WO2008116808A1

WO2008116808A1 - Linsenanordnung für optische drehübertrager in beliebigen umgebungsmedien

Info

Publication number: WO2008116808A1
Application number: PCT/EP2008/053305
Authority: WO
Inventors: Gregor Popp
Original assignee: Schleifring Und Apparatebau Gmbh
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2008-10-02
Also published as: DE102007035147A1

Abstract

Beschrieben wird ein optischer Drehübertrager umfassend eine erste Kollimatoranordnung zur Ankopplung von ersten Lichtwellenleitern sowie eine zweite Kollimatoranordnung zur Ankopplung von zweiten Lichtwellenleitern, wobei diese gegenüber der ersten Kollimatoranordnung um eine Drehachse drehbar gelagert ist. Zwischen den Kollimatoranordnungen ist als derotierendes Element ein Dove-Prisma vorgesehen. Weiterhin weisen die Kollimatoranordnungen jeweils eine Trägerplatte sowie eine hierzu parallele Deckplatte auf, welche einen Innenraum bilden, in dem auf jeder dieser Platten gegenüberliegend Linsen angeordnet sind, alternativ weisen die Kollimatoranordnungen jeweils zwei Linsenteile mit unterschiedlichen Brechungsindizes auf. Die beiden Linsenteile sind formschlüssig miteinander verbunden und weisen an der Verbindungsstelle Grenzflächen auf, die im Bereich des optischen Strahlengangs gekrümmt sind. Weiterhin sind die Außenflächen plan und orthogonal zum Strahlengang.

Description

Linsenanordnung für optische Drehübertrager in beliebigen Umgebungsmedien

BESCHRE IBUNG Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen optischen Drehübertrager und ein Linsensystem insbesondere zur Verwendung in optischen Drehübertragern, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Linsensystems.

Stand der Technik

Zur Übertragung optischer Signale zwischen gegeneinander drehbaren Einheiten sind verschiedene Übertragungssysteme bekannt .

In der US 5,568,578 ist ein optischer Drehübertrager für mehrere Kanäle mit einem Dove-Prisma offenbart. Zur Einkopplung beziehungsweise Auskopplung des Lichtes aus Glasfasern ist eine Anordnung mit mehreren GRIN-Linsen vorgesehen. Derartige GRIN-Linsen sind weitgehend unabhängig von der Brechzahl des umgebenden Mediums. Allerdings sind deren Abbildungseigenschaften für verschiedene Einsatzfälle unzureichend.

Flexibler im Einsatz sind sphärische Linsen, wie sie beispielsweise in der US 5,394,493 offenbart werden. Die Brechungseigenschaften dieser Linsen sind aber wiederum abhängig vom Medium der Umgebung.

In der US 2005/0036735 ist ein optischer Drehübertrager für mehrere Kanäle mit einem Dove-Prisma als derotie- rendes Element offenbart. Licht wird von zuführenden Lichtwellenleitern über Kollimatoren in ein Dove-Prisma eingekoppelt, mittels diesem derotiert und über weitere Kollimatoren in wegführende Lichtwellenleiter eingespeist. Um die Anordnung unabhängig von der Brechzahl eines Mediums im Umfeld des Dove-Prismas zu machen, wird das Prisma mit Vorsatzstücken versehen, die für einen senkrechten Lichteintritt sorgen. Durch diesen senkrechten Lichteintritt tritt keine Brechung an der Übergangsfläche auf. Weiterhin sind in den Kollimatoren kugelförmige Linsen eingesetzt, hinter denen Interfaceelemente zum Medium im Umfeld des Dove-Prismas mit Flächen senkrecht zum Strahlengang vorgesehen sind.

Eine andere Art eines optischen Drehübertragers ist in der WO 01/98801 A2 offenbart. So ist darin ein mikrooptisches System angegeben, welches optische und mechanische Komponenten als einstückiges Bauteil aufweist. Durch diese Ausgestaltung lässt sich eine wesentlich höhere Packungsdichte der einzelnen Glasfasern erreichen .

In der DE 10 2006 022 023 Al ist ein weiterer optischer Drehübertrager mit Kollimatoren, die eine Vielzahl von Linsen umfassen, offenbart.

Somit funktionieren derartige Linsensysteme nur in einem engen Druckbereich, in dem sich die Brechzahl des umgebenden Mediums nur vernachlässigbar ändert. Sie sind also in optischen Drehübertragern, die unter schwankendem Druck eingesetzt werden, nicht verwendbar.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen kostengünstigen optischen Drehübertrager sowie ein Linsensys- tem für einen solchen Drehübertrager bereitzustellen, der in einem weiten Druck und Temperaturbereich einsetzbar ist. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Linsensystems angegeben werden.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche .

Ein erfindungsgemäßes Linsensystem als weist zwei

Seiten auf, wobei die erste Seite zur Ankopplung von Lichtwellenleitern vorgesehen ist und die zweite Seite zur Aussendung beziehungsweise zum Empfang eines kolli- mierten Lichtbündels zu beziehungsweise von einem derotierenden Element dient. Beide Seiten weisen mindestens jeweils eine Platte aus einem optischen trans- parenten Material auf. Die erste Seite hat eine Trägerplatte 11, an der wenigstens ein Lichtwellenleiter 16 angeordnet ist. Die zweite Seite hat eine Deckplatte 12. Zwischen der Trägerplatte 11 und der Deckplatte 12 wird ein Innenraum gebildet, der mit einem optischen Medium 15 gefüllt ist. Ein solches optisches Medium kann beispielsweise eine Flüssigkeit, wie Wasser oder auch ein Silikonöl oder ein Siloxan sein. Ebenso kann das optische Medium auch ein Gas, wie beispielsweise Luft oder auch Stickstoff sein. Alternativ können auch ein oder mehrere Feststoffe, wie beispielsweise Epoxy eingesetzt werden. An der Trägerplatte 11 und an der Deckplatte 12 sind jeweils erste Linsen 13 und zweite Linsen 14 angeordnet, die in den Innenraum mit dem optischen Medium 15 hineinragen. Die Linsen sind je- weils gegenüberliegend angeordnet. Licht, welches durch einen Lichtwellenleiter 16 in die Linsensysteme eingekoppelt wird, tritt über die Trägerplatte 11 in die erste Linse 13 und über das optische Medium 15 in die zweite Linse 14 ein. Das Licht wird durch die Linsen zu einem parallelen Bündel mit einem Durchmesser in einer typischen Größenordnung von 0,1 mm bis 3 mm kollimiert und tritt über die Deckplatte 12 in Richtung des derotierenden Element aus dem Linsensystem aus. Ein entsprechendes Linsensystem befindet sich auch auf der anderen Seite des derotierenden Elements. Ein erfindungsgemäßes Linsensystem ist grundsätzlich in beiden Richtungen betreibbar. Licht, welches von dem derotie- renden Element über die Deckplatte 12 in die Linsensysteme eintritt, wird mittels der wenigstens einen zweiten Linse 14 über das optische Medium 15 zu der wenigstens einen ersten Linse 13 geführt und mittels der Linsen auf den Lichtwellenleiter 16 abgebildet.

Ein erfindungsgemäßes Linsensystem weist durch die Deckplatte 12 in Richtung des derotierenden Elements 51 eine senkrechte Lichteintritts- beziehungsweise Licht- austrittstlache auf. Durch diese senkrechte Fläche erfolgt beim Lichtdurchgang, d.h. beim Lichteintritt in die Anordnung bzw. beim Lichtaustritt aus der Anordnung keine Brechung. Der Übergang ist somit unabhängig von dem Medium im Inneren des Drehübertragers, das heißt zwischen den Kollimatoren 54, 55 und dem derotierenden optischen Element 51. Dieses Medium im Inneren des Drehübertragers kann nicht in den Zwischenraum zwischen der Trägerplatte 11 und der Deckplatte 12 eindringen, da dieser vorzugsweise abgeschlossen, zumindest aber gegenüber dem Medium im Inneren des Drehübertragers abgetrennt ist. Dadurch kann im Inneren des Zwischenraums ein optisches Medium 15 mit exakt definierten Eigenschaften aufgenommen werden. Im einfachsten Falle ist dieses Medium ein Gas wie beispielsweise Luft. Sollte die Anordnung auch unter hohem Umgebungsdruck eingesetzt werden, so kann der Zwischenraum auch mit einer druckfesten Flüssigkeit, beispielsweise einem Silikonöl gefüllt sein. Der Einsatz eines festen Mediums ist hier besonders günstig. Das Medium im Zwischen- räum beeinflusst die optischen Eigenschaften der Anordnung und muss daher bei der Auslegung der Linsen und deren Abstände berücksichtigt werden. Durch die Ausges- taltung mit gegenüberliegenden Linsen auf der Trägerplatte 11 und der Deckplatte 12 kann eine wesentlich bessere Fokussierung als mit nur einer einzigen Linse entsprechend dem Stand der Technik erreicht werden.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung umfasst wenigstens eine Ferrule 20 zur Fixierung des wenigstens einen Lichtwellenleiters 16. Dadurch ist eine einfachere und mechanisch stabilere Fixierung möglich. Zudem können mehrere Ferrulen zu einem Bündel zusammengefasst werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Abstandshalter 17 zwischen der Träger- platte 11 und der Deckplatte 12 vorgesehen. Durch die Abstandshalter kann die Anordnung noch druckfester gestaltet werden. Zudem können die Abstandshalter für eine zusätzliche Abdichtung der Anordnung gegenüber der Umgebung sorgen. Bei einer Druckbelastung durch einen Umgebungsdruck der Anordnung kann eine Linsensystem aufgrund seiner großen Fläche leicht deformiert werden, was die optischen Abbildungseigenschaften beeinträchtigt. Durch Abstandshalter kann eine solche Verbiegung reduziert werden, da diese die senkrecht auf die Anord- nung einwirkenden Kräfte aufnehmen können. Alternativ beziehungsweise zusätzlich kann im inneren der Anordnung, also zwischen der Trägerplatte 11 und der Deckplatte 12 Gas unter Druck eine druckfeste Flüssigkeit oder gar ein Feststoff vorgesehen werden.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Trägerplatte 11 unter einem Winkel zur senkrechten der Drehachse 56 angeordnet, der in einem Bereich zwischen 0,1° und 10° liegt. Durch diese Verkippungen der Trägerplatte können Reflexionen des Lichts reduziert werden. Dadurch ergibt sich eine wesentlich höhere Rückflussdämpfung des Drehübertragers.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Deckplatte 12 vor, welche unter einem Winkel zur senkrechten der Drehachse 56 angeordnet ist, der in einem Bereich zwischen 0,1° und 10° liegt. Auch hierdurch lässt sich die Rückflussdämpfung verbessern. Eine weitere Verbesserung ergibt sich durch Anordnung der Trägerplatte 11 und der Deckplatte 12 unter einem der angegebenen Winkel zur Senkrechten der Drehachse 6. Ebenso kann ein komplettes Linsensystem mit paralleler Trägerplatte 11 und Deckplatte 12 als solche gegenüber der Senkrechten der Drehachse 56 gekippt werden.

Eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen Linsen- Systems weist auf der ersten Seite eine Trägerplatte 11 und auf der zweiten Seite eine Deckplatte 12 auf. Dabei ist an der Trägerplatte 11 wenigstens eine erste Linse 13 angeordnet. Der durch die Trägerplatte 11 und die Deckplatte 12 gebildete Zwischenraum weist ein opti- sches Medium 15 auf. Die wenigstens eine erste Linse 13 ist zum Zwischenraum hin angeordnet ist. Zur Vermeidung von Reflexionen ist die Deckplatte 12 unter einem Winkel im Bereich von 0.1 Grad bis 10 Grad zur Senkrechten zur Drehachse angeordnet. Alle zuvor beschrie- benen Merkmale können auch mit dieser Variante der Erfindung kombiniert werden. Ein weiteres erfindungsgemäßes Linsensystem besteht aus mindestens zwei formschlüssig aneinandergefügten Linsenteilen mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Die beiden Linsenteile sind im Vergleich zu Luft inkompres- sibel. Die beiden Grenzflächen, an denen die beiden Linsenteile aneinander anliegen sind zumindest in dem Bereich, durch den das Licht fällt gekrümmt. In dem genannten Bereich sind die Grenzflächen vorzugsweise asphärisch. Ebenso können die Grenzflächen auch sphä- risch sein, und somit die Form eines Ausschnittes einer Kugeloberfläche, z.B. einer Kugelkappe haben. Die Lichteintrittsfläche und die Lichtausrittsfläche der Linse sind plan und orthogonal zum Lichtpfad.

Beispielsweise kann auf einer Seite des Linsensystems eine Single- oder Multimodefaser angebracht sein. Auf der der Faser gegenüberliegenden Seite tritt das Licht beispielsweise in den freien Raum ein oder aus. Solch eine Linse kann z.B. als Kollimator zur Strahlaufwei- tung dienen. Dann ist die Lichteintrittsfläche orthogonal zur Faser und die Lichtaustrittsfläche orthogonal zum austretenden parallelen Lichtbündel. Die Lichteintritts- und die Lichtaustrittsfläche sind also parallel. Anstelle der exakt orthogonal zum Lichtbündel, das heißt zum Strahlengang angeordneten Flächen können beliebige dieser Flächen auch unter einem geringen Winkel von 0,1° bis 0,5°, höchstens jedoch 1° zum Strahlengang angeordnet sein, um Reflexionen zu vermeiden. Dies betrifft sowohl die Seite, an der wenigstens eine Faser angebracht ist, die Faser selbst und auch die gegenüberliegende Seite der Anordnung. In diesem Dokument wird der Begriff „orthogonal" im Sinne von weitgehend orthogonal, wobei die zuvor angegebene geringfügige Winkelabweichung mit eingeschlossen ist.

Das Linsensystem kann durch Anfügen weiterer Linsentei- Ie nach Bedarf erweitert werden. Wichtig ist nur, dass die aneinandergereihten Linsenteile jeweils formschlüssig sind und dass die Lichteintritts und die Lichtaustrittsflächen der Linse orthogonal zu dem Lichtpfad sind.

Zumindest eines der beiden Linsenteile kann beispielsweise durch Anformen, wie Angießen hergestellt sein. Ebenso können die beiden Linsenteile getrennt hergestellt und anschließend miteinander verbunden werden. Hierzu geeignet ist beispielsweise Epoxy, Silicon, oder andere optische Verblendungsmaterialien, wie beispielsweise Spin-on-Glass Materialien, wie sie in der Halbleitertechnik verwendet werden.

Die Linsenteile des Linsensystems bestehen vorzugsweise aus Glas oder transparenten Kunststoffmaterialien. Sie können aber auch aus Silizium oder Germanium bestehen und vorzugsweise mittels Pyrex verbunden werden.

Anstelle der oben beschriebenen refraktiven Elemente können auch diffraktive Elemente entsprechend der Erfindung realisiert werden. Es können also anstelle der Linsen 5 auch Gitter realisiert werden. Ebenso ist eine Kombination aus refraktiven und diffraktiven Elementen möglich. Ein erfindungsgemäßes Linsensystem weist eine weitgehend vom Umgebungsmedium unabhängige Funktion auf. Somit ist sie auch von Druck und Temperatur des Umgebungsmediums zu unabhängig.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die relativ großen GRIN-Linsen, welche beispielsweise bei einer Brennweite von 1 mm einen typischen Durchmesser von 1,6 bis eins um 8 mm aufweisen, durch kleinere Linsen ersetzt werden können. Somit ist auch eine höhere Kanaldichte erzielbar.

Die Brechwirkung bekannter Linsen beruht darauf, dass sie einen von Luft verschiedenen Brechungsindex nL haben. Mit zunehmendem Druck steigt jedoch auch der Brechungsindex nA von Luft, so dass sich bei einer starken Veränderung des Umgebungsdruckes die Linseneigenschaften entsprechend verändern. Dies führt insbesondere bei Drehübertragern zu nicht tolerierbaren Abbildungsfehlern und zu entsprechend hohen Durchgangsdämpfungen .

Dadurch dass ein Linsensystem verwendet wird, dessen Brechungsindex weitgehend unabhängig vom herrschenden Umgebungsdruck und/oder der Temperatur ist, lässt sich ein optisches System, wie z.B. ein optischer Drehübertrager unter Normbedingungen montieren und justieren und dann ohne weitere Justage an einem Ort mit anderen Umgebungsbedingungen einsetzen. So kann ein solcher Drehübertrager beispielsweise unter einer Bohrinsel in großen Meerestiefen mit hohen Drücken eingesetzt werden . Ein erfindungsgemäßer optischer Drehübertrager weist anstelle der üblichen Kollimatoranordnungen beziehungsweise Linsensysteme wenigstens ein erfindungsgemäßes Linsensystem auf. Entsprechend kann ein Drehübertrager, wie er in der US 5,568,578 offenbart ist, anstelle der GRIN-Linsen auf jeder Seite des Dove-Prisma mit jeweils einem erfindungsgemäßen Linsensystem auf jeder Seite ausgestaltet sein. Es sind aber auch Drehübertrager ohne derotierendes Element, wie beispielsweise Einka- nal- Drehübertrager mit erfindungsgemäßen Linsensystemen ausrüstbar. Ebenso sind auch Drehübertrager , welche beispielsweise einen verspiegelten Graben oder Segmente davon als Lichtleiter verwenden, mit erfin- dungsgemäßen Linsensystemen zu versehen.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Linsensystems für optische Drehübertrager umfasst die Schritte Herstellen eines ersten transparenten Teils 1, Herstellen eines zweiten transparenten Teils 2 und anschließendes formschlüssiges Verbinden der beiden transparenten Teile zu einem Linsensystem.

Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstel- lung eines Linsensystems für optische Drehübertrager umfasst die Schritte Herstellen eines ersten transparenten Teils 1, Eintauchen des ersten transparenten Teils 1 in eine flüssige Masse und Aushärten der flüssigen Masse.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Linsensystems für optische Drehübertrager umfasst die Schritte Herstellen eines ersten transparenten Teils 1, welches Ausnehmungen an den Stellen der späteren Linsen hat und Einkleben von Lichtwellenleitern mittels eines Kunst- stoffmaterials 32 in Form von Tropfen, wobei das Kunst- Stoffmaterial 32 in Verbindung mit dem ersten transparenten Teil 1 wenigstens eine Linse ergibt.

Ein erfindungsgemäßer optischer Drehübertrager umfasst wenigstens eine erstes Linsensystem 54 zur Ankopplung von ersten Lichtwellenleitern 52. Weiterhin ist wenigstens ein zweites Linsensystem 55 zur Ankopplung von zweiten Lichtwellenleitern 53 vorgesehen. Beide Linsensysteme sind gegenüber einer Drehachse 56 drehbar gegeneinander gelagert und über ein derotierendes optisches Element im Lichtpfad zwischen den beiden

Linsensystemen optisch miteinander verbunden. Wenigstens eines der Linsensysteme weist die oben angegebenen erfindungsgemäßen Merkmale auf. Das derotierende optische Element kann wahlweise auch ein Dove-Prisma oder ein Abbe-König-Prisma sein.

Die Erfindung ist grundsätzlich für alle derotierenden optischen Elemente ausführbar. Der Anschaulichkeit halber wird hier auf ein Dove-Prisma Bezug genommen. Ebenso ist aber auch als derotierendes Element ein Abbe-König-Prisma einsetzbar. Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs- beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.

Figur 1 zeigt in allgemeiner Form schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung.

Figur 2 zeigt eine weitere Ausführung einer erfindungsgemäßen Anordnung mit Ferrulen.

Figur 3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Anordnung mit Abstandshaltern.

Figur 4 zeigt einen typischen Strahlengang in einer erfindungsgemäßen Anordnung.

Figur 5 zeigt eine Ausführungsform mit Abstandshaltern und einer schräg angeordneten Deckplatte.

Figur 6 zeigt eine Ausführungsform mit einer schräg angeordneten Deckplatte.

Figur 7 zeigt eine Ausführungsform mit schräg an der Trägerplatte angebrachten Lichtwellenleitern.

Figur 8 zeigt eine Ausführungsform mit konkaven Linsen,

Figur 9 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Anordnung. Figur 10 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung.

Figur 11 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem ersten Linsenteil, einem zweiten Linsenteil und einer Zwischenschicht.

Figur 12 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung, hergestellt durch Eintauchen eines ersten Linsenteils in eine später aushärtende flüssige Masse.

Figur 13 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung mit einer Hülse zur Aufnahme einer flüssigen Masse.

Figur 14 zeigt eine erfindungsgemäße aus Anordnung, bei der eine Linse durch Kunststoffmaterial oder Klebstoff gebildet wird.

Figur 15 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung mit einer polierten Oberfläche.

Figur 16 zeigt einen Drehübertrager entsprechend dem Stand der Technik.

Figur 1 zeigt in schematischer Form eine erfindungsgemäße Linsenanordnung im Schnitt. Ein erstes Mikrolin- sen-Array (MLA) umfasst eine Trägerplatte 11 mit wenigstens einer ersten Linse 13. Typischerweise ist eine Vielzahl von Linsen 13 auf der Trägerplatte 11 mit Hilfe mikrooptischer Verfahren hergestellt. Ein zweites Mikrolinsen-Array mit wenigstens einer zweiten Linse 14 an einer Deckplatte 12 ist gegenüber dem ersten Mikro- linsen-Array mit der Trägerplatte 11 sowie der wenigstens einen ersten Linse 13 angeordnet. Dieses zweite Mikrolinsen-Array kann ebenfalls mittels mikrooptischer Verfahren hergestellt sein. Beide Mikrolinsen-Arrays können auch identisch aufgebaut sein, so dass die

Trägerplatte 11 der Deckplatte 12 und die wenigstens eine erste Linse 13 der bzw. den wenigstens einen zweiten Linsen 14 entspricht. Es wird hier nur aus Gründen der Anschaulichkeit zwischen den begriffen einer Deckplatte und einer Trägerplatte unterschieden. Grundsätzlich können beide gleich aufgebaute Platten sein. Sie können ebenso auch miteinander vertauscht werden. Bei Bedarf können diese aber auch unterschiedlich ausgestaltet sein. So kann die Trägerplatte bei- spielsweise Mittel zur Befestigung der Lichtwellenleiter 16 aufweisen. Die Deckplatte kann beispielsweise aus einem dickeren Material zur Erhöhung der Stabilität gefertigt sein. Der zwischen den beiden Mikrolinsen- Arrays gebildete Hohlraum enthält ein optisches Medium 15. Dieses optische Medium kann ein Gas wie beispielsweise Stickstoff oder Luft sein. Ebenso kann es eine Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, oder auch ein Silikonöl sein. Vorteilhaft ist auch der Einsatz eines Feststoffs, wie beispielsweise Epoxy . Lichtwellenleiter 16 zur Zuführung beziehungsweise Abführung von Licht sind an einer Seite der Anordnung, hier beispielhaft an der Trägerplatte 11 angeordnet. Sie sind vorteilhafterweise mit der Trägerplatte 11 fest verbunden, beispielsweise verklebt oder verschweißt. Figur 2 zeigt in schematischer Form eine weitere Ausführung einer erfindungsgemäßen Anordnung im Schnitt. Die Abbildung entspricht weitgehend derjenigen aus Figur 1. Abweichend hiervon sind jedoch zur Aufnahme der Lichtwellenleiter 16 Ferrulen 20 vorgesehen. Diese können beispielsweise mit der Trägerplatte 11 verklebt sein .

Figur 3 zeigt in schematischer Form eine weitere erfin- dungsgemäße Anordnung im Schnitt, bei der Abstandshalter zwischen den beiden Mikrolinsen-Arrays vorgesehen sind. Die Abstandshalter 17 können beispielsweise Lochrasterplatten, Gitternetze, Drähte oder auch Glasfasern sein. Der Einsatz von Abstandshaltern ist beson- ders sinnvoll, wenn von außen auf die Trägerplatte 11 beziehungsweise die Deckplatte 12 ein hoher Druck auf die Anordnung einwirkt. So kann durch die Abstandshalter eine Durchbiegung dieser Platten vermieden werden, die ansonsten zu einer optischen Dejustierung und somit zu schlechteren Übertragungseigenschaften führen würde.

Figur 4 zeigt den Strahlengang zweier gegenüberliegender Linsen der erfindungsgemäßen Anordnung. Licht wird durch die Lichtwellenleiter 16 der Anordnung zugeführt. Es tritt mit einem Kegelförmigen Strahlverlauf durch die Trägerplatte 11 in die erste Linse 13. Von der Linse 13 tritt das Licht in den Zwischenraum, der mit einem optischen Medium 15 gefüllt ist, und von dort wieder in die Linse 14 ein. Nach dem Durchgang durch die beiden Linsen 13 und 14 wird ein paralleles Strahlenbündel 19 erzeugt. Die Anordnung kann ebenso in umgekehrter Richtung aus einem parallelen Strahlenbündel Licht in einen Lichtwellenleiter 16 einkoppeln.

Figur 5 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung mit einer schräg angebrachten Deckplatte 12. In dieser

Ausführungsform wird auf den zweiten Linsen 14 verzichtet, da die an der Deckplatte angebrachten Linsen nun schräg im Strahlengang stehen und zu einer Verzerrung der Abbildung führen würden. Durch die schräge Anord- nung können Reflexionen sowohl beim Durchgang von den Linsen als auch von der entgegengesetzten Seite her wirksam reduziert werden. Fällt beispielsweise Licht von dem derotierenden Element auf die Deckplatte 12, so wird durch die schräge Deckplatte reflektiertes Licht nicht in die gleiche Richtung des Prismas, sondern schräg dazu abgelenkt. Durch diese Maßnahme kann die Reflexionsdämpfung eines optischen Drehübertragers wesentlich verbessert werden. Die Abstandshalter 17 sind hier nur beispielhaft eingezeichnet. Sie sind aber für die Funktion der Vorrichtung nicht zwingend notwendig .

Figur 6 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Deckplatte 12 gegenüber der Trägerplatte 11 schräg angeordnet ist, wobei noch wenigstens eine zweite Linse 14 an der Deckplatte 12 vorgesehen ist. Hierbei müssen die Linsen 13 beziehungsweise 14 entsprechend in ihren Abbildungseigenschaften korrigiert werden. Entsprechende Linsen sind mit modernen mikroop- tischen Fertigungsverfahren herstellbar. Figur 7 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Lichtwellenleiter 16 schräg zur Trägerplatte 11 angeordnet sind. Zusätzlich beziehungsweise alternativ kann nun die Deckplatte ebenso parallel zur Trägerplatte und damit auch schräg zu den Lichtwellenleitern angeordnet werden. Somit könnte die gesamte Anordnung auch schräg in den Drehübertrager integriert werden. Durch die schräge Anordnung werden auch hier Rückreflexionen in den aussendenden Lichtwellenleiter wesentlich reduziert. Die Winkelabweichung der Anordnung von der Senkrechten zu den Lichtwellenleitern 16 liegt typischerweise im Bereich von einigen Grad. Vorzugsweise liegt dieser in einem Bereich von 0,1 Grad bis 15 Grad, besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,5 Grad bis 10 Grad. Diese Winkelbereiche gelten auch für die zuvor angegebenen Ausführungsformen.

Figur 8 zeigt eine weitere Ausführungsform mit konkaven Linsen. Diese sind dann sinnvoll einsetzbar, wenn das optische Medium 15 einem höherem Brechungsindex als die Trägerplatte 11 beziehungsweise die Deckplatte 12 aufweist. Mit einer solchen Linsengestaltung sind alle zuvor beschriebenen Merkmale kombinierbar. Weiterhin sind auch konvexe und konkave Linsen miteinander kombi- nierbar.

Figur 9 zeigt einen Schnitt einer Linsenanordnung aus einem ersten Linsenteil 1 mit einem Brechungsindex nl und aus einem zweiten Linsenteil 2 mit einem Brechungs- index n2, wobei hier nl>n2 gilt, also der Brechungsindex des ersten Linsenteils größer als der Brechungsindex des zweiten Linsenteils ist. Das erste und das zweite Linsenteil sind formschlüssig miteinander verbunden. Wichtig ist der Formschluss nur im Bereich der Strahlengänge 4. Im Bereich der Strahlengänge 4 sind die Grenzflächen 5 sphärisch gekrümmt. Dadurch wird eine Linsenwirkung erzielt, d.h. ein aus einem Lichtwellenleiter 3 austretendes Lichtbündel wird zu einem parallelen Strahl gebündelt. Erfindungswesentlich ist, dass die mit einem Umgebungsmedium in Kontakt stehenden Flächen senkrecht zum Strahlengang angeordnet sind. Dies ist hier die Lichtaustrittfläche des zweiten

Linsenteiles 2, welche in der Zeichnung an der Oberseite des Linsenteils 2 liegt. Die Lichtwellenleiter 3 sind fest mit dem ersten Linsenteil 1 verbunden. Auch hier sollte die Übergangsfläche senkrecht zum Strahlen- gang sein. Allerdings hat das Umgebungsmedium in der Umgebung der Linse keinen Einfluss auf die optische Übertragung zwischen dem Lichtwellenleiter 3 und dem ersten Linsenteil 1. Um eine bessere Übersicht der Zeichnung zu erreichen, sind mehrfach auftretende Linsenteile nicht separat bezeichnet. So sind beispielsweise vier Lichtwellenleiter 3 vorgesehen, von denen nur einer stellvertretend für alle anderen bezeichnet ist. Gleiches gilt für die Linsen oder auch die Strahlengänge. Es sind hier beispielhaft Anordnun- gen mit einigen Linsen dargestellt. Selbst verständlich lässt sich der erfindungsgemäße Gedanke auf Linsenanordnungen mit einer beliebigen Anzahl von Linsen, das heißt auch mit einer Linse übertragen.

Figur 10 zeigt eine weitere Lindenanordnung. Im Gegensatz zur Lindenanordnung aus Figur 1 ist hier nl<n2. ist also der Brechungsindex des ersten Linsenteils kleiner als der Brechungsindex des zweiten Linsenteils Entsprechend ist sind Grenzflächen des ersten Linsenteils 1 und des zweiten Linsenteils 2 gespiegelt.

Linsenanordnungen, wie beispielsweise in den Figuren 1 und 2 dargestellt, können auch hergestellt werden, indem beispielsweise das erste Linsenteil 1 mit bereits ausgeformten Linsen in das zweite Linsenteil 2 einge- presst wird. Hierzu muss das Material des zweiten Linsenteils 2 zumindest für die Dauer des Pressvorgangs weicher als das Material des ersten Linsenteils 1 sein. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das erste Linsenteil 1 aus Silizium und das zweite Linsenteil 2 aus Glas besteht, welches bei einer nied- rigeren Temperatur schmilzt. So können beide Linsenteile bei gleicher Temperatur ineinander gepresst werden. Das erste Linsenteil 1 aus Silizium ist fest, Während das zweite Linsenteil zwei aus Glas bereits elastisch wird und sich somit Kontur des ersten Linsenteils 1 anpasst. Selbst verständlich könnten auch hier das erste Linsenteil 1 und das zweite Linsenteil 2 vertauscht werden.

Figur 11 zeigt die Verbindung von einem ersten Linsen- teil 1 und einem zweiten Linsenteil 2. Vorzugsweise bestehen sowohl das erste Linsenteil 1 als auch das zweite Linsenteil 2 aus festen Materialien. Die Form- schlüssigkeit lässt sich erzielen, wenn man eine Zwischenschicht 30 einfügt. Eine Zwischenschicht kann beispielsweise ein Epoxy, ein Silicon oder auch ein Spin-on-Glass Material umfassen. Die Zwischenschicht härtet vorzugsweise nach dem zusammenfügen des ersten Linsenteils 1 und des zweiten Linsenteils 2 aus. Ein erfindungsgemäßes Verfahren betrifft das Verbinden eines ersten Linsenteils 1 und eines zweiten Linsenteils 2, vorzugsweise durch Einfügen einer Zwischen- Schicht, beispielsweise durch Verkleben.

Figur 12 veranschaulicht ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Lindenanordnung. In eine Form 7 wird ein später aushärtendes Material 6 eingefüllt. Dieses Material 6 muss spätestens nach erfolgter Auswertung geeignete optische Eigenschaften aufweisen. Es kann beispielsweise ein Epoxydharz, in Silicon oder ein anderes Kunststoffmaterial sein. Ein zuvor hergestelltes erstes Linsenteil 1 wird in die noch flüssige Masse des Materials 6 eingetaucht, so dass die Oberseite des ersten Linsenteils 1 parallel zu der Unterseite der vorzugsweise inneren polierten Form ist. Vorzugsweise ist die Form transparent, dann kann eine Justage der Position des zuvor ersten Linsenteils 1 durch Messen optischer Eigenschaften der Anordnung durch die Form hindurch noch vor der Auswertung der flüssigen Masse 6 erfolgen. Es kann beispielsweise eine Durchgangs- und/oder Reflektionsmessung durchgeführt werden. Nach dem Aushärten des Materials 6 kann dann die Form entfernt werden. In einer weiteren Ausführungsform ist die Form aus optisch durchsichtigem Material derart gestaltet, dass sie an der Lindenanordnung verbleiben kann und so beispielsweise eine stabile Gehäuseaußenseite bildet. Besonders günstig ist es, wenn der hier beschriebene Vorgang im Vakuum erfolgt, so dass Luft- oder Gaseinschlüsse vermieden werden können. Es kann auch nach dem Einfüllen des Materials 6 die Anordnung in Vakuum verbracht werden, um Gaseinschlüsse zu entfernen.

Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren betrifft das Herstellen eines ersten Linsenteils 1 und das Eintauchen dieses Linsenteils in ein flüssiges Material 6, welches später aushärtet, wobei sich das flüssige Material in einer Form befindet. In einem optionalen Schritt kann dieses dann entformt werden.

Figur 13 zeigt eine weitere Ausführungsform. Es wird ein zuvor hergestelltes Erstes Linsenteil 1 in einer Hülse 8 gefasst. Anschließend wird ein später aushärtendes Material 6 eingefüllt. Die geforderte Orthogona- lität der Lichteintritts- und Austrittsflächen zum

Strahlengang kann durch Schwenken der Hülse 8 erreicht werden. Das Schwenken der Hülse 8 kann in Abhängigkeit gemessener optischer Eigenschaften erfolgen. Wahlweise kann eine Deckplatte 34 aus optisch transparentem Material eingesetzt werden. Alternativ kann die Lichtaustrittfläche auch durch die Grenzfläche des aushärtenden Materials 6 erreicht werden.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung be- trifft das Einfüllen eines später aushärtenden Materials 6 in eine Hülse 8.

Figur 14 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein als Klebstoff eingesetztes Kunststoffmaterial 32 zur Befes- tigung der Lichtwellenleiter 3 als Linsenteil der

Linse, hier in Verbindung mit dem ersten Linsenteil 1 fungiert. Die Lichtwellenleiter 3 müssen wie üblich ausgerichtet werden, es entfällt jedoch das zuvor beschriebene Ausrichten des ersten Linsenteils 1 zum zweiten Linsenteil 2. Die geforderte Orthogonalität der Austrittsfläche des ersten Linsenteils 1 zum umgebenden Medium wird durch die Justage der Stirnfläche des

Lichtwellenleiters 3 sichergestellt. Hierzu weist das Kunststoffmaterial 32 vorzugsweise eine flüssige oder zähflüssige Konsistenz auf. Die Anordnung kann vor dem Aushärten des Kunststoffmaterials 32 vermessen und justiert werden. Hierbei ist allerdings zu berücksichtigen, daß sich die Brechzahl des Kunststoffmaterials während des Aushärtevorganges verändern kann. Dadurch ändert sich auch der Fokus, nicht aber der Winkel des Lichtwellenleiters 3 zum ersten Linsenteil 1.

Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren betrifft Herstellung von einzelnen Linsen durch aufbringen eines Kunststoffmaterials 32, welches gleichzeitig zur Befestigung der Lichtwellenleiter in Vertiefungen eines ersten Linsenteils 1 dient.

In Figur 15 wird die Orthogonalität der Austrittsfläche des Zweiten Linsenteils 2 zum umgebenden Medium durch herstellen einer polierten Oberfläche 13 erreicht. Es kann wahlweise die gesamte Oberfläche des zweiten

Linsenteils 2 oder auch nur ein oder mehrere Linsenteile davon poliert werden. Es können auch unterschiedliche Linsenteile entsprechend den Anforderungen an die Orthogonalität unterschiedlich poliert sein.

Figur 16 zeigt in schematischer Form einen Drehübertrager entsprechend dem Stand der Technik. Der optische Drehübertrager umfasst eine erste Kollimatoranordnung 54 zur Ankopplung von ersten Lichtwellenleitern 52, sowie eine zweite Kollimatoranordnung 55 zur Ankopplung von zweiten Lichtwellenleitern 53. Die zweite Kollima- toranordnung 55 ist gegenüber der ersten Kollimatoranordnung 54 um die Drehachse 56 drehbar gelagert. Zur Kompensation der Drehbewegung befindet sich im Strahlengang zwischen der ersten Kollimatoranordnung 4 und der zweiten Kollimatoranordnung 55 ein derotierendes Element in Form eines Dove-Prismas 51. Der beispielhafte Strahlengangs eines Lichtstrahls 57 ist ausgehend von ersten Lichtwellenleitern 52 über die erste Kollimatoranordnung 54, durch das Dove-Prisma 51, über die zweite Kollimatoranordnung 55 bis in die zweiten Licht- Wellenleiter 53 dargestellt. Die in diesem Dokument beschriebenen Linsensysteme können Teil einer Kollimatoranordnung oder auch eine Kollimatoranordnung selbst sein .

Bezugszeichenliste

I Erstes Linsenteil 2 Zweites Linsenteil

3 Lichtwellenleiter

4 Strahlengang

5 Linse

6 später aushärtendes Material 7 Form

8 Hülse

9 Klebstoff

II Trägerplatte 12 Deckplatte 13 erste Linse

14 zweite Linse

15 optisches Medium

16 Lichtwellenleiter

17 Abstandshalter 18 optische Achse eines einzelnen Strahlengangs

19 Lichtstrahl

20 Ferrule

30 Zwischenschicht

31 Abdeckung 32 Kunststoffmaterial

33 polierte Oberfläche

34 Deckplatte

51 Derotierendes optisches Element

52 Erste Lichtwellenleiter 53 Zweite Lichtwellenleiter

54 Erste Kollimatoranordnung

55 Zweite Kollimatoranordnung Drehachse Lichtstrahl

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Linsensystem für optische Drehübertrager, umfassend wenigstens eine erste Seite zur Ankopplung von Lichtwellenleitern sowie eine zweite Seite zur Aussendung beziehungsweise zum Empfang eines kol- limierten Lichtbündels zu beziehungsweise von einem derotierenden Element (51), dadurch gekennzeichnet, dass das Linsensystem auf der ersten Seite eine Trägerplatte (11) und auf der zweiten Seite eine Deckplatte (12) aufweist, wobei an der Trägerplatte (11) wenigstens eine erste Linse (13) und an der Deckplatte (12) wenigstens eine zweite Linse (14) der wenigstens ersten Linse (13) gegenüberliegend angeordnet ist, und der durch die Trägerplatte (11) und die Deckplatte (12) gebildete Zwischenraum ein optisches Medium (15) aufweist, wobei die wenigstens eine erste Linse (13) und die wenigs- tens eine zweite Linse (14) zum Zwischenraum hin angeordnet sind.

2. Linsensystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsensystem auf der ersten Seite eine Trägerplatte (11) und auf der zweiten Seite eine Deckplatte (12) aufweist, wobei an der Trägerplatte (11) wenigstens eine erste Linse (13) angeordnet ist, und der durch die Trägerplatte (11) und die Deckplatte (12) gebildete Zwischenraum ein optisches Medium (15) aufweist, wobei die wenigstens eine erste Linse (13) zum Zwischenraum hin ange- ordnet ist, und die die Deckplatte (12) unter einem Winkel im Bereich von 0.1 Grad bis 10 Grad zur Senkrechten zur Drehachse angeordnet ist.

3. Linsensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Lichtwellenleiter (16) an der Trägerplatte (11) angeordnet ist.

4. Linsensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsensystem wenigstens eine Ferrule (20) zur Fixierung des wenigstens einen Lichtwellenleiters (16) aufweist.

5. Linsensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Trägerplatte (11) und der Deckplatte (12) Abstandshalter (17) vorgesehen sind.

6. Linsensystem nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum zwischen der Trägerplatte (11) und der Deckplatte (12) abgeschlossen ist.

7. Linsensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Medium (15) im Zwischenraum zwischen der Trägerplatte (11) und der Deckplatte (12) ein Gas ist.

8. Linsensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Medium (15) im Zwischenraum zwischen der Trägerplatte (11) und der Deckplatte (12) Luft oder Stickstoff ist.

9. Linsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Medium (15) im Zwischenraum zwischen der Trägerplatte (11) und der Deckplatte (12) eine Flüssigkeit ist.

10. Linsensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Medium (15) im Zwischenraum zwischen der Trägerplatte (11) und der Deckplatte (12) ein Silikonöl ist .

11. Linsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Medium (15) im Zwischenraum zwischen der Trägerplatte (11) und der Deckplatte (12) ein Feststoff ist.

12. Linsensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (11) unter einem Winkel im Bereich von 0.1 Grad bis 10 Grad zur Senkrechten zur Drehachse angeordnet ist.

13. Linsensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckplatte (12) unter einem Winkel im Bereich von 0.1 Grad bis 10 Grad zur Senkrechten zur Drehachse angeordnet ist.

14. Linsensystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet dass, das Linsensystem mindestens ein erstes Linsenteil (1) mit einem ersten Brechungsindex nl, und ein weiteres Linsenteil (2), welches einen zweiten Brechungsindex n2 hat, mit dem ersten transparen- ten Linsenteil (1) formschlüssig verbunden ist, umfasst, wobei der erste Brechungsindex nl ungleich dem zweiten Brechungsindex n2 ist, die Grenzfläche zwischen dem ersten Linsenteil (1) und dem zweiten Linsenteil (2) im Bereich des Strah- lengangs gekrümmt ist, und die gegenüber dem ersten Linsenteil (1) liegende Fläche des zweiten Linsenteils (2) plan und orthogonal zum Strahlengang ist .

15. Linsensystem nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet dass, der Brechungsindex nl des ersten transparenten Linsenteils (1) kleiner als der Brechungsindex n2 des zweiten transparenten Linsenteils (2) ist, und in dem ersten transparenten Linsenteil (1) Vertiefungen zur Ausbildung von Linsen in Verbindung mit dem zweiten transparenten Linsenteil (2) vorgesehen sind .

16. Linsensystem nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet dass, der Brechungsindex nl des ersten transparenten Linsenteils (1) größer als der Brechungsindex n2 des zweiten transparenten Linsenteils (2) ist, und in dem zweiten transparenten Linsenteil (2) Vertiefun- gen zur Ausbildung von Linsen in Verbindung mit dem ersten transparenten Linsenteil (1) vorgesehen sind.

17. Linsensystem nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet dass, zwischen dem ersten transparenten Linsenteil (1) und dem zweiten transparenten Linsenteil (2) eine Zwischenschicht (30) vorgesehen ist.

18. Linsensystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet dass, dass das zweite transparente Linsenteil (2) ausgehärtetes Kunststoffmaterial umfasst, welches durch Tauchen oder Giessen in einem flüssigen Stadium mit dem ersten transparenten Linsenteil (1) in Verbindung gebracht wurde .

19. Linsensystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet dass, eine Form (7) oder eine Hülse (8) zur Aufnahme des Kunststoffmaterials des zweiten transparenten Lin- senteils (2) im flüssigen Stadium vorgesehen ist.

20. Linsensystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet dass, das zweite transparente Linsenteil (2) einzelne Lin- sen umfasst, welche als Tropfen eines zähflüssigen Kunststoffmaterials (32), welches später aushärtet, in Ausnehmungen des ersten transparenten Linsenteils (1) eingebracht sind.

21. Linsensystem nach einem der Ansprüche 14 bis

20, dadurch gekennzeichnet dass, wenigstens eine Lichteintrittsfläche und/oder Lichtaustrittfläche zur Herstellung der Orthogonalität zum Strahlengang poliert ist.

22. Optischer Drehübertrager zur Übertragung modulierter optischer Signale mit zwei gegeneinander rotierbar gelagerten Einheiten, einem derotieren- den optischen Element und wenigstens einem Linsensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

23. Verfahren zur Herstellung eines Linsensystems nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche für optische Drehübertrager umfassend die folgenden Schritte: a. Herstellen eines ersten transparenten Linsenteils (1), b. Herstellen eines zweiten transparenten Linsenteils (2), c. formschlüssiges Verbinden der beiden transparenten Linsenteile zu einem Linsensystem.

24. Verfahren zur Herstellung eines Linsensystems nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche für optische Drehübertrager umfassend die folgenden Schritte: d. Herstellen eines ersten transparenten Linsenteils (1), e. Eintauchen des ersten transparenten Linsenteils (1) in eine flüssige Masse, f. Aushärten der flüssigen Masse.

25. Verfahren zur Herstellung eines Linsensystems nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche für optische Drehübertrager umfassend die folgenden Schritte: g. Herstellen eines ersten transparenten Linsenteils (1), welches Ausnehmungen an den Stellen der späteren Linsen hat, h. Einkleben von Lichtwellenleitern mittels eines Kunststoffmaterials (12) in Form von Tropfen, wobei das Kunststoffmaterial (12) in Verbindung mit dem ersten transparenten Linsenteil (1) wenigstens eine Linse ergibt.