DE3704603A1 - Lichtwellenleiter-schleifringvorrichtung - Google Patents
Lichtwellenleiter-schleifringvorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf berührungslose optische
Schleifringverbinder und betrifft insbesondere Lichtwellen
leiter (LWL)- Drehkoppler mit verlustbehafteten Mikrobie
gungen.
Berührungslose optische Schleifringkoppler sind bekannt.
Diese bekannten Vorrichtungen werden benutzt, um eine sich
drehende Welle oder ein sich drehendes Teil mit einem ent
sprechenden stationären Teil optisch zu koppeln. Üblicher
weise wird ein moduliertes Infrarotlicht benutzt, um Meß
signale zwischen dem umlaufenden und dem nichtumlaufenden
Teil zu übertragen.
Optische Schleifringe sind mechanischen Schleifringen vor
zuziehen, weil bei letzteren schleifende metallische elek
trische Kontakte benutzt werden, die teuer sind, eine be
grenzte Lebensdauererwartung haben und häufige Wartung er
fordern. Darüber hinaus haben sie oft ein schlechtes Signal-
Rausch-Verhältnis bei hohen Drehgeschwindigkeiten.
Optische Schleifringverbinder sind aus dem US-PS 41 09 997
und 41 09 998 bekannt. Bei diesen Vorrichtungen werden eine
Reihe von konzentrischen Winkelspiegeln und wenigstens ein
transparentes Fenster benutzt. Ein optisches Signal wird in
den Hohlraum eingeleitet, und die optische Kopplung erfolgt
durch Reflexion darin. Bei diesen beiden bekannten Vorrich
tungen sind komplizierte Prismen und Spiegel erforderlich,
um die gewünschte optische Kopplung vorzunehmen.
Weiter ist ein optischer Schleifring aus der US-PS 41 65 913
bekannt. Diese Vorrichtung weist eine umlaufende optische
Welle auf, an der ein Lichtwellenleiter befestigt ist. Op
tische Signale werden einem Ende des Lichtwellenleiters zu
geführt und breiten sich um die umlaufende Welle in dem
Lichtwellenleiter selbst aus. Die optische Kopplung erfolgt
durch Verändern des Mantels des Lichtwellenleiters. Zu den
bekannten Methoden der Modifizierung gehört das Entfernen
eines Teils des Mantels durch eine herkömmliche Technik wie
Sandstrahlen oder chemisches Ätzen. Eine zweite Technik be
inhaltet sorgfältiges Einschneiden des Mantels des Lichtwel
lenleiters. Das Licht, das sich in dem Kern des Lichtwellen
leiters ausbreitet, wird zu Detektoren herauslecken, die an
dem stationären Teil angebracht sind. Ebenso wird sich Licht
aus einer Emittermatrix in den Lichtwellenleiter auf ähnliche
Weise ausbreiten.
Die bekannten optischen Drehkoppler, die keine zerbrechlichen
optischen Komponenten aufweisen, haben den Vorteil der Ein
fachheit von Lichtwellenleitern. Bei den mit Lichtwellen
leitern hergestellten Vorrichtungen ist jedoch aufwendiges
maschinelles Bearbeiten oder chemisches Ätzen des Lichtwel
lenleitermantels erforderlich. Andererseits sind Fertigungs
verfahren wie das Herstellen einer Reihe von Schlitzen längs
der äußeren Oberfläche des Lichtwellenleiters sowohl auf
wendig als auch teuer.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen berührungslosen Lichtwel
lenleiterschleifring zum Koppeln von optischen Signalen zwi
schen sich bewegenden, einander gegenüberliegenden Teilen zu
schaffen.
Gemäß der Erfindung weist eine Lichtwellenleiter-Schleifring
vorrichtung, die ein erstes und ein zweites Teil hat, welche
sich relativ zueinander bewegen und berührungslose, einander
gegenüberliegende Oberflächen haben, einen Lichtwellenleiter
auf, der einen longitudinalen äußeren Mantel und einen inne
ren Kern besitzt, welcher einen parabolischen Brechungsindex
gradienten aufweist. Ein optisches Signal breitet sich in
Längsrichtung in dem Lichtwellenleiter aus. Außerdem ist eine
Mikrobiegungseinrichtung vorgesehen, die auf derjenigen Ober
fläche des ersten Teils angeordnet ist, welche zur Aufnahme
des Lichtwellenleiters vorgesehen ist. Die Mikrobiegungsein
richtung verursacht eine Vielzahl von verlustbehafteten Mi
krobiegungen in dem Lichtwellenleiter. An den Mikrobiegungen
erfolgt die seitliche Ausbreitung eines Teils des optischen
Signals in dem Lichtwellenleiter. Die Lichtwellenleiter-
Schleifringvorrichtung weist außerdem einen Detektor zum Emp
fangen des seitlichen optischen Signals in dem zweiten Teil
auf.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 teilweise in perspektivischer Dar
stellung und teilweise im Schnitt
einen Lichtwellenleiter-Drehkopp
ler nach der Erfindung,
Fig. 2 eine Querschnittansicht des Licht
wellenleiter-Drehkopplers nach
Fig. 1,
Fig. 3 eine Schnittdarstellung des Teils
des Lichtwellenleiter-Drehkopp
lers nach Fig. 1, die Mikrobiegun
gen in diesem zeigt, und
Fig. 4 eine Schnittdarstellung einer wei
teren Ausführungsform des Licht
wellenleiter-Drehkopplers nach
der Erfindung.
Fig. 1 zeigt teilweise in perspektivischer Darstellung und
teilweise im Schnitt einen Lichtwellenleiter-Drehkoppler 10
mit verlustbehafteten Mikrobiegungen, der eine Welle 12 auf
weist, die sich um eine Achse 14 dreht. Statt dessen kann die
Welle stationär sein, während sich ein Gehäuse 16 um die Ach
se dreht. In beiden Fällen drehen sich ihre einander gegen
überliegenden Flächen frei ohne mechanische Berührung.
Ein Lichtwellenleiter 18 ist eine herkömmliche Gradientenfa
ser und auf die äußere Wellenoberfläche 20 so aufgezogen, daß
er auf einer Reihe von periodischen Stegen oder Rippen 22 an
geordnet ist, die auf der Welle in bezug auf die Achse in
Längsrichtung gebildet sind. Die periodischen Stege 22 bilden
eine Einrichtung zum Erzeugen einer Folge von Mikrobiegungen
in dem gezogenen Lichtwellenleiter. Der Lichtwellenleiter 18
wird an der Welle 12 auf herkömmliche Weise befestigt, am
besten mit Hilfe einer transparenten Vergußmasse oder Epoxy.
Ein optisches Signal, das sich in dem Lichtwellenleiter 18
ausbreitet, wird sich seitlich aus dem Kern durch den äußeren Man
tel hindurch ausbreiten. Andererseits wird ein optisches Sig
nal, das dem Lichtwellenleiter 18 dargeboten wird, seitlich
durch den Mantel und irgendeinen darauf vorgesehenen Puffer
gesendet und wird sich in dem Kern in der Längsrichtung des
Lichtwellenleiters ausbreiten. Das optische Signal ist ty
pisch ein Infrarotsignal aus einer herkömmlichen Signalquelle
mit einer Wellenlänge von ungefähr 0,850 µm. In der besten
Ausführungsform ist das optische Infrarotsignal durch eine
herkömmliche Methode frequenzmoduliert, um Amplitudenverzer
rung zu reduzieren. Es ist klar, daß statt dessen äquivalente
optische Signale benutzt werden können.
In der besten Ausführungsform ist das Gehäuse 16 relativ zu
der Welle 12 stationär und enthält eine Einrichtung zum Emp
fangen des optischen Signals. Optische Detektoren 24, 26 sind
in optischer Verbindung mit dem Lichtwellenleiter 18 angeord
net. Die Anzahl und die Position der optischen Detektoren
sollte so gewählt werden, daß ein ausreichendes Signal-Rausch-
Verhältnis sichergestellt ist. In der besten Ausführungsform
sind die optischen Detektoren herkömmliche Photodioden.
Das optische Signal, das durch die Detektoren 24, 26 empfan
gen wird, wird in ein äquivalentes elektrisches Signal umge
wandelt und über Leitungen 28 an eine herkömmliche Verstär
kungs- und Signalverarbeitungseinrichtung angelegt, die nicht
dargestellt ist, nicht Teil der Erfindung ist und von dem
Verwendungszweck des Kopplers abhängig ist.
Fig. 2 zeigt eine Querschnittansicht des Lichtwellenleiter-
Drehkopplers nach Fig. 1. Anders als bei den mechanischen
Schleifringen, bei denen aufeinander gleitende metallische
Kontakte benutzt werden, gibt es zwischen dem Gehäuse 16 und
der Welle 12 keinen körperlichen Kontakt, wenn diese sich re
lativ zueinander bewegen. Detektoren 30, 32, 34 und 36 sind
vorgesehen, um ein optisches Signal zu empfangen, das aus
dem Lichtwellenleiter (20, Fig. 1), welcher in der Vergußmasse
40 enthalten ist, über den Luftspalt 38 gesendet wird.
Wie oben beschrieben sind mehrere Längsstege oder -rippen in
der äußeren Wellenoberfläche gebildet, wofür die Stege 42 und
44 Beispiele sind. In der besten Ausführungsform hat jeder
Steg ein rechteckiges Profil, das durch herkömmliche Methoden
hergestellt wird. Durch jeden Steg werden in dem Lichtwellen
leiter zwei Mikrobiegungen an den äußeren Kanten der Stege
gebildet. Selbstverständlich können Stege mit anderen Profi
len benutzt werden. Beispielshalber können Stege benutzt wer
den, die ein sinusförmiges Profil haben und eine Mikrobiegung
pro Steg in dem Lichtwellenleiter erzeugen.
Die Mikrobiegungen sind verlustbehaftet, was gestattet, daß
sich optische Energie seitlich durch den transparenten Mantel
und eine Pufferschicht (falls vorhanden) des Lichtwellenlei
ters ausbreitet. Lichtwellenleiter, die einen parabolischen
Brechungsindexgradienten haben, bewirken, daß die optische
Energiedifferenz zwischen optischen Moden, welche sich sowohl
in dem Kern als auch in dem Mantel ausbreiten, gleich sind.
Infolgedessen stehen sämtliche sich ausbreitenden Moden zur
Verfügung, um optische Energie zu liefern oder zu empfangen.
Multimoden-Stufenlichtwellenleiter sind für optische Schleif
ringzwecke schlecht geeignet, weil die optische Energie nicht
ohne weiteres zwischen den sich ausbreitenden optischen Moden
übertragen werden kann. Bekanntlich ist das Ausmaß an Ener
gieübertragung zwischen sich ausbreitenden Moden eine Funk
tion der Periodizität der Mikrobiegungen sowie des Brechungs
indexgradienten, der Lichtwellenleiterkerngröße und der Wel
lenlänge des optischen Signals.
Für Lichtwellenleiter-Drehkoppler nach der Erfindung muß die
Periodizität der Stege so gewählt werden, daß eine maximale
Leckage von Licht durch den Lichtwellenleitermantel hindurch
gewährleistet ist. In der besten Ausführungsform wird die
Periodzität der Mikrobiegungen so gewählt, daß sie ungefähr
1,1 Millimeter bei einem Lichtwellenleiter mit einem 100-µm-
Kern und einem optischen Signal von ungefähr 0,850 µm, das
sich darin ausbreitet, beträgt.
Es ist klar, daß andere äquivalente Multimoden-Gradienten
lichtwellenleiter oder Monomode-Stufenlichtwellenleiter
statt dessen benutzt werden können.
Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Teils
46 des Lichtwellenleiter-Drehkopplers nach Fig. 2. Der Licht
wellenleiter 48 ist auf Stegen 50 und 52 angeordnet, zwei der
mehreren Stege, die oben beschrieben sind. Mittels transpa
renter Vergußmasse 54 ist der Lichtwellenleiter befestigt.
Das Ziehen des Lichtwellenleiters über die Stege, wie darge
stellt, erzeugt Biegungen 56 und 58 in den Stegen, welche ei
nem Teil des optischen Signals, das sich darin ausbreitet,
herauszulecken gestatten. Die erzeugte Biegung wird üblicher
weise als Mikrobiegung bezeichnet. Mikrobiegungen werden
durch periodisches physikalisches Biegen des Lichtwellenlei
ters erzeugt, das zur Folge hat, daß die optischen Ausbrei
tungsmoden miteinander und zwischen dem Mantel und dem Kern
des Lichtwellenleiters gekoppelt werden. Mikrobiegungen und
die durch sie verursachten Verluste sind in bezug auf opti
sche Langstreckenverbindungen ausführlich untersucht worden.
Infolgedessen können der optische Verlust und das Ausmaß an op
tischem Signal, das in den oder aus dem Lichtwellenleiter ge
koppelt wird, durch bekannte Methoden für einen gegebenen
Lichtwellenleiter und einen gegebenen Satz von Biegungspara
metern vorhergesagt werden.
Ebenso ist klar, daß eine Mikrobiegung äquivalent gestatten
wird, daß sich ein Lichtsignal von außerhalb des Lichtwellen
leiters in den Lichtwellenleiter ausbreitet.
Die Verwendung von verlustbehafteten Mikrobiegungen als eine
Maßnahme zur optischen Kopplung markiert einen Punkt, in wel
chem sich die Erfindung vom Stand der Technik abhebt. Bei
den bekannten optischen Drehkopplern, bei denen Lichtwellen
leiter benutzt werden, erfolgt die optische Kopplung entweder
durch physikalisches oder durch chemisches Verändern des Man
tels des Lichtwellenleiters. Bei dem Lichtwellenleiter-Dreh
koppler nach der Erfindung wird der Lichtwellenleiter selbst
physikalisch nicht verändert. Vielmehr wird er so manipuliert,
daß eine Reihe von verlustbehafteten Mikrobiegungen zum Er
zielen der optischen Kopplung erzeugt wird. Es ist klar, daß
es wesentlich einfacher ist, eine Mikrobiegungsstruktur in
einer Welle oder einem Gehäuse, die typisch aus Metall beste
hen, herzustellen als heikle Lichtwellenleiter maschinell zu
bearbeiten oder zu handhaben.
Fig. 4 zeigt eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausfüh
rungsform 60 des Lichtwellenleiter-Drehkopplers nach der Er
findung. Diese alternative Ausführungsform weist eine Welle
62 und ein Gehäuse 64 auf, welche sich in bezug aufeinander
drehen. Ein erster Lichtwellenleiter 63 gleicht dem oben mit
Bezug auf die beste Ausführungsform beschriebenen und ist auf
oben beschriebene Weise auf die Welle aufgezogen.
Die alternative Ausführungsform ist durch einen transparenten
Ring 66 gekennzeichnet, an dessen äußerer Oberfläche periodi
sche Stege oder Rippen 68 gebildet sind und der durch eine
herkömmliche Technik an der inneren Gehäuseoberfläche 70 be
festigt ist. Der Ring 66 und die Welle 62 bewegen sich in
bezug aufeinander frei. Ein zweiter Lichtwellenleiter 72, der
dem ersten Lichtwellenleiter gleicht, ist auf die periodi
schen Stege des Ringes aufgezogen, wodurch in ihm Mikrobie
gungen erzeugt worden sind. Die Lichtwellenleiter sind so an
geordnet, daß sie optisch miteinander in Verbindung sind. Ei
ne herkömmliche optische Signalquelle und Detektoren sind
entfernt entweder auf den einander gegenüberliegenden Ober
flächen der umlaufenden Teile oder auf den Teilen selbst be
festigt. Die optische Kopplung zwischen den Lichtwellenlei
tern eines sich ausbreitenden optischen Signals in einem der
Lichtwellenleiter erfolgt auf oben beschriebene Weise.
Im Rahmen der Erfindung sind Änderungen möglich. So sind zwar
nur zylindrische Teile in bezug auf die beste Ausführungsform
beschrieben worden, die sich gegenseitig drehen, es ist je
doch klar, daß nichtzylindrische Teile und eine Bewegung, bei
der es sich um keine Drehbewegung handelt, statt dessen be
nutzt werden können.
Claims (6)
1. Lichtwellenleiter-Schleifringvorrichtung zum Koppeln eines
optischen Signals zwischen einem ersten und einem zweiten
Teil (12, 16), die sich relativ zueinander bewegen und einan
der gegenüberliegende Oberflächen haben, welche sich nicht
berühren, gekennzeichnet durch:
eine Lichtwellenleitereinrichtung (18, 48) mit einem sich in Längsrichtung erstreckenden äußeren Mantel und einem inneren Kern sowie mit einem parabolischen Brechungsindexgradienten, in der sich das optische Signal in Längsrichtung ausbreitet;
eine Mikrobiegungseinrichtung (22, 40, 42, 50, 52), die an der Oberfläche (20) des ersten Teils (12) angeordnet ist, um die Lichtwellenleitereinrichtung (18, 48) aufzunehmen, wobei die Mikrobiegungseinrichtung mehrere periodische, verlustbehafte te Mikrobiegungen (56, 58) in der Lichtquellenleitereinrich tung hervorruft, so daß sich ein Teil des optischen Signals an den Mikrobiegungen seitlich ausbreitet; und
eine Detektoreinrichtung (24, 26, 30, 32, 34, 36) zum Empfan gen des seitlichen optischen Signals an dem zweiten Teil (16).
eine Lichtwellenleitereinrichtung (18, 48) mit einem sich in Längsrichtung erstreckenden äußeren Mantel und einem inneren Kern sowie mit einem parabolischen Brechungsindexgradienten, in der sich das optische Signal in Längsrichtung ausbreitet;
eine Mikrobiegungseinrichtung (22, 40, 42, 50, 52), die an der Oberfläche (20) des ersten Teils (12) angeordnet ist, um die Lichtwellenleitereinrichtung (18, 48) aufzunehmen, wobei die Mikrobiegungseinrichtung mehrere periodische, verlustbehafte te Mikrobiegungen (56, 58) in der Lichtquellenleitereinrich tung hervorruft, so daß sich ein Teil des optischen Signals an den Mikrobiegungen seitlich ausbreitet; und
eine Detektoreinrichtung (24, 26, 30, 32, 34, 36) zum Empfan gen des seitlichen optischen Signals an dem zweiten Teil (16).
2. Lichtwellenleiter-Schleifringvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrobiegungseinrichtung eine
periodische Reihe von Stegen (22, 40, 42, 50, 52) an der
Oberfläche (20) des ersten Teils (12) aufweist.
3. Lichtwellenleiter-Schleifringvorrichtung nach Anspruch 1
oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern der Lichtwellen
leitereinrichtung (18, 48) einen Durchmesser von ungefähr
100 µm aufweist.
4. Lichtwellenleiter-Schleifringvorrichtung nach Anspruch 2
oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (22, 40, 42,
50, 52) eine Periodizität von ungefähr 1,1 mm haben.
5. Lichtwellenleiter-Schleifringvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektor
einrichtung zusätzlich eine zweite Mikrobiegungseinrichtung
(66, 68) aufweist, die an der gegenüberliegenden Oberfläche
des zweiten Teils (64) angeordnet ist und eine zweite Licht
wellenleitereinrichtung (72) trägt, welche in optischer Ver
bindung mit der ersten Lichtwellenleitereinrichtung (63) ist.
6. Lichtwellenleiter-Schleifringvorrichtung nach Anspruch 5, da
durch gekennzeichnet, daß die zweite Mikrobiegungseinrichtung
(66, 68) außerdem ein optisch transparentes Rohr (66) auf
weist, an dessen Oberfläche eine Reihe von Stegen (68) gebil
det ist, die die Lichtwellenleitereinrichtung (72) tragen.
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