CN112567279A - 用于发送和/或接收元件的光学元件 - Google Patents

用于发送和/或接收元件的光学元件 Download PDF

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Abstract

用于发送和/或接收元件的光学元件，配置为在主辐射方向上发射和/或接收信号，包括由对于通信波长光学透明的材料形成光学主体。它包括腔，在腔中布置发送/接收元件，其中在腔和光学主体之间形成第一界面。此外，光学主体还包括与腔相对形成的第二界面以及具有全反射区域的横向界面。第一界面形成第一中央透镜区域和围绕第一中央透镜区域的第一折射区域。第二界面形成第二中央透镜区域和围绕第二中央透镜区域的第二折射区域。所描述的所有表面或区域均被定义为自由区域，使得它们可以具有任何形状。另外，可以构思将菲涅耳图案引入所述表面。

Description

用于发送和/或接收元件的光学元件
技术领域
本发明的实施例涉及用于发送和/或接收元件的光学元件以及相应的制造方法。进一步的实施例涉及具有相应的光学元件以及发送或发送/接收元件的通信模块、通信模块的阵列以及通信模块系统。
背景技术
光学无线通信使用良好定义的视野进行操作，在所述视野内建立通信信道。光斑(spot)是目标平面中的由发送器(Tx)照射的区域，在其中通信得到确保。接收器(Rx)处的接收功率直接定义信号强度，并由此定义接收器处的信号质量。在随后的描述中，假设发送器与接收器组合形成光学无线收发器。发送器、接收器或收发器可以一般性地理解为通信模块。
在光斑内，功率应尽可能均匀地分布，以便使信号质量、并由此使目标区域中的误码率恒定。当使用具有比特分配(Bit Loading)的调制类型时，可以额外确保光斑内的数据速率也保持恒定。在发送器中，通常将发光二极管(LED)或激光二极管(LD)用作发射器。LED价格便宜并且提供高输出功率。由于LED内的辐射是各向同性地发射的，因此LED表现出非常宽的辐射剖面(radiation profile)。而且，LED的空间尺寸通常比激光二极管的空间尺寸大得多，这是因为通常将主要光学元件集成在LED的壳体中，并且相应的芯片是用塑料铸造的。这两个因素使得难以将整个所发射的辐射传递到同时具有均匀功率分布和锋利边缘的良好定义的光斑。到目前为止，已经通过透镜和反射镜的组合解决了该问题。但是，所产生的缺点是所得到的整个系统比较大。而且，由于必须制造和安装两个部件，因此制造成本高。当需要非旋转对称的信道时，此成本因素变得尤为关键，所述非旋转对称的信道需要非旋转对称的自由形式光学元件。而且，由于导致了反射镜处的吸收损耗，所以这种整体系统效率较低。在LD中，由于LD通常以比LED小的立体角上进行发射，因此光束成形可以更容易地执行。然而，LD和相应的驱动电子器件比LED昂贵。因此，需要一种改进的光学元件概念以便能够有效地使用LED。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于光学无线通信设备的光学元件概念，其将发射器的任何辐射特性传递到任何形状的视野。因此，重点在于获得高效率和光斑内的指定功率分配，以及廉价的制造。
此目的通过独立权利要求的主题来实现。
本发明的实施例提供了一种用于发送和/或接收元件的光学元件，被配置为在主辐射方向上发射和/或接收信号。光学元件包括由透明材料(例如，玻璃或塑料)形成的光学主体。术语“透明”涉及用于通信的波长。因此，当使用近红外范围进行通信时，光学元件可以示例性地在可见范围内是不透明的。光学元件包括至少一个腔和与所述腔相对形成的第二界面。而且，光学元件的几何形状使得其包括另一横向(外部)界面，此横向界面包括全内反射区域。可以在腔内布置发送和/或接收元件。腔形成在光学主体中，使得在腔和光学主体之间形成第一界面。第一界面形成第一中央透镜区域(具有任何曲率，但大多为凸曲率的区域)和围绕该中央透镜区域的第一折射区域，其围绕该中央透镜区域，并与该中央透镜区域一起限定腔的形状。第二界面形成第二中央透镜区域(具有任何曲率)和围绕第二中央透镜区域的第二折射区域。所有表面都是自由(freeform)表面或区域，其可以包括任何曲率。因此，区域或表面可以是部分凸出的，但在不同位置凹入。这对于获得光斑内的指定功率分配是必需的。
根据实施例，两个透镜区域协作以映射第一光束组(沿着主辐射方向)。折射区域(第一和第二界面)和全内反射区域也示例性地协作以映射第二光束组。这里要提到的是，第一光束组可以示例性地用于发送的情形，而第二和另外的光束组可以示例性地用于接收的情形。当然，这也可以颠倒过来，因为原则上每个光束组可以用于不同的情形(发送或接收的情形)，使得可以通过使用光学元件同时实现几个Tx和Rx信道。因此，可以实现廉价的MIMO(多输入-多输出)概念。
本发明的实施例是基于以下发现：基于折射(参见透镜区域)和全内反射(可能在多个区域中)的光学元件在单个元件中组合反射镜和透镜的功能，使得例如由光学元件中的发射器发射的辐射被发送器光学元件(沿主辐射方向)引导至视野(FOV)。这是通过对由第一透镜区域和第二透镜区域(它们示例性地以对准的方式相对于彼此布置，或被对准为使得其光轴位于主辐射轴上)沿主辐射方向发射或发送的辐射进行绑定来实现的，而横向发射的辐射或以倾斜方式发射的辐射被全内反射区域(加上第一和第二折射区域)捕获，并被沿着主辐射方向或者倾斜于主辐射方向引导。通过此单个光学元件降低了系统复杂性。
根据实施例，全内反射区域可以包括菲涅耳图案。菲涅耳图案可以被引入所有折射表面，以减小光学元件的厚度。
根据实施例，主辐射轴可以穿过发送和/或接收元件。如前所述，两个透镜区域(优选地被布置为彼此对准)用于在主辐射方向的方向上映射第一光束组。这里要提到的是，在这里讨论的光学元件中，界面处的反射损耗(菲涅耳损耗)是唯一的相关损耗因子。根据额外的实施例，这些损耗可以通过可选的抗反射涂层最小化。
根据实施例，横向界面或全内反射区域与主辐射方向围成5°至85°范围内的角度。根据进一步的实施例，此横向全内反射区域可以包括两个或更多个子区域(它们相对于彼此成角度)。借助于全内反射区域，并与界面相结合，可以以空间分离的方式限定与第一光束组(参见透镜区域)分开的第二光束组和另外光束组的形状。通过使用包括两个或更多个子区域的全内反射区域，可以以空间分离的方式限定与第一光束组分开的两个或更多个光束组的形状。这意味着，这里讨论的光学元件能够在空间上将几个通信信道彼此分离，使得取决于全内反射区域的实施方式，可以以空间分离的方式建立两个或甚至三个或更多个通信信道。这里的背景情形是，发送器示例性地朝着位于不同空间方向上的几个接收器进行发送。当与其中在整个空间上发生发射的情形相比时，信道的分离减小了几何光学损失。这在发送器和接收器的相对位置保持恒定时允许增加通信信道的范围或数据速率。根据进一步的实施例，可以通过组合几个信道以形成所谓的“多输入多输出”(MIMO)系统来增加通信链路的数据速率。在此系统中，通过如上所述的信道之间的良好分离，可以避免信道之间的串扰。在前面提到的光学模块中，有利地，在可能的最小空间中实现多个平行信道。如果使用上述基于反射镜和透镜的组合的现有技术装置，是无法以简单、紧凑、有效和廉价的方式实现这种方法的。
根据实施例，全内反射区域可以包括任何曲率的表面。当假设全内反射区域包括几个子区域时，每个子区域也可以是弯曲的。
根据进一步的实施例，第一界面的第一折射区域被布置成使得所述界面与主辐射方向围成小于或等于45°的角度。根据进一步的实施例，第二界面的第二折射区域相对于主辐射方向被布置成使得包围大于或等于45°的角度。关于第二折射区域，要提及的是，第二折射区域也可以表现出任何曲率，以限定光束组的形状，并与视野相对应地发射经由全内反射区域反射的辐射，以产生光斑中的指定功率分布。在此，根据实施例，也可以将所述曲率设为使得形成两个或更多个子区域。这些可以包括相对于彼此的不同角度，或者形成相对于主辐射方向的不同角度。当也在两个或更多个部分中实现全内反射区域时，这是特别有利的。使用两个或更多个子区域有利地允许沿着与主辐射方向成角度的第二、第三、…辐射方向形成第二、第三、…光束组。
根据实施例，光学主体是非旋转对称的或旋转对称的。在此，可以设想，通过发送和/或接收元件围绕沿主发射方向的轴形成旋转对称，或更确切地说，形成围绕沿主发射方向的轴的旋转对称。根据实施例，当提供作为旋转对称轴的轴时，其居中地穿过第一透镜区域和第二透镜区域。然而，如果主体不表现出旋转对称性，则可以设想轴对称性。然后，整个主体可以由两个镜像的一半或四个镜像的四分之一等形成。
这里要提到的是，光学元件既可以用于发送器，也可以用于接收器。同时，光学元件也可以用于发送器和接收器的组合。
实施例提供了具有对应的发送和/或接收元件以及光学元件的发送器或接收器或收发器，其中，发送和/或接收元件居中地布置在腔中，或者一般地讲，布置在腔中。LED或LD可以用作发送元件，而检测器，例如光电二极管，可以例如用作接收元件。这里要提到的是，任何接收器或任何发送器以及任何收发器可以一般性地理解为通信模块。发送器和接收器分别专门地进行发送和接收，其中，收发器能够进行接收和发送两者。根据实施例，配置用于接收的接收器优选地包括正方形或矩形形状的第二界面。关于包括对于发送或接收模式的限制的实施例，要提到的是，这种发送器/接收器是非常典型的，其中相对方，即发送器/接收器，被彼此相邻布置。这里的背景是有时候希望将发送器和接收器分离开，以减少串扰。在这种情形下，将使用分离的Tx和Rx光学元件。根据另一实施例，例如当经由全内反射的表面，或者一般地讲，经由界面，来传送空间分离的光束组时，能够在腔中布置发送器单元和接收器单元两者。在此，例如经由透镜区域建立Tx信道，而在外部区域上，即在除此之外的区域上，通过全内反射区域建立一个Rx信道、或若干Rx信道、或甚至Tx和Rx信道的组合。通过将两个光学元件(Tx和Rx)组合以形成单个模块，可以显著降低整个系统的复杂性、制造成本和尺寸。
进一步的实施例提供一种收发器阵列，包括至少两个彼此相邻布置的收发器，或者具有与光学元件组合的发送器/接收器布置，被配置为经由界面传送空间分离的光束组。根据一种变型，彼此相邻布置的两个通信模块中的第一通信模块能够被配置为发送模式，而另一通信模块被配置为接收模式。当然，此阵列能够根据需要在每个方向上扩展，以使得结果是N*1或1*N或N*N矩阵，其中优选的是接收器和发送器交替。根据另一变型，通过使用前面讨论的光学元件，能够经由光学元件的不同区域来传送若干Tx、或者Rx、或者还有Tx-Rx信道。这意味着，发送器和接收器能够利用光学元件而被组合到一个收发器中，并且能够基于这些元件提供阵列。在这里，若干单元还能够被组合为N*1或1*N或N*N矩阵，以实现更多信道。
这些阵列允许传输彼此相邻的若干信道。因此，另一实施例包括具有彼此相对布置的至少两个收发器阵列的收发器系统，其中配置用于接收的接收器在几何上与配置用于发送的发送器相关联。
根据进一步的实施例，提供一种用于制造上述光学元件的方法，包括限定光学主体的形状的步骤。在此，执行步骤，以使得光学材料均匀地分布在光学主体中。具有足够精度的铣削(milling)、注塑(injection molding)、车削(truning)、3D打印等是潜在的制造技术。在这些制造方法中，光学主体是在一个步骤中制造的，大大简化了制造过程，并从而导致大量零件的制造成本的显著降低。当与使用若干组件的组合的现有技术方法相比时，这种成本的降低特别显著。制造两种组件并安装这些组件增加了成本。
从属权利要求中定义了进一步的表示。
附图说明
将使用附图来讨论本发明的实施例，其中：
图1示出了根据实施例的用于光学无线通信装置的光学元件的示意图，例如Tx-TIR光学元件(基于全内反射的发送光学元件，TIR)；
图2示出了根据实施例的在用于建立若干光束组或用于建立若干通信信道的发送的情形中图1的光学元件的示意图；
图3和图4示出了用于图示根据实施例的MIMO方法的示意图；
图5a和图5b示出了根据进一步实施例的与发送元件和接收元件结合的光学元件的示意图。
具体实施方式
在参考附图讨论本发明的实施例之前，要指出的是，具有相同作用的元件和结构具有相同的附图标记，使得其描述可以相互适用或互换。
图1示出了由光学主体100实现的光学元件100。在此实施例中，光学元件100与配置为沿着主辐射方向140进行发送的发送模块130结合。在这种情形下，这被称为Tx-TIR光学元件。但是，如果将光学元件与光电检测器组合在一起，则将其称为Rx-TIR光学元件。
在此实施例中，假设光学元件100或光学主体100是旋转对称的变型，即围绕轴140旋转对称。这里还应当指出，旋转对称不是绝对必要的，而是其他的对称性，例如轴对称性(例如使得右侧和左侧是相等的)，或者完全不对称也都是可以设想的。在该一般性的非对称变型中，两侧在几何形状上彼此不同。
优选地，光学主体100由均质材料制成，如矿物玻璃或塑料，或者一般地讲，在通信波长的光谱范围内几乎没有吸收的光学透明材料。因此，也可以设想，只要选择在紫外或红外范围内的通信波长，此材料在可见光范围内是不透明的。根据实施例，光学主体100包括第一界面110+120和第二界面112+121。额外地，光学主体100包括具有全内反射区域111的横向界面。横向界面111在横向上将主体相对于外部划界，而界面110+120和界面112+121垂直于主辐射方向140对主体进行划界。
界面120(+110)和121(+112)彼此相对。第一界面110和120将光学主体100相对于腔101划界，在腔101中布置有发送器130，或更一般地讲，发送和/或接收元件130。此腔101沿着光轴140由界面120限定，界面120包括形成中心透镜区域的任何弯曲或凸形弯曲的形状，并且腔101在横向上由界面110限定，表现出第一折射区域。透镜区域120的光轴可以示例性地与旋转对称轴140一致(congruent)，并且因此例如平行于发送元件130的主辐射方向140。透镜区域120被配置为沿光轴140映射(例如由Tx元件130发射的)光束组。
折射区域110被相对于光轴140布置，使得相对于光轴140横向发射的光被折射区域110映射到全内反射区域111上。精确的形状能够取决于折射的程度、并且因此一方面取决于主体100的光密度、并且还取决于腔101中的材料或气体，而发生变化。另一方面，形状是从表面110和112以及在光斑中要获得的指定功率密度、或者当用作接收光学元件时光学元件所要提供的接收特性得出的。
第二界面，即顶部界面121+112也对透镜区域即区域121、以及第二折射区域112的形状进行限定。此折射区域112横向地围绕透镜区域121，并且被配置为例如平行于主辐射方向140或与主辐射方向140略成角度地，将光映射到全内反射区域111上或从全内反射区域111映射出。
在此实施例中，透镜区域121与透镜区域120对准布置，即，被布置为使得透镜区域121的光轴与旋转对称轴140一致。因此，沿主辐射方向140透射的光束组指向主辐射方向140的方向。根据实施例，透镜区域121与透镜区域120协作，使得透镜由两个透镜区域120和121限定形状。根据实施例，透镜区域121表现出任何曲率，在此情形中例如是凸形的。在具有两个凸形弯曲的透镜区域120和121的变型中，聚光透镜被限定形状为使得沿主辐射方向140发射的辐射通过，或者被限定形状为沿着主辐射方向140。这里要提到的是，透镜区域121和透镜区域120的曲率的精确度取决于光斑中的指定功率密度，并因此取决于所需的焦距。这意味着它还取决于光学主体100和发送器130(或接收器)之间的距离。透镜区域120的表面可以包括任何形状，并且因此被归类为自由区域。另一变量参数表示界面处的折射程度，并因此表示光密度(其影响折射率)。
折射区域112围绕居中布置的透镜区域121，并且在此实施例中，可选地还被实现为被弯曲，以允许限定另一光束组的形状。可以设想的是，折射区域包含菲涅耳图案，此菲涅耳图案用于减小光学元件的厚度。
根据主要实施例，光学主体100包括另一界面111，以引起经由折射区域110和112入射或发射的辐射的全内反射。在界面111处，形成全内反射区域111，其与主辐射方向140围成一角度，例如，例如5°至85°之间的角度。根据实施例，界面111是一般的自由区域，使得曲率、以及因此与主辐射方向140的角度取决于界面111上的位置而变化。应提及的是，角度指示总是指主辐射方向与相应切线之间的角度(见图1，区域112，角度α)。全内反射区域111与折射区域110和112协作，使得例如由发送二极管130横向发射的光被折射区域110发送，入射在全内反射区域111上，然后通过全内反射被引导到另外的折射区域112上，从而例如使光学元件100平行于光轴140，或相对于光轴140倾斜。应提及的是，在此示例中，光轴对应于主辐射方向。相反地，光也可以入射穿过折射表面112并被引导到全内反射区域111上。通过区域111中的全内反射，光被反射到折射区域110并被引导到接收元件130，在此处在横向入射角下被检测到。
在讨论了与基本变型和扩展变型相对应的结构之后，下面将讨论功能模式。
此处示出的光学元件100使用折射和全内反射两者，因此在单个元件中组合反射镜的功能与透镜的功能。此处示出的光学模块表示用于限定通信信道的形状的全内反射光学元件(TIR)。使用一个或多个发送/接收元件(在这种情形下为发送元件130)放置光学元件100或TIR光学元件100(如Tx光学元件)，并对其形状进行限定，使得其将发送元件130发射的几乎所有光引导到光斑。可选地，可以在腔101中放置若干发送元件130，例如，当其空间尺寸相对较小时。LD和微LED阵列中的情形通常如此。但是也可以设想分立的发射器设备。
中央的界面120和121，也称为透镜区域120和121，将以小角度(相对于光轴140测量)发射的辐射引导到FOV中/到FOV处。界面110、111和112也将以较大的角度发射的辐射引导到FOV处。因此，全内反射在横向边缘111处的界面处发生。已经发射穿过界面112和121的辐射能够在离开光学元件之后相互重叠，以便获得期望的光斑中的功率分布，但这种情形不是必须的。
取决于发送光学元件的材料，也可以将向后(即，相对于光轴140测量，以大于90°的角度)发射的辐射聚集在视野中。因此，光学元件覆盖超过一半的空间。在此情形中，发送元件130位于腔101的下端部的上方。可以使用复合射线映射方法[1]计算TIR光学元件，其中以下特征起决定性作用。由源130发射的光被分成两个或更多个光束组(或集束)，其被引导到光学元件的不同表面(120+121或110+111+112)上，并且因此被限定为不同的形状。由于界面110、111和112示例性地包括两个子区域，每个用于不同光束组，因此本实施例将其划分成两个或甚至三个光束组。接下来将简短讨论能够如何分成三个光束组：
第一光束组可以与两个中央透镜区域120和121相关联。其他两个光束组每一个分别由表面110a、111a和112a或110b、111b和112b限定形状。111实际上是两个表面区域这一事实例如可以从在111a和112b之间的111的中央处的弯折认识到。表面可以被细分为任意数量的表面部分，使得可以发送甚至超过三个光束组。在此清楚的是，所有表面110、111、112必须是自由区域。
当不同的光束组照射视野的不同区域，并且所有光束组的组合限定整个视野的形状时，具有高纵横比的视野，即具有沿着不同轴的非常不同的尺寸的视野成为可能。全内反射表面111和外表面112、121都可以容易地用于将发射器的旋转对称发射剖面传送到光束的矩形/正方形或椭圆形光束场。Tx-TIR光学元件100是为真实源开发的，这意味着发射器130具有空间尺寸，并且其真实距离剖面是通过数学函数近似的。取决于设计，Tx-TIR光学元件100能够形成任何形状的光斑。通常，限定为圆形、椭圆形或矩形的光斑形状。能够按照需要设定各个视野的尺寸。光斑内的功率分布既可以是均匀的，也可以是不均匀的。如果所形成的光斑是圆形的，并且发射器的发射剖面是旋转对称的，则轴140对应于Tx-TIR光学元件的旋转轴。否则，例如对于矩形或椭圆形的光斑，光学元件不是旋转对称的。在此情形中，轴140不应被理解为旋转轴，而应是主辐射轴，并且用于放置发射器或接收器130或用于总体定向。
Tx-TIR光学元件100既可以与可见光一起使用，也可以与紫外或红外光一起使用。因此，此光学元件的主要功能显然不是照射，而是光学无线通信。
这里要指出的是，以上方面已经在发送器(参见Tx-TIR光学元件)的上下文中进行了讨论，但是当然应该理解为也涉及具有接收模块而不是发送模块130的接收器。这意味着上面讨论的光学元件也可应用为Rx-TIR光学元件。
参照图2，将讨论光学元件100的应用。光学元件100在这里与发射器220一起用作发射元件，并且因此形成发送器200。在这种特殊的应用情形中，Tx-TIR光学元件100可以用于使用若干信道的通信。这些由附图标记230、231、232、233和234表征的信道在空间上彼此分离。必须区分两种从根本上不同的方案。
如图2所示，发射器220的不同光束组由Tx-TIR光学元件100引导至不同方向，并照射接收信号的不同接收器。在Tx-TIR光学元件100不是旋转对称的情形中，视野230和234以及231和233的发射角可以是不同的，使得可以在所有五个接收装置中提供来自发射器220的信号。如图所示，发射器220因而被放置在腔101的中心。
五个分离的信道230至234被如下映射。中央信道232是由沿着主辐射方向140的界面120和121(参见图1)形成的。信道234是由子区域112a、111a和110a形成的。在相对侧，信道230是由相对表面形成的。信道233是使用表面110b、111b和112b形成的，而信道231是由相对表面形成的。
根据第二变型，Tx-TIR光学元件也可以在MIMO配置中使用。
在此，可以设想将包括各自光学元件的若干发送器或接收器或收发器布置在场中，例如如图3所示。图3示出具有分离的发送器310和接收器320的MIMO方法。一个相邻的发送器310和接收器320每个形成收发器330。发送器310每个与相对的、几何相关联的接收器320形成单向信道340。两个相邻的单向信道对应地形成具有全双工能力的双向通信信道。为了尽可能地利用表面，用于发送和接收元件的区域示例性地具有正方形形状。在此应提及的是，根据优选实施方式，接收元件是正方形或矩形的，而发送光学元件不必或不是优选包括这样的平面图，只要它以正方形/矩形照射接收区域即可。这就是具有在其中布置的各自发送器的多个Tx-TIR光学元件、连同多个接收器(其可以示例性地还包括Rx-TIR光学元件)的场如何形成配置用于双向传输的阵列的方式。完整的收发器230仅由空间分离的发送器(发射器加光学元件)和接收器(检测器加光学元件)组合而形成。如之前已经讨论的，此收发器是双向的，并且通过优选将信道的形状限定为矩形或正方形来获得理想的信道密度。由于光学元件的紧凑性和几乎按照需要地限定通信信道的形状的能力，具有这种设置的收发器注定要借助MIMO的方法来最大化数据速率。这里要指出的是，接收器的光学元件不一定必须对应于上述的TIR光学元件100，而是也可以以不同方式实现。
在图4中，示出了具有收发器的另一MIMO系统。发送器和接收器被组合在具有附图标记410的正方形场元件中。形成的光通信信道是双向的，其中前向和后向信道包括相同的空间尺寸和位置。在该变型中，优选地，Tx光学元件与布置在腔内的接收器和发送器结合使用。通过将发送器和接收器一起放置在光学元件中，可以将双向MIMO方法的面积消耗大致减少一半。在此，前向和后向信道还可以包括空间中的相同位置，以生成真正的双向信道，此双向信道同时包括半双工和全双工能力。每个场元件410表示由发送器和接收器组成的完整的收发器。这里要指出的是，发送例如是通过中央透镜区域实现的，而接收是经由折射区域112或经由全内反射区域111发生的。当然，当例如考虑能够通过光学元件形成超过两个的空间分离的传输信道时，用于发送和接收目的的光学区域的关联性也可能被逆转或者被不同的组合。
参照图5a和图5b，下面将讨论图1中讨论的光学元件1与接收器和发送器相结合的使用。
图5a和图5b每个示出光学元件100，其与发送器510和光电检测器(如光电二极管)520结合。光电检测器520和发射器510均布置在腔101中，例如彼此相邻。在图5a中，点划线示出界面的哪些区域被用于发送模式(参见发射的辐射550)，而在图5b中，点划线示出界面的哪些区域被用于接收入射辐射560。所示的光束550和560应理解为示例性光束，而不是边缘光束。
光学元件500或100的中央界面540被限定形状，使得其将由发射器510发射的辐射550引导到视野中。光学元件的外部区域530将入射辐射560聚集在光电检测器520上。由于在此实施例中，光电检测器520没有居中地位于光学元件下方(即，它不像接收器510，或者一般地讲，与透镜元件540相对应的模块那样位于光轴上)，优选地，光学元件不被实现为旋转对称的，以便外部界面530的焦点位于光电检测器520上。根据实施例，如果使用环形探测器，其可以被(同心地)围绕发射器放置。在这种特殊情形下，根据进一步的实施例，光学模块100或500也可以被实现为旋转对称。
可以使用LED和LD两者来实现该方法。这种情形下的最佳性能是当发射器以最小可能的空间角度发射其辐射时获得的。在这种情形下，可以定义TIR光学元件，使得所有发射的辐射都撞击在中心区域上。此区域可以被实现为尽可能小，使得外部区域的表面可以被最大化。这增加了接收信号的光学放大。
在以上实施例中，已经假设可以使用光学元件产生一个、两个或三个适当分离的信道。取决于透镜区域的特定实施方式，特别是取决于全内反射区域的精确实施方式，与外部核心表面(折射区域)相结合，当然也能够形成更多数量的信道。不对称实现的光学元件注定用于形成若干信道。只有通过精确的实施方式(参见图5的实施例)，才能改变发射器和检测器在光轴140上的布置或相对于光轴的偏移。
根据实施例，除了全内反射是一个表面之外，某些表面或所有表面可以设置有抗反射层以减少背反射。额外地，全内反射区域例如能够部分地设置有反射层，以迫使在全内反射失效的那些位置处执行反射。
关于透镜区域和折射区域以及折射区域的子区域的几何形状(曲率，凸曲率)，要指出的是，取决于实施方式，可以限定它们的形状，使得允许将入射或出射的辐射聚焦在相应的发送器或接收器上，或从相应的发送器或接收器聚焦。这些表面的尺寸和设计取决于通信信道的形状、使用的折射率、可能还有额外的层以及周围材料的折射率。额外地，用于通信信道的波长也起作用。
另一实施例涉及一种用于制造光学元件的方法。优选地，光学元件应以注塑方法由均质材料制造。这里的优点是光学元件是在一个步骤中形成的，因此不需要后处理，从而降低了总体制造成本。如果要制造较少数量的光学元件原型，则替代地也可以使用车削或铣削工艺来生产这些，这需要高精度。在此要指出，产品特征的描述应理解为也是方法步骤的描述。
参考文献
[1]Donglin Ma,Zexing Feng,和Raongguang Liang:，，Freeform illuminationlens design using composite ray mapping”；Appl.Opt.54；598-503；2015

Claims (20)

1.用于发送和/或接收元件(130、220、510、520)的光学元件(100、500)，被配置为在主辐射方向(140)上发射和/或接收信号(550、560、230、231、232、233、234)，包括由对于通信波长光学透明的材料形成的光学主体，所述光学元件包括：
腔(101)，在所述腔中布置所述发送和/或接收元件(130、220、510、520)，其中在所述腔(101)和所述光学主体之间形成第一界面(110、120)；
与所述腔(101)相对形成的第二界面(112、121)；以及
具有全内反射区域(111)的任何形状的横向界面(111)；
其中所述第一界面(110、120)形成第一中央透镜区域(120)和围绕所述第一中央透镜区域(120)的第一折射区域(110)，并且其中所述第二界面(112、121)形成第二中央透镜区域(121)和围绕所述第二中央透镜区域(121)的第二折射区域(112)。
2.根据权利要求1所述的光学元件(100、500)，其中，所述第一中央透镜区域(120)和所述第二中央透镜区域(121)对应于能够根据需要被限定形状的自由区域，和/或其中，能够在此区域中引入菲涅耳图案以减小所述光学元件的厚度。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的光学元件(100、500)，其中，所述全内反射区域(111)包括菲涅耳图案；和/或
其中所述第一界面(110、120)和/或所述第二界面(112、121)包括菲涅耳图案。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的光学元件(100、500)，其中，所述第一透镜区域(120)和第二透镜区域(121)被配置为在所述主辐射方向(140)的方向上映射第一光束组。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的光学元件(100、500)，其中，在一个区域中的所述第一界面的折射区域(110)与所述主辐射方向(140)围成小于或等于45°或者小于或等于60°的角度。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的光学元件(100、500)，其中，在一个区域中的所述第二界面的第二折射区域(112)与所述主辐射方向(140)围成大于或等于45°或者大于或等于30°的角度。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的光学元件(100、500)，其中，所述第二界面的第二折射区域(112)根据需要被弯曲；以及
其中所述第二界面的第二折射区域(112)被弯曲，或被凸形弯曲，使得形成所述第二折射区域(112)的至少两个呈不同角度的子区域(112a、112b)。
8.根据权利要求7所述的光学元件(100、500)，其中，所述第二界面的第二折射区域(112)被配置为沿着与所述主辐射方向(140)成一角度的第二辐射方向映射第二光束组(233)；或
其中，所述第二界面的第二折射区域(112)的第一子区域(112a)被配置为沿着第二辐射方向映射第二光束组(233)，并且其中，所述第二界面的第二折射区域(112)的第二子区域(112b)被配置为沿着第三辐射方向映射第三光束组(234)，其中所述第二辐射方向和第三辐射方向围成一角度，并且所述第二辐射方向和第三辐射方向相对于所述主辐射方向(140)围成另一角度。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的光学元件(100、500)，其中，所述横向界面(111)与所述主辐射方向(140)围成在5°至85°范围内的角度。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的光学元件(100、500)，其中，所述全内反射区域(111)包括两个子区域(111a、111b)；和/或
其中所述全内反射区域(111)的第一子区域(111a)被配置为沿着第二辐射方向映射第二光束组(233)，并且其中，所述全内反射区域(111)的第二子区域(111b)被配置为沿着第三辐射方向映射第三光束组(234)，其中所述第二辐射方向和第三辐射方向围成一角度，并且所述第二辐射方向和第三辐射方向相对于所述主辐射方向(140)围成另一角度。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的光学元件(100、500)，其中，所述全内反射区域(111)被根据需要弯曲，或者
其中，所述全内反射区域(111)的子区域各自被根据需要弯曲。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的光学元件(100、500)，其中，所述光学主体围绕沿着所述主发射方向的轴(140)非对称、或者轴对称、或者旋转对称，或者围绕穿过所述发送和/或接收元件(130、220、510、520)的沿着主发射方向的轴(140)旋转对称。
13.根据权利要求12所述的光学元件(100、500)，其中，所述第一界面的第一折射区域(110)和所述第二界面的第二折射区域(112)延伸成围绕所述轴(140)的圆弧区域的形状，或者围绕所述轴(140)的自由区域的形状。
14.一种通信模块(200)，包括根据权利要求1至13中的任一项所述的光学元件(100、500)，以及布置在腔(101)中或居中地布置在腔(101)中的发送元件或接收元件(130、220、510、520)或者发送和接收元件(130、220、510、520)。
15.根据权利要求14所述的通信模块(200)，其中，所述发送元件包括发光二极管或激光二极管，和/或其中，所述接收元件(130、220、510、520)包括检测器，例如光电二极管。
16.一种通信模块(330、410)的阵列，包括根据权利要求14或15所述的通信模块，其中，通过第一透镜区域和第二透镜区域在主辐射方向(140)的方向上映射第一光束组(232)，以及通过全内反射区域(111)和/或第一折射区域(110)和第二折射区域(112)映射至少第二光束组(233)；或
其中，通过第一透镜区域和第二透镜区域在主辐射方向(140)的方向上映射第一光束组(232)，以及通过全内反射区域(111)和/或第一折射区域和第二折射区域(112)映射至少第二光束组(233)；并且其中，所述第一光束组(232)和所述第二光束组(233)被映射为使得发送信号(550、560、230、231、232、233、234)和接收信号(550、560、230、231、232、233、234)沿着收发器阵列(330、410)的横向延伸方向交替。
17.一种通信模块(330、410)的阵列，所述通信模块(330、410)是根据权利要求14或15所述的通信模块，包括空间分离的发送器和接收器，其中，收发器彼此相邻地布置；或
其中，彼此相邻布置的通信模块被布置为使得配置用于发送的发送器与配置用于接收的接收器沿着收发器阵列(330、410)的延伸方向交替。
18.一种由若干通信模块(300、400)构成的系统，包括根据权利要求16或17所述的通信模块(330、410)的至少两个阵列，其中，所述通信模块(330、410)的阵列彼此相对，使得配置用于接收的透镜区域或第二折射区域(112)在几何上与配置用于发送的透镜区域或第二折射区域(112)相关联；或
其中，所述通信模块(330、410)的阵列彼此相对，使得配置用于接收的接收器在几何上与配置用于发送的发送器相关联。
19.一种根据权利要求16或17所述的通信模块(330、410)的阵列，其中配置用于接收的透镜区域或第二折射区域(112)包括正方形或矩形形状；或
其中配置用于接收的接收器包括矩形或正方形界面(112、121)。
20.一种用于制造根据权利要求1至13中任一项所述的光学元件(100、500)的方法，所述方法包括限定光学主体的形状的步骤，所述限定形状步骤被执行以使得所述光学材料均匀地分布在所述光学主体中，这里使用注塑、车削或铣削方法。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20240022328A1 (en) * 2020-10-30 2024-01-18 Oledcomm Optical device for orienting in space a radiation pattern for transmission and/or a radiation pattern for reception of light waves of wide spectral band
CN117099329A (zh) * 2021-04-08 2023-11-21 昕诺飞控股有限公司 光学检测器

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1726410A (zh) * 2002-10-11 2006-01-25 光处方革新有限公司 密致折叠型光学元件照明透镜
US20080092879A1 (en) * 1999-12-02 2008-04-24 Minano Dominguez Juan C Device for concentrating or collimating radiant energy
CN101707502A (zh) * 2009-11-13 2010-05-12 南京邮电大学 可见光发光二极管无线通信光接收天线
DE102008061688A1 (de) * 2008-12-11 2010-06-17 Automotive Lighting Reutlingen Gmbh Vorsatzoptik für eine Lichtquelle
CN102132183A (zh) * 2008-07-16 2011-07-20 欧普提克斯有限公司 用于光波分复用的光通信模块
CN106464360A (zh) * 2014-05-31 2017-02-22 思科技术公司 多光束自由空间光学端点的控制系统

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5526190A (en) * 1994-09-29 1996-06-11 Xerox Corporation Optical element and device for providing uniform irradiance of a surface
US20090128921A1 (en) * 2007-11-15 2009-05-21 Philips Solid-State Lighting Solutions Led collimator having spline surfaces and related methods
US9010967B2 (en) * 2009-12-21 2015-04-21 Martin Professional Aps Light collector with complementing rotationally asymmetric central and peripheral lenses
DE102013011877B4 (de) * 2013-07-17 2016-02-25 Erco Gmbh Leuchte mit einer Kollimatoroptik
US9651217B2 (en) * 2013-11-25 2017-05-16 Utc Fire & Security Americas Corporation, Inc. Lens assembly
DE102016109159A1 (de) * 2016-05-18 2017-11-23 SMR Patents S.à.r.l. Linse und Verfahren zur Herstellung einer Linse
GB2588302B (en) * 2018-05-31 2022-09-14 Carrier Corp Improved lens for a notification strobe

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080092879A1 (en) * 1999-12-02 2008-04-24 Minano Dominguez Juan C Device for concentrating or collimating radiant energy
CN1726410A (zh) * 2002-10-11 2006-01-25 光处方革新有限公司 密致折叠型光学元件照明透镜
CN102132183A (zh) * 2008-07-16 2011-07-20 欧普提克斯有限公司 用于光波分复用的光通信模块
DE102008061688A1 (de) * 2008-12-11 2010-06-17 Automotive Lighting Reutlingen Gmbh Vorsatzoptik für eine Lichtquelle
CN101707502A (zh) * 2009-11-13 2010-05-12 南京邮电大学 可见光发光二极管无线通信光接收天线
CN106464360A (zh) * 2014-05-31 2017-02-22 思科技术公司 多光束自由空间光学端点的控制系统

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DE102018209368B4 (de) 2020-01-02
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ES2922273T3 (es) 2022-09-12

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