具有无阻碍内径的光旋转数据传输设备

摘要

本发明涉及一种用于在一个第一单元和一个第二单元之间传输调制光信号的设备，其中第一单元以相对于第二单元可旋转的方式安装。该设备包括一个沿第一单元上的圆形轨道的光波导，一个用于将光耦入或耦出光波导的第一光耦合器，和一个用于将光耦入或耦出光波导、并设置在第二单元上、可以相对于导光装置移动的第二光耦合器。为了实现高质量传输，设置了一种用于确定耦合元件相对于光波导位置的位置控制装置，或者一种流体动力学支撑装置。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种用于在可以彼此相对旋转的单元之间传输光信号的设备。这种设备优选地用于计算机断层摄影。

背景技术

为了在可以彼此相对旋转的设备间传输光信号，已知的是特别具有无阻碍内径的各种设备。这里的一个基本问题是设计一种使光沿设备的外围通过的装置，以及用于耦入和耦出光的适当装置。为了在计算机断层摄影中使用，这种设备必须具有数量级为1米的很大的无阻碍内径。在旋动期间，圆周速度可能达到20m/s的量级。同时，必须保证超过每秒1吉字节(G波特)的数据速率。

美国专利US4109997披露了一种光旋转数据传输系统，其中光通过在两个相对表面(101，1)处的反射沿圆周传输。提供光波导或玻璃纤维，用于将光耦入或耦出，通过透镜来产生光线束或聚焦。然而这种设备具有一系列缺点。这样，由多次较大角度的反射引起的光传输的衰减是比较高的。因此需要光发射机具有很高的发射功率。另外，由于镜子表面相对设置，所以制造成本相对较高。因为在靠近发射机的接收机位置处会出现信号的多径接收，所以调制信号周期长度显著小于信号环绕设备圆周的传输时间的宽带数据传输是不可能的。这样，沿一条短路径从发射机接收的信号以及至少环绕设备圆周反射一次的信号被同时接收。传输时间差必须要比调制信号的周期长度小。这样，大约一米的内径导致环绕圆周的总传输时间大约为10纳秒。例如，这样来传输数字信号，对应于20M波特的最大传输速率，可以达到最大50纳秒的比特持续时间。

在美国专利US 4525025中披露了一种改进的光系统。这特别在图10中显示了特别适用于传输光信号的沟道。它只包括一个部件，因此可以低成本生产。但是，该专利说明书同样也没有描述对带宽限制问题的有效解决方案。另外，所建议的通过钝光纤末端来耦入或耦出光线只能以非常低的效率来实施。这样，此设备只适用于小口径。

在美国专利US 4555631中披露了一种对光耦入或耦出的改进。其中，光信号的耦入是在镜面涂层柱面中通过两个反射镜来实现的。对于耦出，在沟道中的固定位置处设置一个附加的耦出元件。但是，因为耦入镜不能像所希望的那样靠近反射镜涂层柱面设置，所以这里也导致了沿光传输路径的很高的衰减。另外，在平面镜表面上不可避免的光束扇出导致了额外的效率恶化。并且，耦出元件的机械结构涉及特别的开销，并且很容易失败，并且成本高。最后，带宽限制的问题也没有被解决。这样，光线在相反方向上沿两条路径从耦入位置传输到耦出位置，最终在接收机中联合估计。这里也存在调制信号的持续周期必须要大大小于环绕设备圆周的信号的传输时间的限制。

在美国专利US 4934783中描述了一种具有特别高的光效率的设备。其中，通过透镜系统实现了光束的聚焦。但是，该系统涉及非常高的开销，制造成本很高，并且只适用于小口径。另外，这里也没有解决带宽问题。

为了减小传输路径引起的衰减，并增加可传输的带宽，在美国专利US 6104849中提出了沿多个缩短的段的传输。通过缩短的段实现了减小的衰减。这里，最大带宽反比于段的长度。这样，以更短的段实现了更高的带宽。但是这样，相应地需要多个光发射机和接收机来覆盖整个圆周。因此，系统成本与带宽成比例增长。

德国专利DE 195 43 386 C1，尽管描述了一种可以实现高带宽的宽带信号传输设备，但没有提供任何具有高传输质量的传输的指示。DE 195 43 386 C1的内容在本文件中作为参考而引入。

美国专利US 4962986描述了一种用于光耦合的替代设备。为了将光线耦入或耦出光导纤维，设置了一种折射系数高于周围环境的耦合介质，与纤芯直接接触。这样，光纤中传送的光线偏转到耦合介质中。这种设置具有明显的缺点，耦合介质必须直接与纤芯接触。这样，该系统仅能用于在给定的固定位置耦合。但是，这种系统很难用于发射机和接收机彼此相对运动的布置，因为这里耦合介质必须沿一般非常细且易断的纤芯高速滑动。

这种设备在Tamir所著的、由柏林的Springer出版社在1979年出版的《集成光学(Integrated Optics)》的第87页中有描述。其中，一个用于去耦的棱镜被放置在纤芯之上尽可能小的距离处。在这里为了获得合理程度的耦合效率，棱镜和纤芯之间的距离必须是与光波长量级相同的级别。但是，在常规的高精确定位的情况下，这种精确度只能在整个配置的小尺度的情况下获得。因此，目前该系统不能被使用在例如口径为1.5米且圆周速度高达20m/s的计算机断层摄影中。

发明内容

本发明是基于一种用于在两个彼此相对旋转的单元之间传输光信号的较低成本的设备的设计目的，使得用于大口径、高机械运动速度和高数据速率的低光衰减的可靠传输成为可能。另外，本发明的一个特殊开发目的是设计该设备以使得即使是周期长度比环绕设备圆周的光的传播时间小的信号也可以传输。

上述目的实现在独立的权利要求中提出。本发明的进一步发展构成了从属权利要求的主题。

根据本发明的设备包括沿一个第一单元上的环形轨道设置的光波导。为了简单起见，这里只描述一个光波导。当然，根据本发明，也可以并列设置多个装置，每一个装置具有一个光波导。与所述光波导相连的是至少一个用于将光耦入或耦出光波导的第一光耦合器。与这些光耦合器中的至少一个相连的是至少一个光发射机或接收机。要连接到光波导的是发射机还是接收机由所希望的传输方向决定。如果光要从光波导发出，那么提供一个发射机，在其它情况下提供一个接收机。为了传输信息，光发射机当然可以用一个调制信号来调制。

另外，提供一个支持相对于第一单元可旋转的第二单元。这里这两个单元被认为彼此做相对运动，没有提及旋转或固定的单元，因为这仅仅是参考位置的问题。对这个第二单元分配了至少一个第二光耦合器，第二光耦合器随第二单元相对于第一单元的旋转沿着相对于光波导的给定轨道而运动。这些第二光耦合器中的至少一个被以一种与第一光耦合器互补的方式，选择性地配备有光发射机或接收机。

本发明为至少一个第二光耦合器提供一个活动位置调节单元。该位置调节单元包括一个用于精确定位光耦合器的执行器，以及一个用于参考光波导确定光耦合器位置的传感器，和一个用于分析传感器信号与执行器的相应控制的控制单元。光耦合器的位置调节沿着至少一个坐标轴进行，但是最好沿着与旋转运动的切线相垂直的两个坐标轴进行。这样，光耦合器在光波导上方的高度，或者光耦合器与光波导之间的侧面距离被选择性地保持在一个恒定值上。通过这种位置调节，第一次可以使光线在非常平的角度上，即几乎与光波导的切线相平行的方向上的耦入成为可能，以使光线在所谓“回音廊模式”传播到镜面沟道的准平行传播成为可能。可选地，位置调节也可以涉及旋转轴或倾斜轴。这样，特别是与光波导的切线平行的耦入光线的对准具有对耦合衰减非常大的效果。当光耦合器无法侧反射时，与光波导和光耦合器的平行轴线的最小偏差可能导致信号的中断。在此情况下，平行调节具有特别的好处。这种位置调节对彼此相对旋转的两个单元的大口径，例如在计算机断层摄影中是特别必需的，以补偿机械制造容差，也用于补偿机械运动造成的容差。通过这种位置调节，可以获得沿轨道的基本恒定的衰减。作为替代，或者附加地，还可以提供对接收信号幅度的恒定性进行调节。这样，例如光波导中心上的侧向定位可以通过第一调节电路来获得。然后一个第二调节电路将根据接收信号的幅度执行高度定位，其中一个额外的安全监控将避免光耦合器和光波导之间的碰撞。

作为电子执行器的替代，例如作为磁性或压电执行器的替代，其它执行器，如气压或水压执行器也是可以考虑的。同样，传感器或调节电路的元件也可以设计为除了电子元件之外的气压或水压元件。

本发明的另一个变形提供了流体静力学或流体动力学支撑装置。通过这种方式，至少一个第二光耦合器借助于流体静力学或流体动力学支撑装置，相对于光波导沿一个或两个坐标轴设置。

这种流体静力学或流体动力学支撑装置是基于一个薄气膜或液体膜，最好是一个处于两个表面之间的气膜。该膜的刚性很高，使得力的大幅度变化仅引起空间的很小变化。

在气膜的情况下，优选地使用不易发生反应的气体，如氮，更好地是使用惰性气体。形成膜的材料或气体最好是透明的或者是在用于光传输的波长上是非吸收的。这样，泄漏到光波导中的介质不会引起对传输的干扰。同样，可以有意地将介质导入到光波导中，例如使其不受外部污染影响，或者对其进行清洁。

此外，适合的介质还包括在设备的工作温度下转化成气态的液体。这样，即使在困难条件下，系统的同步冷却也是可能的。

在流体静力学支撑装置的情况下，支撑物最好由小型的泵或增压气体容器来馈送。这里，介质被在两个平面支撑面之间推进。这样，由于支撑表面的间隔很小以及支撑表面的高度抛光，支撑物仅浪费最小量的气体或空气，可以使用低成本的装置来完成支撑物的馈送。

作为一种替代，在流体动力学支撑装置的情况下，支撑物的馈送可以通过由两个单元彼此的运动引起的空气流来完成。在此情况下，支撑作用通过所述流的影响(流体动力学悖论或柏努利效应)而产生。为此，最好提供用于在支撑面之间引导由运动引起的气流的装置。在最简单的情况下，空气引导元件包括一个用于以恰当方式偏转一部分气流的简单空气引导盘。同样，更复杂的实施例也是可以理解的，例如可以额外地包括用于从或大或小的干扰粒子中释放空气流的过滤器。可选地，也可以选择其它的设置，例如使气体的速度基本上与移动速度无关。这样，通过提供用于增加气体湍流的元件，可以实现气流速度与移动速度的增加无关。对于低速的情况，这种支撑物当然必须有紧急运行特性。这些例如可以通过附加地合并流体静力学实施例的方式来实现。

流体动力学或流体静力学支撑装置与支撑装置的积极调节的合并具有特别的优点。例如，这可以用于沿同一坐标轴特别精确地对齐，或者也可以用于沿不同坐标轴的辅助方法。这样，例如支撑装置的调节可以通过在流体动力学或流体静力学支撑装置中控制气流或气压来完成。这种合并得到了一种机械性能稳定的系统，通过附加的双重调节，该系统同样具有高精确度的特性。这样特别是可以对由气体温度和湿度的波动、以及速度的波动产生的气体支撑物的间距的容差进行补偿。

在本发明的另一个优选实施例中，传感器被设计成光传感器。这样，例如它可以用于测量与最佳距离相对应的焦点上的最小尺寸的光源成像。这种方法例如用于CD回放指令的调焦。

在本发明的另一个优选实施例中，传感器被选择性地设计为电容性或电感性传感器。为此，传感器最好设计成分析两个信号之间的差值的差分传感器。

本发明的另一个优选实施例提供了与光波导平行的参考轨迹。传感器利用此参考轨迹来确定光波导的准确位置，并作为用于调节第二光耦合器的测量信号。

在本发明的另一个优选实施例中，执行器被设计为至少一个第二光耦合器的电磁悬臂。这种电磁悬臂将光耦合器支撑或定位在至少一个轴上，但也可选择设置在两个轴上。最好耦合器元件被合并在电磁悬臂中。这种合并使得实现极紧凑结构的部件成为可能。另外，这使得可移动的质量变得特别小，因此高速调节成为可能。在一种优选方式中，执行器只移动光耦合器的一个可移动部件，例如用于提供光的光波导也不需要移动。这意味着，例如，瞄准仪形式的整个光耦合器，或仅仅光耦合器的一个镜头可以移动。

在本发明的另一个优选实施例中，根据本发明光波导被分成至少两段，提供了用于将这些段彼此进行光隔离的装置。光隔离例如可以用放置在段之间的吸收材料，或者通过段之间的光偏转，例如利用镜面、光栅或散射材料，或者还可以利用光信号的定向分离而完成。

此外，段的长度以及在段中光的传播方向这样来设计，使得在传输同一信号的任意两个段之间的边界处，调制信号只表现出很小的传输时间和相位差。这些差与调制信号的持续周期相比要小。因此，信号从光发射机到光接收机的总信号传输时间在段的边界也将只表现出很小的差。这对保证宽带信号传输是必需的。为了使传输在整个360度的旋转范围内是无干扰的，上述条件必须用于所有两个相邻段之间的连接位置。

当然，通过一个根据本发明的设备，多个信号可以被同时传输。不需要这些信号中的每一个都满足上述条件。不同信号间的关系可能是预期的。

多个段之间的隔离(吸收体)也可以被设计成小反射率的去耦位置。这里例如可以设置一个监视接收机，用于监视传输信号的幅度。这种隔离也可以被设计成与波长无关。最好被设计成一个薄膜。

在本发明的另一个优选实施例中，提供了组，每个组包括两个长度相同且光传播方向相对的光波导。在最简单的情况下，如上所述的整个配置只包括一个这样的组。但是，以相同的方法可以沿圆周设置多个这样的组。它们中每一个可能具有不同的段长度，只要组的两个段具有相同的长度即可。因此，例如，不同段长度可以是出于简化不同段长度的安装的原因来设置。细分成多个段还提供了数据可以在每一个段中与相邻段独立传输的好处。这意味着可以实现相对较高的整体数据速率。例如，如果沿整个圆周提供了四个组的配置，那么整体数据速率可以通过四个信号的同步传输增加许多倍。

为此，将光波导分成偶数段是比较有利的。由于对称，偶数段使得所述配置实现起来特别简单。通过两段可以获得一种特殊在成本上具有优势的设计。为了实现两段的段边界上的恒定传输时间，这些段必须长度相同，并且具有相对的光传播方向。在两段的情况下，吸收体被放置在与耦入位置相差180度的位置处，即对着耦入位置设置。在光被耦入到第一单元中的情况下，这意味着吸收体环绕两个单元的旋转轴移动180°。在光被耦入到第二单元中(并从那里传输到第一单元中)的情况下，吸收体跟随第二单元相对于镜面沟道的旋转运动而设置。吸收体例如还可以通过其支撑装置的调节，或者通过流体静力学或流体动力学支撑装置，被保持在一个所希望的位置，如对第二光耦合器所描述的。

在本发明的另一个优选实施例中，提供了至少一个包括一个光导纤维的第二光耦合器。此光纤的末端具有一个用于侧向偏转在光导纤维中传导的光线的镜面。通过在此镜面上的偏转，光线能够以一个它可以继续在光波导中传导的角度被偏转。当然，通过这个实施例，由于光学系统的互易性，将在光波导中传导的光线耦合到光纤中也是可能的。为了进一步优化，光纤能够可选地与光波导的轮廓相匹配。这样，光可以在尽可能大的光波导表面上耦入。为了偏转光线，该表面可以适合于通过基于不同折射率的全反射来偏转，但也可以使它是反射的，或包括一个衍射光栅。

本发明的另一个优选实施例包括设置得大致与光波导的切线相垂直的光导纤维。另外，发射光线的反射角度扩展到几乎与光波导相切是比较有利的。

另外，光导纤维可以与光传感器相时使用。为此，最好进一步提供其他镜面，用于在光波导的轮廓方向上偏转传感器信号。通过这种合并，可以减少所需部件的数目。另外，机械调节被简化了，因为两个部件彼此之间的费力的精确调节变得不再必要了。

在另一个实施例中，采用至少一个其他镜面，使得传感器信号可以被有选择性地根据波长被偏转或滤除。由于这种波长选择性，可以以一种简单的方式实现不同方向的选择。

根据本发明的另一个优选实施例，提供了至少一个第二光耦合器，用于使渐逝场相互耦合。通过耦合渐逝场，在短距离非接触地耦入或耦出光波导成为可能。

用于使渐逝场相互耦合的第二光波导最好被设计成一个棱镜。为了实现这种耦合，这种棱镜最好可以在光波导上方，在数量级为波长的一倍半，即几毫米或纳米的距离处引导。

在本发明的另一个优选实施例中，光波导具有至少一个边界面，所述边界面最好具有反射特性。通过在至少一个这种边界面上反射，光线沿光波导的最好是圆形的轮廓的一致传导成为可能。

在本发明的另一个实施例中，光波导包括至少一种具有镜面表面的材料。这样，它可以被设计成一个在具有镜面抛光表面的金属载体上的沟道。用于获得镜面抛光表面的抛光处理例如可以通过金刚石工具来完成。

在本发明的另一个实施例中，光波导包括至少一种具有镜面抛光表面的材料。这样，一层具有镜面性质的附加层被涂覆于光波导上。这种涂层例如可以被通过电镀或真空汽相淀积来敷设。特别适于作涂层材料的是金，因为它对13微米的波长具有很高的反射恒定性，这种光学部件在市场上成本很低。另外，这样还可以获得极强的抗腐蚀表面涂层。

在本发明的一个改进实施例中，可以可选地利用反射薄膜或反射涂层薄膜来获得反射表面。这种薄膜可以低成本生产，并且以简单的方法来选择载体，例如塑料或金属。作为替换方案，可以通过电镀或真空淀积来设置反射层，以实现表面反射。通过这种涂层可以实现特别高的反射度。

本发明的另一个优选实施例的不同之处在于其表面具有一个多干扰层系统。这样，通过优选方式，可以实现有选择性的与波长相关的反射。这样，通过这种方式，本发明的光波导可以被设计得很适合传输用于信号传输的波长，但不会传输自周围环境的杂散光。这里可以实现对不希望的光线的特别高的抑制，特别是在开放光波导中。另外，在具有不同波长的多信道传输的情况下，可以实现有选择性的与波长相关的反射。

本发明的另一个实施例为表面提供了保护层。这种保护层例如可以防止或沿缓受到污染，或者甚至是化学变化，如氧化。该保护层最好被设计为对下面的反射层的反射特性的影响的尽可能小，并且对要传输的光产生尽可能小的衰减。

本发明的另一个优选实施例提供的光波导在至少一侧上具有一个对空气的边界面，与薄膜波或表面波类似的波可以在所述边界面中引导。在光波导的边界层的这种波扩散到周围的介质，并且可以通过耦合器从外面耦入或耦出。在优选方式中使用棱镜来耦合。

在本发明的另一个实施例中，一个光栅被安装到光波导中用于耦出光。这种光栅可以被特别简单地以节省空间的方式装入。通过这种光栅，例如当它在边界处将光线导出光波导时，可以同时实现不同段之间的隔离。另外，这些光栅可以被设计为波长选择性的，使得不同波长可以在不同的位置被去耦。这样，可以在最小空间内，通过波长多路操作实现多信道信号传输。

本发明的另一个实施例提供了菲涅耳结构，用于在光波导处耦出光。这种结构可以以一种特别有成本优势的方式来通过现代成形技术来实现。

在本发明的另一个优选实施例中，可选地，可以将光发射机或光接收机同时设计为光耦合器。这样，例如，代替在光耦合器后面使用用于光接收的光接收机，光电二极管可以直接被合并在第一或第二单元中。这样它合并了光接收机和光耦合器的功能特性。同样，例如激光二极管或LED也可以有选择性地合并到第一或第二单元中。这样它合并了光耦合器和光发射机的功能特性。

本发明的另一个实施例提供了一种包括具有反射性表面涂层的光纤的光波导。在这种光纤的外部提供了例如金涂层或多干扰层系统，接着被粘贴或附着在预制成的沟道或其它载体中。这样，反射特性不再由沟道表面决定，而是由特别光滑的光纤表面决定。这样，制造成本可以大大减小，因为光纤可以很经济地制造，同时将通常很长的第一单元截断的成本也减小了。

在本发明的另一个实施例中，光波导包括一个管，该管在外部或内部被制成反射性的。这种管可以以与上面描述的光纤相同的方式来使用，并提供了相同的优点。

本发明的另一个优选实施例中包括的光波导在至少一个平面内具有集合特性。因此可以减小光束的扩散，或者使光束进一步成为线束。

本发明的另一个优选实施例可以通过提供用于传输的不同光波长，同时传输多个信道。借助于对光波长有选择性地发射信号，以及对光波长有选择性地接收信号，这些信号相互之间可以明显地分隔开来。

当特别是多个第一光耦合器被设置在光波导的不同位置时，可以获得一个特别有利于对波长有选择性地传输多个信道的实施例。在优选方式中，需要在相应位置上提供与波长有关的用于隔离的装置。同样，在优选方式中，第二光耦合器相应地被设置在第二单元的不同位置。这种在不同位置的设置简化了光耦合器的机械附件，并减小了光学元件的费用。

另外，在优选方式中，至少一种用于光隔离的装置被设计成波长选择性的。

最好，多个用于光隔离的装置被设计成波长选择性的，并对于各个波长设置在与段边界对应的位置上。这种设计例如使得段边界的与波长无关的不同配置成为可能，这是光耦合器在不同位置处的设置所必需的。

本发明的另一个优选实施例提供了偏振光在光波导中的传输。测量显示出许多光波导以很低的衰减传输具有特定偏振的光。特别具有优点的是，例如传输具有与金属表面垂直偏振的光，例如这通过镜面抛光表面作为光波导而使用。最好所述偏振光是通过偏振光源(14)产生的。但是，也可以在光路中提供偏振滤波器。例如，这些可以合并到光耦合器中。

在本发明的另一个优选实施例中，提供了至少一个对偏振敏感的接收机。可选地，可以在接收机前设置一个偏振滤波器。如果使用非偏振光源来发射信号，那么光会在不同衰减下传播，并且也经常具有不同的传输时间，这取决于偏振。

通过对偏振有选择性的接收机，现在可以选择具有限定的传输时间或限定的衰减的明确的偏振。借此，可以获得基本上与位置无关的幅度，以及最低的信号失真。

本发明的另外一个优选实施例提供了多个用于发射偏振光的光发射机(14)，同时提供了多个用于接收偏振光的对偏振有选择性的光接收机(15)。这里形成了多组匹配偏振的光发射机和光接收机，使得信号传输在一个组内进行，而不将信号传送到其他组的接收机。因此，多数信道可以使用不同的偏振同步传输。

在本发明另一个实施例中，信号传输借助于偏振的调制来完成。为此提供了至少一个光发射机(14)，用于最好发射偏振光。另外，提供了至少一个用于调制发射机的偏振的装置，可选地，在发射机本身中或在发射机和接收机之间的路径中设置。为了分析偏振调制，提供了具有将偏振变化转换成幅度调制的装置的光接收机。例如，这可以是一个简单的偏振滤波器。

根据本发明，从属权利要求的实施例也可以作为改进由权利要求1的前序部分定义的光传输路径的独立发明。这特别适用于引用权利要求1或2的权利要求。

附图说明

下面将结合实施例并参考附图，通过实例对本发明进行描述，该实例并非对一般的发明概念进行限制。

图1示意性地显示了根据本发明一般形式的设备；

图2示意性地显示了根据本发明的设备的平面视图；

图3举例说明了现有技术中的宽带限制问题；

图4示意性地显示了光信号从一个第一单元到一个第二单元的传输；

图5示意性地显示了光信号从第二单元到第一单元的传输；

图6、7和8显示了一个电容性位置传感器；

图9和10显示了合并在执行器中的第二光耦合器；

图11显示了一个光位置传感器；

图12显示了一个合并有一个光位置传感器的第二光耦合器；

图13为了说明的目的显示了图12的第二光耦合器的透视图；

图14示意性地显示了通过第二耦合器将光耦入和耦出光波导；

图15显示了控制装置的示意性结构和具有位置传感器的第二光耦合器的合并；

图16显示了一个包括反射涂层的光波导；

图17显示了一个包括涂层光纤的光波导；

图18显示了光栅耦合器的构造原理；

图19显示了通过菲涅耳结构的信号耦合；

图20显示了一个用于耦入表面波的设备；

图21显示了一个包括用于积极和消极位置调节的合并装置的设备。

具体实施方式

图1示意性地显示了根据本发明的设备的截面图。其中，第一单元1以及第二单元2被显示为具有中心孔的圆盘，它们被支撑以沿旋转轴6旋转。这里光波导3以内侧具有镜面表面的沟道的例子来显示。它环绕着第一单元的整个外围扩展。与这个沟道啮合的是一个第二光耦合器5，它被放置在第二单元2上。该光耦合器引出在光波导中引导的光，并通过光导纤维7对所述的光进行中继。流体动力学支撑装置以及电动力学支撑调节装置被提供用于使光波导和第二光耦合器沿一个轴精确地对齐。流体动力学支撑装置是基于通过所述的两个单元之间的相互运动在第一支撑面21和第二支撑面20之间形成的很薄的空气膜。为了备份的目的，例如可以提供用于引导空气的附加装置。另外，具有紧急运行特性的设备是具有优越性的，紧急运行特性用于在缺少足够空气膜的情况下保证低速传导的措施，例如是在加速或制动过程中的情况。另外，为了可以精确定位，提供了一个传感器9，用于确定所述两个单元之间的距离。该传感器感应到在当前情况下与第一支撑面21相同的参考轨迹11的距离。传感器的输出信号还通过一个控制单元10来处理，并被提供给执行器8，用于精确地调节第二光耦合器的位置。

图2示意性地显示了根据本发明的设备的平面视图。第一单元1用于接纳环形光波导3。该光波导例如是一个内侧具有镜面表面的沟道。第二单元2围绕着旋转轴6相对于第一单元旋转。第二单元包括一个第二光耦合器5。现在将分别对于两个传输方向，即从第一单元到第二单元或者从第二单元到第一单元，独立描述操作模式。

从第一单元到第二单元的传输：

来自发射机(未示出)的光通过两个相对于调制信号具有相同相位的第一光耦合器4a、4b馈送到光波导3中。来自第一光耦合器4a的光沿着图示的右侧传送到吸收体13。同时，来自第一光耦合器4b的光沿着左侧传送到吸收体13。吸收体相对于耦入位置对称设置，使得两侧的光路32具有相同的长度。光的引出是通过第二光耦合器5完成的，第二光耦合器5被支撑以沿光波导3的轨道环绕旋转轴(6)旋转，并将引出的光提供给光接收机。为了简单起见，光接收机也没有示出。

在图3中，参考US 6104849的现有技术对带宽限制问题进行了描述。其中，来自第二单元2的环绕旋转轴6旋转的光被传输到第一单元1。通过第二光耦合器5a、5b、5c、5d、5e来完成光的发射。在与光波导3相啮合的情况下，由这些光耦合器发射的光被传输到第一光耦合器4。当例如在逆时针旋转中第二光耦合器(5a)恰好离开光波导，而第二光耦合器5b进入光波导时，出现了会引起问题的边界情况。因为所有的第二光耦合器都从一个具有相同相位的光源馈入光，在这种边界情况下，来自第二光耦合器5a的光沿最短路径传送到第一光耦合器4。但是，来自另一个第二光耦合器5b的光必须沿着延伸到整个光波导段3的路径长度传播，从而在一个时延后进入第一光耦合器。例如，如果在具有开放内径的计算机断层摄影中，光波导沿四分之一圆周延伸，那么这相当于大约0.8米的路径长度。以光速传播的光波的时延大约是2.6纳秒。现在如果传输脉冲持续时间短得多的信号，那么这将导致双重接收的信号，或者在信号重叠的情况下导致信号失真和错误。当比特的宽度比这个传输时间大得多时，那么数据信号形式的可解数据的传输成为可能。在此例中，也可以传输比特宽度大于10纳秒的数据，即数据速率为100Mbit/s。在另一个上述现有技术实施例的情况下，光波导通常沿整个圆周设置，并且通常只提供一个第二光耦合器，因此传输时间差由设备的周长决定。在具有几厘米的内径的小型设备的情况下，带宽限制通常并不重要。

图4示意性地显示了从第一单元到第二单元的光信号传输。光发射机14例如通过光导纤维7生成要传输到第一单元1的调制光信号。从那里，通过另一个光导纤维7，发射光信号的第二单元2产生与光接收机15的耦合，用于分析。

图5以相似方式，但与前面的图方向相反，显示了从第二单元到第一单元的光信号的传输。

图6通过实例示出了一个用于确定第二光耦合器5相对于光波导3的位置的电容性传感器。第一电容性传感器表面22以及第二电容性传感器表面23被固定到第二光耦器或者连接在其上的元件。在此实施例中，用于光波导的支撑物必须被设计为导电的。为了确定第二光耦器相对于光波导的位置，确定并分析第一电容性传感器表面和光波导之间的电容量，以及第二电容性传感器表面和光波导之间的电容量。这种电容性传感器还可以被设计成与光波导和第二光耦合器无关。为了确定一个平面上的位置，可以只有一个电容性传感器表面。同样，它最好沿U或V型沟道扩展，用于唯一地确定位置。最好，该沟道具有彼此垂直的两个表面。

图7显示了具有附加电容性参考表面24的电容性传感器的特别具有优势的实施例。因为通常不能接触相对于第二光耦合器可移动的光波导来进行电子测量，附加的电容性参考表面可以用于参考的目的。

图8显示了具有第一电容性传感器表面22、第二电容性传感器表面23以及相对于光波导3的电容性参考表面24的电容量的等价电路。因为不能直接接触光波导，用于确定第一位置的测量在第一触点25和参考触点27之间完成。用于确定第二位置的测量在第二触点26和参考触点27之间完成。为了获得尽可能大的测量信号，选择尽可能大的由电容性参考表面24形成的电容量。光波导的中心位置可以简单地通过分析触点25、26和参考触点27之间的电容量差来确定。电容量的绝对值是沟道中部以上的绝对高度的量度。

图9显示了合并在执行器中的第二光耦合器的特别优选实施例。光路32从一个用于通过镜面31在未显示的光波导方向上进行光束引导或成形的光系统，例如瞄准仪开始沿伸。当然，光路也可以在相反方向上沿伸。镜面31附着一个簧片(anchor)33上。引导或支撑是通过永磁体34及线圈35的磁场完成的。这里显示的实施例提供了光波导、或光源、或背对光波导的瞄准仪的一侧上的接收机的机械去耦的优点。但是，为了获得低得多的耦合衰减，可使用波导来代替瞄准仪或镜面。这种实施例也不易粘染灰尘。

在图10中显示了光耦合器合并在执行器中的又一个实施例。该实施例与图9相类似。然而提供了至少一个磁轭36来引导由至少一个线圈35a、35b生成的磁场。

在图11中显示了光位置传感器。具有优点的是，这种位置传感器像第二光耦合器5那样，与光波导3紧密接触。它包括一个由来自未显示的光源的至少一种波长的光馈入的光波导40。根据第一传感器面43或第二传感器面44距光波导的各个边界的接近程度，光线或强或弱地被反射。对反射光线强度的分析在一个未显示的传感器单元中实现，在多个波长的情况下，未显示的传感器单元还执行波长选择性分析。这样，例如第一传感器面43可能工作在第一波长，而第二传感器面44可能工作在第二波长。为此，波长选择性滤波器最好被放置在出口表面上。除了用于分析强度外，该配置还可以被设计以使得反射光的偏振根据距离变化。在图11中显示的传感器是一个侧面视图，其下是一个平面图。该传感器还可以被旋转90度，并用作光耦合器。在此情况下，第一传感器面43将对应于第一耦合面41，而第二传感器面44对应于第二传感器面42。

图12显示了与位置传感器合并为一个单元的第二光耦合器。这里，除了前面显示的附图，提供了第一耦合面41和第二传感器面42，用于将光耦入或耦出光波导以传输信息。具有优点的是，第一耦合表面和第二耦合表面被放置在直径上彼此相对的位置，以在两个方向上将光耦入或耦出光波导。

为了清楚描述的目的，图13显示了图12的第二光耦合器的透视图。

图14图示说明了光耦合和光偏转的原理。这样，对于光耦合，在光波导3的不同方向上引导的光被选择性地被在第二光耦合器5中偏转。偏转最好通过折射来实现。以这种方式，光可以被耦入或耦出光波导。所绘射线并没有精确地对应于物理波束路径，但是示意性地正确表示了信号的传输。

图15示意性地显示了具有集成光位置传感器的第二光耦合器的构造和结合。一个第二光耦合器5被可移动地设置，并且通过线圈35的适当控制设置在可调节的高度上。借助于光学系统30中用于波束引导或成形的第二光耦合器5，实现了从光波导3引导光束32。该系统例如可以将光传导到一个光导纤维中。但是，以同样的方式还可以在不需要添加任何波束成形系统的情况下，直接在该位置设置一个光导纤维。为了确定准确的位置，通过位于波束路径上的在第二光耦合器5的方向上的波长选择性镜面45，光被一个位置传感器发射机/接收机47偏转，通过这种方式，光被耦入光波导用于确定位置，如已描述的那样。根据位置被反射的光(46)，通过第二光耦合器以及波长选择性镜面被传输回位置传感器发射机/接收机47，以进行分析。这样就可以通过光强度来确定第二光耦合器的位置，并发射一个相应的测量信号给控制单元，以控制执行器的线圈35。替代波长选择性镜面，可以使用一个商业上可获得的磨光和抛光的耦合器，尽管有较大的衰减。在这种情况下，可选地，可以用波导来提供信号和信号耦合。

图16表示了一个具有反射涂层的光波导3。在这种情况下，光波导由一个在第一单元(1)上形成的槽构成。所述槽的表面设置有反射涂层53。

图17表示了一个由涂层管制成的光波导。一个反射性涂层管50通过粘合剂52固定在第一单元1中的适当的槽中。为了获得一个沟道状的开放光波导，涂层管被切削和抛光，以提供最终的轮廓51。作为对此的替代方案，切削还可以在用粘合剂固定之前进行。涂层光纤也可以用来代替这种管子。

图18显示了光栅耦合器的结构原理。在此实施例中，光波导3具有沿着其圆周周长围绕旋转轴6的弓形段形状的凹口。所述凹口包括一种支撑着光栅60的光学透明材料61。射到弓形段内的光栅上的光线32被光栅向外偏转，并通过一个第一透镜62和一个第二透镜63聚焦在光导纤维7的入口处。当然，也可以实现其它透镜排列。因为各个光线都以相同的角度射向光栅，尽管在不同位置，可以在整个弓形段上使用不变的网格常数。这样，就可以产生与光源在旋转轴6的发散波相对应的衍射级。该点表示所有耦出信号的焦点。它通过两个透镜在光导纤维7的末端被成像。该设备特别对灰尘和其它污染不敏感，因为该光学系统的主要部件，两个透镜以及光导纤维可以放置在受到保护的环境中。另外，即使是插入的光栅也不会使光波导具有形成污染物质沉积的洞或切口部分。

图19表示通过菲涅耳结构64来耦合信号。分配给第一单元1的光波导3在第一光耦合器4的附近具有一种阶梯形结构，用于在第一光耦合器的方向上偏转由第二光耦合器发射的光束。

图20显示了一个用于耦入薄膜波或表面波的本发明的实施例。这里光波导3被以示例的形式显示为具有一个磨平部分的纤芯的光纤。为了耦合，一个第二光耦合器5沿着光波导的磨平表面被引导，并且距光波导的磨平表面有一个很短距离。在本例中(未显示)，光从上面耦入到棱镜中。为了准确对齐，提供了包括一个第一支撑面21和一个第二支撑面20的流体动力学支撑装置。相应的支撑元件还可以与之垂直地提供，以实现沿第二坐标轴方向的稳定性。光波导本身也可以用作支撑面。

图21显示了本发明的另一个实施例，其中提供了一种由积极位置调节装置补充的流体动力学支撑装置。第一支撑面21中的一个同时还作为传感器9的参考轨迹11。

附图标记列表

1第一单元

2第二单元

3光波导

4第一光耦合器

5第二光耦合器

6第一和第二单元之间旋转的旋转轴

7光导纤维

8执行器

9传感器

10控制单元

11参考轨迹

12用于流体静力学或流体动力学支撑的装置

13吸收体

14光发射机

15光接收机

20第二支撑面

21第一支撑面

22第一电容性传感器表面

23第二电容性传感器表面

24电容性参考表面

25第一触点

26第二触点

27参考触点

30用于波束引导或成形的光学系统

31镜面

32光束

33簧片

34永磁体

35线圈

36磁轭

40光波导

41第一耦合面

42第二传感器面

43第一传感器面

44第二传感器面

45波长选择性镜面

46位置传感器的光束

47位置传感器发射机/接收机

48第一光路

49第二光路

50涂层管

51抛光管

52粘合剂

53反射涂层

60光栅

61光学透明材料

62第一透镜

63第二透镜

64菲涅耳结构