DE4137032A1 - Einrichtung zur optischen datenuebertragung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur optischen Datenübertragung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus dem Aufsatz "Datenübertragung mit Infrarotlicht" von Wilfried Kugler, veröffentlicht in der Zeitschrift "Elektro­ nik" 1988, Heft 24, Seiten 82 bis 90, ist eine Einrichtung zur optischen Datenübertragung mit einem Sender und einem Emp­ fänger bekannt. Der Sender umfaßt im wesentlichen eine licht­ emittierende Diode (LED) und eine Ansteuerschaltung, welche die LED derart ansteuert, daß sie moduliertes, den zu über­ tragenden Daten entsprechendes Licht emittiert. Im Empfänger ist eine Fotodiode mit einer Auswerteschaltung angeordnet, die aus dem empfangenen Licht ein den Daten entsprechendes Signal erzeugt. Zur Unterdrückung der Störeinflüsse bzw. zur Redu­ zierung des Störabstandes wird ein trägergebundenes Modula­ tionsverfahren verwendet. Typische Anwendungsbeispiele für derartige Einrichtungen sind mobile Betriebsmittel, wie flexible Transportsysteme, Hochregalstapler, transportable Terminals oder Rechnersysteme auf rotierenden Maschinenachsen im industriellen Bereich, aber auch Fernbedienungen von Audio- oder Videogeräten, Garagentoren und Beleuchtungsinstallationen im Konsumbereich. Nachteilig ist dabei, daß die Lichtquelle im mobilen Sender angeordnet ist und somit die zur Lichterzeugung benötigte elektrische Energie von einem im Sender befindlichen Energiespeicher bereitgestellt werden muß. Gerade im mobilen Sender aber ist das Gewicht des Energiespeichers störend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur optischen Datenübertragung zu schaffen, wobei der Sender sich durch einen geringen Energiebedarf auszeichnet und mit einem kleineren, bei Verwendung von Solarzellen sogar ohne Energie­ speicher auskommt.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Einrichtung der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des An­ spruchs 1 genannten Merkmale auf. Vorteilhafte Ausführungs­ formen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 10 an­ gegeben.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß im Sender kein oder nur ein kleiner Energiespeicher erforderlich ist, und ermöglicht damit die Realisierung von Sendern in kleiner, leichter und hand­ licher Bauform. Derartige Einrichtungen zur optischen Daten­ übertragung können vorteilhaft in der Kommunikation zwischen Rechnersystemen und Eingabegeräten, z. B. einer Tastatur oder einer Maus, eingesetzt werden. Die Erfindung erschließt aber auch neue Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen: Zugangs- und Berechtigungskontrolle mittels Ausweis-, Scheck-, Kredit- oder Chip-Karte, elektronische Schließsysteme und drahtlose Fernsprecheinrichtungen für den privaten oder öffentlichen Einsatz. Da die Abstrahlung des Lichts keine Modulation in der Lichtquelle erfordert, muß die Erzeugung von Licht oder Infra­ rotstrahlung nicht notwendigerweise mit Lumineszenzdioden erfolgen, sondern es lassen sich hier auch andere Strahlungs­ quellen, wie z. B. Glüh- oder Halogenlampen, gegebenenfalls mit vorgeschalteter Projektionsoptik und Farbfilter, ein­ setzen. Aufgrund der höheren Strahlungsleistung sind damit größere Entfernungen überbrückbar. Die Modulation des ab­ gestrahlten Lichts und der Einsatz einer Lumineszenzdiode sind jedoch sinnvoll für Anwendungen, die eine erhöhte Störsicher­ heit erfordern. Durch die Verwendung eines Hologramms, das die Eigenschaften eines Retroreflektors nachbildet, wird erreicht, daß sich die Sendeeinheit in einer flachen Bauform in eine Ausweis-, Scheck-, Kredit- oder Chip-Karte integrieren läßt. Ein weiterer Vorteil ist hier, daß die Karte nicht durch einen Magnetstreifenleser geschoben oder von einem Lesegerät ein­ gezogen werden muß. Das Lesen der Kartendaten erfolgt be­ rührungslos, wobei die retroreflektierende Sendeeinheit in Richtung Empfänger bzw. Strahlungsquelle ausgerichtet werden muß. Bei kürzerer Distanz kann diese Strahlungsquelle auch die zum Betrieb der Sendeeinheit erforderliche elektrische Energie liefern, wenn die Karte mit einer Solarzelle bestückt ist. In elektronischen Schließsystemen wird ein in der Schlüssel­ elektronik enthaltener elektronischer Code abgefragt und auf diese Weise die Zugangsberechtigung durch eine in der zu öff­ nenden Tür, z. B. eines PKWs, untergebrachte Schloßelektronik ermittelt. Die optische Datenübertragung zwischen Schlüssel und Schloßelektronik kann auch hier mit Hilfe eines reflektie­ renden Senders stattfinden, wobei die Lichtquelle die für die Schlüsselelektronik erforderliche Energie liefert. Bei Ver­ wendung schnellschaltender ferroelektrischer Flüssigkristalle zur Modulation des Lichts, die als solche aus dem Aufsatz "Ferroelektrische Flüssigkristalle" von Barbara Wantzen, ver­ öffentlicht in "MAGAZIN NEUE WERKSTOFFE" 3/91, Seiten 6 und 7, bekannt sind, kann eine für die meisten Anwendungsfälle hin­ reichende Datenübertragungsgeschwindigkeit erreicht werden, da die Schaltzeiten dieser ferroelektrischen Flüssigkristalle wesentlich kürzer als eine Millisekunde sind.

Anhand der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Er­ findung dargestellt sind, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur optischen Datenübertragung,

Fig. 2a einen Retroreflektor mit Glaskugeln,

Fig. 2b einen Retroreflektor mit Tripelprismenraster,

Fig. 2c einen Retroreflektor mit Linsenraster und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur bidirektio­ nalen optischen Datenübertragung.

Das Blockschaltbild in Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Einrichtung zur optischen Datenübertragung mit retro­ reflektierendem Sender. Licht- oder Infrarotstrahlen 1, welche als Übertragungsmedium dienen, werden auf der Empfängerseite von einer Lichtquelle 2 erzeugt und in Richtung Sender emit­ tiert. Die auf den Sender treffenden Lichtstrahlen 1 werden dort von einem Retroreflektor 3 als Lichtstrahlen 4 annähernd in die gleiche Richtung, also zum Empfänger hin, zurückreflek­ tiert. Wegen des nicht idealen Verhaltens des Retroreflektors 3 treffen die Lichtstrahlen 4 nicht nur auf die Lichtquelle 2, sondern gelangen auch in deren nähere Umgebung, wo sich ein Fotodetektor 5 befindet. An den Retroreflektor 3 ist ein opti­ scher Modulator 6 gekoppelt, der dafür sorgt, daß das reflek­ tierte Licht 4 gemäß den zu übertragenden Daten moduliert wird. Die Ansteuerung des optischen Modulators 6 erfolgt über eine Einheit zur Dateneingabe bzw. -codierung 7 sowie einen elektrischen Modulator mit Treiber 8 zur Erzeugung eines Ansteuersignals 9. In entsprechender Weise sind dem Foto­ detektor 5 ein Vorverstärker 10 und ein Demodulator 11 nach­ geschaltet, die als Auswerteschaltung ein den Daten entspre­ chendes Signal 12 liefern. Die dabei angewandten Modulations­ verfahren, wie z. B. Puls-Pausen-Modulation (PPM), Amplitude- Shift-Keying (ASK), Frequency-Shift-Keying (FSK) oder Phase- Shift-Keying (PSK), können den bekannten Einrichtungen für die Infrarot-Datenübertragung entsprechen. Für die optische Modu­ lation im optischen Modulator 6 eignen sich Effekte der Elektrooptik, die elektrisch gesteuerte Änderungen der opti­ schen Eigenschaften bewirken. Hierzu gehören z. B. Absorption, Transmission, Streuung und Ablenkung von Licht sowie Variation der Brechzahl und Drehung der Polarisationsrichtung. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz von Flüssigkristallzellen, die in ihrer Funktion und ihrem Aufbau den als solchen bekannten Flüssigkristall-Displays für transmittiertes Licht entspre­ chen. Diese zeichnen sich durch einen äußerst geringen Energiebedarf aus, so daß bei Verwendung einer Solarzelle im Sender auf einen Energiespeicher verzichtet werden kann. Da­ gegen ist im Empfänger, der das Licht als Medium zur Daten­ übertragung liefert, eine Stromversorgung 13 erforderlich. Zur Erhöhung der Störsicherheit kann die Stromversorgung 13 zusätzlich einen Modulator enthalten, mit dessen Hilfe das von der Lichtquelle 2 abgestrahlte Licht 1 in bestimmten Anwendungsfällen modulierbar ist. Aufgrund seiner geringen Verlustleistung kann der erfindungsgemäße reflektierende Sender besonders vorteilhaft in Fernbedienungen oder Fern­ steuerungen eingesetzt werden. In diesen Fällen genügt eine kleine Solarzelle für die Stromversorgung, wie sie auch in Taschenrechnern gebräuchlich ist, und auf die bisher übliche Batterie kann verzichtet werden. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Nutzung der beim Bedienen von z. B. piezo­ elektrischen Eingabeelementen bzw. Tasten freiwerdenden elektrischen Energie.

Der Retroreflektor 3 und der optische Modulator 6 können entsprechend den Fig. 2a, 2b und 2c aufgebaut sein.

In Fig. 2a ist ein Retroreflektor dargestellt, der im wesent­ lichen aus sehr kleinen Glaskugeln 14 und einer spiegelnden Folie 15 besteht. Dabei sind die Glaskugeln 14 derart vor der spiegelnden Folie 15 angeordnet, daß ankommende Lichtstrahlen 16 nahezu parallel zu reflektierten Lichtstrahlen 17 ver­ laufen. Ein optischer Modulator 18 ist im Lichtweg vor dem Retroreflektor angeordnet.

Der Retroreflektor in Fig. 2b ist als Tripelprismenraster ausgeführt. Die Kanten 19 der Tripelprismen sind rechtwinklig zueinander angeordnet, so daß auch hier ankommende Lichtstrah­ len 20 nahezu in der gleichen Richtung reflektiert werden und als parallel verlaufende Lichtstrahlen 21 abgehen. Wiederum ist ein optischer Modulator 22 vor dem Retroreflektor ange­ ordnet.

Die Retroreflexion, d. h. Parallelität zwischen einfallenden und reflektierten Lichtstrahlen 23 bzw. 24, läßt sich, wie in Fig. 2c dargestellt, auch mit einer einzelnen Linse 25 oder einer Anordnung mehrerer derartiger Linsen erreichen, die sich im Abstand der Brennweite vor einer spiegelnden Schicht 26 befinden. In diesem Fall kann sich ein optischer Modulator 27 entweder vor dem Retroreflektor oder, wie dargestellt, zwi­ schen der spiegelnden Schicht 26 und den Linsen 25 befinden.

Der mechanische Aufbau von Retroreflektoren läßt sich verein­ fachen durch den Einsatz von Hologrammen, welche die optischen Eigenschaften der Retroreflektoren nachbilden.

Ein einfacher, mechanisch arbeitender Sender, der ohne Strom­ versorgung auskommt, ist realisierbar durch einen retroreflek­ tierenden Streifen, vor dem ein in Transmission arbeitender Codestreifen, z. B. mit Balken-Code, manuell vorbeigeschoben wird. Dabei kann es zur Erhöhung der Störsicherheit sinnvoll sein, das empfängerseitig abgestrahlte Licht vorher mit einer Trägerfrequenz zu modulieren.

Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild einer Einrichtung zur bi­ direktionalen optischen Datenübertragung, die z. B. bei Fern­ sprecheinrichtungen für den Privatbereich, aber auch für öffentliche Benutzung Anwendung finden kann. Vorteilhaft wird im stationären Teil der Anlage eine lichtemittierende Diode 28 angeordnet, während der mobile Teil einen Sender mit einem Retroreflektor 29 enthält. Damit wird erreicht, daß für die optische Datenübertragung in beiden Richtungen nur eine Strahlungsquelle auf der stationären Seite der Fernsprech­ einrichtung erforderlich ist. Zur Realisierung der beiden Sprachübertragungsrichtungen werden jeweils ein Analog- Digital-Umsetzer 30 bzw. 31 zur Wandlung des Analogsignals 32 bzw. 33 in seine Digitaldarstellung sowie ein Modulator 34 bzw. 35 zur Ansteuerung der physikalischen Übertragungselemente 28 und 29, ein Fotodetektor 36 bzw. 37, ein Demodu­ lator 38 bzw. 39 sowie ein Digital-Analog-Umsetzer 40 bzw. 41 zur Erzeugung von Analogsignalen 42 bzw. 43 benötigt, welche die übertragene Sprache repräsentieren. Die Übertragung vom stationären zum mobilen Teil erfolgt durch Aussenden von mit den Daten moduliertem Licht 44 durch die Leuchtdiode 28, das von dem Fotodetektor 36 im mobilen Teil empfangen wird. Gleichzeitig trifft ein Teil 45 der Strahlung auf den retro­ reflektierenden Sender 29, der die Strahlung entsprechend der in der anderen Richtung zu übertragenden Information zusätz­ lich moduliert und als Lichtstrahl 46 zu dem Fotodetektor 37 im stationären Teil reflektiert. Da im mobilen Teil keine Lichtenergie erzeugt wird, ist sein Energiebedarf sehr gering.

Claims (11)

1. Einrichtung zur optischen Datenübertragung zwischen einem Sender und einem Empfänger mit

• - einer Lichtquelle (2),
• - Mitteln (6) zur Modulation des Lichts (4) entsprechend den zu übertragenden Daten im Sender,
• - einem Fotodetektor (5) zum Empfang des modulierten Lichts (4) im Empfänger und mit
• - einer dem Fotodetektor nachgeschalteten Auswerteeinrichtung (10, 11), durch die ein den Daten entsprechendes Signal (12) erzeugbar ist,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Lichtquelle (2) nicht im Sender angeordnet ist,
• - daß der Sender einen Reflektor (3) enthält, der einen Teil (4) des von der außerhalb des Senders angeordneten Licht­ quelle (2) emittierten Lichts (1) zum Fotodetektor (5) reflektiert, und
• - daß zur Modulation des Lichts im Sender ein elektrooptisches Element (6) angeordnet ist, das entsprechend den zu über­ tragenden Daten eine optische Eigenschaft verändert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet,

• - daß die veränderliche optische Eigenschaft des elektro­ optischen Elements (6) die Absorption, Transmission, Streuung, Ablenkung, Brechung oder Drehung der Polarisa­ tionsrichtung des Lichts ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Lichtquelle (2) im Empfänger angeordnet ist und
• - daß der Reflektor (3) ein Retroreflektor ist, der ankommende Lichtstrahlen (1) nahezu in sich selbst zurückwirft.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das elektrooptische Element (6) eine Flüssigkristall­ zelle und die veränderliche optische Eigenschaft ihr Trans­ missionsfaktor ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet,

• - daß die Flüssigkristallzelle (6) ferroelektrische Mate­ rialien enthält und schnellschaltend ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, da­ durch gekennzeichnet,

• - daß der Retroreflektor (3) eine mit kugelförmigen Linsen (14) bedeckte Spiegelfolie (15) ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, da­ durch gekennzeichnet,

• - daß der Retroreflektor (3) ein Tripelprismenraster ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, da­ durch gekennzeichnet,

• - daß der Retroreflektor eine mit Linsen (25) versehene Spiegelfolie (26) ist, wobei sich die Linsen (25) im Ab­ stand der Brennweite von der Spiegelfolie (26) befinden.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, da­ durch gekennzeichnet,

• - daß der Retroreflektor (3) ein Hologramm ist, das die Eigenschaften eines Retroreflektors nachbildet.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß zur bidirektionalen optischen Datenübertragung die Lichtquelle (28) im Empfänger weitere Mittel (34) zur Modulation des Lichts (44, 45) entsprechend den vom Empfänger zum Sender zu übertragenden Daten enthält und
• - daß der Sender einen weiteren Fotodetektor (36) mit einer weiteren Auswerteeinrichtung (38, 40) aufweist, durch die aufgrund des empfangenen Lichts (44) ein den Daten ent­ sprechendes Signal (42) erzeugbar ist.