ПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО СИСТЕМЫ ОТКРЫТОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ (ВАРИАНТЫ)

Приемное устройство системы открытой оптической связи (варианты)
Полезные модели относятся к системам открытой оптической связи и может быть использована для двусторонней передачи информации между удаленными друг от друга объектами без использования электрических проводов и/или оптических волокон, в том числе при большом числе объектов, участвующих в обмене информацией.
Известна система открытой оптической связи, содержащая устройство, состоящее из последовательно размещенных приемной оптической антенны, концентрирующей попадающее на нее оптическое излучение, и фотодетектора, освещаемого этим излучением, при этом фотодетектор размещен в фокальной области антенны (см. JP PN 10-336-121, 1998, фиг.7 /1/). Недостатком известного устройства является подверженность его нарушениям связи, обусловленным взаимными перемещениями приемного и передающего устройств относительно друг друга. Действительно, приемник и передатчик устанавливают на значительных расстояниях друг от друга на различных сооружениях, которым присущи как собственные колебания, так и деформации, обусловленные различными внешними факторами (ветровая нагрузка, термическое расширение под воздействием солнечной радиации, и т.д.). При этом возможны ситуации, когда небольшая деформация сооружения, на котором установлен приемник или передатчик, может привести к существенным угловым смещениям как одного, так и другого. Это в свою очередь может привести к поперечному смещению относительно фотодетектора области, в которой приемная антенна фокусирует попадающее на нее излучение. Величина смещения может оказаться такой, что область концентрации принимаемого излучения выйдет за пределы приемной апертуры фотодетектора, и, как следствие, произойдет нарушение связи.
Для устранения этого недостатка приемные и передающие терминалы снабжаются системами слежения за отклонениями их оптических осей от требуемых направлений и системами автоматического наведения, позволяющими либо стабилизировать указанные оси, либо перемещать приемник
в соответствии с перемещением области концентрации принимаемого излучения (см. JP PN 10-336-121, 1998, фиг.8 и 9 /2/). Однако эти устройства существенно удорожают стоимость системы открытой оптической связи и делают терминалы более громоздкими.
Известно приемное устройство системы открытой оптической связи, содержащее последовательно расположенные приемную оптическую антенну и освещаемый ею фотодетектор. При этом роль приемной антенны выполняет элемент, рассеивающий принимаемое излучение в широкий угол (см. JP PN 10-336-121, 1998, фиг.1 /3/). Указанное приемное устройство практически нечувствительно к угловым перемещениям, так как рассеивающий элемент не концентрирует излучение, и пространство за этим элементом заполнено излучением. Однако такому устройству, не обладающему свойством концентрации принимаемого излучения, присущи большие потери света, что ограничивает возможности его использования при больших дальностях, но позволяет использовать в комнатных системах связи при наличии значительного запаса мощности у излучателя.
Известна система открытой оптической связи, содержащая приемное устройство, которое в свою очередь содержит последовательно размещенные оптическую антенну, концентрирующую попадающее на нее оптическое излучение, и фотодетектор, освещаемый этим излучением и размещенный в фокальной области антенны. В этой системе связи оптическое излучение передатчика направляется не непосредственно на приемное устройство, а на отражающий рассеивающий элемент (потолок), а рассеянное этим элементом оптическое излучение попадает на приемную апертуру антенны (см. JP PN 2000-165324 /4/). Таким образом, известное приемное устройство можно рассматривать условно состоящим из следующих последовательно расположенных узлов: рассеивающий элемент, оптическая антенна, фотодетектор.
Недостатком известного устройства является наличие больших световых потерь, обусловленных тем, излучение рассеивается во все стороны при отражении от потолка, и лишь незначительная его часть попадает на приемную антенну. В результате снижается дальность связи, что делает устройство эффективным лишь в пределах офисных помещений. Кроме того, в данном устройстве возможен прием паразитных сигналов, т.к. в поле зрения ан,CC,3i
темны могут попадать и лучи от других источников излучения, попадающие на отражающий рассеивающий элемент.
Заявляемые полезные модели направлены на повышение дальности и надежности связи путем увеличения размера области концентрации излучения попадающего на приемную антенну, до размеров, определяемых исходя из ожидаемой угловой нестабильности приемного терминала.
Указанный результат достигается тем, что приемное устройство системы открытой оптической связи содержит последовательно размещенные приемную оптическую антенну, концентрирующую попадающее на нее оптическое излучение, и фотодетектор, освещаемый этим излучением, причем фотодетектор установлен по ходу распространения оптического излучения на расстоянии от антенны, определяемом из условия:
F-(D + d)
L,-P
ИЛИ из условия:
F-(D-d). .D
L,   для Li  F при ф  - ,
где LI - расстояние от антенны до фотодетектора, м;
F - фокусное расстояние антенны, м;
D - диаметр зрачка антенны, м;
d -диаметр приемной апертуры фотодетектора, м;
Ф - требуемое угловое поле зрения приемного устройства , рад; при этом
D  d;   Ф -; Ф  фо, FР
где фо- угловое разрешение антенны, рад.
Указанный результат достигается тем, что приемное устройство системы открытой оптической связи содержит последовательно размещенные приемную оптическую антенну, концентрирующую попадающее на нее оптическое излучение, и установленный в фокальной плоскости антенны фотодетектор, освещаемый этим излучением, при этом устройство снабжено пропускающим рассеивающим элементом с неоднородностями толщины или объемными оптическими неоднородностями, причем поперечный размер В + фР В-фРР
обоих типов неоднородностей меньше диаметра светового пучка, проходящего через рассеивающий элемент, который размещен между антенной и фотодетектором по ходу распространения оптического излучения на расстоянии от антенны, определяемом из условия:
L  0  d + F(0 - ф),
где L - расстояние от антенны до рассеивающего элемента, м; 6 - ширина диаграммы направленности оптического излучения, прошедшего через рассеивающий элемент, при освещении его плоской волной, рад; F - фокусное расстояние антенны, м; d -диаметр приемной апертуры фотодетектора, м; Ф - требуемое угловое поле зрения приемного устройства, рад;
ф  фо, FF
где фо- угловое разрешение антенны, рад.
Указанный результат достигается тем, что приемное устройство системы открытой оптической связи содержит последовательно размещенные приемную оптическую антенну, концентрирующую попадающее на нее оптическое излучение, и фотодетектор, освещаемый этим излучением, при этом устройство снабжено пропускающим рассеивающим элементом с неоднородностями толщины или объемными оптическими неоднородностями, причем поперечный размер обоих типов неоднородностей меньше диаметра светового пучка, проходящего через рассеивающий элемент, который размещен между антенной и фотодетектором, и расстояния от антенны до рассеивающего элемента и до фотоприемника по ходу распространения оптического излучения определяются из условия:
Ь-0  ё + Ь,(0-ф) + В(1-)
или из условия:
ь-0  а-нь,(0-ф) + о(-1) ,
где L - расстояние от антенны до рассеивающего элемента, м; Li - расстояние от антенны до фотодетектора, м;
е - ширина диаграммы направленности оптического излучения, прошедшего через рассеивающий элемент при освещении его плоской волной, рад; F - фокусное расстояние антенны, м; d -диаметр приемной апертуры фотодетектора, м; Ф - требуемое угловое поле зрения приемного устройства, рад; D - диаметр зрачка антенны, м;
Ф  фо, FF
где фо- угловое разрешение антенны, рад.
Во всех трех заявляемых вариантах реализации приемных устройств системы открытой оптической связи решается задача повышения надежности связи без использования дорогостоящих систем слежения и взаимного наведения приемных и передающих устройств при их смещениях относительно друг друга, вызывающих отклонение связующей их линии визирования от оптической оси приемного терминала системы связи. Данная задача в заявленных объектах решается одним и тем же принципиальным путем увеличением размеров области концентрации попадающего на приемную антенну излучения до таких размеров, чтобы при ожидаемых расчетных или экспериментально установленных перемещениях приемного и передающего устройств системы связи относительно друг друга, сохранялась засветка фотодетектора принимаемым излучением.
Одним из возможных решений является установка фотодетектора на некотором расстоянии от фокальной области приемной антенны в тех местах, где область концентрации излучения (световое пятно) будет иметь достаточно большой поперечный размер. А именно: такой, чтобы при всех возможных смещениях приемного и передающего терминалов фотодетектор освещался бы принимаемым излучением. Поскольку требуемый размер указанного пятна зависит от целого ряда конструктивных факторов самого приемного устройства, то область установки фотодетектора находят в каждом конкретном случае с помощью предлагаемой математической зависимости. А поскольку таких возможных областей установки две (по обе стороны от фокуса приемной антенны), то и зависимостей для определения требуемого
(оптимального) местонахождения фотодетектора две. Естественно, что эффективная работа заявленных объектов возможна при соблюдении определенных условий. В частности, диаметр зрачка антенны D должен быть больше диаметра приемной апертуры фотодетектора. Только при соблюдении этого условия антенна «перехватывает и затем концентрирует на фотодетекторе больше света, чем попадало бы на фотодетектор в ее отсутствие, т.е. антенна выполняет свою основную функцию концентратора принимаемого сигнала. При этом под диаметром приемной апертуры фотодетектора здесь и в дальнейшем понимается размер входного зрачка этого фотодетектора. В зависимости от конкретной реализации таким зрачком может служить либо непосредственно светочувствительная площадка фотодетектора, либо входной торец световода, оптически связанного другим торцом с фотодетектором, либо входной зрачок иного вспомогательного оптического устройства, транспортирующего попадающий в него свет к светочувствительной площадке фотодетектора. Условия -  1 и , практически всегда выполняемые
на практике, указывают на малость всех углов, фигурирующих в указанных зависимостях, что позволяет в приведенных уравнениях использовать вместо тангенсов и синусов этих углов значения самих углов и тем самым существенно упрощает все математические выражения. Условие ф  - отражает
то известное обстоятельство, что поле зрения устройства, состоящего из чувствительного элемента с диаметром d и фокусирующего элемента с фокусным расстоянием F, не может быть меньше d/F. Условие ф фо, соответствует тому, что угловое разрешение антенны (фо) на практике составляет небольшую долю от требуемого углового поля зрения приемного устройства, что позволяет не включать величину фо в используемые здесь математические формулы. Условие ф -, фигурирующее во второй формуле, означает,
что при LI  F невозможно получить угловое поле зрения устройства, превышающее D/F.
Другим вариантом увеличения светового пятна, освещающего фотодетектор, размещенный в фокальной области приемной антенны, является установка на пути светового пучка между антенной и фотодетектором пропускающего рассеивающего элемента. При этом необходима определенность в месте установки этого рассеивающего элемента. Например, если установить рассеивающий элемент близко к фотодетектору, то диаметр светового пятна, освещающего фотодетектор, практически не изменится, а если он будет размещен близко к антенне, имеющей большое фокусное расстояние, то размер светового пятна, попадающего на фотодетектор, будет чрезмерно велик, что приведет к неоправданным световым потерям. Поэтому оптимальным размером светового пятна (зависящего от положения рассеивающего элемента) будет такой, чтобы при предельных смещениях приемника и передатчика относительно их первоначально установленной оптической оси, фотодетектор оказывался на границах этого пятна.
Исходя из этого, задавшись определенными граничными условиями, мы можем найти оптимальное место установки рассеивающего элемента относительно приемной антенны по приведенным математическим зависимостям, которые справедливы при выполнении ряда условий, смысл большинства из которых разъяснен выше. Дополнительное условие 6  1 означает малость угла 0, что соответствует характеристикам реально используемых рассеивающих элементов.
Если во втором варианте реализации приемного устройства предполагается, что расположение фотодетектора зафиксировано в фокальной плоскости антенны и варьируется только положение рассеивающего элемента относительно приемной антенны, то в третьем варианте реализации предусмотрены вариации положения как фотодетектора, так и рассеивающего элемента относительно этой антенны. При этом, поскольку рассеивающий элемент может устанавливаться и до и после фокуса, то взаимное размещение элементов определяется по двум математическим выражениям, в зависимости от того, где находится рассеивающий элемент. Указанные выражения справедливы, как и в предыдущих случаях, при наличии определенных условий, смысл которых разъяснен выше.
Сущность заявляемых приемных устройств поясняется примерами их реализации и чертежами. На фиг.1 условно показана принципиальная схема приемного устройства по п.1 формулы полезной модели с двумя вариантами размещения фотодетектора; на фиг.2 показана принципиальная схема реализации устройства по п.2 формулы; на фиг.З показана принципиальная схема реализации устройства по п.З формулы с двумя вариантами размещения фотодетектора и рассеивающего элемента.
Устройство, представленное на фиг.1, в самом общем виде содержит приемную оптическую антенну 1, которая может быть выполнена из любых известных оптических элементов, обеспечивающих концентрацию попадающего на них излучения. Это могут быть различные линзы, объективы, голографические фокусирующие элементы и т.п. Устройство содержит фотодетектор 2 или 2, в зависимости от его местонахождения относительно фокуса приемной антенны. Кроме этих элементов приемное устройство во всех вариантах реализации, в том числе и описываемых ниже, содержит и другие узлы и детали, необходимые для его функционирования, и выбираемые из числа известных. На чертежах они не приводятся, как известные из уровня техники и не относящиеся к сущности предлагаемых технических решений.
Устройство функционирует следующим образом. Сначала на основе проведенных расчетов или экспериментов определяется возможная величина обусловленного различными факторами углового смещения передающего терминала относительно оптической оси антенны приемного терминала во время сеанса связи и определяется требуемое угловое поле зрения приемного устройства. После этого, исходя из параметров приемной антенны по уравнениям, приведенным в формуле полезной модели, определяется место установки фотодетектора относительно приемной антенны. Модулированное информационным сигналом оптическое излучение от передатчика, входящего в систему связи, попадает на приемную антенну 1, концентрируется ею на фотодетекторе 2, где преобразуется в электрический сигнал и затем демодулируется.
Устройство, представленное на фиг.2, содержит приемную оптическую антенну 1, которая может быть выполнена также, как и в предыдущем варианте реализации, а также установленный в фокальной области антенны фотодетектор 2 и размещенный между антенной и фотодетектором пропускающий рассеивающий элемент 3. В качестве такого элемента может использоваться пластина из любого прозрачного материала, имеющего поверхностные неоднородности (например, матовая) или объемные неоднородности показателя преломления. Место расположения рассеивающего элемента определяется из соотношения , приведенного в п.2 формулы полезной модели,
исходя из заданного углового поля зрения приемного устройства, параметров антенны и самого рассеивающего элемента.
Данный вариант приемного устройства работает следующим образом. Модулированное информационным сигналом оптическое излучение от передатчика попадает на приемную антенну 1, ею концентрируется и направляется на пропускающий рассеивающий элемент 3, который искажает волновой фронт сходящегося пучка. В результате размер светового пятна в плоскости приемной апертуры фотодетектора превышает диаметр этой приемной апертуры, причем размер пятна зависит от ширины диаграммы направленности оптического излучения, прошедшего через рассеивающий элемент, и от расстояния от рассеивающего элемента до фотодетектора. Попавшее на фотодетектор излучение обрабатывается известным образом.
Третий вариант реализации приемного устройства, представленный на фиг.З, содержит все те же элементы, что и устройство на фиг.2 и отличается тем, что фотодетектор 2 размещен не строго в фиксированном положении (в фокальной плоскости антенны), а может находиться на различных расстояниях от нее. Взаимное расположение всех элементов - приемной антенны, рассеивающего элемента и фотодетектора определяется по уравнениям, приведенным в п.З формулы полезной модели. Работает устройство также, как и описанное выше.