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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Übertragungs- und Sende- und
Empfangsmodule für die
optische Datenübertragung.
Diese Module sind insbesondere für
die Verwendung in infraroten Datenübertragungssystemen geeignet.
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GRUNDLAGEN DER ERFINDUNG
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Mit
der schnell steigenden Anzahl von Arbeitsstationen und Arbeitsplatzrechnern
(z. B. Tischrechner oder transportable Rechner) in allen Bereich des
Geschäftslebens,
der Verwaltung und der Fertigung gibt es auch einen steigenden Bedarf
nach flexiblen und einfachen Verbindungen dieser Systeme untereinander.
Ein ähnlicher
Bedarf ist hinsichtlich des Anschlusses und der Verbindung peripherer
Geräte,
wie etwa Tastaturen, Rechnermäuse,
Drucker, Plotter, Scanner, Anzeigegeräte usw. vorhanden. Die Verwendung
von elektrischen Leitungsnetzwerken und Kabeln wird insbesondere
mit der wachsenden Dichte der Systeme und peripheren Geräte und in den
vielen Fällen
problematisch, in denen der Standort von Systemen oder die Konfiguration
von Untersystemen häufig
geändert
werden müssen.
Es ist daher wünschenswert,
drahtlose Kommunikationssysteme zum Verbinden derartiger Geräte und Systeme untereinander
zu benutzen, um die Notwendigkeit elektrischer Kabelnetze zu beseitigen.
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Insbesondere
wurde während
der letzten Jahre dem Einsatz optischer Signale zum Informationsaustausch
zwischen Systemen und entfernten Geräten erhöhtes Interesse zu Teil. Der
Vorteil derartiger drahtloser optischer Kommunikationssysteme besteht
in dem Wegfall des größten Teiles
der üblichen
Verdrahtung. Im Hinblick auf drahtlose Hochfrequenzübertragung
(HF) hat die optische drahtlose Infrarotübertragung (IR) die Vorteile,
dass keine Kommunikationsregulierungen gelten und keine PTT- oder
FCC-Lizenz erforderlich ist. Zusätzlich
können keine
Störungen
durch elektromagnetische Interferenz und keine Interferenz durch
andere Hochfrequenzkanäle
auftreten, und die Strahlung ist auf einen Raum eingeschränkt, so
dass eine bessere Datensicherheit als mit Hochfrequenzsystemen garantiert
ist. Es gibt damit keine Interferenz mit ähnlichen Systemen, die eine
Tür weiter
arbeiten, und es wird ein höherer
Grad von Datensicherheit erreicht, als ihn Hochfrequenzübertragung
bieten kann. Im Gegensatz zu Hochfrequenzantennen sind die Abmessungen
von Licht aussendenden Dioden (LED) und Fotodioden gewöhnlich geringer,
was von besonderem Interesse ist, wenn tragbare Rechner konstruiert
werden.
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Die
optischen Signale in derartigen Systemen könnten sich direkt zum optischen
Empfänger des
Empfangssystems ausbreiten, oder sie könnten die Empfänger indirekt
nach Änderungen
ihrer Ausbreitungsrichtung erreichen, die auf Vorgänge wie Reflexionen
oder Streuung an Oberflächen
zurückzuführen sind.
Heute wird der erstere Fall in Andockstationen für transportable Rechner realisiert,
wo die Datenübertragung
zwischen einem optischen Sender und Empfänger erfolgt, die korrekt ausgerichtet
sind und mit einem Abstand in der Größenordnung von cm beisammen
liegen. Der letztere Fall ist für
Anwendungen in einer Büroumgebung
typisch, in der störungsfreie
direkte Übertragung
von optischen Signalen zwischen Sendern und Empfängern, die mehrere Meter voneinander
entfernt sind, auf Grund von unvermeidlichen Störungen des direkten Übertragungsweges
praktisch nicht durchführbar
oder sogar unmöglich
ist. Eine bekannte Verfahrensweise zum Erreichen eines höheren Grades
an Flexibilität
besteht darin, optische Signale vom Übertragungssystem an die Decke
eines Büros
abzustrahlen, wo sie reflektiert oder diffus gestreut werden. Damit
wird die Strahlung in der Umgebung der Übertragungseinrichtung über eine
bestimmte Zone verteilt. Die Verteilung der sich von der Decke ausbreitenden
Lichtsignale hängt
von vielen Einzelheiten ab, die für die bestimmte zu betrachtende
Umgebung kennzeichnend sind. In diesem Zusammenhang ist jedoch hauptsächlich wichtig,
dass der Übertragungsbereich,
d. h. die Entfernung zwischen dem Übertragungssystem und dem Empfangssystem,
auf einen beliebigen endlichen Wert eingeschränkt ist, der nachstehend als Übertragungsbereich
bezeichnet wird, da der Energiefluss der übertragenen Strahlung mit wachsender Ausbreitungslänge abnimmt
und die Empfindlichkeit des Empfängers
auf Grund eines Endrauschverhältnisses
begrenzt ist. Übliche
bekannte Systeme, die bei optischen Leistungswerten arbeiten, die
durch die Leistungsfähigkeit
der Lichtquellen und Sicherheitsanforderungen für Lichteinwirkung begrenzt
werden, haben bei Datenraten von 1 MBps Übertragungsbereiche von mehreren
Metern aufzuweisen.
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Entscheidende
Parameter eines drahtlosen optischen Übertragungssystems sind die
erreichbare Datenrate und der Abstand zwischen den Daten austauschenden
Systemen. In einer Büroumgebung kann
es notwendig sein, Daten über
Entfernungen zu übertragen,
die den Übertragungsbereich
einer handelsüblichen
optischen Übertragungseinrichtung überschreiten.
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Es
gibt mehrere Nachteile der heutigen drahtlosen optischen Datenübertragungssysteme. Erstens
ist der Übertragungsbereich
für den
Einsatz in Umgebungen, wie etwa große Büroräume und Konferenzräume, nicht
geeignet, und die Strahlungseigenschaften und der -bereich sind
gewöhnlich
nicht gleichförmig,
so dass eine genaue Ausrichtung von Sender und Empfänger erforderlich
ist.
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Zusätzlich muss
der Tatsache Rechnung getragen werden, dass in den meisten Umgebungen unvermeidliches
Umgebungslicht vorhanden ist, wie etwa Tageslicht oder Licht von
Lampen, das immer die optischen Detektoren erreicht, es sei denn,
dass das System auf den Gebrauch in einer vollständig abgedunkelten Umgebung
beschränkt
ist. Unvermeidliches Umgebungslicht kann zu zeitabhängigen Signalen
führen,
beispielsweise Wechselstromsignalen von Lampen, und ist eine wichtige,
in vielen praktischen Fällen
die bestimmende Störungsquelle
in dem optischen Empfänger.
Damit beeinflusst das Umgebungslicht das Signal-/Rauschverhältnis des Empfängers und
beeinflusst damit den Übertragungsbereich.
Das Auftreten von unvermeidlichem Licht ist im Wesentlichen statistisch
und oftmals schwer zu steuern, und seine Stärke kann sich drastisch verändern, wie
es für
Sonnenlicht oder Lampen offenkundig ist, die ein- und ausgeschaltet
werden. Eine weitere realistische Wirkung, die das Signal-/Rauschverhältnis und
damit den Übertragungsbereich
statistisch beeinflusst, besteht in dem Auftreten von Hindernissen
auf dem optischen Weg, die das Empfängersignal beeinflussen.
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Eine
erste Vorgehensweise, diesen Problemen zu begegnen, besteht darin,
die Ausgabeleistung des Übertragungsmoduls
zu erhöhen.
Dies hat sich aus mehreren Gründen
als nicht durchführbar erwiesen.
Die Leistungsaufnahme derartiger Übertragungsmodule würde für den Einsatz
in tragbaren Systemen, wie etwa beispielsweise in Notebook-Rechnern
oder Taschenrechnern viel zu hoch sein. Der wichtigste Punkt im
Hinblick auf die Entwicklung drahtloser optischer Systeme ist jedoch
die optische Sicherheit. Es wird eingeschätzt, dass optische Strahlung
für das
Auge und die Haut eine Gefahr darstellen kann, wenn der Grad der
Einwirkung hoch genug ist. Das Ausmaß der Gefahr hängt von einer
Anzahl von Faktoren ab, zu welchen die Intensität der Einwirkung (Energie oder
Leistung), die Einwirkzeit und die Wellenlänge zu zählen sind.
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In
der veröffentlichten
PCT-Patentanmeldung
WO 90/03
072 wird ein optisches Datenübertragungsmodul beschrieben.
Es umfasst eine Gruppierung von Licht aussendenden Dioden, die innerhalb eines
halbkugelförmigen
Gehäuses
auf regelmäßige Weise
angeordnet sind.
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US-Patentschrift 5 258 867 betrifft
unterschiedliche Datenübertragungsmodule
und insbesondere das Sammeln und Bündeln von Licht. In einigen
Ausführungsformen
wird ein Reflektor benutzt, der zum Sammeln eines Lichtstrahles
dient, so dass mehr Licht gesammelt und in einen Fotoempfänger zugeleitet
wird. Ein ähnlicher
Reflektor kann auch benutzt werden, um Licht zu bündeln, das
von einer Diode ausgesandt wird.
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In
dem Artikel „Optical
Wireless: New Enabling Transmitter Technologies” von P. P. Smyth et al., IEEE
International Conference an Communications '93, 23. bis 26. Mai 1993, Genf, Schweiz,
Technical Programme, Conference Record, Bd. 1/3, S. 562–566, wurden Änderungen
an vorhandenen Sicherheitsstandards für die Augen ebenso wie eine neue
Art von Übertragungstechnologie
erörtert.
Diese neue Form von Übertragungstechnologie
beruht auf der Idee, den Bereich der optischen Quelle zu vergrößern, um
die Gefahr von Netzhautschäden
zu vermindern. In diesem Artikel wird vorgeschlagen, beispielsweise
ein von einem Rechner erzeugtes Phasenhologramm zu benutzen, um
mehrere Strahlen zur Strahlformung aus einer einzelnen Laserdiodenquelle
zu erhalten.
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Diese
Verfahrensweise ist ein erster Schritt in die richtige Richtung,
aber das Problem des unzureichenden Übertragungsbereiches und ausreichender
Augensicherheit ist noch nicht angesprochen und gelöst worden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes optisches Übertragungsmodul
bereitzustellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Übertragungsmodul
mit geringen Abmessungen und optimalem Strahlungsmuster bereitzustellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Übertragungsmodul
bereitzustellen, das die Sicherheitsstandards (IEC 825-1) erfüllt.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Übertragungsmodul
mit umschaltbaren Strahlungsmuster bereitzustellen.
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Die
vorstehenden Aufgaben sind durch das Bereitstellen eines optischen Übertragungsmoduls erfüllt worden,
wie er hier nachstehend beansprucht wird.
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BESCHREIBUNG DER VERWENDETEN
ZEICHNUNGEN UND BEZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird nachstehend ausführlich unter
Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben:
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1 zeigt
einen schematischen Querschnitt eines optischen Übertragungsmoduls nach der
vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
drei verschiedene regelmäßige und
symmetrische Anordnungen von Licht aussendenden Dioden.
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3 zeigt
einen schematischen Querschnitt eines optischen Übertragungsmoduls nach der
vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt
einen schematischen Querschnitt eines optischen Übertragungsmoduls nach der
vorliegenden Erfindung.
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5 zeigt
einen schematischen Querschnitt eines optischen Übertragungsmoduls nach der
vorliegenden Erfindung.
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6A ist
eine Querschnittsansicht eines kuppelförmigen Gehäuses.
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6B ist
eine Querschnittsansicht eines kuppelförmigen Gehäuses.
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7 zeigt
einen schematischen Querschnitt eines optischen Übertragungsmoduls nach der
vorliegenden Erfindung.
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8 ist
eine schematische Draufsicht eines optischen Übertragungsmoduls nach der
vorliegenden Erfindung.
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9 ist
eine schematische Draufsicht eines optischen Übertragungsmoduls nach der
vorliegenden Erfindung.
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10 zeigt
einen schematischen Querschnitt eines optischen Übertragungsmoduls nach der
vorliegenden Erfindung.
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11 zeigt
einen schematischen Querschnitt eines optischen Übertragungsmoduls nach der
vorliegenden Erfindung.
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12 zeigt
einen schematischen Querschnitt eines optischen Übertragungsmoduls mit umschaltbaren
Strahlungsmuster nach der vorliegenden Erfindung.
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13A ist eine schematische Draufsicht des optischen Übertragungsmoduls
mit umschaltbaren Strahlungsmuster, wie er in 12 veranschaulicht
wird.
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13B ist eine schematische Draufsicht des optischen Übertragungsmoduls
mit umschaltbarem Strahlungsmuster, wie er in 12 veranschaulicht
wird.
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13C ist eine schematische Draufsicht des optischen Übertragungsmoduls
mit umschaltbarem Strahlungsmuster, wie er in 12 veranschaulicht
wird.
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14 zeigt
einen schematischen Querschnitt eines optischen Sende- und Empfangsmoduls nach
der vorliegenden Erfindung.
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15A zeigt einen schematischen Querschnitt eines
optischen Sende- und Empfangsmoduls nach der vorliegenden Erfindung.
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15B ist eine schematische Draufsicht des Empfängerteiles
des optischen Sende- und Empfangsmoduls, der in 15A veranschaulicht wird.
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16 zeigt
einen schematischen Querschnitt eines optischen Sende- und Empfangsmoduls nach
der vorliegenden Erfindung.
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17A zeigt einen schematischen Querschnitt eines
optischen Übertragungsmoduls
mit umschaltbarem Strahlungsmuster nach der vorliegenden Erfindung.
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17B ist eine schematische Draufsicht des Gehäuses und
Reflektorringes des optischen Sende- und Empfangsmoduls, der in 17A veranschaulicht wird.
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18A zeigt einen schematischen Querschnitt eines
optischen Übertragungsmoduls
mit umschaltbarem Strahlungsmuster nach der vorliegenden Erfindung.
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18B ist eine schematische Draufsicht des Gehäuses und
Reflektorringes des optischen Sende- und Empfangsmoduls, der in 18A veranschaulicht wird.
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19A zeigt eine schematische Ansicht einer Befestigungsplatte
zum Anbringen eines optischen Übertragungs-/Sende-
und Empfangsmoduls mit umschaltbarem Strahlungsmuster nach der vorliegenden
Erfindung.
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19B ist eine schematische Ansicht der Befestigungsplatte
von 19A in geneigter Lage.
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20 zeigt
einen schematischen Querschnitt eines optischen Übertragungsmoduls mit umschaltbarem
Strahlungsmuster nach der vorliegenden Erfindung.
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21A zeigt einen Notebook-Rechner mit einem optischen Übertragungsmodul
oder Sende- und Empfangsmodul, der an ihm angebracht ist.
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21B zeigt einen Notebook-Rechner mit einem integrierten
optischen Übertragungs-
oder Sende- und Übertragungsmodul.
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ALLGEMEINE BESCHREIBUNG
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Angesichts
des Vorstehenden ist es in hohem Maße wünschenswert, dass drahtlose
optische Übertragungsmodule
die folgenden Kriterien einhalten:
- 1. höchstmögliche Sicherheitsstufen
für die
Augen;
- 2. optimale Quellenabstrahlungsmuster, die das in seiner Intensität begrenzte
optische Signal auf wirksame Weise verbreiten, um maximale Übertragungsentfernung
bei minimalem dynamischen Bereich zu erhalten. Dies ist von besonderem
Interesse, wenn ein optisches Übertragungsmodul in üblichen
Büroumgebungen
benutzt wird (niedrige Decke, diffuser Ausbreitungsmodus).
- 3. kein Bedarf nach Ausrichtung von Sendern und Empfängern;
- 4. für
Umgebungen mit einer sehr hohen Decke mit schlechten (oder nicht
vorhandenen) Reflexionseigenschaften (Gebäude mit Atrium, große Hörsäle, Freiluftumgebung)
die Möglichkeit,
sich auf die Ausbreitung auf Sicht (LOS) zu verlassen, ohne dass
die Notwendigkeit des Ausrichtens der Sende- und Empfangsmodule
besteht.
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In
Verbindung mit 1 wird der grundlegende Entwurf
eines Übertragungsmoduls
nach der vorliegenden Erfindung beschrieben. Wie in dieser Figur
veranschaulicht, umfasst ein derartiges Übertragungsmodul eine Gruppierung
von Licht aussendenden Dioden 11, die auf regelmäßige und
symmetrische Weise angeordnet sind. Um die Dioden 11 in der
richtigen Lage zu befestigen, wird eine Befestigungsplatte 10 benutzt.
Die Gruppierung der Licht aussendenden Dioden 11 befindet
sich in einem kuppelförmigen
Gehäuse 12.
Im vorliegenden Beispiel besteht dieses kuppelförmige Gehäuse 12 aus einem langen
zylindrischen Rohr mit einem zur Kuppel ausgebildeten Endstück. Dieses
Gehäuse 12 ist
mindestens teilweise durchsichtig. Zusätzlich umfasst es Streumittel,
um eine scheinbare Vergrößerung der Quelle
zu bewirken. Streumittel können
auf unterschiedliche Weisen realisiert werden. Das Gehäuse 12 könnte beispielsweise
aus einem Kunststoffmaterial bestehen, das verteilte Partikel mit
hohem Brechungsindex umfasst, so dass mindestens ein Teil des Gehäuses als
Streumittel dient. In einer anderen Ausführungsform kann die Streuung
der von den Licht aussendenden Dioden 11 ausgesandten Lichtstrahlen
mit Hilfe eines Gehäuses 12 erreicht
werden, das eine geriffelte Oberfläche hat. Ein Plexiglasgehäuse, das
mit Glasteilchen (Größe zwischen
100 und 150 Mikrometer) sandgestrahlt worden ist, bietet achsenbezogen
eine vierfache Leistungsherabsetzung mit einer Vergrößerung des
Halbwertwinkels (es sind Stanley-LEDs DN305 verwendet worden) von
7,5° auf
10° (senkrechter
Lichteinfall am Streumittel). Andere Streumittel werden in Verbindung
mit den folgenden Ausführungsformen
beschrieben. In Abhängigkeit
von der Rauhigkeit der Streuoberfläche oder von der Anzahl und
Größe der in
dem Streugehäuse
eingebauten Partikel kann entweder ein vollständiges oder ein teilweises
Streumittel erreicht werden. Die Verwendung eines derartigen vollständigen Streumittels
führt zu
einer Lambert-Quelle.
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In
Abhängigkeit
von der Symmetrie der Konfiguration und dem Erhebungswinkel der
Licht aussendenden Dioden, dem Strahlungswinkel der Dioden, der
Form des Gehäuses,
dem Streumittel und ihrem Standort in Bezug aufeinander in dem Gehäuse können unterschiedliche
Strahlungsmuster erreicht werden. In 2 werden
Draufsichten von drei beispielhaften Diodenanordnungen gezeigt.
Die Befestigungsplatte 20 auf der linken Seite von 2 trägt nur drei
Licht aussendende Dioden 21, die in Form eines Dreieckes
angeordnet sind. Die Befestigungsplatte 22 trägt vier
regelmäßig angeordnete
Dioden 23, und die Befestigungsplatte 24 trägt acht Licht
aussendende Dioden 25. Diese acht Dioden 25 sind
kreisförmig
angeordnet. Es ist aus diesen drei Beispielen offenkundig, dass
jegliche Art von symmetrischer und regelmäßiger Anordnung von Licht aussendenden
Dioden in Verbindung mit einem geeigneten Gehäuse und Streumittel dazu geeignet
ist, einen hohen Grad von Augensicherheit und ein optimales Quellenabstrahlmuster
zu erreichen.
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Ehe
andere Ausführungsformen
beschrieben werden, werden hinsichtlich der Licht aussendenden Dioden
weitere Einzelheiten dargelegt. Die hier gezeigten Licht aussendenden
Dioden sind handelsüblich
verfügbare
Dioden, die in einem kleinen, handelsüblichen Kunststoffgehäuse eingekapselt sind.
Derartige Dioden sind in Kunststoffgehäusen mit unterschiedlicher
Größe, unterschiedlichem
Material und mit verschiedenen Strahlungsmustern und -winkeln verfügbar. Beispielsweise
sind Licht aussendende Dioden DN305 und DN304 von Stanley gut geeignet.
Es ist offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf
den Einsatz von einzelnen Dioden beschränkt ist, von denen jede in
ihren eigenen Gehäuse
eingekapselt ist. Unter bestimmten Umständen könnte es vorteilhaft sein, eine
Gruppierung von Dioden zu benutzen, wobei alle zusammen in einem gemeinsamen
Gehäuse
verkapselt oder eingeschlossen sind. Es ist weiterhin vorstellbar,
entweder getrennte Licht aussendende Dioden oder eine Gruppierung
von Licht aussendenden Dioden zu verwenden, die auf ein gemeinsames
Substrat ohne Gehäuse
aufgewachsen sind.
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Das
kuppelförmige
Gehäuse,
in dem diese Dioden angeordnet sein werden, ersetzt dann das eigene
Gehäuse
der Diode und dient zum Schutze dieser Dioden.
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In 3 wird
ein weiteres optisches Übertragungsmodul
nach der vorliegenden Erfindung gezeigt. Dieses Modul umfasst eine
Befestigungsplatte 30, auf der Licht aussendende Dioden 31 regelmäßig und
symmetrisch angeordnet sind. Die Befestigungsplatte 30 hat
geneigte Oberflächen,
und die Dioden 31 sind darauf befestigt, so dass sie in
Richtung auf die Mittelachse des zylindrischen Gehäuses 32 weisen.
Das Streumittel ist im Gehäuse
eingebaut, z. B. mit Hilfe von verteilten Partikeln.
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In
der nächsten
Ausführungsform,
die in 4 veranschaulicht ist, wird ein von einem Rechner
erzeugtes Phasenhologramm 43 benutzt, um eine geeignete
Strahlform zu erreichen. Dieses Hologramm ist in dem zylindrischen
Gehäuse 42 angeordnet,
das die Gruppierung von Licht aussendenden Dioden 41 abdeckt,
die auf einer Befestigungsplatte 40 untergebracht sind.
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In 5 wird
ein optisches Übertragungsmodul
mit kuppelförmigem
Gehäuse 52 gezeigt.
Dieses Modul umfasst weiterhin eine Befestigungsplatte 50,
die eine Gruppierung von Lichtaussendenden Dioden 51 trägt. Ein
Teil des Gehäuses 52 umfasst
eine vollständige
Streumitteloberfläche 53,
um eine Streuung der durch die Dioden 51 ausgesandten Lichtstrahlen
zu erreichen. Gleiche Ergebnisse können mit Hilfe eines Schachbrett-Streumittelmusters
erreicht werden, mit dem das Gehäuse
versehen wird. Wenn sich die Streumitteloberfläche an der Innenseite des Gehäuses 52 befindet,
kann eine Verunreinigung des Streumittels durch fettige Finger oder
Staub verhindert werden. Verschiedene Streuungsgrade können durch
Verändern
der Rauhigkeit der Streumitteloberfläche erzielt werden, indem das
Schachbrettmuster verändert
wird oder indem die Streumitteloberfläche an der Innenseite und der
Außenseite des
Gehäuses
angebracht wird. Die erforderliche Oberflächenrauhigkeit kann durch Sandstrahlen
oder Ätzen
der Form für
das Pressen des Kunststoffgehäuses
erzielt werden. Im Falle eines Kunststoffgehäuses, das verteilte Partikel
umfasst, kann der Streugrad durch Einbetten von Partikeln mit unterschiedlicher
Größe und/oder
Form verändert
werden.
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Andere
kuppelförmige
Gehäuse 60 und 61 sind
in 6A und 6B schematisch
veranschaulicht.
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Das
optische Übertragungsmodul,
das in 7 gegeben ist, umfasst eine ebene Befestigungsplatte 70,
auf der handelsübliche
Licht aussendende Dioden 71 angeordnet sind. Die Anschluss-Stifte
dieser Dioden sind abgewinkelt, so dass die Dioden Licht in Richtung
der Mittelachse 74 des kuppelförmigen Gehäuses 72 aussenden.
Diese Anordnung ist in Anwendungen vorteilhaft, in denen der Platz
beschränkt
ist und das gesamte Übertragungsmodul
klein sein sollte. Es ist festgestellt worden, dass der Neigungswinkel
der Dioden, d. h. der Winkel zwischen einer Ebene, die rechtwinklig
zu der Mittelachse 74 des kuppelförmigen Gehäuses 72 und der Mittelachse 75 des
Strahlungskegels der Dioden angeordnet ist, vorzugsweise zwischen
5° und 80° und insbesondere
zwischen 20° und
40° liegen
sollte. Der optimale Winkel zwischen der Mittelachse einer LED und
der Befestigungsplatte beträgt,
insofern der Gebrauch in den hier beschriebenen und beanspruchten
Modulen betroffen ist, etwa 25°.
Der Winkel von 25° führt in Büros mit
niedrigen Decken (2,5 bis 3,5 m) zu einem maximalen Streubereich.
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Eine
weitere Konfiguration ist in 8 veranschaulicht.
In dieser Ausführungsform
sind acht Licht aussendende Dioden 81, von denen jede ihr
eigenes Gehäuse
hat, kreisförmig
und regelmäßig auf
einer Befestigungsplatte 80 angeordnet, so dass in Bezug auf
die Mittelachse 83 des Moduls Licht radial ausgestrahlt
wird. Licht aussendende Schmalstrahldioden mit einem Erhebungswinkel
von annähernd
25° sind für den Einsatz
in dieser Ausführungsform
gut geeignet.
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Eine ähnliche
sternförmige
Konfiguration mit acht Dioden ist in 9 gezeigt.
In dieser Ausführungsform
sind die von einer Befestigungsplatte 90 getragenen Dioden 91 auf
die Mittelachse des Gehäuses
gerichtet. Auf der linken Seite dieser Figur wird ein Gehäuse mit
einer vollständigen
Streumitteloberfläche 93 gezeigt.
Vollständiges
Streumittel bedeutet, dass die geriffelte Oberfläche den gesamten Querschnitt
des Strahles abdeckt. Das Streumittel kann stark (wobei es eine
Lambert-Quelle erzeugt) oder schwach sein (wobei es zusätzliche
Zerstreuung des Strahles bewirkt, um die Sicherheit für die Augen
zu verbessern). Diese vollständige
Streumitteloberfläche
wird an der inneren Oberfläche
des kuppelförmigen
Gehäuses
realisiert. Das jeweilige, vom Streumittel 93 erhaltene
Strahlungsmuster wird daneben veranschaulicht. Auf der rechten Seite
wird eine schematische Skizze eines kuppelförmigen Gehäuses gezeigt, das ein Schachbrett-Streumittelmuster 92 umfasst,
das als Streumittel dient. Das jeweilige Strahlungsmuster wird neben
dieser Skizze angezeigt. Wie schematisch veranschaulicht, geht ein
Teil des Lichtes im Wesentlichen ungehindert durch das Streumittel hindurch,
und die verbleibenden Lichtstrahlen werden gestreut. Ein derartiges
Schachbrettmuster könnte
beispielsweise durch Bohren von Löchern in das Gehäuse oder
durch Verwendung einer geeigneten Maske beim Sandstrahlvorgang realisiert
werden.
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Ein
optisches Übertragungsmodul
mit kuppelförmigem
Gehäuse 102,
Streumittel 103 und einem zusätzlichen ringförmigen,
in das Gehäuse
integrierten Prismenteil 104 wird in 10 veranschaulicht.
Wie mit Hilfe von gestrichelten Linien dargestellt, beugt dieser
Prismenring 104 einen Teil der Strahlenergie, der mit Δ bezeichnet
wird, (nach unten) in waagerechter Richtung. Der verbleibende Anteil
wird direkt durch Streumittel 103 ausgesandt. Der Prismenring 104 verbessert
die Kommunikation auf dem Sichtwege.
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Eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird in 11 gezeigt.
Das in dieser Figur veranschaulichte Modul umfasst eine Befestigungsplatte 110,
auf der eine Gruppierung von Licht aussendenden Dioden 111 untergebracht
ist. Diese Dioden 111 sind in Bezug auf die Befestigungsplatte 110 geneigt
und senden Licht radial aus. Das kuppelförmige Gehäuse 112 umfasst einen
Reflektorring 114 an der inneren Oberfläche und Streumittel 113. Dieser
Reflektorring reflektiert mindestens einen Teil des von den Dioden 111 ausgesandten
Lichtstrahles nach oben, ehe die Strahlen durch das Streumittel 113 gehen.
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Eine
Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform wird in 12 gezeigt.
In dieser Figur wird ein optisches Modul gezeigt, das es gestattet,
das Strahlungsmuster umzuschalten, wie es in 13A bis 13C veranschaulicht wird. Der Zweck der Strahlumschaltung
besteht darin, entweder ein Strahlungsmuster (z. B. 25°) zu haben,
das einen maximalen allseitigen Bereich (siehe 13A und B) oder einen maximalen Bereich in einer
bestimmten Richtung (siehe 13C)
ergibt. Dieses umschaltbare Modul umfasst eine Befestigungsplatte 120,
auf der eine Gruppierung von Dioden 121 befestigt ist.
Die Dioden sind in einem kuppelförmigen
Gehäuse 122 angeordnet,
das Streumittel 123, Reflektormittel 124, nach
oben ablenkende Prismen 125 und nach unten ablenkende Prismen 126 zeigt,
beide mit aufgerauhten Oberflächen.
Die Betriebsarten dieses umschaltbaren Moduls werden in Verbindung
mit 13A bis 13C beschrieben.
In diesen Figuren sind Draufsichten des Moduls gegeben. Wie in 13A gezeigt, umfasst das Gehäuse 122 entlang seiner
inneren Oberfläche 130 eine
Reihe von Reflektormitteln 124 und Ablenkprismen 125, 126.
Aus Gründen
der Vereinfachung werden die Reflektormittel 124 durch
eine dicke Linie angezeigt. Das Umschalten des Strahlungsmusters
kann dadurch erreicht werden, dass das Gehäuse mit Reflektoren 124 und
Ablenkprismen 125, 126 in Bezug auf und rund um
die Mittelachse der Gruppierung von Licht aussendenden Dioden 121 gedreht
werden kann. Die Ablenkwinkel (waagerechte Ebene) legen die gewünschte reflektierte
Strahlrichtung fest. Die Lage des Markierungspfeiles 132 (auf
dem sich drehenden Gehäuse 122)
in Bezug auf die (festen) Symbole 134 zeigt das ausgewählte Strahlungsmuster
an. Wenn die Markierung 132 auf das Symbol „leerer
Kreis” zeigt,
sendet das Modul Licht mit einem Erhebungswinkel α von annähernd 25° in alle
Richtungen aus, d. h. in dieser Betriebsart dient das Modul als
allseitig gerichtete Antenne mit maximalem Übertragungsbereich und ist
für geringes
Umgebungslicht geeignet. Diese Position wiederholt sich alle 45°.
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Markierung 132 auf
dem Symbol „voller Kreis”, siehe 13B zeigt einen Strahlerhebungswinkel von annähernd 30° bis 40° für erhöhte allseitige
Energiedichte in der Nachbarschaft des Moduls in Umgebungen mit
starken Umgebungslicht an. Diese Position wiederholt sich alle 45°. In dem
in 13C gezeigten Beispiel zeigt der Zeiger 132 auf
das Symbol „Pfeil”. Dies
zeigt die ausgewählte
Strahlrichtung für
mehr gerichteten Bereich an. Die Strahlen innerhalb des Gehäuses werden
mit Hilfe von gestrichelten Pfeilen angezeigt. Acht unterschiedliche
Strahlungsrichtungen können
in Schritten von 45° gewählt werden.
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In 14 bis 16 werden
optische Sende- und Empfangsmodule nach der vorliegenden Erfindung
gezeigt. Die in 14 gezeigte Ausführungsform
beruht auf dem in 3 veranschaulichten Modul. Diese
Modul umfasst zusätzlich
zum Sendeteil einen Empfänger.
Der Empfänger
hat vier Fotodioden 143, die unterhalb der Befestigungsplatte 140 angeordnet
sind. Diese Fotodioden sind geneigt und weisen in unterschiedliche
Richtungen, um Licht von überall
her rund um das Modul zu empfangen. Die Ausrichtung und Konfiguration
dieser Fotodioden hängt
vom Sichtfeld jeder Diode und auch von der Form des Gehäuses und
der Lage innerhalb des Gehäuses
ab. Die Fotodioden werden durch ein dünnes Drahtnetz 145 geschützt, das
als Faraday'scher
Käfig dient,
um elektromagnetische Störungen
zu vermindern. In der vorliegenden Ausführungsform ist dieses Drahtnetz 145 in
dem kuppelförmigen
Gehäuse 142 eingebaut.
In diesem Modul befindet sich unterhalb der Fotodioden 143 ein
Substrat 144 für
elektronische Schaltungen in SMD-Technik. Dieses Substrat 144 könnte Vorverstärker, LED-Treiber oder vollständige Analogchips
tragen, wenn dies der Platz zulässt.
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In
der nächsten
Ausführungsform,
die in 15 gezeigt wird, befindet sich
das Empfängerteil oberhalb
des Sendeteiles, d. h. oberhalb der von einer Befestigungsplatte 150 getragenen
Licht aussendenden Dioden. Der Empfänger umfasst eine Gruppierung
von fünf
Fotodioden 153, von denen alle so angeordnet sind, dass
Licht aus allen Richtungen empfangen wird. Diese Fotodioden sind
durch ein Drahtnetz 155 geschützt, das in dem kuppelförmigen Abschlussteil
des Gehäuses 152 eingebaut
ist. Ein Substrat 154 mit elektronischer Schaltung befindet sich
unterhalb dieser Fotodioden 153. Das Empfängerteil
ist von dem Sender durch einen Reflektor 156 getrennt.
In 15B wird eine schematische Draufsicht des Empfängerteiles
gezeigt.
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Ein
weiteres optisches Sende- und Empfangsmodul wird in 16 veranschaulicht.
Dieses Modul beruht auf dem Übertragungsmodul,
das in 7 gezeigt wird und unterscheidet sich darin, dass in
dem gleichen Gehäuse 162 ein
Empfänger
untergebracht ist. Dieser Empfänger
umfasst eine Gruppierung von Fotodioden 161, die auf einer
Befestigungsplatte 160 angebracht sind. Der Empfänger ist so
angeordnet, dass die von den Licht aussendenden Dioden ausgesandten
Strahlen durch das Gehäuse und
das Streumittel im Wesentlichen ungehindert hindurch gehen. Licht
aussendende Schmalstrahldioden mit einem Erhebungswinkel von annähernd 25° sind für den Einsatz
in dieser Ausführungsform
gut geeignet. Module mit einer sternförmigen Gruppierung von 3 bis
6 Fotodioden bei einem Erhebungswinkel von 30° bis 45° wiesen gute Ergebnisse auf.
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Eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird in 17A und 17B veranschaulicht. Gezeigt wird ein Querschnitt
und eine Draufsicht auf ein Modul mit umschaltbarem Strahlungsmuster.
Die Gruppierung der Licht aussendenden Dioden 201 befindet
sich auf einer Befestigungsplatte 203. Die Licht aussendenden
Dioden 201 sind symmetrisch unterhalb eines kuppelförmigen Streumittelgehäuses 200 angeordnet.
Wenn sich dieses Gehäuse
in Position 1 (Pos. 1) in Bezug auf die Licht aussendenden Dioden 201 (siehe
rechte Seite von 17A und 17B)
befindet, wird das Licht senkrecht durch das Gehäuse 200 ausgesandt.
In Abhängigkeit
davon, ob dieser Teil des Gehäuses
als Streumittel eingerichtet ist, wird das Strahlungsmuster fokussiert
oder gestreut. Das Gehäuse 200 umfasst
einen Reflektorring 202. Wenn das Gehäuse 200 oder der Reflektorring 202 in
Bezug auf die Dioden 201 (Pos. 2 auf der linken Seite der 17A und 17B)
gedreht werden, werden die von den Dioden ausgesandten Lichtstrahlen
in Richtung der seitlichen Facette des Gehäuses 200 reflektiert.
Diese seitliche Facette umfasst gewöhnlich Streumittel, um eine
Verbreiterung des Strahles zu erreichen. Es wird in 17B gezeigt, dass der Reflektorring 202 als Ring
mit mehreren ,Zungen' ausgebildet
sein könnte. Der
Reflektorring 202 kann unter Verwendung eines dünnen Metalls
gefertigt werden, das geprägt
oder gestanzt wird. In dem in 17A und 17B gegebenen Beispiel gestattet eine Drehung
um 22,5° das Umschalten
von Position 1 in Position 2.
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Ein
weiterer Entwurf eines optischen Übertragungsmoduls mit umschaltbarem
Strahlungsmuster wird in 18A und 18B veranschaulicht. Dieses Modul umfasst eine
Gruppierung von Licht aussendenden Dioden 211, die in Durchgangslöchern oder
Vertiefungen einer Befestigungsplatte 210 untergebracht
sind. Die Dioden 211 werden durch ein kuppelförmiges Streumittelgehäuse 210 abgedeckt.
Ein Reflektorring 212 ist in dem Gehäuse 210 eingebaut.
Dieser Ring 212 umfasst Zungen oder Ausleger, die so gebogen
sind, dass der von den Dioden ausgesandte Lichtstrahl in Richtung
der Seitenwände
des Streumittelgehäuses 210 reflektiert wird
(siehe Position 2 auf der linken Seite von 18A und 18B). Wenn das Gehäuse mit dem Reflektorring gedreht
wird, so dass die Dioden 211 sich nicht unterhalb der reflektierenden
Zungen oder Ausleger des Ringes 212 befinden, werden die
Lichtstrahlen in Bezug auf die Befestigungsplatte 213 senkrecht
ausgesandt (siehe Position 1 auf der rechten Seite von 18A und 18B).
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In 19A und 19B wird
eine Vorrichtung zum Befestigen eines Moduls 220 mit umschaltbarem
Strahlungsmuster gezeigt. In 19A befinden
sich das Gehäuse
und der Reflektorring in Position 2, d. h., der Lichtstrahl wird
allseitig ausgesandt, und der Sender strahlt so ab, wie es durch
die Pfeile angezeigt wird. In 19B ist
die Vorrichtung 211 mit dem Modul 220 geöffnet, und
das Modul befindet sich in Position 1, d. h., es strahlt Licht im
rechten Winkel zur Befestigungsplatte der Dioden ab. Diese Vorrichtung 221 gestattet
Kommunikation in direkter Sicht, wenn sich das Modul in Position
1 befindet und in Richtung eines entfernten Empfängers weist.
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Eine
weitere Konfiguration eines umschaltbaren Übertragungsmoduls wird in 20 gezeigt.
In dieser Ausführungsform
sind die Mittelachsen der Dioden 221 in Bezug auf die Befestigungsplatte 223 um etwa
25° geneigt.
Wenn sich das kuppelförmige
Gehäuse 220 in
Position 1 befindet (siehe rechte Seite von 20), gehen
die Lichtstrahlen wie angezeigt durch das Gehäuse hindurch. In Position 2
ist vor den Licht aussendenden Dioden 221 ein Reflektor 222 angeordnet,
und der Lichtstrahl wird nach oben reflektiert (siehe 20 auf
der linken Seite). In dem vorliegenden Beispiel besteht der Reflektor 222 aus einer
dünnen
Metallplatte, die einen Neigungswinkel von ungefähr 58° hat. Die Reflektoren können von
einem Metallring getragen werden, der im Gehäuse 220 eingebaut
oder an ihm befestigt ist.
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Der
in 17, 18 und 20 gezeigte
Reflektorring könnte
durch einen Prismenring ersetzt werden. Dies ist ein Ring, der aus
Kunststoff bestehen könnte
und der eine Reihe von Prismen trägt, die so geformt und angeordnet
sind, dass in Abhängigkeit
von der Position dieses Prismenringes in Bezug auf die Licht aussendenden
Dioden unterschiedliche Strahlausbreitungsmuster erzielt werden.
Dieser Prismenring könnte
ein zu dem kuppelförmigen
Gehäuse
gehörendes
Bauteil sein. Es sind unterschiedliche Vorgehensweisen vorstellbar,
bei denen entweder das den Prismen- oder Reflektorring tragende Gehäuse in Bezug
auf die Position der Dioden gedreht wird oder bei denen der Ring
als solcher in Bezug auf das Gehäuse
und die Dioden gedreht wird, oder die Dioden selbst gedreht werden.
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Die
Reflektoren in 11 und 12 könnten durch
einen Metallring ersetzt werden, der ,Zungen' oder Ausleger trägt, wie sie in Verbindung mit 17, 18 und 20 beschrieben
werden. Der einzige Unterschied in Bezug auf ein umschaltbares Modul
würde darin
bestehen, dass dieser Metallring dann feststehen würde (nicht
drehbar).
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Zwei
unterschiedliche Einbau- oder Befestigungsschemata des vorliegenden Übertragungs- und
Sende- und Empfangsmoduls für Notebook-Rechner
sind in 21A und 21B veranschaulicht.
Das hier beschriebene optische Übertragungs-
oder Sende- und Empfangsmodul sollte im Nahbereich frei sein von
Hindernissen durch Gehäuse
oder Bildschirmanzeige des Rechners, an dem es befestigt ist oder
in den es eingebaut ist. In 21A wird
ein Notebook-Rechner 170 mit abnehmbarem optischen Übertragungs-/Sende-
und Empfangsmodul 171 gezeigt. Dieses Modul 171 ist
mit einem Magneten oder einem Klettband-Clip 172 an dem
Rechner 170 befestigt. Ein Kabel 173 verbindet
das Modul 171 mit einer Schnittstellenkarte, die in einen
der Rechnersteckplätze
eingesteckt worden ist. In 21B wird
ein Rechner 174 mit einem eingebautem Modul 175 gezeigt.
Dieses Modul ist in die Anzeige eingebaut, und alle elektrischen
Verbindungen und die jeweilige Schnittstellenschaltung befinden sich
im Inneren des Rechners. Dieses Modul 175 kann abnehmbar
sein.
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Die
hier vorgelegten optischen Übertragungsmodule
und Sende- und Empfangsmodule
sind augensichere optische Systeme und haben mehrere zusätzliche
Vorzüge.
Sie sind kompakt und zum Einbau in Rechner und andere Geräte geeignet.
Ein Modul nach der vorliegenden Erfindung kann leicht an jedem beliebigen
Notebook-Rechner angebracht werden. Die Module sind durch ihre optimale,
nahezu gleichförmige
kreisförmige
Abstrahlcharakteristik gekennzeichnet, die in einigen Ausführungsformen
umgeschaltet werden kann. Die Module gestatten es, das in seiner
Intensität
begrenzte optische Signal auf wirksame Weise zu verteilen und zu
empfangen, um eine maximale Übertragungsstrecke
zu erreichen. Mit Hilfe eines analogen Vorsatzes, wie es in 18 veranschaulicht wird, kann stark gerichtetes
Umgebungslicht unterdrückt
werden. Die vorliegenden Module unterscheiden sich von handelsüblichen Übertragungseinrichtungen
dadurch, dass insgesamt weniger Schrotrauschen auftritt, wodurch
das Rauschverhältnis
und der Übertragungsbereich
verbessert werden. Zusätzlich
besteht kein Bedarf zum Ausrichten der Sende- und Empfangsmodule.
Eine spezielle Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ermöglich
zwei Übertragungsmodi,
nämlich
diffuse oder Kommunikation auf direkte Sicht.
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Die
vorliegenden Übertragungs-
und Sende- und Empfangsmodule erfüllen die Bestimmungen von IEC
825-1. Dies kann mit einer scheinbar stark genug erweiterten Quelle
und/oder mit einer aktiven Sicherheitsverriegelung erreicht werden,
die die Strahlung abschaltet, wenn der Kopf einer Person zu nahe
an den Sender herankommt. Wie vorstehend beschrieben, könnte dieser
Verriegelungsmechanismus auf dem Abtasten des starken, reflektierten Echosignals,
das durch ein in der Nähe
befindliches Objekt ausgelöst
wird (Näherungserkennung),
mit den Fotodioden des aussendenden Sende- und Empfangsmoduls beruhen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen automatischen Mechanismus bereit,
um stark gerichtetes Umgebungslicht (von Schreibtischlampen, Fenstern, direktem
Sonnenlicht) zu unterdrücken,
um den Übertragungsbereich
für eine
gegebene Datenrate zu optimieren. Dieses Merkmal kann durch das
wahlweise Kombinieren von einzelnen Fotodioden erfolgen, die in
unterschiedliche räumliche
Richtungen zeigen (Sektorisierung), wodurch das maximal mögliche Rauschverhältnis ausgewählt wird.