DE102017211593A1

DE102017211593A1 - Optische Freistrahlübertragungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102017211593A1
Application number: DE102017211593.9A
Authority: DE
Inventors: Axel Beier; Stefan Nerreter; Siegfried Richter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2017-07-07
Filing date: 2017-07-07
Publication date: 2019-01-10

Abstract

Es wird eine optische Freistrahlübertragungsvorrichtung (1) zur Übertragung von Daten mittels eines optischen Strahls (3) entlang einer freien optischen Wegstrecke (5) angegeben, umfassend- zwei sich gegenüberstehende optische Transceiver-Einheiten (7a, 7b) mit jeweils einer optischen Strahlungsquelle (11a, 11b), einer dieser nachgelagerten Senderoptik (13a, 13b), einem optischen Strahlungsdetektor (21a, 21b), einer diesem vorgelagerten Empfängeroptik (23a, 23b) und einer Schnittstelle (31a, 31b) zur Konvertierung zwischen einem elektronischen Datenstrom und einer Kodierung dieses Datenstroms in dem zu übertragenden optischen Strahl (3),- wobei in jeder der Transceiver-Einheiten (7a, 7b) die Senderoptik (13a, 13b) jeweils ein erstes fokussierendes Element (15a, 15b) aufweist, um den von der Strahlungsquelle (11a, 11b) ausgesendeten Strahl optisch zu formen, und jeweils eine Verschiebeeinrichtung (17a, 17b), welche dazu ausgestaltet ist, den Abstand (43) zwischen erstem fokussierenden Element (15a, 15b) und Strahlungsquelle (11a, 11b) zu verändern,- wobei in jeder der Transceiver-Einheiten (7a,7b) die Empfängeroptik (23a,23b) jeweils ein zweites fokussierendes Element (25a,25b) aufweist, um den übertragenen optischen Strahl auf dem Strahlungsdetektor (21a,21b) zu bündeln,- wobei die ersten fokussierenden Elemente (15a, 15b) und die zweiten fokussierenden Elemente (25a,25b) jeweils als asphärische fokussierende Elemente ausgestaltet sind. Weiterhin werden eine entsprechende einzelne optische Transceiver-Einheit (7) sowie ein Verfahren zur optischen Datenübertragung angegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Freistrahlübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Daten mittels eines optischen Strahls entlang einer freien optischen Wegstrecke, umfassend zwei sich gegenüberstehende optische Transceiver-Einheiten mit jeweils einer optischen Strahlungsquelle, einer dieser nachgelagerten Senderoptik, einem optischen Strahlungsdetektor, einer diesem vorgelagerten Empfängeroptik und einer Schnittstelle zur Konvertierung zwischen einem elektronischen Datenstrom und einer Kodierung dieses Datenstroms in dem zu übertragenden optischen Strahl. Weiterhin betrifft die Erfindung eine einzelne optische Transceiver-Einheit für eine solche Vorrichtung sowie ein Verfahren zu Übertragung von Daten.
Die oben allgemein beschriebene Art von optischer Freistrahlübertragungsvorrichtung wird in der Fachwelt auch als Datenlichtschranke bezeichnet. Nach dem Stand der Technik sind solche Datenlichtschranken typischerweise zur optischen Übertragung von Daten bei einem festgelegten Abstand zwischen den beiden Transceiver-Einheiten ausgelegt, wobei dieser Abstand im Betrieb nicht oder nur innerhalb relativ enger Grenzen und/oder mit Einschränkungen bei der Justagetoleranz variiert werden kann. Eine solche feste Übertragungsweite ist beispielsweise häufig dadurch bedingt, dass Senderoptik und/oder Empfängeroptik so ausgelegt sind, dass sie nur in einem bestimmten vorgegebenen optimalen Abstandsbereich eine gute Ausleuchtung des Detektors durch den übertragenen optischen Strahl bewirken. Hierdurch ist der Einsatzbereich einer gegebenen Übertragungsvorrichtung und/oder eines gegebenen Transceivers häufig stark begrenzt und es müssen verschiedene Geräte für verschiedene Arten der Anwendung zur Verfügung gestellt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine optische Freistrahlübertragungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden, welche in einem sehr breiten Bereich unterschiedlicher Übertragungsweiten einsetzbar ist. Weiterhin soll die Vorrichtung leicht justierbar sein, tolerant gegenüber seitlichen Positionsabweichungen sein und trotzdem möglichst kompakt ausgeführt werden können. Eine weitere Aufgabe ist es, eine einzelne Transceiver-Einheit für eine solche Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Datenübertragung mit einer solchen Vorrichtung zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene Übertragungsvorrichtung, die in Anspruch 14 beschriebene Transceiver-Einheit sowie das in Anspruch 15 beschriebene Verfahren gelöst.
Die erfindungsgemäße optische Freistrahlübertragungsvorrichtung ist zur Übertragung von Daten mittels eines optischen Strahls entlang einer freien optischen Wegstrecke ausgelegt. Die Vorrichtung umfasst zwei sich gegenüberstehende optische Transceiver-Einheiten. Jede dieser Transceiver-Einheiten umfasst eine optische Strahlungsquelle, eine dieser nachgelagerte Senderoptik, einen optischen Strahlungsdetektor, eine diesem vorgelagerte Empfängeroptik und eine Schnittstelle zur Konvertierung zwischen einem elektronischen Datenstrom und einer Kodierung dieses Datenstroms in dem zu übertragenden optischen Strahl. In jeder der Transceiver-Einheiten weist die Senderoptik jeweils ein erstes fokussierendes Element auf, um einen von der Strahlungsquelle ausgesendeten Strahl optisch zu formen. Außerdem weist die jeweilige Senderoptik eine Verschiebeeinrichtung auf, welche dazu ausgestaltet ist, den Abstand zwischen erstem fokussierenden Element und Strahlungsquelle zu verändern. Weiterhin umfasst die Empfängeroptik in jeder der Transceiver-Einheiten jeweils ein zweites fokussierendes Element, um den übertragenen optischen Strahl auf dem Strahlungsdetektor zu bündeln. Dabei sind sowohl die ersten fokussierenden Elemente als auch die zweiten fokussierenden Elemente der jeweiligen Transceiver-Einheiten jeweils als asphärische fokussierende Elemente ausgestaltet.
Unter der eingangs genannten Freistrahlübertragungsvorrichtung soll hier generell eine Vorrichtung verstanden werden, welche die kabellose Übertragung von Daten über eine freie Strecke erlaubt. Diese freie optische Wegstrecke ist also beispielsweise eine Strecke, auf der ein optischer Strahl durch Luft oder Vakuum oder ein anderes Gas hindurch übertragen wird. Eine solche freie optische Wegstrecke soll also insbesondere frei von fester Materie sein, sodass der optische Strahl hier also auch nicht durch ein optisches Faserkabel geführt wird, sondern frei übertragen wird.
Die im vorliegenden Zusammenhang verwendeten Begriffe „nachgelagert“ für die Anordnung der Senderoptik und „vorgelagert“ für die Anordnung der Empfängeroptik beziehen sich hier jeweils auf die optische Übertragungsrichtung des jeweils relevanten optischen Strahls.
Unter dem verwendeten Begriff „optische Transceiver-Einheit“ soll hier allgemein eine Einrichtung verstanden werden, welche sowohl als Sender als auch als Empfänger für optisch übertragene Daten wirken kann. Es handelt sich also um einen kombinierten Sender und Empfänger für den genannten optischen Strahl.
Die beschriebene „Schnittstelle“ zur Konvertierung der Daten zwischen einem elektronischen Datenstrom und einem kodierten optischen Strahl ist zweckmäßig eine bidirektionale Schnittstelle. Mit anderen Worten ist in jeder der genannten Transceiver-Einheiten diese Schnittstelle so ausgestaltet, dass Daten sowohl in Richtung vom elektronischen Datenstrom zum optischen Datenstrom als auch in umgekehrter Richtung konvertiert werden können.
Unter den genannten „asphärischen fokussierenden Elementen“ sollen allgemein solche fokussierende Elemente verstanden werden, bei denen wenigstens eine für die optische Fokussierung wirksame Oberfläche von der Form eines Kugelflächensegments abweicht.
Ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen Vorrichtung liegt darin, dass jede der Transceiver-Einheiten mittels der in der Senderoptik vorgesehenen Verschiebeeinrichtung für eine in einem breiten Bereich einstellbare gewünschte Übertragungsweite flexibel konfiguriert werden kann. Durch die gleichzeitige Verwendung von asphärischen fokussierenden Elementen kann dabei auch für sehr unterschiedliche Übertragungsweiten ein weitgehend gleichbleibendes Strahlprofil am Eingang der Empfängeroptik und/oder in der Ebene des Strahlungsdetektors erreicht werden. Bei der Verwendung von herkömmlichen sphärischen fokussierenden Elementen (beispielsweise von sphärischen Linsen) variiert das Strahlprofil dagegen typischerweise viel stärker in Abhängigkeit von der Entfernung des Strahls von der Senderoptik. Mit anderen Worten ist das asphärische fokussierende Element der Senderoptik so ausgestaltet, dass im Vergleich zu einem entsprechenden sphärischen fokussierenden Element (d.h. mit vergleichbarer effektiver Brennweite und Durchmesser) eine höhere Homogenität des Strahlprofils über den Verlauf des optischen Strahls erreicht wird. Unter dem genannten „Strahlprofil“ soll hier allgemein die zweidimensionale Form des Intensitätsverlaufs des Strahls bei einer gegebenen Entfernung von der Strahlungsquelle verstanden werden (also das Querschnittsprofil der Intensität bei gegebenem Abstand). Das Strahlprofil gilt dann als homogen, wenn sich diese zweidimensionale Form über den Strahlverlauf möglichst wenig ändert. Dabei verändert sich durchaus die Breite des Strahlprofils entsprechend den divergierenden oder konvergierenden Eigenschaften. Ein gegebenes Aspektverhältnis des Strahls (in den beiden betrachteten Raumrichtungen) und die Form des Intensitätsverlaufs (also beispielsweise ein annähernd gaußförmiges Profil) sollen dabei jedoch möglichst erhalten bleiben.
In ähnlicher Weise ist das asphärische fokussierende Element der Empfängeroptik so ausgestaltet, dass auch hierdurch im Vergleich zu einem entsprechenden sphärischen Element das Strahlprofil innerhalb der Detektorebene für unterschiedlich gewählte Übertragungsweiten weitgehend konstant bleibt. Unter dem Begriff Übertragungsweite soll hier allgemein der Abstand der jeweiligen Senderoptiken und Empfängeroptiken in den beiden Transceiver-Einheiten verstanden werden.
Durch das beschriebene Zusammenwirken des einstellbaren Abstands innerhalb der Senderoptik und der asphärischen fokussierenden Elemente kann also insgesamt erreicht werden, dass die Übertragungsweite flexibel eingestellt werden kann und trotzdem die Form des Strahlprofils im Bereich der Detektorebene auch für verschieden gewählte Abstände weitgehend erhalten bleibt. Hierdurch kann eine gegebene Übertragungsvorrichtung (und auch eine gegebene Transceiver-Einheit) vorteilhaft für eine sehr breite Auswahl unterschiedlicher Anwendungen eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße einzelne optische Transceiver-Einheit ist analog zu den Transceiver-Einheiten innerhalb der oben beschriebenen Übertragungsvorrichtung ausgestaltet. So umfasst die erfindungsgemäße Transceiver-Einheit eine optische Strahlungsquelle, eine dieser nachgelagerte Senderoptik, einen optischen Strahlungsdetektor, eine diesem vorgelagerte Empfängeroptik und eine Schnittstelle zur Konvertierung zwischen einem elektronischen Datenstrom und einer Kodierung dieses Datenstroms in dem zu übertragenden optischen Strahl. Die Senderoptik weist ein erstes fokussierendes Element auf, um einen von der Strahlungsquelle ausgesendeten Strahl optisch zu formen. Außerdem weist die Senderoptik eine Verschiebeeinrichtung auf, welche dazu ausgestaltet ist, den Abstand zwischen erstem fokussierenden Element und Strahlungsquelle zu verändern. Weiterhin umfasst die Empfängeroptik ein zweites fokussierendes Element, um den übertragenen optischen Strahl auf dem Strahlungsdetektor zu bündeln. Dabei sind sowohl das erste fokussierend Element als auch das zweite fokussierende Element als asphärische fokussierende Elemente ausgestaltet. Die Vorteile der erfindungsgemäßen optischen Transceiver-Einheit ergeben sich analog zu den oben beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Übertragungsvorrichtung.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Übertragung von Daten mit einer erfindungsgemäßen optischen Freistrahlübertragungsvorrichtung. Es weist die folgenden Schritte auf:

- Wahl eines Betriebsmodus der Übertragungsvorrichtung,
- Einstellung eines diesem Betriebsmodus zugehörigen Abstands zwischen erstem fokussierendem Element und Strahlungsquelle mittels der Verschiebeeinrichtung in der jeweiligen Transceiver-Einheit,
- Anordnung der beiden Transceiver-Einheiten in einem dem Betriebsmodus zugehörigen Abstand zwischen den beiden Transceiver-Einheiten,
- Konvertierung aus einem elektronischen Datenstrom in eine Kodierung des zu übertragenden optischen Strahls in der Schnittstelle einer ersten der beiden Transceiver-Einheiten
- Aussenden eines optischen Strahls durch die Strahlungsquelle der ersten Transceiver-Einheit und Formung des optischen Strahls durch das erste fokussierende Element der ersten Transceiver-Einheit,
- Bündelung des optischen Strahls durch das zweite fokussierende Element der zweiten Transceiver-Einheit auf den Strahlungsdetektor der zweiten Transceiver-Einheit und
- Konvertierung des vom Strahlungsdetektor empfangenen kodierten Signals in einen elektronischen Datenstrom in der Schnittstelle der zweiten Transceiver-Einheit. Auch die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich analog zu den oben beschriebenen Vorteilen der Übertragungsvorrichtung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen der Übertragungsvorrichtung, der Transceiver-Einheit und des Verfahrens allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
Vorteilhaft weist die Verschiebeeinrichtung der Senderoptik in jeder der beiden Transceiver-Einheiten einen Verfahrweg von wenigstens 3 mm, insbesondere sogar wenigstens 6 mm auf. Unter dem Verfahrweg soll hierbei der mittels der Verschiebeeinrichtung maximal einstellbare Unterschied in der Entfernung zwischen Strahlungsquelle und erstem fokussierenden Element verstanden werden. Der absolute Abstand zwischen den beiden genannten optischen Elementen kann dabei beispielsweise wenigstens zwischen 29 mm und 36mm variiert werden. Ein Verfahrweg in einem derartigen Bereich ermöglicht vorteilhaft, dass eine für die Datenübertragung geeignete Breite des optischen Strahls im Bereich der Empfängeroptik der jeweils gegenüberliegenden Transceiver-Einheit für sehr unterschiedliche Übertragungsweiten eingestellt werden kann. So kann der absolute Unterschied zwischen verschiedenen wählbaren Übertragungsweiten beispielsweise mehr als 30 m und insbesondere sogar mehr als 50 m betragen. Der relative Unterschied zwischen verschiedenen wählbaren Übertragungsweiten kann beispielsweise zumindest ein Faktor 3 sein oder sogar in bestimmten Fällen ein Faktor 10 oder mehr sein. Um derart hohe Unterschiede in den Übertragungsweiten zu erreichen, ist jedoch allgemein vorteilhaft ein Verfahrweg der Verschiebeeinrichtung von bis zu 10 mm ausreichend.
Allgemein und unabhängig vom realisierten Verfahrweg kann die Verschiebeeinrichtung zur stufenlosen Wahl des Abstands zwischen Strahlungsquelle und erstem fokussierenden Element ausgestaltet sein. Besonders bevorzugt kann die Einstellung dieses Abstands automatisiert erfolgen, insbesondere kann sie vorteilhaft elektrisch verschiebbar und/oder elektronisch steuerbar sein.
Vorteilhaft kann ein erster wählbarer Abstand zwischen Strahlungsquelle und erstem fokussierendem Element, welcher einem ersten Betriebsmodus zugeordnet ist, zwischen 28 mm und 30 mm liegen. Bei diesem ersten Betriebsmodus kann es sich insbesondere um einen Modus für eine vergleichsweise kurze Übertragungsweite handeln, welche beispielsweise unterhalb von 5 m liegt. So kann dem ersten Betriebsmodus insbesondere ein erster optischer Betriebsabstand zwischen den beiden Transceiver-Einheiten (also eine Übertragungsweite) zugeordnet sein, welcher zwischen 3 m und 5 m liegt. Dabei sind die Senderoptiken und die Empfängeroptiken vorteilhaft jeweils so ausgestaltet, dass im ersten Betriebsmodus die Halbwertsbreite des jeweiligen optischen Strahls im Bereich des zu diesem Strahl gehörigen zweiten fokussierenden Elements (dasjenige, welches von diesem Strahl beleuchtet wird - also das zweite fokussierende Element der gegenüberliegenden Transceiver-Einheit) wenigstens zweimal so breit ist wie dieses zweite fokussierende Element. Diese Mindestbreite soll zumindest für eine Raumrichtung senkrecht zum optischen Strahl gegeben sein, vorteilhaft jedoch sogar für alle Raumrichtungen senkrecht zu diesem Strahl. Unter der genannten Halbwertsbreite soll hier, wie allgemein in der Optik üblich die volle Breite bei halber Höhe (FWHM für englisch „full width at half maximum) des Intensitätsprofils verstanden werden.
Für eine derartig breite Ausleuchtung der Empfängeroptik bei kurzer Übertragungsweite (also beim kurzen ersten Betriebsabstand zwischen den beiden Transceivern) wird ein vergleichsweise stark divergenter optischer Strahl benötigt. Dies wird zweckmäßig durch einen vergleichsweise kurzen ersten wählbaren Abstand zwischen Strahlungsquelle und erstem fokussierendem Element im genannten Wertebereich erreicht. Dieser erste wählbare Abstand kann vorteilhaft unterhalb von einem Wert 0,8f liegen, wobei f die Brennweite des ersten fokussierenden Elements ist.
Ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen breiten Ausleuchtung der Empfängeroptik des gegenüberliegenden Transceiver-Elements ist, dass zumindest in einer Raumrichtung senkrecht zum optischen Strahl eine seitliche Verschiebung zwischen den beiden Transceiver-Elementen möglich ist, ohne dass die Verbindung für die Datenübertragung unterbrochen wird. Solche seitlichen Verschiebungen können beispielsweise durch Schwingungen in den Systemen, zwischen denen die Daten übertragen werden sollen, verursacht sein.
Alternativ oder zusätzlich zu der Ausgestaltung für den beschriebenen ersten Betriebsmodus kann die Vorrichtung vorteilhaft einen zweiten wählbaren Abstand zwischen Strahlungsquelle und erstem fokussierendem Element aufweisen, welcher einem zweiten Betriebsmodus zugeordnet ist, und welcher zwischen 35 mm und 36 mm liegt. Bei diesem zweiten Betriebsmodus kann es sich insbesondere um einen Modus für eine vergleichsweise lange Übertragungsweite handeln, welche beispielsweise oberhalb von 20 m und insbesondere sogar oberhalb von 30 m liegt. So kann dem zweiten Betriebsmodus insbesondere ein zweiter optischer Betriebsabstand zwischen den beiden Transceiver-Einheiten zugeordnet sein, welcher zwischen 20 m und 100 m liegt. Dabei sind die Senderoptiken und die Empfängeroptiken vorteilhaft jeweils so ausgestaltet, dass im zweiten Betriebsmodus die Halbwertsbreite des jeweiligen optischen Strahls im Bereich des zu diesem Strahl gehörigen zweiten fokussierenden Elements höchstens 3x so breit ist wie dieses zweite fokussierende Element. Diese Höchstbreite soll hier für alle Raumrichtungen senkrecht zum optischen Strahl gelten und wiederum als Halbwertsbreite verstanden werden.
Für eine derartige Ausleuchtung der Empfängeroptik bei größerer Übertragungsweite darf der optische Strahl zwischen den beiden Transceivern nicht zu stark divergent sein. Dies wird zweckmäßig durch einen zweiten wählbaren Abstand zwischen Strahlungsquelle und erstem fokussierendem Element erreicht, welcher größer ist als der vorab beschriebene erste wählbare Abstand für den ersten Betriebsmodus. Dieser zweite wählbare Abstand kann vorteilhaft in einem Bereich zwischen 0,97f und 1,03f liegen.
Ein wesentlicher Vorteil einer derart eng begrenzten Ausleuchtung der gegenüberliegenden Empfängeroptik im zweiten Betriebsmodus liegt darin, dass ein höherer Anteil der Strahlung von der Empfängeroptik eingesammelt und durch den Strahlungsdetektor detektiert werden kann als bei Verwendung des stark divergenten Strahls, wie er im ersten Betriebsmodus zum Einsatz kommt. Auch im zweiten Betriebsmodus können jedoch die Sendeoptiken und die Empfängeroptiken jeweils so ausgestaltet sein, dass die Halbwertsbreite des jeweiligen optischen Strahls im Bereich des zugehörigen zweiten fokussierenden Elements zumindest 2x mal so breit ist wie dieses zweite fokussierende Element. Diese bevorzugte Mindestbreite soll auch hier wiederum zumindest für eine Raumrichtung senkrecht zum optischen Strahl gelten, vorteilhaft aber auch für alle. Durch diese Art Ausleuchtung wird auch für den zweiten Betriebsmodus erreicht, dass geringe seitliche Verschiebungen zwischen den beiden Transceiver-Elementen (zumindest in einer Raumrichtung) nicht zu einer Unterbrechung der Datenübertragung führen.
Alternativ oder zusätzlich zu der Ausgestaltung für den beschriebenen ersten und/oder zweiten Betriebsmodus kann die Vorrichtung vorteilhaft einen dritten wählbaren Abstand zwischen Strahlungsquelle und erstem fokussierendem Element aufweisen, welcher einem dritten Betriebsmodus zugeordnet ist, und welcher zwischen 36 mm und 38 mm liegt. Bei diesem dritten Betriebsmodus kann es sich insbesondere um einen Justagemodus für eine vergleichsweise lange Übertragungsweite handeln, wobei diese lange Übertragungsweite beispielsweise ähnlich gewählt sein kann wie beim zweiten Betriebsmodus oder auch allgemein vorteilhaft sogar zwischen 100 m und 200 m liegen kann. Dabei sind die Senderoptiken und die Empfängeroptiken vorteilhaft jeweils so ausgestaltet, dass im dritten Betriebsmodus die Halbwertsbreite des jeweiligen optischen Strahls im Bereich des zu diesem Strahl gehörigen zweiten fokussierenden Elements höchstens 0.5x so breit ist wie dieses zweite fokussierende Element. Diese Höchstbreite soll hier für alle Raumrichtungen senkrecht zum optischen Strahl gelten und wiederum als Halbwertsbreite verstanden werden.
Für eine derartig eng begrenzte Ausleuchtung der Empfängeroptik bei vergleichsweise großer Übertragungsweite darf der optische Strahl zwischen den beiden Transceivern höchstens ganz schwach divergent sein. Er kann sogar parallel laufen oder sogar konvergent sein. Ein derart enger Strahl wird zweckmäßig durch einen dritten wählbaren Abstand zwischen Strahlungsquelle und erstem fokussierendem Element erreicht, welcher größer ist als der vorab beschriebenen erste wählbare Abstand für den ersten Betriebsmodus und größer als der vorab beschriebenen zweite wählbare Abstand für den zweiten Betriebsmodus. Dieser dritte wählbare Abstand kann vorteilhaft in einem Bereich >1.03f liegen, wobei f wiederum die Brennweite des ersten fokussierenden Elements ist.
Ein wesentlicher Vorteil einer derart eng begrenzten Ausleuchtung der gegenüberliegenden Empfängeroptik im dritten Betriebsmodus liegt darin, dass hiermit auf besonders einfache Weise eine gute räumliche Ausrichtung der beiden Transceiver-Elemente zueinander ermöglicht wird. Daher wird der dritte Betriebsmodus auch als Justagemodus bezeichnet. So kann mit der dort vorgesehenen eng begrenzten Ausleuchtung der Empfängeroptik durch seitliche Verschiebung der beiden Transceiver-Einheiten gegeneinander und durch gleichzeitige Maximierung des gemessenen Detektorsignals eine optimierte Ausrichtung erreicht werden. Nach Einstellung dieser optimierten Ausrichtung kann beispielsweise anschließend bei gleichbleibender Position der beiden Transceiver-Einheiten (also auch bei gleicher Übertragungsweite) in den zweiten Betriebsmodus gewechselt werden und im zweiten Betriebsmodus dann eine Datenübertragung vorgenommen werden.
Der Durchmesser der ersten fokussierenden Elemente (in den jeweiligen Transceiver-Elementen) kann vorteilhaft jeweils zwischen 15 mm und 25 mm liegen. Die Wahl der Durchmesser innerhalb des genannten Bereiches ist besonders geeignet, um bei vorgegebener maximaler Divergenz der Strahlungsquelle eine geeignete Strahlbreite für die verschiedenen vorab beschriebenen Ausleuchtungsszenarien zu erreichen. Weiterhin ist die relativ große abstrahlende Fläche der ersten fokussierenden Elemente vorteilhaft, um beispielsweise Vorgaben der Lasersicherheit einhalten zu können, wenn ein Laser als Strahlungsquelle verwendet wird. Bei einer großen Abstrahlfläche wird die Leuchtdichte der abstrahlenden Fläche verringert und somit eine Gefährdung des Auges durch eine Netzhautversetzung bei ungünstiger Beleuchtung des Auges vermieden. Allgemein können die einzelnen ersten fokussierenden Elemente der einzelnen Transceiver-Elemente innerhalb der Übertragungsvorrichtung vorteilhaft gleich ausgestaltet sein.
Bei den einzelnen ersten fokussierenden Elementen kann es sich allgemein wahlweise entweder um rotationssymmetrische oder auch um nicht rotationssymmetrische Elemente handeln. Bei der Ausgestaltung als nicht rotationssymmetrisches Element soll unter dem oben genannten Durchmesser analog die größte Breite senkrecht zur Strahlrichtung verstanden werden. Die Verwendung rotationssymmetrischer fokussierende Elemente ist allgemein im Zusammenhang mit rotationssymmetrischen Strahlprofilen besonders vorteilhaft. Bei nicht rotationssymmetrischen Strahlprofilen können entweder rotationssymmetrische oder auch nicht rotationssymmetrische fokussierende Element zum Einsatz kommen.
Als fokussierende Elemente sind generell optische Linsen besonders geeignet. Grundsätzlich können aber auch beispielsweise Hohlspiegel als fokussierende Elemente zum Einsatz kommen. Als nicht rotationssymmetrische fokussierende Elemente kommen beispielsweise Zylinderlinsen in Frage. Diese können beispielsweise bei der Verwendung von stark asymmetrischen Strahlprofilen (also beispielsweise eines Kantenemitter als Strahlungsquelle) besonders vorteilhaft sein. Im Zusammenhang mit der Verwendung von asymmetrischen (z.B. ovalen) Strahlprofilen kann es allgemein vorteilhaft sein, wenn die Ausrichtung der längeren Achse innerhalb des Stahlprofils einstellbar ist. Hierzu kann beispielsweise die Strahlungsquelle und/oder die Senderoptik innerhalb des jeweiligen Transceiver-Elements verstellbar (insbesondere drehbar) angeordnet sein. Besonders bevorzugt ist es, wenn bei fester Einstellung der Strahlungsquelle nur durch Drehung der Senderoptik die Ausrichtung des Strahls verändert werden kann. Auf diese Weise kann die Längsrichtung des Strahlprofils für eine gegebene Anwendung auf die Raumrichtung angepasst werden, in der stärkere seitliche Positionsschwankungen (beispielsweise durch Vibrationen) zu erwarten sind.
Allgemein können die Brennweiten der ersten fokussierenden Elemente jeweils vorteilhaft zwischen 25 mm und 40 mm liegen. Die Wahl der Brennweiten innerhalb des genannten Bereiches ist besonders geeignet, um bei den gegebenen Abständen und bei vorgegebener maximaler Divergenz im Bereich der Empfängeroptik eine geeignete Strahlbreite für die verschiedenen vorab beschriebenen Ausleuchtungsszenarien zu erreichen.
Besonders vorteilhaft weisen die asphärischen ersten fokussierenden Elemente eine bestimmte minimale Abweichung von einer sphärischen Form (insbesondere sphärischen Linsenform) auf. So können die ersten fokussierenden Elemente als asphärische Linsen ausgebildet sein, deren Form nach DIN ISO 10110 Optik und Photonik durch die folgende allgemeine Formel gegeben ist: $z (r) = \frac{p r^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) {(p r)}^{2}}} + \sum_{i = 2}^{n} A_{2 i} \times r^{2 i} + \sum_{i = 2}^{m} A_{2 i + 1} \times {| r |}^{2 i + 1},$
wobei z die Pfeilhöhe, r den Abstand senkrecht zur Achse (die Einfallshöhe), p die Scheitelkrümmung, k die konische Konstante, A_2i die geraden Koeffizienten des Korrekturpolynoms, A_2i+1 die ungeraden Koeffizienten des Korrekturpolynoms und das Maximum der Werte (2n,2m+1) den Grad des Korrekturpolynoms angibt. Die asphärischen Eigenschaften können beispielsweise so stark ausgeprägt sein, dass der Betrag von A₂ wenigstens 1 × 10^-3, insbesondere wenigstens 3 × 10^-3 ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Betrag von A₄ wenigstens 0.5 × 10^-6, insbesondere wenigstens 1.5 × 10^-6 sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Betrag von A₆ wenigstens 1 × 10^-9, insbesondere wenigstens 2 × 10^-9 sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Betrag von A₈ wenigstens 3 × 10^-12, insbesondere wenigstens 5 × 10^-12 sein. Dabei kann insbesondere das Vorzeichen zwischen den einzelnen Koeffizienten wechseln. Derart stark asphärische erste fokussierende Elemente sind besonders vorteilhaft, um das Strahlprofil bei unterschiedlicher Kollimation und über die gesamte Übertragungsstrecke zu gewährleisten.
Allgemein können die Durchmesser der zweiten fokussierenden Elemente jeweils bei wenigstens 75 mm liegen. Beispielsweise können sie jeweils in einem Bereich zwischen 100 mm und 150 mm liegen. Die Durchmesser von nicht rotationssymmetrischen fokussierenden Elementen sollen dabei wiederum analog wie oben beschrieben definiert sein. Derart hohe Durchmesser in den fokussierenden Elementen der Empfängeroptik sind besonders geeignet, um einen hohen Anteil der gesamten Strahlungsintensität des übertragenen optischen Strahls mittels des Strahlungsdetektors detektieren zu können, also um einen hohen Akzeptanzwinkel zu erreichen.
Allgemein können die Brennweiten der zweiten fokussierenden Elemente jeweils vorteilhaft zwischen 30 mm und 60 mm, insbesondere zwischen 40 mm und 50 mm liegen. Bezogen auf einen Durchmesser d des jeweiligen zweiten fokussierenden Elements, kann die Brennweite vorteilhaft zwischen 0.4d und 0.5d liegen. Die Wahl der Brennweiten innerhalb des genannten Bereiches ist besonders geeignet, um bei den gegebenen Abständen einen möglichst hohen Anteil der Strahlung auf den Strahlungsdetektor zu fokussieren.
Besonders vorteilhaft weisen auch die asphärischen zweiten fokussierenden Elemente eine bestimmte minimale Abweichung von einer sphärischen Form (insbesondere Linsenform) auf. So können auch die zweiten fokussierenden Elemente als asphärisehe Linsen ausgebildet sein, deren Form nach DIN ISO 10110 Optik und Photonik durch die oben genannte allgemeine Formel gegeben ist. Die asphärischen Eigenschaften der zweiten fokussierenden Elemente können beispielsweise so stark ausgeprägt sein, dass der Betrag von A₂ wenigstens 1 × 10^-2, insbesondere wenigstens 2 × 10^-2 ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Betrag von A₄ wenigstens 1 × 10^-7, insbesondere wenigstens 5 × 10^-7 sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Betrag von A₆ wenigstens 1 × 10^-10, insbesondere wenigstens 3 × 10^-10 sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Betrag von A₈ wenigstens 5 × 10^-14, insbesondere wenigstens 1 × 10^-13 sein. Dabei kann insbesondere das Vorzeichen zwischen den einzelnen Koeffizienten wechseln.
Besonders vorteilhaft können die zweiten fokussierenden Elemente jeweils als Fresnellinsen ausgestaltet sein. Dies ist besonders vorteilhaft, um vor allem bei vergleichsweise kurzen Brennweiten und großen Durchmessern eine kompakte Bauform zu erreichen. Grundsätzlich können auch die ersten fokussierenden Elemente als Fresnellinsen ausgestaltet sein. Für die zweiten fokussierenden Elemente ist der Aspekt des Platzverbrauchs jedoch noch wichtiger, da der Durchmesser hier vorteilhaft größer gewählt ist als bei den ersten fokussierenden Elementen, um auch bei hoher Entfernung einen großen Strahlungsanteil einzusammeln. Auch kommt es in dem Bereich des Strahls, der dem zweiten fokussierenden Element optisch nachgelagert ist, vergleichsweise weniger auf die Strahlqualität und die Homogenität des Strahls über längere Distanzen an.
Allgemein können die zweiten und/oder die ersten fokussierenden Elemente vorteilhaft aus einem Polymer gebildet sein oder zumindest ein Polymer enthalten. Bei dem genannten Polymer kann es sich insbesondere um ein Polycarbonat handeln. Unabhängig von der genauen Wahl des Materials können die fokussierenden Elemente (insbesondere bei der Ausgestaltung als Linsen) vorteilhaft durch Spritzgussverfahren oder auch durch Diamond Turning gefertigt sein.
Vorteilhaft können die optischen Strahlungsquellen in den einzelnen Transceiver-Elementen jeweils zur Aussendung eines nicht rotationssymmetrischen (insbesondere ovalen, zu optischen Strahls mit einem Aspektverhältnis zwischen 1:2 und 1:5, insbesondere zwischen 1:3 und 1:5, ausgestaltet sein. Unter den genannten Aspektverhältnissen soll hier das Verhältnis der kleinsten zur größten Halbwertsbreite senkrecht zur Strahlrichtung verstanden werden. Ein Aspektverhältnis im genannten Bereich kann beispielsweise bei Verwendung eines Kantenemitters als Strahlungsquelle gegeben sein. Ein wesentlicher Vorteil eines derart asymmetrischen Strahlprofils liegt darin, dass hierdurch die Empfängerempfindlichkeit gegenüber Dejustage in einer Vorzugsrichtung verbessert werden kann (z.B. Empfänger befindet sich auf einem Maschinenteil, das nur oder besonders stark in einer Richtung vibriert. Die Senderoptik und/oder die Empfängeroptik können dann ebenfalls asymmetrisch ausgestaltet sein. Besonders vorteilhaft kann die räumliche Lage des asymmetrischen Strahls dann so gewählt sein, dass die breitere Richtung derjenigen Raumrichtung entspricht, in der eine größere Schwankung der relativen räumlichen Anordnung der beiden Transceiver-Einheiten (beispielsweise durch Vibrationen) zu erwarten ist.
Bei der Strahlungsquelle kann sich allgemein vorteilhaft um eine Laserquelle, insbesondere eine Laserdiode handeln. Allgemein kann die Strahlungsquelle zur Aussendung von Strahlung im sichtbaren Bereich, insbesondere im roten Bereich, oder auch im infraroten Bereich ausgestaltet sein. Strahlungsdetektor kann es sich beispielsweise um eine Photodiode, zum Beispiel eine Silizium-Photodiode, handeln.
Allgemein bevorzugt können die beiden gegenüberliegend anzuordnenden Transceiver-Einheiten der Übertragungsvorrichtung insgesamt ähnlich oder sogar gleich ausgestaltet sein. Dies ist besonders vorteilhaft für eine symmetrische bidirektionale Datenübertragung zwischen den beiden Transceiver-Einheiten. Zweckmäßig werden bei der Anwendung der Datenübertragungsvorrichtung auch die Abstände zwischen den Strahlungsquellen und den ersten fokussierenden Elementen entsprechend dem jeweiligen Betriebsmodus in den beiden Transceiver-Einheiten gleich gewählt.
Die Anzahl der Transceiver-Einheiten in der Übertragungsvorrichtung ist jedoch grundsätzlich nicht auf zwei beschränkt. So kann die Übertragungsvorrichtung grundsätzlich ein oder mehrere weitere Transceiver-Einheiten aufweisen, welche beispielsweise optisch zwischen zwei endständigen Transceiver-Einheiten angeordnet sind und somit als Repeater für die Datenübertragung wirken. Diese mittleren Transceiver-Einheiten sind dann vorteilhaft unterschiedlich zu den endständigen Transceiver-Einheiten ausgestaltet. Sie sind zweckmäßig so ausgestaltet, dass sie jeweils beidseitig optisch codierte Daten empfangen und aussenden können, damit sie beispielsweise auf beiden Seiten mit benachbarten endständigen Transceiver-Einheiten oder Repeatern kommunizieren können.
Die Schnittstellen zur Konvertierung zwischen elektronischem und optisch codierte Datenstrom können beispielsweise zur Konvertierung mittels Amplitudenumtastung (englisch „ON/OFF Keying“) oder Frequenzumtastung (englisch „Frequency Keying“) ausgestaltet sein.
Vorteilhafte Anwendungen der beschriebenen Übertragungsvorrichtung sind vor allem bei der Datenübertragung in Netzwerken, insbesondere im industriellen Umfeld gegeben. Beispielsweise können so Datenverbindungen zwischen Netzwerkrechnern geschaffen werden, zwischen denen keine Kabelverbindung möglich ist und/oder zwischen denen eine Funkverbindung ungünstig ist. Beispielsweise kann mit der beschriebenen Übertragungsvorrichtung eine kabellose Kommunikation mit einem Regalbediengerät, einer Flurförderanlage, einem fahrerlosen Transportsystem, einer Elektrohängebahn und/oder einer Andockstation realisiert werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 einen schematischen Längsschnitt einer Übertragungsvorrichtung nach einem ersten Beispiel Erfindung zeigt,
2 einen schematischen Längsschnitt für einen optischen Strahlengang der Vorrichtung im ersten Betriebsmodus zeigt,
3 einen schematischen Längsschnitt für einen optischen Strahlengang der Vorrichtung im zweiten Betriebsmodus zeigt und
4 einen schematischen Längsschnitt für einen optischen Strahlengang der Vorrichtung im dritten Betriebsmodus zeigt.

In 1 ist ein schematischer Längsschnitt einer optischen Freistrahlübertragungsvorrichtung 1 mit zwei Transceiver-Einheiten 7a und 7b nach einem ersten Beispiel der Erfindung gezeigt. Die Übertragungsvorrichtung 1 ist zur Übertragung von Daten mittels eines optischen Strahls 3 entlang einer freien optischen Wegstrecke 5 ausgebildet, welche sich zwischen den beiden Transceiver-Einheiten 7a und 7b befindet.
Die beiden Transceiver-Einheiten 7a und 7b sind untereinander im Wesentlichen gleich aufgebaut. Sie sind jedoch unterschiedlich orientiert. Jede der beiden Transceiver-Einheiten 7a und 7b weist zumindest folgende Elemente auf: jeweils eine optische Strahlungsquelle 11a, 11b, eine dieser nachgelagerte Senderoptik 13a, 13b, einen optischen Strahlungsdetektor 21a, 21b und eine diesem vorgelagerte Empfängeroptik 23a, 23b. Weiterhin weist jede Transceiver-Einheit 7a,7b eine Schnittstelle 31a,31b auf, welche die zu übertragenden Daten zwischen einem elektronischen Datenstrom in einem anzuschließenden Datenkabel 33 und einer Kodierung dieses Datenstroms in dem zu übertragenden optischen Strahl 3 konvertiert. Jede dieser Schnittstellen 31a, 31b ist dabei zur Konvertierung des Datenstroms in beide Richtungen geeignet.
Die beiden in 1 gezeigten Transceiver-Einheiten 7a und 7b sind zueinander so ausgerichtet, dass ein optischer Strahl 3, welcher von der Senderoptik 13a der ersten Transceiver-Einheit 7a ausgesendet wird, von der Empfängeroptik 23b der zweiten Transceiver-Einheit 7b empfangen werden kann. Ein solcher optischer Strahl 3 ist beispielhaft in der 1 eingezeichnet. In analoger Weise kann ein hier nicht näher dargestellter entsprechender optischer Strahl von der Senderoptik 13b der zweiten Transceiver-Einheit 7b auf die Empfängeroptik 23a der ersten Transceiver-Einheit 7a übertragen werden.
Um die von der jeweiligen Schnittstelle 31a,31b kodierten Daten in ein kodiertes Signal der Strahlungsquelle 11a bzw. 11b umzusetzen, weist jede der beiden Transceiver-Einheiten 7a bzw. 7b eine Steuereinheit 19 zur Steuerung der jeweiligen optischen Strahlungsquelle auf. Um andererseits das empfangene optische Signal vom jeweiligen Strahlungsdetektor 21a bzw. 21b an die Schnittstelle 31a bzw. 31b zu übertragen, weist jede der Transceiver-Einheiten 7a bzw. 7b eine Ausleseeinheit 29 zur elektronischen Verarbeitung des von dem jeweiligen Strahlungsdetektor 21a bzw. 21b gemessenen Signals auf. Eine solche Ausleseeinheit 29 kann beispielsweise einen Verstärker (für Frequenzumtastung insbesondere einen Lock-in-Verstärker) und/oder einen Analogdigitalwandler aufweisen.
Bei der dargestellten Übertragungsvorrichtung 1 des gezeigten Beispiels ist die Länge der freien optischen Wegstrecke 5 und damit auch die Übertragungsweite der Vorrichtung nicht fest vorgegeben. Vielmehr sind die beiden Transceiver-Einheiten 7a und 7b jeweils so ausgestaltet, dass sie auf verschiedene Betriebsmodi und verschiedene zugehörige Übertragungsweiten optimiert werden können. Hierzu weist jede Transceiver-Einheit 7a bzw. 7b innerhalb ihrer Senderoptik 13a bzw. 13b jeweils eine Verschiebeeinrichtung 17a bzw. 17b auf, mit welcher der Abstand zwischen der jeweiligen Strahlungsquelle 11a bzw. 11b und dem jeweiligen ersten fokussierenden Element 15a bzw. 15b eingestellt werden kann. Die Einstellung dieser Abstände für die jeweiligen Betriebsmodi wird in den folgenden 3 Figuren näher erläutert. Im Beispiel der 1 sind die fokussierenden Elemente 15a, 15b, 25a und 25b jeweils als Sammellinsen ausgestaltet. Bei den beiden zweiten fokussierenden Elementen 25a und 25b, welche insbesondere einen deutlich größeren Durchmesser als die beiden ersten fokussierenden Elemente 15a und 15b aufweisen können, handelt es sich hier um Fresnellinsen, welche insgesamt deutlich platzsparender ausgeführt werden können als vergleichbare konventionelle Linsen.
So zeigt 2 einen schematischen Längsschnitt entlang des optischen Strahls für einen optischen Strahlengang zwischen zwei Transceiver-Einheiten im ersten Betriebsmodus. Der Übersichtlichkeit halber sind hier nicht die vollständigen Transceiver-Einheiten gezeigt, sondern nur im linken Teil eine Strahlungsquelle 11 und eine Senderoptik 13 einer ersten Transceiver-Einheit und im rechten Teil der Zeichnung die gegenüberliegend angeordnete Empfängeroptik 23 und der Strahlungsdetektor 21 der damit zusammen wirkenden zweiten Transceiver-Einheit. Die Übertragungsvorrichtung, von denen Teile in 2 gezeigt sind, kann beispielsweise insgesamt gleich oder ähnlich wie bei dem Beispiel der 1 ausgestaltet sein. Auch hier kann insbesondere das zweite fokussierende Element 25 wieder als Fresnellinse ausgestaltet sein, was nur der Einfachheit halber hier nicht näher illustriert ist.
Im dargestellten ersten Betriebsmodus ist die Übertragungsvorrichtung für einen vergleichsweise kurzen Betriebsabstand 45 konfiguriert. Dieser Betriebsabstand 45, welche hier nicht als Abstand zwischen den Gehäusen der Transceiver Elemente, sondern als optischer Abstand zwischen den Mittelpunkten der zugehörigen fokussierenden Elemente 13 und 23 definiert ist, soll hier beispielsweise nur 5 m betragen. Wie bereits beschrieben, ist das erste fokussierende Element 15 (hier die Senderlinse) durch eine Verschiebeeinrichtung 17 verfahrbar.
Hierdurch kann der Abstand 43 zwischen erstem fokussierendem Element 11 und der Sendelinse 15 um den gegebenen Verfahrweg 41 variiert werden. Unter diesem Abstand 43 soll hier insbesondere die Distanz zwischen dem Ausgang der optischen Strahlungsquelle 11 und dem Mittelpunkt der Sendelinse 15 verstanden werden. Für den gegebenen Betriebsabstand 45 von 5 m kann dieser Abstand 43 beispielsweise auf einen ersten Wert von 29 mm eingestellt sein. Die Brennweite der Sendelinse 15 beträgt in diesem Beispiel 36.8 mm.
Der von der Strahlungsquelle ausgesendete optische Strahl 3 weist in diesem Beispiel eine ovale Strahlform auf. Im linken unteren Teil der Zeichnung ist diese Strahlform äußerst schematisch im Bereich der ersten Linsenebene 51 dargestellt. Das Aspektverhältnis zwischen der größeren Halbwertsbreite 44a und der kleineren Halbwertsbreite 44b liegt hier bei wenigstens 3:1. Die Sendelinse 15 ist hier als asphärische Linse ausgebildet und zwar derart, dass die Form und das Aspektverhältnis dieses asymmetrischen optischen Strahls über den Verlauf des Strahlengangs weitgehend erhalten bleiben.
Durch die Wahl des vergleichsweise kurzen Abstands 43 im ersten Betriebsmodus wird erreicht, dass der optische Strahl vergleichsweise stark divergent ist. So ist die Breite des optischen Strahls im Bereich der Empfängerlinse 25 stark vergrößert. Im rechten unteren Teil der Zeichnung ist die Strahlform schematisch im Bereich der zweiten Linsenebene 53 dargestellt. Das Aspektverhältnis zwischen der größeren Halbwertsbreite 47a und der kleineren Halbwertsbreite 47b ist hier im Wesentlichen gleich dem ursprünglichen Aspektverhältnis zwischen den Halbwertsbreiten 44a und 44b. Vorteilhaft liegt eine Änderung des Aspektverhältnisses zwischen den beiden dargestellten Ebenen allgemein bei höchstens 10 %. Diese Konstanz des Strahlprofils wird durch die asphärische Linse 15 erzielt. Die Divergenz des optischen Strahls ist hier so eingestellt, dass die größere Halbwertsbreite 47a in der Ebene der Empfängerlinse (zweiten Linsenebene 53) wenigstens 2x so breit ist wie die Breite 46 der Empfängerlinse 25 in der entsprechenden Raumrichtung. Durch diese breite Ausleuchtung wird erreicht, dass das hinter der Empfängerlinse 25 vom Strahlungsdetektor 21 gemessene Signal relativ unempfindlich gegenüber Variationen in der relativen räumlichen Anordnung der beiden Transceiver Elemente ist. Die Empfängerlinse 25 ist ebenfalls asphärisch und bündelt den optischen Strahl in einem taillierten Strahlbündel, also nicht in einem punktförmigen Fokus. Der Strahlungsdetektor 21 ist hier im Bereich der Taille dieses Strahlenbündel angeordnet. Wie im ganz rechten unteren Bereich der Zeichnung angedeutet, ist der optische Strahl im Bereich der Detektorebene 55 sehr schmal, weist aber aufgrund der asphärischen Ausgestaltung der Empfängerlinse 25 immer noch weitgehend die ursprüngliche Strahlform mit dem ursprünglichen Aspektverhältnis auf. Auch hier beträgt die Änderung des Aspektverhältnisses gegenüber dem Verhältnis in der ersten Linsenebene 51 allgemein vorteilhaft höchstens 10%.
3 zeigt einen entsprechenden Längsschnitt durch einen ähnlichen optischen Strahlengang zwischen den gleichen Komponenten der beiden Transceiver-Einheiten wie in 2, aber in einem zweiten Betriebsmodus. Im dargestellten zweiten Betriebsmodus ist die Übertragungsvorrichtung für einen längeren Betriebsabstand 45 konfiguriert. Dieser Betriebsabstand 45 soll hier beispielsweise 30 m betragen. Zur Anpassung an diesen längeren Betriebsabstand 45 ist der Abstand 43 zwischen Strahlungsquelle 11 und erstem fokussierenden Element 15 mittels des Verschiebeelements 17 auf einen zweiten Wert von 35.62 mm eingestellt. Durch diesen vergrößerten Abstand wird erreicht, dass der optische Strahl 3 im zweiten Betriebsmodus weniger stark divergent ist als im ersten Betriebsmodus. Trotz des wesentlich größeren Abstands 45 kann die Breite des Strahlprofils (abhängig vom genauen Betriebsabstand) im Bereich der zweiten Linsenebene 53 hier sogar kleiner sein als beim ersten Betriebsmodus, wie im rechten unteren Teil der 3 schematisch dargestellt. Für beide Raumrichtungen innerhalb der zweiten Linsenebene 53 gilt allgemein, dass die jeweilige Halbwertsbreite 47a bzw. 47b höchstens 3x so breit ist wie die entsprechende Breite 46 des zweiten fokussierenden Elements 25 in derselben Raumrichtung. Durch diese relativ enge Ausleuchtung der Empfängerlinse 25 im zweiten Betriebsmodus wird erreicht, dass ein relativ großer Anteil des optischen Strahls auf dem Strahlungsdetektor 21 gebündelt werden kann und so trotz der Entfernung ein relativ starkes optisches Signal gemessen werden kann. Da der optische Strahl 3 aber immer noch leicht divergent ist, wird die Empfängerlinse 25 trotzdem so breit ausgeleuchtet, dass eine gewisse Toleranz gegenüber seitlichen Verschiebungen der beiden Transceiver-Einheiten bestehen bleibt. Auch ist der optische Strahl im Bereich des Strahlungsdetektors 21 nicht übermäßig stark fokussiert, was ebenso zu einer Toleranz gegenüber seitlichen Verschiebungen zwischen den beiden Transceiver-Einheiten beiträgt.
4 zeigt einen entsprechenden Längsschnitt durch einen ähnlichen optischen Strahlengang zwischen den gleichen Komponenten der beiden Transceiver-Einheiten wie in 2 und 3, aber in einem dritten Betriebsmodus. Im dargestellten dritten Betriebsmodus liegt der gleiche, vergleichsweise große Betriebsabstand 45 vor wie im zweiten Betriebsmodus. Im Vergleich zum zweiten Betriebsmodus ist hier jedoch der Abstand 43 zwischen Strahlungsquelle 11 und erstem fokussierendem Element 13 noch weiter vergrößert. Im gezeigten Beispiel ist dieser Abstand 43 auf einen Wert von 37 mm eingestellt. Hierdurch wird erreicht, dass der optische Strahl 3 zwischen den beiden fokussierenden Elementen 15 und 25 noch weniger divergent ist als im zweiten Betriebsmodus. Im dargestellten Beispiel handelt es sich sogar um einen konvergenten Strahl. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig. Wesentlich ist, dass im Bereich der zweiten Linsenebene 53 der Strahl in beiden Raumrichtungen höchstens 0.5x so breit ist wie das zweite fokussierende Element 25. Durch diese noch enger begrenzte Ausleuchtung im dritten Betriebsmodus wird erreicht, dass dieser Betriebsmodus nach Art eines Justagemodus zur Optimierung der gegenseitigen räumlichen Ausrichtung der beiden Transceiver-Einheiten verwendet werden kann, wie weiter oben beschrieben.

Claims

Optische Freistrahlübertragungsvorrichtung (1) zur Übertragung von Daten mittels eines optischen Strahls (3) entlang einer freien optischen Wegstrecke (5), umfassend - zwei sich gegenüberstehende optische Transceiver-Einheiten (7a, 7b) mit jeweils einer optischen Strahlungsquelle (11a, 11b), einer dieser nachgelagerten Senderoptik (13a,13b), einem optischen Strahlungsdetektor (21a, 21b), einer diesem vorgelagerten Empfängeroptik (23a, 23b) und einer Schnittstelle (31a, 31b) zur Konvertierung zwischen einem elektronischen Datenstrom und einer Kodierung dieses Datenstroms in dem zu übertragenden optischen Strahl (3), - wobei in jeder der Transceiver-Einheiten (7a, 7b) die Senderoptik (13a, 13b) jeweils ein erstes fokussierendes Element (15a, 15b) aufweist, um den von der Strahlungsquelle (11a,11b) ausgesendeten Strahl optisch zu formen, und jeweils eine Verschiebeeinrichtung (17a, 17b), welche dazu ausgestaltet ist, den Abstand (43) zwischen erstem fokussierenden Element (15a, 15b) und Strahlungsquelle (11a,11b) zu verändern, - wobei in jeder der Transceiver-Einheiten (7a,7b) die Empfängeroptik (23a,23b) jeweils ein zweites fokussierendes Element (25a,25b) aufweist, um den übertragenen optischen Strahl auf dem Strahlungsdetektor (21a,21b) zu bündeln, - wobei die ersten fokussierenden Elemente (15a, 15b) und die zweiten fokussierenden Elemente (25a,25b) jeweils als asphärische fokussierende Elemente ausgestaltet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, bei welcher die Verschiebeeinrichtung (17a, 17b) der Senderoptik (13a, 13b) jeweils einen Verfahrweg (41) von wenigstens 3 mm, insbesondere wenigstens 6 mm aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welcher ein erster wählbarer Abstand (43) zwischen Strahlungsquelle (11) und erstem fokussierendem Element (15), welcher einem ersten Betriebsmodus zugeordnet ist, unterhalb von einem 0,8fachen der Brennweite f des ersten fokussierenden Elements liegt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, bei welcher dem ersten Betriebsmodus ein erster optischer Betriebsabstand (45) zwischen den beiden Transceiver-Einheiten (7) zugeordnet ist, welcher zwischen 3 m und 5 m liegt, wobei die Senderoptiken (13) und die Empfängeroptiken (23) jeweils so ausgestaltet sind, dass im ersten Betriebsmodus eine Halbwertsbreite (47a) des jeweiligen optischen Strahls (3) im Bereich des zugehörigen zweiten fokussierenden Elements (25) wenigstens zweimal so breit ist wie dieses zweite fokussierende Element (25).
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher ein zweiter wählbarer Abstand (17) zwischen Strahlungsquelle (11) und erstem fokussierendem Element (15), welcher einem zweiten Betriebsmodus zugeordnet ist, zwischen einem 0,97fachen und einem 1,03fachen der Brennweite f des ersten fokussierenden Elements liegt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, bei welcher dem zweiten Betriebsmodus eine zweiter Betriebsabstand (45) zwischen den beiden Transceiver-Einheiten (7) zugeordnet ist, welcher größer als 20m ist, wobei die Senderoptiken (13) und die Empfängeroptiken (23) jeweils so ausgestaltet sind, dass im zweiten Betriebsmodus die Halbwertsbreite (47a,47b) des jeweiligen optischen Strahls im Bereich des zugehörigen zweiten fokussierenden Elements höchstens 2x so breit ist wie dieses zweite fokussierende Element.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher ein dritter wählbarer Abstand (17) zwischen Strahlungsquelle (11) und erstem fokussierendem Element (15), welcher einem zweiten Betriebsmodus zugeordnet ist, oberhalb von einem 1,3fachen der Brennweite f des ersten fokussierenden Elements liegt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, bei welcher dem dritten Betriebsmodus eine dritter Betriebsabstand (45) zwischen den beiden Transceiver-Einheiten (7) zugeordnet ist, welcher größer als 20m ist, wobei die Sendeoptiken (13) und die Empfängeroptiken (23) jeweils so ausgestaltet sind, dass im dritten Betriebsmodus die Halbwertsbreite (47a,47b) des jeweiligen optischen Strahls (3) im Bereich des zugehörigen zweiten fokussierenden Elements (25) höchstens 0.5x so breit ist wie dieses zweite fokussierende Element (25).
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Durchmesser (48) der ersten fokussierenden Elemente (11) jeweils zwischen 15 mm und 25 mm liegt.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Brennweiten der ersten fokussierenden Elemente (15) jeweils zwischen 25 mm und 40 mm liegen.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Durchmesser (46) der zweiten fokussierenden Elemente (25) jeweils bei wenigstens 75 mm liegt.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die zweiten fokussierenden Elemente (25) jeweils als Fresnellinsen ausgestaltet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die optischen Strahlungsquellen (11) jeweils zur Aussendung eines ovalen optischen Strahls (3) mit einem Aspektverhältnis zwischen 1:2 und 1:5 ausgestaltet sind.
Optische Transceiver-Einheit (7a) mit einer optischen Strahlungsquelle (11a), einer dieser nachgelagerten Senderoptik (13a), einem optischen Strahlungsdetektor (21a), einer diesem vorgelagerten Empfängeroptik (23a) und einer Schnittstelle (31a) zur Konvertierung zwischen einem elektronischen Datenstrom und einer Kodierung dieses Datenstroms in dem zu übertragenden optischen Strahl (3), - wobei die Senderoptik (13a) ein erstes fokussierendes Element (15a) aufweist, um einen von der Strahlungsquelle (11a) ausgesendeten Strahl optisch zu formen, und eine Verschiebeeinrichtung (17a), welche dazu ausgestaltet ist, den Abstand (43) zwischen erstem fokussierenden Element (15a) und Strahlungsquelle (11a) zu verändern, - wobei die Empfängeroptik (23) jeweils ein zweites fokussierendes Element (25a) aufweist, um einen von einer anderen Transceiver-Einheit (7b) übertragenen optischen Strahl (3) auf dem Strahlungsdetektor (21a) zu bündeln, - wobei das erste fokussierende Element (15a) und das zweite fokussierende Element (25a) jeweils als asphärische fokussierende Elemente ausgestaltet sind.
Verfahren zur Übertragung von Daten mit einer optischen Freistrahlübertragungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, welches die folgenden Schritte aufweist: - Wahl eines Betriebsmodus der Übertragungsvorrichtung (1), - Einstellung eines diesem Betriebsmodus zugehörigen Abstands (43) zwischen erstem fokussierendem Element (15a, 15b) und Strahlungsquelle (11a, 11b) mittels der Verschiebeeinrichtung (17a, 17b) in der jeweiligen Transceiver-Einheit (7a, 7b), - Anordnung der beiden Transceiver-Einheiten (7a, 7b) in einem dem Betriebsmodus zugehörigen Betriebsabstand (45) zwischen den beiden Transceiver-Einheiten (7a, 7b), - Konvertierung aus einem elektronischen Datenstrom in eine Kodierung des zu übertragenden optischen Strahls (3) in der Schnittstelle einer ersten der beiden Transceiver-Einheiten (7a) - Aussenden eines optischen Strahls (3) durch die Strahlungsquelle (11a) der ersten Transceiver-Einheit (7a) und Formung des optischen Strahls (3) durch das erste fokussierende Element (15a) der ersten Transceiver-Einheit (7a), - Bündelung des optischen Strahls (3) durch das zweite fokussierende Element (25b) der zweiten Transceiver-Einheit (7b) auf den Strahlungsdetektor (21b) der zweiten Transceiver-Einheit (7b) und - Konvertierung des vom Strahlungsdetektor (21b) empfangenen kodierten Signals in einen elektronischen Datenstrom in der Schnittstelle (31b) der zweiten Transceiver-Einheit (7b).