一种二元自由曲面可见光通信发射天线及其设计方法与流程

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。

技术实现要素：

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；

进一步求解一阶常微分方程初值；得到在一系列离散点处的近似值(ρ1,ρ2,...ρn),对进行离散，令：其中，为步长，且

令n为离散点的数目，即离散点为等距的，此时

采用euler方法数值求解微分方程，得到

其中，ρ0为已知初始值；

求解微分方程，求得在区间上的n个等距点的近似值。

其次，确定菲涅尔透镜小斜面倾角：

其中，f为焦距，n为折射率，r'为透镜上每一个小斜面中心点到透镜轴线的距离。

以及菲涅尔焦点：求出折射光线倾斜角即接收角u'

根据几何关系得到：

已知代入上式得到：

其中，r'为菲涅尔透镜半径，u为斜线接收角的大小，b为菲涅尔透镜的齿距，f'为菲涅尔透镜的焦距，ai为其俯角。

白光led发出的光服从朗伯发光模式，其数学模型可表示为：

式中i(θ)为发光强度；θ为光发射方向极角；m为朗伯模式方向指数，与led表面环氧树脂封装的粗糙度相关；ω是高斯模式下光束的光斑半径；φ是高斯模式下光束的轴向偏心角；η为朗伯传递函数，并且满足

进一步，所述菲涅尔透镜和采用塑料材质，表面涂有增加反射的光学薄膜，所述菲涅尔透镜置于所述自有曲面聚光器的自由曲面表面。

进一步，所述led光源位于所述菲涅尔透镜的前端。

本发明还提出一种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，其中，所述菲涅尔透镜和自由曲面聚光器采用塑料材质，表面涂有增加反射的光学薄膜，所述菲涅尔透镜置于所述自有曲面聚光器的自由曲面表面，所述led光源位于所述菲涅尔透镜的前端。

进一步，所述自由曲面聚光器的光斑采用圆形光斑。

根据本发明实施例的二元自由曲面可见光通信发射天线及其设计方法，解决现有可见光通信遇到的距离短、误码率高、照度不均匀、光能利用率低、视场角小的问题，提供了一种小体积、视场角大的设计方法，基于该设计方法提供的二元自由曲面发射天线，采用了菲涅尔透镜，能有效提高光照均匀度，提升光能利用率，且能够做到精准聚焦，能有效的提高通信距离、减少误码率、提高光照强度等，并且能够增大光出射角度以及能够聚焦到目标位置，提高系统信噪比，提升了可见光通信系统的整体属性，具有极大的应用前景。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的二元自由曲面可见光通信发射天线的设计方法的流程图；

图2为根据本发明实施例的二元自由曲面的示意图；

图3为根据本发明实施例的二元自由曲面可见光通信发射天线的示意图。

附图标记：

1、led光源；2、菲涅尔透镜；3自由曲面聚光器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明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。其中，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。图2为根据本发明实施例的二元自由曲面的示意图。

具体的，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，为了减少所述自由曲面聚光器的体积，对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。

在本发明的实施例中，自由曲面聚光器的面型为圆形发光面。

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led光源、二元自由曲面的发光模型。确定菲涅尔透镜的相关参数、确定led光源的发光模型、建立所述led光源、二元自由曲面的发光模型。

具体的，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

进一步地，

计算得到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。

进一步求解一阶常微分方程初值。

计算得到在一系列离散点处的近似值(ρ1,ρ2,...ρn),对进行离散，令：其中，为步长，且通常令

n为离散点的数目，即离散点为等距的，此时

使用euler方法数值求解微分方程，得到

其中，ρ0为已知初始值；

然后，利用c语言编程求解微分方程，求得在区间上的n个等距点的近似值。

进一步地，确定菲涅尔透镜小斜面倾角：

其中，f为焦距，n为折射率，r'为透镜上每一个小斜面中心点到透镜轴线的距离。

以及菲涅尔焦点：求出折射光线倾斜角即接收角u'

根据几何关系得到：

已知代入上式得到：

其中，r'为菲涅尔透镜半径，u为斜线接收角的大小，b为菲涅尔透镜的齿距，f'为菲涅尔透镜的焦距，ai为其俯角。

白光led发出的光服从朗伯发光模式，其数学模型可表示为：

式中i(θ)为发光强度；θ为光发射方向极角；m为朗伯模式方向指数，与led表面环氧树脂封装的粗糙度相关；ω是高斯模式下光束的光斑半径；φ是高斯模式下光束的轴向偏心角；η为朗伯传递函数，并且满足

在本发明的实施例中，本发明设计的二元自由曲面可见光通信发射天线，其菲涅尔透镜和采用塑料材质，表面涂有增加反射的光学薄膜，菲涅尔透镜置于自有曲面聚光器的自由曲面表面。并且，本发明的方法设计led光源位于菲涅尔透镜的前端。

图3所示，本发明实施例还提供一种采用上述方法制作的二元自由曲面可见光通信发射天线，包括：led光源1、菲涅尔透镜2和自由曲面聚光器3。菲涅尔透镜2和自由曲面聚光器3采用塑料材质，表面涂有增加反射的光学薄膜。菲涅尔透镜2置于自有曲面聚光器3的自由曲面表面，led光源1位于菲涅尔透镜2的前端。其中，led光源1选用普通照明光源即可。

在本发明的实施例中，自由曲面聚光器的光斑采用圆形光斑。

根据本发明实施例的二元自由曲面可见光通信发射天线及其设计方法，解决现有可见光通信遇到的距离短、误码率高、照度不均匀、光能利用率低、视场角小的问题，提供了一种小体积、视场角大的设计方法，基于该设计方法提供的二元自由曲面发射天线，采用了菲涅尔透镜，能有效提高光照均匀度，提升光能利用率，且能够做到精准聚焦，能有效的提高通信距离、减少误码率、提高光照强度等，并且能够增大光出射角度以及能够聚焦到目标位置，提高系统信噪比，增大了通信距离，提升了可见光通信系统的整体属性，具有极大的应用前景。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。