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Die Erfindung betrifft einen Lichtkanal zum Leiten von Licht. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Lichtkanalsystem und ein Lichtelement. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Schaffen eines Lichtkanals, eines Lichtkanalsystems oder eines Lichtelements.
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Ein Kommunikationssystem weist zumindest einen Sender und einen Empfänger auf und kann auf unterschiedliche Art und Weise aufgebaut sein. Neben drahtlosen funkbasierten Kommunikationssystemen mit kleiner bis mittlerer Reichweite (etwa Bluetooth, ZigBee oder WLAN) haben sich in den letzten Jahren zunehmend optische Kommunikationssysteme durchsetzen können. Im Vergleich mit funkbasierten Kommunikationssystemen haben optische Kommunikationssysteme den Vorteil, dass keine Kommunikationsregulierungen gelten und keine Störungen durch elektromagnetische Interferenzen und auch keine Interferenzen durch andere Übertragungen auftreten. Weiterhin ist die ausgesandte Strahlung normalerweise auf einen Raum beschränkt, da das für optische Übertragungssysteme häufig verwendete Licht aus dem infraroten Bereich ähnliche Eigenschaften wie sichtbares Licht aufweist. Die optischen Signale in optischen Kommunikationssystemen müssen sich nicht zwingend auf einer direkten Linie (Line of Sight) von einem jeweiligen optischen Sender hin zu einem optischen Empfänger ausbreiten. Auch eine indirekte Ausbreitung der Signale ist möglich, wenn diese etwa an Wänden oder Decken reflektiert werden. Gleichwohl ist für viele Anwendungen eine möglichst definierte Ausbreitung, also Strahlformung, wünschenswert.
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Dies liegt in der Tatsache begründet, dass die erreichbare Übertragungsreichweite direkt proportional mit einer Öffnung eines Sende- oder Empfangswinkels des jeweiligen optischen Senders oder Empfängers zusammenhängt. Wenn also beispielsweise eine gerichtete Übertragung über eine möglichst weite Strecke erfolgen soll, so wäre es wünschenswert sowohl die Abstrahlcharakteristik als auch die Empfangscharakteristik der jeweiligen optischen Sender oder Empfänger dergestalt beeinflussen zu können, dass möglichst wenig Lichtleistung in ungewünschte Raumrichtungen abgestrahlt bzw. aus ungewünschten Raumrichtungen empfangen wird.
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Es versteht sich, dass eine Erhöhung der Reichweite der Übertragung auch durch eine Erhöhung der Sendeleistung erreicht werden kann. Diesem Ansatz diametral gegenüber steht jedoch nicht nur der Wunsch, möglichst Energie einzusparen, sondern es müssen auch Schutzbestimmungen (Eye-Safety-Regulations) eingehalten werden. Diese sind in der IEC60825-1 fixiert. Es muss in jedem Fall auf eine höchstmögliche Sicherheitsstufe für die Augen geachtet werden. Abhängig von dem gewünschten Anwendungsfall, der gewünschten Übertragungsreichweite sowie den explizit im Gesetzestext festgelegten Bestimmungen kann eine maximale Strahlungsleistung festgelegt werden. Der Ansatz, die Strahlungsleistung zu erhöhen, ist aus diesen Gründen alleine wenig zielführend.
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Weiterhin bestehen heutige optische Kommunikationssysteme („Transceiver“) bzw. optische Empfänger für die optische drahtlose Kommunikation häufig aus einer Linse und einem Photodetektor. Die sog. optische Performance (Sensitivität, Abdeckung bzw. „Coverage“, Dynamikbereich) dieser Anordnung wird bestimmt durch die Größe der Linse, die Größe des Photodetektors, sowie die elektrischen Eigenschaften des Detektors (elektrische Bandbreite, Eingangskapazität, Ladungsträgerbeweglichkeit, Ansprechverhalten bzw. Responsivity...). Da eine hohe Datenrate eine sehr kleine Eingangskapazität des Detektors erfordert, welche aus Proportionalitätsgründen eine sehr kleine Dioden Fläche zur Folge hat, ist die Performance des Systems bzgl. Abdeckung stark eingeschränkt. Eine bedingte Kompensation dieses Nachteils kann durch komplexe und große Optiken erreicht werden. Dadurch wird der Empfänger zu groß und schwer sowie kostentechnisch nicht marktrelevant.
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In der deutschen Patentschrift
DE 694 25 447 T2 beispielsweise werden mehrere lichtemittierende Dioden (LEDs), die als optische Sender fungieren sollen, zunächst auf einer Befestigungsplatte angeordnet und dann von einer glasförmig ausgeführten Kuppel umgeben. Diese Kuppel weist Streuungseigenschaften auf, wodurch eine Bündelung oder Sammlung eines ausgesandten Lichtstrahls erreicht werden kann. Ebenfalls vorgesehen sind gemäß einigen Ausführungsbeispielen mehrere Photodioden, die als optischer Empfänger dienen. Diese sind innerhalb derselben Kuppel angeordnet. Die dort vorliegende Erfindung ist auch dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlformung sowohl beim Empfangsteil als auch beim Sendeteil jeweils durch die bereits erwähnte Kuppel erfolgt. Es werden zwar weiterhin Möglichkeiten angegeben, um auch eine Strahlrichtung zu erreichen, das resultierende Gesamtsystem weist aber in jedem Fall mehrere Photodioden als Empfangselemente auf, um in dem Fall einer radialen Abstrahlung Licht von allen Seiten empfangen zu können. Es kann somit zwar ein definierter Lichtkanal erreicht werden, es ist jedoch in jedem Fall die glasförmig ausgeführte Kuppel zu verwenden. Falls eine „Rundumsicht“ für den optischen Empfänger gewünscht ist, so muss dieser mehrere Photodioden umfassen.
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Die US 2012 / 0006382 A1 offenbart einen dünnen und flachen Solarkollektor-Konzentrator, der ausgebildet ist, um Strahlung von einer Seite zu sammeln und auf die andere Seite zu führen, wo Solarzellen zur Energiewandlung angeordnet sind. Der planare Solarkonzentrator umfasst zwei Abschnitte. Der obere Abschnitt ist eine Matrix aus mikro-dimensionierten Solarkonzentratoren mit einem großen Winkel, während der untere Abschnitt eine planare Lichtwellenschaltung umfasst, die mehrschichtig sein kann.
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Die
DE 102 30 481 A1 offenbart eine Datenübertragungsvorrichtung zwischen zwei radial um eine Drehachse gegeneinander beweglichen Einrichtungen, bei der ein Lichtleiter kreis- oder ringförmig um die Drehachse herum angeordnet ist, so dass das zu übertragende Licht bei jedem eingestellten Drehwinkel der ersten gegenüber der zweiten Einrichtung zwischen Sende- und Empfangseinheiten der beiden Einrichtungen übertragen wird.
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Die
DE 31 11 339 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Signalübertragung in Kraftfahrzeugen. Hier werden mehrere durch Schalter am Lenkrad erzeugte elektrische Steuersignale auf optischem Wege und digital an zugeordnete Steuereinheiten für die Steuerung von diversen Fahrzeugfunktionen mit hoher Zuverlässigkeit und selbst bei Lenkradausschlägen störungsfrei übertragen. Wesentliche Elemente sind ein Elektrizität/Licht-Umsetzer, ein ringförmiger Lichtübertrager, ein Licht/Elektrizität-Umsetzer, ein Analog-DigitalWandler und ein Digital-Analog-Wandler.
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Die
US 5 829 858 A1 offenbart ein Projektorsystem mit einer Lichtleiteroptikanordnung. Das Projektorsystem umfasst eine Lampe, eine Reflektor-Kollektor-Optik, eine Weiterleitungsoptik, um das Licht von dem Lichtleiterausgang zu einem Bildtor abzubilden, einen Lichtleiter und eine Bildformungseinrichtung.
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Die
US 4 496 211 A1 offenbart ein Lichtleiternetz mit optischen Elementen zum Verteilen von elektromagnetischer Strahlung, wobei verschiedene männliche und weibliche Kopplungselemente mit entsprechenden Kollimatorlinsen gezeigt sind.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Lichtkanalkonzept zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Lichtkanal gemäß Anspruch 1, ein Lichtkanalsystem gemäß Anspruch 7, ein Lichtelement gemäß Anspruch 10 oder ein Verfahren zum Herstellen eines Lichtkanals, eines Lichtkanalsystems oder eines Lichtelements gemäß Anspruch 16 gelöst.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein Lichtkanal auf vorteilhafte Weise mit einem reflexiven Element gebaut werden kann, so dass nicht nur eine Umlenkung eines Gangs eines Lichtstrahls ermöglicht wird, sondern auch eine Formung bzw. Auffächerung oder Bündelung des Lichtstrahls. Diese Formung kann so erfolgen, dass der Lichtstrahl einen definierten Bereich abdecken kann, und beispielsweise auch so, dass eine radial flache Rundumsicht (360°) ermöglicht wird.
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Ein Vorteil ist ferner, dass das erfindungsgemäße Lichtkanalkonzept ein verbessertes, z. B. effizienteres Empfangs- oder Sendeverhalten ermöglicht.
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Die vorliegende Erfindung schafft weiterhin ein zwei Lichtkanäle umfassendes Lichtkanalsystem, das sich durch einen kleinen Formfaktor und eine einfache Handhabung durch einen Anwender auszeichnet. Durch eine geschickte Ausformung und Anordnung der einzelnen Lichtkanäle wird ein Lichtkanalsystem geschaffen, das gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ohne großen Aufwand durch zusätzliche Optiken erweitert werden kann.
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Die vorliegende Erfindung schafft weiterhin ein lichtelement. ausgebildet für die optische drahtlose Kommunikation („Optischer Transceiver“) Gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen werden ein optischer Sender mit einem ersten Lichtkanal bzw. Lichtleiter und ein optischer Empfänger mit einem zweiten Lichtkanal bzw. Lichtleiter verknüpft. Diese Konfiguration insbesondere des Empfangslichtleiters ermöglicht dabei einen radial flachen Empfangsbereich dergestalt, dass Licht aus allen Raumrichtungen (360° Rundumsicht) auf einen einzelnen Uchtempfänger fallen kann.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel schafft die vorliegende Erfindung ferner ein Lichtelement, bei dem ein Lichtkanal wenigstens zwei Scheibensegmente aufweist und Licht von beiden Scheibensegmenten auf ein und denselben Lichtempfänger koppelbar ist.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel schafft die vorliegende Erfindung ferner ein Lichtelement, bei dem ein Lichtkanal wenigstens zwei Scheibensegmente aufweist und Licht von beiden Scheibensegmenten auf einen jeweiligen Lichtempfänger koppelbar ist.
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Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Lichtkanals, eines Lichtkanalsystems oder eines Lichtelements.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Lichtkanals, bei dem eine Breitenerstreckung gerade ausgeführt ist;
- 2 eine schematische perspektivische Ansicht eines Lichtkanals, der einen viertelkreisförmigen Querschnitt aufweist;
- 3 eine schematische perspektivische Ansicht eines Lichtkanals, der einen viertelkreisringförmigen Querschnitt aufweist;
- 4 eine schematische perspektivische Ansicht eines Lichtkanalsystems, das zwei ineinandersteckbare Lichtkanäle umfasst;
- 5 eine schematische Ansicht eines Lichtelements mit einem Lichtsender und einem Lichtempfänger;
- 6 eine schematische Ansicht eines Lichtelements, das eine senkrechte Ablenkung eines Sende- oder Empfangslichtstrahls ermöglicht;
- 7 eine schematische Ansicht eines Lichtelements mit zwei Scheibensegmenten, von denen Licht auf ein und denselben Lichtempfänger koppelbar ist;
- 8 eine schematische Ansicht eines Lichtelements mit zwei eckig ausgeführten Scheibensegmenten, die eine homogene Ausformung eines Lichtstrahls ermöglichen;
- 9 eine schematische Ansicht eines Lichtelements mit zwei Segmentpärchen, von denen Licht auf ein und denselben Lichtempfänger koppelbar ist;
- 10 eine schematische Ansicht eines Lichtelements mit zwei Segmentpärchen, von denen Licht auf zwei verschiedene Lichtempfänger koppelbar ist.
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Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
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1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Lichtkanals 10 zum Leiten von Licht, mit einem ersten Abschnitt 12 und einem zweiten Abschnitt 14. Der erste Abschnitt 12 erstreckt sich dabei in eine erste Richtung 16 und der zweite Abschnitt in eine zweite Richtung 18. Die erste Richtung 16 und die zweite Richtung 18 sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zumindest in einem Toleranzbereich von +/- 5° orthogonal zueinander angeordnet. Es versteht sich, dass auch eine andere Orientierung der beiden Richtungen zueinander denkbar ist. Der erste Abschnitt 12 ist exemplarisch trapezförmig ausgeführt, während der zweite Abschnitt quaderförmig ausgeführt ist. Zwischen dem ersten Abschnitt 12 und dem zweiten Abschnitt 14 ist ein reflexives Element 22 angeordnet. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Spiegel oder eine reflektierende Oberfläche handeln. Alternativ kann das reflexive Element 22 aus einem Material aufgebaut sein, das eine (Total-)Reflexionseigenschaft aufweist. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das reflexive Element 22 weiterhin so angeordnet, dass es gegenüber der ersten Richtung 16 oder gegenüber der zweiten Richtung 18 näherungsweise einen 45° Winkel einnimmt. Alternativ kann das reflexive Element 22 auch einen anderen Winkel gegenüber der ersten Richtung 16 oder der zweiten Richtung 18 einnehmen, wie beispielsweise 30°, 60° oder einen anderen Winkel zwischen 0° und 90°.
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Der erste Abschnitt 12 weist weiterhin eine erste Breitenerstreckung 24 auf, die exemplarisch entlang einer geraden Kante, die den ersten Abschnitt 12 an einer Seite, die nicht mit dem zweiten Abschnitt 14 verbunden ist, begrenzt, ausgeführt ist. Denkbar ist auch, dass sich die erste Breitenerstreckung 24 entlang einer Krümmung erstreckt. Der erste Abschnitt 12 weist weiterhin eine erste Längenerstreckung 26 auf, die sich entlang einer zweiten Kante des ersten Abschnitts 12, die näherungsweise orthogonal zu der ersten Kante des ersten Abschnitts 12 ist, erstreckt. Auch hier wäre eine Erstreckung entlang einer Krümmung oder gekrümmten Kante denkbar. Die erste Breitenerstreckung 24 ist größer als die erste Längenerstreckung 26. Der erste Abschnitt 12 ist hier näherungsweise in Form eines Trapezes ausgeführt, d. h. er verjüngt sich hin zum zweiten Abschnitt 14. Der zweite Abschnitt 14 weist wiederum eine zweite Breitenerstreckung 28 auf, die sich entlang einer vorderen Kante des zweiten Abschnitts 14 erstreckt. Mit anderen Worten erstreckt sich die zweite Breitenerstreckung 28 an einer Kante, die an einem Ende des zweiten Abschnitts 14 liegt, das nicht mit dem ersten Abschnitt 12 verbunden ist. Der zweite Abschnitt 14 weist weiterhin eine zweite Längenerstreckung 32 auf. Diese erstreckt sich hier exemplarisch entlang einer Kante des zweiten Abschnitts 14, die abermals nicht an der Seite des zweiten Abschnitts 14 liegt, die mit dem ersten Abschnitt 12 verbunden ist. Die zweite Längenerstreckung 32 erstreckt sich weiterhin näherungsweise orthogonal zu der zweiten Breitenerstreckung 28. Dies ist hier lediglich exemplarisch so gezeigt und kann auch anders ausgeführt sein.
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Die erste Breitenerstreckung 24 ist größer als die zweite Breitenerstreckung 28. Das bedeutet, dass die erste Breitenerstreckung 24 beispielsweise größer ausgeführt sein könnte, wodurch sich die Form des ersten Abschnitts 16 ändern würde, ohne dass die Form des zweiten Abschnitts 14 davon beeinflusst wäre. Denkbar ist etwa, dass sich die erste Breitenerstreckung 24 doppelt so weit erstreckt, wie es hier in der 1 gezeigt ist. Ebenfalls denkbar wäre, dass die erste Breitenerstreckung 24 gekrümmt ausgeführt ist. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel wird in der Figurenbeschreibung zur 2 erläutert werden. Denkbar ist weiterhin, dass die zweite Breitenerstreckung 28 genauso groß ist wie die zweite Längenerstreckung 32. In diesem Fall hätte der zweite Abschnitt 14 beispielsweise einen quadratischen oder kreisrunden Querschnitt.
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Allgemein kann ein Lichtkanal bzw. Lichtleiter einen axialsymmetrischen Querschnitt aufweisen. Alternativ können Lichtkanäle oder Lichtleiter einen eckigen Querschnitt aufweisen (z. B. dreieckig, viereckig, mehreckig, symmetrisch oder unsymmetrisch), um Licht in bestimmte Richtungen abzustrahlen bzw. aus bestimmten Richtungen zu empfangen.
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Der Lichtkanal 10 weist weiterhin eine Innenseite auf, die für Licht reflektierend ausgebildet ist. Alternativ ist denkbar, dass ein Material, aus dem der Lichtleiter ausgebildet ist, eine Totalreflexionseigenschaft aufweist. Dieses Material kann beispielsweise Kunststoff oder Plexiglas umfassen.
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Der Lichtkanal 10 ist so ausgebildet, dass Licht von einem Ende des zweiten Abschnitts 14, das nicht das Ende ist, welches mit dem ersten Abschnitt 12 verbunden ist, einkoppeln kann. Das so eingekoppelte Licht wird dann an dem reflexiven Element 22 um- oder abgelenkt, um durch den ersten Abschnitt 12 hindurchzutreten und aus dem Ende des ersten Abschnitts 12, das nicht mit dem zweiten Abschnitt 14 zusammenhängt, auszutreten. So ist ein Querschnitt des ersten Abschnitts 12, aus dem das Licht heraustreten kann, flächenmäßig größer als das Ende des zweiten Abschnitts 14, in das das Licht einfallen kann. Somit wird eine Formung respektive Auffächerung eines Lichtstrahls ermöglicht. Diese kann durch eine Veränderung der Geometrie des ersten Abschnitts 12 wie von einem Anwender gewünscht beeinflusst werden. Ebenfalls denkbar ist, dass das Licht den umgekehrten Weg nimmt, also in den ersten Abschnitt 12, genauer gesagt in das Ende des ersten Abschnitts 12, das nicht mit dem zweiten Abschnitt 14 zusammenhängt, hineintritt, an dem reflexiven Element 22 ab- oder umgelenkt wird und, nachdem es durch den zweiten Abschnitt 14 hindurchgetreten ist, aus dem Ende des zweiten Abschnitts 14, das nicht mit dem ersten Abschnitt 12 zusammenhängt, aus dem Lichtkanal 10 hinaustritt. Dann wird das Licht nicht aufgefächert, sondern gebündelt.
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Vorteilhaft an der hier gezeigten Ausführungsform des Lichtkanals 10 ist, dass eine applikationsspezifische Strahldivergenz („Beamdivergenz“) ermöglicht werden kann. Beispielsweise kann der Lichtstrahl radial flach ausgeformt werden. Alternativ kann ein applikationsspezifisches Gesichtsfeld („Field of View“) ermöglicht werden. Auch hier ist bspw. eine radial flache Ausweitung denkbar. Es kann mit anderen Worten eine definierte oder gewünschte Abdeckung („Coverage“) ermöglicht werden. Der Lichtkanal 10 kann dabei mit einem kleinen Formfaktor gebaut werden. Dies kann bspw. zur Erfüllung von anwendungsspezifischen Anforderungen nützlich sein.
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Der Lichtkanal 10 kann einfach hergestellt werden. Ebenso ist durch das geringe Maß an geometrischer Komplexität eine einfache Handhabung durch den Anwender gegeben. Es versteht sich weiterhin, dass aus einer steuer- oder konfigurierbaren Abdeckung („Coverage“) auch eine große Reichweite einer optischen Kommunikation resultieren kann. In anderen Worten bestehen die Vorteile des Lichtkanals 10 in einer Kombination aus kleinem Formfaktor sowie gleichzeitig anwendungsspezifischer Abdeckung (im Extremfall: 360° Rundumsicht). Dadurch kann die optische Leistung („Performance“) einer optisch drahtlosen Übertragungsstrecke bezüglich Reichweite und Ausrichtung erhöht werden.
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In anderen Worten kann eine Verwendung des Lichtkanals 10 für ein optisches Kommunikationssystem bzw. einen optischen Transceiver viele Vorteile bieten: Es können hohe Datenraten, eine applikationsspezifische Strahldivergenz (z. B. radial flach), ein applikationsspezifisches Gesichtsfeld (z. B. radial flach) und daraus resultierend: große Reichweite und Abdeckung sowie einfache Handhabung durch den Anwender, kleiner Formfaktor, hohe Sensitivität, großer Dynamikbereich des Empfängers und eine einfache Herstellung ermöglicht werden. Es ist weiterhin eine hohe Abdeckung oder Coverage bei gleichzeitig hoher Datenrate umsetzbar, und anwendungsspezifische Anforderungen können erfüllt werden.
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2 zeigt eine schematische Ansicht eines Lichtkanals 20, der einen ersten Abschnitt 34 sowie einen zweiten Abschnitt 36 aufweist. Der erste Abschnitt 34 erstreckt sich entlang der Richtung 16 und der zweite Abschnitt 36 erstreckt sich entlang der Richtung 18. Der erste Abschnitt 34 weist die Längenerstreckung 26 auf. Der erste Abschnitt 34 weist weiterhin eine erste Breitenerstreckung 38 auf, die hier exemplarisch entlang einer gekrümmten Linie ausgeführt ist, dergestalt, dass sich der erste Abschnitt 34 entlang eines Viertelkreises erstreckt. Mit anderen Worten weist der erste Abschnitt 34 hier einen viertelkreisförmigen Querschnitt auf. Alternativ ist auch denkbar, dass sich die erste Breitenerstreckung 38 entlang eines Halbkreises oder ganzen Kreises erstreckt. In diesem Fall kann die erste Breitenerstreckung 38 die Ausdehnung eines Kreisumfangs angeben.
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Der zweite Abschnitt 36 weist eine zweite Längenerstreckung 42 sowie eine zweite Breitenerstreckung 44 auf. Die zweite Breitenerstreckung 44 ist hier exemplarisch ebenfalls viertelkreisförmig ausgeführt. Mit anderen Worten erstreckt sich die zweite Breitenerstreckung 44 entlang einer gekrümmten Linie. Der zweite Abschnitt 36 weist somit einen abschnittsweisen kreissektorförmigen Querschnitt auf. Aus Gründen der Anschaulichkeit ist hier ein Viertelkreissektor dargestellt, es versteht sich aber, dass auch andere Querschnittsformen resultieren können, wie beispielsweise halbkreis- oder dreivierteilkreisförmig. Alternativ ist ebenfalls denkbar, dass sich die zweite Breitenerstreckung 44 entlang eines Kreisumfangs erstreckt. In diesem Fall könnte der zweite Abschnitt 36 einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
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Zwischen dem ersten Abschnitt 34 und dem zweiten Abschnitt 36 angeordnet ist ein reflexives Element 46. Das reflexive Element 46 wird durch eine kreisrunde (zwischen dem ersten Abschnitt 34 und dem zweiten Abschnitt 36) zentral angeordnete Abschrägung gebildet. Hieraus kann ein Winkel von 45° gegenüber der ersten Richtung 16 oder der zweiten Richtung 18 resultieren. Aus dieser Ausformung des reflexiven Elements 46 kann ferner eine näherungsweise senkrechte Ablenkung eines Lichtstrahls, der bspw. aus dem ersten Abschnitt 34 in den zweiten Abschnitt 36 oder aus dem zweiten Abschnitt 36 in den ersten Abschnitt 34 fällt, resultieren. Mit anderen Worten kann es sich bei dem Lichtkanal 20 um einen Lichtleiter mit z. B. senkrechter Ablenkung des Lichtes handeln.
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3 zeigt eine schematische Ansicht eines Lichtkanals 30 mit einem ersten Abschnitt 48 und einem zweiten Abschnitt 52, die sich jeweils entlang der bereits bekannten Richtungen 16 und 18 erstrecken. Im Unterschied zu dem in der Beschreibung zur 2 beschriebenen Lichtkanal 20 weist der erste Abschnitt 48 hier jedoch eine erste Längenerstreckung 54 auf, die exemplarisch kleiner als die erste Längenerstreckung 26 (siehe 2) dargestellt ist. Ebenso weist der zweite Abschnitt 52 eine zweite Längenerstreckung 56 auf, die kleiner als die zweite Längenerstreckung 42 (siehe 2) ist. Die Längenerstreckungen 54 und 56 sind dabei exemplarisch so ausgeführt, dass sich sowohl für den ersten Abschnitt 48 als auch für den zweiten Abschnitt 52 ein kreisringsektorförmiger Querschnitt ergibt. Alternativ ist auch ein halbkreisringsektorförmiger oder dreiviertelkreisringsektorförmiger oder kreisringförmiger Querschnitt denkbar. Ebenfalls denkbar ist, dass sich die erste Breitenerstreckung 38 oder die zweite Breitenerstreckung 44 entlang eines jeweiligen Kreisumfangs erstrecken.
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Zwischen dem ersten Abschnitt 48 und dem zweiten Abschnitt 52 angeordnet ist wiederum ein reflexives Element 47, das hier durch eine innere (viertel-) kreisrunde Fase gebildet wird. Es ergibt sich abermals eine näherungsweise senkrechte Ablenkung eines Lichtstrahls. Diese Ablenkung kann auch in einem anderen Winkel erfolgen.
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Bei jeder der in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen ist ebenfalls denkbar, dass das jeweilige reflexive Element 22, 46, 47 eine Optikanordnung zum Beeinflussen einer Abstrahlcharakteristik oder einer Empfangscharakteristik des jeweiligen Lichtkanals oder bspw. ein wellenlängenselektives Filter umfasst.
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4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Lichtkanalsystems 40. In einem oberen Bereich der 4 ist ein Lichtkanal 50 gezeigt, wie er beispielsweise aus dem Lichtkanal 20, wie er in der 2 gezeigt ist, resultieren kann, wenn die erste Breitenerstreckung 38 und die zweite Breitenerstreckung 44 (siehe 2) jeweils entlang eines Kreisumfangs ausgeführt sind. Der Lichtkanal 50 weist einen ersten Abschnitt 62 und einen zweiten Abschnitt 64 auf. Der erste Abschnitt 62 erstreckt sich hierbei entlang einer radialen Richtung, die zu einer zweiten Richtung, entlang sich der zweite Abschnitt 64 erstreckt, orthogonal ist. Der Lichtkanal 50 weist ferner ein reflexives Element 66 auf, das hier kegelförmig ausgebildet ist.
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In einem unteren Bildbereich zeigt die 4 einen Lichtkanal 60, wie er beispielsweise aus dem Lichtkanal 30, wie er in 3 gezeigt wurde, resultieren kann, wenn die erste Breitenerstreckung 38 oder die zweite Breitenerstreckung 44 (siehe 3) jeweils entlang eines jeweiligen Kreisumfangs ausgeführt sind. Der Lichtkanal 60 weist weiterhin einen ersten Abschnitt 68 und einen zweiten Abschnitt 72 auf, die wiederum innerhalb eines Toleranzbereichs von +/- 5° orthogonal zueinander angeordnet sind. Der erste Abschnitt 68 oder der zweite Abschnitt 72 des Lichtkanals 60 kann einen jeweils kreisringförmigen Querschnitt aufweisen. Zwischen dem ersten Abschnitt 68 und dem zweiten Abschnitt 72 angeordnet ist ein reflexives Element 71, das durch eine kreisrunde innere Fase gebildet wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform entspricht ein Kreisumfang, der den zweiten Abschnitt 64 des Lichtkanals 50 außen begrenzt, hier näherungsweise einem weiteren Kreisumfang, der den zweiten Abschnitt 72 des zweiten Lichtkanals 60 innen begrenzt. Mit anderen Worten hat hier eine Außenwand des zweiten Abschnitts 64 des ersten Lichtkanals 50 eine Form, die an eine Form einer Innenwand des zweiten Abschnitts 72 des zweiten Lichtkanals 60 angepasst ist, so dass der erste Lichtkanal 50 und der zweite Lichtkanal 60 aneinander liegend angeordnet sein können.
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Weiterhin in 4 zu sehen ist eine Symmetrieachse 74, die so ausgeführt ist, dass sowohl der Lichtkanal 50 als auch der Lichtkanal 60 zu ihr rotationssymmetrisch sind. Der Lichtkanal 50 und der Lichtkanal 60 sind ferner so entlang der Rotationsachse 74 angeordnet, dass der Lichtkanal 50 und der Lichtkanal 60 ineinandergesteckt werden könnten. Dies ist durch den nach unten gerichteten, auf der Rotationsachse 74 liegenden Pfeil 76 angedeutet. Alternativ gibt der Pfeil 76 eine Richtung an, entlang sich sowohl der zweite Abschnitt 64 des ersten Lichtkanals 50 als auch der zweite Abschnitt 72 des zweiten Lichtkanals 60 erstrecken.
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5 zeigt einen Querschnitt eines Lichtelements 70, wie es aus der in der vorherigen Figurenbeschreibung erläuterten Konfiguration von zwei Lichtkanälen bzw. dem Lichtkanalsystem 40 (siehe 4) resultieren kann. Dabei ist in einem oberen Bildbereich eine Draufsicht des so entstandenen Lichtelements 70 zu sehen und in einem mittleren Bildbereich ein Querschnitt des Lichtelements 70. In einem unteren Bildbereich ist ein optisches Sende-/Empfangsmodul angeordnet, das einen Lichtsender 92 und Lichtempfänger 94 aufweist. Zur Veranschaulichung ist weiterhin die Symmetrieachse 74 angedeutet.
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Der Lichtsender oder Lichtemitter 92 ist exemplarisch kreisringförmig ausgeführt und unterhalb des zweiten Abschnitts 72 des zweiten Lichtkanals 60 angeordnet.
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Der Lichtemitter 92 kann je nach Querschnittsform des dazugehörigen Lichtleiters eine oder mehrere modulierbare Lichtquellen (z. B. LED, Laserdiode...) aufweisen. Bei einem kreisförmigen Querschnitt können die Lichtquellen z. B. ringförmig angeordnet sein. Gemäß einem Anwendungsbeispiel umfasst der Lichtemitter 92 6 oder 7 ringförmig oder äquidistant angeordnete LEDs, aber auch eine andere Anzahl ist denkbar.
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Über jeder Lichtquelle kann eine zusätzliche Optik 98 (z. B. plankonvex, plankonkav, Asphären, Fresnel-Linsen, Diffusor) angeordnet sein.
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Der Lichtempfänger oder Photodetektor 94 ist exemplarisch kreisförmig ausgeführt und unterhalb des zweiten Abschnitts 64 des ersten Lichtkanals 50 angeordnet. In anderen Worten ist der Photodetektor 94 unter dem Empfangslichtleiter angeordnet. Der Photodetektor 94 kann mit einer zusätzlichen Optik 96 (z. B. plankonvex, plankonkav, Asphären, Fresnel-Linsen, Diffusor) über einem Lichteintrittsfenster, das einem unteren Ende des zweiten Abschnitts 64 entsprechen kann, ausgestattet sein.
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Bei jeder der (optionalen) Optiken 96 und 98 kann es sich beispielsweise um eine Linse oder eine Linsenkombination oder ein wellenlängenselektives Filter handeln. Alternativ können die Optiken 96 und 98 auch ausgeformt sein, um eine gezielte Bündelung von Licht zu ermöglichen. Ebenfalls denkbar ist die Verwendung von Fresnel-Linsen oder Diffusoren. Zwischen den Optiken 96 und 98 und dem jeweiligen Lichtkanal kann beispielsweise eine Beschichtung oder ein Luftspalt angeordnet sein. Die Verwendung eines Luftspalts kann dabei in einer erhöhten Anzahl von Freiheitsgraden resultieren.
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Das Lichtelement 70 kann auch an einem jeweils anderen Ende des ersten Lichtkanals 50 bzw. des zweiten Lichtkanals 60 optionale Optiken 97 bzw. 99 aufweisen. Diese sind hier linsenförmig (mittlerer Bildbereich) bzw. kreisringförmig (oberer Bildbereich) angedeutet, können jedoch auch anders aufgebaut sein.
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Das Lichtelement 70 weist hier exemplarisch eine Gesamthöhenerstreckung 81 von 4 cm auf. Alternativ kann diese im Bereich zwischen 3 cm und 5 cm liegen. Der erste Abschnitt 62 des ersten Lichtkanals 50 weist eine Höhenerstreckung 83 von 0,75 cm auf, die alternativ mit einer Toleranz von +/-0,25 cm ausgeführt sein kann. Eine Gesamtbreitenerstreckung 85 des Lichtelements 70 im oberen Bildbereich kann mit 5 cm bemaßt sein (alternativ im Bereich von 4 cm bis 6 cm), während sich für eine Gesamtbreitenerstreckung 87 im unteren Bildbereich 2 bis 4 cm ergeben können. Dabei beträgt eine Breitenerstreckung 89 des zweiten Abschnitts 64 des ersten Lichtkanals 50 (und des reflexiven Elements 66) 2 cm (in einem Toleranzbereich von +/- 0,5 cm), während eine weitere Breitenerstreckung 91, die hier eine Breitenerstreckung des zweiten Abschnitts 72 des zweiten Lichtkanals 60 oder eine Breitenerstreckung der Optik 98 sein kann, exemplarisch 1,5 cm beträgt. Auch hier ist ein Toleranzbereich von +/-0,5 cm denkbar.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die ersten und die zweiten Abschnitte des ersten Lichtkanals und des zweiten Lichtkanals weiterhin so dimensioniert, dass Enden der Abschnitte auf gleicher Höhe bezüglich einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung innerhalb einer Toleranz von +/- 5 mm angeordnet sind.
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Das hier gezeigte Lichtelement 70 zeichnet sich dadurch aus, dass für den Aufbau sowohl Sender und Empfänger ausgeführt werden. In einer alternativen Ausführungsform wird optional nur der Sender ausgeführt. In einer weiteren alternativen Ausführungsform wird nur der Empfänger ausgeführt.
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Das Lichtelement 70 kann für die optische drahtlose Kommunikation eingesetzt werden. Aus der hier gezeigten Ausführungsform können sich dabei verschiedene Vorteile ergeben: Es sind hohe Datenraten bei einem kleinen Formfaktor realisierbar, der Lichtempfänger kann mit einer hohen Sensitivität gebaut werden und einen hohen Dynamikbereich aufweisen, und die Herstellung ist einfach.
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Es sei ferner erwähnt, dass handelsübliche Lichtsender oder -Empfänger häufig einen Öffnungswinkel von ca. 5° - 10° aufweisen, der durch einen Lichtkanal ohne die Verwendung komplexer oder schwerer Optiken vergrößert werden kann. Dies kann je nach gewünschter Applikation sehr vorteilhaft sein.
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Ebenfalls vorteilhaft ist, dass ein Lichtempfänger eine kleine Fläche und damit eine kleine Eingangskapazität aufweisen kann. Hieraus kann eine hohe Datenrate einer optischen Übertragung resultieren.
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6 zeigt eine schematische Ansicht eines Lichtelements 100, das einen inneren Lichtkanal 102 sowie einen äußeren weiteren Lichtkanal 104 aufweist. In einem oberen Bildbereich ist eine Aufsicht auf das komplette Lichtelement 100 zu sehen. Hier wird deutlich, dass ein Öffnungswinkel für den inneren Lichtkanal 102 von ca. 60° ergibt. Weiterhin ist der erste Abschnitt 106 des ersten Lichtkanals 102 also so ausgeführt, dass er einen kreissektorförmigen Querschnitt aufweist. Die gezeigte Konfiguration kann man daher auch als Scheibensegment bezeichnen. Alternativ kann das Segment auch asphärisch aufgebaut sein (z. B. elliptisch, freiform...). Dies kann beispielsweise für gerichtete optische Übertragungen über möglichst lange Strecken vorteilhaft sein.
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In die Öffnung des Scheibensegmentes einfallendes Licht wird mittels eines reflexiven Elementes 108 umgelenkt, so dass es auf einen unter dem ersten Lichtkanal 102 angeordneten optischen Empfänger 112 fallen kann. Über dem optischen Empfänger 112 angeordnet ist weiterhin eine Optikanordnung 114. Das Licht kann durch diese Optikanordnung und durch eventuell einen Luftspalt (zwischen Optikanordnung 114 und Empfangslichtleiter 102) hindurchtreten. In einem unteren Bildbereich zu sehen ist ein optischer Sender 116, der ausgebildet ist, um Licht auszusenden und dieses in den Lichtleiter 104 einzukoppeln. Das Licht kann dabei über die optionale Optikanordnung 118 in seinen Eigenschaften verändert werden. Es ergeben sich sowohl für die optische Sende- als auch die optische Empfangsstrecke jeweils eine senkrechte Ablenkung des Lichtes. Die gezeigte Ausführungsform ist vorteilhaft, da sowohl der optische Sender 116 als auch der optische Empfänger 112 sowie die optionalen Optikanordnungen 114 und 118 nicht oder nur mit erschwertem Aufwand quer eingebaut werden können. Es ergibt sich also ein kleiner Formfaktor und eine einfachere Handhabung für das gezeigte Lichtelement 100.
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7 zeigt als weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel eine schematische Ansicht eines Lichtelement 120 mit einem Lichtkanalsystem, das zwei Scheibensegmente 122 und 124 aufweist. Es wird also ein Sammeln von Licht aus zwei unterschiedlichen Richtungen ermöglicht. Das Lichtelement 120 umfasst weiterhin einen Lichtempfänger oder Fotodetektor 126. Darüber angeordnet ist abermals eine Optikanordnung 128. Diese kann jetzt beispielsweise ein wellenlängenselektives Filter umfassen, um Licht aus dem linken Scheibensegment 122 oder dem rechten Scheibensegment 124 zu filtern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise Licht mit einer Wellenlänge von 640 nm, 980 nm, 1330 nm oder 1500 nm unterschieden oder gefiltert werden. Denkbar ist ebenfalls, dass Licht mit einer Wellenlänge von 840 nm mit einer Toleranz von +/- 40 nm gezielt gefiltert wird.
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8 zeigt eine schematische Ansicht eines Lichtelements 130, das wiederum zwei Scheibensegmente 132 und 134 aufweist. Diese sind nun jedoch nicht mehr kreissektorförmig ausgebildet, sondern (drei-) eckig. Es ergibt sich also ein eckiger Querschnitt des äußeren Lichtleiters, aus dem eine homogene Lichtstrahlausformung resultieren kann. Dies kann bspw. für ungerichtete optische Übertragungen über eine z. B. kurze Strecke vorteilhaft sein, da diese Anordnung die Lichtstreuung verstärkt.
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9 zeigt als ein weiteres Ausführungsbeispiel eine schematische Ansicht eines Lichtelements 140, das nun vier einzelne Segmente 142, 144, 146 und 148 aufweist. Diese einzelnen Segmente können zu einem oder mehreren Pärchen zusammengefasst werden. Beispielsweise können die Teilsegmente 142 und 144 sowie die Teilsegmente 146 und 148 jeweils zu einem Pärchen zusammengefasst werden. Die Segmentpärchen können Licht auf ein und denselben Empfänger koppeln.
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10 zeigt eine schematische Ansicht eines Lichtelements 150, das wie in der vorhergehenden Figurenbeschreibung über vier Einzelsegmente 142 bis 148 verfügt. An der Stelle des Empfangslichtleiters sind nun jedoch exemplarisch zwei Empfangslichtleiter oder Fotodetektoren 152 und 154 angeordnet. Darüber jeweils angeordnet ist eine jeweilige Optik 156 bzw. 158. Das Lichtelement 150 ist damit ausgebildet, um Licht aus verschiedenen Richtungen zu empfangen und jeweils auf einen separaten Fotodetektor zu koppeln. Dies kann beispielsweise auch so geschehen, dass das Licht vermittels der Optikanordnungen 156 oder 158 nach Wellenlängen gefiltert wird (z. B. kann eine Aufteilung erfolgen in: Sichtbares Licht, Infrarotes Licht...). Ebenfalls denkbar ist eine Ausbildung der Fotodetektoren 152 und 154 dergestalt, dass z. B. auf mehreren Kanälen parallel gesendet und empfangen werden kann. Alternativ können pro Segment oder Segmentpärchen mehrere Fotodetektoren für unterschiedliche Wellenlängen zugewiesen sein.
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Zusammengefasst ermöglicht das Lichtelement 150 also eine gerichtete mehrkanalige, optische Übertragung. Vorteilhaft kann dies z. B. bei Industrieanwendungen sein. Denkbar ist eine Verwendung eines Lichtelements z. B. für Fließbandsteuermaschinen bzw. deren drahtlose Kommunikation untereinander. Es ist ferner zu erwähnen, dass die optischen Empfänger 152 und 154 so angeordnet sind, dass im Wesentlichen kein Licht von einem äußeren Lichtkanal in den jeweiligen Lichtempfänger koppelbar ist.
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Die vorliegende Erfindung wurde oben anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht hierauf beschränkt.
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Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können Lichtleiter einen kompletten kreisförmigen Querschnitt haben oder aber nur aus einem Scheibensegment oder mehreren Scheibensegmenten bestehen. Analoges gilt für alle n-eckigen Querschnitte.
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Besteht der Lichtleiter aus Segmenten, können diese zu einem oder mehreren Pärchen zusammengefasst werden.
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Lichtleiter können das Licht durch eine schräge Fläche bzw. ein reflexives Element senkrecht ablenken. Alternativ kann das Licht in einem anderen Winkel abgelenkt werden.
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Lichtleiter können an den Ein- und Austrittsöffnungen Optiken aufweisen (z. B. plankonvex, plankonkav, Asphären, Fresnel-Linsen, Diffusor), entweder an Eintritts- und/oder Austrittsöffnung. Dadurch kann der Lichtweg sowohl bezüglich einem Lichtemitter oder einem Photodetektor als auch bezüglich Umgebung (Abstrahlkegel bzw. Empfangskegel) angepasst werden.
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Lichtleiter können an den Ein- und Austrittsöffnungen Filter aufweisen, um nur bestimmte Wellenlängen zu transportieren.
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Die Lichtleiter von Sender und Empfänger werden vorzugsweise ineinander gesteckt, so dass der Austritt des Senders unter dem Eintritt des Empfänger ist.
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Die Lichtkanäle können auch einstückig ausgeführt sein, so dass eine Außenwand des Empfangs-Lichtkanals gleichzeitig eine Innenwand des Sender-Lichtkanals ist. Dann ist die Innenseite der Lichtkanäle reflektierend beschichtet.
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Der Photodetektor kann mit einer zusätzlichen Optik (z. B. plankonvex, plankonkav, Asphären, Fresnel-Linsen, Diffusor) über dem Lichteintrittsfenster ausgestattet sein.
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Besteht der Lichtleiter aus Scheibensegmenten, kann das Licht der einzelnen Segmente auf einen Photodetektor geleitet werden. Alternativ kann für jedes Segment und/oder Segmentpärchen ein einzelner Photodetektor zugewiesen werden. Diese einzelnen Photodetektoren (für jedes Segment/Segmentpärchen) können die gleiche Wellenlänge oder verschiedene Wellenlängen aufweisen, um z. B. auf mehreren Kanälen parallel zu empfangen. Alternativ können pro Segment/Segmentpärchen mehrere Photodetektoren für unterschiedliche Wellenlängen zugewiesen sein.
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Der Lichtsender bzw. Lichtemitter kann je nach Querschnittsform des dazugehörigen Lichtleiters eine oder mehrere modulierbare Lichtquellen (z. B. LED, Laserdiode...) aufweisen. Bei einem kreisförmigen Querschnitt können die Lichtquellen z. B. ringförmig angeordnet sein.
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Über jeder Lichtquelle kann eine zusätzliche Optik (z. B. plankonvex, plankonkav, Asphären, Fresnel-Linsen, Diffusor) angeordnet sein.
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Besteht der Lichtleiter aus Scheibensegmenten, kann das Licht der einzelnen Segmente durch parallel angesteuerte Lichtemitter erzeugt werden. Alternativ kann für jedes Segment und/oder Segmentpärchen ein einzelner Lichtemitter (oder eine Mehrzahl von Lichtemittern oder ein Lichtemitterarray) zugewiesen werden. Diese einzelnen Lichtemitter können die gleiche Wellenlänge oder verschiedene Wellenlängen aufweisen, um z. B. auf mehreren Kanälen parallel zu senden. Alternativ können pro Segment/Segmentpärchen mehrere Lichtemitter für unterschiedliche Wellenlängen zugewiesen sein.
