本發(fā)明涉及一種基于矩陣照的通信明系統(tǒng)的全息波導(dǎo)天線，屬于短距離可見(jiàn)光通信領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，智能照明技術(shù)慢慢進(jìn)入現(xiàn)代辦公室照明系統(tǒng)中，智能照明技術(shù)中包括分區(qū)矩陣照明技術(shù)、智能混光、定時(shí)開(kāi)關(guān)功能，甚至可以通過(guò)控制LED的發(fā)光頻率傳遞信息，從而實(shí)現(xiàn)短距離通信?？梢?jiàn)光通信具有可實(shí)現(xiàn)保密通信的優(yōu)點(diǎn)，而常規(guī)的照明系統(tǒng)(LED燈管、LED燈泡等)發(fā)出的光線具有一定的發(fā)散角(LED發(fā)散角大約為120度)，因此才可保證照射到室內(nèi)所有區(qū)域，因此室內(nèi)短距離可見(jiàn)光通信的保密效果有限。

在一般的照明系統(tǒng)中，為保證盡可能大的照明面積，出射光線的發(fā)散角通常會(huì)很大，而可見(jiàn)光通信天線需盡可能收集光信號(hào)，這需要廣視角透鏡才有可能實(shí)現(xiàn)，但是這種透鏡面積和重量都很大，不適合應(yīng)用于移動(dòng)通訊裝置上，并且基于透鏡的光學(xué)接收技術(shù)有明顯的技術(shù)缺陷，在通訊波長(zhǎng)光以外的環(huán)境光也有可能被透鏡收集到，這樣會(huì)對(duì)接收信號(hào)產(chǎn)生干擾。發(fā)明專(zhuān)利201010523862.4和發(fā)明專(zhuān)利201410522376.9提出使用體全息光柵來(lái)解決雜散光的問(wèn)題，因體全息光柵不僅輕薄(厚度僅十幾微米)，而且具有很強(qiáng)的可見(jiàn)光波長(zhǎng)選擇性，可以過(guò)濾雜散光。然而，體全息光柵同時(shí)也具有很強(qiáng)的角度選擇性，入射光的入射角度滿(mǎn)足體全息布拉格角時(shí)的衍射效率很高(接近100％)，但入射角偏移量超過(guò)5度時(shí)，衍射效率就會(huì)急劇下降。因此，基于體全息光柵的可見(jiàn)光通信天線只能收集滿(mǎn)足其布拉格角的光線?；谝陨希w全息光柵可見(jiàn)光通信天線的接收光效率很低，需對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步提高接收光效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于矩陣照明的通信系統(tǒng)及全息波導(dǎo)天線，其根據(jù)矩陣照明系統(tǒng)可能的出射光線方向，定制特定的體全息光柵，這樣既可控制室內(nèi)區(qū)域照明面積，在該照明系統(tǒng)光照范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)分區(qū)可控照明的效果，節(jié)省資源、避免光污染，又可真正實(shí)現(xiàn)保密通信效果；同時(shí)在保證濾除雜散光的前提下，來(lái)擴(kuò)大體全息光柵的接收面，有效提高天線的接收光效率，從而增大接收到的光信號(hào)強(qiáng)度。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基于矩陣照明的通信系統(tǒng)，包括矩陣照明及可見(jiàn)光通信端、全息波導(dǎo)天線，其中：

所述矩陣照明及可見(jiàn)光通信端用于對(duì)一定面積的室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行照明及短距離無(wú)線通信，矩陣照明及可見(jiàn)光通信端主要包括區(qū)域照明模塊和可見(jiàn)光信號(hào)發(fā)射模塊；所述區(qū)域照明模塊包括光源陣列單元、透鏡陣列單元、光源陣列驅(qū)動(dòng)裝置和電源模塊；所述可見(jiàn)光信號(hào)發(fā)射模塊包括信號(hào)管理驅(qū)動(dòng)單元；所述光源陣列單元、光源陣列驅(qū)動(dòng)裝置和電源模塊依次連接，而所述信號(hào)管理驅(qū)動(dòng)單元一端與電源模塊連接，另一端與光源陣列單元連接；所述光源陣列單元、透鏡陣列單元以及全息波導(dǎo)天線沿光線傳輸方向設(shè)置，且所述全息波導(dǎo)天線設(shè)置于矩陣照明及可見(jiàn)光通信端的光線區(qū)域內(nèi)；

所述光源陣列驅(qū)動(dòng)裝置用于控制光源陣列單元產(chǎn)生光束；

所述信號(hào)管理驅(qū)動(dòng)單元用于控制光源陣列單元產(chǎn)生通訊信號(hào)；

所述透鏡陣列單元為平凸透鏡或菲涅爾透鏡陣列，每塊透鏡對(duì)應(yīng)一個(gè)光源矩陣模塊，每個(gè)光源矩陣模塊為L(zhǎng)ED陣列或OLED陣列，而光源陣列單元由光源矩陣模塊排列組成，且所有的光源矩陣模塊構(gòu)成排列方式為i×j的LED陣列或OLED陣列；

其中，將照明區(qū)域可分為i×j個(gè)分區(qū)P_i，j，每個(gè)分區(qū)P_i，j內(nèi)平行光束的入射角度為ξ_i，j，各分區(qū)內(nèi)的光束入射角度ξ_i，j可分為方位角和傾斜角θ_i，j；

對(duì)于排列方式為n×n的光源矩陣模塊，目標(biāo)平面內(nèi)的入射光束傾角個(gè)數(shù)S為：

當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)：

當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)：

根據(jù)光源矩陣模塊及其排列方式確定光源矩陣模塊其LED陣列或OLED陣列矩陣中心O_lens與光源陣列各LED或OLED中心連線的S個(gè)對(duì)應(yīng)的傾斜角；

根據(jù)光源矩陣模塊的排序方式，獲取單個(gè)透鏡對(duì)應(yīng)的光源矩陣模塊與目標(biāo)平面的分區(qū)的映射關(guān)系，將目標(biāo)平面分為n×n分區(qū)陣列；

取目標(biāo)平面內(nèi)的中心為原點(diǎn)坐標(biāo)，在目標(biāo)平面內(nèi)建立直角坐標(biāo)系，進(jìn)而得到各個(gè)光斑的坐標(biāo)；然后根據(jù)透鏡坐標(biāo)和所有光斑的坐標(biāo)可計(jì)算出該矩陣照明系統(tǒng)在目標(biāo)平面上的方位角；根據(jù)方位角和S個(gè)傾斜角得到各分區(qū)對(duì)應(yīng)的光束入射角度ξ_i，j；

全息波導(dǎo)天線包括依次通過(guò)平板波導(dǎo)Wg連接的接收信號(hào)端Rx、調(diào)制信號(hào)端Mx和輸出信號(hào)端Ox，所述接收信號(hào)端Rx、調(diào)制信號(hào)端Mx和輸出信號(hào)端Ox均設(shè)置有全息光柵，所述全息光柵的種類(lèi)有S個(gè)，而每種全息光柵的布喇格角由全息光柵傾角和其對(duì)應(yīng)的傾斜角得到；而平板波導(dǎo)Wg中的全反射角全息光柵的布喇格角確定，輸出信號(hào)端Ox的輸出全息光柵的傾角由全反射角決定；

可見(jiàn)光光束以入射角度ξ_i，j入射進(jìn)入接收信號(hào)端Rx，在接收信號(hào)端Rx的全息光柵出發(fā)生布拉格衍射，衍射光衍射角滿(mǎn)足全反射條件，在平板波導(dǎo)Wg中發(fā)生全反射現(xiàn)象，衍射光在平板波導(dǎo)Wg中傳播的全反射步長(zhǎng)為S_{total-reflection}，而調(diào)制信號(hào)端Mx和輸出輸出信號(hào)端Ox的光柵長(zhǎng)度不應(yīng)小于S_{total-reflection}，全反射步長(zhǎng)為S_{total-reflection}＝d_substrate/tan(π-2θ_bragg)，θ_bragg表示全息光柵的布拉格衍射角，d_substrate表示平板波導(dǎo)的厚度；

所述接收信號(hào)端Rx長(zhǎng)度為L(zhǎng)_receiver，寬度為W_receiver，該接收信號(hào)端Rx的接收端面積為S_receiver＝L_receiver×W_receiver；輸出信號(hào)端Ox長(zhǎng)度為L(zhǎng)_output，寬度為W_output，故輸出信號(hào)端Ox的輸出端面積為S_output＝L_output×W_output，該天線的接收信號(hào)增強(qiáng)倍數(shù)β：β＝S_output/S_receiver，而每個(gè)照明分區(qū)內(nèi)天線的信號(hào)收集效率η為η＝S_receiver×D_VHG/(n_LEDs×d_LEDs)，式中，D_VHG為全息光柵的衍射效率，n_LEDs為矩陣照明系統(tǒng)中一塊透鏡對(duì)應(yīng)的光源矩陣模塊中的LED數(shù)量，d_LEDs為相鄰兩顆LED之間的間距；D_VHG表示接收信號(hào)端的全息光柵衍射效率。

優(yōu)選的：所述光源矩陣模塊的排列方式為4×4，，其LED陣列或OLED陣列矩陣中心O_lens與光源陣列各LED或OLED中心連線有三種對(duì)應(yīng)的傾斜角θ₁，θ₂和θ₃；

其中，LED或OLED可近似被看作為正方形，其邊長(zhǎng)為l_LEDs，相鄰LED或OLED之間的間距為d_LEDs，h^*為光源陣列單元到透鏡陣列單元的距離；

根據(jù)光源矩陣模塊的排序方式，獲取單個(gè)透鏡對(duì)應(yīng)的光源矩陣模塊與目標(biāo)平面的分區(qū)的映射關(guān)系，將目標(biāo)平面分為4×4分區(qū)陣列；根據(jù)透鏡坐標(biāo)和所有光斑的坐標(biāo)可計(jì)算出該矩陣照明系統(tǒng)在目標(biāo)平面上的16個(gè)方位角根據(jù)16個(gè)方位角和三個(gè)傾斜角θ₁，θ₂和θ₃進(jìn)而可得到各分區(qū)對(duì)應(yīng)的光束入射角度ξ_i，j；

接收信號(hào)端Rx的三種全息光柵的周期計(jì)算公式如下：

三種光柵對(duì)應(yīng)的布喇格角為：

Λ_u表示第u個(gè)全息光柵的周期，u＝1，2，3；β₁為全息光柵傾角；

入射光束經(jīng)接收信號(hào)端Rx的全息光柵衍射可能會(huì)有兩種全反射路徑，因此平板波導(dǎo)Wg中的全反射角為：

或者

且三種全反射角滿(mǎn)足：n表示平板波導(dǎo)的折射率；

輸出信號(hào)端Ox的輸出全息光柵的傾角β₂₁，β₂₂，β₂₃由光束的全反射角決定：

優(yōu)選的：所述光源矩陣模塊的排列方式為3×3，其LED陣列或OLED陣列矩陣中心O_lens與光源陣列各LED或OLED中心連線有三種對(duì)應(yīng)的傾斜角θ₁，θ₂和θ₃分別如下：

θ₁＝90°

其中，LED或OLED可近似被看作為正方形，其邊長(zhǎng)為l_LEDs，相鄰LED或OLED之間的間距為d_LEDs，h^*為光源陣列單元到透鏡陣列單元的距離；

根據(jù)光源矩陣模塊的排序方式，獲取單個(gè)透鏡對(duì)應(yīng)的光源矩陣模塊與目標(biāo)平面的分區(qū)的映射關(guān)系，將目標(biāo)平面分為3×3分區(qū)陣列；

取目標(biāo)平面內(nèi)的中心為原點(diǎn)坐標(biāo)，在目標(biāo)平面內(nèi)建立直角坐標(biāo)系，進(jìn)而得到各個(gè)光斑的坐標(biāo)；然后根據(jù)透鏡坐標(biāo)和所有光斑的坐標(biāo)可計(jì)算出該矩陣照明系統(tǒng)在目標(biāo)平面上的9個(gè)方位角根據(jù)9個(gè)方位角和三個(gè)傾斜角θ₁，θ₂和θ₃進(jìn)而可得到各分區(qū)對(duì)應(yīng)的光束入射角度ξ_i，j。

優(yōu)選的：全息波導(dǎo)天線中的可見(jiàn)光傳播路徑為：接收信號(hào)端Rx收集光源陣列單元的出射光束，收集到的光束在平板波導(dǎo)Wg中以?xún)?nèi)全反射的方式傳播，調(diào)制信號(hào)端Mx對(duì)接收到的光信號(hào)進(jìn)行第一次調(diào)制，并使光束的傳播方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)；偏轉(zhuǎn)后的光束在平板波導(dǎo)Wg內(nèi)經(jīng)全反射傳播到達(dá)輸出信號(hào)端Ox。

優(yōu)選的：所述接收信號(hào)端Rx、調(diào)制信號(hào)端Mx和輸出信號(hào)端Ox設(shè)置的全息光柵可為反射型體全息光柵或透射性體全息光柵。

優(yōu)選的：所述平板波導(dǎo)Wg為石英玻璃，光學(xué)級(jí)PMMA或者光學(xué)級(jí)PC。

優(yōu)選的：所述全息光柵和平板波導(dǎo)Wg由折射率調(diào)制液緊密接連，全息光柵可位于平板波導(dǎo)Wg表面，亦可位于平板波導(dǎo)Wg內(nèi)部。

有益效果：本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果：

本發(fā)明提供的基于矩陣照明及可見(jiàn)光通信端的全息波導(dǎo)天線，利用透鏡陣列將LED發(fā)散光調(diào)制為平行光。同時(shí)控制光線的方向，建立光源與目標(biāo)平面每個(gè)分區(qū)域的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)控制光源陣列的亮度和顏色改變對(duì)應(yīng)分區(qū)的亮度和顏色。因各區(qū)域的平行光線入射角度均不同，可通過(guò)對(duì)應(yīng)的全息波導(dǎo)天線實(shí)現(xiàn)分區(qū)保密通信效果。

本發(fā)明提出的全息波導(dǎo)天線可通過(guò)一種全息波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可將大面積接收端Rx內(nèi)接收到的光信號(hào)通過(guò)調(diào)制信號(hào)端Mx集成到輸出端Ox，從而可實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)接收信號(hào)的效果。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明可見(jiàn)光通信系統(tǒng)信道模型；

圖2為本發(fā)明中光源矩陣內(nèi)各LED與對(duì)應(yīng)透鏡的傾角θ分布示意圖；

圖3為本發(fā)明中矩陣照明系統(tǒng)的出射光束傾角θ分析示意圖；

圖4為本發(fā)明中單個(gè)透鏡lens_m，n下LED矩陣與目標(biāo)平面光斑的映射關(guān)系示意圖；

圖5為本發(fā)明中全息波導(dǎo)天線的基本結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明中天線三維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明中全息波導(dǎo)天線可能的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；

圖8為本發(fā)明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)與FEM仿真結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。

如圖1所示為本發(fā)明中基于矩陣照明系統(tǒng)的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)，包括矩陣照明及可見(jiàn)光通信端、全息波導(dǎo)天線，所述矩陣照明及可見(jiàn)光通信端用于對(duì)一定面積的室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行照明及短距離無(wú)線通信，所述矩陣照明及可見(jiàn)光通信端(即信號(hào)發(fā)射端Tx)主要包括區(qū)域照明模塊和可見(jiàn)光信號(hào)發(fā)射模塊；所述區(qū)域照明模塊包括光源陣列單元、透鏡陣列單元、光源陣列驅(qū)動(dòng)裝置和電源模塊；所述可見(jiàn)光信號(hào)發(fā)射模塊包括信號(hào)管理驅(qū)動(dòng)單元、通訊信號(hào)發(fā)生器陣列(即光源陣列單元)；所述光源陣列單元、光源陣列驅(qū)動(dòng)裝置和電源模塊依次連接，而所述信號(hào)管理驅(qū)動(dòng)單元一端與電源模塊連接，另一端與光源陣列單元連接；所述光源陣列單元、透鏡陣列單元以及全息波導(dǎo)天線沿光線傳輸方向設(shè)置，且所述全息波導(dǎo)天線設(shè)置于矩陣照明及可見(jiàn)光通信端的光線區(qū)域內(nèi)。

所述光源陣列驅(qū)動(dòng)裝置用于控制光源陣列單元產(chǎn)生光束，可控制各個(gè)透鏡后的LED陣列(光源陣列單元)的亮度和顏色。

所述信號(hào)管理驅(qū)動(dòng)單元用于控制光源陣列單元產(chǎn)生通訊信號(hào)。

所述光源陣列單元為排列方式為i×i的LED陣列或OLED陣列，透鏡陣列單元為平凸透鏡或菲涅爾透鏡陣列，每塊透鏡對(duì)應(yīng)一個(gè)光源矩陣模塊，每個(gè)光源矩陣模塊為L(zhǎng)ED陣列或OLED陣列，而光源陣列單元由光源矩陣模塊排列組成，且所有的光源矩陣模塊構(gòu)成排列方式為i×j的LED陣列或OLED陣列。

如圖1所示，每塊透鏡和對(duì)應(yīng)的光源矩陣組成一個(gè)照明單元，排列方式為i×j的LED或OLED矩陣位于透鏡上方，光源陣列平面和透鏡平面的距離為h^*，而矩陣照明系統(tǒng)與目標(biāo)平面的距離為h。所述矩陣照明系統(tǒng)照明區(qū)域的面積為l_x×l_y，且照明區(qū)域可分為i×j個(gè)分區(qū)P_i，j，每個(gè)分區(qū)P_i，j內(nèi)平行光束的入射角度為ξ_i，j。各分區(qū)內(nèi)的光束入射角度ξ_i，j可分為方位角和傾斜角θ_i，j。下面本發(fā)明需對(duì)矩陣照明系統(tǒng)中各分區(qū)內(nèi)的方位角和傾斜角θ_i，j分別進(jìn)行分析。

如圖2所示為排列方式為4×4的LED矩陣，透鏡中心投射到其對(duì)應(yīng)LED矩陣得到O點(diǎn)，O點(diǎn)位于LED矩陣的中心位置。本發(fā)明中的LED形狀可近似被看作為正方形，其邊長(zhǎng)為l_LEDs，相鄰LED之間的間距為d_LEDs。如圖2所示為XY平面內(nèi)O點(diǎn)與各LED之間的位置關(guān)系，顯而易見(jiàn)，O點(diǎn)與“LED6”，“LED7”，“LED10”和“LED11”四顆LED之間的距離相等，其距離同樣地，O點(diǎn)與“LED2”，“LED3”，“LED5”，“LED8”，“LED9”，“LED12”，“LED14”和“LED15”這六顆LED之間的距離相等，其距離O點(diǎn)與“LED1”，“LED4”，“LED13”和“LED16”四顆LED之間的距離相等，其距離如圖2所示，在O點(diǎn)與LED6的中心C點(diǎn)之間的線段OC上取點(diǎn)A和點(diǎn)B，使得OA＝d₁，OB＝d₂。因此，透鏡中心到光源矩陣中各LED的傾角可以被計(jì)算出來(lái)。

如圖3所示LED陣列平面上的O點(diǎn)，A點(diǎn)，B點(diǎn)和C點(diǎn)與圖2對(duì)應(yīng)，故圖3中因A，B，C三點(diǎn)到透鏡中心O_lens的距離不同，所以矩陣中心O_lens與光源陣列各LED中心連線有三種對(duì)應(yīng)的傾角θ₁，θ₂和θ₃，每顆LED對(duì)應(yīng)的傾角如圖4所示，根據(jù)直角三角形三角函數(shù)公式可得：

圖3為矩陣照明系統(tǒng)中單個(gè)透鏡的光路，由圖3容易看出，從矩陣照明系統(tǒng)到目標(biāo)平面的光束傾角有且只有三種，并夾角大小與θ₁，θ₂和θ₃一致。

圖4為單個(gè)透鏡lens_m，n對(duì)應(yīng)的LED矩陣與目標(biāo)平面光斑的映射關(guān)系示意圖。各LED與各照明分區(qū)P_i，j左下角的光斑一一對(duì)應(yīng)。透鏡在XY平面上的形狀也可近似于正方形，假設(shè)透鏡尺寸為l_lens，由圖4可知，每個(gè)分區(qū)可按照透鏡的排布方式劃分為8×8的網(wǎng)格，故照明分區(qū)P_i，j的邊長(zhǎng)為8l_lens，整個(gè)系統(tǒng)的照明面積長(zhǎng)l_x＝4×8×l_lens，寬l_y＝4×8×l_lens，照明面積S＝l_x×l_y＝(4×8×l_lens)×(4×8×l_lens)。在目標(biāo)平面內(nèi)建立xy直角坐標(biāo)系，取目標(biāo)平面內(nèi)的中心為原點(diǎn)坐標(biāo)O點(diǎn)為(0，0)，則左下角透鏡坐標(biāo)為第一行照明分區(qū)P_1，j內(nèi)光斑S1的坐標(biāo)為光斑S2的坐標(biāo)為光斑S3的坐標(biāo)為光斑S4的坐標(biāo)為同理可得其他12個(gè)光斑的坐標(biāo)，根據(jù)透鏡坐標(biāo)和所有光斑的坐標(biāo)可計(jì)算出該矩陣照明系統(tǒng)在目標(biāo)平面上的16個(gè)方位角

如圖5所示為一種全息波導(dǎo)可見(jiàn)光通信天線，包括依次通過(guò)平板波導(dǎo)Wg連接的接收信號(hào)端Rx、傾斜全息光柵(即調(diào)制信號(hào)端)Mx、和輸出信號(hào)端Ox。所述接收信號(hào)端Rx、調(diào)制信號(hào)端Mx和輸出信號(hào)端Ox均設(shè)置有全息光柵。也就是說(shuō)，所述全息波導(dǎo)天線包括體全息光柵和平板波導(dǎo)，所述全息光柵可為反射型體全息光柵或透射性體全息光柵。所述全息光柵的布拉格衍射角對(duì)應(yīng)于矩陣照明系統(tǒng)不同的出射角度；所述平板波導(dǎo)為石英玻璃，光學(xué)級(jí)PMMA或者光學(xué)級(jí)PC；所述體全息光柵和平板波導(dǎo)由折射率調(diào)制液緊密接連，體全息光柵可位于平板波導(dǎo)表面，亦可位于平板波導(dǎo)內(nèi)部；所述接收信號(hào)端Rx和輸出信號(hào)端Ox為鏡像對(duì)稱(chēng)放置的體全息光柵，調(diào)制信號(hào)端Mx位于Rx和Ox之間，以一定角度傾斜放置；接收信號(hào)端Rx面積遠(yuǎn)比輸出信號(hào)端Ox的面積大，所述傳遞信號(hào)端Tx為平板波導(dǎo)。

全息波導(dǎo)天線中的可見(jiàn)光傳播路徑為：接收信號(hào)端Rx收集信號(hào)發(fā)射端(即LED或OLED陣列)的出射光束，收集到的光束在平板波導(dǎo)Wg中以?xún)?nèi)全反射的方式傳播，調(diào)制信號(hào)端Mx對(duì)接收到的光信號(hào)進(jìn)行第一次調(diào)制，并使光束的傳播方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)；偏轉(zhuǎn)后的光束在平板波導(dǎo)內(nèi)經(jīng)全反射傳播到達(dá)輸出信號(hào)端Ox。

照明系統(tǒng)利用透鏡陣列將LED發(fā)散光調(diào)制為平行光；同時(shí)控制光線的方向，建立光源與目標(biāo)平面對(duì)應(yīng)每個(gè)分區(qū)的入射角度關(guān)系；區(qū)域的平行光線入射角度均不同，可通過(guò)對(duì)應(yīng)的全息波導(dǎo)天線實(shí)現(xiàn)分區(qū)保密通信效果；同時(shí)，本發(fā)明提出的全息波導(dǎo)天線可通過(guò)一種全息波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可將大面積接收端Rx內(nèi)接收到的光信號(hào)通過(guò)調(diào)制信號(hào)端Mx集成到輸出端Ox，從而可實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)接收信號(hào)的效果。

如圖6所示為本發(fā)明中一種全息波導(dǎo)天線三維結(jié)構(gòu)示意圖，可見(jiàn)光以一定角度入射進(jìn)入接收端，在入射端的全息光柵出發(fā)生布拉格衍射，衍射光衍射角滿(mǎn)足全反射條件，在波導(dǎo)中發(fā)生全反射現(xiàn)象，衍射光在平板波導(dǎo)中傳播的全反射步長(zhǎng)為S_{total-reflection}，因此偏轉(zhuǎn)全息光柵Mx和輸出光柵Ox的長(zhǎng)度不應(yīng)小于S_{total-reflection}，否則就會(huì)出現(xiàn)光束逃逸現(xiàn)象。全反射波長(zhǎng)S_{total-reflection}由平板波導(dǎo)的厚度d_substrate與全息光柵的布拉格衍射角θ_bragg決定，因此全反射步長(zhǎng)為S_{total-reflection}＝d_substrate/tan(π-2θ_bragg)。

如圖5所示，所述接收信號(hào)端Rx長(zhǎng)度為L(zhǎng)_receiver，寬度為W_receiver，該接收端面積為S_receiver＝L_receiver×W_receiver。同樣地，輸出端Ox長(zhǎng)度為L(zhǎng)_output，寬度為Wo_utput，故輸出端面積為S_output＝L_output×W_output，因而該天線的接收信號(hào)增強(qiáng)倍數(shù)β可通過(guò)計(jì)算信號(hào)接收端與輸出端面積的比例關(guān)系得出：β＝S_output/S_receiver，而每個(gè)照明分區(qū)內(nèi)天線的信號(hào)收集效率η為η＝S_receiver×D_VHG/(n_LEDs×d_LEDs)，式中，D_VHG為全息光柵的衍射效率，n_LEDs為矩陣照明系統(tǒng)中一塊透鏡后的LED數(shù)量，d_LEDs為相鄰兩顆LED之間的間距。接收信號(hào)端的全息光柵衍射效率D_VHG與各分區(qū)的平行光束角度ξ_i，j有關(guān)。因此，需根據(jù)各分區(qū)內(nèi)的入射光角度對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。當(dāng)照明分區(qū)P_i，j內(nèi)的光束以角度ξ_i，j向接收端入射時(shí)，應(yīng)將入射光的入射角分解為方位角和傾角θ分別討論。如圖4所示為各分區(qū)的入射光傾角分布情況。若先不考慮方位角的影響，則各分區(qū)內(nèi)的入射光角度為θ₁，θ₂和θ₃。

如圖7所示為本發(fā)明根據(jù)θ₁，θ₂和θ₃三種入射光角度設(shè)計(jì)的接收端光柵結(jié)構(gòu)。為保證三種角度的光束都可被接收端收集，本發(fā)明將三種周期不同的全息光柵通過(guò)曝光的方式記錄于全息干板上。而這三種全息光柵的周期可用下列公式計(jì)算得出：

Λ_u表示第u個(gè)全息光柵的周期，u＝1，2，3。

若入射光的波長(zhǎng)一定，體全息光柵的光柵周期Λ大小由布喇格角θ_Bragg決定，而θ_Bragg往往又會(huì)決定衍射光束的方向，因此為使衍射光到達(dá)平板波導(dǎo)中能夠滿(mǎn)足布拉格條件，本發(fā)明中接收端的三種全息光柵傾角相同，皆為β₁，又因?yàn)槿肷涔饨嵌葹棣?sub>1，θ₂和θ₃，三種光柵對(duì)應(yīng)的布喇格角為

如圖7所示，入射光束經(jīng)接收端的全息光柵衍射可能會(huì)有兩種全反射路徑，因此平板波導(dǎo)中的全反射角為

或者

為使三種入射角度的光束都能在平板波導(dǎo)中內(nèi)全反射傳播，其對(duì)應(yīng)的三種全反射角必須滿(mǎn)足n表示平板波導(dǎo)的折射率。如圖6所示，本發(fā)明中偏轉(zhuǎn)光柵的偏轉(zhuǎn)角為45°，衍射光在波導(dǎo)中到達(dá)偏轉(zhuǎn)光柵Mx時(shí)，沿x軸上的傳播方向偏轉(zhuǎn)45°，偏轉(zhuǎn)后的光束繼續(xù)以全反射的方式到達(dá)輸出信號(hào)端Ox。

本發(fā)明中的輸出信號(hào)端Ox內(nèi)部結(jié)構(gòu)與接收信號(hào)端Rx類(lèi)似，為使三種光束都可在輸出端Ox垂直出射，本發(fā)明在全息干板上記錄了三種全息光柵，該光柵的光柵周期和光柵傾角都不同，輸出全息光柵的傾角β₂₁，β₂₂，β₂₃由光束的全反射角θ_{total-refelction}決定：

如圖8所示為本發(fā)明中全息波導(dǎo)天線優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)及仿真結(jié)果。圖8(a)所示為天線結(jié)構(gòu)示意圖，信號(hào)接收端和信號(hào)輸出端中的全息光柵位于波導(dǎo)內(nèi)部，入射光束以一定角度向波導(dǎo)中入射，到達(dá)接收端時(shí)發(fā)生布拉格衍射，衍射光向上出射到達(dá)波導(dǎo)與空氣的界面，發(fā)生第一次全反射，之后以全反射在波導(dǎo)中傳播，當(dāng)光束到達(dá)輸出光柵時(shí)，全反射狀態(tài)被打破，全部光束都會(huì)在接收端發(fā)生第二次布拉格衍射，最后衍射光垂直波導(dǎo)出射。圖8(b)為上述結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的FEM仿真結(jié)果，由圖中可見(jiàn)，仿真結(jié)果和上述結(jié)構(gòu)中的光路一致，全反射光束在輸出端幾乎全部被衍射，從波導(dǎo)中垂直出射。

對(duì)于光源矩陣模塊的排列方式為3×3情形，其排列圖形與圖2類(lèi)似，但與圖2不同的是，其LED是按3×3排布，而圖2是按4×4排布的，因此，其LED陣列或OLED陣列矩陣中心O_lens與光源陣列各LED或OLED中心連線有三種對(duì)應(yīng)的傾斜角θ₁，θ₂和θ₃；

θ₁＝90°

其中，LED或OLED可近似被看作為正方形，其邊長(zhǎng)為l_LEDs，相鄰LED或OLED之間的間距為d_LEDs，h^*為光源陣列單元到透鏡陣列單元的距離；

根據(jù)光源矩陣模塊的排序方式，獲取單個(gè)透鏡對(duì)應(yīng)的光源矩陣模塊與目標(biāo)平面的分區(qū)的映射關(guān)系，將目標(biāo)平面分為3×3分區(qū)陣列；

取目標(biāo)平面內(nèi)的中心為原點(diǎn)坐標(biāo)，在目標(biāo)平面內(nèi)建立直角坐標(biāo)系，進(jìn)而得到各個(gè)光斑的坐標(biāo)；然后根據(jù)透鏡坐標(biāo)和所有光斑的坐標(biāo)可計(jì)算出該矩陣照明系統(tǒng)在目標(biāo)平面上的9個(gè)方位角根據(jù)9個(gè)方位角和三個(gè)傾斜角θ₁，θ₂和θ₃進(jìn)而可得到各分區(qū)對(duì)應(yīng)的光束入射角度ξ_i，j；

所示為排列方式為3×3的LED矩陣，透鏡中心投射到其對(duì)應(yīng)LED矩陣得到O點(diǎn)，O點(diǎn)位于LED矩陣的中心位置。本發(fā)明中的LED形狀可近似被看作為正方形，其邊長(zhǎng)為l_LEDs，相鄰LED之間的間距為d_LEDs。O點(diǎn)與“LED5”在同一垂直方向上，距離d₁＝0；O點(diǎn)與“LED2”，“LED4”，“LED6”和“LED8”四顆LED之間的距離相等，其距離d₂＝(d_LEDs+l_LEDs)；同樣地，O點(diǎn)與“LED1”，“LED3”，“LED7”，“LED9”這四顆LED之間的距離相等，其距離如圖所示，使得OA＝d₁，OB＝d₂。因此，透鏡中心到光源矩陣中各LED的傾角可以被計(jì)算出來(lái)。圖中OA＝(d_LEDs+l_LEDs)，因A，B，三點(diǎn)到透鏡中心O_lens的距離不同，所以矩陣中心O_lens與光源陣列各LED中心連線有三種對(duì)應(yīng)的傾角θ₁，θ₂和θ₃，根據(jù)直角三角形三角函數(shù)公式可得：

θ₁＝90°

根據(jù)單個(gè)透鏡lens_m，n對(duì)應(yīng)的LED矩陣與目標(biāo)平面光斑的映射關(guān)系示意圖。各LED與各照明分區(qū)P_i，j左下角的光斑一一對(duì)應(yīng)。透鏡在XY平面上的形狀也可近似于正方形，假設(shè)透鏡尺寸為l_lens，可知，每個(gè)分區(qū)可按照透鏡的排布方式劃分為8×8的網(wǎng)格，故照明分區(qū)P_i，j的邊長(zhǎng)為8l_lens，整個(gè)系統(tǒng)的照明面積長(zhǎng)l_x＝4×8×l_lens，寬l_y＝4×8×l_lens，照明面積S＝l_x×l_y＝(4×8×l_lens)×(4×8×l_lens)。在目標(biāo)平面內(nèi)建立xy直角坐標(biāo)系，取目標(biāo)平面內(nèi)的中心區(qū)域左下角光斑為原點(diǎn)坐標(biāo)O點(diǎn)為(0，0)，則左下角透鏡坐標(biāo)為(-8l_lens，-8l_lens)，第一行照明分區(qū)P_1，j內(nèi)光斑S1的坐標(biāo)為(-8l_lens，8l_lens)，得到其余坐標(biāo)分別為(0，8l_lens)，(8l_lens，8l_lens)，(-8l_lens，0)，(8l_lens，0)，(0，--8l_lens)，(8l_lens，--8l_lens)。根據(jù)透鏡坐標(biāo)和所有光斑的坐標(biāo)可計(jì)算出該矩陣照明系統(tǒng)在目標(biāo)平面上的9個(gè)方位角

根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知LED矩陣為2*2時(shí)對(duì)應(yīng)一種傾角，3*3時(shí)對(duì)應(yīng)3種傾角，4*4時(shí)對(duì)應(yīng)3種傾角。根據(jù)規(guī)律可得n*n的LED矩陣和目標(biāo)平面內(nèi)的入射光束傾角個(gè)數(shù)S的規(guī)律：

1、當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)，

2、當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)，

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。