CN113767576B - 光收发器单元和用于信号传输的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光收发器单元(200)，其包括可绕旋转轴(206)旋转的承载部(210)；在旋转轴(206)上被布置在承载部(210)上的光接收器(204)，用以接收来自第一方向的光接收信号(226)；与光接收器(204)相邻的被布置在承载部(210)上的光发射器(202)，用以在第二方向上发射光发射信号；以及光收发器系统(214)，其在光接收器(204)上方在旋转轴(206)上被布置在承载部(210)上并延伸跨过光接收器(204)和光发射器(202)。光收发器系统(214)包括光接收系统(218)和布置在光接收系统(218)中的光发射系统。光接收系统(218)被设计为将入射至收发器单元(214)的光接收信号引导朝向旋转轴(206)上的光接收器(204)，并且光发射系统被设计为移动光发射器(202)发射的旋转轴(206)上的光发射信号(208)，使得发射信号(226)在旋转轴(206)的区域中离开收发器系统(214)。

Description

光收发器单元和用于信号传输的装置
说明书
本发明涉及信号传输领域，特别涉及跨相对于彼此可旋转地布置的两个部件之间的光数据传输。实施例涉及光发射/接收单元，特别是用于使用特定光学设计进行光无线数据传输的可旋转光短程发射/接收单元。
在现有技术中，已知有几种方法可以实现信号传输，例如，相对于彼此可旋转地布置的两个部件之间的数据传输。两个部件都被可旋转地支撑，或者部件中的一个被布置成相对于另一个可旋转。常规方法通过利用电缆来解决跨相对于彼此旋转的两个部件之间进行数据传输的问题，其中，使用滑环或接触刷在旋转点处传输电信号。这样的基于接触的传输方法是不利的，因为由于基于接触的传输技术，旋转点的使用寿命以及因此整个系统的使用寿命减少或受限，特别是由于触点的磨损。另外，电信号在滑环上的多向信号传播会造成多径传播，会导致各个电信号的运行时间差，这会导致传输带宽的限制。
在现有技术中已知的跨旋转点的信号传输中避免基于接触的传输技术的缺点的其他方法使用光无线数据传输，该光无线数据传输使用在被布置成相对于彼此可旋转的部件中提供的光发射/接收单元或收发器。这种光学方法的优点是部件无磨损地操作，并且因此不会限制整个系统的使用寿命。此外，避免了上述信号的多径传播，使得这样的光无线数据传输系统避免了传输带宽的限制，从而可以实现高数据速率，例如100Mbit/s及以上。
图1示出了包括两个光无线发射/接收单元的常规信号传输装置的示意图，其中，图1(a)示出了在其间具有完好数据连接或完好数据链路的两个光发射/接收单元的位置，并且其中，图1(b)示出了相对于彼此旋转使得数据连接被中断的两个发射/接收单元。
图1(a)示出了包括光发射器102a和光接收器104a的第一发射/接收装置100a。此外，图1(a)示出了第一发射/接收单元100a可绕其旋转的旋转轴106。光发射器102a和光接收器104a被布置在发射/接收单元100a中、以旋转轴106间隔开。为了光数据传输，光发射器102a产生指向第二发射/接收单元100b的第一发射束108a。第二发射/接收单元包括布置在旋转轴106两侧的光发射器102b和光接收器104b。第二发射/接收单元被布置为可绕旋转轴106旋转，如箭头106b所示。在图1(a)所示的示例中，两个发射/接收单元100a、100b相对于彼此定向，使得第一发射/接收单元100a中的光发射器102a与第二发射/接收单元102b中的光接收器104b相对，并且使得第二发射/接收单元100b的光发射器102b与第一发射/接收单元100a中的光接收器104a相对。分别由光发射器102a和102b发射的发射束108a和108b分别被引向相对的光接收器104b和104a。当根据图1(a)中的图示来定向两个发射/接收单元100a、100b时，双向数据传输是可能的，或者当仅使用一个光发射器时，单向数据传输是可能的。换言之，两个发射/接收单元100a、100b之间的数据传输是完好的。
用于跨基于图1(a)所示的旋转点进行光无线数据传输的常规装置具有以下缺点：两个可旋转或可相对旋转的发射/接收单元的对应发射器/接收器的定向必须使得换句话说发射器和接收器是视觉接触的。然而，如果发射/接收单元100a、100b从图1(a)所示的位置旋转出来，例如，如果第一发射/接收单元100a相对于第二发射/接收单元100b旋转180°，如图1(b)所示，则发射器和接收器不再彼此相对。而是，可以看出，两个发射/接收单元100a、100b中的对应发射器和对应接收器分别彼此相对。也就是说，两个相对的发射/接收单元中的发射器和接收器之间没有视觉接触，或者视觉接触丧失，从而导致数据连接中断。
US 4 401 360 A描述了一种用于在可以相对于彼此自由旋转的成对元件之间进行光通信的光滑环。这些元件可以是成对光纤、电导体和光纤或成对电导体。一个元件附接在第一安装装置处，而另一个元件固定在第二安装装置处。光接收器在相互旋转轴上相对于第二安装装置定位在第一安装装置的中间。另一个光接收器在相互旋转轴上布置在第二安装装置处。光发射器偏心地附接在第一安装装置处，而另一个光发射器偏心地安装在第二安装装置处。安装在第一安装装置处的光发射器指向安装在第二安装装置处的光接收器，并且安装在第二安装装置处的光发射器指向安装在第一光装置处的光接收器。
在上述现有技术的基础上，本发明基于提供一种改进的发射/接收单元以及包括该单元的改进的装置的目的，其中，无论相对于其他发射/接收单元的相对旋转位置如何都可以确保可靠的数据传输。
该目的通过独立专利权利要求的主题达成，并且有利的配置在从属权利要求中限定。
根据本发明，已经认识到，在包括两个光无线发射/接收单元的常规信号传输转置的情况下，尤其是如果两个发射/接收单元或收发器之间的距离d在收发器大小的数量级，例如如果距离小于发射/接收单元的半径，会出现数据传输的问题。例如，距离d的如此短的尺寸出现在待在印刷电路板(PCB)之间提供数据连接的应用中，或者在使用图1的装置作为旋转机械部件上的光滑环替代品时。换句话说，发射/接收单元的小距离导致即使在发射/接收单元相对于彼此旋转的情况下，由对应光发射器发射的发射束也不能充分扩展以到达相对的发射/接收单元的对应接收器，从而发生图1(b)中所示的情况，在其上布置对应的发射/接收单元100a、100b的部件相对于彼此旋转的情况下，这可能导致数据传输的中断，即，使得通过图1所示的常规装置不能确保两个部件之间的连续数据连接。
本发明基于以下发现：用于光无线数据传输的常规可旋转光短/距离收发器中的上述问题是由于光发射器和/或光接收器的布置。在基于图1描述的发射/接收单元中，光发射器包括光源，并且发射束的辐射轮廓由发射光学器件成形。例如，光接收器包括光电二极管，该光电二极管又具有为其分配的其自己的接收光学器件，以便收集接收的发射束，即接收的光信号。可旋转光短程收发器的这两个基本部件彼此相邻布置，如基于图1所述，使得旋转轴在这两个单元(即发射器和接收器)之间延伸。如上所述，该配置导致以下事实：在两个收发器之间的距离与收发器的大小相比较小的情况下，元件相对于彼此的旋转是不可能的或仅在小的程度内可能，即两个收发器相对于彼此的大旋转会导致传输的中断，因为对应收发器中的发射器和接收器不再是可见接触的。
为了解决这个问题，本发明提出了一种光发射/接收单元的配置，其中，避免了常规的发射器和接收器的布置以及单独的接收和发射光学器件的常规提供，取而代之的是提供一种连接接收光学器件和发射光学器件的特定光学器件设计，能够实现允许在两个发射/接收单元之间进行可靠数据传输的光发射器和光接收器的布置，无论它们如何相对于彼此旋转。
本发明提供(例如，参见权利要求1)一种光发射/接收单元，包括：
承载部，绕旋转轴可旋转；
光接收器，在旋转轴上被布置在承载部处，以接收来自第一方向的光接收信号，
光发射器，与光接收器相邻、被布置在承载部处，以在第二方向上发射光发射信号，以及
发射/接收光学器件，在光接收器上方、在旋转轴上被布置在承载部处，并延伸跨越光接收器和光发射器，其中，发射/接收光学器件包括接收光学器件和布置在接收光学器件中的发射光学器件，
其中，接收光学器件被配置为将入射发射/接收光学器件的光接收信号引导朝向旋转轴上的光接收器，并且
其中，发射光学器件被配置为将光发射器发射的光发射信号位移到旋转轴上，使得发射束在旋转轴的区域中离开发射/接收光学器件。
此外，本发明提供(例如，参见权利要求26)一种用于信号传输的装置，包括根据本发明的至少一个第一光发射/接收单元和根据本发明的至少一个第二光发射/接收单元，其中，第一和第二光发射/接收单元以如下方式相对于彼此被布置：发射/接收单元的发射束照射相对的发射/接收单元的接收器光学器件。
本发明的发射/接收单元的优点在于，无论两个发射/接收单元如何相对于彼此绕光轴旋转布置，都可以确保在两个这样的发射/接收单元之间进行连续或不中断的数据传输。避免了关于图1讨论的数据传输中断的问题。换言之，本发明的发射/接收单元，在其用于相对于彼此可旋转的两个部件之间的光数据传输的装置中的情况下，确保部件之一中的光发射器与部件中的另一个中的光发射器之间的视觉接触，无论各个部件相对于彼此的旋转如何。这避免了数据传输的非期望的或甚至危险的中断。此外，可以实现跨光接口的数据传输速率的增加。
根据实施例(例如，参见权利要求2)，发射光学器件以发射束中心地出射发射/接收光学器件的方式将光发射器发射的光发射信号位移到旋转轴上。
根据实施例(例如，参见权利要求3)，发射光学器件以发射束基本上平行于旋转轴的方式将光发射器发射的光发射信号位移到旋转轴上。
根据实施例(例如，参见权利要求4)，发射光学器件形成到接收光学器件中或集成到接收光学器件中。
根据实施例(例如，参见权利要求5)，发射光学器件由接收光学器件的面向光接收器的表面的第一部分和接收光学器件的背离光接收器的表面的第二部分形成，其中，第一部分被配置为将光发射器发射的光发射信号朝向旋转轴偏转并将其引导到第二部分上，并且其中，第二部分被配置为平行于旋转轴偏转从第一部分接收的光发射信号。
根据实施例(例如，参见权利要求6)，第一部分布置在光发射器上方。
根据实施例(例如，参见权利要求7)，第二部分布置在旋转轴上或与旋转轴相邻。
根据实施例(例如，参见权利要求8)，第一部分由接收光学器件的面向光接收器的表面中的突起部形成，并且第二部分由接收光学器件的背离光接收器的表面中的凹部形成。
根据实施例(例如，参见权利要求9)，凹部包括从背离光接收器的表面开始、基本上平行于旋转轴延伸到接收光学器件的第一表面，并且凹部包括与第一表面相邻并从第一表面开始、相对于承载部以小于或等于90°的角度朝向背离光接收器的表面延伸的第二表面。
根据实施例(例如，参见权利要求10)，该角度大于0°且小于所用材料的全反射角。
根据实施例(例如，参见权利要求11)，第一表面相邻于旋转轴布置并且第二表面与旋转轴相交，或者第一表面相邻于旋转轴布置并且第二表面远离旋转轴延伸。
根据实施例(例如，参见权利要求12)，第一部分包括第一发射面，其布置在光发射器上方并且使光发射器发射的光发射信号朝向旋转轴倾斜；并且第二部分包括第二发射面，其中心地布置在接收光学器件的背离光接收器的表面上并且使从第一发射面接收的光发射信号平行于旋转轴倾斜。
根据实施例(例如，参见权利要求13)，第一发射面和第二发射面各自包括彼此平行的平面，以导致光发射信号朝向旋转轴的横向位移。
根据实施例(例如，参见权利要求14)，第一发射面和第二发射面被配置为球面、非球面或自由形状的光学器件，以便除了光发射信号朝向旋转轴的横向位移之外，还导致光发射信号的束成形以获得期望的发射束。
根据实施例(例如，参见权利要求15)，第一发射面和第二发射面被不同地配置。
根据实施例(例如，参见权利要求16)，第一部分包括布置在光发射器上方并且使光发射器发射的光发射信号朝向旋转轴倾斜的发射面，并且第二部分被配置为使从第一发射面接收的光发射信号平行于旋转轴倾斜。
根据实施例(例如，参见权利要求17)，光发射器上方的第一部分被配置为使光发射器发射的光发射信号朝向旋转轴倾斜，并且第二部分包括发射面，其中心地布置在接收光学器件的背离光接收器的表面上并使从第一部分接收的光发射信号平行于旋转轴倾斜。
根据实施例(例如，参见权利要求18)，该发射面被配置为球面、非球面或自由形状的光学器件，以便导致光发射信号的束成形以获得期望的发射束。
根据实施例(例如，参见权利要求19)，承载部包括承载部表面，旋转轴从该承载部表面垂直延伸。
根据实施例(例如，参见权利要求20)，光接收器和光发射器被布置在承载部表面上，或者光接收器和光发射器以距承载部表面的相同或不同距离被布置在承载部表面处。
根据实施例(例如，参见权利要求21)，光发射/接收单元包括与光接收器相邻、被布置在承载部处的至少一个另外的光发射器，其中，发射/接收光学器件包括布置在接收光学器件中或集成在其中的至少一个另外的发射光学器件。
根据实施例(例如，参见权利要求22)，光接收器包括光电二极管PD，并且光发射器包括激光二极管LD或发光二极管LED。
根据实施例(例如，参见权利要求23)，光接收信号和光发射信号的波长在紫外范围内、在可见光范围内或在红外范围内。
根据实施例(例如，参见权利要求24)，接收光学器件包括在接收光学器件的面向光接收器的表面上的第一接收面，以及在接收光学器件的背离光接收器的表面上的第二接收面，其中，第一接收面和第二接收面被配置为球面、非球面或自由形状的光学器件。
根据实施例(例如，参见权利要求25)，第一接收面和第二接收面被不同地配置。
根据实施例(例如，参见权利要求27)，该装置被实现用于两个方向上的双向传输或仅一个方向上的单向传输。
根据实施例(例如，参见权利要求28)，第一和第二光发射/接收单元的旋转轴形成相互轴，或者第一和第二光发射/接收单元的旋转轴包括指定的偏移。
根据实施例(例如，参见权利要求29)，指定的偏移在0和大于发射/接收光学器件的半径之间。
根据实施例(例如，参见权利要求30)，第一和第二光发射/接收单元被布置为彼此相距一定距离，所述距离与发射/接收单元的大小相比较小。
根据实施方式(例如，参见权利要求31)，该距离小于发射/接收单元的直径。
下面参考附图对本申请的优选实施例进行更详细的描述，其中：
图1示出了包括两个光无线发射/接收单元的常规信号传输装置的示意图，其中，图1(a)示出了在两个光发射/接收单元之间具有完好数据连接或完好数据链路的该两个光发射/接收单元的位置，并且其中，图1(b)示出了两个发射/接收单元相对于彼此旋转，使得数据连接被中断：
图2示出了根据本发明的实施例的发射/接收单元的结构；
图3示出了基于图3(a)到图3(d)的发射/接收光学器件的不同实施方式。
图4以俯视图示出了发射/接收单元的配置的实施例，其中，图4(a)示出了发射/接收单元200的浑圆或圆形配置，并且图4(b)示出了发射/接收单元200的矩形或正方形配置；
图5示出了基于图5(a)和图5(b)在发射/接收光学器件的承载部上布置光发射器/接收器的不同实施方式；
图6示出了信号传输装置的实施例，该装置包括被布置为相对于彼此可旋转的两个部件，每个部件设置有根据本发明配置的发射/接收单元；和
图7示出了本发明的发射/接收单元的实施例，其中，发射/接收光学器件包括表面处的表面结构。
在本发明实施例的后续描述中，相似的元件或具有相同效果的元件在附图中被提供相同的附图标记。
图2示出了根据本发明实施例的发射/接收单元的结构。发射/接收单元200包括光发射器202和光接收器204。发射/接收单元200被布置为可绕旋转轴206旋转，如箭头207所示。此外，图2示出了由光发射器202提供的发射束208。光接收器204被布置成使得其位置与旋转轴206的位置重合。光接收器204接收来自第一方向的光接收信号，并且光发射器202将光接收信号发射到与第一方向基本相反的第二方向。在所示的实施例中，例如可由光电二极管PD形成的光接收器204包括用于接收入射光的工作面209。接收器204被布置在旋转轴206的区域中，使得旋转轴206被中心地布置在工作面209上并且垂直于工作面209。在所示实施例中，发射/接收单元或收发器200进一步包括承载部210，并且在所示实施例中，光发射器202和光接收器204布置在承载部的表面212上。光发射器202被布置为与旋转轴206偏移并且与光接收器204间隔开。换言之，光接收器204相对于旋转轴206被中心地布置在承载部210上，并且光发射器206相对于旋转轴206偏心或离心地布置在承载部210上。根据实施例，光接收器204和光发射器202之间的距离a可以取决于系统设计。
此外，发射/接收单元200包括与承载部表面212间隔开并因此与光发射器202和光接收器204间隔开布置的发射/接收光学器件214。发射/接收单元200包括用于附接/安装发射/接收光学器件214的承载部结构216。承载部结构216布置在承载部210的承载部表面212上并向上延伸，如图2所示，使得发射/接收光学器件布置成与承载部表面212间隔开。根据实施例，发射/接收光学器件被布置为与承载部210的表面212相距距离d。例如，该距离由发射器的辐射角确定，使得面220a不会变得太大。通常，它小于光学器件214的半径并且可以在源附近达到。距离d可以在刚刚提到的下限和光学器件214的直径之间的范围内。如图2所示，距离d是沿着旋转轴208从承载部表面212到光学器件214测得的。
根据本发明，发射/接收光学器件214包括接收光学器件218和布置在接收光学器件218中的发射光学器件。换言之，发射/接收光学器件主要由布置在旋转轴206上并且延伸跨越光接收器204和光发射器202的接收光学器件218形成。发射光学器件包括布置在接收光学器件218的面向光接收器204的第一表面218a上的第一部分220a。在图2所示的实施例中，发射光学器件的第一部分220a由布置在光发射器202上方并且成形为相对于接收光学器件的第一表面218a凸出的接收光学器件218的部分形成。发射光学器件还包括布置在接收光学器件218的背离光接收器204的第二表面218b上的第二部分220b。在所示实施例中，发射光学器件的第二部分220b由在旋转轴206的区域中进入表面218b的凸切口形成。凸部220b包括第一表面224a和第二表面224b。第一表面224a延伸到接收光学器件218中，相邻于旋转轴206，基本上垂直于承载部210的表面212并平行于旋转轴206，并且仅是连接发射面和接收面的连接表面，但没有光学用途。第二表面224b从第一表面224a的下端，即从第一表面224a的与表面218b间隔开的一端延伸到接收光学器件218的表面218b。相对于承载部210的表面212，第二表面224b以一角度延伸到光信号208从信号源202辐射的第二方向。根据实施例，该角度大于0°且小于所用材料(即发射/接收光学器件的材料)的全反射角。该角度可以在30°和45°之间，并且根据实施例，它是～42°。在图2所示的实施例中，发射光学器件的第二部分220b的第二表面224b被配置为以凸的方式弯曲。
接收光学器件218的面向光接收器204的第一表面218a也被称为第一接收面，并且接收光学器件218的背离光接收器204的第二表面218b也被称为第二接收面。根据实施例，第一接收面和/或第二接收面被配置为球面、非球面或自由形状的光学器件。
由光发射器202辐射的发射束208入射发射光学器件的第一部分220a，导致束在旋转轴206的方向上朝向第二部分220b偏转，如图2中的偏转束208’所示。束208’入射发射光学器件的第二部分220b，特别是第二表面224b，导致束208’朝向旋转轴206偏转，从而导致基本上沿着旋转轴206传播的输出束226。换言之，根据本发明，提供了包括第一部分220a(也称为第一发射面)和第二部分220b(也称为第二发射面)的发射光学器件，两个发射面220a、220b被集成到接收光学器件218中，使得输出束226位移到旋转轴206上，即发射束208、208’基本上在发射/接收光学器件214的中心出射。发射束208被第一发射面220a朝向旋转轴206倾斜，并被引向中心地形成或布置在发射/接收单元214的顶侧218b的第二发射面220b。继而，第二发射面220b将偏转发射束208’朝向旋转轴倾斜，导致输出束226平行于旋转轴206布置。本发明的配置导致以下事实：光源202和光电二极管204看起来实际上在旋转轴206上，使得装置200能够360°旋转而不中断连接。根据实施例，与旋转轴的平行性的偏差是可能的，使得输出束226基本上平行于旋转轴206。
根据实施例，第一发射面220a和第二发射面220b各自由平面形成，它们基本上彼此平行布置以导致发射束束208的横向位移，从而产生输出束226，提供了一种根据平面平行板的原理的用于进行光无线数据传输的可旋转光短程收发器的光学设计。根据其他实施例，发射面220a、220b可以被配置为球面、非球面或自由形状的光学器件，使得除了上述位移之外，还能够执行发射束208、208’的束成形，以获得具有期望形状的输出束226。根据另外的实施例，可以仅提供发射面220a、220b中的一个，并且可以通过至少在接收传输束208、208’的位置处分别为接收光学器件218的表面218a和218b赋予合适的形状来实现另一发射面的功能。
根据本发明，接收光学器件218和发射光学器件220可以集成，从而创建共同或单个发射/接收光学器件或收发器光学器件214，其中，接收光学器件218形成发射/接收光学器件214的最大部分。如下文更详细地描述的，发射/接收单元的本发明配置能够提供一种数据传输转置，用于以360°旋转能力相对于彼此可旋转的部件的数据传输，即使在很短的距离的情况下。这确保了可靠和连续的数据传输，并且避免了在发射/接收单元的常规配置中遇到的上述问题。根据本发明，提供了电接收器元件或光接收器204，例如，包括光电二极管，其位于旋转轴206上，并且接收光学器件218在光电二极管204上方也位于旋转轴206上，如图2所示。例如，光电二极管包括PIN二极管和雪崩二极管，金属-半导体-金属二极管等。光源或光发射器202位于偏离中心的位置，即与旋转轴206间隔开，与光电二极管204相邻，即在光电二极管204的紧靠附近。光发射器202可以是诸如激光二极管LD的激光源，或者诸如发光二极管LED的非相干光源。
图2示出了一个实施例，其中，发射光学器件的第一部分220a由以下事实限定：与光源202相对的接收光学器件218的下表面218a的一部分被配置为凸的，而发射光学器件的第二部分220b由发射光学器件218的上表面218b中的凹部形成，该凹部布置在中心。本发明不限于根据图2所示的实施例的发射/接收光学器件214的配置，而是，发射/接收单元也可以被不同地配置。图3(a)到图3(d)示出了发射/接收光学器件214的其他实施例。
图3(a)示出了发射/接收光学器件214的配置，其中，第二部分220b如基于图2所描述的那样配置，然而，发射光学器件的部分220b不再中心地布置在接收光学器件218的区域中，而是相对于旋转轴206横向偏移。发射光学器件的第一部分220a与图3(a)所示实施例中的第二部分220b类似地配置，即通过平行于旋转轴206并从接收光学器件218的下表面218a垂直延伸的第一表面228a。第二表面228b从表面228a的下端开始延伸到接收光学器件218的下表面218a。类似于上述表面224a，表面228a仅是连接表面以连接发射面和接收面，然而，它没有光学用途。优选地，发射光学器件的两个部分220a、220b的表面224b和228b相对于彼此平行定向，以便使发射束208’朝向旋转轴206倾斜并产生输出束226，其在旋转轴206紧靠附近或者与旋转轴206部分重叠沿着旋转轴延伸，使得在图3(a)所示的实施例中，光源202和光接收器204也看起来实际上在围绕旋转轴的相互区域206中重叠。
图3(b)示出了发射/接收光学器件214的其他配置，其中，发射光学器件的第一部分220a如基于图3(a)所描述的那样配置。发射光学器件的第二部分220b通过凸凹部中心地在接收光学器件218的上表面218b中形成。
图3(c)示出了发射/接收光学器件214的其他实施方式，其中，发射光学器件包含附加部分，例如，如果根据图2的布置200包括附加的光源。在图3(c)中，发射光学器件的各个部分220a、220a’和220b、220b’被布置成与旋转轴206偏移并且具有基于图2所述的结构。
图3(d)示出了发射/接收光学器件214的其他实施方式，其中，发射光学器件的第一部分220a如基于图2所描述的那样配置，并且发射光学器件的第二部分220b如所基于图3(b)所描述的那样配置。
在基于图2和图3(b)至图3(d)描述的实施例中，发射光学器件的第一和/或第二部分220b被配置为，除了发射束的偏转之外，导致束成形以便获得输出束226的期望形状。
关于涉及发射光学器件的两个部分220a、220b的形成或成形的上述实施例，应注意，各种配置也可以以任何方式组合，使得本发明不限于所示的实施例。
图2所示的发射/接收单元200在俯视图中可以具有不同的形状。图4以俯视图示出了发射/接收单元的配置的两个实施例，其中，图4(a)示出了发射/接收单元200的浑圆或圆形配置，而图4(b)示出了发射/接收单元200的矩形或正方形配置。对于本领域技术人员显而易见的是，发射/接收单元200可以具有任意形状，例如多边形形状。
图4(a)示出了圆形发射/接收单元200，其半径r是从旋转轴206到用于发射/接收光学器件214(其未被示出)的圆形配置的支架216测得的。图4(a)指示了另一实施例，根据该实施例，可以在距光接收装置204相同或不同距离处设置一个或多个附加光发射器202’、202”。在图4(a)所示的实施例中，支架216被示为是围绕的，然而，它也可以由单独的支撑件或类似物配置以保持发射/接收光学器件214。
根据实施例，如果设置了一个或多个光发射器202’、202”，则根据本发明被配置的发射/接收光学器件214包括集成到接收光学器件218中的附加发射光学器件，如图3(c)示例性所示。附加发射光学器件布置在光发射器220’上方并且包括部分220a’和220b’，用于倾斜/偏转并且可以用于由附加光发射单元202’提供的发射束的束成形。根据其他实施例，附加发射光学器件可以与发射光学器件220类似地被配置，即以图3(a)、图3(b)或图3(d)中所示的实施例的形式被配置。
图4(b)示出了发射/接收单元200的矩形配置，其中，从旋转轴206到单元200的边缘的距离称为半径r。在本实施例中，用于承载发射/接收光学器件214的支架216包括布置在拐角处的四个支撑件216a到216d，在其他实施例中显然也可以不同地布置支撑件。
在基于图2所示的实施例中，光发射器202和光接收器204均布置在承载部210的表面212上。然而，本申请不限于这样的布置，而是元件202、204可以被布置为与表面212具有相同或不同距离。图5示出了这样的配置的可能实施方式，其中，图5(a)示出了一种配置，其中，光发射器202被布置为通过合适的间隔元件224与承载部表面212间隔开，而光接收器204位于承载部表面212上。图5(b)示出了另一实施例，其中，光接收器204被布置为通过使用合适的间隔件224与承载部210的表面212间隔开，而光发射器202布置在表面212上。在另外的实施例中，如所描述的，光发射器202和光接收器204可以被布置为通过合适的间隔件224与承载部的表面间隔开，其中，针对光发射器和光接收器的距离可以相同或不同。
下面更详细地描述了使用如基于图2至图5示例性地所述的本发明发射/接收单元的信号传输装置的实施例。图6示出了信号传输装置300的实施例，其包括两个部件302、304，该两个部件302、304被布置为可相对于彼此旋转并且每个都分别设置有根据本发明配置的发射/接收单元2001和2002，以便能够在被布置为可相对于彼此旋转的两个部件302、304之间进行无线光数据传输。图6示出了基于图2描述的发射/接收单元2001的元件，其中，附图标记标有下标“1”并且不再进行描述。并且，示出了与第二部件304关联的接收单元2002，并且对基于图2描述的对应部件标有相同的附图标记，但带有下标“2”，并且不再对其进行描述。在数据传输期间，收发器中的一个或两个可相对于彼此永久旋转。
图6示例性地示出了从第一部件302到第二部件304的数据传输，即单向连接或单向链路，其中，根据其他实施例，在两个方向上的同时传输也是可能的。如图6所示，进行发射的发射/接收单元2001的发射光学器件的部分220a1和220b1被配置为以如下方式将发射束208成形为输出束226：输出束226在旋转轴周围的中心区域中出射进行发射的发射/接收单元2001的发射/接收光学器件2141，并且被引到进行接收的发射/接收单元2002的发射/接收光学器件2142上，或照射发射/接收光学器件。根据实施例，也可以被称为接收收发器的进行接收的发射/接收单元2002可以在X方向和/或Y方向上从与旋转轴206重合的光学Z轴位移，其中，可位移程度取决于发射和接收光学器件的设计。根据实施例，偏移可以在0和大于发射/接收光学器件的半径之间。由发射收发器或由进行发射的发射/接收单元2001提供并被引向接收光学器件2182的束226被接收收发器2002的收发器光学器件2142收集并被第一接收面218a2和第二接收面218b2引导或聚焦到光电二极管204b，其中，发射光学器件的第二部分202b2的区域不能用于聚焦。发射光学器件的第一部分202a2被布置成与旋转轴206间隔开并且对聚焦没有任何影响。图6示出了由发射/接收光学器件2142产生并聚焦到光电二极管2042上的接收束230。在其他实施例中，第一部分202a2在接收面218a2使用的区域中，这可能导致轻微的因此是可接受的接收功率降低。未示出被接收面220b2偏转的束。
图6示出了两个发射/接收单元2001和2002的布置，其使得两个单元在同一光轴上，即图6中所示的共同光轴或共同旋转轴206。然而，本发明不限于这样的配置。每个收发器都有其自己的旋转轴。这些旋转轴可以相同(例如图6)，但是，旋转轴通常不相同。根据其他实施例，这两个旋转轴可以在一定程度上相对于彼此位移或倾斜，使得发射/接收单元2001、2002相对于彼此偏移，从而使得它们不包括共同光轴或共同旋转轴。图7示出了与图6类似的实施方式，其中，相同的元件标有相同的附图标记并且不再描述。在图7所示的实施例中，发射/接收单元2001、2002被布置为相对于彼此具有偏移，如附图标记350所示，例如，第二发射/接收单元2002在X和Y方向上倾斜布置，使得两个单元的光轴或旋转轴2061、2062不再重合，并且包括对应的偏移。第一发射/接收单元2001的光轴或旋转轴2061相对于第二发射/接收单元2002的光轴或旋转轴2062偏移，如图所示7。
布置在根据图6和图7的装置中的发射/接收单元2001、2002的距离可以保持很小，相比于现有技术，例如，小于发射/接收单元的直径，因为由于发射/接收单元的本发明配置，即使在发射/接收单元2001、2002相对于彼此的小距离和旋转的情况下，由发射单元提供的发射束226总是入射接收单元的接收光学器件，该接收光学器件将入射光引导到光电二极管上，因此，即使在小距离和旋转的情况下，可靠的数据传输或数据连接，即使在旋转的情况下也能确保。
上述实施例仅表示对本发明原理的说明。应当理解，本领域的其他技术人员将理解本文描述的布置和细节的修改和变化。这就是为什么本发明旨在仅由所附权利要求的范围而不是由已经通过实施例的描述和讨论在本文中呈现的具体细节来限制。

Claims (26)

1.一种光发射/接收单元(200)，包括：
承载部(210)，绕旋转轴(206)可旋转；
光接收器(204)，在所述旋转轴(206)上被布置在所述承载部(210)处，以接收来自第一方向的光接收信号(226)；
光发射器(202)，与所述光接收器(204)相邻、被布置在所述承载部(210)处，以在第二方向上发射光发射信号(208)；以及
发射/接收光学器件(214)，在所述光接收器(204)上方、在所述旋转轴(206)上被布置在所述承载部(210)处，并延伸跨越所述光接收器(204)和所述光发射器(202)，所述发射/接收光学器件(214)包括接收光学器件(218)和发射光学器件，所述发射光学器件集成到所述接收光学器件(218)中；
其中所述接收光学器件(218)被配置为将入射所述发射/接收光学器件(214)的所述光接收信号(226)聚焦朝向所述旋转轴(206)上的所述光接收器(204)，
其中，所述发射光学器件被配置为将所述光发射器(202)发射的所述光发射信号(208)引导到所述旋转轴(206)上，使得发射束(226)从所述发射/接收光学器件(214)沿所述旋转轴(206)传播，
其中，所述发射光学器件由所述接收光学器件(218)的背离所述光接收器(204)的表面(218b)的一部分(220b)形成，
其中，所述一部分(220b)被形成为在平行于所述旋转轴(206)的方向上偏转从发射面(228b)接收的光发射信号，
其中，所述一部分(220b)由所述接收光学器件(218)的背离所述光接收器(204)的所述表面(218b)中的凹部形成，并且
其中，所述发射面(228b)的功能可以通过所述接收光学器件(218)的面向所述光接收器(204)的表面(218a)的合适的形状来实现。
2.根据权利要求1所述的光发射/接收单元(200)，其中，所述发射光学器件进一步由所述接收光学器件(218)的面向所述光接收器(204)的所述表面(218a)的另一部分(220a)形成，
其中，所述另一部分(220a)被配置为朝向所述旋转轴(206)偏转所述光发射器(202)发射的所述光发射信号(208)并将所述光发射信号(208)引导到所述一部分(220b)上。
3.根据权利要求2所述的光发射/接收单元(200)，其中，所述另一部分(220a)被布置为在所述光发射器(202)发射所述光发射信号(208)所沿的方向上与所述光发射器(202)间隔开。
4.根据权利要求2所述的光发射/接收单元(200)，其中，所述一部分(220b)被布置在所述旋转轴(206)上或与所述旋转轴(206)相邻。
5.根据权利要求2所述的光发射/接收单元(200)，其中，所述另一部分(220a)由所述接收光学器件(218)的面向所述光接收器(204)的所述表面(218a)中的突起部形成。
6.根据权利要求1所述的光发射/接收单元(200)，其中，
所述凹部包括第一表面(224a)，所述第一表面(224a)从背离所述光接收器(204)的所述表面(218b)开始、平行于所述旋转轴(206)延伸到所述接收光学器件(218)；并且
所述凹部包括第二表面(224b)，所述第二表面(224b)与所述第一表面(224a)相邻，并从所述第一表面(224a)开始、相对于所述承载部(210)以小于或等于90°的角度朝向背离所述光接收器(204)的所述表面(218b)延伸。
7.根据权利要求6所述的光发射/接收单元(200)，其中，所述角度大于0°且小于所用材料的全反射角。
8.根据权利要求6所述的光发射/接收单元(200)，其中，所述第一表面(224a)相邻于所述旋转轴(206)布置并且所述第二表面(224b)与所述旋转轴(206)相交，或者
所述第一表面(224a)相邻于所述旋转轴(206)布置并且所述第二表面(224b)远离所述旋转轴(206)延伸。
9.根据权利要求2所述的光发射/接收单元(200)，
其中，所述另一部分(220a)包括所述发射面(228b)，所述发射面(228b)布置在所述光发射器上方并且使所述光发射器(202)发射的所述光发射信号(208)朝向所述旋转轴(206)倾斜；并且
所述一部分(220b)包括另一发射面(224b)，所述另一发射面(224b)中心地布置在所述接收光学器件(218)的背离所述光接收器(204)的所述表面(218b)上并且使从所述发射面(228b)接收的所述光发射信号(208)平行于所述旋转轴(206)倾斜。
10.根据权利要求9所述的光发射/接收单元(200)，其中，所述发射面(228b)和所述另一发射面(224b)各自包括彼此平行的平面，以导致所述光发射信号(208)朝向所述旋转轴(206)的横向位移。
11.根据权利要求9所述的光发射/接收单元(200)，其中，所述发射面(228b)和所述另一发射面(224b)被配置为球面、非球面或自由形状的光学器件，以便除了所述光发射信号(208)朝向所述旋转轴(206)的横向位移之外，还导致所述光发射信号(208)的束成形以获得期望的发射束(226)。
12.根据权利要求9所述的光发射/接收单元(200)，其中，所述发射面(228b)和所述另一发射面(224b)被不同地配置。
13.根据权利要求2所述的光发射/接收单元(200)，其中，
所述另一部分(220a)包括布置在所述光发射器上方并且朝向所述旋转轴(206)引导所述光发射器(202)发射的所述光发射信号(208)的所述发射面(228b)。
14.根据权利要求13所述的光发射/接收单元(200)，其中，所述发射面(228b)被配置为球面、非球面或自由形状的光学器件，以便导致所述光发射信号的束成形(208)以获得期望的发射束(226)。
15.根据权利要求1所述的光发射/接收单元(200)，其中，所述承载部(210)包括承载部表面(212)，所述旋转轴(206)从所述承载部表面垂直延伸。
16.根据权利要求15所述的光发射/接收单元(200)，其中，所述光接收器(204)和所述光发射器(202)布置在所述承载部表面(212)上，或者其中，所述光接收器(204)和所述光发射器(202)以距所述承载部表面(212)的相同或不同距离布置在所述承载部表面(212)处。
17.根据权利要求1所述的光发射/接收单元(200)，包括与所述光接收器(204)相邻、被布置在所述承载部(210)处的至少一个另外的光发射器(202’、202”)，其中，所述发射/接收光学器件(214)包括布置在所述接收光学器件(218)中或集成在所述接收光学器件(218)中的至少一个另外的发射光学器件。
18.根据权利要求1所述的光发射/接收单元(200)，其中，所述光接收器(204)包括光电二极管PD，并且其中，所述光发射器(202)包括激光二极管LD或发光二极管LED。
19.根据权利要求1所述的光发射/接收单元(200)，其中，所述光接收信号(226)和所述光发射信号(208)的波长在紫外范围内、在可见光范围内或在红外范围内。
20.根据权利要求1所述的光发射/接收单元(200)，其中，
所述接收光学器件包括在所述接收光学器件(218)的面向所述光接收器(204)的所述表面(218a)上的第一接收面，以及在所述接收光学器件(218)的背离所述光接收器(204)的所述表面(218b)上的第二接收面，
其中，所述第一接收面和所述第二接收面被配置为球面、非球面或自由形状的光学器件。
21.根据权利要求20所述的光发射/接收单元(200)，其中，所述第一接收面和所述第二接收面被不同地配置。
22.一种用于信号传输的装置(300)，包括：
至少一个第一光发射/接收单元(200a)，其中所述至少一个第一光发射/接收单元(200a)包括根据权利要求1的光发射/接收单元；和
至少一个第二光发射/接收单元(200b)，其中所述至少一个第二光发射/接收单元(200b)包括根据权利要求1的光发射/接收单元；
其中，所述第一光发射/接收单元和第二光发射/接收单元(200a、200b)以如下方式相对于彼此被布置：第一发射/接收单元(200a)的发射束(226)照射第二发射/接收单元(200b)的接收光学器件(218)。
23.根据权利要求22所述的装置(300)，被实现用于两个方向上的双向传输或仅一个方向上的单向传输。
24.根据权利要求22所述的装置(300)，其中，所述第一光发射/接收单元和第二光发射/接收单元(200a、200b)的旋转轴(206)形成相互轴，或者其中，所述第一光发射/接收单元和第二光发射/接收单元(200a、200b)的旋转轴(206、206’)包括指定的偏移。
25.根据权利要求24所述的装置(300)，其中，所述指定的偏移在0和大于所述发射/接收光学器件(214)的半径之间。
26.根据权利要求22所述的装置(300)，其中，所述第一光发射/接收单元和第二光发射/接收单元(200a、200b)被布置为彼此相距一距离，所述距离小于所述发射/接收单元的直径。
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