CN109752824B - 一种多通道光学接收天线 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学天线技术领域，具体为一种多通道光学接收天线。本发明接收天线包括第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组；第一透镜组由一块具有负光焦度的弯月形透镜组成；第二透镜组由一块具有正光焦度的双胶合透镜和两块具有正光焦度的弯月形透镜组成；第三透镜组由一块具有负光焦度的弯月形透镜组成。本发明具有视场角大、高增益、大接收功率和信噪比的优点，能够实现室内可见光通信中不同信道光信号的分离，极大地降低信号串扰，满足高速、稳定的通信需求。
Description
技术领域
本发明属于光学天线技术领域，具体涉及一种光学接收天线。
背景技术
可见光通信技术，作为一种利用发光设备发出人眼感觉不到的高速明亮闪烁的光信号来实现信息传输的新兴无线通信技术，具有绿色环保、无电磁干扰、数据传输速率大、功耗低等特点。由于可见光只能利用光强度传递信息，并且LED调制带宽较窄，限制了可见光通信系统的容量，同时可见光信道的较高相关性，存在严重码间干扰、多径效应，可见光链路发散，易中断，导致可见光通信距离短。但与此同时，为了满足照明需求，通常需要在室内布置多个灯源，利用MIMO技术能够解决上述问题。
MIMO(多输入多输出)技术在带来解决方案的同时，也引入了一些新的技术难题。不同LED发出的光信号容易造成接收端信号的串扰，难以恢复原发射信号。因此要通过光学天线的设计，使得多个不同方向的LED光源发射的光信号经过光学天线的聚焦，在接收面上对应形成不同的光斑，实现多通道光信号的分离。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种多通道光学接收天线，具有视场角大、高增益、大接收功率和信噪比的优点，能够实现室内可见光通信中不同信道光信号的分离，极大地降低信号串扰，满足高速、稳定的通信需求。
本发明提供的多通道光学接收天线，包括：第一透镜组10、第二透镜组20和第三透镜组30；所述第一透镜组10包括具有负光焦度的第一弯月形透镜11；所述第二透镜组20包括具有正光焦度的双胶合透镜21、具有正光焦度的第二弯月形透镜22和具有正光焦度的第三弯月形透镜23；所述第三透镜组包括具有负光焦度的第四弯月形透镜31。
进一步地，所述第一弯月形透镜11的前后表面分别为第一光学面111和第二光学面112；所述双胶合透镜21从前到后的表面依次为第三光学面211、第四光学面212和第五光学面213；所述第二弯月形透镜22的前后光学表面分别为第六光学面221和第七光学面222；所述第三弯月形透镜23的前后光学表面分别为第八光学面231和第九光学面232；所述第四弯月形透镜31的前后光学表面分别为第十光学面311和第十一光学面312。
进一步地，所述双胶合透镜21的第三光学面211为偶次非球面，通过非球面的设计改善系统的像差，非球面的四次项系数为：A4=-1.873E-005，非球面的六次项系数为：A6=-5.580E-007。
进一步地，所述透镜的材料均为市面上常用的BK7，所述透镜均镀有可见光波段的增透膜，且所有透镜的光学中心均在同一条直线上，不存在倾斜。
进一步地，所述光学天线的系统总长范围是28-30mm，视场角为100±3°，F数为2.8-3，有效焦距为12-14mm。
进一步地，所述第一弯月形透镜11的有效焦距范围为-166.166mm至-168.166mm，光焦度为-0.0060mm-1至-0.0059mm-1；所述双胶合透镜21前后两块镜片的有效焦距分别为54.769-55.637mm和49.476-51.238mm，光焦度分别为0.0179-0.0183mm-1和0.0195-0.0202mm-1；所述第二弯月形透镜22的有效焦距为55.626-56.247mm，光焦度为0.0178-0.0179mm-1；所述第三弯月形透镜23的有效焦距为12.095-14.249mm，光焦度为0.0702-0.0827mm-1；所述第四弯月形透镜31的有效焦距为-64.295mm至-66.284mm，光焦度为-0.0156mm-1至-0.0151mm-1。
进一步地，所述第二光学面112和第三光学面211之间的空气间隔为2.505-2.723mm，所述第五光学面213和第六光学面221之间的空气间隔为2.240-2.428mm，所述第七光学面222和第八光学面231之间的空气间隔为2.256-2.4mm，所述第九光学面232和第十光学面311之间的空气间隔为2.294-2.359mm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
（1 ）本发明通过设计一种多通道光学接收天线，视场角达到100±3°，能够实现室内可见光通信中不同信道光信号的分离，满足高速、稳定的通信需求；
（2）本发明设计的一种多通道光学接收天线，对于来自不同LED以大视场入射的信号光，能够在接收面上实现良好的信号分离，以最大视场角入射的LED光信号成像光斑距离接收面中心8.395mm，有利于探测器的分布和接收，显著降低信道串扰；
（3）本发明设计的一种多通道光学接收天线，克服了可见光通信系统中传统光学接收天线视场范围窄的缺点，且光学透镜材料均为市面上常用的BK7，成本较低，系统总长仅30mm，结构紧凑且安装方便。
附图说明
图1为本发明的一种多通道光学接收天线的示意图。
图2为本发明实施例中的第一透镜组的示意图。
图3为本发明实施例中的第二透镜组的示意图。
图4为本发明实施例中的第三透镜组的示意图。
图5为本发明实施例中的光学天线调制传递函数示意图。
图6为本发明实施例中的光学天线相对照度示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种多通道光学接收天线，包括第一透镜组10、第二透镜组20和第三透镜组30。
进一步地，如图2所示，所述第一透镜组10包括具有负光焦度的弯月形透镜11，所述弯月形透镜11的前后表面分别为第一光学面111和第二光学面112；进一步地，如图3所示，所述第二透镜组20包括具有正光焦度的双胶合透镜21、具有正光焦度的弯月形透镜22和具有正光焦度的弯月形透镜23，所述双胶合透镜21从前到后的表面依次为第三光学面211、第四光学面212和第五光学面213，所述弯月形透镜22的前后光学表面分别为第六光学面221和第七光学面222，所述弯月形透镜23的前后光学表面分别为第八光学面231和第九光学面232；进一步地，如图4所示，所述第三透镜组包括具有负光焦度的弯月形透镜31，所述弯月形透镜31的前后光学表面分别为第十光学面311和第十一光学面312。
进一步地，所述弯月形透镜11的有效焦距为-166.166mm，光焦度为-0.0060mm-1；所述双胶合透镜21前后两块镜片的有效焦距分别为54.769mm和49.476mm，光焦度分别为0.0183mm-1和0.0202mm-1；所述弯月形透镜22的有效焦距为55.626mm，光焦度为0.0179mm-1；所述弯月形透镜23的有效焦距为12.095mm，光焦度为0.0827mm-1；所述弯月形透镜31的有效焦距为-64.295mm，光焦度为-0.0156mm-1。进一步地，所述第二光学面112和第三光学面211之间的空气间隔为2.505mm，所述第五光学面213和第六光学面221之间的空气间隔为2.240mm，所述第七光学面222和第八光学面231之间的空气间隔为2.256mm，所述第九光学面232和第十光学面311之间的空气间隔为2.294mm。进一步地，所述第三光学面211为曲率半径11.049mm的凸面，所述第四光学面212为曲率半径16.508mm的凸面，所述第五光学面213为曲率半径32.907mm的凸面，所述第十光学面311为曲率半径-9.119mm的凹面，所述第十一光学面312为曲率半径-13.307mm的凹面。
进一步地，所述双胶合透镜21的第三光学面211为偶次非球面，通过非球面的设计改善系统的像差，非球面的四次项系数系数为：A4=-1.873E-005，非球面的六次项系数为：A6=-5.580E-007。
进一步地，所述透镜的材料均为市面上常用的BK7，所述透镜均镀有可见光波段的增透膜，且所有透镜的光学中心均在同一条直线上，不存在倾斜。进一步地，所述光学天线的系统总长为30mm，视场角为100°，F数为3，有效焦距为12mm。
进一步地，如图5所示为光学接收天线对应不同视场角下子午和弧矢方向的调制传递函数，LED光信号以100°大视场角入射时，能够保持良好的光线聚集效应，进一步地，如图5所示，当光信号以50°半视场角入射时，光信号聚集在离接收面中心8.395mm处，有利于探测器的分布和接收，具有良好的信号分辨本领，能显著降低信道串扰，且此时成像光斑相比像平面最大照度处仍旧有49%的相对照度，保证了探测器的接受功率和信噪比。
上述实施例仅为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种多通道光学接收天线，由第一透镜组（10）、第二透镜组（20）和第三透镜组（30）组成，其特征在于，所述第一透镜组（10）为具有负光焦度的第一弯月形透镜（11）；所述第二透镜组（20）由具有正光焦度的双胶合透镜（21）、具有正光焦度的第二弯月形透镜（22）和具有正光焦度的第三弯月形透镜（23）组成；所述第三透镜组为具有负光焦度的第四弯月形透镜（31）。
2.根据权利要求1所述的多通道光学接收天线，其特征在于，所述第一弯月形透镜（11）的前后表面分别为第一光学面（111）和第二光学面（112）；所述双胶合透镜（21）从前到后的表面依次为第三光学面（211）、第四光学面（212）和第五光学面（213）；所述第二弯月形透镜（22）的前后光学表面分别为第六光学面（221）和第七光学面（222）；所述第三弯月形透镜（23）的前后光学表面分别为第八光学面（231）和第九光学面（232）；所述第四弯月形透镜（31）的前后光学表面分别为第十光学面（311）和第十一光学面（312）。
3.根据权利要求2所述的多通道光学接收天线，其特征在于，所述双胶合透镜（21）的第三光学面（211）为偶次非球面，通过非球面的设计改善系统的像差，非球面四次项系数为：A4=-1.873E-005，非球面六次项系数为：A6=-5.580E-007。
4.根据权利要求2或3所述的多通道光学接收天线，其特征在于，所述透镜均镀有可见光波段的增透膜，且所有透镜的光学中心均在同一条直线上，不存在倾斜。
5.根据权利要求4所述的多通道光学接收天线，其特征在于，所述光学天线的系统总长范围是28-30mm，视场角为100±3°，F数为2.8-3，有效焦距为12-14mm。
6.根据权利要求4所述的多通道光学接收天线，其特征在于，所述第一弯月形透镜（11）的有效焦距范围为-166.166mm至-168.166mm，光焦度为-0.0060mm-1至-0.0059mm-1；所述双胶合透镜（21）前后两块镜片的有效焦距分别为54.769-55.637mm和49.476-51.238mm，光焦度分别为0.0179-0.0183mm-1和0.0195-0.0202mm-1；所述第二弯月形透镜（22）的有效焦距为55.626-56.247mm，光焦度为0.0178-0.0179mm-1；所述第三弯月形透镜（23）的有效焦距为12.095-14.249mm，光焦度为0.0702-0.0827mm-1；所述第四弯月形透镜（31）的有效焦距为-64.295mm至-66.284mm，光焦度为-0.0156mm-1至-0.0151mm-1。
7.根据权利要求6所述的多通道光学接收天线，其特征在于，所述第二光学面（112）和第三光学面（211）之间的空气间隔为2.505-2.723mm，所述第五光学面（213）和第六光学面（221）之间的空气间隔为2.240-2.428mm，所述第七光学面（222）和第八光学面（231）之间的空气间隔为2.256-2.4mm，所述第九光学面（232）和第十光学面（311）之间的空气间隔为2.294-2.359mm。
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