СВЕТОПЕРЕДАЮЩИЙ МОДУЛЬ СИСТЕМЫ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ ПО ТЕХНОЛОГИИ VLC

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели является светопередающий модуль системы беспроводной связи по технологии VLC, выполненный с возможностью передачи модулированного по интенсивности и/или миганию света в качестве сигналов, соответствующих информационным данным, как в режиме освещения пространства, так и без него, известный из описания к патенту US 7583901B2, 01.09.2009 г., (первый и третий аспекты решения; фиг. №№3, 4, 18-20, 22-24).
Светопередающий модуль по прототипу выполнен в виде лампы освещения пространства и содержит цоколь для подключения лампы к силовой линии электропитания; выполненную из прозрачного материала и представляющую собой световое выходное окно лампы световую колбу, корпус которой имеет основание, связанное с цоколем, и поверхности, образующие первичную оптическую систему с фокальной точкой F; а также размещенный в колбе светодиодный излучатель света, установленный по основной оси модуля, проходящей через точку F. Предусмотрена возможность использования лазерного излучателя и люминофора.
В схеме рассматриваемой системы VLC передача данных осуществляется по линии электропитания, которая подает электроэнергию на светодиодный источник света. При этом размещенный вне лампы модулятор данных модулирует из мультиплексов множество кусочков данных, накладывает результирующий сигнал на электрическую мощность сигнала, а затем передает результирующую наложенную форму сигнала на линии питания и фильтр внутри лампы, который селективно отделяет один или более из множества кусочков модулированных данных по линии электропередачи, с тем, чтобы контролировать интенсивность света или мигание света. Данные передаются через изменения в интенсивности света или мигании источника света. При переходе в режим «отключенного освещения пространства», который бывает достаточно часто востребован по условиям эксплуатации связи, светоизлучающий передающий модуль в прототипе отключается, а передача информационных сигналов обеспечивается дополнительным блоком связи с инфракрасным излучателем модулированного света, выполненным в виде отдельного узла или имеющего общий со светоизлучающим модулем корпус - и в том, и в другом варианте необходимость в ряде добавочных коммуникационных линий и элементов, к примеру делителя электрической мощности и групп переключателей, несколько усложняет схему управления системой связи, что не всегда оправдано.
Задача, решаемая полезной моделью, направлена на расширение арсенала технических средств в области светопередающих устройств для систем оптической связи по технологии VLC, осуществляемой как при освещении пространства, так и без его освещения. Технический результат при этом состоит в реализации этого назначения.
Сущность полезной модели заключается в том, что предлагаемый светопередающий модуль системы беспроводной связи по технологии VLC в виде лампы освещения пространства, выполненной с возможностью передачи модулированного по интенсивности и/или миганию света во внешнюю среду в качестве сигналов, соответствующих информационным данным, подлежащим передаче на приемник системы, как в режиме освещения пространства, так и без него, содержащий патрон для подключения лампы к силовой линии электропитания, выполненный с возможностью размещения в нем модулятора для приема и модулирования из мультиплексов множества кусочков данных, фильтра и драйвера для контроля интенсивности света и/или мигания света, являющуюся световым выходным окном лампы прозрачную световую колбу с поверхностями, образующими первичную оптическую систему с фокальной точкой F, лазерный излучатель света, установленный по основной оси модуля, проходящей через точку F, и люминофор, в отличие от прототипа, выполнен с возможностью выборочной подачи модулированного света лазерного излучателя во внешнюю среду по двум разным направлениям: по основной оси и по дополнительной оси, лежащей в плоскости, расположенной перпендикулярно основной оси, и снабжен при этом механизмом переключения направления подачи модулированного света с одной оси на другую, а также средствами вторичной оптики в виде установленных внутри колбы параллельно выходу излучателя рассеивающих линз и размещенной в свободном торце колбы рассеивающей линзы, передающей модулированный свет излучателя в качестве сигнала по основной оси устройства, причем модулятор, драйвер с фильтром и лазерный излучатель в нем скомпонованы в виде единого узла, корпус которого зафиксирован внутри патрона посредством цилиндрического держателя, имеющего осевое выходное отверстие для прохождения в сторону колбы лазерного луча излучателя, закрепленного на корпусе снаружи, механизм переключения выполнен в виде размещенных вдоль упомянутой дополнительной оси: регулирующей задвижки, имеющей рассеивающую с зеркальной задней поверхностью линзу и установленной с возможностью управляемого модулятором смещения в поперечном относительно оси луча излучателя направлении в положение, перекрывающее упомянутое выходное отверстие в держателе (закрытое положение) и в положение, открывающее его (открытое положение); и неподвижного блока с зеркалом, воспринимающим модулированный свет излучателя от линзы задвижки при закрытом положении последней и передающим его во внешнюю среду, и при этом смещение в требуемое положение и фиксация задвижки обеспечивается при взаимодействии ее электрически управляемых магнитов с ответными магнитами неподвижного блока.
Дополнительные конструктивные отличия предлагаемого модуля заключаются в том, что
модулятор и драйвер с фильтром в нем размещены в одной плоскости внутри имеющего рамную конструкцию корпуса, а лазерный излучатель установлен снаружи корпуса на его торце;
рассеивающие линзы внутри колбы размещены после механизма переключения посредством держателя линз с соблюдением заданного рабочего расстояния между выходом излучателя и линзами;
люминофор размещен внутри колбы по контуру светового окна.
На представленных чертежах: на фиг. 1 дан общий вид предлагаемого светопередающего модуля; на фиг. 2 - общий вид единого узла с модулятором и лазерной головкой; на фиг. 3 - разнесенный вид предлагаемого модуля спереди (а) и сзади (б); на фиг. 4 - общий вид корпусного держателя; на фиг. 5 - общий вид держателя для линз; на фиг. 6 - общий вид световой колбы модуля; на фиг. 7 - общий вид регулируемой задвижки механизма переключения направления передачи света; на фиг. 8 - разрез (а) и проекция разреза (б) предлагаемого модуля при закрытом положении задвижки; на фиг. 9 - разрез (а) и проекция разреза (б) предлагаемого модуля при открытом положении задвижки; на фиг. 10 - общий вид предлагаемого модуля при открытом положении задвижки (а) и закрытом положении (б).
Предлагаемый светопередающий модуль содержит патрон 1, корпус 2, зафиксированный внутри патрона посредством цилиндрического держателя 3, и размещенную с возможностью перемещения в держателе 3 регулирующую задвижку 4 в качестве механизма переключения направления подачи модулированного света по двум осям устройства: основной, проходящей через точку F, и дополнительной, лежащей в плоскости, перпендикулярной основной оси. Корпус 2 имеет рамную конструкцию, надежно фиксируется в держателе 3 и объединяет в единый узел модулятор, драйвер с фильтром и лазерный излучатель. Также к держателю 3 крепится держатель 5 для линз, в котором установлены линзы 6 и 7.
В патрон 1 вставлена своим основанием оптически прозрачная световая колба 8, имеющая на свободном торце рассеивающую линзу 9, и ее торцевая поверхность выполнена с формой, образующей первичную оптическую систему с фокальной точкой F
Модулятор 10 (фиг. 2) имеет плату 101, которая принимает и модулирует из мультиплексов множество кусочков данных, накладывая результирующий сигнал на электрическую мощность сигнала, а затем, передавая результирующую наложенную форму сигнала на линии питания и фильтр в драйвере 11, который селективно разделяет один или несколько из множества кусочков модулированных данных по линии электропередачи, и тем самым контролируется интенсивность света или мигание лазерного источника света. Данные передаются через изменения в интенсивности света или мигании света на излучатель в виде лазерной головки 12, закрепленной на наружном торце корпуса 2. Плата 13 (фиг. 2) регулирует положение задвижки 4.
Задвижка 4 перемещается в технологическом отверстии 14 держателя 3, имеющего по основной оси устройства выходное отверстие 15 (фиг. 4) для прохождения лазерного луча в сторону колбы 8.
В держателе 5 линз на местах крепления 16 и 17 размещаются рассеивающие линзы 6 и 7, соответственно, через которые проходит лазерное излучение от лазерной головки 12 при передаче данных по основной оси устройства при открытой задвижке 4 (в режиме освещенности пространства). Технологическое отверстие 18 на держателе 5 предназначено для свободного прохождения задвижки 4.
Линзами 6 и 7 лазерное излучение рассеивается на люминофор 19 колбы 8, равномерно нанесенный на ее внутреннюю поверхность в зоне распределения лазерного луча линзами. Люминофор нанесен на колбу 8 такой оптимальной толщины, при которой обеспечивается возбуждение от луча лазера как нижних, так и верхних его слоев, что способствует повышению КПД освещения.
В это же время часть рассеянных лучей лазерного излучения попадает на рассеивающую линзу 9, размещенную в технологическом отверстии 20 колбы 8 с последующей передачей во внешнюю среду. Таким образом, обеспечивается передача когерентного направленного излучения с лазера на внешние принимающие устройства.
На колбе 8 закреплен неподвижно блок 21 механизма переключения, имеющий зеркальную поверхность 22, на которую передается лазерное излучение по дополнительной оси при режиме работы модуля с закрытой задвижкой 4 (без освещения пространства).
Положения задвижки фиксируются посредством магнитов 23, жестко закрепленных на блоке 21. Открытое и закрытое положение задвижки 4 регулируется платой 13 модулятора 10 и осуществляется с использованием магнитов 24. При необходимости открытия задвижки (режим передачи данных при освещении пространства) к местам контакта 25 (фиг. 7) подводятся питающие проводки от платы 13, через которые подается электрический ток, вследствие чего происходит намагничивание магнитов 24 и в результате они притягиваются к магнитам 23, размещенным на блоке 21. При необходимости закрытия задвижки 4, плата 13 меняет полярность магнитов 24, вследствие чего задвижка 4 перемещается в закрытое положение.
В закрытом положении задвижки 4 излучение от лазерной головки 12 попадает на рассеивающую линзу 26 и далее на блок 21 (фиг. 8, фиг. 10б). При открытой же задвижке 4 лазерное излучение передается на линзы 6 и 7 и далее на колбу 8 и линзу 9 (фиг. 9, фиг. 10а). Связь задвижки 4 и платы 13 осуществляется посредством электрического проводка 27.
Отличительной особенностью предлагаемого передающего модуля системы беспроводной связи по технологии VLC является компоновочное решение модулятора 10, драйвера 11 с фильтром и лазерного излучателя 12 в виде единого узла, имеющего общий корпус (фиг. 2), и наличие регулирующей задвижки 4 (фиг. 7). Задвижка 4 сделана из металла. Перемещением задвижки в плоскости выхода лазерного излучателя в открытое и закрытое положение обеспечивается возможность передачи пакетов данных (в отличие от прототипа) в рамках одного и того же светопередающего модуля, как в условиях освещения пространства - модулированный свет излучателя передается по основной оси модуля, так и без излучения видимого света - перенаправлением модулированного света излучателя по дополнительной оси.
Линзы 6, 7 и 9 (фиг. 1), 26 (фиг. 7) и зеркало блока 21 (фиг. 8), являющиеся средствами вторичной оптики, обеспечивают эффективное излучение света лампой за счет того, что луч лазерного диода, встречая на пути своего распространения рассеивающую линзу или несколько рассеивающих линз условно разделяется на концентрические излучающие поверхности на колбе в виде светящихся колец, причем каждому кольцу соответствует условный световой конус лазерного луча. В идеале количество светящихся колец приближается к бесконечности, так как количество световых условных конусных трубок также бесконечно. В итоге вся световая поверхность излучаемого конуса будет равна развертке боковой поверхности конуса, равномерно освещенной лазерным лучом. Эта поверхность будет равна  где  - длина боковой поверхности конуса, м; d - диаметр лазерного луча, м.
В предлагаемом модуле могут применяться лазерные диоды различных длин волн: от ИК до УФ диапазонов, в том числе лазерные диоды белого спектра излучения, а также различные люминофорные покрытия - это дает возможность получать свет широкой световой гаммы, например в дизайнерских приложениях использования систем VLC.
При реализации предлагаемой полезной модели достигается: возможность генерации (одновременно или отдельно) как некогерентного светового излучения света от люминофора, так и рассеянного когерентного лазерного луча, передаваемого в качестве информационного сигнала на приемник системы (это способствует повышению скорости и эффективности передачи данных, передаче данных при необходимости одновременно для нескольких принимающих устройств);
возможность передачи данных только за счет рассеянного лазерного луча, который не дает существенного светового потока;
возможность значительной оптимизации коммуникационных связей передающего модуля системы VLC и, как следствие, оптимизации схемы управления системой в целом;
улучшение условий технического обслуживания передающего модуля системы.