DE2839444A1

DE2839444A1 - Optischer wandler mit mindestens einer lichtleitfaser

Info

Publication number: DE2839444A1
Application number: DE19782839444
Authority: DE
Inventors: Zur Capellen Eckard Dipl Meyer
Original assignee: Meyer Zur Capellen eckard dipl-Ing
Current assignee: Meyer Zur Capellen eckard dipl-Ing
Priority date: 1978-09-11
Filing date: 1978-09-11
Publication date: 1980-03-20

Description

Bezeichnung der
Erfindung: Optischer Wandler mit mindestens einer Lichtleitfaser B e s c h r e i b u n g : Die Erfindung betrifft einen optischen Wandler mit mindestens einer Lichtleitfaser nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Der vorbeschriebene bekannte optische Wandler (N.S. Kapany: "FIBER OPTICS - PRINCIPLES AND APPLICATIONS", Academic Press, 1967, S. 318-321) weist eine Vielzahl in einem Würfelabschnitt mit etwa trapezförmigem Querschnitt eingespannter, etwa gleichlanger Lichtleitfasern auf, deren freie Abschnitte mit unterschiedlichen Längen über die schräge Anschnittfläche des Würfelabschnitts herausragen. Die mit der Würfelfläche bündigen Enden der Lichtleitfasern sind einem optischen Strahler zugeordnet, welcher eine mit konstanter Energie abstrahlende Lichtquelle bildet.
Die Enden der freien Abschnitte der Lichtleitfasern sind der einen Seite einer mit Öffnungen versehenen Maske zugeordnet, auf deren anderer Seite sich ein optischer Empfänger befindet.
Dem das Aufnahmeteil für die Lichtleitfasern bildenden Würfelabschnitt wird eine nichtperiodische Vibration aufgeprägt. Dem Frequenzspektrum der Vibration entsprechend, geraten unterschiedliche Lichtleitfasern mit ihren freien Abschnitten in Eigenschwingungen und überstreichen hierbei, dem Empfänger sichtbar, die zugeordneten Maskenöffnungen. Auf diese Weise werden Hörfrequenz über mechanische Schwingungen in räumlich verteilte Lichtsignale umgewandelt. Die bekannte Anordnung, die nur einen sehr begrenzten Anwendungsbereich ermöglicht, wird faktisch nicht angewendet.
Ausgehend von dem eingangs besachriebenen optischen Wandler, liegt dieser Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen optischen Wandler zu schaffen, der mit einfachen Mitteln eine Vielzahl von Anwendungen erschließt.
Entsprechend der Erfindung wurde diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Aufnahmeteil raumfest und der freie Abschnitt über einen auf diesen wirkenden Antrieb definiert bewegbar ist und daß die spektrale Energieverteilung des optischen Strahlers definiert veränderbar ist.
Entsprechend der Erfindung wird dem freien Ende der Lichtleitfaser mittels eines Antriebs eine definierte bzw. geführte Bewegung aufgezwungen. Im Unterschied zum eingangs beschrie benen Stand der Technik, bei welchem ein freies Ende einer Lichtleitfaser freie Schwingungen vollführt, unterliegt entsprechend der Erfindung das freie Ende der Lichtleitfaser einer örtlich betragsmäßig bewußt geführten Zwangsbewegung. Erfindungsgemäß kann daher mit dem freien Ende der Lichtleitfaser ein im wesentlichen beliebig bestimmbarer Ort eines optischen Empfängers oder ein ebenso beliebig bestimmbarer Ort eines optischen Strahlers, jeweils gleich welcher Art, angesteuert werden.
Darüber hinaus gestattet der erfindungsgemäße optische Wandler die vorteilhafte Möglichkeit, Veränderungen der spektralen Energieverteilung eines optischen Strahlers definiert zu erfassen bzw. darzustellen.
Dieses bedeutet, daß zeitlich aufeinanderfolgende optische Signale beliebiger spektraler Zusammensetzung und Intensität an unterschiedliche definierte Orte eines Empfängers geleitet oder aber ein optischer Strahler hinsichtlich seiner örtlich und zeitlich verteilten spektralen Zusammensetzung und Intensität analysiert und in zeitlich aufeinanderfolgende optische Signale zerlegt werden kann.
Eine zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß der optische Strahler dem raumfesten Ende der Lichtleitfaser zugeordnet ist, und daß seine spektrale Energieverteilung eine Funktion der Zeit ist.
In einem einfachen Anwendungsbeispiel werden mehrere Luminiszenzdioden unterschiedlicher Farbe so angeordnet, daß das von ihnen emittierte Licht, ausgehend von dem ortsfesten Ende der Lichtleitfaser, durch diese transportiert werden kann. Der freie Abschnitt der Lichtleitfaser wird derart angetrieben, daß das freie Ende in nur einer Ebene mit konstanter Frequenz und Amplitude schwingt. Die Luminiszenzdioden werden nun während jeweils relativ zur Periodendauer der Schwingung gleichen Zeiten ein- und ausgeschaltet. Bei genügend hoher Schwingungsfrequenz und -amplitude erscheint einem geeignet positionierten Beobachter das freie Ende der Lichtleitfaser in der Art eines Linienstrahlers mit örtlich veränderlicher spektraler Energieverteilung.
Ene ebenso zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß der optische Strahler dem raumfesten Ende der Lichtleitfaser zugeordnet ist. Ein konkretes Anwendungsbeispiel ordnet dem freien Ende der Lichtleitfaser einen dazu senkrechten Linienstrahler mit örtlich und zeitlich unterschiedlicher spektraler Energieverteilung und dem ortsfesten Ende der Lichtleitfaser ein Fotoelement zu. Wird der freie Abschnitt der Lichtleitfaser so angetrieben, daß er in der oben beschriebenen Art in einer Ebene in vorgege-bener Weise schwingt, so ist das Zeitverhalten des elektrischen Signals am Fotoelement ein Maß für die an definierten Orten zu definierten Zeitpunkten vorhandene spektrale Energieverteilung des Linienstrahlers.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der freie Abschnitt der Lichtleitfaser so angetrieben, daß das freie Ende in mehr als einer Ebene schwenkbar ist.
Wählt man den Antrieb beispielsweise so, daß die Lichtleitfaser in zwei zueinander senkrechten Ebenen mit unterschiedlichen, geeignet gewählten Frequenzen und Amplituden schwingt, so erhält man, den beiden bereits beschriebenen Anwendungsbeispielen folgend, im ersten Fall einen Flächenstrahler mit örtlich veränderlicher spektraler Energieverteilung und im zweiten Fall ein zeitliches Maß für die örtlich-zeitliche spektrale Energieverteilung eines Flächenstrahlers Diese Ausführungsform kann daher z.B. zur Bilderzeugung bzw. zur Bildabtastung im weitesten Sinne verwendet werden.
Andere erfindungsgemäße Ausführungsformen bestehen im Prinzip darin, daß mehrere Lichtleitfaseranordnungen mit mindestens einer Lichtleitfaser so zusammenwirken, daß das freie Ende einer Lichtleitfaser bzw. eines Lichtleitfaserbündels hinsichtlich eines Endes einer beliebigen Lichtleitfaser eines anderen Lichtleitfaserbündels ausrichtbar ist.
Hierbei sind mehrere Ausführungsformen zu unterscheiden.
Zunächst sei der Fall dargestellt, daß eine Lichtleitfaser mit ihrem freien Ende die raumfesten Enden mehrerer, in einer Ebene nebeneinander angeordneter Lichtleitfasern überstreicht. Dabei ist es von besonderem Vorteil, daß die beiden Lichtleitfaseranordnungen jeweils in nur einer Ebene zu bewegen sind, um unter anderem die in den bereits genannten Anwendungsbeispielen beschrie-benen Funktionsweisen zu erfüllen.
Weiterhin sei der Fall betrachtet, daß das freie Ende eines Lichtleitfaserbündels, das durch mehrere neben-und übereinanderangeordnete Lichtleitfasern gebildet ist, hinsichtlich eines Endes eines ebenso gebildeten anderen Lichtleitfaserbündels ausrichtbar ist. Somit kann das freie Ende einer bestimmten, ein definiertes optisches Signal führenden Lichtleitfaser des einen Lichtleitfaserbündels mit einem Ende einer bestimmten Lichtleitfaser des anderen Lichtleitfaserbündels örtlich und daher auch optisch gekoppelt werden, so daß das optische Signal von der zweiten Lichtleitfaser weitertransportiert werden kann. Eine mögliche Anwendung dieser Anordnung ist der Einsatz zum Zwecke der Wählvermittlung in optischer Nachrichtenübertragungsnetzen.
Eine weitere sinnvolle Ausgestaltung der Erfindung berücksichtigt die bekannte Bauart von Lichtleitfasern, die üblicherweise aus jeweils einem Kern und einem diesen umgebenden Mantel mit unterschiedlichem Brechungsindex bestehen, wobei die Querschnittsfläche des an einem Ende einer Lichtleitfaser austretenden Lichtes im wesentlichen der Kernquerschnittsfläche entspricht. Um die dadurch entstehende Rasterung bei der Lichtübertragung mit Lichtleitfaserbündeln zu verringern, wird bekanntermaßen eine sogenannte dichteste Rohrpackungsart verwendet. Zur Vermeidung dieser Rasterung genügt es jedoch erfindungsgemäß, unmittelbar über einer Reihe von nebeneinander angeordneten Lichtleitfasern eine zweite Reihe von nebeneinander angeordneten Lichtleitfasern versetzt anzuordnen.
In der weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird mindestens eine Lichtleitfaser mit einem physikalisch festen Substrat derart verbunden, daß die Lichtleitfaser mit ihrem freien Abschnitt den Bewegungen des Substrates folgen kann. Um eine gewünschte mechanische Festigkeit von Lichtleitfaseranordnungen, z.B. der vorbeschriebenen Arten, gezielt zu erreichen, ist es zweckmäßig, eine Lichtleitfaser mit einem biegefähigen Körper, beispielsweise einem geraden Stab von gleicher Länge zu verkleben oder zu verschweißen. Dem Grundgedanken der Erfindung folgend, wird der gerade Stab zusammen mit der ihm verbundenen Lichtleitfaser an einem Ende fest eingespannt. Die Lichtleitfaser folgt dann mit ihrem freien Ende den Bewegungen des einseitig eingespannten Stabes. Die Anwendungen ergeben sich unter anderem aus den bereits angeführten Beispielen zur Bilderzeugung und Bildabtastung.
Zur erfindungsgemäßen Funktion des optischen Wandlers ist die Wahl eines geeigneten Antriebes notwendig. Um die geforderte Vielzahl von Anwendungs- bzw. Einsatzmöglichkeiten zu erschließen, stehen bekannte mechanische, akustische, elektromagnetische, elektrodynamische, magnetostriktive, elektrostatische oder piezoelektrische Antriebe zur Verfügung. Der Antrieb kann an beliebiger Stelle des freien Abschnitts der Lichtleitfaseranordnungen bzw. des Substrates unmittelbar als Kraftantrieb zum Zweck einer Wegerregung oder beispielsweise unter Verwendung eines piezoelektrischen Biegeschwingers als Momentantrieb wirksam werden. Die von den elektroakustischen Wandlern her bekannten Konstruktionsprinzipien werden den an die Erfindung gestellten Erfordernisse angepaßt.
Im Hinblick auf die Antriebsarten kann es vorteilhaft sein, mindestens einen Teil der Oberfläche der Lichtleitfaser mit einer leitenden, dielektrischen oder ferromagnetischen Schicht zu versehen. Die Bewegungen des freien Endes der Lichtleitfaser können dann bei definiertem elektrischen oder magnetischen Zustand der Schicht Veränderungen elektrischer oder magnetischer Felder ohne mechanische Verbindung folgen.
Um, wie bereits früher beschrieben, den optischen Wandler beispielsweise zur Bilderzeugung bzw. abtastung zu verwenden, erfordert es die vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Erfindung, Bildformate, die nicht mit den maximalen räumlichen Auslenkungen der freien Enden der Lichtleitfaser übereinstimmen, zu erzeugen bzw. abzutasten.
Zu diesem Zweck wird zwischen den freien Enden der Lichtleitfasern und der entsprechenden Bildebene eine geeignete Abbildungsoptik angeordnet.
Die vorgenannte Abbildungsfunktion vermittels einer Optik kann jedoch ebenfalls, weiteren Anwendungsmöglichkeiten angepaßt, durch konisch geformte Lichtleitfasern übernommen werden. Ebenso kann es von Vorteil sein, anstelle von Lichtleitfasern mit rundem Querschnitt solche Fasern mit elliptischem Querschnitt oder optische Streifenleiter zu verwenden.
Weiterhin kann es von Vorteil sein, selbstfokussierende Lichtleitfasern zu verwenden, die die Funktion des Lichttransportes ohne Ummantelung erfüllen, da sie örtlich veränderliche optische Eigenschaften haben.
Die Erfindung gestattet weitere, besonders vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten durch Lichtleitfaseranordnungen, die in integrierter Optik hergestellt sind.
Mit Hilfe dieser bekannten Herstellungstechnik lassen sich die oben beschriebenen, in Form von Beispielen erläuterten Lichtleitfaseranordnungen, auch im Substratverbund, sowie die Spezifikationen der einzelnen Lichtleitfasern ausgezeichnet herstellen.
In den Zeichnungen sind die Prinzipien verschiedener vorteilhafter Ausführungs beispiele entsprechend der Erfindung wiedergegeben, es zeigen, Fig. 1 einen Längsschnitt einer in einem mit der Bezugsziffer 10 gekennzeichneten Aufnahmeteil einseitig fest eingespannten Kern-Mantel-Lichtleitfaser 11. Gestrichelt eingezeichnet sind zwei Auslenkungszustände 12 und 13 der Lichtleitfaser in der Schnittebene. Am ortsfesten Ende 14 der Lichtleitfaser eingestrahlte, zeitlich aufeinanderfolgende Lichtsignale treffen dem Zeitverhalten der örtlichen Auslenkung der Lichtleitfaser entsprechend die im Schnitt dargestellte Ebene 15 an den Orten 16, 17 und 18, Fig. 2 ebenfalls einen Längsschnitt einer in einem Aufnahmeteil 19 einseitig fest eingespannten Kern-Afantel-Lichtleitfaser 20. Gestrichelt eingezeichnet sind zwei Auslenkungszustände 21 und 22 der Lichtleitfaser in der Schnittebene. Am freien Ende eingestrahltes, von der im Schnitt dargestellten Ebene 23 von den Orten 24, 25 und 26 ausgesandtes Licht tritt am ortsfesten Ende 27 der Lichtleitfaser entsprechend dem Zeitverhalten der örtlichen Faserauslenkung zeitlich aufeinanderfolgend wieder aus, Fig. 3 die räumliche Darstellung einer einzelnen, in einem Aufnahmeteil 28 einseitig fest eingespannten Lichtleitfaser 29 rechteckigen Querschnitts. Gestrichelt eingezeichnet sind zwei Auslenkungszustände 30 und 31 der Lichtleitfaser. Die Figur beinhaltet zwei Zuordnungsrichtungen der Lichtverteilung in der Ebene 32 und der Lichtverteilung am ortsfesten Ende 33 der Lichtleitfaser.
Die Ebene 32 wirkt einmal als optischer Strahler, dann tritt das durch die Lichtleitfaser transportierte Licht an ihrem ortsfesten Ende 33 entsprechend dem Zeitverhalten der örtlichen Lichtleitfaserauslenkung zeitlich aufeinanderfolgend aus, was symbolisch durch drei Lichtebenen 34 dargestellt ist. Die Ebene 32 wirkt zum anderen als optischer Empfänger; dann treffen am ortsfesten Ende 33 eingestrahlte, zeitlich aufeinanderfolgende Lichtsignale entsprechend dem Zeitverhalten der örtlichen Lichtleitfaserauslenkung die Ebene 32 an unterschiedlichen Orten. Diese Orte sind durch Schattierung gekennzeichnet, Fig. 4 die räumliche Darstellung der Kombination von zwei Lichtleitfaseranordnungen. Eine der Anordnungen besteht aus einer in einem Aufnahmeteil 35 einseitig fest eingespannten Lichtleitfaser 36, deren freies Ende auf die ortsfesten Enden einer in einem weiteren Aufnahmeteil 37 eingespannten Nebeneinanderanordnung 38 von Lichtleitfasern 45 ausrichtbar ist. Die zueinander senkrechten Bewegungsrichtungen der Lichtleitfaseranordnungen sind durch Pfeile gekennzeichnet. Die Figur beinhaltet ebenso wie Fig. 2 wiederum zwei Zuordnungsrichtungen der Lichtverteilungen in der Ebene 39 und am ortsfesten Ende 40 der Lichtleitfaser 36. Die Ebene 39 wirkt einmal als optischer Empfänger und zum anderen als optischer Strahler.
Am ortsfesten Ende 40 der Lichtleitfaser 36 wird einmal Licht eingestrahlt und zum anderen ausgestrahlt, Fig. 5 die räumliche Darstellung der Kombination von zwei jeweils einseitig fest eingespannten Lichtleitfaseranordnungen mit Lichtleitfasern 43, 44, wobei die freien Enden der Faseranordnung 41 und der Faseranordnung 42 entsprechend den eingetragenen Pfeilrichtungen gegeneinander ausrichtbar sind. Ordnet man den ortsfesten Enden der Faseranordnungen wie dargestellt jeweils fünfundzwanzig Teilnehmer eines optischen Nachrichtenübertragungsnetzes zu, so werden bei entsprechender Ausrichtung der freien Enden der Faseranordnungen je ein Teilnehmer der beiden Teilnehmergruppen miteinander optisch verbunden.

Claims

AnsprüChe 1. Optischer Wandler mit mindestens einer Lichtleitfaser, deren einer Abschnitt in einem Aufnahmeteil eingespannt ist und deren anderer freier Abschnitt beweglich ist, wobei einem Ende der Lichtleitfaser ein optischer Strahler und dem anderen Ende der Lichtleitfaser ein optischer Empfänger zugeordnet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Aufnahmeteil (10, 19, 28, 35, 37) raumfest und der freie Abschnitt mit einem definierte Bewegungen seines freien Endes (z.B. bei 12, 13 oder 21, 22) bewirkenden Antrieb bewegungsgekuppelt ist und daß die spektrale Energieverteilung des optischen Strahlers definiert veränderbar ist.
2. Optischer Wandler nach Anspruch 1, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der optische Strahler dem raumfesten Ende (14, 33, 40) der Lichtleitfaser (11, 29, 36, 38) zugeordnet ist und daß seine spektrale Energieverteilung eine Funktion der Zeit ist (Fig. 1, Fig. 3 und Fig. 4).
3. Optischer Wandler nach Anspruch l, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der optische Strahler dem freien Ende der Lichtleitfaser (20, 29, 36, 38) zugeordnet ist, derart, daß seine spektrale Energieverteilung eine Funktion des Ortes und darüber hinaus der Zeit ist (Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4).
4 Optischer Wandler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß das freie Ende der Lichtleitfaser (29) in mehr als einer Ebene schwenkbar ist (Fig. 3).
5. Optischer Wandler mit mindestens einer Lichtleitfaser, deren freies Ende in mindestens einer Ebene bewegbar ist, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das freie Ende (bei 36; bei 41 oder 42) hinsichtlich eines Endes (bei 37; bei 42 oder 41) einer anderen beliebigen Lichtleitfaser (45; 43 bzw. 44) eines Lichtleitfaserbündels (38; 41 bzw. 42) ausrichtbar ist (Fig. 4 und 5).
6. Optischer Wandler nach Anspruch 5, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mehrere nebeneinander angeordnete Lichtleitfasern (45) das Lichtleitfaserbündel (38) bilden (Fig. 4).
7. Optischer Wandler nach Anspruch 5, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mehrere neben- und übereinander angeordnete Lichtleitfasern (43 bzw. 44) das Lichtleitfaserbündel (41 bzw. 42) bilden (Fig. 5).
8. Optischer Wandler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h die Anordnung zweier hintereinandergeschalteter optischer Wandler, derart, daß ein raumfestes Ende (bei 37) des einen Wandlers dem freien Ende (bei 36) des anderen Wandlers oder das freie Ende (bei 41) des einen Wandlers dem freien Ende (bei 42) des anderen Wandlers gegenüberliegt (Fig. 4 oder Fig. 5).
9. Optischer Wandler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß mindestens eine Lichtleitfaser mit einem physikalisch festen Substrat derart verbunden ist, daß die Lichtleitfaser mit ihrem freien Abschnitt räumlichen Bewegungen des Substrates folgen kann.
10. Optischer Wandler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß der Antrieb mechanisch, akustisch, elektromagnetisch, elektrodynamisch, magnetostriktiv, elektrostatisch oder piezoelektrisch mittelbar oder unmittelbar auf den freien Abschnitt der Lichtleitfaser wirkt.
11. Optischer Wandler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß mindestens ein Teil der Oberfläche der Lichtleitfaser mit einer leitenden, dielektrischen oder ferromagnetischen Schicht versehen ist.
12. Optischer Wandler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß die optische Abbildung eines optischen Strahlers ihrerseits als optischer Strahler dient, bzw. daß eine räumliche spektrale Energieverteilung einem optischen Empfänger durch eine Abbildungsoptik zugeordnet ist.
13. Optischer Wandler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß Lichtleitfasern beliebigen und/oder veränderlichen Querschnitts zur Anwendung gelangen.
14. Optischer Wandler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h mindestens eine Lichtleitfaser mit örtlich veränderlichen optischen Eigenschaften, insbesondere sogenannte fokussierende Lichtleitfasern.
15.0ptischer Wandler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß eine in integrierte Optik hergestellte Anordnung mit mindestens einer Lichtleitfaser verwendet wird.