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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft einen optischen Drehübertrager und ein
Linsensystem insbesondere zur Verwendung in optischen Drehübertragern,
sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Linsensystems.
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Stand der Technik
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Zur Übertragung
optischer Signale zwischen gegeneinander drehbaren Einheiten sind
verschiedene Übertragungssysteme bekannt.
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In
der
US 5,568,578 ist
ein optischer Drehübertrager für mehrere Kanäle
mit einem Dove-Prisma offenbart. Zur Einkopplung beziehungsweise
Auskopplung des Lichtes aus Glasfasern ist eine Anordnung mit mehreren
GRIN-Linsen vorgesehen. Derartige GRIN-Linsen sind weitgehend unabhängig
von der Brechzahl des umgebenden Mediums. Allerdings sind deren
Abbildungseigenschaften für verschiedene Einsatzfälle
unzureichend.
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Flexibler
im Einsatz sind sphärische Linsen, wie sie beispielsweise
in der
US 5,394,493 offenbart werden.
Die Brechungseigenschaften dieser Linsen sind aber wiederum abhängig
vom Medium der Umgebung.
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Somit
funktionieren derartige Linsensysteme nur in einem engen Druckbereich,
in dem sich die Brechzahl des umgebenden Mediums nur vernachlässigbar ändert.
Sie sind also in optischen Drehübertragern, die unter schwankendem
Druck eingesetzt werden, nicht verwendbar.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen kostengünstigen
optischen Drehübertrager sowie ein Linsensystem für
einen solchen Drehübertrager bereitzustellen, der in einem
weiten Druck und Temperaturbereich einsetzbar ist. Weiterhin soll
ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Linsensystems angegeben
werden.
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Eine
erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe
ist in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Das
erfindungsgemäße Linsensystem besteht aus mindestens
zwei formschlüssig aneinandergefügten Linsenteilen
mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Die beiden Linsenteile sind
im Vergleich zu Luft inkompressibel. Die beiden Grenzflächen,
an denen die beiden Linsenteile aneinander anliegen sind zumindest
in dem Bereich, durch den das Licht fällt gekrümmt.
In dem genannten Bereich sind die Grenzflächen vorzugsweise
asphärisch. Ebenso können die Grenzflächen
auch sphärisch sein, und somit die Form eines Ausschnittes
einer Kugeloberfläche, z. B. einer Kugelkappe haben. Die Lichteintrittsfläche
und die Lichtausrittsfläche der Linse sind plan und orthogonal
zum Lichtpfad.
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Beispielsweise
kann auf einer Seite des Linsensystems eine Single- oder Multimodefaser
angebracht sein. Auf der der Faser gegenüberliegenden Seite
tritt das Licht beispielsweise in den freien Raum ein oder aus.
Solch eine Linse kann z. B. als Kollimator zur Strahlaufweitung
dienen. Dann ist die Lichteintrittsfläche orthogonal zur
Faser und die Lichtaustrittsfläche orthogonal zum austretenden
parallelen Lichtbündel. Die Lichteintritts- und die Lichtaustrittsfläche
sind also parallel. Anstelle der exakt orthogonal zum Lichtbündel,
das heißt zum Strahlengang angeordneten Flächen
können beliebige dieser Flächen auch unter einem
geringen Winkel von 0,1° bis 0,5°, höchstens
jedoch 1° zum Strahlengang angeordnet sein, um Reflexionen
zu vermeiden. Dies betrifft sowohl die Seite, an der wenigstens
eine Faser angebracht ist, die Faser selbst und auch die gegenüberliegende
Seite der Anordnung. In diesem Dokument wird der Begriff „orthogonal"
im Sinne von weitgehend orthogonal, wobei die zuvor angegebene geringfügige
Winkelabweichung mit eingeschlossen ist.
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Das
Linsensystem kann durch Anfügen weiterer Linsenteile nach
Bedarf erweitert werden. Wichtig ist nur, dass die aneinandergereihten
Linsenteile jeweils formschlüs sig sind und dass die Lichteintritts und
die Lichtaustrittsflächen der Linse orthogonal zu dem Lichtpfad
sind.
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Zumindest
eines der beiden Linsenteile kann beispielsweise durch Anformen,
wie Angießen hergestellt sein. Ebenso können die
beiden Linsenteile getrennt hergestellt und anschließend
miteinander verbunden werden. Hierzu geeignet ist beispielsweise
Epoxy, Silicon, oder andere optische Verblendungsmaterialien, wie
beispielsweise Spin-an-Glass Materialien, wie sie in der Halbleitertechnik
verwendet werden.
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Die
Linsenteile des Linsensystems bestehen vorzugsweise aus Glas oder
transparenten Kunststoffmaterialien. Sie können aber auch
aus Silizium oder Germanium bestehen und vorzugsweise mittels Pyrex
verbunden werden.
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Anstelle
der oben beschriebenen refraktiven Elemente können auch
diffraktive Elemente entsprechend der Erfindung realisiert werden.
Es können also anstelle der Linsen 5 auch Gitter
realisiert werden. Ebenso ist eine Kombination aus refraktiven und diffraktiven
Elementen möglich.
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Ein
erfindungsgemäßes Linsensystem weist eine weitgehend
vom Umgebungsmedium unabhängige Funktion auf. Somit ist
sie auch von Druck und Temperatur des Umgebungsmediums zu unabhängig.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die relativ großen
GRIN-Linsen, welche beispielsweise bei einer Brennweite von 1 mm
einen typischen Durchmesser von 1,6 bis eins um 8 mm aufweisen, durch
kleinere Linsen ersetzt werden können. Somit ist auch eine
höhere Kanaldichte erzielbar.
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Die
Brechwirkung bekannter Linsen beruht darauf, dass sie einen von
Luft verschiedenen Brechungsindex nL haben. Mit zunehmendem Druck steigt
jedoch auch der Brechungsindex nA von Luft, so dass sich bei einer
starken Veränderung des Umgebungsdruckes die Linseneigenschaften
entsprechend verändern. Dies führt insbesondere
bei Drehübertragern zu nicht tolerierbaren Abbildungsfehlern und
zu entsprechend hohen Durchgangsdämpfungen.
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Dadurch
dass ein Linsensystem verwendet wird, dessen Brechungsindex weitgehend
unabhängig vom herrschenden Umgebungsdruck und/oder der
Temperatur ist, lässt sich ein optisches System, wie z.
B. ein optischer Drehübertrager unter Normbedingungen montieren
und justieren und dann ohne weitere Justage an einem Ort mit anderen
Umgebungsbedingungen einsetzen. So kann ein solcher Drehübertrager
beispielsweise unter einer Bohrinsel in großen Meerestiefen
mit hohen Drücken eingesetzt werden.
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Ein
erfindungsgemäßer optischer Drehübertrager
weist anstelle der üblichen Kollimatoranordnungen beziehungsweise
Linsensysteme wenigstens ein erfindungsgemäßes
Linsensystem auf. Entsprechend kann ein Drehübertrager,
wie er in der
US 5,568,578 offenbart
ist, anstelle der GRIN-Linsen auf jeder Seite des Dove-Prisma mit
jeweils einem erfindungsgemäßen Linsensystem auf
jeder Seite ausgestaltet sein. Es sind aber auch Drehübertrager
ohne derotierendes Element, wie beispielsweise Einkanal- Drehübertrager
mit erfindungsgemäßen Linsensystemen ausrüstbar.
Ebenso sind auch Drehübertrager, welche beispielsweise
einen verspiegelten Graben oder Segmente davon als Lichtleiter verwenden,
mit erfindungsgemäßen Linsensystemen zu versehen.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines
Linsensystems für optische Drehübertrager umfasst
die Schritte Herstellen eines ersten transparenten Teils 1,
Herstellen eines zweiten transparenten Teils 2 und anschließendes
formschlüssiges Verbinden der beiden transparenten Teile
zu einem Linsensystem.
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Ein
weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung
eines Linsensystems für optische Drehübertrager
umfasst die Schritte Herstellen eines ersten transparenten Teils 1,
Eintauchen des ersten transparenten Teils 1 in eine flüssige
Masse und Aushärten der flüssigen Masse.
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Ein
weiteres Verfahren zur Herstellung eines Linsensystems für
optische Drehübertrager umfasst die Schritte Herstellen
eines ersten transparenten Teils 1, welches Ausnehmungen
an den Stellen der späteren Linsen hat und Einkleben von
Lichtwellenleitern mittels eines Kunststoffmaterials 12 in
Form von Tropfen, wobei das Kunsttoffmaterial 12 in Verbindung
mit dem ersten transparenten Teil 1 wenigstens eine Linse
ergibt.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen
Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
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1 zeigt
eine erste erfindungsgemäße Anordnung.
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2 zeigt
eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung.
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3 zeigt
eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem ersten
Linsenteil, einem zweiten Linsenteil und einer Zwischenschicht.
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4 zeigt
eine erfindungsgemäße Anordnung, hergestellt durch
Eintauchen eines ersten Linsenteils in eine später aushärtende
flüssige Masse.
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5 zeigt
eine erfindungsgemäße Anordnung mit einer Hülse
zur Aufnahme einer flüssigen Masse.
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6 zeigt
eine erfindungsgemäße aus Anordnung, bei der eine
Linse durch Kunststoffmaterial oder Klebstoff gebildet wird.
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7 zeigt
eine erfindungsgemäße Anordnung mit einer polierten
Oberfläche.
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8 zeigt
einen Drehübertrager entsprechend dem Stand der Technik.
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1 zeigt
einen Schnitt einer Linsenanordnung aus einem ersten Linsenteil 1 mit
einem Brechungsindex n1 und aus einem zweiten Linsenteil 2 mit
einem Brechungsindex n2, wobei hier n1 > n2 gilt, also der Brechungsindex des
ersten Linsenteils größer als der Brechungsindex
des zweiten Linsenteils ist. Das erste und das zweite Linsenteil
sind formschlüssig miteinander verbunden. Wichtig ist der Formschluss
nur im Bereich der Strahlengänge 4. Im Bereich
der Strahlengänge 4 sind die Grenzflächen 5 sphärisch
gekrümmt. Dadurch wird eine Linsenwirkung erzielt, d. h.
ein aus einem Lichtwellenleiter 3 austretendes Lichtbündel
wird zu einem parallelen Strahl gebündelt. Erfindungswesentlich
ist, dass die mit einem Umgebungsmedium in Kontakt stehenden Flächen
senkrecht zum Strahlengang angeordnet sind. Dies ist hier die Lichtaustrittfläche
des zweiten Linsenteiles 2, welche in der Zeichnung an
der Oberseite des Linsenteils 2 liegt. Die Lichtwellenleiter 3 sind
fest mit dem ersten Linsenteil 1 verbunden. Auch hier sollte
die Übergangsfläche senkrecht zum Strahlengang
sein. Allerdings hat das Umgebungsmedium in der Umgebung der Linse
keinen Einfluss auf die optische Übertragung zwischen dem
Lichtwellenleiter 3 und dem ersten Linsenteil 1.
Um eine bessere Übersicht der Zeichnung zu erreichen, sind
mehrfach auftretende Linsenteile nicht separat bezeichnet. So sind
beispielsweise vier Lichtwellenleiter 3 vorgesehen, von
denen nur einer stellvertretend für alle anderen bezeichnet
ist. Gleiches gilt für die Linsen oder auch die Strahlengänge.
Es sind hier beispielhaft Anordnungen mit einigen Linsen dargestellt.
Selbst verständlich lässt sich der erfindungsgemäße
Gedanke auf Linsenanordnungen mit einer beliebigen Anzahl von Linsen,
das heißt auch mit einer Linse übertragen.
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2 zeigt
eine weitere Lindenanordnung. Im Gegensatz zur Lindenanordnung aus 1 ist hier
n1 < n2. ist also
der Brechungsindex des ersten Linsenteils kleiner als der Brechungsindex
des zweiten Linsenteils Entsprechend ist sind Grenzflächen des
ersten Linsenteils 1 und des zweiten Linsenteils 2 gespiegelt.
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Linsenanordnungen,
wie beispielsweise in den 1 und 2 dargestellt,
können auch hergestellt werden, indem beispielsweise das
erste Linsenteil 1 mit bereits ausgeformten Linsen in das
zweite Linsenteil 2 eingepresst wird. Hierzu muss das Material
des zweiten Linsenteils 2 zumindest für die Dauer des
Pressvorgangs weicher als das Material des ersten Linsenteils 1 sein.
Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das erste
Linsenteil 1 aus Silizium und das zweite Linsenteil 2 aus
Glas besteht, welches bei einer niedrigeren Temperatur schmilzt.
So können beide Linsenteile bei gleicher Temperatur ineinander
gepresst werden. Das erste Linsenteil 1 aus Silizium ist
fest, Während das zweite Linsenteil zwei aus Glas bereits
elastisch wird und sich somit Kontur des ersten Linsenteils 1 anpasst. Selbst
verständlich könnten auch hier das erste Linsenteil 1 und
das zweite Linsenteil 2 vertauscht werden.
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3 zeigt
die Verbindung von einem ersten Linsenteil 1 und einem
zweiten Linsenteil 2. Vorzugsweise bestehen sowohl das
erste Linsenteil 1 als auch das zweite Linsenteil 2 aus
festen Materialien. Die Formschlüssigkeit lässt
sich erzielen, wenn man eine Zwischenschicht 10 einfügt.
Eine Zwischenschicht kann beispielsweise ein Epoxy, ein Silicon oder
auch ein Spin-an-Glass Material umfassen. Die Zwischenschicht härtet
vorzugsweise nach dem zusammenfügen des ersten Linsenteils 1 und
des zweiten Linsenteils 2 aus. Ein erfindungsgemäßes
Verfahren betrifft das Verbinden eines ersten Linsenteils 1 und
eines zweiten Linsenteils 2, vorzugsweise durch Einfügen
einer Zwischenschicht, beispielsweise durch Verkleben.
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4 veranschaulicht
ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen
Lindenanordnung. In eine Form 7 wird ein später
aushärtendes Material 6 eingefüllt. Dieses
Material 6 muss spätestens nach erfolgter Auswertung
geeignete optische Eigenschaften aufweisen. Es kann beispielsweise
ein Epoxydharz, in Silicon oder ein anderes Kunststoffmaterial sein.
Ein zuvor hergestelltes erstes Linsenteil 1 wird in die
noch flüssige Masse des Materials 6 eingetaucht,
so dass die Oberseite des ersten Linsenteils 1 parallel
zu der Unterseite der vorzugsweise inneren polierten Form ist. Vorzugsweise
ist die Form transparent, dann kann eine Justage der Position des
zuvor ersten Linsenteils 1 durch Messen optischer Eigenschaften
der Anordnung durch die Form hindurch noch vor der Auswertung der
flüssigen Masse 6 erfolgen. Es kann beispielsweise
eine Durchgangs- und/oder Reflektionsmessung durchgeführt
werden. Nach dem Aushärten des Materials 6 kann
dann die Form entfernt werden. In einer weiteren Ausfüh rungsform
ist die Form aus optisch durchsichtigem Material derart gestaltet,
dass sie an der Lindenanordnung verbleiben kann und so beispielsweise
eine stabile Gehäuseaußenseite bildet. Besonders
günstig ist es, wenn der hier beschriebene Vorgang im Vakuum
erfolgt, so dass Luft- oder Gaseinschlüsse vermieden werden
können. Es kann auch nach dem Einfüllen des Materials 6 die Anordnung
in Vakuum verbracht werden, um Gaseinschlüsse zu entfernen.
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Ein
weiteres erfindungsgemäßes Verfahren betrifft
das Herstellen eines ersten Linsenteils 1 und das Eintauchen
dieses Linsenteils in ein flüssiges Material 6,
welches später aushärtet, wobei sich das flüssige
Material in einer Form befindet. In einem optionalen Schritt kann
dieses dann entformt werden.
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5 zeigt
eine weitere Ausführungsform. Es wird ein zuvor hergestelltes
Erstes Linsenteil 1 in einer Hülse 8 gefasst.
Anschließend wird ein später aushärtendes
Material 6 eingefüllt. Die geforderte Orthogonalität
der Lichteintritts- und Austrittsflächen zum Strahlengang
kann durch Schwenken der Hülse 8 erreicht werden.
Das Schwenken der Hülse 8 kann in Abhängigkeit
gemessener optischer Eigenschaften erfolgen. Wahlweise kann eine
Deckplatte 14 aus optisch transparentem Material eingesetzt
werden. Alternativ kann die Lichtaustrittfläche auch durch
die Grenzfläche des aushärtenden Materials 6 erreicht werden.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung betrifft
das Einfüllen eines später aushärtenden
Materials 6 in eine Hülse 8.
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6 zeigt
eine Ausführungsform, bei der ein als Klebstoff eingesetztes
Kunststoffmaterial 12 zur Befestigung der Lichtwellenleiter 3 als
Linsenteil der Linse, hier in Verbindung mit dem ersten Linsenteil 1 fungiert.
Die Lichtwellenleiter 3 müssen wie üblich
ausgerichtet werden, es entfällt jedoch das zuvor beschriebene
Ausrichten des ersten Linsenteils 1 zum zweiten Linsenteil 2.
Die geforderte Orthogonalität der Austrittsfläche
des ersten Linsenteils 1 zum umgebenden Medium wird durch
die Justage der Stirnfläche des Lichtwellenleiters 3 sichergestellt. Hierzu
weist das Kunststoffmaterial 12 vorzugsweise eine flüssige
oder zähflüssige Konsistenz auf. Die Anordnung
kann vor dem Aushärten des Kunststoffmaterials 12 vermessen
und justiert werden. Hierbei ist allerdings zu berücksichtigen,
daß sich die Brechzahl des Kunststoffmaterials während
des Aushärtevorganges verändern kann. Dadurch ändert
sich auch der Fokus, nicht aber der Winkel des Lichtwellenleiters 3 zum
ersten Linsenteil 1.
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Ein
weiteres erfindungsgemäßes Verfahren betrifft
Herstellung von einzelnen Linsen durch aufbringen eines Kunststoffmaterials 12,
welches gleichzeitig zur Befestigung der Lichtwellenleiter in Vertiefungen
eines ersten Linsenteils 1 dient.
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In 7 wird
die Orthogonalität der Austrittsfläche des Zweiten
Linsenteils 2 zum umgebenden Medium durch herstellen einer
polierten Oberfläche 13 erreicht. Es kann wahlweise
die gesamte Oberfläche des zweiten Linsenteils 2 oder
auch nur ein oder mehrere Linsenteile davon poliert werden. Es können auch
unterschiedliche Linsenteile entsprechend den Anforderungen an die
Orthogonalität unterschiedlich poliert sein.
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8 zeigt
in schematischer Form einen Drehübertrager entsprechend
dem Stand der Technik. Der optische Drehübertrager umfasst
eine erste Kollimatoranordnung 4 zur Ankopplung von ersten Lichtwellenleitern 2,
sowie eine zweite Kollimatoranordnung 5 zur Ankopplung
von zweiten Lichtwellenleitern 3. Die zweite Kollimatoranordnung 5 ist
gegenüber der ersten Kollimatoranordnung 4 um
die Drehachse 6 drehbar gelagert. Zur Kompensation der Drehbewegung
befindet sich im Strahlengang zwischen der ersten Kollimatoranordnung 4 und
der zweiten Kollimatoranordnung 5 ein derotierendes Element
in Form eines Dove-Prismas 1. Der beispielhafte Strahlengangs
eines Lichtstrahls 9 ist ausgehend von ersten Lichtwellenleitern 2 über
die erste Kollimatoranordnung 4, durch das Dove-Prisma 1, über
die zweite Kollimatoranordnung 5 bis in die zweiten Lichtwellenleiter 3 dargestellt.
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- 1
- Erstes
Linsenteil
- 2
- Zweites
Linsenteil
- 3
- Lichtwellenleiter
- 4
- Strahlengang
- 5
- Linse
- 6
- später
aushärtendes Material
- 7
- Form
- 8
- Hülse
- 9
- Klebstoff
- 10
- Zwischenschicht
- 11
- Abdeckung
- 12
- Kunststoffmaterial
- 13
- polierte
Oberfläche
- 14
- Deckplatte
- 51
- Derotierendes
optisches Element
- 52
- Erste
Lichtwellenleiter
- 53
- Zweite
Lichtwellenleiter
- 54
- Erste
Kollimatoranordnung
- 55
- Zweite
Kollimatoranordnung
- 56
- Drehachse
- 57
- Lichtstrahl
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5568578 [0003, 0018]
- - US 5394493 [0004]