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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Übertragung optischer Signale
zwischen gegeneinander drehbaren Einheiten. Derartige Vorrichtungen
werden vorzugsweise in Computertomografen eingesetzt.
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Stand der Technik
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Zur Übertragung
optischer Signale zwischen gegeneinander drehbaren Einheiten, insbesondere mit
einem freiem Innendurchmesser sind verschiedene Vorrichtungen bekannt.
Grundsätzlich
besteht hierin das Problem, ein Mittel zum Transport von Licht entlang
des Umfangs der Vorrichtung sowie geeignete Mittel zur ein- und
Auskopplung von Licht zu gestalten. Zum Einsatz in Computertomografen
müssen
derartige Vorrichtungen große
freie Innendurchmesser in einer Größenordnung von 1 Meter aufweisen.
Die Umfangsgeschwindigkeit bei der Rotation kann in einer Größenordnung
von 20 m/s liegen. Gleichzeitig sollten Datenraten mit über 1 Gigabit
pro Sekunde (GBaud) möglich
sein.
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In
der
EP 1 476 969 A ist
eine Vorrichtung zur breitbandigen Signalübertragung mittels eines verspiegelten Grabens
offenbart. Hierbei wird in einen verspiegelten Graben als Lichtleiter
einer ersten Einheit Licht eingekoppelt und entlang einer Kreisbahn geführt. Die
zweite Einheit, welche gegenüber
der ersten Einheit drehbar angeordnet ist, besitzt einen Lichtkoppler,
um Licht aus dem verspiegelten Graben auszukoppeln. Dieser Koppler
wird nun mit einem breitbandigen optischen Empfänger verbunden. Dieser Koppler
muss eine gewisse Mindestgröße aufweisen,
die an den verspiegelten Graben angepasst ist. So liegt die Breite
beziehungsweise der Durchmesser des Kopplers in einer typischen
Größenordnung
von 100 μm
bis 500 μm.
Breitbandige optische Empfänger
für Datenraten
im Gigabit-Bereich sind vorzugsweise für den Anschluss von Singlemode-Fasern
mit Kerndurchmesser von 9 μm
erhältlich.
Bei einer direkten Verbindung eines solchen Empfängers an den Koppler ergibt
sich eine unakzeptabel hohe Dämpfung
des optischen Signals, da nur ein Bruchteil des Lichtes von dem
Empfänger
absorbiert werden kann.
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Ein ähnliches
Problem besteht bei einem Drehübertrager,
wie er in der
DE
10 2004 046 775 A1 offenbart ist. Hierbei wird Licht mittels
eines Prismas aus einem Lichtwellenleiter ausgekoppelt. Auch hier kann
das Prisma nicht beliebig klein gestaltet werden, so dass bei einer
Ankopplung an einen marktüblichen
optischen Empfänger
ebenfalls eine unakzeptabel hohe Dämpfung besteht.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Empfangseinheit für eine Vorrichtung
zur Übertragung optischer
Signale zwischen zwei gegeneinander drehbaren Einheiten, derart
zu gestalten, dass eine Verlustarme Ankopplung an einen optischen Empfänger für kleinen
Faserdurchmesser möglich wird.
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Eine
erfindungsgemäße Lösung dieser
Aufgabe ist in den unabhängigen
Patentansprüchen
angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß wird zur Übertragung
des Lichts von dem Koppler zu einem optischen Empfänger ein
Lichtwellenleiter verwendet, dessen Kerndurchmesser an die Größe des Kopplers
angepasst ist. So wird vorzugsweise bei einer Koppelergröße in der
Größenordnung
von 100 μm
eine HCS-Faser mit einem Kerndurchmesser von 100 μm eingesetzt.
Bei größeren Kopplern
können
entsprechend größere Faserdurchmesser
eingesetzt werden. Vorteilhafterweise entspricht der Faserdurchmesser
dem Kopplerdurchmesser genauer als ± 50%, besonders bevorzugt
beträgt
die Größenabweichung
weniger als ± 10%.
Die Erfindung ist nicht auf HCS-Fasern beschränkt. Vielmehr ist es besonders
vorteilhaft, eine derartige Faser zu verwenden. Eine in der Größe an den
Koppler angepasste Faser kann nun direkt mit diesem beispielsweise
durch Kleben oder Spleißen verbunden
werden. Besonders günstig
ist es, wenn der Koppler unmittelbar aus dem Kern der Faser herausgearbeitet
ist. So können
Fasern mit großen Kerndurchmessern
in einer entsprechenden Form bearbeitet, beispielsweise angeschliffen
oder angeätzt
werden. Optional kann anstelle einer einzigen Faser 7 auch
ein Faserbündel
oder mehrere einzelne Fasern eingesetzt werden.
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Das
andere Ende der Faser wird an eine Fotodiode 52 im optischen
Empfänger,
beispielsweise eine PIN-Diode angekoppelt. Nachfolgend wird auf den
Begriff der Fotodiode 52 Bezug genommen. Selbstverständlich schließt dieser
alle Arten von optischen Empfangselementen, vorzugsweise mit integriertem
Verstärker,
besonders bevorzugt mit integrierter Taktregenerationsschaltung
(CDR) ein. Zwischen dem Faserende und dem optischen Empfänger ist
erfindungsgemäß ein Anpasselement 50 vorgesehen.
Dieses Anpasselement 50 hat die Aufgabe, die Koppelverluste
zwischen der Faser mit einem großen Durchmesser und einer Fotodiode 52,
die selbst für
Fasern mit kleinem Durchmesser ausgelegt ist, zu minimieren. Ein
erfindungsgemäßes Anpasselement 50 besteht
selbst aus einem kurzen Stück
einer lichtleitenden Faser oder einem Glasstück mit einem Durchmesser, der
zwischen dem Durchmesser der Faser und dem Durchmesser des optischen Empfängers liegt.
Bezugnahmen auf den Durchmesser der Fotodiode 52 beziehen
sich nicht auf die Fotodiode selbst, sondern auf denjenigen Durchmesser einer
Glasfaser, für
den die Fotodiode ausgelegt ist. So würde der bevorzugte Anwendungsfall
der Erfindung eine Fotodiode 52 mit einem Durchmesser von 9 μm betreffen.
Diese Angabe bezieht sich hier auf eine Fotodiode, die für eine lichtleitende
Faser mit einem Kerndurchmesser von 9 μm optimiert ist, auch wenn deren
aktive Fläche
geringfügig
größer sein sollte.
Vorteilhafterweise ist die Länge
der lichtleitenden Faser 7 kleiner 300 mm, da sonst zu
viele Moden in den Mantel der Faser wandern. Weiterhin kann eine
zusätzliche
Linse in Verbindung mit dem Anpasselement 50, insbesondere
zwischen dem Anpasselement 50 und der Fotodiode vorgesehen
sein. Typischerweise ist das Anpasselement ein Taper, also eine
optische Faser mit sich verjüngendem
Querschnitt, die an einer Seite an den Querschnitt der lichtleitenden
Faser angepasst ist und vorzugsweise den selben Querschnitt wie
die lichtleitende Faser hat, und an der anderen Seite an die Fotodiode
angepasst ist und hier ebenfalls vorzugsweise einen der Fotodiode
entsprechenden Querschnitt aufweist. Vorzugsweise bei das Anpasselement
auf der Seite der lichtleitenden Faser den selben Durchmesser wie die
lichtleitende Faser mit einer maximalen Abweichung von ± 10% auf.
Der Begriff Durchmesser der Faser beziehungsweise des Anpasselements
bezieht sich hier auf den Kerndurchmesser.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der Durchmesser des Anpasselements auf
der Seite der Fotodiode dem halben Durchmesser der lichtleitenden Faser
entspricht.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden
der Durchmesser und die numerische Apertur des Anpasselements derart
angepasst, dass das Produkt aus der Querschnittsfläche des
Anpasselements und seiner Apertur gleich dem Produkt der Querschnittsfläche und
der Apertur der lichtleitenden Faser ist. Der Querschnitt bezieht
sich hier auf den Kernquerschnitt beziehungsweise die durch den
Kerndurchmesser gegebene Querschnittsfläche des Kerns der Faser beziehungsweise des
Anpasselements.
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Entsprechend
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist innerhalb
der Anordnung ein passiver optischer Powerlimiter vorgesehen. Derartige
passive optische Powerlimiter umfassen Materialien, welche bei überschreiten
einer bestimmten Lichtintensität
eine steigende Dämpfung des
Signals bewirken. Ein solcher optischer Powerlimiter wird vorzugsweise
zwischen der lichtleitenden Faser sieben und dem Anpasselement 50 angeordnet.
Ebenso kann ein solcher Powerlimiter auch zwischen dem Anpasselement 50 und
der Fotodiode 52 angeordnet sein. Besonders bevorzugt ist
es, wenn das Anpasselement 50 selbst als optischer Powerlimiter
ausgeführt
ist.
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Entsprechend
einer weiteren erfindungsgemäßen Weiterbildung
eines gattungsgemäßen Drehübertragers
entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist die zuvor beschriebene
lichtleitende Faser 7 sowie wahlweise das Anpasselement 50 in
einer Hülse 53 aufgenommen,
welche gegenüber
der Fotodiode 52 im Empfängergehäuse 51 beweglich justierbar
und bevorzugt nach der Justage fixierbar ist. Hierzu weist die Hülse 53 an
ihrem der Fotodiode 52 zugeordneten Ende ein Kugelsegment 55 oder
zumindest eine Abrundung oder Fase auf. Dieses Kugelsegment 55 liegt
an einem zylinderförmigen,
Kegelförmigen,
abgeschrägten,
oder Kugelschalenförmigen
Teil der Aufnahme 54 auf und kann insbesondere gedreht
und/oder gegenüber
der Fotodiode 52 verkippt beziehungsweise verschwenkt 57 werden. Dadurch
kann ein eventuelles Schielen der Faser beziehungsweise des Anpasselements
korrigiert werden, so dass das Licht immer senkrecht und/oder mittig
auf den Empfänger
einfällt.
Nach einer Justage kann die Hülse 53 mit
dem Empfängergehäuse 51 verklebt
werden. Zum Einbringen des Klebers sind bevorzugterweise Bohrungen 56 vorgesehen.
Durch derartige Bohrungen 56 in der Hülse 53 kann die lichtleitende
Faser 7 und das Anpasselement 50 mit dieser verklebt
werden. Durch wenigstens eine weitere Bohrung 56 im Empfängergehäuse 51 kann
die Hülse 53 mit
dem Empfängergehäuse 51 verklebt werden.
Eine weitere Bohrung 58 im Empfängergehäuse 51 dient zum Druckausgleich
und kann auch wahlweise zur Einbringung von Klebstoff verwendet werden.
Nach dem Verkleben ist die Anordnung fixiert und kann auch starker
mechanischer Beanspruchung widerstehen. Die hier offenbarte Erfindung
ist sowohl eigenständig
einsetzbar, als auch mit einem oder mehreren der zuvor beschriebenen
Merkmale, insbesondere mit dem Anpasselement 50 kombinierbar.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
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1 zeigt
in allgemeiner Form schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
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2 zeigt
schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
in der Draufsicht.
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3 zeigt
eine Hülse
mit lichtleitender Faser und Anpasselement.
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4 zeigt
ein Empfängergehäuse mit
Fotodiode.
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5 zeigt
Hülse und
Aufnahme im zusammengebauten Zustand.
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1 zeigt
in schematischer Form eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Schnitt.
Darin sind sowohl die Sendeeinheit 1 als auch die Empfangseinheit 2 als
Scheiben mit zentrischer Bohrung, welche um die Drehachse 6 drehbar
gelagert sind, dargestellt. Der Lichtleiter 3 ist hier
beispielhaft als auf der Innenseite verspiegelter Graben dargestellt.
Er erstreckt sich um den gesamten Umfang der ersten Einheit. Im
Eingriff mit diesem Graben ist ein zweiter Lichtkoppler 5,
welcher an der Empfangseinheit 2 angeordnet ist. Dieser
Lichtkoppler greift das in dem Lichtleiter geführte Licht ab und leitet es
mit einer lichtleitenden Faser 7 weiter. Zur exakten Ausrichtung
von Lichtleiter und zweitem Lichtkoppler in einer Achse ist eine
Hydrodynamischen Lagerung sowie eine elektrodynamische Lageregelung
vorgesehen. Die hydrodynamische Lagerung basiert auf einem dünnen Luftfilm,
welche sich durch die Bewegung der beiden Einheiten gegeneinander
zwischen der ersten Lagerfläche 21 und
der zweiten Lagerfläche 20 ausgebildet
wird. Ein Aktuator 8 dient zur exakten Höheneinstellung
des Lichtkopplers. Die Sensoren 9a und 9b dienen
zur Ermittlung der Höhe
des Lichtkopplers über
dem Lichtleiter.
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2 zeigt
in schematischer Form eine erfindungsgemäße Vorrichtung in der Draufsicht.
Eine Sendeeinheit 1 dient zur Aufnahme eines ringförmigen Lichtleiters 3.
Dieser Lichtleiter ist beispielsweise ein auf der Innenseite verspiegelter
Graben. Eine Empfangseinheit 2 dreht sich gegenüber der
ersten Einheit um die Drehachse 6. Die zweite Einheit enthält einen
zweiten Lichtkoppler 5. Licht aus einem nicht dargestellten
Sender wird bezogen auf das Modulationssignal gleichphasig mittels
der beiden ersten Lichtkoppler 4a, 4b in den Lichtleiter 3 eingespeist.
Das Licht vom ersten Lichtkoppler 4a läuft auf der rechten Seite der
Abbildung bis zum Absorber 13. Gleichzeitig läuft das
Licht des ersten Lichtkopplers 4b auf der linken Seite
bis zum Absorber 13. Der Absorber ist symmetrisch in Bezug
auf die Einkoppelstelle der ersten Lichtkoppler angeordnet, so dass
die Lichtwege 32 auf beiden Seiten gleich lang sind. Der Abgriff
des Lichts erfolgt mittels eines zweiten Lichtkopplers 5,
welcher um die Drehachse 6 entlang der Bahn des Lichtleiters 3 drehbar
gelagert ist und das abgegriffene Licht mittels der lichtleitenden
Faser 7 einem optischen Empfänger zuführt. Zur Vereinfachung ist
der optische Empfänger
ebenfalls nicht abgebildet. Eine Auswerteeinheit 40 zur
Ermittlung und Regelung der exakten Lage der zweiten Einheit ist
in die Empfangseinheit 2 integriert. Weiterhin ist eine Zentrale
Steuereinheit 41 zur Steuerung der gesamten Vorrichtung
vorgesehen. Die hier dargestellte Anordnung soll nur rein schematisch
das Konzept der Erfindung veranschaulichen. Selbstverständlich können die
Funktionen der Sendeeinheit und der Empfangseinheit miteinander
vertauscht werden. So kann auch Licht von dem Lichtkoppler 5 in
den Lichtleiter 3 hinein ausgesendet werden und dort durch
Lichtkoppler 4 ausgekoppelt werden. Die Erfindung bezieht
sich dann entsprechend auf die Lichtkoppler 4 anstelle
des Lichtkopplers 5. Selbstverständlich können auch entsprechend dem
Erfindungsgedanken drehende und feststehende Teile miteinander vertauscht
werden, da die Drehung ausschließlich eine Frage des Ortsbezugs
ist.
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3 zeigt
eine Hülse
mit lichtleitender Faser und Anpasselement. Eine Hülse 53 weist
in ihrem Inneren eine vorzugsweise abgestufte Bohrung zur Aufnahme
des Anpasselements 50 und der lichtleitenden Faser 7 auf.
Das Anpasselement hat einen kleineren Kerndurchmesser als die Faser.
Bohrungen 56 dienen zum einführen von Klebstoff zum Verkleben
der lichtleitenden Faser 7 sowie des Anpasselements 50 mit
der Hülse 53.
Die Hülse 53 weist weiterhin
eine Abrundung, vorzugsweise ein Kugelsegment an dem der Fotodiode
zugewandte Ende auf.
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4 zeigt
ein Empfängergehäuse mit
Fotodiode. Eine Fotodiode 52, vorzugsweise mit integriertem
Verstärker
ist in dem Empfängergehäuse 51 aufgenommen.
Eine Aufnahme 54 mit einem zylindrischen, kegelsegmentförmigen oder
Kugelsegmentförmigen
Ansatz dient als Führung
und mechanischer Anschlag für
die Hülse 53.
Wenigstens eine Bohrung 56 ist zum Einführen von Klebstoff zur Verklebung
der Hülse 53 mit
dem Empfängergehäuse 51 vorgesehen.
Eine weitere Bohrung 58 dient zum Druckausgleich und kann
auch zum einführen
von Klebstoff verwendet werden.
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5 zeigt
Hülse und
Aufnahme im zusammengebauten Zustand. Nachdem die Hülse 53 in
die entsprechende Bohrung des Empfängergehäuse 51 eingeführt wurde,
so dass sie mit ihrem Kugelsegment 55 an der Aufnahme 54 anliegt,
kann sie verschwenkt werden. Der Teil 57 zeigt eine mögliche Verschwenkung
an. Bevorzugt ist hier eine Verschwenkung in zwei Achsen möglich. Durch
die Verschwenkung wird die optimale Ankopplung an die Fotodiode
eingestellt, so dass die Dämpfung
möglichst gering
ist. Anschließend
wird durch einführen
von Klebstoff in die hier nicht sichtbare Bohrung 56 die Hülse 53 mit
dem Empfängergehäuse 51 verklebt.
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- 1
- Sendeeinheit
- 1a
- Abdeckung
- 2
- Empfangseinheit
- 3
- Lichtleiter
- 4
- Lichtkoppler
(Sendeeinheit)
- 5
- Lichtkoppler
an der zweiten Einheit
- 6
- Drehachse
der Drehung zwischen Sendeeinheit und Empfangseinheit
- 7
- Lichtleitende
Faser
- 8
- Aktuator
- 9
- Sensor
- 10
- Steuereinheit
- 11
- Referenzspur
- 13
- Absorber
- 20
- zweite
Lagerfläche
- 21
- erste
Lagerfläche
- 32
- Lichtstrahl
- 40
- Auswerteeinheit
- 41
- Zentrale
Steuereinheit
- 50
- Anpasselement
- 51
- Empfängergehäuse
- 52
- Fotodiode
- 53
- Hülse
- 54
- Aufnahme
- 55
- Kugelsegment
- 56
- Bohrung
- 57
- Justagerichtung
- 58
- Bohrung