JPH10500546A - 光送信機および送受信機モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 データ通信用の光送信機モジュールおよび送受信機モジュールを開示する。そのような送受信機モジュールは、半球形ハウジング（１４２）内で、取付け台（１４０）上に規則正しく対称的に配置され取り付けられた発光ダイオードのアレイを備える。このハウジング（１４２）は、光源拡大用の散光器手段を備える。送受信機モジュールは、前記ダイオードからなる送信機部分の他に受信機を備える。受信機は、取付け台（１４０）の下方に配置された４個のフォトダイオード（１４３）を備える。これらのフォトダイオードは傾斜し、モジュールの周囲すべての方向から光を受けるように様々な方向に向いている。フォトダイオードは、電磁干渉を減少させるファラデー箱として機能する細いワイヤ・メッシュ（１４５）によって保護される。ＳＭＤ技術による電子回路用の基板（１４４）がフォトダイオード（１４３）の下にある。

Description

【発明の詳細な説明】 光送信機および送受信機モジュール 技術分野 本発明は、光データ伝送のための送信機および送受信機モジュールに関する。 これらのモジュールは、特に、赤外線データ伝送システムでの使用に適する。 発明の背景 ビジネス、管理、および製造のすべての分野においてワークステーションとパ ーソナル・コンピュータ（たとえば、デスクトップ型やハンドヘルド型のもの） の数が急激に増えており、これらのシステムを、フレキシブルでかつ簡単に相互 接続する要求も高まっている。キーボード、コンピュータ・マウス、プリンタ、 プロッタ、スキャナ、表示装置などの周辺装置の接続や相互接続に関しても、同 様の要求がある。特にシステムおよび周辺装置の密度が高くなり、システムの位 置またはサブシステムの構成を頻繁に変更しなければならない場合には、電線網 やケーブルの利用が問題になる。したがって、そのような装置やシステムを相互 接続するために無線通信システムを利用して、電気ケーブル網の要件を解消する ことが望ましい。 この何年かの間に、システムと遠隔装置との間で情報を交 換するために光信号を使用することに関心が高まった。そのような無線光通信シ ステムの利点は、従来の配線の大部分が不要になることである。無線周波数（Ｒ Ｆ）の無線伝送に関しては、通信規則が適用されず、ＰＴＴとＦＣＣのどちらの ライセンスも必要でない光学的赤外線（ＩＲ）無線伝送が有利である。さらに、 電磁干渉による妨害や他のＲＦチャネルからの妨害が生じず、放射も室内に限定 されるため、ＲＦシステムよりも良好なデータ・セキュリティが保証される。し たがって、隣室で動作している類似システムによる妨害がなく、無線周波数伝送 が提供できるよりも高度なデータ・セキュリティが提供される。無線周波数用の アンテナとは対照的に、発光ダイオード（ＬＥＤ）およびフォトダイオードの寸 法は、一般に小さく、これは、携帯型コンピュータの設計には特に重要である。 そのようなシステムにおける光信号は、受信システムの光受信機に直接伝播し 、または表面における反射や散乱などのプロセスによって伝播方向が変化した後 、受信機に間接的に到達する。今日、前者の事例は、適切に位置合わせされｃｍ 単位の距離に近づけた光送信機と受信機との間でデータ転送を行う、携帯型コン ピュータ用のドッキング・ステーションで実現されている。後者の事例は、直接 経路における摂動が避けられないために、互いに数メートル離れた送信機と受信 機との間で、邪魔されずに光信号を直接伝送することが実際的でないかさらに不 可能でさえあるオフィス環境における応 用例で典型的なものである。高いフレキシビリティを達成する既知の１つの手法 は、送信システムからオフィスの天井に光信号を放射して、そこで、その光信号 を反射または散乱させるものである。これにより、放射が、送信機の周辺の一定 領域に分散される。天井から広がる光信号の分散は、検討中の特定環境で特徴的 な多くの細部に依存する。しかしながら、この状況で重要なのは主に、伝送有効 範囲、すなわち送信システムと受信システムとの間の距離がある最終的な値に制 限されることである。これは、伝送される放射エネルギー・フラックスが、伝播 距離が長くなるにつれて減少し、受信機の感度が、最終的な信号対雑音比によっ て制限されるためである。以下これを伝送有効範囲と呼ぶ。光源の性能と露光量 の安全要件によって制限された光出力レベルで動作する典型的な既知のシステム では、１Ｍｂｐｓのデータ伝送速度で数メートルの伝送有効範囲が実証されてい る。 無線光通信システムの極めて重要なパラメータは、データを交換するシステム 間で実現できるデータ伝送速度と距離である。オフィス環境では、従来の光送信 機の伝送有効範囲よりも長い距離でデータを通信しなければならないこともある 。 今日の無線光データ伝送システムには、いくつかの欠点がある。第１に、伝送 有効範囲が大きな事務室や会議室などの環境で使用するのに適しておらず、放射 特性や有効範囲が一般に均一でなく、そのために、送信機と受信機を正確に位置 合せする必要がある。 さらに、もう１つは、ほとんどの環境では、システムを真っ暗な環境で使用す るように制限しない限り、日光や電灯の光など、常に光検出器に届く不可避な周 囲光があることを考慮しなければならない。不可避な周囲光は、電灯からの交流 信号などの時間依存信号を引き起こすことがあり、実際上多くの場合、光受信機 の雑音の重要で主要な原因である。したがって、周囲光は、受信機の信号対雑音 比に影響を与え、したがって伝送有効範囲に影響を与える。不可避な光の出現は 、ほとんど統計的なもので制御が困難なことが多く、その輝度は、日光の明滅や 電灯の点滅で明らかなように、急激に大きく変化する可能性がある。統計的に信 号対雑音比に作用し、したがって伝送有効範囲に作用するもう１つの現実的な現 象は、受信機の信号に影響を与える光路障害物の存在である。 これらの問題を克服する第１の手法は、送信機モジュールの出力電力を高める ことであろう。これは、いくつかの理由で実際的でないことが分かっている。そ のような送信機モジュールの電力消費量は、ノートブック型コンピュータやパー ムトップ型コンピュータなどの携帯型システムで使用するには大きすぎる。しか し、光無線システムの開発が直面している最も大きな課題は、光学的な安全性で ある。光の放射は、露光が強すぎる場合は目や肌に有害なことがあると考えられ ている。危険の度合は、露光レベル（エネルギーまたは出力）、露光時間、およ び波長を含むいくつかの要因によって決まる。 P.P スミス(Smyth)他の論文"Optical Wireless: New Ena bling Transmitter Technologies"、IEEE International Conference on Commun ication '93、1993年5月23〜26日、スイス、ジュネーブ、テクニカル・プログラ ム、議事録1/3巻、pp.562〜566では、既存の目の安全基準の変更と新しい形の送 信機技術が検討されている。この新しい形の送信機技術は、網膜損傷の危険を減 少させるために光源の面積を大きくするという概念に基づくものである。この論 文では、たとえばコンピュータで生成した位相ホログラムを利用して、単一のレ ーザ・ダイオード光源からビーム成形用の複数のビームを得ることを提案してい る。 この手法は、正しい方向への第１歩であるが、不十分な伝送有効範囲と十分な 目の安全性の問題はまだ対処されておらず解決されていない。 発明の要約 本発明の一目的は、改良型の光送信機モジュールを提供することである。 本発明の他の目的は、寸法が小さく放射パターンが最適な光送信機モジュール を提供することである。 本発明の他の目的は、安全基準（ＩＥＣ８２５−１）を満たす光送信機モジュ ールを提供することである。 本発明の他の目的は、放射パターンが切換え可能な光送信機モジュールを提供 することである。 上記の目的は、以下に特許請求する光送信機モジュールを 実現することにより達成される。 図面および使用する表記法の説明 本発明を、次の図面を参照して以下詳細に説明する。 第１図は、本発明による光送信機モジュールの概略断面図である。 第２図は、発光ダイオードの規則正しく対称的な異なる３つの構成を示す図で ある。 第３図は、本発明による光送信機モジュールの概略断面図である。 第４図は、本発明による光送信機モジュールの概略断面図である。 第５図は、本発明による光送信機モジュールの概略断面図である。 第６Ａ図は、半球形ハウジングの断面図である。 第６Ｂ図は、半球形ハウジングの断面図である。 第７図は、本発明による光送信機モジュールの概略断面図である。 第８図は、本発明による光送信機モジュールの概略平面図である。 第９図は、本発明による光送信機モジュールの概略平面図である。 第１０図は、本発明による光送信機モジュールの概略断面図である。 第１１図は、本発明による光送信機モジュールの概略断面図である。 第１２図は、本発明による放射パターンが切換え可能な光送信機モジュールの 概略断面図である。 第１３Ａ図は、第１２図に示した放射パターンが切換え可能な光送信機モジュ ールの概略平面図である。 第１３Ｂ図は、第１２図に示した放射パターンが切換え可能な光送信機モジュ ールの概略平面図である。 第１３Ｃ図は、第１２図に示した放射パターンが切換え可能な光送信機モジュ ールの概略平面図である。 第１４図は、本発明による光送受信機モジュールの概略断面図である。 第１５Ａ図は、本発明による光送受信機モジュールの概略断面図である。 第１５Ｂ図は、第１５Ａ図に示した光送受信機モジュールの受信機部分の概略 平面図である。 第１６図は、本発明による光送受信機モジュールの概略断面図である。 第１７Ａ図は、本発明による放射パターンが切換え可能な光送信機モジュール の概略断面図である。 第１７Ｂ図は、第１７Ａ図に示した光送受信機モジュールのハウジングおよび 反射リングの概略平面図である。 第１８Ａ図は、本発明による放射パターンが切換え可能な光送信機モジュール の概略断面図である。 第１８Ｂ図は、第１８Ａ図に示した光送受信機モジュールのハウジングおよび 反射リングの概略平面図である。 第１９Ａ図は、本発明による放射パターンが切換え可能な光送信機／送受信機 モジュールを取り付けるための取付け具の概略図である。 第１９Ｂ図は、第１９Ａ図の取付け具の傾斜位置の概略図である。 第２０図は、本発明による放射パターンが切換え可能な光送信機モジュールの 概略断面図である。 第２１Ａ図は、光送信機または送受信機モジュールを取り付けたノートブック 型コンピュータを示す図である。 第２１Ｂ図は、一体型光送信機または送受信機モジュールを備えたノートブッ ク型コンピュータを示す図である。 第２２図は、本発明による送受信機のアナログ・フロントエンドの概略ブロッ ク図である。 全般的説明 上記の点を考慮し、無線光送信機モジュールは、次の基準を満たすことが極め て望ましい。 １．できるだけ高い目に対する安全性 ２．出力を制限した光信号を効率的に分散して、最小限のダイナミック・レンジ で最大の伝送距離を得る最適な光源放射パターン。これは光送信機モジュールを 普通のオフィス環境（低い天井、拡散伝播モード）で用いる場合に特に有利であ る。 ３．送信機と受信機との位置合せが必要でない ４．反射特性が低い（または反射しない）天井が非常に高い環境（アトリウム付 きの建物、大きな階段講堂、屋外）で、受信機モジュールの位置合せを必要とし ない見通し（ＬＯＳ）伝播が利用できる 第１図と関連して、本発明による送信機モジュールの基本概念を説明する。こ の図に示すように、そのような光送信機モジュールは、規則正しく対称的に配列 された発光ダイオード１１のアレイを備える。ダイオード１１を適切な位置に固 定するために、取付け台１０を利用する。発光ダイオード・アレイ１１は、半球 形ハウジング１２内に配置される。この例では、この半球形ハウジング１２は、 端部が半球状になった長い円筒状の管である。このハウジング１２は、少なくと も部分的に透明である。さらに、光源を見掛上拡大するための散光器手段を備え る。散光器手段は、様々な方法で実現することができる。ハウジング１２は、ハ ウジングの少なくとも一部分が散光器として機能するように、たとえば屈折率が 高い懸濁粒子を含むプラスチック材料から形成することができる。別の実施形態 では、発光ダイオード１１から出る光ビームの散乱を、表面が波形のハウジング １２によって実施することもできる。ガラス・チップ（寸法が１００〜１５０ミ クロン）を使ってサンドブラスタ研磨したプレキシガラスのハウジングは、電力 半値角（ＬＥＤはＳｔａｎｌｅｙのＤＮ ３０５を使用した）が７．５度から１０度まで増加（散光器における垂直入射光 ）するとき、光軸上の出力を４分の１に小さくする。その他の散光器手段は、以 下の実施例に関して説明する。散光器表面の粗さ、あるいは散光器ハウジングに 混ぜた粒子の数および大きさに応じ、全散光器か部分散光器のいずれかを達成す ることができる。そのような全散光器を利用すると、ランベルト光源が得られる 。 発光ダイオードの構成および仰角の対称性、ダイオードの放射角度、前記ハウ ジングの形状、散光器手段、および前記ハウジング内での散光器の相互の位置関 係に応じ、様々な放射パターンを実現することができる。第２図に、３つの例示 的ダイオード構成の平面図を示す。第２図の左側の取付け台２０は、三角形に配 置された発光ダイオード２１を３個だけ支持する。取付け台２２は、規則正しく 配置された４個のダイオード２３を支持し、取付け台２４は、８個の発光ダイオ ード２５を支持する。この８個のダイオード２５は、環状に配置されている。こ の３つの例から、適切なハウジングおよび散光器に関連して発光ダイオードの対 称的で規則正しいどんな種類の配置も、高度な目の安全性と最適な光源放射パタ ーンを実現するのに適していることは明らかである。 他の実施例を説明する前に、発光ダイオードについてさらに詳しく説明する。 本明細書で示す発光ダイオードは、通常の小型のプラスチック・ハウジングに封 入されている市販のダイオードである。このようなダイオードは、様々な寸法と 材料のプラスチック・ハウジングに入った、様々な放射パターンおよび角度を有 するものが入手可能である。たとえば、Ｓｔａｎｌｅｙの発光ダイオードＤＮ３ ０５およびＤＮ３０４が適している。本発明は、それぞれハウジングに封入され た個別のダイオードの使用に限定されないことは明らかである。ある状況では、 すべてを１つの共通のハウジングに封入またはパッケージしたダイオード・アレ イを使用した方が有利なこともある。さらに、ハウジングなしで共通の基板上に 成長させた別々の発光ダイオードまたは発光ダイオード・アレイを使用すること も考えられる。この場合は、これらのダイオードを入れる半球形ハウジングが、 ダイオード自体のハウジングの代わりになり、これらのダイオードを保護する働 きをする。 第３図に、本発明によるもう１つの光送信機モジュールを示す。このモジュー ルは、発光ダイオード３１をその上に規則正しく対称的に配列した取付け台３０ を備える。取付け台３０は傾いた表面を有し、ダイオード３１は、取付け台３０ の上に円筒形ハウジング３２の中心軸に面するように固定される。散光器は、ハ ウジング中に、たとえば懸濁粒子によって組み込まれる。 第４図に示す次の実施形態では、コンピュータで生成した位相ホログラム４３ を利用して適切なビーム成形を得る。このホログラムは、円筒形のハウジング４ ２中にあり、取付け台４０に配置された発光ダイオード・アレイ４１を覆ってい る。 第５図に、半球形ハウジング５２を備えた光送信機モジュールを示す。このモ ジュールはさらに、発光ダイオード・アレイ５１を支持する取付け台５０を備え る。ハウジング５２の一部分は、全散光面５３を備え、ダイオード５１から出た 光ビームの拡散を実現する。同様の効果を、ハウジングに付けられた市松模様の 散光パターンによって実現することもできる。散光面をハウジング５２の内側に すれば、指の油やほこりによって散光器が汚れるのを防ぐことができる。散光面 の粗さを変化させるか、市松模様のパターンを変更するか、またはハウジングの 内側と外側に散光面を付けるかすることによって、様々な程度の拡散を実現する ことができる。必要な表面の粗さは、プラスチック製ハウジングをプレス成形す るための金型をサンドブラスタで磨くかエッチングすることによって得ることが できる。懸濁粒子を含むプラスチック製ハウジングの場合は、異なる寸法や形状 の粒子を埋め込むことによって、拡散の度合を変更することができる。 第６Ａ図および第６Ｂ図に、他の半球状のハウジング６０および６１を概略的 に示す。 第７図に示した光送信機モジュールは、通常の発光ダイオード７１をその上に 配置した平坦な取付け台７０を備える。これらのダイオードのピンは、ダイオー ドが半球形ハウジング７２の中心軸７４の方に光を出すように曲げられている。 この構造は、スペースが限られ送信機モジュール全体を小さ くしなければならない応用例で有利である。ダイオードの傾斜角、すなわち半球 形ハウジング７２の中心軸７４に垂直な面とダイオードの放射円錐の中心軸７５ がなす角度は、５〜８０度、特に２０〜４０度であることが好ましい。ＬＥＤの 中心軸と取付け台がなす最適な角度は、本明細書に記述し特許請求するモジュー ルの使用に関する限り約２５度である。２５度の角度にすると、天井が低い（２ ．５〜３．５ｍ）オフィスでは最大の散光範囲をもたらす。 第８図に、もう１つの構成を示す。この実施形態では、それぞれハウジングを 有する８個の発光ダイオード８１が、取付け台８０に、光がモジュールの中心軸 ８３に対して放射状に出るように環状に規則正しく配列されている。この実施例 に使用するには、約２５度の仰角を有する狭ビーム発光ダイオードが適している 。 第９図に、８個のダイオードを備えたこれと類似の星形の構成を示す。この実 施形態では、取付け台９０によって支持されたダイオード９１が、ハウジングの 中心軸に面している。この図の左側に、全散光面９３を有するハウジングを示す 。全散光器とは、波形の表面がビームの断面全体を覆っていることを意味する。 散光器は、強く（ランベルト光源を生み出す）ても、弱く（目の安全性を高める ためにビームの追加散乱を生み出す）てもよい。この全散光面は、半球形ハウン グの内面に形成する。その隣に、散光器手段９３によって実現される当該の放射 パターンを示す。右側には、散光器として 機能する市松模様の散光パターン９２を備える半球形ハウジングの概略図を示す 。この略図の隣に、当該の放射パターンを示す。図式的に示したように、光の一 部分はほとんど遮られずに散光器を通過し、残りの光ビームは散乱する。このよ うな市松模様パターンは、たとえばハウジングに孔を開けることによって、また はサンドブラスタで研磨するときに適切なマスクを使用することによって、実現 することができる。 第１０図に、半球形ハウジング１０２と、散光器手段１０３と、ハウジング１ ０４と一体の追加の環状プリズム部分とを有する光送信機モジュールを示す。こ のプリズム・リング１０４は、破線で示したように、ビーム出力のΔで示す部分 を水平方向に（下向きに）偏向させる。残りの部分は、散光器１０３を通って直 接出る。プリズム・リング１０４によって、見通し経路通信が改善される。 第１１図に、本発明のさらに他の実施形態を示す。この図に示したモジュール は、発光ダイオード・アレイ１１１をその上に配置した取付け台１１０を備える 。これらのダイオード１１１は、取付け台１１０に対して傾斜しており、光を放 射状に出す。半球形ハウジング１１２は、内面にある反射リング１１４と散光器 手段１１３とを備える。この反射リングは、前記ダイオード１１１から出るビー ムの少なくとも一部分を、ビームが散光器１１３を通過する前に上方に反射する 。 第１２図に、もう１つの実施例の断面図を示す。この図には、第１３Ａ図ない し第１３Ｃ図に示すようにビーム・パタ ーンを切り換えることができる光学モジュールが示されている。ビーム切換えの 目的は、最大の全方向有効範囲（第１３Ａ図および第１３Ｂ図を参照）または一 定方向（第１３Ｃ図）の最大有効範囲を与える放射パターン（たとえば、２５度 ）を備えることである。この切換え式モジュールは、ダイオード・アレイ１２１ がその上に固定される取付け台１２０を備える。ダイオードは、散光器手段１２ ３と、反射器手段１２４と、共に粗面を有する上方偏向プリズム１２５および下 方偏向プリズム１２６とを備える、半球形ハウジング１２２中に配置される。こ の切換え式モジュールの動作モードを、第１３Ａ図ないし第１３Ｃ図に関連して 説明する。これらの図では、モジュールの平面図を示す。第１３Ａ図に示すよう に、ハウジング１２２は、その内面１３０に沿って一連の反射器手段１２４と偏 向プリズム１２５、１２６とを備える。分かりやすくするために、反射器手段１ ２４を太線で示す。ビーム・パターンの切換えが実施できるのは、反射板１２４ と偏向プリズム１２５、１２６を備えるハウジングが、発光ダイオード・アレイ １２１に対してその中心軸の周りで回転できるためである。偏向角度（水平面） によって、所望の反射ビームの方向が決まる。（固定した）記号１３４に対する （回転するハウジング１２２上の）矢印マーカ１３２の位置が、選択されたビー ム・パターンを示す。マーカ１３２が「白丸」の記号を指している場合、モジュ ールは、全方向に約２５度の仰角αで光を出し、すなわち、この動作モードでは 、モジ ュールが最大伝送有効範囲の全方向アンテナとして機能し、周囲光が暗い場合に 適している。この位置は、４５度ごとに繰り返す。 第１３Ｂ図を参照すると、マーカ１３２が「黒丸」の記号を指しているときは 、ビーム仰角α約３０度〜４０度で、周囲光が明るい環境において、モジュール の近傍で全方向出力密度が高まる。この位置は、４５度ごとに繰り返される。第 １３Ｃ図に示す例では、ポインタ１３２は「矢印」の記号を指している。これは 、選択されたビーム方向で方向性有効範囲が高まることを示す。ハウジング内の ビームを、破線の矢印で示す。４５度の増分で８つの異なる放射方向を選択する ことができる。 第１４図ないし第１６図に、本発明による光送受信機モジュールを示す。第１ ４図に示した実施形態は、第３図に示したモジュールに基づくものである。この モジュールは、送信機部分の他に、受信機を備える。受信機は、取付け台１４０ よりも下に配置された４個のフォトダイオード１４３を有する。これらのフォト ダイオードは傾き、モジュールの周囲すべての方向から光を受け取るように様々 な方向に向いている。これらのフォトダイオードの向きと構成は、各ダイオード の視野、ならびにハウジングの形状およびハウジング内の位置によって決まる。 フォトダイオードは、電磁干渉を弱めるためのファラデー箱として機能する細い ワイヤ・メッシュ１４５によって保護されている。この実施形態では、このワイ ヤ ・メッシュ１４５は、半球形ハウジング１４２に組み込まれている。このモジュ ールには、ＳＭＤ技法による電子回路用の基板１４４が、フォトダイオード１４ ３の下方にある。この基板１４４は、スペースに余裕があれば、前置増幅器、Ｌ ＥＤドライバ、または完全なアナログ・チップを支持することができる。 第１５図に示す次の実施形態では、受信機部分が、送信機部分の上方、すなわ ち取付け台１５０によって支持された発光ダイオードの上方にある。受信機は、 ５個のフォトダイオードのアレイ１５３を備え、それらはすべて、すべての方向 から光を受け取るように配置されている。これらのフォトダイオードは、ハウジ ング１５２の半球状の端部に組み込まれたワイヤ・メッシュ１５５によって保護 されている。これらのフォトダイオード１５３の下方に、電子回路を備えた基板 １５４がある。受信機部分は、反射板１５６によって送信機と分離されている。 第１５Ｂ図に、受信機部分の概略平面図を示す。 第１６図に、もう１つの光送受信機モジュールを示す。このモジュールは、第 ７図に示した送信機モジュールに基づくものであり、受信機が同一のハウジング １６２に組み込まれている点が異なる。この受信機は、ベースプレート１６０に 取り付けられたフォトダイオード・アレイ１６１を備える。受信機は、発光ダイ オードから出たビームが、ハウジングと散光器とをほとんど遮らずに通過するよ うに配置されている。 この実施形態に使用するには、仰角が約２５度の狭ビーム発光ダイオードが適し ている。仰角３０〜４５度の３〜６個のフォトダイオードからなる星形アレイを 備えたモジュールが良好な結果を示した。 第１７Ａ図および第１７Ｂ図に、本発明のもう１つの実施形態を示す。ビーム ・パターンが切換え可能なモジュールの断面図と平面図を示す。発光ダイオード ・アレイ２０１が、取付け台２０３上にある。発光ダイオード２０１は、半球形 の散光ハウジング２００の下方に対称的に配置されている。このハウジングが、 発光ダイオード２０１に対して位置１にある場合（第１７Ａ図と第１７Ｂ図の右 側）は、光はハウジング２００から垂直に出る。ハウジングのこの部分を散光器 として実現するかどうかに応じて、ビーム・パターンは収束または拡散する。ハ ウジング２００は、反射リング２０２を備える。ハウジング２００または反射リ ング２０２をダイオード２０１に対して回転させると（第１７Ａ図および第１７ Ｂ図の左側の位置２）、ダイオードから出る光ビームは、ハウジング２００の横 切子面の方に反射される。この横切子面は、通常ビームの拡大を達成するための 散光器手段を備える。第１７Ｂ図に、反射リング２０２がいくつかの「舌部」を 備えるリングとして実施できることを示す。反射リング２０２は、エンボス加工 またはパンチ加工した薄い金属を使って作成することができる。第１７Ａ図およ び第１７Ｂ図に示した例では、２２．５度の回転により位置１から位置２に切り 換 えることができる。 第１８Ａ図および第１８Ｂ図に、ビーム・パターンが切換え可能な光送信機モ ジュールのもう１つの概念を示す。このモジュールは、取付け台２１３のバイア ・ホールまたは凹みに配置された発光ダイオード２１１のアレイを備える。ダイ オード２１１は、半球形の散光器ハウジング２１０で覆われている。ハウジング ２１０には反射リング２１２が組み込まれている。このリング２１２は、ダイオ ードから出た光ビームが散光器ハウジング２１０の側壁の方に反射するように曲 げた舌部またはカンチレバーを備える（第１８Ａ図および第１８Ｂ図の左側の位 置２を参照）。反射リングの付いたハウジングを回転させて、ダイオード２１１ がリング２１２の反射用舌部またはカンチレバーの下ではなくなるようにすると 、光ビームは、取付け台２１３に対して垂直に出る（第１８Ａ図および第１８Ｂ 図の右側の位置１を参照）。 第１９Ａ図および第１９Ｂ図に、ビーム・パターンが切換え可能なモジュール ２２０を取り付けるための取付け具を示す。第１９Ａ図では、ハウジングと反射 リングが位置２にあり、すなわち光ビームが全方向で出され、送信機は矢印で示 すように放射する。第１９Ｂ図では、モジュール２２０と取付け具２１１が開き 、モジュールは位置１にあり、すなわち、モジュールは、ダイオードの取付け台 に垂直に光を出す。この取付け具２２１によって、モジュールが位置１にあって 遠隔受信機の方を向いている場合は、直接の見通し通信が可能 になる。 第２０図に、切換え式送信機モジュールのもう１つの構成を示す。この実施形 態では、ダイオード２２１の中心軸が、取付け台２２３に対して約２５度傾いて いる。半球形のハウジング２２０が位置１にある場合（第２０図の右側を参照） は、光ビームは、図示したようにハウジングを通過する。位置２では、反射板２ ２２は、発光ダイオード２２１の前に置かれ、光ビームは上方に反射する（第２ ０図の左側を参照）。この例では、反射板２２２は、傾斜角約５８度の薄い金属 板である。反射板は、ハウジング２２０に組み込んだまたはハウジング中に固定 した金属リングで支持することができる。 第１７図、第１８図、および第２０図に示した反射リングをプリズム・リング で置き換えることもできる。このリングは、プラスチックで作成することができ 、発光ダイオードに対するプリズム・リングの位置に応じて異なるビーム放射パ ターンが得られるように成形され配置された一連のプリズムを支持する。このプ リズム・リングは、半球形ハウジングの一体部分でもよい。プリズムまたは反射 リングを支持するハウジングをダイオードの位置に対して回転させる、あるいは リング自体をハウジングおよびダイオードに対して回転させる、あるいはダイオ ード自体を回転させるなど様々な手法が考えられる。 第１１図および第１２図の反射板は、第１７図、第１８図、および第２０図に 関連して説明したような「舌部」またはカ ンチレバーを支持する金属リングで置き換えることもできる。この場合、切換え 式モジュールに対する唯一の違いは、この金属リングが（回転しないように）固 定されることである。 第２１Ａ図および第２１Ｂ図に、ノートブック型コンピュータ用の本発明の送 信機モジュールおよび送受信機モジュールの２つの異なる組込み方式または取付 け方式を示す。本明細書に記載の光送信機モジュールまたは送受信機モジュール は、それが取り付けられるまたは組み込まれるコンピュータのハウジングまたは 表示パネルによって近視野で妨げられてはならない。第２１Ａ図に、取外し式光 送信機／送受信機モジュール１７１を備えたノートブック型コンピュータ１７０ を示す。このモジュール１７１は、磁石または面ファスナ（Ｖｅｌｃｒｏ ｃｌ ｉｐ）１７２で前記コンピュータ１７０に取り付けられる。モジュール１７１は 、ケーブル１７３でコンピュータ・スロットの１つに差し込まれたインタフェー ス・カードと相互接続される。第２１Ｂ図に、組込み式モジュール１７５を備え たコンピュータ１７４を示す。このモジュールは表示装置に組み込まれ、電気的 相互接続および当該のインタフェース回路は、コンピュータ内部に配置される。 このモジュール１７５は、伸張式とすることができる。 第２２図に、特別に設計したアナログ・フロントエンド回路のブロック図を示 す。この回路は、受信機としてフォトダイオード・アレイ１８１の各フォトダイ オードに結合された前置増幅器１８０を備える。スイッチ１８２は、スイッチ制 御ユニット１８３と共に、それぞれのフォトダイオードで受け取った信号の選択 を助ける。受け取った信号のすべてまたは一部分が、後置増幅器１８４に転送さ れ、次にフィルタ１８５を介して比較器１８６に送られる。このブロック図では 、近接検出手段を含む。近接検出には、発光ダイオード・アレイ１８７から出さ れフォトダイオード１８１で受け取ったエコー信号を観察する。エコー信号が所 定レベルを超えると、発光ダイオード１８７の電源が自動的に切れる。この能動 的安全インターロックは、ｎ本の並列線からなるバスによって前置増幅器１８０ の出力に結合されたピーク信号検出器１８８によって達成される。制御回路１９ ０が、受信信号を分析して強いエコー信号を検出する。その後、それ以上光を出 さないようにドライバ１９１を即座に切り換える。制御回路１９０は、直流光電 流検出器１８９およびスイッチ制御ユニット１８３と共に、信号の自動選択また は組合せあるいはその両方を可能にする。この選択では、フォトダイオード１８ １の実際の信号強度または直流電流（日光や卓上ランプなどの有向性周囲光源か ら受け取ったショット・ノイズの測定値）あるいはその両方を考慮に入れる。 アナログ・フロントエンド全体は、インタフェース・ユニット１９２（ＰＣＭ ＣＩＡ）を介してマイクロプロセッサ・バス１９３に接続される。 本明細書に提示した光送信機モジュールおよび送受信機モジュールは、目に安 全な光学システムであり、さらに他にい くつかの利点を有する。これらのモジュールは、コンパクトで、コンピュータや 他の装置に組み込むのに適している。本発明のモジュールは、どんなノートブッ ク型コンピュータにも簡単に取り付けることができる。このモジュールは、最適 でほぼ均一な環状の放射特性を特徴とし、実施形態によっては切り換えることも できる。このモジュールにより、最大の伝送距離を得るため、出力が制限された 光信号を効率的に配布および受信することができる。第１８図に示したようなア ナログ・フロントエンドによって、強力な有向性の周囲光を抑制することができ る。本発明のモジュールは、発生する全ショット・ノイズが小さく、そのため信 号対雑音比および伝送有効範囲が改善される点が従来の送信機と異なる。さらに 、送受信機モジュールを位置合せする必要がない。本発明の１つの特別な実施形 態は、２つの伝送モードすなわち拡散通信または見通し通信あるいはその両方を 容易にする。 本発明の送信機モジュールおよび送受信機モジュールは、ＩＥＣ ８２５−１ 規則に適合する。これは、見掛け上十分に大きく拡大された光源によって、また は人の頭が発光体に近づき過ぎた場合には能動的安全インターロックによって、 あるいはその両方に達成することができる。前述のように、このインターロック 機構は、近くの物体によって生じる強い反射エコー信号を、発光送受信機モジュ ールのフォトダイオードで感知するものである（近接検出）。 本発明は、所与のデータ伝送速度の伝送有効範囲を最適化 するために、（卓上ランプ、窓、直射日光からの）強力な有向性周囲光を遮る自 動機構を提供する。この機能は、様々な空間的方向を指す個々のフォトダイオー ドを選択的に組み合わせて（セクタ化）、できる限り最大の信号対雑音比を選択 することによって実施することができる。

【手続補正書】 【提出日】１９９６年５月２日 【補正内容】 請求の範囲 １． ・赤外光が前記アレイから放出されて前記半球形ハウジング（５２）を通過し、 ・前記散光器手段が光源を見掛け上拡大し、 ・前記発光ダイオードが個別にまたは共通にアドレス可能である、 散光器手段を備えた半球形ハウジング（５２）によって形成された空洞中に、 規則正しくかつ好ましくは対称的に配置された、赤外発光ダイオード・アレイ（ ５１）を備えた光データ伝送モジュール。 ２．前記アレイ（１１；２０１）の発光ダイオードが、ダイオードの主放射軸が 前記半球形ハウジング（１２；２００）の中心軸とほぼ平行になるように取付け 台（１０；２０３）上に配置されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の モジュール。 ３．前記アレイ（３１；４１；５１；７１；８１；９１；１０１；１１１；１２ １；２２１）の発光ダイオードが、ダイオードの主放射軸が前記半球形ハウジン グ（３２；４２；５２；６０；６１；７２；１０２；１１２；１２２；１４２； １５２；１６２；２２０）の中心軸に対して傾くように取付け台（３０；４０； ５０；７０；８０；９０；１００；１１０；１２０；１４０；１５０；２２３） 上に配置されること を特徴とする請求の範囲第１項に記載のモジュール。 ４．発光ダイオード（３１；４１；５１；７１；９１；１０１）が、前記中心軸 に面するように配置されることを特徴とする請求の範囲第３項に記載のモジュー ル。 ５．発光ダイオード（８１；１１１；１２１；２２１）が、前記中心軸に対して 半径方向に外向きになるように配置されることを特徴とする請求の範囲第３項に 記載のモジュール。 ６．前記半球形ハウジング（４２）が、ビーム成形器として機能しハウジングの 内側に配置された位相ホログラム（４３）を備えることを特徴とする請求の範囲 第１項ないし第５項のいずれか一項に記載のモジュール。 ７．前記半球形ハウジング（５２）が、散光器手段（５３）として機能する高屈 折率の懸濁粒子を含むことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第５項のいずれ か一項に記載のモジュール。 ８．前記半球形ハウジングが、その内面または外面あるいはその両方に、散光器 手段として機能する波形表面（９３）を備えることを特徴とする請求の範囲第１ 項ないし第５項のいずれか一項に記載のモジュール。 ９．前記波形表面が、モジュールの発光ダイオードから出る波長と合致する程度 の粗面度をもつことを特徴とする請求の範囲第８項に記載のモジュール。 １０．前記半球形ハウジングが、その内面または外面あるいはその両方に、散光 器手段として機能する市松模様パターン （９２）を備えることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第５項のいずれか一 項に記載のモジュール。 １１．前記半球形ハウジング（１０２）が、直接の見通し通信が改善されるよう に、発光ダイオードの前記アレイ（１０１）から出た光の一部分（Δ）を下方に 反射するプリズム・リング（１０４）を備えることを特徴とする請求の範囲第１ 項ないし第１０項のいずれか一項に記載のモジュール。 １２．前記半球形ハウジング（１１２）が、ハウジング（１１２）の内面に配置 され、発光ダイオードの前記アレイ（１１１）から出る光を前記散光器手段（１ １３）を介してハウジング（１１２）から出るように上方に反射する反射板（１ １４）を備えることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第１０項のいずれか一 項に記載のモジュール。 １３．前記半球形ハウジング（１２２）が、ハウジング（１２２）の内面に環状 に配置された一連の反射板（１２４）と、上向きの偏向プリズム（１２５）およ び下向きの偏向プリズム（１２６）とを備え、その結果、前記反射板（１２４） およびプリズム（１２５、１２６）に対する前記発光ダイオード・アレイ（１２ １）の位置に応じて、前記モジュールの放射パターンを切り換えることができる ことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第１０項のいずれか一項に記載のモジ ュール。 １４．前記半球形ハウジング（２００；２１０；２２０）が、前記半球形ハウジ ング（２００；２１０；２２０）内に環状 に配置された一連の反射板（２０２；２１２；２２２）または一連のプリズムを 備え、その結果、前記反射板（２０２；２１２；２２２）またはプリズムに対す る前記発光ダイオード・アレイ（２０１；２１１；２２１）の位置に応じて、前 記モジュールの放射パターンを切り換えることができることを特徴とする請求の 範囲第１項ないし第１０項のいずれか一項に記載のモジュール。 １５．前記半球形ハウジング（１２２；２００；２１０；２２０）が、前記発光 ダイオード・アレイ（１２１；２０１；２０１；２２１）に対して段階的に回転 可能であることを特徴とする請求の範囲第１３項または第１４項に記載のモジュ ール。 １６．ハウジングの前記中心軸に対して傾斜したフォトダイオードのアレイ（１ ４３；１５３；１６１）を有する受信機をさらに備える請求の範囲第１項ないし 第１５項のいずれか一項に記載のモジュール。 １７．前記フォトダイオード（１４３）が、同一ハウジング（１４２）内の前記 発光ダイオード・アレイの下方に配置されることを特徴とする請求の範囲第１６ 項に記載のモジュール。 １８．前記フォトダイオード（１５３；１６１）が、同一ハウジング（１５２； １６２）内の前記発光ダイオード・アレイの上方に配置されることを特徴とする 請求の範囲第１６項に記載のモジュール。 １９．前記フォトダイオード（１４３；１５３；１６１）が、 前記ハウジング（１４２；１５２；１６２）内に固定された取付け台（１６０） に取り付けられることを特徴とする請求の範囲第１６項ないし第１８項のいずれ か一項に記載のモジュール。 ２０．前記ハウジング（１４２；１５２）が、電子回路を備えた基板（１４４； １５４）または細いワイヤ・メッシュ（１４５；１５５）あるいはその両方を備 えることを特徴とする請求の範囲第１６項に記載のモジュール。 ２１．請求の範囲第１項ないし第２０項のいずれか一項に記載の光送信機モジュ ール（１７１；１７５）と、前記モジュール（１７１；１７５）をコンピュータ のバスに結合するインタフェース手段とを備えるコンピュータ（１７０；１７４ ）。 ２２．前記モジュール（１７１）が、クリップ（１７２）によってコンピュータ の表示パネルに取り付けられ、ケーブル（１７３）によって前記インタフェース 手段に接続されることを特徴とする請求の範囲第２１項に記載のコンピュータ。 ２３．前記モジュール（１７５）が、コンピュータの表示パネルに固定式または 伸張式に組み込まれることを特徴とする請求の範囲第２１項に記載のコンピュー タ。 ２４． ａ）フォトダイオード・アレイ（１８１）と、 ｂ）前記フォトダイオード・アレイが受け取った信号を増幅するための増幅器（ １８０、１８４）と、 ｃ）前記フォトダイオード・アレイ（１８１）が受け取った 信号中で搬送される情報を検出する手段（１８６）と、 ｄ）前記モジュールの赤外発光ダイオード・アレイを駆動するドライバ手段（１ ９１）と、 ｅ）前記フォトダイオード・アレイ（１８１）の各フォトダイオードが受け取っ た信号を能動的に選択し別々に組み合わせる手段（１８２ １８３、１９０）と 、 ｆ）エコー信号の強さを決定し、前記エコー信号が所定の限度を超えた場合に前 記モジュールの赤外発光ダイオード・アレイを切断することによって近接検出を 行う手段（１８８〜１９１）と を有する請求の範囲第１項ないし第１５項に記載の、モジュールと共に使用す る無線データ通信用送受信機。 ２５． ａ）前記モジュールのフォトダイオード・アレイが受け取った信号を増幅するた めの増幅器（１８０、１８４）と、 ｂ）前記モジュールのフォトダイオード・アレイが受け取った信号中で搬送され る情報を検出する手段（１８６）と、 ｃ）前記モジュールの赤外発光ダイオード・アレイを駆動するドライバ手段（１ ９１）と、 ｄ）前記モジュールのフォトダイオード・アレイの各フォトダイオードが受け取 った信号を能動的に選択し個々に組み合わせる手段（１８２ １８３、１９０） と、 ｅ）エコー信号の強さを決定し、前記エコー信号が所定の限度を超えた場合に前 記モジュールの赤外発光ダイオード・ア レイを切断することによって近接検出を行う手段（１８８〜１９１）と を備える請求の範囲第１６項ないし第１９項に記載の、モジュールと共に使用 する無線データ通信用送受信機。 ２６．請求の範囲第１項ないし第１５項に記載のモジュールのいずれか１つに接 続され、インターフェース手段（１９２）を介してコンピュータのバス（１９３ ）に結合された請求の範囲第２４項に記載の光送受信機。 ２７．請求の範囲第１６項ないし第１９項に記載のモジュールのいずれか１つに 接続され、インターフェース手段（１９２）を介してコンピュータのバス（１９ ３）に結合された請求の範囲第２５項に記載の光送受信機。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴェイス、ベアト スイス国エトリバッハ、ミューレシュトラ ーセ 35

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．光源を見掛け上拡大する散光器手段を備えた半球形ハウジング（５２）中に 、規則正しくかつ好ましくは対称的に配置された、個別にまたは共通にアドレス 可能な発光ダイオード・アレイ（５１）を備えた光データ伝送モジュール。 ２．前記アレイ（１１；２０１）の発光ダイオードが、ダイオードの主放射軸が 前記半球形ハウジング（１２；２００）の中心軸とほぼ平行になるように取付け 台（１０；２０３）上に配置されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の モジュール。 ３．前記アレイ（３１；４１；５１；７１；８１；９１；１０１；１１１；１２ １；２２１）の発光ダイオードが、ダイオードの主放射軸が前記半球形ハウジン グ（３２；４２；５２；６０；６１；７２；１０２；１１２；１２２；１４２； １５２；１６２；２２０）の中心軸に対して傾くように取付け台（３０；４０； ５０；７０；８０；９０；１００；１１０；１２０；１４０；１５０；２２３） 上に配置されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のモジュール。 ４．発光ダイオード（３１；４１；５１；７１；９１；１０１）が、前記中心軸 に面するように配置されることを特徴とする請求の範囲第３項に記載のモジュー ル。 ５．発光ダイオード（８１；１１１；１２１；２２１）が、前記中心軸に対して 半径方向に外向きになるように配置され ることを特徴とする請求の範囲第３項に記載のモジュール。 ６．前記半球形ハウジング（４２）が、ビーム成形器として機能しハウジングの 内側に配置された位相ホログラム（４３）を備えることを特徴とする請求の範囲 第１項ないし第５項のいずれか一項に記載のモジュール。 ７．前記半球形ハウジング（５２）が、散光器手段（５３）として機能する高屈 折率の懸濁粒子を含むことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第５項のいずれ か一項に記載のモジュール。 ８．前記半球形ハウジングが、その内面または外面あるいはその両方に、散光器 手段として機能する波形表面（９３）を備えることを特徴とする請求の範囲第１ 項ないし第５項のいずれか一項に記載のモジュール。 ９．前記波形表面が、モジュールの発光ダイオードから出る波長と合致する程度 の粗面度をもつことを特徴とする請求の範囲第８項に記載のモジュール。 １０．前記半球形ハウジングが、その内面または外面あるいはその両方に、散光 器手段として機能する市松模様パターン（９２）を備えることを特徴とする請求 の範囲第１項ないし第５項のいずれか一項に記載のモジュール。 １１．前記半球形ハウジング（１０２）が、直接の見通し通信が改善されるよう に、発光ダイオードの前記アレイ（１０１）から出た光の一部分（Δ）を下方に 反射するプリズム・リング（１０４）を備えることを特徴とする請求の範囲第１ 項ないし第１０項のいずれか一項に記載のモジュール。 １２．前記半球形ハウジング（１１２）が、ハウジング（１１２）の内面に配置 され、発光ダイオードの前記アレイ（１１１）から出る光を前記散光器手段（１ １３）を介してハウジング（１１２）から出るように上方に反射する反射板（１ １４）を備えることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第１０項のいずれか一 項に記載のモジュール。 １３．前記半球形ハウジング（１２２）が、ハウジング（１２２）の内面に環状 に配置された一連の反射板（１２４）と、上向きの偏向プリズム（１２５）およ び下向きの偏向プリズム（１２６）とを備え、その結果、前記反射板（１２４） およびプリズム（１２５、１２６）に対する前記発光ダイオード・アレイ（１２ １）の位置に応じて、前記モジュールの放射パターンを切り換えることができる ことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第１０項のいずれか一項に記載のモジ ュール。 １４．前記半球形ハウジング（２００；２１０；２２０）が、前記半球形ハウジ ング（２００；２１０；２２０）内に環状に配置された一連の反射板（２０２； ２１２；２２２）または一連のプリズムを備え、その結果、前記反射板（２０２ ；２１２；２２２）またはプリズムに対する前記発光ダイオード・アレイ（２０ １；２１１；２２１）の位置に応じて、前記モジュールの放射パターンを切り換 えることができることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第１０項のいずれか 一項 に記載のモジュール。 １５．前記半球形ハウジング（１２２；２００；２１０；２２０）が、前記発光 ダイオード・アレイ（１２１；２０１；２０１；２２１）に対して段階的に回転 可能であることを特徴とする請求の範囲第１３項または第１４項に記載のモジュ ール。 １６．ハウジングの前記中心軸に対して傾斜したフォトダイオードのアレイ（１ ４３；１５３；１６１）を有する受信機をさらに備える請求の範囲第１項ないし 第１５項のいずれか一項に記載のモジュール。 １７．前記フォトダイオード（１４３）が、同一ハウジング（１４２）内の前記 発光ダイオード・アレイの下方に配置されることを特徴とする請求の範囲第１６ 項に記載のモジュール。 １８．前記フォトダイオード（１５３；１６１）が、同一ハウジング（１５２； １６２）内の前記発光ダイオード・アレイの上方に配置されることを特徴とする 請求の範囲第１６項に記載のモジュール。 １９．前記フォトダイオード（１４３；１５３；１６１）が、前記ハウジング（ １４２；１５２；１６２）内に固定された取付け台（１６０）に取り付けられる ことを特徴とする請求の範囲第１６項ないし第１８項のいずれか一項に記載のモ ジュール。 ２０．前記ハウジング（１４２；１５２）が、電子回路を備えた基板（１４４； １５４）または細いワイヤ・メッシュ （１４５；１５５）あるいはその両方を備えることを特徴とする請求の範囲第１ ６項に記載のモジュール。 ２１．請求の範囲第１項ないし第２０項のいずれか一項に記載の光送信機モジュ ール（１７１；１７５）と、前記モジュール（１７１；１７５）をコンピュータ のバスに結合するインタフェース手段とを備えるコンピュータ（１７０；１７４ ）。 ２２．前記モジュール（１７１）が、クリップ（１７２）によってコンピュータ の表示パネルに取り付けられ、ケーブル（１７３）によって前記インタフェース 手段に接続されることを特徴とする請求の範囲第２１項に記載のコンピュータ。 ２３．前記モジュール（１７５）が、コンピュータの表示パネルに固定式または 伸張式に組み込まれることを特徴とする請求の範囲第２１項に記載のコンピュー タ。 ２４． ａ）フォトダイオード・アレイ（１８１）と、 ｂ）前記フォトダイオード・アレイ（１８１）が受け取った信号を増幅するため の増幅器（１８０、１８４）と、 ｃ）前記フォトダイオード・アレイ（１８１）が受け取った信号中で搬送される 情報を検出する手段（１８６）と、 ｄ）発光ダイオード・アレイ（１８７）と、 ｅ）前記発光ダイオード・アレイ（１８７）のダイオードを駆動するドライバ手 段（１９１）と、 ｆ）前記フォトダイオード・アレイ（１８１）の各フォトダイオードが受け取っ た信号を能動的に選択し別々に組み合わ せる手段（１８２ １８３、１９０）と、 ｇ）エコー信号の強さを決定する近接検出を行い、前記エコー信号が所定の限度 を超えた場合に前記発光ダイオード・アレイ（１８７）の発光ダイオードを切り 換える手段（１８８〜１９１）と を有する無線データ通信用の光送受信機。 ２５．インターフェース手段（１９２）を介してコンピュータのバス（１９３） に結合された請求の範囲第２４項に記載の光送受信機。