CN112596173A - 一种光信号发射器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信号传输技术领域，具体涉及一种光信号发射器，该光信号发射器包括：第一透镜、驱动机构和角度调整机构，其中，第一透镜用于将信号光束偏转设定角度；驱动机构其用于驱动第一透镜旋转以调整信号光束偏转的方位角；角度调整机构设于第一透镜的信号光束出射一侧，用于调整信号光束在方位角上的偏转角度。本方案能够解决现有技术中采用MEMS和LCOS器件的信号发射装置造价昂贵的问题。

Description

一种光信号发射器

技术领域

本发明涉及信号传输技术领域，具体涉及一种光信号发射器。

背景技术

最近几年，随着短视频、户外视频直播、虚拟现实(VR)、增强现实(AR)等新型互联网应用的广泛普及，无线网络的数据流量呈爆发式增长。传统的无线局域网通信系统(WiFi)和可见光通信系统(VCL)已经无法满足日益增长的无线网络需求。研究人员正在积极扩展无线频谱，例如使用红外光束(1460-1625nm)来实现无线通信，这样能够很大程度缓解无线网络的拥堵。把红外光束的准直激光用于无线通信，可以通过光无线通信(OpticalWireless Communication，OWC)技术来实现。由发射端到接收端之间无需要进行光-电-光转换，所以光无线通信系统的最大优势是有超高的传输速率。光无线通信系统解决方案不但可以扩展无线频谱资源，且它对电磁干扰免疫，具有极高的保密性，可以运用在军事领域。

图1是典型的室内光无线通信系统架构图。光纤通信系统中的波分复用(WDM)信号通过光纤分布网络达到大楼内部，然后分配到每个房间。每个房间的天花板都配置一个无线光束发射器来把光纤里面的光信号转化为空间中传输的激光束。无线光束发射器通过对激光束进行偏转，供地面的用户使用，并且能够控制光束跟随用户的移动而偏转。光束经过室内自由空间的传输之后会达到位于地面的用户端，用户利用光电二极管(PD)把光束信号转换为用户能够使用的信息，从而完成从发射端到用户端的传输。无线光束发射器一般是由一个光准直器与光纤连接，使得光纤里面的光能够准直的投射到空间中去，然后再运用偏转技术对该准直光束进行偏转，如果接收端的用户在移动，偏转技术能够使得光束随着用户的移动而偏转。

实现光束偏转的技术包括MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)反射镜、硅基液晶(Liquid crystal on silicon，LCOS)等。通过对MEMS镜片加载电压，可以驱动镜片的偏转从而实现光束的扫描；通过给LCOS芯片下载相应的相位分布，也可以实现光束的偏转。但是MEMS和LCOS器件的比较昂贵的器件，虽然这两种器件已经实现商业化，但是价格仍然居高不下。两外这两种器件的偏转度数很小，MEMS和LCOS对光束偏转的角度在±3°以内，这个视场角对一个室内光无线通信系统来说是远远不够的。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种光信号发射器，能够解决现有技术中采用MEMS和LCOS器件的信号发射装置造价昂贵的问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

本发明提供一种光信号发射器，包括：

第一透镜，其用于将信号光束偏转设定角度；

驱动机构，其用于驱动所述第一透镜旋转；

角度调整机构，其设于所述第一透镜的光束出射一侧，用于调整光束的发散角度，以使所述光束可覆盖设定范围。

一些可选的实施例中，所述角度调整机构包括：

依次间隔设置的第二透镜、第三透镜和第四透镜；

驱动单元，其用于驱动所述第三透镜在所述第二透镜和第四透镜之间移动。

一些可选的实施例中，所述第二透镜、第三透镜和第四透镜均为凸透镜。

一些可选的实施例中，所述第二透镜和第四透镜的间距为所述第二透镜和第四透镜的焦距之和。

一些可选的实施例中，所述第二透镜的焦距为所述第四透镜的焦距的-倍。

一些可选的实施例中，所述驱动单元为进步马达。

一些可选的实施例中，还包括套筒，其套设与所述第一透镜外侧，与所述驱动机构转动连接。

一些可选的实施例中，所述驱动机构为旋转马达，所述套筒外侧设有外齿轮，所述旋转马达通过齿轮与所述套筒的外齿轮啮合，其驱动所述套筒旋转。

一些可选的实施例中，还包括跟踪系统，其用于获取目标的位置，以根据目标的位置发出指令控制驱动机构驱动第一透镜的旋转角度调整方位角，以及控制角度调整机构的调整角度，使信号光束射向目标。

一些可选的实施例中，所述第一透镜为楔形透镜。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在使用该光信号发射器时，将信号光束射入第一透镜内，信号光束经过第一透镜后偏转射入角度调整机构，根据目标的位置调整光束的射出角度。具体地，驱动机构根据目标的方位调整第一透镜的旋转角度，改变信号光束射出第一透镜的方位，角度调整机构根据目标距离中心点位置，再次调整光束的射出角度，使光束射向目标位置。该光信号发射器通过第一透镜、驱动第一透镜旋转的驱动机构和调整光束出射角度的角度调整机构即可完成对设定目标的光信号传输。该光信号发射器可以配合目标位置获取装置，将其获取的目标位置信息作为该光信号发射器的控制信号，即可实现对该光信号发射器的控制，能够控制光束跟随用户的移动而偏转。第一透镜、驱动机构和角度调整机构均造价便宜，所以能够解决现有技术中采用MEMS和LCOS器件的信号发射装置造价昂贵的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明背景技术中典型的室内光无线通信系统架构图；

图2为本发明实施例中光信号发射器的结构示意图；

图3为本发明实施例中楔型透镜对光束发生偏转示意图；

图4为本发明实施例中楔型透镜和圆形套筒组合的示意图；

图5为本发明实施例中角度调整机构对光束的偏转示意图；

图中：1、第一透镜；2、驱动机构；3、角度调整机构；31、第二透镜；32、第三透镜；33、第四透镜；34、驱动单元；4、套筒；5、准直器。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。如图2所示，本发明提供一种光信号发射器，包括：第一透镜1、驱动机构2和角度调整机构3。

其中，第一透镜1用于将信号光束偏转设定角度；驱动机构2其用于驱动第一透镜1旋转以调整信号光束偏转的方位角；角度调整机构3设于第一透镜1的信号光束出射一侧，用于调整信号光束在方位角上的偏转角度。

在使用该光信号发射器时，将该光信号发射器安装时房间的顶部位置，把光纤里面的光信号转化为空间中传输的信号光束。将信号光束射入第一透镜1内，信号光束经过第一透镜1后偏转射入角度调整机构3，根据目标的位置调整光束的射出角度。具体地，驱动机构2根据目标的方位调整第一透镜1的旋转角度，改变信号光束射出第一透镜1的方位角，角度调整机构3根据目标距离中心点位置，再次调整光束的射出角度，使光束射向目标位置。这里的中心位置指的是信号光束不经过第一透镜1和角度调整机构3直接射向的位置。

在本实施例中，还包括准直器5，将光纤里面的光信号转化为空间中直线传输的信号光束。

在一些可选的实施例中，第一透镜1为楔形透镜。折射定律可知，光线通过两介质的界面会发生折射效应，从而使得光束发生偏转。

在一些可选的实施例中，角度调整机构3包括：依次间隔设置的第二透镜31、第三透镜32和第四透镜33；驱动单元34，其用于驱动第三透镜32在第二透镜31和第四透镜33之间移动。

在本实施例中，第二透镜31、第三透镜32、第四透镜33和启动第三透镜32的驱动单元34即可实现对经过第一透镜1偏转后的光束进行角度的调整，以使光束能够传输至目标位置。当然，在其他实施例中，角度调整机构3也可以采用其他的方式来实现对光束偏转角度的调整，例如采用更多或者更少的透镜，通过调整透镜之间的距离也可以实现对光束偏转角度的调整。

在一些可选的实施例中，第二透镜31、第三透镜32和第四透镜33均为凸透镜。第二透镜31和第四透镜33的间距为第二透镜31和第四透镜33的焦距之和。第二透镜31的焦距为第四透镜33焦距的8-15倍。

在本实施例中，三个透镜均采用凸透镜，第二透镜31的焦距为第四透镜33焦距10倍，这样的设计可以在同样的条件下实现最适宜的角度调整范围。

在一些可选的实施例中，驱动单元34为进步马达。在本实施例中，采用进步马达实现对第三透镜32的控制，已实现第三透镜32在第二透镜31和第四透镜33之间移动。

在一些可选的实施例中，该光信号发射器还包括套筒4，其套设与第一透镜1外侧，与驱动机构2转动连接。驱动机构2为旋转马达，套筒4外侧设有外齿轮，旋转马达通过齿轮与套筒4的外齿轮啮合，其驱动套筒4旋转。

在本实施例中，通过简单的旋转马达和齿轮或者皮带配合即可实现对套筒4的旋转角度进行调整，以实现对第一透镜1的角度进行调整。

在一些可选的实施例中，该光信号发射器还包括跟踪系统，其用于获取目标的位置，以根据目标的位置发出指令控制驱动机构2驱动第一透镜1的旋转角度调整方位角，以及控制角度调整机构3的调整角度，使信号光束射向目标。。在本实施例中，该光信号发射器配合跟踪系统，将跟踪系统获取的目标位置信息作为该光信号发射器的控制信号，即可实现对该光信号发射器的控制，能够控制光束跟随用户的移动而偏转。

该光信号发射器的原理，具体如下:

图3(a)为楔面对光束的偏转示意图，图3(b)为楔体对光束的偏转示意图，图3(c)楔体旋转对光束的偏转示意图。

如图3(a)所示：由折射定律可知，光束通过两介质的界面会发生折射效应，从而使得光束发生偏转，其偏转角度由折射定律所决定。楔型透镜的楔角为Ф，则角入射角γ＝90°-Φ，根据折射定律有：n₁*sinγ＝n₂*sinω，其中n₁和n₂分别为透镜和空气的折射率。则n₁*sinγ＝n₁*sin(90°-Φ)＝n₁*cosΦ＝n₂*sinω，则折射角

则求得楔型透镜对光束的偏转角为

图3(b)中楔体对光束也有同样的偏转效应。图3(c)中如果楔体围绕其中心进行旋转，则偏转光束也会绕中心旋转。如果用极坐标(D，θ)来表示一个空间中点的二维坐标，通过对楔旋转角度的控制，可以实现光束在θ这个维度的偏转。

如图4所示，其中图4(a)为楔形透镜示意图，图4(b)为楔形透镜封装在套筒内的示意图，图4(c)为楔形透镜的侧向示意图，图4(d)为楔形透镜和套筒组合后的侧向示意图。为了使得楔型透镜能够围绕其中心旋转，设计了一个圆形套筒，把楔型透镜和圆形套筒进行封装，套筒外部与一个旋转马达连接，通过控制马达的旋转角度和旋转速度，就能够控制光束的偏转度数和扫描速度。

如图5所示，为了实现光束在第二个维度的扫描，采用了一个可变放大倍数的角度放大模块。如图5所示的三个透镜组合，透过改变它们之间的相对位置第二透镜31到第三透镜32的距离d₁和第三透镜32到第四透镜33的距离d₂，就能实现光束偏转角度的放大，放大倍数M＝β/α，其中，光束从角度调整机构3出射β的角度，此时D＝L/tanβ＝L*cot(Mα)，其中L为地面到天花板的距离。通过调节M的数值变化，在L和α固定的情况下，就能使得D相应的改变，从实现光束在第二个维度的偏转。综上所述，地面上的任一点M(D,θ)都可以通过对楔体的旋转角度θ和角度扩大系数M(≤10)的数值的改变来实现。实现了空间中的二维跟随能够随着地面用户的移动而跟随偏转。而且采用角度调整机构，使得该系统的视场角最大可以扩展10倍，做到了大面积的覆盖范围。

再次参见图2，该光信号发射器与准直器为一个同轴系统，准直器、楔形透镜和角度放大模块的中心位于同轴。准直器发射的光束经过楔形透镜发生偏转，楔形透镜由一个旋转马达驱动，可以进行旋转；偏转之后的光束进入角度调整机构，对这个偏角进行放大；同时角度调整机构在步进马达的驱动下，通过改变透镜间的距离，来改变这个放大系数。通过以上两个维度的操作，可以实现光束随着地面用户的移动而偏转，能够与地面的移动用户实现实时通信。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种光信号发射器，其特征在于，包括：

第一透镜(1)，其用于将信号光束偏转设定角度；

驱动机构(2)，其用于驱动所述第一透镜(1)旋转以调整信号光束偏转的方位角；

角度调整机构(3)，其设于所述第一透镜(1)的信号光束出射一侧，用于调整信号光束在所述方位角上的偏转角度。

2.如权利要求1所述的光信号发射器，其特征在于，所述角度调整机构(3)包括：

依次间隔设置的第二透镜(31)、第三透镜(32)和第四透镜(33)；

驱动单元(34)，其用于驱动所述第三透镜(32)在所述第二透镜(31)和第四透镜(33)之间移动。

3.如权利要求2所述的光信号发射器，其特征在于，所述第二透镜(31)、第三透镜(32)和第四透镜(33)均为凸透镜。

4.如权利要求3所述的光信号发射器，其特征在于：

所述第二透镜(31)和第四透镜(33)的间距为所述第二透镜(31)和第四透镜(33)的焦距之和。

5.如权利要求3所述的光信号发射器，其特征在于：所述第二透镜(31)的焦距为所述第四透镜(33)的焦距的8-15倍。

6.如权利要求2所述的光信号发射器，其特征在于：所述驱动单元(34)为进步马达。

7.如权利要求1所述的光信号发射器，其特征在于，还包括套筒(4)，其套设与所述第一透镜(1)外侧，与所述驱动机构(2)转动连接。

8.如权利要求7所述的光信号发射器，其特征在于，所述驱动机构(2)为旋转马达，所述套筒(4)外侧设有外齿轮，所述旋转马达通过齿轮与所述套筒(4)的外齿轮啮合，其驱动所述套筒(4)旋转。

9.如权利要求1所述的光信号发射器，其特征在于，还包括跟踪系统，其用于获取目标的位置，以根据目标的位置发出指令控制驱动机构(2)驱动第一透镜(1)的旋转角度调整方位角，以及控制角度调整机构(3)的调整角度，使信号光束射向目标。

10.如权利要求1所述的光信号发射器，其特征在于：所述第一透镜(1)为楔形透镜。

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