CN100437183C - 弯曲装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弯曲装置，适用于光束操纵装置或作为光束操纵装置的部件，用于支撑一个元件并传输移动到该元件上，该装置包括：一个支撑构件；容纳适当元件的装置；第一弯曲结构；用于将移动施加到第一弯曲结构的调节器；所述的第一弯曲结构包括一个弯曲部件，一个第二弯曲结构包括一个弯曲部件，其中每个第一弯曲结构和第二弯曲结构都是以屈曲和转矩形式来弯曲，第一弯曲结构和第二弯曲结构是非共面并适当地间隔开，由此施加到所述第一弯曲结构上的任何移动引起所述容纳装置的位移。使得施加到所述第一弯曲部件上的任何移动被弯曲装置放大。

Description

弯曲装置

技术领域

本发明涉及弯曲装置，适用于例如光束操纵装置或作为例如光束操纵装置的部件，用于支撑和传输移动到任何合适的部件。

背景技术

已知本申请最接近的现有技术是PCT/GB01/00062所公开的内容，这是申请人自己的一篇专利申请。

本发明的一个目的是进一步改进光束操纵装置，其在尺寸最小时，能够与大量输入和输出端口装配形成光学开关。因此，本发明目的在于进一步提高光束操纵装置的紧凑性。

本发明的另一个目的是提供加工简单和易于装配的装置。为了实现这个目的，主要考虑降低光学开关的复杂性。

本发明另一目的是涉及提供一种装置甚至更容易准确操纵以实现更高质量的切换。

本发明装置的一个具体目的是使任何预定被弯曲装置移动的元件实现更大角度的摆动，该摆动远远大于施加给装置的移动。实现大比例的移动的放大是实现上述紧凑性的重要目的。

其它因素例如寿命和成本也是这些装置设计考虑的内容。

本发明的一个目的是同现有技术相比降低光束调节器的长度。

本发明的另一目的是提供一种新的方式，为光学元件例如准直仪提供定位和支撑，同时达到所需的高精度和长期可靠性。

本发明的其它目的是提高任何单独的元件装到装置的装配性，因此，所提供的装置更实用。

本发明的另一个目的是提供一种改进的二维(2D)压电调节器。

发明内容

根据发明最主要的独立方面，本发明提供一种弯曲装置，适用于光束操纵装置或作为光束操纵装置的部件，用于支撑一个元件并传输移动到该元件上，该装置包括：一个支撑构件；容纳适当元件的装置；第一弯曲结构；用于将移动施加到第一弯曲结构的调节器；所述的第一弯曲结构包括一个弯曲部件，该弯曲部件分隔并连接所述的调节器与所述的容纳装置；一个第二弯曲结构包括一个弯曲部件，该弯曲部件分隔并连接所述的容纳装置与所述的支撑构件；其中每个第一弯曲结构和第二弯曲结构都是以屈曲和转矩形式来弯曲，第一弯曲结构和第二弯曲结构是非共面并适当地间隔开，由此施加到所述第一弯曲结构上的任何移动引起所述容纳装置的位移。

该装置被所述容纳装置容纳时，在将元件的移动进行放大方面特别有利。它还具有很好的振动和平衡性能。

根据本发明最主要的独立方面的从属方面，弯曲结构基本上彼此平行。

这个具体特征是很有利的，因为它改进了装置的机械性能。

根据另一从属方面，元件是光学元件。

众所周知光学通信系统的基本要求是精度，依据这一点，在这个装置的具体应用中显露出其特有的优点，因为它的实施产生了更高的精度。

这种结构具有提高装置抗振动特性、可以平衡操作装置时元件移动惯量的具体优点。

根据另一从属方面，元件是准直仪。

由于准直仪的固有形状(通常为长棒)，采用这种装置的优点是特别突出的。

根据最主要的独立方面的补充，装置沿Z方向延伸，包括至少一个第一调节器和至少一个第二调节器，调节时第一弯曲结构至少在沿Z方向延伸的所述第一调节器的末端部分，第二弯曲结构包括位于所述第二调节器末端的装置，因此，当调节第一调节器时，准直仪枢转。

根据另一从属方面，第一弯曲结构和第二弯曲结构以小于准直仪的一半长度的距离间隔开。这样当元件是准直仪时产生有利的放大。

根据另一从属方面，元件是具有反射性的。

关于一般光学元件，当与这种结构结合时，具有更突出的优点。

根据另一从属方面，元件是光栅。

类似地，对于前述的结构，使用带有光栅的弯曲装置在普通光学元件上产生更为突出的优点。

根据另一从属方面，本发明提供一种光束操纵装置，包括根据本发明最主要的独立方面的弯曲装置和装置用于操纵的元件，准直仪以及用于施加移动到第一弯曲结构的调节器。因此，调节器任何方向的移动会使得准直仪产生相反方向的移动，调节器和准直仪相应的惯性移动，用于平衡任何外部引起的移动。

根据另一从属方面，调节器是二维调节位移的压电调节器。这个特征特别有利，因为它允许调节器产生侧向移动，其作为放大的角度运动传输到元件上。

根据另一从属方面，第一弯曲结构位于第二弯曲结构的上游。这样为装置提供有利的机械性能。

根据另一从属方面，装置的任何部件具有从外围朝所述元件内部延伸的槽，因此便于迅速插入和/或移开光纤。

本发明上个方面被认为是特别有利的，因为它避免让光纤穿过一系列沿Z轴的孔径。这又反过来能使光纤迅速插入操纵装置的不同元件。因此，这方面明显简化操纵装置的装配程序。

根据另一从属方面，任何弯曲结构包括孔，其直径足以允许光纤通过并避免光纤和各个所述装置之间接触或各个所述装置之间互相接触。

这是特别有利的，因为它避免在弯曲点沿光纤本身的不必要的压力集中，否则，这种压力集中会导致过早的断裂。

根据另一从属方面，支撑构件是第二调节器。这是特别有利的，因为它可以提供完全更紧凑的装置。

当本发明的装置结合光学开关时，装置前述各方面的优点被增强了。

附图说明

图1示出光束操纵装置的透视图。

图2示出安装了调节器的支撑结构的透视图。

图3表示座的后视图。

图4示出压电调节器、光纤、座和部分准直仪的后视图。

图5表示开关系统的输入或输出阵列的透视图。

图6示出本发明另一实施例的光学开关系统。

图7示出根据本发明另一实施例的座的透视图。

图8示出本发明装置另一实施例的示意透视图。

图9示出本发明装置另一实施例的示意透视图。

图10示出本发明装置另一实施例的示意透视图。

具体实施方式

图1所示的装置设计成调节单光纤，在输入阵列或输出阵列中可以作为输入端口或输出端口互换使用。

构成图1所示的光束操纵装置的主要部件是支撑构件1、调节器2、弯曲装置3、准直仪4和光纤(图1中未示出)。一般用5表示的整个光束操纵装置特别适于插入光学开关系统(在本专利申请后阶段更详细地描述)。

图2表示只有调节器22的支撑构件21。从支撑构件的表面24可以看出横截面是L形的。L的外侧最好长度相等，尺寸大约为4mm。调节器22呈柱状，它的横截面尺寸大约为1.8×1.8mm。在一个末端大约10mm的长度被夹到支撑构件上。柱子未支撑的长度是31mm，因此压电调节器的整个长度为41mm。在调节器22和支撑构件21之间还有间隙，以允许调节器柱子沿任一侧面及上、下方向所需的移动。压电调节器22由电极和压电材料层构成，并沿纵向延伸，设置成使得整个调节器没有空心部分，以便尽可能紧凑。电极和相应的压电层沿调节器基本上彼此平行设置，但是分成四个独立的作用部分，以实现X方向和Y方向的弯曲。

图3用31表示从支撑构件一侧透视看到的弯曲装置。准直仪容纳装置(座)32提供孔33，其直径足以容纳准直仪的末端(图中未示出)。尽管可以选择以孔33的直径来固定准直仪，也可以采用附加的连接装置例如环氧树脂来进一步将准直仪固定到座32上。座32的内表面容纳弯曲部件34和35的末端。这些弯曲部件分别沿X轴和Y轴彼此垂直设置。

弯曲部件34用它的一个末端连接到座32的内表面36，而弯曲部件35用它的一个末端连接到台阶37，其作为连接装置部分限定弯曲部件34和弯曲部件35之间的间隙。将弯曲部件固定到座上的装置由本领域普通技术人员从已知的方案中选择。

这些弯曲部件最好是长2.4mm、宽1.2mm、和厚0.025mm。这些弯曲部件采用的材料最好是铍青铜，由于这种材料的延展性，它是作为这些弯曲部件的理想选择。可替换的优选材料是电铸镍。弯曲部件之间的间隔大约是0.75mm。

弯曲部件设计成以屈曲和转矩形式来弯曲(适应)，以沿长度压缩/延展和在长度上剪切的形式抗弯曲。这些特性让位置弯曲部件可以放置得很近以形成一个有效的2D位置增益至角度转换器。

该结构的角度增益位置通过弯曲部件之间的间隙来设定__即，1mm的间隙对每米的输入传播给出1000弧度输出角度。有效的转换器是当它们弯曲和/或扭曲时，仅仅在弯曲部件中存储很少机械能，避免由于输入调节器的有限硬度，造成传播的不必要的降低，与输入调节器的传播相比，弯曲部件的延展/压缩和剪切位移也很小。

第二个作用特别重要，因为不仅它们直接降低所需的输入位移，而且它们还判断该结构出现不必要的二级共振与初级共振有多接近(主要由输入调节器的硬度和移动部件的质量限定)。

设计优良的系统具有高于初级共振6-10倍的二级共振，这个数越高调节器的敞开环响应越有把握，在反馈环中可以更严密地控制调节器。

这些作用的量级通过角度增益位置驱动，角度增益位置的目的在于：随着增益的增加(通过移动弯曲部件更加靠近)，产生给定输出转矩(静态或动态克服输出装置或准直仪的角惯量)的力也增加；而且，响应这些力的来自弯曲部件的任何压缩/延展或剪切输出角度变化也增加。因此，在增益增加时，为了保持相同程度的输出损失或免除不必要的共振，要求弯曲部件用于抵抗不期望变形的阻抗按照所期望的增益的平方增长。

返回来看图3的具体描述，两个弯曲部件都提供直径大约为0.6mm的中心孔，其易于调整光纤而光纤不接触孔38的边缘，特别是当光纤为具有250μm丙烯酸包层的SMF28(单模光纤28)时。

光纤在此结构中具有机械作用也传播光。它在准直仪的Z轴具有限制，否则通过弯曲部件自由移动以S形偏转。提供这种限制避免在这种移动模式中的低频共振。

光纤通过弯曲部件中心的位置意味着弯曲部件具有大于或等于3倍的硬度来抵抗由于在输出装置/准直仪上的静态和/或动态力造成的不必要的变形。这是因为如果输出负载的中心不是沿中心线运行，弯曲部件倾向于扭曲。在某些情况下，它可能实际上不是这样，光纤应该放在弯曲部件旁边(尽可能靠近)。

弯曲部件34具有一个末端装置，以将弯曲部件连接到框或支撑构件等，其参照图1和图2详细描述过。这些具体的连接装置包括延伸部件39。

至于弯曲部件35，它包括一个末端装置，以将弯曲部件连接调节器(该图中未示出)。

图4详细示出图3描述的弯曲装置如何连接到调节器41的自由端。该图还示出平行于调节器41并通过两个弯曲部件、在准直仪中终止的光纤42，其只能在该图中看到一部分。用于将光纤42固定到调节器41的装置用43表示。这些连接装置最好是环氧树脂之类的，在光束操纵装置工作期间，其可以保证光纤和调节器通过许多弯曲周期可靠地连接在一起。光纤最好在最靠近调节器前面3mm粘到调节器上，优选离调节器最远超过弯曲部件1mm在准直仪中终止。

上述参照图1-4讨论的结构是特别有利，因为它具有准直仪的有效支点，弯曲部件固定到框上。这允许准直仪绕垂直于Z轴的X轴和Y轴转动，Z轴是准直仪的光束形成轴。因为该准直仪绕这个特定的点枢转，在操作中可以获得有利的光束转动，而准直仪的转换移动保持限制。

另一个有利的机械性能在于当调节器在施加一个或多个驱动信号的情况下移动时，调节器沿一个方向弯曲，造成准直仪沿相反方向倾斜。这样产生惯量平衡，免除安装在相同结构的多个装置之间的机械横向连接，并消除对外部振动的灵敏度。这类对称结构在消除共振和谐振方面特别有用，共振和谐振经常干扰以高频工作的厚厚包装的机械部件。这种结构还用于控制性能，其进一步提高这种具体的光束操纵装置的质量和可靠性。

图5示出具有上述类型的弯曲装置或座并设置成放射状阵列的光束操纵装置阵列。在各个薄片50中的调节器的纵轴基本上指向相对阵列(图5中未示出)的相对薄片的中心调节器。这种结构降低了在它们的偏转区从光学系统附加偏转的需要，偏转区用51表示。该结构另外的优点是在准直仪中较小范围的角度移动足以使光束从任何输入到任何输出。

一般用53表示的阵列，在相同的支撑构件中包括36个光束操纵装置。各个准直仪52可以具有1.25mm的直径，1.65mm直径的金属壳长为10mm。准直仪的金属壳应该便于与电容传感装置连接。这些电容传感装置可以在图5中结合壳体55示出，准直仪在壳体55中移动，传感片54设置在准直仪的自由端。这些片可以用于传感准直仪在X方向和Y方向末端的移动。然后，通过这些电容传感器获得的位置测量值反馈到开光系统控制装置中。

在图6中示出这些电容传感装置的变型，图中示出开关系统60的输入阵列和输出阵列。光束操纵装置的各个薄片用传感板61操作，传感板61具有大约3.4mm的方孔，在它们的侧面带有传感电极。这些传感板大约1mm厚。准直仪(位于中心位置)来自各个电极的电容是0.125pf。放置在中心点的北/南电容器(或东/西电容器)的灵敏度大约是0.05ff/μm。各个传感板的中心设置在大约离准直仪的有效支点6.5mm处，准直仪与前面描述的固定到框上的弯曲部件一样。

图7示出本申请的弯曲装置的另一实施例。装置70包括中心孔形式的准直仪容纳装置71，其具有从外围向容纳装置内部延伸的槽72。槽72有足够宽度来让光纤通过。

弯曲部件73和74也有从外围向内部延伸的槽。这些槽最好与槽72共线，使得光纤和准直仪到装置70的装配更简化。为了实现这个目的，弯曲部件73和74平行设置，而它们的连接装置适于实现与图3所示没有包括任何槽的弯曲装置类似的特性。

图8表示另一弯曲装置75，其包括第一弯曲部件76和第二弯曲部件77，两者连接调节器78的一个末端和它们各自的调节器79和80。为了清楚起见，图中省略了调节器的连接装置和光纤。两个调节器可以是一维的压电调节器，例如，当调节器80设置在X方向，调节器79起到前述实施例的支撑构件的作用，所以，准直仪沿与调节器80移动的相反方向枢转并旋转角度。

如果两个调节器79和80同时调节或仅仅是调节器77调节，弯曲部件和准直仪沿相同的方向移动。因此，该装置在这种操作模式不提供前述实施例获得的那种平衡。

图9表示与光束操纵装置83成整体、在准直仪82中终止的弯曲装置81。光束操纵装置83提供许多调节器84在弯曲部件例如标记为85中终止。调节器84可以是压电调节器，在调节时沿Z方向弯曲。当任何调节器弯曲时，只有一个其它的调节器至少不调节或不被调节到相同的程度，准直仪枢转。在该实施例中至少一个弯曲部件的支撑构件是至少一个调节器。

图10表示另一弯曲装置，一般标记为86，包括参照图8描述的一维调节器87和88。附加弯曲部件89和91在一个末端通过隔板90连接在一起，另一末端固定到它们各自的调节器上。隔板90与参照图1-7描述的那种弯曲部件92配合。该装置在采用一维调节器的两个轴上实现振动平衡方面特别有利。

前面描述的实施例中弯曲装置与准直仪一起工作。本发明的弯曲装置可以与其它光学元件例如偏转元件和光栅一起工作，并且可用于任何要求利用弯曲装置支撑任何合适的元件并传输移动到该元件的情况__本发明的范围在下列的权利要求中限定。

Claims (16)

1.一种弯曲装置，适用于光束操纵装置或作为光束操纵装置的部件，用于支撑一个元件并传输移动到该元件上，该装置包括：一个支撑构件；容纳适当元件的装置；第一弯曲结构；用于将移动施加到第一弯曲结构的调节器；所述的第一弯曲结构包括一个弯曲部件，该弯曲部件分隔并连接所述的调节器与所述的容纳装置；一个第二弯曲结构包括一个弯曲部件，该弯曲部件分隔并连接所述的容纳装置与所述的支撑构件；其中每个第一弯曲结构和第二弯曲结构都是以屈曲和转矩形式来弯曲，第一弯曲结构和第二弯曲结构是非共面并适当地间隔开，由此施加到所述第一弯曲结构上的任何移动引起所述容纳装置的位移。

2.根据权利要求1所述的装置，其中第一弯曲结构和第二弯曲结构在侧视图上基本上彼此平行的，在俯视图上是彼此直交的。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中元件是光学元件。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其中元件是准直仪。

5.根据权利要求4所述的装置，该装置沿Z方向延伸，包括至少一个第一调节器和至少一个第二调节器，调节时第一弯曲结构至少在沿Z方向延伸的所述第一调节器的末端部分，第二弯曲结构包括位于所述第二调节器末端的装置，因此，当调节第一调节器时，准直仪枢转。

6.根据权利要求4所述的装置，其中第一弯曲结构和第二弯曲结构以小于准直仪一半长度的距离间隔开。

7.根据权利要求1或2所述的装置，其中元件是反射性的。

8.根据权利要求1或2所述的装置，其中元件是光栅。

9.一种光束操纵装置，包括根据权利要求4的弯曲装置和用于施加移动到第一弯曲结构的调节器，使得任何方向的调节器的移动产生相反方向的准直仪移动，这种调节器和准直仪的惯性相对移动，用于平衡任何外部引起的移动。

10.根据权利要求9所述的装置，其中调节器包括二维调节位移的压电调节器。

11.根据权利要求9所述的装置，其中第一弯曲结构位于第二弯曲结构上游。

12.根据权利要求9所述的装置，其中容纳装置具有从外围朝所述元件内部延伸的槽，因此便于迅速插入和移开光纤。

13.根据权利要求9所述的装置，其中任何弯曲结构包括孔，其直径足以允许光纤通过并避免光纤和弯曲结构之间接触。

14.根据权利要求9所述的装置，其中第二弯曲结构的支撑构件是第二调节器。

15.根据权利要求9所述的装置，其中调节器是一个二维动力驱动调节器。

16.一种光学开关，包括根据前述任一项权利要求所述的装置。

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