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Die Erfindung betrifft einen optischen Drehübertrager mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1. Ein derartiger Drehübertrager kann Bestandteil z. B. einer Drehkupplung oder einer anderen Vorrichtung mit drehbeweglichen, voneinander beabstandeten Teilen sein und ermöglicht die unidirektionale oder bidirektionale Übertragung von optischen Signalen zwischen den relativ zueinander drehbaren Teilen unabhängig von deren Drehstellung und Winkelgeschwindigkeit. Der Wellenlängenbereich kann von langwelliger IR-Strahlung bis zu kurzwelliger UV-Strahlung reichen. In diesem Sinn sind nachfolgend die Begriffe „optisch” und „Licht” zu verstehen.
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Aus der
US-A-4 943 137 ist ein Drehübertrager bekannt, mittels dessen Licht von einem optischen Sender, der dem einen der beiden relativ zueinander drehbaren Teile zugeordnet ist, über optische Fasern und Kollimatoren auf eine optische Koppelbaugruppe und von dieser weiter zu einem optischen Empfänger geleitet wird, der dem anderen drehbaren Teil zugeordnet ist. Die Koppelbaugruppe dient zur Derotation des Lichts und dreht sich mit der halben Winkelgeschwindigkeit der beiden relativ zueinander drehbaren Teile. Infolgedessen ist diese Konstruktion sehr aufwendig.
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Aus der
US-A-4 027 945 ist ein Drehübertrager bekannt, bei dem die optischen Signale eines dem ersten der relativ zueinander drehbaren Teile zugeordneten Senders in ein Faserbündel eingespeist werden. Dieses Faserbündel ist kreisförmig um die Drehachse angeordnet, ebenso ein gleichartiges Faserbündel an dem zweiten Teil, das einen optischen Empfänger umfasst. Hierzu wird eine hohe Anzahl optischer Fasern, das heißt LWL-Fasern, benötigt.
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Aus der
US-A-6 128 426 ist ein Drehübertrager bekannt, bei dem Licht von z. B. einem optischen Sender, der mit dem ersten Teil mitrotiert, an eine Vielzahl von kreisförmig angeordneten optischen Empfängern oder Detektoren an dem zweiten Teil übertragen wird. Dieser Drehübertrager erfordert eine Winkeldekodierung der Relativstellungen der drehbaren Teile zueinander.
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Aus der
DE-A-10 2008 030 187 ist ein Drehübertrager bekannt, bei dem ein dem ersten Teil zugeordneter optischer Sender optische Signale in einen Lichtwellenleiter an dem zweiten Teil einkoppelt. Hierzu hat der Lichtwellenleiter eine speziell bearbeitete Oberfläche, die diese Einkopplung der Lichtsignale ermöglicht. Solche Lichtwellenleiter sind nicht handelsüblich und daher teuer.
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Aus der
DE-A-10 2006 054 052 ist ein Drehübertrager mit zwei zueinander koaxialen, lichtleitenden Hohlkörpern bekannt, in welche Lichtsignale von einem Sender mittels über den Umfang des einen Hohlkörpers verteilter Lichtwellenleiter eingekoppelt, über dessen Stirnfläche in Richtung der Stirnfläche des anderen Hohlkörpers abgestrahlt und nach dem gleichen Prinzip über Lichtwellenleiter des anderen Teils ausgekoppelt sowie einem Empfänger zugeführt werden. Bei dieser Konstruktion entsteht eine hohe Signaldämpfung durch gleichmäßige Verteilung der Signale über den gesamten Umfang der Hohlkörper.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehübertrager zur Verfügung zu stellen, der bei vergleichsweise einfachem Aufbau eine zuverlässige Übertragung optischer Signale zwischen den relativ zueinander drehbaren Teilen gewährleistet.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass jeder der Lichtkoppler aus zu je einer Kollimatoranordnung zusammengefassten Kollimatoren besteht, an die optische Koppelelemente angeschlossen sind.
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Dieser Drehübertrager kann unidirektional oder bidirektional arbeiten. Im Folgenden sind daher die Begriffe „senden” und „empfangen” gegeneinander austauschbar.
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Infolge seines einfachen und weitgehend symmetrischen Aufbaus ist der Drehübertrager kostengünstig herstellbar und gewährleistet gleichzeitig eine von der Winkelgeschwindigkeit der relativ zueinander drehbaren Teile unabhängige, hohe Signalübertragungssicherheit. Je nach Dimensionierung der Kollimatoren, die vorzugsweise Parallelstrahlenbündel senden bzw. empfangen, können Abstände in der Größenordnung von bis zu 100 mm zwischen den Lichtkopplern überbrückt werden. Für die in der Regel digitalisierten optischen Signale lassen sich unter Verwendung handelsüblicher Halbleitersender und -empfänger Bitraten bis zu 10 Gbit/s realisieren.
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Jeder Kollimator kann aus mindestens einer (fokussierenden) Linse, gefolgt von mindestens einer Lichtführung und einer Anschlussvorrichtung für ein optisches Koppelelement bestehen. Aufwendigere Konstruktionen zur Anpassung der numerischen Aperturen und/oder der Durchmesser der Linse und des optischen Koppelelementes, z. B. aufeinander folgende Konzentrationsstufen, sind möglich. Je nach Anwendungsfall können übliche sphärische Linsen aus Glas oder Kunststoff, GRIN-Linsen, Fresnellinsen oder andere Spezialformen ein- oder mehrstufig verwendet werden.
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Vorzugsweise sind die Kollimatoren jeder Kollimatoranordnung im Wesentlichen lückenlos aneinander grenzend angeordnet. Mit „im Wesentlichen lückenlos” ist gemeint, dass Kollimatoren, die in mechanische Halterungen gefasst sind, mit ihren optisch wirksamen Flächen nicht unmittelbar aneinander anschließend montiert werden können.
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Die optischen Koppelelemente bestehen vorzugsweise aus Lichtwellenleitern in Form von LWL-Fasern, die zweckmäßig an ihrem Ein- bzw. Auskoppelende zu einem Bündel zusammengefasst sind. An das Ein- bzw. Auskoppelende kann unmittelbar oder über einen Konzentrator einer der üblichen optischen Halbleitersender bzw. -empfänger angekoppelt sein.
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Alternativ, jedoch aufwendiger, kann jede LWL-Faser an einem ihr zugeordneten Sende- bzw. Empfangselement enden. In diesem Fall müssen alle Sendeelemente parallel angesteuert und die Empfangssignale der Empfangselemente zusammengeführt werden. Die höhere Lichtsendeleistung verbessert den Rauschabstand der Signale auf der Empfangsseite.
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Bei Verwendung nur eines, allen optischen Koppelelementen in Form von LWL-Fasern gemeinsamen Sende- bzw. Empfangselementes kann es zur Erzielung einer gleichmäßigen Verteilung der Signale über die Umfänge der jeweiligen Kreise zweckmäßig sein, wenn die LWL-Fasern jeder der Kollimatoranordnungen auf einen gemeinsamen Lichtmischer zusammengeführt sind.
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Die Lichtmischer können ihrerseits optische Wellenleiter sein, an welche dann der jeweilige Lichtsender bzw. Lichtempfänger, gegebenenfalls über einen Konzentrator, angeschlossen ist.
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Im Weiteren können die Lichtmischer gleichzeitig die numerische Apertur und/oder den Querschnitt der Lichtsender bzw. Lichtempfänger an diejenige der optischen Koppelelemente, also z. B. der LWL-Fasern, anpassen.
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Im Normalfall sind die Kollimatoren so ausgelegt, dass ihre Sende- bzw. Empfangscharakteristik im Wesentlichen dem eines parallelen Strahlenbündels entspricht, das seinerseits parallel zu der Mittelachse des Drehübertragers ist.
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Eine Ausführungsform des Drehübertragers, die es ermöglicht, einen durch die sonstige Konstruktion des Drehübertragers bedingten, unterschiedlichen Durchmesser des ersten Lichtkopplers und des zweiten Lichtkopplers und damit der ersten Kollimatoranordnung und der zweiten Kollimatoranordnung zu überbrücken, besteht darin, dass die optischen Achsen sich gegenüberliegender Kollimatoren der ersten Kollimatoranordnung und der zweiten Kollimatoranordnung aufeinander ausgerichtet sind jedoch nicht wie im Fall gleicher Durchmesser der Kollimatoranordnungen parallel zu deren gemeinsamer Mittelachse verlaufen sondern mit dieser Mittelachse einen Winkel einschließen.
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Wenn die Teile des Drehübertragers koaxial und konzentrisch zueinander angeordnet sind, also beispielsweise aus zwei koaxialen Hohlwellen besteht, ist auch eine Ausführungsform möglich, bei der der erste Lichtkoppler und der zweite Lichtkoppler sich konzentrisch umgebend angeordnet sind und die jeweils im Wesentlichen parallelen Strahlenbündel ihrer Kollimatoren zumindest annähernd orthogonal zu der gemeinsamen Mittelachse, also radial zu dieser, verlaufen.
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Ein mehrkanaliger Betrieb des Drehübertragers ist bei Anwendung der bekannten Zeitmultiplex- oder Wellenlängenmultiplexverfahren zur Signalübertragung möglich.
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Eine mehrkanalige Ausführungsform des Drehübertragers selbst besteht darin, dass der erste Lichtkoppler und der zweite Lichtkoppler jeweils mindestens eine weitere Kollimatoranordnung umfassen, deren Kollimatoren auf einem Kreis angeordnet sind, der konzentrisch zu dem Kreis der ersten Kollimatoranordnung ist und einen von dem Durchmesser des ersten Kreises verschiedenen Durchmesser hat. Mit anderen Worten können bei zwei konzentrischen Kollimatoranordnungen je Lichtkoppler über die erste Kollimatoranordnung ein erster Signalkanal und über die zweite Kollimatoranordnung ein zweiter Signalkanal geführt werden, ohne ein Multiplexverfahren anwenden zu müssen.
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Eine alternative Ausführungsform zur Übertragung von mehr als einem Signalkanal besteht darin, dass an jeden Kollimator mindestens ein weiteres optisches Koppelelement derart angekoppelt ist, dass der Kollimator ein diesem zweiten Koppelelement zugeordnetes, weiteres im Wesentlichen paralleles Strahlenbündel sendet, bzw. empfängt, das mit dem zu dem ersten optischen Koppelelement korrespondierenden Parallelstrahlenbündel einen Winkel einschließt.
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Zweckmäßig ist dabei der Winkel zwischen diesen Parallelstrahlenbündeln so bemessen, dass die zu den unterschiedlichen optischen Koppelelementen korrespondierenden Parallelstrahlenbündel jedes Kollimators des einen Lichtkopplers jeweils auf benachbarte Kollimatoren des gegenüberliegenden Lichtkopplers treffen.
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Eine verbesserte Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Lichtkoppler durch gleichmäßigere Verteilung der Empfangsstrahlung über den Kreisring, auf dem die Kollimatoren angeordnet sind, wird erreicht, wenn die Anzahl der Kollimatoren des ersten Lichtkopplers verschieden, insbesondere um Eins verschieden von der Anzahl der Kollimatoren des zweiten Lichtkopplers ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der schematisch vereinfachte Ausführungsbeispiele der wesentlichen Teile des Drehübertragers dargestellt sind. Es zeigt:
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1: ein erstes Ausführungsbeispiel,
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2: eine Aufsicht auf dessen ersten Lichtkoppler,
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3: ein Ausführungsbeispiel eines Kollimators,
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4: eine Seitenansicht eines Kollimators in einer dreikanaligen Ausführungsform,
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5: mehrere Kollimatoren gemäß 4 und die zugehörigen Strahlengänge,
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6: eine Aufsicht auf zwei übereinander projezierte Kollimatoranordnungen mit einer um Eins verschiedenen Anzahl von Kollimatoren und
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7: ein Diagramm des Koppelwirkungsgrades bei einer dreikanaligen Ausführung des Drehübertragers entsprechend 5.
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1 zeigt die erfindungswesentlichen Teile eines grundsätzlich beliebigen Drehübertragers. Er umfasst einen ersten Lichtkoppler 10 und einen zweiten Lichtkoppler 20. Die beiden Lichtkoppler 10, 20 sind einander gegenüberliegend angeordnet. Der erste Lichtkoppler 10 ist einem ersten, nicht dargestellten Teil des Drehübertragers zugeordnet, der zweite Lichtkoppler 20 einem zweiten Teil dieses Drehübertragers, das relativ zu dem ersten Teil um eine gemeinsame Mittelachse 30 drehbar ist. Der erste Lichtkoppler 10 umfasst eine erste Kollimatoranordnung 16 in einem Gehäuse 12. Analog umfasst der zweite Lichtkoppler 20 eine zweite Kollimatoranordnung 26 in einem Gehäuse 22. Die erste Kollimatoranordnung 16 besteht aus gleichmäßig und aneinandergrenzend auf dem Umfang eines Kreises verteilten Kollimatoren 11. Die zweite Kollimatoranordnung 26 besteht aus analog angeordneten Kollimatoren 21. Die Kollimatoren senden bzw. empfangen Licht im Wesentlichen parallel zu der gemeinsamen Mittelachse 30, die gleichzeitig die Drehachse ist. Die Strahlungsrichtung ist in 1 nur beispielhaft durch die Einzelpfeile, die insgesamt mit 31 bezeichnet sind, angedeutet, wobei in diesem Fall der Lichtkoppler 10 der Sendelichtkoppler und der Lichtkoppler 20 der Empfangslichtkoppler ist. Selbstverständlich ist diese Beziehung reziprok.
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An jeden der Lichtkoppler 11 ist eine LWL-Faser 15 und an jeden der Lichtkoppler 21 eine LWL-Faser 25 angeschlossen. Die LWL-Fasern 15, 25 sind zu je einem Bündel zusammengeführt und enden an einem Block 13 bzw. 23. Die Blöcke 13 bzw. 23 können für einen Lichtsender, z. B. ein VCSEL und einen Lichtempfänger, z. B. eine PIN-Diode, stehen. Stattdessen können die Blöcke 13, 23 auch Bauteile zwischen einem Lichtsender und/oder einem Lichtempfänger und dem jeweiligen LWL-Faserbündel sein, z. B. Lichtmischer in Form eines optischen Wellenleiters, der das gesendete Lichtsignal über die LWL-Fasern 15 möglichst gleichmäßig auf alle Kollimatoren 11 verteilt bzw. die von den Kollimatoren 21 empfangenen Lichtsignale zusammenführt und an den Lichtempfänger ankoppelt. Hierzu sind die Lichtmischer gleichzeitig so ausgestaltet, dass sie die Numerische Apertur und/oder den Querschnitt des Lichtsenders bzw. des Lichtempfängers an diejenige der LWL-Fasern 15 bzw. 25 anpassen.
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Die Kollimatoren 11 bzw. 21 sind so ausgestaltet, dass sie das über die jeweilige LWL-Faser eingekoppelte Lichtsignal in ein Parallelstrahlenbündel umformen bzw. das empfangene Parallelstrahlenbündel in die angeschlossene LWL-Faser einkoppeln.
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Die Kreis- oder Ringform der Kollimatoranordnungen 16 bzw. 26 lässt einen inneren Durchmesser der Lichtkoppler 10 bzw. 20 frei, so dass z. B. über Bohrungen 14, 24 andere, nicht dargestellte Teile des Drehübertragers, z. B. eine Antriebswelle hindurchgeführt oder in diesen Bohrungen 14, 24 nicht dargestellte Drehlager angeordnet werden können.
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3 veranschaulicht lediglich beispielhaft den Aufbau eines Kollimators. Er umfasst eine Linse 51, über deren abbildende Fläche 50 ein Parallelstrahlenbündel 60 eintritt. Die Linse ist in einer Halterung 52 gefasst. An die Linse 51 schließt sich ein konischer Körper 53 zur Führung des Lichts in Richtung auf eine Fläche 59 an, auf die optische Konzentratoren 54, 55 folgen, die den Durchmesser und die Apertur des Lichtbündels an den Einkoppeldurchmesser und die Apertur einer LWL-Faser 57 anpassen. Die LWL-Faser 57 ist über eine nicht näher dargestellte und an sich bekannte Anschlussvorrichtung in Form einer Verbindungs- und Koppelstelle 56 mit dem Kollimator vorzugsweise direkt, das heißt ohne Luftzwischenraum, verbunden.
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In 4 ist ein Kollimator 40 dargestellt, an den zentrisch eine LWL-Faser 42 und exzentrisch beidseits davon LWL-Fasern 41, 43 angekoppelt sind. Der Kollimator 40 erzeugt (bzw. empfängt) dementsprechend drei Strahlenbündel 44, 45, 46, die zwar idealisiert gezeichnet, jedoch auch im realen Strahlengang einzeln den LWL-Fasern 41, 42, 43 zugeordnet sind, und zwar das Strahlenbündel 44 der LWL-Faser 41, das zentrale Strahlenbündel 45 der mittig angeschlossenen LWL-Faser 42 und das Strahlenbündel 46 der LWL-Faser 43. Deshalb können die LWL-Fasern 41, 42, 43 als voneinander unabhängige Signalkanäle betrieben werden. Die LWL-Fasern 41, 42, 43 sind örtlich so an den Kollimator 40 angekoppelt, dass die Strahlenbündel 44, 45, 46 auf unterschiedliche, jedoch benachbarte Kollimatoren auf der Gegenseite auftreffen.
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Dies ist in 5 schematisch in Form einer Teilabwicklung der gegenüberliegenden Kollimatoranordnungen dargestellt. Auf der linken Seite sind die Kollimatoren 80a bis 80e analog der 4 mit ersten Lichtleitern 81a bis 81e, zweiten Lichtleitern 82a bis 82e, dritten Lichtleitern 83a bis 83e sowie die zugehörigen Strahlengänge 44a bis 44e, 45a bis 45e und 46a bis 46e dargestellt. Diesen gegenüber liegend, hier auf der rechten Seite der Zeichnung sind die Kollimatoren 90a bis 90e mit den ersten Lichtleitern 91a bis 91e, den zweiten Lichtleitern 92a bis 92e und den dritten Lichtleitern 93a bis 93e. Licht von den ersten exzentrisch angekoppelten Lichtleitern 81a, b, c, d wird durch die Kollimatoren 80a, b, c, d über die Strahlenbündel 44a, b, c, d über die Kollimatoren 90b, c, d, e in die Lichtleiter 91b, c, d, e geführt. Ebenso wird Licht von den ersten zentrisch angekoppelten Lichtleitern 82a, b, c, d, e durch die Kollimatoren 80a, b, c, d, e über die Strahlenbündel 45a, b, c, d über die Kollimatoren 90a, b, c, d, e in die Lichtleiter 92a, b, c, d, e geführt. Entsprechend wird Licht von den ersten Lichtleitern 83b, c, d, e durch die Kollimatoren 80b, c, d, e über die Strahlenbündel 46b, c, d, e sowie die Kollimatoren 90a, b, c, d in die Lichtleiter 93a, b, c, d geführt. Es wird somit immer Licht von den Lichtleitern 81 zu den Lichtleitern 91, von den Lichtleitern 82 zu den Lichtleitern 92 und von den Lichtleitern 83 zu den Lichtleitern 93 übertragen. Jedes dieser Lichtleiterpaare kann als gesonderter optischer Signalkanal verwendet werden, der von den anderen Kanälen, abgesehen von insbesondere beugungsbedingtem Streulicht, entkoppelt ist.
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6 zeigt schematisch übereinander abgebildet die Kollimatoren 11 der ersten Kollimatoranordnung und die Kollimatoren 21 der zweiten Kollimatoranordnung in einer Ausführungsform, bei der die zweite Kollimatoranordnung einen Kollimator weniger als die erste Kollimatoranordnung hat.
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Die erste Kollimatoranordnung hat hier zweiunddreißig Kollimatoren 11, während die zweite Kollimatoranordnung einunddreißig Kollimatoren 21 hat. Dadurch ergibt sich während der Drehbewegung der betreffenden Teile des Drehübertragers eine gleichmäßig fortschreitende Überdeckung der Kollimatoren z. B. der zweiten Kollimatoranordnung durch die von den Kollimatoren der ersten Kollimatoranordnung erzeugten Strahlenbündel und im reziproken Fall umgekehrt. Infolgedessen wird die optische Dämpfung über die gesamte, ringförmige Anordnung der Kollimatoren gemittelt. Auch wenn die betreffenden Teile des Drehübertragers fallweise in unterschiedlichen relativen Drehwinkelstellungen zueinander stillstehen, ist dadurch eine weitgehend winkelunabhängige Übertragung bzw. Signalstärke gewährleistet.
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Ausführungsbeispiel:
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- • Als Sender dient ein VCSEL mit 850 nm Wellenlänge.
- • Das Abkoppelfaserbündel besteht aus 61 Fasern der Faserdurchmesser beträgt 125 μm; der Durchmesser des Bündels ist 1,125 mm.
- • Die Numerische Apertur der Fasern beträgt 0,20.
- • Die Linsen haben eine Größe von 2,5 ' 2,5 mm; die Numerische Apertur wird auf 0,01 verringert.
- • Der Durchmesser der Kollimatorringe beträgt ca. 50 mm.
- • Erlaubt man eine Strahlaufweitung von 1 mm, darf der Abstand zwischen Sende- und Empfänger-Kollimatorring bis zu 10 cm betragen.
- • Als Photodiode wird eine Si-PIN-Diode mit 1,2 mm Durchmesser verwendet. Damit ist eine Bitrate bis 1 Gbit/s möglich.
- • Alternativ wird ein Konzentrator verwendet, so dass der Photodiodendurchmesser auf 300 μm verringert werden kann. Damit werden Bitraten bis 10 Gbit/s erreicht.
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7 zeigt den Koppelwirkungsgrad eines Drehübertragers mit drei Kanälen analog 5, ausgehend von einem Mittenabstand der Kollimatoren von 3,5 mm. Auf der Abszisse ist die seitliche Verschiebung der Kollimatoren 80 gegenüber den Kollimatoren 90 in mm angegeben. Auf der Ordinate ist die auf den Wert 1,0 normierte, empfangene Signalleistung aufgetragen. Im Nullpunkt stehen sich z. B. die Kollimatoren 80a und 90a genau gegenüber. Im Abszissenendwert 3,5 mm, d. h. nach Drehung der einen Kollimatoranordnung relativ zu der anderen Kollimatoranordnung um einen Schritt entsprechend einem Bogen von 3,5 mm, stehen sich dann die Kollimatoren 80a und 90b genau gegenüber.
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Die Kurve 71 zeigt den Dämpfungsverlauf der addierten Signale, die z. B. die Lichtleiter 91 ausgehend von den Lichtleitern 81 empfangen. Die Kurve 72 zeigt den Dämpfungsverlauf der addierten Signale der Lichtleiter 92, empfangen von den Lichtleitern 82. Die Kurve 73 zeigt die entsprechende Dämpfung zwischen den Lichtleitern 93 und 83. Mit anderen Worten zeigen die Kurve 72 die Dämpfung des über die zentralen Lichtbündel übertragenen Summensignals, die Kurven 71 und 73 die entsprechenden Dämpfungen der Summensignale der benachbarten, „exzentrischen” Lichtbündel analog der Darstellung in 4.
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Für das Signal der zentrischen Strahlenbündel und Kanäle wurden eine Koppeldämpfung von 2,4 dB und für die Signale der äußeren Kanäle Koppeldämpfungen von 5,1 dB ermittelt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4943137 A [0002]
- US 4027945 A [0003]
- US 6128426 A [0004]
- DE 102008030187 A [0005]
- DE 102006054052 A [0006]
