一种双旋转端的无线光通信系统的制作方法

本实用新型涉及无线光通信技术领域，具体为一种双旋转端的无线光通信系统，本系统实现双旋转端非接触的实时光通信。

背景技术：

某些具有旋转结构的仪器，有时需要将某一旋转端的大量信息传递到另一旋转端。传统方法主要采用电滑环或光纤滑环连接两个旋转端。电滑环主要用于传输电信号，采用接触式的旋转连接方法，电滑环环体与电滑环触点接触。电滑环的连接由于接触摩擦的作用，随着工作时间的积累，相互接触的电滑环环体与电滑环触点的磨损破坏情况日益严重，且通信性能随之降低。对于需要高速传输的信号，因其衰减系数的增大，通信可靠性也降低。另一方面，采用电滑环传输信息，其保密性能非常差，安全性无法得到保障。此外采用电滑环传输信息，其抗电磁干扰能力很差，特别是在两端高速旋转条件下，电滑环无法胜任高速传递信号的工作。

光纤滑环对安装条件和安装精度的要求很高，如轴向偏差要求不得超过几十微米，故光纤滑环成本很高。且光纤滑环产品出厂后，其结构就是固定的，两个旋转端之间的距离被光纤滑环的外部结构固定，两旋转端之间的距离难以调节，使光纤滑环的使用在一定程度上受到影响。

故双旋转端的无线光通信中目前需要一个信号传输长时间可靠、安全性好且成本低的双旋转端的连接方案。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了克服上述技术的缺点和不足之处，设计一种双旋转端的无线光通信系统，本系统两端均包括准直透镜、二向分色片等器件处理发射光束为平行光束，为对端的apd探测器接收，发射信号光束和接收到的信号光束的中心光轴都与旋转轴的中心重合；两旋转端在进行信号交换的过程中，不受转速的影响，也不受两旋转端之间距离变化的影响，两旋转端之间的通信距离为5mm～500mm，均可实现高速通信。

本实用新型设计的一种双旋转端的无线光通信系统，包括结构相同的a旋转端和b旋转端，a、b两个旋转端各包括一套电路板、激光器、耦合光纤、准直透镜、二向分色片、apd探测器以及结构件，结构件固定于电路板上，电路板集成多个电路，包括激光器驱动电路、光信号接收电路、信号处理电路和其他数据交换电路，并包含232信号接口、以太网信号接口和485信号接口的数据接口。对于a旋转端，激光器固定安装于电路板，电路板产生的调制信号激励作为发射光源的激光器产生相应的激光信号从光纤的一端耦合进入耦合光纤。耦合光纤将光信号引入准直透镜，变为平行光束。平行光束入射到相应的二向分色片后被反射，被反射后的平行信号光束，沿旋转轴方向入射到b旋转端的apd探测器，该apd探测器将光信号转换成电信号，电信号传送至b旋转端的电路板中处理。对于b旋转端，光信号传输方式与a旋转端相同。

a旋转端的激光器产生的激光波长为xnm，b旋转端的激光器产生的激光波长为ynm，x、y均处于红光波段附近，即800nm～1700nm，光源光束的发散角为6°～10°。所述a旋转端与b旋转端发射的激光波长x、y相差至少40nm。

根据实际的应用条件，选用不同发射功率的激光器。二旋转端的激光器发射功率大于或等于0dbm，两旋转端之间的通信距离为5mm～500mm，在此距离范围内，本无线光通信系统无需改变均可实现可靠的高速通信。当要求通信距离更大时，只要更换激光器，提高发射功率，即可满足两旋转端之间的通信距离更大的高速通信。例如调整激光器的发射功率为6dbm，两旋转端之间的通信距离达700mm，仍可实现可靠的高速通信。

a旋转端与b旋转端的旋转轴中心线重合。

所述耦合光纤为单模光纤，耦合光纤输出端端面固定在准直透镜的焦平面上。

所述准直透镜固定安装于结构件，其中心轴线垂直于旋转轴中心线，准直后的平行光束垂直于旋转轴中心线。

所述准直透镜为非球面镜，其有效通光直径为z，焦距为w，2.6mm≤z≤100mm；1.5mm≤w≤200mm。

所述准直透镜为偶次非球面面型，表面为高次非球面。以得到更好的准直性，同时减少高次像差的出现。

所述二向分色片固定安装于结构件，其中心处于旋转轴中心线上，二向分色片表面法线与旋转轴中心线成45°角。发射光信号的平行光束经过二向分色片反射后，平行光束的中心光轴与旋转轴中心线重合。

所述a旋转端的二向分色片反射波长为xnm的激光，透射波长为ynm的激光。所述b旋转端的二向分色片反射波长为ynm的激光，透射波长为xnm的激光。

所述二向分色片的工作区域为一椭圆，椭圆长轴直径长a，椭圆短轴直径长b。长轴直径短轴直径b≥z。

apd探测器固定于电路板上，并与电路板上的相关电路连接。apd探测器的光敏面垂直于旋转轴中心线。且旋转轴的中心线穿过光敏面的中心；apd探测器的响应波段为800nm～1700nm。apd探测器之前不采用汇聚透镜时其光束接收视场角为0°～120°。apd探测器接收的信号光能量大于或等于apd探测器正常工作的灵敏度要求即可。

所述a旋转端与b旋转端各有外壳与其结构件固定连接，本端的电路板及其激光器、耦合光纤、准直透镜、二向分色片、apd探测器和结构件均处于其外壳之内，结构件和外壳有相配合的窗口，形成信号光通道，以便两个旋转端之间信号光的发射与接收。

本实用新型一种双旋转端的无线光通信系统与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)某一旋转端出射的信号光束和apd探测器接收到的信号光束都是光轴与旋转轴中心线重合的平行光束，使得整个无线光通信系统的空间得到充分利用，有利于系统的小型化；

(2)apd探测器的中心与平行信号光的光轴重合，且平行信号光垂直入射apd探测器的光敏面，故两旋转端之间进行信息交换的过程中，不受转动机构转速的影响，光斑在apd探测器光敏面上的光强度趋于稳定不变；即apd探测器接收的光能量变化不大，对信号传输影响很小。

(3)信号光以平行光束入射到apd探测器光敏面上，信号的传输介质是空气，入射apd探测器光敏面的光信号功率只要满足apd探测器光电探测所需的最低值，两旋转端之间的距离在5mm～500mm范围变化时，本系统无需任何改变，因信号光的平行光束垂直落在apd探测器光敏面上，其光斑面积变化极小，仍可保证apd探测器接收的光信号的能量基本不变，满足其正常工作的灵敏度要求，保证两旋转端之间的高速通信。

(4)apd探测器的较宽光束接收视场，解决了由于旋转、加工及安装精度导致的某一旋转端的信号光发射与另一旋转端的信号接收位置偏移等收发失败问题；其安装的灵活性较大，对安装精度要求不高，轴向偏差0.5mm仍可正常通信(光纤滑环的轴向偏差要求不得超过几十微米)，本方案具有较强的适应性，总成本较低。

(5)本方案两旋转端之间采用非接触的方式进行信息传输，避免了接触摩擦所带来的各种不良影响，因此使用寿命比电滑环长得多；且在旋转端高速旋转的条件下，仍能够正常工作，抗干扰能力强，故本系统使用维护成本较低，具有很好的环境适应能力。

附图说明

图1是本双旋转端的无线光通信系统实施例的内部结构示意图；

图2是本双旋转端的无线光通信系统实施例安装外壳后的结构示意图。

图中标号为：

a旋转端：1、电路板，2、结构件，3、apd探测器，4、二向分色片，5、准直透镜，6、耦合光纤，7、激光器，8、外壳；

b旋转端：①、电路板，②、结构件，③、apd探测器，④、二向分色片，⑤、准直透镜，⑥、耦合光纤，⑦、激光器，⑧、外壳。

具体实施方式

为了使本实用新型技术方案更加清晰，下面结合实施例和附图，对本实用新型做进一步的详细说明。

本双旋转端的无线光通信系统实施例内部结构如图1所示，包括结构相同的a旋转端(图1中的上虚线框)和b旋转端(图1中的下虚线框)，a旋转端包括电路板1、激光器7、耦合光纤6、准直透镜5、二向分色片4、apd探测器3以及结构件2，结构件2固定于电路板1上。如图2上半部图所示，a旋转端的外壳8与其结构件2固定连接，a旋转端的电路板1及其激光器7、耦合光纤6、准直透镜5、二向分色片4、apd探测器3和结构件2均处于其外壳8之内，结构件2和外壳8有相配合的窗口，形成信号光通道，该信号光通道的中心线与旋转轴中心线重合。

b旋转端包括电路板①、激光器⑦、耦合光纤⑥、准直透镜⑤、二向分色片④、apd探测器③以及结构件②，各部件安装连接关系与a旋转端相同。b旋转端的外壳⑧与其结构件②固定连接，b旋转端的各部件均处于其外壳⑧之内，同样其结构件②和外壳⑧有相配合的窗口，形成信号光通道。

a旋转端与b旋转端的旋转轴中心线重合。旋转轴中心线即为图1和2中的纵向中心粗虚线。

电路板1集成多个电路，包括激光器驱动电路、光信号接收电路、信号处理电路和其他数据交换电路，并包含232信号接口、以太网信号接口和485信号接口的数据接口。

对于a旋转端，激光器7的三根管脚焊接于电路板1，电路板1产生的调制信号激励作为发射光源的激光器7产生相应的激光信号，从耦合光纤的一端耦合进入耦合光纤6。耦合光纤6输出端端面固定于准直透镜的焦平面，耦合光纤将光信号引入准直透镜5，变为平行光束。平行光束入射到相应的二向分色片4后被反射，被反射后的平行光束，沿旋转轴方向入射到b旋转端的apd探测器③，该apd探测器③将光信号转换成电信号，电信号传送至b旋转端的电路板①中处理。a旋转轴发射光线的走向如图2中细点虚线所示。

电路板、激光器⑦、耦合光纤⑥、准直透镜⑤、二向分色片④、apd探测器以及结构件②，

电路板①、激光器、耦合光纤⑥、准直透镜⑤、二向分色片、apd探测器③以及结构件②，

本例耦合光纤6为单模光纤，耦合光纤6输出端端面通过法兰盘固定在准直透镜5的焦平面上，法兰盘固定于结构件2。

对于b旋转端，光信号传输方式与a旋转端相同。b旋转轴发射光线的走向如图2中带箭头的实线所示。

本例a旋转端的激光器7产生的激光波长为1550nm，b旋转端的激光器⑦产生的激光波长为1310nm，光源光束的发散角为8°。

本例中二旋转端的激光器7发射功率为0dbm，两旋转端之间的通信距离20mm。当两端的通信距离在5～500mm变化时，通信均可靠。

本例准直透镜5固定安装于结构件2，其中心轴线垂直于旋转轴中心线，准直后的平行光束垂直于旋转轴中心线。

本例准直透镜5为偶次非球面面型，其有效通光直径为6.6mm，焦距为9.6mm。

本例二向分色片4固定安装于结构件2，其中心处于旋转轴中心线上，二向分色片4表面法线与旋转轴中心线成45°角。发射光信号的平行光束经过二向分色片4反射后，平行光束的中心光轴与旋转轴中心线重合。

本例a旋转端的二向分色片4反射波长为1550nm的激光，透射波长为1310nm的激光。所述b旋转端的二向分色片④反射波长为1310nm的激光，透射波长为1550nm的激光。

本例二向分色片4、④的工作区域为一椭圆，椭圆长轴直径长9.3mm，椭圆短轴直径长6.6mm。

本例apd探测器3固定于电路板1上，并与电路板1上的相关电路连接。apd探测器3的光敏面垂直于旋转轴中心线。且旋转轴的中心线穿过其光敏面的中心；本例apd探测器3的响应波段为800nm～1700nm。apd探测器3的视场角为120°。apd探测器3接收的信号光能量大于或等于apd探测器3正常工作的灵敏度要求即可。

上述实施例，仅为对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本实用新型并非限定于此。凡在本实用新型的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。