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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung
optischer Signale zwischen einem rotierenden und einem stationären Teil
einer Maschine, insbesondere eines Computertomographen, bei der
an einem ersten der beiden Teile eine optische Sendeeinrichtung
und an einem zweiten der beiden Teile eine optische Empfangseinrichtung
mit einem optischen Detektor angeordnet ist, über den von der optischen Sendeeinrichtung
ausgesendete optische Signale empfangen werden, wobei die optische
Empfangseinrichtung einen optischen Konzentrator mit einer zumindest
annähernd
hornförmigen Geometrie
aufweist, der einfallende optische Strahlung über Innenreflexion an Seitenflächen des
Konzentrators auf eine Detektionsfläche des Detektors zusammenführt.
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In
vielen Bereichen der Technik sind heutzutage große Datenmengen zwischen in
geringem Abstand relativ zueinander bewegten Elementen, insbesondere
einzelnen Geräteteilen
einer Messeinrichtung, zu übertragen.
Die Daten werden dabei häufig mit
einem verstellbaren Geräteteil
erfasst und müssen
zur Weiterverarbeitung noch während
der Datenerfassung an eine Auswerteeinrichtung an einem stationären Geräteteil übertragen
werden. Ein Beispiel für
eine derartige Anwendung stellt die medizinische Bildgebung und
hierbei insbesondere die Computertomographie dar, bei der von einem
rotierenden Teil, der sog. Gantry, während der Rotation eine große Menge
an Messdaten in Echtzeit an den stationären Teil übertragen werden muss. Die
verfügbare Übertragungsrate
stellt ein wichtiges Kriterium für
die in Echtzeit übertragbare
Datenmenge dar.
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Bei
einem Computertomographen werden die Messdaten über an der Gantry gegenüber einer Röntgenquelle
befestigte Röntgendetektoren
erfasst und an den stationären
Teil, innerhalb dessen die Gantry während der Messung rotiert, übertragen.
Die übertragenen
Messdaten werden dann zur Rekonstruktion von Schnittbildern des
untersuchten Körpers weiterverarbeitet
und dem Bediener dargestellt. Die Datenübertragung zwischen dem rotierenden
und dem stationären
Teil erfolgt in der Regel unter Einsatz eines sog. Datenübertragungsringes,
der entweder am stationären
oder am rotierenden Teil konzentrisch um die Rotationsachse montiert
ist und während
der Rotation einen geringen Abstand zu einem am gegenüberliegenden
Teil befestigten Sender oder Empfänger aufweist. Die Messdaten
werden dabei über den
Datenübertragungsring
geführt.
Die Kopplung zwischen dem Datenübertragungsring
und dem am gegenüberliegenden
Teil montierten Sender oder Empfänger
wird in vielen Fällen
durch zwei kapazitiv gekoppelte Antennen als Hochfrequenzverbindung realisiert.
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Neuere
Generationen von Computertomographen sind in der Lage, mehrere Schichten
des untersuchten Körpers
gleichzeitig zu erfassen, so dass durch die für jede zusätzliche Schicht ansteigende Zahl
von Messkanälen
sehr viel größere Datenmengen
pro Zeiteinheit übertragen
werden müssen.
Für besondere
Anwendungen, wie bspw. bei neueren Entwicklungen in der Herz-Computertomographie, muss
die Rotationsgeschwindigkeit der Gantry erhöht werden, so dass hier ebenfalls
die Anzahl der pro Zeiteinheit zu übermittelnden Daten ansteigt.
So erfordert bspw. ein bekannter Mehrschicht-Computertomograph,
der 16 Schichten simultan bei einer Rotationsgeschwindigkeit von
140 U./Min. erfasst, eine Datenverbindung mit einer Kapazität von etwa 800
MBaud. Durch weitere Erhöhung
der Anzahl der gleichzeitig erfassten Schichten sowie der Rotationsgeschwindigkeit
können Übertragungsraten
bis in den Bereich von 2,5 – 10
GBaud erreicht werden. Mit bekannten Hochfrequenz-Übertragungstechniken wird die
Datenübertragung
mit einer derart hohen Übertragungsrate
problematisch, da der Abstand zwischen dem rotierenden und dem stationären Teil vergleichbar
einem Viertel der Wellenlänge
wird. Kürzere
Wellenlängen
führen
zu einem Anstieg der Kosten für
die Einhaltung der me chanischen Präzisision und die Justage der
einzelnen Komponenten der Anlage. Weiterhin wird es zunehmend schwieriger,
Probleme der elektromagnetischen Verträglichkeit in den Griff zu bekommen.
Daher werden für
hohe Übertragungsraten
in Computertomographen zunehmend optische Signalübertragungstechniken eingesetzt. Die
derzeit bekannten optischen Übertragungstechniken
lassen sich in vier unterschiedliche Konzepte einteilen, die im
Folgenden kurz erläutert
werden.
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Die
US 4996435A , die
US 5229871A sowie die
US 5469488A beschreiben Übertragungssysteme,
bei denen die Sendeeinrichtung eine Vielzahl von Lichtquellen aufweist,
die am rotierenden Teil befestigt sind. Die Lichtquellen erzeugen überlappende, mit
den Messdaten modulierte Lichtstrahlen, die von einem oder mehreren
Detektoren der Empfangseinrichtung am stationären Teil empfangen werden.
Zur Erhöhung
der Lichtausbeute werden in der
US 5229871A elliptische Reflektoren einfacher
oder doppelter Krümmung
eingesetzt, die die einfallende optische Strahlung auf die Detektoren
lenken. In der
US 5469488A wird
der Einsatz eines optischen Konzentrators beschrieben, der einfallende
optische Strahlung über
Innenreflexion an Seitenflächen
auf eine Detektionsfläche
des Detektors zusammenführt.
Der Konzentrator weist eine annähernd
hornförmige
Geometrie mit ebenen Seitenflächen
auf, die durch metallisch beschichtete Harzplatten gebildet werden. Die
Herstelungsgenauigkeit eines derartigen Konzentrators ist jedoch
für viele
Anwendungen bei höheren Übertragunsraten
nicht ausreichend. Die in diesen Druckschriften eingesetzte Übertragungstechnik
ist zudem nur für
geringe Datenraten anwendbar, da die Anpassung der elektrischen
Verzögerung
zwischen den vielen Zuleitungen, die zu den Lichtquellen und/oder
Empfängern
führen,
schwierig ist.
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Bei
einer zweiten bekannten optischen Übertragungstechnik, wie sie
bspw. aus der
DE 4421616 C2 oder
der
US 6043916A bekannt
ist, wird das modulierte Licht einer am rotierenden Teil angeordneten Lichtquelle
lateral in einen am stationären Teil
konzentrisch zur Rotationsachse befestigten Ring einer optischen
Faser eingekoppelt. Das sich in der Faser ausbreitende Licht wird
von einem am axialen Ende der Faser angekoppelten Detektor empfangen.
Die größte Schwierigkeit
bei der Realisierung dieser Technik besteht in der lateralen Einkopplung
von Licht in den Faserkern mit ausreichender Effizienz. Hierfür werden
unterschiedliche Lösungen
vorgeschlagen. Im Falle der
US
6043916A wird ein spezielles fluoreszentes Fasermaterial
eingesetzt, das durch die vom Sender emittierte optische Strahlung angeregt
wird. Der Empfänger
detektiert hierbei die angeregte Fluoreszenzstrahlung. Eine zweite
bekannte Möglichkeit
besteht im Einsatz einer speziell gefertigten Kunststofffaser mit
kleinen Eintrittsfenstern im Fasermantel (Cladding), die den lateralen Lichteintritt
direkt in den Faserkern ermöglichen.
Die laterale Lichteinkopplungseffizienz ist in diesem Fall sehr
gut. Allerdings verursachen die Eintrittsfenster eine sehr starke
Dämpfung
des eingekoppelten Lichtes bei der Ausbreitung in der Faser. Ein
beiden Techniken gemeinsames Problem besteht in der Kopplung des
axial aus der Faser austretenden modulierten Lichtes in den Photodetektor,
der in der Regel eine kleinere Detektorfläche als die Austrittsfläche des
Faserkerns aufweist.
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Bei
einer weiteren bekannten Signalübertragungstechnik,
wie sie bspw. in der
US
5535033 A , der
US
4259584 A sowie der
US 6396613 B1 eingesetzt wird, wird das mit
den Signalen modulierte Licht am rotierenden Teil axial in eine
optische Faser eingekoppelt, die ringförmig und konzentrisch zur Rotationsachse
am rotierenden Teil befestigt ist. Die optische Faser weist einen
transparenten Fasermantel auf und ist so modifiziert, so dass sie
das eingekoppelte Licht auch lateral abstrahlt. Ein am stationären Teil
angeordneter Empfänger
detektiert das vom Faserring emittierte Licht. Die Kopplungseffizienz
für die Einkopplung
des modulierten Lichtes in die Faser ist sehr gut. Allerdings bewirkt
die laterale Emission eine starke Schwächung des Signals entlang der
Faser. Zur Erzeugung der lateralen Emission der Faser werden unterschied liche
Techniken eingesetzt. Bei einer Technik wird eine Kunststofffaser
mit einem teilweise freigelegten Kern, bei einer anderen Technik
eine Kunststofffaser mit integrierten Luftblasen verwendet, durch
die das Licht lateral gestreut wird. Aufgrund der hohen Verluste
dieser Übertragungstechnik,
bei der jeweils über
die gesamte Länge
des Faserringes Licht emittiert, jedoch nur an einer Stelle, an
der sich gerade der Empfänger
befindet, detektiert wird, müssen
die optischen Empfänger
einen hohen Dynamikbereich sowie einen großen Erfassungswinkel aufweisen,
um das Signal-Rausch-Verhältnis durch
die Erfassung eines möglichst
großen
Anteils des emittierten Lichtes zu verbessern.
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Bei
einer weiteren bekannten optischen Signalübertragungstechnik werden der
stationäre
Teil und der in geringem Abstand zum stationären Teil rotierende Teil so
ausgebildet, dass ein an Innenflächen
lichtreflektierender hohler Lichtkanal zwischen beiden Teilen gebildet
wird. Das Licht kann dabei vom rotierenden Teil in den Lichtkanal
eingekoppelt und am stationären
Teil aus dem Lichtkanal ausgekoppelt werden. Unterschiedliche Ausgestaltungen für die Realisierung
dieser Übertragungstechnik
sind bspw. der
US 4555631A oder
der
US 5134639A zu entnehmen.
Ein weiteres Beispiel findet sich in der unveröffentlichten US-Patentanmeldung
10/255976. In einer der bekannten Ausgestaltungen wird der hohle
Lichtkanal durch eine erste Hälfte
gebildet, die mit der Gantry rotiert und eine zweite Hälfte, die
am Stator der Gantry angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung weist
das aus dem Lichtkanal austretende Licht aufgrund mechanischer Toleranzen
und Unregelmäßigkeiten
der reflektierenden Oberflächen
eine hohe Dispersion auf. Auch hier muss der Photodetektor einen
großen
Einfallswinkelbereich und eine große Detektionsfläche aufweisen,
um ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten.
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Alle
bisher bekannten Übertragungstechniken
zur Übertragung
optischer Signale zwischen einem rotierenden und einem stati onären Teil
einer Maschine erfordern eine möglichst
effiziente Sammlung des dispergierten und gestreuten Lichtes für die Zusammenführung auf
die kleine Detektionsfläche
des eingesetzten Empfängers.
Der Einsatz von Mikrolinsen ist hierfür in vielen Fällen nicht
geeignet, da diese nicht in der Lage sind, in unterschiedliche Richtungen und
mit unterschiedlichen Ausbreitungsmoden einfallendes Licht auf den
Empfänger
zu fokussieren. Außerdem
verringert der Effekt des Moden-Hopping, der
bei den meisten in diesem Bereich eingesetzten Lasern auftritt,
die Effizienz der Fokussierung einer Linse.
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Der
Einsatz eines optischen Detektors mit einer großen Detektionsfläche vergrößert zwar
die Lichtmenge, die erfasst werden kann, führt allerdings zu einem Verlust
an Bandbreite. Weiterhin sind Detektoren mit einer größeren Detektionsfläche in der maximal
prozessierbaren Datenrate stark beschränkt. So kann bspw. eine Avalanche-Photodiode (APD)
nur bis ca. 1 Gbps verarbeiten. Die Ursache für die Begrenzung der verarbeitbaren
Datenrate liegt in erster Linie in parasitären elektrischen Kapazitäten des
photosensitiven Bereiches, die proportional zur Detektionsfläche sind.
Zur Erhöhung
der verarbeitbaren Datenrate müssen
daher Detektoren mit kleiner Detektionsfläche eingesetzt werden, die
jedoch wiederum nur eine verringerte Lichtmenge einfangen.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung darin, eine Vorrichtung zur Übertragung optischer Signale
zwischen einem rotierenden und einem stationären Teil einer Maschine anzugeben,
die ein gegenüber
den bekannten Vorrichtungen verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder
lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen
entnehmen.
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Die
vorliegende Vorrichtung, die sich insbesondere zur Übertragung
optischer Signale zwischen dem rotierenden und dem stationären Teil
eines Computertomographen eignet, weist an einem ersten der beiden
Teile eine optische Sendeeinrichtung und an einem zweiten der beiden
Teile eine optische Empfangseinrichtung mit einem optischen Detektor auf, über den
von der optischen Sendeeinrichtung ausgesendete optische Signale
empfangen werden. Die Sendeeinrichtung ist dabei in der Regel am
rotierenden Teil angeordnet, kann jedoch bei Bedarf auch am stationären Teil
befestigt sein. Die optische Empfangseinrichtung weist einen optischen
Konzentrator mit einer zumindest annähernd hornförmigen Geometrie auf, der einfallende
optische Strahlung über Innenreflexion
an seinen Seitenflächen
auf eine Detektionsfläche
des Detektors zusammenführt.
Die vorliegende Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der
optische Konzentrator aus einem das gesamte Innenvolumen des Konzentrators
ausfüllende und
für eine
Wellenlänge,
mit der die Sendeeinrichtung sendet, optisch transparenten Material
gebildet ist. Die hornförmige
Geometrie kann wie bei aus der Hochfrequenztechnik bekannten Hornantennen
gewählt
sein. Vorzugsweise verlaufen die Seitenflächen des Konzentators von der
Austritts- zur Eintrittsfläche hin
jedoch nicht geradlinig, sondern nach innen gekrümmt, so dass der Durchmesser
des Konzentrators von der Austritts- zur Eintrittsfläche hin
nichtlinear zunimmt.
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Die
weitere Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung, insbesondere
die Ausbildung und Anordnung der Sendeeinrichtung und/oder eines
evtl. eingesetzten Datenübertragungsringes
kann dabei in bekannter Weise gewählt werden. So können sämtliche
der in der Beschreibungseinleitung angeführten Ausgestaltungen optischer
Signalübertragungssysteme
mit dem vorliegenden optischen Konzentrator ausgestattet werden.
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Ein
wesentliches Merkmal der vorliegenden Vorrichtung besteht in der
Ausbildung des optischen Konzentrators mit annähernd hornförmiger Geometrie aus einem
mit hoher Präzision
fertigbaren transparenten Material, das das Innenvolumen des Konzentrators
vollständig
ausfüllt.
Durch die hornförmige Geometrie
wird ein großer
räumlicher
Winkelanteil des gestreuten Lichtes eingefangen und über interne Reflexionen
auf die kleine Fläche
des optischen Detektors zusammengeführt. Die Geometrie insbesondere
der Seitenflächen
dieses Konzentrators kann mathematisch für unterschiedliche Erfassungswinkel und
unterschiedlichen optischen Gewinn vorausberechnet und dadurch optimiert
werden.
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Die
geometrische Ausgestaltung dieses Konzentrators wird vorzugsweise
in Anlehnung an Konzentratoren gewählt, wie sie zur Maximierung
der Kollektoreffizienz bei Solarzellen eingesetzt werden. Derartige
optische Konzentratoren sind bspw. aus Oliver Graydon, „Optical
antenna enhances IR links", Opto & Laser Europe,
December 2002, Issue 101, Seite 9, bekannt. In dieser Veröffentlichung
wird auch ein Einsatz dieser Konzentratoren für kurzreichweitige Infrarotübertragung
bei Fernsehgeräten,
Mobiltelefonen, PDA's,
Laptop-Computern sowie bei automatischen Bezahlsystemen, bspw. auf
Autobahnen, vorgeschlagen.
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Der
vorliegend eingesetzte Konzentrator ist aus einem Vollmaterial gebildet,
das zumindest in dem für
die Signalübertragung
eingesetzten Wellenlängenbereich
transparent ist und auf einer konvex ausgebildeten Eintrittsfläche eine
Antireflexbeschichtung für
diesen Wellenlängenbereich
sowie an Seitenflächen
eine die Innenreflexion dieser Wellenlängen erhöhende Beschichtung aufweist.
Weiterhin kann der Konzentratorkörper
auf der zum Detektor gerichteten Austrittsfläche mit einer Bandpassbeschichtung
versehen sein, die für
die eingesetzten Wellenlängen
durchlässig
und für
längere
Wellenlängen
undurchlässig
ist. Die Dimensionierung und der Einsatz von Antireflexbeschichtungen,
hochreflektierenden Beschichtungen sowie von Beschichtungen zur
Erzeugung eines Vielschicht-Bandpassfilters
sind dem Fachmann bekannt.
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Die
vorliegende Anwendung bei der Übertragung
optischer Signale zwischen einem rotierenden und einem stationären Teil
eines Computertomographen ermöglicht
nicht den Einsatz der aus O. Graydon bekannten Konzentratoren, die
durch Einspritzgießen
aus Polymeren gefertigt werden. Diese Konzentratoren erfüllen nicht
die Anforderungen an die vorliegende Anwendung, bei der eine Präzision von wenigen
Mikrometern erforderlich ist. Der vorliegende Konzentrator wird
daher vorzugsweise aus einem organisch modifizierten keramischen
Material, insbesondere einem Ormocer® gebildet,
wie es aus Veröffentlichungen
des Fraunhofer-Institutes für
Silicatforschung bekannt ist. Dieses hybride Polymer ermöglicht die
Einstellung eines Brechnungsindex im Bereich von 1,47 – 1,56,
weist geringe Verluste von weniger als 0,06 dB/cm bei einer Wellenlänge von
830 nm sowie eine außerordentlich
gute thermische und mechanische Stabilität bei geringen Herstellungskosten
auf. Das Material ermöglicht
insbesondere eine Herstellung des Konzentrators mit einem Zweiphotonen-Polymerisationsprozess,
wie er bspw. aus "Femtosecond
pulses generate microstructures",
Opto & Laser
Europe, December 2002, Issue 101, Seiten 22 – 23 bekannt ist. Mit diesem
Herstellungsprozess lässt
sich der Konzentrator mit einer Genauigkeit von 100 bis 200 nm fertigen.
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Bei
der vorliegenden Vorrichtung kommt als Detektor vorzugsweise eine
Photodiode mit einer Detektorfläche
mit einem Durchmesser von ≤ 0,5
mm zum Einsatz. Der optische Konzentrator ist dabei so ausgebildet,
dass er das eingefangene Licht auf diesen kleinen Bereich zusammenführt.
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Die
vorliegende Vorrichtung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei
zeigen:
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1 den Signalweg der Messdaten
in einem beispielhaften Computertomographen;
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2 ein Beispiel für eine Ausgestaltung
der vorliegenden Vorrichtung;
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3 ein Beispiel für die Ausgestaltung
des optischen Konzentrators;
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4 ein detaillierter Ausschnitt
aus der Ausgestaltung gemäß 2;
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5 ein Beispiel für die Anordnung
des optischen Konzentrators bei Einsatz einer anderen Übertragungstechnik;
und
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6 ein Beispiel für die Anordnung
eines optischen Konzentrators bei Einsatz einer weiteren Übertragungstechnik.
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1 zeigt beispielhaft den Übertragungsweg
der Messdaten in einem Computertomographen, der in der Figur nur
stark schematisiert ohne die Röntgenquelle
dargestellt ist. Die Messdaten werden dabei von der am rotierenden
Teil 1 angeordneten Detektorbank 3 erfasst und
nach einer Parallel-Seriell-Wandlung
an die Sendeeinrichtung 4 übermittelt. Die Sendeeinrichtung 4 umfasst
einen Datenübertragungsring 5,
in dem sich die Signale fortpflanzen. Am stationären Teil 2 ist eine
Empfangseinrichtung 6 angeordnet, die während der Rotation aus dem
Ring 5 ausgekoppelte Signale empfängt und an eine Bildrekonstruktionseinrichtung 7 weiterleitet,
in der die Daten aus den übertragenen
Signalen extrahiert und vor der Weiterverarbeitung einer Seriell-Parallel-Wandlung
unterzogen werden. Der Empfangsteil der Empfangseinrichtung 6 ist
hierbei in unmittelbarer Nähe
des Datenübertragungsringes 5 angeordnet,
um die Effizienz der Datenübertragung
zwischen den beiden Elementen während
der Rotation zu erhöhen.
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Während bisher
häufig
Hochfrequenz-Übertragungstechniken
zur Übertragung
zwischen dem rotierenden Teil 1 und dem stationä ren Teil 2 eingesetzt
wurden, werden mit zunehmend höheren
Datenmengen optische Übertragungstechniken
eingesetzt, wie sie im einleitenden Teil der Beschreibung bereits
erläutert
wurden. Der konzentrisch zur Rotationsachse angeordnete Datenübertragungsring 5 ist dabei
in der Regel aus einem optischen Wellenleiter bspw. einer optischen
Faser gebildet, in den bzw. die die optische Sendeeinrichtung 4 mit
den Messdaten moduliertes Licht einkoppelt. Die Empfangseinrichtung 6 umfasst
einen optischen Detektor, insbesondere einen Photodetektor.
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2 zeigt ein erstes Beispiel
der vorliegenden Vorrichtung zur Übertragung optischer Signale zwischen
dem rotierenden Teil 1 und dem stationären Teil 2 eines Computertomographen.
Die beiden Teile sind dabei an ihren sich gegenüberliegenden Flächen so
ausgebildet, dass zwischen ihnen ein Hohlkanal 8 entsteht,
der eingekoppeltes Licht über
Innenreflexionen leitet. Eine derartige Ausgestaltung kann der noch
unveröffentlichten
US-Patentanmeldung 10/255976, angemeldet am 26. September 2002,
entnommen werden. Am rotierenden Teil 1 wird Licht eines
Lasers 9 hierzu mit den Messdaten moduliert und in den
Hohlkanal 8 eingekoppelt, in dem es sich in beiden Richtungen
ausbreitet, wie dies durch die dick gezogene Linie innerhalb des
Hohlkanals 8 in der 2 angedeutet
ist. An gegenüberliegenden Stellen
des durch den Hohlkanal 8 gebildeten Ringes 5 sind
am Hohlkanal 8 Fenster vorgesehen, von denen eines mit
einem Lichtabsorber 10 versehen ist und das andere ein
Austrittsfenster 11 für
das transmittierte Licht bildet. Weiterhin sind am rotierenden Teil 1 zwei
ebenfalls am Ring 5 gegenüberliegende Lichtbarrieren 12 innerhalb
des Hohlkanals 8 angeordnet, die eine weitere Ausbreitung
des Lichtes im Hohlkanal 8 verhindern. Auf diese Weise
wird sichergestellt, dass jeweils nur Lichtsignale, die in einer
von beiden Richtungen innerhalb des Hohlkanals 8 verlaufen,
auf den Detektor treffen. Am Austrittsfenster 11 ist bei
der vorliegenden Vorrichtung der optische Konzentrator 13 angeordnet,
der hornförmig
ausgebildet ist und das aus dem Aus trittsfenster 11 austretende
Licht auf eine kleinere Detektorfläche des hier nicht erkennbaren
optischen Detektors zusammenführt.
Der optische Konzentrator 13 ist in dieser Abbildung nur
stark schematisiert angedeutet.
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3 zeigt eine detaillierte
Darstellung dieses optischen Konzentrators 13 in Querschnittsansicht.
Das aus dem Austrittsfenster 11 austretende gestreute Licht
tritt über
die konvex ausgebildete Eintrittsfläche 14, die mit einer
Antireflexbeschichtung versehen ist, in den massiven Konzentratorkörper ein,
der aus einem optisch transparenten Material gebildet ist. Die Seitenflächen 15 des
Konzentrators 13 sind mit einer hochreflektierenden Beschichtung
für die
Wellenlängen
des eingesetzten Lichtes versehen, so dass die unter unterschiedlichen
Winkeln eintreffende Lichtstrahlung durch Vielfachreflexionen innerhalb
des Konzentrators 13 auf die kleinere Austrittsfläche 16 zusammengeführt wird.
Diese Austrittsfläche 16 ist
im vorliegenden Beispiel mit einem Vielschicht-Filter beschichtet,
das für
die eingesetzten Wellenlängen
transparent ist und Licht größerer Wellenlängen reflektiert.
Der vorliegende Konzentrator 13 wirkt daher als Schmalbandfilter
mit einer Zentralfrequenz, die der Frequenz des eingesetzten Laserlichtes
zur Signalübertragung
entspricht.
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Für die Dimensionierung
der Antireflexbeschichtung auf der Eintrittsfläche 14 des Konzentrators 13 wird
die bekannte Gleichung eingesetzt: d = (m + 1/2) × λ/2 × 1/n,wobei
m = 0,1, 2,..., d der Dicke der Antireflexbeschichtung, λ der Wellenlänge des
für die
Signalübertragung
eingesetzten Lichtes uns n dem Brechungsindex des Beschichtungsmaterials
entsprechen, mit 1 < n < Brechungsindex
des Konzentratormaterials.
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Für die Dimensionierung
der hochreflektierenden Beschichtung an den Seitenflächen 15 des Konzentrators 13 wird
die Dicke dieser Beschichtung mit Hilfe der folgenden Gleichung
dimensioniert: d = m × λ/2 × 1/n,wobei m 0,1, 2 ...,
d der Dicke der hochreflektierenden Beschichtung, λ der Wellenlänge des
für die
Signalübertragung
eingesetzten Lichtes und n dem Brechungsindex des Beschichtungsmaterials
entsprechen, mit 1 < n < Brechungsindex
des Konzentratormaterials.
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4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der
Vorrichtung gemäß 2, bei dem das aus dem Hohlkanal 8 über das
Austrittsfenster 11 austretende Licht angedeutet ist. In
der Austrittsöffnung
des Fensters 11 ist der Konzentrator 13 angeordnet,
der einen großen
Anteil dieses Lichtes einfängt
und auf die kleine Detektorfläche 17 des
Detektors 18, im vorliegenden Beispiel eine APD, zusammenführt. Hierdurch wird
ein sehr gutes Signal-Rausch-Verhältnis erreicht, durch das die
Bitfehlerrate (BER) bei der Datenübertragung verringert wird.
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Neben
der in der 2 dargestellten Übertragungstechnik
lassen sich auch andere Übertragungstechniken
bei der vorliegenden Vorrichtung einsetzen. 5 zeigt ein Beispiel für eine Übertragungstechnik
bei der das von der Sendeeinrichtung 4 ausgesendete Licht
lateral in einen am stationären Teil 2 befestigten
Wellenleiterring, im vorliegenden Fall eine optische Faser 19,
eingekoppelt und an einem axialen Ende der Faser 19 auf
den Detektor 18 ausgekoppelt wird. Bei dieser Ausgestaltung,
von der in der 5 nur
ein Ende der Faser 19 mit dem Detektor 18 zu erkennen
ist, wird der optische Konzentrator 13 zwischen dem Ende
der Faser 19 und dem Detektor 18 angeordnet. Das
aus der Faser 19 mit einem im Vergleich zur Detektorfläche 17 großen Kerndurchmesser
austretende Licht wird über
den Konzentrator 13 gesammelt und auf die kleine Detektorfläche 17 zusammengeführt. Der
eingesetzte APD hat auch hier, wie in den anderen Beispielen eine
Detektorfläche
mit einem Durchmesser von nur 0,5 mm oder geringer, so dass eine
Hochgeschwindigkeitsverarbeitung erreicht wird.
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6 zeigt ein weiteres Beispiel,
bei dem am rotierenden Teil 1 ein Ring aus einer optischen Faser 19 eingesetzt
wird, die von der Sendeeinrichtung 4 axial eingekoppeltes
Licht lateral, bspw. über eingearbeitete
streuende Luftblasen 20, wie sie in der 20 angedeutet
sind, emittiert. Der am stationären
Teil 2 angeordnete Detektor 18 erfasst dabei jeweils
nur einen kleinen Bereich der optischen Faser 19. Durch
Einsatz des vorliegenden Konzentrators 13 kann der Erfassungsbereich
gerade bei Einsatz eines Detektors 18 mit einer kleinen
Detektorfläche 17,
wie sie zur schnellen Verarbeitung der Signale erforderlich ist,
deutlich erhöht
werden.