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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft eine Lichtleiterschaltbaugruppe und Steuervorrichtungen,
die in der Baugruppe verwendet werden, zur Ablenkung der Strahlung
von einem sendenden Leiter, um die Strahlung auf einen ausgewählten empfangenden
Leiter zu richten.
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Eines
der größeren Probleme,
mit denen die Erfindung konfrontiert wird, besteht in der Bereitstellung
einer schnellen Umschaltung bei geringem Einfügungsverlust (hohe Einkopplungseffizienz
und geringes Übersprechen)
für eine
große
Anzahl von Anschlüssen,
während
eine kompakte Konstruktion entwickelt wird, die einfach hergestellt
werden kann. Ein verwandtes Problem besteht in der Erhöhung der Schaltkapazität einer
Faseroptikschaltbaugruppe ohne den Kostenfaktor der Erhöhung der
physikalischen Größe. Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung wurden mindestens speziell zur Lösung dieser Probleme konstruiert.
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Stand der
Technik
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Das
Dokument DE 197 06 053 A1 (Fraunhofer) offenbart einen optischen
Schalter, bei dem eine einzelne Eingangsfaser von einer einzelnen
linsenförmigen
Linse beabstandet ist, die in vertikaler Richtung bewegt werden
kann, um einen Lichtstrahl in einem Winkel abzulenken. Dieser optische
Schalter des Stands der Technik umfasst eine Vielzahl von Ausgangsfasern,
die von einem einzelnen fokussierenden optischen Bauteil beabstandet
sind, das mit einem Prismenstrahl und einer Umleitungsanordnung
betrieben wird, um einen ankommenden Strahl statisch auf die Ausgangsfasern
umzulenken.
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Das
Dokument US A4696062 (Labudde Edward V) betrifft ein faseroptisches
Schaltsystem und Schaltverfahren. Dieses System des Stands der Technik
zeigt einen Schalter mit einer Vielzahl von Eingangs- und Ausgangsfasern.
Jede der Vielzahl von Ausgangsfasern ist mit einer einzelnen Eingangs-
und Ausgangslinse gekoppelt, die mit Hilfe eines Servomechanismus
bewegt werden kann.
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Das
Dokument US A5135295 (Jen Cheng-Kuei) offenbart eine einzelne Lichtleitfaser,
an der piezoelektrische Filme befestigt sind, die sich als Reaktion
auf die Spannung, die an die Filme angelegt wird, ausdehnen oder
zusammenziehen.
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Das
Dokument US A4657339 (Fick Franz) zeigt einen faseroptischen Schalter
mit einem einzelnen Eingang mit zwei möglichen Ausgängen. Weder am
Eingang noch an den Ausgängen
sind Kollimatormittel bereitgestellt. Die Eingangsfaser ist an einem Ende
an einem Gehäuse
befestigt und ist mit einem piezoelektrischen Element plattiert,
das, wenn es mit Strom versorgt wird, die Eingangsfaser von einer
Position benachbart zur ersten Ausgangsfaser zu einer Position benachbart
zur zweiten Ausgangsfaser bewegt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In
ihrem weitesten Gesichtspunkt schafft die vorliegende Erfindung
eine Faseroptikschaltbaugruppe, die dadurch gekennzeichnet ist,
dass sie Folgendes umfasst:
- a) eine erste Komponentengruppe,
die eine Anzahl von Lichtleitern umfasst und von einer zweiten Komponentengruppe,
die eine Anzahl von Lichtleitern umfasst, beabstandet ist;
- b) Kollimatormittel, die jedem Lichtleiter entsprechen;
- c) Betätigungsmittel,
die sich biegen, wenn sie betätigt
werden und mit dem Kollimatormittel betriebsfähig verbunden sind, um die
Kollimatormittel einzeln zu bewegen und die optische Strahlung abzulenken,
so dass sie von einem ausgewählten Leiter
in der ersten Gruppe gesendet und von einem ausgewählten Leiter
in der zweiten Gruppe empfangen wird.
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In
einem untergeordneten Gesichtspunkt weisen die Kollimatormittel
eine erste und eine zweite Extremität auf und die Betätigungsmittel
weisen ein Mittel auf, das in die erste Extremität des Kollimators eingreift,
wobei die Kollimatormittel so eingeschränkt sind, dass sich, wenn sich
das Betätigungsmittel
zum Bewegen des Kollimatormittels in eine Richtung bewegt, die zweite
Extremität
im Wesentlichen in die entgegengesetzte Richtung bewegt.
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In
einem weiteren untergeordneten Gesichtspunkt weist die Baugruppe
eine Stützkonstruktion
auf und die Kollimatormittel sind jeweils mit Hilfe eines Halters
an der Stützkonstruktion
befestigt, um die Kollimatormittel so einzuschränken, dass sich die Kollimatormittel
in einer schaukelnden Bewegung bewegen, wenn sie von dem Betätigungsmittel
bewegt werden.
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In
einem weiteren untergeordneten Gesichtspunkt sind Positionserfassungsmittel
bereitgestellt, um die Position mindestens einer der Komponenten
der Baugruppe zu erfassen, die von dem Betätigungsmittel be wegt werden,
wobei die optische Strahlung von der ersten zur zweiten Gruppe von Kollimatormitteln
ohne ein dazwischen angeordnetes Positionserfassungsmittel übertragen
wird.
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In
einem weiteren untergeordneten Gesichtspunkt umfasst die Baugruppe
ein Steuersystem, wobei die Positionserfassungsmittel mit Positionserfassungrückführungsmitteln
betrieben werden, wodurch die Positionserfassungsrückführungsmittel mindestens
ein Rückführungssignal,
das das Ausmaß der
Ablenkung der bewegten Komponenten der Baugruppe darstellt, in das
Steuersystem einspeisen, und das Signal von dem Steuersystem verwendet
wird, um sicherzustellen, dass jedes der Kollimatormittel der ersten
Gruppe auf jedes ausgewählte Kollimatormittel
der zweiten Gruppe gerichtet ist.
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In
einem weiteren untergeordneten Gesichtspunkt umfasst das Kollimatormittel
mindestens eine Linse, die mit dem Ende des Leiters einstückig angeordnet
ist oder an diesem befestigt ist, wodurch sich der Leiter und die
Linse zusammen bewegen.
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In
einem weiteren untergeordneten Gesichtspunkt umfasst das Betätigungsmittel
zum Bewegen der Kollimatormittel elektrostatische Mittel.
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In
einem weiteren untergeordneten Gesichtspunkt umfasst das Betätigungsmittel
zum Bewegen der Kollimatormittel piezoelektrische Wandlermittel.
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In
einem weiteren untergeordneten Gesichtspunkt ist das piezoelektrische
Wandlermittel ein „Folientyp", wobei Finger einer
kammartigen Anordnung von Piezowandlern an Betätigungsmitteln, wie beispielsweise
Folienstreifen, befestigt sind, um eine orthogonale Bewegung eines
der Lichtleiter und der Kollimatormittel zu erzeugen, wobei die
Folien und die Kämme
in einer schichtweisen Matrix zusammengesetzt werden können.
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In
einem weiteren untergeordneten Gesichtspunkt ist das piezoelektrische
Wandlermittel ein „Monolithtyp", wobei der Wandler
aus piezoelektrischem Material hergestellt ist, einen Körper mit
einer Längsachse
aufweist und der Körper
leitfähige
Streifen aufweist, die zu der Längsachse
ausgerichtet sind, um jeweilige Abschnitte des Wandlers zu definieren,
die jeweilige Querbewegungen in unterschiedlichen radialen Richtungen
verursachen, um eine resultierende Bewegung in der zweidimensionalen
Ebene senkrecht zu der Längsachse
bereitzustellen.
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In
einem weiteren untergeordneten Gesichtspunkt erfassen die Positionserfassungsmittel Kapazitätsänderungen,
um eine Position zu bestimmen, wobei mindestens einer der Leiter
eine leitfähige
Beschichtung aufweist, die mindestens als eine Kondensatorelektrode
wirkt, die sich im Verhältnis
zu mindestens einer anderen festen Kondensatorelektrode bewegt,
wodurch Positionsinformationen mindestens der Leiter oder der Kollimatormittel
bereitgestellt werden.
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In
einem weiteren untergeordneten Gesichtspunkt erfassen die Positionserfassungsmittel Kapazitätsänderungen,
um eine Position zu bestimmen, wobei mindestens eines der Kollimatormittel eine
leitfähige
Beschichtung aufweist, die mindestens als eine Kondensatorelektrode
wirkt und zusammen mit mindestens einer anderen Kondensatorelektrode
betrieben wird, die Teil einer benachbarten Stützkonstruktion ist.
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In
einem weiteren untergeordneten Gesichtspunkt umfasst das Positionserfassungsmittel leitfähige Leiterbahnen,
die an Punkten kreuzen, bei denen Paare von leitfähigen Leiterbahnen,
die entweder zu einem der einzelnen Leiter oder zu den Kollimatormitteln
gehören,
dafür ausgelegt
sind, Kapazitätsänderungen
zu erfassen.
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In
einem weiteren untergeordneten Gesichtspunkt verwendet das Positionserfassungsmittel ein
Diagonaladressierungssystem, wobei ein Signal sequenziell an Diagonale
der erfassten Punkte angelegt wird, und Kapazitätsänderungen sequenziell aus jeder
Zeile und Spalte abgelesen werden.
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In
einem weiteren untergeordneten Gesichtspunkt umfasst das Mittel
zum Bewegen des Kollimatormittels einen Monolithwandler, der mit
mechanischen Hebelmitteln zusammen wirkt, um die Wandlerbewegung
zu vergrößern.
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In
einem weiteren untergeordneten Gesichtspunkt umfasst das Hebelmittel
eine Kardanbefestigung, eine elastische Befestigung und eine Verlängerungsstange,
die zwischen einem Ende des Körpers
des Wandlers und einem Befestigungspunkt am Kardan beabstandet von
seiner Drehachse angeordnet sind.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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1 ein ähnlicher
Querschnitt durch eine Ausführungsform
eines Folientyps einer Vorrichtung zum Bewegen von Lichtleitfasern
ist;
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2 ein ähnlicher
Querschnitt durch einen Monolithtyp ist;
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3 eine
perspektivische Ansicht ist, die Folienbetätigungsstreifen zeigt (die
von Aktuatoren aus piezoelektrischem Material angetrieben werden), die
eine Faseroptik stützen;
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4 ein
Aufriss im Querschnitt durch eine Folientyp-Unterbaugruppe ist;
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5 und 6 unterschiedliche
perspektivische Ansichten einer 4 Linsen umfassenden Schaltbaugruppe
mit 4 Anschlüssen
sind, die Piezokämme
zeigen, die mit Folienstreifen verbunden sind, um Lichtleitfasern
in die Brennpunktebene von Linsen zu bewegen (nur 4 Anschlüsse sind
gezeigt, um die Erläuterung
zu vereinfachen, da in der Praxis eine Vielzahl von Anschlüssen verwendet
würde);
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7a–7d perspektivische
Ansichten sind, die die Herstellungsschritte eines Monolithaktuators
zeigen, und 7e eine Draufsicht ist;
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8 eine
Gruppe von Monolithaktuatoren und Linsen zeigt;
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9 ein
schematischer Aufriss durch eine Monolithaktuatorbaugruppe mit einer
Linsenanordnung ist (wenn eine hexagonale Anordnung aus Fasern und
Aktuator verwendet wird);
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10 die
Unterbaugruppe aus 9 zeigt, die bei einer Reflektorschaltbaugruppe
verwendet wird, bei der Strahlung durch einen halbversilberten Spiegel
auf eine CCD-Vorrichtung projiziert wird;
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11 die
Unterbaugruppe aus 9 zeigt, die bei einer Durchgangsschaltbaugruppe
verwendet wird, bei der Strahlung von Sendefasern di rekt auf Empfangsfasern übertragen
wird, und 11a und 11b Zeichnungen
zur ausführlicheren
Erläuterung
sind;
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12 ein
schematischer Querschnitt ist, der eine Kapazitätserfassungsanordnung zeigt;
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13a–13b eine andere Ausführungsform der Kapazitätserfassung
zeigen;
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14 ein
schematischer elektronischer Schaltplan ist;
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15 ein
Diagonalschaltverfahren zeigt, das unten ausführlicher erläutert wird;
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16 Fasern mit befestigten und einstückigen Kollimatorlinsen
zeigt;
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17 Kollimatoranordnungen
mit Monolithtypen zeigt;
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18 eine
Kardanbefestigung für
einen Kollimator zeigt;
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19 eine
alternative Kardanbefestigung zeigt;
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20 eine übertriebene
Neigungswirkung der Kardanbefestigung und des Kollimators zeigt;
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21 eine
Einzelheit einer Folienverbindungskonstruktion für eine Kardan- und Übersetzungsbefestigung
von Kollimatoren zeigt;
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22 eine
Anordnung von Piezoröhrenaktuatoren
auf einer dreieckigen Anordnung zeigt;
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23a und 23b Seitenansichten
einer Ausführungsform
sind, die eine bewegliche Linse und eine feste Faser verwendet;
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24 eine
isometrische Ansicht der letzteren Ausführungsform ist, die eine bewegliche
Linse und eine feste Faser verwendet;
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25 eine
Gruppe der Anordnung der Vorrichtungen zeigt, die in 24 gezeigt
sind;
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26a–26e ein Beispiel für fünf unterschiedliche Folienkonstruktionen
in Draufsicht für eine
fünfschichtige
Folienschaltbaugruppe mit 64 Anschlüssen zeigen;
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27 eine
perspektivische Ansicht eines Piezokammaktuators ist; 27a eine Einzelheit der elektrischen Anschlüsse zeigt
und 27b Anschlusseinzelheiten für den Piezokammaktuator
aus 27a zeigt;
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28a–28e unterschiedliche Aufrisse in Draufsicht der
5 Schichten der Piezokammanordnungen und Folienanordnungen zeigen;
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29 eine
Unterbaugruppe (Folientyp) eines Schalters (einschließlich 64
Anschlüsse)
zeigt und
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30 eine
Rückansicht
der Schaltunterbaugruppe (Folientyp) zeigt;
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31a–31c isometrische Ansichten einer Unterbaugruppe
von Monolithaktuatoren sind;
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32 und 33 jeweils
andere Schaltbaugruppen zeigen und
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34 zwei
der Baugruppen aus 38 zeigt, die mit
beabstandeten Sende- und Empfangsfasergruppen verwendet werden.
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1 veranschaulicht
schematisch „Folienvorrichtungen", die beispielsweise
zur Bewegung von Lichtleitfasern verwendet werden können. In
jeder Vorrichtung bilden piezoelektrische Wandlerelemente 1a, 1b; 2a, 2b Gruppen
von Fingern einer Kammkonstruktion, die an einem Ende einer Stützeinheit 3 befestigt
sind. Die Enden der Finger sind mittels Paaren von kammähnlichen
Konstruktionen, die sich an gegenüberliegenden Seiten der entsprechenden
Fasern 5a, 5b befinden, an entsprechenden Folien 4a, 4b befestigt.
Jede Faser, wie beispielsweise die Faser 5a, ist mit Hilfe
eines Klebstoffkügelchens 6a oder,
wenn die Faser metallisiert ist, mit Hilfe von Lötkontakten an entsprechenden
Foliengruppen 4a befestigt. Die Wandlerelemente aus piezoelektrischem Material 1a, 1b; 2a, 2b biegen
sich (parallel) in dieselbe Richtung, um eine „Druck-Zug-Bewegung" auf die entsprechende
Faser auszuüben
(in einer von zwei orthogonalen Richtungen). Andere Wandlerelemente aus
piezoelektrischem Material (nicht gezeigt, die senkrecht zu den
vorgenannten Elementen angeordnet sind) biegen sich in ähnlicher
Weise, jedoch in eine andere orthogonale Richtung, um auf die entsprechende
Faser eine „Druck-Zug-Bewegung" auszuüben. Das
Ergebnis stellt der Faser zwei Bewegungsgrade in orthogonalen Richtungen
bereit. Entsprechend kann Strahlung, die durch die Faser 5a geleitet
wird und aus dem Ende 5a' austritt,
in einer x-y-Ebene überallhin
abgelenkt werden. Bei der „Strahlung" kann es sich beispielsweise
um Laserlicht oder Licht von einer LED handeln, jedoch kann es sich
auch um andere Formen von elektromagnetischer Energie handeln.
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2 veranschaulicht
schematisch einen Monolithtyp, bei dem jedes der Piezoelemente 7a, 7b einen
zylindrischen oder stangenförmigen Körper mit einer
mittigen Bohrung entlang seiner Längsachse aufweist, in der die
Lichtleitfaser 5a, 5b aufgenommen wird. Ein Ende
jedes Piezoelements 7a, 7b ist fest an der Stützeinheit 3 befestigt
und das freie Ende kann sich als Folge des Biegens des Körpers im
Verhältnis
zur Längsachse
frei bewegen (wie unten erläutert).
Die Zeichnung zeigt ebenfalls elektrische Verbindungen 8a, 8b zu
den Piezoelementen. Wie bei dem Folientyp wird Strahlung, die das
Ende 5a' verlässt, durch
Biegen der Faser 5a in der x-y-Ebene abgelenkt.
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3 zeigt
eine Vergrößerung eines
modifizierten „Folientyps" ausführlicher.
In diesem Fall liegt jede Folie in Form von Streifen vor, wie beispielsweise 9a, 9b,
die sich senkrecht zueinander erstrecken und an einem Ende in einer
Anschlussstelle 9c enden, durch die die Faser 5a hindurchläuft und
mit Hilfe eines Klebstoffkügelchens 6a oder,
wenn die Faser metallisiert ist, mit Hilfe von Lötkontakten befestigt ist. 3 veranschaulicht
drei unterschiedliche Anordnungen, d. h. Anordnungen, bei denen
die Streifen 9a, 9b an unterschiedlichen Stellen
mit der Anschlussstelle 9c verbunden sind (und in einem
Fall eine Anordnung, bei der der Streifen 9b durch zwei rechte
Winkel gebildet ist, bevor er mit der Anschlussstelle verbunden
wird). Die anderen Enden der Streifen sind an den Fingern 2c, 2d einer
kammähnlichen
Konstruktion aus piezoelektrischem Material befestigt. Diese Finger üben (wie
gezeigt) eine Bewegung in jeder von zwei entsprechenden orthogonalen
Richtungen x-y auf die Folienstreifen aus, wobei sich der Endabschnitt
der jeweiligen Faser 5a in diesen Richtungen bewegt, so
dass Licht, das aus den Endflächen 5a', 5b', 5c' austritt, abgelenkt
wird.
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4 ist
ein Querschnitt im Aufriss (um 90° gedreht),
der eine Gruppe von Lichtleitfasern 5 zeigt, die durch
die Stützkonstruktion 3 hindurchlaufen,
wobei jede Faser an entsprechenden Folien 9 befestigt ist, die
in einem Folienstapel (nicht ausführlich gezeigt) in separaten
Schichten angeordnet sind. Jede der Folien ist mit entsprechenden
Fingern einer piezoelektrischen Kammkonstruktion 2e verbunden,
die an einer Stützplattenbaugruppe 3a in
der Stützkonstruktion
befestigt ist. Das Bandkabel 10 ist mit den Piezoaktuatoren
verbunden, um Strom zu liefern.
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5 und 6 veranschaulichen
grafischer, wie die Kammkonstruktionen 2e aus piezoelektrischem
Material mit den Folienkonstruktionen 9 verbunden sind,
die an entsprechenden Lichtleitfasern 5 befestigt sind,
wobei die Enden der Lichtleitfasern veranlasst werden, sich in der
Brennpunktebene entsprechender Linsen 12 zu bewegen. 5 und 6 zeigen
schematisch eine Konstruktion mit 4 Anschlüssen, die nur vier Linsen aufweist,
um die Zeichnung und die Erläuterung
zu vereinfachen. Die Baugruppe kann selbstverständlich über „n" Linsenelemente für „n" Fasern in einem Schalter mit „n" Anschlüssen verfügen, wobei „n" die Anzahl der Anschlüsse darstellt,
die in der jeweiligen Anwendung erforderlich sind. Die Linsen 12 werden
in einem Block 13 gestützt,
der ebenfalls Kapazitätspositionierungssensoren
stützt
(wie unten erläutert).
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7 zeigt vier Schritte 7a–7d während der Herstellung
eines „Monolithwandlers" aus piezoelektrischem
Material. Der erste Schritt 7a veranschaulicht einen Körper 7 aus
piezoelektrischem Material mit einer im Allgemeinen zylindrischen
Form. Der zweite Schritt zeigt Paare von V-förmigen
Sägeausschnitten
V1, V2, V3, die Rillen bilden, die eine mittige Säule 14 mit
Segmenten mit dreieckigem Querschnitt 15a, 15b, 15c und
periphere dünne
Säulen 16a, 16b, 16c mit
jeweils dreieckigem Querschnitt abgrenzen. Diese Rillen werden daraufhin
in Schritt 7c mit einer Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt 17 gefüllt. Schließlich werden
weitere Sägeauschnitte
S vorgenommen, wie in 7d gezeigt, um Verbindungen
in Form von isolierten leitfähigen
Anschlussstellen 18 auf den dreieckigen Seiten der mittigen
Säule 14 abzugrenzen.
Diese Anschlussstellen sind aufgrund des Spalts 19 (aus
piezoelektrischem Material), der von dem jeweiligen Sägeausschnitt
S geöffnet
wird, entlang der Länge
jeder Seitenkante isoliert. Elektrische Eingänge zu jeder dieser Anschlussstellen
verursachen, dass sich die mittige Säule 14 biegt und sich
die Lichtleitfasern biegen. Die Draufsicht aus 7e zeigt
die individuelle Bewegung „d", die von jeder Anschlussstelle 18 ausgeübt wird,
wenn sie mit Strom versorgt wird. Durch eine geeignete Stromversorgung
dieser Anschlussstellen kann eine resultierende Bewegung zum Bewegen der
Säule 14 in
den x-y-Achsen erreicht werden. Ein Durchgangsloch 20,
das entlang der Längsachse
in den Körper
aus piezoelektrischem Material gebohrt ist, empfängt die Lichtleitfaser, wie
in der schematischen Zeichnung aus 2 gezeigt.
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Eine ähnliche
Konstruktion kann hergestellt werden, indem (a) die Säule 14 aus
piezoelektrischem Material vor dem Brennen geformt wird und (b)
die Anschlussstellen 18 durch Beschichtung angebracht werden.
Eine solche Säule
könnte
hohl oder massiv sein und unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen.
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8 ist
eine perspektivische Ansicht einer Gruppe von Monolithwandlern 7.
Jeder dieser Wandler stützt
eine entsprechende Lichtleitfaser 5, deren Anschlussende
sich in der Brennpunktebene der entsprechenden Linse 12 bewegt.
Diese Figur zeigt die Faseranordnung in einer sechseckigen/dreieckigen Anordnung,
jedoch können
ebenfalls rechteckige Anordnungen verwendet werden.
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9 ist
ein Querschnitt durch drei Monolithwandler 7, die jeweils
auf einer Basisplatte 3 befestigt sind, die Lichtleitfasern 5 stützt. Diese
sind mit einer Plattierung 19 an der linken Seite der Platte 3 und
als Fasern gezeigt, die sich durch die Wandler 7 erstrecken,
die in Enden 7a in der Nähe jeder plan-konvexen Kollimatorlinse 12 einer
Linsenanordnung enden. Eine bi-konvexe Linsenanordnung kann ebenfalls
verwendet werden. Diese Trennung ist durch den Spalt 21 gezeigt,
der so angeordnet ist, dass sich Licht, das von dem Ende jeder Faser
abgegeben wird, in der Brennpunktebene der jeweiligen Linse befindet.
Die Anschlüsse 20,
die Verbindungsdrähte
aufweisen, die mit den Wandlern 7 verbunden sind, sind
ebenfalls gezeigt.
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10 ist
eine schematische Ansicht einer Baugruppe, die zur Kalibrierung
während
der Einrichtung verwendet wird. Sie zeigt Lichtstrahlen 22,
die von jeder der Linsen 12 ausgegeben werden, die zuerst
(z. B.) durch einen teilweise reflektierenden Spiegel (z. B. einen
dielektrischen Mehrschichtstapel oder halbversilbert) 29 geleitet
werden, der die Strahlen teilweise zu einer CCD-Vorrichtung 23 überträgt und die
Strahlen teilweise reflektiert. Die Position der gerade hindurchgeleiteten
Strahlen auf der Oberfläche
der CCD-Vorrichtung 23 kann mit der Abwesenheit (oder der
Anwesenheit) von Signalen in Beziehung gebracht werden, die zur
Stromversorgung der Piezowandler verwendet werden. Ebenso kann die Position
eines abgelenkten Strahls von einer Wandlerfaser, der teilweise
von dem Spiegel 29 auf eine Empfangsfaser (in demselben
Stapel) abgelenkt wird und teilweise auf die Oberfläche der
CCD-Vorrichtung 23 auftrifft, mit unmittelbaren Signalen
in Beziehung gebracht werden, die zur Stromversorgung der Piezowandler
verwendet werden, um unterschiedliche Ablenkungen zu verursachen.
Dadurch können die
Wandlerantriebssignale abgeleitet werden, um die Endabschnitte der
Fasern korrekt auszurichten und zu steuern, so dass die Ausgangsstrahlen
an ihren korrekten Zielen ankommen (d. h. die ausgewählten Empfangsfasern
in dem Arbeitsschalter). Beispielsweise können Nachschlagtabellen verwendet werden,
um die idealen Faserspitzenpositionen an jedem Ende zu speichern, um
die erforderlichen Faser-Faser-Kopplungen zu erzeugen (d. h. Querverbindungen
zwischen Sende- und Empfangsanschlüssen). Dadurch kann die Baugruppe
als Schalter betrieben werden und die Baugruppe würde umkehrbar
gemacht werden (d. h. die Sendefasern können die Empfangsfasern sein
und umgekehrt).
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11 zeigt
eine andere Anordnung, die ebenso kalibriert werden kann, die jedoch
ebenfalls im Betrieb verwendet werden kann, wobei die Lichtstrahlen 22,
die die sendende Kollimatorlinsenbaugruppe 12t verlassen,
von einer Empfangslinsenbaugruppe 12r empfangen werden,
die das Licht in einer (ähnlichen)
Monolithkonstruktion auf entsprechende Lichtleitfasern 5 fokussiert.
Die stromversorgenden Signale können
hinsichtlich der Lichtstrahlen, die gerade hindurchlaufen und die
abgelenkt werden, ebenso kalibriert werden, da die sendenden Strahlen von
entsprechenden anderen Fasern empfangen werden. Diese Anordnung
ist vollständig „umkehrbar", da die „Sender" die „Empfänger" sein können und
umgekehrt.
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Unter
Bezugnahme auf 11a ist anzumerken, dass:
- i. Jede Faser in dem Schalter einer kleinen
Kollimatorlinse zugeordnet ist,
- ii. Faserspitzen in der Brennpunktebene jeder Linse angeordnet
werden,
- iii. Ein Gauss'scher
Kollimatorstrahl erzeugt wird, wenn eine Faser beleuchtet wird,
da Licht in der Brennpunktebene von der Faserspitze abgegeben wird
und von der Linse gesammelt und kollimiert wird,
- iv. Eine Bewegung jeder Faserspitze in der Brennpunktebene eine
effektive Winkelschwingung des kollimierten Strahls zur Folge hat,
- v. Durch Symmetrie alle kollimierten Strahlen, die an den Ziellinsen
ankommen, auf einen Punkt in der Brennpunktebene der Ziellinsen
fokussiert werden;
- vi. Wenn eine Faserspitze auf einem Punkt angeordnet wird, der
in (v) definiert ist, Licht in die Faser eingekoppelt wird.
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Eine
Kombination aus (iii) und (vi) ermöglicht eine Faser-Faser-Kopplung. Licht von
einer Faser kann durch (iii) in einen gerichteten kollimierten Strahl
umgewandelt werden. Durch Bewegen einer beleuchteten Faserspitze
(die „Quelle") kann erreicht werden,
dass der kollimierte Strahl von seiner zugehörigen Linse auf die Linse,
die einer völlig
anderen Faser zugeordnet ist (das „Ziel"), gerichtet wird. Durch Bewegen der
Zielfaser kann erreicht werden, dass Licht von dem ankommenden kollimierten Strahl
gesammelt werden kann und somit ein Faser-Faser-Kopplungszustand eingerichtet wurde.
Da das optische System symmetrisch ist, können die Begriffe „Quellfaserspitzen" und „Zielfaserspitzen" austauschbar verwendet
werden und in einer gekoppelten Situation kann Licht in beide Richtungen
gesendet werden.
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Die
Kalibrierung würde
mit Hilfe folgender Schritte durchgeführt werden:
- 1.
Jede Faser ist in 2D geerdet und für jede Faser werden die Kapazitätswerte
zur Rückreflexion
ermittelt.
- 2. Jede Faser wird mit Hilfe der Rückreflexion sequenziell zu
den Positionen auf der CCD-Vorrichtung bewegt, um die Bezugspunkte
zu kalibrieren.
- 3. Für
jede Faser und zu jeder Faser werden die 2x- und 2y-Durchschnittsspannungen
für eine
maximale Kopplung optimiert.
- 4. Mit 128 Fasern (64 an jedem Ende) sind 64 x/y-Kapazitätswerte
gespeichert, d. h. 16384 Werte. Diese werden im nicht-flüchtigen
Speicher des Schalters gespeichert und als Zielkapazitätswerte für die gewünschten
Schaltereinstellungen verwendet.
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Diese
Schritte betreffen entweder die reflektierende oder eine andere
gerade hindurchlaufende Konstruktion.
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Unter
Bezugnahme auf 11b existiert eine optimale
Ruheposition der Faserspitzen, die wichtige Systemvorteile mit sich
bringt (einschließlich einer
optimalen Kopplungseffizienz).
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Ohne
eine effektive Ablenkung (d. h. an die Piezoaktuatoren wird keine
Spannung angelegt) sollte der kollimierte Strahl von jeder Faserspitze
idealerweise in Richtung der Mitte der Ziellinsenanordnung (oder
durch Reflexion auf die Mitte der Quellanordnung in einem gefalteten
System) weisen. Das Ziel besteht hierbei darin, die erforderliche
bipolare Faserspitzenübersetzung
(von der Ruheposition) auf etwa die Hälfte der Anordnungsgröße zu minimieren.
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Die
Positionen der Faserspitzen Z müssen innerhalb
der Brennweite der Linsenanordnung liegen, um kollimierte Strahlen
von hoher Qualität
sicherzustellen. Alle Faserspitzen müssen innerhalb eines Bereichs
hinter der Rückfläche des
Glassubstrats der Linsenanordnung angeordnet sein, der von der Brennweite
der Linsenanordnung definiert wird.
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Der
Winkel der Fasern im Verhältnis
zur Linsenanordnung sollte idealerweise 90° betragen. Jede wesentliche
Abweichung von einer rechtwinkligen Geometrie kann eine nachteilige
Wirkung auf die Kopplungseffizienz haben und die Skalierbarkeit
einschränken.
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Um
die Position jeder individuellen Lichtleitfaser, ob Folientyp oder
Monolithtyp, (zur Korrelation der Ablenkung und der Wandlerantriebssignale)
zu erfassen, wird beispielsweise zwischen jedem sich bewegenden
Endabschnitt der Faseroptik (die mit einem leitfähigen Material beschichtet
ist, um eine bewegliche Elektrode zu bilden) und anderen im Verhältnis festen
Elektroden eine Kapazitätskopplung verwendet.
Eine Anordnung mit einer solchen beschichteten Faseroptik kann in
einer ähnlichen
Anordnung von Kapazitätssensoraufnahmeeinheiten ausgerichtet
werden. Die Anordnung kann entweder rechteckig oder sechseckig sein,
um eine optimale Packungsdichte sicherzustellen. Die Anordnungsgrößen sind
auf eine größere Anzahl
von Fasern (> 1000)
skalierbar, die für
zukünftige
optische Querverbindungen mit einer hohen Anzahl von Anschlüssen für faseroptische
Kommunikationsanwendungen geeignet sind.
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Die
Position der Lichtleitfaser wird von einem Maß der Kapazitätskopplung
zwischen der Faser und den Kapazitätssensorelektroden ermittelt.
Da eine Kapazitätsrückführung die
Position der Faseroptik im Verhältnis
zur Linsenanordnung 12 bestimmt, ist die Kapazitätsrückführungsbefestigungseinheit
fest mit der Linsenanordnung verbunden, um einen präzisen Bezug
der Fasern auf die Linsenmittelpunkte sicherzustellen. (Bei einer
alternativen Ausführungsform werden
feste Fasern und eine bewegliche Linse verwendet). Die Kapazitätssensorelektrodenaufnahmeeinheiten
können
entweder wie in 12 oder wie in 13a und 13b gezeigt
geformt sein.
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12 zeigt
in Draufsicht ein Verfahren, bei dem die Sensoraufnahmeeinheit aus
durchgangslochbeschichteten Löchern
in einem isolierenden Plattenmaterial 30 gebildet ist.
Das isolierende Plattenmaterial kann eine bedruckte Schaltkarte
oder ein alternatives isolierendes Material, wie beispielsweise Keramik,
sein. Die Sensorlöcher
sind in vier isolierte Quadranten segmentiert, die als „Nord", „Süd", „Ost" oder „West" (N, S, O und W)
bezeichnet werden. Mit diesen wird unter Verwendung von geeigneten
gemusterten elektrischen Leiterbahnen 31N, 31S, 31W, 31O ein
elektrischer Kontakt hergestellt. Jede (beschichtete) Lichtleitfaser
wird durch die Mitte des Sensorlochs geführt.
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13a und 13b zeigen
im Querschnitt eine alternative Anordnung, bei der die Kapazitätssensorelektroden
N, S, Ound W durch senkrechte Anordnungen von parallelen leitfähigen Leiterbahnen 31N, 31S, 31W, 31O gebildet
werden, die eine Anordnung von Löchern
schneiden, durch die die Lichtleitfasern 5 hindurchlaufen.
Die Kapazitätssensorleiterbahnen
zur NS- und OW-Erfassung sind in parallelen Anordnungen angeordnet,
wobei die beiden parallelen Anordnungen senkrecht zueinander angeordnet
sind. Zur Isolierung sind die NS- und OW-Sensoranordnungen durch Zwischenschichten
aus einem isolierenden Matrixmaterial 33 voneinander isoliert.
Die Erdungsebenenschichten 32 über und unter jeder Sensorschicht
wirken als Abschirmung gegen elektromagnetische Umweltaufnahmen.
Es ist zu beachten, dass 13a und 13b nur zwei Schichten von NS- und OW-Sensorleiterbahnen
zeigen. Eine bessere Kapazitätsrückführungsempfindlichkeit kann
durch Erhöhen
der Anzahl der Sensorleiterbahnen (Schichten) erreicht werden.
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Die
Anordnung aus 12 hat eine größere Kapazitätskopplung
zwischen der Faser 5 und den Sensorelektroden zur Folge,
während
die Anordnung aus 13a und 13b inhärent einfacher
herzustellen ist (um jedoch eine ausreichende Kapazitätskopplung
zwischen den NS- und OW-Sensorleiterbahnen
zu erreichen, ist eine vertikale Anordnung solcher Leiterbahnen
erforderlich).
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An
die leitfähige
Beschichtung auf jeder Lichtleitfaser wird eine Wechselspannung,
typischerweise mit Audiofrequenz, angelegt. Die resultierende Wechselspannung,
die an die Sensorelektroden gekoppelt wird, wird daraufhin mit Hilfe
einer geeigneten rauscharmen Verstärkerschaltung erfasst, wie beispielsweise
der, die in 14 gezeigt ist (wobei gleiche
Komponenten mit gleichen Bezugsnummern bezeichnet sind). Die an
den Sensorelektroden erzeugte Wechselspannung ist proportional zur
Kapazitätskopplung
zwischen der leitfähigen
Beschichtung der Sensorelektrode und der Faser. Dies hängt von
der örtlichen
Entfernung der Faser von der Sensorelektrode ab. Eine Kombination
der Informationen der Elektroden 31N, 31S, 31O und 31W gibt
daher Informationen über
die lokalisierte Position der Faser.
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Eine
erhöhte
Positionsgenauigkeit wird durch Einkopplung der an den N- und S-Sensorelektroden
erfassten Spannungen in die beiden Eingänge eines rauscharmen Differenzialverstärkers 35 erreicht.
Somit steigt das erfasste Signal der N-Elektrode an, wenn sich die
Lichtleitfaser näher
zur N-Elektrode bewegt, entsprechend nimmt das erfasste Signal der
S-Elektrode ab.
Das Differenzial wird an den Verstärker angelegt. Eine entsprechende
Anordnung wird für
die O-W-Elektroden verwendet.
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Um
die eindeutigen Positionen einzelner Fasern in großen Anordnungen
von optischen Fasern, die erfasst werden sollen, zu ermöglichen,
muss ein Wechselstromsignal an jede Faser angelegt werden. Eine
derartige Anordnung ist bei einer großen Anzahl von Fasern nicht
praktikabel. Daher wird die Verwendung eines Verfahrens bevorzugt,
durch das die eindeutigen Positionen von Faseranordnungen erfasst werden
können,
indem selektiv zwischen diagonalen Reihen dieser Fasern geschaltet
wird. Einzelheiten sind in 15 gezeigt.
Durch sequenzielles Anlegen von Wechselstrom an die diagonalen Reihen
und durch sequenzielles Lesen von Kapazitätsrückführungssignalen von horizontalen
Reihen und Spalten kann eine eindeutige Adressierung erreicht werden. Dies
wird nun im Folgenden ausführlicher
beschrieben. (Dieses diagonale Schalten kann unabhängig, d.
h. in anderen Schaltbaugruppen, verwendet werden.)
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Ein
Wechselstromerregungssignal wird an diagonale Faseranordnungen angelegt
(wie in 15 gezeigt). Bei einer Schalteranordnung
aus 64 Fasern sind 15 dieser Diagonalen vorhanden, jedoch wird die
Anzahl von adressierbaren Diagonalen durch die Verwendung einer
vertikalen und horizontalen Anordnung von Kapazitätsrückführungssensorleiterbahnen,
die orthogonal angeordnet sind, auf nur 8 verringert. Dies wird
unter Bezugnahme auf 15 erläutert, die eine Anordnung aus
64 Elementen zeigt, jedoch ist die folgende Analyse auf jede skalierbare
Anordnung anwendbar. In 15 sind
die Diagonalen mit A, B, C, D, E, F, G und H, horizontale Reihen
mit 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7 bezeichnet, so dass beispielsweise
die dritte Faser von oben und die fünfte von links mit C2 bezeichnet
ist.
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Die
diagonale Anordnung A verwendet alle 8 Fasern entlang der Diagonalen.
Jedoch verwendet die diagonale Anordnung B 7 dieser Fasern (B0 bis B6),
daher ist diese Diagonale mit der Faser B7 (untere linke Ecke) verbunden.
Ebenso umfasst die Diagonale C sechs dieser Faserelemente (C0 bis
C5) und ist mit den Faserelementen C6 und C7 verbunden. Das Verfahren
wird wiederholt, so dass alle Diagonalen 8 Elemente umfassen. (Jedoch
kann dieses Verbindungssystem auf jede Anordnungsgröße skaliert
werden.) Zum Beispiel würde
eine Anordnung aus 256 Fasern, die 16 Reihen und 16 Spalten umfasst,
unter Verwendung von 16 Diagonalen verbunden werden. Eine verallgemeinerte
Anordnung aus N Fasern enthält
daher Quadratwurzel-(N)Diagonale.
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Unter
Bezugnahme auf die in 15 gezeigte Anordnung aus 64
Fasern sind die 8 Reihen und 8 Spalten der orthogonalen Kondensatorerfassungsleiterbahnen
jeweils mit 8 parallelen Differenzialverstärkererfassungsschaltkreisen
verbunden, so dass Kapazitäten
entlang sämtlicher
Reihen und Spalten gleichzeitig erfasst werden; 1 Erfassungschaltkreis pro
Reihe und 1 Erfassungschaltkreis pro Spalte. Die Kondensatorleiterbahnen
brauchen nicht orthogonal zu verlaufen, es können alternative Winkel verwendet
werden, solange sich die Leiterbahnen schneiden. Wenn das Erregungssignal
entlang der Diagonalen und an nur eine Diagonale auf einmal angelegt wird,
erzeugt nur ein eindeutiges Element in einer Reihe oder Spalte ein
Kapazitätsrückführungssignal, wenn
es von dem Kapazitätsrückführungsschaltkreis erfasst
wird. Daher werden in dem vorliegenden Fall von 64 Elementen für jede diagonale
Erregung 8 Kapazitätsrückführungssignale
parallel von jeder Reihe und Spalte gelesen. Die Ausgaben sind mit
einer 8 Kanal-ADC-Einheit verbunden, eine für die Reihen und eine für die Spalten.
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Ebenfalls
ist zu beachten, dass bei sehr großen Anordnungen die Zeit zur
Erfassung aller Elemente mit dem Kapazitätsrückführungssystem durch die Zeit
begrenzt ist, die benötigt
wird, um jede Diagonale zu erregen und abzutasten. Eine verbesserte Schaltzeit
kann erreicht werden, indem größere Faseranordnungen
in Unterabschnitte unterteilt werden, wobei beispielsweise eine
Anordnung aus 256 Elementen in 4 kleinere getrennte Ausleseanordnungen
unterteilt werden kann. Dieser Lösungsweg
kann auf jede Anordnungsgröße skaliert
werden.
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Um
eine weitere Verbesserung bereitzustellen, kann eine Kollimatorlinse
an dem Ende der optischen Faser befestigt werden oder damit einstückig sein,
um eine breitere Winkelstreuung des austretenden Strahls bereitzustellen.
In diesem Fall bewegen sich sowohl die Linse als auch die Faser
zusammen, was die Konstruktion vereinfacht und eine schnelle Schaltgeschwindigkeit
für eine
hohe Anschlussanzahl ermöglicht.
Diese Kollimatorlinsen können
unabhängig,
d. h. mit anderen Schaltbaugruppen, verwendet werden, jedoch sind
sie besonders nützlich,
wenn sie zusammen mit den oben beschriebenen miniaturisierten "Folientyp"- oder "Monolithtyp"-Wandlern aus piezoelektrischem
Material verwendet werden.
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Da
die Faserend- und Linsenanordnung beide eine Rückreflexion zur Folge haben
können (selbst
wenn alle Seiten mit dielektrischen Antireflex-Mehrschichtbeschichtungen
beschichtet sind), wird ein gewisser Signalverlust verursacht. Des
Weiteren hängt
die Kopplungseffizienz zwischen den Faserenden und der Kollimatoroptik
entscheidend davon ab, dass die Position des Faserendes in der Fokusebene
der Linse beibehalten wird. Es kann kollimierte Faseroptik verwendet
werden, um dieses Problem zu bewältigen.
Einfügungsverluste
und Rückreflexion
in den optischen Schaltsystemen können bedeutend verringert werden
und die Konstruktion kann durch die Verwendung von kollimierten
oder einstückigen
Linsenfaseroptikenden (16a und 16b) anstelle von Faseroptikend- und Linsenanordnungen
vereinfacht werden.
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Kollimierte
Faseroptik 40 ist kommerziell verfügbar, sie umfasst eine Kollimatorlinse 40a,
die an dem Einmodenfaseroptikendabschnitt 5 befestigt ist.
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Eine
einstückig
mit Linsen 41 versehene Faseroptik kann ebenfalls anstelle
eines Kollimators 40 bei allen der hier erörterten
vorliegenden Anwendungen verwendet werden. Eine einstückige Linsenfaseroptik
wird gebildet, indem das Faseroptikende derart behandelt wird, dass
es eine Mikrolinse bildet (einstückige
Linsenfaseroptiksysteme sind gegenwärtig bei einigen Herstellern
von Faseroptiksystemen erhältlich).
Der Vorteil, den diese beiden Technologien bei der vorliegenden
Schaltanwendung bieten, besteht darin, dass das Licht, das von dem
Faseroptikende ausstrahlt, kollimiert und parallel ist, ohne dass
zusätzliche
getrennte optische Komponenten, wie beispielsweise Linsenanordnungen,
enthalten sind.
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Eine
einstückige
Linsenfaseroptik kann ebenfalls hergestellt werden, indem eine geeignete Linse
an das Faserende zementiert wird. In allen Fällen können beschichtete oder unbeschichtete
Komponenten verwendet werden. Kollimatorbasierte N × N-Faserschalter
(d. h. eine Anzahl von N Eingangsanschlüssen und eine Anzahl von N
Ausgangsanschlüssen)
weisen den Vorteil eines niedrigen Einfügungsverlustes, einer hervorrangenden Übersprechleistung
und einer hervorragenden Polarisationsunabhängigkeit auf.
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Alternativ
können
Faseroptikschaltungen erreicht werden, bei denen kollimierte oder
einstückige Faseroptikenden
in die N × N-Schaltmatrix
eingebaut sind, wodurch die Linsenanordnung 12 ausgeschlossen
wird, die in den oben beschriebenen alternativen Schaltstrukturen
verwendet wird.
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Wenn
(wie oben beschrieben) eine Kapazitätsrückführung verwendet wird, um die
Position des Kollimators zu bestimmen, wird die äußere Fläche des Kollimators metallisiert
oder mit einer Beschichtung aus einem leitenden Dünnfilm überzogen.
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Die
Verbindung mit dem Kollimator kann unter Verwendung von metallisierten
Fasern hergestellt werden und Kapazitätsrückführung kann verwendet werden,
um die Kapazität
zwischen der äußeren Fläche des
Kollimators anstatt der metallisierten Faseroptik zu messen. Wenn
jedoch einstückige
Linsenoptik verwendet wird, wird eine Kapazitätskopplung verwendet, um die
Kapazität
zwischen der Sensor-Schaltkarte und der metallisierten Faser zu
messen.
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17 zeigt
schematisch, wie die Kollimatorlinse oder die einstückige Linse
am Faseroptikende in einen monolithischen faseroptischen Piezoschalter
integriert werden kann. Dies ist eine vereinfachte Lösung, bei
der die Linsenanordnung 12 durch die Kollimatorlinse 40 oder
die einstückige
Linse 41 ersetzt wird. Obwohl dies in 17 nicht
gezeigt ist, ist es möglich,
die Faserlänge
zwischen der Oberseite des monolithischen Piezoaktuators und dem
Kollimator zu vergrößern.
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Um
eine größere Winkelschwenkung
der Kollimatoroptik am Ende der Faseroptik zu erzielen, kann sie
mit einer Kardanbefestigung 42 befestigt werden, die ermöglicht,
dass sich der Kollimator 40 um seinen Mittelpunkt dreht,
wie in 18–20 gezeigt,
um eine Bewegung in der x- und y-Achse 43 bereitzustellen.
Vorzugsweise wird eine flexible Verbindung verwendet, die den Kollimator,
wie beispielsweise in 19 und 21 gezeigt,
mit dem Verlängerungsarm
des Piezoaktuators verbindet. Sowohl die Kardanverbindung als auch
die flexible Verbindung kann mit Hilfe einer Vielzahl von Mitteln
hergestellt werden, einschließlich
einer gemusterten Folie. 21 zeigt,
wie die Verwendung von Folien, die mit Kardananordnungen verbunden
sind, verwendet werden kann, um das faseroptische Ende der Kollimatorlinse
oder der einstückigen
Linse zu neigen. In diesem Fall kann die Kardananordnung ebenfalls
unter Verwendung einer gemusterten Folienkonstruktion hergestellt
werden.
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19 und 20 zeigen
eine Variante des Kollimatorbefestigungsprinzips, bei der ein sich
verjüngendes
Stück 44 eine
Verlängerung
der Piezoröhre 8 bildet.
Das Verlängerungsstück 44 stellt
einen mechanischen Vorteil bereit, d. h. es stellt eine größere XY-Bewegung
der Kollimatorbasis bereit als sie nur durch die Piezoröhrenabtastvorrichtung
bereitgestellt wird. Das Verlängerungsstück bietet
daher einen mechanischen Vorteil hinsichtlich der Bewegung des Piezoaktuators.
(Der Ausgangsstrahl ist in 19 mit 45 bezeichnet.)
Die Verlängerungsstange 44 des
Piezoaktuators verjüngt
sich, um die Resonanzfrequenz des mechanischen Systems zu verringern.
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Ein
Hauptmerkmal dieser Konstruktion besteht darin, dass die Verlängerungsstange 44,
verglichen mit einem nicht verlängerten
Piezoaktuator allein, eine zusätzliche
seitliche Bewegung in der X-Y-Ebene (senkrecht zur Faserachse) der
Basis des Kollimators bereitstellt. Der Vorteil davon besteht darin,
dass der Kollimatorstrahl für
eine gegebene Piezobewegung über
einen großen
Winkelbereich geschwenkt werden kann. Dies ist wichtig, da dies
einen viel größeren adressierbaren
Bereich für
den resultierenden Strahl bereitstellt, der von dem Kollimator ausgeht,
und dadurch die Konstruktion viel größerer Schalteranordnungen (d.
h. größerer N × N-Schaltergrößen – höhere Anschlusszahlen)
ermöglicht
wird.
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Bei
dem monolithischen Typ wird die optische Faser durch die Mitte der
Piezoröhrenabtastvorrichtung
geführt.
Die vollständige
Einheit wird für
eine N × N-Schaltereinheit
N mal kopiert (22) – es ist zu beachten, dass 22 nur
die Piezoaktuatoren zeigt –,
wobei die Anordnung entwe der eine quadratische oder sechseckige/dreieckige
Auslegung aufweisen kann.
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Einzelne
Piezoaktuatoren werden durch Formen, Brennen und/oder nachfolgendes
Sägen des monolithischen
Piezomaterials gebildet, gefolgt von Mustern mit elektrischen Kontakten.
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20 zeigt
(in übertriebener
schematischer Form) die Verschiebung der Faseraktuatorbaugruppe.
Die Faseroptik ist in dieser Zeichnung nicht gezeigt – sie verläuft durch
die Mitte des Piezoröhrenaktuators 8.
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Die
Kollimatorkardanbefestigung und die flexible Befestigung des Kollimators
könnten
auf eine Reihe von Arten hergestellt werden, wobei eine Art und
Weise in gemusterten Folien besteht. 21 zeigt
ein mögliches
Herstellungsverfahren für
die Kardanbefestigung. Alternativ kann eine gewundene Folienanordnung
zur Herstellung der flexiblen Befestigung verwendet werden.
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23 zeigt eine alternative Ausführungsform
eines Aktuators des monolithischen Typs aus piezoelektrischem Material.
In diesem Fall wird die Faseroptik 5 (in rechtem Winkel
gebogen gezeigt) fest in einem Befestigungsblock 52 gehalten,
der ebenfalls elektronische Verbindungen und Kapazitätssensorelektroden
stützt
(die jeweils zu der festen Faser und der sich bewegenden Linse gehören). Diese
erfassen eine Verschiebung der Linse und stellen (wie oben beschrieben)
ein Rückführungssteuersignal
bereit. Die Linse 50 wird durch eine Linsenbefestigung 51 gestützt, die über einen
Verbindungshebel 53 mit einem Aktuator des monolithischen
Typs aus piezoelektrischem Material verbunden ist. Die isometrische Ansicht
aus 24 zeigt ein Abstandsloch 54, das Bewegungsfreiheit
ermöglicht. 25 zeigt
eine Vielzahl dieser Aktuatoren, die auf einer festen Stützplatte
montiert sind, sowie eine Schaltkarte 55 zur Bereitstellung
von Antriebsverbindungen. Wie beispielsweise in 23a gezeigt, endet die Verlängerungsstange 7 in
einem verjüngten
Abschnitt 53 und einem zylindrischen, stangenförmigen Abschnitt 57, der
mit dem Linsenhalter 51 verbunden ist (siehe ebenfalls 24).
Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, da die Kollimatorlinse 50 eine
leitende Beschichtung aufweisen kann, um als Kondensatorelektrode
zu wirken, und im Verhältnis
zu dem festen Befestigungsblock 52 in angemessener Weise
angeordnet ist, wobei auf dem Befestigungsblock 52 eine andere
Kondensatorelektrode (z. B. in gegenüberliegendem Verhältnis) bereitgestellt
sein kann, um Rückführungsinformationen
bezüglich
der Position als Folge von Kapazitätsveränderungen bereitzustellen.
Zudem ermöglicht
diese Anordnung, dass die Komponenten praxisgerecht auf einer Kapazitätserfassungsstützkonstruktion
mit einer schichtweisen Form, wie die unter Bezugnahme auf 13a und 13b beschriebene,
angeordnet sind. Dies wird ebenfalls aus den in 29 und 31–34 gezeigten
Unterbaugruppen deutlicher, bei denen das Kapazitätserfassungssystem
flache leitende Leiterbahnen umfasst, die in einer schichtweisen
Form in einer Stützstruktur
oder einem Stützblock
zusammengebaut sind, der praktischerweise andere Komponenten der
Schaltbaugruppe stützen
kann. Dies stellt den Vorteil einer Kapazitätserfassung mit einer sowohl kompakten
als auch widerstandsfähigen
Konstruktion bereit, wodurch die Herstellung erleichtert wird.
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26a–26e sind Draufsichten eines Beispiels von Folienkonstruktionen
für eine
Folienschaltbaugruppe mit 64 Anschlüssen. Diese sind in Schichten
isoliert voneinander in der Unterbaugruppe von optischen Faserbündeln angeordnet.
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27 ist
eine perspektivische Ansicht einer piezoelektrischen Kammkonstruktion 2 für eine folienartige
Schalterkonstruktion, die Säge ausschnitte 60 zeigt,
die einzelne Aktuatoren 1 trennt, und die ebenfalls metallisierte
Kontakte 61, 62, 63 zeigt. 27a zeigt, wie die Finger der Kammkonstruktion 2 mit
jeweiligen leitenden Leiterbahnen eines flachen elastischen Anschlusses 2' verbunden sind.
Der Piezokamm umfasst äußere Schichten,
die eine entsprechende gemeinsame +V- und –V-Ebene bilden, und eine innere
Schicht, die eine V-Steuerebene bildet.
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Unter
Bezugnahme auf 27b ist schematisch ein bevorzugter
Vorspannungsantrieb zur Verbesserung der Lebensdauer der Piezoelemente
veranschaulicht. Dies umfasst im Wesentlichen, niemals eine Hälfte von
Piezobimorphen derart anzutreiben, dass sie auf andere Weise depolarisiert
werden könnten.
Ein Vorspannungsantrieb verlängert
demgemäß die Lebensdauer
der Vorrichtung. Ein anderer Vorteil besteht darin, dass die Anzahl
der elektrischen Verbindungen mit Piezokämmen drastisch verringert werden
kann. Die oberen Elektroden für alle
Elemente des Kamms werden im Wesentlichen gemeinsam benutzt, die
unteren Elektroden für
alle Elemente des Kamms werden ebenfalls gemeinsam benutzt, und
nur die mittleren Elektroden der Elemente benötigen eine unabhängige Steuerung.
Daher sind für
einen Kamm mit 8 Bimorphen nur 8 + 2 (10) anstatt 8 + 8 + 8 (24)
elektrische Verbindungen vorhanden.
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28a–28e zeigen Draufsichten auf jede Schicht von Piezokammanordnungen
und Folienanordnungen, wie beispielsweise die in 26a–26e gezeigten. Diese sind zu einer Schaltbaugruppe,
wie in 29 und 30 gezeigt, zusammengebaut. 29 zeigt
einen 5-Folien-Stapel 64, Piezokämme 2 in einer Stützplatte 65,
mit der elektrische Verbindungen durch ein Bandkabel 66 hergestellt
sind, wobei die Komponenten in einer Stützkonstruktion 67 montiert
sind. Eine optische Faseranordnung 5 verläuft mittig
durch die Konstruktion 67, wie ebenfalls in der Rückansicht
aus 30 gezeigt.
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31a und 31a sind
ausgeschnittene perspektivische Ansichten einer Schaltanordnung der
monolithischen Art, bei der Piezoaktuatoren 70 der Art
einer monolithischen Röhre
metallisierte Faseroptik 71 ablenken, die in Kollimatoren 72 (oder
benachbart zu diesen) endet, die in einer Kapazitätssensorrückführungsschaltkarte 73 montiert
sind; wobei mechanische Hebelwirkung (wie die in 20 gezeigte)
durch die Verlängerungshebel 74 ausgeübt wird
(wobei eine vergrößerte Ansicht
in 31c gezeigt ist).
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32 und 33 zeigen
folienartige Unterbaugruppen in einer späteren Phase der Fertigstellung
und 34 zeigt zwei der Unterbaugruppen, die einander über einen
Zwischenraum hinweg gegenüberliegen,
in dem die Strahlen projiziert werden.
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Anhang A
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Ein
Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines piezoelektrischen
Wandlers des monolithischen Typs ist unten ausführlicher beschrieben, alle elektrischen
Verbindungen zum Steuern der Fasern sind zu Kontaktflecken an der
Kante der Keramik ausgestülpt
und drei Verbindungen werden jeweils mit Spannung versorgt, um sie
anzutreiben.
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Erster
Schritt: Die Verbindungen sind auf einer Keramikbasis ausgelegt.
Zweischichtmetallisierung, hinaus zur Anordnung von Kontaktflecken
um die Kante herum.
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Zweiter
Schritt: ein Niedertemperaturkeramikgitter mit grobem Muster wird
gedruckt und gebrannt.
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Dritter
Schritt: Löcher
in dem Muster werden beschichtet und mit darunterliegenden Verbindungen verbunden.
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Vierter
Schritt: Eine Piezoscheibe einer Güteklasse, die für Tintenstrahldruckköpfe oder Ähnliches
verwendet wird und für
Diamantsägen
geeignet ist, wird unter Verwendung einer Legierung mit niedrigem
Schmelzpunkt mit der Keramikbasis verbunden.
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Fünfter Schritt:
Löcher
werden hindurchgebohrt (um Faserkern freizulegen)
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Sechster
Schritt: Erster sechseckiger Sägeschneidschritt
(7)
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Siebter
Schritt: Die Seiten der Säulen
werden beschichtet oder tief bedampft. Faserlöcher sowie die Rückseite
des Keramikelements werden zur Verwendung als Erdungsverbindung
mit den Faserlöchern
ebenfalls beschichtet oder bedampft. Die Spitzen der Säulen werden
nach Bedarf entmetallisiert.
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Achter
Schritt: Das Piezoelement wird unter Öl polarisiert, wodurch eine
radiale Polarisation in den Säulen
erzeugt wird.
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Neunter
Schritt: Die zweite Gruppe des Sechsecksägevorgangs erzeugt die endgültigen Säulen (7). Benötigt einen weiteren Schneidvorgang,
um Metalldicke zu verringern, falls beschichtet und nicht bedampft.
Drahtverbindungen oder Lötflecken
zu elektrischen Anschlüssen.
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Zehnter
Schritt: Faserkerne (die Enden sind bereits präpariert) werden bei über flachem
und positionierendem Gitter angeordneter Vorrichtung hin durchgeführt. In
jede Faser UV-härtendes
Epoxid einführen
und aussetzen.
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Elfter
Schritt: Mikrolinsenanordnung befestigen und fokussieren.
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Zwölfter Schritt:
Rückseite
an Rückseite
mit passender Anordnung oder mit passendem Spiegel zusammensetzen.
Faserenden mit Anschlüssen
verbinden.
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Die
Anzahl von Fasern, die in der sechseckigen Anordnung bei gegebener
Faser erreichbar sind, kann um das n-fache der Punkttrennung vom
Mittelpunkt gebogen werden und beträgt n(n = 1)*3 + 1. D. h. eine
Ablenkungsfähigkeit
von +/–10
Punktgrößen bietet
Zugriff auf 334 Punkte – 1
nicht blockierender 334 × 334-Schalter.
Zur Verwirklichung dieser Leistung muss die korrekte Pfadlänge verwendet
werden.
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Die
Qualität
der Linsenanordnung ist für
die Erzielung beugungsbeschränkter
Gauss'scher Strahlen,
die zur Leistungsmaximierung benötigt
werden, von Bedeutung. Wenn eine große nummerische Öffnung und
ein kleines Sichtfeld verwendet werden, erzeugt eine einzelne Oberflächenparabolform,
die aus mehrschichtigem abgeschiedenem Siliciumdioxid aufgebaut
wird, das daraufhin aufgeschmolzen wird, hervorragende Ergebnisse.
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Die
Antwortzeit wird durch die Resonanzfrequenz der Säulen plus
Faser eingestellt. Je kürzer und
dicker desto besser (dies ist eine entgegengesetzte Anforderung
zur Maximierung der Bewegung). Es ist vorteilhaft, wenn die Säule zur
Spitze hin leichter wird.
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Die
Ablenkung wird unter Verwendung dieses radial gepolten Systems erreicht,
wobei radiale Polungen und Spannungen zwischen drei Seiten und dem
Mittelpunkt angelegt werden. Durch Verwendung einer Schermodusablenkung
wird eine erneute Polarisierung vermieden (kann durch die Dicke
vorpolarisiert werden), ergibt jedoch eine wesentlich geringere
Ablenkung. Eine maximale Ablenkung wird mit Hilfe eines mehrschichtigen
Stapels, der durch die Dicke hindurch polarisiert ist, erreicht,
jedoch sind hierzu mehrere Schichten erforderlich.
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Durch
Verwendung eines teilweise durchlässigen Spiegels und einer CCD-Vorrichtung
an der Stelle, an der das andere Faserpaket angeordnet würde, wird
die Ausrichtung des einzelnen Pakets mit einer Spiegelkonfiguration
erleichtert. Dies kann, falls bei dieser Konfiguration gewünscht, prozessgekoppelt
oder einfach als Einrichtungshilfe für die Elektronik verwendet
werden, um die korrekten Antriebsspannungen für alle Positionen aller Fasern
zu ermitteln.