信装置。
7. 前記駆動回路は、前記同一のサブ光源に対応する複数の前記走査線を順次または同時に選択するとともに、当該複数の走査線の選択期間において、前記同一のサブ光源に対応する複数の前記データ線のレベルを前記同一のデータに応じたレベルに維持することを特徴とする請求項６に記載された照明光通信用の送信装置。
8. 前記発光素子は、
   前記データ線を介して供給されたデータを保持する保持手段と、
   前記保持手段に保持されたデータに応じて変調された発光強度で発光する有機ＥＬ素子と
   を有することを特徴とする請求項６または７に記載された照明光通信用の送信装置。
9. 前記駆動回路は、前記データ線に対して、前記データに応じた電流レベルを有するデータ電流を出力し、
   前記発光素子のそれぞれは、プログラミングトランジスタをさらに有し、
   前記保持手段に対するデータの書き込みは、前記プログラミングトランジスタのチャネルに前記データ電流が流れることにより発生するゲート電圧に基づいて行われることを特徴とする請求項８に記載された照明光通信用の送信装置。
10. 前記駆動回路は、前記データ線に対して、前記データに応じた電圧レベルを有するデータ電圧を出力し、
    前記保持手段に対するデータの書き込みは、前記データ電圧に基づいて行われることを特徴とする請求項８に記載された照明光通信用の送信装置。

Images