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【6h】

无线光通信系统中收发端光学器件的研究

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摘要

1 绪论

1.1 无线光通信系统的简介

1.2 无线光通信技术的发展及国内外研究现状

1.3 可见光通信系统的组成

1.4 可见光通信技术的发展和应用方向

1.5 本课题的研究意义及主要研究内容

2 可见光通信系统中双面锯齿菲涅尔透镜的研究

2.1 菲涅尔透镜的介绍

2.2 菲涅尔透镜的基本原理

2.3 VLC中菲涅尔透镜的设计

2.3.1 VLC中前表面锯齿透镜的设计

2.3.2 VLC中后表面锯齿透镜的设计

2.3.3 VLC中双面锯齿的菲涅尔透镜的设计

2.4.1 三种透镜的参数

2.4.2 F数相同的三类菲涅尔透镜的聚光效率分析

2.4.3 三种等F数透镜的接收角分析

2.5 结论

3 自由曲面准直透镜的研究

3.1 LED光源和自由曲面设计的理论基础

3.1.1 LED光源的结构与发光特点

3.1.2 边缘光线原理

3.1.3 到角公式

3.2 基于平凸透镜的LED准直系统的设计

3.2.1 自由曲面准直透镜的设计原理

3.2.2 自由曲面的设计

3.3 基于平凸透镜的自由曲面透镜的效果分析

3.3.1 小尺寸光源的仿真与分析

3.3.2 光源尺寸对准直透镜性能的影响

3.4 基于凹凸透镜的LED准直系统的设计

3.4.2 基于凹凸透镜的自由曲面准直透镜的设计

3.5 基于凹凸透镜的自由曲面准直透镜的效果分析

3.5.1 小尺寸光源的仿真与分析

3.5.2 光源尺寸对透镜准直性能的影响

3.6 结论

4 基于大发散角LED灯的新型高效导光柱研究

4.1 新型导光柱设计原理

4.2 两种导光柱传光效率研究

4.2.1 新型导光柱参数设置

4.2.2 两种导光柱传光效率分析

4.3 结论

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

个人简历

致谢

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摘要

随着现有通信技术的发展,高速率,绿色环保的新型的通信技术成为人们研究的热点。无线光通信与传统的无线通信相比,更加节能环保,对人体没有辐射,更主要的是它的保密性更好,不需要申请频谱授权,带宽资源丰富,传输速率高,不会与其他频带发生干扰。
  可见光通信是一种新兴的技术,是无线光通信技术中重要的一项,它基于白光LED高频率的闪烁作为信号进行数据的传输,又同时具备了照明和数据传输两种功能。在无线光通信系统中,发射端由于光源的发散角度过大会导致信号在传输过程中会出现衰落,不能有效到达接收端;而在接收端的接收天线的接收角度过小或聚光能力弱导致了接收功率较小等问题。提高发射端的出射功率,增大接收端的接收角度,并增强接收端的聚光效率成为了无线光通信的重中之重。本文为了解决以上问题,设计了三种光学器件,用以无线光通信系统中,从而提高无线光通信的传输功率和效率。本文的主要研究内容包括:
  1.为了提高可见光通信接收端效率和集成度,设计了一种高聚光效率、双面锯齿的菲涅尔透镜系统。在可见光通信系统中,接收系统要求高集成度、小尺寸、高聚光效率、大接收角。为了满足以上设计要求,本文依据传统的可见光接收天线“单面为锯齿的菲涅尔透镜”,设计了一种新型的接收天线“双面均为锯齿的新型透镜”;在文中给出了设计方法及模拟结果,并与传统的菲涅尔透镜的聚光率、F数等进行对比分析,发现本文设计的新型透镜有更小的体积和光斑尺寸,更强的聚光效率,更短的焦距,这使得整个接收系统的集成度和接收功率更高。
  2.针对LED光源发散角大,能量利用率低的问题,设计了一种自由曲面LED光源准直系统。光源因其高电光转化效率、低能耗、无污染、低发热、超长寿命和体积小等优点,广泛地应用于许多行业和领域之内。LED是朗伯型光源,对于不同领域的应用这可能是优势也有可能是缺点。因此,满足各领域的配光元件的设计一直都是一个重要的课题。在无线光通信中,朗伯光源过大的发散角会影响传输的效率;本文基于平凸透镜和凹凸透镜设计了两种自由曲面的LED光源的准直系统,并进行光学模拟以及参数比较。
  3.为了提高无线光通信接收端的光学效率和均匀度,本文在传统圆柱形导光柱的基础上增加了一个圆台型反光装置,设计了一种新型导光柱结构。在文中给出了普通和新型导光柱设计的原理和方法,以PC为材料针对三种不同LED发散角设计了两种导光柱,又用光线追踪法对以上几个导光柱的传光特性进行了研究。研究结果表明,本文所设计的新型导光柱即使在大发散角LED的情况下,也能够保持很高的传输效率和很好的匀光特性。相同条件下,本文设计的导光柱输出光效率相对普通导光柱提高了90%以上,平均辐照度提高了86%,匀光的效果得到了明显的提升。本文设计的新型导光柱原理简单,易于加工制作,方便集成,且导光效率和匀光效果良好,对于LED灯的近距离通信、显示和导光具有重要的研究意义。

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