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1、10申请公布号CN104320187A43申请公布日20150128CN104320187A21申请号201410469538722申请日20140915H04B10/116201301H04B10/5020130171申请人北京理工大学地址100081北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学72发明人蓝天刘浩杰倪国强54发明名称基于微透镜阵列封装的LED匀化照明的通信发射系统57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。
2、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。51INTCL权利要求书1页说明书5页附图2页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图2页10申请公布号CN104320187ACN104320187A1/1页21一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。
3、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。权利要求书CN104320187A1/5页3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。
4、统。背景技术0002室内可见光通信VISIBLELIGHTCOMMUNICATION，VLC是利用发光二极管LIGHTEMITTINGDIODE，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LA。
5、N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。0003VLC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。
6、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1LED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。
7、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说明书CN104320187A2/5页4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。
8、予以实现00071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。00082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00101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；00112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；00123整个发射系统光源采用白光LED光。
9、源，功耗低，使用寿命长，尺寸小，绿色环保，成本低；00134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；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。0020VLC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。
10、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00221多光源LED的空间分布对。
11、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。横向分说明书CN104320187A3/5页5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DLL0，1，2，L，D00的圆环上，L由小到大依次表示半径为DL圆环的层数，共有L1层。每层分布的LED数目为NLN01个，高度为HL。第LL0层圆环上的各LED光轴与中心LED即第0层光轴之间夹角为L，第LL0层圆环上第NN1，2，NL个LED位置的水平角为当HL0时，阵列。
12、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。00251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，设光源S为朗伯辐射模型，点光源的空间光辐射为2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00。
13、280029在此立体角里点光源发出的光通量为00300031R为点源S到接收面元DS的距离。所以，面元DS上的光照度00320033其中I表示LED的光强分布。0034对于朗伯辐射模型，LED的光强分布表达式为0035II0COSM40036当取半值角1/2时，可得00370038当LED照射到接收面上时，该平面上的照度分布003900402多LED光源0041由上述单个LED光源的空间光照度分布公式，根据空间光照度分布所遵从的光场叠加原理，可以推导出多LED光源阵列的空间光照度分布，如下式所示0042说明书CN104320187A4/5页60043式中，EX，Y，Z为LED阵列在空间点X，Y。
14、，Z处的光照度，EIXI，YI，ZI为第I个LED在空间点X，Y，Z处的光照度，N为LED阵列中光源LED的个数。0044根据图1所示的各层中每个LED光源的空间分布坐标，可以得到在空间直角坐标系下的空间光照度分布，得到的光照度分布是关于空间点坐标的函数。0045依据得出的空间光照度分布公式，对光照度公式运用数学知识，进行相关极值运算，使光照度在一定的空间范围内变化很小，并运用相关仿真软件对函数图形进行辅助分析，计算。从而得出光照度起伏较小的LED光源的合理空间分布形式。00462微透镜阵列的光束均匀化0047微透镜阵列是阵列光学器件中一类重要的光学元件，它通常是一系列孔径在几个微米至几百微米。
15、的微小透镜按一定规则在平面或曲面周期排列组成的透镜阵列，图4所示为微透镜阵列。0048微透镜阵列的光学整形原理根据透镜的不同可以分为折射和衍射两种，因此其设计理论根据微透镜的不同类型也有所不同。折射型微透镜的光学原理是基于光的折射，其设计是基于几何光学理论，而衍射微透镜是一种浮雕型的纯相位衍射光学元件，当不考虑其反射和吸收损耗时，其振幅透过率为1，它是基于光的衍射原理，因此其设计则是依据衍射光学理论，目前广泛采用的是标量衍射理论。0049微透镜阵列不仅具有传统透镜的聚焦、成像等基本功能，而且具有单元尺寸小、集成度高的特点，使得它能够完成传统光学元件无法完成的功能，因而应用广泛用。衍射微透镜与经。
16、典光学元件组合可以改善其光学性能视场和孔径角参数及成像质量对比度和分辨率，还可以实现与经典元件的色散补偿。0050首先设光源为点光源，点光源发出球面波，经过微透镜阵列，光线到达接收平面，光路图如图3所示。P0为点光源所在平面，P为接收平面，P1为微透镜阵列所在面。设微透镜阵列中心为空间直角坐标系的原点，光线沿Z轴正向传播，点光源的空间坐标为X0，Y0，U，光线进入微透镜阵列前表面的坐标为X1，Y1，0，光线经过微透镜阵列后从点X2，Y2，0出射，然后光线到达接收面P上的X，Y，V点，这里考虑到微透镜很薄，厚度忽略。0051设点光源的光场复振幅为E0X0，Y0，U，根据标量衍射理论中的菲涅尔衍射。
17、理论可得到由该点发出的球面波在微透镜阵列输入面上任意一点M行N列子透镜X1，Y1，0处的光场复振幅分布00520053其中，波数为光波的波长。XM，YN是第MN个微透镜单元的中心坐标，XM，YN是相应点在微透镜单元坐标系下的坐标，X2，Y2，0为微透镜单元输出面上相应点在系统坐标系中的坐标，X，Y，V为光线在考察面的空间点坐标。其中，X1，Y1，XM，YN和XM，YN的关系式为0054X1XMX1M90055Y1YNY1N10同理，透镜输出面相应坐标间的关系式为0056X2XMX2M11说明书CN104320187A5/5页70057Y2YNY2N120058由于各微透镜单元是相互光学隔离的，。
18、所以入射到微透镜阵列面上的光波将分别独立地通过各微透镜单元，然后再传播到阵列的输出面上。这样，第MN个微透镜阵列单元输出面上的光场分布，只取决于该单元输入面上入射光波的场分布，而与其它单元的场分布无关，入射光波经过该微透镜阵列单元，近似为经过薄透镜出射，出射光波经过菲涅尔衍射，可以得到接收面上在点X，Y，V处的光场分布EMNX，Y，该光场分布为单个微透镜的作用，由于各微透镜单元是相互光学隔离的，所以点光源通过微透镜阵列在接收面上的光场分布EX，Y为各微透镜在接收面上所生光场分布的叠加。00590060从而由接收面上的光场分布可得接收面上的光强度分布为00610062最后对在接收面上的光场复振幅。
19、分布进行分析和简化运算，设P0平面与P平面满足物像关系，即00630064运用公式15对光强度IX，Y进行化简，计算，得到在接收平面上的光强度分布IX，Y。运用MATLAB对得到的光强度分布IX，Y进行模拟仿真，通过仿真实验观察光强度的起伏，从而得到光束均匀化结果。0065根据以上的分析和推导，可得到微透镜阵列对光束光强度的均匀化处理，避免光强度的起伏造成的光信号传输的不稳定性以及信号盲区。0066利用微透镜阵列的这个光学性能，设计制作可以应用到封装在多白光LED光源外部的微透镜阵列，从而得到接收面光强度分布均匀的发射系统。如图5所示为基于微透镜阵列封装的多LED光源发射系统的平视图。说明书CN104320187A1/2页8图1图2图3说明书附图CN104320187A2/2页9图4图5说明书附图CN104320187A。