CN220457409U - 一种应用于自由光通信的光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用于自由光通信的光学系统，包括：发射组件，其用于向空间发射光信号；接收组件，其设置在发射组件的发射光路上，用于接收发射组件发射的光信号，接收组件包括：接收透镜，光信号透过接收透镜，由接收透镜汇聚后继续传播；聚光镜，其设置在接收透镜的后方，聚光镜具有入射口和出射口，聚光镜的内表面呈抛物面状，聚光镜的轴线经过入射口和出射口的中心；光接收器，其设置在聚光镜的后方，用于接收从出射口射出的光信号。本光学系统接收组件包括设置在接收透镜的后方的聚光镜，聚光镜对接收透镜射出的光进行了二次汇聚，使其接收光线的角度容余大幅度增加，对大震动或手动对准的场景适应性更强。

Description

一种应用于自由光通信的光学系统

技术领域

本实用新型属于光通信技术领域，具体地说，涉及一种应用于自由光通信的光学系统。

背景技术

传统光纤通信方式存在安装布线难度大，拆装困难，近年来越来越多的通信场景采用无线自由光通信技术，使用空间光进行信息传输，应对经常变更工作地点的场景更加便利。

传统的自由光通信系统，使用的光学天线的典型尺寸在300mm*300mm*600mm左右，重量15Kg左右，体积和重量均较大。自由光通信在建立通信前，需要使用跟瞄装置、枪瞄镜或望远镜等辅助光学系统进行光路调试，所需的辅助光学系统体积大，调试时间较长，约需数十分钟至数小时，此外，自由光通信为了保证光信号收发仍然需要进行对准，给操作带来不方便。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中自由光通信系统角度容差能力低，需要进行对准调试，存在操作繁琐的问题，提出了一种应用于自由光通信的光学系统，可以解决上述问题。

为实现上述实用新型目的，本实用新型采用下述技术方案予以实现：

一种应用于自由光通信的光学系统，包括：

发射组件，其用于向空间发射光信号；

接收组件，其设置在所述发射组件的发射光路上，用于接收发射组件发射的光信号，所述接收组件包括：

接收透镜，光信号透过所述接收透镜，由所述接收透镜汇聚后继续传播；

聚光镜，其设置在所述接收透镜的后方，所述聚光镜具有入射口和出射口，所述聚光镜的内表面呈抛物面状，所述聚光镜的轴线经过所述入射口和出射口的中心；

光接收器，其设置在所述聚光镜的后方，用于接收从所述出射口射出的光信号。

在有的实施例中，所述聚光镜的内表面为全反射面。

在有的实施例中，所述聚光镜为玻璃材质。

在有的实施例中，所述全反射面用于将入射的光线反射并经过所述出射口射出。

在有的实施例中，所述入射口半径d、出射口半径a以及最大入射角θ_max满足：

在有的实施例中，所述发射组件包括：

激光发射器，其用于发射光信号；

发射透镜，其设置在所述激光发射器的发射光路上，用于将激光发射器发射的光信号准直后透出。

在有的实施例中，所述发射透镜为准直透镜。

在有的实施例中，所述光学系统为单工通信，所述光学系统包括发射光模块和接收光模块，所述发射组件封装在所述发射光模块中，所述接收组件封装在所述接收光模块中。

在有的实施例中，所述光学系统为双工通信，通信双方的任一方的光模块中同时设置有发射组件和接收组件，所述光模块还包括：

分光片，其设置在所述发射透镜的出光光路上，其用于将特定波长的光信号透过；

所述接收组件位于所述分光片的反射光路上。

在有的实施例中，所述接收透镜为汇聚透镜。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：

本实用新型的应用于自由光通信的光学系统，1、发射组件向空间发射光信号，实现光信号的自由收发通信，无需设置复杂的光线接入结构，体积小、重量轻，支持密集排布。

2、接收组件包括设置在接收透镜的后方的聚光镜，聚光镜对接收透镜射出的光进行了二次汇聚，使其接收光线的角度容余大幅度增加，对大震动或手动对准的场景适应性更强。

结合附图阅读本实用新型的具体实施方式后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型提出的应用于自由光通信的光学系统的单工通信工作原理示意图；

图2是本实用新型提出的应用于自由光通信的光学系统的单工通信模块整体光路图；

图3是图2中单工通信模块平行传输时接收端光路图；

图4是本实用新型提出的应用于自由光通信的光学系统的单工通信模块接收端倾斜3°时光路图；

图5是图4中单工通信模块接收端倾斜3°时光路图；

图6是是本实用新型提出的应用于自由光通信的光学系统的双工通信工作原理示意图；

图7是本实用新型提出的应用于自由光通信的光学系统的双工通信模块整体光路图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖”、“横”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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实用新型中的具体含义。

实施例一

本实施例提出了一种应用于自由光通信的光学系统，如图1、图2所示，包括发射组件11和接收组件12，其中，发射组件11用于向空间发射光信号，接收组件12设置在发射组件11的发射光路上，发射组件11发射的光信号在空间中自由传播，最终被接收组件12接收，实现光信号在发射端和接收端之间的传输。本实施例的光学系统，由于发射组件11向空间发射光信号，实现光信号的自由收发通信，与采用光纤进行信号传输的光通信系统相比，无需设置复杂的光线接入结构，体积小、重量轻，支持密集排布。

在有的实施例中，如图2所示，接收组件12包括接收透镜121、聚光镜122以及光接收器123，接收透镜121设置在发射组件11的发射光路上，发射组件11发射的光信号透过接收透镜121，由接收透镜121汇聚后继续传播。

聚光镜122设置在接收透镜121的后方，可以理解的，聚光镜122同样设置在发射组件11的发射光路上，聚光镜122具有入射口1221和出射口1222，聚光镜122的内表面呈抛物面状，聚光镜122的轴线经过入射口1221和出射口1222的中心。

由接收透镜121汇聚后的光信号继续传播，并经过入射口1221进入聚光镜122内，聚光镜122呈抛物面状的内表面将入射光信号进行二次汇聚，反射经出射口1222透出。

光接收器123设置在聚光镜122的后方，与出射口1222相对设置，用于接收从出射口1222射出的光信号。

本实施例的光系统，接收组件12包括设置在接收透镜121的后方的聚光镜122，聚光镜122对接收透镜121射出的光进行了二次汇聚，使其接收光线的角度容余大幅度增加，对大震动或手动对准的场景适应性更强。

如图所示，为聚光镜122的结构示意图，聚光镜122能够将一定接收角范围内的光线收集并汇聚到接收器的出射口1222所围挡的面上，并经出射口1222射出。

在有的实施例中，聚光镜122的内表面为全反射面，用于将特定角度入射的光进行全反射，光线在经过一次或者多次全反射之后，最后经出射口1222射出。

由于光信号在聚光镜122进行全反射，因此，其内表面无需设置反射涂层，也不会造成光能量的损失。

在有的实施例中，聚光镜122可以采用但不限于采用玻璃材质实现。

在有的实施例中，聚光镜122满足以下参数约束：

入射口半径d、出射口半径a以及最大入射角θ_max满足：

当入射口半径d、出射口半径a已经确定时，可根据上述公式计算出最大入射角θ_max，最大入射角θ_max反映了光线的发散程度和系统所要求的倾斜程度。

当然，当入射口半径d和最大入射角θ_max已经确定时，还可以根据上述公式计算出出射口半径a。

此外，因出射口半径a需和接收芯片的感光口尺寸匹配，(因为光在出射口是均匀分布的，不匹配时会有光能的损失)，可用出射口半径a反推需要什么样的入射口半径d和θ_max，从而设计可以搭配的汇聚透镜。

例如，当选用的接收透镜参数为：口径1.7mm，焦距1.48mm，数值孔径0.5，汇聚光线的角度即为arcsin(0.5)＝30度，接收芯片的光口为80um时，可计算得到聚光镜的参数为：θ_max＝30，a＝0.08/2＝0.04mm，d＝0.02mm。

本实施例的光学系统，通过在接收端采用聚光镜对接收的光信号进行了二次汇聚，使其接收光线的角度容余大幅度增加，最大可达±4.5°。光线平行传输时光路(如图2、图3所示)，模拟接收效率为99.99％；接收端倾斜3°时光路(如图4、图5所示)，模拟接收效率为95％；接收端倾斜4°时光路，模拟接收效率为61％；接收端倾斜4.5°时，模拟接收效率为36％。

在有的实施例中，发射组件11包括激光发射器111和发射透镜112，激光发射器111用于发射光信号。发射透镜112设置在激光发射器111的发射光路上，激光发射器111发出的发散光，通过发射透镜112后形成准直光，在空气中平行传输后，到达接收透镜121。

在有的实施例中，发射透镜112为准直透镜。

在有的实施例中，光学系统为单工通信。光学系统包括发射光模块和接收光模块，其中发射光模块和接收光模块分别位于通信双方的两端，发射组件11封装在发射光模块中，接收组件12封装在接收光模块中。对于单工通信系统，发射光模块和接收光模块需要配对使用(如图1、图2所示)。

在有的实施例中，光学系统为双工通信。通信双方的任一方的光模块中同时设置有发射组件和接收组件，如图6、图7所示，光模块还包括分光片13，分光片12设置在发射透镜112的出光光路上，其用于将特定波长的光信号透过。

接收组件12位于分光片13的反射光路上。

光模块发射光信号时，其射出的光可透过其分光片13，然后到达对方光模块的分光片，该光信号无法透过对方光模块的分光片，并且由对方光模块的分光片进行反射至对方光模块的接收组件上。

可以理解的，通信双方的光模块的发射光信号的波长不同，相应的两者的分光片的透光波长不同。

在有的实施例中，可根据传输距离、模块体积等因素可灵活选择通信波长，透镜材料、焦距和口径等参数，上述特征的任意组合所构成的通信系统皆在本专利保护范围内。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种应用于自由光通信的光学系统，其特征在于，包括：

发射组件，其用于向空间发射光信号；

接收组件，其设置在所述发射组件的发射光路上，用于接收发射组件发射的光信号，所述接收组件包括：

接收透镜，光信号透过所述接收透镜，由所述接收透镜汇聚后继续传播；

聚光镜，其设置在所述接收透镜的后方，所述聚光镜具有入射口和出射口，所述聚光镜的内表面呈抛物面状，所述聚光镜的轴线经过所述入射口和出射口的中心；

光接收器，其设置在所述聚光镜的后方，用于接收从所述出射口射出的光信号。

2.根据权利要求1所述的应用于自由光通信的光学系统，其特征在于，所述聚光镜的内表面为全反射面。

3.根据权利要求1所述的应用于自由光通信的光学系统，其特征在于，所述聚光镜为玻璃材质。

4.根据权利要求2所述的应用于自由光通信的光学系统，其特征在于，所述全反射面用于将入射的光线反射并经过所述出射口射出。

5.根据权利要求1所述的应用于自由光通信的光学系统，其特征在于，所述入射口半径d、出射口半径a以及最大入射角θ_max满足：

6.根据权利要求1所述的应用于自由光通信的光学系统，其特征在于，所述发射组件包括：

激光发射器，其用于发射光信号；

发射透镜，其设置在所述激光发射器的发射光路上，用于将激光发射器发射的光信号准直后透出。

7.根据权利要求6所述的应用于自由光通信的光学系统，其特征在于，所述发射透镜为准直透镜。

8.根据权利要求1-7任一项所述的应用于自由光通信的光学系统，其特征在于，所述光学系统为单工通信，所述光学系统包括发射光模块和接收光模块，所述发射组件封装在所述发射光模块中，所述接收组件封装在所述接收光模块中。

9.根据权利要求6所述的应用于自由光通信的光学系统，其特征在于，所述光学系统为双工通信，通信双方的任一方的光模块中同时设置有发射组件和接收组件，所述光模块还包括：

分光片，其设置在所述发射透镜的出光光路上，其用于将特定波长的光信号透过；

所述接收组件位于所述分光片的反射光路上。

10.根据权利要求1-7任一项所述的应用于自由光通信的光学系统，其特征在于，所述接收透镜为汇聚透镜。