可见光通信系统空间复用式全息阵列接收天线的设计方法
【专利摘要】本发明提出一种应用在可见光通信领域中的空间复用式全息阵列接收天线的设计方法，本设计选择共轴与离轴相结合的全息微透镜阵列为光学接收组件。根据全息光学设计中的光线追迹确定全息阵列天线的参数，并通过曲面K矢量闭合法进行参数优化，通过反射镜系统实现光路的精确调整来完成全息天线的干涉记录。其创新点在于使用基于干涉、衍射原理的阵列全息元件代替折反射原理加光学滤波片的设计，从而使接收端具有视场大、体积小，重量轻，元件易大量生产且廉价等特点。
【专利说明】可见光通信系统空间复用式全息阵列接收天线的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种在可见光通信领域中空间复用式的全息阵列接收光学天线的设 计方法。
【背景技术】
[0002] 可见光通信技术（Visible Light Communication, VLC)是一种新兴的宽光谱通信 技术，其特色是通信与照明兼顾，节能环保。在可见光通信系统中，可见光信号接收技术是 保证通信质量的重要环节，其中的一个主要的部分便是设计合适的光学接收天线。良好的 光学天线设计能够增加探测器接收光的效率，抑制背景光的干扰等，因此光学天线的设计 水平直接影响到光通信系统的性能指标。
[0003] 目前，以蓝光LED激发黄色荧光粉发光的LED占据白光LED的主要市场。蓝光激 发型LED在进行高速调制时会发生黄光响应速率变慢的现象，应用全息光学元件代替传统 的光学元件作为接收光学天线前端，除了全息元件对光波的汇聚功能外，全息元件的良好 的光谱选择性，使接收端只接收蓝光也是其优势所在。此外全息光学元件具有体积小，重量 轻，元件易大量生产且廉价等特点，但同时也存在单个全息光学接收前端的视场小、工作光 谱带宽窄等不利因素。
[0004] 本发明的创新点在于使用了全息光学元件（H0E)代替传统光学元件进行光学天 线的设计和制作，并且用空间复用的多天线组合的方式来实现天线的宽视场接收。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种基于空间复用式全息光学阵列接收天线的设计及记录方法，主 要用于白光LED可见光通信中目标光信号的接收。全息阵列天线将来自不同方向已调制光 源的光信号接收，并通过滤波获取目标带宽的光信号，同时将信号汇聚到同一个探测器上。
【发明内容】
[0006] 主要包括：
[0007] ①根据应用场景的照明需求、光源布局和光线追迹法设计全息阵列天线的参数， 包括不同天线单元的视场大小，汇聚焦点的位置，阵列单元数等；并使用K矢量闭合法对参 数进行优化，设计阵列全息光学元件的记录方法。
[0008] ②根据全息阵列光学元件的记录方法，设计全息阵列天线的记录光路，配合三维 电控记录平台实现阵列全息元件的记录。
[0009] ③采用光致聚合物材料对全息元件进行记录。
[0010] 本发明采用阵列全息光学元件取代普通的光学玻璃元件。已经证明，以衍射和干 涉理论而不是折射理论为基础的全息光学元件在某些方面，具有传统折射和反射元件无法 比拟的优越性。
[0011] 相对于传统的光通信接收天线，其优点包括：
[0012] ①全息光学元件较传统光学元件更薄、更轻，易于复制；一块全息光学元件可以同 时完成多种光学功能，因此更加经济；
[0013] ②使用全息阵列光学天线有效地克服了单个全息天线视场窄的不利因素；
[0014] ③全息光学元件的制作方法为两个波面在全息材料上发生干涉，虽然设计时较传 统光学元件需要多考虑两套记录光学系统，但也使它的研制和生产具有传统光学元件不具 备的灵活性。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1全息阵列天线形状设计图
[0016] 图2全息阵列天线工作示意图
[0017] 图3全息阵列天线的记录光束示意图
[0018] 图4三维电控记录平台记录端示意图
[0019] 图5全息光学元件的共轴光学记录图 图6全息光学元件的离轴光学记录图
[0020] 图2-6中，123全息子天线4汇聚球面波5平面波6焦点（汇聚点）7全息干板 8掩膜板9反射镜系统10固体激光器11电子开关12准直扩束镜13半波片14偏振分 束镜15反射镜系统16聚焦系统17全息干板18分光镜
【具体实施方式】
[0021] 采用阵列全息光学天线作为VLC的接收天线是由于全息透镜元件具有集聚焦与 滤波为一体的双重功能，但由于单元全息光学接收元件的视场较窄，因此用空间复用阵列 天线的方式来增大接收视场，提高天线增益。全息阵列天线将不同方向的入射光束汇聚到 探测器上，从而实现对不同传输链路光信号的接收，保证足够高强度的接收光信号。
[0022] 如图1，全息阵列接收天线是将一块体全息底板分成多个子单元（图中分为9个， 分区标记为不同的编号）。每个子单元单独曝光，记录下两束光波的干涉。如图2所示，每 一个子全息天线单元都是一个全息透镜，并且不同的透镜将来自不同方向的光汇聚到同一 个焦点。
[0023] 如图3所示，整个全息记录材料固定在一个由计算机控制的可平移和旋转的机械 平台上，全息记录材料前放置一块设计为方形的孔径遮掩板，遮掩板与全息记录材料紧密 相邻，保证一次只有一个全息元件曝光。每次记录时，经过设计后确定的子元件区放在遮掩 板的孔径后曝光。全息底板在曝光过程中，不同分区编号的子单元在记录时需要不同的光 路。由于天线结构的对称性，同一编号的子单元在记录过程中可使用同一个光路，曝光前只 需要控制干板随平台平移或旋转，同编号的干板在记录中重复上述记录过程，直至完成整 个全息阵列天线的记录。
[0024] 如图4所示，在设计共焦全息阵列光学天线时，记录子全息光学元件的两束光波 应该是平面波与会聚球面波的干涉，并且在记录不同编号的子天线时会聚球面波和平面波 的波矢方向都要改变。在本设计中，记录1型子天线时采用共轴干涉记录方式，会聚球面波 和垂直入射的平面波在全息干板上干涉记录，会聚球面波的汇聚点是天线的焦点；在记录 2型子天线时，需要先变换记录光路，通过计算机控制的反射镜系统改变平行光束和会聚光 束的波矢方向，调节记录光路中汇聚光束的汇聚点，使其同记录1型子天线时会聚点（焦 点）相同，同时调节平行入射光束的角度，使平行光束的方向转动固定角度（如10° )，调 整后的平行光同会聚光在干板上干涉记录，其中平行光转动的角度要与子天线的视场相匹 配。由于子天线的对称性，在记录不同位置的2型子天线时只需控制干板平移以及绕坚直 方向的转动来重复记录。在记录3型子天线时，光路需要重新调整，与前不同的是会聚光束 的波矢方向改变的角度不同，但是平行光束仍转动相同角度（如10° )，在记录前干板在坚 直方向绕中心轴向水平方向转动45°，然后重复2型记录步骤。藉此通过控制汇聚光束的 波矢方向变化来实现不同子全息天线的共焦，通过控制平面光束波矢方向的变化来实现不 同子全息天线的接收指向的不同，进而保证子天线接收到的不同方向的光信号汇聚到探测 器上。
[0025] 全息接收天线的记录波长固定而接收信号为与LED发光特性有关的一段光谱范 围，这样就使记录波长与再现波长不完全一致，这种波长的不一致会导致衍射效率的下 降。因此，在全息光学系统的设计过程中，除了用全息光学中光线追迹计算衍射出射光线的 位置以外，还需要曲面K矢量闭合分析法来对衍射出射光线的位置进行调整，从而优化记 录光路参数。根据公式
【权利要求】
1. 一种应用于可见光通信的系统中的空间复用式全息阵列接收天线的设计方法，其创 新点在于使用了全息光学元件（HOE)代替了传统的会聚透镜加滤光片的设计方案。其设计 与制作特征如下： 根据可见光通信中接收天线的要求确定全息阵列接收天线的设计参数； 根据光线追迹法，对不同元件的干涉记录方案进行设计，确定光路中反射镜系统的转 角、元件的焦距、子天线个数的参数。然后通过K矢量闭合法对参数进行优化。 采用光致聚合物材料做全息记录。
2. 根据权利要求1所述的应用于可见光通信系统中的空间复用式全息阵列接收天线 的系统设计方案，其特征在于：选择离轴的全息微透镜阵列为子光学元件，并且不同全息元 件的布拉格角的方向不同，但其汇聚的焦点相同，自不同方向的光通过不同的透镜汇聚到 同一个焦点，实现对不同方向光信号的接收。
3. 根据权利1要求所述的HOE系统的光路设计，其特征在于采用光线追迹法对不同子 全息元件的记录光路分别进行设计，并通过K矢量闭合法进行优化设计，提高了天线在实 际应用中出校再现波长不同于记录波长时的天线的衍射效率。
4. 根据权利1要求所述的HOE系统的实验记录，采用了双反射镜系统来同时控制平面 波矢与球面波矢，同时通过掩膜板进行分区域曝光。
【文档编号】G02B5/32GK104378158SQ201410602843
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月2日 优先权日:2014年11月2日
【发明者】蓝天, 赵涛, 高明光, 倪国强 申请人:北京理工大学