DE1955964A1 - Optische Filter - Google Patents

Description

DR.-ING. HERBEKT PATZOLl) ' ^u ° ° ^υ

PATENTANWALT

8 MÜNCJIKN 71

HIXnELANCJSTH. 8 TELEFON 0811/75 77 25 TELKIiBAMH ADRESSE: PATITIA MÜNCHEN

NIPPON SELFOC COMPANY, LIMITED 7-13, Shlba Gochoae, Minato-ku, Tokio, Japan

Optische Filter

Die Erfindung besieht sich auf einen optischen Filter sur Unterdrückung von Störlichtanteilen, insbesondere in Laser-Übertragungseinrichtungen.

Es ist dea Ingenieur auf des hier betreffenden Fachgebiet bekannt, daß Lichtverstärkungen durch Lasereinrichtungen stets von unerwünschter Fluoressens begleitet sind, welche als Störlicht (Störungen) in den verstärkten Lichtwellen erkennbar ist. Dabei wird das verstärkte Signal durch den Störungsanteil innerhalb der gesagten optischen Übertragung verschlechtert·

Auch ist es bei optischen Übertragungssystem!! oft der Fall, daß unerwünschte äußere Störlichtstrahlen, die in den optischen Weg des Systems hineintreten, das su übertragende Signal aufgrund des Störanteils verschlechtern.

Sind solche Störlichtkomponenten in den Trägerlichtstrahlen enthalten und über das gesaate Übertragungssystem ausgebreitet, werden sie neben den Trägerwellenkoapanenten

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verstärkt. Ia allgemeinen weist die Auegangsenergie eines Lichtwellenverstärkers einen bestirnten Sättigungswert auf. Daher wird die Verstärkung der Trägerlichtwellenkoaponenten durch die Gegenwart von Störlichtkoaponenten verhindert.

Es ist Aufgabe der Erfindung ein Laserübertragungssystea anzugeben, bei dea die optischen Störlichtkoaponenten weitgehend vermieden werden und ein !■ Verhältnis zum Störungsanteil starkes Signal erhalten wird.

Die Erfindung löst die Aufgabe durch folgende Merkaale:

1. Es ist ein Konvergenslichtleiter vorgesehen, dessen Brechungsindex über seinea Querschnitt ia wesentlichen durch die Beziehung

» - n₀ (1 - I ar²)

bestiaat ist, wobei n_Q der Brechungsindex entlang der Achse des Leiters, a eine positive Konstante und r der radiale Abstand von der Achse zu einea beliebigen Punkt alt dea Brechungsindex η sind.

2. Die Länge des Konvergenzlichtleiters ist bestiaat durch die Beziehung

(k + I)*/ y* <= i L

(k - 0_t 1, 2, )

3. Aa Eingangsende des Konvergenzlichtleiters befindet sieh eine irisartige Blende alt einer zentralen,

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runden Blendenöffnung, deren Durchmesser ewei bis viermal größer als der Ausdruck

ist, wobei X₀ die Lichtwellenlänge ist.

4. Ae Ausgangsende des Konvergenzlicht1eitere befindet sich eine irisartige Blende, deren Durchmesser ebenfalls swei- bis viermal größer als der Ausdruck

ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß Lichtdetektoren vorgesehen sind, die aus einer Mehrzahl von Teildetektoren bestehen, die jeweils über der gesamten Lichteinfallsfläche einer irisartlgen Blende verteilt sind und daß sum Querverschieben der Blenden in Stellungen, in denen das Zentrum der Blendenöffnung mit dem ein- bsw. ausfallenden Lichtstrahl Busammenfällt, jeweils mit den Blenden in ferbindung stehende Steuervorrichtungen vorgesehen sind, die von den Ausgangsgrößen der Lichtdetektoren steuerbar sind.

Nach einem älteren, nicht vorveröffentlichten Vorschlag der Anmelderin wird ein faserartiger, transparenter Körper sur optischen übertragung verwendet, bei dem der Brechungsindex über dem Querschnitt des Körpers mit dem Quadrat des Abstandes von der Achse sur Oberfläche hin stetig abnimmt« Im besonderen pflanzt sich ein auf den Körper auffallender Lichtstrahl durch den Körper hindurch, wobei er um die Achse des Körpers schwingt.

00984 87 1 025 "*"

«· 4 —

Dabei weist der Körper einen Brechungsindex η auf, der durch die folgende Gleichung (1) definiert ist:

n₀ (1 - I ax²) , (l)

wobei η der Brechungsindex an einen beliebigen Punkt in dta transparenten Körper und n_Q der Brechungsindex in der Achse des Körpers ist« Weiter tat χ der Abstand von der Achse «u dea beliebigen Punkt in radialer Kiehtung und a ist «in· positive Konstante.

Nach dea Artikel von S. E. Miller, veröffentlicht in der Zeitschrift Tht Bell Systβ* Technical Journal, Vol. 44, No. 11 (Noveaber 1965), Seiten 2017 - 2064 ist die Wellenform eines Lichtstrahles, der sich durch ein Medium fortpflanzt, weiches eine nach Gleichung (1) definierte Brechungsindexverteilung aufweist, bestiast durch die Besiehung (2):

x-A cos i/a Z + B sin /a Z , · (2)

wobei Z den Abstand bezeichnet, gesessen in der Lichtfortpflanzung«riehtun£ entlang der Achse des Übertragungsaediuas, A den Ort des Ei«fallpunktee auf der Ebene senkrecht zur Achse des Mtdiuas und B eine Konstante bestiaat, die den Kiitfalisrirtkel des Lichtstrahles darstellt.

Wird der transparent f Körp€?r_f ü&r eine Brechungsindex« verteilung nach Gleichung (1), entsprechend atm erwähn« ten, älteren Vorschlag, besitzt, als Lichtübertragungκ-atditta verwendet, wandert ein Lichtstrahl, der *a£ aen

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O ^r 9 (U η ,· ι r Ί r,

Körper einfällt» durch Um hindurch und schwingt dabei in einer durch die Belebung (2) boat Lniaten Weise um die Achse des Körpers. (Ein derartiger transparenter Körper ivird weiterhin als "Konvergenz lichtleiter" bezeichnet.)

Lichtstrahl, der auf die Eingangdendflache Kuu/argenziichtlditers zum Einfallen gebracht tvird, pflanzt sich durch ihn hindurch fort und schwingt dabei UiB die Achse des Leiters, wobei der vom Lichtstrahl zurückgelegte optische Weg durch die Lage.des Einfallspunktes und des Einfallswinkels des Lichtstrahles b·- stimat ist. Fallen gleichzeitig aehrere Lichtstrahlen unter verschiedenen ivinkeln und an verschiedenen Punkten auf die Eingangsendfläche dss KoiiVürgenzlichtleiters ein, pflanzen sich die Lichtstrahlen in den Leiter in ttellenforaen «ntlang optischen Wegen fort, die durch die Einfallspunkte und Einfallswinkel bestiwat sind.

Die Erfindung geht von den bereits vorgeschlagenen Konvergenzlichtleiter und seinen vorgenannten Eigenschaften aus und schlägt ein optisches Filter zur Unterdrückung von Störlichteinflüssen vor, das geeignet ist, die Störlichtkoaponenten zu beseitigen, deren Schwingungsart sich von der der optischen Trägerwell· unterscheidet.

Der Grundgedanke der Erfindung wird nachfolgend näher erläutert:

Es ergibt sich aus der Beziehung (2), daß zwei Lichtstrahlen, die auf der Eingangsendflach· das Konvergenzlichtleiters auf denselben Punkt einfallen, aufgrund unterschiedlicher Einfallswinkel an verschiedenen Punkten an der Ausgangsendfläche des Leiters austreten.

-β-

\ 0 0 9 8% 8710 2 5

Angeuosnen, die Länge des Konvorgensiichtluiters ist gleich £ , dia Auetrittspunkte dor aas tretenden Lichtstrahlen ae Ausgangsende des Leiters sind durch X₁ und x,_} bestimmt und die Konstanten) abhängig von den entsprechenden Einfallswinkeln der Lichtstrahlen, sind Bit B. und Bg bezeichnet, dann gilt die Besiehung

- 1 cos ν* £ * ^üi ^ein /^a

Eine entsprechende Beziehung gilt auch für x^ . äo«it ergibt die Differenz

(B₁ - B₂) sin /a t .

Hieraus folgt, daß die Austrittepunkte X₁ und X₂ zweier Lichtstrahlen Mit unterschiedlichen Einfallswinkeln aa Ausgangsende des Deiters voneinander abweichen, sofern die Bedingung

sin

ya *

gilt.
Hieraus folgt

/I (k - 1, 2, 3_f ).

Vm zu vereeiden, daß Lichtstrahlen an verschiedenen Punkten auf die Eingangsendfläche auftreffen, ist eine Irisblende an Eingangsend· angeordnet» Dl· üffnungsweite der Irisblende 1st geringfügig größer als die

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Fleckgröße der Lichtstrahlen, die für den Lichtleiter eigentümlich ist. Durch diese Anordnung können auf den Lichtleiter nur Lichtstrahlen auf denselben Einfallspunkt einfallen« Befindet sich eine Irisblende am Aue-(.angsende dte Lichtleiters, so werden Lichtstrahlen, die außerhalb der Blend*ui Hnung ausfällen? von der Irisblende abgefangen· I¹Ie Licht strahlen, Ale durch die Irisblende am Ausgang des Lichtleiters heraustreten können_t müssen daher von Lichtstrahlen stammen, die am Eingangsende des Lichtleiters unter demselben Einfallswinkel wie der Laserliehtstrahl eingefallen sind· Ist eine Irisblende mit einem Lichtdetektor versehen, der sur Anseige der Lichtstrahlen am Ein- bsw. Ausgangeende des Lichtleiters dient, wobei sich die Stellung der Blendenöffnung in Abhängigkeit von der Detektoranseige an seinem Ausgang selbsttätig einstellen läßt, so ist es möglich, fast alle transversale Störschwingungskomponenten außerhalb der Trägerlichtstrahlen su beseitigen.

Angenommen in der Besiehung (2) ist

Z - (k ♦ h -£" (k - 0, l_t 2 ),

so wird der erste Ausdruck in der Bcsiehung (2) gleich Null und der svelte Ausdruck gleich B unter der Bedingung, daß der absolute Betrag von sin "/aZ. ein Maximum ist. In anderen »orten, die Position der Lichtstrahlen an dem Punkt

auf dem Querschnitt wird bestimmt durch dtη Einfallswinkel B ohne Rücksicht auf den Einfallspuokt«

0 0 8^s' * C 2 b

BAD ORIGINAL

AngenoiuBen eine Irisblende aus einem licht absorbierenden Material befindet sich an Auegangeende de« Konvergenzlicht leiter· «it der Länge I gleich (k + ·») —ras-

(wobei k · O, 1, 2, ist) und die Öffnung

der Irisblende befindet sich aa Austritteende des Laserlichtes, dann werden die Störlichtköaponenten, ausgenoaueii diejenigen, die in den Lichtweg unter denselben Einfallswinkel wie die Trägerlichtwelle eingefallen sind, von der aus eine« lichtabserbierenden Material bestehenden Irisblende absorbiert. Es wird also verhindert, daß derartige Störlichtkoaponenten durch die Öffnung der irisblende hindurchtreten.

Hierdurch wird das Signal gegenüber de« Störlichtanteil ein Maxiau*. Dieses ist die Bedingung, daß die Differenz der Positionen a» Auegangsende {x^~ x₂) «wischen swei Lichtstrahlen silt verschiedenen Einfallswinkeln aaxiaal ist.

Nach des zitierten Artikel von Miller wird die Grundileckgröße von stabilen Lichtstrahlen In eines ähnlichen Medina, das eine Brechungsindexverteilung entsprechend der Gleichung (1) aufweist, ausgedrückt durch die Beziehung

λ_δ Mt Vi Ucnlmigf: ¹^e* Licfjlee in der Atwosphii

ι <e ίκ1 uL·'} if,Ii-. μϊ %-kir ■■' sehe ^rt3*.^;vericHuiig proptfrtio/»-·}

..^an (ialtc: r.-..ι L.ji t^Bs^ßser chi? ^irf-fjiung d der Ii'isblrtu!« »It d · r?j? :n:eiitamfci) »irrt, ist der Anteil der Licht-strahlen, die nicht durch di« Öffnung hiodurchtreten

BAD ORIGINAL

können, d,h# der Anteil der McUtenergie, die von tier irisblende absorbiert wird, durch die Beziehung

I.

χ LT dx

χ E² dx

0,135

l/t» zeigt sich daher, daft 13,3,S der LiehtüUür_t;Ie yerloron^uht, i»enn d ■ 4x betrügt, ist der luiorgievarluiit vernachlassigbar klein· Ist dia Öffnung au groß, wird der Störllchtanteil der durch die öffnung hiniiurcluutr*- ten vuraag, grUüer.

hrfindung wird mohr im oinaoinuü anhand von A ruii£3beiepielen erlüutart, die in achena ti sehen Zeichnungen dargestellt öintl, ülurin aeigt:

Fig· 1 einen Längsschnitt durch eine erste Au»* führungsfortn nach der lirfinüung;

Fig. 2 einon Uingisohnitt durch tine zweite Ausführung· for» nach der Erfindung und

Fig. 3 eine Vorrichtung zur Störlichtuntordrük- - kung in Fig· 2 in der Draufsicht und in der Seitenansicht»

In Fig. 1 weist ein Konvergenzlichtleiter t die Lunge £ auf, die bsstiswt ist durch dia Beziehung

(k * ^) -&-iH (k *> f) -ys- (k - O, i, 2, >.

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BAD ORjGlNAL

Der Konvergenslichtleiter 1 ist ein- und ausgabeseitig ■it je einer Irisblende 2 und 3 oder dergleichen Lochblende vereehen. Die öffnungen la Zentrua der Irisblenden 2, 3 haben einen Durchmesser von etwa 2x bis 4x* . Die Irisblenden 2, 3 befinden sich la engen KentsJct «it den Lichteingangs- und Lichtaustrittsenden des Lichtleiters. Die Größe χ ist durch die Besiehung (3) gegeben.

In dea erfindungsgeaäßen Filter nach Fig. 1 werden alle Lichtstrahlen» außer denjenigen, die durch die Öffnung der Irisblende 2 fallen, von iha absorbiert. Die Lichtstrahlen, die durch die öffnung der Irisblende 2 la wesentlichen auf das Zentrua der Eingangsendfläche des Konvergenslichtleiters 1 fallen, treten aa Ausgangsende des Leiters an einea Punkt aus, der dea Einfallswinkel der Lichtstrahlen entspricht. Nur diejenigen Lichtstrahlen, deren Austrittspunkte sich la Bereich der öffnung der Irisblende 3 befinden, treten durch die öffnung der Irisblende 3 hindurch.

ttenn die Laserlichtstrahlen in der öffnung der Irisblende 2 konzentriert sind und unter kleinen Einfallswlnkein auf die Eintrittsendfläche des Konvergenslichtleiters 1 einfallen, treten die Lichtstrahlen aus dea Konvergenslichtleiter aa Ausgangsende nahe aeinea Zentrua heraus. Da die Störungskoaponenten einen weiten Bereich von Einfallswinkeln aufweisen, wird ein großer Teil von ihnen durch das lichtabsorbierende Material der Irisblende 3 absorbiert. Als Ergebnis kann nur ein ainiaaler Betrag an Störkoaponenten durch den Konvergensllchtleiter hindurchtreten und aa Ausgangsende erscheinen. Das führt in hohaa Maße su stärkeren Signalen gegenüber dea Störlichtanteil.

In dea Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 besteht die Irisblende 2 aa Eingangsende des Koavergenxllchtleiter*

009848/1025 -*

au· «Ibmi lichtabsorbierenden Material· Di· Irisblende kann aus «in·· regulären, nlcht-träusperenten Körper bestehen, da al« sub Abfangen der auftreffenden Störlicht komponenten dient. An Stelle der IrI!blende in de« Ausfttitrungabeispiel können auch swel Llchtabsorptlonskttrper «it centralen Öffnungen intermediär in eine« langen LichtÜbertragungsweg angeordnet sein, der aus eine« Konvergenslichtleiter besteht·

Fig. 2 aeigt ein weiteres Ausführungsbelspiel nach der Erfindung« wobei aush bier ein Konvergensllchtlelter 1 ein« und anagangseeitif Jeweils alt einer Irisblende 2 und 3 versehen 1st, die ans lichtabsorbierende« Material besteht und la Zentrusi jeweils eine Uff nun« alt eine·) Uirehaesser von 2x bis Ax aufweist· Die Irisblende* befinden sieh im eine· engen Kontakt alt der Eingangs* baw« AusgaagseadflMche das Konvergenslichtleiters 1 · Di« Größe χ ergibt sieh aus der Bealetrang (S) · Jede der Irisblenden 3 und 3 bestellt aus wenigstens drei Liehtdetektoren,(dl· nachstehend näher besehrieben werden).Mit den Ziffern 4 und 3 sind Steuervorrichtungen für die «Irisblende« b«s«ichnet.

Ia de« erfindungsgea*t«a Filter nach FIg, 2 ist die Lunge Z des Keavergenalichtlelters durch die Ileniebung

(k 4 h -S- t£(: (k ♦ 3) -Sr (k - 0. i» a,. 4 vi * -/a

Daher ist die Lag* dt# 5 unkt^f, ür- 4m liebt- *ui de« Konvergenz U eh ti ei t er herougi-trrieHf in 4\hHÄaiir,L«it vcm den Cinii llwiriaVrln cirr Liehtstrab· Im Rroijtn Sctavfuiiiungeii ucteieorfen, Dm ¥ert«ilt an« i^;« ir Ligentehaft sieben tu künneia, wird tür

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009843/ 1025 BADORIGINAL

Einfallepunkt dee Laserlichtee durch den Lichtdetektor der Irisblende 2 beetiaat. Dabei wird die üffnung der Irisblende 2 von der Irleblendensteuervorrichtung 4 zu de· beetiaaten Einfallspunkt bewegt. Hierdurch wird der Laserllchtstrahl auf den Konvergenslichtleiter 1 sum Einfallen gebracht. Aa Ausgangeende wird der Auetrittepunkt dee Laeerlichtee durch den Lichtdetektor der Irisblende 3 bestiaat, wobei die üffnung der Irisblende 3 durch die Irisblendensteuerung 5 zum Auetrittepunkt gesteuert wird. Als Ergebnis können die Laeerlichtetrahlen, nachdem sie sich durch den Konvergenzlichtleiter fortgepflanzt haben, durch dl« üffnung der Irisblende 3 austreten. Nur die Störlichtkoaponenten, die am Eingangsende unter la wesentlichen de« gleichen Einfallewinkel wie des der Trägerkoaponenten einfallen, können durch die Irisblende 3 zusaanen alt der Trägerkoaponente austreten« Alle anderen Störlichtkoaponenten werden durch die Irisblenden 2 und 3 absorbiert. Auf diese Welse 1st das Signal gegenüber dea Störlichtanteil des Übertragungssrstsas weeentlich verbessert.

Fig. 3 zeigt in scheaa ti scher Darstellung ein Ausfiihrungsbeisplel einer Irisblende 2, 3 , wie sie in den erfinduhgsgea&Ben Filtern nach Fig. 1 und 2 verwendet wird. Die Irisblende ist hier unterteilt in vier Teile 31, 32, 33 und 34 , wobei jedes Teil von einea Lichtdetektor gestützt 1st. Vtenn die Irisblende bestrahlt wird, erzeugen die Teile 31, 32, 33 und 34 entsprechend der Intensität des aufgetroffenen Lichtes verschiedene Ausgangsinforaationen. Hierdurch ergibt sich eine zweidimensional« Kennzeichnung der Licbtstrahlintcnsitätsverteilung. Die Lage der Irisblende wird selbständig von der Steuervorrichtung zur Lagebestiaaung der Iris« blende gesteuert.

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Wenn die Steuervorrichtung für die Irisblende normalerweise arbeitet, werden schwache Trägerlichtatrahlenkomponenten auf den Lichtdetektor zum Einfallen gebracht, wobei die Störkomponenten ebenfalls auf die Irisblende einfallen. Da die Störintensitätsverteilung konstant ist ergeben sich keine Unterschiede bei den Ausgangsgrößen des Lichtdetektors. Es gibt la wesentlichen keine Gefahr für fehlerhafte Einstellungen der Steuervorrichtung für die Irisblende, ausgenommen wenn das Störlicht extrem intensiv ist.

Aufgrund der Erfindung ist es nicht notwendig, Ausrichtungen vorzunehmen, um das Einfallen eines Laserlichtstrahles auf die Achse des Konvergenslichtleiter· zum Einfallen zu bringen. Aus diesem Grunde läßt sich die Handhabung von Lasereinrichtungen wesentlich vereinfachen.

Patentansprüche

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Claims (4)

Patintisipriioh· Optisch·· Filter sur Unterdrückung von Störlichtmnt«il«n, insbesondere in Laser-übertrsgunf»einrichtungen, gikinoiiiehntt durch folgend· Iferkaal·!

1. £s ist «in konvergenslicatieltor (1) dessen Brechungsindex über seine« Querschnitt la wesentlichen dureb dl· Beziehung

» - U₉ (1 - I ar²)

bestiaat ist ι wobei n_Q dwr Brechungsindex entlang der Achse de· Leiters» · ein· positiv· Konstant· und r der radial· Abstand von d«r Ach·· su eine« beliebigen Punkt alt dee Brechungsindex a sind.

2. Di· Läng· des Koavergenslichtlelters (1) ist bestisMt durch dl· Besiehtug

(k ♦ i)ic/ v£ it 4 (k ♦ J

3. Aa Eingang··«*· des koavergenslleatleiters (1) befiadet sieb ein· irisartig· Blende (2) alt einer seatralea, nutdem Blendenöffnung, deren Durcbaeaser (d) swei- bis vieraal größer al· der Ausdruck

ist, wob·! ^_odl· Licbtvellenläage ist.

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4. Aa Ausgangsende des Konvergenzlichtleiters (1) befindet sich eine lrisatige Blende (3), deren Durchmesser (d) ebenfalls zwei- bis vieraal größer als der Ausdruck

1st.

2. Optisches Filter nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet , daß Lichtdetektoren vorgesehen sind, die aus einer Mehrzahl von Teildetektoren (31, 32, 33, 34) bestehen, die jeweils über der gesaaten Lichteinfallsfläche einer Irisartigen Blende (2, 3) verteilt sind und daß sub Querverschieben der Blenden in Stellungen, in denen das Zentrua der Blendenöffnung alt dea einbsw. ausfallenden Lichtstrahl susaaaenfällt, Jeweils alt den Blenden in Verbindung stehende Steu ervorrichtungen (4, S) vorgesehen sind, die von den Ausgangsgrößen der Lichtdetektoren steuerbar sind.

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