[发明专利]一种二元自由曲面可见光通信发射天线及其设计方法

说明书

本发明提出了一种二元自由曲面可见光通信发射天线及其设计方法，包括：建立自由曲面聚光器模型；对所述自由曲面聚光器根据Snell定律，根据偏微分方程确定入射、反射以及自由曲面法矢三者之间的关系，以确定自由曲面各点的斜率，计算得到自由曲面聚光器的面型；计算LED光源、自由曲面和照射面在参考坐标系下的坐标，建立所述LED光源、二元自由曲面的发光模型。本发明能有效的提高通信距离、减少误码率、提高光照强度等，提升了可见光通信系统的整体属性，具有极大的应用前景。

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，特别涉及一种二元自由曲面可见光通信发射天线及其设计方法。

背景技术

可见光通信是一种新型的通信方式，接收光学天线是LED可见光通信系统的重要组成部分，它能够收集大气散射的微弱信号，并对其进行滤波，可见光通信技术，是利用荧光灯或发光二极管等发出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的，将高速因特网的电线装置连接在照明装置上，插入电源插头即可使用，利用这种技术做成的系统能够覆盖室内灯光达到的范围，电脑不需要电线连接，因而具有广泛的开发前景，与目前使用的无线局域网(无线LAN)相比，“可见光通信”系统可利用室内照明设备代替无线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，未来传输速度还可能超过光纤通信，利用专用的、能够接发信号功能的电脑以及移动信息终端，只要在室内灯光照到的地方，就可以长时间下载和上传高清晰画像和动画等数据，该系统还具有安全性高的特点，用窗帘遮住光线，信息就不会外泄至室外，同时使用多台电脑也不会影响通信速度，由于不使用无线电波通信，对电磁信号敏感的医院等部门可以自由使用该系统。

传统光学系统所使用的光学元件主要是平面或者球面，需要借助多片光学元件才能实现良好的光学设计要求，因此，光学系统一般较复杂。随着光学制造业的发展，开始展现了具有复杂面型的非球面，单片非球面就可以消除光学系统的球差，被逐渐的用于需要小型化和轻型化的系统中。而且面对可见光通信中遇到的对准难，距离短等问题，二元自由曲面作为光学发射天线具有极大的发展空间。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种二元自由曲面可见光通信发射天线及其设计方法。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种二元自由曲面可见光通信发射天线的设计方法，二元自由曲面可见光通信发射天线，包括：LED光源、菲涅尔透镜和自由曲面聚光器，所述二元自由曲面可见光通信发射天线的设计方法，包括如下步骤：

步骤S1，建立自由曲面聚光器模型；

步骤S2，对所述自由曲面聚光器根据Snell定律，根据偏微分方程确定入射、反射以及自由曲面法矢三者之间的关系，以确定自由曲面各点的斜率，计算得到自由曲面聚光器的面型；

步骤S3，计算LED光源、自由曲面和照射面在参考坐标系下的坐标，建立所述LED光源、二元自由曲面的发光模型。

进一步，所述自由曲面聚光器的面型为圆形发光面。

进一步，在所述步骤S3中，

确定坐标系所需法矢，即，

其中，θ为p矢量在x-y平面上的投影与x轴的夹角，为p矢量与z轴的夹角，为p矢量的模

根据Snell定律得到

得到θ、与照明面上各点之间的关系，即：

其中，E(t)为点t处的照度，A为目标照明面面积；