专利名称：可见光无线通信大视场可调复眼结构光学接收器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电领域，特别是可见光通信接收端的光纤耦合和传输问题。
背景技术：
随着可见光无线通信系统的发展，对接收机的性能提出更高的要求。接收端需具备小型化、大视场、高信噪比、重量轻等特点。由于光电探测器接收面积，视场均很小，不利于光信息采集。因此，希望接收机前端的光学系统功能类似无线通信中的天线功能大视场角、大的增益效应。而现有光学透镜作为光信息采集的光学系统中，透镜为不可活动的单孔径结构，接收视场角较小，接收方向不易调整。受昆虫复眼的启发，人们结合复眼的体积小、重量轻、视场大等优点，提出了相应的人工复眼光学系统。复眼具有的视觉特点广角大，大景深和高灵敏度。视角最大可达 350度。人工复眼具体说来，就是将目前广泛使用的单孔径光学系统用多孔径复眼光学系统所代替，从而达到使整个系统小型化、轻量化、以及视场增大的目的。专利申请号为200610023932.3的发明专利公开了一种用于均匀照明的双面复眼透镜。由前后两面复眼透镜共同制作在同一块玻璃或透光材料上而构成。光的透过率和均匀度很高。《仿生光学复眼设计及其制造技术研究新进展》(陈明君，刘业胜，机械工程学报，第47卷第I期，2011年I月)提供了用于成像的平面和曲面型复眼透镜，两者均为一体、多层结构。但这两种结构中的外界光线进入透镜时需逐层聚集，前一层聚焦的光线一部分会从下一层单透镜的间隙中透过，这部分光会损失掉。且不能进行方向调整，同时晶椎的加工也存在难点。如果利用上述复眼透镜的大视场、高增益的特点，将它引入到可见光通信光学接收系统中，可以实现多个微透镜从不同角度来捕获光信号，扩大视场角。同时通过适当设计，可以进行接收方向调整，这种结构将大大增强光信号的接收能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种复眼结构光学接收器，该光学接收器接收视场大，光传递效率高。实现本发明目的的技术方案是可见光无线通信大视场可调复眼结构光学接收器，由依次连接的复眼透镜、光纤、光电探测器和电路系统组成，复眼透镜由微透镜阵列和基底组成，所述基底由四块相等的有机玻璃平板和“十字”形连接轴组成，“十”字形连接轴和有机玻璃平板可转动连接形成一个圆形基底，“十字”形连接轴中心交叉处嵌入圆形滚珠，四块有机玻璃平板可绕“十”字形连接轴水平和垂直方向转动，所述基底上设有若干通孔，所述微透镜嵌入通孔中；所述微透镜第一面为凸面，第二面为平面且与光纤端面连接，微透镜的直径比光纤直径略大。上述技术方案中，有机玻璃基底分为四部分可活动结构，可通过调整方向，扩大接收角和调整接收方向。微透镜受光面为凸面，且焦距较短。基底面钻有圆形小孔，小孔直径等同于微透镜口径，可以保证微透镜能嵌入基底小孔中，同时光传输不会因基底材料而产生损耗。作为本发明的进一步改进，所述微透镜的直径与光纤纤芯直径比例为I :0. 7。作为本发明的进一步改进，所述光纤采用多模光纤，多模光纤数值孔径较大，集光能力强，与光源耦合效率高。由于传输距离短，损耗可以忽略，所以选择多模光纤。作为本发明的进一步改进，所述光纤采用塑料光纤，优选纤芯材料为聚甲基丙烯酸甲酯聚合物(PMMA)。PMMA为一种特殊的合成树脂，性能稳定，具有特殊的透明性，光透过率93%，适用于可见光、红外光和紫外光波段。对太阳光性能十分稳定，热性能也很好。同时在可见光波段有低损耗窗口，所以更适合用在可见光波段的传输系统。与石英光纤易 被折断相比，塑料光纤质软、不易损坏。通信塑料光纤多采用直径1_的光纤，是石英光纤芯径的8 20倍。其数值孔径为O. 5，远大于石英光纤的O. 2，可使得光源与光纤耦合效率更闻。作为本发明的进一步改进，所述焦距f的选择综合考虑光纤数值孔径的大小和微透镜与光纤的光耦合效率。曲率半径选择根据透镜光线聚焦到光纤中进行全反射传输的位置，见图5。光线经过透镜汇聚到光纤内部。由SNELL定律，可求出光线在光纤内全反射临界角仏。如果光线以小于％的入射角入射到纤芯包层的界面上，光线将折射出纤芯并进入包层而损失掉。将SNELL定律应用于透镜-光纤端面边界，由下式可以得到透镜中光线的最大入射角Θ ^ _所满足的关系式Sin^0inax = — Sin^1 = — (m —)
1nL \ 1 1J式中np Ii1与n2分别为透镜、纤芯和包层的折射率，Θ 为入射光线在微透镜与光纤结合面的折射角，其中将纤芯与包层折射率平方差的平方根定义为光纤数值孔径NAe。将上式sin Θ 0 max定义为微透镜的数值孔径NAb，即有
. NArΜ =~( )由于透镜的折射率大于I，可知透镜数值孔径NAb小于光纤数值孔径NAe。为了使
NAb更大，透镜折射率应尽量小些。透镜边缘入射的平行光折射光线路径如图5中所示。近
似有tan θ ~D/2f,由于込=π/2-%,。光纤内入射光线正好发生全反射时,透镜焦距f与光纤
数值孔径NAe关系式为
PPPP H2D ⑵· ItmBl 2222旭g
小-Sin2Ol-NAl n2式中D为微透镜口径，n2为包层的折射率，NAe为光纤数值孔径。然而实际情况下，焦距f的选择既要参考光纤数值孔径的大小，又要考虑到微透镜与光纤的光耦合效率。首先，过长的焦距会增加光损耗，降低透镜与光纤的光耦合效率。其次，微透镜、塑料光纤的尺寸较小，焦距的选择也应适当短些，这可以使更大视角范围内的光线耦合到光纤中。所以综合考虑，透镜焦距的选择要兼顾以上两点因素。当入射光线为平行线时，通过微透镜的光线交点到透镜的距离即为透镜的焦距，公式为
权利要求
1.可见光无线通信大视场可调复眼结构光学接收器，其特征是，由依次连接的复眼透镜、光纤、光电探测器和电路系统组成，复眼透镜由微透镜阵列和基底组成，所述基底由四块相等的有机玻璃平板和“十字”形连接轴组成，“十”字形连接轴和有机玻璃平板可转动连接形成一个圆形基底，“十字”形连接轴中心交叉处嵌入圆形滚珠，四块有机玻璃平板可绕“十”字形连接轴水平和垂直方向转动，所述基底上设有若干通孔，所述微透镜嵌入通孔中；所述微透镜第一面为凸面，第二面为平面且与光纤端面连接，微透镜的直径比光纤直径略大。
2.根据权利要求I所述的光学接收器，其特征是，所述微透镜的直径与光纤纤芯直径比例为I :0. 7。
3.根据权利要求I所述的光学接收器，其特征是所述光纤采用多模光纤。
4.根据权利要求I所述的光学接收器，其特征是，所述光纤采用塑料光纤。
5.根据权利要求I所述的光学接收器，其特征是，所述焦距/的选择综合考虑光纤数值孔径的大小和微透镜与光纤的光耦合效率。
6.根据权利要求I所述的光学接收器，其特征是，所述光纤纤芯材料为聚甲基丙烯酸甲酯聚合物。
全文摘要
可见光无线通信大视场可调复眼结构光学接收器，由依次连接的复眼透镜、光纤、光电探测器和电路系统组成，复眼透镜由微透镜阵列和基底组成，所述基底由四块相等的有机玻璃平板和“十字”型连接轴组成，“十”字型连接轴和有机玻璃平板可转动连接形成一个圆形基底，“十字”型连接轴中心交叉处嵌入圆形滚珠，四块有机玻璃平板可绕“十”字型连接轴水平和垂直方向转动，所述基底上设有若干通孔，所述微透镜嵌入通孔中；所述微透镜第一面为凸面，第二面为平面且与光纤端面连接，微透镜的直径比光纤直径略大。本发明接收视场大，光传递效率高。
文档编号G02B6/42GK102937733SQ20121041031
公开日2013年2月20日 申请日期2012年10月24日 优先权日2012年10月24日
发明者朱娜, 吴俊峰, 江晓明 申请人:江苏大学