DE3346342C2

DE3346342C2 -

Info

Publication number: DE3346342C2
Application number: DE3346342A
Authority: DE
Inventors: Luigi Sceaux Fr D'auria; Philippe Dourdan Fr Richin
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1982-12-28
Filing date: 1983-12-22
Publication date: 1993-02-25
Also published as: FR2569861A1; NL8304463A; IT8368300A0; IT8354041V0; GB2163617B; FR2569861B1; IT1160139B; GB2163617A; DE3346342A1

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Kopplungsvorrichtung mit zwei Endstücken, die mechanisch durch eine Drehkupplung gekoppelt sind, welche eine Drehachse aufweist. Eine solche Kopplungsvorrichtung dient der optischen Übertragung 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.

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, daß 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 Übertragungsverluste 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 ist bereits aus der EP 35 054 A1 eine optische Kopplungsvorrichtung mit zwei Endstücken bekannt, die mechanisch durch eine Drehkupplung gekoppelt sind, welche eine Drehachse aufweist. Beide Endstücke sind mit je einer bikonvexen Linse ausgestattet, von denen die eine ein über eine Lichtleitfaser ankommendes Lichtbündel zu einem kreisrunden Strahl erheblich vergrößerten Durchmessers aufweitet und die andere diesen aufgeweiteten Strahl auf das Ende eines abgehenden Lichtwellenleiters konzentriert. Ferner ist aus der DE-OS 19 42 987 eine optische Kopplungsvorrichtung mit Drehkupplung bekannt, bei der das von einer Lichtquelle in dem einen Endstück ausgehende Licht durch einen Parabolspiegel auf einen ebenen Spiegel im anderen Endstück geworfen wird und das von diesem ebenen Spiegel reflektierte Lichtbündel auf das Ende eines Lichtwellenleiters trifft, der auf dem anderen Endstück aufgewickelt ist. Der ebene Spiegel ist unter etwa 45° zur Drehachse der Drehkupplung geneigt.

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 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 der eingangs angegebenen Art geschaffen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie wenigstens enthält:

- optoelektronische Mittel zur Erzeugung wenigstens eines Übertragungsbündels mit parallelen Strahlen und ringförmigem Querschnitt sowie einer Ausbreitungsrichtung enlang 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/4 rad gegen die Rotationsachse geneigt ist sowie wenigstens ein Übertragungsbündel 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 π/4 rad gegenüber der Rotationsachse geneigt ist und dieses Bündel vollständig entgegennimmt und in einer Richtung weiterüberträgt, die senkrecht zur Rotationsachse ist;
- und optoelektrische 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.

Einzelheiten mehrerer Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung 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 Raume 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_t 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_i und dem Außendurchmesser R_e.

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_t.

Gemäß einem wesentlichen Merkmal umfaßt die Vorrichtung ferner ebene Spiegel M₁ und M₂, die im Endstück 1 bzw. 2 angeordnet und um einen Winkel von π/4 Radian gegenüber der Rotationsachse Δ geneigt sind, um das Übertragungsbündel F_t in die Richtung von zwei Achsen Δ₁ und Δ₂ umzulenken, 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_i ist. In gleicher Weise sind die Abmessungen der Spiegel so bestimmt, daß sie die Gesamtheit des Bündels F_t 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.

Für die beabsichtigten Anwendungen der Übertragung auf optischem Wege werden im allgemeinen 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 f₁ bzw. f₂ 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 Querschnitt 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 f₁ 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 f₂ mittels einer zweiten Linse oder eines zweiten Linsensystems L₂ fokussiert.

Eine vereinfachte Ausführungsform der optischen Elemente 11 und 21 besteht aus einer einfachen Blende mit dem Radius R_i, welche den zentralen Bereich des zylindrischen Bündels abdeckt. In der Praxis ist jedoch eine solche Ausführungsformen 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_e haben.

Ein Ausführungsbeispiel für ein optisches Element, welches 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 111 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 Δ₁ zusammen.

Die Neigungswinkel der reflektierenden Oberflächen, der Innenoberfläche 1100 des kegelstumpfförmigen Spiegels 110 und der Oberfläche 1110 des Kegels 111, die der Oberfläche 1100 gegenüberliegt, müssen so gewählt werden, daß das austretende Bündel F_t 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 Δ₁ ist.

Die beiden Neigungswinkel können z. B. gleich π/4 Radian gewählt werden.

Der Abstand zwischen den beiden reflektierenden Oberflächen bestimmt den Radius R_e, unter Berücksichtigung des Querschnitts des ankommenden Bündels F₁.

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 110 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 Δ′ ausgerichtet sind, die senkrecht zur Achse Δ₁ ist. Wegen des geringen Querschnitts der Stangen 112 und 113 wird nur ein sehr kleiner Bruchteil der über das Bündel F₁ 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 Δ₁ 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 F_t 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 Übertragung 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_t, das einen ringförmigen Querschnitt aufweist, in ein zylindrisches Bündel F₂.

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 optischen 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 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 1100′ kegelstumpfförmig ist und deren Achsen mit der Achse Δ₁ zusammenfallen. An diesen beiden Oberflächen werden die Lichtstrahlen reflektiert, entsprechend den reflektierenden Oberflächen 1110 und 1100 (Fig. 2 bis 4), mit einem Reflexionskoeffizient, der nahe 1 ist. Die auf Störreflexionen an den Eintritts- und/oder Austrittsflächen 116 bzw. 117 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_i des ringförmigen Lichtbündels T_t 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 Ausführungsbeispiel die Eintrittsoberfläche des Bündels F₁ ist. Der Radius R_i hängt allgemein nur von dem Abstand zwischen den beiden Oberflächen 1100′ und 1110′ ab.

Der äußere Radius R_e des Bündels F_t 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 Umfangsflächen 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′, 117′ müssen natürlich zueinander parallel und senkrecht zur Achse Δ₁ bleiben. Ferner bleibt der Scheitel O der kegelförmigen Oberfläche 1110′ auf die Achse Δ₁ zentriert.

Die Elemente 12 und 22 (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 23 96 419 beschriebene Halbleiterdiode. Diese Halbleiterdiode sendet, in Vorwärtsrichtung polarisiert, Licht aus, während sie in Sperrrichtung polarisiertes 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_i. Diese 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.

Ein Ausführungsbeispiel für eine Struktur, die im Rahmen der Erfindung angewendet werden kann, ist in der französischen Patentanmeldung 24 48 728 beschrieben.

Die elektrischen Signale werden bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel über eine Koaxialleitung übertragen, die in zwei Abschnitte C₁ und C₂ aufgeteilt ist, welche nach der Rotationsachse Δ ausgerichtet sind.

Der Übergang zwischen diesen beiden Koaxialkabelabschnitten ist durch eine zusätzliche Drehkupplung 6 gewährleistet, welche zwischen den beiden Spiegeln M₁ und M₂ angeordnet 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_t aufgefangen 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.

Die Aussendung und die Verarbeitung der elektrischen Signale erfolgen außerhalb der Endstücke 1 und 2 durch herkömmliche Einrichtungen.

Gleiches kann für die optischen Signale gelten, wie bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform treten die Lichtleitfasern f₁ und f₂ aus den Endstücken 1 und 2 aus, um an nicht dargestellte Mittel 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.

Die beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung weist insbesondere die folgenden Vorteile auf:

- Verfügbarkeit derRotationsachse;
- leichte Anpassung der Größe des Hohlzylinders aus dem durch die Luft übertragenen Licht durch entsprechende Bemessung der geometrischen Abmessungen der verwendeten optischen Elemente: Linsen L₁ und L₂, Spiegeln M₁ 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 T_t zweifach von den Abschnitten C₁ und C₂ des Koaxialkabels aufgefangen.

Fig. 8 zeigt einen zur Achse Δ₁ des Bündels F_t am Austritt des optischen Elementes 11 senkrechten Querschnitt. Ein Teil der durch das Bündel F_t übertragenen Lichtenergie wird durch den Kabelabschnitt C₁ auf einer Breite d aufgefangen. Diese Erscheinung wiederholt sich nach Reflexion des Bündels F_t an dem Spiegel M₂. Die aufgefangene Energie hängt von den Durchmessern der Kabelabschnitte C₁ und C₂ ab, von denen angenommen wird, daß sie gleich sind, sowie von dem Verhältnis zwischen den Radien R_i und R_e.

Der maximale Übertragungsverlust in dB ist durch folgende Formel gegeben:

worin d der gemeinsame Durchmesser der Koaxialabschnitte C₁ und C₂ 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:

Als Beispiel seien typische Werte dieser Verluste angegeben: d=2 cm, R_i=4 cm, R_e=8 cm; hierfür ergibt sich P_M≅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 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 Ausführungsbeispiel 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_t1 aus parallelen Strahlen und mit ringförmigem Querschnitt sowie mit dem Innendurchmesser R_i1 und Außendurchmesser R_e1. Die Spiegel M₁₁ und M₁₂ reflektieren das Lichtbündel F_t1 um einen Winkel von π/2 Radian. Die umgelenkten Bündel breiten sich längs den Achsen Δ₁₁ und Δ₂₁ senkrecht zur Achse Δ aus. Insoweit ist die Ausbildung gleich der in Fig. 1 für das Bündel F_t 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_t2 aus parallelen Strahlen und mit ringförmigem Querschnitt sowie mit dem Innendurchmesser R_i2 und Außendurchmesser R_e2 in seine Einfallsrichtung zurück umlenken. Die so umgelenkten Lichtbündel breiten sich längs den Achsen Δ₁₂ und Δ₂₂ 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 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:

a) R_e1<R_i2
b) die Gesamtabmessungen der Spiegel M₁₁ und M₂₁, projiziert auf eine zur Achse Δ senkrechte Ebene, müssen kleiner als R_i2 sein;
c) die Spiegel M₁₁ und M₂₁ einerseits sowie die Spiegel M₁₂ und M₂₂ andererseits müssen entlang der Achse Δ so angeordnet werden, daß sie nur das für sie bestimmte Übertragungsbündel F_t1 bzw. F_t2 auffangen;
d) die Projektionen der zentralen Öffnungen der Spiegel auf eine zur Achse Δ senkrechte Ebene, nämlich 101 und 201 für die Spiegel M₁₁ und M₂₁ sowie 102 und 202 für die Spiegel M₂₁ und M₂₂, müssen kleiner als R_i1 und R_i2 oder gleich diesen Werten sein.

Die Anzahl von getrennten Kanaälen ist natürlich nicht auf zwei beschränkt. In Fig. 9 ist die Ausbreitungsrichtung der Lichtbündel jeweils willkürlich angegeben. Die Übertragung 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 M₂₂ um die Achse Δ herum, und folglich die Winkelverschiebungen zwischen den Achsen Δ₁₁ bis Δ₂₂ in einer zur Achse Δ senkrechten Ebene sind ebenfalls willkürlich angegeben und können von Anwender zweckmäßig bestimmt werden.

Der Aufbau der beschriebenen Vorrichtung ermöglicht eine starke Entkopplung zwischen den Übertragungskanälen 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 M₂ wie in Fig. 1 dienen dazu, die verschiedenen Übertragungsbündel, von denen in Fig. 10 zur Vereinfachung nur zwei Bündel F_t1 und F_t2 gezeigt sind, in ihre Ursprungsrichtungen zurückzureflektieren.

Wie zuvor muß auch hier die Bedingung R_e1<R_i2 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 R_i1 sind.

Unter diesen Umständen sind zwei Paare von optischen Elementen zur Bündelumformung, nämlich 111 und 211 einerseits sowie 112 sowie 212 andererseits, in Kaskade entlang den entsprechenden Achsen Δ₁ und Δ₂ angeordnet, nämlich den Ausbreitungsachsen der Bündel F_t1 und F_t2, welche durch die Spiegel M₁ und M₂ umgelenkt werden. Diese Achsen sind natürlich zur Rotationsachse Δ.

Die optischen Elemente 111, 112, 211 und 212 formen die Übertragungsbündel F_t1 und F_t2 mit ringförmigen Querschnitten in Bündel F₁₁, F₁₂, F₂₁ und F₂₂ mit kreisförmigem Querschnitt um, oder umgekehrt.

Die zuletzt genannten Bündel können wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen mittels Fokussierlinsen L₁₁, L₁₂, L₂₁ und L₂₂ erzeugt und/oder aufgefangen werden, die Lichtleitfasern F₁₁, F₁₂, F₂₁, F₂₂ zugeordnet sind, welche an Elemente zur Erzeugung und/oder Erfassung der Lichtenergie (nicht dargestellt) angekoppelt sind.

Eine weitere zu beachtende Bedingung besteht darin, daß die Gesamtabmessungen der die Bündel umformenden optischen Elemente 111 und 211, die dem Übertragungsbündel F_t1 mit dem kleinsten Querschnitt zugeordnet sind, kleiner als der Innendurchmesser (2 R_i2) des Übertragungsbündels F_t2 sind, so daß dieses nicht aufgefangen wird.

Unter diesen Umständen wird nur ein sehr geringer Bruchteil der Energie dieses Bündels nach Reflexion an den Spiegeln M₁ und M₂ aufgefangen, nämlich einerseits durch die Lichtleitfasern F₁₁ und F₂₁, was vernachlässigbar ist, und andererseits durch die Befestigungsmittel für die optischen Elemente 111 und 211 an den Endstücken 1 und 2 (Fig. 1 und 7). Diese Befestigungsmittel 1110 und 2110 können aus dünnen Stäben bestehen, die im Raume 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 den verwendeten Wellenlängen lichtdurchlässig sind und die antireflexbehandelt sind.

Durch Kombination der verschiedenen beschriebenen Strukturen können weitere Ausführungsformen für eine Vielzahl von Übertragungskanälen erhalten werden.

Claims

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:

- optoelektrische Mittel (12, f₁, L₁, 11) zur Erzeugung wenigstens eines Übertragungsbündels (F_t) aus parallelen Strahlen und mit ringförmigem Querschnitt, das sich entlang einer zur Rotationsachse (Δ) senkrechten Achse (Δ₁) ausbreitet;
- einen ersten ebenen Spiegel (M₁), der fest mit einem ersten Endstück (1) verbunden und um einen Winkel von π/4 rad gegen die Rotationsachse (Δ) geneigt ist sowie wenigstens ein Übertragungsbündel (F_t) in seiner Gesamtheit empfängt und zu dem zweiten Endstück (2) parallel zur Ausbreitungsachse (Δ₁) 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 π/4 rad gegenüber der Rotationsachse (Δ) geneigt ist sowie dieses Übertragungsbündel (F_t) in seiner Gesamtheit entgegennimmt und es in einer Richtung (Δ₂) reflektiert, die senkrecht zur Rotationsachse (Δ) ist;
- optoelektrische Mittel (21, L₂, f₂, 22) zum Aufnehmen und zur Detektion dieses Übertragungsbündels (F_t);

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_e2) der erzeugten Übertragungsbündel (F_t) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geneigten Spiegel (M₁, M₂) Öffnungen (10, 20) aufweisen, die auf die Rotationsachse (Δ) zentriert sind und deren maximale, auf eine zu dieser Achse (Δ) senkrechte Ebene projizierten Abmessungen kleiner als der oder gleich dem kleinen Innendurchmesser (2 R_i1) der erzeugten Übertragungsbündel (F_t) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner einen Übertragungskanal (C₁, C₂) 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_i1) der erzeugten Übertragungsbündel (F_t).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optoelektrischen Mittel zur Erzeugung und zum Aufnehmen der Übertragungsbündel (F_t) optische Elemente (11, 21) zur Umformung der Übertragungsbündel enthalten, von den das eine (11) ein Bündel (F₁) aus parallelen Strahlen und mit kreisrundem Querschnitt, welches sich längs einer zur Rotationsachse (Δ) senkrechten Achse (Δ₁) ausbreitet, in ein Bündel (F_t) aus parallelen Strahlen und mit ringförmigem Querschnitt, welches sich entlang derselben Achse (Δ₁) ausbreitet, umformt und das andere (12) ein Bündel (F_t) von ringförmigem Querschnitt, das sich längs einer zur Rotationsachse (Δ) senkrechten Achse (Δ₂) ausbreitet, in ein Bündel (F₂) von kreisrundem Querschnitt umformt, das sich entlang derselben Achse (Δ₂) 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 (Δ₁) 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 (Δ₁) zusammenfällt; und daß die reflektierenden Oberflächen (1100, 1110) einen Winkel von π/4 Radian mit dieser Achse (Δ₁) 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 (Δ₁) der Bündel übereinstimmt, und die an ihrem Umfang durch eine kegelstumpfförmige Wandung begrenzt sind, deren Umdrehungsachse ebenfalls mit der Ausbreitungsachse (Δ₁) übereinstimmt, und daß die Wandungen (1100′, 1110′) Totalreflexionsoberflächen für Strahlen sind, die sich im Inneren des lichtbrechenden Materials ausbreiten, und um einen Winkel von π/4 Radian gegenüber dieser Ausbreitungsachse (Δ₁) geneigt sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optoelektronischen Mittel zur Erzeugung und zum Auffangen des Übertragungsbündels Lichtleitfasern (f₁, f₂) enthalten, welche mit den Bündeln (F₁, F₂) aus parallelen Strahlen und mit kreisrundem Querschnitt durch Fokussierlinsen (L₁, L₂) gekoppelt sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens einen ersten Satz (f₁₁, L₁₁, 111, 211, L₂₁, f₂₁) sowie einen zweiten Satz (f₁₂, L₁₂, 112, 212, L₂₂, f₂₂) von optoelektrischen Mitteln zur Erzeugung und zum Auffangen von Bündeln paralleler Strahlung und mit ringförmigem Querschnitt enthält, um die zwei Endstücke (1, 2) durch wenigstens zwei konzentrische Übertragungsbündel (F_t1, F_t2) zu koppeln, und daß die Innenradien (R_i1, R_i2) und Außenradien (R_e1, R_e2) 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 π/4 Radian geneigt sind und jeweils die Übertragungsbündel (F_t1, F_t2) in ihrer Gesamtheit aufnehmen und sie in sich selbst entlang Richtungen (Δ₁, Δ₂) umlenken, die senkrecht zur Rotationsachse (Δ) sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Sätze von zwei Spiegeln (M₁₁:M₂₁, M₁₂-M₂₂) enthält und daß jeder Spiegelsatz eines der Übertragungsbündel (F_t1, F_t2) auffängt und es in sich selbst entlang Richtungen (Δ₁₁-Δ₂₁; Δ₁₂-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_t) erfüllen.