CN112910555B - 面向收发端小型化的可见光通信凹凸透镜天线及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种面向收发端小型化的可见光通信凹凸透镜天线及其设计方法，通过选择具有合适参数的透镜组合和空间排布，在收端成缩小尺寸的清晰分离光斑，然后在收端使用透镜对各色光路分别汇聚并接收，从而实现并行高速可见光通信。本发明优点：其一，利用凹凸级联光学天线***，收端可以成尺寸缩小的分离光斑，可以有效实现***的小型化。其二，通过对分离光斑汇聚后进行独立接收实现并行通信，避免了二向色镜和光学滤波片的使用，有效降低了***的实现复杂度和部署成本。其三，通过选择具有合理参数的透镜和空间布局，我们可以调整成像尺寸比例以及具体的成像位置，也即天线***可以适应不同的应用场景，具有很好的鲁棒性。

Description

面向收发端小型化的可见光通信凹凸透镜天线及其设计方法
技术领域
本发明涉及可见光通信技术领域及光学天线领域，尤其涉及一种面向收发端小型化的可见光通信凹凸透镜天线及其设计方法。
背景技术
可见光通信(Visible Light Communication,VLC)利用可见光频谱进行通信，可见光通信具有频谱资源丰富、免于电磁干扰、安全可靠等诸多优势，在最近这些年已经得到了广泛的研究。目前可见光通信主要基于发光二极管(Light Emitting Diode,LED)进行部署，同时这些年得益于对环境保护的重视和科技的进步，LED照明产业得到了长足发展，在室内通用照明、建筑照明、景观照明及户外LED大屏幕等诸多场景下得到了广泛应用，基于LED的可见光通信可以建立在现有照明基础设施之上，可以极大地降低部署成本，具有很好的应用前景。随着虚拟现实(Virtual Reality,VR)、高清视频等领域的不断发展，人们在日常生活和工作中对速率的需求日益增长，可见光通信具有丰富的调制频谱资源，在通信的同时可以兼顾照明需求，结合多色复用等技术方案，可以实现Gbps级别速率的可靠传输，有望成为传统无线通信的重要补充，具有广泛的应用前景。
目前已有的高速可见光通信方案主要基于多色复用，也即利用不同颜色波段并行传输数据，实现高速可见光通信。具体的实现架构主要有两种方案，方案1是在收端对各色光路进行汇聚后，使用滤光片对各色信号分别进行接收，从而实现并行高速可见光通信；方案2是基于二向色镜的光学***设计，也即利用二向色镜在发端将各色光路汇聚重叠，然后在收端利用同样的结构将各色光路分开后进行接收，同样实现了并行高速可见光传输。但是这两种实现方案都具有一定的局限性，方案1在远距离成像时成像尺寸较大，因而收端光学模块尺寸也相应较大难以小型化，同时多色复用需要使用多个光学滤波片，也增加了***部署成本；方案2当使用RGBY四色实现并行高速可见光通信时，需要在收发端各使用3个二向色镜，***复杂性和实现成本较高，同时也面临***难以小型化的问题。
为了实现可靠的并行高速可见光通信，光学***的设计起着至关重要的作用。我们提出了一种基于凹凸透镜组合的发端光学天线设计，在收端呈现尺寸较小的清晰分离光斑，然后使用透镜对各色光路分别汇聚并接收，从而实现并行高速可见光通信。
发明内容
本发明提出了一种基于凹凸透镜组合的发端光学天线结构，通过选择具有合适参数的透镜组合和空间排布，在收端成缩小尺寸的清晰分离光斑，然后在收端使用透镜对各色光路分别汇聚并接收，从而实现并行高速可见光通信。该架构在满足接收端光功率约束的同时，兼顾了***的小型化，同时相较已有的方案有效降低了***的复杂度和部署成本。
本发明采用的技术方案为：一种面向收发端小型化可见光通信凹凸透镜天线的设计方法，该方法包括：
步骤一、使用凹凸透镜组合光学天线结构，通过第一级透镜成尺寸缩小的虚像，所成虚像位置在物和第一级透镜之间，所成虚像可以视为新的等效光源用于第二级透镜成像，通过第二级透镜在远距离接收面处成清晰分离光斑，第二级透镜成像相对于等效光源是放大的实像，总的凹凸级联透镜光学天线***的成像尺寸由第一、二级透镜的成像特点共同决定，由于第一级凹透镜成缩小的虚像，再经过第二级透镜放大在远距离处成像，相较于单透镜***有效缩小了成像尺寸；
透镜成像公式：
Figure BDA0002907306710000021
其中，fi表示第i级透镜的焦距，xi1表示第i级透镜的物距，xi2表示第i级透镜的像距，通过合理调整第一级透镜的位置，在物和第一级透镜之间成一个尺寸缩小的虚像，所成虚像视为新的等效光源，用于第二级透镜的成像，最终在远距离处呈现清晰的分离光斑，用于并行高速可见光通信，第一级透镜成像尺寸比例公式如下所示：
Figure BDA0002907306710000022
第二级透镜的成像尺寸比例公式如下所示：
Figure BDA0002907306710000023
其中第二级凸透镜的主要作用是在远距离处成清晰分离光斑，也即对第二级透镜有像距远大于物距，也即x22远大于x21，故第二级透镜的成像尺寸比例M远大于1，为了实现光学***的小型化，首先利用第一级透镜成了一个缩小尺寸的虚像，然后将其作为新的等效光源经过第二级透镜在远距离处成清晰的分离光斑，用于并行高速可见光通信，级联光学***的成像比例公式如下所示：
Figure BDA0002907306710000031
步骤二、通过选择具有合适焦距参数的凹凸透镜组合，并合理调整透镜的空间布局，在保证收端接收光功率约束的前提下，能够在接收平面处成尺寸缩小的清晰分离光斑，然后使用透镜对各个分离光斑分别进行汇聚后独立接收，实现并行高速可见光通信。
一种面向收发端小型化可见光通信凹凸透镜天线，利用所述的面向收发端小型化可见光通信凹凸透镜天线的设计方法设计得到。
本发明的优点和积极效果为：
提出了一种面向小型化的远距离可见光成像凹凸透镜级联光学天线设计，通过选择合理的透镜参数及空间布局，在满足通信功率要求的前提下，能够在远距离成像平面位置处成尺寸缩小的清晰分离光斑，进而使用透镜对各个光斑分别汇聚后独立接收，实现并行高速可见光通信。
基于以上讨论可知，本发明的远距离小型化可见光通信***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：其一，利用凹凸级联光学天线***，收端可以成尺寸缩小的分离光斑，可以有效实现***的小型化。其二，通过对分离光斑汇聚后进行独立接收实现并行通信，避免了二向色镜和光学滤波片的使用，有效降低了***的实现复杂度和部署成本。其三，通过选择具有合理参数的透镜和空间布局，我们可以调整成像尺寸比例以及具体的成像位置，也即天线***可以适应不同的应用场景，具有很好的鲁棒性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明所使用的发端凹凸透镜级联光学天线的原理图；
图2为本发明所使用的接收端阵列光学***图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。
本发明使用如图1所示的凹凸透镜组合光学天线结构，首先通过第一级透镜成尺寸缩小的虚像，所成虚像位置在物和第一级透镜之间，所成虚像可以视为新的等效光源用于第二级透镜成像，通过第二级透镜在远距离接收面处成清晰分离光斑，第二级透镜成像相对于等效光源是放大的实像。总的凹凸级联透镜光学天线***的成像尺寸由第一、二级透镜的成像特点共同决定，由于第一级凹透镜成缩小的虚像，再经过第二级透镜放大在远距离处成像，相较于单透镜***有效缩小了成像尺寸。
透镜成像公式：
Figure BDA0002907306710000041
其中fi表示第i级透镜的焦距，xi1表示第i级透镜的物距，xi2表示第i级透镜的像距，通过合理调整第一级透镜的位置，在物和第一级透镜之间成一个尺寸缩小的虚像，所成虚像视为新的等效光源，用于第二级透镜的成像，最终在远距离处呈现清晰的分离光斑，用于并行高速可见光通信。第一级透镜成像尺寸比例公式如下所示：
Figure BDA0002907306710000042
第二级透镜的成像尺寸比例公式如下所示：
Figure BDA0002907306710000043
其中第二级凸透镜的主要作用是在远距离处成清晰分离光斑，也即对第二级透镜有像距远大于物距，也即x22远大于x21，故第二级透镜的成像尺寸比例M远大于1，为了实现光学***的小型化，首先利用第一级透镜成了一个缩小尺寸的虚像，然后将其作为新的等效光源经过第二级透镜在远距离处成清晰的分离光斑，用于并行高速可见光通信。级联光学***的成像比例公式如下所示：
Figure BDA0002907306710000044
通过选择具有合适焦距参数的凹凸透镜组合，并合理调整透镜的空间布局，在保证收端接收光功率约束的前提下，能够在接收平面处成尺寸缩小的清晰分离光斑，然后使用透镜对各个分离光斑分别进行汇聚接收，实现并行高速可见光通信，实例中具体使用的接收端光学天线如图2所示，其中各个标注LENS的小圆表示用于汇聚相应分离光斑的小凸透镜，使用由多个小凸透镜组成的MIMO接收阵列光学天线进行接收。
实施例
高速可见光通信的一种实施方案为多色并行可见光通信，然而目前已有的基于多色并行的可见光通信***都面临***结构复杂、部署成本高及难以小型化等问题。为此提出了基于凹凸透镜组合的发端光学天线设计，能够在满足接收端功率要求的前提下，实现***的小型化，同时降低***的复杂度，实际部署中使用的透镜型号如表1所示
表1
透镜 直径/mm 焦距/mm 形状 型号
L1 25.4 50 双凹透镜 LD1464-A
L2 75.0 100 平凸型 LA1238-A
在实际部署中，首先调整物到第一级透镜的距离x11，从而在物和第一级透镜之间成一尺寸合适的缩小虚像，然后在部署实例中取成像距离为5m，当第一级透镜的摆放位置确定后，由于已经确定了光学***的成像位置，那么第一级和第二级透镜之间的距离也随之得到了确定。将物和第一级透镜之间的距离设为75mm，经过计算得到经过第一级透镜的成像尺寸放大比为0.4，在5m成像位置条件的约束下，可以求得第一级透镜和第二级透镜之间的距离为72.1mm，然后我们可以求得第二级透镜的成像尺寸放大比为47.53，综合上述两级透镜的计算结果，整个光学天线的成像放大比例为两者之积19.0。同时计算得出在发端只使用单凸透镜LA1238-A时的成像尺寸放大比为47.98倍，可以看出使用凹凸透镜级联组合的光学天线成像尺寸相较于单透镜天线缩小为0.40倍，而光斑面积则缩小为单透镜时的0.16倍，有效地实现了小型化。
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 (2)

1.一种面向收发端小型化的可见光通信凹凸透镜天线设计方法，其特征在于，该方法包括：
步骤一、使用凹凸透镜组合光学天线结构，通过第一级透镜成尺寸缩小的虚像，所成虚像位置在物和第一级凹透镜之间，所成虚像可以视为新的等效光源用于第二级凸透镜成像，通过第二级凸透镜在远距离接收面处成清晰分离光斑，第二级凸透镜成像相对于等效光源是放大的实像，总的凹凸级联透镜光学天线***的成像尺寸由第一级凹透镜、第二级凸透镜的成像特点共同决定，由于第一级凹透镜成缩小的虚像，再经过第二级凸透镜放大在远距离处成像，相较于单透镜***有效缩小了成像尺寸；
透镜成像公式：
Figure FDA0003486484870000011
其中，fi表示第i级透镜的焦距，xi1表示第i级透镜的物距，xi2表示第i级透镜的像距，通过合理调整第一级凹透镜的位置，在物和第一级凹透镜之间成一个尺寸缩小的虚像，所成虚像视为新的等效光源，用于第二级凸透镜的成像，最终在远距离处呈现清晰的分离光斑，用于并行高速可见光通信，第一级凹透镜成像尺寸比例公式如下所示：
Figure FDA0003486484870000012
第二级凸透镜的成像尺寸比例公式如下所示：
Figure FDA0003486484870000013
其中第二级凸透镜的主要作用是在远距离处成清晰分离光斑，也即对第二级凸透镜有像距远大于物距，也即x22远大于x21，故第二级凸透镜的成像尺寸比例M远大于1，为了实现光学***的小型化，首先利用第一级凹透镜成了一个缩小尺寸的虚像，然后将其作为新的等效光源经过第二级凸透镜在远距离处成清晰的分离光斑，用于并行高速可见光通信，级联光学***的成像比例公式如下所示：
Figure FDA0003486484870000014
步骤二、通过选择具有合适焦距参数的凹凸透镜组合，并合理调整透镜的空间布局，在保证收端接收光功率约束的前提下，能够在接收平面处成尺寸缩小的清晰分离光斑，然后使用透镜对各个分离光斑分别进行汇聚接收，实现并行高速可见光通信。
2.一种面向收发端小型化的可见光通信凹凸透镜天线，其特征在于：利用权利要求1所述的面向收发端小型化的可见光通信凹凸透镜天线设计方法设计得到。
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