CN103293610A - 一种用于短距离无线光通信的大相对孔径光学接收天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于短距离无线光通信的大相对孔径光学接收天线，从光束入射方到光束出射方依次包括三个透镜，所述的第一透镜是正光焦度的双凸透镜，所述的第二透镜是正光焦度的弯月透镜，凸面朝向光束入射方，所述的第三透镜是负光焦度的双凹透镜。本发明接收天线能够有效聚焦入射光束，当入射光束平行于该接收天线光轴并沿垂直光轴方向在有效孔径内运动时，该接收天线将入射光束90%以上的能量聚焦。当入射光束相对于光轴偏转±0.1度时，接收天线将至少50%的光能量聚焦。解决了高速光电探测器光敏面较小，灵敏度较低的问题。

Description

一种用于短距离无线光通信的大相对孔径光学接收天线
技术领域
本发明涉及一种光学接收天线，尤其涉及一种用于短距离无线光通信的大相对孔径光学接收天线。
背景技术
无线光通信，是以光波为载体在真空和大气中传递信息的通信技术，可分为大气光通信、卫星间光通信和星地光通信。这是一种以光束为信息载体的无线通信技术，可提供数据信息的点对点或点对多点无线高速连接。无线光通信中的信息在空气介质或真空中传播，不需要光纤，因此无线光通信技术也常称为虚拟光纤（virtual fiber）通信技术。无线光通信既具有微波通信成本低、工程周期短、架设灵活便捷的特点，又具有光纤通信频带宽、速率高、容量大、保密性好、功耗小、重量轻的优点。因此，无线光通信意义重大而深远，其不但可将地面上的各类通信融为一体，而且在近空，乃至将来人类进入宇宙深空的通信也要采用该技术。
无线光通信系统主要由激光光源系统，发射系统，接收系统以及大气信道组成。系统的工作原理是：发射系统将经过处理的电信号调制到光载波上，然后通过光学发射天线使其成为平行光束并在大气中发送至对准的光学接收天线。光信号经大气信道传输到达接收系统，光学接收天线将接收到的光信号聚焦后送至光电探测器进行光电转换，经放大恢复成原来的电信号。光学发射天线的主要功能是压缩光束发散角，对光束进行扩束和准直。光学接收天线的作用是尽可能多地接收包含信号光在内的自由空间的微弱光辐射，然后被探测器所检测并转换成电信号。
高速光电探测器的光敏面一般较小，灵敏度也较低，需要光学接收天线将光束聚焦成较小的光斑以接收到更多光能。因此光学接收天线实际上就是一个激光聚焦镜头。在本发明涉及的系统中采用多发射天线多接收天线的运动交替式多点对多点的传输方式，此系统中发射天线的激光方向垂直于接收天线。但每个发射天线在一个圆周上运动一定范围时，就要求接收天线能够一直接收到光信号并且汇聚到高速光电探测器光敏面上。
发明内容
本发明目的在于提供一种大相对孔径折射式光学接收天线，能够保证尽可能多地接收光能量。
本发明的技术方案为：一种用于短距离无线光通信的大相对孔径光学接收天线，从光束入射方到光束出射方依次包括三个透镜，其特征在于，所述的第一透镜是正光焦度的双凸透镜，所述的第二透镜是正光焦度的弯月透镜，凸面朝向光束入射方，所述的第三透镜是负光焦度的双凹透镜。
所述接收天线的入瞳直径D≥2l+d0，其中，l为入射光束的位移，d0为入射光束的直径。
所述第一透镜的通孔孔径与入瞳直径一致。即入瞳直径D在数值上应等于第一透镜的通光孔径。
所述接收天线的有效焦距f≤d/(2tgθ)，其中，d为出射光束聚焦的光电探测器光敏面直径，θ为接收天线的最大视场角。θ即为入射光束相对于接收天线光轴的最大允许偏转角。
所述接收天线满足以下关系式：f<f1<f2<2f<|f3|<3f
其中，f为接收天线的有效焦距，f1为第一透镜的有效焦距，f2为第二透镜的有效焦距，|f3|为第三透镜有效焦距的绝对值。
所述接收天线相对孔径的范围是1：1.35到1:1。相对孔径为D/f，D为接收天线的入瞳直径，f为接收天线的有效焦距。
所述θ值的范围为±0.1°。
所述接收天线的三个透镜位置固定。
所述接收天线接收入射光束聚焦后的出射光束为固定不动。
所述接收天线接收的入射光束为固定不动或绕光轴圆周运动。
本发明接收天线能够有效聚焦入射光束，当入射光束平行于该接收天线光轴并沿垂直光轴方向在有效孔径内移动时，接收天线固定不动，且能将入射光束90%以上的能量聚焦。当入射光束相对于光轴偏转0.1°时，接收天线将至少50%的光能量聚焦。从而解决了高速光电探测器光敏面较小，灵敏度较低的问题。
附图说明
通过下面结合附图对其示例性实施例进行的描述，本发明上述特征和优点将会变得更加清楚和容易理解。
图1是本发明的接收天线在入射光束为全孔径106mm下的光线追迹图；
图2是本发明的接收天线在入射光束为全孔径106mm下0视场的成像光斑图；
图3是本发明的接收天线在入射光束为全孔径106mm下全视场（0.1°视场角）的成像光斑图；
图4是本发明的接收天线在入射光束为全孔径106mm下0视场和全视场的几何MTF（调制传递函数）图；
图5是本发明的接收天线在入射光束为全孔径106mm下的纵向球差曲线图；
图6是本发明中入射光束7mm在相对接收天线不同位置处时的光线追迹图；
图7是本发明中入射光束7mm在0视场下相对接收天线不同位置处时的成像光斑图；
图8是本发明中入射光束7mm在全视场下相对接收天线不同位置处时的成像光斑图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。
实施例
在应用于上述情况的光学接收天线的设计中，发射天线的激光方向垂直于接收天线或有0.1°偏转角。每个发射天线可固定或做圆周运动，本实施例以做圆周运动来说明，对于本领域技术人员来说，根据本实施例即可获得发射天线固定情况下接收天线的各种信息，在此不再赘述，当发射天线做圆周运动时，就要求固定的接收天线能够一直接收到光信号并且汇聚到后面的光电探测器光敏面上。根据光学系统的旋转对称性，将发射相对于接收的圆周运动简化为直线运动。该系统光源为垂直腔面发射激光器（VCSEL），波长是850nm，发光功率约为0.2mW，光束经过准直镜准直后的近场直径约是7mm，光束发散全角是3mrad，高速光电探测器的光敏面直径是0.5mm，入射光束上下移动范围是±48mm，即入射光束的位移l的范围为48mm，（位移l是入射光束绕光轴做圆周运动时，圆周的半径，或者是入射光束固定不动时光束到光轴的垂直距离），接收天线入瞳直径为106mm，接收天线出瞳固定位于距离接收天线最后一面101.75mm处（即高速光电探测器的位置）。该接收天线能使高速光电探测器接收到50%以上的光能量（假设进入高速探测器接收面的光都能被检测到）。虽然本实施例中的入射光的波长是850nm，但给接收天线的每一片透镜的表面镀上针对波长为1310nm或1550nm的增透膜后，适当微小调整高速光电探测器的接收位置后，该接收天线一样可以应用于波长为1310nm或1550nm的光通信系统。
具体在本实施例中的用于短距离无线光通信的大相对孔径光学接收天线，如图1所示，包括沿入射光方向依次设置的第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3，第一透镜1是正光焦度的双凸透镜，第二透镜2是正光焦度的凹面朝向光电探测器的弯月透镜，第三透镜3是负光焦度的双凹透镜。这三片相互分离的透镜之间有适当的空气间隙。该接收天线的有效焦距f≤d/(2tgθ)，其中，d为出射光束聚焦的光电探测器光敏面直径，θ为入射光束相对于接收天线光轴的最大允许偏转角。且该接收天线的有效焦距满足以下关系式f<f1<f2<2f<|f3|<3f，其中，f为接收天线的有效焦距，f1为第一透镜的有效焦距，f2为第二透镜的有效焦距，|f3|为第三透镜有效焦距的绝对值。接收天线的入瞳直径D在数值上等于第一片透镜的通光孔径。入瞳直径D≥2l+d0，其中，l为入射光束的运动范围，d0为入射光束的直径。接收天线的相对孔径（D/f）：1：1.35≤D/f＜1：1
较佳的接收天线为有效焦距143mm，入瞳直径106mm，相对孔径为1：1.35。
作为较佳的实施方式，该接收天线的有效焦距是143mm，入射光波长是850nm，入射光束直径7mm，入射光束发散全角3mrad，高速光电探测器光敏面直径为0.5mm。
对每个透镜参数进行了如下选择，作为最优实施方式：
Figure BDA00003274723800041
*负的曲率半径表示该球面的球心位于球面顶点的左侧，正的曲率半径表示该球面的球心位于球面顶点的右侧。
图1是本发明中入射光束为全孔径106mm下的光线追迹图。
图2和图3是入射光束为全孔径106mm下0视场和全视场的成像光斑图，图中实线圆圈表示艾里（Airy）斑大小。由图2和图3可以看出，0视场下成像的几何光斑半径为10.27um，全视场下成像的几何光斑半径为36.29um。。虽然全视场下光斑中心移动了0.25mm，但还能将至少50%的光能量汇聚到高速光电探测器的光敏面上。
图4是本发明中入射光束为全孔径106mm下的几何MTF图，从图4中可以看出，当空间频率为50线对/毫米时，0视场下，调制转换函数大于80%，全视场下，调制转换函数大于35%，说明成像质量较好。
图5是本发明中入射光束为全孔径106mm下的纵向球差曲线图，入瞳半径为53mm，从图5中可以看出，虽然0孔径下仍然存在0.005mm左右的纵向球差，但随着孔径的增大，纵向球差逐渐减小，并存在3个零点。
图6是本发明中入射光束7mm在相对接收天线不同位置处时的光线追迹图。
图7和图8是本发明中入射光束7mm在相对接收天线不同位置处时的成像光斑图，从图7中可以看出，0视场时，当入射光束沿着垂直于光轴的方向移动时，出射光束一直都能汇聚到直径小于0.5mm的圆里，这个圆心的位置就是放置高速光电探测器的位置。从图8可以看到，当全视场下，当入射光束沿着垂直于光轴的方向移动时，虽然光斑中心偏离了0.271mm，但仍然能将至少50%的光能量汇聚到高速光电探测器的光敏面上。
虽然本实施例的接收天线的直径是固定的，但针对不同的入射光束的直径和入射光束的运动范围，只要接收天线的直径大于入射光束的运动范围与入射光束的直径之和即可。
虽然本发明优选的实施方式中的接收天线是针对入射光束垂直于光学传播方向进行一定范围内的直线运动而设计的，但此接收天线同样可以用于入射光束相对固定时的无线光通信。
上述表格中的具体参数仅仅是示例性的，各透镜曲率半径，空气间隔，以及折射率的值等，不限于由上述实施例中的值，可以采用其他值，都能达到类似的技术效果。
以上仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于短距离无线光通信的大相对孔径光学接收天线，从光束入射方到光束出射方依次包括三个透镜，其特征在于，所述的第一透镜是正光焦度的双凸透镜，所述的第二透镜是正光焦度的弯月透镜，凸面朝向光束入射方，所述的第三透镜是负光焦度的双凹透镜。
2.根据权利要求1所述的光学接收天线，其特征在于，所述接收天线的入瞳直径D≥2l+d0，其中，l为入射光束的位移，d0为入射光束的直径。
3.根据权利要求1所述的光学接收天线，其特征在于，所述接收天线的有效焦距f≤d/(2tgθ)，其中，d为出射光束聚焦的光电探测器光敏面直径，θ为接收天线的最大视场角。
4.根据权利要求2所述的光学接收天线，其特征在于，所述θ值的范围为±0.1°。
5.根据权利要求2所述的光学接收天线，其特征在于，所述第一透镜的通孔孔径与入瞳直径一致。
6.根据权利要求1所述的光学接收天线，其特征在于，所述接收天线满足以下关系式：
f<f1<f2<2f<|f3|<3f
其中，f为接收天线的有效焦距，f1为第一透镜的有效焦距，f2为第二透镜的有效焦距，|f3|为第三透镜有效焦距的绝对值。
7.根据权利要求1所述的光学接收天线，其特征在于，所述接收天线相对孔径的范围是1：1.35到1:1。
8.根据权利要求1所述的光学接收天线，其特征在于，所述接收天线的三个透镜位置固定。
9.根据权利要求1所述的光学接收天线，其特征在于，所述接收天线接收入射光束聚焦后的出射光束为固定不动。
10.根据权利要求1所述的光学接收天线，所述接收天线接收的入射光束为固定不动或绕光轴圆周运动。
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