CN1316764C - 通信系统和通信照明设备 - Google Patents

Abstract

一种光信息发送、照明设备(2)被安装在提供一个普遍使用的、现有类型照明设备以施加光的地方。该照明设备(2)包括用于施加光的照明光源(4)和用于发送光信息的信息发送单元(5)。可能接收来自该照明设备(2)的信息的用户具有移动终端(3)，该移动终端接收从该信息发送单元(5)发送的光信息。由于现有类型的照明设备在我们的生活空间中被普遍使用。因此，光信息发送、照明设备(2)可把使用现有类型照明设备的每个地方变换成光通信空间。

Description

通信系统和通信照明设备

技术领域

本发明涉及一种通信系统和通信照明设备，每个都使用照明光来实现光通信。

背景技术

近年来，随着个人使用信息数量的增长，已经看到了宽带、有线或无线通信技术中的快速发展。更具体而言，利用现有电话线的通信服务已经投入使用，如ADSL(非对称数字用户线)。因此能够以高速度和低成本实现通信。下一代高速通信手段是光通信。光源、通信模块、通信设备和通信系统现在正在被开发，这些是使用光的光形式的家庭网或FTTH(光纤到户)网络所要求的。

在我们日常生活中，使用最广泛的发光装置是照明设备。照明设备是我们生活中必不可少的。它们被到处安装，并被整天使用。通常使用的照明设备是荧光灯和白炽灯。它们通常用在房间、工作空间、公共事业等等中。为节省能量，具有发光二极管(LED)或者使用有机EL(电发光)的照明设备近来已被开发。

有多种系统使用光进行通信。在这些系统中有一种系统用以控制机器人。在该系统中，一种发射/接收光的装置被提供在机器人工作房间的天花板或者墙上。光通信是在机器人和该发射/接收光的装置之间进行的。一个上述类型的系统例如公开于编号为2668793的日本专利中。

然而，公开于编号为2668793的日本专利中的这个系统仅仅是设计用于有限的用途，例如用于车间。发送和接收的信息只限于用于控制机器人的数据。该系统没有充分利用照明设备，照明设备是被广泛而普遍使用的发光装置。

正如上面所指出的，照明设备在我们的生活空间中被广泛使用来施加光。但是，它们所发射的光并未用在光通信中。这就意味着在我们的日常生活中现有的发光基础设施没有得到充分利用。

发明内容

本发明正是鉴于前述情况而做出的。本发明的目的之一是提供一种通信系统和通信照明设备，每个都使用照明光来实现光通信。

为了实现上述目的，根据本发明的通信系统包括一个通信照明设备和一个移动终端设备，其中，该通信照明设备具有一个发射照明光的第一光源单元和以光信号形式发送信息的第二光源单元；该移动终端设备接收由第二光源单元发射的光信号。

根据本发明的通信照明设备包括一个发射照明光的第一光源单元和一个以光信号形式发送信息的第二光源单元。

如前所述，本发明利用现有类型的照明设备来发送光信息。由于照明设备广泛地应用于我们的生活空间，所以本发明可以在不同的地方实现光通信。

本发明的通信照明设备可以代替传统照明设备使用。这样，它能够通过使用现有的光基础设施来以低成本安装。

此外，本发明的通信照明设备能够高速和高精度地发送信息。这是因为第二光源单元包括发射不同波长的光束的光源或者端面发射半导体激光器、垂直面发射半导体激光器和量子级联半导体激光器三者的组合。因此，这种通信照明设备能够高速和高精度地发送信息。另外，第二光源单元可以很小。

附图说明

图1是说明了按照本发明的光通信系统的示意图；

图2A是说明了传统照明设备如何发射光的图；

图2B是示出了光信息怎样发送，根据本发明的照明设备如何发射光，或者它如何发送光信息的图；

图3是代表信息发送单元的内部结构的框图，该单元并入图2B所示的照明设备中；

图4A是解释一个信息发送单元如何发射相同波长的激光束来实现光通信的示意图；

图4B是解释一个信息发送单元如何发射一个波长的激光束、而另外一个信息发送单元如何发射另一个波长的激光束，以实现光通信的示意图；

图5是解释一个作为多光束激光器或者多波长激光器的信息发送单元如何发射激光束以实现光通信的示意图；

图6A是本发明中可能会用到的发光元件的截面图。

图6B是本发明中可能会用到的另一种发光元件的截面图；

图7A是解释了照明光源是如何发送光信号的示意图；

图7B是解释了另一种照明光源是如何发送光信号的示意图；

图8是给出了控制照明光源和信息发送单元的一个控制单元的框图；以及

图9给出了一个具有发射可见激光束的激光器的照明设备，且图示了可接收光信息的一块区域。

具体实施方式

根据本发明的光通信系统1描述如下。该光通信系统1利用一种照明设备实现光通信，这种照明设备是光基础设施的组成部分。在系统1中，这种照明设备不仅执行其基本功能，即为人们提供一个“视域”，还执行实现光通信的附加功能。

图1显示了根据本发明的一个光通信系统1。该光通信系统1包括一个光信息发送、照明设备2和一个移动终端3。照明设备2能够以光信号的形式发送光信息。移动终端3能够接收该照明设备2已发射的光信号。

移动终端3包含一个光接收单元31和一个显示单元32。光接收单元31能够接收光信息发送、照明设备2发送的光信号。显示单元32可以向用户显示光信号所代表的信息。例如，移动终端3是一部移动电话、一个PDA(个人数字助理)或者一台膝上型计算机。除了显示单元32外，移动终端3还可能具有蜂鸣器或者LED。这样，蜂鸣器或者LED能够通知用户：终端3正在接收来自光信息发送、照明设备2的光信号。

光信息发送、照明设备2的构造将在下文中做详细描述。图2A阐明了一个传统照明设备100是如何发射光的。图2B示出了根据本发明的光信息发送、照明设备2是如何发射光的。从图2B可以看出，传统的照明设备100只是被设计来提供光(视域)的光源。与此不同的是，光信息发送、照明设备2不仅具有一个照明光源4，还具有一个信息发送单元5。信息发送单元5间歇地发射光。注意，照明光源4是例如荧光灯、白炽灯、LED或者有机EL装置。

光信息发送、照明设备2可以用与其他任一种通常地且普遍使用的照明设备相同的方式来被安装和替换。它还可能用以替代传统照明设备100，以提供可实现光通信的区域。类似传统照明设备100，照明设备2可以安装在我们生活空间的不同地方。这样，照明设备2就能够把这些区域变成光通信区域。应当注意的是，照明光源4并不仅限于荧光灯或白炽灯，后两者用以提供光(视域)。而是，照明光源4可能是电子公告牌或者发光标志器。

信息发送单元5是装配在照明光源4上的一个设备，以实现光信息的空间传送(也就是光数据通信)。该单元5是例如半导体激光器和其他一些组成部分的组合。是一种多光束装置发射许多不同波长的光束，因此而实现平面的光发射。此外，信息发送单元5还并入一个集成电路(IC)以间歇地驱动激光器(也就是光源)。

图3是一个框图，它给出了信息发送单元5的内部结构。信息发送单元5包括光源部分12、记录部分11、记录媒质6和控制部分10。光源部分12提供光信号。记录部分11记录代表信息的光信号。记录媒质6存储信息，由所述信息可能产生光信号。控制部分10控制光源部分12。该部分10从记录部分11或者记录媒质6读取信息，产生与该信息相对应的光信号并让光源部分12提供这些光信号。

信息发送单元5还包括一个读取部分61，用于从记录媒质6读取信息，以改变光信号所代表的信息。例如，记录媒质6是一个半导体存储器，如记忆棒。信息发送单元5有一个接口7，用于接收从外部设备提供的由光信号所代表的信息。例如，接口7是USB接口或者光纤连接器。在信息发送单元5中，上述IC中提供的记录部分11通过接口7记录从外部设备(如，信息终端和服务器)提供的光信号。因此，以与使用个人计算机相同的方式，信息发送单元5的用户可以改变光信号所代表的信息。注意，记录媒质6和读取部分61构成一种信息改变装置，同时接口7和记录部分11构成另外一种信息改变装置。信息传送单元5具备这些信息改变装置中的至少一种信息改变装置就足够了。

光源部分12具有一个半导体激光器或者量子级联激光器，其谐振波段的范围是从近红外波段(780-nm)到中远红外波段(1.5-μm或者更长)。可能使用量子级联激光器，因为它发射直线传播的非常相干的光束。具备半导体激光器或者量子级联激光器，则该光源部分12可以发射比散射光源发射的光束更强的光信号，这些光信号也因此更易于接收。量子级联激光器可以发射具有落入中远红外波段(尤其是3至4μm区域或8到13μm区域)的波长的光束。该中远红外波段被称为“大气之窗”。具有在该波段内的波长的光很少会被大气中的水蒸气吸收。因此，使用这个波段使得有可能抑制光信号的降级。这最终实现了光信号的远距离空间传送。

空间传送中使用的光的能量E由下式给出：

E＝hc/λ

其中h是普朗克常数，c是光速，λ是所用光的波长。

由于光源部分12包括一个激光器，它发射具有落入上述波长范围的长波长的光束，所以该信息发送单元5对人眼是非常安全的。

信息发送单元5可能具备一个多光束激光装置，该装置包括多个激光器，且发射多个激光束。多光束激光装置可能是被设计用于高速激光束打印机中的多光束激光器或者是被设计用于从CD或DVD复制数据的双波长激光器。在可用的多光束激光装置中，有一种可以独自发射多个激光束，而另一种可以独自发射不同波长的激光束。

图4A是一份示意图，解释了光信息发送、照明设备2中提供的一个信息发送单元51是如何发射多个激光束的。在该单元51中，激光器被独立地驱动，发射相同波长的并行激光束。发射的光束越多，传送的信息量越大。因此，信息发送单元51可以有助于实现涉及大量信息的高速光通信，如活动图像数据，正如在不远的将来将越来越期望的。

图4B的示意图说明了都在光信息发送、照明设备2中提供的两个信息发送单元52和53是如何发射激光束的。如图4B所示，信息发送单元52具有发射波长为λ₁的光束的激光器，而信息发送单元53则具有发射波长为λ₂的光束的激光器。因此，一种波长的激光束可以传递另一波长的激光束所不能传递的信息。这样，单元52和单元53共同协作，以实现涉及大量信息的高速光通信。

图5的示意图解释了在光信息发送、照明设备2中提供的一个信息发送单元54是如何发射多个激光束的。在此单元54中，激光器被独立地驱动，从而发射不同波长的并行激光束。这样，一单个信息发送单元，也就是单元54，以与图4B中所示的两个单元52和53相同的方式工作。该单元54能够独自实现涉及大量信息的高速光通信。

信息发送单元5中所使用的激光器可以是图6A中所示的一种IC器件81或者是图6B中所示的IC器件82。图6A是垂直腔表面发射(VCSEL)型的IC器件81的截面图。IC器件81按箭头方向发射一个激光束。IC器件81是一种激光器，它包括一个半导体片、一个光发射层及多个反射层。光发射层和反射层是在半导体片上提供的，在垂直于该半导体片表面的方向上一个放在另一个之上。IC器件81在这个方向上发射光。它可以用比图6B中所示的IC器件82还要小的功率发射光。

图6B给出了法布理-珀罗边缘发射型IC器件82的截面图。该IC器件82按箭头方向发射激光束。该IC器件82是一种激光器，它包括一个半导体片和多个条形发光层。该发光层排列在与半导体片表面相平行的方向上，而且每层都有反射面。在与该半导体片表面相平行的方向上，各发光层从该半导体片的一个表面上暴露的一端发射光。IC器件82有小的发光区域。因此其发光点可被容易地限制。由于IC器件82发射彼此相互独立的多个激光束。所以，不需要在信息发送单元5中使用多个光源。这有助于使单元5较小并减少它的组成部分的数量。

光信息发送、照明设备2可能具有一个激光器或者不同类型的多个激光器，包括上面提到的两种。为了选取一种激光器用于光信息发送、照明设备2，应当考虑可用的多种类型激光器的工作特性，以确定哪种类型可容易地用以制造该照明设备2。此外，一种从单个或多个激光器中提取光的方法应考虑到光信息发送、照明设备2的结构和内部配置，而被设计。这样，该照明设备2能够是小的、高性能的设备。

另一种类型的光信息发送、照明设备2将描述如下。如图7A所示，这种照明设备2具有一个被设计来施加“光”的照明光源41。该照明光源41间歇地发射光，因而发送光信号。照明光源41发射的光束是不相干的。该照明光源41所能发送的信息量是有限的。虽然如此，它所发射的光通过辐射传播，这也正是散射光的典型特征。非相干光束可以在宽广的区域中传递光信号。

图7B仍然给出了另一种光信息发送、照明设备2。这种光信息发送、照明设备2具有一个照明光源41和一个信息发送单元5。光源41发射相干光束。该信息发送单元5也发射一个相干光束。也就是说，光源41和单元5二者都发射一个光信号。相干光束能够检测出来，但是是在有限的区域内。尽管如此，仍可在更宽广的区域中检测它是否和另一相干光束组合在一起。非相干光束具有低的强度，且可以是很难被检测出来的。但是，如果该光束和另一相干光束组合在一起，则能够被检测出来，由此抑制了它所传递的光信号的噪声或发送错误。

图7A和图7B中所示的照明光源41的每个都必须与一个控制单元组合使用，后者会间歇地驱动光源41。这样的控制单元20在图8中给出。由光源41发射的光信号传送的信息被记录在记录单元21或者记录媒质6中。依照此信息，控制单元21间歇地驱动照明光源41。这样被驱动，则光源41间歇地发射光。控制单元20可能不仅仅控制照明光源41，而且还控制信息发送单元5。图8中所示的其他组成部分与图2中所示部分等同，其以相同的参考数字指代，且将不再描述。

图9中描述的是一种光信息发送、照明设备2，它具有一种用于发射可见激光束的可见光激光器9。图9还指出了一块能够接收光信息的区域。光通信中所使用的大多数光源发射波长在近红外区域(780-nm)或者有更长波长的光。因此它们发射的光对人眼是不可见的。虽然任何一种可见光激光器发射的光都具有极高的能量，但是本实施方案中使用的是人眼不可见的光。因此，图9中的光信息发送、照明设备2也是所谓的“视力安全设计”，它不发射对人眼有害的光束。

对光通信系统1的使用将解释如下。光信息发送、照明设备2可以广告、公告板、备忘录、指南等形式提供信息。诸如公司的利益组织可能会利用光信息发送、照明设备2给出广告、商品-指南、服务信息等等。公共机构可能利用该照明设备2来提供公告板、指南和信息。人们可能使用设备2来给出广告、设立公告板、公开诸如个人备忘录的信息等。

用以实现光通信的光信息发送、照明设备2可以安装在便利商店、火车站的月台和售票窗、火车车厢中、大厦入口、停车场、汽车前灯、电子公告牌上等等。

任何照明设备都施加光，从而提供“来自视域的信息”。利用“视域中的信息”，我们能够在视觉上辨别他或她所处的空间以及该空间中存在的任何一个目标。光信息发送、照明设备2还可以向个人给出他或她所处位置的信息以及被安排在那个地方的所有目标的信息。

例如，如果安装在火车车厢里、车站月台上或者车站售票窗口，则光信息发送、照明设备2能够向人们给出有关运行车次的信息以及建议他们怎样在火车上高效率地度过时间。关于火车的信息可能包括有关车站、站场指南、观光指南、时刻表、延迟的发车和到站、车次换乘指南、到达特定目的地所要求的时间等等的数据。建议在火车上有效使用时间的信息可能是人们在火车上可阅读的书籍清单以及他们在火车上可享受的一些游戏。火车是大多数不同年龄的人所使用的交通工具。考虑到这一点，照明设备2可能要应企业或地方政府的要求而提供广告。

如果照明设备2安装在户外，比如在大街上、大厦入口处或停车场，则它可以给出有关其被安装的位置的信息。该信息可能是该位置的地址、该位置中有效的规章、该位置的安全状况、在该位置中可以得到的房地产的详细信息、出租的房屋、停车场指南、到最近的车站的指南或者广告。

光信息发送、照明设备2可能被安装在便利商店中。这样，该照明设备2可以提供有关商店和店中所售商品的信息，例如有关其他商店、新品牌商品、商品价格以及食品种类的数据。此外，照明设备2还可以显示广告。如果照明设备2被安装在汽车前灯，则它可以显示被登记的车牌号码、车检记录以及车主的个人广告。假定该照明设备2被安装在电子公告牌上。那么，它可能显示广告、不同学校的指南等等。

如果光信息发送、照明设备2安装在户外，那么它可提供的光信息就并不仅受限于广告。而是，该照明设备2能够向大众给出有用的信息，如安全状况、警告、指南等等。如果照明设备2被安装在一间房屋内，则它能够给出家庭成员间的共享信息，如重要备忘录、有关家庭成员的个人数据、安全状况等等。

目前，人们整天使用照明设备作为用于提供“光”的装置。照明设备给出光，由此而给我们以“来自视域的信息”。根据本发明，光信息发送、照明设备2发射照明光，发送信息解决和满足了打算在光可用的位置做事情的个人的心理上的问题和需求。也就是说，照明光得到了有效利用，它不仅仅照亮事物，还帮助人们实现自己的愿望。

光信息发送、照明设备2发送的信息让靠近照明设备2的人们感到安全和满意。光通信系统1可以通过出售光信息发送、照明设备2或者提供安装照明设备2的地点而被用于广告业中。只是通过把现有的照明设备换成光信息发送、照明设备2，则甚至连个人也可以利用光通信系统1来发送信息。

为了实现信息的空间传送，一个相干光源，如半导体激光器，对于光通信系统1是必不可少的。这种空间传送是通过利用发射长波长光的光源而实现的。因此，长波长光源的源对于光通信是必不可少的。这是为何将双波长激光器或者多波束激光器技术应用在本发明中以实现高速无线通信的原因。

相干光源还可能进一步改进以发射波长更长的光。例如，中远红外波段(尤其是3至4μm区域或8到13μm区域)有一个部分，其中的光很少被大气中的水蒸气吸收掉。中远红外波段的这个部分被称作“大气之窗”。大气之窗的使用实现了远距离光通信。

中远红外波段包括一个吸收区域，在该区域光由于不同气体的振动或旋转而被吸收。因此，波长在此吸收区域中的光可以用来检测ppm(百万分之)量级的气体吸收。这样，通过测量来自光信息发送单元5的光量，房屋或者工厂中的气体浓度就可以被确定。这在安全和健康方面为人们提供了重要信息。

Claims (18)

1、一种通信系统包括：

通信照明设备，该通信照明设备具有第一光源单元和第二光源单元，该第一光源单元发射照明光，而第二光源单元以光信号形式发送信息；以及

移动终端设备，该移动终端设备接收由该第二光源发射的光信号；

其中该通信系统还包括第三光源单元，该第三光源单元发射可见光束，指示一个能够接收从该第二光源单元发射的光信号的区域。

2、根据权利要求1的通信系统，其中该第二光源单元具有在近红外频带、中远红外频带或者更长波长频带中的发射频带。

3、根据权利要求1的通信系统，其中该第二光源单元具有至少两个光源，它们相互独立，间歇地发射相同波长的光束。

4、根据权利要求1的通信系统，其中该第二光源单元具有至少两个光源，它们相互独立，间歇地发射不同波长的光束。

5、根据权利要求1的通信系统，其中该第一光源单元以预定模式间歇地发射光信号。

6、根据权利要求1的通信系统，其中该移动终端设备具有光信号显示装置，以显示所接收到的光信号的内容。

7、一种通信照明设备包括：

发射照明光的第一光源单元；以及

以光信号形式发送信息的第二光源单元；

其中该通信照明设备还包括第三光源单元，该第三光源单元发射可见光束，指示一个能够接收从该第二光源单元发射的光信号的区域。

8、根据权利要求7的通信照明设备，其中该第二光源单元为照明光源。

9、根据权利要求7的通信照明设备，其中该第二光源单元具有在近红外频带、中远红外频带或者更长波长频带中的发射频带。

10、根据权利要求7的通信照明设备，其中该第二光源单元具有至少两个光源，它们相互独立，间歇地发射相同波长的光束。

11、根据权利要求7的通信照明设备，其中该第二光源单元具有至少两个光源，它们相互独立，间歇地发射不同波长的光束。

12、根据权利要求7的通信照明设备，其中该第二光源单元使端面发射半导体激光器用作为光源。

13、根据权利要求7的通信照明设备，其中该第二光源单元使垂直面发射半导体激光器用作为光源。

14、根据权利要求7的通信照明设备，其中该第二光源单元使量子级联半导体激光器用作为光源。

15、根据权利要求7的通信照明设备，其中该第二光源单元是一个端面发射半导体激光器、一个垂直面发射半导体激光器以及一个量子级联半导体激光器的组合。

16、根据权利要求7的通信照明设备，还包括可拆卸的记录媒质和读取装置，该记录媒质存储要以光信号形式发送的信息，而该读取装置用于读取存储在该记录媒质中的信息。

17、根据权利要求7的通信照明设备，还包括信息输入部分和记录装置，该信息输入部分用于从外部设备接收要以光信号形式进行发送的信息，而该记录装置用于记录由该信息输入部分接收到的信息。

18、根据权利要求7的通信照明设备，其中该第一光源单元以预定模式间歇地发射光信号。

Images