-
Aufgabenstellung
-
Zur Übertragung mehrerer optischer Kanäle über eine drehbare Schnittstelle, soll eine Lösung gezeigt werden, die Einschränkungen bekannter Systeme hinsichtlich Komplexität und Einfügedämpfung vermeidet.
-
Stand der Technik
-
In der optischen Nachrichtentechnik sind für Anwendungen mit Datenübertragung über bewegliche Interfaces diverse Freistrahlkopplungen bekannt. Der einfachste Fall ist sicherlich die Übertragung eines einzigen physikalischen Kanals mittels zweier gegenüberliegender Faserkollimatoren. Diese Kollimatoren erzeugen aus dem im allgemeinen divergent aus der Faser austretenden Lichtbündel ein Bündel mit kreisförmigem Querschnitt und einem geringen Divergenzwinkel. Dieses ist geeignet, die im Lichtstrom enthaltene Information über eine Strecke außerhalb der optischen Glas- oder Kunststofffaser zu führen. Ist der Querschnitt des gesendeten Strahls auf der mechanischen Drehachse zentriert, kann mit einem dazu symmetrisch aufgebauten System eine Kopplung in eine Empfängerfaser realisiert werden.
-
Bei Systemen mit mehreren physikalisch getrennten optischen Kanälen sind weitere optische Schritte wie z. B. eine Derotation des Strahlengangs notwendig. Dazu eignet sich besonders ein Aufbau mit einem Dove-Prisma, das mit halber Winkelfrequenz rotiert und ein stationäres Bild des Rotors am Empfänger liefert, wie beispielsweise in
US 2007 053632 gezeigt. Derartige Systeme sind auf dem Markt erhältlich. Aufgrund der sehr schwierigen Justage der Komponenten und des Getriebes sind diese Systeme aber sehr aufwändig herzustellen und damit oftmals für die Marktanforderungen zu teuer.
-
Andere Ansätze bedienen sich einer kaskadenartigen Lösung, bei der jeweils ein Kanal auf die optische Achse gebracht wird und dort konventionell gekoppelt wird. Die weiteren Kanäle werden durch optische Fasern oder auch eine Freistrahlübertragung zur folgenden Kaskadenstufe gebracht und dort gekoppelt.
-
Die Modulation des ausgekoppelten Signals durch die partielle Abschattung der mit rotierenden Fasern, wie sie bei oben genannten Anordnungen auftreten, kann durch den Einsatz holografisch optischer Elemente, wie in der
DE 19757780 beschrieben, vermieden werden. Wichtig ist bei solchen Anordnungen, dass die Fokuspunkte außeraxial in einer Ebene liegen. Die Ausführung eines Drehübertagers mit einem holografisch optischen Element ist allerdings nur für eine unidirektionale Übertragung geeignet. Zudem verhindern die sehr engen Toleranzgrenzen für die Positionierung der Komponenten eine marktgerecht wirtschaftliche Fertigung.
-
Eine vergleichsweise einfache Lösungsmöglichkeit zeigt der Aufbau nach dem Gebrauchsmuster
DE20018842 U1 , nach dem ein zweiter Kanal über einen Winkel auf einen zentralen Empfänger gekoppelt wird. Dabei entsteht durch den Kippwinkel eine zusätzliche Dämpfung im Übertragungspfad. Zudem ist dieses System nur in einer Richtung vom Sender zum Empfänger zu betreiben und dadurch auf einen Vorwärts- sowie einen Rückwärtskanal beschränkt.
-
Beschreibung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Drehübertrager für die Übertragung optischer Signale zwischen zwei zueinander um eine Achse beweglichen Einheiten. Im speziellen sollen hier mehrere physikalisch voneinander getrennte optische Kanäle übertragen werden. Für diese Aufgabenstellung geeignet sind Freistrahlübertragungen über kollimierte Strahlenbündel. Bekannte Lösungen sind entweder mechanisch aufwändig, wie die Übertragung über ein derotierendes Element (Dove-Prisma), das mit halber Drehfrequenz des Rotors gedreht werden muss, oder weisen sogenannte „blinde Flecken” mit verminderten optischen Eigenschaften auf, die durch die Abschattung durch nicht an der Übertragung beteiligte Komponenten verursacht werden.
-
In der hier vorliegenden erfindungsgemäßen Anordnung wird eine Übertragung über eine Z-Faltung im Strahlengang realisiert. Das aus einem am Rotor befindlichen Senderkollimator austretende Lichtbündel trifft auf einen mit dem Stator verbunden ersten Spiegel. Dieser reflektiert den Strahl auf einen mit der Rotorseite fest verbunden Spiegel zurück, welcher wiederum eine Reflektion in Richtung des Empfängerkollimators realisiert. Durch die Drehung der beiden Spiegel zueinander trifft der Strahl für jede Drehwinkelposition ein eigenes „Spiegelpaar”. Einen idealen Strahl angenommen, lenkt der erste Spiegel den Strahl auf den Schnittpunkt der optischen Achse des Empfängerkollimators mit dem zweiten Spiegel. Der zweite Spiegel kippt den Strahl derart, dass er koaxial mit der optischen Achse des Empfängers verläuft und damit im Idealfall verlustfrei eingekoppelt werden kann.
-
Das Prinzip sieht vor, die notwendige Anpassung von Position und Richtung des aus einem beweglichen Sender austretenden Lichtstrahlenbündels auf einen stationären Empfänger auf mindestens zwei Transformationspunkte aufzuspalten. Wobei die Positionierung und die Richtungsanpassung vorzugsweise auf diese beiden Punkte verteilt wird.
-
Näherungsweise kann die Funktion mit zwei sphärischen Flächen, die im Abstand ihrer Brennweite angeordnet sind und entsprechend der radialen Abstände von Sender und Empfänger zur Drehachse verschoben sind, beschrieben werden. Diese vorzugsweise Geometriebeschreibung stellt hier keine Einschränkung des Erfindungsgedankens dar. Eine Funktion kann natürlich mit Hilfe weiterer Formen (Asphären oder Freiformflächen) sowohl als klassische Variante oder auch als planare optische Systeme (Fresnellinsen oder diffraktive optische Strukturen) oder als Kombination aus beidem realisiert werden.
-
Eine Kollimation des signalführenden Lichtbündels am Faserende ist für einige mögliche Aufbauvarianten vorteilhaft. Eine Anpassung der Bündeldivergenz oder des Strahlquerschnitts ist durch zusätzliche optische Linsen oder auch durch eine besondere Bearbeitung der Faserendfläche realisierbar. Die Kollimatorlinse kann dabei aus einem homogenen Material mit zur Strahlrichtung gekrümmten Oberflächen, als Gradientenindexlinse, oder auch als Kombination aus beiden Möglichkeiten realisiert werden. Um die Rückreflexe zu minimieren, ist es zweckmäßig, die Linse direkt mit der Faser zu verbinden. Dies kann durch schweißen oder kleben geschehen. Bei geringeren Anforderungen an die Rückflussdämpfung oder mit Verwendung von zur Strahlrichtung nicht senkrechten Schnittflächen kann auch ein Luftspalt überbrückt werden und die Komponenten durch andere formschlüssige Verbindungen wie z. B. Crimpen oder einpassen gefügt werden.
-
Sender und Empfänger können hier einen beliebigen radialen Abstand zur mechanischen Drehachse aufweisen. Damit ist es möglich, mehrere optische Kanäle über die Positionierung auf verschiedenen radialen Abständen über die Schnittstelle zu übertragen. Dabei wird kein bewegliches derotierendes Element benötigt. Auch eine Kopplung in beide Richtungen über die Schnittstelle ist möglich.
-
Die Spiegel müssen bezüglich der Bezugsfläche zur Drehachse eine genaue Position haben. Dazu ist es möglich, die Spiegel gegen Anschläge zu klemmen oder justiert zu verkleben. Außerdem kann der Spiegel als ein Bauteil für mehrere Kanäle hergestellt sein, oder aber als konzentrische individuelle Ringe in mehreren Passnuten eingepasst und ggfs. nachjustiert werden. Zur Vereinfachung der Herstellung der Spiegel ist auch eine Segmentierung in mehrere Abschnitte denkbar.
-
Zur Signalführung können verschiedenste optische Fasern verwendet werden. Es eignen sich Einmodenfasern aus Glas oder Kunststoff für die Übertragung höchster Datenraten über weite Strecken. Die Multimodefasern können ebenso aus Glas oder Kunststoff gefertigt werden und eignen sich für mittlere Datenraten. Dickkernfasern, wie z. B. Kunststofffasern können ebenfalls als Übertragungsmedium genutzt werden.
-
Neben der reinen Signalübertragung werden an die optischen Fasern im Einsatz weitere Anforderungen gestellt. Es ist zweckmäßig, die Kabel durch zusätzliche Mantelanteile mechanisch stabil auszuführen und Vorkehrungen gegen Zug, Knickung oder Abscherung zu ergreifen. Der Mantelaufbau kann hierzu an mehreren Stellen mit dem Drehübertragergehäuse verbunden werden.
-
Liegen die zu übertragenden Informationen in elektrischer Form vor, kann auch eine Umsetzung der Signale auf einen optischen Datenstrom vorgeschaltet werden. Zur Unterdrückung von Störeinflüssen und zur Kanaltrennung können weitere elektronische Hilfsschaltungen, wie z. B. Signalaufbereitung oder CDR (clock data recovery) eingesetzt werden.
-
Die Kanalanzahl kann durch Wellenlängenmultiplexing weiter gesteigert werden.
-
Je nach Umgebungsbedingungen kann das System mit anderen Medien als Luft gefüllt werden, um z. B. eine Druckkompensation zu erreichen und das Eindringen von Verschmutzungen zu verhindern. Vorzugsweise werden dazu Öle oder ähnliche nicht korrodierende Flüssigkeiten verwendet. Je nach Anwendungsfall kann das Medium im System eingeschlossen sein, oder im Durchfluss über die Zeit ausgetauscht werden. Das Füllmedium kann auch in seinen optischen Eigenschaften ausgesucht oder angepasst werden, die die Übertragungsfunktion weiter verbessert.
-
Die notwendige Mechanik kann aus verschiedenen geeigneten Materialien aufgebaut werden. Neben Metallen eignen sich auch Kunststoffe, die jeweils beispielsweise im Gussverfahren, bei Kunststoffen bevorzugt im Spritzgussverfahren, oder zerspanend hergestellt werden können. Für mechanisch oder durch Temperaturwechsel beanspruchte Teile eignen sich auch Keramiken. Die Verbindung zwischen Rotor und Stator sollte möglichst präzise ausgeführt werden. Neben vorgespannten und nicht vorgespannten Kugellagern eigenen sich auch Gleitlager, die sowohl als integraler Bestandteil des Systems vorhanden sein können, oder auch von der übergeordneten Baugruppe bereitgestellt sein können.
-
Beschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt ein Aufbaukonzept für einen Drehübertrager mit 4 physikalisch getrennten Übertragungskanälen (31, 32, 33, 34). In der Zeichnung ist die notwendige Lagerung von Stator (1) zum Rotor (2) aus Vereinfachungsgründen nicht gezeichnet. Die Rotation von Stator (1) zu Rotor (2) ist so gewählt, dass der Strahlverlauf in einer Ebene aufgetragen werden kann und damit nur zweidimensionale Winkel zu betrachten sind. Das aus dem mit dem Stator verbundenen Sender (31, 21) austretende Lichtstrahlenbündel verläuft vorzugsweise parallel zur mechanischen Drehachse (3) des Systems und trifft den ersten mit dem Rotor verbunden Spiegel (11) und wird von diesem zurück in Richtung des Stators gelenkt und trifft dort den Statorspiegel (41). Dieser reflektiert das Strahlenbündel sodann in Richtung der zum Sender symmetrisch aufgebauten Empfängerbaugruppe (21, 31).
-
2 zeigt eine Anordnung von 4 Spiegelringen (11, 12, 13, 14) mit den entsprechenden optischen Baugruppen zur Signalformung. Die Ringe weisen eine Spiegelfläche auf, die im einfachen Fall mit einer radial verschobenen asphärischen Fläche beschrieben werden kann. Die Ringe weisen zudem mehrere Flächen auf, die für eine Positionierung in einer mechanischen Halterung benötigt werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Stator
- 2
- Rotor
- 3
- mechanische Rotationsachse
- 11
- erstes Spiegelelement für Übertragungskanal 1
- 12
- erstes Spiegelelement für Übertragungskanal 2
- 13
- erstes Spiegelelement für Übertragungskanal 3
- 14
- erstes Spiegelelement für Übertragungskanal 4
- 21
- Strahlformungseinheit (Kollimator) Kanal 1
- 22
- Strahlformungseinheit (Kollimator) Kanal 2
- 23
- Strahlformungseinheit (Kollimator) Kanal 3
- 24
- Strahlformungseinheit (Kollimator) Kanal 4
- 31
- Signalführende Faser Kanal 1
- 32
- Signalführende Faser Kanal 2
- 33
- Signalführende Faser Kanal 3
- 34
- Signalführende Faser Kanal 4
- 41
- zweites Spiegelelement für Übertragungskanal 1
- 42
- zweites Spiegelelement für Übertragungskanal 2
- 43
- zweites Spiegelelement für Übertragungskanal 3
- 44
- zweites Spiegelelement für Übertragungskanal 4
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 2007053632 [0003]
- DE 19757780 [0005]
- DE 20018842 U1 [0006]
