CN103472539A - 一种中空光滑环及其传输光信号的方法 - Google Patents

Abstract

一种中空光滑环，包括定子，转子，输入光纤通道、环形倾斜光纤光栅、输出光纤通道，定子和转子由环形基体构成，定子和转子环形的径向外圆和径向内圆相等，轴线相互重合，形成中空结构。倾斜光纤光栅部分设置在定子中，倾斜光栅绕圆周一周刻制成全光栅区，当输入光纤通道中的光束射入倾斜光纤光栅中后，按照一定倾斜度设计的倾斜光栅会部分反射输入光束，反射光经过剥除外包层后的光纤垂直向上传输，进入输出端光纤通道。该中空光滑环结构简单，对机械装置精度要求不高，易于实现，可中空状态传输气体、液体等流动介质等。

Description

一种中空光滑环及其传输光信号的方法

技术领域

本发明涉及一种光滑环，特别涉及一种旋转光滑环。

背景技术

光纤的一些特性如宽带宽、抗干扰、低损耗、重量轻、体积小等优点使其在越来越多的应用中成为理想信号载体。在光纤信号传输种类中，某些情况下，光信号的传输常常在线路的某个中间环节需要旋转耦合装置，如雷达天线和它的车载信号处理系统之间，海底机器人与控制船只之间，工业上应用的机械手与主控台之间的连接线路等，都需要在两个相对旋转的部分实现光纤光路的连接，普通的固定连接器无法完成动态连接，而光滑环（也称光纤旋转连接器）正是实现旋转连接不可或缺的器件。

在光滑环信号传输过程中，有时还伴随气、油和水等介质的传输，例如有些雷达使用过程中信号要伴随高压气体同时传输，这些介质的传输需要一个通道，而这个通道经常设置在中心轴的位置；有时在连接器的中心轴的部分还有安放一些滚轴、转桶等器件，甚至是人体，其目的是进行一些拉伸、滚动或扫描的操作。由于中心轴被其他介质或器件占用，光信号不再沿连接器转动中心传输光信号，而大部分现有光滑环的光传输通道都是按照所使用光器件的光轴与连接器转动中心重合的技术路线进行设计和制造的。因此，现有这部分光滑环已经不能满足上述场合的应用，需要一种光信号能在中空光滑环中传输。

目前，已经有几种“中空”态光滑环，它们各自有其特点与缺点。专利US410998提出一种中空光滑环，它的基本原理是通过内、外两片圆反射镜，利用光束在反射镜之间的反射来传播光束。专利US4934783提出的连接器采用一个柱面作为反射镜，柱面对入射的平面光束反射会聚焦于一点，成为一个虚焦点，之后光束发散，再经过反射镜反射重新会聚成另一个虚焦点，以此经过会聚、反射、会聚、反射等过程最后到达出射端输出。专利US2004/0086222A1采用U型反射槽来传播光束，反射槽置于外圆周上，圆周上分布有多个反射槽，光在多个反射槽之间传输。专利CN101788699A利用光栅把输入光束耦合进环形基体，基体用于实现光束的转折，传输介质的上表面为一个平面，其上镀有4～5层膜。传输介质的下表面为一个锥面，这些光纤旋转连接器都对机械装置精度要求高，而连接效率低，不仅成本高而且难实现。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的上述不足，提供一种新型中空光滑环。为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种中空光滑环，包括定子，转子，输入光纤通道、环形光导元件、输出光纤通道，定子和转子由环形基体构成，定子和转子环形的径向外圆和径向内圆相等，轴线相互重合，形成中空结构。

输入光纤通道是光信号的输入端，由光纤构成，输入光纤通道的一部分设置在定子中，由输入光纤通道引导的输入光束射入环形倾斜光纤光栅。

光导元件是倾斜光纤光栅，包括光纤主体，倾斜光栅和光纤外包层。倾斜光纤光栅形成环形的管状结构，倾斜光纤光栅部分设置在定子中，环形的倾斜光纤光栅的中心线和定子轴线相互重合，环形倾斜光纤光栅的中心平面和定子上表面重合，环形倾斜光纤光栅露出定子部分的光纤外包层被剥除。倾斜光栅绕圆周一周刻制成全光栅区，当输入光束射入光纤中后，按照一定倾斜度设计的倾斜光栅会部分反射输入光束，反射光经过剥除外包层后的光纤垂直向上传输。

输出端光纤通道设置在转子中，由准直透镜、光纤准直器和光纤构成，输出端光纤通道的准直透镜的轴线和转子轴线平行，准直透镜绕轴旋转的半径和环形倾斜光纤光栅的半径相等，在输出端光纤通道旋转过程中，可以一直对准环形倾斜光纤，以便接收倾斜光栅反射的光束，准直透镜把由倾斜光栅反射的光束集中到光纤准直器中，再由光纤准直器把光束传播到光纤中，以便输出。

优选地，环形的倾斜光纤光栅中刻写的倾斜光栅的法线与定子轴线的夹角为45度。输入光纤通道中光纤引导的光束沿与定子轴线垂直方向射入环形的倾斜光纤光栅中，光经过倾斜光栅时，会产生反射，其反射光在整个环形的倾斜光纤光栅上垂直向上传输，利于输出光纤通道接收。

一种利用上述光滑环传输光信号的方法，将光信号注入输入光纤通道，输入光纤通道引导的输入光信号射入环形倾斜光纤光栅，倾斜光栅会部分反射输入光信号，反射光经过剥除外包层后的光纤垂直向上传输，输出光纤通道的准直透镜接收倾斜光栅反射的光信号，并把接收的光信号集中到光纤准直器中，再由光纤准直器把光束传播到光纤中，得到输出光信号。

本发明的中空光滑环结构简单，对机械装置精度要求不高，易于实现，可中空状态传输气体、液体等流动介质等。可广泛应用于CT扫描、光信号的旋转连接等场合，具有良好的市场前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对发明实施例描述中需要使用的附图作简单的介绍，其中

图1是根据本发明的中空光滑环结构示意图；

图2是根据本发明的倾斜光纤光栅结构示意图。

图中，1为定子，2为转子，3为倾斜光纤光栅，4为定子、转子轴线，5定子、转子内孔，6为输入光纤通道，7为输出光纤通道，8为转子旋转方向，9为定子的上表面，10为输出光束，11为输入光束，31为光纤主体，32为倾斜光栅，33为光栅法线，34为光纤外包层。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的中空光滑环，包括定子1，转子2，输入光纤通道6、倾斜光纤光栅3、输出光纤通道7。

定子1和转子2由环形基体构成，定子1和转子2环形的径向外圆和径向内圆相等，轴线4相互重合，形成中空结构。定子环形基体和转子相对的面为一个平面，称为定子上表面9。

倾斜光纤光栅3形成环形的管状结构，部分设置在定子中，环形倾斜光纤光栅3的中心线和定子轴线4相互重合，环形倾斜光纤光栅3的中心平面是和该环形倾斜光纤光栅3的中心线垂直并截取该环形倾斜光纤光栅面积最大的平面，环形倾斜光纤光栅3的中心平面和定子上表面重合。环形倾斜光纤光栅露出定子部分的光纤外包层32被剥除。

输入光纤通道6是光信号的输入端，由光纤构成，输入光纤通道6的一部分设置在定子中，由输入光纤通道引导的输入光束射入环形倾斜光纤光栅3。输出端光纤通道7设置在转子中，包括准直透镜、光纤准直器和光纤（图中未示出），输出端光纤通道7的准直透镜的轴线和转子轴线4平行，其绕轴旋转的半径和环形倾斜光纤光栅的半径相等，在输出端光纤通道7旋转过程中，可以一直对准环形倾斜光纤，以便接收倾斜光栅反射的光束，准直透镜把由倾斜光栅反射的光束集中到光纤准直器中，再由光纤准直器把光束传播到光纤中，以便输出。

图2是倾斜光纤光栅结构示意图，倾斜光纤光栅包括光纤主体31，倾斜光栅32和光纤外包层34。当输入光束11进入光纤中后，按照一定倾斜度设计的倾斜光栅32会部分反射输入光束11，其反射光经过光纤外包层34垂直向上传输。

将倾斜光纤光栅做成环形，就可得到环形的倾斜光纤光栅3，本发明的优选实施例中，环形的倾斜光纤光栅3中刻写的倾斜光栅32的法线33与定子轴线的夹角为45度。输入光纤通道中光纤引导的光束沿与定子轴线垂直方向射入环形的倾斜光纤光栅3中，由于光纤的全反射效应，光束在整个环形的倾斜光纤光栅3中传播，同时，倾斜光栅32绕圆周一周刻制成全光栅区，光经过倾斜光栅32时，会产生反射，由于环形倾斜光纤光栅露出定子部分的光纤外包层32被剥除，其反射光在整个环形的倾斜光纤光栅3上垂直向上传输，利于输出光纤通道7接收。

本发明还公开一种利用上述光滑环传输光信号的方法，将光信号注入输入光纤通道6，输入光纤通道引导的输入光信号射入环形倾斜光纤光栅3，倾斜光栅会部分反射输入光信号，反射光经过剥除外包层后的光纤垂直向上传输，输出光纤通道7的准直透镜接收倾斜光栅反射的光信号，并把接收的光信号集中到光纤准直器中，再由光纤准直器把光束传播到光纤中，得到输出光信号。

本发明中使用的倾斜光纤光栅与专利CN101788699A中使用的衍射闪耀光栅不同，衍射闪耀光栅为纯光学元件，虽然其名称为光栅，类似于CCD相机里用的那种用于像元扑捉的衍射光栅，其结构较大，为柱状体或平面，本发明的光栅为光纤光栅，是在光纤上直接经过刻写加工成的光纤光栅，其结构仍为光纤，只是刻写的那一段成为光纤光栅，结构非常小巧，非常易于与光通信集成，光信号传输损耗较小，融合度高，实现的可行性非常高，而且，其中CN101788699A公开的光滑环的结构复杂，各几何参数之间要严格满足一定的数学关系，加工制造困难。本发明的中空光滑环结构简单，对机械装置精度要求不高，易于实现，具有良好的市场前景。

Claims (6)

1.一种中空光滑环，包括定子，转子，输入光纤通道、环形光导元件、输出光纤通道，其特征在于：定子和转子由环形基体构成，定子和转子环形的径向外圆和径向内圆相等，轴线相互重合，形成中空结构。

2.根据权利要求1所述的中空光滑环，其中所述输入光纤通道是光信号的输入端，由光纤构成，输入光纤通道的一部分设置在定子中，由输入光纤通道引导的输入光束射入环形光导元件。

3.根据权利要求2所述的中空光滑环，其中所述光导元件是倾斜光纤光栅，包括光纤主体，倾斜光栅和光纤外包层，倾斜光纤光栅形成环形的管状结构；倾斜光纤光栅部分设置在定子中，环形的倾斜光纤光栅的中心线和定子轴线相互重合，环形倾斜光纤光栅的中心平面和定子上表面重合，环形倾斜光纤光栅露出定子部分的光纤外包层被剥除。倾斜光栅绕圆周一周刻制成全光栅区，当输入光束射入光纤中后，按照一定倾斜度设计的倾斜光栅会部分反射输入光束，反射光经过剥除外包层后的光纤垂直向上传输。

4.根据权利要求2所述的中空光滑环，其中所述输出端光纤通道设置在转子中，由准直透镜、光纤准直器和光纤构成，输出端光纤通道的准直透镜的轴线和转子轴线平行，准直透镜绕转子轴线旋转的半径和环形倾斜光纤光栅的半径相等，在输出端光纤通道旋转过程中，可以一直对准环形倾斜光纤，以便接收倾斜光栅反射的光束，准直透镜把由倾斜光栅反射的光束集中到光纤准直器中，再由光纤准直器把光束传播到光纤中，以便输出。

5.根据权利要求3所述的中空光滑环，其中环形的倾斜光纤光栅中刻写的倾斜光栅的法线与定子轴线的夹角为45度，输入光纤通道中光纤引导的光束沿与定子轴线垂直的方向射入环形的倾斜光纤光栅中。

6.一种利用根据权利要求1至5的中空光滑环传输光信号的方法，包括将光信号注入输入光纤通道，输入光纤通道引导的输入光信号射入环形倾斜光纤光栅，倾斜光栅会部分反射输入光信号，反射光经过剥除外包层后的光纤垂直向上传输，输出光纤通道的准直透镜接收倾斜光栅反射的光信号，并把接收的光信号集中到光纤准直器中，再由光纤准直器把光束传播到光纤中，得到输出光信号。

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