CN105048647A - 激光无线充电装置 - Google Patents

Abstract

一种激光无线充电装置，其激光接收装置(2)接收激光发射装置(1)发射的激光，将所接收的激光转换为电能输出，为终端设备充电。激光发射装置(1)的主激光光源(11)处于激光发射装置(1)的中心位置，辅助激光光源(12)和四象限光电探测器(13)以主激光光源(11)为中心，紧邻主激光光源(11)对称布置。控制电路读取四象限光电探测器(13)的激光强度信号，逻辑判断辅助激光是否对准，调整云台(3)，控制主激光光源(11)的打开和关闭。激光接收装置的电压变换电路将激光接收装置输出的电压调整到终端设备充电允许的电压范围，对与其连接的终端设备安全充电。

Description

激光无线充电装置

技术领域

本发明涉及一种使用激光实现无线充电的装置。

背景技术

近年来，智能手机的普及带动了无线充电的发展，目前，公知的无线充电是利用近场感应，也就是通过电场或磁场耦合，由供电设备(充电器)将能量传送至接收电能的装置，该装置使用接收到的能量对电池充电，并同时供其本身运作之用。由于充电器与用电装置之间以电磁场耦合传送能量，两者之间不用电线连接，因此充电器及用电的装置都可以做到无导电接点外露，给使用者带来了一定便利，但这类无线充电的传输距离很近，距离稍远效率就会急剧下降，并且存在一定的电磁辐射。远程无线电力传输可采用微波或激光作载体，即发射端将电能转化为微波或激光能量发射到接收端，接收端再将微波或激光转化为电能，微波是波长介于无线电波和红外线辐射之间的电磁波，微波输电的优点是穿透性好，适合远程传输，缺点是发射和接受装置庞大，不适合便携式和对发射、接收装置要求轻便的设备使用。激光具有方向性好、发散角小、无电磁污染等优异特性，随着激光应用的日渐成熟，激光开始被应用于无线充电中。激光无线充电技术具有传输距离远、传输效率高、接收装置小、适合小型电子设备使用。专利CN204012770U的具有保护措施的远距离激光充电设备采用了多个特定频率的光传感器和对应的多个特定频率的光源来判定是否对正，此方法对准难度较大，结构复杂，不利于设备小型化；多个特定频率的光源安装在激光接受器周围，需要消耗受供方电能。

发明内容

本发明的目的是克服了现有技术的不足，提供一种结构简单、易于对准、效率较高的激光无线充电装置。本发明不但能实现远距离电能传输，还能给移动中的终端设备充电。与现有的激光电能传输技术相比，本发明能精确自动跟踪移动中的终端设备。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种激光无线充电装置，包括激光发射装置和激光接收装置，激光接收装置接收激光发射装置发射的激光，将所接受的激光转换为电能输出，为终端设备充电提供电能。激光发射装置和激光接收装置远距离布置，两个装置之间的距离可以为几米到几十米。

所述激光发射装置包括主激光光源、辅助激光光源、四象限光电探测器、控制电路和云台、主激光光源连接。主激光光源用于发射用于光电转换的大功率激光，辅助激光光源用于发射对准激光。所述的大功率激光和对准激光的波长不同。四象限光电探测器用于探测辅助激光，检测反射的辅助激光是否对准了角反射器。控制电路与云台、主激光光源连接，用于读取四象限光电探测器的激光强度信号，逻辑判断辅助激光是否对准，并调整云台，开关主激光光源。主激光光源处于激光发射装置中心位置，辅助激光光源和四象限光电探测器紧邻主激光光源布置，辅助激光光源和四象限光电探测器以主激光光源为中心对称布置。所述主激光光源、辅助激光光源、四象限光电探测器及控制电路安装在云台上，主激光光源、辅助激光光源和四象限光电探测器的水平和垂直方位由云台控制。

所述激光接收装置包括光电转换器、角反射器、电压变换电路和终端设备。所述光电转换器位于激光接收装置的中心。所述角反射器紧邻光电转换器布置，或置于光电转换器的中心。所述激光接收装置和终端设备通过电压变换电路联接，电压变换电路将激光接收装置输出的电压调整到终端设备充电允许的电压范围，实现对终端设备的安全充电。

工作时，激光发射装置和激光接收装置之间不能有障碍物遮挡。辅助激光光源发射的激光到达激光接收装置上的角反射器时，被角反射器沿原光路反射回来，进入四象限光电探测器。四象限光电探测器用于检测反射的辅助激光是否对准了角反射器，只有当其中的四个探测器接收到的辅助激光强度一致时，控制电路才能作出辅助激光对准的判断。一旦判断对准，说明主激光对准了激光接收装置的光电转换器，控制电路则开启主激光光源向光电转换器发射激光。一旦在激光发射装置和激光接收装置之间存在障碍物挡住激光，例如人的部分肢体、衣物、任何不透光物体，辅助激光到角反射器再到四象限光电探测器的激光光路被阻断，控制电路判断辅助激光没有对准角反射器则自动切断主激光光源。

所述的主激光光源为功率大于2W发散角小于2mrad的准直光源，为避免对人眼造成刺激，波长范围选择在780nm-980nm之间的红外波段。该光谱波段也是光电池较为敏感的波段，在此波长范围光电池有较好的光电转换效率，光源种类根据不同的功率要求可以使用半导体激光器或光纤耦合激光器。

所述辅助激光光源为功率小于100mW发散角大于30度光源，波长范围为635nm-660nm。光源种类为半导体激光器。为了提高抗干扰能力，对光源进行了调制，调制频率为10KHZ-100KHZ。

所述四象限光电探测器为十字分割的圆形硅光电池，也可以使用四个或四个以上的独立光电探测器，分别探测上、下、左、右方向的光能分布。探测器感光面覆盖有635nm-660nm窄带滤光片，用以滤除环境光和主激光光源，使其只对辅助光源敏感。

所述光电转换器用于将接受到的激光光能转换成电能输出，根据波长选择的不同，所述光电转换器可以选择硅太阳能电池、砷化镓太阳能电池或碲化镉太阳能电池，以取得最佳效率。

所述角反射器相当于三块相互垂直的平面反射镜，无论光线从哪个方向射向它，可经两次或最多三次反射，它都能将入射光线逆原方向反射回去，角反射器用于将部分辅助激光光源逆原方向返回，以便被四象限光电探测器接收。

所述的云台为二维云台，水平转动自由度为360度，俯仰角自由度为60度，云台在控制电路驱动下带动激光发射装置作水平和垂直转动，使其对准激光接收装置。

本发明工作过程如下：

工作时先开启辅助激光光源，辅助激光光源发出的部分光照到角反射器，并逆其原方向返回，被四象限光电探测器接收。四象限探测器表面覆盖有窄带滤光片，能滤除环境光和干扰光，只对辅助激光光源敏感。控制电路根据四象限光电探测器的光能分布情况驱动云台转动。当探测器左侧输出高于右侧时，云台右转，当探测器左侧输出低于右侧时，云台左转，垂直方向同理。当四象限光电探测器的上、下、左、右四个部分输出一致时，激光发射装置和激光接收装置对正，此时主激光光源开启。激光接收装置接收到激光，其光电转换器将激光光能转换成电能输出，实施远距离无线供电。激光接收装置输出的电能通过电压变换电路将电压调整到终端设备充电允许的电压范围，对与电压变换电路连接的终端设备安全充电。若四象限光电探测器的四个部分输出不一致或其中任一部分光电流为零时，主激光光源均不开启，起到保护的作用，防止有障碍物或人体进入主激光和激光接收装置之间时，主激光对障碍物或人体造成损伤。

本发明的有益效果是，可以实现远距离无线供电，结构简单,对准容易、迅速，效率较高，并可以对移动中的终端设备供电。

附图说明

图1a是本发明激光接收装置的组成结构示意图；

图1b是本发明激光发射装置的组成结构示意图；

图中：1激光发射装置，2激光接收装置，3云台，11主激光光源，12辅助激光光源，13四象限光电探测器，21光电转换器，22角反射器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种激光无线充电装置，包括激光发射装置1和激光接收装置2。激光接收装置2接收激光发射装置1发射的激光，将所接收的激光转换为电能输出，为终端设备充电提供电能。

如图1b所示，所述激光发射装置1包括主激光光源11、辅助激光光源12、四象限光电探测器13、控制电路和云台3。主激光光源11用于发射大功率激光，辅助激光光源12用于发射对准激光，所述的大功率激光和对准激光的波长不同。四象限光电探测器13用于探测辅助激光，检测反射的辅助激光是否对准了角反射器22。控制电路和云台3及主激光光源11连接，用于读取四象限光电探测器13的激光强度信号，逻辑判断辅助激光是否对准，并调整云台3，控制主激光光源11的打开和关闭。主激光光源11处于激光发射装置的中心位置，辅助激光光源12和四象限光电探测器13紧邻主激光光源布置，辅助激光光源和四象限光电探测器以主激光光源为中心对称布置。所述主激光光源11、辅助激光光源12、四象限光电探测器13、控制电路安装在云台3上，主激光光源11、辅助激光光源12和四象限光电探测器13的水平和垂直方位由云台3控制。

所述的主激光光源11为功率大于2W发散角小于2mrad的准直光源，为避免对人眼造成刺激，波长范围选择在780nm-980nm之间的红外波段。该光谱波段也是光电池较为敏感的波段，在此波长范围光电池有较好的光电转换效率，光源种类根据不同的功率要求可以使用半导体激光器或光纤耦合激光器。

所述辅助激光光源12为功率小于100mW发散角大于30度光源，波长范围为635nm-660nm。光源种类为半导体激光器。为了提高抗干扰能力，对光源进行了调制，调制频率为10KHZ-100KHZ。

所述四象限光电探测器13为十字分割的圆形硅光电池，也可以使用四个或四个以上的独立光电探测器，分别探测上、下、左、右方向的光能分布。探测器感光面覆盖有635nm-660nm窄带滤光片，用以滤除环境光和主激光光源，使其只对辅助光源敏感。

如图1a所示，所述激光接收装置2包括光电转换器21和角反射器22、电压变换电路和终端设备。

所述光电转换器21位于激光接收装置2中心。所述角反射器22紧邻光电转换器21布置，或置于光电转换器21的中心。所述激光接收装置2和终端设备通过电压变换电路联接，电压变换电路将激光接收装置2输出的电压调整到终端设备充电允许的电压范围，实现对终端设备的安全充电。

所述光电转换器21用于将接受到的激光光能转换成电能输出，根据波长选择的不同，所述光电转换器21可以选择硅太阳能电池、砷化镓太阳能电池或碲化镉太阳能电池以取得最佳效率。

所述角反射器22实际相当于三块相互垂直的平面反射镜，无论光线从哪个方向射向它，可经两次或最多三次反射，它都能将入射光线逆原方向反射回去，角反射器22用于将部分辅助激光光源12逆原方向返回，以便被四象限光电探测器13接收。该反射器可以是角反射器、微棱镜反射器或玻璃微珠反射器。

所述的云台3为二维云台，水平转动自由度为360度，俯仰角自由度为60度，云台3在控制电路驱动下带动激光发射装置作水平和垂直转动，使其对准激光接收装置。

工作时，首先开启辅助激光光源12，辅助激光光源12发出的部分光照射到角反射器22，并逆原方向返回，被四象限光电探测器13接收。四象限探测器13表面覆盖有窄带滤光片，能滤除环境光和干扰光，只对辅助激光光源12敏感。控制电路根据四象限光电探测器13的光能分布情况驱动云台3转动。当四象限光电探测器13的左侧输出高于右侧时，云台3右转，当四象限光电探测器13的左侧输出低于右侧时，云台3左转，垂直方向同理。当四象限光电探测器13的四个部分输出一致时，激光发射装置1和激光接收装置2对正，此时主激光光源11开启。激光接收装置2接收到激光，光电转换器21将激光光能转换成电能输出，激光接收装置输出的电能通过电压变换电路将电压调整到终端设备充电允许的电压范围，实现对通过电路连接的终端设备安全充电。若四象限光电探测器13的四个部分输出不一致或其中任一部分光电流为零时，主激光光源11均不开启，起到保护的作用，防止有障碍物或人体进入主激光和激光接收装置之间时，主激光对障碍物或人体造成损伤。

Claims (3)

1.一种激光无线充电装置，其特征在于：所述的激光无线充电装置包括激光发射装置（1）和激光接收装置（2）；所述的激光接收装置（2）接收激光发射装置（1）发射的激光，将所接收的激光转换为电能输出，为终端设备充电提供电能；

所述激光发射装置（1）包括主激光光源（11），辅助激光光源（12）、四象限光电探测器（13）、控制电路和云台（3）；所述主激光光源（11）处于激光发射装置（1）的中心位置，辅助激光光源（12）和四象限光电探测器（13）以主激光光源（11）为中心，紧邻主激光光源（11）对称布置；主激光光源（11）、辅助激光光源（12）、四象限光电探测器（13）和控制电路安装在云台（3）上；控制电路与云台（3）及主激光光源（11）连接，读取四象限光电探测器（13）的激光强度信号，逻辑判断辅助激光是否对准，并调整云台（3），控制主激光光源（11）的打开和关闭；

所述激光接收装置（2）包括光电转换器（21）和角反射器（22）、电压变换电路和终端设备；所述光电转换器（21）位于激光接收装置（2）的中心，所述角反射器（22）紧邻光电转换器（21）布置，或置于光电转换器（21）的中心；所述激光接收装置（2）和终端设备通过电压变换电路联接，电压变换电路将激光接收装置（2）输出的电压调整到终端设备充电允许的电压范围，实现对终端设备的安全充电。

2.根据权利要求1所述的激光无线充电装置，其特征在于：所述的主激光光源（11）发射大功率激光，辅助激光光源（12）发射对准激光，所述的四象限光电探测器（13）检测反射的辅助激光是否对准角反射器（22）；控制电路用于读取四象限光电探测器（13）的激光强度信号，逻辑判断辅助激光是否对准，并调整云台（3），控制主激光光源（11）的打开和关闭。

3.根据权利要求1所述的激光无线充电装置，其特征在于：辅助激光光源（12）发出的部分光照到角反射器（22）并逆原方向返回，被四象限光电探测器（13）接收，当四象限光电探测器（13）的四个部分输出一致时，判定激光发射装置（1）和激光接收装置（2）对正，开启主激光光源（11），激光接收装置（2）接收激光发射装置（1）发射的激光，将所接收的激光转换为电能输出，输出的电能通过电压变换电路调整到终端设备充电允许的电压范围，对终端设备安全充电；当四象限光电探测器（13）的四个部分输出不一致或其中任一部分光电流为零时，判定激光发射装置（1）和激光接收装置（2）未对正，关闭主激光光源（11），起到保护的作用。