(57)【要約】【課題】光通信送受信器は、抵抗と直列に結合したＬＥＤを含む。【解決手段】マイクロプロセッサは、ＬＥＤに接続される１つのＩ／Ｏピンを有する。第１モードすなわち送信モードでは、ＬＥＤは、周期的に順バイアスで駆動することにより発光してデータを送信する。第２すなわち受信モードでは、ＬＥＤは、周期的に逆バイアス以外、例えば逆バイアスまたはゼロバイアスで駆動される。続いてＬＥＤは、光電流を用いてＬＥＤの接合部の静電容量の充電量が変化させられる。充電量の変化はタイマを用いて測定される。充電量の変化が所定しきい値を超えた時、入力光が読み取られる。こうして、ＬＥＤは第２モードにおいてデータを受信するために使用されることが可能である。
2005522089.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
順バイアスでＬＥＤを周期的に駆動し、発光することによりデータを送信する手段と、
非順バイアスで前記ＬＥＤを周期的に駆動する手段であって、非順バイアスで前記ＬＥＤを駆動した後に前記ＬＥＤの静電容量の充電量を光学的に変化させ、光のレベルを測定することによりデータを受信する手段と
を備える光通信送受信器。
【請求項２】
前記ＬＥＤは逆バイアスで駆動され、続いて光電流を容量的に放電することによって、前記光のレベルを測定する請求項１に記載の光通信送受信器。
【請求項３】
前記ＬＥＤはゼロバイアスで駆動され、続いて光電流を容量的に充電することによって、前記光のレベルを測定する請求項１に記載の光通信送受信器。
【請求項４】
透明媒質により結合した複数の送受信器をさらに備える請求項１に記載の光通信送受信器。
【請求項５】
前記送受信器を別の送受信器と同期させる位相同期手段をさらに備える請求項１に記載の光通信送受信器。
【請求項６】
第１の送受信器がプログラム可能鍵に埋め込まれ、第２の送受信器がプログラム可能錠に埋め込まれる請求項１に記載の光通信送受信器。
【請求項７】
前記ＬＥＤはさらに、発光時に電源オンインジケータとして動作する請求項１に記載の光通信送受信器。
【請求項８】
前記ＬＥＤは発光時にフラッシュライトとして動作する請求項１に記載の光通信送受信器。
【請求項９】
前記ＬＥＤは器具に埋め込まれる請求項１に記載の光通信送受信器。
【請求項１０】
前記ＬＥＤは玩具に埋め込まれる請求項１に記載の光通信送受信器。
【請求項１１】
抵抗と直列に結合するＬＥＤと、
前記ＬＥＤに接続される第１Ｉ／Ｏピンおよび前記抵抗に結合する第２Ｉ／Ｏピンを有するマイクロプロセッサと、
順バイアスで前記ＬＥＤを周期的に駆動し、発光することによりデータを送信する手段と、
逆バイアスで前記ＬＥＤを周期的に駆動する手段と、
逆バイアスで前記ＬＥＤを駆動した後に前記ＬＥＤを光学的に放電させ、光のレベルを測定することによりデータを受信する手段と
を備える光通信送受信器。
【請求項１２】
抵抗と直列に結合するＬＥＤと、
前記ＬＥＤに接続されるＩ／Ｏピンおよび前記抵抗に結合するグラウンドを有するマイクロプロセッサと、
前記Ｉ／Ｏピンをハイに設定することで順バイアスで前記ＬＥＤを周期的に駆動し、発光することによりデータを送信する手段と、
前記Ｉ／Ｏピンをローに設定し、前記ＬＥＤを光学的に充電させるように前記Ｉ／Ｏピンを入力状態に設定することで、ゼロバイアスで前記ＬＥＤを周期的に駆動する手段と、
光のレベルを測定してデータを受信する手段と
を備える光通信送受信器。
【請求項１３】
抵抗と直列に結合するＬＥＤと、
前記抵抗に接続されるＩ／Ｏピンおよび前記ＬＥＤに結合するグラウンドを有するマイクロプロセッサと、
前記Ｉ／Ｏピンをハイに設定することで順バイアスで前記ＬＥＤを周期的に駆動し、発光することによりデータを送信する手段と、
前記Ｉ／Ｏピンをローに設定し、前記ＬＥＤを光学的に充電させるように前記Ｉ／Ｏピンを入力状態に設定することで、ゼロバイアスで前記ＬＥＤを周期的に駆動する手段と、
光のレベルを測定してデータを受信する手段と
を備える光通信送受信器。
【請求項１４】
順バイアスでＬＥＤを周期的に駆動し、発光することによりデータを送信することと、
非順バイアスで前記ＬＥＤを周期的に駆動し、非順バイアスで前記ＬＥＤを駆動した後に前記ＬＥＤの静電容量の充電量を光学的に変化させることと、
前記充電量のレベルを測定し、光を測定してデータを受信することと
を含むデータ送受信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には、発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、特に、双方向光通信のために使用されるＬＥＤに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、安価であり、光源として広く使用されている。その多様な応用例として、数字ディスプレイ、フラッシュライト、液晶バックライト、車両ブレーキ灯、交通信号、バックライト、ならびにほとんどあらゆる電子機器や現在の電気器具の至る所にある電源オンインジケータライトがある。
【０００３】
ＬＥＤはほとんどの場合、発光器として使用されるので、フォトダイオード、すなわち光検出器としても動作することができることを忘れがちである。ほとんどのＬＥＤは発光器として設計されており、光検出器として設計されてはいないが、すべてのＬＥＤは事実上いずれのモードでも動作することができる。
【０００４】
固体発光と光検出の間のこの互換性は１９７０年代にはじめて記載されたが、それ以来ＬＥＤ利用者には概ね忘れられている。Mims著「Siliconnections: Coming of Age in the Electronic Era」McGraw-Hill, New York, NY, 1986、およびMims著「LED Circuits and Projects」 Howard W. Sams and Co., Inc., New York, NY, 1973を参照されたい。
【０００５】
発光ダイオードは、小電流がダイオードを適当な方向に加えられる時、すなわち順バイアス時には、かなり狭い周波数帯で発光する。その電流−電圧特性は指数関数的であるので、所望の電流を得るのに十分に正確に、ＬＥＤの両端に直接印加される電圧を制御することは困難である。
【０００６】
したがって、電流を制限するために何らかの手段を設けなければならない。ディスクリート電子回路システムでは、これは通常、ＬＥＤと直列に抵抗を配置することによって行われる。ほとんどのマイクロプロセッサＩ／Ｏピンは、供給することができるよりも大きい電流を吸い込むことができ、図１に示す構成は、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラからＬＥＤを駆動する最も一般的な方法である。
【０００７】
図１は、典型的な従来技術のＬＥＤ発光器回路１００を示している。マイクロプロセッサコントローラ１００のＩ／Ｏピン１０１は、電流の量を制限する抵抗１０３を用いて、ＬＥＤ１０２を通して電流の吸い込みを行うのに使用される。
【０００８】
ＬＥＤを使用する１つの重要な応用例は光信号通信である。ほとんどの従来技術の光通信の応用例では、ＬＥＤが送信器で使用され、フォトダイオードが受信器で使用される。さらに、各構成要素は通常、専用に設計された回路によって個別に駆動される。フォトダイオードはほとんどの場合、特定の狭い周波数範囲の光信号を受信するように専用に設計される。ほとんどのフォトダイオードは発光することができない。その結果、送信器を駆動する１つの回路と、受信器を駆動する別の回路とが存在することになる。これは、通信システムのコストおよび複雑さを増大させる。
【０００９】
したがって、光通信システムにおいて送信器および受信器の両方に使用可能な発光ダイオードを提供することが望ましい。
光通信送受信器は、抵抗と直列に結合したＬＥＤを含む。マイクロプロセッサは、ＬＥＤに接続される少なくとも１つのＩ／Ｏピンを有する。第１モードすなわち送信モードでは、ＬＥＤは、周期的に順バイアスで駆動することにより発光してデータを送信する。第２すなわち受信モードでは、ＬＥＤは、周期的に逆バイアス以外、例えば逆バイアスまたはゼロバイアスで駆動し、続いて光電流を用いてＬＥＤの接合部の静電容量（キャパシタンス、capacitance）の充電量が変化させられる。充電量の変化はタイマを用いて測定される。充電量の変化が所定しきい値を超えた時、入力光が読み取られる。こうして、ＬＥＤは第２モードにおいてデータを受信するために使用されることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
デュアルピンＬＥＤデータ送受信器
図２は、本発明によるＬＥＤ発光器／検出器回路を示している。ここで、ＬＥＤ２０２および抵抗２０３が、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ２００の２個のＩ／Ｏピン２０１の間に直列に結合される。この場合、ＬＥＤ／抵抗回路２０２−２０３の両端がマイクロプロセッサ２００に接続される。従来のプログラミング技法を用いて、Ｉ／Ｏピンは、ロー（０Ｖ）、ハイ（５Ｖ）に設定されることが可能であり、またはピンは入力として使用されることが可能である。
【００１１】
動作モード        
図３ａ〜図３ｃはそれぞれ、この回路が、順バイアスすなわち「発光」、非順バイアスすなわち「逆バイアス」、および「放電」すなわち読み取りという３つのモードでどのように動作し得るかを示している。図３ａの発光モードでは、ＬＥＤは従来通り動作して発光する。放出された光は、データを送信するために変調され得る。図３ｂの逆バイアスモードでは、通常の発光極性が、ダイオードの接合部に逆バイアスをかけるように切り替えられる。続いて、図３ｃの放電モードで一端を解放する、すなわちその一端をマイクロプロセッサへの入力となるように設定することにより、光学的に生成される光電流が、受信光すなわち読み取られる光の量に比例するレートで接合部から光学的に放電することができる。その読み取り光が変調されている場合、データを受信することができる。容量性放電は容易に測定可能である。Ｑ＝ＣＶでありＣは既知であるので、充電量の変化を測定することが事実上電圧の変化を測定することになる。
【００１２】
ある時点で、入力ピンに加わる電圧が所定入力しきい値Ｔを超える。これにどのくらいの時間がかかるかを計時することにより、読み取り光レベルの高分解能測定がなされる。この時間測定は、マイクロプロセッサ２００内のカウンタ２１０すなわちクロック信号によって簡単になされ得る。例えば、小さなプログラムループが、しきい値Ｔを超えるまでカウンタ２１０を代わる代わるインクリメントする。
【００１３】
本発明による回路は、追加的構成要素を必要とせず、読み取り中に極めて少量の電力しか消費しない。発光モードと読み取りモードを切り替えることにより、ＬＥＤは光通信ネットワークにおいて送信器および受信器の両方（送受信器）として動作することができる。
【００１４】
図４は、光リンク４０３によって接続された２個のこのような送受信器４０１−４０２を示している。リンク４０３は、空気または光ファイバケーブル等のいかなる透明媒質とすることも可能である。
【００１５】
単一ピンＬＥＤ送受信器
驚くべきことに、図５に示すように、マイクロプロセッサの単一のＩ／Ｏピンのみを使用することによって、単一のＬＥＤ送受信器を構成することも可能である。
【００１６】
図５に示すように、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ５００は、ＬＥＤ５０２の入力に接続された１個のＩ／Ｏピン５０１を有し、ＬＥＤの出力は電流制限抵抗５０３に接続される。この回路では、上記の図２の回路の場合のようにＬＥＤ５０２に逆バイアスをかけることは不可能である。その代わりにＬＥＤは、Ｉ／Ｏピン５０１をローに設定することによりゼロバイアスに短絡される。
【００１７】
続いて、ピン５０１は入力に設定される。入力は、入射光により誘起される光電流が読み取られる時、ＬＥＤの接合部の静電容量を充電する。これは、ＬＥＤの両端の電圧が、ＬＥＤ内の全光電流を事実上使い果たすのに足りるだけ接合部に順バイアスをかけるまで継続する。この電圧が所定のディジタル入力しきい値を超えるようにされる場合、上記と同様の基本的計時技法が、データを受信するために使用可能である。
【００１８】
しかし、これは困難な制約である。標準的な赤色、緑色、オレンジ色および黄色のＬＥＤは通常、約１．５Ｖ〜２Ｖで「オン」になるが、これはマイクロプロセッサ５００のような５Ｖシステムでのディジタル入力しきい値よりも概して低い。しかし、青色ＬＥＤ、および一部の最近の高輝度ＬＥＤは約３Ｖの順電圧降下を有することがあり、これは入力しきい値を超えて充電され得るに足りるだけ高い。より低電圧のシステム、例えば３Ｖシステムおよびそれ以下のシステムは、より低い入力しきい値を有するので、さらにこの技法になじみやすい。
【００１９】
また、図５の回路は図２の回路よりも概して優れている。というのは、しきい値が、電源電圧ＶＤＤよりもグラウンドの近くでバイアスされることが多いからである。なお、この１ピンバージョンは、図１の場合と同様に、抵抗との順番を逆にしてＩ／Ｏピン５０１に接続されて動作することも可能であることに留意すべきである。
【００２０】
このピン送受信器の利点は、マイクロプロセッサの単一ピンによって駆動されるいかなる適当なＬＥＤインジケータも、単にファームウェアまたはソフトウェアを上記のごとく動作するように変更するだけで、今度はそれと同数の送受信器としても動作することが可能であることである。ハードウェアの改変は不要である。したがって、ソフトウェア変更によって、送受信器としても機能するように標準的なＬＥＤインジケータをアップグレードすることが容易となる。この実施形態は、Ｉ／Ｏピンの個数が制限されているシステムにも適している。
【００２１】
双方向通信
１つの通信応用例では、２個の同期していない送受信器が相互に位相同期して、パルス幅変調データを双方向に交換する。このプロトコルでは、２個の受信器は交代で送信および受信モードで動作し、比較的短い光パルスが０すなわちスペース(space)状態を示し、比較的長い光パルスが１すなわちマーク(mark)状態を示す。
【００２２】
アイドルサイクル
このプロトコルは、送受信器がアイドリングサイクルを実行するアイドルサイクルで開始される。アイドルサイクルにおいては、送受信器が１ミリ秒の光パルスを送信した後、４ミリ秒の受信期間がある。受信期間中に、送受信器は複数回の光測定を実行する。これらの光測定は、１ビットのみの分解能、すなわち到来する光束が所定しきい値（公称約１．５Ｖ）の上か下かを提供する。
【００２３】
同期ループ
アイドリングサイクルは、連続する少なくとも２回の測定が「光検出(light seen)」を示すまで継続する。この時点で、送受信器は、相手側送受信器から到来する光パルスが検出されたと仮定し、アイドリングループから、それよりもわずかに高速な同期ループに移行する。同期ループの間、送信光パルスは依然として１ミリ秒間オンであるが、その後に不定個数の光測定が続く。同期ループ中に、マイクロプロセッサは、所定回数の測定後か、または光パルスの立下りエッジが検出された時のいずれかに、その測定セットを終了する。立下りエッジが検出されたとみなされるのは、１対の連続する測定が両方とも「光検出」を示した後に、１０回の測定で「光検出」がない時である。
【００２４】
したがって、同期ループ内の実行パターンは、一方の送受信器のＬＥＤが１ミリ秒間オンになり、続いて両方の送受信器のＬＥＤが１ミリ秒間オフになり、続いて他方の送受信器のＬＥＤが１ミリ秒間オンになり、そして最後に両方のＬＥＤが１ミリ秒間オフになることから構成される。送受信器が最大２５％のクロック周波数誤差を有していても、それらの送受信器は依然として同期することができる。公称の同期ループパルスレートは２５０Ｈｚであり、デューティサイクルは２５％である。
【００２５】
データ通信
通信中、データビットは非同期形式で送信される。例えば、１ミリ秒の光パルスがＭＡＲＫを示し、０．５ミリ秒の光パルスがＳＰＡＣＥを示す。システムは通常、ＭＡＲＫビットを送信している状態でアイドリングする。ここで、データ転送ループの動作は同期ループと同じである。データ送信中、フォーマットは、同期を可能にするための少なくとも１６個のＭＡＲＫビットの後、スタートビットとして１個のＳＰＡＣＥビットがあり、続いてデータの８ビットがあり、続いてストップビットとして１個のＭＡＲＫがある。これは、一般的な８−Ｎ−１  ＲＳ−２３２フォーマットに類似している。
【００２６】
光パルスをデコードするため、受信側の送受信器は、同期ループのそれぞれの実行ごとに「光検出」測定回数のカウントを保持する。カウントされた光検出測定が７個以下である場合にはＳＰＡＣＥが記録され、カウントされたパルスが８個以上である場合にはＭＡＲＫが記録される。通常の非同期デフレーミング（すなわち先頭のＳＰＡＣＥスタートビットおよび末尾のＭＡＲＫストップビットを落とす）が実行可能である。結果として得られる８ビットデータワードが、その後アプリケーションレベルのプログラムに利用可能である。簡易なデータ通信を、誤り訂正および暗号化と組み合わせることも可能である。他の光通信プロトコルも可能である。
【００２７】
図６に示すように、２個の送受信器６０１が二重凸レンズ６０２を通して光変調データを交換し、電気的に絶縁された通信リンクを提供する。この場合、１ＭＨｚを超えるデータレートが達成可能である。
【００２８】
プログラム可能鍵
本発明による送受信器は、プログラム可能鍵（programmable key）およびプログラム可能錠（programmable lock）としても使用可能である。他の多くの技術がインテリジェントキー（例えば、ＲＦＩＤ、カードキー等）で使用されているが、本発明による送受信器は物理接触を必要としないため、一部のカードキーシステムとは異なり摩耗がなく、また磁気ストライプもない。またＲＦシステムとは異なり、指向性を持たせ、到達距離を短距離にすることができるため、ユーザは、何が解錠されるかを完全に制御することができる。これにより、単に付近にあるというだけで誤った錠を解錠するという可能性なしに、単一の鍵を多数の異なる錠のために使用することが可能となる。送受信器は本質的に双方向性であるので、チャレンジ／レスポンスおよび暗号化のプロトコルが使用可能であり、これにより鍵の複製および偽造を非常に困難にすることができる。ＬＥＤの可視性はユーザインタフェースを可能にする。最低限、ユーザは、送受信器が動作しているかどうか、すなわちバッテリが切れているかどうかを容易に判断することができる。さらに、鍵の使用時に、送受信器は同時にフラッシュライトとしても作用する。
【００２９】
おそらく最も興味深い利点は、送受信器がピアツーピア通信可能であるという点である。いかなる送受信器も、相手側送受信器に情報または許可を伝えることができる。この場合、送受信器は、解錠コードを知り、そのコードを他の送受信器に伝えることができる。情報を伝えることができるというこの能力は独自のものであり、スマートカードやＲＦＩＤタグの能力ではない。
【００３０】
認証とセキュリティ
一部の応用例では、情報または許可を転送するピアツーピア能力は望ましい。金融等の安全なトランザクションのような別の応用例では、認証がデータ転送自体と同じくらい重要であり、統制なしに許可を伝えることは防止しなければならない。送受信器のプログラム可能性に伴う残念な副作用は、「転送禁止(do not forward)」データタグがアプリケーションによって挿入された場合に相手側送受信器がそれを尊重するという保証がないことである。移転不能な許可および偽造不能な識別証明は、多くの微妙な点を伴う困難な問題である。
【００３１】
しかし、簡単な暗号化が可能であり、送受信器トランザクションを盗聴およびなりすましから安全に保つために使用することができる。使用されるマイクロプロセッサは、普通の対称暗号アルゴリズムを実施するのに十分なパワーを有する。このようなアルゴリズムは送信器および受信器が秘密鍵を共有することを必要とするため、いかなる２個の送受信器間の通信も事前に設定がなされる。送受信器は、多数の対称暗号鍵を保持するのに十分なメモリを備えることができるため、多数の他の送受信器と通信するように設定されることが可能である。
【００３２】
ゼロ知識証明
ゼロ知識証明（ＺＫＰ）および公開鍵（すなわち非対称）暗号によれば、送受信器は、その識別を安全に証明すること、および公開された情報にアクセス可能な送受信器と通信することができる（Schneier「Applied Cryptography」 2nd edition, John Wiley and Sons, New York, NY, 1996, pp.101-111を参照されたい）。共有秘密は不要である。
【００３３】
本発明による送受信器によれば、いかなるＬＥＤも容易に通信用送受信器に変換可能である。このことは広範な意味合いを有する。というのは、ＬＥＤは、マイクロプロセッサ方式の送受信器における電源インジケータとして広く使用されているからである。インジケータは通常、電源に直接結線されているのではなく、マイクロプロセッサを通して接続されているため、最小限のユーザインタフェース（例えば何らかの点滅）が利用可能である。
【００３４】
以下、本発明によるＬＥＤ送受信器を使用可能ないくつかの応用例について説明する。
【００３５】
ＣＲＴモニタは、その電源ランプを点滅させて、低消費電力の「スリープ」状態を示すことができる。最近のＣＲＴモニタは通常、ＵＳＢも備えており、その両方がモニタ設定を制御する。本発明による送受信器回路を追加することにより、電源ＬＥＤから近くのコンピュータへの完全なデータパスを提供することができ、送受信器を上記のように鍵として使用することが可能となる。これは、コンピュータにログインするためのパスワードに代えて、もしくはそれに加えて使用可能であり、または電子商取引のための暗号認証送受信器として使用することも可能である。同様の技法が、キーボードインジケータライトでも使用可能である。
【００３６】
送受信器により、ユーザは電源オンＬＥＤを通して、故障した器具の完全な診断状態をコピーし、その診断情報をサービスサイトへ送信することができる。器具に、特別なディスプレイやコネクタは不要である。
【００３７】
送受信器は、携帯電話機、ＰＤＡ等の電源インジケータやＬＥＤバックライトを用いて電話番号等の個人情報を交換するために使用可能である。１つの興味深い応用例として、玩具（例えば動物のぬいぐるみ）に送受信器を埋め込めば、玩具どうしが相互に「通信」することができる。
【００３８】
以上、本発明は好ましい実施形態の例として説明されているが、本発明の精神および範囲内で、他の種々の適応および変更をなし得ることが理解されるべきである。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神および範囲内に入るすべてのそのような変形および変更を包含することである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】従来技術の発光器回路の概略図である。
【図２】本発明によるＬＥＤ発光器／検出器回路の概略図である。
【図３ａ】順バイアスで動作する図２の回路を示す図である。
【図３ｂ】非順バイアスで動作する図２の回路を示す図である。
【図３ｃ】放電モードで動作する図２の回路を示す図である。
【図４】結合して通信ネットワークをなす複数のＬＥＤ型送受信器を示す図である。
【図５】本発明による単一Ｉ／Ｏピンを使用したＬＥＤ発光器／検出器回路の別の実施形態の図である。
【図６】２個の送受信器が二重凸レンズを通して光変調データを交換することを示す図である。
【図１】
2005522089.tif 000003
【図２】
2005522089.tif 000004
【図３ａ】
2005522089.tif 000005
【図３ｂ】
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【図３ｃ】
2005522089.tif 000007
【図４】
2005522089.tif 000008
【図５】
2005522089.tif 000009
【図６】
2005522089.tif 000010
【国際調査報告】
2005522089.tif 000011
2005522089.tif 000012
2005522089.tif 000013