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可见光通信与照明用复眼透镜的设计与仿真

学术编辑器:Junmin刘
收到了 10月28日
接受 12月1日
发表 2020年12月15日

摘要

提出了一种光学发射系统的设计方案,该系统通过复合眼透镜与向日葵平面凸透镜相结合,使接收平面上的光强更加均匀。仿真结果表明,光通过向日葵形平凸透镜阵列和复眼透镜后在光轴上收敛。紧凑型复眼平凸透镜阵列结构的接收面发散角和中心光强分别为总发射光功率的26.57°和80.50%,离散型复眼透镜阵列结构的发散角和中心光强分别为21.80°和62.50%。从以上结果可以看出,与离散型复眼透镜相比,紧凑型复眼透镜更有利于接收平面上光强的均匀分布,兼顾了照明和通信的双重应用。

1.简介

可见光通信(VLC)技术是在白光发光二极管(LED)技术基础上发展起来的一种新兴无线光通信技术[1- - - - - -4].它利用led发出肉眼难以分辨的高速光和暗闪烁信号来传递信息[5].可同时实现照明和通讯功能。与传统射频通信和其他无线通信系统相比,可见光通信不需要无线电频谱授权,具有保密性好、传输功率大、传输速度快、无电磁辐射和干扰等优点[67].可见光通信的关键技术包括光源的选择与布局、信号的调制与解调、信号的传播、弱光信号的接收[8].在可见光通信系统的发射模块中,为了控制LED光源的发射角度,通常使用透镜。

随着对可见光通信技术研究的逐步深入,研究人员发现光学接收系统在特殊环境下的通信性能有限[9].例如室外信道环境的背景光干扰比较强,光通信设备在移动状态下传输误差率高,传统光接收机采集光少,视场小,信道和调理电路噪声叠加严重影响系统性能[10].可见光通信系统接收端光学透镜的研究发展方向是体积小、重量轻、焦距短、集中效率高、视场大等。1112].因此,透镜的设计和优化是非常重要的。一种常见的方法是使用凸透镜组合来聚光,但实际应用中所需的透镜组比较大,不利于集成[13].对于高速、远距离、使用方便、集成度要求较高的水下无线光通信系统[14],则需要设计体积更小、集光效率更高的镜头组[15].

复眼是自然界广泛存在的一种视觉成像方法。具有大视场、三维成像、像差小、成像系统小型化等优点[16- - - - - -18].本文研究了可见光通信系统发射端光学透镜的优化设计问题。主要研究内容包括设计一种用于可见光通信系统发射透镜的复眼透镜,改变复眼透镜的结构参数,利用射线追踪法研究其集光效率和发射角度,优化设计透镜结构和参数。在平面凸透镜的基础上,设计了一种复眼平面凸透镜。通过理论建模,优化了透镜的结构参数。该平面复眼透镜可作为可见光通信系统的发射透镜,降低了对光源阵列布局的要求。

2.向日葵形透镜阵列的设计

仿真设计的sunflower-shaped 9-lamp珠LED阵列,计划使用微透镜阵列或传统的透镜sunflower-shaped 9-lamp珠LED阵列灯板主要光收集,然后使用sunflower-shaped透镜阵列二次光收集,和镜头优化设计减少透镜组的体积,同时实现高发射功率和小发射角,以适应场合更高程度的集成。数字1所示为LED阵列和透镜阵列的结构。LED阵列中LED灯的封装尺寸为3mm × 3mm,微透镜厚度为1.5 mm。设计的透镜阵板直径为106 mm,底板厚度为2.5 mm。中心透镜前表面的曲率半径为17.1 mm,外透镜前表面的曲率半径为16.6 mm。

3.复眼晶体的建模与仿真

在仿真系统中,利用TracePro软件对向日葵形透镜阵列进行了仿真分析。复眼晶体的材料是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。所述LED阵列灯板的中心位置作为XY平面坐标的原点。每个LED的光通量设置为1瓦,透光距离为50厘米,探测器的接收面尺寸为50厘米× 50厘米的方形平面。数字2为光线跟踪向日葵形透镜阵得到的效果图。

数字3.为向日葵形平凸透镜阵列接收面总辐照度分布图。从图中可以看出,光线经过向日葵形的平凸透镜阵列后在光轴上汇聚,集光效率达到91.75%,发散角大于11.31°。结果表明,向日葵型平凸透镜阵列能取得较好的光收敛效果。

在可见光通信系统中,为了同时满足照明和通信的应用要求,在设计透镜阵列时,我们需要在保证接收端有足够光强的同时,使光分布均匀。在本工作中,我们设计了一种用于可见光通信系统的复眼透镜。数字4给出了复合眼平面凸透镜阵列结构图以及向日葵形透镜阵列和复合眼平面凸透镜的光线追踪效果图。设计基板直径为110 mm,复眼透镜阵列透镜数量为37个,曲率半径为10 mm。每个LED的光通量也设置为1瓦,透光距离为50厘米,探测器的接收面尺寸为50厘米× 50厘米的方形平面。

数字5给出了复眼平面凸透镜和向日葵形平面凸透镜阵列的接收面总辐照度分布图。可以看到,光线经过向日葵形的平凸透镜阵列和复眼透镜后,在光轴上汇聚。集光效率下降到42.35%。发散角大于26.57°。对于紧凑型复眼平凸透镜阵列结构,接收面中心光强为总发射光功率的75.00% ~ 80.50%。虽然部分由向日葵透镜汇聚的光经过复眼透镜折射后脱离了接收范围,但接收端光分布更加均匀,更适合多输入多输出(MIMO)可见光通信中多个离散接收器同时接收的应用场景。

为了进一步研究复眼晶状体中单眼晶状体的数量对光收集效率和发散角的影响,我们将复眼晶状体与97个单眼晶状体和127个单眼晶状体进行了比较。数字6给出了由97个单眼透镜和127个单眼透镜组成的复眼平凸透镜的阵列结构图。曲率半径为5mm。设计基板直径为110毫米。

数据7而且8显示单眼镜片数为97和127时复眼平凸透镜和向日葵形平凸透镜阵列接收面总辐照度分布图。从图7可见,当单眼透镜数量为97个,发散角大于21.80°时,其集光效率为50.51%。对于紧凑的复眼平凸透镜阵列结构,接收面中心光强为总发射光功率的62.50%。从图8,可以看出,当单眼透镜数量为127个,且发散角大于26.57°时,其集光效率仅为41.57%。从接收平面的光强分布图可以看出,LED阵列发出的光经过向日葵透镜和复眼平凸透镜后,光以轴为中心。

从数据5而且8为复眼透镜阵列结构接收面发散角和中心光强,如图所示4(一)而且6 (b),基本相同,约为26.57°,占总发射光功率的75.00% ~ 80.50%。随着单眼透镜数量的增加,光的收集效率略有下降,而光在接收平面上的分布更加均匀。在图7,所述复眼透镜阵列结构的集光效率如图所示6(一)比图中要高4(一)而且6 (b),但接收平面的光强分布不够均匀。结果表明,应用该复眼透镜作为阵列结构的复眼透镜如图所示4(一)而且6 (b)有利于兼顾照明应用和MIMO-VLC系统。

4.结论

本文设计了两种与向日葵平凸透镜相结合的复眼透镜,用于照明应用和MIMO-VLC系统。仿真结果表明,光通过向日葵形平凸透镜阵列和复眼透镜后,会在光轴上收敛。结果表明,紧凑型复眼透镜比离散型复眼透镜更有利于光强在接收平面上的均匀分布,兼顾了照明和通信的应用。

数据可用性

本研究没有数据支持。

利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突。

致谢

本工作由上海师范大学一般项目资助。

参考文献

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