基于复眼结构的自适应可见光接收系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于复眼结构的自适应可见光接收系统，涉及可见光通信领域的接收技术。本系统包括依次连通的自适应复眼子系统（10）、自适应变焦子系统（20）、光电探测器（30）和电路子系统（40）；所述的自适应复眼子系统（10）包括基底（11）、复眼透镜阵列（12）、传输光纤（13）和控制器（14；）在基底（11）上设置有复眼透镜阵列（12），复眼透镜阵列（12）、传输光纤（13）和控制器（14）依次连接；所述的自适应变焦子系统（20）包括套管（21）和透镜组（22）；套管（21）包裹透镜组（22）。本发明适用于室内、室外可见光通信场所，该接收系统可检测微弱光信号，灵敏度较高，抗干扰能力较强。
【专利说明】
基于复眼结构的自适应可见光接收系统
技术领域
[0001] 本发明涉及可见光通信领域的接收技术，尤其涉及一种基于复眼结构的自适应可 见光接收系统;具体涉及一种曲面复眼结构和变焦光学结构，以及两者协同工作的光学接 收系统。
【背景技术】
[0002] 复眼是一种非常小巧而精密的光学结构，不同于现在常用的单孔径光学系统。生 物复眼由很多小眼组成，紧密排列在一起。每一个小眼由角膜、晶椎、感杆束和感光细胞构 成一个独立的光学系统。每个小眼对视场范围内的特点区域成像，所有小眼的图像拼接为 一幅大视场的图像。这种复眼结构使其有较大的视野且灵敏度较高。人工复眼光学系统就 是受昆虫复眼启发制作而成的具有高效率、大视场、体积小和分辨率高等特点的光学系统； 常用的复眼结构分为重叠型和并列型。复眼结构及其光学系统在图像处理、高速摄像、机器 人视觉及定位方面都有着广泛的应用。
[0003] 随着可见光通信技术的发展，人们对接收机提出了类似无线通信中天线所具备的 小型化、大视场和高增益等要求。在传统可见光通信接收系统中，用作光信息采集的透镜多 为单孔径结构，其接收视角较小，效率低，而且系统的抗干扰能力差。对于多孔径接收结构， 国内有几篇重叠型复眼结构的专利，包括180度大视场自由曲面复眼系统和中国科学院申 请的一种复眼透镜等，05年美国伊利诺大学研究了球形重叠型复眼光学性能，但重叠型复 眼的光学结构会比较复杂及成本较高。虽然并列型复眼结构已有较成熟的研究，但对于多 种不同实际场景下的可见光接收系统无法得到较理想的接收效果。
[0004] 经中国科学院武汉科技查新咨询检索中心查新(查新完成日期:2016年6月27日）
[0005] 查新点：
[0006] 1、自适应半球形复眼结构。通过控制系统根据实际应用场景自适应选择导通光纤 的圈数，即视场角大小，能减少噪声干扰影响。
[0007] 2、自适应调节视场角与焦距相结合的方法。利用焦距调节将经过视场角自适应调 节之后的可见光信号能更集中、稳定投射在探测面上，从而能适应各种不同的应用场景。
[0008] 查新结论，其主要创新点是：
[0009] 1、适应半球形复眼结构。通过控制系统根据实际应用场景自适应选择导通光纤的 圈数即视场角大小，能减少噪声干扰影响。
[0010] 2、自适应调节视场角与焦距相结合的方法。利用焦距调节将经过视场角自适应调 节之后的可见光信号能更集中、稳定投射在探测面上，从而能适应各种不同的应用场景。
[0011] 经综合对比分析可知，该查新项目的创新点在国内相关文献中尚未发现相同报 道。
【发明内容】
[0012] 本发明的目的就在于克服现有技术存在缺点和不足，提供一种基于复眼结构的自 适应可见光接收系统;具体地是提供一种大视场、高增益的基于复眼结构的自适应可见光 接收系统，其可以根据实际应用场景自适应控制接收机的视场角及焦距。
[0013]为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0014] -、基于复眼结构的自适应可见光接收系统(简称系统）
[0015] 本系统包括依次连通的自适应复眼子系统、自适应变焦子系统、光电探测器和电 路子系统。
[0016] 二、基于复眼结构的自适应可见光接收方法(简称方法）
[0017] 本方法包括下列步骤：
[0018] ①光信号进入微透镜阵列，经过与微透镜耦合的光纤传输至控制器；
[0019] ②控制器根据接收光功率大小自适应调节光圈孔径大小，实现视场角自适应调 节，并将信号传入变焦子系统中；
[0020] ③变焦子系统通过调节透镜组之间的间距，自适应调节焦距大小，使光斑稳定投 射在光电探测器上；
[0021] ④光电探测器检测可见光信号并转换成电信号，传入电路子系统；
[0022] ⑤电路子系统完成电信号的放大、滤波及数字信号处理。
[0023] 本发明具有下列优点和积极效果：
[0024] ①提供了一种应对实时场景变化的可见光通信技术方案；
[0025] ②提供了一种应对通信链路实时变化的可靠通信技术方案；
[0026] ③提供了一种缓解用户移动或遮挡对性能影响的可靠通信技术方案；
[0027] ④适用于室内、室外可见光通信场所，该接收系统可检测微弱光信号，灵敏度较 高，抗干扰能力较强。
【附图说明】
[0028] 图1为本系统的结构不意图；
[0029]图2为微透镜与光纤结合示意图；
[0030]图3为光圈叶片示意图；
[0031 ]图4为变焦光学子系统光线追迹示意图；
[0032]图5是本方法的工作流程图。
[0033]图中：
[0034] 10 -自适应复眼子系统，
[0035] 11-基底，12-透镜阵列，
[0036] 13 一光纤，14 一控制器；
[0037] 20-自适应变焦光学子系统，
[0038] 21-套管，
[0039] 22-透镜组，
[0040] 221-前固定组，222-第1变倍组，223-第2变倍组，
[0041 ] 224-补偿组，225-后固定组；
[0042] 30-光电探测器；
[0043] 40-电路子系统。
[0044] 具体实施方法
[0045] 下面结合附图详细说明。
[0046] -、系统
[0047] 1、总体
[0048]如图1，本系统包括依次连通的自适应复眼子系统10、自适应变焦子系统20、光电 探测器30和电路子系统40;
[0049] 2、功能块
[0050] 1)自适应复眼子系统10
[0051] 自适应复眼子系统10包括基底11、复眼透镜阵列12、传输光纤13和控制器14;在基 底11上设置有复眼透镜阵列12,复眼透镜阵列12、传输光纤13和控制器14依次连接。
[0052] (1)基底 11
[0053] 基底是一种半球形的塑料支架，其上设置有呈同心圆阵列的小孔，用于安装透镜。 [0054] (2)复眼透镜阵列12
[0055]复眼透镜阵列12是一种由若干透镜组成的安装在基底11上的阵列。
[0056] (3)传输光纤13
[0057]传输光纤13是一种通用件。
[0058] (4)控制器 14
[0059] 控制器14是一种自适应控制器，由呈同心圆孔阵列的圆盘及圆盘表面上的塑胶光 圈叶片组成，采用ALTERA公司生产的数字信号控制芯片EP4CE15F23C8,通过电机控制光圈 叶片开关，达到调节光圈孔径的目的。
[0060] 所述控制器14根据所设置的多个光信号功率阈值，自适应地调节光圈孔径大小； 当光照较强时，适当减小光圈接收孔径(减小接收视场角），能保证通信需求的同时减少了 外界噪声的干扰;当光照较弱时，适当增大光圈接收孔径(增大接收视场角），尽可能增加接 收光功率以满足通信需求;从而能够大大减少噪声干扰及提高接收效率;光信号经过控制 器后，进入自适应变焦子系统20。
[0061 ]本控制器14的技术方案可参考:光圈孔径调节机构（申请日2003-01-28,申请号 03102213.8,公开号 1437062)
[0062] 2)自适应变焦子系统20
[0063]自适应变焦子系统20包括套管21和透镜组22;套管包裹透镜组以防光线外漏；
[0064] (1)套管 21
[0065] 套管21是一个通用件。
[0066] (2)透镜组 22
[0067] 透镜组22是一种自适应变焦的光学组件，由依次连通的前固定组221、第1变倍组 222、第2变倍组223、补偿组224和后固定组225组成，利用其之间距离的变化来调节焦距。 [0068] 所述自适应变焦子系统20由三组透镜组成，前后一组透镜固定，中间包含变倍组 和补偿组透镜可以在电机的控制下在轨道上自由移动，从而能自适应地控制焦距的大小； 光信号经过自适应变焦子系统20后进入光电探测器30。
[0069]本自适应变焦子系统20的技术方案可参考:一种自适应变焦系统及方法（申请日 2014-11-27，申请号201410699083 · 8，公开号 104330882A)。
[0070] 3)光电探测器30
[0071] 光电探测器30采用日本滨松公司生成的S6968型PIN光电二极管。
[0072] 所述光电探测器检测到光信号并转换成电信号后，再由电路子系统40经过放大滤 波电路，最后信号在控制芯片中实现数字信号的处理。
[0073] 4)电路子系统40
[0074]电路子系统40包括信号放大电路、滤波电路及数字信号处理部分，数字信号处理 部分采用上述的数字信号控制芯片实现信号的处理。
[0075] 3、工作机理：
[0076] 可见光信号进入安装在基底11上的复眼透镜阵列12，阵列中的每个微透镜连接传 输光纤13并将光信号传入控制器14,控制器14根据所设多个光功率阈值自适应调节光圈叶 片的孔径即视场角大小;套管21中的光学透镜组22能根据实际场景自适应调节焦距大小， 光电探测器30将接收到的光信号转换成电信号，最后在电路子系统40中进行处理。
[0077] 1、图2为本发明微透镜与光纤结合不意图，D为微透镜口径，n〇、nL、m、n2分别为空 气、透镜、纤芯和包层的折射率;透镜前后的曲率半径分别为rjPr2;根据光纤数值孔径、透 镜口径等参数，结合SNELL定律可得出透镜的焦距和曲率半径，从而确定微透镜形状。
[0078] 由下式可得透镜中光线的最大入射角0Q.max所满足的关系式：
[0079]
[0080]
[0081]经过计算可得到微透镜焦距f和曲率半径η之间的关系，当透镜材料选定时，焦距 和曲率半径呈线性关系。
[0082] 2、图3为光圈叶片示意图，由同心圆孔阵列的圆盘及圆盘表面上的塑胶光圈叶片 组成，采用ALTERA公司生产的数字信号控制芯片EP4CE15F23C8,根据检测到的光功率大小， 通过电机控制光圈叶片开关，达到调节光圈孔径的目的。
[0083] 3、图4为本发明变焦光学系统光线追迹图，包括前固定组221、后固定组225,第1变 倍组222和第2变倍组223距离相对固定，通过前后移动可以改变系统的焦距;补偿组224通 过前后移动来补偿像面的位移，来保证当变倍组移动时探测面的稳定性，使光斑稳定投射 在光电探测器上。
[0084]二、方法
[0085] 如图5,其工作流程是：
[0086]①光信号进入微透镜阵列，经过与微透镜耦合的光纤传输至控制器-501;
[0087]②控制器根据接收光功率大小自适应调节光圈孔径大小，实现视场角自适应调 节，并将信号传入变焦子系统中-502;
[0088] ③变焦子系统通过调节透镜组之间的间距，自适应调节焦距大小，使光斑稳定投 射在光电探测器上-503;
[0089]④光电探测器检测可见光信号并转换成电信号，传入电路子系统-504;
[0090]⑤电路子系统完成电信号的放大、滤波及数字信号处理-505。
【主权项】
1. 一种基于复眼结构的自适应可见光接收系统，其特征在于： 包括依次连通的自适应复眼子系统（10)、自适应变焦子系统（20)、光电探测器(30)和 电路子系统(40)。2. 按权利要求1所述的自适应可见光接收系统，其特征在于： 所述的自适应复眼子系统（10)包括基底（11)、复眼透镜阵列（12)、传输光纤（13)和控 制器（14;)在基底（11)上设置有复眼透镜阵列（12)，复眼透镜阵列（12)、传输光纤（13)和控 制器(14)依次连接； 所述的控制器（14)是一种自适应控制器，由呈同心圆孔阵列的圆盘及圆盘表面上的塑 胶光圈叶片组成，采用ALTERA公司生产的数字信号控制芯片EP4CE15F23C8,通过电机控制 光圈叶片开关，达到调节光圈孔径的目的。3. 按权利要求1所述的自适应可见光接收系统，其特征在于： 所述的自适应变焦子系统（20)包括套管（21)和透镜组（22);套管（21)包裹透镜组 (22)； 透镜组（22)是一种自适应变焦的光学组件，由依次连通的前固定组（221)、第1变倍组 (222)、第2变倍组(223)、补偿组(224)和后固定组(225)组成。4. 基于权利要求1-3所述自适应可见光接收系统的自适应可见光接收方法，其特征在 于包括下列步骤： ① 光信号进入微透镜阵列，经过与微透镜耦合的光纤传输至控制器(501); ② 控制器根据接收光功率大小自适应调节光圈孔径大小，实现视场角自适应调节，并 将信号传入变焦子系统中（502); ③ 变焦子系统通过调节透镜组之间的间距，自适应调节焦距大小，使光斑稳定投射在 光电探测器上(503); ④ 光电探测器检测可见光信号并转换成电信号，传入电路子系统(504); ⑤ 电路子系统完成电信号的放大、滤波及数字信号处理(505 )。
【文档编号】H04B10/69GK106067841SQ201610604553
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年7月28日
【发明人】杨春勇, 吕云龙, 侯金, 陈少平
【申请人】中南民族大学