一種中空光滑環(huán)及其傳輸光信號的方法
【專利摘要】一種中空光滑環(huán)，包括定子，轉子，輸入光纖通道、環(huán)形傾斜光纖光柵、輸出光纖通道，定子和轉子由環(huán)形基體構成，定子和轉子環(huán)形的徑向外圓和徑向內圓相等，軸線相互重合，形成中空結構。傾斜光纖光柵部分設置在定子中，傾斜光柵繞圓周一周刻制成全光柵區(qū)，當輸入光纖通道中的光束射入傾斜光纖光柵中后，按照一定傾斜度設計的傾斜光柵會部分反射輸入光束，反射光經過剝除外包層后的光纖垂直向上傳輸，進入輸出端光纖通道。該中空光滑環(huán)結構簡單，對機械裝置精度要求不高，易于實現，可中空狀態(tài)傳輸氣體、液體等流動介質等。
【專利說明】一種中空光滑環(huán)及其傳輸光信號的方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種光滑環(huán)，特別涉及一種旋轉光滑環(huán)。
【背景技術】
[0002]光纖的一些特性如寬帶寬、抗干擾、低損耗、重量輕、體積小等優(yōu)點使其在越來越多的應用中成為理想信號載體。在光纖信號傳輸種類中，某些情況下，光信號的傳輸常常在線路的某個中間環(huán)節(jié)需要旋轉耦合裝置，如雷達天線和它的車載信號處理系統(tǒng)之間，海底機器人與控制船只之間，工業(yè)上應用的機械手與主控臺之間的連接線路等，都需要在兩個相對旋轉的部分實現光纖光路的連接，普通的固定連接器無法完成動態(tài)連接，而光滑環(huán)(也稱光纖旋轉連接器)正是實現旋轉連接不可或缺的器件。
[0003]在光滑環(huán)信號傳輸過程中,有時還伴隨氣、油和水等介質的傳輸,例如有些雷達使用過程中信號要伴隨高壓氣體同時傳輸，這些介質的傳輸需要一個通道，而這個通道經常設置在中心軸的位置；有時在連接器的中心軸的部分還有安放一些滾軸、轉桶等器件，甚至是人體，其目的是進行一些拉伸、滾動或掃描的操作。由于中心軸被其他介質或器件占用，光信號不再沿連接器轉動中心傳輸光信號，而大部分現有光滑環(huán)的光傳輸通道都是按照所使用光器件的光軸與連接器轉動中心重合的技術路線進行設計和制造的。因此，現有這部分光滑環(huán)已經不能滿足上述場合的應用，需要一種光信號能在中空光滑環(huán)中傳輸。
[0004]目前，已經有幾種“中空”態(tài)光滑環(huán)，它們各自有其特點與缺點。專利US410998提出一種中空光滑環(huán)，它的基本原理是通過內、外兩片圓反射鏡，利用光束在反射鏡之間的反射來傳播光束。專利US4934783提出的連接器采用一個柱面作為反射鏡，柱面對入射的平面光束反射會聚焦于一點，成為一個虛焦點，之后光束發(fā)散，再經過反射鏡反射重新會聚成另一個虛焦點，以此經過會聚、反射、會聚、反射等過程最后到達出射端輸出。專利US2004/0086222A1采用U型反射槽來傳播光束，反射槽置于外圓周上，圓周上分布有多個反射槽，光在多個反射槽之間傳輸。專利CN101788699A利用光柵把輸入光束耦合進環(huán)形基體，基體用于實現光束的轉折，傳輸介質的上表面為一個平面，其上鍍有4?5層膜。傳輸介質的下表面為一個錐面，這些光纖旋轉連接器都對機械裝置精度要求高，而連接效率低，不僅成本高而且難實現。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服現有技術中存在的上述不足，提供一種新型中空光滑環(huán)。為實現上述目的，本發(fā)明的技術方案為:
[0006]一種中空光滑環(huán)，包括定子，轉子，輸入光纖通道、環(huán)形光導元件、輸出光纖通道，定子和轉子由環(huán)形基體構成，定子和轉子環(huán)形的徑向外圓和徑向內圓相等，軸線相互重合，形成中空結構。
[0007]輸入光纖通道是光信號的輸入端，由光纖構成，輸入光纖通道的一部分設置在定子中，由輸入光纖通道引導的輸入光束射入環(huán)形傾斜光纖光柵。[0008]光導元件是傾斜光纖光柵，包括光纖主體，傾斜光柵和光纖外包層。傾斜光纖光柵形成環(huán)形的管狀結構，傾斜光纖光柵部分設置在定子中，環(huán)形的傾斜光纖光柵的中心線和定子軸線相互重合，環(huán)形傾斜光纖光柵的中心平面和定子上表面重合，環(huán)形傾斜光纖光柵露出定子部分的光纖外包層被剝除。傾斜光柵繞圓周一周刻制成全光柵區(qū)，當輸入光束射入光纖中后，按照一定傾斜度設計的傾斜光柵會部分反射輸入光束，反射光經過剝除外包層后的光纖垂直向上傳輸。
[0009]輸出端光纖通道設置在轉子中，由準直透鏡、光纖準直器和光纖構成，輸出端光纖通道的準直透鏡的軸線和轉子軸線平行，準直透鏡繞軸旋轉的半徑和環(huán)形傾斜光纖光柵的半徑相等，在輸出端光纖通道旋轉過程中，可以一直對準環(huán)形傾斜光纖，以便接收傾斜光柵反射的光束，準直透鏡把由傾斜光柵反射的光束集中到光纖準直器中，再由光纖準直器把光束傳播到光纖中，以便輸出。
[0010]優(yōu)選地，環(huán)形的傾斜光纖光柵中刻寫的傾斜光柵的法線與定子軸線的夾角為45度。輸入光纖通道中光纖引導的光束沿與定子軸線垂直方向射入環(huán)形的傾斜光纖光柵中，光經過傾斜光柵時，會產生反射，其反射光在整個環(huán)形的傾斜光纖光柵上垂直向上傳輸，利于輸出光纖通道接收。
[0011]—種利用上述光滑環(huán)傳輸光信號的方法，將光信號注入輸入光纖通道，輸入光纖通道引導的輸入光信號射入環(huán)形傾斜光纖光柵，傾斜光柵會部分反射輸入光信號，反射光經過剝除外包層后的光纖垂直向上傳輸，輸出光纖通道的準直透鏡接收傾斜光柵反射的光信號，并把接收的光信號集中到光纖準直器中，再由光纖準直器把光束傳播到光纖中，得到輸出光信號。
[0012]本發(fā)明的中空光滑環(huán)結構簡單，對機械裝置精度要求不高，易于實現，可中空狀態(tài)傳輸氣體、液體等流動介質等?？蓮V泛應用于CT掃描、光信號的旋轉連接等場合，具有良好的市場前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]為了更清楚地說明本發(fā)明的技術方案，下面將對發(fā)明實施例描述中需要使用的附圖作簡單的介紹，其中
[0014]圖1是根據本發(fā)明的中空光滑環(huán)結構示意圖；
[0015]圖2是根據本發(fā)明的傾斜光纖光柵結構示意圖。
[0016]圖中，I為定子，2為轉子，3為傾斜光纖光柵，4為定子、轉子軸線，5定子、轉子內孔，6為輸入光纖通道,7為輸出光纖通道,8為轉子旋轉方向,9為定子的上表面，10為輸出光束，11為輸入光束，31為光纖主體,32為傾斜光柵,33為光柵法線,34為光纖外包層。
【具體實施方式】
[0017]如圖1所示，本發(fā)明提供的中空光滑環(huán)，包括定子1，轉子2，輸入光纖通道6、傾斜光纖光柵3、輸出光纖通道7。
[0018]定子I和轉子2由環(huán)形基體構成,定子I和轉子2環(huán)形的徑向外圓和徑向內圓相等，軸線4相互重合，形成中空結構。定子環(huán)形基體和轉子相對的面為一個平面，稱為定子上表面9。[0019]傾斜光纖光柵3形成環(huán)形的管狀結構，部分設置在定子中，環(huán)形傾斜光纖光柵3的中心線和定子軸線4相互重合，環(huán)形傾斜光纖光柵3的中心平面是和該環(huán)形傾斜光纖光柵3的中心線垂直并截取該環(huán)形傾斜光纖光柵面積最大的平面，環(huán)形傾斜光纖光柵3的中心平面和定子上表面重合。環(huán)形傾斜光纖光柵露出定子部分的光纖外包層32被剝除。
[0020]輸入光纖通道6是光信號的輸入端，由光纖構成,輸入光纖通道6的一部分設置在定子中，由輸入光纖通道引導的輸入光束射入環(huán)形傾斜光纖光柵3。輸出端光纖通道7設置在轉子中，包括準直透鏡、光纖準直器和光纖(圖中未示出)，輸出端光纖通道7的準直透鏡的軸線和轉子軸線4平行，其繞軸旋轉的半徑和環(huán)形傾斜光纖光柵的半徑相等，在輸出端光纖通道7旋轉過程中，可以一直對準環(huán)形傾斜光纖，以便接收傾斜光柵反射的光束，準直透鏡把由傾斜光柵反射的光束集中到光纖準直器中，再由光纖準直器把光束傳播到光纖中，以便輸出。
[0021]圖2是傾斜光纖光柵結構意圖,傾斜光纖光柵包括光纖主體31,傾斜光柵32和光纖外包層34。當輸入光束11進入光纖中后，按照一定傾斜度設計的傾斜光柵32會部分反射輸入光束11，其反射光經過光纖外包層34垂直向上傳輸。
[0022]將傾斜光纖光柵做成環(huán)形，就可得到環(huán)形的傾斜光纖光柵3，本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，環(huán)形的傾斜光纖光柵3中刻寫的傾斜光柵32的法線33與定子軸線的夾角為45度。輸入光纖通道中光纖引導的光束沿與定子軸線垂直方向射入環(huán)形的傾斜光纖光柵3中，由于光纖的全反射效應，光束在整個環(huán)形的傾斜光纖光柵3中傳播，同時，傾斜光柵32繞圓周一周刻制成全光柵區(qū)，光經過傾斜光柵32時,會產生反射，由于環(huán)形傾斜光纖光柵露出定子部分的光纖外包層32被剝除,其反射光在整個環(huán)形的傾斜光纖光柵3上垂直向上傳輸,利于輸出光纖通道7接收。
[0023]本發(fā)明還公開一種利用上述光滑環(huán)傳輸光信號的方法，將光信號注入輸入光纖通道6,輸入光纖通道引導的輸入光信號射入環(huán)形傾斜光纖光柵3,傾斜光柵會部分反射輸入光信號，反射光經過剝除外包層后的光纖垂直向上傳輸，輸出光纖通道7的準直透鏡接收傾斜光柵反射的光信號，并把接收的光信號集中到光纖準直器中，再由光纖準直器把光束傳播到光纖中，得到輸出光信號。
[0024]本發(fā)明中使用的傾斜光纖光柵與專利CN101788699A中使用的衍射閃耀光柵不同，衍射閃耀光柵為純光學元件，雖然其名稱為光柵，類似于CCD相機里用的那種用于像元撲捉的衍射光柵，其結構較大，為柱狀體或平面，本發(fā)明的光柵為光纖光柵，是在光纖上直接經過刻寫加工成的光纖光柵，其結構仍為光纖，只是刻寫的那一段成為光纖光柵，結構非常小巧，非常易于與光通信集成，光信號傳輸損耗較小，融合度高，實現的可行性非常高，而且，其中CN101788699A公開的光滑環(huán)的結構復雜，各幾何參數之間要嚴格滿足一定的數學關系，加工制造困難。本發(fā)明的中空光滑環(huán)結構簡單，對機械裝置精度要求不高，易于實現，具有良好的市場前景。
【權利要求】
1.一種中空光滑環(huán)，包括定子，轉子，輸入光纖通道、環(huán)形光導元件、輸出光纖通道，其特征在于:定子和轉子由環(huán)形基體構成，定子和轉子環(huán)形的徑向外圓和徑向內圓相等，軸線相互重合，形成中空結構。
2.根據權利要求1所述的中空光滑環(huán)，其中所述輸入光纖通道是光信號的輸入端，由光纖構成，輸入光纖通道的一部分設置在定子中，由輸入光纖通道引導的輸入光束射入環(huán)形光導兀件。
3.根據權利要求2所述的中空光滑環(huán)，其中所述光導元件是傾斜光纖光柵，包括光纖主體，傾斜光柵和光纖外包層，傾斜光纖光柵形成環(huán)形的管狀結構；傾斜光纖光柵部分設置在定子中，環(huán)形的傾斜光纖光柵的中心線和定子軸線相互重合，環(huán)形傾斜光纖光柵的中心平面和定子上表面重合，環(huán)形傾斜光纖光柵露出定子部分的光纖外包層被剝除。傾斜光柵繞圓周一周刻制成全光柵區(qū)，當輸入光束射入光纖中后，按照一定傾斜度設計的傾斜光柵會部分反射輸入光束，反射光經過剝除外包層后的光纖垂直向上傳輸。
4.根據權利要求2所述的中空光滑環(huán)，其中所述輸出端光纖通道設置在轉子中，由準直透鏡、光纖準直器和光纖構成，輸出端光纖通道的準直透鏡的軸線和轉子軸線平行，準直透鏡繞轉子軸線旋轉的半徑和環(huán)形傾斜光纖光柵的半徑相等，在輸出端光纖通道旋轉過程中，可以一直對準環(huán)形傾斜光纖，以便接收傾斜光柵反射的光束，準直透鏡把由傾斜光柵反射的光束集中到光纖準直器中，再由光纖準直器把光束傳播到光纖中，以便輸出。
5.根據權利要求3所述的中空光滑環(huán)，其中環(huán)形的傾斜光纖光柵中刻寫的傾斜光柵的法線與定子軸線的夾角為45度，輸入光纖通道中光纖引導的光束沿與定子軸線垂直的方向射入環(huán)形的傾斜光纖光柵中。
6.—種利用根據權利要求1至5的中空光滑環(huán)傳輸光信號的方法,包括將光信號注入輸入光纖通道，輸入光纖通道引導的輸入光信號射入環(huán)形傾斜光纖光柵，傾斜光柵會部分反射輸入光信號，反射光經過剝除外包層后的光纖垂直向上傳輸，輸出光纖通道的準直透鏡接收傾斜光柵反射的光信號，并把接收的光信號集中到光纖準直器中，再由光纖準直器把光束傳播到光纖中，得到輸出光信號。
【文檔編號】G02B6/36GK103472539SQ201310397726
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月4日 優(yōu)先權日:2013年9月4日
【發(fā)明者】陸兆輝 申請人:中國電子科技集團公司第八研究所