CN117099329A - 光学检测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学检测器(100)，其对于检测源自较大入射角的光学信号具有增强的灵敏度。光学检测器(100)也可以用于确定光学信号的来源方向。光学检测器(100)包括光电探测器(101)和透镜(103)。光电探测器(101)具有位于垂直于光电探测器平面(002)的中心平面(001)中的中心轴(102)。该透镜具有由中心平面(001)分开的第一透镜段(131)和第二透镜段(132)。第一透镜段(131)包括第一光接收表面(133)和第一光出射表面(135)，并且第一光出射表面(135)面向光电探测器(101)。第二透镜段(132)包括第二光接收表面(134)和第二光出射表面(136)，并且第二光出射表面(134)面向光电探测器(101)。第一光接收表面(133)包括具有非恒定曲率的第一凸表面，第一凸表面在第一表面点处具有第一最小曲率半径(051)。第二光接收表面(134)包括具有非恒定曲率的第二凸表面，第二凸表面在第二表面点处具有第二最小曲率半径(052)。由中心轴(102)和第一线(055)围成的第一角度(053)大于零度，其中第一线(055)在第一表面点处垂直于第一凸表面并延伸直到中心轴(102)。并且由中心轴(102)和第二线(056)围成的第二角度(054)大于零度，其中第二线(056)在第二表面点处垂直于第二凸表面并延伸直到中心轴(102)。

Description

光学检测器

技术领域

本发明涉及一种光学检测器，其被配置为更好地接收源自宽视角的光学信号。此外，光学检测器被配置成从多个方向稳健地确定入射光学信号的方向。光学检测器可以适用于但不限于光学无线通信。

背景技术

近年来，光学无线通信在研究和商业活动方面已经取得了快速增长。高速、高带宽、抗电磁干扰、和安全性是推动这些活动的有吸引力的特征。简而言之，这是一个通信领域，其中调制的可见、红外或紫外调制光用于以光学信号的形式传输通信信号。该部件被配置为以宽波束传输光学信号，并且这通常被称为接入点，其连接到信息网络。在一般场景中，在天花板上设置多个接入点，以尽可能多地覆盖感兴趣的区域。包括发射器的每个接入点可以结合在天花板灯具中。在接收侧，存在包括至少一个光电探测器的光学设备，该光电探测器被布置成接收这些传输的光学信号，并与这些接入点之一建立至少一条通信链路。接收侧还可以包括发射器，该发射器被配置成发射宽波束的光学信号，该宽波束的光学信号进而被天花板中的接入点中的一个或多个光电探测器接收。接收侧通常被称为端点。接入点和端点两者本质上都是光学无线通信设备，其至少容纳诸如发射器、光电探测器、和必要的通信电路之类的部件。

发明内容

光学无线通信系统的端点可以使用光电探测器结合成像光学器件来检测光学信号。一般地，到达检测器的光量随着针对检测器表面的入射角的余弦而减少(因为投影面积变得更小)。此外，对于光学无线通信情况，其中接收器在平行于发射器所在平面的平面中平移，对于较大的入射角，距离(再次随着角度的余弦)增加。此外，发射器可以相对于其发射轴以更大的角度发射更低的强度(例如，对于再次随着角度的余弦变化的Lambertian发射器)。那意味着余弦由三个依赖性驱动，这导致检测信号随着入射角的增加而强烈减少。对于较大的入射角(即端点相对于接入点位置的较大平移)的检测功率，检测到的信号变得非常小，从而显著降低了通信链路速度，或者甚至导致链路损失。反过来，发射器可以传输高强度的光学信号，并且所需的功率耗散太高而使得不能够集成到消费应用所要求的小构造块(building block)(例如移动电话)中。

光电探测器可以包括多个探测器段，用于确定入射光学信号的方向。使用具有多个光电探测器段的成像光学器件不提供精确的方向信息，因为接入点中的发射器非常小，这导致对于入射光学信号的许多不同方向几乎相同的探测器信号。人们可能只能够知道在哪个光电探测器段接收到光学信号，但不能够准确地知道光学信号是源自哪里。由于上述原因，如果光学信号源自宽视角，则实现足够的角度辨别也变得困难。

因此，期望在更大的入射角或视角下增加光学元件的增益，以实质上增强光电探测器的灵敏度。

本发明的一个目的是提供一种对于较大入射角具有增强的灵敏度的光学检测器。因此，光学检测器能够更好地检测从较大入射角入射的光学信号。此外，光学检测器被配置成稳健地确定入射光学信号的近似方向。另外，光学检测器可以是光学无线通信设备的一部分，用于检测光学信号并确定接入点或端点相对于光学检测器的方向，并进一步帮助在特定方向上传输窄波束光学信号。

根据第一方面，这个和其他目的通过一种用于从多个方向接收入射光学信号的光学检测器来实现。光学检测器包括光电探测器和透镜。光电探测器具有位于垂直于光电探测器平面的中心平面中的中心轴。该透镜具有被中心平面分开的第一透镜段和第二透镜段。第一透镜段包括第一光接收表面和第一光出射表面，并且第一光出射表面面向光电探测器。第二透镜段包括第二光接收表面和第二光出射表面，并且第二光出射表面面向光电探测器。第一光接收表面包括具有非恒定曲率的第一凸表面，第一凸表面在第一表面点处具有第一最小曲率半径。第二光接收表面包括具有非恒定曲率的第二凸表面，第二凸表面在第二表面点处具有第二最小曲率半径。由中心轴和第一线围成的第一角度大于零度，其中第一线在第一表面点处垂直于第一凸表面并延伸直到中心轴。并且由中心轴和第二线围成的第二角度大于零度，其中第二线在第二表面点处垂直于第二凸表面并延伸直到中心轴。

只要传输介质具有较高的折射率，凸表面就允许射入的光学信号的集中。因此，通过将凸表面朝向相对于法线方向的倾斜方向定位，其中法线方向与透镜的中心轴重合，可以增强来自某些倾斜方向的光的集中。

凸表面可以具有一个或多个曲率半径。对于这样的曲线，某一点处的曲率半径等于最接近该点处曲线的圆弧半径。最小曲率半径可以是全局的或局部的最小曲率半径。第一角度或第二角度指示凸表面的该最高曲率点的取向。当与具有较低曲率的凸表面的其他部分相比时，在凸表面的第一表面点或第二表面点周围射入且射入方向与第一线或第二线重合的任何光学信号将经历更大的集中。因此，光学检测器可以为具有与第一线或第二线稍微对齐的方向的光学信号提供增强的灵敏度。

该透镜可以具有透镜视场。第一和第二透镜段可以具有分段的视场。分段的视场可以是透镜视场的子集。分段的视场可以基本上不同，但是它们可以具有围绕中心轴的重叠视场区域。改变视场之间重叠程度的一种方式可以是通过修改透镜段的光接收表面。

第一角度和第二角度可以在5到45度之间的范围内具有相同的值。

第一透镜段和第二透镜段可以是镜像对称的，并且也可以是相对于中心轴旋转对称的。

凸表面及其取向的可能选择可以非常广泛。这种选择可能取决于由应用所需的总视场(FoV)，以及对于其他入射角来说光集中得有多低将是可接受的，因为对于某些入射角的增加确实意味着其他入射角的减少。

对于光学无线通信，可能优选的是具有介于5度到45度之间的第一角度和第二角度。

第一光接收表面和第二光接收表面具有邻近中心平面的部分，该部分可以基本上是平的或凹的。

源自与中心轴一致的方向的光学信号可以有可能意味着光学信号源自最短的距离。因此，与源自其他位置的光学信号相比，该光学信号的强度强得多。因此，可以做出牺牲，以通过选择凹面或平面来降低源自与中心轴重合的方向的光学信号的增益或光集中。

第一光接收表面和第二光接收表面具有邻近中心平面的部分，该部分朝向光电探测器平面弯曲。

第一光接收表面和第二光接收表面具有邻近中心平面的部分，该部分可以被配置为使得第一光接收表面和第二光接收表面的部分的切线可以延伸以与中心平面和光电探测器平面相交。

这种配置可以导致源自与中心轴重合的方向的光学信号的增益或光集中的更强降低。因此，如果这样的条件不是微不足道的，则可以选择这种配置。然而，轴上(中心轴)检测的这种更强降低可以允许离轴(远离中心轴)检测的增益或集中的更强增加。

透镜可以具有围绕光电探测器边缘的透镜边缘表面。边缘表面可以具有部分覆盖。透镜边缘表面可以垂直于光电探测器平面。该部分覆盖具有可以是吸收性或反射性的外部部分和可以是反射性的内部部分。内部部分的反射性质允许来自高入射角的入射光的折叠，该入射光不能被透镜聚焦在光电探测器平面上。该部分覆盖可以通过被配置在透镜边缘表面上的反射涂层或金属片来实现。

替代地，透镜边缘表面可以不具有任何形式的覆盖。

此外，透镜边缘表面可能不垂直于光电探测器平面。

光电探测器可以包括围绕中心轴配置的第一光电探测器段和第二光电探测器段。

上述透镜与分段光电探测器的组合可以允许光学检测器的方向检测能力。

光电探测器可以是PN或PiN光电二极管(PD)、雪崩光电二极管(APD)、光电晶体管、硅光电倍增器(SiPM)或多像素光子计数器(MPPC)、单光子雪崩探测器(SPAD)等，其中不仅SiPM/MPPC和SPAD可以包括多个段，而且其他探测器可以包括多个段。光电探测器段可以被布置成同心堆积的(packed)或六方堆积的。光电探测器段也可以线性布置。

第一光出射表面可以与第一光电探测器段光学接触，并且第二光出射表面可以与第二光电探测器段光学接触。

在这种情况下，“光学接触”可以被解释为使得能够在光学接触的两个部分之间进行光学传输。

当透镜和光电探测器被空气分开时，空气可以被认为是耦合介质。然而，在面对光电探测器的透镜界面处更多的菲涅耳反射可以导致更多的光损失。因此，折射率高于空气的介质是优选的。否则，光电探测器和透镜可以具有抗反射涂层，以防止或至少最小化光损失。

光学接触可以是薄的光学结合层，或者借助于弱范德华相互作用的粘合，或者通过例如模制或铸造实现的直接互连。如果光电探测器借助于耦合材料与透镜接触，则具有折射率在光电探测器和透镜的折射率之间的耦合材料可能是有益的，并且优选地，透镜和/或耦合材料的折射率被选择为相对接近光电探测器的折射率。

第一和第二透镜段可以借助于围绕中心轴的光学隔离器彼此至少部分光学隔离。

“至少部分光学隔离”可以被解释为第一和第二透镜段是两个分开的段，并且任何射入段之间的间隔的光都可以导致完全反射或部分透射。完全反射和部分透射之间的这种程度可能受入射角的影响。

光学隔离器可以是第一和第二透镜段之间的气隙。

气隙可以围绕中心平面对称布置。在相对高的入射角下，入射光学信号可能不完全集中到相关联的光电探测器段上，并且因此可能到达气隙。气隙可以被设计成使得它允许相邻光电探测器段上的光学信号的至少部分传输，从而促进串扰。此外，气隙可以被设计成将大量光学信号反射到与光接收透镜段相关联的(一个或多个)光电探测器段上，从而增强用于该检测的每单位传感器面积的信号强度。尽管这种串扰行为对于通信来说并不是非常期望的，但是串扰行为可以用于稳健地确定入射光学信号的来源方向。此外，如果透镜段借助于反射材料彼此完全光学隔离，则确定入射光学信号的来源方向可以是可能的，尽管具有较低的精确程度。

如果期望光学检测器被用作检测和解调光学信号，那么光学隔离器或气隙可以被设计成具有有限的光透射率，从而导致有限的串扰。例如，取决于入射角，通过光学隔离器或气隙的光透射可能不超过照射在光学隔离器或气隙上的光的10％。更优选地，照射在光学隔离器或气隙上的光的5％可以被允许透射。

气隙的宽度可以在从10至100微米的范围内。

第一透镜段和第二透镜段可以具有围绕中心轴定位并且彼此面对的基本上边缘表面，并且其中边缘表面包括至少部分透射的材料。

气隙和至少部分透射的材料一起可以代表光学隔离器。以涂层或膜形式的至少部分透射的材料可以是具有反射属性但优选不具有散射属性的电介质膜(例如，SiO₂、SiN_x、TiO₂和Al₂O₃)或薄金属膜之一或组合。

第一和第二透镜段可以分开制造，其中相邻的边缘表面覆盖有至少部分透射的材料，并组装成具有上述透镜配置。

光学隔离器可以是位于第一和第二透镜段之间的部分透射的材料。

可以选择至少部分透射的材料，使得它或者是完全反射的或者是部分透射的。

透镜可以具有多个透镜段，并且光电探测器可以具有与透镜段的数量相同或为透镜段的数量整数倍的多个光电探测器段。

每个透镜段的更高数量的光电探测器段可以有利于精确确定入射光学信号的方向。

根据本发明的第二方面，提供了一种光学无线通信设备。光学无线通信设备包括上述光学检测器和信号处理器。信号处理器被配置成接收由第一光电探测器段和第二光电探测器段生成的多个探测器信号。光学无线通信设备还包括解调设备。信号处理器被配置为选择多个探测器信号中的至少一个，并且解调设备被配置为解调多个探测器信号中的至少一个以提取数据。

信号处理器可以是微处理器或微控制器或一个或多个比较器。

探测器信号可以是由光电探测器段测量的检测信号的量化功率或幅度。

出于通信目的，使用高频调制。一般来说，调制可以是：幅度调制的一种形式，诸如开关键控(OOK)、不归零开关键控(NRZ-OOK)；或者X级脉冲幅度调制(PAM-X)的一种形式，诸如PAM-4的PAM-3。替代地，可以使用一种形式的频率调制，以及调制技术的进一步组合，诸如光学正交频分复用(OOFDM)。这里使用的所有调制技术的共同点在于，它们通常以相对高的频率(例如1MHz以上)调制光束，以传输实际数据。因此，在由信号处理器接收之前，可以使用高通滤波器对探测器信号进行滤波。高通滤波器可以通过1MHz以上的信号。从探测器信号中提取数据或信息，需要解调。

信号处理器可以从探测器信号中确定哪个信号可以用于解调和提取数据或信息。因此，信号处理器可以选择一个或两个探测器信号供解调设备解调。光学无线通信设备可以支持多输入单输出(MISO)系统。

光学无线通信设备还包括光学信号发射器和控制器。光学信号发射器可以被配置成在可调的发射方向上发射传输光学信号，并且控制器可以被配置成控制光学信号发射器。信号处理器可以被配置成通过多个探测器信号的比较来确定入射光学信号的方向，并且信号处理器可以通信地连接到控制器，用于基于入射光学信号的方向来调谐光学信号发射器的发射方向。

光学检测器可能已经用于具有双重作用——1)检测具有增强的离轴增益的光学信号，以及2)确定入射光学信号的方向——的光学无线通信设备中。

替代地，光学无线通信设备可以包括：光学信号发射器，其可以被配置为在可调的发射方向上发射传输光学信号；控制器，其被配置为控制光学信号发射器；以及方向传感器，其包括光学元件和分段探测器。信号处理器可以被配置成通过比较由分段光电探测器生成的多个传感器信号来确定入射光学信号的方向。并且信号处理器可以通信地连接到控制器，用于基于入射光学信号的方向来调谐光学信号发射器的发射方向。

在这种情况下，光学检测器具有检测具有增强的离轴增益的光学信号的单一作用。而入射光学信号的方向由方向传感器确定。方向传感器可以是包括光学元件和分段光电探测器的廉价光学传感器。光学元件可以是成像类型或非成像类型。

为了确定入射波束或光的方向，可以使用低通滤波器来对探测器信号进行滤波。如果光学无线通信信号被调制到例如100MHz，则可以用在1MHz或者甚至在100kHz被低通滤波的信号进行定向检测。可能还需要滤除近直流(DC)信号，因此对于方向检测，可以替代地使用1kHz至100kHz之间的带通滤波器。

由低通滤波信号滤波的探测器信号可以由信号处理器接收，并且信号处理器可以被配置成确定探测器信号的分数。该分数的一个示例可以是由光电探测器段探测的探测器信号的大小除以来自所有光电探测器段的探测器信号的总大小。通过比较探测器信号的分数，可以确定入射光学信号的方向。

探测器信号的低频响应的最大分数可以用于确定要从哪个光电探测器段提取通信信号，并且因此可以仅使用用于通信信号放大的单个跨阻放大器(TIA)。

替代地，从不同光电探测器段通过高通滤波器的光学通信信号也可以用于确定入射波束的方向，但是这将需要具有高频放大特性的多个跨阻放大器。

仅仅为了确定(一个或多个)接入点或(一个或多个)端点的相对取向，光电探测器的带宽可以是入射光学信号的带宽的10％或更低，以实现高得多的灵敏度。优选地，方向传感器中的光电探测器的3dB频带宽度(frequency bandwidth)可以小于用于检测具有高调制频率的入射光学信号的信号传感器中的光电探测器的3dB频带宽度的10％。甚至可能更少，诸如<1％，或甚至<0.1％。

光学信号发射器的合适示例可以是LED、超辐射发光二极管(SLED)、边缘发射激光二极管(ELD)和垂直腔面发射激光器(VCSEL)，或者作为单个发射器或者作为多个发射器(或发射器段)。

光学信号发射器可以被配置成在发射器视场内可调的发射方向上发射光学信号。传输光学信号的波束可以优选具有窄波束。向目标接收器的位置使用定向且窄的辐射发射可以使得能够大大增加波束形状内的强度。因此，随着数据速度的增加，可以预期能量耗散的减少。此外，由于较低的热耗散，可以使用较小的体积，并且由于需要发射的总光学功率较小，可以改善眼睛安全性。

光学信号发射器可以被配置成以对向小于60％、优选小于30％、最优选小于15％的透镜视场的立体角发射。

控制器可以被配置成控制光学信号发射器。光学信号发射器的控制可以包括发射方向的调谐和基本发射器属性(例如强度、调制频率和波长调谐)的控制。

控制器还可以负责分别从网络或端点设备接收下行链路或上行链路信号，并将其转换为与光学无线通信兼容。

应该理解的是，以上讨论的所有配置中的光学检测器可以适用于在来自光学无线通信系统的端点或接入点设备中使用。并且光学检测器的目的可能仅仅是检测光学信号和/或确定源或接入点的位置。

一旦信号处理器根据入射光学信号确定了接入点的方向，信号处理器就可以与控制器进行通信，以调谐发射方向，从而建立与接入点或端点的通信。

光学信号发射器可以被配置成在独立可调的多个发射方向上发射多个传输光学信号。

利用这种配置，光学无线通信设备可以在多输入多输出(MIMO)系统中操作。

光学无线通信设备可以是移动端点设备的一部分。在该情况下，来自光学无线通信设备(例如，加密狗或移动电话)的数据传送可以通过数字通信接口设备来完成。光学无线通信设备可以借助于导线或铜或金互连通信地连接到数字通信接口设备。数字通信接口设备可以是通用串行总线(USB)接口、蓝牙接口或以太网接口。移动光学通信设备可以经由数字通信接口设备通信地连接到用户设备。

注意，本发明涉及权利要求中记载的特征的所有可能组合。本发明构思的其他目的、特征和优点将从以下详细公开内容、所附权利要求以及附图中显现出来。关于一个方面描述的特征也可以结合在另一个方面中，并且该特征的优点适用于结合了该特征的所有方面。

附图说明

参考所附附图，通过以下对设备、方法和系统的实施例的说明性和非限制性的详细描述，将更好地理解所公开的设备、方法和系统的上述以及附加目的、特征和优点，在附图中：

图1示出了光学检测器的截面图；

图2以截面图示出了光学检测器的操作；

图3示出了光学检测器的一个替代配置的截面图；

图4(a)和图4(b)示出了光学检测器的截面，其中有针对光学隔离器的替代方案；

图5示出了光学检测器的又一替代配置的截面图；

图6(a)、图6(b)和图6(c)示出了具有透镜段的光接收表面的各种配置的光学检测器的截面；

图7示意性地示出了包括用于检测入射光学信号的光学检测器的光学无线通信设备；以及

图8(a)和图8(b)示意性地示出了光学无线通信设备，其包括用于确定方向的光学检测器和用于分别控制单波束和多波束发射器的控制器；以及

图9示意性地示出了光学无线通信设备，其包括用于检测入射光学信号的光学检测器和用于确定方向的方向传感器。

如图中所示，层和区域的尺寸为了说明的目的被放大，并且因此被提供来说明本发明实施例的一般结构。类似的附图标记始终指代类似的元件。

具体实施方式

现在将参考附图在下文中更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的当前优选实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为局限于本文阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了彻底性和完整性，并且向技术人员充分传达本发明的范围。

首先参考图1，示出了光学检测器100的截面图。光学检测器100包括光电探测器101。光电探测器101具有位于垂直于光电探测器平面002的中心平面001中的中心轴102。光学检测器100还包括分别具有第一和第二透镜段131和132的透镜103。透镜段131和132被中心轴102分开。透镜段131和132分别包括第一和第二光接收表面133和134，并且类似地，分别包括第一和第二光出射表面135和136。光接收表面133和134大于光出射表面135和136。此外，光接收表面133和134分别至少部分地具有第一和第二凸表面，以集中一个或多个入射光学信号。

光出射表面135和136与光电探测器101光学接触。

透镜103具有透镜视场003。第一和第二透镜段131和132分别包括分段的视场137和138。分段的视场137和138包括透镜视场003的子集。分段的视场137和138基本上不同，但是它们具有围绕中心轴102的重叠视场区域004。改变视场之间重叠程度的一种方式可以是通过修改透镜段的光接收表面。

图2以截面图示出了光学检测器100的操作。对于某些应用，可能期望对从不同于垂直于光电探测器平面002的方向入射的入射光学信号实现增强的光接收能力。例如，这可能与光学无线通信相关，其中包括光学检测器的端点设备通常可能发现自己不在接入点的正下方。因此，具有增加的增益可以是有益的，诸如用于检测源自大于零入射角的入射光学信号的透镜的增加的光集中系数，其中入射角801由入射光学信号的倾斜方向802和中心轴102之间的夹角限定。并且对于源自垂直于光电探测器平面002并且平行于中心轴102的法线方向803的光学信号，由于光学信号可能因直接视场以及接入点和端点之间的最短距离而具有足够的强度，因此可能牺牲光集中系数。根据本发明，透镜段131和132的光接收表面133和134分别可以被修改，以针对大于零度的入射角实现增加的光集中系数，其中入射角由入射光学信号的方向和中心轴102之间的夹角限定。

在图2中，第一透镜段131的第一光接收表面133至少部分具有第一凸表面。具有非恒定曲率的第一凸表面在第一表面点处具有第一最小曲率半径051。第一线055可以延伸直到中心轴102，该中心轴102在第一最小曲率半径051的第一表面点处垂直于第一凸表面。第一线055与中心轴102围成大于零度的第一角度053。类似地，由中心轴102和第二线056围成的第二角度054大于零度，其中第二线056在第二最小曲率半径052的第二表面点处垂直于第二凸表面，并延伸直到中心轴102。第一和第二最小曲率半径051和052分别由假想圆005定义。在图2中，第一角度053和第二角度054是相同的。因此，第一光接收表面133和第二光接收表面134是由中心轴102分开的彼此的镜像。可以认为透镜段131和132是对称的，并且它们也是旋转对称的。

入射光学信号的倾斜方向802示出为与第二线056重合。因此，第二光接收表面134的第二凸表面基本上被配置成面向来自倾斜方向802的入射光学信号，其中光入射角大于零度。结果是，对于源自倾斜位置的光，透镜103的光集中属性至少基本上更高。因为源自法线方向803的入射光学信号将经历较少的光集中，因为第一光接收表面133和第二光接收表面134的邻近中心平面001的部分基本上是凹的。因此，光接收表面133和134适于为(倾斜来源的)离轴入射光提供比(垂直来源的)轴上入射光更大的增益。结果是，光学检测器100对于源自较大入射角的信号具有增强的灵敏度的特性。

在图3中，示出了光学检测器100的截面图，其中透镜段131和132借助于光学隔离器104彼此部分光学隔离。光学隔离器104是围绕中心平面001对称布置的气隙141。第一和第二光接收表面133和134分别具有如图1和图2中所示的相同特性。光电探测器101具有围绕中心轴102配置的第一光电探测器段121和第二光电探测器段122。第一透镜段131与第一光电探测器段121光学接触，并且类似地，第二透镜段132与第二光电探测器段122光学接触。

在相对高的入射角下，入射光学信号可能不完全集中到相关联的光电探测器段上，并且因此可能到达气隙141。气隙141可以被设计成使得它允许相邻光电探测器段上的光学信号的至少部分传输，并将大量光学信号反射到与光接收透镜段相关联的(一个或多个)光电探测器段上。因此，仔细检查由光电探测器接收的光，并知道不同光入射角的部分透射率，就可以有可能稳健地确定入射光学信号的来源方向。如果透镜段借助于反射材料彼此完全光学隔离，则确定入射光学信号的来源方向可以是可能的。如果期望光学检测器100被用作检测和解调来自接入点的光学信号，那么光学隔离器104或气隙141可以被设计成具有有限的光透射率。例如，取决于入射角，通过光学隔离器104或气隙141的光透射可能不超过照射在光学隔离器104或气隙141上的光的10％。更优选地，照射在光学隔离器104或气隙141上的光的5％可以被允许透射。

图4(a)和图4(b)示出了光学检测器100的截面，其中有针对光学隔离器104的替代方案。应当注意，图4包括如图1至图3所示以及在相关联文本中描述的特征、元件和/或功能。因此，为了增加理解，还参考了那些附图及与之相关的描述。图1至图4中相同的附图标记表示具有相同或相似功能的相同或相似的部件。

在图4(a)中，透镜段131和132被气隙141分开。面向透镜段131和132的边缘表面147基本上是平的，并且它们包括至少部分透射的材料142，可能以涂层的形式。气隙141和至少部分透射的材料142一起可以代表光学隔离器104。气隙141的宽度和至少部分透射的材料142的选择可以允许调节通过光学隔离器104的光透射。至少部分透射的材料142可以是具有反射属性的电介质膜(例如，SiO₂、SiN_x、TiO₂和Al₂O₃)或薄金属膜中的一种或组合。

在图4(b)中，光学隔离器104由位于邻接的透镜段131和132之间的至少部分透射的材料143表示。可以选择至少部分透射的材料143，使得它或者是完全反射的或者是部分透射的。

图5示出了类似于图3的光学检测器100的截面图。应当注意，图5包括如图1至图4所示以及在相关联文本中描述的特征、元件和/或功能。因此，为了增加理解，还参考了那些附图及与之相关的描述。图1至图5中相同的附图标记表示具有相同或相似功能的相同或相似的部件。

在图5中，透镜103具有围绕光电探测器101边缘的透镜边缘表面149。透镜边缘表面149具有部分覆盖。透镜边缘表面149示出为垂直于光电探测器平面002。该部分覆盖具有可以是吸收性或反射性的外部部分150和可以是反射性的内部部分151。内部部分151的反射性质允许来自高入射角的入射光的折叠，该入射光不能被透镜103聚焦在光电探测器平面002上。该部分覆盖可以通过被配置在透镜边缘表面上的反射涂层或金属片来实现。作为光学检测器100的替代，透镜边缘表面149也可以不具有任何形式的覆盖。此外，透镜边缘表面可能不垂直于光电探测器平面002，如图1至图4所示。

图6(a)、图6(b)和图6(c)分别示出了具有透镜段131和132的光接收表面133和134的各种配置的光学检测器100的截面。应当注意，图6包括如图1至图5所示以及在相关联文本中描述的特征、元件和/或功能。因此，为了增加理解，还参考了那些附图及与之相关的描述。图1至图6中相同的附图标记表示具有相同或相似功能的相同或相似的部件。

在图6(a)中，邻近中心平面001的第一光接收表面133和第二光接收表面134被示出为基本上是平的。另一方面，第一光接收表面133部分地具有第一凸表面，该第一凸表面具有作为假想圆005的一部分的第一最小曲率半径051。在这点上，第二光接收表面134被示出为镜像对称的。第一角度053由中心轴102和第一线055围成，并且它被示出为是大约40度。在图6(b)和图6(c)中，光接收表面133和134被示出为包括凸表面的不同配置，其中第一角度053和第二角度054也被示出为相同且大约为15至20度。第一光接收表面133和第二光接收表面134的邻近中心平面001的部分被配置为朝向光电探测器平面002弯曲，使得切线可以延伸以与中心平面001和光电探测器平面002相交。因此，当与图6(a)中所示的配置相比时，垂直于法向平面的入射光的集中将弱得多。

图7示意性地示出了光学无线通信设备200，其包括光学检测器100，该光学检测器100具有增强的灵敏度，用于检测来自更大角度的入射光学信号。应当注意，图7包括如图1至图6所示以及在相关联文本中描述的特征、元件和/或功能。因此，为了增加理解，还参考了该图及与之相关的描述。图1至图7中相同的附图标记表示具有相同或相似功能的相同或相似的部件。

光学无线通信设备200还包括信号处理器201，该信号处理器201被配置为分别从光电探测器段121和122接收探测器信号007和008。信号处理器201可以是微处理器或微控制器或一个或多个比较器。这里，探测器信号可以量化为由光电探测器段测量的检测信号的功率或幅度。出于通信目的，使用高频调制。因此，在由信号处理器201接收之前，高通滤波器204用于对探测器信号007和008进行滤波。高通滤波器204可以通过1MHz以上的信号。从探测器信号007和008中提取数据或信息，需要解调。信号处理器201可以从探测器信号007、008中确定哪个光电探测器段121、122可以用于解调和提取数据或信息。因此，信号处理器201可以选择探测器信号007、008中的一个或两个，以便由解调设备206进行解调。潜在地，包括光学检测器100的光学无线通信设备200支持多输入单输出(MISO)和多输入多输出(MIMO)系统。解调的信号207可以是由光学检测器100接收的下行链路信号。类似的原理适用于仅具有一个段的光电探测器，但是在这种情况下，信号处理器201可以简单地传递用于解调的探测器信号。在这种情况下，对于具有单个段的光电探测器，探测器信号007和008是相同的，并且因此，信号处理器将不需要比较探测器信号。

图8示意性地示出了光学无线通信设备200，其包括用于确定入射光学信号的方向的光学检测器100。应当注意，图8包括如图1至图7所示以及在相关联文本中描述的特征、元件和/或功能。因此，为了增加理解，还参考了该图及与之相关的描述。图1至图8中相同的附图标记表示具有相同或相似功能的相同或相似的部件。

光学无线通信设备200还可以包括用于对探测器信号007和008进行滤波的低通滤波器，所述探测器信号007和008用于确定入射光束的方向。由低通滤波信号滤波的探测器信号007和008由信号处理器201接收，该信号处理器201被配置为比较探测器信号007和008。这种比较的基础可以是探测器信号007和008的分数。该分数的一个示例可以是由光电探测器段探测的信号的大小除以来自所有光电探测器段的探测器信号的总大小。通过比较探测器信号007和008的分数，可以确定入射光学信号的方向。类似于透镜段131和132之间的气隙的光学隔离器104可以促进光学串扰。信号处理器201还可以考虑对于各种入射角通过光学隔离器104的透射率，用于稳健的直接检测。探测器信号的低频响应的最大分数可以用于确定要从哪个光电探测器段提取通信信号，并且因此可以仅使用用于通信信号放大的单个跨阻放大器(TIA)。

替代地，从不同光电探测器段通过高通滤波器的光学通信信号也可以用于确定入射波束的方向，但是这将需要具有高频放大特性的多个跨阻放大器。

为了确定(一个或多个)接入点或(一个或多个)端点的相对取向，光电探测器的带宽可以是入射光学信号的带宽的10％或更低，以实现高得多的灵敏度。优选地，方向传感器中的光电探测器的3dB频带宽度可以小于用于检测具有高调制频率的入射光学信号的信号传感器中的光电探测器的3dB频带宽度的10％。甚至可能更少，诸如<1％，或甚至<0.1％。如果光学无线通信信号被调制到例如100MHz，则可以用在1MHz或者甚至在100kHz被低通滤波的信号进行定向检测。可能还需要滤除近直流(DC)信号，因此对于方向检测，可以替代地使用1kHz至100kHz之间的带通滤波器。

在图8(a)中，光学无线通信设备200还包括光学信号发射器202，该光学信号发射器202被配置为在发射器视场225内可调的发射方向上发射光学信号221。传输光学信号221的波束可以是窄的。例如，光学信号发射器202可以被配置成以对向小于60％、优选小于30％、最优选小于15％的透镜视场003的立体角发射。光学无线通信设备200具有控制器203，该控制器203被配置为控制光学信号发射器202。光学信号发射器202的控制可以包括发射方向的调谐和基本发射器属性(例如强度、调制频率和波长调谐)的控制。控制器203还可以负责分别从连接到接入点或端点设备的网络接收下行链路或上行链路信号205，并将其转换为与光学无线通信兼容。

上面描述的光学检测器100和光学通信设备200可以适用于确定多个入射光学信号的来源。如图8(b)所示，可以利用该特征来控制光学信号发射器202，该光学信号发射器202被配置成发射两个传输光学信号221和222，使得可以建立多个光学通信链路。因此，能够控制具有多个可调窄波束的光学信号发射器202以维持具有接入点或端点的高吞吐量多输入多输出(MIMO)系统是有价值的。如图8(b)所示，在发射方向上的两个传输光学信号221和222在发射器视场225内是独立可调的。

应该理解的是，以上讨论的所有配置中的光学检测器100可以适用于在来自光学无线通信系统的端点或接入点设备中使用。并且光学检测器100的目的可能是检测光学信号和/或确定源或接入点的位置。

信号处理器201通信地连接到控制器203。一旦信号处理器201根据入射光学信号确定了接入点的方向，信号处理器201就可以与控制器203通信，用于调谐发射方向，以建立与接入点或端点的通信。在图8中，光学检测器100的作用是确定入射光学信号的方向，以稳健地隔离(一个或多个)接入点或端点位置(即方向传感器)，并最终有助于控制发射窄波束的光学信号发射器。

图9示意性地示出了光学无线通信设备200，其包括用于检测入射光学信号的光学检测器100和用于确定入射光学信号方向的方向传感器900。应当注意，图9包括如图1至图8所示以及在相关联文本中描述的特征、元件和/或功能。因此，为了增加理解，还参考了该图及与之相关的描述。图1至图9中相同的附图标记表示具有相同或相似功能的相同或相似的部件。

在图9中，方向传感器900包括用于确定入射光学信号方向的光学元件901和分段探测器902。光学元件901可以是成像或非成像光学器件。还可以考虑现有技术中用于方向检测器的各种已知配置。传感器信号903和904通过低通滤波器220，并由信号处理器201接收。信号处理器201被配置成基于传感器信号903和904的比较来确定方向。类似于图7，光学检测器100用于以增强的灵敏度检测源自大入射角的光学信号，所述光学信号最终用于提取数据或信息。

应当注意，上述实施例说明而不是限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计许多替代实施例而不脱离所附权利要求的范围。在权利要求中，置于括号之间的任何附图标记不应被解释为限制权利要求。动词“包括”及其变形的使用不排除权利要求中所陈述的元件或步骤之外的元件或步骤的存在。元件前面的冠词“一”或“一个”不排除多个这样的元件的存在。

在相互不同的从属权利要求中引用某些特征的纯粹事实不指示这些特征的组合不能被有利地使用。为了提供附加的优点，可以组合上面讨论的各个方面。此外，本领域技术人员将理解，可以组合两个或更多个实施例。

Claims (10)

1.一种用于从多个方向接收入射光学信号的光学检测器(100)，其中所述光学检测器(100)包括：

-光电探测器(101)，其具有位于垂直于光电探测器平面(002)的中心平面(001)中的中心轴(102)，

-透镜(103)，其具有由所述中心平面(001)分开的第一透镜段(131)和第二透镜段(132)，

其中所述光电探测器(101)包括围绕所述中心轴(102)配置的第一光电探测器段(121)和第二光电探测器段(122)；

其中所述第一透镜段(131)包括第一光接收表面(133)和第一光出射表面(135)，并且所述第一光出射表面(135)面向所述光电探测器(101)，

其中所述第二透镜段(132)包括第二光接收表面(134)和第二光出射表面(136)，并且所述第二光出射表面(136)面向所述光电探测器(101)，

其中所述第一光接收表面(133)包括具有非恒定曲率的第一凸表面，所述第一凸表面在第一表面点处具有第一最小曲率半径(051)，

其中所述第二光接收表面(134)包括具有非恒定曲率的第二凸表面，所述第二凸表面在第二表面点处具有第二最小曲率半径(052)，

其中所述第一透镜段(131)和所述第二透镜段(132)通过第一和第二透镜段(131，132)之间的气隙(141)彼此至少部分光学隔离，并且所述第一透镜段(131)和所述第二透镜段(132)具有围绕所述中心轴(102)定位并且彼此面对的基本上平的边缘表面(147)，并且其中所述边缘表面(147)包括至少部分透射的材料(142，143)，

其中由所述中心轴(102)和第一线(055)围成的第一角度(053)大于零度，所述第一线(055)在所述第一表面点处垂直于所述第一凸表面，并延伸直到所述中心轴(102)，以及

其中由所述中心轴(102)和第二线(056)围成的第二角度(054)大于零度，所述第二线(056)在所述第二表面点处垂直于所述第二凸表面，并延伸直到所述中心轴(102)。

2.根据权利要求1所述的光学检测器(100)，其中所述第一角度(053)和所述第二角度(054)在5到45度之间的范围内具有相同的值。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的光学检测器(100)，其中所述第一光接收表面(133)和所述第二光接收表面(134)具有与所述中心平面(001)相邻的部分，所述部分基本上是平的或凹的。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的光学检测器(100)，其中所述第一光接收表面(133)和所述第二光接收表面(134)具有与所述中心平面(001)相邻的部分，所述部分朝向所述光电探测器平面(002)弯曲。

5.根据前述权利要求中任一项所述的光学检测器(100)，其中所述第一光出射表面(135)与所述第一光电探测器段(121)光学接触，并且所述第二光出射表面(136)与所述第二光电探测器段(122)光学接触。

6.根据前述权利要求中任一项所述的光学检测器(100)，其中所述气隙(141)的宽度在从10至100微米的范围内。

7.根据前述权利要求中任一项所述的光学检测器(100)，其中所述透镜(103)具有多个透镜段(131，132)，并且其中所述光电探测器(101)具有与透镜段(131，132)的数量相同或为透镜段(131，132)的数量整数倍的多个光电探测器段(121，122)。

8.一种光学无线通信设备(200)，包括：

-根据权利要求1所述的光学检测器(100)，

-信号处理器(201)，其被配置为接收分别由第一光电探测器段(121)和第二光电探测器段(122)生成的多个探测器信号(007，008)，以及

-解调设备(206)，

其中所述信号处理器(201)被配置成选择所述多个探测器信号(007，008)中的至少一个，并且

其中所述解调设备(206)被配置为解调所述多个探测器信号(007，008)中的至少一个，以提取数据。

9.根据权利要求8所述的光学无线通信设备(200)，其中所述光学无线通信设备(200)进一步包括，

-光学信号发射器(202)，其被配置成在可调的发射方向上发射传输光学信号(221)，以及

-控制器(203)，其被配置为控制所述光学信号发射器(202)，

其中所述信号处理器(201)被配置成通过所述多个探测器信号(007，008)的比较来确定入射光学信号的方向，并且

其中所述信号处理器(201)通信地连接到所述控制器(203)，用于基于所述入射光学信号的方向调谐所述光学信号发射器(202)的发射方向。

10.根据权利要求8所述的光学无线通信设备(200)，其中所述光学无线通信设备(200)进一步包括，

-光学信号发射器(202)，其被配置成在可调的发射方向上发射传输光学信号(221)，

-控制器(203)，其被配置为控制所述光学信号发射器(202)，以及

-方向传感器(900)，其包括光学元件(901)和分段探测器(902)，

其中所述信号处理器(201)被配置成通过比较由分段光电探测器(902)生成的多个传感器信号(903，904)来确定入射光学信号的方向，并且

其中所述信号处理器(201)通信地连接到所述控制器(203)，用于基于所述入射光学信号的方向调谐所述光学信号发射器(202)的发射方向。