DE3426835C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Schalteinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer nach der japanischen Patentschrift 56-8 103 bekannten optischen Schalteinheit dieser Art, wird an mehreren aufeinanderfolgenden Stellen jeweils ein Teil­ strahl vorgegebener Wellenlänge aus dem lichtleitenden Hauptweg in einen Nebenweg reflektiert, in dem sich eine lichtabschirmende Einrichtung befindet und dann wieder in den Hauptweg hineinreflektiert. In dem Hauptweg befindet sich keine lichtabschirmende Einrichtung. Bei der bekann­ ten optischen Schalteinheit müssen die Strahlteile, die ihnen zugeordneten Teilstrahlen aus dem Hauptweg in den ihnen zugeordneten Nebenweg reflektieren und aus dem Ne­ benweg wieder in den Hauptweg reflektieren, spektral voneinander getrennte Reflexionsvermögen aufweisen. An die Herstellung der Strahlteile werden daher besonders strenge Anforderungen gestellt und diese Anforderungen erhöhen sich mit der Anzahl der Nebenwege. Außerdem ist die Bau­ länge der bekannten optischen Schalteinheit verhältnis­ mäßig groß, weil die Nebenwege nacheinander von dem Haupt­ weg abgezweigt und in den Hauptweg hineingeführt sind.

Aufgabe der Erfindung ist es eine optische Schalteinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, an deren Strahlteiler die genannten strengen Anforderungen nicht gestellt werden müssen (wenngleich sie selbstverständlich auch gestellt werden können) und die überdies eine verhältnismäßig kurze Baulänge haben.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch 1 angegeben.

Dadurch daß eine lichtabschirmende Einrichtung auch im Hauptweg vorgesehen ist gewinnt man, wenn nur ein Neben­ weg vorgesehen ist, die Möglichkeit, bei sehr kurzer Bau­ länge vier Signalzustände, gegeben durch den Einschalt- bzw. Ausschaltzustand der lichtabschirmenden Einrichtun­ gen, zu übertragen.

Sind mehrere Nebenwege vorgesehen, so brauchen nur an die äußeren Strahlteile bezüglich des spektralen Reflexions­ vermögens strenge Anforderungen gestellt werden. Die An­ forderungen an die inneren Strahlteile sind, wie in der folgenden Beschreibung erläutert, wesentlich geringer.

Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen be­ schrieben.

Fig. 1 zeigt den Aufbau einer ersten optischen Schalt­ einheit;

Fig. 2 zeigt das spektrale Reflexionsvermögen von Strahl­ teilern in der optischen Schalteinheit nach Fig. 1;

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der optischen Schalteinheit;

Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform der optischen Schalteinheit.

Fig. 1 zeigt eine optische Schalteinheit aus lichtleiten­ dem Kunststoff, die auf einer Fläche von etwa 2 cm² unter­ gebracht werden kann. Die optische Schalteinheit 1 weist einen geradlinigen lichtleitenden Hauptweg 6 mit einem Lichteinlaß 2 und einem Lichtauslaß 3 auf. Ein im wesent­ lichen U-förmiger erster lichtleitender äußerer Nebenweg 4 ist mit seinem einen Ende (im wesentlichen rechtwinklig) von dem Hauptweg 6 in der Nähe des Lichteinlasses 2 abzweigt und mit seinem anderen Ende ebenfalls im wesent­ lichen rechtwinklig mit dem Hauptweg 6 in der Nähe des Lichtauslasses 3 verbunden. Ein im wesentlichen U-förmiger zweiter lichtleitender innerer Nebenweg 5 ist in ähnlicher Weise von dem Hauptweg 6 zwischen dem Abzweigpunkt und dem Verbindungspunkt des ersten Nebenwegs 4 abgezweigt. Von einer nicht dargestellten Lichtquelle wird axial durch den Lichteinlaß 2 in den Hauptweg 6 ein Lichtstrahl mit einem Wellenlängenspektrum eingeführt, das sich über einen er­ sten, einen zweiten und einen dritten Wellenlängenbereich mit charakteristischen Wellenlängen λ11, λ12, λ13, (λ11 <λ12<λ13) erstreckt und durch den Lichtauslaß 3 wieder axial aus dem Hauptweg 6 herausgeführt wird. In dem Haupt­ weg 6 sind nächst den Abzweigstellen der Nebenwege 4 bzw. 5 äußere Strahlteiler 7 und 10 bzw. innere Strahlteiler 8 und 9 vorgesehen, die Teilstrahlen der Wellenlänge λ11 bzw. der Wellenlängen λ11, λ12 völlig reflektieren. Dabei reflektieren die äußeren Strahlteiler 7 und 10 nur den Teilstrahl der Wellenlänge λ11, der auf sie vom Lichtein­ laß 2 bzw. von dem äußeren Nebenweg 4 einfällt. Der Teil­ strahl der Wellenlänge λ11 wird also zuerst in den äußeren Nebenweg 4 und dann in den Hauptweg 6 zum Licht­ auslaß 3 reflektiert. Die äußeren Strahlteiler 7 und 10 wirken daher wie Filter, die Teilstrahlen der Wellenlängen λ12, λ13 durchlassen. Die inneren Strahlteiler 8 und 9 re­ flektieren die Teilstrahlen der Wellenlängen λ11, λ12, die auf sie von dem Lichteinlaß 2 bzw. von dem inneren Neben­ weg 5 einfallen in den Nebenweg 5 bzw. in den Hauptweg 6 zum Lichtauslaß 3. Die Strahlteiler 8 und 9 sind dabei für den Teilstrahl der Wellenlänge 13 durchlässig. Bei dieser Ausführungsform wird allerdings der Teilstrahl der Wellen­ länge λ11 bereits von dem Strahlteiler 7 aus dem Licht­ strahl eliminiert.

Die Strahlteiler 7, 8, 9, 10 bestehen aus dichroitischen Spiegeln, deren Einfallswinkel in bezug zum Hauptweg 6 45° beträgt und sind als nichtmetallische mehrschichtige Inter­ ferenzfilter in dem Hauptweg 6 durch Vakuumverdampfung aufgebracht.

Der Hauptweg 6 und die Nebenwege 4, 5 sind durch Paare von optischen Leitern (6, 6; 4, 4; 5, 5) gebildet, die durch je einen Spalt S 1, S 2, S 3 voneinander getrennt sind. ln jeden Spalt S 1, S 2, S 3 ist jeweils eine lichtabschirmende Platte 11, 12, 13 einführbar und aus dem Spalt S 1, S 2, S 3 heraus­ ziehbar.

Die lichtabschirmenden Platten 11, 12, 13 sind unabhänigig voneinander bewegbar. Jede Platte 11, 12, 13 ist jeweils mit einer nicht dargestellten Betätigungseinrichtung, bei­ spielsweise mit einem durch ein Solenoid betätigbaren Be­ tätigungsglied verbunden, die von einem Objekt einer Mehr­ zahl von Objekten, die gleichzeitig erfaßt werden sollen, gesteuert wird. Die Mehrzahl kann, wenn mehr als zwei Nebenwege 4, 5 vorgesehen sind, mehr als drei Objekte um­ fassen.

Fig. 2 zeigt in einem Diagramm das Reflexionsvermögen B 11 bzw. B 12 der äußeren bzw. der inneren Strahlteiler 7, 10 bzw. 8, 9 und das Reflexionsvermögen B 13 von zusätzlichen Strahlteilern, die einem nicht dargestellten dritten Ne­ benweg zugeordnet sind. Außerdem sind die Spektren der Teilstrahlen der Wellenlängen λ11, λ12, λ13 dargestellt.

Im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 wird nun nachfolgend die Funktion der optischen Schalteinheit 1 er­ läutert.

Der Lichtstrahl, der durch einen Kollimator (nicht darge­ stellt) in den Lichteinlaß 2 eingeführt wird, ist aus drei Teilstrahlen der Wellenlängen g11, λ12, λ13 zusammenge­ setzt. Zuerst wird durch den äußeren Strahlteiler 7 nur der Teilstrahl der Wellenlänge λ11 in den äußeren licht­ leitenden Nebenweg 4 reflektiert. Aus dem verbleibenden zusammengesetzten Lichtstrahl wird dann durch den inneren Strahlteiler 8 nur der Teilstrahl der Wellenlänge λ12 in den inneren Nebenweg 5 reflektiert. Hinter dem Strahltei­ ler 8 ist daher auf dem Hauptweg 6 nur noch der Teilstrahl der Wellenlänge λ13 geführt. Als Ergebnis sind auf dem äußeren Nebenweg 4 der Teilstrahl der Wellenlänge 11, auf dem inneren Nebenweg 5 der Teilstrahl der Wellenlänge λ12 und auf dem Hauptweg 6 der Teilstrahl der Wellenlänge λ13 geführt. In den Spalten S 1, S 2, S 3 werden entsprechend der Stellung der Platten 11, 12, 13 die Teilstrahlen der Wellenlängen λ13 und λ11, λ12 unterbrochen oder durchge­ lassen. Dadurch wird ein Signalzustand übertragen, der der Kombination der Stellungen der Platten 11, 12, 13 entspricht.

Danach werden durch die Strahlteiler 9 und 10 die Teil­ strahlen der Wellenlängen λ12 und λ11 wieder in den Haupt­ weg 6 reflektiert, wo sie sich wieder mit dem Teilstrahl der Wellenlänge λ13 zu einem zusammengesetzten Lichtstrahl vereinigen, der den erwähnten Signalzustand repräsen­ tiert. Dieser zusammengesetzte Lichtstrahl verläßt den Hauptweg 6 durch den Lichtauslaß 3.

Ersichtlich darf der innere Strahlteiler 8, obwohl er nur die Wellenlänge λ12 reflektieren muß, auch die Wellenlänge λ11 reflektieren, weil der Teilstrahl der Wellenlänge λ11 bereits am äußeren Strahlteiler 7 reflektiert wird und so­ mit nicht den inneren Strahlteiler 8 erreicht. Der innere Strahlteiler 8 darf also ein Reflexionsvermögen B 12 auf­ weisen, das spektral das Reflexionsvermögen B 11 des äuße­ ren Strahlteilers 7 überlappt.

Dementsprechend dürfen sich auch die Reflexionsvermögen des inneren Strahlteilers 9 und des äußeren Strahlteilers 10 spektral überlappen.

Ist ein zusätzlicher innerster lichtleitender Nebenweg vorgesehen, darf das Reflexionsvermögen B 13 der diesem zugeordneten zusätzlichen Strahlteiler das Reflexionsver­ mögen B 12 der inneren Strahlteiler 8 und 9 ebenso spektral überlappen, wie das Reflexionsvermögen B 12 das Reflexions­ vermögen B 11.

Es besteht also keine Notwendigkeit, die spektralen Gren­ zen der Reflexionsvermögen B 11, B 12, B 13 voneinander zu trennen. Daher wird ohne Schwierigkeit eine Maximierung der lichtleitenden Wege möglich.

Dem widerspricht nicht, daß die spektralen Grenzen der Re­ flexionsvermögen der Strahlteiler voneinander getrennt sein können, wenn die Umstände dies erfordern.

Für den Teilstrahl, der auf dem lichtleitenden Hauptweg verbleibt, wird kein Strahlteiler benötigt. Dadurch wird eine Verringerung der Anzahl der für jede Schalteinheit benötigten Strahlteiler erreicht.

Außerdem wird dadurch auch die Gesamtlänge der Schaltein­ heit relativ klein.

Fig. 3 zeigt eine optische Schalteinheit 51, deren licht­ leitenden Wege aus einem lichtleitenden Kunststoff beste­ hen und die auf einem Bereich von etwa 2 cm² untergebracht werden kann. Die Schalteinheit 51 weist einen im wesent­ lichen U-förmigen lichtleitenden Hauptweg 56 mit einem Lichteinlaß 52 und einem Lichtauslaß 53 auf. Ein im wesentlichen gerader erster lichtleitender Nebenweg 54 ist an seinem einen Ende im wesentlichen rechtwinklig vom Hauptweg 56 in der Nähe des Lichteinlasses 52 abgezweigt und mündet mit seinem anderen Ende im wesentlichen rechtwinklig in dem Hauptweg 56 in der Nähe des Lichtaus­ lasses 63. Ein im wesentlich gerader zweiter lichtleiten­ der Nebenweg 55 ist vom Hauptweg 56 zwischen dem Abzweig­ punkt des ersten Nebenwegs 54 und einer Ecke an der Ein­ laßseite des Hauptweges 56 abgezweigt und mündet zwischen dem Verbindungspunkt des ersten Nebenwegs 54 und einer Ecke an der Auslaßseite des Hauptweges 56 in dem Hauptweg 56. Der Hauptweg 56 weist daher ein erstes Paar von Kno­ tenbereichen auf, die mit der ersten Nebenleitung 54 ver­ bunden sind, und ein zweites Paar von Knotenbereichen, die mit dem zweiten Nebenweg 55 verbunden sind. Von einer nicht dargestellten Lichtquelle wird ein zusammengesetzter Lichtstrahl mit einem Spektrum, das sich über Wellenlän­ genbereiche mit den charakteristischen Wellenlängen λ11, λ12, λ13 erstreckt, durch den Lichteinlaß 52 in den Haupt­ weg 56 eingeführt und durch den Lichtauslaß 53 auf dem Hauptweg 56 abgeführt. ln dem ersten Knotenbereich und dem zweiten Knotenbereich des Hauptweges 56 sind ein erstes und ein zweites Paar von Strahlteilern 57, 60 und 58, 59 vorgesehen, die Teilstrahlen des Lichtes mit der Wellen­ länge λ11 bzw. den Wellenlängen λ11, λ12 reflektieren.

Jedes der Strahlenteiler 57, 58, 59, 60 besteht aus einem dichroitischen Spiegel, der in dem Hauptweg 56 durch Vakuumaufdampfung erzeugt ist und einen Neigungswinkel von 45° in bezug auf den Lichtstrahl in dem Hauptweg 56 aufweist.

Der Hauptweg 56 und die Nebenwege 54, 55 sind in ihren mittleren Bereichen mit Spalten S 11, S 12, S 13 versehen, in die jeweils eine lichtabschirmende Platte 61, 62, 63 einführbar und herausführbar ist.

Die Arbeitsweise der optischen Schalteinheit 51 entspricht derjenigen Schalteinheit 1 der Fig. 1 und wird daher nicht weiter erläutert. Der Unterschied besteht darin, daß im Gegensatz zur Schalteinheit 1, bei der der eintretende zu­ sammengesetzte Lichtstrahl und der austretende zusammenge­ setzte Lichtstrahl die gleiche Richtung haben, bei der Schalteinheit 51 der austretende Strahl gegenüber dem ein­ tretenden Strahl gegensinnig gerichtet ist.

Dadurch wird mit der optischen Schalteinheit 51 der Weg des Lichtes auf einem sehr kleinen Raum umgekehrt.

Fig. 4 zeigt eine optische Schalteinheit 81, die aus lichtleitendem Kunststoff besteht und auf einer Fläche von etwa 2 cm² untergebracht werden kann. Die Schalteinheit 81 weist einen U-förmigen lichtleitenden Hauptweg 86 mit einem Lichteinlaß 82 und einem Lichtauslaß 83 auf. In der Basis des Hauptwegs 86 befindet sich in Spalt S 21, in den eine lichtabschirmende Platte 91 einführbar und heraus­ führbar ist. In dem Hauptweg 86 sind in Richtung vom Lichteinlaß 82 bzw. Lichtauslaß 83 zum Spalt S 21 ein er­ stes Paar von Strahlteilern 87, 90 und ein zweites Paar von Strahlteilern 88, 89 vorgesehen, die durch Vakuumauf­ dampfen aufgebracht sind und einen Neigungswinkel von 45° in bezug zum Lichtstrahl im Hauptweg 86 aufweisen. Aus einem zusammengesetzten Lichtstrahl von einer nicht darge­ stellten Lichtquelle, der drei Teilstrahlen der Wellenlän­ gen λ11, λ12, λ13 aufweist, reflektieren die ersten Strahlteiler 87, 90 und die zweiten Strahlteiler 88, 89 selektiv die Teilstrahlen der Wellenlängen λ11, λ12 aus dem Hauptweg 86 in die Nebenwege 84, 85 und von den Neben­ wegen 84, 85 in den Hauptweg 86. Zwischen den ersten Strahlteilern 87, 90 und zwischen den zweiten Strahltei­ lern 88, 89 weist der Hauptweg 86 Spalte S 22 und S 23 auf, in die jeweils eine lichtabschirmende Platte 92, 93 ein­ führbar und herausführbar ist.

Durch die optische Schalteinheit 81 wird zusätzlich zu den Vorteilen, die durch die Schalteinheit 51 der Fig. 3 er­ zielbar sind, optisch leitender Kunststoff in Bereichen eingespart, die den lichtleitenden Nebenwegen 54, 55 ent­ sprechen; auch kann sie kompakter aufgebaut werden, da die Nebenwege 54, 55 entfallen.

Die optischen Schalteinheiten 1, 51, 81 eignen sich be­ sonders für Kommunikationssysteme kleiner Größe in Fahr­ zeugen.

Claims (9)

1. Optische Schalteinheit (1, 51, 81) für Licht, das aus mindestens zwei Teilstrahlen verschiedener Wellenlängen (λ11, λ13) zusammengesetzt ist, mit

• - einem lichtleitenden Hauptweg (6; 56; 86) und mindestens einem an zwei verschiedenen Stellen an den lichtleitenden Hauptweg (6; 56; 86) angeschlossenen lichtleitenden Ne­ benweg (4; 54; 84),
• - einem in den Hauptweg (6; 56; 86) eingebauten ersten Strahlteiler (7; 57; 87), der das Licht der einen Wellen­ länge (λ11) in den Nebenweg (4; 54) reflektiert und das Licht der anderen Wellenlänge (λ13) durchläßt,
• - einem in den Hauptweg (6; 56; 86) eingebauten zweiten Strahlteiler (10; 60; 90), der das Licht der anderen Wel­ lenlänge (λ13) durchläßt und das Licht der einen Wellen­ länge (λ11) aus dem Nebenweg (4; 54; 84) in den Hauptweg (6; 56; 86) in dieselbe Richtung wie das Licht der ande­ ren Wellenlängen (λ13) reflektiert.
• - und einer ersten lichtabschirmenden Einrichtung (S 2, 12; S 13, 62; S 22, 92), mittels der das Licht der einen Wel­ lenlänge (λ11) in dem Nebenweg (4; 54) gesperrt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß in dem lichtleitenden Hauptweg (6; 56; 86) zwischen den beiden Strahlteilern (7, 10; 57, 60; 87, 90) eine zweite lichtabschirmende Einrichtung (S 1, 11; S 11, 61; S 21, 91) vorgesehen ist, mittels der das Licht der anderen Wellen­ länge (λ13) in dem Hauptweg (6; 56; 86) gesperrt werden kann.

2. Optische Schalteinheit (1; 51; 81) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein zweiter lichtleitender Nebenweg (5; 55; 85) vorgese­ hen ist, der an zwei unterschiedlichen Stellen an den lichtleitenden Hauptweg (6; 56; 86) angeschlossen ist,
• - ein dritter Strahlteiler (8; 58; 88) in den lichtleiten­ den Hauptweg (6; 56; 86) zwischen dem ersten Strahlteiler (7; 57; 87) und der zweiten lichtabschirmenden Einrich­ tung (S 1, 11; S 11, 61; S 21, 91) eingebaut ist, der das Licht einer dritten Wellenlänge (λ12) in den zweiten lichtleitenden Nebenweg (5; 55; 85) reflektiert und das Licht der anderen Wellenlänge (λ13) durchläßt.
• - ein vierter Strahlteiler (9; 59; 89) in den lichtleiten­ den Hauptweg (6; 56; 86) zwischen der zweiten lichtab­ schirmenden Einrichtung (S 1, 11; S 11, 61; S 21, 91) und dem zweiten Strahlteiler (10; 60; 90) eingebaut ist, der das Licht der anderen Wellenlänge (λ13) durchläßt und das Licht der dritten Wellenlänge (λ12) aus dem zweiten lichtleitenden Nebenweg (5; 55, 85) in den Hauptweg (6; 56; 86) in dieselbe Richtung wie das Licht der anderen Wellenlänge (13) reflektiert,
• - eine dritte lichtabschirmende Einrichtung (S 3, 13; S 12, 63; S 23, 93) in dem zweiten Nebenweg (5; 55; 85) vorge­ sehen ist, mittels der das Licht der dritten Wellenlänge (λ12) gesperrt werden kann.

3. Optische Schalteinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der lichtleitende Haupt­ weg (6) geradlinig ausgebildet ist (Fig. 1).

4. Optische Schalteinheit (51) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der lichtleitende Haupt­ weg (56) U-förmig ausgebildet ist (Fig. 3).

5. Optische Schalteinheit (81) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der lichtleitende Hauptweg (86) die Form eines "U" sehr kleiner Breite aufweist,
• - der erste und zweite Strahlteiler (87, 90) sowie der dritte und vierte Strahlteiler (88, 89) jeweils einander gegenüberliegend so angeordnet sind, daß zwischen ihnen jeweils ein Spalt (S 22, S 23) liegt,
• - die erste lichtabschirmende Einrichtung (S 22, 92) ein lichtabschirmendes Teil (92) aufweist, das in den einen Spalt (S 22) einführbar ist,
• - die dritte lichtabschirmende Einrichtung (S 23, 93) ein lichtabschirmendes Teil (93) aufweist, das in den anderen Spalt (S 23) einführbar ist.

6. Optische Schalteinheit (1; 51; 81) nach einem der An­ sprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die spektralen Reflexionsvermögen (B 11) des ersten und zweiten Strahlteilers (7, 10; 57, 60; 87, 90) mit den spektralen Reflexionsvermögen (B 12) des dritten und vierten Strahltei­ lers (8, 9; 58, 59; 88, 89) überlappen.

7. Optische Schalteinheit (1; 51; 81) nach einem der An­ sprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahltei­ ler (7, 57, 87; 10, 60, 90; 8, 58, 88; 9, 59, 89) dichroi­ tische Spiegel vorgesehen sind.

8. Optische Schalteinheit (1; 51) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der lichtleitende Hauptweg (6; 56) und der mindestens eine lichtleitende Ne­ benweg (4; 54) aus einem lichtleitenden Kunststoff beste­ hen.

9. Optische Schalteinheit (1; 51; 81) nach einem der An­ sprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Größe aufweist, die auf einer Fläche von 2 cm² untergebracht wer­ den kann.