CN114063228A - 沿圆弧的光路和彼此相对旋转的两个单元之间的信号发送 - Google Patents

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Abstract

提供了一种光学设备以及使用该光学设备在相对于彼此旋转的两个单元之间发送信号的方法。该光学设备具有用于沿着圆弧引导光束的光路。光路具有至少一个光路段，该光路段具有沿光路切向布置的多个光路元件。光路元件中的每一个在径向方向上至少部分地被第一界面限制。相应光路段的第一界面各自被配置成至少将以大于预定角度的入射角从光路入射的光反射到相应的第一界面上，以将沿光路在为相应光路段预定的行进方向上传播的光束保持在光路上。第一界面的第一切向端在径向上与圆弧中心的间距比第二切向端更远。

Description

沿圆弧的光路和彼此相对旋转的两个单元之间的信号发送
技术领域
本公开的示例涉及具有用于沿着圆弧引导光束的光路的光学设备。本公开的其他示例涉及一种使用光学设备在相对于彼此旋转的两个单元之间发送信号的方法。
背景技术
本发明解决了通过两个相对于彼此旋转的构件进行数据发送的问题。利用电缆，这是不可能实现的，或者只能在非常有限的程度上实现。另外，由于应用，旋转轴线必须经常保持自由。这是必要的，例如，对于计算机断层摄影或马达而言。这里，特别注意实现最高可能的发送带宽(>＝1Gbps)。
当前的工业系统是基于通过电缆的数据发送。滑环和接触刷用于旋转点处。由于接触件的磨损，这些系统的寿命有限。此外，使用基于高频的波导系统，其中基于高频的信号在波导中被引导。偶尔也有使用光学数据发送。
由于电信号/高频无线电信号在滑环上和在波导中的全方位信号传播，会出现多径传播。这导致相当大的运行时间差异和发送带宽的限制。市场上常见的系统允许数据速率在大约100Mbit/s的范围内。专利DE 10 2007 041 927 A1也处理了这个问题，并且旨在通过调适具有10μm芯径的光波导(理想的是单模光纤)来解决这个问题。细光纤以这样的方式调适，即使得除了在正面耦合进入/出来之外，光还可以侧向耦合进入或出来。这种方案基于光的波形特性。另一个专利(DE 28 46 526 A1)描述了一种用于计算机断层摄影中光学数据发送的基本设备。这同样适用于US 4109997，其目标数据速率为1Mbit/s至30Mbit/s。另一个专利US 2004/0062344 A1在球轴承定子-转子系统中形成金属反射波导，用于在其中发送数据。
发明内容
鉴于此，需要一种光学设备，其能够在相对于彼此旋转的两个零件之间以高带宽进行数据发送。
本公开的一个构思是至少部分地配置描述圆弧的光路的界面，使得沿着圆弧具有切向分量的光束可以耦合到光路中。这可以通过将光路的光路元件的至少第一界面定向成使得它们在相应第一界面上的平均取向与切向取向相比倾斜来获得。这导致切向分量具有预定方向的光束的优选方向。通过沿着光路布置光路元件，可以为光路的相应光路段提供预定的行进方向。由于第一界面的配置，沿着预定行进方向穿过光路的光因此被保持在光路上，而逆着预定行进方向的光传播被抑制。如果光耦合到光路中的切向位置连续变化，则可以基于光路的预定行进方向实现光以与光耦合到光路中相同的时间顺序照射到光路的特定位置，例如末端。这实现了高数据速率。另外，第一界面的配置确保了光束非常高效地耦合到光路中，因为在预定行进方向上穿过光路的光束可以被反射，使得当在第一界面之一处被反射时，由于第一界面的倾斜，相对于切向方向的角度减小。在一些示例中，这实现了全反射。在进一步的示例中，这可以减小径向方向上的光路，使得例如光路内部的自由空间可以增加。
本公开的示例提供了一种光学设备，其具有用于沿着圆弧引导光束的光路。光路包括至少一个光路段，该光路段包括沿光路切向布置的多个光路元件。光路元件中的每一个至少部分地在径向方向上被第一界面限制。相应光路段的第一界面各自被配置成至少将以大于预定角度的入射角从光路入射的光反射到相应第一界面上，以保持光束沿着光路在为相应光路段预定的行进方向上传播。第一界面的第一切向端在径向上与圆弧的中心的间距比第二切向端更远。
通过第一界面的切向端的这种布置，获得了第一界面的取向与平行于切向方向的取向相比是倾斜的。结果，可以相对于切向方向产生光束在第一界面反射的优选方向。通过反射的优选方向，可以获得相应光路段的预定行进方向，从而可以抑制光在不同方向上的多径传播。
所提出的解决方案可能与专利申请DE102017217110A1显著不同。与DE 10 2007041 927 A1不同的是，该构思基于射线光学。然而，与DE 28 46 526 A1、US 2004/0062344A1、US 4109997 A相比，数据速率在>109比特/秒的范围内是可能的。这可以通过光纤结构中的有序光束引导来实现，以有效防止多径传播。本公开的方案基于经典的射线光学。与现有技术中已知的解决方案相反，在现有技术中，必须假设所使用的结构没有特殊的形状，因此光束或多或少无序地通过光纤传播，本公开的示例可以实现沿着光路的有序光束引导。此外，通过根据本公开的示例布置光路的界面，可以抑制光束在光路上的多径传播。结果，可以提高数据速率。
在示例中，相应光路段的第一界面中的每一个被配置成使得对于第一界面的每个点，表面法线相对于第一界面的相应点与圆弧的圆心之间的连接线在圆弧的圆形平面内在为相应光路段预定的旋转方向上旋转。与表面法线不相对于连接线旋转的表面相比，在预定行进方向的方向上具有切向分量的光束的入射角在第一界面的每个点处减小。因此，第一界面的这种配置允许光路段中光传播的优选方向特别明显。在示例中，耦合效率也提高了。
在示例中，第一界面在圆弧的圆形平面中的相应相交处相对于圆心是凸起的或平面的。凸起的配置使得在圆弧形光路上特别好地保持光束成为可能。因此，可以减少光路的径向扩展。替代地，可以将光路元件的数量保持较低，使得光学设备更容易实施。界面的平面配置可以以非常低的成本实施，并且可以允许光沿着光路被导向，例如，与大量光路元件和/或光路的更大径向扩展相组合。
在示例中，第一界面中的每一个在光路的圆弧的圆形平面中的相交处描述了圆弧，该圆弧被称为界面圆弧。第一界面的圆弧形配置允许光束非常精确地保持在圆弧形光路上。
在示例中，至少一个光路段包括至少第一光路段和第二光路段。为第一光路段和第二光路段预定的相应行进方向是相反的。两个光路段中的每一个可以包括例如光路的一半。通过组合具有相反预定行进方向的两个光路段，可以避免运行时跳变。例如，如果发送将以光束形式耦合进入到光路中的光信号的发送单元旋转经过光路中将检测以耦合进入的光束形式的光信号的位置，则可能发生运行时跳变。有利的是，两个光路段的组合与这样的事实相结合，即布置在与光路同心的圆形路径上并可相对于光路旋转的发送单元组合两个光束形式的光信号，其具有彼此相反的切向构件。通过组合具有相反的预定行进方向的两个光路段，可以使得运行时间随着发送单元的位置从光束耦合到要检测耦合光的点连续变化。通过避免运行时跳变，可以实现非常高的数据速率。
在示例中，光学设备还包括相对于光路静止布置的接收装置。接收装置被配置成检测在相应光路段的预定行进方向上穿过或已经穿过至少一个光路段之一的光。因此，可以检测在预定行进方向上耦合到光路中的光。由于至少一个光路段可以允许光沿着其整个圆周耦合，因此可以检测到在不同或任意切向位置发射的光。这能够可靠地实现例如相对于彼此旋转的两个构件之间的信号发送，而不管两个构件之间的相对旋转角度如何。
在示例中，第一界面径向向外限制光路，并且被配置为用于来自光路的光的反射镜，以将从光路入射的光反射到相应的第一界面上。反射镜可以实现高度反射。因此，作为外部界限的第一界面的布置可以很大程度上防止光离开光路到外部。因此，光功率保持在光路内。
在示例中，第一界面相对于圆弧的圆心沿着圆弧的轴向方向以凸起的方式配置。因此，第一界面可以具有相对于轴向方向的聚焦效果。因此，当从第一界面之一反射时，具有沿轴向方向的方向分量的光束在圆形平面的方向上被反射，从而光束可以被精确地保持在光路上。
在示例中，光路元件由一根或几根光纤形成。光路元件中的每一个至少部分地被第一界面和第二界面中相应的不同界面径向向内和向外限制。光路元件的第二界面各自被配置成将从光路以大于相应第二界面的临界角的入射角入射的光反射到相应第二界面上，以将沿着光路在相应光路段的预定行进方向上传播的光束保持在光路上。光路元件是楔形的，并且在第一切向端比在第二切向端具有更大的径向扩展。因为当光束以大于临界角的入射角入射到光纤的界面上时会发生全反射，所以光导能够以特别低的损失引导光束，甚至在弯曲的光路上。光纤的使用对于第一界面的配置是特别有利的，因为这允许从光纤外部，即从光路外部折射到光纤中的光束通过与进入表面相对的光纤界面处的全反射而被反射。进入表面可以是例如第一界面或与第一界面相对的光纤界面。因此，作为光纤元件的界面的第一界面的配置能够通过光路实现光的整体高效耦合和发送。
在示例中，第一界面径向向外限制光路段，而第二界面径向向内限制光路段。第二界面根据第一界面配置，即第二界面可以具有本文描述的第一界面的特征，特别是它们的配置和形状。根据第一界面配置第二界面的事实并不打算意味着第一界面必须与第二界面相同，而是表征第一界面的特征也适用于第二界面。相应光路段的第一界面的第一切向端在径向方向上布置为与相应光路段的第二界面的第二切向端相对。因为第一界面和第二界面都相对于切向取向倾斜，所以可以实现特别强的楔形形状，也就是说，第一界面和第二界面中的两个相对界面之间的角度可以特别大。因此，优选方向可以特别强，并且可以实现光耦合到光路中的角度范围可以特别大。
在示例中，第一界面径向向外限制光路段，而第二界面径向向内限制光路段。如上文所描述，根据第一界面配置第二界面。对于相应光路段的第一界面，从第一切向端沿着相应第一界面到第二切向端的行进方向与为相应光路段预定的行进方向相反。对于相应光路段的第二界面，从第一切向端沿着相应第二界面到第二切向端的行进方向对应于为相应光路段预定的行进方向。这种配置具有前述示例的优点，并且另外允许光路段的更灵活的实施方式或配置。
在示例中，第一界面和第二界面在与光路相切的方向上彼此偏移布置。与第一界面和第二界面中的每一个彼此相对布置的配置相比，这种布置可以提高光从光路外部耦合到光纤中的耦合效率。
在示例中，相应光路段的第二界面一起形成围绕光路圆心的圆弧。利用光路段的这种配置，由第二界面形成的光路段的界面特别容易产生。
在示例中，相对于圆弧的圆心沿圆弧的轴向方向以凸起的方式配置径向向外限制光路元件的界面。此外，相对于圆弧的圆心沿圆弧的轴向方向以凹入的方式配置径向向内限制光路元件的界面。因此，第一界面和第二界面可以具有相对于轴向方向的聚焦效果。因此，当从第一界面或第二界面之一反射时，具有沿轴向方向的方向分量的光束在圆形平面的方向上被反射，从而光束可以被精确地保持在光路上。因此，光路段对于要耦合到光路中的光束的圆形平面的入射角具有高公差。因此，可以增加入射角。
在示例中，第一界面的相应一个界面与第二界面的相应一个界面之间的楔角在1°与10°之间的范围内或者在2°与6°之间的范围内。楔角是相应第一界面的第一角度和相应第二界面的第二角度的总和。第一角度是连接相应第一界面的第一切向端和第二切向端的线与光路圆弧在相应第一界面的第一切向端与第二切向端之间的切向方向(tangentialdirection)上居中的点处的切线之间的最小角度。第二角度是连接相应第二界面的第一切向端和第二切向端的线与光路圆弧在相应第二界面的第一切向端与第二切向端之间的切向方向上居中的点处的切线之间的最小角度。如果楔角在这个范围内，光可以以特别高效的方式耦合到光路中。如果楔角在这个范围内，可以选择入射角，使得在进入界面处出现低损失，同时，在相对界面处折射到光纤元件中的光束的全反射是可能的。例如，由于背反射或菲涅耳损失，在进入界面处会发生损失，从而大部分光功率在进入界面处折射到光纤中。
在示例中，光学设备包括至少一个发送单元。至少一个发送单元和光路被布置成使得至少一个发送单元可在与光路同心的圆形路径上相对于光路旋转。该至少一个发送单元被配置为在光路的圆形路径的方向上发射至少一个发出信号的光束。通过将发送单元与光学设备的光路组合，可以在两个旋转构件之间实现信号的不间断发送。
在示例中，光学设备还包括至少一个发送单元，其中至少一个发送单元和光路被布置成使得至少一个发送单元可在与光路同心的圆形路径上相对于光路旋转。因此，同心圆形路径的半径小于光路的圆弧的半径。该至少一个发送单元被配置为在光路的圆形路径的方向上发射至少一个发出信号的光束。因为同心圆形路径小于光路的圆弧半径，如果第二界面由反射镜形成，这种布置特别适合于将光耦合到光路中。
在示例中，光学设备还包括至少一个发送单元，其中至少一个发送单元和光路被布置成使得至少一个发送单元可沿着与光路同心的圆形路径相对于光路旋转。同心圆形路径的半径小于或大于光路的圆弧的半径。该发送单元被配置为在光路的圆形路径的方向上发射至少一个发出信号的光束。选择至少一个光束的辐射方向，使得当入射到至少一个光路段之一的第一界面或第二界面之一上时，至少一个光束通过折射而耦合到光路中。
在示例中，选择至少一个光束的辐射方向，使得当入射到第一界面或第二界面之一上时，至少一个光束的入射角小于80°，或小于75°，或在60°与80°之间的范围内，或在65°与75°之间的范围内。在小于80°或小于75°的范围内，发生特别低的菲涅耳损失。在大于60°或大于65°的范围内，耦合光束可以具有相对于相对界面的允许全反射的入射角。这意味着特别大量的光功率可以耦合到光路中。
在示例中，至少一个光路段包括第一光路段和第二光路段。第一光路段的预定行进方向与第二光路段的预定行进方向相反。此外，光学设备包括至少一个发送单元。光路和至少一个发送单元被布置成使得至少一个发送单元可在与光路同心的圆形路径上相对于光路旋转。该至少一个发送单元被配置为在光路的圆形路径的方向上发射第一光束和第二光束。第一光束的方向矢量的切向分量指向第一光路段的预定行进方向，而第二光束的方向矢量的切向分量指向第二光路段的预定行进方向。因此，根据发送单元相对于光路所处的位置，第一光束可以耦合到第一光路段，或者第二光束可以耦合到第二光路段。因此，发送单元与光路之间的不间断信号发送是可能的，而与它们彼此的相对旋转位置无关。
在示例中，光路包括整个圆的第n个部分，并且至少一个发送单元包括沿同心圆形路径均匀分布的n个发送单元。因此，可以使光路非常紧凑，同时可以实现沿360°整圆的信号发送。
本公开的示例提供了一种使用根据上述示例的光学设备在相对于彼此旋转的两个单元之间发送信号的方法。该方法包括发射至少一个发出信号的光束。此外，该方法包括将至少一个光束中的至少一个耦合到至少一个光路段中的一个光束中，使得所耦合的光束在光路段的预定行进方向上传播。此外，该方法包括通过相对于光路静止布置的接收装置来检测已经在预定行进方向上传播的耦合进入的光束。
本公开的一些示例涉及绕旋转轴线旋转的光学无线收发器和/或用于在自由旋转轴线外部360°旋转进行数据发送的光学无线收发器。
附图说明
下面参照附图描述本公开的示例。它们示出：
图1是具有侧向光辐照的理想光纤的俯视图，
图2是具有侧向光辐照的理想光纤的截面图，
图3是根据本公开示例的具有楔形光纤元件的光学设备的俯视图，
图4是根据本公开的另一示例的具有楔形光纤元件的光学设备的俯视图，
图5是根据本公开示例的具有楔形光纤元件的光学设备的截面图，
图6是根据本公开的示例的具有楔形光纤元件的光学设备的截面图，
图7是根据本公开的另一示例的具有楔形光纤元件的光学设备的俯视图，
图8是根据本公开的另一示例的具有楔形光纤元件的光学设备的俯视图，
图9是根据本公开的另一示例的具有反射镜元件的光学设备的俯视图，
图10是根据本公开的示例的具有反射镜元件的光学设备的截面图，
图11A-11D是根据本公开示例的接收装置的示意图，
图12是根据本公开的示例将光束耦合到楔形光纤元件中的示意图，
图13是根据本公开的另一示例的楔形光路段的示意图，
图14是根据本公开示例的光学设备的示意图，
图15是根据本公开的示例的第一界面的取向的示意图，
图16是根据本公开示例的第一界面之间的连接表面的示意图，
图17是根据本公开示例的用于发送信号的方法的流程图，
图18是根据本公开的另一示例的光学设备的示意图。
具体实施方式
下面使用附图详细描述本公开的示例。在以下描述中，描述了许多细节以提供对本公开的示例的更彻底的解释。然而，对于本领域技术人员来说，显然在没有这些具体细节的情况下也可以实施其他示例。所描述的各种示例的特征可以彼此组合，除非对应组合的特征是互斥的或者这种组合被明确排除。
应当注意，相同或相似的元件或具有相同功能的元件可以具有相同或相似的附图标记，或者可以以相同的方式标记，并且具有相同或相似的附图标记或以相同方式标记的元件的重复描述通常被省略。具有相同或相似附图标记或以相同方式标记的元件的描述是可互换的。
图1示出了光学数据链路100的示例的俯视示意图。光学数据链路100包括发送单元150和接收单元140。数据链路可以使用红外、可见光或紫外光谱范围内的通信波长。这个光谱范围在下文中被简化为“光”。两者都位于旋转轴线160附近，并且围绕该旋转轴线160以圆形路径移动。没有所提出的发明，永久数据通信是不可能的，因为发送单元和接收单元仅在一个位置彼此直接相对。解决方案构思的实施例描述了光纤结构120，其使得发送器与接收器之间的光学连接永久化。就这一点而言，光引导结构120可以与接收单元140相关联，并且可以将由发送单元发射的光发送到接收单元，而不管其在围绕旋转轴线的圆形路径上的位置如何。
本发明构思的一个实施例是光纤结构，并且是从数学环面中的光的引导导出的。在形状像环面的光学介质中切向移动的光在其中被引导，几乎没有全反射损失。因此，该结构可以代表理想的光纤结构120。然后，接收单元140可以被布置在该环面的位置，其接收光并因此接收光信号。例如，这是由相对应的解耦结构提供的。然而，为了发送数据，光信号必须在360°旋转的每个位置可靠地耦合到光纤结构中。
图1所示的系统具有环面形式的光纤结构。示出了两个示例性发送器位置150a、150b。这里，发送示例性地从径向外侧150b发生一次，从径向内侧150a发生一次。发送光束110a、110b、111a、111b以非常大的角度入射到光纤结构120上。然后，光束112a、112b、113a、113b折射到环面中，从而它们以更锐角入射到相应相对的第二界面上。与示意图相反，两个同心界面180、190像平面平行板一样作用于入射光，因为真实系统中的半径明显更大，并且这种环面的厚度相对于半径明显更小。这意味着入射光以其入射到环面上的相同角度离开环面。因此，没有光可以耦合到光纤中，因为由于锐角没有发生全反射。光线再次离开环形结构。
图2示出了沿着图1所示的光学数据链路的径向方向的横截面。如图2所示，即使相对于环面横截面的额外倾斜辐照也不足以基于全反射耦合光。输入光束110a、110b折射到环面中，如横截面区域220所示。耦合进入的光束112a、112b入射到相应相对的界面180、190上，并离开光纤120。发送器150a、150b可以围绕横截面以360°布置。
本公开的示例提供了调适光纤结构以实现侧向耦合。在另外的示例中，核心构思也可以在没有光纤的情况下实施，例如使用反射镜元件。
图14示出了根据本公开示例的光学设备10的示意图。光学设备10包括用于沿着圆弧11引导光束的光路20。光路20包括至少一个光路段30，光路段30包括沿光路20切向布置的多个光路元件40。径向方向是圆弧11的圆形平面中经过圆弧11的圆心12的方向，而切向方向表示垂直于径向方向的方向。光路元件40中的每一个至少部分地被第一界面42在径向方向上限制。相应光路段40的第一界面42各自被配置成至少将以大于预定角度的入射角从光路20入射的光反射到相应的第一界面上，从而保持光束沿着光路在为相应光路段预定的行进方向上传播。第一界面42的第一切向端44在径向上与圆弧11的圆心12的间距比第一界面42的第二切向端46更远。切向方向也可以称为方位角方向。切向端可以理解为是指相对于切向方向的一端。这里，第一切向端指的是第一切向方向上的端部，第二切向端指的是与第一切向方向相反的第二切向方向上的端部。
第一界面42可以理解为不同材料之间的界面，例如这些材料之一可以是空气。就这一点而言，在示例中，光路20可以在空气中，并且第一界面42可以代表与光学上更致密的材料(例如金属)的界面，使得从光路入射到第一界面上的光被反射。在另外的示例中，光路20可以至少部分地由对光束的光透明的固体形成，例如光纤，并且第一界面42可以代表与光学上不太致密的材料例如空气的界面，从而以大于第一界面42的临界角的入射角从光路20入射到第一界面42之一上的光通过全反射被反射。这里，临界角由形成第一界面42的两种材料的光密度或折射率限定。因此，预定角度可以指的是相应的第一界面42的临界角。
当提到入射角时，它通常是指入射光束与入射点处界面的入射垂线(即法线)之间的角度。
因此，在光学设备10的示例中，光路20可以延伸穿过光纤结构，该光纤结构的界面包括光路的第一界面和第二界面。因此，光学设备10的示例可以类似于图1和2所示的光学设备100、200，其中光纤结构120根据本发明关于图14来实施。
在图14所示的示例中，由光路20描述的圆弧11包括120°的圆弧角32。在另外的示例中，光路20包括更小或更大的角度范围，例如完整的圆。
此外，在图14所示的示例中，光路20包括至少一个光路段30。对于相应光路段30的第一界面42，沿着从第一切向端44沿相应第一界面42行进到第二切向端46的光路20的方向可以是一致的。换句话说，相应光路段30的第一界面42可以相对于相应第一界面42的位置处的切向方向在相同方向上倾斜或偏斜。因此，对于相应光路段30内的光，可以实现相应光路段30的预定行进方向。
通过使第一切向端44与圆心12的径向间距比第二切向端46更远，第一界面42相对于圆弧11的切线的平均取向可以在第一界面42的位置(例如，切向方向上的中点)处旋转。因此，与相对于切线的平均取向不旋转的界面相比，入射在第一界面42上的光束根据光束的切向分量的方向在切向方向上或多或少地被强烈反射。因此，根据第一界面42的取向，提供了光束在相应光路段30内沿着光路传播的优选方向，即预定行进方向34。因此，在预定行进方向34上沿着光路20行进的光优选地保持在光路20上。相反，在光路20上以与预定行进方向相反的方向行进的光在其在光路20上的传播时可能被抑制，例如通过被导向从光路20出来。由于相应光路段30具有预定行进方向34，从而抑制了不同行进方向的出现的事实，因此可以防止在要读出光信号的位置以光束形式耦合到光路20的光信号在几个不同时间的出现。
此外，第一界面42的取向可以有利于或实现来自光路20外部的光束的耦合，例如，通过第一界面的取向实现从光路20外部耦合到光路20中的光束的全反射。因此，从光路20外部耦合到光路段30中的光束可以传播到光路段30的切向端。光路段30的切向端可以表示光路段30的预定行进方向34所指向的切向端。
光路段30的光路元件40的数量可以取决于圆弧11的长度以及光路的径向尺寸。在光路元件的数量增加的示例中，光路在径向方向上所需的空间可以减小。在示例中，圆弧11的半径在厘米或米的数量级。然而，更小或更大的半径是可能的。例如，对于半径～m，光路可以具有～cm的径向尺寸。尽管为了说明的目的，图14中所示的光路段30具有两个光路元件40，但是光路元件40的数量通常可以大得多。
在示例中，光路元件40的径向长度在圆弧11半径的1％与20％之间。因此，取决于光路20的圆弧角32，光路20的光路元件40的数量可以在每90°圆弧角32在2与50个光路元件之间。
图15示出了第一界面42的可能配置的示例。在该示例中，相应光路段30的第一界面42中的每一个被配置成使得对于第一界面42的每个点43，表面法线45相对于第一界面42的相应点43与圆弧11的圆心12之间的连接线47在圆弧11的圆形平面内在为相应光路段30预定的旋转方向49上旋转。从连接线47行进到表面法线45所需的最小可能旋转的方向可以称为旋转方向49。
第一界面42的这种配置具有这样的效果，即当光束在第一界面42之一处被反射时，光束与光路20的圆弧11的切线之间的最小角度在反射的切向位置变得更小。因此，例如，对于在预定行进方向上具有切向分量的光束，可以减小光路段30的另一界面上入射的入射角。
在图14中描述的光学设备的示例中，第一界面42在圆弧11的圆形平面中相对于圆心12的相应相交处是凸起的或平面的。这可以是参照图15描述的第一界面42的实施例。例如，第一界面在圆弧11的圆形平面中的相交处可以描述圆弧，其可以被称为界面圆弧。
沿着切向方向彼此相继布置的每两个第一界面42可以通过连接表面连接。因此，例如，第一界面之一和连接表面可以沿着光路在切向交替地彼此紧邻布置。
图16示出了根据本公开示例的连接表面48。示出了光路段30的界面1630a和1630b的区段的两个示例。因此，两个相应的第一界面42可以通过连接表面48连接。第一界面42与连接表面48之间在相应连接点处的角度可以是平的、直角的或锐角的。
连接表面48可以相对于与经过圆心12以及连接表面48和与其相邻的第一界面42的连接点的圆平面垂直的表面上的反射不对称地形成。因此，实现了光沿着预定行进方向34的优选方向。
连接表面48与第一界面42一起可以在径向方向上至少部分地限制光路段30，并且因此一起形成光路段30的界面。在示例中，连接表面48和第一界面42对由其形成的光路段的界面的贡献比大于1:5或大于1:10或大于1:20(连接表面48的贡献:第一界面42的贡献)。
在图14中描述的光学设备10的示例中，光学设备10还包括相对于光路20静止布置的接收装置70。接收装置70被配置成检测在相应光路段30的预定行进方向34上穿过至少一个光路段30之一的光。接收装置70可以被配置为检测经由光路20到达接收装置70的位置的光或将该光从光路20解耦以检测该光。为此，接收装置70可以布置在至少一个光路段30的切向端。例如，接收装置70可以提供作为光检测结果的信号。
图18示出了根据另一示例的光学设备10的示意图。在图18所示的示例中，光学设备10包括第一光路段30a和第二光路段30b。第一光路段30a和第二光路段30b各自是至少一个光路段30的代表。第一光路段30a具有预定行进方向34a。第二光路段30b具有预定行进方向34b。预定行进方向34a和预定行进方向34b是预定行进方向34的示例。第一光路段30a和第二光路段30b的预定行进方向34a、34b相反。
光路段30的描述可以适用于第一光路段30a和第二光路段30b。
第一光路段30a包括k个光路元件40a-1、40a-2、40a-3、...、40a-k。第二光路段30b包括m个光路元件40b-1、40b-2、40b-3、...、40b-m。数字k和数字m可以相同。第一光路段30a和第二光路段30b可以各自个别地代表或对应于光路段30的示例。
第一光路段和第二光路段可以沿光路切向布置，并且可以彼此相邻布置。第二光路段可以布置成使得其切向端邻近第一光路段的切向端。
接收装置70可以布置在第一光路段和第二光路段二者的切向端处。也就是说，第一光路段的切向端可以邻近第二光路段的切向端布置。替代地，接收装置70可以布置在第一光路段和第二光路段的切向端之间。
如果光路包括单个光路段，则当发送器旋转经过接收装置70时会发生运行时跳变，因为当光在光路的一端耦合进入时，由于预定的行进方向，光必须行进完整的运行时间段，例如在光纤中行进完整的一圈，而光先前是在接收装置附近的光路的另一端耦合进入的，因此几乎被直接辐照。相比之下，由于例如从发送器到接收装置的运行时间在旋转期间连续变化，所以利用具有相反的预定行进方向的两个光路元件可以实现更高的数据速率。
图18还示出了第一发送单元80a和第二发送单元80b，它们可以是光学设备10的一部分，或者可以在光学设备10操作期间被布置成与光学设备10相邻。发送单元80a、80b布置在与光路20同心的圆形路径86上，可相对于光路20旋转。在图18所示的示例中，发送单元80a、80b各自发射具有沿着第一光路段30a的行进方向34a的切向分量的第一光束82a-1、82b-1，并且各自发射具有沿着第二光路段30b的行进方向34b的切向分量的第二光束82a-2、82b-2。来自第一发送单元的光束82a-1、82a-2被定向成在点84a处照射到光路20上，该点84a取决于发送单元82a相对于光路20的旋转位置。取决于光束是入射在第一光路段还是第二光路段上，光束中的至少一个光束耦合到相应的光路段中。
在图18所示的示例中，光路20包括180°的角圆弧32，光路段30a、30b中的每一个包括光路20的一半。发送单元80a、80b在同心圆形路径上彼此相对的布置确保了对于发送单元80a、80b与光路20之间的每个旋转角度，发送单元80a、80b中的至少一个被定位成使得来自至少一个发送单元的光束的至少一个光束可以耦合到光路20中。为了实现这一点，发送单元的数量可以被选择为至少与光路20所包围的整个圆的一部分一样大。这可以确保对于发送单元与光路20或接收装置70之间的所有旋转角度，发送单元与接收装置70之间的信号发送都是不间断的。
因此，在示例中，光学设备10包括至少一个发送单元80a、80b，该至少一个发送单元和光路20被布置成使得该至少一个发送单元可在与光路同心的圆形路径上相对于光路旋转。至少一个发送单元被配置成在光路20的圆形路径11的方向上发射至少一个发出信号的光束82a-1、82a-2、82b-1、82b-2，圆形路径11例如是相对于至少一个发送单元可旋转地布置光路的圆形路径11。同心圆形路径的半径可以大于或小于光路20的圆弧11的半径。光束被定向成使得来自光束的光可以耦合到光路中，从而照亮光路。相对于发送单元的辐射方向可以是固定的。通过相对于光路旋转发送单元，光束可以在不同或任意切向位置处耦合到光路中。例如，发送单元可以在径向方向上邻近光路布置。在示例中，如参照图5更详细解释的，发送单元可以布置在光路横截面周围的任何位置处。在这种情况下，横截面是沿着与圆形平面垂直的平面的截面。至少一个发送单元的一个或多个或所有发送单元可以相对于彼此以固定的方式布置。
在示例中，光路包括整个圆的第n个部分，并且至少一个发送单元包括沿同心圆形路径均匀分布的n个发送单元，即发送单元以360°/n的角度间隔开。
从发送单元80a、80b中的每一个发射的光束的数量可以取决于光路的光路段40、40a、40b的数量。由发送单元发射的光束的切向分量可以适应光路的预定行进方向。因此，对于具有单个光路段的光路，如图14所示，发送单元中的每一个可以发射一个光束，而对于具有相反预定行进方向的两个光路段的光路，发送单元中的每一个利用相反切向构件发射两个光束可能是合适的。
在至少一个光路段包括第一光路段34a和第二光路段34b并且光学设备10包括至少一个发送单元80a、80b的示例中，至少一个发送单元可以被配置为在光路的圆形路径的方向上发送第一光束82a-1、82b-1和第二光束82a-2、82b-2。第一光束82a-1、82b-1的方向矢量的切向分量指向第一光路段30a的预定行进方向34a，而第二光束82a-2、82b-2的方向矢量的切向分量指向第二光路段30b的预定行进方向34b。第一光束和第二光束可以同时输送相同的信号。利用方向相反的切向构件，两个光束可以被对准以在相同的位置84a进入光路。
关于图3-7和9及10描述了具有第一光路段和第二光路段的光学设备10的另外的示例。
在下文中，描述了光学设备10的示例，其中光路20借助于光纤结构或借助于反射镜元件来实施。光路段的数量、其圆弧的长度以及发送单元的数量和/或由相应发送单元发射的光束的数量可以独立于光学设备是通过光纤结构还是通过反射镜元件实施来选择，从而在光纤结构上示出的实施例也可以通过反射镜元件来实施，反之亦然。
图4示出了根据本公开示例的光学设备400的俯视图。光学设备400可以对应于光学设备10。光学设备400的光路包括第一光路段434和第二光路段436，它们代表光路段30、30a、30b的示例，并且它们的预定行进方向130是相反的。预定行进方向130是预定行进方向34的示例。
光路段434、436包括光路元件121，其可以对应于图14的光路元件40或光路元件40a-1，...，40b-k，40b-1，...，40b-m，并且由一根或多根光纤形成。光路元件121中的每一个至少部分地被相应的第一界面442沿径向向外的方向限制。第一界面442可以对应于第一界面42。此外，光路元件121中的每一个分别至少部分地被第二界面452沿径向向内的方向限制。第一界面442可以各自是光纤120的外部界面190的一部分。第二界面452可以各自是光纤120的内部界面180的一部分。换句话说，光学设备400包括在光纤结构的外表面190上具有楔形光纤元件的光纤结构。在替代示例中，光路元件121中的每一个分别至少部分地被第二界面452之一沿径向向内的方向限制，并且分别至少部分地被第一界面442沿径向向外的方向限制。也就是说，光路元件121中的每一个至少部分地被第一界面42、442和第二界面452中的相应不同界面沿着径向向内和向外的方向限制。光路元件的第二界面452各自被配置成将从光路以大于相应第二界面的临界角的入射角入射的光反射到相应第二界面上，以保持光束沿着光路在相应光路段的预定行进方向130上传播。光路元件121是楔形的，并且在第一切向端454比在第二切向端456具有更大的径向扩展。
例如，光路元件121可以被布置成使得对于相应光路段434、436的光路元件，沿着从光路元件的第一切向端454跨过光路元件行进到光路元件的第二切向端456的光路的方向是一致的。对于相应光路段434、436的光路元件，沿着从第一切向端454沿着光路元件行进到光路元件的第二切向端456的光路的方向可以与为相应光路元件预定的行进方向130相反。
在如图4所示的示例中，相应光路段的第二界面452一起形成围绕光路的圆心的圆弧。
参照图3描述光学设备400的进一步细节。此外，参照图1和图2解释的特征也适用于设备400，尽管至少在光纤元件的配置以及因此光束的传播方面与设备100、200不同。
图3示出了根据本公开示例的光学设备300的示意图。光学设备300可以对应于光学设备10。在光学设备300中，第一界面342径向向外限制光路段334、336，而第二界面352径向向内限制光路段。第二界面352根据第一界面来配置。即，本文的陈述，特别是关于图14和图4针对第一界面42、442的陈述，例如针对第一界面42、442的取向和布置的陈述，也适用于光学设备300的第二界面352，除非另有描述。根据第一界面配置第二界面的事实并不打算意味着，在一个实施例中，与第二界面相比，第一界面必须与第二界面配置相同。
光学设备400包括第一光路段334和第二光路段336，它们的预定行进方向130是相反的。第一界面342可以各自是光纤120的外部界面190的一部分，并且可以根据第一界面442来布置。第二界面352可以各自是光纤120的内部界面180的一部分。
在光学设备300的示例中，相应光路元件的第一界面342的第一切向端44a在径向方向上面向该相应光路元件的第二界面352的第二切向端46b。因此，相应光路元件的第一界面342的第二切向端46a在径向方向上面向该相应光路元件的第二界面352的第一切向端44b，如图3所示。因此，对于第一界面342和第二界面352来说，第一界面和第二界面相对于切向方向或如关于图15所解释的表面法线45的旋转方向49的倾斜是相反的。
图13示出了根据另一示例的光路段334、336的区段。所示的区段包括光路段40-1、40-2、40-3。在图13所示的示例中，对于相应光路段334、336的第一界面342，从第一切向端44a沿着相应第一界面342到第二切向端46a的行进方向与为相应光路段334、336预定的行进方向130相反。另一方面，对于相应光路段334、336的第二界面352，从第一切向端44b沿着相应第二界面到第二切向端46b的行进方向对应于为相应光路段334、336预定的行进方向。同样在该示例中，第二界面可以根据第一界面来配置。因此，对于第一界面342和第二界面352来说，相对于相应的切向方向或如关于图15所解释的表面法线45的旋转方向49的倾斜是相反的。这导致光路元件的楔形配置，其中光路元件的相应第一界面和第二界面的切向端不必彼此相对。相反，它们可以彼此偏移布置。
这可以意味着，例如，对于光路段342，沿着光路从第二界面352的第一切向端44b沿着第二界面352行进到第二界面352的第二切向端46b的方向可以与沿着从第一界面342的第一切向端44a沿着第一界面342行进到第一界面342的第二切向端46a的光路的方向相反。
例如，第一界面342和第二界面352可以相对于光路在切向方向上彼此偏移布置。例如，第一界面的第一端和第二端中的至少几个端部的切向位置不同于第二界面的第一端和第二端的切向位置。这可能会提高耦合效率。
因此，光学设备400可以对应于光学设备300，其中光学设备400的光纤结构被调适成使得只有外部界面190适于产生楔形结构。同样，可以设想只调适内部界面。因此，第一界面342可以对应于关于图4描述的第一界面442。因此，光学设备300的示例可以主要通过光路元件121的配置与光学设备400的示例不同。在光学设备300和光学设备400中，光路元件121的配置导致相对的第一界面和第二界面的楔形布置。
在示例中，第一界面或第二界面中的每一个之间的楔角(例如，关于图12描述的楔角1248)在1°与10°之间或者在2°与6°之间。这里，楔角是相应第一界面的第一角度和相应第二界面的第二角度的总和。相应的第一界面42和相应的第二界面可以与相同的光路元件40相关联。第一角度是连接相应第一界面342的第一切向端44a和第二切向端46a的线与光路的圆弧11在相应第一界面的第一切向端44a与第二切向端46a之间的切向方向上居中的点处的切线之间的最小角度。第二角度是连接相应第二界面352的第一切向端44b和第二切向端46b的线与光路的圆弧11在相应第二界面的第一切向端44b与第二切向端46b之间的切向方向上居中的点处的切线之间的最小角度。因此，这可以适用于图4所示实施例的第一界面442和第二界面452，其中相应界面的第一端可以布置在光路段121的第一端454处，而相应界面的第二端可以布置在光路段121的第二端456处。
换句话说，在图3和图4所示的光学设备300、400中，外部界面190和内部界面180相对于彼此布置成楔形。结果，两个界面之间的距离不再恒定，而是从最小距离b1开始增加到最大距离b2。为此，光纤结构由彼此连接的几个楔形区段121组成。楔形布置使得可以通过可能的全反射来防止耦合进入的光束112a、112b离开光纤120，从而将它们可靠地耦合到光纤结构中。这里，仅在一个方向110a、110b上实现耦合。产生其中光纤结构支持耦合和发送的优选方向130。这对于相反方向111a、111b上的光是被防止的。例如，这对于期望的数据速率是重要的，对于防止多径传播也是重要的。发送单元150有利地被配置为在两个循环方向上发射光110a、110b、111a、111b。只有在发送器150与接收器140之间具有最短光路的部分光束经由光纤结构传递。如果发送器与接收器正好有180°的偏移，就会出现一种特殊情况，其中两个部分光束110、111都被传递。由于当时相等的路径长度，没有多径传播，数据速率在>109比特/秒的范围内是可能的。
在两个楔形区段的接触点处，在从区段b2的宽端到下一区段的窄端的过渡处，在传播方向130上形成台阶301。这些区域301、302潜在地代表解耦点，并且会导致部分光解耦，从而导致损失。楔形(b1-b2)和过渡点301、302的强度可以专门用于设置信号衰减以专门防止多径传播。这确保了数据信号仅通过最短路径发送。
图3和图4还示出了两个发送单元150a、150b，其中一个或两个可以可选地是光学设备300的一部分。发送单元150a布置在光路径向内侧，而发送单元150b布置在光路径向外侧。因此，发送单元150a和150b各自代表发送单元的布置的示例，例如发送单元80a或80b之一。将发送单元布置在光路内侧或外侧的切向位置可能是足够的或者甚至是有利的。发送单元150a、150b被配置成将第一光束110a、110b和第二光束111a、111b辐射到光路中。第一光束110a、110b包括在第一光路段334、434的预定行进方向130的方向上的切向分量。第二光束111a、111b包括在第二光路段336、436的预定行进方向130的方向上的切向分量。如果第一光束110a或110b照射在第一光路段334、434的光路元件121之一的进入界面上，则光束被折射到光纤或光路中，从而进入光束112a或112b在光纤中传播。进入界面可以是光路元件121的第一或第二界面342、352、442、452，这取决于界面的布置，并且取决于发送单元150a、150b是布置在光路内侧还是外侧。如果进入光束112a或112b照射在与进入界面相对的光路段的界面上，由于第一和/或第二界面342、352、442、452的取向，进入光束在与进入界面相对的界面上的进入角可能很大，从而发生全反射，因此反射光束116a、116b在光路内传播。当第二光束111a或111b照射在第一光路段334、434的光路元件121之一的进入界面上时，光束被折射到光纤或光路中，从而进入光束113a或113b在光纤中传播。如果进入光束113a或113b照射在与进入界面相对的光路段的界面上，则第一和/或第二界面342、352、442、452的取向可以导致进入光束在与进入界面相对的界面上的进入角使得反射光束115a、115b离开光路。因此，产生了预定的行进方向或光路段的优选方向。关于第二光路段336、436，第一光束110a、110b和第二光束111a、111b的作用可能由于它们相反的切向分量而颠倒。
在示例中，光学设备300、400还包括发送单元150a、150b中的至少一个。在这种情况下，至少一个发送单元和光路被布置成使得至少一个发送单元可相对于光路在与光路同心的圆形路径上旋转，其中同心圆形路径的半径小于或大于光路的圆弧的半径。这里，至少一个发送单元被配置为在光路的圆形路径的方向上发射至少一个发出信号的光束110a、110b、111a、111b。选择至少一个光束的辐射方向，使得当至少一个光束照射到至少一个光路段30、334、336、434、436之一的第一界面42、342、442或第二界面352、452之一上时，该至少一个光束通过折射耦合到光路中。例如，以这样的方式选择辐射方向，使得在光束照射在光路元件上的第一界面或第二界面处，即当耦合进入时，发生尽可能少的菲涅耳反射，但是同时，全反射仍然发生在相对的界面处。
在示例中，选择至少一个光束110a、110b、111a、111b的辐射方向，使得当入射到第一界面或第二界面之一上时，至少一个光束的入射角小于80°，或小于75°，或在60°与80°之间的范围内，或在65°与75°之间的范围内。对于空气或其他气体与光波导之间的界面，大部分光束在该入射角范围内折射到光路中。此外，能够使进入光束112a、112b在与进入界面相对的界面处折射，并通过全反射被反射。还参照图12更详细地解释入射角。
在示例中，径向向外限制光路段334、336、434、436的光路元件的界面190相对于圆弧的圆心12沿着圆弧的轴向方向以凸起的方式形成，并且其中径向向内限制光路元件的界面180相对于圆弧的圆心沿着圆弧的轴向方向以凹入的方式形成。这种光路段的示例在图5和6中示出。
图5示出了根据本公开的示例的沿着光学设备500的中心轴线160的平面的截面图。光学设备500可以对应于光学设备300、400。光学设备500包括具有楔形光纤元件和圆形横截面区域的光纤结构。这里，光纤元件的楔形由两个圆形横截面轮廓b1、b2表示。虚线圆代表楔形光纤元件121的较窄端。实线圆代表楔形光纤元件121的较宽端。光纤结构220的横截面是对称的圆形。在这种情况下，发送单元150a和/或发送单元150b可以相对于光路的圆形平面围绕横截面区域360°布置。所示的发送单元被认为是示例性的。围绕光纤结构的横截面区域220布置多个发送器在技术上是可能的，例如为了增加可用的光功率。然而，在相应的切向位置使用单个发送器具有这样的优点，即更容易同步引导两个信号，并且在接收器140处没有运行时间差异的情况下检测它们。
图6示出了根据本公开的示例的光学设备600的截面图。光学设备600包括具有楔形光纤元件和弯曲的内表面和外表面的光纤结构。光学设备600可以对应于光学设备300或400。图6示出了沿着中心轴线160的平面的光学设备600的横截面。与光学设备500不同，光学设备600的光纤具有匹配的非圆形横截面区域。这里，内部界面180和外部界面190不必彼此连接。结果，可以形成上连接表面610和/或下连接表面620。然而，这不是必需的。外表面和内表面也可以直接彼此连接。内部界面和外部界面的形状可以采取各种形式。这些形式可以是球面、非球面、抛物线曲率，也可以是任意的自由形式。为了防止运行时间差异(否则会限制最大数据速率)，目的是特定的有序光引导。
由于内表面和外表面的楔形布置，如参照图3至8所示，光在优选方向130上被反射，更少地朝向旋转轴线，而更多地径向向外。理想情况下，一旦耦合进入，光只由外部界面引导，根本不接触内表面。通过相同的190配置，光信号因此可以被很好地控制/引导，并且可以防止/最小化多径传播。这尤其适用于借助于光纤元件或反射镜元件的描述实施例300、400、500、600、700、800、900，但通常也适用于光学设备10的光路段30的本发明配置。
图7示出了根据本公开示例的光学设备700的俯视图。光学设备700包括具有楔形光纤元件的光纤结构。光学设备700可以对应于光学设备10，并且可以进一步对应于光学设备300、500、600，除了光学设备700包括多个至少2个发送元件150之外，发送元件150围绕旋转轴线均匀地分布在光纤结构区域的内侧150a、150c或外侧150b、150d。通过增加发送器的数量，可以减小光纤结构的大小。在这种情况下，光纤结构必须恰好足够大，从而至少有一个发送器总是可以经由光纤结构到达接收器。发送器越多，光纤结构理论上可能变得越小。光纤结构是镜像的，且接收器单元位于中心，从而镜像轴线正好穿过接收器伸展。楔形结构再次被结构化成使得优选方向130从两侧朝向接收器140伸展。这对于确保旋转期间不间断的数据发送是必要的。通过光纤结构的特定衰减，可以防止离接收器不同距离的两个发送器之间的运行时间差异。因此，距离最短的发送器总是占优势。如果发送器之间的运行时间差异由于进一步旋转而减小，则所接收信号的比例也相等。以这种方式，防止了运行时跳变，并且实现了不间断发送。
图8示出了根据本公开的示例的光学设备800的图示。光学设备800包括具有楔形光纤元件的光纤结构，该光纤元件没有对称布置，例如只有一个光路段。光学设备800可以对应于光学设备10。光学设备800包括光路段。光路段的配置可以对应于光学设备300、400、500、600、700、900之一的配置。对于低数据速率，光学设备可以提供简单的实施选项。
图9示出了根据本公开示例的光学设备900的示意图。在光学设备900中，作为光纤元件的替代，光路由相对于彼此倾斜布置的反射镜元件920实施。光学设备900可以对应于光学设备10。第一界面42各自可以是反射镜元件920之一的至少一部分。在光学设备900中，第一界面42径向向外限制光路20，从而使光路在反射镜元件内伸展。也就是说，在光学设备900中，第一界面42被配置为用于光路20的光的反射镜，以便反射从光路入射到相应的第一界面42上的光。在图9所示的示例中，光路具有第一光路段934和第二光路段936，它们具有相反的预定行进方向。然而，也可以用类似于光学设备800的单个光路段来实施光学设备900。
在光学设备900的示例中，对于相应光路段30的第一界面42，从第一切向端沿着相应第一界面到第二切向端的行进方向与相应光路元件的预定行进方向相反。因此，可以产生光沿着预定行进方向传播的优选方向。
在示例中，光学设备900包括至少一个发送单元150，该至少一个发送单元和光路被布置成使得该至少一个发送单元可相对于光路在与光路同心的圆形路径86上旋转，其中同心圆形路径的半径小于光路的圆形路径的半径。该至少一个发送单元被配置为在光路的圆形路径的方向上发射至少一个发出信号的光束110、111。选择至少一个光束的辐射方向，使得至少一个光束在至少一个光路段之一的第一界面42之一处反射时耦合到光路中。
图10示出了沿着圆形轴线160的平面的光学设备900的截面图。在图10所示的光学设备900的示例中，沿着圆弧的轴向方向的第一界面相对于圆弧的圆心是凸起的。圆弧的轴向方向表示垂直于圆弧的圆形平面的方向。
换句话说，如图9和10所示的光学设备900可以是使用光纤实施本发明构思的替代方案。在这种情况下，代替光学介质，光在空气中被直接引导，并借助于反射镜元件改变方向。这些反射镜元件实现了外部界面190的功能，并且根据与光纤元件121相同的原理进行布置和成形。如图10所示，细分成几个反射镜元件920在这里是合适的，因为这有利于生产。然而，与大反射镜的连接是可以设想到的。(一个或多个)发射器150方便地布置在反射镜元件内，即光路内。输出光束110、111被反射镜元件向内反射。这再次导致优选方向130，从而反射光束910被径向向外反射，并且因此可以被进一步引导，并且光束911在旋转轴线的方向上逆着优选方向被进一步反射，并且因此与内部170中的自由区域碰撞，并且因此潜在地损失。
对于具有反射镜元件的替代实施方式，也可以应用如图7所示的具有几个发送器的变型以及如图8所示的对于接收器没有对称性的布置。
图11A、11B、11C、11D示出了根据本公开示例的接收装置1170的示例的示意图。接收装置1170包括接收器1172(例如检测器)的潜在解耦结构和布置的示例。接收装置1170可以对应于接收装置70、140。接收装置1170包括接收器1172和解耦结构元件1174，每个解耦结构元件被配置为将到达相应光路段30的切向端的光从光路中解耦。解耦可以在第一轴向方向(图11A)，或者在第二轴向方向(图11B)。轴向方向是垂直于径向方向和切向方向的方向，例如垂直于图13的绘图平面的方向。替代地，解耦可以径向向内(图11C)、向外(图11D)进行。也可以具有解耦方向，解耦方向具有轴向方向分量和径向方向分量。解耦方向也可以在切向方向有分量。
下文描述了可以由光路元件40、121形成的楔形。尽管在下文中相互倾斜的表面被示为彼此相对，但是该描述等效地适用于其中第一界面和第二界面相对于彼此切向移位的示例。
图12示出了根据本公开示例的光束耦合到楔形光纤元件1240中的示意图。光纤元件1240是光路元件40、121的示例。在右侧，图12示出了典型的平面平行板1202以及光束如何穿过该板。粗线代表携带大部分光功率的入射光束。
细线代表始终存在的菲涅耳反射。输入光束和输出光束相互平行。全反射是不可能的。只有一部分光功率在光纤中被短暂引导。
为了在第二界面实现全反射，两个界面必须朝向彼此倾斜(形成楔形)，直到发生全反射。同时，第一界面处的入射角必须非常浅，以防止楔形变得过于极端。另一方面，入射角越平，菲涅耳损失越高。在示例中，根据所选材料的折射率，在入射角大于70°时，菲涅耳反射的部分会增加。在这种情况下，70-75°的入射角可视为最大值。同时，75°的入射角和1.5的折射率将需要大约2°的楔形以允许全反射。如果选择更陡的角度1248来进一步降低菲涅耳损失，这将略微增加。因此，楔形有利地为<～6°。平行偏振光进一步有助于保持低损失，或者替代地使楔形更窄。
图17示出了使用光学设备10、300、400、500、600、700、800、900、1000在相对于彼此旋转的两个单元之间发送信号的方法1700的流程图。方法1700包括以下步骤：发射1701至少一个发出信号的光束；将至少一个光束中的至少一个耦合1702到至少一个光路段中的一个光路段中，使得所耦合的光束在光路段的预定行进方向上传播；借助于相对于光路静止的接收装置检测1703已经在预定行进方向上传播的耦合光束。
尽管本公开的一些方面已经被描述为与设备相关的特征，但是很明显，这样的描述也可以被认为是对应方法特征的描述。尽管一些方面已经被描述为与方法相关的特征，但是很明显，这样的描述也可以被认为是对设备的对应特征或设备功能的描述。
在前面的详细描述中，各种特征在示例中被分组在一起，部分是为了简化本公开。这种类型的公开不应被解释为要求保护的示例具有比每个权利要求中明确陈述的更多特征的意图。相反，如以下权利要求所示，本主题可以在少于单个公开示例的所有特征中找到。因此，下面的权利要求由此被并入到详细描述中，并且每个权利要求可以作为其自己的单独示例。虽然每个权利要求可以作为其自己的单独示例，但是应当注意，尽管权利要求中的从属权利要求涉及与一个或多个其他权利要求的特定组合，但是其他示例也包括从属权利要求与任何其他从属权利要求的主题的组合或者任何特征与其他从属或独立权利要求的组合。这种组合包括在内，除非声明特定组合不是有意的。进一步打算还包括权利要求与任何其他独立权利要求的特征的组合，即使该权利要求不直接依赖于该独立权利要求。
上述实施例仅仅是对本公开原理的说明。应当理解，本文描述的布置和细节的修改和变化对于本领域的其他技术人员来说是明显的。因此，本公开旨在仅由权利要求的范围来限制，而不是由通过这里的实施例的描述和解释而呈现的具体细节来限制。

Claims (22)

1.一种光学设备(10，300，400，500，600，700，800，900，1000)，包括用于沿着圆弧(11)引导光束的光路(20)，
其中所述光路(20)包括至少一个光路段(30，30a，30b，334，336，434，436，934，936)，所述光路段包括沿着所述光路切向布置的多个光路元件(40，121)，所述光路元件(40，121)中的每一个在径向方向上至少部分地被第一界面(42，342，442)限制，
其中相应光路段(40)的第一界面(42，342，442)各自被配置成至少将以大于预定角度的入射角从所述光路入射的光反射到相应的第一界面(40)上，以将沿着所述光路(20)在为所述相应光路段(30)预定的行进方向(34)上传播的光束保持在所述光路(20)上；和
其中所述第一界面(40)的第一切向端(44)在径向上与所述圆弧(11)的圆心(12)的间距比第二切向端(46)更远。
2.根据权利要求1所述的光学设备(10，300，400，500，600，700，800，900，1000)，其中相应光路段(30)的第一界面(42，342，442)中的每一个被配置成使得对于所述第一界面(42，342，442)的每个点(43)，表面法线(45)相对于所述第一界面(42，342，442)的所述相应点(43)与所述圆弧(11)的所述圆心(12)之间的连接线(47)在所述圆弧(11)的圆形平面内在为所述相应光路段(30)预定的旋转方向(49)上旋转。
3.根据权利要求1所述的光学设备(10，300，400，500，600，700，800，900，1000)，其中所述第一界面(42，342，442)在所述圆弧(11)的所述圆形平面中的相应相交处相对于所述圆心是凸起的或平面的。
4.根据权利要求1所述的光学设备(10，300，400，500，600，700，800，900，1000)，其中所述第一界面(42，342，442)中的每一个在所述圆弧(11)的所述圆形平面中的相交处描述了相应的界面圆弧。
5.根据权利要求1所述的光学设备(10，300，400，500，600，700，800，900，1000)，其中所述至少一个光路段包括至少第一光路段(30a)和第二光路段(30b)，其中为所述第一光路段(30a)和所述第二光路段(30b)预定的相应行进方向(34a，34b)是相反的。
6.根据权利要求1所述的光学设备(10，300，400，500，600，700，800，900，1000)，还包括接收装置(70)，所述接收装置(70)相对于所述光路静止布置，并且被配置为检测在所述相应光路段(30)的所述预定行进方向(34)上穿过所述至少一个光路段(30)之一的光。
7.根据权利要求1所述的光学设备(10，900，1000)，其中所述第一界面(42)径向向外限制所述光路(20)，并且其中所述第一界面(42)被配置为用于来自所述光路(20)的光的反射镜，以将从所述光路入射的光反射到所述相应的第一界面(42)上。
8.根据权利要求7所述的光学设备(10，900，1000)，其中所述第一界面(42)相对于所述圆弧的所述圆心(12)沿着所述圆弧的轴向方向以凸起的方式配置。
9.根据权利要求1所述的光学设备(10，300，400，500，600，700，800)，其中所述光路元件(40，121)由一根或多根光纤形成，
其中所述光路元件(40，121)中的每一个至少部分地被所述第一界面(42，342，442)和第二界面(352，452)中相应的不同界面径向向内和向外限制，
其中所述光路元件的所述第二界面(342，452)各自被配置成将从所述光路以大于所述相应第二界面的临界角的入射角入射的光反射到所述相应第二界面上，以将沿着所述光路在所述相应光路段的预定行进方向(34，130)上传播的光束保持在所述光路上，以及
其中所述光路元件是楔形的，并且在第一切向端(44，44a，44b)比在第二切向端(46，46a，46b)在径向方向上具有更大扩展。
10.根据权利要求9所述的光学设备(10，300，500，600，700，800)，其中所述第一界面(42，342)径向向外限制所述光路段(30，334，336)，其中所述第二界面(352)径向向内限制所述光路段，
其中所述第二界面(352，452)根据所述第一界面配置，其中相应光路元件的第一界面(342)的第一切向端(44a)在径向方向上与所述相应光路元件的所述第二界面(352)的所述第二切向端(44b)相对。
11.根据权利要求9所述的光学设备(10，300，500，600，700，800)，其中所述第一界面(42，342)径向向外限制所述光路段，其中所述第二界面(352)径向向内限制所述光路段，
其中对于相应光路段(334，336)的第一界面(342)，从所述第一切向端(44a)沿着所述相应的第一界面(342)到所述第二切向端(46a)的行进方向与为所述相应光路段(334，336)预定的行进方向(130)相反，并且对于相应光路段(334，336)的第二界面(352)，从所述第一切向端(44b)沿着所述相应的第二界面到所述第二切向端(46b)的行进方向对应于为所述相应光路段(334，336)预定的行进方向。
12.根据权利要求11所述的光学设备(10，400)，其中所述第一界面和所述第二界面在与所述光路(20)相切的方向上彼此偏移地布置。
13.根据权利要求9所述的光学设备(10，400)，其中相应光路段的第二界面(352，452)一起形成围绕所述光路的所述圆心的圆弧。
14.根据权利要求9所述的光学设备(10，300，400，500，600，700，800)，其中径向向外限制所述光路元件(40，121)的所述界面(342，442，452)相对于所述圆弧(11)的所述圆心(12)沿着所述圆弧的所述轴向方向以凸起的方式配置，并且其中径向向内限制所述光路元件的所述界面(352，442，452)相对于所述圆弧的所述圆心(12)沿着所述圆弧的所述轴向方向以凹入的方式配置。
15.根据权利要求9所述的光学设备(10，300，400，500，600，700，800)，其中所述第一界面(342，442)中的相应一个界面与所述第二界面(352，452)中的一个界面之间的楔角(1248)在1°与10°之间的范围内或者在2°与6°之间的范围内，其中所述楔角是相应第一界面(342，442)的第一角度和相应第二界面的第二角度之和，
其中所述第一角度是连接所述相应第一界面(342，442)的所述第一切向端和所述第二切向端的线与所述光路的所述圆弧在所述相应第一界面的所述第一切向端与所述第二切向端之间的切向方向上居中的点处的切线之间的最小角度，并且
其中所述第二角度是连接所述相应第二界面(352，452)的所述第一切向端和所述第二切向端的线与所述光路的所述圆弧在所述相应第二界面的所述第一切向端与所述第二切向端之间的切向方向上居中的点处的切线之间的最小角度。
16.根据权利要求1所述的光学设备(10，300，400，500，600，700，800，1000)，还包括至少一个发送单元(80a，80b，150，150a，150b，150c，150d)，其中所述至少一个发送单元和所述光路(20)被布置成使得所述至少一个发送单元能够在与所述光路同心的圆形路径(86)上相对于所述光路旋转，
其中所述至少一个发送单元被配置成在所述光路(20)的所述圆形路径(11)的方向上发射至少一个发出信号的光束(82a-1，82a-2，82b-1，82b-2，110，110a，110b，111，111a，111b)。
17.根据权利要求7所述的光学设备(10，400)，还包括至少一个发送单元(80a，80b，150)，其中所述至少一个发送单元和所述光路被布置成使得所述至少一个发送单元能够在与所述光路同心的圆形路径(86)上相对于所述光路旋转，其中所述同心圆形路径(86)的半径小于所述光路的所述圆弧(11)的半径，
其中所述至少一个发送单元被配置成在所述光路的所述圆形路径的方向上发射至少一个发出信号的光束(82a-1，82a-2，82b-1，82b-2，110，111)，
其中选择所述至少一个光束的辐射方向，使得所述至少一个光束在所述至少一个光路段(30，30a，30b)之一的所述第一界面(42)之一处反射时耦合进入到所述光路中。
18.根据权利要求9所述的光学设备(10，300，400，500，600，700，800)，还包括至少一个发送单元(80a，80b，150a，150b，150c，150d)，其中所述至少一个发送单元和所述光路被布置成使得所述至少一个发送单元能够沿着与所述光路同心的圆形路径(86)相对于所述光路旋转，其中所述同心圆形路径(86)的半径比所述光路的所述圆弧(11)的半径更小或更大，
其中所述至少一个发送单元被配置成在所述光路的所述圆形路径的方向上发射至少一个发出信号的光束(82a-1，82a-2，82b-1，82b-2，110a，110b，111a，111b)，
其中选择所述至少一个光束的辐射方向，使得当入射到所述至少一个光路段(30，30a，30b，334，336，434，436)之一的所述第一界面(342，442)或所述第二界面(352，452)之一上时，所述至少一个光束通过折射而耦合到所述光路中。
19.根据权利要求18所述的光学设备(10，300，400，500，600，700，800)，其中选择所述至少一个光束(82a-1，82a-2，82b-1，82b-2，110a，110b，111a，111b)的所述辐射方向，使得当入射到所述第一界面或第二界面之一上时，所述至少一个光束的入射角小于80°，或小于75°，或者在60°与80°之间的范围内，或者在65°与75°之间的范围内。
20.根据权利要求1所述的光学设备(10，300，400，500，600，700，800，900，1000)，其中所述至少一个光路段包括第一光路段(30a，334，434，934)和第二光路段(30b，336，436，936)，
其中所述光学设备包括至少一个发送单元(80a，80b，150，150a，150b，150c，150d)，所述至少一个发送单元和所述光路(20)被布置成使得所述至少一个发送单元能够在与所述光路同心的圆形路径(86)上相对于所述光路旋转，
其中所述至少一个发送单元被配置为在所述光路的所述圆形路径的方向上发射第一光束(82a-1，82b-1，110，110a，111a)和第二光束(82a-2，82b-2，110b，111，111b)，
其中所述第一光束的方向矢量的切向分量指向所述第一光路段的所述预定行进方向(34a，130)，且所述第二光束的方向矢量的切向分量指向所述第二光路段的所述预定行进方向(34b，130)。
21.根据权利要求15所述的光学设备(10，300，400，500，600，700，800，900，1000)，其中所述光路包括整个圆的第n个部分，并且其中所述至少一个发送单元包括沿着所述同心圆形路径均匀分布的n个发送单元。
22.使用根据权利要求1所述的光学设备在相对于彼此旋转的两个单元之间发送信号的方法，包括：
发射(1701)至少一个发出所述信号的光束，
将所述至少一个光束中的至少一个耦合(1701)到所述至少一个光路段中的一个光路段中，使得所耦合的光束在所述光路段的预定行进方向上传播，
借助于相对于所述光路静止布置的接收装置，检测(1701)已经在所述预定行进方向上传播的耦合进入的光束。
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