專利名稱：光發(fā)射機(jī)及收發(fā)機(jī)模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于光數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)射機(jī)和收發(fā)機(jī)模塊，特別地，這些模塊適合于在紅外數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中使用。
伴隨在商業(yè)、政府機(jī)關(guān)及制造業(yè)等所有領(lǐng)域中工作站和個(gè)人計(jì)算機(jī)(例如，工作臺(tái)和手持式計(jì)算機(jī))數(shù)目的急劇增加，對于這些系統(tǒng)的靈活及簡便的連接要求也在增加。在所連接的外圍設(shè)備，諸如鍵盤、計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)、打印機(jī)、繪圖儀、掃描器、顯示器等的掛鉤和連接方面也有類似的要求。使用電線網(wǎng)絡(luò)和電纜，在系統(tǒng)和外圍設(shè)備的密度增加以及必須頻繁地改變系統(tǒng)的位置或子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的情況下，將尤其成為問題。因此，希望能夠使用無線通信系統(tǒng)去連接這些設(shè)備和系統(tǒng)而省去對電纜網(wǎng)絡(luò)的需求。
特別是近年來，使用光信號在系統(tǒng)和遠(yuǎn)程裝置之間進(jìn)行信息交換越來越引起人們的興趣。這種無線光通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是省去了大部分傳統(tǒng)的連線。與射頻(RF)無線傳輸相比，光紅外(IR)無線傳輸具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即不需要使用通信(電壓)調(diào)節(jié)，也不需要PTT和FCC批準(zhǔn)。另外，沒有電磁干擾引起的干擾，也沒有來自其它RF信道可能產(chǎn)生的干擾，而且由于輻射被限制在房間之內(nèi)，因此與使用RF系統(tǒng)相比，更好地保證了數(shù)據(jù)的保密性。因而，不存在運(yùn)行在隔壁的相似系統(tǒng)引起的干擾，而且提供了比射頻傳輸所能給出的更高等級的數(shù)據(jù)保密性。與射頻天線相比，通常發(fā)光二極管(LED)和光電二極管的尺寸要小很多，這一點(diǎn)在設(shè)計(jì)便攜式計(jì)算機(jī)時(shí)特別引起人們的興趣。
這種系統(tǒng)中的光信號可以直接地傳輸?shù)浇邮障到y(tǒng)中的光接收機(jī)，或者它們也可以在由于如在表面反射和散射的處理而改變了傳輸方向之后非直接地到達(dá)接收機(jī)。目前，在對于便攜計(jì)算機(jī)的對接站中已實(shí)現(xiàn)了前一種情況，在那里，在嚴(yán)格地調(diào)準(zhǔn)并相互靠攏為cm級距離的一個(gè)光發(fā)射機(jī)和一個(gè)接收機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。后一種情況典型地應(yīng)用于辦公環(huán)境中，在那里，由于直接路徑的不可避免的干擾，相互間隔幾米的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間光信號的不受干擾的直接傳輸是不切實(shí)際的，或者甚至是不可能的，一種已知的達(dá)到高度靈活性的處理是把光信號從發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射到辦公室的天花板上，在那里，光信號被反射或漫散射。因此，發(fā)射分布在發(fā)射機(jī)周圍的某一范圍。從天花板散布的光信號的分布取決于許多具體情況，這些情況對于所考慮的特殊環(huán)境是特有的?？傊?，上下文中的實(shí)質(zhì)是傳輸范圍即發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)之間的距離被限定為某個(gè)有限的值，這個(gè)值在后面稱為傳輸范圍，這是因?yàn)樗鶄鲗?dǎo)的發(fā)射能流隨傳播距離的增加而減小而且由于最終的信噪比限制了接收機(jī)的靈敏度。在由光源的特性限制的光功率的水平以及對于曝光的安全要求下運(yùn)行的典型已知系統(tǒng)對1Mbps的數(shù)據(jù)速率示出了幾米的傳輸范圍。
一個(gè)無線光通信系統(tǒng)的決定性參數(shù)是在數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)中能夠達(dá)到的數(shù)據(jù)速率和距離。在一個(gè)辦公室環(huán)境中，這些參數(shù)對在超過常規(guī)的光發(fā)射機(jī)的傳導(dǎo)范圍的距離上傳輸數(shù)據(jù)是不可缺少的。
目前的無線光數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)有若干不足之外。首先，傳輸范圍不適合于在例如大辦公室和會(huì)議室這樣的環(huán)境下使用，而且發(fā)射特性和范圍不一致，因此需要發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的準(zhǔn)確調(diào)準(zhǔn)。
另外，還有一點(diǎn)，即考慮到在大多數(shù)環(huán)境中都存在有不可避免的周圍的光線，例如日光或來自燈泡的光，這些光總會(huì)到達(dá)光檢測器，除非系統(tǒng)被限定為在全黑的環(huán)境中使用。不可避免的周圍的光可能導(dǎo)入時(shí)間相關(guān)信號，例如來自燈泡的AC信號，而且更重要的是在許多實(shí)際情況下導(dǎo)入了光接收機(jī)中的主噪聲源。因此，周圍的光左右了接收機(jī)的信噪比，而且，由此而影響了傳輸范圍。不可避免的光的出現(xiàn)絕大部分是統(tǒng)計(jì)性的并且難于控制，而且其強(qiáng)度隨光表觀為日光或燈泡通/斷的光而強(qiáng)烈地變化。另一個(gè)統(tǒng)計(jì)地影響信噪比以及傳輸范圍的實(shí)際影響是左右接收機(jī)信號的光通路阻塞的出現(xiàn)。
消除這些問題的第一種探討是增加發(fā)射機(jī)模塊的輸出功率。由于一些原因，該方案已被證明不可行。這種發(fā)射機(jī)模塊的功率消耗對于在例如筆記本電腦或掌上型電腦這樣的便攜式系統(tǒng)中的應(yīng)用是很高的。而光無線系統(tǒng)的開發(fā)最重要的問題是光安全性?？梢灶A(yù)料，如果曝光足夠高，則光輻射能夠?qū)ρ劬推つw存在危害。危害程度取決于幾個(gè)因素，這些因素包括曝光水平(能量或功率)、曝光時(shí)間和波長。
在P.P.Smyth等人于1993年5月在IEEE‘93國際通信會(huì)議(該會(huì)議1993年5月23～26日在瑞士日內(nèi)瓦召開)上發(fā)表的論文“OpticalWirelessNew Enabling Transmitter Technologies(光無線新的可應(yīng)用的發(fā)射機(jī)技術(shù))”(該論文收集在會(huì)議記錄的技術(shù)部分中，Vol.1/3，pp.562-266)中論述了現(xiàn)存的眼睛安全標(biāo)準(zhǔn)的改變以及一種發(fā)射機(jī)技術(shù)的新結(jié)構(gòu)。該發(fā)射機(jī)技術(shù)的新結(jié)構(gòu)基于這樣的思想，即擴(kuò)大光源的面積以減少視網(wǎng)膜損害的危險(xiǎn)。在該論文中，建議，例如，使用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的相位全息圖，以獲得對于一個(gè)單個(gè)激光二極管源的波束成形輸出的多個(gè)光束。
該探討是在正確方向上的第一步，但仍然沒有論述并解決不充分的傳輸范圍和充分的眼睛安全性的問題。
本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)了的光發(fā)射機(jī)模塊。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種小尺寸且具有最佳輻射圖的光發(fā)射機(jī)模塊。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種符合安全標(biāo)準(zhǔn)(IEC 825-1)的光發(fā)射機(jī)模塊。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種具有可變換的輻射圖形的光發(fā)射機(jī)模塊。
上述目的通過提供后述的權(quán)利要求那樣的光發(fā)射機(jī)模塊來實(shí)現(xiàn)。
下面，通過參考下述附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明。


圖1示出依據(jù)本發(fā)明的光發(fā)射機(jī)模塊的斷面圖。
圖2示出發(fā)光二極管的3種不同的規(guī)則的和對稱的結(jié)構(gòu)。
圖3示出依據(jù)本發(fā)明的光發(fā)射機(jī)模塊的斷面圖。
圖4示出依據(jù)本發(fā)明的光發(fā)射機(jī)模塊的斷面圖。
圖5示出依據(jù)本發(fā)明的光發(fā)射機(jī)模塊的斷面圖。
圖6A是半球形外殼的斷面圖。
圖6B是半球形外殼的斷面圖。
圖7示出依據(jù)本發(fā)明的光發(fā)射機(jī)模塊的斷面圖。
圖8是依據(jù)本發(fā)明的光發(fā)射機(jī)模塊的頂視圖。
圖9是依據(jù)本發(fā)明的光發(fā)射機(jī)模塊的頂視圖。
圖10示出依據(jù)本發(fā)明的光發(fā)射機(jī)模塊的斷面圖。
圖11示出依據(jù)本發(fā)明的光發(fā)射機(jī)模塊的斷面圖。
圖12示出依據(jù)本發(fā)明的具有可變換輻射圖形的光發(fā)射機(jī)模塊的斷面圖。
圖13A示出圖12中說明的具有可變換輻射圖形的光發(fā)射機(jī)模塊的頂視圖。
圖13B是圖12中說明的具有可變換輻射圖形的光發(fā)射機(jī)模塊的頂視圖。
圖13C是圖12中說明的具有可變換輻射圖形的光發(fā)射機(jī)模塊的頂視圖。
圖14示出依據(jù)本發(fā)明的光收發(fā)機(jī)模塊的斷面圖。
圖15A示出依據(jù)本發(fā)明的光收發(fā)機(jī)模塊的斷面圖。
圖15B是圖15A中說明的光收發(fā)機(jī)模塊的接收部分的頂視圖。
圖16示出依據(jù)本發(fā)明的光收發(fā)機(jī)模塊的斷面圖。
圖17A示出依據(jù)本發(fā)明的具有可變換輻射圖形的光發(fā)射機(jī)模塊的斷面圖。
圖17B是圖17A中說明的光收發(fā)機(jī)模塊的外殼和反射器環(huán)的頂視圖。
圖18A示出依據(jù)本發(fā)明的具有可變換輻射圖形的光發(fā)射機(jī)模塊的斷面圖。
圖18B是圖18A中說明的光收發(fā)機(jī)模塊的外殼和反射器環(huán)的頂視圖。
圖19A示出用于安裝依據(jù)本發(fā)明的具有可變換輻射圖形的光發(fā)射機(jī)/收發(fā)機(jī)模塊的定位裝置的示意圖。
圖19B是傾斜位置中的圖19A的定位裝置的斷面圖。
圖20示出依據(jù)本發(fā)明的具有可變換輻射圖形的光發(fā)射機(jī)模塊的斷面圖。
圖21A示出具有附加在其上面的光發(fā)射或收發(fā)機(jī)模塊的筆記本電腦。
圖21B示出具有集成光發(fā)射機(jī)或收發(fā)機(jī)模塊的筆記本電腦。
圖22是依據(jù)本發(fā)明的收發(fā)機(jī)模擬前端的框圖。
縱觀上述，很需要無線光發(fā)射機(jī)模塊滿足下述準(zhǔn)則1.達(dá)到最高可能等級的眼睛安全性；2.以一種有效的方法分配有限光信號的最佳源輻射圖以便獲得最小動(dòng)態(tài)范圍下的最大傳輸距離。如果光發(fā)射機(jī)模塊用于一般的辦公環(huán)境(低天花板，漫射傳播模式)，則這一點(diǎn)特別重要；3.不需要調(diào)校發(fā)射機(jī)和接收機(jī)；4.對于具有惡劣的(或不存在)反射特性的非常高的天花板(具有中廳、大講演廳或露天的建筑)的環(huán)境，能夠依靠視線(LOS)傳播而不需要調(diào)準(zhǔn)收發(fā)機(jī)模塊。
圖1中描繪了依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)發(fā)射機(jī)模塊的基本概念。如在該圖所說明的，這種光發(fā)射機(jī)模塊包括一個(gè)發(fā)光二極管陣列11，這些二極管排列為規(guī)則而對稱的形式。為把二極管11安裝在正確的位置上，使用了一個(gè)安裝基座10。發(fā)光二極管陣列11位于半球形外殼12內(nèi)。本例中，該半球形外殼12是具有半球形終端段的長圓柱形管。該外殼12至少是部分透明的。另外，還包括用于提供表觀光源擴(kuò)展的漫射裝置。漫射裝置能夠以不同方式實(shí)現(xiàn)。外殼12例如可以由包含高折射率的懸浮粒子的塑料材料構(gòu)成，使得至少一部分外殼作為漫射體。在另外的實(shí)施例中，由發(fā)光二極管11發(fā)射的光束的漫射能夠用具有起皺的表面的外殼12完成。噴沙玻璃片(100～150微米尺寸)形成的有機(jī)玻璃外殼隨著半功率角(使用LEDs DN305 Stanley)從7.5°增加到10°(光在漫射體中的垂直入射)提供了4倍軸上(on-axis)功率縮減。其它的漫射裝置將在以下的實(shí)施例中描述。依賴漫射體表面的粗糙性，或者依賴被結(jié)合到漫射外殼中的微粒的數(shù)量和尺寸，能夠?qū)崿F(xiàn)完全的或部分的漫射體。這種全漫射體的使用導(dǎo)致成了一個(gè)朗伯光源。
依據(jù)發(fā)光二極管的排列和仰角的對稱性、二極管的輻射角、上述外殼的形狀、漫射裝置及它們在上述外殼上的相互位置，能夠得到不同的輻射圖。圖2中示出三種典型的二極管排列的頂視圖。圖2左側(cè)的安裝基底20僅支撐了3個(gè)排列為三角形的形式的發(fā)光二極管21。安裝底座22支撐了4個(gè)等邊排列的二極管23，安裝底座24支撐了8個(gè)發(fā)光二極管25。這8個(gè)二極管25排列成圓的形式。從這3個(gè)例中顯而易見，與一個(gè)相應(yīng)的外殼和漫射體相關(guān)聯(lián)的發(fā)光二極管的任一種對稱而規(guī)則的排列都適于獲得高度的眼睛安全性以及一個(gè)最佳的源輻射圖。
在描述進(jìn)一步的實(shí)施例之前，給出關(guān)于發(fā)光二極管的更詳細(xì)的情況。這里示出的發(fā)光二極管是被包在一個(gè)小的通常的塑料外殼之中的一般的市場銷售的二極管。這樣的二極管一般用在不同尺寸、材料的塑料外殼中，而且具有各種輻射圖和角度。比較適宜的是例如Stanley DN305和DN304。顯然，本發(fā)明并不限于使用分立的、每一個(gè)都被包在其自己的外殼之中的二極管。在某些情況下，使用所有的二極管都被包在或封裝在一個(gè)公共外殼之中的二極管陣列是有利的。還可以設(shè)想，使用形成在公共襯底上的分立的發(fā)光二極管或發(fā)光二極管陣列，而不再需要外殼。把這些二極管裝在內(nèi)部的半球形外殼代替二極管自身的外殼并且對這些二極管提供保護(hù)。
圖3中示出與本發(fā)明相關(guān)的另一個(gè)光發(fā)射機(jī)模塊。該模塊包括一個(gè)安裝基底30，在其上邊，以規(guī)則而對稱的形式排列了發(fā)光二極管31。安裝基底30具有傾斜的表面而且在其上面安裝著二極管31，從而二極管31朝向圓柱形外殼32的中軸。漫射體例如以懸浮的微粒結(jié)合在外殼中。
在圖4所說明的另一個(gè)實(shí)施例中，使用一個(gè)計(jì)算機(jī)生成的相位全息圖43去獲得適宜的光束整形。該全息圖位于圓柱形外殼42的內(nèi)部，罩住位于安裝基底40上的發(fā)光二極管41的陣列。
圖5中示出具有半球形外殼52的一個(gè)光發(fā)射機(jī)模塊。該模塊包括一個(gè)支撐發(fā)光二極管51的陣列的安裝基底50，外殼52的一部分包含有一個(gè)全漫射表面53以獲得由二極管51發(fā)射的光束的漫射。同樣的結(jié)果能夠通過應(yīng)用到外殼上的棋盤漫射圖而獲得。如果漫射表面位于外殼52的內(nèi)部，則能夠防止由手指的油脂或塵土引起的漫射體的污染。通過改變漫射表面的粗糙度、更改棋盤圖或使用外殼內(nèi)部及外部的漫射體表面，能夠獲得不同程度的漫射。所需表面粗糙度能夠通過噴沙或浸蝕用于壓制塑料外殼的鑄模而獲得。在包含有浮懸微粒的塑料外殼的情況下，通過埋入不同大小和/或形狀的微粒能夠更改漫射程度。
其它的半球形外殼60和61大致地描繪在圖6A和6B中。
圖7給出的光發(fā)射機(jī)模塊包括一個(gè)平坦的安裝基底70，在其上面傾斜地安置著發(fā)光二極管71。這些二極管的管腳是彎的，因而二極管發(fā)射的光朝向半球形外殼72的中軸74。這種安置在空間受限并且整個(gè)發(fā)射機(jī)模塊應(yīng)該很小的應(yīng)用場合是有利的。已經(jīng)確定，二極管的傾角即垂直于半球形外殼72的中軸74和二極管輻射錐面的中軸75之間的角度位于5°～80°之間為好，最好是在20°～40°之間。在這里所描述的和權(quán)利要求的模塊中使用的LED的中軸和安裝基底之間的最佳角度為大約25°。該25°的角度在具有較低天花板(2.5～3.5m)的辦公室內(nèi)產(chǎn)生最大的漫射范圍。
圖8中描述了另一種結(jié)構(gòu)。在該實(shí)施例中，每一個(gè)都具有其自身的外殼的8只發(fā)光二極管81以圓形且規(guī)則的形式排列在一個(gè)安裝基底80上，因而光線對于模塊的中軸83呈放射狀發(fā)射。在本實(shí)施例的使用中，具有大約25°仰角的窄波束發(fā)光二極管是最適宜的。
圖9示出類似的具有8只二極管的星形結(jié)構(gòu)。在該實(shí)施例中，由安裝基底90支撐的二極管91朝向外殼的中軸。該圖左側(cè)示出一個(gè)具有全漫射表面93的外殼。全漫射裝置其折皺的表面覆蓋全部光束截面。漫射可以是強(qiáng)烈的(產(chǎn)生一個(gè)朗伯源)或是微弱的(產(chǎn)生附加的光束散射以改善眼睛安全性)。該全漫射表面實(shí)現(xiàn)在半球形外殼的內(nèi)表面上。用漫射裝置93得到的各個(gè)輻射圖后面描述。在該圖的右側(cè)，示出一個(gè)半球形外殼的概略草圖，該圖包括一個(gè)起到漫射作用的棋盤漫射圖92。該草圖的各輻射圖后面描述。如所概略地說明過的，通過漫射體的部分光幾乎不被阻擋，而且剩余的光束被散射。這樣的棋盤圖例如通過在外殼上鉆孔或當(dāng)噴沙外殼時(shí)使用一個(gè)適宜的掩模實(shí)現(xiàn)。
圖10描繪了一個(gè)具有半球形外殼102、漫射裝置103、以及一個(gè)附加的并結(jié)合在外殼中的環(huán)形棱鏡部分104的光發(fā)射機(jī)模塊。如用點(diǎn)劃線描繪的那樣，該棱鏡環(huán)104使得用“Δ”表示的光束功率沿水平方向偏轉(zhuǎn)(向下)。其余的部分直接地通過漫射體103發(fā)射。棱鏡環(huán)104改善了視線路徑通信(line-of-sight path communication)。
圖11中示出本發(fā)明的又一實(shí)施例。該圖中描繪出的模塊包括一個(gè)安裝基底110，在其上面裝有發(fā)光二極管111的陣列。這些二極管111傾斜于安裝基底110并且輻射狀地發(fā)射光。半球形外殼112包括一個(gè)在內(nèi)表面的反射器環(huán)114以及漫射裝置113。該反射器環(huán)在由上述二極管111發(fā)射的光束經(jīng)過漫射體113之前至少向上反射了該光束的一部分。
圖12示出另一實(shí)施例的截面圖。示于該圖中的光學(xué)模塊允許切換如圖13A～13C所示的光束圖。光束切換的目的是或者具有給定最大全方向范圍的輻射圖(例如25°)(見圖13A和B)，或者在某一方向上具有最大范圍(見圖13C)。該可切換模塊包括一個(gè)在其上安裝了二極管陣列121的安裝基底120。二極管位于半球形外殼122中，外殼122上給出了漫射裝置123、反射裝置124、向上反射棱鏡125和向下反射棱鏡126，它們都在外殼122的粗糙表面一側(cè)。圖13A～13C描繪了該可切換模塊的操作模式。在這些圖中，給出了模塊的頂視圖。如圖13A所示，外殼122沿其內(nèi)側(cè)面130包含有一系列反射裝置124、偏轉(zhuǎn)棱鏡125、126。為簡明起見，反射裝置124用粗線給出。由于具有反射裝置124和偏轉(zhuǎn)棱鏡125、126的外殼能夠相對于并圍繞著發(fā)光二極管陣列121的中軸轉(zhuǎn)動(dòng)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)光束圖的切換。偏轉(zhuǎn)角(水平面)確定了所希望的反射光束方向。箭頭標(biāo)記132(在旋轉(zhuǎn)的外殼122上)相對于(固定的)符號134的位置指出了所選擇的光束圖。如果標(biāo)記132位于符號“中空圓”，則模塊發(fā)射在所有方向上都具有大約25°仰角α的光，即，在該操作模式中，模塊起到一個(gè)具有最大傳輸范圍的全方向天線的作用，而且適合于低的環(huán)境光。該位置每45°重復(fù)一次。
在符號“實(shí)心圓”位置處的標(biāo)記(見圖13B)對于在高周圍光環(huán)境中的模塊附近增加了的全方向功率密度給出近似30°～40°的光束仰角α。該位置每45°重復(fù)一次。示于圖13C的例子中，指針132位于符號“箭頭”處。這對于增加了的定向范圍指出了所選擇的光束方向。用劃線箭頭指出在外殼內(nèi)的光束。在45°的增量中，可以選擇8個(gè)不同的輻射方向。
圖14至16示出與本發(fā)明有關(guān)的光收發(fā)機(jī)模塊。示于圖14的實(shí)施例以圖3中描繪的模塊為基礎(chǔ)。該模塊除發(fā)射部分外還包括一個(gè)接收機(jī)。該接收機(jī)具有4個(gè)安置在安裝基底140下面的光電二極管143。這些光電二極管傾斜并且面向不同的方向以接收全部圍繞模塊的光。這些光電二極管的方位和結(jié)構(gòu)取決于各二極管的視界以及外殼的形狀和在外殼內(nèi)的位置。光電二極管由一個(gè)起到法拉第罩作用的細(xì)線網(wǎng)145保護(hù)起來以減少電磁干擾。在本實(shí)施例中，該線網(wǎng)145結(jié)合到半球形外殼142中。在該模塊內(nèi)，一個(gè)用于SMD-技術(shù)中的電子電路的襯底145位于光電二極管143的下方。如果空間允許，則該襯底144可以支承前置放大器、LED器件或完整的模擬芯片。
圖15所示的又一個(gè)實(shí)施例中，接收機(jī)部分位于發(fā)射機(jī)部分的上面，即在由安裝基底150支承的發(fā)光二極管的上面。接收機(jī)包括5個(gè)光電二極管153組成的陣列，這些二極管被布置成從所有方向接收光線。這些光電二極管由結(jié)合到外殼152的半球形端部中的線網(wǎng)155保護(hù)起來。具有電子電路的一個(gè)襯底154位于這些光電二極管153的下面。使用反射體156把接收機(jī)部分從發(fā)射機(jī)隔開。圖15B中示出接收機(jī)部分的概略頂視圖。
圖16描繪出另一種光收發(fā)機(jī)模塊。該模塊以圖7所示的模塊為基礎(chǔ)，不同之處在于同一外殼162內(nèi)組合進(jìn)了一個(gè)接收機(jī)。該接收機(jī)包括一個(gè)安裝在基板160上的光電二極管161的陣列。接收機(jī)被設(shè)置成由發(fā)光二極管發(fā)射的光通過外殼而且漫射幾乎不受到障礙。具有近似25°仰角的窄光束發(fā)光二極管非常適于在本實(shí)施例中使用。具有3～6個(gè)光電二極管組成的星形陣列的模塊在30°～45°仰角下顯示出良好的結(jié)果。
圖17A和17B描繪出本發(fā)明的另一實(shí)施例示出的是具有可切換光束圖的模塊的截面圖和頂視圖。發(fā)光二極管201的陣列位于一個(gè)安裝基底203上。發(fā)光二極管201以對稱的形式位于半球形漫射外殼200的下方。如果該外殼處在相對于發(fā)光二極管201(見圖17A和17B的右側(cè))的位置1(Pos.1)，則發(fā)射的光垂直地通過外殼200。取決于這部分外殼是否被實(shí)現(xiàn)為漫射體，光束圖被聚焦或擴(kuò)散。外殼200包括一個(gè)反射器環(huán)202。如果外殼200或反射器環(huán)202相對于二極管201(在圖17A及17B左側(cè)的位置2)旋轉(zhuǎn)，則由二極管發(fā)射的光束被朝向外殼200的側(cè)面反射。該側(cè)面通常包括用于起到光束加寬作用的漫射裝置。這種情況示于圖17B，其中，反射器環(huán)202能夠以一個(gè)具有多個(gè)“舌頭”的環(huán)實(shí)現(xiàn)。反射器環(huán)可以使用被雕刻或被沖壓的薄金屬制成。在圖17A和17B給出的例子中，轉(zhuǎn)動(dòng)22.5°得到從位置1到位置2的切換。
圖18A和18B描繪了具有可切換光束圖的另一個(gè)光發(fā)射機(jī)模塊的概念。該模塊包括沿著安裝基底213的孔或凹部設(shè)置的發(fā)光二極管211的陣列。二極管211用一個(gè)半球形漫射外殼210罩住。一個(gè)反射器環(huán)212與外殼210結(jié)合為一體。該環(huán)212包括“舌頭”或被彎曲的懸臂，使得由二極管發(fā)射的光束被朝向漫射外殼210的側(cè)壁反射(見圖18A和18B左側(cè)的位置2)。如果具有反射器環(huán)的外殼被轉(zhuǎn)動(dòng)使得二極管211不位于環(huán)212的反射舌頭或懸臂的下方，則光束被相對于安裝基底213垂直地發(fā)射(見圖18A和18B右側(cè)的位置1)。
在圖19A和19B中，示出用于安裝具有可切換光束圖的模塊220的固定裝置。圖19A中，外殼和反射器環(huán)位于位置2，即光束被全方向地發(fā)射，而且發(fā)射機(jī)如箭頭所表示的那樣發(fā)射。圖19B中，具有模塊220的固定裝置211被打開，而且模塊位于位置1，即垂直于二極管的安裝基底輻射光。如果模塊位于位置1而且朝向一個(gè)遠(yuǎn)程接收機(jī)，則該固定裝置221允許直接視線通信。
圖20示出可切換發(fā)射機(jī)模塊的另一種結(jié)構(gòu)。在該實(shí)施例中，二極管221的中軸相對于安裝基底223大約傾斜25°。如果半球形外殼220位于位置1(見圖20的右側(cè))，則光束如所表示的那樣通過外殼。在位置2，一個(gè)反射體222安裝在發(fā)光二極管221的前面，而且光束被向上反射(見圖20的左側(cè))。本例中，反射體222是一個(gè)具有大約58°傾斜角度的薄金屬板。該反射體能夠由被結(jié)合到或固定在外殼220上的金屬環(huán)支撐。
示于圖17、18和20的反射器環(huán)可以用一個(gè)棱鏡環(huán)代替。這是用塑料制做的環(huán)，而且支撐了一系列成形并排列好的棱鏡，使得依據(jù)該棱鏡環(huán)相對于發(fā)光二極管的位置獲得不同的光束輻射圖。該棱鏡環(huán)可以是半球形外殼的全部?？梢栽O(shè)想不同的方法，如支撐棱鏡或反射器環(huán)的外殼相對于二極管的位置轉(zhuǎn)動(dòng)?；蛘哌@樣的環(huán)相對于外殼及二極管轉(zhuǎn)動(dòng)，或者二極管自身轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖11和12中的反射體可以用像圖17、18和20中描述的支撐著“舌頭”或懸臂的金屬環(huán)代替。與可切換模塊的唯一差別是金屬環(huán)被固定(不能轉(zhuǎn)動(dòng))。
圖21A和21B中描繪出了本發(fā)明的發(fā)射機(jī)和收發(fā)機(jī)模塊的兩種不同的草圖，它們或是與筆記本電腦構(gòu)成一個(gè)整體，或是作為筆記本電腦的附加裝置。在這里描述的光發(fā)射機(jī)或收發(fā)機(jī)模塊沒有穿過外殼或附加到這些模塊或與這些模塊構(gòu)成一體的計(jì)算機(jī)顯示面板時(shí)的近場障礙。圖21A中，示出具有可移動(dòng)光發(fā)射機(jī)/收發(fā)機(jī)模塊171的一個(gè)筆記本電腦170。該模塊171用一個(gè)磁鐵或Velcro夾(clip)172附加到上述計(jì)算機(jī)170上。電纜173把模塊171和一個(gè)插入到計(jì)算機(jī)插槽之一的接口卡連接在一起。圖21B中，示出具有被一體化的模塊175的計(jì)算機(jī)174，該模塊與顯示器構(gòu)成為一體，而且任何電的連接以及各個(gè)接口電路都在計(jì)算機(jī)的內(nèi)部。該模塊175能夠收回到計(jì)算機(jī)內(nèi)。
圖22中描述了一個(gè)被專門設(shè)計(jì)的模擬前端電路的框圖。該電路包括連接到作為接收器的光電二極管陣列181的每個(gè)光電二極管上的前置放大器180。開關(guān)182連同一個(gè)開關(guān)控制單元183一起使得由各個(gè)光電二極管接收的信號的選擇易于進(jìn)行。接收信號的全部或一部分被傳送到后置放大器184，然后通過濾波器185進(jìn)入到比較器186中。本框圖中，還包括用于鄰近檢測的裝置。為了進(jìn)行鄰近檢測，要監(jiān)視在光電二極管181接收的而且由發(fā)光二極管187的陣列發(fā)射的回波信號。如果回波信號超過預(yù)定的基準(zhǔn)，則自動(dòng)地關(guān)斷發(fā)光二極管187。使用一個(gè)經(jīng)由n條平行線的總線連接到前置放大器180輸出端的峰值信號檢測器188進(jìn)行該有效安全聯(lián)鎖。控制電路190分析接收的信號以便檢測出強(qiáng)回波信號。然后，立即切換驅(qū)動(dòng)器191使得不發(fā)射更多的光，控制電路190連同DC光電流檢測器189和開關(guān)控制單元183允許信號的自動(dòng)選擇及/或組合。該選擇考慮了實(shí)際的信號強(qiáng)度及/或光電二極管181的DC電流(從諸如陽光、臺(tái)燈等直接環(huán)境光接收的散粒噪聲的量度)。
全部模擬前端通過接口單元192(PCMCIA)連接到微處理器總線193。
在這里說明的光發(fā)射機(jī)模塊和收發(fā)機(jī)模塊是眼睛安全光學(xué)系統(tǒng)而且具有若干其它的優(yōu)點(diǎn)。它們體積很小并且適于與計(jì)算機(jī)和其它設(shè)備結(jié)合為一體。與本發(fā)明有關(guān)的一個(gè)模塊能夠容易地附加到任何筆記本電腦上去。模塊由其最佳的，接近均勻的圓輻射性質(zhì)表示它們的特性，它們在一些實(shí)施例中可以切換。模塊允許以一種有效的方法分配和接收有限功率光信號以便獲得最大傳輸距離。強(qiáng)烈的直接的環(huán)境光能夠用圖18描述的模擬前端抑制。本模塊不同于常規(guī)的發(fā)射機(jī)，因?yàn)閮H產(chǎn)生很少的總散粒噪聲，因而改善了信/噪比和傳輸范圍。此外，不需要調(diào)準(zhǔn)收發(fā)機(jī)模塊。本發(fā)明的一個(gè)特殊例可便利地進(jìn)行2種傳輸模式即漫射及/或視線通信。
本發(fā)射機(jī)和收發(fā)機(jī)模塊符合IEC 825-1標(biāo)準(zhǔn)。這可以用足夠大的擴(kuò)展的表觀光源(extended apparent surce)及/或如果人的頭部十分接近發(fā)射機(jī)則用一個(gè)有效安全聯(lián)鎖實(shí)現(xiàn)。如上所述，該聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)可以基于用光電二極管傳感由鄰近物體產(chǎn)生的并用收發(fā)機(jī)模塊發(fā)射的強(qiáng)回波信號(鄰近檢測)。
本發(fā)明提供了一個(gè)自動(dòng)機(jī)構(gòu)去阻塞強(qiáng)烈的直接的環(huán)境光(來自臺(tái)燈、直接日光)以便對于給定的數(shù)據(jù)速率優(yōu)化傳輸范圍。該功能可以通過位于不同空間方向(扇形)的分立的光電二極管的選擇性組合實(shí)現(xiàn)，因而選擇了最大可能的信/噪比。
權(quán)利要求
1.一種光數(shù)據(jù)傳輸模塊，包括一個(gè)發(fā)光二極管陣列(51)和一個(gè)半球形外殼(52)，其中，發(fā)光二極管陣列以規(guī)則的最好是對稱的形式排列在半球形外殼內(nèi)，半球形外殼具有用于表觀光源擴(kuò)大的漫射裝置，上述發(fā)光二極管是能單獨(dú)或共同尋址的。
2.權(quán)利要求1的模塊，其中，上述陣列(11；201)中的發(fā)光二極管位于一個(gè)安裝基底(10；203)上使得二極管的主輻射軸近似地平行于上述半球形外殼(12；200)的中軸。
3.權(quán)利要求1的模塊，其中，上述陣列(31；41；51；71；81；91；101；111；121；221)中的發(fā)光二極管位于安裝基底(30；40；50；70；80；90；100；110；120；140；150；223)上使得二極管的主輻射軸傾斜于上述半球形外殼(32；42；52；60；61；72；102；112；122；142；152；162；220)的中軸。
4.權(quán)利要求3的模塊，其中，發(fā)光二極管(31；41；51；71；91；101)被排列成朝向上述中軸。
5.權(quán)利要求3的模塊，其中，發(fā)光二極管(81；111；121；221)被排列成相對于上述中軸沿徑向朝外。
6.以上各權(quán)利要求任一項(xiàng)中的模塊，其中，上述半球形外殼(42)包括一個(gè)相位全息圖(43)，它起到光束成形器的作用并且位于外殼內(nèi)。
7.權(quán)利要求1～5的任一項(xiàng)中的模塊，其中，上述半球形外殼(52)包括起到漫射裝置(53)作用的高折射率的懸浮顆粒。
8.權(quán)利要求1～5的任一項(xiàng)中的模塊，其中，上述半球形外殼包括起到漫射裝置作用的內(nèi)側(cè)及/或外側(cè)表面上的折皺表面(93)。
9.權(quán)利要求8的模塊，其中，上述折皺表面具有與模塊的發(fā)光二極管發(fā)射的波長相匹配的粗糙度等級。
10.權(quán)利要求1～5的任一項(xiàng)中的模塊，其中，上述半球形外殼包括起到漫射裝置作用的內(nèi)側(cè)及/或外側(cè)表面上的棋盤圖形(92)。
11.以上權(quán)利要求的任一項(xiàng)中的模塊，其中，上述半球形外殼(102)包括一個(gè)棱鏡環(huán)(104)，該環(huán)反射由上述發(fā)光二極管(101)的陣列向下發(fā)射的部分光(Δ)以改進(jìn)直接視距通信。
12.權(quán)利要求1～10的任一項(xiàng)中的模塊，其中，上述半球形外殼(112)包括處在外殼(112)內(nèi)表面的反射器(114)，該反射器反射由上述的發(fā)光二極管(111)向上發(fā)射的光，使得光通過上述漫射裝置(113)離開外殼(112)。
13.權(quán)利要求1～10的任一項(xiàng)中的模塊，其中，上述半球形外殼(122)包括以圓形的形式位于外殼(122)內(nèi)表面的一組反射器(124)、向上對著棱鏡(125)和向下對著棱鏡(126)，使得取決于上述發(fā)光二極管(121)相對于上述反射器(124)和棱鏡(125、126)的位置，能夠切換上述模塊的輻射圖。
14.權(quán)利要求1～10的任一項(xiàng)中的模塊，其中，上述半球形外殼(200；210；220)包括以圓形的形式位于上述半球形外殼(200；210；220)的一組反射器(202、212、222)，使得取決于發(fā)光二極管(201；211；221)的上述陣列相對于上述反射器(202；212；222)或棱鏡的位置，能夠切換上述模塊的輻射圖。
15.權(quán)利要求13或14的任一項(xiàng)中的模塊，其中，上述半球形外殼(122；200；210；220)是可以相對于發(fā)光二極管(121；201；211；221)的上述陣列步進(jìn)地旋轉(zhuǎn)的。
16.以上權(quán)利要求的任一項(xiàng)中的模塊，還包括具有相對于外殼的上述中軸傾斜的光電二極管(143；153；161)的一個(gè)陣列的接收機(jī)。
17.權(quán)利要求16的模塊，其中，上述光電二極管(143)位于上述相同外殼(142)中的發(fā)光二極管的上述陣列的下面。
18.權(quán)利要求16的模塊，其中，上述光電二極管(153；161)位于上述相同外殼(152；162)中的發(fā)光二極管的上述陣列的上面。
19.權(quán)利要求16～18的任一項(xiàng)中的模塊，其中，上述光電二極管(143；153；161)安裝在被固定于上述外殼(142；152；162)中的一個(gè)安裝基底(160)上。
20.權(quán)利要求16的模塊，其中，上述外殼(142；152)包括一個(gè)具有電子電路及/或一個(gè)細(xì)線網(wǎng)(145；155)的襯底(144、154)。
21.按照以上權(quán)利要求的任一項(xiàng)的包括一個(gè)發(fā)射機(jī)模塊(171；175)的計(jì)算機(jī)(170；174)以及用于把上述模塊(171；175)連到上述計(jì)算機(jī)總線的接口裝置。
22.權(quán)利要求21的計(jì)算機(jī)，其中，上述模塊(171)用一個(gè)夾子(172)附加到計(jì)算機(jī)的顯示面板上并通過電纜(173)連接到上述接口裝置。
23.權(quán)利要求21的計(jì)算機(jī)，其中，上述模塊(175)以固定或可伸縮的形式被組合到計(jì)算機(jī)的顯示面板中。
24.用于無線數(shù)據(jù)通信的光收發(fā)機(jī)，包括a)光電二極管(181)的陣列；b)用于放大由上述光電二極管(181)的陣列接收的信號的放大器(180、184)；c)用于檢測由上述光電二極管(181)的陣列接收的信號中攜帶的信息的裝置(186)；d)發(fā)光二極管(181)的陣列；e)用于驅(qū)動(dòng)上述發(fā)光二極管(187)的陣列中的二極管的驅(qū)動(dòng)裝置(191)；f)用于上述光電二極管的陣列中的每個(gè)光電二極管接收的信號的有效選擇和單獨(dú)的組合的裝置(182、183、190)；g)用于鄰近檢測的裝置(188～191)，該檢測確定回波信號的強(qiáng)度并且如果上述回波信號超過一個(gè)預(yù)定的界限則確定上述發(fā)光二極管(187)的陣列中的發(fā)光二極管的開關(guān)。
25.權(quán)利要求24的光收發(fā)機(jī)，該光收發(fā)機(jī)經(jīng)由接口裝置(192)連接到計(jì)算機(jī)的總線(193)。
全文摘要
公開了用于數(shù)據(jù)通信的光發(fā)射機(jī)和收發(fā)機(jī)模塊。這樣的收發(fā)機(jī)模塊包括安裝在一個(gè)安裝基底(140)上的發(fā)光二極管的陣列并以規(guī)則和對稱的形式排列在半球形外殼(142)中。該外殼(142)包括用于光源擴(kuò)大的漫射裝置。另外，發(fā)射機(jī)部分包括上述二極管，收發(fā)機(jī)模塊包括一個(gè)接收機(jī)。該接收機(jī)具有4個(gè)布置在安裝基底(140)下面的光電二極管(143)。這些光電二極管傾斜并朝向不同的方向去接收來自模塊周圍的光。光電二極管用起到法拉第罩作用的細(xì)線網(wǎng)保護(hù)以減少電磁干擾。SMD-技術(shù)中用作電子電路的一個(gè)襯底(144)位于光電二極管(143)的下面。
文檔編號H04B10/40GK1159264SQ94195162
公開日1997年9月10日 申請日期1994年9月3日 優(yōu)先權(quán)日1994年9月3日
發(fā)明者弗里茨·格費(fèi)勒, 海因茨·理查德, 比特·韋斯 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司