CN104969105A - 光学旋转传输器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于传输光信号的光学旋转传输器，包括:具有一个或多个第一光导体11的第一光耦合器1，第一光导体的端面设计用于传输光信号并设置在围绕中央转轴Z的第一环上；具有一个或多个第二光导体31的第二光耦合器3，第二光导体的端面设计用于传输光信号并设置在围绕中央转轴Z的第二环上；具有多个第三光导体的纤维镜5，这些第三光导体设置在两个光耦合器1，3之间，并设计用于补偿这两个光耦合器1，3之间的相对转动对光信号传输造成的影响，其中，第三光导体的端面设计用于传输光信号并设置在围绕中央转轴Z的第三和第四环上，其中，由第三环和第四环形成的入光面/出光面基本上是无缝隙的，从而实现光信号无中断的连续传输。

Description

光学旋转传输器

技术领域

本发明涉及一种用于光学旋转传输器以及一种相应的用于光信号传输的方法。

背景技术

这类的旋转传输器例如从WO 2011/137983中已知并且可以是例如旋转耦合器或其它具有旋转的、相互间隔开的部件的设备的组成部分。该旋转传输器实现了，在彼此能够相对旋转的部件之间，无关于其旋转位置和角速度地单向或双向传输光信号。其波长范围可以从长波的红外线直到短波的紫外线。以这个含义来理解下文中的“光学”和“光”的概念。

从US-A-4 943 137中已知一种旋转传输器，借助于该旋转传输器，光由光发送器经光纤以及准直仪引导至光学耦合组件并由此继续引导到光接收器，其中光发送器对应于两个能够彼此相对转动的部件中的一个，而光接收器对应于另一个能够转动的部件。该耦合组件用于光的反旋并以这两个能够彼此相对旋转的部件的角速度的一半自旋。该耦合组件在用于说明基本结构方式的图3中示出，在此不进一步详细描述。这里请参阅上述发表物的公开内容。

利用这种旋转传输器可以同时传输多个信道，因为一个能够旋转的部件的每个光导体固定地对应于另一个能够旋转的部件的一个光导体。理论上，能够由此传输和配有的光导体的数量一样多的信道。不过由于相邻信道之间的互扰，实际上可用的信道的数量通常大概相当于光导体数量的一半。

该公开内容也示出了将准直仪用于将光耦合入光导体的端面中。沿着纤维镜的周长、以一定间隙设置准直仪。

该设计的问题在于，在这个装置转动时，会出现已透过的光信号的振幅在最大值和最小值之间的波动，当能够旋转的部件的一个光导体正好在纤维镜内的一个光导体上时，会出现最大值，而当能够转动的部件的光导体正好处于该纤维镜的两个光导体之间时，则会出现最小值。在多个传输任务的情况下并不能够容许这种类型的信号强度的波动。

此外，从DE 019529527 C1中已知，通过光导体的纤维的热致膨胀，为其终段赋予几乎为矩形或正方形的横截面。

所有这些已知的旋转传输器都具有这一问题，即，在具有大范围且自由的内部空间的同时，不能够实现具有高质量和高传输率的连续的信号传输。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种旋转传输器，该旋转传输器在其相对简单的结构的条件下，保证了在能够彼此相对旋转的部件之间的相互物理间隔的信道中同时可靠并连续地传输多个光信号。

该目的根据本发明通过根据权利要求1所述的一种旋转传输器而达到。从属权利要求涉及到本发明其他有利的设计方案。

该旋转传输器可以单向地或双向地工作。因此在下文中“发送”“接收”的概念能够互换。

由于其简单且尽可能对称的结构，该旋转传输器能够低成本地生产并且同时保证了无关于能够彼此相对转动部件的角速度的高信号传输安全性。

该光导体优选由多个以LWL纤维形式的光导纤维体制成，适宜地将这些光导纤维体在其耦合终端或去耦合终端处结成一束。在耦合终端或去耦合终端能够直接或者经集中器连接常见的光半导体发送装置或光半导体接收装置。

虽然成本更高，但也可以替代性地使每条LWL纤维结束于其对应的一个发送元件或接收元件处。在这种情况下，必须平行地操纵所有发送元件并且将接收元件的接收信号集合起来。更高的光传输功率优化了在接收侧的信号之间的信噪比。

附图说明

下面，结合附图对本发明进行说明，在这些附图中示出了示意性简化了的旋转传输器的基本部件的实施例。其中:

图1示出了根据本发明的具有纤维镜的光学旋转传输器；

图2示出了准直仪的一种实施例；

图3示出了现有技术中的常见的纤维镜的细节图，以用于说明纤维镜的基本结构；以及

图4示出了根据本发明的纤维镜的光导体端面的一种优选的设置。

具体实施方式

图1示出了旋转传输器的基本部件。该旋转传输器包括第一光耦合器1和第二光耦合器3。这两个光耦合器1，3彼此相对地设置。第一光耦合器1对应于旋转传输器的没有示出的第一部分，第二光耦合器3对应于能够相对于第一部分围绕着共同的转轴Z旋转的旋转传输器的第二部分。

第一光耦合器1包括多个第一光导体11，这些第一光导体的端面13设计用于传输光信号并且设置在围绕转轴Z的第一环上。

同样地，第二光耦合器3具有多个第二光导体31，这些第二光导体的端面设计用于传输光信号并且设置在围绕转轴Z的第二环上。

第一光耦合器1包括第一准直仪组7。类似地，第二光耦合器3包括第二准直仪组9。第一准直仪组7优选包括均匀分布在圆周上的准直仪装置。第二准直仪组9包括类似配置的准直仪装置。该准直仪装置发出或接收基本平行于共同的转轴Z的光。该照射方向在图1中只示范性地通过一些单箭头来表示，其中，在这个情况下光耦合器1是发射光耦合器并且光耦合器3是接收光耦合器。当然这个关系是交互的。

在这两个光耦合器1，3之间设置有一个纤维镜5。该纤维镜5这样地设置，即，以已知的方式以转动的光耦合器1，3的一半的转速与之共同旋转。纤维镜5具有多个第三光导体，这些第三光导体设置在这两个光耦合器1，3之间，并且设计用来补偿这两个光耦合器1，3之间的相对转动对光信号传输造成的影响，其中第三光导体的端面53，55设计用于传输光信号并且设置在围绕着转轴Z的第三和第四环上。这种类型的纤维镜是已知的并且示范性地在US 4 943 137中描述。在图1中没有示出在纤维镜内部的光导体及其延伸。不过在图3中借助常见的纤维镜示出了该原理。

第一环在第三环的对面，并且第二环在第四环的对面。

纤维镜5包括了第三准直仪组72以及第四准直仪组92。第三和第四准直仪组72，92包括均匀并相邻地分布在圆周上的准直仪装置，从而在第三和第四环上形成纤维镜的这些基本上无缝隙的入光面/出光面，从而实现了光信号的无中断的连续传输。

这些准直仪装置也发射或接收基本平行于共同转轴的光。

在光耦合器1，3以及在纤维镜5中的光导体优选为LWL纤维。

在光耦合器1，3中的LWL纤维分别结成一束，该纤维束延伸至适合的发送器或接收器。

准直仪组7，72或9，92这样设计，即，它们将经各自的LWL纤维耦合的光信号变成平行的光束或将接收的平行光束耦合到连接的LWL纤维中。

准直仪组7，9，72，92的圆形或环形形状使光耦合器1，3以及纤维镜5的内径是空着的，从而旋转传输器的其它的没有示出的部件(例如传动轴)例如可以穿过孔或者可以设置没有示出的转轴承。

图2以中央连接的LWL纤维的示图，仅示范性地图解了每一个准直仪组7，9，72，92中的一个准直仪装置的结构。该准直仪装置包括透镜15，平行光束经该透镜形成的面进入。在该透镜15上连接有用于将光朝向一个面引导的圆锥体17，从而形成光学集中器19，该光学集中器使光束的直径和孔径与各个LWL纤维的耦合直径和孔径相适应。该LWL纤维经没有进一步示出的、以连接点和耦合点形式的常见连接装置，与准直仪装置优选直接地连接，即，没有空气间隙地连接。

光耦合器1，3的准直仪装置能够间隔地设置在第一环和第二环上。该准直仪装置的数量由待传输的平行信号通道的数量来确定。在每个光耦合器中为每个信号通道设置至少一个准直仪装置以及一个光导体。以有利的方式使一个信道同时经光耦合器1，3的多个光导体以及准直仪装置传输，从而提高传输的可靠性。

因此优选地，纤维镜5的光导体51相对于光耦合器1，3的光导体11，31这样设置在各自的入光面/出光面上，即，如果为了光信号的传输而将光耦合器1，3的至少一个光导体与纤维镜5的一个光导体51精确地对准，那么总是使光耦合器1，3的至少另一个光导体与纤维镜5的另一个光导体51，以位移了光导体的端面直径的一部分的方式来对准。

光耦合器的光导体例如可以这样设置，即，如果一个传输特定信道的光导体与纤维镜的一个光导体精确地对准，同一个光耦合器的传输同一个信道的另一个光导体就会处于纤维镜的两个光导体之间，从而将该信道的信号分布在纤维镜的两个光导体上。以这样的方式，减少了信道传输中的波动。总是有一部分的信号由接收光导体的侧面吸收。

如果在一个光耦合器的三个光导体上的同一个信道的传输的情况下，应该这样布置，即，如果光耦合器的一个光导体与其在纤维镜的对应光导体对准，另一个光导体就以位移一个光导体的端面直径的三分之一的方式而跟随，而第三个光导体则位移了一个光导体的端面直径的三分之二对准。

每个光耦合器的光导体和准直仪装置的数量在此为信道数量的整数倍。试验证明，能够无困难地传输150个独立的信道。

准直仪装置在纤维镜端面上相邻地构造，从而既在第三环又在第四环上形成基本无缝隙的入光面/出光面。因为准直仪装置的直径是光导体的端面直径的数倍，所以与尝试仅利用圆形横截面的光导体来形成纤维镜的无缝隙的入光面/出光面的情况相比，所需要的准直仪装置的数量明显要小。

如果以自由的内径为1m为例子，在使用纤维镜上的1mm的光导体和具有15mm直径的透镜的条件下，与没有准直仪组的情况相比，可以因此将纤维镜内的光导体的数量减少到1/15，即，代替现有技术条件下的3000个光导体，大约有200个光导体在纤维镜中就足够。

尽管如此，纤维镜的一个或两个准直仪装置总是与光耦合器的一个准直仪装置相对，从而传导几乎全部待传输的光。

纤维镜的结构明显地得到简化。

因为由每个光导体-准直仪装置中发出几乎轴平行的光，轴向的间隔对于在通过纤维镜的光导体-准直仪组时的损失并不是决定性的。在本发明的另一个有利的设计方案中，从纤维镜到出口侧的光耦合器的过渡中，也完全一样地设置这样的具有增大的直径的多个共轴的装置，以便于增加待传输的信道的数量。

原则上纤维镜可以由任意数量的光导体来制造。不过，这样设置纤维镜被证明是适宜的，即，纤维的数量至少能够被2整除，更好的是能够被4整除。

为了在大的、自由的内径的情况下，将纤维的数量保持在能够接受的范围，在这里示出的第一个实施方式中，为光耦合器2，3和纤维镜5都配有准直仪组，这些准直仪组如前文所述地分别由多个准直仪装置7，71，9，91组成。

每个准直仪装置有利地具有这样一个横截面，即，该横截面在对应的光导体端面的环上不容许有任何空隙。为此，该准直仪装置也可以是正方形或梯形的。

为了更好地充分利用通过具有准直仪的纤维镜而传输的信号，可以在接收侧(如果接收侧是确定的)使用具有一定面积的透镜，该面积相当于纤维镜的两个透镜的面积并且具有与这个新的直径相匹配的焦距。

在一种可选的实施方式中，可以额外地或代替纤维镜的准直仪组地，将设置在此的光导体端面例如通过纤维的热致膨胀而变形，例如从圆形变为近似正方形。以这种方式也可以对连接所使用到的面积进行优化

作为用于变形的替代方案，还可能的是，通过由具有较小直径的单个纤维所构成的一束来组成每个光导体，并随后将这些单个纤维在光导体的端面上从圆形的布置改变为方形或矩形的布置。

在另一种纤维镜上具有或没有准直仪组的优选的实施方式中，在空隙上设置有由横截面为圆形的光导体构成的两层，这些光导体仅有待引入的光导体的一半的直径。因此，通过待引入和待引出的光导体的表面覆盖可以几乎为均匀的，这导致了更小的阻尼差。这在图4中示范性地示出。

为了进一步对传输优化，可以在纤维镜的两个或更多信道中传输同一个信号，其中，发送器的位置应以纤维镜的两个信道间距的一部分位移。

尽管根据优选的实施方式而对本发明进行了说明，专业人员认识到，可以进行许多其他的修改及变化。因此，这两个光耦合器具有相同的直径并不是必需的。直径的差异可以通过纤维镜来补偿。原则上还可能的是，使这两个光耦合器以同一方向对准，例如使一个光导体容纳在另一个光导体的内部空间中。在这样的情况下，这样引导纤维镜的光导体，即，使光从同一侧进入和发出。

在将已变形的光导体的端面描述为矩形或正方形的情况下，不以严格的几何意义来对此理解。在这种情况下所指的是端面的每一种变形，该变形实现了由多个光导体的端面组成基本上无缝隙的表面。

Claims (8)

1.一种用于传输光信号的光学旋转传输器，包括:

具有一个或多个第一光导体(11)的第一光耦合器(1)，所述第一光导体的端面设计用于传输光信号并设置在围绕中央转轴(Z)的第一环上；

具有一个或多个第二光导体(31)的第二光耦合器(3)，所述第二光导体的端面设计用于传输光信号并设置在围绕所述中央转轴(Z)的第二环上；

具有多个第三光导体的纤维镜(5)，所述第三光导体设置在两个所述光耦合器(1，3)之间，并且设计用于补偿这两个所述光耦合器(1，3)之间的相对转动对光信号传输造成的影响，其中，所述第三光导体的端面设计用于传输光信号并设置在围绕所述中央转轴(Z)的第三环和第四环上，

其特征在于，

由所述第三环和所述第四环形成的入光面/出光面基本上是无缝隙的，从而实现光信号无中断的连续传输。

2.根据权利要求1所述的光学旋转传输器，其特征在于，

所述第一光耦合器和所述第二光耦合器(1,3)具有一定数量的准直仪装置，所述准直仪装置这样设置，即，所述准直仪装置的焦点落在一个光导体的端面上；并且

所述纤维镜的所述第三环和所述第四环的入光面/出光面通过多个其它的准直仪装置而构成，其中，所述纤维镜的一个光导体的端面处在所述纤维镜的各个准直仪装置的焦点中。

3.根据权利要求1所述的光学旋转传输器，其特征在于，

对所述第三光导体(51)的终段进行设计，从而使所述第三光导体的端面在所述第三环和第四环上形成基本无缝隙的表面。

4.根据权利要求3所述的光学旋转传输器，其特征在于，所述第三光导体的所述终段由一束细的单个纤维而形成。

5.根据权利要求3所述的光学旋转传输器，其特征在于，所述第三光导体的所述终段由具有近乎矩形横截面的热变形的纤维构成。

6.根据权利要求3所述的光学旋转传输器，其特征在于，所述第三光导体的所述终段以两排而在空隙上移位地填满所述第三环和所述第四环的表面，其中所述第三光导体的横截面为所述第一光导体和/或所述第二光导体的横截面的一半。

7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的光学旋转传输器，其特征在于，所述纤维镜的所述光导体的数量能够被二整除，优选地能够被四整除。

8.根据权利要求7所述的光学旋转传输器，其特征在于，

相对于所述光耦合器(1,3)的所述光导体(11,31)，所述纤维镜(5)的多个所述光导体(51)在各自的入光面/出光面上这样设置,即，如果为了光信号的传输而将光耦合器(1，3)的至少一个光导体与所述纤维镜(5)的一个光导体(51)精确地对准，那么光耦合器(1，3)的至少另一个光导体与所述纤维镜(5)的另一个光导体(51)总是以位移了光导体的端面直径的一部分的方式来对准。