**WARNUNG** Anfang DESC Feld konnte Ende CLMS uberlappen **.
PATENTANSPRÜCHE
1. Endstück für eine Faseroptik, gekennzeichnet durch einen Hohlspiegel (11) und einen Wölbspiegel (18), deren Spiegelflächen einander zugewandt sind und deren optische Achsen (19) praktisch ineinander liegen, wobei der Hohlspiegel einen grösseren Querschnitt als der Wölbspiegel und im Zentrum ein zum Zusammenwirken mit der Faseroptik (14) vorgesehenes optisch transparentes Fenster (13) aufweist.
2. Endstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wölbspiegel (18) ein Konvexspiegel ist.
3. Endstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch transparente Fenster (13) eine zum Einführen der Faseroptik (14) in den Raum zwischen dem Hohlund dem Wölbspiegel (11 bzw. 18) geeignete Öffnung ist.
4. Endstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlspiegel (11) eine kugelförmige, parabolische oder hyperbolische Fläche aufweist und der Krümmungsmittelpunkt des Wölbspiegels (18) im Bereich des Brennpunkts des Hohlspiegels angeordnet ist.
5. Endstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer einteiligen Ausführungsform der Hohlspiegel von einer aussen versiegelten konvexen Fläche (53) eines optisch transparenten Körpers (51) gebildet und der Wölbspiegel (57) an oder in die gegenüberliegende, ausserhalb des Bereichs des Wölbspiegels transparente Fläche (54) dieses Körpers an- oder eingeformt ist.
6. Endstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch transparente Fenster (56) eine Planfläche ist.
7. Endstück nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Fläche (63) ausserhalb des Bereichs des Wölbspiegels (68) zur Bildung einer Sammellinse konvex gekrümmt ist.
8. Endstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einleiten von Licht aus mehreren Faseroptiken oder Lichtquellen bzw. Ausleiten von Licht auf mehrere Faseroptiken oder Lichtsensoren dem Hohlspiegel (92) gegen überliegend und im Bereich zwischen dem Umfang des Wölbspiegels (93) und dem des Hohlspiegels mehrere Faser optiken (96, 97) angeordnet sind.
9. Endstück nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Faseroptiken (96, 97) in Führungskanälen (98, 99) stecken, deren dem Hohlspiegel zugewandter Endbereich parallel zur optischen Achse (101) des Hohlspiegels verläuft und in Richtung zum Hohlspiegel trompetenförmig erweitert ist.
10. Endstück nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Hohlspiegel (79) gegenüberliegend und im Bereich zwischen dem Umfang des Wölbspiegels (80) und dem des Hohlspiegels zum Zusammenwirken mit zugeordneten Lichtquellen (83', 84', 85', 86') oder Lichtsensoren geeignete Sammellinsen (83, 84, 85, 86) angeordnet sind.
11..Endstück nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Hohlspiegel (69) gegenüberliegend und im Bereich zwischen dem Umfang des Wölbspiegels (71) und dem des Hohlspiegels zum Zusammenwirken mit zugeordneten Lichtquellen (73', 74', 75', 76', 77', 78') oder Lichtsensoren geeignete, den Lichtweg abwinkelnde Prismen (73, 74, 75, 76, 77, 78) angeordnet sind.
12. Verwendung von zwei Endstücken gemäss dem Anspruch 1, deren Hohlspiegel (45, 47) einander zugewandt sind als optische Kopplung zwischen zwei Faseroptiken (38, 39).
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Endstück für eine Faseroptik, das insbesondere zum Einleiten von Licht in die Faseroptik und zur optischen Kopplung zweier oder mehrerer Faseroptiken vorgesehen ist.
Es ist bekannt, mittels Fasern aus einem flexiblen, optisch leitenden Material und wenigen Hundertstel Millimetern Durchmesser Licht von einem Ort an einen anderen zu übertragen, wobei sich das Licht innerhalb einer Faser durch Totalreflexion an deren Wänden längs flacher Zick-Zackbahnen fortpflanzt. Dabei ist durch den Grenzwinkel der Totalreflexion ein maximaler Eintrittswinkel (der sogenannte Aperturwinkel) vorgegeben, unter dem ein Lichtbündel in die senkrecht zur Längsachse der Faser angeordnete Ein trittsfläche einfallen muss, damit Totalreflexion an den Faserwänden erfolgen kann.
Technische Anwendungen finden derartige Fasern beispielsweise zur Signalübertragung wofür Einzelfasern oder ungeordnete Faserbündel verwendet werden können, oder zur Bildübertragung mittels geordneter Faserbündel, bei denen die Anordnung der Eintritts- und Austrittsenden der einzelnen Fasern auf den Eintritts- und Austrittsflächen der Faserbündel in hohem Masse kongruent ist.
Es sind bereits zahlreiche Einrichtungen bekannt, mit denen Lichtbündel, die einen grösseren Durchmesser als eine Faser oder ein Faserbündel aufweisen, wo deren Öffnungswinkel grösser als der zulässige Aperturwinkel ist, derart aboder umgelenkt werden, dass der grösste Teil der Lichtenergie in die Faser oder das -Bündel eingeleitet werden können.
Beispielsweise ist aus der CH-PS 608 624 ein Endstück für einen Faserlichtleiter bekannt, das eine Halteeinrichtung für den Lichtleiter aufweist, in der dieser durch konischen Anschlag zentriert wird. Vom Ende des Faserlichtleiters weg führt ein im Längsschnitt kegelförmiger oder parabolischer Hohlraum, der mit einem hochbrechenden Material gefüllt ist. Die Halteeinrichtung selbst weist einen relativ niedrigen Brechungsindex auf so dass Licht, welches unter ausreichend flachem Winkel auf die Wandfläche des Hohlraums trifft, totalreflektiert wird und nach einer oder mehreren Totalreflektionen in den Faserlichtleiter gelangt.
Mit dieser Einrichtung kann ein Lichtbündel, dessen Querschnitt grösser als der des Faserlichtleiters ist, in diesen hineingelenkt werden, der Aperturwinkel wird damit jedoch nicht verändert.
Weiter ist in der CH-PS 622 355 eine Möglichkeit beschrieben, wie der Öffnungswinkel eines Lichtbündels an den Aperturwinkel eines Faserlichtleiters angepasst werden kann. Durch Vorsetzen einer Sammellinse vor den Faserlichtleiter wird ein divergierendes Lichtbündel so umgelenkt, dass die Divergenz kleiner wird als der Aperturwinkel.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass im wesentlichen nur das Licht dem Faserlichtleiter zugeführt werden kann, welches auch ohne die Sammellinse auf die Eintrittsfläche des Faserlichtleiters fällt.
Auch zur Verbindung zweier Faserlichtleiter wurden bereits zahlreiche Vorschläge gemacht, wobei das Ziel vorgegeben ist, möglichst viel von dem Licht, welches aus einem Faserlichtleiter austritt, in einen anderen hinein zu lenken.
In der CH-PS 600 357 ist eine dazu geeignete Einrichtung beschrieben, welche hauptsächlich das genau fluchtende Anordnen zweier sich gegenüberliegende Lichtleiterenden gewährleisten soll. Die exakte Justierung wird dabei durch kegelförmige Anschläge von Lichtleiterendstücken in einer Halterung ermöglicht. Durch eine geringe Ungenauigkeit der Bauteile, eine Beschädigung oder Verschmutzung von deren Oberfläche kann jedoch bereits eine relativ starke Dezentrierung zwischen den Lichtleitern auftreten, der zufolge ein grosser Teil des Lichtbündels nicht mehr von einem Faserlichtleiter zum anderen übertragen wird.
Schliesslich ist in der CH-PS 623 418 eine Verbindungseinrichtung für zwei Faserlichtleiter beschrieben, bei der die
Enden dieser Lichtleiter in vorgefertigte und zulaufende Bohrungen eingeführt werden. Die Räume zwischen den Rundungen und den Aus- bzw. Austrittsflächen der Faserlichtleiter sind mit einem Material mit hohem Brechungsindex gefüllt, was als Sammellinse wirkt und das von einem Lichtleiter austretende divergente Lichtbündel praktisch parallel richtet, worauf es auf die andere Sammellinse trifft und von dieser in den anderen Lichtleiter eingeleitet wird.
Diese Einrichtung hat gegenüber derjenigen aus der oben diskutierten CH-PS 600 357 den Vorteil, dass der stärker divergierende Lichtanteil nicht verloren ist, doch ist der Nachteil einer toleranzbedingten Dezentrierung und des damit verbundenen Lichtverlusts auch hier nicht behoben.
Der vorliegenden Erfindung liegt darum die Aufgabe zugrunde, ein Endstück für eine Faseroptik zu schaffen, welches die Einleitung eines Lichtbündels mit relativ grossem Durchmesser und grossem Öffnungswinkel in einer Faseroptik mit kleinem Durchmesser und kleinem Aperturwinkel und umgekehrt das Aufweiten eines aus einem Faserwinkel austretenden Lichtbündels auf einen grossen Durchmesser ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit einem Endstück der eingangs genannten Art gelöst, das gekennzeichnet ist, durch einen Hohlspiegel und einen Wölbspiegel, deren Spiegelflächen einander zugewandt sind und deren optische Achsen praktisch ineinander liegen, wobei der Hohlspiegel einen grösseren Querschnitt als der Wölbspiegel und im Zentrum ein zum Zusammenwirken mit der Faseroptik vorgesehenes optisch transparentes Fenster aufweist.
Das erfindungsgemässe Endstück ermöglicht ein Lichtbündel mit relativ grossem Querschnitt und einem grossen Öffnungswinkel in ein Lichtbündel mit kleinem Querschnitt und kleinem Öffnungswinkel zu wandeln, welches letztere praktisch mit nur minimalen Verlusten in eine Faseroptik eingeleitet werden kann.
Eine bevorzugte Verwendung eines erfindungsgemässen Endstücks ist die Bildung einer optischen Kopplung zwischen zwei Lichtoptiken durch Aneinanderlegen zweier Endstücke mit einander zugewandten Hohlspiegeln. Diese Art der optischen Kopplung weist auch bei einer Verschiebung der Endstücke senkrecht zur optischen Achse bei der mit den bisherigen Kopplungseinrichtungen die Übertragung des Lichts unterbrochen würde, nur eine geringe Schwächung der übertragenen Lichtenergie auf.
Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist das Endstück einteilig ausgebildet, wobei der Hohlspiegel von einer aussen verspiegelten konkaven Fläche eines optisch transparenten Körpers bildet, und der Wölbspiegel an oder in die gegenüberliegende ausserhalb des Bereichs des Wölbspiegels transparente Fläche dieses Körpers an- oder eingeformt ist.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Endstücks sind zum Einleiten von Licht aus mehreren Faseroptiken oder Lichtquellen bzw. Ausleiten von Licht auf mehrere Faseroptiken oder Lichtsensoren dem Hohlspiegel gegenüberliegend und im Bereich zwischen dem Umfang des Wölbspiegels und dem des Hohlspiegels mehrere Faseroptiken angeordnet. Vorteilhafterweise stecken diese Faseroptiken in Führungskanälen, deren dem Hohlspiegel zugewandter Endbereich parallel zur optischen Achse des Hohlspiegels verläuft und in Richtung zum Hohlspiegel trompetenförmig erweitert ist.
Bei anderen fürden gleichen Zweck vorgesehenen Endstücken sind dem Hohlspiegel gegenüberliegend im Bereich zwischen dem Umfang des Wölbspiegels und dem des Hohlspiegels zum Zusammenwirken mit zugeordneten Lichtquellen oder Lichtsensoren oder weiteren Faseroptiken geeignete Sammellinsen oder den Lichtweg abwinkelnde Prismen angeordnet.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Endstücks mit Hilfe der Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste mehrteilige Ausführungsform des Endstücks im Längsschnitt,
Fig. 2 eine zweite mehrteilige Ausführungsform des Endstücks im Längsschnitt,
Fig. 3 eine aus zwei aneinanderliegenden Endstücken gebildete optische Kopplung zwischen zwei Faseroptiken im Längsschnitt,
Fig. 4 eine erste einteilige Ausführungsform des Endstücks,
Fig. 5 eine zweite einteilige Ausführungsform des Endstücks,
Fig. 6a und Fig. 6b eine erste Ausführungsform des Endstücks, die zum optischen Koppeln einer Faseroptik mit mehreren Lichtquellen geeignet ist im Längsschnitt und in der Draufsicht,
Fig. 7 eine zweite Ausführungsform des Endstücks, die ebenfalls zum optischen Koppeln einer Faseroptik mit mehreren Lichtquellen geeignet ist im Längsschnitt und
Fig.
8 eine Ausführungsform des Endstücks, die zum optischen Koppeln einer Faseroptik mit mehreren anderen Faseroptiken geeignet ist.
Obwohl in den Figuren nur aus einer einzigen Faser bestehende Faseroptik gezeigt ist, kann das Endstück ebensogut für Faserbündel verwendet werden. Weiter sind der verständlicheren Darstellung wegen die relativen Abmessungen der einzelnen Teile und die Krümmungsradien der Spiegel und Linsen nicht massstäblich gezeichnet. Es versteht sich auch, dass die gezeichneten im folgenden beschriebenen Lichtwege auch in umgekehrter Richtung durchlaufen werden können.
Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform des Endstücks enthält einen Träger 10, vorzugsweise ein rotationssymetrisches Glasstück, dessen eine Oberfläche eine kugelschalenförmige Ausnehmung 11 aufweist, die mit einem reflektierenden Material 12 beschichtet ist und einen Konkav- oder Hohlspiegel bildet. Der Träger weist in der Mitte des Hohlspiegels eine in der optischen Achse verlaufende und ein Fenster bildende Bohrung 13 auf in die das Ende einer Faseroptik 14 eingeführt und mit einem geeigneten Kunstharz dauerhaft befestigt ist. Am äusseren Rand des Hohlspiegels ist auf den Träger ein zylindrisches Abstandstück 16 aufgesetzt, das eine planparallele optisch transparente Abschlussplatte 17 trägt. In der Mitte der Abschlussplatte und auf deren dem Hohlspiegel zugewandten Fläche ist ein konvexer Wölbspiegel 18 befestigt.
Die gegenseitige Anordnung des Hohlspiegels, des Wölbspiegels und des Endes der Faseroptik ist so gewählt, dass deren optischen Achsen 19 praktisch ineinander liegen, und die Krümmungsradien des Hohl- und des Wölbspiegels sowie der Abstand zwischen dem Wölbspiegel und der Endfläche der Faseroptik sind derart gewählt, dass ein senkrecht auf die Platte 10 auftreffendes praktisch paralleles Lichtbündel mit einem kleinen Konvergenzwinkel und kleinem Durchmesser auf die Endfläche der Faseroptik auftrifft, wie es für die Lichtwege 21, 22 beispielsweise gezeigt ist.
Dass der Lichtweg auch in umgekehrter Richtung verlaufen kann, d.h. ein aus der Faseroptik 14 austretendes Lichtbündel mit kleinem Durchmesser und kleinem Aperturwinkel durch die Abschlussplatte 17 als praktisch paralleles Lichtbündel mit grossem Durchmesser austritt, wurde bereits oben erwähnt.
Die Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform des Endstücks, wobei der wesentliche Unterschied gegenüber der Ausführungsform gemäss der Fig. 1 darin besteht, dass der konvexe Wölbspiegel 26 nicht auf einer planparallelen Abschlussplatte, sondern auf der Planfläche 27 einer plankonvexen Sammellinse 28 befestigt ist. Im Brennpunkt der plankonvexen Sammellinse ist eine Lichtquelle 29 angeordnet, was ermöglicht, einen relativ grossen Teil des Lichtstroms dieser Lichtquelle als praktisch paralleles Lichtbündel auf den Hohlspiegel 31 zu leiten. Der Lichtweg vom Hohlspiegel über den Wölbspiegel 26 auf die Endfläche der Faseroptik 32 entspricht dann dem für die Ausführungsform gemäss der Fig. 1 beschriebenen Lichtweg.
Mit der in der Fig. 2 in den Raum zwischen dem Hohlund dem Wölbspiegel vorstehenden Endfläche der Faseroptik 32 soll angedeutet werden, dass es für eine optimale optische Kopplung vorteilhaft sein kann, wenn die Endfläche der Faseroptik nicht in der vom Hohlspiegel bestimmten Fläche liegt.
Es versteht sich, dass bei den Ausführungsformen gemäss den Fig. 1 und 2 der Raum zwischen dem Hohlspiegel und der Abschlussplatte bzw. der Linse mit einem optisch transparenten Material gefüllt sein kann. Der Brechungsindex dieses Materials wird vorteilhafterweise so gewählt, dass schräg einfallendes Licht in eine Richtung parallel zur optischen Achse des Endstücks abgelenkt und damit die Wirkung des Endstücks verbessert wird. An Stelle der in Fig. 2 gezeigten plankonvexen Linse können auch mehrere planparallele Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex verwendet werden, die das Licht in ähnlicher Weise wie die Linse beeinflussen.
In Fig. 3 sind zwei Endstücke 36, 37 gezeigt, von denen jedes der Ausführungsform gemäss der Fig. 1 entspricht. Die Endstücke sind zur Bildung einer optischen Kopplung zwischen den beiden Faseroptiken 38, 39 mit ihren Abschlussplatten 41, 42 aneinander gelegt. Zur mechanischen Befestigung der Endstücke aneinander ist ein Gewindering 43 vorgesehen, in den die Endstücke eingeschraubt sind.
Bei dieser optischen Kopplung wird das aus der Faseroptik 38 austretende Lichtbündel durch das Zusammenwirken des Wölb- und des Hohlspiegels 44 bzw. 45 aufgeweitet, dann aus dem Endstück 36 in das Endstück 37 weitergeleitet, durch das Zusammenwirken des Hohl- und des Wölbspiegels 47 bzw. 48 wieder eingeengt und in die Faseroptik 39 eingeleitet, wie es am Beispiel des Lichtwegs 49, 49' gezeigt ist. Weil das Weiterleiten des Lichtbündels vom einen Endstück in das andere bei aufgeweitetem Lichtbündel erfolgt, bewirkt eine ungenaue Ausrichtung der Endstücke nur eine geringe Schwächung der gesamthaft übertragenen Lichtmengen. Wenn beispielsweise zwei Faseroptiken mit einem Durchmesser von 0,08 mm mit ihren Endflächen direkt aneinander gelegt werden, dann bewirkt eine Verschiebung der Ebene der Endflächen um den Durchmesser der Faseroptiken den Unterbruch der Lichtleitung.
Bei einer optischen Kopplung gemäss der Fig. 3 und Verwendung von Endstücken, deren Hohlspiegel einen Durchmesser von 12 mm haben, bewirkt die gleiche Verschiebung eine Schwächung der Lichtleitung um nur wenige Prozent.
In Fig. 4 ist eine besonders einfache, einstückige Ausführungsform des Endstücks gezeigt. Dieses besteht aus einem transparenten Körper 51 mit einer zylindrischen Mantelfläche 52, einer konvexen Bodenfläche 53 und einer planen Deckfläche 54. Die konvexe Bodenfläche weist in ihrer Mitte ein parallel zur Deckfläche angeordnetes ebenes Fenster 56 auf und die Deckfläche enthält in der Mitte eine kalottenförmige Ausnehmung 57. Die Aussenflächen der konvexen Bodenfläche (ausgenommen im Bereich des Fensters 56) und die kalottenförmige Ausnehmung in der Deckfläche sind mit einem spiegelnden Belag 58 bzw. 59 versehen und bilden einen Hohl- bzw. Wölbspiegel, die eine gemeinsame optische Achse 60 aufweisen.
Für diese Ausführungsform des Endstücks wird vorzugsweise eine (in Fig. 4 mit gestrichelten Linien gezeichnete) Halterung 61 verwendet, die zugleich als Führung und zum Befestigen für die Faseroptik 62 benutzt werden kann. Es ist natürlich auch möglich, die Faseroptik direkt am Fenster des Hohlspiegels anzuordnen.
Fig. 5 zeigt eine Variante der einstückigen Ausführungsform gemäss der Fig. 4. Bei diesem Endstück ist die Deckfläche 63 konvex gewölbt und wirkt als Sammellinse. In der Mitte dieser Sammellinse ist eine den Wölbspiegel 68 bildende kugelschalenförmige Ausnehmung angeordnet. Das Ende der Faseroptik ist in das als Bohrung 66 ausgebildete Fenster im Hohlspiegel 67 eingeführt und darin befestigt. Die Wirkungsweise dieses Endstücks entspricht der des Endstücks gemäss der Fig. 2.
In den Fig. 6a und 6b ist eine weitere Ausführungsform des Endstücks im Längsschnitt und in der Draufsicht gezeigt. Dieses Endstück ist als optische Kopplung zwischen einer Faseroptik und mehreren Faseroptiken und/oder Lichtquellen und/oder Lichtsensoren ausgebildet. Das einstückige Endstück entspricht praktisch der Ausführungsform gemäss der Fig. 4. Zusätzlich sind bei diesem Endstück auf der dem Hohlspiegel 69 gegenüberliegenden planen Deckfläche 70 im Bereich zwischen dem Wölbspiegel 71 und dem Aussenumfang 72 sechs symmetrisch angeordnete Prismen 73, 74, 75, 76, 77, 78 vorgesehen, von denen jedes mit einer zugeordneten Lichtquelle 73', 74', 75', 76', 77' und 78' zusammenwirkt.
Diese Ausführungsform ermöglicht wahlweise Licht unterschiedlicher Farbe und/oder unterschiedlicher Frequenz gleichzeitig oder auch unabhängig voneinander in die Faseroptik 79 einzuleiten. Es versteht sich, dass den Prismen anstelle der gezeigten Lichtquellen auch Lichtsensoren oder weitere Faseroptiken zugeordnet werden können.
Fig. 7 zeigt eine Variante der optischen Kopplung zwischen einer Faseroptik und mehreren Faseroptiken und/oder Lichtquellen und/oder -sensoren. Bei dieser Variante sind auf der dem Hohlspiegel 79 gegenüberliegenden planen Deckfläche 82 im Bereich zwischen dem Wölbspiegel 80 und dem Aussenumfang 81 der Deckfläche sechs plankonvexe Linsen (von denen in der Fig. nur die Linsen 83, 84, 85, 86 zu sehen sind) befestigt, in deren Brennpunkt je eine zugeordnete Lichtquelle 83', 84', 85' und 86' angeordnet ist. Auch bei dieser Variante können die gezeigten Lichtquellen durch Lichtsensoren und/oder Faseroptiken ersetzt werden.
Fig. 8 zeigt noch eine weitere Variante einer optischen Kopplung zwischen einer Faseroptik 90, deren Ende im Fenster 91 des Hohlspiegels 92 angeordnet ist und mehreren im Bereich zwischen dem Wölbspiegel 93 und dem Aussenumfang der planen Deckfläche 94 wirksamen Faseroptiken 96, 97. Die letzteren Faseroptiken sind in den Bohrungen 98 bzw. 99 einer Halteplatte 100 befestigt, welche Bohrungen parallel zur optischen Achse 101 der beiden Spiegel verlaufen und in Richtung auf den Hohlspiegel trompetenförmig erweitert sind. Mit dieser Form der Bohrungen soll der Öffnungswinkel des vom Hohlspiegel zu den Faseroptiken (oder umgekehrt) geleiteten Lichtbündels verändert werden, wozu anstelle der trompetenförmig erweiterten Bohrung auch eine konische Bohrung oder eine solche mit einem hyperbolischen Längsschnitt verwendet werden kann.
Es versteht sich, dass das erfindungsgemässe Endstück an unterschiedliche Betriebsbedingungen oder Verwendungsarten angepasst werden kann. Beispielsweise können der Träger 10 und der Wölbspiegel 18, 19,44,48 der in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen aus Metall, Glas, Quarz oder einem Kunststoff hergestellt werden.
Wichtig ist nur, dass die für die Lichtreflexion genutzten Oberflächen Spiegelqualität und bei der Wellenlänge des verwendeten Lichts eine maximale Reflexion aufweisen. Gegebenenfalls können diese Flächen mit geeigneten Materialien beschichtet werden. Solche Materialien und die Technik des Beschichtens sind jedem Fachmann bekannt, weshalb auf deren detaillierte Beschreibung hier ausdrücklich verzichtet wird. Es kann auch vorteilhaft sein, die Aussenfläche der Abdeckplatte 17 bzw. der Sammellinse 28 oder der Deckfläche 54 des Körpers 51 mit einer Antireflexionsschicht zu versehen. Auch derartige Schichten und ihre Herstellung sind jedem Fachmann bekannt. Wenn es wünschenswert oder notwendig ist, kann auch anstelle der gezeigten plankonvexen Linse auf der Deckplatte bzw. der konvexen Krümmung der Deckfläche eine plankonkave Linse oder eine konkave Deckfläche verwendet werden.
Wegen der Abhängigkeit der optischen Kopplung vom Abstand zwischen der Endfläche der Faseroptik und dem Wölbspiegel kann es auch vorteilhaft sein, die Faseroptik und das Endstück (in der optischen Achse) gegeneinander verschiebbar anzuordnen.
** WARNING ** beginning of DESC field could overlap end of CLMS **.
PATENT CLAIMS
1. End piece for a fiber optic, characterized by a concave mirror (11) and a curved mirror (18), the mirror surfaces of which face one another and whose optical axes (19) are practically one inside the other, the concave mirror having a larger cross section than the curved mirror and in the center has optically transparent window (13) provided for interaction with the fiber optics (14).
2. End piece according to claim 1, characterized in that the arched mirror (18) is a convex mirror.
3. End piece according to claim 1, characterized in that the optically transparent window (13) is an opening suitable for introducing the fiber optics (14) into the space between the concave and the arched mirrors (11 or 18).
4. End piece according to claim 1, characterized in that the concave mirror (11) has a spherical, parabolic or hyperbolic surface and the center of curvature of the arched mirror (18) is arranged in the region of the focal point of the concave mirror.
5. End piece according to claim 1, characterized in that, in a one-piece embodiment, the concave mirror is formed by an externally sealed convex surface (53) of an optically transparent body (51) and the arched mirror (57) on or in the opposite, outside the area of Arched transparent surface (54) of this body is molded or molded.
6. End piece according to claim 1, characterized in that the optically transparent window (56) is a flat surface.
7. End piece according to claim 5, characterized in that the transparent surface (63) outside the region of the arched mirror (68) is convexly curved to form a converging lens.
8. End piece according to claim 1, characterized in that for introducing light from a plurality of fiber optics or light sources or discharging light to a plurality of fiber optics or light sensors the concave mirror (92) opposite and in the area between the circumference of the arched mirror (93) and the the concave mirror several fiber optics (96, 97) are arranged.
9. End piece according to claim 8, characterized in that the fiber optics (96, 97) are inserted in guide channels (98, 99) whose end region facing the concave mirror runs parallel to the optical axis (101) of the concave mirror and is expanded in the direction of the concave mirror .
10. End piece according to claim 8, characterized in that the concave mirror (79) opposite and in the area between the circumference of the curved mirror (80) and that of the concave mirror for interaction with associated light sources (83 ', 84', 85 ', 86') or light sensors suitable collecting lenses (83, 84, 85, 86) are arranged.
11..end piece according to claim 8, characterized in that opposite the concave mirror (69) and in the area between the circumference of the curved mirror (71) and that of the concave mirror for interaction with associated light sources (73 ', 74', 75 ', 76' , 77 ', 78') or light sensors suitable prisms (73, 74, 75, 76, 77, 78) which bend the light path.
12. Use of two end pieces according to claim 1, the concave mirrors (45, 47) facing each other as an optical coupling between two fiber optics (38, 39).
The present invention relates to an end piece for a fiber optic, which is provided in particular for introducing light into the fiber optic and for optically coupling two or more fiber optics.
It is known to transmit light from one place to another by means of fibers made of a flexible, optically conductive material and a few hundredths of a millimeter in diameter, the light within a fiber being propagated along flat zigzag paths along the walls by total reflection. A maximum entry angle (the so-called aperture angle) is specified by the critical angle of total reflection, at which a light beam must enter the entrance surface, which is arranged perpendicular to the longitudinal axis of the fiber, so that total reflection can take place on the fiber walls.
Such fibers are used in technical applications, for example, for signal transmission, for which single fibers or disordered fiber bundles can be used, or for image transmission by means of ordered fiber bundles, in which the arrangement of the entry and exit ends of the individual fibers on the entry and exit surfaces of the fiber bundles is congruent to a large extent.
Numerous devices are already known with which light beams that have a larger diameter than a fiber or a fiber bundle, where their opening angle is greater than the permissible aperture angle, are deflected or deflected in such a way that most of the light energy enters the fiber or the - Bundles can be initiated.
For example, from CH-PS 608 624 an end piece for a fiber light guide is known, which has a holding device for the light guide, in which this is centered by a conical stop. A longitudinally conical or parabolic cavity, which is filled with a highly refractive material, leads away from the end of the fiber light guide. The holding device itself has a relatively low refractive index, so that light which strikes the wall surface of the cavity at a sufficiently flat angle is totally reflected and reaches the fiber light guide after one or more total reflections.
With this device, a light bundle, the cross section of which is larger than that of the fiber light guide, can be directed into the latter, but the aperture angle is not changed thereby.
Furthermore, CH-PS 622 355 describes a possibility of how the opening angle of a light beam can be adapted to the aperture angle of a fiber light guide. By placing a converging lens in front of the fiber light guide, a diverging light bundle is deflected so that the divergence becomes smaller than the aperture angle.
The disadvantage of this method is that essentially only the light can be supplied to the fiber light guide, which light falls on the entry surface of the fiber light guide even without the converging lens.
Numerous proposals have also already been made for connecting two fiber-optic cables, the goal being to direct as much of the light that emerges from one fiber-optic fiber into another.
CH-PS 600 357 describes a device which is suitable for this purpose and which is primarily intended to ensure the precisely aligned arrangement of two opposite light guide ends. The exact adjustment is made possible by conical stops of light guide end pieces in a holder. Due to a slight inaccuracy of the components, damage or contamination of their surface, however, a relatively strong decentration between the light guides can occur, which means that a large part of the light bundle is no longer transmitted from one fiber light guide to another.
Finally, a connecting device for two fiber-optic cables is described in CH-PS 623 418, in which the
Ends of these light guides are inserted into prefabricated and tapered holes. The spaces between the curves and the exit or exit surfaces of the fiber light guides are filled with a material with a high refractive index, which acts as a converging lens and practically aligns the divergent light beam emerging from one light guide, whereupon it meets the other converging lens and into it the other light guide is introduced.
This device has the advantage over that from the CH-PS 600 357 discussed above that the more diverging light component is not lost, but the disadvantage of tolerance-related decentering and the associated light loss is not eliminated here either.
The present invention is therefore based on the object of providing an end piece for a fiber optic which allows the introduction of a light bundle with a relatively large diameter and large opening angle into a fiber optic with a small diameter and small aperture angle and vice versa the widening of a light bundle emerging from a fiber angle to one allows large diameter.
This object is achieved according to the invention with an end piece of the type mentioned at the outset, which is characterized by a concave mirror and a curved mirror, the mirror surfaces of which face one another and whose optical axes are practically one inside the other, the concave mirror having a larger cross section than the curved mirror and in the center has optically transparent window provided for interaction with the fiber optics.
The end piece according to the invention enables a light bundle with a relatively large cross section and a large opening angle to be converted into a light bundle with a small cross section and small opening angle, the latter being able to be introduced into a fiber optic with practically minimal losses.
A preferred use of an end piece according to the invention is the formation of an optical coupling between two light optics by placing two end pieces against one another with mutually facing concave mirrors. This type of optical coupling has only a slight weakening of the transmitted light energy even when the end pieces are displaced perpendicular to the optical axis, in which the transmission of light would be interrupted with the previous coupling devices.
In a first preferred embodiment, the end piece is formed in one piece, the concave mirror forming from an externally mirrored concave surface of an optically transparent body, and the arched mirror being molded or molded onto or into the opposite surface of this body which is transparent outside the region of the arched mirror.
In another preferred embodiment of the end piece, a plurality of fiber optics are arranged opposite the concave mirror and in the area between the circumference of the arched mirror and that of the concave mirror for introducing light from a plurality of fiber optics or light sources or discharging light onto a plurality of fiber optics or light sensors. These fiber optics are advantageously located in guide channels, the end region of which facing the concave mirror runs parallel to the optical axis of the concave mirror and is expanded in a trumpet shape in the direction of the concave mirror.
In the case of other end pieces provided for the same purpose, suitable converging lenses or prisms which bend the light path are arranged opposite the concave mirror in the region between the circumference of the curved mirror and that of the concave mirror for interaction with associated light sources or light sensors or further fiber optics.
Exemplary embodiments of the end piece according to the invention are described below with the aid of the figures. Show it:
1 shows a first multi-part embodiment of the end piece in longitudinal section,
2 shows a second multi-part embodiment of the end piece in longitudinal section,
3 shows an optical coupling, formed from two end pieces lying against one another, between two fiber optics in longitudinal section,
4 shows a first one-piece embodiment of the end piece,
5 shows a second one-piece embodiment of the end piece,
6a and 6b a first embodiment of the end piece, which is suitable for optically coupling a fiber optic with several light sources in longitudinal section and in plan view,
Fig. 7 shows a second embodiment of the end piece, which is also suitable for optically coupling a fiber optic with several light sources in longitudinal section and
Fig.
8 shows an embodiment of the end piece which is suitable for optically coupling a fiber optic to a plurality of other fiber optics.
Although only one fiber optic is shown in the figures, the end piece can be used for fiber bundles as well. Furthermore, because of the more understandable representation, the relative dimensions of the individual parts and the radii of curvature of the mirrors and lenses have not been drawn to scale. It is also understood that the light paths shown below can also be traversed in the opposite direction.
The embodiment of the end piece shown in FIG. 1 contains a carrier 10, preferably a rotationally symmetrical glass piece, the surface of which has a spherical shell-shaped recess 11, which is coated with a reflective material 12 and forms a concave or concave mirror. In the center of the concave mirror, the carrier has a bore 13 which runs in the optical axis and forms a window, into which the end of a fiber optic 14 is inserted and permanently fastened with a suitable synthetic resin. At the outer edge of the concave mirror, a cylindrical spacer 16 is placed on the carrier, which carries a plane-parallel optically transparent end plate 17. In the middle of the end plate and on its surface facing the concave mirror, a convex curved mirror 18 is attached.
The mutual arrangement of the concave mirror, the arched mirror and the end of the fiber optics is selected such that their optical axes 19 practically lie one inside the other, and the radii of curvature of the concave and arched mirrors as well as the distance between the arched mirror and the end face of the fiber optics are selected such that that a practically parallel beam of light impinging perpendicularly on the plate 10 strikes the end face of the fiber optics with a small angle of convergence and a small diameter, as is shown, for example, for the light paths 21, 22.
That the light path can also run in the opposite direction, i.e. A light bundle with a small diameter and a small aperture angle emerging from the fiber optics 14 emerges through the end plate 17 as a practically parallel light bundle with a large diameter, has already been mentioned above.
FIG. 2 shows another embodiment of the end piece, the essential difference compared to the embodiment according to FIG. 1 being that the convex arched mirror 26 is not fastened on a plane-parallel end plate, but on the plane surface 27 of a plane-convex converging lens 28. At the focal point of the plano-convex converging lens, a light source 29 is arranged, which enables a relatively large part of the luminous flux of this light source to be directed onto the concave mirror 31 as a practically parallel light beam. The light path from the concave mirror via the arched mirror 26 to the end face of the fiber optics 32 then corresponds to the light path described for the embodiment according to FIG. 1.
The end surface of the fiber optic 32 projecting into the space between the concave and the curved mirror in FIG. 2 is intended to indicate that it may be advantageous for an optimal optical coupling if the end surface of the fiber optic is not in the area determined by the concave mirror.
It goes without saying that in the embodiments according to FIGS. 1 and 2, the space between the concave mirror and the end plate or the lens can be filled with an optically transparent material. The refractive index of this material is advantageously chosen so that obliquely incident light is deflected in a direction parallel to the optical axis of the end piece and thus the effect of the end piece is improved. Instead of the plano-convex lens shown in FIG. 2, it is also possible to use a plurality of plane-parallel layers with different refractive indices, which influence the light in a manner similar to that of the lens.
3 shows two end pieces 36, 37, each of which corresponds to the embodiment according to FIG. 1. The end pieces are placed together with their end plates 41, 42 to form an optical coupling between the two fiber optics 38, 39. For the mechanical fastening of the end pieces to one another, a threaded ring 43 is provided, into which the end pieces are screwed.
In this optical coupling, the light bundle emerging from the fiber optics 38 is expanded by the interaction of the arch and concave mirrors 44 and 45, then passed on from the end piece 36 into the end piece 37 by the interaction of the concave and arch mirrors 47 and 48 again concentrated and introduced into the fiber optics 39, as shown using the example of the light path 49, 49 '. Because the light bundle is passed on from one end piece to the other when the light bundle is expanded, an inaccurate alignment of the end pieces results in only a slight weakening of the total amount of light transmitted. If, for example, two fiber optics with a diameter of 0.08 mm are placed directly next to one another with their end faces, then a displacement of the plane of the end faces by the diameter of the fiber optics causes the light guide to be interrupted.
With an optical coupling according to FIG. 3 and the use of end pieces whose concave mirrors have a diameter of 12 mm, the same displacement causes a weakening of the light conduction by only a few percent.
4 shows a particularly simple, one-piece embodiment of the end piece. This consists of a transparent body 51 with a cylindrical outer surface 52, a convex bottom surface 53 and a flat top surface 54. The convex bottom surface has in its center a flat window 56 arranged parallel to the top surface and the top surface contains a dome-shaped recess 57 in the middle The outer surfaces of the convex base surface (except in the area of the window 56) and the dome-shaped recess in the cover surface are provided with a reflective coating 58 and 59, respectively, and form a concave or arched mirror which have a common optical axis 60.
For this embodiment of the end piece, a holder 61 (drawn with dashed lines in FIG. 4) is preferably used, which can also be used as a guide and for fastening for the fiber optics 62. It is of course also possible to arrange the fiber optics directly on the window of the concave mirror.
FIG. 5 shows a variant of the one-piece embodiment according to FIG. 4. In this end piece, the top surface 63 is convexly curved and acts as a converging lens. A spherical shell-shaped recess forming the arched mirror 68 is arranged in the middle of this converging lens. The end of the fiber optic is inserted into the window in the concave mirror 67, which is designed as a bore 66, and fastened therein. The mode of operation of this end piece corresponds to that of the end piece according to FIG. 2.
6a and 6b show a further embodiment of the end piece in longitudinal section and in plan view. This end piece is designed as an optical coupling between a fiber optic and several fiber optics and / or light sources and / or light sensors. The one-piece end piece practically corresponds to the embodiment according to FIG. 4. In addition, with this end piece there are six symmetrically arranged prisms 73, 74, 75, 76, 77 on the flat top surface 70 opposite the concave mirror 69 in the area between the arched mirror 71 and the outer circumference 72 , 78, each of which interacts with an associated light source 73 ', 74', 75 ', 76', 77 'and 78'.
This embodiment optionally allows light of different colors and / or different frequencies to be introduced into the fiber optics 79 simultaneously or independently of one another. It goes without saying that light sensors or other fiber optics can also be assigned to the prisms instead of the light sources shown.
FIG. 7 shows a variant of the optical coupling between one fiber optic and several fiber optics and / or light sources and / or sensors. In this variant, six plano-convex lenses (of which only the lenses 83, 84, 85, 86 can be seen in the figure) are fastened on the flat top surface 82 opposite the concave mirror 79 in the area between the curved mirror 80 and the outer circumference 81 of the top surface , in the focal point of which an assigned light source 83 ', 84', 85 'and 86' is arranged. In this variant, too, the light sources shown can be replaced by light sensors and / or fiber optics.
8 shows yet another variant of an optical coupling between a fiber optic 90, the end of which is arranged in the window 91 of the concave mirror 92 and a plurality of fiber optics 96, 97 which are effective in the area between the arched mirror 93 and the outer circumference of the flat cover surface 94. The latter fiber optics are fastened in the bores 98 and 99 of a holding plate 100, which bores run parallel to the optical axis 101 of the two mirrors and are expanded in a trumpet shape in the direction of the concave mirror. With this shape of the holes, the opening angle of the light beam directed from the concave mirror to the fiber optics (or vice versa) is to be changed, for which purpose a conical hole or one with a hyperbolic longitudinal section can be used instead of the trumpet-shaped enlarged hole.
It goes without saying that the end piece according to the invention can be adapted to different operating conditions or types of use. For example, the carrier 10 and the arched mirror 18, 19, 44, 48 of the embodiments shown in FIGS. 1, 2 and 3 can be produced from metal, glass, quartz or a plastic.
It is only important that the surfaces used for the light reflection have mirror quality and a maximum reflection at the wavelength of the light used. If necessary, these surfaces can be coated with suitable materials. Such materials and the technology of coating are known to any person skilled in the art, which is why their detailed description is expressly omitted here. It can also be advantageous to provide the outer surface of the cover plate 17 or the converging lens 28 or the cover surface 54 of the body 51 with an anti-reflection layer. Such layers and their production are also known to any person skilled in the art. If it is desirable or necessary, a plano-concave lens or a concave cover surface can also be used instead of the plano-convex lens shown on the cover plate or the convex curvature of the cover surface.
Because of the dependence of the optical coupling on the distance between the end face of the fiber optics and the arched mirror, it can also be advantageous to arrange the fiber optics and the end piece (in the optical axis) so as to be displaceable relative to one another.