可見光通信系統(tǒng)空間復(fù)用式全息陣列接收天線的設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種應(yīng)用在可見光通信領(lǐng)域中的空間復(fù)用式全息陣列接收天線的設(shè)計方法，本設(shè)計選擇共軸與離軸相結(jié)合的全息微透鏡陣列為光學接收組件。根據(jù)全息光學設(shè)計中的光線追跡確定全息陣列天線的參數(shù)，并通過曲面K矢量閉合法進行參數(shù)優(yōu)化，通過反射鏡系統(tǒng)實現(xiàn)光路的精確調(diào)整來完成全息天線的干涉記錄。其創(chuàng)新點在于使用基于干涉、衍射原理的陣列全息元件代替折反射原理加光學濾波片的設(shè)計，從而使接收端具有視場大、體積小，重量輕，元件易大量生產(chǎn)且廉價等特點。
【專利說明】可見光通信系統(tǒng)空間復(fù)用式全息陣列接收天線的設(shè)計方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種在可見光通信領(lǐng)域中空間復(fù)用式的全息陣列接收光學天線的設(shè) 計方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 可見光通信技術(shù)（Visible Light Communication, VLC)是一種新興的寬光譜通信 技術(shù)，其特色是通信與照明兼顧，節(jié)能環(huán)保。在可見光通信系統(tǒng)中，可見光信號接收技術(shù)是 保證通信質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，其中的一個主要的部分便是設(shè)計合適的光學接收天線。良好的 光學天線設(shè)計能夠增加探測器接收光的效率，抑制背景光的干擾等，因此光學天線的設(shè)計 水平直接影響到光通信系統(tǒng)的性能指標。
[0003] 目前，以藍光LED激發(fā)黃色熒光粉發(fā)光的LED占據(jù)白光LED的主要市場。藍光激 發(fā)型LED在進行高速調(diào)制時會發(fā)生黃光響應(yīng)速率變慢的現(xiàn)象，應(yīng)用全息光學元件代替?zhèn)鹘y(tǒng) 的光學元件作為接收光學天線前端，除了全息元件對光波的匯聚功能外，全息元件的良好 的光譜選擇性，使接收端只接收藍光也是其優(yōu)勢所在。此外全息光學元件具有體積小，重量 輕，元件易大量生產(chǎn)且廉價等特點，但同時也存在單個全息光學接收前端的視場小、工作光 譜帶寬窄等不利因素。
[0004] 本發(fā)明的創(chuàng)新點在于使用了全息光學元件（H0E)代替?zhèn)鹘y(tǒng)光學元件進行光學天 線的設(shè)計和制作，并且用空間復(fù)用的多天線組合的方式來實現(xiàn)天線的寬視場接收。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供了一種基于空間復(fù)用式全息光學陣列接收天線的設(shè)計及記錄方法，主 要用于白光LED可見光通信中目標光信號的接收。全息陣列天線將來自不同方向已調(diào)制光 源的光信號接收，并通過濾波獲取目標帶寬的光信號，同時將信號匯聚到同一個探測器上。


【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 主要包括：
[0007] ①根據(jù)應(yīng)用場景的照明需求、光源布局和光線追跡法設(shè)計全息陣列天線的參數(shù)， 包括不同天線單元的視場大小，匯聚焦點的位置，陣列單元數(shù)等；并使用K矢量閉合法對參 數(shù)進行優(yōu)化，設(shè)計陣列全息光學元件的記錄方法。
[0008] ②根據(jù)全息陣列光學元件的記錄方法，設(shè)計全息陣列天線的記錄光路，配合三維 電控記錄平臺實現(xiàn)陣列全息元件的記錄。
[0009] ③采用光致聚合物材料對全息元件進行記錄。
[0010] 本發(fā)明采用陣列全息光學元件取代普通的光學玻璃元件。已經(jīng)證明，以衍射和干 涉理論而不是折射理論為基礎(chǔ)的全息光學元件在某些方面，具有傳統(tǒng)折射和反射元件無法 比擬的優(yōu)越性。
[0011] 相對于傳統(tǒng)的光通信接收天線，其優(yōu)點包括：
[0012] ①全息光學元件較傳統(tǒng)光學元件更薄、更輕，易于復(fù)制；一塊全息光學元件可以同 時完成多種光學功能，因此更加經(jīng)濟；
[0013] ②使用全息陣列光學天線有效地克服了單個全息天線視場窄的不利因素；
[0014] ③全息光學元件的制作方法為兩個波面在全息材料上發(fā)生干涉，雖然設(shè)計時較傳 統(tǒng)光學元件需要多考慮兩套記錄光學系統(tǒng)，但也使它的研制和生產(chǎn)具有傳統(tǒng)光學元件不具 備的靈活性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1全息陣列天線形狀設(shè)計圖
[0016] 圖2全息陣列天線工作示意圖
[0017] 圖3全息陣列天線的記錄光束示意圖
[0018] 圖4三維電控記錄平臺記錄端示意圖
[0019] 圖5全息光學元件的共軸光學記錄圖 圖6全息光學元件的離軸光學記錄圖
[0020] 圖2-6中，123全息子天線4匯聚球面波5平面波6焦點（匯聚點）7全息干板 8掩膜板9反射鏡系統(tǒng)10固體激光器11電子開關(guān)12準直擴束鏡13半波片14偏振分 束鏡15反射鏡系統(tǒng)16聚焦系統(tǒng)17全息干板18分光鏡

【具體實施方式】
[0021] 采用陣列全息光學天線作為VLC的接收天線是由于全息透鏡元件具有集聚焦與 濾波為一體的雙重功能，但由于單元全息光學接收元件的視場較窄，因此用空間復(fù)用陣列 天線的方式來增大接收視場，提高天線增益。全息陣列天線將不同方向的入射光束匯聚到 探測器上，從而實現(xiàn)對不同傳輸鏈路光信號的接收，保證足夠高強度的接收光信號。
[0022] 如圖1，全息陣列接收天線是將一塊體全息底板分成多個子單元（圖中分為9個， 分區(qū)標記為不同的編號）。每個子單元單獨曝光，記錄下兩束光波的干涉。如圖2所示，每 一個子全息天線單元都是一個全息透鏡，并且不同的透鏡將來自不同方向的光匯聚到同一 個焦點。
[0023] 如圖3所示，整個全息記錄材料固定在一個由計算機控制的可平移和旋轉(zhuǎn)的機械 平臺上，全息記錄材料前放置一塊設(shè)計為方形的孔徑遮掩板，遮掩板與全息記錄材料緊密 相鄰，保證一次只有一個全息元件曝光。每次記錄時，經(jīng)過設(shè)計后確定的子元件區(qū)放在遮掩 板的孔徑后曝光。全息底板在曝光過程中，不同分區(qū)編號的子單元在記錄時需要不同的光 路。由于天線結(jié)構(gòu)的對稱性，同一編號的子單元在記錄過程中可使用同一個光路，曝光前只 需要控制干板隨平臺平移或旋轉(zhuǎn)，同編號的干板在記錄中重復(fù)上述記錄過程，直至完成整 個全息陣列天線的記錄。
[0024] 如圖4所示，在設(shè)計共焦全息陣列光學天線時，記錄子全息光學元件的兩束光波 應(yīng)該是平面波與會聚球面波的干涉，并且在記錄不同編號的子天線時會聚球面波和平面波 的波矢方向都要改變。在本設(shè)計中，記錄1型子天線時采用共軸干涉記錄方式，會聚球面波 和垂直入射的平面波在全息干板上干涉記錄，會聚球面波的匯聚點是天線的焦點；在記錄 2型子天線時，需要先變換記錄光路，通過計算機控制的反射鏡系統(tǒng)改變平行光束和會聚光 束的波矢方向，調(diào)節(jié)記錄光路中匯聚光束的匯聚點，使其同記錄1型子天線時會聚點（焦 點）相同，同時調(diào)節(jié)平行入射光束的角度，使平行光束的方向轉(zhuǎn)動固定角度（如10° )，調(diào) 整后的平行光同會聚光在干板上干涉記錄，其中平行光轉(zhuǎn)動的角度要與子天線的視場相匹 配。由于子天線的對稱性，在記錄不同位置的2型子天線時只需控制干板平移以及繞堅直 方向的轉(zhuǎn)動來重復(fù)記錄。在記錄3型子天線時，光路需要重新調(diào)整，與前不同的是會聚光束 的波矢方向改變的角度不同，但是平行光束仍轉(zhuǎn)動相同角度（如10° )，在記錄前干板在堅 直方向繞中心軸向水平方向轉(zhuǎn)動45°，然后重復(fù)2型記錄步驟。藉此通過控制匯聚光束的 波矢方向變化來實現(xiàn)不同子全息天線的共焦，通過控制平面光束波矢方向的變化來實現(xiàn)不 同子全息天線的接收指向的不同，進而保證子天線接收到的不同方向的光信號匯聚到探測 器上。
[0025] 全息接收天線的記錄波長固定而接收信號為與LED發(fā)光特性有關(guān)的一段光譜范 圍，這樣就使記錄波長與再現(xiàn)波長不完全一致，這種波長的不一致會導(dǎo)致衍射效率的下 降。因此，在全息光學系統(tǒng)的設(shè)計過程中，除了用全息光學中光線追跡計算衍射出射光線的 位置以外，還需要曲面K矢量閉合分析法來對衍射出射光線的位置進行調(diào)整，從而優(yōu)化記 錄光路參數(shù)。根據(jù)公式

【權(quán)利要求】
1. 一種應(yīng)用于可見光通信的系統(tǒng)中的空間復(fù)用式全息陣列接收天線的設(shè)計方法，其創(chuàng) 新點在于使用了全息光學元件（HOE)代替了傳統(tǒng)的會聚透鏡加濾光片的設(shè)計方案。其設(shè)計 與制作特征如下： 根據(jù)可見光通信中接收天線的要求確定全息陣列接收天線的設(shè)計參數(shù)； 根據(jù)光線追跡法，對不同元件的干涉記錄方案進行設(shè)計，確定光路中反射鏡系統(tǒng)的轉(zhuǎn) 角、元件的焦距、子天線個數(shù)的參數(shù)。然后通過K矢量閉合法對參數(shù)進行優(yōu)化。 采用光致聚合物材料做全息記錄。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于可見光通信系統(tǒng)中的空間復(fù)用式全息陣列接收天線 的系統(tǒng)設(shè)計方案，其特征在于：選擇離軸的全息微透鏡陣列為子光學元件，并且不同全息元 件的布拉格角的方向不同，但其匯聚的焦點相同，自不同方向的光通過不同的透鏡匯聚到 同一個焦點，實現(xiàn)對不同方向光信號的接收。
3. 根據(jù)權(quán)利1要求所述的HOE系統(tǒng)的光路設(shè)計，其特征在于采用光線追跡法對不同子 全息元件的記錄光路分別進行設(shè)計，并通過K矢量閉合法進行優(yōu)化設(shè)計，提高了天線在實 際應(yīng)用中出校再現(xiàn)波長不同于記錄波長時的天線的衍射效率。
4. 根據(jù)權(quán)利1要求所述的HOE系統(tǒng)的實驗記錄，采用了雙反射鏡系統(tǒng)來同時控制平面 波矢與球面波矢，同時通過掩膜板進行分區(qū)域曝光。
【文檔編號】G02B5/32GK104378158SQ201410602843
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月2日
【發(fā)明者】藍天, 趙濤, 高明光, 倪國強 申請人:北京理工大學