CN103154793A - 光学开关 - Google Patents

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Abstract

一种光学开关(10)，包括光输入端(12a)、多个光输出端(12b)和从第一位置和第二位置可移动的至少一个光通路，在第一位置处，光通信路径在光输入端(14a)和第一光输出端(14b)之间形成，在第二位置处，光通信路径在光输入端和多个光输出端之间形成。多个光通路配置在开关内且通过旋转开关壳体部分而可选择，该壳体部分使得对光通信路径的顺序选择成为可能。该开关可以用在手术设备上，以控制手术期间对手术区域的照明。

Description

光学开关
描述
发明领域
本发明涉及光学开关，特别是与纤维光缆一起使用的那些光学开关。此外，光学开关在包括使用灯的手术牵开器的各种领域获得应用，例如在国际专利申请第PCT/GB2009/000097号的公开内容中找到的光学开关。
发明背景
纤维光学在包括航空航天学、电信学、激光和医疗设备的多种行业中使用。普遍的问题涉及使灯接通或断开以及使光在路径和路径的组合之间转换。已经研制了多种解决方案以满足这些要求，包括(i)分束器、(ii)梭(shuttle)、(iii)光学快门(optical shutter)和(iv)快门概念的变化形式：扭转向列液晶快门。
以其最普通的方式，分束器为由两个三角形玻璃棱镜制成的立方体，这两个三角形玻璃棱镜在其基底处使用加拿大香脂胶合在一起。树脂层的厚度被调整为使得对于某一波长来说，由于受抑全内反射，穿过一个“端口”即立方体的面的入射光的一半被反射而另一半被透射。
通常，梭将包括移动以与输出端中的一个对齐的输入管。该开关的关键特征是全部输出端是排他的，所以该开关不能一次选择多于一个输出端。然而，可能建立对于梭而言的中间位置，使得梭将光照耀到两个输出端中，相当多的光将在该结合部处失去，这是由于在输入端和输出端的几何形状上的差异。以现状来说，不存在“切断”位置。如果梭需要与光源自身分开，则其将必须分开或包括虚拟开关位置。
普通的快门机构包括叶片状物，该叶片状物可以被引进到光路径中以阻塞光的透射或旋转离开光路径以允许透射。快门可以是弹簧加载的并附接到传动器，例如旋转螺线管，使得叶片状物在其接收操作电压时移动到激发位置并在电压除去时返回到其静止位置。可选择地，手动操作快门是可能的。
快门机构完全地依靠简单的机械梁阻塞效应。这是效率低的，因为该光“流失”。此外，“流失”的光可能转变为热，这在某些应用中是不受欢迎的。热的过度局部积聚可在医疗设备应用中在该设备接触患者或使用者的位置处引起烧灼。
液晶显示器提供用于另一种类型的快门：扭转向列液晶快门。
扭转向列效应(TN效应)是使液晶显示器在便携式设备中具有实用性并允许液晶显示器替代诸如发光二极管和由大多数电子设备电致发光的技术的突破性进展。
TN电池不需要为了操作而使电流流动，且使用适合于与电池一起使用的低操作电压。扭转向列效应基于在施加的电场的作用下对液晶分子在不同的有序分子构型之间的精确受控重新对齐。这使用小的功率消耗并在低操作电压下实现。
在一个示例中，TN电池在OFF状态下，即在未施加电场时，向列液晶分子的扭转构型在通常由多个间隔器分开并用透明电极涂布的两块玻璃板之间形成。
电极其自身涂布有取向膜(alignment layer)，在不存在外场时取向膜使液晶精确地扭转90°。当光照耀在LCD的前部时，具有合适的偏振的光将穿过第一偏振器并进入到液晶中，在液晶中，光被螺旋形结构旋转。光然后被合适地偏振以穿过以相对于第一偏振器90°设置的第二偏振器。光然后穿过电池的背部且图像看上去是透明的。
在ON状态下，即当场施加在两个电极之间时，晶体用外场重新对齐其自身。这“破坏”了晶体中的仔细扭转并且不能重新定向穿过晶体的偏振光。在这种情况下，光被后部偏振器阻挡且图像看上去是不透明的。
不透明的程度可以通过改变电压来控制；在接近临界值的电压下，只有某些晶体将重新对齐，且显示器将是部分地透明的，但是当电压增加时，更多的晶体将重新对齐，直到其变成完全地“转换”。需要约1V的电压以使晶体自身与场对齐，且没有电流经过晶体其自身。因此，该功能所需的电功率是非常低的。
这样的TN电池快门具有的显著优势是其可以以非常高的转换速度且使用低的操作电压来操作。例如，在室温下使用仅10V的施加电压，小于0.3毫秒的转换速度是典型的。
此外，激活或转换速度可以经由高操作电压的使用而增强。
然而，该技术具有许多局限性。显然地，对于具有500nm波长的非偏振光(可见光谱的近似中点)来说，在ON位置中光的透射不超过35％，意味着相当多的光流失。此外，当该设备在OFF位置中时，仍然有一些光透射。虽然透射的光的量通常少于0.5％，但是其没有像使用纯粹机械的快门机构那样被完全地阻挡。
此外，在电压中的长期DC部件将激发杂质离子迁移和设备的最终失效。因此，这样的设备具有有限的使用寿命。
此外，在处理和清洁中必须小心，因为通过意外的划擦，使用不恰当的清洁材料或甚至是简单的过暴露于阳光，易于意外地损坏偏振表面或其部件。
发明概述
根据本发明的第一方面，提供了一种光学开关，其包括光输入端、多个光输出端和至少一个光通路，且所述光通路可以从第一位置和第二位置选择性地移动，在第一位置处，光通信路径在光输入端和第一光输出端之间形成，在第二位置处，光通信路径在光输入端和多个光输出端之间形成。
优选地，所述光通路选择性地可移动到另外的位置，在该另外的位置处，所述光通路允许所述光输入端和所述另外的光输出端中的至少一个之间的通信。
优选地，存在分开地形成或与诸如分支布置的共同部件一起形成的多个光通路。
优选地，存在多个光输入端，且更优选地，所述光通路选择性地可移动到另外的位置，在该另外的位置中，所述光通路允许所述另外的光输入端中的至少一个和所述另外的光输出端中的至少一个之间的通信。
优选地，所述光通路选择性地可移动到切断位置，在该切断位置中，所述光输入端中的至少一个和所述光输出端中的全部之间的光通信被阻止。
优选地，所述光通路的所述选择性移动由旋转耦合件来执行。将领会，光通路可以旋转，或者光通路可以是静止的且所述光输入端和/或光输出端可以旋转，或者优选地，在所述光输入端或光输出端和所述光通路之间设置可旋转的遮罩(mask)。
优选地，所述光通路部署在通路壳体内，所述通路壳体具有关于所述光输入端和/或光输出端的旋转耦合件。
优选地，所述旋转耦合件从第一末端位置(extreme position)可移动到第二末端位置以及在所述第一末端位置和所述第二末端位置之间的任何点，超过所述两个末端的旋转被停止机构抵制。优选地，所述停止机构包括突出物和半圆形凹槽布置。
优选地，所述旋转耦合件包括多个掣子(detent)，所述掣子允许所述旋转耦合件的旋转以受控且步进式的方式进行。
优选地，旋转耦合件的顺序旋转引起对在一个或多个光输入端和一个或多个光输出端之间形成的光通信路径的预定的顺序选择。
优选地，所述通路壳体是圆形的，且更优选地，所述通路壳体的外表面包括在不同的旋转步骤指示所述光通路的位置的一个或多个标记。
优选地，所述通路壳体与所述可旋转的遮罩可旋转地耦合，使得通路壳体的旋转引起所述可旋转的遮罩的旋转。
旋转耦合件可以是手动地致动的或者由某种形式的机动化致动装置或简单地由电动机致动。也可以包括可编程装置，例如微芯片或微电脑，使得光学开关可以被编程以在一致或不一致的时间段内执行一系列不连续的旋转步骤。
根据本发明的第二方面，提供了一种光源，其包括根据本发明的第一方面的光学开关。
根据本发明的第三方面，提供了一种手术牵开器单元，其包括根据本发明的第二方面的光源或根据本发明的第一方面的光学开关。
附图简述
现在将仅通过实施例的方式对附图做出参考，在附图中：
图1是根据本发明的第一方面的光学开关的等距视图；
图2是图1的光学开关的等距视图，其中其壳体被移除；
图3是图1的光学开关的等距视图，其显示为安装在根据本发明的第三方面的手术牵开器的牵开器背部组件上；
图4是图3的牵开器背部组件的后部等距分解视图；
图5是图1的光学开关的基板的等距视图；
图6和7是从图1的光学开关的光通路板的任一侧的两个等距视图；以及
图8和9是图1的光学开关的壳体的两个视图。
优选实施方式的详细描述
图1中描绘了根据本发明的第一方面的光学开关10。图3示出了作为根据本发明的第三方面的手术牵开器100的组成部分的光学开关。
如可以从图4最佳地看到的，光学开关10包括基板12、光通路板14和壳体16。这三个“主要”部件经由轮轴18和固定螺栓20附接在一起。
基板12是大体圆形的，或者更精确地，是其面部直径远超过其高度的圆筒。
基板12具有穿过其延伸的多个孔，且这些孔界定光输入端12a和多个光输出端12b。虽然在本实施方式中描述了单个光输入端12a，但是应理解，多个光输入端是可能的，同样地，单一光输出端12b或其组合是可能的。
存在使得能够组装和旋转的基板中心孔12c。另外的凹槽12d设置在基板12的圆周上一位置处。这允许基板12在其与牵开器背部104上的相应特征配合时的恰当定向。
光通路板14具有与基板12大体相似的形成，是大体圆形的板，且同样地包括穿过其深度延伸的各种孔。四个这样的孔界定光通路输入端14a，而多个其它的孔界定光通路出口14b。另外，存在使得能够组装和旋转的通路中心孔14c和两个螺栓孔14d。
光通路板14的一个表面优选是打磨平整的，且该表面形成与基板12的相应表面的旋转配合表面。
多个光通路14e在相对的表面上。光通路14e由多股纤维光缆构成，每股纤维光缆形成光通路输入端14a中的一个和光通路输出端14b中的一个或多个之间的光通路。一些光通路14e从单个光通路输入端14a连接到单个光通路输出端14b；而一些光通路14e从单个光通路输入端14a连接到多个光通路输出端14b。共同地，光通路14e形成通路束14f。
虽然是大体圆形的，但是光通路板14实际上是具有两个不同半径的两种半圆形材料：较小半径侧部14g和较大半径侧部14h。围绕光通路板14的圆周的这两个侧部的两个结合部在停止唇部14i处交会。实际上，停止凹槽14j围绕光通路板14的圆周的一部分形成。
停止唇部14i和停止凹槽与安装光学开关的无论什么构件或基质上的相应突出物(未示出)配合，这限制了旋转。相应的突出物安装穿过停止凹槽14j，由此当突出物和停止凹槽14j越过彼此时允许旋转到停止凹槽14j的圆周的程度。然而，在可允许的旋转的任一末端处，停止唇部14i与突出物相干涉，以便抵制进一步的旋转。这些旋转末端优选地相应于光学开关的OFF位置，即在此处，不向进入设备的光提供移动穿过光学开关10的光通路。
壳体16是杯形的且包括外表面16a、内表面16b和两个壳体插口16c。外表面16a自身由两个不连续的表面：面板(fascia)16d和侧壁16e构成。为了帮助操作，符合人体工程学的滚花握柄16f凹进在侧壁16e上。侧壁16e距面板16d的远侧边缘以多个互相连接的V形图案的方式形成，使得形成“锯齿形”样式，即侧壁16e的凸出部远离面板16d的相对高度以规则的方式从最小值变化到最大值。
面板16d包括毗连面板的外圆周的凹进边缘16g。四个指示器旋钮16h在凹进边缘16g内。指示器旋钮16h作用为测量仪表来确定开关10的旋转程度，并且结合某种形式的相应指示器起作用，在该情况下，该相应指示器为设置在牵开器背部104上的箭状物102。这提供了简单的被动度量，但是可以用更加主动的设备例如光或类似物来替换。
可以在图4中最佳地看到光学开关10的组装。光通路板14夹在基板12和壳体16之间。轮轴18延伸经过光通路板14和基板12，同时螺栓20将光通路板14连接到壳体16。因此，光通路板14和壳体16的组合以及基板12可以相对于彼此旋转。
光学开关10附接到具有灯的手术牵开器，其类似于在国际专利申请第PCT/GB2009/000097号中描述的手术牵开器。
手术牵开器具有主体101和牵开器背部104。牵开器背部104是实质上塑料的部件，其作为用于手术牵开器的主要结构部件。牵开器背部104包括在其内部的插口106。插口106适合于经由基板12接纳光学开关10。插口106的侧壁106a具有与壳体16的侧壁16e的轮廓类似的互相连接的V形图案状轮廓。这些配合表面确保了光通路板14/壳体16组件(其被锁定且因此一起旋转)相对于基板12/牵开器背部104的旋转以受控和步进式的方式进行。
轮轴18连接穿过经过牵开器背部104的孔隙108。轮轴被使用弹簧110和锁定夹112保持。
突出物(未示出)从牵开器背部104凸出以通过上述机构限制光通路板14的旋转。
提供了引导光远离光学开关10的光纤114。光由外部光源(未示出)通过光导(未示出)提供，光导附接到牵开器背部104的顶部。还提供棱镜116、118和透镜120、122以进一步控制经由光纤114进入并穿过光学开关10和离开手术牵开器的光。入口棱镜118接收来自于外部光源(未示出)的光，且在进入光输入端12a之前将其弯曲90°。
在使用中，来自于外部源(未示出)的光被指引到光学开关10中，经由光输入端12a穿过基板12。光学开关10将具有特定的设置，该特定的设置由光通路板14/壳体16组件相对于基板12/牵开器背部104的旋转而限定。
光连续穿过光学开关10：经过光通路输入端14a，进入到被界定为通路束14f的部分的一个或多个光通路14e中，到光通路输出端14b并穿过到一个光输出端或多个光输出端12b。最后，光向后经过光纤114中的一个或多个并离开该设备，并且到达例如用于照亮患者(未示出)的部分的照明装备(未示出)上。在该特定的实施例中，将假定，光学开关10被选择在转换位置中以接收单个光输入并提供单个光输出，例如将光提供到单个外部光源。
可以是外科医生或手术室中的其他医疗专业人员的使用者然后可以相对于基板12/牵开器背部104将光通路板14/壳体16组件旋转到第二转换位置。
在该情况下，不同的光通路输入端14a被提供到光输入端12a，且因此，光进入被界定为通路束14f的另一部分的不同的光通路14e中，并到达一个不同的光通路输出端或多个光通路输出端14b上，且进一步穿过到一个不同的光输出端或多个光输出端12b。
在该第二实施例中，将假定，第二光通路分支为纤维束14e上的两个分开的光通路，且到达两个光通路输出端14b上，且进一步穿过两个光输出端12b。因此，两束光通过光纤114离开并可以被引导到，例如两个分开的外部光源。因此，使用者可以选择照亮患者的两个分开的部分，或在更大的区域上提供更加扩散的光源。将理解，另外的选择是可能的，例如从一个光源分支为三个或更多的光源，或甚至从多个光源到单个光源，或甚至相同或不同数目的光输出端。例如，在包括三个或更多的步骤的操作期间，可能在预选择在光学开关内的三个或更多的选择内设定特定的照明需求。因此，使用者可以使用第一选择开始操作，再移至第二选择，然后到第三选择上，第一选择例如可以为诸如进入胸腔的第一手术任务提供光学照明，第二选择例如可以为诸如对胸腔内的特定人类器官或主要血管进行操作的第二手术任务提供光学照明，第三选择例如可以为诸如在人类器官或主要血管内部操作的第三手术任务提供光学照明。
此外，可以使用编程装置以允许光学开关10以特殊的编程序列受控且自动地旋转到不同的转换位置，或甚至可以存在遥控设备、话音激活、环境光传感器或适合于移动到不同的转换位置的其他形式的控制装置。
虽然相对于医疗领域来描述，但是将显然的是，光学开关10可以在其他领域获得应用。
应另外注意，如将对本领域技术人员来说显然的，在本发明的范围内对如上所述的图示实施方式的各种调整和重新配置是可能的。

Claims (25)

1.一种光学开关(10)，包括光输入端(12a)、多个光输出端(12b)和至少一个光通路，其中所述光通路从第一位置和第二位置选择性地可移动，在所述第一位置处，光通信路径在光输入端(14a)和第一光输出端(14b)之间形成，在所述第二位置处，光通信路径在所述光输入端和多个光输出端之间形成。
2.根据权利要求1所述的光学开关，其中光输入端与多个光通路输出端可连接。
3.根据权利要求1所述的光学开关，其中所述光通路选择性地可移动到另外的位置，在所述另外的位置中，所述光通路允许所述另外的光输出端中的至少一个和所述光输入端之间的通信。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学开关，其中存在多个光通路。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学开关，其中存在多个光输入端。
6.根据权利要求5所述的光学开关，其中所述光通路选择性地可移动到另外的位置，在所述另外的位置中，所述光通路允许所述多个光输入端中的至少一个和所述另外的光输出端中的至少一个之间的通信。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的光学开关，其中所述光通路选择性地可移动到切断位置，在所述切断位置中，所述光输入端中的至少一个和所述光输出端中的全部之间的光通信被阻止。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光学开关，其中所述光通路的所述选择性移动由旋转耦合件来执行。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光学开关，其中在所述光输入端和所述光输出端中的至少一个和所述光通路之间设置有可旋转的遮罩。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光学开关，其中所述光通路部署在通路壳体内，所述通路壳体具有关于所述光输入端和所述光输出端中的至少一个的旋转耦合件。
11.根据权利要求10所述的光学开关，其中所述旋转耦合件从第一末端位置可移动到第二末端位置以及在所述第一末端位置和所述第二末端位置之间的任何点，超过所述两个末端的旋转被停止机构抵制。
12.根据权利要求11所述的光学开关，其中所述停止机构包括突出物和半圆形凹槽布置。
13.根据权利要求11所述的光学开关，其中所述旋转耦合件包括多个掣子，所述掣子允许所述旋转耦合件的旋转以受控且步进式的方式进行。
14.根据权利要求11所述的光学开关，其中所述旋转耦合件的旋转顺序地引起对在一个或多个光输入端和一个或多个光输出端之间形成的光通信路径的预定的顺序选择。
15.根据权利要求10所述的光学开关，其中所述通路壳体是圆形的。
16.根据权利要求15所述的光学开关，其中所述通路壳体的外表面包括在不同的旋转步骤指示所述光通路的位置的一个或多个标记。
17.根据权利要求9所述的光学开关，其中所述光通路部署在通路壳体内，且所述通路壳体与所述可旋转的遮罩可旋转地耦合，使得所述通路壳体的旋转引起所述可旋转的遮罩的旋转。
18.根据权利要求8至17中任一项所述的光学开关，其中所述旋转耦合件是手动地致动的。
19.根据权利要求8至17中任一项所述的光学开关，其中所述旋转耦合件是由电动机致动的。
20.根据权利要求8至19中任一项所述的光学开关，包括可编程设备，所述可编程设备是可编程的以在一致或不一致的时间段内执行一系列不连续的旋转步骤。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的光学开关，其中所述光学开关包括基板(12)、光通路板(14)和被安装以用于在轮轴(18)上旋转的壳体(16)，所述壳体是杯状的，具有侧壁(16e)的雉堞状边缘以用于接合安装插口(106)的相应边缘。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的光学开关，其中所述光学开关包括大体圆形的光通路板(14)，所述光通路板(14)具有由不同的半径限定以相对于彼此形成较小半径侧部(14g)和较大半径侧部(14h)的两个圆周侧部部分，其中该两个侧部部分的两个结合部界定停止唇部(14i)，所述停止唇部(14i)被配置成与停止构件配合以限制所述光通路板的旋转范围。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的光学开关，其中所述壳体(16)包括面板(16d)，所述面板(16d)包括毗连所述面板的外圆周的凹进边缘(16g)，所述凹进边缘(16g)包括互相隔开的指示器旋钮(16h)，所述指示器旋钮(16h)用于确定所述开关(10)相对于在所述壳体之外的参考点的旋转程度。
24.一种光源，包括根据权利要求1至23中任一项所述的光学开关。
25.一种手术牵开器单元，包括根据权利要求1至23中任一项所述的光学开关。
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