[發(fā)明專利]一種室內(nèi)LED可見光通信全息單色反射鏡的設(shè)計方法

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• 申請日: 2014-10-07
• 公開（公告）號: CN104316989A
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 藍天;王龍輝;沈振民;倪國強
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: G02B5/32
• 分類號: G02B5/32;H04B10/116
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及基于LED可見光無線通信領(lǐng)域的光學(xué)接收天線設(shè)計技術(shù)，具體涉及到應(yīng)用于白光LED室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中的全息單色反射鏡的設(shè)計方法。本方法用全息光學(xué)元件完成通信光信號的會聚與雜散光和背景光的濾波，以達到提高信噪比、減少系統(tǒng)體積與重量的效果。

背景技術(shù)

室內(nèi)可見光通信(Visible?Light?Communication，VLC)技術(shù)是隨著白光LED照明技術(shù)的發(fā)展而興起的無線光通信技術(shù)。目前的白光LED多用響應(yīng)速度最快的藍光激發(fā)黃色熒光粉混光組合而成，將白光LED用作照明的同時，利用白光LED中藍光部分響應(yīng)時間短、調(diào)制速率高的特性，可以把信號調(diào)制到LED可見光束上中調(diào)制速度最快的藍光進行傳輸，實現(xiàn)室內(nèi)VLC技術(shù)。

光學(xué)接收天線是VLC系統(tǒng)的重要組成部分，它的作用是盡可能多地接收自由空間中微弱的信號光輻射，然后被光電探測器所探測并轉(zhuǎn)換成電信號。因此，接收光學(xué)天線的設(shè)計直接影響到無線光通信系統(tǒng)接收信號的質(zhì)量。

傳統(tǒng)的光學(xué)接收天線多由聚光透鏡和濾波片組成的。聚光透鏡的作用是將系統(tǒng)中發(fā)射傳輸?shù)男盘柟膺M行聚焦，從而可以增加接收信號強度，相對減小探測器的接收面積，提高傳輸速率；濾波片的功能是濾除系統(tǒng)中背景光和雜散光的干擾，只讓調(diào)制速度最快的藍光通過，進而提高系統(tǒng)的信噪比。用全息單色反射鏡取代聚光透鏡和濾波片可在保證聚焦與濾波功能同時，利用全息單色反射鏡自身固有的特性，減少光學(xué)接收天線的體積、重量和成本，使室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的實用性得以優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種在白光LED室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中全息單色反射鏡的設(shè)計方法，通過平面光波與會聚球面光波在光致聚合物全息干板上發(fā)生相干完成記錄過程，形成的全息反射鏡兼顧會聚光束和濾除雜散光的功能，當用經(jīng)過調(diào)制的LED白光照射全息單色反射鏡再現(xiàn)時，其通信信息加載于光波上，經(jīng)衍射后形成的單色會聚點由光電探測器探測接收，再經(jīng)過相應(yīng)的信號放大解調(diào)處理，完成白光LED室內(nèi)可見光通信。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)：由相干激光光源發(fā)射出一束相干光，經(jīng)過分光棱鏡分成參考光和信號光兩束光波，其中參考光經(jīng)過擴束后，再通過一個透鏡將參考光波變?yōu)槠叫泄猓丈湓谌⒏砂迳希涣硗庖皇盘柟庖步?jīng)過擴束和準直后，再通過會聚透鏡使其成為會聚的球面光波且照射在全息干板上，然后與參考光在全息材料上發(fā)生干涉，完成全息單色反射鏡的記錄過程。當用經(jīng)過調(diào)制的白光LED發(fā)射的光束照射在全息單色反射鏡上時，在記錄時的信號光會聚點處會形成一個單色會聚點，將光電探測器放在該點探測接收，再經(jīng)過處理單元后最終完成室內(nèi)可見光的通信。其中，全息單色反射鏡內(nèi)部條紋的分布情況以及各點衍射效率的大小，可由矢量閉合法與Kogelnik耦合波理論來確定。

由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1)系統(tǒng)采用離軸反射式結(jié)構(gòu)，會聚的單色光點偏離主光軸，便于光電探測器探測接收，同時不會遮擋照明光波，提高了能量利用率；

2)全息反射鏡不僅可以實現(xiàn)傳統(tǒng)透鏡聚焦的功能外，還具有濾波片濾波的特性；

3)通過耦合波理論和矢量閉合法可以確定全息反射鏡上各個點的視場角、光譜寬度以及衍射效率的大小；

4)全息反射鏡的重量輕、體積小，制作簡單，使整個系統(tǒng)重量變輕、結(jié)構(gòu)簡單、易于安裝和調(diào)試；

5)使用光致聚合物材料制作的全息單色反射鏡具有很高的衍射效率，且性能穩(wěn)定，受環(huán)境影響小。

附圖說明

圖1為白光LED室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中全息單色反射鏡的記錄原理圖；

圖2為白光LED照射全息單色反射鏡的再現(xiàn)過程；

圖3為記錄后全息材料內(nèi)部所形成的干涉條紋；

圖4為矢量閉合法在全息單色反射鏡內(nèi)任意點的應(yīng)用示意圖；

圖1-2中：1相干激光光源2電子快門3偏振分光棱鏡4空間濾波器5準直透鏡6半波片7反射鏡8會聚透鏡9全息干板10經(jīng)過調(diào)制的白光LED陣列11會聚單色點12全息反射鏡13雪崩光電二極管(APD)

具體實施方式

本發(fā)明是針對室內(nèi)白光LED無線光通信系統(tǒng)中的信號接收端而設(shè)計的。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步描述。