CN108008522A - 广角led照明融合mimo可见光通信接收光学天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的广角LED照明融合MIMO可见光通信接收光学天线，包括靠近物方具有负光焦度的第一透镜组，靠近成像面具有正光焦度的第二透镜组，其中：第一透镜组只有一个光学元件，为一个具有负光焦度的弯月型透镜；第二透镜组为具有正光焦度的近轴成像光学元件组，由多个透镜组成。本发明能够聚焦更多的光能量，从而提高接收端的信噪比；能够克服目前光学天线接收范围窄的缺点，增强了应用灵活性；可靠实现了MIMO结构的光信号分离，不同信道间的光信号分离效果显著，各光学单元信号隔离度达到45dB以上，在光学天线像平面上，不同光信道之间的信号成像距离达10mm以上，极大地降低了带内和带间的信号串扰。

Description

广角LED照明融合MIMO可见光通信接收光学天线
技术领域
本发明属于LED照明融合可见光通信和成像光学设计领域，具体涉及一种LED照明融合MIMO可见光通信接收光学天线的结构设计。
背景技术
LED作为一种绿色节能的新型照明光源，逐渐参与到人们的日常生活中。LED以其大的调制带宽，让高速可见光通信成为可能。室内可见光通信使用LED在满足照明的情况下，同时兼顾信息的传输。而为了满足照明需求，要采用多颗LED进行照明，所以将无线通信技术中的MIMO技术与可见光通信结合起来。MIMO技术在不提高电路的调制带宽的情况下，能够显著提高可见光通信的传输速率、传输距离和系统的可靠性。
MIMO技术在带给可见光通信优势的同时，也引入了一些新的技术难题。不同LED发射的光信号会造成接收端信号的串扰，难以恢复原发射信号。可见光信号在空间传播的特性由信道增益矩阵来描述。信道增益矩阵中的各元素是描述不同的LED到不同的光电探测器之间信道的直流增益。信道增益矩阵元素之间差异越大，在接收端信号分离越容易，从而后续信号处理复杂度就会降低。
为使接收端的光信号易于分离，通常会采用成像光学方法与非成像光学方法进行接收天线的设计。成像光学方法指的是物空间的某一物点经过光学系统成像对应像空间的唯一像点，而MIMO可见光通信的发射端，即多个LED光源发射的信号光经过成像光学天线的聚焦，在像平面上对应了不同的成像光斑，自然就实现了信号的分离。
传统成像法是基于近轴光学成像原理，由此设计的接收光学天线视场角不会很大，所以信号光在大视场角入射时无法理想聚焦在像平面上，另外可能会出现成像光斑较大，部分相互重叠的情况。为满足MIMO可见光通信系统的大视场角接收要求，使像平面上各光斑之间相互分离，两两之间间距合适，在此利用非相似成像原理引入桶形畸变，先将大视场角的信号光进行压缩，然后再利用近轴成像原理使其成像于像平面上，从而满足了上述种种需求，能够用多个光电探测器同时接收光信号。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种广角LED照明融合MIMO可见光通信接收光学天线，以解决MIMO可见光通信系统接收端信号分离的难题。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的广角LED照明融合MIMO可见光通信接收光学天线，包括靠近物方具有负光焦度的第一透镜组，靠近成像面具有正光焦度的第二透镜组，其中：第一透镜组只有一个光学元件，为一个具有负光焦度的弯月型透镜；第二透镜组为具有正光焦度的近轴成像光学元件组，由多个透镜组成。
所述的第二透镜组由4个透镜组成，分别为：具有正光焦度的第二弯月型透镜，具有正光焦度的第三双凸透镜，具有正光焦度的第四双凸透镜，具有负光焦度的第五平凹透镜；其中第四双凸透镜与第五平凹透镜胶合在一起，可以矫正系统色差。
所述的透镜都为玻璃球面透镜，各个透镜相互平行，没有倾斜，且各个透镜的光学中心都位于一条直线上。
本发明天线是以最大视场角入射时成像面上聚焦效果显著，光斑分离效果好，且易于光电探测器的接收和信号的分离。
所述的第二透镜组中，其中：第二弯月型透镜的前、后表面依次为第三光学表面、第四光学表面；第三双凸透镜的前、后表面依次为第五光学表面、第六光学表面；第四双凸透镜和第五平凹透镜组成的双胶合镜片由前到后的表面依次为光阑面、第七光学表面、第八光学表面。
所述的第一透镜组中，其一个具有负光焦度的弯月型透镜的前、后表面依次为第一光学表面、第二光学表面。
本发明提供的上述广角LED照明融合MIMO可见光通信接收光学天线，其用于解决MIMO可见光通信系统接收端信号分离的难题，在解决此难题过程中，能够有效地增强了各单元光接收机信号的强度，降低了光信道间干扰，提高系统信噪比≥15dB。
本发明天线应用时，能将来自LED的信号光聚焦到像平面上，不同LED发射的光分别对应像平面上唯一的光斑，再使用多个光电探测器接收光信号；所述光学天线包含靠近物方具有负光焦度的第一透镜组，靠近成像面具有正光焦度的第二透镜组所述光学天线能够将以半视场角60°入射的信号光聚焦在距离像平面中心9mm处，具有良好的信号分辨能力，此时成像光斑相比像平面最大照度仍有近50％的相对照度，保证了光电探测器的接收能量；像点90％以上的能量都在以弥散斑质心为中心半径为100μm的圆内，这一光斑面积小于可见光通信中的光电探测器光敏面积，使信号光能够全部进入光电探测器中。
本发明提供的广角LED照明融合MIMO可见光通信接收光学天线，其总长为24.4mm，工作F数为2.5，视场角为120°，有效焦距9.55mm。
本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：
1.对于来自不同LED的以大视场角入射的信号光，经过所述光学天线在像平面上聚焦的光斑分离效果好；在以最大视场角入射时，成像光斑距离像平面的中心约为10mm，有利于光电探测器的分布与接收；有较大的入瞳面积，能够聚焦更多的光能量，从而提高接收端的信噪比。
2.将“非相似成像”方法应用于设计多入多出(MIMO)可见光接收光学天线，方案新颖，结构可靠，有效地增强了各单元光接收机信号的强度，降低了光信道间干扰，提高系统信噪比15dB以上。
3.针对MIMO光通信接收范围宽的需求，本发明光学天线设计为大视场角结构，有效接收视场半角达到45度以上，克服了目前光学天线接收范围窄的缺点，增强了应用灵活性。
4.本发明可靠实现了MIMO结构的光信号分离，不同信道间的光信号分离效果显著，各光学单元信号隔离度达到45dB以上，在光学天线像平面上，不同光信道之间的信号成像距离达10mm以上，极大地降低了带内和带间的信号串扰。
附图说明
图1是本发明实施例的光路图；
图2是本发明实施例的调制传递函数示意图；
图3是本发明实施例的点列图；
图4是本发明实施例的相对照度图；
图5是本发明实施例的能量分布图；
图6是本发明实施例像平面上的离焦点列图。
图中：1.第一光学表面，2.第二光学表面，3.第三光学表面，4.第四光学表面，5.第五光学表面，6.第六光学表面，7.光阑面，8.第七光学表面，9.第八光学表面。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
本发明提供的广角LED照明融合MIMO可见光通信接收光学天线，其结构如图1所示，包括靠近物方具有负光焦度的第一透镜组，靠近成像面具有正光焦度的第二透镜组，其中：
所述第一透镜组只有一个光学元件，为一个具有负光焦度的弯月型透镜。
所述第二透镜组为具有正光焦度的近轴成像光学元件组，一共有4个光学元件，分别为具有正光焦度的第二弯月型透镜，具有正光焦度的第三双凸透镜，具有正光焦度的第四双凸透镜，具有负光焦度的第五平凹透镜。其中第四透镜与第五透镜胶合在一起，可以矫正系统色差。所述各个透镜都为玻璃球面透镜，各个透镜相互平行，没有倾斜，且各个透镜的光学中心都位于一条直线上。其特点是以最大视场角入射时成像面上聚焦效果显著，光斑分离效果好，且易于光电探测器的接收和信号的分离。
从物方到像方平面的方向上将各透镜依次编号，用于区分其功能次序。其中：第一透镜的前后表面依次为第一光学表面1、第二光学表面2，第二透镜的前后表面依次为第三光学表面3、第四光学表面4，第三透镜的前后表面依次为第五光学表面5、第六光学表面6，第四透镜和第五透镜组成的双胶合镜片由前到后的表面依次为光阑面7、第七光学表面8、第八光学表面9。
本发明光学天线的系统总长为24.4mm，工作F数为2.5，所述光学天线的视场角为120°，有效焦距9.55mm。
本发明光学天线具有大视场、高效率特点，当信号光以最大视场角入射时，成像光斑仍有50％相对照度，且像点90％的能量分布在以弥散斑质心为中心半径为100μm的圆内，保证了MIMO可见光通信接收性能。
本发明提供的广角LED照明融合MIMO可见光通信接收光学天线，其工作过程是：从多单元可见光通信LED发射出的光信号，到达本发明光学接收天线，利用本发明天线的非相似成像技术方法，经过本发明天线的各光学面后，将发射端到达的光信号分离，并在接收天线的像面成像，且将各单元信号90％以上的光能量分布在弥散半径100μm范围，实现对各单元信号的有效隔离，消除各单元信号间的串扰，从而实现了对MIMO信号的接收。

Claims (9)

1.一种广角LED照明融合MIMO可见光通信接收光学天线，其特征是包括靠近物方具有负光焦度的第一透镜组，靠近成像面具有正光焦度的第二透镜组，其中：第一透镜组只有一个光学元件，为一个具有负光焦度的弯月型透镜；第二透镜组为具有正光焦度的近轴成像光学元件组，由多个透镜组成。
2.根据权利要求1所述的广角LED照明融合MIMO可见光通信接收光学天线，其特征在于所述的第二透镜组由4个透镜组成，分别为：具有正光焦度的第二弯月型透镜，具有正光焦度的第三双凸透镜，具有正光焦度的第四双凸透镜，具有负光焦度的第五平凹透镜；其中第四双凸透镜与第五平凹透镜胶合在一起，可以矫正系统色差。
3.根据权利要求2所述的广角LED照明融合MIMO可见光通信接收光学天线，其特征在于所述的透镜都为玻璃球面透镜，各个透镜相互平行，没有倾斜，且各个透镜的光学中心都位于一条直线上。
4.根据权利要求3所述的广角LED照明融合MIMO可见光通信接收光学天线，其特征是以最大视场角入射时成像面上聚焦效果显著，光斑分离效果好，且易于光电探测器的接收和信号的分离。
5.根据权利要求2所述的广角LED照明融合MIMO可见光通信接收光学天线，其特征在于所述的第二透镜组中，其中：第二弯月型透镜的前、后表面依次为第三光学表面(3)、第四光学表面(4)；第三双凸透镜的前、后表面依次为第五光学表面(5)、第六光学表面(6)；第四双凸透镜和第五平凹透镜组成的双胶合镜片由前到后的表面依次为光阑面(7)、第七光学表面(8)、第八光学表面(9)。
6.根据权利要求1所述的广角LED照明融合MIMO可见光通信接收光学天线，其特征在于所述的第一透镜组中，其一个具有负光焦度的弯月型透镜的前、后表面依次为第一光学表面(1)、第二光学表面(2)。
7.权利要求1至6中任一所述广角LED照明融合MIMO可见光通信接收光学天线的应用，其特征是用于解决MIMO可见光通信系统接收端信号分离的难题，在解决此难题过程中，能够有效地增强了各单元光接收机信号的强度，降低了光信道间干扰，提高系统信噪比≥15dB。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于应用时，能将来自LED的信号光聚焦到像平面上，不同LED发射的光分别对应像平面上唯一的光斑，再使用多个光电探测器接收光信号；所述光学天线包含靠近物方具有负光焦度的第一透镜组，靠近成像面具有正光焦度的第二透镜组所述光学天线能够将以半视场角60°入射的信号光聚焦在距离像平面中心9mm处，具有良好的信号分辨能力，此时成像光斑相比像平面最大照度仍有近50％的相对照度，保证了光电探测器的接收能量；像点90％以上的能量都在以弥散斑质心为中心半径为100μm的圆内，这一光斑面积小于可见光通信中的光电探测器光敏面积，使信号光能够全部进入光电探测器中。
9.权利要求1至6中任一所述的广角LED照明融合MIMO可见光通信接收光学天线，其特征在于所述的光学天线，其总长为24.4mm，工作F数为2.5，视场角为120°，有效焦距9.55mm。
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