[发明专利]用于光通信信号的均匀化的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于使来自分立光源的光辐射均匀化的光学装置及方法。特别是，本发明涉及一种用于从光发射器提供均匀输出的光学装置和方法。

本发明，至少在其优选形式中，提供用于使自由空间的辐射均匀化和受控准直，所述自由空间的辐射源自一个或多个嵌入的分立光辐射源(例如，发光二极管(LED)或激光器)。

本发明，结合分立LED或激光器元件，可以应用于通信系统的发射器，所述通信系统使用在自由空间光辐射上承载的信号。然而，本发明并不局限于可见光区域，而是本发明的原理可以应用于从硬紫外(从大约50nm)以上的任意波长。实际上，可能使用的最长波长在mm-波RF带(100GHz以上)。应当理解，在本文的其他地方，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

当将光学介质用于商业无线通信目的时：

1.应当将光源产生的信号光尽可能多地通过发射器按照明确限定的辐射图形传送到自由空间。相反，在光从发射器出射之前，发射器系统应当吸收尽可能少量的光源产生的光。

2.为了确保能够支持高速据传输率，应当使设备中的光学时间色散最小化。

3.为了以高速率传输数据，必须非常快地对光源进行调制(实际上在皮秒(ps)的10’s至纳秒(ns)的10’s的量级)。如果所述光源或每个光源在物理上较小(确保低的装置电容，并由此具有快速的响应时间)，这更容易实现。如此小的光源可能不具有所需要的角度辐射或通信系统所要求的物理尺寸特性。

4.希望的是能够利用所选择的光源，而与其固有的辐射图形无关。

5.光源和相关光学器件应当尽可能简单、便宜和空间紧凑。

6.应当避免在传输图形中的“盲点”以及由此产生的对接收器定位的问题。

7.发射器辐射图形应当被明确限定并且容易控制。

8.在高数据传输速率的应用中，希望的是使从电子元件到光源的信号路径长度最小化。因此，优选将光源非常靠近电子元件地安装在印刷电路板(PCB)上，并避免在光源和PCB之间使用信号线。

实际上，为了满足所有这些要求，需要将用于产生通信信号的光学装置设计为：

1.将各个分立光源的功率合成。

2.以明确限定的均匀功率密度角度图形发射基本100％的可用功率。

3.对于所有出射光线包含尽可能短的光线路径长度(即，最小量的反射)。

4.尽可能简单、紧凑和便宜地制造。

现有技术

为了各种目的将来自多个分立光源的光合成、使光准直(即，控制或改变出射辐射的角度分布图形)和均匀化所述光(在空间区域上提供均匀的或各向同性的照明)的装置是已知的。

然而，已知的装置存在多个显著的缺点，并且通常不能同时提供两个或更多个上述特征。特别是，现有技术的装置倾向于存在下面一个或更多个缺点：

1.角度辐射图形的有限控制/方向性。非常常见的，实际的光源具有比在理想发射器中所需要的更小的角度图形。

2.缺乏效率。功率常常在准直中损耗。

3.由于分立光源的使用而造成各向异性(不均匀)。希望的是在通信应用中确保在给定区域上所发射的辐射尽可能均匀，因为这避免了对接收器定位的问题。

4.由于多次反射引起的不良时间色散。为了避免高数据传输速率信号的失真，希望的是具有尽可能少的内反射。

5.高成本/复杂性。

例如，如图1a-d所示，考虑下面简单的常规光学系统及其在通信领域中的使用。

漫射器

漫射器是从一个或多个分立光源10实现均匀照明的典型方式。这通过使从光源10发射的光穿过滤光屏12，例如，毛玻璃片，来实现，所述滤光屏12使辐射同时散射到许多不同的方向。这在图1a中示出，其中示出了安装在PCB 10a上的单个光源10。然而，难以控制功率发射效率和角度辐射图形的限定。

准直器

准直器使用一个或多个不透明屏14，其每一个具有明确限定形状的孔径16，将屏14设置为使得孔径16的中心共线。这些孔径16使来自某一方向范围的光线出射，而所有其他光线被屏14吸收，如图1b所示。这削减了角度范围而不影响均匀性。

准直器14通常用于与漫射器12结合以限定从滤光屏12出射的光的角度图形。所述设置的主要问题仍然在于效率：光源10产生的大量出射辐射可能被屏材料吸收。

透镜