УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ИЗ ВХОДНОГО СВЕТОВОДА В ВЫХОДНОЙ СВЕТОВОД (ВАРИАНТЫ)
APPARATUS FOR TRANSMITTING OPTICAL SIGNALS FROM INPUT OPTICAL WAVEGUIDE TO OUTPUT OPTICAL WAVEGUIDE (VERSIONS)

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству для передачи оптических сигналов между элементами, способными вращаться относительно друг друга. Такое устройство обеспечивает одновременную передачу множества оптических сигналов по множеству каналов. Предлагаемое в изобретении вращающееся соединение предпочтительно использовать для передачи аналоговых сигналов.
Уровень техники
Известны различные передающие системы для передачи цифровых оптических сигналов между элементами, способными вращаться относительно друг друга. Такие системы называют вращающимися сочленениями или вращающимися соединениями.
В патенте US 5568578 описано оптическое вращающееся соединение для множества каналов, включающее призму Дове. Свет поступает из первого коллиматора во второй коллиматор, при этом на оптическом пути (пути лучей) между коллиматорами расположена компенсирующая вращение призма, которая вращается со скоростью или угловой скоростью, вдвое меньшей, чем скорость относительного вращения коллиматоров. Вследствие механических и оптических допусков затухание изменяется по мере вращения. Оно зависит от взаимного углового положения вращающейся и неподвижной частей вращающегося соединения. Такое переменное затухание приводит к изменению уровня оптического сигнала. Соответственно затрудняется передача аналоговых сигналов, переносящих информацию, закодированную в амплитуде. Это не имеет значения для цифровых сигналов, для которых необходимо передавать только состояния "ноль" и "единица".
В ЕР 1476969 описано вращающееся устройство для передачи данных, в котором свет передают с помощью множества отражений по канавке с зеркальным покрытием. Затухание падающего света значительно изменяется в зависимости от взаимного углового положения вращающейся и неподвижной частей устройства.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является дальнейшее совершенствование оптического вращающегося соединения для передачи оптических сигналов таким образом, чтобы свести к минимуму изменения затухания во вращающемся соединении во время вращения. Другой задачей является создание вращающегося соединения, применимого для передачи аналоговых оптических сигналов, переносящих информацию, закодированную в амплитуде или уровне сигнала.
В соответствии с изобретением эти задачи решены в оптическом вращающемся соединении в виде устройства для передачи оптических сигналов из входного световода в выходной световод, включающего в себя первый коллиматорный блок, второй коллиматорный блок, при этом первый и/или второй коллиматорные блоки установлены с возможностью вращения относительно друг друга, а также по меньшей мере один компенсирующий вращение оптический элемент, выполненный из оптически прозрачной среды и расположенный между первым коллиматорным блоком и вторым коллиматорным блоком для передачи световых лучей из первого коллиматорного блока во второй коллиматорный блок или наоборот.
В первом варианте выполнения заявленное устройство также содержит первый делитель мощности, принимающий сигналы из входного световода и делящий их по меньшей мере на два сигнала, подаваемых в два различных первых коллиматора первого коллиматорного блока, и второй делитель мощности, принимающий сигналы из по меньшей мере двух вторых коллиматоров второго коллиматорного блока, причем вторые коллиматоры соответствуют первым коллиматорам, а делитель мощности объединяет упомянутые сигналы в один сигнал, выводимый через выходной световод. После прохождения сигналов через второй коллиматорный блок второй делитель мощности объединяет сигналы в один сигнал, за счет чего значительно уменьшаются изменения, или колебания, затухания во время вращения.
Во втором варианте выполнения заявленное устройство также содержит по меньшей мере один оптический аттенюатор, соединенный по меньшей мере с одним компонентом из числа первого коллиматорного блока, второго коллиматорного блока и компенсирующего вращение оптического элемента, или с зубчатой передачей, приводящей оптический аттенюатор во вращение со скоростью, находящейся в заданном отношении к скорости вращения между коллиматорными блоками.
В третьем варианте выполнения заявленное устройство также содержит по меньшей мере один регулируемый оптический аттенюатор, соединенный с внешними сторонами первого коллиматорного блока или второго коллиматорного блока, причем оптическим аттенюатором управляет контроллер, генерирующий управляющие сигналы таким образом, чтобы устанавливать регулируемый оптический аттенюатор на значения, компенсирующие изменения затухания на оптическом пути между первым коллиматорным блоком и вторым коллиматорным блоком.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение без ограничения общего изобретательского замысла описано на примерах вариантов его осуществления и со ссылкой на чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - общая схема предлагаемого в изобретении устройства,
на фиг.2 - схема известного из уровня техники вращающегося соединения,
на фиг.3 - схематический вид сбоку призмы первого коллиматора,
на фиг.4 - упрощенные виды спереди двух различных вариантов выполнения оптических аттенюаторов,
на фиг.5 - еще один вариант осуществления изобретения, включающий регулируемый аттенюатор.
на фиг.6 - другой вариант осуществления изобретения, включающий регулируемый аттенюатор вместе со схемой управления мощностью,
на фиг.7 - вращающееся соединение, объединенное с двумя делителями мощности,
на фиг.8 - стандартные кривые затухания,
на фиг.9 - другой вариант осуществления изобретения, в котором используют зависящий от длины волны делитель мощности.
Осуществление изобретения
Предлагаемое в изобретении оптическое вращающееся соединение включает в себя по меньшей мере два коллиматорных блока, установленных с возможностью вращения относительно друг друга вокруг некоторой оси. Этими коллиматорными блоками предпочтительно являются коллиматоры для формирования пучков передаваемого света. Вместе с тем, ими необязательно также могут являться источники света, такие как лазеры, светоприемники, такие как светодиоды или другие световодные элементы, такие как стекловолокна. Каждый коллиматор имеет "внешнюю сторону" для связи с источником света и/или светоприемником с помощью первых световодов 2 или вторых световодов 5. Другую сторону, обращенную в направлении компенсирующего вращение элемента, также называют "внутренней стороной". Между по меньшей мере одним первым коллиматорным блоком и по меньшей мере одним вторым коллиматорным блоком, установленным с возможностью вращения относительно первого коллиматорного блока, проходит путь (траектория) распространения оптического сигнала для передачи света. Такой оптической путь также называют каналом. На этом оптическом пути находится по меньшей мере один компенсирующий вращение элемент для отображения света, поступающего из первого коллиматорного блока, на второй коллиматорный блок, а также в противоположном направлении, независимо от вращательного движения между двумя коллиматорными блоками. Компенсирующим вращение элементом такого рода может являться, например, призма Дове или призма Аббе-Кенига. Далее для обозначения компенсирующего вращение элемента общей конфигурации также используется собирательный термин "призма".
В данном случае термин "коллиматор" означает направляющий или формирующий пучки элемент в самом широком значении. Назначение коллиматора данного рода состоит в преобразовании света, поступающего по световоду, например по одномодовому волоконному световоду или даже многомодовому волоконному световоду, в пучок, который может быть направлен через компенсирующий вращение элемент. Это соответствует пути луча в свободном пространстве или в такой оптической среде, как, например, стекло или масло. Аналогичным образом, с помощью коллиматора может быть осуществлено обратное преобразование, т.е. из пучка, проходящего во вращающемся соединении, в световод. Разумеется, в коллиматоре предусмотрены преобразования в обоих направлениях. С помощью предлагаемых в изобретении вращающихся соединений могут передаваться сигналы, предпочтительно являющиеся сигналами одномодовых световодов, но также оптическими сигналами, в частности, других световодов, далее именуемых волоконными световодами, или сочетания различных сигналов.
Предлагаемые в изобретении устройства могут работать преимущественно в обоих направлениях, т.е. от первого коллиматорного блока ко второму коллиматорному блоку или наоборот, а также двунаправленно. Далее для упрощения описания также могут упоминаться стороны входа света, ввода света и т.д. Очевидно, что при обратном направлении передачи эти термины относятся к соответствующим сторонам выхода света.
Призмы или компенсирующие вращение оптические элементы согласно изобретению выполнены из оптически прозрачного материала, предпочтительно стекла. Тем не менее, может применяться любой другой материал в зависимости от длины волны, используемой для передачи, такой как, например, кремний или германий.
Согласно первому аспекту изобретения первый делитель мощности соединен с внешними сторонами по меньшей мере двух первых коллиматоров первого коллиматорного блока, а второй делитель мощности соединен с внешними сторонами по меньшей мере двух вторых коллиматоров второго коллиматорного блока. Также предусмотрены делители мощности, имеющие только одну первую сторону и множество вторых сторон. Если сигнал подается на первую сторону, делитель делит его на множество сигналов на второй стороне. Соотношения уровней сигналов на второй стороне по сравнению с первой стороной, которые также именуются коэффициентами разделения, заданы конструкцией делителя мощности. Очевидно, что общая мощность на второй стороне не может превышать мощность на первой стороне. В делитель также могут поступать подаваемые на вторую сторону сигналы, которые объединяют и подают на первую сторону. Например, свет предпочтительно поступает по волоконному световоду из источника света в первый делитель мощности. В нем его распределяют по меньшей мере по двум путям для подачи света по меньшей мере в два первых коллиматора. Делитель мощности предпочтительно равномерно распределяет входную оптическую мощность по путям распространения света. В случае двух путей распространения света делителем мощности предпочтительно является трехдецибельный делитель, в результате чего на его второй стороне на обоих оптических путях получают сигналы с затуханием на 3 дБ по сравнению с первой стороной. Таким образом, мощность на каждом оптическом пути уменьшается вдвое по сравнению с входной мощностью до делителя мощности. В случае четырех путей распространения света предпочтительно используют шестидецибельный делитель мощности, который делит входящий свет на четыре одинаковых пути, мощность на каждом из которых составляет одну четверть входной мощности на его второй стороне по сравнению с первой стороной. Свет из первых коллиматоров через компенсирующий вращение оптический элемент поступает в соответствующие вторые коллиматоры тех же путей распространения света. Из них он поступает во второй делитель мощности, в котором пути распространения света объединяются в единый путь. Описанный выше процесс передачи света из первых коллиматоров во вторые коллиматоры также относится к передаче света в противоположном направлении. Разумеется, система работает в обоих направлениях, только если оптический путь является обратным, а коллиматоры нечувствительны к направлению. Если используют чувствительные к направлению делители, это необходимо учитывать при выборе направления передачи сигнала. В настоящем описании оптический путь или канал включает в себя один первый коллиматор первого коллиматорного блока и соответствующий второй коллиматор второго коллиматорного блока. Термин "соответствующие" относится к коллиматорам одного оптического пути, которые оптически связаны друг с другом посредством компенсирующего вращение оптического элемента. Настоящее изобретение в целом применимо в оптических вращающихся соединениях любого типа при условии, что они имеют по меньшей мере два канала.
Дополнительное усовершенствование может быть достигнуто за счет использования более двух коллиматоров с каждой стороны. При большем числе коллиматоров можно плавно выравнивать любые зависящие от положения изменения затухания. Предпочтительное число коллиматоров составляет 2, 3 и 4.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения первый и второй коллиматоры выбирают для обеспечения минимальных изменений затухания. Если допустить, что коллиматоры равномерно распределены по окружности (360°) вращающегося соединения (смотри фиг.3), и затухание может быть минимальным в конкретном положении, которое называют положением 0°, а с противоположной стороны в положении 180° затухание может быть максимальным, то первый коллиматор в положении 0° предпочтительно используют во взаимодействии с другим первым коллиматором в положении 180°. В результате получают относительно постоянное среднее затухание.
В другом варианте осуществления изобретения первый делитель 41 мощности, принимающий входной сигнал на первой стороне, служит для деления входного сигнала на множество сигналов на своей второй стороне, при этом коэффициент разделения для каждого пути распространения света регулируют с целью обеспечения минимальных изменений затухания во всем устройстве.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения коэффициент разделения делителя мощности является регулируемым.
В другом варианте осуществления изобретения число каналов может быть увеличено за счет использования системы уплотнения по длинам волн. Кроме того, делители мощности могут обладать избирательностью по длине волны и тем самым делить сигналы на множество оптических траекторий для сведения к минимуму изменений затухания в устройстве на каждой длине волны.
Согласно другой особенности изобретения на оптическом пути между первым коллиматорным блоком и вторым коллиматорным блоком расположен по меньшей мере один оптический аттенюатор. По меньшей мере один такой аттенюатор может быть установлен на первом коллиматорном блоке, втором коллиматорном блоке, компенсирующем вращение элементе, зубчатой передаче или системе электронного привода, вращающей по меньшей мере один оптический аттенюатор в зависимости от относительного (взаимного) углового положения первого коллиматорного блока и второго коллиматорного блока. По меньшей мере один такой аттенюатор предпочтительно имеет характеристики затухания, зависящие от углового положения. Кроме того, затухание может зависеть от радиального положения. Также возможна зависимость от сочетания обоих положений. По меньшей мере один аттенюатор предпочтительно имеет круглую форму. Характеристики затухания аттенюатора могут быть основаны на предыдущих изменениях затухания или расчетах затухания. По меньшей мере один оптический аттенюатор может быть установлен или соединен с возможностью вращения с таким же угловым положением или с той же частотой вращения, что и первый коллиматорный блок, второй коллиматорный блок, компенсирующий вращение элемент.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения используют по меньшей мере один оптический аттенюатор, который вращается с той же угловой скоростью, что и первый коллиматор. За счет этого он предпочтительно связан с первым коллиматором. Аттенюатор также может быть связан со вторым коллиматором. Он находится на оптическом пути между первым коллиматорным блоком и вторым коллиматорным блоком. Аттенюатор предпочтительно имеет зависящие от положения характеристики затухания, компенсирующие изменения зависящего от угла вращения затухания. В приведенном выше примере аттенюатор может иметь минимальное затухание в положении 180° и максимальное затухание в положении 0°.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения используют по меньшей мере один оптический аттенюатор, который вращается с той же угловой скоростью или скоростью перемещения, что и компенсирующий вращение оптический элемент. Он предпочтительно связан с этим компенсирующим вращение оптическим элементом. За счет этого аттенюатор может компенсировать изменения затухания из-за отклонений или симметричности призмы и ее крепления. Поскольку призма вращается с половинной (вдвое меньшей) частотой вращения, изменения затухания из-за призмы и ее крепления имеют периодичность или частоту повторения через каждый второй оборот коллиматоров.
В большинстве случаев применения в коллиматоре и призме или ее креплении предусмотрены механические допуски. За счет этого лучшие результаты могут быть достигнуты при использовании первого аттенюатора и/или второго аттенюатора, связанного с одним из коллиматоров, и третьего аттенюатора, связанного с призмой или ее креплением.
В другом варианте осуществления изобретения аттенюатор связан с зубчатой передачей, приводимой во вращение за счет вращения коллиматоров относительно друг друга. При этом аттенюатор может вращаться с любой скоростью в зависимости от конкретного изменения затухания. Передаточное отношение зубчатой передачи предпочтительно является кратным или равным доле N скорости взаимного вращения коллиматоров, при этом N равно целому числу. Вместо зубчатой передачи может использоваться электродвигатель, предпочтительно шаговый электродвигатель или другой привод. Им может управлять электронный контроллер, предпочтительно микроконтроллер.
Согласно дополнительной особенности изобретения по меньшей мере один оптический аттенюатор соединен по меньшей мере с внешней стороной по меньшей мере одного коллиматора. С внешней стороной первого коллиматорного блока или второго коллиматорного блока предпочтительно соединен один аттенюатор. По меньшей мере одним коллиматором управляет электронный контроллер, устанавливающий затухание по меньшей мере одного коллиматора. Затухание может регулироваться в зависимости от взаимного углового положения первого коллиматорного блока и второго коллиматорного блока. Для этого предусмотрен датчик положения или угла поворота, передающий электронному контроллеру сигнал, отображающий упомянутое угловое положение. В качестве альтернативы, контроллеру передают сигнал, отображающий значение затухания или амплитуды сигнала. Значение затухания может быть определено путем измерения оптического затухания на пути прохождения оптического сигнала. Значение амплитуды может быть определено путем измерения передаваемой оптической мощности датчиком мощности, который с помощью делителя мощности может быть соединен с путем прохождения оптического сигнала. Кроме того, контроллер может иметь контур управления, который поддерживает постоянное значение общего затухания. Необязательно может быть предусмотрен источник оптической мощности для генерирования опорного сигнала, который подают в путь прохождения сигнала. В этом случае датчик мощности может быть непосредственно соединен с путем прохождения сигнала помимо делителя мощности.
На фиг.1 схематически показано поперечное сечение устройства согласно изобретению. Оптическое вращающееся соединение согласно изобретению включает первый коллиматорный блок с первым коллиматором 1 для подключения первых световодов 2 и второй коллиматорный блок со вторым коллиматором 4 для подключения вторых световодов 5. Второй коллиматор 4 установлен с возможностью вращения относительно первого коллиматора 1 вокруг оси 6а, 6b вращения. Для большей наглядности ось 6 вращения в данном случае обозначена двумя отрезками 6а и 6b прямой и не показана проходящей через все вращающиеся соединения. На пути лучей между первым коллиматором 1 и вторым коллиматором 4 находится компенсирующий вращение элемент 3 для компенсации вращательного движения. В данном примере компенсирующим вращение элементом является призма Дове. Свет, попадающий в призму, преломляется за счет рефракции в направлении более длинной стороны, где преломляется обратно на призму за счет полного отражения и преломляется за счет повторной рефракции в направлении, параллельном оси вращения призмы. Таким образом, лучи на выходе компенсирующего вращение элемента снова проходят параллельно исходным лучам. Кроме того, показаны первый оптический аттенюатор 11, прикрепленный к первому коллиматорному блоку 1, второй оптический аттенюатор 12, прикрепленный ко второму коллиматорному блоку 4, и третий оптический аттенюатор 13, прикрепленный к корпусу 10 призмы. В корпусе призмы помещается компенсирующий вращение элемент, такой как призма Дове. Корпус призмы как таковой не имеет существенного значения для изобретения. В данном случае он показан только для наглядности. Согласно изобретению необходим по меньшей мере один из этих оптических аттенюаторов. Разумеется, может быть предусмотрено несколько аттенюаторов. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере один аттенюатор был прикреплен по меньшей мере к одному из коллиматорных блоков, и дополнительный аттенюатор был прикреплен по меньшей мере к одной стороне призмы.
На фиг.2 показано вращающееся соединение, известное из уровня техники. Путь лучей проиллюстрирован тремя оптическими путями 7, 8, 9.
На фиг.3 показан вид сбоку призмы первого коллиматорного блока 1, а также угловые положения 0° вверху, 270° справа, 180° внизу и 90° слева.
На фиг.4 показаны упрощенные виды спереди двух различных вариантов осуществления оптических аттенюаторов 11. Остальные аттенюаторы могут выглядеть аналогичным образом. Аттенюатор имеет локально меняющееся затухание. Плотность линий соответствует распределению темного (создающего затухания) вещества в теле аттенюатора. Левый аттенюатор имеет малое затухание в центре, которое увеличивается с удалением от центра, что соответствует более темной области. Этот аттенюатор может компенсировать зависящие от радиуса погрешности, обеспечивая более сильное затухание в коллиматорах вдали от центра по сравнению с коллиматорами, расположенными вблизи центра. Правый аттенюатор имеет наименьшее затухание в центре, более сильное затухание вверху и меньшее затухание внизу. Этот аттенюатор может компенсировать зависящие от угла погрешности. Разумеется, аттенюаторы обоих типов могут использоваться в сочетании.
На фиг.5 показан другой вариант осуществления изобретения, в котором используют внешний регулируемый аттенюатор 21. Этим аттенюатором управляет управляющий сигнал 23, подаваемый датчиком угла поворота и контроллером 22. Датчик угла поворота и контроллер 22 генерирует зависящий от положения сигнал, который управляет аттенюатором 21 таким образом, чтобы сигнал на выходе аттенюатора имел постоянное не зависящее от положения затухание. За счет этого, если затухание на оптическом пути внутри вращающегося соединения 20 является малым, аттенюатор 21 должен увеличить затухание. В противном случае, если затухание на оптическом пути внутри вращающегося соединения 20 является сильным, аттенюатор 21 должен ослабить затухание. В качестве альтернативы, регулируемый аттенюатор 21 может быть размещен в любой точке на оптическом пути во вращающемся соединении 20 или с другой стороны вращающегося соединения 20. Значения зависящего от угла затухания предпочтительно предварительно рассчитывают или определяют при изготовлении и любым методом калибровки и предпочтительно хранят в таблице, памяти или микроконтроллере.
На фиг.6 показан дополнительный вариант осуществления изобретения. Оптический сигнал, поступающий во вращающееся соединение 20 через один из первых световодов 2 и выходящий из него через один из вторых световодов 5, проходит через делитель 25 мощности. Делитель 25 мощности вводит предпочтительно небольшую часть оптической мощности в первый выходной сигнал 26, который поступает в измеритель мощности и контроллер 24. Эта небольшая часть мощности предпочтительно составляет 10% или менее общей оптической мощности. Остальную мощность посредством второго выходного сигнала 27 подают в регулируемый аттенюатор 21. Измеритель мощности и контроллер 2 измеряет выходную мощность и генерирует управляющий сигнал 23, чтобы настроить регулируемый аттенюатор 21 таким образом, чтобы средняя выходная мощность сигнала была постоянной. Для упрощения варианты осуществления, проиллюстрированные на фиг.5 и 6, показаны извне вращающегося соединения 20. Разумеется, они могут быть встроены в корпус вращающегося соединения.
На фиг.7 показано вращающееся соединение в сочетании с двумя делителями 41 и 42 мощности. Первый делитель 41 мощности делит входной сигнал, поступающий во входную линию 14, на два предпочтительно одинаковых сигнала, которые по двум из первых световодов 2 подают во вращающееся соединение 20. Выходные сигналы, выходящие из вращающегося соединения, по двум из вторых световодов 5 поступают на обращенный делитель 42 мощности, который объединяет их и подает в выходную линию 43.
На фиг.8 показаны стандартные кривые затухания варианта осуществления, показанного на фиг.7. Делителями 41 и 42 мощности являются трехдецибельные делители, что значит, что входной сигнал делят на два одинаковых выходных сигнала на обоих выходах. Кривая 30 обозначает затухание первого оптического пути, а кривая 31 обозначает затухание другого оптического пути через вращающееся соединение 20. Кривая 33 обозначает выходной сигнал в световоде 43. За счет сочетания двух противоположных характеристик затухания получаемая характеристика затухания имеет пологую кривую с очень небольшими отклонениями. По нижней оси слева направо отложен масштаб угла вращения. Значение 1,0 соответствует полному повороту, а значение 2,0 соответствует двум полным оборотам. По левой оси снизу вверх отложено затухание в децибелах (дБ).
На фиг.9 показан другой вариант осуществления изобретения, в котором используют зависящий от длины волны делитель мощности. В трех частях на фиг.9 показан поток сигналов на волнах трех различных длин. В каждой части проиллюстрирована левая сторона показанного на фиг.7 варианта осуществления с усовершенствованным делителем 41 мощности. Этот делитель мощности имеет один вход на первой стороне и три выхода на второй стороне. Аналогичный делитель мощности расположен с другой стороны вращающегося соединения для объединения сигналов, выходящих из самого вращающегося соединения. Им может являться делитель 42 мощности, показанный на фиг.7, хотя в данном случае он не показан для упрощения. В данном варианте осуществления сигнал, содержащий три различных длины волн, поступает во входной световод 40. В зависимости от длины волны сигнал распределяют по различным оптическим путям вращающегося соединения. В первой части фиг.9 (верх) сигналы с первой длиной волны направляют по оптическим путям первых световодов 2а и 2b, обозначенным стрелками 44. Во второй части фиг.9 (середина) сигналы со второй длиной волны направляют по трем оптическим путям первых световодов 2а, 2b и 2с, обозначенным стрелками 45. Наконец, в третьей части фиг.9 (низ) сигналы с третьей длиной волны направляют по двум оптическим путям первых световодов 2а и 2с, обозначенным стрелками 46. Данный вариант осуществления является лишь примером. Согласно изобретению возможно любое сочетание путей распространения света для любой длины волны. Также можно выбирать различные пути для различных групп волн или диапазонов волн.