CN111010230B - 一种高效率日盲紫外光发射及接收器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效率日盲紫外光发射及接收器系统，发射端包括依次设置的深紫外LED、第一和第二光学透镜，接收端包括依次设置的第三光学透镜、接收器内部通光孔、光转换材料和光电探测器，深紫外LED发出的光源依次经过三个光学透镜、接收器内部通光孔，至光电探测器，发射端通过两级透镜压缩光线传播角度，具有较好的准直性，同时避免光线经过多级透镜所造成的能量损失，接收端根据使用光电探测器的不同，可以选择直接探测和光转换间接探测的方案。所有元件安装位置经过仿真优化，且通过光转换后，探测响应明显提升，具有良好的光电耦合效率。本发明结构简单、成本低，有效提升探测灵敏度，降低因人为、环境等偶然因素导致的探测误差。

Description

一种高效率日盲紫外光发射及接收器系统

技术领域

本发明属于日盲紫外光探测技术领域，特别涉及一种高效率日盲紫外光发射及接收器系统。

背景技术

日盲紫外光是指波长在200-280 nm之间的光波，由于其独特的大气效应，使得以其作为载体的通信系统具有高机密性、抗扰性以及全方位全天候等优势。日盲紫外光通信原理是，在发射端将信息电信号调制加载到日盲紫外光载波上，在接收端通过对信号光束的捕获和跟踪建立起通信链路，经光电转换和解调处理提取出原始信息。

光电探测器是一类可以将光信号转化为电信号的器件，常见光电探测器包括光电倍增管（PMT）、雪崩光电二极管（APD）和PIN光电二极管，其中，PMT具有极高的增益，但价格高、体积大，性能受温度影响较大；相反，APD和PIN光电二极管，由于价格低、体积小、使用灵活在各类光电系统中有广泛的应用。另外，基于硅材料制作的光电探测器，其探测灵敏区域多位于可见光至红外波段，而对于日盲紫外光信号，探测器输出电流较低。利用光转换技术将日盲紫外光频谱搬移到硅基光电探测器的敏感区域，探测器对搬移后的信号输出电流最高可提升数十倍，此方法由于工艺简单、成本低且效果明显，受到了广泛关注。光转换是指将某一波段的光转换成其它波段的光，这一过程通常需要借助光致发光材料实现。目前，光转换技术已经在在太阳能电池、农作物生长、照明等领域发挥重要的作用。

此外，实验室搭建的日盲紫外光通信系统中，信号收、发装置一般是在光具座上固定若干支架，分别放置光源、透镜和光电探测器，调节彼此之间的距离和竖直高度完成光路调校，实验开始后要花较长时间先调校光路，且更换光源、探测器等元件过程中导致的微小位移，或气流造成的微小扰动都将影响到光路的变化，即使很小，也必将影响到光电探测器的探测效果，进而无论是定性还是定量都必将影响到试验的最终结果。

本发明提供一种通用的日盲紫外光发射和探测方案及其实现结构，光源和探测器可以更换，固定发射端光源与天线的位置以及接收端光电探测器和天线的位置，极大的简化了装置，缩短了操作时间。紫外敏感型探测器可以进行直接探测，而对于紫外不敏感型探测器，插入光转换材料后可以进行间接探测。本发明装置可视为刚体，在机械压力或者气流干扰下，光源、透镜以及光电探测器安装的中心位置始终保持同一水平高度，且均与装置内壁紧密贴合，确保光线路径不会发生变化；在底部留有螺孔，搭配双头螺丝可以固定在光学平台上，可以有效避免因人为、环境等偶然因素导致的微小位移，提升探测效率，降低实验误差。

发明内容

为了解决现有技术中探测器对日盲紫外光不灵敏、实验室现有日盲紫外光信号收、发装置存在体积大、易松动、操作费时的问题，本发明提供一种高效率日盲紫外光发射及接收器系统，该系统优化光线传播路径，可以利用日盲紫外型探测器对日盲紫外光直接进行探测；也可以利用光转换材料搭配探测器间接探测。具有耦合效率好、牢固可靠、光路准直性好、可迅速建立等优势，旨在简化实验操作、提高输出响应和探测准确性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高效率日盲紫外光发射及接收器系统，包括发射端和接收端，所述发射端包括依次设置的深紫外LED1、第一光学透镜2和第二光学透镜3，所述接收端包括依次设置的第三光学透镜7、接收器内部通光孔8、光转换材料9和光电探测器4，深紫外LED1发出的光源依次经过第一光学透镜2、第二光学透镜3、第三光学透镜7、接收器内部通光孔8，至光电探测器4。

优选地，所述第一光学透镜2和第二光学透镜3均机械扣合于发射端的内壁上，所述第三光学透镜7机械扣合于接收端的内壁上。

进一步的，所述接收端的顶部开设有槽口，所述槽口用于装配光转换材料9，所述光转换材料9自槽口插入接收端内部，并设置于接收器内部通光孔8和光电探测器4之间。

进一步的，所述深紫外LED1的发射波长为200-280 nm，发射角小于等于130°。

进一步的，所述光电探测器4的探测波长范围是200-1100 nm。

进一步的，所述第一光学透镜2、第二光学透镜3和第三光学透镜7的材质均为紫外熔石英，深紫外光透过率大于92%，其中，所述第一光学透镜2和第二光学透镜3均为平凸结构，直径分别是5 mm、10 mm，焦距分别为10 mm、15 mm，第一光学透镜2和第二光学透镜3之间的距离为7 mm，不可移动；第三光学透镜7为双凸结构，直径12.7 mm，焦距20 mm，第三光学透镜7与光电探测器4之间的距离为20 mm，不可移动。

进一步的，所述接收器内部通光孔8的直径略小于第三光学透镜7的直径。所述第一光学透镜2、第二光学透镜3之间内壁结构为拔膜设计。

进一步的，所述光转换材料9为被深紫外光有效激发的玻璃、陶瓷或有机染料，且发射波长为280-1100 nm。

进一步的，所述光电探测器4为PIN光电二极管或APD。

进一步的，所述发射端的底部设置有用于连接第一双头螺杆5的螺纹孔；所述接收端的底部设置有用于连接第二双头螺杆6的螺纹孔。

优选地，所述第一双头螺杆5和第二双头螺杆6的尺寸均为M5。

进一步的，所述发射端和接收端分别通过第一双头螺杆5和第二双头螺杆6固定于光学平台上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明具有体积小、易集成等优势，极大简化原有实验装置。

2、本发明装置可同时满足对日盲紫外光的直接和间接探测，且基于间接探测的方案具有成本低、探测效率高的优势。

3、除探测器和光转换材料外其余全固化结构，首次组装完成后不需要再次调校光路，可以迅速搭建并建立连接，简化实验操作。

4、光路及结构设计经过优化，光路准直性、抗扰动、稳定性好，可有效避免因人为、环境等因素造成的实验误差，提高实验数据的可信度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中发射端的主视图；

图3是本发明中发射端的左视图；

图4是本发明中发射端的俯视图；

图5是本发明中接收端的主视图；

图6是本发明中接收端的左视图；

图7是本发明中接收端的俯视图；

图8是本发明光线传播路径仿真图；

其中：1-深紫外LED，2-第一光学透镜，3-第二光学透镜，4-光电探测器，5 -第一双头螺杆，6-第二双头螺杆，7-第三光学透镜，8-接收器内部通光孔，9-光转换材料。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1-7所示，一种高效率日盲紫外光发射及接收器系统，包括发射端和接收端，所述发射端包括依次设置的深紫外LED1、第一光学透镜2和第二光学透镜3，所述接收端包括依次设置的第三光学透镜7、接收器内部通光孔8、光转换材料9和光电探测器4，深紫外LED1发出的光源依次经过第一光学透镜2、第二光学透镜3、第三光学透镜7、接收器内部通光孔8，至光电探测器4。优选地，所述第一光学透镜2和第二光学透镜3均机械扣合于发射端的内壁上，所述第三光学透镜7机械扣合于接收端的内壁上。

具体地讲，深紫外LED扣在发射器一侧，深紫外LED的电极用导线连接至外部电源上；紧贴深紫外LED光源表面放置第一光学透镜，压缩光源光线，其焦点附近放置第二光学透镜，负责汇聚光线使其能平行传播；接收端前部的第三光学透镜负责将传播过来的光线汇聚到光转换材料表面，三块透镜均与装置内壁形成机械扣合，避免使用胶水对紫外光的吸收。靠近光电探测器顶部开有槽口，根据使用光电探测器的不同，方便安装及更换光转换材料，转换后的光线照射到光电探测器的窗口，通过引脚输出光电流。若使用日盲紫外型探测器，则无需使用光转换材料，可直接安装探测器并从管脚输出光电流。

所述深紫外LED安装位置为方块状，适用于平窗封装或者凸窗封装的LED以及其它类似的光源，所述深紫外LED1的发射波长为200-280 nm，发射角小于等于130°。

所述第一光学透镜2、第二光学透镜3和第三光学透镜7的材质均为JGS-1型紫外熔石英，深紫外光透过率大于92%，其中，所述第一光学透镜2和第二光学透镜3均为平凸结构，直径分别是5 mm、10 mm，焦距分别为10 mm、15 mm，第一光学透镜2和第二光学透镜3之间的距离为7 mm，不可移动，所述第一光学透镜2、第二光学透镜3之间的内壁采用向外拔模设计；第三光学透镜7为双凸结构，直径12.7 mm，焦距20 mm，第三光学透镜7与光电探测器4之间的距离为20 mm，不可移动，所述接收器内部通光孔8的直径略小于第三光学透镜7的直径，既可以有效防止透镜滑动，又保证了较理想的通光孔径，避免因聚焦偏差造成的光线损失。

作为一个优选方案，所述接收端的顶部开设有槽口，所述槽口用于装配光转换材料9，所述光转换材料9自槽口插入接收端内部，并设置于接收器内部通光孔8和光电探测器4之间。具体地讲，所述光转换材料9安装的卡槽为非贯通设计，其深度大于接收器内部通光孔8的孔径，宽度不大于2 mm，长度不超过接收端侧宽，最底端不与螺孔接触，避免加工时造成穿通。

优选地，所述光转换材料9为被深紫外光有效激发的玻璃、陶瓷或有机染料，且发射波长为280-1100 nm。

优选地，所述光电探测器可以是PIN光电二极管或者APD，日盲紫外型探测器可以直接进行探测，且不需要滤波片；若探测器对日盲紫外光不灵敏，可选择使用光转换材料搭配探测器进行间接探测。探测器与装置空隙处填入海绵，并用胶水紧密粘合，防止因探测器微小位移造成的探测误差。所述光电探测器4的探测波长范围是200-1100 nm。

作为一个优选方案，所述发射端的底部设置有用于连接第一双头螺杆5的螺纹孔；所述接收端的底部设置有用于连接第二双头螺杆6的螺纹孔。优选地，所述第一双头螺杆5和第二双头螺杆6的尺寸均为M5。所述发射端和接收端分别通过第一双头螺杆5和第二双头螺杆6固定于光学平台上。

本发明的安装与使用方法：

首先在发射端一侧安装深紫外LED光源1，接着从发射端的另一侧依次安装第一光学透镜2和第二光学透镜3，第一光学透镜2和第二光学透镜3的尺寸正好与发射端形成机械扣合；接收端，先安装接收端一端的汇聚第三光学透镜7，再于接收端顶端的槽口处插入光转换材料9，接着从接收端另一侧安装光电探测器4，使光电探测器4的探测窗口正好接触到光转换材料9，用导线连接光电探测器4的两个引脚，空隙处用海绵或者泡沫填充，并用胶水牢固粘合。若使用日盲紫外型探测器则无需安装光转换材料。

用双头螺杆将组装好的发射端和接收端固定在光学平台上，并保证两者的中心在同一水平高度。给LED接上驱动电路，原始电信号的变换就反映为LED的亮与灭，光线经过透镜到达光电探测器4的探测窗口。将连接在光电探测器4引脚上的导线接到I-V放大器上便可得到电压信号，可以在示波器上观察波形的变化，也可以直接测量探测器输出电流。

发射端通过两级透镜压缩光线传播角度，具有较好的准直性，同时避免光线经过多级透镜所造成的能量损失，接收端根据使用光电探测器的不同，可以选择直接探测和光转换间接探测的方案。所有元件安装位置经过仿真优化，且通过光转换后，探测响应明显提升，具有良好的光电耦合效率。本发明结构简单、成本低，有效提升探测灵敏度，降低因人为、环境等偶然因素导致的探测误差。

实施例1

本实施例用来演示利用本发明直接探测日盲紫外光，使用278 nm LED作为光源；接收器内部光电探测器使用紫外型PIN光电二极管，探测范围为210-280 nm，按照上述实施方式组装好发射器和接收器后，将两者通过螺杆固定在光学平台上，并调节两者高度保持在同一水平线。接着加载脉冲信号源驱动LED，在接收器端用高精度万用表直接测量探测器管脚电流，可以得到一稳定数值，大小约3 μA。

实施例2

本实施例用来演示利用本发明间接探测日盲紫外光，区别实施例1之处在于，接收器内部光电探测器使用可见光型PIN光电二极管，探测范围400-1100 nm，按照上述实施方式组装好发射器和接收器后，将两者通过螺杆固定在光学平台上，并调节两者高度保持在同一水平线。在接收器顶部槽口处插入NLPC荧光玻璃，接着加载脉冲信号源驱动LED，在接收端用高精度万用表直接测量探测器管脚电流，可以得到一稳定数值，大小约12 μA。

实施例3

本实施例用来演示利用本发明间接探测日盲紫外光，区别实施例2之处在于，使用光转换材料为SFS荧光玻璃，按照上述实施方式组装好发射器和接收器后，将两者通过螺杆固定在光学平台上，并调节两者高度保持在同一水平线。在接收器顶部槽口处插入SFS荧光玻璃，接着加载脉冲信号源驱动LED，在接收端用高精度万用表直接测量探测器管脚电流，可以得到一稳定数值，大小约27 μA。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高效率日盲紫外光发射及接收器系统，其特征在于，包括发射端和接收端，所述发射端包括依次设置的深紫外LED（1）、第一光学透镜（2）和第二光学透镜（3），所述接收端包括依次设置的第三光学透镜（7）、接收器内部通光孔（8）、光转换材料（9）和光电探测器（4），深紫外LED（1）发出的光源依次经过第一光学透镜（2）、第二光学透镜（3）、第三光学透镜（7）、接收器内部通光孔（8），至光电探测器（4）；

所述接收端的顶部开设有槽口，所述槽口用于装配光转换材料（9），所述光转换材料（9）自槽口插入接收端内部，并设置于接收器内部通光孔（8）和光电探测器（4）之间。

2.根据权利要求1所述的高效率日盲紫外光发射及接收器系统，其特征在于：所述深紫外LED（1）的发射波长为200-280 nm，发射角小于等于130°。

3.根据权利要求1所述的高效率日盲紫外光发射及接收器系统，其特征在于：所述光电探测器（4）的探测波长范围是200-1100 nm。

4.根据权利要求1所述的高效率日盲紫外光发射及接收器系统，其特征在于：所述第一光学透镜（2）、第二光学透镜（3）和第三光学透镜（7）的材质均为紫外熔石英，深紫外光透过率大于92%，其中，所述第一光学透镜（2）和第二光学透镜（3）均为平凸结构，直径分别是5mm、10 mm，焦距分别为10 mm、15 mm，第一光学透镜（2）和第二光学透镜（3）之间的距离为7mm；第三光学透镜（7）为双凸结构，直径12.7 mm，焦距20 mm，第三光学透镜（7）与光电探测器（4）之间的距离为20 mm。

5.根据权利要求1所述的高效率日盲紫外光发射及接收器系统，其特征在于：所述接收器内部通光孔（8）的直径小于第三光学透镜（7）的直径。

6.根据权利要求1所述的高效率日盲紫外光发射及接收器系统，其特征在于：所述光转换材料（9）为被深紫外光有效激发的玻璃、陶瓷或有机染料，且发射波长为280-1100 nm。

7.根据权利要求1所述的高效率日盲紫外光发射及接收器系统，其特征在于：所述光电探测器（4）为PIN光电二极管或APD。

8.根据权利要求1所述的高效率日盲紫外光发射及接收器系统，其特征在于：所述发射端的底部设置有用于连接第一双头螺杆（5）的螺纹孔；所述接收端的底部设置有用于连接第二双头螺杆（6）的螺纹孔。

9.根据权利要求8所述的高效率日盲紫外光发射及接收器系统，其特征在于：所述发射端和接收端分别通过第一双头螺杆（5）和第二双头螺杆（6）固定于光学平台上。

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