[发明专利]基于微透镜阵列封装的LED匀化照明的通信发射系统

说明书

技术领域

本发明涉及到一种在室内可见光通信中应用的基于微透镜阵列封装的LED匀化照明的通信发射系统。

背景技术

室内可见光通信((Visible Light Communication，VLC)是利用发光二极管(Light Emitting Diode，LED)辐射发出的人眼感觉不到的高速调制信号来传输信息，将需要传输的数据加载到光载波信号上，并进行调制，然后利用光电转换器件接收光载波信号并解调以获取信息。与传统的照明设备相比，白光LED具有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等优点。白光LED的另外一个突出优点是响应时间非常短，因此可以用LED进行超高速数据通信。可见光通信系统能够覆盖灯光所能达到的空间范围，无需电线连接。与目前使用的无线局域网(无线LAN)相比，可见光通信系统可利用照明设备代替无线LAN局域网基站发射信号，其通信速度可达每秒数十兆至数百兆。利用专用的、能够接发信号功能的电脑以及移动信息终端，只要在灯光照到的地方，就可以进行数据传输。可见光无线通信技术是一种在白光LED技术上发展起来的新兴的光无线通信技术。与传统的射频通信和其他光无线通信相比，可见光通信具有发射信号强、无电磁干扰、节约能源等优点。

VLC主要由发射系统，传输介质和接收系统三部分组成。其发射系统主要由LED光源和发射光学系统(透镜)构成。通常LED光源的出射分布可视为遵从朗伯辐射模型，即各方向光强分布不均匀。为达到良好的通信与照明效果，可采用多白光LED阵列发射天线作为通信系统的发射天线。合理的阵列天线设计可以控制室内光功率的分布，改善光强度的起伏。微透镜阵列可以对LED发射光束进行整形，达到光束的匀化处理。将空间分布合理设计的多白光LED阵列发射出的光信号经过由一系列微透镜构成的微透镜阵列，对光束进行变换，达到信号和光强度在空间的均匀分布。信号通过在室内的无线传输，到达接收天线的接收面上，以保证接收面在信号覆盖范围内的各个位置得到相同照度的信号，消除传输信号在空间的不均匀性，避免出现接收信号的盲区。

在传统的VLC发射系统中，大部分多采用LED光源的面几何对称分布，由此构成的光源发射天线主要存在以下几点不足：(1)LED光源发射模型为朗伯辐射模型，光源辐射范围比较大，造成发射光束的发散角较大，使光源发出的光能量损失比较大，降低了能量利用率；(2)多白光LED普通空间分布的光强度近似符合高斯分布，起伏分布比较明显，使传输光信号达到接收器表面时，信号强弱分布不均，出现信号和照明盲区，加大了信号的接收难度或者信号的丢失。

发明内容

本发明提供了一种应用于室内可见光通信系统中基于微透镜阵列封装的发射天线系统的设计方法，该发射天线系统采用多白光LED光源合理的空间分布，将发射出的光再经过由一系列微透镜组成的微透镜阵列进行整形，使到达接收系统的光信号照度得到均匀化，以提高信号接收的稳定性，避免接收出现信号的起伏和盲区。

该设计方法可以通过下述技术方案予以实现：

(1)首先选定LED光源数目，保证所需要的光能量和光照度，通过理论分析，得到LED光源的空间分布位置、排列形式以及倾斜角。然后经过微透镜阵列的均匀化作用，使得发射系统发出的光在接收平面上光强分布比较均匀。

(2)利用标量衍射理论分析方法，给出衍射型微透镜阵列光束均匀化分析模型及用微透镜阵列对多光源LED的匀化整形。

由于采用了上述技术实施方案，本发明所提供的方法具有下述优点：

(1)由一系列微透镜构成的微透镜阵列，能够较好的控制光束的传输与分布，改善光强度的起伏；

(2)相比普通光学透镜，微透镜体积小，成本较低，可适于大批量生产；

(3)整个发射系统光源采用白光LED光源，功耗低，使用寿命长，尺寸小，绿色环保，成本低；

(4)多个白光LED光源的空间分布提高了光能利用率，减少了光能损失，从而节约能源，降低成本；

附图说明

图1是多LED光源圆环形阵列空间分布图；

图2是点光源斜照射接收时的面元图；

图3是光线传输的光路图；

图4是微透镜阵列仿真图；

图5是基于微透镜阵列封装的多LED光源发射系统仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。