DE2551763A1 - Optischer koppler - Google Patents

Optischer koppler

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DE2551763A1
DE2551763A1 DE19752551763 DE2551763A DE2551763A1 DE 2551763 A1 DE2551763 A1 DE 2551763A1 DE 19752551763 DE19752551763 DE 19752551763 DE 2551763 A DE2551763 A DE 2551763A DE 2551763 A1 DE2551763 A1 DE 2551763A1
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Description

' Pr. *r*». WV^r AWt! . c
Cr. OiVt="■- r. «lorf -
Dr. 1-Ϊ&Λ3-Α. Srauns 18. November 1975 t Muobtoa 4m5, i-.6ttZKuuHntr. 21 EL-4135
E.I. DU PONT DE NEMOURS AND COMPANY
10th and Market Streets, Wilmington, Del. 19898,
■V.St.A.
Optischer Koppler
Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zum Koppeln von Lichtsignalen zwischen einem ersten optischen Element und einer Mehrzahl zweiter optischer Elemente und insbesondere eine optische Vorrichtung zum linearen Koppeln von Lichtsignalen zwischen einem ersten optischen Element und einer Mehrzahl zweiter optischer Elemente.
Optische Kopplungsvorrichtungen werden in US-PS 3 455 637 und 3 101 411 beschrieben. Obwohl die optischen Kopplungsvorrichtungen, die in diesen Patentschriften beschrieben sind, im wesentlichen verzerrungsfrei ansprechen, ermöglichen sie nicht das lineare Koppeln von Lichtsignalen zwischen einem ersten optischen Element und einer Mehrzahl zweiter optischer Elemente.
Der erfindungsgemäße optische Koppler enthält vorzugsweise einen Körper mit einer internen, in sich geschlossenen Kugel mit einer Fotorezeptor-Öffnung in die Kugel und mit einer Anzahl von Lichtleitelementen, die alle auf der Kugel an Stellen enden, die alle gleichen Abstand von einem Punkt auf der Kugel besitzen, der dem lichtempfangenden Fenster des Fotorezeptors diametral gegenüberliegt. Die Elemente sind auf das Fenster ausgerichtet. Bei dieser
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Konstruktion sieht der Fotorezeptor jedes Lichtleitelement in gleicher Weise und wird Licht, das durch jedes Lichtleitelement (faseroptisches Element) übermittelt wird, in gleicher Weise durch den Fotorezeptor empfangen. Der Anteil des Lichts jedes Lichtleitelementes, der nicht auf das lichtempfangende Fenster des Fotorezeptors fällt, wird in gleicher Weise über die Oberfläche der Kugel reflektiert und zum Teil von dem Bereich der Kugel, der dem Fenster gegenüberliegt, zu dem Licht aufnehmenden Fenster zurückreflektiert .
Der erfindungsgemäße optische Koppler stellt dadurch, daß Licht jedes Lichtleitelementes linear zu dem Fotorezeptor übertragen wird, einen erheblichen technischen Fortschritt dar.
Der optische Koppler eignet sich besonders dazu, einen einzigen Ausgang von einer Mehrzahl optischer Eingänge zu bilden, wenn der Ausgang die lineare Summe der optischen Eingänge wiedergeben muß. Ein Beispiel für eine . solche Anwendung ist ein Musikinstrument, bei dem ein optisches Signal unterschiedlicher Frequenz jedem Lichtleitelement zugeführt wird. Dieses Signal kann mit einer Frequenz gepulst werden, die der Hörfrequenz einer bestimmten Musiknote entspricht. Die Impulse können durch Niederdrücken von Tasten ein- .und ausgeschaltet werden. Die Summe der durch die Lichtleitelemente geführten Signale wird dem Fotorezeptor linear eingekoppelt, wodurch das Eingangssignal für einen Tonverstärker geliefert wird.
Es zeigenϊ
Fig. 1 in einem Seitenaufriß einen erfindungsgemäßen optischen Koppler;
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Fig. 2 eine Schnittansicht durch den Koppler von Fig. 1 und
Fig. 3 und 4 Schnitte nach 3-3 bzw. 4-4 von Fig. 2.
Der optische Koppler 10 weist einen Körper 12 mit Teilen 14 und 16 auf, die entsprechend Fig. 2 fest verbunden sind. Das Teil 16 besitzt ein zylindrisches Außengewinde 18, das mit einem Innengewinde 20 des Teils 14 derart ineinandergreift, daß die ebenen Flächen 22 und 24 der Teile 14 und 16 bündig aneinander angreifen, wenn die Teile entsprechend Fig. 2 zusammengeschraubt werden. Eine hohle, halbkugelförmige Aussparung 26 ist in der Fläche 22 des Teils 14 gebildet, und eine hohle, halbkugelförmige Aussparung 28, die den gleichen Radius wie die Aussparung 26 besitzt, ist in der Fläche 24 des Teils 16 ausgebildet. Werden die beiden Teile entsprechend Fig. 2 fest miteinander verbunden, so vereinigen sich die Aussparungen 26 und 28 unter Bildung einer optisch reflektierenden, in sich geschlossenen Kugel 30 innerhalb des Körpers 12. Die Innenfläche 32 der in sich geschlossenen Kugel 30 reflektiert auf sie gerichtetes Licht.
Zur leichteren Beschreibung wird der optische Koppler 10 unter Bezugnahme auf eine diametrale Achse 34 beschrieben, die senkrecht auf den ebenen Endflächen 22 und 24 steht und durch den Mittelpunkt der in sich geschlossenen Kugel 30 führt. Ein Fotorezeptor 36 ist in dem Block 16 befestigt, wobei das Licht empfangende Fenster 38 auf der Kugeloberfläche in Ausrichtung mit der Achse 34 liegt. Licht, das auf dieses Fenster trifft, wird durch den Fotorezeptor 36 wahrgenommen. Es kann jede beliebige Bauart von Fotorezeptoren verwendet werden. Der Fotorezeptor kann ζ. B. eine Fotozelle, ein Fototransistor oder eine Fotodiode
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sein. Diese Elemente werden dazu verwendet, ein elektrisches Ausgangssignal als Antwort auf ein optisches Eingangssignal zu liefern. Alternativ kann der Fotorezeptor ein faseroptisches oder sonstiges lichtleitendes Element sein, das als Antwort auf das Eingangssignal, das in der nachfolgend beschriebenen Weise von verschiedenen Quellen empfangen wird, ein optisches Ausgangssignal liefert. Es können auch andere Arten von Fotorezeptoren verwendet werden. Der beschriebene Fotorezeptor 36 ist von der elektrischen Bauart und weist zwei Ausgangsleitungen 40 auf, die in geeigneter Weise mit einem von dem Fotorezeptor betätigten Gerät verbunden sind.
Das vom Fenster 38 abgewandte Ende der Achse 34 schneidet die Oberfläche der Kugel an dem Punkt 42. Eine Mehrzahl gerader Bohrungen 44 erstreckt sich von der Abschlußwand 46 des Teils 14 durch die Dicke des Teils und schneidet die Oberfläche 32 der Kugel bei konischen öffnungen. Jede öffnung 48 besitzt den gleichen Abstand von dem axialen Punkt 42, und die öffnungen sind auf einem Kreis, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, um den Punkt 42 herum im Abstand angeordnet. Die Achsen der Bohrungen 44 liegen auf einem Konus, dessen Spitze bei dem Licht empfangenden Fenster 38 liegt. Konische öffnungen 50 sind an den Enden der Bohrungen 44 bei der Wand 46 vorgesehen.
Ein Lichtleitelement 52 führt durch jede Bohrung 44 und weist eine einstückige Linse 54 auf, die in einer konischen öffnung 48 auf der Oberfläche der in sich geschlossenen Kugel 30 sitzt. Die Elemente 52 sind in den Bohrungen 44 gerade gehalten, so daß sie auf das Licht empfangende Fenster 38. ausgerichtet sind, wie es durch die Geraden 56 dargestellt ist, die Verlängerungen der Achsen der Bohrungen sind. Die Bohrungen 44 besitzen eine aus-
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reichende Länge, so daß das durch die Elemente 52 in den Bohrungen geführte Licht geradegerichtet wird und der durch die Linse 54 tretende Lichtstrahl symmetrisch zu der Achse 56 projiziert wird. Bei Verwendung von Lichtleitelementen mit einem Durchmesser von 0,03 cm genügt in der Praxis eine Bohrungslänge von 0,30 cm, um das durch das Element tretende Licht geradezurichten.
Aussparungen 50 in der Wand 46 sind mit einer geeigneten Vergußmasse 58 gefüllt, um die Lichtleitelemente an dem Körper zu befestigen und eine Spannungsentlastung zu schaffen, so daß die Lichtleitelemente bei Bedarf gebogen werden können.
In dem Koppler 10 können Lichtleitelemente aus Kunststoff oder Glas verwendet werden. Die von dem Koppler entfernten Elemente 52 sind so angeordnet, daß sie in der gewünschten Weise Licht aufnehmen, so daß das durch die Elemente aufgenommene Licht längs der Elemente, durch die Linsen 54 und in das Innere der in sich geschlossenen Kugel übertragen wird. Es können andere Lichtquellen als Lichtleiteleraente verwendet werden, um Licht in die in sich geschlossene Kugel des Kopplers 10 zu leiten.
Es soll nun die Arbeitsweise der Kugel bei der Erzeugung eines linearen Fotorezeptor-Ausgangssignales beschrieben werden, das unmittelbar von dem optischen Eingangssignal jedes Lichtleitelementes 52 abhängt.
In der in sich geschlossenen Kugel 30 ist jede faseroptische Linse 54 in gleichem Abstand von dem Licht empfangenden Fenster 38 des Fotorezeptors 36 angeordnet und wird in gleicher Weise von dem Fotorezeptor gesehen. Das durch ein Lichtleitelement 52 gelangende Licht tritt durch
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die Linse und strahlt in einem konischen Strahl 60, dessen Achse höchster Intensität auf das Fenster 38 gerichtet ist, aus öer Linse. Da dies für jedes Lichtleitelement in dem optischen Koppler 10 gilt, ist die maximale Lichtintensität jedes Lichtleiters unter dem gleichen Winkel auf das Fenster 38 gerichtet, so daß von dem Fotorezeptor ein Ausgangssignal abgegeben wird,.das dem Betrag des durch die einzelnen Lichtleitelemente laufenden Lichtes direkt proportional ist. Das restliche Licht in jedem Lichtkonus 60, das nicht auf das Licht empfangende Fenster 38 trifft, trifft die Innenfläche 32 gleichförmig über die gesamte Kugelfläche, so daß eine gleichmäßige Lichtintensität auf der gesamten Oberfläche erreicht wird. Dies bedeutet, daß die dem Licht empfangenden Fenster 38 gegenüberliegende Oberfläche 62 der Kugel eine Lichtmenge empfängt, die aus Anteilen gebildet ist, die direkt proportional dem Licht sind, das in der Kugel von jedem Lichtleitelement 52 erhalten wird. Dieses Licht wird von der Oberfläche 62 reflektiert und zum Teil auf das Licht empfangende Fenster 30 gerichtet, wodurch der Fotorezeptor 36 weiterhin unter Ansprechen auf das* von jedem Lichtleitelement in die Kugel übertragene Licht linear erregt wird.
Auf diese Weise erhält der Fotorezeptor von jedem Lichtlei telement eine Lichtmenge, die, obwohl sie weniger sein kann als die gesamte durch das Element in die in sich geschlossene Kugel übertragene Lichtmenge, dieser Lichtmenge direkt proportional ist.
Der Abstand, in dem die Lichtleitelemente von dem Punkt' 42 angeordnet sind, hängt von der Anzahl der Lichtleit- ' elemente ab, die bei einem gegebenen optischen Koppler verwendet werden sollen. Offensichtlich ist der Abstand
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vom Punkt 42 bei einer größeren Anzahl von Lichtleitelementen als der dargestellten größer und bei weniger Elementen kleiner, so daß die Achse 56 jedes Elementes mehr parallel zur Achse 34 liegt und der Wirkungsgrad des Kopplers erhöht wird.
Vorzugsweise ist die in sich geschlossene Kugel 32 mit einer diffus reflektierenden Oberfläche versehen, obgleich bei Bedarf eine spektral reflektierende Oberfläche vorgesehen sein kann. Im Falle einer spektral reflektierenden Oberfläche besteht die Möglichkeit, daß das von den Lichtleitelementen ausgesandte Licht nicht gleichmäßig auf der Oberfläche der Kugel verteilt wird, wenn die Oberfläche nicht exakt kugelförmig ist, und als Folge davon das Licht, das von der Oberfläche 62 zu dem Licht empfangenden Fenster zurückreflektiert wird, nicht direkt proportional dem Licht-Eingangssignal jedes Lichtleitelements ist. In manchen Fällen kann für einen bestimmten Zweck eine in sich geschlossene Kugel mit einer spektral reflektierenden Oberfläche genügend genau sein, auch wenn geringe Abmessungsschwankungen der Kugel bestehen.
Der hier beschriebene optische Koppler wird dazu verwendet, eine Anzahl von Signalen, die von einer Mehrzahl von Lichtleitelernenten oder anderen optischen Quellen erhalten werden, zusammenzufassen, so daß man ein einziges Fotorezeptor-Ausgangssignal erhält. Der Koppler kann auch dazu verwendet werden, ein xntensitätsgleiches Lichtsignal an Lichtleitelemente abzugeben. In einem solchen Fall würde eine Lichtquelle an die Stelle des Fotorezeptors treten. Die Lichtleitelemente können durch andere lichtempfindliche Elemente ersetzt werden. Von jedem Lichtleitelement würde ein gleicher Lichtbetrag unmittelbar empfangen werden. Das Licht der Quelle, das nicht auf die Lichtleit-
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elemente gerichtet ist, würde gleichmäßig auf die Kugeloberfläche verteilt werden und zum Teil zu den einzelnen, symmetrisch angeordneten Lichtleitelementen reflektiert werden, wodurch die von ihnen in gleicher Weise empfangene Lichtmenge erhöht würde.
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Claims (9)

EL-4135 l8· November 1975 Patentansprüche
1.)optischer Koppler, enthaltend eine Kugel mit einer licht- y reflektierenden Innenfläche, gekennzeichnet durch ein erstes optisches Element (36), das in Verbindung mit der Innenfläche (32) der Kugel (30) steht, eine Mehrzahl zweiter optischer Elemente (52), die in Verbindung mit der Innenfläche (32) stehen und in gleichem Abstand um einen Punkt auf der Innenfläche (32) angeordnet sind; der dem ersten optischen Element (36) diametral gegenüberliegt, wobei jedes zweite optische Element auf das erste optische Element (36) ausgerichtet ist.
2. Optischer Koppler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Körper (12) mit einer hohlkugelförmigen inneren Oberfläche (32).
3. Optischer Koppler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente (36, 52) Lichtleitelemente enthalten, die sich durch den Körper (12) zu der inneren Oberfläche (32) erstrecken.
4. Optischer Koppler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes optische Element (52) auf der inneren Oberfläche eine Linse (54) aufweist.
5. Optischer Koppler nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche (32) lichtstreuend ist.
6. Optischer Koppler nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche (32) spektral reflektierend ist.
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7. Optischer Koppler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (12) eine Bohrung (44) zur Aufnahme jedes optischen Elements enthält, das sich durch den Körper (12) zu der inneren Oberfläche (3 2) erstreckt.
8. Optischer Koppler nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste optische Element (36) ein Licht empfangendes Element ist und jedes zweite optische Element (52) ein Licht aussendendes Element ist.
9. Optischer Koppler nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste optische Element (36) ein Licht aussendendes Element und jedes zweite optische Element (52) ein Licht empfangendes Element ist.
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