帶有耦合滑塊的光旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的制作方法

專利名稱：帶有耦合滑塊的光旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在可相對旋轉(zhuǎn)的單元之間傳輸光信號的設(shè)備。該類型的設(shè)備最好用于計(jì)算機(jī)層析X射線照影裝置。
背景技術(shù)：
已知有各種設(shè)備用于在可相對旋轉(zhuǎn)的單元之間傳輸光信號，尤其在具有無阻礙內(nèi)徑的單元之間。其中存在的一個(gè)基本問題是設(shè)計(jì)一種沿設(shè)備圓周傳輸光的裝置，以及用于耦入和耦出的適當(dāng)裝置。為了用于計(jì)算機(jī)層析X射線照影裝置中，該類型的設(shè)備必須具有很大的無阻礙直徑，大約在1米的數(shù)量級。圓周轉(zhuǎn)速可以在20m/s的數(shù)量級內(nèi)。同時(shí)，必須能夠?qū)崿F(xiàn)大于每秒1千兆比特(G波特)的數(shù)據(jù)率。
因此，US專利4,109,997公開了一種光旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，其中通過在兩個(gè)相對的面(101，1)之間反射實(shí)現(xiàn)沿圓周的光傳輸。光導(dǎo)或玻璃纖維用于光耦入或耦出，借助于透鏡使光束成束或聚焦。但是，該設(shè)備還具有一系列缺陷。因此由于相對陡的角度上的多重反射，光的傳輸衰減相對較高。由此，光發(fā)送機(jī)需要有很高的傳輸功率。此外，由于需要反射鏡鍍膜表面，生產(chǎn)成本也相對較高。因?yàn)榭拷l(fā)送機(jī)的接收機(jī)位置上出現(xiàn)多徑信號接收，不可能進(jìn)行調(diào)制信號的周期長度大大小于設(shè)備圓周面的光切換時(shí)間的寬帶數(shù)據(jù)傳輸。因此能夠同時(shí)從發(fā)送機(jī)接收到經(jīng)過較短路徑的信號以及至少被設(shè)備圓周面反射一次的信號。切換時(shí)間差必須小于調(diào)制信號的周期長度。由此，內(nèi)徑大約為1米時(shí)，產(chǎn)生的圓周面的總切換時(shí)間大約為10納秒。例如，傳輸數(shù)字信號時(shí)，其能夠獲取最大50納秒的比特周期，相當(dāng)于最大20M波特的傳輸速率。
美國專利4,525,025公開了一種改進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)。其闡釋了，尤其在圖10中，一種特別適當(dāng)?shù)膫鬏敼庑盘柕膲q槽。其僅包含一個(gè)元件部分，因此能夠有較低的生產(chǎn)成本。但是，該專利說明書也沒有說明有效解決帶寬限制的方案。另外，所建議的使用鈍端面光纖進(jìn)行光的耦入或耦出也僅能獲得極低的效率。因此該設(shè)備僅適用于小直徑。
美國專利4,555,631公開了一種改進(jìn)的光耦入或耦出。其中，借助于兩個(gè)鏡子把光信號耦入到鏡面拋光的柱面中。為了耦出，在塹槽的固定位置上放置了一個(gè)附加的耦出元件。但是，其中光傳輸路徑也產(chǎn)生了較大的衰減，因?yàn)轳钊腌R的放置不能任意靠近鏡面拋光的柱面，尤其在高速移動時(shí)。而且，光束在平面鏡面上不可避免的扇形展開會導(dǎo)致額外的效率損耗。此外，耦出元件的機(jī)械結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生更多的費(fèi)用，也因此容易產(chǎn)生故障和較高成本。最終也沒有解決帶寬受限問題。因此，光沿相反方向上的兩個(gè)路徑從耦入位置被導(dǎo)向到耦出位置，最終共同在接收機(jī)內(nèi)計(jì)算。其中，帶寬受限也使得調(diào)制信號的周期長度必須小于設(shè)備圓周面的光切換時(shí)間。
美國專利4,934,783中描述了一種具有極高光學(xué)效率的設(shè)備。其中，通過一個(gè)透鏡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光束聚焦。但是，該系統(tǒng)涉及較高的花費(fèi)，生產(chǎn)昂貴，且僅適用于小直徑。此外，其中也沒有解決寬帶問題。
為了減小傳輸路徑上的衰減，以及為了增加能夠傳輸?shù)膸?，美國專?,104,849提出了沿多個(gè)較短的段傳輸?？s短的段會使衰減降低。其中最大帶寬和段的長度成反比。因此用較短的段能夠獲得較大的帶寬。但是為此需要相應(yīng)的較大數(shù)量的光發(fā)送機(jī)或接收機(jī)來覆蓋整個(gè)圓周面。因此該系統(tǒng)的成本隨帶寬成比例增加。
DE 195 43 386 C1描述了一種寬帶信號傳輸設(shè)備，其能夠有較大的帶寬，但不表示有很高的傳輸質(zhì)量。DE 195 43 386 C1合并在本說明書中用于參考。
美國專利4,962,986描述了一種作為替代的光耦合設(shè)備。為了從光導(dǎo)光纖中耦入和耦出，具有高于周圍介質(zhì)的折射率的耦合介質(zhì)直接接觸到纖芯。由此能夠把光纖內(nèi)傳輸?shù)墓馄D(zhuǎn)到耦合介質(zhì)內(nèi)。該設(shè)備的主要缺點(diǎn)是耦合介質(zhì)必須直接接觸纖芯。因此該系統(tǒng)幾乎只適用于給定固定位置上的耦合。但是該類型的系統(tǒng)幾乎不能適用于發(fā)送機(jī)和接收機(jī)能互相移動的裝置，因?yàn)槠渲旭詈辖橘|(zhì)必須沿通常較薄且敏感的纖芯以高速移動。
在1979年柏林Springer出版社出版，Tamir發(fā)表的“集成光學(xué)元件”第87頁描述了一種該類型的設(shè)備。其中，用于耦出的棱鏡位于纖芯上方盡可能小的距離處。這里為了獲得可觀的耦合效率，棱鏡和纖芯間的距離必須為光波長幅度的量級。但是，使用常規(guī)的高精度軸承裝置僅能在整個(gè)裝置的小尺寸內(nèi)獲得這樣的精度。因此目前該系統(tǒng)不能用于例如直徑為1.5米且圓周速度大于20m/s的計(jì)算機(jī)層析X射線照影裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種相對低成本的設(shè)備，其用于在兩個(gè)可相對旋轉(zhuǎn)的單元之間傳輸光信號，由此能夠?qū)Υ笾睆?、高速機(jī)械移動和高數(shù)據(jù)速率實(shí)現(xiàn)低光學(xué)衰減的可靠傳輸。此外，本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施例的目的是設(shè)計(jì)一種設(shè)備，使得即使周期長度小于沿設(shè)備圓周面的光切換時(shí)間的信號也能被傳輸。
根據(jù)本發(fā)明的目標(biāo)由獨(dú)立權(quán)利要求所限定。本發(fā)明的其他改進(jìn)構(gòu)成了從屬權(quán)利要求的主題。
根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備包括一個(gè)沿給定軌道、最好是圓形軌道放置在一個(gè)第一單元上的光導(dǎo)。為了簡便起見，本文僅描述一個(gè)光導(dǎo)。當(dāng)然，根據(jù)本發(fā)明也可以并聯(lián)連接分別具有一個(gè)光導(dǎo)的多個(gè)裝置。連接到光導(dǎo)的是至少一個(gè)第一光耦合器，其用于把光耦入或耦出光導(dǎo)。至少一個(gè)光發(fā)送機(jī)或接收機(jī)連接到第一光耦合器中的至少一個(gè)。連接到光導(dǎo)的是發(fā)送機(jī)還是接收機(jī)由所期望的傳輸方向來確定。如果要傳輸?shù)墓膺h(yuǎn)離光導(dǎo)，那么必須提供一個(gè)發(fā)送機(jī)，反過來的情況下必須有一個(gè)接收機(jī)。當(dāng)然為了傳輸信息，光發(fā)送機(jī)適于用調(diào)制信號調(diào)制。
此外，提供了一個(gè)相對于第一單元可旋轉(zhuǎn)支撐的第二單元。其中采用的基本概念是兩個(gè)單元可以相對移動，而不再提及旋轉(zhuǎn)或靜止單元，因?yàn)檫@僅僅是一個(gè)參考位置的問題。被分配給第二單元的是至少一個(gè)第二光耦合器，后者和第二單元一起沿著相對光導(dǎo)的預(yù)設(shè)軌道相對于第一單元旋轉(zhuǎn)移動。至少一個(gè)第二光耦合器以和第一光導(dǎo)互補(bǔ)的方式設(shè)置，可選地具有一個(gè)光發(fā)送機(jī)或接收機(jī)。
本發(fā)明提供了至少一個(gè)第二光耦合器，其位于用于引導(dǎo)光耦合器的耦合滑塊上。耦合滑塊例如比給定的軌道、即圓形軌道的周長要短。因此在這種情況下耦合滑塊僅包含一個(gè)較短的圓形段或者較短的直線部分?，F(xiàn)有技術(shù)與此相反，光耦合器位于第二單元本身之上。根據(jù)本發(fā)明的耦合滑塊僅借助于一個(gè)張緊單元松弛地連接到第二單元本身。為了精確地沿著光導(dǎo)引導(dǎo)耦合滑塊以及與其連接的光耦合器，在靠近光導(dǎo)處放置了一個(gè)導(dǎo)向裝置，最好緊鄰光導(dǎo)。因此耦合滑塊通過導(dǎo)向裝置保持在相對于光導(dǎo)的規(guī)定位置。
第二單元通過張緊單元實(shí)現(xiàn)沿光導(dǎo)的移動。該實(shí)施例的主要優(yōu)點(diǎn)是大大節(jié)省了成本，因?yàn)楝F(xiàn)在僅需要以高精度制造耦合滑塊。至于整個(gè)第二單元的生產(chǎn)和機(jī)械軸承組件，可以容許較大的公差。通過張緊單元實(shí)現(xiàn)耦合滑塊和第二單元之間的松弛機(jī)械耦合。松弛的耦合可以沿至少一個(gè)軸上至少有較小的自由度(移動)。這不會導(dǎo)致耦合滑塊的定位精確度被第二單元損害。
由于耦合滑塊有這些特定的短或小的結(jié)構(gòu)外形，本發(fā)明也可以使用圓形段，以及任何所需直徑的軌道，當(dāng)然也可以使用直軌道。
本發(fā)明的另一種類型提供了用于耦合滑塊的水靜壓或水動壓以及空氣靜壓或空氣動力軸承。下文中將不再區(qū)分水靜壓或空氣靜壓以及水動壓或空氣動力—盡管其基于不同的媒介。其中借助水靜壓或水動壓軸承使至少一個(gè)耦合滑塊沿一個(gè)或兩個(gè)軸相對于光導(dǎo)定位。
這種類型的水靜壓或水動壓軸承是基于一個(gè)薄氣體膜或液體膜，最好是兩個(gè)平面之間的一個(gè)空氣膜。該薄膜具有很高的剛度，由此力的較大變化僅導(dǎo)致間距很小的變化。氣體膜的情況下，優(yōu)選使用惰性氣體，例如氮?dú)饣蛘咦詈檬窍∮袣怏w。構(gòu)成薄膜的材料或氣體最好在光傳輸波長處是可穿透或非吸收性的。由此，介質(zhì)滲透入光導(dǎo)不會引起傳輸干擾。同樣地，該介質(zhì)也會根據(jù)要求直接滲入光導(dǎo)，例如使其避免外部污染或清潔光導(dǎo)。
其他適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)也是在設(shè)備工作溫度下變成氣態(tài)的液體。這使得對系統(tǒng)同時(shí)冷卻成為可能，尤其在很困難的條件下。
在水靜壓軸承裝置的情況下，最好借助于小泵或耐壓容器向軸承送入介質(zhì)。其中該介質(zhì)被推進(jìn)到兩個(gè)平的軸承面之間。由于該類軸承使用了最少質(zhì)量的氣體或空氣，因?yàn)楹苄〉拈g隔和較高平面質(zhì)量的軸承面，可以用低成本的裝置來實(shí)現(xiàn)介質(zhì)送入。
作為替代，在水動壓軸承裝置的情況下，通過兩個(gè)單元之間的相互移動引起的空氣流來實(shí)現(xiàn)介質(zhì)送入。在這種情況下，氣流(液動悖論，貝努利效應(yīng))實(shí)現(xiàn)軸承運(yùn)動。為此，裝置最好用于引導(dǎo)軸承面之間移動引起的空氣流。最簡單的情況下，空氣引導(dǎo)元件包括一個(gè)簡單的空氣引導(dǎo)片，用于對一部分空氣流適當(dāng)?shù)刂囟ㄏ?。同樣可以設(shè)想更復(fù)雜的實(shí)施例，例如其包括附加的過濾器，用于使空氣流不含較大的或較小的但不易處理的微粒。可選地，也可以使用空氣速度基本獨(dú)立于移動速度的裝置。因此，借助于增加空氣湍流的元件能獲得空氣流速度與增加的移動速度之間的獨(dú)立性。當(dāng)然，該類型的軸承裝置必須具有用于低速情況的應(yīng)急運(yùn)轉(zhuǎn)特性。這可以通過例如額外結(jié)合一個(gè)水靜壓設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，向水靜壓軸承裝置中送入斷續(xù)的空氣流。通常用于該類型軸承的連續(xù)空氣流通常由活塞泵產(chǎn)生。這些泵需要閥門，以通過往復(fù)運(yùn)動產(chǎn)生連續(xù)的空氣流。這些閥門增加了生產(chǎn)成本而且需要維護(hù)。不帶有閥門的簡易活塞泵產(chǎn)生了斷續(xù)的空氣流，一部分運(yùn)動期間抽氣，另一部分運(yùn)動期間向外放氣，由此輸送的空氣質(zhì)量的時(shí)間平均值等于零。對于水靜壓軸承裝置，空氣流的方向無關(guān)緊要。因此，在兩個(gè)氣流方向期間維持軸承運(yùn)動。因?yàn)轳詈匣瑝K的慣性質(zhì)量，泵的活塞位于最上或最下頂點(diǎn)中心以及相應(yīng)沒有產(chǎn)生空氣流的短時(shí)間間隔不會導(dǎo)致軸承運(yùn)動的任何中斷。該實(shí)施例獲得了成本相當(dāng)?shù)偷慕鉀Q方案。
本發(fā)明的另一個(gè)有利的實(shí)施例中，可選擇借助于球軸承或滑動軸承來支撐耦合滑塊。這些軸承也可以結(jié)合水靜壓或水動壓軸承，例如為了獲得更好的應(yīng)急運(yùn)轉(zhuǎn)特性。
本發(fā)明的另一個(gè)有利的實(shí)施例提供了一個(gè)主動式軸承調(diào)節(jié)單元。該軸承調(diào)節(jié)單元包括一個(gè)執(zhí)行元件，用于精確定位光耦合器，一個(gè)傳感器，用于確定光耦合器相對于光導(dǎo)的位置，以及一個(gè)控制單元，用于分析傳感器信號并相應(yīng)地控制執(zhí)行元件。光耦合器的軸承調(diào)節(jié)沿至少一個(gè)軸實(shí)現(xiàn)，但最好沿垂直于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動切線的兩個(gè)軸。由此，可選地，光耦合器高于光導(dǎo)的高度，或者光耦合器和光導(dǎo)之間的側(cè)向距離被維持在恒定值。通過這個(gè)軸承調(diào)節(jié)單元，第一次能夠以極平坦的角度，即接近平行于切線把光耦入光導(dǎo)，為了以所謂的“耳語廓模式”向反射鏡塹槽準(zhǔn)并行地傳輸光?？蛇x地，該軸承調(diào)節(jié)也可以包括一個(gè)旋轉(zhuǎn)或傾斜軸。因此，尤其對平行于光導(dǎo)切線的耦入光線的對準(zhǔn)會對耦合衰減有極大的影響。當(dāng)光耦合器沒有側(cè)向反射裝置時(shí)，光導(dǎo)和光耦合器軸的平行度的極小偏離也已經(jīng)導(dǎo)致信號中斷。這種情況下，平行度的調(diào)節(jié)具有特殊的優(yōu)點(diǎn)。尤其在實(shí)際中，例如用于計(jì)算機(jī)層析X射線照影裝置中兩個(gè)相對旋轉(zhuǎn)的大直徑單元，為了平衡機(jī)械制造公差以及機(jī)械運(yùn)動公差，該類型的軸承調(diào)節(jié)是必需的。借助于該軸承調(diào)節(jié)能夠獲得基本恒定的通路衰減。可選地或附加地，提供了一個(gè)調(diào)節(jié)器用于獲得恒定的接收信號幅度。因此，例如可以用第一控制單元沿側(cè)向定位到光導(dǎo)中心。然后第二控制單元根據(jù)接收到的信號幅度沿高度方向?qū)崿F(xiàn)定位，同時(shí)額外的安全監(jiān)控能防止光耦合器和光導(dǎo)之間的碰撞。為了確定位置，提供了一個(gè)由傳感器掃描的基準(zhǔn)軌道。
除了電執(zhí)行元件例如磁或壓電執(zhí)行元件，其他執(zhí)行元件例如氣動或液壓執(zhí)行元件也是可行的。同樣，控制電路的傳感器或元件除了設(shè)計(jì)成電氣式的，也可以設(shè)計(jì)成氣動或液壓式的?？蛇x地，執(zhí)行元件同時(shí)也可以設(shè)計(jì)為第二光耦合器的電磁懸浮。
水動壓或水靜壓軸承裝置和一個(gè)主動式位置調(diào)節(jié)的組合是特別有利的。可以沿著特定精確對準(zhǔn)的同一個(gè)軸或沿不同軸以互補(bǔ)方式來使用這些元件。因此，例如通過控制水動壓或水靜壓軸承裝置的氣流或氣壓來實(shí)現(xiàn)位置調(diào)節(jié)。這種組合一方面產(chǎn)生了一個(gè)機(jī)械上可靠的系統(tǒng)，并且通過一個(gè)額外疊加的調(diào)節(jié)而提供了高精度的特性。由此，尤其是空氣的溫度和濕度波動以及速度變化引起的空氣軸承裝置間隔的任何公差可以被平衡。
本發(fā)明的另一個(gè)有利的實(shí)施例中，傳感器可選地被設(shè)計(jì)為光學(xué)、電容或電導(dǎo)傳感器。為此，傳感器最好設(shè)計(jì)為一個(gè)用于分析兩個(gè)信號之間的差的差分傳感器。在光學(xué)傳感器的情況下，其可以設(shè)計(jì)為例如測量在相當(dāng)于最優(yōu)距離的焦距處具有最小尺寸的光源的像的大小。該類方法用于例如CD播放機(jī)內(nèi)的聚焦。
本發(fā)明的另一個(gè)有利的實(shí)施例提供了一種被劃分成至少兩段的光導(dǎo)，提供了將所述段互相光學(xué)隔離的裝置。光學(xué)隔離例如可以用兩段之間的吸收材料通過兩部分之間的光偏轉(zhuǎn)，例如鏡子、光柵或散射材料，或者通過分離光信號的方向來獲得。
另外，段的長度，以及沿著段的光傳輸方向規(guī)定了大小，這樣在傳輸相同信號的任何兩段之間的邊界處，調(diào)制信號僅有微小的切換時(shí)間或相位差。這些差值比起調(diào)制信號的周期長度是很小的。因此，信號從光發(fā)送機(jī)到光接收機(jī)的整個(gè)信號傳輸時(shí)間在段的邊界處僅有微小的差值。為了保證寬帶信號傳輸，這是必需的。為了能夠在360°的整個(gè)旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)無干擾傳輸，上述條件必須應(yīng)用到任何兩個(gè)相鄰段之間的所有連接位置。
當(dāng)然對于本發(fā)明的設(shè)備，也可以同時(shí)傳輸多個(gè)信號。只需要對于每個(gè)信號滿足上述條件。不同信號之間的關(guān)系可以是任意的。
本發(fā)明的另一個(gè)有利的實(shí)施例中，每次提供了兩個(gè)相鄰的光導(dǎo)組，具有相同的長度和相反的光傳輸方向。最簡單的情況下，上述整個(gè)裝置僅包含該類型的一個(gè)組。但是，同樣地，可以沿著軌道路線或圓的圓周設(shè)置多個(gè)該類型的組。其可以分別具有不同的段長度，只要一組中的兩段有相同的長度。因此，例如由于構(gòu)造原因，為了簡化連接，也可以具有不同的段長。劃分成多段還具有的優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)段內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與相鄰的段無關(guān)。這意味著能夠獲得相應(yīng)較高的總數(shù)據(jù)速率。如果，例如沿著整個(gè)軌道長度或圓的周長有一個(gè)四組的配置，那么通過同時(shí)傳輸四個(gè)信號能夠增加總數(shù)據(jù)速率。
為此，光導(dǎo)有利地被劃分成偶數(shù)個(gè)段。由于有偶數(shù)個(gè)段，裝置尤其容易實(shí)現(xiàn)。兩段能獲得特別低成本的實(shí)施例。為了在兩段的段邊界處獲得恒定的切換時(shí)間，其必須具有相同的長度以及相反的光傳輸方向。在兩段的情況下，光學(xué)隔離裝置位于和耦入位置成180°反向的位置上。這意味著當(dāng)光耦入第一個(gè)單元時(shí)，一個(gè)吸收器位于和兩個(gè)單元的旋轉(zhuǎn)軸成180°的位置。當(dāng)光耦入第二單元(以及從這里傳輸?shù)降谝粏卧?，使用一個(gè)光學(xué)隔離裝置，它跟隨著第二單元相對于鏡塹槽的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。這個(gè)光學(xué)隔離裝置也可以例如通過位置調(diào)節(jié)，或者水靜壓或水動壓軸承裝置保持在所期望的位置上，如對于耦合滑塊所述的那樣。
本發(fā)明的另一個(gè)有利的實(shí)施例中，最多有一個(gè)光學(xué)隔離裝置被設(shè)計(jì)為吸收或漫散射以從光導(dǎo)導(dǎo)出光。例如，監(jiān)控傳輸信號幅度的監(jiān)控接收機(jī)可以位于這種反射較差的耦出位置。其優(yōu)選地被設(shè)計(jì)為一個(gè)薄片。
本發(fā)明的另一個(gè)有利的實(shí)施例中，至少有一個(gè)光學(xué)隔離裝置被設(shè)計(jì)為波長選擇式的。由此，可以僅對特定的波長進(jìn)行光學(xué)隔離。這使得例如同時(shí)傳輸多個(gè)不同波長的信道成為可能。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，提供了至少一個(gè)包含光導(dǎo)光纖的第二光耦合器。光纖一端有一個(gè)面用于側(cè)向偏轉(zhuǎn)光導(dǎo)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓?。通過光在這個(gè)面上的偏轉(zhuǎn)，光能以還能夠在光纖內(nèi)傳輸?shù)慕嵌葋砥D(zhuǎn)。由于光學(xué)系統(tǒng)的可逆性，本實(shí)施例中當(dāng)然也可以把光導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)墓怦钊氲焦饫w中。為了進(jìn)一步優(yōu)化，光纖可選地與光導(dǎo)的輪廓相符。從而能夠在盡可能大的光導(dǎo)表面實(shí)現(xiàn)光的耦入。為了偏轉(zhuǎn)光，這個(gè)面可以設(shè)計(jì)為通過不同的折射率引起的全反射來偏轉(zhuǎn)，同樣其可以進(jìn)行反射鏡鍍膜或包括一個(gè)衍射光柵。
本發(fā)明的另一個(gè)有利的實(shí)施例包含大致上垂直于光導(dǎo)切線的光導(dǎo)光纖。此外，出射光的反射方向以有利的方式近似與光導(dǎo)相切。
此外，光導(dǎo)光纖同時(shí)也可用作一個(gè)光學(xué)傳感器。為此，最好其他面用于把傳感器信號偏轉(zhuǎn)到光導(dǎo)輪廓的方向。由于這種集成可以減少所需的元件數(shù)量。而且，簡化了機(jī)械調(diào)整，因?yàn)閮蓚€(gè)元件相互之間復(fù)雜的精度調(diào)整不再需要。
另一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)其他面被設(shè)計(jì)為可以用于波長可選擇地偏轉(zhuǎn)或?yàn)V波傳感器信號。由于波長的可選擇性，可以用簡單的方式來選擇各個(gè)不同的方向。同樣地，也可以通過偏振來進(jìn)行選擇。因此也可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)多軸傳感器。可以采用與權(quán)利要求1中本發(fā)明的設(shè)備無關(guān)的該類型傳感器，其基本用于測量所有面，特別是吸收或反射面。
本發(fā)明的另一個(gè)有利的實(shí)施例提供了至少一個(gè)第二光耦合器，用于耦合漸逝場。通過互相耦合漸逝場，能夠在短距離內(nèi)非接觸地耦入或耦出光導(dǎo)。
用于耦合漸逝場的第二光耦合器最好設(shè)計(jì)為一個(gè)棱鏡。為了耦合，該類型的棱鏡最好在半波長的數(shù)量級距離處，也即幾個(gè)微米或納米處在光導(dǎo)上方通過。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，光導(dǎo)包含至少一個(gè)最好具有反射特性的邊界面。通過反射能夠沿光導(dǎo)的最好為圓形的輪廓實(shí)現(xiàn)光的正導(dǎo)向。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，光導(dǎo)包括至少一種具有鏡面反射性表面的材料。因此其可以設(shè)置成例如金屬載體中具有鏡面拋光表面的塹槽。獲得鏡面反射性表面的加工可以用金剛石車刀實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，光導(dǎo)包括至少一種具有反射鏡鍍膜表面的材料。因此，具有鏡面特性的層被附加沉積到光導(dǎo)上。該類型的層可以通過例如電鍍或真空里的汽相沉淀來沉積。金尤其適用于鍍膜材料，因?yàn)閷τ谑袌錾峡捎玫牡统杀镜墓鈱W(xué)元件，其在1.3微米波長處具有非常高的反射系數(shù)。而且，從而能夠獲得超防腐蝕鍍膜表面。
本發(fā)明的一個(gè)改進(jìn)的實(shí)施例中，可選地通過反射或反射鍍膜箔獲得反射鏡鍍膜表面。該類型的箔可以用低成本制造，并以簡單方法鍍在任何期望的載體上，例如塑料或金屬。作為替代，可選地通過電鍍或真空鍍膜來沉積一個(gè)鏡面反射層使表面被反射鏡鍍膜。使用該類型的層能夠獲得相當(dāng)高的反射系數(shù)。
本發(fā)明的另一個(gè)有利的實(shí)施例的區(qū)別性在于表面包括一個(gè)能夠發(fā)生干涉的多層系統(tǒng)。從而，可以有利地采用本發(fā)明的光導(dǎo)，其最好傳輸用于信號傳輸?shù)牟ㄩL，但沒有來自環(huán)境的漫射光。由此能夠?qū)ν獠抗膺M(jìn)行非常好的抑制，尤其是開放式光導(dǎo)。此外，在傳輸多個(gè)不同波長的信道時(shí)，能夠獲得所期望的波長選擇反射。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中提供了包括一個(gè)保護(hù)層的表面。該類型的保護(hù)層例如防止或至少減緩污染或者甚至化學(xué)變化，例如氧化。該保護(hù)層優(yōu)選設(shè)計(jì)為其對下面反射層的反射特性的影響盡可能地小，而且對要傳輸?shù)墓獾乃p也盡可能小。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例提供了一種光導(dǎo)，其包含具有反射鏡表面鍍膜的光纖。該類型的光纖的外部鍍有例如金或能夠產(chǎn)生干涉的多層，隨后被插入預(yù)制塹槽，或者沉積或粘附在另一個(gè)載體上。由此，反射特性不再由塹槽表面確定，而是由非常平滑的光纖表面確定。因而能夠大大降低生產(chǎn)成本，因?yàn)榭梢杂玫统杀旧a(chǎn)光纖，同時(shí)也降低了通常較大的第一單元機(jī)械加工的費(fèi)用。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，光導(dǎo)包括一個(gè)外部或內(nèi)部反射鏡鍍膜的管。該類型的管可以用和上述光纖相同的方式插入，并且具有相同的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的另一個(gè)有利的實(shí)施例包括一個(gè)光導(dǎo)，其在至少一個(gè)平面上具有會聚特性。因而能夠減小光束的發(fā)散，或者使光束進(jìn)一步成束。
本發(fā)明的另一個(gè)有利的實(shí)施例中，光導(dǎo)至少在一側(cè)具有一個(gè)和空氣的臨界面，其中能夠引導(dǎo)類似于薄膜波或表面波的波。該類型的波在光導(dǎo)的邊界層傳輸?shù)街車橘|(zhì)，可以耦入或耦出耦合器。使用棱鏡有利利用于耦合。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)光柵被安裝在光導(dǎo)上用于耦出光。該類型的光柵可以用特別簡單且節(jié)省空間的方式集成。同時(shí)用該類型的光柵使各段互相隔離，例如當(dāng)其在邊界處把光耦出光導(dǎo)時(shí)。此外，這些光柵被設(shè)計(jì)為波長選擇性的，使得不同的波長在不同的位置耦出。由此，在非常小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了波長復(fù)用模式下的多信道信號傳輸。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例在光導(dǎo)上提供了一個(gè)菲涅耳結(jié)構(gòu)，用于光的耦出。該類型的結(jié)構(gòu)可以用現(xiàn)代建模技術(shù)并以非常低的成本獲得。
本發(fā)明的另一個(gè)有利的實(shí)施例中，可選地，光發(fā)送機(jī)或光接收機(jī)同時(shí)被設(shè)計(jì)為光耦合器。因此例如為了光接收，光電二極管可選地直接集成到第一或第二單元內(nèi)，而不是具有連接到這些單元的光接收機(jī)的光耦合器。因而其綜合了光接收機(jī)和光耦合器的工作性質(zhì)。同樣，例如發(fā)射光的激光二極管或LED可選地被集成到第一或第二單元內(nèi)。因而其綜合了光耦合器和光發(fā)送機(jī)的工作性質(zhì)。
本發(fā)明的另一個(gè)有利的實(shí)施例提供了一種光導(dǎo)，其沿著光傳輸方向具有自由選擇的形狀。為此，光導(dǎo)的形狀必須符合標(biāo)準(zhǔn)，使得最優(yōu)傳輸產(chǎn)生最小衰減和最小色散。光導(dǎo)最好設(shè)計(jì)為多邊形或圓形。
光導(dǎo)形狀為多邊形的情況下，其最好包含多個(gè)相似或不同的段，后者可選地具有聚焦或光束成形特征。因而沿光導(dǎo)方向的光束可以維持或者甚至增強(qiáng)。
此外，從第一單元到光導(dǎo)的光學(xué)信號饋送或耦合可以借助于光導(dǎo)光纖實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的另一個(gè)有利的實(shí)施例中，為了從第一單元向光導(dǎo)耦合光信號，提供了至少一個(gè)自由選擇形狀的透鏡用于光束聚焦。該透鏡把耦合到光導(dǎo)中的光進(jìn)行聚焦，使其沿著光導(dǎo)以低衰減和低色散傳輸。因?yàn)榫哂凶杂蛇x擇形狀的透鏡非常容易設(shè)計(jì)，可以使用球面透鏡或柱面透鏡。透鏡可以用作分立元件，或者也可以在光導(dǎo)光纖上構(gòu)成。
本發(fā)明的另一個(gè)有利的實(shí)施例包括至少一個(gè)偏轉(zhuǎn)單元，其用于從第一單元向光導(dǎo)耦合光信號。由于偏轉(zhuǎn)單元所實(shí)現(xiàn)的光束偏轉(zhuǎn)，需要耦合的光束方向?qū)嶋H上不再與光導(dǎo)相切。由于偏轉(zhuǎn)，可以顯著減小結(jié)構(gòu)的大小。最好借助于鏡面、棱鏡或適當(dāng)形狀的光導(dǎo)光纖的端面來實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的另一個(gè)有利的實(shí)施例可以通過用于傳輸?shù)牟煌獠ㄩL同時(shí)傳輸多個(gè)信道。由于信號的波長選擇發(fā)送和信號的波長選擇接收，這些信道可以明確地互相分離。
尤其當(dāng)多個(gè)第一光耦合器位于光導(dǎo)的不同位置時(shí)，獲得一個(gè)波長選擇傳輸多個(gè)信道的特別有利的實(shí)施例。隔離裝置應(yīng)在適當(dāng)?shù)奈恢蒙暇哂胁ㄩL依賴性。同樣，第二光耦合器適當(dāng)?shù)匚挥诘诙卧系牟煌恢?。不同位置上的該裝置簡化了光耦合器的機(jī)械安裝，并降低了光學(xué)元件的費(fèi)用。
此外，至少一個(gè)光學(xué)隔離裝置被設(shè)計(jì)為波長選擇性的。
最好多個(gè)光學(xué)隔離裝置被設(shè)計(jì)為波長選擇性的，且對于特定的波長，其位于相當(dāng)于一段的邊界的兩個(gè)位置處。該實(shí)施例允許波長依賴性不同或者段邊界設(shè)置不同的分段，位于不同位置上的光耦合器的裝置是必需的。
本發(fā)明的另一個(gè)有利的實(shí)施例建議在光導(dǎo)內(nèi)傳輸偏振光。測試表明許多光導(dǎo)以極低的衰減傳輸特定偏振光。特定的優(yōu)點(diǎn)是例如將垂直于入射面的偏振光傳輸?shù)阶鳛楣鈱?dǎo)的帶有鏡面鍍膜塹槽的金屬表面。優(yōu)選通過偏振光源(14)產(chǎn)生偏振光。同樣，也可以在光路內(nèi)提供偏振濾波器。這些元件例如可以集成在光耦合器內(nèi)。此外，為了補(bǔ)償衰減對位置的依賴性，可以采用依賴于位置的偏振。
本發(fā)明的另一個(gè)有利的實(shí)施例中提供了至少一個(gè)偏振選擇的接收機(jī)。可選地，偏振濾波器被插入到接收機(jī)之前。如果非偏振光源用于發(fā)射信號，那么光以不同的衰減傳輸，也因此具有依賴于偏振的不同的切換時(shí)間?，F(xiàn)在，偏振選擇接收機(jī)可以選擇具有規(guī)定切換時(shí)間或規(guī)定衰減的規(guī)定的偏振。這導(dǎo)致了基本與位置無關(guān)的幅度以及最小的信號失真。
本發(fā)明的另一個(gè)有利的實(shí)施例中，提供了多個(gè)光發(fā)送機(jī)(14)用于發(fā)射偏振光，以及多個(gè)偏振選擇光接收機(jī)(15)用于接收偏振光。為此，構(gòu)成了多個(gè)光發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的組，每組的偏振都互相調(diào)節(jié)，使得每組內(nèi)都傳輸信號，但不會有信號傳輸?shù)狡渌M的接收機(jī)。因而通過不同的偏振可以同時(shí)傳輸多個(gè)信道。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，通過偏振調(diào)制來實(shí)現(xiàn)信號傳輸。為此，提供了至少一個(gè)光發(fā)送機(jī)(14)，其最好發(fā)射偏振光。此外，提供了至少一個(gè)調(diào)制發(fā)送機(jī)的偏振的裝置，可選地位于發(fā)送機(jī)本身內(nèi)，或位于發(fā)送機(jī)和接收機(jī)之間的光路內(nèi)。為了分析偏振調(diào)制，提供了一個(gè)光接收機(jī)，其包括將偏振變化轉(zhuǎn)換成幅度調(diào)制的裝置。這例如可以是一個(gè)簡單的偏振濾波器。
另一個(gè)實(shí)施例中提供了光導(dǎo)的機(jī)械封裝。該封裝防止光導(dǎo)受到不期望的機(jī)械影響，尤其防止受到污染。
本發(fā)明的另一個(gè)有利的實(shí)施例提供了一種封裝，其通過迷宮和/或間隙密封來與環(huán)境封閉。最好內(nèi)部空間具有比外部高的氣壓。當(dāng)然，內(nèi)部空間也可以填充任何其他氣體來替代空氣。例如氮?dú)庥绕溥m用于此。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，封裝是通過對接沿或塑料片與環(huán)境封閉的。
相應(yīng)地，本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中額外提供了一種靜電屏蔽。其通過電場來影響可充電或帶電的顆粒?，F(xiàn)在該類型的顆粒能夠偏離光導(dǎo)，因此光導(dǎo)不會被顆粒污染。如果例如本發(fā)明的設(shè)備被集成到一個(gè)帶有常規(guī)滑動觸點(diǎn)的裝備中用作應(yīng)急傳輸，那么滑動碳觸點(diǎn)產(chǎn)生的磨損會在短時(shí)間內(nèi)污染光導(dǎo)，因此會獲得不可接受的高衰減值。借助于靜電屏蔽，現(xiàn)在碳塵能遠(yuǎn)離光導(dǎo)，因此基本降低了光導(dǎo)的污染。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，光導(dǎo)的封裝或容器部分包括一個(gè)微平面。該類型的平面防止粘附污染物，例如相鄰滑軌的碳塵。由于空氣送入引起的氣流，例如送入水靜壓軸承或者耦合滑塊移動引起的氣流，不能牢固粘附在微平面上的污染物被從表面上吹走。


下面將參照附圖根據(jù)實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明，并且不構(gòu)成對本發(fā)明上位概念的限制。
圖1示意性地給出了本發(fā)明的設(shè)備的常用形式。
圖2示意性地給出了本發(fā)明的設(shè)備的剖面圖。
圖3給出了本發(fā)明中具有自由選擇外形的光導(dǎo)的設(shè)備。
圖4示意性地給出了從第一單元向第二單元傳輸光信號。
圖5示意性地給出了從第二單元向第一單元傳輸光信號。
圖6、7和8給出了一個(gè)電容式位置傳感器。
圖9和10給出了執(zhí)行元件內(nèi)集成的第二光耦合器。
圖11給出了一個(gè)光學(xué)位置傳感器。
圖12給出了一個(gè)集成了光學(xué)位置傳感器的第二光耦合器。
圖13給出了圖12中的第二光耦合器的透視圖。
圖14示意性地給出了借助于第二光耦合器把光耦入或耦出光導(dǎo)。
圖15給出了具有集成光學(xué)位置傳感器的第二光耦合器的控制結(jié)構(gòu)。
圖16給出了具有反射鍍膜的光導(dǎo)。
圖17給出了包含涂覆光纖的光導(dǎo)。
圖18給出了光柵耦合器的構(gòu)造原理。
圖19給出了借助于菲涅耳結(jié)構(gòu)的信號耦合。
圖20給出了表面波耦入的設(shè)備。
圖21給出了一種集成了主動和被動位置調(diào)節(jié)器的設(shè)備。
圖22示意性地給出了借助于棱鏡耦合到光導(dǎo)。
圖23示意性地給出了借助于具有地端的光導(dǎo)光纖耦合到光導(dǎo)。
圖24給出了借助于反射鏡耦合到光導(dǎo)。
圖25給出了借助于光導(dǎo)光纖耦合到光導(dǎo)。
圖26給出了借助于棱鏡耦合到光導(dǎo)。
圖27給出了一個(gè)密封裝置。
圖28給出了具有靜電屏蔽的密封裝置。
具體實(shí)施例方式
圖1示意性給出了本發(fā)明的設(shè)備的平面圖。第一單元1用于容納一個(gè)環(huán)形光導(dǎo)3。該光導(dǎo)是例如內(nèi)部鍍膜的塹槽。第二單元2圍繞旋轉(zhuǎn)軸6相對于第一單元旋轉(zhuǎn)。耦合滑塊65連接到第二單元，并支撐一個(gè)第二光耦合器5。一個(gè)光學(xué)隔離裝置13相對于第一光耦合器的耦入位置對稱放置，由此兩端的光程32具有相同長度。光可以從第一單元傳輸?shù)降诙卧部梢韵喾吹姆较驈牡诙卧獋鬏數(shù)降谝粏卧?。光?dǎo)光纖4a，4b向光導(dǎo)提供光。借助于光導(dǎo)光纖7實(shí)現(xiàn)光耦合器的光導(dǎo)向。
圖2給出了本發(fā)明的設(shè)備的剖面示意圖。其中，第一單元1和第二單元2都是具有中央孔的盤，其圍繞中央旋轉(zhuǎn)軸6可旋轉(zhuǎn)地支撐。q耦合滑塊65沿光導(dǎo)3運(yùn)動，并由張緊構(gòu)件66支撐運(yùn)動。此處實(shí)例所示的光導(dǎo)3是內(nèi)側(cè)面反射鏡鍍膜的塹槽。其延伸到第一單元的整個(gè)圓周。該塹槽和位于第二單元2上的第二光耦合器5相嚙合。光耦合器引出在光導(dǎo)引導(dǎo)的光，并借助于光導(dǎo)光纖7傳送。水動力軸承裝置以及一個(gè)電動軸承調(diào)節(jié)器用于光導(dǎo)和第二光耦合器沿軸的精確對準(zhǔn)。水動力軸承裝置基于由兩個(gè)單元相對移動而在第一軸承面21和第二軸承面20之間形成的一個(gè)薄空氣膜。用額外的空氣引導(dǎo)裝置來支撐。此外，該設(shè)備有利地具有應(yīng)急運(yùn)轉(zhuǎn)特性，其能夠保證即使在低速且沒有足夠的空氣薄膜時(shí)的導(dǎo)向性，例如在加速或剎車狀態(tài)下。并且，為了精確定位，提供了傳感器9，用于確定兩個(gè)單元之間的距離。此處該傳感器掃描到基準(zhǔn)軌道11的距離，本實(shí)例中和第一軸承面21是相同的。傳感器的輸出信號由控制單元10處理，并送往一個(gè)執(zhí)行元件8用于精確調(diào)節(jié)第二光耦合器的位置。
圖3給出了根據(jù)本發(fā)明具有自由選擇外形的光導(dǎo)的設(shè)備。第一光耦合器4發(fā)出的光借助于自由選擇形狀的多個(gè)表面76沿給定軌道傳送到第二光耦合器5。面的形狀可以全部相同或不同。最好這些面被設(shè)計(jì)成使光束33導(dǎo)向或成形，由此盡可能小衰減被導(dǎo)向。
圖4示意性地給出了從第一單元向第二單元傳輸光信號。光發(fā)送機(jī)14產(chǎn)生調(diào)制光信號，例如借助于光纖7中繼傳遞到第一單元1。從中實(shí)現(xiàn)與第二單元2的耦合，其借助于另一個(gè)光導(dǎo)光纖7向光接收機(jī)15傳輸光信號用于分析。
圖5類似給出了與前一附圖相反的方向，即從第二單元向第一單元傳輸光信號。
圖6借助實(shí)例給出了用于確定第二光耦合器5相對于光導(dǎo)3的位置的電容傳感器。第一電容傳感面22以及第二電容傳感面23安裝在第二光耦合器上，或者安裝在連接到它的元件上。本實(shí)施例中，光導(dǎo)或位于光導(dǎo)之下的表面，例如光導(dǎo)的載體必須設(shè)計(jì)為導(dǎo)電的。為了確定第二光耦合器相對于光導(dǎo)的位置，第一電容傳感面和光導(dǎo)，以及光導(dǎo)和第二電容傳感面之間的電容被測定和分析。該類型的電容傳感器也可以設(shè)計(jì)為獨(dú)立于光導(dǎo)和第二光耦合器。為了確定一個(gè)平面上的位置，其也可以只有一個(gè)電容傳感面。類似地，其最好運(yùn)行在一個(gè)U形或V形塹槽內(nèi)專用于位置測定。最好該塹槽包括兩個(gè)互相垂直的表面。
圖7給出了電容傳感器的一個(gè)特別有利的實(shí)施例，其中額外提供了一個(gè)電容基準(zhǔn)面24。由于通常不能接觸相對于第二光耦合器可以移動的光導(dǎo)進(jìn)行電測量，附加的電容基準(zhǔn)面不能作為一個(gè)基準(zhǔn)。
圖8給出了一個(gè)電等效電路圖，其具有光導(dǎo)3的第一電容傳感面22、第二電容傳感面23以及電容基準(zhǔn)面24。由于不能直接接觸光導(dǎo)，在第一接觸點(diǎn)25和基準(zhǔn)接觸點(diǎn)27之間實(shí)現(xiàn)確定第一位置的測量。在第二接觸點(diǎn)26和基準(zhǔn)接觸點(diǎn)27之間實(shí)現(xiàn)確定第二位置的測量。為了獲得盡可能大的測量信號，電容基準(zhǔn)面24形成的電容要選擇盡可能的大。通過分析接觸點(diǎn)25，26和基準(zhǔn)接觸點(diǎn)27之間的電容差很容易確定光導(dǎo)的中心位置。電容的絕對值是高于塹槽中心的絕對高度的量度。
圖9給出了執(zhí)行元件內(nèi)集成的第二光耦合器的一個(gè)特別有利的實(shí)施例。光路32從光束導(dǎo)向或整形的光學(xué)系統(tǒng)30，例如準(zhǔn)直器，通過反射鏡31在未示出的光導(dǎo)方向上延伸。當(dāng)然，光路也可以在相反方向上延伸。反射鏡31連接到一個(gè)電樞33。通過永磁鐵34和線圈35的磁場實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向或軸承功能。此處所示實(shí)施例具有從背對光導(dǎo)的準(zhǔn)直面一側(cè)和光導(dǎo)或光源或接收機(jī)機(jī)械去耦合的優(yōu)點(diǎn)。但是為了獲得低得多的耦合衰減，可以采用波導(dǎo)來替代準(zhǔn)直器和反射鏡。該實(shí)施例還對污染的敏感度較低。
圖10給出了執(zhí)行元件內(nèi)集成的光耦合器的另一個(gè)實(shí)施例。該實(shí)施例類似于圖9。但是，至少一個(gè)磁軛36用于引導(dǎo)至少一個(gè)線圈35a，35b產(chǎn)生的磁場。
圖11示出了一個(gè)光學(xué)位置傳感器。有利的是，該類型的位置傳感器像第二光耦合器5一樣緊密接觸光導(dǎo)3。其包括一個(gè)光波導(dǎo)40，該光波導(dǎo)由未示出的光源送入至少一個(gè)波長的光。根據(jù)第一傳感面43或第二傳感面44靠近光導(dǎo)各個(gè)邊界的程度，光在強(qiáng)度上被或多或少地反射。反射光強(qiáng)度的分析在一個(gè)未示出的傳感器單元內(nèi)實(shí)現(xiàn)，后者在多個(gè)波長情況下也執(zhí)行波長選擇的分析。因此，例如第一傳感面43可運(yùn)行在第一波長，而第二傳感面44可運(yùn)行在第二波長。為此，波長選擇濾波器最好安裝在出射面上。除了分析強(qiáng)度，該裝置還可被設(shè)計(jì)成使反射光的偏振根據(jù)距離而改變。傳感器在圖11中是側(cè)視圖，其下是平面圖。傳感器也可以旋轉(zhuǎn)90°并用作光耦合器。此時(shí)，第一傳感面43相當(dāng)于第一耦合面41，而第二傳感面44相當(dāng)于第二耦合面42。而且，該類型的傳感器也可以包含多個(gè)耦合面用于實(shí)現(xiàn)沿多個(gè)軸的測量。
圖12給出了第二光耦合器，其和位置傳感器組合在一個(gè)單元內(nèi)。除了借助于前面所示的附圖，其中第一耦合面41和第二耦合面42也用于把光耦入或耦出光導(dǎo)，以用于信息傳輸。
圖13給出了圖12所示的第二光耦合器的透視圖。
圖14中示出了光耦合和光偏轉(zhuǎn)的原理。因此為了光耦合，光耦合器3在不同方向上攜帶的光可選地被偏轉(zhuǎn)到第二光耦合器5。最好用折射來實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)。由此，光可以同時(shí)被耦入和耦出光導(dǎo)。所示光束并不精確地對應(yīng)于物理光路，但仍然示意性地再現(xiàn)正確的信號傳輸。
圖15示意性闡釋了具有一個(gè)集成光學(xué)位置傳感器的第二光耦合器的構(gòu)造和集成。第二光耦合器5可移動地放置，并通過適當(dāng)控制線圈35改變其高度。借助于第二光耦合器5把來自光導(dǎo)3的光束32導(dǎo)入一個(gè)用于光束導(dǎo)向或成形的光學(xué)系統(tǒng)10。該系統(tǒng)可以把光傳遞到例如光導(dǎo)光纖7中。但是，沒有任何附加光束成形系統(tǒng)的光導(dǎo)光纖同樣也可以放在該位置上。當(dāng)然，光也可以在相反方向上傳輸。為了確定精確的位置，光被一個(gè)位置傳感發(fā)送機(jī)/接收機(jī)47借助于位于沿第二光耦合器5的方向的光路內(nèi)的波長選擇反射鏡45偏轉(zhuǎn)，如前所述，由此光被耦入光導(dǎo)用于位置測定。依賴于位置被反射的光46通過第二光耦合器和波長選擇鏡面被再次傳回到位置傳感發(fā)送機(jī)/接收機(jī)47用于分析。后者現(xiàn)在可以根據(jù)光強(qiáng)來確定第二光耦合器的位置，并向控制單元發(fā)出一個(gè)適當(dāng)?shù)臏y量信號用于控制執(zhí)行元件的線圈35。除了波長選擇反射鏡，也可以使用商業(yè)上可用的模式非敏感消色差耦合器，但衰減較大。此時(shí)，也可選擇使用波導(dǎo)用于信號饋入和信號耦合。
圖16闡釋了具有反射鍍膜的光導(dǎo)3。此時(shí)，光導(dǎo)由第一單元1內(nèi)的槽構(gòu)成。該槽的表面具有反射鍍膜53。
圖17中闡釋了由鍍膜管制成的光導(dǎo)。反射鍍膜管50借助于粘合劑被固定在第一單元1內(nèi)的適當(dāng)槽上。為了獲得塹槽形的開放光導(dǎo)，現(xiàn)在需要進(jìn)行拋光處理以獲得最終輪廓51。作為替代，該處理可以在用粘合劑固定位置之前進(jìn)行。也可以通過與該管相同的方式涂覆光纖。
圖18中闡釋了光柵耦合器的構(gòu)造原理。該實(shí)施例中，光導(dǎo)3沿著旋轉(zhuǎn)軸6周圍的圓周面有一個(gè)弓形的凹槽。該凹槽可選地包含一個(gè)支撐光柵60的透明材料61。擊中這個(gè)弓形部分內(nèi)光柵的光線32被光柵向外偏轉(zhuǎn)，并借助于第一透鏡62和第二透鏡63聚焦在光柵光纖7的入口處。當(dāng)然，其他透鏡裝置也是可行的。因?yàn)楦魇饩€全部以相同的角度擊中光柵，盡管在不同的位置上，對于整個(gè)凹槽可以使用固定的點(diǎn)陣常數(shù)。因此，可以獲得的衍射級對應(yīng)于原點(diǎn)位于旋轉(zhuǎn)軸6上的發(fā)散波。該點(diǎn)表示所有耦出信號的焦點(diǎn)。借助于兩個(gè)透鏡將其成像到光導(dǎo)光纖7的末端。該設(shè)備尤其對于灰塵和其他污染不敏感，因?yàn)楣鈱W(xué)系統(tǒng)的基本元件，即兩個(gè)透鏡以及光導(dǎo)光纖可以位于保護(hù)區(qū)域內(nèi)。此外，光導(dǎo)本身沒有任何插入光柵所需的會沉積污染物的開口或截槽。
圖19中闡釋了一種借助了菲涅耳結(jié)構(gòu)64的信號耦合。第一光耦合器4附近，來自分配給第一單元1的光導(dǎo)3的光被送往一個(gè)階梯狀結(jié)構(gòu)，用于把第二光耦合器5發(fā)射的光束偏轉(zhuǎn)到第一光耦合器的方向。
圖20給出了本發(fā)明的一個(gè)用于耦入薄膜波或平面波的實(shí)施例。其中光導(dǎo)3的實(shí)例給出了具有接地芯部分的光纖。為了耦合，棱鏡5沿著光導(dǎo)的接地面移動，其間有較小的間隔。本實(shí)施例中未示出，光從上部耦入棱鏡。為了精確對準(zhǔn)，水動力軸承裝置包含一個(gè)第一軸承面21和第二軸承面20。適當(dāng)?shù)妮S承元件也可以垂直設(shè)置用于沿第二軸方向上進(jìn)行穩(wěn)定。甚至光導(dǎo)本身也可以用作一個(gè)軸承面。
圖21給出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中提供了一個(gè)主動位置調(diào)節(jié)的水動力軸承裝置。其中一個(gè)第一軸承面21同時(shí)用作傳感器9的基準(zhǔn)軌道11。
圖22示意性地給出了借助于棱鏡耦合到光導(dǎo)。使用光導(dǎo)光纖4a，4b來送入光。這些光纖的光被棱鏡70偏轉(zhuǎn)到能導(dǎo)入光導(dǎo)的角度上。本圖中，未標(biāo)注的陰影線面表示容納了光導(dǎo)3的第一單元1的截?cái)嗖糠帧?br> 圖23示意性地給出了使用具有地端的光導(dǎo)光纖4a，4b耦合到光導(dǎo)。在這種情況下，使用適當(dāng)設(shè)計(jì)的光纖端面而不是棱鏡來實(shí)現(xiàn)光偏轉(zhuǎn)。
圖24給出了使用反射鏡68，69耦合到光導(dǎo)。
圖25給出了使用光導(dǎo)光纖直接耦合到光導(dǎo)。
圖26給出了使用透鏡72耦合到光導(dǎo)。通過這些透鏡，對光導(dǎo)光纖4a，4b的光纖端面71發(fā)出的光進(jìn)行額外的光束成形。
圖27給出了一個(gè)密封設(shè)備。其中，通過舉例，光導(dǎo)3被集成在軸承面21構(gòu)成的塹槽內(nèi)。為了密封，提供了一個(gè)蓋77，它有利地包括額外的肋條79，后者和第一單元的肋條78一起構(gòu)成了迷宮密封。當(dāng)然，沒有這些肋條的蓋子也是可行的。
圖28給出了對應(yīng)于前述附圖的密封裝置，但附加了一個(gè)靜電屏蔽73。通過舉例，該靜電屏蔽和滑軌74一起位于共用的托板75上，并聚集了它們接觸密封光學(xué)傳感單元之前滑軌處所產(chǎn)生的碳塵和其他材料的磨損顆粒。為此，靜電屏蔽最好用電導(dǎo)材料構(gòu)成，或者涂覆了至少一種該類材料。此外，由于第一單元和第二單元之間的相對移動，該靜電屏蔽設(shè)計(jì)為靜態(tài)充電。作為替代，也可以用高壓電源來充電。
附圖標(biāo)記1第一單元2第二單元3光導(dǎo)4第一光耦合器4a 光導(dǎo)光纖4b 光導(dǎo)光纖5第二光耦合器6第一和第二單元之間的旋轉(zhuǎn)軸7光導(dǎo)光纖8執(zhí)行元件9傳感器10 控制單元11 基準(zhǔn)軌道12 水靜壓或水動力軸承裝置13 光學(xué)隔離裝置14 光發(fā)送機(jī)15 光接收機(jī)20 第二軸承面21 第一軸承面22 第一電容傳感面23 第二電容傳感面24 電容基準(zhǔn)面25 第一接觸點(diǎn)
26第二接觸點(diǎn)27基準(zhǔn)接觸點(diǎn)30用于光束導(dǎo)向或成形的光學(xué)系統(tǒng)31反射鏡32光束33電樞34永磁鐵35線圈36電軛40光波導(dǎo)41第一耦合面42第二耦合面43第一傳感面44第二傳感面45波長選擇反射鏡46位置傳感器的光束47位置傳感發(fā)送機(jī)/接收機(jī)48第一光路49第二光路50鍍膜管51受到拋光處理的管52粘合劑53反射鍍膜60光柵61透光材料62第一透鏡63第二透鏡64菲涅耳結(jié)構(gòu)65耦合滑塊
66張緊單元67密封68第一反射鏡69第二反射鏡70棱鏡71光纖端面72透鏡73靜電屏蔽74滑軌75滑軌的載體76自由選擇形狀的面77蓋子78肋條79蓋子上的肋條
權(quán)利要求
1.一種在第一單元(1)和第二單元(2)之間傳輸調(diào)制光信號的設(shè)備，其中第一單元相對于第二單元可旋轉(zhuǎn)地支撐，其包括-沿第一單元上給定的圓形軌道延伸的光導(dǎo)(3)；-連接到光導(dǎo)的至少一個(gè)第一光耦合器(4)，用于把光耦入或耦出光導(dǎo)；-放置在第二單元上的至少一個(gè)第二光耦合器(5)，可沿著圓形軌道相對于光導(dǎo)移動，用于把光耦入或耦出光導(dǎo)；其特征在于，提供了至少一個(gè)耦合滑塊(65)，用于支撐第二光耦合器，以及所述耦合滑塊-其長度比圓形軌道的圓周短；-由沿圓形軌道放置的導(dǎo)向裝置引導(dǎo)；-通過張緊單元(66)可移動地連接到第二單元，沿至少一個(gè)軸松弛地機(jī)械耦合；以及-通過第二單元的移動在第二單元的移動方向上借助于該張緊單元被移動。
2.一種在第一單元(1)和第二單元(2)之間傳輸調(diào)制光信號的設(shè)備，其中第一單元被支撐著使得相對于第二單元可線性移動，其包括-沿第一單元上的給定線性軌道延伸的光導(dǎo)(3)；-連接到光導(dǎo)的至少一個(gè)第一光耦合器(4)，用于把光耦入或耦出光導(dǎo)；-放置在第二單元上的至少一個(gè)第二光耦合器(5)，可沿著線性軌道相對于光導(dǎo)移動，用于把光耦入或耦出光導(dǎo)；其特征在于，提供了至少一個(gè)耦合滑塊(65)，用于支撐第二光耦合器，以及所述耦合滑塊-其長度比圓形軌道的圓周短；-由沿線性軌道放置的導(dǎo)向裝置引導(dǎo)；-通過張緊單元(66)至少沿一個(gè)方向可移動地連接到第二單元；以及-通過第二單元的移動在第二單元的移動方向上借助于該張緊單元被移動。
3.如權(quán)利要求1或2的設(shè)備，其特征在于，提供了用于耦合滑塊(65)的水靜壓或水動力軸承裝置(12)，從而借助于液體或氣體介質(zhì)，或者基于液體或氣體介質(zhì)、最好為空氣的軸承裝置，使耦合滑塊沿至少一個(gè)軸，最好沿垂直于兩個(gè)單元的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的切線的兩個(gè)軸維持在相對于光導(dǎo)的規(guī)定位置上。
4.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，用于向支撐耦合滑塊的至少一個(gè)水靜壓或水動力軸承提供斷續(xù)的空氣流的至少一個(gè)裝置。
5.如前述任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，耦合滑塊可選地借助于球軸承或滑動軸承來支撐。
6.如前述任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，為至少一個(gè)耦合滑塊提供了一個(gè)執(zhí)行元件和與之相連的至少一個(gè)傳感器(9)，以及至少一個(gè)控制單元(10)，用于調(diào)整光耦合器的位置，提供至少一個(gè)傳感器，用于確定光耦合器的位置，其信號被傳送到控制單元，并且控制單元為執(zhí)行元件產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，使得光耦合器沿至少一個(gè)軸的位置，最好是沿垂直于兩個(gè)單元的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的切線的兩個(gè)軸的位置被維持在給定值。
7.如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于，至少一個(gè)傳感器(9)被設(shè)計(jì)為光學(xué)、電容或電感傳感器，最好是差分傳感器。
8.如前述任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，光導(dǎo)(3)被劃分成至少兩段，并提供了光學(xué)隔離(13)裝置，將這些段互相隔離，段的長度和光沿段的傳播方向以及任何至所述段的通路被設(shè)計(jì)為在任何兩個(gè)傳輸相同信號的段之間的邊界，調(diào)制信號僅有相比起調(diào)制信號的周期很小的切換時(shí)間或相位差。
9.如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于，提供了分別由兩個(gè)相鄰段構(gòu)成的組，所述兩個(gè)相鄰段具有相同的切換時(shí)間和相反的光傳輸方向。
10.如權(quán)利要求8或9所述的設(shè)備，其特征在于，各段之間的光學(xué)隔離裝置被設(shè)計(jì)為吸收或散射，以沿段向外導(dǎo)光。
11.如權(quán)利要求8到10任一所述的設(shè)備，其特征在于，至少一個(gè)光學(xué)隔離裝置(13)被設(shè)計(jì)為波長選擇性的。
12.如前述任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，至少一個(gè)第二光耦合器(5)包括一個(gè)光導(dǎo)光纖(7)，其一端同時(shí)具有至少一個(gè)面(41，42)，用于把光導(dǎo)光纖內(nèi)引導(dǎo)的光偏轉(zhuǎn)到光導(dǎo)可以傳輸?shù)慕嵌取?br> 13.如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其特征在于，光導(dǎo)光纖(7)放置在基本垂直于光導(dǎo)的切線處，并且光纖發(fā)出的光的偏轉(zhuǎn)角度基本與光導(dǎo)相切地延伸。
14.如權(quán)利要求12或13所述的設(shè)備，其特征在于，光導(dǎo)光纖(7)也可以設(shè)計(jì)成光學(xué)傳感器，為此最好具有其他面(43，44)，用于沿光導(dǎo)輪廓方向偏轉(zhuǎn)傳感器信號。
15.如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征在于，至少一個(gè)面被設(shè)計(jì)為用于傳感器信號的波長選擇偏轉(zhuǎn)或波長選擇濾波。
16.如前述任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，提供了至少一個(gè)第二光耦合器，用于耦合漸逝場。
17.如權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其特征在于，至少一個(gè)第二光耦合器被設(shè)計(jì)為一個(gè)棱鏡。
18.如前述任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，光導(dǎo)(3)包括至少一個(gè)最好具有反射特性的邊界面。
19.如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其特征在于，光導(dǎo)(3)包括具有反射或反射鍍膜表面的材料。
20.如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于，反射或反射鍍膜表面可選地包括一個(gè)反射或反射鍍膜箔，或者例如通過電鍍、化學(xué)或真空鍍膜方式敷設(shè)的金屬層。
21.如權(quán)利要求19到20任一所述的設(shè)備，其特征在于，該表面包含一個(gè)能夠產(chǎn)生干涉的多層系統(tǒng)。
22.如權(quán)利要求17到19任一所述的設(shè)備，其特征在于，該表面包含一個(gè)保護(hù)層。
23.如前述任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，光導(dǎo)被設(shè)計(jì)為用于沿著鄰近周圍空氣的邊界層導(dǎo)波，類似于薄膜波或表面波。
24.如前述任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，光導(dǎo)(3)包括一個(gè)表面涂覆光纖。
25.如前述任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，光導(dǎo)(3)包括外部或內(nèi)部鍍膜的管(50)。
26.如前述任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，光導(dǎo)(3)在至少一個(gè)平面內(nèi)具有會聚特性。
27.如前述任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，光導(dǎo)(3)沿光傳播方向具有自由選擇的形狀，但最好是多邊形或圓形。
28.如前述任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，沿著光傳播方向，光導(dǎo)(3)由一個(gè)多邊形構(gòu)成，所述多邊形具有多個(gè)相等或不等的段，這些段可選地具有聚焦或光束成形特性。
29.如前述任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，提供了至少一個(gè)光導(dǎo)光纖，用于從第一單元(1)提供光信號，將光信號耦合到光導(dǎo)(3)中。
30.如前述任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，為了把光信號從第一單元(1)耦合到光導(dǎo)(3)中，提供了至少一個(gè)自由選擇形狀的透鏡用于優(yōu)化光束聚焦，并且透鏡可以簡化設(shè)計(jì)為球面或柱面透鏡。
31.如前述任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，為了把光信號從第一單元(1)耦合到光導(dǎo)(3)中，提供了至少一個(gè)偏轉(zhuǎn)單元，最好是反射鏡、棱鏡或光導(dǎo)光纖的適當(dāng)形狀的端面。
32.如前述任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，光導(dǎo)包含一個(gè)用于耦出光的光柵(60)。
33.如前述任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，光導(dǎo)包含一種用于耦出光的結(jié)構(gòu)，最好是菲涅耳結(jié)構(gòu)。
34.如前述任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，可選地至少一個(gè)光發(fā)送機(jī)或至少一個(gè)光接收機(jī)也被設(shè)計(jì)為光耦合器。
35.如前述任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，提供了用于在不同光波長上同時(shí)傳輸多個(gè)信道的裝置。
36.如權(quán)利要求35所述的設(shè)備，其特征在于，對各個(gè)不同波長耦入或耦出的多個(gè)第一光耦合器(4)位于光導(dǎo)的不同位置上。
37.如權(quán)利要求35或36所述的設(shè)備，其特征在于，至少一個(gè)光學(xué)隔離裝置(13)被設(shè)計(jì)為波長選擇性的。
38.如權(quán)利要求35到37任一所述的設(shè)備，其特征在于，多個(gè)設(shè)計(jì)為波長選擇的光學(xué)隔離裝置(13)位于適當(dāng)?shù)奈恢蒙弦愿綦x用于各個(gè)波長的光耦合器的各個(gè)段。
39.如前述任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，提供了至少一個(gè)光發(fā)送機(jī)(14)，用于發(fā)射能夠被耦合到光導(dǎo)中的具有偏振的并沿光導(dǎo)以盡可能低的衰減被引導(dǎo)的偏振光。
40.如前述任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，提供了至少一個(gè)偏振選擇的光接收機(jī)(15)，用于接收具有預(yù)設(shè)偏振的光。
41.如前述任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，提供了多個(gè)光學(xué)發(fā)送機(jī)(14)，用于發(fā)射偏振光，以及多個(gè)偏振選擇光學(xué)接收機(jī)(15)，并且構(gòu)成了能夠互相調(diào)諧的多個(gè)光學(xué)發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的組，以同時(shí)傳輸多個(gè)信道。
42.如前述任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，提供了至少一個(gè)光發(fā)送機(jī)(14)，用于發(fā)射偏振光，并且提供了至少一個(gè)偏振選擇光接收機(jī)(15)，可選地在光發(fā)送機(jī)本身內(nèi)或信號路徑內(nèi)調(diào)制偏振，以對要傳輸?shù)男盘栠M(jìn)行編碼，光接收機(jī)包括將偏振調(diào)制轉(zhuǎn)換成幅度調(diào)制的裝置。
43.如前述任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，光導(dǎo)包括一個(gè)機(jī)械密封(67)，用于保護(hù)光導(dǎo)防止其受不期望的機(jī)械影響，尤其是防止污染。
44.如權(quán)利要求43所述的設(shè)備，其特征在于，密封采用迷宮和/或間隙密封與環(huán)境隔離，并且光導(dǎo)所處的密封內(nèi)部空間的氣壓最好比外部高。
45.如權(quán)利要求43所述的設(shè)備，其特征在于，密封是借助于對接沿或塑料薄片與外界隔離。
46.如權(quán)利要求43到45任一所述的設(shè)備，其特征在于，額外提供了靜電屏蔽，使帶電或可充電微粒遠(yuǎn)離光導(dǎo)。
47.如權(quán)利要求43到46任一所述的設(shè)備，其特征在于，光導(dǎo)的密封或容器部分包括一個(gè)微平面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在第一單元和第二單元之間傳輸調(diào)制光信號的設(shè)備，其中第一單元相對于第二單元可旋轉(zhuǎn)地安裝。該設(shè)備包括沿著第一單元上的給定軌道延伸的光導(dǎo)，第一光耦合器用于把光耦入和/或耦出光導(dǎo)，以及第二光耦合器，用于把光耦入和/或耦出光導(dǎo)。所述光耦合器安裝在第二單元上，并可相對于光導(dǎo)裝置移動。光發(fā)送機(jī)設(shè)置了一個(gè)耦合滑塊，用于承受所述光耦合器，該耦合滑塊具有一個(gè)自身的軸承裝置且可沿給定軌道移動。
文檔編號H04B10/00GK1860706SQ200480028344
公開日2006年11月8日 申請日期2004年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月7日
發(fā)明者哈里·席林, 京特·朔佩爾, 馬蒂亞斯·蘭克 申請人:滑動環(huán)及設(shè)備制造有限公司