EP4652688A1 - Optisch-kabellose vorrichtungen und verfahren zum auslegen einer optischen anordnung - Google Patents

Optisch-kabellose vorrichtungen und verfahren zum auslegen einer optischen anordnung

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EP4652688A1
EP4652688A1 EP24700632.3A EP24700632A EP4652688A1 EP 4652688 A1 EP4652688 A1 EP 4652688A1 EP 24700632 A EP24700632 A EP 24700632A EP 4652688 A1 EP4652688 A1 EP 4652688A1
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EP
European Patent Office
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optical
optics
wireless device
optic
optical wireless
Prior art date
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Pending
Application number
EP24700632.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
René Kirrbach
Tobias Schneider
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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Publication of EP4652688A1 publication Critical patent/EP4652688A1/de
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/11—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
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    • H04B10/502—LED transmitters
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    • H04B—TRANSMISSION
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    • H04B10/501—Structural aspects
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    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/60—Receivers
    • H04B10/66—Non-coherent receivers, e.g. using direct detection
    • H04B10/67—Optical arrangements in the receiver

Definitions

  • the present invention relates to optical wireless devices for receiving optical wireless signals, to a communication system with such optical wireless devices and to a method for designing an optical arrangement for a receiving device of an optical wireless device.
  • the present invention relates in particular to a highly efficient complex lens setup for high dynamic ranges for optical wireless or optical wireless transmitter/receiver systems.
  • Receivers of optical wireless or optical cable transceivers can be exposed to widely varying reception levels.
  • a high optical transmission power is required for a large range.
  • increasing the transmission power also increases the minimum distance between the transceivers or the minimum distance between the transmitter and receiver. Below the minimum distance, the channel loss is so low that the receiver becomes saturated and transmission is no longer possible.
  • the distance range between the transmitter and receiver in which operation within the specification is possible is defined as the dynamic range of the transceiver. This distance range is limited at the bottom by the minimum distance and at the top by the maximum distance.
  • a transceiver is particularly versatile if it has a large dynamic range.
  • the transmission power is adaptively reduced [1,4] to avoid receiver saturation.
  • this approach requires a driver circuit that has an adaptive control.
  • the system must also know when to reduce or increase the transmission power. This information is received from a receiver of the communication participant.
  • the approach is usually limited to a control range in the range of 3 dB to 20 dB.
  • the electrical receiver can be regulated, for example by regulating the gain of the transimpedance amplifier or an additional control is used at the input of the transimpedance amplifier [1,6]. This approach is not always suitable, for example if the saturation effect already occurs at the photodetector. Such saturation effects are common in avalanche photodiodes (APDs), single-photon avalanche photodiodes (SPADs) and also in silicon photomultipliers (SiPM). Although the internal gain of these detectors can be controlled via the bias voltage, this is only possible over a certain range, until the internal gain is 1 (lowest value) or until the effective photodiode capacitance no longer meets the specification.
  • APDs avalanche photodiodes
  • SPADs single-photon avalanche photodiodes
  • SiPM silicon photomultipliers
  • a mechanical shutter [2] a variable aperture [5]
  • a variable lens electro-wetted lens, polymer lens, etc.
  • a polarization-based shutter e.g. liquid crystal shutter/attenuator [2]
  • the optical system can provide that the transmitter and receiver are not on the same optical axis.
  • the field of view is selected so that the receiver can barely see the transmitter at close range, or not at all.
  • This approach is very simple, but the dynamic range is usually limited to 3 dB to 10 dB. This is particularly significant for small fields of view.
  • This approach is particularly susceptible to an offset perpendicular to the optical axis. If, for example, it is defined that the receiver receives a signal strength from the transmitter at close range that is just within the range of evaluation, but the receiver is now offset by a further 10 mm due to tolerances, the receiver may no longer be able to detect anything.
  • This concept can be extended so that the transmitter also radiates at larger angles, see [3], and the receiver is able to detect signals that arrive at these larger angles.
  • the disadvantage of this approach is that the power at the transmitter is not used optimally because a receiver at a greater distance cannot detect this laterally radiated power.
  • the receiver lens cannot be optimally designed for the actual acceptance angle because it must also collect radiation at larger radiation angles in the geometric near field. The field of view is no longer well defined, so that channel crosstalk with neighboring channels can occur.
  • the approach is also sensitive to positioning tolerances between transmitter and receiver.
  • the optical concept can provide several receivers. These can have a different saturation limit, for example by using different detectors, see [2]. One detector is used in the near range and one detector in the far range. This approach requires more hardware, as a second detector and additional amplifier electronics are also required. In addition, both receiver channels must be combined and a decision must be made as to which data stream is to be evaluated.
  • An object of the present invention is therefore to provide optical wireless devices, an optical wireless communication system and a method for designing an optical arrangement for a receiving device of an optical wireless device, which enable efficient operation of optical wireless devices while at the same time providing a high dynamic range between transmitter and receiver.
  • a core idea of the present invention is to have recognized that a saturation effect on an optical detector of a receiver can be reduced or avoided by equipping the receiver with a plurality of optics that direct the received light onto the optical detector.
  • the optical detector receives only a subset of the plurality of optics the optical signal of the transmitter, whereas in the geometric far field other optics or a higher number of the plurality of optics receive it. This is achieved, for example, by different optics of the plurality of optics having different distances from one another to an optical axis of the detector and the optics being arranged with essentially the same preferred direction.
  • an optical-wireless device which has a receiving device for receiving an optical-wireless signal.
  • the receiving device comprises an optical detector for detecting or receiving the optical-wireless signal and a plurality of optics with at least a first optic with a first aperture size and a second optic with a second, smaller aperture size.
  • the optics are arranged next to one another and essentially with the same preferred direction.
  • Each of the plurality of optics is designed to simultaneously direct light incident on the optic onto the optical detector.
  • the optical detector has an optical axis and the first optic is arranged at a first distance from the optical axis, wherein the second optic is arranged at a larger second distance from the optical axis.
  • an optical wireless device which has a receiving device which has an optical detector and which is designed to receive an optical wireless signal from an optical wireless transmitter.
  • the receiving device is designed to receive the optical wireless signal both in a geometric near field and in a geometric far field of the optical wireless transmitter and to detect it without saturation using the optical detector.
  • a method for designing an optical arrangement for a receiving device of an optical-wireless device comprises designing and positioning a plurality of optics with respect to a transmitting device configured to provide an optical-wireless signal, so that the plurality of optics simultaneously redirects a received optical-wireless signal, so that at different distances between the receiving device and the transmitting device, a different number of the plurality of optics contributes to a signal transmitted on the optical detector of the receiving device.
  • the method further comprises manufacturing the plurality of optics in an arrangement according to the design and positioning.
  • Fig. 1 is a schematic side sectional view of an optical wireless device according to an embodiment
  • Fig. 2 is a schematic representation of an optical wireless communication system according to an embodiment
  • Fig. 3a is a schematic side sectional view of an arrangement of a transmitting device and a receiving device in the geometric near field in accordance with embodiments described herein;
  • Fig. 3b is a schematic side sectional view of the same components as in Fig. 3a, but in the geometric far field;
  • Fig. 4a is a schematic plan view of an optical wireless device according to an embodiment
  • Fig. 4b is an expanded representation of the device from Fig. 4a with a transmitting device of an opposing device;
  • Fig. 4c is a schematic, only partially perspective view of two devices according to Fig. 4a and Fig. 4b, which are mutual copies of each other, according to an embodiment;
  • Fig. 4d is a schematic representation of an optical wireless device according to an embodiment with a receiving optics with an approximately rectangular cross-section according to an embodiment
  • Fig. 5 is a schematic characteristic curve of a received power at an optical detector for discussing embodiments described herein;
  • Fig. 6 is a schematic front view of an optical wireless device according to an embodiment having a plurality of secondary optics
  • Fig. 7 is a schematic diagram of an exemplary total intensity, such as can be obtained with an optical arrangement of the optical-wireless device of Fig. 6, according to an embodiment
  • Fig. 8 is a schematic flow diagram of a method according to an embodiment.
  • Embodiments described below are described in connection with a large number of details. However, embodiments can also be implemented without these detailed features. Furthermore, for the sake of clarity, embodiments are described using block diagrams as a substitute for a detailed representation. Furthermore, details and/or features of individual embodiments can easily be combined with one another, as long as it is not explicitly described to the contrary.
  • optical-wireless signal transmission or data transmission In the context of the embodiments described here, this is also referred to as LiFi (Light Fidelity).
  • LiFi refers to terms such as IrDA (Infrared Data Association) or OWC (Optical Wireless Communication). This means that the terms “optical-wireless data transmission”, “optical-wireless data transmission” and “LiFi” are used synonymously.
  • Optical-wireless data transmission is understood here to mean the transmission of an electromagnetic signal through a free transmission medium, for example for example air or another gas or fluid.
  • UV ultraviolet
  • infrared range for example at most 1550 nm
  • Optical wireless data transmission must also be distinguished from fiber-based optical data transmission, which is implemented, for example, using fiber optic cables or fiber optic cables.
  • Embodiments described herein refer to a near field and/or a far field, which are synonymously referred to as geometric near field and geometric far field, respectively.
  • the geometric near field is understood to be an area starting from the transmitter in which the position and size of individual elements of the receiver and transmitter, in addition to the beam angle of the transmitter, play a major role in the reception level of optical wireless signals.
  • the angle ranges of the optics can also play a role.
  • a transmitter can emit the optical wireless signal in an angle range of -1 ° to +1 °. If the acceptance angle of the receiver is smaller than the transmission angle, e.g. -0.5 ° to +0.5 °, the angle effect also results in a loss, which can, however, be used as channel attenuation according to the invention and which is initially not influenced by the spatial dimensions.
  • the lateral offset from transmitter to receiver and the spatial extent of the transmitter and receiver aperture also have an influence.
  • a different geometric far field is understood to be an area in which, starting from the transmitter, the radiation angle of the transmitter plays a major role and the dimensions and position of the receiver components and the transmitter components, in particular the optics, play a lesser role.
  • a geometric far field can be understood to be the arrangement in which the emission characteristics of the transmitter and the receiver characteristics of the receiver can essentially be described by their emission and reception angles.
  • Fig. 1 shows a schematic side sectional view of an optical wireless device 10.
  • the optical wireless device 10 comprises a receiving device 12 which is configured to receive an optical wireless signal 14.
  • the receiving device comprises an optical detector 16 which can comprise, for example, a photodiode, such as a PIN photodiode, an avalanche photodiode (APD), a single-photon avalanche photodiode (SPAD) and/or a silicon photomultiplier (SiPM).
  • a photodiode such as a PIN photodiode, an avalanche photodiode (APD), a single-photon avalanche photodiode (SPAD) and/or a silicon photomultiplier (SiPM).
  • APD avalanche photodiode
  • SPAD single-photon avalanche photodiode
  • SiPM silicon photomultiplier
  • the receiving device 12 has a plurality of optics 18i, 182.
  • the number of optics in the plurality of optics is two or more, for example two, three, four, five or more.
  • At least some of the different optics 181 and 18 2 have a different aperture size from one another, which is shown, for example, by a different size of the optics 181 and 18 2.
  • the optics 181 has a first larger aperture size than the optics 18 2 with a second, smaller aperture size.
  • each of the optics 181 and 18 2 can be designed as a single optical element or as a combination of optical elements, for example as a single or multiple complex lens modules and/or as a combination of lenses and reflectors.
  • the optics 181 and 182 are arranged offset from one another along the b-direction and spaced apart from one another. However, even with an additional offset along the c-direction, there could be an overlap in a projection plane arranged parallel to the a-direction and b-direction between the optics 181 and 182 .
  • Each of the optics 181 and 182 is designed to direct light incident on the optics onto the optical detector 16, as shown by arrows 24i and 242. This occurs simultaneously, ie, portions of the optical power incident on the optical detector are simultaneously detected by several optics and superimposed at the location of the optical detector.
  • the superimposition is preferably so low in interference, for example due to different paths of optical wireless signals, that a correctably interference-affected or error-free reception is possible.
  • both optics 181 and 18 2 simultaneously direct a corresponding portion onto the optical detector 16.
  • both optics 181 and 18 2 simultaneously direct a corresponding portion onto the optical detector 16.
  • the optical detector 16 has an optical axis 26, which can, for example, run in space along a main preferred direction of the optical detector 16.
  • the optical axis 26 also runs through a center point of a sensitivity curve, such as a geometric center point, of the optical detector 16 and/or is normal to a detector surface of the optical detector 16.
  • the optics 181 have a distance 28i from the optical axis 26, while the optics 182 have a greater distance 282 from the optical axis 26.
  • Matching positions or features of the optics 181 and 182 can be considered as a reference point or reference range for determining the distance 28i and 282, for example an optical center or a position of the preferred directions 22i or 22 2 .
  • an outer edge or lateral boundary facing the optical axis 26 or other features can also be considered as a reference.
  • Such an arrangement of the optics 181 and 182 relative to one another and/or relative to the optical detector 16 makes it possible, with regard to an emission angle 32 of the optical wireless signal 14, to determine the distance between the device 10, in particular the receiving device 12, and a transmitter of the optical wireless signal 14 different situations in which, for example, at a comparatively large distance, several or even all of the optics 181 and 182 of the plurality of optics are illuminated or receive the optical-wireless signal 14.
  • the optical wireless device 10 can be positioned or arranged with respect to a transmitter in an optical wireless communication network or communication system such that the transmitter of the optical wireless signal 14 is arranged opposite an optic 182 with a smaller aperture, also referred to as a secondary optic, so that an optic with a larger aperture, referred to as a main optic, the optic 181, is positioned out of an illumination cone of the optical wireless signal 14 when the distance to the transmitter is reduced.
  • the distance 28i is smaller than the distance 282, preferably the distance 28i is at least within manufacturing tolerances 0 or essentially 0, which means that the optics 181 can be arranged centrally above the optical detector 16.
  • An arrangement above the optical detector 16 is not necessarily to be understood as meaning that a height direction has to be considered for this purpose; such an indication refers to a direction along the optical axis 26.
  • indications such as left, right, top, bottom, front or back are used only for better illustration and have no restrictive effect unless explicitly stated. It is understood that such relative information can be changed as desired by displacement and/or rotation in space.
  • the preferred directions 22i and 222 can be arbitrarily oriented along the positive or negative a-direction in space.
  • the optics 182 can be designed, for example, for refraction and at least a first total reflection, but possibly also a second or further total reflection, in order to direct the incident light along the direction different from the preferred direction 222 toward the optical detector 16.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of an optical wireless communication system 200 according to an embodiment, which comprises an optical wireless device 20 according to an embodiment and a further optical wireless device 25, which can be set up to transmit the optical wireless signal 14.
  • the optical wireless device 25 can comprise a transmitting device 34, which can receive, for example, an optical emitter 36 and a downstream transmitting optics 38.
  • the transmitting device 34 can be designed to transmit the optical wireless signal 14 along a main transmission axis 42, which is arranged in space parallel to a preferred direction 41, for example but not necessarily parallel to the a-direction, and can be arranged, for example, in the region of a maximum optical power of the optical wireless signal 14.
  • An emission profile of the optical wireless signal 14 can be composed of one, two, three, four or more partial profiles in any number.
  • the transmitting device 25 can have an emitter array, a device for magnifying the apparent source on the transmitter side or a device for generating multiple apparent sources of the optical emitter 36.
  • the transmitting device 34 is designed as a device for magnifying the apparent source or for generating multiple apparent sources starting from the optical emitter 36.
  • optical emitter 36 for generating an optical signal and a separation optics which is designed to spatially divide the optical signal into a plurality of optical partial signals in order to reduce an optical power of the optical signal to a A plurality of optical partial signals with an associated spectral range, wherein the plurality of spectral ranges at least partially coincide.
  • a separation optics is described, for example, in [7], so that in such a case the partial signals 44i to 444 can be obtained in a corresponding number by the separation optics.
  • Emission angles 46i to 464 of the partial signals 44i to 444 can be the same or different from one another.
  • the optical-wireless signal 14 can, regardless of this and independently of an implementation in a number of partial signals in total, have an emission angle that can lead to an enlargement of an area illuminated by the optical-wireless signal with increasing distance from the transmitting device 34.
  • the optical-wireless device 20 can be designed in accordance with the discussions on the optical-wireless device 10 and has, for example, a receiver optics 48 which has at least two optics, such as the optics 181 and 18 2 .
  • the receiver optics 48 can have an acceptance angle 52 which can, for example, cause a reception field of view 54 to have a planar extension, such as in a b/c plane, which increases with increasing distance 56i, 56 2 from the receiver optics 48.
  • the optics 181 and 18 2 of the optical-wireless device 10 differ with regard to a size of a reception field of view assigned to the respective optics 181, 18 2 .
  • the main optics 181 can be the optics with the largest reception field of view of the plurality of optics.
  • the reception field of view 54 is to be understood such that a respective optics I81, 18 2 has a reception field of view assigned to the optics, and the reception fields of view overlap in the majority of optics.
  • the optics 181 can have a smallest angle of incidence on the optical detector 16 among the plurality of optics.
  • optical axes between the reception fields of view of the respective optics 181, 182 can run parallel to one another in a region between the reception fields of view and the optics, so that each optic can have an individual optical axis 58, which can result in an overall optical axis 58 of the receiver optics 48.
  • An optical axis 58i of the optics 181 is shown as an example.
  • a respective optical axis can be inclined with respect to an optical axis of the main optics, for example because the received light is deflected more strongly by the secondary optics than by the main optics, which may make a small or no change in direction.
  • the optical axis 58i of the main optics 181 is offset from the main transmission axis 42 by a distance or offset 62.
  • the main optics 181 is no longer illuminated by the optical wireless signal 14 and, in this respect and in particular with regard to a possibly largest aperture within the plurality of optics, the saturation of the optical detector 16 is avoided by the fact that no or only low optical power is directed by the main optics 181 onto the optical detector 16.
  • the main transmission axis 42 can substantially coincide with an optical axis of a secondary optic of the plurality of optics, for example with the optic that has the smallest aperture.
  • the optics 18i as a main optic of the plurality of optics in a geometric far field of the optical transmitting device 34 can provide a dominant portion of the total optical power at the optical detector 16 and a secondary optic, such as the optics 182 from Fig. 1, in a geometric near field of the transmitting device 34 can provide a dominant portion of the total optical power at the optical detector 16.
  • the secondary optics or all secondary optics can be arranged at a smaller distance from the main transmission axis 42 than the main optics 181.
  • an acceptance angle 52 of the plurality of optics i.e. of the receiving device 12 is smaller than the resulting total emission angle of the transmitting device 12.
  • Fig. 2 initially considers a possible unidirectional link from the optical wireless device 25 to the optical wireless device 20.
  • a bidirectional link can be made possible by arranging a suitable transmitting device on or in the device 20 and arranging a suitable receiving device on or in the device 25.
  • some of the previous considerations are initially limited to a unidirectional link, ie a data connection consisting of a transmitter 25 and a receiver 20. All concepts considered here can also be extended to bidirectional communication. Design examples for bidirectional transceivers are discussed below.
  • optical wireless/optical-wireless communication the invention can also be extended to other areas of application in which an optical emitter and an optical receiver are used and a large dynamic range between the two is to be ensured. This also applies, for example, to optical distance meters.
  • optical-wireless device 10 and/or 20 can possibly be used for communication, but the optical-wireless signal 14 can also carry a different type of information, for example for distance measurement.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of an optical wireless transmitter-receiver system which consists of a transmitter 25, an optical free-space channel and a receiver 20 or at least comprises them.
  • the transmitter 25 consists of at least one optical emitter 36, such as a laser diode (LD) or a light-emitting diode (LED).
  • a transmitting optics 38 can also be used, which can be, for example, a refractive lens or a totally reflective lens. This transmitting optics 38 can form the emission profile.
  • the emission angle 46 can indicate the angle at which the rays of the optical wireless signal 14 are emitted at most. The rays can be emitted along a preferred direction 41.
  • the preferred direction 41 can correspond to the axis a, but this is not absolutely necessary.
  • the reference numeral 42 designates, for example, the optical axis of the transmitter 34 and the reference numeral 58i designates the optical axis of the main receiving lens 181 of the optical-wireless device 20.
  • the receiver 12 consists of or includes the optical detector 16 and the receiving optics 48.
  • the receiving optics 48 have the acceptance angle 52.
  • Embodiments enable the discussed high dynamic range by deliberately increasing the channel loss at short communication distances 64, for example by at least one and in particular the main optics is moved out of a light cone of the optical wireless signal 14. At large distances 64, however, no additional channel loss is introduced.
  • Embodiments are based on the knowledge that one or more of the following effects can be used specifically to suitably control the channel loss:
  • an alignment tolerance perpendicular to the optical axis 42 and/or 58i is tolerable and the communication system still functions. This can be achieved by:
  • the transmitting optics 38 have a parallel output beam or an output beam with low divergence and/or an enlarged source or multiple apparent sources. o In Fig. 2 this is indicated by showing a larger apparent source which can consist of several beams 44I-444. This can be achieved, among other things, as follows:
  • optical emitters such as LED arrays and/or laser arrays, in conjunction with an optional lens array;
  • the receiving optics 48 has, as described in connection with Fig. 1, a main receiving lens 181 and at least one secondary lens 182.
  • the secondary lens 182 can be located in the geometric near field within a field of view of the transmitter 25, as shown in Fig. 3a.
  • the secondary lens 182 can also concentrate the incident light on the photodetector 16.
  • the receiving power in the geometric near field can be adjusted via the dimensioning of the secondary lens 182 in relation to the area and offset 622 to the optical axis 42 of the transmitter 25, and the receiving power in the geometric far field can be adjusted via the main receiving lens 181.
  • Fig. 3a shows a schematic side sectional view of an arrangement of the transmitting device 34 and a receiving device 12' in accordance with embodiments described herein.
  • the receiving device 12' can essentially correspond to the embodiments of the receiving device 12, wherein as an advantageous optional further feature at least one optic from the plurality of optics, here for example the optics I81 and I82, are fixed with respect to their relative position to one another via a connecting structure 66.
  • the connecting structure 66 can have an optical property, but this is not necessary.
  • One task of the connecting structure 66 is the relative positioning and/or fixation of optics 181 and 182 connected thereto.
  • the connecting structure 66 can be maintained and used during injection molding or another molding process, for example to introduce material into a mold and locate any artifacts that may arise in an optically irrelevant area and at the same time simplify manufacturing, since at least some of the majority of the optics can be manufactured in a single process step. It is possible that the connecting structure and one or more optics connected thereto or fixed relative to one another form a common monolithic body.
  • Fig. 3a the receiver 12' is located in the geometric near field of the transmitter 34, i.e. the distance 64a between transmitter 34 and receiver 12' is small.
  • Fig. 3b shows a schematic side sectional view of the same components, but in the geometric far field, i.e. the distance 64b between transmitter 34 and receiver 12' is large.
  • a possible operation of the optical wireless communication system can be such that the transmitter 34 emits optical radiation 14 in a well-defined emission range/emission profile 44, which here can, for example, but not necessarily, have several virtual sources.
  • the radiation is emitted along the preferred direction parallel to the direction a along the optical axis 42.
  • the receiver 12' whose optical axis 58i of the main receiving lens 181 can have the offset 62i to the axis 42.
  • the offset 62i can be measured perpendicular to the optical axis 42 and in the described embodiment can lie in a plane parallel to the b-direction and c-direction.
  • the optical axes 58i and 582 can be arranged at a distance 74 from each other.
  • the receiving optics 48 can direct the incident radiation onto the detector 16.
  • the receiving optics 48 comprise at least two optically active parts, the main receiving lens 181, which offers a large optical concentration factor and is not irradiated or is irradiated only to a lesser extent of at most 20%, at most 10% or at most 5% in the geometric near field than in the geometric far field and transmits power to the optical detector 16. It is possible, for example, that when the transmitting optics and the main optics I81 are aligned parallel but opposite to one another, an emission angle of the transmitting device 34 is greater than an acceptance angle of the main optics 181, which can lead to the main optics I81 still being illuminated by the optical wireless signal 14 at certain distances due to the angle difference, but this signal is not transmitted to the optical detector.
  • the secondary optics 182, on the other hand can act both in the geometric near field and in the geometric far field since it is irradiated to a similar extent in both cases, although its influence in the far field is rather negligible in some embodiments.
  • the main optics or main receiving lens 181 can be any imaging or non-imaging optics for concentration, such as a spherical lens, an aspherical lens, a freeform lens, a totally reflecting lens, a reflector, a so-called compound parabolic concentrator (a concentrator composed of at least two curve shapes, CPC) or the like.
  • the main receiving lens or main optics 181 is arranged centrally above the photodetector 16, for example, in order to enable the high concentration factor.
  • the main receiving lens 181 can simultaneously have the smallest or lowest angle of incidence 68 from the group of angles of incidence 681, 682 of the plurality of optics 181, 182 to the photodetector 16.
  • the secondary lens 18 2 can accordingly be offset from the photodetector 16 and direct the incident radiation at an angle 682 onto the detector 16, as shown by the beam bundle 72i for the optics 181 and the beam bundle 722 for the optics 182. According to embodiments, it can apply that 681 ⁇ 682.
  • the beam bundles 72i and 722 schematically indicate how the beam path can be implemented in the design example. This path can also deviate from this, for example with the aid of additional optical components for beam steering or optical fibers.
  • the optical axis 582 of the secondary optics 182 can be different from the optical axis 58i of the main receiving optics 181.
  • the optical axis 182 can be arranged at least essentially or completely identically or in accordance with the optical axis 42 of the transmitter 34 or can have an intentional or tolerance-related offset 622. This means that the offset 622 can essentially also correspond to the value of 0.
  • the offset 62 2 is usually smaller than the offset 62i.
  • the secondary lens 18 2 can be a lens or a reflector or a combination of these. In the case of a lens, it is conceivable that the lens uses refraction and/or total reflection to deflect the radiation.
  • Fig. 4a shows a schematic top view of an optical wireless device 40 according to an embodiment.
  • the optical wireless device 40 can, however, have a transmitting device 76, which can be formed in accordance with the transmitting device 34 and can enable a bidirectional exchange of optical wireless signals.
  • Axes 78i and 782 are shown as an example in order to divide the side of a housing 82 shown into quadrants 84I-844.
  • the optical-wireless device 40 is designed in such a way that an identical or identical further device 40 can be set up precisely for bidirectional exchange in order to use the advantages according to the invention on both sides of the communication link.
  • an arrangement of the device 40 and its copy opposite one another as indicated for example in Figs. 3a and 3b, an arrangement can be obtained such that in the arrangement of the transmitting device 76 and at least the main optics 181 and secondary optics 18 2 , which can optionally be connected by the connecting structure 66, the secondary optics 18 2 has a smaller distance to a transmission power center 86, for example an origin of the main transmission axis 42, than the main optics of the copy.
  • the copied transmitting device 76 would overlap with the optics 182 when projected into the c/b plane, possibly the secondary optics 182 would even overlap the copied power center.
  • the main optics 181 on the other hand, would be spaced apart from the copied transmitting device and possibly only illuminated by the optical-wireless signal if the distance between device 40 and its copy is sufficiently large.
  • main optics 181 is shown as round, it may also have a different shape, for example an at least substantially rectangular cross-section, for example by additionally rounded edges as shown by way of example in Fig. 4d or the like.
  • Embodiments make it possible for a receiving device of an optical wireless device to be designed to receive the received optical wireless signal of a transmitting optical wireless transmitter both in a geometric near field and in a geometric far field and to detect it without saturation using the optical detector 16.
  • This aspect can also be implemented independently of the specific geometry of the optics described in connection with Fig. 1.
  • Each of the optics 181 and 182 can have a respective reception field of view or this can be assigned to the optics.
  • the reception fields of view of the plurality of optics can have a different size from one another, which can be expressed, for example, in different angles of incidence and/or the aperture size.
  • the reception fields of view of the plurality of optics overlap at most incompletely, so that a location of the optical transmitter with varying distances between transmitter and receiver can lead to the transmitter not being seen by at least one reception optic at certain distances and thus not directing its light to the optical detector 16. At a different distance, the same reception optics can see the transmitter, i.e. it is irradiated by the transmitter, and can thus direct the signal to the detector 16.
  • Fig. 4b shows an expanded representation of the device 40 to include the transmitting device 34 of the copy of the device 40. Due to the rotation about the axis 78 2 , the transmitting device 34, which is identical in construction to the transmitting device 76, is located opposite the secondary optics 18 2 , whereby the offset 62 is clearly visible.
  • Fig. 4a shows a front view of an embodiment of a bidirectional communication link. It is advantageous for a product if all devices are identical and the peripherals, such as cable connections or the like, are located on the same side.
  • the discussed advantageous arrangement according to embodiments, as shown in Fig. 4a, can arrange the transmitter 76 and receiver, represented by optics 181 and 182, on one side of the housing 82, so that the optical arrangement described above is achieved.
  • the transmitting device 76 can be used by the device 40 to implement a return channel.
  • the transmitter and receiver are each positioned opposite one another in such a way that the optical axis of the secondary lens is approximately or exactly on the optical axis of the transmitter or has a predefined offset.
  • the secondary lens 182 can thus cover the geometric close range.
  • the main receiving lens 181 is located on the optical axis of the optical detector 16.
  • Fig. 4b shows the same system, with the transmitter 34 of the opposite device drawn in to clarify the relative positions of the transmitter 34/76 and the receiver 181, 182.
  • both receiving lenses could be connected via a connecting structure 66, possibly formed as a web.
  • the connecting structure 66 does not have to fulfill an optical function.
  • Fig. 4c shows a schematic, only partially perspective view of two devices 40a and 40b, which are mutual copies of each other and are used to discuss the statements on Fig. 4a and Fig. 4b.
  • the described design makes it possible for the respective secondary optics 182a and 182b to be arranged opposite each other with respect to the respective transmitting device 76b or 76a of the other device, for example along the a-direction.
  • An illuminated area 88a or 88b of the respective transmitting device 76a or 76b is variable due to the described emission angle through the distance 64 and becomes larger as the distance 64 from the transmitter increases.
  • Fig. 4c shows a schematic, only partially perspective view of two devices 40a and 40b, which are mutual copies of each other and are used to discuss the statements on Fig. 4a and Fig. 4b.
  • the described design makes it possible for the respective secondary optics 182a and 182b to be arranged opposite each other with respect to the respective transmitting device 76b or 76a of
  • a reduction in the distance 64 can lead to the main optics 18i a and 18i b being illuminated to a decreasing extent and, as the distance decreases further, not being illuminated or at least only being partially illuminated.
  • the main receiving lens 181 it would also be conceivable for the main receiving lens 181 to be designed differently and, for example, to cover a large part of the housing area or the entire lower area of the housing. For example, a predominant or even entire portion of the quadrants 84a and 844 can be covered by the lens or even a portion of the quadrants 84i and 842.
  • the lens 181 shown there is understood to be rectangular, regardless of the rounded corners, since a portion of at least 80%, 90% or 95% of the outer edges is straight and would form a square if extended accordingly.
  • the cross-section of the main receiving lens 181 can be arbitrary. It is advantageous that the secondary lens 18 2 is at least approximately at the level of the transmitter 76 along the direction b when the system is rotated about the axis 78 2 .
  • the system can function well if the system is rotated about the axis 78 2 and the transmitter covers part of the upper left half and the secondary lens covers part of the right half.
  • the extent of the components along the b-axis may play a lesser role in the basic function.
  • the aim can be to make the distance between a respective transmitter device 76 and the main optics 181 along the b-axis as large as possible so that the power maximum 99 shown in Fig. 5 only occurs at the greatest possible distance x and is therefore correspondingly small.
  • the system is also rotated about a different axis and the transmitters and receivers are arranged accordingly in order to achieve a similar effective arrangement in the geometric near field and geometric far field.
  • the rotation of the device about the axis 78 2 is particularly advantageous because possible cables and connectors on both devices can be directed downwards or upwards, for example positive b-direction, negative b-direction.
  • the transmitting lens of the transmitting device 76 can cover at least one quadrant of the housing 82, such as the quadrant 84i.
  • the secondary lens 18 2 can, for example, be located approximately in the middle of the adjacent quadrant 84 2 in such a way that, in a device positioned opposite, the secondary lens 18 2 is positioned exactly or at least approximately on the optical axis of the transmitter. In this case, both devices can be moved relative to each other to a maximum extent before the secondary optics 182 of the opposite device is no longer directly in front of the transmitter 76.
  • Fig. 5 shows a schematic characteristic curve for discussing embodiments described herein.
  • the graph shows an optical radiation power or radiation flux ⁇ t> on the ordinate, where value ⁇ t> m in can designate a lower detection threshold of an exemplary optical receiver or receiving device and ⁇ t> max an upper threshold above which the receiver operates poorly, for example goes into saturation.
  • a distance x is plotted on the abscissa, for example the distance 64 between transmitter and receiver.
  • the optical power received by a transmitter by means of an optical wireless signal 14 increases starting from larger distances until the minimum power ⁇ t> m in is reached and the optical detector 16 is able to process the signal according to the specification.
  • the specification here is understood to mean intended operation, because even below this threshold a signal can physically be received and possibly evaluated, but may be decoded with an unacceptable error rate, which is why the threshold ⁇ t> m in can be system-dependent.
  • a characteristic curve 92i shows an example of an optical power profile that is directed to the optical detector 16 by the main optics 181.
  • a characteristic curve 922 shows an example of a schematic optical power profile that can be directed to the optical detector 16 by the secondary lens 182. Due to the smaller aperture, the secondary optics 182 would only deliver sufficient optical power to the optical detector 16 at a much smaller distance. It is clear that the secondary optics deliver a negligible share in the geometric far field and that in the geometric far field the main optics deliver a dominant share of the total optical power to the optical detector 16.
  • the combined characteristic curve 94 which shows a sum of the characteristic curves 92i and 922 , it can be seen that at a distance Xi the power provided by the main optics I81 decreases and deviates from an expected curve 96, the reason for this being that the main optics 181 is illuminated less and, as the distance x decreases further, possibly no longer by the optical wireless transmitter.
  • the optical power of the secondary optics 182 becomes the dominant component, since the main optics 181 is no longer illuminated when the distance X2 is exceeded.
  • the optical power can increase until a minimum distance X3 is reached.
  • a power level 98 can be corrected and adjusted in this respect.
  • a maximum 99 can be designed by designing the corresponding components, which is shown by the arrow 101.
  • Fig. 5 shows the received power plotted on the vertical axis against the distance between transmitter and receiver along the x axis.
  • the horizontal line ⁇ t> ma x marks the maximum power at which the receiver still operates within the specification.
  • the horizontal line ⁇ t> m in marks the minimum power at which the receiver still operates within the specification. Only if the received power 94 lies between the two values is the function given according to the example.
  • the characteristic curve 92i can show, by way of example, the reception power which the main reception lens 181 directs to the photodetector 16 of Fig. 1, wherein the statements also apply without further ado to other embodiments described herein.
  • the reception power can increase with decreasing communication distance, smaller x values. If the transmitter and the main reception lens 18i had no offset 62i, i.e. if their optical axes 42 and 58i were identical, the reception power would continue to increase, as indicated by the line 96.
  • the transmitter gradually moves out of the field of view of the main reception lens 181 at short distances, so that the reception power does not continue to increase, but eventually reaches a maximum value and can finally decrease quickly for even shorter distances.
  • the received power which the secondary lens 182 directs to the detector 16 is shown as characteristic curve 922.
  • the total power which hits the detector 16 can correspond to the sum of the main optics 181 and the at least one secondary optics 182 and is shown for the structure of the devices 10 and 40 as characteristic curve 94.
  • a system which would only use the offset main lens 182 would have a dynamic range from the distance x 2 to the distance x max .
  • the minimum distance improves to a significantly smaller value x 3 , whereas the maximum range x max is not negatively affected.
  • the secondary lens 18 2 can also direct power to the detector 16 over great distances, due to the smaller designs of the aperture, this power share can be significantly lower than the share received from the main optics 181.
  • Embodiments provide for the characteristic curves 92i and 922 to be coordinated with one another in order not to exceed the maximum power ⁇ t> max or not to fall below the minimum power ⁇ t> min within the working range.
  • One or more of the following design parameters are particularly suitable for influencing the characteristic curves 92i, 922 and/or 94 in a targeted manner.
  • a particularly tolerant overall system with respect to system tolerances, but also alignment tolerances, can result if in particular the characteristic curve 922 has the maximum distance to the lower power limit and upper power limit ⁇ t> min or ⁇ t> max , i.e. is arranged approximately in the middle of it.
  • Parameters of the main receiving optics 18i, which can change the characteristic curve 92i, in particular to adapt the maximum power level along the arrow 101, can be:
  • an offset of the optical axes 42 and 58i see for example Fig. 2, i.e. the offset 62 between the transmitter and the main receiving lens 181; o the greater the offset 62, the greater the distance at which the maximum of the detected power occurs, i.e. the maximum can be moved along the arrow 101.
  • the direction of the arrows 101 corresponds approximately to the course of the curve 96, with the actual maximum value lying below the curve 96.
  • the maximum value, i.e. the maximum power can decrease accordingly with increasing offset, since the main receiving lens 181 can only detect radiation from the transmitter at greater distances. At a greater distance, the power density is lower.
  • parameters for adjusting the secondary reception optics 18 2 which can change the characteristic curve 922, in particular for adjusting the power level 98, may include:
  • parameters of the emission profile of the transmitter can be changed, for example to change the characteristics 92i or 94.
  • the transmitter can distribute the optical power so that it is distributed homogeneously across the output aperture or each virtual source has a similar power. The opposite is also possible, for example a greater power density could occur in the center of the transmitter's output aperture than at the edge.
  • the power signal of the secondary optics I82 can be influenced by varying the local power density. Such a distribution can also influence the power that is directed to the detector 16 by the main receiving lens I81. Namely, precisely when the transmitter is located at the edge of the receiving field of view of the main receiving lens and the main receiving lens only sees part of the transmitter aperture.
  • the channel loss and thus the reception level of the characteristic curves 922, 94 can depend on the emission angle and the acceptance angles of the main reception optics 181 and the secondary optics 182. Accordingly, both characteristic curves can be influenced by changing the emission angle above the output aperture of the transmitter. For example, each virtual source that is located directly opposite the secondary optics 182 could have a smaller emission angle than the remaining virtual sources so that the secondary optics 182 can direct as much power as possible from the transmitter to the detector 16. The opposite case, i.e. larger emission angles to reduce the detected power, is also possible.
  • an optical wireless communication system can be set up for a minimum distance X3 between an optical wireless transmitter and an optical wireless receiver arranged so as to be movable relative to one another or between two transceivers.
  • the minimum distance can, for example, result from or be influenced by a working area within which communication is to take place.
  • a minimum tolerance of the optical wireless communication system with respect to positioning inaccuracies with respect to an offset of the components relative to one another along the directions c and/or a and/or with respect to a tilting of the main optical axes relative to one another can be determined by a size or aperture of the transmitting optics. This can be such that at the minimum distance the The secondary optics of the optical wireless receiver are at least partially positioned opposite the transmitting optics of the optical wireless transmitter in such a way that the emitted optical power is still sufficiently directed to the optical detector by the secondary optics.
  • Fig. 6 shows a schematic front view of an optical-wireless device 60 according to an embodiment.
  • This can be formed similarly to the device 40, but in contrast have a plurality of secondary optics 182, 183 and 184.
  • the secondary optics I82-I84 can be arranged in any number, for example 1, as shown in Fig. 4a and Fig. 4b, 2, 3, 4 or more. It is preferred if the plurality of secondary optics 18 2 -18 4 are arranged in relation to the main optics I81 such that the secondary optics 18 2 -18 4 have a decreasing aperture size with increasing distance from an optical center 1021 of the main optics I81. This is illustrated in Fig. 6 by different sizes and in particular by sizes of the optics 18 2 -18 4 decreasing along the offset 62, whereby other means for reducing an aperture size can also be used, such as a lens shape other than a round one.
  • the plurality of optics I81-I84 can possibly be manufactured as a common body, which can have different optically active regions in the region of the optics 181-I84.
  • the optics can also be spaced apart from one another and connected to one another, for example via a connecting structure 66, in order to obtain a high positioning precision.
  • the secondary optics 18 2 , 183 , 184 can be arranged along a straight line, but can also be arranged with respect to their optical centers 102 2 , 102s and 1024 along a straight line only in sections or along a curve or the like, as shown for example in Fig. 6.
  • an implementation can be provided in which not only one secondary lens 18 2 is arranged, but a number of N> 2 secondary lenses 18 2 , 183, 184, ... , where each of these secondary lenses or secondary optics can be optimized for a specific distance range.
  • This embodiment has the advantage that the maximum in the reception level can be further reduced, ie the dynamic range can be further improved or the reception power can be further smoothed over the distance.
  • Fig. 6 shows a front view of how exemplary secondary lenses or secondary optics 18 2 , 183, 184 are arranged.
  • the secondary optics can be designed in such a way that the following applies: the greater the offset 62I-624 to the optical axis of the transmitter 34, the less power the lens focuses in the geometric near field and the more in the geometric far field.
  • the further explanations in connection with Fig. 4a and 4b apply here analogously.
  • the transmitter 34 is shown only as a border without shading, but can have the same functionality as described in connection with Fig. 4b.
  • Fig. 7 shows a schematic graphic of an exemplary total intensity ⁇ t>, as can be obtained, for example, with an optical arrangement of the optical-wireless device 60.
  • an overall characteristic curve 94' can be formed from four characteristic curves 92i, 92 2 , 92 3 , 92 4 , analogous to the number of main optics and secondary optics of the device 60.
  • a course of the characteristic curve 94' can be more uniform compared to the characteristic curve 94 from Fig. 5, which is advantageous.
  • Fig. 7 shows an example graph of the reception power for the device 60 together with the transmitter 34, which corresponds to Fig. 6 and which together can form an example system.
  • Each of the secondary reception lenses 18 2 , 18 3 , 18 4 can generate a reception power on the detector 16 of the receiving device, as can the main optics 181. These are shown overall by the corresponding characteristic curves 92i, 92 2 , 92a and 92 4 . The sum of the power incident on the detector 16 is shown by way of example by the characteristic curve 94'.
  • the plurality of optics of the receiving device of a first optical wireless device on the one hand and the transmission power of the transmitting optical wireless device on the other hand can be adapted to one another.
  • the optical detector 16 can remain saturation-free, as is illustrated by both the illustration in Fig. 5 and that in Fig. 7.
  • the plurality of optics can have a first optic as the main optic, such as the optic 18i, and a plurality of secondary optics, as described in connection with Fig. 6.
  • Each of the plurality of secondary optics can be set up for an optic-specific distance range to the second optical-wireless device, which at most overlaps incompletely with a distance range of another secondary optic.
  • This can mean, for example, that a relevant area or area with the maximum optical power is shifted relative to one another, as is shown, for example, in Fig. 7.
  • the adjustment can be made by selecting the offset along the directions b and/or c in the coordinate system of Fig. 6, or can alternatively or additionally also include a lens type and/or an aperture size.
  • an optical axis of the transmitter 34 can be taken into account, as can a transmission power of the transmitter 34.
  • an emission angle of a transmitting device of the transmitting optical wireless device can be greater than a total field of view angle or total acceptance angle of the plurality of optics of the receiving optical wireless device. This can enable a certain tolerance to tilting in the arrangement of transmitter and receiver.
  • FIG. 8 shows a schematic flow diagram of a method 800 according to an embodiment.
  • a step 810 includes laying out and positioning a plurality of optics with respect to a transmitting device configured to provide an optical wireless signal. This can be done in such a way that the plurality of optics simultaneously directs a received optical wireless signal to an optical detector 16 of the receiving device, so that at different distances between the receiving device and the transmitting device, a different number of the plurality of optics contributes to a total optical power directed to an optical detector 16 of the receiving device.
  • a step 820 includes fabricating the plurality of optics in an arrangement according to the design and positioning.
  • the design and positioning 810 includes taking into account at least one of an aperture angle of the transmitting device, a transmitting power of the transmitting device, a power distribution over the output aperture the transmitting device; a relative distance of the plurality of optics to one another and to the optical axis of the transmitting device, an acceptance angle of the plurality of optics, the geometric shapes of the apertures of the plurality of optics and/or a saturation limit of an optical detector 16 of the receiving device.
  • the parameters of the transmitting device and the receiving device are known and are taken into account in step 810.
  • an advantageous design of the receiving optics can be achieved, for example by assuming an average transmitting power and/or an average or expected size of the transmitter or the like. This can still enable a relevant improvement compared to known concepts.
  • Examples of embodiments can be used as data light barriers.
  • Data can be transmitted along a linear axis, whereby both transceivers can be individually stationary or mobile.
  • Such arrangements can be found, for example, in hall, bridge and port cranes, in mobile trolleys, in mobile carts for transporting wages, pallets, lattice boxes or in automated parking systems for horizontal or vertical parking.
  • Port cranes for example, require a high dynamic range because they can be moved to within a few centimeters of a transmitter, but can also be several hundred meters away at the same time.
  • the receiver has a lens module or optical module which comprises a main receiving lens, the optical axis of which is offset from the optical axis of the transmitter;
  • the receiver comprises at least one secondary receiving lens, the optical axis of which has a smaller offset compared to the main receiving lens for optical axis of the transmitter or no offset at all to the optical axis of the transmitter.
  • a feature of further aspects relates to the fact that the field of view angle of the transmitter is larger than that of the receiver and the field of view angle of the main receiving lens can also be designed differently than the field of view angle of the secondary receiving lens.
  • the embodiments described herein relate to an optical concept of transmitter and receiver which, compared to known concepts, may not require any additional components in order to improve the dynamic range, but is based on a defined geometric transmitter and receiver arrangement. Additional components can be avoided in particular by designing the main and secondary optics as an integral or monolithic component. Even if the optics are manufactured as separate components, these additional components are then easy and inexpensive to use. To implement the invention, it may be sufficient to implement a single receiver so that the complexity of the electronics is not increased unnecessarily. The problem can already be solved by designing the transmitting and receiving optics, which are required in the system anyway. The secondary receiving optics can therefore be viewed as a design within an existing component.
  • the concept only requires a marginal change in the design of the transmitting and receiving optics in relation to the optical efficiency/performance in the optical channel compared to known solutions.
  • no or only a small amount of radiation can be used at relatively large angles, which would no longer be usable over large distances.
  • the present invention enables a relatively large tolerance to a lateral offset of the devices relative to one another perpendicular to the optical axis, which can occur in practice due to tolerances.
  • a complex lens module on the receiver is sufficient; a receiving lens is already present, which is divided into two or more lenses/optics in some designs.
  • aspects have been described in connection with a device, it is understood that these aspects also represent a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Analogously, aspects that have been described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or details or feature of a corresponding device.

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Abstract

Eine optisch-kabellose Vorrichtung mit einer Empfangseinrichtung ist zum Empfang eines optisch-kabellosen Signals eingerichtet. Die Empfangseinrichtung umfasst einen optischen Detektor zum Detektieren des optisch-kabellosen Signals und eine Mehrzahl von Optiken mit zumindest einer ersten Optik mit einer ersten Aperturgröße und einer zweiten Optik mit einer zweiten, kleineren Aperturgröße. Die Optiken sind nebeneinander und im Wesentli- chen mit derselben Vorzugsrichtung angeordnet. Jede der Mehrzahl von Optiken ist aus- gebildet, um ein auf die Optik eintreffendes Licht gleichzeitig auf den optischen Detektor zu lenken. Der optische Detektor weist eine optische Achse auf und die erste Optik ist mit einem ersten Abstand zu der optischen Achse angeordnet und die zweite Optik ist mit ei- nem größeren zweiten Abstand zu der optischen Achse angeordnet.

Description

Optisch-kabellose Vorrichtungen und Verfahren zum Auslegen einer optischen Anordnung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optisch-kabellose Vorrichtungen zum Empfang optisch-kabelloser Signale, auf ein Kommunikationssystem mit solchen optisch-kabellosen Vorrichtungen und auf ein Verfahren zum Auslegen einer optischen Anordnung für eine Empfangseinrichtung einer optisch-kabellosen Vorrichtung. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein hocheffizientes Komplexlinsensetup für hohe dynamische Reichweiten für optisch-drahtlose bzw. optisch-kabellose Sender/Empfänger-Systeme.
Empfänger von optisch-drahtlosen bzw. optisch-kabellosen Transceivern können stark variierenden Empfangspegeln ausgesetzt sein. Zum einen wird eine hohe optische Sendeleistung für eine große Reichweite benötigt. Das Erhöhen der Sendeleistung erhöht aber gleichzeitig auch den Minimalabstand der Transceiver bzw. den Minimalabstand zwischen Sender und Empfänger. Unterhalb des Minimalabstands ist der Kanalverlust so gering, dass der Empfänger in eine Sättigung gerät und keine Übertragung mehr möglich ist. Der Abstandsbereich zwischen Sender und Empfänger, in dem ein Betrieb innerhalb der Spezifikation möglich ist, wird dabei als die dynamische Reichweite des Transceivers definiert. Dieser Abstandsbereich wird nach unten durch den Minimalabstand und nach oben durch die Maximaldistanz begrenzt. Ein Transceiver ist besonders dann vielseitig einsetzbar, wenn er eine große dynamische Reichweite aufweist.
Um die dynamische Reichweite eines Links zu erhöhen, gibt es verschiedene Ansätze:
• Regulation der Sendeleistung: bei geringer Distanz wird die Sendeleistung adaptiv reduziert [1 ,4], um eine Empfängersättigung zu vermeiden. Dieser Ansatz bedarf allerdings einer Treiberschaltung, die über eine adaptive Regelung verfügt. Außerdem muss das System wissen, wann es die Sendeleistung verringern oder erhöhen muss. Diese Information wird von einem Empfänger des Kommunikationsteilnehmers erhalten. Der Ansatz ist in der Regel auf eine Regelungsreichweite im Bereich von 3 dB bis 20 dB limitiert.
• Regulierung des elektrischen Empfängers: der elektrische Empfänger kann reguliert werden, etwa indem die Verstärkung des Transimpedanzverstärkers reguliert wird oder eine zusätzliche Regelung am Eingang des Transimpedanzverstärkers eingesetzt wird [1 ,6], Dieser Ansatz ist nicht immer geeignet, etwa wenn der Sättigungseffekt schon zuvor am Photodetektor auftritt. Derartige Sättigungseffekte sind bei Avalanche Photodioden (APDs), Single-Photon Avalanche Photodioden (SPADs) und auch bei Silizium-Photomultipliern (SiPM) üblich. Zwar kann die interne Verstärkung dieser Detektoren über die Vorspannung geregelt werden, dies ist aber nur über einen gewissen Bereich möglich, bis die interne Verstärkung 1 ist (niedrigster Wert) oder bis die wirksame Photodiodenkapazität die Spezifikation nicht mehr erfüllt.
• Einsatz eines oder mehrerer zusätzlicher Elemente zur Dämpfung des optischen Signals wie beispielsweise einem mechanischen Shutter [2], einer variablen Blende [5], einer variablen Linse (elektrobenetzte Linse, Polymerlinse, etc.), einem auf Polarisation basierendem Shutter (beispielsweise Flüssigkristall-Shutter/Dämpfungs- glied [2]). All diese Ansätze haben gemein, dass ein zusätzliches Element im System eingesetzt wird, um den Kanalverlust besonders zu beeinflussen, üblicherweise indem der Kanalverlust im geometrischen Nahfeld vergrößert wird. Die zusätzliche Komponente und die notwendige zusätzliche Regelung erhöhen die Systemkomplexität und die Kosten.
• Das optische System kann vorsehen, dass Sender und Empfänger nicht auf einer optischen Achse sind. Das Sichtfeld ist so gewählt, dass der Empfänger dem Sender bei geringem Abstand kaum oder gar nicht sieht. Dieser Ansatz ist sehr einfach, allerdings üblicherweise in der dynamischen Reichweite im Bereich von 3 dB bis 10 dB begrenzt. Besonders bei kleinen Sichtfeldern fällt dies ins Gewicht. Dieser Ansatz ist besonders anfällig gegenüber einem Versatz senkrecht zur optischen Achse. Ist beispielsweise definiert, dass der Empfänger bei geringem Abstand gerade noch innerhalb der Auswertbarkeit eine Signalstärke vom Sender empfängt, aber der Empfänger nun toleranzbedingt zusätzlich, etwa um weitere 10 mm, versetzt ist, kann es sein, dass der Empfänger nichts mehr detektieren kann.
• Dieses Konzept kann so erweitert werden, dass der Sender auch in größeren Winkeln abstrahlt, siehe [3], und der Empfänger fähig ist, auch Signale, welche unter diesen größeren Winkeln einfallen, zu detektieren. Der Nachteil dieses Ansatzes ist es aber, dass am Sender Leistung nicht optimal genutzt wird, weil ein Empfänger in größerer Distanz diese seitlich abgestrahlte Leistung nicht detektieren kann. Außerdem kann die Empfängerlinse nicht optimal auf den eigentlichen Akzeptanzwinkel ausgelegt werden, da sie im geometrischen Nahfeld auch unter größeren Abstrahlwinkeln Strahlung einsammeln muss. Das Sichtfeld ist damit nicht mehr wohl definiert, so dass ein Kanalübersprechen mit benachbarten Kanälen auftreten kann. Der Ansatz ist außerdem empfindlich gegenüber Positionierungstoleranzen zwischen Sender und Empfänger.
• Das optische Konzept kann mehrere Empfänger vorsehen. Diese können eine unterschiedliche Sättigungsgrenze haben, beispielsweise indem unterschiedliche Detektoren genutzt werden, siehe [2], Dabei wird ein Detektor im Nahbereich und ein Detektor im Fernbereich genutzt. Dieser Ansatz erfordert einen höheren Hardwareaufwand, da auch ein zweiter Detektor sowie weitere Verstärkerelektronik benötigt wird. Darüber hinaus müssen beide Empfängerkanäle vereint werden bzw. entschieden werden, welcher Datenstrom ausgewertet wird.
Es besteht deshalb der Bedarf an Lösungen zum effizienten Betrieb optisch-kabelloser Vorrichtungen und zum Auslegen benötigter Komponenten, die eine hohe dynamische Reichweite zwischen Sender und Empfänger eines optisch-kabellosen Kommunikationslinks ermöglichen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, optisch-kabellose Vorrichtungen, ein optisch-kabelloses Kommunikationssystem und ein Verfahren zum Auslegen einer optischen Anordnung für eine Empfangseinrichtung einer optisch-kabellosen Vorrichtung zu schaffen, die einen effizienten Betrieb optisch-kabelloser Vorrichtungen bei gleichzeitig hoher dynamischer Reichweite zwischen Sender und Empfänger ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, erkannt zu haben, dass ein Sättigungseffekt an einem optischen Detektor eines Empfängers dadurch reduziert oder vermieden werden kann, indem der Empfänger mit einer Mehrzahl von Optiken ausgestattet wird, die das empfangene Licht auf den optischen Detektor richten. In einem geometrischen Nahfeld des Senders empfängt der optische Detektor dabei lediglich eine Teilmenge der Mehrzahl von Optiken das optische Signal des Senders, im geometrischen Fernfeld hingegen andere Optiken bzw. eine höhere Anzahl der Mehrzahl von Optiken. Dies wird beispielsweise dadurch erhalten, dass unterschiedliche Optiken der Mehrzahl von Optiken voneinander verschiedene Abstände zu einer optischen Achse des Detektors aufweisen und die Optiken mit im Wesentlichen derselben Vorzugsrichtung angeordnet sind. Basierend auf der Anordnung nebeneinander ist es möglich, dass bei Verringerung des Abstands zum Sender Optiken teilweise unbeleuchtet oder weniger beleuchtet werden und deshalb deren Beitrag zur Gesamtleistung am optischen Detektor abnimmt, womit ein Sättigungseffekt vermieden werden kann. Dadurch wird ein geringer Minimalabstand erreicht oder der Minimalabstand gar vermieden. Gleichzeitig kann ein hohes Maß der Sendeleistung des Senders im geometrischen Fernfeld genutzt werden, so dass insgesamt eine hohe dynamische Reichweite bei gleichzeitig hoher Effizienz erhalten wird.
In einem Ausführungsbeispiel wird eine optisch-kabellose Vorrichtung bereitgestellt, die eine Empfangseinrichtung zum Empfang eines optisch-kabellosen Signals aufweist. Die Empfangseinrichtung umfasst einen optischen Detektor zum Detektieren bzw. Erhalten des optisch-kabellosen Signals und eine Mehrzahl von Optiken mit zumindest einer ersten Optik mit einer ersten Aperturgröße und einer zweiten Optik mit einer zweiten, kleineren Aperturgröße. Die Optiken sind nebeneinander und im Wesentlichen mit derselben Vorzugsrichtung angeordnet. Jede der Mehrzahl von Optiken ist ausgebildet, um ein auf die Optik eintreffendes Licht gleichzeitig auf den optischen Detektor zu lenken. Der optische Detektor weist eine optische Achse auf und die erste Optik ist mit einem ersten Abstand zu der optischen Achse angeordnet, wobei die zweite Optik mit einem größeren zweiten Abstand zu der optischen Achse angeordnet ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine optisch-kabellose Vorrichtung bereitgestellt, die eine Empfangseinrichtung aufweist, welche einen optischen Detektor aufweist und die zum Empfang eines optisch-kabellosen Signals von einem optisch-kabellosen Sender eingerichtet ist. Die Empfangseinrichtung ist ausgebildet, um das optisch-kabellose Signal sowohl in einem geometrischen Nahfeld als auch in einem geometrischen Fernfeld des optisch-kabellosen Senders zu empfangen und mit dem optischen Detektor sättigungsfrei zu detektieren.
Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein optisch-kabelloses Kommunikationssystem mit einer hierin beschriebenen optisch-kabellosen Vorrichtung.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Auslegen einer optischen Anordnung für eine Empfangseinrichtung einer optisch-kabellosen Vorrichtung ein Auslegen und Positionieren einer Mehrzahl von Optiken bezüglich einer zur Bereitstellung eines optisch-kabellosen Signals eingerichteten Sendeeinrichtung, so dass die Mehrzahl von Optiken ein empfangenes, optisch-drahtloses Signal gleichzeitig umlenkt, so dass bei unterschiedlichen Abständen zwischen der Empfangseinrichtung und der Sendeeinrichtung eine unterschiedliche Anzahl der Mehrzahl von Optiken einen Beitrag zu einer auf dem optischen Detektor der Empfangseinrichtung gelenkten optischen Gesamtleistung liefert. Das Verfahren umfasst ferner ein Herstellen der Mehrzahl von Optiken in einer Anordnung gemäß dem Auslegen und Positionieren.
Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind der Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
Besonders bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenschnittansicht einer optisch-kabellosen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines optisch-kabellosen Kommunikationssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 3a eine schematische Seitenschnittansicht einer Anordnung einer Sendeeinrichtung und einer Empfangseinrichtung im geometrische Nahfeld in Übereinstimmung mit hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen;
Fig. 3b eine schematische Seitenschnittansicht derselben Komponenten wie in Fig. 3a, aber im geometrischen Fernfeld;
Fig. 4a eine schematische Draufsicht auf eine optisch-kabellose Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 4b eine um eine Sendeeinrichtung einer gegenüberliegenden Vorrichtung erweiterte Darstellung der Vorrichtung aus Fig. 4a;
Fig. 4c eine schematische, lediglich in Ansätzen perspektivische Ansicht zweier Vorrichtungen gemäß Fig. 4a und Fig. 4b, die wechselseitige Kopien voneinander sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 4d eine schematische Darstellung einer optisch-kabellosen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einer Empfangsoptik mit näherungsweise rechteckigen Querschnitt gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 5 eine schematische Kennlinie einer Empfangsleistung an einem optischen Detektor zur Erörterung hierin beschriebener Ausführungsbeispiele;
Fig. 6 eine schematische Frontansicht einer optisch-kabellosen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, die eine Mehrzahl von Nebenoptiken aufweist;
Fig. 7 eine schematische Graphik einer beispielhaften Gesamtintensität, wie sie beispielsweise mit einer Optikanordnung der optisch-kabellosen Vorrichtung aus Fig. 6 erhalten werden kann, gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
Fig. 8 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele werden im Zusammenhang mit einer Vielzahl von Details beschrieben. Ausführungsbeispiele können jedoch auch ohne diese detaillierten Merkmale implementiert werden. Des Weiteren werden Ausführungsbeispiele der Verständlichkeit wegen unter Verwendung von Blockschaltbildern als Ersatz einer Detaildarstellung beschrieben. Ferner können Details und/oder Merkmale einzelner Ausführungsbeispiele ohne Weiteres mit einander kombiniert werden, solange es nicht explizit gegenteilig beschrieben ist.
Nachfolgende Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine optisch-kabellose Signalübertragung oder Datenübertragung. Diese wird im Rahmen der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele auch als LiFi (Light Fidelity; Lichtübertragung) bezeichnet. Der Begriff „LiFi“ bezieht sich dabei auf die Begriffe wie IrDA (Infrared Data Association) oder OWC (Optical Wireless Communication; optische drahtlose Kommunikation). Das bedeutet, die Ausdrücke „optisch-drahtlose Datenübertragung“, „optisch-kabelloser Datenübertragung“ und „LiFi“ werden synonym verwendet. Als optisch-kabellose Datenübertragung wird hierbei verstanden, ein elektromagnetisches Signal durch ein freies Übertragungsmedium, bei- spielsweise Luft oder ein anderes Gas oder ein Fluid, zu übertragen. Hierfür können beispielsweise Wellenlängen in einem ultravioletten (UV) Bereich mit zumindest 100 nm und dem Infrarotbereich, beispielsweise höchstens 1550 nm, verwendet werden, wobei auch andere Wellenlängen möglich sind, die sich von für Funkstandards benutzten Wellenlängen unterscheiden. Eine optisch-kabellose Datenübertragung ist auch von einer fasergebundenen optischen Datenübertragung zu unterscheiden, die beispielsweise mittels Lichtwellenleiter oder Lichtwellenleiterkabel implementiert wird.
Hierin beschriebene Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Nahfeld und/oder ein Fernfeld, welche synonym als geometrisches Nahfeld bzw. geometrische Fernfeld bezeichnet werden.
Als geometrisches Nahfeld wird dabei ein Bereich ausgehend vom Sender verstanden, in welchem eine Position und Größe einzelner Elemente des Empfängers und des Senders neben dem Abstrahlwinkel des Senders eine große Rolle für den Empfangspegel optischkabelloser Signale spielen. Neben den Positionen und Abmaßen können auch Winkelbereiche der Optiken eine Rolle spielen. So kann zum Beispiel ein Sender das optisch-kabel- lose Signal in einem Winkelbereich von -1 ° bis +1 ° emittieren. Wenn der Akzeptanzwinkel des Empfängers kleiner als der Sendewinkel ist bspw. -0.5° bis +0.5°, ergibt sich aus dem Winkeleffekt ebenfalls ein Verlust, welcher aber erfindungsgemäß als Kanaldämpfung genutzt werden kann und der zunächst nicht durch die räumlichen Maße beeinflusst wird. Im geometrischen Nahfeld nimmt neben den Emissions- und Empfangswinkeln auch der seitliche Versatz von Sender zu Empfänger, sowie die räumliche Ausdehnung der Sender- und Empfängerapertur Einfluss.
Als hiervon verschiedenes geometrisches Fernfeld wird dahingegen ein Bereich verstanden, bei dem ausgehend vom Sender der Abstrahlwinkel des Senders eine große Rolle und die Maße und Position der Empfängerkomponenten und der Senderkomponenten, insbesondere der Optiken, eine geringere Rolle spielen. Als geometrisches Fernfeld kann dahingegen jene Anordnung verstanden werden, bei dem die Emissionscharakteristik des Senders und die Empfängerscharakteristik des Empfängers im Wesentlichen durch deren Emissions- bzw. Empfangswinkel beschrieben werden können.
Der Übergang zwischen geometrischen Nahfeld und geometrischen Fernfeld ist fließend. Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer optisch-kabellosen Vorrichtung 10. Die optisch-kabellose Vorrichtung 10 umfasst eine Empfangseinrichtung 12, die zum Empfang eines optisch-kabellosen Signals 14 eingerichtet ist. Die Empfangseinrichtung umfasst einen optischen Detektor 16, der beispielsweise eine Photodiode, etwa eine PIN- Photodiode, eine Avalanche Photodiode (APD), eine Single-Photon Avalanche Photodiode (SPAD) und/oder einen Silizium-Photomultiplier (SiPM) umfassen kann.
Ferner weist die Empfangseinrichtung 12 eine Mehrzahl von Optiken 18i, 182 auf. Die Anzahl der Optiken in der Mehrzahl von Optiken ist dabei zwei oder mehr, etwa zwei, drei, vier, fünf oder mehr.
Zumindest einige der unterschiedlichen Optiken I81 und 182 weisen dabei eine voneinander verschiedene Aperturgröße auf, die beispielsweise durch eine unterschiedliche Größe der Optiken I81 und 182 dargestellt ist. In der Darstellung der Fig. 1 weist beispielsweise die Optik 181 eine erste größere Aperturgröße auf als die Optik 182 mit einer zweiten, kleineren Aperturgröße.
Zur weiteren Veranschaulichung wird auf ein beispielsweise kartesisches Koordinatensystem mit Achsen a, b und c hingewiesen, wobei die Achsen lediglich beispielhaft orthogonal zueinander im Raum angeordnet sind. Die Optiken 181 und 182 sind nebeneinander angeordnet und weisen eine im Wesentlichen gleiche oder übereinstimmende Vorzugsrichtung 22i bzw. 222 auf. Diese verlaufen beispielhaft entlang einer negativen a-Richtung, so dass eine Anordnung der Optiken 181 und 182 nebeneinander als Versatz entlang einer b-Rich- tung und/oder c-Richtung verstanden werden kann, was einen zusätzlichen Versatz entlang der a-Richtung nicht ausschließt. Es sei darauf hingewiesen, dass jede der Optiken 181 und 182 als einzelnes optisches Element aber auch als Kombination optischer Elemente ausgeführt sein kann, etwa als ein einziges oder mehrere Komplexlinsenmodulen und/oder als eine Kombination von Linsen und Reflektoren.
In der schematischen Darstellung der Fig. 1 sind die Optiken I81 und 182 entlang der b- Richtung versetzt zueinander angeordnet und beabstandet zueinander. Allerdings könnte beispielsweise auch bei einem zusätzlichen Versatz entlang der c-Richtung ein Überlapp in einer parallel zur a-Richtung und b-Richtung angeordneten Projektionsebene zwischen den Optiken 181 und 182 vorliegen. Jede der Optiken 181 und 182 ist ausgebildet, um ein auf die Optik eintreffendes Licht auf den optischen Detektor 16 zu lenken, wie es durch Pfeile 24i und 242 dargestellt ist. Dies erfolgt gleichzeitig, d. h., Anteile auf den optischen Detektor auftreffender optischer Leistung gleichzeitig von mehreren Optiken erfasst werden und sich am Ort des optischen Detektors überlagern. Die Überlagerung ist bevorzugt derart störungsarm, etwa aufgrund von unterschiedlichen Laufwegen optisch-kabelloser Signale, dass ein korrigierbar störungsbehafteter oder fehlerfreier Empfang möglich ist.
Das bedeutet, dass es möglich ist, dass bei gleichzeitiger Beleuchtung der Optiken 181 und 182 mit dem optisch-kabellosen Signal 14 beide Optiken 181 und 182 gleichzeitig einen entsprechenden Anteil auf den optischen Detektor 16 richten. Bei Beleuchtung lediglich einer Teilmenge, etwa lediglich einer Optik 181 oder 182, ist es ebenso möglich und im Rahmen hierin beschriebener Ausführungsbeispiele vorgesehen, dass lediglich eine Teilmenge der Optiken I81 oder 182 einen Anteil auf den optischen Detektor 16 richtet, ein Anteil einer anderen Optik aber für eine optische Gesamtleistung an dem optischen Detektor 16 wegfällt oder vernachlässigbar wird.
Der optische Detektor 16 weist eine optische Achse 26 auf, die beispielsweise entlang einer Hauptvorzugsrichtung des optischen Detektors 16 im Raum verlaufen kann. Beispielsweise verläuft die optische Achse 26 zusätzlich durch einen Mittelpunkt eines Empfindlichkeitsverlaufs, etwa ein geometrischer Mittelpunkt, des optischen Detektors 16 und/oder steht normal auf einer Detektorfläche des optischen Detektors 16.
Die Optik 181 weist einen Abstand 28i zu der optischen Achse 26 auf, während die Optik I82 einen größeren Abstand 282 zu der optischen Achse 26 aufweist. Als Referenzpunkt oder Referenzbereich für die Bestimmung des Abstands 28i und 282 können übereinstimmende Positionen oder Merkmale der Optiken I81 und 182 betrachtet werden, beispielsweise ein optischer Mittelpunkt oder eine Position der Vorzugsrichtungen 22i bzw. 222. Alternativ können auch eine äußere Kante oder laterale Begrenzung, die der optischen Achse 26 zugewandt ist, oder andere Merkmale als Referenz betrachtet werden.
Eine derartige Anordnung der Optiken 181 und 182 zueinander und/oder bezüglich des optischen Detektors 16 ermöglicht es, im Hinblick auf einen Emissionswinkel 32 des optischkabellosen Signals 14 bei unterschiedlichen Abständen zwischen der Vorrichtung 10, insbesondere der Empfangseinrichtung 12 und einem Sender des optisch-kabellosen Signals 14 unterschiedliche Situationen einzunehmen, in denen beispielsweise bei einem vergleichsweise großen Abstand mehrere oder gar alle Optiken 181 und 182 der Mehrzahl von Optiken beleuchtet werden bzw. das optisch-kabellose Signal 14 empfangen. Bei einer Verringerung des Abstands kann dies dazu führen, dass zumindest eine der Optiken, etwa die I81, weniger oder nicht weiter von dem optisch-kabellosen Signal 14 beleuchtet wird und entsprechend weniger Leistung durch diese Optik an den optischen Detektor 16 gelangt, während möglicherweise, aber nicht notwendigerweise, eine optische Leistung durch die andere, weiterhin beleuchtete Optik, also die Optik 182, zunehmen kann. Diese beiden gegenläufigen Effekte können es ermöglichen, dass eine Sättigung des optischen Detektors 16 ausbleibt, selbst wenn der Abstand zum Sender stark verringert wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die optisch-kabellose Vorrichtung 10 so bezüglich eines Senders in einem optisch-kabellosen Kommunikationsnetzwerk oder Kommunikationssystem positioniert oder angeordnet werden, dass der Sender des optisch-kabellosen Signals 14 einer auch als Nebenoptik bezeichneten Optik 182 mit kleinerer Apertur gegenüberliegend angeordnet ist, so dass eine als Hauptoptik bezeichnete Optik mit größerer Apertur, die Optik I81, bei Verringerung des Abstands zum Sender aus einem Beleuchtungskegel des optisch-kabellosen Signals 14 herauspositioniert wird.
Der Abstand 28i ist geringer als der Abstand 282, bevorzugt ist der Abstand 28i zumindest innerhalb von Fertigungstoleranzen 0 oder im Wesentlichen 0, das bedeutet, die Optik 181 kann zentral über dem optischen Detektor 16 angeordnet sein. Eine Anordnung über dem optischen Detektor 16 ist dabei nicht notwendigerweise so zu verstehen, dass hierzu eine Höhenrichtung betrachtet werden muss, eine derartige Angabe bezieht sich auf eine Richtung entlang der optischen Achse 26. Im Allgemeinen sind im Zusammenhang mit hierin beschriebenen Ausführungsbeispiel Angaben wie links, rechts, oben, unten, vorne oder hinten lediglich zur besseren Veranschaulichung genutzt und entfalten keine einschränkende Wirkung, außer es ist explizit angegeben. Es versteht sich, dass durch eine Verschiebung und/oder Rotation im Raum derartige relative Angaben beliebig veränderbar sind.
Eine Anordnung der Optik 181 über, zentral oder zentriert über dem optischen Detektor 16 bedeutet gleichzeitig, dass die Optik 182 beabstandet zur optischen Achse 26 des optischen Detektors 16 angeordnet ist. Während die Optik 18i ausgebildet sein kann, um einfallendes Licht entlang der Vorzugsrichtung 22i der Optik 181 hin zu dem optischen Detektor 16 zu lenken, kann die Optik 182 abweichend hiervon ausgebildet sein, um einfallendes Licht entlang einer zu der Vorzugsrichtung 222 verschiedenen Richtung hin zu dem optischen Detektor 16 zu lenken. Dies kann durch unterschiedliche optische Effekte bezüglich Brechung und/oder Reflexion oder dergleichen erhalten werden, das bedeutet, die Optik 182 kann eine Richtung des durch die Optik I82 verlaufenden Lichts ändern. Eine Orientierung der Vorzugsrichtungen 22i und 222 kann dabei beliebig entlang positiver oder negativer a-Richtung im Raum sein. Die Optik I82 kann beispielsweise für eine Brechung und zumindest eine erste Totalreflexion, möglicherweise aber auch eine zweite oder weitere Totalreflexion ausgebildet sein, um das einfallende Licht entlang der von der Vorzugsrichtung 222 verschiedenen Richtung hin zu dem optischen Detektor 16 zu lenken.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines optisch-kabellosen Kommunikationssystems 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine optisch-kabellose Vorrichtung 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel und eine weitere optisch-kabellose Vorrichtung 25 umfasst, welche zum Senden des optisch-kabellosen Signals 14 eingerichtet sein kann. Die optisch-kabellose Vorrichtung 25 kann eine Sendeeinrichtung 34 umfassen, welche beispielsweise einen optischen Emitter 36 und eine nachgeschaltete Sendeoptik 38 empfangen kann. Die Sendeeinrichtung 34 kann ausgebildet sein, um das optisch-kabellose Signal 14 entlang einer Sendehauptachse 42 auszusenden, welche parallel zu einer Vorzugsrichtung 41 , beispielsweise aber nicht notwendigerweise parallel zu der a-Richtung, im Raum angeordnet ist und beispielsweise im Bereich eines Maximums optischer Leistung des optisch-kabellosen Signals 14 angeordnet sein kann.
Ein Emissionsprofil des optisch-kabellosen Signals 14 kann sich aus einem, zwei, drei, vier oder mehr Teilprofilen in einer beliebigen Anzahl zusammensetzen. Beispielsweise kann die Sendeeinrichtung 25 ein Emitter-Array, eine Einrichtung zur Vergrößerung der scheinbaren Quelle auf Seiten des Senders oder einer Einrichtung zur Erzeugung mehrfacher scheinbarer Quellen des optischen Emitters 36 aufweisen. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eines optisch-kabellosen Kommunikationssystems ist die Sendeeinrichtung 34 als Einrichtung zur Vergrößerung der scheinbaren Quelle oder zur Erzeugung von mehrfachen scheinbaren Quellen ausgehend vom optischen Emitter 36 eingerichtet. Es weist den optischen Emitter 36 zum Erzeugen eines optischen Signals und eine Separationsoptik auf, die ausgebildet ist, um das optische Signal in eine Mehrzahl von optischen Teilsignalen räumlich zu teilen, um eine optische Leistung des optischen Signals auf eine Mehrzahl von optischen Teilsignalen mit einem zugeordneten Spektralbereich aufzuteilen, wobei die Mehrzahl von Spektral bereichen zumindest teilweise übereinstimmen. Eine derartige Separationsoptik ist beispielsweise in [7] beschrieben, so dass in einem derartigen Fall die Teilsignale 44i bis 444 in einer entsprechenden Anzahl durch die Separationsoptik erhalten werden können. Emissionswinkel 46i bis 464 der Teilsignale 44i bis 444 können dabei gleich oder voneinander verschieden sein. Das optisch-kabellose Signal 14 kann ungeachtet dessen, und unabhängig von einer Implementierung in einer Anzahl von Teilsignalen insgesamt, einen Emissionswinkel aufweisen, der zu einer Vergrößerung einer durch das optisch-kabellose Signal beleuchteten Fläche mit steigendem Abstand von der Sendeeinrichtung 34 führen kann.
Die optisch-kabellose Vorrichtung 20 kann in Übereinstimmung mit den Erörterungen zur optisch-kabellosen Vorrichtung 10 ausgebildet sein und weist beispielsweise eine Empfängeroptik 48 auf, die zumindest zwei Optiken aufweist, etwa die Optiken 181 und 182. Die Empfängeroptik 48 kann einen Akzeptanzwinkel 52 aufweisen, der beispielsweise bewirken kann, dass ein Empfangssichtfeld 54 eine flächige Ausdehnung, etwa in einer b/c-Ebene aufweist, die mit steigendem Abstand 56i, 562 von der Empfängeroptik 48 zunimmt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel unterscheiden sich die Optiken 181 und 182 der optisch-kabellosen Vorrichtung 10 bezüglich einer Größe eines der jeweiligen Optik 181 , 182 zugeordneten Empfangssichtfelds. Die Hauptoptik 181 kann diejenige Optik mit dem größten Empfangssichtfeld der Mehrzahl von Optiken sein. Dabei ist das Empfangssichtfeld 54 so zu verstehen, dass eine jeweilige Optik I81, 182 ein der Optik zugeordnetes Empfangssichtfeld aufweist, und die Empfangssichtfelder sich in der Mehrzahl von Optiken überlappen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Optik 181 unter Bezugnahme auf die Fig. 1 einen kleinsten Einfallswinkel auf den optischen Detektor 16 unter der Mehrzahl von Optiken aufwiesen. Gemäß einem hierauf aufbauenden Ausführungsbeispiel können optische Achsen zwischen den Empfangssichtfeldern der jeweiligen Optik I81, 182 in einem Bereich zwischen dem Empfangssichtfeldern und den Optiken parallel zueinander verlaufen, so dass jede Optik eine individuelle optische Achse 58 aufweisen kann, die in einer insgesamten optischen Achse 58 der Empfängeroptik 48 resultieren kann. Beispielhaft ist eine optische Achse 58i der Optik 181 dargestellt. Zwischen den Optiken und dem optischen Detektor 16 kann unter Bezugnahme auf die Fig. 1 eine jeweilige optische Achse geneigt gegenüber einer optischen Achse der Hauptoptik sein, etwa da das empfangene Licht durch die Nebenoptiken stärker umgelenkt wird als von der Hauptoptik, die möglicherweise eine geringe oder gar keine Richtungsänderung vornimmt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist in einem optisch-kabellosen Kommunikationssystem die optische Achse 58i der Hauptoptik 181 gegenüber der Sendehauptachse 42 durch einen Abstand oder Versatz 62 versetzt. Dies kann es ermöglichen, dass bei einer hinreichenden Verringerung eines Abstands 64 zwischen Sender und Empfänger die Hauptoptik 181 nicht weiter von dem optisch-kabellosen Signal 14 beleuchtet wird und insofern und insbesondere im Hinblick auf eine möglicherweise größte Apertur innerhalb der Mehrzahl von Optiken die Sättigung des optischen Detektors 16 dadurch vermeidet, dass keine oder lediglich geringe optische Leistung durch die Hauptoptik 181 auf den optischen Detektor 16 gelenkt wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Sendehauptachse 42 mit einer optischen Achse einer Nebenoptik der Mehrzahl von Optiken im Wesentlichen übereinstimmen, beispielsweise mit derjenigen Optik, die die kleinste Apertur aufweist.
Hierdurch kann erreicht werden, dass in einem optisch-kabellosen Kommunikationssystem bei unterschiedlichen Abständen zwischen den optisch-kabellosen Vorrichtungen 20 und 25 eine unterschiedliche Anzahl von Optiken der Empfangseinrichtung 12 mit dem gesendeten optisch-kabellosen Signal 14 beleuchtet wird und einen Beitrag zu einer auf den Detektor 16 gelenkten optischen Gesamtleistung liefert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Optik 18i als eine Hauptoptik der Mehrzahl von Optiken in einem geometrischen Fernfeld der optischen Sendeeinrichtung 34 einen dominanten Anteil zu der optischen Gesamtleistung an dem optischen Detektor 16 liefern und eine Nebenoptik, etwa die Optik 182 aus Fig. 1 , in einem geometrischen Nahfeld der Sendeeinrichtung 34 einen dominanten Anteil zu der optischen Gesamtleistung an dem optischen Detektor 16 liefern.
Bezug nehmend auf die Sendehauptachse 42 können die Nebenoptik oder sämtliche Nebenoptiken mit einem geringeren Abstand zu der Sendehauptachse 42 angeordnet sein als die Hauptoptik 181.
Bevorzugt ist es, wenn ein Akzeptanzwinkel 52 der Mehrzahl von Optiken, d. h. der Empfangseinrichtung 12, kleiner ist als der resultierende Gesamtemissionswinkel der Sendeeinrichtung 12.
Die Fig. 2 betrachtet dabei zunächst einen möglichen unidirektionalen Link von der optischkabellosen Vorrichtung 25 zu der optisch-kabellosen Vorrichtung 20. Durch Anordnen einer entsprechenden Sendeeinrichtung an oder in der Vorrichtung 20 und einer Anordnung einer geeigneten Empfangseinrichtung an oder in der Vorrichtung 25 kann ein bidirektionaler Link ermöglicht werden. In anderen Worten beschränken sich manche der bisherigen Betrachtungen zunächst auf einen unidirektionalen Link, d. h. eine Datenverbindung bestehend aus einem Sender 25 und einem Empfänger 20. Alle hierin betrachteten Konzepte können auch auf eine bidirektionale Kommunikation ausgedehnt werden. Entwurfsbeispiele für bidirektionale Transceiver werden nachfolgend noch erörtert.
Obgleich sich die Diskussion auf die optisch-drahtlose/optisch-kabellose Kommunikation bezieht, lässt sich die Erfindung auch auf andere Anwendungsbereiche ausdehnen, in denen ein optischer Emitter und ein optischer Empfänger eingesetzt wird und eine große Dynamische Reichweite zwischen beiden sichergestellt werden soll. Dies trifft beispielsweise auch auf optische Abstandsmesser zu. Das bedeutet, die optisch-kabellose Vorrichtung 10 und/oder 20 kann möglicherweise zur Kommunikation eingesetzt werden, das optisch-kabellose Signal 14 kann aber auch abweichend hiervon eine andere Art von Information tragen, etwa zur Abstandsmessung.
Mit anderen Worten ist in der Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines optisch-drahtlosen Sender-Empfänger-Systems gezeigt, welches aus einem Sender 25, einem optischen Freiraumkanal und einem Empfänger 20 besteht oder diese zumindest umfasst. Der Sender 25 besteht zumindest aus einem optischen Emitter 36, etwa einer Laserdiode (LD) oder einer Leuchtdiode (LED). In den meisten Fällen kann zusätzlich eine Sendeoptik 38 eingesetzt werden, wobei es sich beispielsweise um eine brechende Linse oder eine total- reflektierende Linse handeln kann. Diese Sendeoptik 38 kann das Emissionsprofil formen. Der Emissionswinkel 46 kann denjenigen Winkel kennzeichnen, unter dem die Strahlen des optisch-kabellosen Signals 14 maximal emittiert werden. Die Strahlen können entlang einer Vorzugsrichtung 41 emittiert werden. Die Vorzugsrichtung 41 kann der Achse a entsprechen, dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Mit dem Bezugszeichen 42 ist beispielhaft die optische Achse des Senders 34 bezeichnet und mit dem Bezugszeichen 58i die optische Achse der Hauptempfangslinse 181 der optisch-kabellosen Vorrichtung 20. Der Empfänger 12 besteht aus oder umfasst den optischen Detektor 16 und die Empfangsoptik 48. Die Empfangsoptik 48 weist den Akzeptanzwinkel 52 auf.
Ausführungsbeispiele ermöglichen die erörterte hohe dynamische Reichweite, indem sie bei geringen Kommunikationsdistanzen 64 den Kanalverlust gezielt erhöhen, etwa indem zumindest eine und insbesondere die Hauptoptik aus einem Lichtkegel des optisch-kabellosen Signals 14 herausbewegt wird. Bei großen Distanzen 64 wird dahingegen kein zusätzlicher Kanalverlust eingebracht. Ausführungsbeispiele basieren auf der Erkenntnis, dass einer oder mehrere der folgenden Effekte gezielt genutzt werden können, um den Kanalverlust geeignet zu kontrollieren:
• den Versatz 62 zwischen der optischen Achse 42 des Senders 25 und der optischen Achse 58i der Hauptempfangslinse 18i; und/oder
• die Wahl eines kleineren Akzeptanzwinkels 52 gegenüber einem größeren Emissionswinkel 46.
Zur weiteren Erhöhung einer Praktikabilität der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele ist es vorteilhaft, vorzusehen, dass eine Ausrichtungstoleranz senkrecht zur optischen Achse 42 und/oder 58i tolerabel ist und das Kommunikationssystem dennoch funktioniert. Dies kann erreicht werden, indem:
• Die Sendeoptik 38 einen parallelen Ausgangsstrahl bzw. einen Ausgangsstrahl mit geringer Divergenz und/oder eine vergrößerte Quelle bzw. mehrfache scheinbare Quellen aufweist. o In Fig. 2 ist dies angedeutet, indem eine größere, scheinbare Quelle dargestellt ist, die aus mehreren Strahlen 44I-444 bestehen kann. Dies kann unter anderem wie folgt erreicht werden:
■ ein einzelner optischer Emitter 36 in Zusammenspiel mit einer Mehrwegelinse oder Separationsoptik, was im Zusammenhang mit den vorliegenden Ausführungsbeispielen bevorzugt ist; und/oder
■ mehrere optische Emitter, etwa als LED-Array und/oder Laser-Array, in Zusammenspiel mit einem dann optionalen Linsenarray; und/oder
■ ein oder mehrere optische Emitter sowie ein Diffusor, etwa ein streuender Diffusor, ein engineered Diffusor, ein Farb-Konverter oder dergleichen). o Vom Modellstandpunkt aus kann das Ausgangsprofil des optisch-kabellosen Senders dann als eine Vielzahl von Quellen, zählbar oder nicht zählbar, angesehen werden, welche zunächst ein gleiches oder zumindest ein ähnliches Emissionsprofil aufweisen können. • Die Empfangsoptik 48 weist, wie es im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschrieben ist, eine Hauptempfangslinse 181 und mindestens eine Nebenlinse 182 auf. Die Nebenlinse I82 kann sich im geometrischen Nahfeld innerhalb eines Sichtbereichs des Senders 25 befinden, wie es in der Fig. 3a dargestellt ist. Die Nebenlinse 182 kann das einfallende Licht ebenfalls auf den Photodetektor 16 konzentrieren. Über die Dimensionierung der Nebenlinse 182 in Bezug auf Fläche und Versatz 622 zur optischen Achse 42 des Senders 25 kann die Empfangsleistung im geometrischen Nahbereich eingestellt werden und über die Hauptempfangslinse I81 die Empfangsleistung im geometrischen Fernbereich.
Fig. 3a zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer Anordnung der Sendeeinrichtung 34 und einer Empfangseinrichtung 12‘ in Übereinstimmung mit hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen. Die Empfangseinrichtung 12‘ kann im Wesentlichen mit den Ausführungen zur Empfangseinrichtung 12 korrespondieren, wobei als vorteilhaftes optionales weiteres Merkmal zumindest eine Optik aus der Mehrzahl von Optiken, hier etwa die Optiken I81 und I82, über eine Verbindungsstruktur 66 bezüglich ihrer Relativposition zueinander fixiert sind. Die Verbindungsstruktur 66 kann eine optische Eigenschaft aufweisen, dies ist aber nicht erforderlich. Eine Aufgabe der Verbindungsstruktur 66 ist die relative Positionierung und/oder Fixierung damit verbundener Optiken 181 und 182. Beispielsweise kann die Verbindungsstruktur 66 während eines Spritzgießens oder eines anderen Abformungsverfahrens erhalten und genutzt werden, etwa um einerseits Material in eine Form einzuführen und möglicherweise entstehende Artefakte in einem optischen nicht relevanten Bereich zu verorten und gleichzeitig die Fertigung zu vereinfachen, da so zumindest ein Teil der Mehrzahl der Optiken in einem einzelnen Prozessschritt hergestellt werden können. Es ist möglich, dass die Verbindungsstruktur sowie eine oder mehrere damit verbundene oder relativ zueinander fixierte Optiken einen gemeinsamen monolithischen Körper bilden.
In Fig. 3a befindet sich der Empfänger 12‘ im geometrischen Nahfeld des Senders 34, d. h. die Distanz 64a zwischen Sender 34 und Empfänger 12‘ ist gering. Fig. 3b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht derselben Komponenten, aber im geometrischen Fernfeld, d. h. die Distanz 64b zwischen Sender 34 und Empfänger 12‘ ist groß.
Ein möglicher Betrieb des optisch-kabellosen Kommunikationssystems kann dergestalt erfolgen, dass der Sender 34 optische Strahlung 14 in einem wohl definierten Emissionsbe- reich/Emissionsprofil 44 emittiert, welches hier beispielsweise, aber nicht notwendigerweise mehrere virtuelle Quellen aufweisen kann. Die Strahlung wird entlang der Vorzugsrichtung parallel zur Richtung a entlang der optischen Achse 42 emittiert. Demgegenüber steht der Empfänger 12‘, dessen optische Achse 58i der Hauptempfangslinse 181 den Versatz 62i zur Achse 42 aufweisen kann. Der Versatz 62i kann senkrecht zur optischen Achse 42 gemessen werden und kann in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel in einer Ebene parallel zur b-Richtung und c-Richtung liegen. Die optischen Achsen 58i und 582 können zueinander mit einem Abstand 74 angeordnet sein.
Die Empfangsoptik 48 kann die einfallende Strahlung auf den Detektor 16 lenken. Dabei umfasst die Empfangsoptik 48 mindestens zwei optisch aktive Teile, die Hauptempfangslinse 181 , welche einen großen optischen Konzentrationsfaktor bietet und nicht oder nur in einem geringeren Umfang von höchstens 20%, höchstens 10% oder höchstens 5% im geometrischen Nahfeld als im geometrischen Fernfeld bestrahlt wird und Leistung an den optischen Detektor 16 weiterleitet. Es ist bspw. möglich, dass bei parallel aber entgegengesetzt zueinander ausgerichteter Sendeoptik und Hauptoptik I81 ein Emissionswinkel der Sendeeinrichtung 34 größer ist als ein Akzeptanzwinkel der Hauptoptik 181 , was dazu führen kann, dass bei bestimmten Abständen ob des Winkelunterschieds die Hauptoptik I81 zwar noch von dem optisch-kabellosen Signal 14 beleuchtet wird, dieses Signal aber nicht an den optischen Detektor geleitet wird. Die Nebenoptik 182 hingegen kann sowohl im geometrischen Nahfeld als auch im geometrischen Fernfeld wirken da sie in beiden Fällen ähnlich stark bestrahlt wird, wobei ihr Einfluss im Fernfeld in manchen Ausführungsformen eher vernachlässigbar ist.
Bei der Hauptoptik oder Hauptempfangslinse 181 kann es sich um eine beliebige abbildende oder nicht abbildende Optik zur Konzentration handeln, wie beispielsweise eine sphärische Linse, eine asphärische Linse, eine Freiformlinse, eine totalreflektierende Linse, einen Reflektor, einen sogenannten Compound-Parabolic-Concentrator (ein aus zumindest zwei Kurvenformen zusammengesetzter Konzentrator, CPC) oder ähnliches. Die Hauptempfangslinse oder Hauptoptik 181 ist beispielhaft zentral über dem Photodetektor 16 angeordnet, um den hohen Konzentrationsfaktor zu ermöglichen. Die Hauptempfangslinse I81 kann gleichzeitig den geringsten oder kleinsten Einfallswinkel 68 aus der Gruppe von Einfallswinkeln 681, 682 der Mehrzahl von Optiken 181 , 182 zum Photodetektor 16 aufweisen. Die Nebenlinse 182 kann sich dementsprechend versetzt zum Photodetektor 16 befinden und die einfallende Strahlung unter einem Winkel 682 auf den Detektor 16 lenken, wie es durch die Strahlenbündel 72i für die Optik 181 und das Strahlenbündel 722 für die Optik 182 dargestellt ist. Gemäß Ausführungsbeispielen kann gelten, dass 681 < 682. Die Strahlenbündel 72i und 722 deuten schematisch an, wie der Strahlenverlauf im Entwurfsbeispiel ausgeführt werden kann. Dieser Verlauf kann hiervon auch abweichen, beispielsweise unter Zuhilfenahme zusätzlicher optischer Komponenten zur Strahllenkung o- der auch optischer Fasern. Die optische Achse 582 der Nebenoptik 182 kann ungleich der optischen Achse 58i der Hauptempfangsoptik I81 sein. Die optische Achse 182 kann gemäß Ausführungsbeispielen zumindest im Wesentlichen oder vollständig identisch oder übereinstimmend zur optischen Achse 42 des Senders 34 angeordnet sein oder einen gewollten oder toleranzbehafteten Versatz 622 aufweisen. Das bedeutet, der Versatz 622 kann im Wesentlichen auch dem Wert von 0 entsprechen.
Der Versatz 622 ist üblicherweise kleiner als der Versatz 62i. Bei der Nebenlinse 182 kann es sich um eine Linse oder einen Reflektor handeln oder auch eine Kombination hiervon. Im Fall einer Linse ist es denkbar, dass die Linse Brechung und/oder Totalreflexion zur Umlenkung der Strahlung nutzt.
Fig. 4a zeigt eine schematische Draufsicht auf eine optisch-kabellose Vorrichtung 40 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Zur deutlicheren Darstellung ist der optische Detektor 16 nicht dargestellt. Die optisch-kabellose Vorrichtung 40 kann aber eine Sendeeinrichtung 76 aufweisen, die in Übereinstimmung mit der Sendeeinrichtung 34 gebildet sein kann und einen bidirektionalen Austausch optisch-kabelloser Signale ermöglichen kann. Beispielhaft sind Achsen 78i und 782 eingezeichnet, um die dargestellte Seite eines Gehäuses 82 in Quadranten 84I-844 zu unterteilen.
Die optisch-kabellose Vorrichtung 40 ist gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dergestalt ausgestaltet, dass eine baugleiche oder identische weitere Vorrichtung 40 zum bidirektionalen Austausch präzise eingerichtet werden kann, um die erfindungsgemäßen Vorteile auf beiden Seiten des Kommunikationslinks zu nutzen. Bei einer Gegenüberstellung, d. h. einer Anordnung der Vorrichtung 40 sowie deren Kopie gegenüber voneinander, wie es beispielsweise in den Fig. 3a und 3b angedeutet ist, kann eine Anordnung dergestalt erhalten werden, dass bei der Anordnung von Sendeeinrichtung 76 und zumindest der Hauptoptik 181 und Nebenoptik 182, die optional durch die Verbindungsstruktur 66 verbunden sein können, die Nebenoptik 182 einen geringeren Abstand zu einem Sendeleistungszentrum 86, etwa einem Ursprung der Sendehauptachse 42, aufweist als die Hauptoptik der Kopie. Wird eine beispielhafte Kopie etwa um die Achse 782 um 180° gedreht und entlang negativer a-Richtung im Raum verschoben, so würde die kopierte Sendeeinrichtung 76 bei einer Projektion in die c/b-Ebene mit der Optik 182 überlappen, möglicherweise würde die Nebenoptik 182 sogar das kopierte Leistungszentrum überlappen. Die Hauptoptik 181 wäre dahingegen von der kopierten Sendeeinrichtung beabstandet und möglicherweise lediglich bei einem hinreichend großen Abstand zwischen Vorrichtung 40 und deren Kopie von dem optisch-kabellosen Signal beleuchtet.
Obwohl die Hauptoptik 181 rund dargestellt ist, kann sie auch eine andere Form aufweisen, beispielsweise einen zumindest im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, etwa durch zusätzlich abgerundete Kanten wie es beispielhaft in Fig. 4d dargestellt ist oder dergleichen.
Ausführungsbeispiele ermöglichen es, dass eine Empfangseinrichtung einer optisch-kabellosen Vorrichtung ausgebildet ist, um das empfangene, optisch-kabellose Signal eines aussendenden, optisch-kabellosen Senders sowohl in einem geometrischen Nahfeld als auch in einem geometrischen Fernfeld zu empfangen und mit dem optischen Detektor 16 sättigungsfrei zu detektieren. Dieser Aspekt kann auch unabhängig von der konkreten und im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschriebenen Geometrie der Optiken implementiert werden.
Jede der Optiken 181 und 182 kann ein jeweiliges Empfangssichtfeld aufweisen oder dieses kann der Optik zugeordnet sein. Empfangssichtfelder der Mehrzahl von Optiken können eine voneinander verschiedene Größe aufweisen, was sich beispielsweise in unterschiedlichen Einfallswinkeln und/oder der Aperturgröße äußern kann. Die Empfangssichtfelder der Mehrzahl von Optiken überlappen sich dabei höchstens unvollständig, so dass ein Ort des optischen Senders bei variierendem Abstand zwischen Sender und Empfänger dazu führen kann, dass der Sender bei manchen Abständen von zumindest einer Empfangsoptik nicht gesehen wird und dessen somit nicht Licht auf den optischen Detektor 16 leitet. In einem anderen Abstand wiederum kann die gleiche Empfangsoptik den Sender sehen, d. h. sie wird vom Sender bestrahlt, und kann so das Signal auf den Detektor 16 leiten.
Fig. 4b zeigt eine um die Sendeeinrichtung 34 der Kopie von Vorrichtung 40 erweiterte Darstellung der Vorrichtung 40. Aufgrund der Rotation um die Achse 782 liegt die zur Sendeeinrichtung 76 baugleiche Sendeeinrichtung 34 gegenüberliegend zur Nebenoptik 182, wobei der Versatz 62 deutlich zutage tritt.
In anderen Worten zeigt Fig. 4a eine Frontalansicht eines Ausführungsbeispiels für einen bidirektionalen Kommunikationslink. Für ein Produkt ist es vorteilig, wenn alle Geräte identisch sind und sich die Peripherie, etwa Kabelanschlüsse oder dergleichen, an der gleichen Seite befindet. Die erörterte vorteilhafte Anordnung gemäß Ausführungsbeispielen, wie sie in Fig. 4a dargestellt ist, kann Sender 76 und Empfänger, dargestellt durch Optiken 181 und I82, an einer Seite des Gehäuses 82 anordnen, so dass die zuvor geschilderte optische Anordnung erreicht wird. Die Sendeeinrichtung 76 kann von der Vorrichtung 40 zur Implementierung eines Rückkanals genutzt werden. Wird das Gerät 40 um 180° um die Achse b bzw. 782 gedreht, stehen sich Sender und Empfänger jeweils so gegenüber, dass sich die optische Achse der Nebenlinse in etwa oder genau auf der optischen Achse des Senders befindet oder einen vordefinierten Versatz aufweist. Die Nebenlinse 182 kann so den geometrischen Nahbereich abdecken. Die Hauptempfangslinse I81 befindet sich hingegen auf der optischen Achse des optischen Detektors 16.
Weiter in anderen Worten zeigt zur besseren Illustration die Darstellung der Fig. 4b das gleiche System, wobei der Sender 34 des gegenüberliegenden Geräts eingezeichnet ist, um die relativen Positionen von Sender 34/76 und Empfänger 181 , 182 zu verdeutlichen. Es ist alternativ oder zusätzlich denkbar, beide Empfangslinsen als ein einziges Komplexlinsenmodul zu entwerfen, was die Anzahl der herzustellenden und zu montierenden Komponenten reduzieren kann. In diesem Fall könnten beispielsweise die Komponenten, Teile oder Linsen 181 und 182 über eine möglicherweise als Steg gebildete Verbindungsstruktur 66 verbunden sein. Die Verbindungsstruktur 66 muss dabei keine optische Funktion erfüllen.
Fig. 4c zeigt eine schematische, lediglich in Ansätzen perspektivische Ansicht zweier Vorrichtungen 40a und 40b, die wechselseitige Kopien voneinander sind und zur Erörterung der Ausführungen zu den Fig. 4a und Fig. 4b herangezogen werden. Durch die beschriebene Ausgestaltung ist es möglich, dass die jeweiligen Nebenoptiken 182a und 182b bezüglich der jeweiligen Sendeeinrichtung 76b bzw. 76a der anderen Vorrichtung gegenüberliegend zueinander angeordnet sind, etwa entlang der a-Richtung. Eine beleuchtete Fläche 88a bzw. 88b der jeweiligen Sendeeinrichtung 76a bzw. 76b ist aufgrund des beschriebenen Emissionswinkels dabei durch den Abstand 64 veränderlich und wird bei steigendem Abstand 64 zum Sender größer. Wie es aus der Fig. 4c erkennbar ist, kann eine Verringerung des Abstands 64 dazu führen, dass die Hauptoptiken 18ia und 18ib abnehmend beleuchtet werden und bei weiter abnehmendem Abstand nicht oder zumindest nur noch teilweise beleuchtet werden. Abweichend von der Darstellung der Fig. 4a und 4b wäre es auch denkbar, dass die Hauptempfangslinse 181 anders ausgestaltet ist und beispielsweise einen Großteil des Gehäusebereiches oder den kompletten unteren Bereich des Gehäuses bedeckt. So kann beispielsweise ein überwiegender oder gar gesamter Anteil der Quadranten 84a und 844 von der Linse bedeckt sein oder gar auch ein Teil der Quadranten 84i und 842. Beispielsweise könnte es sich um eine Linse mit einem rechteckigen Querschnitt handeln, um den Platz optimal auszunutzen, wie es beispielsweise in der Fig. 4d dargestellt ist. Die dort dargestellte Form der Optik 181 wird ungeachtet der abgerundeten Ecken als rechteckige Form verstanden, da ein Anteil von zumindest 80%, 90% oder 95% der äußeren Kanten gerade abgebildet ist und bei einer entsprechenden Verlängerung ein Viereck bilden würde. Verallgemeinert kann der Querschnitt der Hauptempfangslinse 181 beliebig sein. Vorteilhaft ist es, dass die Nebenlinse 182 zumindest näherungsweise auf Höhe des Senders 76 entlang der Richtung b liegt, wenn das System um die Achse 782 gedreht wird.
Anders ausgedrückt, kann das System gut funktionieren, wenn das System um die Achse 782 gedreht wird und der Sender einen Teil der oberen linken Hälfte und die Nebenlinse einen Teil der rechten Hälfte abdeckt. Die Ausdehnung der Komponenten entlang der b- Achse spielt für das grundlegende Funktion möglicherweise eine geringere Rolle. Es kann aber angestrebt werden, den Abstand zwischen einer jeweiligen Sendeeinrichtung 76 zu der Hauptoptik 181 entlang der b-Achse möglichst groß auszugestalten, damit das in Fig. 5 dargestellte Leistungsmaximum 99 erst bei möglichst großem Abstand x auftritt und damit entsprechend klein ist.
Es ist grundsätzlich denkbar, dass das System auch um eine andere Achse gedreht wird und die Sender und Empfänger entsprechend angeordnet werden, um eine ähnliche wirksame Anordnung im geometrischen Nahfeld und geometrischen Fernfeld zu erreichen. Die Drehung des Geräts um die Achse 782 ist besonders vorteilig, da mögliche Kabel und Konnektoren bei beiden Geräten nach unten oder oben, etwa positive b-Richtung, negative b-Richtung, ausgeführt werden können.
In einer Konfiguration, die besonders robust gegenüber Platzierungstoleranzen von Sender und Empfänger ist, kann die Sendelinse der Sendeeinrichtung 76 zumindest einen Quadranten des Gehäuses 82 abdecken, etwa den Quadranten 84i. Die Nebenlinse 182 kann sich beispielsweise in etwa in der Mitte des benachbarten Quadranten 842 befinden und zwar dergestalt, dass bei einem gegenüberstehenden Gerät die Nebenlinse 182 genau oder zumindest näherungsweise auf der optischen Achse des Senders positioniert ist. In diesem Fall können beide Geräte maximal gegeneinander verschoben werden, bevor sich die Nebenoptik 182 des gegenüberliegenden Geräts nicht mehr direkt vor dem Sender 76 befindet.
Fig. 5 zeigt eine schematische Kennlinie zur Erörterung hierin beschriebener Ausführungsbeispiele. Der Graph zeigt an der Ordinate eine optische Strahlungsleistung bzw. Strahlungsfluss <t>, wobei Wert <t>min eine untere Detektionsschwelle eines beispielhaften optischen Empfängers bzw. Empfangseinrichtung bezeichnen kann und <t>max eine obere Schwelle, ab der der Empfänger schlecht operiert, etwa in Sättigung geht. An der Abszisse ist ein Abstand x aufgetragen, etwa der Abstand 64 zwischen Sender und Empfänger. Bei einer maximalen Entfernung xmax nimmt ausgehend von größeren Abständen die von einem Sender vermittels eines optisch-kabellosen Signals 14 empfangene optische Leistung zu, bis die Minimalleistung <t>min erreicht ist und der optische Detektor 16 in der Lage ist, das Signal entsprechend der Spezifikation zu verarbeiten. Als Spezifikation wird hier ein bestimmungsgemäßer Betrieb verstanden, denn auch unterhalb dieser Schwelle kann physikalisch ein Signal empfangbar und ggf. auswertbar sein, aber möglicherweise mit einer inakzeptablen Fehlerrate decodiert werden, weshalb die Schwelle <t>min systemabhängig sein kann.
Eine Kennlinie 92i zeigt einen beispielhaften Verlauf einer optischen Leistung, welcher durch die Hauptoptik 181 auf den optischen Detektor 16 gelenkt wird. Eine Kennlinie 922 zeigt einen beispielhaften schematischen Verlauf einer optischen Leistung, der durch die Nebenlinse 182 auf den optischen Detektor 16 gelenkt werden kann. Aufgrund der kleineren Apertur würde die Nebenoptik 182 erst bei wesentlich geringerem Abstand genügend optische Leistung auf den optischen Detektor 16 liefern. Es ist ersichtlich, dass die Nebenoptik im geometrischen Fernfeld einen vernachlässigbaren Anteil liefert, und dass im geometrischen Fernfeld die Hauptoptik einen dominanten Anteil zu der optischen Gesamtleistung an dem optischen Detektor 16 liefert. In der kombinierten Kennlinie 94, die eine Summe der Kennlinien 92i und 922 zeigt, ist erkennbar, dass bei einem Abstand Xi die von der Hauptoptik I81 bereitgestellte Leistung abnimmt und von einem erwarteten Verlauf 96 abweicht, wobei der Grund hierfür ist, dass die Hauptoptik 181 weniger und bei weiter abnehmendem Abstand x möglicherweise nicht mehr von dem optisch-kabellosen Sender beleuchtet wird.
Im geometrischen Nahfeld wird die optische Leistung der Nebenoptik 182 zum dominanten Anteil, da die Hauptoptik 181 bei einer Unterschreitung des Abstands X2 nicht mehr beleuchtet wird. Hier kann die optische Leistung zunehmen, bis ein minimaler Abstand X3 erreicht ist. Durch entsprechende Auslegung der Einzelkomponenten kann dies so erfolgen, dass sich die durch die Kennlinie 94 repräsentierte Gesamtleistung stets innerhalb des Arbeitsintervalls unterhalb der Leistung <t>max befindet. Ein Leistungslevel 98 kann insofern korrigiert und angepasst werden. Eine Auslegung eines Maximums 99 kann durch Auslegung der entsprechenden Komponenten erfolgen, was durch den Pfeil 101 dargestellt ist.
In anderen Worten zeigt Fig. 5 die Empfangsleistung abgetragen auf der vertikalen Achse über der Entfernung zwischen Transmitter und Empfänger entlang der Achse x. Die horizontale Linie <t>max markiert die maximale Leistung, bei der der Empfänger noch innerhalb der Spezifikation arbeitet. Die horizontale Linie <t>min markiert die minimale Leistung, bei der der Empfänger noch innerhalb der Spezifikation arbeitet. Nur wenn die Empfangsleistung 94 zwischen den beiden Werten liegt, ist die Funktion dem Beispiel gemäß gegeben.
In weiter anderen Worten kann die Kennlinie 92i exemplarisch die Empfangsleistung zeigen, die die Hauptempfangslinse 181 auf den Photodetektor 16 der Fig. 1 lenkt, wobei die Ausführungen ohne weiteres auch für andere hierin beschriebene Ausführungsbeispiele gelten. Von großen Entfernungen kommend, kann die Empfangsleistung mit abnehmender Kommunikationsdistanz, kleinere x-Werte, ansteigen. Wenn der Sender und die Hauptempfangslinse 18i keinen Versatz 62i hätten, d. h. wenn deren optische Achsen 42 und 58i identisch wären, würde die Empfangsleistung immer weiter ansteigen, wie es durch die Linie 96 angedeutet ist. Durch den Versatz 62i gerät der Sender bei geringen Distanzen nach und nach aus dem Sichtfeld der Hauptempfängerlinse 181 , so dass die Empfangsleistung nicht weiter ansteigt, sondern schließlich einen Maximalwert erreicht und für noch geringere Entfernungen schließlich schnell absinken kann. Die Empfangsleistung, welche die Nebenlinse 182 auf den Detektor 16 lenkt, ist als Kennlinie 922 dargestellt. Die Gesamtleistung, die auf den Detektor 16 trifft, kann der Summe von Hauptoptik 181 und der zumindest einen Nebenoptik 182 entsprechen und ist für die Struktur der Vorrichtungen 10 und 40 als Kennlinie 94 dargestellt. Ein System, welches nur die versetzte Hauptlinse 182 nutzen würde, hätte eine dynamische Reichweite von der Entfernung x2 bis zur Entfernung xmax- Durch Einsatz und Kombination der Nebenoptik 182 verbessert sich die Minimaldistanz auf einen deutlich kleineren Wert x3, wohingegen die Maximalreichweite xmax nicht negativ beeinflusst wird. Zwar kann die Nebenlinse 182 auch auf große Entfernungen Leistung zum Detektor 16 lenken, aufgrund der kleineren Ausführungen der Apertur kann dieser Leistungsanteil aber deutlich geringer sein als der Anteil, welcher von der Hauptoptik 181 erhalten wird. Ausführungsbeispiele sehen vor, die Kennlinien 92i und 922 aufeinander abzustimmen, um die Maximalleistung <t>max nicht zu überschreiten bzw. innerhalb des Arbeitsbereichs die Minimalleistung <t>min nicht zu unterschreiten. Einer oder mehrerer der folgenden Entwurfsparameter eignen sich besonders, um die Kennlinien 92i, 922 und/oder 94 gezielt zu beeinflussen. Ein besonders tolerantes Gesamtsystem gegenüber Systemtoleranzen, aber auch Ausrichtungstoleranzen, kann sich dann ergeben, wenn insbesondere die Kennlinie 922 den maximalen Abstand zur Leistungsuntergrenze und Leistungsobergrenze <t>min bzw. <t>max aufweist, d. h. in etwa in der Mitte davon angeordnet ist. Parameter der Hauptempfangsoptik 18i, welche die Kennlinie 92i ändern können, insbesondere zur Anpassung des maximalen Leistungslevels entlang des Pfeils 101 , können dabei sein:
• ein Versatz der optischen Achsen 42 und 58i, siehe beispielsweise Fig. 2, d. h. der Versatz 62 zwischen Sender und Hauptempfangslinse 181 ; o je größer der Versatz 62, desto größer ist die Distanz, bei der das Maximum der detektierten Leistung auftritt, d. h. das Maximum lässt sich entlang des Pfeils 101 verschieben. Die Richtung der Pfeile 101 entspricht dabei in etwa dem Verlauf der Kurve 96, wobei der tatsächliche Maximalwert unterhalb der Kurve 96 liegt. Der Maximalwert, d. h. die Maximalleistung, kann entsprechend mit steigendem Versatz sinken, da die Hauptempfangslinse 181 erst auf größere Distanzen Strahlung vom Sender detektieren kann. In einer größeren Distanz ist die Leistungsdichte geringer.
• Ein Akzeptanzwinkel 52 der Hauptempfangslinse bzw. Anpassungen des optischen Konzentrationsfaktors in Abhängigkeit des Einfallswinkels der Strahlung;
• Maße der Hauptempfangslinse 181 und Kopplungswinkel 681, 682 zum Detektorelement 16.
Alternativ oder zusätzlich können Parameter zum Anpassen der Nebenempfangsoptik 182, welche die Kennlinie 922 ändern können, insbesondere zur Anpassung des Leistungslevels 98, umfassen:
• eine Position der Nebenoptik 182 in Bezug auf den gegenüberliegenden Sender, d. h. den Versatz 622 der Fig. 3a;
• Position der Nebenempfangslinse 182 in Bezug auf den Detektor 16, d.h. auch den Kopplungswinkle 682 zum Detektor
• eine Aperturgröße der Nebenoptik 182 ein Akzeptanzwinkel der Nebenempfangsoptik 182, sowie deren einfallswinkelabhängige Effizienz der Strahlungslenkung zum Detektor 16
Alternativ oder zusätzlich können Parameter des Emissionsprofils des Senders verändert werden, etwa um die Kennlinien 92i oder 94 zu ändern.
• Der Sender kann die optische Leistung so verteilen, dass sie homogen über die Ausgangsapertur verteilt ist bzw. jede virtuelle Quelle eine ähnliche Leistung aufweist. Auch das Gegenteil ist möglich, so könnte beispielsweise im Zentrum der Ausgangsapertur des Senders eine größere Leistungsdichte auftreten als am Rand. Durch Variation der örtlichen Leistungsdichte kann das Leistungssignal der Nebenoptik I82 beeinflusst werden. Eine solche Verteilung kann auch die Leistung, die durch die Hauptempfangslinse I81 zum Detektor 16 gelenkt wird, beeinflussen. Nämlich genau dann, wenn der Sender sich am Rand des Empfangssichtfeldes der Hauptempfangslinse befindet und die Hauptempfangslinse nur einen Teil der Senderapertur sieht.
• Der Kanalverlust und damit der Empfangspegel der Kennlinien 922, 94 kann vom Emissionswinkel, und den Akzeptanzwinkeln von Hauptempfangsoptik 181 und Nebenoptik 182 abhängen. Entsprechend können beide Kennlinien beeinflusst werden, indem der Emissionswinkel über der Ausgangsapertur des Senders geändert wird. So könnte beispielsweise jede virtuelle Quelle, die sich direkt gegenüber der Nebenoptik I82 befindet, einen kleinen Emissionswinkel aufweisen als verbleibende, übrige virtuelle Quellen, damit die Nebenoptik 182 möglichst viel Leistung vom Sender zum Detektor 16 lenken kann. Der umgekehrte Fall, d. h. größere Emissionswinkel um die detektierte Leistung zu verringern, ist ebenfalls möglich.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 4d kann ein optisch-kabelloses Kommunikationssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel für einen minimalen Abstand X3 zwischen zueinander beweglich angeordneten optisch-kabellosem Sender und optisch-kabellosem Empfänger bzw. zwischen zwei Transceiver eingerichtet sein. Der minimale Abstand kann sich bspw. aus einem Arbeitsbereich ergeben oder beeinflusst sein, innerhalb dessen eine Kommunikation erfolgen soll. Eine minimale Toleranz des optisch-kabelloses Kommunikationssystems gegenüber Positionierungsungenauigkeiten im Hinblick auf einen Versatz der Komponenten zueinander entlang der Richtungen c und/oder a und/oder im Hinblick auf eine Verkippung der optischen Hauptachsen zueinander kann durch eine Größe oder Apertur der Sendeoptik bestimmt sein. Dies kann dergestalt darstellen, dass bei dem minimalen Abstand die Nebenoptik des optisch-kabellosen Empfängers der Sendeoptik des optisch-kabellosen Senders zumindest teilweise so gegenüberliegt, dass die ausgesendete optische Leistung noch in hinreichendem Maße durch die Nebenoptik auf den optischen Detektor gelenkt wird.
Fig. 6 zeigt eine schematische Frontansicht einer optisch-kabellosen Vorrichtung 60 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Diese kann ähnlich zur Vorrichtung 40 gebildet sein, demgegenüber aber eine Mehrzahl von Nebenoptiken 182, 183 und 184 aufweisen. Die Nebenoptiken I82-I84 können in einer beliebigen Anzahl von beispielsweise 1 , wie es in der Fig. 4a und Fig. 4b dargestellt ist, 2, 3, 4 oder mehr angeordnet sein. Bevorzugt ist es, wenn die Mehrzahl von Nebenoptiken 182-184 bezogen auf die Hauptoptik I81 so angeordnet ist, dass mit steigendem Abstand von einem optischen Zentrum 1021 der Hauptoptik I81 die Nebenoptiken 182-184 eine abnehmende Aperturgröße aufweisen. Dies ist in der Fig. 6 durch unterschiedliche Größen und insbesondere entlang des Versatzes 62 abnehmenden Größen der Optiken 182-184 dargestellt, wobei auch andere Mittel zur Verringerung einer Aperturgröße genutzt werden können, etwa eine andere als eine runde Linsenform.
Die Mehrzahl von Optiken I81-I84 kann möglicherweise als ein gemeinsamer Körper gefertigt werden, der unterschiedliche optische aktive Bereiche im Bereich der Optiken 181- I84 aufweisen kann. Alternativ oder zusätzlich können die Optiken auch beabstandet voneinander sein und beispielsweise über eine Verbindungsstruktur 66 miteinander verbunden sein, um eine hohe Positionierungspräzision zu erhalten.
Die Nebenoptiken 182, 183, 184 können entlang einer Geraden angeordnet sein, können aber auch bezüglich ihrer optischen Zentren 1022, 102s und 1024 entlang einer lediglich abschnittsweisen Geraden oder entlang einer Kurve oder dergleichen angeordnet sein, wie es beispielsweise in der Fig. 6 dargestellt ist.
In anderen Worten kann verallgemeinert gegenüber den weiteren Ausführungsbeispielen eine Implementierung vorgesehen sein, bei der nicht nur eine Nebenlinse 182 angeordnet ist, sondern eine Zahl von N > 2 Nebenlinsen 182, 183, 184, ... , wobei jede dieser Nebenlinsen oder Nebenoptiken für einen bestimmten Entfernungsbereich optimiert sein kann. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass das Maximum im Empfangspegel weiter reduziert werden kann, d. h. die dynamische Reichweite kann weiter verbessert bzw. die Empfangsleistung über der Entfernung weiter geglättet werden. In Fig. 6 ist eine Frontalansicht dargestellt, wie beispielhafte Nebenlinsen oder Nebenoptiken 182, 183, 184 angeordnet sein können. Es gibt unterschiedliche Anordnungen, wobei versucht werden kann, den Versatz 62i bzw. den individuellen Versatz einer Nebenoptik zur optischen Achse des Senders 34 mit jeder weiteren Nebenlinse zu verringern. Die Nebenoptiken können so ausgelegt werden, dass gilt: Je größer der Versatz 62I-624 zur optischen Achse des Senders 34, desto weniger Leistung fokussiert die Linse im geometrischen Nahfeld und desto mehr im geometrischen Fernfeld. Die weiteren Ausführungen im Zusammenhang mit den Fig. 4a und 4b gelten hier analog. Der Sender 34 ist der besseren Darstellung halber lediglich als Umrandung ohne Schattierung dargestellt, kann aber dieselbe Funktionalität aufweisen, wie sie im Zusammenhang mit der Fig. 4b beschrieben ist.
Fig. 7 zeigt eine schematische Graphik einer beispielhaften Gesamtintensität <t>, wie sie beispielsweise mit einer Optikanordnung der optisch-kabellosen Vorrichtung 60 erhalten werden kann. Anders als die Darstellung der Fig. 5 kann eine Gesamtkennlinie 94‘ aus vier Kennlinien 92i, 922, 923, 924 gebildet werden, analog der Anzahl von Hauptoptik und Nebenoptiken der Vorrichtung 60. Durch entsprechende Auslegung an dem Sender 34 und die Ausrichtung hierzu kann ein Verlauf der Kennlinie 94‘ verglichen mit der Kennlinie 94 aus Fig. 5 gleichmäßiger sein, was vorteilhaft ist.
In anderen Worten zeigt die Fig. 7 einen beispielhaften der Fig. 6 zugehörigen Graph der Empfangsleistung für die Vorrichtung 60 zusammen mit dem Sender 34, die gemeinsam ein beispielhaftes System bilden können. Jede der Nebenempfangslinsen 182, 183, 184 kann eine Empfangsleistung auf den Detektor 16 der Empfangseinrichtung erzeugen, ebenso wie die Hauptoptik 181. Diese sind insgesamt durch die entsprechenden Kennlinien 92i, 922, 92a und 924 dargestellt. Die Summe der am Detektor 16 auftreffenden Leistung ist beispielhaft durch die Kennlinie 94‘ dargestellt. Durch den Einsatz einer Mehrzahl von Nebenlinsen wird deutlich, dass die Schwankungen am Empfangspegel erheblich reduziert werden können.
In einem hierin beschriebenen optisch-kabellosen Kommunikationssystem können die Mehrzahl von Optiken der Empfangseinrichtung einer ersten optisch-kabellosen Vorrichtung einerseits und die Sendeleistung der sendenden optisch-kabellosen Vorrichtung andererseits aneinander angepasst sein. Bei jeder Entfernung zwischen der ersten optischkabellosen Vorrichtung und zweiten optisch-kabellosen Vorrichtung kann der optische Detektor 16 sättigungsfrei bleiben, wie es sowohl die Darstellung der Fig. 5 als auch die der Fig. 7 verdeutlichen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Mehrzahl von Optiken eine erste Optik als Hauptoptik, etwa die Optik 18i und eine Mehrzahl von Nebenoptiken aufweisen, wie es im Zusammenhang mit der Fig. 6 beschrieben ist. Jede der Mehrzahl von Nebenoptiken kann für einen optikindividuellen Entfernungsbereich zur zweiten optisch-kabellosen Vorrichtung eingerichtet sein, der mit einem Entfernungsbereich einer anderen Nebenoptik höchstens unvollständig überlappt. Dies kann beispielsweise bedeuteten, dass ein relevanter oder das Maximum optischer Leistung aufweisender Bereich zueinander verschoben ist, wie es beispielsweise in der Fig. 7 gezeigt ist. Die Anpassung kann durch die Wahl des Versatzes entlang der Richtungen b und/oder c in dem Koordinatensystem der Fig. 6 erfolgen, kann alternativ oder zusätzlich auch eine Linsenart und/oder eine Aperturgröße miteinbeziehen. Hierzu kann eine optische Achse des Senders 34 ebenso berücksichtigt werden wie eine Sendeleistung des Senders 34.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann in einem optisch-kabellosen Kommunikationssystem ein Emissionswinkel einer Sendeeinrichtung der sendenden optisch-kabellosen Vorrichtung größer sein als ein Gesamt-Sichtfeldwinkel bzw. Gesamt-Akzeptanzwinkel der Mehrzahl von Optiken der empfangenden optisch-kabellosen Vorrichtung. Dies kann eine gewisse Toleranz gegenüber Verkippungen bei der Anordnung von Sender und Empfänger ermöglichen.
Fig. 8 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 800 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Ein Schritt 810 umfasst ein Auslegen und Positionieren einer Mehrzahl von Optiken bezüglich einer zur Bereitstellung eines optisch-kabellosen Signals eingerichteten Sendeeinrichtung. Dies kann so erfolgen, dass die Mehrzahl von Optiken ein empfangenes, optisch-kabelloses Signal gleichzeitig auf einen optischen Detektor 16 der Empfangseinrichtung lenkt, so dass bei unterschiedlichen Abständen zwischen der Empfangseinrichtung und der Sendeeinrichtung eine unterschiedliche Anzahl der Mehrzahl von Optiken einen Beitrag zu einer auf einen optischen Detektor 16 der Empfangseinrichtung gelenkten optischen Gesamtleistung liefert.
Ein Schritt 820 umfasst ein Herstellen der Mehrzahl von Optiken in einer Anordnung gemäß dem Auslegen und Positionieren.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Auslegen und Positionieren 810 eine Berücksichtigung zumindest eines aus einem Öffnungswinkel der Sendeeinrichtung, einer Sendeleistung der Sendeeinrichtung, einer Leistungsverteilung über die Ausgangsapertur der Sendeeinrichtung; eines relativen Abstandes der Mehrzahl von Optiken zueinander und zur optischen Achse der Sendeeinrichtung, eines Akzeptanzwinkels der Mehrzahl von Optiken der geometrischen Formen der Aperturen der Mehrzahl von Optiken und/oder einer Sättigungsgrenze eines optischen Detektors 16 der Empfangseinrichtung.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Parameter der Sendeeinrichtung und der Empfangseinrichtung bekannt sind und Berücksichtigung im Schritt 810 finden. Allerdings kann auch bei lediglich grober Information bezüglich des Senders oder bezüglich einer geschätzten Eigenschaft des Senders eine vorteilhafte Auslegung der Empfangsoptik erfolgen, etwa indem eine durchschnittliche Sendeleistung und/oder eine durchschnittliche oder erwartete Ausdehnung des Senders oder dergleichen angenommen wird. Dies kann immer noch eine relevante Verbesserung gegenüber bekannten Konzepten ermöglichen.
Ausführungsbeispiele können beispielsweise als Datenlichtschranke eingesetzt werden. Dabei können Daten entlang einer linearen Achse übertragen werden, wobei beide Transceiver für sich individuell stationär oder mobil sein können. Solche Anordnungen finden sich beispielsweise bei Hallen-, Brücken und Hafenkränen, bei fahrbaren Laufkatzen, bei verfahrbaren Wagen zum Transport von Gehältern, Paletten, Gitterboxen oder bei automatisierten Parksystemen zum horizontalen oder vertikalem Einparken. Hafenkräne beispielsweise benötigen eine hohe dynamische Reichweite, weil sie sich auf wenige Zentimeter an einen Sender heranfahren lassen, gleichzeitig aber auch mehrere hundert Meter entfernt sein können.
Ausführungsbeispiele ermöglichen Komponenten für ein optisch-drahtloses Sende- und Empfangssystem oder ein derartiges System mit einem oder mehreren der folgenden Merkmale:
• ein Sender zum Senden eines optisch-kabellosen Signals;
• ein Empfänger zum Empfangen eines optisch-kabellosen Signals;
• der Empfänger weist einen Detektor auf;
• der Empfänger weist ein Linsenmodul oder Optikmodul auf, welches eine Hauptempfangslinse umfasst, wobei deren optische Achse einen Versatz zur optischen Achse des Senders aufweist;
• der Empfänger umfasst zumindest eine Nebenempfangslinse, wobei deren optische Achse einen kleineren Versatz verglichen zur Hauptempfangslinse zur optischen Achse des Transmitters aufweist oder gar keinen Versatz zur optischen Achse des Transmitters.
Ein Merkmal weiterer Aspekte bezieht sich darauf, dass der Sichtfeldwinkel des Senders größer ist als der des Empfängers und die Sichtfeldwinkel der Hauptempfangslinse ebenfalls anders gestaltet sein kann als der Sichtfeldwinkel der Nebenempfangslinse.
Hierin beschriebene Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein optisches Konzept von Sender und Empfänger, welches gegenüber bekannten Konzepten möglicherweise ohne zusätzliche Komponenten auskommt, um eine Verbesserung der dynamischen Reichweite zu erhalten, sondern auf einem definierten geometrischen Sender und Empfängeranordnung basiert. Eine Vermeidung zusätzlicher Komponenten kann insbesondere beim Ausführen der Haupt- und Nebenoptiken als integrale oder monolithische Komponente erhalten werden. Selbst wenn die Optiken als separate Komponenten gefertigt werden, so sind diese dann zusätzlichen Komponenten einfach und günstig einzusetzen. Zur Implementierung der Erfindung kann es genügen, einen einzelnen Empfänger zu implementieren, so dass die Komplexität der Elektronik nicht unnötig erhöht wird. Das Problem kann bereits durch die Auslegung der Sende- und Empfängeroptiken gelöst werden, welche ohnehin im System benötigt werden. Die Nebenempfangsoptiken können insofern als Ausgestaltung innerhalb einer bereits bestehenden Komponente betrachtet werden. Dem Konzept genügt darüber hinaus eine lediglich marginale Abänderung der Auslegung von Sende- und Empfangsoptik in Bezug auf die optische Effizienz/Performanz im optischen Kanal verglichen mit bekannten Lösungen. So kann in Ausführungsformen keine oder lediglich geringe Strahlung in vergleichsweise großen Winkeln genutzt werden, die über große Entfernungen nicht mehr verwertbar wäre. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine vergleichsweise große Toleranz gegenüber einem seitlichen Versatz der Geräte zueinander senkrecht zur optischen Achse, der toleranzbedingt in der Praxis auftreten kann. Vorteile hierin beschriebener Ausführungsbeispiele umfassen unter anderem:
• eine hohe bis sehr hohe Effizienz, da kein Leistungsverlust in Kauf genommen werden muss, um das geometrische Nahfeld abzudecken;
• eine sehr hohe erzielbare dynamische Reichweite;
• eine Robustheit gegenüber einem mechanischen Versatz von Sender und Empfänger;
• ein geringes Kanalübersprechen; • keine Notwendigkeit für eine aktive Regelungsschleife, womit auch eine Frequenzabhängigkeit entfallen kann;
• es ist lediglich ein ohnehin vorhandener Detektor erforderlich;
• es ist lediglich eine ohnehin vorhandene Sendelinse erforderlich;
• ein Komplexlinsenmodul am Empfänger genügt; eine Empfangslinse ist ohnehin vorhanden, diese wird in Ausführungsformen in zwei oder mehr Linsen/Optiken unterteilt.
• Kompatibilität mit anderen Ansätzen, die eine zusätzliche Reglung einbringen, wie etwa einer adaptiven Transmitterleistung
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
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Claims

Patentansprüche
1. Optisch-kabellose Vorrichtung, mit einer Empfangseinrichtung (12), die zum Empfang eines optisch-kabellosen Signals (14) eingerichtet ist; wobei die Empfangseinrichtung (12) einen optischen Detektor (16) zum Detektieren des optisch-kabellosen Signals (14) und eine Mehrzahl von Optiken (I81-I84) mit zumindest einer ersten Optik (181) mit einer ersten Aperturgröße und einer zweiten Optik (I82) mit einer zweiten, kleineren Aperturgröße umfasst, die nebeneinander und im Wesentlichen mit derselben Vorzugsrichtung (22i, 222) angeordnet sind; wobei jede der Mehrzahl von Optiken (I81-I84) ausgebildet ist, um ein auf die Optik eintreffendes Licht gleichzeitig auf den optischen Detektor (16) zu lenken; wobei der optische Detektor (16) eine optische Achse (26) aufweist und die erste Optik (181) mit einem ersten Abstand (28i) zu der optischen Achse (26) angeordnet ist und die zweite Optik (182) mit einem größeren zweiten Abstand (282) zu der optischen Achse (26) angeordnet ist.
2. Optisch-kabellose Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , wobei die erste Optik (181) zentral über dem optischen Detektor (16) angeordnet ist; und die zweite Optik (182) beanstandet zur optischen Achse (26) des optischen Detektors (16) angeordnet ist.
3. Optisch-kabellose Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die erste Optik be- abstandet von der zweiten Optik ist.
4. Optisch-kabellose Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die erste Optik (181) ausgebildet ist, um einfallendes Licht entlang einer Vorzugsrichtung (22i) der ersten Optik (181) hin zu dem optischen Detektor (16) zu lenken; wobei die zweite Optik (182) ausgebildet ist, um einfallendes Licht entlang einer von einer Vorzugsrichtung (22i) der ersten Optik (181) verschiedenen Richtung hin zu dem optischen Detektor (16) zu lenken.
5. Optisch-kabellose Vorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der sich die erste Optik (181) und die zweite Optik (I82) bezüglich einer Größe eines der jeweiligen Optik zugeordneten Empfangssichtfeldes unterscheiden und die erste Optik (I81) diejenige Optik mit dem größten Empfangssichtfeld (54) der Mehrzahl von Optiken (I81-I84) ist.
6. Optisch-kabellose Vorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 5, bei der die zweite Optik (182) für eine Brechung und zumindest eine erste Totalreflexion ausgebildet ist, um das einfallende Licht entlang der von der Vorzugsrichtung (22i) der ersten Optik (181) verschiedenen Richtung hin zu dem optischen Detektor (16) zu lenken.
7. Optisch-kabellose Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die erste Optik (181) eine Hauptoptik der Mehrzahl von Optiken (I81-I84) ist und einen innerhalb der Mehrzahl von Optiken (18i-184) kleinsten Einfallswinkel (681) auf den optischen Detektor (16) aufweist; wobei die zweite Optik (182) eine Nebenoptik der Mehrzahl von Optiken (18i-184) ist.
8. Optisch-kabellose Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der in einem Bereich zwischen der Mehrzahl von Optiken (I81-I84) und der jeweiligen Optik zugeordneten Empfangssichtfeldern (54) eine optische Achse (58i) der Hauptoptik im Wesentlichen parallel zu einer optischen Achse (582) der Nebenoptik ist; und in einem Bereich zwischen der Mehrzahl von Optiken (I81-I84) und dem optischen Detektor (16) eine optische Achse der Nebenoptik geneigt gegenüber einer optischen Achse der Hauptoptik ist.
9. Optisch-kabellose Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, bei der das optisch-kabel- lose Signal (14) ein erstes optisch-kabelloses Signal ist, das aus einer Empfangsrichtung empfangen wird; wobei die optisch-kabellose Vorrichtung eine Sendeeinrichtung (76) zum Aussenden eines zweiten optisch-kabellosen Signals entlang einer zur Empfangsrichtung parallel und entgegengesetzt angeordneten Senderichtung aufweist; wobei die Sendeeinrichtung bezüglich der Empfangseinrichtung (12) so angeordnet ist, dass eine Gegenüberstellung einer Kopie (40b) der optisch-kabellosen Vorrichtung zu der optisch-kabellosen Vorrichtung darin resultiert, dass bezüglich einer Anordnung von Empfangseinrichtung (12) und Sendeeinrichtung (76b) der Kopie die Nebenoptik der Kopie einen geringeren Abstand zu einem Sendeleistungszentrum (42, 86) der Sendeeinrichtung der optisch-kabellosen Vorrichtung aufweist als die Hauptoptik der Kopie (40b).
10. Optisch-kabellose Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11 , bei der die Hauptoptik einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
11. Optisch-kabellose Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, mit einer Mehrzahl von Nebenoptiken, die bezogen auf die Hauptoptik so angeordnet sind, dass mit steigendem Abstand von einem optischen Zentrum der Hauptoptik die Nebenoptiken eine abnehmende Aperturgröße aufweisen.
12. Optisch-kabellose Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Sendeeinrichtung (76) zum Senden optisch-kabelloser Signale; wobei die Sendeeinrichtung (76) ein Emitter-Array, eine Einrichtung zur Vergrößerung der scheinbaren Quelle oder eine Einrichtung zur Erzeugung einer von mehrfachen scheinbaren Quellen eines optischen Emitters aufweist.
13. Optisch-kabellose Vorrichtung gemäß Anspruch 12, bei dem die Sendeeinrichtung (76) als Einrichtung zur Vergrößerung der scheinbaren Quelle oder zur Erzeugung von mehrfachen scheinbaren Quellen eingerichtet ist und folgendes aufweist: einen optischen Transmitter (36) zum Erzeugen eines optischen Signals (14); und eine Separationsoptik, die ausgebildet ist, um das optische Signal (14) in eine Mehrzahl von optischen Teilsignalen räumlich zu teilen, um eine optische Leistung des optischen Signals auf die Mehrzahl von optischen Teilsignalen mit einem zugeordneten Spektralbereich aufzuteilen, wobei die Mehrzahl von Spektralbereiche zumindest teilweise übereinstimmen.
14. Optisch-kabellose Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der jeder Optik der Mehrzahl von Optiken (18I-184) ein jeweiliges Empfangssichtfeld (54) zugeordnet ist, und Empfangssichtfelder (54) der Mehrzahl von Optiken (181- 184) eine voneinander verschiedene Größe aufweisen.
15. Optisch-kabellose Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der jeder Optik der Mehrzahl von Optiken (I81-I84) ein jeweiliges Empfangssichtfeld (54) zugeordnet ist, und sich die Empfangssichtfelder (54) der Mehrzahl von Optiken (181- I84) höchstens unvollständig überlappen.
16. Optisch-kabellose Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Mehrzahl von Optiken (I81-I84) monolithisch über eine Verbindungsstruktur (66) bezüglich ihrer Relativposition zueinander fixiert sind.
17. Optisch-kabellose Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Empfangseinrichtung (12) ausgebildet ist, um das optisch-kabellose Signal (14) eines aussendenden optisch-kabellosen Senders sowohl in einem geometrischen Nahfeld als auch in einem geometrischen Fernfeld zu empfangen und mit der Empfangseinrichtung (12) sättigungsfrei zu detektieren.
18. Optisch-kabellose Vorrichtung, mit einer Empfangseinrichtung (12), die einen optischen Detektor (16) aufweist und die zum Empfang eines optisch-kabellosen Signals (14) von einem optisch-kabellosen Sender eingerichtet ist; wobei die Empfangseinrichtung (12) ausgebildet ist, um das optisch-kabellose Signal (14) sowohl in einem geometrischen Nahfeld als auch in einem geometrischen Fernfeld des optisch-kabellosen Senders zu empfangen und mit der Empfangseinrichtung (12) sättigungsfrei zu detektieren.
19. Optisch-kabellose Vorrichtung gemäß Anspruch 18, wobei die Empfangseinrichtung (12) eine erste Optik (181) und eine zweite Optik (I82) einer Mehrzahl von Optiken (I81-I84) umfasst, die nebeneinander und im Wesentlichen mit derselben Vorzugsrichtung (22i, 222) angeordnet sind; wobei jede der Mehrzahl von Optiken (I81-I84) ausgebildet ist, um ein auf die Optik eintreffendes Licht gleichzeitig auf den optischen Detektor (16) zu lenken; wobei der optische Detektor (16) eine optische Achse (26) aufweist und die erste Optik (181) mit einem ersten Abstand zu der optischen Achse (26) angeordnet ist und die zweite Optik (182) mit einem größeren zweiten Abstand zu der optischen Achse (26) angeordnet ist.
20. Optisch-kabelloses Kommunikationssystem mit: einer ersten optisch-kabellosen Vorrichtung (20) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche; und einer zweiten optisch-kabellosen Vorrichtung (25), die zum Senden des optisch-kabellosen Signals (14) eingerichtet ist; wobei bei unterschiedlichen Abständen (64) zwischen der ersten optisch-kabellosen Vorrichtung (20) und der zweiten optisch-kabellosen Vorrichtung (25) eine unterschiedliche Anzahl von Optiken der Empfangseinrichtung (12) der ersten optisch-kabellosen Vorrichtung (25) mit dem gesendeten optisch-kabellosen Signal (14) beleuchtet wird und einen Beitrag zu einer auf den Detektor (16) gelenkten optischen Gesamtleistung liefert.
21. Optisch-kabelloses Kommunikationssystem gemäß Anspruch 20, bei dem die erste Optik (181) als eine Hauptoptik der Mehrzahl von Optiken (I81-I84) in einem geometrischen Fernfeld einer optischen Sendeeinrichtung (34) der zweiten optisch-kabellosen Vorrichtung (25) einen dominanten Anteil zu der optischen Gesamtleistung an dem optischen Detektor (16) der ersten optisch-kabellosen Vorrichtung liefert; und die zweite Optik (I82) als eine Nebenoptik der Mehrzahl von Optiken (I81-I84) in einem geometrischen Nahfeld der Sendeeinrichtung (34) der zweiten optisch-kabellosen Vorrichtung (25) einen dominanten Anteil zu der optischen Gesamtleistung an dem optischen Detektor (16) liefert.
22. Optisch-kabelloses Kommunikationssystem gemäß Anspruch 20 oder 21 , bei dem die zweite optisch-kabellose Vorrichtung (25) ausgebildet ist, um das optisch-kabel- lose Signal (14) entlang einer Sendehauptachse (42) auszusenden; wobei eine Nebenoptik der Mehrzahl von Optiken (18i-184) mit einem geringeren Abstand zu der Sendehauptachse (42) angeordnet ist als eine Hauptoptik der Mehrzahl von Optiken (I81-I84).
23. Optisch-kabelloses Kommunikationssystem gemäß einem der Ansprüche 20 bis 22, bei dem ein Akzeptanzwinkel (52) der Mehrzahl von Optiken (18I-184) der ersten optisch-kabellosen Vorrichtung kleiner ist als ein Emissionswinkel (46) einer zum Senden des optisch-kabellosen Signals (14) eingerichteten Sendeeinrichtung (34) der zweiten optisch-kabellosen Vorrichtung (25).
24. Optisch-kabelloses Kommunikationssystem gemäß einem der Ansprüche 20 bis 23, bei dem die Mehrzahl von Optiken (I81-I84) der Empfangseinrichtung (12) der ersten optisch-kabellosen Vorrichtung (20) einerseits und eine Sendeleistung der zweiten optisch-kabellosen Vorrichtung (25) andererseits aneinander angepasst sind, und bei jeder Entfernung (64) zwischen der ersten optisch-kabellosen Vorrichtung und zweiten optisch-kabellosen Vorrichtung die Empfangseinrichtung (12) sättigungsfrei bleibt.
25. Optisch-kabelloses Kommunikationssystem gemäß einem der Ansprüche 20 bis 24, das für einen minimalen Abstand zwischen der ersten optisch-kabellosen Vorrichtung (20) und der zweiten optisch-kabellosen Vorrichtung (25) eingerichtet ist, und eine minimale Toleranz des optisch-kabelloses Kommunikationssystems gegenüber Positionierungsungenauigkeiten durch eine Aperturgröße der Sendeoptik bestimmt ist, so dass bei dem minimalen Abstand die Nebenoptik der ersten optisch-kabellosen Vorrichtung (20) dem Sender gegenüberliegend angeordnet ist.
26. Optisch-kabelloses Kommunikationssystem gemäß einem der Ansprüche 20 bis 25, bei dem die Mehrzahl von Optiken (I81-I84) die erste Optik (181) als eine Hauptoptik und eine Mehrzahl von Nebenoptiken aufweist, wobei jede der Mehrzahl von Nebenoptiken für einen optikindividuellen Entfernungsbereich zur zweiten optisch-kabellosen Vorrichtung eingerichtet ist, der mit einem Entfernungsbereich einer anderen Nebenoptik höchstens unvollständig überlappt.
27. Optisch-kabelloses Kommunikationssystem gemäß einem der Ansprüche 20 bis 26, bei dem ein Emissionswinkel (46) einer Sendeeinrichtung (34) der zweiten optischkabellosen Vorrichtung (25) größer ist, als ein Gesamt-Akzeptanzwinkel der Mehrzahl von Optiken (I81-I84) der ersten optisch-kabellosen Vorrichtung.
28. Verfahren (800) zum Auslegen einer optischen Anordnung für eine Empfangseinrichtung einer optisch-kabellosen Vorrichtung mit folgenden Schritten:
Auslegen und Positionieren (810) einer Mehrzahl von Optiken bezüglich einer zur Bereitstellung eines optisch-kabellosen Signals eingerichteten Sendeeinrichtung; so dass die Mehrzahl von Optiken ein empfangenes, optisch-drahtloses Signal gleichzeitig auf einen optischen Detektor der Empfangseinrichtung lenkt; so dass bei unter- schiedlichen Abständen zwischen der Empfangseinrichtung und der Sendeeinrichtung eine unterschiedliche Anzahl der Mehrzahl von Optiken einen Beitrag zu einer auf einen optischen Detektor der Empfangseinrichtung gelenkten optischen Gesamtleistung liefert; und
Herstellen (820) der Mehrzahl von Optiken in einer Anordnung gemäß dem Auslegen und Positionieren.
29. Verfahren gemäß Anspruch 28, bei dem das Auslegen und Positionieren eine Berücksichtigung zumindest eines aus: eines Öffnungswinkels der Sendeeinrichtung; einer Sendeleistung der Sendeeinrichtung; einer Leistungsverteilung über die Ausgangsapertur der Sendeeinrichtung; eines relativen Abstandes der Mehrzahl von Optiken zueinander und zu einer optischen Achse der Sendeeinrichtung; eines Akzeptanzwinkels der Mehrzahl von Optiken; der geometrischen Formen der Aperturen der Mehrzahl von Optiken; und einer Sättigungsgrenze eines optischen Detektors der Empfangseinrichtung umfasst.
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