CN108270486A - 一种适用于旋转关节的新型光学通信系统及方法 - Google Patents

一种适用于旋转关节的新型光学通信系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于旋转关节的新型光学通信系统及方法。其中，该系统包括：光源、光学扩束透镜组、波长分光镜、聚焦透镜组、接收探测器、接收单元、发射单元和圆锥腔；其中，光源发射的光源经过光学扩束透镜组准直光束，准直后的光束经过收发分离的波长分光镜透射出去；透射光束经过圆锥腔表面反射成圆环光束，接收单元接收圆环光束；发射单元发出的准直光照射到圆锥腔表面，经圆锥腔表面反射到波长分光镜，再经波长分光镜反射到聚焦透镜组上，经聚焦透镜组汇聚的光束传输到接收探测器。本发明实现发射光环与光学接收的双向通信，而不受转动机构的影响，对于内定子和外定子的两种伺服机构形式或者旋转关节都可以实现信息的交互。

Description

一种适用于旋转关节的新型光学通信系统及方法
技术领域
本发明属于通信领域，尤其涉及一种适用于旋转关节的新型光学通信系统及方法。
背景技术
旋转关节之间的通信往往是利用滑环来实现。旋转端和固定端的电气连接如供电、信号均是通过导电滑环来传输的，但导电滑环触点与环体长期摩擦，会导致性能下降、可靠性低、抗电磁干扰能力差，对于高速的数字信号，传输衰减大，通信不可靠。
光纤滑环是在传统的机械式功率环中，加装光纤旋转连接器，通过机械拔插机构进行柔性连接，光纤旋转连接器选用单模光纤准直器、微型精密轴系、机械连接及调整机构组成。光纤滑环具有独特的优点。(1)用光纤传递信号，无泄密，无电磁干扰，可以远距离传输；(2)产生的灰尘少，寿命长，可达1亿转以上；(3)体积小、重量轻，不锈钢材料；(4)损耗小(<1.0dB)、旋转速率高(1000rpm)。这种光纤滑环只能是一维的光学通信，二维光学通信需要两个这样的光纤滑环，并且在旋转部件的具体使用受约束。
在自由空间光通信或者激光测距中，常常使用库德光学实现光信息从伺服机构中传输出来。库德光路结构如图1所示，接收天线输出光束，经库德镜100后沿垂直轴回转轴线射向库德镜200，再经库德镜300后沿俯仰轴回转轴线射向库德镜400，再经库德镜400反射，最终由扩束系统射出。这种库德光路实际上是利用两组潜望镜匹配组合而成，同样在安装上比较复杂。
现有技术中，没有关于普适性很强的旋转关节的光学双向通信的方法。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适用于旋转关节的新型光学通信系统及方法，采用光学圆环波束的方式，实现发射光环与光学接收的双向通信，而不受转动机构的影响，对于内定子和外定子的两种伺服机构形式或者旋转关节都可以实现信息的交互，相比现有光学通信滑环可以实现内定子的信息的交互的补偿。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：根据本发明的一个方面，提供了一种适用于旋转关节的新型光学通信系统，包括：光源、光学扩束透镜组、波长分光镜、聚焦透镜组、接收探测器、接收单元、发射单元和圆锥腔；其中，光源发射的光源经过光学扩束透镜组准直光束，准直后的光束经过收发分离的波长分光镜透射出去；透射光束经过圆锥腔表面反射成圆环光束，圆环光束与入射到圆锥腔表面的光束成90度，接收单元接收圆环光束；发射单元发出的准直光照射到圆锥腔表面，经圆锥腔表面反射到波长分光镜，再经波长分光镜反射到聚焦透镜组上，经聚焦透镜组汇聚的光束传输到接收探测器。
上述适用于旋转关节的新型光学通信系统中，所述光源为可见光二极管，用于发射点光源，光源光束发散角120度，波长为430nm±20nm。
上述适用于旋转关节的新型光学通信系统中，所述发射单元包括发射光源和准直系统；其中，发射光源发射的光源经准直系统变为准直光。
上述适用于旋转关节的新型光学通信系统中，所述发射光源为可见光二极管，用于发射点光源，光源光束发散角120度，波长为630nm±20nm。
上述适用于旋转关节的新型光学通信系统中，还包括：旋转关节；其中，光源、光学扩束透镜组、圆锥腔、波长分光镜以及聚焦透镜组均设置于旋转关节内部；发射单元设置于旋转关节的一侧内壁，接收单元和接收探测器均设置于旋转关节的另一侧内壁。
上述适用于旋转关节的新型光学通信系统中，所述光学扩束透镜组的焦距为17mm，准直后的光束的直径为30mm。
上述适用于旋转关节的新型光学通信系统中，所述波长分光镜能够透射430nm±20nm波长的蓝色光，反射630nm±20nm波长的红光。
上述适用于旋转关节的新型光学通信系统中，所述圆锥腔的圆锥角为90度。
上述适用于旋转关节的新型光学通信系统中，所述接收单元为光电探测器。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种适用于旋转关节的新型光学通信方法，所述方法包括如下步骤：光源发射的光源经过光学扩束透镜组准直光束，准直后的光束经过收发分离的波长分光镜透射出去；透射光束经过圆锥腔表面反射成圆环光束，圆环光束与入射到圆锥腔表面的光束成90度，接收单元接收圆环光束；发射单元发出的准直光照射到圆锥腔表面，经圆锥腔表面反射到波长分光镜，再经波长分光镜反射到聚焦透镜组上，经聚焦透镜组汇聚的光束传输到接收探测器。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明仅仅采用一个光源实现光束的360°周向通信波束覆盖，将光学发射器的数量减至最少；
(2)本发明采用的单一光源，空间和光路方面设计简单，适应伺服机构狭小空间得需要；
(3)本发明采用圆锥腔对光束进行塑形，形成圆环光束，把这种圆锥腔放置在伺服机构的内芯，接收部分在伺服机构的旋转关节上，这种光学通信的圆环适应定子内芯的机构，也适应定子外芯的机构形式，具有普适性的需求。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是现有技术中的库德光路结构示意图；
图2是本发明实施例提供的适用于旋转关节的新型光学通信系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图2是本发明实施例提供的适用于旋转关节的新型光学通信系统的结构示意图。如图2所示，该适用于旋转关节的新型光学通信系统包括：光源1、光学扩束透镜组2、波长分光镜3、聚焦透镜组4、接收探测器5、接收单元6、发射单元7和圆锥腔8。其中，
光源1发射的光源经过光学扩束透镜组2准直光束，准直后的光束经过收发分离的波长分光镜3透射出去；透射光束经过圆锥腔8表面反射成圆环光束，圆环光束与入射到圆锥腔8表面的光束成90度，接收单元6接收圆环光束；
发射单元7发出的准直光照射到圆锥腔8表面，经圆锥腔8表面反射到波长分光镜3，再经波长分光镜3反射到聚焦透镜组4上，经聚焦透镜组4汇聚的光束传输到接收探测器5。
上述实施例中，光源1为可见光二极管，用于发射点光源，光源光束发散角120度，波长为430nm±20nm。
上述实施例中，发射单元7包括发射光源和准直系统；其中，发射光源发射的光源经准直系统变为准直光。具体实施时，发射光源为可见光二极管，用于发射点光源，光源光束发散角120度，波长为630nm±20nm。
如图2所示，适用于旋转关节的新型光学通信系统还包括旋转关节9。其中，
光源1、扩束透镜2、圆锥腔8、波长分光镜3、扩束透镜组2以及聚焦透镜组组4均设置于旋转关节9内部；发射单元7设置于旋转关节9的一侧内壁，接收单元6和接收探测器5均设置于旋转关节9的另一侧内壁。
具体的，本实施例提出一种适用于旋转关节的新型光学通信方法，仅仅采用一个激光发射器实现光束的360°周向通信波束覆盖，将光源发射器的数量减至最少，提出采用圆锥光通道对光束进行塑形，形成光束的圆环，把这种圆锥腔放置在伺服机构的内芯，接收部分在伺服机构的转子臂上形成上行链路，此接收设备只有一个探测器，在轴上旋转时，可以360度方位旋转接收信息。另外在下行链路中，转子臂上安装发射设备，发射光束照射到圆锥腔表面上，不管圆锥腔与发射设备的怎么的相对旋转，都不会影响信息光束的发射，继而不会影响分光镜后面的信息接收。具体实施步骤如下：
光源采用LED的点光源，光源光束发散角120度，LED光源波长是蓝光430nm±20nm，光束经过扩束透镜组，图2所示，扩束成近似平行光，平行光束的直径为30mm，所以透镜组的焦距30mm/tan60°，即就是17mm，近似平行光束经过波长分光镜，此分光镜是可以透射蓝色光430nm±20nm，反射波长630nm±20nm的红光。光束再经过全锥角为90度的圆锥反射，圆锥表面机械加工粗糙度0.8，硬铝7050，表面镀铬高反射，反射光束被锥体反射为光束直径为25mm的环形光。锥体的入射光与反射光夹角90度，安装在旋转关节内壁上的接收单元接收此光信号，此为上行链路。
另外安装在空芯筒壁的发射单元的发射光源采用LED的点光源，光源光束发散角120度，LED光源波长是红光630nm±20nm，光束经过准直透镜组进行准直，准直光束直径30mm，所以透镜组的焦距30mm/tan60°，即就是17mm，如图2所示。随着电机360度转动，始终可以保证光束照射到圆锥表面，由于与圆锥的全锥角90度，所以反射光可以沿着上行链路的反方向传输，传输到波长分光镜后，经过波长分光镜反射到聚焦透镜组，聚焦到光电探测器上，聚焦透镜组里面包含的滤光片是用来滤除杂光，滤光片波长630nm±20nm。
发射单元与接收单元始终安装在旋转活动关节上，对于伺服机构存在定子内芯的情况，这种情况需要在定子内芯臂上等距离开孔，以保证接收光束不受定子固定内芯的影响或者保证发射光束不受固定内芯的影响。开孔的定子内芯是固定并且开孔没有特殊要求。安装在旋转关节上接收单元随着360度转动，始终可以保证光束上行的接收，同理安装在旋转筒壁的发射单元，也会随着360度转动始终光束可以发射下行。
本实施例还提供了一种适用于旋转关节的新型光学通信方法，结合图2，该方法包括如下步骤：
光源1发射的光源经过光学扩束透镜组2准直光束，准直后的光束经过收发分离的波长分光镜3透射出去；透射光束经过圆锥腔8表面反射成圆环光束，圆环光束与入射到圆锥腔8表面的光束成90度，接收单元6接收圆环光束；
发射单元7发出的准直光照射到圆锥腔8表面，经圆锥腔8表面反射到波长分光镜3，再经波长分光镜3反射到聚焦透镜组4上，经聚焦透镜组4汇聚的光束传输到接收探测器5。
本实施例仅仅采用一个光源实现光束的360°周向通信波束覆盖，将光学发射器的数量减至最少；并且本实施例采用的单一光源，空间和光路方面设计简单，适应伺服机构狭小空间得需要；并且本实施例采用圆锥腔对光束进行塑形，形成圆环光束，把这种圆锥腔放置在伺服机构的内芯，接收部分在伺服机构的旋转关节上，这种光学通信的圆环适应定子内芯的机构，也适应定子外芯的机构形式，具有普适性的需求。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适用于旋转关节的新型光学通信系统，其特征在于包括：光源(1)、光学扩束透镜组(2)、波长分光镜(3)、聚焦透镜组(4)、接收探测器(5)、接收单元(6)、发射单元(7)和圆锥腔(8)；其中，
光源(1)发射的光源经过光学扩束透镜组(2)准直光束，准直后的光束经过收发分离的波长分光镜(3)透射出去；透射光束经过圆锥腔(8)表面反射成圆环光束，圆环光束与入射到圆锥腔(8)表面的光束成90度，接收单元(6)接收圆环光束；
发射单元(7)发出的准直光照射到圆锥腔(8)表面，经圆锥腔(8)表面反射到波长分光镜(3)，再经波长分光镜(3)反射到聚焦透镜组(4)上，经聚焦透镜组(4)汇聚的光束传输到接收探测器(5)。
2.根据权利要求1所述的适用于旋转关节的新型光学通信系统，其特征在于：所述光源(1)为可见光二极管，用于发射点光源，光源光束发散角120度，波长为430nm±20nm。
3.根据权利要求1所述的适用于旋转关节的新型光学通信系统，其特征在于：所述发射单元(7)包括发射光源和准直系统；其中，发射光源发射的光源经准直系统变为准直光。
4.根据权利要求3所述的适用于旋转关节的新型光学通信系统，其特征在于：所述发射光源为可见光二极管，用于发射点光源，光源光束发散角120度，波长为630nm±20nm。
5.根据权利要求1所述的适用于旋转关节的新型光学通信系统，其特征在于还包括：旋转关节(9)；其中，
光源(1)、光学扩束透镜组(2)、圆锥腔(8)、波长分光镜(3)以及聚焦透镜组(4)均设置于旋转关节(9)内部；
发射单元(7)设置于旋转关节(9)的一侧内壁，接收单元(6)和接收探测器(5)均设置于旋转关节(9)的另一侧内壁。
6.根据权利要求1所述的适用于旋转关节的新型光学通信系统，其特征在于：所述光学扩束透镜组(2)的焦距为17mm，准直后的光束的直径为30mm。
7.根据权利要求1所述的适用于旋转关节的新型光学通信系统，其特征在于：所述波长分光镜(3)能够透射430nm±20nm波长的蓝色光，反射630nm±20nm波长的红光。
8.根据权利要求1所述的适用于旋转关节的新型光学通信系统，其特征在于：所述圆锥腔(8)的圆锥角为90度。
9.根据权利要求1所述的适用于旋转关节的新型光学通信系统，其特征在于：所述接收单元(6)为光电探测器。
10.一种适用于旋转关节的新型光学通信方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
光源(1)发射的光源经过光学扩束透镜组(2)准直光束，准直后的光束经过收发分离的波长分光镜(3)透射出去；透射光束经过圆锥腔(8)表面反射成圆环光束，圆环光束与入射到圆锥腔(8)表面的光束成90度，接收单元(6)接收圆环光束；
发射单元(7)发出的准直光照射到圆锥腔(8)表面，经圆锥腔(8)表面反射到波长分光镜(3)，再经波长分光镜(3)反射到聚焦透镜组(4)上，经聚焦透镜组(4)汇聚的光束传输到接收探测器(5)。
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