專利名稱：在無線光通訊中用于跟蹤對準(zhǔn)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光通訊，尤其涉及光通訊系統(tǒng)中用于跟蹤對準(zhǔn)的方法和裝置。
基于光的無線收發(fā)機(jī)系統(tǒng)在通訊領(lǐng)域提供了革命性的進(jìn)步。這種系統(tǒng)已經(jīng)變得越來越普遍并且已經(jīng)用于許多實(shí)際的應(yīng)用中。例如，光通訊用于數(shù)據(jù)收集功能如電視會議、電子郵件、傳真、電視、數(shù)字無線電通訊和各種網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。光系統(tǒng)的普及可以歸功于它們的許多有益的特征。光系統(tǒng)是無線的；這樣，實(shí)際的安裝是相當(dāng)簡單的。與其他類型的無線通訊有關(guān)的噪聲和干擾問題隨著光系統(tǒng)的出現(xiàn)而被基本上消除。用于大多數(shù)光系統(tǒng)的總的功率消耗是比較低的。這些和其他好處使得無線光學(xué)成為越來越普及的通訊技術(shù)。
現(xiàn)有的無線光系統(tǒng)的一個缺點(diǎn)是要求發(fā)射源要相當(dāng)?shù)貙?zhǔn)接收源。沒有相當(dāng)?shù)貙?zhǔn)，光接收機(jī)不能有效地測定光束以完成數(shù)據(jù)恢復(fù)。在實(shí)際的電噪聲干擾光接收機(jī)的環(huán)境中這個問題被惡化。當(dāng)事實(shí)上沒有任何發(fā)射時這種干擾可能錯誤地觸發(fā)系統(tǒng)以識別一個光束。相反，使用硬件連接的系統(tǒng)如光纖系統(tǒng)不要求發(fā)射機(jī)-接收機(jī)對準(zhǔn)。發(fā)射波簡單地跟隨著導(dǎo)線的外形或其他的傳輸介質(zhì)直到到達(dá)接收機(jī)。
然而，一個具有非常有效的校正機(jī)構(gòu)的無線光接收系統(tǒng)使得對準(zhǔn)的問題減至最小，同時保留了相關(guān)于無線光通訊的保持的實(shí)際的好處。
同時為了最大的效率，最好是實(shí)現(xiàn)一個能夠有效地處理低能量光束的光學(xué)系統(tǒng)。擁有這樣的一個系統(tǒng)，低功率光信號可以被發(fā)射和在接收端譯碼使得在處理中消耗最少量的能量。
為了完成這些任務(wù)，一個光通訊系統(tǒng)必須能夠自動地重新對準(zhǔn)無論什么原因變得不對準(zhǔn)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。然而，當(dāng)前的技術(shù)要求使用多個接收單元用于接收機(jī)重新對準(zhǔn)和數(shù)據(jù)收集。多個單元的使用連同其他東西一起增加了成本和功率消耗同時降低了整個系統(tǒng)的效率。
作為一種說明，一個現(xiàn)有技術(shù)的光接收通訊系統(tǒng)使用一個定位在光發(fā)射機(jī)的視距中的單獨(dú)的象限傳感器，以檢測和校正對準(zhǔn)誤差。該系統(tǒng)還使用一個會聚透鏡以投射接收的光束到一個光電二極管用于數(shù)據(jù)的恢復(fù)。不利的是，這種方法要求至少三個不同的單元(一個象限傳感器、一個會聚透鏡和一個光電二極管)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的光接收機(jī)。這樣，要求多個光接收單元以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)和定向精確的跟蹤，這使接收系統(tǒng)復(fù)雜了并增加了接收系統(tǒng)的成本。這個系統(tǒng)的另一個缺點(diǎn)是它對發(fā)射的光功率的低效率的使用。特別是，在測定了發(fā)射光束的對準(zhǔn)精確度之后，則象限傳感器必須允許光子束經(jīng)過傳感器到第二個裝置(會聚透鏡和光電二極管)用于數(shù)據(jù)恢復(fù)。發(fā)射光束必須包含足夠的信號功率以使光束能夠經(jīng)過象限傳感器中的一個小孔徑通過足夠的光子到達(dá)光電二極管。這種現(xiàn)有技術(shù)配置實(shí)際限制在最小可實(shí)現(xiàn)的發(fā)射信號功率上。盡管在本討論中忽略了這種現(xiàn)有技術(shù)方法的其他缺點(diǎn)，它們對于本領(lǐng)域的專業(yè)人員將是明顯的。
因此本發(fā)明的一個目的是提供一個更簡單的、緊湊的和增強(qiáng)的方法和裝置用于處理接收的光信號。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種使用一個單個的光接收單元的方法和裝置以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)功能和跟蹤精確度測定。
本發(fā)明還有一個目的是提供一種比現(xiàn)有的系統(tǒng)要求更少功率消耗的更有效的光通訊系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的原理通過提供一種使用一個單個陣列傳感器以接收發(fā)射的數(shù)據(jù)并確定跟蹤精確度的方法和裝置來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的這些和其他的目的。陣列傳感器是主要的數(shù)據(jù)恢復(fù)機(jī)構(gòu)，接收來自一個發(fā)射源的光束使得接收光束的投影圖像在陣列上被捕獲。投影圖像與預(yù)定的圖像進(jìn)行比較以確定接收光束的跟蹤精確度。投影圖像和預(yù)定圖像之間的偏差對產(chǎn)生了跟蹤誤差的系統(tǒng)發(fā)出報警，并且將接收機(jī)重新對準(zhǔn)發(fā)射機(jī)的校正操作可以根據(jù)誤差啟動。
從附圖和下面優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)的描述，本發(fā)明的其他特征、它的性質(zhì)和各種優(yōu)點(diǎn)將更加明顯。


圖1A是一個說明現(xiàn)有技術(shù)光通訊系統(tǒng)的簡單的表示。
圖1B是在圖1A的光通訊系統(tǒng)中使用的現(xiàn)有技術(shù)象限傳感器的前視圖。
圖2A是一個根據(jù)本發(fā)明說明使用一個單個的陣列傳感器的光通訊系統(tǒng)的實(shí)施例的簡單的表示。
圖2B是一個包含圖2A的陣列傳感器的一系列光收集裝置的視圖。
圖2C是圖2A陣列傳感器的正視圖。
圖3是一個根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例說明對準(zhǔn)跟蹤技術(shù)的一個簡單的表示。
圖4是一個相對于變化的幅度和方向的一些投影圖像說明幾何不變的原理圖。
圖1A描述了用于接收光通訊的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)。這個系統(tǒng)一般地由兩個定位在相互之間有一定空間距離的收發(fā)機(jī)站表征。一個收發(fā)機(jī)站包括一個發(fā)射單元150，該單元包含激光源100和準(zhǔn)直透鏡110。準(zhǔn)直透鏡110產(chǎn)生一個發(fā)射光束的圓形投影。其他的收發(fā)機(jī)站包括一個接收單元160，該單元包含光電二極管140和會聚透鏡120。一個光束從接收單元160的視距中的激光源100發(fā)射。會聚透鏡120偏轉(zhuǎn)碰撞光束到光電二極管140用于進(jìn)一步的處理。駐留在光束中的光子被用于發(fā)射數(shù)字信息到接收單元160。光電二極管140測量來自光束的光子特性。這種測量用于恢復(fù)從發(fā)射單元150到接收單元160傳送的信息。一般地，在一個給定時間間隙中光束的存在和不存在表示為或者一個邏輯“0”或者一個邏輯“1”。
為了實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)恢復(fù)，要求在發(fā)射單元150和接收單元160之間要適當(dāng)?shù)膶?zhǔn)。專業(yè)人員通常配置一個象限傳感器(“quad”傳感器)130用于這個目的。圖1B是圖1A的象限傳感器130的正交圖，它展示了圓形孔徑146，光束進(jìn)入該圓形孔徑經(jīng)過傳感器130到接觸光電二極管140。象限傳感器130依靠四個空間象限15、16、17和18以確定是否接收單元160(即圖1A的會聚透鏡120和光電二極管140)與激光源100適當(dāng)?shù)膶?zhǔn)使得實(shí)現(xiàn)光束的精確傳輸。
由光束產(chǎn)生的碰撞光子導(dǎo)致電荷累積在象限傳感器130的四個空間象限15、16、17、18(圖1B)。光系統(tǒng)周期性地測量在完全相反的象限之間電荷集聚的相對差值。對于垂直對準(zhǔn)調(diào)整，測量在象限17和18中相應(yīng)的電荷集聚之間的差值。類似地，對于水平對準(zhǔn)調(diào)整，測量在象限15和16的相應(yīng)的電荷集聚之間的差值。兩個象限之間累積的電荷中的這些差值被稱為差分輸出。這里差分輸出為零，在整個四個象限中電荷集聚是均勻的，說明接收單元160與激光源100適當(dāng)?shù)膶?zhǔn)。
在正常操作過程中，光系統(tǒng)周期性地測量兩個差分輸出。根據(jù)這些周期性的測量，該系統(tǒng)間歇性地重新對準(zhǔn)接收單元160使得保持差分輸出的值接近零。對于象限17和18，差分輸出的幅度控制所要求的接收單元160的垂直調(diào)整的幅度以恢復(fù)與發(fā)射光束適當(dāng)?shù)膶?zhǔn)。類似地，來自象限15和16測量的差分輸出控制所需的水平調(diào)整的幅度。根據(jù)用于測量選擇的參考系差分輸出可能是正的或負(fù)的。差分輸出是正的還是負(fù)的決定了所需調(diào)整的方向(即左或右用于水平測量；上或下用于垂直測量)。
在圖1B的示范的象限傳感器中，象限17相對于象限18被給予一個正的參考系，象限15相對于象限16被給予一個正的參考系。如果在象限17的電荷集聚比象限18多，該系統(tǒng)將測量一個正的差分輸出。這表示對于接收單元160的一個向上的垂直調(diào)整是必需的。所需的重新對準(zhǔn)的量與從象限17和18得到的差分輸出的幅度成正比。
水平對準(zhǔn)以一種類似的方式完成。該系統(tǒng)測量在相應(yīng)的象限15和16中電荷集聚之間的差值。例如如果在象限16中測量的光子的集聚比象限15的光子集聚大，則得到一個負(fù)的差分輸出，這意味著接收機(jī)向左調(diào)整是必需的。水平接收機(jī)調(diào)整的量與從象限15和16得到的差分輸出成正比。
根據(jù)從兩對象限得到的相應(yīng)的差分輸出，光通訊系統(tǒng)將使用如實(shí)際的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一些公知的方法來執(zhí)行重新對準(zhǔn)。當(dāng)系統(tǒng)重新對準(zhǔn)接收單元160與發(fā)射單元150時，光電二極管140通過檢測來自發(fā)射光束的光子的存在或不存在來連續(xù)地進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)。數(shù)據(jù)恢復(fù)方法依賴于經(jīng)由孔徑146經(jīng)過象限傳感器130到達(dá)光電二極管140的光子。
如前所述，圖1A和1B的通訊技術(shù)要求使用多個光接收單元以完成對準(zhǔn)跟蹤和數(shù)據(jù)恢復(fù)的雙重任務(wù)。因?yàn)楣馐仨氂梢粋€象限傳感器處理，然后傳到會聚透鏡用于進(jìn)一步的處理，多個單元的使用導(dǎo)致了發(fā)射功率的使用效率較低。使用多個單元還導(dǎo)致了一個更龐大的光通訊系統(tǒng)，在有限空間的環(huán)境中更加困難配置，由于各個單元附加的功率消耗和附加花費(fèi)使得成本更高，并且較少地不受亂真的電干擾的影響。此外，多個單元同時的工作以提供必需的跟蹤對準(zhǔn)和數(shù)據(jù)恢復(fù)功能時，跟蹤對準(zhǔn)可能是一個特別慢的過程。當(dāng)相同的不對準(zhǔn)分別地發(fā)生在右和左象限以及上和下象限時象限傳感器還會產(chǎn)生對準(zhǔn)誤差。
在下面描述的發(fā)明人的當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例的上下文中，本發(fā)明提供了用于光通訊的更緊湊的方法以及發(fā)射功率更有效的、整體的使用。參照圖2a，根據(jù)本發(fā)明展示了一個優(yōu)選的收發(fā)機(jī)裝置。一個激光源200和一個準(zhǔn)直透鏡210構(gòu)成發(fā)射單元250。源200使用準(zhǔn)直透鏡210傳送一個光束以圓化圖像。一個單個的陣列傳感器225構(gòu)成接收單元。陣列傳感器225一般地包括一系列光收集裝置。雖然它可以包括任何合適的光收集裝置，陣列傳感器225最好包括在行和列上布置的一系列光電二極管。這里光電二極管被作為光收集機(jī)構(gòu)使用，每個光電二極管被認(rèn)為是包括在陣列傳感器225上一個單獨(dú)的像素。每個光電二極管的輸出一般耦合到一個電子控制機(jī)構(gòu)，它的細(xì)節(jié)對于理解本發(fā)明是不重要的。包含每個像素的光電二極管用于檢測駐留在一個碰撞光束中的光子的存在或不存在。這個信息接下來被用于以下面描述的方式確定一個發(fā)射光束的存在和形狀。
不象現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)要求有一個會聚透鏡120(見圖1a)，本發(fā)明中不需要使用一個會聚透鏡。代之以光束直接地碰撞陣列傳感器225，導(dǎo)致從激光源200產(chǎn)生的圖像被直接地在傳感器225上校準(zhǔn)。然后該系統(tǒng)通過測定在陣列傳感器225上照射的圖像進(jìn)行對準(zhǔn)測量并且提取數(shù)據(jù)。
圖2b是一個說明陣列傳感器225表面的視圖，該傳感器具有作為本發(fā)明的一些實(shí)施例中的以行和列布置的多個光電二極管400。在這些實(shí)施例中，控制系統(tǒng)475具有一個行地址和一個列地址專用于陣列的每個相應(yīng)的行和列。通過參照一個特定的行地址和列地址，控制系統(tǒng)475能夠讀取陣列上光電二極管的輸出。行和列地址可以存儲在控制系統(tǒng)475的存儲器450上。在圖2b的說明中，控制系統(tǒng)475參照一個特定的行地址和列地址以讀取陣列上在光電二極管500的輸出。
圖2c以平面直角形式展示了一個陣列傳感器225的正交圖。然而，可以考慮陣列傳感器225的替代形狀。
使用同一個陣列傳感器225數(shù)據(jù)恢復(fù)可以與對準(zhǔn)分析同時有益地完成。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，存在著離散的時間間隙，其中每個時間間隙相應(yīng)于一個特定的數(shù)字值，即一個邏輯“1”或一個邏輯“0”。在這個實(shí)施例中，在一個時間間隙中的光束的傳輸表示一個邏輯“1”的存在。反之，在一個時間間隙中的傳輸?shù)牟淮嬖诒硎疽粋€邏輯“0”的存在。因此數(shù)據(jù)在每個時間間隙被恢復(fù)為一個數(shù)字位。當(dāng)光束從激光源200發(fā)射時(圖2a)，碰撞傳感器225的光子的存在勾畫出碰撞的區(qū)域，該區(qū)域接下來確定光束的形狀。光束可以用于對準(zhǔn)測定(見下面)。在傳感器225上光子的碰撞也使得系統(tǒng)能夠提取由光束傳送的數(shù)據(jù)。通過對于每個時間間隙加上被來自光束的光子碰撞的傳感器225上像素的網(wǎng)格數(shù)來恢復(fù)數(shù)據(jù)。使用這種加法過程，發(fā)射的信息被收集用于到一個中心控制器或其他指定位置的通訊。然后系統(tǒng)控制器脫機(jī)處理這個信息以完成數(shù)據(jù)恢復(fù)和跟蹤對準(zhǔn)功能。因此，單個陣列傳感器225有益地完成了數(shù)據(jù)恢復(fù)和跟蹤對準(zhǔn)的雙重功能。
本發(fā)明的數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)的一個優(yōu)選實(shí)施例使用一個CMOS圖像傳感器作為陣列傳感器225。CMOS圖像傳感器包括多個以行和列的形式布置的光電二極管，如圖2b描述的陣列。每個光電二極管包括陣列傳感器225的一個單個的像素。使用CMOS圖像傳感器225優(yōu)于其他器件(如電荷耦合器件(CCD))的一個優(yōu)點(diǎn)是它可以讀取在單獨(dú)的像素的輸出，因此顯著地增加了數(shù)據(jù)恢復(fù)時間。特別地，對于每個時間間隙，圖像傳感器225如下所述測量碰撞位于陣列傳感器225上的每個像素的光子的數(shù)。系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)最好包括一個存儲器，該存儲器如上所述存儲行和列的地址。通過選擇一個特定的行地址和列地址該系統(tǒng)控制器尋址每個像素。使用這些行和列地址，系統(tǒng)控制器讀取每個像素輸出的內(nèi)容。像素輸出的數(shù)字值取決于在一個特定的時間間隙期間碰撞那個像素的光子的量。在這個時間間隙發(fā)射了光束的情況下，在每個光電二極管的光子集聚將是高的。反之，在光束沒有傳送的情況下，則在每個光電二極管的光子集聚將顯著地降低。這樣存在光子集聚的某個門限值，在該值以下光電二極管的輸出將具有一個第一數(shù)字值，在該值以上它將具有一個第二數(shù)字值。在一個光電二極管上光子的高集聚(指示出光束的存在)產(chǎn)生那個像素輸出的第二數(shù)字值，該系統(tǒng)控制器將標(biāo)志該像素。另一方面，在一個光電二極管上的光子的較低集聚產(chǎn)生一個第一數(shù)字值，該像素不被標(biāo)志。由于這個原因CMOS圖像傳感器的使用至少具有兩個優(yōu)點(diǎn)(1)不被光束碰撞的像素被從后來的加法步驟中清除(見下面)；以及(2)被亂真的電子噪聲碰撞但不被光束碰撞的像素將達(dá)不到光電二極管門限(如果門限被適當(dāng)?shù)剡x擇)，并且同樣地不被考慮用于加法。
接下來，使用上面描述的加法過程，其中由一個系統(tǒng)控制器加上標(biāo)志的像素的數(shù)。如果總的標(biāo)志的像素的和超過一個第二預(yù)定門限數(shù)，該系統(tǒng)推斷發(fā)射了光束(與或者沒有發(fā)送或者只不過是沒有發(fā)送的電子干擾相反)，因此對于這個時間間隙分配一個數(shù)字“1”。相反，如果總的標(biāo)志的像素的和不超過預(yù)定的門限數(shù)，該系統(tǒng)確定沒有光發(fā)送發(fā)生并且對于這個時間間隙分配一個數(shù)字“0”。這個加法過程可以發(fā)生用于任何數(shù)量的時間間隙，并且從發(fā)射單元210得到一串?dāng)?shù)字信息。當(dāng)然，數(shù)字值可以被反向，代之以光束的存在產(chǎn)生一個數(shù)字“0”，等等。
該系統(tǒng)控制器還可以在存儲器中記錄對于對準(zhǔn)測量的碰撞的像素的分布(見下面)。在一些實(shí)施例中，僅僅在總的碰撞像素的和達(dá)到或超過預(yù)定門限數(shù)才存儲這種信息。
使用一個CMOS圖像傳感器的這種優(yōu)選的數(shù)據(jù)恢復(fù)方法具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。首先，與以前的方法相比圖像傳感器260顯著地增加了數(shù)據(jù)恢復(fù)的速率。例如，常規(guī)的數(shù)據(jù)恢復(fù)器件，如用于象攝錄機(jī)的儀器的電荷耦合器件(CCD)，在測定單獨(dú)的像素之前必需讀取整個像素陣列。這個過程導(dǎo)致了相當(dāng)長的數(shù)據(jù)恢復(fù)時間。相反，CMOS圖像傳感器160提供單獨(dú)的像素的讀取而不要求對整個陣列的估計(jì)。此外，不象一個使用CCD的系統(tǒng)，只有由圖像傳感器160選擇的那些像素需要被系統(tǒng)控制器考慮。剩余的像素簡單地在加法步驟中打了折扣。因此，與加法過程有關(guān)的計(jì)算時間比所有像素相加時要快得多。使用這種器件能夠取得1Gbps或者更長的數(shù)據(jù)恢復(fù)速率。這個數(shù)據(jù)恢復(fù)時間可與使用一個象限傳感器的光通訊技術(shù)相比或更好。
從抗噪聲的觀點(diǎn)來看CMOS圖像傳感器的使用還提供進(jìn)一步的好處。在一個給定像素上觸發(fā)最小光子活動的亂真的電子傳輸容易地被圖像傳感器打折扣。這樣噪聲的影響被減至最小，并得到更精確的數(shù)據(jù)測量。
上述說明和上面技術(shù)的每一個代表了使用陣列傳感器225的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)的優(yōu)選的方法。其他相當(dāng)?shù)暮线m的技術(shù)和變型可以由本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員仔細(xì)研讀了本公開的發(fā)明后考慮。
對于對準(zhǔn)測量，發(fā)射的光束碰撞陣列傳感器225并且因此照射一個傳感器225上的圖像。上面描述的讀取單個的像素輸出的優(yōu)選方法同樣地由系統(tǒng)使用以確定發(fā)射光束的形狀用于完成跟蹤對準(zhǔn)。特別地，該系統(tǒng)通過測定光子碰撞過的像素的數(shù)量和位置確定一個碰撞光束的形狀。相關(guān)于碰撞像素的分布的信息(它確定碰撞圖像的形狀)最好放置在一個存儲器中以等待進(jìn)一步的處理。系統(tǒng)將這個照射的圖像與一個預(yù)定的圖像相比較以確定是否兩者之間存在偏差。偏差的存在說明需要采取校正的措施以對準(zhǔn)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。校正措施的幅度和方向與偏差于預(yù)定的圖像的照射圖像的量值成正比。
有益的是，在數(shù)據(jù)恢復(fù)處理期間得到的信息，特別是從圖像傳感器260得到的關(guān)于每個像素的信息還被用于測量對準(zhǔn)的精確度。例如，到傳感器225的投影圖像的形狀根據(jù)如上所述在陣列傳感器225上碰撞光子的分布確定。這個圖像的形狀產(chǎn)生了關(guān)于對準(zhǔn)精確度的重要信息(見下面)。
陣列傳感器225確定是否在它本身和發(fā)射單元250之間存在一個不對準(zhǔn)。做出這個決定不需要附加的對準(zhǔn)檢測裝置。根據(jù)確定的對準(zhǔn)誤差，傳感器225提供必需的信息到系統(tǒng)控制器或其他的源。使用這個信息，系統(tǒng)可以采取校正措施以迅速地恢復(fù)適當(dāng)?shù)膶?zhǔn)用于連續(xù)的和精確的發(fā)射數(shù)據(jù)的接收。
本發(fā)明的重新對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)部分地依靠在透視轉(zhuǎn)換下幾何不變性的公知的原理。這個原理規(guī)定，只有當(dāng)圖像被相對于屏幕做正交地(也就是垂直地)投影時一個投影圓將映射為一個圓。在所有其他情況下，投影的圓將映射為一個橢圓。這樣，在發(fā)射機(jī)沒有很好地對準(zhǔn)接收機(jī)的情況下來自發(fā)射源的一個圓形光束被投影，結(jié)果圖像將對于發(fā)射源顯示為一個橢圓。另外，該橢圓的特定的外形有益地傳送相關(guān)于不對準(zhǔn)的特性和程度的信息。
應(yīng)用這個原理到本發(fā)明，在發(fā)射單元250和陣列傳感器225之間的正交對準(zhǔn)導(dǎo)致準(zhǔn)直光束映射為一個圓進(jìn)入傳感器225。這樣，傳感器225感覺被映射到它的一個圓(例如使用CMOS圖像傳感器技術(shù))，對準(zhǔn)被認(rèn)為正確的，不用采取任何校正行動，并且數(shù)據(jù)恢復(fù)如通常一樣地開始。
投影圖像代之作為橢圓出現(xiàn)時，系統(tǒng)推斷出在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間存在一個不對準(zhǔn)。從一個圓的形狀和投影圖像的形狀的發(fā)散程度提供給系統(tǒng)關(guān)于不對準(zhǔn)的方向和程度的信息。使用這個信息，系統(tǒng)可以以正比于光束的不對準(zhǔn)的幅度和方向的方式調(diào)整傳感器225的對準(zhǔn)。這樣，到接收傳感器225的映射光束的簡單的投影使得系統(tǒng)可以根據(jù)對準(zhǔn)中的偏差采取校正措施。
相關(guān)于陣列傳感器并包含在系統(tǒng)內(nèi)的是一個預(yù)定的圖像用于與碰撞陣列傳感器的圖像相比較。當(dāng)一個圓的光束被投影時，例如預(yù)定的圖像將是一個圓。其他的幾何形狀計(jì)劃用于本發(fā)明的范圍中。
圖3是一個說明在投影圖像上使用幾何不變性的原理圖。在陣列傳感器325上投影的圖像被檢測，并且來自一個圓偏差的圖像的程度在水平和垂直方向上被確定。方框345代表了陣列傳感器325的正視圖。隨后的系統(tǒng)的對準(zhǔn)校正與來自圓的形狀的水平和垂直偏差的幅度成正比。在一些實(shí)施例中，實(shí)際的執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于將接收機(jī)重新對準(zhǔn)發(fā)射機(jī)。
圖4是一個說明關(guān)于一些變化幅度和方向的投影圖像的幾何不變性的原理圖。標(biāo)記為501的圓代表了發(fā)射和接收單元被很好地對準(zhǔn)時的一個例子。在這種情況下，合成圖像將導(dǎo)致圓502，在這個過程中不需要系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)任何的重新對準(zhǔn)。包括垂直和水平投影圖像的其他的圓600被從陣列傳感器的中心替換。如此，這些圖像的每對(一個垂直和一個水平)代表了對準(zhǔn)不完全時的各個的例子。根據(jù)不對準(zhǔn)的幅度和方向，合成圖像將表現(xiàn)為在對角線上旋轉(zhuǎn)的橢圓。不對準(zhǔn)的程度和方向與合成圖像的旋轉(zhuǎn)的程度成正比。響應(yīng)合成圖像的旋轉(zhuǎn)的形狀和程度，則系統(tǒng)能夠采取校正的行動以將接收單元重新對準(zhǔn)發(fā)射單元。
安裝時通過適當(dāng)?shù)男?zhǔn)系統(tǒng)一開始就解決了解釋對準(zhǔn)傳感器225的模糊的問題。初始的校準(zhǔn)是必需的以避免到投影圖像的左和右的相同量的圖像的不對準(zhǔn)，否則由于產(chǎn)生的左和右圖像的相似性而產(chǎn)生對準(zhǔn)誤差。同樣的，當(dāng)由一個相等的量的上和下不對準(zhǔn)導(dǎo)致引起相似圖像的相似橢圓時發(fā)生的問題由初始校準(zhǔn)解決，否則這個問題會產(chǎn)生對準(zhǔn)中的模糊。初始系統(tǒng)校準(zhǔn)能夠使不對準(zhǔn)的圖像被投影到陣列傳感器的一個不同的象限使得左與右或上與下的錯位是明顯地可區(qū)分的。這樣，在初始安裝中，源的大致的位置最好被確定，并且中心是相對于通訊系統(tǒng)建立的。根據(jù)這個初始中心，系統(tǒng)可以測定得到的橢圓以確定位移的真正的量值，并且因此做出對準(zhǔn)校正。
除了投影光束為一個圓，其他的形狀可以被考慮。幾何不變性的原理決定具有一個預(yù)定形狀的光束的非正交投影將導(dǎo)致碰撞一個源的光束具有不同的形狀。這樣，例如專業(yè)人員可以選擇光束的形狀為一個矩形，并且隨后運(yùn)用幾何不變性原理以及本發(fā)明確定在接收端的不對準(zhǔn)的程度，做出適當(dāng)?shù)男Ｕ?br> 應(yīng)該理解前面所述僅是說明了本發(fā)明的原理，在本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員可以做出各種修改而不背離本發(fā)明的范圍和精神。所有這些變型和修改將在下面附加的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一個光通訊系統(tǒng)，包括一個發(fā)射單元；以及一個接收單元，所述接收單元包括一個陣列傳感器用于確定從所述發(fā)射單元發(fā)射的光束的跟蹤精確度，以及用于檢測數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述陣列傳感器包括一個CMOS圖像傳感器。
3.一個光通訊接收系統(tǒng)用于跟蹤光束對準(zhǔn)，包括一個陣列傳感器用于接收來自一個發(fā)射源的光束，其中系統(tǒng)將一個由所述光束的碰撞產(chǎn)生的在所述陣列傳感器上照射的圖像與一個預(yù)定的圖像比較，并且其中系統(tǒng)根據(jù)所述圖像和所述預(yù)定圖像之間的偏差的檢測來啟動發(fā)射源和所述陣列傳感器之間的校正對準(zhǔn)。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述預(yù)定的圖像包括一個圓。
5.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中校正對準(zhǔn)的幅度與所述圖像和所述預(yù)定的圖像之間的偏差幅度成正比。
6.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中通過在多個時間間隙上選擇地驅(qū)動光束，數(shù)據(jù)被從發(fā)射源發(fā)射到所述陣列傳感器，根據(jù)在所述的每個時間間隙期間光束的發(fā)射或沒有發(fā)射，系統(tǒng)記錄每個時間間隙期間的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
7.如權(quán)利要求3所述的接收系統(tǒng)，其中所述陣列傳感器包括一個圖像傳感器，該圖像傳感器包括一系列光電二極管用于檢測發(fā)射光束的存在或不存在。
8.如權(quán)利要求7所述的接收系統(tǒng)，其中所述圖像傳感器包括一個CMOS圖像傳感器。
9.如權(quán)利要求7所述的接收系統(tǒng)，其中通過光束碰撞或不碰撞到所述陣列傳感器在多個時間間隙上傳送數(shù)據(jù)，其中系統(tǒng)對于每個時間間隙對由光束碰撞到所述陣列傳感器上的像素?cái)?shù)量求和，到達(dá)一個像素的光束碰撞由一個第一數(shù)據(jù)值表示而不碰撞由一個第二數(shù)據(jù)值表示。
10.一個光通訊系統(tǒng)用于評價對準(zhǔn)的精確度，包括一個發(fā)射機(jī)包括一個激光源用于發(fā)射一個光束；以及一個接收機(jī)包括一個接收光束的陣列傳感器，光束碰撞所述陣列傳感器，通過光束的碰撞在所述陣列傳感器上形成圖像，該圖像被用于確定是否所述陣列傳感器與所述發(fā)射機(jī)對準(zhǔn)。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述陣列傳感器包括一個圖像傳感器用于檢測一個發(fā)射光束的存在或不存在。
12.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述陣列傳感器根據(jù)一個發(fā)射光束的存在或不存在而恢復(fù)數(shù)據(jù)。
13.一個光接收單元包括一個陣列傳感器，該傳感器包括一陣列光收集器件，所述接收單元用于根據(jù)碰撞所述陣列傳感器的光束的存在或不存在而恢復(fù)數(shù)據(jù)，并且所述接收單元用于根據(jù)一個碰撞光束的形狀來測量對準(zhǔn)誤差。
14.如權(quán)利要求13所述的接收單元，其中所述接收單元包括一個CMOS圖像傳感器。
15.用于使用一種光通訊系統(tǒng)跟蹤對準(zhǔn)的方法，包括步驟通過碰撞光束到一個陣列傳感器從一個發(fā)射源接收一個光束；將碰撞的圖像與一個預(yù)定的圖像進(jìn)行比較；確定是否在圖像之間存在一個偏差；以及根據(jù)圖像之間的偏差啟動校正對準(zhǔn)。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括根據(jù)在每個時間間隙期間一個碰撞光束的存在或不存在在多個時間間隙上檢測數(shù)據(jù)的步驟。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述比較步驟還包括步驟求和已經(jīng)被光束碰撞的所述陣列傳感器上的像素；將該和與一個預(yù)定的門限數(shù)比較；以及記錄碰撞像素的分布到一個存儲器，在這里的和達(dá)到或超過門限數(shù)。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述比較步驟還包括在水平和垂直方向產(chǎn)生一個投影圖像，并且結(jié)合所述水平和垂直圖像以產(chǎn)生一個合成圖像的步驟。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述求和步驟包括記錄每個單個像素的輸出的數(shù)字值的初始步驟。
全文摘要
公開了一種光通訊系統(tǒng)和方法,其中接收源使用一個陣列傳感器以從發(fā)射光束恢復(fù)數(shù)據(jù)并且測定與發(fā)射光束對準(zhǔn)的精確度。陣列傳感器運(yùn)用幾何不變性原理以確定對準(zhǔn)的準(zhǔn)確度。該傳感器可以傳遞恢復(fù)的信息到系統(tǒng)控制器或其他合適的器件,隨后這些器件能夠重新定位接收機(jī)使得接收機(jī)被適當(dāng)?shù)貙?zhǔn)發(fā)射機(jī)。該系統(tǒng)和方法有益地提供用于一種更緊湊和增強(qiáng)的通訊系統(tǒng),其中一個單個的接收單元可以用于數(shù)據(jù)恢復(fù)和對準(zhǔn)測定雙重功能。
文檔編號H04B10/105GK1191427SQ9810429
公開日1998年8月26日 申請日期1998年1月22日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月30日
發(fā)明者凱文·艾倫·謝爾比 申請人:美國電報電話公司