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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Lokalisieren eines Objekts
in einem trüben
Medium, welche Einrichtung eine Lichtquelle und einen Halter zum
Aufnehmen des trüben
Mediums enthält,
wobei der Halter mit einer Vielzahl von Eintrittsöffnungen zur
Einkopplung von von der Lichtquelle erzeugtem Licht in das trübe Medium
und einer Vielzahl von Austrittsöffnungen,
mit denen Photodetektoren gekoppelt sind, versehen ist, welche Einrichtung
auch eine Auswahleinheit zur optischen Kopplung der Lichtquelle mit
einer Eintrittsöffnung
enthält,
die aus der Vielzahl von Eintrittsöffnungen ausgewählt werden
kann.
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Eine
Einrichtung dieser An ist aus der internationalen Patentanmeldung
WO 96/20638 bekannt. Im Zusammenhang der genannten Patentanmeldung soll
unter einer Lichtquelle eine Quelle verstanden werden, die elektromagnetische
Strahlung mit einer Wellenlänge
in einem Bereich zwischen 400 und 1400 nm aussendet. Die bekannte
Einrichtung kann zum Abbilden des Inneren biologischer Gewebe verwendet
werden. In der medizinischen Diagnostik könnte die Einrichtung zum Abbilden
von Tumoren in Brustgewebe verwendet werden. Bei der bekannten Einrichtung
wird von der Lichtquelle erzeugtes Licht dem trüben Medium über hintereinander ausgewählte Eintrittsöffnungen
in dem Halter zugeführt,
wobei die gleiche Eintrittsöffnung
mehrere Male ausgewählt wird.
Anschließend
messen Detektoren an den Austrittsöffnungen des Halters die Intensität des Lichtes, das
durch das trübe
Medium entlang verschiedener optischer Wege von der ausgewählten Ein
trittsöffnung
aus transportiert worden ist. Die gemessenen Intensitäten werden
verwendet, um das Objekt in dem trüben Medium zu lokalisieren.
Ein Nachteil der bekannten Einrichtung ist, dass beim Lokalisieren des
Objektes in dem trüben
Medium auf Basis der gemessenen Intensitäten relativ zur tatsächlichen Position
des Objektes in dem trüben
Medium ein Fehler auftritt. Aus WO 97/10568 ist eine andere Einrichtung
zum Lokalisieren eines Objektes in einem trüben Medium bekannt, die die
Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 umfasst.
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Der
Erfindung liegt unter anderem als Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung
zu verschaffen, in der der Fehler beim Lokalisieren des Objektes
in dem trüben
Medium verkleinert ist. Diese Aufgabe wird mit einer Einrichtung
zum Lokalisieren eines Objektes in einem trüben Medium, wie in Anspruch
1 definiert, gelöst.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, dass Fehler beim Lokalisieren
des Objektes in dem trüben
Medium auftreten, weil in der Intensität des durch die ausgewählte Eintrittsöffnung tretenden Lichtes
Veränderungen
auftreten, wenn diese Eintrittsöffnung
beim Ausführen
der aufeinander folgenden Messungen des Objektes mehrere Male ausgewählt wird.
Die Verwendung von Mitteln, die den Veränderungen der durch die ausgewählte Eintrittsöffnung tretenden
Lichtintensität
entgegenwirken, führt
zu einem geringeren Beitrag zum Fehler bei der Lokalisierung des
Objektes in dem trüben
Medium.
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Eine
spezielle erfindungsgemäße Einrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahleinheit mit einem Eintrittslichtleiter
und Austrittslichtleitern versehen ist, wobei ein erstes Ende des
genannten Eintrittslichtleiters mit der Lichtquelle optisch gekoppelt
ist, während
ein zweites Ende für
die optische Kopplung mit einem ersten Ende eines der Austrittslichtleiter
verlagerbar positioniert ist, wobei ein zweites Ende des genannten
Austrittslichtleiters mit der ausgewählten Eintrittsöffnung gekoppelt
ist und wobei eine numerische Apertur des ersten Endes jedes Austrittslichtleiters
größer ist
als eine numerische Apertur des zweiten Endes des Eintrittslichtleiters. Wegen
der größeren numerischen
Apertur des ersten Endes des Austrittslichtleiters relativ zum zweiten Ende
des Eintrittslichtleiters wird die Übertragung weniger von einem
Positionierungsfehler des zweiten Endes des Eintrittslichtleiters
relativ zum ersten Ende des Austrittslichtleiters abhängig gemacht.
Dies führt zu
einer geringeren Veränderung
der Übertragung des
optischen Weges zwischen der Lichtquelle und der ausgewählten Eintrittsöffnung bei
einer wiederholten Auswahl der gleichen Lichtquelle.
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Eine
weitere erfindungsgemäße Einrichtung ist
dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittslichtleiter der Auswahleinheit
eine optische Faser eines ersten Typs enthält und dass jeder Austrittslichtleiter
der Auswahleinheit eine optische Faser eines zweiten Typs enthält. Die
Verwendung optischer Fasern ermöglicht
eine kompakte Konstruktion der Einrichtung.
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Eine
weitere erfindungsgemäße Einrichtung ist
dadurch gekennzeichnet, dass jeder Austrittslichtleiter auch eine
optische Faser eines dritten Typs enthält, die eine von der der optischen
Faser des zweiten Typs abweichende Eigenschaft hat, und, über eine
faseroptische Verbindereinheit, mit der optischen Faser des zweiten
Typs des gleichen Austrittslichtleiters optisch gekoppelt ist. Infolge
der Verwendung einer optischen Faser des dritten Typs mit optischen
oder mechanischen Eigenschaften, die von denen der optischen Fasern
des zweiten Typs abweichen, können
sowohl die optischen Fasern des zweiten Typs als auch die des dritten
Typs für
eine spezielle Anwendung in der Einrichtung optimiert werden.
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Eine
weitere erfindungsgemäße Einrichtung ist
dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser des zweiten Typs
Quarz enthält.
Infolge dieser Wahl kann wegen des geringen Dämpfungsfaktors der optischen
Faser des zweiten Typs die Übertragung
der optischen Faser des zweiten Typs optimiert werden.
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Eine
weitere erfindungsgemäße Einrichtung ist
dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser des dritten Typs
einen Kunststoff enthält.
Wegen eines niedrigen Elastizitätsmoduls
einer optischen Faser des dritten Typs vereinfacht diese Wahl die
Kopplung der Einrichtung und den Zusammenbau mit dem Halter in einem
kleinen Raum.
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Eine
weitere erfindungsgemäße Einrichtung ist
dadurch gekennzeichnet, dass die Faser-Verbindereinheit einen ersten
Abschnitt enthält,
der ein zweites Ende der optischen Faser des zweiten Typs enthält, und
einen zweiten Abschnitt, der ein erstes Ende der optischen Faser
des dritten Typs enthält, wobei
ein Licht absorbierendes Material zwischen dem ersten Abschnitt
und dem zweiten Abschnitt angeordnet ist und mit einem Licht leitenden
Kanal zur optischen Kopplung der optischen Faser des zweiten Typs
mit der optischen Faser des dritten Typs versehen ist. Weil das
Licht absorbierende Material in der Verbindereinheit mit mehreren
Kanälen
versehen ist, wird einem Nebensprechen zwischen benachbart liegenden Übertragungswegen
in der optischen Verbindereinheit entgegengewirkt. Das auftretende
Nebensprechen kann beispielsweise auf die nicht koaxiale Positionierung
des zweiten Endes einer optischen Faser des zweiten Typs relativ
zum ersten Ende der optischen Faser des dritten Typs zurückgeführt werden,
sodass Reflexion bewirkt, dass ein Teil des Lichtes zu einem ersten
Ende einer benachbarten optischen Faser des dritten Typs geleitet
wird.
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Eine
weitere erfindungsgemäße Einrichtung ist
dadurch gekennzeichnet, dass das Licht absorbierende Material auch
elastische Eigenschaften hat. Diese Maßnahme bietet eine größere Toleranz
in Bezug auf die Dimensionsgenauigkeit der Gebiete des ersten und
des zweiten Abschnitts, die im zusammengebauten Zustand der optischen
Verbindereinheit aneinander grenzen. Wegen der größeren Toleranz
kann die Herstellung des ersten und des zweiten Abschnitts der optischen
Verbindereinheit einfacher und weniger kostspielig sein.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
Einrichtung zum Ausführen
von Messungen am trüben
Medium,
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2 ein
zweites Ende einer ersten optischen Faser, das koaxial relativ zu
einem zweiten Ende einer zweiten optischen Faser angeordnet ist,
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3 eine Übertragungscharakteristik
einer Auswahleinheit und
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4 eine
optische Verbindereinheit.
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1 zeigt
eine Einrichtung zum Ausführen von
Messungen an einem trüben
Medium. Die Einrichtung 1 enthält eine Lichtquelle 2,
einen Halter 17 zum Aufnehmen eines trüben Mediums, wobei dieser Halter
mit einer Vielzahl von beispielsweise 256 Eintrittsöffnungen 18 versehen
ist und einer Vielzahl von beispielsweise 256 Austrittsöffnungen 19,
mit den eine Fotodetektoreinheit 21 gekoppelt ist. Die
Einrichtung 1 enthält
auch einen Tisch 20 zum Aufnehmen eines menschlichen Körpers, wobei
dieser Tisch mit dem Halter 17 versehen ist, um ein trübes Medium
aufzunehmen. Die Einrichtung enthält auch eine Auswahleinheit 7 für die optische
Kopplung der Lichtquelle 1 mit einer Eintrittsöffnung 18,
die aus der Vielzahl von Eintrittsöffnungen ausgewählt werden
muss, und eine Steuerungseinheit 22. Eine Einrichtung dieser
An kann zum Ausführen
medizinischer diagnostischer Untersuchungen mit Hilfe optischer
Tomographie verwendet werden. Hierzu wird der Körper auf dem Tisch 20 in
einer solchen Weise positioniert, dass der Halter 17 den
zu untersuchenden Teil des Körpers
enthält,
beispielsweise einen Teil einer Brust.
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Eine
Laserdiode, beispielsweise vom Philips-Typ CQL-822, ist ein Beispiel
für eine
Lichtquelle, die zur Verwendung in der Einrichtung geeignet ist. Die
Wellenlänge
dieses Typs Laser ist 660 nm und seine Ausgangsleistung beträgt 100 mW.
Damit eine Lichtquelle zur Verfügung
steht, die imstande ist, während
der Messungen Licht verschiedener Wellenlängen zu erzeugen, werden beispielsweise
drei Laserdioden 2, 3, 4 verwendet, von
denen jede Licht in einem unterschiedlichen Wellenlängenbereich
erzeugt; mittels der Auswahleinheit 7 wird dann eine der
drei Laserdioden 2, 3, 4 mit der ausgewählten Eintrittsöffnung 18 des
Halters 17 optisch gekoppelt, und optische Verschlüsse 5 in
den optischen Wegen zwischen den Laserdioden 2, 3, 4 und
der Auswahleinheit 7 unterbrechen die optische Kopplung
zwischen der nicht ausgewählten
Laserdiode und der Auswahleinheit. Die Auswahleinheit enthält auch
Eintrittslichtleiter 8, eine Positionierungseinheit 23 und Austrittslichtleiter 15.
Die drei Eintrittslichtleiter 8 koppeln die Laserdioden 2, 3, 4 mit
der Auswahleinheit. Die Eintrittslichtleiter umfassen beispielsweise
optische Fasern eines ersten Typs, wobei die ersten Enden 23 der
optischen Fasern 8 des ersten Typs mit den Laserdioden 2, 3, 4 über die
optischen Verschlüsse 5 optisch
gekoppelt sind. Die Eintrittslichtleiter können auch ein geometrisch-optisches
System enthalten. Die Austrittslichtleiter koppeln die Auswahleinheit 7 optisch
mit den Eintrittsöffnungen 18 des
Halters 17. Die Austrittslichtleiter umfassen beispielsweise
optische Fasern eines zweiten Typs, aber können auch als geometrisch-optisches
System konstruiert sein.
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Die
Positionierungseinheit 23 enthält einen ersten Träger 10 und
einen zweiten Träger 11.
Die Träger 10, 11 haben
vorzugsweise eine kreisförmige Form
und können
relativ zueinander koaxial positioniert sein. Die zwei Enden 9 der
optischen Fasern 8 des ersten Typs sind in Form eines ersten
Kreises auf dem ersten Träger 10 vorgesehen
und die ersten Enden 12 der optischen Fasern 15 des
zweiten Typs sind in Form eines zweiten Kreises auf dem zweiten Träger 11 vorgesehen,
wobei der Radius des ersten Kreises gleich dem Radius des zweiten
Kreises ist. Um den ersten Träger 10 relativ
zum zweiten Träger 11 zu
positionieren, ist die Positionierungseinheit 23 mit einem
Schrittmotor 14 und einer Transmission 13 zum
ersten Träger 10 hin
versehen. Die Transmission kann beispielsweise als Zahnriemengetriebe
konstruiert sein. Die Auswahl einer Eintrittsöffnung 18 des Halters 17 erfolgt
mit Hilfe der Steuerungseinheit 22, die hierzu Motorsteuersignale
für den
Schrittmotor 14 in solcher Weise erzeugt, dass das Ende 9 einer
der optischen Fasern 8 des ersten Typs, die mit der ausgewählten Laserdiode 2 optisch
gekoppelt ist, koaxial zum Ende 12 einer der optischen
Fasern 15 des zweiten Typs angeordnet ist, die mit der
auszuwählenden
Eintrittsöffnung 18 in
dem Halter 17 optisch gekoppelt ist.
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Um
eine kurze Schaltdauer zu erreichen, kann der Radius der kreisförmigen Träger 10, 11 minimiert
werden, sodass die Massenträgheit
der Träger
verringert wird. Falls notwendig kann ein dritter Kreis auf dem
zweiten Träger 11 vorgesehen
sein, wobei ein Teil der ersten Enden der optischen Fasern 15 dann
mit dem genannten dritten Kreis verbunden ist; in diesem Fall muss
eine zusätzliche
mechanische Schalteinrichtung (nicht abgebildet) auf dem ersten
Träger 11 angebracht
sein, um eine Positionierung des zweiten Endes 9 von einer
der optischen Fasern 8 des ersten Typs, das mit der ausgewählten Laserdiode
gekoppelt ist, relativ zum zweiten oder dritten Kreis auf dem zweiten
Träger 11 zu
ermöglichen.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass eine Schaltdauer von beispielsweise
20 ms zwischen zwei aufeinander folgernden optischen Fasern 15 des
zweiten Typs mit Hilfe der in 2 gezeigten
Auswahleinheit 7 erhalten werden kann.
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Der
Halter 17 ist mit Austrittsöffnungen 19 für die Messung
des durch den Teil der Brust transportierten Lichtes versehen. Die
Austrittsöffnungen 19 sind über weitere
optische Leiter 24, beispielsweise optische Fasern des
zweiten Typs, mit der Fotodetektoreinheit 21 gekoppelt.
Die Fotodetektoreinheit enthält
beispielsweise 256 Fotodioden. Die Fotodioden sind beispielsweise
vom Typ BPX63 von Siemens.
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Beim
Betrieb der Messeinrichtung wird das von der Laserdiode 2 erzeugte
Licht über
die ausgewählte
Eintrittsöffnung 18 in
den in dem Halter aufgenommenen Teil der Brust zugeführt. Ein
Teil des durch den Teil der Brust transportierten Lichtes wird über die
Austrittsöffnungen 19 zum
Fotodetektor 21 geleitet. Unter der Steuerung durch eine
elektronische Auswahleinheit (nicht abgebildet) wird hintereinander
die Lichtintensität
jeder der Fotodioden in der Fotodetektoreinheit 21 mit
Hilfe einer herkömmlichen
Messeinrichtung gemessen. Diese Messungen werden wiederholt, während die
Laserdiode 2 hintereinander mit jeder Eintrittsöffnung 18 des
Halters gekoppelt wird. Die gemessenen Intensitäten werden in der Steuerungseinheit 22 gespeichert.
Anschließend wird
aus den gemessenen Intensitäten
ein Bild rekonstruiert. Ein Beispiel für eine solche Rekonstruktion
wird in PHN 16.110 beschrieben. Ein eventuell vorhandener Tumor
kann auf Basis des rekonstruierten Bildes des Teils der Brust lokalisiert
werden.
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Es
hat sich gezeigt, dass die Rekonstruktion des Bildes des Teils der
Brust in dem Halter für
Veränderungen
in der Übertragung
des optischen Weges zwischen der Laserdiode und der ausgewählten Eintrittsöffnung in
dem Halter empfindlich ist, wenn ein und dieselbe Eintrittsöffnung für aufeinander
folgende Messungen ausgewählt
wird, beispielsweise für
die Ausführung
von Bezugsmessungen. Um den Veränderungen
in der Übertragung
in dem optischen Weg zwischen der ausgewählten Laserdiode 2 und der
ausgewählten
Eintrittsöffnung 18 entgegenzuwirken,
ist die numerische Apertur jedes Endes 12 der optischen
Fasern 15 des zweiten Typs, die an dem zweiten Träger 11 der
Auswahleinheit 7 befestigt ist, größer als die numerische Apertur
jedes der zweiten Enden 9 der optischen Fasern 8 des
ersten Typs, die an dem ersten Träger 10 befestigt sind.
Weiterhin ist der Durchmesser der optischen Faser 15 des
zweiten Typs vorzugsweise größer als
der Durchmesser der optischen Faser 8 des ersten Typs.
Ein Beispiel für eine
optische Faser des ersten Typs ist beispielsweise eine optische
Multimode-Quarzfaser mit einer Apertur von 0,39 und einem Durchmesser
von 400 μm,
beispielsweise der Typ FT-400-UMT, wie sie von dem Unternehmen 3M
vertrieben wird. Ein Beispiel für
eine optische Faser des zweiten Typs ist eine optische Multimode-Quarzfaser
mit einer Apertur von 0,48 und einem Durchmesser von 1000 μm, beispielsweise
der Typ FT-1.0-URT, wie von dem Unternehmen 3M vertrieben.
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2 zeigt
ein Beispiel für
eine optische Faser 8 vom ersten Typ, die relativ zu einer
optischen Faser 15 des zweiten Typs koaxial angeordnet
ist. Der Durchmesser d1 der optischen Faser 8 des ersten
Typs beträgt
400 μm und
ihre numerische Apertur ist 0,39; der Durchmesser d2 der optischen
Faser 15 des zweiten Typs ist 1000 μm und ihre numerische Apertur
ist 0,48. Der Öffnungswinkel 2θ2 des ersten Endes der optischen Faser
des zweiten Typs ist daher größer als
der Öffnungswinkel 2θ1 des zweiten Endes 9 der optischen
Faser des ersten Typs. Der Abstand x zwischen dem zweiten Ende 9 der
optischen Faser des ersten Typs und dem ersten Ende 12 der
optischen Faser des zweiten Typs beträgt beispielsweise 200 μm. Die Toleranz Δs in Bezug
auf die koaxiale Position des zweiten Endes 9 der optischen Faser
des ersten Typs relativ zum ersten Ende 12 der optischen
Faser des zweiten Typs kann höchstens 150 μm betragen;
die Veränderung
in der Übertragung
zwischen der Laserdiode 2 und der ausgewählten Eintrittsöffnung 18 bleibt
dann kleiner als 0,1 %. 3 zeigt eine Übertragungscharakteristik 40 als Funktion
der Koaxialverschiebung s des zweiten Endes 9 der optischen
Faser 8 des ersten Typs und des ersten Endes 12 einer
optischen Faser 15 des zweiten Typs. Wegen der größeren Apertur
des ersten Endes 9 der optischen Faser relativ zur Apertur
des zweiten Endes 12 der optischen Faser des ersten Typs
ist die optische Übertragung
der Auswahleinheit 7 weniger empfindlich für Positionierungsfehler Δs in Bezug
auf die koaxiale Lage der Enden 9, 12 der optischen
Faser 9 des ersten Typs und der optischen Faser 15 des
zweiten Typs; dies wird durch den horizontalen Teil 41 der Übertragungscharakteristik
in 3 dargestellt. Weiterhin wird das Nebensprechen zwischen
benachbarten optischen Fasern bei Verwendung der beschriebenen Auswahleinheit
kleiner sein als –90
dB.
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Um
in der Einrichtung 1 einen kompakten Zusammenbau der optischen
Fasern mit dem Halter 17 für das optische Medium zu ermöglichen,
enthält
der Austrittslichtleiter 15 vorzugsweise optische Fasern 16 eines
dritten Typs, beispielsweise eine Multimode-Kunststofffaser mit
einem Durchmesser von 1 mm und einer numerischen Apertur von 0,48,
beispielsweise den Typ HFPR-QMS von Hewlett Packard. Ein Vorteil
einer solchen optischen Multimode-Kunststofffaser besteht darin,
dass der minimale Krümmungsradius
einer Biegung in einer Multimode-Kunststofffaser viel kleiner sein
kann als der minimale Krümmungsradius
einer Biegung, die im Fall einer Multimode-Quarzfaser erhalten werden
kann. Der minimale Krümmungsradius
für die
Multimode-Kunststofffaser beträgt beispielsweise
35 mm, während
der für
die Multimode-Quarzfaser beispielsweise 67 mm beträgt.
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Um
die Übertragung
des optischen Weges zwischen der Laserdiode und der ausgewählten Eintrittsöffnung zu
verbessern, wird in einem gewissen Abstand (beispielsweise 30 cm)
zum Halter 17 die Multimode-Kunststofffaser 16 durch
die Multimode-Quarzfaser 15 ersetzt.
Der Grund hierfür
ist, dass die Dämpfung
der Multimode-Quarzfaser geringer ist als die der Multimode-Kunststofffaser.
Um die Fasern des zweiten Typs 15 und die Fasern des dritten
Typs 16 miteinander zu koppeln, enthält die Einrichtung eine optische
Faser-Verbindereinheit 25, die in den Austrittslichtleiter 15 eingeführt ist. 4 zeigt
eine solche optische Faser-Verbindereinheit 25. 4 zeigt
eine optische Verbindereinheit 25, die einen ersten Abschnitt 26 und
einen zweiten Abschnitt 27 enthält, wobei der erste Abschnitt 26 zum
Empfangen der zweiten Enden der optischen Fasern des zweiten Typs
angeordnet ist, während
der zweite Abschnitt 27 zum Empfangen eines ersten Endes
von optischen Fasern eines dritten Typs angeordnet ist.
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Um
Nebensprechen zwischen den Enden der optischen Fasern des dritten
Typs entgegenzuwirken, enthält
die optische Verbindereinheit auch ein Licht absorbierendes Material 28,
das beim Zusammenbau der Verbindereinheit zwischen dem ersten Abschnitt 26 und
dem zweiten Abschnitt 27 angeordnet wird, wobei das Licht
absorbierende Material 28 mit lichtleitenden Kanälen 29 zur
optischen Kopplung der optischen Fasern des zweiten Typs mit den
optischen Fasern des dritten Typs versehen ist. Die Länge eines
solchen lichtleitenden Kanals 29 beträgt beispielsweise 0,5 mm und
sein Durchmesser ist beispielsweise 2 mm. Vorzugsweise wird ein
Licht absorbierendes Material mit elastischen Eigenschaften verwendet,
sodass die Toleranzen in den Gebieten 30, 31,
die beim Zusammenbau aneinander grenzen, größer sein können und damit die Herstellung
der Abschnitte einfacher ist. Gummi ist ein Beispiel für ein solches
Licht absorbierendes elastisches Material. Ein anderes Beispiel
in diesem Zusammenhang ist schwarzes Papier.
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Die
Lichtleiter zwischen den Austrittsöffnungen 19 und der
Fotodetektoreinheit 21 in der Einrichtung 21 können auch
optische Fasern des dritten Typs enthalten, um so einen kompakten
Zusammenbau der optischen Fasern mit dem Halter zu ermöglichen;
eine optische Verbindereinheit, die mit der optischen Verbindereinheit 25 identisch
ist, dient dann dazu, die optischen Fasern des dritten Typs, die
mit den Austrittsöffnungen
des Halters gekoppelt sind, mit optischen Fasern des zweiten Typs,
die mit der Fotodetektoreinheit 21 gekoppelt sind, zu koppeln.