УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ КОДИРОВАННОГО СВЕТА Российский патент 2017 года по МПК H04B10/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Варианты осуществления настоящего изобретения относятся в общем к области осветительных систем и в частности к системам и способам встраивания данных в выходной световой сигнал упомянутых осветительных систем.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Связь в видимой области спектра относится к передаче данных по выходному световому сигналу, производимому источниками освещения. Такая связь является перспективным способом обеспечения локального беспроводного обмена данными в будущем, потому что для связи доступен широкий нелицензируемый диапазон частот и потому, что светоизлучающие диоды (LEDs), применяемые для освещения помещения или пространства, можно применить для обеспечения связи. Возможно, каждый источник освещения в будущем может стать источником связи.

Один метод связи в видимой области спектра основан на встраивании данных в выходной световой сигнал осветительного устройства посредством модуляции выходного светового сигнала осветительного устройства в ответ на сигнал данных (например, выходной световой сигнал иногда называют «кодированным светом», сокращенно «CL»). В предпочтительном варианте выходной световой сигнал модулируют с высокой частотой и/или с использованием специальной схемы модуляции таким образом, чтобы модуляция была незаметной для человека.

Для реализации систем упомянутого типа для связи в видимой области спектра в осветительных системах обычно используют специализированные драйверные электронные устройства, чтобы обеспечивать наложение сигнала данных на сигнал возбуждения LED. На фиг. 1 приведено схематическое изображение упомянутой осветительной системы 100. Как изображено, осветительная система 100 включает в себя специализированную схему 110 драйвера и LED 120 и сконфигурирована с возможностью генерировать выходной световой сигнал 125 в соответствии с параметрами настройки света. Специализированная схема 110 драйвера включает в себя генератор 112 сигнала возбуждения и контроллер 114 драйвера. Осветительная система 100 сконфигурирована с возможностью работать следующим образом. Как изображено на фиг. 1, параметры настройки света для осветительной системы 100 обеспечены для генератора 112 сигнала возбуждения. Параметры настройки света указывают, что выходной световой сигнал 125 должен быть в значениях, например, мощности света, задаваемой, например, в люменах, и цвета. Генератор 112 сигнала возбуждения преобразует параметры настройки света в сигнал возбуждения (например, ток возбуждения) для LED 120 и представляет сигнал возбуждения в контроллер 114 драйвера.

Контроллер 114 драйвера дополнительно сконфигурирован с возможностью принимать сигнал 135 от источника 130 данных. Сигнал 135 включает в себя информационные биты, подлежащие встраиванию в выходной световой сигнал 125 от LED 120. Контроллер 114 драйвера сконфигурирован с возможностью модулировать сигнал возбуждения, подлежащий подаче в LED 120, по сигналу 135, чтобы встраивать информационные биты сигнала 135 в выходной световой сигнал 125. Различные методы, посредством которых можно модулировать сигнал возбуждения для встраивания данных в выходной световой сигнал источника света (широтно-импульсная модуляция, амплитудная модуляции и т.п.), известны специалистам в данной области техники и поэтому дополнительно подробно не поясняются.

При упомянутом подходе существует одна проблема, связанная со сложностью и дороговизной реальной модификации обычного светодиодного (LED) драйвера для функционирования в качестве вышеописанной специализированной схемы 110 драйвера. Поэтому в данной области техники существует потребность в таком методе встраивания данных в выходной световой сигнал LED, который не требует модуляции сигнала возбуждения, подаваемого в LED.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является создание системы и способа, пригодных для встраивания данных в выходной световой сигнал LED, без модуляции сигнала возбуждения, подаваемого в LED.

В соответствии с одним аспектом изобретения раскрыто осветительное устройство для встраивания по меньшей мере одного символа данных информационного сигнала в выходной сигнал яркости осветительного устройства. Осветительное устройство включает в себя LED, содержащий по меньшей мере первый сегмент и второй сегмент. Первый сегмент и второй сегмент имеют общий электрод и выполнены с возможностью индивидуального управления. LED выполнен с возможностью генерировать выходной сигнал яркости в ответ на сигнал возбуждения. Осветительное устройство дополнительно включает в себя контроллер, сконфигурированный для включения или выключения второго сегмента в ответ на информационный сигнал, чтобы встраивать по меньшей мере один символ данных информационного сигнала.

В контексте настоящей заявки выражение «выключать сегмент» [LED] относится к прерыванию сигнала возбуждения, подаваемого в сегмент. Аналогично, выражение «включать сегмент» [LED] относится к подаче сигнала возбуждения в сегмент. Когда сегмент выключен, то он не генерирует свет. Когда сегмент включен, то он генерирует свет. Выходной сигнал яркости LED является сложением выходных сигналов яркостей каждого из сегментов.

Настоящее изобретение основано на признании того, что обеспечение LED, разделенного на по меньшей мере два сегмента, имеющих общий электрод и которые выполнены с возможностью индивидуального управления (т.е. упомянутые сегменты можно включать или выключать индивидуально), обеспечивает возможность изменять выходной световой сигнал, генерируемый LED, без необходимости изменения сигнала возбуждения, подаваемого на общий электрод сегментов. Когда сигнал возбуждения подают на общий электрод, выключение одного из сегментов приводит к повышению плотности тока через другой сегмент, что, в номинальном режиме работы, вызывает ухудшение характеристик выходного светового сигнала, так как внутренний квантовый выход (IQE) LED снижается (данный эффект обычно известен как «эффект спада»). В свою очередь изменения характеристик выходного светового сигнала можно использовать для встраивания символов данных. Таким образом, обычный LED-драйвер можно использовать для подачи сигнала возбуждения на общий электрод двух сегментов, а модуляцию выходного светового сигнала выполняют включением и выключением одного из сегментов, с использованием, например, переключателей, которые являются внешними относительно LED-драйвера. Приведенный подход обеспечивает преимущество над известным уровнем техники в том, что упомянутое устройство сравнимо с обычными LED-драйверами, поскольку дополнительных электронных устройств для модуляции сигнала возбуждения не требуется, что позволяет упростить реализацию и снизить затраты.

В контексте настоящей заявки термин «номинальный режим работы» служит для описания работы LED при такой плотности тока, которая приводит к требуемому максимальному внутреннему квантовому выходу (IQE) LED.

Источники света, описанные в настоящей заявке, могут содержать неорганические или органические светоизлучающие диоды. Данные, встраиваемые в выходной световой сигнал осветительной системы, могут содержать локальную идентификационную информацию источников света, их характеристики и/или параметры настройки, или информацию других типов, относящуюся к источникам света. Однако следует отметить, что осветительную систему не обязательно применяют для освещения пространства или площади, но можно также применять для передачи данных самих по себе. Например, осветительная система может составлять точку доступа в сеть. При подобном применении по меньшей мере часть выходного светового сигнала, выдаваемого осветительной системой, может быть за пределами видимой области спектра (т.е. выходной световой сигнал одного из источников света системы может быть за пределами видимой области спектра).

В соответствии с другими аспектами изобретения предлагаются соответствующий способ встраивания по меньшей мере одного символа данных информационного сигнала в выходной световой сигнал осветительного устройства, а также осветительная система, содержащая по меньшей мере одно осветительное устройство.

Варианты осуществления по п. 2, 3, 9 и 10 формулы изобретения обеспечивают способы определения глубины модуляции для осветительного устройства. В контексте настоящей заявки, термин «глубина модуляции» относится к диапазону изменения амплитуды или интенсивности выходного сигнала LED, причем разные уровни амплитуды или интенсивности соответствуют разным информационным битам, закодированным в выходном сигнале яркости.

Варианты осуществления по п. 4, 5, 11 и 12 формулы изобретения устанавливают, что общий электрод может быть катодом или анодом.

Варианты осуществления по п. 6 и 13 формулы изобретения обеспечивают LED предпочтительного типа для использования в составе осветительного устройства.

В дальнейшем приведено более подробное описание варианта осуществления изобретения. Однако, следует понимать, что упомянутый вариант осуществления нельзя интерпретировать как ограничивающий объем охраны настоящего изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 - схематическое изображение осветительной системы в соответствии с известным уровнем техники;

Фиг. 2 - схематическое изображение осветительной системы, установленной в конструкции, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 3 - схематическое изображение осветительной системы в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 4 - схематическое изображение реализации подхода с сегментированным LED в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения; и

Фиг. 5 - схематическое изображение эффекта спада.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В последующем описании предлагается описание множества конкретных отдельных частей для обеспечения более полного понимания настоящего изобретения. Однако специалисту в данной области техники должно быть ясно, что настоящее изобретение можно применять без по меньшей мере одной из упомянутых конкретных отдельных частей. В других случаях общеизвестные конструктивные элементы не описаны, чтобы не допустить неясности изложения настоящего изобретения.

Фиг. 2 изображает конструкцию 200, в данном случае помещение со смонтированной осветительной системой 210. Осветительная система 210 содержит по меньшей мере один источник 220 света и по меньшей мере один контроллер (не изображенный на фиг. 1), управляющий источниками 220 света. При возбуждении электрическим сигналом источники 220 света освещают части конструкции 200. Источники 220 света могут содержать неорганические и/или органические светоизлучающие устройства. Осветительная система 210 может дополнительно содержать устройство 230 дистанционного управления, позволяющее пользователю управлять источниками 220 света.

Фиг. 3 - схематическое изображение осветительной системы 300 в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Осветительную систему 300 можно использовать в качестве осветительной системы 210 в конструкции 200, изображенной на фиг. 2. Как изображено, осветительная система 300 включает в себя LED 320, который включает в себя по меньшей мере два сегмента, выполненных с возможностью индивидуального управления, имеющих общий электрод, драйвер 310 LED, сконфигурированный с возможностью подавать сигнал возбуждения в LED 320, и источник 330 данных, сконфигурированный с возможностью обеспечения данных, подлежащих встраиванию в выходной световой сигнал LED 320.

Осветительная система 300 сконфигурирована с возможностью работать следующим образом. Как изображено на фиг. 3, параметры настройки света осветительной системы 300 подаются в драйвер 310 LED. Параметры настройки света могут обеспечиваться, например, пользователем с помощью устройства 230 дистанционного управления или могут быть предварительно запрограммированы и выданы из внешнего блока, управляющего окружающей обстановкой сцены. В альтернативном варианте параметры настройки света могут быть предварительно запрограммированы и сохранены в памяти в драйвере 310 LED или в осветительной системе 300. Драйвер 310 LED преобразует параметры настройки света в сигнал возбуждения LED 320.

В одном варианте осуществления драйвер 310 LED содержит источник тока, обеспечивающий сигнал возбуждения в форме тока возбуждения. В данном варианте осуществления LED 320 может быть реализован в виде, изображенном на фиг. 4. Как изображено на фиг. 4, LED 320 включает в себя излучающий участок 422 и переключающий участок 424. Излучающий участок 422 выполнен таким образом, что n участков площади поверхности LED кристалла могут быть частично изолированы от остальных, что дает, в результате, n сегментов, изображенных в виде D1, D2, …, Dn, каждый из которых сконфигурирован с возможностью излучать свет в ответ на сигнал возбуждения. В контексте настоящей заявки n означает любое целое число не меньше 2. Сегменты D1, D2, …, Dn имеют общий электрод. На фиг. 4 изображено, что общий электрод является анодом 426, но в других вариантах осуществления и в модификациях схемы, которые будут очевидны специалисту в данной области техники, общий электрод может быть катодом.

Переключающий участок 424 включает в себя (n-1) переключателей, изображенных на фиг. 4 в виде S2, …, Sn, при этом каждый из переключателей S2, …, Sn служит для включения или выключения соответствующего сегмента D2, …, Dn излучающего участка 422. Таким образом, переключатель S2 соответствует сегменту D2, переключатель S3 соответствует сегменту D3 и так далее. Когда драйвером 310 LED обеспечивается постоянный ток возбуждения, обозначенный Idrv на фиг. 4, и подается на общий электрод 426, и все переключатели S2, …, Sn замкнуты (т.е. соответствующие цепи замкнуты, то соответствующие сегменты включены), то токи, протекающие через каждый из сегментов и указанные на фиг. 4 в виде токов I1, I2, …, In, вызывают излучение света сегментами. Сумма вкладов в световое излучение от каждого излучающего сегмента содержит выходную яркость LED 320.

В контексте настоящей заявки выражение «постоянный сигнал возбуждения» (которое включает в себя «постоянный ток возбуждения») служит для отражения того факта, что сигнал возбуждения не модулируется для встраивания информационных битов. Упомянутый сигнал не исключает сигналов возбуждения, состоящих из импульсов, если импульсы не модулируются для встраивания информационных сигналов, как по известной технологии.

Поскольку суммарный ток возбуждения, обеспечиваемый драйвером 310 LED, остается постоянным, то, если один из переключателей S2, …, Sn разомкнется (т.е. соответствующий сегмент D2, …, Dn выключается), плотность тока в сегментах, которые остаются включенными, повысится. Возбуждение LED 320 током в номинальном режиме работы (в данном случае, номинальный режим работы относится ко всем включенным сегментам), повышение плотности тока через сегмент после выключения по меньшей мере одного другого сегмента вызывает ухудшение характеристик выходного светового сигнала излучающего сегмента из-за эффекта спада. Данный эффект изображен кривой 510 на фиг. 5, где ось Х служит для представления значений тока возбуждения (в мА), ось Y служит для представления значений кпд на штепсельной розетке (в %), соответствующей коммерческому LED устройству, использующему приблизительно 1-мм² активной площади поверхности. Правая сторона кривой 510 показывает, что повышение тока приводит к снижению кпд.

Следовательно, в номинальном режиме работы, вследствие эффекта спада, когда один из сегментов D2, …, Dn выключают, выходное световое излучение 325, генерируемое LED 320, будет ослабляться по мере того, как плотность тока через другие сегменты возрастает. Для использования упомянутого эффекта, как изображено на фигурах 3 и 4, LED 320 дополнительно включает в себя контроллер 340. Контроллер 340 сконфигурирован с возможностью получать информационный сигнал 335 от источника 330 данных. Сигнал 335 включает в себя (по меньшей мере) информационные биты, подлежащие встраиванию в выходной световой сигнал 325 LED 320. В настоящем описании символы упоминаются как биты. Однако следует понимать, что всякий раз, когда в настоящей заявке используют слово «бит», применимо более широкое определение «символ», которое может также содержать несколько битов, представленных одним символом. Например, для представления данных задают многоуровневые символы, в которых имеются не только 0 и 1 для встраивания данных, а несколько дискретных уровней.

Контроллер 340 сконфигурирован с возможностью включения или выключения сегментов D2, …, Dn в ответ на сигнал 335, чтобы встраивать информационные биты сигнала 335 в выходной световой сигнал 325. Величина излучающей площади поверхности, соответствующей каждому из разных сегментов, задает уровни интенсивности модуляции выходного светового сигнала. Число сегментов, которые можно включать или выключать, задает число уровней модуляции. Например, для двухуровневой модуляции (т.е. каждый бит, подлежащий встраиванию, является либо «1», либо «0») требуются только два сегмента в составе LED 320, один сегмент, который всегда включен, и другой сегмент, который можно включать или выключать для встраивания информационных битов. Как изображено на фиг. 4, данный вариант осуществления соответствует излучающему участку 422, содержащему только два излучающих сегмента, D1 и D2. В продолжение приведенного примера следует учитывать, что ослабление выходного светового сигнала LED 320 на 10% может определяться на регистрирующей стороне как двоичное значение «0». В представленном примерном варианте осуществления сегмент D2 можно сделать с размером, составляющим приблизительно 10% от суммарной площади поверхности излучающего участка 422, и, для встраивания двоичного значения «0» из сигнала 335, контроллер 340 будет выключать сегмент D2 (т.е. размыкать соответствующий переключатель S2).

Специалисты в данной области техники определят другие способы включения и выключения сегментов в зависимости от сигнала 335 для встраивания данных в выходной световой сигнал осветительной системы. Например, многоуровневую модуляцию выходного светового сигнала можно реализовать путем использования и переключения по меньшей мере трех сегментов. Чем больше число уровней, тем большую скорость передачи информации в битах можно обеспечить. Таким образом, в другом варианте осуществления излучающий участок 422 содержит сегменты D1, …, Dn. На практике n является целым числом в пределах от 3 до 10, в более предпочтительном варианте, от 5 до 8, например, равно 6 или 7. Переключение сегментов D2, …, Dn с использованием переключателей S2, …, Sn позволяет вводить данные с несколькими дискретными уровнями в выходном световом сигнале 325 LED 320. В одном варианте осуществления относительные размеры A2, …, An всех сегментов D2, …, Dn являются одинаковыми. В другом варианте осуществления относительные размеры A2, …, An связаны между собой такой предварительно определенной зависимостью, что упомянутые размеры непрерывно увеличиваются/уменьшаются. Например, An-1=2×An, так что A2=2×A3=2×(2×A4)=2×(2×(2×A5)) и т.п. В другом варианте осуществления сегменты D2, …, Dn выполнены так, чтобы их плотности токов в номинальном режиме работы были связаны между собой зависимостью, подобной зависимости, описанной выше для размеров.

В дополнение к работе в режиме, в котором контроллер 340 включает и выключает некоторые из сегментов, чтобы встраивать символы данных информационного сигнала 335, и который можно назвать «режимом передачи», LED 320 может также работать в режиме постоянного тока подобно любому другому обычному LED-устройству, когда переключатели S2-Sn остаются во включенном состоянии. А именно, через сегменты D1, D2, …, Dn будет протекать постоянный ток при условии, что сопротивление переключателей S2, …, Sn во включенном состоянии намного меньше, чем динамическое сопротивление сегментов.

Кроме того, в других вариантах осуществления драйвер 310 LED может содержать источник напряжения, обеспечивающий сигнал возбуждения в форме напряжения возбуждения. Специалисты в данной области техники легко определят, каким образом вышеописанные варианты можно модифицировать для применения драйвера LED с источником напряжения.

Другое преимущество настоящего изобретения состоит в том, что для встраивания символов данных не обязательно модулировать сигнал возбуждения, обеспечиваемый драйвером LED для LED, так как символы данных встраиваются переключением отдельных сегментов в LED. В результате, можно применять обычные драйверы LED, что исключает потребность в наличии сложных и дорогих электронных устройств, способных модулировать сигнал возбуждения.

Хотя вышеприведенное описание относится к некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, однако можно разработать другие и дополнительные варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы объема основного изобретения. Например, аспекты настоящего изобретения могут быть реализованы в виде аппаратного или программного обеспечения или в виде сочетания аппаратного и программного обеспечения. Следовательно, объем настоящего изобретения определяется нижеприведенной формулой изобретения.

Изобретение относится к осветительному устройству для встраивания символов данных информационного сигнала в выходной сигнал яркости осветительного устройства. Устройство включает в себя светоизлучающий диод (LED), содержащий по меньшей мере два сегмента, которые имеют общий электрод и выполнены с возможностью индивидуального управления. LED сконфигурирован с возможностью генерировать выходной сигнал яркости по сигналу возбуждения. Устройство дополнительно включает в себя контроллер, сконфигурированный для включения или выключения одного из сегментов по информационному сигналу, чтобы встраивать символы данных информационного сигнала в выходной световой сигнал устройства. Технический результат - упрощение встраивания данных в выходной световой сигнал. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Осветительное устройство для освещения пространства или участка, выполненное с возможностью встраивания по меньшей мере одного символа данных информационного сигнала в выходной сигнал яркости осветительного устройства, так что модуляция данных является невидимой для человеческого глаза, содержащее:

светоизлучающий диод, содержащий по меньшей мере первый сегмент и второй сегмент, причем первый сегмент и второй сегмент имеют общий электрод и выполнены с возможностью индивидуального управления, и этот светоизлучающий диод сконфигурирован с возможностью генерировать выходной сигнал яркости в ответ на первый сигнал возбуждения; и

контроллер, сконфигурированный с возможностью включать или выключать второй сегмент в ответ на информационный сигнал, чтобы встраивать по меньшей мере один символ данных информационного сигнала, в то время как первый сигнал возбуждения является постоянным сигналом и подается на упомянутый общий электрод, так что, когда второй сегмент выключен, а первый сегмент включен, обеспечивается возрастание плотности тока через первый сегмент, а когда второй сегмент включен и первый сегмент включен, обеспечивается уменьшение плотности тока через первый сегмент.

2. Осветительное устройство по п. 1, в котором глубина модуляции пропорциональна размеру первого сегмента и/или второго сегмента.

3. Осветительное устройство по п. 1, в котором глубина

модуляции пропорциональна плотности тока через первый сегмент и/или второй сегмент.

4. Осветительное устройство по любому из пп. 1-3, в котором общий электрод содержит либо катод, либо анод.

5. Осветительное устройство по любому из пп. 1-3, в котором светоизлучающий диод содержит тонкопленочное устройство, смонтированное методом перевернутого кристалла.

6. Осветительное устройство по п. 4, в котором светоизлучающий диод содержит тонкопленочное устройство, смонтированное методом перевернутого кристалла.

7. Осветительная система, содержащая по меньшей мере одно осветительное устройство по любому из пп. 1-6.

8. Способ встраивания по меньшей мере одного символа данных информационного сигнала в выходной сигнал яркости светоизлучающего диода осветительного устройства для освещения пространства или участка, которое сконфигурировано так, что модуляция данных является невидимой для человеческого глаза, содержащий этапы, на которых:

обеспечивают первый сигнал возбуждения на светоизлучающий диод, содержащий по меньшей мере первый сегмент и второй сегмент, причем первый сегмент и второй сегмент имеют общий электрод и выполнены с возможностью индивидуального управления, и светоизлучающий диод сконфигурирован с возможностью генерировать выходной сигнал яркости в ответ на первый сигнал возбуждения; и

включают или выключают второй сегмент в ответ на

информационный сигнал, чтобы встраивать по меньшей мере один символ данных информационного сигнала, в то время как первый сигнал возбуждения является постоянным сигналом и подается на упомянутый общий электрод, так что, когда второй сегмент выключен, а первый сегмент включен, обеспечивается возрастание плотности тока через первый сегмент, а когда второй сегмент включен и первый сегмент включен, обеспечивается уменьшение плотности тока через первый сегмент.

9. Способ по п. 8, в котором глубина модуляции пропорциональна размеру первого сегмента и/или второго сегмента.

10. Способ по п. 8, в котором глубина модуляции пропорциональна плотности тока через первый сегмент и/или второй сегмент.

11. Способ по любому из пп. 8-10, в котором общий электрод содержит либо катод, либо анод.

12. Способ по любому из пп. 8-10, в котором используют светоизлучающий диод, содержащий тонкопленочное устройство, смонтированное методом перевернутого кристалла.

13. Способ по п. 11, в котором используют светоизлучающий диод, содержащий тонкопленочное устройство, смонтированное методом перевернутого кристалла.