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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Signalübertragung zwischen beweglichen
Einheiten mittels eines Lichtleiters zur Führung von Licht.
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Derartige
Datenübertragungssysteme
werden beispielsweise in einer linearen Ausführung in Krananlagen oder anderen
Fördersystemen
zur Datenübertragung
zwischen dem beweglichen Kran und einer stationären Steuereinheit eingesetzt.
Ein anderes Anwendungsgebiet dieser Datenübertragungssysteme in einer
kreisförmigen
Ausführung
ist die Übertragung
zwischen gegeneinander drehbaren Teilen wie beispielsweise in einen
Computertomographen zwischen dem Rotor, welcher die Röntgenröhre sowie
den Detektor trägt,
und einer stationären
Auswerteeinheit, welche die Bilddaten verarbeitet und anzeigt.
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Stand der Technik
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Bei üblichen
auf Lichtleitern basierenden Übertragungssystemen
wird an einem Ende des Lichtleiters Licht eingekoppelt, welches
dann durch den Lichtleiter bis zu dessen anderem Ende geführt wird
und dort durch einen entsprechenden Empfänger wieder ausgewertet wird.
Basierend auf diesem System sind eine Vielzahl unterschiedlicher
Varianten bekannt, welche die gleichzeitige Übertragung mehrerer Wellenlängen mittels
Filtern oder auch die Übertragung
zu mehreren verschiedenen Orten beispielsweise mittels Y-Kopplern
ermöglichen.
Derartige Systeme sind allerdings nicht geeignet, um Signale an
beliebigen Positionen einer lichtleitenden Faser seitlich ein- bzw.
auszukoppeln. Hierfür
sind verschiedene andere Technologien bekannt.
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Eine
solche Vorrichtung ist in der US-Patentschrift 5,297,225 A beschrieben.
Hier wird durch von außenangebrachte
Kerben in dem lichtleitenden Medium von außen eingekoppeltes Licht durch
Reflexion in solchen Winkeln abgelenkt, daß es in dem Medium geführt werden
kann. Eine solche Übertragungsvorrichtung
ist sinnvoll einsetzbar, wenn eine Einkopplung an fest vorgegebenen
Positionen erfolgen soll. Grundsätzlich
ist es auch für
die Übertragung
zwischen beweglichen Einheiten einsetzbar, da die Licht ein- bzw.
Auskopplung berührungslos
erfolgt. Wird allerdings eine größere Bewegungsstrecke
gefordert, wie dies bei Krananlagen oder auch Drehübertragungssystemen
großer
Durchmesser der Fall ist, so ergibt sich durch die vielen Kerben
entlang des lichtleitenden Mediums eine unakzeptabel hohe Dämpfung.
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In
der US-Patentschrift 4,962,986 wird eine Vorrichtung beschrieben,
in der zur Lichtein- und Auskopplung in lichtleitende Fasern ein
Koppelmedium mit höherem
Brechungsindex als die Umgebung in direkten Kontakt mit dem Faserkern
gebracht wird. Damit erfolgt eine Ablenkung des in der Faser transportierten
Lichts in das Koppelmedium. Diese Anordnung hat den entscheidenden
Nachteil, daß das
Koppelmedium unmittelbar in Verbindung mit den Faserkern stehen
muß. Somit
ist dieses System nahezu ausschließlich für die Kopplung an vorgegebenen, festen
Positionen einsetzbar. Ein solches System ist aber kaum für Anordnungen,
bei denen sich Sender und Empfänger
gegeneinander bewegen anwendbar, da hier das Koppelmedium mit hoher
Geschwindigkeit entlang dem meist sehr dünnen und empfindlichen Faserkern
gleiten muß.
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In
Tamir, „Integrated
Optics", Springer
Verlag, Berlin, 1979, Seite 87 ist eine solche Vorrichtung beschrieben.
Es wird darin das zur Auskopplung dienende Prisma in einem möglichst
geringen Abstand über
den Faserkern positioniert. Um hier einen vernünftigen Kopplungswirkungsgrad
zu erreichen, muss der Abstand zwischen dem Prisma und dem Faserkern
in der Größenordnung
der Lichtwellenlänge
liegen. Allerdings können
mit herkömmlichen hochpräzisen Lagerungen
diese Genauigkeiten nur bei kleinen Abmessungen der ganzen Anordnung
erreicht werden. So ist dieses System derzeit beispielsweise in
Computertomografen mit einem Durchmesser von 1,5 Metern und Umfangsgeschwindigkeiten bis
zu 20 m/s nicht einsetzbar.
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In
diesen Ausführungen
wird auf den Begriff Lichtleiter als allgemeiner Begriff Bezug genommen. Dieser
Begriff bezieht sich auf die bevorzugte Ausführungsform als Lichtwellenleiter,
insbesondere eine Faser, da gerade über längere Strecken Licht nur mit einem
Lichtwellenleiter dämpfungsarm
zu führen
ist. Selbstverständlich
ist der Gegenstand der Erfindung gleichwirkend auch auf alle anderen
Arten von Lichtleitern anwendbar. Es wird also in diesem Dokument zwischen
diesen Begriffen nicht weiter unterschieden.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Datenübertragungssystem
bereitzustellen, das die zuvor genannten Nachteile nicht mehr aufweist
und insbesondere zur berührungsfreien Übertragung
hoher Datenraten entlang einer größeren Weglänge mit Geschwindigkeiten im
Bereich bis mehrere m/s bei vergleichsweise niedrigen Herstellungskosten
geeignet ist.
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Eine
erfindungsgemäße Lösung dieser
Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Vorrichtung umfasst zwei Prismen zur Lichtein- bzw. Auskopplung,
welches mit geringem Abstand über
einem Lichtleiter, vorzugsweise einer optischen Faser, geführt wird
um in diesen Licht ein- bzw. auszukoppeln. Eine präzise Führung der
Prismen erfolgt hierbei vorteilhafterweise unter Ausnutzung des
Hydrodynamischen Paradoxons, auch als Bernoulli-Effekt bekannt,
auf einem dünnen
Luftfilm. Derartige dünne
Luftfilme ermöglichen
eine präzise Lagerung
mit Abständen
im Bereich Mikrometer. Die mechanische Steifigkeit derartiger Luftfilme
ist sehr hoch, so dass auch Änderungen
in der Andruckkraft, wie sie beispielsweise bei Höhenänderungen
aufgrund mechanischer Toleranzen oder mechanischen Beschleunigungen
auftreten, nur einen geringen Einfluss auf die Dicke des Luftfilms
und somit den Abstand des Prismas zum Lichtleiter haben.
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Um
eine Ein- bzw. Auskopplung zu ermöglichen ist der Kern des Lichtleiters
entlang seiner Achse nur teilweise von einem Mantel umschlossen. Hierbei
weisen die zur Ankopplung der Prismen dienenden Stellen keinen Mantel
auf. So kann der Lichtleiter beispielsweise von vorneherein nur
teilummantelt gefertigt werden. Ebenso ist es aber möglich, von einem
vollständig
ummantelten Lichtleiter nachträglich
einen Teil des Mantels zu entfernen. Dies kann beispielsweise durch
Abschleifen erfolgen.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der
Kern derart gestaltet ist, dass er eine definierte Fläche zur
Ankopplung an die Prismen aufweist. Somit ist ein bestimmter Teil
der Oberfläche
des Kerns zur Ankopplung an das Prisma vorgesehen.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass eine zusätzliche
strahlführende bzw.
strahlformende Optik an der dem Lichtleiter abgewandten Seite der
Prismen vorgesehen ist. So kann im Falle der Lichteinkopplung in
den Lichtleiter das Licht der Lichtquelle, wie beispielsweise einer Laserdiode
oder eines weiteren Lichtleiters, an das Modenfeld des Lichtleiters
angepasst werden. Ebenso kann im Falle der Lichtauskopplung aus
dem Lichtleiter eine Anpassung an das Auskoppelelement, wie beispielsweise
eine Fotodiode oder ein weiterer Lichtleiter vorgenommen werden.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass eine zusätzliche,
seitliche, vorzugsweise radiale Ausleitung des Lichts aus dem Lichtleiter
durch beugende, brechende, streuende oder fluoreszierende Mittel
im Lichtleiter selbst erfolgt. Diese Art der Lichtausleitung kann
vorteilhaft mit der Ankopplung durch zwei Prismen kombiniert werden.
So kann beispielsweise das durch die Prismen eingekoppelte Licht
durch zusätzliche
Ausleitung in zusätzliche
Empfänger
ausgekoppelt werden. Weiterhin kann am Ende des Lichtleiters eingekoppeltes
Licht durch zusätzliche
Ausleitung in weitere Empfänger,
welche sich unabhängig
von den Prismen bewegen, eingekoppelt werden.
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Die
Erfindung besteht u.a. darin, dass eine symmetrische Anordnung aus
zwei Prismen vorgesehen ist, welche eine Einkopplung bzw. Auskopplung
von Licht in beiden Richtungen des Lichtleiters ermöglichen.
Normalerweise kann mit einem Prisma eine Lichtwelle in einen Lichtleiter
eingekoppelt werden, die sich in einer Vorzugsrichtung ausbreitet.
Diese Richtung ist durch die Geometrie des Prismas und der Ankoppelstelle
definiert. Durch eine Anordnung mit zwei Prismen können nun
zwei Lichtwellen, die sich in beiden Richtungen des Lichtleiters
ausbreiten, eingekoppelt werden. Die beiden Prismen können mechanisch
fest verbunden sein und zusammen bewegt werden. Sie können aber
ebenso auch getrennt voneinander bewegt werden. Es können entsprechende
optische Elemente vorgesehen werden, welche das Licht einer Lichtquelle
im zwei Lichtpfade für die
beiden Richtungen aufspaltet. Ebenso können optische Elemente für den umgekehrten
Weg vorgesehen sein.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden
in beide Richtungen die gleichen Signale eingekoppelt. Dadurch kann
wahlweise an einem Ende des Lichtleiters ein Empfänger vorgesehen
werden.
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Eine
solche Ausgestaltung mit zwei Prismen und einer symmetrischen Einkopplung
ist auch bei großen Übertragungsstrecken
sinnvoll. So ist an beiden Enden des Lichtleiters die gleiche Information verfügbar. Es
muss, falls die Informationen an beiden Enden benötigt werden,
keine zusätzliche Übertragungsstrecke
vorgesehen werden. Weiterhin kann ein redundantes Empfangssystem
aufgebaut werden, welches auch noch beim Ausfall eines Empfängers an
einer Seite des Lichtleiters einwandfrei arbeitet. Weiterhin können auch
die Empfangssignale an beiden Enden aufsummiert werden, um einen
größeren Empfangssignalpegel
und damit eine bessere Signalqualität zu erreichen. Die hier gemachten
Ausführungen
zum Empfang an beiden Enden des Lichtleiters sind aufgrund der Reziprozität der Anordnung auch
auf eine Aussendung von Signalen anwendbar.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden
in beiden Richtungen unterschiedliche Signale eingekoppelt. Dies
ermöglicht
die gleichzeitige Übertragung
zweier Signale in dem gleichen Lichtleiter durch Richtungsmultiplex.
Somit kann auf das normalerweise übliche Wellenlängenmultiplex
zur gleichzeitigen Übertragung
mehrerer Kanäle
verzichtet werden. Ebenso kann aber auch beim Einsatz von Wellenlängenmultiplex
die doppelte Kanalanzahl übertragen
werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der
Lichtleiter in mehrere Segmente aufgeteilt um die Auswirkungen der
Laufzeitunterschiede auf die Signalübertragung zu minimieren. Dies
ist insbesondere bei kreisförmigen
Anordnungen wichtig, da hier Anfang und Ende eines Lichtleiters
aneinander stoßen.
Somit werden sowohl beim Senden als auch Empfangen Signale, welche
unverzögert
und Signale, welche verzögert
durch die Laufzeit im Lichtleiter eintreffen miteinander überlagert. Durch
diese Überlagerung
ergibt sich bei geringen Zeitdifferenzen ein unerwünschter
Jitter, bei großen Zeitdifferenzen
eine nicht mehr tolerierbare Störung des
Signals. Um die Laufzeitdifferenzen so klein wie möglich zu
halten, sollte der Lichtleiter in möglichst kurze Segmente unterteilt
werden. Jedes dieser Segmente benötigt allerdings einen eigenen
Sender bzw. Empfänger
abhängig
von der Signalübertragungsrichtung.
Somit ist hier eine Abwägung
der Vorteile eines geringen Jitters gegenüber der hohen Anzahl von Komponenten
mit den verbundenen hohen Kosten zu treffen.
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Eine
andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung für eine rotationssymmetrische
Anordnung umfasst einen Lichtleiter, der in zwei Segmente gleicher
Länge eingeteilt
ist. Jedes dieser Segmente besitzt an einem Ende einen Sender bzw.
Empfänger. Diese
Sender bzw. Empfänger
sind nahe beieinander angeordnet und Senden bzw. empfangen dieselben Signale,
sodass beim Überstreichen
der Prismen dieser Stelle der Sender bzw. Empfänger eine lückenlose Signalübertragung
gewährleistet
ist. Die anderen Enden der Lichtleiter sind vorzugsweise reflexionsfrei abgeschlossen.
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Eine
andere Ausgestaltung der Erfindung für eine rotationssymmetrische
Anordnung sieht ebenfalls einen Lichtleiter vor, der in zwei Segmente
gleicher Länge
eingeteilt ist. Allerdings sind an beiden Enden der Segmente jeweils
Sender bzw. Empfänger
angeordnet. Jeder Lichtleiter besitzt eine erste Gruppe von Sendern
bzw. Empfängern
zur Aussendung bzw. zum Empfang von ersten Signalen sowie eine zweite
Gruppe von Sendern bzw. Empfängern zur
Aussendung bzw. zum Empfang von zweiten Signalen. Es sind jeweils
die Sender bzw. Empfänger der
ersten Gruppe nahe beieinander angeordnet und die Sender bzw. Empfänger der
zweiten Gruppe ebenfalls nahe beieinander angeordnet. Durch diese Anordnung
können
ebenfalls die Laufzeitbedingten Phasensprünge beim Wechsel zwischen den
Segmenten auf nahezu Null reduziert werden.
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Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
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1 zeigt
in allgemeiner Form schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
mit einem Lichtleiter, welcher nur teilweise ummantelt ist.
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2 zeigt
die Erfindung mit den zwei symmetrisch angeordneten Prismen zur
Signaleinkopplung in zwei Richtungen.
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3 zeigt
beispielhaft eine erfindungsgemäße Anordnung
mit mehreren Lichtleitersegmenten.
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4 zeigt
beispielhaft eine erfindungsgemäße Anordnung
mit zwei gegenläufig
angeordneten Lichtleitersegmenten.
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In
der 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung beispielhaft
abgebildet. Ein Lichtleiter, bestehend aus einem Kern (1)
und einem Mantel (2), ist in ein Trägermaterial (5) eingebettet.
Der Lichtleiter ist mitsamt des Trägermaterials an der Schlifffläche (4)
derart angeschliffen, dass ein Teil des Kerns frei liegt. Über dieser
freien Schlifffläche
sind die Prismen (3) zur Signalein- bzw. Auskopplung angebracht. Durch
die Stärke
des Anschleifens des Lichtleiters kann die Größe der freiliegenden Kernoberfläche und damit
die Effektivität der
Verkoppelung festgelegt werden. Eine kleinere Koppelfläche hat
eine schlechtere Verkoppelung mit den Prismen, dafür aber eine verlustärmere Signalführung im
Lichtleiter zufolge. Umgekehrt erhöht sich bei größerer Koppelfläche die Verkoppelung,
aber auch die Verluste im Lichtleiter. Somit ist abhängig von
der Übertragungsaufgabe bzw.
der Länge
des Lichtleiters eine geeignete Koppelfläche auszuwählen. In diesem Beispiel ist
das Anschleifen eines Lichtleiters dargestellt, weil dies besonders
günstig
in der Fertigung realisierbar ist. Selbstverständlich sind auch andere Maßnahmen, wie
beispielsweise die Fertigung eines von vorneherein teilummantelten
Lichtleiters denkbar. Auch ist das Trägermaterial (5) nicht
zwingend notwendig, es erleichtert nur die Fertigung und ist für die praktische Anwendung
als Träger
des Lichtleiters einsetzbar. An Stelle eines runden Lichtleiters
sind selbstverständlich
auch andere Lichtleitergeometrien, wie beispielsweise planare Lichtleiter
einsetzbar.
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In 2 ist
die erfindungsgemäße Vorrichtung
mit zwei symmetrisch angeordneten Prismen zur Signaleinkopplung
in zwei Richtungen dargestellt. Hierbei wird Licht mittels einer
lichtleitenden Faser (8) und einem Kollimator (7)
einem Teiler-Prisma (6) zugeführt. Dieses teilt den Lichtstrahl
in einen ersten Teilstrahl (9a) und einem zweiten Teilstrahl (9b).
Der erste Teilstrahl wird mittels des ersten Prismas (3a)
in eine erste Ausbreitungsrichtung in den Kern (1) des
Lichtleiters eingekoppelt. Der zweite Teilstrahl wird mittels des
zweiten Prismas (3b) in eine zweite Ausbreitungsrichtung
in den Kern des Lichtleiters eingekoppelt. Der Richtungspfeil (10) zeigt beispielhaft
eine Bewegung der gesamten Einkoppel-Baugruppe umfassend die Prismen
(3a, 3b), Teilerprisma (6), Kollimator
(7) und Faser (8). Diese Darstellung wurde der
Einfachheit und Übersichtlichkeit
halber auf eine Einkopplung mittels der Prismen (3a, 3b)
in den Lichtleiter beschränkt.
Ebenso ist selbstverständlich
eine Auskopplung der Signale bzw. eine bidirektionale Signalübertragung
möglich.
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3 zeigt
beispielhaft eine erfindungsgemäße Anordnung
mit mehreren Lichtleitersegmenten. Jedes dieser Lichtleitersegmente
(13a, 13b, 13c, 13d) besitzt
an einem ersten Ende einen Sender (11a, 11b, 11c, 11d)
und an dem entgegengesetzten Ende einen reflexionsfreien Abschluss
(12a, 12b, 12c, 12d). Der reflexionsfreie
Abschluss ist nicht zwingend notwendig, verbessert aber die Übertragungsqualität. Im Moment
des Überganges
der ein- bzw. auskoppelnden Prismen von einem Abschluss, beispielsweise
dem Abschluss (12a) auf den diesem nächstliegenden Sender (11b)
ergibt sich eine Phasenverschiebung des Signals, welche der Laufzeit des
optischen Signals durch ein Lichtleitersegment entspricht. Voraussetzung
hierfür
ist die Phasengleiche Einspeisung der Signale in alle Sender. Eine
solche Phasendifferenz führt
zu unerwünschten
Signalverzerrungen bzw. Jitter. Durch die Minimierung der Länge der
Lichtleitersegmente kann nun diese Phasendifferenz minimiert werden.
Allerdings steigt hiermit auch die Anzahl der notwendigen Segmente
und damit die Kosten des Systems.
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4 zeigt
beispielhaft eine erfindungsgemäße Anordnung
mit zwei gegenläufig
angeordneten Lichtleitersegmenten.
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In
dieser Anordnung kann mit einer minimalen Anzahl von Sendern bzw.
Empfängern
eine Signalübertragung
ohne Phasensprünge
realisiert werden. Ein Sender (11) speist ein erstes Lichtleitersegment
(13a) und ein zweites Lichtleitersegment (13b). Beide
Lichtleitersegmente sind vorteilhafterweise mit den entsprechenden
reflexionsfreien Abschlüssen versehen.
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Die
Signale haben in beiden Segmenten am Ort des Senders die gleiche
Phase auf Grund der phasengleichen Aussendung. Ebenso haben beide Signale
am Ort der reflexionsfreien Abschlüsse aufgrund der gleichen Laufzeit
vom Empfänger
die gleiche Phase. Somit ergibt sich beim Wechsel der Segmente kein
Phasensprung und somit auch keine Signalverzerrungen.
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In
diesem Beispiel wurde der Einfachheit halber eine Anordnung zur
Aussendung von Signalen dargestellt. Selbstverständlich ist eine entsprechende
Anordnung auch für
den Empfang bzw. in einer bidirektionalen Betriebsart für kombiniertes
Senden bzw. Empfangen einsetzbar.
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- 1
- Lichtleiter-Kern
- 2
- Lichtleiter-Mantel
- 3
- Prismen
- 4
- Anschlifffläche
- 5
- Träger
- 6
- Teilerprisma
- 7
- Kollimator
- 8
- lichtleitende
Faser
- 9
- Lichtstrahl
- 10
- Richtungspfeil
- 11
- Sender
- 12
- reflexionsfreier
Abschluss
- 13
- Lichtleitersegment