DE3205065A1

DE3205065A1 - Vorrichtung zum uebertragen von signalen zwischen zwei relativ zueinander drehbaren teilen

Info

Publication number: DE3205065A1
Application number: DE19823205065
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr. 2000 Hamburg Martens
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1982-02-12
Filing date: 1982-02-12
Publication date: 1983-08-18
Also published as: NL8300477A; SE8300663D0; FR2521751B1; GB8303547D0; GB2116390A; JPS58145915A; GB2116390B; DE3205065C2; SE8300663L; IL67875A0; CA1218547A; US4555631A; FR2521751A1; IL67875A

Description

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH PHD 82-0-13

"Vorrichtung zum Übertragen von Signalen zwischen zwei relativ zueinander drehbaren Teilen"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Übertragen von Signalen zwischen zwei relativ zueinander drehbaren Teilen mit einer Lichtsenderanordnung und einer Lichtempfängeranordnung, die fest in bezug auf je eines der beiden Teile angeordnet sind, und mit einem konzentrisch zur Rotationsachse angeordneten Spiegel zum Reflektieren von wenigstens einem Strahlenbündel um die Rotationsachse herum.

Eine solche Vorrichtung ist im wesentlichen aus der DE-PS 21 13 690 bekannt. Der Spiegel ist dabei torusförmig ausgebildet und in zwei Hälften unterteilt, wobei die eine Hälfte mit dem Rotor und die andere Hälfte mit dem Stator verbunden ist. Die Lichtempfängeranordnung ist am Stator angeordnet und empfängt zwei Strahlenbündel, die von zwei Leuchtdioden emittiert werden und in entgegengesetztem Sinn in dem Spiegel um die Rotationsachse herumlaufen, wobei sie zwischen dem feststehenden und dem rotierenden Teil des Spiegels ständig hin und her reflektiert werden.

Die beiden Strahlenbündel werden dabei unter relativ großen Glanzwinkeln (der Glanzwinkel ist der Winkel, den ein Lichtstrahl mit der Tangente an die Spiegeloberfläche einschließt) reflektiert. Da bei einem realen Spiegel die Reflektivität mit zunehmendem Glanzwinkel abnimmt, erfahren die Strahlenbündel eine relativ starke Dämpfung. Bei der bekannten Vorrichtung haben die Strahlenbündel einen relativ großen Öffnungswinkel. Der Weg, den einer der beiden äußeren Begrenzungsstrahlen des Strahlenbündels von der Lichtsenderanordnung bis zur Lichtempfängeranordnung zurücklegt, unter-

-^" - PHD '82-01 3

scheidet sich dabei von dem Weg des Zentralstrahls des Strahlenbündels erheblich, so daß ein von der Lichtsenderanordnung emittierter Impuls am Ausgang der Lichtempfängeranordnung erheblich verbreitert erscheint. Ein weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtung besteht schließlich darin, daß dann, wenn die Lichtsenderanordnung unmittelbar vor der Lichtempfängeranordnung steht, das Licht den Lichtempfänger nicht direkt erreichen kann, sondern erst nach einem nahezu vollständigen Umlauf. Wird jedoch der Rotor um einen bestimmten Winkel weitergedreht, kann die Strahlung von einer der Leuchtdioden direkt den Lichtempfänger erreichen. Dadurch ergeben sich LaufzeitSprünge, die eine kontinuierliche Signalübertragung mit hoher Übertragungsrate erheblich erschweren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß Strahlenbündel nur relativ schwach gedämpft werden und die Pulsverbreiterung verringert wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Spiegel als auf seiner Innenseite mit reflektierenden Flächen versehener Hohlzylirider ausgebildet ist, der einen sich relativ zu ihm drehenden Teil umschließt, auf dem die Lichtsender- oder Lichtempfängeranordnung angeordnet ist, daß das Strahlenbündel möglichst streifend auf die Innenfläche des Hohlzylinders gerichtet ist, und daß der Hohlzylinder einen Koppelausschnitt enthält, durch den hindurch die relativ zum Hohlzylinder ortsfeste Lichtempfänger- oder Lichtsenderanordnung mit der Lichtsender- bzw. Lichtempfängeranordnung auf dem drehbaren Teil in optischer Verbindung steht und dessen Bogenlänge so bemessen ist, daß in jeder Stellung des drehbaren Teils relativ zum Hohlzylinder wenigstens ein Teil des Strahlenbündels auf den Koppelausschnitt auf-

^3Ü trifft.

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Unter "Hohlzylinder" wird hier und im folgenden ein hohler Körper verstanden, dessen Innenfläche so geformt ist, daß sich mit zur Rotationsachse senkrechten Ebenen nur Kreise als Schnittfiguren ergeben. Die Strahlenbündel werden im Gegensatz zu der bekannten Anordnung stets nur an einer Fläche reflektiert - der Innenfläche des Hohlzylinders. Die Dämpfung ist relativ gering, weil die einzelnen Strahlen des bzw. der Strahlenbündel(s) streifend, d.h. unter einem kleinen Glanzwinkel auftreffen (in einer zur Rotationsachse senkrechten Ebene), und weil die Reflektivität steigt, je kleiner der Glanzwinkel ist. Die Laufzeitdifferenz zwischen den Randstrahlen eines Strahlenbündels ist dabei sehr gering, so daß die aus den emittierten Lichtimpulsen im Lichtempfänger abgeleiteten elektrischen Impulse kaum verbreitert sind. Die Übertragungskapazität kann dabei ggf. noch dadurch erhöht werden, daß auf mehreren Datenkanälen mit verschiedenfarbigem Licht übertragen wird. Wenn in Verbindung mit der Erfindung von Licht die Rede ist, dann ist hier und im folgenden nicht nur sichtbares Licht gemeint, sondern auch insbesondere infrarotes Licht oder ultraviolettes Licht.

Wenn nur ein einziges Strahlenbündel zur Informationsübertragung von der Lichtsender- zur Lichtempfängeranordnung benutzt wird, können sich - ebenso wie bei der bekannten Vorrichtung - Laufzeitsprünge ergeben, die der Laufzeit des Strahlenbündels über nahezu den gesamten Umfang des Hohlzylinders entsprechen. Diese Laufzeitsprünge lassen sich nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung dadurch vermeiden, daß zwei Strahlenbündel mit entgegengesetztem Umlaufsinn um die Rotationsachse reflektiert werden und daß stets mindestens ein Strahlenbündel oder ein Teil eines Strahlenbündels auf den Koppelausschnitt trifft. Wenn sich der Lichtempfänger bzw. der Lichtsender . auf dem rotierenden Teil auf den Koppelausschnitt zu bewegt, nimmt die Laufzeit des Lichtes bis zum Empfänger ständig ab,

--ir- PHD 82-013

bis der Lichtsender bzw. -empfänger unmittelbar vor dem Koppelausschnitt steht, um danach wieder zuzunehmen. Die Laufzeit ändert sich also kontinuierlich und es gibt keine Laufzeitsprünge.

Grundsätzlich können im Bereich des Koppelausschnitts zwei Lichtsende- bzw. zwei Lichtempfangselemente angeordnet sein. Die beiden Elemente können einander parallelgeschaltet sein; es kann jedoch auch immer das Element eingeschaltet sein, das dem Strahlenbündel mit der kürzeren Laufzeit zugeordnet ist. Eine Weiterbildung der Erfindung kommt jedoch mit nur einem einzigen solchen Element im Bereich des Koppelausschnitts aus, indem im Bereich des Koppelausschnitts zwei Strahlenumlenksysteme angeordnet sind, die die beiden gegenläufigen Strahlenbündel von oder zu einem einzigen außerhalb des Hohlzylinders befindlichen Lichtsende- oder Lichtempfangs· element in den oder aus dem Hohlzylinder führen.

Wenn die auf dem relativ zum Hohlzylinder drehbaren Teil befindliche Einheit (Lichtsendeanordnung oder Lichtempfängeranordnung) sich genau vor dem Koppelausschnitt befindet oder in einer demgegenüber um 180 versetzten Position, sind die Laufzeiten der beiden Strahlenbündel gleich lang. In jeder anderen Stellung ergeben sich jedoch unterschiedliehe Laufzeiten, so daß bei einem Lichtimpuls in der Lichtempfängeranordnung zwei elektrische, zeitlich gegeneinander versetzte Signale erzeugt werden, wobei das zuletzt ankommende Signal aufgrund der häufigeren Reflexion im allgemeinen eine niedrigere Amplitude hat. Eine weitere Herab-Setzung der Amplitude des erwähnten Signals läßt sich nach einer Weiterbildung der Erfindung dadurch erreichen, daß sich in dem Hohlzylinder gegenüber dem Koppelausschnitt ein nicht reflektierender Ausschnitt befindet, der kleiner als der Koppelausschnitt ist. Wird der nicht reflektierende Sektor gerade so groß gemacht, daß von beiden Strahlenbündeln

je die Hälfte auf diesen Sektor fällt, wenn die beiden Strahlenbündel symmetrisch zu ihm verlaufen, dann wird das zweite Signal um mindestens drei dB zusätzlich gedämpft.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dai3 die beiden Strahlenbündel in Richtung parallel zur Rotationsachse gegeneinander versetzt sind. Diese Ausgestaltung erlaubt es, die beiden Strahlenbündel getrennt voneinander zu verarbeiten.

Nach einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, daß im Strahlengang vor der Lichtempfängeranordnung zwei sich kreuzende, in Richtung parallel zur .Rotationsachse gegeneinander versetzte Spiegel oder Prismen angeordnet sind, die die von zwei Seiten auftreffende Strahlung vereinigen und - gegebenenfalls über eine Lichtleiteranordnung - zur Lichtempfängeranordnung leiten. Insbesondere wenn die Lichtsenderanordnung auf dem in bezug auf den Hohlzylinder drehbaren Teil angeordnet ist, kann im Bereich des offenen Endes dieser beiden gekrümmten Spiegel die weitere Verarbeitung der Strahlenbündel mit relativ einfach aufgebauten optischen Elementen erfolgen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der gekrümmten Spiegel, Fig. 3 eine seitliche Ansicht (von der Rotationsachse aus)

eines Teils des Hohlzylinders, Fig. 4 eine bevorzugte Ausführungsform der hinter dem Koppelausschnitt befindlichen.Einheit in der Draufsicht,

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Fig. 5a, b, c eine seitliche Ansicht eines Elementes zur Dämpfung der Primärintensität im Bereich des Koppelausschnitts.

Fig. 1 zeigt einen Hohlzylinder mit kreisförmigem Querschnitt, dessen Zylinderachse senkrecht zur Zeichenebene verläuft. Der Hohlzylinder 1 kann z.B. aus Glas bestehen. Auf seiner Innenseite ist er im wesentlichen über seinen gesamten Umfang mit einer reflektierenden Schicht 2 versehen. Der Hohlzylinder ist nicht drehbar.

Der Hohlzylinder umschließt einen drehbaren Teil 3, z.B. in Form einer parallel zur Zeichenebene angeordneten Scheibe, deren Rotationsachse 4 mit der Zylinderachse des Hohlzylinders 1 identisch ist. Auf der Scheibe 3 befindet sich eine Lichtsenderanordnung 5, die ein lichtemittierendes Element 6 umfaßt, z.B. einen Laser oder eine lichtemittierende Diode, sowie eine geeignete Optik 7, die aus dem emittierten Licht ein Bündel 8 von parallel zur Zeichenebene verlaufenden Strahlen erzeugt, das einen endlichen Querschnitt hat (z.B. 5 mm in Richtung senkrecht zur Zeichenebene und 5 mm in Richtung parallel dazu). Das Strahlenbündel 8 trifft auf zwei zueinander gekreuzte, ebene und zur Zeichenebene senkrechte Spiegel 9a und 9b, die ebenfalls mit der Scheibe 3 verbunden sind, die jedoch in Richtung (fer Achse 4 gegeneinander versetzt sind, so daß das Strahlenbündel 8 in zwei gegenläufige Strahlenbündel 10a bzw. 10b zerlegt wird, die ebenfalls in Richtung 4 gegeneinander versetzt sind und parallel zur Zeichenebene verlaufen. Anstelle der Spiegel können auch Prismen benutzt werden.

Die beiden Strahlenbündel 10a und 10b werden an der verspiegelten Innenfläche 2 des Hohlzylinders 1 mehrfach reflektiert und dadurch in radialer Richtung zu einem

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Lichtband oder Lichtkanal aufgefächert. Dessen Breite (Abmessung in radialer Richtung) D ist um so größer, je größer der maximale Glanzwinkel β der Reflexionen und je größer der Radius r des Hohlzylinders ist. as gilt die Beziehung

ι 1

Die Spiegel 9a und 9b müssen so ausgerichtet und so dicht vor der reflektierenden Schicht 2 montiert sein, daß die Strahlenbündel 10a und 10b möglichst streifend auf die verspiegelte Innenfläche des Hohlzylinders auftreffen. Dann ist β möglichst klein und damit auch die radiale Breite des Lichtkanals. Die Reflektivität ist vom Radius des Hohlzylinders unabhängig, wenn die Bedingung sin β =P wenigstens näherungsweise erfüllt ist. Ist ρ wesentlich größer, steigen die Reflexionsverluste mit dem Radius des Hohlzylinders erheblich. Der maximale Glanzwinkel β sollte daher 12° nicht übersteigen. Die Breite D des Lichtkanals ist in der Größenordnung von 1 mm.

Das Strahlenbündel 10a trifft nach mehrfacher Reflexion auf einen Bogen 11 - im nachfolgenden als Koppelausschnitt bezeichnet - , in dem die reflektierende Schicht 2 unterbrochen ist. Die Bogenlänge g dieses Koppelausschnitts genügt der Beziehung

_{g =} 2 .YiSP (2)

Die Kanalbreite D in dieser Beziehung kann mit Hilfe der oben angegebenen Formel für ρ eliminiert werden, so daß sich weiterhin ergibt: .

g = 2r β (3)

JSr - PHD 82-013

oder mit anderen Worten: der Zentriwinkel des Koppelausschnitts ist doppelt so groß wie der maximale Glanzwinkel. Wählt man die Bogenlänge g kleiner, wird ein Teil des Lichtes der Lichtstrahlenbündel 10a und 10b über den Koppelausschnitt hinweg auf die reflektierende Fläche reflektiert, so daß dieser Anteil nicht ausgewertet werden kann. Wählt man g wesentlich größer, wird die Erfassung der ausgeblendeten Lichtstrahlen wesentlich erschwert.

Das auf den Koppelausschnitt 11 auftreffende Lichtstrahlenbündel wird auf dessen gläsernen Innenfläche gebrochen und tritt - annähernd parallel versetzt - auf der Außenseite des Hohlzylinders 1 wieder aus. Es trifft dort auf einen Auskoppelspiegel 12, der in Fig. 2 näher dargestellt ist. Der Spiegel 12 besitzt eine gekrümmte spiegelnde Fläche 12a, die oberhalb einer gekrümmten spiegelnden Fläche 12b angeordnet ist (die also in Fig. 1 dichter beim Betrachter liegt als die Fläche 12b) und die die Fläche 12b ungefähr in der Mitte schneidet. Der Krümmungsradius beider Flächen beträgt ungefähr 4/3 r, wobei r der Radius des Hohlzylinders ist. Der Auskoppelspiegel 12 ist derart zur reflektierenden Schicht 2 ausgerichtet, daß die Tangente an das linke Ende der Fläche mit der Tangente an die reflektierende Schicht 2 übereinstimmt. Das gleiche gilt für das rechte Ende der spiegelnden Fläche 12b.

Durch diese Anordnung wird erreicht, daß die durch den gläsernen Abschnitt im Koppelausschnitt hindurchtretenden Strahlenbündel vollständig und bis zur AustrittsÖffnung 22a bzw. 22b ohne zusätzliche Vergrößerung der Kanalbreite D und der Strahlendivergenz nach außen geführt werden - und zwar wird das Lichtbündel 10a nach außen über den Spiegel 12a und das Lichtbündel 10b nach außen über den Spiegel 12b geführt. Das setzt voraus, daß die Spiegel 9 und 12a durch die gleiche, zur Zeichenebene der Fig. 1 parallele Ebene

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von den Spiegeln 9b und 12b getrennt werden. Diese Ebene trennt auch die Strahlenbündel 10a und 10b voneinander.

Bei Wahl des Krümmungsradius zu 4/3 r ist die Breite der Austrittsöffnungen 22a und 22b, durch die die Strahlen aus dem Hohlzylinder austreten, gerade gleich der Lichtkanalbreite D. Die Strahlenbündel können daher die Austrittsöffnungen ungehindert verlassen. Wenn der Krümmungsradius der Spiegelflächen 12a und 12b kleiner ist als 4/3 r, wird ein Teil des in den. Koppelausschnitt gelangenden Lichtes wieder in den Hohlzylinder zurückgespiegelt. Wird der Krümmungsradius der beiden spiegelnden Flächen größer gemacht als 4/3 r, dann werden die nach außen gelangenden Bündel zusätzlich aufgeweitet proportional mit dem Krümmungsradius der Auskoppelspiegel - was die dann folgende Kollimierung der Strahlenbündel erschwert.

Sin Vorteil der dargestellten Ausführungsform ist, daß durch den Koppelausschnitt keine Verunreinigungen auf den Zylinderspiegel gelangen können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Auskoppelspiegel 12 sehr einfach in radialer Richtung zu justieren ist, weil er lediglich an die Außenwand des Hohlzylinders gedrückt werden muß. Nachteilig sind aber die im Glasbogen des Koppelausschnitts auftretenden Reflexionen und Mehrfachreflexionen, die zu einer Dämpfung der Lichtintensität und einer Verbreiterung der Lichtimpulse führen.

Dieser Nachteil läßt sich vermeiden, wenn der Wandteil des Hohlzylinders im Bereich des Koppelausschnitts weggelassen wird und der Auskoppelspiegel in radialer Richtung derart nach innen versetzt wird, daß am linken Ende der Spiegelfläche 12a und am rechten Ende der Spiegelfläche 12b die Tangente an die Spiegelflächen mit den Tangenten an die Innenfläche des Hohlzylinders übereinstimmen.

_> . ^PHD32 0S06

Die mit Hilfe der Spiegelflächen 12a und 12b ausgekoppelte Strahlung wird über je eine Zylinderlinse 13a bzw. 13b mit kurzer Brennweite geführt, die das in der Zeichenebene divergierende Licht auf je ein Prisma I4a bzw. 14b kollimiert. Mit je einer Sammellinse 15a bzw. 15b und über je einen Spiegel oder Prisma I6a bzw. 16b erfolgt eine Abbildung auf die Eingangsfläche einer beiden Strahlenwegen gemeinsamen Lichtempfängeranordnung 17, die eine ähnliche Optik - nicht näher dargestellt - enthält wie die Lichtsenderanordnung 5, die die Lichtimpulse auf einen geeigneten Wandler, der das Licht in ein elektrisches Signal umsetzt, fokussiert, oder auf eine Lichtleitfaser bzw. Faserbündel, die mit einem Wandler gekoppelt ist.

Anstelle der Prismen 14a, I4b können auch je zwei ebene Spiegel verwendet werden. - In vorteilhafter Weise kann das Licht von der Grundfläche der Prismen 14a bzw. 14b zum Eingang der Lichtempfängeranordnung 17 auch über zwei prismatische Stäbe 18a und 18b geführt werden - vgl. Fig. 4 die im Bereich des Eingangs der Lichtempfängeranordnung abgeschrägt sind und stumpf auf der Grundfläche der Prismen 14a, 14b aufsitzen. In diesem Fall können nicht nur die Linsen 15a, 15b und die Spiegel i6a und I6b entfallen, sondern auch die Zylinderlinsen 13a und 13b.

Die einzelnen Lichtstrahlen eines otrahlenbündels 10a bzw. 10b durchlaufen während eines halben Umlaufs auf der Spiegelfläche des Hohlzylinders unterschiedliche Wegstrecken, jedoch sind die Differenzen sehr gering; sie können maximal gleich der Breite D eines Lichtkanals bzw. Strahlenbündels sein. Die sich daraus ergebenden Laufzeitdifferenzen sind daher in der Regel vernachlässigbar klein (und zudem vom Radius unabhängig). - Jedoch legen die Strahlenbündel 10a und 10b je nach Stellung der Lichtsenderanordnung zum Hohlzylinder 1 unterschiedliche Strecken zurück - im Extrem-

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fall entspricht dieser Unterschied dem inneren Umfang des Hohlzylinders 1, woraus relativ große Laufzeitunterschiede resultieren. Bei hohen Impulsfrequenzen könnte es dabei vorkommen, daß ein Lichtimpuls auf dem kürzeren Wege schon den Koppelausschnitt erreicht hat, bevor der vorhergehende Lichtimpuls auf dem längeren Wege dort angekommen ist. Dies könnte die Auswertung erheblich erschweren.

Um die Auswertung zu erleichtern, ist auf dem Hohlspiegel gegenüber dem Koppelausschnitt 11 ein durch unterbrochene Linien angedeuteter, nicht reflektierender Sektor 19 vorgesehen. Ein Teil des Strahlenbündels, das den längeren Weg zurücklegen muß - bei der Stellung der Lichtsenderanordnung gemäß Fig. 1 ist dies das Strahlenbündel 10b - wird von diesem nicht reflektierenden Sektor 19 absorbiert. Wenn die Bogenlänge des nicht reflektierenden Sektors 19 so gewählt ist, daß sie der Auskoppellänge eines Lichtkanals der Breite D/2 entspricht (L = 2-\f~Dr) = g/—\[~2), dann wird das Strahlenbündel, das über diesen Sektor hinweg den Koppelausschnitt erreicht, um mindestens 3 dB gedämpft. Der dadurch hervorgerufene Amplitudenunterschied der auf den beiden unterschiedlichen Wegen die Lichtempfängeranordnung 17 erreichenden Lichtpulse kann mit Hilfe einer geeigneten Auswerteelektronik zur Unterdrückung des Impulses mit der längeren Laufzeit benutzt werden.

Das Strahlenbündel, das die längere Laufzeit hat, läßt sich bei der Ausführungsform nach Fig. 3, die eine Ansicht des Hohlzylinders 2 von der Achse 4 aus darstellt, sogar vollständig unterdrücken. Die Mittellinie 20 liegt dem Zentrum des Koppelausschnitts genau gegenüber. Die Linie 21 bzw. die sie enthaltende Ebene teilt den Hohlzylinder 2 in zwei Hälften, wobei der oberen Hälfte alle mit dem Index a versehenen Elemente zugeordnet sind und der unteren Hälfte alle mit dem Index b versehenen Elemente. Die Linie 21

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trennt außerdem zwei sich überlappende (der Überlappungsbereich ist mit B bezeichnet und sein Zentrum fällt mit der Linie 20 zusammen),nicht reflektierende Abschnitte 19a und 19b auf der Innenfläche des Hohlzylinders. Wenn die Länge jedes dieser Abschnitte mindestens gleich der Auskoppellänge g ist und wenn der Überlappungsbereich B wenigstens annähernd dem Wert g/ ~\J2. entspricht, ergibt sich daraus folgende Wirkungsweise:

Wenn - wie in Fig. 1 dargestellt - die Lichtsenderanordnung eine Position einnimmt, bei der die Mittelachse des Strahlenbündels 8 rechts von der Linie 20 auftrifft, gelangt das Strahlenbündel 10a ausschließlich über reflektierende Flächen zum Koppelausschnitt 11, während das Strahlenbündel 10b durch den nicht reflektierenden Abschnitt 19b vollständig absorbiert wird. Wenn die Lichtsenderanordnung 5 eine Position einnimmt, bei der die Mittelachse des Strahlenbündels 8 die Linie 20 schneidet, dann absorbieren die Abschnitte 19a und 19b jeweils die Hälfte der Strahlenbündel 10a bzw. 10b. Die anderen Hälften laufen oben rechts bzw. unten links um und erreichen nach Durchlaufen jeweils derselben Wegstrecke den Koppelausschnitt. Wird die Lichtsenderanordnung noch weiter im Gegenuhrzeigersinn gedreht (die Mittelachse des Lichtstrahlenbündels durchstößt den Hohlzylinder dann weiter links von der Achse 20), wird ein immer größerer Anteil des Strahlenbündels 10a durch den Abschnitt 19a absorbiert, während der durch den Abschnitt 19b absorbierte Anteil des Strahlenbündels 10b immer weiter abnimmt, bis schließlich das Strahlenbündel 10a vollständig absorbiert und das Strahlenbündel 10b durch den Abschnitt ■ 19b nicht mehr beeinflußt wird. Der Abschnitt 19 bewirkt also einen Spurwechsel, d.h. den Übergang der Informationsübertragung vom Strahlenbündel 10a auf das Strahlenbündel 10b oder umgekehrt - je nach Drehrichtung.

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Die Auswerteelektronik kann hierdurch erheblich vereinfacht werden. Auf der anderen Seite ist ein höherer Aufwand für die Justierung der Lichtsenderanordnung erforderlich, damit das Strahlenbündel 10a stets oberhalb der Linie 21 und das Strahlenbündel 10b stets unterhalb dieser Linie verläuft.

Die Lichtintensität, die auf den Koppelausschnitt trifft und damit zum Li'chtempfangselement 17 -gelangt, entspricht in fast allen Positionen des Rotors der halben Lichtintensität der Lichtsenderanordnung bzw. der ganzen Lichtintensität nur eines Strahlenbündels 10a bzw. 10b - wenn man einmal von Reflexionsverlusten am Hohlspiegel 2 absieht. Steht der Rotor jedoch direkt vor dem Koppelausschnitt, so gelangen beide Strahlenbündel über den Auskoppelspiegel und die nachgeschalte.te Optik auf das Empfaagselement 17 und belasten es mit doppelter Intensität. Diese Intensitätssprünge können, insbesondere bei hohen Datenraten, in der Auswerteelektronik zu Schwierigkeiten führen, die nur mit hohem elektronischen Aufwand zu vermeiden sind. Diese Schwierigkeiten lassen sich aber dadurch umgehen, daß vor dem Kappelausschnittlein mit dem Hohlzylinder 1 fest verbundenes Element 23 angeordnet ist, dessen Querschnitt einen. Bogen eines Kreisringes darstellt. Der radiale Abstand dieses Elementes vom Koppelausschnitt ist so bemessen, daß bei Drehung des Rotors die gekreuzten Spiegel 9a, 9b zwischen dem Koppelausschnitt und diesem Element hindurchgeführt werden und die Lichtsendeeinheit 5 auf der der Drehachse 4 zugewandten Seite dieses Elementes vorbeigeführt wird. Das Element 23 beeinflußt also bei Drehung des Rotors das primäre Lichtstrahlenbündel 8, und zwar nur im Bereich des Koppelausschnittes.

Fig. 5a zeigt eine Ansicht einer ersten als Graukeil ausgeführten Ausführungsform von der Achse 4 aus. Die Transmission des Graukeils beträgt am linken und rechten Ende

-η-

100 % und fällt zur Mitte hin linear auf 50 % ab. Beide Lichtstrahlenbündel 10a und 10b werden gleichzeitig auf diese Weise im Bereich des Koppelausschnittes gedämpft.

Eine andere Ausführungsform ist in Fig. 5b dargestellt. Hier wird der Querschnitt des primären Strahlungsbündels durch zwei keilförmige Blenden 23a und 23b auf die Hälfte des ursprünglichen Querschnitts eingeengt. Die obere Blende 23a ist so angeordnet, daß das obere Lichtbündel am linken Rand des Elementes 23 bzw. desjKoppelausschnittes gar nicht und am rechten Rand dieses Elementes bzw. des Koppelausschnittes vollständig absorbiert wird. Die keilförmige Blende 23b ist so angeordnet, daß das Lichtbündel 10b am linken Rand vollständig und am rechten Rand gar nicht absorbiert wird. Das gleiche gilt auch für die in Fig. 5c dargestellte Ausführungsform.

Bei Fig. 5b sind die Blenden jedoch spangeordnet, daß sie einen in bezug auf die Ebene 21 schräg liegenden Spalt bilden, dessen Höhe der Hälfte des vertikalen Durchmessers des Strahlenbündels 8 beträgt. Dadurch wird im Bereich des Koppelausschnittes ein kontinuierlicher Spurwechsel erzwungen, bei dem die Informationsübertragung zwischen Lichtsender und Lichtempfänger kontinuierlich vom Strahlenbündel 10a auf das Strahlenbündel 10b übergeht oder umgekehrt - je nach Drehrichtung des Rotors. Die in Fig. 5c dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich dadurch, daß die von der keilförmigen Blende 23a freigelassene Fläche oberhalb der Ebene 21 symmetrisch zur Ebene 21 in bezug auf die untere keilförmige Blende 23b liegt, während die obere Blende 23a symmetrisch in bezug auf die von der Blende 23b freigelassene Fläche liegt. Diese Ausführungsform trägt der besonderen Form des querschnitts des Strahlenbündels 8 Rechnung und eignet sich für Strahlenquerschnitte mit einer zur Ebene 21 spiegelbildlichen Symmetrie - z.B. für kreis- oder ellipsenförmige querschnitte.

PHD s3-2-ft5 065 -/3 -

Je öfter ein Strahlenbündel auf der reflektierenden Fläche 2 bis zum Erreichen des Koppelausschnitts reflektiert wird, desto stärker wird es gedämpft. Es kommt daher am Ausgang der Lichterapfängeranordnung zu kontinuierlichen, periodischen Amplitudenschwankungen, die um so ausgeprägter sind, je geringer die Reflektivität der reflektierenden Fläche 2. Diese Amplitudenschwankungen lassen sich - zugleich mit den schon erwähnten Amplitudensprüngen - beseitigen durch ein bezüglich des Hohlzylinders ortsfestes Dämpfungselement, das konzentrisch zur Achse 4 und diese vollständig umschließend so angeordnet ist und dessen Dämpfung auf seinem Umfang so verteilt ist, daß die Intensität des Strahles 8 so gedämpft wird, daß sich am Eingang der Lichtempfängeranordnung eine von der relativen Lage von Hohlzylinder 1 und Rotor 3 unabhängige Intensität ergibt.

Im vorstehenden wurde davon ausgegangen, daß der Hohlzylinder 1 feststeht und die Scheibe 3 mitsamt der Lichtsenderanordnung 5 und den Spiegeln 9a, 9b drehbar ist. Es ist aber auch möglich, daß die Scheibe 3 feststeht und der Hohlzylinder 1 (mitsamt den Elementen 12a...17) um die Achse 4 gedreht wird. Wesentlich ist lediglich, daß die beiden Teile mitsamt den damit verbundenen Komponenten relativ zueinander drehbar sind.

Die Lichtsenderanordnung und die Lichtempfängeranordnung können auch miteinander vertauscht werden. In diesem Fall können die Sammellinsen 15a und 15b sowie die Zylinderlinsen 13a und 13b entfallen; dafür muß vor die Lichtempfängeranordnung eine Zylinderlinse mit kurzer Brennweite gesetzt werden. Bei Verwendung der in Fig. 4 dargestellten Anordnung ist eine Vertauschung sogar ohne weitere Maßnahmen möglich.

Die Erfindung kann insbesondere bei Computertomographiegeräten zur Übertragung der Daten von dem rotierenden Teil

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auf den feststehenden Teil benutzt werden - wie an sich aus der'DE-Oo 28 46 526 bekannt. Dabei muß der Bereich der Rotationsachse von Bauteilen frei sein (in diesem Fall ist anstelle der Scheibe 3 ein rirgförmiger Träger zu verwenden) und der Hohlzylinder kann einen erheblichen Durchmesser haben (1 m). Trotzdem lassen sich damit Impulse um einige ns Dauer einem zeitlichen Abstand in dieser Größe übertragen.

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Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1.) Vorrichtung zum Übertragen von Signalen zwischen zwei relativ zueinander drehbaren Teilen mit einer Lichtsenderanordnung und einer Lichtempfängeranordnung, die fest in bezug auf je eines der beiden Teile angeordnet sind, und mit einem konzentrisch zur Rotationsachse angeordneten Spiegel zum Reflektieren von wenigstens einem Strahlenbündel um die Rotationsachse herum,

dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel als auf seiner Innenseite mit reflektierenden Flächen (2) versehener

ίο Hohlzylinder (1) ausgebildet ist, der einen sich relativ zu ihm drehenden Teil (3) umschließt, auf dem die Lichtsender- oder Lichtempfängeranordnung (5 bzw. 17) angeordnet ist, daß das Strahlenbündel (10a bzw. 1Ob) möglichst streifend auf die Innenfläche des Hohlzylinders gerichtet ist, und daß der Hohlzylinder einen Koppelausschnitt (11) enthält, durch den hindurch die relativ zum Hohlzylinder (1) ortsfeste Lichtempfänger- oder Lichtsenderanordnung (17 oder 5) mit der Lichtsender- bzw. Lichtempfängeranordnung (5 bzw. 17) auf dem drehbaren Teil (3) in optischer Verbindung steht und dessen Bogenlänge so bemessen ist, daß in jeder Stellung des drehbaren Teils (3) relativ zum Hohlzylinder (1) wenigstens ein Teil des Strahlenbündels (10a, 10b) auf den Koppelausschnitt (11) auftrifft.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß zwei Strahlenbündel (10a, 10b) mit entgegengesetztem Umlaufsinn um die Rotationsachse (4) reflektiert werden und daß stets mindestens ein Strahlenbündel oder ein Teil eines Strahlenbündels auf den Koppelausschnitt trifft.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Koppelausschnitts (11) zwei Strahlenumlenksysteme (14a, 14b) angeordnet sind, die die beiden gegenläufigen Strahlenbündel (10a, 10b) von 5 oder zu einem einzigen außerhalb des Hohlzylinders (1) befindlichen Lichtsende- oder Lichtempfangselement in den oder aus dem Hohlzylinder führen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, daß das durch den Koppelausschnitt (11) hindurchtretende Licht teilweise oder vollständig über mindestens eine Lichtleitfaser oder über mindestens ein System von Lichtleitfaserbündeln zur Lichtempfängeranordnung geführt oder von der Lichtsenderanordnung herangeführt wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem Hohlzylinder (1) gegenüber dem Koppelausschnitt (11) ein nicht reflektierender Ausschnitt (19) befindet, der kleiner als der Koppelausschnitt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Strahlenbündel (iOa, 10b) in Richtung parallel zur Rotationsachse (4) gegeneinander versetzt sind. ^:

7. Vorrichtung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang (8) der Lichtsenderanordnung (5) zwei sich kreuzende, in Richtung der Rotationsachse (4) gegeneinander versetzte Spiegel (9a, 9b) oder Prismen angeordnet sind, die zwei ungefähr gleich helle Strahlenbündel (10a, 10b) in entgegengesetzte Richtungen ablenken.

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8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, da3 im Strahlengang vor der Licht-

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empfängeranordnung (ϊ7) zwei sich kreuzende, in Richtung parallel zur Rotationsachse (4) gegeneinander versetzte Spiegel (16a, I6b) oder Prismen angeordnet sind, die die von zwei Seiten auftreffende Strahlung vereinigen und gegebenenfalls über eine Lichtleiteranordnung - zur Lichtempfängeranordnung leiten·

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Koppelausschnitt (11) zwei in Richtung zur Rotationsachse (4) gegeneinander versetzte, sich kreuzende gekrümmte Spiegel (12a, 12b), deren Länge ungefähr der des Koppelausschnitts (11) entspricht und deren Krümmungsradius größer ist als der Innenradius (r) des Hohlzylinders (1), so angeordnet sind, daß die Tangente an ihr eines Ende die gleiche Richtung hat wie die Tangente an den Hohlzylinder in diesem Bereich.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Hohlzylinder (1) gegenüber dem Koppelausschnitt (11) zwei in Richtung der Rotationsachse (4) nebeneinander befindliche, auf dem Umfang des Hohlzylinders (1) gegeneinander versetzte, nicht reflektierende Abschnitte (I9a, 19b) vorgesehen sind, die so bemessen sind, daß keines der beiden Strahlenbündel (10a, 10b) über einen dieser Abschnitte hinweg den Koppelausschnitt (11) erreichen kann (Fig. 3).

11. Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,daß sich innerhalb des Hohlzylinders (1) vor dem Koppelausschnitt ein mit dem Hohlzylinder fest verbundenes Element (23) befindet, dessen radialer Abstand vom Koppelausschnitt so bemessen ist, daß es bei einer Drehung zwischen der auf dem drehbaren Teil (3) befindlichen Lichtsender- bzw. Lichtempfängeranordnung und der

Einheit (9a, 9b) zur "trahlenaufteilung bzw. Strahlenvereini-

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gung hindurchläuft und daß dieses Element die Gesamtinten sität des sie durchsetzenden Strahlenbündels (8) dämpft.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsdämpfung durch einen Graukeil oder eine Anordnung von Graukeilen bewirkt wird (Fig. 5a).

13· Vorrichtung nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsdämpfung durch eine Blende oder ein Blendensystem (23a, 23b) hervorgerufen wird.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (23) konzentrisch über einen vollen Kreisumfang bezüglich der Symmetrieachse (4) des Hohlzylinders angeordnet ist und eine über den gesamten Kreisumfang wirkende Dämpfung der Lichtintensität hervorruft, so daß die Lichtempfängeranordnung eine konstante,von der relativen Lage der zueinander drehbaren Teile unabhängige Strahlungsintensität erhält.

15· Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ihre Verwendung bei einem Computertomographiegerät zur Übertragung von Signalen zwischen dessen rotierendem Teil und seinem feststehenden Teil.