用於收集光學信號的光學裝置的製作方法
2023-05-19 06:15:01 3
專利名稱：用於收集光學信號的光學裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於收集光學信號的光學裝置，以及涉及一種用於收集光學信號的方法。特別是，至少在其優選的形式中，本發明涉及一種用於收集和會聚在相當大角度範圍上接收的自由空間光學信號的裝置。
結合一個或多個適當的檢測器，本發明可以應用於使用自由空間光學信號的通信系統的收發器。然而，本發明並不局限於可見區域，並且本發明的原理可以用於硬紫外(從大約50nm)以上的任意波長。實際上，可能使用的最長波長在釐米波RF段(30-40GHz以上)。在本文的其他地方，應當理解，將本發明設計的傳輸或收集的電磁輻射稱作「光」或「光學的」。
背景技術：
用於各種目的的收集光的裝置是公知的。
然而，已知的裝置存在大量顯著的缺點。特別是，現有技術的裝置通常不能同時從寬的角度範圍有效地收集和會聚光學信號。
當將光學介質用於商業無線通信目的時1.需要儘可能多的信號光到達任何一個或多個光學檢測器，2.必須使外部光的進入最小化，3.為了確保能夠支持高的數據速率，必須使設備中的光學瞬時色散最小化，並且該一個或多個檢測器必須具有儘可能小的傳感區域(以確保小的裝置電容並由此得到快速的響應時間)，4.在許多實際應用中，應當不需要使發射器和檢測器仔細地對準(無論是手工地或自動地)。
5.該檢測器需要儘可能便宜並且空間緊湊。
6.與大多數光學系統不同，原則上，使輸入信號成像不應當是必須的，僅僅是確保它們最終全部照射到儘可能小的空間面積(稱作「非成像系統」)。
這些要求的實際含義是該裝置必須1.對信號光具有最大探測度，即，收集儘可能多的光。實際上，這意味著該裝置必須具有大的輸入孔徑，但卻具有最小限度的整體尺寸。
2.將光傳輸到簡單、低成本、小孔徑、快速的電光檢測器。
3.探測從儘可能寬的角度範圍照射的信號光。
同時實現所述的所有這些特徵對於常規系統即使可能也是困難的。例如，考慮下面如圖1所示的常規光學系統。
會聚透鏡如圖1b所示，會聚透鏡10(如下面的圖1a所示的薄球面或菲涅耳形式)聚集從給定方向照射到其前孔徑12的光並將其聚焦到彎曲像平面P(對於平行入射射線，該透鏡後距離f)上的小點F(零尺寸原理)。然而，來自不同方向(例如，從x軸以下Δθ)的光線被聚焦到像平面的分離點，該偏差為Δz～fΔθ。顯然，為了避免多重檢測器或者不得不移動檢測器，該檢測器尺寸必須小於Δz，並且由此該角度探測性被限定在+/-tan-1(Δz/f)的範圍。[對於Δz＝1mm和f＝100mm，這意味著固定檢測器的該角度探測性僅為+/-0.6弧度]。
拋物線反射鏡拋物線反射鏡14(示於圖1c和1d中)具有與會聚透鏡類似的特性，並且對角度範圍和探測性有類似的約束。
反射管內反射圓柱形反射鏡(「光管」)16擅長接收和傳輸來自寬角度範圍的光，但是沒有會聚效果。從該管射出的射線具有與進入該管的射線基本相同的空間和角度分布，如圖1e所示的，其示出了穿過光管的垂直截面。
圓錐形反射表面可以想像，為了改進圓柱形光管的會聚效果，僅需要使光管的直徑隨著沿其軸向的距離變小，如圖1f所示的圓錐形或「喇叭」反射鏡18。然後，進入錐體較大孔徑的任何光會連續地被「壓縮」為從所需要的較小孔徑射出。實際上並不總是這樣的情況。根據該錐體的半角(Ψ)，實際上或多或少的光在到達較小孔徑之前被反射回去從該錐體射出-如圖1f所示的。
為了降低因反射造成的退回的可能性，角度Ψ必須小。然而，對於給定的探測度，這或者使該錐體非常長，或者增大了輸出孔徑的尺寸-由此降低了該幾何體的會聚能力。當然，在極限Ψ→0的情況下，該錐體變為非會聚管。
總之，會聚透鏡和拋物線反射鏡光學系統對收集光是非常有效的。然而，其對光的角度探測性是非常定向的。使用這些類型的光學元件的實用系統需要仔細(手工或自動)對準，以便收集從多個角度範圍照射的光。相比之下，諸如圓錐形反射器的不具有特別的方向探測性的光學系統對收集光也不特別有效。
發明內容
本發明試圖克服現有技術的上述缺點。
根據本發明提供一種光學收集裝置，其包括第一級光學會聚裝置和第二級光學收集單元，所述第二級光學收集單元具有外殼和在所述外殼中的獨立光收集元件的陣列，所述光收集元件陣列組合地提供光入口和光出口，每個光收集元件具有光入口孔徑、光出口孔徑和在所述入口孔徑和所述出口孔徑之間延伸的光收集區域，其中所述光收集區域包括錐形光反射表面，其被設置為將在所述入口孔徑接收的光朝向所述出口孔徑導引。
所述光會聚裝置可以由單個透鏡元件或多個透鏡元件構成。
所述光學會聚裝置可以設置在外殼的前面，用於將光導引到所述獨立光收集元件上，這種光會聚裝置例如包括球面或菲涅耳透鏡。
優選，所述光收集元件的陣列的光入口基本與所述一個透鏡元件或所述多個透鏡元件的焦平面，即像平面，共面。
所述光學收集裝置還可以包括提供在所述光學會聚裝置上的濾光蓋。
所述光學會聚裝置的效果是在其焦平面內在所述光學收集單元的所述光入口孔徑處形成圖像。然後所述光學收集元件對從所述光學會聚裝置接收的聚焦光進行採樣。
在本發明的優選形式中，所述光學收集單元包括整體外殼，其被形成有從所述光入口向所述光出口延伸的橢圓體形開口的陣列，並且每個開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過反射塗層獲得，或者所述壁表面可以是由於其為金屬，例如，黃銅，並且被加工成形而引起的固有反射。
例如，所述外殼可以形成有平行開口的線性陣列，每個開口為橢圓體形式。所述開口可以為在所述外殼內的空腔，或者可以包含透明介質材料的填充物。在後一情況下，所述介質材料的折射率有利地選擇為提高光傳輸效率。
優選，使多個光學收集裝置並置，以形成延伸的光接收區域。在下面描述的本發明的優選形式中，每個這種光學收集裝置為大體圓柱體或球體的對應扇形的形式。
在這種情況下，還優選單個光會聚裝置與多個光學收集裝置重疊。
在下面描述的優選實施例中，本發明的特徵是，所述光會聚裝置包括會聚元件，其具有設置在每個光收集元件的所述光入口孔徑前面一段短距離處的焦平面。這確保來自所述光會聚元件的光進入所述光收集元件，並且對於所述光收集裝置的效率是有利的。
通過提供設置在所述獨立光收集元件的光出口孔徑後面的至少一個檢測元件以檢測由所述光學收集裝置傳輸的光，本發明的光學收集裝置可以用作光學接收器。例如，可以與所述光收集元件的所述光出口孔徑相鄰地提供檢測器的陣列，其每個分別與所述光收集元件的陣列的各個對應。在這種情況下，所述檢測器的陣列可以有效地用作連續光檢測表面。
因此，根據本發明的另一方面，提供一種光學接收器，其包括第一級光學會聚裝置和第二級光學收集單元，所述第二級光學收集單元具有外殼和在所述外殼內的獨立光收集元件的陣列，所述陣列的光收集元件組合地提供光入口和光出口，每個光收集元件具有光入口孔徑，光出口口徑，以及在所述入口孔徑和所述出口孔徑之間延伸的光收集區域，其中所述光收集區域包括錐形光反射表面，其被設置為將在所述入口孔徑處接收的光朝向所述出口孔徑導引，並且所述接收器還包括設置在所述光出口孔徑後面的至少一個檢測元件，以檢測由所述光學收集單元傳輸的光。
通過實例，參考附圖對本發明作進一步描述，其中圖1a和1b是會聚透鏡形式的常規光學系統的示意圖；圖1c和1d是拋物線反射鏡形式的常規光學系統的示意圖；圖1e是反射管形式的常規光學系統的示意圖；圖1f是圓錐形反射表面形式的常規光學系統的示意圖；圖2是根據本發明穿過包含光學收集系統的光學接收器的示意性截面圖；圖3是穿過示於圖2的系統的各個光學收集裝置的示意性截面圖；圖4a、4b和4c分別是圖3的裝置的光學收集單元的側視圖、端視圖和俯視圖；圖5是示出了單元的光收集元件收集光的方式的圖4的光學收集單元的各個光收集元件的詳細視圖；以及圖6是用於解釋圖5的光收集元件的某些參數的橢圓體的圖示。
具體實施例方式
首先參考圖2，描述根據本發明的包含光學收集系統的接收器。圖2示出了包含光學收集系統22和探測系統24的光學信號接收器20。光學收集系統22包括一組光學收集裝置26，在這種情況下為五個這種裝置，其並列在一起以形成用於接收入射光的延伸表面區域28。在本實例中，每個光學收集裝置26的截面為圓的扇形形狀，並且這五個裝置26配合在一起具有半圓形截面30。一般地說，每個扇形的角度為360/(2N)，其中N是光學收集裝置26的數量。
所有光學收集裝置26是相同的，並因此僅描述其中之一。
如圖2和3所示，各個光學收集裝置26具有用於接收入射光的前表面32。光會聚元件34形式的第一級光學會聚裝置被設置在入射光表面32處並被濾光蓋36保護。光會聚元件34可以為球面透鏡或圓形菲涅耳透鏡形式，並且用於將由光學收集裝置26接收的基本平行的入射光線聚焦到第二級光學收集單元40的前表面38附近的焦平面P處。光學收集單元40包括整體的外殼42，其由多個開口44形成，所述開口44提供獨立光收集元件46的陣列。
外殼42最好在圖4a至4c中觀察，由此可以清楚地看到外殼42具有大致矩形的前表面48，大致矩形的後表面50，方形截面52和會聚側表面54。該後一特徵使各個光學收集裝置26相鄰接並為前述扇形形式。前表面48具有中央插口56，並且每個開口44恰好從該插口56向後表面50穿過外殼42延伸。由此插口56將光入口58提供到該光收集元件的陣列，並且由此後表面50提供光出口60。
光收集元件46的開口44彼此相鄰設置，並且為傳輸光提供穿過外殼42的通道。每個開口44具有在與光入口58相對應的其一端處的光入口孔徑62和與光出口60相對應的其一端處的光出口孔徑64。本實施例中的光收集元件46形成穿過外殼42的線性陣列，並且各個光收集元件46的光入口孔徑62穿過表面56彼此緊鄰排列，以確保入射到光入口58的相當大量的光進入光收集元件46。另外，此處將開口44和光入口和出口孔徑62、64示出為圓形，但是應當理解，可以使用方形或矩形橫截面以提高光收集單元40的前表面48的光收集效率。
與每個收集元件46的入口孔徑62相關的光會聚透鏡34的焦平面P的位置決定了在入口孔徑62上聚焦的光的「點尺寸」。如果該點尺寸大於入口孔徑62的面積，那麼根據定義，周邊的光損耗了。由此，為了確保對入射光的最大探測度，必須將焦平面P定位為使得在與入口孔徑62相交的平面內來自透鏡34的會聚光線的橫截面積必須小於入口孔徑62的物理尺寸。
可以看到，外殼42內的每個開口44沿從光入口58到光出口60延伸的方向具有錐形特徵。該錐形特徵是本發明的重要特徵，並且參考圖5進行進一步描述。
圖5示出了外殼42內的兩個光收集元件46。如圖所示，每個開口44為橢圓體形式，其提供了限定光收集元件46的橢圓體壁表面66。壁表面66塗覆有金、銀、銅或黃銅的反射塗層，以提供鏡面表面光潔度。由此，進入開口44的光在光收集元件46內被光反射表面66反射。將具有選擇用於提高效率的折射率的透明介質材料的填充物68提供在開口44內，並且外殼42的前表面48的插口56允許容納這種透明填充材料。
如上所述，每個開口44為橢圓體形狀，並且具有與光入口58相對應較寬的前孔徑62，其為光收集元件46提供光入口孔徑，以及與外殼42的光出口60相對應的較窄的後孔徑64，其為光收集元件46提供光出口孔徑。應當注意，孔徑64距橢圓體的頂點一定距離設置，以便為光提供足夠的面積以射出光收集元件46。孔徑64還定位在橢圓體這端的焦點70的前面，以便幫助光朝向出口孔徑64反射，而不是朝向入口孔徑62反射回去，由此提高效率。
因此，進入光收集元件46的所有光的相當大部分在光反射表面66處被內反射，並在光出口孔徑64處射出。如下面所述，該特徵對確保光收集元件46內的光散射最小化以及通過光出口孔徑64有效地收集和傳輸光是重要的。
然而，先回到前面的圖2和3，接收器20還包括檢測器系統24，其為為每個光學探測裝置26提供的各個檢測器陣列72的形式。每個這種檢測器陣列72包含安裝在外殼42的後表面50上的一組分立的二極體74，使得各個二極體74疊加在相關的光收集元件46之一的光出口孔徑64上。
根據每個光學收集元件46的入口孔徑62和出口孔徑64的關係，並根據出口孔徑64與橢圓體焦點70的相對位置，在製造特定光學收集裝置26中包含多個設計考慮事項，其可以參考圖6進行解釋。
首先，希望入口孔徑62相對於出口孔徑64儘可能大、並且出口孔徑64具有比入口孔徑62小得多的面積，以便光收集元件46對光具有最大探測度，即，收集儘可能多的光，並且能夠將該光聚焦到小的低成本的電光檢測器上。出口孔徑64的尺寸依賴於其沿橢圓體主軸的定位(x)。使出口孔徑64更靠近入口孔徑62設置將意味著出口孔徑64較大，而使出口孔徑64更遠離將意味著其較小。
其次，為了檢測的目的，希望穿過入口孔徑62的同等量的光也穿過出口孔徑64。出口孔徑64相對於焦點70的位置對其有影響。如果出口孔徑64的位置距入口孔徑62比距橢圓體的焦點70更遠，則很可能光會在橢圓體的相對壁部分之間反射，並最終反射回來通過入口孔徑62從光收集元件46射出。這意味著檢測效率的降低。
因此，為了保證最大孔徑面積比和最小反射損耗，出射孔徑64的最佳位置是在焦點70處或恰好在焦點70前面。
為了理解孔徑面積比怎樣隨著橢圓體的尺寸而改變，考慮橢圓體方程(x/a)2+(y/b)2＝1其中a和b分別是橢圓體沿x和y軸的最大尺寸(參見圖6)。
橢圓體焦點的位置可以表示為x=+/-(a2+b2)]]>將其稱作+/-u。
現在假設在x＝0，則入口孔徑的面積為A0＝πb2在-x處，出口孔徑的面積為A1＝πb2(a2-x2)/a2如果出口孔徑在x＝-u(即，恰好在焦點處)處，那麼
A1＝πb4/a2由此，孔徑比率為A0/A1＝(a/b)2因此，原理上，如果恰當選擇橢圓體光收集元件46的參數，可以得到任意孔徑比率。對於非常大的比率，a/b非常大，這意味著元件46伸長。實際的限制受到諸如光學收集裝置26的整體尺寸、光會聚透鏡34的焦距等參數的支配。
如果需要用所有每個光收集元件46和光出口60的最大縱向尺寸d表示光入口58的縱向尺寸D0，並且存在N個元件46，那麼每個元件46的光入口孔徑62的入口直徑為D0/N＝2b。
於是D0/N/d＝a/b＝2aN/D0。
由此，每個光收集元件46的長度為a(N)＝1/2d(D0/N)2其意義在於a(N)/a(1)＝1/N2其意味著根據尺寸將光學收集單元40分割成多於一個光收集元件46是更好的，因為每個元件46的長度隨著元件46的數量的平方而減小，並且這提高了整體系統的緊湊性。
例如，如果具有直徑100.0mm，焦距100.0mm的會聚透鏡34，直徑2.0mm的檢測器二極體74，並且整個系統的水平角度範圍要求為100mrad，那麼檢測器陣列72在水平範圍內必須為100×0.1mm＝10mm(2×b)。如果使用單個橢圓體收集元件46，那麼這意味著如果透鏡34的焦平面與該孔徑相對應，那么元件的入口孔徑62＞＝10mm。現在要求這種單個橢圓體收集元件的入口和出口孔徑的直徑比率為10/2，由上可知，a/b＝5，因為b＝5.0，所以a＝25.0mm。於是，橢圓體收集元件必須具有25mm的半長軸和10.0mm的入口直徑(對應於短軸)。
可選的是，如果使用如上所述的總共具有三個橢圓體收集元件46的光學單元40，那麼需要每個的入口孔徑直徑為3.33mm，並且需要將透鏡的位置調節為使得在入口孔徑處的斑直徑＜＝3.33mm。要求出口孔徑64的直徑為2.0mm，以適應該關聯的二極體74，並因此，由上可知，現在a/b為3.33/2.0＝1.67。這意味著a＝1.67×3.33/2＝2.78mm。由此通過使用三個元件而不是一個，得到長度小得多的光學單元40(倍數為9＝32)，得到2.78mm的總有效長度和10.0mm的總有效寬度。
應當注意，本發明可用於從非常大到非常小的尺寸範圍的光學單元40，該尺寸可以大到幾米，小到幾何射線處理無效，通常為被探測的輻射的約10個波長。在波長為～1000nm的紅外的情況下，本發明的最小尺寸為～10微米。
對於所述的設置，入射到接收器前表面28的基本所有入射光通過透鏡34傳輸並被導引到光收集元件46上。由於光收集元件46的特殊形式，進入光入口孔徑62的基本所有的光在光收集元件46內被內反射，並通過光出口孔徑64被從光收集元件46導出檢測二極體74上。
因此，本發明提供一種高效率的光學收集裝置和系統，並且與檢測二極體結合提供一種高效率光學接收器。
應當清楚，在本發明的範圍內進行的多種改進是可能的。
例如，儘管將光收集元件的陣列描述為線性陣列，但是其同樣可以為柵格或矩陣形式。
另外，可以改變光收集裝置26的數量和排列。
儘管將每個單個光收集元件的形式描述為橢圓體形，但是將其取代為使用具有朝向該出口孔徑會聚的開口的壁的方形或矩形形狀也是可能的。在這種情況下，該壁可以為直邊的或彎曲為局部橢圓體形式。
另外，儘管將該開口的壁描述為具有反射塗層，但是它們可以可選的是本身反射的。
權利要求
1.一種光學收集裝置，其包括第一級光學會聚裝置和第二級光學收集單元，所述第二級光學收集單元具有外殼和在所述外殼內的獨立光收集元件的陣列，所述光收集元件的陣列組合地提供光入口和光出口，每個光收集元件具有光入口孔徑、光出口孔徑和在所述入口孔徑和所述出口孔徑之間延伸的光收集區域，其中所述光收集區域提供錐形光反射表面，其被設置為將在所述入口孔徑接收的光朝向所述出口孔徑導引。
2.根據權利要求1的光學收集裝置，其中所述光反射表面為橢圓體形。
3.根據權利要求2的光學收集裝置，其中所述光出口孔徑被設置在所述橢圓體的鄰近焦點的前面。
4.根據權利要求1至3中任一項的光學收集裝置，其中所述光收集區域包括在所述外殼內形成的開口的壁表面，其在所述入口孔徑和所述出口孔徑之間延伸，並且其中所述壁表面是反射性的，以提供光反射表面。
5.根據權利要求4的光學收集裝置，其中所述壁表面具有金、銀、銅和黃銅塗層的至少一種，以提供光反射表面。
6.根據權利要求4或5的光學收集裝置，其中所述開口包含透明填充物。
7.根據前述權利要求中任一項的光學收集裝置，其中所述光收集元件的陣列是線性或柵格陣列。
8.根據前述權利要求中任一項的光學收集裝置，其中所述外殼包括整體的外殼組件，其被形成為具有平行開口的陣列，以提供所述光收集元件的陣列。
9.根據前述權利要求中任一項的光學收集裝置，其中所述光學會聚裝置包括位於所述外殼前面的至少一個透鏡元件，以將光導引到所述光收集元件上。
10.根據權利要求1至8中任一項的光學收集裝置，其中所述光入口基本與所述光會聚裝置的焦平面共面設置。
11.根據權利要求9或10的光學收集裝置，其中所述光會聚元件是球面透鏡和菲涅耳透鏡之一。
12.根據權利要求9至11中任一項的光學收集裝置，還包括在所述光會聚元件上的濾光蓋。
13.一種光學收集系統，其包括多個並置的根據前述權利要求中任一項的光學收集裝置，以形成延伸的光接收區域。
14.根據權利要求13的光學收集系統，其中所述延伸的光接收區域位於基本圓柱形或球形的光接收殼層上。
15.根據權利要求13或14的光學收集系統，其中每個光學收集裝置形成基本圓柱體或球體的對應扇形。
16.一種光學接收器，其包括根據權利要求1至12中任一項的光學收集裝置和至少一個檢測元件，所述檢測元件被設置在所述光出口孔徑後面，以檢測由所述光學收集裝置傳輸的光。
17.根據權利要求16的光學接收器，其中所述至少一個檢測元件包括檢測器的陣列，每個所述檢測器分別對應於所述光收集元件的陣列的各個光收集元件。
18.一種光學接收器，其包括根據權利要求13至15中任一項的光學收集系統和至少一個檢測元件，所述檢測元件被分別設置在每個光收集單元的光出口孔徑後面，以檢測從其傳輸的光。
19.一種光學接收器，其包括第一級光學會聚裝置和第二級光學收集單元，所述第二級光學收集單元具有外殼和在所述外殼內的獨立光收集元件的陣列，所述光收集元件的陣列組合地提供光入口和光出口，每個光收集元件具有光入口孔徑、光出口孔徑和在所述入口孔徑和所述出口孔徑之間延伸的光收集區域，其中所述光收集區域提供錐形光反射表面，其被設置為將在所述入口孔徑處接收的光朝向所述出口孔徑導引，並且所述接收器還具有至少一個檢測元件，其被設置在所述光出口孔徑後面，以檢測由所述光學收集單元傳輸的光。
20.一種通過包含光收集元件的陣列的光學收集裝置收集光的方法，所述方法包括，通過光學會聚裝置將光導引到所述獨立光收集元件的陣列上，使得相當大比例的光進入每個光收集元件的光入口孔徑，並且在所述光收集元件的延伸於入口孔徑和出口孔徑之間的光收集區域內反射光，使得將在所述入口孔徑處接收的基本所有的光朝向所述出口孔徑導引並從所述出口孔徑射出。
全文摘要
本發明提供一種光學收集裝置(26)，其包括第一級光學會聚裝置(34)和第二級光學收集單元(40)，該第二級光學收集單元(40)具有外殼(42)和在該外殼內的獨立光收集元件(46)的陣列。該陣列的光收集元件組合地提供光入口和光出口，每個光收集元件具有光入口孔徑(62)、光出口孔徑(64)和在該入口孔徑和該出口孔徑之間延伸的光收集區域(44)。該光收集區域提供設置為將在該入口孔徑接收的光朝向該出口孔徑導引的錐形光反射表面(66)。本發明還提供一種光學接收器(20)，其包括這種光學收集裝置，並具有設置在該光出口孔徑後面以檢測由該光學收集單元傳輸的光的至少一個檢測元件(24，72，74)。
文檔編號H04B10/10GK101014893SQ200580027269
公開日2007年8月8日 申請日期2005年8月4日 優先權日2004年8月12日
發明者P·T·休斯 申請人:萊德威弗技術有限公司