DE3249621C2 - Arrangement for transmitting a plurality of optical channels between two components rotating relative to one another about a common axis of rotation - Google Patents

Arrangement for transmitting a plurality of optical channels between two components rotating relative to one another about a common axis of rotation

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Abstract

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Description

Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Übertragungsanordnung derart auszubilden, daß bei einfachem Aufbau die gesamte Lichtenergie mehrerer räumlich voneinander getrennter und entkoppelter Kanäle ständig ohne Unterbrechung und ohne Laufzeitunterschiede breitbandig übertragen wird.The invention is based on the object of designing the transmission arrangement in such a way that with a simple structure the entire light energy of several spatially separated and decoupled channels constantly without Broadband transmission is interrupted and without runtime differences.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungstei! des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Durch die Erfindung wird erreicht, daß außer einem axial in der Drehachse liegenden Kanal mehrere hiervon radial versetzte Lichtsender bzw. Lichtempfänger individuell zusammenwirken können, wobei eine gegenseitige Störung der einzelnen Kanäle ausgeschaltet ist, weil diese räumlich getrennt veriaufen.The task at hand is solved by the marking part! of claim 1 specified Characteristics. The invention achieves that besides a channel located axially in the axis of rotation, several light transmitters or light receivers that are radially offset therefrom can interact individually, eliminating a mutual interference of the individual channels is because they are spatially separated.

Hierbei sind die Dämpiungsverluste relativ gering, weil die optischen refraktierenden und reflektierenden Bauteile relativ einfach mit hoher Genauigkeit geschliffen werden können.Here the attenuation losses are relatively low because the optical refractive and reflective Components can be ground relatively easily with high accuracy.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further expedient refinements of the invention emerge from the subclaims.

Nachstehend werden AusführungsbeispieU der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigtThe following are embodiments of the invention described with reference to the drawing. In the drawing shows

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Übertragungsanordnung mit Stufenlinse als optisches Übertragungselement;F i g. 1 shows a schematic representation of a transmission arrangement according to the invention with a stepped lens as an optical transmission element;

F i g. 2 eine Übertragungsanordnung mit einer Konvexlinse mit sich in radialer Richtung stufenweise ändernder BrechkraftF i g. 2 shows a transmission arrangement with a convex lens which changes stepwise in the radial direction Refractive power

Mit den Bezugszeichen LWL 1, LWL2, LWL3 sind Lichtsender bezeichnet, die gemäß den Ausführungsbeispielen von den Enden dreier Lichtwellenleiter gebildet werden. Die Lichtempfänger sind mit LWL4, LWL5 und L WL 6 bezeichnet, und diese werden von den Enden weiterer Lichtwellenleiter gebildet Gemäß den dargestellten Ausführungsbeispielen sind drei Kanäle vorgesehen. Es ist jedoch auch möglich, diese Ausführungsbeispiele mit mehr als drei Übertragungskanälen auszurüsten. Auch ist es unter gewissen Bedingungen möglich. Sender 5 und Empfänger £zu vertauschen. Die Drehung erfolgt bei allen Ausführungsbeispielen um die optische Achse OA, wobei entweder der Sender 5 stillsteht und der Empfänger E relativ hierzu rotiert, oder der Sender 5 um die optische Achse gedreht wird, während der bzw. die Empfänger E stillstehen. Schließlich besteht auch die Möglichkeit, daß Sender S und Empfänger E beide um die optische Achse mit verschiedener Drehzahl und/oder Drehrichtung umlaufen.The reference symbols LWL 1, LWL 2, LWL 3 denote light transmitters which, according to the exemplary embodiments, are formed by the ends of three optical waveguides. The light receivers are designated by LWL4, LWL5 and L WL 6, and these are formed by the ends of other optical waveguide according to the illustrated embodiments, three channels are provided. However, it is also possible to equip these exemplary embodiments with more than three transmission channels. It is also possible under certain conditions. Swap transmitter 5 and receiver £. In all exemplary embodiments, the rotation takes place around the optical axis OA, with either the transmitter 5 standing still and the receiver E rotating relative thereto, or the transmitter 5 being rotated about the optical axis while the receiver or receivers E are standing still. Finally, there is also the possibility that the transmitter S and receiver E both revolve around the optical axis at different speeds and / or directions of rotation.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 kann die Stufenlinse SL sowohl mit dem Sender als auch mit dem Empfänger umlaufen oder auch stillstehen. Sofern sie drehfest mit dem Sender S1 verbunden ist, kann die Linse durch einen Linsenausschnitt ersetzt werden.In the embodiment according to FIG. 1, the Fresnel lens SL can rotate with both the transmitter and the receiver or it can also stand still. If it is connected to the transmitter S 1 in a rotationally fixed manner, the lens can be replaced by a lens cutout.

Bei beiden Ausführungsbeispielen ist den Lichtsendern eine Konvexlinse L 1, L 2 bzw. L 3 vorgeschaltet, und diese Linsen fokussieren das aus den Lichtwellenleitern austretende Licht im Unendlichen, d h, es werden parallele Strahlenbündel erzeugt, die auf das optische Übertragungselement auftreffen. Die Lichtsender LWL \ bis LWL3 sind auf unterschiedlichen Radien angeordnet. Gemäß den Ausführungsbeispielen liegen sie in einer radialen Ebene. Sie könnten jedoch auch in Umfangsrichtung versetzt zueinander auf unterschiedlichen Radien angeordnet sein.In both embodiments, the light transmitters are preceded by a convex lens L 1, L 2 or L 3, and these lenses focus the light emerging from the optical waveguides to infinity, that is, parallel bundles of rays are generated that strike the optical transmission element. The light transmitters LWL \ to LWL3 are arranged on different radii. According to the exemplary embodiments, they lie in a radial plane. However, they could also be arranged offset from one another in the circumferential direction on different radii.

Gemäß dem Ausfühningsbeispiel nach F i g. 1 ist das optische Übertragungselement als Stufenlinse SL ausgebildet, deren Stufen unterschiedliche Brennweiten besitzen, wobei die Brennweite der innersten Stufe am kleinsten und die Brennweite der äußersten Stufe am größten ist. Die parallelen Strahlenbündel, die von den verschiedenen Sendern herrühren, treffen auf jeweils eine andere Stufe der Stufenlinse auf und werden, demgemäß in unterschiedlichen Brennpunkten. Fl, F2 bzw. F3 fokussiert An diesen Stellen Fl. F2, F3 sind die Enden der Lichtempfänger LWL4, LWL5 bzw. LWL6 angeordnet, und zwar derart, daß ihre Stirnseite senkrecht zur optischen Achse verläuft Die Drehachse fällt mit der optischen Achse OA der Stufenlinse SL zusammen, so daß die Lichtströme aus den Lichtleitern L WL1 bis L WL 3 unabhängig vom Drehwinkel ständig in den Brennpunkten Fl bis F3 fokussiert werden.
Bei dieser Anordnung ist es gleichgültig, welcher Teil steht und welcher bewegt wird. Jedoch kann der EnergiefluE, soweit es die Sender L WLi und LWL 2 betrifft, nur in einer Richtung, nämlich gemäß F i g. 1 von links nach rechts, erfolgen. Sollen Übertragungen in beiden Richtungen erfolgen, so können zuvZizlich auf der rechten Seite über Konvexiinsen weitere K.3Täie eingespeist werden. Die Empfangslichtwellenleiter liegen dann auf der linken Seite. Das Mittelteil des optischen Übertragungselementes SL kann optisch unwirksam sein und beispielsweise ein Loch oder eine planparallele PlatteAccording to the exemplary embodiment according to FIG. 1, the optical transmission element is designed as a stepped lens SL , the steps of which have different focal lengths, the focal length of the innermost step being the smallest and the focal length of the outermost step being the largest. The parallel bundles of rays emanating from the various transmitters each hit a different step of the Fresnel lens and are accordingly in different focal points. Fl, F2 or F3 focused At these points Fl. F2, F3 the ends of the light receiving optical fiber 4, fiber 5 or fiber 6 are arranged in such a manner that their end face perpendicular to the optical axis is the rotation axis coincides with the optical axis OA of the Fresnel lens SL, so that the luminous fluxes from the Light guides L WL 1 to L WL 3 are constantly focused in the focal points Fl to F3 regardless of the angle of rotation.
With this arrangement, it does not matter which part is standing and which is being moved. However, as far as the transmitters L WLi and LWL 2 are concerned, the energy flow can only be in one direction, namely according to FIG. 1 from left to right. If transmissions are to take place in both directions, additional K.3 channels can be fed in on the right-hand side via convex lenses. The receiving fiber optics are then on the left. The middle part of the optical transmission element SL can be optically ineffective and, for example, a hole or a plane-parallel plate

aufweisen, so daß das Strahlenbündel ungebrochen hindurchgeht In diesem Falle wäre die Brennweite der Linse L 3 derart einzustellen, daß eine Fokussierung an der Stelle F3 stattfindetso that the bundle of rays passes through uninterrupted. In this case, the focal length of the lens L 3 would have to be set in such a way that focusing takes place at the point F3

Bei einer vollen Umdrehung einer solchen Drehkupp-With a full turn of such a rotating coupling

lung gemäß F i g. 1 muß sich auf der rechten Seite jeweils ein Strahlenbündel, das von LWLl bzw. L WL 2 ausgeht, über die Lichtwellenleiter von LWL 5 bzw. L WL 6 hinwegbewegen.
Wenn die Durchmesser der Strahlenbündel im Vergleich zu dem Durchmesser der Lichtwellenleiter entsprechend groß sind, stört jedoch dieser Durchgang nicht. Es ist dann lediglich eine Transmissionsär^lerung von nur 0,1 bis 0,2 dB zu erwarten, wenn man den Durchgang möglichst nahe an den jeweiligen Brenn-development according to FIG. 1, a bundle of rays emanating from LWL1 or L WL 2 must move over the optical waveguides of LWL 5 or L WL 6 on the right-hand side.
However, if the diameter of the bundle of rays is correspondingly large compared to the diameter of the optical waveguide, this passage does not interfere. A transmission noise of only 0.1 to 0.2 dB is then to be expected if the passage is as close as possible to the respective burner.

purtkt Fl bzw. F2 heranlegt.purtkt Fl or F2 applies.

Das in F i g. 2 dargestellte optische Übertragungselement L kann anstelle der Stufenlinse SL nach F i g. 1 Anwendung finden. Dieses optische Übertragungselement L hat die äußere Form einer sphärischen Konvexlinse, besitzt jedoch mehrere Brennweiten, da die unterschiedlichen radialen Bereiche unterschiedliche Brechzahlen aufweisen. So besitzt der äußere Bereich die Brechzahl n\, welche die größte Brennweite liefert. Der Ringbereich mit der Brennweite ni hat eine größereThe in Fig. The optical transmission element L shown in FIG. 2 can be used instead of the stepped lens SL according to FIG. 1 apply. This optical transmission element L has the outer shape of a spherical convex lens, but has several focal lengths, since the different radial areas have different refractive indices. The outer area has the refractive index n \, which provides the greatest focal length. The ring area with the focal length ni has a larger one

so Brechkraft und der innere kreisförmige Bereich nz die größte Brechkraft, jedoch kann dieser Mittelbereich vegialKjn, wenn die Sammellinse L 3 entsprechend bemessen ist.
Die Herstellung einer solchen Linse erfclgt in kon-' zentrischen Ringen, die dann an den Stirnseiten sphärisch oder auch asphärisch geschliffen werden.so refractive power and the inner circular area nz the greatest refractive power, but this central area can vegialKjn if the converging lens L 3 is dimensioned accordingly.
Such a lens is manufactured in concentric rings, which are then ground spherically or aspherically on the end faces.

Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden Lichtleiter als Sender und Empfänger benutzt. Stattdessen können als Sender auch Lichtquellen und als Empfänger auch Photodetektoren Anwendung finden. According to the illustrated embodiment, light guides are used as transmitters and receivers. Instead, light sources can also be used as transmitters and photodetectors can also be used as receivers.

Als Lichtsender kann auch ein Laserstrahl mit oder ohne Modulation Ar wendung finden.A laser beam with or without modulation Ar can also be used as a light transmitter.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (10)

1 2 zunehmend zur Übertragung von Signalen und Daten Patentansprüche: Eingang gefunden haben, ergab sich auch die Notwendigkeit der Übertragung mehrere Lichtleitkanäle zwi-1 2 increasingly for the transmission of signals and data Patent claims: Having found their way, there was also the need to transmit several light guide channels between 1. Anordnung zur Übertragung von mehreren sehen zwei relativ zueinander umlaufenden Systemen. Lichtkanälen zwischen zwei relativ zueinander um 5 Es lag dabei nahe, hierfür das für die Übertragung elekeine gemeinsame Drehachse rotierenden Bauteilen, frischer Energie oder elektrischer Signale allgemein übbei der die optische Energie der einzelnen Sender- liehe Prinzip der Schleifringübertragung anzuwenden, lichtquellen individuell auf zugeordnete lichtemp- So zeigt beispielsweise die US-PS 41 90 318 eine optifänger über als optische Refraktoren ausgebildete sehe Schleifringanordnung, bei der radial zwischen zwei Übertragungselemente übertragen wird, dadurch 10 konzentrisch zueinander angeordneten Bauteilen Lichtgekennzeichnet, daß die Übertragungsstrah- signale übertragen werden.Hierbei soll durch vier über lenbündel auf jeweils einer zur Drehachse (OA)kon- 1. Arrangement for the transmission of several see two systems rotating relative to one another. Light channels between two relative to each other by 5. For example, US-PS 41 90 318 shows an optifänger over designed as optical refractors see slip ring arrangement, in which transmission is carried out radially between two transmission elements, characterized by 10 concentrically arranged components light that the transmission beam signals are transmitted bundle on one to the axis of rotation (OA) con- den Umfang verteilte Leuchtdioden ein relativ gleichzentrischen Ringfläche des als Konvexlinse (SL; L) light-emitting diodes distributed around the circumference a relatively equidistant ring surface of the convex lens (SL; L) iormiger Leuchtring erzeugt werden. Ein weiteres Ausausgebödeten Refraktors wandern, der die Übertra- fürirungsbeispiel sieht vor, dem Detektor ein Lichtleitergungsstrahlenbündel auf im Abstand zueinander an- 15 bündel vorzuschalten, dessen Empfangsenden sich über geordneten Punkten (F1, F2, F3) auf der optischen den Bogenumfang des Abstandes zweier Leuchtdioden Achse (OA) fokussiert und daß an den Punkten/Fl, erstrecken, um eine kontinuierliche Übertragung- zu ge-F2, F3) die Lichtempfänger (LWL4, LWL5, iormiger light ring can be generated. A further depleted refractor, which provides the transmission example, is to connect a light guide beam bundle upstream of the detector to bundles spaced apart from one another, the receiving ends of which are positioned above arranged points (F 1, F2, F3) on the optical circumference of the arc of the distance between two Light-emitting diode axis (OA) focused and that at the points / Fl, extend to a continuous transmission- to ge-F2, F3) the light receiver (LWL4, LWL5, währleisten. Diese bekannte optische Schleifringanord-L)VL 6) angeordnet sind. nung besitzt jedoch einen schlechten Wirkungsgrad,ensure. This known optical slip ring arrangement L) VL 6) are arranged. however, the efficiency is poor, 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 20 weil jeweils nur ein Teii der abgestrahlten Lichtenergie zeichnet, daß Lichtsender und Lichtempfänger als vom Detektor aufgenommen werden kann, und außer-Lichtwellenleiter ausgebildet sind. dem ergeben sich je nach der Relativstellung zwischen2. Arrangement according to claim 1, characterized in that only a portion of the light energy emitted is in each case draws that light transmitter and light receiver can be received as from the detector, and are designed outside of optical waveguides. depending on the relative position between 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Sender und Empfänger Laufzeitunterschiede, die für zeichnet, daß die Senderlichtbündel durch Sammel- verschiedene Anwendungszwecke störend sind, linsenglieder (L 1, L 2, L 3)auf djs unterschiedlichen 25 Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 der radialen Bereiche der Konvexlinse gerichtet werden. US-PS 40 27 945 sucht man eine kontinuierliche Lichtsi-3. Arrangement according to claim 1, characterized marked transmitter and receiver delay time differences for shows that the transmitter light bundles are disruptive by collecting various purposes, lens members (L 1, L 2, L 3) on djs different 25 In the embodiment of FIGS. 1 and 2 of the radial areas of the convex lens are directed. US-PS 40 27 945 is looking for a continuous light si- 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn- gnalübertragung durch eine axiale Schleifringanordzeichnet, daß die von den einzelnen Lichtsendern nung zu erreichen, indem auf konzentrischen Kreisen CLlVLl, LVVL2, HVL3) ausgehenden Lichtstrahl- die Enden von Lichtleitfasern angeordnet werden, die bündel durch dj.e Sammellinsenglieder (L 1, L 2, L 3) 30 zu einem Bündel zusammengefaßt werden, dem der zu parallelen Strahlenbündel?* zusammengefaßt Lichtsender oder Lichtempfänger gegenübergestellt werden. wird. Die optischen Übertragungseigenschaften sind4. Arrangement according to claim 3, characterized in that the ends of optical fibers are arranged, the ends of optical fibers, the bundle through dj .e converging lens elements (L 1, L 2, L 3) 30 are combined to form a bundle, which is compared to the light transmitter or light receiver combined to form parallel beam bundles? *. will. The optical transmission properties are 5. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekenn- aber auch bei dieser Schleifringanordnung schlecht, weil zeichnet, daß die Lichtempfänger in der optischen die auf den gegenüberstehenden Ringen endenden Achse angeordnet sind. 35 Glasfasern gegenseitige Abstände aufweisen, die eine5. The arrangement according to claim 1, but also bad in this slip ring arrangement because shows that the light receivers in the optical one end on the opposite rings Axis are arranged. 35 glass fibers have mutual distances that a 6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- vollständige befriedigende Lichtübertragung ausschliezeichnet, daß die Konvexlinse als Stufenlinse (SL; L) 6. Arrangement according to claim 1, characterized in that the convex lens as a step lens (SL; L) excludes complete satisfactory light transmission ßen. Außerdem ist die Herstellung der Kopplungsteilc ausgebildet ist auch im Hinblick auf die einander übt! kreuzenden Fa-eat. In addition, the manufacture of the coupling part c is trained also with a view to exercising each other! crossing fa- 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn- serstränge sehr aufwendig.7. Arrangement according to claim 6, characterized in that it is very expensive. zeichnet, daß die Konvexlinse (SL) Bereiche unter- 40 Eine andere nicht auf dem Schleifringprinzip beru-indicates that the convex lens (SL) areas under 40 Another does not rely on the slip ring principle. schiedlicher Krümmungsradien aufweist. hende Übertragungsanordnung zeigt die F i g. 4 der US-having different radii of curvature. The current transmission arrangement is shown in FIG. 4 of the US 8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn- PS 40 27 945, bei der ein Dove- oder Pechan-Prisma als zeichnet, daß die Konvexlinse (L) Bereiche unter- reflektierender und refraktierender Körper in die schiedlicher Brechungsindizes(n\...n^)aufweist. Kopplungsstrecke eingebaut ist, welches mit der haiben8. Arrangement according to claim 6, characterized in PS 40 27 945, in which a Dove or Pechan prism is characterized as that the convex lens (L) areas of reflecting and refracting bodies in the different refractive indices (n \ ... n ^) . Coupling section is built in, which with the haiben 9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 45 Umlaufgeschwindigkeit um die Drehachse rotiert. Sendadurch gekennzeichnet, daß das koaxial zur opti- der und Empfänger sind axial gerichtet über den Radius sehen Achse liegende mittlere Lichtstrahlenbündel ■ einer die Strahlen parallelisierenden bzw. fokussierenvon der dem Lichtsender vorgeschalteten Linse (L 3) den Linse angeordnet Auch dieser Aufbau ist relativ direkt auf den Lichtempfänger fokussiert wird und aufwendig, wobei insbesondere dafür gesorgt werden das optische Übertragungselement im Mittelbereich 50 muß, daß alle über das Prisma geführten Kanäle gegenoptisch unwirksam ist. seitig entkoppelt sind.9. Arrangement according to one of claims 1 to 8, 45 rotational speed rotates around the axis of rotation. Sendadurch in that the optical coaxially to the receiver is directed axially see over the radius axis lying average light beam ■ a radiation parallelizing or fokussierenvon of the light emitter upstream lens (L 3) is arranged the lens, this structure is also relatively directly to the light receiver is focused and expensive, with the optical transmission element in the central region 50 having to be ensured in particular that all the channels guided over the prism are optically ineffective. are decoupled on both sides. 10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, Schließlich zeigen die Fig. 5 und 6 der US-PS dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbündeldurch- 40 27 945 ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Kanäle messer groß ist gegenüber dem Durchmesser der zwar räumlich getrennt verlaufen, infolge der sich wäh-Empfangslichtleiter (LWL5; LWL6), die den 55 rend des Umlaufs jedoch ändernden Übertragungs-Drehpfad der Bündel kreuzen. strecke unerwünschte Laufzeitunterschiede ergeben.10. The arrangement according to one of claims 1 to 9, finally, FIGS. 5 and 6 of the US-PS, characterized in that the light beam diameter 40 27 945 is an embodiment in which the channels knife is large compared to the diameter of the spatially separated run, as a result of the selected receiving light guides (LWL 5; LWL6), which cross the transmission rotation path of the bundle, which changes however at the end of the cycle. route result in undesirable runtime differences. Hierbei werden nämlich die in Umfangsrichtung in ei-Here, namely, in the circumferential direction in one nen Ring eingekoppelten und in diesem Ring wiederholtNEN ring coupled and repeated in this ring total reflektierten Strahlen über einen Reflektor axial 60 ausgekoppelt, wobei sich infolge der gegenseitigen Dre-totally reflected rays coupled out axially 60 via a reflector, whereby due to the mutual rotation Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur hung der Abstand zwischen Einkoppelstelle und Aus-Übertragung von mehreren Lichtkanälen zwischen koppelstelle ändert.The invention relates to an arrangement for increasing the distance between coupling point and output transmission of several light channels between coupling point changes. zwei relativ zueinander um eine gemeinsame Drehachse Die Erfindung geht aus von einer Übertragungsan-two relative to each other around a common axis of rotation The invention is based on a transmission application rotierenden Bauteilen, bei der die optische Energie der Ordnung gemäß der oberbegrifflichen Fassung des Paeinzelnen Senderlichtquellen individuell auf zugeordne- 65 tentanspruchs 1 mit Refraktoren, wie dies aus den beite Lichtempfänger über als optische Refraktoren ausge- den zuletzt beschriebenen Ausführungsbeispiclen der bildete Übertragungselemente übertragen wird. US-PS 40 27 945 bekannt ist.rotating components, in which the optical energy of the order according to the generic version of the individual transmitter light sources assigned individually to zugeordne- 65 tentanspruchs 1 with refractors, as shown in the two light receivers selected as optical refractors of the last-described exemplary embodiments transmission elements formed is transmitted. US-PS 40 27 945 is known. Nachdem in der Nachrichtentechnik Lichtleitsysteme Ausgehend von diesem Stand der Technik, liegt derAfter light control systems based on this state of the art in communications engineering, the
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