ОПТИЧЕСКИЙ ПЕРЕДАЮЩИЙ И ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩИЙ МОДУЛЬ ДЛЯ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ Российский патент 1999 года по МПК H04B10/10 

Настоящее изобретение относится к передающему и приемопередающему модулю для оптической передачи данных. Эти модули, в частности, подходят для использования в системах передачи данных, работающих в инфракрасном диапазоне.

Характеристика известного уровня техники.

С быстрым ростом количества рабочих станций и персональных компьютеров (например, настольных или переносных) во всех областях бизнеса, административного управления и производства возрастают также требования к гибкости и простоте взаимосвязи этих систем. Эта же потребность возникает и при подключении и разводке соединений периферийных устройств, таких как клавиатура, мышь, принтеры, сканеры, плоттеры, мониторы и т. п. При использовании электрических проводных сетей и кабелей возникают, в частности, проблемы, связанные с тесным расположением систем и периферийных устройств, особенно в тех многочисленных случаях, когда местоположение систем или конфигурацию подсистем необходимо часто изменять. Следовательно, желательно использовать беспроводные системы связи для соединений таких устройств и систем, чтобы исключить необходимость применения сетей из электрических кабелей.

В частности, в последние годы растет интерес к использованию оптических сигналов для обмена информацией между системами и удаленными приемными устройствами. Преимущество таких беспроводных оптических систем связи состоит в устранении большей части обычных проводных соединений. Что касается беспроводной передачи на радиочастоте (RF), то оптическая беспроводная передача в инфракрасной области (IR) имеет то преимущество, что нет необходимости следовать регламентированным правилам обмена информацией и не требуется лицензия PTT или FCC (Федеральная комиссия связи США). Кроме того, не нарушается работа систем из-за электромагнитных помех и помех со стороны других RF каналов, а излучение ограничивается помещением, так что гарантируется лучшая чем в RF системах защита данных. Таким образом, исключается воздействие со стороны подобных систем, работающих в соседних помещениях, и может быть достигнута высокая степень защиты информации, чем при радиопередаче. По сравнению с радиоантеннами размеры светоизлучающих диодов (LED) и фотодиодов обычно меньше, что представляет особый интерес для разработчиков портативных компьютеров.

Оптические сигналы в таких системах могут распространяться непосредственно по прямой на оптический приемник приемной системы либо могут достигать приемников опосредственно, после изменения направления распространения благодаря таким процессам, как отражение или рассеяние на поверхностях. Первый процесс в настоящее время реализуется в станциях загрузки для персональных компьютеров, где передатчик данных находится между оптическим передатчиком и приемником, которые выравнены соответствующим образом и расположены недалеко друг от друга на расстоянии в несколько см. Второй случай обычен для офисных систем, в которых беспрепятственная прямая передача оптических сигналов между передатчиками и приемниками, находящимися в нескольких метрах друг от друга, нецелесообразна или даже невозможна из-за наличия неустранимых препятствий на прямолинейной траектории. Один из известных подходов к достижению высокой степени гибкости связан с излучением оптических сигналов от передающей системы на потолок офиса, где они отражаются или диффузно рассеиваются. Таким образом, излучение распределяется в некоторой зоне вокруг передатчика. Распределение световых сигналов, идущих от потолка, зависит от множества деталей, которые отличают конкретное рассматриваемое помещение. Однако в этом контексте главное - это то, что дальность передачи, то есть расстояние между передающей системой и приемной системой, ограничена некоторой конечной величиной (здесь и далее называемой "дальностью передачи"), поскольку поток энергии передаваемого излучения уменьшается с ростом расстояния, а чувствительность приемника ограничена благодаря конечному значению отношения "сигнал-помеха". Обычные известные системы, работающие с уровнями оптической мощности, которые ограничены характеристиками источников света и требованиями по технике безопасности для светового облучения, имеют дальность передачи порядка нескольких метров при скоростях передачи данных 1 Мб-с (мегабайт в секунду).

Критическими параметрами беспроводных оптических систем связи являются достижимая скорость передачи данных и расстояние между системами, осуществляющими обмен данными на расстояниях, превышающих дальность передачи известного оптического передатчика.

У современных беспроводных оптических систем передачи данных имеется ряд недостатков. Во-первых, их дальность передачи не подходит, например, для использования в условиях больших офисных помещений и конференц-залов, и диапазон и характеристики излучения обычно неоднородны, что требует точного выравнивания передатчика и приемника.

Вдобавок, необходимо иметь в виду, что в большинстве помещений неизбежно присутствует окружающее освещение в виде дневного света или света от ламп, который всегда достигает оптических детекторов, если система не ограничена применением в условиях полной темноты. Неустранимое окружающее освещение может вызвать появление меняющихся во времени сигналов, например сигналов переменного тока (AC) от ламп, и во многих практических случаях окружающее освещение является преобладающим источником помех в оптическом приемнике. Таким образом, окружающее освещение оказывает влияние на отношение "сигнал-помеха" приемника, и следовательно, на дальность передачи. Появление неустранимого света в основном носит статистический характер и часто с трудом поддается контролю, а его интенсивность может существенно изменяться, как это очевидно бывает с солнечным светом или светом ламп, которые то включают, то выключают. Еще одним реальным фактором, который случайным образом воздействует на отношение "сигнал-помеха", является появление препятствий в оптическом тракте, искажающих сигнал приемника.

Первый подход к решению этих проблем связан с увеличением выходной мощности передающего модуля. Доказано, что это непрактично по ряду причин. Потребление энергии таких передающих модулей должно быть повышено, чтобы использовать их в портативных система, например ноутбуках или карманных компьютерах. Однако самым важным вопросом, возникающим при разработке оптических беспроводных систем, является оптическая безопасность. Известно, что оптическое излучение может вызвать повреждение глаз и кожи при достаточно высоком уровне облучения. Степень повреждения зависит от нескольких факторов, включая уровень (энергии, мощности) облучения, время облучения и длину волны.

В статье "Optical Wireless: New Enabling Transmitter Technology", P.P. Smyth и др., IEEE. International Conference on Communication 99, May 23-26, 1993, Geneva, Switzerland, Technical Program, Conference Record, Volume 1/3, pp. 562-566, обсуждаются изменения в существующих нормах техники безопасности дал глаз, а также новый вариант технологии передачи. Этот новый вариант технологии передачи основан на идее увеличения зоны действия оптического источника для того, чтобы уменьшить опасность повреждения сетчатки. В этой статье предлагается, например, использовать фазовую голограмму, генерируемую компьютером, для получения многолучевого излучения от одного лазерного диодного источника.

Этот подход - первый шаг в правильном направлении, но проблема недостаточной дальности передачи и достаточной безопасности для глаз еще по-настоящему не поставлена и не решена.

Наиболее близким к заявленному изобретению является "Оптическая система передачи данных" по заявке PCT WO 90/03072, содержащая матрицу инфракрасных светоизлучающих диодов, расположенных равномерно и предпочтительно симметрично, куполообразный корпус, образующий полость.

Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание улучшенного оптического передающего модуля.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание оптического передающего модуля небольших размеров и с оптимальной диаграммой направленности излучения.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание оптического передающего модуля, который удовлетворяет стандартам безопасности IEC 825-1 (Международная электротехническая комиссия).

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание оптического передающего модуля с переключаемой диаграммой направленности излучения.

Вышеуказанные задачи изобретения решены благодаря созданию оптического передающего модуля для передачи данных, содержащего матрицу инфракрасных светоизлучающих диодов, расположенных равномерно и предпочтительно симметрично и имеющих либо индивидуальную, либо общую адресацию, и куполообразный корпус, образующий полость, а матрица расположена внутри указанной полости, а куполообразный корпус содержит рассеиватель для инфракрасного света, излучаемого матрицей, для обеспечения видимого оптического увеличения источника инфракрасного света, инфракрасные светоизлучающие диоды матрицы расположены на монтажном основании так, что главная ось излучения упомянутых диодов проходит приблизительно параллельно центральной оси куполообразного корпуса.

Инфракрасные светоизлучающие диоды матрицы расположены на монтажном основании так, что главная ось излучения упомянутых диодов наклонена по отношению к центральной оси куполообразного корпуса.

Инфракрасные светоизлучающие диоды расположены так, что они обращены к указанной центральной оси.

Инфракрасные светоизлучающие диоды расположены так, что они обращены радиально наружу по отношению к указанной центральной оси.

Куполообразный корпус содержит фазовую голограмму для формирования оптического пучка, расположенную внутри корпуса, куполообразный корпус содержит взвешенные частицы с большим коэффициентом отражения, которые играют роль рассеивателя, куполообразный корпус содержит рифленую поверхность на внешней и/или внутренней поверхности, которая служит рассеивателем, рифленая поверхность имеет степень шероховатости, которая совпадает с длиной волны, излучаемой инфракрасными светоизлучающими диодами модуля, куполообразный корпус содержит рисунок, нанесенный в шахматном порядке на внутренней и/или внешней поверхности и служащий рассеивателем, куполообразный корпус содержит призматическое кольцо, которое отражает вниз часть света (Δ) , излучаемого матрицей инфракрасных светоизлучающих диодов так, что улучшается прямая связь по линии визирования, куполообразный корпус содержит отражатели, расположенные на внутренней поверхности корпуса, которые отражают свет, излучаемый матрицей инфракрасных светоизлучающих диодов, вверх таким образом, что он выходит из корпуса через рассеиватель, куполообразный корпус содержит ряд отражателей, обращенные вверх отклоняющие призмы и обращенную вниз отклоняющую призму, расположенные по окружности на внутренней поверхности корпуса и выполненные с возможностью поворота относительно положения матрицы инфракрасных светоизлучающих диодов для изменения диаграммы направленности излучения модуля.

Куполообразный корпус содержит ряд отражателей, или ряд призм, расположенных по окружности в куполообразном корпусе и выполненных с возможностью поворота относительно положения матрицы инфракрасных светоизлучающих диодов для изменения диаграммы направленности излучения модуля.

Куполообразный корпус выполнен с возможностью пошагового поворота относительно матрицы инфракрасных светоизлучающих диодов, модуль также содержит приемник с матрицей фотодиодов, имеющей наклон по отношению к центральной оси корпуса, фотодиоды расположены под матрицей инфракрасных светоизлучающих диодов в том же корпусе, фотодиоды расположены над матрицей инфракрасных светоизлучающих диодов в том же корпусе, фотодиоды смонтированы на монтажном основании, которое закреплено в корпусе, корпус содержит подложку с электронными схемами и/или сетку из тонкой проволоки, модуль содержит интерфейс, подключаемый к шине компьютера, модуль содержит зажим, прикрепляемый к панели монитора компьютера, и кабель, подключаемый к интерфейсу, модуль выполнен с возможностью встраивания в панель монитора компьютера жестко или с возможностью убирания внутрь.

Модуль дополнительно содержит: матрицу фотодиодов, усилители для усиления сигналов, принимаемых матрицей фотодиодов, средство для обнаружения информации, содержащейся в сигналах, принимаемых матрицей фотодиодов, средство для возбуждения матрицы инфракрасных светоизлучающих диодов модуля, средство для активного выбора и индивидуального комбинирования сигналов, принимаемых каждым фотодиодом матрицы фотодиодов, средства для обнаружения близости путем определения силы эхо-сигнала и выключения матрицы инфракрасных светоизлучающих диодов модуля, если эхо-сигнал превышает предварительно определенное предельное значение.

Модуль содержит усилители для усиления сигналов, принимаемых матрицей фотодиодов модуля, средство для обнаружения информации, содержащейся в сигналах, принимаемых матрицей фотодиодов модуля, средство для возбуждения матрицы инфракрасных светоизлучающих диодов модуля, средство для активного выбора и индивидуального комбинирования сигналов, принимаемых каждым фотодиодом матрицы фотодиодов модуля, средства для обнаружения близости путем определения силы эхо-сигнала и выключения матрицы инфракрасных светоизлучающих диодов модуля, если эхо-сигнал превышает предварительно определенное предельное значение. Модуль содержит интерфейс, подключаемый к шине компьютера, модуль предназначен для использования в системе беспроводной передачи данных.

Описание используемых чертежей и обозначений
В дальнейшем изобретение подробно описывается со ссылками на следующие чертежи, на которых
фиг. 1 показывает схематическое поперечное сечение оптического передающего модуля согласно настоящему изобретению;
фиг. 2 показывает три различных регулярных и симметричных конфигурации инфракрасных светоизлучающих диодов;
фиг. 3 показывает схематическое поперечное сечение оптического передающего модуля согласно настоящему изобретению;
фиг. 4 показывает схематическое поперечное сечение оптического передающего модуля согласно настоящему изобретению;
фиг. 5 показывает схематическое поперечное сечение оптического передающего модуля согласно настоящему изобретению;
фиг. 6A - изображение поперечного сечения куполообразного корпуса;
фиг. 6B - изображение поперечного сечения куполообразного корпуса;
фиг. 7 показывает схематическое поперечное сечение оптического передающего модуля согласно настоящему изобретению;
фиг. 8 показывает схематический вид сверху оптического передающего модуля согласно настоящему изобретению;
фиг. 9 показывает схематический вид сверху оптического передающего модуля согласно настоящему изобретению;
фиг. 10 показывает схематическое поперечное сечение оптического передающего модуля согласно настоящему изобретению;
фиг. 11 показывает схематическое поперечное сечение оптического передающего модуля согласно настоящему изобретению;
фиг. 12 показывает схематическое поперечное сечение оптического передающего модуля с переключаемой диаграммой направленности излучения согласно настоящему изобретению;
фиг. 13A показывает схематический вид сверху оптического передающего модуля с переключаемой диаграммой направленности излучения, показанный на фиг. 12;
фиг. 13B показывает схематический вид сверху оптического передающего модуля с переключаемой диаграммой направленности излучения, показанный на фиг. 12;
фиг. 13C показывает схематический вид сверху оптического передающего модуля с переключаемой диаграммой направленности излучения, показанный на фиг. 12;
фиг. 14 показывает схематическое поперечное сечение оптического приемопередающего модуля согласно настоящему изобретению;
фиг. 15A показывает схематическое поперечное сечение оптического приемопередающего модуля согласно настоящему изобретению;
фиг. 15B показывает схематический вид сверху приемной части оптического приемопередающего модуля, показанного на фиг. 15A;
фиг. 16 показывает схематическое поперечное сечение оптического приемопередающего модуля согласно настоящему изобретению;
фиг. 17A показывает схематическое поперечное сечение оптического передающего модуля с переключаемой диаграммой направленности излучения согласно настоящему изобретению;
фиг. 17В - схематический вид сверху корпуса и отражательного кольца оптического приемопередающего модуля, показанного на фиг. 17A;
фиг. 18A показывает схематическое поперечное сечение оптического передающего модуля с переключаемой диаграммой направленности излучения согласно настоящему изобретению;
фиг. 18B - схематический вид сверху корпуса и отражательного кольца оптического приемопередающего модуля, показанного на фиг. 18A;
фиг. 19A показывает схематически фиксирующее приспособление для монтажа оптического приемопередающего модуля с переключаемой диаграммой направленности излучения согласно настоящему изобретению;
фиг. 19B - схематическое изображение фиксирующего приспособления на фиг. 19A в откинутом положении;
фиг. 20 показывает схематическое поперечное сечение оптического передающего модуля с переключаемой диаграммой направленности излучения согласно настоящему изобретению;
фиг. 21A показывает компьютер типа "ноутбук" с закрепленным на нем оптическим передающим и приемопередающим модулем;
фиг. 21B показывает компьютер типа "ноутбук" с встроенным оптическим передающим и приемопередающим модулем;
фиг. 22 - блок-схема аналогового входного каскада приемопередатчика согласно настоящему изобретению.

Общее описание
С учетом вышесказанного весьма желательно, чтобы беспроводные оптические передающие модули удовлетворяли следующим критериям:
1) как можно более высокая степень безопасности для глаз;
2) оптимальная диаграмма направленности излучения источника, эффективно распределяющая оптический сигнал с ограниченной мощностью так, чтобы максимально увеличить дальность передачи при минимальном динамическом диапазоне. Это особенно важно, если оптический передающий модуль используется в условиях обычного офиса (низкий потолок, режим диффузного распространения);
3) нет необходимости выравнивания передатчиков и приемников;
4) для очень высоких потолков с ограниченными возможностями (или отсутствием) отражения (здания с закрытым внутренним двором, большие лекционные залы, открытые пространства) - возможность прохождения сигнала по линии визирования (LOS) без необходимости выравнивания приемопередающих модулей.

Основная концепция передающего модуля согласно настоящему изобретению описывается со ссылками на фиг. 1.

Как показано на фигуре, такой оптический передающий модуль содержит матрицу инфракрасных светоизлучающих диодов 11, которые расположены равномерно и симметрично. Для фиксации диодов 11 в правильном положении используется монтажное основание 10. Матрица инфракрасных светоизлучающих диодов 11 располагается в куполообразном корпусе 12. В настоящем примере этот куполообразный корпус 12 представляет собой длинную цилиндрическую трубку с куполообразным концом. Этот корпус является прозрачным, по меньшей мере частично. Вдобавок он содержит рассеиватель, обеспечивающий увеличение размера видимого источника. Рассеиватель может быть реализован несколькими способами. Корпус 12, например, может состоять из пластика, содержащего взвешенные частицы с высоким коэффициентом отражения, так что по меньшей мере часть корпуса играет роль рассеивателя. В другом варианте выполнения рассеивание световых лучей, испускаемых инфракрасными светоизлучающими диодами 11, может быть достигнуто с помощью корпуса 12, имеющего рифленую поверхность. Корпус из плексигласа, прошедший пескоструйную обработку частицами стекла (размером от 100 до 150 микрон) обеспечивает четырехкратное ослабление мощности по оси при увеличении половинного угла отклонения потока энергии (использовались светодиоды DN 305 Stanley) от 7.5^o до 10^o (вертикальное падение света на рассеиватель). Другой рассеиватель будет описан в связи с последующими вариантами воплощения изобретения. В зависимости от степени шероховатости поверхности рассеивателя или количества и размера частиц, интегрированных в корпус рассеивателя, можно получить рассеиватель либо с полным, либо с частичным рассеиванием. Использование такого полного рассеивателя приводит к получению источника Ламберта (излучающей поверхности, подчиняющейся закону Ламберта).

В зависимости от симметрии конфигурации и угла места инфракрасных светоизлучающих диодов, угла излучения диодов, формы корпуса, рассеивателя и их расположения в указанном корпусе друг относительно друга могут быть получены различные диаграммы направленности излучения. На фиг. 2 показан вид сверху на три варианта конфигурации диодов. Монтажное основание 20, показанное на фиг. 2 слева, содержит только три инфракрасных светоизлучающих диода 21, расположение которых образует треугольник. На монтажном основании 22 равномерно расположены четыре диода 23, а на монтажном основании 24 расположено восемь инфракрасных светоизлучающих диодов 25. Эти восемь инфракрасных светоизлучающих диодов 25 расположены по окружности. Из этих трех примеров очевидно, что любое симметричное и регулярное расположение инфракрасных светоизлучающих диодов вместе с соответствующим корпусом и рассеивателем подходит для обеспечения высокой степени безопасности для глаз и оптимальной диаграммы направленности излучения источника.

Прежде чем перейти к дальнейшему описанию вариантов воплощения изобретения, коснемся более подробно инфракрасных светоизлучающих диодов. Показанные здесь инфракрасные светоизлучающие диоды (светодиоды) являются коммерчески доступными светодиодами, которые герметизированы в небольшом по размеру обычном пластмассовом корпусе. Такие светодиоды выполняются в пластмассовых корпусах различного размера, из различного материала и с разными диаграммами и углами направленности излучения. Хорошо подходят, например, светодиоды Stanley DN 305 и DN 304. Очевидно, что настоящее изобретение не ограничено использованием отдельных светодиодов, каждый из которых имеет собственный корпус. В некоторых случаях может оказаться выгодным использование матрицы, где все светодиоды герметизированы или смонтированы в одном общем корпусе. Кроме того, возможно использование отдельных инфракрасных светоизлучающих диодов либо матрицы из светоизлучающих диодов, выращенных на одной подложке без корпуса. Тогда куполообразный корпус, в который помещаются эти светодиоды, заменяет собственно светодиодный корпус и служит в качестве защиты для этих светодиодов.

На фиг. 3 показан другой оптический передающий модуль согласно настоящему изобретению. Этот модуль содержит монтажное основание 30, на котором равномерно и симметрично расположены светоизлучающие диоды 31. Монтажное основание 30 имеет наклонные поверхности, и диоды зафиксированы на них таким образом, что они обращены к центральной оси цилиндрического корпуса 32. Рассеиватель встроен в корпус, например, путем использования суспендированных частиц.

В следующем варианте, показанном на фиг. 4 для получения подходящей формы диаграммы направленности, используется формируемая компьютером фазовая голограмма 43. Эта голограмма образуется в цилиндрическом корпусе 42, который покрывает матрицу инфракрасных светоизлучающих диодов 41, расположенных на монтажном основании 40.

На фиг. 5 показан оптический передающий модуль с куполообразным корпусом 52. Этот модуль кроме того содержит монтажное основание 50, несущее инфракрасные светоизлучающие диоды 51. Часть корпуса 52 имеет поверхность 53 полного рассеивания для обеспечения рассеивания светового излучения, имитируемого светодиодами 51. Подобный же результат может быть получен путем нанесения на корпус в шахматном порядке рисунка рассеивателя. Если поверхность рассеивателя расположена внутри корпуса 52, то можно предотвратить засаливание рассеивателя пальцами или его запыление. Варьируя шероховатость поверхности рассеивателя путем изменения ее рисунка, наносимого в шахматном порядке, либо помещая поверхность рассеивателя внутри либо вне корпуса, можно получить различную степень рассеивания. Необходимая шероховатость поверхности может быть получена пескоструйной обработкой либо травлением формы для прессования пластикового корпуса. Для случая, когда пластиковый корпус содержит суспендированные частицы, степень рассеивания может быть изменена путем введения частиц различного размера и/или формы.

Другие варианты куполообразных корпусов 60 и 61 схематически изображены на фигурах 6A и 6B.

Оптический передающий модуль, показанный на фиг. 7, содержит плоское монтажное основание 70, на котором расположены инфракрасные светоизлучающие диоды 71. Контактные штыри этих диодов изогнуты, так что диоды излучают свет в направлении к центральной оси куполообразного корпуса 72. Такое расположение имеет преимущества в системах, где место ограничено и передающий модуль в целом должен иметь маленькие размеры. Определено, что угол наклона светодиодов, то есть угол между плоскостью, перпендикулярной центральной оси 74 куполообразного корпуса 72 и центральной осью 75 конуса излучения светодиода, должен предпочтительно составлять от 5^o до 80^o, в частности лежать между 20^o и 40^o. Оптимальное значение угла между центральной осью и монтажным основанием составляет порядка 25^o, насколько это касается использования описанных здесь и в формуле изобретения модулей. Угол 25^o дает максимальную степень рассеивания в офисах с низкими потолками (2,5-3,5 м).

Еще одна конфигурация показана на фиг. 8. В этом варианте на монтажном основании 80 расположено равномерно по окружности восемь инфракрасных светоизлучающих диодов 81, каждый из которых имеет собственный корпус, так что свет излучается радиально относительно центральной оси модуля 83. Для использования в этом варианте хорошо подходят узконаправленные светоизлучающие светодиоды с углом места порядка 25^o.

Подобная звездообразная конфигурация с восемью светодиодами показана на фиг. 9. В этом варианте светодиоды 91, размещенные на монтажном основании 90, обращены к центральной оси корпуса. В левой части этой фигуры показан корпус с поверхностью полного рассеивателя 93. Полный рассеиватель означает, что рифленая поверхность перекрывает все поперечное сечение луча. Рассеиватель может быть сильным (представлять собой источник Ламберта) или слабым (осуществляет рассеяние луча для повышения безопасности глаз). Эта поверхность полного рассеивателя реализуется на внутренней поверхности куполообразного корпуса. Соответствующая диаграмма направленности излучения, получаемая с помощью рассеивателя 93, показана рядом с ним. Справа представлено эскизное изображение куполообразного корпуса с нанесенным в шахматном порядке рисунком 92, играющим роль рассеивателя. Рядом с этим эскизным изображением показана соответствующая диаграмма направленности. Часть света, как это показано на эскизе, проходит рассеиватель почти беспрепятственно, а остальные световые лучи рассеиваются. Такой выполненный в шахматном порядке рисунок может быть получен путем высверливания отверстий в корпусе или путем использования подходящей маски при пескоструйной обработке корпуса.

На фиг. 10 изображен оптический передающий модуль с куполообразным корпусом 102, рассеивателем 103 и дополнительной деталью в виде кольцеобразной призмы 104, встроенной в корпус. Как показано пунктирными линиями, это призматическое кольцо 104 отражает часть световой энергии, обозначенной Δ, в горизонтальном направлении. Остальная часть непосредственно излучается через рассеиватель 103. Призматическое кольцо 104 улучшает связь по траектории вдоль линии визирования.

Еще один вариант настоящего изобретения показан на фиг. 11. Модуль, показанный на этой фигуре, содержит монтажное основание 110, на котором размещается матрица инфракрасных светоизлучающих диодов 111. Эти диоды 111 наклонены по отношению к монтажному основанию 110 и излучают свет радиально. Куполообразный корпус 112 содержит отражательное кольцо 114 на внутренней поверхности и рассеиватель 113. Это отражательное кольцо отражает по меньшей мере часть лучей, испускаемых светодиодами 111 вверх, прежде чем лучи проходят рассеиватель 113.

На фиг. 12 показано поперечное сечение другого варианта выполнения изобретения. Оптический модуль, показанный на этой фигуре, позволяет переключать диаграмму направленности, как показано на фигурах 13A - 13C. Цель переключения - либо иметь диаграмму направленности (например, 25^o), дающую максимальную дальность по всем направлениям (см. фигуры 13A и 13B), либо максимальную дальность в определенном направлении (см. фиг. 13C). Этот переключаемый модуль содержит монтажное основание 120, на котором закрепляется матрица светодиодов 121. Диоды размещаются в куполообразном корпусе 122, в котором имеется рассеиватель 123, отражатель 124, отклоняющие вверх призмы 125 и отклоняющие вниз призмы 126, обе с шероховатыми поверхностями. Режимы работы этого переключаемого модуля описываются со ссылками на фигуры 13A - 13C. На этих фигурах показан вид модуля сверху. Как показано на фиг. 13A, корпус 122 содержит ряд отражателей 124 и отклоняющих призм 125, 126 вдоль внутренней поверхности 130. Для упрощения отражатели 124 показаны жирной линией. Переключение диаграммы направленности может быть достигнуто тем, что корпус с отражателями 124 и отклоняющими призмами 125, 126 может поворачиваться относительно центральной оси матрицы инфракрасных светоизлучающих диодов 121. Углы отклонения (горизонтальная плоскость) определяют желаемое направление отраженных лучей. Положение стрелки маркера 132 (на вращающемся корпусе 122) по отношению к (фиксированным) символам 134 указывает выбранную диаграмму направленности. Если маркер 132 указывает на символ "пустой круг", то модуль излучает свет с углом места порядка 25^o во всех направлениях, то есть в этом режиме работы модуль играет роль всенаправленной антенны с максимальной дальностью передачи и подходит для условий низкого уровня окружающего освещения. Это положение повторяется каждые 45^o. Маркер 132 на символе "зачерненный круг", см. фиг. 13B, указывает на угол места α порядка 30-40^o для увеличенной всенаправленной плотности энергии в окрестности модуля в условиях высокого уровня окружающего освещения. Это положение повторяется каждые 45^o. В примере, показанном на фиг. 13C, указатель 132 направлен на символ "стрелка", это указывает на то, что выбрано направление лучей для случая увеличенной направленной дальности. Лучи внутри корпуса показаны пунктирными стрелками. Можно выбрать восемь различных направлений излучения с шагом 45^o.

На фигурах с 14 по 16 показан оптический приемопередающий модуль согласно настоящему изобретению. Вариант, показанный на фиг. 14, базируется на модуле, показанном на фиг. 3. Этот модуль кроме передающего блока содержит приемник. Приемник имеет четыре фотодиода 143, установленные ниже монтажного основания 140. Эти фотодиоды отклонены и обращены в разные стороны для приема света со всех направлений вокруг модуля. Ориентация и конфигурация этих фотодиодов зависят от поля обзора каждого фотодиода, а также от формы корпуса и их положения внутри корпуса. Фотодиоды защищены тонкой проволочной сеткой 145, которая играет роль клетки Фарадея для уменьшения электромагнитных помех. В настоящем изобретении эта проволочная сетка 145 встроена в куполообразный корпус 142. В этом модуле подложка 144 для электронной схемы, выполненной по технологии поверхностного монтажа (SMD) - технологии), расположена под фотодиодами 143. Эта подложка 144 может нести предусилители, схемы возбуждения LED, или полные аналоговые микросхемы, если позволяет место.

В следующем варианте, который показан на фиг. 15, приемный блок расположен над передающим блоком, то есть над инфракрасными светоизлучающими диодами, находящимися на монтажном основании 150. Приемник содержит матрицу из пяти фотодиодов 153, каждый из которых расположен таким образом, что свет принимается по всем направлениям. Эти фотодиоды защищены проволочной сеткой 155, встроенной в куполообразный конец корпуса 152. Подложка 154 с электронными схемами располагается непосредственно под этими фотодиодами 153. Приемный блок отделен от передатчика с помощью отражателя 156. На фиг. 15B схематически показан вид сверху приемного блока.

Еще один приемопередающий модуль показан на фиг. 16. Этот модуль базируется на передающем блоке, показанном на фиг. 7, и отличается тем, что приемник встроен в тот же самый корпус 162. Этот приемник содержит матрицу фотодиодов 161, смонтированных на основной плате 160. Приемник расположен так, что лучи, испускаемые светоизлучающими диодами, проходят сквозь корпус и рассеиватель почти беспрепятственно. Для этого варианта хорошо подходят узконаправленные светоизлучающие диоды с углом места порядка 25^o. Модули со звездообразной матрицей из 3-6 фотодиодов с углом места 30-45^o дают хорошие результаты.

Еще один вариант воплощения настоящего изобретения показан на фигурах 17A и 17B: поперечное сечение и вид в плане модуля с переключаемой диаграммой направленности. Матрица инфракрасных светоизлучающих диодов 201 располагается на монтажном основании 203. Инфракрасные светоизлучащие диоды 201 расположены симметрично, непосредственно под куполообразным корпусом с рассеивателем 200. Если этот корпус находится в положении 1 (Pos 1) по отношению к инфракрасным светоизлучающим диодам 201 (см. правую часть фигур 17A и 17B), то свет излучается через корпус 200 вертикально. В зависимости от того, выполнена или нет эта часть корпуса как рассеиватель, диаграмма направленности либо фокусируется, либо расходится. Корпус 200 содержит отражательное кольцо 202. Если корпус 200 или отражательное кольцо 202 поворачивается относительно светодиодов 201 (Pos. 2 на левой части фигур 17A и 17B), лучи света, эмитируемые светодиодами, отражаются по направлению к боковой грани корпуса 200. Эта боковая грань обычно содержит рассеиватель для обеспечения расширения луча. На фиг. 17B показано, что отражательное кольцо 202 может быть выполнено в виде кольца с несколькими "язычками". Отражательное кольцо может быть выполнено с использованием тонкой металлической полоски, которая перфорируется, либо на которую наносится насечка. В примере, показанном на фигурах 17A и 17B, поворот на 22,5^o позволяет переключиться из положения 1 в положение 2.

Еще одна концепция оптического передающего модуля с переключаемой диаграммой направленности показано на фигурах 18A и 18B. Этот модуль содержит матрицу инфракрасных светоизлучающих диодов 211, которые установлены в отверстия или впадины на монтажном основании 213. Светодиоды 211 закрыты куполообразным корпусом с рассеивателем 210. Отражательное кольцо 212 встроено в корпус 210. Это кольцо 212 содержит язычки, или выступы, изогнутые так, что пучок света, эмитируемый светодиодами, отражается в направлении боковых стенок корпуса 210 с рассеивателем (см. положение 2 на левой стороне фигур 18A и 18B). Если корпус с отражательным кольцом повернут так, что светодиоды 211 оказались не под отражающими язычками, или выступами, кольца 212, то лучи света эмитируются вертикально вверх по отношению к монтажному основанию 213 (см. положение 1 в правой части фигур 18A и 18B).

На фигурах 19A и 19B показано фиксирующее устройство для монтажа модуля 220 с переключаемой диаграммой направленности. На фиг. 19A корпус и отражательное кольцо находятся в положении 2, то есть световой пучок эмитируется по всем направлениям, и передатчик излучает, как показано стрелками. На фиг. 19В фиксирующее устройство 211 с модулем 220 находится в раскрытом виде, а модуль в положении 1, то есть он излучает свет перпендикулярно монтажному основанию со светодиодами. Это фиксирующее устройство 221 дает возможность прямой связи вдоль линии визирования, если модуль находится в положении 1 и обращен к удаленному приемнику.

Другая конфигурация переключаемого передающего модуля показана на фиг. 20. В этом варианте центральная ось светодиодов 221 отклонена примерно на 25^o по отношению к монтажному основанию 223. Если куполообразный корпус 220 находится в положении 1 (см. правую часть фиг. 20), то лучи света проходят через корпус, как показано на фигуре. В положении 2 отражатель 222 размещается перед инфракрасными светоизлучающими диодами 221, и пучок света отражается вверх (см. левую часть фиг. 20). В данном примере отражатель 222 представляет собой тонкую металлическую пластинку с углом наклона порядка 58^o. Отражатели могут располагаться на металлическом кольце, которое встроено в корпус либо закреплено на нем.

Отражательное кольцо, показанное на фигурах 17, 18 и 20, может быть заменено призматическим кольцом. Это - кольцо, которое может быть выполнено из пластика и имеет ряд призм, сформированных и установленных таким образом, что в зависимости от положения этого призматического кольца по отношению к инфракрасным светоизлучающим диодам, получаются разные диаграммы направленности излучения. Это призматическое кольцо может являться составной частью куполообразного корпуса. Возможны различные подходы, когда корпус, несущий призматическое или отражательное кольцо, поворачивается относительно положения диодов или когда кольцо поворачивается относительно корпуса и диодов, либо когда поворачиваются сами диоды.

Отражатели на фигурах 11 и 12 могут быть заменены металлическим кольцом с "язычками", или выступами, как это описано в связи с фигурами 17, 18 и 20. Единственное отличие от переключаемого модуля состоит в том, что тогда это металлическое кольцо должно быть зафиксировано (без возможности поворота).

На фигурах 21A и 21B показаны два различных варианта интеграции или монтажа рассматриваемых передающего и приемопередающего модулей на компьютерах типа "ноутбук". Описанные здесь передающий или приемопередающий модули не должны иметь препятствий в ближнем поле обзора у корпуса или панели монитора компьютера, к которой монтируется или в которую встраивается модуль. На фиг. 21A показан компьютер типа "ноутбук" со съемным оптическим передающим/приемопередающим модулем 171. Этот модуль 171 крепится к компьютеру 170 с помощью магнита или зажима Velero 172. Кабель 173 обеспечивает соединение модуля 171 с платой интерфейса, вставляемой в одно из гнезд компьютера. На фиг. 21B показан компьютер 174 с встроенным модулем 175. Этот модуль встроен в монитор, а все электрические связи и соответствующие схемы интерфейса размещены внутри компьютера. Этот модуль 175 может быть убирающимся.

На фиг. 22 показана блок-схема специализированного аналогового входного устройства. Эта схема содержит предусилители 180, подключенные к каждому фотодиоду матрицы 181, играющей роль приемника, средство для активного выбора и индивидуального комбинирования сигналов, включающее в себя переключатели 182, блок 183 управления переключением и схему 190 управления, и средство 191 для возбуждения матрицы инфракрасных светоизлучающих диодов, выполненное в виде возбудителя. Переключатели 182 вместе с блоком управления переключением 183 обеспечивают выбор сигналов, принимаемых соответствующими фотодиодами. Все либо некоторая часть принятых сигналов направляется на последующий усилитель 184 и затем через фильтр 185 подается на средство 186 для обнаружения информации, содержащейся в сигналах, выполненное в виде компаратора. В данной блок-схеме имеются средства для обнаружения близости (близко расположенных объектов), включающие в себя пиковый сигнальный детектор 188, детектор 189 постоянного (DC) фототока, схему 190 управления и возбудитель 191.

Для обнаружения близости сравниваются эхо-сигналы, принимаемые фотодиодами 181 и эмитируемые матрицей инфракрасных светодиодов 187. Если эхо-сигнал превышает заданный уровень, то инфракрасные светоизлучающие диоды 187 автоматически выключаются. Эта активная защитная блокировка достигается с помощью пикового сигнального детектора 188, который через шину, состоящую из параллельных линий, подключен к выходу предусилителей 180. Схема управления 190 анализирует принятый сигнал с целью обнаружения сильного эхо-сигнала. Тогда схема немедленно переключает возбудители 191 так, чтобы свет больше не излучался. Схема управления 190 вместе с детектором постоянного (DC) фототока 189 и блоком управления переключением 183 позволяет осуществлять автоматический выбор и/или комбинирование сигналов. При этом выборе принимаются в расчет действительные уровни сигналов и/или постоянных (DC) токов (измерение флуктуационных помех, принимаемых от источников направленного внешнего освещения типа солнечных лучей и настольных ламп) фотодиодов 181.

Полностью аналоговый входной блок подключается к микропроцессорной шине 193 через блок интерфейса 192 (PCMCIA - Ассоциация по интерфейсу плат памяти для персональных компьютеров).

Представленные здесь оптические передающие модули и приемопередающие модули являются безопасными для глаз оптическими системами и имеют ряд дополнительных преимуществ. Они компактны и подходят для интеграции с компьютерами и другими устройствами. Модуль согласно настоящему изобретению может быть легко смонтирован на компьютере "ноутбук". Модули отличаются оптимальными, близкими к равномерным круговым, характеристиками излучения, которые в некоторых вариантах воплощения являются переключаемыми. Модули позволяют эффективно распределить и принимать ограниченные по мощности оптические сигналы, максимально повышая дальность передачи. Интенсивное направленное окружающее освещение может быть подавлено с помощью аналогового входного блока, представленного на фиг. 18. Настоящие модули отличаются от известных передатчиков тем, что в них снижаются суммарные флуктуационные помехи, в результате чего улучшается отношение "сигнал - помеха" и увеличивается дальность передачи. Вдобавок нет необходимости в выравнивании приемопередающих модулей. В одном конкретном варианте настоящего изобретения достигаются два режима передачи, а именно с рассеиванием и/или вдоль линии визирования.

Настоящие передающие и приемопередающие модули удовлетворяют требованиям IEC 825-1 (Международная электротехническая компания). Это может быть достигнуто путем использования большого достаточно протяженного видимого источника и/или активной защитной блокировки, если голова человека приближается слишком близко к излучателю. Как было описано выше, такой механизм блокировки может быть основан на измерении с помощью фотодиодов излучающего приемопередающего модуля отраженного сильного эхо-сигнала, вызванного близко расположенным объектом (обнаружение близости).

Настоящее изобретение обеспечивает автоматическую блокировку интенсивного направленного внешнего освещения (от настольных ламп, окон, прямого солнечного света), для того, чтобы оптимизировать дальность передачи при заданной скорости передачи данных. Эта особенность может быть реализована путем селективного комбинирования отдельных фотодиодов, установленных в пространстве в различных направлениях (по секторам), что позволяет выбирать максимальное отношение "сигнал-помеха".

Оптический передающий и приемопередающий модуль предназначен для обмена данными. Техническим результатом является создание оптического передающего модуля небольших размеров с оптимальной диаграммой направленности излучения. Корпус модуля содержит рассеиватель для увеличения размера источника, передающий блок, состоящий из указанных диодов, приемопередающий модуль, который содержит приемник. Приемник имеет четыре фотодиода, расположенных под монтажным основанием, которые отклонены и обращены в разные стороны для приема света по всем направлениям вокруг модуля и защищены тонкой проволочной сеткой, которая играет роль клетки Фарадея для уменьшения электромагнитных помех. 26 з.п. ф-лы, 22 ил.

1. Оптический модуль для передачи данных, содержащий матрицу инфракрасных светоизлучающих диодов (51), расположенных равномерно и предпочтительно симметрично и имеющих либо индивидуальную, либо общую адресацию, куполообразный корпус (52), образующий полость, отличающийся тем, что матрица расположена внутри указанной полости, а куполообразный корпус (52) содержит рассеиватель для инфракрасного света, излучаемого матрицей, для обеспечения видимого оптического увеличения источника инфракрасного света. 2. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что инфракрасные светоизлучающие диоды матрицы (11,201) расположены на монтажном основании (10,203) так, что главная ось излучения указанных диодов проходит приблизительно параллельно центральной оси куполообразного корпуса (12,200). 3. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что инфракрасные светоизлучающие диоды матрицы (31,41,51,71,81,91,101,111,121,221) расположены на монтажном основании (30,40,50,70,80,90,100,110,120,140,150,223) так, что главная ось излучения указанных диодов наклонена по отношению к центральной оси куполообразного корпуса (32,42,52,60,61,72,102,112,122,142,152,162,220). 4. Модуль по п.3, отличающийся тем, что инфракрасные светоизлучающие диоды (31,41,51,71,91,101) расположены так, что они обращены к указанной центральной оси. 5. Модуль по п. 3, отличающийся тем, что инфракрасные светоизлучающие диоды (81,111,121,221) расположены так, что они обращены радиально наружу по отношению к указанной центральной оси. 6. Модуль по одному из пп.1 - 5, отличающийся тем, что куполообразный корпус (42) содержит фазовую голограмму (43) для формирования оптического пучка, расположенную внутри корпуса. 7. Модуль по одному из пп.1 - 5, отличающийся тем, что куполообразный корпус (52) содержит взвешенные частицы с большим коэффициентом отражения, которые играют роль рассеивателя (53). 8. Модуль по одному из пп.1 - 5, отличающийся тем, что куполообразный корпус содержит рифленую поверхность (93) на внешней и/или внутренней поверхности, которая служит рассеивателем. 9. Модуль по п.8, отличающийся тем, что рифленая поверхность имеет степень шероховатости, которая совпадает с длиной волны, излучаемой инфракрасными светоизлучающими диодами модуля. 10. Модуль по одному из пп.1 - 5, отличающийся тем, что куполообразный корпус содержит рисунок, нанесенный в шахматном порядке (92) на внутренней и/или внешней поверхности и служащий рассеивателем. 11. Модуль по одному из пп.1 - 10, отличающийся тем, что куполообразный корпус (102) содержит призматическое кольцо (104), которое отражает вниз часть света (Δ), излучаемого матрицей инфракрасных светоизлучающих диодов (101), так, что улучшается прямая связь по линии визирования. 12. Модуль по одному из пп.1 - 10, отличающийся тем, что куполообразный корпус (112) содержит отражатели (114), расположенные на внутренней поверхности корпуса (112), которые отражают свет, излучаемый матрицей инфракрасных светоизлучающих диодов (111), вверх таким образом, что он выходит из корпуса (112) через рассеиватель (113). 13. Модуль по одному из пп.1 - 10, отличающийся тем, что куполообразный корпус (122) содержит ряд отражателей (124), обращенные вверх отклоняющие призмы (125) и обращенную вниз отклоняющую призму (126), расположенные по окружности на внутренней поверхности корпуса (122) и выполненные с возможностью поворота относительно положения матрицы инфракрасных светоизлучающих диодов (121) для изменения диаграммы направленности излучения модуля. 14. Модуль по одному из пп.1 - 10, отличающийся тем, что куполообразный корпус (200,210,220) содержит ряд отражателей (202,212,222) или ряд призм, расположенных по окружности в куполообразном корпусе (200,210,220) и выполненных с возможностью поворота относительно положения матрицы инфракрасных светоизлучающих диодов (201,211,221) для изменения диаграммы направленности излучения модуля. 15. Модуль по п.13 или 14, отличающийся тем, что куполообразный корпус (122,200,210,220) выполнен с возможностью пошагового поворота относительно матрицы инфракрасных светоизлучающих диодов (121,201,211,221). 16. Модуль по одному из пп.1 - 15, отличающийся тем, что также содержит приемник с матрицей фотодиодов (143,153,161), имеющей наклон по отношению к центральной оси корпуса. 17. Модуль по п.16, отличающийся тем, что фотодиоды (143) расположены под матрицей инфракрасных светоизлучающих диодов в том же корпусе (142). 18. Модуль по п.16, отличающийся тем, что фотодиоды (153,161) расположены над матрицей инфракрасных светоизлучающих диодов в том же корпусе (152,162). 19. Модуль по одному из пп.16 - 18, отличающийся тем, что фотодиоды (143,153,161) смонтированы на монтажном основании (160), которое закреплено в корпусе (142,152,162). 20. Модуль по п. 16, отличающийся тем, что корпус (142,152) содержит подложку (144,154) с электронными схемами и/или сетку из тонкой проволоки (145,155). 21. Модуль по одному из пп.1 - 20, отличающийся тем, что содержит интерфейс, подключаемый к шине компьютера. 22. Модуль по п.21, отличающийся тем, что содержит зажим (172), прикрепляемый к панели монитора компьютера, и кабель (173), подключаемый к интерфейсу. 23. Модуль по п.21, отличающийся тем, что выполнен с возможностью встраивания в панель монитора компьютера жестко или с возможностью убирания внутрь. 24. Модуль по одному из пп.1 - 15, отличающийся тем, что дополнительно содержит матрицу фотодиодов (181), усилители (180,184) для усиления сигналов, принимаемых матрицей фотодиодов, средство (186) для обнаружения информации, содержащейся в сигналах, принимаемых матрицей фотодиодов (181), средство (191) для возбуждения матрицы инфракрасных светоизлучающих диодов модуля, средство (182,183,190) для активного выбора и индивидуального комбинирования сигналов, принимаемых каждым фотодиодом матрицы фотодиодов (181), средства (188-191) для обнаружения близости путем определения силы эхо-сигнала и выключения матрицы инфракрасных светоизлучающих диодов модуля, если эхо-сигнал превышает предварительно определенное предельное значение. 25. Модуль по одному из пп.16 - 19, отличающийся тем, что содержит усилители (180,184) для усиления сигналов, принимаемых матрицей фотодиодов модуля, средство (186) для обнаружения информации, содержащейся в сигналах, принимаемых матрицей фотодиодов модуля, средство (191) для возбуждения матрицы инфракрасных светоизлучающих диодов модуля, средство (182,183,190) для активного выбора и индивидуального комбинирования сигналов, принимаемых каждым фотодиодом матрицы фотодиодов модуля, средства (188-191) для обнаружения близости путем определения силы эхо-сигнала и выключения матрицы инфракрасных светоизлучающих диодов модуля, если эхо-сигнал превышает предварительно определенное предельное значение. 26. Модуль по п. 24 или 25, отличающийся тем, что содержит интерфейс (192), подключаемый к шине (193) компьютера. 27. Модуль по одному из пп.24 - 26, отличающийся тем, что предназначен для использования в системе беспроводной передачи данных.