CN105445824B - Led光通信接收透镜及led光通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种LED光通信接收透镜，其所处的空间定义一三维直角坐标系（x，y，z）。该LED光通信接收透镜的视场为0°~48.3°，且中各个视场的照度值均大于1lux。该LED光通信接收透镜包括一第一表面以及与该第一表面相对的第二表面；所述第一表面由一第一球面和一第二球面拼接而成，所述第二表面由一第三球面和一平面拼接而成；所述第一球面、第二球面以及第三球面的球心及对称中心点均设置在x轴；所述第一球面及所述平面均为一透射面，该第一球面的对称中心点设置在所述三维直角坐标系的原点，且该平面平行于yz平面；所述第二球面及所述第三球面均为一反射面。本发明还涉及一种使用该接收透镜的LED光通信系统。

Description

LED光通信接收透镜及LED光通信系统
技术领域
本发明涉及一种LED光通信接收透镜及一种使用该LED光通信接收透镜的LED光通信系统。
背景技术
可见光通信技术最早由香港大学彭国雄教授提出。他基于红外光通信提出了一种用于音频传输的室内可见光通信，并完成了用载波将CD音乐、电话等信号发送到个人耳机的试验。
此后，各国很多研究机构也对可见光通信展开研究。日本KEIO大学的MaosaoNakagawa教授对室内LED可见光通信存在的问题如：多径效应、阴影效应、码间干扰等做了较多研究。2006年韩国人Chung Chiu Lee和Jung Hun Kim用实验的方法证明高亮度照明LED光无线信道通信的可行性。研究此方向的还有德国柏林的海因里-希赫兹、弗朗禾费通信研究所，牛津大学工程系的Dominic O’Brien小组，南阳理工大学的Domon W.K.Wong研究小组。研究方向主要集中在通信的编码方式及通信协议等问题上。
然而国内外对光通信终端的光学系统研究较少。光通信接收端的光学系统能决定通信系统的视场及接收到的光能，从而影响通信速率及信噪比。而，现有技术还没有开发出一种具有大视场且小型化的接收透镜。
发明内容
综上所述，确有必要提供一种具有大视场且小型化的LED光通信接收透镜及使用该LED光通信接收透镜的LED光通信系统。
一种LED光通信接收透镜，所述LED光通信接收透镜所处的空间定义一三维直角坐标系（x，y，z）。该LED光通信接收透镜的视场为0°~48.3°，且各个视场的照度值均大于1lux。该LED光通信接收透镜包括一第一表面以及与该第一表面相对的第二表面；所述第一表面由一第一球面和一第二球面拼接而成，所述第二表面由一第三球面和一平面拼接而成；所述第一球面、第二球面以及第三球面的球心及对称中心点均设置在x轴；所述第一球面及所述平面均为一透射面，该第一球面的对称中心点设置在所述三维直角坐标系的原点，且该平面平行于yz平面；所述第二球面及所述第三球面均为一反射面。
一种LED光通信系统，包括：一LED光源，用于发射一通信信号；以及一信号接收端，用于接收所述通信信号。其中，所述信号接收端包括一光阑、一如上所述的LED光通信接收透镜、以及一感光器。所述光阑设置于靠近所述LED光通信接收透镜中靠近所述第一表面的一侧，所述感光器贴合设置于所述LED光通信接收透镜中的平面。
本发明提供的LED光通信接收透镜及含有该LED光通信接收透镜的LED光通信系统具有如下优点：首先，由于该LED光通信接收透镜与所述感光器贴合设置，无后续工作距，因此，该LED光通信系统具有体积小的特性。另外，由于该LED光通信系统仅包括一个光学元件，因此，既能满足系统小型化的需求，又便于系统的装调。其次，所述LED光通信接收透镜还具有较大的视场，能满足设计要求。最后，所述LED光通信接收透镜对于所有视场的光线，其照度值均大于1lux，故不存在视场盲区。
附图说明
图1为本发明实施例提供的LED光通信系统的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的LED光通信系统中信号接收端的结构示意图。
图3为本发明实施例提供的LED光通信系统中所述LED光通信接收透镜对于20°视场的光路图。
图4为本发明实施例提供的LED光通信系统中所述LED光通信接收透镜对于30°视场的光路图。
图5为本发明实施例提供的LED光通信系统中所述LED光通信接收透镜对于35°视场的光路图。
图6为本发明实施例提供的LED光通信系统中所述LED光通信接收透镜对于40°视场的光路图。
图7为本发明实施例提供的LED光通信系统中所述LED光通信接收透镜对于45°视场的光路图。
图8为本发明实施例提供的LED光通信系统中所述LED光通信接收透镜对于48.3°视场的光路图。
图9为本发明实施例提供的LED光通信系统中所述LED光通信接收透镜对于±20°~±48.3°视场叠加在一起的光路图。
主要元件符号说明
LED光通信系统 100
LED光源 10
信号接收端 20
光阑 22
LED光通信接收透镜 24
第一表面 242
第一球面 2422
第二球面 2424
第二表面 244
第三球面 2442
平面 2444
感光器 26
球心 O1、O2、O3
半径 R1、R2、R3
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。
请参阅图1，本发明实施例提供一种LED光通信系统100，包括一LED光源10；以及一信号接收端20。
本实施例中，将所述LED光通信系统100设置于一长为5m，宽为5m，高为4m的标准房间中。
所述LED光源10用于在标准房间内实现照明的同时作为通信信号的发射端。所述通信信号的发射端类似于WIFI的信号源，只不过WIFI是通过电磁波传递信号，而LED光源10是通过可见光传输信号。所述LED光源10的设置位置不限。本实施例中，所述LED光源10设置于所述标准房间的房顶中央。所述LED光源10的功率及光效不限。本实施例中，所述LED光源10的功率为1w，光效为100流明/瓦。
所述信号接收端20用于接收所述通信信号。所述信号接收端20可以设置于标准房间中的任意位置。本实施例中，所述信号接收端20设置于标准房间中的一个角落。
请参阅图2，所述信号接收端20依次设置有一光阑22、一LED光通信接收透镜24以及一感光器26，从而使所述LED光源10发射的光线可以依次通过所述光阑22、所述LED光通信接收透镜24最后到达所述感光器26。
所述LED光通信接收透镜24为一实心的透镜结构。为描述方便将所述LED光通信接收透镜24所处的空间定义一三维直角坐标系（x，y，z）。所述LED光通信接收透镜24的口径约为23.4mm，即沿z轴方向的最大厚度约为23.4mm。所述LED光通信接收透镜24包括一第一表面242以及与该第一表面242相对的第二表面244。所述LED光通信接收透镜24的视场为0°~48.3°，且各个视场的照度值均大于1lux。所述LED光通信接收透镜24的材料不限，本实施例中，所述LED光通信接收透镜24的材料为K9玻璃。
所述第一表面242由一第一球面2422和一第二球面2424拼接而成。所述第一球面2422的球心O1以及所述第二球面2424的球心O2均设置在x轴上。所述第一球面2422为一透射面，即，光线可以透过所述第一球面2422进入所述LED光通信接收透镜24。所述第一球面2422的对称中心点与所述三维直角坐标系（x，y，z）的原点（0，0，0）重合，且该第一球面2422的半径R1约为9.086毫米。所述第二球面2424为一反射面，即进入所述LED光通信接收透镜24的光线照射到所述第二球面2424时会被反射。所述第二球面2424的对称中心点的坐标为（3.540，0，0），且该第二球面2424的半径R2为33.040毫米。
所述第二表面244由一第三球面2442和一平面2444拼接而成，且所述第三球面2442的球心O3也设置在x轴上。所述第三球面2442也为一反射面，即进入所述LED光通信接收透镜24的光线照射到所述第三球面2442时会被反射。所述第三球面2442的对称中心点的坐标为（20.060，0，0），且该第三球面2442的半径R3为-31.152毫米。所述平面2444也为一透射面，该平面2444平行于yz平面，且与x轴交于（19.588，0，0）。可以理解，上述反射面均可通过在所述第二球面2424或第三球面2442上镀一反射膜实现。
所述光阑22可以选用一般的光阑结构，该光阑22设置于靠近所述第一表面242的一侧。
所述感光器26可以选用一般的感光结构，该感光器26与所述平面2444贴合设置。所述感光器26的直径不限，本实施例中，所述感光器26的直径为3mm。
请参照图3-9，图3-8为所述LED光通信接收透镜24分别对于20°视场、30°视场、35°视场、40°视场、45°视场、48.3°视场的光路图。而图9为所述LED光通信接收透镜24对于±20°~±48.3°视场叠加在一起的光路图。由图可见，对于大视场，该“折反透镜”相当于一个望远系统，且不同视场的光线都能在感光器26上重叠。
所述LED光通信接收透镜24各个视场在所述感光器26的照度值，可以根据公式：获得，其中，为所述LED光源10的光通量；为所述信号接收端20与所述LED光源10在垂直方向的夹角；D为所述LED光通信接收透镜24的入瞳；H为所述信号接收端20与所述LED光源10的垂直高度；Di为感光器26的直径；。
请参见表1，表1为所述LED光通信接收透镜24各个视场的照度值。从表1中可以看出对于0°~48.3°视场的光线，其照度均能满足大于1lux的要求。
表1
本发明实施例提供的LED光通信接收透镜及含有该LED光通信接收透镜的LED光通信系统具有如下优点：首先，由于所述LED光通信接收透镜具有较小的口径和厚度，且该LED光通信接收透镜与所述感光器贴合设置，无后续工作距，因此，该LED光通信系统具有体积小的特性。另外，由于该LED光通信系统仅包括一个光学元件，因此，既能满足系统小型化的需求，又便于系统的装调。其次，所述LED光通信接收透镜还具有较大的视场，能满足设计要求。最后，所述LED光通信接收透镜对于所有视场的光线，其照度值均大于1lux，故不存在视场盲区。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种LED光通信接收透镜，该LED光通信接收透镜所处的空间定义一三维直角坐标系(x，y，z)，其特征在于，该LED光通信接收透镜的视场为0°～48.3°，且各个视场的照度值均大于1lux，该LED光通信接收透镜包括一第一表面以及与该第一表面相对的第二表面；所述第一表面由一第一球面和一第二球面拼接而成，所述第二表面由一第三球面和一平面拼接而成；所述第一球面、第二球面以及第三球面的球心及对称中心点均设置在x轴；所述第一球面及所述平面均为一透射面，该第一球面的对称中心点设置在所述三维直角坐标系的原点，该平面平行于yz平面；所述第二球面及所述第三球面均为一反射面。
2.如权利要求1所述的LED光通信接收透镜，其特征在于，所述LED光通信接收透镜的口径为23.4mm。
3.如权利要求1所述的LED光通信接收透镜，其特征在于，所述第一球面的半径为9.086毫米；所述第二球面的对称中心点的坐标为(3.540毫米，0毫米，0毫米)，且该第二球面的半径为33.040毫米。
4.如权利要求3所述的LED光通信接收透镜，其特征在于，所述第三球面的对称中心点的坐标为(20.060毫米，0毫米，0毫米)，且该第三球面的半径为-31.152毫米；所述平面与x轴交于(19.588毫米，0毫米，0毫米)。
5.如权利要求1所述的LED光通信接收透镜，其特征在于，所述LED光通信接收透镜的材料为K9玻璃。
6.如权利要求1所述的LED光通信接收透镜，其特征在于，所述反射面通过在所述第二球面和所述第三球面上镀反射膜实现。
7.一种LED光通信系统，包括：
一LED光源，用于发射一通信信号；以及
一信号接收端，用于接收所述通信信号；其中，所述信号接收端包括一光阑、一LED光通信接收透镜、以及一感光器；所述LED光通信接收透镜所处的空间定义一三维直角坐标系(x，y，z)，其特征在于，该LED光通信接收透镜的视场为0°～48.3°，且各个视场的照度值均大于1lux，该LED光通信接收透镜包括一第一表面以及与该第一表面相对的第二表面；所述第一表面由一第一球面和一第二球面拼接而成，所述第二表面由一第三球面和一平面拼接而成；所述第一球面、第二球面以及第三球面的球心及对称中心点均设置在x轴；所述第一球面及所述平面均为一透射面，该第一球面的对称中心点设置在所述三维直角坐标系的原点，且该平面平行于yz平面；所述第二球面及所述第三球面均为一反射面。
8.如权利要求7所述的LED光通信系统，其特征在于，其特征在于，所述第一球面的半径为9.086毫米；所述第二球面的对称中心点的坐标为(3.540毫米，0毫米，0毫米)，且该第二球面的半径为33.040毫米。
9.如权利要求7所述的LED光通信系统，其特征在于，所述第三球面的对称中心点的坐标为(20.060毫米，0毫米，0毫米)，且该第三球面的半径为-31.152毫米；所述平面与x轴交于(19.588毫米，0毫米，0毫米)。
10.如权利要求7所述的LED光通信系统，其特征在于，所述LED光通信接收透镜的口径为23.4mm。
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