專利名稱：光旋轉(zhuǎn)接頭，按照正確對(duì)準(zhǔn)方式安裝光旋轉(zhuǎn)接頭的方法，和其中所用的光反射器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及能夠在轉(zhuǎn)子與定子之間實(shí)現(xiàn)光通信的光旋轉(zhuǎn)接頭，在支架結(jié)構(gòu)上安裝這種光旋轉(zhuǎn)接頭的改進(jìn)方法，該方法可以使轉(zhuǎn)子和定子保持正確地對(duì)準(zhǔn)，以及用于這種光旋轉(zhuǎn)接頭的改進(jìn)光反射器裝置。
背景技術(shù)：
本發(fā)明對(duì)K. Peter Lo and Norris E. Lewis 于 2005 年 12 月 27 日在 U. S. Pat. No. 6，980，714中描述的各種通信裝置提出改進(jìn)，該專利的標(biāo)題是“Fiber Optic Rotary Joint and Associated Reflector Assembly”。在’ 714專利中描述的通信裝置能夠在諸如轉(zhuǎn)子與定子之間的旋轉(zhuǎn)界面上傳輸數(shù)據(jù)和/或功率(以下有時(shí)統(tǒng)稱為“通信”)。例如，計(jì)算斷層分析(CT)掃描儀要求在旋轉(zhuǎn)界面上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。為了能夠?qū)崿F(xiàn)這種數(shù)據(jù)傳輸，通常利用滑環(huán)?；h(huán)有利用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)元件，和固定到定子的靜止元件。最初設(shè)計(jì)的滑環(huán)是用于支持轉(zhuǎn)子與定子之間的電通信。然而，當(dāng)數(shù)據(jù)速率增大時(shí)，電路傳輸數(shù)據(jù)變得不切實(shí)際。于是，人們開發(fā)了光旋轉(zhuǎn)接頭，用于支持在旋轉(zhuǎn)界面上的較高數(shù)據(jù)傳輸速率。光通信能夠以遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有電通信技術(shù)的速率傳輸數(shù)據(jù)。在旋轉(zhuǎn)界面上的現(xiàn)有光通信技術(shù)包括使用波導(dǎo)(例如，參閱2002年9月17日給 Norris E.Lewis,Anthony L. Bowman and Robert T. Rogers的U. S. Patent No. 6, 453, 088, 其標(biāo)題是“Segmented Waveguide for Large Diameter Fiber Optic Rotary Joint，，； 2000 年 8 月 15 日給 Norris E. Lewis, Anthony L. Bowman, Robert T. Rogers and Michael P. Duncan 的 U. S. Patent No. 6, 104，849,其標(biāo)題是“Fiber Optic Rotary Joint，，；和 1999 年 11 月 23 日給 Norris E. Lewis, Anthony L. Bowman, Robert T. Rogers and Michael P. Duncan 的 U. S. Patent No. 5，991，478,其標(biāo)題是 “Fiber Optic Rotary Joint”)，使用光纖(例如，參閱 2003 年 11 月 18 日給 Georg Lohr, Markus Stark and Hans Poisel 的 U. S. Patent No. 6，650，843,其標(biāo)題是 “Device for the Optical Transmission of Signals”，和使用自由空間傳播(例如，參閱1997年2月12日給Suzuki Tatsuro, Teimoshii Aari Fuotsukusu and Tomu Haatofuoodo 的 Japanese Pat. Pub. No. 09-308625, 其標(biāo)題是“Optical Transmission System”)。此處合并在一起公開這些參考文獻(xiàn)是作為對(duì)這種現(xiàn)有技術(shù)光旋轉(zhuǎn)接頭的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行的參考。在CT掃描儀的應(yīng)用中，其中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的軸有時(shí)是由病人實(shí)際占用，而通常采用離軸旋轉(zhuǎn)接頭可以在轉(zhuǎn)子與定子之間傳輸信號(hào)。這種離軸旋轉(zhuǎn)接頭通常包含一個(gè)或多個(gè)用于發(fā)射光信號(hào)的光源，而有信道形狀橫截面的弧形反射器接收這種被發(fā)射的信號(hào)并引導(dǎo)這種被接收的信號(hào)到各個(gè)光接收器。光源是圍繞轉(zhuǎn)子和定子中的一個(gè)呈環(huán)形等間隔分布，而反射器和接收器是圍繞轉(zhuǎn)子和定子中的另一個(gè)呈環(huán)形等間隔分布。光源可以包括一個(gè)或多個(gè)普通的光源，而來自光源的光信號(hào)是被光纖引導(dǎo)到轉(zhuǎn)子和定子中相關(guān)一個(gè)的圓周上，或可以圍繞這個(gè)圓周安裝單獨(dú)的發(fā)光元件。例如，光源可以圍繞轉(zhuǎn)子呈圓環(huán)狀分布，而多個(gè)反射器和接收器可以圍繞定子呈圓環(huán)狀分布，從而支持從轉(zhuǎn)子到定子的光通信。在大多數(shù)的情況下，在旋轉(zhuǎn)接頭上(即，在轉(zhuǎn)子與定子之間)的光數(shù)據(jù)傳輸路徑是沿相對(duì)于轉(zhuǎn)子軸的徑向。換句話說，若光是從轉(zhuǎn)子傳輸?shù)蕉ㄗ?，則看到的光是來自轉(zhuǎn)子軸，例如，它與光源的實(shí)際位置無關(guān)。在運(yùn)行時(shí)，每個(gè)光源可能發(fā)射相同的光信號(hào)。這些信號(hào)可以在旋轉(zhuǎn)界面上傳輸，并可以被一個(gè)或多個(gè)反射器接收和被引導(dǎo)到相關(guān)的接收器，它取決于轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的角位置。在其他的實(shí)施例中，不同的光信號(hào)可以從不同的光源發(fā)射，或者，如果光信號(hào)是來自相同的光源，則這些光信號(hào)可以被復(fù)用。雖然在轉(zhuǎn)子與定子之間進(jìn)行光通信通常是有效的，但是采用這種有信道形狀橫截面的弧形反射器的常規(guī)離軸旋轉(zhuǎn)接頭具有幾個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，特別是在高數(shù)據(jù)傳輸速率的情況下。這些問題包括(a)由于不同程長的光傳輸路徑，使疊加的脈沖寬度加大，和(b)與光信號(hào)直接入射到光電檢測器上的情況比較，在發(fā)射信號(hào)進(jìn)入光纖的輸入端時(shí)必須使用大量的光源，如以下所討論的。例如，在常規(guī)的離軸旋轉(zhuǎn)接頭中，光信號(hào)可以沿各個(gè)光源與各自接收器之間不同程長的路徑傳輸，因此在這些信號(hào)疊加時(shí)，可以在各個(gè)被接收光信號(hào)中引入時(shí)間延遲。特定的接收器可能從兩個(gè)環(huán)形相鄰的光源接收信號(hào)。若相同的光信號(hào)是由兩個(gè)相鄰光源同時(shí)發(fā)射的，但是這些信號(hào)傳輸不同的距離到達(dá)接收器，則這兩個(gè)信號(hào)是在不同的時(shí)間被接收的。 因此，這兩個(gè)信號(hào)是不同相的，而接收器接收到的疊加信號(hào)的脈沖寬度是被有效地?cái)U(kuò)展。為了支持在理想的高數(shù)據(jù)速率下的通信，常規(guī)的離軸旋轉(zhuǎn)接頭已被具體地設(shè)計(jì)成在光源與接收器之間有較小的間距，為了使信號(hào)傳輸?shù)墓獬涕L最小。即使如此，在高于I. 25Gbit/sec 的數(shù)據(jù)速率下，支持無差錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸是困難的，其中信號(hào)是沿不同程長的路徑傳輸。上述的’741專利公開一種光旋轉(zhuǎn)接頭和相關(guān)的反射器裝置，用于在轉(zhuǎn)子與定子之間實(shí)現(xiàn)光通信。通過設(shè)計(jì)光信號(hào)是沿相等程長傳輸?shù)墓庑D(zhuǎn)接頭，可以使接收器接收的疊加光信號(hào)的脈沖寬度不再增大。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，’ 741專利的設(shè)想是，旋轉(zhuǎn)接頭包含有凹的橢圓形反射面的反射器裝置，也可以是有雙曲反射面的反射器裝置。這兩種形狀在直角坐標(biāo)系平面(即，由 χ-y軸確定的平面)上都是圓錐形曲線，圓錐形曲線的定義是以下的通用公式Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F = O其中A，B，C，D，E和F是常數(shù)。在橢圓的情況下，B2 < 4AC ;而在雙曲線的情況下， B2>4AC。在橢圓的情況下，從曲線上任何一點(diǎn)到兩個(gè)焦點(diǎn)(FnF2)的距離之和是常數(shù)。若反射面配置成部分的橢圓，則從一個(gè)焦點(diǎn)上發(fā)出的光可以被這個(gè)橢圓形反射面反射到另一個(gè)焦點(diǎn)。然而，光從一個(gè)焦點(diǎn)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)焦點(diǎn)的光程總長度是恒定的，它與發(fā)射光入射到橢圓形反射面上的點(diǎn)的具體位置無關(guān)。相反地，在雙曲形反射面的情況下，從彎曲反射面上任何一點(diǎn)到兩個(gè)固定焦點(diǎn)的距離之差是恒定的?！?41專利公開幾個(gè)不同的光學(xué)配置。在這些配置的某個(gè)配置中，被接收的信號(hào)是直接聚焦到光電二極管上。在其他的配置中，被接收的信號(hào)是聚焦到與遠(yuǎn)程光電二極管通信的光纖輸入端。在另一些其他的配置中，會(huì)聚透鏡的位置是在光纖輸入端，可以引導(dǎo)被接收的信號(hào)進(jìn)入光纖。然而，光纖的受光角與光電二極管的受光角相比受到更大的限制。其主要原因是， 光纖的數(shù)值孔徑(NA)小于光電二極管的數(shù)值孔徑。光纖的有限NA可以限制光被引導(dǎo)進(jìn)入光纖的受光角。因此，這就使反射面的設(shè)計(jì)收到限制，光通過這個(gè)反射面被引導(dǎo)到接收光纖的輸入端。實(shí)際上，與光信號(hào)直接入射到光電二極管的情況比較，在發(fā)射的信號(hào)最初是被引導(dǎo)進(jìn)入到光纖的情況下，這種限制要求使用更大數(shù)目的光源。現(xiàn)在參照附圖，本申請的圖I和圖2基本上相當(dāng)于’714專利中的圖I和圖2，不同的是它們的參考數(shù)字。因此，這些附圖公開了現(xiàn)有技術(shù)的光旋轉(zhuǎn)接頭20，其中各個(gè)光源21 安裝在轉(zhuǎn)子22上。光束是沿徑向朝外被引導(dǎo)，似乎它們是來自轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸上的焦點(diǎn)匕。光束入射到反射器24的橢圓形反射面23上，并被向后反射到共軛焦點(diǎn)F2。然而，這種反射光束入射放置在橢圓形反射面與后焦點(diǎn)B之間的雙曲形反射面25上并再被向前再次反射，而這種向前反射的光束被聚焦到位于共軛焦點(diǎn)C的接收器2上。雙曲形反射面25的后焦點(diǎn) B是與橢圓形反射面23的共軛焦點(diǎn)F2重合?！?714專利公開一種光旋轉(zhuǎn)接頭，其中它允許從轉(zhuǎn)子傳輸高帶寬光信號(hào)到定子，反之亦然。在光信號(hào)是從轉(zhuǎn)子傳輸?shù)蕉ㄗ拥那闆r下，多個(gè)光源是均勻地分布在轉(zhuǎn)子的周圍。在旋轉(zhuǎn)界面上連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)所需的光源數(shù)目取決于橢圓形反射器的受光角Θ。受光角Θ的定義是，在光源的光線可以被引導(dǎo)進(jìn)入接收器內(nèi)，從轉(zhuǎn)子中心測量的橢圓形反射面的角度。 受光角Θ是光程長和接收光纖或光電檢測器的受光角Φ的函數(shù)，其中Φ = 2 X Sin^1(NA)為了確保光通信可以被連續(xù)地進(jìn)行，在轉(zhuǎn)子和定子的所有相對(duì)的角位置上，至少一個(gè)光源必須是在橢圓形反射器的受光角內(nèi)。例如，若接收光纖的NA = O. 37，則這種配置的受光角是Φ =13.6°，如圖3所示。在這個(gè)受光角的限制以外，光信號(hào)必然在光纖的包層中衰減，且不能到達(dá)光電檢測器。為了在轉(zhuǎn)子的周圍分布均勻間隔的光源，在所有這些相對(duì)的角位置上，至少一個(gè)光源是在接收光纖的受光角內(nèi)，則至少需要27個(gè)光源(即， 360。/13. 6° = 26. 47 27 個(gè)光源)。另一方面，若利用光電檢測器作為接收器，以及若光電檢測器的NA = O. 74，因此， 它的受光角Φ加寬到32°，則在轉(zhuǎn)子周圍僅需要12個(gè)環(huán)形等間隔的光源(S卩，360° /32° =11. 25 12個(gè)光源)以確保連續(xù)的通信。與光電二極管外殼的具體設(shè)計(jì)有關(guān)，受光角可以高達(dá) 140。(NA = O. 94) ο因此，為了減小光源的數(shù)目以及降低成本和系統(tǒng)的復(fù)雜性，更有利的是，可以使被接收的信號(hào)直接入射到光電檢測器，而不是首先入射到光纖的輸入端，再沿該光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的光電檢測器。此外，還要求與光電檢測器之間有較短的光程長，它可以減小在生產(chǎn)環(huán)境下的角容限?，F(xiàn)在參照本申請的圖4，它基本對(duì)應(yīng)于’714專利中的圖4，不同的是它們的參考數(shù)字，’ 714專利也公開一個(gè)實(shí)施例28，其中使用單個(gè)橢圓形反射器29 ( S卩，沒有協(xié)作的雙曲形反射器)，以及共軛焦點(diǎn)F2是在轉(zhuǎn)子的徑向外側(cè)。在這種配置中，反射器29有橢圓形反射面30,它安排成聚焦從光源31沿徑向朝外射出的光束進(jìn)入光纖32的輸入端,該光纖是與遠(yuǎn)程的光電檢測器(未畫出)進(jìn)行通信。光纖的輸入端是與橢圓形反射器的共軛焦點(diǎn)F2重合。若反射光被直接引導(dǎo)進(jìn)入光纖32，則接收光纖的有限NA同樣要求大量的光源是等間隔分布在轉(zhuǎn)子的周圍。例如，若光纖的NA = O. 37，利用幾何分析方法，則反射器的受光角Θ是9.7°，其中210_的光程長是從轉(zhuǎn)子的邊緣到接收器。為了使轉(zhuǎn)子的安排可以確保從轉(zhuǎn)子到定子實(shí)現(xiàn)連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸，至少需要38個(gè)光源(S卩，360° /9.7° =37. 11 38 個(gè)光源)。這兩個(gè)例子說明，若反射光束是直接入射到有較大NA的接收器，例如，光電檢測器，而不是弓I導(dǎo)進(jìn)入接收器的光纖輸入端，則可以減小光源的數(shù)目，從而可以降低成本和系統(tǒng)的復(fù)雜性。雖然’714專利中的光纖旋轉(zhuǎn)接頭能夠在旋轉(zhuǎn)界面上實(shí)現(xiàn)高的數(shù)據(jù)傳輸，但是需要提供改進(jìn)的有恒定程長的光纖旋轉(zhuǎn)接頭，其中它能夠在約大于I. 25Gbit/sec的數(shù)據(jù)速率下傳輸光信號(hào)，有較低的插入損耗，能夠與使用光纖進(jìn)入遠(yuǎn)程接收器的方式相容，使用較小數(shù)目的光源，以及有最小的光程長。

發(fā)明內(nèi)容
通過參照公開實(shí)施例中的對(duì)應(yīng)部件，部分或表面，僅僅是為了便于說明，而不是加以限制，本發(fā)明廣泛地提供改進(jìn)的光旋轉(zhuǎn)接頭，在支架上安裝這種光旋轉(zhuǎn)接頭的改進(jìn)方法， 以及用于這種光旋轉(zhuǎn)接頭的改進(jìn)光反射器裝置。在第一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種光旋轉(zhuǎn)接頭(35)，能夠在轉(zhuǎn)子與定子之間實(shí)現(xiàn)光通信，轉(zhuǎn)子有縱軸，包括在轉(zhuǎn)子和定子中的一個(gè)上面安裝的至少一個(gè)光源(36)，用于沿相對(duì)于轉(zhuǎn)子縱軸的徑向發(fā)射光信號(hào)；在轉(zhuǎn)子和定子中的另一個(gè)上面安裝的至少一個(gè)第一反射器(38),用于反射從光源發(fā)射的光信號(hào)；第一反射器包括凹的第一反射面(44),在取自通過第一反射面的平面上的線(L)配置成有第一焦點(diǎn)(F1)和第二焦點(diǎn)(F2)的部分橢圓形， 第一焦點(diǎn)的位置是與轉(zhuǎn)子的軸基本重合；有第二反射面(45)的第二反射器(39)，它配置成部分的圓錐形，并放置在橢圓面的第二焦點(diǎn)上，用于接收從第一反射面反射的光并沿不同的方向反射光，作為第二反射面頂角的函數(shù)；和接收器(40)，它安排成接收被第二反射面反射的光。在一種優(yōu)選形式中，第一反射面(44)配置和安排成這樣，光入射到第二反射面上的面積小于光入射到第一反射面上的面積。最好是，從第一反射面上反射的光被聚焦成第二焦點(diǎn)F2上的一個(gè)光斑。第一反射面可以配置成部分的橢圓面。如在此處所利用的，橢圓面的定義是一個(gè)幾何面，它的所有平面截面是橢圓形和圓形。第一多個(gè)光源可以安裝在轉(zhuǎn)子和定子中的一個(gè)上面，而第二多個(gè)第一反射器安裝在轉(zhuǎn)子和定子中的另一個(gè)上面。第一多個(gè)和第二多個(gè)的數(shù)目可以不相同。改進(jìn)的光旋轉(zhuǎn)接頭還可以包括有輸入端和輸出端的光纖(41)。輸入端可以安排在第二焦點(diǎn)或其附近。接收器可以安排在輸出端或其附近。接收器可以是光電二極管。改進(jìn)的光旋轉(zhuǎn)接頭還可以包括安排在與輸入端相鄰的第二焦點(diǎn)附近的透鏡組合
(40)，用于引導(dǎo)光進(jìn)入光纖(41)。這個(gè)透鏡組合可以包含一系列透鏡，例如，兩個(gè)平凸透鏡， 一個(gè)透鏡和一個(gè)全息元件，等等。
改進(jìn)的光旋轉(zhuǎn)接頭還可以包括棱鏡，用于進(jìn)一步改變被第二反射面反射的光線方向。最好是，從光源傳輸?shù)浇邮掌鞯墓饩€有基本恒定的光程長，它與轉(zhuǎn)子與定子之間的相對(duì)角位置無關(guān)。此外，光旋轉(zhuǎn)接頭的運(yùn)行最好是與光信號(hào)的波長和信號(hào)的數(shù)據(jù)速率無關(guān)。減小光入射到接收器上的強(qiáng)度變化以滿足接收器的動(dòng)態(tài)范圍限制。第二反射面的頂角約為45°。在這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，光信號(hào)是在多個(gè)信道中傳輸?shù)?。光旋轉(zhuǎn)接頭的最大傳輸數(shù)據(jù)速率是信道數(shù)目之和與每個(gè)信道最大數(shù)據(jù)速率的乘積。每個(gè)信道能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率是
5.OGbit/sec或更大。在有16個(gè)信道的一個(gè)具體形式中，最大數(shù)據(jù)速率約為80Gbit/sec的
數(shù)量級(jí)。第二反射面可以是圓錐面。改進(jìn)的光旋轉(zhuǎn)接頭還可以包括有N個(gè)輸入端和M個(gè)輸出端的交叉點(diǎn)開關(guān)和/或有不同波長的多個(gè)光源，其中光信號(hào)是波分復(fù)用信號(hào)。在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供光旋轉(zhuǎn)接頭(35)，能夠在轉(zhuǎn)子與定子之間實(shí)現(xiàn)光通信，轉(zhuǎn)子有縱軸，包括在轉(zhuǎn)子和定子中的一個(gè)上面安裝的至少一個(gè)光源(36)，用于沿相對(duì)于轉(zhuǎn)子縱軸的徑向發(fā)射光信號(hào)；在轉(zhuǎn)子和定子中的另一個(gè)上面安裝的至少一個(gè)第一反射器，用于反射從光源發(fā)射的光信號(hào)，第一反射器包括第一反射面(44)，在取自通過所述第一反射面的平面上的線(L)配置成有第一焦點(diǎn)(F1)和第二焦點(diǎn)(F2)的部分橢圓形，第一焦點(diǎn)的位置是與轉(zhuǎn)子的軸基本重合；安排成接收光的接收器(48，49);和至少一個(gè)光波導(dǎo)
(47),它有放置在第二焦點(diǎn)鄰近的輸入端并有輸出端,和其中光波導(dǎo)包括由一束光纖構(gòu)成的光纖陣列，它有與第二焦點(diǎn)鄰近的緊密相鄰的輸入端并有輸出端，和其中光纖陣列被安排成引導(dǎo)光到接收器。在這種形式中，輸入端可以是凸形輸入端。第二焦點(diǎn)可以安排在凸形輸入端的內(nèi)部，外部或它的上面。輸入端可以配置成一段圓柱體。光纖的輸入端可以配置成條狀，并可能有凸的表面。錐形條狀波導(dǎo)可用于引導(dǎo)光到接收器。接收器可以是有激活區(qū)的光電二極管(49)，而光可以從光纖的輸出端被引導(dǎo)到激活區(qū)。透鏡(48)可以放置在輸出端與光電二極管之間，用于引導(dǎo)光到光電二極管。在這個(gè)優(yōu)選形式中，光從輸入端傳播到接收器的光程長對(duì)于每條光纖是基本相同的，以及光纖的長度是基本相同的。在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種光旋轉(zhuǎn)接頭(50)，能夠在轉(zhuǎn)子與定子之間實(shí)現(xiàn)光通信，轉(zhuǎn)子有縱軸，包括第一構(gòu)件(51)，它有凹的第一反射面(52)，在取自通過第一反射面的平面上的線(L)配置成有第一焦點(diǎn)(F1)和第二焦點(diǎn)(F2)的部分橢圓形，第一焦點(diǎn)的位置是與轉(zhuǎn)子的軸基本重合；安裝在第一構(gòu)件的一個(gè)側(cè)面上的第二構(gòu)件(53);安裝在第一構(gòu)件的相對(duì)側(cè)面上的第三構(gòu)件(56);安裝在第二構(gòu)件上并有第二反射面(55)的第四構(gòu)件(54)，它配置成部分的圓錐形，第二反射面有縱軸，第二焦點(diǎn)的位置基本是在第二反射面上；和安裝在第三構(gòu)件上的接收器(58)，因此，看上去源自第一焦點(diǎn)并入射到第一反射面上的光被反射到第二反射面，而入射到第二反射面上的這個(gè)反射光再被反射到接收器。接收器可以與第二反射面的縱軸基本對(duì)準(zhǔn)。
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第一反射面配置和安排成這樣，最好是，光從第一反射面入射到第二反射面上的面積小于光從光源入射到第一反射面上的面積。為此目的，第一反射面可以配置成部分的橢圓面。在一個(gè)具體形式中，第一構(gòu)件是有相對(duì)兩個(gè)平面的板狀構(gòu)件，第二構(gòu)件有安排成嚙合第一構(gòu)件中一個(gè)平面的平面，而第三構(gòu)件有安排成嚙合第一構(gòu)件中另一個(gè)平面的平面。第二構(gòu)件和第三構(gòu)件可以是板狀構(gòu)件。第二反射面可以是圓錐面，它的頂角約為45°。接收器可以與第二反射面的縱軸基本對(duì)準(zhǔn)。接收器可以包括安裝在第三構(gòu)件上并與第二反射面的縱軸基本對(duì)準(zhǔn)的光學(xué)元件，和有輸入端和輸出端的光纖，輸入端安排成從接收光學(xué)元件上接收光，以及安排在接收端的光電二極管。接收光學(xué)元件可以包括一個(gè)非球面透鏡和一個(gè)球面透鏡，一對(duì)非球面透鏡，等等。在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種在支架上安裝光旋轉(zhuǎn)接頭的方法，包括以下步驟 (a)提供一個(gè)有環(huán)形內(nèi)區(qū)段￠1)和弧形外區(qū)段￠3)的工具板(60)，在內(nèi)區(qū)段上有多個(gè)圓形間隔沿徑向延伸的V型槽(62)，而在外區(qū)段上有多個(gè)圓形間隔的料斗(64)，每個(gè)料斗適合于接納反射器裝置，并保持它在相對(duì)于鄰近V型槽的預(yù)定位置；(b)提供多個(gè)光反射器裝置(50) ；(c)在每個(gè)料斗中放置一個(gè)光反射器裝置；(d)在所述工具板的V型槽中提供多個(gè)組裝好的光準(zhǔn)直器并測試所述光纖和準(zhǔn)直器裝置與鄰近光反射器裝置之間光連接的完整性；(e)提供定子段；(f)在所述反射器裝置上放置所述定子段；(g)在定子段上安裝反射器裝置以形成組裝好的定子；(h)從工具板上取下所述組裝好的定子；(i)在至少一些V型槽中放置圓柱形定寸銷￠5) ；(j)提供多個(gè)轉(zhuǎn)子段(66)，每個(gè)轉(zhuǎn)子段有多個(gè)圓形間隔沿徑向延伸的V型槽；(k)放置轉(zhuǎn)子段，使定寸銷是在轉(zhuǎn)子段的V型槽中；(1)連接各個(gè)轉(zhuǎn)子段以形成組裝好的轉(zhuǎn)子(68) ；(m)從工具板上取下組裝好的轉(zhuǎn)子；(η)將組裝好的轉(zhuǎn)子倒置； (ο)提供多個(gè)光纖和準(zhǔn)直器裝置；(P)在所述組裝好的轉(zhuǎn)子V型槽中安裝所述光纖和準(zhǔn)直器裝置；(q)提供多個(gè)夾子；(r)安裝夾子到組裝好的轉(zhuǎn)子和定子段上，并保持準(zhǔn)直器裝置與光反射器裝置對(duì)準(zhǔn)；(S)在支架上安裝組裝好的轉(zhuǎn)子和定子段；和(t)取下夾子；從而在支架上安裝組裝好的轉(zhuǎn)子和定子以實(shí)現(xiàn)互相之間理想的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)。所以，本發(fā)明的一般目的是提供一種改進(jìn)的光旋轉(zhuǎn)接頭。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種在支架上安裝光旋轉(zhuǎn)接頭的改進(jìn)方法，為的是在轉(zhuǎn)子與定子之間保持理想的對(duì)準(zhǔn)。另一個(gè)目的是提供一種用于光旋轉(zhuǎn)接頭的改進(jìn)光反射器裝置。根據(jù)以上和以下的文字說明，附圖，以及所附的權(quán)利要求書，這些和其他的目的和優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。


圖I是包含反射器裝置的現(xiàn)有技術(shù)光旋轉(zhuǎn)接頭的示意圖，該反射器裝置有橢圓形反射器和雙曲形反射器，這個(gè)視圖與’ 741專利中圖I所示的視圖基本相同，不同的是它們的參考數(shù)字。圖2是取自圖I中直線2-2的分段剖面圖，這個(gè)剖面圖與’741專利中圖2所示的剖面圖基本相同，不同的是它們的參考數(shù)字。圖3是圖I和2所示現(xiàn)有技術(shù)光旋轉(zhuǎn)接頭的頂視平面圖，這個(gè)平面視圖說利用光纖作為接收器的橢圓形反射面有受限的受光角。圖4是另一種形式現(xiàn)有技術(shù)包含橢圓形反射器的光旋轉(zhuǎn)接頭的示意圖，它安排成把焦點(diǎn)F1處的光源發(fā)射的光反射到放置在焦點(diǎn)F2的光纖輸入端，這個(gè)視圖基本上與’741 專利中圖4所示的視圖相同，不同的是它們的參考數(shù)字。圖5是改進(jìn)的光旋轉(zhuǎn)接頭的透視示意圖，它說明傳輸光信號(hào)到橢圓形反射器的傳輸光學(xué)元件，這些光信號(hào)反射到圓錐形反射器，然后再向上反射通過一系列透鏡到達(dá)與光電檢測器通信的光纖輸入端。圖6是類似于圖5所示改進(jìn)光旋轉(zhuǎn)接頭的透視示意圖，其中由橢圓形反射面反射送回的光信號(hào)被聚焦到與扇形光纖陣列的遠(yuǎn)程發(fā)散端通信的弧形條狀波導(dǎo)。圖7是用于說明圖5中被接收信號(hào)有較寬受光角的示意圖。圖8是以80Gbit/sec的速率傳輸數(shù)據(jù)通過改進(jìn)的光旋轉(zhuǎn)接頭的示意圖。圖9是在不同的轉(zhuǎn)子位置上交換光信號(hào)的電子裝置示意圖，可以在旋轉(zhuǎn)界面上實(shí)現(xiàn)較大的數(shù)據(jù)傳輸速率。圖10是利用緩沖器/復(fù)用器以實(shí)現(xiàn)信道選擇的示意圖。圖11是利用交叉點(diǎn)開關(guān)以實(shí)現(xiàn)信道選擇的示意圖。圖12是一種形式的改進(jìn)光反射器裝置的透視圖。圖13是用于組裝改進(jìn)光旋轉(zhuǎn)接頭的工具板透視圖，這個(gè)視圖說明環(huán)形內(nèi)區(qū)段和弧形外區(qū)段，其中有放置反射器裝置的五個(gè)料斗。圖14是類似于圖13所示的透視圖，但它說明光反射器裝置已被放置在工具板外區(qū)段的料斗中。圖15是類似于圖14所示的透視圖，但它說明定寸銷已放置在V型槽中和定子段已放置在反射器裝置的上面。圖16是類似于圖15所示的透視圖，但它說明四個(gè)轉(zhuǎn)子段已放置在工具板內(nèi)區(qū)段的定寸銷上，并已連接在一起形成組裝好的轉(zhuǎn)子。圖17是類似于圖16所示的透視圖，但它說明轉(zhuǎn)子已被倒置，并利用夾子被固定到
定子裝置。圖18是利用波分復(fù)用技術(shù)的示意圖，用于復(fù)用數(shù)據(jù)傳輸通過改進(jìn)光旋轉(zhuǎn)接頭的帶寬。
具體實(shí)施例方式首先，應(yīng)當(dāng)清楚地知道，相同的參考數(shù)字用于識(shí)別與所有附圖中一致的相同結(jié)構(gòu)單元，部分或表面，因?yàn)樵谡麄€(gè)文字說明中可能進(jìn)一步描述或解釋這些單元，部分或表面， 這些詳細(xì)的描述是說明書的構(gòu)成部分。除非有其他的說明，這些附圖需要與說明書一起被閱讀的(例如，陰影線，部件的安排，比例，度數(shù)，等等)，并被當(dāng)作本發(fā)明整個(gè)文字說明的一部分。如在以下描述中所使用的，術(shù)語“水平”，“垂直”，“左”，“右”，“上”和“下”以及它們的形容詞和副詞衍生詞(例如，“沿水平方向”，“向右”，“向上”，等等)僅僅是指面向讀者的具體附圖中的結(jié)構(gòu)取向。類似地，術(shù)語“向內(nèi)”和“向外” 一般是指表面相對(duì)于它的延長軸， 或旋轉(zhuǎn)軸的取向。在一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種改進(jìn)的光旋轉(zhuǎn)接頭，它有在’ 714專利中公開的恒定程長橢圓形反射器基型，但是有另一個(gè)和不同的元件，即，第二反射器，它有配置成作為部分圓錐面的第二反射面。添加這個(gè)第二反射器能夠改進(jìn)光旋轉(zhuǎn)接頭(I)以更高的效率發(fā)射光信號(hào)，(2)促使這種光信號(hào)傳輸進(jìn)入光纖的輸入端，(3)允許減少光源的數(shù)目，和(4)減小從光源到接收器的光程長。雖然在通過旋轉(zhuǎn)接頭的高數(shù)據(jù)速率傳輸下利用光電檢測器作為反射器仍然是可接受的，但是在電噪聲環(huán)境下，有時(shí)需要首先引導(dǎo)被發(fā)射的信號(hào)進(jìn)入與遠(yuǎn)程接收器通信的光纖輸入端。我們還需要放大這種接收光纖的受光角，從而可以使用較少數(shù)目的光源。減少光源的數(shù)目就可以降低改進(jìn)光旋轉(zhuǎn)接頭的制造成本。因此，本發(fā)明提供有相關(guān)光學(xué)組件， 電子元件和制造方法的光旋轉(zhuǎn)接頭，可以發(fā)射光數(shù)據(jù)通過旋轉(zhuǎn)界面進(jìn)入光纖的輸入端，它有增大的受光角，減小的光程長，并有增大的耦合效率。在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種改進(jìn)的光旋轉(zhuǎn)接頭，其中從橢圓形反射面上反射的光被聚焦到與有多條光纖的扇形光纖陣列的遠(yuǎn)處發(fā)散端通信的條狀光波導(dǎo)，這些光纖有與第二焦點(diǎn)鄰近的緊密相鄰的發(fā)散輸入端，并有安排成引導(dǎo)光到達(dá)接收器的輸出端。在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供用于這種光旋轉(zhuǎn)接頭的改進(jìn)光反射器裝置。在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供改進(jìn)的方法，可以按照光學(xué)對(duì)準(zhǔn)的方式組裝光旋轉(zhuǎn)接頭，并在保留和維持這種光學(xué)對(duì)準(zhǔn)的同時(shí)，安裝這種組裝好的接頭到支架上。以下逐一地討論這些不同的方面。改進(jìn)的光旋轉(zhuǎn)接頭(圖5-6)圖5是按照本發(fā)明改進(jìn)的光旋轉(zhuǎn)接頭的概念示意圖，它用在旋轉(zhuǎn)界面上以提供光通信，例如，在上述的轉(zhuǎn)子與定子之間。在圖5中，改進(jìn)的光旋轉(zhuǎn)接頭35有安裝在轉(zhuǎn)子上的光源36，安裝在定子上的第一反射器38，也安裝在定子上的第二反射器39，和包含一系列透鏡40的光接收器，它與引導(dǎo)到遠(yuǎn)程光電檢測器(未畫出)的光纖41進(jìn)行通信。在圖5 中，光源的位置是在光纖42的遠(yuǎn)端。畫出的光線是從光纖端向外發(fā)散，在此之后傳輸通過準(zhǔn)直透鏡43。在傳輸通過準(zhǔn)直透鏡43以后，各條光線略微發(fā)散，它們似乎來自焦點(diǎn)F1，并被引導(dǎo)到第一反射器38的第一反射面44。最好是，這個(gè)第一反射面配置成部分的橢圓面， 即，它在兩個(gè)正交軸(即，χ-y，和y_z)的每個(gè)軸上有復(fù)合曲率。第一個(gè)曲率是在水平方向上(即，在x-y平面上)，它是用從一端到另一端的虛線L表示，并配置成分別有第一焦點(diǎn) F1和第二焦點(diǎn)F2的部分橢圓。然而，第一反射面在垂直方向上(即，在y-z平面上)也是彎曲的。第一反射面的復(fù)合曲率的作用是，從第一反射面44的區(qū)域上反射的光會(huì)聚成第二反射器39上的點(diǎn)狀光斑。在這個(gè)公開的實(shí)施例中，第二反射器39上的第二反射面45是圓錐形。然而，第二反射面也可以是截頭圓錐或圓錐上的一些其他部分。如上所述，由于橢圓形反射面有復(fù)合曲率，光入射到第二反射面上的面積小于光入射到第一反射面上的面積。在這個(gè)公開的實(shí)施例中，圓錐形第二反射面45的頂角約為45°。因此，入射到第二反射面45上的光被向上引導(dǎo)進(jìn)入一串透鏡40。這串透鏡可以包括兩個(gè)平凸透鏡，兩個(gè)非球面透鏡，一個(gè)透鏡和一個(gè)全息元件，或透鏡和/或其他光學(xué)元件的一些其他組合。在任何的情況下，這串透鏡的功能是會(huì)聚光進(jìn)入光纖41的輸入端,而光纖41傳輸該光到遠(yuǎn)程的光電二極管(未畫出)。橢圓形第一反射面44在線L的平面上有第一焦點(diǎn)F1和第二焦點(diǎn)F2。第一焦點(diǎn)F1 的位置是與轉(zhuǎn)子的軸基本重合。第二焦點(diǎn)F2的位置是在沿圓錐39的軸上。因此，看上去源自第一焦點(diǎn)F1的光束入射到橢圓形反射面44上，并被反射會(huì)聚到圓錐39內(nèi)的共軛焦點(diǎn) F2。第二反射面還沿垂直于光線入射的方向朝上反射光。第二反射器圓錐可以由玻璃，塑料或金屬制成，并可以涂敷反射涂層以反射最大的光量。光學(xué)子裝置放置在反射型圓錐之上，用于聚焦光進(jìn)入接收器。接收器可以是光電檢測器或光纖。圓錐形是有效的，因?yàn)樗鼜妮^大的面積上(即，準(zhǔn)直光束入射到第一反射面上的面積)收集光，并把它向上引導(dǎo)到接收器。這種會(huì)聚性和改變方向可以克服傳統(tǒng)光纖的有限受光角，并允許接收光纖從橢圓形反射面的擴(kuò)大面積上接收光信號(hào)。在這個(gè)公開的實(shí)施例中，第二反射器配置成一個(gè)圓錐形，并有45°的頂角，因此，光線可以沿垂直于光線入射的方向被反射。雖然它是優(yōu)選的，但是這種安排不是不可改變的。在合適的情況下，第二反射面可以是截頭圓錐面和/或可以有不同于45°的頂角。用于聚焦來自圓錐面的光到接收器的光學(xué)子裝置可以包括一串透鏡，或透鏡與全息元件的組合。在圖5中，兩個(gè)平凸透鏡用于會(huì)聚來自圓錐面的光束進(jìn)入光纖。這個(gè)光學(xué)子裝置也可以由透鏡和體全息圖構(gòu)成，用于衍射光進(jìn)入接收光纖?；蛘?，光學(xué)子裝置可以是圍繞圓錐軸安排的球面透鏡陣列。若接收器需要沿水平方向安裝，則可以在兩個(gè)透鏡之間安裝直角棱鏡，從而使來自圓錐的反射光束再旋轉(zhuǎn)90°。若需要以某個(gè)其他的角度引導(dǎo)光， 則可以使用反射鏡，一些其他合適形狀的棱鏡，等等。圖6是另一種形式的改進(jìn)光旋轉(zhuǎn)接頭。在這種形式中，從橢圓形第一反射面44反射的光被聚焦，會(huì)聚到與扇形光纖陣列的發(fā)散端通信的弧形條狀波導(dǎo)。進(jìn)入這些光纖的光被引導(dǎo)，并在其會(huì)聚端射出通過準(zhǔn)直透鏡48到達(dá)光電檢測器49。這些改進(jìn)的光旋轉(zhuǎn)接頭有許多優(yōu)點(diǎn)。這種裝置從光源到接收器有基本恒定的光程長，它與轉(zhuǎn)子和定子的相對(duì)位置無關(guān)。這個(gè)恒定的光程長能夠使多個(gè)光信號(hào)在接收器中疊加而沒有相位失真。在需要較高的數(shù)據(jù)傳輸速率和支持這種較高數(shù)據(jù)速率的激光器沒有足夠大的功率時(shí)，可以疊加幾個(gè)光源以增大到達(dá)光電檢測器的光功率。此外，改進(jìn)的光旋轉(zhuǎn)接頭與信號(hào)的波長和數(shù)據(jù)傳輸速率無關(guān)。選擇用于這種裝置的波長取決于現(xiàn)有的激光源，光電檢測器，和傳送光信號(hào)的光纖。然而，改進(jìn)的光旋轉(zhuǎn)接頭本身是與數(shù)據(jù)傳輸速率無關(guān)，可以利用從DC到高Gbit/sec的數(shù)據(jù)傳輸速率。最后，在需要更高的數(shù)據(jù)速率時(shí)，在光旋轉(zhuǎn)接頭上可以利用波分復(fù)用技術(shù)以發(fā)射多個(gè)光信道。與’714專利中公開的裝置比較，此處公開的改進(jìn)光旋轉(zhuǎn)接頭還有其他的優(yōu)點(diǎn)。改進(jìn)的光旋轉(zhuǎn)接頭(a)減小入射到接收器表面上光強(qiáng)度變化造成的變化，(b)減小橢圓形反射器的受光角效應(yīng)，(C)允許在光電檢測器之前使用光纖，和(d)減小光程長。在圖7和圖8中說明這些優(yōu)點(diǎn)。在圖7中，所示的光反射器裝置46包含橢圓形第一反射面44和圓錐形第二反射面45，如以上所描述的。光信號(hào)是從光源42中產(chǎn)生的。在圖8中，這些不同的信號(hào)發(fā)射光源分別是用TX1，TX2，…ΤΧ18表示，而不同的光反射器裝置分別是用CHl，CH2，…CH16表示，其中每個(gè)信道有一個(gè)反射器。在簡單的橢圓形反射器配置中，如在’ 714專利的圖I中所公開的，光源相對(duì)于橢圓形反射器的位置在接收器上產(chǎn)生有不同入射角的反射光束。與在中心附近的那些橢圓形反射器比較，在其邊緣附近入射到橢圓形反射器的光束相對(duì)于接收器表面的法線可以以較大的入射角下會(huì)聚。由于接收器靈敏度的下降是作為入射角(即，入射光束與該光束入射到表面的法線之間的角度)的函數(shù)，有較大入射角的光束使接收器產(chǎn)生較小的輸出信號(hào)。
在本發(fā)明中，橢圓形第一反射面最好是部分的橢圓面。因此，這個(gè)橢圓面的復(fù)合性質(zhì)把光入射到其表面上的面積聚焦成在圓錐形第二反射面上的一個(gè)光斑，如圖5所示。 會(huì)聚到這個(gè)光斑上的光再次被向上反射到接收器。因此，再次反射的信號(hào)對(duì)于光源相對(duì)于定子有不同位置的接收器的入射角沒有展示很大的變化。所以，接收器檢測到的信號(hào)基本上是與光入射到橢圓形第一反射面44上的入射角無關(guān)，并且，它基本上與轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的位置無關(guān)。所以，可以減少圍繞轉(zhuǎn)子所用的光源數(shù)目。在橢圓形反射器邊緣附近減小的靈敏度是重要的，因?yàn)檫@有助于改進(jìn)光電檢測器產(chǎn)生的最小信號(hào)。當(dāng)一個(gè)光源的光束正要離開反射器時(shí)和一個(gè)相鄰光源的光束正要進(jìn)入反射器時(shí)，光電檢測器產(chǎn)生最小的信號(hào)。增大在反射器邊緣附近的重疊可以增大疊加光信號(hào)的幅度和由檢測器產(chǎn)生的信號(hào)，從而減小在改進(jìn)光旋轉(zhuǎn)接頭中所需的光源數(shù)目。本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是允許使用接收器之前的光纖。在’714專利中，在接收器之前使用的光纖是受到光纖有限NA的阻礙。如此處所描述的，改進(jìn)的復(fù)合橢圓形反射面可以把反射光聚焦成第二反射面上的光斑。圓錐形反射器的表面可以把來自橢圓形反射器的反射光束轉(zhuǎn)到接收器。通過使用圓錐形反射器，相對(duì)于接收器表面法線的入射角在橢圓形反射器所對(duì)整個(gè)角度范圍內(nèi)是基本恒定的。在圓錐之上的附加光學(xué)子裝置可用于聚焦會(huì)聚的反射光束進(jìn)入接收光纖的輸入端。在旋轉(zhuǎn)界面上出現(xiàn)嚴(yán)重電噪聲的區(qū)域上，或在需要遠(yuǎn)程檢測信號(hào)時(shí)，使用這種光纖是特別有用的。使用圓錐形反射器可以擴(kuò)大光旋轉(zhuǎn)接頭的有效受光角。如圖7所示，光旋轉(zhuǎn)接頭的受光角可以增大到約21. 4°。有了這個(gè)較大的受光角，在旋轉(zhuǎn)界面上用于連續(xù)傳輸信號(hào)所需的最小光源數(shù)目是17個(gè)(即，360° /21.4° =
16.82 ^ 17 個(gè)光源)。使用圓錐形反射器的第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以減小光程長。利用幾何分析，圖7所示配置中的光程長約為120_，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圖I和圖4所示配置中的光程長(即，約為248_)減小的光程長可以降低改進(jìn)光旋轉(zhuǎn)接頭對(duì)失準(zhǔn)的靈敏度。通過確保光程長在橢圓形反射器占用的整個(gè)角度范圍內(nèi)的基本恒定的，以及確保足夠大的光功率是從圓錐面上的反射被引導(dǎo)進(jìn)入光纖，本發(fā)明的光旋轉(zhuǎn)接頭可以支持每個(gè)信道有5. OGbit/sec數(shù)據(jù)速率的數(shù)據(jù)傳輸。一個(gè)數(shù)據(jù)信道是由一個(gè)橢圓形反射器，圓錐形反射器，接收光學(xué)子裝置，接收光纖，和高速光電檢測器構(gòu)成。利用數(shù)據(jù)信道陣列和圍繞轉(zhuǎn)子的光源傳送交換數(shù)據(jù)的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)傳輸速率。圖8中給出一個(gè)例子，其中在圍繞旋轉(zhuǎn)界面的圓周上安排16個(gè)數(shù)據(jù)信道。每個(gè)數(shù)據(jù)信道可以傳送數(shù)據(jù)速率
5.OGbit/sec的光學(xué)數(shù)據(jù)。通過對(duì)16個(gè)數(shù)據(jù)信道求和，利用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，可以容易地實(shí)現(xiàn)能夠傳輸80Gbit/sec (即，16個(gè)信道X 5. OGbit/sec/信道)的光旋轉(zhuǎn)接頭。例如，如圖8所示，光纖旋轉(zhuǎn)接頭包含18個(gè)光源TXl至TX18，它們分別等間隔地分布在圍繞轉(zhuǎn)子的圓周上，每個(gè)光源的標(biāo)稱角間隔是20°。根據(jù)需要，光源可以發(fā)射相同的光信號(hào)，或不同的光信號(hào)。為了在旋轉(zhuǎn)界面上可以發(fā)射最大量的數(shù)據(jù)，大多數(shù)光源傳送不同的信號(hào)流。在改進(jìn)光旋轉(zhuǎn)接頭中的定子被分成16個(gè)扇區(qū)。一個(gè)扇區(qū)包含一個(gè)數(shù)據(jù)信道，而扇區(qū)邊界是用圖8所示的放射狀斜條標(biāo)記。在光源的光進(jìn)入波導(dǎo)之前，有選擇地進(jìn)行切換以提供光信號(hào)給特定的數(shù)據(jù)信道。例如，光源TXl傳送光數(shù)據(jù)給信道CH1，光源TX2傳送不同組的數(shù)據(jù)給信道CH2，等等。當(dāng)兩個(gè)光源是在一個(gè)扇區(qū)內(nèi)時(shí)，這兩個(gè)光源被切換到傳送相同的數(shù)據(jù)信號(hào)。例如，在圖8中，光源TX5和TX6傳送相同的信號(hào)給信道CH5。由于旋轉(zhuǎn)界面的恒定光程長性質(zhì)，來自光源TX5和TX6的光信號(hào)可以相長地疊加，所以，檢測器從這兩個(gè)光源中接收較強(qiáng)的同相信號(hào)。因此，通過增大到達(dá)光電檢測器的兩個(gè)單獨(dú)同相信號(hào)的光強(qiáng)， 這兩個(gè)信號(hào)的疊加可以改進(jìn)疊加的幅度求和光信號(hào)的質(zhì)量。電子式交換(圖9-11)圖9說明可以利用改進(jìn)的光旋轉(zhuǎn)接頭以高傳輸速率傳輸數(shù)據(jù)的方法。在光旋轉(zhuǎn)接頭的上游，利用普通的數(shù)字電子技術(shù)，把80Gbit/sec信號(hào)分割成16個(gè)5. OGbit/sec的信號(hào)流。16個(gè)5. OGbit/sec的信號(hào)流通過信道選擇器分別被路由到不同的各組光源TXl至 TX18，分別在旋轉(zhuǎn)接頭上傳輸?shù)?6個(gè)接收器RXl至RX16。若使用的光源數(shù)目多于18個(gè)，則可以建立大于16個(gè)傳輸信道。在接收到這些信號(hào)之后，它們被重新構(gòu)造成原始的80Gbit/ sec 信I。這個(gè)實(shí)施例的光旋轉(zhuǎn)接頭可以包含角位置編碼器，用于跟蹤轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的位置，所以，信道選擇器可以正確地交換各種5Gbit/sec信號(hào)流到它們各自的光源。因此，本發(fā)明的光纖旋轉(zhuǎn)接頭可以容易地以非常高的數(shù)據(jù)速率傳輸光信號(hào)。重要的是注意到，5. OGbit/sec信號(hào)不是光旋轉(zhuǎn)接頭的帶寬限制。事實(shí)上，可以利用任何高達(dá)5. OGbit/sec的數(shù)據(jù)速率,而在有合適的電子技術(shù)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)10Gbit/sec或更高的數(shù)據(jù)速率。在另一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射器可以接受多個(gè)較低數(shù)據(jù)速率的信號(hào)，這些信號(hào)再被復(fù)用以實(shí)現(xiàn)約5Gbit/sec的較高數(shù)據(jù)速率。在光旋轉(zhuǎn)接頭上可以發(fā)送這個(gè)數(shù)據(jù)流，并被重新構(gòu)造成較低數(shù)據(jù)速率的信號(hào)。有兩種方法可以使信道選擇器交換16個(gè)信道的源信號(hào)到在轉(zhuǎn)子周圍的18個(gè)光源。第一種方法涉及在us Patent No. 6，385，367中描述的緩沖器/復(fù)用器方法，在此公開這種方法作為參考。圖10表示這種方法的示意圖。按照這種方法，16個(gè)信號(hào)中的每個(gè)信號(hào)被饋入到單獨(dú)的緩沖器1-18，該緩沖器扇出輸入信號(hào)到18個(gè)復(fù)用器(MUX)信道中的一個(gè)信道。利用有16個(gè)輸入的18個(gè)MUX信道， 可以從每個(gè)緩沖器的芯片中接收輸入信號(hào)。轉(zhuǎn)子位置編碼器提供激光被交換的位置，可以傳輸來自另一個(gè)輸入信號(hào)流的數(shù)據(jù)。雖然這種方法一般是可行的，但當(dāng)輸入信道的數(shù)目增大時(shí)，扇出/緩沖器芯片到 MUX芯片之間的互連數(shù)目就大大地增加。例如，若有M個(gè)輸入信號(hào)流和在轉(zhuǎn)子環(huán)周圍的光源數(shù)目是N，則互連的數(shù)目(N
interconnects^Ninterconnects = 2MxN互連數(shù)目的增大可以增加印刷電路板的復(fù)雜性，以及在空間上分開芯片可能由于傳輸線的長度而引入波形失真。大量緩沖器和其他的IC可以增加在各條路徑之間能夠觀察到的傳播延遲變化量。當(dāng)這些信號(hào)在光檢測器中疊加時(shí)，傳播延遲的變化可以造成波形失真并使觀察的眼圖閉合。利用非阻塞的交叉點(diǎn)(縱橫)開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)另一種信道選擇方法，如圖11所示。 MXN交叉點(diǎn)開關(guān)有這樣的優(yōu)點(diǎn)，所有的互連是基于交叉點(diǎn)開關(guān)，且互連都被集成在芯片中。 因此，就不需要外部的互連。MXN交叉點(diǎn)開關(guān)能夠在空間上連接M個(gè)輸入中的任何一個(gè)輸入到N個(gè)輸出中的任何一個(gè)輸出，圖11表示它的功能示意圖。非阻塞開關(guān)確保，所有的輸入端可以連接到各自的輸出端，和沒有一個(gè)傳輸可以被其他的連接阻塞。多點(diǎn)傳播的能力可以使一個(gè)輸入端同時(shí)連接到多個(gè)輸出端，并確保每個(gè)輸出端僅連接到一個(gè)輸入端。利用交叉點(diǎn)開關(guān)有許多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)包括電路板尺寸和芯片數(shù)目的減小，從而減小功率消耗并使信號(hào)失真最小。例如，在典型的4個(gè)輸入端的信道發(fā)射器電路板上，采用交叉點(diǎn)開關(guān)的方法優(yōu)于緩沖器/MUX方法，電路板的尺寸可以減小約30%，芯片的數(shù)目可以減小20%以上，和功率消耗可以減少40%以上。由于這些開關(guān)集成在一個(gè)模具中，與緩沖器/MUX方法比較，交叉點(diǎn)開關(guān)通?？梢詼p小信號(hào)失真和不穩(wěn)定性。事實(shí)上，在交叉點(diǎn)開關(guān)基發(fā)射器中傳播延遲的變化與緩沖器/MUX方法比較可以減小80%以上。這可以使通過旋轉(zhuǎn)界面有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。交叉點(diǎn)開關(guān)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是增大發(fā)射數(shù)據(jù)模式的靈活性。 因?yàn)榻徊纥c(diǎn)開關(guān)對(duì)于數(shù)據(jù)速率和協(xié)議是透明的，可以建立多個(gè)傳輸信道，其中每個(gè)信道在不同的數(shù)據(jù)速率下執(zhí)行唯一的協(xié)議。改進(jìn)的光反射器裝置(圖12)現(xiàn)在參照圖12所示的一種改進(jìn)的光反射器裝置50。這種改進(jìn)的光反射器裝置有三個(gè)重疊在一起的板狀構(gòu)件，如以下所描述的。第一個(gè)或中間構(gòu)件51有橢圓形反射面52， 如以上所描述的。這個(gè)中間構(gòu)件有平坦的上表面和平坦的下表面。該光反射器裝置還包含底下的第二構(gòu)件53。這個(gè)構(gòu)件也是一個(gè)板狀構(gòu)件，并有嚙合中間第一構(gòu)件51的平坦下表面的平坦上表面。第二構(gòu)件53支持有圓錐形反射面55的第四構(gòu)件54。橢圓形表面的第二焦點(diǎn)基本上是在圓錐形物體54的軸上。該光反射器裝置還包含板狀第三構(gòu)件56。這個(gè)第三構(gòu)件有平坦的下表面，它嚙合中間構(gòu)件51的平坦上表面。第三構(gòu)件用于支持接收光學(xué)元件58，該光學(xué)元件通過光纖59與遠(yuǎn)程的光電檢測器(未畫出)通信。接收光學(xué)元件可以是一系列或一串透鏡，用于聚焦光進(jìn)入光纖59的輸入端。因此，改進(jìn)光反射器裝置的制造和結(jié)構(gòu)是簡單的。當(dāng)然，必須小心地在第一構(gòu)件上制成橢圓形反射面52。下面的第二構(gòu)件可以給圓錐形反射器提供支承，而上面的第三構(gòu)件給接收光學(xué)元件提供合適的支承，該接收光學(xué)元件是與圓錐形反射器對(duì)準(zhǔn)。圖12所示裝置的運(yùn)行是與以上描述的基本相同。橢圓形表面的第一焦點(diǎn)是與轉(zhuǎn)子的軸基本重合。因此， 看上去來自轉(zhuǎn)子軸的光可以從橢圓形反射面52上反射到圓錐形反射面55上的一個(gè)光斑， 然后再被向上反射通過接收光學(xué)元件后進(jìn)入光纖59。圖12所示裝置的運(yùn)行基本上如圖5 所示。改進(jìn)的安裝方法(圖13-17)現(xiàn)在參照圖13-17，在另一方面，本發(fā)明還提供一種組裝光旋轉(zhuǎn)接頭和在支架上安裝這種已組裝的光旋轉(zhuǎn)接頭的方法。這種方法是從提供工具板60開始，它有環(huán)形內(nèi)區(qū)段61和弧形外區(qū)段63，在內(nèi)區(qū)段61上有多個(gè)圓形間隔沿徑向延伸的V型槽62，而在外區(qū)段上有多個(gè)圓形間隔的料斗。每個(gè)料斗適合于接納反射器裝置，如圖12所示的50，并保持這種反射器裝置在相對(duì)于鄰近V 型槽的預(yù)定位置。因此，圖13只是畫出了工具板的上表面。必須十分當(dāng)心工具板的機(jī)械加工，且這種裝置最好是有單一的整體結(jié)構(gòu)。下一步是提供多個(gè)光反射器裝置，如圖12所示的50?，F(xiàn)在參照圖14，下一步是在每個(gè)料斗中實(shí)際放置光反射器裝置50。料斗最好是機(jī)械加工而成，它只能按照一種方式放入光反射器裝置，且反射器裝置相對(duì)于工具板內(nèi)區(qū)段上的V型槽有合適的取向。繼續(xù)參照圖15，再提供定子段69，它放置在光反射器裝置的頂部。然后，把光反射器裝置安裝到定子段上以形成組裝好的定子?，F(xiàn)在，從工具板上取下組裝好的定子。下一步是在至少一些工具板V型槽中放置圓柱形定寸銷，如圖15所示。各種定寸銷是用數(shù)字65標(biāo)記。在此之后，提供多個(gè)轉(zhuǎn)子段66。這些轉(zhuǎn)子段放置在工具板的內(nèi)區(qū)段的頂部。每個(gè)轉(zhuǎn)子段有沿徑向延伸的V型槽，它適合與工具板的V型槽對(duì)準(zhǔn)。因此，當(dāng)各個(gè)轉(zhuǎn)子段放置在圓柱形定寸銷上時(shí)，它們互相之間有合適的取向。此后，連接各個(gè)轉(zhuǎn)子段以形成組裝好的轉(zhuǎn)子，如圖16中的數(shù)字68所示。然后，從工具板上取下組裝好的轉(zhuǎn)子，并從工具板的V型槽中取下定寸銷。將組裝好的轉(zhuǎn)子倒置，并利用多個(gè)精密加工的固定夾子以固定到組裝好的定子上。然后，提供多個(gè)光纖和準(zhǔn)直器裝置，這些光纖和準(zhǔn)直器裝置安裝在組裝好的轉(zhuǎn)子V型槽中。在此之后，把組裝還的轉(zhuǎn)子和定子段安裝到支架上，例如，CT掃描儀的工作臺(tái)。此后，順序取下固定夾子，使組裝好的轉(zhuǎn)子和定子安裝到支架上，且互相之間有理想的對(duì)準(zhǔn)。如果需要，該方法還可以包括附加的步驟在圖14所示的工具板V型槽的一個(gè)槽中中放置測試光纖和準(zhǔn)直器裝置；和在從工具板上取下組裝好的轉(zhuǎn)子之前，測試這個(gè)光纖和準(zhǔn)直器裝置與鄰近反射器裝置之間光路連接的完整性。波分復(fù)用技術(shù)(圖18)本發(fā)明的光纖旋轉(zhuǎn)接頭還支持有不同波長的光信號(hào)傳輸，如圖18所示。在這個(gè)實(shí)施例中，光纖旋轉(zhuǎn)接頭包括兩個(gè)或多個(gè)激光器或其他光源，用于提供有不同波長的光信號(hào)。 這個(gè)實(shí)施例的光旋轉(zhuǎn)接頭還包括單獨(dú)的相同長度光纖，用于傳輸來自各個(gè)激光器或其他光源的不同波長光信號(hào)到旋轉(zhuǎn)界面?；蛘撸庠纯梢园詈掀?，如圖18所示，用于組合有不同波長的光信號(hào)，因此，借助于共同的光纖，可以傳輸組合的光信號(hào)到旋轉(zhuǎn)界面。在這個(gè)有不同波長的光信號(hào)已經(jīng)被組合的實(shí)施例中，接收器可以配置成包含分束器，例如，二向色濾波器，用于分開不同波長的光信號(hào)，并包含多個(gè)光電二極管或其他的檢測器，用于接收單獨(dú)的光信號(hào)。在接收器遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)界面的實(shí)施例中，不同波長的光信號(hào)在被準(zhǔn)直之前是沿共同的光纖傳播，例如，利用準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直，然后，按照光信號(hào)的波長被分割。利用波分復(fù)用技術(shù)，在不增大光源調(diào)制速率的情況下，可以增大帶寬。因?yàn)榕c增大光源調(diào)制速率相關(guān)的成本在較大的數(shù)據(jù)速率下是相當(dāng)高的，包含兩組或多組激光器或光源以提供有不同波長光信號(hào)有時(shí)可能是更經(jīng)濟(jì)的。利用這種技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)能夠傳輸數(shù)據(jù)速率在160Gbit/sec數(shù)量級(jí)的光旋轉(zhuǎn)接頭，其中利用兩個(gè)波長。改動(dòng)本發(fā)明設(shè)想可以進(jìn)行各種變化和改動(dòng)。例如，第一反射面應(yīng)當(dāng)配置成有第一焦點(diǎn)和第二焦點(diǎn)的部分橢圓。最好是，這個(gè)表面配置成部分的橢球面，它沿兩個(gè)互相垂直的正交軸有復(fù)合的曲率，因此，光入射到橢球面上的面積被反射和會(huì)聚成圓錐形反射器上的一個(gè)光斑。如在此處所使用的，第二反射器是圓錐形，它有45°的頂角。然而，這不是不變的。 在某些情況下，第二反射器可以截頭圓錐形，或可以有部分圓錐形的一些其他配置。在任何的情況下，其特征是，圓錐形反射器的功能是沿不同的方向再反射光到接收光學(xué)元件，該光學(xué)元件可以是一串透鏡，等等?；蛘撸俜瓷涞墓饪梢灾苯尤肷涞焦怆姍z測器的工作面上。
專業(yè)人員容易理解，可以改變各種結(jié)構(gòu)材料?？梢酝糠蠛?或拋光各個(gè)反射面以形成高的反射率。所以，我們已經(jīng)展示和描述本發(fā)明的各種特征和實(shí)施例，并提出和討論它們的各種改動(dòng)，在不偏離以下權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明精神范圍內(nèi)，專業(yè)人員容易理解對(duì)它們所做的各種變化和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種光反射器裝置，用于在轉(zhuǎn)子與定子之間實(shí)現(xiàn)光通信，所述轉(zhuǎn)子有縱軸，包括有凹的第一反射面的第一構(gòu)件，取自通過所述第一反射面的平面上的線配置成有第一焦點(diǎn)和第二焦點(diǎn)的部分橢圓，所述第一焦點(diǎn)的位置與所述轉(zhuǎn)子的軸基本重合；安裝在所述第一構(gòu)件一側(cè)的第二構(gòu)件；安裝在所述第一構(gòu)件相反一側(cè)的第三構(gòu)件；安裝在所述第二構(gòu)件上并有第二反射面的第四構(gòu)件，它配置成部分的圓錐形，所述第二反射面有縱軸，所述第二焦點(diǎn)的位置基本上是在所述第二反射面上；和安裝在所述第三構(gòu)件上的接收器，以致于看上去源自所述第一焦點(diǎn)并入射到所述第一反射面上的光被反射到所述第二反射面，并且入射到所述第二反射面上的這個(gè)反射光再被反射到所述接收器。
2.按照權(quán)利要求I的光反射器裝置，其中所述接收器是與所述第二反射面的縱軸基本對(duì)準(zhǔn)。
3.按照權(quán)利要求I的光反射器裝置，其中所述第一反射面配置和安排成這樣，以致于光從所述第一反射面所入射到第二反射面上的面積小于光從所述光源所入射到第一反射面上的面積。
4.按照權(quán)利要求3的光反射器裝置，其中所述第一反射面配置成部分的橢圓。
5.按照權(quán)利要求I的光反射器裝置，其中所述第一構(gòu)件是有兩個(gè)相對(duì)平表面的板狀構(gòu)件。
6.按照權(quán)利要求5的光反射器裝置，其中所述第二構(gòu)件有平表面，它安排成嚙合所述第一構(gòu)件平表面中的一個(gè)表面。
7.按照權(quán)利要求6的光反射器裝置，其中所述第三構(gòu)件有平表面，它安排成嚙合所述第一構(gòu)件平表面中的另一個(gè)表面。
8.按照權(quán)利要求I的光反射器裝置，其中所述第二構(gòu)件是板狀構(gòu)件。
9.按照權(quán)利要求I的光反射器裝置，其中所述第三構(gòu)件是板狀構(gòu)件。
10.按照權(quán)利要求I的光反射器裝置，其中所述第二反射面是圓錐面。
11.按照權(quán)利要求10的光反射器裝置，其中所述圓錐面的頂角約為45°。
12.按照權(quán)利要求I的光反射器裝置，其中所述接收器基本上是與所述第二反射面的縱軸對(duì)準(zhǔn)。
13.按照權(quán)利要求12的光反射器裝置，其中所述接收器包括安裝在所述第三構(gòu)件上并基本與所述第二反射面的縱軸對(duì)準(zhǔn)的接收光學(xué)元件，和有輸入端和輸出端的光纖，輸入端安排成從所述接收光學(xué)元件中接收光，以及安排在所述接收端的光電二極管。
14.按照權(quán)利要求13的光反射器裝置，其中所述接收光學(xué)元件包括非球面透鏡和球面透鏡。
15.按照權(quán)利要求13的光反射器裝置，其中所述接收光學(xué)元件包括一對(duì)非球面透鏡。
全文摘要
光旋轉(zhuǎn)接頭，按照正確對(duì)準(zhǔn)方式安裝光旋轉(zhuǎn)接頭的方法，和其中所用的光反射器裝置。本發(fā)明一般涉及光旋轉(zhuǎn)接頭(35)，在支架上安裝這種光旋轉(zhuǎn)接頭的改進(jìn)方法，以及用于這種光旋轉(zhuǎn)接頭的改進(jìn)光反射器裝置。改進(jìn)的光旋轉(zhuǎn)接頭能夠在轉(zhuǎn)子與定子之間實(shí)現(xiàn)光通信，所述轉(zhuǎn)子有縱軸，并包括安裝在所述轉(zhuǎn)子和定子中的一個(gè)上面的至少一個(gè)光源(36)；安裝在所述轉(zhuǎn)子和定子中的另一個(gè)上面的至少一個(gè)第一反射器(38)；所述第一反射器包括凹的第一反射面；有第二反射面(45)的第二反射器(39)，它配置成部分的圓錐形和放置在橢圓面的第二焦點(diǎn)上；和接收器(40)，它安排成接收被第二反射面反射的光。
文檔編號(hào)G02B5/08GK102608685SQ20121007805
公開日2012年7月25日 申請日期2006年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月28日
發(fā)明者K·彼得·樓, 諾瑞斯·E·利維斯, 馬丁·J·奧斯特暉斯, 黑斯·E·庫恩斯 申請人:莫戈公司