CN115314107B - 一种用于可见光通信系统的带通聚光器及可见光通信系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种用于可见光通信的带通聚光器及可见光通信系统，包括：壳体，所述壳体内具有腔体，所述腔体填充有介质，所述壳体的一侧设有向腔体内凹陷的凹球面的光入射口，所述壳体的与光入射口相对侧设置有光出射口，所述光出射口的远离腔体侧配置具有滤波功能的多层介质膜。该带通聚光器对于传统CPC聚光器，可实现更大的视场角，即在更大入射角范围内实现1倍以上的光增益，从而显著提高可见光通信系统的通信效果。可在不增加光学天线空间体积的前提下显著降低整体质量，同时实现滤波功能。采用本方案所述聚光器的可见光通信系统，能明显增加系统的通信距离、带宽和单个光电探测器的接收视场角，可降低系统的整体复杂性和成本。

Description

一种用于可见光通信系统的带通聚光器及可见光通信系统

技术领域

本申请属于光学天线领域，主要涉及一种具有滤波功能的用于可见光通信系统的带通聚光器及可见光通信系统。

背景技术

可见光通信技术是以发光二极管(LED)为信号发射源，以光电探测器为信号接收端的一种新型通信技术。具有频谱资源丰富、无电磁辐射、安全性高、节约能源等优势，同时兼具通信与照明两大功能。由于可见光强度随传播距离增加而衰减的特性，可见光通信系统的通信距离往往会受到很大限制。为了满足实际应用的需求，要求信号接收端具有一定的接收视场角，使通信链路不局限于点对点通信。为满足上述两个要求，通常需要在光电探测器的前端增加一个聚光器，以在实现光增益的同时，还能保持较大的视场。

对于荧光型LED而言，其白光由蓝光激发黄色荧光粉而使得蓝光和黄光混合得到。由于黄光分量的响应速度较慢，因此，在可见光通信的接收端通常会滤除黄光分量，以增加白光LED的调制带宽。而对于多种单色混合而成的白光器件(如RGB LED)，通过波分复用技术，即利用不同单色光特定波长特性来分离出独立的通信信道，进而可大幅增加系统的调制带宽和通信速率。为避免各信道之间的相互干扰，往往在各通道的光电探测器前端增加不同带通的滤光片或直接将探测器设计成具有波长选择性响应。

如此，会增加系统的复杂性，或对光电探测器提出了较为苛刻的要求。

复合抛物面聚光器(CPC)是根据边缘光学原理设计的非成像聚光器，由两条对称的抛物线绕中心轴旋转得到。理论上，CPC可以将入射角小于其接收角的所有光线反射至底部的接收端面，相比于传统的透镜聚光方式具有更大的视场，同时具有较大的聚光比。

发明内容

为解决可见光通信中的通信距离较短、通信质量不佳的问题。本申请的目的在于：提出一种可同时实现光增益、扩大视场角、滤光功能的用于可见光通信系统的带通聚光器。

为实现上述目的，本申请采用如下的技术方案：

一种用于可见光通信的带通聚光器，包括：壳体，所述壳体内具有腔体，所述腔体填充有介质，所述壳体的一侧设有向腔体内凹陷的凹球面的光入射口，所述壳体的与光入射口相对侧设置有光出射口，所述光出射口的远离腔体侧配置具有滤波功能的多层介质膜。

优选的，该壳体呈U型，所述多层介质膜连接光电探测器。

优选的，该介质选自BK7材料、石英玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的至少一种或其组合。

优选的，该凹球面的半圆心角为60°～90°。

优选的，该用于可见光通信的带通聚光器的有效入射角为60°～89°。

优选的，该多层介质膜包括交替层叠的高折射率层与低折射率层。

优选的，该高折射率层包括TiO₂材料。

优选的，该低折射率层包括：MgF₂或SiO₂材料。

优选的，该光入射口大于所述光出射口，且所述光入射口L1与所述光出射口L2的比值介于1.2～5.0。

本申请提供一种可见光通信系统，其包括上述的用于可见光通信的带通聚光器。

有益效果

本申请实施方式的用于可见光通信系统的带通聚光器对于传统CPC聚光器，可得到更大的视场角，即在更大入射角范围内实现1倍以上的光增益，从而显著提高可见光通信系统的通信效果。可在不增加光学天线空间体积的前提下显著降低整体质量，同时实现滤波功能。采用本方案所述聚光器的可见光通信系统，能明显增加系统的通信距离、带宽和单个光电探测器的接收视场角，同时可降低系统的整体复杂性和成本。

附图说明

图1为传统CPC的中心剖面示意图；

其中：D、C分别为抛物线AC、BD的焦点。a、b分别为CPC的入光口和出光口直径，AD与BC的半夹角θ_max为CPC的最大半接收角(即半视场角)。

图2为本申请实施例的一种用于可见光通信系统的带通聚光器的中心剖面示意图；

图3为本申请实施例的凹面填充式CPC和传统CPC的光增益与入射角关系曲线图；

图4为本申请实施例的凹面填充式CPC、凸面填充式CPC、传统CPC和平面填充CPC的有效入射角范围与半圆心角关系曲线图；

图5为本申请实施例的凹面填充式CPC和凸面填充式CPC在不同半圆心角下与相对平面填充的质量比关系曲线图；

图6为本申请一实施例的可见光通信系统的带通聚光器的透射光谱图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本申请而不限于限制本申请的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

本申请公开一种用于可见光通信的带通聚光器，该带通聚光器，包括：壳体，壳体内具有腔体，该腔体填充有介质，该壳体的一侧设有凸向腔体的凹球面的光入射口，该壳体的与光入射口相对侧设置有光出射口，该光出射口的远离腔体侧配置具有滤波功能的多层介质膜。该带通聚光器对于传统CPC聚光器，可得到更大的视场角，即在更大入射角范围内实现1倍以上的光增益，从而显著提高可见光通信系统的通信效果。可在不增加光学天线空间体积的前提下显著降低整体质量，同时实现滤波功能。采用本方案所述聚光器的可见光通信系统，能明显增加系统的通信距离、带宽和单个光电探测器的接收视场角，同时可降低系统的整体复杂性和成本。该聚光器能在宽入射角范围内实现1倍以上光增益。将此聚光器应用于可见光通信系统中，即加装于光电探测器的上方，可以在正入射时提高接收信号强度。即使在大角度斜入射时仍保证通信系统正常工作。异于惯性思维的光入射口的凹面设计，还能大幅降低填充CPC的质量，节省填充材料和整体成本。此外，由于聚光器光出射口设置有多层膜系，还可以滤除干扰信号光，提高光通信质量。不需要使用额外的滤光系统，可使得整个可见光通信系统更加简单。针对室内白光LED可见光通信的宽视场接收而设计，为保证信号强度，期望聚光器在大入射角下不会对入射光带来明显衰减，也就是在大入射角度时仍可保证光增益不低于1。

接下来结合附图来描述本申请提出的用于可见光通信系统的带通聚光器。

传统的CPC(复合抛物面聚光器)聚光器如图1所示是由两条对称的抛物线AC与BD绕中心轴旋转得到的。

当入射光的入射角小于或者等于θ_max时，理论上所有光线能够直接到达或者经过反射后到达聚光器出射口；

当光线入射角度大于θ_max时，光线经过多次反射最终从CPC聚光器的入射口射出，此时聚光器增益为0。传统CPC聚光器的几何聚光比

为此申请人在传统CPC聚光器的基础上加以改进而形成一种带通聚光器(如图2所示)。

该用于可见光通信系统的带通聚光器包括：

壳体13，

壳体的一侧设有凸向腔体的凹球面型的光入射口11，

壳体的与光入射口相对侧设置有光出射口12，

壳体内填充有介质14，

其中，光入射口的形状为凹球面，其半圆心角为α；

光出射口的外侧配置有多层介质膜15；

壳体配置成的抛物线型高反射面层；未填充介质的CPC(即传统CPC)的最大半接收角为θ_max。

通过在结构上的改进在原本空心的聚光器内部填充介质；并将所填充介质的上表面设计成凹球面，同时兼作聚光器的光入射口，该光入射口的剖面视图中的圆弧半圆心角为α，通过这样的设计可以显著增加探测器的视场角。本实施方式中，光入射口设计呈凹球面相对于光入射口设计成凸面填充式的CPC可明显降低聚光器的质量。本实施方式中、聚光器光出射口(也称出光口)配置成为平面。其上设置有多层介质膜结构，该多层介质膜结构可作为聚光器与光电探测器的衔接介质。该多层介质膜结构兼具滤波的功能，使得探测器只对目标波长光做出光电响应。多层膜结构中采用的高折射率介质为TiO₂，低折射率材料为MgF₂或SiO₂，各材料层的具体厚度、层数和组合情况由目标带通的中心波长决定。具有特定形貌特征的填充介质由块体材料直接加工而成(而不是先得到未填充的传统CPC，而后再填入填充介质)。增加CPC视场角的惯性办法为在传统CPC的入光口设置凸球面或鱼眼镜头，这种方法虽能增加视场角，但由于引入外凸式的填充物，导致整个聚光镜的空间体积和整体质量相对于传统CPC和平面填充CPC具有明显增加。本申请提出的方案采用异于惯性思维的方法，即采用凹面填充的方式，相对于平面填充CPC，不仅能实现更大的有效视场角，还能在不增加聚光器的空间体积的前提下明显降低聚光器的整体质量。

本实施方式中，壳体主体呈U型，壳体顶部的光入射口大于壳体底部的光出射口。具体的光入射口L1与光出射口L2的比值介于1.2～5.0，进一步的，光入射口L1与光出射口L2的比值介于2.0～3.5。通过这样的设计可以进一步增加聚光器的光增益。

本实施方式中，将填充介质的上表面设计成凹球面，为了解决传统CPC聚光器在入射角大于其最大半接收角时增益为0的问题。根据折射定律，填充介质可以使入射光经CPC聚光器反射前减小其入射角，从而提高聚光器的视场角。此时，将填充介质的上表面由平面改为曲面，可以使入射光的入射角得到不同程度的减小，因此，可以让部分入射光的入射角得到更大程度的减小，从而进一步提高聚光器的视场角。

接下来通过Tracepro软件来仿真验证本申请提出的凹面填充式CPC聚光器，

具体效果如图3所示，得到不同入射角的入射光下的光增益。

以θ_max为25°、α为60°、填充介质为BK7的凹面填充式CPC聚光器为例，在入射角小于θ_max时，其光增益略低于传统CPC聚光器，但在入射角大于θ_max时，凹面填充式CPC聚光器不会像传统CPC一样光增益迅速衰减至0，而仍能保持可观的光增益。本实施方式中，介质为BK7光学玻璃。在其他的实施方式中，介质为石英玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或其组合。

为此，申请人进一步对比研究了不同θ_max和α下，本申请提出的聚光器与传统聚光器的有效入射角度范围。

以图3为例(对应的θ_max为25°，α为60°，填充介质为BK7)，入射角在小于42.5°大于70.6°时，光增益大于1，而入射角在42.5°和70.6°之间时，光增益小于1。因此，有效入射角范围可计算为42.5°+(90°-70.6°)＝61.9°。

此外，申请人进一步对比研究了不同θ_max和α下，本申请提出的聚光器、传统聚光器、光入射口表面设计为凸球面填充CPC的有效入射角度范围，具体结果见表1和图4。

由表1和图4可见，本申请提出的凹面填充CPC相对于任意θ_max和α，均具有明显更大的有效入射角范围。

与传统CPC相比，凹面填充和凸面填充CPC均具有显著增大的有效入射角范围。

然而，凸面填充CPC随着α的增加，整体上的有效入射角范围有所减小，且在θ_max大于等于25°时，对应的有效入射角范围小于平面填充CPC。与之形成鲜明对比的是，凹面填充CPC随着α的增加，整体上的有效入射角范围明显增加，且显著大于平面填充CPC。

表1.三种不同填充方式CPC与传统CPC的有效入射角范围比较

此外，采取凹面填充的方式相比于凸面填充和平面填充拥有更小的整体质量，可以节省耗材。

以平面填充CPC质量为基准，凹面填充与凸面填充的对比结果如图5所示，可见，随着α和θ_max的增加，凹面填充CPC的整体质量持续减小，而凸面填充CPC的整体质量持续增加。对于θ_max＝25°的CPC，当α大于70°时，凹面填充CPC的质量相对平面填充CPC可以减小20％以上。

进一步地，在用于可见光通信系统的带通聚光器(凹面填充聚光器)的出光口处设置多层介质膜，其可用于滤除没有携带信号的干扰光，同时便于聚光器与后端光电探测器进行无缝连接。该多层介质膜包括交替配置的高折射率层与低折射率层。以设计中心波长为450nm的带通膜系为例，可选用TiO₂为高折射率层、MgF₂为低折射率层。以凹面填充聚光器出光口为基底，依次交替沉积4对TiO₂和MgF₂高低折射率薄膜，它们的厚度分别为22.0nm、75.8nm、82.8nm、90nm、49.1nm、112.2nm、71.4nm、406.9nm。

采用多层膜结构，入射光的透射光谱如图6所示。只有波长为450只有波nm的入射光的透射率能达到40％以上，中心波长的透射率可达95％。而波长为500nm的黄光、550nm的绿光和620nm的红光的透射率均在20％以下。对于由RGB LED形成的白光光源，当采用波分复用技术进行调制时，可将带通膜系分别设计成中心波长分别为620nm、550nm和450nm的多层膜结构，置于凹面填充CPC出光口与光电探测器之间。

本申请还提出一种可见光通信系统，其包括上述的用于可见光通信的带通聚光器。该带通聚光器针对室内白光LED可见光通信的宽视场接收而设计。

本申请提出的用于可见光通信的带通聚光器(也称凹面填充CPC)，在出光口处设置多层膜结构，可以让聚光器与后端的光电探测器无缝衔接，还可以滤除干扰光，有效增加系统的调制带宽和通信速率。而传统的可见光通信系统，需要两个分立的光学元件(即滤光片和聚光器)来实现此功能。本申请提出的带通聚光器用于可见光通信系统，能明显增加系统的通信距离、带宽和单个光电探测器的接收视场角，同时可降低系统的整体复杂性和成本。本发明所设计的聚光器视场角由凹面填充曲面的半圆心角来决定，有效入射角或半接收角可以达到60°以上；而传统CPC的视场角由θ_max决定，半接收角才为20°～30°。以平行光为例，当入射角增大至CPC的最大半接收角后，其光增益会迅速衰减至0；而采用凹球面填充式的CPC，而仍能保持可观的光增益。总之，本方案的凹面填充CPC聚光器相对于传统的CPC和凸面填充CPC，可以实现更大的有效视场角，可在不增加光学天线空间体积的前提下显著降低整体质量，同时实现滤波功能。

上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡如本申请精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于可见光通信的带通聚光器，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体呈U型，多层介质膜连接光电探测器，

所述壳体内具有腔体，所述腔体填充有介质，

所述壳体的一侧设有向腔体内凹陷的凹球面的光入射口，所述凹球面的半圆心角为60°～90°，

所述壳体的与光入射口相对侧设置有光出射口，所述光出射口的远离腔体侧配置具有滤波功能的多层介质膜。

2.如权利要求1所述的用于可见光通信的带通聚光器，其特征在于，

所述介质选自BK7材料、石英玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种或其组合。

3.如权利要求1所述的用于可见光通信的带通聚光器，其特征在于，

所述用于可见光通信的带通聚光器的有效入射角为60°～89°。

4.如权利要求1所述的用于可见光通信的带通聚光器，其特征在于，

所述多层介质膜包括交替层叠的高折射率层与低折射率层。

5.如权利要求4所述的用于可见光通信的带通聚光器，其特征在于，

所述高折射率层包括TiO₂材料。

6.如权利要求4所述的用于可见光通信的带通聚光器，其特征在于，

所述低折射率层包括：MgF₂或SiO₂材料。

7.如权利要求4所述的用于可见光通信的带通聚光器，其特征在于，

所述光入射口大于所述光出射口，且所述光入射口L1与所述光出射口L2的比值介于1.2～5.0。

8.一种可见光通信系统，其特征在于，包括如权利要求1-7中任一项所述的用于可见光通信的带通聚光器。