CN216526374U - 一种垂直改变光出射或入射方向的光纤端头 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种垂直改变光出射或入射方向的光纤端头，包括：固定外框，其具有光纤连接口、容纳腔和出射口，容纳腔与光纤连接口和出射口连通；光线转向器件，其布置在固定外框的容纳腔内，光线转向器件为底面为等腰直角三角形的直三棱柱，光线转向器件在容纳腔内布置成其相互垂直的两个底面中的一个底面与光纤连接口垂直、另一个底面与出射口垂直，光线转向器件在等腰直角三角形斜边所在侧面使光线发生一次全反射，实现光线出射方向的垂直转弯。本实用新型增加了一种使垂直改变光纤导光方向的新手段，并只需利用一种折射率满足条件的材料，根据光纤直径大小加工成尺寸合适的、底面为等腰直角三角形的直三棱柱，实施起来工序简单、安装方便。

Description

一种垂直改变光出射或入射方向的光纤端头

技术领域

本实用新型涉及光学测量领域，尤其涉及一种垂直改变光出射或入射方向的光纤端头。

背景技术

光纤，即光导纤维，是一种由透明光学材料制成的纤维，其工作原理为利用光在纤维中发生全反射使得光在纤维内沿着光纤轴线传播，从而具有传导光的功能。随着光纤技术的发展，光纤已广泛应用于人类生活的各个领域，如光纤通信、医疗、光纤传感器以及电力保护等等。

光纤的典型结构是一种细长、多层、同轴圆柱形复合纤维，一般由纤芯、包层、涂覆层与护套层构成。其中，纤芯和包层是光纤的主体，对光的传播起着决定性作用。中心的纤芯折射率较高，直径一般为5～75μm。包层的折射率稍低，直径一般约为100～200μm。再往外的涂覆层一般采用聚氨基甲酸乙酯或硅酮树脂，主要用于隔离杂光。最外面的护套一般采用尼龙、塑料或其它有机材料，起保护光纤的作用。

光纤的纤芯和包层通常是由玻璃或塑料制成的纤维，本身非常脆弱、易断。有了护套的包覆后，提高了光纤的机械强度，具有一定的柔韧性。实际工作时光纤可以适当弯曲，从而使光线“转弯”。但是，光线“转弯”的前提是光线在光纤内部仍然需要满足全反射条件，这意味着光纤不能突然大角度弯折，否则会使得光传导至纤芯和包层界面时不再满足全反射条件，一部分光会从包层逸出从而造成光损耗；更严重的情况则是尖锐的弯曲引起光纤裂纹甚至断裂，导致永久损坏光纤。因此，光纤不能随意弯曲，当需要大角度“转弯”时，必须有一定的弯曲半径要求。如在国家标准GB/T 7424.1-2003中就规定了光缆在无拉力的情况下弯曲半径一般不应小于光缆外径的10倍，在张力安装时光缆的弯曲半径是光缆外径的20倍。

而在光学测量或光辐射计量领域，当测量设备采用光纤来传导光信号时，光纤的入射端或出射端就成为设备的光接收端或出射端。在某些应用中，有时希望光纤入射端或出射端所在的平面能够背靠且尽可能贴近某个要求的基准平面，如评价室内照明情况时希望光纤的接收端平面尽量贴近桌面，又如评价光生物安全时希望光纤的接收端平面尽量贴近皮肤。类似这样的应用中，一方面难以完全做到在测试前先让提供基准平面的物体下降或后退一定距离，使得放置光纤后其入射端或出射端平面刚好与之前要求的基准平面重合；另一方面又由于提供基准平面的物体的特殊性而不能在基准平面(如桌面或皮肤)掏孔，以使光纤能够从基准平面背面穿过从而与基准平面重合。因此，实际测试条件对光纤提出两个要求：一是要求光纤(或者传入光纤的光线)能够实现垂直转弯，才能保证光纤入射端或出射端平面背靠基准平面；二是要求垂直转弯所占用的空间尽量小，才能使光纤入射端或出射端所在的平面尽可能贴近基准平面。之所以要求贴近基准平面，主要是因为这类应用中测试的是照度或辐照度，而照度或辐照度与光源到基准平面的距离有关，距离不同，照度或辐照度就会不同，因而会希望光纤接收端平面尽可能贴近基准平面以保证测试评价的准确性。

实际应用中，通常容易想到的实现光纤垂直转弯的方法有自然弯曲法和镜面反射法。自然弯曲法是指让光纤在允许的角度内逐渐弯曲，通过足够的空间来允许光纤转弯。该方法有一定的弯曲半径要求，特别是对硬度较高的玻璃、石英光纤，或者是多根光纤丝组成的光纤束来说，弯曲半径较大，难以做到转弯后的光纤入射端或出射端平面尽可能贴近转弯前光纤轴线所在的平面。镜面反射法是指不用光纤弯曲，而是在光纤端头配置一个以45度角度放置的平面反射镜，使得光线在进入光纤前或从光纤出射后有一次反射，以此实现光纤端头光线垂直转弯。该方法原理简单，不涉及光纤自身的弯曲，只是在加工和固定平面反射镜时有些复杂。尤其是对直径较小的光纤，为了整体尺寸协调，反射镜也应做得较小，在制作、安装固定时存在一定的难度，需要精密设计和放置。

实用新型内容

鉴于此，本实用新型实施例提供了一种垂直改变光出射或入射方向的光纤端头，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷。

本实用新型的技术方案如下：所述光纤端头包括：

固定外框，其具有光纤连接口、容纳腔和出射口，所述容纳腔与所述光纤连接口和所述出射口连通，且所述光纤连接口与所述出射口的开口方向相互垂直；

光线转向器件，其布置在所述固定外框的所述容纳腔内，所述光线转向器件为底面为等腰直角三角形的直三棱柱，所述光线转向器件在容纳腔内布置成其相互垂直的两个底面中的一个底面与所述光纤连接口垂直、另一个底面与所述出射口垂直，实现光线出射方向的垂直转弯。

在一些实施例中，所述固定外框的所述容纳腔为正方体结构，所述光纤端头还包括布置在所述容纳腔内的楔合体，所述楔合体也为底面为等腰直角三角形的直三棱柱结构，所述楔合体与所述光线转向器件中心对称，所述楔合体布置在所述光线转向器件的内侧。

在一些实施例中，所述固定外框的容纳腔的入口处具有环形连接孔，所述光纤端头还包括安装在所述环形连接孔位置的压圈，所述压圈用于封堵所述光线转向器件。

在一些实施例中，所述环形连接孔具有内螺纹，所述压圈具有外螺纹，所述压圈的外径大于所述容纳腔的边长，所述压圈的内径小于所述容纳腔的边长且大于光纤纤芯直径。

在一些实施例中，所述光纤连接口的内径不小于所述环形连接孔的内径，所述光纤连接口用于与光纤外层连接。

在一些实施例中，所述光纤连接口与光纤外层螺纹连接、卡扣连接或粘接。

在一些实施例中，所述光线转向器件的材质为熔融石英，其在波长范围200～3000nm的折射率介于1.55～1.42之间。

在一些实施例中，所述光线转向器件的折射率应大于等于1.414。

在一些实施例中，所述楔合体为塑料或金属材质，使用黑色材料或表面发黑处理。

在一些实施例中，所述光纤的纤芯直径为3mm，所述光线转向器件的直角三角形的直角边长为6mm，所述压圈的外径为8mm，内径为4mm，厚度为2mm。

本实用新型在垂直改变光纤端头光出射或入射方向上是一种全新的方法，较以往技术在物理原理上有本质不同。本实用新型利用光的全反射原理，以往使用的或为光纤的物理弯曲，或为利用光的镜面反射。本实用新型实施例根据光从光密介质进入光疏介质时的全反射原理，在需要光线垂直转弯的光纤端头安装放置一个光线转向器件，光纤中的光进入该器件后将在其某个界面处发生一次全反射，使得光线出射方向与入射到该器件的方向成90度，从而实现光纤光出射或入射方向的垂直转弯。本实用新型增加了一种使垂直改变光纤导光方向的新手段，并只需利用一种折射率满足条件的材料，根据光纤直径大小加工成尺寸合适的、底面为等腰直角三角形的直三棱柱，实施起来工序简单、安装方便。

本实用新型的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本实用新型的实践而获知。本实用新型的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本实用新型实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本实用新型能够实现的上述和其他目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本实用新型的原理。为了便于示出和描述本实用新型的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本实用新型实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：

图1为本实用新型一实施例中的光纤端头的剖视结构示意图。

图2为本实用新型一实施例中的光纤端头的光线传输示意图。

附图标记：

1、光线转向器件；11、光纤连接口；12、环形连接孔；13、容纳腔；14、出射口；2、楔合体；3、固定外框；4、压圈；5、光纤；51、纤芯；

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本实用新型做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施方式及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型，在附图中仅仅示出了与根据本实用新型的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本实用新型关系不大的其他细节。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。

在下文中，将参考附图描述本实用新型的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

本实用新型提供了一种光纤端头，该光纤端头处能够垂直改变光出射或入射方向，主要用于光纤入射端或出射端平面需要背靠且尽可能贴近某个基准平面时，或在某些需要光纤垂直转弯但因空间有限又不便于让光纤自然弯曲放置的应用场合。

在一些实施例中，如图1和图2所示，所述光纤端头包括固定外框3和光线转向器件1等。

其中，固定外框3具有光纤连接口11、容纳腔13和出射口14，所述容纳腔13与所述光纤连接口11和所述出射口14连通，且所述光纤连接口11与所述出射口14的开口方向相互垂直。

光线转向器件1布置在所述固定外框3的所述容纳腔13内，所述光线转向器件1为底面为等腰直角三角形的直三棱柱，所述光线转向器件1在容纳腔13内布置成其相互垂直的两个底面中的一个底面与所述光纤连接口11垂直、另一个底面与所述出射口14垂直，实现光线出射方向的垂直转弯。

本实用新型在垂直改变光纤端头光出射或入射方向上是一种全新的方法，较以往技术在物理原理上有本质不同。本实用新型利用光的全反射原理，以往使用的或为光纤的物理弯曲，或为利用光的镜面反射。本实用新型实施例根据光从光密介质进入光疏介质时的全反射原理，在需要光线垂直转弯的光纤端头安装放置一个光线转向器件，光纤中的光进入该器件后将在其某个界面处发生一次全反射，使得光线出射方向与入射到该器件的方向成90度，从而实现光纤光出射或入射方向的垂直转弯。本实用新型增加了一种使垂直改变光纤导光方向的新手段，并只需利用一种折射率满足条件的材料，根据光纤直径大小加工成尺寸合适的、底面为等腰直角三角形的直三棱柱，实施起来工序简单、安装方便。

在一些实施例中，所述固定外框3的所述容纳腔13为正方体结构，所述光纤端头还包括布置在所述容纳腔13内的楔合体2，所述楔合体2也为底面为等腰直角三角形的直三棱柱结构，所述楔合体2与所述光线转向器件1中心对称，所述楔合体2布置在所述光线转向器件1的内侧。在该实施例中，楔合体2可与光线转向器件1的大小相同，各自占据容纳腔13的一半空间。

在一些实施例中，所述固定外框3的容纳腔13的入口处具有环形连接孔12，所述光纤端头还包括安装在所述环形连接孔12位置的压圈4，所述压圈4用于封堵所述光线转向器件1。可选地，所述环形连接孔12具有内螺纹，所述压圈4具有外螺纹，所述压圈4的外径大于所述容纳腔13的边长，所述压圈4的内径小于所述容纳腔13的边长且大于光纤5纤芯51直径。

在一些实施例中，所述光纤连接口11的内径大于所述环形连接孔12的内径，所述光纤连接口11用于与光纤5外层连接。可选地，所述光纤连接口11与光纤5外层螺纹连接、卡扣连接或粘接。

在一些实施例中，所述的光线转向器件1是一种对光纤中所传输的光是透明的均质材料。由于光要进入光线转向器件1并在其内部传输，所以光线转向器件1的材料透过率τ必须满足：

τ(λ₁≤λ≤λ₂)≠0

且τ越接近1越好，这样可以减小光经过光线转向器件1后的衰减。λ₁和λ₂是指希望在光纤中传输的光的波长上下限。

光线转向器件1的几何形状是一直三棱柱，且其底面为等腰直角三角形。光线转向器件1放置在需要光线垂直转弯的光纤端头前，且将等腰直角三角形其中一个直角边所在的侧面与光纤5轴向垂直。

所述光线转向器件1的材质为熔融石英(JGS1)，其在波长范围200～3000nm的折射率介于1.55～1.42之间。进一步地，光线转向器件1的折射率比空气的折射率大，同时光线传输至等腰直角三角形斜边所在侧面时将发生全反射，根据全反射发生的条件，光线转向器件1的折射率还应满足：

n_λ(λ₁≤λ≤λ₂)≥sec45°≈1.414

其中n_λ是光线转向器件1在波长λ处的折射率，λ₁和λ₂是指希望在光纤中传输的光的波长上下限。

在本实施例中，由于采用的光纤5是通光孔径(纤芯51)3mm的光纤束，因此将光线转向器件1的直角三角形边长确定为6mm，同时直三棱柱的高也是6mm。之所以选用熔融石英(JGS1)，是因为本实施例中光纤拟传输光的波长范围是200nm-1000nm。按照本实用新型对光线转向器件1的要求，光线转向器件1材料应在200nm-1000nm范围内要有较高的透过率，且各波长处的折射率均应不小于1.414。而熔融石英(JGS1)在185nm-2600nm都有很高的透过率(厚度10mm时约85％以上)，并且其在200nm-1000nm范围内的折射率在1.55-1.43之间，满足要求。

在一些实施例中，楔合体可采用塑料、金属等材质，注塑或加工成外形、尺寸与光线转向器件1完全相同的部件。本实施例中楔合体采用合金铝加工，表面氧化黑，与光线转向器件1一起如图1所示楔合放置，组合成一个边长为6mm的正方体，放进固定外框3中，并用压圈4旋紧固定，使得光线转向器件1不会向外滑落。压圈4为一个中心掏孔的圆环，圆环直径8mm、厚2mm，外侧有螺纹，可与固定外框3的内壁螺纹螺合；掏孔直径4mm，不影响通光孔径3mm的光纤5束向前传光。

图1中右侧的虚线部分是光纤5，中间部分是纤芯51，也可以是光纤束的中心通光部分。光纤5与固定外框3可以采用螺纹的方式连接，也可以采用卡扣或胶粘的方式连接。光纤不包含在本实施例中，图1一并画出光纤结构只是为了更清楚地示出本实施例光纤端头的结构。

图2是本实用新型一实施例的光线传输示意图。光线转向器件1放置在需要光线垂直转弯的光纤端头前，且将等腰直角三角形其中一个直角边所在的侧面与光纤轴向垂直。

当该光纤端头作为出射端时，光纤5的纤芯51或通光部分中传导的光线射向光线转向器件1，光线将在第一界面(直三棱柱的竖直正方形侧面)处发生第一次折射。由于光纤5轴向与该界面垂直，且是由光疏介质进入光密介质，因此，沿着轴向传播的光线将垂直进入光线转向器件1，而在光纤5数值孔径内的其它光线折射进入光线转向器件1后偏离轴向的角度将比先前减小。

当进入光线转向器件1的光线传播至等腰直角三角形斜边所在界面时，光线传输方向与该界面法线方向所成角度满足全反射条件的，将发生全反射。根据全反射的原理容易判断，图2中所示光纤端头，沿着光线向外传播，越向上偏离光纤轴向的光线，实际到达等腰直角三角形斜边所在界面时的入射角会越大，越满足全反射条件；而向下偏离光纤轴向的光线，实际到达等腰直角三角形斜边所在界面时的入射角会逐渐减小，偏离角度较小时还能满足全反射条件，但偏离到一定程度，将不能满足全反射条件而折射出光线转向器件1。也就是说，实际发生全反射的光线会是原入射光束中的一部分，即会存在一部分光损失，损失的比例与光纤的数值孔径大小有关。

经过光线转向器件1全反射的光线已与入射方向基本成90度，继续向前传播至光线转向器件1的直角边所在的侧面，光线在此发生折射，与在第一个直角边所在侧面时的过程一样。从该界面(直三棱柱的水平正方形侧面)折射后出射的光线，即完成了光线的出射方向与入射方向成90度的转变。

以上是以图2中光纤5作为出射端头时，光线在光线转向器件11中的传输过程说明。若将图2中光纤5作为入射端头，光线的传输过程所遵循的原理也是一样的。

本实用新型由于采用了上述技术方案，使之与现有技术相比，具有下列优点、特点和积极效果：

1.本实用新型在垂直改变光纤端头光出射或入射方向上是一种全新的方法，较以往技术在物理原理上有本质不同。本实用新型利用光的全反射原理，以往使用的或为光纤的物理弯曲，或为利用光的镜面反射。

2.本实用新型增加了一种使垂直改变光纤导光方向的新手段，并只需利用一种折射率满足条件的材料，根据光纤直径大小加工成尺寸合适的、底面为等腰直角三角形的直三棱柱，实施起来工序简单、安装方便。

本实用新型中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型实施例可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种垂直改变光出射或入射方向的光纤端头，其特征在于，所述光纤端头包括：

固定外框，其具有光纤连接口、容纳腔和出射口，所述容纳腔与所述光纤连接口和所述出射口连通，且所述光纤连接口与所述出射口的开口方向相互垂直；

光线转向器件，其布置在所述固定外框的所述容纳腔内，所述光线转向器件为底面为等腰直角三角形的直三棱柱，所述光线转向器件在容纳腔内布置成其相互垂直的两个底面中的一个底面与所述光纤连接口垂直、另一个底面与所述出射口垂直，所述光线转向器件在等腰直角三角形斜边所在侧面使光线发生一次全反射，实现光线出射方向的垂直转弯。

2.根据权利要求1所述的垂直改变光出射或入射方向的光纤端头，其特征在于，所述固定外框的所述容纳腔为正方体结构，所述光纤端头还包括布置在所述容纳腔内的楔合体，所述楔合体也为底面为等腰直角三角形的直三棱柱结构，所述楔合体与所述光线转向器件中心对称，所述楔合体布置在所述光线转向器件的内侧。

3.根据权利要求1所述的垂直改变光出射或入射方向的光纤端头，其特征在于，所述固定外框的容纳腔的入口处具有环形连接孔，所述光纤端头还包括安装在所述环形连接孔位置的压圈，所述压圈用于封堵所述光线转向器件。

4.根据权利要求3所述的垂直改变光出射或入射方向的光纤端头，其特征在于，所述环形连接孔具有内螺纹，所述压圈具有外螺纹，所述压圈的外径大于所述容纳腔的边长，所述压圈的内径小于所述容纳腔的边长且大于光纤纤芯直径。

5.根据权利要求3所述的垂直改变光出射或入射方向的光纤端头，其特征在于，所述光纤连接口的内径不小于所述环形连接孔的内径，所述光纤连接口用于与光纤外层连接。

6.根据权利要求5所述的垂直改变光出射或入射方向的光纤端头，其特征在于，所述光纤连接口与光纤外层螺纹连接、卡扣连接或粘接。

7.根据权利要求1所述的垂直改变光出射或入射方向的光纤端头，其特征在于，所述光线转向器件的材质为熔融石英，其在波长范围200～3000nm的折射率介于1.55～1.42之间。

8.根据权利要求1所述的垂直改变光出射或入射方向的光纤端头，其特征在于，所述光线转向器件的折射率应大于等于1.414。

9.根据权利要求2所述的垂直改变光出射或入射方向的光纤端头，其特征在于，所述楔合体为塑料或金属材质，使用黑色材料或表面发黑处理。

10.根据权利要求4所述的垂直改变光出射或入射方向的光纤端头，其特征在于，所述光纤的纤芯直径为3mm，所述光线转向器件的直角三角形的直角边长为6mm，所述压圈的外径为8mm，内径为4mm，厚度为2mm。

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