DE3426835C2 - - Google Patents
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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.
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