CN106764555B - 一种基于矩阵照明的通信系统及全息波导天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于矩阵照明的通信系统及全息波导天线，通过利用透镜阵列将LED发散光调制为平行光；同时控制光线的方向，建立光源与目标平面对应每个分区的入射角度关系；区域的平行光线入射角度均不同，可通过对应的全息波导天线实现分区保密通信效果。同时，本发明提出的全息波导天线可通过一种全息波导结构，可将大面积接收端Rx内接收到的光信号通过调制信号端Mx集成到输出端Ox，从而可实现增强接收信号的效果。

Description

一种基于矩阵照明的通信系统及全息波导天线

技术领域

本发明涉及一种基于矩阵照的通信明系统的全息波导天线，属于短距离可见光通信领域。

背景技术

目前，智能照明技术慢慢进入现代办公室照明系统中，智能照明技术中包括分区矩阵照明技术、智能混光、定时开关功能，甚至可以通过控制LED的发光频率传递信息，从而实现短距离通信。可见光通信具有可实现保密通信的优点，而常规的照明系统(LED灯管、LED灯泡等)发出的光线具有一定的发散角(LED发散角大约为120度)，因此才可保证照射到室内所有区域，因此室内短距离可见光通信的保密效果有限。

在一般的照明系统中，为保证尽可能大的照明面积，出射光线的发散角通常会很大，而可见光通信天线需尽可能收集光信号，这需要广视角透镜才有可能实现，但是这种透镜面积和重量都很大，不适合应用于移动通讯装置上，并且基于透镜的光学接收技术有明显的技术缺陷，在通讯波长光以外的环境光也有可能被透镜收集到，这样会对接收信号产生干扰。发明专利201010523862.4和发明专利201410522376.9提出使用体全息光栅来解决杂散光的问题，因体全息光栅不仅轻薄(厚度仅十几微米)，而且具有很强的可见光波长选择性，可以过滤杂散光。然而，体全息光栅同时也具有很强的角度选择性，入射光的入射角度满足体全息布拉格角时的衍射效率很高(接近100％)，但入射角偏移量超过5度时，衍射效率就会急剧下降。因此，基于体全息光栅的可见光通信天线只能收集满足其布拉格角的光线。基于以上，体全息光栅可见光通信天线的接收光效率很低，需对其结构进行改进，进一步提高接收光效率。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于矩阵照明的通信系统及全息波导天线，其根据矩阵照明系统可能的出射光线方向，定制特定的体全息光栅，这样既可控制室内区域照明面积，在该照明系统光照范围内，实现分区可控照明的效果，节省资源、避免光污染，又可真正实现保密通信效果；同时在保证滤除杂散光的前提下，来扩大体全息光栅的接收面，有效提高天线的接收光效率，从而增大接收到的光信号强度。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于矩阵照明的通信系统，包括矩阵照明及可见光通信端、全息波导天线，其中：

所述矩阵照明及可见光通信端用于对一定面积的室内环境进行照明及短距离无线通信，矩阵照明及可见光通信端主要包括区域照明模块和可见光信号发射模块；所述区域照明模块包括光源阵列单元、透镜阵列单元、光源阵列驱动装置和电源模块；所述可见光信号发射模块包括信号管理驱动单元；所述光源阵列单元、光源阵列驱动装置和电源模块依次连接，而所述信号管理驱动单元一端与电源模块连接，另一端与光源阵列单元连接；所述光源阵列单元、透镜阵列单元以及全息波导天线沿光线传输方向设置，且所述全息波导天线设置于矩阵照明及可见光通信端的光线区域内；

所述光源阵列驱动装置用于控制光源阵列单元产生光束；

所述信号管理驱动单元用于控制光源阵列单元产生通讯信号；

所述透镜阵列单元为平凸透镜或菲涅尔透镜阵列，每块透镜对应一个光源矩阵模块，每个光源矩阵模块为LED阵列或OLED阵列，而光源阵列单元由光源矩阵模块排列组成，且所有的光源矩阵模块构成排列方式为i×i的LED阵列或OLED阵列；

其中，将照明区域可分为i×j个分区P_i，j，每个分区P_i，j内平行光束的入射角度为ξ_i，j，各分区内的光束入射角度ξ_i，j可分为方位角和倾斜角θ_i，j；

对于排列方式为n×n的光源矩阵模块，目标平面内的入射光束倾角个数S为：

当n为偶数时：

当n为奇数时：

根据光源矩阵模块及其排列方式确定光源矩阵模块其LED阵列或OLED阵列矩阵中心O_lens与光源阵列单元中的LED或OLED中心连线的S个对应的倾斜角；

根据光源矩阵模块的排序方式，获取单个透镜对应的光源矩阵模块与目标平面的分区的映射关系，将目标平面分为n×n分区阵列；

取目标平面内的中心为原点坐标，在目标平面内建立直角坐标系，进而得到各个光斑的坐标；然后根据透镜坐标和所有光斑的坐标可计算出该矩阵照明系统在目标平面上的方位角；根据方位角和S个倾斜角得到各分区对应的光束入射角度ξ_i，j；

全息波导天线包括依次通过平板波导Wg连接的接收信号端Rx、调制信号端Mx和输出信号端Ox，所述接收信号端Rx、调制信号端Mx和输出信号端Ox均设置有全息光栅，所述全息光栅的种类有S个，而每种全息光栅的布喇格角由全息光栅倾角和其对应的倾斜角得到；而平板波导Wg中的全反射角由全息光栅的布喇格角确定，输出信号端Ox的输出全息光栅的倾角由全反射角决定；

可见光光束以入射角度ξ_i，j入射进入接收信号端Rx，在接收信号端Rx的全息光栅处发生布拉格衍射，衍射光衍射角满足全反射条件，在平板波导Wg中发生全反射现象，衍射光在平板波导Wg中传播的全反射步长为S_{total-reflection}，而调制信号端Mx和输出输出信号端Ox的光栅长度不应小于S_{total-reflection}，全反射步长为S_{total-reflection}＝d_substrate/tan(π-2θ_bragg)，θ_bragg表示全息光栅的布拉格衍射角，d_substrate表示平板波导的厚度；

所述接收信号端Rx长度为L_receiver，宽度为W_receiver，该接收信号端Rx的接收端面积为S_receiver＝L_receiver×W_receiver；输出信号端Ox长度为L_output，宽度为W_output，故输出信号端Ox的输出端面积为S_output＝L_output×W_output，该天线的接收信号增强倍数β：β＝S_output/S_receiver，而每个照明分区内天线的信号收集效率η为η＝S_receiver×D_VHG/(n_LEDs×d_LEDs)，式中，D_VHG为全息光栅的衍射效率，n_LEDs为矩阵照明系统中一块透镜对应的光源矩阵模块中的LED数量，d_LEDs为相邻两颗LED之间的间距；D_VHG表示接收信号端的全息光栅衍射效率。

优选的：所述光源矩阵模块的排列方式为4×4，其LED阵列或OLED阵列矩阵中心O_lens与光源阵列单元中的LED或OLED中心连线有三种对应的倾斜角θ₁，θ₂和θ₃；

其中，LED或OLED可近似被看作为正方形，其边长为l_LEDs，相邻LED或OLED之间的间距为d_LEDs，h^*为光源阵列单元到透镜阵列单元的距离；

根据光源矩阵模块的排序方式，获取单个透镜对应的光源矩阵模块与目标平面的分区的映射关系，将目标平面分为4×4分区阵列；根据透镜坐标和所有光斑的坐标可计算出该矩阵照明系统在目标平面上的16个方位角根据16个方位角和三个倾斜角θ₁，θ₂和θ₃进而可得到各分区对应的光束入射角度ξ_i，j；

接收信号端Rx的三种全息光栅的周期计算公式如下：

三种光栅对应的布喇格角为：

Λ_u表示第u个全息光栅的周期，u＝1，2，3；β₁为全息光栅倾角；

入射光束经接收信号端Rx的全息光栅衍射可能会有两种全反射路径，因此平板波导Wg中的全反射角为：

或者

且三种全反射角满足：n表示平板波导的折射率；

输出信号端Ox的输出全息光栅的倾角β₂₁，β₂₂，β₂₃由光束的全反射角决定：

优选的：所述光源矩阵模块的排列方式为3×3，其LED阵列或OLED阵列矩阵中心O_lens与光源阵列单元中的LED或OLED中心连线有三种对应的倾斜角θ₁，θ₂和θ₃分别如下：

θ₁＝90°

其中，LED或OLED可近似被看作为正方形，其边长为l_LEDs，相邻LED或OLED之间的间距为d_LEDs，h^*为光源阵列单元到透镜阵列单元的距离；

根据光源矩阵模块的排序方式，获取单个透镜对应的光源矩阵模块与目标平面的分区的映射关系，将目标平面分为3×3分区阵列；

取目标平面内的中心为原点坐标，在目标平面内建立直角坐标系，进而得到各个光斑的坐标；然后根据透镜坐标和所有光斑的坐标可计算出该矩阵照明系统在目标平面上的9个方位角根据9个方位角和三个倾斜角θ₁，θ₂和θ₃进而可得到各分区对应的光束入射角度ξ_i，j。

优选的：全息波导天线中的可见光传播路径为：接收信号端Rx收集光源阵列单元的出射光束，收集到的光束在平板波导Wg中以内全反射的方式传播，调制信号端Mx对接收到的光信号进行第一次调制，并使光束的传播方向发生偏转；偏转后的光束在平板波导Wg内经全反射传播到达输出信号端Ox。

优选的：所述接收信号端Rx、调制信号端Mx和输出信号端Ox设置的全息光栅可为反射型体全息光栅或透射性体全息光栅。

优选的：所述平板波导Wg为石英玻璃，光学级PMMA或者光学级PC。

优选的：所述全息光栅和平板波导Wg由折射率调制液紧密接连，全息光栅可位于平板波导Wg表面，亦可位于平板波导Wg内部。

有益效果：本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

本发明提供的基于矩阵照明及可见光通信端的全息波导天线，利用透镜阵列将LED发散光调制为平行光。同时控制光线的方向，建立光源与目标平面每个分区域的对应关系。通过控制光源阵列的亮度和颜色改变对应分区的亮度和颜色。因各区域的平行光线入射角度均不同，可通过对应的全息波导天线实现分区保密通信效果。

本发明提出的全息波导天线可通过一种全息波导结构，可将大面积接收端Rx内接收到的光信号通过调制信号端Mx集成到输出端Ox，从而可实现增强接收信号的效果。

附图说明

图1为本发明可见光通信系统信道模型；

图2为本发明中光源矩阵内各LED与对应透镜的倾角θ分布示意图；

图3为本发明中矩阵照明系统的出射光束倾角θ分析示意图；

图4为本发明中单个透镜lens_m，n下LED矩阵与目标平面光斑的映射关系示意图；

图5为本发明中全息波导天线的基本结构示意图；

图6为本发明中天线三维结构示意图；

图7为本发明中全息波导天线可能的设计结构；

图8为本发明优化后的结构与FEM仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示为本发明中基于矩阵照明系统的可见光通信系统，包括矩阵照明及可见光通信端、全息波导天线，所述矩阵照明及可见光通信端用于对一定面积的室内环境进行照明及短距离无线通信，所述矩阵照明及可见光通信端(即信号发射端Tx)主要包括区域照明模块和可见光信号发射模块；所述区域照明模块包括光源阵列单元、透镜阵列单元、光源阵列驱动装置和电源模块；所述可见光信号发射模块包括信号管理驱动单元、通讯信号发生器阵列(即光源阵列单元)；所述光源阵列单元、光源阵列驱动装置和电源模块依次连接，而所述信号管理驱动单元一端与电源模块连接，另一端与光源阵列单元连接；所述光源阵列单元、透镜阵列单元以及全息波导天线沿光线传输方向设置，且所述全息波导天线设置于矩阵照明及可见光通信端的光线区域内。

所述光源阵列驱动装置用于控制光源阵列单元产生光束，可控制各个透镜后的LED阵列(光源阵列单元)的亮度和颜色。

所述信号管理驱动单元用于控制光源阵列单元产生通讯信号。

所述光源阵列单元为排列方式为i×j的LED阵列或OLED阵列，透镜阵列单元为平凸透镜或菲涅尔透镜阵列，每块透镜对应一个光源矩阵模块，每个光源矩阵模块为LED阵列或OLED阵列，而光源阵列单元由光源矩阵模块排列组成，且所有的光源矩阵模块构成排列方式为i×j的LED阵列或OLED阵列。

如图1所示，每块透镜和对应的光源矩阵组成一个照明单元，排列方式为i×j的LED或OLED矩阵位于透镜上方，光源阵列平面和透镜平面的距离为h^*，而矩阵照明系统与目标平面的距离为h。所述矩阵照明系统照明区域的面积为l_x×l_y，且照明区域可分为i×j个分区P_i，j，每个分区P_i，j内平行光束的入射角度为ξ_i，j。各分区内的光束入射角度ξ_i，j可分为方位角和倾斜角θ_i，j。下面本发明需对矩阵照明系统中各分区内的方位角和倾斜角θ_i，j分别进行分析。

如图2所示为排列方式为4×4的LED矩阵，透镜中心投射到其对应LED矩阵得到O点，O点位于LED矩阵的中心位置。本发明中的LED形状可近似被看作为正方形，其边长为l_LEDs，相邻LED之间的间距为d_LEDs。如图2所示为XY平面内O点与各LED之间的位置关系，显而易见，O点与“LED6”，“LED7”，“LED10”和“LED11”四颗LED之间的距离相等，其距离同样地，O点与“LED2”，“LED3”，“LED5”，“LED8”，“LED9”，“LED12”，“LED14”和“LED15”这六颗LED之间的距离相等，其距离O点与“LED1”，“LED4”，“LED13”和“LED16”四颗LED之间的距离相等，其距离如图2所示，在O点与LED6的中心C点之间的线段OC上取点A和点B，使得OA＝d₁，OB＝d₂。因此，透镜中心到光源矩阵中各LED的倾角可以被计算出来。

如图3所示LED阵列平面上的O点，A点，B点和C点与图2对应，故图3中因A，B，C三点到透镜中心O_lens的距离不同，所以矩阵中心O_lens与光源阵列各LED中心连线有三种对应的倾角θ₁，θ₂和θ₃，每颗LED对应的倾角如图4所示，根据直角三角形三角函数公式可得：

图3为矩阵照明系统中单个透镜的光路，由图3容易看出，从矩阵照明系统到目标平面的光束倾角有且只有三种，并夹角大小与θ₁，θ₂和θ₃一致。

图4为单个透镜lens_m，n对应的LED矩阵与目标平面光斑的映射关系示意图。各LED与各照明分区P_i，j左下角的光斑一一对应。透镜在XY平面上的形状也可近似于正方形，假设透镜尺寸为l_lens，由图4可知，每个分区可按照透镜的排布方式划分为8×8的网格，故照明分区P_i，j的边长为8l_lens，整个系统的照明面积长l_x＝4×8×l_lens，宽l_y＝4×8×l_lens，照明面积S＝l_x×l_y＝(4×8×l_lens)×(4×8×l_lens)。在目标平面内建立xy直角坐标系，取目标平面内的中心为原点坐标O点为(0，0)，则左下角透镜坐标为第一行照明分区P_1，j内光斑S1的坐标为光斑S2的坐标为光斑S3的坐标为光斑S4的坐标为同理可得其他12个光斑的坐标，根据透镜坐标和所有光斑的坐标可计算出该矩阵照明系统在目标平面上的16个方位角

如图5所示为一种全息波导可见光通信天线，包括依次通过平板波导Wg连接的接收信号端Rx、倾斜全息光栅(即调制信号端)Mx、和输出信号端Ox。所述接收信号端Rx、调制信号端Mx和输出信号端Ox均设置有全息光栅。也就是说，所述全息波导天线包括体全息光栅和平板波导，所述全息光栅可为反射型体全息光栅或透射性体全息光栅。所述全息光栅的布拉格衍射角对应于矩阵照明系统不同的出射角度；所述平板波导为石英玻璃，光学级PMMA或者光学级PC；所述体全息光栅和平板波导由折射率调制液紧密接连，体全息光栅可位于平板波导表面，亦可位于平板波导内部；所述接收信号端Rx和输出信号端Ox为镜像对称放置的体全息光栅，调制信号端Mx位于Rx和Ox之间，以一定角度倾斜放置；接收信号端Rx面积远比输出信号端Ox的面积大，所述传递信号端Tx为平板波导。

全息波导天线中的可见光传播路径为：接收信号端Rx收集信号发射端(即LED或OLED阵列)的出射光束，收集到的光束在平板波导Wg中以内全反射的方式传播，调制信号端Mx对接收到的光信号进行第一次调制，并使光束的传播方向发生偏转；偏转后的光束在平板波导内经全反射传播到达输出信号端Ox。

照明系统利用透镜阵列将LED发散光调制为平行光；同时控制光线的方向，建立光源与目标平面对应每个分区的入射角度关系；区域的平行光线入射角度均不同，可通过对应的全息波导天线实现分区保密通信效果；同时，本发明提出的全息波导天线可通过一种全息波导结构，可将大面积接收端Rx内接收到的光信号通过调制信号端Mx集成到输出端Ox，从而可实现增强接收信号的效果。

如图6所示为本发明中一种全息波导天线三维结构示意图，可见光以一定角度入射进入接收端，在入射端的全息光栅处发生布拉格衍射，衍射光衍射角满足全反射条件，在波导中发生全反射现象，衍射光在平板波导中传播的全反射步长为S_{toral-reflection}，因此偏转全息光栅Mx和输出光栅Ox的长度不应小于S_{total-reflection}，否则就会出现光束逃逸现象。全反射波长S_{total-reflection}由平板波导的厚度d_substrate与全息光栅的布拉格衍射角θ_bragg决定，因此全反射步长为S_{total-reflection}＝d_substrate/tan(π-2θ_bragg)。

如图5所示，所述接收信号端Rx长度为L_receiver，宽度为W_receiver，该接收端面积为S_receiver＝L_receiver×W_receiver。同样地，输出端Ox长度为L_output，宽度为W_output，故输出端面积为S_output＝L_output×W_output，因而该天线的接收信号增强倍数β可通过计算信号接收端与输出端面积的比例关系得出：β＝S_output/S_receiver，而每个照明分区内天线的信号收集效率η为η＝S_receiver×D_VHG/(n_LEDs×d_LEDs)，式中，D_VHG为全息光栅的衍射效率，n_LEDs为矩阵照明系统中一块透镜后的LED数量，d_LEDs为相邻两颗LED之间的间距。接收信号端的全息光栅衍射效率D_VHG与各分区的平行光束角度ξ_i，j有关。因此，需根据各分区内的入射光角度对天线结构进行设计与优化。当照明分区P_i，j内的光束以角度ξ_i，j向接收端入射时，应将入射光的入射角分解为方位角和倾角θ分别讨论。如图4所示为各分区的入射光倾角分布情况。若先不考虑方位角的影响，则各分区内的入射光角度为θ₁，θ₂和θ₃。

如图7所示为本发明根据θ₁，θ₂和θ₃三种入射光角度设计的接收端光栅结构。为保证三种角度的光束都可被接收端收集，本发明将三种周期不同的全息光栅通过曝光的方式记录于全息干板上。而这三种全息光栅的周期可用下列公式计算得出：

Λ_u表示第u个全息光栅的周期，u＝1，2，3。

若入射光的波长一定，体全息光栅的光栅周期Λ大小由布喇格角θ_Bragg决定，而θ_Bragg往往又会决定衍射光束的方向，因此为使衍射光到达平板波导中能够满足布拉格条件，本发明中接收端的三种全息光栅倾角相同，皆为β₁，又因为入射光角度为θ₁，θ₂和θ₃，三种光栅对应的布喇格角为

如图7所示，入射光束经接收端的全息光栅衍射可能会有两种全反射路径，因此平板波导中的全反射角为

或者

为使三种入射角度的光束都能在平板波导中内全反射传播，其对应的三种全反射角必须满足n表示平板波导的折射率。如图6所示，本发明中偏转光栅的偏转角为45°，衍射光在波导中到达偏转光栅Mx时，沿x轴上的传播方向偏转45°，偏转后的光束继续以全反射的方式到达输出信号端Ox。

本发明中的输出信号端Ox内部结构与接收信号端Rx类似，为使三种光束都可在输出端Ox垂直出射，本发明在全息干板上记录了三种全息光栅，该光栅的光栅周期和光栅倾角都不同，输出全息光栅的倾角β₂₁，β₂₂，β₂₃由光束的全反射角θ_{total-refelction}决定：

如图8所示为本发明中全息波导天线优化后的结构及仿真结果。图8(a)所示为天线结构示意图，信号接收端和信号输出端中的全息光栅位于波导内部，入射光束以一定角度向波导中入射，到达接收端时发生布拉格衍射，衍射光向上出射到达波导与空气的界面，发生第一次全反射，之后以全反射在波导中传播，当光束到达输出光栅时，全反射状态被打破，全部光束都会在接收端发生第二次布拉格衍射，最后衍射光垂直波导出射。图8(b)为上述结构对应的FEM仿真结果，由图中可见，仿真结果和上述结构中的光路一致，全反射光束在输出端几乎全部被衍射，从波导中垂直出射。

对于光源矩阵模块的排列方式为3×3情形，其排列图形与图2类似，但与图2不同的是，其LED是按3×3排布，而图2是按4×4排布的，因此，其LED阵列或OLED阵列矩阵中心O_lens与光源阵列单元中的LED或OLED中心连线有三种对应的倾斜角θ₁，θ₂和θ₃；

θ₁＝90°

其中，LED或OLED可近似被看作为正方形，其边长为l_LEDs，相邻LED或OLED之间的间距为d_LEDs，h^*为光源阵列单元到透镜阵列单元的距离；

根据光源矩阵模块的排序方式，获取单个透镜对应的光源矩阵模块与目标平面的分区的映射关系，将目标平面分为3×3分区阵列；

取目标平面内的中心为原点坐标，在目标平面内建立直角坐标系，进而得到各个光斑的坐标；然后根据透镜坐标和所有光斑的坐标可计算出该矩阵照明系统在目标平面上的9个方位角根据9个方位角和三个倾斜角θ₁，θ₂和θ₃进而可得到各分区对应的光束入射角度ξ_i，j；

所示为排列方式为3×3的LED矩阵，透镜中心投射到其对应LED矩阵得到O点，O点位于LED矩阵的中心位置。本发明中的LED形状可近似被看作为正方形，其边长为l_LEDs，相邻LED之间的间距为d_LEDs。O点与“LED5”在同一垂直方向上，距离d₁＝0；O点与“LED2”，“LED4”，“LED6”和“LED8”四颗LED之间的距离相等，其距离d₂＝(d_LEDs+l_LEDs)；同样地，O点与“LED1”，“LED3”，“LED7”，“LED9”这四颗LED之间的距离相等，其距离如图所示，使得OA＝d₁，OB＝d₂。因此，透镜中心到光源矩阵中各LED的倾角可以被计算出来。图中OA＝(d_LEDs+l_LEDs)，因A，B，三点到透镜中心O_lens的距离不同，所以矩阵中心O_lens与光源阵列各LED中心连线有三种对应的倾角θ₁，θ₂和θ₃，根据直角三角形三角函数公式可得：

θ₁＝90°

根据单个透镜lens_m，n对应的LED矩阵与目标平面光斑的映射关系示意图。各LED与各照明分区P_i，j左下角的光斑一一对应。透镜在XY平面上的形状也可近似于正方形，假设透镜尺寸为l_lens，可知，每个分区可按照透镜的排布方式划分为8×8的网格，故照明分区P_i，j的边长为8l_lens，整个系统的照明面积长l_x＝4×8×l_lens，宽l_y＝4×8×l_lens，照明面积S＝l_x×l_y＝(4×8×l_iens)×(4×8×l_lens)。在目标平面内建立xy直角坐标系，取目标平面内的中心区域左下角光斑为原点坐标O点为(0，0)，则左下角透镜坐标为(-8l_lens，-8l_lens)，第一行照明分区P_1，j内光斑S1的坐标为(-8l_lens，8l_lens)，得到其余坐标分别为(0，8l_lens)，(8l_iens，8l_lens)，(-8l_lens，0)，(8l_lens，0)，(0，-8l_lens)，(8l_lens，-8l_lens)。根据透镜坐标和所有光斑的坐标可计算出该矩阵照明系统在目标平面上的9个方位角

根据实验可知LED矩阵为2*2时对应一种倾角，3*3时对应3种倾角，4*4时对应3种倾角。根据规律可得n*n的LED矩阵和目标平面内的入射光束倾角个数S的规律：

1、当n为偶数时，

2、当n为奇数时，

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于矩阵照明的通信明系统的全息波导天线，其特征在于：包括依次通过平板波导Wg连接的接收信号端Rx、调制信号端Mx和输出信号端Ox，所述接收信号端Rx、调制信号端Mx和输出信号端Ox均设置有全息光栅；

所述全息光栅的种类有S个，而每种全息光栅的布喇格角由全息光栅倾角和照明区域的分区的倾斜角得到；而平板波导Wg中的全反射角由全息光栅的布喇格角确定，输出信号端Ox的输出全息光栅的倾角由全反射角决定；

可见光光束以入射角度ξ_i，j入射进入接收信号端Rx，在接收信号端Rx的全息光栅处发生布拉格衍射，衍射光衍射角满足全反射条件，在平板波导Wg中发生全反射现象，衍射光在平板波导Wg中传播的全反射步长为S_{total-reflection}，而调制信号端Mx和输出输出信号端Ox的光栅长度不应小于S_{total-reflection}，全反射步长为S_{total-reflection}＝d_substrate/tan(π-2θ_bragg)，θ_bragg表示全息光栅的布拉格衍射角，d_substrate表示平板波导的厚度；

所述接收信号端Rx长度为L_receiver，宽度为W_receiver，该接收信号端Rx的接收端面积为S_receiver＝L_receiver×W_receiver；输出信号端Ox长度为L_output，宽度为W_output，故输出信号端Ox的输出端面积为S_output＝L_output×W_output，该天线的接收信号增强倍数β：β＝S_output/S_receiver，而每个照明分区内天线的信号收集效率η为η＝S_receiver×D_VHG/(n_LEDs×d_LEDs)，式中，D_VHG为全息光栅的衍射效率，n_LEDs为矩阵照明系统中一块透镜对应的光源矩阵模块中的LED数量，d_LEDs为相邻两颗LED之间的间距；D_VHG表示接收信号端的全息光栅衍射效率；

全息波导天线中的可见光传播路径为：接收信号端Rx收集光源阵列单元的出射光束，收集到的光束在平板波导Wg中以内全反射的方式传播，调制信号端Mx对接收到的光信号进行第一次调制，并使光束的传播方向发生偏转；偏转后的光束在平板波导Wg内经全反射传播到达输出信号端Ox。

2.一种基于矩阵照明的通信系统，其特征在于：包括矩阵照明及可见光通信端、全息波导天线，其中：

所述矩阵照明及可见光通信端用于对一定面积的室内环境进行照明及短距离无线通信，矩阵照明及可见光通信端主要包括区域照明模块和可见光信号发射模块；所述区域照明模块包括光源阵列单元、透镜阵列单元、光源阵列驱动装置和电源模块；所述可见光信号发射模块包括信号管理驱动单元；所述光源阵列单元、光源阵列驱动装置和电源模块依次连接，而所述信号管理驱动单元一端与电源模块连接，另一端与光源阵列单元连接；所述光源阵列单元、透镜阵列单元以及全息波导天线沿光线传输方向设置，且所述全息波导天线设置于矩阵照明及可见光通信端的光线区域内；

所述光源阵列驱动装置用于控制光源阵列单元产生光束；

所述信号管理驱动单元用于控制光源阵列单元产生通讯信号；

所述透镜阵列单元为平凸透镜或菲涅尔透镜阵列，每块透镜对应一个光源矩阵模块，每个光源矩阵模块为LED阵列或OLED阵列，而光源阵列单元由光源矩阵模块排列组成，且所有的光源矩阵模块构成排列方式为i×j的LED阵列或OLED阵列；

其中，将照明区域可分为i×j个分区P_i，j，每个分区P_i，j内平行光束的入射角度为ξ_i，j，各分区内的光束入射角度ξ_i，j可分为方位角和倾斜角θ_i，j；

对于排列方式为n×n的光源矩阵模块，目标平面内的入射光束倾角个数S为：

当n为偶数时：

当n为奇数时：

根据光源矩阵模块及其排列方式确定光源矩阵模块其LED阵列或OLED阵列矩阵中心O_lens与光源阵列单元中的LED或OLED中心连线的S个对应的倾斜角；

根据光源矩阵模块的排序方式，获取单个透镜对应的光源矩阵模块与目标平面的分区的映射关系，将目标平面分为n×n分区阵列；

取目标平面内的中心为原点坐标，在目标平面内建立直角坐标系，进而得到各个光斑的坐标；然后根据透镜坐标和所有光斑的坐标可计算出该矩阵照明系统在目标平面上的方位角；根据方位角和S个倾斜角得到各分区对应的光束入射角度ξ_i，j；

所述全息波导天线为权利要求1所述的基于矩阵照明的通信明系统的全息波导天线。

3.根据权利要求2所述的基于矩阵照明的通信系统，其特征在于：所述光源矩阵模块的排列方式为4×4，其LED阵列或OLED阵列矩阵中心O_lens与光源阵列单元中的LED或OLED中心连线有三种对应的倾斜角θ₁，θ₂和θ₃；

其中，LED或OLED可近似被看作为正方形，其边长为l_LEDs，相邻LED或OLED之间的间距为d_LEDs，h^*为光源阵列单元到透镜阵列单元的距离；

根据光源矩阵模块的排序方式，获取单个透镜对应的光源矩阵模块与目标平面的分区的映射关系，将目标平面分为4×4分区阵列；根据透镜坐标和所有光斑的坐标可计算出该矩阵照明系统在目标平面上的16个方位角根据16个方位角和三个倾斜角θ₁，θ₂和θ₃进而可得到各分区对应的光束入射角度ξ_i，j；

接收信号端Rx的三种全息光栅的周期计算公式如下：

三种光栅对应的布喇格角为：

A_u表示第u个全息光栅的周期，u＝1，2，3；β₁为全息光栅倾角；

入射光束经接收信号端Rx的全息光栅衍射有两种全反射路径，因此平板波导Wg中的全反射角为：

或者

且三种全反射角满足：n表示平板波导的折射率；

输出信号端Ox的输出全息光栅的倾角β₂₁，β₂₂，β₂₃由光束的全反射角决定：

4.根据权利要求2所述的基于矩阵照明的通信系统，其特征在于：所述光源矩阵模块的排列方式为3×3，其LED阵列或OLED阵列矩阵中心O_lens与光源阵列单元中的LED或OLED中心连线有三种对应的倾斜角θ₁，θ₂和θ₃分别如下：

θ₁＝90°

其中，LED或OLED可近似被看作为正方形，其边长为l_LEDs，相邻LED或OLED之间的间距为d_LEDs，h^*为光源阵列单元到透镜阵列单元的距离；

根据光源矩阵模块的排序方式，获取单个透镜对应的光源矩阵模块与目标平面的分区的映射关系，将目标平面分为3×3分区阵列；

取目标平面内的中心为原点坐标，在目标平面内建立直角坐标系，进而得到各个光斑的坐标；然后根据透镜坐标和所有光斑的坐标可计算出该矩阵照明系统在目标平面上的9个方位角根据9个方位角和三个倾斜角θ₁，θ₂和θ₃进而可得到各分区对应的光束入射角度ξ_i，j。

5.根据权利要求2所述的基于矩阵照明的通信系统，其特征在于：所述接收信号端Rx、调制信号端Mx和输出信号端Ox设置的全息光栅可为反射型体全息光栅或透射性体全息光栅。

6.根据权利要求2所述的基于矩阵照明的通信系统，其特征在于：所述平板波导Wg为石英玻璃，光学级PMMA或者光学级PC。

7.根据权利要求2所述的基于矩阵照明的通信系统，其特征在于：所述全息光栅和平板波导Wg由折射率调制液紧密接连，全息光栅位于平板波导Wg表面，或位于平板波导Wg内部。