DE60119844T2

DE60119844T2 - Segmentierter Wellenleiter für faseroptische Drehverbindung mit grossem Durchmesser

Info

Publication number: DE60119844T2
Application number: DE60119844T
Authority: DE
Inventors: Norris E. Christiansburg Lewis; Anthony L. Pembroke Bowman; Robert T. Blacksburg Rogers
Original assignee: Moog Inc
Current assignee: Moog Inc
Priority date: 2000-07-31
Filing date: 2001-07-25
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2021-07-26
Also published as: CA2352691A1; EP1178339A2; CA2352691C; EP1178339B1; JP5261807B2; JP2002090575A; DE60119844D1; EP1178339A3; US6453088B1

Description

Einschlägige Anmeldungen
Eine Patentanmeldung unter dem Titel "Parallel Data Transmission Through Segmented Waveguides of Large Diameter", die am selben Datum wie die vorliegende Anmeldung eingereicht wurde, steht in Zusammenhang mit der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 09/531,772, die am 21. März 2000 unter dem Titel "Multi-Channel On-Axis Fiber Optic Rotary Joint" eingereicht wurde, und die auf die vorliegende Rechtsnachfolgerin übertragen ist. Diese beiden Patentanmeldungen werden hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in diese Beschreibung eingeschlossen. Die vorliegende Anmeldung steht auch in Zusammenhang mit dem am 23. November 1999 unter dem Titel "Fiber Optic Rotary Joint" erteilten US-Patent Nr. 5,991,478 und der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 09/115,946, die am 15. Juli 1998 unter dem Titel "Fiber Optic Rotary Joint" eingereicht wurde, die beide auf die vorliegende Rechtsnachfolgerin übertragen sind und die hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme in diese Beschreibung eingeschlossen werden.
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft allgemein faseroptische Drehverbindungen, und spezieller betrifft sie kontaktfreie faseroptische Drehverbindungen zum Übertragen von Signalen mit hoher Bitrate. Noch spezieller betrifft die Erfindung einen segmentierten Wellenleiter, wie er beim Zusammenbauen einer faseroptischen Drehverbindung verwendet wird, und zur Verwendung beim Nachrüsten einer vorhandenen Gantry für einen CAT-Scanvorgang mit einer faseroptischen Drehverbindung.
Hintergrundbildende Technik
Als faseroptische Drehverbindungen bezeichnete Vorrichtungen ermöglichen es, optische Signale zwischen Fasern zu übertragen, die sich an einem rotierenden und einem stationären Element befinden. Die Vorrichtung fällt in die Kategorie einer axialen Drehverbindung, wenn sich die Fasern entlang der Rotationsachse befinden. Die Vorrichtung fällt in die Kategorie einer achsversetzten Drehverbindung, wenn kein Zugang zur Rotationsachse oder Mittellinie möglich ist. Die bei diesen zwei Typen von Drehverbindungen verwendeten Technologien sind ziemlich verschieden. Die Erfindung betrifft achsversetzte Drehverbindungen.
Es wurden kontaktfreie, achsversetzte faseroptische Drehverbindungen entwickelt, wie es im US-Patent Nr. 4,525,025 für die vorliegende Rechtsnachfolgerin offenbart ist. Das Patent '025 offenbart eine faseroptische Drehverbindung, die ein gepulstes optisches Signal über eine rotierende Schnittstelle einkoppelt und über eine ringförmige, reflektierende, an einem Stator ausgebildete Wand und eine am Stator angebrachte optische Faser verfügt, deren eines Ende in enger Nachbarschaft zur ringförmigen, reflektierenden Wand, tangential zu dieser liegt. Ein durch eine dieser optischen Fasern emittiertes Signal wird entlang der ringförmigen, reflektierenden Wand reflektiert, und von der anderen der optischen Fasern empfangen.
Tatsächliche Verbindungen, die auf eine Weise aufgebaut sind, die derjenigen ähnlich ist, wie sie allgemein im Patent '025 offenbart ist, sind wegen nicht akzeptierbarer Ausbreitungsverzögerungen, die durch eine Impulsbreitenverzerrung verursacht sind, auf einen Rotordurchmesser von 10–12 Zoll und Datenraten von 50 Megabit/s beschränkt. Es besteht Bedarf an Verbindungen mit Rotordurchmessern von 40–50 Zoll unter Verwendung gepulster optischer Signale mit Datentransferraten von 1–3 Gigabit/s. Um diesen Erfordernissen zu genügen, müssen zwei Kriterien erfüllt sein. Erstens müssen optische Variationen bei der Drehung minimiert sein. Zweitens müssen Ausbreitungsverzögerungen kontrolliert werden, um den Effekt auf die Impulsbreitenverzerrung zu minimieren.
Optische Variationen bei der Drehung können unter Verwendung mehrerer optischer Aufnehmer, die am Umfang beabstandet angeordnet sind, minimiert werden. Das Problem besteht darin, dass es wünschenswert ist, über so wenig Aufnehmer wie möglich zu verfügen, um die Kompliziertheit und die Kosten zu minimieren.
Ausbreitungsverzögerungen müssen kontrolliert werden. Beispielsweise sei ein Wellenleiter betrachtet, der mit einem kontinuierlichen Bogen von 360° mit einem Umfang von vier Metern ausgebildet ist. Wenn vier faseroptische Aufnehmer, die äquidistant um den Umfang herum liegen, auf eine gemeinsame Fotodiode fokussiert werden und eine einzelne Lichtquelle dazu verwendet wird, an einem Einspeisepunkt ein Signal in einen Wellenleiter einzuspeisen, empfängt derjenige optische Aufnehmer, der dem Einspeisepunkt am nächsten liegt, das gesendete Signal als Erstes, und dadurch sendet er als erster das empfangene Signal an die Fotodiode. Da sich der zweite optische Aufnehmer 90° entfernt befindet, trifft das optische Signal, das mit einer Geschwindigkeit von drei ns/m ausgehend von Einspeisepunkt läuft, drei ns nach dem ersten am zweiten Aufnehmer ein. In ähnlicher Weise empfängt der dritte Aufnehmer das übertragene Signal nach neun ns. So ergibt sich für einen kontinuierlichen Wellenleiter mit einem Umfang von vier Metern eine Ausbreitungsverzögerung von zwölf ns. Bei einem Signal von 100 Mb/s, das über eine Bitbreite von 10 ns verfügt, die unter diesen Bedingungen zu übertragen ist, würde die Bitform durch Signale verzerrt werden, die zu verschiedenen Zeitpunkten an den verschiedenen optischen Aufnehmern eintreffen, da die Ausbreitungsverzögerungen größer als die Bitbreite sind. Bei einer Verbindung mit größerem Durchmesser ist das Problem noch größer, und es würden sich noch größere Verzögerungen zeigen.
Andere Schwierigkeiten können dann angetroffen werden, wenn eine faseroptische Drehverbindung z.B. in einem CAT-Scangerät installiert wird. Die Schwierigkeit bei einer derartigen Anordnung besteht darin, dass die Verbindung mit dem Rotor und dem Stator in der Fabrik vor-zusammengebaut wird, wobei sie häufig auseinandergebaut werden muss, wenn sie in der Gantry einer vorhandenen CAT-Scanmaschine installiert wird. Es ist wünschenswert, die Arbeiten und Kosten zum Installieren der faseroptischen Drehverbindung in der CAT-Scanmaschine zu minimieren.
Ein anderes Problem besteht darin, dass es schwierig, teuer und zeitaufwändig ist, einen Wellenleiter für einen Stator sowie die verschiedenen optischen Sender und Empfänger, wie sie zum Herstellen einer faseroptischen Drehverbindung erforderlich sind, zu installieren.
Weitere Information betreffend den Stand der Technik findet sich im US-Patent 4,278,323, das ein System zum Koppeln von Signalen von einem beweglichen Element, wie einem Panzerturm, in ein festes Element, wie einen Panzerrumpf, offenbart, mit einer drehbaren Trommel, die einen optischen Faserschleifring trägt (einen optischen Wellenleiter, bei dem es sich um ein starres faseroptisches Bündel oder einen starren optischen Kunstharzring handeln kann). In den optischen Faserschleifring sind fotoelektrische Wandler, wie Fotodioden oder Leuchtdioden, eingebettet, und ihre Lichtpulse werden über einen Spalt an einen optischen Faserblock übertragen, der eben falls fotoelektrische Wandler enthält.
Das US-Patent 4,255,751 offenbart ein Speisesystem für ein geodätisches Antennensystem mit Luneberg-Linsen, bei dem ein sequenzielles, zylindrisches Durchscannen mehrerer Speisesektoren der Linse durch einen Sender-/Empfänger mit einer minimalen Totzeit zwischen aufeinanderfolgenden Scanvorgängen ausgeführt wird. Die Linse verfügt über zwei halbkreisförmige, aufgeteilte Wellenleitersektoren. Ein Rotor der Linse verfügt über eine Reihe zusammenhängender, bogenförmiger, aufgeteilter Wellenleitersegmente.
Zusammenfassung der Erfindung
Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine faseroptische Drehverbindung zu schaffen, die ein Signal mit hoher Bitrate übertragen kann.
Durch die Erfindung sind ein gebogener Wellenleiter gemäß dem unabhängigen Anspruch 1, ein Stator gemäß dem Anspruch 7, eine faseroptische Drehverbindung gemäß dem Anspruch 8, eine Gantry gemäß dem Anspruch 11, sowie ein Verfahren zum Nachrüsten einer Gantry gemäß dem Anspruch 14 geschaffen. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung spiegeln sich in den abhängigen Ansprüchen wieder.
Die beanspruchte Erfindung kann angesichts der nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen besser verstanden werden. Allgemein beschreiben die beschriebenen Ausführungsformen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Der aufmerksame Leser erkennt jedoch, dass sich einige Gesichtspunkte der beschriebenen Ausführungsformen über den Schutzumfang der Ansprüche hinaus erstrecken. In dem Umfang, in dem sich die beschriebenen Ausführungsformen tatsächlich über den Schutzumfang der Ansprüche hinaus erstrecken, sind die beschriebenen Ausführungsformen als zusätzliche Hintergrundinformation zu betrachten, und sie tragen nicht zu Definitionen der Erfindung als solcher bei. Dies gilt auch für die folgende "Kurze Beschreibung der Zeichnungen" und die "Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen".
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, eine faseroptische Drehverbindung zu schaffen, die einen Umfang von mindestens 4 Metern aufweisen kann.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen segmentierten Wellenleiter zu schaffen, der dazu verwendet werden kann, eine vorhandene Gantry nachzurüsten, um eine faseroptische Drehverbindung zu bilden.
Es ist noch eine andere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Nachrüsten einer Gantry mit einer faseroptischen Drehverbindung zu schaffen.
Diese und andere Aufgaben sind durch eine bevorzugte Ausführungsform gelöst, durch die ein Wellenleiter für eine faseroptische Drehverbindung geschaffen ist, die über Folgendes verfügt: einen Rotor und eine vorhandene Statorfläche, wobei der Rotor über einen von mehreren Lichtsendern und Lichtempfängern verfügt, die an einem ersten Umfang des Rotors angebracht sind, einen segmentierten Wellenleiter, der von den mehreren Lichtsendern am Rotor gesendete optische Energie reflektieren kann, wobei der Rotor über volle 360° konzentrisch zur vorhandenen Statorfläche verdrehbar ist. Eine Wellenleiter-Reflexionsfläche ist so geformt, dass sie zu einem Abschnitt der vorhandenen Statorfläche passt. Mindestens ein Wellenleiterhalter hält die Wellenleiter-Reflexionsfläche und ist mit dem vorhandenen Stator verbunden, und mindestens ein Lichtsender und/oder ein Lichtsender ist optisch an die Wellenleiter-Reflexionsfläche gekoppelt.
Diese und andere Aufgaben sind durch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gelöst, durch die ein gebogener Wellenleiter geschaffen ist, der an einer vorhandenen Kreisbohrung anbringbar ist. Der Wellenleiter mit der genannten reflektierenden Innenfläche erstreckt sich über einen Bogen von bis zu 135° der vorhandenen Kreisbohrung. Der Wellenleiter hält die Konstruktion zum Anbringen einer Wellenleiter-Reflexionsfläche in der vorhandenen Kreisbohrung, und er enthält einen Lichtsender oder einen Lichtempfänger.
Diese und andere Aufgaben sind durch eine bevorzugte Ausführungsform gelöst, durch die ein Verfahren zum Nachrüsten einer vorhandenen Gantry mit einer faseroptischen Drehverbindung geschaffen ist, wobei mindestens eine Wellenleiter-Reflexionsfläche an einem Innendurchmesser der vorhandenen Gantry angebracht wird, ein Lichtsenderbauteil oder ein Lichtempfängerbauteil am reflektierenden Wellenleiter angebracht wird und mehrere Lichtsender oder Lichtempfänger an einem konzentrisch in der Gantry positionierten Rotor angebracht werden.
Noch andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich, in der die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung angegeben und beschrieben sind, und zwar einfach durch Veranschaulichen desjenigen, was derzeit als beste Art zum Ausführen der Erfindung angesehen wird. Wie es zu erkennen ist, ist die Erfindung anderen und verschiedenen Ausführungsformen zugänglich, und ihre verschiedenen Einzelheiten können auf verschiedene offensichtliche Weisen modifiziert werden, und zwar alles ohne Abweichung von der Erfindung. Demgemäß sind die Zeichnungen und die zugehörige Beschreibung als der Art nach veranschaulichend und nicht als beschränkend anzusehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist in den Figuren der beigefügten Zeichnungen beispielhaft, und nicht beschränkend, veranschaulicht, wobei Elemente mit denselben Bezugszahlkennzeichnungen durchgehend gleiche Elemente repräsentieren.
1 ist eine schematische, repräsentative Ansicht einer erfindungsgemäßen faseroptischen Drehverbindung mit einem einzelnen segmentierten optischen Wellenleiter;
2 ist eine schematische, repräsentierende Ansicht einer erfindungsgemäßen faseroptischen Drehverbindung mit mehreren segmentierten Wellenleitern;
3A und 3B sind schematische, repräsentierende Ansichten einer Gegendrehungs-Ausführungsform für die faseroptischen Drehverbindungen der 1 und 2; und
4 ist eine schematische, repräsentierende Ansicht einer alternativen Anordnung mit Licht, das in zwei Wellenlängen λ₁ und λ₂ gesendet wird, die bei den faseroptischen Drehverbindungen der 1, 2 und 3 anwendbar ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Diese Anmeldung ist eine Verbesserung des am 23. November 1999 erteilten US-Patents Nr. 5,991,478.
Es wird nun auf die 1 Bezug genommen, in der eine erste Ausführungsform einer faseroptischen Drehverbindung, die allgemein mit 14 gekennzeichnet ist, dargestellt ist, die gemäß den Prinzipien der Erfindung aufgebaut ist. Die faseroptische Verbindung 14 ist in jeder Umgebung anwendbar, die eine Drehverbindung großen Durchmessers benötigt, die Signale mit hoher Bitrate übertragen kann, und sie ist für CAT-Scanmaschinen besonders nütz lich. Der Zweckdienlichkeit halber wird die faseroptische Drehverbindung in Bezug auf die in der 1 dargestellte Ausrichtung beschrieben, und demgemäß sind Begriffe wie "über", "nach oben" und "in Uhrzeigerrichtung" und "in Gegenuhrzeigerrichtung", wie hier verwendet, in relativem Sinn auszulegen.
Die Erfindung wird dann am vorteilhaftesten verwendet, wenn eine faseroptische Drehverbindung in der Gantry einer vorhandenen CAT-Scanmaschine installiert wird. Die vorhandene Gantry verfügt über eine zylindrische Bohrung, in der gemäß der Erfindung segmentierte Wellenleiter positioniert werden, um einen Stator zu bilden.
Die faseroptische Drehverbindung 14 verfügt über einen Stator 16 und einen Rotor 18. Der Rotor 18 verfügt über einen kreisförmigen Außenumfang 20. Der Stator 16 bildet den stationären Teil der faseroptischen Drehverbindung 14. Der Stator 16 verfügt über mindestens eine segmentierte Wellenleiterbaugruppe 22 mit einer ringförmigen Innenfläche 24, einem Wellenleiterhalter 26, der an einem Ende der segmentierten Wellenleiterbaugruppe 22 positioniert ist, und einen Wellenleiterhalter 28, der am entgegengesetzten Ende derselben positioniert ist. Es ist mindestens eine segmentierte Wellenleiterbaugruppe 22 erforderlich, um eine erfindungsgemäße faseroptische Drehverbindung aufzubauen. Die ringförmige Innenfläche 24 ist hoch reflektierend, und sie kann mit einer Goldbeschichtung beschichtet und dann poliert werden. Die Halter 26, 28 werden auf herkömmliche Weise an der Gantry angebracht.
An der Wellenleiterbaugruppe 22 sind zwei als Parallelogramme 40, 42 dargestellte Lichtempfänger positioniert, um Licht oder optische Energie zu empfangen, wie sie durch Parallelogramme 100 und 114 übertragen und durch die Fläche 24 reflektiert wird.
Das Parallelogramm 40 befindet sich an einem Ende der Wellenleiterbaugruppe 22, und das Parallelogramm 42 befindet sich an einem Ort dazwischen, wobei jedes an der Wellenleiterbaugruppe 22 angebracht ist. Für alle Lichtsender und Lichtempfänger, wie sie unter Bezugnahme auf die 1–5 beschrieben werden, können andere Lichtumlenkeinrichtungen verwendet werden, solange das Licht unter einem Winkel von 90° umgelenkt wird, wie eine optische Faser, die unter einem Winkel von 45° abgeschnitten ist, oder ein verformbares Rohr kleinen Durchmessers mit einer optischen Faser in einem Rohr und einer Biegung von 90°.
Wie es in der 1 dargestellt ist, verfügt das Parallelogramm 40 über eine Fläche 40', die sich an einem Ende der ringförmigen Reflexionsfläche 24 befindet und sich ausgehend von dieser radial nach innen erstreckt. Eine erste Lichtreflexionsfläche 40'' reflektiert Licht in einer normalen Richtung relativ zur Ringfläche 24, wie es in der 1 dargestellt ist. Eine zweite Lichtreflexionsfläche 40''' befindet sich radial außerhalb der Ringfläche 24 und verläuft parallel zur Fläche 40'. Eine vierte Fläche 40'''' erstreckt sich radial nach außen ausgehend von der Fläche 24. In ähnlicher Weise verfügt das Parallelogramm 42 über Flächen 42', 42'', 42''' und 42''''. Mit den Parallelogrammen 40, 42 sind Fasern 44 bzw. 46 verbunden.
Acht Lichtsender, die als Parallelogramme dargestellt sind, sind vorzugsweise in der Umfangsrichtung gleich beabstandet am Außenumfang 20 des Rotors 18 positioniert, und sie erstrecken sich von diesem aus radial nach außen. Die Parallelogramme könnten auch ungleich beabstandet sein. Anstelle von Parallelogrammen können andere Lichtablenkbauteile verwendet werden, solange das Licht unter einem Winkel von ungefähr 90° abgelenkt wird. Jedes Parallelogramm 100, 102, 104, 106, 108, 110, 112, 114 verfügt über eine entsprechende Lichteinspeisefläche 100', 102', 104', 106', 108', 110', 112', 114', die sich vom Außenumfang 20 radial nach außen erstreckt. Eine erste Reflexion erstreckt sich unter einem Winkel vom Außenumfang 20 der Lichtfläche 100'', 102'', 104'', 106'', 108'', 110'', 112'', 114''. Demgemäß ist, wie es in der 1 dargestellt ist, jedes Lichtempfangsprisma mit einem Intervall von 45° zum nächstbenachbarten Lichtempfangsprisma positioniert. Die Lichteinspeisefläche 100', 102', 104', 106', 108', 110', 112', 114' zeigen in der Gegenuhrzeigerrichtung, gemäß der Darstellung der 1. Lichtempfangsflächen 40', 42' zeigen in der Gegenuhrzeigerrichtung, gemäß der Darstellung in der 1. Die Ausrichtung dieser Flächen kann umgekehrt werden, solange die Lichteinspeiseflächen in der entgegengesetzten Richtung zu den Lichtempfangsflächen zeigen. Eine zweite Lichtempfangsfläche 100''', 102''', 104''', 106''', 108''', 110''', 112''', 114''' empfängt optische Energie, wie sie durch eine entsprechende Lichtempfangsfläche 100'''', 102'''', 104'''', 106'''', 108'''', 110'''', 112'''', 114'''' eingespeist wird.
Faseroptische Kabel 140, 142, 144, 146 sind mit einem Ende mit einem VCSEL-Treiber Nr. 1 verbunden, und faseroptische Kabel 148, 150, 152, 154 sind an einem ihrer Enden mit einem VCSEL-Treiber Nr. 2 verbunden. Die faseroptischen Kabel 140, 142, 144, 146 sind an ihrem entgegengesetzten Ende mit den Lichtsende-Parallelogrammen 100, 102, 104, 106 verbunden, und die faserop tischen Kabel 148, 150, 152, 154 sind an ihrem entgegengesetzten Ende mit 108, 110, 112 bzw. 114 verbunden.
Im Betrieb kann sich der Rotor 18 entweder in der Uhrzeigerrichtung oder der Gegenuhrzeigerrichtung drehen, wie es in der 1 dargestellt ist. Der VCSEL 80 und der VCSEL 90 senden nahezu gleichzeitig ein optisches Signal, die identische Information enthalten, und sie speisen diese Signale in die optischen Fasern 140–146 bzw. 148–154 ein. Die Fasern 44, 46 sind mit dem Parallelogramm 40 bzw. 42 verbunden.
Dann wird jedes Signal durch ein entsprechendes Parallelogramm 100–114 in den Innendurchmesser 30 der Gantry geschickt. Alle durch ein jeweiliges Parallelogramm 100–114 emittierten Signale werden nahezu gleichzeitig emittiert, und sie enthalten dieselbe Information. Die Leistung eines vorgegebenen Signals ist, zum Teil, durch die gewünschte Datenrate bestimmt.
Das Verwenden mehrerer Lichtquellen um den Umfang des Rotors 18 oder des Stators 16 herum ermöglicht es, das gesendete Signal an mehreren Orten aufzunehmen. Wie es in der 1 dargestellt ist, wird von der Fläche 100' des Parallelogramms 100 emittierte optische Energie an der Fläche 40' des Parallelogramms 40 empfangen, nachdem sie durch die ringförmige Wellenleiterfläche 24 reflektiert wurde. Beispielsweise ist es aus der Kommunikationstheorie bekannt, dass ein optischer Empfänger, der einen Bitstrom mit einer Datenrate von 125 Mb/s empfangen kann, minimal 8 × 10^–7 Watt empfangen muss, um einer Bitfehlerrate von 1 × 10^–9 zu genügen. Obwohl die Lichtsender 100–114 in der Figur mit Intervallen von 45° dargestellt sind, ist es bekannt, dass ein gleichmäßigeres Signal bewegt wird, wenn sich der Rotor 18 in Bezug auf den Stator 16 bewegt, wenn die Lichtsender nicht genau mit Intervallen von 90° positioniert sind. Z.B. kann ein Satz von Bedingungen über Lichtsender verfügen, die bei 0°, 82,5°, 165° und 247,5° angeordnet sind. Die Zahl und der Ort der Quellen können variiert werden, um den Datenratenerfordernissen zu genügen.
Die von den Flächen 100'–114' emittierten optischen Signale treffen auf die jeweilige reflektierende Innenfläche 24 und werden von dieser reflektiert, und sie breiten sich in kurzen Sehnenpfaden entlang der Fläche aus, bis sie durch die Lichtempfangs-Parallelogramme 40' bzw. 42' ausgeblendet und empfangen werden, wie es in der 1 dargestellt ist. Parallelogramme, zu denen 102–112 gehören, die angrenzend an den nicht reflektierenden Innendurchmesser der Gantry liegen, senden optische Signale, die entweder nicht reflektiert werden oder stark gedämpft werden. Z.B. empfangen, wie es in der 1 dargestellt ist, Licht oder optische Energie 110, 108, 104, 102, 122, 120, 116, 114 keine optischen Signale.
Es wird speziell auf die 1 Bezug genommen, und von den in dieser dargestellten Parallelogrammen 42 und 40 empfängt nur das Parallelogramm 40 ein nutzbares Signal vom Parallelogramm 100, da das von den anderen Parallelogrammen 102–112 emittierte Signal geschwächt oder gestreut wird. Das Parallelogramm 42 empfängt ein nutzbares Signal vom Parallelogramm 114. Z.B. sollte das Parallelogramm 40, unter Verwendung eines Lasers von 40–50 Milliwatt, ein optisches Signal empfangen, das einem elektrischen Signal von ungefähr 5–10 mV entspricht, wenn es dreißig Grad entfernt positioniert ist. Das Parallelogramm 42 sollte ein optisches Signal empfangen, das einem elektrischen Signal von ungefähr 30–40 mV entspricht.
Die Stärken des durch das Parallelogramm 114 emittierten optischen Signals ist an der reflektierenden Innenfläche 24 nutzbar, jedoch wird das durch das Parallelogramm 112 emittierte optische Signal zu schwach, wenn es das Gebiet 24 erreicht. Wenn das vom Parallelogramm 112 emittierte optische Signal erfasst würde, würde es aufgrund einer Ausbreitungsverzögerung eine Bitbreitenverzerrung verursachen. Ein Teil des Grunds, weswegen das Signal nicht erfasst wird, besteht darin, dass Störsignalpegel vorliegen, die für einen Verstärker, der Signale von 100–400 Megabit/s erzeugen kann, wie er bei der Erfindung verwendet wird, ungefähr 1 mV betragen.
Jedes optische Signal wird dann über die optischen Fasern 44, 46 übertragen und durch eine Linse 50 fokussiert und eine Fotodiode 52 empfangen. Vorteilhafterweise löst diese Anordnung Schwankungen der optischen Amplitude dadurch, dass Signale alle Rotationspositionen des Rotors 18 übertragen werden können. Gemäß der 1 ist der Wellenleiter 22 über seine gesamte Länge reflektierend, und er erstreckt sich bis zu einem Winkel von 135°. Demgegenüber sind die Parallelogramme unter einem Winkel von 45° beabstandet. So befinden sich, während der Drehung des Rotors 18, mindestens ein, und zeitweilig zwei, Parallelogramme benachbart zur ringförmigen Fläche 24.
Die Länge des Wellenleiters 22 und/oder die Länge, gemäß der der Empfänger entfernt vom Sender liegt, ist auf die Länge eingeschränkt, die eine akzeptierbare Bitverzerrung erlaubt. So muss, wenn die Bitrate zunimmt, die Länge des Wellenleiters abnehmen und/oder es müssen zusätzliche Sender verwendet werden. Bei der Erfindung werden mehr Sender als Empfänger verwendet.
Schließlich kann die Bitrate zunehmen, bis es nicht mehr möglich ist, über eine akzeptierbare Wellenleiterlänge zu verfügen, damit unter allen Winkeln ein gleichmäßiges Signal aufgenommen werden kann. In diesem Fall kann es wünschenswert sein, zusätzliche Licht einspeisende Parallelogramme am Rotor und zusätzliche Licht empfangende Parallelogramme um den Stator herum anzubringen, um die Pfadlänge um die ringförmige Reflexionsfläche zwischen dem Lichteinspeiseprisma und dem Lichtempfangsprisma zu verkürzen.
Ein Vorteil, dass sich das Signal in Luft statt in einem Medium wie Glas oder Kunststoff ausbreiten kann, besteht darin, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeiten in Luft viel höher sind. (Die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Luft beträgt ungefähr 3 ns/Meter; die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Glas mit einem Brechungsindex von 1,41 beträgt ungefähr 5 ns/Meter.) Die Ausbreitungsgeschwindigkeit bestimmt schließlich die effektive Länge des Wellenleiters, die verwendet werden kann, wenn die Bitrate zunimmt. So ist ein größeres Wellenleiterstück zur Signalübertragung verwendbar, wenn sich das Signal in Luft statt in Glas oder einer Faser ausbreitet.
Es ist nun auf die 2 Bezug zu nehmen, in der eine andere Anordnung der Erfindung dargestellt ist. Die Ausführungsform der 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform der 1. Es ist ein zweiter segmentierter Wellenleiter 122 in Umfangsrichtung beabstandet von der ersten Wellenleiterbaugruppe 22 vorhanden. Zwischen den Wellenleiterbaugruppen 22 und 122 ist eine nicht reflektierende Innenfläche der Gantry 230 ausgebildet. Wie es in der 2 dargestellt ist, verfügt jede Wellenleiterbaugruppe 22, 122 nur über ein einzelnes Parallelogramm 40 bzw. 140. Es ist zu beachten, dass jede beliebige Anzahl von Parallelogrammen beabstandet an jeder der Wellenleiterbaugruppen vorhanden sein kann.
Es ist nun auf die 3 Bezug zu nehmen, in der eine schematische Darstellung sich gegenläufig drehender Rotoren dargestellt ist. Wie es in der 3 dargestellt ist, ist ein Rotor 18 vorhanden. Der Deutlichkeit halber sind zwei getrennte Darstellungen verwendet. Beim tatsächlichen System sind dieselben Wellenleiter dazu verwendet, sich gegenläufig drehende optische Signale zu führen. Die Lichtquellen am Stator sind so ausgerichtet, dass sie Licht sowohl in der Uhrzeiger- als auch in der Gegenuhrzeigerrichtung in die stationären Wellenleiter einspeisen, um so für sich einander entgegengesetzt drehende Signale zu sorgen, was es ermöglicht, die Datenrate zu verdoppeln, ohne dass zusätzliche Wellenleiter hinzuzufügen wären. Die zwei Rotoren drehen sich in entgegengesetzten Richtungen, anders gesagt, sie drehen sich gegenläufig. Die Lichtquellen am Rotor sind so ausgerichtet, dass sie Licht in die stationären Wellenleiter 152, 154 bzw. 252, 254 sowohl in der Uhrzeiger- als auch der Gegenuhrzeigerrichtung einspeisen. So ermöglichen es, bei der in der 3 dargestellten Ausführungsform, die sich gegenläufig drehenden Signale, die Datenrate zu verdoppeln, ohne dass zusätzliche Wellenleiter hinzugefügt würden. Wie es in der 3 dargestellt ist, ist die Wellenleiterbaugruppe 14 identisch mit der bei der in der 1 dargestellten Ausführungsform, während der Wellenleiter 200 eine sich gegenläufig drehende identische Ausführungsform ist, die ähnlich einem Spiegelbild der Ausführungsform der 1 ist.
Genauer gesagt, existieren acht Parallelogramme 200–214, die Licht in der Uhrzeigerrichtung einspeisen, wie es in der 3 dargestellt ist. Die stationären Wellenleiter 252, 254 verfügen über Lichtempfangs-Parallelogramme, die Signale in der Uhrzeigerrichtung über die Fläche 240' bzw. 242' empfangen.
In der 4 ist die Fähigkeit mehrerer Kanäle über einen Wellenleiter-Multiplexbetrieb veranschaulicht. Die Ausführungsform der 4 ist identisch mit der in der 3 dargestellten Ausführungsform für die Uhrzeigerrichtung, mit der Ausnahme, dass zwei Laser 480, 490 vorliegen, die Licht mit der Wellenlänge λ₁ bzw. λ₂ einspeisen. Das Licht wird über ein Prisma 200 bzw. 214 abgestrahlt und mittels eines Lichtempfangs-Parallelogramms oder -prismas 240 bzw. 242 empfangen. Das Licht wird über eine Linse 250 fokussiert. Das fokussierte Licht von der Linse 250 wird in ein dichroitisches Filter 260 fokussiert und dann durch Wellenlängen, unterschieden in Fotodioden 270, 272, aufgeteilt.
Bei jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen können, anstatt dass ein vollständig zusammengebauter Stator bereit gestellt würde, der teuer in der Herstellung ist, relativ kurze, gebogene Wellenleiter hergestellt werden, die beträchtlich billiger herstellbar sind als ringförmige Wellenleiter von vollen 360°. Vorteilhafterweise bildet dies eine Maßnahme für eine deutliche Kostensenkung im Vergleich zu bereits vorhandenen Vorrichtungen. Bei jeder der beschriebenen Ausführungsformen wird der gebogene Wellenleiter so hergestellt, dass er am Innenumfang einer Gantry platzierbar ist. So hängt die Form des gebogenen Wellenleiters vom Innendurchmesser der vorhandenen Gantry ab. Der gebogene Wellenleiter wird unter Verwendung herkömmlicher Verfahren an der vorhandenen Gantry befestigt.
Der Fachmann erkennt es leicht, dass die Erfindung die oben dargelegten Aufgaben löst. Nachdem der Fachmann die vorstehende Beschreibung gelesen hat, ist er dazu in der Lage, verschiedene Änderungen, Ersetzungen von Äquivalenten und verschiedene andere Erscheinungsformen der Erfindung, wie sie hier umfassend offenbart ist, zu bewerkstelligen. Daher sollte hierauf gewährter Schutz nur durch die in den beigefügten Ansprüchen enthaltene Definition und zugehörige Äquivalente beschränkt sein.

Claims

Gebogener Wellenleiter (22) zur Montage in einer vorhandenen kreisförmigen Bohrung (30), mit: – einer gebogenen, reflektierenden Innenfläche (24); – einem oder mehreren Lichtempfängern (40, 42), die zum Empfangen von Licht konfiguriert und ausgebildet sind, das sich entlang einem Sehnenpfad zwischen jeweiligen Punkten auf der gebogenen, reflektierenden Innenfläche ausgebreitet hat; dadurch gekennzeichnet, dass – sich der Wellenleiter mit der reflektierenden Innenfläche (24) über einen Bogen bis zu 135° erstreckt.
Wellenleiter nach Anspruch 1, bei dem der mindestens eine Lichtempfänger an einem Ende der gebogenen, reflektierenden Innenfläche positioniert ist.
Wellenleiter nach Anspruch 1 oder 2, mit mindestens einem Lichtsender, der optisch mit der gebogenen, reflektierenden Innenfläche gekoppelt ist.
Wellenleiter nach Anspruch 3, bei dem der mindestens eine Lichtsender an einem Ende der gebogenen, reflektierenden Innenfläche positioniert ist.
Wellenleiter nach Anspruch 3 oder 4, bei dem ein oder mehrere der Lichtsender ein Licht ablenkendes Parallelogramm bilden.
Wellenleiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem einer oder mehrere der Lichtempfänger ein Licht ablenkendes Parallelogramm bilden.
Stator (16) für eine faseroptische Verbindung, mit: – einem oder mehreren gebogenen Wellenleitern nach einem der vorstehenden Ansprüche und – einem oder mehreren Paaren von Wellenleiterhaltern (26, 28), die jeweils an entgegengesetzten Enden eines jeweiligen der gebogenen Wellenleiter positioniert sind.
Faseroptische Drehverbindung mit: – einem Stator gemäß Anspruch 7 und – einem Rotor (18) mit einem oder mehreren Lichtsendern und/oder Lichtempfängern, die an seinem Umfang angebracht sind.
Faseroptische Drehverbindung nach Anspruch 8, bei der ein oder mehrere der am Rotor angebrachten Lichtsender und/oder Lichtempfänger ein Licht ablenkendes Parallelogramm bilden.
Faseroptische Drehverbindung nach Anspruch 8 oder 9, mit einer oder mehreren optischen Fasern, die einem jeweiligen der Lichtempfänger zugeordnet sind und die sich im Wesentlichen tangential zu einem jeweiligen der gebogenen Wellenleiter erstrecken.
Gantry mit: – einer Innendurchmesserfläche (30) und – einer faseroptischen Drehverbindung gemäß einem der Ansprüche 8–10, die an dieser Innendurchmesserfläche angebracht ist.
Gantry nach Anspruch 11, bei der die Innendurchmesserfläche nicht reflektierend ist.
Gantry nach Anspruch 11 oder 12, bei der die gebogenen Wellenleiter so ausgebildet sind, dass sie auf der Innendurchmesserfläche platzierbar sind.
Verfahren zum Nachrüsten einer Gantry mit einer faseroptischen Drehverbindung, mit dem Schritt des Anbringens mindestens eines gebogenen Wellenleiters gemäß einem der Ansprüche 1–6 oder mindestens eines Stators gemäß dem Anspruch 7 an einem Innendurchmesser der Gantry.