设计和模拟复眼透镜的可见光沟通和照明

文摘

我们提出了一个方案设计光学发射系统,可以使光强度更统一接收飞机上通过复眼透镜结合向日葵平凸透镜。仿真结果表明,该光收敛在光轴穿过sunflower-shaped平凸透镜阵列和复眼透镜。发散角和中央接收平面上的光强度,分别26.57°和80.50%的总发射光功率的数组结构紧凑的复眼平凸的透镜,而这些都是21.80°,离散复眼透镜为62.50%。从上面的结果可以看出,紧凑的复眼透镜更有利于接收飞机上均匀分布的光强度与离散复眼透镜相比,考虑到双照明和通信的应用。

1。介绍

可见光通信(VLC)技术是一种新兴无线光通信技术发达的白色发光二极管(LED)技术(1- - - - - -4]。它使用发光二极管发出的高速明暗闪烁信号用肉眼是很难区分传输信息(5]。它可以实现照明和通信的功能在同一时间。相比与传统的射频通信和其他无线通信系统中,可见光沟通不需要无线电频谱授权和具有良好的保密性,传动功率高,传播速度快,没有电磁辐射和干扰6,7]。可见光通信的关键技术包括光源的选择和布局,信号调制和解调、信号传播和接收的弱光信号(8]。的控制发射角度LED光源的可见光发射模块的通信系统,通常使用一个镜头。

可见光的逐步深化研究通信技术,研究人员发现,通信光学接收系统的性能在一个特殊的环境是有限的(9]。例如,室外的背景光干扰信道环境相对强劲,光通信设备的传输错误率在移动状态高,传统的光接收机收集的光少,视野小,频道和调节电路的叠加噪声严重影响系统性能(10]。光学透镜的研究和发展方向的接收端可见光通信系统体积小,重量轻,短焦距,高浓度效率、大视场等。11,12]。因此,镜头的设计和优化是非常重要的。凸的常见的方法是使用一个组合透镜光凝结,但所需的透镜组是相对较大的在实际应用程序中,这不利于集成(13]。为高速、长距离和易于使用的水下无线光通信系统,需要一个相对高度的集成(14),有必要设计一个透镜组与一个较小的体积和更高的光收集效率(15]。

复眼的视觉成像法是一种广泛存在于自然。它具有大视场、三维成像、小畸变,小型化的成像系统16- - - - - -18]。摘要优化设计光学透镜的可见光传输的通信系统进行了研究。主要研究内容包括设计一个复眼透镜传输透镜的可见光通信系统,改变复眼透镜的结构参数,采用射线追踪法研究其光收集效率和发射角度,镜头结构的优化设计和参数。基于平凸的微透镜,复眼平凸的透镜设计。通过理论建模、透镜的结构参数进行了优化。平的复眼透镜可以用作传输镜头在可见光通信系统中,这减少了光源阵列的布局要求。

2。Sunflower-Shaped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。图1显示LED阵列的结构和透镜阵列。包大小的LED灯LED阵列是3毫米×3毫米,和透镜的厚度是1.5毫米。设计透镜阵列板的直径是106毫米,和底板的厚度是2.5毫米。前表面的曲率半径中央镜头是17.1毫米,和前面的表面的曲率半径外的镜头是16.6毫米。

3所示。复眼透镜的建模与仿真

在仿真系统中,由TracePro sunflower-shaped透镜阵列进行模拟和分析。复眼透镜的材料是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。LED阵列灯板的中心位置作为XY平面的坐标的起源。每个领导的光通量设置为1瓦,光传输距离是50厘米,大小的探测器接收面是50厘米×50平方厘米的飞机。图2是影响图得到的射线追踪sunflower-shaped透镜阵列。

图3是total-irradiance映射图的接收面sunflower-shaped平凸透镜阵列。从图可以看出,光收敛在光轴穿过sunflower-shaped平凸透镜阵列,光收集效率达到91.75%,发散角大于11.31°。它表明sunflower-shaped平凸透镜阵列可以实现更好的光收敛效果。

可见光通信系统中,为了满足照明和通信的应用需求,在透镜阵列的设计,我们需要使光分布均匀,同时确保接收端有足够的光强度。在这项工作中,我们设计了一种复眼透镜的可见光通讯系统。图4显示数组结构图的复眼平凸透镜和射线跟踪效果图sunflower-shaped透镜阵列和复眼的平凸透镜。设计衬底直径110毫米,复眼透镜的透镜阵列是37,曲率半径是10毫米。每个领导的光通量也设置为1瓦,光传输距离是50厘米,大小的探测器接收面是50厘米×50平方厘米的飞机。

图5给total-irradiance映射图的接收面复眼平凸透镜和sunflower-shaped平凸透镜阵列。可以看出,光收敛在光轴穿过sunflower-shaped平凸透镜阵列和复眼透镜。光收集效率下降到42.35%。发散角大于26.57°。接收平面的中心光强范围从75.00%到80.50%的总发射光功率的数组结构紧凑的复眼平凸透镜。虽然光聚合的一部分向日葵镜头逃接收范围被复眼透镜折射后,在接收端光分布更均匀,更适合于应用程序场景中多个离散的接收器接收同时在多输入多输出(MIMO)可见光沟通。

为了进一步研究的影响的单眼镜头复眼透镜的光收集效率和发散角,我们比较了复眼透镜与97单目眼镜和127单眼镜片。图6给数组结构图的复眼平凸透镜与97单目眼镜和127单眼镜片。曲率半径是5毫米。设计衬底直径是110毫米。

数据7和8显示total-irradiance映射图的接收面复眼平凸透镜和sunflower-shaped平凸透镜阵列当单眼镜片的数量是97和127。从图7,很明显,光收集效率当单眼镜片的数量是97 50.51%,发散角大于21.80°。的中心光强接收飞机总数的62.50%发射光功率的数组结构紧凑的复眼平凸透镜。从图8,很明显,光收集效率当单眼镜片的数量是127只有41.57%,发散角大于26.57°。从接收平面上的光强分布图表,可以看出,轴上的光线集中在LED阵列发出的光线通过镜头和复眼向日葵平凸透镜。

从数据5和8、发散角和接收平面的中心光强的复眼透镜阵列结构,如图4(一)和6 (b),基本上是一样的,大约26.57°,75.00%到80.50%的总发射光功率。光收集效率略有降低随着单眼镜片的数量增加,而光线更均匀地分布在接收平面上。在图7的光收集效率的复眼透镜阵列结构如图6(一)在数据高于4(一)和6 (b),但接收平面上的光强分布不够均匀。结果表明,复眼透镜的应用的复眼透镜阵列结构如图4(一)和6 (b)有利于考虑照明应用和MIMO-VLC系统。

4所示。结论

在本文中,我们设计了两种类型的复眼透镜结合照明应用程序的向日葵平凸透镜和MIMO-VLC系统。仿真证明了光收敛在光轴穿过sunflower-shaped平凸透镜阵列和复眼透镜。从结果,紧凑的复眼透镜有利于接收飞机上均匀分布的光强度与离散复眼透镜相比,兼顾照明和通信的应用程序。

数据可用性

没有数据被用来支持本研究。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了上海师范大学的一般项目。

引用

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