CN103018839B - 新型双路光纤旋转连接器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型双路光纤旋转连接器，包括中心通道和旁轴通道，旋转轴上的中心入射光准直系统通过45°反射镜反射至垂直于旋转轴的中心通道接收准直器，实现中心通道的信号对准耦合。旋转轴上的旁轴入射光准直系统发出平行光通过与旋转连接器同轴的凸透镜和凹透镜后进入旁轴接收器，由透镜的轴对称性质来保证旁轴光信号的旋转连续传输。凸透镜和凹透镜的间距由旁轴接收器决定；旁轴接收器可以是准直器，也可以是大芯径光纤。其中，中心入射光准直系统和旁轴入射光准直系统均和转子套筒形成转子部件，其余部分形成定子部件，45°反射镜通过磁铁对耦合保持与定子相对静止。本发明具有结构简单、插入损耗小、耦合精度高、性能稳定可靠的优点。

Description

新型双路光纤旋转连接器

技术领域

本发明属于光纤通信技术领域，尤其涉及大容量、高速信号传输领域，主要应用于相对旋转装置之间具有两路通道光信号的旋转耦合传输的场合。

背景技术

光纤旋转连接器是一种利用光纤作为传输媒介，将信号在一个旋转的平台和另一静止平台之间进行传输的机构。目前，该类型的器件正在广泛应用于不同的领域中，如军事领域中扫描跟踪雷达的天线系统、炮架或坦克的炮塔等；工业方面，如海底声纳信息采集系统、油井钻探设备、机器人系统、工业过程控制等；医疗设备方面的CT扫描系统以及航天方面飞行器上的信息传输系统等。该装置需要严格地保证通道之间的对应关系和通道之间的串扰达到最小，并降低信道中信号传输损耗。

目前，国际已经有一部分与双通道光纤旋转连接器相关的专利，它们有其各自的特点和缺点。专利号US4519670，专利名称是《Light-rotation coupling for a plurality ofchannels》（多通道光旋转耦合器）的美国专利文献中报道了一种利用菲涅尔透镜将不同通道入射光汇聚到不同焦点处，由对应通道接收器接收，在信号传输过程中，不同通道中的光束在光轴上易相互干扰，会造成通道间的隔离度降低。专利号US5588077，专利名称是《In-line,two-pass,fiber optic rotary joint》（同轴双通道光纤旋转连接器）的美国专利文献中报道了一种利用自聚焦透镜实现了一种双通道的信号传输，但其两路光信号由于同时在自聚焦透镜中传输，有一路通道的部分光信号会耦合进入另一路通道中，而且中间一路通道的光纤部分会影响另一路通道光信号的耦合，使得通道间的隔离度降低。专利号US20090310911，专利名称为《TWO-CHANNEL PLASTIC OPTICAL FIBER(POF)ROTARYJOINT》（双通道塑料光纤旋转连接器）的美国专利文献中报道了一种利用芯径大小不一的塑料光纤实现双通道的光信号传输，其旁轴通道通过19个小芯径塑料光纤圆周排布在中心通道大芯径光纤的周围，在旋转过程当中需要进行多次耦合，使得其耦合效率低，通道损耗旋转变化量大。专利号US6301405，专利名称为《Multi-channel fiber-optic rotaryjoint》（多通道光纤旋转连接器）的美国专利文献中报道了一种利用Dove棱镜实现的多通道信号传输，由于需要复杂的齿轮结构来保证DOVE棱镜的旋转速率为转子速率的一半。在实际制造过程中行星轮机构加工精度有限，使得单个传输信道信号耦合损耗增大，旋转变化量波动较大。

国内关于双通道光纤旋转连接器的有下面几类。专利号为00207539.3，公告日为2001年6月27日的中国实用新型专利，公开了一种《对称光学结构的双光信道旋转连接装置》，是利用对称光学结构来实现双路光信号的传输，其输出接收器为光纤准直器，由于光纤接收器对输入光角度的高度敏感性，很难使入射光高效的耦合进入准直器，使得通道的耦合效率低，损耗大。在文献《新型棱镜型双通道光纤旋转连接器的设计》（光学精密工程，16卷，10期，1836-1840页）中提到一种利用双柱面解旋转棱镜来实现双通道光纤旋转连接器的传输，它也需要复杂的齿轮结构来保证双柱面解旋转棱镜旋转速率为转子速率的一半。实际制造起来并不容易，增加了器件的生产和调试成本，不利于器件产业化整个器件。专利号为200920101680.0，公告日为2009年12月30日的中国实用新型专利公开了一种《一种双通道光纤旋转接头》，包括同轴线的转子、定子、第一光学通道和第二光学通道，所述第一光学通道由两个分别位于转子和定子中的回转体组成，每个回转体都分别设有沿轴向的中心阶梯孔，并在其内分别设置光纤或微型光纤准直器；所述第二光学通道由两个独立设置的光纤准直器构成，光纤准直器置于定位筒内，定位筒置于偏心孔内，偏心孔位于回转体内，偏心孔中心线与中心阶梯孔的中心线平行，在定位筒末端的斜面上设置反射面，在定子和转子的回转体斜面上分别设置与轴线倾斜的第二光学反射面，两反射面或两第二光学反射面分别比邻相对。存在的问题是，旁轴通道光信号当经过回转体上反射面时，会受到中心通道的影响，增加传输损耗；而且中心通道是通过微透镜的直接耦合，在使用过程中会产生径向跳动，影响中心通道的耦合效率。

发明内容

针对上述专利中存在的问题，本发明提供一种新型双路光纤旋转连接器，其结构简单、插入损耗小、制作成本低，用于实现相对旋转装置之间具有两路通道光信号的旋转耦合传输。

本发明新型双路光纤旋转连接器包括定子壳体、转子套筒、旋转轴、中心通道和旁轴通道，所述中心通道由中心入射光准直系统、反射镜和中心通道接收准直器构成；所述中心入射准直器的光轴与旋转轴同轴，所述中心通道接收准直器的光轴垂直于所述旋转轴；所述旁轴通道由旁轴入射光准直系统、凸透镜、凹透镜和旁轴接收器构成；所述旁轴入射光准直系统的光轴相对于所述旋转轴为偏心且平行的布置，所述凸透镜和凹透镜具有相同的光轴，所述光轴与所述旋转轴同轴；所述旁轴接收器的光轴与所述旋转轴同轴，所述旁轴接收器是准直器或是大芯径光纤；所述中心入射光准直系统和旁轴入射光准直系统均与所述转子套筒固定，从而形成转子部件；所述中心通道接收准直器、所述凸透镜、凹透镜和旁轴接收器均与所述定子壳体固定；所述转子套筒上设有与之相对转动的反射镜套筒，所述反射镜固定在反射镜套筒上，所述反射镜为45°反射镜，所述反射镜套筒与所述定子壳体之间设有一对磁铁，磁铁的S极固定在定子壳体上，磁铁的N极固定的反射镜套筒上；当转子套筒旋转时，通过磁铁N极和S极的耦合作用，使反射镜和定子壳体保持相对的静止；所述定子壳体、所述中心通道接收准直器、反射镜、反射镜套筒、所述一对磁铁、所述凸透镜、凹透镜和旁轴接收器形成定子部件；所述中心入射光准直系统发出的平行光信号，首先入射到45°反射镜，然后光路折转90°后由位于定子壳体上的中心通道接收准直器接收，从而实现中心通道光信号的旋转连续传输；所述旁轴通道通过凸透镜和凹透镜进行旁轴入射光准直系统和旁轴接收器之间的光信号耦合，从而实现旁轴通道的信号传输；若所述旁轴接收器为大芯径光纤时，所述凹透镜位于所述凸透镜像方焦点的内侧，则旁轴入射光准直系统发出的平行光信号通过凸透镜和凹透镜后以小角度进入大芯径光纤；若所述旁轴接收器为光纤准直器时，所述凸透镜的像方焦点与凹透镜的物方焦点重合，则旁轴入射光准直系统发出的平行光信号经过凸透镜和凹透镜后以近轴平行光进入光纤准直器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明与以往双路旋转连接器相比，由于旋转连接器的磁耦合设计，使得中心通道和旁轴通道的光路独立，互不挡光，保证了旋转连接器的性能。同时，本发明具有结构简单，抗电磁干扰，插入损耗小，耦合精度高，可根据实际应用调节尺寸的优点。可广泛应用于两个相对旋转的装置之间进行信息传输的场合，诸如：扫描跟踪雷达的天线系统、医疗设备CT扫描系统和机器人系统等。其市场前景好，具有良好的技术转化基础。同时还具有广泛的社会效益。

附图说明

附图为本发明一种新型双路光纤旋转连接器的结构示意图。

图中：

1-旁轴入射光准直系统    2-中心入射光准直系统     3-中心通道接收准直器

4-反射镜                5-凸透镜                 6-凹透镜

7-旁轴通道接收器        8-大轴承                 9-大垫圈

10-端盖A                11-小垫圈                12-端盖B

13-凸透镜压圈           14-凹透镜压圈            15-卡簧

16-挡圈                 17-转子套筒              18-定子套筒

19-小轴承               20-反射镜套筒            21-端盖C

22、23-磁铁对           24-端盖                  25-螺孔

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如附图所示，本发明一种新型双路光纤旋转连接器，包括定子壳体、转子套筒17、旋转轴、中心通道和旁轴通道，所述定子壳体由定子套筒18和端盖24构成，所述端盖24由3个均匀分布于定子套筒端面的螺孔25通过螺栓固定在定子套筒18上。

所述中心通道由中心入射光准直系统2、反射镜4和中心通道接收准直器3构成；所述中心入射准直器2的光轴与旋转轴同轴，所述中心通道接收准直器3的光轴垂直于所述旋转轴；

所述旁轴通道由旁轴入射光准直系统1、凸透镜5、凹透镜6和旁轴接收器7构成；所述旁轴入射光准直系统1的光轴相对于所述旋转轴为偏心且平行的布置，所述凸透镜5和凹透镜6具有相同的光轴，所述光轴与所述旋转轴同轴；所述旁轴接收器7的光轴与所述旋转轴同轴，所述旁轴接收器7是准直器或是大芯径光纤；

所述中心入射光准直系统2和旁轴入射光准直系统1均与所述转子套筒17固定，从而形成转子部件。

所述中心通道接收准直器3、所述凸透镜5、凹透镜6和旁轴接收器7均与所述定子壳体固定，也即，所述中心通道接收准直器3和所述凸透镜5与所述定子套筒18固定，所述凹透镜6和旁轴接收器7与所述端盖24固定，其中凸透镜5通过定子套筒18内的台阶面和凸透镜压圈13定位，凸透镜压圈13通过螺纹连接旋进定子套筒18将凸透镜固定；同理，端盖24内的台阶面与凹透镜压圈14将凹透镜固定；所述转子套筒17上设有与之相对转动的反射镜套筒20，所述反射镜4固定在反射镜套筒20上，所述反射镜套筒20为中空状态，所述反射镜套筒20通过小轴承19与转子套筒17相连，通过端盖A10、小垫圈11、端盖C21来防止反射镜套筒20与转子套筒17之间的相对滑动；所述反射镜4为45°反射镜，所述反射镜套筒20与所述定子套筒18之间设有一对磁铁，磁铁的S极23固定在定子套筒18上，磁铁的N极22固定的反射镜套筒20上；当转子套筒17旋转时，通过磁铁N极22和S极23的耦合作用，可以使反射镜套筒20和定子套筒保持相对的静止，从而使反射镜4和定子套筒18保持相对的静止；所述定子套筒18、所述中心通道接收准直器3、反射镜4、反射镜套筒20、所述一对磁铁、所述凸透镜5、凹透镜6和旁轴接收器7形成定子部件。

所述转子套筒17与所述定子套筒18之间、所述反射镜套筒20与所述转子套筒17之间均分别设有滚动轴承，也即转子部件与定子部件之间的相对旋转通过一对大轴承8来实现，两个大轴承8安装于定子套筒18和转子套筒17之间；两个大轴承8之间有大垫圈9，防止两个大轴承8之间的相对滑动；通过两个大轴承8一侧的端盖B12将大轴承8的内圈固定在转子套筒17上，通过两个大轴承8另一侧的挡圈16和卡簧15将大轴承8的外圈固定在定子套筒18上，从而防止转子部件和定子部件之间的轴向滑动。

如附图所示，本发明实现光信号的传输过程是：当旋转连接器与外界连通后，光信号从尾纤26、27分别进入中心入射光准直系统2和旁轴入射光准直系统1后发出平行光。

所述中心入射光准直系统2发出的平行光信号，首先入射到45°反射镜4，然后光路折转90°后由位于定子套筒18上的中心通道接收准直器3接收，从而实现中心通道光信号的旋转连续传输；通过一对磁铁的耦合作用，当中心入射光准直系统2随着转子套筒17旋转时，使得反射镜4和定子套筒18之间能够保持相对的静止，这使得中心入射光准直系统2发出平行光信号经反射镜4反射后，始终能够进入位于定子套筒18的中心通道接收准直器3（图中所注28为该中心通道接收准直器3的尾纤）从而保证中心通道的信号旋转连续传输。

对于旁轴通道,所述旁轴通道通过凸透镜5和凹透镜6进行旁轴入射光准直系统1和旁轴接收器7之间的光信号耦合，从而实现旁轴通道的信号传输；

若所述旁轴接收器7为大芯径光纤时，由于所述凹透镜6位于所述凸透镜5像方焦点的内侧，使得旁轴入射光准直系统1发出的平行光信号通过凸透镜5和凹透镜6后以小角度进入大芯径光纤（图中所注29为该大芯径光纤的尾纤）。若所述旁轴接收器7为光纤准直器时，由于凸透镜5的像方焦点与凹透镜6的物方焦点重合，使得入射光经过透镜组后出射光为近轴平行光，耦合进入光纤准直器；由于透镜组凸透镜5和凹透镜6关于中心光轴的对称性，当旁轴入射光准直系统1随着转子套筒17旋转时，旁轴入射光准直系统1发出的平行光信号通过透镜组后始终能够由旁轴接收器7接收，实现旁轴通道光信号的旋转连续传输。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种新型双路光纤旋转连接器，包括定子壳体、转子套筒(17)、旋转轴、中心通道和旁轴通道，其特征在于：

所述中心通道由中心入射光准直系统(2)、反射镜(4)和中心通道接收准直器(3)构成；所述中心入射光准直系统(2)的光轴与旋转轴同轴，所述中心通道接收准直器(3)的光轴垂直于所述旋转轴；

所述旁轴通道由旁轴入射光准直系统(1)、凸透镜(5)、凹透镜(6)和旁轴接收器(7)构成；所述旁轴入射光准直系统(1)的光轴相对于所述旋转轴为偏心且平行的布置，所述凸透镜(5)和凹透镜(6)具有相同的光轴，所述光轴与所述旋转轴同轴；所述旁轴接收器(7)的光轴与所述旋转轴同轴，所述旁轴接收器(7)是准直器或是大芯径光纤；

所述中心入射光准直系统(2)和旁轴入射光准直系统(1)均与所述转子套筒(17)固定，从而形成转子部件；

所述中心通道接收准直器(3)、所述凸透镜(5)、凹透镜(6)和旁轴接收器(7)均与所述定子壳体固定；

所述转子套筒(17)上设有与之相对转动的反射镜套筒(20)，所述反射镜(4)固定在反射镜套筒(20)上，所述反射镜(4)为45°反射镜，所述反射镜套筒(20)与所述定子壳体之间设有一对磁铁，磁铁的S极(23)固定在定子壳体上，磁铁的N极(22)固定在反射镜套筒(20)上；当转子套筒(17)旋转时，通过磁铁N极(22)和S极(23)的耦合作用，使反射镜(4)和定子壳体保持相对的静止；

所述定子壳体、所述中心通道接收准直器(3)、反射镜(4)、反射镜套筒(20)、所述一对磁铁、所述凸透镜(5)、凹透镜(6)和旁轴接收器(7)形成定子部件；

所述中心入射光准直系统(2)发出的平行光信号，首先入射到45°反射镜(4)，然后光路折转90°后由位于定子壳体上的中心通道接收准直器(3)接收，从而实现中心通道光信号的旋转连续传输；

所述旁轴通道通过凸透镜(5)和凹透镜(6)进行旁轴入射光准直系统(1)和旁轴接收器(7)之间的光信号耦合，从而实现旁轴通道的信号传输；

若所述旁轴接收器(7)为大芯径光纤时，所述凹透镜(6)位于所述凸透镜(5)像方焦点的内侧，则旁轴入射光准直系统(1)发出的平行光信号通过凸透镜(5)和凹透镜(6)后以小角度进入大芯径光纤；

若所述旁轴接收器(7)为光纤准直器时，所述凸透镜(5)的像方焦点与凹透镜(6)的物方焦点重合，则旁轴入射光准直系统(1)发出的平行光信号经过凸透镜(5)和凹透镜(6)后以近轴平行光进入光纤准直器。

2.根据权利要求1所述新型双路光纤旋转连接器，其特征在于：所述转子套筒(17)与所述定子壳体之间、所述反射镜套筒(20)与所述转子套筒(17)之间分别设有滚动轴承。

3.根据权利要求1所述新型双路光纤旋转连接器，其特征在于：所述定子壳体由定子套筒(18)和端盖(24)构成，所述端盖(24)通过螺栓与定子套筒(18)固连。