[发明专利]一种用于短距离无线光通信的大相对孔径光学接收天线

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学接收天线，尤其涉及一种用于短距离无线光通信的大相对孔径光学接收天线。

背景技术

无线光通信，是以光波为载体在真空和大气中传递信息的通信技术，可分为大气光通信、卫星间光通信和星地光通信。这是一种以光束为信息载体的无线通信技术，可提供数据信息的点对点或点对多点无线高速连接。无线光通信中的信息在空气介质或真空中传播，不需要光纤，因此无线光通信技术也常称为虚拟光纤（virtual fiber）通信技术。无线光通信既具有微波通信成本低、工程周期短、架设灵活便捷的特点，又具有光纤通信频带宽、速率高、容量大、保密性好、功耗小、重量轻的优点。因此，无线光通信意义重大而深远，其不但可将地面上的各类通信融为一体，而且在近空，乃至将来人类进入宇宙深空的通信也要采用该技术。

无线光通信系统主要由激光光源系统，发射系统，接收系统以及大气信道组成。系统的工作原理是：发射系统将经过处理的电信号调制到光载波上，然后通过光学发射天线使其成为平行光束并在大气中发送至对准的光学接收天线。光信号经大气信道传输到达接收系统，光学接收天线将接收到的光信号聚焦后送至光电探测器进行光电转换，经放大恢复成原来的电信号。光学发射天线的主要功能是压缩光束发散角，对光束进行扩束和准直。光学接收天线的作用是尽可能多地接收包含信号光在内的自由空间的微弱光辐射，然后被探测器所检测并转换成电信号。

高速光电探测器的光敏面一般较小，灵敏度也较低，需要光学接收天线将光束聚焦成较小的光斑以接收到更多光能。因此光学接收天线实际上就是一个激光聚焦镜头。在本发明涉及的系统中采用多发射天线多接收天线的运动交替式多点对多点的传输方式，此系统中发射天线的激光方向垂直于接收天线。但每个发射天线在一个圆周上运动一定范围时，就要求接收天线能够一直接收到光信号并且汇聚到高速光电探测器光敏面上。

发明内容

本发明目的在于提供一种大相对孔径折射式光学接收天线，能够保证尽可能多地接收光能量。

本发明的技术方案为：一种用于短距离无线光通信的大相对孔径光学接收天线，从光束入射方到光束出射方依次包括三个透镜，其特征在于，所述的第一透镜是正光焦度的双凸透镜，所述的第二透镜是正光焦度的弯月透镜，凸面朝向光束入射方，所述的第三透镜是负光焦度的双凹透镜。

所述接收天线的入瞳直径D≥2l+d₀，其中，l为入射光束的位移，d₀为入射光束的直径。

所述第一透镜的通孔孔径与入瞳直径一致。即入瞳直径D在数值上应等于第一透镜的通光孔径。

所述接收天线的有效焦距f≤d/(2tgθ)，其中，d为出射光束聚焦的光电探测器光敏面直径，θ为接收天线的最大视场角。θ即为入射光束相对于接收天线光轴的最大允许偏转角。

所述接收天线满足以下关系式：f<f₁<f₂<2f<|f₃|<3f

其中，f为接收天线的有效焦距，f₁为第一透镜的有效焦距，f₂为第二透镜的有效焦距，|f₃|为第三透镜有效焦距的绝对值。

所述接收天线相对孔径的范围是1：1.35到1:1。相对孔径为D/f，D为接收天线的入瞳直径，f为接收天线的有效焦距。

所述θ值的范围为±0.1°。

所述接收天线的三个透镜位置固定。

所述接收天线接收入射光束聚焦后的出射光束为固定不动。

所述接收天线接收的入射光束为固定不动或绕光轴圆周运动。

本发明接收天线能够有效聚焦入射光束，当入射光束平行于该接收天线光轴并沿垂直光轴方向在有效孔径内移动时，接收天线固定不动，且能将入射光束90%以上的能量聚焦。当入射光束相对于光轴偏转0.1°时，接收天线将至少50%的光能量聚焦。从而解决了高速光电探测器光敏面较小，灵敏度较低的问题。

附图说明

通过下面结合附图对其示例性实施例进行的描述，本发明上述特征和优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1是本发明的接收天线在入射光束为全孔径106mm下的光线追迹图；

图2是本发明的接收天线在入射光束为全孔径106mm下0视场的成像光斑图；

图3是本发明的接收天线在入射光束为全孔径106mm下全视场（0.1°视场角）的成像光斑图；