基于微透镜阵列封装的led匀化照明的通信发射系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于微透镜阵列封装的LED照明通信光源发射(天线)系统的设计方法，该设计方法主要用于照明或室内可见光通信传输的发射系统中。此系统采用多LED阵元芯片空间对称分布，首先对发射模型为朗伯辐射模型的LED光源的照明光场进行初步均匀整形，之后再经过微透镜阵列，得到光强的进一步均匀化处理，得到在一定的接收面积内光强变化不明显的光波或光信号。整个系统对LED光源出射光束进行了重新分配，在照明需求下，避免了强光对眼睛的伤害以及避免了达不到照明要求的黑暗区的出现；在传输信号需求下，扩大了信号接收区域，避免信号盲区，并且微透镜制作方便，成本较低。
【专利说明】基于微透镜阵列封装的LED匀化照明的通信发射系统
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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=(I)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】
[0005] 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。
[0006] 该设计方法可以通过下述技术方案予以实现：
[0007] (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。
[0008] (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。
[0009] 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：
[0010] (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；
[0011] (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；
[0012] (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；
[0013] (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；
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1是多LED光源圆环形阵列空间分布图；
[0015] 图2是点光源斜照射接收时的面元图；
[0016] 图3是光线传输的光路图；
[0017] 图4是微透镜阵列仿真图；
[0018] 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】
[0019] 下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0020] VLC系统信号发射天线中辐射出的光信号分布形式对接收天线所接收到的光信号 分布有重要影响。本发明所提供的发射天线设计方案主要由多个LED光源和微透镜组构 成。在室内可见光通信系统中，为达到良好的通信与照明效果，通常采用多白光LED阵元发 射天线作为通信光源。LED阵元的合理分布及微透镜阵列对光束的变换，以达到信号和光强 度在空间的均匀分布。
[0021] 在普通光学照明天线中，由于光源的排列与分布存在很大的光能量损失，造成了 能量利用率下降，并且在接收面上的光照呈现类高斯分布，光照度起伏比较大，信号不稳 定，给信号的接收及后续处理带来了困难。而微透镜阵列能够对光束进行整形和控制，减小 光照度的起伏度，而且成本低，体积小。本发明旨在将空间分布合理的多LED光源利用微透 镜阵列的封装进而实现光束的匀化处理。为了解决上述技术问题，将从以下几个方面具体 描述：
[0022] (1)多光源LED的空间分布对光强度分布的影响
[0023] 图1所示为LED光源圆环形阵列天线的立体空间分布。LED阵列天线的设计分布 在半径为d圆球的半球面上，主要对LED的径向和切（环）向位置分布进行设计。横向分 布设计为圆环形，纵向分布以横向分布的纵向平移为主。以具有对称分布的阵列天线为研 究对象，LED均匀分布在半径为屯(1 = 0，1，2, . . .，L，dQ = 0)的圆环上，1由小到大依次 表示半径为Cl1圆环的层数，共有L+1层。每层分布的LED数目为N 1 (Ntl= 1)个，高度为tv 第1(1 >〇)层圆环上的各LED光轴与中心LED(即第0层）光轴之间夹角为Q1，第1(1 > 〇)层圆环上第n(n= 1，2... ,N1)个LED位置的水平角为％/。当匕=。时，阵列天线无径 向分布，即变为平面阵列天线。
[0024] 为了得到多光源LED在空间的光强度分布，可以先分析单个光源空间光强度的分 布，然后运用光场分布的叠加原理，得出多光源光强度的空间分布。
[0025] 1)单个LED光源
[0026] 当光束接收平面距LED光源的空间距离比LED光源本身发光尺度（多为mm量级） 大很多，LED光源自身大小可忽略时，LED光源可视为点光源。因此单个LED光源在空间的 光强度分布就等效于点光源的光强分布。
[0027] 点光源S在接收面元dS的几何关系如图2所示，设光源发光光轴与接收面元dS 法线夹角为Θ，设光源S为朗伯辐射模型，点光源的空间光辐射为2π的立体角张角范围。 辐照面单位面积dS对点光源S的立体角为
【权利要求】
1. 一种基于微透镜阵列封装的LED匀化照明的通信发射系统的设计方法，其特征在 于：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照分布比较均匀。
2. 根据权利要求1所述的一种基于微透镜阵列封装的LED匀化照明的通信发射系统的 设计方法，其特征在于：利用标量衍射理论分析方法，给出了衍射型微透镜阵列光束均匀化 分析模型及折射型微透镜阵列光束均匀化分析模型。
【文档编号】H04B10/116GK104320187SQ201410469538
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】蓝天, 刘浩杰, 倪国强 申请人:北京理工大学