[0001] 本发明涉及一种光学检测器，该光学检测器具有用于接收器中的成像透镜的低成本和高效的解决方案，该接收器被配置为更好地接收源自宽视角的光信号。光学检测器可以适用于但不限于光无线通信。

[0002] 近年来，光无线通信在研究和商业活动方面快速增长。高速、高带宽、抗电磁干扰性和安全性是推动这些活动的吸引人的特征。简言之，这是通信领域，其中调制的可见光、红外或紫外调制光用于以光信号的形式传输通信信号。该部件被配置为以宽光束传输光信号，并且这通常称为接入点，该接入点连接到信息网络。在一般情况下，多个接入点被设置在天花板上，以尽可能覆盖感兴趣的区域。包括发射器的接入点中的每个接入点可以被并入天花板灯具中。在接收侧，存在一种光学设备，该光学设备至少包括光电检测器，该光电检测器被布置为接收这些传输的光信号并且与这些接入点中的一个接入点建立至少一个通信链路。接收侧还可以包括发射器，该发射器被配置为发射光信号的宽光束，该宽光束进而被天花板中的接入点中的一个或多个光电检测器接收。接收侧通常称为端点。接入点和端点本质上都是光无线通信设备，该设备至少容纳诸如发射器、光电检测器和必要的通信电路等部件。

[0003] EP1162770A2涉及一种光通信系统，该系统包括多个远程订户接收器、和光学基站终端，光学基站终端包括发射器和单个广角物镜，该发射器被实现为定位在弯曲表面上的多个基站终端光辐射源，该单个广角物镜位于辐射源与到远程订户接收器的路径之间。

[0004] US20150370012A1涉及一种成像装置，该成像装置包括成像光系统、成像元件和由多个光纤组成的光纤束，该多个光纤被配置为将光从成像光系统引导到成像元件。

[0005] US20150370011A1涉及一种摄像装置，该装置包括：成像光系统；摄像器件；以及由多个光纤构成的光纤束，该多个光纤被配置为将光从成像光系统引导到摄像器件。

[0006] US7079774B2涉及一种为传输/接收订户终端服务的自由空间光通信系统，并且每个订户终端包括光电检测器和一个或多个调制辐射源。

[0064] 现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的当前优选实施例。然而，本发明可以以很多不同的形式来体现，并且不应当被解释为限于本文中阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了彻底性和完整性，并将本发明的范围完全传达给技术人员。

[0065] 首先参考图1，示出了球透镜101的部分截面。球透镜101包括光轴001和位于光轴001上的中心平面003。具有特征球面曲率的球透镜101的焦平面004如图1所示。第一假想平面1被示出为与中心平面003垂直相交，其中焦平面004与中心平面003相交。图1中示出了与假想平面1平行的其他四个假想平面2、3、4和5。可以假定，在这五个假想平面1、2、3、4和5中的任何一个假象平面上，或者在这五个假想平面1，2、3，4与5之间，存在平面光电检测器或多个平面光电检测器段。假想平面1与球透镜101的边缘112之间的最短距离称为后焦距
107。如果球透镜的半径为3.4mm，折射率为1.5，则后焦距为1.7mm。

[0066] 源自与光轴001重合的方向的窄光束将聚焦在第一假想平面1上，并且清晰的图像将被形成。在这种情况下，入射光的入射角为0度。入射角为10度、20度和25度的入射光将聚焦在焦平面004上，但不是最佳地聚焦在第一假想平面1上。如图2(a)所示。图2示出了在假想平面1、2、3、4和5上的入射角分别为0、10、20和25度的入射光的图像质量。入射角为0度和10度的入射光以小的光斑尺寸和足够的强度被清晰地成像。然而，对于较高的入射角，可以看到较差的图像质量。入射角为25度的入射光几乎不成像在第一假想平面1上。根据图1，第一假想平面1与球透镜101的边缘112分离的距离等于球透镜101的后焦距107。如果球透镜具有3.4mm的半径和1.5的折射率，则后焦距107为1.7mm。

[0067] 在图2(b)中，针对与第一假想平面1相比相对更靠近球透镜101的第二假想平面2，示出了针对入射角为0、10、20和25度的入射光的图像质量。在这种情况下，与图2(a)相比，针对入射角为0度和10度的入射光而形成的图像的光斑尺寸相对较大。根据图1，第一假想平面1与第二假想平面2之间的间隔为0.6mm。这表示，这两个图像相对失焦。另一方面，与图2(a)相比，针对入射角为20度和25度的入射光形成的图像相对较小。事实上，针对入射角为
25度的入射光，可以看到最小的光斑尺寸。虽然对于不同的入射角，图像光斑尺寸是不同的，但四个图像的强度是十分相当的，并且可以足以建立光通信链路。

[0068] 在图2(c)中，对于与第二假想平面2相比相对更靠近球透镜101的第三假想平面3，示出了针对入射角为0、10、20和25度的入射光的图像质量。根据图1，第一假想平面1与第三假想平面3之间的间隔为1.2mm。在这种情况下，与图2(b)相比，针对入射角为0、10、20和25度的入射光而形成的图像的光斑尺寸要大得多。因此，这四个图像的强度也相当小。

[0069] 在图2(d)中，对于与第一假想平面1相比相对更远离球透镜101的第四假想平面4，示出了针对入射角为0、10、20和25度的入射光的图像质量。根据图1，第一假想平面1与第四假想平面4之间的间隔为0.6mm。在这种情况下，对于入射角为25度的入射光没有看到图像。此外，与图2(a)相比，针对0度和10度入射角而形成的图像不是很清晰。入射角为20度的入射光几乎没有成像在第四假想平面4上。

[0070] 在图2(e)中，对于与第四假想平面4相比相对更远离球透镜101的第五假想平面5，示出了针对入射角为0、10、20和25度的入射光的图像质量。根据图1，第一假想平面1与第五假想平面5之间的间隔为1.2mm。此外，对于入射角为25度的入射光没有看到图像。当与图2(a)相比时，为0度、10度和20度入射角而形成的图像非常差。

[0071] 因此，如果虚拟平面放置得离球透镜太近，则高入射角入射光束的光斑尺寸足够小，但是小入射角入射光束的光斑尺寸太大。反之亦然，如果虚拟平面放置得离球透镜太远，则小入射角入射光束的光斑尺寸可以很小，但是高入射角入射光束的光斑尺寸肯定是失焦的。从图2可以理解，第二假想平面2可以被认为是针对基本上平坦的光电检测器或光电检测器段的最佳位置，以最佳地检测入射角至少在0至25度之间的光。在该最佳位置，对于至少在0至25度之间的范围内的入射角，图像清晰度相当好，具有小的图像光斑尺寸，并且检测到的信号强度也相当均匀和高。第二假想平面2与球透镜101的与中心平面003重合的边缘112之间的距离可以在球透镜的后焦距的50％至80％之间的范围内被适当地选择。优选地，它大约是球透镜的后焦距的64.7％。因此，对于具有3.4mm的半径和1.5的折射率的球透镜，针对基本上平坦的光电检测器或光电检测器段的最佳距离可以是1.1mm。

[0072] 可以考虑来自各种入射角的光信号的测量信号强度以确定来自球透镜的最佳平面位置。信号强度可以与光电检测器测量的信号振幅(峰值高度)与半峰全宽(FWHM＝束斑尺寸的面积)的平方的乘积成比例。因此，要优化的量将是FWHM*FWHM*峰值高度。对于所有入射角的光束的图像，该值应当基本上等于或接近满足特定阈值。阈值可以取决于应用领域。还可以将FWHM限制为小于第二阈值。对于所有入射角，第二阈值可以与接收器像素的尺寸有关。

[0073] 由于这种场曲率误差，来自各种入射角的光束在光电检测器平面上的图像可以不够小。针对光学检测器的改进配置可以是将单个球透镜替换为球透镜阵列101，例如，如图3(a)所示，用具有2乘2光电检测器102阵列的2乘2阵列来替换。2乘2球透镜阵列的光学行为如图3(b)所示。入射角为0、10、20和25度的光束的图像现在在光电检测器102阵列上生成2乘2图像，光电检测器阵列的每个象限中一个图像。球透镜101阵列与光电检测器102阵列之间的距离被选择为如上所述的最佳位置。因此，对于半径为1.7mm并且折射率为1.5的球透镜，针对基本上平坦的光电检测器或光电检测器段的最佳距离为0.55mm。如图3(b)所示，对于各种入射角，光斑尺寸更小，也更相等。如果需要建立与某个传输器的链路，则需要标识具有针对该象限的最大信号的光电检测器段，并且将其信号添加到其他三个象限中的三个对应段。这使信号强度增加了4倍，但噪声仅增加了4的平方根的因子。

[0074] 还可以放大球透镜阵列，例如，具有4乘4光电检测器阵列的4乘4球透镜阵列。在这种情况下，针对每个入射角创建16个图像，并且针对最大信号强度和最小噪声添加16个光电检测器段。

[0075] 图4中示出了具有球透镜(1乘1)和球透镜阵列(2乘2和4乘4)的各种配置的光斑尺寸分析。关于入射角示出了入射角为0度、10度、20度和25度的光束的图像的光斑尺寸的半峰半宽(HWHM)。对于该分析，假定光电检测器或光电检测器段被放置在如上所述的最佳位置。从图4中可以看出，对于阵列，针对各种入射角下的光斑尺寸比针对单球透镜的光斑尺寸更小并且更相等。

[0076] 在图5中，示出了将与球透镜101阵列一起使用的利用光电检测器段102以用于确定输出的连接方案。M个透镜元件的阵列(其中l1)的每个透镜元件101LEi(即，透镜阵列中的每个小球透镜)与N个光电检测器102段的阵列SPi,k(其中l≤k≤N并且N>1)相关联。具有相等索引号k的光电检测器102段SPi,k可以全部连接以使它们的信号相加，通过该相加，输出端子113的数目减少因子k，并且输出端子113具有纯粹与入射光束的入射角相关联的N个输出。

[0077] 图6示出了包括球透镜101的光学检测器100的截面图。球透镜101包括光轴001和位于光轴001中的中心平面003。球透镜101具有接收入射光束的第一球面，然后入射光束通过第二球面020被折射出球透镜101。源自各种入射角的入射光束将由球透镜101聚焦在焦平面004上，焦平面004具有如图6所示的球形形状。光学检测器100还包括光电检测器120，光电检测器120具有被布置在垂直于中心平面003的光电检测器平面002上的阵列中的多个光电检测器段102。此外，光学检测器100包括阵列中的多个光导103。多个光电检测器段102和多个光导103围绕球透镜101的光轴001对称布置。该对称性可以假定为围绕光轴001旋转对称。图6中的截面图在x‑z平面中示出。因此，光学检测器在y‑z平面中的截面图将与图6中所示的相同。在图6中，个体光导103与个体光电检测器段102进行光学连接。一个光导可以与多个光电检测器相关联。

[0078] 多个光导103中的每个光导具有光入射表面104和光出射表面105。多个光入射表面104面向球透镜101的第二球面020，并且多个光出射表面105面向光电检测器102。在图6中，多个光电检测器段102与多个光导103进行光学连接。多个光出射表面105共同形成为基本上平坦的光学检测器平面002。另一方面，多个光入射表面104共同提供与球透镜101的焦平面004基本上重合的球面005。这样，多个光入射表面104可以适应球透镜101的场曲率。因此，具有各种入射角的入射光束的图像可以形成在多个光入射表面104上方、下方或其上，并且耦合到多个光导103中。这些入射光束随后朝向多个光电检测器段102传播。

[0079] 球面005曲率可以至少部分地遵循焦平面004曲率。球面005与焦平面004之间的偏移可以在(±)0.3mm的裕度内。因此，球面005可以偏离焦平面0040.3mm。然而，如果应用区域对由球透镜产生的图像质量不太严格，则可以接受更高的偏差。

[0080] 图7示出了包括针对多个光导103的不同配置的光学检测器100的截面图。与图6类似，多个光电检测器段的数目与多个光导的数目相同。多个光入射表面104中的每个光入射表面位于与球透镜101的中心平面003垂直的分立横向平面006上。并且，多个光入射表面104中的每个光入射表面至少部分地与球透镜101的焦平面004重合。因此，多个光入射表面
104中的每个光入射表面可以与焦平面004相交、重合或至少非常接近焦平面004。这是一种用于适应具有分立光导103的球透镜101的场曲率的备选措施，该分立光导103具有平坦的光入射表面104末端。因此，截面图描绘了具有朝向中心平面003递减的长度的光导103的阶梯式分布。

[0081] 图8示出了包括针对多个光导102的另一配置的光学检测器100的截面图。与前面的图6和图7相反，布置在一起的多个光入射表面104提供垂直于中心平面003的平坦表面007。平坦表面007也平行于光电检测器平面002。平坦表面007被布置为在距球透镜101的与中心平面003重合的边缘112的第一距离106处与中心平面003相交。焦平面1与球透镜101的边缘112之间的最短距离称为后焦距107。第一距离106可以在球透镜101的后焦距107的
50％至80％之间的范围内。与图1和图2以及相关讨论相反，平坦表面007可以位于虚拟平面
1与虚拟平面3之间。优选地，第一距离可以在后焦距107的60％至68％之间的范围内，更优选地在后焦距的大约64.7％。因此，平坦表面007可以与假想平面2重合，该假想平面2被证明是用于对入射角至少在0至25度之间的入射光束进行成像的最佳距离，如图8所示。

[0082] 图9(a)和图9(b)示出了光学检测器100，光学检测器100包括向多个光电检测器段102逐渐变细的多个光导103、以及分别位于光电检测器102与多个光导103之间的多个聚光器108。与图8类似，多个光入射表面104的平坦表面007与假想平面2重合。如图2所示，对于入射角至少在0至25度之间的入射光束，由球透镜形成的图像的光斑尺寸可以在大小不同。
因此，光导103的宽度009或开口可能需要足够宽以收集足够的光。光导103的宽度009可以与光电检测器段102的检测表面区域的宽度基本相同，如图6至图8所示。对于某些应用，可以优选的是具有较小的检测表面积以允许高带宽响应。在这种情况下，朝向光电检测器段
102逐渐变细的光导103允许光朝向相对较小的光电检测器段102聚集。备选地，可以在多个光电检测器段102与多个光导103之间使用多个聚光器108。多个聚光器108中的每个聚光器与多个光电检测器段102和多个光导103中的一者进行光学连接。

[0083] 图10示出了具有布置在弯曲平面009中的多个光电检测器段102的光学检测器100。弯曲平面009表示布置在柔性基板、PCB或箔上的多个光电检测器段102。弯曲平面009可以基本上平行于焦平面004，如图10所示。备选地，与焦平面004相比，弯曲平面009可以具有更高或更低的曲率。

[0084] 图11(a)和图11(b)示出了光学检测器100的截面图，该光学检测器100具有机械系统，该机械系统被配置为当入射光束源自不同入射角时补偿球透镜101的场曲率。光学检测器100包括致动器110，致动器110被配置为在平行于光轴001的方向111上移动球透镜101。布置在一起的多个光入射表面104提供垂直于中心平面003的平坦表面007。根据图11(a)和图11(b)，对于给定入射角，单轴致动的移动可能会在光导103的光入射表面104上产生最清晰的图像，而其他图像可以形成在平坦表面007上方或下方。在这种情况下，图像质量可能不够清晰，因此检测器信号的强度可能非常弱。致动可以适度地小，以实现充分的性能改进。例如，如果球透镜的半径为3.4mm，并且入射角在0°至25°之间的焦平面差约为0.75mm。
因此，仅在垂直方向上相对于光电检测器平面001对球透镜101的位置进行小的调节就足以补偿场平面004曲率。备选地，具有多个光导103的多个光电检测器段102可以相对于球透镜
101在方向111上被致动，以实现相同效果。

[0085] 图12(a)和图12(b)示出了针对多个光导103的可能布置。多个光导103可以彼此相邻地共同地被布置或捆绑。在图12(a)中，多个光导103中的每个光导具有圆形横截面，在图12中(b)，多个光导103中的每个光导具有多边形横截面，特别是六边形横截面。并且，多个光导103被布置在光导阵列中。多个光导103的横截面可以适用于多个光入射表面104和/或多个光出射表面105。

[0086] 多个光导可以是安装在光电检测器或光电检测器段阵列上的一组简单光导，其从光电检测器或光学检测器段阵列的边缘朝向球的中心轴具有递减的长度。光导的光入射表面靠近球透镜的焦平面，使得由球透镜透射的光可以耦合到光导中。在成像光纤束的应用中可以找到束中的多个光导的具体实现，该成像光纤束可以被处理为单片构建块并且可以容易地安装在系统中，代价是由于单个光纤的芯周围所需要的包层而导致一些光损失。光导可以基于具有芯和包层的光纤。备选地，光导可以具有带有反射内表面的空芯。

[0087] 应当注意，上述实施例说明而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不脱离所附权利要求的范围的情况下设计很多备选实施例。在权利要求中，置于括号之间的任何附图标记不应当被解释为限制权利要求。动词“包括”及其词性变化的使用并不排除权利要求中所述以外的其他元件或步骤的存在。元件前面的“一”或“一个”并不排除存在多个这样的元件。

[0088] 仅在相互不同的从属权利要求中列举某些特征的纯粹事实并不表明这些特征的组合不能用于有利的目的。以上讨论的各个方面可以被组合以提供附加优点。此外，本领域技术人员将理解，可以组合两个或更多个实施例。