CN102520492A - 一种用于近距离自由空间光通信的光学接收聚焦镜头 - Google Patents
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Abstract
一种用于光通信的光学聚焦镜头，包括依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，其中所述的第一透镜是平面朝向光电探测器的平凸透镜，所述的第二透镜是凹面朝向光电探测器的弯月透镜，所述的第三透镜是凹面朝向光电探测器的平凹透镜，入射光束依次通过第一透镜、第二透镜和第三透镜汇聚到光电探测器有效探测面上。当入射光束平行于该聚焦透镜光轴并沿垂直光轴方向在该聚焦透镜有效孔径内运动时，该聚焦透90％以镜能将入射光束上的能量聚焦到直径为100微米的圆内。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学聚焦镜头，尤其涉及一种用于近距离自由空间光通信的光学接收聚焦镜头。
背景技术
自由空间激光通信(Free Space Optics，简称FSO)，是一种通过激光在无需光纤的情况下实现点对点，点对多点或多点对多点间的语音、图象和数据信息的通信技术。虽然FSO通信不需要光纤而是以空气为介质，但由于其设备使用和光纤通信相似的激光发射器和接收器，因此又有“虚拟光纤通信”之称。FSO具有传输速率高，无需申请频段许可，成本低，抗干扰性强，传输保密性好，组网方便灵活等特点，广泛应用于移动通信基站互连，多用户局域网延伸，企业、公司、院校、银行和军队等的网络互连以及各种临时网络的数据、图像和语言信息的无线传输。
自由空间激光通信的原理是：受调制的信号通过功率驱动电路使激光器发光，这样载有信号的激光通过光学发射镜头发射出去，由大气信道传输到另一端的激光通信机的光学接收镜头上，光学接收镜头将收集到的光信号汇聚到光电探测器上，将光信号转换成电信号，再将电信号放大，处理。发射光学镜头的作用是压缩光束发射角，对光束进行准直和扩束；光学接收镜头的作用是将从远处传来的已被调制的光束汇聚到光电探测器的有效接收面上。由于高速光电探测器的有效接收面大小普遍比较小，尺寸在几百微米左右甚至更小，灵敏度也较低，因此需要接收镜头将接收到的光束聚焦成较小的光斑以让光电探测器接收到最多的能量。
通常的空间激光通信系统中，光学发射镜头和光学接收镜头是固定或相对固定的，但本发明中光学接收聚焦镜头的设计是针对发射光束垂直于光学接收镜头进行一定范围内的运动，光学接收镜头固定不动的情况，并在此运动情况下实现较小光斑的汇聚。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于在发射光束垂直于光线传播方向进行一定范围内的直线运动，光学接收镜头固定不动的情况下进行光通信的聚焦镜头。该发射光束的光束直径是7mm，光束发散角是3mrad，发射光束出射端与聚焦镜头的距离不大于0.5米，光电探测器的有效接收面直径是0.5mm，该聚焦镜头能使光电探测器接收到50％以上的光能量。
实现本发明的技术手段是，一种用于近距离自由空间光通信的光学接收聚焦镜头，包括依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，其中，所述的第一透镜是平面朝向光电探测器的平凸透镜，所述的第二透镜是凹面朝向光电探测器的弯月透镜，所述的第三透镜是凹面朝向光电探测器的平凹透镜，入射光束依次通过第一透镜、第二透镜和第三透镜汇聚到光电探测器有效探测面上。
如上所述的一种用于近距离自由空间光通信的光学接收聚焦镜头，其中，所述用于近距离自由空间光通信的光学接收聚焦镜头的焦距是150mm。
如上所述的一种用于近距离自由空间光通信的光学接收聚焦镜头，其中，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的参数是：
在优选的实施方式中，所述聚焦镜头的每一片透镜的表面均镀增透膜。
在优选的实施方式中，所述入射光的波长是850nm。
所述入射光束平行于该聚焦透镜光轴并沿垂直光轴方向在其有效孔径(第一透镜的有效接收面积，为表面半径55mm的范围除去外围压板遮挡的范围，此处是半径53mm的范围)内运动时，该聚焦透镜能将入射光束90％以上的能量聚焦到光电探测器的有效探测面上。
上述聚焦透镜在入射光束偏转0.1度之后，还能将光束聚焦到光电探测器的有效接收面上。
虽然本发明优选的实施方式中的入射光的波长是850nm，但给聚焦镜头的每一片透镜的表面镀上针对波长为1310nm或1550nm的增透膜后，调整光电探测器的接收位置后，该聚焦镜头一样可以应用于波长为1310nm或1550nm的光通信系统。
虽然本发明优选的实施方式中的光学接收镜头的直径是固定的，但针对不同的发射光束的直径和发射光束的运动范围，只要接收镜头的直径大于发射光束的运动范围与发射光束的直径之和即可。
虽然本发明优选的实施方式中的光学接收聚焦镜头是针对发射光束垂直于光学传播方向进行一定范围内的直线运动而设计的，但此光学接收聚焦镜头同样可以用于发射光束相对固定时的自由空间光通信。
附图说明
图1到图5是本发明中入射光束在相对聚焦透镜不同位置处时的光线追迹图；
图6是本发明中入射光束在相对聚焦透镜不同位置处时的成像点的弥散斑图；
图7到图11是本发明中入射光束在相对聚焦透镜不同位置处时的能量集中度图；
图12到图16是本发明中入射光束在相对聚焦透镜不同位置处时光电探测器探测面上的物理光学传播能量分布图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。
本实施方式中的聚焦镜头，如图1所示，包括沿入射光方向依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3，第一透镜L1是平面朝向光电探测器的平凸透镜，第二透镜L2是凹面朝向光电探测器的弯月透镜，第三透镜L3是凹面朝向光电探测器的平凹透镜。
作为较佳的实施方式，该聚焦镜头的焦距f是150mm，入射光波长是850nm，入射光束直径7mm，入射光束发散角3mrad，光电探测器有效探测面直径0.5mm。图1到图5是入射光束相对于聚焦透镜不同位置处的光线追迹图，分别对应入射光束的中心位于Y＝48mm，Y＝30mm，Y＝0mm，Y＝-30mm，Y＝-48mm处，透镜中心位于Y＝0mm处。
对每个透镜参数进行了如下选择，作为最优实施方式：
图6是入射光束在相对聚焦透镜不同位置处时的成像点的弥散斑图，图中从上到下的光斑依次对应入射光束中心位于Y＝-48mm，Y＝30mm，Y＝0mm，Y＝30mm，Y＝48mm时的成像点弥散斑，图中大圆表示Airy斑大小。由图6可以看出，成像点的几何光斑已经远小于Airy斑大小，已经达到衍射极限。
图7到图11是入射光束在相对聚焦透镜不同位置处时的能量集中度图，从图中可以看出，透镜将光束90％以上的能量集中在半径50微米的圆内。
图12到图16是本发明中入射光束在相对聚焦透镜不同位置处时光电探测器探测面上的物理光学传播能量分布图，每个位置处，直径为0.5mm的探测器可以接收到99％以上的入射光能量。
以上仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种用于近距离自由空间光通信的光学接收聚焦镜头，包括依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，其特征在于：所述的第一透镜是平面朝向光电探测器的平凸透镜，所述的第二透镜是凹面朝向光电探测器的弯月透镜，所述的第三透镜是凹面朝向光电探测器的平凹透镜，入射光束依次通过第一透镜、第二透镜和第三透镜汇聚到光电探测器有效探测面上。
2.根据权利要求1所述的一种用于近距离自由空间光通信的光学接收聚焦镜头，其特征在于，所述用于近距离自由空间光通信的光学接收聚焦镜头的焦距是150mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于近距离自由空间光通信的光学接收聚焦镜头，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的参数是：
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