專利名稱：可見光無線通信大視場可調(diào)復眼結構光學接收器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光電領域，特別是可見光通信接收端的光纖耦合和傳輸問題。
背景技術：
隨著可見光無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，對接收機的性能提出更高的要求。接收端需具備小型化、大視場、高信噪比、重量輕等特點。由于光電探測器接收面積，視場均很小，不利于光信息采集。因此，希望接收機前端的光學系統(tǒng)功能類似無線通信中的天線功能大視場角、大的增益效應。而現(xiàn)有光學透鏡作為光信息采集的光學系統(tǒng)中，透鏡為不可活動的單孔徑結構，接收視場角較小，接收方向不易調(diào)整。受昆蟲復眼的啟發(fā)，人們結合復眼的體積小、重量輕、視場大等優(yōu)點，提出了相應的人工復眼光學系統(tǒng)。復眼具有的視覺特點廣角大，大景深和高靈敏度。視角最大可達 350度。人工復眼具體說來，就是將目前廣泛使用的單孔徑光學系統(tǒng)用多孔徑復眼光學系統(tǒng)所代替，從而達到使整個系統(tǒng)小型化、輕量化、以及視場增大的目的。專利申請?zhí)枮?00610023932.3的發(fā)明專利公開了一種用于均勻照明的雙面復眼透鏡。由前后兩面復眼透鏡共同制作在同一塊玻璃或透光材料上而構成。光的透過率和均勻度很高?！斗律鈱W復眼設計及其制造技術研究新進展》(陳明君，劉業(yè)勝，機械工程學報，第47卷第I期，2011年I月)提供了用于成像的平面和曲面型復眼透鏡，兩者均為一體、多層結構。但這兩種結構中的外界光線進入透鏡時需逐層聚集，前一層聚焦的光線一部分會從下一層單透鏡的間隙中透過，這部分光會損失掉。且不能進行方向調(diào)整，同時晶椎的加工也存在難點。如果利用上述復眼透鏡的大視場、高增益的特點，將它引入到可見光通信光學接收系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)多個微透鏡從不同角度來捕獲光信號，擴大視場角。同時通過適當設計，可以進行接收方向調(diào)整，這種結構將大大增強光信號的接收能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種復眼結構光學接收器，該光學接收器接收視場大，光傳遞效率高。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術方案是可見光無線通信大視場可調(diào)復眼結構光學接收器，由依次連接的復眼透鏡、光纖、光電探測器和電路系統(tǒng)組成，復眼透鏡由微透鏡陣列和基底組成，所述基底由四塊相等的有機玻璃平板和“十字”形連接軸組成，“十”字形連接軸和有機玻璃平板可轉動連接形成一個圓形基底，“十字”形連接軸中心交叉處嵌入圓形滾珠，四塊有機玻璃平板可繞“十”字形連接軸水平和垂直方向轉動，所述基底上設有若干通孔，所述微透鏡嵌入通孔中；所述微透鏡第一面為凸面，第二面為平面且與光纖端面連接，微透鏡的直徑比光纖直徑略大。上述技術方案中，有機玻璃基底分為四部分可活動結構，可通過調(diào)整方向，擴大接收角和調(diào)整接收方向。微透鏡受光面為凸面，且焦距較短?；酌驺@有圓形小孔，小孔直徑等同于微透鏡口徑，可以保證微透鏡能嵌入基底小孔中，同時光傳輸不會因基底材料而產(chǎn)生損耗。作為本發(fā)明的進一步改進，所述微透鏡的直徑與光纖纖芯直徑比例為I :0. 7。作為本發(fā)明的進一步改進，所述光纖采用多模光纖，多模光纖數(shù)值孔徑較大，集光能力強，與光源耦合效率高。由于傳輸距離短，損耗可以忽略，所以選擇多模光纖。作為本發(fā)明的進一步改進，所述光纖采用塑料光纖，優(yōu)選纖芯材料為聚甲基丙烯酸甲酯聚合物(PMMA)。PMMA為一種特殊的合成樹脂，性能穩(wěn)定，具有特殊的透明性，光透過率93%，適用于可見光、紅外光和紫外光波段。對太陽光性能十分穩(wěn)定，熱性能也很好。同時在可見光波段有低損耗窗口，所以更適合用在可見光波段的傳輸系統(tǒng)。與石英光纖易 被折斷相比，塑料光纖質(zhì)軟、不易損壞。通信塑料光纖多采用直徑1_的光纖，是石英光纖芯徑的8 20倍。其數(shù)值孔徑為O. 5，遠大于石英光纖的O. 2，可使得光源與光纖耦合效率更聞。作為本發(fā)明的進一步改進，所述焦距f的選擇綜合考慮光纖數(shù)值孔徑的大小和微透鏡與光纖的光耦合效率。曲率半徑選擇根據(jù)透鏡光線聚焦到光纖中進行全反射傳輸?shù)奈恢?，見圖5。光線經(jīng)過透鏡匯聚到光纖內(nèi)部。由SNELL定律，可求出光線在光纖內(nèi)全反射臨界角仏。如果光線以小于％的入射角入射到纖芯包層的界面上，光線將折射出纖芯并進入包層而損失掉。將SNELL定律應用于透鏡-光纖端面邊界，由下式可以得到透鏡中光線的最大入射角Θ ^ _所滿足的關系式Sin^0inax = — Sin^1 = — (m —)
1nL \ 1 1J式中np Ii1與n2分別為透鏡、纖芯和包層的折射率，Θ 為入射光線在微透鏡與光纖結合面的折射角，其中將纖芯與包層折射率平方差的平方根定義為光纖數(shù)值孔徑NAe。將上式sin Θ 0 max定義為微透鏡的數(shù)值孔徑NAb，即有
. NArΜ =~( )由于透鏡的折射率大于I，可知透鏡數(shù)值孔徑NAb小于光纖數(shù)值孔徑NAe。為了使
NAb更大，透鏡折射率應盡量小些。透鏡邊緣入射的平行光折射光線路徑如圖5中所示。近
似有tan θ ~D/2f,由于込=π/2-%,。光纖內(nèi)入射光線正好發(fā)生全反射時,透鏡焦距f與光纖
數(shù)值孔徑NAe關系式為
PPPP H2D ⑵· ItmBl 2222旭g
小-Sin2Ol-NAl n2式中D為微透鏡口徑，n2為包層的折射率，NAe為光纖數(shù)值孔徑。然而實際情況下，焦距f的選擇既要參考光纖數(shù)值孔徑的大小，又要考慮到微透鏡與光纖的光耦合效率。首先，過長的焦距會增加光損耗，降低透鏡與光纖的光耦合效率。其次，微透鏡、塑料光纖的尺寸較小，焦距的選擇也應適當短些，這可以使更大視角范圍內(nèi)的光線耦合到光纖中。所以綜合考慮，透鏡焦距的選擇要兼顧以上兩點因素。當入射光線為平行線時，通過微透鏡的光線交點到透鏡的距離即為透鏡的焦距，公式為
權利要求
1.可見光無線通信大視場可調(diào)復眼結構光學接收器，其特征是，由依次連接的復眼透鏡、光纖、光電探測器和電路系統(tǒng)組成，復眼透鏡由微透鏡陣列和基底組成，所述基底由四塊相等的有機玻璃平板和“十字”形連接軸組成，“十”字形連接軸和有機玻璃平板可轉動連接形成一個圓形基底，“十字”形連接軸中心交叉處嵌入圓形滾珠，四塊有機玻璃平板可繞“十”字形連接軸水平和垂直方向轉動，所述基底上設有若干通孔，所述微透鏡嵌入通孔中；所述微透鏡第一面為凸面，第二面為平面且與光纖端面連接，微透鏡的直徑比光纖直徑略大。
2.根據(jù)權利要求I所述的光學接收器，其特征是，所述微透鏡的直徑與光纖纖芯直徑比例為I :0. 7。
3.根據(jù)權利要求I所述的光學接收器，其特征是所述光纖采用多模光纖。
4.根據(jù)權利要求I所述的光學接收器，其特征是，所述光纖采用塑料光纖。
5.根據(jù)權利要求I所述的光學接收器，其特征是，所述焦距/的選擇綜合考慮光纖數(shù)值孔徑的大小和微透鏡與光纖的光耦合效率。
6.根據(jù)權利要求I所述的光學接收器，其特征是，所述光纖纖芯材料為聚甲基丙烯酸甲酯聚合物。
全文摘要
可見光無線通信大視場可調(diào)復眼結構光學接收器，由依次連接的復眼透鏡、光纖、光電探測器和電路系統(tǒng)組成，復眼透鏡由微透鏡陣列和基底組成，所述基底由四塊相等的有機玻璃平板和“十字”型連接軸組成，“十”字型連接軸和有機玻璃平板可轉動連接形成一個圓形基底，“十字”型連接軸中心交叉處嵌入圓形滾珠，四塊有機玻璃平板可繞“十”字型連接軸水平和垂直方向轉動，所述基底上設有若干通孔，所述微透鏡嵌入通孔中；所述微透鏡第一面為凸面，第二面為平面且與光纖端面連接，微透鏡的直徑比光纖直徑略大。本發(fā)明接收視場大，光傳遞效率高。
文檔編號G02B6/42GK102937733SQ20121041031
公開日2013年2月20日 申請日期2012年10月24日 優(yōu)先權日2012年10月24日
發(fā)明者朱娜, 吳俊峰, 江曉明 申請人:江蘇大學