一种光束控制装置制造方法及图纸

一种光束控制装置，由光束指向部件和电磁场控制部件组成。电磁场控制部件具有球形空腔，光束指向部件外形为球形，并位于该球形空腔中，并可相对转动。两者之间的空隙填充有润滑液。光束指向部件具有磁矩或者电偶极矩，控制器通过控制电磁场控制部件的球形空腔中的磁场或者电场，给光束指向部件施加力矩，控制光束指向部件的指向，从而控制光束指向部件的出射光束的方向。本发明专利技术通过整合光、机、电、磁、材料和控制领域的技术突破，实现了可以极小型化的、具有极大偏转角度的光束控制方案，为自由空间光通讯、激光扫描、无人驾驶、激光射束驱动、空间定位等等领域提供了全新的终端技术。

A Beam Control Device

The utility model relates to a beam control device, which is composed of a beam pointing component and a electromagnetic field control component. The electromagnetic field control part has a spherical cavity, and the beam pointing part is spherical in shape, and is located in the spherical cavity, and can rotate relatively. The gap between the two is filled with lubricant. The beam pointing component has magnetic moment or electric dipole moment. The controller controls the direction of the beam pointing component by controlling the magnetic field or electric field in the spherical cavity of the electromagnetic field control component, applying the moment to the beam pointing component, and controlling the direction of the beam pointing component, thereby controlling the direction of the beam pointing component's outgoing beam. By integrating the technological breakthroughs in the fields of light, mechanics, electricity, magnetism, materials and control, the invention realizes a miniaturized beam control scheme with a maximum deflection angle, and provides a new terminal technology for the fields of free space optical communication, laser scanning, unmanned driving, laser beam driving, space positioning, etc.

【技术实现步骤摘要】
一种光束控制装置
本专利技术涉及光束方向控制领域，尤其涉及自由空间光通讯领域。
技术介绍
控制光束定向发射的技术在多个领域中具有重要应用。比如在自动驾驶、激光测绘等领域中，激光扫描技术是关键技术之一，激光扫描所要完成的工作是控制激光束的方向按照设计的轨迹变化，并根据反射的激光信号获得被测环境或者物体的形态信息。在激光射束驱动领域，激光束作为能量传递的载体被从光源发射到接收端的光电转换器上，以完成能量传输，为了提高能量传输的效率，需要严格控制激光束的方向准确指向接收端。目前在这些领域中所使用的激光束方向控制装置，都是基于传统的电机伺服控制，小型化存在难度，维护成本也较高。控制光束定向发射的技术在无线通讯领域也可以有重要应用。现有无线通讯的频率选择兼顾了信号穿透性和通讯带宽，如果频率更高则穿透性和绕过障碍的能力变差，甚至于变得类似于可见光需要直线通路；如果频率更低，则带宽太窄，难以支撑通讯需求。目前的4G技术、WIFI技术等已经达到了所用载波频率的理论带宽上限，为了进一步提高带宽，甚至开始提供单一用户并用多信道的技术，但是这种做法受到接入用户密度的限制，所能提高的带宽是有限的，而且这种在现有技术框架内提高通讯带宽的做法存在负面效应，就是恶化了电磁环境，加剧了辐射问题，使得无线通讯对于人体健康所产生的不利影响日益突出。正在研发的5G技术计划采用厘米级甚至毫米级波长的载波，理论带宽可以在4G基础上提高一个数量级，但是这种波长的无线电波穿透性和绕过障碍物的能力是很差的，在移动终端和信号基站之间几乎需要直线通路，如果要全面建设5G系统，那么势必需要建设更多数量的基站并提高基站功率，如果继续沿用现有大角度广播的信号传输方式，对于目前已很恶劣的电磁环境而言会雪上加霜。可以说现有手机、WIFI等无线通讯技术面临着通讯带宽的瓶颈。移动互联网和物联网的发展对于通讯带宽的要求会越来越高，提高载波频率是唯一的出路。然而更高频率的电磁波，因为其穿透性和绕过障碍物的能力更差，会要求移动终端与信号基站、终端与终端之间有可视通路。无论是使用厘米波、毫米波、红外光还是可见光作为载波，在未来的无线通讯中，可视通路都将是一个重要特征，本专利技术的一个重要应用是建立空间角尽可能小的自由空间通讯的可视通路，降低通讯链路对于电磁环境的影响。专利CN02824048-光束控制的光学切换设备，描述了一种使用光纤和透镜配合的光束指向控制装置，利用微动控制单元将光纤的输出端在透镜的焦平面上移动，从而控制从透镜射出的光束的方向，但是由于光纤的出射端需要在透镜的焦平面上，所以该方法控制光束方向的范围受到一定的限制，光束的发散角也不很容易准确控制。专利CN200310108487-精密旋转双棱镜光束扫描器及其控制方法，描述了一种使用两个折射棱镜控制光束指向的系统，每个棱镜都需要单独的伺服控制，系统存在一定的复杂度，不很容易实现微型化。专利CN200810005420-垂直动态光束成型，描述了基于自由空间光通讯的下一代通讯系统的一些有益思路和构想。光通讯是现有无线通讯的升级，可以提供比现有无线通讯更大的带宽和更低的延迟。但是，受到自由空间光互连技术的制约，目前还没有公众使用的商用化产品。上述为现有技术的部分代表。总体来说，目前实现光束定向发射的技术包括以下几类：1、利用电机伺服系统或者MEMS驱动器等控制反光镜或者折射晶体转动；2、电子相控阵或者光学相控阵；3、光栅偏转等。现有的用于三维空间指向伺服的电机伺服系统或者MEMS技术都存在系统复杂、角度范围有限等问题；相控阵技术因其本身的技术特点，偏转角度范围有限，特别是现有的光学相控阵技术，光束的偏转角度比较小；闪耀光栅对于不同波长电磁波的衍射角度不同，利用该原理也可以实现光束定向发射，但是因为光波的波长与光束的方位角之间是绑定的，所以对于光波频率的调节要求较高，需要发射端进行精确的波长控制，而且也有偏转角度比较有限的问题。从技术原理来分类，本专利技术属于伺服控制技术范畴，是一种新型的用于光束方向控制的伺服装置。
技术实现思路
在现有技术中，光束方向控制存在结构复杂、难以小型化、维护成本高，以及光束偏转角度有限的缺点。针对于现有技术的不足，本专利技术完成了诸多技术突破。比如，本专利技术核算并实验验证了在地球表面使用导电线圈产生磁场的能耗、强度，明确了通过导电线圈产生磁场控制磁性部件偏转的可行性、可靠性和可观性；本专利技术提出了利用电容可变原理，通过静电驱动控制光束指向部件的指向的可行方案；本专利技术利用润滑液的滑动摩擦力与相对速度成比例的原理，实现了光束指向部件的速度负反馈控制，并通过选取润滑液粘度和润滑层厚度调节速度反馈系数，解决了因电磁场控制部件只能输出位置控制而隐含的控制稳定性问题；本专利技术利用脉宽调制技术解决了静摩擦的问题。本专利技术的目的是提供一种结构简单、免维护且偏转角度无限制的光束控制装置，以满足光通讯、无人驾驶、激光扫描、激光射束驱动、光路由、空间定位等领域对更优秀光束方向控制技术的需求。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种光束控制装置，具有光束指向部件和电磁场控制部件；所述光束指向部件的外形为球形，所述电磁场控制部件具有球形空腔，所述光束指向部件位于所述电磁场控制部件的球形空腔内并可相对转动；所述光束指向部件具有发光元件、或者反光表面、或者折射介质、或者衍射光栅，由所述发光元件发射、或者由所述反光表面反射、或者由所述折射介质折射、或者由所述衍射光栅衍射得到出射光束，所述出射光束的方向由所述光束指向部件的指向决定；所述光束可以为任意波长的电磁波，所述光束指向部件和所述电磁场控制部件在光束通路上在光束波段为透明或部分透明；所述光束指向部件具有电磁矩部件，所述电磁矩部件产生电偶极矩或者磁矩；所述电磁场控制部件与控制器连接，该控制器控制所述电磁场控制部件球形空腔内的电场，对所述光束指向部件的电磁矩部件的电偶极矩施加电场力矩，或者通过控制所述电磁场控制部件球形空腔内的磁场，对所述光束指向部件的电磁矩部件的磁矩施加磁场力矩，从而控制所述光束指向部件的指向，从而控制所述出射光束的方向。可选的，所述光束指向部件与所述电磁场控制部件的球形空腔之间填充有润滑介质，所述润滑介质为液体或者球状微粒，所述润滑介质在光束波段透明或者部分透明。可选的，所述电磁场控制部件的球形空腔外环绕有两组或者三组导电线圈，各组导电线圈彼此正交且彼此绝缘，每组导电线圈都与控制器电连接，控制器通过控制各组导电线圈中的电流而控制球形空腔中的磁场，每组导电线圈由至少一根导线环绕而成，同组导电线圈的导线环绕方向相同，环绕方式为集中环绕或者分散环绕，每组导电线圈的总导电截面面积与球形空腔内表面面积之比不大于0.02。可选的，所述光束指向部件的电磁矩部件为永磁体，所述永磁体产生磁矩。可选的，所述光束控制装置除了具有光束指向部件和电磁场控制部件以外，还具有磁场敏感器，该磁场敏感器检测环境磁场的数值，控制器控制所述电磁场控制部件在球形空腔中产生的磁场，使该球形空腔中的磁场等于目标的球形空腔中的磁场减去环境磁场，从而抵消环境磁场对球形空腔磁场的影响。可选的，所述电磁场控制部件的球形空腔外侧包覆有多对电极，每对电极都与控制器电连接，控制器控制每对电极的电压，从而控制球形空腔内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光束控制装置，其特征在于：具有光束指向部件和电磁场控制部件；所述光束指向部件的外形为球形，所述电磁场控制部件具有球形空腔，所述光束指向部件位于所述电磁场控制部件的球形空腔内并可相对转动；所述光束指向部件具有发光元件、或者反光表面、或者折射介质、或者衍射光栅，由所述发光元件发射、或者由所述反光表面反射、或者由所述折射介质折射、或者由所述衍射光栅衍射得到出射光束，所述出射光束的方向由所述光束指向部件的指向决定；所述光束可以为任意波长的电磁波，所述光束指向部件和所述电磁场控制部件在光束通路上在光束波段为透明或部分透明；所述光束指向部件具有电磁矩部件，所述电磁矩部件产生电偶极矩或者磁矩；所述电磁场控制部件与控制器连接，该控制器控制所述电磁场控制部件球形空腔内的电场，对所述光束指向部件的电磁矩部件的电偶极矩施加电场力矩，或者通过控制所述电磁场控制部件球形空腔内的磁场，对所述光束指向部件的电磁矩部件的磁矩施加磁场力矩，从而控制所述光束指向部件的指向，从而控制所述出射光束的方向。

【技术特征摘要】
1.一种光束控制装置，其特征在于：具有光束指向部件和电磁场控制部件；所述光束指向部件的外形为球形，所述电磁场控制部件具有球形空腔，所述光束指向部件位于所述电磁场控制部件的球形空腔内并可相对转动；所述光束指向部件具有发光元件、或者反光表面、或者折射介质、或者衍射光栅，由所述发光元件发射、或者由所述反光表面反射、或者由所述折射介质折射、或者由所述衍射光栅衍射得到出射光束，所述出射光束的方向由所述光束指向部件的指向决定；所述光束可以为任意波长的电磁波，所述光束指向部件和所述电磁场控制部件在光束通路上在光束波段为透明或部分透明；所述光束指向部件具有电磁矩部件，所述电磁矩部件产生电偶极矩或者磁矩；所述电磁场控制部件与控制器连接，该控制器控制所述电磁场控制部件球形空腔内的电场，对所述光束指向部件的电磁矩部件的电偶极矩施加电场力矩，或者通过控制所述电磁场控制部件球形空腔内的磁场，对所述光束指向部件的电磁矩部件的磁矩施加磁场力矩，从而控制所述光束指向部件的指向，从而控制所述出射光束的方向。2.如权利要求1所述的一种光束控制装置，其特征在于：所述光束指向部件与所述电磁场控制部件的球形空腔之间填充有润滑介质，所述润滑介质为液体或者球状微粒，所述润滑介质在光束波段透明或者部分透明。3.如权利要求1所述的一种光束控制装置，其特征在于：所述电磁场控制部件的球形空腔外环绕有两组或者三组导电线圈，各组导电线圈彼此正交且彼此绝缘，每组导电线圈都与控制器电连接，控制器通过控制各组导电线圈中的电流而控制球形空腔中的磁场，每组导电线圈由至少一根导线环绕而成，同组导电线圈的导线环绕方向相同，环绕方式为集中环绕或者分散环绕，每组导电线圈的总导电截面面积与球形空腔内表面面积之比不大于0.02。4.如权利要求3所述的一种光束控制装置，其特征在于：所述光束指向部件的电磁矩部件为永磁体，所述永磁体产生磁矩。5.如权利要求3所述的一种光束控制装置，其特征在于：所述光束控制装置除了具有光束指向部件和电磁场控制部件以外，还具有磁场敏感器，该磁场敏感器检测环境磁场的数值，控制器控制所述电磁场控制部件在球形空腔中产生的磁场，使该球形空腔中的磁场等于目标的球形空腔中的磁场减去环境磁场，从而抵消环境磁场对球形空腔磁场的影响。6.如权利要求1所述的一种光束控制装置，其特征在于：所述电磁场控制部件的球形空腔外侧包覆有多对电极，每对电极都与控制器电连接，控制器控制每对电极的电压，从而控制球形空腔内的电场，所述电极在光束通路上在光束波段为透明或部分透明的。7.如权利要求6所述的一种光束控制装置，其特征在于：所述光束指向部件的电磁矩部件为一对电极或者多对电极，所述电极在光束通路上在光束波段为透明或部分透明的，每对电极都相对于本发明的其他部分绝缘，每对电极都...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐伟科，
申请(专利权)人：徐伟科，
类型：发明
国别省市：山东,37