CN116068824A - 指向单元和操作指向单元的方法 - Google Patents

Abstract

公开了用于与自由空间光(FSO)通信终端(105)一起使用的指向单元(100)。指向单元(100)包括一个或更多个光学透射转向元件(101a，101b)的光学装置(101)。转向元件(101a，101b)被布置在进入光学装置(100)的入射光束(107)的光路中，并且至少一个元件(101a，101b)的取向和至少一个元件(101a，101b)的折射率是能够被控制以使光束(107b)朝向目标(110)转向。

Description

指向单元和操作指向单元的方法

技术领域

本发明涉及指向单元和操作指向单元的方法，更具体地涉及用于与自由空间光通信终端一起使用的指向单元和操作该指向单元的方法。

背景技术

自由空间光(FSO)通信使用在自由空间中传播的光来传输数据。在FSO通信的背景下，“自由空间”指的是例如空气、空间、真空或类似的事物，并且与经由诸如光纤线缆的固体进行的通信形成对比。FSO通信例如在经由诸如光纤线缆或其他数据线缆的物理连接进行通信是不切实际的情况下可能是有用的。一种这样的情况是例如诸如无人机的飞行器与地面终端设备之间的通信。

FSO通信通常依赖于发射器与接收器之间的直接视线，并且因此依赖于在FSO通信节点之间引导光束。这要求指向单元能够将从另一节点接收的光束转向至接收器模块中，或者使发射的光束朝向目标节点转向。

与其他无线通信技术相比，FSO通信可以提供较高的数据速率和改进的安全性。例如，与射频(RF)通信相比，FSO通信可以实现较高的数据速率，并且可能不太容易受到干扰和拦截的影响。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了用于与自由空间光通信终端一起使用的指向单元，该指向单元包括：

光学装置，该光学装置包括一个或更多个光学透射转向元件，所述一个或更多个光学透射转向元件被布置在进入光学装置的入射光束的光路中，

其中，光学装置被构造成使得至少一个元件的取向和至少一个元件的折射率能够被控制以使光束朝向目标转向。

在示例中，在这样的指向单元中，具有能够被控制的取向的转向元件可以包括电光元件。在其他示例中，具有可控取向的转向元件可以包括声光元件，或者包括具有可以以其他方式变化的折射率的材料。

在示例中，转向元件包括具有固定折射率或有效折射率的光学元件。对于给定波长的光，折射率可以是固定的。

在示例中，转向元件是整体式的，其中，光学元件形成第一层，以及电光元件形成第二层。在示例中，转向元件可以包括整体制造的层，并且在其他示例中，这些层可以彼此粘合地附接或彼此机械的紧固。

在示例中，光学元件的固定折射率或有效折射率比电光元件的平均折射率高，使得与电光元件相比，光学元件导致较大的转向角。

在示例中，转向元件被可移动地安装在支承构件中。在其他示例中，转向元件被能够移动地安装在第一支承构件中，该第一支承构件被进一步可移动地安装在第二支承构件中。

在示例中，支承构件包括被布置成耦接至电光元件的电接触部。在一些示例中，电接触部被布置成耦接至整个转向元件。

在示例中，电光元件包括电接触部，电接触部被布置成与电光元件一起移动，并在电光元件相对于支承构件的移动期间保持与支承电接触部的电接触。

在示例中，光学装置具有与入射光束的输入方向基本上平行的主轴，其中，一个或更多个光学透射转向元件的取向能够通过在与主轴基本上垂直的平面内旋转来控制。

在示例中，光学装置包括至少第一转向元件和第二转向元件，每个转向元件能够被控制以改变转向元件相对于指向单元的取向。

在示例中，第一转向元件和第二转向元件中的至少一个包括具有固定折射率或有效折射率的光学元件以及电光元件。在一些示例中，第一转向元件和第二转向元件中的每一个包括具有固定折射率或有效折射率的光学元件以及电光元件。

在示例中，通过改变光学装置的至少一个转向元件的取向来实现光束的粗略转向。

在示例中，通过改变光学装置的至少一个转向元件的折射率来实现光束的精细转向。

根据本发明的第二方面，提供了用于与自由空间光通信终端一起使用的指向单元，该指向单元包括：

光学装置，用于使入射光束朝向目标转向，光学装置包括至少第一转向元件和第二转向元件，转向元件中的至少一个包括光学元件和电光元件，光学元件具有固定折射率或有效折射率，电光元件具有能够通过改变施加至该电光元件的电场而改变的折射率，每个转向元件被能够移动地安装在相应的支承构件中，并且被布置在沿正向方向进入光学装置的入射光束的光路中；以及

控制器，该控制器被布置成：改变每个转向元件相对于其相应的支承构件的取向以执行入射光束的粗略转向；以及改变施加至电光元件或每个电光元件的电场以改变所述电光元件或每个电光元件的一个或多个相应的折射率，以执行入射光束的精细转向。

在示例中，第一光学转向元件和第二光学转向元件被布置为Risley棱镜对。

在示例中，指向单元包括控制器，该控制器用于控制至少一个元件的取向和至少一个元件的折射率以使光束朝向目标转向。

在示例中，指向单元包括引导单元，该引导单元被耦接至控制器，并响应于经由光学装置接收的光学信号使控制器改变至少一个元件的取向和/或至少一个元件的折射率，以使入射光束朝向目标转向。

在示例中，光学装置包括光学终端处的光束扩展器，该光束扩展器被布置成扩展发射方向上的光束直径并减小接收方向上的光束直径。

在示例中，光束扩展器包括望远镜装置。在其他示例中，光束扩展器包括棱镜装置。

在第三方面中，提供了配备有根据第二方面所述的指向单元的运载工具。

在示例中，运载工具为飞行器。

在第四方面中，提供了使光束朝向目标转向的方法，包括：确定光束的转向方向；以及控制光学装置以使光束转向，包括：控制光学装置的至少一个元件的取向和光学装置的至少一个元件的折射率以使光束朝向目标转向。

根据以下仅通过示例给出的参照附图进行的本发明的优选实施方式的描述，本发明的其他特征和优点将变得明显。

附图说明

图1是包括指向单元和终端的示例性自由空间光通信节点的示意图。

图2是用于指向单元的示例性转向元件的示意图。

图3a、图3b和图3c是转向元件和转向元件的电接触部的各种布置的的示例的示意图。

图4a、图4b和图4c是转向元件的各种截面和转向元件的电接触部的各种布置的示例的示意图。

图5是容纳在滑环架构和旋转安装件中的示例性转向元件的示意图。

图6a和图6b是以Risley拓扑布置的转向元件的示例性光学装置的示意图。

图7是示例性转向元件的示意图，该示例性转向元件包括两个部分：电光部分和光学元件。

图8a和图8b是包括两个部分的示例性转向元件以及应用于该转向元件的电接触部的不同位置的示意图。

图9是包括四个转向元件的示例性Risley拓扑的示意图。

图10是其上安装有根据本文中的示例的多个FSO通信节点的飞行器的示例。

图11是用于使用根据本文中的示例的转向单元来使光束转向的过程的流程图。

具体实施方式

图1示出了示例性自由空间光(FSO)通信节点121，该自由空间光(FSO)通信节点121包括指向单元100和终端105。

终端105被布置成产生光输出光束107、107a、107b并接收返回光束108、108a、108b以用于光通信方案。终端105包括输入/输出单元114，该输入/输出单元114的输出部分包括发射输出光束107a的激光器。存在光束扩展部分，该光束扩展部分包括透镜118和凹面镜120。输出光束107a进入透镜118，并被扩展成具有期望的透射直径的光束107。凹面镜120对光束107进行准直并将光束107引导至指向单元100。

终端105可以以各种其他配置进行布置。例如，不需要光束直径调节的变型可以省略光束扩展部分。另外地或可替选地，在终端105和指向单元100被布置成彼此大致成一直线的变型中，凹面镜120可以被省略以及/或者被诸如透镜的透射准直元件代替。如本领域技术人员将理解的，在终端105中部署反射光学器件还是透射光学器件取决于整个FSO通信节点121的形状和空间要求，例如由节点将被安装的位置确定。

指向单元100包括光学装置101，在该示例中，光学装置101包括沿光轴122对准并由控制器103操作的一对转向元件101a、101b，该控制器103以所描述的方式控制用于改变转向元件的取向的致动器(未示出)和用于改变施加于转向元件的电场的电路系统(未示出)。光束107由指向单元进行转向，并作为转向后的光束107b朝向目标110传输。如果目标移动到新的位置110’，则控制器103将转向元件101a、101b布置成将光束107作为转向后的光束107b’转向至位于其新位置的目标。

当接收返回光束时，指向单元100接收来自目标110的光束108b，此时指向单元100对光束108b进行转向并将其作为转向后的光束108传输至终端105。光束扩展部分在接收转向后的光束108时用作光束缩减器，以将转向后的光束108缩减为将在输入/输出单元114的输入部分处接收的合适直径的光束108a。分束器116将光束108a的一部分108d反射到象限跟踪引导单元112。如果目标移动至新的位置110’，则指向单元接收光束108b’，并且象限跟踪引导单元112检测光束108d的位置的变化。作为这种变化的结果，象限跟踪引导单元112向控制器103传达转向元件101a、101b所需的必要调整，使得输入/输出单元的输入部分继续接收光束108a。

在本文的示例中，控制器103可以是基于编程指令进行操作以用于执行引导的嵌入式硬件控制器。这样的控制器充分地响应于FSO通信节点121和/或目标110的位置的变化，以致动光学装置101并确保有效的通信，例如以便限制在FSO通信节点121与目标110之间暂时未对准的情况下所需的重新传输量。控制器103可以替代地部署硬件和/或软件(例如，在编程处理器上操作)的其他布置，所述硬件和/或软件的其他布置可以提供足够的响应能力来执行所需的引导并促进有效的通信。

实际上，当FSO通信节点121与目标110进行双向通信时，输出光束107和返回光束108穿过基本相同的光路，因此，FSO通信节点121中的各种转向装置和引导装置用于同时引导输出光束和返回光束两者。

当产生输出光束107a时，输入/输出单元114的输出部分被配置成将数据编码到输出光束107a上。例如，输入/输出单元114的输出部分可以被配置成对输出光束107a进行调制以对输出光束107a中的数据位进行编码。编码到输出光束107a上的数据可以包括要传输至目标110的信息。

在该示例中，转向元件101a、101b是楔形棱镜。在本示例中，两个转向元件101a、101b的光学装置101——其中光轴122基本上平行于输入光束107的方向——构成了Risley拓扑。Risley拓扑是用于光束转向的普通光学装置，并且可以使用两个或多个转向元件来实现。更一般地，如将要描述的，在其他示例中，光学装置101包括至少一个转向元件，并且可以包括两个或多个转向元件。在其他示例中，转向元件可以是能够使光束转向的其他光学元件(例如透射光栅或超表面透镜)，并且可以以与Risley拓扑不同的布置来构造。

为了使光束107转向，控制器103通过在与光轴122垂直的平面内旋转控制元件101a、101b来改变控制元件101a、101b的取向。这用于改变光束107相对于转向元件101a、101b的表面的入射角，从而改变光束107b被转向的角度。转向元件101a、101b可以彼此独立地旋转。通过控制器103使转向元件101a、101b旋转允许使光束107进行粗略转向，由此可以使光束转向通过相对较宽的范围，例如能够转向通过具有90度开口角的圆锥。指向单元100可以转向涵盖的总范围被称为能视域(FoR)，并且将根据所采用的光学布置而变化。尽管在该示例中转向元件101、101b在基本上与光轴122垂直的平面中旋转，但是在其他示例中，这些取向调整可以是平移、旋转和/或它们的组合。

控制器103还被布置成改变在转向元件101a、101b两端施加的电场。通常，置于电场下的材料将表现出电光克尔效应响应，从而改变材料的折射率。一些材料会另外表现出普克尔斯效应响应，这也改变了材料的折射率。在该示例中，转向元件101a、101b包括电光晶体层，该电光晶体层响应于电场而呈现出特别强的普克尔斯效应折射率变化。在这样的电光晶体或类似物中，普克尔斯效应的折射率变化与由于克尔效应导致的任何相对较小的折射率变化相比是大的。通过在转向元件101a、101b两端施加电场，控制器可以改变每个转向元件的折射率。这允许光束107b的精细转向，其中，根据本示例，光束107b可以变化例如+/-2度。当然，根据本文中的示例，通过使用不同的电光材料和不同的电场水平可以获得其他精细转向角度数。对于本文中的示例来说，在任何情况下，由于转向元件的重新取向而导致的粗略转向和由于折射率的变化而导致的精细转向的组合有助于产生整体式的或复合式的FoR。

与常规指向单元相比，将精细转向控制和粗略转向控制两者设置在一个光学装置101内能够使指向单元100的空间占用面积减少，例如在常规指向单元中，精细转向和粗略转向被分开布置，在精细转向和粗略转向之间通常具有光束扩展部分。在使用反射转向元件的情况下，这样的常规指向单元可能需要另外的中继光学器件，这进一步增加了指向单元的重量和成本。

图1示出了一种可能的指向单元100，其包括由控制器103操作以实现精细转向控制和粗略转向控制两者的转向元件101a、101b的光学装置101。下图示出了适合在本发明的示例中使用的其他转向元件和布置。

图2示出了以侧视图显示的转向元件的示例，该转向元件包括电光材料元件201，该电光材料元件201被置于电接触部203a、203b之间，使得可以在电光元件201两端施加电场。根据本文中的示例，这样的转向元件可以单独使用或者与光学装置中的其他元件结合使用。在该示例中，电光元件201是楔形棱镜。在使用中，光束207平行于棱镜的光轴205入射到棱镜的表面210上，在该示例中，光束207平行于棱镜的光轴205从左手侧朝向左手表面210入射，如图中的示意性光束路径所指示的，光束在左手表面210处经历折射并因此转向。根据示例，转向元件还被容纳在支承结构(未示出)中，该支承结构允许转向元件的重新取向，例如允许转向元件在与光轴205垂直的平面中例如绕光轴旋转。

折射角由电光棱镜201的折射率确定。在该示例中，棱镜201具有基本均匀的折射率。在其他示例中，折射率可以具有任意的折射率分布，其中折射率沿着一些维度或多个维度变化。在这样的情况下，即使元件在这种情况下具有不均匀的折射率，光束也可以由棱镜以与光束由具有一定有效体折射率的棱镜折射相对应的角度来转向。

转向角取决于棱镜201相对于入射光束207的取向。通过例如借助于使棱镜在与图中的平面垂直的平面中旋转而对棱镜重新取向，光束207以不同的角度相对于棱镜入射并且因此可以以不同的角度转向。如已经描述的，转向元件的重新取向形成了指向单元的粗略转向能力的基础。

在该示例中，形成棱镜201的电光材料是电光晶体。电光晶体能够在大约1kV至2kV的电压下转向大约1度至2度的角度。其他材料也可以是合适的，例如液晶，并且出于结构性、保护性、安全或功能性原因，棱镜可以包括容纳电光材料所需的其他结构和/或材料。这样的变化提供了不同程度的精细转向能力。

对于电光材料，通过电接触部203a、203b在棱镜201两端施加电场。如图所示，在该示例中，电接触部203a、203b覆盖棱镜201的整个顶表面和整个底表面。因此，生成的电场垂直于棱镜201的光轴205。下文设想和讨论了其它替选方案，在替选方案中，电接触部仅覆盖棱镜的局部部分，从而仅向棱镜的部分区域施加电场。电接触部203a、203b还被布置成与电光元件一起移动。

施加的电场修改棱镜201的折射率，对于给定材料的修改强度取决于施加在材料两端的电场的强度。这进一步使光束207移位。通过改变施加在棱镜201两端的电场的强度，光束可以在两个角度之间移动，一个角度是在最大场强下获得，以及另一个角度是在没有施加电场时获得，这两个角度在图中由光束270a、207b指示。由于棱镜201的形状，该角度范围通常相对于通过棱镜201的重新取向获得的角度较小，并且提供了转向元件的精细转向能力，并因此提供了指向单元100的精细转向能力。

图3a至图3c从侧视图示出了包括具有电接触部的各种布置的电光元件的三种转向元件以及电光元件的截面轮廓的示例。光轴305也被示出为穿过每个转向元件。根据本文中的示例，每个转向元件可以单独或与其他元件组合部署在光学装置100中。

在图3a中，电接触部313a、313b如图2中那样被布置在电光元件311的顶表面和底表面上，其中电接触部313a、313b横跨基本上与光轴305平行的方向，使得电场垂直于光轴305被施加。此处，电光元件311是楔形棱镜。

在图3b中，接触部323a、323b被置于电光元件321的前沿表面和后沿表面上，在该示例中，电光元件321为楔形棱镜。接触部323a、323b被置于与光轴305基本垂直的平面中，使得施加的电场基本上平行于光轴305。在这样的情况下，接触部323a、323b由诸如铟锡氧化物(ITO)的光学透明导体形成，从而允许入射光束在由于接触部323a、323b而导致的衰减(反射、散射或吸收)可以忽略不计的情况下穿过该元件。

在图3c中，如侧视图中所描绘的，电光元件331的截面为矩形，其中接触部333a被应用于近侧和远侧(远接触部未示出)。此处，接触部333a的轮廓是三角形，并且接触部333a并不覆盖矩形电光元件331的整个表面，使得电场仅被施加到电光元件331的(三角形)部分331a(进入页面)。这改变了电光元件331的施加电场的部分331a的折射率，但不改变(或至少远不改变)其余部分331b的折射率。这些部分331a、331b之间的边界335呈现出折射率对比，这引起入射到边界335上的光束的折射。

对于本领域技术人员将清楚的是，电接触部可以具有针对光束转向目的可能期望的任何轮廓，而无需要求电光材料采用相同的轮廓。这在制造任意几何复杂性的接触部比制造等效的电光元件更便宜以及/或者更容易制造以及/或者在结构上更坚固的情况下可能是有利的。

另外，可以将多个这样的电接触部应用于电光元件，以将电场施加于电光材料的多个部分。被施加场的多个部分在电光元件内提供了多个折射边界，并因此提供了电光元件的多个转向部分。这些也可以是独立可处理的，使得每个转向部分可以打开、关闭或改变转向强度。可替选地，为了降低所需电子器件的复杂性，可以同时处理电接触部和相应的转向部分。在这样的情况下，电接触部和转向部分可以被设计成使得它们实现不同的转向角，这可以通过以下方式来实现：选择相应的接触部的几何形状以及由此相应的接触部形成的折射边界，以及/或者借助于选择形成接触部的材料来减弱所产生的电场，或者跨电光元件将接触部物理地分离不同的量。

图4a以侧视图示出了示例性转向元件，其中光轴415a被示出为从左至右；以及在图4b和图4c中以前沿表面正面视图示出了另外两个示例性转向元件，其中光轴415b、415c被描绘成进入页面。根据本文中的示例，这样的转向元件可以单独或与其他元件组合部署在光学装置100中。

在图4b中，转向元件具有方形截面，其中电接触部423a、423b横跨电光元件421的顶部边缘和底部边缘。在图4c中，转向元件的截面是圆形，其中电接触部433a、433b仅覆盖电光元件431的圆周的一部分。

在其他示例中，转向元件可以具有任意截面形状，并且在一些示例中，电接触部可以覆盖转向元件的整个周边，而在其他示例中，电接触部仅覆盖转向元件的一部分。在另外的示例中，可以存在多个电接触部，所述多个电接触部被布置成使得可以相对于转向元件相对于入射光束的取向在可变方向上施加相应的电场。这例如在入射光束被偏振并且转向元件包括双折射材料的情况下可能是有用的。

图5示出了容纳在旋转安装件507中的图4c中的转向元件，该旋转安装件507允许转向元件在与光轴505垂直的平面内旋转。从转向元件外部的电源(未示出)经由滑环装置509、511向电接触部503a、503b供应电力，这允许转向元件在旋转安装件507内自由旋转，同时仍然保持电接触。在一些示例中，滑环装置509、511可以包括负责向它们各自的电接触部503a、503b提供电力的单独的滑环。在其他示例中，一个滑环用于向附接至转向元件的电子模块提供电力，该电子模块根据需要向电接触部分配电力。在另外的示例中，电力可以通过滑环以低电压供应，并使用附接至转向元件的电子模块升压。

本文中的示例受益于这种类型的可旋转安装装置，因此，电场可以在棱镜被致动至不同取向时施加在电光棱镜两端。实际上，这样的可旋转安装装置提供了：可以在改变棱镜的取向的同时施加和/或改变电场。高精度和快速响应的示例可能受益于同时改变电场和方向的持续能力。

在其他示例中，转向元件可以可移动地安装至其他支承构件，诸如电动俯仰/偏航平台或三轴台。旋转安装件本身可以被可移动地安装，以能够在由安装件的旋转所提供的平面之外进一步重新取向。通常，光束可以被转向元件粗略地转向的角度范围受到转向元件如何重新取向的影响。能够使光束粗略地转向所必需的角度范围受到将部署指向单元的通信方案的几何形状的影响。例如，终端和目标可以是共面的，因此光束只需要沿着线在一个维度上转向。如果需要二维转向，则可以使用允许转向元件在另外的维度上重新取向的壳体。通常，考虑该转向元件所需的总的取向自由度范围来选择支承构件。

图6a和图6b示出了示例性光学装置，每个光学装置包括一对以Risley拓扑布置的转向元件601a、601b。在该示例中，转向元件是楔形棱镜。两个转向元件601a、601b被布置成基本上彼此平行，其中两者的中心基本上沿着公共光轴605对准，并且两者都可以在与所述光轴605垂直的平面中围绕它们的中心独立地旋转。这允许光束610a被转向至环形边界内的任意点，该环形由构成的楔形棱镜601a、601b的光学特性和几何特性来限定。图6a示出了实现最小转向的棱镜601a、601b的取向，以及图6b示出了实现最大转向的棱镜601a、601b的取向。

在诸如图6中的双转向元件Risley拓扑中，通常存在视轴盲点，这导致光束的最小转向。在三个或更多个转向元件以Risley拓扑布置的示例中，可以避免该盲点，并且替代地，被转向的光束能够到达圆形的全部区域，其中圆形的周长与单个转向元件实现的最大转向角相关。在具有不同转向元件的示例中，FoR可以替代地为椭圆形或一些其他形状，取决于通信方案的几何形状，这可能是有利的。

图2至图6示出了基本上由一个电光元件组成的转向元件及其构造的示例。然而，指向单元的性能诸如FoR可以通过使用另外的光学元件对转向元件进行补充来增强。这样的光学元件可以包括但不限于光学棱镜、透镜、透射和衍射光栅、超表面元件、空间光调制器、偏振器、波片、带通滤波器、低通滤波器或高通滤波器、中性密度滤光器和漫射器。现在我们将讨论指向单元中使用的转向元件的另外的示例。

图7是示例性转向元件的侧视图，该转向元件包括第一部分和第二部分，第一部分是电光元件702，第二部分是相对高指数玻璃的光学元件703，该示例中的光学元件703是楔形棱镜。电光元件702被放置在电接触部711a、711b之间，并且整个转向元件被容纳在支承结构(在这种情况下未示出)内。

在该示例中，两个元件702、703是整体式的并且形成转向元件的第一层和第二层，但在其他示例中，两个元件702、703可能没有物理接触，但仍由相同的支承结构容纳，使得它们经历相同的重新取向。

通常，各层可以通过不限于粘合剂的方式(例如光学透明环氧树脂)附接在一起，或者通过例如壳体机械地紧固在一起。可替选地，各层可以通过诸如化学气相沉积的方法或任何合适的制造方法被整体制造。

图7的光学元件703实现了第一光束转向角707或粗略的转向。由于光学元件703由相对高指数的玻璃形成，该相对高指数的玻璃具有比形成电光元件702的电光晶体大的折射率，因此与例如图2的示例性转向元件中的由电光晶体形成的等效形状的楔形棱镜相比，第一光束转向角707通常增大。电光元件702执行如前所述的精细转向，以允许在精细的角度范围709内调整被转向的光束705b。

转向元件的外边界处的增加的折射率使获得期望的转向角所需的楔形棱镜的角度减小。减小所需楔形棱镜的角度使所需楔形棱镜的尺寸减小，并因此减小所需楔形棱镜的重量。这又减少了指向单元和FSO通信节点的重量，这例如在FSO通信节点或指向单元要被安装到运载工具中的情况下是有利的。

当至少一个或多个这样的增强型转向元件以Risley构造布置时，例如图6a和图6b所示的布置，这增加了指向单元可实现的总转向角，从而增加了指向单元的FoR。这可以减少提供足够大的总FoR所需的指向单元或FSO通信节点的数量，例如配备有指向单元或FSO通信节点的运载工具要求360度的通信视野。这可以提供如下优点，包括但不限于：降低总设备成本、减轻重量、降低功耗或降低运载工具燃料消耗。

虽然图7中呈现的形成第二层的光学元件703在该示例中是楔形棱镜，但在其它示例中，光学元件703可以是引起光束转向的任何其它光学元件。这包括通过衍射而不是折射起作用的光学元件。这些通过衍射起作用的光学元件可以包括透射光栅，由此，由入射光束进入到给定衍射级的衍射引起转向。在闪耀透射光栅的情况下，进入到期望的衍射级的光功率相对于其它级中的剩余功率被最大化。光学元件也可以是超表面平面光学元件。在所有情况下，改变光学元件的取向用于实现粗略的转向，而改变电光元件的取向用于实现精细的转向。

图8a和图8b示出了两个转向元件的侧视图，而未示出壳体。在图8a和图8b中，转向元件包括整体结构的电光元件层801、811和光学元件层803、813。在该示例中，光学元件803、813是楔形棱镜，并且电光元件801、811的截面是矩形。两个示例中的电光元件801、811以电接触部807a、807b、817a、817b形成边界。此外，这些分层转向元件的构造可以以如图6a和图6b所示的Risley棱镜拓扑部署。在其他示例中，电光元件或层可以成形为楔形棱镜而不是矩形截面，或者电光元件或层可以以设计成满足预定FoR要求的其他方式成形。

在图8a的示例转向元件中，电接触部807a、807b位于转向元件的顶部边缘和底部边缘，电接触部807a、807b仅覆盖电光部分801，使得电场被施加于电光部分801，而没有施加于(或至少远没有施加于)光学元件层803。

然而，在其他示例中，接触部可以覆盖整个分层元件组。如果光学元件对施加的电场具有微弱的电光响应并因此表现出可忽略的折射率偏移，则入射光束将仅受到极少量的扰动。如果存在有益的原因例如制造的容易性和/或成本或改进的结构质量，使接触部覆盖整个元件组可能是值得的。

在图8b的示例性转向元件中，电接触部817a、187b作为装置中的层放置在基本上与光轴805垂直的平面内。如先前所讨论的，铟锡氧化物是光学透射导电材料的一个示例，可以使用光学透射导电材料使得光束可以转向通过该装置而没有显著的衰减(反射、散射或吸收)。通过将以这种方式放置的接触部817a、817b布置成使得它们之间的距离小于图8a中的接触部807a、807b之间的距离，用以产生期望的电场强度的所需的电压可以较低。然而，类似于对图8a中的潜在的可替选的接触结构所做的推理，在其他示例中，接触部可以位于整个分层元件组的任一侧，以实现制造的简易性和/或成本、结构完整性或任何其他原因方面的益处。

在图9中，示例性光学装置被示出为包括以Risley拓扑布置的四个转向元件901a至901d，具有两组Risley对，该光学装置由控制器919操作。当然，根据转向要求，这种类型的Risley对可以被单独部署，而不是与另外的Risley对一起部署。在任何情况下，每个转向元件901a至901d包括被布置成两层整体结构的电光元件902a至902d和光学元件903a至903d，转向元件901a至901d被容纳在旋转安装件908a至908d内。每个转向元件包含电接触部905a至905d、905aa至905dd，所述电接触部905a至905d、905aa至905dd用以在它们各自的电光元件902a至902d两端施加电场，从而改变电光元件902a至902d的折射率。控制器919被布置成独立地控制施加至每个电光元件902a至902d的电场。每个转向元件901a至901d被独立地容纳在旋转安装件908a至908d中，旋转安装件908a至908d允许每个转向元件901a至901d在基本上与装置920的光轴垂直的平面中围绕其中心旋转通过360度。控制器919被布置成独立地控制每个转向元件901a至901d的旋转。滑环架构(未示出)被用于在每个转向元件901a至901d的相应旋转安装件908a至908d的所有取向上向每个转向元件901a至901d的电接触部905a至905d、905aa至905dd输送电力(如图5所示)。

在一些示例中，运载工具可以设置有包括根据本文描述的示例中的任何示例的转向元件的指向单元和/或FSO通信节点。例如，FSO通信节点可以安装在运载工具的底盘或机身内。在一些示例中，运载工具可以是飞行器，例如飞机、无人机或高空飞行器。替选地或另外地，运载工具可以是航天器，例如卫星。

图10示出了示例运载工具，在这种情况下是飞行器，本文所述的示例FSO通信节点可以与该飞行器一起使用。在该示例中，飞行器配备有四个这样的节点1001a至1001d，1001a位于驾驶舱下方，1001b、1001d位于中央机身的上方和下方，以及1001c位于飞行器的后机身上，这四个节点用以在所有方向上为飞行器提供全面的FoR。为运载工具/飞行器/航天器提供FSO通信节点121可以允许运载工具/飞行器/航天器经由光通信与其他运载工具/飞行器/航天器和/或基于地面的单元进行通信。例如，可以部署飞行器/航天器的网络以在广泛的区域内提供FSO通信。本文描述的FSO通信节点121的示例所提供的减小的空间、重量和/或功率在飞行器和航天器中可能特别有益，特别是在空间、重量和功率预算受到限制的轻型和/或小型飞行器/航天器(诸如无人机和/或卫星)中。

图11示出了操作根据本文中的示例的指向单元(例如根据图10的飞行器上的节点的指向单元)的示例1100。该示例可以由图1的FSO通信节点121来执行。在第一框1102中，转向方向例如由跟踪引导单元112确定，并被传送至控制器103以控制转向元件101a、101b或光学装置101。在第二框1104中，控制器103将转向方向分解成重新取向分量(即，用于粗略转向的粗略转向分量)和折射率分量(即，用于精细转向的精细转向分量)。根据该示例，该分解使用预先确定的几何变换/关系，这些几何变换/关系是已知的并且特定于光学装置101的构成。例如，几何变换可以被计算以及/或者取决于存储的值的查找表。在第三框1106中，控制器103根据重新取向分量对至少一个转向元件101a和/或101b重新取向。在第四框1108中，控制器103根据折射率分量修改至少一个转向元件101a和/或101b的折射率。重新取向和折射率的变化的组合与所确定的转向方向相匹配。根据本文中的示例，粗略转向和精细转向同时发生以执行准确且响应性的光束转向。该过程在任何通信会话期间以连续的方式重复。在示例中，每个转向元件101a和101b可以是例如如图7所示的复合结构。在这样的示例中，每个转向元件可以被单独重新取向，并且每个转向元件的电光层的折射率可以变化，以分别执行粗略转向和精细转向。

在至此呈现的所有示例中，转向元件被呈现为不具有另外的光学层。然而，本领域技术人员将理解，转向元件可以包含另外的层，例如光谱带通涂层、抗反射涂层、高反射涂层、防紫外线和电离辐射的保护涂层。

在描述电光晶体时，应当理解，电光晶体是指如下材料，例如但不限于LiNbO₃、BaTiO₃、SBN75、KTN、KBN或SCNN。

在至此呈现的所有示例中，负责精细转向的元件为电光元件。然而，本领域技术人员将理解，电光元件可以由声光偏转器或类似物替代。

在所有对折射率的引用中，除非另有说明，否则应当理解折射率隐含地指特定波长下的折射率。

在至此呈现的其中电光元件或光学元件为棱镜的所有示例中，电光元件或光学元件被呈现为楔形棱镜。然而，本领域技术人员将理解，这种棱柱状结构可以替代地为复合棱镜或合成棱镜。

上述实施方式应被理解为本发明的说明性示例。应当理解，关于任何一个实施方式描述的任何特征可以单独使用或者与描述的其他特征组合使用，并且也可以与任何其他实施方式或者任何其他实施方式的任何组合的一个或更多个特征组合使用。此外，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，也可以采用以上未描述的等同物和修改。

Claims (23)

1.一种用于与自由空间光通信终端一起使用的指向单元，所述指向单元包括：

光学装置，所述光学装置包括一个或更多个光学透射转向元件，所述一个或更多个光学透射转向元件被布置在进入所述光学装置的入射光束的光路中，

其中，所述光学装置被构造成使得至少一个元件的取向和至少一个元件的折射率能够被控制以使光束朝向目标转向。

2.根据权利要求1所述的指向单元，其中，具有能够被控制的取向的转向元件包括电光元件。

3.根据权利要求2所述的指向单元，其中，所述转向元件包括具有固定折射率或有效折射率的光学元件。

4.根据权利要求3所述的指向单元，其中，所述转向元件是整体式的，并且其中，所述光学元件形成所述转向元件的第一层，以及所述电光元件形成所述转向元件的第二层。

5.根据权利要求3或4所述的指向单元，其中，所述固定折射率或有效折射率相对高于所述电光元件的平均折射率。

6.根据权利要求2至6中任一项所述的指向单元，其中，所述转向元件被能够移动地安装在支承构件中。

7.根据权利要求6所述的指向单元，其中，所述支承构件包括被布置成耦接至所述电光元件的支承电接触部。

8.根据权利要求7所述的指向单元，其中，所述电光元件包括电接触部，所述电接触部被布置成与所述电光元件一起移动并且在所述电光元件相对于所述支承构件的移动期间保持与所述支承电接触部的电接触。

9.根据前述权利要求中任一项所述的指向单元，其中，所述光学装置具有与所述入射光束的进入方向基本上平行的主轴，其中，所述一个或更多个光学透射转向元件的取向能够通过在与所述主轴基本上垂直的平面中旋转来控制。

10.根据权利要求9所述的指向单元，其中，所述光学装置包括至少第一转向元件和第二转向元件，每个转向元件能够被控制以改变转向元件相对于所述指向单元的取向。

11.根据权利要求10所述的指向单元，其中，所述第一转向元件和所述第二转向元件中的至少一个包括具有固定折射率或有效折射率的光学元件以及电光元件。

12.根据权利要求10或11所述的指向单元，其中，所述第一转向元件和所述第二转向元件中的每一个包括具有固定折射率或有效折射率的光学元件以及电光元件。

13.根据前述权利要求中任一项所述的指向单元，其中，通过改变所述光学装置的至少一个转向元件的所述取向来实现所述光束的粗略转向。

14.根据前述权利要求中任一项所述的指向单元，其中，通过改变所述光学装置的至少一个转向元件的所述折射率来实现所述光束的精细转向。

15.一种用于与自由空间光通信终端一起使用的指向单元，所述指向单元包括：

光学装置，用于使入射光束朝向目标转向，所述光学装置包括至少第一转向元件和第二转向元件，所述转向元件中的至少一个包括光学元件和电光元件，所述光学元件具有固定折射率或有效折射率，所述电光元件具有能够通过改变施加至所述电光元件的电场而改变的折射率，每个转向元件被能够移动地安装在相应的支承构件中，并且被布置在沿正向方向进入所述光学装置的入射光束的光路中；以及

控制器，所述控制器被布置成：改变每个转向元件相对于其相应的支承构件的取向以执行所述入射光束的粗略转向；以及改变施加至所述电光元件或每个电光元件的电场以改变所述电光元件或每个电光元件的一个或多个相应的折射率，以执行所述入射光束的精细转向。

16.根据权利要求10至15中任一项所述的指向单元，其中，所述第一光学转向元件和所述第二光学转向元件被布置为Risley棱镜对。

17.根据前述权利要求中任一项所述的指向单元，包括控制器，所述控制器用于控制至少一个元件的取向和至少一个元件的折射率，以使光束朝向目标转向。

18.根据权利要求17所述的指向单元，包括引导单元，所述引导单元被耦接至所述控制器，并且响应于经由所述光学装置接收的光学信号使所述控制器改变至少一个元件的取向和/或至少一个元件的折射率，以使所述入射光束朝向所述目标转向。

19.根据前述权利要求中任一项所述的指向单元，其中，所述光学装置包括光学终端处的光束扩展器，所述光束扩展器被布置成扩展发射方向上的光束直径并减小接收方向上的光束直径。

20.根据权利要求19所述的指向单元，其中，所述光束扩展器包括望远镜装置。

21.一种运载工具，其包括根据权利要求1至20中任一项所述的指向单元。

22.根据权利要求21所述的运载工具，其中，所述运载工具是飞行器。

23.一种使光束朝向目标转向的方法，包括：

确定光束的转向方向；以及

控制光学装置以使所述光束转向，包括：控制所述光学装置的至少一个元件的取向和所述光学装置的至少一个元件的折射率以使所述光束朝向目标转向。

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