专利名称：用于收集光学信号的光学装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于收集光学信号的光学装置，以及涉及一种用于收集光学信号的方法。特别是，至少在其优选的形式中，本发明涉及一种用于收集和会聚在相当大角度范围上接收的自由空间光学信号的装置。
结合一个或多个适当的检测器，本发明可以应用于使用自由空间光学信号的通信系统的收发器。然而，本发明并不局限于可见区域，并且本发明的原理可以用于硬紫外(从大约50nm)以上的任意波长。实际上，可能使用的最长波长在厘米波RF段(30-40GHz以上)。在本文的其他地方，应当理解，将本发明设计的传输或收集的电磁辐射称作“光”或“光学的”。
背景技术：
用于各种目的的收集光的装置是公知的。
然而，已知的装置存在大量显著的缺点。特别是，现有技术的装置通常不能同时从宽的角度范围有效地收集和会聚光学信号。
当将光学介质用于商业无线通信目的时1.需要尽可能多的信号光到达任何一个或多个光学检测器，2.必须使外部光的进入最小化，3.为了确保能够支持高的数据速率，必须使设备中的光学瞬时色散最小化，并且该一个或多个检测器必须具有尽可能小的传感区域(以确保小的装置电容并由此得到快速的响应时间)，4.在许多实际应用中，应当不需要使发射器和检测器仔细地对准(无论是手工地或自动地)。
5.该检测器需要尽可能便宜并且空间紧凑。
6.与大多数光学系统不同，原则上，使输入信号成像不应当是必须的，仅仅是确保它们最终全部照射到尽可能小的空间面积(称作“非成像系统”)。
这些要求的实际含义是该装置必须1.对信号光具有最大探测度，即，收集尽可能多的光。实际上，这意味着该装置必须具有大的输入孔径，但却具有最小限度的整体尺寸。
2.将光传输到简单、低成本、小孔径、快速的电光检测器。
3.探测从尽可能宽的角度范围照射的信号光。
同时实现所述的所有这些特征对于常规系统即使可能也是困难的。例如，考虑下面如图1所示的常规光学系统。
会聚透镜如图1b所示，会聚透镜10(如下面的图1a所示的薄球面或菲涅耳形式)聚集从给定方向照射到其前孔径12的光并将其聚焦到弯曲像平面P(对于平行入射射线，该透镜后距离f)上的小点F(零尺寸原理)。然而，来自不同方向(例如，从x轴以下Δθ)的光线被聚焦到像平面的分离点，该偏差为Δz～fΔθ。显然，为了避免多重检测器或者不得不移动检测器，该检测器尺寸必须小于Δz，并且由此该角度探测性被限定在+/-tan-1(Δz/f)的范围。[对于Δz＝1mm和f＝100mm，这意味着固定检测器的该角度探测性仅为+/-0.6弧度]。
抛物线反射镜抛物线反射镜14(示于图1c和1d中)具有与会聚透镜类似的特性，并且对角度范围和探测性有类似的约束。
反射管内反射圆柱形反射镜(“光管”)16擅长接收和传输来自宽角度范围的光，但是没有会聚效果。从该管射出的射线具有与进入该管的射线基本相同的空间和角度分布，如图1e所示的，其示出了穿过光管的垂直截面。
圆锥形反射表面可以想象，为了改进圆柱形光管的会聚效果，仅需要使光管的直径随着沿其轴向的距离变小，如图1f所示的圆锥形或“喇叭”反射镜18。然后，进入锥体较大孔径的任何光会连续地被“压缩”为从所需要的较小孔径射出。实际上并不总是这样的情况。根据该锥体的半角(Ψ)，实际上或多或少的光在到达较小孔径之前被反射回去从该锥体射出-如图1f所示的。
为了降低因反射造成的退回的可能性，角度Ψ必须小。然而，对于给定的探测度，这或者使该锥体非常长，或者增大了输出孔径的尺寸-由此降低了该几何体的会聚能力。当然，在极限Ψ→0的情况下，该锥体变为非会聚管。
总之，会聚透镜和抛物线反射镜光学系统对收集光是非常有效的。然而，其对光的角度探测性是非常定向的。使用这些类型的光学元件的实用系统需要仔细(手工或自动)对准，以便收集从多个角度范围照射的光。相比之下，诸如圆锥形反射器的不具有特别的方向探测性的光学系统对收集光也不特别有效。
发明内容
本发明试图克服现有技术的上述缺点。
根据本发明提供一种光学收集装置，其包括第一级光学会聚装置和第二级光学收集单元，所述第二级光学收集单元具有外壳和在所述外壳中的独立光收集元件的阵列，所述光收集元件阵列组合地提供光入口和光出口，每个光收集元件具有光入口孔径、光出口孔径和在所述入口孔径和所述出口孔径之间延伸的光收集区域，其中所述光收集区域包括锥形光反射表面，其被设置为将在所述入口孔径接收的光朝向所述出口孔径导引。
所述光会聚装置可以由单个透镜元件或多个透镜元件构成。
所述光学会聚装置可以设置在外壳的前面，用于将光导引到所述独立光收集元件上，这种光会聚装置例如包括球面或菲涅耳透镜。
优选，所述光收集元件的阵列的光入口基本与所述一个透镜元件或所述多个透镜元件的焦平面，即像平面，共面。
所述光学收集装置还可以包括提供在所述光学会聚装置上的滤光盖。
所述光学会聚装置的效果是在其焦平面内在所述光学收集单元的所述光入口孔径处形成图像。然后所述光学收集元件对从所述光学会聚装置接收的聚焦光进行采样。
在本发明的优选形式中，所述光学收集单元包括整体外壳，其被形成有从所述光入口向所述光出口延伸的椭圆体形开口的阵列，并且每个开口具有提供光反射表面的反射壁表面。所述反射壁表面可以通过反射涂层获得，或者所述壁表面可以是由于其为金属，例如，黄铜，并且被加工成形而引起的固有反射。
例如，所述外壳可以形成有平行开口的线性阵列，每个开口为椭圆体形式。所述开口可以为在所述外壳内的空腔，或者可以包含透明介质材料的填充物。在后一情况下，所述介质材料的折射率有利地选择为提高光传输效率。
优选，使多个光学收集装置并置，以形成延伸的光接收区域。在下面描述的本发明的优选形式中，每个这种光学收集装置为大体圆柱体或球体的对应扇形的形式。
在这种情况下，还优选单个光会聚装置与多个光学收集装置重叠。
在下面描述的优选实施例中，本发明的特征是，所述光会聚装置包括会聚元件，其具有设置在每个光收集元件的所述光入口孔径前面一段短距离处的焦平面。这确保来自所述光会聚元件的光进入所述光收集元件，并且对于所述光收集装置的效率是有利的。
通过提供设置在所述独立光收集元件的光出口孔径后面的至少一个检测元件以检测由所述光学收集装置传输的光，本发明的光学收集装置可以用作光学接收器。例如，可以与所述光收集元件的所述光出口孔径相邻地提供检测器的阵列，其每个分别与所述光收集元件的阵列的各个对应。在这种情况下，所述检测器的阵列可以有效地用作连续光检测表面。
因此，根据本发明的另一方面，提供一种光学接收器，其包括第一级光学会聚装置和第二级光学收集单元，所述第二级光学收集单元具有外壳和在所述外壳内的独立光收集元件的阵列，所述阵列的光收集元件组合地提供光入口和光出口，每个光收集元件具有光入口孔径，光出口口径，以及在所述入口孔径和所述出口孔径之间延伸的光收集区域，其中所述光收集区域包括锥形光反射表面，其被设置为将在所述入口孔径处接收的光朝向所述出口孔径导引，并且所述接收器还包括设置在所述光出口孔径后面的至少一个检测元件，以检测由所述光学收集单元传输的光。
通过实例，参考附图对本发明作进一步描述，其中图1a和1b是会聚透镜形式的常规光学系统的示意图；图1c和1d是抛物线反射镜形式的常规光学系统的示意图；图1e是反射管形式的常规光学系统的示意图；图1f是圆锥形反射表面形式的常规光学系统的示意图；图2是根据本发明穿过包含光学收集系统的光学接收器的示意性截面图；图3是穿过示于图2的系统的各个光学收集装置的示意性截面图；图4a、4b和4c分别是图3的装置的光学收集单元的侧视图、端视图和俯视图；图5是示出了单元的光收集元件收集光的方式的图4的光学收集单元的各个光收集元件的详细视图；以及图6是用于解释图5的光收集元件的某些参数的椭圆体的图示。
具体实施例方式
首先参考图2，描述根据本发明的包含光学收集系统的接收器。图2示出了包含光学收集系统22和探测系统24的光学信号接收器20。光学收集系统22包括一组光学收集装置26，在这种情况下为五个这种装置，其并列在一起以形成用于接收入射光的延伸表面区域28。在本实例中，每个光学收集装置26的截面为圆的扇形形状，并且这五个装置26配合在一起具有半圆形截面30。一般地说，每个扇形的角度为360/(2N)，其中N是光学收集装置26的数量。
所有光学收集装置26是相同的，并因此仅描述其中之一。
如图2和3所示，各个光学收集装置26具有用于接收入射光的前表面32。光会聚元件34形式的第一级光学会聚装置被设置在入射光表面32处并被滤光盖36保护。光会聚元件34可以为球面透镜或圆形菲涅耳透镜形式，并且用于将由光学收集装置26接收的基本平行的入射光线聚焦到第二级光学收集单元40的前表面38附近的焦平面P处。光学收集单元40包括整体的外壳42，其由多个开口44形成，所述开口44提供独立光收集元件46的阵列。
外壳42最好在图4a至4c中观察，由此可以清楚地看到外壳42具有大致矩形的前表面48，大致矩形的后表面50，方形截面52和会聚侧表面54。该后一特征使各个光学收集装置26相邻接并为前述扇形形式。前表面48具有中央插口56，并且每个开口44恰好从该插口56向后表面50穿过外壳42延伸。由此插口56将光入口58提供到该光收集元件的阵列，并且由此后表面50提供光出口60。
光收集元件46的开口44彼此相邻设置，并且为传输光提供穿过外壳42的通道。每个开口44具有在与光入口58相对应的其一端处的光入口孔径62和与光出口60相对应的其一端处的光出口孔径64。本实施例中的光收集元件46形成穿过外壳42的线性阵列，并且各个光收集元件46的光入口孔径62穿过表面56彼此紧邻排列，以确保入射到光入口58的相当大量的光进入光收集元件46。另外，此处将开口44和光入口和出口孔径62、64示出为圆形，但是应当理解，可以使用方形或矩形横截面以提高光收集单元40的前表面48的光收集效率。
与每个收集元件46的入口孔径62相关的光会聚透镜34的焦平面P的位置决定了在入口孔径62上聚焦的光的“点尺寸”。如果该点尺寸大于入口孔径62的面积，那么根据定义，周边的光损耗了。由此，为了确保对入射光的最大探测度，必须将焦平面P定位为使得在与入口孔径62相交的平面内来自透镜34的会聚光线的横截面积必须小于入口孔径62的物理尺寸。
可以看到，外壳42内的每个开口44沿从光入口58到光出口60延伸的方向具有锥形特征。该锥形特征是本发明的重要特征，并且参考图5进行进一步描述。
图5示出了外壳42内的两个光收集元件46。如图所示，每个开口44为椭圆体形式，其提供了限定光收集元件46的椭圆体壁表面66。壁表面66涂覆有金、银、铜或黄铜的反射涂层，以提供镜面表面光洁度。由此，进入开口44的光在光收集元件46内被光反射表面66反射。将具有选择用于提高效率的折射率的透明介质材料的填充物68提供在开口44内，并且外壳42的前表面48的插口56允许容纳这种透明填充材料。
如上所述，每个开口44为椭圆体形状，并且具有与光入口58相对应较宽的前孔径62，其为光收集元件46提供光入口孔径，以及与外壳42的光出口60相对应的较窄的后孔径64，其为光收集元件46提供光出口孔径。应当注意，孔径64距椭圆体的顶点一定距离设置，以便为光提供足够的面积以射出光收集元件46。孔径64还定位在椭圆体这端的焦点70的前面，以便帮助光朝向出口孔径64反射，而不是朝向入口孔径62反射回去，由此提高效率。
因此，进入光收集元件46的所有光的相当大部分在光反射表面66处被内反射，并在光出口孔径64处射出。如下面所述，该特征对确保光收集元件46内的光散射最小化以及通过光出口孔径64有效地收集和传输光是重要的。
然而，先回到前面的图2和3，接收器20还包括检测器系统24，其为为每个光学探测装置26提供的各个检测器阵列72的形式。每个这种检测器阵列72包含安装在外壳42的后表面50上的一组分立的二极管74，使得各个二极管74叠加在相关的光收集元件46之一的光出口孔径64上。
根据每个光学收集元件46的入口孔径62和出口孔径64的关系，并根据出口孔径64与椭圆体焦点70的相对位置，在制造特定光学收集装置26中包含多个设计考虑事项，其可以参考图6进行解释。
首先，希望入口孔径62相对于出口孔径64尽可能大、并且出口孔径64具有比入口孔径62小得多的面积，以便光收集元件46对光具有最大探测度，即，收集尽可能多的光，并且能够将该光聚焦到小的低成本的电光检测器上。出口孔径64的尺寸依赖于其沿椭圆体主轴的定位(x)。使出口孔径64更靠近入口孔径62设置将意味着出口孔径64较大，而使出口孔径64更远离将意味着其较小。
其次，为了检测的目的，希望穿过入口孔径62的同等量的光也穿过出口孔径64。出口孔径64相对于焦点70的位置对其有影响。如果出口孔径64的位置距入口孔径62比距椭圆体的焦点70更远，则很可能光会在椭圆体的相对壁部分之间反射，并最终反射回来通过入口孔径62从光收集元件46射出。这意味着检测效率的降低。
因此，为了保证最大孔径面积比和最小反射损耗，出射孔径64的最佳位置是在焦点70处或恰好在焦点70前面。
为了理解孔径面积比怎样随着椭圆体的尺寸而改变，考虑椭圆体方程(x/a)2+(y/b)2＝1其中a和b分别是椭圆体沿x和y轴的最大尺寸(参见图6)。
椭圆体焦点的位置可以表示为x=+/-(a2+b2)]]>将其称作+/-u。
现在假设在x＝0，则入口孔径的面积为A0＝πb2在-x处，出口孔径的面积为A1＝πb2(a2-x2)/a2如果出口孔径在x＝-u(即，恰好在焦点处)处，那么
A1＝πb4/a2由此，孔径比率为A0/A1＝(a/b)2因此，原理上，如果恰当选择椭圆体光收集元件46的参数，可以得到任意孔径比率。对于非常大的比率，a/b非常大，这意味着元件46伸长。实际的限制受到诸如光学收集装置26的整体尺寸、光会聚透镜34的焦距等参数的支配。
如果需要用所有每个光收集元件46和光出口60的最大纵向尺寸d表示光入口58的纵向尺寸D0，并且存在N个元件46，那么每个元件46的光入口孔径62的入口直径为D0/N＝2b。
于是D0/N/d＝a/b＝2aN/D0。
由此，每个光收集元件46的长度为a(N)＝1/2d(D0/N)2其意义在于a(N)/a(1)＝1/N2其意味着根据尺寸将光学收集单元40分割成多于一个光收集元件46是更好的，因为每个元件46的长度随着元件46的数量的平方而减小，并且这提高了整体系统的紧凑性。
例如，如果具有直径100.0mm，焦距100.0mm的会聚透镜34，直径2.0mm的检测器二极管74，并且整个系统的水平角度范围要求为100mrad，那么检测器阵列72在水平范围内必须为100×0.1mm＝10mm(2×b)。如果使用单个椭圆体收集元件46，那么这意味着如果透镜34的焦平面与该孔径相对应，那么元件的入口孔径62＞＝10mm。现在要求这种单个椭圆体收集元件的入口和出口孔径的直径比率为10/2，由上可知，a/b＝5，因为b＝5.0，所以a＝25.0mm。于是，椭圆体收集元件必须具有25mm的半长轴和10.0mm的入口直径(对应于短轴)。
可选的是，如果使用如上所述的总共具有三个椭圆体收集元件46的光学单元40，那么需要每个的入口孔径直径为3.33mm，并且需要将透镜的位置调节为使得在入口孔径处的斑直径＜＝3.33mm。要求出口孔径64的直径为2.0mm，以适应该关联的二极管74，并因此，由上可知，现在a/b为3.33/2.0＝1.67。这意味着a＝1.67×3.33/2＝2.78mm。由此通过使用三个元件而不是一个，得到长度小得多的光学单元40(倍数为9＝32)，得到2.78mm的总有效长度和10.0mm的总有效宽度。
应当注意，本发明可用于从非常大到非常小的尺寸范围的光学单元40，该尺寸可以大到几米，小到几何射线处理无效，通常为被探测的辐射的约10个波长。在波长为～1000nm的红外的情况下，本发明的最小尺寸为～10微米。
对于所述的设置，入射到接收器前表面28的基本所有入射光通过透镜34传输并被导引到光收集元件46上。由于光收集元件46的特殊形式，进入光入口孔径62的基本所有的光在光收集元件46内被内反射，并通过光出口孔径64被从光收集元件46导出检测二极管74上。
因此，本发明提供一种高效率的光学收集装置和系统，并且与检测二极管结合提供一种高效率光学接收器。
应当清楚，在本发明的范围内进行的多种改进是可能的。
例如，尽管将光收集元件的阵列描述为线性阵列，但是其同样可以为栅格或矩阵形式。
另外，可以改变光收集装置26的数量和排列。
尽管将每个单个光收集元件的形式描述为椭圆体形，但是将其取代为使用具有朝向该出口孔径会聚的开口的壁的方形或矩形形状也是可能的。在这种情况下，该壁可以为直边的或弯曲为局部椭圆体形式。
另外，尽管将该开口的壁描述为具有反射涂层，但是它们可以可选的是本身反射的。
权利要求
1.一种光学收集装置，其包括第一级光学会聚装置和第二级光学收集单元，所述第二级光学收集单元具有外壳和在所述外壳内的独立光收集元件的阵列，所述光收集元件的阵列组合地提供光入口和光出口，每个光收集元件具有光入口孔径、光出口孔径和在所述入口孔径和所述出口孔径之间延伸的光收集区域，其中所述光收集区域提供锥形光反射表面，其被设置为将在所述入口孔径接收的光朝向所述出口孔径导引。
2.根据权利要求1的光学收集装置，其中所述光反射表面为椭圆体形。
3.根据权利要求2的光学收集装置，其中所述光出口孔径被设置在所述椭圆体的邻近焦点的前面。
4.根据权利要求1至3中任一项的光学收集装置，其中所述光收集区域包括在所述外壳内形成的开口的壁表面，其在所述入口孔径和所述出口孔径之间延伸，并且其中所述壁表面是反射性的，以提供光反射表面。
5.根据权利要求4的光学收集装置，其中所述壁表面具有金、银、铜和黄铜涂层的至少一种，以提供光反射表面。
6.根据权利要求4或5的光学收集装置，其中所述开口包含透明填充物。
7.根据前述权利要求中任一项的光学收集装置，其中所述光收集元件的阵列是线性或栅格阵列。
8.根据前述权利要求中任一项的光学收集装置，其中所述外壳包括整体的外壳组件，其被形成为具有平行开口的阵列，以提供所述光收集元件的阵列。
9.根据前述权利要求中任一项的光学收集装置，其中所述光学会聚装置包括位于所述外壳前面的至少一个透镜元件，以将光导引到所述光收集元件上。
10.根据权利要求1至8中任一项的光学收集装置，其中所述光入口基本与所述光会聚装置的焦平面共面设置。
11.根据权利要求9或10的光学收集装置，其中所述光会聚元件是球面透镜和菲涅耳透镜之一。
12.根据权利要求9至11中任一项的光学收集装置，还包括在所述光会聚元件上的滤光盖。
13.一种光学收集系统，其包括多个并置的根据前述权利要求中任一项的光学收集装置，以形成延伸的光接收区域。
14.根据权利要求13的光学收集系统，其中所述延伸的光接收区域位于基本圆柱形或球形的光接收壳层上。
15.根据权利要求13或14的光学收集系统，其中每个光学收集装置形成基本圆柱体或球体的对应扇形。
16.一种光学接收器，其包括根据权利要求1至12中任一项的光学收集装置和至少一个检测元件，所述检测元件被设置在所述光出口孔径后面，以检测由所述光学收集装置传输的光。
17.根据权利要求16的光学接收器，其中所述至少一个检测元件包括检测器的阵列，每个所述检测器分别对应于所述光收集元件的阵列的各个光收集元件。
18.一种光学接收器，其包括根据权利要求13至15中任一项的光学收集系统和至少一个检测元件，所述检测元件被分别设置在每个光收集单元的光出口孔径后面，以检测从其传输的光。
19.一种光学接收器，其包括第一级光学会聚装置和第二级光学收集单元，所述第二级光学收集单元具有外壳和在所述外壳内的独立光收集元件的阵列，所述光收集元件的阵列组合地提供光入口和光出口，每个光收集元件具有光入口孔径、光出口孔径和在所述入口孔径和所述出口孔径之间延伸的光收集区域，其中所述光收集区域提供锥形光反射表面，其被设置为将在所述入口孔径处接收的光朝向所述出口孔径导引，并且所述接收器还具有至少一个检测元件，其被设置在所述光出口孔径后面，以检测由所述光学收集单元传输的光。
20.一种通过包含光收集元件的阵列的光学收集装置收集光的方法，所述方法包括，通过光学会聚装置将光导引到所述独立光收集元件的阵列上，使得相当大比例的光进入每个光收集元件的光入口孔径，并且在所述光收集元件的延伸于入口孔径和出口孔径之间的光收集区域内反射光，使得将在所述入口孔径处接收的基本所有的光朝向所述出口孔径导引并从所述出口孔径射出。
全文摘要
本发明提供一种光学收集装置(26)，其包括第一级光学会聚装置(34)和第二级光学收集单元(40)，该第二级光学收集单元(40)具有外壳(42)和在该外壳内的独立光收集元件(46)的阵列。该阵列的光收集元件组合地提供光入口和光出口，每个光收集元件具有光入口孔径(62)、光出口孔径(64)和在该入口孔径和该出口孔径之间延伸的光收集区域(44)。该光收集区域提供设置为将在该入口孔径接收的光朝向该出口孔径导引的锥形光反射表面(66)。本发明还提供一种光学接收器(20)，其包括这种光学收集装置，并具有设置在该光出口孔径后面以检测由该光学收集单元传输的光的至少一个检测元件(24，72，74)。
文档编号H04B10/10GK101014893SQ200580027269
公开日2007年8月8日 申请日期2005年8月4日 优先权日2004年8月12日
发明者P·T·休斯 申请人:莱德威弗技术有限公司