CN114236715A - 一种无线光通信的收发光学装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线光通信的收发光学装置及系统，所述收发光学装置包括光导组件、镜头组件、窗口组件，光导组件用于传输光束，镜头组件用于对光束进行整形，窗口组件用于限制光束，收发光学装置作为发射光学装置时，待发送的光束经过光导组件传输，再通过镜头组件进行光束发散，经由窗口组件出射，形成光斑，实现光束的发射；收发光学装置作为接收光学装置时，空间光由窗口组件入射进入收发光学装置，经过镜头组件对自由空间的光信号会聚后，耦合至光导组件中传输，光导组件输出待处理的接收光束，进入后续的光信号转电信号以及电信号处理的模块中。本发明设计收发一体的收发光学装置，结构简单，实现无线光通信。

Description

一种无线光通信的收发光学装置及系统

技术领域

本发明涉及无线光通信技术领域，尤其涉及一种无线光通信的收发光学装置及系统。

背景技术

随着智能手机、便携式计算机、物联网设备迅速普及，人们对无处不在的各种类型无线通信业务需求呈现爆发式增长，这一趋势加剧了无线频谱资源危机，利用现有射频频谱资源进行高速无线通信的成本越来越高。同时，人们越来越多关注电磁波辐射对身体健康带来的影响，以及由大规模无线通信带来的能耗问题，以空间光束作为载体的无线光通信，具有“绿色、健康、节能、环保”的特征，已成为新型无线通信技术发展趋势，可以很好解决当下无线通信频谱资源紧张，高成本，高辐射，高能耗的问题，

在目前常见的无线光通信系统中，每个波束经过光学系统的准直，将光能量集中发射到特定的用户终端处。但是，由于光束经过了准直，发散角极小，发射系统、接收系统需要精确的对准，以使得接收系统的探测器能接收到足够的光束能量以识别信号。这种精确的对准，需要加入额外的机电部件以及反馈算法，以精确且实时的调整发射系统、接收系统的相对的角度和位置，极大的增加了系统软硬件的复杂度；由于反馈的滞后性，并不能很好的支持接收系统的移动。另外，这类系统仅仅考虑单个接收系统、发射系统的连接，并不能支持多个发射系统、多个接收终端同时的工作。

发明内容

技术目的：针对现有技术中无线光通信系统需分别设计接收系统、发射系统导致系统软硬件复杂的缺陷，本发明公开了一种无线光通信的收发光学装置及系统，通过设计收发一体的收发光学装置，结构简单，实现无线光通信。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。

一种无线光通信的收发光学装置，包括依次连接的光导组件、镜头组件和窗口组件；光导组件用于传输光信号，镜头组件用于对光信号进行整形，窗口组件用于阻挡杂散光；

收发光学装置作为发射光学装置时，光导组件用作光信号入口，用于接收待发送的光信号并向镜头组件传输，镜头组件用于对光信号进行发散，窗口组件用作光信号出口，用于阻挡杂散光，发射自由空间光信号；

收发光学装置作为接收光学装置时，窗口组件用作光信号入口，用于接收自由空间光信号并阻挡杂散光，镜头组件用于对入射的光信号会聚至至光导组件，光导组件用作光信号出口，用于输出待接收的光信号。

优选地，所述光导组件包括光导光学元件和光导结构件，光导光学元件用于光学导光，通过对光束路径产生折射或反射使得光束通过；光导结构件用于固定光导光学元件，并与镜头组件连接。

优选地，所述光导光学元件为光纤阵列。

优选地，所述镜头组件包括光学镜头元件和镜头支撑元件，光学镜头元件用于光信号整形，实现远心光路，镜头支撑元件用于固定光学镜头元件，并与光导组件、窗口组件连接。

优选地，所述光学镜头元件为一片透镜或若干透镜组成的透镜组。

优选地，所述窗口组件为中空结构，两端设有圆形开口，窗口组件的一端与镜头组件连接，窗口组件的另一端用于自由空间光信号的接收和发射。

优选地，所述光导组件和镜头组件之间的距离可调。

优选地，所述收发光学装置作为发射光学装置时，发射的自由空间光信号在无线光通信距离内的接收平面上形成若干个子光斑；在所述任一子光斑范围内接收自由空间光信号，实现无线光通信。

优选地，若干个子光斑满足子光斑交叠条件时，实现子光斑区域内接收端的收发光学装置自由移动。

优选地，所述子光斑交叠条件为：相邻子光斑中心间的间距不大于子光斑的半径的

倍；子光斑的半径通过发射光学装置中光导组件和镜头组件之间的距离控制。

优选地，所述收发光学装置用作接收光学装置时，若满足接收角度无间隙条件，实现接收角度范围内发射端的收发光学装置自由移动。

优选地，所述接收角度无间隙条件为：

其中，y_rx-n为接收光学装置中，光导组件中第n个光纤与光轴的间距，y_rx-n-1为接收光学装置中，光导组件中与第n个光纤最相邻的光纤与光轴的间距，f_rx为接收光学装置中镜头组件的焦距，θ_1-rx-n为接收光学装置中，光导组件中第n个光纤能接收光信号的最大接收角度，θ_2-rx-n为接收光学装置中，光导组件中第n个光纤能接收光信号的最小接收角度；所述最大接收角度和最小接收角度通过光导组件和镜头组件之间的距离控制。

一种无线光通信的收发光学系统，系统中包括至少两个如以上任一所述的一种无线光通信的收发光学装置，至少一个收发光学装置作为发射光学装置，至少一个收发光学装置作为接收光学装置。

优选地，每个发射光学装置满足子光斑交叠条件，每个接收光学装置满足接收角度无间隙条件。

有益效果：本发明通过设计收发一体的收发光学装置，通过光导组件、镜头组件、窗口组件构成，结构简单，既可以作为发射光学装置，也可以作为接收光学装置，实现无线光通信。

附图说明

图1为实施例1中的结构示意图；

其中，1为光导组件，11为光导光学元件，12为光导结构件，2为镜头组件，21为光学镜头元件，22为镜头支撑元件，3为窗口组件；

图2为实施例1中的窗口组件结构示意图；

图3为实施例1中的光信号传输示意图；

图4为实施例2中两个收发光学装置构成的无线光通信的收发光学系统结构示意图；

图5为实施例2中三个收发光学装置构成的无线光通信的收发光学系统结构示意图；

图6为实施例2中收发光学装置光路结构示意图；

图7为实施例1中收发光学装置用作发射光学装置的光路示意图；

图8为实施例1中收发光学装置用作发射光学装置的光路参数示意图；

图9为实施例1中相邻子光斑中心间的间距与子光斑的半径关系示意图；

图10为实施例1中收发光学装置用作接收光学装置的光路示意图；

图11为实施例1中收发光学装置用作接收光学装置的光路参数示意图；

图12为实施例4中一对一通信的无线光通信的收发光学系统；

图13为实施例4中一对多通信的无线光通信的收发光学系统；

图14为实施例4中多对一通信的无线光通信的收发光学系统；

图15为实施例4中多对多通信的无线光通信的收发光学系统；

图16为实施例4中无线光通信的收发光学系统的移动性示意图；

图17为实施例5中光导组件1的结构示意图；

图18为实施例5中光纤阵列的接收平面光能量分布及曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的一种无线光通信的收发光学装置及系统做进一步的说明和解释.

实施例1：

如附图1所示，一种无线光通信的收发光学装置，所述收发光学装置主要由三部分组成，分别为光导组件1、镜头组件2、窗口组件3，光导组件1、镜头组件2、窗口组件3依次连接在一起。所述收发光学装置应用在无线光通信系统中，包括可见光通信、红外线通信和激光通信，可以作为无线光通信系统的发射光学装置，也可以作为接收光学装置。

光导组件1用于传输光束(本发明中为进行区分，光线在自由空间内称为自由空间光信号，在收发光学装置内称为光束)，镜头组件2用于对光束进行整形，窗口组件3用于阻挡杂散光，如附图3所示，收发光学装置作为发射光学装置时，光导组件1用作光信号入口，用于接收待发送的光信号并向镜头组件2传输，镜头组件2进行光束发散，窗口组件3用作光信号出口，用于阻挡杂散光，发射自由空间光信号，在无线光通信距离内的接收平面上形成光斑，实现光束的发射；收发光学装置作为接收光学装置时，窗口组件3用作光信号入口，用于阻挡杂散光和接收自由空间光信号，镜头组件2用于对入射的光信号会聚至光导组件1，光导组件1用作光信号出口，用于输出待接收的光信号。

光导组件1包括光导光学元件11和光导结构件12，光导光学元件11用于光学导光，通过对光束路径产生折射或反射使得光束通过，光导光学元件11采用光纤阵列，能同时发射或接收多路光信号，提高无线光通信的效率；光导结构件12用于固定光导光学元件11，并与镜头组件2连接，以及用于调整光导光学元件11和镜头组件2之间的距离；光导结构件12采用光吸收材料制作，或光导结构件12表面涂有光吸收材料，用于阻挡或吸收光线。

镜头组件2包括光学镜头元件21和镜头支撑元件22，光学镜头元件21用于光束整形，实现低畸变、大口径的远心光路，镜头支撑元件22用于固定光学镜头元件，并与光导组件1、窗口组件3连接，以及用于调整光学镜头元件21与光导组件1之间的距离。光学镜头元件21为一片透镜或若干透镜组成的透镜组，根据实际使用需要进行调整。

如附图2所示，窗口组件3采用光吸收材料制作，或表面涂有光吸收材料，用于阻挡或吸收光线，窗口组件3为中空结构，两端设有圆形开口，两端的圆形开口直径大小不做限制，窗口组件3的一端与镜头组件2连接，窗口组件3的另一端用于自由空间光信号的接收和发射，窗口组件3的另一端的圆形开口直径大小限制收发光学装置的发射/接收光信号的口径，阻挡杂散光，在一些实施例中，窗口组件3用做镜头组件2中光学镜头元件21的光阑。

光导组件1和镜头组件2之间的距离可调，用于调整收发光学装置的光信号传输性能参数，改变收发光学装置的光发射/接收能力，使得收发光学装置在接收/发送过程中无需精确对准，即实现无线光通信自由移动。在一些实施例中，光导组件1和镜头组件2之间的距离可通过光导结构件12和镜头支撑元件22进行调节，如光导结构件12和镜头支撑元件22采用带刻度的结构件，光导结构件12和镜头支撑元件22通过螺纹旋钮的方式调整距离，根据刻度信息精确调整光导组件1和镜头组件2之间的距离。

本发明公开的收发一体的收发光学装置，通过光导组件、镜头组件、窗口组件构成，结构简单，既可以作为发射光学装置，也可以作为接收光学装置，实现无线光通信。

收发光学装置用作发射光学装置时，光导组件1和镜头组件2之间的距离影响发射子光斑的大小，通过设计和调整光导组件1和镜头组件2之间的距离，可以使得收发光学装置发出大角度范围的光信号，形成覆盖面积较大的子光斑。在子光斑内均包含一定能量的光信号。此时，若光导光学元件11采用光纤阵列，在设计调整光纤结构参数(如数值孔径)时，收发光学装置发出若干个大角度范围的光信号，在无线光通信的距离内某一接收距离下，形成若干个覆盖面积较大的子光斑，其中，每个光纤会发出的光信号都会形成一个子光斑，在所述任一子光斑范围内接收自由空间光信号，实现无线光通信。

在某一接收距离下，即在无线光通信的距离内，经由光纤阵列投射出的子光斑互相交叠，满足子光斑交叠条件时，不存在子光斑覆盖不到的区域，避免出现无线光通信的盲区，实现子光斑区域内接收端的收发光学装置实现自由移动通信，无需精确对准。

发射光学装置中，通过设计和调整光导组件1和镜头组件2之间的距离，可以使得收发光学装置发出大角度范围的光信号，形成覆盖面积较大的子光斑，在无线光通信距离内形成若干个相互交叠的子光斑，为保证最大的接收区域，且不存在盲区，其临界情况为相邻子光斑按正六边形两两相接。子光斑交叠条件为：相邻子光斑中心间的间距不大于子光斑的半径的

倍；子光斑的半径通过发射光学装置中光导组件1和镜头组件2之间的距离控制，子光斑交叠条件公式为：相邻子光斑中心间的间距不大于子光斑的半径的

倍；即

其中，δ_spot为相邻子光斑中心间的间距，r_spot为子光斑的半径，光纤阵列中每个光纤生成的子光斑半径相同。

其中，b为无线光通信的距离，即接收平面与发射光学装置之间的距离，f为收发光学装置作为发射光学装置时，发射光学装置中镜头组件2的焦距，y_n为发射光学装置中，光导组件1中第n个光纤与光轴的间距，y_n-1为发射光学装置中，光导组件1中与第n个光纤最相邻的光纤与光轴的间距。

其中，d_fb为发射光学装置中，光导组件1中光纤端面与镜头组件2中镜头主面的间距，d_fb通过光导结构件和镜头支撑元件进行调节，α_tx为发射光学装置中，光导组件1中光纤的数值孔径对应的发射/接收角度，α_tx由光纤的选型决定。

即在发射光学装置中，通过改变光导组件1和镜头组件2之间的距离，即改变光导组件1中光纤端面与镜头组件2中镜头主面的间距d_fb，进而改变子光斑的半径r_spot，满足子光斑交叠条件公式，实现无盲区的无线光通信。在设计过程中，光导组件1的光纤阵列可以通过多种方式排布，但在满足子光斑交叠条件公式时，光纤阵列中光纤数量最少的情况即设计光导组件1的光纤阵列中光纤按照正六边形的方式排布。

收发光学装置用作接收光学装置时，满足接收角度无间隙条件，实现接收角度范围内发射端的收发光学装置自由移动。光导组件1和镜头组件2之间的距离影响光信号传输性能参数中的接收光信号子区域的角度，光导光学元件采用光纤阵列，通过设计和调整光导组件1和镜头组件2之间的距离，调整收发光学装置接收大角度范围的自由光，且不存在接收角度的盲区，实现自由移动通信，无需精确对准。

接收光学装置中，为保证自由空间中，在自由光通信距离内所有角度的光信号均能被接收，要求光导组件1的光纤阵列中，相邻光纤之间没有接收角度的空隙，接收角度无间隙条件公式为：

其中，y_rx-n为接收光学装置中，光导组件1中第n个光纤与光轴的间距，y_rx-n-1为接收光学装置中，光导组件1中与第n个光纤最相邻的光纤与光轴的间距，f_rx为接收光学装置中镜头组件2的焦距，θ_1-rx-n为接收光学装置中，光导组件1中第n个光纤能接收的以接收中心角度为中心的最大接收角度，θ_2-rx-n为接收光学装置中，光导组件1中第n个光纤能接收的以接收中心角度为中心的最小接收角度，接收中心角度为θ_rx-n，指垂直入射第n个光纤端面中心的光束所对应的空间光束角度。接收中心角度的计算公式为：

最大接收角度θ_1-rx-n和最小接收角度θ_2-rx-n的计算公式为：

其中，d_fb-rx为接收光学装置中，光导组件1中光纤端面与镜头组件2中镜头主面的间距，d_fb-rx通过光导结构件和镜头支撑元件进行调节，α_rx为接收光学装置中，光导组件1中光纤的数值孔径对应的发射/接收角度，α_rx由光纤的选型决定。

即在接收光学装置中，通过改变光导组件1和镜头组件2之间的距离，即改变光导组件1中光纤端面与镜头组件2中镜头主面的间距d_fb-rx，进而改变接收光学装置中，光导组件1中第n个光纤能接收的以接收中心角度为中心的最大接收角度θ_1-rx-n和最小接收角度θ_2-rx-n，即接收光信号子区域的角度范围，满足接收角度无间隙条件公式，实现无盲区的无线光通信。

在设计过程中，光导组件1的光纤阵列可以通过多种方式排布，但在满足接收角度无间隙条件公式时，光纤阵列中光纤数量最少的情况即设计光导组件1的光纤阵列中光纤按照正六边形的方式排布。

接收光学装置和发射光学装置采用相同的光信号传输性能参数时，则可以获得相同的发射/接收能力。

实施例2：

本实施例中对收发光学装置分别用作发射光学装置、接收光学装置时的参数设计进行详细的描述，本实施例中收发光学装置中光纤阵列由三根光纤组成。

用作发射光学装置：

发射光学装置可以投射出三个子光斑A(1)、A(2)、A(3)，分别对应通过三根光纤A₁、A₂、A₃的光信号A-1、A-2、A-3。三个子光斑A(1)、A(2)、A(3)组成了发射光学装置投射的光斑区域。

如附图7所示，在发射光学装置中，设定：

(1)光导组件1的光纤阵列中，各光纤的型号相同，每根光纤产生的子光斑直径相同的圆，编号为n的光纤(光纤A_n)与光轴的间距为y_n，与光纤A_n最相邻的光纤与光轴的间距为y_n-1，光导组件1的光纤阵列中，任意最相邻两根光纤之间的距离为Δy，由加工参数决定，Δy＝|y_n-y_n-1|；每根光纤的数值孔径对应的发射/接收角度均相同，用α_tx表示，α_tx由光纤的选型决定；

(2)镜头组件2中，镜头组件2的焦距为f，该值由镜头组件2的设计决定，如镜头组件2选择单片透镜或透镜阵列，焦距f也进行相应的变化；

(3)光导组件1和镜头组件2之间，光导组件1中光纤阵列中，每个光纤端面与镜头组件2中镜头主面的间距相同，光导组件1中光纤端面与镜头组件2中镜头主面的间距为d_fb，d_fb大小通过光导结构件和镜头支撑元件进行调节。

(4)无线光通信，无线光通信的距离，即接收平面与发射光学装置之间的距离为b，该值人为预设，先确认无线光通信的距离后再进行其他数值的设计。

收发光学装置用作发射光学装置时，产生的光信号的性能包括：

经过光纤A_n产生的子光斑为A(n)，子光斑圆心与发射光学装置中心的连线，该连线与光轴的夹角代表光纤A_n发送的子波束的方向，命名为光纤A_n的发射中心角度θ_tx-n，发射中心角度θ_tx-n的计算公式为：

光纤阵列中的光纤距离光轴越远，发射光学装置的发射中心角度越大，其计算公式为：

其中，θ_tx，max为发射光学装置的最大发射中心角度，y_max为光纤阵列中光纤距离光轴的最大距离。

如附图8所示，在发送光学装置中，产生子光斑A(n)倾角最大的光线与光轴的夹角，即光导组件1中第n个光纤能发射的最大发射角度为θ_1-tx-n，产生子光斑A(n)倾角最小的光线与光轴的夹角，即光导组件1中第n个光纤能发射的最小发射角度为θ_2-tx-n，其计算公式为：

当θ_1-tx-n和θ_2-tx-n较小时，上式可近似为：

子光斑的半径r_spot计算公式为：

相邻子光斑中心间的间距δ_spot的计算公式为：

如附图9所示，考虑三维空间内，相邻子光斑的临界条件，当相邻子光斑按照正六边形两两相接时，在无线光通信距离的接收平面一定范围内将完全被光斑覆盖，子光斑交叠条件公式为：

代入公式化简得：

子光斑交叠的临界条件为：

在发射光学装置中，通过改变光导组件1和镜头组件2之间的距离，即改变光导组件1中光纤端面与镜头组件2中镜头主面的间距d_fb，进而改变子光斑的半径r_spot，满足子光斑交叠条件公式，实现无盲区的无线光通信。

用作接收光学装置：

接收光学装置与发射光学装置完全等价，用作接收光学装置时，三根光纤a₁、a₂、a₃，可以分别接收来自空间子区域a(1)、a(2)、a(3)方向的光信号，空间子区域a(1)、a(2)、a(3)组成接收光学装置的可接收的空间光信号的范围。

如附图10所示，在接收光学装置中，设定：

(1)光导组件1的光纤阵列中，各光纤的型号相同，编号为n的光纤(光纤a_n)与光轴的间距为y_rx-n，与光纤a_n最相邻的光纤与光轴的间距为y_rx-n-1，光导组件1的光纤阵列中，任意最相邻两根光纤之间的距离为Δy，由加工参数决定，Δy＝|y_rx-n-y_rx-n-1|；每根光纤的数值孔径对应的发射/接收角度均相同，用α_rx表示，α_rx由光纤的选型决定；

(2)镜头组件2中，镜头组件2的焦距为f_rx，该值由镜头组件2的设计决定，如镜头组件2选择单片透镜或透镜阵列，焦距f_rx也进行相应的变化；

(3)光导组件1和镜头组件2之间，光导组件1中光纤阵列中，每个光纤端面与镜头组件2中镜头主面的间距相同，光导组件1中光纤端面与镜头组件2中镜头主面的间距为d_fb-rx，d_fb-rx大小通过光导结构件和镜头支撑元件进行调节。

收发光学装置用作接收光学装置时，产生的光信号的性能包括：

空间子区域中心与接收光学装置中心的连线，该连线与光轴的夹角代表光纤a_n接收的子波束的方向，垂直入射第n个光纤端面中心的光束所对应的空间光束(子波束)角度命名为接收中心角度θ_rx-n，接收中心角度θ_rx-n的计算公式为：

光纤阵列中的光纤距离光轴越远，接收光学装置的接收中心角度越大，其计算公式为：

其中，θ_rx，max为发射光学装置的最大接收中心角度，y_rx，max为光纤阵列中光纤距离光轴的最大距离。

如附图11所示，光纤a_n能接收的光信号的以接收中心角度θ_rx-n为中心的最大接收角度为θ_1-rx-n，最小接收角度为θ_2-rx-n，其计算公式为：

接收光学装置中，为保证自由空间中，在无线光通信距离内所有角度的光信号均能被接收，要求光导组件1的光纤阵列中，相邻光纤之间没有接收角度的空隙，接收角度无间隙条件公式为：

代入公式简化为：

接收角度无间隙的临界条件为：

在接收光学装置中，通过改变光导组件1和镜头组件2之间的距离，即改变光导组件1中光纤端面与镜头组件2中镜头主面的间距d_fb-rx，进而改变接收光学装置中，光导组件1中第n个光纤能接收的光信号的以空间角度为中心的最大接收角度θ_1-rx-n和最小接收角度θ_2-rx-n，满足接收角度无间隙条件公式，实现无盲区的无线光通信。

根据本实施例中的分析，接收光学装置和发射光学装置采用同样的参数设置，则可以获得相同的发射/接收能力，便于设计。

实施例3：

一种无线光通信的收发光学系统，包括至少两个上述的任意一种无线光通信的收发光学装置，其中，至少一个收发光学装置作为发射光学装置，至少一个收发光学装置作为接收光学装置，每个发射光学装置发射出若干路光信号，即若干个光束并覆盖一片接收区域，在无线光通信距离内形成若干个相互交叠的子光斑，至少一个接收光学装置位于子光斑内，其窗口组件3面向光束，不需要进行精确对准，即可通过窗口组件3接收光信号，实现无线光通信，接收光学装置可在子光斑内自由移动，并能保证始终能接收到光信号。接收光学装置处于子光斑交叠区域时，接收光学装置可同时接收生成这些交叠的多个子光斑对应的发射光学装置的光信号，发射光学装置处于接收光信号子区域的交叠区域时，发射光学装置可同时发射光信号至生成这些交叠的接收光信号子区域对应的接收光学装置，实现多收、多发可移动的无线光通信。

在一个实施例中，如附图4和附图6所示，一种无线光通信的收发光学系统包括两个结构相同的无线光通信的收发光学装置，一个收发光学装置作为发射光学装置，另一个收发光学装置作为接收光学装置，发射光学装置发射出光信号，并覆盖一片接收区域，在无线光通信距离内形成若干子光斑，接收光学装置位于子光斑内，其窗口组件3面向光束，不需要进行精确对准，即可通过窗口组件3接收光信号，实现无线光通信，接收光学装置可在子光斑内自由移动，并能保证始终能接收到光信号。

在一个实施例中，如附图5和附图6所示，一种无线光通信的收发光学系统包括三个无线光通信的收发光学装置，一个收发光学装置作为发射光学装置，另两个收发光学装置作为接收光学装置，发射光学装置发射出光信号，并覆盖一片接收区域，在无线光通信距离内形成子光斑，接收光学装置位于子光斑内，其窗口组件3面向光束，不需要进行精确对准，即可通过窗口组件3接收光信号，实现无线光通信，接收光学装置可在子光斑内自由移动，并能保证始终能接收到光信号。两个接收光学装置均可独立接收光信号，即一个发射光学装置可以有多个接收光学装置同时工作。

实施例4：

本实施例中以相同结构的收发光学装置构成的无线光通信的收发光学系统为例，收发光学装置中光纤阵列包括三根光纤。本实施例中给出了一对一(单发单收)、一对多(单发多收)、多对一(多发单收)、多对多(多发多收)四种情况下的无线光通信的收发光学系统示例。

如附图12所示，一种无线光通信的收发光学系统，包括两个结构相同的无线光通信的收发光学装置，其中光导光学元件为一个光纤阵列，一个收发光学装置作为发射光学装置，另一个收发光学装置作为接收光学装置，

发射光学装置A的光斑区域(虚线圆)为发射光学装置A中所有光纤对应的发射光信号形成的子光斑的总和，子光斑A(1)为光纤A₁对应发射的光信号的子光斑区域，接收光学装置a的接收角度范围(虚线圆)为接收光学装置a所有光纤接收范围的总和，接收子区域a(1)为光纤a₁对应的接收光信号的范围。接收光学装置a的接收窗口在子光斑A(1)范围内，发射光学装置A的发射窗口在子区域a(1)内。此时，接收光学装置a可以由光纤a₁输出来自发射光学装置A的、由光纤A₁输入的光信号，最终输出的光信号可记为A₁-a₁。

如附图13所示，一种无线光通信的收发光学系统包括三个无线光通信的收发光学装置，一个收发光学装置作为发射光学装置A，另两个收发光学装置作为接收光学装置a、接收光学装置b。

当接收光学装置a、接收光学装置b处于发射光学装置A的不同子光斑区域内，且发射光学装置A在接收光学装置a、接收光学装置b能接收光信号的角度范围内时，接收光学装置a可以接收到发射光学装置A发出的光信号并输出，接收光学装置b可以接收到发射光学装置A发出的光信号并输出。由于接收光学装置a、接收光学装置b处于发射光学装置A的不同子光斑区域内，将接收发射光学装置A中不同光纤输出的光信号，

发射光学装置A的子光斑A(1)为光纤A₁对应发射的光信号的子光斑区域，接收光学装置a的接收窗口在子光斑A(1)范围内，接收光学装置a的接收子区域a(1)为光纤a₁对应的接收光信号的范围。发射光学装置A的发射窗口在子区域a(1)内。此时，接收光学装置a可以由光纤a₁输出来自发射光学装置A的、由光纤A₁输入的光信号，最终输出的光信号可记为A₁-a₁。

同时，发射光学装置A的子光斑A(2)为光纤A₂对应发射的光信号的子光斑区域，接收光学装置b的接收窗口在子光斑A(2)范围内，接收光学装置b的接收子区域b(2)为光纤b₂对应的接收光信号的范围。发射光学装置A的发射窗口在子区域b(2)内。此时，接收光学装置b可以由光纤b₂输出来自发射光学装置A的、由光纤A₂输入的光信号，最终输出的光信号可记为A₂-b₂。

即实现了发射光学装置A同时与接收光学装置a、接收光学装置b的无线光通信。

如附图14所示，一种无线光通信的收发光学系统包括三个无线光通信的收发光学装置，两个收发光学装置作为发射光学装置A、发射光学装置B，另一个收发光学装置作为接收光学装置a。

当接收光学装置a处于发射光学装置A、发射光学装置B的子光斑交叠区域内，且发射光学装置A、发射光学装置B在接收光学装置a的不同接收子区域内时，接收光学装置a可以同时接收到发射光学装置A、发射光学装置B发出的光信号并输出。由于发射光学装置A、发射光学装置B在接收光学装置a的不同接收子区域内，接收光学装置a可以将发射光学装置A、发射光学装置B发出的信号由不同的光纤接收，即识别并输出不同发射光学装置发出的光信号。

发射光学装置A的子光斑A(2)为光纤A₂对应发射的光信号的子光斑区域，接收光学装置a的接收窗口在子光斑A(2)范围内，接收光学装置a的接收子区域a(2)为光纤a₂对应的接收光信号的范围。发射光学装置A的发射窗口在子区域a(2)内。此时，接收光学装置a可以由光纤a₂输出来自发射光学装置A的、由光纤A₂输入的光信号，最终输出的光信号可记为A₂-a₂。

同时，发射光学装置B的子光斑B(1)为光纤B₁对应发射的光信号的子光斑区域，接收光学装置a的接收窗口在子光斑B(1)范围内，接收光学装置a的接收子区域a(1)为光纤a₁对应的接收光信号的范围。发射光学装置B的发射窗口在子区域a(1)内。此时，接收光学装置a可以由光纤a₁输出来自发射光学装置B的、由光纤B₁输入的光信号，最终输出的光信号可记为B₁-a₁。

即实现了发射光字装置A、发射光字装置B同时与接收光字装置a的无线光通信。

如附图15所示，一种无线光通信的收发光学系统包括四个无线光通信的收发光学装置，两个收发光学装置作为发射光学装置A、发射光学装置B，另两个收发光学装置作为接收光学装置a、接收光学装置b；

当接收光学装置a处于发射光学装置A、发射光学装置B的子光斑交叠区域内，且发射光学装置A、发射光学装置B在接收光学装置a的不同接收子区域内时，接收光学装置a可以同时接收到发射光学装置A、发射光学装置B发出的光信号并输出。由于发射光学装置A、发射光学装置B在接收光学装置a的不同接收子区域内，接收光学装置a可以将发射光学装置A、发射光学装置B发出的信号由不同的光纤接收，即识别并输出不同发射光学装置发出的光信号。同理，接收光学装置b可以将发射光学装置A、发射光学装置B发出的信号由不同的光纤接收，即识别并输出不同发射光学装置发出的光信号。

发射光学装置A的子光斑A(2)为光纤A₂对应发射的光信号的子光斑区域，接收光学装置a的接收窗口在子光斑A(2)范围内，接收光学装置a的接收子区域a(2)为光纤a₂对应的接收光信号的范围。发射光学装置A的发射窗口在子区域a(2)内。此时，接收光学装置a可以由光纤a₂输出来自发射光学装置A的、由光纤A₂输入的光信号，最终输出的光信号可记为A₂-a₂。

同时，发射光学装置B的子光斑B(1)为光纤B₁对应发射的光信号的子光斑区域，接收光学装置a的接收窗口在子光斑B(1)范围内，接收光学装置a的接收子区域a(1)为光纤a₁对应的接收光信号的范围。发射光学装置B的发射窗口在子区域a(1)内。此时，接收光学装置a可以由光纤a₁输出来自发射光学装置B的、由光纤B₁输入的光信号，最终输出的光信号可记为B₁-A₁。

同理，发射光学装置A的子光斑A(3)为光纤A₃对应发射的光信号的子光斑区域，接收光学装置b的接收窗口在子光斑A(3)范围内，接收光学装置b的接收子区域b(3)为光纤b₃对应的接收光信号的范围。发射光学装置A的发射窗口在子区域b(3)内。此时，接收光学装置b可以由光纤b₃输出来自发射光学装置A的、由光纤A₃输入的光信号，最终输出的光信号可记为A₃-b₃。

同时，发射光学装置B的子光斑B(2)为光纤B₂对应发射的光信号的子光斑区域，接收光学装置b的接收窗口在子光斑B(2)范围内，接收光学装置b的接收子区域b(2)为光纤b₂对应的接收光信号的范围。发射光学装置B的发射窗口在子区域b(2)内。此时，接收光学装置b可以由光纤b₂输出来自发射光学装置B的、由光纤B₂输入的光信号，最终输出的光信号可记为B₂-b₂。

即实现了发射光学装置A、发射光学装置B与接收光学装置a、接收光学装置b的交叉无线光通信。

如附图16所示，当发射光学装置和接收光学装置满足临界条件，发射光学装置的子光斑相互交叠，接收光学装置的接收子区域相互重叠，发射光学装置和接收光学装置在一定范围内没有发射/接收盲区。当接收光学装置在光斑区域内移动时，发射光学装置始终在接收光学装置的接收角度范围内，那么接收光学装置始终可以接收信号并且输出信号，体现了无线光通信的收发光学系统的移动性。

实施例5：

本实施例中给出一种无线光通信的收发光学装置，光导组件1的光纤阵列中，光纤按照正六边形排布，一共127根光纤，相邻光纤之间的间距Δy为0.53mm。光纤采用芯径62.5um、数值孔径NA为0.22的多模光纤，每根光纤的数值孔径对应的发射/接收角度α_tx＝α_rx＝arc sin(NA)＝12.709°。镜头组件2中镜头焦距f＝f_rx为35mm，镜头距离光纤端面可调，本实施例中，将距离调节至33.6mm，即d_fb＝d_fb-rx＝33.6mm。以下验证本实施例中收发光学装置支持多发射和多接收的系统同时工作，无需精确对准。

采用该收发光学装置用作发射光学装置时，无线光通信的距离，即接收平面与发射光学装置之间的距离b为3米，光纤阵列中光纤距离光轴的最大距离y_max＝0.53*6＝3.18mm，根据

计算

即光信号覆盖角度(即最边缘光纤之间的覆盖角度)为±5.19°，通过b*tanθ_tx，max＝0.27得到子光斑交叠后覆盖范围为半径为0.27的圆，单个光纤的发射角度范围：

计算

满足子光斑交叠条件公式

子光斑相互重叠。

采用该收发光学装置用作接收光学装置时，无线光通信的距离，即接收平面与发射光学装置之间的距离b为3米，光纤阵列中光纤距离光轴的最大距离y_rx，max＝0.53*6＝3.18mm，根据

计算

即接收角度范围为：±5.19°，单个光纤的接收角度范围：

计算

满足接收角度无间隙条件公式，接收范围内无盲区。

针对本实施例所做的仿真验证中，给出了如附图17所示的光导组件1的结构，附图18给出了光纤阵列的接收平面光能量分布及曲线图，横坐标为接收光学装置沿着某一方向的移动距离(Distance)，单位为mm，纵坐标为能量值(Power Loss)，从附图18中可以看出，白色区域代表子光斑，各个子光斑(圆形)互相交叠，且呈正六边形交叠，交叠区域内无盲区(即白色区域内无黑色斑点)，曲线中显示了接收光学装置沿着某一方向移动后，移动距离变化与接收光学装置输出的能量曲线，可以看到在一定范围内(光斑覆盖范围内)移动，接收光学装置都能输出到较为均匀的光能量，代表着无线光通信的收发光学系统有较为平稳的光信号输出。

本实施例中给出的是发射光学装置和接收光学装置采用相同的设计，在其他实施例中发射光学装置和接收光学装置可以采用不同的设计，只要保证发射光学装置满足子光斑交叠条件公式、接收光学装置满足接收角度无间隙条件公式，发射光学装置和接收光学装置构成的收发光学系统能实现多用户自由移动通信。

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 (14)

1.一种无线光通信的收发光学装置，其特征在于：包括依次连接的光导组件(1)、镜头组件(2)和窗口组件(3)；光导组件(1)用于传输光信号，镜头组件(2)用于对光信号进行整形，窗口组件(3)用于阻挡杂散光；

收发光学装置作为发射光学装置时，光导组件(1)用作光信号入口，用于接收待发送的光信号并向镜头组件(2)传输，镜头组件(2)用于对光信号进行发散，窗口组件(3)用作光信号出口，用于阻挡杂散光，发射自由空间光信号；

收发光学装置作为接收光学装置时，窗口组件(3)用作光信号入口，用于接收自由空间光信号并阻挡杂散光，镜头组件(2)用于对入射的光信号会聚至至光导组件(1)，光导组件(1)用作光信号出口，用于输出待接收的光信号。

2.根据权利要求1所述的一种无线光通信的收发光学装置，其特征在于：所述光导组件(1)包括光导光学元件(11)和光导结构件(12)，光导光学元件(11)用于光学导光，通过对光束路径产生折射或反射使得光束通过；光导结构件(12)用于固定光导光学元件(11)，并与镜头组件(2)连接。

3.根据权利要求2所述的一种无线光通信的收发光学装置，其特征在于：所述光导光学元件(11)为光纤阵列。

4.根据权利要求1所述的一种无线光通信的收发光学装置，其特征在于：所述镜头组件(2)包括光学镜头元件(21)和镜头支撑元件(22)，光学镜头元件(21)用于光信号整形，实现远心光路，镜头支撑元件(22)用于固定光学镜头元件，并与光导组件(1)、窗口组件(3)连接。

5.根据权利要求4所述的一种无线光通信的收发光学装置，其特征在于：所述光学镜头元件(21)为一片透镜或若干透镜组成的透镜组。

6.根据权利要求1所述的一种无线光通信的收发光学装置，其特征在于：所述窗口组件(3)为中空结构，两端设有圆形开口，窗口组件(3)的一端与镜头组件(2)连接，窗口组件(3)的另一端用于自由空间光信号的接收和发射。

7.根据权利要求1所述的一种无线光通信的收发光学装置，其特征在于：所述光导组件(1)和镜头组件(2)之间的距离可调。

8.根据权利要求1所述的一种无线光通信的收发光学装置，其特征在于：所述收发光学装置作为发射光学装置时，发射的自由空间光信号在无线光通信距离内的接收平面上形成若干个子光斑；在所述任一子光斑范围内接收自由空间光信号，实现无线光通信。

9.根据权利要求8所述的一种无线光通信的收发光学装置，其特征在于：若干个子光斑满足子光斑交叠条件时，实现子光斑区域内接收端的收发光学装置自由移动。

10.根据权利要求9所述的一种无线光通信的收发光学装置，其特征在于：所述子光斑交叠条件为：相邻子光斑中心间的间距不大于子光斑的半径的

倍；子光斑的半径通过发射光学装置中光导组件(1)和镜头组件(2)之间的距离控制。

11.根据权利要求1所述的一种无线光通信的收发光学装置，其特征在于：所述收发光学装置用作接收光学装置时，若满足接收角度无间隙条件，实现接收角度范围内发射端的收发光学装置自由移动。

12.根据权利要求11所述的一种无线光通信的收发光学装置，其特征在于：所述接收角度无间隙条件为：

其中，y_rx-n为接收光学装置中，光导组件(1)中第n个光纤与光轴的间距，y_rx-n-1为接收光学装置中，光导组件(1)中与第n个光纤最相邻的光纤与光轴的间距，f_rx为接收光学装置中镜头组件(2)的焦距，θ_1-rx-n为接收光学装置中，光导组件(1)中第n个光纤能接收光信号的最大接收角度，θ_2-rx-n为接收光学装置中，光导组件(1)中第n个光纤能接收光信号的最小接收角度；所述最大接收角度和最小接收角度通过光导组件(1)和镜头组件(2)之间的距离控制。

13.一种无线光通信的收发光学系统，其特征在于：系统中包括至少两个如权利要求1～12任一所述的一种无线光通信的收发光学装置，至少一个收发光学装置作为发射光学装置，至少一个收发光学装置作为接收光学装置。

14.根据权利要求11所述的一种无线光通信的收发光学系统，其特征在于：每个发射光学装置满足子光斑交叠条件，每个接收光学装置满足接收角度无间隙条件。

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