CN103399380B - 一种接收旋转运动发射天线信号的折射式光学接收天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种接收旋转运动发射天线信号的折射式光学接收天线，包括从光束入射方到光束出射方依次设置的第一组双胶合透镜和第二组双胶合透镜，第一组双胶合透镜的前片为双凸透镜，后片为平凹透镜并且凹面在光束入射方一侧；第二组双胶合透镜的前片为平凸透镜且平面在光束出射方一侧，后片为平凹透镜且平面在光束入射方一侧。本发明采用两组双胶合球面镜的组合，可以使折射式光学接收天线的FNO≈1，具有较好的光学效果，能够接收旋转运动的光学发射天线发射的光信号，实现旋转体向固定体上的数据传输。

Description

一种接收旋转运动发射天线信号的折射式光学接收天线
技术领域
本发明涉及一种折射式光学接收天线，尤其涉及一种在近距离自由空间光通信系统中接收旋转运动的光学发射天线信号的折射式光学接收天线。
背景技术
自由空间光通信技术以大气或真空作为传播光信号的通道来完成空间中点对点、点对多点或多点对点之间的光通信。它既具有无线通信的特征，又具有光通信高速传输的优势，并且相对使用光纤的光通信系统具有布局简单、成本低廉、组网灵活、对不同场合的适应性强等特点。因此，自由空间光通信技术在商业和军事上具有广泛的应用。
典型的自由空间光通信系统由光发送机、光学发射天线、光学接收天线、光接收机和大气通道组成。光发送机的作用是将电信号调制到激光器上，产生包含数据信息的激光束。光学发射天线对激光束进行扩束、准直后对准光学接收天线发射，在大气通道中进行传播。光学接收天线将激光束汇聚至光接收机的光电探测器上进行光电信号转换，光接收机的后端电路对转换后的电信号进行整形、放大，并完成信号的解调。为了确保两个通信终端的精确定向，有时还需要捕获、跟踪及瞄准子系统。
在需要将旋转体上的数据向固定体上进行传输时，光学接收天线需要接收旋转运动的光学发射天线发射的激光束，如果光学接收天线也与发射天线一起旋转则无法实现旋转体向固定体上的数据传输，因此需要使光学接收天线和光接收机都保持固定。在这种情况下，需要设计出能够最大限度接收旋转入射光束并聚焦到光接收机的光学接收天线。
发明内容
本发明的目的在于为上述系统提供一种结构形式合理、适合进行参数优化的折射式光学接收天线，用于接收旋转运动的光学发射天线的光信号。在光学发射天线处于光学接收天线的接收面内不同位置时，优化设计的光学接收天线都将光信号汇聚至光接收机的的光电探测器的光敏面上，从而保证数据在发射天线旋转运动的过程中正常传输。
本发明的技术方案为：一种接收旋转运动光学发射天线信号的折射式光学接收天线，包括从光束入射方到光束出射方依次设置的第一组双胶合透镜和第二组双胶合透镜，第一组双胶合透镜的前片为双凸透镜，后片为平凹透镜并且凹面在光束入射方一侧；第二组双胶合透镜的前片为平凸透镜且平面在光束出射方一侧，后片为平凹透镜且平面在光束入射方一侧。
第一组双胶合透镜和第二组双胶合透镜之间具有空气间隙。
所述空气间隙s满足0≤s≤100mm。
所述第一组双胶合透镜前凸面的曲率半径大于凹面的曲率半径。
所述第二组双胶合透镜的凹面的曲率半径大于凸面的曲率半径。
所述折射式光学接收天线的焦距f为一固定焦距，f满足以下关系式：f*tan(θ)≤dAPD/2，其中θ为光学发射天线光轴与折射式光学接收天线光轴的最大允许夹角，dAPD为接收天线出射光束到达的光电探测器的光敏面直径。
所述折射式光学接收天线的入瞳直径D满足以下关系式：D≥2M+d，其中M为接收天线接收的入射光束的运动范围，d为入射光束的直径。入射光束的运动范围是指入射光束的中心光线到达接收天线第一面的点到接收天线光轴的直线距离。
优选，所述折射式光学接收天线的两组双胶合球面透镜焦距满足下述的关系式：
2＜f前/f后＜4
其中f前为第一组双胶合球面透镜的焦距，f后为第二组双胶合球面透镜的焦距。
所述折射式光学接收天线的入瞳在接收天线第一组双胶合透镜前片的第一面。
所述折射式光学接收天线中的透镜材料为无色光学玻璃。
所述折射式光学接收天线还可以在第一组双胶合球面透镜前设置保护玻璃。保护玻璃置于折射式光学接收天线的最前端用于保护其后的透镜，此时该折射式光学接收天线的入瞳在保护玻璃的前表面。
所述保护玻璃为一片平行平板。
此外，所述折射式光学接收天线中两组双胶合球面透镜位置固定。
本发明采用两组双胶合球面镜的组合，利用两者外形和曲率半径的配置以及光焦度的适当分配完成了折射式光学接收天线的纵向球差、正弦差以及纵向色差等像差的校正和平衡，可以使折射式光学接收天线的FNO≈1，具有较好的光学效果，能够接收旋转运动的光学发射天线发射的光信号，实现旋转体向固定体上的数据传输。当入射激光束平行于该折射式光学接收天线光轴或者与之夹角±0.1°并沿垂直光轴方向在该折射式光学接收天线有效孔径内运动时，聚焦光斑的大小达到了衍射极限并且光斑位置的移动范围在50微米之内，从而保证了光斑始终在光电探测器的光敏面上，数据通信能够正常进行。
附图说明
图1是本发明所涉及的折射式光学接收天线的光学系统结构示意图。
图2是本发明实施例在全孔径106mm下对850nm的平行光汇聚时的零视场下像面上光斑的点列图。
图3是本发明实施例在全孔径106mm下对850nm的平行光汇聚时的0.707视场下像面上光斑的点列图。
图4是本发明实施例在全孔径106mm下对850nm的平行光汇聚时的全视场下像面上光斑的点列图。
图5是本发明实施例在全孔径106mm下三种波长的纵向球差曲线。
图6是本发明实施例在全孔径106mm下850nm单波长的几何调制传递函数(MTF)曲线。
图7是发射天线发射的7mm激光光束相对于本发明实施例的光轴从不同高度入射时的光线追迹图。
图8是在发射天线发射的7mm激光光束相对于本发明实施例的光轴从不同高度以0°入射时，各光斑在像面上的位置分布的叠加图。
图9是在发射天线发射的7mm激光光束相对于本发明实施例的光轴从不同高度以0.1°入射时，各光斑在像面上的位置分布的叠加图。
具体实施方式
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。
我们利用以上自由空间光通信技术的原理搭建了在近距离内将旋转体上的数据传输至固定体上的系统。与一般的自由空间光通信系统不同的是，在该系统内光发送机和光学发射天线在竖直面内的圆周上旋转运动，光学接收天线和光接收机则固定不动。为了将旋转运动的光发送机和光学发射天线发射的光信号传输至固定不动的光接收机上，我们将系统中光发送机输出的激光束通过光纤分路器分束后经若干个光学发射天线进行准直后水平发射，这些发射天线按照一定角度间隔分布在旋转圆周上。而多个光学接收天线和光接收机的组合系统则同样按照一定角度分布在一个与发射天线旋转圆周相隔一定水平距离的竖直固定圆周上，该圆周与发射天线的旋转圆周水平共轴。当接收天线的接收面积满足一定条件时（该条件与发射天线旋转圆周的直径和发射天线的个数有关）即可满足在发射天线旋转过程中始终至少有一个发射天线在某个光学接收天线的接收范围之内，经过优化设计的光学接收天线则将旋转运动的光学发射天线发射的光信号汇聚至固定不动的光接收机光电探测器上。
本发明为上述系统提供一种折射式光学接收天线，以下结合附图和具体实施例对本发明涉及的折射式光学接收天线进行详细描述。
实施例
本实施例中的折射式光学接收天线，如图1所示，包括沿入射光方向（从左到右）依次设置的保护玻璃1、第一组双胶合透镜2和第二组双胶合透镜3。保护玻璃1是一片圆形的平行平板，其置于折射式光学接收天线的最前端用于保护其后的透镜。第一组双胶合透镜2的前片为双凸透镜21，后片为平凹透镜22并且平面在右侧；第二组双胶合透镜3的前片为平凸透镜31且平面在右侧，后片为平凹透镜32且平面在左侧。第一组双胶合透镜和第二组双胶合透镜之间有空气间隙s。其中，第一组双胶合透镜中21前凸面的曲率半径大于22凹面的曲率半径。第二组双胶合透镜中32的凹面的曲率半径大于31凸面的曲率半径。空气间隙s满足0≤s≤100mm。
本发明的折射式光学接收天线的焦距f为一固定焦距，f满足以下关系式：f*tan(θ)≤dAPD/2，其中θ为光学发射天线光轴与折射式光学接收天线光轴的最大允许夹角，dAPD为光接收机雪崩光电二极管的光敏面直径。
折射式光学接收天线的入瞳直径D满足以下关系式：D≥2M+d，其中M,为接收天线接收的入射光束的运动范围，d为入射光束的直径。
折射式光学接收天线的两组双胶合球面透镜焦距满足下述的关系式：
2＜f前/f后＜4
其中f前为第一组双胶合球面透镜的焦距，f后为第二组双胶合球面透镜的焦距。
本实施例以一个具体的折射式光学接收天线来描述本发明的优选参数，该折射式光学接收天线应用的光通信系统的参数如下：该系统中的光电探测器为雪崩光电二极管，其光敏面直径dAPD为0.5mm。由于机械装配的容差限制，光学发射天线光轴与光学接收天线光轴可能具有的最大夹角为0.1°。光发送机发射的激光中心波长为850nm，光束直径为7mm，旋转运动的光学发射天线相对折射式光学接收天线光轴的移动范围为-48mm至48mm。
表1列出了本实施例的镜片的相关参数，包括各表面的曲率半径、厚度、表面半径以及玻璃材料等。
表1
*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。
该实施例中的折射式接收天线中的所有透镜材料都为无色光学玻璃。
该实施例中的折射式光学接收天线焦距为120mm＜(0.5/2)/tan(0.1°)≈143mm，入瞳在保护玻璃的前表面，入瞳直径为106mm，大于光学发射天线的移动范围与光束直径之和（103mm）。
该实施例中两组双胶合球面透镜的焦距为f前=381.9mm，f后=165.9mm，f前/f后=2.3。
该实施例中两组双胶合球面透镜之间的空气间隙为0.735mm。
该实施例中两组双胶合球面透镜位置是固定的，两组双胶合球面透镜不可移动。
图2、图3和图4为该实施例折射式光学接收天线对全孔径入射的850nm的平行光在零视场、0.707视场和全视场下像面上光斑的点列图。其中全视场角为发射天线光轴与光学接收天线光轴可能具有的最大夹角0.1°。由图中看出，在零视场下像面上的光斑半径为7微米。
图5为该实施例在全孔径106mm下三种波长（850nm，820nm，880nm）的纵向球差曲线。该接收天线的入瞳半径为53mm，由该图可以看到，该实施例对全孔径的纵向球差进行了优化，并且当光发送机的光源由于温度漂移而发生中心波长移动±30nm时纵向球差依然在可以接受的范围之内。
图6为该实施例在全孔径106mm下，850nm波长下的几何调制传递函数（MTF）曲线，由图中可以看出，在零视场下空间频率50lp/mm的MTF因子达到了50%。
图7是在该实施例中7mm入射光束相对于折射式光学接收天线光轴不同位置处入射时的光线追迹图，分别对应入射光束的中心位于Y＝48mm，Y=30mm，Y=0mm，Y=-30mm，Y=-48mm处，折射式光学接收天线光轴位于Y=0mm处。
图8是在该实施例中7mm入射光束从相对折射式光学接收天线光轴不同位置以0°入射时聚焦光斑在像面上的点列图叠加后的效果，入射光束的中心位于Y＝48mm，Y=30mm，Y=0mm，Y=-30mm，Y=-48mm处，折射式光学接收天线光轴位于Y=0mm处。图中的圆表示埃里（Airy）斑，其半径为18微米。由图8可以看出，聚焦光斑直径已经远小于Airy斑直径，已经达到衍射极限，并且当入射光束上下移动时光斑位置的移动范围小于40微米，远小于光电探测器的光敏面直径0.5mm。
图9是在该实施例中7mm入射光束从相对于折射式光学接收天线光轴不同位置以0.1°入射时聚焦光斑在像面上的点列图叠加后的效果，入射光束的中心位于Y＝48mm，Y=30mm，Y=0mm，Y=-30mm，Y=-48mm处，折射式光学接收天线光轴位于Y=0mm处。图中的圆表示埃Airy斑，其半径为18微米。由图9可以看出，各聚焦光斑直径已经远小于Airy斑直径，已经达到衍射极限，并且当入射光束上下移动时光斑的移动范围小于50微米，光斑始终位于光敏面直径范围之内。
以上各光学性能的曲线图和点列图等数据表明，本发明折射式光学接收天线具有较好的光学效果，能够接收旋转运动的光学发射天线发射的光信号，实现旋转体向固定体上的数据传输。
上述表格中的具体参数仅仅是示例性的，各镜片成分曲率半径、面间隔以及折射率的值等，不限于由上述实施例各数值所示出的值，采用其他数值也可以达到类似的技术效果。
虽然上面针对折射式光学接收天线描述了本发明的原理以及具体实施方式，但是在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或变形均落在本发明的保护范围之内，本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，而非用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种接收旋转运动光学发射天线信号的折射式光学接收天线，其特征在于，包括从光束入射方到光束出射方依次设置的第一组双胶合透镜和第二组双胶合透镜，第一组双胶合透镜的前片为双凸透镜，后片为平凹透镜并且凹面在光束入射方一侧；第二组双胶合透镜的前片为平凸透镜且平面在光束出射方一侧，后片为平凹透镜且平面在光束入射方一侧；所述折射式光学接收天线的焦距f为一固定焦距，f满足以下关系式：f*tan(θ)≤dAPD/2，其中θ为光学发射天线光轴与折射式光学接收天线光轴的最大允许夹角，dAPD为接收天线出射光束到达的光电探测器的光敏面直径；所述折射式光学接收天线的两组双胶合球面透镜焦距满足下述的关系式：2＜f前/f后＜4，其中f前为第一组双胶合球面透镜的焦距，f后为第二组双胶合球面透镜的焦距。
2.根据权利要求1所述的接收旋转运动光学发射天线信号的折射式光学接收天线，其特征在于，所述第一组双胶合透镜前凸面的曲率半径大于凹面的曲率半径。
3.根据权利要求1或2任一项所述的接收旋转运动光学发射天线信号的折射式光学接收天线，其特征在于，所述第二组双胶合透镜的凹面的曲率半径大于凸面的曲率半径。
4.根据权利要求1所述的接收旋转运动光学发射天线信号的折射式光学接收天线，其特征在于，所述折射式光学接收天线的入瞳直径D满足以下关系式：D≥2M+d，其中M为接收天线接收的入射光束的运动范围，d为入射光束的直径。
5.根据权利要求1所述的接收旋转运动光学发射天线信号的折射式光学接收天线，其特征在于，第一组双胶合透镜和第二组双胶合透镜之间具有空气间隙。
6.根据权利要求5所述的接收旋转运动光学发射天线信号的折射式光学接收天线，其特征在于，所述空气间隙s满足0≤s≤100mm。
7.根据权利要求1所述的接收旋转运动光学发射天线信号的折射式光学接收天线，其特征在于，所述折射式光学接收天线中的透镜材料为无色光学玻璃。
8.根据权利要求1所述的接收旋转运动光学发射天线信号的折射式光学接收天线，其特征在于，所述折射式光学接收天线在第一组双胶合球面透镜前设置保护玻璃。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102135668A (zh) * 2011-03-17 2011-07-27 广州中国科学院工业技术研究院 光纤激光器的准直器及光纤激光器
CN102520492A (zh) * 2011-11-30 2012-06-27 北京航星机器制造公司 一种用于近距离自由空间光通信的光学接收聚焦镜头

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102135668A (zh) * 2011-03-17 2011-07-27 广州中国科学院工业技术研究院 光纤激光器的准直器及光纤激光器
CN102520492A (zh) * 2011-11-30 2012-06-27 北京航星机器制造公司 一种用于近距离自由空间光通信的光学接收聚焦镜头

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘峰,王稷,丁洁,徐圆飞.一种基于运动式发射天线的光学接收天线设计.《应用光学》.2013,第34卷(第1期), *

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