CN105474061B - 扩展光束透镜组 - Google Patents

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Abstract

一种光纤组件包括具有多个光束扩展准直元件的一透镜模块。各光束扩展准直元件包括一第一透镜以及一第二透镜。所述第一透镜包括一大体呈拱形的第一透镜表面，而所述第二透镜包括在形状上与第一透镜大体互补并接触所述第一透镜的一大体呈拱形的第二透镜表面。各透镜具有不同的折射率。一种光纤组件可包括具有多个光束扩展元件的一基座。各光束扩展元件的一前部具有一大体平坦的前表面。一柔顺层定位于各光束扩展元件的大体平坦的前表面上。

Description

扩展光束透镜组
相关申请的援引
本申请主张于2013年4月3日向美国专利商标局提交的题为“Expanded Beam LensAssembly(扩展光束透镜组件)”的在先提交的美国临时专利申请US61/807,921的优先权。前述专利申请的内容整体上全部并入本文。
技术领域
本申请概括而言涉及光透镜组件，且更具体而言涉及一种模制成形的供光纤扩展光束接口使用的光透镜组件。
背景技术
恶劣环境下使用的光纤系统常采用一扩展光束接口(expanded beam interface)来改善光传输可靠性。扩展光束连接器包括相邻各光纤的一端面安装的将光束扩展的一透镜，以使存在于光接口(optical interface)处的光纤之间的可能干涉光传输的任何异物(诸如灰尘或碎屑)的影响最小化。扩展光束连接器也通常供在高振动环境下的光纤系统使用，因为扩展光束使得由于振动导致的对位不准的影响最小化。
一些连接器组件采用与各光纤对准的一独立的球状(ball)或球形(sphere)透镜。另外一些组件采用具有多个透镜的一透镜组件，其中各透镜与一条光纤对准。这种多透镜组件常具有定位为与光纤的前表面相邻的一大体平坦的一后表面以及包括多个凸透镜元件的一前表面。另外一些透镜组件具有大体平坦的前表面和后表面，其中前表面包括多个折射率梯度变化的(gradient)或分级变化的(graded)透镜。多透镜组件由于其复杂性以及在制造过程中所要求的紧密公差(tight tolerance)控制而可能成本稍高。相应地，希望提供一种多透镜组件，其成本相对低且具有改进的制造性。
发明内容
在一个方案，一种光纤组件包括一本体，其支撑一透镜模块和多条光纤。各光纤包括一光纤轴，且各光纤轴大体平行。设置多个光束扩展准直元件，其中各个光束扩展准直元件与一条光纤的光纤轴对准。各个光束扩展准直元件包括一第一透镜以及一第二透镜。所述第一透镜包括一大体呈拱形的第一透镜表面。所述第二透镜包括一大体呈拱形的第二透镜表面。所述第一透镜表面和所述第二透镜表面在形状上大体互补并相互接触。第一透镜和第二透镜具有不同的折射率。
在另一个方案，一种光纤组件包括：一基座，具有多条光纤；以及多个大体平行的光路。各条光路与一条光纤对准且包括一光束扩展元件。各个光束扩展元件的一前部具有一大体平坦的前表面。一柔顺层定位在各个光束扩展元件的大体平坦的前表面上。
附图说明
通过参考下面的结合附图的详细说明，可以最佳地理解本申请在结构和操作上的组织及方式及其进一步的目的和优点，在附图中类似的附图标记表示类似的部件，并且在附图中：
图1是根据本申请的一对对接连接器的一立体图；
图2是图1的一对对接连接器在对接之前侧向偏移的一立体图；
图3是图1的一对对接连接器的大体沿图1的线3-3截取的一剖视图；
图4是供图1的两个连接器使用的一透镜模块的一仰视图；
图5是大体沿图4的线5-5作出的一截面；
图6是图5的一部分的一局部放大图；
图7是图4的透镜模块的一部分的一示意图，示出光穿过透镜模块；
图8是在侧向对接之前相互偏移的一对透镜模块的一示意图；
图9是图8的透镜模块对接在一起的一示意图；
图10是一对对接透镜模块的一部分的一示意图，示出光穿过该对透镜模块；
图11是一透镜模块的一替代实施例；
图12是图11的透镜模块的一部分的一局部放大图；
图13是结合本文公开的一透镜板的一连接器的一替代实施例的一立体图；
图14是大体沿图13中的线14-14作出的套管透镜板组件的一部分的一局部侧视图；
图15是图14的套管透镜板组件的一替代实施例；以及
图16是图14的套管透镜板组件的一替代实施例。
具体实施方式
尽管本申请可以很容易具有多种不同形式的实施例，但示出在附图中且本文将详细说明的是具体实施例，同时应该理解的是，本说明书将视为本申请的原理的一示例，且不意欲将本申请限制于所示出的内容。
由此，提及一特征或方案意欲说明本申请的一示例的一特征或方案，并不暗含其每个实施例必须具有所说明的特征或方案。此外，应注意的是，说明书列出了多个特征。尽管某些特征已组合在一起以说明可能的系统设计，但是那些特征也可用于其它未明确公开的组合。因此，除非另有说明，所说明的组合不意欲为限制性的。
在图所示出的实施例中，用于解释本申请中不同部件的结构和运动的方向表示(诸如上、下、左、右、前和后)不是绝对的而是相对的。当部件处于图中所示的位置时，这些表示是恰当的。然而，如果部件位置的说明发生变化，那么这些表示也将相应地发生变化。
参照图1-3，示出了通过侧向滑动运动能够对接的一对连接器。上连接器21具有一上本体或上基座22，上基座22具有用于固定和定位多条光纤100的一中央接口部23。下连接器41包括一下本体或下基座42，下基座42具有用于固定和定位多条光纤100的一中央接口部23。如果需要，上基座22和下基座42可构造成具有除了示出的大体长方形形状以外的一形状。另外，两个中央接口部23均可包括光纤和导电线的一组合体；光纤及导电线的数量可依照需要变化。在一个应用中，该对连接器21、41可用于水可存在于两个中央接口部23之间的一水下环境。
上基座22为大体长方形，且具有一大体平坦的前表面或对接面24、一大体平坦的相反面向的后表面25以及位于前表面24和后表面25之间的一大体圆形的腔体26，中央接口部23定位于腔体26中。一对大体相同且相反面向的侧壁27在前表面24和后表面25之间延伸。一对大体相同且相反面向的端壁28在前表面24和后表面25之间延伸并与该对侧壁27相互连接。上基座22可由各种材料(包括金属或树脂)构成。在一个实施例中，上基座22可由不锈钢构成。
一对阶梯孔31定位于上基座22的相对的拐角处，且在前表面24和后表面25之间延伸。各阶梯孔31构造成收容一轴肩螺栓(shoulder bolt)32，轴肩螺栓32穿过阶梯孔31，以将上连接器21固定于下连接器41。也可采用其它部件和机构，以将上连接器21与下连接器41固定在一起。上基座22包括一大体长方形、水平延伸的夹固持部33，夹固持部33大体相邻前表面24并大体平行于前表面24延伸，用于将固持夹60固定于上基座22。
下连接器41的下基座42为大体长方形，且具有一大体平坦的前表面或对接面44以及一相反面向的后表面45。一大体圆形腔体46在前表面44和后表面45之间延伸，以将一中央接口部23收容于其内。一对大体相同且相反面向的侧壁47在前表面44和后表面45之间延伸。一对相反面向的端壁48在前表面44和后表面45之间延伸并与该对侧壁47相互连接。下连接器41的前表面44包括位于其相对的拐角处的一对螺纹孔51。螺纹孔51构造成将轴肩螺栓32的螺纹端收容于其内，以将上连接器21连接于下连接器41。
各侧壁47具有沿该侧壁47延伸并大体相邻前表面44的一大体细长的大体长方形的引导保持轨52。引导保持轨52具有弯曲端部53，弯曲端部53用作一导入件，以将引导保持轨52引导或插入(funnel)到后面说明的固持夹60中的引导开口63内。
上连接器21可包括一对固持夹60，在由箭头“A”示出的两个连接器21、41的侧向滑动过程中，该对固持夹60与下连接器41的两个引导保持轨52相互作用，以允许上连接器21和下连接器41相互对接且一旦对接就将两个连接器21、41固定在一起。固持夹60构造成具有一上段61和下段62的一弹性线材形式。上段61构造成将固持夹60固定于上基座22。下段62构造成滑动接合下连接器41的引导保持轨52。
上连接器21及下连接器41的中央接口部23可大体相同。中央接口部23支撑光学连接于一透镜模块70的多条光纤100。参照图4-6，透镜模块70具有一后表面71及一相反面向的前表面72，其中多个大体平行的光路73在后表面71和前表面72之间延伸。透镜模块70的后表面71可具有光纤收容孔74，光纤收容孔74与各光路73对准且一光纤100的一端101(图3)可固定于光纤收容孔74中。透镜模块70可由能注塑模制成形的一光学级聚合物形成。透镜模块70可具有与光纤100的折射率大体匹配的折射率，以减少反射和折射率上的差异所带来的其它后果。在一个实例中，光纤100可具有约1.46的折射率而透镜模块70可具有约1.50的折射率。可形成透镜模块70的光学级聚合物材料的例子包括环烯烃共聚物(cyclicolefin copolymer)和聚醚酰亚胺(polyetherimide)。
透镜模块70具有一光束扩展准直元件80，光束扩展准直元件80形成各光路73的一部分且定位为相邻透镜模块70的前表面72。光束扩展准直元件80包括一第一透镜81和一第二透镜82。第一透镜81可与透镜模块70一体形成。第一透镜81可具有限定一大体凸透镜的一第一透镜表面83。透镜模块70的前表面72可构造有凹部84，凹部84与各光路73对准，且第一透镜表面83限定凹部84的下表面或后表面。
一第二透镜82定位于各凹部84内且具有一第二透镜表面85，第二透镜表面85在形状上与第一透镜81的第一透镜表面83大体互补(即凹的)。第二透镜表面85定位成接触第一透镜表面83且光学相邻第一透镜表面83，从而第一透镜81和第二透镜82将本质上用作一复合透镜，以重定向(redirect)光。第二透镜82可由具有比透镜模块70的折射率低的折射率的一材料形成。在一实例中，上连接器21和下连接器41将浸入到海水中，第二透镜82的折射率可选择为与海水的折射率(即，约1.35)大体匹配。第一透镜表面83和第二透镜表面85均弯曲，从而连同第一透镜81和第二透镜82之间的折射率变化，使沿光路73行进穿过透镜模块70的光被第一透镜81和第二透镜82重定向，以将光准直或变成大体平行于穿过光纤100的轴103。第二透镜82的前表面86大体平坦且大体垂直于光纤的轴103，以使前表面86对从第二透镜82出来的准直光的影响最小。
尽管第一透镜81示出为具有一凸的第一透镜表面83，而第二透镜82示出为具有一凹的第二透镜表面85，但是这两个形状可以通过调整这两个透镜81、82的折射率而相反设置。例如，尽管第一透镜81具有一较高的折射率而第二透镜82具有一较低的折射率，但是这两个透镜表面83、85的形状可相反设置且形成这两个透镜81、82的材料可在制造中相反使用，以获得所需的扩展准直光束特性。
在一个实施例中，透镜模块70可由一光学级聚合物形成为一单件模制成形部件。光纤收容孔74形成于后表面71且多个凹部84形成于前表面72，以生成与所述多个光纤收容孔74对准的多个第一透镜81。如此，各第一透镜81与透镜模块70一体形成并位于光路73内。在包括第一透镜81的透镜模块70形成之后，第二透镜82可通过利用折射率相对低的一材料(诸如聚合物(例如一含氟聚合物(fluoropolymer))或一环氧树脂)填充凹部84而形成。所述聚合物或环氧树脂可通过任何方法(诸如热、化学或UV)固化。第二透镜82的前表面86可抛光，以变平坦且大体垂直于光轴103。
在一替代方法中，第二透镜82可通过利用一折射率相对低的第二材料填充凹部84而对透镜模块70二次成型(over-molding，包覆成型)来形成。在一些情况下，第二透镜82的前表面86可不要求抛光，来获得所需的光学特性。不管可形成第二透镜82的方法如何，如果需要，一抗反射覆层(anti-reflective coating)可设置于前表面86，以增强光性能。
参照图7，当光从光纤100出来并沿光路73行进穿过透镜模块70时，来自光纤100的光将以一大体锥形方式散射(defuse)或扩展(由发散(diverging)线87示出)。当光行进通过第一透镜81的第一透镜表面83和第二透镜82的第二透镜表面85时，光以一准直方式(由大体平行的线88示出)被重定向，以便以大体垂直于第二透镜82的前表面86方式离开第二透镜82。
在图1-3示出的连接器21、41的结构中，连接器21、41侧向滑动，以使上连接器21的各光纤100与下连接器41的一条光纤100对准。如图8-9所示，各连接器21、41的透镜模块70及其光路73在初始时侧向偏移并随后侧向滑动直到它们对准。一旦连接器21、41对准，来自上连接器21的光纤100的光穿过上连接器21的透镜模块70。光扩散通过透镜模块70并随后当光穿过第一透镜81和第二透镜82时光被准直，如图10所示。经准直的光穿过第二透镜82的前表面86并进入下连接器41中。准直光穿过下连接器41的第二透镜82的前表面86。第二透镜82的第二透镜表面85和第一透镜81的第一透镜表面83将光从光的准直状态重定向光并将光聚焦(由收敛(converging)线89示出)在光纤100的与下连接器41的透镜模块70的后表面71相邻的一端101上。
在图11-12示出的一替代实施例中，透镜模块70可不包括光纤收容孔74。在这种情况下，光纤100可定位于以一精确的方式固定并定位光纤100的一光纤固持座或套管90内。套管90可具有与套管90的一后表面92相邻的用于收容光纤100的大孔91。一小孔93可从大孔91延伸至前表面94。光纤100插入大孔91，同时光纤芯102延伸进入小孔93中。光纤100的一端101可抛光，这是熟知的。具有位于其内的光纤100的套管90可诸如利用一折射率匹配的环氧树脂附着(affixed)于透镜模块70的后表面71。
在本申请的另一方案，一另外的层(诸如一柔顺层(compliant layer)110)可定位于或设置于各第二透镜82的前表面86上。如果需要，柔顺层110可以一大体平坦的方式延伸跨越透镜模块70的整个前表面72。柔顺层110可对于接合第二透镜82的前表面86的一后表面111以及一相反面向的前表面112而言均是大体平坦的。后表面111和前表面112均可与穿过第二透镜82的前表面86的经准直的光大体成直角，以使柔顺层110的光影响(impact)最小化。
为了进一步使柔顺层110的光影响最小化，可取的是使得柔顺聚合物层的折射率与第二透镜82的折射率一致。例如，如果第二透镜82具有约1.35的折射率，则可取的是柔顺层110也具有约1.35的一折射率。在一个第二透镜82由一含氟聚合物形成的实例中，柔顺层110可由含氟聚氨酯(fluorourethane)形成。在另一实例中，可取的是，柔顺层110由具有一低摩擦系数的材料(诸如聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene))形成，以便于一对透镜模块70如图2所示地侧向滑动。
柔顺层110允许消除上连接器21和下连接器41的透镜组件之间的一空气间隙。消除两套透镜之间的空气间隙有益于消除Fabry-Perot干涉。Fabry-Perot干涉可导致在一光系统内一显著量的反射并由此必须使用抗反射覆层。增加与本文说明的系统相关的柔顺层110可允许取消抗反射覆层。
除了可通过侧向滑动运动对接的连接器21、41以外，本文公开的构思也可供大体沿光纤的纵轴的方向对接的光纤连接器使用。图13示出一多光纤MT型带透镜的连接器组件120。连接器组件120包括一套管本体121，套管本体121具有一光束扩展准直元件(诸如端接于一多光纤线缆105的透镜板130，多光纤线缆105具有位于其内的多条光纤100)。如图所示，连接器组件120包括两排各排十二条光纤100，但是如果需要，连接器组件120可构造有更多条或更少条的光纤。
套管本体121为大体长方形且具有一大体平坦的前表面123以及一大体平坦的后表面124。在图13示出的实施例中，套管本体121包括两排每排十二个大体圆柱形的穿过套管本体121延伸至前表面123的光纤收容洞或光纤收容孔125(图14)。另外，套管本体121也可包括位于光纤收容洞125的阵列的相反两侧的一对对位洞或对位插口126。如图所示，对位洞126为大体圆柱形且从前表面123延伸至后表面124。对位洞126构造成将一柱体收容于其内，以便于一对对接的连接器对位(对准)。
套管本体121可由能注塑模制成形的树脂(诸如聚苯硫醚(polyphenylenesulphide)或聚醚酰亚胺)形成，且可包括一添加剂(诸如二氧化硅(SiO2))，以增强树脂的尺寸特性、强度及稳定性。多光纤线缆105的各条光纤100定位于各光纤收容洞125内。与前表面123相邻的管套本体121的前表面123和光纤100的端面101均可抛光至一所需的光洁度。
透镜板130为大体长方形且具有一前表面131以及一大体平坦的后表面132。透镜板130可由如上相对透镜模块70所述的光学级树脂形成。一凹部134可居中地位于前表面131。多个光路133在后表面132和凹部134之间延伸，同时各光路133与一条光纤100对准。各光路133可如上所述地形成有与凹部134相邻的一光束扩展准直元件135。各光束扩展准直元件135可如上所述地包括一第一透镜136和一第二透镜137。
在图15示出的一替代实施例中，透镜板140为大体长方形且具有一前表面141以及一大体平坦的后表面142。透镜板140的前表面141不包括一凹部，从而光束扩展准直元件145定位于相邻前表面141。在透镜板140的前表面141上可包括一柔顺层146。如上所述，柔顺层146可设置成消除或减少Fabry-Perot干涉，由此取消透镜上的抗反射覆层的需要。
在图16示出的再一替代实施例中，位于透镜板150的各光路153内的光束扩展准直元件155可包括与透镜板150的前表面151相邻的折射率呈分级变化的或梯度变化的一透镜。一柔顺层156可按照如上所述地沿前表面155设置，以消除或减少Fabry-Perot干涉并由此取消对抗反射覆层的需要。
本文列出的数值范围仅仅是意图用作单独地引用落入该范围的各个独立的值的速记方式，除非本文另有说明，各个独立的值被并入到说明书中，就像它们在本文中被单独地列出一样。除非另有说明或与上下文明显矛盾，本文所述的所有方法可以任何合适的顺序执行。
尽管示出并说明了本申请的一优选的实施例，但是可以设想到的是，本领域技术人员在不脱离前述的说明书和随附权利要求书的精神和范围的情况下仍可作出各种修改。

Claims (15)

1.一种光纤组件，包括：
一本体，所述本体支撑一透镜模块和多条光纤，各条光纤包括一光纤轴，多个所述光纤轴平行；以及
多个光束扩展准直元件，位于所述透镜模块中，各个元件与一条光纤的光纤轴对准且包括一第一透镜以及一第二透镜，所述第一透镜包括一呈拱形的第一透镜表面，所述第二透镜包括一呈拱形的第二透镜表面，所述第一透镜表面和所述第二透镜表面在形状上互补并相互接触，各透镜具有不同的折射率，其中所述透镜模块包括多个孔，所述各条光纤定位于各个孔中。
2.如权利要求1所述的光纤组件，其中，所述透镜模块包括与其一体形成的多个所述第一透镜。
3.如权利要求1所述的光纤组件，其中，所述透镜模块包括接近1.5的折射率。
4.如权利要求1所述的光纤组件，其中，所述第一透镜是由一第一材料构成，而所述第二透镜是由一第二材料构成，所述第一材料的折射率高于所述第二材料的折射率。
5.如权利要求1所述的光纤组件，其中，各光纤经由折射率匹配的一介质固定于其中一个所述孔内。
6.如权利要求1所述的光纤组件，其中，各光纤定位于相邻所述透镜模块的一后表面。
7.如权利要求1所述的光纤组件，其中，各第二透镜包括与所述第二透镜表面相对的一前表面，所述前表面为平坦的。
8.如权利要求7所述的光纤组件，其中，多个所述第二透镜的前表面位于一共同的平面内。
9.如权利要求8所述的光纤组件，还包括位于各前表面上的一柔顺聚合物层。
10.如权利要求1所述的光纤组件，其中，所述透镜模块包括位于其一前表面上的多个凹部，每一所述第一透镜形成于其中一个凹部内，且每一所述第二透镜定位于其中一个所述凹部内。
11.一种光纤组件，包括：
一基座，具有多条光纤，各条光纤包括一光纤轴，多个所述光纤轴平行；以及
多个光束扩展准直元件，位于透镜模块中，各个元件与一条光纤的光纤轴对准且包括一第一透镜和一第二透镜，所述第一透镜包括一呈拱形的第一透镜表面，所述第二透镜包括一呈拱形的第二透镜表面，所述第一透镜表面和所述第二透镜表面在形状上互补且相互接触，各透镜具有不同的折射率，其中所述透镜模块包括多个孔，所述各条光纤定位于各个孔中。
12.如权利要求11所述的光纤组件，其中，所述透镜模块包括与其一体形成的多个所述第一透镜。
13.一种光纤组件，包括：
一透镜模块，所述透镜模块由光学级聚合物构成且包括与其一体形成的多个第一透镜；
多个平行的光路，各光路包括一光束扩展准直元件，各个元件包括位于所述透镜模块中的一个所述第一透镜和一个第二透镜，所述第一透镜具有一第一折射率且包括一呈拱形的第一透镜表面，所述第二透镜具有一第二折射率且包括一呈拱形的第二透镜表面，所述第一折射率与所述第二折射率不同，所述第一透镜表面和所述第二透镜表面在形状上互补且相互接触，其中所述透镜模块包括多个孔，各条光纤定位于各个孔中。
14.如权利要求13所述的光纤组件，还包括位于各前表面上的一柔顺聚合物层。
15.如权利要求14所述的光纤组件，其中，所述柔顺聚合物层包括一相对低的摩擦系数。
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