一種中空光滑環(huán)及其傳輸光信號(hào)的方法
【專利摘要】一種中空光滑環(huán)，包括定子，轉(zhuǎn)子，輸入光纖通道、環(huán)形傾斜光纖光柵、輸出光纖通道，定子和轉(zhuǎn)子由環(huán)形基體構(gòu)成，定子和轉(zhuǎn)子環(huán)形的徑向外圓和徑向內(nèi)圓相等，軸線相互重合，形成中空結(jié)構(gòu)。傾斜光纖光柵部分設(shè)置在定子中，傾斜光柵繞圓周一周刻制成全光柵區(qū)，當(dāng)輸入光纖通道中的光束射入傾斜光纖光柵中后，按照一定傾斜度設(shè)計(jì)的傾斜光柵會(huì)部分反射輸入光束，反射光經(jīng)過剝除外包層后的光纖垂直向上傳輸，進(jìn)入輸出端光纖通道。該中空光滑環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)機(jī)械裝置精度要求不高，易于實(shí)現(xiàn)，可中空狀態(tài)傳輸氣體、液體等流動(dòng)介質(zhì)等。
【專利說明】一種中空光滑環(huán)及其傳輸光信號(hào)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種光滑環(huán)，特別涉及一種旋轉(zhuǎn)光滑環(huán)。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖的一些特性如寬帶寬、抗干擾、低損耗、重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)使其在越來越多的應(yīng)用中成為理想信號(hào)載體。在光纖信號(hào)傳輸種類中，某些情況下，光信號(hào)的傳輸常常在線路的某個(gè)中間環(huán)節(jié)需要旋轉(zhuǎn)耦合裝置，如雷達(dá)天線和它的車載信號(hào)處理系統(tǒng)之間，海底機(jī)器人與控制船只之間，工業(yè)上應(yīng)用的機(jī)械手與主控臺(tái)之間的連接線路等，都需要在兩個(gè)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的部分實(shí)現(xiàn)光纖光路的連接，普通的固定連接器無法完成動(dòng)態(tài)連接，而光滑環(huán)(也稱光纖旋轉(zhuǎn)連接器)正是實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)連接不可或缺的器件。
[0003]在光滑環(huán)信號(hào)傳輸過程中,有時(shí)還伴隨氣、油和水等介質(zhì)的傳輸,例如有些雷達(dá)使用過程中信號(hào)要伴隨高壓氣體同時(shí)傳輸，這些介質(zhì)的傳輸需要一個(gè)通道，而這個(gè)通道經(jīng)常設(shè)置在中心軸的位置；有時(shí)在連接器的中心軸的部分還有安放一些滾軸、轉(zhuǎn)桶等器件，甚至是人體，其目的是進(jìn)行一些拉伸、滾動(dòng)或掃描的操作。由于中心軸被其他介質(zhì)或器件占用，光信號(hào)不再沿連接器轉(zhuǎn)動(dòng)中心傳輸光信號(hào)，而大部分現(xiàn)有光滑環(huán)的光傳輸通道都是按照所使用光器件的光軸與連接器轉(zhuǎn)動(dòng)中心重合的技術(shù)路線進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造的。因此，現(xiàn)有這部分光滑環(huán)已經(jīng)不能滿足上述場(chǎng)合的應(yīng)用，需要一種光信號(hào)能在中空光滑環(huán)中傳輸。
[0004]目前，已經(jīng)有幾種“中空”態(tài)光滑環(huán)，它們各自有其特點(diǎn)與缺點(diǎn)。專利US410998提出一種中空光滑環(huán)，它的基本原理是通過內(nèi)、外兩片圓反射鏡，利用光束在反射鏡之間的反射來傳播光束。專利US4934783提出的連接器采用一個(gè)柱面作為反射鏡，柱面對(duì)入射的平面光束反射會(huì)聚焦于一點(diǎn)，成為一個(gè)虛焦點(diǎn)，之后光束發(fā)散，再經(jīng)過反射鏡反射重新會(huì)聚成另一個(gè)虛焦點(diǎn)，以此經(jīng)過會(huì)聚、反射、會(huì)聚、反射等過程最后到達(dá)出射端輸出。專利US2004/0086222A1采用U型反射槽來傳播光束，反射槽置于外圓周上，圓周上分布有多個(gè)反射槽，光在多個(gè)反射槽之間傳輸。專利CN101788699A利用光柵把輸入光束耦合進(jìn)環(huán)形基體，基體用于實(shí)現(xiàn)光束的轉(zhuǎn)折，傳輸介質(zhì)的上表面為一個(gè)平面，其上鍍有4?5層膜。傳輸介質(zhì)的下表面為一個(gè)錐面，這些光纖旋轉(zhuǎn)連接器都對(duì)機(jī)械裝置精度要求高，而連接效率低，不僅成本高而且難實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，提供一種新型中空光滑環(huán)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0006]一種中空光滑環(huán)，包括定子，轉(zhuǎn)子，輸入光纖通道、環(huán)形光導(dǎo)元件、輸出光纖通道，定子和轉(zhuǎn)子由環(huán)形基體構(gòu)成，定子和轉(zhuǎn)子環(huán)形的徑向外圓和徑向內(nèi)圓相等，軸線相互重合，形成中空結(jié)構(gòu)。
[0007]輸入光纖通道是光信號(hào)的輸入端，由光纖構(gòu)成，輸入光纖通道的一部分設(shè)置在定子中，由輸入光纖通道引導(dǎo)的輸入光束射入環(huán)形傾斜光纖光柵。[0008]光導(dǎo)元件是傾斜光纖光柵，包括光纖主體，傾斜光柵和光纖外包層。傾斜光纖光柵形成環(huán)形的管狀結(jié)構(gòu)，傾斜光纖光柵部分設(shè)置在定子中，環(huán)形的傾斜光纖光柵的中心線和定子軸線相互重合，環(huán)形傾斜光纖光柵的中心平面和定子上表面重合，環(huán)形傾斜光纖光柵露出定子部分的光纖外包層被剝除。傾斜光柵繞圓周一周刻制成全光柵區(qū)，當(dāng)輸入光束射入光纖中后，按照一定傾斜度設(shè)計(jì)的傾斜光柵會(huì)部分反射輸入光束，反射光經(jīng)過剝除外包層后的光纖垂直向上傳輸。
[0009]輸出端光纖通道設(shè)置在轉(zhuǎn)子中，由準(zhǔn)直透鏡、光纖準(zhǔn)直器和光纖構(gòu)成，輸出端光纖通道的準(zhǔn)直透鏡的軸線和轉(zhuǎn)子軸線平行，準(zhǔn)直透鏡繞軸旋轉(zhuǎn)的半徑和環(huán)形傾斜光纖光柵的半徑相等，在輸出端光纖通道旋轉(zhuǎn)過程中，可以一直對(duì)準(zhǔn)環(huán)形傾斜光纖，以便接收傾斜光柵反射的光束，準(zhǔn)直透鏡把由傾斜光柵反射的光束集中到光纖準(zhǔn)直器中，再由光纖準(zhǔn)直器把光束傳播到光纖中，以便輸出。
[0010]優(yōu)選地，環(huán)形的傾斜光纖光柵中刻寫的傾斜光柵的法線與定子軸線的夾角為45度。輸入光纖通道中光纖引導(dǎo)的光束沿與定子軸線垂直方向射入環(huán)形的傾斜光纖光柵中，光經(jīng)過傾斜光柵時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射，其反射光在整個(gè)環(huán)形的傾斜光纖光柵上垂直向上傳輸，利于輸出光纖通道接收。
[0011]—種利用上述光滑環(huán)傳輸光信號(hào)的方法，將光信號(hào)注入輸入光纖通道，輸入光纖通道引導(dǎo)的輸入光信號(hào)射入環(huán)形傾斜光纖光柵，傾斜光柵會(huì)部分反射輸入光信號(hào)，反射光經(jīng)過剝除外包層后的光纖垂直向上傳輸，輸出光纖通道的準(zhǔn)直透鏡接收傾斜光柵反射的光信號(hào)，并把接收的光信號(hào)集中到光纖準(zhǔn)直器中，再由光纖準(zhǔn)直器把光束傳播到光纖中，得到輸出光信號(hào)。
[0012]本發(fā)明的中空光滑環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)機(jī)械裝置精度要求不高，易于實(shí)現(xiàn)，可中空狀態(tài)傳輸氣體、液體等流動(dòng)介質(zhì)等?？蓮V泛應(yīng)用于CT掃描、光信號(hào)的旋轉(zhuǎn)連接等場(chǎng)合，具有良好的市場(chǎng)前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]為了更清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，下面將對(duì)發(fā)明實(shí)施例描述中需要使用的附圖作簡(jiǎn)單的介紹，其中
[0014]圖1是根據(jù)本發(fā)明的中空光滑環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2是根據(jù)本發(fā)明的傾斜光纖光柵結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖中，I為定子，2為轉(zhuǎn)子，3為傾斜光纖光柵，4為定子、轉(zhuǎn)子軸線，5定子、轉(zhuǎn)子內(nèi)孔，6為輸入光纖通道,7為輸出光纖通道,8為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向,9為定子的上表面，10為輸出光束，11為輸入光束，31為光纖主體,32為傾斜光柵,33為光柵法線,34為光纖外包層。
【具體實(shí)施方式】
[0017]如圖1所示，本發(fā)明提供的中空光滑環(huán)，包括定子1，轉(zhuǎn)子2，輸入光纖通道6、傾斜光纖光柵3、輸出光纖通道7。
[0018]定子I和轉(zhuǎn)子2由環(huán)形基體構(gòu)成,定子I和轉(zhuǎn)子2環(huán)形的徑向外圓和徑向內(nèi)圓相等，軸線4相互重合，形成中空結(jié)構(gòu)。定子環(huán)形基體和轉(zhuǎn)子相對(duì)的面為一個(gè)平面，稱為定子上表面9。[0019]傾斜光纖光柵3形成環(huán)形的管狀結(jié)構(gòu)，部分設(shè)置在定子中，環(huán)形傾斜光纖光柵3的中心線和定子軸線4相互重合，環(huán)形傾斜光纖光柵3的中心平面是和該環(huán)形傾斜光纖光柵3的中心線垂直并截取該環(huán)形傾斜光纖光柵面積最大的平面，環(huán)形傾斜光纖光柵3的中心平面和定子上表面重合。環(huán)形傾斜光纖光柵露出定子部分的光纖外包層32被剝除。
[0020]輸入光纖通道6是光信號(hào)的輸入端，由光纖構(gòu)成,輸入光纖通道6的一部分設(shè)置在定子中，由輸入光纖通道引導(dǎo)的輸入光束射入環(huán)形傾斜光纖光柵3。輸出端光纖通道7設(shè)置在轉(zhuǎn)子中，包括準(zhǔn)直透鏡、光纖準(zhǔn)直器和光纖(圖中未示出)，輸出端光纖通道7的準(zhǔn)直透鏡的軸線和轉(zhuǎn)子軸線4平行，其繞軸旋轉(zhuǎn)的半徑和環(huán)形傾斜光纖光柵的半徑相等，在輸出端光纖通道7旋轉(zhuǎn)過程中，可以一直對(duì)準(zhǔn)環(huán)形傾斜光纖，以便接收傾斜光柵反射的光束，準(zhǔn)直透鏡把由傾斜光柵反射的光束集中到光纖準(zhǔn)直器中，再由光纖準(zhǔn)直器把光束傳播到光纖中，以便輸出。
[0021]圖2是傾斜光纖光柵結(jié)構(gòu)意圖,傾斜光纖光柵包括光纖主體31,傾斜光柵32和光纖外包層34。當(dāng)輸入光束11進(jìn)入光纖中后，按照一定傾斜度設(shè)計(jì)的傾斜光柵32會(huì)部分反射輸入光束11，其反射光經(jīng)過光纖外包層34垂直向上傳輸。
[0022]將傾斜光纖光柵做成環(huán)形，就可得到環(huán)形的傾斜光纖光柵3，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，環(huán)形的傾斜光纖光柵3中刻寫的傾斜光柵32的法線33與定子軸線的夾角為45度。輸入光纖通道中光纖引導(dǎo)的光束沿與定子軸線垂直方向射入環(huán)形的傾斜光纖光柵3中，由于光纖的全反射效應(yīng)，光束在整個(gè)環(huán)形的傾斜光纖光柵3中傳播，同時(shí)，傾斜光柵32繞圓周一周刻制成全光柵區(qū)，光經(jīng)過傾斜光柵32時(shí),會(huì)產(chǎn)生反射，由于環(huán)形傾斜光纖光柵露出定子部分的光纖外包層32被剝除,其反射光在整個(gè)環(huán)形的傾斜光纖光柵3上垂直向上傳輸,利于輸出光纖通道7接收。
[0023]本發(fā)明還公開一種利用上述光滑環(huán)傳輸光信號(hào)的方法，將光信號(hào)注入輸入光纖通道6,輸入光纖通道引導(dǎo)的輸入光信號(hào)射入環(huán)形傾斜光纖光柵3,傾斜光柵會(huì)部分反射輸入光信號(hào)，反射光經(jīng)過剝除外包層后的光纖垂直向上傳輸，輸出光纖通道7的準(zhǔn)直透鏡接收傾斜光柵反射的光信號(hào)，并把接收的光信號(hào)集中到光纖準(zhǔn)直器中，再由光纖準(zhǔn)直器把光束傳播到光纖中，得到輸出光信號(hào)。
[0024]本發(fā)明中使用的傾斜光纖光柵與專利CN101788699A中使用的衍射閃耀光柵不同，衍射閃耀光柵為純光學(xué)元件，雖然其名稱為光柵，類似于CCD相機(jī)里用的那種用于像元撲捉的衍射光柵，其結(jié)構(gòu)較大，為柱狀體或平面，本發(fā)明的光柵為光纖光柵，是在光纖上直接經(jīng)過刻寫加工成的光纖光柵，其結(jié)構(gòu)仍為光纖，只是刻寫的那一段成為光纖光柵，結(jié)構(gòu)非常小巧，非常易于與光通信集成，光信號(hào)傳輸損耗較小，融合度高，實(shí)現(xiàn)的可行性非常高，而且，其中CN101788699A公開的光滑環(huán)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各幾何參數(shù)之間要嚴(yán)格滿足一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，加工制造困難。本發(fā)明的中空光滑環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)機(jī)械裝置精度要求不高，易于實(shí)現(xiàn)，具有良好的市場(chǎng)前景。
【權(quán)利要求】
1.一種中空光滑環(huán)，包括定子，轉(zhuǎn)子，輸入光纖通道、環(huán)形光導(dǎo)元件、輸出光纖通道，其特征在于:定子和轉(zhuǎn)子由環(huán)形基體構(gòu)成，定子和轉(zhuǎn)子環(huán)形的徑向外圓和徑向內(nèi)圓相等，軸線相互重合，形成中空結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中空光滑環(huán)，其中所述輸入光纖通道是光信號(hào)的輸入端，由光纖構(gòu)成，輸入光纖通道的一部分設(shè)置在定子中，由輸入光纖通道引導(dǎo)的輸入光束射入環(huán)形光導(dǎo)兀件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的中空光滑環(huán)，其中所述光導(dǎo)元件是傾斜光纖光柵，包括光纖主體，傾斜光柵和光纖外包層，傾斜光纖光柵形成環(huán)形的管狀結(jié)構(gòu)；傾斜光纖光柵部分設(shè)置在定子中，環(huán)形的傾斜光纖光柵的中心線和定子軸線相互重合，環(huán)形傾斜光纖光柵的中心平面和定子上表面重合，環(huán)形傾斜光纖光柵露出定子部分的光纖外包層被剝除。傾斜光柵繞圓周一周刻制成全光柵區(qū)，當(dāng)輸入光束射入光纖中后，按照一定傾斜度設(shè)計(jì)的傾斜光柵會(huì)部分反射輸入光束，反射光經(jīng)過剝除外包層后的光纖垂直向上傳輸。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的中空光滑環(huán)，其中所述輸出端光纖通道設(shè)置在轉(zhuǎn)子中，由準(zhǔn)直透鏡、光纖準(zhǔn)直器和光纖構(gòu)成，輸出端光纖通道的準(zhǔn)直透鏡的軸線和轉(zhuǎn)子軸線平行，準(zhǔn)直透鏡繞轉(zhuǎn)子軸線旋轉(zhuǎn)的半徑和環(huán)形傾斜光纖光柵的半徑相等，在輸出端光纖通道旋轉(zhuǎn)過程中，可以一直對(duì)準(zhǔn)環(huán)形傾斜光纖，以便接收傾斜光柵反射的光束，準(zhǔn)直透鏡把由傾斜光柵反射的光束集中到光纖準(zhǔn)直器中，再由光纖準(zhǔn)直器把光束傳播到光纖中，以便輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的中空光滑環(huán)，其中環(huán)形的傾斜光纖光柵中刻寫的傾斜光柵的法線與定子軸線的夾角為45度，輸入光纖通道中光纖引導(dǎo)的光束沿與定子軸線垂直的方向射入環(huán)形的傾斜光纖光柵中。
6.—種利用根據(jù)權(quán)利要求1至5的中空光滑環(huán)傳輸光信號(hào)的方法,包括將光信號(hào)注入輸入光纖通道，輸入光纖通道引導(dǎo)的輸入光信號(hào)射入環(huán)形傾斜光纖光柵，傾斜光柵會(huì)部分反射輸入光信號(hào)，反射光經(jīng)過剝除外包層后的光纖垂直向上傳輸，輸出光纖通道的準(zhǔn)直透鏡接收傾斜光柵反射的光信號(hào)，并把接收的光信號(hào)集中到光纖準(zhǔn)直器中，再由光纖準(zhǔn)直器把光束傳播到光纖中，得到輸出光信號(hào)。
【文檔編號(hào)】G02B6/36GK103472539SQ201310397726
【公開日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月4日
【發(fā)明者】陸兆輝 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第八研究所