KR20130016230A - 광 수신기를 광원을 향해 겨냥하는 방법 및 그 방법을 수행하는 장치 - Google Patents

광 수신기를 광원을 향해 겨냥하는 방법 및 그 방법을 수행하는 장치 Download PDF

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KR20130016230A
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Abstract

광(L)이 광 검출기들(9')을 때리는 지점을 광축(10)과 관련하여 체크하기 위해 상기 수신기(1)의 광축(10) 둘레에 배열된 복수의 광 검출기들(9')을 이용해서, 광 수신기(1)를 광원을 향해 겨냥하는 방법 및 장치로서, 상기 방법은: A) 상기 수신기(1)를 디포커스되게 배열해서, 광원이 위치할 수 있는 영역의 가능한 가장 큰 시야를 상기 수신기(1)가 확보하도록 하고, 가능한 가장 큰 분산각을 가지고 광을 굴절시키는 단계; B) 광(L)이 광 검출기들(9') 중의 적어도 하나를 때릴 때까지 상기 수신기(1)가 광원을 탐색하도록 하는 단계; C) 광(L)이 때리는 지점을 광축과 관련하여 계산하고, 상기 수신기를 조정하고, 광축을 향해 광을 겨냥하는 단계; D) 상기 수신기(1)에 의해 확보된 시야를 감소시키는 단계; 및 E) 광이 가능한 가장 작은 영역으로 집중될 때까지 단계 C 및 단계 D를 반복하는 단계를 포함한다.

Description

광 수신기를 광원을 향해 겨냥하는 방법 및 그 방법을 수행하는 장치{METHOD OF DIRECTING AN OPTICAL RECEIVER TOWARD A LIGHT SOURCE AND AN APPARATUS OF PRACTISING THE METHOD}
본 발명은 광 수신기(optical receiver)를 광원을 향해 겨냥하는 방법 및 그 방법을 수행하는 장치에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 광 수신기를 광원을 향해 겨냥하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로서, 그 방법은 광(light)이 광축과 관련하여 광 검출기들을 때리는(hit) 방법을 체크하기 위하여 상기 수신기의 광축(optical axis) 둘레에 배열된 복수의 광 검출기(light detector)들을 이용하는 것을 포함한다. 광원은 예컨대 광 송신기(optical transmitter)일 수 있다.
통신 시스템에서 광 수신기를 이용하는 것은 알려져 있다. 상기 수신기가 가능한 한 좋은 기능을 할 수 있도록, 수신기가 광원을 향해 겨냥되는 것은 필수적이다. 즉, 수신기의 광축이 광원을 향해 겨냥된다. 이러한 겨냥(directing)은, 전문가 환경에서는 정렬(alignment)이라고도 하는데, 선행 기술에 따르면 광원을 향해 수동으로 적어도 대략적으로(coarsely) 겨냥된 수신기에 의해 수행된다. 대략적 겨냥(coarse directing)은 광원으로부터의 광 빔(light beam)이 수신기 광학계(optics)를 때리는 정도의 정확도를 가지고 수신기가 광원을 향해 겨냥되는 겨냥을 의미한다. 이러한 대략적 겨냥은 시간 소모적이고 비용이 들 수 있으며, 수신기의 포인팅 방향(pointing direction)이 광원과 관련된 위치의 밖에서 온다면 반복되어야 할 것이다.
수신기가 대략적으로 겨냥되자마자 수신기의 광축이 광원의 광축과 정렬되도록 정밀한 겨냥(fine directing)을 착수할 수 있는 장치들이 알려져 있다. 장치들의 정밀한 겨냥은 광이 수신기의 광축과 관련하여 때리는 지점에 대한 측정을 기초로 할 수 있다.
이러한 장치는 광 트랜시버(transceiver) 또는 송신기-수신기를 설명하는 공개문헌 EP 0653 852 Al로부터 알려져 있는데, 여기서 두 개의 대향(opposing) 트랜시버들은 광축들의 정밀한 겨냥 또는 정렬이 자동으로 취해지기 전에 수동으로 서로를 향해 겨냥되어야 한다. 대략적 겨냥은 트랜시버에 할당된 조준(sighting) 장치에 의해서 취해진다.
또 하나의 이러한 장치는 두 개의 대향 트랜시버들 사이에서의 데이터의 광 전송을 위한 장치를 설명하는 공개문헌 US 2002/0196506 Al로부터 알려져 있다. 이 장치는, 안개 및 강수(precipitation)와 같은 변하는 대기 상황들에 대해서 그리고 트랜시버들 사이에서 보내진 광에 영향을 줄 수 있는 수차(aberration)에 대해서 보상할 수 있는 특히 변현가능거울(deformable mirror)들을 가지고 제공된, 서로를 향해 겨냥된 두 개의 망원경들을 포함한다. US 2002/0196506 Al에 따른 트랜시버들은 서로를 향해 수동으로 겨냥되어야 한다.
스캐닝을 위한 구동 수단을 가진 광 수신기, 포커싱 수단(focusing means), 및 수신기와 연결된 광 송신기를 가진 트랜시버가 공개문헌 EP 0911995 A2로부터 알려져 있다.
본 발명의 목적은 선행 기술의 단점들 중의 적어도 하나를 해결하거나 축소시키고 또는 적어도 선행 기술에 대한 유용한 대안을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 이후의 청구항들 및 이하의 설명에서 개시된 특징들에 의해서 달성된다.
본 발명의 제1 관점에 따르면, 할당된 광 송신기(optical transmitter)를 가지고 광 수신기(optical receiver)를 광원을 향해 겨냥하는 방법이 제공되고, 상기 방법은 광원으로부터의 광이 광 검출기들을 때리는 지점을 광축과 관련하여 체크하기 위해 상기 수신기의 광축 둘레에 배열된 복수의 광 검출기들을 이용하는 것을 포함하되, 상기 방법은:
A) 상기 수신기를 디포커스되게(defocused) 배열해서, 광원이 위치할 수 있는 영역의 가능한 가장 큰 시야(field of view)를 상기 수신기가 확보하도록 상기 수신기 내에 할당된 광학계가 세팅(set)되고, 광이 광 검출기들을 향해 가능한 가장 큰 분산각(spread angle)을 가지고 굴절되는 단계;
B) 광원으로부터의 광이 광 검출기들 중의 적어도 하나를 때릴 때까지 주변을 스캐닝함으로써 상기 수신기로 하여금 광원을 탐색하도록 하는 단계;
C) 광이 때리는 지점을 광축과 관련하여 계산하고, 광원으로부터의 광이 광축을 향해 겨냥되도록 현재 시야 내에서 상기 수신기를 조정하는 단계;
D) 상기 수신기의 광학계를 수단으로 하여 상기 수신기에 의하여 확보된 시야를 감소시키는 단계; 및
E) 광이 광 검출기들상에서 가능한 가장 작은 점(spot)으로 집중될 때까지 단계 C 및 단계 D를 반복하는 단계를 포함하고, 상기 송신기로부터 보내진 광 빔(light beam)의 광축 및 분산각이 광축의 겨냥 및 상기 수신기의 시야에 의존한다.
그래서, 송신기로부터의 초점을 맞출 수 있는(focusable) 광 빔을 지향하는 방법이 제공되는데, 광 빔의 방향 및 분산각은 수신기의 방향 및 시야에 의해 제어되고, 이들은 광원을 향해 겨냥된다. 이것은, 송신기의 전송 방향 및 분산각이 할당된 수신기에 의해서 전적으로 제어되고, 그래서 송신시가 전송하고 있을 수 있는 다른 수신기로부터의 피드백(feedback)에 독립적이라는 이점을 가진다.
송신기와 수신기는 별개의 유닛들로 배열될 수 있지만, 송신기와 수신기를 트랜시버로서 배열하는 것은 실용적인 이유로 이점이 있을 수 있다.
일 실시 예에서, 트랜시버의 광학적 시스템(optical system)은 공초점을 이루게(confocally) 배열된다. 이것의 이점들 중의 하나는 송신기로부터의 광 빔의 지향(orientation) 및 분산각이 수신기의 방향 및 시야에 의해서 결정되어 용이하게 된다는 점이다.
수신기는 단계 B에서 하나 이상의 광원을 검출할 수 있을 것이다. 특정 광원을 향해 수신기를 겨냥할 수 있도록 하기 위해서, 본 발명의 일 관점에서의 수신기는 여러 광원 중에서 하나의 광원을 인식할 수 있도록 하는 수단을 가지고 배열된다. 이를 위해 확산 스펙트럼을 가지고 광을 변조하는 광원으로부터 전송된 키(key)가 이용된다. 확산 스펙트럼을 가지고 변조된, 광원으로부터 전송되는 키의 이용은 또한 광을 약하게 하는 열악한 기상 상태(atmospheric conditions)와 관련하여 이점을 가질 수 있다. 열악한 기상 상태의 예는 안개이다.
광은 레이저광(laser light)일 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
확산 스펙트럼의 코딩은 무선 기술, 예컨대 공개문헌 JP 9172391로부터 잘 알려져 있다. 확산 스펙트럼 시스템들에서, 대역폭은 민감도(sensitivity)와 교환된다. 비트(bit)당 에너지는 동일하지만, 각각의 비트는 여러 개의 소위 "칩(chip)들"로 나누어지기 때문에, 칩(chip)당 에너지는 더 적다. 반면에, 비트당 많은 칩들이 전송되어야 할 때에는 점유된 대역폭이 증가한다. 무선 기술에서 이것은 칩당 에너지가 노이즈 한계(noise limit) 아래로 유지될 수 있을 때 신호를 노이즈로 감추게 할 가능성을 제공한다. 올바른 키를 가지고 복조함으로써, 각각의 단일한 칩으로부터의 기여(contribution)는 합해질 수 있다. 모든 기여들을 합한 후에, 비트 내 에너지와 동일한 순수 기여를 알게 된다. 만일, 이것이 노이즈 한계 위라면, 신호가 검출될 수 있다. 키를 알지 못하는 수신기들은 기여들을 올바르게 합할 가능성을 가지지 않을 것이고, 노이즈로부터 신호를 분리할 수 없을 것이다. 확산 스펙트럼의 이러한 이용은 주로 군사적 중요성을 가진다. 확산 스펙트럼 기술은 또한 많은 사용자를 가진 주파수 필드(frequency field)를 관리하기 위해 이용될 수 있다. 각각의 사용자에게 주어진 대역 내에서 전용 주파수를 주는 대신, 모든 사용자들은 전체 대역 내에서 동시에 조작할 수 있다. 대신 사용자들은 그들 자신의 확산 스펙트럼 키에 의해서 구별된다. 이것은 또한 이동 전화 내에서와 같이 민간의 이용을 가진다.
그래서, 본 발명에 따른 광학적 시스템에서와 무선 기술에서의 확산 스펙트럼 변조의 사용들 사이에 본질적인 차이가 존재한다. 무선 기술에서는 알려져 있는 바와 같이 확산 스펙트럼이 노이즈 내에 신호를 의도적으로 숨기도록 이용된다. 이 기술을 사용함에 있어서, 전송과 관련하여 아무런 이익이 존재하지 않는다. 순전히 이론적으로, 이것은 각각의 단일 비트를 키에 의해 주어지는 일련의 칩들로 코딩하도록 선택될 수 있고, 그래서 비트 레이트(bit rate)를 희생해서 더 나은 신호/노이즈 비율(signal/noise ratio)을 달성할 수 있다. 그러나, 이것은 비트 레이트가 직접 감소되는 것이 좋을 때에는 불필요하게 복잡한 것이다. 그리고, 에너지는 더 좁은 스펙트럼에 집중되고, 신호/노이즈 비율에서의 향상은 확산 스펙트럼을 이용해서 달성된 것에 상응하게 달성된다.
당업자는 광학적 시스템이 광자 및 파동계 양쪽 모두에서 작동하고, 그리고 변조된 신호의 비트 레이트에 대역폭이 반드시 결부되지는 않는다는 것을 알 것이다. 일반적인 레이저는 본 발명이 작동하고 있을 변조 주파수보다 더 큰 몇 배의 사이즈의 스펙트럼 선폭(spectral line width)을 가진다. 이 선폭은 광자 레벨에서 작동하는 효과에 의해 지배되고, 비트 레이트가 감소하는 경우에 반드시 더 좁게 되는 것은 아니다. 상응하게, 검출기는 광자 검출을 기초로 한다. 선폭은 물질 시스템에 의해서 주어지지만, 전형적으로 전체 가시 스펙트럼(visible spectrum)의 사이즈의 몇 배이다. RF-영역에서 대역폭과 이것 사이에 아무런 결합이 존재하지 않는다. 그래서, 광학적 시스템에서는, 좁은 스펙트럼 대역에서 에너지를 집중시킴으로써 신호/노이즈 비율을 증가시킬 동일한 가능성이 제공되지 않는다. 그래서, 광 신호상에서의 확산 스펙트럼의 이용은 그렇지 않았다면 불가능했을 수도 있을 신호들을 검출할 가능성을 제공한다.
수신기로의 데이터의 전송을 위해서 광원을 이용하는 경우에, 수신기의 초점이 증가할 때 키의 길이가 줄어드는 방식으로 수신기의 초점에 따라서 키의 길이가 조정된다면 이점이 있을 수 있다. 이로 인하여, 데이터 전송 비율은 증가할 것이다. 키의 길이는 수신기 초점에 비례하여 변경될 수 있고, 또는 계단식으로(stepwise) 변경될 수 있다.
본 발명의 제1 관점에서 단계 A 내지 E로 인한, 반복적 조정은 가능한 최고의 지향 또는 정렬이 달성될 때까지 계속된다. 이것은 광이 광축과 관련하여 광 검출기를 때리는 지점의 비교를 기초로 하여 정의될 수 있다. 그래서, 광축 둘레의 광 검출기를 때리는 광의 강도의 차이들이 미리 정해진 레벨 아래일 때, 수신기는 광원을 향해 정렬된다.
이와 달리, 단계 C 내지 E에서의 반복적 조정은 미리 정해진 조정 횟수로 제한될 수 있다.
광원으로부터 보내지는 키를 확산 스펙트럼을 가지고 변조되는 광으로 사용함으로써, 광 검출기들은 체크되는 각각의 광 검출기들상에서 키를 디코딩하고 신호 강도를 보고할 수 있도록 배열될 수 있다.
애플리케이션의 일부 영역들에 대해서는, 예컨대 송신기로부터 보내진 데이터의 안정적인 수신을 보장하기 위해서, 사용 중인 수신기가 기본적으로 대부분의 시간 동안 광원을 향해 겨냥되는 것이 중요할 수 있다. 그러므로, 광축 둘레의 광 검출기들을 때리는 광의 강도에서의 차이들이 미리 정해진 레벨(level)을 넘어가는 경우에 본 발명의 제1 관점에서의 단계 A 내지 E가 재개된다면 이점이 있다.
본 발명의 제2 관점에서는 본 발명의 제1 관점에 따른 방법을 수행하기에 적절할 수 있는 장치가 제공된다. 상기 장치는:
- 스캐닝 패턴(scanning pattern) 내에서 상기 수신기를 움직일 수 있는 구동 수단(drive means)과; 광이 광 검출기들을 때리는 지점을 광축과 관련하여 체크할 수 있도록 상기 수신기의 광축 둘레에 배열된 복수의 광 검출기들로 구성된 검출기 소자와; 검출기 소자를 향해 들어오는 광의 영역을 조절할 수 있는 포커싱 수단(focusing means)을; 가지고 제공되는 광 수신기, 및
- 송신기로부터 보내지는 광 빔의 분산각 및 광축이 상기 수신기의 시야 및 광축에 의존하여 제어되는, 상기 수신기에 할당된 광 송신기를 포함한다.
상기 장치는 확산 스펙트럼 코드를 가지고 변조되는 광을 보내는 광원으로부터 수신된 키를 인식할 수 있도록 배열된 제어 회로를 갖고 제공되고, 상기 송신기는 확산 스펙트럼 코드을 가지고 변조되는 광을 보낼 수 있도록 배열된다.
확산 스펙트럼 코드를 가지고 변조된 광을 보냄으로써, 적어도 다음과 관련된 과제들이 해결된다:
- 탐색 국면에 있는 본 발명에 따른 수신기는 본 발명의 제1 관점에서 단계 A로부터 보이는 바와 같이 초반에는 디포커스될 것이다. 수신기가 적당한 시간 내에 부속(appurtenant) 송신기를 발견할 수 있게 하기 위해서, 수신기 광학계는 송신기가 위치한 필드에서 넓은 표면을 커버하도록 디포커스되게 배열되어야 한다. 이것은 광이 상당히 약하게 되어 확산 스펙트럼 변조를 사용하지 않고서 통상적인 방법으로는 검출될 수 없다는 것을 수반한다.
- 수신기는 수신기의 검색 필드(search field) 내부에서 다수의 송신기들 중의 하나를 향해 겨냥될 수 있다. 개별 수신기가 탐색 국면에 있을 때, 이것은 알려져 있는 스펙트럼 키를 탐색할 것이다. 다른 키들을 가진, 필드 내의 다른 송신기들은 노이즈로부터 걷혀지지 않을 것이고, 그래서 보이지 않을 것이다. 이런 식으로, 수신기는 함께 속하지 않는 송신기들을 향해 정렬되지 않는다.
- 안개와 같은 열악한 기상 상태는 광이 수신기의 민감도 범위(sensitivity range) 아래로까지 약하게 되도록 해서, 송신기와의 연결이 끊어지는 것을 초래할 수 있다. 수신기 또는 검출기들 쪽에서, 동일한 키를 가지고 복호를 하는 것은 노이즈로부터 신호를 뽑아낼 것이고, 그렇지 않았을 경우에 약했을 신호를 검출하는 것을 가능하게 한다.
- 진동(vibration) 또는 섬광(scintillation)이 대향 유닛을 향해 겨냥된 초점이 맞추어진(focused) 빔을 유지하는 것을 어렵게 만드는 상황에서, 분산각은 빔이 더 넓은 영역을 커버하도록 변경될 수 있다. 그래서, 어느 정도의 효과가 여전히 수신기를 때릴 때, 다소 부정확한 겨냥이 용인될(tolerated) 수 있다. 상술한 감쇠(damping)의 경우와 관련하여, 신호 강도가 검출기의 민감도 범위 아래로 떨어질 때, 확산 스펙트럼 키가 연결을 유지시키기 위해서 이용될 수 있다.
광 수신기로 하여금, 알려진 키(known key)를 가지고, 변조된 광에 의해서 데이터를 보내는 광 송신기를 탐색하고, 인식하고, 이에 정렬되게 하기 위하여 확산 스펙트럼 변조를 이용하는 것 또한 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 수신기의 주요 개략도를 도시하고;
도 2는 도 1에 도시된 수신기의 부품을 구성하는 검출기 소자의 확대도를 도시하고;
도 3a는 도 1에 도시된 수신기 내에서의 광학계의 초점 및 움직임을 제어할 수 있도록 배열된 렌즈 제어 시스템의 확대도를 도시하고;
도 3b는 오른쪽에서 왼쪽으로 바라본 도 3a에서의 렌즈 제어 시스템의 측면도를 도시하고;
도 4a는 도 3a에 도시된 렌즈 제어 시스템의 대안적 실시 예를 도시하고;
도 4b는 오른쪽에서 왼쪽으로 바라본 도 4a에서의 렌즈 제어 시스템의 측면도를 도시하고;
도 5는 두 개의 가동 렌즈들로 구성된 렌즈 제어 시스템의 측면도를 도시하고;
도 6은 도 1에서의 수신기의 주요 개략도를 도시하되, 추가로 수신기에 송신기가 제공되며, 송신기 및 수신기는 트랜시버로서 배열되고, 공초점을 이루어서 광을 송신하고 수신하고;
도 7은 트랜시버로부터 떨어져서 위치한 다른 트랜시버를 향하여 정렬되어 있는 도 6의 트랜시버의 주요 개략도를 도시하고;
도 8은 정렬된 후의 도 7의 트랜시버들을 도시한다.
이하에서 첨부 도면들에 도시된 바람직한 실시 예의 예가 설명된다.
당업자는 도면들이 단지 장치들의 광학적 시스템들을 도시하는 주요 개략도들이라는 점을 이해할 것이다. 필요한 제어 시스템들은 당업자에게 알려져 있을 것이고, 이러한 이유로 도면들에서 구체적으로 도시되지 않는다. 게다가, 개개의 엘리먼트(element)들 사이의 상호 비율들은 왜곡될 수 있다.
동일하거나 대응하는 엘리먼트들은 다양한 도면들에서 동일한 참조 번호를 가지고 표시된다.
도면들에서, 참조 번호 1은 본 발명에 따른 수신기를 나타낸다. 수신기(1)는 외부 렌즈(3) 및 적어도 하나의 내부 렌즈(7, 7')를 포함하는 광학계를 포함한다. 외부 렌즈(3)를 때리는 광(L)은 굴절되고, 수신기(1)로 더 나아가고, 내부 렌즈(7, 7')를 통과한다. 광학계(3, 7, 7')의 적어도 일부(share)는 X, Y, 또는 Z 방향으로 가동적(movable)이고, X 방향은 렌즈 평면에 대해 옆으로(sideways) 존재하고, Y 방향은 렌즈 평면에 대해 수직으로(vertical) 존재하고, Z 방향은 광 빔의 길이(longitudinal)의 방향과 주로 일치하는 방향이다. 방향들 X, Y, 및 Z는 일부 도면들에서 화살표들 또는 다른 기호들에 의하여 표시된다.
렌즈(들)(7, 7')의 움직임은 도시되지 않은 제어 시스템으로부터의 파워에 의해서 제어되는 액츄에이터(actuator)(75)들에 의해서 제공된다. 액츄에이터(75)들은 본 발명의 제2 관점에서 언급된 구동 수단(drive means)의 적어도 일부를 구성한다. 액츄에이터(75)들은 예컨대 하우징(housing)(5)의 부분과 연결되어야 하고, 광학계(3, 7, 7')는 하우징(5)과 가동 렌즈(들)(movable lens) 간의 상대적 움직임(relative movement)이 제공될 수 있도록 위치한다는 점을 당업자는 이해할 것이다. 이러한 연결은 도면들에서 도시되지 않는다.
외부 렌즈(3)는 대안적 실시 예(도시되지 않음)에서 하우징(5)의 부분을 이루는 돔(dome)과 같이 구성될 수 있다.
제어 시스템은 수신기(1)의 광축(10) 둘레에 배열된 복수의 검출기 엘리먼트들(9')을 포함하는 검출기 유닛(9)과 관련하여 광(L)이 때리는 지점에 의존해서 파워를 액츄에이터(75)들로 보낸다. 이것은 도 2에 대한 논의 동안 이하에서 더욱 자세하게 설명될 것이다. 검출기 엘리먼트들(9')은 광 검출기들(9')이라고도 언급될 것이다.
도 1에서 도시된 수신기를 위해 가능한 가장 큰 스캐닝(scanning) 영역을 제공할 수 있도록 하기 위하여, 소위 팬(pan) 및 틸트(tilt)로 움직여질 수 있는 그 자체로 알려져 있는 종류의 부착 장치(13)에 의해서 지지 부재(11)에 움직일 수 있게 부착된다. 부착 장치(13)는 예컨대 그 자체로 알려져 있는 모터들(도시되지 않음)에 의해서 움직여질 수 있는 소위 짐벌(gimbal)일 수 있다. 광학계(3, 7, 7')의 적어도 일부를 움직일 수 있는 액츄에이터(75)들과 동일한 방식으로, 부착 장치(13)의 모터들은 제어 시스템으로부터 보내진 파워를 공급받는다. 상기 모터들은 본 발명의 제2 관점에서 언급된 구동 수단의 일부를 구성할 수 있다.
광학계(3, 7)의 X, Y, 및 Z 방향들에서 움직임 영역(movement field)이 가능한 원하는 필드의 스캐닝을 만들 수 있도록 충분히 크다면, 가동(movable) 부착 장치(13)는 생략될 수 있다.
도 2에서 검출기 유닛(9)의 도면이 확대된 스케일로 도시되는데, 도시된 실시 예에서 검출기 유닛(9)은 수신기의 광축(10) 둘레로 배열된 모두 총 8개의 검출기 엘리먼트들(9')로 이루어진다.
검출기 엘리먼트들(9')은 a, b, c, 및 d로 표시된 4개의 내부 엘리먼트들 및 e, f, g, 및 h로 표시된 4개의 외부 엘리먼트들을 포함한다. 외부 엘리먼트들(e, f, g, 및 h)은 4개의 내부 엘리먼트들(a, b, c, 및 d)보다 훨씬 더 크다.
광(L)이 동일한 강도를 가지고 모든 4개의 내부 엘리먼트들(a, b, c, 및 d)을 때리는 경우에, 광(L)은 도 1에 도시된 바와 같이 광학계의 광축(10)을 따라 중앙에 놓인다.
외부 엘리먼트들(e, f, g, 및 h)은 내부 엘리먼트들(a, b, c, 및 d)보다 더 큰 영역을 덮기 때문에, 이들은 디포커스된(defocused) 광에서 더 나은 민감도를 제공한다. 그래서, 수신기(1)가 탐색 국면(search phase)에 있고 디포커스되게(defocused) 배열되어 있을 때, 외부 검출기 엘리먼트들(e, f, g, 및 h)은 광(L)의 검출을 용이하게 할 것이다.
검출기 엘리먼트들(9')은 도 2에서 도시된 8개의 엘리먼트들보다 더 많게 혹은 더 적게 구성될 수 있다. 검출기 엘리먼트들(9')은 예컨대 도시된 외부 엘리먼트들(e, f, g, 및 h) 외부에 배열된 추가 엘리먼트들에 의해 구성될 수 있고, 또는 이들은 단지 다수의 내부 검출기들, 예컨대 도시된 4개의 내부 검출기 엘리먼트들에 의해서만 구성될 수 있다.
본 발명의 제1 관점에 따라 단계 C 및 D로부터 보이는 바와 같이 시야(field of view)가 계속해서 축소되는 것과 동시에 광축 둘레로 광(L)의 지속적으로 향상된 센터링(centring)이 동시에 달성될 수 있도록, 광(L)이 검출기 엘리먼트들과 관련하여 때리는 지점에 의존해서, 제어 시스템은 광학계(3, 7)의 액츄에이터(75)들(예컨대 도 3a 참조)로 그리고 가동 부착 장치(13)에 할당된 모터들로 파워에 대한 신호들을 줄 것이다. 이 신호들은 차이 eh-fg를 계산하여 결정된다. 만일 eh-fg가 양(positive)이면, 들어오는 광(L)은 광축(10)을 향해 (도 2와 관련해서) 아래로 겨냥되어야 한다. 만일 eh-fg가 음(negative)이면, 들어오는 광(L)은 광축을 향해 위로 겨냥되어야 한다. 상응하게, 들어오는 광(L)이 도 2와 관련하여 어느 방향에서 옆으로 움직이게 될 것인지를 결정하기 위하여 eh-fg가 계산된다. 4개의 엘리먼트들(e, f, g, 및 h)의 신호 강도가 동일하도록 들어오는 광(L)이 존재하는 경우에, 수신기는 거의 광원을 향해 겨냥된다고 가정될 수 있다. 이후, 들어오는 광(L)이 검출기 유닛(9)에 다소 더욱 집중되도록 z-방향(도 4b 참조)으로 예컨대 렌즈(7)를 움직임으로써 수신기(1)의 광각(optical angle) 또는 시야가 변경되고, 그 다음에, 들어오는 광(L)으로부터의 빔이 검출기 유닛(9)과 관련해서 때리는 지점을 계산함으로써 수평 및 수직 평면들에서의 새로운 조정(adjustment)이 수행된다. 이러한 겨냥은 모든 들어오는 광이 내부 검출기 엘리먼트들(a, b, c, 및 d)상에서 동일하게 때릴 때까지 또는 미리 정해진 수의 조정이 수행될 때까지 반복된다.
제어 시스템은 예컨대 광이 단지 외부 검출기 엘리먼트들(e, f , g, 및 h) 중의 몇 개만을 때리는 경우에 부착 장치(13)에 할당된 모터들을 수단으로 하여 수신기(1)에 의해서 겨냥이 제어되도록 배열될 수 있다. 광(L)이 내부 검출기 엘리먼트들(a, b, c, 및 d)을 때리는 경우에, 광학계만을 수단으로 하여 또는 광학계 및 상기 모터들을 수단으로 하여 겨냥이 제어된다.
시야는 바람직하게는 어느 수단이 광축을 향해 겨냥을 제어하는지와는 무관하게 제어된다.
도 3a 및 3b에서, x-방향 및 y-방향으로 움직여질 수 있는 액츄에이터(75)에 연결된 내부 렌즈(7)의 주요 개략도가 확대된 스케일로 도시된다. 도 3a는 렌즈 평면을 향해 앞에서 바라본 렌즈(7)를 도시하고, 도 3b는 오른쪽으로부터 왼쪽을 향해 바라본 렌즈(7)를 도시한다.
도시된 실시 예에서, 렌즈(7)는 렌즈 홀더(lens holder)(71) 내에 배열된다. 렌즈(7)는 조정가능한 분산각(spread angle)을 가지는 그 자체로 알려진 타입으로 이루어질 수 있다. 조정을 제공하기 위한 수단들은 도시되지 않는다.
4개의 플렉서블 로드(flexible rod)들(73)이 렌즈 홀더(71)를 지지한다. 도 3b에서 4개의 로드들(73) 중 단지 2개만이 도시된다. 플렉서블 로드들(73)은 로드들이 렌즈 홀더(71)의 평행사변형(parallelogram) 움직임을 가능하게 하는 방식으로 렌즈 홀더(71)의 각각의 한 코너(corner) 부분에 부착된 제1 말단 부분 내에 존재한다. 제2 말단 부분(도시되지 않음)에서, 로드들은 예컨대 하우징(5)의 부분에 부착된다. 하지만 이는 도시되지 않는다.
4개의 액츄에이터(75)들이 렌즈 홀더(71)에 연결된다. 액츄에이터(75)들은 예컨대 렌즈 홀더(71) 및 렌즈(7)를 x- 및 y-방향으로 움직일 수 있도록 배열된 그 자체로 알려진 종류의 전자석들 또는 모터들로 구성될 수 있다. 액츄에이터(75)들은 제어 시스템에 의해 제어된다. 제어 시스템으로부터 액츄에이터들로의 파워는 예컨대 로드들이 전기적으로 전도성이 있는 물질로 이루어진다면 로드들(73)을 통해 전송될 수 있다.
도 4a 및 4b는 도 3a 및 3b에서 도시된 것과 동일한 원리를 기초로 하는 렌즈 제어 시스템의 대안적 실시 예를 도시한다. 도시된 실시 예에서, 렌즈 홀더(71)는 4개의 플렉서블 로드들(73)로부터 매달려 있고, 각각의 도면에서는 그 중 두 개만이 보인다. 렌즈 홀더(71)의 윗부분 및 밑부분에서, x-방향으로 렌즈 홀더(71) 및 렌즈(7)의 움직임을 제공할 수 있는 액츄에이터(75)들이 배열된다. 렌즈 홀더(71)의 수직인 옆 표면들의 중앙에 가깝게, 렌즈 평면에서 수직으로 뻗어서, 액츄에이터(75)들이 위치한다. 이 액츄에이터(75)들에 파워를 공급함으로써, 렌즈 홀더(71) 및 렌즈(7)가 도 4b에서 표시된 바와 같이 z-방향으로 움직일 것이고, 이로 인해 도 1에서 도시된 수신기(1)로의 시야를 변경시길 것이다.
도 5에서는 두 개의 내부 렌즈들(7, 7')이 상술한 바와 같이 그리고 도 4a 및 4b에서 도시된 바와 같이 매달려 있되, 플렉서블 로드들(73)이 서로에 대해 90°로 들어맞는(fitted) 방식으로 렌즈들(7, 7')이 매달려 있는 실시 예가 도시된다. 광은 점선으로 도시된다. 도시된 실시 예에서 렌즈(7)는 x- 및 z-방향으로 움직여질 수 있는 반면, 렌즈(7')는 y- 및 z-방향으로 움직여질 수 있다.
도 6은 도 1에 도시된 수신기(1)에 의해 구성되되, 추가로 수신기(1)에 송신기(20)가 제공된 트랜시버(1')의 주요 개략도를 도시한다. 송신기(20)는 콜리메이팅(collimating) 광학계(24)를 통해서 광(L2)을 보내는 레이저광(22)의 형태로 옵티컬 소스(optical source)를 포함한다. 레이저광(22)은 시장에서 입수할 수 있는 종류로 이루어질 수 있다. 옵티컬 소스로부터 보내지는 광(L2)은 레이저광(laser light)이 아닌 다른 종류의 광일 수 있다는 점이 강조된다.
도시된 트랜시버(1')의 실시 예에서, 들어가는(ingoing) 광(L)은 나가는(outgoing) 광(L2)과 공초점을 이루는데(confocal), 즉 이것은 동일한 광축을 따라서 반대 방향으로 이동한다.
이것은 직교 편광(orthogonal polarisation) 및 편광 빔 스플리터(polarising beam splitter)(26)를 수단으로 하여 들어가는 광(L)과 나가는 광(L2)을 분리시킴으로써 달성된다.
레이저광(22)으로부터의 광(L2)은 평면에 수직하게 선형적으로 편광된다. 레이저광(22)은 편광 빔 스플리터(26)에서 반사되고, 사분의 일 파장판(quarter wave plate)(λ/4 판)(28)을 때린다. 사분의 일 파장판(28)은 광축이 편광 방향에 45°가 되도록 지향된다. 이후, 광(L2)은 가동 렌즈(7)를 통해서 나가기 전에 순환적으로(circularly) 편광되고, 외부 렌즈(3)를 통해서 트랜시버(1') 밖으로 보내진다.
도 6에서의 트랜시버(1')는 도 1에서 도시된 수신기(1)에 대해서와 동일한 방식으로 부착 장치(13)를 수단으로 하여 지지 부재(11)로부터 매달려 있다.
트랜시버(1')로 들어가는 광(L)은 도 7 및 8에서 도시된 상응하는 트랜시버(1'')로부터 보내질 수 있고, 트랜시버(1')로부터 보내지는 광(L2)에 대해 회전의 반대 방향을 가지고 순환적으로 편광된다. 광(L)은 사분의 일 파장판(28)에 이르기까지 광(L2)과 동일한 광학계(3, 7)를 따른다. 광(L)은 광(L2)에 대해 반대 회전을 가지기 때문에, 사분의 일 파장판(28) 이후에 평면을 따라서 선형으로 편광될 것이고, 그래서 빔 스플리터(26)를 통해서 직진할 것이다. 그 이후, 광(L)은 도 4에서 도시된 바와 같이 검출기 엘리먼트들(9')을 가지고 검출기 유닛(9)을 때릴 수 있다.
도 7 및 8에서는 서로 통신할 수 있도록 배열된 두 개의 동일한 트랜시버들(1', 1'')이 도시된다.
레이저 빔(L)의 강도를 조절함으로써 트랜시버들(1', 1'') 사이에서 정보가 전송되는데, 광은 레이저광이 아닌 다른 광일 수 있기 때문에 레이저 빔(L)은 이하에서 광 빔(L)이라고도 한다. 광 빔(L)은 트랜시버들(1', 1'') 중의 하나에서의 송신기로부터 방을 통해서 자유로이 이동하고, 대향 트랜시버(1', 1'')에서의 수신기에 의해 검출된다. 트랜시버들(1', 1'') 사이의 거리는 도시된 실시 예에서 약 100 미터(metre) 내에 존재한다. 그래서, 도면들은 상당히 왜곡되어 있다. 도시된 실시 예에서, 각각의 트랜시버들(1', 1'')은 도 6에서 도시된 트랜시버(1')와 동일하게 구성된다. 이러한 이유로, 도면에서 도시된 엘리먼트들 중의 일부만이 참조 번호로 표시된다.
도 7은 정렬 국면(aligning phase)에 있는 트랜시버들(1', 1'')을 도시하는데, 여기서 레이저광(22)으로부터의 광 빔(L)이 각각의 수신기들에서 광 검출기들(9') 중의 적어도 하나를 때린 후를 제외하고는, 각각의 트랜시버들(1', 1'')에서의 수신기가 디포커스되게 배열된다. 도시된 실시 예에서, 광 빔(L)의 방향 및 분산각은 수신기의 방향 및 광각 또는 시야에 의해서 결정된다. 그래서, 각각의 트랜시버들(1', 1'')로부터 보내지는 광 빔(L)은 넓은 원뿔(wide cone)을 구성한다. 본 발명의 제1 관점에 따라서, 각각의 트랜시버들(1', 1'')에서의 수신기가 광 빔(L)을 등록하고 단계 B로부터 단계 C로 가기 전에, 각각의 트랜시버들(1', 1'')은 주변(surroundings)을 스캔했었을 수 있다는 것이 이해될 것이다. 도시된 바와 같이 원뿔이 겹칠 때, 하나의 트랜시버(1')의 송신기로부터의 광 빔(L)의 일부는 대향 트랜시버(1'') 내에 배열된 상호 수신기(reciprocal receiver)의 광축 둘레로 배열된 광 검출기들(9') 중의 적어도 하나를 때릴 것이다. 그 후에, 부착 장치들(13)의 움직임을 위한 모터들 및 렌즈들(7, 7')을 위한 액츄에이터(75)들에 대한 제어 시스템에 연결된 포지셔닝 알고리즘(positioning algorithm)은 광 강도가 가장 큰 지점을 향해서, 즉 광(L)이 도 2의 설명에서 상술한 바와 같이 광축(10) 둘레로 배열된 검출기 엘리먼트들(9')상에서 근본적으로 동일하게 때리는 지점을 향해서 트랜시버(1')를 겨냥할 것이다. 그래서, 트랜시버들(1', 1'')은 서로에 대해 센터링 또는 정렬을 거친다. 그 이후에, 본 발명의 제1 관점에 따라 단계 D에서 언급된 바와 같이, 가능한 한 많은 양의 광이 맞은편 광 검출기(9)를 때리도록 광 빔(L)의 분산각이 축소될 수 있다. 이것은 트랜시버들(1', 1'')의 최적 정렬이 달성될 때까지 되풀이하여 반복된다. 이러한 최적 정렬은 도 8에서 도시된다.
트랜시버들(1', 1'')은 상술한 바와 같이 미리 확산 스펙트럼 키(spread spectrum key)를 구비할 수 있고, 여기서 통신을 할 둘 이상의 유닛들이 동일한 키를 가진다. 이것은 펌웨어 내에 하드 코딩될(hard coded) 수 있는데, 예컨대 부속 스마트 카드(smart card) 내에 저장될 수 있다.
확산 스펙트럼 변조에서 사용하기 위한 검출기 유닛은 개개의 검출기 엘리먼트들 e, f, g, 및 h 그리고 또한 a, b, c, 및 d 사이에서의 신호 강도의 차이가 들어오는 광(L)이 들어오는 방향을 나타내도록 상술한 종류로 이루어질 수 있다. 확산 스펙트럼 디코딩(decoding)은 검출기 엘리먼트들(9')상에서 개별적으로 수행되고, 신호 강도가 비교된다.
광 빔(L)이 광 검출기들상에서 충분히 작은 영역에서 집중된 경우에, 이것은 확산 스펙트럼 디코딩이 4개의 내부 엘리먼트들(a, b, c, 및 d) 모두에서 최대 신호를 주는 지점으로 올 것이다. 즉, 확산 스펙트럼 키 내의 모든 칩(chip)들이 정확하게 검출되는 지점으로 올 것이다. 이후, 이 신호는 정렬의 추가적 향상을 위해서 사용될 수 없다. 대신, 당업자가 아는 바와 같이, 각각의 개별 엘리먼트 내에서 유사한(analogous) 신호 강도가 결정될 수 있다. 상응하게, 신호 강도가 충분히 높게 되는 경우에 확산 스펙트럼으로부터 신호의 직접 코딩(direct coding)으로 전환될 수 있다.
특히 안개와 같은 좋지 않은 기상 상태 동안, 감쇠(damping)가 매우 크게 되어 신호가 수신기(1)의 감도 범위보다 더 약하게 될 수 있다. 선행 기술에 따른 수신기들을 이용하는 것은 연결(connection)의 갑작스런 손실을 초래한다. 본 발명에 따르면, 트랜시버들은 낮은 신호 강도에서 직접 코딩으로부터 비트 흐름(bit flow)의 확산 스펙트럼 코딩으로 넘어갈 것이다. 대역폭이 내려가는 반면, 민감도는 상응하게 올라간다. 한 세트(set)의 키들이 사용되는데, 키의 길이는 신호 강도가 감소됨에 따라서 증가될 수 있다.

Claims (12)

  1. 광 송신기(optical transmitter)(20)에 할당된 광 수신기(optical receiver)(1)를 광원을 향해 겨냥하는 방법으로서, 상기 방법은 광원으로부터의 광(L)이 광 검출기들(9')을 때리는 지점을 광축과 관련하여 체크하기 위해 상기 수신기(1)의 광축(10) 둘레에 배열된 복수의 광 검출기들(9')을 이용하는 것을 포함하되, 상기 방법은:
    A) 상기 수신기(1)를 디포커스되게(defocused) 배열해서, 광원이 위치할 수 있는 영역의 가능한 가장 큰 시야(field of view)를 상기 수신기(1)가 확보하도록 상기 수신기 내에 배열된 광학계(optics)(7')가 겨냥되게 하고, 광(L)이 광 검출기들(9')을 향해 가능한 가장 큰 분산각(spread angle)을 가지고 굴절되게 하는 단계;
    B) 광원으로부터의 광(L)이 광 검출기들(9') 중의 적어도 하나를 때릴 때까지 주변을 스캐닝함으로써 상기 수신기(1)로 하여금 광원을 탐색하도록 하는 단계;
    C) 광(L)이 때리는 지점을 광축과 관련하여 계산하고, 광원으로부터의 광(L)이 광축(10)을 향해 겨냥되도록 현재 시야 내에서 상기 수신기(1)를 조정하는 단계;
    D) 상기 수신기(1)의 광학계(7')에 의해서 상기 수신기의 시야를 감소시키는 단계; 및
    E) 광(L)의 최소 분산각이 광 검출기들(9')상에서 가능한 가장 작은 점(spot)으로 집중될 때까지 단계 C 및 단계 D를 반복하는 단계를 포함하고,
    상기 송신기(20)로부터 보내진 광 빔(light beam)(L2)의 광축 및 분산각은 광축(10)의 겨냥 및 상기 수신기의 시야에 의존하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 수신기(1) 및 상기 송신기(20)는 트랜시버(transceiver)(1', 1'')로서 배열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 트랜시버(1', 1'')의 광학적 시스템(optical system)(3, 7, 7', 24, 26, 28)은 광원으로부터 수신된 광(L) 및 상기 송신기(20)로부터 보내진 광(L2)이 동일한 광학계(3, 7, 7')를 통과하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 특정 광원을 향해 상기 수신기(1)가 겨냥될 수 있도록 하기 위하여, 상기 수신기(1)는 확산 스펙트럼을 가지고 광을 변조하는 광원(22)으로부터 보내진 키(key)를 인식할 수 있는 수단을 갖고 배열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 방출된 광을 위한 키의 길이가 상기 수신기(1)의 신호 강도에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 단계 C 내지 E에서의 반복적 조정은 미리 정해진 조정 횟수로 제한되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 광축(10) 둘레의 광 검출기들(9')을 때리는 광(L)의 강도에서의 차이들이 미리 정해진 레벨(level)을 넘어가면 단계 A 내지 E를 반복하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 청구항 제1항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치로서, 상기 장치는:
    - 광 수신기(1); 및
    - 상기 수신기(1)에 할당된 광 송신기(20)를 포함하고,
    광 수신기(1)는: 스캐닝 패턴(scanning pattern) 내에서 상기 수신기(1)를 움직일 수 있는 구동 수단(drive means)(75); 광(L)이 광 검출기들(9')을 때리는 지점을 광축(10)과 관련하여 체크할 수 있도록 상기 수신기(1)의 광축(10) 둘레에 배열된 복수의 광 검출기들(9')로 구성된 검출기 소자(9); 및 검출기 소자(9)를 향해 들어오는 광(L)의 영역을 조절할 수 있는 포커싱 수단(focusing means)(75);을 가지고 제공되고,
    상기 송신기(20)로부터 보내지는 광 빔(L2)의 분산각 및 광축은 상기 수신기(1)의 시야 및 광축에 의존하여 겨냥되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 수신기(1)는 확산 스펙트럼 코드를 가지고 변조된 광에 의해서 광(L2)을 보내는 광원으로부터 수신되는 키를 인식할 수 있도록 배열된 제어 회로를 갖고 제공되고, 상기 송신기(20)는 확산 스펙트럼 코드을 가지고 변조되는 광을 보낼 수 있도록 배열되는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 수신기(1) 및 상기 송신기(20)는 트랜시버(1', 1'')로서 배열되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 트랜시버(1', 1'')의 광학적 시스템(3, 7, 7', 24, 26, 28)은 광원으로부터 수신된 광(L) 및 상기 송신기(20)로부터 보내진 광(L2)이 동일한 광학계(3, 7, 7')를 통과하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 8 항에 있어서, 검출기 소자(9)는 광 검출기들의 적어도 하나의 제1 세트(a, b, c, d) 및 광 검출기들의 적어도 하나의 제2 세트(e, f , g, h)를 갖고 제공되고, 제1 세트(a, b, c, d)는 제2 세트(e, f, g, h)보다 광축(10)에 더 가깝게 배열되고, 제1 세트에서의 광 검출기들의 사이즈는 제2 세트에서의 광 검출기들의 사이즈보다 더 작은 것을 특징으로 하는 장치.
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