在机器的旋转部分与固定部分之间传输光学信号的设备.pdf

本发明涉及一种用于在一机器、尤其是一计算机层析X射线摄影仪的一旋转部分(1)与一固定部分(2)之间传输光学信号的设备，其中在所述两个部分(1、2)的一个第一部分上设一光学发送装置(4)，以及在两个部分(1、2)的一第二部分上设一带有一光学检测器(18)的光学接收装置(6)，通过该检测器接收由光学发送装置(4)发出的光信号，此光学接收装置(6)具有一个光学的聚焦器(13)，聚焦器有一种至少近似喇叭状的几何形状，它将射入的光学辐射线经过聚焦器(13)侧面(14)上的内反射聚集到所述检测器(18)的检测面(17)上。本发明的特征在于，所述光学聚焦器(13)用一种充填聚焦器(13)整个内部容积的以及对于发送装置(4)发送的至少一种波长是光学透明的材料构成。采用本发明设备与已知的数据传输设备相比，可以达到更好的信号噪声比。

1.  一种在一机器的一旋转部分(1)与一固定部分(2)之间传输光学信号的设备，其中在所述两个部分(1、2)的一个第一部分上设置一光学的发送装置(4)，以及在两个部分(1、2)的一个第二部分上设置一带有一光学检测器(18)的光学接收装置(6)，通过该检测器接收由所述光学发送装置(4)发出的光信号，此光学接收装置(6)具有一个光学的聚焦器(13)，该聚焦器具有一种至少近似喇叭状的几何形状，它将射入的光学辐射线经过在该聚焦器(13)侧面(14)上的内反射聚集到所述检测器(18)的检测面(17)上，其特征在于，所述光学聚焦器(13)用一种充填该聚焦器(13)整个内部容积的以及对于发送装置(4)发送的至少一种波长的光是光学透明的材料构成，该材料可通过双光子聚合作用制造。

2.  按照权利要求1所述的设备，其特征在于，在所述聚焦器(13)的进口面(14)与出口面(16)之间的聚焦器(13)的侧面(15)呈内凹地弯曲。

3.  按照权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述聚焦器(13)的进口面(14)设计为凸面。

4.  按照权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，所述聚焦器(13)的进口面(14)设有一针对至少一种所述发送装置(4)发送的波长的防反射层。

5.  按照权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述聚焦器(13)的侧面(15)设有一针对至少一种所述发送装置(4)发送的波长的具有增强内部反射的涂层。

6.  按照权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述聚焦器(13)的出口面(16)设有一个带通滤波层。

7.  按照权利要求1至6中任一项所述的设备，其特征在于，所述光学透明材料是一种有机变态的陶瓷材料。

8.  按照权利要求1至7中任一项所述的设备，其特征在于，所述检测器(18)是一个所述检测面(17)的直径≤0.5mm的光电二极管。

9.  按照权利要求1至9中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备设计为计算机层析X射线摄影仪。

在机器的旋转部分与固定部分之间 传输光学信号的设备
技术领域
本发明涉及一种用于在一机器，尤其是一计算机层析X射线摄影仪的一旋转部分与一固定部分之间传输光学信号的设备，其中在两个部分的第一个部分上设一光学的发送装置，以及在两个部分的第二部分上设置一带有一光学检测器的光学接收装置，通过该检测器接收由光学发送装置发出的光信号，此光学接收装置带有一具有一种至少近似喇叭状的几何形状的光学聚焦器，该光学聚焦器将射入的光线经过在聚焦器侧面上的内反射而聚集到所述检测器的一检测面上。
背景技术
在许多技术领域，如今需要在近距离彼此相对运动的元件之间、尤其是在一测量装置的各器件之间传输大量数据。这些数据往往通过一个可移动的器件检测，以及为了进一步处理必须尚在数据检测期间便将它们传输给一固定器件上的评估装置。此类应用的一个例子是医学成像和尤其是计算机层析X射线摄影，其中必须由一个旋转部分、即所谓的信号架(Gantry)在旋转期间将大量测量数据实时地传输给所述固定部分，有效的传输率是可实时传输的数据量的重要判据。
在一种计算机层析X射线摄影仪中，测量数据借助在一X射线源对面的固定在所述信号架上的X射线检测器检测，以及将它们传输给固定部分，在测量期间信号架在此固定部分内旋转。为了再现被检查体的断层图象所述传输的测量数据随后被进一步处理并报告给操作者。在旋转部分与固定部分之间的数据传输通常在使用一个所谓数据传输环的情况下实现，该数据传输环或安装在固定部分上或安装在旋转部分上并同心地绕旋转轴线旋转，以及在旋转期间它相对于一个固定在对面的那个部分上的发送器或接收器有一小的间距。测量数据在这里通过数据传输环导引。在数据传输环与安装在对面的那个部分上的发送器或接收器之间的耦合连接，在许多情况下是通过两个电容耦合的作为高频连接装置的天线实现的。
新一代的计算机层析X射线摄影仪有能力同时检测被检查体的多个断层，由于每增加一个断层就需要增大测量通道的数量，所以每单位时间必须传输非常大量的数据。对于特殊的应用，例如在新开发的心脏计算机层析X射线摄影仪中，必须提高信号架的旋转速度，致使在这种情况下同样增加了每单位时间内要传输的数据量。例如一种已知的多层计算机层析X射线摄影仪，它在旋转速度为140U./Min.时同时检测16断层，需要容量约800MBaud的数据连接装置。通过进一步加大同时检测的层数和旋转速度，传输速率可达2.5-10GBaud的范围。采用已知的高频传输技术，数据传输难以达到如此高的传输率，因为所述旋转部分与固定部分之间的距离近似波长的四分之一。较短的波长导致用于保持设备的机械精度和调整各部件的所需成本提高。此外，电磁相容性问题也变得越来越难以处理。因此在计算机层析X射线摄影仪中为了达到高的传输率越来越多地采用光学的信号传输技术。目前已知的光学传输技术可以分为四种不同的方案，下面对它们作简要的说明。
US 4996435A、US 5229871A和US 5469488A介绍了一些传输系统，其中，发送装置具有大量的固定在所述旋转部分上的光源。这些光源产生叠加的用测量数据调制的光束，这些光束被所述固定部分上的接收装置的一个或多个检测器所接收。为了提高光效率，在US 5229871A中采用了简单的或双重弯曲地椭圆形反射器，这些反射器将射入的光线转向投射到检测器上。在US 5469488A中记载使用了一种光学聚焦器，它将射入的光线通过在侧面上的内反射聚集到检测器的一检测面上。所述聚焦器具有一种带有平的侧面的近似喇叭状的几何形状，它由涂敷有金属涂层的树脂板构成。然而这种聚焦器的制造精度对于许多要求高传输速率的用途是无法满足的。此外，在这些文件中使用的传输技术只能应用于低的数据传输速率，因为难以适应多条通向光源和/或接收器的输入线之间的电延迟。
在例如由DE 4421616C2或US 6043916A已知的第二种已知的光学传输技术中，一设置在所述旋转部分上的光源的调制光束，侧向射入一个光学纤维的与旋转轴线同心地固定在固定部分上的环内。在纤维内传播的光束被一个连接在该纤维的轴向端部上的检测器接收。实现此项技术的最大难点在于，光束应有足够效果地侧向射入纤维芯内。为此存在不同的技术方案。在US6043916A中采用了一种特殊的发荧光的纤维材料，该纤维材料通过发送器发射的光学辐射线激发而发出荧光。在这里接收器检测被激发的荧光射线。第二种已知的方法是使用一种特别制造的塑料纤维，在纤维套(Cladding)上有小的允许光束侧向直接进入纤维芯内的进入窗口。在这种情况下侧向的光束射入效率很高。当然，这些进入窗口导致射入的光束在纤维内传播时非常严重的阻尼。在这两种技术中存在的一个共同问题是，从纤维轴向输出的经调制的光束向光检测器中耦合的问题，这种光检测器通常有比纤维芯的输出面小的检测面积。
在另一种已知的例如在US 5535033A、US 4259584A和US 6396613B1中所采用的信号传输技术中，在旋转部分上通过信号调制的光束沿轴向射入一环形地以及与旋转轴线同心地固定在所述旋转部分上的光学纤维内。此光学纤维有一个透明的纤维套，并经过改进使光学纤维也能侧向射出进入的光束。一设置在所述固定部分上的接收器检测由纤维环发射的光束。经调制的光束进入纤维内的耦合效果甚佳。当然，侧向发射导致严重减弱沿纤维传输的信号。为了产生所述纤维的侧向发射可采用不同的技术。有一项技术是采用具有部分外露的纤维芯的塑料纤维，在另一项技术中使用一种具有集成的气泡的塑料纤维，通过气泡使光束侧向散射。由于这种传输技术存在高的损失，其中虽然总是沿纤维环的全长发射光束，然而只在一个正好存在接收器的位置进行检测，所以光学接收器必须有大的活动范围和大的检测角，以便通过检测发射的光束中尽可能大的份额来改善信号噪声比。
在另一种已知的光学信号传输技术中，将所述固定部分和与该固定部分有较小距离的旋转部分设计为，在这两部分之间构成一个在内表面上进行光反射的空心的光通道。在这里光束从旋转部分进入光通道以及在固定部分上从光通道输出。实现这种传输技术的不同设计结构例如可从US4555631A或US 5134639A中获知。在未在先公开的US 2004/0062344A1中列举了另一个例子。在其中一种已知的设计结构中，空心的光通道通过随所述信号架一起旋转的第一个一半和设在该信号架的定子上的第二个一半构成。在这种设计结构中，从光通道排出的光束由于反射表面的机械误差和不规则性因而有高的分散度。在这里光检测器也必须有大的入射角范围和大的检测面，以达到足够的信号噪声比。
迄今已知的在一机器的旋转部分与固定部分之间传输光学信号用的所有传输技术，为了使光线聚集到所使用的接收器小的检测面上，都要求尽可能有效地集中所述散射的和分散的光线。为此在许多情况下并不适合使用微型透镜，因为它们不能将沿不同方向和以不同传播方式射入的光线聚焦到接收器上。此外，降低了在此领域内在通常使用的激光器中发生的模式跳跃(Moden-Hopping)的效果和透镜的聚焦效果。
尽管采用具有大检测面积的光学检测器增大了能检测到的光线量，但是当然也导致带宽方面的损失。此外，具有大检测面积的检测器能处理的最大数据速率受到严重的限制。例如一个雪崩光电二极管(APD)只能处理约至1Gbps的数据速率。可处理的数据速率受限制的原因主要在于，与检测面积成正比的光敏区的寄生电容。因此为了提高能处理的数据速率，必须使用具有小检测面积的检测器，然而它们只能捕捉到小的光线量。
发明内容
以此现有技术为出发点，本发明所要解决的技术问题是提供一种在一机器的旋转部分与固定部分之间传输光学信号的设备，与已知的设备相比它能达到更好的信号噪声比。
上述技术问题通过一种在一机器的旋转部分与固定部分之间传输光学信号的设备得以解决，其中在所述两个部分的一个第一部分上设置一光学的发送装置，以及在两个部分的一个第二部分上设置一带有一光学检测器的光学接收装置，通过该检测器接收由所述光学发送装置发出的光信号，此光学接收装置具有一个光学的聚焦器，该聚焦器具有一种至少近似喇叭状的几何形状，它将射入的光学辐射线经过在该聚焦器侧面上的内反射聚集到所述检测器的检测面上，按照本发明，所述光学聚焦器用一种充填该聚焦器整个内部容积的以及对于发送装置发送的至少一种波长的光是光学透明的材料构成，该材料可通过双光子聚合作用制造。
特别适用于在计算机层析X射线摄影仪的旋转部分与固定部分之间传输光学信号的本发明设备，在所述两个部分的第一个部分上设一光学的发送装置，以及在两个部分的第二个部分上设一有光学检测器的光学接收装置，通过检测器接收由光学发送装置发出的光信号。在这里，发送装置通常设在旋转部分上，但在需要时也可以固定在固定部分上。所述聚焦器的喇叭状的几何结构可以从高频技术已知的喇叭状天线中选择。优选地，聚焦器从出口面到进口面方向的侧面的走向不是直线状的，而是向内弯曲，所以聚焦器的直径从出口面到进口面方向为非线性地增加。
本发明设备的另一项扩展设计，尤其是发送装置和/或可能使用的数据传输环的设计和配置，可按已知的方式选择。因此在前序中列举的光学信号传输系统的全部设计结构均可配备本发明光学聚焦器。
本发明设备的一项重要的特征在于所述具有近似喇叭状几何形状的光学聚焦器由一种能以高精度制造的透明材料构成，这种材料完全充填聚焦器的内部容积。通过这种喇叭状的几何结构，可以涵盖住散射光的大部分空间角度范围，并通过内部反射将光线聚集到光学检测器的小检测面上。尤其是此聚焦器的侧面几何形状，可以针对不同的检测角和不同的光收益用数学方法预先计算并由此得到优化。
此聚焦器的几何形状结构优选地根据那些在太阳能电池中用来使聚光效率最大化的聚焦器来选择。这类光学聚焦器例如从Oliver Graydon撰写的论文“Optical antenna enhances IR links”(Opto&Laser Europe，December 2002，第101期，第9页)中获知。在此出版物中还建议将此聚焦器用于作为在电视机、移动电话、PDA′s、Laptop计算机中以及在例如高速公路上的自动付款系统中的短作用距离的红外传输。
在这里所使用的聚焦器用一种实心材料构成，这种材料至少对于信号传输所使用的波长范围是透明的，以及在设计为凸面的进口面上有针对此波长范围的防反射层，而侧面有一种增强此波长光内部反射的涂层。此外，聚焦体可以在朝该检测器定向的出口面上设有一个带通滤波层。该带通滤波层允许所使用的波长的光通过以及不允许更长波长的光通过。所述防反射层、强反射层以及用于形成一多层带通滤波器的涂层的尺寸设计及安置，专业人员对此是熟知的。
在应用于计算机层析X射线摄影仪的旋转部分与固定部分之间传输光学信号时，不能使用由O.Graydon已知的通过压注法用聚合物制成的聚焦器。这些聚焦器不能满足本应用的要求，在本应用中要求几个微米的精度。因此，本发明聚焦器优选地用一种有机的变态陶瓷材料，尤其一种Ormocer^构成。这种材料如可从Fraunhofer研究所的硅酸盐研究报告中获知。这种混合式聚合物可以将折射率调整在1.47-1.56的范围内，在波长为830nm时具有比0.06dB/cm更低的微小损失，以及在达到低生产成本的同时具有极好的热稳定性和机械稳定性。这种材料尤其可以实现通过双光子聚合过程的制造所述聚焦器，如由论文“Femtosecond pulses generate microstrustures”(Opto&Laser Europe，December 2002，第101期，第22-23页)已知的那样。采用这种制造过程，可以生产精度为100至200nm的聚焦器。
在本发明设备中，作为检测器优选地采用一个具有直径≤0.5mm的检测面的光电二极管。在这里，这样设计此光学聚焦器，使得它将捕捉到的光束聚集到此小的检测面区域内。
附图说明
下面结合附图借助具体实施方式再次简要说明本发明设备。附图中：
图1表示在一台作为范例的计算机层析X射线摄影仪内测量数据的信号传输路径；
图2表示本发明设备的一种设计结构示例；
图3表示所述光学聚焦器的一种设计结构示例；
图4表示图2所示的设计结构的局部详图；
图5表示在使用另一种传输技术时光学聚焦器的配置举例；以及
图6表示在使用再一种传输技术时所述光学聚焦器的配置示例。
具体实施方式
图1举例表示在一计算机层析X射线摄影仪内测量数据的传输路径，在此图中只非常简略地表示出不带X射线源的计算机层析X射线摄影仪。在这里，测量数据由设置在旋转部分1上的检测台3检测，并在经过一并联-串联变换后传输给发送装置4。发送装置4包括一个信号在其中传播的数据传输环5。一接收装置6设置在固定部分2上，它在旋转期间接收从数据传输环5输出的信号并进一步传输给一图像再现装置7，在此装置内从所述传输的信号中选取数据并在进一步处理前进行串联-并联变换。其中，接收装置6的接收部件直接设置在数据传输环5的旁边，以便提高在旋转期间这两个元件之间的数据传输效率。
迄今为了在旋转部分1与固定部分2之间进行传输经常使用高频传输技术，而随着数据量越来越大相应地采用光学的传输技术，如在本说明书的前序部分已说明的那样。其中，同心于旋转轴线设置的数据传输环5通常由一光学的波导体、例如一光学纤维构成，光学的发送装置4将利用测量数据调制的光线输入该光学的波导体或光学纤维内。接收装置6包括一个光学检测器，尤其是一个光电检测器。
图2表示在一计算机层析X射线摄影仪的旋转部分1与固定部分2之间传输光学信号的本发明设备的第一个实施例。这两个部分在它们彼此相对的表面处设计为，在它们之间形成一个通过内反射传导所述射入的光线的空心通道8。这种设计结构可由在2002年9月26日提出的未在先公开的美国专利申请文件US 2004/0062344A1得知。在旋转部分1上，一激光器9的发出光线利用测量数据进行调制并被输入到所述空心通道8内，光线在空心通道内向两个方向传播，如在图2中用粗实线在空心通道8内表示的那样。在由空心通道8构成的环5的相对位置上，在空心通道8上设置窗口，其中一个窗口设有一光吸收器10，而另一个构成一用于所述发射光线的输出窗口11。此外，在旋转部分1上在空心通道8内部设有两个同样处于环5上的位置相对的光栅(Lichtbarrieren)12，它们阻止光束在空心通道8内作不同的传播。以此方式保证，总是只有在空心通道8内部沿两个方向中的一个方向延伸的光信号才能命中检测器。在本发明设备中所述光学聚焦器13设在输出窗口11上，该聚焦器13设计为喇叭状，以及将从输出窗口11输出的光线聚集到在这里不能看到的光学检测器的一个较小的检测面上。在此图中只是非常简略地表示出该光学聚焦器13。
图3以横截面图详细表示此光学聚焦器13。从输出窗口11输出的散射光经过设计为凸形的进口面14进入到实心的聚焦体内，上述进口面设有防反射层，所述聚焦体由一种透光的材料构成。聚焦器13的侧面15设有针对所使用的光束波长的强反射涂层，所以，以不同角度射入的光线，通过在聚焦器13内部的多次反射，聚集到较小的输出面16上。在本实施例中，此输出面16敷有多层滤波涂层，它对于所使用的波长是可透光的，而较长波长的光被反射。因此，本聚焦器13起到具有一个中心频率的窄频带滤波器的作用，此中心频率相当于用于信号传输所使用的激光器所发出光的频率。
设计在聚焦器13的进口面14上的防反射层的尺寸可使用已知的公式：
d＝(m+1/2)×λ/2×1/n，式中，m＝0，1，2，…，d是防反射层的厚度，而λ是为信号传输所使用的光线的波长，以及n是涂层材料的折射率，采用1＜n＜聚焦器材料的折射率。
对于在聚焦器13侧面15上的强反射涂层的尺寸，可借助下列公式确定此涂层的厚度尺寸：
d＝m×λ/2×1/n，其中，m＝0，1，2，…，d是强反射涂层的厚度，λ是为信号传输所使用的光线的波长，以及n是涂层材料的折射率，采用1＜n＜聚焦器材料的折射率。
图4表示图2所示设备的一局部放大图，其中示意表示从空心通道8经输出窗口11输出的光线。在输出窗口11内设置聚焦器13，聚焦器13捕捉这些光线中的大部分并聚集到检测器18的、在本实施例中为一雪崩光电二极管的小检测面17上。通过减小在数据传输时的比特差错率(Bitfehlerrate)，达到非常好的信号噪声比。
除了在图2中表示的传输技术外，在本发明设备中也可以使用其他传输技术。图5表示了另一种传输技术的实施例。其中，由发送装置4发送的光线侧向输入到一个固定在固定部分2上的波导环中，在本例中输入到一光学纤维19中，以及在该纤维19的一个轴向端处输出到检测器18上。在此设计结构中，光学聚焦器13设置在纤维19的端部与检测器18之间，在图5中只能看到此设计结构中的纤维19的一端和检测器18。从具有与检测面17相比为大的芯体直径的纤维19输出的光线，通过聚焦器13聚集并聚焦到小的检测面17上。如在其他实施例中所述的那样，所使用的雪崩光电二极管在这里也具有一个直径仅为0.5mm或更小的检测面，从而达到高速度处理数据的目的。
图6表示另一个实施例，其中在旋转部分1上安置一个由一光学纤维19构成的环，光学纤维19侧向地例如通过分散加进的如图20中表示的气泡20发射从发送装置4轴向射入的光线。在这里，设在固定部分2上的检测器18只检测光学纤维19的一个小的区域。通过使用本聚焦器13，检测范围正是在使用一种如为了快速处理信号所要求的那样具有小检测面17的检测器18的情况下得到明显的增大。