System und Verfahren zur drahtlosen Übertragung von Energie

Die Erfindung betrifft eine Energieübertragungseinheit und eine Energieempfangseinheit sowie ein Verfahren zur Übertragung von Energie.

Die drahtlose Übertragung von Energie wird heute zumeist durch Magnetfelder (Frequenzen von etwa 100 KHz bis in den 2-stelligen MHz-Bereich) oder durch Funkwellen (Frequenzen ab 100 MHz bis einige GHz) realisiert. Diese Technik ist weitgehend ausgereift und es gib viele kommerziell erhältliche Lösungen.

Daneben werden bereits einige Einrichtungen und Verfahren beschrieben, welche mittels optischer Strahlung im sichtbaren oder nahe des sichtbaren Bereiches Energie übertragen, wobei insbesondere kohärente Strahlung durch LASER - Quellen vorgeschlagen wird, die aufgrund der geringen Strahl divergenz hohe Entfernungen überbrücken kann.

Die bisherigen Lösungen haben jedoch etliche Nachteile. Zum einen umfassen sie gefährliche Level von Energie bzw. eine hohe Energiedichte pro Fläche. Das Übertragen von Energie mittels elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren oder nicht sichtbaren Spektrum erfordert aus Sicherheitsgründen für Menschen, Tiere und insbesondere zum Schutz der Augen, dass gesetzlich festgelegte Grenzwerte der maximalen Energiedichte pro Fläche nicht überschritte werden. Vorgeschlagene Lösungen arbeiten jedoch oft mit hohen Energien pro Flächeneinheit, insbesondere wenn phasenkohärente Strahlungsquellen (LASER) zum Einsatz kommen. Dies ist z.B. aus der Publikation “ Concepts for wireless energy transmission via laser, Leopold Summerer, Oisin Purcell, ESA - Advanced Concepts Team Keplerlaan 1, NL- 2201AZ Noordwijk, The Netherlands, Leopold.Summerer@esa.int, +31-71-565- 6227) ” bekannt. In dieser wissenschaftlichen Veröffentlichung werden die Grundlagen des Energietransports mittels Laser zwischen der Erde und dem erdnahen Orbit diskutiert.

Um Menschen und Tiere vor hohen Energiedichten zu schützen, wurden bisher verschiedene Verfahren vorgeschlagen. Diese Verfahren arbeiten zumeist mit verschiedenen Laserintensitäten, wobei zunächst mit kleinen Intensitäten gearbeitet wird, bis die Energieübertragung etabliert ist, und dann mittels Feedback vom Verbraucher permanent getestet wird, ob der Energiestrahl unterbrochen wurde. Dieses Kriterium wird dann zur schnellen Reduzierung der Leistung genutzt.

Es ist in diesen Fällen ein permanentes und aktives Feedback des Empfängers erforderlich, welches zum Beispiel auf einem Rück-Kanal mittels Funkübertragung erfolgt. Dies erfordert ebenfalls einen Energieaufwand, welcher von der zu übertragenden Energie aufgewendet werden muss.

Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Lösungen besteht in sehr kleinen Flächen, die eine hohe Positioniergenauigkeit erforderlich machen. Typischerweise wird hier mit LASER-Quellen gearbeitet, die sehr kleine Querschnitte des Energiestrahls aufweisen. Dies verursacht eine hohe erforderliche Positioniergenauigkeit der Energiequelle bei bewegten Verbrauchern, die entsprechend schwierig zu erreichen ist. Es ist also auch hier ein permanentes, aktives Feedback erforderlich, um Positionen zu verfolgen Auch dieser Vorgang erfordert Energie, die von der übertragenen Energie aufgebracht werden muss und damit dem eigentlichen Zweck der Versorgung eines Gerätes nicht zur Verfügung steht.

Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Lösungen besteht darin, dass ein Empfänger beim Start des Verfahrens immer eine Mindestenergie zur Verfügung haben muss, um der Vorgang der Energieübertragung überhaupt starten zu können. Bei leerem Energiespeicher eines Verbrauchers kann die Energieübertragung nicht gestartet werden.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Energieübertragungseinheit, eine Energieempfangseinheit sowie ein Verfahren zur Übertragung von Energie zu beschreiben, die die genannten Nachteile herkömmlicher Ansätze überwinden.

Diese Aufgabe wird zunächst durch eine Energieübertragungseinheit nach Patentanspruch 1 gelöst. Weitergehende Ausführungsformen und Implementierungen sind in den zugehörigen Unteransprüchen offenbart.

Die Energieübertragungseinheit weist eine Strahlungsquelle auf, die eingerichtet ist einen Energiestrahl zu erzeugen zum Übertragen von Energie von der Energieübertragungseinheit an eine Energieempfangseinheit.

In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieübertragungseinheit ist die Strahlungsquelle eingerichtet, phasenkohärentes Licht (Laser) im nicht sichtbaren oder sichtbaren Bereich abzustrahlen.

In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieübertragungseinheit weist diese eine Einheit zur Strahl- Formung auf, die eingerichtet ist den Energiestrahl der Strahlungsquelle, insbesondere mittels optischer Elemente, in einen geformten Energiestrahl umzuwandeln bzw. zu formen.

In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieübertragungseinheit weist diese einen mechanischen Aktor auf, der eingerichtet ist die Richtung des Energiestrahls bzw. des geformten Energiestrahls zu steuern.

In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieübertragungseinheit weist diese mehrere Strahlungsquellen und nicht-mechanische Steuerungsmittel auf, die eingerichtet sind die Richtung des Energiestrahls bzw. des geformten Energiestrahls durch Superposition der mehreren Strahlungsquellen zu steuern.

In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieübertragungseinheit weist diese nicht-mechanische Steuerungsmittel auf, die eingerichtet sind die Richtung des Energiestrahls bzw. des geformten Energiestrahls durch Steuerung bzw. Beeinflussung eines Brechungsindex in optischen Medien zu steuern. In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieübertragungseinheit weist diese einen Empfänger auf, der eingerichtet ist aus der Umgebung der Energieübertragungseinheit reflektierte Energiestrahl- Anteile zu empfangen und auszuwerten.

In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieübertragungseinheit ist der Empfänger als Demodulator ausgeführt oder weist einen Demodulator auf, der eingerichtet ist aus der Umgebung der Energieübertragungseinheit reflektierte und modulierte Energiestrahl- Anteile zu empfangen und zu demodulieren.

In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieübertragungseinheit weist diese eine Kamera auf, die eingerichtet ist Bilder bzw. Bildinformationen von der Umgebung der Energieübertragungseinheit aufzunehmen bzw. zu erfassen.

In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieübertragungseinheit weist diese implementierte Algorithmen einer Mustererkennung zum Auswerten von Bildern bzw. Bildinformationen auf, die mittels einer Kamera aufgenommen bzw. erfasst wurden.

In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieübertragungseinheit sind die Algorithmen der Mustererkennung in Form von einem oder mehreren ausführbaren Programmen bzw. Software innerhalb der Energieübertragungseinheit gespeichert.

In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen ist die Energieübertragungseinheit eingerichtet, die folgenden Maßnahmen durchzuführen:

- Erfassen wenigstens der folgenden Informationen durch die Kamera:

- Vorhandensein und Position von Markern bzw. Reflektoren einer Energieempfangseinheit,

- Position der Augen von Menschen und/oder Tieren,

- Prüfen des Vorhandenseins der Marker bzw. Reflektoren der Energieempfangseinheit und eines hinreichenden Sicherheitsabstands der Position eines Energiewandlers der Energieempfangseinheit von den Augen von Menschen und/oder Tieren als erforderliche Kriterien,

- sofern diese erforderlichen Kriterien erfüllt sind, Ausrichten der Strahlungsquelle der Energieübertragungseinheit auf eine detektierte Position der Energieempfangseinheit und Aktivieren der Strahlungsquelle, sodass ein Energiestrahl von der Strahlungsquelle erzeugt wird.

Die obige Aufgabe wird des Weiteren durch eine Energieempfangseinheit nach Patentanspruch 10 gelöst. Weitergehende Ausführungsformen und Implementierungen sind in den zugehörigen Unteransprüchen offenbart.

Die Energieempfangseinheit weist einen Energiewandler auf, der eingerichtet ist Energie eines Energiestrahls einer Energieübertragungseinheit zu empfangen und in elektrische Energie zu wandeln. Die Energieübertragungseinheit entspricht dabei beispielsweise einer Energieübertragungseinheit der oben erläuterten Art.

In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieempfangseinheit weist diese einen oder mehrere Reflektoren auf, die nahe bzw. in der Nähe des Energiewandler angeordnet sind und eingerichtet sind, den Energiestrahl der Energieübertragungseinheit zumindest teilweise zu reflektieren.

In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieempfangseinheit ist eine Mehrzahl von Reflektoren eingerichtet, die den Energiewandler, insbesondere kreisförmig, umgebend angeordnet sind.

In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieempfangseinheit sind der oder die Reflektoren derart eingerichtet, dass deren Reflexionsgrad elektrisch steuerbar bzw. modulierbar ist.

In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieempfangseinheit sind der oder die Reflektoren als steuerbare LCD-Elemente eingerichtet zum Steuern bzw. Modulieren von deren Reflexionsgrad.

In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieempfangseinheit weist diese ein Element auf, das eingerichtet ist, die Steuerung bzw. Modulation des Reflexionsgrads der Reflektoren durchzuführen.

In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen der Energieempfangseinheit weist diese einen oder mehrere optische Marker auf, die durch ihre mechanische Form, Farbe(n), Bedruckung mit Mustern und/oder digitalen Codes, Reflektoren (statisch oder modulierbar) und/oder durch den Einsatz von Lichtquellen (nicht sichtbares oder sichtbares Spektrum) ausgebildet sind zur Identifikation einer Lage, Orientierung und/oder Position der Energieempfangseinheit im Raum.

Die obige Aufgabe wird des Weiteren durch ein System nach Patentanspruch 15 gelöst. Das System umfasst eine Energieübertragungseinheit der oben erläuterten Art und eine Energieempfangseinheit der oben erläuterten Art. Die Energieübertragungseinheit und die Energieempfangseinheit sind derart räumlich zueinander ausgerichtet bzw. ausrichtbar, dass mittels eines von der Energieübertragungseinheit erzeugten Energiestrahls Energie von der Energieübertragungseinheit an die Energieempfangseinheit übertragbar ist. Die Energie kann von der Energieempfangseinheit empfangen und in elektrische Energie gewandelt werden.

Die obige Aufgabe wird des Weiteren durch ein Verfahren zur Energie-Übertragung nach Patentanspruch 16 gelöst. Weitergehende Ausführungsformen und Implementierungen sind in den zugehörigen Unteransprüchen offenbart. Das Verfahren ist zur Energie-Übertragung zwischen einer Energieübertragungseinheit und einer Energieempfangseinheit implementiert, die räumlich zueinander ausgerichtet sind bzw. ausrichtbar sind.

Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

- Erfassen wenigstens einer der folgenden Informationen, durch eine Kamera der Energieübertragungseinheit:

- Vorhandensein und Position von Markern bzw. Reflektoren der Energieempfangseinheit,

- Vorhandensein von Gegenständen, Menschen oder Tieren,

- Position der Augen von Menschen und/oder Tieren,

- Prüfen von definierten Kriterien anhand der erfassten Informationen, insbesondere des Vorhandenseins der Marker bzw. Reflektoren der Energieempfangseinheit und/oder eines hinreichenden Sicherheitsabstands der Position eines Energiewandlers der Energieempfangseinheit von den Augen von Menschen und/oder Tieren,

- sofern alle erforderlichen Kriterien erfüllt sind, Ausrichten einer Strahlungsquelle der Energieübertragungseinheit auf eine detektierte Position der Energieempfangseinheit und Aktivieren der Strahlungsquelle, sodass ein Energiestrahl von der Strahlungsquelle erzeugt wird,

- Empfangen von Energie des von der Strahlungsquelle erzeugten Energiestrahls durch die Energieempfangseinheit,

- Wandeln der empfangenen Energie in elektrische Energie mittels des Energiewandlers der Energieempfangseinheit.

In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen des Verfahrens wird ein Prüfen der definierten bzw. erforderlichen Kriterien fortgesetzt, solange nicht hinreichend viele Kriterien erfüllt sind.

In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen des Verfahrens wird ein Prüfen der definierten bzw. erforderlichen Kriterien periodisch in einem vorgegebenen Zeitintervall weitergeführt. Das Zeitintervall bzw. ein Zeitkriterium wird derart vorgegeben, dass a) sich die Positionen der Gegenstände, Menschen oder Tiere im Raum noch nicht wesentlich verändert haben, und/oder b) durch die Kürze der Zeit keine gefährliche Exposition, insbesondere der Augen, in den Energiestrahl stattfinden kann.

In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen des Verfahrens wird nach Aktivieren der Strahlungsquelle diese deaktiviert oder deren Leistung reduziert, falls ein Prüfen der definierten bzw. erforderlichen Kriterien ergibt, dass nicht mehr hinreichend viele Kriterien erfüllt sind.

In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen des Verfahrens wird der Energiestrahl mittels einer Einheit zur Strahl-Formung in einen geformten Energiestrahl umgewandelt bzw. geformt.

In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen des Verfahrens wird eine Richtung des Energiestrahls bzw. des geformten Energiestrahls mittels eines mechanischen Aktors und/oder mittels nicht mechanischer Steuerungsmittel gesteuert.

In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen des Verfahrens wird Energie des Energiestrahls von Reflektoren der Energieempfangseinheit reflektiert. Diese Reflexionen werden von einem Empfänger der Energieübertragungseinheit empfangen und ausgewertet.

In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen des Verfahrens modulieren die Reflektoren der Energieempfangseinheit die Reflexionen. Der Empfänger arbeitet als Demodulator und empfängt und demoduliert die modulierten Reflexionen.

In diversen alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen und/oder Weiterbildungen des Verfahrens wird eine Richtung des Energiestrahls bzw. des geformten Energiestrahls basierend auf den ausgewerteten Reflexionen fortlaufend nachgesteuert.

Die Erfindung löst die Aufgabe, elektronische Geräte drahtlos mit Energie zu versorgen, wobei insbesondere elektromagnetische Strahlung zur Übertragung der Energie zum Einsatz kommen soll. Zu den damit zu betreibenden Anwendungen zählen zum Beispiel mobile oder bewegliche Geräte wie tragbare Eingabegeräte, Controller, Mobiltelefone und Mobilcomputer, sowie Hörgeräte, Kleidung mit elektronischen Funktionen, ebenso Geräte wie Check-Karten, elektronische Labels, und Funksensoren, welche Parameter aus der Umgebung messen und per Funk übertragen. Ebenso sind Anwendungen jedoch auch fest installierte Geräte mit beweglichen oder unbeweglichen Teilen, wie elektronisch gesteuerte Türschlösser, Sensoren und Aktoren der Gebäudeautomatisierung, in Schienen- und Straßenfahrzeugen, in der Produktion oder in der in der Medizintechnik oder an baulichen Einrichtungen wie z.B. Gebäuden, Tunneln, Staudämmen, Brücken.

Im Unterschied zu Lösungen aus dem Stand der Technik bezieht sich die Erfindung auf die Übertragung von Energie bei deutlich höheren Frequenzen, konkret im optischen Wellenlängenbereich von etwa 100 nm bis 10 pm, welcher das sichtbare Spekrum sowie Bereiche darunter und darüber einschließt.

Nachfolgend sind einige Merkmale aufgezählt, die in diversen Implementierungen oder Weiterbildungen der Erfindung alternativ oder ergänzend, für sich genommen oder in Kombination mit andern Merkmalen bzw. Implementierungen herangezogen werden.

1. Verfahren zum Übertragen von Energie mittels gerichteter elektromagnetischer Strahlung, im Wesentlichen umfassend/bestehend aus einer Strahlungsquelle und einem Strahlungsempfänger, welcher die ausgesendete elektromagnetische Strahlung in elektrische Energie wandelt,

2. Einsatz von kohärenter Strahlung,

3. Einsatz von nicht kohärenter Strahlung,

4. Strahlformung zur Erreichung eines unkritischen Energiedichte pro Fläche durch Linsen oder Spiegel, 5. Ausrichtung des Energiestrahls durch bewegliche oder deformierbare Linsen oder Spiegel oder eine bewegliche Strahlungsquelle,

6. Einsatz eines Empfängers am Laser, der aus der Umgebung rückgestreute Strahlungsanteile empfangen und demodulieren kann,

7. Einsatz mindestens einer Kamera, die mit Bilderkennungsalgorithmen arbeitet (KI), welche ausgebildet sind, Personen und Tiere zu erkennen und die Position der Augen zu erkennen und zu verfolgen und weiterhin geeignet sind, optische Marker zu erkennen,

8. Einsatz von optischen Markern am Empfänger der Energie:

Farbmarkierungen, Leuchtdioden, Spezielle Formen oder eine Kombination daraus,

9. Einsatz einer photovoltaischen Zelle zum Wandeln der Strahlungsenergie in elektrische Energie,

10. Einsatz von Reflektoren am Empfänger der Energie, welche in ihrem Reflektionsgrad modulierbar sind, z.B. durch elektrisch ansteuerbare LCD Elemente gebildet,

11. Anordnung der modulierbaren Reflektoren um die photovoltaische Zelle herum,

12. Energieversorgung auch von mehreren oder Vielen Empfängern mit einer Quelle.

Sämtliche strukturellen Merkmale der oben erläuterten Energieübertragungseinheit bzw. Energieempfangseinheit oder des oben erläuterten Systems können Niederschlag finden in entsprechenden Verfahrensschritten oder Maßnahmen und umgekehrt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme von mehreren Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 ein Block-Diagramm eines Energie- Senders,

Figur 2 ein Block-Diagramm eines Energie-Empfängers,

Figur 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Energie-Übertragung und

Figur 4 eine schematisierte räumliche Anordnung am Beispiel eines

Spielecontrollers bzw. Spielesystems

Die Figuren 1 und 2 veranschaulichen wesentliche Komponenten in einem System zur drahtlosen Übertragung von Energie.

Figur 1 zeigt ein Block-Diagramm eines Energie- Senders (Energie-Transmitter) 1. Figur 1 zeigt dabei eine Senderseite der Energie-Übertragung. Eine Energiequelle 1.1 liefert die elektrische Betriebsenergie für alle Komponenten. Die Energiequelle 1.1 ist beispielsweis durch das lokale Stromnetz gebildet. Je nach Anwendungsfall werden alternativ oder ergänzend jedoch auch Batterien, Stromgeneratoren oder Umgebungsenergie, wie etwa Solarenergie oder Windenergie, als Energiequelle 1.1 eingesetzt. Wesentliches Element ist weiterhin eine Strahlungsquelle 1.4, welche vorzugsweise phasenkohärentes Licht (Laser) im nicht sichtbaren oder sichtbaren Bereich abstrahlt. Dabei kommen vorzugsweise Halbleiter-Laser oder andere, nichtkohärente Halbleiter-Lichtquellen zum Einsatz.

Mit der Strahlungsquelle/Lasereinrichtung 1.4 verbunden ist eine Einheit zur Strahl- Formung 1.5. Diese hat beispielsweise die Aufgabe/Funktion, die Energiedichte auf für das menschliche Auge ungefährliche Pegel herabzusetzen, indem der Energiestrahl 1.4.1 der Strahlungsquelle 1.4 mittels optischer Elemente 1.5.1, wie feste Linsen, deformierbare Linsen oder Spiegel oder eine Kombination dieser Komponenten, so zu einem geformten Strahl 1.5.2 geformt wird, dass die Energie, welche z.B. die Fläche der menschlichen Pupille treffen kann, für diese zumindest für kurze Zeiträume unschädlich ist. Eine Formung des Energiestrahls 1.4.1 in den geformten Strahl 1.5.2 mittels der Strahl-Formung 1.5 umfasst hier beispielsweise eine Strahl aufweitung, Verbreiterung oder Streuung. In alternativen Implementierungen umfasst die Formung des Energiestrahls 1.4.1 in den geformten Strahl 1.5.2 mittels der Strahl-Formung 1.5 beispielsweise eine Strahlverengung, Konzentration oder Bündelung.

Gleichzeitig wird, als zweite Bedingung, der Energiestrahl so geformt, dass dieser bei Auftreffen auf einen Energiewandler 2.1 des Empfängers 2 (siehe Figur 2) die bestmögliche Überdeckung aufweist. Dies ist nicht nur beim Einsatz kohärenter Strahlung, sondern auch bei nichtkohärenter Strahlung anwendbar und ein wesentliches Element der vorgestellten Lösung.

Teil einer (optional) implementierten Sicherheitsvorrichtung ist ein Schutz gehen Demontage der Lasereinrichtung 1.4 oder Zerstörung / Abmontieren der Strahlformung 1.5 bzw. 1.5.1. Dies wird beispielsweise durch Sensoren oder durch eine unterbrechende Stromzuleitungsführung erreicht, die bei Demontage den Laser 1.4 deaktivieren und damit den Austritt unzulässiger Leistungspegel 1.4.1 unterbinden.

Teil der Lasereinrichtung 1.4 ist in diesem Ausführungsbeispiel auch ein Empfänger/Demodulator 1.4.2 für Strahlung der gleichen Wellenlänge, der die aus der Umgebung reflektierten Anteile empfangen und demodulieren kann.

Ein weiteres Element ist ein mechanischer Aktor oder Motor 1.6, welcher die Richtung des Energiestrahls 1.4.1 bzw. 1.5.2 steuern kann. Dazu können z.B. Elektromotoren oder Piezomotoren eingesetzt werden, welche auf die Strahlungsquelle 1.4 oder die optischen Elemente 1.5 bzw. 1.5.1 oder auf beide wirken. Weiterhin können nichtmechanische Steuerungen des Energiestrahls zum Einsatz kommen, welche mit der Steuerung der Richtung durch Superposition mehrerer Strahlungsquellen oder mit der Steuerung des Brechungsindex in optischen Medien arbeiten.

Ein weiteres Element dieser Ausführungsform ist eine Kamera 1.7, die Bilder von der Umgebung aufnimmt. Die Umgebung kann optional mit einer Infrarot-Lichtquelle 1.9 beleuchtet werden, wenn das Umgebungslicht nicht ausreicht. Ein weiteres, optionales Element ist ein Funk- Sendeempfänger (Transceiver) 1.8, welcher Informationen absenden und empfangen kann. Insbesondere kommen in dieser beispielhaften Implementierung auch Algorithmen der Mustererkennung 1.3 zum Einsatz, um die Bilder auszuwerten, welche die Kamera 1.7, ggf. unter Verwendung der Infrarot-Lichtquelle 1.9, von der Umgebung aufnimmt. Die Algorithmen der Mustererkennung 1.3 sind beispielsweise in Form von ausführbaren Programmen bzw. Software gespeichert.

Ein weiteres wesentliches Element ist ein Mikrokontroller 1.2, der hier beispielhaft alle Aufgaben der Regelung und Steuerung der einzelnen Komponenten bzw. der Ausführung von Programmen oder Software durchführt und insbesondere Datenströme aus der Kamera 1.7, dem Funktransceiver 1.8 und den rückgestreuten Signalen des Lasers aus dem Demodulator 1.4.2 verarbeiten kann. Der Mikrokontroller ist beispielsweise auch eingerichtet, die Algorithmen der Mustererkennung 1.3 auszuführen.

Die Algorithmen der Mustererkennung 1.3 sind beispielsweise dafür ausgelegt, dass a) Menschliche Personen und Haustiere von der Umgebung unterschieden werden können und/oder b) Insbesondere die Position der Augen identifiziert werden kann und/oder c) Marker, die sich am Empfängergerät (siehe Figur 2) befinden, erkannt werden können.

Figur 2 zeigt wesentliche Elemente des Energie-Empfängers (Energie-Receiver) 2. So ist 2.1 ein Energiewandler, welche die empfangene Strahlung (den empfangenen Energiestrahl 1.4.1 bzw. 1.5.2) in elektrische Energie wandelt. Dafür können vorzugsweise photovoltaische Zellen zu Einsatz kommen, welche auf die Wellenlänge der Strahlung optimiert sind, z.B. GaAS Solarzellen, welche auf Wellenlängen von 850nm optimiert wurden.

In der Nähe des Energiewandlers 2.1 sind optional Reflektoren 2.3 angeordnet, deren Reflexionsgrad elektrisch gesteuert bzw. moduliert werden kann. Dies ist z.B. auf besonders energiesparende Weise durch LCD-Elemente möglich. Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist der Energiewandler 2.1 kreisförmig, wobei eine Mehrzahl von Reflektoren 2.3 den Energiewandler 2.1 kreisförmig umgebend angeordnet sind. In anderen Implementierungen sind alternative Anordnungen der Reflektoren 2.3 vorgesehen.

Ein weiteres Element sind optische Marker 2.2, die sich am Gerät 2 befinden und welche von der entfernten Kamera 1.7 des Energie-Senders 1 (siehe Figur 1 und obige Erläuterungen) leicht identifiziert werden können. Diese Marker 2.2 können durch ihre mechanische Form, Farben, Bedruckung mit Mustern und/oder digitalen Codes, Reflektoren (statisch oder modulierbar) und/oder durch den Einsatz von Lichtquellen (nicht sichtbares oder sichtbares Spektrum) ausgebildet sein.

Dem Energiewandler 2.1 zugeordnet ist eine elektronische Schaltung 2.4, welche das Ladungsmanagement eines Energiespeichers 2.5 übernimmt. Dieser Energiespeicher 2.5 bildet in dieser Ausführung die wesentliche Energiequelle für das mit dem Strahlungsempfänger/Energie-Empfänger 2 ausgestattete und zu betreibende Gerät, welches über die Sammlung von Energie weitere Funktionen aufweist. Weiterhin gibt es in der dargestellten Ausführungsform ein Element 2.7, welches die Steuerung der Modulation der Reflektoren 2.3 vomimmt, sobald Strahlung auf den Energiewandler 2.1 trifft. Das Element 2.7 ist in diesem Beispiel eine dedizierte elektronische Schaltung 2.7, was den Vorteil einer besonders geringen Stromaufnahme bietet und auch bei entleertem Energiespeicher 2.5 und ggf. ohne Einsatz eines Mikrokontrollers/Controller 2.6 funktioniert, sobald Energie auf der Solarzelle/dem Energiewandler 2.1 eintrifft. In alternativen Implementierungen wird diese Funktion des Elements 2.7 durch den Mikrokontroller 2.6 übernommen. Dabei kann das Element 2.7 entfallen.

Weiterhin weist der Energie-Empfänger 2 einen Funk-Sendeempfänger (Transceiver) 2.8 auf, welcher Daten mit dem Transceiver 1.8 des Energie- Senders 1 (siehe Figur 1 und obige Erläuterungen) austauschen kann.

Figur 3 zeigt in einem Ablaufdiagramm ein Verfahren zur Energie-Übertragung. Die wesentlichen aufgezeigten Schritte werden z.B. beim Betreiben eines Systems aus Energie- Sender 1 (siehe Figur 1) und Energie-Empfänger 2 (siehe Figur 2) der oben erläuterten Art typischerweise durchlaufen.

Bei Einschalten des Energie- Senders 1 wird zunächst die Kamera 1.7 aktiviert. Diese liefert Umgebungsbilder, die mit Hilfe der Bildverarbeitungs- Algorithmen 1.3 analysiert werden. Dabei werden insbesondere folgende Informationen gewonnen:

- Vorhandensein und Position der Marker 2.2 bzw. Reflektoren 2.3,

- Vorhandensein von Menschen oder Tieren,

- Position der Augen von Menschen oder Tieren.

Sodann wird ein Satz von Kriterien geprüft, die erfüllt sein müssen, bevor der Laser 1.4 aktiviert werden kann. Dazu zählen zumindest das Vorhandensein der Marker 2.2 und ein hinreichender Sicherheitsabstand der Position des Energiewandlers/der Solarzelle 2.1 des Energie-Empfängers 2 von den Augen von Menschen und Tieren.

Sind nicht hinreichend viele Kriterien erfüllt, wird die Prüfung der Kamerabilder fortgesetzt. Dabei können auch modifizierte Algorithmen 1.3 eingesetzt werden, welche es erlauben, einmal identifizierte Gegenstände bei Bewegung im Raum zu verfolgen.

Die Prüfung der Kriterien wird, unabhängig vom Ergebnis, periodisch weitergeführt, wobei ein Zeitkriterium garantiert, dass sich a) die Positionen der Gegenstände im Raum noch nicht wesentlich verändert haben können, und/oder b) durch die Kürze der Zeit keine gefährliche Exposition insbesondere der Augen stattfinden kann.

Sobald alle erforderlichen Kriterien erfüllt sind, wird der Laser 1.4 auf die durch die Marker 2.2 ermittelte Position gerichtet und aktiviert. Die modulierbaren Reflektoren 2.3, welche den Energiewandler 2.1 des Energie-Empfängers 2 umgeben, reflektieren den Energiestrahl 1.4.1 bzw. 1.5.2, sobald sie von diesem getroffen werden. Diese Reflexionen werden vom Empfänger der reflektierten Anteile, z.B. insbesondere Komponente 1.4.2, welcher baulich in der Nähe des Transmitters (Laser 1.4) und der Kamera 1.7 angeordnet ist, empfangen und ausgewertet. Damit kann jetzt auf die präzise Überdeckung des Energie Strahls 1.4.1 bzw. 1.5.2 mit dem Energiewandler 2.1 geschlossen werden. Diese Information wird für das fortlaufende Nachsteuern der Richtung des Energiestrahls 1.4.1 bzw. 1.5.2 durch die Strahlsteuerung des Transmitters (Laser 1.4) verwendet. Die Strahlsteuerung erfolgt z.B. über die Komponente 1.6 und/oder die Komponente 1.5.

Sollten, durch eine etwaige Ungenauigkeit der Methode der optischen Marker 2.2 bzw. Reflektoren 2.3, keine reflektierten Anteile mit der entsprechenden Modulation eintreffen, kann das nähere Umfeld der berechneten Position des Energiewandlers 2.1 mit dem Energiestrahl 1.4.1 bzw. 1.5.2 abgetastet werden, bis sich entsprechende Modulationen zeigen und die genaue Position angeben.

Nachfolgend wird der Einsatz in verschiedenen Anwendungen beschrieben.

I. Anwendungsbeispiel Spielekontroller:

Figur 4 verdeutlicht ein Anwendungsbeispiel der oben erläuterten Komponenten, Systeme und Verfahren anhand eines Spielekontrollers. Figur 4 verdeutlicht die generelle räumliche Anordnung der Komponenten am Anwendungsbeispiel der Energieübertragung für einen Spiele-Controller 3.4, welcher eine Spielekonsole 3.5 kontrolliert, deren Bilder auf einem Bildschirm 3.3 angezeigt werden.

Dabei sind wesentliche Teile des Energie- Sender s/der Energie-Sendeeinrichtung 1 hier beispielhaft in der Nähe des Bildschirms 3.3 untergebracht, können jedoch generell auch in andere Geräte integriert werden, wie die Spielekonsole 3.5 oder den Bildschirm 3.3.

Die Energie-Sendeeinrichtung 1 weist in diesem Beispiel die in Figur 1 näher bezeichneten und oben erläuterten Funktionsblöcke, hier in Figur 4 sichtbar die Kamera (siehe 1.7 in Figur 1) und Strahlenquelle (siehe 1.4/1.5 in Figur 1), welche den (geformten) Energiestrahl 1.4.1 bzw. 1.5.1 aussendet und ausrichtet. Dabei wird mit dem beschriebenen Verfahren die Position von Menschen 3.1, Haustieren 3.2 und insbesondere von deren Augen erkannt und berücksichtigt. Die Position der Augen ist deswegen wichtig, weil prinzipiell auch ein Energiestrahl 1.4.1 bzw. 1.5.1 ungefährlicher Leistungsdichte durch optische Hilfsmittel wie Linsen, Spiegel, Fernrohre, etc. auf hohe Flächenleistungen gebündelt werden kann. Selbst bei verdeckten Augen, wenn beispielsweise eine Person mit dem Fernglas in die Strahlungsquelle blicken würde, ist deren Position in Relation zum Körper mit den obigen Maßnahmen und Merkmalen erkennbar bzw. bekannt und eine Aussendung von Energie kann von der Energie-Sendeeinrichtung 1 unterbunden werden.

Der Spielecontroller 3.5 ist in diesem Beispiel das Energieempfangende Gerät 2. Es verfügt über an der Außenseite angebrachte Marker 2.2, welche durch ihren besonders hohen Kontrast leicht und mit hoher Genauigkeit von den Bilderkennungs- Algorithmen 1.3 des Energie- Senders 1 erkannt werden können. Dies erlaubt eine schnelle und präzise Lokalisierung des Spielecontrollers 3.5 in der Ebene/im Raum. Weiterhin ist beispielsweise durch Auswertung der Laufzeit kurzer Lichtimpulse oder durch die Verwendung anders/variabel modulierten Lichtes, eine Bestimmung der Entfernung der Marker 2.2 zur Kamera 1 (siehe 1.7 in Figur 1) möglich.

Wie beschrieben, kann nach Erkennung der Personen 3.1 und Haustiere 3.2 und deren Augen und der Prüfung einer Liste von Sicherheitskriterien der Energietransfer gestartet werden, wobei der Energiestrahl 1.4.1 bzw. 1.5.2 die photovoltaische Zelle/den Energiewandler 2.1 trifft und die genaue Ausrichtung des Energiestrahls

I.4.1 bzw. 1.5.2 durch die Auswertung der durch die Reflektoren 2.3 (siehe Figur 2 und obige Erläuterungen) modulierten Anteile des Energiestrahls 1.4.1 bzw. 1.5.2 nachgesteuert werden kann. Diese Auswertung ist, verglichen mit der Auswertung der Position durch die Kamera 1 (siehe 1.7 in Figur 1), deutlich schneller und erlaubt auch raschen Bewegungen des Controllers 3.4 zu folgen, ohne dass die Energieversorgung unterbrochen wird.

II. Anwendungsbeispiel Energieversorgung von Funksensoren und Aktoren:

Nachfolgend werden weitere Anwendungsbeispiele der oben erläuterten Komponenten, Systeme und Verfahren erläutert.

Funksensoren und Funkaktoren, die ihre Daten oder Aktionsbefehle per Funk übertragen, werden heute bereits vielfältig eingesetzt. Dabei ist die Energieversorgung ein kritischer Punkt, insbesondere wenn Batteriewechsel kostspielig sind (erschwerter Zugang) bzw. keine Umgebungsenergie zur Verfügung steht (insbesondere nur unzureichendes Licht).

Beispiele sind:

- Funksensoren in Tunneln, welche Strukturparameter, Temperatur, Feuchte, Luftqualität messen, den Verkehr überwachen;

- Funksensoren auf bewegten oder rotierenden Maschinenteilen, welche z.B. Kräfte, Drehmoment, Abstand, Temperaturen messen;

- Funksensoren, welche in der Fertigungslogistik oder Lagerhaltung den Füllstand von Gütern überwachen und berichten, z.B., indem Träger für Waren auf Fließbändern oder in Hochregal-Lagern verfolgt werden;

- Funksensoren, welche an Fahrzeugen wie Autos oder Schienenfahrzeugen montiert sind, und die von stationär montierten Energiesendern mit Energie versorgt werden, und dann während der Vorbeifahrt Daten über Identität und Zustand der Transportfahrzeuge auslesbar machen;

- Sensoren an Flugzeugen, welche z.B. sicherheitsrelevante Messwerte aus den inneren Tragflächen gewinnen helfen und dabei Kabel/Gewicht sparen.

- Funksensoren / Funkaktoren, welche Zugangsinformationen verarbeiten und/oder Zugangssysteme verriegeln/entriegeln. Hier sind zum Beispiel Funk- Sensoren in Türen gemeint, welche zum einen den Zustand der Tür (Offen, geschlossen, verriegelt) berichten, die darüber hinaus aber auch per Funk angewiesen werden können, mittels elektromechanischer Aktoren eine Tür zu verriegeln oder zu entriegeln.

III. Anwendungsbeispiel Energieversorgung von Mobilgeräten:

Nachfolgend werden weitere Anwendungsbeispiele der oben erläuterten Komponenten, Systeme und Verfahren erläutert. Mobiltelefone, Mobilcomputer und ähnliche Geräte können mit den oben beschriebenen Komponenten, Systemen und Verfahren geladen werden, ohne dass Kabel angesteckt werden müssen und/oder ohne dass eine genaue Positionierung auf z.B. Ladematten oder Ladedocks erforderlich wäre. Der Energie- Sender 1 kann dazu z.B. zentral in Räumen an der Decke angebracht werden.

IV. Anwendungsbeispiel Energieversorgung von tragbaren Geräten (Wearables):

Nachfolgend werden weitere Anwendungsbeispiele der oben erläuterten Komponenten, Systeme und Verfahren erläutert.

Tragbare Geräte (Wearables) wie Fitness-Tracker, Medizingeräte, Smartwatches, Hörgeräte, elektronische Brillen mit Videofunktion, Virtual Reality Brillen, oder Elektronik, die mit der Kleidung verbunden ist, können mit den oben beschriebenen Komponenten, Systemen und Verfahren mit Energie versorgt werden. Dies ist besonders sinnvoll möglich, wenn eine Infrastruktur an Energie- Sendern 1 an den Orten installiert ist, an denen diese Verwendung notwendig oder besonders wahrscheinlich ist.

Die dargestellten Ausführungsformen sind lediglich beispielhaft gewählt.