CN110463079A - 光学接口 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学接口(1)，其包括：具有环形区段(10)的光导纤维(4)，所述环形区段环形地围绕旋转轴线(200)延伸；至少一个光源(6)，用于将光信号(100)发出到纤维(4)中，其中，所述纤维(4)构造成用于将由所述光源(6)发出的光信号(100)径向地射出；和接收装置(7、8)，用于接收由所述纤维(4)射出的光信号(100)，其中，所述光源(6)的光信号(100)通过纤维耦合耦入到所述纤维(4)中。

Description

光学接口

技术领域

本发明涉及一种光学接口。此外，本发明涉及一种包括光学接口的旋转系统。通过光学接口尤其能够无接触地实现数据传输。

背景技术

在现有技术中已知一种旋转系统，其借助于接口将数据从旋转部件(转子)传输到静态部件(定子)上。这种旋转系统的示例是所谓的激光雷达宏观扫描器，如DE 10 2006049 935 B4中所述。对于汽车领域中的使用，这些宏扫描仪相对较大，由此需要尽可能节省空间地构造的单独部件。因为通常必须并行地确保多个数据传输，所以需要附加的接口。因此，现有技术为每个数据传输设置了专用的接口。例如必须操控多个激光源和激光探测器、例如64个激光探测器对。

此外，上述专利文献中的缺点是，接口直接布置在轴线上。因此，该安装空间不能用于其他的传输。

对于尽可能快的、低干扰的和无接触的数据传输，光学接口是合适的。已知的用于从转子至定子的数据传输的接口基于其位置关于系统对称性而言被分为两类。一方面存在安置在旋转轴线上、被称为“轴上式(on-axis)”的接口，另一方面存在具有偏心布置的传输部件的、作为“轴外式(off-axis)”已知的接口。

对于轴外式接口系统已知的是主动系统、尤其如通过动态网格的耦合装置、通过散射中心的耦合装置、荧光光学旋转传输器、具有离散接收器的红外旋转传输器或类似装置，以及被动系统、尤其如通过凹槽的耦合装置、通过变形或弯曲的耦合装置、同心的光纤束、内镜面化(innenverspiegelt)的半壳部、棱镜耦合器、镜面沟槽或类似装置。然而，所有这些接口类型主要由学术文献中已知并且还没有准备好批量生产。通常，旋转轴线是不可接近的或者该空间以其他方式使用，由此需要替代方案。

上述专利文献的缺点是，旋转轴线上的空间不可接近或者该空间以其他方式使用。如果要传输附加的信号，则必须应用新型的接口。其他的接口由DE 24 41 359 A1或DE43 42 778 A1已知。在DE 24 41 359 A1中存在圆形的光导体，准直的光线射入到该光导体中。其结果是，光-材料-耦合只能以高的光功率损失来实现，因为没有进行光的散射与要耦入的元件的匹配。光导体安置在转子上并因此可以射出光信号，所述光信号被静止的探测器识别。然而，又需要大的体积来实施光学接口。DE 43 42 778 A1公开了一种横向发光的单独纤维的束。所述纤维设有透明涂层。纤维束是静态地布置，使得探测器可以沿着纤维束运动。这样形成的接口设计成用于计算机断层扫描，从而产生两个半圆形的信号路径。由此，不可能(并且也不期望)连续旋转。通过在计算机断层扫描中的应用提供了大的安装空间，所述安装空间也根据对比文件1的教导被充分利用。未设置节省空间的光学装置。

发明内容

根据本发明的光学接口允许在运动的元件和静止的元件之间的、尤其是在转子和定子之间的数据传输。数据传输在整个运动期间、尤其是在转子的整个旋转期间连续地、无接触地且无损耗地进行。该光学接口成本有利地、稳固地、低干扰地和节省空间地构造。数据传输尤其设计成用于任意频率、例如在两位数的kHz范围内的信号序列。替代地，也可以传输更慢或更快的信号序列。光学接口也设计成用于具有确定的转子直径的激光雷达宏观扫描仪，其中，确定的转子直径也可以理解为小的转子直径。该小的转子直径例如可以小于10cm、理想地小于5cm。当使用自由的模具面来夹紧时，也可以使用该光学接口。用于发送和接收数据的数据编码是有效率的、无损失的并且没有光功率转换。

根据本发明的光学接口包括光导纤维、至少一个光源和接收装置。光导纤维具有环形区段，该环形区段环形地围绕旋转轴线延伸。光导纤维尤其能够安装在系统的转子上。因此，光导纤维能够有利地围绕旋转轴线旋转。所述至少一个光源构造成将光信号发射到纤维中。纤维又用于将由光源发出的光信号径向地射出。通过将光线散射到纤维芯中的颗粒上的物理过程，尤其进行光线的射出。接收装置最终用于接收由纤维射出的光信号。接收装置有利地静止地布置并且安装在纤维的环形区段的径向外部的位置处。因此，即使纤维围绕旋转轴线旋转，接收装置也始终可以从纤维接收光信号。通过环形区段确保始终存在纤维的与接收装置相对置的区域，使得接收装置可以连续地接收光信号。来自光源的光信号通过纤维耦合耦入到纤维中。为此，有利地使用由现有技术已知的对接耦合器(butt-coupler)。其结果是，待耦入的光有利地通过纤维端部引入到纤维中。在此，纤维端部以相对于光源(尤其是激光光源)的焦点的预限定的距离装配，使得光信号、尤其激光射束的散射构造成适合于纤维的数值孔径。同样已知这种将光线耦入到纤维中的过程。通过将光线耦合到纤维中实现了高的效率，从而仅存在小的光学损失。

从属权利要求的内容是本发明的优选的扩展方案。

优选地设置为，纤维螺旋形地围绕旋转轴线布置。这意味着纤维多次地围绕旋转轴线延伸。因此，能够提高由纤维总共射出的光功率。这导致有效率地使用由光源引入的光功率。

有利地，纤维漫射地射出所耦入的光源的光信号。此外设置为，纤维均匀地射出光信号。由现有技术已知，通过纤维漫射地、尤其均匀地射出光信号。因此，通过接收装置能够安全地并且可靠地检测光信号，其中，确保了安全可靠的数据传输。

在本发明的另一有利的实施方式中设置为，纤维至少在环形区段上具有保持部。保持部环形地围绕旋转轴线延伸并且布置在旋转轴线和纤维之间。保持部用于接收纤维。为此，保持部有利地这样构造，使得该保持部具有至少与纤维的环形区段的一部分互补的形状。保持部的面向纤维的面特别有利地镜面化地构造。这导致射出的光信号的光功率升高，因为不仅纤维的背离保持部指向的部分可以射出光线，而且由纤维发出的所有光线都径向向外地射出。

除了环形区段之外，纤维优选地具有连接区段。连接区段用于将环形区段与光源连接。连接区段可以具有任意的形状。尤其设置为，连接区段仅构造成用于将光线引导至环形区段，而不是用于射出光信号。

在优选的实施方式中，光学接口具有至少两个光源。所述光源构造成用于放出具有不同波长的光信号。在此设置为，所有光信号通过纤维耦合耦入到纤维中。以这种方式，能够通过纤维同时传输多个信号。尤其存在多个接收装置，其中，每个接收装置构造成用于接收具有所述波长中的一个波长的光信号。替代地，存在具有多个不同的滤波器的单个接收装置，每个滤波器配属有所述波长中的一个波长。光源的数量原则上不受限制。因此，如果对于具体的使用情况必要的话，光学接口能够实现数据传输容量的任意的扩展。

有利地，接收装置具有光具。通过光具，由纤维发出的光信号能投射到接收器上。因此，最大的光功率被投射到接收器上，使得接收器可以安全地并且可靠地从接收的光中提取信号。因此，能够实现无损的、无干扰的和特别快速的数据传输。

优选地，接收装置具有单个的点探测器。点探测器能节省空间地安装在系统上，由此减少光学接口的总安装空间需求。通过纤维的环形区段确保点探测器可以随时接收来自纤维的光信号。

优选地，纤维具有最大5mm、尤其最大1mm的直径。因此，光学接口可以非常节省空间地构型，由此光学接口尤其适用于在激光雷达宏观扫描仪中使用。尤其在车辆中使用这种激光雷达宏观扫描仪时，期望的是激光雷达宏观扫描仪的小的体积。通过光学接口可以实现这样小的体积，其中，同时确保数据可以在运动的部件和静止的部件之间安全地并且可靠地传输。

最后，本发明涉及一种系统，其中，该系统尤其是激光雷达宏观扫描仪。该系统包括定子和转子，其中，转子可以相对于定子围绕旋转轴线旋转。此外，所述系统包括如前所述的光学接口。接收装置安装在定子上。因此，接收装置静止地布置。纤维又布置在转子上，使得纤维可以随着转子围绕旋转轴线旋转。纤维的环形区段有利地与接收装置相对置地构造。尤其进行这样的布置，使得纤维的环形区段的一个区域始终与接收装置相对置。因此，接收装置可以随时接收来自纤维的光信号，而与纤维是否或多快地与转子一起围绕旋转轴线旋转无关。这意味着能够在转子和定子之间实现安全的并且可靠的数据传输，其中，无接触地并且因而无损耗地实现所述数据传输。

附图说明

下面参考附图详细说明本发明的实施例。附图中示出：

图1根据本发明第一实施例的具有光学接口的系统的示意图，

图2根据本发明第二实施例的光学接口的示意图，

图3第一替代方案中的根据本发明的第一或第二实施方式的光学接口的示意性剖视图，

图4第二替代方案中的根据本发明的第一或第二实施方式的光学接口的示意性剖视图，

图5第三替代方案中的根据本发明的第一或第二实施方式的光学接口的示意性剖视图，和

图6根据本发明的第三实施例的光学接口的一部分的示意图。

具体实施方式

图1示意性示出根据本发明的第一实施例的具有光学接口1的系统9。系统9具有转子3和定子2。转子3能相对于定子2沿着旋转轴线200旋转。系统9尤其是激光雷达宏观扫描仪。

光学接口1用于转子3和定子2之间的数据传输。为此，接收装置7、8安装在定子2上。接收装置7、8位置固定地布置并且在定子2上不能运动。在转子3上安装有纤维4，其中，纤维4与转子3一同围绕旋转轴线200旋转。

纤维4具有环形区段10，该环形区段围绕旋转轴线200环形地延伸。环形区段10与接收装置7、8相对置地布置，使得在转子3、和由此纤维4围绕旋转轴线200旋转时环形区段10的区段始终与接收装置7、8相对置。由纤维4、尤其由环形区段10能径向地射出光信号100，使得这些光信号100可以被接收装置7、8接收。通过前述具有纤维4的转子3的结构确保接收装置7、8能够随时接收光信号100。这尤其可以通过环形区段10的存在来实现。因此，与转子3围绕旋转轴线200的旋转无关地，始终实现转子3和定子2之间的信号传输。

由纤维4射出的光信号100由光源6产生。光源6经由纤维4的连接区段11与纤维4的环形区段10连接。此外，光源6设置成通过纤维耦合将光线耦入到连接区域11中。这意味着，将纤维端部以相对于光源6的光线的焦点的正确的距离准确地装配在纤维4的连接区段11上，使得光源的光线的散射适合于纤维4的数值孔径。因此，光源6的光线以高效率入到纤维中。

光源6有利地是构造成用于射出激光射束的激光光源。因此，适合地选择纤维端部相对于激光束焦点的距离。

因此，通过环形射出的光线进行数据传输。光线尤其由纤维4均匀地和漫射地射出。这样产生的光信号100能够由接收装置7、8识别，由此确保数据传输。光信号有利地包括短波长的可见光。

数据传输的编码有利地通过脉冲宽度调制逐位地进行。在这些情况下，仅改变光源6的脉冲频率和/或开/关时间。一种替代方案在于通过光源6的不同强度级进行的数据传输。

接收装置7、8可以在纤维4的环形区段10的区域中自由地放置在定子2上。为了收集放射的光线、即为了接收光信号100，接收装置7、8有利地具有光电二极管。可传输的数据速率主要与光源6的脉冲频率、即操控和接收装置7、8的带宽相关。

接收装置7、8有利地包括光具8和接收器7。在此，光具8是可选的并且尤其用于将光信号100聚焦到探测器7上。如已经说明的那样，探测器7有利地可以是光电二极管。

图2示意性示出根据本发明的第二实施例的光学接口1。在此，基本结构与第一实施例相同。仅使用多个光源6以便将光线耦入到纤维4中。在此设置为，每个光源6发出具有不同波长的光线。同样地，存在多个接收装置7、8，其中，每个接收装置7、8构造成用于探测具有不同波长的光线。以这种方式，能够使得两个数据传输通过相同的接口彼此无关地实施。因此，光学接口1可以传输多个独立的数据流，从而光学接口1可以灵活地匹配于当前的使用情况。

图3至5示出了在构造用于本发明的第一实施例和第二实施例的纤维4时的不同的替代方案。在所有替代方案中共同的是，纤维4由保持部5保持。保持部5环形地围绕旋转轴线200延伸并且布置在旋转轴线200和纤维4之间。有利地，保持部5至少部分地包围纤维4，使得仅径向向外地、即远离旋转轴线200地射出光信号。

在图3中所示的第一替代方案中，面向纤维4的面12镜面化地构造。这导致，由纤维4射出的所有光都可以到达接收装置7、8。在这种情况下，接收装置7、8优选具有光具8，以便将所有光导向至探测器7。因此实现了最佳的采光，由此优化地使用由光源6产生的光效率。

图4示出了第二替代方案。与第一替代方案不同，在此未设置面向纤维4的面12的镜面化。因此，只有一部分由纤维4发出的光功率可用于接收装置7、8。光具8可以可选地存在，但不是必需的。因此，第二替代方案可以非常简单并且低耗费地制造。

图5示出了第三替代方案，其中，存在第一纤维41和第二纤维42。第一纤维41和第二纤维42类似于先前说明的纤维4那样构造。因此设置为，发出的光信号100包括第一光信号110和第二光信号120，其中，第一光信号110由第一纤维41发出，而第二光信号120由第二纤维42发出。第一光信号110有利地具有与第二光信号120不同的波长。设置为，对于每个不同的光信号100都存在接收装置7、8。因此，一方面存在一个接收装置7、8以接收第一光信号110，另一方面存在另一个接收装置7、8以接收第二光信号120。替代地，也可以存在单独的接收装置7、8，其中，接收装置7、8具有不同的滤波器以用于区分第一光信号110和第二光信号120。

替代地，第一纤维41和第二纤维42也可以分别是单个纤维4的本身的环形区域10。在这种情况下，由纤维射出的光量提高，由此有效地利用光源6产生的光功率。

图6示出了根据本发明的第三实施例的光学接口1的部分区域。在此仅示出了纤维4，所述纤维安装在转子3上。纤维4直接安装在转子3的转子底部上，其中，纤维这样布置，使得转子圆周的每个区段都被纤维4覆盖。为此，转子3具有槽13，纤维4安装在该槽中。以这种方式实现特别节省空间的布置。

在所有实施例中，纤维4可以替代地定位在定子2上并且接收装置7、8定位在转子3上。这导致了反向的数据传输方向，其中，所说明的所有其他特征和优点保持相同。

本发明尤其具有以下优点：

·光学接口在其重量方面很轻(在旋转系统上是有利的)。

·纤维的漫射射出基于光线在物体上的散射产生，因此例如在磷光或荧光的情况下不会出现时间延迟。附加地，光线以相同的波长发射和射入(不转换为更长的波长＝能量损失)。

·可以进行无损耗的数据传输(不与组件接触)。

·可以进行无干扰的快速的数据传输(真空中的光速c＝3.0*10⁸m/s，在纤维中稍慢)。

·携带信息的光线可以几乎没有损失地耦入到纤维中；这导致有效率地使用引入到光源中的电功率

·当纤维围绕转子多次地放置时，由纤维射出的功率可以进一步提高；这导致引入到光源中的电功率的有效率的使用

·纤维具有小的最小弯曲半径，即所述纤维可以匹配于转子中的任意轮廓。这使得小的、尤其具有<5cm的半径的转子是可能的。

·发送的光线的光源可以任意地定位在转子上，因为可以使用纤维耦合。

·接收器可以有利地定位在定子上。

·纤维同样可以定位在定子上并且接收器定位在转子上(反向的数据传输方向)。

·接收器可以是单独的点探测器。

·也可以使用多个接收器。

·制造可以成本有效地设计(“拉纤(Fasern ziehen)”)。

·光学接口在其重量方面很轻(在旋转系统上是有利的)。

·光学接口可以设计得非常窄，即在径向上节省空间，因为纤维具有<1mm的直径。

·多个信号可以并行地通过纤维(介质)传输(“纤维多路”)。

·多个纤维可以物理相叠地布置(宏观“纤维多路”)。

Claims (10)

1.一种光学接口(1)，包括：

·具有环形区段(10)的光导纤维(4)，该环形区段环形地围绕旋转轴线(200)延伸，

·用于将光信号(100)发出到纤维(4)中的至少一个光源(6)，其中，所述纤维(4)构造成用于将由所述光源(6)发出的所述光信号(100)径向地射出，和

·用于接收由所述纤维(4)射出的所述光信号(100)的接收装置(7、8)，

·其中，所述光源(6)的所述光信号(100)通过纤维耦合耦入到所述纤维(4)中。

2.根据权利要求1所述的光学接口(1)，其特征在于，所述纤维(4)螺旋形地围绕所述旋转轴线(200)布置。

3.根据前述权利要求中任一项所述的光学接口(1)，其特征在于，所述纤维(4)漫射地射出所耦入的、所述光源(6)的光信号(100)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的光学接口(1)，其特征在于，所述纤维(4)至少在所述环形区段(10)上具有保持部(5)，

·其中，所述保持部(5)环形地围绕所述旋转轴线(200)延伸，

·其中，所述保持部(5)布置在所述旋转轴线(200)和所述纤维(4)之间，

·其中，所述保持部(5)的面向所述纤维(4)的面(12)有利地镜面化地构造。

5.根据前述权利要求中任一项所述的光学接口(1)，其特征在于，所述纤维(4)除了所述环形区段(10)之外还具有连接区段(11)，所述连接区段将光源(6)和环形区段(10)连接。

6.根据前述权利要求中任一项所述的光学接口(1)，其特征在于，设有至少两个光源(6)，用于发出具有不同波长的光信号(100)，其中，所有光信号通过纤维耦合耦入到所述纤维(4)中。

7.根据前述权利要求中任一项所述的光学接口(1)，其特征在于，所述接收装置(7、8)具有光具(8)，通过所述光具能够将所述光信号(100)投射到接收器(7)上。

8.根据前述权利要求中任一项所述的光学接口(1)，其特征在于，所述接收装置(7、8)具有单个的点探测器(7)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的光学接口(1)，其特征在于，所述纤维(4)的直径最大为5毫米、尤其最大为1毫米。

10.一种系统(9)、尤其是激光雷达宏观扫描仪，包括定子(2)、转子(3)和根据前述权利要求中任一项所述的光学接口(1)，其中，所述接收装置(7、8)布置在所述定子(2)上并且所述纤维(4)布置在所述转子(3)上，使得所述纤维(4)能够随着所述转子(3)围绕所述旋转轴线(200)旋转。