JP2008507730A - 回転光学スイッチ - Google Patents

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Abstract

光路の配向を複数の位置間で順次切り替えられる装置が提供される。回転スイッチは、プリズムからの光ビームをスイッチ本体に配置された複数の光学要素に向けて回転させる。或る実施例では、スイッチ本体上にてプリズムを回転させ、複数の光学要素間を光ビームが走査するようにしている。別の実施例では、光ビームを伝達するプリズムを中心としてスイッチ本体が回転する。様々な実施例では、光学要素は、光検出器、フィルタ及び光検出器の対、反射器或いはフィルタ及び反射器の対を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学スイッチに関し、特に、光路を、回転する光学部材を中心とする複数の半径方向位置に対して順次配向するための光学スイッチに関する。
本出願は２００４年７月２０日に出願された米国仮出願６０／５８９，４５１に基づく優先権主張を伴う。
従来技術に基づく光学スイッチの利用に際して、スイッチは、１つの安定な位置から第２、第３或いは多数の安定な位置に移動することになるが、その場合往復運動を伴い、その慣性位置が機械的に或いは電気−光学的に変化する。そのような場合に、呼びかけ速度に限界があり、また呼びかけの対象となるべきディスクリートな要素の数にも限界がある。
本発明の或る実施例によれば、複数の位置間で連続的にかつ順次切り替えられる回転スイッチが提供される。回転スイッチは、プリズムからの光ビームをスイッチ本体に配置された複数の光学要素に向けて回転させる。或る実施例では、スイッチ本体上にてプリズムを回転させ、複数の光学要素間を光ビームが走査するようにしている。別の実施例では、光ビームを伝達するプリズムを中心としてスイッチ本体が回転する。或る実施例では、光学要素はフィルタ及び光検出器の対を含む。別の実施例では、光学要素はフィルタ及び反射器の対を含む。
複数の位置間にて光路を順次配向するための装置が提供される。光学スイッチは、図中にて符号１０により示される。図示された回転光学スイッチの実施例は、光路に配置されたフィルタを用いるものとして示されている。
図１は、回転光学スイッチ１０の実施例の斜視図である。光ファイバ１０２が支持部材即ちスイッチ本体１０４の軸線に沿って導入され、スイッチ本体１０４は、その外周に沿って配置された複数の光検出器１１２を有する。各光検出器１１２Ａ−Ｆの光入力ポートに隣接してフィルタ１２２Ａ−Ｆが配置されている。光信号は、光ファイバ１０２を通過し、回転プリズム２０４に入射し、回転プリズム２０４は、入射光を、順次、各フィルタ１２２Ａ−Ｆを介して、対応するに光検出器１１２Ａ−Ｆに向けて配向する。フィルタ１２２及び光検出器１１２は、光ビームに対して作用し、或いは反応する光要素である。
本発明の或る実施例に於いては、スイッチ本体１０４は、例えば、セラミック、ガラス、Ｋｏｖａｒ等の特殊金属のような低熱膨張率の材料により構成されるが、好適な弾性定数を有する比較的高剛性の材料からなる。スイッチ本体１０４は、自由空間に向けて光ビームを投射したときに、或る程度の距離を伝播した後でも、拡散が、例えば１０−６５ｍｍ程度の最小限の量であるような寸法を有する。
図２は、回転光学スイッチ１０の分解斜視図を示す。光ファイバ１０２の終端部は、コリメータ２０２をなし、該コリメータは円筒プリズム２０４の底部に向けられている。円筒プリズム２０４は、スイッチ本体１０４に固定された軸受アセンブリ２１２内に配置されている。コリメータ２０２から受けた光ビームが、円筒プリズム２０４の軸線を横切る方向に向けられるように、円筒プリズム２０４は、スイッチ本体１０４の上面から突出している。複数のフィルタ１２２Ａ−Ｆは、円筒プリズム２０４を外囲し、かつ円筒プリズム２０４から光検出器１１２Ａ−Ｆに至る光路上に配置されている。
或る実施例に於いては、軸受アセンブリ２１２は剛固な軸受をなす。コリメータ２０２から円筒プリズム２０４を経て伝播するコリメートされた光が、予想される温度変化、振動、経年変化及び衝撃を考慮した場合でも、所定の許容範囲内及び整合範囲内であるように、各配置位置にあるフィルタ１２２及び光検出器１１２の全てに到達し得るように、軸受アセンブリ２１２が、所定の整合位置に永久的に固定されている。
図３は、回転光学スイッチ１０の断面図を示す。コリメータ２０２は、スイッチ本体１０４の底面上のスリーブ３０２に固定されている。図示された実施例に於いては、スリーブ３０２は、コリメータ２０２をスリーブ３０２に固定するための接着剤を注入するための、互いに対向する位置に設けられたスロット３１２Ａ、３１２Ｂを有する。
円筒プリズム２０４は、軸受アセンブリ２１２の中心に配置されている。軸受アセンブリ２１２のアウタレースは、スイッチ本体１０４に固定され、インナレースは、円筒プリズム２０４を保持すると共に、軸受アセンブリ２１２のインナレースを回転駆動するための図示されないベルトが巻回されたプーリ２１４を有する。駆動ベルトは、チャネル１０６を通過して、図示されない駆動プーリに至る。
駆動プーリの直径及び駆動モータの回転速度と共に、プーリ２１４の直径により、円筒プリズム２０４の回転速度が決定される。円筒プリズム２０４及び軸受アセンブリ２１２のモーメントのアームの長さが短いことから、高い回転速度が達成される。例えば、或る実施例に於いては、円筒プリズム２０４は１２０，０００ｒｐｍの速度で回転する。このような回転速度であると、各フィルタ１２２及び光検出器１１２は、毎秒２，０００回の割合で光ビームにより照明されることになる。より高いサンプリング速度が求められる場合には、フィルタ１２２及び光検出器１１２の数を倍増することができる。例えば、図示された実施例では、各６つのフィルタ１２２及び光検出器１１２が用いられたが、対向する各フィルタ１２２及び光検出器１１２の対の数を倍増させれば、毎秒４，０００回の有効サンプリング速度が達成される。
図４は、回転光学スイッチ１０’の第２の実施例の斜視図を示す。図５は、回転光学スイッチ１０’の第２の実施例の平面図を示す。この実施例では、スイッチ本体１０４は、複数のフィルタ１２２Ａ−Ｅ及び対応するミラー４０２Ａ−Ｅを備えている。ミラー４０２は、光ビーム６１４を再び円筒プリズム２０４に向けて反射するように整合されている。単一の光検出器１１２’が、円筒プリズム２０４からの光ビームに整合されている。
或る実施例では、図１〜３の実施例と同様に、円筒プリズム２０４が回転し、スイッチ本体１０４が静止状態をとるようにしている。この実施例では、光ビーム６１４が、スイッチ本体１０４に取り付けられたフィルタ１２２及びミラー４０２のそれぞれを順次走査するようにしている。或る実施例では、光検出器１１２’が、タイミング信号を発生する。円筒プリズム２０４が回転する間に、光ビーム６１４が、スイッチ本体１０４の外周を走査するに伴い、光ビーム６１４が、２つのフィルタ１２２Ｂ、１２２Ｃの間を通過するときに、光ビーム６１４が、光検出器１１２’により検出される。それにより、個々のフィルタ１２２Ａ〜１２２Ｆに対応する信号を判別可能とするインデックス情報を提供するタイミング信号を発生する。即ち、光検出器１１２’は、円筒プリズム２０４の１回転毎に、光ビーム６１４を１回検出する。光検出器１１２’から得られるパルス列は、円筒プリズム２０４が１回転するのに要する時間に関する情報を提供する。他のフィルタ１２２及びミラー４０２の間隔が判れば、フィルタ１２２及びミラー４０２のいずれが光ビーム６１４に対して作用を及ぼしているか判別することができる。図示された実施例では、フィルタ１２２及びミラー４０２は、周方向に等間隔に配置されている。光検出器１１２’は、フィルタ１２２Ｂ、１２２Ｃをそれぞれ備えた２つのミラー４０２Ｂ、４０２Ｃ間を通過するときに、光ビーム６１４を受光するように整合されている。
或る実施例では、フィルタ１２２及びミラー４０２は、あたかも、例えば、更にもう１つづつのフィルタ１２２及びミラー４０２が設けられ、７組のフィルタ１２２及びミラー４０２が設けられたように、周方向に等間隔に配置される。この実施例では、光検出器１１２’のタイミング及び各ミラー４０２Ａ−Ｆにより反射された光ビーム６１４が等時間間隔で現れる。
別の実施例では、円筒プリズム２０４及び軸受アセンブリ２１２のインナレースが静止状態に保持され、フィルタ１２２Ａ−Ｅ及び対応するミラー４０２Ａ−Ｅを支持するスイッチ本体１０４が回転するようにしている。スイッチ本体１０４’が回転するに伴い、各フィルタ１２２及びミラー４０２が、光ビーム６１４を順次通過するに伴い、光回路が完成する。
図６は、図４及び図５に示された回転光学スイッチ１０’の実施例に於ける光路を模式化して示す。光ビーム６１２即ち光信号は、コリメータ１０２により、フォーカシングレンズ６０２、スプリッタ６０４を経て、円筒プリズム２０４に送り出される。光ビーム６１４は、円筒プリズム２０４により、フィルタ１２２を経て、ミラー４０２に送り出される。続いて、光ビーム６１４は、反射されて、再びフィルタ１２２を通過し、円筒プリズム２０４に送り戻され、スプリッタ６０４により配光される。配光された光ビーム６１６は、レンズ６０６によりフォーカシングされ、光検出器６０８に送り込まれ、光検出器６０８はパワーメータ６１０によりモニターされる。別の実施例では、ミラー４０２により反射された光を元の光ビーム６１２から分離するために、ビームスプリッタ６０４に代えてサーキュレータが用いられる。
図６に示されたフィルタ１２２及びミラー４０２は、スイッチ本体１０４に取り付けられたいくつものフィルタ１２２及びミラー４０２の１つに過ぎない。各フィルタ１２２及びミラー４０２は、光ビーム６１４を順次通過するように回転され、光回路が完成する。
別の実施例では、戻された光ビーム６１６を伝達する光ファイバに接続された光検出器６０８に、光ビーム６１４を送り込むために、サーキュレータが用いられる。更に別の実施例では、レンズ６０２、６０６が用いられない。
図７は、回転光学スイッチ１０”の第３の実施例の平面図を示す。この実施例では、フィルタ１２２がスイッチ本体１０４’に取り付けられ、単一の光検出器１１２が、スイッチ本体１０４’に対して固定されているが、スイッチ本体１０４’に接触していない。スイッチ本体１０４’は、軸受アセンブリ２１２の周りを回転し、円筒プリズム２０４は、光検出器１１２に向けられた光ビームに対して固定されている。フィルタ１２２を支持するスイッチ本体１０４’が回転するに伴い、各フィルタ１２２が順次光ビームを通過する。
図示された実施例では、フィルタ１２２及び光検出器１１２が、回転光学スイッチ１０の光路に配置された要素として示されている。様々な実施例に於いて、フィルタ１２２以外の光学要素が、プリズム２０４から、軸受の中心線に対して直交に出射される光が、そのような光学要素に対して入射され、励起し、通過し、反射され、屈折され、或いは他の態様をもって作用するように用いられる。例えば、或る実施例では、ブラッグ格子が光路中に配置されている。別の実施例では、光ビームを集めるためにコリメータが用いられ、光検出器１１２を置き換えている。
或る実施例では、フィルタ１２２が、光路中に配置された物質の伝達、吸収及び反射率の分析に用いられるスペクトラルシグネチュア（spectral signature）を有する分子フィルタからなる。
別の実施例では、フィルタ１２２の１つが、基準を提供するために用いられるＮＤ（neutral density）フィルタからなる。或る実施例では、この基準が、他のフィルタ１２２を識別するためのインデックス或いはタイミングを提供するために用いられる。更に別の実施例では、この基準が、強度或いは他の特性を確認するためのクリーンサンプルを提供するために用いられる。
回転光学スイッチ１０は、様々な機能を備えている。プリズム２０４を回転する機能は、或る実施例では、モータにより駆動されるプーリ２１４を備えた軸受アセンブリにより具現化されている。様々な実施例では、モータは、駆動ベルト、ギヤ機構或いは他の動力伝達機構を介してこのようなプーリ２１４を駆動するようにしている。
光ビーム６１４を、スイッチ本体１０４の中心軸線と複数の光学要素１１２、１２２、４０２のそれぞれとの間で順次配向する機能は、或る実施例では、スイッチ本体１０４に対して回転するプリズム２０４により具現化されている。別の実施例では、この機能は、スイッチ本体１０４に対して回転するミラーにより具現化されている。
光ビーム６１２を、スイッチ本体１０４の中心軸線に対して同軸をなす光路と、この中心軸線に対して直交する線との間で配向する機能は、或る実施例では、プリズム２０４により具現化されている。別の実施例では、この機能は、ミラー、その他の光学的ビーム変向要素により具現化されている。
プリズム２０４、ミラー、その他の反射器を回転する機能は、或る実施例では、プーリ２１４を含む軸受アセンブリ２１２により具現化されている。軸受アセンブリ２１２は、プリズム２０４とスイッチ本体１０４との間の整合関係を実現し、スイッチ本体１０４に対してプリズム２０４を回転させる。
上記した構成から、当業者であれば、回転光学スイッチ１０が提供されたことが理解できよう。回転光学スイッチ１０は、複数の光学要素１１２、１２２、４０２を備えたスイッチ本体１０４及びスイッチ本体１０４に対して回転するプリズム２０４或いはその他の光学的ビーム変向要素により具現化されている。プリズム２０４がスイッチ本体１０４及び光学要素１１２、１２２、４０２に対して回転するに伴い、スイッチ本体１０４の中心軸線に対して同軸的に導入され、プリズム２０４が光学要素１１２、１２２、４０２のそれぞれに対して順次配向される。
以上、本発明をいくつかの好ましい実施形態に関して説明し、これらの実施形態の特徴について詳しく記載したが、このような記載が添付の特許請求の範囲に記載された本発明を何ら限定するものではないことを了解されたい。また、追加の利点や変更事項についても、当業者であれば容易に思いつき得るものが多々あることを了解されたい。従って、本発明の広い概念は、特定実施形態の方法或いは装置の特定の表現或いはそれらの詳細に限定されないものであり、むしろ、本発明の概念を逸脱することなく様々な変更が可能であることを了解されたい。
回転光学スイッチの実施例の斜視図である。 回転光学スイッチの分解斜視図である。 回転光学スイッチの断面図である。 回転光学スイッチの第２実施例の斜視図である。 回転光学スイッチの第２実施例の平面図である。 本発明の或る実施例に於ける光路を模式化して示すダイヤグラム図である。 回転光学スイッチの第３実施例の平面図である。

Claims (29)

  1. 連続的にかつ順次切り替えられる回転スイッチであって、
    中心軸線を有する支持部材と、
    前記支持部材に取り付けられたアウタ部材及び前記中心軸線周りに前記アウタ部材に対して回転可能なインナ部材を有する軸受アセンブリと、
    前記軸受アセンブリの前記インナ部材に取り付けられ、前記中心軸線及び前記中心軸線に対して概ね直交する直交線の間で光信号を配向する第１の光学要素と、
    前記中心軸線に対して概ね直交する前記直交線に対して半径方向に整合するように前記支持部材に取り付けられた複数の第２の光学要素とを有し、
    前記第１の光学要素が前記中心軸線周りを回転するに伴い、前記光信号が、前記複数の第２の光学要素のそれぞれに対して順次整合するようにしたことを特徴とする回転スイッチ。
  2. 前記第１の光学要素が、プリズム及びミラーからなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の回転スイッチ。
  3. 前記複数の第２の光学要素が、光検出器、ミラー及びフィルタからなる群から選択された少なくともいずれか１つであることを特徴とする請求項１に記載の回転スイッチ。
  4. 前記複数の第２の光学要素が、前記中心軸線の周りの半径方向位置に、周方向に等間隔に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回転スイッチ。
  5. 前記複数の第２の光学要素の少なくとも１つが、前記光信号を前記第１の光学要素に向けて反射する位置に配置されたミラーからなることを特徴とする請求項１に記載の回転スイッチ。
  6. 前記複数の第２の光学要素の少なくとも１つが、前記光信号を前記第１の光学要素に向けて反射する位置に配置されたミラーからなり、前記複数の第２の光学要素が、更に前記光信号を第３の光学要素に向けて分岐させるために前記中心軸線に沿って配置されたビームスプリッタを含むことを特徴とする請求項１に記載の回転スイッチ。
  7. 前記複数の第２の光学要素の少なくとも１つが、前記光信号を前記第１の光学要素に向けて反射する位置に配置されたミラーからなり、前記複数の第２の光学要素が、更に反射された前記光信号を第３の光学要素に向けて分岐させるために前記中心軸線に沿って配置されたサーキュレータを含むことを特徴とする請求項１に記載の回転スイッチ。
  8. 前記複数の第２の光学要素の少なくとも１つが、前記複数の第２の光学要素に対する前記光信号の位置を識別させるためのインデックス信号を提供する光検出器からなることを特徴とする請求項１に記載の回転スイッチ。
  9. 前記第１の光学要素を回転させるための手段を更に有することを特徴とする請求項１に記載の回転スイッチ。
  10. 連続的にかつ順次切り替えられる回転スイッチであって、
    中心軸線を有する支持部材と、
    前記中心軸線に対して概ね直交する直交線に対して半径方向に整合するように前記支持部材に取り付けられた複数の第１の光学要素と、
    光信号を、前記中心軸線及び前記中心軸線に対して概ね直交する直交線の間で配向するように、前記中心軸線に対して整合し、かつ前記中心軸線周りに回転可能にされた第２の光学要素とを有することを特徴とする回転スイッチ。
  11. 前記複数の第１の光学要素が、光検出器、ミラー及びフィルタからなる群から選択された少なくともいずれか１つであることを特徴とする請求項１０に記載の回転スイッチ。
  12. 前記複数の第１の光学要素が、前記中心軸線の周りの半径方向位置に、周方向に等間隔に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の回転スイッチ。
  13. 前記複数の第１の光学要素の少なくとも１つが、前記光信号を、前記第２の光学要素から出射した後に、前記第２の光学要素に向けて反射する位置に配置されたミラーからなることを特徴とする請求項１０に記載の回転スイッチ。
  14. 前記複数の第１の光学要素の少なくとも１つが、前記光信号を再び前記第２の光学要素に向けて反射する位置に配置されたミラーからなり、当該回転スイッチが、更に前記光信号を第３の光学要素に向けて分岐させるために前記中心軸線に沿って配置されたビームスプリッタを含むことを特徴とする請求項１０に記載の回転スイッチ。
  15. 前記複数の第１の光学要素の少なくとも１つが、前記光信号を前記第２の光学要素に向けて反射する位置に配置されたミラーからなり、前記複数の第２の光学要素が、更に反射された前記光信号を第３の光学要素に向けて分岐させるために前記中心軸線に沿って配置されたサーキュレータを含むことを特徴とする請求項１０に記載の回転スイッチ。
  16. 前記複数の第１の光学要素の少なくとも１つが、前記複数の第１の光学要素に対する前記光信号の位置を識別させるためのインデックス信号を提供する光検出器からなることを特徴とする請求項１０に記載の回転スイッチ。
  17. 前記第２の光学要素が、プリズム及びミラーからなる群から選択されることを特徴とする請求項１０に記載の回転スイッチ。
  18. 前記第２の光学要素を回転させるための手段を更に有することを特徴とする請求項１０に記載の回転スイッチ。
  19. 前記第２の光学要素を回転させる際に、前記第２の光学要素を支持するために、前記支持部材と前記第２の光学要素との間に配置された軸受アセンブリを更に有することを特徴とする請求項１０に記載の回転スイッチ。
  20. 連続的にかつ順次切り替えられる回転スイッチであって、
    中心軸線周りに回転可能な支持部材と、
    前記中心軸線に対して概ね直交する直交線に対して半径方向に整合するように前記支持部材に取り付けられた複数の反射器と、
    前記支持部材と共に回転することがなく、光信号を、前記中心軸線及び前記中心軸線に対して概ね直交する直交線の間で配向するように、前記中心軸線に整合する光学要素とを有し、
    前記光学要素が光信号を前記複数の反射器の１つに配向したときに、前記光信号を前記光学要素に向けて反射するように、前記反射器が配置されていることを特徴とする回転スイッチ。
  21. 前記光信号の光路上に位置するように、前記複数の反射器の１つに隣接して配置されたフィルタを更に有することを特徴とする請求項２０に記載の回転スイッチ。
  22. 前記複数の反射器が、前記中心軸線の周りの半径方向位置に、周方向に等間隔に配置されていることを特徴とする請求項２０に記載の回転スイッチ。
  23. 前記複数の反射器の少なくとも１つがミラーからなることを特徴とする請求項２０に記載の回転スイッチ。
  24. 前記複数の反射器により反射された前記光信号を第３の光学要素に向けて分岐させるために、前記中心軸線に沿って配置されたビームスプリッタを更に含むことを特徴とする請求項２０に記載の回転スイッチ。
  25. 前記複数の反射器により反射された前記光信号を第３の光学要素に向けて分岐させるために、前記中心軸線に沿って配置されたサーキュレータを更に含むことを特徴とする請求項２０に記載の回転スイッチ。
  26. 前記光学要素が、プリズム及びミラーからなる群から選択されることを特徴とする請求項２０に記載の回転スイッチ。
  27. 前記支持部材が回転する際に、前記第２の光学要素を支持するために、前記支持部材と前記光学要素との間に配置される軸受アセンブリを更に有することを特徴とする請求項２０に記載の回転スイッチ。
  28. 連続的にかつ順次切り替えられる回転スイッチであって、
    中心軸線周りに回転可能な支持部材と、
    前記中心軸線に対して概ね直交する直交線に対して半径方向に整合するように前記支持部材に取り付けられた複数の光学要素と、
    前記中心軸線及び前記複数の光学要素のそれぞれの間で光信号を配向させるための手段とを有することを特徴とする回転スイッチ。
  29. 光信号を配向させるための前記手段が、記中心軸線及び前記複数の光学要素のそれぞれの間で光信号を配向させるための配向手段と、前記配向手段を回転させるための手段とを有することを特徴とする請求項２８に記載の回転スイッチ。
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