DE3346342A1 - Optische kopplungsvorrichtung mit drehkupplung - Google Patents
Optische kopplungsvorrichtung mit drehkupplungInfo
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Description
PRINZ, LEISER,. BUNKE & PARTNER
Patentanwälte European Patent Attorneys
München Stuttgart
22. Dezember 1983
THOMSON - CSF
173, Bd. Haussmann
75008 PARIS / Frankreich
Unser Zeichen: T 3661
Optische Kopplungsvorrichtung mit Drehkupplung
Die Erfindung betrifft eine optische Kopplungsvorrichtung mit Drehkupplung für optische Übertragungen zwischen
Empfänger- und/oder Sendeeinrichtungen, von denen die
eine mit einem feststehenden Aufbau und die andere mit
einem um eine Achse rotierenden Aufbau fest verbunden ist.
Empfänger- und/oder Sendeeinrichtungen, von denen die
eine mit einem feststehenden Aufbau und die andere mit
einem um eine Achse rotierenden Aufbau fest verbunden ist.
Eines von mehreren Anwendungsbeispielen ist der Datenaustausch zwischen einer zentralen Datenverarbeitungseinheit
und peripheren Einheiten, die fest mit einer Drehantenne in bestimmten Arten von Radaranlagen verbunden sind.
Der Austausch kann in einer oder in beiden Richtungen erfolgen, und zwar, je nach Anwendungsfall, über einen einzigen
Weg, wobei eine Multiplexiertechnik angewendet wird, oder über mehrere getrennte Wege.
?■
Außer den Verbindungen auf optischem Wege kann ein Verbindungskanal
weitere Arten von Verbindungen herstellen: z.B. die übertragung von elektrischen Signalen über ein
Koaxialkabel oder über einen Wellenleiter.
Schließlich ist es erforderlich, die mit dem rotierenden Aufbau fest verbundenen Einheiten mit elektrischem Strom
zu versorgen. Diese Stromversorgung erfolgt über Kabel, die im allgemeinen hohe Ströme führen müssen, welche über
den Verbindungskanal geführt werden.
Dabei ist es erforderlich, Kollektoren mit Drehringen oder dgl. vorzusehen, um den elektrischen Kontakt zwischen
feststehenden oder rotierenden Teilen aufrechtzuerhalten.
Neben weiteren Vorzügen, die den optischen Verbindungen zu eigen sind, insbesondere die durch sie ermöglichte
hohe Übertragungsrate, wird der Einsatz von derartigen Verbindungen dadurch gerechtfertigt, daß sie größtenteils
von den unvermeidlichen elektromagnetischen Störungen frei sind, z.B. Störungen aufgrund von Kontaktfehlern an
den rotierenden Kontakt- oder Schleifringen.
Insbesondere werden optische Verbindungen mittels Lichtleitfasern hergestellt, die miteinander durch eine Drehkupplung
gekoppelt sind. Im allgemeinen enthält eine solche Vorrichtung zwei gegeneinander um eine Achse verdrehbare
Endstücke, in denen jeweils eine Lichtleitfaser oder ein Bündel von solchen Fasern festgelegt ist, wobei
diese Ende gegen Ende so angeordnet sind, das an ihren miteinander zu koppelnden Enden ihre Ausbreitungsachsen
mit der Rotationsachse zusammenfallen.
Eine solche Einrichtung ist jedoch nicht frei von Mängeln. Es ist nämlich erforderlich, eine hohe Präzision hinsichtlich
der Ausrichtung der beiden Lichtleitfasern oder Faserbündel einzuhalten, gleich welche relativen Stellungen
die beiden Endstücke um ihre Rotationsachse einnehmen. Es
ist weiterhin von größter Bedeutung, eine hochwertige optische Kopplung zu gewährleisten, um Ubertragungsverluste
möglichst gering zu halten. Dies führt zu einer erforderlichen Fertigungspräzision bei den mechanischen
Teilen in der Größenordnung von 1 Mikrometer, insbesondere für Verbindungen über optische Monomode-Fasern. Die
Schwierigkeiten werden weiter erhöht, wenn es sich um bewegte Teile handelt, denn es müssen Verschleiß und
mechanisches Spiel beachtet werden, um der zeitlichen Entwicklung der Toleranzen Rechnung zu tragen.
Es kann ferner vorteilhaft sein, den axialen Bereich des Verbindungskanals freizulassen, damit die oben aufgezählten
andersartigen Verbindungen hergestellt werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine die obigen Forderungen erfüllende optische Drehkopplungsvorrichtung
zu schaffen, die insbesondere optische Verbindungen über ein oder mehrere Bündel paralleler Strahlen mit
ringartigen Querschnittsformen gewährleisten, während der axiale Bereich für andere Anwendungen frei bleibt;
insbesondere soll bei einer solchen Vorrichtung eine Vergrößerung der mechanischen Toleranzen erreicht werden.
Durch die Erfindung wird eine optische Kopplungsvorrichtung geschaffen, die zwei mechanisch durch eine Drehkupplung
gekoppelte Endstücke umfaßt und dadurch gekennw
zeichnet ist, daß sie wenigstens enthält:
- optoelektronische Mittel zur Erzeugung wenigstens eines Ubertragungsbündels mit parallelen Strahlen und ringförmigem
Querschnitt sowie einer Ausbreitungsrichtung entlang einer Achse, die senkrecht zur Rotationsachse
der Drehkupplung ist;
- einen ersten ebenen Spiegel, der fest mit einem ersten Endstück verbunden und um einen Winkel von π/2 Radian
geneigt ist sowie wenigstens ein Ubertragungsbündel vollständig entgegennimmt und zu dem zweiten Endstück
in einer Richtung weiterüberträgt, die parallel zur Ausbreitungsachse ist, so daß die optische Kopplung
hergestellt wird;
- einen zweiten, mit dem zweiten Endstück fest verbundenen ebenen Spiegel, der um einen Winkel von ττ/4 Radian
gegenüber der Rotationsachse geneigt ist und dieses Bündel vollständig entgegennimmt und in einer Richtung
weiterüberträgt, die senkrecht zur Rotationsachse ist;
- und optoelektronische Mittel zum Auffangen und zur Detektion dieses Bündels;
und daß die Drehkupplung eine auf die Rotationsachse zentrierte Öffnung umfaßt, deren minimale Abmessung
größer als der größte Außendurchmesser der erzeugten Übertragungsbündel ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In. der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer optischen Kopplungsvorrichtung
mit Drehkupplung;
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines optischen Wandlers;
Fig. 3 eine erste Ausführungsvariante;
Fig. 4 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsvariante ;
Fig. 5 eine Schnittansicht eines optischen Wandlerelements
gemäß einer weiteren Ausführung;
Fig. 6 eine Variante der in Fig. 5 gezeigten Anordnung;
Fig. 7 eine schematische Gesamtansicht, aus der hervorgeht,
daß der axiale Bereich der Vorrichtung frei bleibt;
Fig. 8 einen senkrechten Querschnitt des Bündels am Ausgang eines Wandlers;
Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel einer Kopplungsvorrichtung mit Drehkupplung für eine Mehrzahl von übertragungswegen
und
Fig. 10 eine weitere Ausführungsform der Kopplungsvorrichtung.
Die in Fig. 1 gezeigte Kopplungsvorrichtung enthält zwei Endstücke 1 , 2, die gegeneinander um eine Achse Δ drehbeweglich
sind. In der folgenden Beschreibung wird willkürlich angenommen, daß das Endstück 1 im Räume festliegt
und beispielsweise fest mit dem Aufbau einer Anlage verbunden ist.
Das Endstück 2 ist seinerseits fest mit einem rotierenden
Aufbau verbunden, z.B. mit dem Aufbau einer rotierenden Antenne in einer Radaranlage.
Die beiden Endstücke 1 und 2 sind mechanisch in herkömmlicher Weise über eine Drehkupplung 3 oder dgl. miteinander
gekoppelt.
Die meisten herkömmlichen Vorrichtungen mit Drehkupplung stimmen insoweit mit der obigen Vorrichtung überein.
Ein Hauptmerkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht
darin, daß die übertragung zwischen den beiden Endstücken 1 und 2 auf optischem Wege mittels eines Bündels F. paralleler
Strahlen erfolgt, dessen Querschnitt ringförmig ist und dessen Symmetrieachse mit der Rotationsachse Δ
übereinstimmt. Das Bündel hat also die Form eines "Lichtrohres" mit dem Innendurchmesser R. und dem Außendurchmesser
R .
Was die Drehkupplung 3 anbetrifft, so muß lediglich beachtet werden, daß sie eine öffnung 30 aufweist, die auf die
Achse Δ zentriert ist und deren Abmessungen größer sind als der Außendurchmesser des ringförmigen Bündels F,.
Gemäß einem wesentlichen Merkmal umfaßt die Vorrichtung ferner ebene Spiegel M-, und M2, die im Endstück 1 bzw. 2
angeordnet und um einen Winkel von ττ/4 Radian gegenüber der Rotationsachse Δ geneigt sind, um das Übertragungsbündel F. in die Richtung von zwei Achsen Δ.. und Δ~ umzu-
lenken, die senkrecht zur Achse Δ sind.
Um den axialen Bereich freizulassen, sind gemäß einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung die Spiegel jeweils
mit einer zentralen öffnung 10 bzw. 20 versehen. Die Projektionen dieser zentralen öffnungen 10 und 20 auf eine
zur Achse Δ senkrechte Ebene müssen in einen Kreis eingeschrieben sein, dessen Radius höchstens gleich dem Radius
R- ist. In gleicher Weise sind die Abmessungen der Spiegel
so bestimmt, daß sie die Gesamtheit des Bündels F, aufnehmen. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die
Spiegel ringförmig ausgebildet.
Zur Vervollständigung dieser Einheit muß wenigstens, wenn eine Übertragung in einer Richtung erfolgen soll, sendeseitig
ein optisches Element vorgesehen sein, das imstande ist, ein· Bündel paralleler Strahlen und mit ringförmigem
Querschnitt aus dem von der Lichtquelle gesendeten Lichtbündel zu bilden.
IZ
Für die beabsichtigten Anwendungen der übertragung auf
optischem Wege werden im allgemeinden Laser-Lichtquellen verwendet, die ein Bündel paralleler Strahlen mit kreisförmigem
Querschnitt abgeben, z.B. Gaslaser-Lichtquellen, oder ein divergierendes Bündel abgeben, wie dies bei Halbleiterlasern
oder der Austrittsfläche einer Lichtleitfaser der Fall ist. Diese optischen Elemente zur Umwandlung
des Bündels sind in Fig. 1 mit 11 und 21 bezeichnet.
Zur Verdeutlichung wird angenommen, daß die optische Verbindung in nur einer Richtung zwischen einem Sender 12,
der in dem feststehenden Teil 1 der Anlage angeordnet ist, und einem Empfänger 22 in dem beweglichen Teil 2 erfolgt.
Ferner wird angenommen, daß die über Lichtleitfasern f..
bzw. f~ verwirklichten Zwischenverbindungen den Sender 12 mit dem optischen Element 11 bzw. den Empfänger 22 mit
dem optischen Element 21 verbinden.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die optischen Elemente 11 und 21 dazu bestimmt, ein Bündel
paralleler Strahlen und mit ringförmigem Querschnit in ein Bündel aus parallelen Strahlen und mit kreisförmigem
Querschnitt umzuwandeln und umgekehrt.
In herkömmlicher Weise ist es ferner vorgesehen, das divergierende
Bündel am Ausgang der Lichtleitfaser f. in ein zylindrisches Bündel mittels einer Linse oder eines
Linsensystems L1 umzuformen. In gleicher Weise wird das
zylindrische Bündel am Austritt des optischen Elementes 11 auf die Eintrittsfläche der Lichtleitfaser f_ mittels
einer zweiten Linse oder eines zweiten Linsensystems L„
fokussiert.
Eine vereinfachte Ausführungsform der optischen Elemente
11 und 21 besteht aus einer einfachen Blende mit dem Radius R., welche den zentralen Bereich des zylindrischen
Bündels abdeckt. In der Praxis ist jedoch eine
/3
solche Ausführungsform ungeeignet, denn sie verursacht
Energieverluste, die proportional zum Verhältnis der Querschnittsflächen des abgedeckten und des durchgelassenen
Bündelteils sind. Ferner ist es erforderlich, eine Einrichtung zur Vergrößerung des Bündeldurchmessers
vorzusehen, so daß die auftreffenden Lichtbündel einen
Querschnitt mit dem Außendurchmesser 2 R haben.
Ein Ausführungsbeispiel für ein optisches Element, wel-
ches das Lichtbündel umformt, ist in Fig. 2 dargestellt,
Es handelt sich um ein optisches Element, das unter der Bezeichnung "Axicon" bekannt ist.
In der folgenden Beschreibung soll angenommen werden, daß es sich um das in Fig. 1 gezeigte Element 11 handelt,
wobei das Element 21 in gleicher Weise ausgebildet sein kann.
Das optische Element bzw. Axicon 11 umfaßt einen Kegel
und einen Spiegel 110, der aus einem rotationssymmetrischen
Abschnitt besteht, dessen Innenwandung 1100 bei der Wellenlänge des von der Laser-Lichtquelle 12 abgegebenen
Lichtbündels reflektiert.
Die Achsen des Kegels 111 und des Spiegels 110 fallen mit
der Achse Δ.. zusammen.
Die Neigungswinkel der reflektierenden Oberflächen, der
Innenoberfläche 1100 des kegelstumpfförmxgen Spiegels 110
und der Oberfläche 1110 des Kegels 111, die der Oberfläche 1100 gegenüberliegt, müssen so gewählt werden, daß
das austretende Bündel F des optischen Elementes 11 sich nach Reflexion und Teilung an der Oberfläche 1110
sowie erneuter Reflexion an der Oberfläche 1100 in einer Richtung ausbreitet, die im wesentlichen parallel zur
Achse Δ. ist.
Die beiden Neigungswinkel können z.B. gleich π/4 Radian gewählt werden.
Der Abstand zwischen den beiden reflektierenden Oberflächen bestimmt den Radius R , unter Beri
Querschnitts des ankommenden Bündels F.
chen bestimmt den Radius R , unter Berücksichtigung des
1 *
Der Zusammenbau der verschiedenen Elemente, aus denen das "Axicon" besteht, kann in jeder geeigneten Form erfolgen.
Fig. 3 zeigt eine erste praktische Ausführungsform. Der
Kegel 111 ist fest mit dem kegelstumpfförmigen Spiegel 11 0
über zwei Stangen 112, 113 verbunden, die einen geringen
Querschnitt aufweisen und vorzugsweise diametral in bezug auf den Scheitel O einander gegenüberliegen, sowie nach
einer Achse Δ1 ausgerichtet sind, die senkrecht zur Achse
A1 ist. Wegen des geringen Querschnitts der Stangen 112
und 113 wird nur ein sehr kleiner Bruchteil der über das Bündel F- transportierten Energie aufgefangen.
Fig. 4 zeigt im Querschnitt eine zweite Ausführungsform des optischen Elementes 11. Der kegelstumpfförmige Spiegel
110 umfaßt in der Verlängerung seiner Austrittsfläche
1101 eine Ringnut 1102 zur Aufnahme einer Platte 114 mit
parallelen Hauptflächen. Diese Platte muß bei der Wellenlänge der von der Laser-Lichtquelle 12 abgegebenen Strahlung
durchlässig sein.
Ferner muß diese Platte auf ihren beiden Hauptflächen
antireflektierend behandelt sein.
Der Kegel 111 ist beispielsweise über eine Schraubverbindung
115 in der Mitte der Platte 114 so befestigt, daß
sein Scheitel O auf der Achse Δ.. liegt. Diese Anordnung
ist zwar etwas umfangreicher, hat jedoch den Vorteil, daß sie eine genauere Befestigung und Zentrierung des Kegels
111 ermöglicht, der auf einer ebenen Basisfläche ruht,
und daß keinerlei Anteil des Lichtbündels aufgefangen wird, im Gegensatz zu der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform,
bei der ein Bruchteil des ringförmigen Lichtbündels Ft von den Stangen 112 und 113 aufgefangen wird.
Es ist zu beachten, daß die von dem optischen Element 11 auf die Form der Lichtübertragung ausgeübte Wirkung nicht
von der Übertragungsrichtung abhängt. Wenn eine Ubertragung in nur einer Richtung erfolgt, wie in Fig. 1 dargestellt,
so hat also das optische Element 21 die reziproke Wirkung und transformiert das ankommende Lichtbündel F,,
das einen ringförmigen Querschnitt aufweist, in ein zylindrisches Bündel F».
Wenn eine übertragung in zwei Richtungen erfolgt, so führen
beide optischen Elemente 11 und 21 die beiden Umformungen
durch.
Ferner ist zu beachten, daß bei Verwendung von zwei optisehen
Umformungselementen vier Reflexionen des Bündels auftreten, nämlich zwei in jedem Element, und zwar zusätzlich
zu den Reflexionen an den ebenen Spiegeln M1
und M2.
Ein typischer Reflexionskoeffizient liegt in der Größenordnung
von etwa 0,95. Daraus folgt, daß der äquivalente Reflexionskoeffizient für die beiden optischen Elemente
11 und 21 gleich 0,8 ist. Durch Anwendung weiterer Maßnahmen können die Reflexionsverluste vermindert werden.
Fig. 5 zeigt im Querschnitt eine weitere Ausführungsform eines optischen Umformungselementes 11', durch welches
der Wirkungsgrad verbessert bzw. die Energieverluste vermindert werden. Die allgemeine Anordnung ist die des
"Axicons", welches jedoch als ein einziger Prismablock ausgebildet ist, der mit Totalreflexion arbeitet. Der
Block aus einem lichtbrechenden Material ist einerseits
Ab
zwischen zwei parallele Ebenen eingeschrieben, welche die Eintritts- und/oder Austrittsfläche 116 bzw. 117 des optischen
Umformungselementes 11' bilden, und andererseits
zwischen zwei Oberflächen eingeschrieben, von denen die erste 1110* konisch und die zweite 11001 kegelstumpfförmig
ist und deren Achsen mit der Achse Δ zusammenfallen. An diesen beiden Oberflächen werden die Lichtstrahlen
reflektiert, entsprechend den reflektierenden Oberflächen 1110 und 1100 (Figuren 2 bis 4), mit einem Reflexionskoeffizient,
der nahe 1 ist. Die auf Störreflexionen an den Eintritts- und /oder Austrittsflächen 116 bzw.
beruhenden Verluste können minimal gehalten werden, indem eine übliche Antireflexbehandlung vorgenommen wird.
Der Reflexionskoeffizient kann wesentlich kleiner als 1% gemacht werden.
Der innere Radius R. des ringförmigen Lichtbündels F. hängt nur vom Radius der Eintrittsfläche 116 ab, unter
der Annahme, daß der Scheitel O der kegelförmigen Oberfläche 1110' in der Oberfläche 116 liegt, die bei dem
gezeigten Ausführungsbeispxel die Eintrittsoberfläche des Bündels F1 ist. Der Radius R. hängt allgemein nur
von dem Abstand zwischen den beiden Oberflächen 11001
und 1110' ab.
Der äußere Radius R des Bündels F, hängt einerseits vom Radius R1 des zylindrischen Bündels F1 und andererseits
vom Abstand zwischen den beiden reflektierenden Oberflächen ab.
Es ist auch möglich, die Eintritts- und/oder Austrittsfläche oder beide Flächen um eine gleichförmige Dicke
aus lichtbrechendem Material zu verlängern. Diese Ausführungsvariante ist in Fig. 6 gezeigt. Die kegelförmigen
ümfangsflachen 1110' und 1100' des einen einzigen
Block bildenden Prismas 11' sind durch "Platten" 118 und 119 aus lichtbrechendem Material verlängert. Die so
gebildeten Eintritts- und/oder Austrittsflächen 116', 11 7 '
müssen natürlich zueinander parallel, und senkrecht zur Achse Δ. bleiben. Ferner bleibt der Scheitel 0 der kegelförmigen
Oberfläche 1110.1 auf die Achse Δ., zentriert.
5
Die Elemente 12 und 2 2 (Fig. 1) zum Senden und/oder Empfangen der Lichtenergie können sendeseitig Laserdioden
oder Leuchtdioden und empfangsseitig Photodioden vom PIN-Typ oder Lawinen-Photodioden enthalten. Es kann auch
ein optoelektronisches Bauteil verwendet werden, das alternativ als Sender und als Lichtdetektor bei derselben
Wellenlänge arbeiten kann. Ein solches Bauteil ist vorzugsweise die in der FR-PS 2 396 419 beschriebene Halbleiterdiode.
Diese Halbleiterdiode sendet, in Vorwärtsrichtung polarisiert, Licht aus, während sie in Sperrrichtung
polarisiert Licht von derselben Wellenlänge erfaßt.
Eines der Hauptmerkmale der Erfindung besteht darin, daß der axiale Bereich freigelassen ist, also ein Zylinder
mit dem Radius R.. Dieses Merkmal kann ausgenutzt werden, um über diesen freibleibenden Kanal elektrische Signale
zu übertragen.
Fig.-7 zeigt eine derartige Ausbildung.
In der Praxis bilden die Teile 1 und 2 der in Fig. 1 beschriebenen Vorrichtung nur die Endstücke eines optischen
Kopplers, wobei diese Endstücke z.B. mit einem feststehenden Aufbau 4 bzw. beweglichen Aufbau 5 verbunden
sind. Die Drehkupplung 3 dient natürlich nur dazu, die gegenseitige Beweglichkeit der beiden Endstücke 1
und 2 zu gewährleisten. Der bewegliche Aufbau 5, z.B. der Antennenmast einer Radaranlage, ist in keiner Weise durch
die Drehkupplung 3 gelagert, sondern über geeignete (in Fig. 7 nicht dargestellte) Mittel.
AS
Ein Ausführungsbeispiel für eine Struktur, die im Rahmen
der Erfindung angewendet werden kann, ist in der französischen Patentanmeldung 2 448 728 beschrieben.
Die elektrischen Signale werden bei dem gezeigten Ausfüh rungsbeispiel über eine Koaxialleitung übertragen, die
in zwei Abschnitte C1 und C_ aufgeteilt ist, welche nach der Rotationsachse Δ ausgerichtet sind.
in zwei Abschnitte C1 und C_ aufgeteilt ist, welche nach der Rotationsachse Δ ausgerichtet sind.
Der übergang zwischen diesen beiden Koaxialkabelabschnit
ten ist durch eine zusätzliche Drehkupplung 6 gewährleistet, welche zwischen den beiden Spiegeln M1 und M~· ange
ordnet ist, vorzugsweise in dem Raum 30, der im Bereich
der Drehkupplung 3 freibleibt. Das Koaxialkabel muß ausreichend starr sein, um jegliche zu starke Durchbiegung
zu vermeiden, durch die ein Teil des Lichtbündels F. auf gefangen würde, insbesondere durch die Drehkupplung 6.
der Drehkupplung 3 freibleibt. Das Koaxialkabel muß ausreichend starr sein, um jegliche zu starke Durchbiegung
zu vermeiden, durch die ein Teil des Lichtbündels F. auf gefangen würde, insbesondere durch die Drehkupplung 6.
. Mittel; 40 und 41 zum Spannen und Halten des Kabels sind
· an den Durchgangsstellen durch die Wandungen der "Endstücke 1 und 2 vorgesehen.
· an den Durchgangsstellen durch die Wandungen der "Endstücke 1 und 2 vorgesehen.
Die Aussendung und die Verarbeitung .der elektrischen Signale
erfolgen außerhalb der Endstücke 1 und 2 durch
herkömmliche Einrichtungen.
herkömmliche Einrichtungen.
Gleiches kann für die optischen Signale gelten, wie bei
der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform treten die Lichtleitfasern f.. und f„ aus
den Endstücken 1 und 2 aus, um an nicht dargestellte Mit tel zum Senden und/oder Empfangen von Lichtenergie angekoppelt zu werden.
der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform treten die Lichtleitfasern f.. und f„ aus
den Endstücken 1 und 2 aus, um an nicht dargestellte Mit tel zum Senden und/oder Empfangen von Lichtenergie angekoppelt zu werden.
Das Koaxialkabel (C1, C2) kann durch jegliche andere
Art einer Verbindung ersetzt werden, z.B. durch einen
Wellenleiter. .
Art einer Verbindung ersetzt werden, z.B. durch einen
Wellenleiter. .
Die beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung weist insbesondere
die folgenden Vorteile auf:
- Verfügbarkeit der Rotationsachse; 5
- leichte Anpassung der Größe des Hohlzylinders aus dem durch die Luft übertragenen Licht durch entsprechende
Bemessung der geometrischen Abmessungen der verwendeten optischen Elemente: Linsen L- und L2, Spiegel ML und M2
sowie Bündelumformungselemente 11 und 21;
- Vergrößerung der mechanischen Toleranzen verglichen mit denen bei optischen Drehkupplungen bekannter Art, aufgrund
der Vergrößerung des Durchmessers des übertragenen optischen Bündels;
- geringe Energieverluste, selbst bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform.
Bei dieser Ausführungsform wird nämlich das Bündel F. zweifach von
aufgefangen.
aufgefangen.
zweifach von den Abschnitten C, und C2 des Koaxialkabels
Fig. 8 zeigt einen zur Achse A1 des Bündels F. am Austritt
des Optischen Elementes 11 senkrechten Querschnitt. Ein Teil der durch das Bündel F. übertragenen Lichtenergie
wird durch den Kabelabschnitt C1 auf einer Breite d aufgefangen. Diese Erscheinung wiederholt sich nach Reflexion
des Bündels F, an dem Spiegel M2. Die aufgefangene
Energie hängt von den Durchmessern der Kabelabschnitte C^ und C2 ab, von denen angenommen wird, daß sie gleich
sind, sowie von dem Verhältnis zwischen den Radien R. und
Der maximale Ubertragungsverlust in dB ist durch folgende
Formel gegeben:
Zo
π (R 2 - R.2)
P11 = ίο log e e '
M π (R 2 - R.2) -2 (R -R.)d
e ι e ι
worin d der gemeinsame Durchmesser der Koaxialkabelabschnitte C1 und C- ist.
Wenn der von dem Kabelabschnitt oder Wellenleiterabschnitt C1 verursachte Schatten mit dem des Abschnitts C2 in
Deckung gebracht wird, vermindern sich die übertragungsverluste auf:
κ-2-**2
P' = 10 log ( *=j
(Re Ri } " (Re ' RP d
Als Beispiel seien typische Werte dieser Verluste angegeben: d = 2 cm, R^ = 4 cm, Re = 8 cm; hierfür ergibt
sich PM=0,49 dB bzw. Ρ'Μ^0,24 dB.
Die obigen Werte können durch experimentelle Ergebnisse bestätigt werden. Ferner wird festgestellt, daß die sich
durch Drehung ergebenden Schwankungen eine geringe Größe haben und die optische übertragung kaum beeinträchtigen,
insbesondere wenn diese mit digital codierten oder frequenzmodulierten
Lichtwellen erfolgt.
Es wurde bisher implizit angenommen, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung die übertragung in nur einem Informationskanal
ermöglicht. Durch Anwendung der üblichen Zeit- oder Frequenz-Multiplexiertechnik unter Anwendung von verschiedenen
Wellenlängen können aber zwei oder allgemein mehrere Signale gleichzeitig oder nacheinander übertragen
werden.
Die Anwendung von unterschiedlich polarisierten Lichtwellen, z.B. zwei Lichtwellen mit zueinander parallelen
Polarisationsrichtungen, ermöglicht ferner die übertragung
J 33463A2
von mehreren verschiedenen Signalen. Zu diesem Zweck werden Polarisator/Analysator-Sätze verwendet.
Gemäß einem weiteren Vorteil der Erfindung wird überdies die Erzeugung von mehreren physisch getrennten Übertragungskanälen
ermöglicht.
Ein erstes Ausführungsbeispxel einer Kopplungsvorrichtung mit Drehkupplung für mehrere Kanäle ist schematisch in
Fig. 9 gezeigt.
Ein erster Satz von zwei Spiegeln M11 und M21, die um
π/4 Radian gegenüber der Rotationsachse Δ geneigt sind, ermöglicht die Bildung eines ersten optischen übertragungskanals
über ein Übertragungsbündel F .. aus parallelen Strahlen und mit ringförmigem Querschnitt sowie mit dem
Innendurchmesser R.1 und Außendurchmesser R 1. Die Spiegel
M11 und M12 reflektieren das Lichtbündel Ft1 um einen
Winkel von π/2 Radian. Die umgelenkten Bündel breiten sich längs den Achsen A11 und Δ21 senkrecht zur Achse Δ aus.
Insoweit ist die Ausbildung gleich der in Fig. 1 für das Bündel F. und die Spiegel M1, M2 gezeigten.
Ein zweiter optischer Übertragungskanal wird mittels zwei Spiegeln M12 und M22 gebildet, die ebenfalls um π/4 Radian
gegenüber der Achse Δ geneigt sind, so daß sie ein zweites Übertragungsbündel F.2 aus parallelen Strahlen und mit
ringförmigem Querschnitt sowie mit dem Innendurchmesser R>2 und Außendurchmesser R 2 in seine Einfallsrichtung
zurück umlenken. Die so umgelenkten Lichtbündel breiten sich längs den Achsen Δ12 und Δ2_ aus, die senkrecht zu
der Achse Δ sind.
Paare von Bündel-Umformelementen (in Fig. 9 nicht dargestellt)
nehmen die umgelenkten Lichtbündel in gleicher Weise wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 auf. Ferner
sind Sende- und/oder Empfangselemente für Lichtenergie
Zl
vorgesehen, die aber zur Vereinfachung nicht dargestellt
sind. Die Funktion dieser Elemente stimmt völlig mit der im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen überein.
Damit die Vorrichtung korrekt arbeitet, ist es erforderlich, daß folgende Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind:
b) die Gesamtabmessungen der Spiegel M-., und M^1, projiziert
auf eine zur Achse Δ senkrechte Ebene, müssen kleiner als R>2 sein;
c) die Spiegel M1- und M-. einerseits sowie die Spiegel
M12 un(3 M22 andererseits müssen entlang der Achse Δ so
angeordnet werden, daß sie nur das für sie bestimmte Übertragungsbündel F1 bzw. F,- auffangen;
d) die Projektionen der zentralen Öffnungen der Spiegel
auf eine zur Achse Δ senkrechte Ebene, nämlich 101 und
20
201 für die Spiegel M11 und M31 sowie 102 und 202 für
die Spiegel M31 und M32, müssen kleiner als R... und R-2
oder gleich diesen Werten sein.
Die Anzahl von getrennten Kanälen ist natürlich nicht auf 25
zwei beschränkt. In Fig. 9 ist die Ausbreitungsrichtung der Lichtbündel jeweils willkürlich angegeben. Die Über-.
tragung kann auch bidirektional erfolgen. Schließlich kann auch bei allen Übertragungskanälen'oder einem Teil
derselben eine Zeit- oder Frequenz-Multiplexierung vorgenommen werden.
Die Orientierungen der Spiegel M11 bis M„„ um die Achse Δ
herum, und folglich die Winkelverschiebungen zwischen den
Achsen A11 bis A„_ in einer zur Achse Δ senkrechten Ebene
sind ebenfalls willkürlich angegeben und können von Anwender zweckmäßig bestimmt werden.
- ys -
Der Aufbau der beschriebenen Vorrichtung ermöglicht eine
starke Entkopplung zwischen den Ubertragungskanälen und vermindert das Übersprechen zwischen diesen Kanälen auf
ein Minimum. Es werden bei dieser Ausführungsform jedoch
zwei Paare von geneigten Spiegeln benötigt. Es ist möglich, dieses Erfordernis zu vermeiden, indem die in Fig.10
gezeigte Ausbildung gewählt wird. Dieselben Spiegel M1 und
M- wie in Fig. 1 dienen dazu, die verschiedenen Übertragungsbündel,
von denen in Fig. IJ zur Vereinfachung nur zwei Bündel F- und F _ gezeigt sind, in ihre Ursprungsrichtungen zurückzureflektieren.
Wie zuvor muß auch hier die Bedingung R1
< R.„ eingehalten werden, und die Abmessungen der zentralen Öffnungen
10 und 20 müssen derart gewählt sein, daß ihre Projektionen auf eine zur Achse Δ senkrechte Ebene kleiner als der
oder höchstens gleich dem Radius R11 sind.
Unter diesen Umständen sind zwei Paare von optischen EIeme..:en
zur Bündelumformung, nämlich 111 und 211 einerseits sowie 112 sowie 212 andererseits, in Kaskade entlang
den entsprechenden Achsen A1 und-Δ? angeordnet, nämlich
den Ausbreitungsachsen der Bündel F1 und F,„, welche
durch die Spiegel M1 und M„ umgelenkt werden. Diese Achsen
sind natürlich senkrecht zur Rotationsachse Δ.
Die optischen Elemente 111, 112, 211 und 212 formen die Übertragungsbündel F .. und F- mit ringförmigen Querschnitten
in Bündel F--, F12, F21 und F22 mit kreisförmigem
Querschnitt um, oder umgekehrt.
Die zuletzt genannten Bündel können wie bei den zuvor beschriebenen
Ausführungsformen mittels Fokussierlinsen L11,
L1-, L21 und L2- erzeugt und/oder aufgefangen werden,
die Lichtleitfasern F11, F-]2' F21' F22 zu9eordnet sind,
welche an Elemente zur Erzeugung und/oder Erfassung der Lichtenergie (nicht dargestellt) angekoppelt sind.
2Jf
Eine weitere zu beachtende Bedingung besteht darin, daß die Gesamtabmessungen der die Bündel umformenden optischen
Elemente 111 und 211, die dem 'Jbertragungsbündel F1 mit
dem kleinsten Querschnitt zugeordnet sind, kleiner als der Innendurchmesser (2 R._) des Übertragungsbündels F _
sind, so daß dieses nicht aufgefangen wird.
Unter diesen Umständen wird nur ein sehr geringer Bruchteil der Energie dieses iündels nach Reflexion an den
Spiegeln M. und M„ aufgefangen, nämlich einerseits durch
die Lichtleitfasern f.. und £y,r was vernachlässigbar
ist, und andererseits durch die Befestigungsmittel lür die optischen Elemente 111 und 211 an den Endstücken 1
und 2 (Figuren 1 und 7). Diese Befestigungsmittel 1110 und 2110 können aus dünnen Stäben bestehen, die im Räume
derart angeordnet werden, daß sie mit den Schatten zusammenfallen, die ein eventueller zentraler Verbindungskanal
erzeugt (Fig. 7: Kabelabschnitte C1 und C2). Ferner können
Befestigungsmittel verwendet werden, die bei Jen verwendeten Wellenlängen lichtdurchlässig .sind und die antireflexbehandelt
sind.
Durch Kombination der verschiedenen beschriebenen Strukturen können weitere Ausfüh.;ungsformen für eine Vielzahl
von Übertragungskanälen erhalten werden.
BAD ORIGINAL
- Leerseite -
Claims (11)
1.1 Optische'Kopplungsvorrichtung'mit zwei· Endstücken (1,
2), die mechanisch durch eine Drehkupplung (3) gekoppelt sind, welche eine Drehachse (Δ) aufweist, gekennzeichnet
durch wenigstens folgende Elemente:
5
5
- optoelektronische Mittel (12, f.., L-, 11) zur Erzeugung
wenigstens eines Übertragungsbündels (F,) aus parallelen Strahlen und mit ringförmigem Querschnitt, das sich entlang
einer zur Rotationsachse (Δ) senkrechten Achse (^1)
ausbreitet;
- einen ersten ebenen Spiegel (M..) , der fest mit einem
ersten Endstück (1) verbunden und um einen Winkel von π/2 Radian geneigt ist sowie wenigstens ein übertragungsbündel
(F.) in seiner Gesamtheit empfängt und zu dem zweiten Endstück (2) parallel zur Ausbreitungsachse (A1)
derart reflektiert, daß die optische Kopplung hergestellt wird;
- einen zweiten ebenen Spiegel (M2), der mit dem zweiten
Endstück (2) fest verbunden und um einen Winkel von ττ/4
Radian gegenüber der Rotationsachse (Δ) geneigt ist sowie dieses Übertragungsbündel (F.) in seiner Gesamtheit
entgegennimmt und es in einer Richtung (Δ_) reflektiert, die senkrecht zur Rotationsachse (Δ) ist;
10
- optoelektronische Mittel (21, L2, f2, 22) zum Aufnehmen
und zur Detektion dieses Übertragungsbündels (F.);
und ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Drehkupplung (3) eine Öffnung (30) aufweist, die auf die Rotationsachse (Δ)
zentriert ist und deren minimale Abmessung größer als der größte Außendurchmesser (2 R 2) der erzeugten übertragungsbündel
(F. ) ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die geneigten Spiegel (M.., M2) öffnungen (10, 20) aufweisen,
die auf die Rotationsachse (Δ) zentriert sind und deren maximale, auf eine zu dieser Achse (Δ) senkrechte
Ebene projezierten Abmessungen kleiner als der oder gleich dem kleinen Innendurchmesser (2 R^) der erzeugten übertragungsbündel
(F.) ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner einen Übertragungskanal (C1, C3)für elektrische
Signale aufweist, der mit einer Drehkupplung (6) versehen ist, welche auf die Rotationsachse (Δ) zentriert
ist, und daß der Querschnitt dieses Kanals eine maximale Abmessung aufweist, die kleiner ist als der größte Innendurchmesser
(2 R...) der erzeugten übertragungsbündel (F,).:
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optoelektronsichen Mittel zur Erzeugung
und zum Aufnehmen der Ubertragungsbündel (F ) optische Elemente (11, 21) zur Umformung der Ubertragungsbündel
enthalten, welche jeweils ein Bündel (F1 , F2) aus
parallelen Strahlen und mit kreisrundem Querschnitt, welches sich längs einer zur Rotationsachse (Δ) senkrechten
Achse (Δ-, Δ«) ausbreitet, in reziproker Weise umformt in
ein Bündel (F.) aus parallelen Strahlen und mit ringförmigem Querschnitt, welcher sich entlang derselben Achse
(Δ., Δ«) ausbreitet.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die optischen Elemente (11, 21) zur Umformung des
Übertragungsbündels jeweils aus einem Axicon gebildet sind, das einen Kegel (111) mit einer reflektierenden
Außenwandung (1110), dessen Umdrehungsachse mit der Ausbreitungsachse
(Δ-) der Bündel übereinstimmt, und einen Spiegel (110) enthält, welcher einen kegelstumpfförmigen
Hohlraum mit einer reflektierenden Wandung (1110)
enthält und dessen Umdrehungsachse mit der genannten , Ausbreitungsachse (A1) zusammenfällt; und daß die reflektierenden
Oberflächen (1100, 1110) einen Winkel von π/4
Radian mit dieser Achse (A1) bilden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente zur Umformung des Übertragungsbündels
aus Prismen mit Totalreflexion gebildet sind, welche die Form von Platten mit parallelen Flächen (116,
117) aus lichtbrechendem Material aufweisen und einen Hohlraum mit einer kegelförmigen Wandung (1110') enthalten,
dessen Umdrehungsachse mit der Ausbreitungsachse (A1) der Bündel übereinstimmt, und die an ihrem Umfang
durch eine kegelstumpfförmige Wandung begrenzt sind,
deren Umdrehungsachse ebenfalls mit der Ausbreitungsachse (A1) übereinstimmt, und daß die Wandungen (11001,
1110") Totalreflexionsoberflächen für Strahlen sind, die
sich im Inneren des lichtbrechenden Materials ausbreiten, und um einen Winkel von ir/4 Radian gegenüber dieser Ausbreitungsachse
(Δ-) geneigt sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optoelektronischen Mittel zur Erzeugung
und zum Auffangen des Ubertragungsbündels Lichtleitfasern (f.. , f2) enthalten, welche mit den Bündeln
(F , Fp) aus parallelen Strahlen und mit kreisrundem
Querschnitt durch Fokussierlinsen (L.., L3) gekoppelt
sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß sie wenigstens einen ersten Satz (f.., L11 , 111, 211, L31, f_..) sowie einen zweiten Satz
(f12, L12/ 112, 212, L32, f72) von optoelektronischen
Mitteln zur Erzeugung und zum Auffangen von Bündeins paralleler Strahlung und mit ringförmigem Querschnitt enthält,
um die zwei Endstücke (1, 2) durch wenigstens zwei konzentrische Übertragungsbündel (F 1, F 2) zu koppeln,
und daß die Innenradien (R.-, R.~) und Außenradien (R 1 ,
R 2) der ringförmigen Querschnitte der übertragungsbündel
so bestimmt sind, daß diese ringförmigen Querschnitte keinerlei gemeinsamen Teil aufweisen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen einzigen Satz von zwei Spiegeln (M1, M2)
enthält, die um einen Winkel von ir/4 Radian geneigt
sind und jeweils die Übertragungsbündel (F. .. , F, ~) in ihrer Gesamtheit aufnehmen und sie in sich selbst entlang
Richtungen (A1, Δ2) umlenken, die senkrecht zur
Rotationsachse (Δ) sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Satze von zwei Spiegeln (M11-M21, M-i2~M22)
enthält und daß jeder Spiegelsatz eines der Übertragungsbündel (F..,, F,~) auffängt und es in sich selbst entlang
Richtungen (Δ...- Δ--; Δΐ2~Δ22^ umlenkt, die senkrecht zur
Rotationsachse (Δ) sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Kopplung bidirektional
erfolgt und jedes Endstück (1, 2) optoelektronische
Mittel enthält, welche die gleichzeitigen Funktionen der Erzeugung und des Auffangens wenigstens eines
Übertragungsbündels (F.) erfüllen.
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