WO2014068059A1 - Optischer drehübertrager - Google Patents

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WO2014068059A1
WO2014068059A1 PCT/EP2013/072813 EP2013072813W WO2014068059A1 WO 2014068059 A1 WO2014068059 A1 WO 2014068059A1 EP 2013072813 W EP2013072813 W EP 2013072813W WO 2014068059 A1 WO2014068059 A1 WO 2014068059A1
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WO
WIPO (PCT)
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light
optical
fiber
rotary transformer
ring
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/072813
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hans Poisel
Olaf Ziemann
Alexander Bachmann
Martin Bloos
Roman Kruglov
Original Assignee
Georg-Simon-Ohm Hochschule für angewandte Wissenschaften Fachhochschule Nürnberg
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Filing date
Publication date
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Priority to CN201380062864.XA priority patent/CN104969105A/zh
Priority to US14/439,604 priority patent/US9678280B2/en
Priority to EP13789742.7A priority patent/EP2914991A1/de
Publication of WO2014068059A1 publication Critical patent/WO2014068059A1/de

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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/36—Mechanical coupling means
    • G02B6/3604—Rotary joints allowing relative rotational movement between opposing fibre or fibre bundle ends
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/262—Optical details of coupling light into, or out of, or between fibre ends, e.g. special fibre end shapes or associated optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/32—Optical coupling means having lens focusing means positioned between opposed fibre ends

Definitions

  • the invention relates to an optical rotary transformer and an associated method for transmitting optical signals.
  • Such a rotary transformer is known, for example, from WO 2011/137983 and may be a constituent of e.g. one
  • the wavelength range can range from long-wave IR radiation to short-wave UV radiation. In this sense, the following are the terms
  • the coupling assembly is used to derotation of the light and rotates at half the angular velocity of the two relatively rotatable parts. This coupling assembly is shown in Figure 3 to illustrate the
  • rotatable part is fixedly assigned to a light guide of the other rotatable part.
  • a light guide of the other rotatable part is fixedly assigned to a light guide of the other rotatable part.
  • the collimators are arranged along the circumference of the fiber mirror with an intermediate spacing.
  • a problem with this configuration is that upon rotation of the device, a variation of the amplitude of the transmitted optical signal occurs, between a maximum when a light guide of the rotatable part hits a light guide in the fiber mirror and which is minimal when the light guide of the rotatable part lies exactly between two light guides of the fiber mirror.
  • Transfer tasks is such a variation of
  • the invention is based on the object, a
  • the rotary transformer can operate unidirectionally or bidirectionally. In the following, therefore, the terms “send” and “receive 11 are interchangeable.
  • the light guides are preferably made of optical waveguides in the form of fiber optic fibers, which are expediently combined at their input or Auskoppelende to form a bundle. At the input or Auskoppelende can be coupled directly or via a concentrator one of the usual optical semiconductor transmitter or receiver.
  • each fiber optic fiber can end at a transmitting or receiving element associated with it.
  • all transmission elements must be controlled in parallel and the reception signals of the reception elements must be brought together.
  • the higher light transmit power improves the signal-to-noise ratio of the signals on the receive side.
  • FIG. 1 shows an optical rotary transformer according to the invention with fiber mirror
  • Fig. 3 is a detail view of a known fiber mirror of the prior art to illustrate the basic structure of a Faserspiegeis; and Fig. 4 shows a preferred arrangement of the end faces of
  • Optical fiber of a fiber mirror according to the invention.
  • Figure 1 shows the essential parts of the rotary transformer. It comprises a first light coupler 1 and a second one
  • Light coupler 3 The two light couplers 1, 3 are arranged opposite each other.
  • the first light coupler 1 is associated with a first, not shown part of the rotary transformer, the second light coupler 3 a second part of this rotary transformer, which is rotatable relative to the first part about a common axis of rotation Z.
  • the first light coupler 1 comprises a plurality of first
  • the end faces 13 configured for transmitting optical signals and arranged on a first ring about the rotation axis Z.
  • the second light coupler 3 comprises a plurality of second light guides 31, the end faces of which are designed to transmit optical signals and are arranged on a second ring about the rotation axis Z.
  • the first light coupler 1 comprises a first collimator group 7.
  • the second light coupler 3 comprises a second collimator group 7
  • the first collimator group 7 preferably comprises uniformly on the circumference of a circle
  • the second collimator group 9 comprises collimator arrangements arranged in an analogous manner.
  • Light coupler 1 of the transmission light coupler and the light coupler 3 of the receiving light coupler is. Of course, this relationship is reciprocal.
  • the fiber mirror 5 is designed to rotate in a known manner at half the rotational speed with the one rotating light coupler 1, 3 with.
  • the fiber mirror 5 has a plurality of third optical fibers, which are arranged between the two light couplers 1, 3 and
  • Fiber mirrors are known and exemplarily described in US 4,943,137.
  • the light guides and their course in the interior of the fiber mirror is not shown in Fig. 1.
  • the principle is shown in Figure 3 based on the known Faserspiegeis.
  • the first ring is opposite the third ring, and the second ring is opposite the fourth ring.
  • the fiber mirror 5 comprises a third collimator group 72 and a fourth collimator group 92.
  • the third and fourth collimator groups 72, 92 comprise uniform and
  • the collimator assemblies also transmit and receive light substantially parallel to the common axis of rotation.
  • Fiber mirrors 5 are preferably fiber optic fibers.
  • the fiber optic fibers in the light couplers 1, 3 are combined into a bundle, which is then continued to a suitable transmitter or receiver.
  • the collimator groups 7, 72 and 9, 92 are designed such that they are coupled via the respective fiber optic fiber
  • the circular or annular shape of the Kollimatorgruppn 7, 9, 72, 92 leaves an inner diameter of the light coupler 1, 3 and the fiber mirror 5 free, so that e.g. via bores other parts, not shown, of the rotary transformer, e.g. a
  • Rotary bearings can be arranged.
  • FIG. 2 illustrates, by way of example only, the structure of a collimator arrangement of each of the collimator groups 7, 9, 72, 92, showing a centrically connected fiber optic fiber.
  • the collimator arrangement comprises a lens 15, over the imaging surface of which a parallel beam of rays enters.
  • the lens 15 is followed by a conical body 17 for guiding the light towards a surface followed by optical concentrators 19 which adjust the diameter and aperture of the light beam to the coupling diameter and aperture of the respective fiber optic fiber.
  • the fiber optic fiber is connected via a non-illustrated and known per se connection device in the form of a connection and coupling point with the collimator preferably directly, that is without air gap, connected.
  • the collimator assemblies of the light couplers 1, 3 may be spaced apart on the first and second rings. Their number is determined by the number of people to be transferred
  • At least one collimator assembly and one optical fiber are to be provided in each light coupler per channel.
  • Light coupler 1, 3 transmitted to increase the reliability of the transmission.
  • Light coupler 1, 3 are arranged on the respective light entry / light exit surfaces so that whenever at least one optical fiber of a light coupler 1, 3 is aligned with a light guide 51 of the fiber mirror 5 for transmitting an optical signal exactly, at least one other optical fiber of a light coupler. 1 , 3 is aligned with another light guide 51 of the fiber mirror 5 offset by a portion of the diameter of the end face of a light guide.
  • the light guides of the light couplers can be arranged so that, if one a certain channel
  • Signal is distributed to two optical fibers of the fiber mirror. In this way, the variations in the transmission of the channel are reduced. A part of the signal is always swallowed by the lateral surfaces of the receiving optical fibers.
  • the arrangement should be such that when one of the light guides of the light coupler is aligned with its counterpart of the fiber mirror, another by a
  • the Kollimatoran gloves on the side of the fiber mirror are formed adjacent to each other, so that a in
  • Essentially gap-free light entrance / light exit surface is formed both on the third ring and on the fourth ring. Since the diameters of the collimator arrangements are a multiple of the diameter of the end faces of the
  • Kollimatoran notes much smaller than, if attempted, the gap-free light entrance / light exit surface of the fiber mirror only with a circular cross-section
  • Fiber optics in the fiber mirror are reduced to 1/15, compared to the case without Kollimator tendency, i. about 200 optical fibers in the fiber mirror are sufficient, instead of the 3000 in the prior art.
  • the structure of the fiber mirror is considerably simplified.
  • the axial distance is not critical for the losses in the transition into the optical fiber Kollimatoroli the fiber mirror. The same applies to the transition from the fiber mirror to the
  • Output side light couplers of a further advantageous embodiment of the invention a plurality of coaxial arrangements of this type are mounted with increasing diameter in order to increase the number of channels to be transmitted.
  • the fiber mirror can be made from any number of light guides. It turns out, however it is expedient to design the fiber mirror such that the number of fibers is divisible by at least 2, better by 4 integer.
  • both the light couplers 2, 3 and the fiber mirror 5 are of collimator type
  • Kollimatoran extract 7, 71, 9, 91 are constructed, as described above.
  • each collimator assembly becomes one
  • the Kollimatoran isten can also be square or so trapezoidal.
  • collimated signals can be used with a lens having an area equal to that of two lenses of the fiber mirror and also having a focal length adapted to this new diameter.
  • the end faces provided there may be deformed the optical fibers, for example from approximately to approximately square, for example by
  • two layers of optical waveguides which are circular in cross section may be gap-shaped
  • the positions of the transmitters should be offset by a part of a distance of two channels of Faserspiegeis.
  • the two light couplers have the same diameter.
  • a difference in diameter can be compensated by the fiber mirror.

Landscapes

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Abstract

Optischer Drehübertrager zur Übertragung optischer Signale mit einem ersten Lichtkoppler 1, der einen oder eine Mehrzahl erster Lichtleiter 11 aufweist, deren Stirnflächen zum Übertragen von optischen Signalen ausgestaltet und auf einem ersten Ring um eine zentrale Rotationsachse Z angeordnet sind, einem zweiten Lichtkoppler 3, der einen oder eine Mehrzahl zweiter Lichtleiter 31 aufweist, deren Stirnflächen zum Übertragen von optischen Signalen ausgestaltet und auf einem zweiten Ring um die zentrale Rotationsachse Z angeordnet sind, einem Faserspiegel 5 mit einer Mehrzahl dritter Lichtleiter, die zwischen den beiden Lichtkopplern 1, 3 angeordnet und ausgestaltet sind, um den Einfluss einer relativen Drehung zwischen den beiden Lichtkopplern 1, 3 auf die Übertragung der optischen Signale auszugleichen, wobei die Stirnflächen der dritten Lichtleiter zum Übertragen von optischen Signalen ausgestaltet und auf einem dritten und vierten Ring um die zentrale Rotationsachse Z angeordnet sind, wobei vom dritten und vierten Ring gebildete Lichteintritts-/Lichtaustrittsflächen im wesentlichen lückenlos sind, so dass eine kontinuierliche Übertragung der optischen Signale ohne Unterbrechung ermöglicht wird.

Description

Optischer Drehübertrager
Die Erfindung betrifft einen optischen Drehübertrager und ein Zugehöriges Verfahren zur Übertragung von optischen Signalen.
Ein derartiger Drehübertrager ist beispielsweise aus der WO 2011/137983 bekannt und kann Bestandteil z.B. einer
Drehkupplung oder einer anderen Vorrichtung mit
drehbeweglichen, voneinander beabstandeten Teilen, sein. Er ermöglicht die unidirektionale oder bidirektionale
Übertragung von optischen Signalen zwischen den relativ zueinander drehbaren Teilen unabhängig von deren Drehstellung und Winkelgeschwindigkeit. Der Wellenlängenbereich kann von langwelliger IR-Strahlung bis zu kurzwelliger UV-Strahlung reichen. In diesem Sinn sind nachfolgend die Begriffe
„optisch" und „Licht" zu verstehen.
Aus der US-A-4 943 137 ist ein Drehübertrager bekannt, mittels dessen Licht von einem optischen Sender, der dem einen der beiden relativ zueinander drehbaren Teile
zugeordnet ist, über optische Fasern und Kollimatoren auf eine optische Koppelbaugruppe und von dieser weiter zu einem optischen Empfänger geleitet wird, der dem anderen drehbaren Teil zugeordnet ist. Die Koppelbaugruppe dient zur Derotation des Lichts und dreht sich mit der halben Winkelgeschwindigkeit der beiden relativ zueinander drehbaren Teile. Diese Koppelbaugruppe ist in Figur 3 zur Verdeutlichung der
prinzipiellen Bauweise gezeigt, ohne im Detail hier weiter beschrieben zu werden. Hier sei auf die Offenbarung der genannten Veröffentlichung verwiesen.
Mit diesem Drehübertrager ist es möglich mehrere Kanäle parallel zu übertragen, da jeder Lichtleiter des einen
drehbaren Teils fest einem Lichtleiter des anderen drehbaren Teils zugeordnet ist. Theoretisch können somit genauso viele Kanäle übertragen werden, wie Lichtliter eingesetzt werden. Aufgrund des Übersprechens in benachbarte Kanäle liegt die Zahl der tatsächlich verfügbaren Kanäle jedoch üblicherweise bei etwa der Hälfte der Lichtleiter.
Diese Druckschrift zeigt auch die Verwendung von Kollimatoren zur Einkopplung des Lichts in die Stirnflächen der
Lichtleiter. Die Kollimatoren sind entlang des Umfangs des Faserspiegels mit einem Zwischenabstand angeordnet. Ein Problem dieser Ausgestaltung ist es, dass bei einer Drehung der Anordnung eine Variation der Amplitude des durchgelassenen optischen Signals auftritt, zwischen einem Maximum, wenn ein Lichtleiter des drehbaren Teils genau auf einen Lichtleiter im Faserspiegel trifft, und die minimal ist, wenn der Lichtleiter des drehbaren Teils genau zwischen zwei Lichtleitern des Faserspiegels liegt. Bei vielen
Übertragungsaufgaben ist eine derartige Variation der
Signalstärke nicht hinnehmbar.
Des Weiteren ist aus DE 019529527 C1 bekannt, durch thermisch induziertes Aufquellen der Faser eines Lichtleitrs, deren Endabschnitte einen nahezu rechteckigen bzw. quadratischen Querschnitt zu verleihen.
Alle diese bekannten Drehübertrager weisen das Problem auf, dass eine kontinuierliche Signalübertragung mit guter
Qualität und hoher Übertragungsrate bei gleichzeitig großem freien Innenraum nicht erfolgen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
Drehübertrager zur Verfügung zu stellen, der bei
vergleichsweise einfachem Aufbau eine zuverlässige und kontinuierliche Übertragung einer Mehrzahl von optischen Signale gleichzeitig in voneinander physikalisch getrennten Kanälen zwischen den relativ zueinander drehbaren Teilen gewährleistet .
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch einen Drehübertrager nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Der Drehübertrager kann unidirektional oder bidirektional arbeiten. Im Folgenden sind daher die Begriffe „senden" und „empfangen11 gegeneinander austauschbar.
Infolge seines einfachen und weitgehend symmetrischen Aufbaus ist der Drehübertrager kostengünstig herstellbar und
gewährleistet gleichzeitig eine von der Winkelgeschwindigkeit der relativ zueinander drehbaren Teile unabhängige, hohe Signalübertragungssicherheit. Die Lichtleiter bestehen vorzugsweise aus Lichtwellenleitern in Form von LWL-Fasern, die zweckmäßig an ihrem Ein- bzw. Auskoppelende zu einem Bündel zusammengefasst sind. An das Ein- bzw. Auskoppelende kann unmittelbar oder über einen Konzentrator einer der üblichen optischen Halbleitersender bzw. -empfanger angekoppelt sein.
Alternativ, jedoch aufwendiger, kann jede LWL-Faser an einem ihr zugeordneten Sende- bzw. Empfangselement enden. In diesem Fall müssen alle Sendeelemente parallel angesteuert und die Empfangssignale der Empfangselemente zusammengeführt werden. Die höhere Lichtsendeleistung verbessert den Rauschabstand der Signale auf der Empfangsseite.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung
erläutert, in der schematisch vereinfachte
Ausführungsbeispiele der wesentlichen Teile des
Drehübertragers dargestellt sind. Es zeigt:
Fig. 1: einen optischen Drehübertrager nach der Erfindung mit Faserspiegel,
Fig. 2: ein Ausführungsbeispiel eines Kollimators,
Fig. 3 eine Detailansicht eines bekannten Faserspiegels des Stands der Technik zur Verdeutlichung des prinzipiellen Aufbaus eines Faserspiegeis; und Fig. 4 eine bevorzugte Anordnung der Stirnflächen der
Lichtleiter eines erfindungsgemäßen Faserspiegels.
Figur 1 zeigt die wesentlichen Teile des Drehübertragers. Er umfasst einen ersten Lichtkoppler 1 und einen zweiten
Lichtkoppler 3. Die beiden Lichtkoppler 1, 3 sind einander gegenüberliegend angeordnet. Der erste Lichtkoppler 1 ist einem ersten, nicht dargestellten Teil des Drehübertragers zugeordnet, der zweite Lichtkoppler 3 einem zweiten Teil dieses Drehübertragers, das relativ zu dem ersten Teil um eine gemeinsame Rotationsachse Z drehbar ist.
Der erste Lichtkoppler 1 umfasst eine Mehrzahl erster
Lichtleiter 11, deren Stirnflächen 13 zum Übertragen von optischen Signalen ausgestaltet und auf einem ersten Ring um die Rotationsachse Z angeordnet sind. Ebenso umfasste der zweite Lichtkoppler 3 eine Mehrzahl zweiter Lichtleiter 31, deren Stirnflächen zum Übertragen von optischen Signalen ausgestaltet und auf einem zweiten Ring um die Rotationsachse Z angeordnet sind.
Der erste Lichtkoppler 1 umfasst eine erste Kollimatorgruppe 7. Analog umfasst der zweite Lichtkoppler 3 eine zweite
Kollimatorgruppe 9. Die erste Kollimatorgruppe 7 umfasst vorzugsweise gleichmäßig auf dem Umfang eines Kreises
verteilte Kollimatoranordnungen. Die zweite Kollimatorgruppe 9 umfasst analog angeordnete Kollimatoranordnungen. Die
Kollimatoranordnungen senden bzw. empfangen Licht im
Wesentlichen parallel zu der gemeinsamen Rotationsachse Z. Die Strahlungsrichtung ist in Fig. 1 nur beispielhaft durch die Einzelpfeile angedeutet, wobei in diesem Fall der
Lichtkoppler 1 der Sendelichtkoppler und der Lichtkoppler 3 der Empfangslichtkoppler ist. Selbstverständlich ist diese Beziehung reziprok.
Zwischen den beiden Lichtkopplern 1, 3 ist ein Faserspiegel 5 angeordnet. Der Faserspiegel 5 ist ausgestaltet, um sich in bekannter Weise mit der halben Rotationsgeschwindigkeit mit dem einen rotierenden Lichtkoppler 1, 3 mit zu drehen. Der Faserspiegel 5 hat eine Mehrzahl dritter Lichtleiter, die zwischen den beiden Lichtkopplern 1, 3 angeordnet und
ausgestaltet sind, um den Einfluss einer relativen Drehung zwischen den beiden Lichtkopplern 1, 3 auf die Übertragung der optischen Signale auszugleichen, wobei die Stirnflächen 53, 55 der dritten Lichtleiter zum Übertragen von optischen Signalen ausgestaltet und auf einem dritten und vierten Ring um die Rotationsachse Z angeordnet sind. Derartige
Faserspiegel sind bekannt und exemplarisch in US 4 943 137 beschrieben. Die Lichtleiter und ihr Verlauf im Inneren des Faserspiegels ist in Fig. 1 nicht gezeigt. Das Prinzip ist jedoch in der Figur 3 anhand des bekannten Faserspiegeis gezeigt .
De erste Ring liegt dem dritten Ring gegenüber, und der zweite Ring liegt dem vierten Ring gegenüber.
Der Faserspiegel 5 umfasst eine dritte Kollimatorgruppe 72 und eine vierte Kollimatorgruppe 92. Die dritte und vierte Kollimatorgruppe 72, 92 umfassen gleichmäßig und
aneinandergrenzend auf dem Umfang eines Kreises verteilten Kollimatoranordnungen, so dass diese Lichteintritts- /Lichtaustrittsflächen des Faserspiegels auf dem dritten und vierten Ring bilden, die im Wesentlichen lückenlos sind, so dass eine kontinuierliche Übertragung der optischen Signale ohne Unterbrechung ermöglicht wird.
Auch die Kollimatoranordnungen senden bzw. empfangen Licht im Wesentlichen parallel zu der gemeinsamen Rotationsachse.
Die Lichtleiter in den Lichtkopplern 1, 3 und in dem
Faserspiegel 5 sind bevorzugt LWL-Faser.
Die LWL-Fasern in den Lichtkopplern 1, 3 sind zu je einem Bündel zusammengeführt, das dann einen geeigneten Sender oder Empfänger weitergeführt wird.
Die Kollimatorgruppen 7, 72 bzw. 9, 92 sind so ausgestaltet, dass sie das über die jeweilige LWL-Faser eingekoppelte
Lichtsignal in ein Parallelstrahlenbündel umformen bzw. das empfangene Parallelstrahlenbündel in die angeschlossene LWL- Faser einkoppeln.
Die Kreis- oder Ringform der Kollimatorgruppn 7, 9, 72, 92 lässt einen inneren Durchmesser der Lichtkoppler 1, 3 und des Faserspiegel 5 frei, so dass z.B. über Bohrungen andere, nicht dargestellte Teile des Drehübertragers, z.B. eine
Antriebswelle hindurchgeführt oder nicht dargestellte
Drehlager angeordnet werden können.
Fig. 2 veranschaulicht lediglich beispielhaft den Aufbau einer Kollimatoranordnung aus jeder der Kollimatorgruppen 7, 9, 72, 92 mit Darstellung einer zentrisch angeschlossenen LWL-Faser. Die Kollimatoranordnung umfasst eine Linse 15, über deren abbildende Fläche ein Parallelstrahlenbündel eintritt. An die Linse 15 schließt sich ein konischer Körper 17 zur Führung des Lichts in Richtung auf eine Fläche an, auf die optische Konzentratoren 19 folgen, die den Durchmesser und die Apertur des Lichtbündels an den Einkoppeldurchmesser und die Apertur der jeweiligen LWL-Faser anpassen. Die LWL- Faser ist über eine nicht näher dargestellte und an sich bekannte Anschlussvorrichtung in Form einer Verbindungs- und Koppelstelle mit der Kollimatoranordnung vorzugsweise direkt, das heißt ohne Luftzwischenraum, verbunden. Die Kollimatoranordnungen der Lichtkoppler 1, 3 können auf dem ersten und zweiten Ring beabstandet angeordnet sein. Ihre Zahl bestimmt sich aus der Zahl der zu übertragenden
parallelen Signalkanäle. Mindestens eine Kollimatoranordnung und ein Lichtleiter sind in jedem Lichtkoppler pro Kanal vorzusehen. Vorteilhafterweise wird ein Kanal gleichzeitig über mehrere Lichtleiter und Kollimatoranordnungen der
Lichtkoppler 1, 3 übertragen, um die Zuverlässigkeit der Übertragung zu erhöhen.
So ist es bevorzugt, dass die Lichtleiter 51 des
Faserspiegels 5 relativ zu den Lichtleitern 11, 31 der
Lichtkoppler 1, 3 auf den jeweiligen Lichteintritts- /Lichtaustrittsflächen so angeordnet sind, dass immer, wenn mindestens ein Lichtleiter eines Lichtkopplers 1, 3 mit einem Lichtleiter 51 des Faserspiegels 5 zur Übertragung eines optischen Signals exakt ausgerichtet ist, mindestens ein anderer Lichtleiter eines Lichtkopplers 1, 3 mit einem anderen Lichtleiter 51 des Faserspiegels 5 um einen Teil des Durchmesser der Stirnfläche eines Lichtleiters versetzt ausgerichtet ist.
Beispielsweise können die Lichtleiter der Lichtkoppler so anzuordnen, dass, wenn einer einen bestimmten Kanal
übertragenden Lichtleiter exakt mit einem Lichtleiter des Faserspiegels ausgerichtet ist, ein anderer den selben Kanal übertragender Lichtleiter des selben Lichtkopplers zwischen zwei Lichtleitern des Faserspiegels steht, so dass sein
Signal auf zwei Lichtleiter des Faserspiegels verteilt wird. Auf diese Art sind die Schwankungen in der Übertragung des Kanals reduziert. Es wird immer ein Teil des Signals von den Mantelflächen der empfangenden Lichtleiter geschluckt.
Bei einer Übertragung des selben Kanal auf drei Lichtleitern eines Lichtkopplers sollte die Anordnung so sein, dass, wenn einer der Lichtleiter des Lichtkopplers mit seinem Gegenstück des Faserspiegels ausgerichtet ist, ein anderer um ein
Drittle des Durchmessers der Stirnfläche eines Lichtleiters versetzt nachläuft, während der dritte Lichtleiter um 2/3 versetzt ist. Die Zahl der Lichtleiter und der Kollimatoranordnungen jedes Lichtkopplers ist hierbei ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Kanäle. Versuche haben gezeigt, dass problemlos 150 unabhängige Kanäle übertragen werden können.
Die Kollimatoranordnungen auf der Seite des Faserspiegels sind aneinandergrenzend ausgebildet, so dass eine im
Wesentlichen lückenlose Lichteintritts/Lichtaustrittsfläche sowohl auf dem dritten Ring als auch auf dem vierten Ring gebildet wird. Da die Durchmesser der Kollimatoranordnungen ein Vielfaches der Durchmesser der Stirnflächen der
Lichtleiter ausmachen, ist die Zahl der benötigten
Kollimatoranordnungen wesentlich kleiner, als, wenn versucht wird, die lückenlose Lichteintritts/Lichtaustrittsfläche des Faserspiegels nur mit im Querschnitt kreisförmigen
Lichtleitern zu bilden.
Nimmt man als Beispiel einen freien Innendurchmesser von 1 m, so kann bei Verwendung von 1 mm Lichtleitern am Faserspiegel und Optiken mit Durchmesser von 15 mm, die Anzahl der
Lichtleiter im Faserspiegel auf 1/15 reduziert werden, gegenüber dem Fall ohne Kollimatorgruppen, d.h. etwa 200 Lichtleiter im Faserspiegel reichen aus, anstatt der 3000 beim Stand der Technik.
Dennoch wird immer eine oder zwei Kollimatoranordnungen des Faserspiegels einer Kollimatoranordnung des Lichtkopplers gegenüberliegen, so dass annähernd das gesamte zu
Obertragende Licht weitergeleitet wird.
Der Aufbau des Faserspiegels ist wesentlich vereinfacht.
Da aus jeder Lichtleiter-Kollimatoranordnung nahezu
achsparallele Strahlen austreten, ist der axiale Abstand nicht entscheidend für die Verluste beim Obergang in die Lichtleiter-Kollimatorgruppe des Faserspiegels. Genauso verhält es sich beim Übergang vom Faserspiegel zu dem
ausgangsseitigen Lichtkopplern einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mehrere koaxiale Anordnungen dieser Art mit zunehmendem Durchmesser angebracht werden, um die Anzahl der zu Ubertragenden Kanäle zu erhöhen.
Grundsätzlich kann der Faserspiegel aus einer beliebigen Zahl von Lichtleiten hergestellt werden. Es erweist sich jedoch als zweckmäßig, den Faserspiegel so auszulegen, dass die Zahl der Fasern mindestens durch 2, besser durch 4 ganzzahlig teilbar ist.
Um bei großen freien Innendurchmessern die Zahl der Fasern in akzeptablen Dimensionen zu halten, ist bei der ersten hier beschriebenen Ausführungsform sowohl die Lichtkoppler 2, 3 als auch der Faserspiegel 5 mit Kollimatorgrppen
ausgestattet, die jeweils aus einer Mehrzahl von
Kollimatoranordnungen 7, 71, 9, 91 aufgebaut sind, wie dies vorangehend beschrieben wurde.
Zweckmäßigerweise wird jede Kollimatoranordnung eine
Querschnittsfläche aufweisen, die auf dem Ring der Stirnfähen der zugeordneten Lichtleiter keine Lücken zulässt. Hierzu können die Kollimatoranordnungen auch quadratisch bzw. also trapezförmig sein.
Zur besseren Ausnutzung der über den Faserspiegel mit
Kollimatoren übertragenen Signale kann auf der empfangenden Seite, wenn diese festgelegt ist, eine Linse mit einer Fläche benutzt werden, die der von zwei Linsen des Faserspiegels entspricht und auch eine diesem neuen Durchmesser angepasste Brennweite besitzt.
Bei einer alternativen Ausführungsform können zusätzlich oder anstelle der Kollimatorgruppen des Faserspiegels, die dort vorgesehenen Stirnflächen der Lichtleiter verformt sein, etwa von rund auf nahezu quadratisch, beispielsweise durch
thermisch induziertes Aufquellen der Faser. Auch auf diese Art ist es möglich, die genutzte Fläche für die Einkopplung zu optimieren.
Als Alternative zur Verformung ist es möglich, jeden
Lichtleiter durch ein Bündel von einzelnen Fasern mit
geringem Durchmesser aufzubauen, und dann diese einzelnen Fasern an der Stirnfläche des Lichtleiters von einer
kreisförmigen Anordnung in eine quadratische oder rechteckige Anordnung zu formen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, mit oder ohne Kollimatorgruppen an dem Faserspiegel, können zwei Lagen aus im Querschnitt kreisförmigen Lichtleitern auf Lücke
angeordnet sein, die nur den halben Durchmesser der zuführenden Lichtleiter haben. So kann die Flächenüberdeckung mit den zu- und abfahrenden Lichtleitern nahezu gleichmäßig sein, was zu kleineren Dämpfungsunterschieden führt. Dies ist exemplarisch in Fig. 4 gezeigt.
Zur weiteren Verbesserung der Übertragung ist es möglich, das selbe Signal auf zwei oder mehrere Kanäle des Faserspiegels zu übertragen, wobei die Positionen der Sender um einen Teil eines Abstandes zweier Kanäle des Faserspiegeis versetzt sein sollten.
Obwohl die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, erkennt der Fachmann, dass er zahlreiche weitere Modifikationen und Abwandlungen vornehmen kann. So ist es nicht zwingend, dass die beiden Lichtkoppler den gleichen Durchmesser haben. Ein Unterschied der Durchmesser kann durch den Faserspiegel ausgeglichen werden. Auch ist es prinzipiell möglich, die beiden Lichtkoppler in die selbe Richtung auszurichten, beispielsweise einen Lichtliter in den Innenraum des anderen Lichtleiters aufzunehmen. In diesem Fall sind die Lichtleiter des Faserspiegeis so zu führen, dass das Licht auf der glichen Sete ein und austritt.
Wenn die Stirnflächen der verformten Lichtleiter als
rechteckig bzw. quadratisch beschrieben werden, so ist dies nicht im streng geometrischen Sinne zu verstehen. Gemeint ist hierbei jede Verformung der Stirnflächen, die es ermöglicht aus den Stirnflächen mehrere Lichtleiter eine im Wesentlichen lückenlose Fläche aufzubauen.

Claims

Patentansprüche
1. Optischer Drehübertrager zur Übertragung optischer Signale mit
einem ersten Lichtkoppler (1), der einen oder eine
Mehrzahl erster Lichtleiter (11) aufweist, deren Stirnflächen zum Übertragen von optischen Signalen ausgestaltet und auf einem ersten Ring um eine zentrale Rotationsachse (Z)
angeordnet sind;
einem zweiten Lichtkoppler (3), der einen oder eine Mehrzahl zweiter Lichtleiter (31) aufweist, deren
Stirnflachen zum Übertragen von optischen Signalen
ausgestaltet und auf einem zweiten Ring um die zentrale
Rotationsachse (Z) angeordnet sind;
einem Faserspiegel (5) mit einer Mehrzahl dritter
Lichtleiter, die zwischen den beiden Lichtkopplern (1, 3) angeordnet und ausgestaltet sind, um den Einfluss einer relativen Drehung zwischen den beiden Lichtkopplern (1, 3) auf die Übertragung der optischen Signale auszugleichen, wobei die Stirnflächen der dritten Lichtleiter zum Übertragen von optischen Signalen ausgestaltet und auf einem dritten und vierten Ring um die zentrale Rotationsachse (Z) angeordnet sind;
dadurch gekennzeichnet, dass
vom dritten und vierten Ring gebildete Lichteintritts- /Lichtaustrittsflächen im wesentlichen lückenlos sind, so dass eine kontinuierliche Übertragung der optischen Signale ohne Unterbrechung ermöglicht wird.
2. Optischer Drehübertrager nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass
der erste und der zweite Lichtkoppler (1, 3) eine Anzahl von Kollimatoranordnungen aufweisen, die so angeordnet sind, dass ihr Brennpunkt auf die Stirnfläche eines Lichtleiters fallt; und
Lichteintritts-/Lichtaustrittsflächen des dritten und vierten Rings des Faserspiegels durch eine Mehrzahl weiterer Kollimatoranordnungen gebildet sind, wobei im Brennpunkt jeder Kollimatoranorndnung des Faserspiegeis die Stirnfläche eines Lichtleiters des Faserspiegels liegt.
3. Optischer Drehübertrager nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass
die Endabschnitte der dritten Lichtleiter (51)
ausgestaltet sind, so dass ihre Stirnflächen eine im
wesentlichen lückenlose Flächen auf dem dritten und vierten Ring bilden.
4. Optischer Drehübertrager nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, dass
die Endabschnitte der dritten Lichtleiter aus einem Bündel dünner Einzelfasern geformt ist.
5. Optischer Drehübertrager nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, dass
die Endabschnitte der dritten Lichtleiter aus thermisch verformten Fasern mit annähernd rechteckigem Querschnitt gebildet sind.
6. Optischer Drehübertrager nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, dass
die Endabschnitte der dritten Lichtleiter in zwei Reihen versetzt auf Lücke die Flächen der dritten und vierten Ringe ausfüllen, wobei der Querschnitt der dritten Lichtleiter die Hälfte des Querschnitts der ersten und/oder zweiten
Lichtleiter ist.
7. Optischer Drehübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Lichtleiter des Faserspiegels ganzzahlig durch zwei, vorzugsweise durch vier teilbar ist.
8. Optischer Drehübertrager nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, dass
die Lichtleiter (51) des Faserspiegels (5) relativ zu den Lichtleitern (11, 31) der Lichtkoppler (1, 3) auf den jeweiligen Lichteintritts-/Lichtaustrittsflächen so
angeordnet sind, dass immer, wenn mindestens ein Lichtleiter eines Lichtkopplers (1, 3) mit einem Lichtleiter (51) des Faserspiegels (5) zur Übertragung eines optischen Signals exakt ausgerichtet ist, mindestens ein anderer Lichtleiter eines Lichtkopplers (1, 3) mit einem anderen Lichtleiter (51) des Faserspiegeis (5) um einen Teil des Durchmesser der
Stirnfläche eines Lichtleiters versetzt ausgerichtet ist.
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