DE102006055156A1

DE102006055156A1 - Anordnung und Verfahren zur Übertragung von Daten mit Weißlicht-Leuchtdioden

Info

Publication number: DE102006055156A1
Application number: DE200610055156
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Kirstädter; Sebastian Randel; Bernhard Dr. Spinnler; Joachim Dr. Walewski
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2006-11-22
Publication date: 2008-06-05

Abstract

Es wird eine Anordnung und ein Verfahren geschaffen zur Übertragung von Daten, wobei wenigstens eine Weißlicht-Leuchtdiode zur Emission von Licht vorgesehen ist, wobei dem Licht die Daten mittels einer Modulation aufgeprägt sind, wobei die Weißlicht-Leuchtdiode wenigstens eine Basis-Leuchtdiode in Verbindung mit wenigstens einer Farbstoffschicht aufweist und die Basis-Leuchtdiode erstes Licht emittiert, das von der Farbstoffschicht teilweise in zweites Licht mit anderen Wellenlängen umgewandelt wird. Weiterhin ist ein Lichtsensor zum Empfang des Lichts und ein optischer Filter zur Filterung des Lichts vorgesehen, wobei der Filter derart ausgestaltet ist, dass im Wesentlichen das erste Licht zum Lichtsensor durchgelassen wird, während das zweite Licht unterdrückt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Übertragung von Daten mit Weißlicht-Leuchtdioden mit wenigstens einer Schicht eines Fluoreszenzfarbstoffs.
Ein wichtiges Thema der Forschung und Entwicklung ist derzeit die drahtlose, optische Übertragung von Daten. Hierbei werden Daten mittels Licht übermittelt, wobei es sich bei dem Licht um sichtbares, aber auch infrarotes Licht handeln kann. Die Daten werden dem Licht mit Modulationsverfahren aufgeprägt, die aus der Funktechnik bekannt sind, bspw. OOK (On-Off Keying) oder komplexere Verfahren wie OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing).
Ziel ist bei der optischen Datenübertragung kann es sein, vorhandene oder geplante Lichtquellen, die der Beleuchtung dienen, zur Übertragung der Daten zu verwenden, um bspw. hierdurch vorhandene Ressourcen möglichst effizient zu nutzen. Wenn Lampen zur Datenübertragung verwendet werden, dann muss die Geschwindigkeit von Helligkeitsveränderungen, die zum Transport der Daten verwendet wird, derart sein, dass sie vom menschlichen Auge nicht mehr wahrnehmbar sind. Je schneller die Modulation, desto höher ist gleichzeitig die Bandbreite der Datenübertragung.
Vorteilhaft ist hierfür die Verwendung von weißen Leuchtdioden. Zur Erzeugung weißen Lichts mit Leuchtdioden gibt es zwei Ansätze. Der erste Ansatz verwendet Leuchtdioden in drei Farben, bspw. rot, grün, blau, die zusammen den Eindruck weißen Lichts erzeugen. Der zweite Ansatz verwendet eine Basis-Leuchtdiode, bspw. eine blaue oder ultraviolette Leuchtdiode, über der wenigstens eine Schicht eines Fluoreszenzfarbstoffs (Farbstoffschicht) angebracht ist. Diese Farbstoffschicht setzt das Licht der Basis-Leuchtdiode teilweise in sichtbares Licht mit einem veränderten Spektrum um. Wird eine blaue Leuchtdiode als Basis-Leuchtdiode verwendet, erzeugt die Farbstoffschicht gelbes Licht, das zusammen mit dem blauen Licht der Basis-Leuchtdiode den Eindruck von weißem Licht erzeugt. Wird eine ultraviolette Leuchtdiode als Basis-Leuchtdiode verwendet, so werden beispielsweise drei Farbstoffschichten verwendet, die aus dem ultravioletten Licht rotes, grünes und blaues Licht erzeugen, das insgesamt weiß erscheint.
Die Modulationsgeschwindigkeit von weißen Leuchtdioden, die gemäß dem ersten Ansatz arbeiten, d.h. mit Verwendung von drei einzelnen farbigen Leuchtdioden, ist ebenso hoch wie die Modulationsgeschwindigkeit einer einzelnen Leuchtdiode. Dadurch ist es mit einer solchen Leuchtdiode möglich, eine hohe Bandbreite bei der Datenübertragung zu erreichen, d.h. mehr als beispielsweise 10 MHz.
Die Farbstoffschicht bei einer Leuchtdiode, die den zweiten Ansatz verwendet, weist jedoch eine geringere und noch dazu von der Wellenlänge abhängige Reaktionsgeschwindigkeit auf, die von 75ns (Nanosekunden) bis zu ms (Millisekunden) reichen kann. Signale, die per Modulation des abgegebenen Lichts der Leuchtdiode übertragen werden sollen, werden dadurch verwischt. Dies führt zu einer geringeren erreichbaren Bandbreite bei der Datenübertragung.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, eine Anordnung und ein Verfahren zu schaffen, die bei Verwendung einer Weißlicht-Leuchtdiode mit wenigstens einer Farbstoffschicht eine hohe Bandbreite für die Datenübertragung erlaubt.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Anordnung durch die Merkmale von Anspruch 1 und bezüglich des Verfahrens durch die Merkmale von Anspruch 4 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Anordnung zur Übertragung von Daten weist wenigstens eine Weißlicht-Leuchtdiode zur Emission von Licht auf. Die Daten sind dem Licht mittels einer Modulation aufgeprägt. Die Weißlicht-Leuchtdiode weist wenigstens eine Basis-Leuchtdiode in Verbindung mit wenigstens einer Farbstoffschicht auf und die Basis-Leuchtdiode emittiert erstes Licht, das von der Farbstoffschicht teilweise in zweites Licht mit anderen Wellenlängen umgewandelt wird. Weiterhin weist die Anordnung wenigstens einen Lichtsensor zum Empfang des Lichts auf. Die Anordnung beinhaltet ferner wenigstens einen optischen Filter zur Filterung des Lichts, der derart ausgestaltet ist, dass im Wesentlichen das erste Licht zum Lichtsensor durchgelassen wird, während das zweite Licht unterdrückt wird.
Der optische Filter kann beispielsweise ein Farbfilter, Kantenfilter, Interferenzfilter und/oder Bandpassfilter sein. Er ist derartig ausgestaltet, dass in der Hauptsache das von der Basis-Leuchtdiode emittierte Licht den Lichtsensor erreicht. Hierdurch wird erreicht, dass das schnell modulierbare erste Licht der Basis-Leuchtdiode zur Datenübertragung mit hoher Bandbreite einsetzen lässt. Das zweite Licht, das von der Farbstoffschicht erzeugt wird und das Signal verwischen würde, erreicht den Lichtsensor nicht und kann somit die Datenübertragung mit dem ersten Licht nicht behindern. Hierdurch lässt sich also die volle Modulationsbandbreite der Basis-Leuchtdiode für die Datenübertragung nutzen.
Bevorzugt ist der optische Filter als Schutzfenster für den Lichtsensor ausgebildet. Hierdurch wird eine besserer Integration des optischen Filters und somit eine kompaktere und preisgünstigere Bauweise für den Lichtsensor erreicht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der optische Filter einen auf Absorption beruhenden Farbfilter auf. Farbfilter für die Wellenlängen von beispielsweise blauen Leuchtdioden sind bekannt und leicht erhältlich.
Bei dem Verfahren zur Übertragung von Daten wird Licht von wenigstens einer Weißlicht-Leuchtdiode emittiert, wobei dem Licht die Daten mittels einer Modulation aufgeprägt sind, wobei die Weißlicht-Leuchtdiode mittels einer Basis-Leuchtdiode erstes Licht emittiert, das von einer Farbstoffschicht teilweise in zweites Licht mit anderen Wellenlängen umgewandelt wird. Das Licht wird von wenigstens einem Lichtsensor empfangen und ausgewertet. Dabei wird das Licht derartig gefiltert, dass im Wesentlichen das erste Licht zum Lichtsensor durchgelassen wird, während das zweite Licht unterdrückt wird.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigen:
1 ein Spektrum einer Weißlicht-Leuchtdiode mit Farbstoffschicht
2 eine Anordnung aus einer Weißlicht-Leuchtdiode mit Farbstoffschicht und einer Photodiode
1 zeigt ein Spektrum einer Weißlicht-Leuchtdiode mit Farbstoffschicht PLD. Das Spektrum reicht von etwa 400nm Wellenlänge bis 750nm Wellenlänge. Es weist ein Maximum im blauen Bereich bei etwa 470nm auf. Die Weißlicht-Leuchtdiode mit Farbstoffschicht PLD basiert auf einer blauen Basis-Leuchtdiode, die Licht bei Wellenlängen um etwa 470nm emittiert. Eine Farbstoffschicht aus Ce:YAG, d.h. Cer-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat setzt einen Teil des Lichts der blauen Basis-Leuchtdiode in gelbliches Licht mit einem weiten Spektrum um. Der restliche blaue Anteil des Lichts sowie der durch die Farbstoffschicht erzeugte gelbe Anteil bilden zusammen weißes Licht WL.
Aufgrund quantenmechanischer Eigenschaften der Farbstoffschicht emittiert diese rotverschoben, d.h. die Anregung durch das blaue Licht der Basis-LED führt nicht zu blauer Emission, sondern zu roter, gelber und grüner Emission. Der blaue Anteil des weißen Lichts WL stammt daher ausschließlich von der Basis-LED. Er hat eine Impulsantwort von etwa 5ns, nämlich die Impulsantwort der blauen Basis-LED. Die Impulsantwort der durch die Farbstoffschicht erzeugten Wellenlängen liegt bei 75ns bis mehreren ms.
Eine solche Weißlicht-Leuchtdiode mit Farbstoffschicht PLD kommt in einem System zur Datenübertragung gemäß 2 zum Einsatz, das eine Ausführungsmöglichkeit der Erfindung beinhaltet. Die Weißlicht-Leuchtdiode mit Farbstoffschicht PLD erzeugt darin weißes Licht WL. Die Weißlicht-Leuchtdiode PLD wird in diesem System zur Beleuchtung eines Raumes eingesetzt. Es ist hierbei zweckmäßig, eine Mehrzahl von solchen Weißlicht-Leuchtdioden PLD zur Beleuchtung zu verwenden, um eine geeignete Helligkeit zu erzeugen. In diesem Beispiel wird genau eine Weißlicht-Leuchtdiode PLD zur Datenübertragung verwendet, es ist aber auch möglich, mehrere der Weißlicht-Leuchtdioden PLD parallel dazu zu verwenden.
Dem Licht werden durch eine Modulation seiner Intensität Daten mitgegeben. Hierbei wird eine Datenrate gewählt, bei der die Modulationsgeschwindigkeit oberhalb der Reaktionsgeschwindigkeit des Farbstoffs der Weißlicht-Leuchtdiode PLD liegt, beispielsweise 10 Mbit/s.
Zum Empfang der Daten ist in dem System eine Photodiode PD vorgesehen. Diese sitzt in einem Gehäuse, das ein Schutzfenster vorsieht. Das Schutzfenster ist in diesem Beispiel als Farbfilter FF ausgebildet. Dieser Farbfilter FF lässt im Wesentlichen nur den blauen Anteil des Lichts WL der Weißlicht-Leuchtdiode mit Farbstoffschicht PLD zur eigentlichen Photodiode durch.
Dadurch wird der Anteil des weißen Lichts WL, der der Modulation für die Datenübertragung nicht folgen kann und somit das Signal verwischen würde, ausgefiltert. Der blaue Anteil des weißen Lichts WL, der direkt von der blauen Basis-Leuchtdiode stammt, kann hingegen von der Photodiode PD empfangen werden. Da die blaue Basis-Leuchtdiode der Modulation folgen kann, ist das Signal, das die Photodiode empfängt, geeignet, um mit 10Mbit/s oder auch höherer Datenrate Daten zu übertragen. Das Verwischen der Modulation, das durch den langsamer reagierenden Farbstoff entsteht und die Bandbreite der Datenübertragung begrenzt, wird durch den Farbfilter FF umgangen.

Claims

Anordnung zur Übertragung von Daten mit – wenigstens einer Weißlicht-Leuchtdiode (PLD) zur Emission von Licht (WL), dem die Daten mittels einer Modulation aufgeprägt sind, wobei die weißlicht-Leuchtdiode (PLD) wenigstens eine Basis-Leuchtdiode in Verbindung mit wenigstens einer Farbstoffschicht aufweist und die Basis-Leuchtdiode erstes Licht emittiert, das von der Farbstoffschicht teilweise in zweites Licht mit anderen Wellenlängen umgewandelt wird; – wenigstens einem Lichtsensor (PD) zum Empfang des Lichts; gekennzeichnet durch – wenigstens einen optischen Filter (FF) zur Filterung des Lichts (WL), der derart ausgestaltet ist, dass im Wesentlichen das erste Licht zum Lichtsensor durchgelassen wird, während das zweite Licht unterdrückt wird.
Anordnung gemäß Anspruch 1, bei der der optische Filter (FF) als Schutzfenster für den Lichtsensor (PD) ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der optische Filter (FF) einen auf Absorption beruhenden Farbfilter aufweist.
Verfahren zur Übertragung von Daten, bei dem – Licht (WL) von wenigstens einer Weißlicht-Leuchtdiode (PLD) emittiert wird, wobei dem Licht (WL) die Daten mittels einer Modulation aufgeprägt sind, wobei die Weißlicht-Leuchtdiode (PLD) mittels einer Basis-Leuchtdiode erstes Licht emittiert, das von einer Farbstoffschicht teilweise in zweites Licht mit anderen Wellenlängen umgewandelt wird; – das Licht (WL) von wenigstens einem Lichtsensor (PD) empfangen und ausgewertet wird; dadurch gekennzeichnet, dass – das Licht (WL) derartig gefiltert wird, dass im Wesentlichen das erste Licht zum Lichtsensor durchgelassen wird, während das zweite Licht unterdrückt wird;