一种基于菲涅尔双透镜的可见光通信接收天线设计方法
【专利摘要】本发明提出了一种基于菲涅尔双透镜的消色差接收系统的设计方法，选择折射式菲涅尔透镜作为本设计方法的主要光学组件，使用有机玻璃PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)和PC(聚碳酸酯)作为组合菲涅尔透镜的构成材料。其创新点在于采用菲涅尔双透镜取代传统的单一折射透镜，整套接收系统体积小、重量轻、批量生产成本低，结构简单，易于在室内空间安装。本发明可用于可见光通信的接收领域。
【专利说明】
一种基于菲涅尔双透镜的可见光通信接收天线设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及到应用于可见光通信接收系统中的菲涅尔双透镜聚光器，具体涉及到一种消色差菲涅尔双透镜。
【背景技术】
[0002]可见光通信是一种在白光LED技术基础上发展起来的新兴光无线通信技术，具有发射功率高、无电磁干扰等优点。可见光通信的下行信道中，接收天线首先应具有良好的集光性能，因此需要设计相应的光学接收系统，但传统透镜难以满足接收天线对尺寸的要求和限制。
[0003]相比常规透镜，在可见光通信系统的光接收天线上，使用菲涅尔透镜可以降低成本，减小透镜厚度和接收焦距。菲涅尔透镜依托菲涅尔理论由平凸透镜演变而来，是平凸透镜的一种异化。
[0004]单一菲涅尔透镜对于可见光光谱范围的会聚效果差，尤其是当探测器尺寸较小时，难以获得较高的聚光效果。因此，提高菲涅尔透镜的聚焦性，降低透镜的光学损失至关重要。
【发明内容】
[0005]本发明为解决使用菲涅尔单透镜进行光束会聚，材料色散引起的探测器表面聚光分布不均匀，导致接收系统聚光比下降，因而提出一种消色差菲涅尔双透镜。
[0006]本发明通过以下技术方案实现菲涅尔透镜消色差:本发明包括菲涅尔透镜L1和菲涅尔透镜L2两部分(图1所示)；透镜L1是一块发散透镜，所用材料为PC (聚碳酸酯)；透镜L2是一块会聚透镜，所用材料为有机玻璃PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)；使用两种材料的组合可达到消色散的目的。根据可见光通信接收系统的应用需求，对菲涅尔双透镜进行整体设计，确定单个透镜的结构参数和光学参数。通过消色差理论，由公式(4)到(9)对轴向色差进行优化。采用所选光学材料研制菲涅尔双透镜接收系统。
[0007]本发明所述的消色差菲涅尔双透镜的特征主要表现在:
[0008](I)给出了消色差菲涅尔双透镜的设计方法，从而可实现对可见光光谱在特定焦距下的会聚，提高了接收器的聚光比。
[0009](2)菲涅尔透镜相比普通透镜，具有体积小、重量轻、易于大批生产、成本低等优点，可广泛应用于不同场合。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1菲涅尔双透镜的剖面结构图。
[0011]图2菲涅尔透镜的轴向色差图。图中:f表示组合透镜的焦距；λ ^ λ M为入射光谱最小和最大光波长；LCA表示轴向色差值，即探测器到某波长焦点处的距离。
[0012]图3透镜F数、光源半角值Θ与透镜几何聚光比Cgraj的关系示意图。图中:巧为透镜的半径值，ra为探测器半径值。
[0013]图4菲涅尔双透镜组合消色差的光路简图。图中:&为第二块透镜后表面到焦点的距离，d为两块透镜的间距。
【具体实施方式】
[0014]可见光通信系统的工作波段在380nm到780nm的光谱范围。
[0015]对于单一菲涅尔透镜，不同波长的光线经过透镜后将会聚于探测表面不同的位置。设λπ、λΜ分别为入射光谱的最小和最大波长，为了在探测器上收集到所有的会聚光线，应该使对应波长的焦距f(AM)、fUm)尽量接近。探测器的理想位置应该在λπ、λΜ的边缘光线的交点处，如图2所示。
[0016]接收系统的聚光比受到两个因素的影响:一是材料的色散，二是透镜的F数。针对材料的色散，由于材料的固有属性使得对不同波长具有不同的折射率η ( λ )，短波波长光束比长波波长先会聚，由此会产生轴向色差LCA。经证明最大聚光比可表示为
(I V
[0017]Cmax= ——(I)
\LCA*J
[0018]其中LCA*定义为380nm到780nm光谱范围内的最大轴向色差LCAmax与设计焦距f。之比:
ICA
[0019]LCA^ = ~(2)
Jo
[0020]对于另一个影响因素透镜的F数，如图3所示，设Γι为接收透镜的半径，ra为探测器的半径，主光线通过透镜中心无偏离角度。随F数增大，透镜的聚光比减小，它们的关系可表示为
_] CmaX=fe) =(^^) (3)
[0022]由于光学材料对各种波长的光具有不同折射率，即对不同颜色光的传播方向有不同程度的偏折，因而导致不同波长的入射光线有不同的会聚焦点，从而形成色差。利用不同材料对同一光波长折射率的差异与正负透镜的组合，如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)会聚透镜L2和PC (聚碳酸酯)发散透镜L1的组合，可对前一种材料的色散进行光学补偿，从而使得组合菲涅尔透镜的色差降至最低。
[0023]图4所示的菲涅尔双透镜总焦距&，即双透镜焦点到第二块透镜后表面的距离。若设第二块透镜的焦距为f2，则可根据组合透镜的焦距fo，由下述菲涅尔双透镜的消色差公式⑷到(9)求出第一块补偿透镜的焦距，由此完成消除特定波长λ 1和λ 2下组合菲涅尔透镜轴向色差的设计。
[0024]下式是透镜L2的焦距f2与材料常数A、B、C的关系:
[0025]) =~4AC(4)
2 ”2A
[0026]其中，常数A、B、C可以用材料的折射率η、透镜间距d和组合透镜的焦距&表示:
[0027]」=(./^/)?^4--?-(5)
IvZZ2(A2)-1 八"丨(ZL1)-1 y
D /、 f H1 (A1) — I "丨(/L.，)-1)( /--(Λ，)一 I "，(Λ|)-1 )/ r\
[0028]B =.U d - 1 - 1 - +(./"./ + (/) ' ^..':、-1(6)
IvZZ2(ZL2)-1 /Z1(A1) -1 JIv "丨⑷— I "2(/L2) —I J
[0029]C = ^-Z02(7)
、?Μ)-U
[0030]在上述公式中，如果O < (!〈〈&，A和C总是正值，而B的正负取决于透镜的材料。通过物像关系可以推导出第一块透镜焦距的表达式:
Γ/γη '/ο _(./η +^)J2(^\)
[0031]Z1 (Λ) =-7~777^--(8)
/0-/2(Λ)
[0032]以上公式应确保fQ( λ D = f0 ( λ 2) = fQ,其中fQ、λ ρ λ 2为三个参量。
[0033]对于任意入射波长下的菲涅尔双透镜焦距可表示为:
广,、- (Λλ))
[0034]Z0 (λ) =( 9 )
[0035]综上所述，基于菲涅尔双透镜的可见光通信接收天线设计，可由主透镜焦距f2和双透镜组合焦距&，求得补偿透镜焦距f1;以实现在一定光谱范围内的消色差。
【权利要求】
1.一种基于菲涅尔双透镜的消色差聚光器设计方法，其特征在于:由菲涅尔正负透镜组成，选取两种具有不同色散系数的材料以达到消色散的目的。根据可见光通信接收系统的应用需求，对菲涅尔双透镜进行整体设计，确定单个透镜的结构参数和光学参数。
2.根据权利要求1所述的应用于可见光通信系统接收前端的消色差菲涅尔双透镜设计方法，其特征在于:通过消色差理论，对轴向色差LCA进行优化以提高接收器的光学聚光t匕，保证光能量的有效利用。
3.根据权利要求1采用所选光学材料，研制菲涅尔双透镜系统，其特征在于:整套系统的体积小、重量轻轻、成本低，双镜的聚光效果是单透镜的将近4倍。
【文档编号】G02B3/08GK104316982SQ201410475467
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年9月17日 优先权日:2014年9月17日
【发明者】蓝天, 李湘, 倪国强 申请人:北京理工大学