DE102017217110A1

DE102017217110A1 - Um eine drehachse rotierende optische empfangseinrichtung und empfängeroptik für einen optischen empfänger derselben

Info

Publication number: DE102017217110A1
Application number: DE102017217110.3A
Authority: DE
Inventors: Tobias Schneider
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2017-09-26
Publication date: 2019-03-28

Abstract

Eine Empfängeroptik (10) für einen optischen Empfänger (30) zum Empfang eines optischen Signals von einem optischen Sender (20), wobei der optische Empfänger (30) und der optischen Sender (20) zueinander drehbar und beabstandet von der Drehachse (D) angeordnet sind, umfasst eine Einkoppelstruktur (100) zum Empfang von Licht von dem optischen Sender (20), eine Auskoppelstruktur (200) zum Ausgeben von Licht an den optischen Empfänger (30), und eine ringförmige Lichtleiterstruktur (300), die ausgebildet ist, um Licht, das durch die Einkoppelstruktur (100) empfangen wird, zu der Auskoppelstruktur (200) zu leiten. Die Einkoppelstruktur (100) erstreckt sich entlang des Umfangs der ringförmigen Lichtleiterstruktur (300) und umfasst eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Einkoppelabschnitten (102) zum Einkoppeln von Licht von dem optischen Sender (20) in die ringförmigen Lichtleiterstruktur (300). Die Auskoppelstruktur (200) ist am Umfang der ringförmigen Lichtleiterstruktur (300) zwischen zwei Einkoppelabschnitten (102) der Einkoppelstruktur (100) angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Signalübertragung, insbesondere auf die optische Datenübertragung über zwei Bauteile, die zueinander drehbar angeordnet sind, wobei Ausführungsbeispiele eine um eine Drehachse rotierende optische Sendeempfangseinrichtung, Transceiver, betreffen.
Im Stand der Technik sind verschiedene Ansätze bekannt, um eine Signalübertragung, beispielsweise eine Datenübertragung, zwischen zwei Bauteilen zu ermöglichen, die zueinander drehbar angeordnet sind, wobei entweder beide Bauteile drehbar gelagert sind, oder eines der Bauteile relativ zum anderen drehbar angeordnet ist. Herkömmliche Ansätze lösen das Problem der Datenübertragung über zwei so zueinander rotierende Bauteile durch den Einsatz von Kabeln, wobei zur Übertragung der elektrischen Signale an der Rotationsstellen Schleifringe oder Kontaktbürsten verwendet werden.
Diese bekannten Ansätze sind nachteilhaft, da aufgrund der kontaktbehafteten Übertragungstechnik die Lebensdauer der Rotationsstellen und damit auch die Lebensdauer des Gesamtsystems reduziert ist bzw. begrenzt ist, insbesondere aufgrund des Verschleißes der Kontakte. Ferner bewirkt die allseitige Signalausbreitung des elektrischen Signals auf dem Schleifring eine Mehrwegausbreitung, die ihrerseits zu Laufzeitunterschieden der einzelnen elektrischen Signale von dem Sender zu dem Empfänger führt, was wiederum eine Limitierung der Übertragungsbandbreite bewirkt, so dass herkömmliche Systeme beispielsweise nur mit Datenraten im Bereich von 100 Mbit/s arbeiten.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Ansatz zur Übertragung von Signalen zwischen Einheiten zu schaffen, die zueinander drehbar angeordnet sind.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Empfängeroptik für einen optischen Empfänger zum Empfang eines optischen Signals von einem optischen Sender, wobei der optische Empfänger und der optischen Sender zueinander drehbar und beabstandet von der Drehachse angeordnet sind, mit
einer Einkoppelstruktur zum Empfang von Licht von dem optischen Sender,
einer Auskoppelstruktur zum Ausgeben von Licht an den optischen Empfänger, und
einer ringförmigen Lichtleiterstruktur, die ausgebildet ist, um Licht, das durch die Einkoppelstruktur empfangen wird, zu der Auskoppelstruktur zu leiten,
wobei sich die Einkoppelstruktur entlang des Umfangs der ringförmigen Lichtleiterstruktur erstreckt und eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Einkoppelabschnitten zum Einkoppeln von Licht von dem optischen Sender in die ringförmigen Lichtleiterstruktur aufweist, und
wobei die Auskoppelstruktur am Umfang der ringförmigen Lichtleiterstruktur zwischen zwei Einkoppelabschnitten der Einkoppelstruktur angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, das Signal nicht elektrisch über die Rotationsstelle zu übertragen, sondern optisch, indem anstelle des Schleifrings oder der Kontaktbürsten die erfindungsgemäße Empfängeroptik vorgesehen ist, die eine kontaktfreie Übertragung der Signale ermöglicht. Der erfindungsgemäße Ansatz ist vorteilhaft, da auf die mechanischen Kontakte verzichtet werden kann, so dass die damit einhergehenden Nachteile vermieden werden. Systeme, welche die erfindungsgemäße Empfängeroptik einsetzen, haben z.B. eine erhöhte Lebensdauer. Ferner ermöglicht die optische Übertragung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Empfängeroptik eine Steuerung des Lichts durch entsprechende optische Elemente, so dass die Ausbreitung des Lichts steuerbar ist, wodurch, unter anderem, eine Mehrwegausbreitung und die damit einhergehende Limitierung einer Datenrate reduziert bzw. vermieden werden kann, so dass Datentraten oberhalb von 100 Mbit/s erreichbar sind.
Gemäß Ausführungsbeispielen hat die ringförmige Lichtleiterstruktur die Form eines kreisförmigen oder polygonalen Torus, wobei der Torus eine beliebige polygonale Querschnittsfläche aufweist, z.B. eine kreisförmige Querschnittsfläche, eine ovale Querschnittsfläche, eine quadratische Querschnittsfläche oder eine dreieckige Querschnittsfläche. Dieses Ausführungsbeispiel ist vorteilhaft, da es ermöglicht, die ringförmige Lichtwellenstruktur an die Umgebung anzupassen. Beispielsweise ist in einer Übertragungsvorrichtung mit einer Mehrzahl von zusätzlichen Bauelementen eine kreisförmige Struktur weniger geeignet als eine polygonale Struktur. Eine polygonale Struktur ermöglicht z.B. trotz einer Vielzahl Bauelementen eine geschlossene ringförmige Leiterstruktur bereitzustellen. In Systemen, in denen die Dichte bzw. die Anzahl der Bauelemente geringer ist, kann eine kreisförmige Struktur vorgesehen werden, die im Hinblick auf die Gleichmäßigkeit der Ausbreitung des Lichts innerhalb des Lichtwellenleiters der Lichtleiterstruktur vorteilhaft ist, da wenige oder keine Ecken und Kanten existieren. Ebenso ist vorteilhaft, dass die Querschnittsfläche des Lichtleiters, beispielsweise des Torus, eine beliebige polygonale Querschnittsfläche sein kann, um so ebenfalls eine Anpassung an die Gegebenheiten zu ermöglichen, in denen die Empfängeroptik eingesetzt wird.
Gemäß Ausführungsbeispielen hat jeder der Einkoppelabschnitte der Einkoppelstruktur eine erste Oberfläche zum Empfang von Licht von dem optischen Sender und eine zweite Oberfläche zum Reflektieren des empfangenen Lichtes in die ringförmige Lichtleiterstruktur. Vorzugsweise sind die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche des Einkoppelabschnitts derart zueinander ausgerichtet, dass das empfangene Licht über Brechung und Totalreflexion in die ringförmige Lichtleiterstruktur einkoppelt. Die Ausgestaltung gemäß diesem Ausführungsbeispiels ist vorteilhaft, da eine Einkoppelstruktur bereitgestellt wird, die unabhängige Oberflächen zum Empfangen und Reflektieren des Lichts aufweist, so dass ein Lichteinkoppelbereich an die Position des optischen Senders im Gesamtsystem angepasst werden kann.
Gemäß Ausführungsbeispielen sind die erste Oberfläche und die zweiten Oberfläche des Einkoppelabschnitts derart angeordnet, dass sich das empfangene Licht auf dem kürzesten Weg zu der Auskoppelstruktur bewegt. Vorzugsweise sind die Einkoppelabschnitte der Einkoppelstruktur bezüglich einer Linie, die durch die Auskoppelstruktur und durch den Mittelpunkt der ringförmigen Lichtleiterstruktur verläuft, spiegelsymmetrisch aufgebaut, so dass sich das empfangene Licht in Richtung der Auskoppelstruktur bewegt. Dieses Ausführungsbeispiel ist vorteilhaft, da der Lichtweg vom Einkoppeln bis zum Auskoppeln entlang des Lichtwellenleiters so kurz wie möglich ist. Beispielsweise ermöglicht dieses Ausführungsbeispiel, dass die maximale Entfernung von Einkoppelstelle zu Auskoppelstelle bei einem kreisförmigen Lichtwellenleiter nur die Hälfte der Länge der ringförmigen Lichtleiterstruktur beträgt, so dass maximal der halbe Lichtleiter durchlaufen werden muss. Einflüsse auf das optische Signal, z.B. eine Dämpfung, aufgrund einer längeren Laufzeit durch den Lichtwellenleiter werden damit reduziert.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist jeder der Einkoppelabschnitte der Einkoppelstruktur über einen Kontaktabschnitt mit der ringförmigen Lichtleiterstruktur gekoppelt, wobei der Kontaktabschnitt einen Teil des Umfangs der Querschnittsfläche der ringförmigen Lichtleiterstruktur umfasst, der kleiner ist als der Gesamtumfang der Querschnittsfläche der ringförmigen Lichtleiterstruktur. Dieses Ausführungsbeispiel ist vorteilhaft, da durch den schmalen Kontaktabschnitt zwischen Einkoppelabschnitt und Lichtleiterstruktur Verluste des entlang des Lichtleiters laufenden Lichts reduziert werden, da das sich in dem Lichtleiter ausbreitende Licht seltener auf die Kontaktstelle trifft. Die Kontaktstelle lässt sich insbesondere bei solchen Ausführungsbeispielen auf ein Minimum reduzieren, bei denen mit den verschiedenen Oberflächen der Einkoppelstruktur gearbeitet wird, die eine genaue Steuerung des einfallenden Lichts auf einen ausgewählten Bereich, nämlich den Kontaktabschnitt, ermöglichen, so dass dessen Erstreckung entlang des Umfangs der Querschnittsfläche so gering wie möglich gehalten werden kann, und damit geringe Verluste des Lichts, welches sich innerhalb der Lichtleiterstruktur ausbreitet, hervorruft.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist die Auskoppelstruktur ausgebildet, um eine Totalreflexion der ringförmigen Lichtleiterstruktur zu unterbrechen, so dass Licht aus der ringförmigen Lichtleiterstruktur auskoppelt. Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht auf einfache Art und Weise, nämlich durch Anordnung der Auskoppelstruktur zwischen zwei Einkoppelabschnitten, eine Unterbrechung der Totalreflexion im ringförmigen Lichtwellenleiter, so dass das Licht aus dem ringförmigen Lichtleiter auskoppelt, beispielsweise bezogen auf die Hauptausbreitungsrichtung des Lichts innerhalb des Lichtwellenleiters, radial zu dieser Richtung.
Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst die Auskoppelstruktur eine Umlenkoberfläche, um das aus der ringförmigen Lichtleiterstruktur ausgekoppelte Licht in Richtung des optischen Empfängers umzulenken. Dieses Ausführungsbeispiel ist vorteilhaft, da die Umlenkoberfläche ermöglicht, den optischen Empfänger an einer geeigneten Stelle, die durch die Umgebungserfordernisse vorgegeben sein kann, und die nicht der Richtung entspricht, in der das Licht aus der ringförmigen Lichtleiterstruktur ausgekoppelt wird, anzuordnen.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist die Umlenkoberfläche als sphärische oder asphärische Linse, als eine Erweiterung oder als eine Freiformfläche geformt, um das aus der ringförmigen Lichtleiterstruktur ausgekoppelte Licht zu fokussieren. Dieses Ausführungsbeispiel ist vorteilhaft, da durch eine geeignete Ausgestaltung bzw. Ausformung der Umlenkoberfläche, ohne zusätzliche Elemente, das ausgekoppelte Licht in eine erwünschte Richtung gelenkt bzw. fokussiert werden kann.
Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst die Auskoppelstruktur eine optische Konzentratorstruktur, eine Linsenstruktur, eine sphärische oder asphärische Linse, eine Erweiterung oder eine Freiformfläche, um das aus der Auskoppelstruktur austretende Licht zu fokussieren. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da ohne zusätzliche Elemente, beispielsweise indem eine Austrittsfläche der Auskoppelstruktur entsprechend strukturiert wird, eine Fokussierung des aus der Auskoppelstruktur austretenden Lichts ermöglicht wird.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist die Auskoppelstruktur ausgebildet, um bei einer Bestrahlung mit Licht von dem optischen Sender Licht in Richtung des optischen Empfängers zu leiten. Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft, da während der Drehung eine Lichtübertragung von dem Sender an den Empfänger möglich ist, wenn der Empfangsstrahl nicht die Einkoppelstruktur bestrahlt, sondern die Auskoppelstruktur. Unterbrechungen bei der Übertragung werden hierdurch vermieden. Mit anderen Worten wird sichergestellt, dass die Empfängeroptik keinen toten Fleck aufweist, und somit die Datenübertragung auch bei einer Rotation über 360°, also bei einer vollständigen Rotation um die Drehachse sichergestellt ist.
Gemäß Ausführungsbeispielen sind die Einkoppelstruktur, die Auskoppelstruktur und/oder die ringförmige Lichtleiterstruktur aus Materialien hergestellt, die optische Materialien, z.B. optische Glasmaterialien, Kunststoffglas, Kristalle, oder Materialien mit einem hohen Brechungsindex, die eine Totalreflexion von Licht ermöglichen, umfassen. Zusätzlich können Beschichtungen auf die optischen Materialien aufgebracht werden. Diese können Metallisierungen, z.B. Silber, Gold, Kupfer, Aluminium, etc., die eine Reflexion von Licht ermöglichen oder Linsenmaterialien mit aufgebrachten Beschichtungen, welche einen Lichtaustritt verhindern und das Licht in den Lichtleiter zurückstreuen, umfassen. Die Verwendung von Metallisierungen ist vorteilhaft, da diese z.B. zusätzlich auf übliche Linsenmaterialien aufgebracht werden können, so dass für den Fall das eine Totalreflexion an einer oder mehreren Stellen nicht herzustellen ist, eine Spiegelfläche eingebaut wird, die eine Reflexion des Lichtes bewirkt.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zur Signalübertragung, mit zumindest einem ersten optischen Sender zum Aussenden eines ersten optischen Signals; und
einem ersten optischen Empfänger zum Empfang des ersten optischen Signals von dem ersten optischen Sender,
wobei der erste optische Empfänger und der erste optischen Sender zueinander drehbar angeordnet sind, und
wobei der erste optische Empfänger eine erste Empfängeroptik gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Signalübertragung unter Verwendung zumindest eines optischen Empfängers, der die erfindungsgemäße Empfängeroptik aufweist, ist vorteilhaft, da die oben beschriebenen Probleme im Stand der Technik im Hinblick auf Verschleiß und reduzierte Datenübertragungsraten vermieden werden. Erfindungsgemäß wird eine erhöhte Lebensdauer der Gesamtvorrichtung aufgrund des reduzierten Verschleißes an der Rotationsstelle bewirkt, und gleichzeitig kann eine deutlich erhöhte Datenrate von oberhalb 100 Mbit/s erreicht werden.
Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst die Vorrichtung eine Mehrzahl von ersten optischen Sendern zum Aussenden des ersten optischen Signals. Alle ersten optische Sender können das erste optische Signal aussenden. Ferner kann die Anzahl der ersten optischen Sender zum Aussenden des ersten optischen Signals abhängig von einem Durchmesser der ringförmigen Lichtleiterstruktur gewählt sein, wobei sich die Anzahl der ersten optischen Sender mit steigendem Durchmesser erhöht. Vorzugsweise sind die ersten optischen Sender zum Aussenden des ersten optischen Signals entlang des Umfangs der ringförmigen Lichtleiterstruktur gleichmäßig verteilt. Dieses Ausführungsbeispiel ist vorteilhaft, da die Verwendung von mehreren optischen Sendern zum Aussenden des gleichen, nämlich des ersten optischen Signals die Signalstärke am Empfänger erhöht und damit die zuverlässige Übertragung insbesondere ab bestimmten Ringgrößen/Durchmessern sicherstellt. Ferner wird durch die mehreren Sender eine Redundanz bereitgestellt, wodurch die Zuverlässigkeit der Datenübertragung erhöht werden kann. Ferner ist es aufgrund der Drehung vorteilhaft, dass alle Sender gleichzeitig dasselbe Signal senden, da das am nahesten zu dem Empfänger eingekoppelte Signal als stärkstes Signal am Empfänger ankommt.
Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst die Vorrichtung einen ersten Träger, an dem der erste optische Empfänger und die erste Empfängeroptik angeordnet sind, und einen zweiten Träger, an dem der erste optische Sender angeordnet ist, wobei der erster Träger und/oder der zweite Träger drehbar angeordnet sind.
Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst die Vorrichtung für eine bidirektionale Signalübertragung:

zumindest einen zweiten optischen Sender zum Aussenden eines zweiten optischen Signals; und
einen zweiten optischen Empfänger zum Empfang des zweiten optischen Signals von dem zweiten optischen Sender,
wobei eine erste Sender/Empfängereinheit, die den ersten optischen Empfänger und den zweiten optischen Sender umfasst, und eine zweite Sender/Empfängereinheit, die den zweiten optischen Empfänger und den ersten optischen Sender umfasst, zueinander drehbar angeordnet sind, und
wobei der zweite optische Empfänger eine zweite Empfängeroptik gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst.

Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft, da eine bidirektionale Übertragung zwischen Bauteilen, die drehbar zueinander angeordnet sind, ermöglicht wird, ohne dass die im Stand der Technik erläuterten Probleme hinsichtlich Verschleiß und Datenübertragungsminimierung auftreten.
Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst die Vorrichtung einen ersten Träger, an dem die Sender/Empfängereinheit angeordnet ist, und einen zweiten Träger, an dem die zweite Sender/Empfängereinheit angeordnet ist, wobei der erster Träger und/oder der zweite Träger drehbar angeordnet sind.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, es zeigen:

1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Empfängeroptik gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 eine Schnittdarstellung der Empfängeroptik aus 1 entlang der Linie L2,
3 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts der Empfängeroptik aus 2,
4 Ausführungsbeispiele zur Ausgestaltung der Auskoppelstruktur, wobei 4(a) eine Auskoppelstruktur mit einer Konzentratorstruktur und 4(b) eine Auskoppelstruktur mit einer Linsenstruktur zeigt,
5 ein Ausführungsbeispiel für eine Übertragungsvorrichtung, die eine bidirektionale Übertragung von Signalen über eine Rotationsstelle ermöglicht, und
6 ein Ausführungsbeispiel einer Übertragungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die drei optische Sender verwendet.

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden in den Figuren gleichwirkende oder gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine schematische Draufsichtdarstellung der erfindungsgemäßen Empfängeroptik gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Empfängeroptik 10 umfasst eine Einkoppelstruktur 100 zum Empfang von Licht von einem optischen Sender 20, eine Auskoppelstruktur 200 zum Ausgeben von Licht an einen optischen Empfänger 30 und eine ringförmige Lichtleiterstruktur 300, die ausgebildet ist, um Licht, das durch die Einkoppelstruktur 100 empfangen wird, durch Totalreflexion oder Reflexion zu der Auskoppelstruktur 200 zu leiten. Das von dem optischen Sender 20 bereitgestellte Licht ist schematisch durch den Pfeil 22 dargestellt, das in der ringförmigen Lichtleiterstruktur 300 geführte Licht ist durch den Pfeil 302 dargestellt, und das an den Empfänger 30 ausgegebene Licht ist schematisch durch den Pfeil 32 dargestellt. Die Empfängeroptik 10 ist zusammen mit dem Empfänger 30 um die Drehachse D drehbar angeordnet. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen können die Empfängeroptik 10 zusammen mit dem Empfänger 30 und der Sender 20 oder nur der optische Sender 20 drehbar um die Drehachse D angeordnet sein. Die Ein- und Auskoppelstruktur 100, 200 sind entlang des äußeren Umfangs 300a der Ringstruktur 300 angeordnet, ebenso der Sender 20 und der Empfänger 30, die radial außerhalb der Ringstruktur 300 angeordnet sind. Hierdurch wird ein Bereich 300c innerhalb des inneren Umfangs 300b der Ringstruktur 300 frei gehalten, insbesondere im Bereich der Drehachse D, in dem sich im Einsatzfall ein mechanisches Bauteil befindet, um das der Transceiver angeordnet ist.
Die Einkoppelstruktur 100 umfasst eine Mehrzahl von Einkoppelabschnitten 102, um Licht von dem optischen Sender 20 in die ringförmige Lichtleiterstruktur 300 einzukoppeln. Die Einkoppelstruktur 100 erstreckt sich entlang des Umfangs der ringförmigen Lichtleiterstruktur 300 und umfasst die Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Einkoppelabschnitten 102, die bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel entlang des Umfangs der Lichtleiterstruktur 300 unmittelbar aufeinanderfolgend oder aneinandergrenzend angeordnet sind.
Die Einkoppelstruktur 100 ist bezüglich der Linie L1, die durch den optischen Empfänger 30 und die Drehachse D verläuft, spiegelsymmetrisch aufgebaut, so dass die Einkoppelabschnitte 102 das einzukoppelnde Licht 22 in Richtung des Empfängers 30 leitet, wie dies zum einen durch den Pfeil 302 gezeigt ist. Bei einer Einkopplung auf der andren Seite der Linie L1 würde sich eine Lichtausbreitung entlang des gestrichelt gezeigten Pfeils 302' einstellen. Die Position des Senders und des Einkoppellichts in einer solchen Situation sind durch die Bezugszeichen 20' und 22' schematisch dargestellt. Eine solche Situation stellt sich beispielsweise ein, wenn sich der Sender 20 entlang des Umfangs Empfängeroptik 10, beispielsweise in Richtung des Uhrzeigersinns, bis zur Position 20' weiterbewegt hat, oder falls eine Relativbewegung zwischen Sender und Empfänger zu einer entsprechenden Verschiebung der Position geführt hat.
Die Auskoppelstruktur 200 ist am Umfang der Lichtleiterstruktur 300 zwischen den in 1 mit den Bezugszeichen 102a, 102b schematisch dargestellten Einkoppelabschnitten angeordnet. Die Anordnung der Auskoppelstruktur 200 entlang des Umfangs der Struktur 300 bewirkt eine Unterbrechung der Einkoppelstruktur 100 und eine Unterbrechung der Totalreflexion in der Lichtleiterstruktur 300, so dass das Lichts, wie durch den Pfeil 32 angezeigt ist, aus der Lichtleiterstruktur 300 ausgekoppelt wird.
2 ist eine Schnittdarstellung der Empfängeroptik aus 1 entlang der Linie L2. Die ringförmige Lichtleiterstruktur 300 umfasst einen kreisförmigen Torus mit einer kreisförmigen Querschnittsfläche 304. Die Lichtleiterstruktur 300 umfasst ferner eine erste Oberfläche 306, die auch als untere Oberfläche bezeichnet wird, sowie eine zweite Oberfläche 308, die der ersten Oberfläche 306 gegenüberliegt und auch als obere Oberfläche bezeichnet wird. Der optische Sender 20 und der optische Empfänger 30 sind benachbart zu der unteren Oberfläche 306 bzw. zu der oberen Oberfläche 308 angeordnet, mit anderen Worten befindet sich bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Sender 20 unterhalb der Leiterstruktur 300, und der Empfänger 30 befindet sich oberhalb der Leiterstruktur 300. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die Positionen von Sender und Empfänger vertauscht sein. Ebenso können Sender und Empfänger auf der gleichen Seite der Leiterstruktur 300 angeordnet sein. Ferner kann gemäß anderen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein, den Sender 20 auf gleicher Höhe mit der Struktur 300 anzuordnen. Die Einkoppelabschnitte 102 können abhängig von der Position des Senders ausgestaltet sein, um eine Einkopplung des Lichts 22 in die Leiterstruktur 300 zu ermöglichen.
In 2 ist eine Situation dargestellt, in der der Empfänger 30, an dem die Empfängeroptik 300 angeordnet ist, rotiert und der optische Sender 20 ist entweder stationär oder rotiert ebenfalls. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann nur der Sender 20 drehbar angeordnet sein, und der Sender 30 ist zusammen mit der Empfängeroptik 300 stationär angeordnet.
Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Auskoppelstruktur 200 so ausgestattet, dass das radial austretende Licht 32 (siehe 1) durch die Auskoppelstruktur in Richtung der oberen Oberfläche 308, also in Richtung des Empfängers 30, abgelenkt wird, was nachfolgend anhand weiterer Ausführungsbeispiele noch näher erläutert wird.
Erfindungsgemäß wird eine Empfängeroptik vorgeschlagen, welche als Ringstruktur entworfen sein kann, die ihrerseits Teil des Empfängers ist. Die Empfängeroptik umfasst neben dem Ringelement 300 die Einkoppelstruktur 100 und die Auskoppelstruktur 200, so dass mittels des Ringelements 300 das eingekoppelte Lichtsignal durch den Ring transportiert werden kann, und über die Auskoppelstruktur 200 an den optischen Empfänger 30 ausgekoppelt werden kann und dort beispielsweise auf entsprechende fotoempfindliche Elemente, wie eine Fotodiode, gelenkt werden kann. Hierdurch wird eine kontaktfreie und damit verschleißfreie Übertragung eines Signals, beispielsweise eines Datensignals, über eine Rotationsstelle zwischen zwei Elementen, die zueinander drehbar gelagert sind, ermöglicht, wobei eine Datenübertragung unabhängig von einer Drehrichtung ermöglicht wird, wobei die Drehung kontinuierlich oder intermittierend sein kann.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann der optische Sender, der auch als Transmitter TX bezeichnet wird, eine schaltbare Lichtquelle und eine Optik umfassen, wobei die Lichtquelle in Form einer Laserdiode (LD) oder einer lichtemittierenden Diode (LED) ausgestaltet sein kann. Die Wellenlänge des Lichts kann sich im UV-, VIS- oder auch im IR-Spektrum befinden. Gemäß Ausführungsbeispielen ist vorgesehen, dass die Transmittereinheit 20 radial weiter außen positioniert ist als ein Außenradius r1 (siehe 2) der Empfängeroptik 10. Vorzugsweise ist die Transmittereinheit 20 so angeordnet, dass deren Lichtstrahl 220 bezüglich der Drehachse D geneigt ist, um so das Einkoppeln des Lichts über die Einkoppelabschnitte 102 in die Ringstruktur 300 zu vereinfachen. Gemäß Ausführungsbeispielen kann ferner vorgesehen sein, den Lichtstrahl 22 über geeignete Optikelemente zusätzlich zu parallelisieren.
Der Empfänger 30, auch als Receiver RX bezeichnet, umfasst gemäß Ausführungsbeispielen einen Fotodetektor, beispielsweise in Form einer PIN-Fotodiode, einer Avalanche Fotodiode, einer Metall-Semiconductor-Metall-Fotodiode und Ähnlichem, wobei gemäß Ausführungsbeispielen die Empfängeroptik 10 ein Teil des Empfängers 20 ist. Der Empfänger 20 ist z.B. fest mit der Empfängeroptik 10 verbunden.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann die Empfängeroptik aus optisch durchlässigen Materialien hergestellt sein, beispielsweise aus optischen Glasmaterialien, Kunststoffglas oder Kristallen. Weitere Materialien, aus denen die Empfängeroptik hergestellt sein kann, umfassen Materialien mit einem hohen Brechungsindex, um die erwünschte Totalreflexion zu ermöglichen. Alternativ können auch andere Materialien zur Herstellung der Elemente der Empfängeroptik 10 verwendet werden, wobei die zur Interaktion mit dem zu übertragenden Lichtsignal verwendeten Oberflächen mit entsprechenden Beschichtungen, beispielsweise Metallisierungen, versehen sein können, um die erwünschte Reflexion zu ermöglichen. Ferner können Teile oder alle Elemente der Empfängeroptik beschichtet oder als Spiegel ausgeführt sein, beispielsweise durch eine Metallisierung, um einen Austritt von Lichtenergie bei der Übertragung von dem Sender 20 zu dem Empfänger 30 zu vermeiden.
Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Empfängeroptik erläutert, insbesondere Ausführungsbeispiele für die Einkoppelstruktur 100, die Auskoppelstruktur 200 und die Lichtleiterstruktur 300. 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts der Empfängeroptik aus 2. Der Bereich A in 3 zeigt eine Schnittdarstellung der linken Seite der Ringstruktur aus 2. Der linke Teil der 3 zeigt eine Ansicht der Struktur A von links, aus Richtung des in 2 dargestellten Pfeils. Die Einkoppelstruktur 100 umfasst die Einkoppelabschnitte 102, die ihrerseits jeweils eine erste Oberfläche 104 und eine zweite Oberfläche 106 aufweist. Die Oberflächen 104, 106 sind optisch aktive Oberflächen und sind so zueinander ausgerichtet, dass das einfallende Licht 22 an der ersten Oberfläche 104 in Richtung der zweiten Oberfläche 106 gebrochen wird, wie durch den Lichtstrahl 108 gezeigt ist. Die zweite Oberfläche 106 des Einkoppelabschnitts 102 bewirkt eine Totalreflexion des Lichtstrahls 108 in Richtung der ringförmigen Lichtleiterstruktur 300, so dass der an der zweiten Oberfläche 106 reflektierte Lichtstrahl 110 in die ringförmige Lichtleiterstruktur 300 eingekoppelt wird, und innerhalb des Lichtleiters 300 weitergeleitet wird, wie dies durch die Pfeile 302₁ bis 302₃ angedeutet ist. Das einfallende Licht 22 wird durch eine erste Oberfläche 104 eines ersten Einkoppelabschnitts 102 der Einkoppelstruktur 100 in Richtung einer zweiten Oberfläche 106 eines benachbarten Einkoppelabschnitts 102 gebrochen, und dort durch Totalreflexion in den Lichtleiter 300 eingekoppelt. Die Oberflächen 104, 106 sind so angeordnet, dass die Einkoppelstruktur 100 die Richtung des Lichts 22 vorgibt, so dass es sich ausgehend von der Stelle, an der die Einkopplung erfolgt, in Richtung der Auskoppelstruktur bzw. in Richtung des optischen Empfängers bewegt. Gemäß Ausführungsbeispielen ist vorgesehen, die Einkoppelstruktur hinsichtlich der Linie L1 (siehe 1) spiegelsymmetrisch auszugestalten, so dass die anhand der 1 erläuterte Weiterleitung des Lichts in Richtung der Auskoppelstruktur bzw. des optischen Empfängers maximal entlang einer Strecke, die der Hälfte der Ringstruktur 300 entspricht, erfolgt. Mit anderen Worten ist die Einkoppelstruktur so ausgebildet, dass eingekoppeltes Licht auf dem kürzesten Weg zu der Auskoppelstruktur bzw. zu dem optischen Empfänger läuft.
In 3 ist im rechten Abschnitt ferner ein Bereich 112 dargestellt, entlang dem die Einkoppelabschnitte 102 der Einkoppelstruktur 100 mit der Ringstruktur 300 in Kontakt sind. Über diese Kontaktstelle 112 erfolgt die Einkopplung des Lichts, wie dies oben erläutert wurde. Vorzugsweise erstreckt sich die Einkoppelstelle 112 der Einkoppelstruktur 100 nur über einen Teil des Umfangs der Querschnittsfläche 304 der Ringstruktur 300, so dass z.B. Störungen der Totalreflexion an der Innenoberfläche der Struktur 300 aufgrund der Kontaktstelle 102 minimiert werden können. Die Kontaktstelle 112 kann sich z.B. über weniger als 1/10 oder weniger als 1/12 der Länge des Umfangs erstrecken, wobei an dieser Stelle darauf hingewiesen sei, dass abhängig von der Dimensionierung der Gesamtanordnung die Kontaktstelle 112 sich auch über einen längeren Abschnitt des Umfangs der Querschnittsfläche 304 des Ringwellenleiters 300 erstrecken kann.
Die Lichtleiterstruktur 300 wurde bisher kreisförmiger Torus beschrieben, der eine kreisförmige Querschnittsfläche 304 aufweist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Ausgestaltung der Lichtleiterstruktur 300 beschränkt, vielmehr kann ein beliebige, geschlossene Lichtleiterstruktur 300, welche einen geschlossenen Ring bildet, verwendet werden, beispielsweise eine polygonale Struktur, mit einer Mehrzahl von geraden oder gebogenen Abschnitten, die aneinander angrenzen und eine geschlossene, ringförmige Struktur 300 bilden. Ebenso ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausgestaltung der Struktur 300 mit einer kreisförmigen Querschnittsfläche 304 beschränkt, vielmehr kann eine ovale Querschnittsfläche aber auch eine polygonale Querschnittsfläche gewählt werden, beispielsweise eine quadratische oder dreieckförmige Querschnittsfläche. Der Durchmesser d₃₀₀ der ringförmigen Lichtleiterstruktur 300 (siehe 2) kann entsprechend dem Einsatzgebiet und den dort vorherrschenden Vorgaben angepasst werden, ebenso der Durchmesser d₃₀₄ der Querschnittsfläche 304 der Ringstruktur 300 (siehe 2).
Die 4 zeigt Ausführungsbeispiele zur Ausgestaltung der Auskoppelstruktur 200, wie sie entsprechend den Lehren der vorliegenden Anmeldung in der erfindungsgemäßen Empfängeroptik vorgesehen sein kann. 4(a) zeigt eine erste Variante der Auskoppelstruktur umfassend eine Konzentratorstruktur (CPC-Struktur - Compound Parabolic Concentrator), und 4(b) zeigt eine Ausführung der Auskoppelstruktur unter Verwendung einer Linsenstruktur. Die in 4 gezeigten Darstellungen sind Querschnittsdarstellungen im Bereich des optischen Empfängers 30 entlang der Linie L1 in 1.
In 4(a) ist die Auskoppelstruktur 200 dargestellt, die entlang eines Teils des Umfangs der Querschnittsfläche 304 der Ringstruktur 300 angeordnet ist, beispielsweise derart, dass sich die Kontaktstelle der Auskoppelstruktur 200 über einen Bereich von einem Viertel oder weniger als einem Viertel des Umfangs der Querschnittsfläche 304 der Ringstruktur 300 erstreckt. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann die Kontaktstelle ausgestaltet sein, um sich über eine Länge von mehr als einem Viertel des Umfangs der Querschnittsfläche 304 zu erstrecken. Im Bereich, in dem die Auskoppelstruktur 200 an der Ringstruktur 300 angeordnet ist, also im Bereich der gerade erwähnten Kontaktstelle, erfolgt eine Unterbrechung der Totalreflexion der in der Ringstruktur 300 geführten Lichtwelle 302, so dass das geführte Licht 302 im Bereich der Auskoppelstruktur 200 aus der Ringstruktur 300 in die Auskoppelstruktur 200 ausgekoppelt wird, wie dies schematisch durch den Pfeil 202 gezeigt ist. Bei dem anhand der 4 beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das in der Ringstruktur 300 geführte Licht 302 im Bereich der Auskoppelstruktur 200 radial, bezogen auf die Umfangsrichtung der Ringstruktur, also in Richtung des Pfeils 32 in 1, ausgekoppelt und in der Auskoppelstruktur 200 in Richtung des Empfängers 300 geführt. Somit ist die Auskoppelstruktur 200, im Gegensatz zur Einkoppelstruktur 100 nur in einem schmalen Bereich der Ringstruktur 300 vorhanden, und zwar im Bereich, in dem der optische Empfänger 30 angeordnet ist. Die Auskoppelstruktur 200 unterbricht die Totalreflexion der Lichtleiterstruktur 300 an der genannten Stelle und koppelt das Licht 202 radial aus der Struktur 300 aus.
Die Auskoppelstruktur 200 umfasst erste und zweite Wandungen 204, 206, um die Lichtstrahlen 202 zu führen. Die erste Wandung 204 der Auskoppelstruktur 200 ist von dem Empfänger 30 abgewandt, und die zweite Wandung 206 ist dem Empfänger zugewandt. Gemäß Ausführungsbeispielen, bei denen der optische Empfänger 30 oberhalb der Empfängeroptik 10 angeordnet ist, wird die erste Wandung 204 auch als untere Wandung und die zweite Wandung 206 als obere Wandung bezeichnet. 4(a) zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Empfängerstruktur 30 oberhalb der Empfängeroptik und die Sendestruktur 20 unterhalb der Empfängeroptik 10 angeordnet ist. Gemäß Ausführungsbeispielen kann die untere Wandung 204 der Auskoppelstruktur 200 einen abgeschrägten Abschnitt oder eine Schräge 208 umfassen, beispielsweise eine 45°-Schräge bezogen auf die Ausdehnungsrichtung der Wandung 204, um das Licht 202, welches aus der Ringstruktur 300 ausgekoppelt wird, in Richtung des optischen Empfängers 30 umzuleiten, wie dies durch den Lichtstrahl 210 angedeutet ist. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Schräge 208 auch als sphärische oder asphärische Linse geformt sein, um das Licht 210 zu fokussieren.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann die obere Wandung 208 der Auskoppelstruktur 200 eine optische Konzentratorstruktur, CPC-Struktur, 212 aufweisen, die in einem Bereich gegenüberliegend zu der Schräge 208 angeordnet sein kann. Die optische Konzentratorstruktur 212 dient dazu, den umgelenkten Lichtstrahl 210 auf den aktiven Bereich des optischen Empfängers 30, beispielsweise auf dessen Fotodiode, zu konzentrieren. Bei Verwendung der anhand der 4(a) gezeigten CPC-Struktur 212 kann die Auskoppelstruktur in direktem Kontakt mit dem optischen Empfänger 30 sein, beispielsweise kann die Konzentratorstruktur 212 in direktem Kontakt mit einem Gehäuse der im Empfänger 30 enthaltenen Fotodiode sein.
4(b) zeigt eine weitere Ausführungsform für die Auskoppelstruktur, bei der, anstelle der in 4(a) beschriebenen CPC-Struktur die obere Wandung 206 der Auskoppelstruktur 200 eine Linsenstruktur 214 aufweist, die ebenfalls dazu dient, den abgelenkten Lichtstrahl 210 in Richtung des fotoempfindlichen Elements, beispielsweise der Fotodiode, des optischen Empfängers 30 zu fokussieren, wobei in diesem Fall auf einen Kontakt zu dem optischen Empfänger 30 verzichtet werden kann, und die aus der Auskoppelstruktur 200 austretenden Lichtstrahlen werden über die Linsenstruktur fokussiert.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die gerade erläuterten Ausführungsbeispiele zur Ausgestaltung der Auskoppelstruktur in Form der Schräge/mit oder ohne sphärische/asphärische Linse und mit den CPC-Konzentratorstrukturen, der Linsenstruktur oder ohne eine solche Struktur in beliebiger Kombination eingesetzt werden können. Ferner kann gemäß weiteren Ausführungsbeispielen die Umlenkoberfläche und/oder die Austrittfläche der Auskoppelstruktur als eine Erweiterung oder als eine Freiformfläche geformt, sein.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Auskoppelstruktur 200 ausgebildet sein, um ein direktes Einkoppeln von Licht 22 von dem optischen Sender 20 zur Weiterleitung an den optischen Empfänger 30 zuzulassen, beispielsweise über eine geeignete Ausgestaltung der Schräge 208. Da die Auskoppelstruktur 200 die Einkoppelstruktur 100 im Bereich der Auskopplung an den Empfänger 30 unterbricht, wird durch diese Ausgestaltung erreicht, dass bei einer direkten Bestrahlung der Auskoppelstruktur 200 durch den Sender 20 der Empfänger 30, beispielsweise dessen Fotodiode, optische Leistung empfängt, um auch in diesem Bereich eine Übertragung sicherzustellen und damit einen gegebenenfalls unerwünschten toten Punkt bzw. toten Fleck in der Empfängeroptik zu vermeiden, so dass bei dieser Ausführungsform eine Datenübertragung bzw. die Signalübertragung über eine vollständige Rotation von 360° möglich ist.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Empfängeroptik wurden oben anhand der 1 bis 4 näher erläutert, wobei anhand der 1 und 2 bereits Ausführungsbeispiele eines Übertragungssystems gezeigt sind, welches unter Verwendung der erfindungsgemäßen Empfängeroptik eine Übertragung von optischen Signalen über eine Rotationsstelle ohne Verschleiß und mit verbesserter Datenrate bzw. Datenbandbreite ermöglicht. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Übertragungsvorrichtung, die eine bidirektionale Übertragung von Signalen über eine Rotationsstelle ermöglicht. Die bidirektionale Übertragungsstruktur umfasst zusätzlich zu der anhand der 2 erläuterten Struktur, einen weiteren Empfänger, einen weiteren Sender und eine weitere Empfängeroptik entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung. In 5 sind die entsprechenden Elemente, die bereits aus 2 bekannt sind, mit Bezugszeichen umfassend den Zusatz „a“ versehen, und die zusätzlichen, baugleichen Elemente sind ebenfalls dargestellt und mit Bezugszeichen umfassend den Zusatz „b“ versehen. Die Struktur der zusätzlichen Elemente entspricht derjenigen, die oben anhand der 1 bis 4 erläutert wurde.
5 zeigt ferner, dass zwei Baueinheiten 40₁ und 40₂ vorgesehen sind, die relativ zueinander drehbar angeordnet sind oder relativ zueinander rotieren, wobei es sich bei den Elementen 40₁ und 40₂ beispielsweise um gedruckte Schaltungsplatinen handeln kann, auf denen die entsprechenden Empfänger/Sender-Strukturen angeordnet sind. Bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst eine erste Sende/Empfangs-Einheit den optischen Sender 20b und den optischen Empfänger 30a mit zugeordneter Empfängeroptik 10a. Die Sender/Empfänger-Einheit 30b umfasst den Sender 20a und den optischen Empfänger 30b mit zugeordneter Empfängeroptik 10b. Die Struktur in 5 erlaubt die bidirektionale Übertragung von Signalen von der Schaltungseinheit 40₁ zu der Schaltungseinheit 40₂ und zurück.
Die bisher beschriebenen Übertragungssysteme haben nur einen Sender, der das optische Signal bereitstellt. Die vorliegende Anmeldung ist jedoch nicht auf solche Ausgestaltungen beschränkt, vielmehr kann eine Mehrzahl von optischen Sendern vorgesehen sein, um das optische Signal, welches an den Empfänger 30 zu übermitteln ist, in die Ringstruktur 300 an unterschiedlichen Positionen einzukoppeln. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Übertragungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die drei optische Sender 20₁ bis 20₃ verwendet. Mehrere optische Sender 20₁ bis 20₃ werden z.B. verwendet, wenn der Durchmesser der Ringstruktur 300 eine bestimmte Größe überschreitet. Bei Überschreitung eines solchen Durchmessers kann ein einzelner Sender für die Abdeckung der gesamten 360°-Drehung nicht mehr ausreichend sein, so dass gemäß Ausführungsbeispielen mit steigendem Durchmesser die Anzahl der Transmitter/optischen Sender erhöht wird. Im Fall der bidirektionalen Ausgestaltung gemäß 5 kann die Anzahl der Transmitter/optischen Sender auf beiden Seiten erhöht werden. Vorzugsweise sind die Sender 20₁ bis 20₃ entlang des Umfangs der Einheit 300 gleichmäßig verteilt angeordnet, im Fall der in 6 dargestellten drei optischen Sender jeweils um 120° versetzt.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Ein- und Auskoppelstruktur 100, 200 entlang des äußeren Umfangs der Ringstruktur 300 angeordnet. Ebenso sind der Sender 20 und der Empfänger 30 radial außerhalb der Ringstruktur 300 angeordnet. Die vorliegende Anmeldung ist nicht auf solche Ausgestaltungen beschränkt, vielmehr können die Ein- und Auskoppelstruktur 100, 200 entlang des inneren Umfangs 300b der Ringstruktur 300 angeordnet sein, und der Sender 20 und der Empfänger 30 sind radial innerhalb der Ringstruktur 300 angeordnet. Vorzugsweise sind der Sender 20 und der Empfänger 30 so angeordnet, dass ein Bereich um die Drehachse D frei bleibt. Bei wiederum anderen Ausführungsbeispielen können der Sender 20 und die Einkoppelstruktur 100 außerhalb bzw. innerhalb Ringstruktur 300 und der Empfänger 30 und die Auskoppelstruktur 200 innerhalb bzw. außerhalb der Ringstruktur 300 angeordnet sein. Vorzugsweise ist auch bei diesen Ausführungsbeispielen der Bereich um die Drehachse D frei. Ein Vorteil dieser Ausführungsbeispiels ist, dass sich die Einkoppelstruktur 100 ohne Unterbrechung um den inneren oder äußeren Umfang der Ringstruktur 300 erstrecken kann.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Empfängeroptik (10) für einen optischen Empfänger (30) zum Empfang eines optischen Signals von einem optischen Sender (20), wobei der optische Empfänger (30) und der optischen Sender (20) zueinander drehbar und beabstandet von der Drehachse angeordnet sind, mit einer Einkoppelstruktur (100) zum Empfang von Licht von dem optischen Sender (20), einer Auskoppelstruktur (200) zum Ausgeben von Licht an den optischen Empfänger (30), und einer ringförmigen Lichtleiterstruktur (300), die ausgebildet ist, um Licht, das durch die Einkoppelstruktur (100) empfangen wird, zu der Auskoppelstruktur (200) zu leiten, wobei sich die Einkoppelstruktur (100) entlang des Umfangs der ringförmigen Lichtleiterstruktur (300) erstreckt und eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Einkoppelabschnitten (102) zum Einkoppeln von Licht von dem optischen Sender (20) in die ringförmigen Lichtleiterstruktur (300) aufweist, und wobei die Auskoppelstruktur (200) am Umfang der ringförmigen Lichtleiterstruktur (300) zwischen zwei Einkoppelabschnitten (102) der Einkoppelstruktur (100) angeordnet ist.
Empfängeroptik (10) gemäß Anspruch 1, bei der die ringförmige Lichtleiterstruktur (300) die Form eines kreisförmigen oder polygonalen Torus aufweist, wobei der Torus eine beliebige polygonale Querschnittsfläche (304) aufweist, z.B. eine kreisförmige Querschnittsfläche, eine ovale Querschnittsfläche, eine quadratische Querschnittsfläche oder eine dreieckige Querschnittsfläche.
Empfängeroptik (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der jeder der Einkoppelabschnitte (102) der Einkoppelstruktur (100) eine erste Oberfläche (104) zum Empfang von Licht von dem optischen Sender (20) und eine zweite Oberfläche (106) zum Reflektieren des empfangenen Lichtes in die ringförmige Lichtleiterstruktur (300) aufweist.
Empfängeroptik (10) gemäß Anspruch 3, bei der die erste Oberfläche (104) und die zweite Oberfläche (106) des Einkoppelabschnitts (102) derart zueinander ausgerichtet sind, dass das empfangene Licht über Brechung und Totalreflexion in die ringförmige Lichtleiterstruktur (300) einkoppelt.
Empfängeroptik (10) gemäß Anspruch 3 oder 4, bei der die erste Oberfläche (104) und die zweiten Oberfläche (106) des Einkoppelabschnitts (102) derart angeordnet sind, dass sich das empfangene Licht auf dem kürzesten Weg zu der Auskoppelstruktur (200) bewegt.
Empfängeroptik (10) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, bei der die Einkoppelabschnitte (102) der Einkoppelstruktur (100) bezüglich einer Linie (L1), die durch die Auskoppelstruktur (200) und durch den Mittelpunkt (D) der ringförmigen Lichtleiterstruktur (300) verläuft, spiegelsymmetrisch aufgebaut sind, so dass sich das empfangene Licht in Richtung der Auskoppelstruktur (200) bewegt.
Empfängeroptik (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jeder der Einkoppelabschnitte (102) der Einkoppelstruktur (100) über eine Kontaktabschnitt mit der ringförmigen Lichtleiterstruktur (300) gekoppelt ist, wobei der Kontaktabschnitt (112) einen Teil des Umfangs der Querschnittsfläche (304) der ringförmigen Lichtleiterstruktur (300) umfasst, der kleiner ist als der Gesamtumfang der Querschnittsfläche (304) der ringförmigen Lichtleiterstruktur (300).
Empfängeroptik (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Auskoppelstruktur (200) ausgebildet ist, um eine Totalreflexion der ringförmigen Lichtleiterstruktur (300) zu unterbrechen, so dass Licht aus der ringförmigen Lichtleiterstruktur (300) auskoppelt.
Empfängeroptik (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Auskoppelstruktur (200) eine Umlenkoberfläche (208) aufweist, um das aus der ringförmigen Lichtleiterstruktur (300) ausgekoppelte Licht in Richtung des optischen Empfängers (30) umzulenken.
Empfängeroptik (10) gemäß Anspruch 9, bei der die Umlenkoberfläche (208) als sphärische oder asphärische Linse, als eine Erweiterung oder als eine Freiformfläche geformt ist, um das aus der ringförmigen Lichtleiterstruktur (300) ausgekoppelte Licht zu fokussieren.
Empfängeroptik (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Auskoppelstruktur (200) eine optische Konzentratorstruktur, eine Linsenstruktur, eine sphärische oder asphärische Linse, eine Erweiterung oder eine Freiformfläche ausweist, um das aus der Auskoppelstruktur (200) austretende Licht zu fokussieren.
Empfängeroptik (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Auskoppelstruktur (200) ausgebildet ist, um bei einer Bestrahlung mit Licht von dem optischen Sender (20) Licht in Richtung des optischen Empfängers (30) zu leiten.
Empfängeroptik (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Einkoppelstruktur (100), die Auskoppelstruktur (200) und/oder die ringförmige Lichtleiterstruktur (300) Materialien aufweisen, die optische Materialien, z.B. optische Glasmaterialien, Kunststoffglas, Kristalle, oder Materialien mit einem hohen Brechungsindex, die eine Totalreflexion von Licht ermöglichen, oder beschichtete optischen Materialien, z.B. Metallisierungen, die eine Reflexion von Licht ermöglichen, oder Linsenmaterialien mit aufgebrachten Beschichtungen, welche einen Lichtaustritt verhindern und das Licht in den Lichtleiter zurückstreuen, umfassen.
Vorrichtung zur Signalübertragung, mit zumindest einem ersten optischen Sender (20, 20a) zum Aussenden eines ersten optischen Signals; und einem ersten optischen Empfänger (30) zum Empfang des ersten optischen Signals von dem ersten optischen Sender (20, 20a), wobei der erste optische Empfänger (30) und der erste optischen Sender (20, 20a) zueinander drehbar angeordnet sind, und wobei der erste optische Empfänger (30) eine erste Empfängeroptik (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, mit einer Mehrzahl von ersten optischen Sendern (20, 20a) zum Aussenden des ersten optischen Signals.
Vorrichtung gemäß Anspruch 15, bei der alle ersten optische Sender (20, 20a) das erste optische Signal aussenden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 15 oder 16, bei der die Anzahl der ersten optischen Sender (20, 20a) zum Aussenden des ersten optischen Signals abhängig von einem Durchmesser (d₃₀₀) der ringförmigen Lichtleiterstruktur (300) gewählt ist, wobei sich die Anzahl der ersten optischen Sender (20, 20a) mit steigendem Durchmesser erhöht.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, bei der die Mehrzahl von ersten optischen Sendern (20, 20a) zum Aussenden des ersten optischen Signals entlang des Umfangs der ringförmigen Lichtleiterstruktur (300) gleichmäßig verteilt sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, mit einem ersten Träger, an dem der erste optische Empfänger (30) und die erste Empfängeroptik (10a) angeordnet sind, und einem zweiten Träger, an dem der erste optische Sender (20, 20a) angeordnet ist, wobei der erster Träger und/oder der zweite Träger drehbar angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 19, die für eine bidirektionale Signalübertragung ferner folgende Merkmale aufweist: zumindest einen zweiten optischen Sender (20b) zum Aussenden eines zweiten optischen Signals; und einen zweiten optischen Empfänger (30b) zum Empfang des zweiten optischen Signals von dem zweiten optischen Sender (20b), wobei eine erste Sender/Empfängereinheit, die den ersten optischen Empfänger (30a) und den zweiten optischen Sender (20b) umfasst, und eine zweite Sender/Empfängereinheit, die den zweiten optischen Empfänger (30b) und den ersten optischen Sender (20a) umfasst, zueinander drehbar angeordnet sind, und wobei der zweite optische Empfänger (30b) eine zweite Empfängeroptik (10b) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 20, mit einem ersten Träger (40₁), an dem die erste Sender/Empfängereinheit angeordnet ist, und einem zweiten Träger (40₂), an dem die zweite Sender/Empfängereinheit angeordnet ist, wobei der erster Träger (40₁) und/oder der zweite Träger (40₂) drehbar angeordnet sind.