CN1201284A - 光学接收器及相应光学无线传输系统 - Google Patents

Abstract

一光接收元件(13)接收光信号(9)。在光接收元件(13)之前设有一可透光散射膜(50)。透光散射膜(50)以既定透射率透过光信号(9)并使其散射。光接收元件(13)和透光散射膜(50)一起构成光学接收器(61)。

Description

光学接收器及相应光学无线传输系统

本发明涉及一种用于接收光信号的光学接收器和一种装有此光学接收器的光学无线传输系统。

通常，远端控制装置或光学无线传输系统依赖于作为强度调制传输信号发送的光信号。为发射此种光信号采用LED(发光二极管)或LD(激光二极管)作为光发射元件。LED或LD一般与一准直透镜结合以具有予定的方向性。例如，在一般的远端控制装置中，其方向性设定为大约±15°。当光学传输用于远程无线传输时，发射窄方向性的光束是有利的。

本发明目的之一在于提供一种能够采用细束光信号实现稳定的远程光学传输的光学接收器。

本发明的另一目的在于提供一种采用此光学接收器的光学无线传输系统。

为了实现上述及其它相应目的，本发明提供一种光学接收器，其包括一用于接收光信号的光接收元件，和一可透光散射膜(即散透射膜)，设置在光接收元件之前，用于以予定透射率透过光信号并使其散射。

通过此结构，部分光信号透过此可透光散射膜，并且作为散射光线入射至光接收元件。因此，当发射光信号时即使光轴稍微偏离目标(即光接收元件)，这种偏离也可以由确定要进入光接收元件的散射光线加以补偿。这样可以确保足够的信号接收电平。

而且，可以由一发射光信号的光发射装置和一具有上述光接收元件的光接收装置构成光学无线传输系统。可采用激光束作为光信号。可以将激光束大致导向具有相当大的目标面积的可透光散射膜。从而，即使在光轴稍微偏离目标光接收元件时，也可以可靠地维持通信路径。这可以使远程光学传输保持稳定。

通过结合附图阅读下面的详细说明，将更加清楚本发明的上述及其它目的、特征和优点，附图中：

图1为表示根据本发明第一实施例的相应光学接收器和光学无线传输系统结构的简略图；

图2为图1所示的光学接收器中采用的可透光散射膜的平面图；

图3为表示根据本发明第二实施例的光学无线传输系统结构的简略图；

图4为表示根据本发明第二实施例的光发射与接收装置的详细结构的简略图；

图5为根据本发明第二实施例的收集与发送用的光学收发器的平面图；

图6为图5所示根据本发明第二实施例的收集与发送用的光学收发器的剖面图；

图7为表示光学无线传输系统的基本结构的简略图；

图8为表示另一光学无线传输系统的基本结构的简略图；

图9为表示图8所示光发射与接收装置的详细结构的方框图；

图10为表示图8所示收集与发送用的光学收发器的平面图；

图11为表示光信号和一导频光线之间频率关系的曲线图；以及

图12为表示图8所示收集与发送用的光学收发器的详细结构的方框图。

下面，将参照附图说明本发明的优选实施例。所有图中，相同的部件均以相同的标记数码表示。

光学无线传输系统的基本结构

在说明本发明特征之前，将参照相应的光学无线传输系统对本发明的基本结构加以说明。光学无线传输系统用于进行远程数据传输。图7为一个光学无线传输系统的示意框图。

假定在两个终端1和2(比如计算机)之间通过光发射装置3和光接收装置4进行数据传输。由一个终端1产生的数字信号5输入一LD驱动器6。该LD驱动器6用作根据数字信号5控制提供给光发射元件7的电流的通断的装置。光发射装置3产生红外线，其光强(或光学辐度)被调制为光信号9。光发射装置3具有一装有光发射元件7(比如激光二极管)和准直透镜10的光学发射器8。通过此结构，从光发射装置3发射出一束非常细的光束作为光信号9。

另一方面，光接收装置4包括一光学接收器11。光学接收器11包括一大孔径的聚光装置12，例如抛物面反射镜或会聚透镜，和一个位于会聚装置12焦点处的光接收元件13，例如光电二极管。图7画出一会聚透镜作为该聚光装置12。采用这种大孔径光学装置，即抛物面反射镜或会聚透镜的原因在于，当目标具有较大面积时光发射装置3易于调整光信号9的光轴。由光学接收器11接收的光信号9入射至一光接收电路14。光接收电路14将光信号9转换成电信号并重现为数字信号。此重现的数字信号发送至另一终端2。以此方式，实现了由终端1至终端2的光学无线数据传输。

下面说明另一光学无线传输系统。图8画出了一光学无线LAN(局域网)系统，它是光学无线传输系统之一。该系统包括多个终端15，比如个人计算机，每个都配有一光发射与接收装置16。一个收集与发送用的光学收发器18设置在容纳终端15的房间的天花板17的中央区域。收集与发送用的光学收发器18由缆线连接至LAN19，从而将每一终端15连接至LAN19。

为了简明起见，图8仅画出了两个终端15，分别与专用的光发射与接收装置16相连。图9表示各光发射与接收装置16的详细结构。光发射与接收装置16包括一光发射装置20和一光接收装置21。光发射装置20具有一装有光发射元件23(全为LED)的光学发射器22，和一准直透镜24。光发射装置20还有一LED驱动器25，由相关联的终端15接收传输信号。LED驱动器25用作根据发送自相关联终端15的传输信号控制提供给光发射元件23的电流的通断的装置。从而，由光发射装置20产生强度调制的光信号26。

光接收装置21包括一光学接收器27，光学接收器27主要是一光电二极管28和一大孔径会聚透镜29的组合。为了接收光信号，光学接收器27被定向朝向收集与发送用的光学收发器18，如图8所示。接收的光信号在光接收电路30中被转换为电信号，并作为接收信号输出。

另外，光接收装置21包括一信号电平探测器31，用于探测接收的光信号的强度；一存储器32，用于存储信号电平探测器31的输出值和方向数据；一微机33，用于根据存储器32中存储的数据进行予定的计算，以得出使信号电平最大的最佳接收方向；和一电机控制器36，用于控制一扫视电机34和一俯仰电机35。

光发射装置20和光接收装置21合装成一个单元，其通过一扫视驱动机构(未画出)和一俯仰驱动机构(未画出)连接至基座37上。扫视驱动机构沿水平面绕垂直轴转动光发射与接收装置16，而俯仰驱动机构沿垂直面绕水平轴转动光发射与接收装置16。在图9中，SW表示一开关，用于发出开始搜索的指令。

图10为表示具有光学接收器38的收集与发送用的光学收发器18的平面图。光学接收器38包括多个光接收元件39，皆为光电二极管。一个光接收元件39位于中央，而其它光接收元件39沿围绕中央光接收元件39的圆环设置，如图10所示。另外，多个光发射元件40(皆为LED)沿环绕设置在内环上的光接收元件39的一最外环设置。每个光发射元件40发射一光信号41以传输数据。

另外，在沿最外环设置的光发射元件40的内侧并与之相邻，设置一环形隔离器42。此隔离器42用作阻止光信号41进入光接收元件39的隔板。

在这些光接收元件39所处的区域中设置有多个导频LED元件44。每个导频LED元件44发出一导频光线43，其频率不同于数据传输光信号的频率。图11表示导频光线43与数据传输光信号41之间的频率关系。导频光线具有单一频率，固定于离开光信号频谱一既定值。数据传输光信号的标志形态是一曼彻斯特标志(Manchester’s sign)。比特率为10Mbps。

图12为表示收集与发送用的光学收发器18结构的方框图。每个光接收元件39都通过光接收电路45连接至接口46。接口46用作中继装置，用于将来自光接收电路45的接收光信号发送至LAN19。每个光发射元件40都连接至一个LED驱动器47，LED驱动器47的操作由来自接口46的信号控制。各光发射元件40由LED驱动器47进行通断控制。另外，每个导频LED元件44都连接至一LED驱动器49，LED驱动器49的操作由来自导频信号发生器48的信号控制。导频LED元件44总是发出导频光线43。

在上述装置中，以下述方式建立通信路线。首先，接通图9中所示的搜索开关SW。响应于搜索开关SW的接通信号，扫视驱动机构和俯仰驱动机构启动，沿半球范围进行搜索。如图8所示，收集与发送用的光学收发器18具有导频LED元件44，设置在光接收元件39的附近。每个导频LED元件44总是发出导频光线43，其频率偏离数据传输光信号41的频带。光发射与接收装置16相对于搜索操作的方向产生被接收导频光线的光通量图。所获得的光通量图存储在存储器32中(参见图9)。微机33根据存储器32中存储的光通量图数据确定使信号接收电平最大的最佳方向。电机控制器36按照该最佳方向控制扫视电机34和俯仰电机35。从而使光轴自动调整至最佳方向，以便使信号接收电平达到最大。使信号接收电平达到最大的最佳方向，与传输光信号相对于收集与发送用的光学收发器18的光接收截面的入射方向相同。从而完成了通信路线的建立。

图7所示装置通过发送如光束之类光信号9，并且由聚光装置(例如抛物面反射镜或会聚透镜)接收所发送的光信号9，进行远程光学传输。以此方式，通过采用光发射元件7和准直透镜10，可方便地实现信号传输的窄方向性。

然而，光接收装置4中所用的光学装置必须具有高的精度，以确保令人满意的信号接收电平。同样，使光接收装置4朝向光发射装置3的精度必须很高。因此，存在如下问题，即由于振动或类似原因导致光轴的不准确定位会引起通信失败。

根据图8至12所示的装置，为了成功通信，光信号26需要直接入射至收集与发送用的光学收发器18的光接收元件39上。当光信号26的方向性很窄时，必须进行非常精确的搜索。而且，此装置还存在如下缺陷，其通信路线如此敏感以致于微小的振动都会使其光斑错位。因此，一般是使光信号的方向性加宽至一定程度，使得即使光轴轻微错位时光束也会可靠地入射至光接收元件39上。然而，加宽其方向性具有如下缺陷，其光束电平被降低以致于不能稳定地进行远程光学传输。

考虑到上述问题，为有效解决它们，本发明提供了一种光学接收器，能够采用窄束光信号进行远程光学传输。而且，本发明还提供了一种采用此种光学接收器的光学无线传输系统。

本发明的特点

下面参照图1至6说明光学接收器和相应光学无线传输系统的优选实施例。

图1为根据本发明第一实施例的光学接收器和光学无线传输系统的示意图。图2为图1所示的光学接收器中采用的可透光散射膜的平面图。与图7中所示相同的部件以相同的标记数码表示。图1中所示本发明的系统与图7中所示系统的区别在于，以可透光散射膜50替代了大孔径会聚透镜12。

假定在两个终端1和2(比如计算机)之间通过光发射装置3和光接收装置60进行数据传输。这两个装置3和60一起构成一光学无线传输系统。光发射装置3具有一装有一光发射元件7(比如激光二极管)和一准直透镜10的光学发射器8。光发射元件7发射激光束。准直透镜10接收激光束，并产生平行光束。从而，光发射装置3发出非常细的光束作为光信号9。光发射元件7由一LD驱动器6控制。由一终端1提供的数字信号5输入LD驱动器6。LD驱动器6根据所提供的数字信号5控制提供给光发射元件7的电流的通断。光发射元件7产生一红外激光束，其光强(或光学辐度)根据光信号5进行调制。

另一方面，光接收装置60具有一采用本发明的光学接收器61。光接收装置60还具有一光接收电路14，用于将光学接收器61接收的光信号9转换为电信号。光学接收器61具有一光接收元件13，其为光电二极管。作为本发明的特征，在光接收元件13之前设有一可透光散射膜(即散透射膜)50。光信号9穿过可透光散射膜50，并且在通过该膜50之后，以散射光束传播。透光散射膜50构造成圆盘状，其中心与图2中所示光接收元件13相对应。透光散射膜50具有直径L1。光接收元件13与透光散射膜50的最外缘之间的距离定义为L2。直径L1和距离L2根据既定的设计参数例如光学传输路径加以确定。例如，L1为200mm，L2为100mm。无论如何，透光散射膜50的直径L1可以按此方式增大。这为入射光信号9提供了相当大的目标面积，便于调整光轴以接收光信号。透光散射膜50对于红外线光信号9最好具有大约50％的透过率。例如，采用粘合有微透镜的丙烯酸板作为透光散射膜50的实际材料。

在上述系统中，光发射装置3以下述方式工作。响应于终端1提供的数字信号5，LD驱动器6通断控制光发射元件7，从而发出强度调制的激光束。所发射的激光束入射至准直透镜10，准直透镜10输出平行光线作为细束光信号9。

光信号9入射至光接收装置60的可透光散射膜50。部分入射光透过可透光散射膜50，并作为散射光线9B传播。一部分散射光线9B入射至位于透光散射膜50之后的光接收元件13上。光接收元件13接收的光信号在光接收电路14中被转换为电信号。所产生的电信号发送给另一终端2。以此方式，实现了从终端1至终端2的数据传输。

在此数据传输过程中，由光发射装置3发出的成束光信号9射至透光散射膜50上。部分光信号9转换为散射光束9B，进入光接收元件13，从而完成信号接收。相应地，当从光接收元件13处看时，在透光散射膜50上形成的光信号9的激光斑象一个实际散射光源。因此，当透光散射膜50具有大约50％的透过率时，实际散射光源的整个光能在光发射元件7的激光束充分细时等于所发射能量的50％。这保证了足够的信号接收电平。也就是说，根据该系统，唯一所要做的是使成束光信号9导引向光接收装置60的可透光散射膜50上的某处。当成束光信号9射至透光散射膜50时，其束斑可用作实际散射光源，发出透射光线9A和散射光线9B。一部分透射光线9A和散射光线9B由光接收元件13可靠接收。其优点在于接收光信号时光轴无须精确调整。可以简化和方便地实现该光学系统。

另外，即使在系统受到一定程度的振动时，也能可靠地维持通信路线。这使得有可能实现稳定的远程光学传输。

下面说明根据第二实施例的光学接收器和光学无线传输系统。图3为根据本发明第二实施例的光学无线传输系统的简略图。图4画出了光发射与接收装置的详细结构。图5为收集与发送用的光学收发器的平面图。图6为图5所示收集与发送用的光学收发器的剖面图。与图8至11所示相同的部件由相同的标记数码表示。

图3至6所示系统与图8至11所示系统的区别在于，以发射激光束的LD替代用作光发射装置20的光发射元件23的LED，并且在图10所示光接收元件39之前设有一圆拱形透光散射膜。

如图3所示，该系统具有多个终端15，比如个人计算机，每个都配有一光发射与接收装置16。一个收集与发送用的光学收发器18设置在容纳终端15的房间的天花板17的中央区域。收集与发送用的光学收发器18由缆线连接至LAN19，从而将每一终端15连接至LAN19。尽管图3中只画出了两个配有光发射与接收装置16的终端15，但是不用说，终端15以及相关联的光发射与接收装置16的数量可以根据LAN的系统设计改变。

如图4所示，光发射与接收装置16包括一光发射装置62和一光接收装置21。光发射装置62具有一光学发射器63和一个准直透镜10，光学发射器63上一体安装有一个光发射元件51，其为LD，用于产生激光束。

激光束一般具有极好的方向性。因此采用产生激光束的光发射元件51有利于确保光信号入射至透光散射膜上，透光散射膜将在后面说明。光发射装置62作为构成本发明系统的主要特征之一。光发射装置62还具有一LD驱动器52，从相关联的终端15接收传输信号。LD驱动器52根据发送自相关联终端15的传输信号控制提供给光发射元件51的电流的通断。从而，由光发射装置62产生强度调制的光信号26。

光接收装置21包括一光学接收器27，光学接收器27主要是一光电二极管28和一大孔径会聚透镜29的组合。为了接收光信号，光学接收器27被定向朝向收集与发送用的光学收发器18，如图3所示。接收的光信号在光接收电路30中被转换为电信号，并作为接收信号输出。

另外，光接收装置21包括一信号电平探测器31，用于探测接收的光信号的强度；一存储器32，用于存储信号电平探测器31的输出值和方向数据；一微机33，用于根据存储器32中存储的数据进行既定的计算，以得出使信号接收电平最大的最佳接收方向；和一电机控制器36，用于控制一扫视电机34和一俯仰电机35。

光发射装置62和光接收装置21合装成一个单元，通过一扫视驱动机构(未画出)和一俯仰驱动机构(未画出)连接至基座37上。扫视驱动机构沿水平面绕垂直轴转动光发射与接收装置16，而俯仰驱动机构沿垂直面绕水平轴转动光发射与接收装置16。在图4中，SW表示一开关，用于发出开始搜索的指令。

图5和图6表示根据本发明第二实施例的收集与发送用的光学收发器18的光学接收器38。光学接收器38包括多个光接收元件39，皆为光电二极管。一个光接收元件39位于中央，而其它光接收元件39沿围绕中央光接收元件39的圆环设置，如图5所示。一个作为本发明基本特征之一的半球形圆拱状的透光散射膜53，设置在光接收元件39的前端，以便用其半球体覆盖所有这些光接收元件39。

可透光散射膜53的作用与第一实施例中所示可透光散射膜50相同。光信号26透过透光散射膜53，并作为散射光束传播。透光散射膜53与中央光接收元件39间隔L3的距离。例如设定距离L3为100mm，这与第一实施例中所示的距离L2相同。

相应地，透光散射膜53圆拱的直径为大约200mm。这为入射的光信号26提供了相当大的目标面积。

另外，多个光发射元件40(皆为LED)沿环绕设置在内环上的光接收元件39的一个最外环设置。每个光发射元件40发射一个光信号41以传输数据。

另外，在设置在最外环上的光发射元件40的内侧并与之相邻，设置有一环形隔离器42。隔离器42用作阻止光信号41进入光接收元件39的隔板。

在这些光接收元件39所处的区域，设置有多个导频LED元件44。每个导频LED元件44发出一导频光线43，其频率不同于数据传输光信号的频率。如前所述，图11表示出导频光线43与数据传输光信号41之间的频率关系。导频光束具有单一频率，固定于离开光信号频谱的一既定值。数据传输光信号的标志形态为曼彻斯特标志。比特率为10Mbps。

收集与发送用的光学收发器18的内部结构与图12中所示基本相同。因而此处不再进行说明。

在上述装置中，以下述方式建立通信路线。

首先，接通图4中所示的搜索开关SW。响应于搜索开关SW的接通信号，扫视驱动机构和俯仰驱动机构启动，以沿半球范围进行搜索。如图3和6所示，收集与发送用的光学收发器18具有导频LED元件44，设置在光接收元件39的附近。每个导频LED元件44总是发出导频光束43，其频率偏离数据传输光信号41的频带。光发射与接收装置16相对于搜索操作的方向产生所接收的导频光束43的光通量图。所获得的光通量图存储在存储器32中(参见图4)。微机33根据存储器32中存储的光通量图数据确定使信号接收电平最大的最佳方向。电机控制器36按照该最佳方向控制扫视电机34和俯仰电机35。从而，使光轴自动调节至最佳方向，以便使信号接收电平达到最大。使信号接收电平达到最大的最佳方向，与传输光信号相对于收集与发送用的光学收发器18的光接收截面的入射方向相同。从而完成了通信路线的建立。

在建立通信路线之后，接着进行数据传输。在图4中，由终端15发送的数据传输信号输入LD驱动器52。根据此传输信号对提供给光发射元件51的电流进行通断控制。光发射元件51产生一强度调制的激光束。此激光束入射至准直透镜10，并由其产生平行光线作为成束的光信号26。

光信号26入射至光学接收器38的透光散射膜53上，如图3和6中所示。部分入射光透过透光散射膜53，作为散射光束26B传播。部分散射光束26B入射至位于透光散射膜53之后的光接收元件39上。光接收元件39接收的光信号在光接收电路45中被转换为电信号(参见图12)，通过接口46传输至LAN19。

在此数据传输过程中，与第一实施例中方式相同，在透光散射膜53上形成一成束光信号26的激光斑。相应地，当从光接收元件39处看时，光信号26的激光斑象一个实际散射光源。因此，唯一所要做的是使成束光信号26导引向透光散射膜53上的某处。当成束光信号26射至透光散射膜53上时，其束斑可用作实际散射光源，发出透射光线26A和散射光线26B。一部分透射光线26A和散射光线26B由光接收元件39接收。其优点在于接收光信号时光轴无须精确调整。

因而，即使在系统受到一定程度的振动时，也能可靠地维持通信路线。这使得有可能实现稳定的远程光学传输。收集与发送用的光学收发器18以下述方式进行数据传输。位于外围部分的光发射元件40发出光信号41。光信号41由光发射与接收装置16的光接收装置21加以接收，如图4中所示。

尽管图3中所示的收集与发送用的光学收发器18具有多个光接收元件39，但是不用说，光接收元件39的数量可以降至1。

另外，本发明的应用并不限于所公开的光学无线传输系统。本发明可以应用于利用激光束进行数据传输的任何其它系统。

如前面说明书中所述，根据本发明的光学接收器和光学无线传输系统可以带来下列突出功能和效果。

根据本发明，在光接收元件之前设有具有相当大面积的可透光散射膜。其优点在于，即使在光信号的入射方向偏离光接收元件时，部分散射光线也能够可靠地入射至光接收元件。

因此，通过在光学无线传输系统中采用如此设置的光学接收器，可以增大光信号的目标面积。这使得有可能可靠建立光路，即使在未精确调整光轴的情况下。因此，即使在系统受到一定程度的振动时，也能够可靠地维持通信。这使得可以实现稳定的远程光学传输。

本发明可以在不偏离其主要特征的精神的情况下用多种形式实施。由于本发明的范围由所附权利要求而非说明书加以限定，因而此处所述实施例只是说明性的而非限制性的。因而所有落在权利要求边界或这些边界的等同物之内的改变都包括在权利要求内。

Claims (3)

1.一种光学接收器，包括：

一光接收元件(13；39)，用于接收光信号(9；26)；和

一可透光散射膜(50；53)，设置在所述光接收元件之前，用于以既定透射率透过所述光信号并且使所述光信号散射。

2.一种光学无线传输系统，包括：

一光发射装置(3；62)，用于发射光信号(9；26)；和

一光接收装置(60；18)，用于接收所述光信号，其中所述光接收装置具有一光学接收器(61；38)，此光学接收器包括：

一光接收元件(13；39)，用于接收所述光信号；和

一可透光散射膜(50；53)，设置在所述光接收元件之前，用于以既定透射率透过所述光信号并且使所述光信号散射。

3.如权利要求2所述的光学无线传输系统，其中所述光信号为激光束。

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