具体实施方式

参照图1至图4，本发明在这里是在飞机舱中实现的。飞机舱包括多个座位1，每个座位1意图容纳乘客2。每个乘客2因此具有个人空间。每个乘客2可能配备有电子装置3，电子装置3例如是膝上型电脑、智能电话、平板、连接的手表等。

根据本发明的第一实施例的照明和通信系统意图照射每个乘客2，并且实现VLC技术以使每个乘客2可以通过其电子装置3与飞机的计算机终端4通信。每个乘客2因此可以访问存储在计算机终端4中的各种多媒体数据，并且还可以经由计算机终端4访问互联网。

为了与飞机的计算机终端4通信，乘客的电子装置3必须配备有VLC发送和接收装置。VLC发送和接收装置要么直接集成到电子装置3中，要么连接到电子装置3。例如，VLC发送和接收装置是连接到电子装置3(可能经由电子装置3的USB端口)的加密狗(dongle)。

这里，照明和通信系统包括集中式照明模块6、集中式通信模块7和多个照明装置8，每个照明装置8与个人空间相关联。

集中式照明模块6包括可见光发送器9和控制组件10，每个可见光发送器9与个人空间相关联。每个可见光发送器9包括第一发光二极管(LED)11。

当有必要照射乘客2的个人空间时，控制组件10产生给与个人空间相关联的可见光发送器9的第一LED 11的供应电流。第一LED 11从供应电流产生其光谱被包含在可见光范围内的光。

集中式通信模块7包括调制解调器13以及多个调制光信号发送器15和调制光信号接收器16，一对的一个调制光信号发送器15和一个调制光信号接收器16与乘客2的个人空间相关联。

调制解调器13电连接到调制光信号发送器15和调制光信号接收器16。

调制解调器13还例如经由以太网线缆电连接到飞机的计算机终端4。

每个调制光发送器15包括第二LED 20。第二LED 20生成具有红外线范围内的光谱的光。

每个调制光信号接收器16包括光电二极管21。光电二极管21在这里是对光谱被包含在红外线范围内的光敏感的雪崩光电二极管。

当在计算机终端4和个人空间VLC发送和接收装置之间建立通信时，调制解调器13从计算机终端4获取下行链路数据。调制解调器13生成给对应的调制光信号发送器15的第二LED 20的供应电流。功率供应电流切换第二LED 20，以便切换第二LED 20生成的光功率以产生给个人空间的VLC发送和接收装置的下行链路调制光信号，所述下行链路调制光信号包含下行链路数据。

类似地，对应的调制光信号接收器16的光电二极管21从个人空间的乘客2的电子装置3的VLC发送和接收装置接收上行链路调制光信号。光电二极管21将上行链路调制光信号转换为包含上行链路数据的电信号。

调制解调器13获取包含上行链路数据的电信号。

调制解调器13因此接收在计算机终端4和乘客2的电子装置3之间交换的所有的上行链路和下行链路数据，并且对这些数据进行格式化以使它们一方面与第二LED 20兼容，另一方面与计算机终端4的接收器兼容。

这里我们注意，集中式照明模块6和集中式通信模块7可以被布置在定位在同一个盒子中或几个盒子中的不同的或相同的一个或多个电板上。所述盒子可以紧挨在一起，或者相反，相距甚远，并且被安置在机舱中或飞机中的任何其他的空间中。

每个照明装置8包括光漫射器25和光纤组装件26。

光漫射器25遍布乘客2的个人空间，并且既提供个人空间的照射，又提供与乘客2的电子装置3的VLC发送和接收装置的经调制的上行链路和下行链路光信号的交换。光漫射器25因此既充当灯透镜，又充当到光纤组装件26中的上行链路光注入器。

光纤组装件26包括第一光纤部分31、第二光纤部分32、第三光纤部分33、第四光纤部分34和第五光纤部分35。这五个光纤部分彼此不同(每个光纤部分不同于其他四个光纤部分)。

可见光发送器9被定位在第一光纤部分31的第一端。更具体地，第一光纤部分31的第一端和第一LED 11彼此相对延伸并且经由透镜光学耦合。第一光纤部分31的第一端也将被称为“照明端”。

调制光信号发送器15被定位在第二光纤部分32的第一端。更具体地，第二光纤部分32的第一端和第二LED 20彼此相对延伸并且经由透镜光学耦合。第二光纤部分32的第一端也将被称为“发送端”。

第一光纤部分31的第二端和第二光纤部分32的第二端在第一连接区域40处耦合并连接到第三光纤部分33的第一端。耦合是根据光纤耦合的常规方法执行的。

第一光纤部分31的第二端和第二光纤部分32的第二端因此在第一连接区域40中被接合以在第三光纤部分33的第一端敞开。

第一光纤部分31的第二端、第二光纤部分32的第二端和第三光纤部分33的第一端因此形成第一2x1耦合器。

第一双色向滤光器41集成到第一连接区域40中。第一双色向滤光器41由大量薄层制成。第一双色向滤光器41延伸到第二光纤部分32的第二端的区段中，在第一光纤部分31的第二端和第二光纤部分32的第二端之间的接触区域的略微上游。“上游”意指在LED或光电二极管侧，而不是在光漫射器25侧。

在图5中示出了第一双色向滤光器41的透射曲线49和反射曲线50。

可以看出，第一双色向滤光器41允许具有大于或等于850nm的波长的光信号通过，并且反射具有小于或等于700nm的波长的光信号。

第一双色向滤光器41的作用是避免光在第二光纤部分32中返回并因此造成的第一光纤部分31上的损失。

第一连接区域40集成在第一多路器的第一壳体44中。

调制光信号接收器16被定位在第四光纤部分34的第一端。更具体地，第四光纤部分34的第一端和光电二极管21彼此相对延伸并且经由透镜光学耦合。第四光纤部分34的第一端也将被称为“接收端”。

第三光纤部分33的第二端和第四光纤部分34的第二端在第二连接区域51处耦合并连接到第五光纤部分35的第一端。同样，耦合是根据光纤耦合的常规方法执行的。

第三光纤部分33的第二端和第四光纤部分34的第二端在第二连接区域51中会合以在第五光纤部分35的第一端敞开。

第三光纤部分33的第二端、第四光纤部分34的第二端和第五光纤部分35的第一端因此形成第二2x1耦合器。第二双色向滤光器52集成到第二耦合区域51中。第二双色向滤光器52由大量薄层制成。第二双色向滤光器52延伸到第四光纤部分34的第二端的区段中，在第三光纤部分33的第二端和第四光纤部分34的第二端之间的接触区域的略微上游。

在图6中示出了第二双色向滤光器52的透射曲线54和反射曲线55。

可以看出，第二双色向滤光器52允许具有大于或等于940nm的波长的光信号通过，并且反射具有小于或等于850nm的波长的光信号。

第二双色向滤光器52的作用是分离不同的波长。

第二连接区域51集成在第二多路器的第二壳体56中。

注意，每个光纤部分的直径无关紧要，并且可以例如在0.2mm和3mm之间。光纤部分可以由玻璃或塑料或任何其他材料制成。

这里注意，意图用于照射的第一光纤部分31是多模光纤，意图用于数据发送的第二光纤部分32也可以是多模光纤，第三光纤部分33因此也是多模光纤。这也适用于第四光纤部分34和第五光纤部分35。

通信和照明系统对于每个个人空间如下工作。

第一LED 11生成可见光60。可见光60传播通过第一光纤部分31，被第一双色向滤光器41反射，第一双色向滤光器41阻止可见光60传播通过第二光纤部分32。

第二双色向滤光器52允许可见光60向下通过，可见光60传播通过第五光纤部分35。第五光纤部分35的第二端向光纤组装件26的外部敞开，在这种情况下，进入光漫射器25中。可见光通过第五光纤部分35的第二端和光漫射器25发射以照射乘客2的个人空间。

下行链路通信此外还建立于调制光信号发送器15和乘客2的电子装置3的VLC发送和接收装置之间。包含来自计算机终端4的下行链路数据的下行链路调制光信号61从第二LED 20发射。下行链路调制光信号61具有等于850nm的波长。下行链路调制光信号61在第二光纤部分32中传播，并且不被阻挡，而是透过第一双色向滤光器41以在第三光纤部分33中传播(参见透射曲线49和反射曲线50)。

下行链路调制光信号61然后传播到第三光纤部分33中。第二双色向滤光器52不将下行链路调制光信号61传递到第四光纤部分34中(参见透射曲线54和反射曲线55)。下行链路调制光信号61因此传播通过第五光纤部分35，经由第五光纤部分35并且经由光漫射器25发射，并且发送到乘客2的电子装置3的VLC发送和接收装置。

电子装置3然后获取下行链路数据。

上行链路通信还建立于乘客的电子装置3的VLC发送和接收装置与调制光信号接收器16之间。包含给计算机终端4的上行链路数据的上行链路调制光信号62被VLC发送和接收装置发送。上行链路调制光信号62具有等于950nm的波长。上行链路调制光信号62被光漫射器25拾取。上行链路调制光信号62经由第五光纤部分35的第二端传播到第五光纤部分35中。第二双色向滤光器52将上行链路调制光信号62传递到第四光纤部分34中。上行链路调制光信号62因此在发送中传播通过第四光纤部分34，并且被调制光信号接收器16的光电二极管21拾取。

集中式通信模块7的调制解调器13然后获取上行链路数据，并且将它们发送到计算机终端4。

参照图7，望远镜70位于第五光纤部分35的第二端。第五光纤部分35的第二端也将被称为“收集端”。

“望远镜”在这里意指从位于望远镜的一侧并且在离它无限物距处的物体，在望远镜的另一侧并且在离它无限像距处，形成该物体的像。

“无限物距”和“无限像距”在这里意指相对于对应的望远镜面的表面的直径非常大的距离，即，通常比望远镜的较大直径大10倍或100倍。

首先，望远镜70包括光学集中器71。集中器71在这里是复合椭圆集中器。

集中器71具有回转轴Z。集中器71包括主部分72和圆柱形部分73。

主部分72的外形由在入口面74和出口端75之间延伸的侧表面78限定。

集中器71的入口面74也是望远镜70的入口面。出口端75的形状像盘子。入口面74和出口端75垂直于Z轴延伸。

入口面74的面积大于出口端75的面积。

在穿过Z轴的截面中，侧表面78由第一椭圆弧76和第二椭圆弧77限定。

这里我们注意，集中器71可以从“非直纹(unruled)”类型(即，不包含直线)的任何曲面设计。这包括所有的所谓的自由表面，即，由顶点处的曲线、圆锥常数、非零变形系数、最后由旋转角度描述的表面。该旋转角度就是被限定为集中器71的光学设计的起始基面的表面的旋转角度。基面例如是回转椭圆或任何失控表面。旋转角度因此表征任何复合集中器。

应注意，照明系统的集中器71的主部分72的侧表面78可以具有棱柱类型的一个或多个小侧面(lateral facet)。

出口端75通向圆柱形部分73，圆柱形部分73具有等于出口端75的面积的截面面积。圆柱形部分73的出口面80形成集中器71的出口面80。集中器71的出口面80的面积小于集中器71的入口面74和望远镜70的面积。

现在描述入口面74。

可以规定入口面74具有由笛卡尔卵形线限定的表面。

在圆柱形参考系(r,Z(r))中，该笛卡尔卵形线将具有方程：

其中c_a是笛卡尔卵形线的顶点处的曲率(也被称为顶点曲率)，K_a是圆锥常数，A_2j是变形系数。入口面74假定具有折射率n，并且从在物焦距t_a处对齐光轴的光源接受光。入口面74然后在像焦距t’_a处生成衍射有限的像(因为入口面74不引入球面像差)。

可以使用循环变量来计算笛卡尔卵形线方程的参数：m＝n-1,p＝n+1,U＝nt_a-t’_a,并且V＝2mt_at’_a。

顶点处的曲率c_a使得：

c_a＝2U/V。

变形系数A_2j的集合的例子在本说明书末尾的附录1中提供。

变形系数A_2j的定义中使用的特征多项式P_2j的集合的例子在本说明书末尾的附录2中提供。

这里，然而，在图7中可以看出，入口面74具有菲涅耳表面，因此充当菲涅耳透镜。

菲涅耳表面面向外，并且具有以Z轴为中心的同心环形截面的形式的多个区域81。同心环形截面由从入口面74向外延伸的台阶限定。

菲涅耳表面的使用缩小了望远镜70的入口面74的体积(因此望远镜70的体积和质量)。

菲涅耳表面由分段函数限定，每段对应于具有以Z轴为中心的同心环形截面的形状的区域81。

每段具有由笛卡尔卵形线限定的表面。

这里使用的菲涅耳表面不引入任何球面像差，这使入射的光线可以完美地集中在菲涅耳透镜的由入口面74构成的像焦点处。像焦点F位于集中器71的主部分72的出口端75的中心。

为了限定菲涅耳表面，执行包括以下步骤的限定方法：

步骤1：

我们对于每段限定高度h(h可以变化或者恒定)；

步骤2：

我们限定所述段的表面的直径d；

步骤3：

我们初始化段计数器i＝1(每段与i的不同的值相关联)；

步骤4：

只要横坐标r_s(i)≤d/2，限定方法就继续进行；

步骤5：

我们使用以下方程来限定段i：

参数与之前用于笛卡尔卵形线的那些参数是相同的，除了物焦距t_a和像焦距t’_a被补偿之外：

t_a＝t_a-(i-1)h；

t’_a＝t’_a+(i-1)h。

因此我们获得取决于以下参数的z_a：

z_a[n,t_a-(i-1)h,t’_a+(i-1)h,K_a,rc]

步骤6：

我们使用以下函数来用数字计算串的正横坐标r_c[i]，r_c[i]对应于区间{0,d/2}中包括的高度h：

FindRoot[(1-i)h+z_a[n,t_a-(i-1)h,t’_a+(i-1)h,K_a,rc]＝h；

步骤7：

我们对于后一段i+1限定：

t_a＝t_a-ih；

t’_a＝t’_a+ih；

步骤8：

我们在考虑补偿后的偏移(即，平移)以及最大直径处的补偿后的距离的同时，使用前面的方程来限定下一段i。

z_a[i+1]＝{-ih+z_a[n,t_a-ih,t’_a+ih,K_a,r],

(r>-d/2且r＝-r_c[i])或者(r<d/2且r>＝r_c[i])}；

步骤9：

我们然后对于前一个扇区重新限定域：

(r>-rc[i]且r＝r_c[1-i])或者(r<r_c[i]且r>＝r_c[i-1])

步骤10：

我们将该段添加到函数：

Rule＝Append[fresnel,piece_z_a[i]]；

步骤11：

然后递增段计数器：i＝i+1；

步骤12：

关闭循环，并且限定方法返回到步骤4。

步骤13：

添加最后一段：

Rule＝Append[fresnel,piece_z_a[i]]。

步骤14：

我们然后执行菲涅耳透镜的立板的校正。为此，我们使用射线追踪来跟随出射射线的方向。

与所述限定方法相关联的算法的参数集合和实现的例子在本说明书末尾的附录3中提供。

集中器71和由入口面74的菲涅耳表面形成的菲涅耳透镜因此形成单片组装件。

望远镜70进一步包括梯度折射率透镜83。梯度折射率透镜83沿着Z轴、相对于集中器71同轴布置。梯度折射率透镜83由其折射率在径向、轴向方向上、或者以球面的方式变化的材料制成。

梯度折射率透镜83具有在截面中等于圆柱形部分73的圆柱形形状。梯度折射率透镜83从集中器71的出口面80延伸。

梯度折射率透镜83具有与集中器71的出口面80相对延伸的入口面86。

梯度折射率透镜83的入口面86被定位为紧靠集中器71的出口面80，并且被粘合到出口面80。使用的粘合剂具有与用于制作集中器71和梯度折射率透镜83的材料类似的折射率。

包括梯度折射率透镜83和集中器71的望远镜70因此形成单片组装件。

第五光纤部分35的第二端在这里具有等于梯度折射率透镜83的截面的截面。第五光纤部分35的第二端面向望远镜70的出口面87敞开。第五光纤部分35的第二端与望远镜70的出口面87耦合，出口面87也是梯度折射率透镜83的出口面87。这里的耦合使用APC连接器，但是另一类型的连接器可以被使用。耦合可以以不同的方式实现，诸如通过粘合。

套圈84围绕圆柱形部分73、梯度折射率透镜83和第五光纤部分35的第二端的短长度延伸。套圈84使集中器71、梯度折射率透镜83和它们之间的第五光纤部分35的第二端的附连加强。

我们现在描述望远镜70的操作。

在图1中可以看出，望远镜70垂直延伸到光漫射器25中，以使得望远镜70的入口面74通向照明和通信系统的外部，面向乘客的个人空间。

望远镜70首先具有集中器71和由入口面74的菲涅耳表面形成的菲涅耳透镜的优点。望远镜70因此允许收集具有大接受角度的入射光线。这里的接受角度等于34°。通过入口面74进入集中器71的入射光线通过复合椭圆集中器71的主部分72的内侧表面处的反射而被集中。

如果只有常规的光学集中器被使用，则入射光线将被集中在主部分72的出口端75的边缘上。使用本文中描述的集中器71，入射光线被集中在出口端75的中心上，然后被重新分布到梯度折射率透镜83中并且遍布第五光纤部分35的第二端的截面。

望远镜70的使用因此优化了来自光漫射器25外部(因此具体地说，来自乘客2的个人空间)的入射光线在第五光纤部分35的第二端中的收集和集中。照明和通信系统对乘客2的电子装置3的VLC发送和接收装置发送的并且意图被调制光信号接收器16接收的上行链路调制光信号的接收因此得到很大的改进。

可见光和下行链路调制光信号经由望远镜70从第五光纤部分35的第二端传播到乘客2的个人空间中。

参照图8，根据本发明的第二实施例的照射和通信系统的望远镜90也包括光学集中器91和梯度折射率透镜92。

梯度折射率透镜92的入口面被粘合到光学集中器91的出口面。光学集中器91和梯度折射率透镜92因此形成单片望远镜90。注意，梯度折射率透镜92的出口面93(也是望远镜90的出口面)是平坦的。这便于第五光纤部分35的第二端与出口面93的耦合。

望远镜90的光学集中器91的入口面94具有由以下方程限定的凸表面：

出口面93由以下方程限定：

Zb＝t＝f_a+l，其中f_a、l>0。

在这些方程中，f_a是透镜的由入口面94的凸表面形成的像焦距，n是制成光学集中器91的材料的折射率。

参照图9，根据本发明的第三实施例的照明和通信系统的望远镜100类似于第二实施例的望远镜，除了在穿过Z轴的截面平面中侧表面由第一椭圆弧106和第二椭圆弧107限定之外。

望远镜的内侧表面使得可以增大接受角度。内侧表面充分地反射入射光线。

望远镜100的光学集中器101的入口面104也具有由以下方程限定的凸表面：

本发明不限于刚刚描述的特定的实施例，而是相反，涵盖落在由权利要求限定的本发明的范围内的任何变体。

包括光漫射器和光纤组装件的每个照明装置已经与调制光信号发送器和调制光信号接收器相关联。还可能具有与单个照明装置相关联的几个发送器和/或几个接收器，每个发送器和接收器被定位在光纤组装件的一个光纤部分的一端。还可能具有连接到多个照明装置的单个发送器和/或接收器。通信模块可以具有单个或多个通信信道。因此可能实现使用任何链路和复用配置的任何类型的网络，特别是MIMO(多输入多输出)或MISO(多输入单输出)类型链路。

可能将两个双色向滤光器中的至少一个替换为由沉积在对应的连接区域中的反射材料制成的薄反射层。

为了构建望远镜，任何类型的光学集中器都可以被使用，包括复合抛物线集中器(或CPC)、包括集成到第二集中器中的第一集中器的耦合集中器、实心或中空集中器、透镜壁式集中器等。

望远镜可以是复合焦点望远镜、复合无焦点望远镜、单片焦点望远镜、单片无焦点望远镜等。

单片无焦点望远镜的例子是包括双椭圆和双凸透镜的望远镜。这样的望远镜的焦平面位于形成望远镜的单片块的内部。

已经指示梯度折射率透镜的入口面与光学集中器的出口面对向延伸。这里意味着要么梯度折射率透镜被定位为紧靠光学集中器的出口面，如本说明中的情况那样，要么梯度折射率透镜和光学集中器的出口面仅被至少部分透明的元件(另一透镜、某种附连元件等)分开。在光纤组装件的接收端和梯度折射率透镜的出口面之间也是如此。

还已经指示望远镜的入口面可以具有由笛卡尔卵形线或菲涅耳表面限定的表面。可以将该入口面替换为对应的透镜，即，具有由笛卡尔卵形线或菲涅耳透镜限定的表面的透镜，并且将该透镜定位为紧靠光学集中的入口面。

附录1

变形系数A_2j例如如下：

附录2

特征多项式P_2j例如如下：

附录3

所述方法的实施例的例子如下：

**初始变量：**；

h＝0,3；d＝20；t_a＝-1500；t’_a＝70；n＝1,7；K_a＝-0,47；fresnel＝{}；

r_c[0]＝0；r_c[1]＝0；i＝1；

While[r_c[i]<＝d/2,

**对于高度h的串的最大半径的计算：**；

{r_c[i]＝Replace[r with

FindRoot[(1-i)h+z_a[n,t_a-(i-1)h,t’_a+(i-1)h,K_a,r_c]＝h,

{r,0,d/2}]]；

**一直到最大直径的下一段i+1的限定。**；

**物距和像距被补偿：**；

z_a[i+1]＝{-ih+z_a[n,t_a-ih,t’_a+ih,K_a,r],

(r>-d/2and r＝-r_c[i])or((r<d/2and r>＝r_c[i]))}；

**前一扇区的区域的重新限定：**；

piece_z_a[i]＝{(1-i)h+z_a[n,t_a-(i-1)h,t’_a+(i-1)h,K_a,r_c],

(r>-r_c[i]and r＝r_c[1-i])or((r<r_c[i]and r>＝r_c[i-1]))}；

Rule＝Append[fresnel,piece_z_a[i]]；

i++；

]；

Rule＝Append[fresnel,piece_z_a[i]]；

Piecewise[fresnel]。