(57)【要約】【課題】可視光通信用の受光素子アレイの集積回路の提供【解決手段】（ａ）とその等価回路である（ｂ）において、ｐ型基板２１０のｎ−ｗｅｌｌ（ｎ型ウエル）２２０内にｐ拡散を行い、ｎ−ｗｅｌｌ２２０の下のｐ型基板を利用してｐ−ｎ−ｐ構造２３０，２４０(ウエル内の左と右の長方形参照）を作る。ｎ−ｗｅｌｌ２２０をＶＤＤにした場合は、このｐ拡散の構造２４０（左の長方形）はフォトダイオードとして動作する。しかし、ｎ−ｗｅｌｌ２２０をＭＯＳＦＥＴスイッチで切り離すと、ｐ−ｎ−ｐ構造２３０（右の長方形）は、トランジスタのベース部分がフロート状態となり、フォトトランジスタ２３０として動作する。  このフォトトランジスタの応答感度は、ｐ拡散のフォトダイオードよりも約４０倍高感度（赤：波長６５０ｎｍの場合）であることがわかった。【選択図】  図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＭＯＳ集積回路のためのウエルに拡散をして、ｎｐｎ又はｐｎｐフォトトランジスタを複数構成し、該複数のフォトトランジスタで構成した受光素子アレイと、
該受光素子アレイ中の１個又は複数の受光素子を選択する選択回路と、
を備えることを特徴とする可視光通信用の受光素子回路。
【請求項２】
請求項１に記載の可視光通信用の受光素子回路において、
前記受光素子アレイの受光素子に対して、カレントミラー回路で電流増幅を行うことを特徴とする受光素子回路。
【請求項３】
請求項２に記載の可視光通信用の受光素子回路において、
前記カレントミラー回路は電流増幅比を変えた構成が複数あり、受信した光量により、選択することを特徴とする可視光通信受光素子回路。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の可視光通信の受光素子回路において、
受光素子の出力から、コンデンサを用いてＤＣ分を除去し、背景光を除去することを特徴とする受光素子回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可視光通信の受信システムに関し、特に、最小検出感度が良好であり、また、複数の送信源がある場合にも対応することができる可視光通信用の受光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、可視ＬＥＤを用いて光通信を行う照明光通信が注目されている（非特許文献１参照）。
赤外線リモコン、赤外線ＬＡＮに代表される従来の空間光通信では、光源として赤外線ＬＥＤ・ＬＤを用い、受光素子として赤外線フィルターとシリコンフォトダイオードを用いている。しかしながら、照明光通信は可視光を用いるため、特定波長のフィルターの使用が難しく、太陽光や照明光が受光素子であるフォトダイオードに混入するという問題をもつ。
また、照明の光量は、距離により大幅に減少するため、最小検出感度が良好でかつ大きな光量でも出力が飽和しない、すなわち大きなダイナミックレンジが求められる。
さらに、照明光通信特有の問題として、送信源が複数ある状況が考えられる。この場合、単一のフォトダイオードで検出した場合には混信を引き起こしてしまう。
【０００３】
【非特許文献１】「可視光通信による統合型光無線システムの研究開発」Ｏｐｔｒｏｎｉｃｓ２００７年１月号，ｐｐ．１９０−１９４．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これらの問題を解決するため、本発明では、フォトトランジスタ・アレイを用いた受光素子を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明は、ＣＭＯＳ集積回路のためのウエルに拡散をして、ｎｐｎ又はｐｎｐフォトトランジスタを複数構成し、該複数のフォトトランジスタで構成した受光素子アレイと、該受光素子アレイ中の１個又は複数の受光素子を選択する選択回路とを備えることを特徴とする可視光通信用の受光素子回路である。
さらに、前記受光素子アレイの受光素子は、カレントミラー回路で電流増幅を行うとよく、また、このカレントミラー回路は電流増幅比を変えた構成が複数あり、受信した光量により選択するとさらによい。
受光素子の出力から、コンデンサを用いてＤＣ分を除去し、背景光を除去するとよい。
【発明の効果】
【０００６】
上述のフォトトランジスタ・アレイを用いると大きな受光感度を得ることができる。
さらに、必要に応じてカレントミラー回路で電流増幅やオート・ゲインコントロールをする手法を提案した。
その上、太陽光や照明光の混入に対しては、コンデンサを用いることで、背景光の除去を行い、受光素子や初段アンプのゲインを上げても、出力が飽和しないようにした。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。
実施形態の受光素子の概略構成を図１で説明する。
図１において、フォトダイオードもしくはフォトトランジスタをアレイ状に集積化した受光素子アレイ１３０、その上にレンズ光学系１２０をおき、対象物の状況を受光素子アレイ１３０上に結像して、さらにアレイ１３０中の任意の場所の受光素子を選択する。このような構成で、送信源や照明１１０が複数ある状況においても、任意の送信源のみから効率よく信号を受信できる。
このアレイ中の受光素子選択は、必ずしもひとつの受光素子に限らず、２×２や３×３など四角形状や、場合によっては円形状のように目標とする送信源の状況に応じて任意に変化させることができる。
受光素子アレイの例として、８×８のフォトダイオード・アレイ１３０の写真を図２（ａ）に示す。図２（ｂ）は、ダイオードアレイの一部を拡大したものである。
【０００８】
＜撮像素子による光源の特定＞
複数ある送信源の状況は、別に設けた撮像素子を用い、撮像素子で撮影した光源の画像を使用して、送信している送信源を把握することができる。この撮像素子と受光素子との関連を図３に示す。
図３（ａ）において、光源１１０からの光をハーフプリズム・ビームスプリッタ１５０で２分割して、その一つをＣＣＤ素子やＣＭＯＳ−ＣＣＤ素子による撮像素子１４０に入力させる。さらに、その画像を画像処理することで、送信源の状況を判定する。
この画像の取り込みは、ハーフプリズム・ビームスプリッタ１５０に限らず、図３（ｂ）に示すように、カメラでいう２眼方式のように受光素子１３０と撮像素子１４０を並べる事でも実現できる。
また、フォトダイオード・アレイと、ＣＣＤ素子やＣＭＯＳ−ＣＣＤ素子による撮像素子とを同一シリコンチップに集積化した素子を用いても実現可能である。
いずれにしても、チップ上の受光素子をアレイ状に分割して、撮像素子１４０による対象物の画像から、送信源に対応する受光素子の部分を選択することができる。
【０００９】
このように、対象物からの光を撮像素子であるＣＣＤ素子やＣＭＯＳ−ＣＣＤ素子に入力させ、さらにその画像を画像処理することで、送信源を判定する。
この構成・処理を図４〜図７を用いて詳しく説明する。
図４は構成の概略図であり、図５は図４の構成における動作を示すフローである。図４，図５において、撮像素子１４０で撮影した複数の送信源を有している光源の画像をＣＰＵシステム１５０に取り込み（Ｓ１５２）、画像処理して、光通信を行っている送信源を特定する（Ｓ１５４）。そして、複数の受光素子アレイ１３０から、受信すべき受光素子を特定する切り替え制御を行い（Ｓ１５６）、特定された受光素子からの受信データを取り込む（Ｓ１５８）。
このときの画像処理の最も単純な手法として、白黒画像を取り込み、その中で最も強度の強い箇所を選択するようなアルゴリズムとなる。
【００１０】
これを実現する一手法として、白黒画像をフォトダイオード・アレイ１３０と同じ数のピクセルに分割して、ピクセル内の画素のビットマップ白黒画像の濃さに対応する値を利用する。この処理を、図６を用いて説明する。
図６は、６４０×４８０のピクセルを有する撮像素子１４０を用いて、８×８の受光素子アレイ（フォトダイオード・アレイ）の受光素子を選択する場合の処理を表している。
まず、６４０×４８０のピクセル（図６（ａ）参照）の両端の８０ピクセルをカットして、４８０×４８０の正方形のピクセルとして処理を行う（図６（ｂ）参照）。そして、４８０×４８０のピクセルを８×８の正方形の部分に区切り、８×８のフォトダイオードとの対応をとる（図６（ｃ）参照）。白黒ビットマップでは、０から２５５の値で黒から白を表しているため、図６（ｃ）のように分割した格子部分の各ピクセルのすべての画素の値を加算して、その値を各ピクセルで比較し、最大値（最高輝度）となるピクセルが最も明るい場所と判断する（図６（ｄ）黒い格子の部分参照）。
このほかにも、より柔軟に特定の明るさ以上の部分を抜き出し、それをフォトダイオード・アレイに対応させる手法などが考えられる。
【００１１】
また、カラー画像を用いても同様の処理が行える。この際に、白色ＬＥＤを対象とした場合は、カラー画像を白黒変換して上記の処理をする。ＲＧＢ型３原色ＬＥＤを対象とする場合は、カラー画像のＲ，Ｇ，Ｂのデータを利用することで、各色の中で最も強い場所を別々に特定できる。このように色別にした送信用の光を用いて、光通信を分割することもできる。この場合、受光する側も色別に区別して受信する必要がある。
実際に、応用形態において、例えば携帯電話に搭載する場合では、携帯の画像画面にフォトダイオード・アレイが選ばれている場所を表示して、自動認識させると同時にユーザーが方向キーなどでフォトダイオードが選ばれている場所を変更できるようにして、アルゴリズムが間違って照明などを選んだ場合のエラー訂正や、ユーザーが別の部分の情報源を選択できるようにする。
【００１２】
図７は、６×６のフォトダイオードで構成したアレイから、特定のフォトダイオードを選択するための構成を説明する図である。
図７において、６×６のフォトダイオード・アレイを構成する３６個のダイオード１３６は、６個のダイオードのグループ（１３６−１〜１３６−６）を選択する６個のスイッチ回路１３４と、そのグループのうちの１個を選択するスイッチ回路１３２で構成されている。この回路構成で、スイッチ回路１３２，１３４の開閉を制御して、６×６個のフォトダイオードの１つを選択する。そして、選択したフォトダイオードで対応する光源からの光を受信して電気信号に変換し、トランスインピーダンス・アンプ１３８で増幅する。
【００１３】
＜受光素子であるフォトダイオードの構成＞
次に、光通信の受光素子であるフォトダイオード又はフォトトランジスタの構成について説明する。
まず、フォトダイオード又はフォトトランジスタの１素子の構成の一例を示したものが図８である。図８に示したフォトダイオードやフォトトランジスタは、ｎ−ｗｅｌｌプロセスのＣＭＯＳで構成した場合である。
図８（ａ）とその等価回路である図８（ｂ）において、ｐ型基板２１０のｎ−ｗｅｌｌ（ｎ型ウエル）２２０内にｐ拡散を行い、ｎ−ｗｅｌｌ２２０の下のｐ型基板を利用してｐ−ｎ−ｐ構造２３０，２４０(ウエル内の左と右の長方形参照）を作る。ｎ−ｗｅｌｌ２２０をＶＤＤにした場合は、このｐ拡散の構造２４０（左の長方形）はフォトダイオードとして動作する。しかし、ｎ−ｗｅｌｌ２２０をＭＯＳＦＥＴスイッチで切り離すと、ｐ−ｎ−ｐ構造２３０（右の長方形）は、トランジスタのベース部分がフロート状態となり、フォトトランジスタ２３０として動作する。
このフォトトランジスタ２３０を０．３５μｍＣＭＯＳプロセス製作して、その感度を実測した結果、このフォトトランジスタの応答感度は、ｐ拡散のフォトダイオードよりも約４０倍高感度（赤：波長６５０ｎｍの場合）であることがわかった。フォトトランジスタ構成にしたときのディメリットは、応答速度が遅くなることである。
ｐ拡散のフォトダイオードに一体化したＤＲＧＣ型トランスインピーダンス・アンプを組み合わせた場合、その応答速度は１００ＭＨｚ以上あるのに対して、フォトトランジスタ構成にしたときの応答速度は、３３ｋＨｚ程度と遅くなった。しかしながら、この速度でも可視光ＩＤの通信用には使用できる。
なお、上述のことは、ｐ−ｗｅｌｌ内のｎ拡散のｎ−ｐ−ｎ構造で構成したフォトトランジスタでも同様である。
【００１４】
＜受光回路における増幅率の制御＞
可視光通信の課題として、光量が距離により大幅に減少するため大きなダイナミックレンジが求められる点が挙げられる。必要に応じてさらに電流を増やすために、カレントミラー回路により電流を増やす。その一例を図９に示す。
図９（ａ）に示すような、ＭＯＳＦＥＴ３２０，３３０で構成するカレントミラー回路において、電流増幅率を２０倍としても、コンピュータによるシミュレーションにおいて、数１０ｋＨｚ程度の応答速度が得られることが確認された。
さらに、図９（ｂ）に示すように、ＭＯＳＦＥＴ３２０とＭＯＳＦＥＴ３３２，３３４，３３６とで、電流増幅比を変えたカレントミラー回路を複数つくり、対象の光量に応じて、スイッチ３５２，３５４，３５６により任意のＭＯＳＦＥＴ３３２，３３４，３３６を選ぶことで、オート・ゲインコントロールの機能を持たせることも可能である。
図９では、フォトダイオード３１０を用いている例を示しているが、フォトトランジスタを用いた場合でも、同様に適用することができる。
【００１５】
＜照明光等の影響除去＞
さらに、可視光通信で問題となる太陽光、照明光などの影響を除去するため、図１０に示すように、フォトダイオード３１０の回路３００とトランスインピーダンス・アンプ３４０の間にコンデンサ３６０を入れるとよい。
光通信の信号をキャリア伝送のように交流にのせたり、Ｎｏｎ−Ｒｅｔｕｒｎ−ｚｅｒｏ（ＮＲＺ）方式のように一定の値が続かない信号伝送方式では、それらの信号はコンデンサを通過できるが、一定の太陽光、照明光は通過できないので除去できる。
これにより、フォトトランジスタとカレントミラー回路を組み合わせて受光感度の高い素子を形成して、さらに後段のトランスインピーダンス・アンプの抵抗値を上げたとしても、太陽光などで出力電圧が飽和することを避けることができる。
この回路の動作をコンピュータによるシミュレーションで確認したのが、図１１であり、低い周波数で利得が下がりＤＣ分が除去されているが、コンデンサの容量値が小さいと、見かけ上のコンデンサのインピーダンスが大きくなり、電流がコンデンサ側に流れないため、利得が減少することがわかった。
また、容量値を大きくしすぎるとＤＣ分の除去の効果が下がり、コンデンサの値に最適値があることがわかった。シミュレーションの結果では、フォトダイオード自身の寄生容量の１０−１００倍程度が適当である。
このようにして、ＤＣ分を除去した後、トランスインピーダンス・アンプで電圧変換して、必要に応じて後段に通信に用いている周波数帯を通過させるバンドパスフィルタを入れることで、安定して信号を取り出すことができる。
図１１では、フォトダイオード３１０を用いている例を示しているが、フォトトランジスタを用いた場合でも、同様に適用することができる。
【００１６】
＜まとめ＞
本出願では、可視光光通信に適した受光素子を提案した。
受光素子アレイとその信号処理回路により、送信源が複数ある状況においても混信が起こらないよう適切に選択する手法や、大きな受光感度を得るためにフォトトランジスタ・アレイを用いる方法も提案している。
さらに必要に応じてカレントミラー回路で電流増幅やオート・ゲインコントロールをする手法を考案した。
さらに、太陽光や照明光の混入に対しては、コンデンサを用いてＤＣ光の除去を行い、受光素子や初段アンプのゲインを上げても、出力が飽和しない方法を提案した。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態の概略構成を示す図である。
【図２】フォトダイオード・アレイの受光素子の構成を示す写真である。
【図３】光源の画像をとる撮像素子と受光素子の関係を示す図である。
【図４】実施形態の構成の概略を示す図である。
【図５】図４の構成の動作を説明するフローである。
【図６】光源を特定する画像処理の概略を説明する図である。
【図７】６×６のフォトダイオード・アレイの選択を説明する回路図である。
【図８】ＣＭＯＳプロセスによる受光素子の構成を示す図である。
【図９】電流を増幅するためのカレントミラー回路を示す図である。
【図１０】太陽光による直流分を除去するための回路を示す図である。
【図１１】コンデンサの容量による影響を示すグラフである。
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図２】
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【図８】
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