具体实施方式

光通信的使用(例如，LiFi，与WiFi一起或作为WiFi的替代)已经扩展了局域无线通信的能力。然而，通常优选用于这种通信的设备很小，并且具有有限的空间可用于用于这种通信的检测器/接收器。此外，由于这些设备的尺寸不断减小和/或不断将新特征和/或硬件添加到这些设备中，因此，这些设备中的可用空间也不断减少。例如，可穿戴设备(例如，眼镜、手表等)被设计为具有最小的尺寸以提高其可穿戴性(例如，使它们更轻、更舒适等)。许多设备的有限物理尺寸对可以被包括在设备中以用于光通信的光传感器的位置和/或尺寸和/或数量施加了限制，尤其是在与旨在被包含在这种设备中的所有功能相结合时。

常规解决方案需要用于设备的每个光捕获/入口位置的传感器。例如，实现光通信的设备可以在设备的外壳上包括三个开口，其中，这种开口旨在或被用于接收与光通信相关联的外部光。在常规解决方案中，这种设备必须包括三个传感器，一个传感器被布置在这三个开口中的每个开口的下方，以捕获进入每个开口的光。因为许多设备可用于这种传感器的空间有限，所以这种常规解决方案严重限制了可用于光通信的传感器数量，并因此限制了可以被收集以用于光通信和/或光通信的有效性的光量。此外，关于传感器的位置和/或传感器与对应的开口的对齐以便使传感器能够尽可能多地捕获进入开口的光，常规解决方案通常具有挑战性的机械要求。这些机械限制可严重限制针对开口的位置选择。

本文提出的解决方案通过使用波导来将光从一个或多个开口引导到传感器以便于波长特定光通信而解决了与常规解决方案相关联的许多问题。这样做时，本文提出的解决方案减少了用于光通信的传感器数量，使每个传感器能够捕获更多与光通信相关联的光，和/或使能关于传感器尺寸、设备中的传感器位置、和/或传感器与任何特定开口的对齐的灵活性。特别地，本文提出的解决方案使任意数量的开口能够被放置在设备上的任何位置处，同时还使一个或多个传感器能够被放置在设备内的任何合适位置处，这提高了信号质量并且减少了与LiFi相关联的机械限制。

图1示出了根据本文提出的解决方案的实施例的用于光通信的一个示例性光检测系统100，其中，用于光通信的光包括多个峰值波长，例如，λ₁-λ_N，例如，如图2中所示。光检测系统100包括波导110和一个或多个光传感器130。波导110包括光传播通过的全内反射(TIR)结构112、散射元件114、以及一个或多个波导入口116。TIR结构112具有第一折射率n₁，其中，围绕/邻近TIR结构112的折射率(例如，n₂和/或n₃)小于第一折射率n₁，以使得输入到波导110的光在TIR结构112内沿着波导110传播。散射元件114沿着TIR结构112的内边缘被布置在波导110的预定位置处，以扰乱光沿着TIR结构112的传播。一个或多个波导入口116中的每个波导入口116是在沿着波导110横向偏离散射元件114的位置的位置处，其中，每个波导入口116收集与光通信相关联的光140，并在对应的输入位置处将所收集的光140输入到TIR结构112中。一个或多个光传感器130中的每个光传感器130检测多个波长λ₁-λ_N的子集λ_m-λ_M，其中，((M-m)+1)＜N。为此，光传感器130被布置为邻近TIR结构112的与散射元件114的位置相对的内边缘，并且通常与散射元件114间隔TIR结构112的厚度t，以使得光传感器130检测被散射元件114扰乱的光。例如，一个或多个光传感器130中的每个传感器130可以包括被配置为检测被散射元件114扰乱的波长特定光的光敏接收器(PSR)。

光通过TIR结构112的传播至少部分地被TIR结构112的折射率n₁相对于周围的一个或多个折射率控制。当TIR结构112周围的材料具有比TIR结构112低的折射率时，TIR结构112用作TIR层，这使得以TIR角度进入TIR结构112的光能够以全内反射沿着TIR结构112进行传播，并因此损失最小甚至没有损失。虽然在一些实施例中，TIR结构112周围的折射率全部相同，但是本文提出的解决方案不要求TIR结构112周围的折射率相等。相反，本文提出的解决方案只需要TIR结构112的折射率n₁大于周围材料的每个折射率，以使得输入到TIR结构112中的光以全内反射沿着TIR结构112进行传播。

TIR结构112和周围的结构/材料之间的预期折射率关系可以通过多种方式来实现。例如，当TIR结构112是具有第一折射率n₁的圆柱形管时，管周围的第二折射率n₂小于第一折射率n₁(n₂<n₁)导致在TIR结构112中预期的全内反射。在另一个示例中，当TIR结构112是具有第一折射率n₁的直角矩形棱镜时，如图1中所示，在TIR结构112的一侧的第二折射率n₂小于第一折射率(n₂<n₁)，并且在TIR结构112的相对侧的第三折射率n₃也小于第一折射率(n₃<n₁)，导致在TIR结构112中全内反射。在另一个示例中，波导110可以使用一组涂层或层来实现，其中，每个层/涂层表示波导110的不同部分。在此示例中，一个层可以表示TIR层(即，TIR结构112)，而围绕TIR层的一个或多个层具有比TIR层低的折射率，并因此表示“反射”层。这种反射层还可以用作保护TIR结构112免受划痕、碎屑和/或其他异物的保护层。可替代地，可以在TIR结构112与反射层之间应用与反射层分离的保护层，其中，该保护层具有与反射层相同或更低的折射率。保护层还可以被用于添加印刷物(例如，文本、图像等)，当印刷物对于设备200的用户可见时标识与设备200有关或关于设备200的任何所需信息，例如，品牌名称、型号名称/编号、团队隶属关系、学校隶属关系等。

散射元件114包括扰乱TIR结构112内光的传播的任何材料或结构。在一些实施例中，散射元件114可以将被扰乱的光引导到传感器130。在其他实施例中，散射元件114可以散射光，以使至少一些最初传播的光被传感器130捕获。在一个示例性实施例中，散射元件114包括被应用于TIR结构112的内边缘传感器130的上方的白色或彩色涂料。在另一个示例性实施例中，通过更改散射元件114的位置处的材料来构造散射元件114，因此TIR结构112的该位置不再平坦和/或光滑。例如，机械加工点可以被放置在散射区域114的位置处或者散射区域114的位置可以被蚀刻或粗糙化。

如上所述，一个或多个光传感器130中的每个光传感器130检测多个波长λ₁-λ_N的子集λ_m-λ_M，其中，((M-m)+1)＜N。该多个波长包括适用于光通信的多个峰值波长，例如，429nm、509nm、564nm、611nm、656nm、703nm、以及753nm，如图2中所示。在一些实施例中，多个波长λ₁-λ_N的每个子集λ_m-λ_M可以包括多个峰值波长中的一个峰值波长、或者多个峰值波长中的多个峰值波长。例如，第一子集可以包括429nm，第二子集可以包括509nm和564nm等。进一步将理解，一些子集可以重叠，以使得特定峰值波长是两个或更多个子集的一部分。进一步地，将理解，该子集可以包括附加的非峰值波长，例如，在峰值波长周围的波长，并且本文提出的解决方案是按照一个或多个峰值波长的子集来描述的和/或被描述为波长特定的，其中，“波长特定”是指特定子集中的一个或多个峰值波长，但并不排除其他周围的非峰值波长的存在。

本文提出的解决方案中的一个或多个传感器130中的每个传感器130可以以任意数量的方式来检测多个波长的特定子集。在一个示例性解决方案中，每个传感器130可以是波长特定的，以使得每个传感器130被配置为检测多个波长的特定子集。例如，如图3A-3B的俯视图中所示，用于多个波长的每个子集的一个传感器可以与散射元件114相对地被布置，以使得每个传感器130仅检测对应的峰值波长。在图3A的示例中，每个传感器检测图2的峰值波长中的一个，例如，传感器130₁检测429nm，传感器130₂检测509nm，传感器130₃检测564nm，传感器130₄检测611nm，传感器130₅检测656nm，传感器130₆检测703nm，传感器130₇检测753nm。将理解，如果存在更多的峰值波长，则可以使用更多的传感器130，而如果有更少的峰值波长要检测或者如果每个子集包括多个峰值波长，则可以使用更少的传感器130。例如，图3B示出了包括四个传感器的一个示例性实施例，其中，这四个传感器中的每个传感器被与散射元件114相对地布置，并且其中，传感器130₁检测429nm，传感器130₂检测509nm和564nm，传感器130₃检测611nm和656nm，传感器130₄检测703nm和753nm。因此，将理解，本文提出的解决方案允许更多或更少的传感器，这取决于波长子集的数量。

虽然用于说明本文提出的解决方案的实施例的附图示出了六边形的传感器130，但是将理解，传感器130并不限于六边形形状。每个传感器130可以是任何形状和/或尺寸，其中，形状和/或尺寸通常是基于空间限制和/或制造商参数来定义的。进一步地，用于本文提出的解决方案的传感器130不需要全部都具有相同的尺寸或形状。更进一步地，将理解，本文提出的解决方案不需要每个传感器130邻接其他传感器130中的一个或多个，如图3A-3B中所示；传感器130可以以任何合适的方式与散射元件114相对地布置，以使得每个传感器130检测多个波长的其对应的子集。

在另一个示例性实施例中，去往每个传感器130的光可以首先例如在波导入口116处(如图4A中所示)和/或在传感器130的位置处(如图4B中所示)穿过波长特定元件117，以使得输入到传感器130的光仅包括对应的子集中的波长。在这种示例性实施例中，用于收集被散射元件114扰乱的光的传感器130也可以是波长特定的，或者可以能够检测任意数量的波长，包括但不限于对应的子集中的波长。

图4A示出了一个示例性实施例，其中，波长特定元件117是被布置在波导入口116处的滤波器117，其中，该滤波器117被配置为使特定波长子集中的峰值波长λ_m-λ_M通过，同时阻挡多个波长中剩余的峰值波长。在此实施例中，波长λ_m-λ_M沿着波导110传播直到它们被散射元件114扰乱并被对应的传感器130检测。如图4B中所示，滤波器117可以可替代地或附加地被布置得邻近传感器130，其中，在波导入口116处捕获的波长沿着波导110传播，但只有波长子集λ_m-λ_M通过到达传感器130并被传感器130检测。

图5示出了本文提出的解决方案的另一个示例性实施例，其中，波长特定元件117是棱镜117。示例性棱镜包括但不限于色散棱镜(例如，折射棱镜或衍射光栅)或反射棱镜。在此实施例中，棱镜117将输入光分离成单独的波长子集，其中，每个子集被输入到子集特定波导110中。例如，如果输入光具有七个峰值波长λ₁-λ_N，则棱镜117可以将输入光分离成七个不同的方向，其中，每个方向与峰值波长中的一个相对应，以使得每个峰值波长被输入到单独的波导110中以由传感器130检测。对于图5中的示例，这会导致λ₁被输入到波导110₁中以由传感器130₁检测，λ₂被输入到波导110₂中以由传感器130₂检测，λ₃被输入到波导110₃中以由传感器130₃检测，λ₄被输入到波导110₄中以由传感器130₄检测，λ₅被输入到波导110₅中以由传感器130₅检测，λ₆被输入到波导110₆中以由传感器130₆检测，λ₇被输入到波导110₇中以由传感器130₇检测。将理解，如果存在多于七个的峰值波长，则可以使用附加的波导110和传感器130，而如果存在少于七个的峰值波长和/或一个或多个子集包括多个峰值波长，则可以使用更少的波导110和传感器130。此外，虽然图5示出了一种示例性棱镜解决方案(其中，棱镜117在一个平面中扇出每个子集)的俯视图，但是将理解，棱镜117可以被配置为以任何合适的方式和/或在任何合适的方向上分离波长，并且本文提出的解决方案将视情况而定地配置波导110相对于棱镜117和波导入口116的定向，以使得波导110接收对应的波长子集并将其引导到对应的传感器130。

下面提供了关于光如何进入设备并被引导到传感器130的进一步的细节。将理解，这些细节适用于任何单独的峰值波长、峰值波长子集、和/或在检测系统100中某点处(例如，在波导入口116处、在传感器130处等)被分开的多个峰值波长。如此，以上所描述的波长特定方面适用于在下面进一步讨论的多个开口、多个传感器、多个方向、光导元件等方面中的每一个。

如上所述，光在首先进入波导入口116之后进入波导110。每个波导入口116包括在设备200的外壳上的开口，其被配置为收集例如与光通信相关联的光140并将所收集的光输入到波导110的TIR结构112中。每个波导入口116横向偏离散射元件114/传感器130的位置，其中，在一个入口处收集的光140沿着波导110进行传播以到达传感器130。在一些实施例中，波导入口116可以只包括开口。在其他实施例中，波导入口116可以包括收集元件124，例如，透镜或透镜系统(例如，图7)，其中，收集元件124被配置为增加输入到波导110中的外部光140的量。当波导入口116包括收集元件124时，通常收集元件124将具有宽视场(FoV)以增加所收集的光的量。示例性透镜包括但不限于菲涅耳透镜124a(图8)、平凸透镜124b(图8)等。将理解，在一个或多个波导入口116中任何收集元件124的使用是可选的。

波导110还可以包括与对应的波导入口116相对的光导元件118，其被配置为促进从波导入口116收集的光沿着TIR结构112的传播。在一个示例性实施例中，光导元件118包括反射器，其被配置为以全内反射角度反射由对应的波导入口116所收集的光，以促进所收集的光沿着TIR结构112的传播。一个示例性反射器包括成角度的镜子118，如图6中所示，其以与入射角θ相等的角度θ反射入射光。为了实现全内反射，此角度θ可以等于针对波导110的全内反射角度。附加的反射器包括但不限于多个蚀刻表面(如图8中所示)、镜面印刷或具有更低折射率的材料，以使离开光导元件118的光的角度θ与光导元件118上的入射角度相同。在另一个示例性实施例中，光导元件118包括靠近对应的波导入口116的弯曲部，例如图7中所示，其中，该弯曲部被配置为以全内反射角度引导所收集的光，以促进所收集的光沿着TIR结构112的传播。

图1和图3-7的示例性光检测系统100示出了向单个传感器130提供光的单个波导入口116。然而，本文提出的解决方案不限于此。替代的实施例可以包括多个波导入口116，它们收集光以沿着一个或多个对应的波导110传播到传感器130。在一些实施例中，多个波导入口116使用同一波导110将光传播到单个传感器130。在其他实施例中，多个波导110将光从一个或多个波导入口116传播到单个传感器130。另外，可以选择一个或多个波导入口116相对于传感器的位置以降低噪声和/或增加信号强度。例如，可以配置多个波导入口116与对应的传感器130之间的横向间距，以使得进入传感器130的光建设性地增加。可替代地或附加地，可以配置多个波导入口116与对应的传感器130之间的横向间距，以使得在所收集的光中存在的干涉破坏性地或中立性地增加。

图8-9示出了具有将光引导到单个传感器130的多个波导入口116的示例性实施例。如图8中所示，光传感器130可以检测源自多个波导入口116(例如，位于从光传感器130来看TIR波导110的相对侧的第一波导入口116a和第二波导入口116b)的光。在此示例性实施例中，波导入口116a和透镜124a收集光140a，光导元件118a针对所收集的光建立TIR角度以将所收集的光在第一方向上沿着TIR结构112向传感器130进行传播126a。此外，波导入口116b和透镜124b收集光140b，光导元件118b针对所收集的光建立TIR角度以将所收集的光在与第一方向相反的第二方向上沿着TIR结构112向传感器130进行传播126b。散射元件114扰乱由波导入口116a、116b所收集的光从这两个方向的传播126a、126b以由传感器130检测。

在图9中，光传感器130检测源自三个波导入口116a、116b、116c的光。在此示例性实施例中，TIR波导110包括多个分支110a、110b、110c，每个分支分别在不同的方向上从对应的入口116a、116b、116a向光传感器130传播126a、126n、126v光，其中，散射元件114扰乱传播的光以使能光传感器130的检测。将理解，图9的多个分支110a、110b、110c可以表示不同的波导110，它们共同将所收集的光引导到单个传感器130。

虽然示例性检测系统100被示出为仅具有一个到三个波长入口116，但是将理解，本文公开的检测系统100可以包括任意数量的波导入口116。一般地，检测系统100可以包括任意数量的波导入口116和/或波导110，其中，每个入口116位于从传感器130和散射元件114横向位移的波导110的位置处，以使得使用比波导入口116和/或波导110更少的传感器130来实现光通信。这样做时，本文提出的解决方案减少了与光通信相关联的传感器130的数量，同时例如通过增加所检测的光的幅度来提高光通信的质量。此外，通过使用波导110来将来自多个入口116的光引导到传感器130，本文提出的解决方案放宽了先前对传感器130施加的限制，例如，尺寸、功率等，因为传感器130现在可以被放置在设备200中任何合适的位置处。

图10示出了检测与光通信相关联的光的示例性方法300。该方法300包括经由一个或多个波导入口116收集被配置用于光通信的光，该一个或多个波导入口116沿着全内反射TIR波导110被布置在不同的第一位置处(框310)，其中，该光包括多个波长λ₁-λ_N。TIR波导110包括具有第一折射率n₁的TIR结构112，其中，邻近TIR结构112的第二折射率n₂和/或n₃小于第一折射率n₁，以使得进入TIR波导110的光沿着TIR结构112进行传播。该方法300还包括使用散射元件114来扰乱光沿着TIR波导110的传播，该散射元件114沿着TIR结构112的内边缘被布置在TIR波导110的第二位置处(框320)。该第二位置沿着TIR波导110偏离(横向)一个或多个第一位置中的每个第一位置。该方法300还包括使用一个或多个光传感器130来检测被扰乱的光，该一个或多个光传感器130被布置为邻近TIR结构112的与第二位置相对的边缘，并且与散射元件114间隔TIR结构112的厚度t(框330)。该一个或多个光传感器130中的每个光传感器130检测被扰乱的光的多个波长λ₁-λ_N的子集λ_m-λ_M，其中，该多个波长λ₁-λ_N的子集λ_m-λ_M包括总共少于该多个波长的一个或多个波长，即，((M-m)+1)＜N。

如上所提及的，本文提出的解决方案的光检测系统100可以在实现光通信的任意数量的无线设备200中实现和/或作为其一部分实现。示例性设备200可以由用户穿戴和/或携带，其中，本文公开的光检测系统100可以在设备200的外壳内部，部分被布置在设备200的内部并且部分地与设备200的外壳集成/被布置在设备200的外壳上，或者被实现在设备200的外壳的外表面上。

图11A-11C示出了示例性智能电话设备200。智能电话设备200可以包括在显示器220周围沿着外壳210的周边的波导入口116，如图11A和图11C中所示。可替代地或附加地，设备200可以包括在智能电话设备200的背面上的波导入口(如图11B中所示)，和/或与显示器220集成的波导入口(如图11C中所示)。将理解，波导入口116与显示器220的集成可以包括将波导入口116放置在透明类型的显示器220(例如，有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)屏幕/显示器)的下方。将进一步理解，除了那些明确示出的之外，本文提出的波导解决方案使多个波导入口116能够被放置在智能电话设备200上的任何合适的位置处，同时使单个传感器130(或比存在的波导入口116更少的传感器130)能够被放置在设备200中适合于传感器130的任何位置处，以检测来自多个入口116的光，从而使能光通信。

在另一个示例性实施例中，设备200包括手表，如图12中所示。对于手表实施例，波导入口116可以被放置在任何合适的位置处，例如，在手表的表面230周围和/或在手表的表圈中，与手表的显示器集成(未示出)，作为手表的表面的一部分(未示出)等。在图13中所示的又一示例性实施例中，设备200包括眼镜，其中，波导入口116沿着眼镜的框架240被布置。除了本文讨论的智能电话、手表和眼镜的实现之外，本文提出的解决方案还适用于任何实现光通信的无线设备。例如，其他示例性设备200包括但不限于助听器、健身监视器、蜂窝电话、膝上型计算机、平板计算机等。

当然，在不背离本发明的基本特性的情况下，本发明可以以与本文具体阐述的方式不同的其他方式来实现。本文的实施例在所有方面都被认为是说明性的而并非限制性的，并且来自所附权利要求的含义和等效范围内的所有变化都旨在被包含在其中。