DE3390476T1 - Optischer Drehschalter - Google Patents

Optischer Drehschalter

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Description

Optischer Drehschalter Gebiet der Erfindung;
Die Erfindung bezieht sich auf optische Schalteinrichtungen und insbesondere auf optische Drehschalter, die zur Kopplung von optischen Lichtleitfasern für die bidirektionale Übertragung von optischen Signalen verwendet werden.
Ausgangspunkt der Erfindung
Mit der zunehmenden Verwendung von optischen Lichtleitfasern entstand ein Bedarf an zuverlässigen preisgünstigen optischen Schaltern, die abwechselnd eine einzelne optische Lichtleitfaser mit irgendeiner einer Anzahl von anderen optischen Lichtleitfasern koppeln können. Bekannte optische Schalter weisen typischerweise eine sehr begrenzte Anzahl von Schalterpositionen auf, wie dies beispielsweise an dem Zweistellungs-Schalter nach den US-Patentschriften 4- 223 217 und 4- 239 331 zu erkennen ist, oder es waren komplizierte und aufwendige optische Elemente und eine präzise Ausrichtung der Bauteile erforderlich, wie in dem US-Patent A- 304 4-60.
Zusammenfassung der Erfindung
Es wurde ein optischer Drehschalter entwickelt, der es ermöglicht, daß eine erste optische Lichtleitfaser abwechselnd optisch mit irgendeiner einer Anzahl von zweiten optischen Lichtleitfasern gekoppelt wird, die um die Drehachse herum angeordnet sind. Licht von dem Ende der ersten optischen Lichtleitfaser wird auf einen Lichtweg köllimiert, der sich in Radialrichtung der Drehachse erstreckt. Das Licht von dem ersten radialen Lichtweg wird mit Hilfe einer ersten Lichtablenkeinrichtung auf einen zur Drehachse parallelen Lichtweg abgelenkt. Dieser axiale Lichtweg erstreckt sich zwischen der ersten Lichtablenkeinrichtung und einer zweiten Lichtablenkeinrichtung, die das Licht auf einen zweiten radialen Lichtweg ablenkt. Dieser zweite radiale Lichtweg wird abwechselnd mit den zweiten optischen Lichtleitfasern durch die Drehung der zweiten Lichtablenkeinrichtung und des zweiten radialen Lichtweges gegenüber den zweiten optischen Lichtleitfasern gekoppelt. Wenn der zweite radiale Lichtweg mit einer der zweiten optischen Lichtleitfasern ausgerichtet ist, ist die zweite optische Lichtleitfaser mit der ersten optischen Lichtleitfaser für die bidirektionale Übertragung von optischen Signalen gekoppelt. Eine Linse ist benachbart zu Jeder der zweiten optischen Lichtleitfasern angeordnet, um das Licht von dem zweiten radialen Lichtweg auf die optische Lichtleitfaser zu fokussieren und um das von der optischen Lichtleitfaser ausgesandte Licht auf den zweiten radialen Lichtweg zu kollimieren.
Der Ausdruck "Licht" wird in der Beschreibung und den Patentansprüchen in verallgemeinertem Sinn verwendet und ist nicht lediglich auf das sichtbare Spektrum beschränkt. Der Ausdruck "Licht" ist als elektromagnetische Strahlung mit allen Frequenzen definiert, unter Einschluß von, jedoch ohne Beschränkung auf den Infrarot-Bereich, den sichtbaren Bereich und den Ultraviolet't-Bereich, und diese elektromagnetische Strahlung kann durch irgendeine einer Anzahl von Einrichtungen erzeugt werden, wie beispielsweise eine Glühbirne, eine Leuchtdiode oder einen Laser.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 ist eine seitliche Querschnittsansicht der Ausführungsform des optischen Drehschalters,
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines zweiten optischen Elementes,
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht der rotierenden zweiten Lichtablenkeinrichtung, die an der Welle befestigt ist.
Kurze Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ist zu erkennen, daß der optische Drehschalter vier Hauptbauteile aufweist: eine erste Lichtablenkeinrichtung, eine zweite
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Lichtablenkeinrichtung, ein erstes optisches Element und ein zweites optisches Element. Die erste Lichtablenkeinrichtung der Ausführungsform nach Fig. 1 wird durch einen geneigten Spiegel 10 gebildet, der Licht zwischen dem ersten radialen Lichtweg 12 und dem axialen Lichtweg 14 ablenkt. Der erste radiale Lichtweg 12 erstreckt sich zwischen dem ersten optischen Element 16 und dem Spiegel 10. Das erste optische Element 16 umfaßt eine erste optische Lichtleitfaser 18 und eine Linse 20, die das von der optischen Lichtleitfaser ausgesandte Licht auf den ersten radialen Lichtweg 12 kollimiert. Die Linse 20 kann alternativ das sich in der entgegengesetzten Richtung entlang des ersten radialen Lichtweges 12 ausbreitende Licht auf das Ende der ersten optischen Lichtleitfaser 18 fokussieren. Der axiale Lichtweg 14 erstreckt sich zwischen dem Spiegel 10 und der zweiten Lichtablenkeinrichtung, die bei der bevorzugten Ausführungsform nach den Fig. 1 und 3 durch ein Prisma 22 gebildet ist. Das Prisma 22 ist an der Welle 24 drehfest befestigt. Das Prisma 22 lenkt Licht von dem zur Welle 24 parallelen axialen Lichtweg 14 auf einen radialen Lichtweg 26 ab, der hier als der zweite radiale Lichtweg bezeichnet wird. Eine Anzahl von zweiten optischen Elementen 28 ist um die Achse der Welle 24 herum mit Abstand angeordnet, so daß der zweite radiale Lichtweg 26 abwechselnd mit einem der optischen Elemente 28 ausgerichtet werden kann, wenn die Welle 24 und das Prisma 22 gedreht werden. Jedes der zweiten optischen Elemente 28 nach den Fig.1 und 2 umfaßt ein Gehäuse $0, das eine Linse 32 haltert, die Licht von dem zweiten radialen Lichtweg 26 auf das Ende einer zweiten optischen Lichtleitfaser 34 fokussiert. Die erste optische Lichtleitfaser 18 kann auf diese Weise optisch mit
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irgendeiner der zweiten optischen Lichtleitfasern 34 durch eine Drehung der Welle 24 gekoppelt werden, wodurch der zweite radiale Lichtweg mit dem entsprechenden zweiten optischen Element 28 ausgerichtet wird. Wenn sich die Welle 24 und der zweite radiale Lichtweg 26 drehen, so bleibt das Prisma 22 optisch mit dem axialen Lichtweg 14 gekoppelt, der seinerseits optisch mit dem ersten radialen Lichtweg 12 gekoppelt ist. Wie im Falle der Linse 20 kann die Linse 32 auch Licht von dem Ende der optischen Lichtleitfaser 34 auf den Lichtweg 26 kollimieren, wenn dies erwünscht ist.
Wie dies in der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 1 gezeigt.ist, ist der optische Drehschalter allgemein von ν einem Gehäuse 36 umschlossen. Ein Drehknopf 38 ist an
einem Ende der Welle 24 befestigt, um eine manuelle Drehung der Welle 24 und des Prismas 22 zu erleichtern. Obwohl lediglich ein Drehknopf 38 in den Zeichnungen für eine Drehung der Welle gezeigt ist, kann auch ein Elektromotor oder eine andere Einrichtung verwendet werden, um die Welle von einer entfernt angeordneten Steuerung aus zu drehen. Die Welle 24 ist auf Lagern 40 gelagert und erstreckt sich durch das Prisma 22 und den Spiegel 10, so daß.eine eindeutige Ausrichtung dieser beiden Lichtablenkeinrichtungen in dem axialen Lichtweg sichergestellt ist. Eine mechanische Rasteinrichtung 42 ist an dem entgegengesetzten Ende der Welle 24 befestigt, um eine Einrichtung zum Festhalten des Prismas in der richtigen Ausrichtung mit jedem der zweiten optischen Elemente 28 zu bilden. Die zweiten optischen Elemente 28 sind einstellbar und verschiebbar auf einer Halterung 44 befestigt. Die optischen Lichtleitfasern 34 werden durch eine
Trennwand 46 an ihrem Platz gehalten, um sicherzustellen,, daß sie den zweiten radialen Lichtweg 26 nicht stören·.
Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Prismas 22, das als drehbare Einrichtung zur Lichtablenkung dient. Dieses Prisma ist ein Element mit der Form eines rechtwinkligen Dreieckes und weist drei Seitenflächen auf: eine Seitenfläche 48, die senkrecht zur Welle 24 steht, befindet sich in dem axialen Lichtweg 14, während eine unter 45 geneigte Seitenfläche 50 als reflektierende Oberfläche dient und eine Seitenfläche 52, die parallel zur Welle verläuft, in dem zweiten radialen Lichtweg 26 liegt. Obwohl diese drei Seitenflächen als ebene Oberflächen dargestellt sind, könnte eine Linse in irgendeiner dieser Seitenflächen ausgebildet sein, um eine Einrichtung zur Fokussierung des Lichtes in dem zweiten radialen Lichtweg 26 zu bilden, wodurch das Licht in diesem Lichtweg auf dem zweiten optischen Element 28 konvergieren würde. Obwohl die Fig. 1 und 3 eine Neigung der Seitenfläche 50 unter 45 zeigen, was dazu führt, daß der radiale Lichtweg 26 im wesentlichen senkrecht zur Welle verläuft, könnte weiterhin die Seitenfläche 50 unter mehr oder weniger als 45 geneigt sein, so daß sich der Lichtweg in Radialrichtung unter einem anderen Winkel als 90 gegenüber der Welle 24 erstreckt. Obwohl die Fig. 1 und die drehbare Lichtablenkeinrichtung als rechtwinkliges dreieckiges Prisma 22 zeigen, können auch anders geformte Prismen verwendet werden oder es könnte eine reflektierende Oberfläche eines Spiegels alternativ als Lichtablenkeinrichtung verwendet werden. Der erste radiale Lichtweg 12 kann sich ebenfalls unter einem anderen Winkel als 90 gegenüber der Welle 24 erstrecken.
Eine optische Lichtleitfaser-Verbindungseinrichtung 5/+ ist in dem Gehäuse 30 gezeigt, um ein einfaches Verfahren zum Anschluß des optischen Drehschalters an ein Mehrfach-Lichtleitfaserkabel zu schaffen. Eine Anzahl von Verbindungseinrichtungen dieser Art sind im Handel erhältlich und so ausgelegt, daß die Verbinderelemente lediglich in einer einzigen Ausrichtung zusammenpassen- Das Kabel kann dann mit einer entfernt angeordneten Lichtquelle und entfernt angeordneten Lichtmeßfühlern verbunden werden. Der erfindungsgemäße optische Drehschalter kann weiterhin verwendet werden, um eine Schaltfunktion in explosiven Umgebungen zu schaffen, in denen ein elektrisches Bauteil ein Sicherheitsrisiko darstellen würde. Das optische Lichtleitfaserkabel könnte mit einer elektrischen Einrichtung außerhalb des explosiven Bereiches verbunden sein.

Claims (16)

Patentanwälte .Dipl,-Ing. Curt Wallach Europäische Patentvertreter 339047 β D1P1'"1^ 6ünther Koch European Patent Attorneys G Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 ■ Telex 5 29 513 wakai d Datum: Unser Zeichen: 18.056 F/Nu Optischer Drehschalter Patentansprüche:
1. Optischer Drehschalter, gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung (10) zur Ablenkung von Licht von einem ersten radialen Lichtweg (12) zu einem axialen Lichtweg (1A-), eine drehbare zweite Einrichtung (22) zur Ablenkung von sich entlang des axialen Lichtweges (14-) ausbreitenden Lichts auf einen zweiten radialen Lichtweg (26), so daß das Licht von den ersten und zweiten radialen Lichtwegen (12, 26) optisch gekoppelt ist, wobei sich der zweite radiale Lichtweg (26) in Abhängigkeit von der Drehung der drehbaren zweiten Ablenkeinrichtung (22) dreht, ein erstes optisches Element (16) zur optischen Kopplung mit dem ersten radialen Lichtweg (12), und ein zweites optisches Element (28), das bezüglich der zweiten Ablenkeinrichtung (22) für eine Relativdrehung zwischen diesen Teilen und für eine optische Kopplung mit dem zweiten radialen Lichtweg (26) zur Übertragung von optischen Signalen zwischen den ersten und zweiten optischen Elementen (16, 28) angeordnet ist.
2. Optischer Drehschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ablenkeinrichtung (22) um eine Achse drehbar ist, die parallel zum axialen Lichtweg (14-) verläuft .
3. Optischer Drehschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine drehbare Welle (24) die zweite Lichtablenkeinrichtung (22) trägt, und daß sich die Welle (24-) durch die erste Lichtablenkeinrichtung (10) hindurch erstreckt und gegenüber dieser drehbar ist, so daß sich das zwischen den Ablenkeinrichtungen (10, 22) ausbreitende Licht in einer Säule ausbreitet, die koaxial zu der Welle (24) ist.
4. Optischer Drehschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der ersten und zweiten radialen Lichtwege (12, 26) im wesentlichen senkrecht zur Achse der Welle (24) verläuft.
5· Optischer Drehschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten radialen Lichtwege (12, 26) im wesentlichen senkrecht zur Achse der Welle (24) verlaufen.
6. Optischer Drehschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die
zweite Ablenkeinrichtung (22) durch ein Prisma gebildet ist.
7- Optischer Drehschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma die Form eines rechtwinkligen Dreieckes aufweist, von dem eine Seitenfläche senkrecht zum axialen Lichtweg (14) steht, während eine andere Seitenfläche senkrecht zum ersten radialen Lichtweg (12) steht.
8. Optischer Drehschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lichtablenkeinrichtung durch einen Spiegel gebildet ist.
9- Optischer Drehschalter nach Anspruch 5 ·, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite optische Element (28) eine Linse (32) und eine optische Lichtleitfaser (3^0 umfaßt, die in dem zweiten radialen Lichtweg (26) ausgerichtet ist, wobei die Linse (32) auf das Ende der optischen Lichtleitfaser (3^0 fokussiert ist.
10. Optischer Drehschalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erste optische Element (16) eine Linse (20) und eine optische Lichtleitfaser umfaßt, die in dem ersten radialen Lichtweg (12) ausgerichtet ist, wobei die Linse (20) auf das Ende der optischen
11. Optischer Drehschalter nach Anspruch 9, d a d-'urch gekennzeichnet, daß die zweite Lichtablenkeinrichtung (22) ein Prisma umfaßt .
12. Optischer Drehschalter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma eine in einer Seitenfläche ausgebildete Linse aufweist, um Licht auf das erste optische Element zu fokussieren.
13· Optischer Drehschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von ersten optischen Elementen vorgesehen ist, von denen jedes unabhängig mit dem zweiten optischen Element durch Drehung der zweiten Lichtablenkeinrichtung gekoppelt werden kann, wobei der zweite radiale Lichtweg mit den ersten optischen Elementen ausgerichtet wird.
14-, Optischer Drehschalter nach Anspruch 13, g e kennzeichnet durch Rasteinrichtungen (42) zum Festhalten der Welle (24-) ,■ wodurch abwechselnd eines der zweiten optischen Elemente in dem zweiten radialen Lichtweg ausgerichtet gehalten wird.
15· Optischer Drehschalter nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch Einrichtungen (38) zum Drehen der Welle (24).
16. Optischer Drehschalter nach Anspruch 155 dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Drehung der Welle einen Elektromotor umfassen.
17· Optischer Drehschalter, gekennzeichnet durch folgende Teile:
- einen Spiegel (10) zur Ablenkung von Licht von einem ersten radialen Lichtweg (12) auf einen axialen Lichtweg
ein drehbares Prisma (22) zur Ablenkung von sich entlang des axialen, zur Drehachse des Prismas (22) parallelen Lichtweges auf einen zweiten radialen Lichtweg (26), der sich in Abhängigkeit von der Drehung des Prismas (22) bewegt, so daß das Licht von dem ersten radialen Lichtweg optisch mit dem zweiten radialen Lichtweg (26) gekoppelt ist,
ein erstes optisches Element (16) in dem ersten radialen Lichtweg (12), das optisch mit dem Spiegel (10) zur Übertragung von optischen Signalen gekoppelt ist, wobei das erste optische Element (16) eine Linse (20) und eine optische Lichtleitfaser (18) umfaßt, die in dem ersten radialen Lichtweg (12) derart angeordnet ist, daß die Linse (20) auf das Ende der optischen Lichtleitfaser (18) fokussiert ist,
- eine Anzahl von zweiten optischen Elementen (28),
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zur abwechselnden optischen Kopplung mit dem Prisma (22), wenn das Prisma so ausgerichtet ist, daß der zweite radiale Lichtweg (26) mit dem zweiten optischen Element (28) ausgerichtet ist, wobei jedes zweite optische Element (28) eine Linse (32) und eine optische Lichtleitfaser (3^-) umfaßt, und wobei die Linse in dem Bereich fokussiert ist, um Licht von dem zweiten radialen Lichtweg (26) zu empfangen,
- eine das Prisma (22) drehfest tragende Welle (24), die sich durch den Spiegel (10) hindurch erstreckt und gegenüber diesem drehbar ist, so daß das sich entlang des axialen Lichtweges (14) zwischen dem Spiegel (10) und dem Prisma (22) ausbreitende Licht in einer zur Welle (24) parallelen Säule verläuft,
- Einrichtungen (42) zum Festhalten der Welle (24), um abwechselnd den zweiten radialen Lichtweg (26) mit einem zweiten optischen Element (28) ausgerichtet zu halten, und
- Einrichtungen (38) zur Drehung der Welle (24).
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