Терминал для системы открытой оптической связи
Изобретение относится к технике оптической связи. Технический результат состоит в упрощении конструкции и уменьшении его габаритов. Для этого терминал содержит объектив и расположенные в его фокальной области фотоприемник и источник передаваемого оптического излучения, которые соединены соответственно с электронными блоками обработки принимаемого сигнала и формирования передаваемого сигнала, при этом на пути пучка передаваемого излучения размещена изменяющая ход световых лучей прозрачная пластина, не препятствующая попаданию пучка принимаемого излучения в фотоприемник. 8 з.п.ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к системам открытой оптической связи и может быть использовано для двусторонней передачи информации между удаленными друг от друга объектами без использования проводов и/или оптических волокон, в том числе при большом числе объектов, участвующих в обмене информацией, в том числе в случаях, когда на пути переносящего информацию излучения находятся оптически неоднородные объекты (турбулентная атмосфера, оконные стекла и т.п.).
Известен терминал системы открытой оптической связи, оборудованный средством, предназначенным для достижения направленности сигнального излучения на противоположный терминал (JP 10-051385 [1]). Указанное средство содержит несколько отражательных элементов, образующих интерферометр, фокусирующую оптику, устройство для слежения за сдвигом интерференционных полос, а также систему управления положением отражающих элементов. Недостатком этого терминала является то, что он является весьма сложным и дорогим, поскольку содержит большое количество оптических элементов и устройств слежения за их положением. Кроме того, вся система весьма чувствительна к стабильности взаимного расположения оптических элементов.
Известен терминал открытой оптической связи, снабженный средствами компенсации отклонений испускаемого им светового пучка, вызванных различного рода вибрациями (JP 2000-209157 [2]). Терминал содержит два светоделителя, два отражателя и механизмы управления положением отражателей. Недостатком этого устройства является его сложность и дороговизна, обусловленная большим количеством оптических и механических элементов.
Известен терминал открытой оптической связи, описанный в US 5689354 [3]. Данный терминал включает в себя источник излучения, антенну и устройство, позволяющее юстировать по двум угловым координатам испускаемый световой пучок. Это устройство содержит управляющий процессор, зеркало с двухкоординатным приводом, несколько линз, светоделитель в виде полупрозрачного зеркала и поляризационный расщепитель, а также средство для определения смещения пучков от заданного положения. Недостатком известного терминала является его сложность, дороговизна, а также необходимость обеспечения стабильности взаимного расположения оптических элементов.
Наиболее близким к заявляемому является терминал, известный из RU 0041397 [4].
Данный терминал системы открытой оптической связи содержит оптическую антенну (например, линзу), источник излучения, снабженный средством модуляции информационным сигналом испускаемого им и направляемого на антенну оптического излучения, а также размещенный между источником и антенной светоделитель, оптически связанный с регистратором изображений (фотоприемником) и с отражающим устройством, обеспечивающим совмещение осей падающего на него и отраженного им световых пучков, причем все упомянутые оптические элементы установлены на общей платформе, выполненной с возможностью ее углового перемещения.
Недостатком известного терминала является его относительная сложность и относительно большие габариты.
Заявляемый в качестве изобретения терминал направлен на упрощение конструкции и уменьшение его габаритов.
Указанный результат достигается тем, что терминал для системы открытой оптической связи содержит объектив и расположенные в его фокальной области фотоприемник и источник передаваемого оптического излучения, которые соединены соответственно с электронными блоками обработки принимаемого сигнала и формирования передаваемого сигнала, при этом на пути пучка передаваемого излучения размещена изменяющая ход световых лучей прозрачная пластина, не препятствующая попаданию пучка принимаемого излучения в фотоприемник.
Указанный результат достигается также тем, что световой диаметр прозрачной пластины не превышает диаметра падающего на нее пучка передаваемого излучения.
Указанный результат достигается также тем, что пластина размещена между источником передаваемого излучения и объективом.
Указанный результат достигается также тем, что пластина размещена за объективом по ходу пучка передаваемого излучения.
Указанный результат достигается также тем, что пластина выполнена плоскопараллельной и установлена так, что сдвиг оси пучка от источника передаваемого излучения, осуществляемый пластиной, происходит в направлении от источника передаваемого излучения к фотоприемнику.
Указанный результат достигается также тем, что параметры пластины, размещенной между источником передаваемого излучения и объективом, выбраны исходя из соотношения:
где r - расстояние, на которое пластина сдвигает ось падающего на нее пучка от источника передаваемого излучения;
α - угол между этой осью и оптической осью линзы, проходящей через оптические центры объектива и фотоприемника;
с - расстояние от центра источника передаваемого излучения до оптической оси объектива.
Указанный результат достигается также тем, что прозрачная пластина выполнена в виде клина, преломляющее ребро которого перпендикулярно направлению от центра фотоприемника к центру источника передаваемого излучения, причем толщина пластины возрастает в этом направлении.
Указанный результат достигается также тем, что параметры прозрачной пластины, размещенной между источником передаваемого излучения и объективом, выбраны исходя из соотношений
где ϕ - угол, на который пластина отклоняет ось падающего на нее пучка передаваемого излучения;
с - расстояние от центра источника передаваемого излучения до оптической оси объектива, проходящей через оптические центры объектива и фотоприемника;
F - фокусное расстояние объектива;
L - расстояние от источника передаваемого излучения до прозрачной пластины, измеренное вдоль оси пучка этого излучения.
Указанный результат достигается также тем, что параметры пластины, размещенной за объективом по ходу пучка передаваемого излучения, выбраны исходя из соотношения
где ϕ - угол, на который пластина отклоняет ось падающего на нее пучка передаваемого излучения;
с - расстояние от центра источника до оптической оси объектива, проходящей через оптические центры объектива и фотоприемника;
F - фокусное расстояние объектива.
Выполнение терминала для открытой оптической связи в виде объектива, выполняющего роль оптической антенны для принимаемого и передаваемого сигналов и расположенных за ним по ходу принимаемого излучения фотодетектора, излучателя и соединенных с ними блоков обработки принимаемого и формирования передаваемого сигнала, и размещаемой на пути пучка передаваемого излучения прозрачной пластины, не препятствующей попаданию пучка принимаемого излучения в фотоприемник, позволяет существенно упростить конструкцию терминала и уменьшить его габариты. Действительно, при таком расположении конструктивных элементов габариты терминала не будут превышать размеров объектива, выполняющего роль антенны. При этом наличие прозрачной пластины позволяет обеспечить выход оптического пучка, несущего информацию от излучателя терминала, информацию от излучателя терминала, параллельно оси или его приемной антенны или под заданными углами. Такое конструктивное выполнение позволяет исключить из конструкции терминала установку специального объектива, который обычно предназначен для коллимации пучков передаваемого излучения. Это позволяет существенно удешевить конструкцию терминала, поскольку стоимость прозрачной пластины меньше стоимости любого объектива такого же диаметра. В принципе возможно размещение упомянутой прозрачной пластины как с одной, так и с другой стороны объектива (антенны).
Однако наиболее целесообразным представляется размещение прозрачной пластины между излучателем и объективом (антенной), поскольку в этом случае наиболее существенно снижаются габариты устройства. В другом варианте реализации целесообразно размещение прозрачной пластины за антенной по ходу передаваемого излучения. В этом случае могут быть снижены потери принимаемого излучения, поскольку прозрачная пластина может быть размещена в стороне от апертуры объектива.
Для того чтобы оптимизировать величину приемного сигнала за счет максимально возможного использования площади приемной антенны (объектива), необходимо минимизировать размеры прозрачной пластины, которая, находясь на пути принимаемого излучения, влияет на величину принимаемого сигнала. Поэтому в частных случаях реализации для оптимизации указанного выше процесса необходимо максимально уменьшить площадь прозрачной пластины, для чего ее площадь не должна превышать диаметра падающего на нее светового пучка передаваемого излучения.
Наиболее оптимально, если прозрачная пластина выполнена плоскопараллельной и установлена так, что сдвиг оси пучка от источника передаваемого излучения, осуществляемый пластиной, происходит в направлении от источника передаваемого излучения к фотоприемнику. В этом случае затраты на изготовление терминала будут минимизированы, поскольку изготовление плоскопараллельных пластин не представляет каких-либо технологических трудностей.
Для обеспечения коллинеарности излучаемого и принимаемого пучков параметры плоскопараллельной пластины, установленной между источником излучения и объективом, выбирают исходя из соотношения 
Действительно, при выборе такого соотношения пластина обеспечивает коллинеарность излучаемого и принимаемого пучков с наибольшей точностью.
В других частных случаях реализации прозрачную пластину можно выполнять в виде клина. Это позволяет сместить фотоприемник и излучатель на большее расстояние друг от друга при относительно небольшом весе и толщине клина по сравнению с плоскопараллельной пластиной. При этом преломляющее ребро клина перпендикулярно направлению от центра фотоприемника к центру источника передаваемого излучения, причем толщина пластины возрастает в этом направлении.
Для оптимизации устройства целесообразно параметры прозрачной пластины, выполненной в виде клина и установленной между источником излучения и объективом, выбирать исходя из соотношений
Выполнение этих соотношений обеспечивает коллинеарность с наибольшей точностью.
В случае размещения клиновидной пластины за объективом по ходу пучка передаваемого излучения целесообразно параметры клина выбирать исходя из соотношения 
Сущность заявляемого терминала системы открытой оптической связи поясняется примерами его реализации и чертежами. На фиг.1, 2 и 3 схематично показаны варианты реализации терминала в общем виде с различным размещением относительно объектива прозрачной пластины - плоскопараллельной и в виде оптического клина.
Пример 1. В одном из вариантов реализации терминал системы открытой оптической связи содержит объектив 1, выполняющий роль антенны для приема сигналов извне и передачи сигналов к сопряженному терминалу. В фокальной области объектива 1 размещены источник 2 передаваемого оптического излучения, соединенный с блоком 3 формирования передаваемого сигнала, и фотоприемник 4, соединенный с блоком 5 обработки принимаемого сигнала. Все упомянутые средства могут быть выбраны из числа известных, применяемых в данной области техники. На пути пучка передаваемого излучения от источника 2, между источником и объективом 1, размещена прозрачная пластина 6, размер которой меньше апертуры объектива. Поэтому пластина не вносит существенного ослабления в величину принимаемого сигнала и не препятствует попаданию пучка принимаемого излучения в фотоприемник.
Терминал для системы открытой оптической связи функционирует следующим образом. Принимаемый сигнал в виде светового пучка, модулированного соответствующим образом, попадает на объектив 1 и фокусируется в его фокальной области. В этой же фокальной области размещен фотоприемник 4, на который и попадает принимаемое излучение, которое обрабатывается блоком 5 и передается потребителю. Для передачи информации от блока 3 формирования передаваемого сигнала передается модулирующий сигнал на источник 2 передаваемого оптического излучения. Пучок от источника 2, являющийся расходящимся, попадает на прозрачную пластину 6, которая смещает его в сторону оптической оси объектива.
Пример 2. В еще одном из вариантов реализации терминал системы открытой оптической связи содержит объектив 1, выполняющий роль антенны для приема сигналов извне и передачи сигналов. В фокальной области объектива 1 размещены источник 2 передаваемого оптического излучения, соединенный с блоком 3 формирования передаваемого сигнала, и фотоприемник 4, соединенный с блоком 5 обработки принимаемого сигнала. Все упомянутые средства могут быть выбраны из числа известных, применяемых в данной области техники. На пути пучка передаваемого излучения от источника 2 за объективом 1 (по ходу пучка передаваемого излучения) размещена прозрачная пластина 6, выполненная в виде клина.
Терминал для системы открытой оптической связи функционирует следующим образом. Принимаемый сигнал в виде светового пучка модулированного соответствующим образом попадает на объектив 1 и фокусируется в его фокальной области. В этой же фокальной области размещен фотоприемник 4, на который и попадает принимаемый сигнал, который обрабатывается блоком 5 и передается потребителю. Для передачи информации от блока 3 формирования передаваемого сигнала передается модулирующий сигнал на источник 2 передаваемого оптического излучения. Пучок от источника 2, являющийся расходящимся, попадает на объектив 1, который формирует из него параллельный пучок, идущий под углом к оптической оси объектива. На пути этого пучка и устанавливают клиновидную пластину, которая поворачивает луч так, что он становится коллинеарным пучку принимаемого излучения.
Пример 3. В одном из вариантов реализации терминал системы открытой оптической связи содержит объектив 1, выполняющий роль антенны для приема сигналов извне и передачи сигналов. В фокальной области объектива 1 размещены источник 2 передаваемого оптического излучения, соединенный с блоком 3 формирования передаваемого сигнала, и фотоприемник 4, соединенный с блоком 5 обработки принимаемого сигнала. Все упомянутые средства могут быть выбраны из числа известных, применяемых в данной области техники. На пути пучка передаваемого излучения от источника 2, между источником и объективом, размещена прозрачная пластина 6, выполненная в виде оптического клина, размер которого в плоскости объектива меньше апертуры объектива. Поэтому пластина не вносит существенного ослабления в величину принимаемого сигнала и не препятствует попаданию пучка принимаемого излучения в фотоприемник.
Терминал для системы открытой оптической связи функционирует следующим образом. Принимаемый сигнал в виде светового пучка, модулированного соответствующим образом, попадает на объектив 1 и фокусируется в его фокальной области. В этой же фокальной области размещен фотоприемник 4, на который и попадает принимаемый сигнал, который обрабатывается блоком 5 и передается потребителю. Для передачи информации от блока 3 формирования передаваемого сигнала передается модулирующий сигнал на источник 2 передаваемого оптического излучения. Пучок от источника 2, являющийся расходящимся, попадает на оптический клин (прозрачную пластину) 6 и расположенный за ним объектив. В результате чего после прохождения этих элементов пучок передаваемого излучения становится коллинеарным принимаемому.
1. Терминал для системы открытой оптической связи, содержащий объектив и расположенные в его фокальной области фотоприемник и источник передаваемого оптического излучения, которые соединены соответственно с электронными блоками обработки принимаемого сигнала и формирования передаваемого сигнала, при этом на пути пучка передаваемого излучения размещена изменяющая ход световых лучей прозрачная пластина, не препятствующая попаданию пучка принимаемого излучения в фотоприемник.
2. Терминал по п.1, отличающийся тем, что световой диаметр прозрачной пластины не превышает диаметра падающего на нее пучка передаваемого излучения.
3. Терминал по п.1, отличающийся тем, что пластина размещена между источником передаваемого излучения и объективом.
4. Терминал по п.1, отличающийся тем, что пластина размещена за объективом по ходу пучка передаваемого излучения.
5. Терминал по п.3, отличающийся тем, что пластина выполнена плоскопараллельной, и установлена так, что сдвиг оси пучка от источника передаваемого излучения, осуществляемый пластиной, происходит в направлении от источника передаваемого излучения к фотоприемнику.
6. Терминал по п.5, отличающийся тем, что параметры пластины, размещенной между источником передаваемого излучения и объективом, выбраны исходя из соотношения:
где r - расстояние, на которое пластина сдвигает ось падающего на нее пучка от источника передаваемого излучения;
α - угол между этой осью и оптической осью линзы, проходящей через оптические центры объектива и фотоприемника;
с - расстояние от центра источника передаваемого излучения до оптической оси объектива.
7. Терминал по п.1, отличающийся тем, что прозрачная пластина выполнена в виде клина, преломляющее ребро которого перпендикулярно направлению от центра фотоприемника к центру источника передаваемого излучения, причем толщина пластины возрастает в этом направлении.
8. Терминал по п.7, отличающийся тем, что параметры прозрачной пластины, размещенной между источником передаваемого излучения и объективом, выбраны исходя из соотношений:
где ϕ - угол, на который пластина отклоняет ось падающего на нее пучка передаваемого излучения;
с - расстояние от центра источника передаваемого излучения до оптической оси объектива, проходящей через оптические центры объектива и фотоприемника;
F - фокусное расстояние объектива;
L - расстояние от источника передаваемого излучения до прозрачной пластины, измеренное вдоль оси пучка этого излучения.
9. Терминал по п.7, отличающийся тем, что параметры пластины, размещенной за объективом по ходу пучка передаваемого излучения, выбраны исходя из соотношения:
где ϕ - угол, на который пластина отклоняет ось падающего на нее пучка передаваемого излучения;
с - расстояние от центра источника до оптической оси объектива, проходящей через оптические центры объектива и фотоприемника;
F - фокусное расстояние объектива.
