CN112532317A - 基于多色可见光通信系统的光学天线 - Google Patents

基于多色可见光通信系统的光学天线 Download PDF

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Abstract

一种基于多色可见光通信系统的光学天线，包括依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；所述第一透镜、第二透镜和第三透镜均为凸透镜，且第一透镜位于LED后，第二透镜和第三透镜位于光电探测器前；多色LED阵列各发射模块发出的光线依次通过所述第一透镜、第二透镜和第三透镜汇聚到所述光电探测器的有效探测面上。本发明结构简单，能有效汇聚光线，输出高亮度小面积的光斑，实现通信系统的高速率与小型化。同时，放置在不同位置的光电探测器能较好地接收到对应LED发射的信号，适用于多色可见光通信系统。本发明的光学天线集光性好、结构简单，可以满足不同通信装置对于光学天线的尺寸要求。

Description

基于多色可见光通信系统的光学天线
技术领域
本发明涉及可见光通信和光学天线领域，尤其涉及一种基于多色可见光通信系统的光学天线。
背景技术
可见光通信(Visible Light Communication，VLC)是一种使用LED发射信号，光电探测器(Photodetector，PD)接收信号，由此同时提供照明和通信双重功能的技术。与传统的射频通信相比，它具有抗电磁干扰、保密性高、频谱资源丰富、建设成本低等优点，因此逐渐受到广泛关注。日常生活中，人们习惯于使用类似太阳光线的白光LED进行照明，使用其作为光源的通信技术也不断发展。但白光LED调制带宽较窄，限制了信道容量，不利于信息的高速传输，多色LED逐渐进入人们视野。
RGB LED是可以发出红绿蓝三色的LED，通过三原色的共同成像，可以达到白光的效果。使用其他颜色，如黄光和蓝紫光，同样可以混合成为白光。组成白光的多种颜色可以任意比例混合，因此有着很高的清晰度和色纯度。更重要的是，多色LED相较于白光LED有着高带宽，更适用于高速可见光通信。
现代高速可见光通信系统的发展趋势是结构不断小型化。一方面，这有利于提高系统的移动性，通信装置可以在任意位置固定，甚至随身携带；另一方面，减小体积的LED和PD有着更高的带宽，从而保证了系统的更高速率。多色通信系统中，可以不断缩小输出光斑的面积，并在接收端使用滤光片过滤出所需色光，从而减小接收装置的体积。
由于多色可见光通信系统使用LED作为光源，光线容易发散，影响信号传输和接收，因此需要使用光学天线发射和接收光信号。现有的适用于可见光通信系统的光学天线常具有复杂结构，体积较大且制造工艺繁琐。此外，现有结构的光线输出范围大，难以使用小型器件接收，不利于整体系统的小型化。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于多色可见光通信系统的光学天线，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种基于多色可见光通信系统的光学天线，包括依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；所述第一透镜、第二透镜和第三透镜均为凸透镜，且第一透镜位于LED后，第二透镜和第三透镜位于光电探测器前；多色LED阵列各发射模块发出的光线依次通过所述第一透镜、第二透镜和第三透镜汇聚到所述光电探测器的有效探测面上。
其中，第一透镜用于使LED发出的光线汇聚为近似平行光，从而满足不同传输距离的要求。
其中，所述第二透镜和第三透镜用于将收到的平行光进行两次汇聚，有效缩小输出光斑面积。
其中，所述第一透镜与LED的距离为第一透镜的焦距。
其中，所述第三透镜到光电探测器的距离为第二透镜和第三透镜的组合焦距，通过双光组焦距计算公式确定。
其中，所述双光组焦距计算公式为：
Figure BDA0002804235310000021
其中，f为双透镜组合的焦距，f1为第一透镜的前焦距，f2为第二透镜的前焦距，f′1为第一透镜的后焦距，按照光线传播方向，透镜入射面对应前焦距，出射面对应后焦距，d为第一透镜、第二透镜的空间间距。
其中，在室内通信范围内，所述第一透镜、第二透镜的空间间距范围为1-5m。
其中，在所述光电探测器前，即光电探测器和第三透镜之间，设有滤光片，用于从混合光中滤出所需色光；或是在光电探测器表面镀滤光膜用于从混合光中滤出所需色光。
其中，所述光学天线系统的每一个透镜均能够根据LED的波长范围选择镀可见光波长范围的增透膜。
其中，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜包括双凸透镜和弯月透镜。
基于上述技术方案可知，本发明的基于多色可见光通信系统的光学天线相对于现有技术至少具有如下有益效果之一或其中的一部分：
(1)本发明结构简单，能有效汇聚光线，输出高亮度小面积的光斑，实现通信系统的高速率与小型化。同时，放置在不同位置的光电探测器能较好地接收到对应LED发射的信号，适用于多色可见光通信系统。
(2)本发明的光学天线集光性好、结构简单，可以满足不同通信装置对于光学天线的尺寸要求。
附图说明
图1为基于多色可见光通信系统的光学天线的光路示意图；
图2为本发明较佳实例提供的光学天线结构图；
图3为基于图2所示实例，光电探测器接收平面所成光斑图样。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种基于多色可见光通信系统的光学天线。本发明结构简单，能有效汇聚光线，输出高亮度小面积的光斑，实现通信系统的高速率与小型化。
具体的，本发明公开了一种基于多色可见光通信系统的光学天线，包括依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；所述第一透镜、第二透镜和第三透镜均为凸透镜，且第一透镜位于LED后，第二透镜和第三透镜位于光电探测器前；多色LED阵列各发射模块发出的光线依次通过所述第一透镜、第二透镜和第三透镜汇聚到所述光电探测器的有效探测面上。
需要说明的是，该处的光电探测器前和LED后中的前后是根据光的传播方向去定义的，光入射的方向为前，光出射的方向为后。
其中，第一透镜用于使LED发出的光线汇聚为近似平行光，从而满足不同传输距离的要求。
其中，所述第二透镜和第三透镜用于将收到的平行光进行两次汇聚，有效缩小输出光斑面积。
其中，所述第一透镜与LED的距离为第一透镜的焦距。
其中，所述第三透镜到光电探测器的距离为第二透镜和第三透镜的组合焦距，通过双光组焦距计算公式确定。
其中，所述双光组焦距计算公式为：
Figure BDA0002804235310000041
其中，f为双透镜组合的焦距，f1为第一透镜的前焦距，f2为第二透镜的前焦距，f′1为第一透镜的后焦距，按照光线传播方向，透镜入射面对应前焦距，出射面对应后焦距，d为第一透镜、第二透镜的空间间距。
其中，在室内通信范围内，所述第一透镜、第二透镜的空间间距范围为1-5m。
其中，在所述光电探测器前，即光电探测器和第三透镜之间，设有滤光片，用于从混合光中滤出所需色光；或是在光电探测器表面镀滤光膜用于从混合光中滤出所需色光。
其中，所述光学天线系统的每一个透镜均能够根据LED的波长范围选择镀可见光波长范围的增透膜。
其中，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜包括双凸透镜和弯月透镜。
需要说明的是，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜形状可以为任意凸透镜，包括但不限于双凸透镜和弯月透镜等。透镜形状需要根据实际需求进行选择。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明中的光学天线，具体包括放置在发射端LED后的第一透镜L1，以及放置在接收端光电探测器前的第二透镜L2和第三透镜L3，三个透镜均为凸透镜。如图2所示，为一较佳实施例的示意图。
其中，第一透镜的作用是将LED发射的光线汇聚，从而满足不同通信距离的要求，因此LED与透镜L1的距离为L1的焦距。透镜L2、L3是一个双透镜组合，其作用是对于平行光两次汇聚，最后输出为PD表面的小光斑。L2、L3的空间位置确定后，两个透镜组合的等效焦距可以使用双光组成像公式计算得出，即为L3与PD之间的距离。如图1所示，为基于多色可见光通信系统的光学天线的光路示意图。
在图2所示可见光通信系统中，发射端为RGBY四色LED，混合实现白光照明。对应的，接收端放置四个PD，用于接收光信号并将其转化为电信号。LED与L1的距离为L1的焦距，L3与PD的距离为L2、L3的组合焦距。为满足室内通信需要，LED与L2相距5m。
具体的，透镜相关参数如表1所示。
表1
透镜 直径/mm 焦距/mm 形状 材料
L1 45 32.1 非球面聚光透镜 B270
L2 45 32.1 非球面聚光透镜 B270
L3 25.4 16 非球面聚光透镜 B270
对于图2所示的发明实例，其光电探测器接收平面所成光斑图样如图3所示。图中中心位置的光斑亮度明显高于周围部分，显示了接收端光学透镜良好的聚光效果。光斑直径约为10mm，可以通过滤波片分离不同色光，并使用尺寸为毫米量级的光电探测器接收，能够有效提高系统的小型化与集成化。
为了得到具体的接收端光功率，在接收平片放置的4个光电探测器为图3中虚线方框部分。其边长为10mm，紧密排布。联合使用MATLAB及Zemax软件，得到系统信道矩阵的数值仿真结果如表2所示。
表2
0.000953 0.000714 0.000709 0.000577
0.000670 0.000876 0.000551 0.000679
0.000703 0.000564 0.000920 0.000709
0.000540 0.000661 0.000656 0.000828
从表2可以看到，信道矩阵主对角线元素最大，也就是每个光电探测器都能探测到一路主信号。因此，在PD前加上滤光片，就能够较好地接收到对应LED发射的信号。同时，每个PD接收到不同LED的光功率均在同一量级，不会造成局部某一色光强度过高，从而产生非白光的照明效果。因此，本发明提出的光学天线适用于多色可见光通信系统。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多色可见光通信系统的光学天线，包括依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；其特征在于：所述第一透镜、第二透镜和第三透镜均为凸透镜，且第一透镜位于LED后，第二透镜和第三透镜位于光电探测器前；多色LED阵列各发射模块发出的光线依次通过所述第一透镜、第二透镜和第三透镜汇聚到所述光电探测器的有效探测面上。
2.根据权利要求1所述的基于多色可见光通信系统的光学天线，其特征在于：第一透镜用于使LED发出的光线汇聚为近似平行光，从而满足不同传输距离的要求。
3.根据权利要求1所述的基于多色可见光通信系统的光学天线，其特征在于：所述第二透镜和第三透镜用于将收到的平行光进行两次汇聚，有效缩小输出光斑面积。
4.根据权利要求1所述的基于多色可见光通信系统的光学天线，其特征在于：所述第一透镜与LED的距离为第一透镜的焦距。
5.根据权利要求1所述的基于多色可见光通信系统的光学天线，其特征在于：所述第三透镜到光电探测器的距离为第二透镜和第三透镜的组合焦距，通过双光组焦距计算公式确定。
6.根据权利要求5所述的基于多色可见光通信系统的光学天线，其特征在于：所述双光组焦距计算公式为：
Figure FDA0002804235300000011
其中，f为双透镜组合的焦距，f1为第一透镜的前焦距，f2为第二透镜的前焦距，f′1为第一透镜的后焦距，按照光线传播方向，透镜入射面对应前焦距，出射面对应后焦距，d为第一透镜、第二透镜的空间间距。
7.根据权利要求6所述的基于多色可见光通信系统的光学天线，其特征在于：在室内通信范围内，所述第一透镜、第二透镜的空间间距范围为1-5m。
8.根据权利要求1所述的基于多色可见光通信系统的光学天线，其特征在于：在所述光电探测器前，即光电探测器和第三透镜之间，设有滤光片，用于从混合光中滤出所需色光；或是在光电探测器表面镀滤光膜用于从混合光中滤出所需色光。
9.根据权利要求1所述的基于多色可见光通信系统的光学天线，其特征在于：所述光学天线系统的每一个透镜均能够根据LED的波长范围选择镀可见光波长范围的增透膜。
10.根据权利要求1所述的基于多色可见光通信系统的光学天线，其特征在于：所述第一透镜、第二透镜和第三透镜包括双凸透镜和弯月透镜。
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