[发明专利]面向收端小型化的可见光通信双凸透镜天线及其设计方法

说明书

本发明公开了一种面向收端小型化的可见光通信双凸透镜天线及其设计方法，在远距离通信场景下，通过发端双凸级联透镜天线的组合设计，在收端得到尺寸较小的清晰分离光斑，在接收端对各个光斑汇聚后进行独立接收，可以实现多色乃至同色可见光的并行传输通信，可有效达到高速可见光并行通信系统的小型化目的。其一，利用双凸透镜结构能够在收端平面呈现小尺寸分离光斑，达到系统小型化的目的。其二，通过对分离光斑的独立接收，避免了滤光片及二向色镜的使用，有效降低了系统的实现复杂度及成本。其三，第一级透镜的物距及两级透镜之间的距离调参，可以实现成像尺寸及成像位置的调整，系统实现具有较高的鲁棒性，能够很好地适应不同的通信场合。

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端小型化的可见光通信双凸透镜天线及其设计方法。

背景技术

可见光通信(visible light communication,VLC)利用可见光频谱传输数据信息，在满足通信需求的同时兼顾照明需求，具有建设成本低，免于电磁波干扰，无需授权频谱及保密性能好等诸多优势，已有研究已经实现高达Gbps速率的无线传输，同时基于LED的高效照明产业得到了快速长足发展的事实，可见光通信有望得到广泛应用，因此受到国内外广泛关注。

可见光通信系统的某一实际部署框图如图1所示，通信链路距离为5米，通过多路并行传输实现高速可见光通信。所用LED通常以照明为目的，光线具有很高的发散性，尤其在远距离传输场景下，接收面处光斑面积的增大会严重限制收端系统的小型化，同时分散的光功率也会对光电探测器的接收造成困难。因此需要进行光学系统设计，要满足接收端信号强度要求，同时兼顾系统复杂性、尺寸及成本等诸多因素。

目前已知的基于多色并行通信的高速可见光通信光学系统设计方案有两种，一种是基于二向色镜的光学系统设计，即使用二向色镜将不同色光混合和分离，达到并行通信的目的，另一种是基于滤光片的光学系统，也即收发端各用一个凸透镜用于汇聚光束，结合滤光片达到并行通信的目的。其中，二向色镜的方案在【1】(15.73Gb/s Visible LightCommunication with off-the-shelf LEDs)中得到了应用，基于收发端单一透镜的光学系统在【2】(8-Gb/s RGBY LED-Based WDM VLC System Employing High-Order CAPModulation and Hybrid Post Equalizer)中得到了应用。但是基于二向色镜的光学系统需要使用多个二向色镜和凸透镜，系统结构复杂，尺寸难以小型化，而基于滤光片的光学系统在远距离成像时，往往会遇到成像尺寸过大而制约了接收端小型化的问题。

为了实现高速可见光通信，物理光学系统的设计起着重要作用。本发明提出了一种基于发端双透镜的光学系统设计，通过光学成像的方式，在收端平面处能够得到完美分离的各色小尺寸光斑，可以使用透镜对各个光斑分别汇聚后接收。

发明内容

本发明提出了一种基于发端双透镜的光学成像系统，通过选择合适的透镜焦距参数和空间位置，在收端得到清晰成像的小尺寸分离光斑，在保证高速并行通信和低系统复杂度的同时，实现了收端小型化的设计目标。

本发明采用的技术方案为：一种面向收端小型化的可见光通信双凸透镜天线的设计方法，该设计方法包括：

步骤一、在发端使用双凸透镜成像结构，利用第一级透镜在第一级透镜、第二级透镜之间成一缩小的实像，同时起到汇聚光强的作用，所成缩小的实像可视为新的等效光源用于第二级成像，第二级透镜在远处呈现相对等效光源放大的实像，总的成像放大比例由第一、二级透镜的成像特点共同决定，由于第一级光学系统有效减小了成像尺寸，在长距离通信场景下，仍然可以保证在接收端得到清晰成像的小尺寸分离光斑，透镜成像公式：