DE10058161C2

DE10058161C2 - Laser communication system

Info

Publication number: DE10058161C2
Application number: DE2000158161
Authority: DE
Inventors: Andreas Mueller; Rafael Egger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-11-22
Filing date: 2000-11-22
Publication date: 2003-10-02
Anticipated expiration: 2020-11-23
Also published as: WO2002043284A3; AU2002231632A1; DE10058161A1; WO2002043284A2

Description

Die Erfindung betrifft ein Laserkommunikationssystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a laser communication system according to the Preamble of claim 1.

Laserkommunikationssysteme werden beispielsweise zur Übertra gung von Informationen über eine Entfernung von mehreren hun dert Metern bis einige Kilometer eingesetzt, wobei sowohl Sprachinformationen als auch Dateninformationen übermittelbar sind. Die Laserkommunikationssysteme bestehen aus einem Laser- Sendegerät, welches einen Laserstrahl erzeugt, der Träger der zu übermittelnden Informationen ist, und einem Laser- Empfangsgerät, welches den Laserstrahl auffängt und die empfan genen Informationen weiterleitet.Laser communication systems, for example, are used for transmission providing information about a distance of several hours used meters to a few kilometers, both Voice information and data information can be transmitted are. The laser communication systems consist of a laser Transmitting device that generates a laser beam, the carrier of the information to be transmitted and a laser Receiver device, which intercepts the laser beam and receives it forwarded information.

Bei derartigen Laserkommunikationssystemen muss sichergestellt sein, dass trotz der mit zunehmender Distanz zwischen Sende- und Empfangsgerät größer werdenden Laserstrahlauffächerung und damit einhergehender Verminderung der Strahlintensität ein aus reichend hohes Signal am Empfangsgerät ankommt, dem die zu ü bertragenden Informationen zu entnehmen sind. Dies erfordert eine sehr präzise Ausrichtung des Sendegeräts auf das Empfangs gerät. Bereits geringe Abweichungen in der Strahlrichtung des Laserstrahls führen zu einer signifikanten Verminderung der Strahlintensität, mit der Folge, dass die im Empfangssystem an kommende Laserleistung für eine erfolgreiche Übertragung von Informationen nicht mehr ausreicht.With such laser communication systems must be ensured be that despite the increasing distance between and receiving device increasing laser beam fanning and associated reduction in the beam intensity Sufficiently high signal arrives at the receiving device to which the transferred information can be found. This requires a very precise alignment of the transmitter with the reception device. Already slight deviations in the beam direction of the Laser beam lead to a significant reduction in the Beam intensity, with the result that in the receiving system upcoming laser power for a successful transmission of Information is no longer sufficient.

Eine Beeinträchtigung der Informationsübertragung kann auch bei optimal ausgerichtetem Laserstrahl auftreten, wenn der Laserstrahl auf Grund schlechter Wetterbedingungen stark gedämpft wird. In diesem Fall muss die Strahlintensität verstärkt wer den, damit an der Empfangseinheit ein verwertbares Empfangssig nal ankommt.An impairment of the information transfer can also optimally aligned laser beam occur when the laser beam badly dampened due to bad weather conditions becomes. In this case, the beam intensity must be increased the so that a usable reception sig nal arrives.

Sowohl die Justierung der Strahlrichtung als auch die Anpassung der Strahlintensität müssen bei einer entsprechenden Abschwä chung des Empfangssignals unverzüglich durchgeführt werden, um eine korrekte Signalübertragung sicherzustellen.Both the adjustment of the beam direction and the adjustment the beam intensity must with a corresponding Abwä chess of the received signal to be carried out immediately ensure correct signal transmission.

Aus der Druckschrift DE 43 21 803 A1 ist ein Laserkommunikati onssystem bekannt, das eine Laser-Sendeeinheit zur Erzeugung eines Laserstrahles sowie eine Laser-Empfangseinheit zum Emp fang des Laserstrahles umfasst. Die Lasereinrichtung wird im Kanalbau eingesetzt und dient als Nivelliergerät beispielsweise beim Erdaushub, der Planierung von Baugruben, beim Einnivellie ren von Gleiskörpern und dergleichen. Um nach einer Unterbre chung der Kanalbauarbeiten mit geringem Justieraufwand die Messarbeiten wieder aufnehmen zu können, ist das Laser- Empfangsgerät mit einer Fernsteuerung ausgestattet, wodurch es möglich ist, die gesamte Einrichtung von mit nur einer Bedien person ferngesteuert zu betätigen.A laser communication is known from the publication DE 43 21 803 A1 on system known that a laser transmitter unit for generation a laser beam and a laser receiving unit for emp catch of the laser beam. The laser device is in Used channel construction and serves as a leveling device, for example excavation, leveling construction pits, leveling ren of track bodies and the like. To look for a sub the sewer construction work with little adjustment effort To be able to start measuring again is the laser Receiver equipped with a remote control, which makes it is possible to set up the entire set up with just one operator to operate person remotely.

Derartige Lasereinrichtungen sind jedoch nicht dazu geeignet, selbsttätig ohne Eingriff einer Bedienperson eine Justierung durchzuführen. Eben dies ist jedoch im Dauerbetrieb von Laser kommunikationseinrichtungen erforderlich, welche beispielsweise zur Informationsübertragung eingesetzt werden und auch bei un terschiedlichen, rasch wechselnden Witterungsbedingungen stö rungsfrei funktionieren müssen.However, such laser devices are not suitable for an adjustment automatically without operator intervention perform. However, this is exactly what is in continuous operation of laser communication facilities required, for example be used for information transfer and also at un different, rapidly changing weather conditions have to function smoothly.

Aus der Druckschrift DE 34 06 677 A1 ist eine Einrichtung zur Kompensation der Auswanderung eines über eine ablenkende Optik geführten Laserstrahles bekannt, wobei zur Kompensation von Versatz und Winkelfehlern des separat aufzustellenden Lasers zwei Stellspiegel vorgesehen sind, mit deren Hilfe die Strahl position am Einkoppelpunkt konstant gehalten wird. Eine Abwei chung des Laserstrahls von seiner idealen Strahlrichtung wird mittels eines photoelektrischen Detektors gemessen, woraufhin eine Regelabweichung erzeugt wird, die der exakten Justierung des Laserstrahls zugrunde gelegt wird.From the document DE 34 06 677 A1 a device for Compensation for emigration via a distracting optic guided laser beam known, being used to compensate for Misalignment and angular errors of the laser to be set up separately Two parking mirrors are provided, with the help of which the beam position at the coupling point is kept constant. A deviation of the laser beam from its ideal beam direction measured by means of a photoelectric detector, whereupon a control deviation is generated, that of the exact adjustment of the laser beam is used.

Bei dem aus der DE 34 06 677 A1 bekannten System ist eine Nor mierung der Strahlintensität des ideal ausgerichteten Laser strahls auf einen Absolutwert im photoelektrischen Detektor er forderlich, damit beurteilt werden kann, ob der Laserstrahl aus seiner idealen Position ausgelenkt ist. Mit diesem System kön nen beispielsweise wetterbedingte Übertragungsbeeinträchtigun gen bei denen der Laserstrahl allein auf Grund der Wettersitu ation ge schwächt ist, nicht detektiert werden.In the system known from DE 34 06 677 A1, a Nor beam intensity of the ideally aligned laser to an absolute value in the photoelectric detector required so that it can be assessed whether the laser beam is out is deflected from its ideal position. With this system for example, weather-related transmission impairments conditions where the laser beam is solely due to the weather situation ation ge is weak, cannot be detected.

Aus der Druckschrift DE 195 12 966 C2 ist eine periodische Schwankung eines Laser-Empfangsteleskops bekannt, wobei aus der periodischen Schwankung eine optimale Position des Empfangste leskops bestimmt werden kann. Die Einstellung der Laser- Sendeeinheit ist jedoch nicht Gegenstand der DE 195 12 966 C2.From the publication DE 195 12 966 C2 is a periodic Fluctuation of a laser receiving telescope known, being from the periodic fluctuation an optimal position of the receiver lescopes can be determined. The setting of the laser However, the transmitter unit is not the subject of DE 195 12 966 C2.

Zum allgemeinen technologischen Hintergrund wird noch auf die Druckschrift DE 34 06 676 A1 verwiesen.The general technological background is still on Reference DE 34 06 676 A1 referenced.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Signalübertragung zwischen einer Sendeeinheit und einer Empfangseinheit eines La serkommunikationssystems auch bei Störungen der Position eines beteiligten Bauteils oder unter schlechten Wetterbedingungen sicherzustellen.The invention is based on the problem of signal transmission between a transmitting unit and a receiving unit of a La communication system even in the event of a position error involved component or under bad weather conditions sure.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß bei einem Laserkommunikationssystem mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.This problem is solved according to the invention in a laser communication system solved with the features of claim 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Laserkommunikationssystem ist die Po sition eines Bauteils der Lasersendeeinheit über ein elektrisch betätigbares Positionierungselement veränderbar, wobei über die Position des Bauteils die Strahlrichtung oder die Strahldiver genz des Laserstrahls beeinflusst wird. Hierzu wird in der La ser-Empfangseinheit die Strahlintensität gemessen und der Er zeugung einer Steuerspannung zugrunde gelegt, welche dem Posi tionierungselement zur Einstellung der Bauteilposition zuführ bar ist. Die Strahlintensität wird sowohl von der Strahlrich tung als auch von der Strahldivergenz des Laserstrahls beein flusst.In the laser communication system according to the invention, the bottom is sition of a component of the laser transmitter unit via an electrical actuatable positioning element changeable, with the Position of the component, the beam direction or the beam divider is influenced by the laser beam. For this purpose, in La ser receiving unit measured the beam intensity and the Er generation of a control voltage based on the Posi tionation element for setting the component position is cash. The beam intensity is determined by the beam direction tion as well as the beam divergence of the laser beam enced.

Dieses Laserkommunikationssystem stellt einen geschlossenen Re gelkreis dar, bei dem in Abhängigkeit des in der Laser- Empfangseinheit aufgenommenen, die Strahlintensität repräsen tierenden Empfangssignals die Steuerspannung erzeugt wird, die dem Positionierungselement zugeführt wird, wodurch die Strahl richtung des Laserstrahls auf die Empfangseinheit stabilisiert und/oder die Strahldivergenz an die aktuellen Bedingungen ange passt wird. Das Positionierungselement beaufschlagt insbesonde re ein Bauteil in der Laser-Sendeeinheit.This laser communication system represents a closed re circle in which, depending on the laser Receiving unit recorded, which represent the beam intensity the received signal, the control voltage is generated is fed to the positioning element, whereby the beam direction of the laser beam stabilized on the receiving unit and / or the beam divergence to the current conditions will fit. The positioning element acts in particular re a component in the laser transmitter unit.

Die Einstellung des Laserkommunikationssystems kann insbesonde re selbsttätig ohne manuellen Eingriff von außen erfolgen, so dass Übertragungsstörungen unverzüglich ausgeglichen werden und eine Beeinträchtigung der Signalübertragung weitestgehend ver mieden wird. Gegebenenfalls kommt aber auch eine manuelle Ein stellung in Betracht, wobei in diesem Fall die Höhe der Steuer spannung, welche in der Laser-Empfangseinheit ermittelt worden ist, der die Einstellung der Sendeeinheit vornehmenden Person zur Anzeige gebracht wird. The setting of the laser communication system can in particular re done automatically without manual intervention from the outside, so that transmission disturbances are compensated for immediately and an impairment of the signal transmission largely ver is avoided. If necessary, there is also a manual on position, in which case the amount of tax voltage, which was determined in the laser receiving unit is the person making the setting of the transmitter unit is displayed.

Als Positionierungselement wird ein Piezoelement verwendet, an das die ermittelte Steuerspannung angelegt wird und dessen Aus dehnung durch Aufbringen der Steuerspannung verändert werden kann, wodurch auch die Bauteilposition, die die Strahlrichtung beeinflusst, verändert wird. Piezoelemente zeichnen sich durch eine präzise Steuerbarkeit und eine hohe Kraftübertragung aus.A piezo element is used as the positioning element that the determined control voltage is applied and its off elongation can be changed by applying the control voltage can, which also means the component position, the beam direction influenced, changed. Piezo elements are characterized by precise controllability and high power transmission.

Vorteilhaft sind zumindest zwei Positionierungselemente, insbe sondere zwei Piezoelemente, zur Beeinflussung des Laserstrahls in zwei verschiedene Richtungen vorgesehen. Als Bauteil, wel ches von dem Positionierungselement beaufschlagt wird, kann zum einen eine Laserdiodenhalterung für eine Laserdiode herangezo gen werden, welche den Laserstrahl generiert. Über die Variati on der Position der Laserdiodenhalterung wird insbesondere die Stahlrichtung beeinflusst, wobei bereits geringe Richtungsände rungen die an der Empfangseinheit aufgenommene Strahlintensität verändern.At least two positioning elements, in particular, are advantageous special two piezo elements to influence the laser beam provided in two different directions. As a component, wel ches is acted upon by the positioning element can a used a laser diode holder for a laser diode gene which generates the laser beam. About the Variati the position of the laser diode holder is particularly the Steel direction influenced, with already small changes in direction the beam intensity recorded at the receiving unit change.

Zum andern kann als von dem Positionierungselement zu beauf schlagende Bauteil eine Kollimationslinse herangezogen werden, welche der Laserdiode nachgeschaltet ist und den Laserstrahl bündelt. Die Position der Kollimationslinse wird vorteilhaft in Strahlrichtung verändert, wodurch die Stahldivergenz und somit auch die am Empfangsgerät ankommende Strahlintensität beein flusst werden kann. Eine Positionsänderung der Kollimationslin se wird insbesondere unter Schlechtwetterbedingungen durchge führt, unter denen der Laserstrahls durch Wasser- oder Schnee partikel in der Luft eine hohe Dämpfung erfahren kann. Diese Dämpfung des Laserstrahls kann durch eine stärkere Bündelung des Laserstrahls kompensiert werden.On the other hand, it can be acted upon by the positioning element impacting component, a collimation lens can be used, which is downstream of the laser diode and the laser beam bundles. The position of the collimation lens is advantageously shown in Beam direction changed, causing the steel divergence and thus also affect the beam intensity arriving at the receiving device can be flowed. A change in position of the collimation line It is carried out in particular under bad weather conditions leads under which the laser beam through water or snow particles in the air can experience high damping. This The laser beam can be attenuated by stronger bundling of the laser beam can be compensated.

In der Laser-Empfangseinheit ist zweckmäßig eine Photodiode vorgesehen, welche den Laserstrahl aufnimmt und ein die Strahl intensität des Laserstrahls repräsentierendes Empfangssignal generiert, das in einer Regel- und Steuereinheit zur Erzeugung eines Regelsignals herangezogen wird. Das Regelsignal wird die Sendeeinheit übertra gen und dient zur Erzeugung und Einstellung gemäß einer hinterlegten Optimierungsfunktion der Steuerspannung. Die Übertragung des Regelsignals von der Empfangs- auf die Sendeeinheit kann bevorzugt ebenfalls mittels eines Laser strahls erfolgen.A photodiode is expedient in the laser receiving unit provided which receives the laser beam and a the beam Received signal representing the intensity of the laser beam generated in a regulation and control unit for generation a control signal is used. The control signal the transmission unit is transmitted gene and is used for generation and adjustment according to a deposited Control voltage optimization function. The transmission of the control signal from the reception to the The transmission unit can also preferably be made using a laser beam.

Zur Erzeugung des Regelsignals wird das die Strahlrichtung der Sendeeinheit beeinflussende Piezoelement mit einer vorgegebenen periodischen Funktion, beispielsweise einer Sinusfunktion, va riiert. Die Variation der Strahlrichtung in der Sendeeinheit hat eine entsprechende periodische Variation der Strahlintensi tät in der Empfangseinheit zur Folge. Eine Multiplikation des Empfangssignals mit einem Referenzsignal gleicher Periode und Phase wie das die Strahlrichtung der Sendeeinheit beeinflussen de Piezoelement und Integration des resultierenden Signals er zeugt das für die Steuerung der Strahlrichtung der Sendeeinheit notwendige Regelsignal.To generate the control signal, this is the beam direction Piezo element influencing transmitter unit with a predetermined periodic function, for example a sine function, especially riiert. The variation of the beam direction in the transmitter unit has a corresponding periodic variation in the beam intensity in the receiving unit. A multiplication of the Receive signal with a reference signal of the same period and Phase like that affect the beam direction of the transmitter unit de Piezo element and integration of the resulting signal he this testifies to the control of the beam direction of the transmission unit necessary control signal.

Als Optimierungsfunktion, welche der Erzeugung des Regelsignals aus dem gemessenen Empfangssignal zugrunde gelegt wird, wird insbesondere die maximale Strahlintensität des in der Empfangs einheit aufgenommenen Laserstrahls ausgewählt.As an optimization function, which the generation of the control signal based on the measured received signal in particular the maximum beam intensity in the reception unit picked up laser beam selected.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu ent nehmen. Es zeigen:Further advantages and practical designs are the others Entities, the description of the figures and the drawings ent to take. Show it:

Fig. 1 eine Darstellung eines Laserkommunikationssystems mit einer Laser-Sendeeinheit und einer Laser- Empfangseinheit, Fig. 1 is an illustration of a laser communication system with a laser transmitter and a laser receiver unit,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung der Sendeeinheit aus Fig. 1 mit einem elongierten Positionierungselement, FIG. 2 shows an enlarged illustration of the transmission unit from FIG. 1 with an elongated positioning element, FIG.

Fig. 3 eine Fig. 2 entsprechende Darstellung, jedoch mit dem Positionierungselement in kontrahierter Stellung. Fig. 3 is a representation corresponding to FIG. 2, but with the positioning element in a contracted position.

In den folgenden Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Be zugszeichen versehen.In the following figures, the same components with the same loading provide traction marks.

Das in Fig. 1 dargestellte Laserkommunikationssystem 1 besteht aus einer Laser-Sendeeinheit 2, in der ein Laserstrahl 3 er zeugt wird, und einer Laser-Empfangseinheit 4, welche den La serstrahl 3 empfängt und weiter verarbeitet. Das Laserkommuni kationssystem 1 kann zur Übertragung von Sprachsignalen und/oder von Datensignalen verwendet werden. Die Laser- Sendeeinheit 2 ist in einem Gehäuse 5 angeordnet und umfasst eine Laserdiode 6, die innerhalb des Gehäuses 5 der Sendeein heit 2 in einer Laserdiodenhalterung 7 angeordnet ist und den Laserstrahl 3 erzeugt. Der Laserdiode 6 ist eine Kollimations linse 8 zugeordnet, welche der Laserdiode 6 in Strahlrichtung nachgeschaltet ist und den Laserstrahl 3 aus der Laserdiode 6 bündelt. Über den Abstand der Kollimationslinse 8 von der La serdiode 6 kann die Strahlspreizung bzw. Strahldivergenz des Laserstrahls 3 beeinflusst werden, wobei mit einem geringeren Abstand zwischen Laserdiode und Kollimationslinse auch die Strahldivergenz abnimmt. Die Kollimationslinse 8 ist in einer Linsenhalterung 9 gehalten. Die Laserdiodenhalterung 7 und die Linsenhalterung 9 sind auf einer gemeinsamen Grundplatte 10 aufgenommen.The laser communication system 1 shown in Fig. 1 consists of a laser transmitter unit 2, in which a laser beam 3 it is evidence, and a laser-receiving unit 4 which receives the La serstrahl 3 and further processed. The laser communication system 1 can be used to transmit voice signals and / or data signals. The laser transmitter unit 2 is arranged in a housing 5 and comprises a laser diode 6 , which is arranged within the housing 5 of the transmitter unit 2 in a laser diode holder 7 and generates the laser beam 3 . The laser diode 6 is assigned a collimation lens 8 , which is connected downstream of the laser diode 6 in the beam direction and bundles the laser beam 3 from the laser diode 6 . The beam spread or beam divergence of the laser beam 3 can be influenced via the distance of the collimation lens 8 from the laser diode 6 , the beam divergence also decreasing with a smaller distance between the laser diode and the collimation lens. The collimation lens 8 is held in a lens holder 9 . The laser diode holder 7 and the lens holder 9 are accommodated on a common base plate 10 .

Die Laserdiodenhalterung 7 ist gegenüber der Grundplatte 10 ü ber ein erstes Piezoelement 11 abgestützt, welches ein Positio nierungselement darstellt, das über eine Spannungsversorgung mit einer Steuerspannung U_V versorgt wird. In Abhängigkeit von der Steuerspannung U_V bestimmt sich die Ausdehnung des ersten Piezoelementes 11, wodurch auch die Laserdiodenhalterung 7 und damit auch die Laserdiode 6 sowie die Richtung des Laserstrah les 3 beeinflusst werden können. Zweckmäßig ist über das erste Piezoelement 11 eine translatorische Verschiebung der Laserdio denhalterung 7 in einer Richtung senkrecht zur Strahlrichtung des Laserstrahles 3 möglich. Das erste Piezoelement 11 ist zweckmä ßig plattenförmig aufgebaut und kann insbesondere in Vertikal richtung eine Verschiebung der Laserdiodenhalterung 7 bewirken.The laser diode holder 7 is supported relative to the base plate 10 via a first piezo element 11 , which represents a positioning element that is supplied with a control voltage U _V via a voltage supply. The extent of the first piezo element 11 is determined as a function of the control voltage U _V , as a result of which the laser diode holder 7 and thus also the laser diode 6 and the direction of the laser beam 3 can be influenced. Expediently, a translational displacement of the laser diode holder 7 in a direction perpendicular to the beam direction of the laser beam 3 is possible via the first piezo element 11 . The first piezoelectric element 11 is constructed expedient SSIG plate-shaped and may, in particular in the vertical direction of a shift of the laser diode holder 7 cause.

Der Kollimationslinse 8 ist ein zweites Piezoelement 12 zuge ordnet, dem ebenfalls die Funktion eines Positionierungselemen tes zukommt. Das zweite Piezoelement 12 stützt die Kollimati onslinse 8 gegenüber der Linsenhalterung 9 in Strahlrichtung des Laserstrahles 3 ab. Das zweite Piezoelement 12 kann unab hängig vom ersten Piezoelement 11 mit einer Steuerspannung ver sorgt werden. Eine Spannungsbeaufschlagung des zweiten Piezo elementes 12 bewirkt eine Dehnung bzw. Kontraktion in Strahl richtung des Laserstrahles 3, wodurch der Abstand der Kollima tionslinse 8 zur Laserdiode 6 beeinflusst werden kann. Dement sprechend kann durch eine Spannungsbeaufschlagung des zweiten Piezoelementes 8 die Strahldivergenz des Laserstrahls 3 und folglich auch die Strahlintensität beeinflusst werden, mit der der Laserstrahl 3 an der Empfangseinheit 4 aufgenommen wird.The collimation lens 8 is assigned a second piezo element 12 , which also has the function of a positioning element. The second piezo element 12 supports the collimating on lens 8 relative to the lens holder 9 in the beam direction of the laser beam 3 . The second piezo element 12 can be provided with a control voltage independently of the first piezo element 11 . A voltage application of the second piezo element 12 causes an expansion or contraction in the beam direction of the laser beam 3 , whereby the distance of the collimation lens 8 to the laser diode 6 can be influenced. Accordingly, the beam divergence of the laser beam 3 and consequently also the beam intensity with which the laser beam 3 is received at the receiving unit 4 can be influenced by applying a voltage to the second piezo element 8 .

Über das erste Piezoelement 11 kann die Strahlrichtung des La serstrahles 3 beeinflusst werden. Eine Dehnung bzw. Kontraktion des ersten Piezoelementes 11 bewirkt eine Vertikalverschiebung der Laserdiode 6, wodurch der Laserstrahl 3 gemäß Pfeil 13 nach oben oder unten ausgelenkt wird und die Positionen 3' bzw. 3'' einnimmt.The beam direction of the laser beam 3 can be influenced via the first piezo element 11 . An expansion or contraction of the first piezo element 11 causes a vertical displacement of the laser diode 6 , as a result of which the laser beam 3 is deflected upwards or downwards according to arrow 13 and assumes the positions 3 'or 3 ''.

Die Steuerspannung U_V wird in einem ersten, der Laser- Sendeeinheit 2 zugeordneten Regel- und Steuergerät 14 erzeugt, welches ein Schnittstellengerät 15, einen Analog/Digital- bzw. Digital/Analog-Wandler 16, einen Regler 17, einen Wechselspan nungsgenerator 18 und einen Addierer 19 umfasst. Über das Schnittstellengerät 15 ist ein Anschluss bzw. eine Datenüber tragung an externe Geräte, beispielsweise an ein Netzwerk, mög lich. In dem Wandler 16 können analoge Daten in Digitalwerte konvertiert werden. Hierzu gehören insbesondere die nachfolgend erläuterten Regelsignale U_Regel, welche in der Laser- Empfangseinheit 4 generiert werden und von dort auf die Laser- Sendeeinheit 2 übertragen werden. Die Regelsignale U_Regel werden in einem Regler 17 in eine Regelgrundspannung U₀ umgesetzt. Die Regelgrundspannung U₀ wird in dem Addierer 19 zu einer Regel wechselspannung U_W hinzu addiert, welche gemäß der periodi schen, harmonischen Funktion
The control voltage U _V is generated in a first, the laser transmitter unit 2 associated control and control device 14 , which has an interface device 15 , an analog / digital or digital / analog converter 16 , a controller 17 , an AC voltage generator 18 and includes an adder 19 . About the interface device 15 is a connection or a data transmission is to external devices, for example, to a network possible, please include. Analog data can be converted into digital values in converter 16 . These include, in particular, the control signals U _Regel , explained below, which are generated in the laser receiving unit 4 and are transmitted from there to the laser transmitting unit 2 . The control signals U _Regel are converted in a controller 17 into a basic control voltage U ₀ . The basic control voltage U ₀ is added in the adder 19 to a control alternating voltage U _W , which according to the periodic harmonic function

U_W = U_m.cos(ω₀.t)
U _W = U _m .cos (ω ₀ .t)

erzeugt wird, wobei U_m einen Spannungsmittelwert, ω₀ die Kreis frequenz und t den aktuellen Zeitpunkt bezeichnet.is generated, where U _m denotes a mean voltage value, ω ₀ the angular frequency and t the current point in time.

Die Summe von Regelgrundspannung U₀ und Regelwechselspannung U_W ergibt die Steuerspannung U_V, mit dem das erste Piezoelement 11 beaufschlagt wird. Die Anteile an der Regelgrundspannung U₀, welche den Gleichstromanteil repräsentiert, sowie der Regel wechselspannung U_W können bedarfsweise eingestellt werden. Es kann gegebenenfalls zweckmäßig sein, entweder nur eine Regel grundspannung U₀ oder nur eine Regelwechselspannung U_W vor zugeben. Über den Gleichstromanteil wird eine dauerhafte Aus lenkung des Piezoelements 11 eingestellt. The sum of the basic control voltage U ₀ and the alternating control voltage U _W results in the control voltage U _V with which the first piezo element 11 is applied. The proportions of the basic control voltage U ₀ , which represents the direct current component, and the control alternating voltage U _W can be set as required. It may be expedient, if appropriate, to specify either only one basic voltage U ₀ or only one alternating voltage U _W before. A permanent deflection of the piezo element 11 is set via the direct current component.

Die Laser-Empfangseinheit 4 umfasst in einem Gehäuse 20 eine Empfangslinse 21, welche den über die Distanz aufgefächerten Laserstrahl 3 bündelt und einer Photodiode 22 zuleitet, in wel cher ein der aufgefangenen Strahlintensität entsprechendes Emp fangssignal U_PD erzeugt wird. Das Empfangssignal U_PD wird einem zweiten Regel- und Steuergerät 23 zugeführt, welches der Laser- Empfangseinheit 4 zugeordnet ist. In dem Regel- und Steuergerät 23 wird das Empfangssignal U_PD in einem Multiplizierer 25 durch Multiplikation mit einem Referenzsignal U_Ref multipliziert, wel ches in einem Wechselspannungsgenerator 24 erzeugt wird und sich gemäß der Beziehung
The laser reception unit 4 comprises in a housing 20 a reception lens 21 which bundles the laser beam 3 fanned out over the distance and feeds it to a photodiode 22 in which a reception signal U _PD corresponding to the beam intensity captured is generated. The received signal U _PD is fed to a second regulating and control device 23 , which is assigned to the laser receiving unit 4 . In the regulating and control device 23 , the received signal U _{PD is} multiplied in a multiplier 25 by multiplication by a reference signal U _Ref , which is generated in an AC voltage generator 24 and changes according to the relationship

U_Ref = U_Ref,0.cos(ω.t)
U _Ref = U _{Ref, 0} .cos (ω.t)

berechnet, wobei U_Ref,0 einen Referenzmittelwert, ω die Kreis frequenz des Referenzsignals und t den aktuellen Zeitpunkt be zeichnet. Die Kreisfrequenz ω wird zweckmäßig an die Kreisfre quenz ω₀ der in der Laser-Sendeeinheit erzeugten Regelwechsel spannung U_W angepasst. Auch die Phase des Referenzsignals U_Ref wird vorteilhaft an die Phase des periodisch schwankenden Emp fangssignals U_PD angepasst.calculated, where U _{Ref, 0 denotes} a reference mean, ω the angular frequency of the reference signal and t the current time be. The angular frequency ω is expediently adapted to the circular frequency ω _{0 of} the alternating control voltage U _W generated in the laser transmitter unit. The phase of the reference signal U _Ref is also advantageously adapted to the phase of the periodically fluctuating Emp start signal U _PD .

Als Produkt aus Empfangssignal U_PD und Referenzsignal U_Ref wird ein vorläufiges Regelsignal U_R ermittelt, welches einem In tegrator 26 zugeführt wird, in welchem eine Integration des Signales über mehrere Zeitperioden durchgeführt wird, um das gewünschte Regelsignal zu erzeugen. Nach der Integration erhält man ein analoges Regelsignal U_Regel, welches in einem Ana log/Digital-Wandler 27 in ein digitales Regelsignal U_Regel trans formiert wird.As a product of the received signal U _PD and the reference signal U _Ref , a provisional control signal U _{R is} determined, which is fed to an integrator 26 , in which the signal is integrated over several time periods in order to generate the desired control signal. After the integration is obtained _usually an analog control signal U, which is formed in a Ana log / digital converter 27 into a digital control signal U _usually trans.

Über ein Schnittstellengerät 28 kann eine Kommunikation mit ex ternen Geräten hergestellt werden. Durch Verwendung eines ent sprechenden Protokolls, z. B. Ethernet, kann an das Schnittstellengerät 28 auch ein externes Netzwerk (Local Area Network) an geschlossen werden, das in Fig. 1 mit Bezugszeichen 33 einge tragen ist.Communication with external devices can be established via an interface device 28 . By using an appropriate protocol, e.g. B. Ethernet, an external network (local area network) can also be connected to the interface device 28 , which is shown in FIG. 1 with reference numeral 33 .

Das Regelsignal U_Regel wird nun von der Laser-Empfangseinheit 4 auf die Laser-Sendeeinheit 2 übertragen. In der Sendeeinheit 2 wird das digitale Regelsignal U_Regel in dem Wandler 16 in ein a naloges Signal rücktransformiert, aus dem im Regler 17 die Re gelgrundspannung U₀ erzeugt wird. Die Regelgrundspannung U₀ wird mit der Regelwechselspannung U_W zur Steuerspannung U_V ad diert, die dem Piezoelement in der Laser-Sendeeinheit 2 zuge führt wird.The control signal U _rule is now transmitted by the laser receiver unit 4 of the laser transmitter unit. 2 In the transmitter unit 2 , the digital control signal U _{Regel is} transformed back into a analog signal in the converter 16 , from which the basic regulating voltage U _{0 is} generated in the controller 17 . The basic control voltage U ₀ is added to the control alternating voltage U _W to form the control voltage U _V , which leads to the piezo element in the laser transmitter unit 2 .

Die Übertragung des Regelsignals U_Regel von der Laser- Empfangseinheit 4 auf die Laser-Sendeeinheit 2 erfolgt über ei nen in der Laser-Empfangseinheit 4 enthaltenen Lasersender 29. Das Lasersystem ist bidirektional, das heißt der Laser- Sendeeinheit ist zugleich ein Laserempfänger und der Laser- Empfangseinheit ist zugleich ein Lasersender zugeordnet.The control signal U _{Regel is} transmitted from the laser reception unit 4 to the laser transmission unit 2 via a laser transmitter 29 contained in the laser reception unit 4 . The laser system is bidirectional, that is, the laser transmitter unit is also a laser receiver and the laser receiver unit is also assigned a laser transmitter.

Der Lasersender 29 im Gehäuse 20 der Laser-Empfangseinheit 4 generiert einen das Regelsignal U_Regel und auch Sprach- und Da teninformationen übertragenden Laserstrahl 30, der in einem La serempfänger 31 im Gehäuse 5 der Laser-Sendeeinheit 2 aufgefan gen wird, wobei das empfangene Regelsignal U_Regel in der Laser- Sendeeinheit 2 in der vorbeschriebenen Weise weiter verarbeitet wird.The laser transmitter 29 in the housing 20 of the laser receiving unit 4 generates a control signal U _Regel and also speech and data information data-transmitting laser beam 30 , which is collected in a laser receiver 31 in the housing 5 of the laser transmitter unit 2 , the received control signal U is _generally processed further in the laser transmitter unit 2 in the manner described above.

Zur Inbetriebnahme des Laser-Kommunikationssystems 1 wird wie folgt verfahren:
In einem ersten Schritt wird zunächst manuell eine Grobjustie rung durchgeführt und die Laser-Sendeeinheit von Hand auf die Laser-Empfangseinheit so ausgerichtet, dass der in der Laser- Sendeeinheit 2 erzeugte Laserstrahl 3 zumindest soweit in der Laser-Empfangseinheit 4 aufgefangen werden kann, dass ein zu mindest schwaches Empfangssignal generiert werden kann. Bereits bei der Grobjustierung kann ein Regelsignal U_Regel erzeugt wer den. Die Grobjustierung wird in der Weise durchgeführt, dass eine optimale Ausrichtung zweckmäßig dann gegeben ist, wenn das Regelsignal U_Regel einen vorgegebenen Grenzwert über- oder un terschreitet.To start up the laser communication system 1 , proceed as follows:
In a first step, a rough adjustment is first carried out manually and the laser transmitter unit is aligned by hand with the laser receiver unit in such a way that the laser beam 3 generated in the laser transmitter unit 2 can be captured in the laser receiver unit 4 at least to the extent that an at least weak reception signal can be generated. A control signal U _Regel can already be generated during the rough adjustment. The rough adjustment is carried out in such a way that an optimal alignment is expediently given when the control signal U _Regel exceeds or falls below a predetermined limit value.

In einem zweiten Schritt kann eine aktive Regelung zur Feinjus tierung der Sendeeinheit 2 durchgeführt werden. Hierzu wird in dem ersten Regel- und Steuergerät 14, welches der Laser- Sendeeinheit 2 zugeordnet ist, im Wechselspannungsgenerator 18 eine Regelwechselspannung U_W erzeugt, mit der das erste Piezo element 11 beaufschlagt wird, woraufhin die Laserdiode 6 ent sprechend der Dehnungs- und Kontraktionsrichtung des ersten Piezoelementes 11 periodisch zu schwingen beginnt. Diese Schwingung äußert sich in einem periodischen Wechsel der Strahlrichtung gemäß Pfeil 13 des Laserstrahls 3, was sich ent sprechend in einer wechselnden Strahlintensität an der Laser- Empfangseinheit 4 niederschlägt, die ein entsprechend wechseln des Empfangssignal U_PD zur Folge hat. Dieses Empfangssignal U_PD wird mit dem Referenzsignal U_Ref gleicher Phase und gleicher Frequenz multipliziert und integriert, wobei ein daraus resul tierendes vorläufiges Regelsignal U_R generiert wird. Das nach der Integration entstandene Regelsignal U_Regel wird nach Wandlung in ein digitales Signal im Wandler 27 über das Laser- Sendesubsystem 29 per Laserstrahl 30 auf das Laser- Empfangssubsystem 31 übertragen, dort den vorbeschriebenen Ma nipulationen unterzogen und schließlich im Regler 17 einer Re gelung unterworfen. Die Regelung im Regler 17 wird dahingehend ausgeführt, dass die im Regler 17 erzeugte Regelgrundspannung U₀ das Piezoelement 11 durch Beaufschlagung mit einem Gleich spannungsanteil derart verschiebt, dass der Laserstrahl 3 um einen neu eingestellten Mittelwert schwingt, welcher ein geän dertes Empfangssignal U_PD maximaler Stärke in der Laser- Empfangseinheit 4 zur Folge hat.In a second step, active regulation for fine adjustment of the transmission unit 2 can be carried out. For this purpose, in the first regulating and control device 14 , which is assigned to the laser transmitter unit 2 , a regulating alternating voltage U _{W is} generated in the alternating voltage generator 18 , with which the first piezo element 11 is applied, whereupon the laser diode 6 corresponding to the direction of expansion and contraction of the first piezo element 11 begins to oscillate periodically. This vibration manifests itself in a periodic change in the beam direction according to arrow 13 of the laser beam 3 , which is accordingly reflected in a changing beam intensity at the laser receiving unit 4 , which results in a corresponding change in the received signal U _PD . This received signal U _PD is multiplied and integrated with the reference signal U _{Ref of the} same phase and the same frequency, a preliminary control signal U _R resulting therefrom being generated. The resulting after the integration control signal U _control is transferred after conversion into a digital signal in the transducer 27 via the laser transmitter subsystem 29 by laser beam 30 at laser receiving subsystem 31, there subjected to the above-Ma nipulationen and finally subjected to Re gelung in the controller 17 , The control in the controller 17 is carried out in such a way that the basic control voltage U ₀ generated in the controller 17 shifts the piezo element 11 by acting on it with a DC voltage component in such a way that the laser beam 3 oscillates around a newly set mean value, which changes a received signal U _{PD of} maximum strength in the laser receiving unit 4 .

Das in Fig. 1 dem Laserstrahl 3 überlagerte Schaubild zeigt die Steuerspannung U_V, deren Verlauf mit der Auslenkung des Laser strahls 3 in Pfeilrichtung 13 nach oben oder unten an der Emp fangseinheit 4 übereinstimmt. Über das Vorzeichen der Steuer spannung wird die Regelrichtung vorgegeben: Bei einer positiven Steuerspannung nimmt der Laserstrahl den zu hohen Verlauf 3' ein und muss nach unten korrigiert werden; bei einer negativen Steuerspannung nimmt der Laserstrahl den zu tiefen Verlauf 3'' ein und muss nach oben korrigiert werden.The diagram superimposed in FIG. 1 on the laser beam 3 shows the control voltage U _V , the course of which corresponds to the deflection of the laser beam 3 in the direction of arrow 13 upwards or downwards at the receiving unit 4 . The control direction is specified via the sign of the control voltage: If the control voltage is positive, the laser beam 3 'is too high and must be corrected downwards; If the control voltage is negative, the laser beam takes the 3 '' curve which is too deep and must be corrected upwards.

Nach Abschluss der Regelung wird die Regelgrundspannung U₀ auf rechterhalten, um die gefundene optimale Position des Piezoele mentes 11 dauerhaft aufrechtzuerhalten.After completion of the control, the basic control voltage U _{0 is maintained} to maintain the optimal position of the piezoelectric element 11 found .

Unter Schlechtwetterbedingungen wird das zweite Piezoelement 12 in der Laser-Sendeeinheit 2 in Strahlrichtung näher an die La serdiode verschoben, was eine Reduktion der Strahldivergenz des Laserstrahles 3 bewirkt, wodurch auch das Empfangssignal U_PD erhöht wird.Under bad weather conditions, the second piezo element 12 in the laser transmitter unit 2 is moved closer to the laser diode in the beam direction, which causes a reduction in the beam divergence of the laser beam 3 , which also increases the received signal U _PD .

Die Ausschnittvergrößerungen gemäß den Fig. 2 und 3 zeigen je weils eine Laser-Sendeeinheit 2, dargestellt ohne Gehäuse. Das erste, plattenförmige Piezoelement 11, über das die Laserdio denhalterung 7 gegenüber der Grundplatte 10 abgestützt ist, wird durch Beaufschlagung mit einer Steuerspannung U_V in Abhän gigkeit der Höhe der Steuerspannung in Vertikalrichtung y um einen positiven Betrag Δy gedehnt (Fig. 2) oder einen negati ven Betrag -Δy zusammengezogen (Fig. 3). Bei einer Dehnung um einen positiven Betrag Δy wird die Laserdiodenhalterung 7, welche auf dem Piezoelement 11 abgestützt ist, vertikal nach oben versetzt, wodurch auf die Laserdiode 6 nach oben verstellt wird und der in der Laserdiode 6 erzeugte Laserstrahl 3 um den Betrag Δy gegenüber der Linsenachse 32 der Kollimationslinse 8 abweicht. Das Verstellen um den Betrag Δy nach oben (Fig. 2) oder unten (Fig. 3) gegenüber der Linsenachse 32 erzeugt eine Abweichung des Laserstrahls 3 gegenüber der Linsenachse 32 um den Winkel α nach unten (Fig. 2) oder oben (Fig. 3).The detail enlargements according to FIGS . 2 and 3 each show a laser transmitter unit 2 , shown without a housing. The first, plate-shaped piezo element 11 , via which the Laserdio denhalterung 7 is supported with respect to the base plate 10 , is stretched by applying a control voltage U _V depending on the level of the control voltage in the vertical direction y by a positive amount Δy ( Fig. 2) or a negative amount -Δy contracted ( Fig. 3). In the event of an expansion by a positive amount Δy, the laser diode holder 7 , which is supported on the piezo element 11 , is displaced vertically upward, as a result of which the laser diode 6 is moved upward and the laser beam 3 generated in the laser diode 6 by the amount Δy compared to that Lens axis 32 of the collimation lens 8 deviates. Adjusting the amount Δy upwards ( FIG. 2) or downwards ( FIG. 3) with respect to the lens axis 32 produces a deviation of the laser beam 3 with respect to the lens axis 32 by the angle α downwards ( FIG. 2) or upwards ( FIG. 3).

Über das zweite, ringförmige Piezoelement 12 wird bei einer entsprechenden Beaufschlagung mit einer Steuerspannung, die un abhängig von der Steuerspannung für das erste Piezoelement ein zustellen ist, eine Verschiebung der Kollimationslinse 8 in z- Richtung erzielt, was einer Verschiebung in oder entgegen der Strahlrichtung entspricht. Die Verschiebung näher an die Laser diode 6 führt zu einer geringeren Strahldivergenz des Laser strahls 3. Die Vergrößerung des Abstandes zwischen Laserdiode 6 und Kollimationslinse 8 führt zu einer größeren Strahldiver genz.Through the second, annular piezoelectric element 12, in a corresponding application of a control voltage obtained a displacement of the collimating lens 8 in the z-direction which is a create un dependent on the control voltage for the first piezoelectric element, which corresponds to a displacement in or opposite to the direction of the beam , The shift closer to the laser diode 6 leads to a lower beam divergence of the laser beam 3 . The increase in the distance between the laser diode 6 and the collimation lens 8 leads to a larger beam divergence.

Claims

1. Laser communication system, with a laser transmitter unit ( 2 ) for generating a laser beam ( 3 ) and a laser receiver unit ( 4 ) for receiving the laser beam ( 3 ), characterized in that
that the position of a laser diode holder (7) for the laser beam (3) generating the laser diode (6) can be changed via an electrically actuable piezo element (11), wherein the beam direction of the laser beam (2) tion of the Posi the laser diode holder (7) can be influenced .
that the beam direction of the laser beam ( 3 ) can be varied according to a predetermined function,
that of a beam intensity at the laser receiver unit representing the received signal (4) (U _PD) in one of the laser-receiving unit (4) associated with the regulating and control unit (23) a control signal (U _control) is generated, the further one, the Laser transmitter unit ( 2 ) associated control and control device ( 14 ) can be fed, in which from the control signal (U _rule ) according to a stored optimization function a piezoelectric element ( 11 ) acting control voltage (U _V ) for setting the laser diode position is witnessable and adjustable.

2. Laser communication system according to claim 1, characterized in that at least two piezo elements ( 11 , 12 ) are provided for influencing the laser beam ( 3 ) in two different directions.

3. Laser communication system according to claim 1 or 2, characterized in that the position of a collimating lens ( 8 ) focusing the laser beam ( 3 ) can be changed via a piezo element ( 12 ).

4. Laser communication system according to one of claims 1 to 3, characterized in that a piezo element ( 11 ) changes the position of the laser transmitter unit in the vertical direction (y) perpendicular to the beam direction ( 3 ).

5. Laser communication system according to one of claims 1 to 4, characterized in that a piezo element ( 12 ) shifts a beam influencing the component in the beam direction (z).

6. Laser communication system according to one of claims 1 to 5, characterized in that in the laser receiving unit ( 4 ), a photodiode ( 22 ) for generating a beam intensity representative Emp signal (U _PD ) is provided and in one of the laser receiving unit ( 4 ) assigned control and control device ( 23 ) from the determined received signal (U _PD ) a control signal (U _rule ) for setting the piezo elements ( 11 , 12 ) can be generated.

7. Laser communication system according to claim 6, characterized in that the control signal (U _rule ) for signal amplification in the control unit ( 23 ) assigned to the laser receiving unit ( 4 ) by multiplying the received signal representing the beam intensity (U _PD ) by a reference signal (U _Ref ) he is conceivable.

8. Laser communication system according to claim 7, characterized in that the received in the laser receiving unit ( 4 ) received Emp signal (U _PD ) with a reference signal (U _Ref ) of the same phase and frequency is amplified and a control signal generated therefrom (U _rule ) the setting of the beam direction and / or the beam divergence of the laser beam is used as a basis.

9. Laser communication system according to one of claims 1 to 8, characterized in that the received signal (U _PD ) by varying the control voltage (U _V ) of the piezo elements ( 11 , 12 ) can be changed according to a predetermined function.

10. Laser communication system according to one of claims 1 to 9, characterized in that the laser beam ( 3 ) can be changed according to a periodic function.

11. Laser communication system according to one of claims 1 to 10, characterized in that the control signal (U _rule ) can be transmitted by laser beam ( 30 ) to the laser transmission unit ( 2 ).