JP2005033792A - 機械の回転部と固定部との間の光信号伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＮ比の改善を可能にする機械の回転部と固定部との間の光信号伝送装置を提供する。
【解決手段】機械、特にコンピュータ断層撮影装置の回転部（１）と固定部（２）との内の一方である第１部分に光送信装置（４）が配置され、他方である第２部分に光検出器（１８）を有する光受信装置（６）が配置され、光送信装置（４）から送信された光信号が光検出器（１８）を介して受信され、光受信装置（６）は少なくともほぼつの状の形状を持つ集光器（１３）を有し、この集光器（１３）は入射する光線を、集光器（１３）の側面（１４）での内面反射を介して検出器（１８）の検出面（１７）に集束させる機械の回転部と固定部との間の光信号伝送装置において、集光器（１３）が、２光子重合によって作成されその集光器（１３）の全内部容積を満たし光送信装置（４）が送信する少なくとも１つの波長に対して光学的に透明な材料から形成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、機械の回転部と固定部との内の一方である第１部分に光送信装置が配置され、他方である第２部分に光検出器を有する光受信装置が配置され、光送信装置から送信された光信号が光検出器を介して受信され、光受信装置が少なくともほぼつの状（ホーン状）の形状を持つ集光器を有し、この集光器が入射する光線を、集光器の側面での内面反射を介して検出器の検出面に集束させる機械の回転部と固定部との間の光信号伝送装置に関する。

多くの技術領域において今日では、僅かな間隔をおいて互いに相対的に動く部品、特に測定装置の個々の機器部品の間で大量のデータを伝送しなければならない。その場合、データはしばしば移動可能な機器部品によって収集され、データ収集中にも継続処理のために機器固定部にある評価装置に伝送されなければならない。この種の用途例は医用画像生成装置、特にコンピュータ断層撮影装置である。このコンピュータ断層撮影装置では、回転中にガントリと称される回転部から大量の測定データを固定部にリアルタイムに伝送しなければならない。その場合、利用可能な伝送速度がリアルタイムに伝送可能なデータ量に対する重要な基準となる。

コンピュータ断層撮影装置において、測定データはＸ線源に対向してガントリに取付けられたＸ線検出器を介して収集され、測定中に内部でガントリが回転する固定部に伝送される。伝送された測定データはその後に被検体の断層画像を再構成するために継続処理され、オペレータに提示される。回転部と固定部との間のデータ伝送は通常、固定部または回転部に、回転軸線を中心として同心的に取付けられ、対向部分に固定された送信器または受信器に対して回転中に僅かな間隔を有するいわゆるデータ伝送リングを用いて行われる。測定データはこのデータ伝送リングを介して伝送される。データ伝送リングとそれに対向する部分に取付けられた送信器または受信器との間の結合は多くの場合、高周波結合手段として容量結合された２つのアンテナによって実現される。

新世代のコンピュータ断層撮影装置は、被検体の多数の断層（マルチスライス）を同時に収集し、それぞれの付加的な断層のために増大する多数の測定チャネルによって単位時間当たり非常に多くのデータ量を伝送しなければならない状況にある。例えばコンピュータ心臓断層撮影の最新の開発におけるような特殊用途の場合、単位時間当たりに伝送されるべきデータ量を増大させるようにガントリの回転速度を高めなければならない。そこで例えば１４０回転／分の回転速度で１６個の断層を同時に捕捉する公知のマルチスライスコンピュータ断層撮影装置では、約８００メガボーの容量を有するデータ結合が必要になる。同時に捕捉された断層の数および回転速度を一層増大することによって、２．５〜１０ギガボーの範囲までの伝送速度を達成することができる。公知の高周波伝送技術では、そのような高伝送速度を有するデータ伝送は問題を含んでいる。なぜなら、回転部と固定部との間の間隔が波長の４分の１にも達するからである。波長を短くすれば機械的精度および設備の個々の部品の調整可能性を維持するためにコストの高騰を来たす。さらに電磁適合性の問題を処理することが一層困難になる。そのため、コンピュータ断層撮影装置における伝送速度向上のために光信号伝送技術がますます取入れられる趨勢にある。現在知られている光信号伝送技術は、以下に要約する４つの異なる考え方に分類することができる。

送信装置が多数の光源を有しこれらの光源が回転部に設けられている伝送システムが知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。それらの光源は測定データにより変調されたオーバーラップする光線を発生し、その光線は固定部に設けられた受信装置の１つまたは複数の検出器によって受信される。特許文献２では光効率を向上させるために、入射した光線を検出器に向ける単一または二重の湾曲部を形成した楕円形反射体が用いられている。特許文献３には、入射した光線を側面での内面反射を介して検出器の検出面に集束する集光器を用いることが記載されている。集光器は、金属を被覆された樹脂板によって形成される平坦な側面を有するほぼつの状の形状を持っている。しかしながら、そのような集光器の製造精度は、より高い伝送速度のもとでは多くの用途にとって不十分である。さらに、これらの特許文献において用いられている伝送技術は低データ速度用としてのみ適用可能である。というのは、複数の光源及び／又は受信器に接続される多数のリード線間の電気的遅延への適合が困難だからである。

公知の第２の光伝送技術においては、回転部に配置された光源の変調された光が、固定部に回転軸線と同心的に固定された光ファイバリング内に側方から入射する（例えば、特許文献４，５参照）。光ファイバ内を伝播された光は光ファイバの軸端部に結合された検出器によって受信される。この技術の実施に際しての最大の難点は、ファイバコア内の光を十分な効率で側方から入射させることにある。それとは異なった解決策が提案されている。特許文献５の場合、送信器から放出された光線によって励起される特殊な蛍光ファイバ材料が用いられている。その場合、受信器は励起された蛍光線を検出する。第２の公知の可能性は、ファイバクラッドに側方からファイバコア内へ直接に光入射を可能とする小さな入射窓を備えた特殊なプラスチックファイバを用いることにある。この場合、側方からの光入射効率は非常に良好である。しかし、入射窓はファイバ内での伝播の際に入射光の非常に大きな減衰を引き起こす。両技術に共通の問題は、ファイバから軸線方向に出射する変調光が、通常はファイバコアの出射面より小さい検出面を持つ光電検出器へ結合することにある。

公知の第３の信号伝送技術においては、回転部で測定信号によって変調された光が、回転軸線に対してリング状にかつ同心的に回転部に固定されている光ファイバ内に軸線方向に入射する（例えば、特許文献６〜８参照）。光ファイバは透明なファイバクラッドを有し、入射光を側方に放射するように変更されている。固定部に配置された受信器はファイバリングから放出された光を検出する。ファイバ内への変調光の入射に対する結合効率は非常に良好である。しかしながら、側方への放出がファイバに沿って信号強度の減衰をもたらす。ファイバの側方放出を行わせるために種々の技術が用いられている。ある技術では、部分的に露出されたコアを有するプラスチックファイバが用いられ、他の技術では光を側方に散乱させる散乱孔を有するプラスチックファイバが用いられる。しかしながら、ファイバリングの全長に亘って光が放出されるが、受信器の間近に位置する場所でのみ検出されるこの伝送技術は大きな損失を伴うので、放出された光のできるだけ大部分を捕捉することによってＳＮ比を改善するために、光受信器は広いダイナミックレンジおよび大きな受信角を備えていなければならない。

公知の第４の光信号伝送技術において、固定部およびこの固定部に対して僅かな間隔をもって配置された回転部は、固定部−回転部間に光を内面反射する空洞光チャネルを形成するように構成されている。光は回転部から光チャネル内に入射し、固定部で光チャネルから出射する。この伝送技術を実現するための種々の構成が知られている（例えば特許文献９，１０参照）。他の例は未公開の特許文献１１に記載されている。これら公知の１つの構成では、空洞光チャネルはガントリとともに回転する第１半部とガントリの固定部に配置されている第２半部とによって形成される。この構成においては、光チャネルから出射する光は機械的公差および反射面の不規則性に基づいて大きな分散を生じる。ここでも光電検出器は十分なＳＮ比を維持するために大きな入射角範囲および大きな検出面を持っていなければならない。

機械の回転部と固定部との間で光信号を伝送するための上述した公知の全ての伝送技術は、分散し散乱した光を、用いられた受信器の小さな検出面に集束させるために、できるだけ効率的に集束させることが必要である。そのためにマイクロレンズを用いることは多くの場合適していない。なぜなら、種々の方向に種々の伝播モードで入射する光を受信器に集束させることは不可能だからである。さらに大抵この範囲で適用されたレーザで生じるモードホッピング作用はレンズの集光効率を低下させる。

大きな検出面を持った光検出器を用いれば捕捉される光量は確かに増大するが、それによって帯域幅の損失が生じる。さらに、より大きな検出面を有する検出器は最大限処理しうるデータ速度が大きく制約される。すなわち、例えばアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）は約１Ｇｂｐｓまでしか処理することができない。処理可能なデータ速度を制限する原因は第一に検出面に比例する光感知領域の寄生電気容量にある。そこで、処理可能なデータ速度を向上させるために、小さな検出面を有する検出器を用いなければならないことになるが、このような検出器は一層低減された光量しか検出することができない。

米国特許第４９９６４３５号明細書 米国特許第５２２９８７１号明細書 米国特許第５４６９４８８号明細書 独国特許第４４２１６１６号明細書 米国特許第６０４３９１６号明細書 米国特許第５５３５０３３号明細書 米国特許第４２５９５８４号明細書 米国特許第６３９６６１３号明細書 米国特許第４５５５６３１号明細書 米国特許第５１３４６３９号明細書 米国特許出願第２００４／００６２３４４号明細書

本発明の課題は、以上に述べた従来技術から出発して、公知の伝送装置に対して改善されたＳＮ比を可能にする機械の回転部と固定部との間の光信号伝送装置を提供することである。

この課題は、本発明によれば、冒頭で述べた装置において、集光器が、２光子重合によって作成されその集光器の全内部容積を満たし光送信装置が送信する少なくとも１つの波長に対して光学的に透明な材料から形成されているによって解決される。
この装置の好ましい構成は従属請求項に記載の装置または以下の記載さらには実施例から読み取ることができよう。

特にコンピュータ断層撮影装置の回転部と固定部との間の光信号伝送に適した本発明の装置は、回転部と固定部との内の一方である第１部分に光送信装置が配置され、他方である第２部分に光検出器を有する光受信装置が配置され、光送信装置から送信された光信号が光検出器を介して受信される。光送信装置は通常は回転部に配置されるが、必要に応じて固定部に配置されてもよい。光受信装置は少なくともほぼつの状の形状を持つ集光器を有し、この集光器は入射する光線を、集光器の側面での内面反射を介して検出器の検出面に集束させる。本発明の装置は、集光器が、その集光器の全内部容積を満たし光送信装置が送信する少なくとも１つの波長に対して光学的に透明な材料から形成されることを特徴とする。つの状（ホーン状）の形状は高周波技術により公知のホーンアンテナのように選択することができる。好ましくは、集光器の側面は出射面から入射面へ直線状に延びているのではなく、内側に湾曲しているので、集光器の直径は出射面から入射面に向かって非直線状に増大する。

本発明の装置の他の構成、特に光送信装置及び／又は場合によって用いられるデータ伝送リングの配置および構成は公知のように選択することができる。すなわち冒頭に述べた光信号伝送システム全般に本発明の集光器を備えることができる。

本発明の装置の主要な特徴は、集光器の内部容積を完全に満たす高精度に作成可能な透明材料からなりほぼつの状の形状を有する集光器の構成にある。つの状の形状によって、散乱された光の大きな空間角度成分が捕捉され、内面反射を介して光検出器の小さな検出面に集束される。この集光器の特に側面の形状は種々の捕捉角および種々の光利得に対して数学的に計算することにより最適化することができる。

この集光器の幾何形状は、好ましくは太陽電池におけるコレクタ効率の最大化のために用いられるような集光器に準拠して選択される。そのような集光器は、例えば、Oliver Graydon, “Optical antenna enhances IR links”, Opto & Laser Europe, December 2002, 101, p.9により知られている。この刊行物においては、集光器を、テレビジョン受像機や、携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance、個人用の携帯端末）、ラップトップ型コンピュータ、さらには例えば高速道路の自動支払システムなどにおける短距離赤外線伝送用に用いることも提案されている。

本発明において用いられた集光器は中実材料から形成される。この中実材料は、少なくとも信号伝送のために用いられた波長範囲において透明であり、凸状に形成された入射面にその波長範囲に対する反射防止コーティングを有し、側面にその波長の内面反射を高めるコーティングを有している。さらに集光器本体は検出器に向けられた出射面上に、用いられた波長を通過させ、より長い波長を通過させない帯域通過コーティングを備えることができる。反射防止コーティング、高反射コーティング、および多層帯域通過フィルタを作るためのコーティングの設計および使用は当業者にはよく知られている。

コンピュータ断層撮影装置の回転部と固定部との間の光信号伝送における本発明の用途に対して、O. Graydonの論文により公知の、ポリマーから射出成形によって作られる集光器を使用することはできない。公知の集光器は数マイクロメータの精度を必要とする本発明の用途への要求を満たさない。従って、本発明の集光器は、フラウンホーファ・ケイ酸塩研究所の刊行物から知られているように、好ましくは有機改質されたセラミック材料、特にOrmocer（商品名）から形成される。このハイブリッドポリマーは１．４７〜１．５６の範囲の屈折率の設定を可能とし、８３０ｎｍの波長における損失は０．０６ｄＢ／ｃｍより少ない僅かな量であり、少ない製造コストで抜群に良好な熱安定性および機械的安定性を備えている。この材料は、例えば“Femtosecond pulses generate microstructures”, Opto & Laser Europe, December 2002, 101, p.22-23により知られているように、特に２光子重合プロセスによる集光器の製造を可能にする。この製造プロセスによれば、１００〜２００ｎｍの精度を有する集光器を製造することができる。

本発明の装置においては、検出器として好ましくは０．５ｍｍ以下の直径の検出面を持つフォトダイオードが用いられる。その場合、集光器は、捕捉した光をその小さな範囲に集束するように構成されている。

次に実施例を示す図面を参照して本発明の装置をさらに詳細に説明する。

図１はコンピュータ断層撮影装置における測定データの伝送経路を例示している。図にはＸ線源を省略し極度に簡略化したコンピュータ断層撮影装置が示されている。測定データは回転部１に配置された検出器バンク３によって検出され、パラレル−シリアル変換の後、送信装置４に伝送される。送信装置４は信号を伝送するデータ伝送リング５を含んでいる。固定部２には受信装置６が配置されている。受信装置６は回転中にデータ伝送リング５から出射された信号を受信し、画像再構成装置７に継送する。画像再構成装置７では伝送された信号からデータが抽出され、継続処理前にシリアル−パラレル変換を行なわれる。受信装置６の受信部は、回転中に送信装置４−受信装置６間のデータ伝送効率を向上させるために、データ伝送リング５の間近に配置されている。

回転部１と固定部２との間の伝送のために従来しばしば高周波伝送技術が用いられてきたが、背景技術の項ですでに述べたように、データ量が増大するにつれて光伝送技術が用いられるようになってきている。回転軸線に対して同心的に配置されたデータ伝送リング５は普通、光導波路、例えば光ファイバによって形成され、この光ファイバ内に光送信装置４が測定データにより変調された光を入射させる。受信装置６は光検出器、特に光電検出器を含む。

図２はコンピュータ断層撮影装置の回転部１と固定部２との間で光信号を伝送するための本発明による装置の第１実施例を示す。回転部１および固定部２の対向面は、その対向面間に、入射した光を、内面反射により伝送する空洞チャネル８が形成されるように構成されている。この部分の詳細構成については、２００２年９月２６日付けで出願された未公開の特許文献１１が参照される。回転部１において、レーザ９の光が測定データにより変調され、空洞チャネル８に入射する。空洞チャネル８では、図２に空洞チャネル８の内部に太線で示したように両方向に伝播する。空洞チャネル８によって形成されたデータ伝送リング５の互いに直径方向に対向する部分には２つの窓が設けられ、一方の窓は光吸収器１０を備え、他方の窓は伝送された光の出射窓１１を形成している。回転部１ではさらに空洞チャネル８内に、空洞チャネル８内での光の無用の伝播を阻止するために、同様にデータ伝送リング５の直径方向に対向する２つの光バリヤ１２が配置されている。このようにして、空洞チャネル８内で両方向の一方に走る光信号のみが検出器に当たることが保証される。本発明の装置においては、出射窓１１に、出射窓１１から出射した光をここには示されていない光検出器の小さな検出面に集束させる、つの状に形成された集光器１３が設けられる。集光器１３はここでは極めて概略的にしか示されていない。

図３は集光器１３の詳細構成を断面図として示す。出射窓１１から出射した散乱光は、凸状に形成され反射防止コーティングを備えた入射面１４を介して、光学的に透明な材料から形成された中実の集光器本体に入射する。集光器１３の側面１５は用いられた光の波長に対する高反射コーテングを備えており、種々の角度で入射する光線は集光器１３内での多重反射によって小さな出射面１６に集束させられる。この出射面１６は本実施例では、用いられた波長に対して透明でありより長い波長の光を反射する多層フィルタを被覆されている。従って、集光器１３は信号伝送のために用いられたレーザ光の周波数に対応する中心周波数を有する狭帯域フィルタとして作用する。

集光器１３の入射面１４上の反射防止コーティングの設計に関して、公知の方程式
ｄ＝（ｍ＋１／２）×（λ／２）×（１／ｎ） （１）
が適用される。ここで、ｍ＝０，１，２，・・・であり、ｄは反射防止コーティングの厚さ、λは信号伝送に用いられた光の波長、ｎはコーティング材料の屈折率であり、“１＜ｎ＜集光器材料の屈折率”である。

集光器１３の側面１５における高反射コーティングの設計に関して、この高反射コーティングの厚さｄは、
ｄ＝ｍ×（λ／２）×（１／ｎ） （２）
なる方程式によって設定することができる。ここで、ｍ＝０，１，２，・・・であり、ｄは高反射コーティングの厚さ、λは信号伝送に用いられた光の波長、ｎはコーティング材料の屈折率であり、“１＜ｎ＜集光器材料の屈折率”である。

図４は図２の装置の要部の拡大断面図を示す。ここには、空洞チャネル８から出射窓１１を介して出射する光が示されている。出射窓１１の出射口には、この光の大部分を捕捉し検出器１８、本例ではアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）の小さな検出面１７に集束させる集光器１３が配置されている。こうすることによって非常に良好なＳＮ比を達成し、データ伝送の際のビット誤り率（ＢＥＲ）を低減させることができる。

図２に示されている伝送技術とともに、本発明の装置においては他の伝送技術を用いることもできる。図５は、送信装置４から送信された光が固定部２に取付けられた光導波路リング、ここでは光ファイバ１９に側方から入射し、光ファイバ１９の軸端で検出器１８に向けて出射する伝送技術の一例を示す。図５には光ファイバ１９の一端部のみが検出器１８とともに示されているが、この実施例において集光器１３は光ファイバ１９の端部と検出器１８との間に配置されている。検出面１７に比較して大きなコア直径を有する光ファイバ１９から出射する光は集光器１３を介して集束され、小さな検出面１７に導入される。用いられたアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）はここでも他の実施例と同様に、直径僅かに０．５ｍｍまたはそれ以下の検出面を持ち、そのため高速処理を達成することができる。

図６は回転部１に光ファイバ１９からなるリングを適用したさらに他の実施例を示す。光ファイバ１９は、送信装置４から軸線方向に入射した光を、図２に示されているのと同様に、側方に例えば予め形成された散乱用気泡２０を介して出射させる。その場合、固定部２に配置された検出器１８は光ファイバ１９の小さな範囲のみを捕捉する。この集光器１３を適用することによって、信号の高速処理のために必要とするような小さな検出面１７を有する検出器１８の適用時でも捕捉範囲を大幅に増大することができる。

一例として示したコンピュータ断層撮影装置における測定データの信号伝送経路を示す説明図 本発明による装置の一実施例を示す平面図 図２における装置の集光器の構成例を示す説明図 図２の装置の要部の詳細拡大断面図 他の伝送技術を適用した場合の集光器の構成例を示す説明図 さらに他の伝送技術を適用した場合の集光器の構成例を示す説明図

符号の説明

１ 回転部
２ 固定部
３ 検出器バンク
４ 送信装置
５ データ伝送リング
６ 受信装置
７ 画像再構成装置
８ 空洞チャネル
９ レーザ
１０ 光吸収器
１１ 出射窓
１２ 光バリヤ
１３ 集光器
１４ 入射面
１５ 側面
１６ 出射面
１７ 検出面
１８ 検出器
１９ 光ファイバ
２０ 気泡

Claims (9)

1. 機械の回転部（１）と固定部（２）との内の一方である第１部分に光送信装置（４）が配置され、他方である第２部分に光検出器（１８）を有する光受信装置（６）が配置され、光送信装置（４）から送信された光信号が光検出器（１８）を介して受信され、光受信装置（６）は少なくともほぼつの状の形状を持つ集光器（１３）を有し、この集光器（１３）は入射する光線を、集光器（１３）の側面（１５）での内面反射を介して検出器（１８）の検出面（１７）に集束させる機械の回転部と固定部との間の光信号伝送装置において、
   集光器（１３）が、２光子重合によって作成されその集光器（１３）の全内部容積を満たし光送信装置（４）が送信する少なくとも１つの波長に対して光学的に透明な材料から形成されている
   ことを特徴とする機械の回転部と固定部との間の光信号伝送装置。
2. 集光器（１３）の側面（１５）が、集光器（１３）の入射面（１４）と出射面（１６）との間で凹状に湾曲していることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 集光器（１３）の入射面（１４）が凸状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
4. 集光器（１３）の入射面（１４）が、光送信装置（４）が送信する少なくとも１つの波長に対する反射防止コーティングを備えていることを特徴とする請求項１乃至３の１つの記載の装置。
5. 集光器（１３）の側面（１５）が、光送信装置（４）が送信する少なくとも１つの波長に対して内面反射を高めるコーティングを備えていることを特徴とする請求項１乃至４の１つの記載の装置。
6. 集光器（１３）の出射面（１６）が帯域通過コーティングを備えていることを特徴とする請求項１乃至５の１つの記載の装置。
7. 光学的に透明な材料が有機改質されたセラミック材料であることを特徴とする請求項１乃至６の１つの記載の装置。
8. 光検出器（１８）が０．５ｍｍ以下の検出面（１７）直径を有するフォトダイオードであることを特徴とする請求項１乃至７の１つの記載の装置。
9. 装置がコンピュータ断層撮影装置として構成されていることを特徴とする請求項１乃至８の１つの記載の装置。

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