DE1572782A1

DE1572782A1 - Einrichtung zum Verbessern der UEbertragungseigenschaften eines Lichtfaserkabels

Info

Publication number: DE1572782A1
Application number: DE19671572782
Authority: DE
Inventors: Chitayat Anwar Khadoury
Original assignee: Optomechanisms Inc
Current assignee: Optomechanisms Inc
Priority date: 1966-08-29
Filing date: 1967-08-26
Publication date: 1970-03-12
Also published as: US3554632A; NL6711806A; GB1186388A

Description

g. Wilhelm fieicliel

Frcmkfurt/Main-1 5231 Pärkelraßei3

C ptciaechanisDü, Inui.rpuration, PIainvin;w, L-.I. ,if-ew'Y'jrk/USA.

Einrieb,cung" sum Verbessern der I bertraruhgöei-pens; Jhaf υ en eines Liohtfaserkabels

Die Erfindung besieht sich auf eine Hinrichtung zum Verbessern der Ubertragungseigenschaften von Lichtfaserkabfeln, wobei --'-Tit:! schö ■ Elemente rait elelctro-mechanischen Eigensehaften verwendet werden_β

Insbesondere sind dabei eine Einriohpang zum Ablenken ; oder andersartigen Bewegen des EingangsbLides in vorgewählter Art und Weise und eine zugehörige. Einrichtung am •Ausgangsende des Lichtfaserkabels sum 7/iederherstellen des Bildes vorgesehene

Bei dem bisherigen Stand der Faseroptiktechnik ist es nicht möglieh, ein Bild hoher Qualität durch.ein .flexibles Lichtfaserkabel (fiberseope) zu übertragene Der Srund hierfür, sind HerstellungsSchwierigkeiten, die neben einer Anzahl von gebrochenen Saserri -Zwischenräume zwischen den Faserbündeln zur Folge haben, die über den ganzen Querschnitt des Kabels verteilt sind* Ss ist daher bereits vorgeschlagen worden, die Übertragungseigenschaften der Lichtfaserkabel mit Hilfe von Einrichtungen zu verbessern, die außerhalb des Zabels angeordnet sind.

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Lach dieser. Vorschlag wird, das -lurch das Lichtfaserkubei übertragene Bild über einer. großen querschnitt; des Licht- faserkabels integrierte Dies könnte nan dadurch erreichen, dr.; man das Lichtfaserkaoei äußerst schnell um seine Achse schwingen läßt» Hierbei -. Ur ic sich ein 311-1 -^r.-^hen, dar. einen bei nichts chwiri/;f;r_':ieT:i KaLeI erzeug "on Bild weit überleben ist. In ien meisten Anwendunrsfallen für Lichtfaserkabel sind derartige Schwingungen jedoch unzv,'eckmäßi,'-₀ Ss wird daher hier vor/*eschlagen, an den beiden Enden des Liehtfaserkabels elektrciaechanische optische Elemente zi verwenden.

Ji» ir·:-andere, lurch lie jSrfiniung iierhelge f'.hrte Verbesserung besteht darin, daS optische Keile verwendet werden, die den Pockell's-Effekt zeigen,, Die er tischen Keile können a-;.· einen: Material nit elektroneohaniEchen Eigenschaften, z.B.. piezoelektrischen !».'aterialien, bestehen, so daß sich beim Anlegen einer Spannung an einen Keil dessen Dimensionen und die ",'inkei zwischen seinen Oberflächen Undern, wodurch die Ablenkung des durchtretenden Lichtes ebenfalls verändert wird. Ein Keil'wird nahe am Üngang des Liohtfaserkabels angeordnet» Dieser Keil verschiebt das Bild um eine feste 3trecke_o Beim Anlegen einer Spannung an den Keil kann dieser zusanmengedrückt werden, so daß ein auftreffendes Bild über den Querschnitt des Käbelendes bewegt oder abgelenkt v/ird.

An Ausgang des lichtfaserkabels ist ein ähnlich ausgebildeter Keil angeordnet, mit den das Bild auf die ursprünglich optische Achse zurückgeführt wird. Die beiden Spalte werden phasensynchron betrieben. Infolgedessen ist das am Ausgang

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beot-achtete Bild trotz des Zwischenschaltens eines .Mi--■ t'itiV'3- tiiv"¹. eines Ausgangs keiles- unverändert, d.h. das durch■-das Lichtfaserkabel übertru^one Licht erscheint stationär..- . . . .

Durch AnIe,-en von zwei oder mehreren Spannungen an zwei "oder mehrere .'optische Elenente an Eingang-und entsprechend am Äus^an,·' tonn -u-is Bild in viele verschiedene Lichtwe^e ^elen (et oder bewegt werden» Die Li oh ta tr ahle η können bei--6T-L-ltnvei =e . in eines den Lisi:a^ous-?iguren entsprechenden I luster,¹ über -iuchviurch sufä.11 ire Svanrm^ei: oder urch i:u-.fv'h«5-pa?-'r.un.',eii abgelenkt werde¹.·:'. s " ■

3Cb ist offenbar, laß ein 3eiarf an ierartir-en neuen und verbesserten einrichtungen z\un Verstärken der jurch lichtf-^-serkabel übertragenen Bilder und insbescniere an solcher. Einrichtungen, besteht, in aenen nichtrotierende und nichtbewegte Elemente verwendet sind. ·

Erfindungs.Tenäß wird daher suin Verstärken der an Lichtfaserkabel übertragenen Bilder eine Einrichtung vorgeschlagen, die.eiektro-mechanische Eigenschaften besitzt,, wobei an optische Elemente eine Spannung gelegt wird, durch die deren Dimensionen und dadurch die optische Ablenkung verändert wj.rd. Die erfindungsgemäße Einrichtimg enthält insbesondere sich kompensierende optische Elemente am Eingang und Ausgang des Lichtfaserkabels, deren Dimensionen beim Anlegen einer Spannung an ihre Flächen geändert v/erden, so daß die optische Ablenkung proportional diesen Spannungen verändert wird.

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Einrichtungen zur. Verbesern der ihertrar^ngüeiren.Tchaf uen von Liehtfaserkaueln enthalten "bisher allgemein drehbare oder.andersartig bewo^bare optische Al lenkeleinente am Eingang uni Ausgang des Lichti'aserk'itels und ΜαΓ.'ordern eine Synchronisiereinrichtung» Diese mechaniuch gedrehten vier bewegten Sl^nente und die Notwendigkeit der Synchronisation sind die Ursachen mechanic eher Schwierigkeiten und einer großen Anzahl von präzisions bearbeitet en Teilen,, Die Erfindung dcgeren zeigt, daß geeignete Ablenkungen auch dadurch erzielt werden können, da2 man an ortsfeste optische rJieraente ara Eingang und Ausgang eines Liohtfaserkabels Spannungen anlegt, um das Bild bezüglich der Paser im Kabel abzulenken oder auf andere V/eise zu bewegen«,

3ir großer Vorteil der erfingungsgemäßen Einrichtung besteht darin, da.? eine unzählbare Menge von !lüstern oder sorar zufälligen Bewegungen bei vollkommener Synchronisation erzeugt werden können, da es keine bewegbaren Teile gibt, die verschleißen und/oder entsynchronisiert werden können»

Die Erfindung wird nun auch anhand der beiliegenden Abbildungen ausführlich beschrieben, wobei alle aus der Beschreibung und den Abbildungen hervorgehenden Einzelheiten oder Merkmale zur Lösung der Aufgabe im Sinne der Erfindung beitragen können und mit dem Willen zur Patentierung in die Anmeldung aufgenommen wurden.

Die Fig. 1 und 2 zeilen Ausführungsbeispiele der Erfindung O

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Die ?ig.o 3 zeigt ein dchaltbild zuu Erzeugen von Spannungen fur eine zirkuläre Ablenkung.

Die Pig. 4 zeigt die ochvvi.rigunj-sforraen α er mit der Schal-. ;- nach der Fig. 3 erzeugten Spannungen_o

In der Pig. 1 ist ein LichtfaserkaDel 1 mit einem op- ,<-· tischen Element 2 an seinen "Eingang nnä einem koinpensie-. renden- optischen üleraen-t 3 an seintE A;u;-ang gezeigt»". -, Lichtstrahlen werden mittels einer Linse ί auf ο ie Eingangsfläche des οr-tioehen. Elementes 2 (optischer Keil) ■ fokussiert, durch das fie aufgrund"der Keilwirkung"normalerweise, nach unten, beispielsweise auf den. Punkt X auf der Eingangsfläche dea' Liohtfaserkaoels, -*bg.elenkt weruer;_o Die Lichtstrahlen werden dann durch das Lichtfaserkabel übertragen und.treten beispielsweise an Bunkt Ύ auf der Ausgangsfläche des Lichtfaserkabels aus, von wo aus sie dann durch das kompensierende optische Element 3 treten, durch das- sie zurück in die ursprüngliche Sichtung abge-. lenkt werden. Die optischen Elemente 2 und 3 sind aneinander angepaßt und derart angeordnet und eingestellt, daß sie das ursprüngliche Bild ablenken uni koiapensierer.«

Damit, die Lichtstrahlen De zuglich, der Enden .des Lichtfaserkabels bewegt und dadurch die Lichtstrahlen des Bildes über die Endflächen des -Lichtfaserkabels abgelenkt werden können, werden an die optischen Elemente Spannungen angelegt. Jede Endfläche der optischen Slemente 2 und 3 ist mit einem durchsiehtigen leitenden Überzug Za, 2b, 3a, 3b belegt, zwischen, die die Spannungen gelegt werden.

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Die optischen Elemente bestehen aus einem Material wie •^uarz (KDE oder ADP) oder anderen Kristallen, die elktrooptiache eigenschaften besitzen, so daß, wenn eine Scannung an die Elemente angelegt wird, aufgrund der Änderung ihres Brechungsindex der Ablenkwinkel des Keils verändert wird.

Zur Verbesserung der avveidimensionalen AufIosung der Bilder duroh die Faseroptik und -zur Erhöhung der Bildqualität int es notwendig, beide 2nden des Lichtfaserkabels dynamisch abzutasten. Bei einen flexiblen Bündel ist es notwendig, die beiden Enden synchron abzutasten, um an beider. Enden eine gleichzeitige -Relativbewegung zu erhalten, v/änrend ' das übertragene Bild ortsfest bleibt.

in Anwendungsfallen, in denen, aufgrund der SröÄe oder. der störenden Umgebung kein Aotastcotor untergebracht '.verden Kann, kann eine dynamische Abtastung auf folgende Weise erreicht werden.

3emäß der Pig. 3 sind acht elektro-optische Elemente (Keile), und zwar vier an jedem Ende des Lichtfaserkabels 1 vorgesehen. Eine fbjektiviinse 5 bildet das betrachtete Ding auf das Lichtfaserkabel" ab„ Durch, die elektro-optische './irkung der optischen Elemente 11, 12, 13 und 14- ac Eingang vird das Bild aus seiner zentralen Lage verschoben, so da3 es beispielsweise auf einen Kreis a, b, c, d rotiert. Am anderen Ende des Lichtfaserkabels ist ein entsprechender Satz von elektro-optischen Elementen (Keilen) 11·, 12', I3¹, 14', vorgesehen, mit denen der Strahl zurück zum Zentrum gelenkt wird. Zu einem Zeit-

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jmnkt, Ku üev. άνχ Bild mittels der er tischen Elemente am Singanr- beispielsweise z\m Punkt n. abgelenkt iut, wird '.ts c.iü ililTe der optischen Elemente am A'iKgan/ nach im teη gelenkte Wenn das Bild zu einen anderen Zeitpunkt mittels der optischen Elenente -am Eingang auf den Funkt h abgelenkt ist, dann wird es mit Hilfe der optischen Elemente am Ausgang in die richtige Lage gebracht. Auf diese Weise erscheint das Bild unbewegt, obwohl sich die Fasern die Übertragung der Bilder zeitlich teilen.

Zur Erzeugung einer zirkulären Drehung wird die in der Fig. 3 gezeigte Spannungsquelle verwendet, mit der Spannungen erzeugt werden, deren Schwingungäformen in der

Fig.- 4 gezeigt sind. ■ ■ '-.

Die in der Fig. 2 gezeigten optischen Elemente (Keile) sind derart angeordnet, da!? das optische Element 11 den optischen Element 12 und das optische Element 13 dem optischen Element 14 genau gegenübersteht. Ohne Anlegen einer Spannung wird das Bild nicht verschobene Wenn eine Spannung nur an das optische Element 11 angelegt ist, dann wird das Bild nach rechts abgelenkt. Wenn eine Spannung an das optische Element 12 angelegt ist, dann wird das Bild nach links abgelenkt. Beim Anlegen einer Spannung an das optische Element 13 wird das Bild nach oben und beim Anlegen einer Spannung an das optische= Element H nach unten abgelenkt. Wie in der Fig. 4 dargestellt ist, werden an die optischen Elemente vier Sinusspannungen angelegt, die eine zirkuläre Drehung zur Folge haben. Die gleichen Spannungen werden an die optischen Elemente an die Ausgangs-

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elemente des Kabels angelegt, damit eine entsprechende, jeuoch entgegengesetzte Verschiebung erhalten und ein ortsfestes Bild erzeugt wird, wenn man dies arn Enäe betrachtet.

Das in der Pig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält ein Glasfaserkabel 1 und eine Anzahl von optischen Elementen (Keilen) 11, 12, 13 und 14, die am Vcr.'ierenie des Kabels befestigt sind. An die optischen ,elemente (Keile). 11, 12, 13 bzw. 14 werden die Spannungen Y1, V2, V3 und V 4 angelegt« Die optischen Elemente sind, beispielsweise zur Korrektur der chromatischen Aberration, zu angepaßten, kompensierenden Sätzen zusammengefaßt, und zwar bilden die optischen Elemente 13 und 14 einen Satz und die optischen Elemente 11 und 12 einen zweiten Satz, aer bezüglich des ersten Satzes vorzugsweise um 90° geschwenkt ist₀

Die optischen Elemente (Keile) am Ausgang des Lichtfaserkabels sind derart ausgelegt, daß sie die Ablenkungen am Eingang kompensieren und das Bild auf die normale Richtung zurückführen und durch eine Ausgangslinse 7 leiten»

In der Pig. 4 sind Schwingungsformen für Spannungen V1, V2, V3 und V4 gezeigt, die ein zirkuläres Muster ergeben. Die Spannungen V1 und V3 und die Spannungen V2 und V4 sind um 90° außer Phase* Dies führt zu einer Zirkularbewegung, wenn die Spannungen die gleiche Amplitude besitzen. Bei ungleicher Amplitude ergibt sieh in der gleichen Weise wie bei der Erzeugung von Lissajous-Piguren in· einer Ka-

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todenstrahlröhre eine eliptische Bewegung.

Am xVusgang des Liuhtfaserkabels ist eine entsprechende Anzahl von Sätzen aus optischen Elementen (Keilen) 11', 12·, 13', und 14V vorgesehen, an die die gleichen Spannungen VV, V2, V3 und V4 gelegt werden» Die optiscnen EIe-' mente am Ausgang kompensieren die '-/irkung der optischen Elemente am .Eingang, so daß das Bild in seine ursprüngliche Lage zurückgeführt wird.

In der Pig. 3 ist eine Schaltungsanordnung zum Herstellen der Spannungen V1, V2, V3 und V4 gezeigt. Einem Transformator 20 wird eine Wechselspannung zugeführt, und die Spannungen V1, V2, V3 und V4 werden von Gleichrichtern R1, R2, Ri und R4 abgenommen. Der einen Kondensator 21 und einen V/iderstand 22 enthaltende Schaltungsteil, ver-, schiebt die Spannung V3 um 9C° bezüglich der Spannung V1. Die Spannungen Vt und V2 sind miteinander in Phase, doch ist aufgrund der Wirkung der Gleichrichter die Spannung V1 dauernd positiv und die Spannung Y2 dauernd negativ. Die Spannungen V3 und V4 sind ebenfalls miteinander in Phase, doch ist aufgrund der Wirkung der Gleichrichter die Spannung V3 dauernd positiv und die Spannung V4 dauernd negativ.

Die in einem Ausführungsbeispiel verwendeten Spannungen betragen von Spitze zu Spitze etwa 10C0 Volt. Die Mindestdicke der optischen Elemente beträgt vorzugsweise etwa 1mm (0,04 Zoll). Es wird außerdem vorgeschlagen, daß die ebere Oberfläche bis auf 1/4 der Wellenlänge

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e'jim ist. Die ebenen (.-her flächen r.iiid jeweils nit einer durchsichtigen leitender. Schicht überzogen, iit- beisrielsweise aus Zinr.oxid becu'hen kann, d^s in Vakuum aufgedampft int· Der Widerstand .zwischen den Mittelpunkt un.3 den Rand der ebenen Oberflächen aer optischen Elemente- (Keile) beträgt Vorzugs we i ε ^ ni.'nt mehr als 2CC Chri.

• Zur.i Anlegen der Spannungen an die ebenen Oberflächen der optischen Elemente sind geeignete Ansch.Lu2kler.nen vorgesehen. Die Elemente müsser, mter Berücksichtigung ihrer Kristallstruktur derart ro schnitten v/erden, daß sich ihre Dicke proportional zur an,·'siegten Spannung ändert. Das verwendete Material muß homogen sein, damit der Ablenkwinkel konstant ist. '

Es sind verschiedene Materialien mit eIektro-mechanischen Eigenschaften bekannt. Es sind ,jedoch nicht alle bekannten Materialien geeignet, da es sich un ein durchsichtiges Material handeln muß. Ein geeignetes Material ist Quarz. Eine andere Möglichkeit zum Zusammendrücken des Materials zur .rinderung des Ablenkwinkeis besteht darin, das optische Element durch mechanische Kräfte zusammenzudrücken. Es ist auch möglich, die optischen Elemente aus Materialien herzustellen, die aui" andere Kräfte als direkte mechanische Kräfte, z.B. auf Strahlung oder Erwärmung oder Kombinationen davon, ansprechen.

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Claims

Patentansprüche . . -

1. Einrichtung zur VerStärkung der Vbertragungneigenschaften von Lichtfaserkabeln mit Lichtablenkung??einrichtungen, die an Eingang und am Ausgang· des Lichtfaserkabels angeordnet sind und komplementäre Eifertyohaften aufweinen, da d u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t , daß an die Lichtablenkeinrichtungen (2,3) elektrische Spannungen angelegt sind, durch die der Ablenkvvinkel und die Ablenkr-ichtung des durch die Lichtablenkeinrichtung tretenden Lichts festgelegt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -

k e η η ζ ei c h η et.., daß die am Eingang des Lichtfaserkabels (1) angeordnete Lichtablenkeinrichtung (2) aus einem !,laterial mit optisch-elektrischen Eigenschaften besteht, das auf seiner Vorder- und Rückseite mit leitenden "Überzügen (2b, 2a) versehen ist, zwi^ohei; die Spannungen gelegt sind, durch welche der optische Abxenkwinkel veränderbar ist, und daß die am Axxsgang des iiichtfaserkabels (1) angeordnete Lichtabierikeinrichtung (3) die gleichen Eigenschaften wie die an Eingang des Lichtfaserkabels angeordnete Lichtablenkeinrichtung (2) aufweist, : jedooh eine kompensierende Ablenkung erzeugt, und deren Vorder- und Rückseite mit leitenden Überzügen (3b, 3a) versehen ist, zwischen die die Spannungen gelegt sind, durch die eine Lichtablenkung derart erzeugt wird, daß die mittels der Lichtablenkungseinrichtung (2) über den Eingang des Lichtfaserkabels (T) abgetasteten Lichtstrahlen mittels der optischen Ablenkeinrichtung (3) an dessen Ausgang in kompensierender Weise abgelenkt werden.

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?. ^inrichtun.: i.-ioh Ansrrueh 1 oder 2, g ο κ ο η η zeichnet durch eine Anr/ihl von optischen Keilen (11-14) am Eingang des Lichtfnserkabels (1) und eine entsprechende Anzahl von kompensierenden Keilen (11·—14·) am Ausgang desselben und durch eine Sparmungüquelle, mit der an entsprechende Keile an den beiden Enden des Lichtfaserkabels (1) getrennte Spannungen (V1-V4) gelebt sind, lurch die ein auf die Keile (11-14) am Eingang projiziertes liiid üuer die Eingangsfläche des LichtfaseriCabels (1) und iiit Milfe der Keile (11'-14') am Ausgang desseloen in einer kompensierenden Y/eise abgelenkt wird, se la·; aas ursprüngliche Bild wiederhergestellt 13t_o

4.■Einrichtung nach Anspruch 3»dadurch gekennzeichnet , daß die optischen Keile (11-14 bzw. 11»—14») am Eingang bzw. am Ausgang des Lichtfaserkabels (1) zur Korrektur von chromatischen Aberrationen zu angepaßten Sätzen von Keilen zusammengefaßt sind,,

5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtablenkeinrichtung (2,3) elektro-optische Eigenschaften besitzen.

6« Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet , daß die Lichtablenkeinrichtungen (2,3) aus einen Laterial bestehen, dessen Dimensionen mit Hilfe elektrischer Einrichtungen veränderbar sind.

7. Einrichtung nach einen oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtablenkeinrichtungen (2,3) ortsfest sind.

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Le e rs e i t e