CZ28700U1

CZ28700U1 - Optical transmitter with complementary spectrum in visible field

Info

Publication number: CZ28700U1
Application number: CZ2015-31295U
Authority: CZ
Inventors: Jan Vitásek; Vladimír Vašinek
Original assignee: Vysoká Škola Báňská - Technická Univerzita Ostrava
Priority date: 2015-07-03
Filing date: 2015-07-03
Publication date: 2015-10-13

Description

Optický vysílač s komplementárním spektrem ve viditelném oboruOptical transmitter with complementary spectrum in visible range

Oblast technikyTechnical field

Řešení se týká optického vysílače s komplementárním spektrem ve viditelném oboru určený pro datovou komunikaci a osvětlování tvořený samostatným zdrojem pro datovou komunikaci a samostatným zdrojem pro osvětlování.The present invention relates to an optical transmitter with a complementary spectrum in the visible field for data communication and lighting comprising a separate data communication source and a separate lighting source.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Dosavadní komunikace neboli datový přenos prostřednictvím viditelného světla je založena na modulování přenášených dat na celé vysílané spektrum. Osvětlovací zdroj je vypínán a zapínán. Tímto způsobem jsou přenášena data. Zdroje záření lze charakterizovat jako prvky, které mění elektrický signál na optický.Existing communication or data transmission by means of visible light is based on modulation of transmitted data to the whole transmitted spectrum. The light source is switched on and off. In this way data is transmitted. Sources of radiation can be characterized as elements that convert an electrical signal into an optical signal.

Zdrojů záření existuje celá řada. V oblasti telekomunikací se však téměř výhradně, díky svým výhodným vlastnostem, používají zdroje polovodičové. Ty využívají ke generaci optického záření rekombinaci injektováných děr a elektronů do oblasti polovodičového přechodu P-N. Volné nosiče jsou do oblasti přechodu injektovány přiložením napětí v propustném směru. Takový optický zdroj se chová z hlediska elektrických parametrů téměř jako klasická polovodičová dioda se dvěma napájecími přívody.There are many sources of radiation. However, in the telecommunications sector, semiconductor sources are used almost exclusively because of their advantageous properties. They use recombination of injected holes and electrons into the P-N semiconductor transition area to generate optical radiation. Free carriers are injected into the transition region by applying a forward voltage. Such an optical source behaves almost like a classical semiconductor diode with two power supply in terms of electrical parameters.

V přihlášce vynálezu č. WO2013167058je popsána metoda, zařízení a systém pro komunikaci prostřednictvím viditelného světla. Pokud je použita komunikace prostřednictvím viditelného světla, informace je modulována na světlo mající různé vlnové délky. Množství přenosu modulovaného světla mající různé vlnové délky, se mění podle průběhu informačního signálu, který má být vyslán. Navíc, přijaté viditelné světlo pro komunikaci může být podrobeno vlnové detekci podle výkonu a frekvence. Modulovaný signál z přijatého světelného signálu je podroben demodulaci podle vlnového dělení k obnovení komunikačního obsahu z informačního zdroje.WO2013167058 discloses a method, apparatus and system for communicating by means of visible light. If visible light communication is used, the information is modulated to light having different wavelengths. The amount of modulated light transmission having different wavelengths varies according to the course of the information signal to be transmitted. In addition, the received visible light for communication may be subjected to wave detection according to power and frequency. The modulated signal from the received light signal is demodulated according to the wavelength division to recover the communication content from the information source.

V přihlášce vynálezu č. US 2014334826 se řeší zařízení a systém pro komunikaci a přenos dat prostřednictvím viditelného světla. Zařízení je konfigurováno k modulování optické intenzity světelného zdroje, který obsahuje světlo emitující prvek, a superponuje komunikační signál na emitované světlo. Osvětlovací zařízení obsahuje napájecí zdrojový obvod k zhasínání a rozsvěcování světelného zdroje na základě stmívacího signálu, spínací prvek pro modulaci výstupního proudu dodávaného světelnému zdroji z napájecího zdrojového obvodu, impedanční prvek, komunikační obvod a zapínací obvod. Komunikační obvod je konfigurován k dodávání modulačního signálu k přepínacímu prvku a superponuje komunikační signál na emitované světlo.US 2014334826 discloses a device and system for communicating and transmitting data by visible light. The device is configured to modulate the optical intensity of a light source that includes a light emitting element and superimposes a communication signal on the emitted light. The lighting device comprises a power supply circuit for switching the light source on and off based on a dimming signal, a switching element for modulating the output current supplied to the light source from the power supply circuit, an impedance element, a communication circuit, and a switching circuit. The communication circuit is configured to supply a modulation signal to the switching element and superimposes the communication signal on the emitted light.

Dále je známo řešení, které řeší zařízení a metodu pro provádění komunikace pomocí informačního barevného rozdílu ve viditelném spektru světla. Přenosové zařízení obsahuje převodník symbolů k získání dat ze světelného spektra a modulátor symbolů ke generování hodnot jasu. Přijímací zařízení obsahuje přijímač viditelného světla k zachycení světla a generování elektrického signálu mající RGB barevné informace světla, barevný prostorový převodník ke generování hodnot jasu a barevného rozdílu na základě RGB barevné informace a datový převodník symbolů na data. Řešení je popsáno v evropské patentové přihlášce EP 2456100.Further, a solution is known which solves a device and a method for performing communication by means of an information color difference in the visible spectrum of light. The transmission device includes a symbol converter to obtain light spectrum data and a symbol modulator to generate luminance values. The receiving device comprises a visible light receiver for capturing light and generating an electrical signal having RGB color light information, a color spatial converter to generate brightness and color difference values based on the RGB color information, and a data to symbol data converter. The solution is described in European patent application EP 2456100.

Zařízení pro komunikaci prostřednictvím viditelné části světelného spektra popsané v evropské patentové přihlášce č. EP 2744124 sestává z obvodu s proměnnou impedancí, který má impedanční zařízení, které je zapojeno v sérii se zdrojem světla. Spínač obvodu je zapojen paralelně s proměnnou impedancí obvodu. První regulátor je vytvořen pro provádění řízení a vypnutí spínacího obvodu a tím k modulaci intenzity osvětlovacího světla vyzařovaného ze světelného zdroje. Impedance proměnného obvodu je spojena s proměnnou impedancí obvodu. Druhý regulátor je upraven pro řízení impedančního proměnného obvodu pro změnu impedance s proměnnou impedancí obvodu. První regulátor a druhý ovladač mají společný hardware.The visible light spectrum communication device described in European Patent Application No. EP 2744124 consists of a variable impedance circuit having an impedance device which is connected in series with the light source. The circuit switch is connected in parallel with a variable circuit impedance. The first controller is configured to control and switch off the switching circuit and thereby modulate the intensity of the illuminating light emitted from the light source. The impedance of the variable circuit is associated with the variable impedance of the circuit. The second controller is adapted to control the impedance variable circuit to vary the impedance with the variable impedance circuit. The first controller and the second controller share the same hardware.

Přihlášky vynálezů citované výše řeší přenos dat prostřednictvím viditelné části světelného spektra, přičemž se využívá změna intenzity světla, modulace celé části emitovaného spektra, neboThe patent applications cited above address data transmission through the visible portion of the light spectrum, utilizing a change in light intensity, modulation of the entire portion of the emitted spectrum, or

-1 CZ 28700 U1 přerušované vypínaní a zapínaní světelného zdroje. Dosavadní způsoby provedení přenášení dat prostřednictvím viditelné části světelného spektra neumožňují využití světelného zdroje k přenášení dat a osvětlování zároveň.Intermittent switching on and off of the light source. Prior art embodiments of transmitting data through the visible portion of the light spectrum do not allow the use of a light source to transmit data and illuminate simultaneously.

Řešení si klade za úkol navrhnout řešení optického vysilače, které by umožňovalo použít viditelné světlo jak pro přenos dat a komunikaci, tak i k osvětlování s cílem zvýšit přenosovou rychlost a zjednodušit způsob modulace světelného spektra.The aim of the solution is to propose an optical transmitter solution that would allow the use of visible light for both data transmission and communication as well as illumination in order to increase the transmission rate and simplify the way of modulating the light spectrum.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Uvedené nedostatky do značné míry odstraňuje optický vysílač s komplementárním spektrem ve viditelném oboru, zejména pro datovou komunikaci a osvětlování, zahrnující zdroj pro datovou komunikaci a zdroj pro osvětlování, jehož podstata spočívá v tom, že zdroj pro osvětlování tvoří osvětlovací LED dioda, opatřená parabolickým reflektorem, k němuž přiléhá optický filtr, zatímco zdroj pro datovou komunikaci tvoří komunikační LED dioda, opatřená parabolickým reflektorem, přičemž zdroj pro datovou komunikaci je uspořádán kolmo na směr světelného svazku paprsků emitovaných ve vodorovném směru zdrojem pro osvětlování, přičemž světelný svazek paprsků emitovaný z výkonové osvětlovací LED diody i světelný svazek paprsků emitovaný z komunikační LED diody jsou prostřednictvím děliče svazků spojeny do světelného svazku paprsků bílého světla obsahujícího požadovanou informaci.These drawbacks are largely eliminated by an optical spectrum transmitter with a complementary spectrum in the visible field, in particular for data communication and lighting, including a data communication source and a lighting source, characterized in that the lighting source is a LED illuminator provided with a parabolic reflector. adjoining the optical filter while the data communication source is a communication LED having a parabolic reflector, the data communication source being arranged perpendicular to the direction of the light beam emitted in the horizontal direction by the illumination source, the light beam emitted from the power lighting fixture Both the LEDs and the light beam emitted from the communication LED are connected by a beam splitter to a white light beam containing the required information.

Podstata optického vysílače s komplementárním spektrem ve viditelném oboru spočívá v tom, že osvětlovací LED dioda je opatřená parabolickým reflektorem pro usměrnění emitovaného záření, na jehož výstupu je umístěn optický filtr pro částečné potlačení emitovaného světelného spektra. Filtrovaná část tohoto spektra je nahrazena světlem z jiné LED diody, kterou nazýváme komunikační. Složením obou světelných zdrojů vzniká bílé světlo, přičemž toto světlo již zahrnuje informace, které jsou součástí světla emitovaného prostřednictvím komunikační LED. Cílem řešení je vytvoření zdroje světla, které má stejné nebo velmi podobné optické charakteristiky. K nim patří zejména stejný tvar optického svazku na výstupu nového typu vysílače, stejná barevná teplota a zejména schopnost nového typu vysílače nejen osvětlovat, ale také vysílat datové přenosy v části spektra, ve které pracuje komunikační LED. Vhodným modulačním formátem (není předmětem technického řešení) lze dosáhnout toho, že střední hodnota výkonu komunikační LED se nemění v čase, proto vysílání datové informace není rušivé pro oko. Nevzniká rušivé „blikání“. Datové přenosy jsou nezávislé na použitém protokolu a mohou zahrnovat celou škálu datových formátů a technologií - přístup do internetu, přenos hlasu, obrazu či jiných dat.The principle of a complementary spectrum optical transmitter in the visible field is that the illumination LED is provided with a parabolic reflector for rectifying the emitted radiation, at the output of which is an optical filter for partially suppressing the emitted light spectrum. The filtered part of this spectrum is replaced by light from another LED, which we call communication. The composition of both light sources produces white light, which light already includes information that is part of the light emitted by the communication LED. The aim of the solution is to create a light source having the same or very similar optical characteristics. These include, in particular, the same shape of the optical beam at the output of the new type of transmitter, the same color temperature and, in particular, the ability of the new type of transmitter not only to illuminate but also to transmit data transmissions over the LED spectrum. By means of a suitable modulation format (not the subject of the invention) it is possible to achieve that the mean value of the communication LED does not change over time, therefore the transmission of data information is not disturbing to the eye. There is no disturbing “flicker”. Data transmissions are protocol-independent and can include a variety of data formats and technologies - Internet access, voice, video and other data transmission.

Výhodou řešení optického vysílače je, že umožňuje přenášet data vyšší rychlostí a zároveň osvětlovat potřebný prostor. Výhodné u tohoto řešení je, že data přenáší úzká část spektra, přičemž komunikační LED dioda je napájena menším proudem a neprojevuje se žádná setrvačnost luminoforu (fosforu). Výkonové LED jsou vzhledem k procházejícím proudům pomalé a omezují dosažitelné přenosové rychlosti.The advantage of the optical transmitter solution is that it allows to transmit data at a higher speed while illuminating the space needed. Advantageously, a narrow portion of the spectrum transmits data, the communication LED being powered by a smaller current and no inertia of the phosphor. The power LEDs are slow with respect to the currents passing through and limit the available transfer rates.

Optický filtr typu úzká zádrž slouží k částečnému filtrování emitovaného světelného spektra z výkonové osvětlovací LED diody. Filtrovaná část světelného spektra zachytávána tímto filtrem je nahrazena světelným spektrem z komunikační LED diody, přičemž toto světelné spektrum je nosičem přenášených informací.The narrow-band optical filter is used to partially filter the emitted light spectrum from the power LED. The filtered part of the light spectrum captured by this filter is replaced by the light spectrum from the communication LED, which light is the carrier of the transmitted information.

Osvětlovací LED dioda je založena na složení řady PN přechodů emitujících světlo z materiálu obvykle GaN. Tyto přechody jsou řazeny sérioparalelně a vyzařují světlo v modré oblasti spektra, typicky kolem 440 nm. PN přechody jsou obklopeny gelem s luminoforem. Gel s částicemi luminoforu výrazně zpomaluje odezvu výkonové LED na modulační signály, proto jsou dnes výkonové LED používány pouze pro osvětlování.The LED is based on the composition of a series of light-emitting PN transitions, usually GaN. These transitions are sequenced in parallel and emit light in the blue region of the spectrum, typically around 440 nm. The PN junction is surrounded by a luminophore gel. The gel with luminophore particles significantly slows the response of the power LEDs to modulation signals, so the power LEDs are now used only for lighting.

Komunikační LED dioda je dioda z materiálu obvykle GaAlAs, který je typický rychlou elektroluminiscencí. Vlnové délky jsou určeny podle typu použitého filtru a luminoforu v gelu výkonové LED. Obvykle nejvýhodnější je použití zelené LED o vlnové délce kolem 550 nm. Vždy musí platit, že spektrum komunikační LED musí být inverzní vzhledem k spektrální propustnosti použitého filtru.Communication LED is a diode made of material usually GaAlAs, which is characterized by fast electroluminescence. Wavelengths are determined by the type of filter used and the luminophore in the power LED gel. Usually the most preferred is the use of green LEDs of about 550 nm. It must always be true that the spectrum of the communication LED must be inverse to the spectral transmittance of the filter used.

-2CZ 28700 Ul-2GB 28700 Ul

Dělič svazků je polopropustné zrcadlo s rovinnými stěnami skloněnými k osám optických svazků LED pod úhlem přibližně 45°. Přesná poloha musí být nastavena dodatečně, protože cílem je maximální překrytí optických svazků obou LED a výrobci LED nejsou schopni vyrábět LED s identickými světelnými svazky, přestože jsou stejného typu.The beam splitter is a semipermeable mirror with planar walls inclined to the axes of the LED optical beams at an angle of approximately 45 °. The exact position must be adjusted additionally because the aim is to overlap the optical beams of both LEDs and LED manufacturers are not able to produce LEDs with identical light beams, even though they are of the same type.

Celkově lze výhody optického vysilače shrnout v následujících bodech:Overall, the advantages of an optical transmitter can be summarized as follows:

Optický vysílač umožňuje modulaci pouze části světelného spektra,The optical transmitter allows only part of the light spectrum to be modulated,

Obsahuje samostatný elektrický zdroj pro komunikaci a samostatný elektrický zdroj pro osvětlování, oba dva zdroj e (LED) j sou spektrálně složeny, dosažení řádově vyšší přenosové rychlosti.It comprises a separate power supply for communication and a separate power supply for illumination, both of which the e (LED) sources are spectrally assembled to achieve a significantly higher transmission rate.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Předkládané technické řešení je blíže osvětleno pomocí výkresů, na kterých obr. 1 zobrazuje spektrum emitované bílou výkonovou LED diodou, obr. 2 zobrazuje spektrum bílé výkonové LED diody filtrované optickým filtrem a na obr. 3 je zobrazeno obnovené původní spektrum, na obr. 4, je zobrazena schéma optického vysílače.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 shows the spectrum emitted by a white power LED, FIG. 2 shows the spectrum of a white power LED filtered by an optical filter, and FIG. 3 shows the restored original spectrum, FIG. 4, an optical transmitter scheme is shown.

Příklady uskutečnění technického řešeníExamples of technical solutions

Řešení optického vysílače s komplementárním spektrem ve viditelném oboru pro osvětlování a datový přenos, tvořený optickým vysílačem se samostatným zdrojem pro komunikaci a samostatným zdrojem pro osvětlování, bude vysvětleno na jednotlivých příkladech jeho provedení. Je nasnadě, že níže uvedené popisy jsou ilustrativním vyjádřením aplikace principů tohoto řešení.The solution of an optical transmitter with a complementary spectrum in the visible field for illumination and data transmission, consisting of an optical transmitter with a separate source for communication and a separate source for illumination, will be explained in particular examples of its implementation. It is understood that the descriptions below are illustrative of the application of the principles of this solution.

Zapojení optického vysílače s komplementárním spektrem ve viditelném oboru je znázorněno na obr. 4. Optický vysílač v tomto případě zahrnuje zdroj 1 světla poskytující osvětlení a zdroj 2 světla pro datovou komunikaci. Zdrojem i světla je výkonová osvětlovací LED dioda 11, zatímco zdrojem 2 světla pro datovou komunikaci, umožňujícím přenos dat, je komunikační LED dioda 21 emitující komunikační světlo. Pro usměrnění emitovaného světelného svazku jsou jak výkonová osvětlovací LED dioda 11, tak komunikační LED dioda 21 na výstupu opatřeny parabolickými reflektory 3. Část spektra světelného svazku 6 paprsků emitovaného z výkonové osvětlovací LED diody ii je filtrována optickým filtrem 4 typu úzká zádrž. Světelný svazek 6 paprsků se s komunikačním světelným svazkem 7 paprsků spektrálně spojí po jejich dopadu na dělič 5 svazků paprsků, přičemž vznikne výsledný světelný svazek 8 paprsků bílého světla. Výsledný světelný svazek 8 bílého světla obsahuje jak část filtrovaného spektra ze světelného svazku 6 paprsků, které slouží k osvětlování, tak obsahuje světelné spektrum ze svazku 7 paprsků, jenž je nosičem užitečných dat nezávislých na použitém protokolu a mohou zahrnovat celou škálu datových formátů a technologií - přístup do internetu, přenos hlasu, obrazu či jiných dat.The connection of an optical transmitter with a complementary spectrum in the visible domain is shown in Fig. 4. The optical transmitter in this case comprises a light source 1 providing illumination and a light source 2 for data communication. The light source 1 is a power lighting LED 11, while the light source 2 for data communication enabling data transmission is a communication LED 21 emitting a communication light. To rectify the emitted light beam, both the power illumination LED 11 and the communication LED 21 are provided at the output with parabolic reflectors 3. Part of the spectrum of the light beam 6 rays emitted from the power illumination LED is filtered by a narrow filter optical filter 4. The light beam 6 is connected spectrally to the light beam communication beam 7 after it has been impacted on the beam splitter 5, resulting in a resulting white light beam beam 8. The resulting white light beam 8 contains both a portion of the filtered spectrum from the light beam 6 used for illumination and a light beam from the 7 beam, which is a carrier of useful protocol-independent data and can include a variety of data formats and technologies - Internet access, voice, image or other data transmission.

Optický vysílač je napájen dvěma elektricky nezávislými zdroji. Jeden dodává konstantní ss elektrický proud, kterým napájí výkonovou osvětlovací LED diodu ϋ, která díky konstantnímu proudu také vysílá světlo konstantního optického výkonu. Za touto výkonovou osvětlovací LED diodou lije umístěn úzkopásmový optický filtr 4, který zabraňuje průchodu světla o vlnových délkách, které doplňuje komunikační LED dioda 21. Druhý elektrický zdroj je představován elektrickým zdrojem, který je modulován přicházejícími daty. Tento modulovaný zdroj může přímo napájet komunikační LED diodu 21, je však výhodnější jej opatřit proudovým zesilovačem. Tím se oddělí zdroj signálu od komunikační LED diody 21 a tato LED dioda 2! pracuje ve stabilních pracovních podmínkách. Pomocí děliče 5 svazku se svazky světla výkonové osvětlovací LED diody il a komunikační LED diody 21 spojí do výsledného světelného svazku 8 paprsků bílého světla (tj. jednoho optického) svazku.The optical transmitter is powered by two electrically independent sources. One delivers a constant DC current, supplying a power illumination LED ϋ, which also transmits constant optical power light through a constant current. Downstream of this power LED is a narrowband optical filter 4 that prevents light from passing at wavelengths that complements the communication LED 21. The second electrical source is an electrical source that is modulated by incoming data. This modulated power supply can directly power the communication LED 21, but it is preferable to provide a current amplifier. This separates the signal source from the communication LED 21 and this LED 2! works under stable working conditions. By means of the beam splitter 5, the light beams of the power illumination LED 11 and the communication LED 21 are connected to the resulting light beam 8 of the white light beams (i.e. one optical) beam.

-3CZ 28700 Ul-3EN 28700 Ul

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Navržený optický vysílač s komplementárním spektrem ve viditelném oboru lze použít jak k osvětlování například dopravního provozu, tak ke komunikaci a výměně dat mezi dopravními vozidly, lze jej využít k osvětlování prostor, kde je požadováno vykrytí datovými signály - typicky kde je vyžadováno připojení do internetu.The designed optical transmitter with a complementary spectrum in the visible field can be used to illuminate, for example, traffic, to communicate and exchange data between transport vehicles, and to illuminate areas where data coverage is required - typically where Internet access is required.

Claims

PROTECTION REQUIREMENTS

An optical transmitter with a complementary spectrum in the visible field, in particular for data communication and lighting, comprising a light source for data communication (2) and a light source for lighting (1), characterized in that the light source for lighting (1) is power an illuminating LED having a parabolic reflector (3) adjacent to the optical filter (4), while the light source for data communication (2) is a communication LED having a parabolic reflector (3), the light source for data communication (2) is arranged perpendicular to the direction of the filtered light beam (6) of the rays emitted horizontally by the light source (1), the filtered light beam (6) emitted from the light source (1) and the light beam (7) emitted from the light sources for data communication (2) are connected to the light beam by means of a beam splitter (5) to the beams (8) of white light carrying the data information.