Brevet FR3042082A1 — publié le 20170407

L'invention concerne le domaine des systèmes de communication par signaux lumineux modulés de type si- ARRIERE PLAN DE L'INVENTION L'utilisation de la technologie Li-Fi (pour « Light Fidelity ») pour mettre en oeuvre une communication sans fil présente de nombreux avantages dont la disponibilité du spectre optique et l'absence d'interférences électro- magnétiques. De plus, grâce notamment au développement de diodes électroluminescentes (LED) présentant des capacités de commutation très importantes et de photodiodes présentant des temps de réponse très rapides, on peut émettre et recevoir avec le Li-Fi des données avec un débit nettement plus important que le débit offert par exemple par la technologie WiFi (pour « Wireless Fidelity »). La technologie Li-Fi est ainsi parfaitement adaptée pour transmettre et recevoir de la musique, des vidéos, des données internet, des données de mesure (température, humidité, luminosité, etc.), des alarmes (incendie, pré- sence de vapeurs toxiques, intrusion, etc.), pour connecter en réseau des capteurs ou d'autres types d'appareils. Les concepteurs des systèmes de communication par signaux Li-Fi cherchent bien sûr à réduire les coûts de développement et d'intégration des systèmes de communica- tion. OBJET DE L'INVENTION L'invention a pour objet de réduire le coût d'un système de communication par signaux IliMineux modulés de type signaux Li-Fi. -RESUME DE l'INVENTION 3042082 En vue de la réalisation de ce but, on propose un dispositif de réception destiné à recevoir un signal lumineux modulé de type signal Li-Fi, comportant un e.otodétecteur adapté à détecter le signal lumineux modulé et à le transformer en un signal électrique, et un module de traitement relié au photodétecteur et destiné à acquérir le signal électrique pour en extraire des données transmises. Le photodétecteur comporte une surface de détection semi-conductrice et une lentille convergente desti- 10 née à concentrer le signal lumineux modulé sur la surface de détection. L'utilisation de la lentille convergente permet, pour une position donnée du dispositif de réception par rapport à un émetteur du signal lumineux modulé (tel 15 qu'une lampe à diodes électroluminescentes), d'améliorer la capacité du dispositif de réception à détecter des rayons lumineux émis par l'émetteur et donc à recevoir le signal lumineux modulé. On améliore ainsi l'efficacité de la communication au sein d'un système de communication 20 par signaux lumineux modulés sans multiplier le nombre d'émetteurs ou de dispositifs de réception.. On réduit ainsi le coût du système de communication. On propose de plus un dispositif de réception sem- blable à celui qui vient d'être décrit, comportant une 25 pluralité de lentilles positionnées côte à côte et incli- nées chacune par rapport à la surface de détection d'un angle d'inclinaison différent. On propose de plus un dispositif de réception semblable à celui qui vient d'être décrit, dans lequel les 30 angles d'inclinaison diffèrent deux à deux d'un angle compris entre 10° et 15°. 3042082 3 On propose de plus un dispositif de réception semblable à celui qui vient d'être décrit, comportant une pluralité de lentilles positionnées côte à côte dans un même plan et sensiblement alignées, chaque lentille pré- 5 sentant un léger décalage de position dans le plan avec la ou les lentilles adjacentes. On propose aussi un dispositif de réception sem- blable à celui qui vient d'être décrit, dans lequel le léger décalage est compris entre un vingtième et un cin- 10 quième du diamètre des lentilles. On propose par ailleurs un appareil d'affichage comportant un dispositif de réception semblable à ceux décrits ci-dessus, et un afficheur destiné à afficher les données reçues. 15 On propose de plus un afficheur semblable à celui décrit ci-dessus, l'afficheur étant un afficheur à cristaux liquides, un afficheur électrophorétique ou un afficheur électrochrome. L'invention a également pour objet un système de 20 communication comprenant une lampe à diodes électrolumi- nescentes et un dispositif de réception tel que ceux qui viennent d'être décrits, la lampe à diodes électroluminescentes étant destinée à émettre un signal lumineux modulé et le dispositif de réception étant destiné à être 25 positionné par rapport à la lampe à diodes électrolumi- nescentes de manière à recevoir ledit signal. D'autrps caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier, non limi- 30 tatif de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS 3042082 Il sera fait référence aux dessins annexés parmi lesquels : la figure 1 représente une pièce d'un magasin dans laquelle sont installés une lampe à LED, un premier 5 appareil d'affichage et un deuxième appareil d'affichage, le premier appareil d'affichage et le deuxième appareil d'affichage comportant chacun un dispositif de réception de l'invention ; - la figure 2a est une vue de côté du premier appa- 10 reil d'affichage fixé à un rayon supérieur d'une éta- gère ; - la figure 2b est une vue de côté du deuxième appareil d'affichage fixé à un rayon inférieur de l'étagère ; 15 - la figure 3 est un schéma simplifié du dispositif de réception de l'invention ; - la figure 4 représente quatre lentilles et quatre surfaces de détection semi-conductrices du dispositif de réception de l'invention ; 20 - la figure 5 est une vue de détail de l'une des lentilles et de la surface de détection associée ; la figure 6 représente les quatre lentilleb in- clinées chacune d'un angle différent par rP.PPQrt à la surface de détection associée, ainsi que des rayons lumi- 25 neux incidents provenant de la lampe à LED ; - la figure 7 est une'ne-±-41-Pguç-___Jà la figure 6, dans laquelle les angles d'incidence des 'rayons lumineux incidents sont différents- DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 30 En référence aux figures 1 à 3, l'invention est ici mise en oeuvre dans une application daffichage du prix de 3042082 produits proposés à la vente dans un magasin. Une lampe à LED 1, comprenant une pluralité de diodes électroluminescentes 2, est fixée au plafond d'une pièce du magasin. La lampe à LED 1 est bien sûr utilisée 5 pour éclairer la pièce du magasin, mais aussi pour trans- mettre, en utilisant la technologie Li-Fi, des donnéès d'affichage à un premier appareil d'affichage 3a et à un deuxième appareil d'affichage 3b. Les données d'affichage permettent au premier appareil d'affichage 3a et au deu- 10 xième appareil d'affichage 3b d'afficher le prix d'un premier produit associé au premier appareil d'affichage 3a et d'un deuxième produit associé au deuxième appareil d'affichage 3b. Le premier appareil d'affichage 3a est fixé à un 15 rayon supérieur 4a d'une étagère 5 du magasin et le deu- xième appareil d'affichage 3b est fixé à un rayon inférieur 4b de l'étagère 5. Pour chaque produit, les données d'affichage con- tiennent des données relatives au prix du produit, des 20 données relatives à certaines autres caractéristiques du produit (par exemple, la taille ou le poids ou le nom ou la marque du produit), des données d'identification et des données relatives à la position de la lampe à LED 1. Les données relatives au prix et les données rela- 25 tives à certaines autres caractéristiques sont destinées à être affichées par le premier appareil d'affichage 3a et per le deuxième appareil d'affichage 3b. Les données d'identification permettent d'identifier, parmi le premier appareil d'affichage 3a et le deuxième appareil 30 d'affichage 3b, l'appareil d'affichage 3 de destination des données d'affichage. Les données relatives à la posi- 3042082 6 tion de la lampe à LED 1 permettent au premier appareil d'affichage 3a et au deuxième appareil d'affichage 3b de déterminer leur position par géolocalisation (la méthode de géolocalisation ne fait pas partie de l'invention et 5 ne sera pas décrite ici). Le premier appareil d'affichage 3a et le deuxième appareil d'affichage 3b présentent chacun une forme générale sensiblement plane. Le premier appareil d'affichage 3a s'étend dans un plan Pl et le deuxième appareil 10 d'affichage 3b s'étend dans un plan P2. Chaque appareil d'affichage 3 comporte une carte électrique 7 sur laquelle sont montés un afficheur électrophorétique 8 et un dispositif de réception selon l'invention 9. 15 Le dispositif de réception 9 de chaque appareil d'affichage 3 comporte un photodétecteur 11 et un module de traitement 12 comprenant un module d'amplification 13, un premier microcontrôleur 14, un deuxième microcontrô- leur 15 et un module mémoire 16. 20 La lampe à LED 1 émet à destination du premier ap- pareil d'affichage 3a et du deuxième appareil d'affichage 3b des signaux Li-Fi contenant les données d'affichage. Les signaux Li-Fi sont ici des signaux lumineux modulés selon une modulation dite PPM (pour « pulse-position mo- 25 dulation en anglais, ou « modulation en position d'impulsions » en français). Le photodétecteur 11 du dispositif de réception 9 de chaque appareil d'affichage 3 reçoit les signaux Li-Fi et transforme les signaux Li-Fi en un signal électrique 30 analogique lui aussi modulé en PPM. Le module d'amplification 13 amplifie le signal électrique analo- 3042082 gigue. Le premier microcontrôleur 14 acquiert le signal électrique analogique et le numérise pour obtenir un signal numérique. Le premier microcontrôleur 14 supprime du signal numérique les info/mations liées au protocole de 5 communication utilisé (par exemple, des données d'entête ou des données de hachage cryptographique) et génère un signal utile contenant les données d'affichage. Le premier microcontrôleur 14 transmet le signal utile au deuxième microcontrôleur 15 via une interface de sortie UART 10 (pour « Universel Asynchronous Receiver Transmitter » en anglais ou « émetteur-récepteur asynchrone universel » en français). Le deuxième microcontrôleur 15 décode le signal utile, extrait du signal utile les données d'affichage, convertit les données relatives au prix et 15 les données relatives à certaines autres caractéristiques des données d'affichage en un signal graphique compatible avec l'afficheur 8 et transmet à l'afficheur 8 le signal graphique via une interface série de type SPI (pour « Serial Peripheral Interface » en anglais). Si l'afficheur 8 20 se trouve dans un mode d'opération de basse consommation d'énergie électrique, il envoie un signal de retour au premier microcontrôleur 14 qui se met en veille. Le module mémoire 16 permet de stocker certaines données parmi les données d'affichage ainsi que des don- 25 nées propres au fonctionnement de l'appareil d'affichage 3. La qualité de la réception des données d'affichage par le premier appareil d'affichage 3a et le deuxième ap- pareil d'affichage 3b dépend notamment de la position du 30 premier appareil d'affichage 3a et du deuxième appareil d'affichage 3b par rapport à la lampe à LED 1. 3042082 8 La qualité de réception des données d'affichage peut être définie, pour chaque appareil d'affichage 3, par un taux d'erreur de réception des signaux Li-Fi émis par la lampe à LED 1 et qui lui sont destinés, le taux 5 d'erreur de réception devant être inférieur à un taux d'erreur de-réception maximal. Or, comme les signaux Li-Fi sont générés par un clignotement des diodes électroluminescentes 2 de la lampe à LED 1 et sont portés par des rayons lumineux émis 10 par la lampe à LED 1, le taux de réception dépend de la capacité de chaque appareil d'affichage 3 à recevoir les rayons lumineux émis par la lampe à LED 1. Cette capacité dépend elle-même de la position relative des appareils d'affichage 3 par rapport à la lampe à LED 1, et notam- 15 ment de l'orientation des appareils d'affichage 3 par rapport à la lampe à LED 1. Le premier appareil d'affichage 3a est fixé au rayon supérieur 4a de l'étagère 5 en étant orienté d'un premier angle d'orientation Boa formé entre le plan P1 du 20 premier appareil d'affichage 3a et un plan orthogonal P3 au rayon supérieur 4a. Les positions relatives du premier appareil d'affichage 3a et des extrémités de la lampe à LED 1 définissent un premier angle de position relative era. 25 Le deuxième appareil d'affichage 3b est fixé au rayon inférieur 4b en étant orienté d'un deuxième angle d'orientation Bob formé entre le plan P2 du deuxième appareil d'affichage 3b et le plan P'3. Les positions relatives du deuxième appareil d'affichage 3b et des extrémi- 30 tés de la lampe à LED 1 définissent un deuxième angle de position relative Orb. 3042082 Pour chaque appareil d'affichage 3, la qualité de réception des données d'affichage dépend donc notamment de l'angle d'orientation Go et de l'angle de position relative Gr de l'appareil d'affichage 3. 5 Le dispositif de réception 9 permet d'améliorer la qualité de réception de chaque appareil d'affichage 3 en améliorant, pour une position relative donnée de l'appareil d'affichage 3 par rapport à la lampe à LED 1, et donc pour un angle d'orientation Go donné et un angle 10 de position relative Or donné, la capacité de l'appareil d'affichage 3 à recevoir les rayons lumineux émis par la lampe à LED 1. En référence à la figure 4, le photodétecteur 11 du dispositif de réception 9 comporte quatre lentilles cir- 15 culaires convergentes 20a, 20b, 20c, 20d associées cha- cune à une surface de détection semi-conductrice 21a, 21b, 21c, 21d (on note ici que seule une lentille 20 et une surface de détection semi-conductrice 21 sont représentées sur les figures 2a et 2b pour améliorer la clarté 20 de ces figures 2a et 2b). Chaque lentille 20 a ici un diamètre D = 7.5mm. La lentille 20b est positionnée entre la lentille 20a et la lentille 20c. La lentille 20c entre la lentille 20b et la lentille 20d. 25 Chaque surface de détection 21, sensiblement est montée sur la carte électrique 7. La lentille sociée est elle-même positionnée sur la surface de tion 21, de sorte que des rayons lumineux émis est positionnée plane, 20 as-détec-par la lampe à LED 1 et arrivant dans l'angle d'acceptante p de 30 chaque lentille 20 soient projetés sur la surface de dé- tection 21. La surface de détection 21 transforme alors 3042082 10 le signal Li-Fi porté par les rayons lumineux en un signal électrique analogique. On définit, dans le plan de la carte électrique 7, un repère orthonormal constitué de deux axes perpendicu- 5 laires X et Y. Les quatre lentilles 20 sont positionnées sur la carte électrique 7 côte à côte et sensiblement alignées sur un axe X' parallèle à l'axe X, chaque lentille pré- sentant un léger décalage A selon la direction de l'axe Y 10 avec la ou les lentilles 20 adjacentes. Plus précis&nent, le centre de la lentille 20a est situé sur l'axe X', le centre de la lentille 20b est si- tué au-dessus de l'axe X' à une distance A de l'axe X' dans la direction de l'axe Y, le centre de la lentille 15 20c est situé au-dessus de l'axe X' à une distance 2A de l'axe X' dans la direction de l'axe Y, et le centre de la lentille 20d est situé au-dessus de l'axe X' à une dis- tance 3A de l'axe X' dans la direction de l'axe Y. Le léger décalage A est compris entre un vingtième 20 et un cinquième du diamètre D des lentilles 20. Chaque lentille 20 est espacée de la ou des lentilles 20 adjacentes d'une longueur d dans la direction de l'axe X. Plus précisément, la distance entre la projection sur l'axe X de deux points les plus proches de 25 deux lentilles 20 adjacentes est égale à la longueur d. Ici, la longueur d est de 0.4mm. En référence à la figure 5, l'agencement de chaque lentille 20 du photodétecteur 11 et de la lampe à LED 1 est défini par une pluralité de paramètres optiques parmi 30 lesquels : le rayon de courbure de la lentille ; 3042082 - la position la position tique Xo ; du plan principal objet Po ; - la position du point principal objet H sur l'axe op- 5 la position du plan principal image Pi ; tique Xo ; du point principal image H' sur l'axe op- - la distance cipal objet Po 5m) ; s entre la lampe à LED 1 et le plan prin(s est typiquement comprise entre 3,5m et 10 - la distance s' entre le point principal image H' et la position de l'image de la lampe à LED 1 sur la surface de détection 21 ; - la hauteur hl de la surface de détection et la demi-hauteur hl/2 15 - la hauteur h2 de la lampe à LED 1 et la demi-hauteur h2/2 ; - l'angle d'acceptante 5 de la lentille 20 ; - le demi-angle objet OE. - le demi-angle image oc'. 20 Sur la figure 5, la lentille 20 n'est pas inclinée par rapport à la surface de détection 21 associée (ou est inclinée d'un angle de 0°). En référence à la figure 6, les quatre lentilles 20a, 20b, 20c, 20d du photodétecteur 11 sont inclinées 25 chacune d'un angle d'inclinaison ya, yb, yc, yd différent par rappp.rt à la surface de détection associée 21a, 21b, 21c, 21d. L'angle d'inclinaison ya entre la lentille 20a et la surface de détection 21a est de 0° (on est donc dans 30 le cas de la lentille de la figure 5), l'angle d'inclinaison yb entre la lentille 20b et la surface de 3042082 12 détection 21b est de 15°, l'angle d'inclinaison yc entre la lentille 20c et la surface de détection 21c est de 32 , et l'angle d'inclinaison yd entre la lentille 20d et la surface de détection 21d est de 43°. 5 L'acceptance pa de la lentille 20a est (3a = 20,93°, l'acceptance Pb de la lentille 20b est pb = 17,54°, l'acceptance pc de la lentille 20c est Pc = 15°, et l'acceptance pd de la lentille 20d est (3d - 12°. On calcule l'acceptance p de chaque lentille 20 en utilisant la 10 formule : 3 = tan - (D/2f), où D est le diamètre de la lentille 20 et f est la focale image de la lentille 20. L'acceptance globale (3g du photodétecteur est donc 15 = 50,46°. En utilisant quatre lentilles 20 positionnées comme décrit ci-dessus, on augmente l'acceptance globale Pg du photodétecteur 11, on augmente la capacité de chaque appareil de réception 3 à recevoir les rayons lumineux émis 20 par la lampe à LED 1, et on augmente donc la qualité de réception de chaque appareil d'affichage 3. L'angle d'incidence des rayons lumineux 23. sur la lentille 20a est Spa = 10,46°, l'angle d'incidence des rayons lumineux 23 sur la lentille 20b est Ob = 23°, 25 l'angle d'incidences Oc des rayons lumineux 23 sur la lentille 20c est de 33° et l'angle d'incidence Qd des rayons lumineux 23 sur la lentille 20d est de 40°. L'image 24 de la lampe à LED 1 sur la surface de détection 21 associée à chaque lentille 20 se trouve dé- 30 calée vers le bas lorsque l'angle d'inclinaison y et l'angle incident Q augmentent (condition de Schempflug). 3042082 13 La distance focale image est quant à elle raccourcie et passe progressivement de 4mm pour la lentille 20a à 3,6mm pour la lentille 20d. Sur la figure 7, l'angle d'incidence des rayons lu- 5 23 sur la lentille 20a est na' = -10,46°, l'angle d'incidences des rayons lumineux 23 sur la lentille 20b est Ob' = 5,46°, l'angle d'incidence Qc' des rayons lumineux 23 sur la lentille 20c est de 18° et l'angle d'incidence Qd' des rayons lumineux 23 sur la lentille 10 20d est de 28° (les angles d'inclinaison y des lentilles 20 sont les mêmes que ceux de la figure 6). Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit, mais englobe toute variante en- trant dans le champ de l'invention telle que définie par 15 les revendications. L'application d'affichage du prix de produits décrite ici n'est bien sûr aucunement limitative. Le dispositif de réception de l'invention peut être utilisé dans tous types d'applications dans lesquelles une communica- 20 tion par Li-Fi est mise en oeuvre. Le dispositif de récep- tion de l'invention peut notamment équiper des récepteurs de signaux Li-Fi interconnectés en un réseau de récepteurs de signaux Li-FI. Un tel réseau peut par exemple être destiné à transmettre des informations générées par 25 un ordinateur ou un serveur, transmis à une ou plusieurs lampes à LED et transmis via des signaux Li-Fi aux récepteurs de signaux Li-Fi interconnectés. Les valeurs numériques des différents paramètres (nombre de lentilles, paramètres optiques, inclinaisons, 30 etc.) citées ici sont fournies à titre d'exemple, et il est bien sûr possible de mettre en oeuvre l'invention en 3042082 14 utilisant des valeurs différentes pour ces paramètres. De même, l'architecture de la carte électrique et les composants électriques utilisés peuvent être très différents. Il est par exemple possible de positionner 5 les lentilles et les surfaces de détection sur une pre- mière carte électrique et les autres composants sur une deuxième carte électrique, ou bien de remplacer le ou les microcontrôleurs par des moyens de traitement comprenant un FPGA ou un ASCI ou un microprocesseur. Il est aussi 10 possible d'utiliser, à la place de l'afficheur électro- phorétique, un afficheur à cristaux liquides ou électro- chrome. REVENDICATIONS1. Dispositif de réception destiné à recevoir un signal lumineux modulé de type signal Li-Fi, comportant un photodétecteur (11) adapté à détecter le signal lumi- veux modulé et à le transformer en un signal électrique, et un module de traitement (12) relié au photodétecteur (11) et destiné à acquérir le signal électrique pour en extraire des données transmises, caractérisé en ce que le photodétecteur (11) comporte une surface de détection se- mi-conductrice (21) et une lentille convergente (20) des- tinée à concentrer le signal lumineux modulé sur la surface de détection (21). 2. Dispositif de réception selon la revendication 1, comportant une pluralité de lentilles (20a, 20b, 20c, 20d) positionnées côte à côte et inclinées chacune par rapport à la surface de détection d'un angle d'inclinaison (ya, yb, yc, yd) différent. 3. Dispositif de réception selon la revendication 2, dans lequel les angles d'inclinaison diffèrent deux à deux d'un angle compris entre 10° et 15°. 4. Dispositif de réception selon la revendication 1, comportant une pluralité de lentilles positionnées côte à côte dans un même plan et sensiblement alignées, chaque lentille (20a, 20b, 20c, 20d) présentant un léger décalage (A) de position dans le plan avec la ou les len- tilles adjacentes. 5. Dispositif de réception selon la revendication 4, dans lequel le léger décalage (A) est compris entre un vingtième et un cinquième du diamètre des lentilles (20). 6. Appareil d'affichage comportant un dispositif 3042082 15 de réception selon l'une des revendications précédentes et un afficheur (8) destiné à afficher les données reçues. 7. Appareil d'affichage selon la revendication 6, 5 dans lequel l'afficheur (8) est un afficheur à cristaux liquides, un afficheur électrophorétique ou un afficheur électrochrome. 8. Système de communication comprenant une lampe à diodes électroluminescentes (1) et un dispositif de ré- 10 ception (9) selon l'une des revendications 1 à 6, la lampe à diodes électroluminescentes (1) étant destinée à émettre un signal lumineux modulé et le dispositif de réception (9) étant destiné à être positionné par rapport à la lampe à diodes électroluminescentes (1) de manière à 15 recevoir ledit signal.