CN112887030B - 一种用于旋转关节的光信号传输系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于旋转关节的光信号传输系统及方法。该系统包括：中空圆柱形转子，中空圆柱形定子，分别设置在所述转子和所述定子内圆柱壁上的多组光电探测器，若干光信号源以及光信号收发通道。光信号源中发出的光束经过光信号收发通道到达相应的光电探测器，由所述相应的光电探测器把光信息转换为电信号。所述光信号传输系统中光信号进行双工对称通信，没有上行链路和下行链路的区分。本发明提供的技术方案可容易地拓展成多通道双工通信的光信号传输系统，没有光纤旋转关节的轴磨损和光纤耦合问题，通信可靠且工作寿命长。
Description
技术领域
本发明属于光通信领域，具体涉及一种用于旋转关节的光信号传输系统。
背景技术
旋转关节的信息传输设备一般应用在滑环设备，活动关节的信息传输/活动关节的光雷达也是其应用的范围。滑环设备的旋转端和固定端的电气连接，供电、信号均是通过导电滑环来传输。滑环设备的导电滑环触点与环体长期摩擦，将导致信号传导性能下降、可靠性低、抗电磁干扰能力差，这将造成通过滑环的高速传输的数字信号急剧衰减，使得通信将变得不可靠。
光纤滑环是在传统的导电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，光纤滑环中选用光纤准直器、道威棱镜、微型精密轴系、机械连接及调整机构组成，特别对于多通道光纤滑环制造成本非常高。光纤滑环具有以下优点：(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；(3)体积小、重量轻，不锈钢材料；(4)损耗小(<1.0dB)、旋转速率高(1000rpm)。但是由于多通道的光纤滑环之间轴系需要精密对准，而长时间齿轮的磨损将导致光纤收发对准出现问题，影响信息传输的可靠性。
现阶段旋转关节光信号传输系统存在以下不足：
1.空间光信息的双工信息传输过程中，其中一个方向光损耗大，存在双向光束的波长的规划导致光波长固定不够灵活，光信号传输系统中上下行链路不对称。
2、存在长时间齿轮的磨损将导致光纤收发对准出现问题，进而造成光纤滑环使用寿命缩短。
发明内容
为了克服旋转关介光信号传输系统存在的上述不足，本发明提供的一种用于旋转关节的光信号传输系统。通过本发明提供的技术方案克服现有旋转机构光信号传输系统中上下行链路不对称的问题、达到双工对称，并且无上下行波长的规划约束，通信波长的设置灵活；并延长旋转关节光信号传输系统的使用寿命。
本发明提供的技术方案具体实现为：一种用于旋转关节的光信号传输系统，该系统包括：中空圆柱形转子，与所述转子通过轴承衔接的中空圆柱形定子，分别设置在转子和定子内表面的多组光电探测器及调理电路，由中空圆锥形体和聚束透镜组成、完全相同的两组聚束光路，若干光信号源，两个相同的分光镜及两个托盘。其中、所述转子、定子相对设置，两者内表面共同构成一个封闭圆柱形空间；分别固定在所述转子、定子内部空间的两个托盘与所述定子、转子的圆柱面形成的光信号传输空间。
任一托盘朝另一个托盘的一面中央位置设有所述聚束光路，两组聚束光路关于所述光信号传输空间中的某个圆形横截面对称；另一个面中央位置设有所述光信号源和所述分光镜，所述分光镜与所述任一托盘固定连接；任一托盘上的光信号源发射出的光信号经过设置于该托盘上的分光镜合成一束光束后通过设置于该托盘上聚束光路中的聚束透镜进行聚束得到中间空心的光束后，传递到另一托盘上的圆锥形体外表面发生反射到达相应的光电探测器及调理电路，由相应的光电探测器及调理电路进行接收转换成电信号以实现光信号的传输。所述光电探测器及调理电路用于聚集光信号并转换成电信号放大；其由聚焦透镜，光电响应器一体化探测器，聚焦透镜前端的滤光片和电信号调理电路组成。
进一步地、所述光信号源包括：光源、电光调制(驱动)器以及光束准直/准形系统。所述电光调制器用于将待传输的电信号数据对光源发出的光束载波进行调制。所述光束准直/准形系统用于对调制好的光束进行准直以减小光束的发散角。
位于任一托盘上的分光镜通过连接机构固定在所述任一托盘上，且与位于所述任一托盘上的聚焦光路的中空圆锥形体的底面中心对齐。所述中空圆锥形体是金属结构体，其外表面具有高反射率的金属镀层，其内表面做发黑处理；该中空圆锥形体的上面开口、其底部开口并与托盘连接，其中心轴与固定在其顶端开口的聚束透镜的中心轴在一条直线上。
进一步地、所述旋转关节的光信号传输系统中任一所述托盘上的光信号源为一个或多个，两个托盘上的光信号源数量相同，且光信号源在空间位置上设置为关于所述光信号传输空间中的某个具体圆形横截面对称。在进行双工通信优选设置任意两个光信号源发出不同波长的光束，避免同一通道的上、下行链路、以及不同通道之间的造成通信光波波长干扰。
位于同一托盘上的光信号源发出的光束经过该托盘上的分光镜合束为一束光后，通过位于该托盘上的中空圆锥形体的空内芯、正入射到该托盘上的聚束透镜，然后经过光信号传输空间后一部分达到位于另一托盘上的聚束透镜表面投射并散射进入位于另一托盘上的中空圆锥形体的内表面进行吸收，另一部分经过位于另一托盘上的圆锥形体外表面反射形成圆环光束，到达设置在转子或定子内表面对应的光电探测器及调理电路以实现多个通道双工数据传输。当收发信号采用不同通道(通信的光波波长不同)，上行链路和下行链路之间没有收发波长的干扰。
与上述光信号传输系统相对应，本发明还提供一种用于旋转关节的光信号传输方法。该光信号传输方法采用上述光信号传输系统，通过该光信号传输系统中的光信号源产生信号光束，并使所述信号光束在转子和定子之间进行发送、传输和接收。
附图说明
图1为本发明提供的用于旋转关节的光信号传输系统在一个实施例中的结构示意图；
图2为中空圆锥形体结构示意图。
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1为本发明提供的用于旋转关节的光信号传输系统在是一个实施例中的结构示意图。如图1所示，所述用于旋转关节的光信号传输系统，包括：中空圆柱形转子105，与所述转子通过轴承109衔接的中空圆柱形定子104，分别设置在转子105和定子104内表面的多组光电探测器及调理电路103，由中空圆锥形体106和聚束透镜108组成的两组聚束光路，若干光信号源101，结构相同两个分光镜107以及用于固定分光镜和聚焦光路的两个托盘(圆锥固定托)102。
如图1所示、所述转子105、定子104相对设置，两者内表面共同构成一个封闭圆柱形空间；分别固定在所述转子105、定子104内部空间的两个托盘102与所述定子105、转子104的圆柱面形成的光信号传输空间。
任一托盘102朝另一个托盘的一面中央位置设有一组所述聚束光路，两组聚束光路结构相同、关于所述光信号传输空间中的某个圆形横截面对称。另一个面中央位置设有若干所述光信号源101和所述分光镜107，所述分光镜107与所述任一托盘102固定连接。两个托盘上102的光信号源数量相同，且设置为在空间位置上设置关于所述光信号传输空间中的某个圆形横截面对称。任一托盘102侧的光信号源101发射出的光信号经过设置于该托盘102侧的分光镜107合成一束光束，光束通过设置于该托盘102上的聚束光路中的聚束透镜进行聚束得到中间空心的光束后传递到另一托盘上的中空圆锥形体106外表面发生反射到达相应的光电探测器及调理电路103；由所述光电探测器及调理电路103对光信号进行聚集并转换成电信号放大。所述光电探测器及调理电路103由聚焦透镜，光电响应器一体化探测器，聚焦透镜前端的滤光片和电信号调理电路组成。
所述光信号源101包括：光源、电光调制(驱动)器以及光束准直/准形系统。所述电光调制器用于将待传输的电信号数据对光源发出的光束载波进行调制。所述光束准直/准形系统用于对调制好的光束进行准直以减小光束的发散角，光束的发散角是越小越好。当光源为发光二极管(LED)时，其调制采用LED电流调制；当光源为激光光源，调制为普通的激光调制器。
所述分光镜107与光信号源101组合，且与同一托盘上聚焦光路的中空圆锥形体106的底面中心对齐并通过连接机构固定在托盘102。
所述分光镜107镀波长分离增透膜和增反膜，可以采用多个分光镜107进行级联产生多次反射，然后通过波长分离的办法实现多个波束的合束。
如图2所示，所述中空圆锥形体106是金属结构体，其外表面110具有高反射率的金属镀层(例如、表面110镀金属铬，铬刨平后再在上镀金或者铝)，其内表面111做发黑处理。该中空圆锥形体106的顶端开口、其底部开口并与托盘102连接，其中心轴与固定在其顶端开口的聚束透镜108的中心轴在一条直线上。聚束透镜108采用BK7玻璃制作，表面镀增透膜。优选地、所述中空圆锥形体106的上面与聚束透镜108的底面凸台胶粘，再用压圈连接。中空圆锥形体106与聚束透镜108组合实现收发光束通道的分离。光束从分光镜正入射到聚束透镜108。聚束透镜108对入射光束进行聚束，使得光束中间空心，使得尽可能多地光束投射到另一托盘上的中空圆锥形体106的外表面上，占用中空圆锥形体106的外表面越少越好，仅满足光学可加工能力的微小透镜即可。
所述聚束透镜108用于将入射的光束聚束为中间空心的光束，这里不对其具体的形状、结构进行限定。在一个实施例中，所述聚束透镜108为圆锥透镜，其半锥角的范围arctan(7/7)<α＜arctan(0/7)，当以实际光学孔径加工能力，以及锥角高度物理空间尺寸的限制而选取最优。结合光纤准直耦合器的能力设置所述圆锥透镜的底面直径为5mm，高度为7mm，半锥角α＝arctan(2.5/7)；设置所述中空圆锥形体106的半锥角β≈π/4+0.5×α＝π/4+0.5×arctan(2.5/7)，高度最小为4mm，底面直径最小为12mm，根据光束发散角以及实际物理尺寸的小型化，根据上图的角度关系合理设计出角度和尺寸即可。当然也可以不安装聚束透镜108，仅是mm级小孔进行小孔衍射来增加投射到另一托盘上中空圆锥形体106外表面的光束，但这样做损耗光能量比较大，不适用于距离较远的传输功率链路。
所述光电探测器及调理电路103用于聚集并转化光信号成电信号放大。其由聚焦透镜，光电响应器一体化探测器，聚焦透镜前端的滤光片和电信号调理电路组成。带通滤光片(OD>＝3),其带通中心波长与光信号源输出的光中心波长一一对应。
所述用于旋转关节的光信号传输系统的工作过程为：位于其中一个托盘102侧的多个光信号源101中发出的光束经过分光镜107合成一束光束；合成的光束通过聚束透镜108进行聚束处理使得光束中间空心(即空心光柱)，然后传递到另一托盘上的中空圆锥形体106的外表面发生反射后，到达相应的光电探测器及调理电路103进行接收。
进一步地、任一所述托盘102侧的所述光信号源101可以设置为一个或多个，两个托盘102侧的所述光信号源101数量相同。在进行双工通信优选设置任意两个光信号源101发出不同波长的光束，避免同一通道的上、下行链路，以及不同通道之间的波长干扰。位于同一托盘102侧的光信号源101发出的光束经过该托盘上的分光镜合束为一束光后，通过位于该托盘102侧的中空圆锥形体106的空内芯、正入射到该托盘102侧的聚束透镜108、然后经过光信号传输空间后一部分达到位于另一托盘上的聚束透镜108表面投射并散射进入位于所述另一托盘上的中空圆锥形体106的内表面进行吸收，另一部分经过位于所述另一托盘102侧的圆锥形体106外表面反射形成圆环光束，到达设置在转子或定子内表面对应的光电探测器及调理电路103。
根据图1所述的光信号传输系统，任一所述托盘102侧的所述光信号源101为多个，当本领域技术人员可以直接毫无疑义地确定，其能够实现为多收发通道的光信号传输系统。所述多收发通道的光信号传输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或分时发射，对应地多接收单元为接收不同的波长，可以同时接收或分时接收。其收发单元数量受定子和转子的内部空间位置约束，由于用于上行、下行链路的光电探测器及调理电路103可以设置在定子/转子的内部空间不同的位置上，因此、进行双工光传输时、上行、下行链路中的光波波长可以设置不同或相同。
与上述光信号传输系统相对应，本发明还提供一种用于旋转关节的光信号传输方法。该光信号传输方法采用上述光信号传输系统，通过该光信号传输系统中的光信号源产生信号光束，并使所述信号光束在转子和定子之间进行发送、传输和接收。
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。
本发明提供的技术方案与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)、本发明提供的用于旋转关节的光信号传输系统，上下行链路对称、双工信息传输过程中任一个方向光损耗小，光路方面设计简单且不存在波长的规划的问题，能够适应伺服机构狭小空间的需要。
(2)、本发明提供的光信号传输系统能够实现双工通信，系统中相关组件可以对称布局，对旋转关节的转子和定子中的收发组件无过多的安装限制；且可以简单拓展成为多个通道的光信号传输系统。
(3)、没有现有技术中光纤旋转关节的轴磨损和光纤耦合问题，延长了光信号传输系统的工作寿命。
Claims (7)
1.一种用于旋转关节的光信号传输系统，其特征在于，该系统包括：中空圆柱形转子，与所述转子通过轴承衔接的中空圆柱形定子，分别设置在所述转子和所述定子内表面的多组光电探测器及调理电路，由中空圆锥形体和聚束透镜组成、完全相同的两组聚束光路，若干光信号源，两个相同的分光镜及两个托盘；
其中、所述转子、定子相对设置，两者内表面构成的封闭圆柱形空间，分别固定在所述转子、定子内部空间的两个托盘与所述定子、转子的圆柱侧壁形成的光信号传输空间；任一托盘朝另一个托盘的一面中央位置设有所述聚束光路，两组聚束光路在所述圆柱形空间内呈对称布置，对称面为所述圆柱形空间的圆形截面；另一个面中央位置设有所述光信号源和所述分光镜，所述分光镜与所述任一托盘固定连接；中空圆锥形体的上面开口，其底部开口并与托盘连接，其中心轴与固定在其上面开口的聚束透镜的中心轴在一条直线上；位于任一托盘上的分光镜固定在所述任一托盘上，且与位于所述任一托盘上的聚焦光路的中空圆锥体的底 面中心对齐；任一托盘上的光信号源发射出的光信号经过设置于该托盘上的分光镜合成一束光束后通过设置于该托盘上聚束光路中的聚束透镜进行聚束得到中间空心的光束后，传递到另一托盘上的圆锥形体外表面发生反射到达相应的光电探测器及调理电路进行接收。
2.如权利要求1所述的光信号传输系统，其特征在于，所述光信号源包括：光源、电光调制器以及光束准直/准形系统；所述电光调制器用于将待传输的电信号数据对光源发出的光束载波进行调制；所述光束准直/准形系统用于对调制好的光束进行准直以减小光束的发散角。
3.如权利要求1所述的光信号传输系统，其特征在于，所述中空圆锥形体是金属结构体，其外表面具有高反射率的金属镀层，其内表面做发黑处理，该中空圆锥形体的上面开口、其底部开口并与托盘连接，其中心轴与固定在其上面开口的聚束透镜的中心轴在一条直线上。
4.如权利要求3所述的光信号传输系统，其特征在于，位于任一托盘上的分光镜固定在所述任一托盘上，且与位于所述任一托盘上的聚焦光路的中空圆锥形体的底面中心对齐。
5.如权利要求1-4中任一项所述的光信号传输系统，其特征在于，所述光电探测器及调理电路用于聚集光信号并转换成电信号放大；其由聚焦透镜，光电响应器一体化探测器，聚焦透镜前端的滤光片和电信号调理电路组成。
6.如权利要求5所述的光信号传输系统，其特征在于，任一所述托盘上的所述光信号源为一个或多个，两个托盘上的所述光信号源数量相同其呈对称布置，对称面是所述圆柱形空间的圆形横截面；任意两个光信号源发出不同波长的光束，位于同一托盘上的光信号源发出的光束经过该托盘上的分光镜合束为一束光后，通过位于该托盘上的中空圆锥形体的空内芯正入射到该托盘上的聚束透镜进行聚束后，经过光信号传输空间后一部分达到位于另一托盘上的聚束透镜表面投射并散射进入位于另一托盘上的中空圆锥形体的内表面进行吸收，另一部分经过位于另一托盘上的圆锥形体外表面反射形成圆环光束，到达设置在转子或定子内表面对应的光电探测器及调理电路进行接收。
7.一种用于旋转关节的光信号传输方法，其特征在于、该方法包括：采用如权利要求1-6中任一项所述的光信号传输系统，通过该光信号传输系统中的光信号源产生信号光束，并使所述信号光束在转子和定子之间进行发送、传输和接收。
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