CN108710177A - 离轴光纤旋转连接器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离轴光纤旋转连接器，该旋转连接器主要由固定套筒，输入端板，滚动轴承，接收端板，遮光筒，环形基体以及环形光栅组成。待传输的信号光束通过位于输入端板上的输入通道进入旋转连接器内部以反射的方式传输传输，当信号反射一定次数后，从位于环形基体上的出射窗口出射，然后通过位于接收端板透镜系统，将信号光束耦合到光纤准直器中，最后通过光纤将信号输出。与现有技术相比，本发明所公开的离轴光纤旋转连接器结合波分复用原理，可实现不同波长的信号光束同时离轴、周向传输，有效的解决了中心轴被占用而不能传输信号的问题。同时，该旋转连接器结构简单，易于加工，稳定性好，具有高的耦合效率，利于广泛推广。

Description

离轴光纤旋转连接器

技术领域

本发明所公开的离轴光纤旋转连接器，该结构的旋转连接器目前主要用于空间光互连、光纤通信技术领域。

背景技术

旋转连接器是以光信号为载体，将需要传输的信息从静止或旋转的一端连续不断地传输到旋转或静止的另一端的通信器件。由于光纤旋转连接器具有信道容量大、抗电磁干扰、传输速率高等优势，所以光纤旋转连接器件的应用十分广泛，如医疗设备CT扫描系统、工业机器人、视频监控系统、雷达的旋转天线与基座之间的数据通信、新型坦克和装甲车辆中炮塔与车内控制台的信息连接、光电经纬仪、飞机的光电吊舱与机内控制台之间的信号连接等。

目前出现的旋转连接器主要以同轴型为主，即信号传输通道与旋转连接器中心轴位置重合。该结构的旋转连接器有一弊端，如果旋转连接器中心轴位置被其他介质或器件占用，光信号不能沿着与连接器中心轴重合的光轴进行传输，该类型的旋转连接器就不再适用。在这种情况下，离轴光纤旋转连接器才能满足需求传输光信号。

目前国内外文献中提出了不同结构的离轴光纤旋转连接器，它们各有优缺点。

专利号为US6898346D的专利文献公开一种准直器耦合的中空型光纤旋转连接器。该准直器的原理是由光源出射的激光通过三个耦合器分成四束光均匀分布在圆周上并与后端的两个准直器进行耦合，当前端准直器随转子转动时，后端定子上的准直器中至少有一个可以接收前端准直器中的光信号，并通过耦合器合成的信号传送给接收器，实现光束的旋转传输。同理另一光源出射的光束也以相同的方式传输，实现光信号的双向传输。由于该旋转连接器工作时需要进行多次耦合，所以使得光信号的损耗比较大。

专利号为US5297225A的专利文献公开一种柱面反射式旁轴光纤旋转连接器。该旋转连接器采用一个柱面作为反射镜，光源发出的平行光束通过柱面反射后聚焦于一个焦点，之后光束发散，再经过反射镜反射后重新会聚于另一个焦点，以此经过多次会聚与反射后从出射窗口输出。由于该旋转连接器聚焦效果较差，使得信号在传输过程中损耗较大。

文献名为“一种大内径离轴光纤旋转连接器的设计与实现”的期刊文献提出一种中空光纤旋转连接器，该旋转连接器主要由内法兰盘和外法兰盘组成。在内外法兰盘内部分别设有多个光纤准直器、多个红外直角棱镜。光源发出的光信号通过位于外法兰盘上的光纤准直器耦合到红外直角棱镜中传输，红外直角棱镜将光路转折后，光信号传输到位于内法兰盘上的红外直角棱镜，然后重旋转新耦合进入光纤准直器中。在信号传输过程中，该旋转连接器可以实现多路信号的离轴传输，但由于红外直角棱镜对光信号能力吸收较大，最终使得插入损耗较大，而且该连接器结构复杂，造价高。

上述文献中所提出的离轴光纤旋转连接器虽然都可以实现信号的传输，但由于其结构复杂，插入损耗较大，稳定性差，不利于广泛推广。

发明内容

为了克服现有技术问题，本发明结合波分复用原理，提供了一种离轴光纤旋转连接器，可实现不同波长的信号光束同时离轴、周向传输。

本发明提出的一种离轴光纤旋转连接器，包括固定套筒，所述固定套筒的一端设有输入端板，所述输入端板与所述固定套筒之间设有滚动轴承，所述固定套筒的另一端设有接收端板，所述接收端板与所述固定套筒之间为固定连接；所述输入端板、所述固定套筒和所述接收端板同轴设置，所述输入端板、所述固定套筒和所述接收端板设有贯通的中心孔，所述中心孔内嵌装有遮光筒；在所述输入端板的n个不同圆周上分别设有三个以上输入通道，n≥1，每个输入通道内设有光纤准直器；所述固定套筒与所述遮光筒之间通过一固定胶圈固定有一环形基体，所述环形基体与所述输入端板之间设有环形光栅，所述环形基体的锥面上除n个指定区域之外的表面上设有反射膜，每个指定区域为所述环形基体的出射窗口，n个出射窗口分别与不同圆周的输入通道相对应，相邻两个出射窗口的中心在所述环形基体横截面上的投影所形成的圆心角相同；所述接收端板包括内板和外板，所述内板上设有n个接收端通道，n个接收端通道分别与所述n个出射窗口的位置一一对应，每个接收端通道内均设有透镜系统；所述外板上设有n个输出通道，每个输出通道内设有光纤准直器，所述n个输出通道分别与n个透镜系统的中心轴位置一一对应。

进一步讲，本发明离轴光纤旋转连接器，其中，所述环形光栅与所述环形基体之间设有增透膜。本发明中，n优选为3。

在所述输入端板的同一圆周上的三个以上的输入通道在周向上均匀分布。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明中，所述遮光筒起挡光作用，位于旋转连接器中心轴位置处，避免杂散光对信号传输的影响。此外可以在遮光筒位置处增设独立的通道来传出水、气、油等介质，有效的解决了中心轴位置被占用而不能传输信号的问题。

本发明的一个基本结构是实现旋转光信号在同一个输入通道下离轴周向传输，在此基础上，在入射端其它入射圆周轨道上开辟新的输入通道，同时在环形基体、接收端分别对应的增设输出窗口、透镜系统以及输出通道，从而实现了旋转光信号在传输过程中按照各自的通道输入输出。

本发明结构简单，易于加工、可以实现信号动态输入，固定位置输出、插入损耗较低，具有高的耦合效率。

附图说明

图1为离轴单通道光纤旋转连接器的输入端结构示意图；

图2为离轴单通道光纤旋转连接器的环形基体结构示意图；

图3为离轴单通道光纤旋转连接器的接收端结构示意图；

图4为本发明公开的一种离轴单通道光纤旋转连接器的结构示意图；

图5为离轴多通道旋转连接器的入射端结构示意图；

图6为离轴多通道旋转连接器的环形基体结构示意图；

图7为离轴多通道旋转连接器的接收端结构示意图；

图8为本发明公开的一种离轴多通道旋转连接器结构示意图。

图中：

1-输入端，2-输入通道A1，3-输入通道B1，4-输入通道C1、5-输入通道D1，6、23、39-入射圆形轨迹，7-光纤，8-光纤准直器，9-固定套筒，10-环形光栅，11-环形基体，12-固定胶圈，131-接收端内板，132接收端外板，14-固定螺丝，15-反射膜，16-接收端通道A，17-输出通道A，18-透镜系统，19-出射窗口1，20-滚动轴承，21-中心孔，22-遮光筒，25-输入通道A2，26-输入通道A3，27-输入通道B2，28-输入通道B3，29-输入通道C2,30-输入通道C3，31-输入通道D2，32-输入通道D3，33-出射窗口2，34-出射窗口3，35-接收端通道B，36-输出通道B，37-接收端通道C，38-输出通道C。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明提出的一种离轴光纤旋转连接器，如图4和图8所示，其结构是：包括固定套筒9，所述固定套筒9的一端设有输入端板1，所述输入端板1与所述固定套筒9之间设有滚动轴承20，所述固定套筒9的另一端设有接收端板(包括内板131和外板132)，所述内板131和外板132与所述固定套筒9之间均为固定连接；所述输入端板1、所述固定套筒9、所述内板131和外板132同轴设置，所述输入端板1、所述固定套筒9、所述内板131、外板132设有贯通的中心孔21，所述中心孔21内嵌装有遮光筒22。

在所述输入端板1的n个不同圆周上分别设有三个以上输入通道，n≥1，图1示出了在所述输入端板1的一个圆周上设有四个输入通道(即输入通道A1 2、输入通道B1 3、输入通道C1 4和输入通道D1 5)的离轴单通道光纤旋转连接器中输入通道的布局。图5示出了在所述输入端板1的三个圆周上分别设有四个输入通道(即如图1中所示的输入通道A1 2、输入通道B1 3、输入通道C1 4和输入通道D1 5；输入通道A2 25，输入通道B2 27，输入通道C229、输入通道D2 31；输入通道A3 26，输入通道B3 28，输入通道C330，输入通道D3 32)的离轴多通道光纤旋转连接器中输入通道的布局。

本发明中，每个输入通道内设有光纤准直器8。

如图4和图8所示，所述固定套筒9与所述遮光筒22之间通过一固定胶圈12固定有一环形基体11，所述环形基体11与所述输入端板1之间设有环形光栅10，所述环形基体11的锥面上除n个指定区域之外的表面上设有反射膜15，每个指定区域为所述环形基体11的出射窗口，图2示出了具有1个出射窗口的情形(即出射窗口1 19)，图6示出了具有与三个不同圆周的输入通道相对应的三个出射窗口的情形(即出射窗口1 19、出射窗口2 33，出射窗口3 34)。其中，相邻两个出射窗口(诸如，出射窗口1 19和出射窗口2 33，出射窗口2 33和出射窗口3 34，出射窗口3 34和出射窗口1 19)的中心在所述环形基体横截面上的投影所形成的圆心角相同。

如图4和图8所示，所述接收端板包括内板131和外板132，所述内板131上设有n个接收端通道，每个接收端通道内均设有透镜系统18；所述外板131上设有n个输出通道，每个输出通道内设有光纤准直器8，所述n个输出通道分别与n个透镜系统18的中心轴位置一一对应。图3示出了具有1个接收端通道(即在接收端板13上仅具有1个输出通道)的情形(接收端通道A 16,输出通道A 17)，图7示出了具有三个分别与所述三个出射窗口的位置一一对应的接收端通道(即在接收端板13上具有三个输出通道)的情形(接收端通道A 16,输出通道A 17；接收端通道B 35，-输出通道B 36；接收端通道C 37，输出通道C 38)。

为了使信号光束高效率的耦合到环形基体11中，在所述环形光栅10与所述环形基体11之间最好设有增透膜。

在所述输入端板1的同一圆周上的三个以上的输入通道最好在周向上均匀分布。

实施例1、离轴单通道光纤旋转连接器

图1-图4示出了本发明离轴光纤旋转连接器的一种基本结构，即离轴单通道光纤旋转连接器，该实施例1的工作过程如下：

当旋转连接器与外界连通后，待传输的不同波长的光信号通过输入端板1的传输光纤7以及光纤准直器8从输入通道A1 2，输入通道B1 3，输入通道C1 4、输入通道D1 5

进入到旋转连接器内部传输。不同波长的信号光束通过光纤准直器8变为平行光束后，首先垂直入射到环形光栅10，光信号透过环形光栅10后，信号光束会偏转一定角度，并进入到环形基体11进行传输。由于环形基体11锥面设有反射膜15，所以信号光束环形基体11内部以反射的方式传输，信号光束在环形基体11锥面发生反射，在环形基体11圆形平面处发生全反射。信号光束在环形基体11内部反射一定次数后，从环形基体11的锥面未镀反射膜的位置作为出射窗口19出射。紧接着输出信号光束依次通过透镜系统18，经过透镜系统18的信号光束会偏转一定角度，同时光斑尺寸缩小，使得输出信号光束垂直耦合到位于接收端中的光纤准直器8，最后信号光束通过传输光纤7输出信号。

在信号传输过程中，由于与固定套筒9通过滚动轴承20连接，所以输入端板1可以相对于固定套筒9自由转动，从而实现信号的动态输入，固定位置输出。

所述固定胶圈12起固定和保护环形光栅10、环形基体11以及透镜系统18作用。所述遮光筒22起挡光作用，位于旋转连接器中心轴位置处，避免杂散光对信号传输的影响。此外可以在遮光筒22位置处增设独立的通道来传出水、气、油等介质，有效的解决了中心轴位置被占用而不能传输信号的问题。

本发明中所述的光纤准直器8是由光纤7和准直透镜组成，准直透镜可为C-lens透镜、自聚焦透镜或球透镜系统。

本发明所发明的旋转连接器核心在于环形基体11、环形光栅10的精确加工以及环形基体锥面的光学镀膜。环形基体11和环形光栅10可选用PMMA材质进行加工制作。环形基体锥面所镀的光学反射膜材质可选用金、银、铝材质进行镀制。

实施例2、离轴多通道光纤旋转连接器

实施例2是在实施例1离轴单通道光纤旋转连接器的基础上开辟新的传输通道实现信号多通道的传输，图5至图8示出了该离轴多道光纤旋转连接器的结构，该实施例2的工作过称与实施例1的工作过程相同。

尽管上面结合附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，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种离轴光纤旋转连接器，包括固定套筒(9)，所述固定套筒(9)的一端设有输入端板(1)，所述输入端板(1)与所述固定套筒(9)之间设有滚动轴承(20)，所述固定套筒(9)的另一端设有接收端板，所述接收端板与所述固定套筒(9)之间为固定连接；所述输入端板(1)、所述固定套筒(9)和所述接收端板同轴设置，其特征在于，

所述输入端板(1)、所述固定套筒(9)和所述接收端板设有贯通的中心孔(21)，所述中心孔(21)内嵌装有遮光筒(22)；在所述输入端板(1)的n个不同圆周上分别设有三个以上输入通道，n≥1，每个输入通道内设有光纤准直器(8)；

所述固定套筒(9)与所述遮光筒(22)之间通过一固定胶圈(12)固定有一环形基体(11)，所述环形基体(11)与所述输入端板(1)之间设有环形光栅(10)，所述环形基体(11)的面上除n个指定区域之外的表面上设有反射膜(15)，每个指定区域为所述环形基体(11)的出射窗口，n个出射窗口分别与不同圆周的输入通道相对应，相邻两个出射窗口的中心在所述环形基体横截面上的投影所形成的圆心角相同；

所述接收端板包括内板(131)和外板(132)，所述内板(131)上设有n个接收端通道，n个接收端通道分别与所述n个出射窗口的位置一一对应，每个接收端通道内均设有透镜系统(18)；所述外板(131)上设有n个输出通道，每个输出通道内设有光纤准直器(8)，所述n个输出通道分别与n个透镜系统(18)的中心轴位置一一对应。

2.根据权利要求1所示离轴光纤旋转连接器，其特征在于，所述环形光栅(10)与所述环形基体(11)之间设有增透膜。

3.根据权利要求1所示离轴光纤旋转连接器，其特征在于，在所述输入端板(1)的同一圆周上的三个以上的输入通道在周向上均匀分布。

4.根据权利要求1所述离轴中空光纤旋转连接器，其特征在于，n＝3。