光学无线供电系统技术方案

光学无线传输功率至一般位于移动电子装置中的功率接收装置的系统。发送器具有光学谐振腔，其具有末端反射器和位于它们之间的增益介质，从而产生光束。选择波束的频率使得其被几乎所有通常使用的透明有机材料吸收。发送器上的波束转向单元可以在多个方向之任一上引导波束，及在接收器上借助光电功率变换器通过低反射表面吸收波束。选择该功率变换器的带隙小于所述增益介质。接收器具有电压变换器，其包含电感器、储能装置和开关。波束转向控制器确保将波束投射在接收器上。

Optical wireless power supply system

A system of optical wireless transmission power to a power receiving device commonly located in a mobile electronic device. The transmitter has an optical resonator, which has a terminal reflector and a gain medium between them, resulting in a beam. The frequency of the beam is chosen to be absorbed by almost all transparent organic materials. The beam steering unit on the transmitter can guide the beam in either direction, and on the receiver, the beam can be absorbed by the photoelectric power converter through the low reflection surface. The band gap of the power converter is smaller than that of the gain medium. The receiver has a voltage converter, which includes inductors, energy storage devices and switches. The beam steering controller ensures that the beam is projected onto the receiver.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光学无线供电系统
本专利技术涉及无线功率传送领域，尤其是应用于基于激光的传输系统以在家庭环境中传送光功率至移动电子装置。
技术介绍
长期以来需要在无需物理有线连接的情况下传输功率至远处位置。这一需要在近几十年随着通过需要定期再充电的电池运行的便携式电子装置的普及而变得重要。这些移动应用包括移动电话、便携式电脑、小汽车、玩具、可穿戴装置及助听器。目前，现有技术的电池的容量及密集使用的智能手机的典型电池应用使得电池可能需要充电超过每天一次，远距离无线电池再充电的需求是重要的。电池技术具有悠久的历史，并且仍然在发展。本杰明·富兰克林于1748年描述了第一块由莱顿瓶制成的电池，第一个类似加农电池的电源(因此名为电池)。后来伏特于1800年专利技术了明显更加便携的铜锌电池。加斯顿·普兰特于1859年专利技术了第一块可再充电电池，铅酸电池。从此以后可再充电电池的能量密度增大不足8倍，如图1所示，其显示了由原始铅酸化学系统至现代的基于锂的化学系统及锌-空气化学系统的不同的可再充电电池化学系统同时以重量和体积参数给出的能量密度。同时由便携式电子/电气装置所消耗的功率已经达到每天可能需要补充若干次完整电池充电的程度。在专利技术电池后几乎一个世纪，在1870年与1910年之间的时期，特斯拉尝试使用电磁波跨越距离传输功率。从此以后，许多次尝试安全地传输功率至远处位置，其特征可在于，跨越明显大于传输装置或接收装置的距离。其范围从在1980年代实施SHARP(StationaryHighAltitudeRelayPlatform)计划的NASA到于2007年实验了类似特斯拉的系统的MarinSoljacic。到目前为止，只有三种可商购获得的技术允许无需导线安全地输送功率至移动装置，即磁感应–其典型地被限制在仅仅几个mm的范围内；光伏电池–其在用太阳光或者用在通常(安全的)光照房间内可达到的水平的人工照明加以照射时，在相对于移动电话的尺寸的情况下无法产生多于0.1瓦；能量收集技术–将RF波转换成可用的能量，但是在任何目前的实际情况下无法以多于0.01W运行，这是因为RF信号传输由于健康和FCC的规定而是受限制的。同时，便携式电子装置的典型的电池具有1至100瓦*小时的容量，并且典型地要求每天充电，因此需要在明显更长的范围进行明显更高的功率输送。因此，跨越大于几米的范围安全地输送电功率至典型地装配有可再充电电池的便携式电子装置的需求尚未满足。已经尝试了几次在居住环境内使用准直或基本上准直的电磁波输送功率。然而，此类产品至大众市场的商业可用性在目前仍是受限制的。在可以投放此类商用系统之前，需要解决几个问题：应当开发安全的系统。应当开发成本有效的系统。应当开发能够承受普通家庭环境的以下危害的系统，包括污染物如灰尘及指纹或液体溢洒、振动、波束阻隔、非专业安装及周期性掉落地面。目前允许的公众暴露于传输的激光功率水平在不使用复杂安全系统的情况下不足以提供可用量的功率。例如美国联邦法规第21篇第8卷(21CFR§8)2014年4月修订版第I章第J节第1040部分涉及发光产品包括激光器产品的性能标准。对于可见光范围以外的波长，存在I级、III-b级和IV级激光器(II、IIa和IIIa级激光器在400nm与710nm之间，例如可见光激光器)。在可见光范围以外的激光器中，1级被认为对于普通大众使用是安全的，而IIIb和IV级被认为是不安全的。现在参照图2，其是显示根据上面引用的“21CFR§8”在I级激光器的情况下对于7mm的瞳孔直径暴露0.1至60秒的MPE(最大允许的暴露值)的图。由上图可以看出：(i)最大允许的暴露水平通常(但不总是)随着波长增大，及(ii)即使在人员进入波束后将激光器关闭若干0.1秒以满足在“21CFR§8”中规定的要求，在大于2.5μm的波长的情况下可以传输不大于1.25W的光线，而在较短波长的情况下限制数量级较少。因此，在不使用某些种类的安全系统的情况下，仅允许传输几毫瓦的激光功率，即使完全转换回成电力，供应的功率明显小于给大多数便携式电子装置充电所需的功率。便携式电话取决于型号在充电时例如需要1至12W。为了传输高于1级激光器MPE的功率，需要安全系统。据申请人所知，尚无安全系统被商业化以在未经训练的人员可到达的居住环境内传输显著的功率水平。构建耐用的安全系统是困难的。在现有技术中公知，指纹和灰尘散射激光，透明表面反射或散射激光。若要输送高功率，则需要IV(或IIIb)级激光器，其需要可靠的安全系统。对于IV级激光器，甚至由主波束散射的辐照也是危险的。根据“21CFR§8”2014年4月修订版第I章第J节第1040部分，发射400nm至1400nm、具有大于0.5W波束放射量的激光器对于暴露超过0.5秒的情况通常被认为是IV级激光器，甚至由此类激光器散射的辐照也可能是危险的。要求此类激光器具有闭锁键及类似于图3中所示的警告标记，其中还注意到警告涉及“散射的辐照”，激光器的使用者通常要求佩戴安全护目镜，并且典型地是经训练的专业人员，所有这些方面非常不同于用于给移动电子装置充电的家庭可用的激光功率传输系统的可接受的使用条件。现有技术典型地使用表面上的抗反射(AR)涂层以防止此类反射，连同精心布置的波束阻隔结构以阻隔此类反射，但是仍然会发生反射。然而，在现有技术中使用的AR涂层方案，由于灰尘或溢洒的液体沉积在其表面上，或者由于涂层的磨损，例如由于不恰当清洁处理，容易导致失效。额外地，波束阻隔方案典型地严重限制了所述系统的视野，并且与现代便携式电子装置的尺寸相比是庞大的。因此现有技术缺少可靠且“占地面积小的”机构以防止功率波束在非期望的方向上散射和反射。可能是由于透明表面疏忽地被置于发送器与接收器之间，及可能由许多种不同的透明材料产生的透明表面的光学特性，或者由于可能沉积在所述系统的外表面上典型地在接收器正面上的液体溢洒及指纹，而导致此类散射和反射。在现有技术中所建议的方案的第三个问题是，此类安全系统一般要求确保功率波束系统和安全系统良好地排列的机构，使得这两个系统在相同的轴线上校准，直至功率波束足够发散或者足够衰减(或者这些因素与任何其他因素的组合)，从而不再超过安全限值。这对于准直的IV或IIIb级激光波束而言极难实现，其典型地随距离扩张非常小，因此在非常长距离的情况下超过安全限值。现有技术的一种用于构建此类安全系统的操作原理是光学探测可能位于波束的路径上的透明表面。然而可能进入波束路径的透明表面可能由许多种不同的透明材料制成，可能是抗反射AR涂覆的，或者可能处于接近布鲁斯特角的角度，因此除非它们吸收波束，否则对于光学系统几乎是不可见的。然而，因为每种材料的光吸收水平不同，甚至可能是可以忽略的，及因为构建依赖于光学吸收的光学系统是高度材料特异性的，及因为可用材料的数量极大，此类系统很可能是复杂、巨大且昂贵的，除非适当地设计，否则很可能是不可靠的，尤其是在考虑到其预定是关键性安全系统的情况下。依赖于反射提供可探测的波束衰减也是成问题的，因为表面可能涂覆有抗反射涂层或者相对于波束处于接近布鲁斯特角，因而在表面的所述特殊位置的情况下反射可能是最小的。因此需要具有内嵌式安全特征的激光功率传输系统，其克服了现有技术的系统和方法的本文档来自技高网...

【技术保护点】
光学无线传输功率至功率接收装置的系统，其包含：具有末端反射器并且适合于发射光束的光学谐振腔；位于所述光学谐振腔内部并且具有第一带隙能的增益介质，所述增益介质以热的方式附着至冷却系统并且配置以放大通过其中的光线；向所述增益介质供应功率并且控制所述增益介质的小的信号增益的驱动器；配置以在多个方向至少之一引导所述光束的波束转向装置；配置以将所述光束转换成具有电压的电功率的光电功率变换器，所述光电功率变换器具有第二带隙能；适合于将由所述光电功率变换器产生的电功率的电压转换成不同电压的电压变换器，所述电功率变换器包含电感器、储能装置和开关；与所述光电功率变换器相连并且以光学方式布置在所述增益介质与所述光电功率变换器之间的至少一个表面，配置以提供指示投射在所述光电功率变换器上的光束的信号的探测器；及适合于控制所述波束转向装置和所述驱动器的状态至少之一的控制器，所述控制器接收来自至少所述探测器的控制输入信号，其中：所述至少一个表面的性质使得其以如下方式反射小部分的入射到其上的光线：(i)以漫射的方式，或者(ii)使得所述反射光线具有相对于所述表面位于远离所述光学谐振腔的虚焦点，或者(iii)使得所述反射光线具有在所述光学谐振腔的方向上相对于所述表面位于至少1cm处的实焦点；通过以下方式至少之一配置所述控制器以响应由所述探测器接收的所述控制输入信号：致使所述驱动器改变所述增益介质的小的信号增益；改变所述光束的辐射亮度；改变由所述驱动器供应的功率；改变所述波束转向装置的扫描速度；改变所述波束转向装置的扫描位置；及记录确定所述光电功率变换器的位置的扫描位置；所述增益介质是半导体器件或用Nd离子掺杂的固体基质，并且包含使波数在8,300cm...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.16 US 62/193,368;2015.07.28 US 14/811,2601.光学无线传输功率至功率接收装置的系统，其包含：具有末端反射器并且适合于发射光束的光学谐振腔；位于所述光学谐振腔内部并且具有第一带隙能的增益介质，所述增益介质以热的方式附着至冷却系统并且配置以放大通过其中的光线；向所述增益介质供应功率并且控制所述增益介质的小的信号增益的驱动器；配置以在多个方向至少之一引导所述光束的波束转向装置；配置以将所述光束转换成具有电压的电功率的光电功率变换器，所述光电功率变换器具有第二带隙能；适合于将由所述光电功率变换器产生的电功率的电压转换成不同电压的电压变换器，所述电功率变换器包含电感器、储能装置和开关；与所述光电功率变换器相连并且以光学方式布置在所述增益介质与所述光电功率变换器之间的至少一个表面，配置以提供指示投射在所述光电功率变换器上的光束的信号的探测器；及适合于控制所述波束转向装置和所述驱动器的状态至少之一的控制器，所述控制器接收来自至少所述探测器的控制输入信号，其中：所述至少一个表面的性质使得其以如下方式反射小部分的入射到其上的光线：(i)以漫射的方式，或者(ii)使得所述反射光线具有相对于所述表面位于远离所述光学谐振腔的虚焦点，或者(iii)使得所述反射光线具有在所述光学谐振腔的方向上相对于所述表面位于至少1cm处的实焦点；通过以下方式至少之一配置所述控制器以响应由所述探测器接收的所述控制输入信号：致使所述驱动器改变所述增益介质的小的信号增益；改变所述光束的辐射亮度；改变由所述驱动器供应的功率；改变所述波束转向装置的扫描速度；改变所述波束转向装置的扫描位置；及记录确定所述光电功率变换器的位置的扫描位置；所述增益介质是半导体器件或用Nd离子掺杂的固体基质，并且包含使波数在8,300cm-1至12,500cm-1的范围内的至少一个频率的辐照衰减的滤波器；所述第二带隙能小于所述第一带隙能；所述第一带隙能为0.8eV至1.1eV；所述开关的闭合串联电阻小于由下式给出的R其中R是以欧姆测得的，Egain是以焦耳测得的第一带隙能，及Plaserdriver是由所述激光驱动器供应至所述增益介质的以瓦测得的功率，及所述光束具有至少8kW/m2/球面度的辐射亮度，及在位于约6940cm-1的C-H吸收的第一谐波与位于约8130cm-1的C-H吸收的第二谐波之间的频率。2.根据权利要求1的系统，其中所述不同电压是大于通过所述光电变换器产生的电压的电压。3.根据权利要求1和2之一的系统，其中所述波束转向装置的所述状态是所述波束转向装置的瞄准方向或扫描速度的至少之一。4.根据前述权利要求之一的系统，其中所述光束具有至少800kW/m2/球面度的辐射亮度。5.根据前述权利要求之一的系统，其中所述谐振腔的每个所述末端反射器是(i)介质镜、(ii)布喇格反射镜、(iii)菲涅耳反射器或(iv)由具有不同折射率的介电或半导体材料的交替的层组成的反射镜。6.根据前述权利要求之一的系统，其中所述增益介质是用Nd离子掺杂的透明的固体基质材料或者是半导体。7.根据权利要求6的系统，其进一步包含引出波数大于8300cm-1的辐照的滤波器。8.根据权利要求6的半导体选择项的系统，其中所述增益介质是量子点增益介质。9.根据前述权利要求之一的系统，其中所述冷却系统是散热器、帕尔贴二极管和液体冷却板中的至少之一。10.根据前述权利要求之一的系统，其中所述冷却系统还装配有风扇。11.根据权利要求9的系统，其中使用一层具有小于200°开尔文/瓦的热阻的焊料使所述增益介质附着至所述冷却系统。12.根据权利要求9的系统，其中所述冷却系统使得...

【专利技术属性】
技术研发人员：O·R·莫尔，O·阿尔珀特，A·斯利波伊，L·戈朗，R·萨基，V·施穆克勒，E·罗内恩，O·纳米亚斯，V·魏斯莱布，
申请(专利权)人：WI电荷有限公司，
类型：发明
国别省市：以色列,IL