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1、10申请公布号CN104316982A43申请公布日20150128CN104316982A21申请号201410475467122申请日20140917G02B1/04200601G02B3/08200601H04B10/11620130171申请人北京理工大学地址100081北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学72发明人蓝天李湘倪国强54发明名称一种基于菲涅尔双透镜的可见光通信接收天线设计方法57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。
2、。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。51INTCL权利要求书1页说明书3页附图2页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书3页附图2页10申请公布号CN104316982ACN104316982A1/1页21一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。
3、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比，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。权利要求书CN104316982A1/3页3一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、。
4、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。
5、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00081给出了消色差菲涅尔双透镜的设计方法，从而可实现对。
6、可见光光谱在特定焦距下的会聚，提高了接收器的聚光比。00092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。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；M、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、光源半角值与透镜几何聚光比CGEO的关系示意图。图中RL为说明书CN104316982A2/3页4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F0为第二块透镜后表面到焦点的距离，D为两块透。
7、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M、M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FM、FM尽量接近。探测器的理想位置应该在M、M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N，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00170018其中LCA定义为。
8、380NM到780NM光谱范围内的最大轴向色差LCAMAX与设计焦距F0之比00190020对于另一个影响因素透镜的F数，如图3所示，设RL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00210022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。
9、差降至最低。0023图4所示的菲涅尔双透镜总焦距F0，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F0，由下述菲涅尔双透镜的消色差公式4到9求出第一块补偿透镜的焦距F1，由此完成消除特定波长1和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00250026其中，常数A、B、C可以用材料的折射率N、透镜间距D和组合透镜的焦距F0表示说明书CN104316982A3/3页50027002800290030在上述公式中，如果0DF0，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00310032以上公式应确保F01F02F0，其中F0、1、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00340035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F0，求得补偿透镜焦距F1，以实现在一定光谱范围内的消色差。说明书CN104316982A1/2页6图1图2说明书附图CN104316982A2/2页7图3图4说明书附图CN104316982A。