CN115804024A - 用于光学通信设备的光学对准系统 - Google Patents

Abstract

一种方法和光学系统，用于通过使用调节机构有意地在多个自由空间光学(FSO)单元或光保真(Li‑Fi)单元之间产生光束路径的预定和重复运动而在这些单元之间抢先校正光学通信光束的潜在的未来未对准。在一些示例中，预定运动是圆周运动或者往复和/或平移运动。预定运动可以通过调节机构来实现，该调节机构可以包括多个压电致动器或一个或多个MEMS控制的反射镜或微透镜。

Description

用于光学通信设备的光学对准系统

技术领域

本公开一般涉及光学系统，具体涉及用于光学地抢先(preemptively)校正光束相对于检测器的潜在未对准的系统和方法。

背景技术

光保真(Li-Fi)和其他自由空间光学通信依赖于源和目标之间的直接路径来提供无线光学通信。通常，源和目标安装或以其他方式固定到高架结构，以防止物体、车辆或人干扰信号路径。尤其是在这些升高位置中，由于各种因素——包括例如天气、风引起的摇摆、以及由于用于构造高架结构的材料的不均匀热膨胀引起的弯曲——每个单元(即源和目标)易于相对于彼此移动或漂移。这些环境条件可能如此恶劣，以至于造成源和目标之间的未对准，从而导致通信内的数据丢失。

发明内容

本公开涉及用于通过使用调节机构有意地在多个自由空间光学(FSO)单元或光保真(Li-Fi)单元之间产生光束路径的预定和重复运动而在这些单元之间抢先校正光学通信光束的潜在的未来未对准的方法和系统。例如，在与接收单元的检测器部分对准的同时，引起发射单元的小的、已知的、重复的移动，使得在丢失显著量的数据之前，可以校正最终会导致未来未对准的显著移动或漂移。在一些示例中，预定运动是圆周运动或者往复和/或平移运动。预定运动可以通过调节机构来实现，该调节机构可以包括多个压电致动器或一个或多个MEMS控制的反射镜或微透镜。

在一个示例中，提供了一种保持光学通信光束对准的方法，该方法包括：经由发射单元产生沿着虚对准轴的光学通信光束，该发射单元包括至少一个单元检测器，该光学通信光束具有在发射单元和接收单元之间的光束路径，该接收单元包括至少一个检测器部分和至少一个反射器部分；在接收单元的至少一个检测器部分处接收光学通信光束；使用预定运动相对于虚对准轴抢先改变光束路径；当发射单元的至少一个单元检测器接收到光学通信光束的至少一部分时，检测虚对准轴的潜在未对准；以及基于检测到的未对准，使用对准机构相对于至少一个检测器部分的中心对准虚对准轴。

在一个方面中，预定运动是圆周运动或往复运动。

在一个方面中，对准机构包括多个压电致动器，并且其中多个压电致动器围绕发射单元的主体的外表面径向间隔开，其中多个压电致动器中的每个压电致动器被配置为与发射单元的主体的一部分连接，并且其中多个压电致动器布置成围绕发射单元的后部。

在一个方面中，发射单元包括惯性导航系统，以获得发射单元的移动信息。

在一个方面中，对准机构包括至少一个微机电机器(MEMS)，所述至少一个微机电机器包括反射镜或微透镜；或者其中对准机构包括旋转质量块。

在一个方面中，至少一个检测器部分具有第一直径，并且光学通信光束具有第二直径，其中第一直径小于或等于第二直径。

在一个方面中，接收单元还包括中心反射器部分。

在另一个示例中，提供了一种光学系统，该光学系统包括：被配置为沿着虚对准轴生成光学通信光束的发射单元，该发射单元包括至少一个单元检测器；接收单元，其包括至少一个检测器部分和至少一个反射器部分；对准机构，其被配置为使用预定运动相对于虚对准轴抢先改变布置在发射单元和接收单元之间的光束路径；以及控制器，其被配置为在至少一个单元检测器处检测光学通信光束的至少一部分，并操作对准机构以相对于至少一个检测器部分的中心抢先对准虚对准轴。

在一个方面中，预定运动是圆周运动或往复运动。

在一个方面中，对准机构包括多个压电致动器，并且其中多个压电致动器围绕发射单元的主体的后部的外表面径向间隔开，其中多个压电致动器中的每个压电致动器被配置为与发射单元的主体的一部分接合。

在一个方面中，发射单元包括惯性导航系统，以获得发射单元的移动信息。

在一个方面中，对准机构包括至少一个微机电机器(MEMS)，所述至少一个微机电机器包括反射镜或微透镜；或者其中对准机构包括旋转质量块。

在一个方面中，至少一个检测器部分具有第一直径，并且光学通信光束具有第二直径，其中第一直径小于或等于第二直径。

在一个方面中，接收单元还包括中心反射器部分。

在一个方面中，发射单元是光保真(Li-Fi)发射机，并且接收单元是Li-Fi接收机。

参考下文描述的(多个)实施例，各种实施例的这些和其他方面将是清楚的并得到阐述。

附图说明

在附图中，类似的附图标记遍及不同的视图一般指代相同的部分。此外，附图不一定是按比例的，取而代之一般将重点放在说明各种实施例的原理上。

图1是根据本公开的光学系统的示意性透视图。

图2A是根据本公开的接收单元的示意图。

图2B是根据本公开的接收单元的示意图。

图3A是根据本公开的接收单元的示意图。

图3B是根据本公开的接收单元的示意图。

图3C是根据本公开的接收单元的示意图。

图4A是根据本公开的接收单元的示意图。

图4B是根据本公开的接收单元的示意图。

图5A是根据本公开的接收单元的示意图。

图5B是根据本公开的接收单元的示意图。

图6是根据本公开的光学系统的示意性透视图。

图7是根据本公开的发射单元的示意性局部截面图。

图8是根据本公开的对准机构的示意性图示。

图9是示出根据本公开的方法的步骤的流程图。

具体实施方式

本公开涉及通过使用调节机构有意地在多个自由空间光学(FSO)单元或多个Li-Fi单元之间产生光束路径的预定和重复运动而在这些单元之间抢先校正光学通信光束的潜在的未来未对准。在一些示例中，预定运动是圆周运动或者往复和/或平移运动。预定运动可以通过调节机构来实现，该调节机构可以包括多个压电致动器或一个或多个MEMS控制的反射镜或微透镜。

应该根据图1-图7来阅读下面的描述。图1示出了根据本公开的光学系统100的示意性透视图。如所示，光学系统100包括发射单元102和接收单元104。发射单元102旨在是第一自由空间光学(FSO)单元(下面讨论)或用于基于L1-Fi的通信系统的发射机，并且接收单元104旨在是第二FSO单元(下面讨论)或用于基于L1-Fi的通信系统的接收机。尽管发射单元102和接收单元104在本文中被图示和描述为第一自由空间光学(FSO)单元102和第二FSO单元104，但是应当领会，以下技术和原理也可以在Li-Fi系统的单元之间(例如在Li-Fi发射机和Li-Fi接收机之间)使用。如下文将讨论的，在光学系统100的操作期间，第一FSO单元102和第二FSO单元104旨在被安装或以其他方式固定到街灯、建筑物、塔或其他高架室外结构，并且通过露天(open air)分离，使得每个单元之间的光学通信是可能的。第一FSO单元102包括电磁源106，该电磁源106被配置成沿着虚对准轴A(以下称为“对准轴A”)产生聚焦的电磁辐射。电磁源106可以选自发光二极管(LED)、有机LED(有机发光二极管)、固态激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、或者能够沿着对准轴A产生聚焦辐射的任何其他电磁辐射(例如，可见和/或不可见光谱中的电磁辐射)源。在一个示例中，所产生的电磁辐射是所示示例中的射频(RF)辐射，电磁源106是包括一维或二维光学发射机阵列的半导体激光器，所述一维或二维光学发射机阵列被配置成沿着光束路径BP和/或沿着对准轴A产生光学通信光束108。应该领会，当电磁辐射离开第一FSO单元102并沿着光束路径BP传播时，电磁源106可以利用一个或多个透镜或一个或多个微透镜来聚焦电磁辐射。第一FSO单元102还包括单元检测器110，该单元检测器110被配置成接收已经被第二FSO单元104反射的光学通信光束108的至少一部分，如下面将讨论的。如将在下面详细讨论的，并且如图2-图4B、图6和图7中所示，当没有预定运动(例如，下面讨论的预定运动126)应用于第一FSO单元102和/或第二FSU单元104时，对准轴A代表光束路径BP的轨迹。换句话说，在没有预定运动的情况下，对准轴A将基本上平行于光束路径BP。

一旦沿着光束路径BP聚焦，光学通信光束108就具有第一直径D1(如图2A中所示)和强度I。应该领会，在一些示例中，如下面将要讨论的，第一直径D1可以基本上等于或大于检测器部分120的直径，即第二直径D2(下面讨论并在图4B中示出)。然而，在一些示例中，如图1-图2B中所示，直径D1基本上小于检测器部分120(下面讨论)。光学通信光束108可以被配置和/或聚焦，使得强度I作为半径或距光学通信光束108中心的距离的函数而减小，例如，光学通信光束108可以在中心处具有其最高强度或峰值强度I，并且使强度I朝着光束直径的外侧(即D1的外周)减小或降低。

应当领会，第一FSO单元102可以利用用于在光学通信光束中传输数据的任何技术或协议。例如，可以通过用调制信号调制载波信号来对光学通信光束108进行信息编码，该调制信号包含期望被传输的信息，例如与预定运动126(下面讨论)相关的信息。附加于信号调制或者作为信号调制的替代，如果期望，则可以将光学通信光束108的波长设置在可见光谱之外，这可以使得第二FSO单元104(下面详细讨论)能够更容易地将光学通信光束108与环境光区分开，并且因此检测光学通信光束108。在一些示例实施例中，生成具有已知和可测量特性的光学通信光束108，例如可见光谱之外的和/或用具有设定基频的载波信号调制的已知波长。在一些示例实施例中，取决于一天中的时间改变光学通信光束108的波长和/或偏振，以考虑变化的环境条件，例如，由于来自太阳或其他光源的光谱在一天中变化。此外，光学通信光束108可以以准直或平行的方式发射，很少有发散或没有发散，例如，以便于精确的长距离发射。例如，所发射的光学通信光束108可以被光学器件(例如非球面透镜)准直，以形成指向第二FSO单元104的一个或多个准直光束。在其他示例实施例中，可以包括手电筒来聚焦光学通信光束108。

如下面将要讨论的，并且如图1、图6和图7中所示，第一FSO单元102可以包括被配置为至少部分地封围电磁源106的主体112。主体112包括外表面114，并具有前部116和后部118。在一个示例中，如图1和图6中所示，外表面114是圆周表面；然而，应当领会，外表面114可以具有任何截面形状，包括但不限于：三角形、正方形、矩形、六边形、八边形等。前部116旨在是主体112的靠近主体112的开口、孔或表面的部分，光学通信光束108从该部分发射。换句话说，在光学系统100的操作期间，前部116是主体112最靠近第二FSO单元104的部分。相反，后部118旨在成为主体112在操作期间离第二FSO单元104最远的部分。还应当领会，尽管未示出，但是第一FSO单元102可以包括电连接第一处理器和第一存储器的第一电路，第一处理器和第一存储器被配置为分别执行和存储第一多个非暂时性计算机可读指令，以执行第一FSO单元102的功能，如本文将讨论的。此外，如下面参照图6-图7详细示出和描述的，第一FSO单元102还可以包括对准机构124。

第二FSO单元104被配置成从第一FSO单元102接收光学通信光束108。如图1-图5B中所示，第二FSO单元104包括被配置成接收光学通信光束108的至少一个部分，即检测器部分120；以及被配置成反射光学通信光束108的至少一个部分，即反射器部分122。检测器部分120旨在是一个光电二极管、多个光电二极管、或者能够接收和检测光学通信光束108中的调制的任何其他检测器或传感器。在一个示例中，检测器部分120可以包括至少一个雪崩光电二极管或至少一个单光子雪崩二极管。反射器部分122包括一种无源反射部件或材料或多种无源反射部件或材料，例如具有高反射属性的反射镜或光滑涂层表面。在图1-图5B中所示的示例中，检测器部分120和反射器部分122两者都是圆形的；然而，应该领会，可以利用其他形状和形状的组合。尽管反射器部分122是反射性的或者包括反射部分或材料，但是应当理解，取决于所选择的波长，检测器部分120可以反射光学通信光束108的电磁辐射的非常小的一部分，但是最初旨在被优化为吸收所有的光并且因此是非反射性的。例如，反射器部分122可以以与入射光束完全相同的角度反射辐射，这在通信对准(如下面将讨论的)但不完全处于垂直于第二FSO单元104的表面的角度的情形下是有用的。还应当领会，尽管未示出，但是第二FSO单元104可以包括电连接第二处理器和第二存储器的第二电路，第二处理器和第二存储器被配置为分别执行和存储第二多个非暂时性计算机可读指令，以执行第二FSO单元104的功能，如将在本文讨论的。第二FSO单元104的第二电路可以被配置成感测、检测或以其他方式接收光学通信光束108，并将光学通信光束108解码成信息或数据。

在示例实施例中，第一FSO单元102和第二FSO单元104可以安装在任何合适的室外结构(例如街灯)中的升高位置处，以避免光学通信光束108和人、车辆等之间的阻碍或干扰。这里使用的术语“街灯”或“路灯”指的是任何室外照明基础设施，其包括灯具(例如从诸如杆的支撑物延伸的灯具)，以便照亮街灯附近的区域。该杆可以是专门为街灯建造的，或者可以用于一些其他目的(例如电线杆)。应领会的是，在其他示例中，一个或多个街灯可以包括或延伸自其他类型的基础设施，例如标志、建筑物、桥梁、或塔等。

有利的是，街灯和已经电线连接的(electrically wired)建筑物可以为建筑系统和/或灯具提供电力。这些电线连接的建筑物或灯具可以为第一FSO单元102和第二FSO单元104提供电连接。此外，街灯通常沿着道路、街道、人行道或其他路径以规则的间隔安装，其延伸到人们居住、工作或以其他方式期望高数据速率通信的各个位置和/或在这些位置之间。以此方式，第一FSO单元102和第二FSO单元104可以安装在街灯处，并且多个附加的FSO单元可以形成FSO单元的连接网络，例如，其在城市、城镇或其他位置的全部或部分中以任何期望的方向延伸。附加地，应领会的是，可以通过在现有街灯上改装FSO单元来利用现有的街灯基础设施。还应领会的是，一个FSO单元可以安装在路灯或街灯上，并且另一个可以安装在建筑物、塔或其他高架结构上。

如上所述，自由空间光学系统面临的一个问题是保持第一FSO单元102和第二FSO单元104之间的光学对准或直接光束路径(例如，最短的直线路径)。在操作中，第一FSO单元102和第二FSO单元104能够基于天气和其他因素(例如风的摇摆、热膨胀和振动)相对于彼此移动。由于发射的光学通信光束108的直径D1和第二FSO单元104处的检测器部分120的有限视场，由于这些环境条件中的任何一个引起的任何轻微移动都可以影响光束对准并中断通信。在一些示例中，第一FSO单元102和第二FSO单元104被安装在相隔显著距离(例如，数百米或数千米)的结构上，并且在第一FSO单元102处的光学通信光束108的光束路径BP中的任何微小角位移都可能导致第二FSO单元104附近的显著未对准。即使当第一FSO单元102和第二FSO单元104没有移动时，诸如雾的其他环境条件也可以中断通信。

因此，在一个示例中，本公开的目的是提供一种光学系统100，该光学系统100被配置为在可重复的预定运动126中相对于对准轴A抢先改变光学通信光束108的光束路径BP，以检测未来未对准的可能性，并在任何显著数据丢失发生之前校正潜在的未来未对准。为此，光学系统100包括对准机构124，该对准机构124被配置成在光学通信光束108的光束路径BP上相对于对准轴A产生预定运动126。

如图2A-图3C中所示，预定运动126可以是圆周运动。图2A示出了位于第二FSO单元104的检测器部分120上的一系列光束路径BP位置，并被示为一系列直径为D1的虚线圆。应当领会，尽管由一系列虚线圆示出，但是圆周预定运动126旨在是流体圆周运动，并且虚线圆表示光学通信光束108在圆周运动内不同位置处的位置，例如，围绕对准轴A每40度。换句话说，每个虚线圆表示光学通信光束108在圆周运动内不同时间点的快照。附加地，在一个示例中，圆周预定运动126具有小半径——即小于检测器部分120的直径(即第二直径D2)的一半的半径——使得所有的虚线圆(即光学通信光束108的整个圆形路径)在整个圆周预定运动126期间接触第二FSO单元104的检测器部分120。如图2B中所示，如果第一FSO单元102和/或第二FSO单元104由于例如环境条件、其支撑结构的不均匀加热等而经历运动或振动，则对准轴A可能开始相对于检测器部分120的中心C漂移或变得不对准。

如图2B中所示，第一FSO单元102和/或第二FSO单元104可能开始相对于彼此漂移，从而导致对准轴A漂移，例如向上朝着检测器部分120的顶部漂移。如所示，漂移可以继续，直到光学通信光束108的至少一部分与第二FSO单元104的反射器部分122重叠并被反射离开，并且被第一FSO单元102上的单元检测器110检测到(由带有交叉影线的虚线圆所指示)。由于相对于对准轴A的预定运动126的圆形重复模式，光束路径BP将仅暂时与第二FSO单元104的反射部分122重叠，并且将自动返回与检测器部分120完全接触，作为其圆形路径的一部分。因此，只有少量或微不足道的数据(即反射回到检测单元108的通信中包含的数据)可能丢失。当光学通信光束108的至少一部分被反射回来并被第一FSO单元102的单元检测器110检测时，第一FSO单元102可以基于反射数据的轨迹来校正其与第二FSO单元104的潜在的未来未对准，并在下一次完整的圆周运动之前校正该未对准。换句话说，第一FSO单元102可以(例如，使用下面讨论的对准机构124)调节其位置，以补偿光学系统100所经历的漂移，使得对准轴A基本上与检测器部分120的中心C成一直线。

图3A-图3C示出了具有较大半径——即，略小于第二直径D2(如图2A中所示)的一半的半径——的圆周预定运动126。换句话说，当对准轴A与检测器部分的中心C对齐时(如图3A中所示)，光学通信光束108的圆形路径基本上跟踪检测器部分120的周边形状，同时保持光学通信光束108的所有部分都与检测器部分120接触。在这些示例中，给定所示的圆周运动的几何形状，第一FSO单元102和第二FSO单元104之间的任何漂移将导致光学通信光束108的至少一部分与第二FSO单元104的反射器部分122重叠，这指示潜在的未来未对准，如图3B中所示。一旦光学通信光束108的一部分被反射回到第一FSO单元102的单元检测器110，就可以进行抢先校正(例如，使用下面讨论的对准机构124)，以使对准轴A回到与第二FSO单元104的检测器部分120的中心C成一直线(在图3C中由圆形路径中的偏差示出)。

应当领会，预定运动126可以是任何重复运动，例如平移往复运动(下面讨论)、圆周运动(上面讨论)、正方形运动(即，其中在第二FSO单元104的任何部分上的光学通信光束108的投影路径基本上是正方形的)、三角形运动、矩形运动、六边形运动、八边形运动或任何其他重复运动。例如，如图4A中所示，预定运动126是往复运动，即来回平移运动。应当领会，往复运动可以是：垂直平移运动，即，相对于对准轴A的上下运动；水平平移运动，即相对于对准轴A从左到右或从右到左的运动；或者那些运动之间的任何往复平移运动，例如相对于对准轴A的对角运动。还应当领会，本文讨论的任何运动的复合运动都是可能的，例如，其中往复预定运动126的第一部分是垂直平移运动，并且往复预定运动126的第二部分是水平平移运动。附加地，预定运动126可以实时适应由光学系统100检测到的未对准。例如，当系统将光束路径BP的未对准检测为基本上水平的未对准时，预定运动126可以被选择为椭圆运动，其最长轴在水平面中。应当领会，所经历的未对准可能是由第一FSO单元102和第二FSO单元104处发生的运动的组合引起的。在这些示例中，第一FSO单元102和第二FSO单元104的运动可以由惯性测量单元确定，该惯性测量单元可以包括加速度计、陀螺仪和/或磁力计。

类似于上面描述的使用圆周运动的示例，第一FSO单元102和/或第二FSO单元104可以开始相对于彼此漂移，导致对准轴A漂移，例如，向上漂移并漂移到检测器部分120的右侧(如图4A中所示)。如所示，漂移可以继续，直到光学通信光束108的至少一部分与第二FSO单元104的反射器部分122重叠并被反射离开，并且被第一FSO单元102上的单元检测器110检测到(由带有交叉影线的虚线圆所指示)。由于相对于对准轴A的预定运动126的往复模式，光束路径BP将仅暂时与第二FSO单元104的反射部分122重叠，并且作为其往复运动的一部分，将自动返回到与检测器部分120完全接触。因此，在一些极端情况下，只有少量或微不足道的数据(即反射回到单元检测器110的通信中包含的数据)可能丢失。当光学通信光束108的至少一部分被反射回来并被第一FSO单元102的单元检测器110检测时，第一FSO单元102可以基于反射数据的轨迹来校正其与第二FSO单元104的潜在的未来未对准，并在下一次完整的往复运动之前校正该未对准。换句话说，第一FSO单元102可以(例如，使用下面讨论的对准机构124)调节其位置，以补偿光学系统100所经历的漂移，使得对准轴A基本上与检测器部分120的中心C成一直线。

如图4B中所示，光学通信光束108的第一直径D1可以大于第二FSO单元104的检测器部分120的第二直径D2。在该示例中，不是测量由于光学通信光束108的任何部分接触第二FSO单元104的反射器部分122并被反射离开而导致的未对准，而是可以将未对准确定为光学通信光束108的强度I的函数。例如，如上所述，光学通信光束108可以具有强度I，该强度I从光束的中心到光束的外边缘径向降低。在一些示例中，跨光学通信光束108的截面宽度的发光强度I类似于高斯分布曲线、高斯强度轮廓(即，具有高斯分布的强度轮廓)，其峰值强度位于光束的中心，并且当你接近光束的外边缘时，强度I在该处降低或减小为1/距离。给定这种强度分布，当没有预定运动126应用于光束路径BP时，对准轴A将与如由第二FSO单元104的检测器部分120检测到的最高强度I的区域重合。相反，未对准可以根据从第二FSO单元104的反射器部分122反射离开并被第一FSO单元102的单元检测器110检测到的光学通信光束108的反射部分的强度来确定。例如，在相对于对准轴A将预定运动126应用于光束路径BP之后，如果从反射器部分122反射离开的光学通信光束108的任何部分具有满足预定阈值的强度I，则可以确定第一FSO单元102和第二FSO单元104之间的任何漂移。在一个示例中，该阈值是光学通信光束108的峰值强度I的10％；然而，应当领会，可以考虑其他强度阈值，例如1％、2％、5％、7％、15％、20％等。

附加地，如图5A-图5B中所示，第二FSO单元104的检测器部分120还可以包括处于检测器部分120中心内的中心反射器部分128。类似于上面讨论的反射器部分122，中心反射器部分128可以包括一种无源反射部件或材料或多种无源反射部件或材料，例如，具有高反射属性的反射镜或光滑涂层表面。在图5A-图5B中所示的示例中，中心反射器部分128是圆形的；然而，应该领会的是，其他形状(例如三角形、正方形、矩形、六边形、八边形等)可以被利用。在对准位置中，即对准轴A与检测器部分120的中心C重合的位置，可以对光束路径BP施加预定运动126(例如圆周运动)。在图5A中所示的示例中，中心反射器部分128的直径(即第三直径D3)小于预定圆周运动126的直径，使得当处于对准位置时，光学通信光束108中没有部分与中心反射器部分128的任何部分重叠。然而，类似于上面讨论的漂移校正，在第二FSO单元104包括中心反射器部分128的示例实施例中，对准轴A的接触位置以及光束路径BP的接触部分可以相对于检测器部分120的中心C漂移。如图5B中所示，向上的漂移(即对准轴A朝向检测器部分120的上部的漂移)将导致光学通信光束108的一部分(图示为带有交叉影线的一个或多个虚线圆)与中心反射器部分128重叠，这一部分将被反射回到第一FSO单元102的单元检测器110，以发出潜在的未来未对准即将来临的信号。当光学通信光束108的至少一部分被反射回来并被第一FSO单元102的单元检测器110检测时，第一FSO单元102可以基于反射数据的轨迹来校正其与第二FSO单元104的潜在的未来未对准，并在下一次完整的圆周运动之前校正该未对准。换句话说，第一FSO单元102可以(例如，使用下面讨论的对准机构124)调节其位置，以补偿光学系统100所经历的漂移，使得对准轴A基本上与检测器部分120的中心C成一直线。应当领会，可以单独使用中心反射器部分128的用途来产生这种效果，即，只有中心反射器部分128可能的必要的，并且光学系统100可以采用测量值、预定运动和检测未对准，而不需要反射器部分122，并且仅依靠中心反射器部分128来确定任何未对准。

如图6中所示，预定运动126可以由对准机构(即，对准机构124)施加。如所示，对准机构124的至少一部分被配置成固定到和/或包围第一FSO单元102的主体112和/或外表面114的至少一部分。在一个示例中，对准机构124包括前支撑结构130和后支撑结构132。前支撑结构130可以是框架型结构，其被配置为至少部分包围第一FSO单元102的主体112的前部116。前支撑结构130可以包括多个朝向第一FSO单元102的主体112径向向内延伸的前支撑臂，这些前支撑臂被配置成附接到主体112的前部116，以将前部116悬挂在自由空间中，并且潜在地允许前部116枢转。类似地，后支撑结构132可以是框架型结构，其被配置成至少部分地包围第一FSO单元102的主体112的后部118。后支撑结构132可以包括多个朝向主体112径向向内延伸的后支撑臂，这些后支撑臂被配置为附接到第一FSO单元102的主体112的后部118，以将后部118悬挂在自由空间中。

在一些示例中，每个后支撑臂可以包括压电元件，即多个压电致动器134A-134D中的至少一个压电致动器。单独操作的每个致动器可以推或拉每个相应的后支撑臂，并使主体112的后部118成比例地移动，因此通过激活多个压电致动器134A-134D中的一个或多个压电致动器，可以实现上面讨论的每个预定运动126。例如，第一压电致动器134A的激活可以操作以在向下的方向上(即，朝向第三压电致动器134C)推动或移位第一FSO单元102的后部118，同时第一支撑结构130被配置为保持FSO单元的第一部分116的悬置位置。因此，后部118的向下运动和主体112围绕前支撑结构130的枢转将导致光束路径BP以向上的轨迹或角度发射，并在对准轴A上方的位置处接触第二FSO单元104。相反地，第一压电致动器134A还可以被配置成在向上的方向上拉动或移位后部118，使光束路径BP以向下的轨迹或角度发射，并且在对准轴A下方的位置处接触第二FSO单元104。应该领会，所有的压电致动器134A-134D可以以类似的方式操作，以推动或拉动后部，从而相对于对准轴A水平地或垂直地改变光束路径BP的轨迹。附加地，多个压电致动器134A-134D中的一个或多个压电致动器可以协同操作以实现一维运动，例如向上或向下运动。例如，后部118的向下位移可以通过第一压电致动器134A向下推后部和第三压电致动器134C向下拉后部118两者的协同动作来实现。此外，应当领会，多个压电致动器134A-134D中的一个或多个压电致动器可以协同操作以产生更复杂的运动，例如圆周运动、对角运动、或本文讨论的任何其他运动。例如，多个压电致动器134A-134D中的每个压电致动器可以被顺序地远程激活，即，从第一压电致动器134A的激活开始、并前进到第二压电致动器134B、然后是第三压电致动器134C、并且最后是第四压电致动器134D，以引起后部118的同步顺时针圆周运动，这进而引起光束路径BP的顺时针圆周运动。还应当领会，尽管本文示出并描述了四个压电致动器，但是可以利用更多或更少的压电致动器来产生更复杂的运动，例如六边形、八边形等。应该领会的是，只有后支撑结构132可能是施加预定运动126所必需的，并且前部116可以简单地搁在允许主体112围绕前部116枢转的表面上或以其他方式接合允许主体112围绕前部116枢转的表面。此外，在一些示例中，前部116的前支撑结构130可以包括多个压电致动器134A-134D以施加本文讨论的预定运动126，并且后支撑结构132可以是无源的。

此外，可以使用一个或多个透镜或微透镜将预定运动126施加在光束路径BP上，例如，如图7中所示(其示出了第一FSO单元102的局部截面图)，第一FSO单元102可以包括控制器136和微型激光扫描模块，该微型激光扫描模块包括至少一个微机电系统(MEMS)设备138，以操作一个或多个反射镜或微透镜140。控制器136可以包括被配置为分别执行和存储多个非暂时性计算机可读指令的专用处理器和存储器，以执行如本文所述的第一FSO单元和/或对准机构124的功能。控制器136可以是或可以包括一个或多个专用集成电路或芯片(ASIC)，以引导MEMS设备138操作反射镜或微透镜140，从而使光学通信光束108以上述任何运动相对于对准轴A移动。在一些示例中，MEMS反射镜是毫米大小的反射镜，其执行激光扫描或在固态激光器的发射部分中。此外，如图7中所示，第一FSO单元102和/或第二FSO单元104可以包括惯性导航系统INS，该惯性导航系统INS可以包含一个或多个处理器、一个或多个运动传感器以及一个或多个旋转传感器，例如加速度计、陀螺仪、磁力计，所述这些被配置成获得每个相应设备的位置、取向或移动速度(如果有的话)。光学系统100内的设备可以使用惯性导航系统INS来确定第一FSO单元102相对于第二FSO单元104的绝对或相对运动，并且光学系统100可以调整根据由惯性导航系统INS提供的已知运动数据选择的预定运动126。

附加地，如图8中所示，应当领会，除了本文讨论的压电致动器和/或MEMS机器之外或者作为本文讨论的压电致动器和/或MEMS机器的替代，对准机构124可以包括可移动或旋转质量块RM，该质量块RM位于第一FSO单元102内，并且连接到或直接附接到电磁源106，或者与第二FSO单元104一起定位，以产生预定运动126。例如，旋转轴S可以设置在第一FSO单元102内，该第一FSO单元102非旋转地固定到质量块RM，该质量块RM可以采取半圆柱的形状，例如已经平行于圆柱的长轴或其高度轴切割的圆柱形质量块。当部分圆柱形质量块RM随着旋转轴S旋转时，质量在其旋转中的不均匀分布导致轴和附接到其的结构由于产生的冲力而轻微移动。假设由围绕轴旋转的部分圆柱形质量块引起的质量的不均匀分布，则产生的脉冲驱动运动将是圆周运动，并且因此，本申请可以利用旋转的部分圆柱形质量块RM以圆周运动的形式施加预定运动126。应当领会，该旋转质量块可以设置在第一FSO单元102和/或第二FSU单元104内，以产生预定运动，如下面将讨论的。

替代于前述内容或者除了前述内容之外，并且尽管未示出，但是在一些示例中，由对准机构124施加的功能可以在第二FSO单元104上、而不是在第一FSO单元102上实现。例如，不是通过在第一FSO单元102的主体112上施加运动来产生光学通信光束108的圆周或平移预定运动126，而是FSO单元102可以保持空间固定，而第二FSO单元以圆周或平移运动模式移位。为此，第二FSO单元104可以包括单独的调节机构，该调节机构具有例如多个压电致动器，以产生本文讨论的相对于对准轴A的任何预定运动126。

图9是示出根据本公开的方法200的步骤的流程图。方法200可以包括，例如，经由发射单元102产生沿着虚对准轴A的光学通信光束108，发射单元102包括至少一个单元检测器110，光学通信光束108在发射单元102和接收单元104之间具有光束路径BP，接收单元104包括至少一个检测器部分120和至少一个反射器部分122(步骤202)；在接收单元104的至少一个检测器部分120处接收光学通信光束108(步骤204)；使用预定运动126相对于虚对准轴A抢先改变光束路径BP(步骤206)；当发射单元102的至少一个单元检测器110接收到光学通信光束108的至少一部分时，检测虚对准轴A的潜在未对准(步骤208)；以及基于检测到的未对准，使用对准机构124相对于至少一个检测器部分120的中心C对准虚对准轴A(步骤210)。

如本文定义和使用的所有定义应当理解为对字典定义、通过引用并入的文档中的定义、和/或定义术语的普通含义的控制。

除非明确相反指示，否则如本文在说明书中和权利要求书中使用的不定冠词“一”和“一个”(“a”和“an”)应当理解为意味着“至少一个”。

如本文在说明书中和权利要求书中使用的短语“和/或”应当理解为意味着这样结合的元素中的“任何一个或两个”，即在一些情况下结合存在并且在其他情况下分离存在的元素。用“和/或”列出的多个元素应当以相同的方式解释，即这样结合的元素中的“一个或多个”。除了由“和/或”子句具体标识的元素之外，可以可选地存在其他元素，无论与那些具体标识的元素相关还是不相关。

如本文在说明书中和权利要求书中使用的，“或”应当理解为具有与上面定义的“和/或”相同的含义。例如，当分离列表中的项目时，“或”或“和/或”应被解释为包含性的，即包括多个元素或元素列表中的至少一个，但也包括多个元素或元素列表中的多于一个，以及可选地，附加的未列出的项目。只有明确相反指示的术语、诸如“……中的仅一个”或“……中的恰好一个”，或者当在权利要求中使用时，“由……组成”将指代包括多个元素或元素列表中的恰好一个元素。一般来说，如本文使用的术语“或”当在其前面有诸如“任一”、“……中的一个”、“……中的仅一个”或“……中的恰好一个”之类的排他性术语时仅应被解释为指示排他性的替代物(即“一个或另一个，但不是两者”)。

如本文在说明书中和权利要求书中使用的，提及一个或多个元素的列表的短语“至少一个”应当被理解为意味着从元素列表中的任何一个或多个元素中选择的至少一个元素，但是不一定包括元素列表内具体列出的每一个元素中的至少一个，并且不排除元素列表中元素的任何组合。此定义还允许可以可选地存在除了在短语“至少一个”所指的元素列表内具体标识的元素之外的元素，无论与那些具体标识的元素相关还是不相关。

还应当理解，除非明确相反指示，否则在本文要求保护的包括多于一个步骤或动作的任何方法中，该方法的步骤或动作的顺序不一定限于记载该方法的步骤或动作的顺序。

在权利要求中，以及在上面的说明书中，所有过渡短语，诸如“包括”、“包含”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”、“容纳”、“包含有”等要理解为开放式的，即意味着包括但不限于。只有过渡短语“由……组成”和“基本上由……组成”应分别是封闭或半封闭的过渡短语。

虽然本文已经描述和说明了若干发明实施例，但是本领域普通技术人员将容易设想到用于执行功能和/或获得结果和/或本文描述的一个或多个优点的各种其他手段和/或结构，并且每个这样的变型和/或修改被认为在本文描述的发明实施例的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易领会，本文描述的所有参数、尺寸、材料和配置都意在是示例性的，并且实际的参数、尺寸、材料和/或配置将取决于本发明教导所用于的一个或多个特定应用。本领域技术人员将认识到或者能够仅仅使用常规实验来断定本文描述的特定发明实施例的许多等同物。因此，要理解的是，前述实施例仅通过示例的方式呈现，并且在所附权利要求及其等同物的范围内，发明实施例可以以除具体描述和要求保护之外的方式实践。本公开的发明实施例涉及本文描述的每个个体特征、系统、物品、材料、套件、和/或方法。此外，如果两个或更多个这样的特征、系统、物品、材料、套件、和/或方法不相互矛盾，则两个或更多个这样的特征、系统、物品、材料、套件、和/或方法的任何组合都被包括在本公开的发明范围内。

Claims (15)

1.一种保持光学通信光束(108)对准的方法，所述方法包括：

经由发射单元(102)沿着虚对准轴(A)生成光学通信光束(108)，所述发射单元(102)包括至少一个单元检测器(110)，所述光学通信光束(108)在所述发射单元(102)和接收单元(104)之间具有光束路径(BP)，所述接收单元(104)包括至少一个检测器部分(120)和围绕所述至少一个检测器部分(120)的至少一个反射器部分(122)；

在所述接收单元(104)的至少一个检测器部分(120)处接收所述光学通信光束(108)；

使用预定运动(126)相对于所述虚对准轴(A)抢先改变所述光束路径(BP)；

当所述发射单元(102)的至少一个单元检测器(110)接收到所述光学通信光束(108)的至少一部分时，检测所述虚对准轴(A)的潜在未对准；以及

基于所检测的未对准，使用对准机构(124)相对于所述至少一个检测器部分(120)的中心(C)对准所述虚对准轴(A)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定运动(126)是圆周运动或往复运动。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述对准机构(124)包括多个压电致动器(134A-134D)，并且其中所述多个压电致动器(134A-134D)围绕所述发射单元(102)的主体(112)的外表面(114)径向间隔开，其中所述多个压电致动器(134A-134D)中的每个压电致动器被配置为与所述发射单元(102)的主体(112)的一部分连接，并且其中所述多个压电致动器(134A-134D)布置成围绕所述发射单元(102)的后部(118)。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述发射单元(102)包括惯性导航系统(INS)，以获得所述发射单元(102)的移动信息。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述对准机构(124)包括至少一个微机电机器(MEMS)(138)，所述至少一个微机电机器包括反射镜或微透镜(140)；或者其中所述对准机构(124)包括旋转质量块(RM)。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个检测器部分(120)具有第一直径(D2)，并且所述光学通信光束具有第二直径(D1)，其中所述第一直径(D2)小于或等于所述第二直径(D1)。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述接收单元(104)还包括中心反射器部分(128)。

8.一种用于保持光学通信光束对准的光学系统(100)，所述系统包括：

发射单元(102)，其被配置成沿着虚对准轴(A)生成光学通信光束(108)，所述发射单元(102)包括至少一个单元检测器(110)；

接收单元(104)，其包括至少一个检测器部分(120)和围绕所述至少一个检测器部分(120)的至少一个反射器部分(122)；

对准机构(124)，其被配置为使用预定运动(126)相对于所述虚对准轴(A)抢先改变布置在所述发射单元(102)和所述接收单元(104)之间的光束路径(BP)；和

控制器(136)，其被配置为在所述至少一个单元检测器(110)处检测所述光学通信光束(108)的至少一部分，并且操作所述对准机构(124)以相对于所述至少一个检测器部分(120)的中心(C)抢先对准所述虚对准轴(A)。

9.根据权利要求8所述的光学系统，其中所述预定运动(126)是圆周运动或往复运动。

10.根据权利要求8所述的光学系统，其中所述对准机构(124)包括多个压电致动器(134A-134D)，并且其中所述多个压电致动器(134A-134D)围绕所述发射单元(102)的主体(112)的后部(118)的外表面(114)径向间隔开，其中所述多个压电致动器(134A-134D)中的每个压电致动器被配置为与所述发射单元的主体(112)的一部分连接。

11.根据权利要求8所述的光学系统，其中所述发射单元(102)包括惯性导航系统(INS)，以获得所述发射单元(102)的移动信息。

12.根据权利要求8所述的光学系统，其中所述对准机构(124)包括至少一个微机电机器(MEMS)(138)，所述至少一个微机电机器包括反射镜或微透镜(140)；或者其中所述对准机构(124)包括旋转质量块(RM)。

13.根据权利要求8所述的光学系统，其中所述至少一个检测器部分(120)具有第一直径(D2)，并且所述光学通信光束(108)具有第二直径(D1)，其中所述第一直径(D2)小于或等于所述第二直径(D1)。

14.根据权利要求8所述的光学系统，其中所述接收单元(104)还包括中心反射器部分(128)。

15.根据权利要求8所述的光学系统，其中所述发射单元(102)是光保真(Li-Fi)发射机，并且所述接收单元(104)是Li-Fi接收机。

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