一種中空光滑環及其傳輸光信號的方法

《一種中空光滑環及其傳輸光信號的方法》是中國電子科技集團公司第八研究所於2013年9月4日申請的專利，該專專利公布號：CN103472539A，專利公布日：013年12月25日，發明人是：陸兆輝。

《一種中空光滑環及其傳輸光信號的方法》包括定子，轉子，輸入光纖通道、環形傾斜光纖光柵、輸出光纖通道，定子和轉子由環形基體構成，定子和轉子環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定在定子中，傾斜光柵繞圓周一周刻製成全光柵區，當輸入光纖通道中的光束射入傾斜光纖光柵中後，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後的光纖垂直向上傳輸，進入輸出端光纖通道。該中空光滑環結構簡單，對機械裝置精度要求不高，易於實現，可中空狀態傳輸氣體、液體等流動介質等。

2021年8月16日，《一種中空光滑環及其傳輸光信號的方法》獲得安徽省第八屆專利獎優秀獎。

（概述圖為《一種中空光滑環及其傳輸光信號的方法》的摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種中空光滑環及其傳輸光信號的方法
• 公布號：CN103472539A
• 公布日：2013年12月25日
• 申請號：2013103977269
• 申請日：2013年9月4日
• 申請人：中國電子科技集團公司第八研究所
• 地址：安徽省淮南市國慶中路369號
• 發明人：陸兆輝
• Int.Cl.：G02B6/34(2006.01)I、G02B6/36(2006.01)I
• 專利代理機構：北京雙收智慧財產權代理有限公司
• 代理人：王菊珍
• 類別：發明專利

專利背景

光纖的一些特性如寬頻寬、抗干擾、低損耗、重量輕、體積小等優點使其在越來越多的套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，光信號的傳輸常常線上路的某箇中間環節需要旋轉耦合裝置，如雷達天線和它的車載信號處理系統之間，海底機器人與控制船隻之間，工業上套用的機械手與主控台之間的連線線路等，都需要在兩個相對旋轉的部分實現光纖光路的連線，普通的固定連線器無法完成動態連線，而光滑環（也稱光纖旋轉連線器）正是實現旋轉連線不可或缺的器件。在光滑環信號傳輸過程中，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，而這個通道經常設定在中心軸的位置；有時在連線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。截至2013年9月，由於中心軸被其他介質或器件占用，光信號不再沿連線器轉動中心傳輸光信號，而大部分已有光滑環的光傳輸通道都是按照所使用光器件的光軸與連線器轉動中心重合的技術路線進行設計和製造的，因此，已有這部分光滑環已經不能滿足上述場合的套用，需要一種光信號能在中空光滑環中傳輸。

截至2013年9月，已經有幾種“中空”態光滑環，它們各自有其特點與缺點。專利US410998提出一種中空光滑環，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提出的連線器採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於一點，成為一個虛焦點，之後光束髮散，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、反射等過程最後到達出射端輸出。專利US2004/0086222A1採用U型反射槽來傳播光束，反射槽置於外圓周上，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形基體，基體用於實現光束的轉折，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，這些光纖旋轉連線器都對機械裝置精度要求高，而連線效率低，不僅成本高而且難實現。

發明內容

專利目的

《一種中空光滑環及其傳輸光信號的方法》的目的是克服2013年9月以前的技術中存在的上述不足，提供一種新型中空光滑環。

技術方案

《一種中空光滑環及其傳輸光信號的方法》包括定子，轉子，輸入光纖通道、環形光導元件、輸出光纖通道，定子和轉子由環形基體構成，定子和轉子環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。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定在定子中，由輸入光纖通道引導的輸入光束射入環形傾斜光纖光柵。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形的管狀結構，傾斜光纖光柵部分設定在定子中，環形的傾斜光纖光柵的中心線和定子軸線相互重合，環形傾斜光纖光柵的中心平面和定子上表面重合，環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製成全光柵區，當輸入光束射入光纖中後，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後的光纖垂直向上傳輸。

輸出端光纖通道設定在轉子中，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。優選地，環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，其反射光在整個環形的傾斜光纖光柵上垂直向上傳輸，利於輸出光纖通道接收。一種利用上述光滑環傳輸光信號的方法，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後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，並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。

改善效果

《一種中空光滑環及其傳輸光信號的方法》的中空光滑環結構簡單，對機械裝置精度要求不高，易於實現，可中空狀態傳輸氣體、液體等流動介質等。可廣泛套用於CT掃描、光信號的旋轉連線等場合，具有良好的市場前景。

附圖說明

圖1是根據《一種中空光滑環及其傳輸光信號的方法》的中空光滑環結構示意圖；

圖2是根據《一種中空光滑環及其傳輸光信號的方法》的傾斜光纖光柵結構示意圖。

圖中，1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。

技術領域

《一種中空光滑環及其傳輸光信號的方法》涉及一種光滑環，特別涉及一種旋轉光滑環。

權利要求

1.《一種中空光滑環及其傳輸光信號的方法》包括定子，轉子，輸入光纖通道、環形光導元件、輸出 光纖通道，其特徵在於：定子和轉子由環形基體構成，定子和轉子環形的徑向外 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，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定在定子中，由輸入光纖通道引導 的輸入光束射入環形光導元件。

3.根據權利要求2所述的中空光滑環，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形的管狀結構；傾 斜光纖光柵部分設定在定子中，環形的傾斜光纖光柵的中心線和定子軸線相互重 合，環形傾斜光纖光柵的中心平面和定子上表面重合，環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製成全光柵區，當輸入光束 射入光纖中後，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 過剝除外包層後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，其中所述輸出端光纖通道設定在轉子 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，其中環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形的傾斜光纖光柵中。

6.一種利用根據權利要求1至5的中空光滑環傳輸光信號的方法，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後的光纖垂直向上 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，並把接收的光信號 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。

實施方式

如圖1所示，《一種中空光滑環及其傳輸光信號的方法》提供的中空光滑環，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。定子1和轉子2由環形基體構成，定子1和轉子2環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。定子環形基體和轉子相對的面為一個平面，稱為定子上表面9。傾斜光纖光柵3形成環形的管狀結構，部分設定在定子中，環形傾斜光纖光柵3的中心線和定子軸線4相互重合，環形傾斜光纖光柵3的中心平面是和該環形傾斜光纖光柵3的中心線垂直並截取該環形傾斜光纖光柵面積最大的平面，環形傾斜光纖光柵3的中心平面和定子上表面重合。環形傾斜光纖光柵露出定子部分的光纖外包層32被剝除。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的一部分設定在定子中，由輸入光纖通道引導的輸入光束射入環形傾斜光纖光柵3。輸出端光纖通道7設定在轉子中，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。

圖2是傾斜光纖光柵結構示意圖，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進入光纖中後，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。將傾斜光纖光柵做成環形，就可得到環形的傾斜光纖光柵3，《一種中空光滑環及其傳輸光信號的方法》的優選實施例中，環形的傾斜光纖光柵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形的傾斜光纖光柵3中，由於光纖的全反射效應，光束在整個環形的傾斜光纖光柵3中傳播，同時，傾斜光柵32繞圓周一周刻製成全光柵區，光經過傾斜光柵32時，會產生反射，由於環形傾斜光纖光柵露出定子部分的光纖外包層32被剝除，其反射光在整個環形的傾斜光纖光柵3上垂直向上傳輸，利於輸出光纖通道7接收。該發明還公開一種利用上述光滑環傳輸光信號的方法，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後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，並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。

《一種中空光滑環及其傳輸光信號的方法》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，類似於CCD相機里用的那種用於像元撲捉的衍射光柵，其結構較大，為柱狀體或平面，《一種中空光滑環及其傳輸光信號的方法》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，非常易於與光通信集成，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公開的光滑環的結構複雜，各幾何參數之間要嚴格滿足一定的數學關係，加工製造困難。

榮譽表彰

2021年8月16日，《一種中空光滑環及其傳輸光信號的方法》獲得安徽省第八屆專利獎優秀獎。