DE102004044456A1

DE102004044456A1 - System for optical data transmission has optical transmitter with LED element for transmitting light, optical receiver for receiving transmitted light, an air path traversed by transmitted light between transmitter and receiver

Info

Publication number: DE102004044456A1
Application number: DE200410044456
Authority: DE
Inventors: Jens Makuth; Jürgen Sander
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2004-09-14
Publication date: 2006-03-30

Abstract

The optical data transmission system (41) has an optical transmitter (38',38'') with a LED element for transmitting light, an optical receiver (39',39'') for receiving the transmitted light and an air path that is traversed by the transmitted light between the transmitter and the receiver. The transmitter and/or the receiver is implemented as an integrated component. An independent claim is also included for the use of a LED element in a transmitter in a contactless optical data transmission.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur optischen Datenübertragung.The The invention relates to a system for optical data transmission.

Datenübertragung (Telemetrie) zu bewegten Maschinenteilen oder dergleichen spielt vor allem in der Industrie eine immer größere Rolle. So finden bei Werkzeugmaschinen Produktionsprozesse häufig an bewegten, insbesondere rotierenden Werkstücken statt. In anderen Fällen bewegen sich die Werkzeuge um das zu bearbeitende Werkstück.data transfer (Telemetry) to moving machine parts or the like plays especially in the industry is playing an increasingly important role. How to find in machine tools Production processes often on moving, in particular rotating workpieces instead. In other cases move the tools around the workpiece to be machined.

Es ist bekannt, eine solche Datenübertragung mit konventionellen Kabelschlepps oder mechanischen Schleifringen zu verwirklichen. Die Kabelschlepplösung verhindert jedoch eine Endlosdrehung bei Drehübertragern und begrenzt die Produktionsgeschwindigkeit durch die hierbei erforderliche Rückdrehung der Werkzeuge bzw. Werkstücke. Hierdurch sind lange Nebenzeiten notwendig, welche die Produktivität senken. Konventionelle mechanische Schleifringe sind einer ständigen Abnutzung unterworfen und weisen daher nicht die auf Dauer benötigte Zuverlässigkeit auf. Zudem treten hier verstärkt EMV-Probleme auf.It is known, such a data transfer with conventional cable traps or mechanical slip rings to realize. However, the cable tow solution prevents one Endless rotation in rotary transmitters and limits the production speed by the required reverse rotation the tools or workpieces. This requires long non-productive times, which reduce productivity. Conventional mechanical slip rings are a constant wear subject and therefore do not have the long-term reliability required on. In addition, more EMC problems occur here.

Darüber hinaus existieren kapazitive, magnetische und optische Verfahren. Kapazitive Übertrager, wie sie beispielsweise für militärische Anwendungen eingesetzt werden, sind für einen Masseneinsatz in industriellen Umgebungen zu teuer. Gleiches gilt für optische Übertrager, die auf optischen Übertragungsmedien, beispielsweise Glasfaser oder Plastikfaser, beruhen. Darüber hinaus sind die realisierbaren unidirektionalen bzw. Halbduplex-Übertragungskanäle für viele Anwendungen nicht ausreichend.Furthermore There are capacitive, magnetic and optical methods. Capacitive transformers, as for example for military Applications are used for mass deployment in industrial Environments too expensive. The same applies to optical transmitters operating on optical transmission media, For example, fiberglass or plastic fiber, based. Furthermore are the feasible unidirectional or half-duplex transmission channels for many Applications are not sufficient.

Eine Datenübertragung mit Funk konnte sich bisher aufgrund der vergleichsweise geringen Nettodatenraten und aufgrund von EMV-Problemen im industriellen Umfeld ebenfalls nicht durchsetzen. Zudem wird eine Transparenz aufgrund des Einsatzes zusätzlicher Protokoll-Layer verhindert.A data transfer with radio could so far due to the comparatively small Net data rates and due to EMC problems in industrial Environment also not enforce. In addition, a transparency due to the use of additional Protocol layer prevented.

Alle bekannten Lösungen bringen technische Einschränkungen mit und sind aufwändig zu realisieren, so dass die Kosten für die Datenübertragung sehr hoch sind.All known solutions bring technical limitations with and are expensive to realize, so that the cost of data transmission are very high.

Ein erster Ansatz zur Verbesserung der Datenübertragungsrate bei optischen Übertragern besteht in der Verwendung von Laserlicht. Hier werden Laserdioden als Sendeelemente eingesetzt. Neben den einem Lasersystem grundsätzlich anhaftenden Nachteilen sind in diesen Fällen vor allem hohen Kosten von Nachteil, die mit der Ein- und Auskopplung des Laserlichts in eine Faser (Lichtwellenleiter) zur Verwirklichung einer Laser-Fiber-Laser-Kopplung verbunden sind.One first approach to improve the data transfer rate of optical transformers consists in the use of laser light. Here are laser diodes used as transmitting elements. In addition to the disadvantages inherent in a laser system are in these cases especially high costs of disadvantage, with the coupling and decoupling of the laser light in a fiber (optical fiber) to the realization a laser-fiber-laser coupling are connected.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine universell einsetzbare, preiswerte und leistungsfähige optische Datenübertragung zu gewährleisten. Diese Aufgabe wird durch ein System nach Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren nach Anspruch 11 gelöst.A The object of the present invention is to provide a universal, inexpensive and powerful optical data transmission to ensure. This object is achieved by a system according to claim 1 or by a A method according to claim 11 solved.

Ein Kerngedanke der Erfindung besteht darin, eine kontaktlose Datenübertragung (Free-Space-Kommunikation) mit einem LED-Element zu verwirklichen.One The core idea of the invention is a contactless data transmission (free-space communication) with a LED element to realize.

Dabei werden zum einen durch den Einsatz von LED-Elementen die Nachteile von Laser-basierten Systemen vermieden. Insbesondere können wesentlich höhere Datenübertragungsraten erzielt werden, da LED-Elemente nicht wie Laser um einen Arbeitspunkt betrieben werden, wobei die Signalinformation durch Leistungsmodulation erfolgt. Die LED-Elemente können vielmehr mit Hilfe von speziellen Techniken für einen hoch frequenten Einsatz vorgeflutet und damit quasi digital betrieben werden.there On the one hand, the disadvantages are the use of LED elements avoided by laser-based systems. In particular, can be essential higher Data transfer rates can be achieved because LED elements do not like lasers around an operating point operated, the signal information by power modulation he follows. The LED elements can rather, with the help of special techniques for high frequency use flooded and thus operated virtually digitally.

Die kontaktlose Ausführung des Datenübertragungssystems ermöglicht zum anderen eine besonders flexible Einsatzfähigkeit des Systems, beispielsweise gleichermaßen in optischen Drehübertragern bzw. Linearübertragern. Durch sie wird auch der Einsatz von komplizierten und kostspieligen Kopplungselementen in ein Übertragungsmedium sowie der Einsatz eines zusätzlichen Übertragungsmediums, beispielsweise eines Kunststofflichtwellenleiters, überhaupt vermieden.The contactless version of the data transmission system allows on the other hand, a particularly flexible operational capability of the system, for example equally in optical rotary transmitters or Linearübertragern. It also makes the use of complicated and costly coupling elements in a transmission medium as well the use of an additional transmission medium, for example, a plastic optical waveguide, ever avoided.

Mit der vorliegenden Erfindung kann eine transparente, bidirektionale und schnelle Vollduplex-Datenübertragung auf preiswerte Art und Weise verwirklicht werden. EMV-Probleme spielen im Bereich des Übertragungskanals keine Rolle mehr. Eine teure Einkopplung in ein Übertragungsmedium entfällt.With The present invention may be a transparent, bi-directional and fast full-duplex data transmission be realized in a cheap way. EMC problems play in the area of the transmission channel no longer matter. An expensive coupling into a transmission medium is eliminated.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.advantageous embodiments The invention are specified in the subclaims.

Sind Sender und/oder Empfänger beispielsweise als integrierte Baugruppen ausgeführt, mit anderen Worten sind die verwendeten Bauteile beispielsweise unter Verwendung von Mikrosystemtechnik auf einer Leiterplatte, in Modulbauweise oder auf einem Chip integriert, so kann eine im Vergleich zu bekannten Systemen deutliche Verringerung der Baugröße und damit eine Miniaturisierung des Datenübertragungssystems erfolgen. Zugleich können die Herstellungskosten durch die Verwendung von Mikrosystemtechnik verringert werden.Are transmitter and / or receiver, for example, designed as an integrated assemblies, in other words, the components used, for example, using microsystems technology on a printed circuit board, modular or integrated on a chip, so compared to known systems significant reduction in size and thus miniaturization of the data transmission system done. At the same time the manufacturing costs are reduced by the use of microsystems technology.

Ein modularer Aufbau in der Gestalt, dass Sender und/oder Empfänger jeweils eine Optikkomponente und eine Elektronikkomponente aufweisen, wie es eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung vorsieht, gestatten eine einfache Anpassung des Datenübertragungssystems an verschiedene Anforderungsszenarien. Elektronik- und Optikkomponente sind dabei vorzugsweise mikrosystemtechnisch hergestellt. Besonders dann, wenn die Optikkomponente mit dem LED-Element lösbar verbunden ist, kann eine Anpassung, beispielsweise an verschiedene Datenformate, sehr unkompliziert erfolgen. Die „vorgeschaltete" Optik kann dann vorzugsweise in allen Anwendungsfällen weiterverwendet werden, während das Elektronikmodul, welches die erforderliche Anpass-Elektronik umfasst, mit geringem Aufwand und Kosten an die verschiedenen Eingangs- bzw. Ausgangsbedingungen adaptiert werden kann.One modular design in the form that transmitter and / or receiver respectively an optical component and an electronic component, such as it provides a further advantageous embodiment of the invention, allow easy adaptation of the data transfer system to different ones Demand scenarios. Electronic and optical components are preferably manufactured microsystem technology. Especially if the optical component detachable with the LED element may be an adaptation, for example, to different Data formats, very uncomplicated. The "upstream" optics can then preferably be reused in all applications, while the electronics module, which has the required matching electronics includes, with little effort and expense, the various input and output or initial conditions can be adapted.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Optikkomponente in dem LED-Element integriert. Mit anderen Worten weist das LED-Element bereits von Hause aus ein oder mehrere optische Bauteile auf. Eine zusätzlich zu der Elektronikkomponente erforderliche Optikkomponente entfällt daher, so dass eine weitere Integration und damit verbunden eine weitere Miniaturisierung erfolgen kann.In a further advantageous embodiment of the invention integrated the optical component in the LED element. In other words the LED element already has one or more optical ones from home Components on. An additional Therefore, the optical component required for the electronic component is eliminated. so that further integration and associated with another Miniaturization can be done.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn spezielle Optikelemente, beispielsweise Linsen oder Reflektoren zur Fokussierung des auftretenden Lichtes bzw. zur Definition des Austritts- bzw. Öffnungswinkels, bereits integrale Bestandteile des LED-Elements sind oder das LED-Element derart modifiziert ist, dass spezielle integrierte Optikelemente nicht mehr erforderlich sind.Especially It is advantageous if special optical elements, for example Lenses or reflectors for focusing the occurring light or to define the exit or opening angle, already integral Components of the LED element are or the LED element modified in such a way is that special integrated optics no longer required are.

Zum Einsatz kommen vorzugsweise solche LED-Elemente, die sehr schmalbandig abstrahlen. Von Vorteil sind insbesondere LED-Elemente mit einer Bandbreite kleiner 30 nm. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Bandbreite weniger als 20 nm beträgt. Vorteile derartiger LED-Elemente sind ein einfacherer Gesamtaufbau sowie verringerte Kosten.To the Use is preferably made of such LED elements, which are very narrow band radiate. Of particular advantage are LED elements with a bandwidth smaller 30 nm. It is particularly advantageous if the bandwidth is less than 20 nm. Advantages of such LED elements are a simpler overall design as well as reduced costs.

Für den Einsatz in der Datenübertragung, insbesondere bei optischen Linearübertragern, sind zudem LED-Elemente besonders geeignet, die das gesamte Licht mit hohem Wirkungsgrad in einen kleinen Raumwinkelbereich aussenden. Mit solchen LED-Ele menten, die extrem schmalwinklig in den Raum abstrahlen, wurden besonders gute Ergebnisse erzielt. Die Größe des Abstrahlwinkels beträgt vorzugsweise weniger als 20 Grad. Besonders vorteilhaft ist ein Abstrahlwinkel unter 5 Grad. Bei optischen Drehübertragern darf der Raumwinkel jedoch nicht zu klein sein, damit ein ausreichender lateraler Spielraum bestehen bleibt.For use in data transmission, in particular in optical linear transducers, In addition, LED elements are particularly suitable that the entire light emitting with high efficiency in a small solid angle range. With such LED ele ments, the extremely narrow angle in the room radiate particularly good results were achieved. The size of the radiation angle is preferably less than 20 degrees. Particularly advantageous is a Beam angle below 5 degrees. For optical rotary transducers, the solid angle may but not too small, so that sufficient lateral margin persists.

Im Hinblick auf die Verringerung der Herstellungskosten hat sich die Verwendung von diskreten Bauteilen als günstig erwiesen. So wird als Sender vorzugsweise eine Sende-LED verwendet. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn als optischer Empfänger eine PIN-Diode (positive intrinsic negative diode) Verwendung findet. Alternativ können auch andere optische Empfänger, beispielsweise APDs (avalanche photo diode) zum Einsatz kommen. Alternativ ist auch der Einsatz von LED-Transceivern möglich. Dabei wird auf jeder Seite des Datenübertragungssystems eine Sendefunktion (Transmitter, TX) und eine Empfangsfunktion (Receiver, RX) zur Verfügung gestellt.in the With regard to the reduction of manufacturing costs, the Use of discrete components proved favorable. So is called Transmitter preferably uses a transmit LED. As a particularly advantageous it has been found, if as optical receiver a PIN diode (positive intrinsic negative diode). Alternatively, too other optical receivers, For example, APDs (avalanche photo diode) are used. Alternatively, the use of LED transceivers is possible. there is on each side of the data transmission system a transmit function (transmitter, TX) and a receive function (receiver, RX) to disposal posed.

Wenn dabei die Sender Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen aussenden, so ist es zum Verhindern eines Übersprechens (Cross-Talk) von Vorteil, wenn den Empfängern jeweils ein Filter zugeordnet ist, das jeweils nur bestimmte Wellenlängen passieren lässt. Ein ungewolltes Beaufschlagen eines Empfängers mit Licht des benachbart zu ihm zugeordneten, jedoch auf einer unterschiedlichen Wellenlänge arbeitenden Senders, wird somit verhindert.If while the transmitters emit light of different wavelengths, so it is to prevent crosstalk (Cross-talk) advantageous if the receivers each assigned a filter is that allows only certain wavelengths happen. One accidentally applying a receiver with light from the adjacent assigned to him, but working on a different wavelength Sender, is thus prevented.

Weitere Möglichkeiten, ein Übersprechen zu verhindern, sind die versetzte Anordnung von Sender und Empfänger, wodurch der direkt koppelnde Anteil des benachbarten Senders reduziert wird, ohne dass zusätzliche Bauteile benötigt werden. Ein Übersprechen kann auch durch ein Vorsehen von mechanischen Sperren, beispielsweise Gehäuseteilen, verhindert werden, die den räumlichen Sendebereich seitlich begrenzen und somit eine mechanische Barriere zwischen auf einer Seite angeordneten Sender und Empfänger darstellen.Further Options, a crosstalk To prevent, are the staggered arrangement of transmitter and receiver, thereby the directly coupling portion of the adjacent transmitter is reduced, without that extra Components needed become. A crosstalk can also by providing mechanical locks, for example Housing parts, be prevented, the spatial Limit transmission range laterally and thus a mechanical barrier represent between arranged on a page transmitter and receiver.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, die mit Hilfe von Zeichnungen erläutert werden. Hierbei zeigen:The Invention will be described in more detail below with reference to exemplary embodiments, which are explained with the help of drawings. Hereby show:

1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines optischen Drehübertragers, 1 a simplified schematic representation of a rotary optical transformer,

2 eine vereinfachte schematische Darstellung eines optischen Linearübertragers, 2 a simplified schematic representation of an optical linear transformer,

3 eine schematische Abbildung eines Datenübertragungssystems im Modulbauweise, 3 a schematic illustration of a data transmission system in the modular design,

4 eine schematische Darstellung des Übertragungssystems in integrierter Bauweise, 4 a schematic representation of the transmission system in an integrated design,

5 eine Detailabbildung eines LED-Elements mit integrierter Optik, 5 a detail illustration of an LED element with integrated optics,

6 eine Prinzipdarstellung einer im erfindungsgemäßen System verwendeten Übertragungseinheit, 6 a schematic diagram of a transmission unit used in the system according to the invention,

7 eine Prinzipdarstellung eines aus zwei Übertragungseinheiten bestehenden Datenübertragungssystems, 7 a schematic diagram of a two transmission units existing data transmission system,

8 ein Datenübertragungssystem mit Filtern zur Verringerung eines Übersprechens, 8th a data transmission system with filters for reducing crosstalk,

9 eine Übertragungseinheit mit versetztem Empfänger, 9 a transmission unit with offset receiver,

10 eine Übertragungseinheit mit gehäustem Sender und Empfänger. 10 a transmission unit with a sheathed transmitter and receiver.

In 1 ist der prinzipielle Aufbau eines optischen Drehübertragers abgebildet, mit dem eine Endlosdrehung realisiert werden kann. Die dargestellte on-axis-Realisierung stellt die technisch einfachste Variante dar, einen optischen Kommunikationskanal aufzuspannen. Der modulierte Lichtstrahl, der die Dateninformation enthält, wird in der Bewegungs- bzw. Drehachse des Systems geführt. Das System, das aus einem feststehenden Teil 1, beispielsweise einem Werkzeug, und einem um das feststehende Teil 1 rotierenden Teil 2, beispielsweise einem zu bearbeitendem Werkstück, besteht, weist ein zylinderförmiges Gehäuse 3 auf, das rotationssymmetrisch zur Drehachse 4 ausgeführt ist. Dabei ist es unerheblich, welches der beiden Teile 1, 2 sich bewegt und welches fixiert ist. Die maximale Drehgeschwindigkeit hängt u. a. von der Güte der Lagerung der Teile 1, 2 ab. Die Teile 1, 2 können gegeneinander abgedichtet sein, wobei der Grad der Dichtung beliebig ausgeführt sein kann. Feststehendes Teil 1 und rotierendes Teil 2 sind jeweils über einen Steckverbinder 5 mit einem Buskabel 6 verbunden. Selbstverständlich kann auch ein direkter Anschluss ohne Steckverbinder vorgesehen sein. Die Übertragung der Dateninformation erfolgt dabei durch am feststehenden Teil 1 und am rotierenden Teil 2 vorgesehene Übertragungseinheiten im Inneren des Gehäuses 3, wie sie nachfolgend beschrieben werden.In 1 is the basic structure of an optical rotary transformer shown with the one endless rotation can be realized. The illustrated on-axis realization represents the technically simplest variant to open an optical communication channel. The modulated light beam containing the data information is guided in the axis of motion of the system. The system, which consists of a fixed part 1 For example, a tool, and one around the fixed part 1 rotating part 2 , For example, a workpiece to be machined, consists, has a cylindrical housing 3 on, the rotationally symmetrical to the axis of rotation 4 is executed. It is irrelevant which of the two parts 1 . 2 moves and which is fixed. The maximum rotational speed depends, among other things, on the quality of the bearing of the parts 1 . 2 from. The parts 1 . 2 can be sealed against each other, wherein the degree of sealing can be performed arbitrarily. Fixed part 1 and rotating part 2 are each via a connector 5 with a bus cable 6 connected. Of course, a direct connection without connectors can also be provided. The transmission of the data information is carried out by the fixed part 1 and on the rotating part 2 provided transmission units in the interior of the housing 3 , as described below.

Selbstverständlich lassen sich mit der vorliegenden Erfindung auch off axis-Systeme realisieren. Dadurch bleibt die Rotationsachse 4 für andere Durchführungen frei.Of course, can also be realized with the present invention off axis systems. This leaves the axis of rotation 4 free for other executions.

Ein prinzipieller Aufbau eines Linearübertragers, wie er beispielsweise im Umfeld von Linearantrieben eingesetzt wird, ist in 2 abgebildet. Dabei ist eine erste Übertragungseinheit 7 fest auf einem Maschinenteil 8 angeordnet, während sich eine zweite Übertragungseinheit 9 auf einem beweglichen Teil, beispielsweise einem Läufer 10 eines Motors befindet, der auf einer Magnetschiene 11 in Bewegungsrichtung 12 linear befahrbar ist. Zur Illustrationszwecken ist ein Lichtkegel 13 dargestellt, der eine Übertragung in einer Übertragungsrichtung symbolisieren soll. Selbstverständlich ist jedoch eine bidirektionale Übertragung möglich. Ein Schutz des Übertragungsbereiches wäre beispielsweise durch eine U-förmige Schiene oder dergleichen möglich, die entlang der Magnetschiene 11 angebracht ist.A basic structure of a linear transformer, as used for example in the field of linear drives, is in 2 displayed. Here is a first transmission unit 7 firmly on a machine part 8th arranged while a second transmission unit 9 on a moving part, for example a runner 10 a motor located on a magnetic rail 11 in the direction of movement 12 is linearly passable. For illustration purposes is a beam of light 13 represented, which is to symbolize a transmission in a transmission direction. Of course, however, a bidirectional transmission is possible. A protection of the transmission range would be possible, for example, by a U-shaped rail or the like, along the magnetic rail 11 is appropriate.

In 3 ist ein Datenübertragungssystem 14 mit einer ersten Übertragungseinheit 15 und einer zweiten Übertragungseinheit 16 abgebildet. Jede der beiden Übertragungseinheiten 15, 16 umfasst ein Elektronikmodul 17 und ein Optikmodul 18, wobei die Übertragung des ausgesendeten Lichtes über eine Luftstrecke (Free-Space-Strecke) 19 zwischen den beiden Übertragungseinheiten 15, 16 erfolgt. Zusätzlich erforderliche Bauteile der Übertragungseinheiten 15, 16, wie beispielsweise Mechanik mit Häusung, Lagerung und Dichtung sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht abgebildet. Das in 3 illustrierte Beispiel zeigt nur eine Möglichkeit, dass erfindungsgemäße System 14 mit einfachen technischen Mitteln zu realisieren.In 3 is a data transmission system 14 with a first transmission unit 15 and a second transmission unit 16 displayed. Each of the two transmission units 15 . 16 includes an electronics module 17 and an optics module 18 , wherein the transmission of the emitted light over an air gap (free space route) 19 between the two transmission units 15 . 16 he follows. Additionally required components of the transmission units 15 . 16 , such as mechanism with housing, storage and seal are not shown for the sake of clarity. This in 3 Illustrated example shows only one possibility that system according to the invention 14 to realize with simple technical means.

Besonders vorteilhaft bei der Verwendung der optischen Übertragungstechnik ist deren Transparenz. Zusätzliche Protokoll-Layer sind nicht erforderlich. Dabei können ohne große prinzipielle Änderungen verschiedene Übertragungsprotokolle verwendet werden. Hierzu ist lediglich eine Signalanpassung erforderlich. Als besonders vorteilhaft haben sich die Verwendung von Profibus und (Fast) Ethernet-Protokollen erwiesen. Andere Feldbusse sind ebenfalls durch Modifikation der Ein- bzw. Ausgangsschaltung im Elektronikmodul 17 übertragbar.Particularly advantageous in the use of optical transmission technology is their transparency. Additional protocol layers are not required. It can be used without major changes in principle different transmission protocols. For this purpose, only a signal adjustment is required. Particularly advantageous are the use of Profibus and (Fast) Ethernet protocols have proven. Other fieldbuses are also by modification of the input or output circuit in the electronic module 17 transferable.

Das Elektronikmodul 17 umfasst eine Steckverbindung 20 zum Anschluss an beispielsweise ein Buskabel 6 sowie einen LED-Transceiver 21, welcher zusammen mit den anderen für den Betrieb erforderlichen Bauteilen auf einer Leiterplatte 22 angeordnet ist. An den LED-Transceiver 21, nämlich jeweils an den Sender (TX) 23 und den Empfänger (RX) 24, ist eine polymeroptische Faser (POF) 25 angeschlossen. Beide POFs 25 führen zu einem Splitter 26. Von dem Splitter 26 führt eine einzelne POF 25 weiter zu einer Linse 27, von der aus das Lichtsignal an die Luftstrecke 19 abgegeben wird. Das Licht wird über Luft von der einen Übertragungseinheit 15 in eine spiegelbildlich ausgeführte andere Übertragungseinheit 16 gekoppelt, welche wiederum aus einem Elektronikmodul 17 mit vorgeschaltetem Optikmodul 18 besteht.The electronics module 17 includes a plug connection 20 for connection to, for example, a bus cable 6 as well as an LED transceiver 21 , which together with the other components required for operation on a printed circuit board 22 is arranged. To the LED transceiver 21 , in each case to the transmitter (TX) 23 and the receiver (RX) 24 , is a polymer optical fiber (POF) 25 connected. Both POFs 25 lead to a splinter 26 , From the splinter 26 leads a single POF 25 continue to a lens 27 , from which the light signal to the air gap 19 is delivered. The light is transmitted via air from the one transmission unit 15 in a mirror image executed another transmission unit 16 coupled, which in turn from an electronic module 17 with upstream optics module 18 consists.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 4 abgebildet. Dabei weisen die Übertragungseinheiten 28, 29 einen modifizierten LED-Transceiver 30 auf, welcher bereits über eine integrierte Optik 31 zur definierten Strahlformung und -führung verfügt. Insbesondere sind in diesem Fall Linse und Splitter in den LED-Transceiver 30 integriert. Der Einsatz von polymeroptischen Fasern ist nicht erforderlich.Another embodiment is in 4 displayed. In this case, the transmission units 28 . 29 a modified LED transceiver 30 on, which already has an integrated optics 31 has defined beam shaping and guidance. In particular, in this case, lens and splitter are in the LED transceiver 30 integrated. The use of polymer optical fibers is not required.

5 zeigt schließlich eine Detailansicht einer solchen Optik-Integration in einen LED-Transceiver 30. Dabei sind die Linsen 32 für die Strahlformung vorzugsweise in Kunststoff abgeformt, so dass teure Spezialwerkstoffe ersetzt werden können. Eine weitere Kostenreduzierung ist möglich, indem die Linsen 32 als Teil des Gehäuses 33 ausgebildet sind. An Stelle des ursprünglich verwendeten Splitters wird ein halbdurchlässiger Spiegel 34 und ein zusätzlicher Umlenkspiegel 35 für die Strahlführung verwendet. Der halbdurchlässige Spiegel 34 verhindert dabei, dass die LED-Elemente der Sender 23 mit Licht von dem gegenüberliegenden Sender 23' beaufschlagt werden. Symbolhaft ist die Rotationsrichtung 36 einer der Übertragungseinheiten dargestellt. 5 Finally, shows a detailed view of such optics integration in an LED transceiver 30 , Here are the lenses 32 for the beam shaping preferably molded in plastic, so that expensive special materials can be replaced. Further cost reduction is possible by using the lenses 32 as part of the housing 33 are formed. Instead of the originally used splitter becomes a semi-transparent mirror 34 and an additional deflecting mirror 35 used for the beam guidance. The semi-transparent mirror 34 prevents the LED elements of the transmitter 23 with light from the opposite transmitter 23 ' be charged. Symbolic is the direction of rotation 36 one of the transmission units shown.

Die Luftstrecke 19 zwischen beiden Linsen 27 bzw. 32 ist in einem großen Rahmen variabel einstellbar. So kann es sich bei der Luftstrecke 19 um minimale Entfernungen handeln, beispielsweise um einen Luftspalt im Millimeter- bzw. Submillimeterbereich. Dies ist insbesondere dann von Vorteil wenn eine Miniaturisierung des Datenübertragungssystems im Vordergrund steht. Hier kann zur Gewährleistung der notwendigen Sichtverbindung auch eine Kapselung der Luftstrecke erfolgen. Die Luftstrecke kann jedoch für typische Industrieanwendungen auch mehrere Zentimeter betragen. Für Langstreckenübertragungen kann die Luftstrecke bis zu einer Länge von etwa 100 Metern verlängert werden, insbesondere dann, wenn bei einer entsprechenden Sendeleistung eine geeignete Optik zum Einsatz kommt .The air route 19 between both lenses 27 respectively. 32 is variably adjustable in a large frame. So it may be at the air gap 19 act at minimum distances, for example, an air gap in the millimeter or sub-millimeter range. This is particularly advantageous when miniaturization of the data transmission system is in the foreground. Here can be done to ensure the necessary visual connection and encapsulation of the air gap. However, the air gap may be several centimeters for typical industrial applications. For long distance transmissions, the air gap can be extended up to a length of about 100 meters, especially if a suitable optics is used for a corresponding transmission power.

6 illustriert nochmals den prinzipiellen Aufbau einer Übertragungseinheit mit einem Sender (TX) 38 und einem Empfänger (RX) 39. Symbolhaft ist ein Lichtbereich 40 des Senders 38 abgebildet, der einen möglichen Empfangsbereich kennzeichnet. Im Beispiel wird als Sender 38 eine Sende-LED verwendet, die extrem schmalwinklig in den Raum abstrahlt. Der Abstrahlwinkel α beträgt dabei weniger als 4 Grad. 6 illustrates again the basic structure of a transmission unit with a transmitter (TX) 38 and a receiver (RX) 39 , Symbolic is a light area 40 the transmitter 38 shown, which indicates a possible reception area. In the example is called Sender 38 uses a transmit LED that radiates extremely narrow angled into the room. The emission angle α is less than 4 degrees.

Selbstverständlich kann auch ein größerer Abstrahlwinkel verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Abstrahlwinkel derart groß gewählt ist, dass Vibrationen oder anders hervorgerufene laterale Auslenkungen der Übertragungseinheit 37 auftreten können, ohne dass es zu einer Beeinträchtigung bei der Datenübertragung kommt. Bei derart großen Abstrahlwinkeln, beispielsweise im Bereich von 20°, können die Anforderungen an die verwendete Mechanik, insbesondere die verwendete Lagerung, und damit die Herstellungskosten stark verringert werden. Der Abstand 44 zwischen Sender 38 und Empfänger 39 muss von Anwendung zu Anwendung den Anforderungen angepasst werden.Of course, a larger beam angle can be used. It is particularly advantageous if the emission angle is chosen to be so large that vibrations or otherwise caused lateral deflections of the transmission unit 37 may occur without interference in data transmission. With such large radiation angles, for example in the range of 20 °, the requirements for the mechanics used, in particular the storage used, and thus the production costs can be greatly reduced. The distance 44 between stations 38 and receiver 39 must be adapted to the requirements from application to application.

7 zeigt den schematischen Aufbau eines Datenübertragungssystems 41 mit zwei im Wesentlichen identisch aufgebauten Übertragungseinheiten 37. Dabei sind Sender 38 (LED-Element) und Empfänger 39 (PIN-Diode) nebeneinander platziert. 7 shows the schematic structure of a data transmission system 41 with two essentially identical transmission units 37 , There are transmitters 38 (LED element) and receiver 39 (PIN diode) placed next to each other.

Damit sich der Empfänger 39'' (RX2) der einen Übertragungseinheit 37'' , in diesem Fall eine PIN-Diode, stets im Sendekegel 42' des Senders 38' (TX1) der anderen Übertragungseinheit 37' befindet, ist ein Mindestabstand zwischen den beiden Übertragungseinheiten 37', 37'' einzuhalten. Dieser ist von Anwendung zu Anwendung verschieden.So that the receiver 39 '' (RX2) of a transmission unit 37 '' , in this case a PIN diode, always in the transmission cone 42 ' the transmitter 38 ' (TX1) of the other transmission unit 37 ' is a minimum distance between the two transmission units 37 ' . 37 '' observed. This varies from application to application.

Im Falle eines Drehübertragers erfolgt eine Rotation wenigstens einer der Übertragungseinheiten 37 um eine Rotationsachse 43. In 7 ist beispielhaft die Übertragungseinheit 37' als rotierendes Teil abgebildet. Vorteilhafterweise sind Sender 38 und Empfänger 39 der Übertragungseinheiten 37 dicht an der Rotationsachse 43 platziert. Der Sender 38' der einen Übertragungseinheit 37' ist dabei in seiner Grund- bzw. Ausgangstellung direkt gegenüber dem Empfänger 39'' der anderen Übertragungseinheit 37'' angeordnet, so dass sich eine versetzte Anordnung ergibt.In the case of a rotary transformer, at least one of the transmission units is rotated 37 around a rotation axis 43 , In 7 is exemplary the transmission unit 37 ' shown as a rotating part. Advantageously, transmitters 38 and receiver 39 the transmission units 37 close to the axis of rotation 43 placed. The transmitter 38 ' the one transfer unit 37 ' is in its basic or starting position directly opposite the receiver 39 '' the other transmission unit 37 '' arranged so that there is a staggered arrangement.

Wird mit den dargestellten Übertragungseinheiten 37 ein Linearübertrager realisiert, bewegt sich eine der Übertragungseinheiten 37 entlang einer linearen Bewegungsachse 45. In 7 ist beispielhaft die Übertragungseinheit 37'' als linear bewegtes Teil abgebildet. Sender 38 und Empfänger 39 sind dabei vorteilhafterweise nahe der Bewegungsachse 45 angeordnet. Der bei einem Linearübertrager erzielbare Maximalabstand zwischen den Übertragungseinheiten 37 hängt zum einen von der Sendeleistung und zum anderen von der Empfindlichkeit der Empfänger 39 ab. Zudem spielen auch Umgebungsbedingungen eine Rolle. Bei Einsatz einer fokussierenden Optik kann der Maximalabstand auf bis zu 100 Meter und mehr erweitert werden.Used with the illustrated transmission units 37 realized a linear transformer, moves one of the transmission units 37 along a linear axis of motion 45 , In 7 is exemplary the transmission unit 37 '' shown as a linearly moving part. transmitter 38 and receiver 39 are advantageously close to the axis of movement 45 arranged. The achievable in a linear transformer maximum distance between the transmission units 37 depends on the one hand on the transmission power and on the other hand on the sensitivity of the receiver 39 from. In addition, environmental conditions also play a role. When using focusing optics, the maximum distance can be extended up to 100 meters and more.

Besonders kostengünstig ist eine Ausführungsform der Erfindung, wobei die Übertragungseinheiten 37 identisch ausgebildet sind. Damit lässt sich ein Übertragungskanal mit einer Wellenlänge realisieren. Mit anderen Worten senden beide Sender (LED-Elemente) 38 mit der gleichen Wellenlänge (im gleichen Spektrum). Die Empfänger (PIN-Dioden) 39 empfangen vorzugsweise grundsätzlich breitbandig.Particularly cost is an embodiment of the invention, wherein the transmission units 37 are identical. This makes it possible to realize a transmission channel with one wavelength. In other words both transmitters (LED elements) 38 with the same wavelength (in the same spectrum). The receivers (PIN diodes) 39 preferably receive broadband in principle.

8 zeigt eine Variante mit einem Übertragungskanal mit zwei Wellenlängen. Die Sender 38', 38'' verwenden dabei jeweils eine eigene Wellenlänge. Die verwendete Bandbreite der Sender 38 beträgt dabei vorzugsweise 20 bis 30 nm, wobei der Abstand der Wellenlängen zueinander zur Vermeidung gegenseitiger Beeinflussung ebenfalls vorzugsweise 20 bis 30 nm beträgt. Da die Empfänger 39', 39'' breitbandig empfangen, werden vor den Empfängern Filter 46, 47 installiert, die nur bestimmte Wellenlängen passieren lassen. So läßt das Filter 46 vor dem Empfänger 39' nur die Wellenlänge des Senders 38'' hindurch, während das Filter 47 nur die Wellenlänge des Senders 38' passieren lässt. Dadurch wird ein Übersprechen (Cross-Talk) von einem Sender 38', 38'' auf den jeweils unmittelbar benachbarten Empfänger 39', 39'' verringert. Das Gesamtdesign wird hierdurch zwar aufwändiger, jedoch lassen sich mit diesem Ansatz größere Luftstrecken 19 überbrücken. 8th shows a variant with a transmission channel with two wavelengths. The transmitters 38 ' . 38 '' each use their own wavelength ge. The used bandwidth of the transmitters 38 is preferably 20 to 30 nm, wherein the distance between the wavelengths to each other to avoid mutual interference is also preferably 20 to 30 nm. Because the receiver 39 ' . 39 '' receive broadband, filters in front of the receivers 46 . 47 installed that only allow certain wavelengths to pass. So lets the filter 46 in front of the receiver 39 ' only the wavelength of the transmitter 38 '' through while the filter 47 only the wavelength of the transmitter 38 ' lets happen. This will cause crosstalk (cross-talk) from a transmitter 38 ' . 38 '' on the immediately adjacent receiver 39 ' . 39 '' reduced. Although this makes the overall design more complex, this approach allows larger air gaps 19 bridged.

Ein Übersprechen durch Streuung bzw. Reflektion von Licht durch Partikel bzw. Gehäuseelemente lässt sich weiter verringern wenn der Empfänger 39 entgegen der Senderichtung 48 zum Sender 38 versetzt angeordnet ist, wie dies in 9 beispielhaft dargestellt ist. Somit wird der direkt koppelnde Anteil des von dem Sender 38 ausgesendeten Lichtes reduziert. Zusätzliche Bauteile werden nicht benötigt. Jedoch muss gegebenenfalls das Layout der Leiterplatte 22 entsprechend angepasst werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Sender 38 und/oder Empfänger 39 in separate Gehäuse, beispielsweise in Form von Hülsen 49, unterzubringen, wie dies in 10 dargestellt ist. Beide Varianten eignen sich besonders für Ausführungsformen mit einer einzigen Wellenlänge zur Verhinderung eines Übersprechens, ohne das es eines erhöhten technischen Aufwandes für Filter usw. bedarf.Crosstalk due to scattering or reflection of light by particles or housing elements can be further reduced if the receiver 39 against the transmission direction 48 to the transmitter 38 is arranged offset, as in 9 is shown by way of example. Thus, the directly coupling portion of the transmitter 38 emitted light reduced. Additional components are not needed. However, if necessary, the layout of the circuit board 22 be adjusted accordingly. Another possibility is transmitters 38 and / or recipient 39 in separate housing, for example in the form of sleeves 49 to accommodate, like this in 10 is shown. Both variants are particularly suitable for embodiments with a single wavelength to prevent crosstalk, without which it requires an increased technical effort for filters, etc.

Mit dem beschriebenen Datenübertragungssystem lassen sich Datenraten von beispielsweise 125 Mbit/s verwirklichen. Durch Einsatz von weiterentwickelten LED-Elementen kann diese weiter erhöht werden.With the described data transmission system Data rates of, for example, 125 Mbit / s can be realized. By using advanced LED elements, this can continue elevated become.

Das erfindungsgemäße Datenübertragungssystem kann beispielsweise in Werkzeug- oder Produktionsmaschinen oder in Industrierobotern eingesetzt werden. Nebenzeiten und Kosten sind dabei im Vergleich zu herkömmlichen Techniken stark verringert.The inventive data transmission system For example, in tooling or production machines or used in industrial robots. Idle times and costs are in comparison with conventional ones Techniques greatly reduced.

Claims

System ( 14 . 41 ) for optical data transmission - with an optical transmitter, comprising an LED element ( 23 . 38 ) for emitting light, - with an optical receiver for receiving the emitted light and - with a bridged by the emitted light air gap ( 19 ) between transmitter and receiver.

System ( 14 . 41 ) according to claim 1, characterized in that transmitter and / or receiver is designed as an integrated module.

System ( 14 . 41 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the transmitter and / or receiver is constructed in component construction such that it in each case an optical component ( 17 ) and an electrical component ( 18 ) having.

System ( 14 . 41 ) according to claim 3, characterized in that the optical component ( 17 ) with the LED element ( 23 . 38 ) is releasably connected.

System ( 14 . 41 ) according to claim 3, characterized in that the optical component ( 17 ) in the LED element ( 38 ) is integrated.

System ( 14 . 41 ) according to one of claims 1 to 5, characterized by an LED element ( 38 ) adapted to emit light having a bandwidth smaller than 20 nm.

System ( 14 . 41 ) according to one of claims 1 to 6, characterized by an LED element ( 38 ), designed to emit light in a solid angle range less than 5 °.

System ( 14 . 41 ) according to one of claims 1 to 7, characterized by two transmitters ( 38 ) and two receivers ( 39 ), whereby the transmitters ( 38 ) Emit light at different wavelengths and with the receivers ( 39 ) one filter each ( 46 . 47 ) is assigned to pass certain wavelengths.

System ( 14 . 41 ) according to one of claims 1 to 8, characterized by a counter to the transmission direction ( 48 ) from the transmitter ( 38 ) spaced receivers ( 39 ).

System ( 14 . 41 ) according to one of claims 1 to 9, characterized in that transmitter and / or receiver in a separate housing ( 49 ) is arranged.

Using an LED element ( 23 . 38 ) in a sender of a system ( 14 . 41 ) for contactless optical data transmission.