光滑环系统及医学成像设备的制作方法

1.本发明涉及光电通信技术领域，特别涉及一种光滑环系统。


背景技术：

2.滑环系统通常包括固定部件和旋转部件两个部件组，即定子和转子，可用于将电源和数据信号从连续旋转的转子传输至定子。滑环系统应用于许多技术领域中。在医学成像设备中，例如传统ct滑环，通常采用碳刷作为滑动接触件，存在着接触件易物理磨损、信号传输易受外部电磁干扰、存在误码率和环境条件依赖性较强等性能劣势。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中医学成像设备的滑环采用碳刷作为滑动接触件，存在着接触件易物理磨损、通信精度不高的缺陷，提供一种光滑环系统。
4.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
5.本发明提供一种光滑环系统，所述光滑环系统包括固定机构和旋转机构，所述旋转机构包括转子以及沿所述转子的圆周设置的光导纤维；
6.所述固定机构用于生成经第一载波光波调制的第一发射信号，所述第一发射信号以预设的入射角度通过所述光导纤维的第一光波入口注入所述光导纤维；所述第一发射信号沿所述光导纤维传输；
7.所述转子用于接收所述光导纤维传输的所述第一发射信号。
8.较佳地，所述第一光波入口沿所述光导纤维的最外径圆周设置，所述第一光波入口的深度等于所述光导纤维的包层厚度；和/或，
9.所述预设的入射角度根据所述第一发射信号在所述光导纤维中的折射率、在所述光导纤维的包层中的折射率和在空气中的折射率确定。
10.较佳地，所述光导纤维包括渐进式多模光纤；所述渐进式多模光纤包括预设折射率的包层，并以预设的弯曲半径沿所述转子的圆周设置。
11.较佳地，所述旋转机构用于生成经第二载波光波调制的第二发射信号，所述第二发射信号通过所述光导纤维的第二光波入口注入所述光导纤维；所述第二载波光波与所述第一载波光波不同；所述第二发射信号沿所述光导纤维传输并从所述光导纤维向外折射；
12.所述固定机构还用于接收所述光导纤维折射的所述第二发射信号。
13.较佳地，所述旋转机构还包括第一光发射模块和第一光接收模块；
14.所述第一光发射模块用于生成所述第二发射信号，所述第二发射信号通过所述光导纤维的第二光波入口注入所述光导纤维；
15.所述第一光接收模块用于接收所述光导纤维传输的所述第一发射信号；
16.所述固定机构包括第二光发射模块和第二光接收模块；
17.所述第二光发射模块用于生成所述第一发射信号，所述第一发射信号以预设的入射角度通过所述第一光波入口注入所述光导纤维；
18.所述第二光接收模块用于接收所述光导纤维折射的所述第二发射信号。
19.较佳地，所述第一光发射模块和所述第一光接收模块通过光分路器和光合路器与所述光导纤维的第二光波入口连接；和/或，
20.所述第一光发射模块包括第一光源、第一驱动单元、第一电光调制单元和第一光放大器；所述第一光源、所述第一驱动单元、所述第一电光调制单元和所述第一光放大器依次连接；和/或，
21.所述第一光接收模块包括第一光电传感器、第一光放大器和第一解调单元；所述第一光电传感器、所述第一光放大器和所述第一解调单元依次连接；和/或，
22.所述第二光发射模块包括第二光源、第二驱动单元、第二电光调制单元和第二光放大器；所述第二光源、所述第二驱动单元、所述第二电光调制单元和所述第二光放大器依次连接；和/或，
23.所述第二光接收模块包括第二光电传感器、第二光放大器和第二解调单元；所述第二光电传感器、所述第二光放大器和所述第二解调单元依次连接。
24.较佳地，所述第一光发射模块包括至少两个光发射单元；
25.所述至少两个光发射单元用于生成不同频率范围的第二发射信号；
26.所述第二光接收模块包括与所述光发射单元相对应的至少两个光接收单元；
27.所述至少两个光接收单元分别对不同频率范围的第二发射信号具有不同的灵敏度。
28.较佳地，所述至少两个光接收单元与所述转子的垂直距离相同。
29.较佳地，所述第二发射信号为可见光式的载波光波；所述光导纤维用于均一性地向外射出所述第二发射信号；和/或，
30.所述第二发射信号具有在预设距离内的低衰减特性；所述预设距离大于所述转子的圆长。
31.本发明还提供一种医学成像设备，所述医学成像设备包括如上所述的光滑环系统。
32.本发明的积极进步效果在于：
33.本发明提供的光滑环系统，固定机构的载波光波可以通过光导纤维的光波入口注入光导纤维并在光导纤维中不射出地传导，使固定机构的信号通过载波光波传输至旋转机构；旋转机构与固定机构不再通过滑动接触件进行通信连接，并且固定机构可以作为通信的发起端，实现了固定机构向旋转机构发起通信，且固定机构的载波光波在光导纤维中不射出地传导，使固定机构的信号不会干扰旋转机构的信号在空气中传输。
附图说明
34.图1为本发明实施例1中的光滑环系统的第一结构示意图。
35.图2为本发明实施例2中的光滑环系统的第二结构示意图。
36.图3为本发明实施例2中的第一发射信号注入光导纤维的第一示意图。
37.图4为本发明实施例2中的第一发射信号注入光导纤维的第二示意图。
38.图5为本发明实施例2中的第一发射信号在光导纤维中传播的示意图。
39.图6为本发明实施例2中的静止机构接收旋转机构折射出的第二发射信号的示意
图。
40.图7为本发明实施例2中的第二发射信号从光导纤维中折射进入空气的示意图。
41.图8为本发明实施例2中的光滑环系统的第三结构示意图。
具体实施方式
42.下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
43.实施例1
44.请参考图1，其为本实施例中的光滑环系统的第一结构示意图。具体的，所述光滑环系统包括旋转机构1和固定机构2，旋转机构包括转子(未示出)以及沿转子的圆周设置的光导纤维3。
45.旋转机构1用于生成经第二载波光波调制的第二发射信号，第二发射信号通过光导纤维3的第二光波入口4注入光导纤维3；第二发射信号沿光导纤维3传输并从光导纤维3向外折射。固定机构2用于生成经第一载波光波调制的第一发射信号，第一发射信号通过光导纤维3的第一光波入口5注入光导纤维3；第一发射信号可以以不向外折射的方式沿光导纤维3传输。第二载波光波与第一载波光波不同；具体地，第一载波光波具有第一波长，第二载波光波具有不同于第一波长的第二波长。旋转机构1还用于接收光导纤维3传输的第一发射信号；固定机构2还用于接收光导纤维3折射的第二发射信号。
46.具体地，常规的阶跃型光导纤维，光波在光导纤维的包层会发生全反射，进而光波在光导纤维中沿着光纤轴心以“之”字形传播；本实施例的光导纤维3经过特殊处理，对于不同波长的光波会以不同的方式进行传播。光导纤维3的包层由拥有特殊折射率的材料制成，且以特定弯曲半径安装在转动机构上，当输出光射入光纤后，一定的弯曲半径会改变光束相对包层的入射角，包层的特殊折射率会使部分光线经折射离开光导纤维3。对于旋转机构1生成的第二波长的第二发射信号，第二发射信号通过光导纤维3的第二光波入口4注入光导纤维3后，在光导纤维3中传播时会有部分光波从光导纤维3向外折射，固定机构2可以接收这部分由光导纤维3折射的第二发射信号。对于固定机构2生成的第一波长的第一发射信号，由于第二波长与第一波长不同，第一发射信号通过光导纤维3的第一光波入口5注入光导纤维3后，在纤芯经过特殊处理的光导纤维3中传播时不会向外折射，进而不会对折射出的第二发射信号产生干扰，在一种可选的实施方式中，第二光波入口4也可以作为光波出口，旋转机构1的光接收模块可以通过直接与光导纤维3的第二光波入口4连接以接收光导纤维3传播的第一发射信号。
47.本发明提供的光滑环系统，旋转机构的第二发射信号可以通过光导纤维射出被固定机构接收，使旋转机构的信号通过载波光波传输至固定机构；固定机构的载波光波可以通过光导纤维的光波入口注入光导纤维并在光导纤维中不射出地传导，使固定机构的信号通过载波光波传输至旋转机构；旋转机构与固定机构不再通过滑动接触件进行通信连接，并且旋转机构和固定机构均可以作为通信的发起端，实现了旋转机构和固定机构的双向同步通信，且固定机构的载波光波在光导纤维中不射出地传导，使固定机构的信号不会干扰旋转机构的信号在空气中传输。
48.实施例2
49.请参考图2，其为本实施例中的光滑环系统的第二结构示意图。在一种可选的实施方式中，旋转机构1还包括第一光发射模块6和第一光接收模块7；第一光发射模块6用于生成第二发射信号，第二发射信号通过光导纤维3的第二光波入口4注入光导纤维3；第一光接收模块7用于接收光导纤维3传输的第一发射信号；固定机构2包括第二光发射模块8和第二光接收模块9；第二光发射模块8用于生成第一发射信号，第一发射信号通过第一光波入口5注入光导纤维3；第二光接收模块9用于接收光导纤维3折射的第二发射信号。
50.在一种可选的实施方式中，第一光波入口5沿光导纤维3的最外径圆周设置，第一光波入口5的深度等于光导纤维3的包层厚度；第二光发射模块8具体用于将第一发射信号以预设的入射角度通过第一光波入口5注入光导纤维3。
51.在一种可选的实施方式中，预设的入射角度根据第一发射信号在光导纤维3中的折射率、在光导纤维3的包层中的折射率和在空气中的折射率确定。如图3所示，因光纤包层经特殊处理(如对包层材料进行光刻蚀)，在光纤外径全周长上设计有一圈极窄的缝隙使得固定机构2发射出的特定波长a(第一波长)的第一发射信号有且仅能通过以此特定空间角度折射进入纤芯之中，在此特定空间角度之外的光波不可进入此光纤，从而实现信号的非接触高保真注入。
52.具体地，如图4所示，特定波长a(第一波长)的第一发射信号相对于光导纤维3的切线的入射角α；如图5所示，当所述特定波长a(第一波长)的第一发射信号(携带控制信号信息的入射光信号)经包层窄缝直接接触纤芯临界面时，此时特定光学入射角α1(α＝90
°‑
α1)需满足条1：n
空
为第一发射信号在空气中的折射率，n
芯a
为第一发射信号在光导纤维3中的折射率；优选地，α1的范围为[77
°
，82
°
]；所述特定波长a(第一波长)的第一发射信号以折射角α2进入纤芯，当其接触纤芯和包层的临界面时，此时光学反射角需大于全反射角，即需满足条件2：n
包a
为第一发射信号在光导纤维3的包层中的折射率。
[0053]
因光纤路径为曲率半径为r弧线，经第一次纤芯内全反射后的每一次反射角度都会增加，即可保证第一波长的第一发射信号可以无泄露、不射出地在光导纤维中传输直至达到转子侧的光接收单元。在一种可选的实施方式中，第一光发射模块6和第一光接收模块7通过光分路器和光合路器与光导纤维3的第二光波入口4连接。
[0054]
在一种可选的实施方式中，第二波长的第二发射信号具有在预设距离内的低衰减特性；预设距离大于转子的圆长。
[0055]
在一种可选的实施方式中，第二发射信号为恒一亮度的可见光式的载波光波；光导纤维3用于均一性地向外射出第二发射信号。
[0056]
具体地，光导纤维3的包层折射率设计为允许特定波长b(第二波长的)的第二发射信号从此光纤纤芯之中，在转子的周长的特定曲率半径条件下，以特定狭小折射角度向外折射。在光导纤维3中传播的其余角度的载波光波仅能在纤芯与包层之间发生全反射，直至到达旋转机构的光吸收装置10为止。
[0057]
如图6所示，加之，安装于固定机构的光接收模块9设置于一个固定点位，且其中的光传感器安装布置为特定角度，因此光接收模块9接收到的光信号有且仅有从光纤折射出
的第二发射信号的信号。故从旋转侧发出的第二发射信号信号(主要为图像数据)在一个周长之内可视为能以良好均一性地向外折射至光接收模块9，实现从ct旋转侧向静止侧的非接触信号传输。在一种可选的实施方式中，光导纤维3包括渐进式多模光纤；渐进式多模光纤包括预设折射率的包层，并以预设的弯曲半径沿转子的圆周设置。光通信设计可用多模光纤进一步提高光通信速率，多模光纤纤芯经过特殊处理，例采用渐进式多模光纤，或掺杂负色散光纤来降低光通信散射情况，如模间散射或色度散射。渐进式多模光纤纤芯折射率根据半径不同折射率n(r)不同，通过改变光在不同折射率介质中的传播速度，弥补不同模式间光程差带来的信号畸变。如图7所示，当所述第一发射信号入射所述光纤，经折射后部分光波进入包层，经二次折射离开所述光纤被所述第一光接收模块接收，所述光纤以曲率半径为r的结构设置，其中纤芯厚度为d1，折射率为n1，包层厚度为d2，折射率为n2，因此所述第一发射信号以入射角θi进入包层，对于给定曲率半径r，可推θi(r,d1,d2)，为使得入射光波可经折射进入包层，θi需小于纤芯包层界面全反射角折射角由包层折射率决定，确定折射角的折射光波入射包层空气界面后出射，需满足包层空气界面入射角小于全反射角因此可推包层折射率范围。
[0058]
此外，光通信具有不受电磁干扰、价格成本低的优势，可以通过时分复用、波分复用、空分复用等方法提高通信带宽。
[0059]
以ct(computed tomography，电子计算机断层扫描)光滑环系统为例，首先对旋转机构向固定机构传输信号的过程进行说明。第一光发射模块6用于生成ct图像数据和/或测量信号的载波光波并通过第二光波入口4直接注入光导纤维3的纤芯。光导纤维3没有保护层，且允许特定信号的载波调制光波在ct转子一个周长距离内(即光纤总长度内)，从光导纤维3光波导介质内以良好均一性向外折射，载波调制光波在形式上可以为：以恒一亮度发光(发出可见光形式的调制光载波)，或以电磁波发射(如红外或近紫外不可见光光波形式)。第二发射信号具有在大于光纤总长度的预设距离内的低衰减特性。第二发射信号在光导纤维3中沿图中虚线箭头的方向进行传播。第二光接收模块9固定放置于ct光滑环系统的光导纤维3在机架静止侧的投影上某位置点上；光导纤维3折射出的载波调制光可被第二光接收模块9从ct机架定子侧感测、识别、解调和接收，进而完成ct图像数据和测量信号从转子侧向定子侧的非接触信号传输。
[0060]
其次，对固定机构向旋转机构传输信号的过程进行说明。第二光发射模块8用于生成ct控制信号的载波调制光或载波调制激光，通过第二光发射模块8机械角度α的调整，第一发射信号可经空气以合适或特定的入射角度α通过第一光波入口5高保真地注入此光纤介质，一旦注入，第一发射信号在光导纤维3的弧线路径内几乎不再折射出纤芯；具体地，光导纤维3经特殊工艺处理(如光刻蚀法等)，沿最外径圆周上设置有一极窄的缝隙，深度等于光纤包层的厚度(光纤无保护层)。该缝隙目的在于允许特定波长的载波光波以特定入射条件注入到光导纤维3的纤芯之中。第一发射信号在光导纤维3中沿图中实线箭头的方向进行传播，而后控制信号的载波调制光或载波调制激光经光纤光波导到达第一光接收模块7，进而得以实现控制信号的从定子侧至转子侧的无接触传输。
[0061]
第二光发射模块8既可采用多种激光的频率调制，也可采用光强度调制、相位调制
等适用的内调制方法，及外调制方法(如电光调制、声光调制)。
[0062]
再次，对光导纤维3和旋转机构1各模块的连接方式进一步说明。光导纤维3沿一个ct光滑环圆周上，仅有一根光纤，一端的第二光波入口4连接一个光分路器/合路器模块15，另一端的光纤尾端不连接任何设备。旋转机构1还包括光吸收装置10，光吸收装置10吸收光信号在光纤尾端的输出，从而防止尾端输出的光信号对光电探测器造成干扰，并且防止反射光线进入光导纤维3，光吸收装置10位于旋转机构上。
[0063]
光分路器/合路器模块15在执行1:2分光器功能时(沿图中实线箭头方向)，一个光分路光纤连接至第一光接收模块7以传输控制信号，另一个光分路虽连接至第一光发射模块6，但第一光发射模块6并不含有光电转换单元，故此分路信号不被接收；光分路器/合路器模块15在执行2:1合光器功能，因第一光接收模块7不发出光信号，只有第一光发射模块6发出光信号经合光器后，沿转子光纤在ct转子一个周长距离内良好均一性向外折射，形式上可以为：以恒一亮度发光(发出可见光形式的调制光载波)，以电磁波发射(如近红外或近紫外不可见光调制光载波形式)。光信号进而被第二光接收模块9感测、识别、解调和接收，完成ct图像数据和/或测量信号的从转子侧至定子侧的无接触传输。
[0064]
第一光发射模块6中可含有复数个光源(如txa1，txa2，
…
txan)，利用光分路器/光合路器模块15中的光合路器功能，实现基于波分复用技术的高通信带宽的光通信。此种变化例中，第一光发射模块6具有可调谐半导体激光二极管和光合路器，第二光接收模块9具有可调谐窄带光滤波器单元和信道选择器，以从不同信道光载波频率中同步提取出txa1(如图像数据)和txa2(如测量信号)
……
和txan等调制信号进行解调，实线通信带宽和传输速率的提高；光分路器/光合路器模块15在执行n:1合光器功能、为实现波分复用时(沿图中虚线箭头方向)，第一光发射模块6中的复数个光源txa1、txa2
…
txan发出光信号经合光器后，沿光导纤维3在ct转子一个周长距离内良好均一性向外折射。
[0065]
在一种可选的实施方式中，第一光发射模块6包括第一光源、第一驱动单元、第一电光调制单元和第一光放大器；第一光源、第一驱动单元、第一电光调制单元和第一光放大器依次连接；第一光接收模块7包括第一光电传感器、第一光放大器和第一解调单元；第一光电传感器、第一光放大器和第一解调单元依次连接；第二光发射模块8包括第二光源、第二驱动单元、第二电光调制单元和第二光放大器；第二光源、第二驱动单元、第二电光调制单元和第二光放大器依次连接；第二光接收模块9包括第二光电传感器、第二光放大器和第二解调单元；第二光电传感器、第二光放大器和第二解调单元依次连接。第一光接收模块7和第二光接收模块9还分别包括聚光透镜。
[0066]
在一种可选的实施方式中，第一光发射模块6包括至少两个光发射单元；至少两个光发射单元用于生成不同频率范围的第二发射信号；第二光接收模块9包括与光发射单元相对应的至少两个光接收单元；至少两个光接收单元分别对不同频率范围的第二发射信号具有不同的灵敏度。
[0067]
在一种可选的实施方式中，至少两个光接收单元与转子的垂直距离相同。
[0068]
以下通过举例进一步说明。如图8所示，第一光发射模块6包括第一光发射单元11和第二光发射单元12；第一光发射单元11用于生成第一频率范围的第二发射信号，第二光发射单元12用于生成第二频率范围的第二发射信号。第二光接收模块9包括第一光接收单元13和第二光接收单元14；第一光接收单元13对第一频率范围的第二发射信号的灵敏度大
于第二光接收单元14对第一频率范围的第二发射信号的灵敏度；第一光接收单元13对第二频率范围的第二发射信号的灵敏度小于第二光接收单元14对第二频率范围的第二发射信号的灵敏度。第二发射信号在光导纤维3中沿图中虚线箭头的方向进行传播。且第一光接收单元13和第二光接收单元14对称分布于旋转机构1的轴线的两侧，即l1＝l2。
[0069]
此外，第一光接收单元和第二光接收单元同时接收光导纤维3侧面输出的第二发射信号，从而弥补在光导纤维3首尾段间隙带来的信号缺失问题。
[0070]
本发明提供的光滑环系统，旋转机构的载波光波具有在光导纤维总长内低衰减特性，可以通过光导纤维的光波导介质内以良好均一性向外折射，进而被固定机构接收，使旋转机构的信号通过载波光波传输至固定机构；固定机构的载波光波可以以合适或特定的入射角度通过只允许特定波长的光波以特定角度穿过的第一光波入口高保真地注入光导纤维并在光导纤维中不射出地传导，使固定机构的信号通过载波光波传输至旋转机构；旋转机构与固定机构不再通过滑动接触件进行通信连接，并且旋转机构和固定机构均可以作为通信的发起端，实现了旋转机构和固定机构的无接触双向通信，且固定机构的载波光波在光导纤维中不射出地传导，固定机构的信号不会干扰旋转机构的信号在空气中传输；光滑环系统还具有不受电磁干扰、价格成本低的优势，可以通过时分复用、波分复用、空分复用等方法提高通信带宽。
[0071]
实施例3
[0072]
本实施例提供一种医学成像设备，所述医学成像设备包括实施例1的光滑环系统。
[0073]
本发明提供的医学成像设备，通过利用实施例1或实施例2中的光滑环系统，光滑环系统的旋转机构与固定机构不再通过滑动接触件进行通信连接，并且旋转机构和固定机构均可以作为通信的发起端，实现了旋转机构和固定机构的无接触双向通信，且固定机构的信号不会干扰旋转机构的信号在空气中传输。
[0074]
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。