一种可见光通信照明光源的制作方法

1.本发明涉及可见光通信领域，特别是涉及一种适用于大功率照明条件下的可见光通信照明光源。


背景技术：

2.可见光通信技术(visible light communication，vlc)是指利用可见光波段的光作为信息载体，在空气中直接传输光信号的通信方式。可见光通信技术绿色低碳、可实现近乎零耗能通信，还可有效避免无线电通信电磁信号泄露、电磁波对精密仪器的影响等弱点，快速构建抗干扰、抗截获的安全信息空间。
3.同时，与常规的白炽灯、荧光灯等相比，白光led灯可以支撑更快的开关切换速度，进行更高速率的数据传输。
4.现有技术中通常使用白色led的照明光来发送调制的光信号，光信号接收机接受到被调制的光信号后转化成电信号输出，完成光通信。具体地：照明白光由led蓝光和荧光材料受激出射的黄色荧光混合而成，由于出射的荧光存在余晖问题、不能实现高速光通信，因此为提高带宽、通常需要在光信号接收机前增加一个滤光片滤除荧光光谱而只接受剩余led蓝光作为信号检测光。
5.但是随着照明所需要的功率增大，led芯片的结电容也会随之变大，无法在其上加载高速电信号，也就不能实现高速光通信，存在着大功率照明和高速光通信两者无法兼顾的矛盾。
6.因此，需要提供一种在保持大功率照明的同时依然能实现高速光通信的可见光通信照明光源。


技术实现要素：

7.针对上述现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种兼具大功率照明和高速光通信效果的可见光通信光源。
8.本发明提供了一种可见光通信照明光源，包括第一光源和第二光源，第一光源和第二光源分别发出第一光和第二光，第一光和第二光的波长范围均在可见光范围，第一光和第二光两者混合形成白光；第一光源和第二光源分别独立的接收电信号而驱动，第一光源接收的电信号上加载有通信调制信号、用于光通信，第二光源上一般不加载通信调制信号、主要用于照明，第一光源的光通量小于第二光源的光通量。
9.当将本发明的可见光通信照明光源应用于可见光通信系统时，可见光通信系统还包括光信号接受机，在光信号接受机前设置一滤光片、用于阻挡第二光而透射第一光。
10.本发明的技术方案中，通过将第一光和第二光合光成大功率照明用混合白光，其中对应的第二光源主要用于照明，具有较大的光通量，而对于第一光源来说，其主要用于加载通信信号和为混合得到的白光调整色温，其光通量较低、功率较小，可在其上加载高速光通信的调制电信号；两者共同作用，使本发明的可见光通信照明光源能够同时满足大功率
照明和高速光通信的需求。
11.优选的，第一光源发出的第一光是峰值波长在430-480nm之间的蓝光，对应的第一光源可以选择蓝光激光或蓝光led，激光和led光源相比于普通白炽灯或荧光灯可支撑更快的开关切换速度，满足更高速率光通信的需求。对应的第二光源发出的第二光的波长范围覆盖480-700nm，第二光源可以是led光源，也可以是蓝光led激发荧光粉形成的光源。
12.优选的，第一光源发出的第一光是峰值波长在600-700nm的红光，对应的第一光源可以选择红光激光或红光led光源。对应的第二光源发出的第二光的波长范围覆盖430-700nm，第二光源可以是蓝光led激发荧光粉形成的光源。
13.优选的，第二光源为蓝光led激发荧光粉层形成的光源，荧光粉层设置于第一光源发出的第一光的光路上。小功率第一光源发出的第一光和第二光源中大功率led芯片发出的光经过同一荧光粉层而出射。
14.优选的，本发明的可见光通信照明光源包含多个第二光源，多个第二光源成点阵规则排列，在点阵规则排列的多个第二光源中间均匀分布若干个第一光源，以使两者对应发射出的第一光和第二光均匀混合。
15.优选的，本发明的可见光通信照明光源包含多个第二光源，多个第二光源成点阵规则排列；还包括散射导光条，散射导光条排布在第二光源的周边；第一光源发出的光耦合到散射导光条中，光线在散射导光条内边传输边散射，以使第一光源和多个第二光源分别发射出的第一光和第二光均匀混合。
16.与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：本发明的可见光通信照明光源在主要起大功率照明用的第二光源外，另增一小功率主要起光通信作用的第一光源，利用第一光源具有快速开关切换速度的特性实现高速光通信；同时，第一光源和第二光源两者发射出的第一光和第二光光谱范围相互配合，混合为白光出射，实现大功率照明。
附图说明
17.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。
18.图1为可见光通信系统结构示意图。
19.图2为本发明一种实施方式中的照明白光光谱组合。
20.图3为本发明另一种实施方式中的照明白光光谱组合。
21.图4a和图4b分别为本发明实施例1中可见光通信照明光源在球泡灯中的不同应用情形。
22.图5a和图5b分别为本发明实施例2中可见光通信照明光源在面板灯中的不同应用情形。
23.图6为本发明实施例3中可见光通信照明光源在指向照明灯具中的应用。
具体实施方式
24.下面结合附图和实施方式对本发明实施例进行详细说明。
25.可见光通信将照明与通信结合起来，逐渐普及的led灯具有更快的开关切换速度，这一特点也再次让可见光通信兴起；然而随着照明所需要的功率越来越大，led芯片对应的结电容也就越来越大，出现不能加载高速信号、实现高速光通信的问题。如何实现在大功率
照明下兼具高速光通信的效果是一个非常值得研究的问题。
26.现有的led照明光源多是在蓝光led芯片上覆盖荧光粉，混光实现白光照明。其中因为荧光有余晖问题，一般不作为光通信的光信号；那么为提高带宽，通常会在光信号接收机前增加一个滤光片滤除荧光，最后的结果就是蓝光led芯片发出的蓝光中透射过荧光粉的剩余蓝光(大约10％)用作信息传输的光信号。
27.本发明正是从这一特点出发，创造性的将可见光通信光源分成两组，一组可看作是大功率的荧光光源，满足照明的需求；另一组是小功率的、可被高速调制的通信光源，满足高速光通信的需求；同时两组光源的光谱不一样，混合后形成白光。
28.如图1所示，其为一种可见光通信系统，包括本发明的可见光通信照明光源(如虚线框中所示)，该光源包括一个第一光源和一个第二光源，第一光源和第二光源分别由不同的电信号驱动，然后第一光源和第二光源分别发射出第一光和第二光，两者的波长范围都在可见光范围内(420-700nm)。
29.第一光和第二光的光谱不一样，两者合光后形成白光；特别的，第二光源的光通量远大于第一光源的光通量，例如，第二光源的光通量可以设置成第一光源光通量的5倍。
30.对于光通信部分来说，在小功率的第一光源上还额外加载有通信用的调制信号，第二光源上一般不加载通信用的调制信号、其主要作为照明光源；相应的在光信号接收机前设置一个滤光片，该滤光片透过第一光源发射出的带有通信信息的第一光，吸收或反射第二光源发射出的第二光，光信号接收机接收到被调制的光信号、转化成电信号输出，完成光通信。在本发明的一些实施方式中，第二光源也可以加载低频调制信号，作为高频通信调制的第一光源的补充。
31.从上可以看出，第一光源主要作用是用于加载通信信号和为得到白光调整色温使用，其光通量较低，第一光源通常采用led光源或ld光源，利用它们开关快速切换的特点实现高速率的光通信；第二光源主要作用是用于照明，其光通量较大。
32.下面对两种光源的组合形式进行进一步的说明：
33.如图2所示为第一光源和第二光源发出第一光和第二光合光后的照明白光光谱，其中第一光为峰值波长在430-480nm之间的蓝光，对应的第一光源可以是激光光源或led光源；其中第二光的波长范围覆盖480-700nm，对应的第二光源可以是led光源或蓝光led激发荧光粉形成的光源。
34.另一种情况为，如图3所示，其中第一光是峰值波长在600-700nm之间的红光，对应的第一光源可以是激光光源或led光源；其中第二光的波长范围覆盖430-700nm，对应的第二光源可以是蓝光led激发荧光粉形成的光源；在传统的led照明中，通常仅有蓝光led激发黄色荧光粉yag形成照明白光，但是其照明白光中缺乏红光成分、显色指数不好，而本发明额外增加一个发红光的第一光源，在实现高频光通信的同时还可以改善照明白光的显色指数。
35.在这种组合情况下，优选的在第二光源上增加一个过滤红光的滤光片，以减少光信号接收机的噪声。可以理解的，对于第一光也可以选择其他波长峰值的光，例如绿光，相对应的第一光源选择绿色led光源或ld光源。
36.下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。以下实施例仅对本发明进行进一步说明，不应理解为对本发明的限制。
37.实施例1
38.普通照明场合下(球泡灯或吸顶灯等)，本发明可见光通信照明光源的应用：
39.如图4a所示，在所示的球泡灯中包含灯板和连接在灯板上的弧形灯罩，本发明的可见光通信照明光源设置在灯板上。图4a中可见光通信照明光源由一个第一光源加上一个第二光源组合而成，第一光源和第二光源分别由不同的电信号驱动。第一光源为小功率的蓝光led芯片，第二光源为大功率照明led。可以理解的，第一光源和第二光源的数目并不仅限于此，例如，还可以是分别由两个或多个第一、第二光源组成为本发明的可见光通信照明光源。
40.第一光源为小功率蓝光led芯片，进一步在其驱动电信号中加载高速通信信号，实现高速光通信，发出的第一光的峰值波长在430-480nm之间；第二光源为大功率led，不加载通信信号，其具体组成为大功率蓝光led芯片上覆盖荧光粉，发出的第二光的波长范围覆盖430-700nm、色温低于4500k，再加上通信用的小功率蓝光后，其色温大于5000k。另外，第一光源的小功率led芯片也可以和第二光源中的大功率led芯片设置在同一个led中，两个芯片上方设置一个荧光粉层。两个芯片分别由两路电信号驱动，两个芯片均发出蓝光，然后两束蓝光照射到荧光粉层上，在荧光粉层对应于第一光源发出的蓝光路径处不包含荧光粉，第一光源的小功率led芯片发出的蓝光直接透射过荧光粉层出射。
41.作为比较，现有的仅利用单一光源的led灯进行光通信的技术中：若要满足大功率照明要求，类似于上述实施例1的设置，则设置在灯板上单一光源的led芯片需要有足够大的面积，然而大面积的led芯片会导致结电容也越来越大，出现不能及时响应加载的高速电信号的问题，无法实现高速光通信。
42.本实施例中，在作为大功率照明用的led光源之外，增加一个小功率、小面积的led光源，两个光源通过不同的电信号驱动，第一光和第二光合光之后实现大功率照明的同时、第一光中包含的光通信信息实现了高速光通信。
43.考虑到减少与通信信号相同波长的蓝光强度，提高光信号接收机的信噪比，进一步的可以在第二光源上面增加一个滤蓝光的滤光片。
44.两种光源的光线到达灯罩后再进一步的被散射出射，出射的光线经过滤光片后到达光信号接收机，完成光通信。
45.作为实施例1的变形例，其中用于做光通信的小功率蓝光光源为蓝色激光器，如图4b所示。由于激光器的发散角非朗伯分布，为了和大功率的照明led发光混合均匀，在激光器上面增加一个散射层，使得蓝光激光光束的发散角更大；散射层可以是硅胶加氧化钛等散射粒子，也可以是散射薄膜等，在此不作限制。进一步的，第一光源的激光和第二光源中的大功率led芯片发出的蓝光一同经过设置在第二光源led芯片上的荧光粉层，在荧光粉层对应于第一光源发出的激光路径处不包含荧光粉而包含散射粒子将透过的激光散射。另外，对于第一光源为红光或绿光、第二光源为蓝光led芯片激发荧光粉层形成的光源，也同样可以设置成第一光源和第二光源中led芯片分别发出的光经过同一荧光粉层。
46.实施例2
47.普通照明场合下(面板灯或条形灯等)，本发明可见光通信照明光源的应用：
48.如图5a所示，仅示出本发明可见光通信照明光源设置于大面积的灯板上的情形。需要说明的是，面板灯或条形灯的面积较大，而作为光源的led芯片到灯罩的距离较短，为
使光源到灯罩处的光较为均匀，其照明光源多采用多颗led点阵排列。
49.在本实施例2中，第二光源为多颗点阵排列的led，为了让通信光与照明光一样均匀的到达灯罩处，第一光源也需要呈现点阵排布，第一光源可以为led光源。具体分布为在每1颗第二光源旁边设置一个第一光源，多颗第一光源之间采用串联关系或者先串联再并联的关系。容易理解的，也可以在每隔2颗或多颗第二光源的旁边设置一颗第一光源，在此不做限制。多颗第一光源和多颗第二光源分别由两路电信号驱动，对于第一光源和第二光源发出的第一光和第二光的波长范围组合可以与实施例1相同，也可不同，在此不再赘述。
50.作为实施例2的变形例，如图5b所示，第一光源发出的光也可以使用散射导光条的方法，使其到达灯罩的光均匀。具体设置为：一个第一光源出射光先耦合到散射导光条中，散射导光条折叠穿插排布在成点阵排列的第二光源的旁边，散射导光条上有散射出光，例如散射导光条可以为散射光纤或者普通光导光纤上切割出漏光槽作为散射导光条，还可以是塑料的方型散射导光条。如此，第一光源发射出的第一光在散射导光条内边传输、边散射，最后在灯罩处与第二光源发射出的第二光均匀混合。
51.实施例3
52.指向照明灯具下(手电筒、车灯、射灯等)，本发明可见光通信照明光源的应用：
53.如图6所示，指向照明灯具中包含由大功率的第二光源和小功率的第一光源组合而成的可见光通信照明光源，第一光源和第二光源分别由两路电信号驱动；还包括收集光线的光学元件。光学元件将可见光通信照明光源发出的朗伯发散光变成小角度(0-60度)的光束，以便让光束照射到指定的位置或更远的距离。
54.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
55.以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。