TW202022435A - 延伸實境沉浸裝置光學無線通訊系統 - Google Patents

Abstract

一種光學通訊系統包括基地台以及延伸實境沉浸裝置（XRID）。基地台包括被配置用以將電訊號轉換成光束，以及在自由空間中、未準直並以大於0.1度的發散角發射光束的光學傳輸器組。XRID包括具有大於0.1度的受光角的光學接收器組。光學接收器被配置用以在自由空間中偵測光束、將光束轉換成相對應的電訊號、以及再現由相對應的電訊號攜帶的資訊。XRID也包括被配置用以呈現資訊的抬頭顯示器。

Description

延伸實境沉浸裝置光學無線通訊系統

相關申請案的交互參考

本申請案主張於2018年8月10日申請之標題為「用於光學無線通訊至頭戴耳機的系統」的美國臨時專利申請案第62/717,457號的優先權，其全部內容併入於本文中以作為參考。

本揭露內容大體上與高速自由空間光學通訊鏈路有關，且特別地，與使用這樣的鏈路以傳輸資料至使用者延伸實境沉浸裝置以及從使用者延伸實境沉浸裝置傳輸資料有關。

用於模擬及/或虛擬/強化/混合實境環境的各種設計、方法與實施以及系統存在於文獻中。這些大部分描述了可具有延伸實境沉浸裝置（XRID）的移動使用者、以及進行大部分處理的固定基地台與兩者之間的通訊系統。先前技術包括環繞XRID設計、全系統設計以及將無線通訊實施成系統各部件的專利。全設計系統包括XRID、主要音訊/視訊處理所發生的基地台、以及兩者之間的通訊。各種其他的專利只著重在室內通訊部分以及包括LiFi（光照上網技術）、RF（射頻）以及MMW（毫米波）通訊協定。先前技術通訊系統已尋求最小化這種系統所需的頻寬以使它們實用於RF通訊，包括MMW。可用於這種通訊的RF頻譜頻寬是先前技術的主要限制。藉由增加功率、重量以及成本以達到最小化此頻寬所需的壓縮的XRID以及基地台處理也是先前技術的主要限制。已知光學通訊用於解決這些問題，但只以引入在使用者數目、頻寬、複雜度、重量、波形因數以及成本上的其他限制的限制方式。

Flood等人的美國專利第6,630,915號揭露了包括頭戴耳機、基地台以及兩者之間的無線通訊鏈路的這種全系統。Flood使用主動追蹤以在接收器指出傳輸器。傳輸器的較佳實施方式是具有電流調變器的雷射， 且用於追蹤系統的較佳實施方式是在頭戴耳機上具有追蹤感測器的追蹤系統，其提供位置給由二軸環架移動的傳輸器。數位資訊是經由雷射的振幅調變（開關鍵控）來轉播。偵測器，其較佳實施方式是具有偵測光脈衝是否存在並放大且將之數位化的增益級的APD。圖1示出了來自此專利的主要圖式的其中之一，示出了具有電腦以及使用者頭戴耳機的光學收發器系統。使用者在房間中移動，並經由無線通訊系統維持連接至電腦。

雖然Flood等人描述了基於無線通訊的模擬系統所需的各部分，他們沒有教導設計這種系統所需的各種概念。這些可包括光束的形狀、類型或發散度、如何實施追蹤機制以及它們的各種選擇、以及不同的調變方案可如何用於不同的性能指標。這些主題的其中一些在典型無線通訊設計的上下文中是非顯而易見的。此外，他們簡短地提及了具有複數使用者的選擇，但沒有做出主張或聲明來教導如何實施這方面。

Champion等人的美國專利第8,514,208號揭露了一種用於光學無線通訊數位視訊源以及顯示裝置的方法以及裝置。這些教導的焦點在於用於以影子記憶體將視訊從傳輸器發送至接收器的協定以及控制層。雖然使用雷射的光學無線傳輸是較佳實施方式，此專利的揭露內容不在於光學無線系統參數或設計，而在於視訊資料傳送協定。

Shar等人的美國專利第8,948,601號揭露了一種用於在複數使用者單元以及集中式單元之間使用準直不可見光的室內光學無線雙向通訊鏈路的方法以及系統，以及一種用於在使用者以及中央單元之間、於中央單元上使用可見光源以及於使用者單元上使用窗以將其反射回的校準方法。此專利教導了準直光束的使用，因此總是需要追蹤機制。此外，其也未教導用於光學無線的完整系統，包括調變技術、光束形狀或發散度或接收器技術。

此外，有許多圍繞LiFi（光照上網技術）技術的專利，包括美國專利公開案第2011/0105134號、美國專利公開案第2010/0209105號、以及美國專利公開案第2009/0310971號，其揭露了使用LED作為資料傳輸來源的可見光通訊系統以及方法。其他包括美國專利公開案第2014/0265920號以及美國專利第8,902,076號，其教導了LED在照明室內以及建築空間的用途、以及用於較高速資料通訊的那些LED的不可見調變。由於在目前LED技術的調變率上的較高限制，這些系統限制於較低的資料速率，且不能用於高解析視訊轉送或HDMI。

各種其他專利滿足全模擬系統的片段，其包括揭露了用於使用無線光學通訊追蹤並感測使用者位置的指戴式VR通訊裝置的美國專利第9,880,619號，以及包括使用RF以及60 GHz通訊頻率並包括四肢以及身體移動的全沉浸式系統的美國專利公開案第2017/0069217號。

在IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems 40(4):1239 - 1248 (2004)中Guelman等人描述了設計用於衛星間的雷射通訊的獲取以及指向控制系統。它們的裝置使用操縱反射鏡（steering mirror）（細以及粗）指向，以及聚焦鏡以及象限偵測器。它們的雷射通訊系統光束的發散度是~50微弧度，將其放在具有高準直光束的非常細指向以及追蹤機制的等級中。此外，它們使用聚焦鏡以及纖維耦合收集。

因此，會想要具有考慮並解決至少一些上面討論問題以及可能其他問題的系統以及方法。

本揭露內容的範例實施方式大體上與高速自由空間光學通訊鏈路有關，且特別地，與使用這種鏈路以將資料傳輸至使用者延伸實境沉浸裝置（XRID）以及從使用者延伸實境沉浸裝置（XRID）傳輸資料。如本文中所描述，XRID包括任何數目的設計用以能夠有延伸實境或沉浸體驗的裝置。適合的XRID範例包括頭戴耳機、觸覺基礎衣、虛擬環境控制（例如，濕度、溫度、氣味、空氣循環）、模擬器遊戲機（例如，虛擬汽車）以及諸如此類。本揭露內容因此包括下述範例實施方式而無限制。

一些範例實施方式提供光學通訊系統，包含：包括光學傳輸器組的基地台，光學傳輸器組被配置用以將電訊號轉換成光束、並在自由空間中、未準直並以大於0.1度的發散角發射該光束；以及延伸實境沉浸裝置（XRID），包括：具有受光角大於0.1度的光學接收器組，光學接收器被配置用以偵測自由空間中的光束、將光束轉換成相對應的電訊號、以及再現由相對應的電訊號攜帶的資訊；以及被配置用以呈現資訊的抬頭顯示器。

在任何前述範例實施方式的光學通訊系統的一些範例實施方式、或任何前述範例實施方式的任何組合中，光學通訊系統包含包括XRID的複數XRID，且光學接收器組被配置用以在具有被指派至光學通訊系統中的該XRID的特定波長的通訊頻道上偵測光束，此特定波長與被指派至該複數XRID中其他XRID的其他特定波長不同。

在任何前述範例實施方式的光學通訊系統的一些範例實施方式、或任何前述範例實施方式的任何組合中，光學通訊系統包含包括XRID的複數XRID，以及光束被分時多工以服務複數XRID。

在任何前述範例實施方式的光學通訊系統的一些範例實施方式、或任何前述範例實施方式的任何組合中，光學通訊系統包含包括基地台的複數基地台、以及包括XRID的複數XRID，複數基地台被指派至複數XRID的各自一個，其中光學接收器組被配置用以在該XRID以及被指派至該XRID的該基地台之間的通訊頻道上偵測光束。

在任何前述範例實施方式的光學通訊系統的一些範例實施方式、或任何前述範例實施方式的任何組合中，光學接收器組被配置用以在XRID以及基地台之間的通訊頻道上偵測光束，且其中光學通訊系統更包含另一個XRID，以及該XRID更包含被配置為以資訊編碼電訊號、將電訊號轉換成相對應光束、並在XRID以及其他XRID之間的另一個通訊頻道上在自由空間中發射相對應光束的一光學傳輸器組，XRID由此被配置用以將資訊從基地台轉播至該另一個XRID。

在任何前述範例實施方式的光學通訊系統的一些範例實施方式、或任何前述範例實施方式的任何組合中，基地台包括被配置以將光學傳輸器組指向該XRID的方向的指向系統。

在任何前述範例實施方式的光學通訊系統的一些範例實施方式、或任何前述範例實施方式的任何組合中，基地台更包括被配置用以隨著XRID移動來追蹤XRID的追蹤系統、被配置用將光學傳輸器組指向被追蹤的該XRID的方向的指向系統。

在任何前述範例實施方式的光學通訊系統的一些範例實施方式、或任何前述範例實施方式的任何組合中，XRID包括被配置用以將光學接收器組指向基地台的方向的指向系統。

在任何前述範例實施方式的光學通訊系統的一些範例實施方式、或任何前述範例實施方式的任何組合中，XRID更包括被配置用以隨XRID移動來追蹤基地台的追蹤系統、被配置用以將光學接收器組指向被追蹤的基地台的方向的指向系統。

在任何前述範例實施方式的光學通訊系統的一些範例實施方式、或任何前述範例實施方式的任何組合中，資訊是由電訊號攜帶，且由此也由從基地台至XRID的光束攜帶，且其中基地台被配置用以追蹤XRID的位置以及定向，並基於XRID的位置以及定向產生或修飾由光束攜帶的資訊。

一些範例實施方式提供了包含具有受光角大於0.1度的光學接收器組的延伸實境沉浸裝置（XRID），光學接收器被配置用以在自由空間中偵測光束，將光束轉換成相對應的電訊號，並再現由相對應的電訊號所攜帶的資訊；以及被配置用以呈現資訊的抬頭顯示器。

在任一前述範例實施方式的XRID的一些範例實施方式、或任一前述範例實施方式的任一組合中，光學接收器組包括被配置以提供上至2π立體弧度的覆蓋範圍的至少一光學偵測器陣列。

在任一前述範例實施方式的XRID的一些範例實施方式、或任一前述範例實施方式的任一組合中，光學接收器組包括至少一共面光學偵測器陣列。

在任一前述範例實施方式的XRID的一些範例實施方式、或任一前述範例實施方式的任一組合中，光學接收器組包括長通濾波器以及光學偵測器，長通濾波器被配置用以抑制來自光束的至少一些可見光以及紫外光，以及光學偵測器被配置用以偵測被過濾的光束。

在任一前述範例實施方式的XRID的一些範例實施方式、或任一前述範例實施方式的任一組合中，光學接收器組更包括在長通濾波器以及光學偵測器之間的帶通濾波器，帶通濾波器被配置用以進一步過濾光束。

在任一前述範例實施方式的XRID的一些範例實施方式、或任一前述範例實施方式的任一組合中，XRID更包含被配置用以將電訊號轉換成相對應光束、並在自由空間中、未準直並以大於0.1度的發散角發射相對應光束的光學傳輸器組。

在任一前述範例實施方式的XRID的一些範例實施方式、或任一前述範例實施方式的任一組合中，光學傳輸器組包括雷射以及長通濾波器，雷射被配置用以發射相對應的光束，以及長通濾波器被配置用以抑制來自相對應光束的至少一些可見光以及紫外光。

在任一前述範例實施方式的XRID的一些範例實施方式、或任一前述範例實施方式的任一組合中，光學接收器組以及光學傳輸器組被組合在配置中，此配置更包括被配置用以傳遞相對應的光束的分光鏡，長通濾波器被配置用以抑制來自被傳遞的相對應光束的至少一些可見光以及紫外光，以及其中光學接收器組包括光學偵測器、被配置用以抑制來自光束的至少一些可見光以及紫外光的長通濾波器、被配置用以反射經過濾的光束至光學偵測器的分光鏡、以及被配置用以偵測由分光鏡反射的光束的該光學偵測器。

在任一前述範例實施方式的XRID的一些範例實施方式、或任一前述範例實施方式的任一組合中，光學傳輸器組包括被配置以提供至少2π立體弧度的覆蓋範圍的至少一雷射陣列。

在任一前述範例實施方式的XRID的一些範例實施方式、或任一前述範例實施方式的任一組合中，光學傳輸器組包括至少一共面雷射陣列。

在任一前述範例實施方式的XRID的一些範例實施方式、或任一前述範例實施方式的任一組合中，光學傳輸器組包括被配置用以利用由此被電訊號攜帶的資訊來調變電訊號的複數調變器，複數調變器被配置用以共享總電流。

在任一前述範例實施方式的XRID的一些範例實施方式、或任一前述範例實施方式的任一組合中，光學傳輸器組包括被配置用以擴散相對應的光束的散光器。

在任一前述範例實施方式的XRID的一些範例實施方式、或任一前述範例實施方式的任一組合中，光學接收器組被配置用以在具有特定波長的下鏈通訊頻道上偵測光束，以及光學傳輸器組被配置用以在具有另一個不同特定波長的上鏈通訊頻道上發射相對應光束。

在任一前述範例實施方式的XRID的一些範例實施方式、或任一前述範例實施方式的任一組合中，使用脈衝振幅調變（PAM）或脈衝位置調變（PPM）以資訊編碼相對應的電訊號，以及光學接收器組被配置用以使用PAM或PPM來再現資訊。

在任一前述範例實施方式的XRID的一些範例實施方式、或任一前述範例實施方式的任一組合中，光學接收器組被配置用以在具有特定波長的下鏈通訊頻道上偵測光束，以及其中XRID更包含被配置用以將電訊號轉換成相對應的無線電訊號、並在上鏈通訊頻道上傳輸相對應的無線電訊號的無線電傳輸器組。

從閱讀下述詳細描述與下面簡述的附圖，本揭露內容的這些以及其他特徵、方面以及優勢將為顯而易見的。本揭露內容包括此揭露內容中所提及的二、三、四或更多特徵或元件的任何組合，無論這樣的特徵或元件是否明確地組合或另外列舉於本文的具體實施描述中。此揭露內容意欲被整體地解讀，以至於本揭露內容的任何可分開特徵或元件，在任何其方面以及實施方式中，應被視為可組合的，除非本揭露內容的上下文清楚的另外指出。

因此將領略的是，提供上述發明內容僅為了概述一些範例實施方式，以提供本揭露內容一些方面的基本了解。因此，將領略的是，上述範例實施方式僅為一些實施方式的範例，且不應被理解為以任何方式限縮本揭露內容的範圍或精神。將領略的是，本揭露內容的範圍包括許多可能的實施方式，除了這裡概述的那些實施方式之外，其一些將在下面進一步描述。此外，從下面詳細的描述結合以範例方式示出了所描述實施方式的原理的附圖，本文中所揭露的實施方式的其他方面以及優勢將變得顯而易見。

現在將在此後參照其範例實施方式更完整的描述本揭露內容。描述這些範例實施方式以至於此揭露內容將更徹底並完整，且將把本揭露內容的範圍完全傳遞至本領域的技術人員。確實，本揭露內容可以許多不同的形式體現，且不應被理解為限於本文中所提出的實施方式；更確切而言，提供這些實施方式以至於此揭露內容將滿足可實施的合法要求。如說明書以及所附申請專利範圍中所使用的，例如，單數形式「一（a）」、「一（an）」、「該」以及諸如此類包括複數的指稱，除非上下文清楚地另外指出。同樣地，例如，在本文中可提及定量度量單位、值、關係或諸如此類。除非另外聲明，這些的任一或更多者（如果並非這些的全部）可為絕對的或近似的，以說明可能發生的可接受變化，例如那些由於工程公差或諸如此類引起的變化。

為了確保一致的術語，本文中使用了下述用語：節點、鏈路以及頻道。節點是網路內的實體位置，且可為固定的或行動的。鏈路是在二或更多個節點之間的散光柱自由空間光學（DBFSO）連接，其傳輸以及接收資料以及節點之間的網路控制資訊。頻道是鏈路內的單一路徑，且藉由例如波長或極化之類的物理特徵而與其他頻道區別，並經歷電至光（E-O）以及光至電（O-E）轉換。DBFSO系統，例如由美國專利第9,847,834號所揭露的，是由許多節點構成，每個節點具有至其他節點的一或更多個鏈路。每個鏈路則由一或更多個頻道構成。AR/VR DBFSO 鏈路

在美國專利第9,847,834號中已描述了DBFSO鏈路，其全部內容併入於本文中以作為參考。並非使用具有精密指向以及追蹤的高準直雷射光束，在’834專利中描述的方法使用高功率、散射雷射光束以增加覆蓋區域以及角公差，並減少整體的複雜性以及成本。同樣地，接收器使用較大面積的偵測器或偵測器陣列以接收來自各角度範圍的光。相較於先前的自由空間光學（FSO）通訊實施方式，此結構導致較低成本、較高性能的系統。

圖2示例了DBFSO系統以及傳統FSO系統之間的關鍵差異。在DBFSO系統中，兩個節點200、210每個具有傳輸器（TX）202、212以及接收器（RX）204、214。每個節點200、202的傳輸器發射在相對節點接收器處覆蓋寬面積的發散光束206、216。類似地，每個接收器204、214具有廣視野208、218，意思是接收器收集來自寬角度範圍的光。

在傳統FSO系統中，節點220、230也具有傳輸器222、234以及接收器224、232，但在這些系統中，傳輸光束是準直的226、238，且接收器具有非常窄的視野236、228並收集幾乎準直的光。這增加了用於傳統FSO系統的指向與追蹤系統的成本以及複雜性。如’834專利中所描述，在一些範例中，DBFSO系統是由傳輸器以及接收器所描述，該傳輸器在自由空間中、未準直並以大於0.1度（以及上至180度）的發散角傳輸光束，該接收器具有大於0.1度（以及上至+/–90度）的受光角。

此申請案描述了需要使用DBFSO鏈路的新方法，以用於至以及來自使用者延伸實境沉浸裝置（XRID）的高頻寬、低延遲通訊。這些頭戴耳機可用於延伸實境（XR），例如虛擬實境（VR）、強化實境（AR）、混合實境（MR）、沉浸或需要高頻寬通訊的其他應用。再次地，適合的XRID範例包括頭戴耳機、觸覺基礎衣、虛擬環境控制（例如，濕度、溫度、氣味、空氣循環）、模擬器遊戲機（例如，虛擬汽車）以及諸如此類。

XR應用的資料傳送典型地包括高速、高解析視訊，以及控制指令以及來自各種感測器的回饋。任何無線系統的挑戰是傳輸大量需要高解析視訊的資料並有最小的延遲以及最大的資料產出量。典型的4k視訊標準包括DCI 4K以及其相關的4K-UHD，其兩者都使用多於17 Gbps的未壓縮頻寬。為了處理此資料傳送率，無線的解決方案可能需要使用壓縮演算法。使用壓縮有三個取捨：第一，壓縮以及解壓縮演算法常增加延遲，第二是壓縮降低了圖片品質，以及第三，壓縮需要處理能力的增加。為了確保視訊資料傳送的最高品質，通訊系統的頻寬必須是高的，而延遲是最小化的。可能需要額外的通訊資料，以用於眼睛追蹤、位置追蹤、音訊、觸覺回饋或諸如此類，其可使用較低頻寬頻道或與高速視訊相同的頻道。由於其幾乎無限的空間可用性，其可解決頻寬以及延遲問題，高頻寬光學無線旨在作為標準錯誤更正來解決這些問題，而不需要造成超低延遲需求的壓縮。

用於XR應用的DBFSO的頻寬範圍可在從1 Mbps上至並超過100 Tbps。已減少了具有100 Mbps以及1 Gbps的頻寬的DBFSO鏈路以實施。較低容量的鏈路（低至1 Mbps）可使用與具有可能較便宜組件且較高雷射功率的100 Mbps鏈路類似的結構來實施。目前的光纖通訊系統已具有帶有10、20、40以及100 Gbps的單一波長。在DBFSO配置中所使用的這些組件現今可提供10至100 Gbps鏈路。複數波長的組件以及使用的優勢可將DBSO至XRID的鏈路容量延伸上至100 Tbps。

相較於在一些先前技術中所描述的用於最後一哩類型應用的室外FSO通訊鏈路，XR類型應用的實體情況具有一些重要的區別。具體地，大部分的XR是室內的，其降低了環境光的量。由於XR鏈路的長度通常大約在數公尺至數十公尺，大氣的影響也最小。然而，在XR應用中，XRID將移動以及旋轉，且鏈路仍必須提供接近連續的通訊。

在大部分的XR應用中，使用者穿戴某種類型的XRID，該XRID具有投射最後由一或兩隻眼睛接收的影像的機制。圖3示出了XRID的可能類型範例，其範圍可從頭部的完全覆蓋（具有以帶子安裝繞頭302的完全覆蓋眼睛的部分300）至看起來像眼鏡304的實施方式（具有外加放在耳部元件306上或框架中其他地方的微型投影機）。對於完整的XRID，收發器單元310可勾入頭帶302中。對於具有眼鏡304的實施方式，收發器312可整合或座落在眼鏡304附近、或與框架整合。本揭露內容的範例實施方式可與任何XRID實施方式一起使用。對於覆蓋頭的完整XRID，可將感測器、傳輸器以及接收器整合至XRID的實體結構中。對於例如眼鏡之類較低調的裝置，因為改進了偵測器以及電子元件，其將可能將光學鏈路整合至眼鏡框架中。接收器視野

為了增加AR/VR鏈路的可用性，當使用者四處移動時，需要維持通訊鏈路。使用者於其中移動的空間可包括在某個空間內的整個水平平面，以及垂直（當使用者站起、坐在某個東西上、或躺在地上時）以及旋轉（當使用者在一個地點旋轉時）。完整的4π球形覆蓋範圍將會是理想的，雖然2π或半球形覆蓋範圍將滿足許多使用案例。本揭露內容的範例實施方式將滿足任何情況，雖然確切的實施方式對於個別案例可能不同。

作為第一個範例，考慮使用者在10公尺寬、10公尺深、5公尺高的房間內四處移動的XRID的半球形覆蓋範圍。如果單一基地台用以覆蓋整個房間，則其必須在至XRID的距離範圍從3公尺（直接在傳輸器下方的2公尺高的人）至5*平方根（3）= 8.7公尺（人在房間角落中的地上）操作。如果在1 cm^2偵測器上所需的接收功率是1 μW，則基地台傳輸器必須發出至少4.7 W的功率（來自8.7公尺半徑的半球的1 cm^2）。

許多先前描述的DBFSO通訊鏈路以及標準FSO鏈路的範例實施方式已描述了具有面向外面的光學元件的大型偵測器。許多偵測器具有比鏈路所需還大的受光角，且藉由將聚焦光學元件放在偵測器前，犧牲了角度範圍以增加光學增益。這降低了系統中所需的總功率量，同時減少了接收器系統的視野。

對於需要較寬視野的XR應用，鏈路的受光角將典型地大於給定偵測器的受光角，所以可能需要在不同方向中指向的複數偵測器，以達成必要的角度覆蓋範圍。例如，許多偵測器具有~+/-45度的受光角。為了達成半球形覆蓋範圍，將需要這些偵測器中的8個（一些在偵測器之間重疊），一個直指向上，且其他四個在水平面中以90度分開。可偵測到光的橫截面現在將為單個偵測器的大小。由於沒有光學元件，接收器的偵測面積小很多，所以現在需要多很多的偵測器。

用以達成較大偵測器大小的一個範例實施方式是使用偵測器陣列。在一個這樣的實施方式中，可在單個平面中有複數彼此鄰接或幾乎鄰接的偵測器。圖4示出了偵測器陣列的各種可能配置。陣列的填充因數可為100％，其包括400、402以及404，其中每個元件碰觸到所有周圍的元件，或它們可具有406、408以及410中所示小於100％的填充因數，其中在個別元件之間有無效空間（dead space）。偵測器陣列可具有不同的幾何形狀，例如偏移方形400，其中個別的元件為方形，且它們排成多列，每個隨後的列都偏離其上的那列。其他的幾何形狀包括由六角形元件構成的蜂巢402、408（具有100％填充因數402或小於100％的填充因數408）、圓形元件406、八角形元件412、八角形以及方形組合404、或其任何組合。此外，陣列也可包括相關電子元件410的空間。可有多組在不同位置且指向不同方向的這些偵測器陣列。在另一個例子中，偵測器可不共面，但指向不同的方向，同時仍實體地彼此接近。偵測器的總接收器面積可為相關因數，且這可使用各種方式來達成。在一些範例實施方式中，偵測器陣列可由單件的矽或InGaAs（砷化銦鎵）製成，並進一步蝕刻成陣列，而在其他的例子中，可簡單地將分離的偵測器以它們分開的包裝彼此鄰接放置。

在一些範例實施方式中，偵測器或偵測器陣列可從雪崩光電二極體（APD）製成。

在一些範例實施方式中，APD可基於矽材料。這些材料可對具有350 nm以及1000 nm之間的波長的光敏感。在一些範例實施方式中，APD可基於InGaAs材料（砷化銦鎵）。這些材料可對於具有從大約1.0微米上至大約2.6微米的波長的光敏感。

在一些範例實施方式中，偵測器或偵測器陣列可從SiPM（矽光電倍增器）技術製成。濾波 / 光學頻寬 / 角接收

在一些範例實施方式中，偵測器或偵測器陣列可在它們前面具有光學濾波器。這些濾波器可抑制來自其他來源的不想要的光，例如房間的光、陽光或其他光學鏈路。在一些例子中，濾波器可為長通的，例如用於抑制大部分的可見光以及UV光。在一些例子中，濾波器可為帶通的，例如用於抑制可見光以及減弱附近的光學頻道。濾波器可需要具有與偵測器受光角相似的角接收範圍。對於典型的薄膜干涉濾波器，例如最常見的帶通濾波器，所接受的波長範圍隨濾波器以及入射光之間的角函數改變。對於這些濾波器，隨著與法線的夾角增加，帶通波長轉變至藍色。此角度調諧作用可限制可如何光譜上接近下一個AR/VR通訊頻道，以維持串音在可接受程度之下。

在圖5中示出了使用濾波器的組合傳輸以及接收系統的一個可能實施方式。這裡，雷射500以及偵測器502光學路徑在分光鏡506之前共享共同的路徑。對於此系統，雷射波長512對於其本身的接收器與帶通濾波器波長514不同。由雷射500發射的傳輸光筆直行進通過分光鏡506、通過透鏡508並穿透出長通濾波器510至另一個節點（未示出）。來自另一個節點的傳輸光跟隨類似的路徑往回通過長通濾波器510、聚焦透鏡508，並被反射至分光鏡506的其他部分中。此光是由縮窄的帶通濾波器504濾波，並最後停落在接收器502上。使用共同的元件以及共同的路徑降低了傳輸/接收對的複雜性以及整體的占用空間(footprint)。來自分光鏡的串音的最小化是一個可能的問題，雖然在帶通濾波器50上具有高的帶外阻塞，這不應該是問題。其他可能的實施方式包括使用功率束分離器以取代分光鏡506、移除LP濾波器510、移除BP濾波器504、或其一些組合。除了光學濾波之外，可使用已知的訊號處理技術（例如CDMA、TDMA、FDMA以及PDMA）以改進在例如全陽光之類的高噪音環境中的訊號雜訊比。雷射陣列

以與接收器類似的方式，傳輸器可受益於雷射陣列。至今所建立的幾個DBFSO鏈路已使用VCSEL的陣列（垂直腔表面發射雷射）以達成高功率輸出以及高資料速率。這些VCSEL陣列可具有一些至數千個的單獨VCSEL元件。在圖6中示出了這種陣列。這裡，雷射陣列612是由一或更多個調變器600、602、604所驅動。調變器600、602、604每個電連接至VCSEL陣列，且它們的任何數量都可用以驅動雷射陣列。在十億赫茲的速度下，目前沒有已知的調變器可驅動用以產生數瓦調變光學功率所需的多安培電流。對於這個的一個解決方案是使用複數調變器600、602、604並在它們之間共享總電流。每個調變器可由分開的資料源606、608、610所驅動，或它們可由相同的資料源、或資料源的任何組合所驅動。所發射的調變光然後由透鏡614發散。眼睛的安全

一般而言，系統將在傳輸器外殼之外對眼睛安全的。在一些範例實施方式中，這將藉由使用可增加角孔徑以及傳輸光束範圍的散光器所達成。這增加了所允許的光學功率等級，因為光束不再聚焦至視網膜的小點上。在一些範例實施方式中，例如使用雷射陣列的那些，陣列大小促使來源是對眼睛安全的，因為陣列使來源擴展，其不能聚焦至視網膜的小點。在一些範例實施方式中，雷射的高發散度將確保光束在離來源非常近的距離中是對眼睛安全的，使得所需的外殼非常小。

圖7示出了一個這樣的系統，其中雷射陣列700本身就是擴展來源，以及散光器704被放在其後，造成較大的擴展來源702。散光器也可將光線發散得更快，使光斑大小在較近的距離內更大，其降低了整體的占用空間。來自散光器的光到達焦距f1 718的透鏡706，並在到達眼睛712之前行進某距離（L）720。眼睛712將影像聚焦在視網膜上的擴展光斑714。眼睛的焦距是由f2 722指出。角度α 716是由在視網膜上的影像大小除以f2所給出。

其中擴展光斑702是取決於上述例子中雷射的發散角以及至散光器的距離。眼睛可安全接收的最大功率密度是取決於（α）、波長以及曝露時間。複數波長

在一些範例實施方式中，將使用多於一個光波長。在一些例子中，每波長的頻寬受限於一或更多個組件的性能。系統頻寬可藉由使用複數波長來增加。波長的範圍可從UV至深IR。不同的波長將具有不同的優勢。例如，使用長於~800 nm但短於~1000 nm的波長可為有利的，因為它們在人眼中具有非常低的反應性，且因此不被立即查覺，但可被矽偵測器偵測，其典型地成本較低且具有較低的雜訊基底。超過1000 nm的波長可為有利的，因為在人眼中沒有反應性，且可使用InGaAs偵測器偵測。使用InGaAs偵測器的一個優勢是它們在光纖電信產業中被大量使用，且因此它們的製造成本持續地減少。

在一些範例實施方式中，對於上至基地台的光學通訊，XRID可使用一個波長，且對於下至XRID的通訊，基地台可使用不同的波長。這在其中傳輸器以及接收器共享一些它們的光學路徑的配置中可特別有用、且可對於本地傳輸器以及接收器之間的串音更加敏感。例如，在其中傳輸器以及接收器在XRID中為共軸並共享操縱反射鏡或光學元件的例子中，有其中傳輸光從光學元件或其他表面被反射或散射並結束在接收器的串音路徑。由於接收器門檻值可大約為傳輸啟動功率的1/1,000,000，其不佔用太多串音以使來自鏈路另一端的訊號過負載。一個未塗層的光學表面可反射4％的入射光並以比門檻值高幾個數量級的程度到達接收器。

複數波長也可用以在給定的實體區域中增加XRID的數目。每個XRID可具有一或兩個或更多個指定波長，亦或共享的上鏈以及下鏈波長或一個波長給上鏈以及另一個波長給下鏈、或可選擇性使用的複數波長以降低複數使用者之間的串音或以克服在特定波長的儀器故障。對於複數使用者使用複數波長也是用以降低基地台以及XRID之間的串音的方法。

圖8示出了可如何降低從基地台至XRID的串音的一個範例。這裡，有兩個基地台以B1 800以及B2 808表示，以及兩個XRID H1 804以及H2 814，雖然一般而言這對於任何數目的XRID、基地台以及波長可為真的。B1具有傳輸波長λ2，其由箭頭802指引朝向H1 804。H1 804具有波長λ2的接收器。H1 804具有不同的傳輸波長λ1，其由箭頭806表示由B1 800接收。類似地，B2 808具有傳輸波長λ1，由箭頭810表示由H2 814接收，以及由箭頭812表示H2 814傳輸λ2回到B2 808。這裡的串音機會是在由虛線箭頭818表示的B1 800傳輸器以及B2 808接收器之間、由虛線箭頭816表示的B2 808傳輸器以及B1 800接收器之間、由虛線箭頭820表示的H1 804傳輸器以及H2 814接收器之間、以及由虛線箭頭822表示的H2 814傳輸器以及H1 804接收器之間。然而，由於設置的幾何學，這些情況實體上較不可能發生。對於空間中複數使用者(尤其是如果使用者四處移動)的串音的最可能的例子會是在B1 800與H2 814以及B2 808與H1 804之間。然而，由於這些是在不同的波長上操作，它們之間的串音是最小化的。

在一些範例實施方式中，複數波長可用於使用者至使用者相對於使用者至基地台之間的通訊。這可包括一或更多的波長用於分開的上鏈以及下鏈通訊以及使用者間的通訊。

在一些範例實施方式中，可使用可調諧的雷射以及/或濾波器。在這些例子中，可隨需要指派以及再指派波長。此波長指派可例如藉由設置開關或經由使用者界面來設置在裝置上，或可經由另一個通訊頻道，例如RF、mm波或其他來指派。覆蓋區域

有複數方式以在實體區域上提供光學資料的傳輸。在一些範例實施方式中，每個傳輸器具有由其發射器的發散度所設定的覆蓋範圍。較大的區域則可藉由複數雷射來覆蓋，該複數雷射位於同一位置但指向不同方向、在複數位置、或其某種組合。第9A以及9B圖示出了兩種不同類型的覆蓋區域。在圖9A中，有複數節點900在房間908四處間隔開。每個節點的傳輸器具有轉化為在使用者的906頭的平面中某個覆蓋區域904的發散角902。將節點900間隔開，使得它們的覆蓋區域904稍微重疊，以至於使用者從一個至下一個具有無縫的過渡。在圖9B中，複數節點910位在房間918內相同的區域中。每個節點910指向不同的方向以提供覆蓋區域。每個節點具有轉化為在使用者916的平面中的覆蓋區域914的發散角912。這些設置任一者的優點以及劣勢取決於房間，但所提供的傳輸以及覆蓋範圍在每個例子中是相同的。傳輸器的發散角可由雷射或發射器的內部發散度來設定、或藉由使用例如通常會擴大自然發散度的散光器之類的光學元件來設定、或藉由可增加或減少發散度的透鏡來設定。

在一些範例實施方式中，傳輸鏈路可被配置用以允許給定傳輸器的覆蓋區域內的複數使用者。這些使用者可共享相同資料或它們可要求不同的資料。這可經由分時多工或分波多工來完成。在分時多工中，單一來源的光束攜帶兩個使用者的資訊，但每個使用者分派光束的設定時間部分。這一般降低了每個使用者的頻寬，但也降低了複數傳輸器的需要。在分波多工中，有發射不同波長的複數發射器，且每個個別的使用者具有它們自己的波長頻道。此方法允許使用者存取全頻寬，但在一些例子中可增加傳輸器的複雜性。在一些範例實施方式中，波長可為可調諧的。在一些範例實施方式中，可調諧的雷射可被動態地調整並在不同時間分派至不同的使用者。

圖9A以及圖9B示出了節點900、910被示為分離的盒子，但隨著XR變得更分散，這些盒子可被整合至特定位置的基礎結構中。作為範例，節點可被整合至燈具中，類似於已對於Li-Fi提出的設計。其他位置包括牆、天花板、室內以及室外的網路設備。

圖10示出了用於設置使用者以及基地台之間的通訊的幾個可能選擇。圖10示出了其中單一基地台1002將資料傳輸至兩個使用者1004、1006的例子。這些使用者將接收相同資料、或他們將分時資料 – 一個使用者1004得到上至一半的時隙資料而另一個使用者1006得到上至另一半。圖10B示出了其中有兩個基地台1008、1010以及兩個使用者1012、1014的配置。在此情境中，一個基地台將資料傳輸至一個使用者。如前所述，複數波長可用以降低串音。基地台可追蹤使用者或為固定的、並提供廣覆蓋區域。圖10C示出了其中有單一基地台1016以及兩個使用者1018以及1020的配置。基地台1016將資料傳輸至一個使用者。在一個使用者1018以及另一個使用者1020之間有由1022表示的第二個鏈路。來自基地台1016的資料則經由使用者之間的光學鏈路1022被轉播至第二使用者1020。圖10D示出了其中每個使用者有多於一個基地台的系統。這裡，每個使用者有兩個基地台，基地台1024以及1030都發送資料至使用者1036，且基地台1028以及1032發送資料至使用者1038。每個使用者複數基地台可用以產生更多的覆蓋範圍、在鏈路中具有冗餘、或對於較高的速度可能為多工的、或因此每個基地台可以低速率發送資料。指向

DBFSO系統的其中一個優勢是，它們可與指向以及追蹤系統結合使用，其中與準直光束FSO系統所需的相比，指向以及追蹤系統可有較低成本且低複雜性。DBFSO系統可具有範圍從幾毫弧度上至180度的光束發散度。典型的FSO系統具有100微弧度以下的光束發散度。這直接影響了所需的指向系統。如果光束具有100微弧度的發散度，則馬達系統必須具有至少126,000個位置以覆蓋2π平移（pan）範圍。為了覆蓋2π立體弧度，需要大約629M個不同的位置。在具有2毫弧度的發散度的DBFSO系統中，只需要1.5M個位置以覆蓋2π立體弧度，且如果發散度是34毫弧度（2度），這降至5.4K個位置。指向系統的成本以及複雜性隨必須覆蓋的位置數目而定，所以DBFSO將顯著地降低指向成本。

此節描述了將指向以及追蹤系統整合至DBFSO通訊鏈路中的一些範例實施方式。

在一些範例實施方式中，經由指向的使用將傳輸器或接收器的覆蓋區域增加超過其固有的發散度。雷射或偵測器可具有固有的覆蓋區域，然後使用轉向機制將其橫跨覆蓋區域移動。這可包括平移（水平移動）以及傾斜（垂直移動）或一些其他組的接近直角軸。圖11A、圖11B以及圖11C示出了下列的幾個範例實施方式。

在一些範例實施方式中，基地台（圖11A）1102傳輸器及/或接收器可被指向以隨其移動覆蓋XRID 1104。傳輸器或接收器任一者可不被移動，但可具有較大的固有覆蓋區域。指向光束1108具有小覆蓋區域，但主要在XRID 1104具有靜態較大覆蓋區域1106且不需要指向時被轉向。

在一些範例實施方式（圖11B）中，XRID 1112傳輸器及/或接收器可被指向1116以隨著XRID 1112移動時與基地台1110維持校準。傳輸器或接收器任一者可不被移動，但可具有較大的固有覆蓋區域。基地台1110也可具有較大的覆蓋區域1114且不需要指向。

在一些範例實施方式（圖11C）中，將有在基地台1118以及XRID 1120上的指向。這裡，基地台1118指向是由1122表示，且XRID 1120指向是由1124表示。再次地，在任一基地台1118或XRID 1120上的任一傳輸器或接收器可不被移動，但可具有較大的固有覆蓋區域。

在一些範例實施方式中，可藉由移動傳輸器及/或接收器前的透鏡來實施指向。圖12示出了其中雷射1200發射出由透鏡1204聚焦 成軸上發散光束(on-axis diverging beam)的光的這種實施方式。如果透鏡1206被偏離軸移動，這導致來自雷射陣列1202的光被轉向1210。在一些範例實施方式中，可藉由控制指向傳輸器及/或接收器的液態透鏡來實施指向。此實施方式的可能範例示於圖12B中，其中雷射陣列1212發射出到達液態透鏡1214的光。透鏡可將光束聚焦成發散標稱光束(diverging nominal beam)1222、或其可將光束聚焦成更準直或更發散的光束1224、或其可將光束1220轉向、或其任何組合。

在一些範例實施方式中，可藉由空間光調變器（SLM）或微變形反射鏡裝置（DMD）來實施指向。此實施方式的範例示於圖12C中。雷射陣列1216發射到達SLM或DMD 1218的光。SLM或DMD可聚焦光束1230、或從標準標稱光束1228將光束1226轉向。

在一些範例實施方式中，可藉由移動傳輸器及/或接收器前的反射鏡來實施指向。一個這種實施方式的範例示於圖13A中。藉由反射鏡1306將來自傳輸器（TX）1300的光轉向。反射鏡1306是在具有二維轉向能力的平移台1304以及斜軸點1308的底座上。類似地，光經由也具有平移台1314以及斜軸點1310的反射鏡1312被引導至接收器（RX）1302中。這些反射鏡具有它們可轉向的有限範圍，因為它們是單面鏡。

另一個轉向實施方式牽涉了分開的平移以及傾斜台。這裡，例如，TX 1316以及RX 1318都坐落在相同的反射鏡（反射鏡＃1）1320之後，該反射鏡1320傾斜了傳輸光束以及接收光束兩者。有另一個反射鏡（反射鏡＃2）1324，其在以垂直方向旋轉並類似地將兩種光束轉向的平移底座1326上。

在一些範例實施方式中，反射鏡可為雙面的。反射鏡可繞著與傳輸器及/或接收器的光學中心校直的軸旋轉。反射鏡可繞著垂直於光學軸的軸傾斜。可有一個反射鏡用於傳輸器。可有一個反射鏡用於接收器。可有一個反射鏡用於傳輸器以及接收器兩者。在此例子中，傳輸器以及接收器則可由分光鏡濾波器分開，其中傳輸器具有一個波長以及接收器具有第二個波長。或傳輸器以及接收器可由功率束分離器分開。或傳輸器以及接收器可由極化束分路器分開。

一個這種實施方式的範例示於圖13B中。來自雷射1328的光筆直地行進穿過分光光束分離器1336，由透鏡1338聚焦，然後由雙面反射鏡1340轉向。類似地，來自另一個TX（具有不同的波長）到達轉向反射鏡1340，並由透鏡1338聚焦通過分光鏡1336，並選擇穿過帶通濾波器1332的垂直路徑，且最後到達偵測器1330。長通濾波器（LP濾波器）1334被放置在與透鏡1338相鄰，以過濾掉過多的背景光。雙面反射鏡1340可將光轉向如1341以及1340所示的方向、或例如在1342中完全不能轉向。

圖13C示出了三種不同的可能反射鏡配置以及每個如何導致不同的光束轉向情況，雖然應了解的是，可使用其他的指向配置或實施方式。第一個例子是當反射鏡1344與傳輸光束1346平行時。在此例子中，反射鏡不阻斷傳輸光束1346或以任何方式使它轉向，所以所產生的光最後遵行其標稱路徑至接收器側1348。在另一個例子中，反射鏡1350使光束1352轉向，但只有部分的光束到達反射鏡1348上並被轉向。其他部分的光束1354略過反射鏡1348並繼續在原本的路徑1346上。而另一個例子是當整個光束1358到達反射鏡1356上並被轉向。則沒有在原本方向中的光。追蹤

在一些範例實施方式中，將有回饋機制以隨著使用者區域內的XRID移動來允許終點（基地台或XRID）追蹤其他終點（XRID或基地台）的位置。

追蹤的一些範例實施方式可使用一或更多的相機。可在視野覆蓋XRID可能位於的區域的空間中的任何地方設置相機。影像辨識可用以確定XRID或使用者在空間中的位置，以及將資料回饋回傳輸器以用於指向。其他範例實施方式可使用LED或其他光源。光源可在特定波長或可以已知頻率閃爍。不同的基地台或XRID可以不同的頻率閃爍以允許識別。閃爍也可用以轉播其他資訊。

圖14示出了追蹤系統的範例。基地台1404包含傳輸/接收對（TX RX）1406、相機1408以及馬達1414。所發射的光束1412具有用於使用者的XRID 1410的某個小覆蓋區域。相機1408將影像送回處理器1402，其將以整合或分開的軟體執行影像辨識1400。來自影像辨識1400的回饋然後被送至馬達1414以調整光束操縱。

在一些範例實施方式中，追蹤系統可使用四元偵測器（或四個分開的偵測器）。在此範例實施方式中，如果使用者直接指向來源，來自鏈路另一端的光學訊號將在四元或四個偵測器上被平均地平衡。如果在偵測器的訊號有不平衡，那個資料可被回饋至傳輸器，以至於其可被重新指向。可以某個頻率調變光學訊號以允許識別、以傳輸資訊、或以降低功率消耗。

這個的範例示於圖15A中。基地台1500接收來自在使用者的XRID 1514上的LED 1512的光。透鏡1510將此聚焦在四元偵測器1502上。四元偵測器1516的每個元件由檔板1530分開。在每個偵測器上的訊號強度可用以計算LED的位置。例如，在垂直方向中，從偵測器＃1減去偵測器＃3以給出用於在此方向上移動的正或負值。類似地，從偵測器＃2減去偵測器＃4以確定水平方向上的不平衡。處理器1504計算這些值以及所需的調整方向，並將它們回饋到馬達1506中，然後該馬達1506用以操縱TX以及RX 1508。

一些範例實施方式可使用3個偵測器。這些範例實施方式遵從與四元偵測器例子的相同概念，但在3個偵測器之間平衡訊號。如先前範例實施方式中，可在某個頻率上調變光學訊號以允許識別、以傳輸資訊、或以降低功率消耗。

此範例實施方式的範例示於圖15B中，其中3個偵測器陣列1518的每個元件是由檔板1520分開。在此例子中，其中每個偵測器覆蓋120度；以下述方式從四元偵測器的例子修飾用於決定方向的等式。在垂直方向中，從＃1減去偵測器＃2以及＃3的平均。在水平方向中，從偵測器＃2減去偵測器＃3。

追蹤的一些範例實施方式可使用RF。這些範例實施方式使用GPS或其他位置資料，並將那個資訊送回至傳輸器以用於重新指向。此範例實施方式的範例示於圖15C中。基地台1522使用GPS晶片1526以及RF通訊1524來追蹤XRID 1528的位置。調變方案

在一些範例實施方式中，可使用脈衝振幅調變（PAM）在光束上編碼資料。在一些範例實施方式中，存在使用不同等級來編碼多份資訊的複數振幅等級。也可改變相位以增加所代表的資訊量。

PAM的一個範例實施方式是開/關鍵控（On/Off keying ，OOK），其中數位資料由雷射被打開1以及關閉0代表。這是具有明確實施方式的相對簡單的調變方案。其需要來自雷射的50/50工作週期，且平均而言可能比其他調變方案消耗更多功率。OOK的一個特徵是，偶爾雷射會開或關很長一段時間。一些範例實施方式可使用攪亂器/解擾器來最小化連續1或0的數量，即雷射開或關的時間量。這也可想成是限制調變的最低頻率。

在圖16A中描繪出了OOK的範例。這裡，每個時間單元都有一個脈衝或沒有脈衝，表示「1」或「0」。所示出的脈衝可為一位元週期長1600、或2位元週期長1602、三位元週期1604或更多，但平均而言，有相等數目的0以及1。位元週期與單一脈衝一樣長，其是由調變器、雷射以及傳輸印刷電路板的速度所決定。

在一些範例實施方式中，可使用脈衝位置調變（PPM）或其變化來編碼資料。在一些版本的PPM中，時間被劃分成分離的訊框，訊框然後被進一步劃分成區段（bin）。在每個訊框中，在其中一個區段中將有一個光脈衝。訊框典型地被設置為具有2^N個時間區段，且以至於每個訊框編碼N個位元的資訊。例如，訊框可具有8個時間區段。在每個訊框中，8個區段的其中之一在其中將具有一個光脈衝。然後訊框可接受從1至8的值或3位元的資料。一般而言，工作週期越低，PPM的功率需求越低，相對於OOK其SNR越高，但在標準PPM設置中有頻道頻寬的取捨。在這些應用（XR）中這可為有利的，因為系統需要對眼睛安全、並具有大角度覆蓋範圍。

圖16B示出了PPM的範例。這裡，每個訊框1606、1620、1622是由4個時間區段1608構成。脈衝被指派至每個訊框中的其中一個區段。此特定設置編碼了每個訊框兩個位元的資訊，但對於總頻寬為OOK系統總頻寬的½，具有OOK速度的¼。

在PPM的一些範例實施方式中，一或更多的保護區段可被加至每個訊框。這在其中雷射（以及調變器）的上升時間比整體脈衝持續時間短的例子中特別有用。作為範例，調變器與雷射的一些組合可具有300 ps的上升時間，但具有700 MHz或1 ns的整體頻寬（以及因此最小的脈衝寬度）。使用具有8個區段訊框的標準PPM，最大資料速率會是1 Gbps *3 /8 = 375 Mbps。然而，如果區段寬度是333 ps（非常接近上升時間）且在訊框的末端有2個保護區段（以防萬一脈衝在最後一個時間區段中下降），資料速率現在是10個區段中3位元或900 Mbps。這可在橫跨一範圍的區段、訊框、以及保護區段大小中使用，以最佳化資料通量以及用於各種噪音條件的SNR。

圖16C示出了具有保護區段1614的PPM版本。這裡，再次地，時間被劃分成訊框1612、1614、1626，每個訊框具有4個時間區段1610以及一個保護區段1614。在第一訊框1612中，脈衝在第二時間區段中上升，並在第三區段中下降，所以與下一個訊框沒有干擾。在第二訊框1624以及第三訊框1626中，在第二訊框1624中的脈衝1616在保護區段中下降，而在第三訊框中的脈衝1618在第一時間區段中上升。保護區段作為保持此脈衝不會在時間上重疊並造成資料流中的錯誤。整合的光學以及無線

一些範例實施方式可具有光學無線以及其他無線技術的組合的通訊鏈路。例如，至XRID的下鏈可為散光柱光學，而上鏈是RF（藍芽、Wi-Fi或其他）。在另一個範例實施方式中，下鏈會是光學以及RF無線兩者，且上鏈會是RF無線。在另一個範例實施方式中，下鏈以及上鏈都會是光學以及RF無線兩者。

圖17示出了光學無線以及其他無線技術的一些可能組合。在一些例子中，基地台1700經由光學無線傳遞至XRID 1702，以及XRID 1702以RF鏈路1706傳遞回基地台1700。基地台1708以及XRID 1710對於下鏈1712以及上鏈1714兩者也可僅使用光學無線通訊。基地台1716以及XRID 1718可使用RF以及光學通訊。這裡，XRID 1718具有至基地台的光學鏈路1722以及RF 1724兩者，以及基地台具有至XRID的光學鏈路1729以及RF鏈路1726兩者。最後，基地台1728可在RF鏈路上將資料發送至XRID 1730，以及XRID 1730可以以光學鏈路1732將資料發送至基地台1728。XRID 位置以及定向

在許多XR系統中，知道XRID的位置與定向以及所發生的任何改變是很重要的。此資訊可用以產生或修飾發送至XRID用於視訊顯示、音訊或其他的資訊。在一些範例實施方式中，系統也可具有能力以提供XRID相對於一或更多的基地台或某個其他位置的位置以及定向。這將稱為整合追蹤。此可藉由用於在基地台以及XRID之間通訊的一些或所有相同的硬體來完成。這是外加在由其他硬體所產生並然後由光學鏈路上行傳輸或下行傳輸的位置以及定向資訊之外。

位置的飛行時間–在一些範例實施方式中，可使用來自光脈衝的飛行時間資訊來計算XRID相對於基地台的位置。這些脈衝可為與用於通訊相同的脈衝，或它們可為特別用於定位XRID的不同脈衝。在空氣中，光每奈秒行進~0.3公尺（30 cm）（基於在真空中3.0 x 10^8 m/秒的光速）。如果接收器具有100微微秒的解析度，則距離解析度是3 cm，如果在10微微秒解析度，則距離解析度是0.3 cm或3 mm。

系統可藉由計算從基地台至XRID的飛行時間來確定位置。在其他範例實施方式中，其可使用從XRID至基地台的飛行時間。在另一個範例實施方式中，其可使用從基地台至XRID的飛行時間、在XRID中的處理時間以及回到基地台的飛行時間（或反之亦然）。在所有的這些範例實施方式中，可能需要同步化的時鐘以能夠有脈衝啟動及/或到達任一鏈路需求（即基地台或XRID）的精確時間。

圖18示出了使用三個基地台1800、1802、1804在一個空間中使用飛行時間資訊以定位XRID 1812的範例。每個基地台1800、1802以及1804分別發送光學脈衝1806、1808以及1810至XRID 1812，其發送光學脈衝1806、1808以及1810回基地台。使用來自每個基地台1800、1802、1804的飛行時間允許它們在房間或空間中追蹤XRID 1812。複數使用者

XRID至XRID – 在一些範例實施方式中，XRID可直接與其他XRID通訊。圖19A示出了與在其覆蓋區域1908內的XRID 1902 通訊的基地台 1900。對於使用覆蓋區域的範例實施方式，如果第二XRID 1904是在第一XRID 1902的覆蓋區域中，它們可使用光學鏈路與彼此直接通訊。此通訊可與一或更多的基地台的通訊同時發生。對於使用指向系統的範例實施方式，兩個XRID可將它們的收發器指向彼此，以與另一個XRID光學通訊。

在一些範例實施方式中，第一XRID 1902可作為第二XRID 1904以及基地台1900之間的中繼。也就是說，XRID 2 1904可經由光學或其他鏈路1906將資訊發送至XRID 1 1902，以及XRID 1 1902可或可不對資料進行一些處理，然後將資料傳輸至基地台1900。來自基地台1900的資料跟隨著反向路徑以經由XRID 1 1902回到XRID 2 1904。

在一些範例實施方式中，每個使用者可具有與它們的XRID通訊的分開的基地台。

在一些範例實施方式中，可有一個基地台使用分時多工或分波多工來與多於一個使用者通訊。

在一些範例實施方式中，可有一個基地台與一個使用者通訊以及經由第一使用者對第二使用者通訊資訊的XRID至XRID鏈路。在此例子中，第二使用者不會需要在基地台的視野內。

在一些範例實施方式中，對於一或更多的使用者，每個使用者可有多於一個基地台。

在一些範例實施方式中，通訊可如1906中只發生在XRID之間，而沒有至基地台的通訊。

在一些範例實施方式中，XRID可被配置用以只允許1906中的這種通訊，且用以防止與外方的通訊或由外方得知通訊1906正在發生。

在一些範例實施方式中，已知的訊號處理技術，例如TDMA、CDMA、FDMA以及PDMA或它們的組合，可用以確保通訊不可在意欲的1906鏈路之外偵測到。

圖19B示出了對於單一使用者1916具有多於一個基地台1908、1910的範例。使用者1916是在基地台1908的覆蓋區域1912以及基地台1910的覆蓋區域1914內。

在一些範例實施方式中，XRID也可使用RF鏈路與彼此直接通訊。這些鏈路可為藍芽、Wi-Fi、無線千兆聯盟（WiGig）或其他頻率或傳輸協定。整合程度

在一些範例實施方式中，鏈路將介接至其他製造商的XRID以及基地台以及/或電腦。電連接可為標準介面，例如HDMI、USB、音訊（類比或數位）、乙太網路或其他。可將鏈路的基地台側安裝至三角架、牆壁或其他固定位置。

鏈路的XRID側將附接至XRID並提供I/O給XRID。I/O連接可介接至不同的纜線，或可將纜線整合至鏈路的XRID側中。對於不同的XRID製造商可有不同的實施方式。這些變化可包括附接至特定XRID所需的實體介面及/或基於特定XRID的I/O的不同電/電子I/O。鏈路可由XRID供電或可具有分開的電池。可將此電池整合至鏈路的XRID側或可分開並由一或更多條電線連接。可將此電池設計成扣至使用者的皮帶、褲子或其他上。

圖20A示出了XRID 2000的範例，其中光學鏈路模組2008被附接至用於USB 2004、HDMI 2002的帶子及纜線、以及其他纜線或連接，例如在光學鏈路模組2008以及XRID 2002之間行進的音訊2006。

在一些範例實施方式中，可將基地台以及/或XRID緊密地整合至系統的其餘部分中。可將它們製造成一個裝置。整合系統可完全由8 Rivers設計或建造，或與由我們設計的部件一起使用來自其他供應商的組件以及許可的智慧財產。

特別地，XRID可為由單一製造商設計以及建造的一個整合單元。最少，這會包括將從基地台接收資訊、格式化資訊並以及顯示視訊的至少一個視訊顯示器以及光學下鏈。XRID也可包括額外的顯示器、相機、音訊喇叭、麥克風、位置感測器、定向感測器、位置信標（LED、光等等）、光學上鏈、RF下鏈、RF上鏈（其中RF覆蓋了MHz至500 GHz）、觸覺感測器、觸覺回饋、化學感測器、化學產生器、身體感測器（眼睛追蹤、心率、血壓、脈衝式血氧濃度器、溫度、腦波以及其他）以及其他。

圖20B示出了XRID 2010，其中光學鏈路 2012被整合至實體XRID中而非為例如圖20A中光學鏈路模組中的單獨模組。遠端連接

除了範例實施方式之外，其中鏈路主要將XRID連接至基地台，有其中XRID連接至在其他位置中的其他裝置的範例實施方式。有例子是，其中基地台則是連接至本地PC。此連接可經由電線連接、光纖連接或散光柱無線連接。

連接至網際網路 – 在一些其他的範例實施方式中，基地台可直接連接至網際網路。此連接可經由電線連接、RF無線連接、光纖連接、散光柱無線連接、衛星連接或一些其他連接。

連接至雲端 – 在一些範例實施方式中，XRID可連接以在雲端中的處理實體。此處理器可產生一些或所有由XRID所使用的AR/MR/VR資料。此處理器可使用一些由XRID產生的資料。此處理器可位在任何地方。從基地台連接至處理器可經由電線連接、RF無線連接、光纖連接、散光柱無線連接、衛星連接或一些其他連接。

圖21A示出了經由光學鏈路2104與XRID 2106但也與雲端2100通訊的基地台2102的範例。

使用者至使用者（任何地方） – XRID可經由中間網路連接至另一個XRID。此網路可從一個XRID將資訊直接傳輸至另一個XRID，在過程中有最少的處理或沒有處理。也就是說，兩個XRID可與彼此通訊而在之間不使用另一個處理。此路徑可包括在基地台中的處理或可單純使用基地台作為管道以傳輸資訊。在這裡處理意指產生或修飾在XRID之間傳遞的資訊。

圖21B示出了一個XRID 2112經由網路2108連接至另一個XRID 2125的範例。第一XRID 2112具有至基地台2110的光學鏈路2114，基地台2110經由鏈路2116連接至網路。網路也連接2118至不同的基地台2120，其經由光學鏈路2122連接至XRID 2124。

其中XRID連接回控制網路的伺服器的配置也是可能的。在圖21C中示出了一個這種範例，其中XRID 2134是經由光學鏈路2138連接至基地台2132。基地台是經由鏈路2136連接至網路2126，網路2126最終經由典型為有線鏈路的鏈路2130連接回伺服器2128。

本領域的技術人員將想到本文中所提出的本揭露內容的許多修飾以及其他實施方式，附屬於本揭露內容的這些揭露內容具有在前述描述與相關圖式中所呈現的教導的好處。因此，也要了解的是，本揭露內容不限於所揭露的特定實施方式，且修飾以及其他實施方式是意欲被包括在所附申請專利範圍的範圍內。此外，雖然前述的描述以及相關圖式在元件及/或功能的某些範例組合的上下文中描述了範例實施方式，應領略的是，可由替代的實施方式提供元件及/或功能的不同組合，而不悖離所附申請專利範圍的範圍。在這方面，例如，那些上述明確描述之外的元件及/或功能的不同組合也被考慮為可在一些所附的申請專利範圍中提出。雖然在本文中使用了特定的用語，它們只是以通稱且描述的概念來使用，且非為了限制的目的。

DBFSO:散光柱自由空間光學 DMD:微變形反射鏡裝置 FSO:傳統自由空間光學 OOK:開/關鍵控（On/Off keying） PPM:脈衝位置調變 SLM:空間光調變器 λ1、λ2:傳輸波長 200、210、220、230、900、910:節點 202、212、222、234:傳輸器（TX） 204、214、224、232:接收器（RX） 206、216:發散光束 208、218:廣視野 236、228:非常窄的視野 302:頭帶 304:眼鏡 306:耳部元件 310:收發器單元 312:收發器 402、408:六角形元件構成的蜂巢 404:八角形以及方形組合 406:圓形元件 410:電子元件 412:八角形元件 500、1200、1328:雷射 502、1330:偵測器 504:濾波器 506、1336:分光鏡 508:聚焦透鏡 510、1334、1332:長通濾波器（LP濾波器） 512:雷射波長 514:帶通濾波器波長 600、602、604:調變器 606、608、610:資料源 612、700、1202:雷射陣列 614、706、1204、1206、1338、1510:透鏡 702:擴展來源 704:散光器 712:眼睛 714:擴展光斑 716:角度α 720:距離（L） 800:基地台（B1） 802、806、810、812:箭頭 804:XRID H1 808:基地台（B2） 814:XRID H2 816、818、820、822:虛線箭頭 902、912:發散角 904、914、1908、1912、1914:覆蓋區域 906、916、1004、1006、1012、1014、1018、1020、1036、1038:使用者 908、918:房間 1002、1008、1010、1016、1024、1028、1030、1032、1102、1110、1118、1404、1500、1522、1700、1708、1716、1728、1800、1802、1804、1900、1910、2102、2110、2120、2132:基地台 1022、1722、1732、2012、2104、2114、2122、2138:光學鏈路 1104、1112、1120、1410、1514、1528、1702、1710、1718、1730、1812、1902、1904、2000、2010、2106、2112、2124、2134:延伸實境沉浸裝置（XRID） 1214:液態透鏡 1222、1228:標稱光束 1230:聚焦光束 1300、1316:傳輸器（TX） 1302、1318:接收器（RX） 1304、1314:平移台 1306、1312、1320、1324、1344、1348、1350、1356:反射鏡 1308、1310:斜軸點 1326:平移底座 1340:雙面反射鏡 1346:傳輸光束 1352、1354、1358、1412:光束 1400:影像辨識 1402、1504:處理器 1406:傳輸/接收對（TX RX） 1408:相機 1414、1506:馬達 1502、1516:四元偵測器 1512:LED 1520、1530:檔板 1508:TX以及RX 1518:3個偵測器陣列 1524:RF通訊 1526:GPS晶片 1600:一位元週期長 1602:2位元週期長 1604:三位元週期 1606、1620、1622:訊框 1608、1610:時間區段 1612:第一訊框 1614:保護區段 1616、1618:脈衝 1624:第二訊框 1626:第三訊框 1706:RF鏈路 1712:下鏈 1714:上鏈 1724:RF（射頻） 1726:RF鏈路 1806、1808、1810:光學脈衝 1906:光學或其他鏈路 2002:HDMI 2004:USB 2006:音訊 2008:光學鏈路模組 2100:雲端 2108、2126:網路 2116、2130、2136:鏈路 2118:連接 2128:伺服器

在前述的概述中已因此描述了本揭露內容，現在將參照不一定按比例繪出的附圖，且其中： 圖1示例了根據先前技術的光學收發器系統； 圖2示例了根據本揭露內容各種範例實施方式的散光柱自由空間光學（DBFSO）系統以及傳統自由空間光學（FSO）系統； 圖3示例了根據各種範例實施方式的延伸實境沉浸裝置（XRID）的可能類型； 根據各種範例實施方式，圖4示例了偵測器陣列的各種可能配置； 根據各種範例實施方式，圖5示例了使用濾波器的組合傳輸以及接收系統； 根據各種範例實施方式，圖6示例了VCSEL（垂直腔表面發射雷射）元件的陣列； 根據各種範例實施方式，圖7示例了包括散光器的光學通訊系統； 根據各種範例實施方式，圖8示例了可如何降低從基地台至XRID的串音； 根據各種範例實施方式，圖9A以及圖9B示例了兩種不同的類型的覆蓋範圍區域； 根據各種範例實施方式，圖10A、圖10B、圖10C以及圖10D示例了用於在使用者以及基地台之間設置通訊的數個可能選擇； 根據各種範例實施方式，圖11A、圖11B以及圖11C示例了基地台或XRID任一者或兩者的指向； 根據各種範例，圖12A、圖12B以及圖12C示例了可如何實施指向； 根據其他範例，圖13A、圖13B以及圖13C示例了可如何實施指向； 根據各種範例實施方式，圖14示例了所追蹤的系統； 根據各種範例，圖15A、圖15B以及圖15C示例了可如何實施追蹤； 根據各種範例實施方式，圖16A、圖16B以及圖16C示例了調變方案； 根據各種範例實施方式，圖17示例了光學無線以及其他無線技術的一些可能組合； 根據各種範例實施方式，圖18示例了使用飛行時間資訊以定位XRID； 根據各種範例實施方式，圖19A以及19B圖各自示例了XRID至XRID通訊，以及針對單一使用者具有超過一個基地台； 根據各種範例實施方式，圖20A以及圖20B各自示例了具有光學鏈路模組的XRID，以及具有整合光學鏈路的XRID；以及 根據各種範例實施方式，圖21A、圖21B以及圖21C示例了其中一個或更多個基地台連接至網路或雲端的範例。

λ1、λ2:傳輸波長

800:基地台(B1)

802、806、810、812:箭頭

804:XRID H1

808:基地台(B2)

814:XRID H2

816、818、820、822:虛線箭頭

Claims (25)

1. 一種光學通訊系統，包含： 一基地台，包括一光學傳輸器組，該光學傳輸器組被配置以將一電訊號轉換成一光束、以及在自由空間中、未準直並以大於0.1度的一發散角發射該光束；以及 一延伸實境沉浸裝置（XRID），該XRID包括： 具有大於0.1度的一受光角的一光學接收器組，該光學接收器被配置以偵測自由空間中的該光束、將該光束轉換成一相對應的電訊號、以及再現由該相對應的電訊號所攜帶的資訊；以及 被配置用以呈現該資訊的一抬頭顯示器。
2. 如請求項1所述的光學通訊系統，其中該光學通訊系統包含包括該XRID的複數XRID，以及該光學接收器組被配置以在具有被指派至該光學通訊系統中的該XRID的一特定波長的一通訊頻道上偵測該光束，該特定波長與被指派至該複數XRID的其他XRID的其他特定波長不同。
3. 如請求項1所述的光學通訊系統，其中該光學通訊系統包含包括該XRID的複數XRID，以及該光束被分時多工以服務該複數XRID。
4. 如請求項1所述的光學通訊系統，其中光學通訊系統包含包括該基地台的複數基地台、以及包括該XRID的複數XRID，該複數基地台被指派至該複數XRID的各自一個， 其中該光學接收器組被配置以在該XRID以及被指派至該XRID的該基地台之間的一通訊頻道上偵測該光束。
5. 如請求項1所述的光學通訊系統，其中光學接收器組被配置用以在該XRID以及該基地台之間的一通訊頻道上偵測該光束，以及 其中該光學通訊系統更包含另一個XRID，以及該XRID更包含被配置為以該資訊編碼一電訊號、將該電訊號轉換成一相對應的光束、以及在該XRID以及該另一個XRID之間的另一個通訊頻道上在自由空間中發射該相對應的光束的一光學傳輸器組，該XRID由此被配置以從基地台轉播該資訊至該另一個XRID。
6. 如請求項1所述的光學通訊系統，其中該基地台包括被配置以讓該光學傳輸器組指向該XRID的一方向的一指向系統。
7. 如請求項1所述的光學通訊系統，其中該基地台更包括被配置以隨著該XRID移動來追蹤該XRID的一追蹤系統，該指向系統被配置以讓該光學傳輸器組指向被追蹤的該XRID的該方向。
8. 如請求項1所述的光學通訊系統，其中該XRID包括被配置以讓該光學接收器組指向該基地台的一方向的一指向系統。
9. 如請求項1所述的光學通訊系統，其中該XRID更包括被配置以隨著該XRID移動來追蹤該基地台的一追蹤系統，該指向系統被配置以讓該光學接收器組指向被追蹤的該基地台的該方向。
10. 如請求項1所述的光學通訊系統，其中該資訊是由該電訊號所攜帶，以及由此也由從該基地台至該XRID的該光束所攜帶，以及 其中該基地台被配置以追蹤該XRID的一位置以及定向，以及基於該XRID的該位置以及該定向來產生或修飾由該光束所攜帶的該資訊。
11. 一種延伸實境沉浸裝置（XRID），包含： 具有大於0.1度的一受光角的一光學接收器組，該光學接收器被配置以在自由空間中偵測一光束、將該光束轉換成一相對應的電訊號、以及再現由該相對應的電訊號所攜帶的資訊；以及 被配置用以呈現該資訊的一抬頭顯示器。
12. 如請求項11所述的XRID，其中該光學接收器組包括被配置以提供上至2π立體弧度的覆蓋範圍的至少一光學偵測器陣列。
13. 如請求項11所述的XRID，其中該光學接收器組包括至少一共面光學偵測器陣列。
14. 如請求項11所述的XRID，其中該光學接收器組包括一長通濾波器以及一光學偵測器，該長通濾波器被配置用以抑制來自該光束的至少一些可見光以及紫外光，以及該光學偵測器被配置用以偵測被過濾的該光束。
15. 如請求項14項所述的XRID，其中該光學接收器組更包括在該長通濾波器以及該光學偵測器之間的一帶通濾波器，該帶通濾波器被配置用以進一步過濾該光束。
16. 如請求項11所述的XRID，更包含： 一光學傳輸器組，其被配置以將一電訊號轉換成一相對應的光束，以及在自由空間中、未準直並以大於0.1度的一發散角發射該相對應的光束。
17. 如請求項16所述的XRID，其中該光學傳輸器組包括一雷射以及一長通濾波器，該雷射被配置以發射該相對應的光束，以及該長通濾波器被配置以抑制來自該相對應的光束的至少一些可見光以及紫外光。
18. 如請求項17所述的XRID，其中該光學接收器組以及該光學傳輸器組在一配置中被組合，該配置更包括被配置以傳遞該相對應的光束的一分光鏡，該長通濾波器被配置以抑制來自被傳遞的該相對應的光束的至少一些可見光以及紫外光，以及 其中該光學接收器組包括一光學偵測器、被配置以抑制來自該光束的至少一些可見光以及紫外光的該長通濾波器、被配置以反射被過濾的該光束至該光學偵測器的該分光鏡、以及被配置以偵測由該分光鏡反射的該光束的該光學偵測器。
19. 如請求項16所述的XRID，其中該光學傳輸器組包括被配置以提供至少2π立體弧度的覆蓋範圍的至少一雷射陣列。
20. 如請求項16所述的XRID，其中該光學傳輸器組包括至少一共面雷射陣列。
21. 如請求項16所述的XRID，其中該光學傳輸器組包括被配置以利用因此由該電訊號所攜帶的資訊來調變該電訊號的複數調變器，該複數調變器被配置以共享一總電流。
22. 如請求項16所述的XRID，其中該光學傳輸器組包括被配置以擴散該相對應的光束的一散光器。
23. 如請求項16所述的XRID，其中該光學接收器組被配置以在具有一特定波長的一下鏈通訊頻道上偵測該光束，以及該光學傳輸器組被配置以在具有另一個不同特定波長的一上鏈通訊頻道上發射該相對應的光束。
24. 如請求項11所述的XRID，其中該相對應的電訊號是使用脈衝振幅調變（PAM）或脈衝位置調變（PPM）以該資訊編碼，以及該光學接收器組被配置用以使用該PAM或PPM來再現該資訊。
25. 如請求項11所述的XRID，其中該光學接收器組被配置用以在具有一特定波長的一下鏈通訊頻道上偵測該光束，以及 其中該XRID更包含一無線電傳輸器組，該無線電傳輸器組被配置以將一電訊號轉換成一相對應的無線電訊號、以及在一上鏈通訊頻道上傳輸該相對應的無線電訊號。

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