FR3013923A1 - Dispositif optique pour ameliorer le seuil de detection des capteurs d'une lumiere visble codee (vlc) - Google Patents

Abstract

Dispositif optique de communication par lumière visible modulée dans lequel le seuil de détection du signal modulé est amélioré en créant au niveau de la cellule de réception (5) un meilleur contraste entre la lumière modulée (2) et la lumière ambiante (1). Le dispositif optique utilise une lumière modulée polarisée circulairement (2) et le capteur de lumière (5) est recouvert par un filtre à polarisation circulaire (F1) qui laisse passer la totalité (7) de la lumière modulée (2) et absorbe (9) une partie de la lumière ambiante (1). La cellule de réception (5) peut être une cellule photovoltaïque polarisante posée sur un écran d'affichage électronique de type LCD et être totalement transparente pour la lumière polarisée qui sort de l'écran.

Description

DISPOSITIF OPTIQUE POUR AMELIORER LE SEUIL DE DETECTION DES CAPTEURS D'UNE LUMIERE VISIBLE CODEE La présente invention se rapporte aux dispositifs de communication par lumière visible de type VLC (acronyme de Visible Light Communication). ETAT DE LA TECHNIQUE Les dispositifs de communication par lumière visible (VLC) utilisent en général la modulation et la démodulation d'un faisceau lumineux pour transmettre une information entre deux points distants. L'émetteur et le récepteur sont des dispositifs électroniques qui ont pour fonction, pour l'émetteur de transformer des données (sonores, visuelles, informatiques) en données codées suivant un codage logique qui est appliqué à la propagation du faisceau lumineux (modulation) et pour le récepteur de lire et de décoder le faisceau lumineux (démodulation) pour y extraire l'information d'origine. Ledit codage logique s'inscrit dans la variation d'une grandeur physique liée au faisceau lumineux, par exemple son intensité ou la fréquence des ondes électromagnétiques, donc la couleur du faisceau lumineux lorsque celui-ci est situé dans le visible. Le transport de la lumière peut se faire dans l'air ou au travers d'un guide de lumière comme une fibre optique. Le seuil de détection de la lumière modulée dépend de la sensibilité des récepteurs électroniques et du contraste entre cette dite-lumière modulée et de la lumière ambiante non modulée. Les dispositifs électroniques utilisent en généralement des diodes électroluminescentes, des photodiodes, ou des phototransistors pour l'émission et la réception des signaux lumineux. Pour améliorer le contraste entre la lumière modulée et la lumière ambiante non modulée, donc pour augmenter le seuil de détection des cellules électroniques, on connaît déjà des dispositifs optiques qui utilisent une source de lumière modulée qui est colorée, c'est-à-dire qui se limite à une partie seulement du spectre lumineux, et des cellules de détection qui sont recouvertes d'un filtre optique qui ne laisse passer que la couleur de la lumière d'émission, c'est-à-dire que la partie du spectre correspondant à la lumière modulée, ce qui permet d'éteindre la part de la lumière ambiante qui est en dehors du spectre de la lumière modulée. BUT DE L'INVENTION L'invention a pour but principal d'améliorer au niveau de la cellule de réception, le contraste entre la lumière modulée et la lumière ambiante, même lorsqu'un dispositif optique de filtration des longueurs d'ondes est déjà utilisé et même lorsque la position de la cellule de réception est variable. L'invention a également pour but de rendre les cellules de réception totalement transparentes pour des images électroniques qui émettent une lumière polarisée comme par exemple la lumière des images de type LCD (acronyme de Liquid Crystal Display). RESUME DE L'INVENTION Dans son principe de base un dispositif de communication par lumière visible (VLC) est composé d'une source de lumière qui émet une lumière qui est modulée grâce à la variation de son intensité lumineuse, un capteur de lumière qui est éclairé par ladite lumière modulée et qui convertit le signal modulé de ladite lumière en un signal électrique modulé, ledit dispositif ayant pour caractéristique que la lumière modulée est polarisée circulairement et que ledit capteur est recouvert d'un filtre à polarisation circulaire qui laisse passer ladite lumière modulée et absorbe une partie de la lumière ambiante. La lumière ambiante peut être de la lumière solaire naturelle (directe ou diffuse) ou bien de la lumière artificielle non modulée. Le capteur de lumière reçoit à la fois la lumière modulée et la lumière ambiante ce qui fait que l'intensité lumineuse globale reçue par ledit capteur est la somme des intensités lumineuses de la lumière modulée et de la lumière ambiante. Le signal électrique émit par ledit capteur est donc la résultante de cette addition. Lorsque l'intensité de la lumière ambiante est très supérieure à l'intensité de la lumière modulée, le signal électrique modulé est proportionnellement très faible par rapport au signal électrique produit par la lumière ambiante. Le seuil de détection dudit signal modulé dépend donc de l'intensité de la lumière ambiante parasite. Le dispositif selon l'invention comprend un filtre à polarisation circulaire qui est placé devant ledit capteur. Ledit filtre laisse passer la quasi-totalité d'une lumière qui est polarisée circulairement dans le même sens (dextrogyre ou lévogyre) que ledit filtre mais il ne laisse passer que la moitié de la lumière ambiante qui n'est pas polarisée. Le seuil de détection électronique dudit capteur de lumière sera alors multiplié par deux car l'intensité de la lumière ambiante parasite aura été divisée par deux. Un filtre de lumière à polarisation circulaire est par exemple composé d'un filtre à polarisation rectiligne et d'un film retardateur d'un quart d'onde. Suivant la position de l'axe de polarisation du polariseur rectiligne par rapport au film quart d'onde la polarisation circulaire peut être de type dextrogyre ou lévogyre. La production d'une lumière polarisée circulairement, lévogyre ou dextrogyre, se fait en faisant passer une lumière non polarisée au travers d'un filtre de lumière à polarisation circulaire comme décrit ci-avant. Contrairement à une lumière polarisée rectilignement qui traverse plus ou moins un filtre à polarisation rectiligne en fonction de la position de l'axe de polarisation dudit filtre par rapport au plan de polarisation de la lumière, pour une lumière polarisée circulairement, de type Dextrogyre ou de type Lévogyre, celle-ci traversera toujours complètement un filtre à polarisation circulaire qui est de même type que ladite lumière. Ainsi le dispositif selon l'invention fonctionnera quelle que soit la position du capteur de lumière, ce qui n'aurait pas été le cas avec une lumière polarisée rectilignement. Dans un mode de réalisation particulier la lumière modulée polarisée est colorée, c'est-à-dire qu'elle ne représente qu'une partie du spectre lumineux de la lampe d'émission, et le détecteur de lumière est recouvert d'une part par un filtre à polarisation circulaire et d'autre part par un filtre qui ne laisse passer que la couleur de la lumière modulée. L'amplification du seuil de détection dudit capteur se fait alors par l'addition de l'amplification due au filtre à polarisation circulaire et de l'amplification due au filtre coloré. Dans un mode de réalisation particulier le détecteur de lumière est une 30 cellule photovoltaïque.

Dans un autre mode de réalisation particulier le détecteur est une cellule photovoltaïque en partie transparente à la lumière, qu'elle soit modulée ou ambiante. Une cellule photovoltaïque semi-transparente est par exemple composée d'un réseau de micro-surfaces actives séparées par des zones de totale transparence. Ces micro- surfaces actives sont par exemple des bandes parallèles ou des disques dont la largueur est inférieure au pouvoir séparateur de l'ceil, soit inférieure à 100 microns. Dans un autre mode de réalisation particulier le capteur de lumière est une cellule photovoltaïque polarisante et le filtre est un film retardateur quart d'onde. Une cellule photovoltaïque polarisante est une cellule photovoltaïque semi-transparente qui polarise rectilignement la lumière qui la traverse. Un exemple connu de cellule photovoltaïque polarisante est composé de micro bandes parallèles de silicium dont les dimensions (largeur, espace, épaisseur) sont inférieures à la longueur d'onde de la lumière visible, soit inférieures à 400 nanomètres. Dans ce mode de réalisation particulier le filtre à polarisation circulaire n'est plus nécessaire mais simplement remplacé par un film retardateur quart d'onde qui va transformer la lumière modulée polarisée circulairement en une lumière modulée polarisée rectilignement, ladite lumière sera alors avantageusement complètement absorbée par la cellule photovoltaïque polarisante car l'axe de polarisation de ladite cellule sera perpendiculaire au plan de polarisation de ladite lumière modulée qui est donc aussi polarisée rectilignement. La cellule photovoltaïque semi-transparente va donc recevoir la totalité de la lumière modulée, c'est-à-dire que ladite cellule photovoltaïque sera opaque pour cette lumière modulée, mais elle sera semitransparente pour la lumière ambiante. Ainsi l'amplification par un facteur deux du seuil de détection du signal modulé sera bien effectif tout en permettant audit dispositif de n'être composé que de deux éléments (cellule et film quart d'onde) au lieu de trois (cellule, polariseur rectiligne et film quart d'onde). Dans un autre mode de réalisation particulier le capteur de lumière modulée est une cellule photovoltaïque polarisante recouverte par un film retardateur quart d'onde, comme décrit dans le paragraphe précédent, et positionné sur un écran d'affichage électronique qui produit une image polarisée, comme par exemple un écran de type LCD. Ladite cellule photovoltaïque polarisante (52) est positionnée de sorte que son axe de polarisation soit parallèle au plan de polarisation de la lumière polarisée sortante de l'écran; ainsi la totalité de la lumière de l'image traversera ledit capteur de lumière modulée sans que celui-ci ne modifie la qualité visuelle de l'image. Une variante de cette réalisation particulière consiste à remplacer le 5 polariseur du dessus de l'écran électronique par ladite cellule photovoltaïque polarisante, ce qui constitue un dispositif de communication par lumière visible dont la cellule photovoltaïque polarisante est intégrée dans l'écran d'un appareil de visualisation, comme par exemple un écran de téléphone portable. Cette intégration bénéficie donc aussi de l'augmentation du seuil de détection du signal lumineux 10 modulé selon l'invention. Selon un autre mode de réalisation particulier le capteur de lumière modulée produit à la fois un signal électrique modulé et une énergie électrique apte à alimenter des composants ou des applications électroniques internes ou externes audit dispositif. Ledit capteur de lumière modulée est par exemple une cellule 15 photovoltaïque dont l'énergie électrique produite à ses bornes est proportionnelle à l'intensité de la lumière modulée et à l'intensité de la lumière ambiante qu'elle reçoit. Lesdits composants ou applications électroniques sont au choix : un analyseur de signal électrique, un convertisseur de tension ou de signal électrique, un décodeur, un composant de stockage de l'énergie électrique, une batterie, un condensateur, un 20 écran d'affichage. DESCRIPTION DETAILLEE L'invention est maintenant décrite plus en détail grâce aux quatre figures 25 annexées. La figure 1 est un schéma de principe du dispositif La figure 2 est un schéma de principe du dispositif lorsque le capteur de lumière est semi-transparent La figure 3 illustre un mode de réalisation particulier lorsque le capteur de 30 lumière est une cellule photovoltaïque polarisante.

La figure 4 illustre le mode de réalisation particulier de la figure 3 lorsque le dispositif est positionné sur un écran d'affichage électronique. En référence à la figure 1 le dispositif selon l'invention est composé d'une source de lumière artificielle (S) qui émet une lumière (2) qui est à la fois modulée et polarisée circulairement, ladite lumière (2) est reçue par un capteur de lumière électronique (5) après avoir traversé un filtre à polarisation circulaire (F1). Ledit filtre à polarisation circulaire (F1) est composé d'un film retardateur d'un quart d'onde (3) et d'un filtre à polarisation rectiligne (4). La lumière modulée polarisée circulairement (2) se transforme en une lumière (7) polarisée rectilignement lorsqu'elle traverse le film quart d'onde (3). Le plan de polarisation de ladite lumière (7) est parallèle à l'axe de polarisation du filtre à polarisation rectiligne (4) ce qui fait que la lumière (7) traverse ledit filtre (4) avec très peu de pertes. Le capteur de lumière (5) reçoit alors une lumière modulée (8) dont l'intensité est très semblable à celle (2) qui a été émise par la source lumineuse (S). En revanche la lumière ambiante (1) qui n'est pas polarisée traversera le film quart d'onde (3) sans modification (6) puis est absorbée pour moitié par le filtre à polarisation rectiligne (4) de sorte que l'intensité lumineuse de la lumière ambiante (9) qui est reçue par le capteur de lumière (5) est deux fois plus faible que celle (1) qui n'a pas traversé le filtre (F1). L'intensité lumineuse relative de la lumière modulée (2) par rapport à la lumière ambiante (1) est donc multipliée sensiblement par un facteur deux, et le capteur de lumière (5) émettra alors un signal électrique à l'intérieur duquel le seuil de détection de l'information codée contenue dans la lumière modulée (2) sera sensiblement multiplié par un facteur deux. La figure 2 reprend les éléments du dispositif de base (figure 1) avec cette caractéristique que le capteur de lumière (51) est une cellule photovoltaïque semitransparente. Cet exemple montre une cellule photovoltaïque composée de zones actives (11) séparées par des zones (12) de totale transparence. Un exemple connu est celui d'une cellule photovoltaïque (51) composée d'un réseau de bandes parallèles (11) de silicium amorphe séparées par des bandes de transparence (12).

Les bandes actives (11) de la cellule photovoltaïque (51) reçoivent toute l'intensité de la lumière modulée (2,8) mais seulement la moitié (9) de la lumière ambiante (1).

Le seuil de détection de la lumière modulée (2) par la cellule semi-transparente (51) est donc multiplié par deux. L'avantage de ce mode de réalisation est principalement l'intégration visuelle du capteur de lumière (51) soit dans un environnement qui nécessite de recevoir une partie (10) de la lumière solaire extérieure (1), soit pour laisser apparaître une image ou un visuel (non illustré) au travers de ladite cellule (51). La figure 3 illustre un mode de réalisation particulier dans lequel le capteur de lumière (52) est une cellule photovoltaïque semi-transparente et polarisante. La semi transparence et l'effet de polarisation de la lumière de ladite cellule (52) est obtenu en général en structurant la cellule photovoltaïque (51) en bandes actives parallèles dont la largeur, l'espacement et l'épaisseur sont inférieurs à la longueur d'onde de la lumière, et de préférence inférieurs au quart de la longueur d'onde de la lumière. On montre ainsi que la cellule photovoltaïque polarisante (51) absorbe environ la moitié de la lumière ambiante reçue (1,6) et laisse passer l'autre moitié (13) de ladite lumière ambiante (1) mais absorbe la totalité d'une lumière polarisée rectilignement (7) dont le plan de polarisation est perpendiculaire à l'axe longitudinal des bandes actives de la cellule (52). Dans ce mode de réalisation (Figure 3, F2) la cellule photovoltaïque semi-transparente et polarisante (52) est recouverte d'un film retardateur d'un quart d'onde (3) qui est transparent et qui n'a pas d'impact sur la lumière ambiante (1,6) mais transforme la polarisation circulaire de la lumière modulée (2) en une lumière (7) polarisée rectilignement. L'axe d'activité dudit film quart d'onde (3) est orienté par rapport à l'axe de polarisation de la cellule photovoltaïque (52) de sorte que l'axe de polarisation de la lumière modulée (7) qui a traversé ledit film (3) possède un plan de polarisation perpendiculaire à l'axe de polarisation de la cellule (52), ainsi toute la lumière modulée (2,7) reçue par la cellule (52) est absorbée par ladite cellule (52) mais la lumière ambiante (1,6) n'est absorbée qu'à moitié. Le résultat est que le seuil de détection du dispositif est sensiblement multiplié par un facteur deux avec une cellule de détection qui est semi-transparente (52) comme dans le cas de la figure 2, mais avec le premier avantage que le composant réceptif (F2) n'est composé que de deux éléments (3,52) alors que dans le cas précédant de la figure 2 le composant réceptif est composé de trois éléments (3, 4 et 51), et avec le deuxième avantage que ledit composant réceptif (F2) est une surface polarisante. Un des avantages à ce que ledit composant réceptif (F2) soit une surface polarisante est donné à titre d'exemple dans le mode de réalisation illustré par la figure 4 : le dispositif de communication par lumière modulée suivant l'invention est composé des éléments contenus dans le mode de réalisation déjà illustré par la figure 3 dans lequel le capteur de lumière (F2) est une surface semi-transparente et polarisante qui est ici positionnée devant un écran d'affichage électronique (15) qui émet une image lumineuse polarisée rectilignement (14). Ladite image lumineuse polarisée rectilignement (14) traverse la cellule photovoltaïque polarisante (52) et le film quart d'onde (3) sans aucune perte de lumière en sortie (16) car l'axe de polarisation de la cellule photovoltaïque (52) est positionné parallèlement au plan de polarisation de ladite image (14). Il en résulte que le dispositif de communication par lumière modulée selon l'invention et suivant ce mode particulier de réalisation est apte à recevoir un signal modulé via la lumière qu'il reçoit de l'extérieur, à produire de l'énergie électrique par conversion de cette lumière en électricité, de décoder cette information par une application de démodulation du signal, et éventuellement d'afficher sur l'écran un message en réponse à l'information reçue, cela dans un environnement qui est éclairé à la fois par de la lumière naturelle et par de la lumière modulée ; le dispositif selon l'invention permettant de filtrer à 50% la lumière naturelle « non utile » pour la réception des messages lumineux, en augmentant ainsi le seuil de détection de la lumière modulée « utile » à la réception desdits messages lumineux codés. AVANTAGES DE L'INVENTION En définitive l'invention répond bien aux buts fixés en permettant d'améliorer au niveau de la cellule de réception, le contraste entre la lumière modulée et la lumière ambiante, même lorsqu'un dispositif optique de filtration des longueurs d'ondes est déjà utilisé et même lorsque la position de la cellule de réception est variable ; la cellule de réception pouvant être totalement transparente pour des

Claims (4)

1. REVENDICATIONS1 - Dispositif de communication par lumière visible, comprenant une source de lumière (S) qui émet une lumière (2) modulée grâce à la variation de son intensité 5 lumineuse, un capteur de lumière (5) éclairé par ladite lumière modulée (2) qui convertit le signal modulé de ladite lumière (2) en un signal électrique modulé, ledit dispositif étant caractérisé en ce que la lumière modulée (2) est polarisée circulairement et que ledit capteur (5) est recouvert d'un filtre à polarisation circulaire (F1) apte à laisser passer la lumière modulée (2) et à absorber une partie 10 de la lumière ambiante non modulée.
2. 2 - Dispositif de communication par lumière visible selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite lumière modulée polarisée circulairement (2) est colorée et que ledit capteur de lumière (5) est recouvert d'une part par un filtre à polarisation circulaire (F1) et d'autre part par un filtre qui ne laisse passer que la 15 couleur de la lumière modulée (2).
3. 3 - Dispositif de communication par lumière visible selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le détecteur de lumière (5) est une cellule photovoltaïque.
4. 4 - Dispositif de communication par lumière visible selon l'une des 20 revendications précédentes, caractérisé en ce que le détecteur de lumière (5) est une cellule photovoltaïque en partie transparente à la lumière. - Dispositif de communication par lumière visible selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le capteur de lumière (51) est une cellule photovoltaïque semi-transparente composée d'un réseau de micro-surfaces 25 actives (11) séparées par des zones de totale transparence (12), ces micro-surfaces actives sont de préférence des bandes parallèles ou des disques dont la largueur est inférieure à 100 microns. 6 - Dispositif de communication par lumière visible selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit capteur de lumière (52) est 30 une cellule photovoltaïque polarisante, c'est-à-dire une cellule photovoltaïque semi-transparente apte à polariser rectilignement la lumière qui la traverse, et le filtre à polarisation circulaire est un film retardateur quart d'onde (3). 7 - Dispositif de communication par lumière visible selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite la cellule photovoltaïque polarisante (52) et le film quart d'onde (3) sont positionnés sur un écran d'affichage électronique (15) qui produit une image polarisée, comme par exemple un écran de type LCD (Liquid Crystal Display), ladite cellule photovoltaïque polarisante (52) est positionnée de sorte que son axe de polarisation soit parallèle au plan de polarisation de la lumière polarisée sortante de l'écran. 8 - Dispositif de communication par lumière visible selon la revendication 7, caractérisé en ce que le polariseur du dessus d'un écran d'affichage électronique (15) est remplacé par ladite cellule photovoltaïque polarisante (52) qui est intégrée dans l'écran d'affichage d'un appareil de visualisation, comme par exemple un écran de téléphone portable. 9 - Dispositif de communication par lumière visible selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le capteur de lumière modulée (5,51,52) produit à la fois un signal électrique modulé et une énergie électrique apte à alimenter des composants ou des applications électroniques internes ou externes audit dispositif. 10 - Dispositif de communication par lumière visible selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits composants ou lesdites applications électroniques sont au choix : un analyseur de signal électrique, un convertisseur de tension ou de signal électrique, un décodeur, un composant de stockage de l'énergie électrique, une batterie, un condensateur, un écran d'affichage.25