Система открытой оптической связи

Система открытой оптической связи
Полезная модель относится к системам открытой оптической связи и может быть использована для двусторонней передачи информации между удаленными друг от друга объектами без использования проводов и/или оптических волокон, в том числе при большом числе объектов, участвующих в обмене информацией, например при организации обмена по схеме «точкамноготочка, то есть при двустороннем обмене информацией между одной базовой станцией и несколькими абонентскими станциями.
Одной из проблем, с которой сталкиваются разработчики систем открытой оптической связи является угловое и линейное смещение приемного и передающего терминалов относительно друг друга в процессе сеанса связи, что делает связь неустойчивой.
Одним из решений является снабжение приемопередающих терминалов устройствами слежения, корректировки и стабилизации положения, что влечет существенное удорожание системы.
Известна система отфытой оптической связи, приемопередающие терминалы которой снабжены средствами слежения за положением оси принимаемого светового пучка и средствами коррекции направления оптической оси приемной аппаратуры (см. JP PN 2001-075030, 2001 /1/). Недостатком известной системы является сложность и дороговизна конструкции, которая включает датчик положения оси светового пучка, систему обработки информации и исполнительные механизмы, корректирующие направление оси приемной аппаратуры.
Известна система открытой оптической связи, используемая для дистанционного управления мобильным роботом (CM.JP PN 62-276932, 1987 121). Приемный терминал, установленный на роботе, снабжен средствами слежения за принимаемым лучом. Если из-за перемещения робота происходит нарушение оптического контакта с принимаемым лучом, то робот включает управление установленным на нем трансфокатором и восстанавливает связь. Недостатком известной системы является сложность и дороговизна конструкции.
Наиболее близкой к заявляемой по своей технической сущности является система открытой оптической связи, имеющая приемное и передающее устройства, в которой сделана попытка увеличить угол поля зрения приемного устройства (см. JP PN 2000-299491, 2000 /3/)- Для этого используется комбинация линзы Френеля и полого усеченного конического концентратора с внутренними зеркальными стенками. По мысли авторов, все излучение, попавшее на вход конуса, имеющий больший диаметр (основание конуса), будет концентрироваться на выходном конце конуса (вершина конуса), имеющем меньший диаметр.
Однако такое устройство имеет ряд недостатков. Во-первых, создание такого зеркального концентратора является сложной технологической задачей. Это связано с тем, что основание конуса должно быть соизмеримо по сечению с размером области, в пределах которой сосредоточено принимаемое системой излучение, сфокусированное линзой, то есть порядка сотен микрон. Вершина конуса должна быть в несколько раз меньше по диаметру, чтобы обеспечить концентрацию излучения в пределах пятна меньшего, чем исходная область, в которой сосредоточено сфокусированное линзой излучение. Подобный миниатюрный конус весьма сложно изготовить с необходимой точностью. Кроме того, ось конуса должна быть с высокой точностью выставлена вдоль оптической оси линзы.
Во-вторых, раствор указанного конуса не может иметь больших углов, иначе излучение (или часть его) не будет достигать фоточувствительной площадки приемника, а возвращаться назад. На практике удается реализовать отношение диаметров основания такого устройства и его вершины не более трех.
Заявляемая в качестве полезной модели система открытой оптической связи направлена на расширение поля зрения приемного устройства и упрощение конструкции.
Указанный результат достигается тем, что система открытой оптической связи содержит объектив, концентрирующий оптическое излучение, приходящее от антенны удаленного передающего терминала, и оптически связанный с объективом фотоприемник, в котором оптический сигнал преобразуется в электрический, при этом между объективом и входной апертурой фотоприемника установлена одна или несколько вспомогательных линз.
icfbui-ff
формирующих изображение входной апертуры фотоприемника с коэффициентом увеличения М в области, оптически сопряженной антенне удаленного передающего терминала относительно объектива.
Указанный результат достигается также тем, что диаметр d входной апертуры фотоприемника выполнен удовлетворяющим условию d  Р/М, где Р - поперечный размер области, в которой в течение сеанса связи сосредоточено изображение апертуры антенны удаленного передающего терминала, построенное объективом.
Указанный результат достигается также тем, что входная апертура фотоприемника, объектив, вспомогательная линза и антенна передающего терминала размещены относительно друг друга с соблюдением условий:
S  f(M-1)/M Si f(M-1) (M-1) , где S - расстояние от фокальной поверхности объектива до апертуры фото
приемника, м;
f- фокусное расстояние вспомогательной линзы, м; Si - расстояние от вспомогательной линзы до фокальной поверхности
объектива, м;
F - фокусное расстояние объектива, м; L - расстояние от объектива до антенны передающего терминала, м.
Указанный результат достигается также тем, что входная апертура фотоприемника выполнена в виде светочувствительной площадки фотодетектора.
Указанный результат достигается также тем, что входная апертура фотоприемника выполнена в виде торца световода, второй торец которого оптически связан со светочувствительной площадкой фотодетектора.
Указанный результат достигается также тем, что входная апертура фотоприемника выполнена в виде зрачка оптического устройства, переносящего изображение области, оптически сопряженной антенне удаленного передающего терминала относительно объектива, на светочувствительную площадку фотодетектора.
б рЗ/СУ
Указанный результат достигается также тем, что числовая апертура NA фотоприемника удовлетворяет условию: NA/M  Т, где Т - числовая апертура объектива.
Установка между объективом и входной апертурой фотоприемника одной или нескольких вспомогательных линз, формирующих изображение входной апертуры фотоприемника с коэффициентом увеличения М в области, оптически сопряженной антенне удаленного передающего терминала относительно объектива, позволяет существенно увеличить поле зрения приемного устройства.
Действительно, без использования предлагаемого конструктивного решения, излучение, приходящее от антенны передающего терминала, после прохождения через объектив должно оказаться в пределах приемной апертуры фотоприемника, чтобы полностью попасть на фотодетектор. В случае же использования предложенной системы, излучение, приходящее от антенны передающего терминала, после прохождения через объектив и одну или несколько вспомогательных линз должно оказаться в пределах увеличенного в М раз изображения апертуры фотоприемника, чтобы полностью попасть на фотодетектор. Это, в свою очередь, означает, что световой пучок будет успешно приниматься фотоприемником при угловых смещениях в М раз больших, чем были бы максимально допустимы без использования предлагаемого конструктивного решения.
Выполнение диаметра d входной апертуры фотоприемника удовлетворяющим условию d  Р/М, где Р - поперечный размер области, в которой в течение сеанса связи сосредоточено изображение апертуры антенны удаленного передающего терминала, построенное объективом, позволяет выбрать оптимальные размеры аппаратуры и избежать неоправданных затрат, связанных с необоснованным завышением размеров входной апертуры фотоприемника.
Размещение отдельных структурных элементов, входящих в состав приемного терминала, в соответствии с условиями, приведенными в п.З формулы полезной модели, обеспечивает оптимальность конструктивного решения с достижением заявленного результата при вариациях параметров структурных элементов (расстояние от объектива до антенны передающего терминала, диаметр входной апертуры фотоприемника, поперечный размер
области, в которой в течение сеанса связи сосредоточено изображение апертуры антенны удаленного передающего терминала, фокусные расстояния оптических элементов и т.п.).
При этом выполнение условия f  F/(M-1) гарантирует, что при размещении вспомогательной линзы между фокальной поверхностью объектива и объективом будет обеспечен требуемый коэффициент увеличения М. При выполнении условия L  F расстояние между областью, оптически сопряженной удаленной передающей антенне относительно объектива, и фокальной поверхностью объектива пренебрежимо мало.
Возможны различные варианты выполнения входной апертуры фотоприемника. Выбор того или иного варианта обусловлен максимальной адаптацией к местным условиям, в которых будет работать система связи.
Выполнение условия NA/M  Т, означает, что все лучи сфокусированного объективом и вспомогательной линзой (линзами) оптического излучения попадают в пределы числовой апертуры фотоприемника. Если это условие не выполняется, то часть излучения, входящего в объектив не попадет в фотоприемник, так как соответствующие лучи наклонены к оси приемной апертуры фотоприемника на углы, превышающие угол захвата лучей фотоприемником.
Например, в случае приемной апертуры фотоприемника, выполненной в виде торца световода, другой торец которого оптически связан со светочувствительной площадкой фотодетектора, выполнение условия NA/M  Т, означает, что числовая апертура световода превышает максимальный угол, на который световые лучи наклонены к оси световода. При этом световод способен удерживать и эффективно доставлять до фотодетектора весь попавший в объектив свет.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется примерами реализации и чертежом, на котором упрощенно представлена принципиальная схема наиболее оптимального варианта.
Приемная часть системы открытой оптической связи содержит последовательно расположенные по ходу луча объектив 1, концентрирующий оптическое излучение, приходящее от удаленной антенны передающего терминала (на чертеже не показан), одну или несколько вспомогательных линз 2 и фотоприемник 3. Пунктирными линиями на чертеже показан возможный
ход лучей при отсутствии вспомогательной (вспомогательных) линзы. Пунктиром также условно обозначено увеличенное изображение 3 фотоприемника, построенное вспомогательной (вспомогательными) линзой.
Кроме перечисленных элементов система открытой оптической связи содержит известные из уровня техники блоки, узлы и обслуживающие устройства, необходимые для ее функционирования - лазерные излучатели, средства модуляции, демодуляции, и т.п. В силу их известности они не рассматриваются и на чертеже не приводятся, как не затрагивающие сущность заявленного решения.
Система функционирует следующим образом. Сначала рассмотрим предшествующее решение, когда вспомогательная линза 2 отсутствовала. Модулированное информационным сигналом оптическое излучение попадает на входную апертуру объектива 1, который концентрирует излучение на входной апертуре фотоприемника, например на светочувствительной площадке фотодетектора, установленного в окрестности фокальной поверхности объектива (на чертеже этот фотодетектор не показан) . Далее световой сигнал преобразуется в электрический и обрабатывается известным образом.
Если в процессе осуществления сеанса связи происходит смещение приемного и передающего терминалов, то сконцентрированное на светочувствительной площадке световое пятно будет перемещаться по ней и, возможно, оно выйдет за пределы площадки, что будет приводить к обрыву связи.
В случае наличия вспомогательной линзы 2 световые лучи после прохождения ими объектива 1 попадут на линзу 2, которая в силу своих функциональных свойств - формирование увеличенного изображения апертуры фотоприемника в области, оптически сопряженной антенне передающего терминала относительно объектива - обеспечит схождение лучей под в М раз большим углом на светочувствительной площадке фотоприемника 3, чем лучи сходились бы на ней в отсутствие вспомогательной линзы (линз) при установке светочувствительной площадки в области, оптически сопряженной антенне передающего терминала относительно объектива.
апертура установлена. Так как апертура установлена на расстояние S ближе к объективу, чем область, оптически сопряженная антенне передающего терминала относительно объектива, то ее изображение при этом формируется именно в указанной сопряженной области (увеличенное изображение 3 фотодетектора показано на чертеже в виде пунктирного прямоугольника).
В этом случае световое пятно, сформированное объективом, не покинет входную апертуру фотоприемника, если угловое смещение передающего и приемного терминала будет в М раз больше по сравнению со смещением, допустимым без вспомогательной линзы, формирующей увеличенное в М раз изображение апертуры фотоприемника. Для того, чтобы добиться такого же расширения углового поля зрения приемного устройства без вспомогательной линзы, пришлось бы увеличить размер входной апертуры фотоприемника в М раз, что требует дополнительных затрат и, вообще говоря, не всегда возможно технически.
Например, в случае, когда М  2, F  24 см и световой диаметр объектива D  9 см, вместо фотоприемника с диаметром входной апертуры d  400 микрон и числовой апертурой NAi  0,22 можно применить фотоприемник с диаметром входной апертуры d  200 микрон и числовой апертурой NA2  0,39.
Увеличение числовой апертуры NA фотоприемника в пропорции к М требуется, чтобы удовлетворялось условие: NA/M  Т, где Т - числовая апертура объектива. В рассмотренном нами случае Т  D/2F  0,187 и условие NA2/2  Т выполняется, что позволяет избежать потерь света в системе.
Как видно из чертежа, при реализации предложенного технического решения сокращаются габариты приемного устройства. Становится возможным использовать более дешевую оптику, что благотворно сказывается на экономических аспектах реализации системы. Например, световод с числовой апертурой 0,39 и диаметром сердцевины 200 микрон, в несколько раз дешевле световода с диаметром 400 микрон и числовой апертурой 0,22. При значительной длине, превышающей 10-15 метров, разница в цене световодов может составить весьма внушительную сумму.
апертуры антенны удаленного передающего терминала, построенное объективом, составляет примерно 1000 микрон. Быстродействующие фотодетекторы с размером светочувствительной площадки d порядка 1000 или более микрон, которые отвечали бы требованию d  Р, коммерчески недоступны. В то же время, фотодетекторы, удовлетворяющие условию d  Р/М, где М  2, широко применяются на практике.
%Cv7,t(f6l9