CN102937733A - 可见光无线通信大视场可调复眼结构光学接收器 - Google Patents

Abstract

可见光无线通信大视场可调复眼结构光学接收器，由依次连接的复眼透镜、光纤、光电探测器和电路系统组成，复眼透镜由微透镜阵列和基底组成，所述基底由四块相等的有机玻璃平板和“十字”型连接轴组成，“十”字型连接轴和有机玻璃平板可转动连接形成一个圆形基底，“十字”型连接轴中心交叉处嵌入圆形滚珠，四块有机玻璃平板可绕“十”字型连接轴水平和垂直方向转动，所述基底上设有若干通孔，所述微透镜嵌入通孔中；所述微透镜第一面为凸面，第二面为平面且与光纤端面连接，微透镜的直径比光纤直径略大。本发明接收视场大，光传递效率高。

Description

可见光无线通信大视场可调复眼结构光学接收器

技术领域

本发明涉及光电领域，特别是可见光通信接收端的光纤耦合和传输问题。

背景技术

随着可见光无线通信系统的发展，对接收机的性能提出更高的要求。接收端需具备小型化、大视场、高信噪比、重量轻等特点。由于光电探测器接收面积，视场均很小，不利于光信息采集。因此，希望接收机前端的光学系统功能类似无线通信中的天线功能：大视场角、大的增益效应。而现有光学透镜作为光信息采集的光学系统中，透镜为不可活动的单孔径结构，接收视场角较小，接收方向不易调整。

受昆虫复眼的启发，人们结合复眼的体积小、重量轻、视场大等优点，提出了相应的人工复眼光学系统。复眼具有的视觉特点：广角大，大景深和高灵敏度。视角最大可达350度。人工复眼具体说来，就是将目前广泛使用的单孔径光学系统用多孔径复眼光学系统所代替，从而达到使整个系统小型化、轻量化、以及视场增大的目的。专利申请号为200610023932.3的发明专利公开了一种用于均匀照明的双面复眼透镜。由前后两面复眼透镜共同制作在同一块玻璃或透光材料上而构成。光的透过率和均匀度很高。《仿生光学复眼设计及其制造技术研究新进展》（陈明君，刘业胜，机械工程学报，第47卷第1期，2011年1月）提供了用于成像的平面和曲面型复眼透镜，两者均为一体、多层结构。但这两种结构中的外界光线进入透镜时需逐层聚集，前一层聚焦的光线一部分会从下一层单透镜的间隙中透过，这部分光会损失掉。且不能进行方向调整，同时晶椎的加工也存在难点。

如果利用上述复眼透镜的大视场、高增益的特点，将它引入到可见光通信光学接收系统中，可以实现多个微透镜从不同角度来捕获光信号，扩大视场角。同时通过适当设计，可以进行接收方向调整，这种结构将大大增强光信号的接收能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种复眼结构光学接收器，该光学接收器接收视场大，光传递效率高。

实现本发明目的的技术方案是：

可见光无线通信大视场可调复眼结构光学接收器，由依次连接的复眼透镜、光纤、光电探测器和电路系统组成，复眼透镜由微透镜阵列和基底组成，所述基底由四块相等的有机玻璃平板和“十字”形连接轴组成，“十”字形连接轴和有机玻璃平板可转动连接形成一个圆形基底，“十字”形连接轴中心交叉处嵌入圆形滚珠，四块有机玻璃平板可绕“十”字形连接轴水平和垂直方向转动，所述基底上设有若干通孔，所述微透镜嵌入通孔中；所述微透镜第一面为凸面，第二面为平面且与光纤端面连接，微透镜的直径比光纤直径略大。

上述技术方案中，有机玻璃基底分为四部分可活动结构，可通过调整方向，扩大接收角和调整接收方向。微透镜受光面为凸面，且焦距较短。基底面钻有圆形小孔，小孔直径等同于微透镜口径，可以保证微透镜能嵌入基底小孔中，同时光传输不会因基底材料而产生损耗。

作为本发明的进一步改进，所述微透镜的直径与光纤纤芯直径比例为1：0.7。

作为本发明的进一步改进，所述光纤采用多模光纤，多模光纤数值孔径较大，集光能力强，与光源耦合效率高。由于传输距离短，损耗可以忽略，所以选择多模光纤。

作为本发明的进一步改进，所述光纤采用塑料光纤，优选纤芯材料为聚甲基丙烯酸甲酯聚合物（PMMA）。PMMA为一种特殊的合成树脂，性能稳定，具有特殊的透明性，光透过率93%，适用于可见光、红外光和紫外光波段。对太阳光性能十分稳定，热性能也很好。同时在可见光波段有低损耗窗口，所以更适合用在可见光波段的传输系统。与石英光纤易被折断相比，塑料光纤质软、不易损坏。通信塑料光纤多采用直径1mm的光纤，是石英光纤芯径的8～20倍。其数值孔径为0.5，远大于石英光纤的0.2，可使得光源与光纤耦合效率更高。

作为本发明的进一步改进，所述焦距f的选择综合考虑光纤数值孔径的大小和微透镜与光纤的光耦合效率。

曲率半径选择根据透镜光线聚焦到光纤中进行全反射传输的位置，见图5。光线经过透镜汇聚到光纤内部。由SNELL定律，可求出光线在光纤内全反射临界角

如果光线以小于

的入射角入射到纤芯包层的界面上，光线将折射出纤芯并进入包层而损失掉。将SNELL定律应用于透镜-光纤端面边界，由下式可以得到透镜中光线的最大入射角θ_0.max所满足的关系式：

$\sin {\mathrm{\θ}}_{0.\max }=\frac{n_1}{n_L}\sin {\mathrm{\θ}}_1=\frac{1}{n_L}{(n_1^2-n_2^2)}^{1/2}$

式中n_L、n₁与n₂分别为透镜、纤芯和包层的折射率，θ₁为入射光线在微透镜与光纤结合面的折射角，其中将纤芯与包层折射率平方差的平方根定义为光纤数值孔径NA_G。将上式sinθ_0.max定义为微透镜的数值孔径NA_B，即有

${\mathrm{NA}}_B=\frac{{\mathrm{NA}}_G}{n_L}---\left(1\right)$

由于透镜的折射率大于1，可知透镜数值孔径NA_B小于光纤数值孔径NA_G。为了使NA_B更大，透镜折射率应尽量小些。透镜边缘入射的平行光折射光线路径如图5中所示。近似有tanθ₁≈D/2f，由于光纤内入射光线正好发生全反射时，透镜焦距f与光纤数值孔径NA_G关系式为：

$f\≈\frac{D}{2\tan {\mathrm{\θ}}_1}=\frac{D}{2\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{\sqrt{1-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1}}}=\frac{D}{2\frac{{\mathrm{NA}}_G}{\sqrt{n_1^2-{\mathrm{NA}}_G^2}}}=\frac{D}{2\frac{{\mathrm{NA}}_G}{n_2}}=\frac{n_{2}D}{2{\mathrm{NA}}_G}---\left(2\right)$

式中D为微透镜口径，n₂为包层的折射率，NA_G为光纤数值孔径。然而实际情况下，焦距f的选择既要参考光纤数值孔径的大小，又要考虑到微透镜与光纤的光耦合效率。首先，过长的焦距会增加光损耗，降低透镜与光纤的光耦合效率。其次，微透镜、塑料光纤的尺寸较小，焦距的选择也应适当短些，这可以使更大视角范围内的光线耦合到光纤中。所以综合考虑，透镜焦距的选择要兼顾以上两点因素。

当入射光线为平行线时，通过微透镜的光线交点到透镜的距离即为透镜的焦距，公式为

$f=\frac{n_1}{\frac{n_L-n_0}{r_1}-\frac{n_L-n_1}{r_2}}$

式中n₀、n_L与n₁分别为空气、透镜和塑料光纤的折射率，r₁、r₂分别为凸透镜凸面和平面的曲率半径，由于r₂为无穷大，简化后得

$f=\frac{n_1{r}_1}{n_L-n_0}---\left(3\right)$

上式即为图4中透镜焦距和曲率半径之间的关系。

本发明可实现可见光无线通信接收机前端的大视场、高增益、方向可调等功能，达到光信息的高效率接收。与普通单孔径透镜相比，视场大、接收方向可调整。与普通结构复眼相比，基底为四块可活动结构，接收方向可调，还可根据光强自适应调整接收面积。另外复眼结构中由光纤代替晶椎，可一次聚焦，减少光能损失。同时塑料光纤的使用使得整个系统具有尺寸小，轻便、不易损坏、加工方便等特点。

附图说明

图1为本发明实施例1可见光无线通信大视场可调复眼结构光学接收器的系统框图；

图2为本发明实施例1可见光无线通信大视场可调复眼结构光学接收器结构示意图；

图3为本发明实施例1基底的结构示意图；

图4为微透镜结构示意图；

图5微透镜与光纤结合连接结构示意图。

具体实施方式

图1为复眼结构光学接收系统框图。由依次连接的复眼透镜、光纤（束）、光电探测器和电路系统组成。依据此系统框图来进行具体的实施方式。图2所示的光学接收端系统主要由复眼透镜1、塑料光纤2、光电探测器3和电路系统4组成。复眼透镜口径为1.43cm，塑料光纤直径1mm，数值孔径NA为0.5。塑料光纤一端与匹配的微透镜结合，另一端经套管固定后集中于置于套管内的光电探测器端。经光电探测器转换后的电信号进入电路系统中待下一步处理。另外，由于复眼基底为可活动结构，塑料光纤的长度相比微透镜与光电探测器的绝对距离应有一定的长度冗余，选择长度为10cm。这样可使复眼调整方向时更为稳定、可靠。

1、复眼透镜

如图3、4和5所示，复眼透镜1由微透镜5阵列和基底6组成，基底6由“十字”形连接轴7和四个相等的有机玻璃平板8组成，同时基底上设有通孔9。微透镜第一面61为凸面。第二面62为平面，是微透镜与光纤连接面。微透镜与光纤连接体内置于基底小孔中，“十字”形连接轴7中心交叉处嵌入圆形滚珠，可保证基底能绕“十”字形连接轴水平和垂直方向转动，转动角以不大于30°为宜。微透镜口径为1.43cm。实际情况下光辐射会存在不均匀性，调整透镜的方向可以扩大系统接收角，提高接收光能力。另外如果光功率太强，与光电探测器的工作特性不匹配，这时可通过调整透镜方向以减小受光面积，以达到最佳的接收效果。

2、微透镜

微透镜51结构如图4所示。微透镜结构参数比如曲率半径、焦距等需匹配光纤数值孔径NA、直径。图中n₀、n_L与n₁分别为空气、透镜和塑料光纤的折射率，r₁、r₂分别为透镜凸、平两面的曲率半径，其中r₂为无穷大。按微透镜与光纤口径比例1：0.7计算，口径D为1.43mm。

以图5为例来讨论阶跃折射率光纤中光传播问题。塑料光纤纤芯PMMA折射率n₁为1.49，包层（四氟乙烯和偏氟乙烯的共聚物）折射率n₂为1.403，由SNELL定律可得入射光线产生全反射时临界角

为69.99°，θ₁为20.01°。而所选透镜材料BK7，即是国内的K9玻璃，其折射率为1.5163，当柱面和光纤结合后，由SNELL定律可知，θ₀为19.65°。如果光线以小于的入射角投射到纤芯包层的界面上，则光线将折射进入包层而损失掉，光耦合效率降低。

当透镜汇聚进光纤的光线刚好发生全反射时，由公式：

$f\≈\frac{D}{2\tan {\mathrm{\θ}}_1}=\frac{D}{2\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{\sqrt{1-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1}}}=\frac{D}{2\frac{{\mathrm{NA}}_G}{\sqrt{n_1^2-{\mathrm{NA}}_G^2}}}=\frac{D}{2\frac{{\mathrm{NA}}_G}{n_2}}=\frac{n_{2}D}{2{\mathrm{NA}}_G}---\left(2\right)$

式中D为微透镜口径，n₂为包层的折射率，NA_G为光纤数值孔径；和

$f=\frac{n_1{r}_1}{n_L-n_0}---\left(3\right)$

式中n₀、n_L与n₁分别为空气、透镜和塑料光纤的折射率，r₁为凸透镜凸面的曲率半径；可分别计算得出透镜焦距f为1.96mm，凸面曲率半径为0.68mm。考虑以上讨论的两点因素，折中选择焦距为1.2mm，此时的曲率半径为0.416mm。

3、塑料光纤

塑料光纤纤芯PMMA折射率n₁为1.49，包层（四氟乙烯和偏氟乙烯的共聚物）折射率n₂为1.403，数值孔径NA为0.5，接收端光纤长度为10cm。

4、光电探测器

选用工作在可见光波段的硅光电二极管，型号为G0303-V，光谱响应范围为350nm-750nm，峰值波长550nm，光敏面积3mm×3mm。光电探测器置于套管内，可防止光散射，保证光线尽可能汇聚到光电探测器上。

Claims (6)

1.可见光无线通信大视场可调复眼结构光学接收器，其特征是，由依次连接的复眼透镜、光纤、光电探测器和电路系统组成，复眼透镜由微透镜阵列和基底组成，所述基底由四块相等的有机玻璃平板和“十字”形连接轴组成， “十”字形连接轴和有机玻璃平板可转动连接形成一个圆形基底，“十字”形连接轴中心交叉处嵌入圆形滚珠，四块有机玻璃平板可绕“十”字形连接轴水平和垂直方向转动，所述基底上设有若干通孔，所述微透镜嵌入通孔中；所述微透镜第一面为凸面，第二面为平面且与光纤端面连接，微透镜的直径比光纤直径略大。

2. 根据权利要求1所述的光学接收器，其特征是，所述微透镜的直径与光纤纤芯直径比例为1：0.7。

3.根据权利要求1所述的光学接收器，其特征是所述光纤采用多模光纤。

4.根据权利要求1所述的光学接收器，其特征是，所述光纤采用塑料光纤。

5.根据权利要求1所述的光学接收器，其特征是，所述焦距f的选择综合考虑光纤数值孔径的大小和微透镜与光纤的光耦合效率。

6.根据权利要求1所述的光学接收器，其特征是，所述光纤纤芯材料为聚甲基丙烯酸甲酯聚合物。

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