CN110417466A - 一种适用于旋转关节的光通信多收发系统及方法 - Google Patents

一种适用于旋转关节的光通信多收发系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种适用于旋转关节的光通信多收发系统及方法，系统包括多光源、光学扩束透镜组、收发分光镜、分光片、第一自聚焦透镜、第一接收探测器、第二自聚焦透镜、第二接收探测器、多接收单元、多发射单元和圆锥腔；从多光源中发出的光束经过光学扩束透镜组准直光束，准直后的光束经过收发分光镜透射出去，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，多接收单元接收该圆环光束；多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收发分光镜，再经分光镜反射到分光片，分光片将光束分别分束到第一自聚焦透镜和自聚焦透镜上后，再汇聚到接收探测器和接收探测器。

Description

一种适用于旋转关节的光通信多收发系统及方法
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光通信多收发系统 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，而没有轴向测量的能力。滑 环实现功能：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，同样没有轴向测量 的能力。
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。这种光路只适 用于光信息的传递，没有轴向测量的能力。
现有技术中，没有关于旋转关节的光通信多收发系统及方法。
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 关节的光通信多收发系统及方法，采用光学圆环波束的方式，实现发射光环与 光学接收的无线空间光测量，轴向测量指的是旋转关节的旋转速度和轴向执行 机构精度的测量，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轴向测量，相比现有光学通信滑环可以实现内定子 的信息的同时也可以增加了轴向测量能力。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种适用于旋转关节的光通信多 收发系统，包括：多光源、光学扩束透镜组、收发分光镜、分光片、第一自聚 焦透镜、第一接收探测器、第二自聚焦透镜、第二接收探测器、多接收单元、 多发射单元和圆锥腔；
从多光源中发出的光束经过光学扩束透镜组准直光束，准直后的光束经过 收发分光镜透射出去，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，多接收单元接收该圆环光束；多发射单元 发出的准直光照射到圆锥腔表面，经圆锥腔表面反射到收发分光镜，再经分光 镜反射到分光片，分光片将光束分别分束到第一自聚焦透镜和自聚焦透镜上后， 再汇聚到接收探测器和接收探测器。
所述多光源为多个光源涵光调制器，包括光源及调制器；当光源为LED时， 其调制采用LED电流开关调制；当光源为激光光源，调制为激光直接调制器； 从所述多光源发射的光为点光束，，通过光学扩束透镜组后使得发散角减小，光 束近似平行光束；通过光开关或者电开关控制多个LED光源或激光光源同时或 分时工作，多个光源空间光束耦合进入光学扩束透镜组。
所述收发分光镜收发分离分光镜，采用波长分光的方式，能够反射多发射 单元的光，透射多光源的光，透射的光波长为1μm以下，反射的光波长为1μm 以上。
所述圆锥腔的圆锥角为90度，圆锥表面机械加工粗糙度0.1，硬铝7050， 表面镀铬高反射。
所述第一接收探测器和第二接收探测器选用高通信带宽的光电探测器，可 同时或者分时工作；所述分光片为反射光与透射光功率分束，分光比例是5：5。
所述第一自聚焦透镜和第二自聚焦透镜为相同形式，工作距离是25mm， 工作距离为反射多发射单元光束出射孔径处与第一自聚焦透镜、第二自聚焦透 镜间的距离；所述多发射单元是两路以上的发射单元；所述第一自聚焦透镜和 第二自聚焦透镜里面配有滤光片，滤光片波长与发射光波长相对应。
还包括旋转关节；其中多接收单元及多发射单元均置于旋转关节的旋转壁 上多发射单元为分布在旋转关节旋转壁不同位置上的发射单元，发射单元是光 源及信号光调制器和光束准直器的组合。
所述多接收单元为多个独立分布在旋转关节不同位置上接收单元，多接收 单元响应与多光源的波长对应，多接收单元中的每个接收单元包括有聚焦透镜 组、光电探测器及电信号处理。
所述多发射单元可以以不同波长同时发射，也可以分时发射；多接收单元 接收不同的波长，可以同时工作也可以分时；多接收单元和多发射单元的数量 均大于，仅受旋转关节壁上的空间位置约束，所述多光源、第一接收探测器、 第二接收探测器可以级联增加。
一种旋转关节的光通信多收发方法，包括如下步骤：
多光源发射的光源经过光学扩束透镜准直光束，准直后的光束经过收发分 离的分光镜透射出去；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度，多接收单元接收部分圆环光束；
多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分光镜， 再经分光镜反射到反光片，分光片将光束分别分束到第一自聚焦透镜和自聚焦 透镜上后，再汇聚到接收探测器和接收探测器。
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，收发单元在伺服机构的外芯，这种光学测量的圆环适应 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。
(4)本发明利用自聚焦透镜可以实现环形光束的多收发系统。
附图说明
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光通信多收发系统的结构示 意图；
图3是为了提高方法普适应提供的定子内芯壁开孔图。
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光通信多收发系统的结构示 意图。如图2所示，该适用于旋转关节的光通信多收发系统包括：多光源1、 光学扩束透镜组2、收发分光镜3、分光片11、第一自聚焦透镜4、第一接收 探测器5、自聚焦透镜6、第二接收探测器10、多接收单元7、多发射单元12 和圆锥腔8。其中，
光源1发射的光源经过光学扩束透镜2准直光束，准直后的光束经过功率 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，多接收单元7接收圆环光束；
多光源1其包含的光源及调制器，光源为可见光二极管(LED)时，其调 制采用LED电流开关调制。光源为激光光源，调制为普通的激光调制器。多光 源是发射的光为点光束，光源光束发散角没有约束，通过光学扩束透镜组2使 得发散角减小，光束近似平行光束。可以通过光开关或者电开关接入多个LED 光源和激光源，多个光源是同时或者分时工作。
分光镜3能够反射多发射单元12的发射光，透射多光源1的光，采用波 长分光的方式，多光源1发射的光波长是1μm以下，多发射单元12发射的光 波长为1μm以上。
第一接收探测器5，第二接收探测器10为高通信带宽的光电探测器及后续 电信号处理电路。其可同时或者分时工作。
分光片11是反射光与透射光功率分束，分光比例是5：5。圆锥腔8的圆 锥角为90度。
第一自聚焦透镜4和第二自聚焦透镜6是相同形式，其光束从不同位置角 度入射必汇聚到固定一点，具体原理示意图1。在固定一点处设置接收探测器。 自聚焦透镜的工作距离是25mm，工作距离应该是反射多发射单元12光束出 射孔径处与第一自聚焦透镜4、第二自聚焦透镜6之间的距离。对应的多发射 单元12是两路以上的发射单元。
多发射单元12是多个分布在旋转关节9不同位置上的发射单元，发射不 同波长(波长是1μm以上)与第一接收探测器5和第二接收探测器10对应。 发射单元是光源及信号光调制器和光束准直器的组合。
多接收单元7是多个独立分布在旋转关节9不同位置上接收单元，其响应 与多光源1的波长对应(波长是1μm以下)，每个接收单元其由聚焦透镜组、 光电探测器及电信号处理的组合。
多收发系系统指的是多个发射单元和多个接收单元，并且多个发射单元可 以波长不同的同时发射，也可以分时发射。而多接收单元是接收不同的波长， 可以同时工作也可以分时。其收发单元的数量是大于2，仅受旋转关节9壁上 的空间位置约束，同样多光源1与第一接收探测器5合第二接收探测器10也 可以级联增加。如图2所示，旋转关节9；其中，
具体的，本实施例提出一种旋转关节的光通信多收发方法，空间和光路方面 设计简单，适应伺服机构狭小空间得需要；利用自聚焦透镜可以实现环形光束 的多收发系统。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，多收发单元在伺服机构的转子臂上，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，都不会影响光 束的发射与反射，继而不会影响对转子的测量。具体实施步骤如下：
1、多光源1可以为可见光二极管(LED)或者为激光光源，光源是发射点 光源，光源光束发散角没有约束，波长为属于可见光波段，或者激光光源波段。 图2所示，通过光学扩束透镜组2使得发散角减小，扩束成近似平行光，近似 平行光束经过分光镜，此分光镜是可以透射发射光，波长分光。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0.1，硬铝7050，表面镀 铬高反射，光束被锥体反射为环形光。锥体的入射光与反射光夹角90度，安 装在空芯筒壁的多接收单元接收部分圆环光束。
2、另外安装在空芯筒壁的多发射单元发射光束，如图2所示。同样在随着 电机360度转动，始终可以保证光可以照射到圆锥表面，由于与圆锥的全锥角 90度，所以反射光可以沿着发射光路的反方向传输，传输到分光镜后，经过功 率分光镜反射到风光片，再经过多自聚焦透镜汇聚光束，自聚焦透镜里面包含 的滤光片是用来滤除杂光，滤光片波长与发射光波长相对应，汇聚光束接收探 测器。自聚焦透镜的工作距离是25mm，工作距离应该是反射多发射单元光束 出射孔径处与第一自聚焦透镜4、第二自聚焦透镜6入射面之间的距离。对应 的多发射单元12是两路以上的发射单元。
3、如图3所示，多收发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。
本实施例还提供了一种旋转关节的光通信多收发方法，结合图2，该方法 包括如下步骤：
多光源1发射的光源经过光学扩束透镜2准直光束，准直后的光束经过收 发分离的分光镜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，多接收单元7接收部分圆环光 束；
多发射单元12发出的准直光照射到圆锥腔8表面，经圆锥腔8表面反射 到分光镜3，再经分光镜3反射到反光片11分光束，光束分别经过自聚焦透镜 4，6上，经第一聚焦透镜4，第二聚焦透镜6汇聚的光束传输到第一接收探测 器5，第二接收探测器10。
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光通信多收发系统，其特征在于包括：多光源(1)、光学扩束透镜组(2)、收发分光镜(3)、分光片(11)、第一自聚焦透镜(4)、第一接收探测器(5)、第二自聚焦透镜(6)、第二接收探测器(10)、多接收单元(7)、多发射单元(12)和圆锥腔(8)；
从多光源(1)中发出的光束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，多接收单元(7)接收该圆环光束；多发射单元(12)发出的准直光照射到圆锥腔(8)表面，经圆锥腔(8)表面反射到收发分光镜(3)，再经分光镜(3)反射到分光片(11)，分光片(11)将光束分别分束到第一自聚焦透镜(4)和自聚焦透镜(6)上后，再汇聚到接收探测器(5)和接收探测器(10)。
2.根据权利要求1所述的适用于旋转关节的光通信多收发系统，其特征在于：所述多光源(1)为多个光源涵光调制器，包括光源及调制器。
3.根据权利要求1所述的适用于旋转关节的光通信多收发系统，其特征在于：所述收发分光镜(3)收发分离分光镜，采用波长分光的方式，能够反射多发射单元(12)的光，透射多光源(1)的光，透射的光波长为1μm以下，反射的光波长为1μm以上。
4.根据权利要求1所述的适用于旋转关节的光通信多收发系统，其特征在于：所述圆锥腔(8)的圆锥角为90度，圆锥表面机械加工粗糙度0.1，硬铝7050，表面镀铬高反射。
5.根据权利要求1所述的适用于旋转关节的光通信多收发系统，其特征在于：所述第一接收探测器(5)和第二接收探测器(10)选用高通信带宽的光电探测器，可同时或者分时工作。
6.据权利要求1所述的适用于旋转关节的光通信多收发系统，其特征在于：所述第一自聚焦透镜(4)和第二自聚焦透镜(6)为相同形式，工作距离是25mm，工作距离为反射多发射单元(12)光束出射孔径处与第一自聚焦透镜(4)、第二自聚焦透镜(6)间的距离。
7.据权利要求1所述的适用于旋转关节的光通信多收发系统，其特征在于：还包括旋转关节(9)；其中多接收单元(7)及多发射单元(12)均置于旋转关节(9)的旋转壁上多发射单元(12)为分布在旋转关节(9)旋转壁不同位置上的发射单元，发射单元是光源及信号光调制器和光束准直器的组合。
8.据权利要求1所述的适用于旋转关节的光通信多收发系统，其特征在于：所述多接收单元(7)为多个独立分布在旋转关节(9)不同位置上接收单元，多接收单元(7)响应与多光源(1)的波长对应，多接收单元(7)中的每个接收单元包括有聚焦透镜组、光电探测器及电信号处理。
9.据权利要求1所述的适用于旋转关节的光通信多收发系统，其特征在于：所述多发射单元(12)可以以不同波长同时发射，也可以分时发射；多接收单元(7)接收不同的波长，可以同时工作也可以分时；多接收单元(7)和多发射单元(12)的数量均大于2，仅受旋转关节(9)壁上的空间位置约束。
10.一种旋转关节的光通信多收发方法，其特征在于包括如下步骤：
多光源(1)发射的光源经过光学扩束透镜(2)准直光束，准直后的光束经过收发分离的分光镜(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，多接收单元(7)接收部分圆环光束；
多发射单元(12)发出的准直光照射到圆锥腔(8)表面，经圆锥腔(8)表面反射到分光镜(3)，再经分光镜(3)反射到反光片(11)，分光片(11)将光束分别分束到第一自聚焦透镜(4)和自聚焦透镜(6)上后，再汇聚到接收探测器(5)和接收探测器(10)。
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