CN105929493A - 可见光接收端的调整方法及相关设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种可见光接收端调整方法，用于对可见光接收端进行调整，可见光接收端包括透镜组及光电二极管PD阵列，具体地，该方法在可见光接收端与发光阵列的相对位置变化过程中，调整透镜组，以使可见光通过透镜组后，由PD阵列采集到完整且清晰的可见光图像，可见光图像中包含有通信信息，对该可见光通信信息进行解析后，便可以实现可见光通信。另外，本申请还提供了一种可见光接收端及可见光通信系统，用以保证所述方法在实际中的应用及实现。

Description

可见光接收端的调整方法及相关设备

技术领域

本申请涉及可见光通信技术领域，更具体地，是可见光接收端的调整方法、可见光接收端、及可见光通信系统。

背景技术

可见光通信，是指利用可见光波谱如灯泡发出的光进行数据传输的无线传输技术。在可见光通信中，灯泡等发射的光，由通信终端接收并解析，从而实现通信。

目前，对可见光通信的研究主要是针对位置相对固定的发射端及接收端，即灯泡等发射端与通信终端的相对位置固定，还并未涉及在相对位置变化场景中，如何进行可见光通信。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种可见光接收端的调整方法，用以在可见光接收端与发光阵列相对位置变化过程中，实现可见光通信。另外，本申请还提供了一种可见光接收端及可见光通信系统，用以保证所述方法在实际中的应用及实现。

为实现所述目的，本申请提供的技术方案如下：

本申请提供了一种可见光接收端的调整方法，所述可见光接收端可接收发光阵列发出的可见光，所述可见光接收端包括透镜组及光电二极管PD阵列，该方法包括：

在所述可见光接收端与所述发光阵列的相对位置变化过程中，调整所述透镜组，以使所述可见光通过所述透镜组后，由所述PD阵列采集到完整且清晰的可见光图像。

上述的可见光接收端的调整方法中，调整所述透镜组的方式包括：

调整所述透镜组的光轴，以使所述光轴通过所述发光阵列所在平面的中心点。

上述的可见光接收端的调整方法中，调整所述透镜组的方式还包括：

调整所述透镜组的焦距，以使所述PD阵列采集到的可见光图像的中心位置的清晰度最高。

上述的可见光接收端的调整方法中，调整所述透镜组的方式还包括：

调整所述透镜组的入瞳直径，以使所述PD阵列采集到的可见光图像的边缘的清晰度最高。

上述的可见光接收端的调整方法中，所述发光阵列位置固定，所述可见光接收端处于移动状态。

另外，本申请还提供了一种可见光接收端，包括：透镜组、光电二极管PD阵列、及控制单元；其中：

所述控制单元，用于在所述可见光接收端与发光阵列的相对位置变化过程中，调整所述透镜组，以使所述可见光通过所述透镜组后，由所述PD阵列采集到完整且清晰的可见光图像。

上述的可见光接收端中，所述控制单元包括：

光轴调整子单元，用于调整所述透镜组的光轴，以使所述光轴通过所述发光阵列所在平面的中心点。

上述的可见光接收端中，所述控制单元还包括：

焦距调整子单元，用于调整所述透镜组的焦距，以使所述PD阵列采集到的可见光图像的中心位置的清晰度最高。

上述的可见光接收端中，所述控制单元还包括：

入瞳直径调整子单元，用于调整所述透镜组的入瞳直径，以使所述PD阵列采集到的可见光图像的边缘的清晰度最高。

本申请还提供了一种可见光通信系统，包括：发光阵列、及上述任意一种可见光接收端。

由以上技术方案可知，本申请提供了一种可见光接收端调整方法，用于对可见光接收端进行调整，可见光接收端包括透镜组及光电二极管PD阵列，具体地，该方法在可见光接收端与发光阵列的相对位置变化过程中，调整透镜组，以使可见光通过透镜组后，由PD阵列采集到完整且清晰的可见光图像，可见光图像中包含有通信信息，对该可见光通信信息进行解析后，便可以实现可见光通信。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的可见光通信系统示意图；

图2为本申请提供的可见光接收端中PD阵列与透镜组的示意图；

图3为本申请提供的可见光通信的光学剖面示意图；

图4A为本申请提供的成像原理的一个示意图；

图4B为与图4A对应的成像原理的简化示意图；

图5为本申请提供的可见光接收端的示意图；

图6为本申请提供的可见光通信系统的示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请应用在可见光通信场景中，如图1所示的室内可见光通信场景中，LED(Light Emitting Diode，发光二极管)阵列作为照明光源的同时，也可以作为通信的发射端。图中移动或者固定的人可以持有通信设备，通信设备上设置有可见光接收端，用来接收LED阵列发射的可见光通信信号。

需要说明的是，本申请并非局限于应用在室内环境的可见光通信，还可以是室外的可见光通信。发光阵列也并非局限于LED阵列，还可以是其他形式。另外，本申请也并未限定应用在发光阵列固定、可见光接收端移动的场景中，对于可见光接收端固定、而发光阵列移动的场景也可以使用本申请提供的接收端调整方法。

图2示出了可见光接收端的一个示意图。如图2所示，可见光接收端至少包括由多个透镜组成的透镜组、以及光电二极管PD阵列。各个透镜沿着与光电二极管PD阵列垂直的方向依次排列，且各个透镜的中心点在一条直线上，该直线即该透镜组的光轴。其中，透镜组可以称为成像光学系统。

发光阵列发出的可见光透过透镜组后，可以在一平面上成像，该平面称为景象平面(或接收平面)，PD阵列可以采集到该可见光图像。可见光图像类似二维码，其中包含有通信信息，由解析单元对可见光图像进行解析后，便可以获得通信信息。其中，解析方法可以是现有的任意一种，本申请并不做赘述。

本申请提供的可见光接收端调整方法，用来在可见光接收端与发光阵列的相对位置变化过程中，对可见光接收端进行调整，以使可见光接收端能接收到完整且清晰的可见光图像。

在实际应用中，对可见光接收端的调整可以包括对透镜组光轴、透镜组焦距、及透镜组入瞳直径的调整中的任意一个或多个。

其中，对透镜组光轴的调整是为了保证PD阵列可以采集到完整的可见光图像。对透镜组焦距及入瞳直径的调整是为了保证PD阵列可以采集到清晰的可见光图像。

以下分别具体说明如何进行调整。

调整1：调整透镜组的光轴，以使光轴通过发光阵列所在平面的中心点。

见图3，其示出了可见光通信的光学剖面示意图。在图3中，发光阵列为4*4的LED阵列，可见光接收端中的PD阵列也是4*4的阵列。

可见光接收端在某个位置时，透镜组与LED阵列成一定夹角，为了保证PD阵列采集到的可见光图像是完整的，则必须调整透镜组与水平面的夹角(或者认为是透镜组与LED阵列所在平面的夹角)，并在调整角度过程中，监测PD采集到的可见光图像的光照强度的变化趋势，确定出光照强度的最大值，并将该光照强度最大值所对应的夹角确定为透镜组当前应当所处的角度，进而将透镜组调整到该角度。

需要说明的是，PD阵列采集到可见光图像的光照强度值最大时，透镜组的光轴正好通过发光阵列所在平面的中心点，如图3所示，虚线表示透镜组的光轴，该光轴穿过发光阵列的中心点。

以上是可见光接收端在某一个位置点时，如何对透镜组的光轴进行调整。在可见光接收端移动的过程中，需要实时按照上述方法调整透镜组的光轴，以保证可见光接收端在不同的位置点时，PD阵列都能采集到完整的可见光图像。

在进行上述调整后，进一步需要保证PD阵列采集到的可见光图像是清晰的。因此，需要执行下述调整2及调整3。

调整2：调整透镜组的焦距，以使PD阵列采集到的可见光图像的中心位置的清晰度最高。

换句话说，对透镜组的调焦，以使接收平面上可以接收到发光阵列中心点的清晰的像。比如照相机在对某个目标物体拍照时，不论目标物体周围图像是否清晰，首先保证目标物体在成像中是清晰的。

如图2所示，透镜组中包含多个透镜，调焦距即是调整各个透镜之间的距离。具体地，可以是调整任意一个透镜与相邻透镜之间的距离，或者，可以将多个透镜作为一个整体，调整该多个透镜与其他透镜之间的距离，或者，可以是调整任意两两透镜之间的距离等等。当然，在具体应用中，调焦方式并不局限于该三种方式，还可以是其他。

与上述调整光轴的方式相同，当可见光接收端处于某个位置点时，对透镜组的焦距进行调整，并在调整过程中，监测可见光图像的中心位置的清晰度的变化趋势，并确定出清晰度最高时透镜组焦距的情况，进而将透镜组的焦距调整为确定出的该焦距。需要说明的是，可见光图像的中心位置并非局限于一个中心点，可以是包含该中心点的一个区域位置。该区域位置的大小及形状可以根据实际情况不同，本申请并不做具体限定。

在可见光接收端移动过程中，实时按照上述方式对透镜组的焦距进行调整，以使可见光接收端在各个不同位置，均能接收到中心位置清晰的可见光图像。

调整3：调整透镜组的入瞳直径，以使PD阵列采集到的可见光图像的边缘的清晰度最高。

以上调整2可以保证可见光接收端的接收平面上形成中心位置清晰的可见光图像，调整3是进一步提高可见光图像边缘的清晰度。比如，照相机调焦使目标物体清晰后，还需要提高周围背景的清晰度。

发明人在对可见光成像原理进行研究后发现，通过调整透镜组的入瞳直径可以达到上述效果。具体的研究过程如下。

见图4A，其示出了透镜组的成像原理示意图。

P为透镜组的入瞳中心，P’为出瞳中心。A’为成像平面，如照相机胶卷所在平面，也称为景象平面或接收平面，A为对准平面，即物体空间与景象平面共轭的平面。假设，在距离透镜组入瞳面不同距离的两个物面上分别包含物点B₁及B₂，以下分析该两个物点在景象平面的成像。

对应到可见光通信系统中，图4A中的虚线表示发光阵列所在的平面，A即发光阵列的中心点，B₁及B₂即发光阵列中边缘的发光体如LED的位置，Z₁’及Z₂’即可见光接收端内光电二极管PD的位置。

B₁及B₂并未在对准平面上，因此，其发出并通过入瞳的光束在景象平面的前后形成两个像点，分别为B₁’及B₂’，并且在景象平面上形成两个弥散斑，分别为Z₁’及Z₂’。

在可见光通信系统中，可见光接收端的PD阵列具有一定的分辨率，因此，并不要求物点即发光体必须在景象平面上成一个像点，只要物点在景象平面上的弥散斑的大小不超过PD阵列所要求的分辨率即可，这种情况下，可以认为物点在景象平面上形成了清晰的像。

以上能够在景象平面上获得清晰的像的物空间的深度称为景深。其中，能成清晰的像的最远平面为远景，如B₁所在的平面；能成清晰的像的最近平面为近景，如B₂所在的平面。远景及近景离对准平面的距离分别以Δ1和Δ2表示，分别称为远景深度及近景深度。景深为远景深度与近景深度之和，因此，景深Δ＝Δ1+Δ2。

以下推导景深的解析表达式。

如图4A所示，在物方和像方分别以入瞳和出瞳面作为参考面来度量轴向线度。物方的对准平面、远景和近景相对入瞳面的线度分别表示为P、P₁及P₂，它们的像面相对出瞳面的线度分别表示为P’、P₁’及P₂’。

景象平面上的弥散斑Z₁’及Z₂’可以看作对准平面上弥散斑Z₁及Z₂在像空间的共轭像，设对准平面和景象平面间的垂轴放大率为β，则：

Z′₁＝|β|Z₁，Z′₂＝|β|Z₂。

对于给定的可见光接收端，其在景象平面上允许的弥散斑的直径为固定值如为Z₀，则在物面上允许的弥散斑Z₀＝Z₀’/β。

见图4B，其为图4A所示的成像原理的简化示意图。

设入瞳直径及出瞳直径分别为D及D’，根据图4B的相似三角形关系ΔABE～ΔCDE可知：

$\frac{D}{Z_0}=\frac{-p_1}{{\mathrm{\Δ}}_1}=\frac{{\mathrm{\Δ}}_1-p}{{\mathrm{\Δ}}_1}.$

根据图4B的相似三角形关系ΔABF～ΔHGF可知：

$\frac{D}{Z_0}=\frac{-p_2}{{\mathrm{\Δ}}_2}=\frac{\mathrm{\Δ}2-p}{{\mathrm{\Δ}}_2}.$

其中，Z₀为弥散斑Z₁及Z₂的直径，AB的长度即入瞳直径D。

使用对准平面上的弥散斑作为变量，则近景与远景位置可以表示为：

$p_1=\frac{Dp}{D-Z_0},p_2=\frac{Dp}{D+Z_0}.$

近景深度及远景深度可以表示为：

${\mathrm{\Δ}}_1=\frac{-{\mathrm{pZ}}_0}{D-Z_0},{\mathrm{\Δ}}_2=\frac{-{\mathrm{pZ}}_0}{D+Z_0}.$

进而，景深可以表示为：

$\mathrm{\Δ}={\mathrm{\Δ}}_1+{\mathrm{\Δ}}_2=\frac{-2{\mathrm{pZ}}_{0}D}{D^2-Z_0^2}.$

由上式可知，景深Δ与入瞳直径D、入瞳相对对准平面的距离P、及对准平面上允许的弥散斑的大小Z₀有关。

具体到本申请的应用场景中，可见光接收端处于移动状态，在移动过程中，入瞳相对对准平面的距离P、及景深Δ是变化的。对准平面上允许的弥散斑的大小Z₀是固定值。因此，可以对入瞳直径D进行调整，以使可见光接收端的PD阵列可以采集到清晰的可见光图像。

因此，在具体应用中，当可见光接收端处于某个位置时，可以对可见光接收端的入瞳直径进行调整，在调整过程中，监测PD阵列采集到的可见光图像的边缘的清晰度变化趋势，并确定出最高清晰度时所对应的入瞳直径的值，进而，将入瞳直径调整为确定出的该入瞳直径的值。

在可见光接收端处于移动过程中，实时按照上述调整方式，对入瞳直径进行调整，以保证当可见光接收端处于各个不同的位置时，PD均能采集到边缘清晰的可见光图像。

经过上述对透镜组光轴、焦距及入瞳直径的调整，可以使可见光接收端在移动过程中，PD阵列采集到完整且清晰的可见光图像。并且，可见光接收端的透镜组结构简单，易于实现及应用。

本申请还提供了一种可见光接收端，如图5所示，该可见光接收端具体包括：透镜组、光电二极管PD阵列及控制单元。

控制单元，用于在可见光接收端与发光阵列的相对位置变化过程中，调整透镜组，以使可见光通过透镜组后，由PD阵列采集到完整且清晰的可见光图像。

具体地，控制单元可以包括：光轴调整子单元、焦距调整子单元、及入瞳直径调整子单元。

光轴调整子单元，用于调整透镜组的光轴，以使光轴通过发光阵列所在平面的中心点。

焦距调整子单元，用于调整透镜组的焦距，以使PD阵列采集到的可见光图像的中心位置的清晰度最高。

入瞳直径调整子单元，用于调整透镜组的入瞳直径，以使PD阵列采集到的可见光图像的边缘的清晰度最高。

另外，本申请还提供了可见光通信系统，如图6所示，该可见光通信系统可以包括发光阵列，以及可见光接收端。在实际应用中，发光阵列可以是但不限定于LED阵列。可见光接收端可以是上述任意一种可见光接收端。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种可见光接收端的调整方法，其特征在于，所述可见光接收端可接收发光阵列发出的可见光，所述可见光接收端包括透镜组及光电二极管PD阵列，该方法包括：

在所述可见光接收端与所述发光阵列的相对位置变化过程中，调整所述透镜组，以使所述可见光通过所述透镜组后，由所述PD阵列采集到完整且清晰的可见光图像。

2.根据权利要求1所述的可见光接收端的调整方法，其特征在于，调整所述透镜组的方式包括：

调整所述透镜组的光轴，以使所述光轴通过所述发光阵列所在平面的中心点。

3.根据权利要求2所述的可见光接收端的调整方法，其特征在于，调整所述透镜组的方式还包括：

调整所述透镜组的焦距，以使所述PD阵列采集到的可见光图像的中心位置的清晰度最高。

4.根据权利要求3所述的可见光接收端的调整方法，其特征在于，调整所述透镜组的方式还包括：

调整所述透镜组的入瞳直径，以使所述PD阵列采集到的可见光图像的边缘的清晰度最高。

5.根据权利要求1所述的可见光接收端的调整方法，其特征在于，所述发光阵列位置固定，所述可见光接收端处于移动状态。

6.一种可见光接收端，其特征在于，包括：透镜组、光电二极管PD阵列、及控制单元；其中：

所述控制单元，用于在所述可见光接收端与发光阵列的相对位置变化过程中，调整所述透镜组，以使所述可见光通过所述透镜组后，由所述PD阵列采集到完整且清晰的可见光图像。

7.根据权利要求6所述的可见光接收端，其特征在于，所述控制单元包括：

光轴调整子单元，用于调整所述透镜组的光轴，以使所述光轴通过所述发光阵列所在平面的中心点。

8.根据权利要求7所述的可见光接收端，其特征在于，所述控制单元还包括：

焦距调整子单元，用于调整所述透镜组的焦距，以使所述PD阵列采集到的可见光图像的中心位置的清晰度最高。

9.根据权利要求8所述的可见光接收端，其特征在于，所述控制单元还包括：

入瞳直径调整子单元，用于调整所述透镜组的入瞳直径，以使所述PD阵列采集到的可见光图像的边缘的清晰度最高。

10.一种可见光通信系统，其特征在在于，包括：发光阵列、及上述权利要求6～9任意一项所述的可见光接收端。