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Die Erfindung betrifft einen Empfänger für ein System zur Lichtübertragung, umfassend eine Kamera, welche einen Bildsensor aufweist, wobei eine lichtsensitive Fläche des Bildsensors mehrere Zeilen von lichtsensitiven Elementen umfasst, wobei der Bildsensor derart ausgeführt ist, dass die lichtsensitive Fläche des Bildsensors zeilenweise oder spaltenweise abgetastet wird, und ein Vorsatzelement, welches derart angeordnet ist, dass auf die lichtsensitive Fläche des Bildsensors auftreffendes Licht zuvor das Vorsatzelement passiert. Die Erfindung betrifft auch ein System zur Lichtübertragung, umfassend einen erfindungsgemäßen Empfänger und einen Sender. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Systems zur Lichtübertragung.
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Aus dem Artikel „Using a CMOS Camera Sensor for Visible Light Communication“, Danakis et. al., 978-1-4673-4941-3, IEEE, sind ein System und ein Verfahren zur Datenübertragung mittels sichtbarem Licht bekannt. Dabei dient eine Kamera eines Smartphones als Empfänger für sichtbares Licht. Die Kamera umfasst einen CMOS-Bildsensor, dessen lichtsensitive Fläche zeilenweise abgetastet wird. Als Sender dient eine Lichtquelle in Form einer LED, welche moduliertes Licht abstrahlt. Durch Ausnutzug des Rolling-Shutter-Effekts des CMOS-Bildsensors wird eine Datenübertragungsrate erzielt, welche größer ist als eine Bildfrequenz der Kamera.
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Aus der
DE 10 2018 006 988 B3 sind ebenfalls ein System und ein Verfahren zur Datenübertragung mittels sichtbarem Licht bekannt. Das System weist einen Empfänger mit einem Bildsensor, dessen lichtsensitive Fläche zeilenweise abgetastet wird, und einen Sender mit einem steuerbaren Leuchtmittel, welches moduliertes Licht abstrahlt, auf. Dabei weist der Empfänger eine Lentikularfolie oder ein Zylinderlinsenarray auf, welche zwischen einer Linse des Empfängers und dem Sender angeordnet ist. Ein auf die lichtsensitive Fläche des Bildsensors projiziertes Bild ist dabei unscharf abgebildet. Durch Ausnutzug des Rolling-Shutter-Effekts des Bildsensors wird eine erhöhte Datenübertragungsrate erzielt.
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Das Dokument
FR 3 020 533 A1 offenbart ein System zur Kommunikation mittels sichtbarem Licht, welches eine Lichtquelle und einen Empfänger umfasst. Das Dokument
FR 3 061 604 B1 offenbart ein Photovoltaiksystem zur Energieerzeugung und zur optischen Kommunikation. Das Dokument
US 2015 / 0 365 167 A1 offenbart ein System und ein Verfahren zur optischen Kommunikation. Das Dokument
US 2015 / 0 195 042 A1 offenbart ein System und ein Verfahren zur Datenübertragung mittels Licht. Das Dokument
US 2012 / 0 133 815 A1 offenbart ein Anzeigegerät zur Durchführung einer Kommunikation mittels sichtbarem Licht.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Empfänger für ein System zur Lichtübertragung, ein entsprechendes System und ein Verfahren zum Betrieb des Systems weiter zu bilden. Dabei soll eine Datenübertragungsrate erzielbar sein, welche größer ist als eine Bildfrequenz einer Kamera des Empfängers. Zusätzlich soll ein scharfes optisches Bild auf einen Bildsensor der Kamera projiziert werden können.
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Die Aufgabe wird durch einen Empfänger für ein System zur Lichtübertragung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Aufgabe wird auch durch ein System zur Lichtübertragung mit den in Anspruch 7 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Betrieb eines Systems zur Lichtübertragung mit den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein gattungsgemäßer Empfänger für ein System zur Lichtübertragung umfasst eine Kamera, welche einen Bildsensor aufweist. Dabei umfasst eine lichtsensitive Fläche des Bildsensors mehrere Zeilen von lichtsensitiven Elementen. Der Bildsensor ist derart ausgeführt, dass die lichtsensitive Fläche des Bildsensors zeilenweise oder spaltenweise abgetastet wird. Der Empfänger umfasst auch ein Vorsatzelement. Das Vorsatzelement ist dabei derart angeordnet, dass auf die lichtsensitive Fläche des Bildsensors auftreffendes Licht zuvor das Vorsatzelement passiert.
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Erfindungsgemäß weist das Vorsatzelement des Empfängers mindestens einen lentikularen Bereich und mindestens einen planaren Bereich auf. Licht, das den mindestens einen lentikularen Bereich des Vorsatzelements passiert, erzeugt ein erstes Bild auf der lichtsensitiven Fläche des Bildsensors. Licht, das den mindestens einen planaren Bereich des Vorsatzelements passiert, erzeugt ein zweites Bild auf der lichtsensitiven Fläche des Bildsensors.
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Licht, das den mindestens einen lentikularen Bereich des Vorsatzelements passiert, wird verhältnismäßig stark gebrochen. Das auf dem Bildsensor der Kamera erzeugte erste Bild ist daher ein unscharfes Bild. Insbesondere wird dabei ein Lichtstrahl, welcher von einer punktförmigen Lichtquelle stammt, in Form eines Leuchtstreifens abgebildet. Wenn moduliertes Licht eintrifft, so ist der besagte Leuchtstreifen in zeitlicher Abfolge hell und dunkel, in Abhängigkeit von der Modulation. Durch die zeilenweise oder spaltenweise Abtastung der lichtsensitiven Fläche des Bildsensors kann der Leuchtstreifen, in Abhängigkeit von der Modulation, somit helle und dunkele Bereiche aufweisen. Aus den hellen und dunklen Bereichen des besagten Leuchtstreifens kann ein Datenstrom detektiert werden, entsprechend welchem die Lichtquelle moduliertes Licht abstrahlt.
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Licht, das den mindestens einen planaren Bereich des Vorsatzelements passiert, durchdringt das Vorsatzelement zumindest annährend geradlinig. Das auf dem Bildsensor der Kamera erzeugte zweite Bild ist daher ein scharfes optisches Bild.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Empfängers kann somit aus dem ersten Bild ein Datenstrom mit einer Datenübertragungsrate detektiert werden, welche größer ist als eine Bildfrequenz der Kamera des Empfängers. Aus dem zweiten Bild kann ein scharfes optisches Bild detektiert werden. Vorteilhaft ist der erfindungsgemäße Empfänger somit zur schnellen Datenübertragung und auch zur gleichzeitigen Aufnahme von scharfen optischen Bildern geeignet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Vorsatzelement in Form einer Folie ausgebildet. Dabei weist der mindestens eine lentikulare Bereich eine alternierende Materialstärke auf, und der mindestens eine planare Bereich weist eine konstante Materialstärke auf. Die Folie ist dabei lichtdurchlässig. Durch die alternierende Materialstärke wird erreicht, das die Brechung eines auftreffenden Lichtstrahls nicht überall gleich, sondern von dem Ort des Auftreffens abhängig ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Materialstärke des mindestens einen lentikularen Bereichs in einer Vorzugsrichtung konstant und in einer Querrichtung, welche rechtwinklig zu der Vorzugsrichtung verläuft, alternierend. Diese Ausgestaltung des lentikularen Bereichs bewirkt, dass ein auftreffender Lichtstrahl in Form eines Leuchtstreifens abgebildet wird, der sich in die Querrichtung erstreckt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Vorsatzelement eine Mehrzahl von streifenförmigen lentikularen Bereichen und eine Mehrzahl von streifenförmigen planaren Bereichen auf. Bevorzugt verlaufen die streifenförmigen lentikularen Bereiche parallel zu den streifenförmigen planaren Bereichen.
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Vorzugsweise sind die streifenförmigen lentikularen Bereiche dabei parallel zu der Querrichtung orientiert. Vorzugsweise sind auch die die streifenförmigen planaren Bereiche dabei parallel zu der Querrichtung orientiert.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst der Empfänger ferner eine Aufnahmeeinheit. Die Aufnahmeeinheit weist ein erstes Aufnahmeelement und ein zweites Aufnahmeelement, welches relativ zu dem ersten Aufnahmeelement bewegbar ist, auf. Dabei ist die Kamera in dem ersten Aufnahmeelement aufgenommen, und das Vorsatzelement ist in dem zweiten Aufnahmeelement aufgenommen. Somit ist das Vorsatzelement relativ zu der Kamera bewegbar, beispielsweise schwenkbar oder verschiebbar.
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Ein erfindungsgemäßes System zur Lichtübertragung umfasst einen erfindungsgemäßen Empfänger und einen Sender, welcher mindestens eine steuerbare Lichtquelle aufweist. Die mindestens eine Lichtquelle des Senders strahlt dabei entsprechend einem vorgegebenen Datenstrom moduliertes Licht ab.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Vorsatzelement des Empfängers dabei zwischen der mindestens einen steuerbaren Lichtquelle des Senders und der Kamera des Empfängers angeordnet. Somit ist sichergestellt, dass Licht, welches auf die lichtsensitive Fläche des Bildsensors der Kamera auftrifft, zuvor das Vorsatzelement passiert.
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In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßes Systems zur Lichtübertragung wird die lichtsensitive Fläche des Bildsensors zeilenweise oder spaltenweise abgetastet. Dabei wird ein erstes Bild, welches durch den mindestens einen lentikularen Bereich des Vorsatzelements auf die lichtsensitive Fläche projiziert wird, separat von einem zweiten Bild, welches durch den mindestens einen planaren Bereich des Vorsatzelements auf die lichtsensitive Fläche projiziert wird, verarbeitet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird dabei aus dem ersten Bild der Datenstrom detektiert, entsprechend welchem die mindestens eine steuerbare Lichtquelle des Senders moduliertes Licht abstrahlt. Vorteilhaft ist die Datenübertragungsrate des Datenstroms dabei größer ist als eine Bildfrequenz der Kamera des Empfängers.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird aus dem zweiten Bild ein optisches Bild detektiert. Vorteilhaft handelt es sich bei dem zweiten Bild dabei um ein scharfes optisches Bild.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren können somit verschieden Informationen mittels des ersten Bildes und des zweiten Bildes gleichzeitig von dem Sender zu dem Empfänger übertragen und von dem Empfänger aufgenommen werden. Beispielsweise können in dem Datenstrom Koordinaten kodiert sein. Durch Auswertung des aus dem ersten Bild detektierten Datenstroms ist dann eine Ortung möglich. Durch Auswertung des zweiten Bildes kann beispielsweise ein QR-Code gescannt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert. Die Erfindung ist nicht auf die in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Abbildungen stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar. Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines Systems zur Lichtübertragung,
- 2: eine Draufsicht auf ein Vorsatzelement gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 3: einen Schnitt durch das Vorsatzelement gemäß der ersten Ausführungsform,
- 4: ein durch das Vorsatzelement gemäß der ersten Ausführungsform projiziertes Gesamtbild und
- 5: eine Draufsicht auf ein Vorsatzelement gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 10 zur Lichtübertragung. Das System 10 zur Lichtübertragung umfasst einen Sender 14, welcher eine steuerbare Lichtquelle 1 aufweist. Bei der Lichtquelle 1 handelt es sich beispielsweise um eine LED, eine Deckenlampe oder einen Scheinwerfer eines Fahrzeugs. Das System 10 zur Lichtübertragung umfasst ferner einen Empfänger 12.
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Der Empfänger 12 umfasst eine Kamera 6. Die Kamera 6 weist einen Bildsensor 4 auf. Der Bildsensor 4 weist eine lichtsensitive Fläche auf, die mehrere Zeilen und Spalten von lichtsensitiven Elementen umfasst. Im Betrieb der Kamera 6 wird die lichtsensitive Fläche des Bildsensors 4 zeilenweise oder spaltenweise abgetastet. Die einzelnen abgetasteten Zeilen werden anschließend zu einem Gesamtbild zusammen gesetzt. Die Kamera 6 umfasst ferner ein optisches Element in Form einer optischen Linse 8. Die Linse 8 ist dabei vor dem Bildsensor 4 angeordnet, so dass Licht, welches auf die lichtsensitive Fläche des Bildsensors 4 auftrifft, zuvor die Linse 8 passiert. Die Kamera 6 umfasst auch eine Signalelektronik 5, welche insbesondere zum Abtasten der lichtsensitiven Fläche des Bildsensors 4 dient.
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Der Empfänger 12 umfasst auch ein Vorsatzelement 3. Das Vorsatzelement 3 ist derart vor dem Bildsensor 4 angeordnet, dass Licht, welches auf die lichtsensitive Fläche des Bildsensors 4 auftrifft, zuvor das Vorsatzelement 3 passiert. Das Vorsatzelement 3 ist in Form einer verhältnismäßig dünnen, lichtdurchlässigen Folie ausgebildet. Das Vorsatzelement 3 ist zwischen der Lichtquelle 1 des Senders 14 und der Kamera 6 angeordnet.
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Die Kamera 6 des Empfängers 12 ist beispielsweise Teil eines handelsüblichen Mobiltelefons oder Smartphones. Der Empfänger 12 umfasst optional auch eine Aufnahmeeinheit. Die Aufnahmeeinheit ist beispielsweise ein Etui, welches ein erstes Aufnahmeelement und ein zweites Aufnahmeelement aufweist. Dabei ist das zweite Aufnahmeelement relativ zu dem ersten Aufnahmeelement bewegbar, insbesondere schwenkbar. Das Mobiltelefon mit der Kamera 6 ist in dem ersten Aufnahmeelement aufgenommen, und das Vorsatzelement 3 ist in dem zweiten Aufnahmeelement aufgenommen. Somit ist das Vorsatzelement 3 relativ zu der Kamera 6 bewegbar, beispielsweise schwenkbar oder verschiebbar. Wenn keine Datenübertragung über das System 10 gewünscht ist, so kann das Vorsatzelement 3 von der Kamera 6 entfernt werden, und die Kamera kann ein vollständiges optisches Bild ohne das Vorsatzelement 3 aufnehmen.
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2 zeigt eine Draufsicht auf ein Vorsatzelement 3 gemäß einer ersten Ausführungsform. Das Vorsatzelement 3 weist eine Mehrzahl von streifenförmigen lentikularen Bereichen 31 und eine Mehrzahl von streifenförmigen planaren Bereichen 32 auf. Die streifenförmigen lentikularen Bereiche 31 und planaren Bereiche 32 sind parallel zu einer Querrichtung Q und rechtwinklig zu einer Vorzugsrichtung V orientiert.
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Die lentikularen Bereiche 31 des Vorsatzelements 3 sind derart ausgebildet, dass Licht, welches die lentikularen Bereiche 31 passiert, verhältnismäßig stark gebrochen wird. Insbesondere wird dabei ein Lichtstrahl, welcher von einer punktförmigen Lichtquelle 1 stammt, in Form eines Leuchtstreifens abgebildet. Licht, welches die lentikularen Bereiche 31 des Vorsatzelements 3 passiert, erzeugt ein erstes Bild auf der lichtsensitiven Fläche des Bildsensors 4. Das erste Bild ist aufgrund der verhältnismäßig starken Brechung des Lichts unscharf.
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Die planaren Bereiche 32 des Vorsatzelements 3 sind derart ausgebildet, dass Licht, welches die planaren Bereiche 32 passiert, das Vorsatzelement 3 zumindest annährend geradlinig durchdringt, also nicht oder nur unwesentlich gebrochen wird. Licht, welches die planaren Bereiche 32 des Vorsatzelements 3 passiert, erzeugt ein zweites Bild auf der lichtsensitiven Fläche des Bildsensors 4. Das zweite Bild ist ein scharfes optisches Bild.
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3 zeigt einen Schnitt durch das Vorsatzelement 3 gemäß der ersten Ausführungsform. Der hier gezeigte Schnitt verläuft dabei in der Querrichtung Q durch einen der streifenförmigen planaren Bereiche 32. Der hier gezeigte Schnitt durch das Vorsatzelement 3 verläuft rechtwinklig zu der Vorzugsrichtung V.
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Der hier sichtbare planare Bereich 32 des Vorsatzelements 3 weist eine zumindest annähernd konstante Materialstärke auf. Somit durchdringt Licht den planaren Bereich 32 zumindest annährend geradlinig und wird nicht oder nur unwesentlich gebrochen.
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Der hier nur teilweise sichtbare lentikulare Bereich 31 des Vorsatzelements 3 weist eine alternierende Materialstärke auf. Der lentikulare Bereich 31 weist mehrere Erhebungen 35 auf, welche in Querrichtung Q nebeneinander angeordnet sind. Die Erhebungen 35 sind vorliegend halbkreisförmig ausgebildet. Die Erhebungen 35 können auch andere Ausgestaltungen aufweisen. Die Materialstärke des lentikularen Bereichs 31 ist also in der Querrichtung Q alternierend. In der Vorzugsrichtung V ist die Materialstärke des lentikularen Bereichs 31 konstant. Auf den lentikularen Bereich 31 auftreffendes Licht wird somit in Abhängigkeit von der Stelle des Auftreffens unterschiedlich stark gebrochen.
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4 zeigt ein durch das Vorsatzelement 3 gemäß der ersten Ausführungsform projiziertes Gesamtbild. Das Gesamtbild umfasst ein erstes Bild, welches von Licht erzeugt wird, das die lentikularen Bereiche 31 des Vorsatzelements 3 passiert. Das Gesamtbild umfasst auch ein zweites Bild, welches von Licht erzeugt wird, das die planaren Bereiche 32 des Vorsatzelements 3 passiert. Bei dem Sender 14, welcher das Gesamtbild erzeugt, handelt es sich vorliegend um ein Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug weist zwei Lichtquellen 1 auf, welche als Scheinwerfer ausgebildet sind. Die beiden Lichtquellen 1 sind als annähernd punktförmig anzusehen.
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Das von den Lichtquellen 1 ausgestrahlte Licht, welches rechtwinklig auf einen lentikularen Bereich 31 des Vorsatzelements 3 trifft, wird gebrochen und in Form eines Leuchtstreifens abgebildet. Die von den beiden Lichtquellen erzeugten Leuchtstreifen erstrecken sich dabei in Richtung der lentikularen Bereiche 31, also in die Querrichtung Q. Lentikulare Bereiche 31, auf welche kein Licht der Lichtquellen 1 rechtwinklig trifft, erzeugen Streifen mit deutlich geringerer Helligkeit, welche sich ebenfalls in die Querrichtung Q erstrecken. Das erste Bild weist somit zwei Leuchtstreifen und eine Mehrzahl von dunklen Streifen auf.
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Das von den übrigen Teilen des Senders 14 ausgestrahlte Licht, welches rechtwinklig auf einen planaren Bereich 32 des Vorsatzelements 3 trifft, durchdringt das Vorsatzelement 3 zumindest annährend geradlinig. Dadurch entsteht ein streifenförmiges zweites Bild. Das zweite Bild ist dabei ein scharfes optisches Bild. Das zweite Bild zeigt den Sender 14 zwar nur teilweise. Trotzdem ist der Sender 14, vorliegend ein Kraftfahrzeug, deutlich erkennbar.
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5 zeigt eine Draufsicht auf ein Vorsatzelement 3 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Das Vorsatzelement 3 weist genau einen lentikularen Bereich 31 und genau einen planaren Bereich 32 auf. Der lentikulare Bereich 31 und der planare Bereich 32 sind dabei jeweils rechteckförmig ausgebildet und weisen annähernd gleiche Flächen auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lichtquelle
- 3
- Vorsatzelement
- 4
- Bildsensor
- 5
- Signalelektronik
- 6
- Kamera
- 8
- Linse
- 10
- System
- 12
- Empfänger
- 14
- Sender
- 31
- lentikularer Bereich
- 32
- planarer Bereich
- 35
- Erhebung
- Q
- Querrichtung
- V
- Vorzugsrichtung