CN106849381A - 一种无线能量传输发射装置、传输系统及传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线能量传输技术领域，提供一种无线能量传输发射装置、传输系统及传输方法，具有发射装置，包括：光学发射天线，该光学发射天线包括：第一正透镜；第二正透镜，所述第二正透镜与所述第一正透镜平行设置；伺服控制器，所述伺服控制器用于控制所述第一正透镜和所述第二正透镜之间的焦距；激光处理单元，用于对入射其内的光束进行处理，处理后传输于光学发射天线；传能激光器，激光指示器，所述激光指示器通过激光处理单元将光束处理后传输给光学发射天线；解决了现有无线传能系统接收装置和发射装置均需要光学天线才能完成能量传输的问题，使得传能天线和受能天线共用一个光学天线，达到了简化结构的技术效果。

Description

一种无线能量传输发射装置、传输系统及传输方法

技术领域

本发明涉及无线能量传输技术领域，特别涉及一种无线能量传输发射装置、传输系统及传输方法。

背景技术

随着国家科技快速发展，无限能量传输越来越多的出现在航天、通讯、电力等行业，一般的无线能量传输采用系统传能单元和独立接收单元来完成较远距离及远距离间设备的能量传输。

现有的无线能量传输系统大多由单独的相位调制及光速控制单元，来组成激光传能系统，能够实现激光的远距离传输，但是正是由于距离较远，现有的传能结构，往往需要接收天线才能实现能量的无线接收，结构复杂成本高。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种无线能量传输发射装置、传输系统及传输方法，解决了受能装置接收能量需要必须要光学接收天线的问题；实现了光能传输中发射装置和接收装置共用一套接收天线的目的，达到了简化结构，不需要接收天线，降低成本的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供了如下技术方案：

一种无线能量传输发射装置，包括：激光指示器、传能激光器、激光处理单元以及光学发射天线，其中，

激光指示器，提供指示光能，并将指示光能传输给所述激光处理单元；

传能激光器，提供待传输光能，并将待传输光能传输给所述激光处理单元；

激光处理单元，对所述激光指示器传输的指示光能进行第一基础处理后，传输给所述光学发射天线；以及根据接收装置反射回来的反射指示光能进行第三基础处理得到反射指示信息，所述反射指示信息用于确定所述光学发射天线的位置；以及，在确定好所述光学发射天线的位置后，对所述传能激光器传输的待传输光能进行第二基础处理后，传输给光学发射天线；

光学发射天线，将激光处理单元传输的指示光能和待传输光能向接收装置传输；所述光学发射天线包括：第一正透镜、第二正透镜；所述第二正透镜与所述第一正透镜平行设置；以及伺服控制器，所述伺服控制器用于根据发射装置和接收装置之间的距离、接收装置中光电池的面积控制所述第一正透镜和所述第二正透镜之间的焦距。

优选地，所述激光处理单元，包括按照光路依次设置的二向分色片、第一四分之一波片、偏振分光棱镜、第二四分之一波片、滤光片、图像传感器；以及:设置在偏振分光棱镜一侧并在指示激光器出射光轴上的起偏器；

所述二向分色片设置在传能激光器出射光轴延伸段上。

优选地，所述第一基础处理包括：将所述激光指示器传输来的指示光能偏振态经起偏器调整为竖直偏振态，再经过偏振分光棱镜反射至第一四分之一波片，经过第一四分之一波片后变为圆偏振光，再经二向分色片滤光后反射至光学发射天线；

所述第二基础处理包括：将所述传能激光器传输来的光能经二向分色片滤光后透射至光学发射天线；

所述第三基础处理包括：将光学发射天线接收到的反射指示光能传输给二向分色片滤光后反射至第一四分之一波片透射，透射后偏振态变为水平偏振光，再经偏振分光棱镜透射，再依次经过第二四分之一波片、滤光片滤波，并由图像传感器接收。

优选地，所述反射指示信息用于确定所述发射天线的位置包括：根据指示光能在图像传感器的位置调整光学发射天线相对于接收装置的位置，使指示激光聚焦光斑位于图像传感器感光面中心，并锁定光学发射天线位置。

优选地，所述发射装置还包括：第一计算机、第一望远镜、第一二维转台；

其中：

所述第一计算机连具有多个连接端口，并且分别连接所述图像传感器、第一二维转台、光学发射天线；

所述第一望远镜设置于所述第一二维转台上；

所述激光处理单元、光学发射天线设置于所述第一二维转台上。

下面的技术内容是上述无线能量发射装置在无限能量传输中的应用：

一种基于激光的无线能量传输系统，包括上述无线能量传输装置及与其无线传输连接的接收装置，所述接收装置包括：

光电池,用于将接收到的光能转化成电能；

角锥棱镜，所述角锥棱镜固定于所述光电池中心，用于接收光学发射天线传输来的光束并原路反射于光学发射天线。

优选地，所述接收装置还包括能量管控单元、负载、蓄电池、第二望远镜、第二二维转台、第二计算机；

其中：

所述第二望远镜位于所述第二二维转台上；所述光电池设置于所述第二二维转台上；所述第二二维转台与所述第二计算机连接；

所述光电池依次连接有能量管控单元、负载；所述能量管控单元连接有蓄电池。

优选地，所述图像传感器包括聚焦镜头及位于所述聚焦镜头后焦面上的感光元件。

优选地，所述的二向分色片的透射平面与所述的传能激光器出射激光主轴方向成45°夹角。

优选地，所述的第一四分之一波片、偏振分光棱镜、第二四分之一波片、滤光片、图像传感器沿所述的二向分色片的反射面成45°夹角的方向上依次设置。

优选地，所述的偏振分光棱镜的反射面与所述的指示激光器出射激光主轴方向成45°夹角设置；

所述的起偏器的偏振方向与所述的偏振分光棱镜的反射面平行。

优选地，所述的第一望远镜的光轴方向与所述的传能激光器出射激光主轴方向平行。

为了更好的、科学的实现无线能量传输，本申请实施例提供一种利用上述装置进行无线能量传输的方法，包括：

一种利用权利要6所述的系统进行无线能量传输的方法，包括：

将指示激光器提供的指示光能，通过激光处理单元进行第一基础处理后提供给光学发射天线，通过光学发射天线传输至接收装置；

通过所述光学发射天线接收接收装置反射回来的反射指示光能，并通过激光处理单元进行第三基础处理后得到反射指示信息；

根据所述反射指示信息确定所述发射天线的位置；

将传能激光器提供的待传输光能，通过激光处理单元进行第二基础处理后提供给光学发射天线，通过所述光学发射天线传输至接收装置。

优选地，还包括：

通过接收装置中的光电池接收来自发射装置的待传输光能，并转化为电能；

通过接收装置中的角锥棱镜将来自发射装置的指示光能反射回到所述光学发射天线。

优选地，还包括：

接收装置和发射装置通讯定位；

指示激光器出光经激光处理单元处理后通过光学发射天线传输到接收装置上的角锥棱镜上；

利用角锥棱镜的任意角入射原路发射特性，将传输来的光束反射到光学发射天线；

光学发射天线将角锥棱镜反射来的光束传输给激光处理单元进行调整或处理；

根据光电尺寸和传输距离，利用伺服电机调整第一正透镜与第二正透镜之间的离焦量ΔL为：

式中，f2为第二正透镜的焦距，D为传能激光在第二正透镜表面的光斑直径，L为光电池的直径，Z为光学发射天线与光电池的距离；

传能激光器开启发射传能激光，传能激光经激光处理单元处理后通过光学发射天线将光束传输到光电池上进行光电转换，进行无线能量传输。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1.本申请实施例采用的无线能量传输发射装置，当需要无线传能时，激光处理单元，对所述激光指示器传输的指示光能进行第一基础处理后，传输给所述光学发射天线；以及根据接收装置反射回来的反射指示光能进行第三基础处理得到反射指示信息，所述反射指示信息用于确定所述光学发射天线的位置；以及，在确定好所述光学发射天线的位置后，对所述传能激光器传输的待传输光能进行第二基础处理后，传输给光学发射天线；所述光学发射天线包括：第一正透镜、第二正透镜；所述第二正透镜与所述第一正透镜平行设置；以及伺服控制器，所述伺服控制器用于根据发射装置和接收装置之间的距离、接收装置中光电池的面积控制所述第一正透镜和所述第二正透镜之间的焦距；调整好焦距后，传能激光器出光通过激光处理单元进行第二基础处理后通过光学发射天线将光能(束)传输到光电池上进行能量的无线传输；解决了现有无线传能系统接收装置和发射装置均需要光学天线才能完成能量传输的问题，使得传能天线和受能天线共用一个光学天线，达到了简化结构，降低成本的技术效果。

2.由于申请实施例中采用了一种基于激光的无线能量传输系统，当需要无线传能时，激光处理单元，对所述激光指示器传输的指示光能进行第一基础处理后，传输给所述光学发射天线；以及根据接收装置具有的角锥棱镜反射回来的反射指示光能进行第三基础处理得到反射指示信息，所述反射指示信息用于确定所述光学发射天线的位置；以及，在确定好所述光学发射天线的位置后，对所述传能激光器传输的待传输光能进行第二基础处理后，传输给光学发射天线；所述光学发射天线包括：第一正透镜、第二正透镜；所述第二正透镜与所述第一正透镜平行设置；以及伺服控制器，所述伺服控制器用于根据发射装置和接收装置之间的距离、接收装置中光电池的面积控制所述第一正透镜和所述第二正透镜之间的焦距；调整好焦距后，传能激光器出光通过激光处理单元进行第二基础处理后通过光学发射天线将光能(束)传输到光电池上进行能量的无线传输；解决了现有远距离光能无线传输中需要光学接收天线导致结构复杂和成本高的问题，达到了不需要接收天线从而降低成本。

3.由于本申请实施例采用了一种无线能量传输的方法，包括：将指示激光器提供的指示光能，通过激光处理单元进行第一基础处理后提供给光学发射天线，通过光学发射天线传输至接收装置；通过所述光学发射天线接收接收装置反射回来的反射指示光能，并通过激光处理单元进行第三基础处理后得到反射指示信息；根据所述反射指示信息确定所述发射天线的位置；将传能激光器提供的待传输光能，通过激光处理单元进行第二基础处理后提供给光学发射天线，通过所述光学发射天线传输至接收装置；实现了光学发射天线与受能设备的精确定位，解决了无线传能技术系统中接收装置需要接收天线进行定位的问题，达到发射装置和受能装置共用一套发射天线，简化设备配置，降低传能成本。

附图说明

图1是本申请实施例的基于激光的无线能量传输系统的结构示意图；

图2是本申请实施例的无线能量传输方法的流程图；

图中，101-发射装置，102-接收装置，1-传能激光器、2-二向分色片、3-光学发射天线、4-第一四分之一波片、5-偏振分光棱镜、6-第二四分之一波片、7-滤光片、8-图像传感器、9-第一计算机，10-指示激光器，11-起偏器，12-第一望远镜，13-第一二维转台，14-角锥棱镜，15-光电池，16-能量管控单元，17-负载，18-蓄电池，19-第二望远镜，20-第二二维转台，21-第二计算机，31-第一正透镜，32-第二正透镜，33-伺服电机，9001-第一计算机第一端口，9002-第一计算机第二端口，9003-第一计算机第三端口。

具体实施方式

本申请实施例的目的在于提供一种无线能量传输发射装置、传输系统及传输方法，实现了光能传输中发射装置和接收装置共用一套接收天线的目的，达到了简化结构，不需要接收天线，降低成本的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供了如下解决思路：当需要无线传能时，激光处理单元，对所述激光指示器传输的指示光能进行第一基础处理后，传输给所述光学发射天线；以及根据接收装置具有的角锥棱镜反射回来的反射指示光能进行第三基础处理得到反射指示信息，所述反射指示信息用于确定所述光学发射天线的位置；以及，在确定好所述光学发射天线的位置后，对所述传能激光器传输的待传输光能进行第二基础处理后，传输给光学发射天线；所述光学发射天线包括：第一正透镜、第二正透镜；所述第二正透镜与所述第一正透镜平行设置；以及伺服控制器，所述伺服控制器用于根据发射装置和接收装置之间的距离、接收装置中光电池的面积控制所述第一正透镜和所述第二正透镜之间的焦距；调整好焦距后，传能激光器出光通过激光处理单元进行第二基础处理后通过光学发射天线将光能(束)传输到光电池上进行能量的无线传输。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体实施方式对上述技术方案进行详细说明。

实施例1

如图1所示，一种无线能量传输发射装置，包括：激光指示器10、传能激光器1、激光处理单元以及光学发射天线3，其中，

激光指示器10，提供指示光能，并将指示光能传输给所述激光处理单元；

传能激光器1，提供待传输光能，并将待传输光能传输给所述激光处理单元；

激光处理单元，对所述激光指示器10传输的指示光能进行第一基础处理后，传输给所述光学发射天线3；以及根据接收装置反射回来的反射指示光能进行第三基础处理得到反射指示信息，所述反射指示信息用于确定所述光学发射天线3的位置；以及，在确定好所述光学发射天线3的位置后，对所述传能激光器1传输的待传输光能进行第二基础处理后，传输给光学发射天线3；

光学发射天线3，将激光处理单元传输的指示光能和待传输光能向接收装置传输；所述光学发射天线3包括：第一正透镜31；第二正透镜32，所述第二正透镜32与所述第一正透镜31平行设置；以及伺服控制器33，所述伺服控制器33用于根据发射装置和接收装置之间的距离、接收装置中光电池的面积控制所述第一正透镜31和所述第二正透镜32之间的焦距。

本申请实施例中，当需要无线传能时，激光处理单元，对所述激光指示器传输的指示光能进行第一基础处理后，传输给所述光学发射天线；以及根据接收装置反射回来的反射指示光能进行第三基础处理得到反射指示信息，所述反射指示信息用于确定所述光学发射天线的位置；以及，在确定好所述光学发射天线的位置后，对所述传能激光器传输的待传输光能进行第二基础处理后，传输给光学发射天线；所述光学发射天线包括：第一正透镜、第二正透镜；所述第二正透镜与所述第一正透镜平行设置；以及伺服控制器，所述伺服控制器用于根据发射装置和接收装置之间的距离、接收装置中光电池的面积控制所述第一正透镜和所述第二正透镜之间的焦距；调整好焦距后，传能激光器出光通过激光处理单元进行第二基础处理后通过光学发射天线将光能(束)传输到光电池上进行能量的无线传输；解决了现有无线传能系统接收装置和发射装置均需要光学天线才能完成能量传输的问题，使得传能天线和受能天线共用一个光学天线，达到了简化结构，降低成本的技术效果。

本申请实施例中，所述激光处理单元，包括按照光路依次设置的二向分色片2、第一四分之一波片4、偏振分光棱镜5、第二四分之一波片6、滤光片7、图像传感器8；所述图像传感器8包括聚焦镜头81及位于所述聚焦镜头81后焦面上的感光元件82，以及:

设置在偏振分光棱镜5一侧并在指示激光器10出射光轴上的起偏器11；

所述二向分色片2设置在传能激光器1出射光轴延伸段上。

本申请实施例中，所述第一基础处理包括：将所述激光指示器10传输来的指示光能偏振态经起偏器调整为竖直偏振态，再经过偏振分光棱镜5反射至第一四分之一6波片，经过第一四分之一波片6后变为圆偏振光，再经二向分色片2滤光后反射至光学发射天线；

所述第二基础处理包括：将所述传能激光器1传输来的光能经二向分色片2滤光后透射至光学发射天线3；

所述第三基础处理包括：将光学发射天线3接收到的反射指示光能传输给二向分色片2滤光后反射至第一四分之一波片4透射，透射后偏振态变为水平偏振光，再经偏振分光棱镜5透射，再依次经过第二四分之一波片6、滤光片7滤波，并由图像传感器8接收。

本申请实施例中，所述反射指示信息用于确定所述发射天线3的位置包括：根据指示光能在图像传感器8的位置调整光学发射天线3相对于接收装置的位置，使指示激光聚焦光斑位于图像传感器8感光面中心，并锁定光学发射天线3位置。

本申请实施例中，所述发射装置还包括：第一计算机9、第一望远镜12、第一二维转台13；

其中：

所述第一计算机9连具有多个连接端口，并且分别连接所述图像传感器8第一二维转台13、光学发射天线3；所述第一计算机9连具有至少三个连接端口，分别为第一计算机端口9001、第二计算机端口9002、第三计算机端口9003；所述第一计算机端口9001、第二计算机端口9002、第三计算机端口9003分别连接所述图像传感器8、第一二维转台13、光学发射天线3，该光学发射天线3具有调节离焦量的功能；

所述第一望远镜12设置于所述第一二维转台13上；

所述激光处理单元、光学发射天线3设置于所述第一二维转台13上。

工作原理：

总的来说，参考图1和2所示，本申请实施例中激光指示器出光至起偏器，起偏器将指示激光偏振态调整为竖直偏振态，经过偏振分光棱镜反射至第一四分之一波片，经过第一四分之一波片后变为圆偏振光，该圆偏振光传输到二向分色片上，并被二向分色片反射至光学发射天线，并由光学发射天线发出至接收装置的角锥棱镜上，经角锥棱镜反射后经光学发射天线接收；反射到光学发射天线的光再次被传输到二向分色片上，并被二向分色片反射至第一四分之一波片透射，同时偏振态变为水平偏振光，由偏振分光棱镜透射，依次经过第二四分之一波片、滤光片滤波去除杂光后并由图像传感器接收；

根据指示激光在图像传感器的位置调整第一二维转台与第二二维转台，使指示激光聚焦光斑位于图像传感器感光面中心，并锁定第一二维转台与第二二维转台；

利用伺服控制器调整第一正透镜与第二正透镜之间的离焦量ΔL为：

式中，f2为第二正透镜的焦距，D为传能激光在第二正透镜表面的光斑直径，L为光电池的直径，Z为光学发射天线与光电池的距离。

调整好离焦量ΔL后，传能激光器开启发射传能激光，传能激光由二向分色片透射，并由光学发射天线发出，传输到光电池上进行光电转换，进行无线能量传输直至能量传输结束。

总之本申请实施例解决了现有远距离光能无线传输中需要光学接收天线导致结构复杂和成本高的问题，达到了不需要接收天线和可以根据实际受能距离和光电池尺寸进行光斑大小和位置的调整传能光束从而降低成本的技术效果。

实施例2

下面的技术内容是上述无线能量发射装置在无限能量传输中的应用：

如图1、2所示，一种基于激光的无线能量传输系统，包括上述无线能量传输装置及与其无线传输连接的接收装置，所述接收装置包括：

光电池15,用于将接收到的光能转化成电能；

角锥棱镜14，所述角锥棱镜14固定于所述光电池15中心，用于接收光学发射天线3传输来的光束并原路反射于光学发射天线3。

3.本申请实施例中，当需要无线传能时，激光处理单元，对所述激光指示器传输的指示光能进行第一基础处理后，传输给所述光学发射天线；以及根据接收装置具有的角锥棱镜反射回来的反射指示光能进行第三基础处理得到反射指示信息，所述反射指示信息用于确定所述光学发射天线的位置；以及，在确定好所述光学发射天线的位置后，对所述传能激光器传输的待传输光能进行第二基础处理后，传输给光学发射天线；所述光学发射天线包括：第一正透镜、第二正透镜；所述第二正透镜与所述第一正透镜平行设置；以及伺服控制器，所述伺服控制器用于根据发射装置和接收装置之间的距离、接收装置中光电池的面积控制所述第一正透镜和所述第二正透镜之间的焦距；调整好焦距后，传能激光器出光通过激光处理单元进行第二基础处理后通过光学发射天线将光能(束)传输到光电池上进行能量的无线传输；解决了现有远距离光能无线传输中需要光学接收天线导致结构复杂和成本高的问题，达到了不需要接收天线从而降低成本。

工作原理：

参考图1和2所示，本申请实施例中激光指示器出光至起偏器，起偏器将指示激光偏振态调整为竖直偏振态，经过偏振分光棱镜反射至第一四分之一波片，经过第一四分之一波片后变为圆偏振光，该圆偏振光传输到二向分色片上，并被二向分色片反射至光学发射天线，并由光学发射天线发出至接收装置的角锥棱镜上，经角锥棱镜反射后经光学发射天线接收；反射到光学发射天线的光再次被传输到二向分色片上，并被二向分色片反射至第一四分之一波片透射，同时偏振态变为水平偏振光，由偏振分光棱镜透射，依次经过第二四分之一波片、滤光片滤波去除杂光后并由图像传感器接收；

根据指示激光在图像传感器的位置调整第一二维转台与第二二维转台，使指示激光聚焦光斑位于图像传感器感光面中心，并锁定第一二维转台与第二二维转台；

利用伺服控制器调整第一正透镜与第二正透镜之间的离焦量ΔL为：

式中，f2为第二正透镜的焦距，D为传能激光在第二正透镜表面的光斑直径，L为光电池的直径，Z为光学发射天线与光电池的距离。

调整好离焦量ΔL后，传能激光器开启发射传能激光，传能激光由二向分色片透射，并由光学发射天线发出，传输到光电池上进行光电转换，进行无线能量传输直至能量传输结束。

总之本申请实施例解决了现有远距离光能无线传输中需要光学接收天线导致结构复杂和成本高的问题，达到了不需要接收天线和可以根据实际受能距离和光电池尺寸进行光斑大小和位置的调整从而降低成本的技术效果。

本申请实施例中，所述接收装置102还包括能量管控单元16、负载17、蓄电池18、第二望远镜19、第二二维转台20、第二计算机21；

其中：

所述第二望远镜19位于所述第二二维转台20上；所述光电池15设置于所述第二二维转台20上；所述第二二维转台20与所述第二计算机21连接；

所述光电池15依次连接有能量管控单元16、负载17；所述能量管控单元16连接有蓄电池18。

总的来说，本申请实施例利用望远镜对发射装置和接收装置进行粗定位，所述的指示激光器出光，利用所述的第一计算机观察所述的图像传感器接收到的光斑位置，再利用所述的第一计算机调节所述的第一二维转台的方位，同时利用所述的第二计算机调节所述的第二二维转台的方位；当所述的图像传感器接收到的光斑位置位于所述的感光元件的中心时，锁定所述的第一二维转台与第二二维转台的方位；解决了现有技术中无限能量传输只有粗瞄准或精瞄准导致定位不准确和定位繁琐的问题，达到了能量传输装置与能量接收装置定位精确的技术效果。

本申请实施例中，所述图像传感器8包括聚焦镜头81及位于所述聚焦镜头81后焦面上的感光元件82，所述的感光元件82为CCD或CMOS。所述光感原件的作用在于感知光斑位置，以确定能量传送前第一二维平台和第二二维平台的相对位置是否合适。

本申请实施例中，所述的二向分色片2的透射平面与所述的传能激光器1出射激光主轴方向成45°夹角，可以同时实现透射和折射，采用二色分向片的波长选择透射及反射原理将不同波长的传能激光与指示激光共光轴出射，共用一套光学发射天线，简化了结构。

本申请实施例中，所述的第一四分之一波片4、偏振分光棱镜5、第二四分之一波片6、滤光片7、图像传感器8沿所述的二向分色片2的反射面成45°夹角的方向上依次设置。第一四分之一波片首先利用偏振分光原理将指示激光器出射的激光经过偏振分光棱镜与第一四分之一波片后变为圆偏振光，经过角锥棱镜反射后再经过第一四分之一波片变为水平偏振光，经偏振分光棱镜透射，然后经过第二四分之一波片，滤光片，图像传感器对角锥棱镜反射光进行接收；利用滤光片对其它波段杂光进行滤除，并利用图像传感器进行高灵敏度接收，有效的提高了瞄准精度，并实现了全天时的瞄准，解决了光源变化及处理的分散化，使得光源可以在一路光源下连续的到处理，达到了集成化和提高能量密度及质量，提高了工作效率。解决了光源变化及处理的分散化，使得光源可以在一路光源下连续的到处理，达到了集成化和提高能量密度及瞄准精度，提高了工作效率，保证了能量传输的高效性。

本申请实施例中，所述的偏振分光棱镜5的反射面与所述的指示激光器10出射激光主轴方向成45°夹角设置；利用偏振分光棱镜偏振分光原理，指示激光器的发射光与反射光共用一个偏振分光棱镜，结构简单，起偏器将指示激光器输出激光偏振态变为竖直方向，然后利用偏振分光棱镜反射至二色分向片。

所述的起偏器11的偏振方向与所述的偏振分光棱镜5的反射面平行。

本申请实施例中，所述的第一望远镜12的光轴方向与所述的传能激光器出射激光主轴方向平行。

本申请实施例中，所述的传能激光器1和指示激光器10均为光纤耦合输出型激光器。

总的来说，提供的基于激光的无线能量传输系统，实现了光能传输可根据不同传输距离、光电池面积进行传能出射激光的发散角及光斑尺寸进行调节，并且不需要接收天线，抗干扰性强及整体结构简化，性能稳定；达到了精简激光无线传输装备，提高传能稳定性和根据实际情况进行灵活调整传能光束。

实施例3

基于实施例1、2，本申请实施例中，如图1、2所示，为了更好的、科学的实现无线能量传输，本申请实施例提供1一种利用所述的系统进行无线能量传输的方法，包括：

将指示激光器提供的指示光能，通过激光处理单元进行第一基础处理后提供给光学发射天线，通过光学发射天线传输至接收装置；

通过所述光学发射天线接收接收装置反射回来的反射指示光能，并通过激光处理单元进行第三基础处理后得到反射指示信息；

根据所述反射指示信息确定所述发射天线的位置；

将传能激光器提供的待传输光能，通过激光处理单元进行第二基础处理后提供给光学发射天线，通过所述光学发射天线传输至接收装置。

与传统的能量传输方法相比，本申请实施例的方法采用，包括：将指示激光器提供的指示光能，通过激光处理单元进行第一基础处理后提供给光学发射天线，通过光学发射天线传输至接收装置；通过所述光学发射天线接收接收装置反射回来的反射指示光能，并通过激光处理单元进行第三基础处理后得到反射指示信息；根据所述反射指示信息确定所述发射天线的位置；将传能激光器提供的待传输光能，通过激光处理单元进行第二基础处理后提供给光学发射天线，通过所述光学发射天线传输至接收装置；实现了光学发射天线与受能设备的精确定位，解决了无线传能技术系统中接收装置需要接收天线进行定位的问题，达到发射装置和受能装置共用一套发射天线，简化设备配置，降低传能成本。

本申请实施例中，所述的方法，还包括：

通过接收装置中的光电池接收来自发射装置的待传输光能，并转化为电能；

通过接收装置中的角锥棱镜将来自发射装置的指示光能反射回到所述光学发射天线。

本申请实施例中，所述的方法，还包括：

接收装置和发射装置通讯定位；

指示激光器出光经激光处理单元处理后通过光学发射天线传输到接收装置上的角锥棱镜上；

利用角锥棱镜的任意角入射原路发射特性，将传输来的光束反射到光学发射天线；

光学发射天线将角锥棱镜反射来的光束传输给激光处理单元进行调整或处理；

根据光电尺寸和传输距离，利用伺服电机调整第一正透镜与第二正透镜之间的离焦量ΔL为：

式中，f2为第二正透镜的焦距，D为传能激光在第二正透镜表面的光斑直径，L为光电池的直径，Z为光学发射天线与光电池的距离；

传能激光器开启发射传能激光，传能激光经激光处理单元处理后通过光学发射天线将光束传输到光电池上进行光电转换，进行无线能量传输。

总的具体方法是：一种无线能量传输的方法，包括：通讯定位，可以是电话或网络告知大概方位再利用望远镜进行粗定位；指示激光器出光经激光处理单元进行第一基础处理后通过光学发射天线传输到接收装置上的角锥棱镜上；利用角锥棱镜的任意角入射原路发射特性，将传输来的光束反射到光学发射天线；光学发射天线将角锥棱镜反射来的光束传输给激光处理单元进行第三基础处理；根据光电尺寸和传输距离，利用伺服电机调整第一正透镜与第二正透镜之间的离焦量；调整好离焦量后开启传能激光器出光，光束经激光处理器进行第二基础处理后传输到光学发射天线，光学发射天线将光能传输到光电池上；实现了光学发射天线与受能设备的精确定位，解决了无线传能技术系统中接收装置需要接收天线的问题，达到发射装置和受能装置共用一套发射天线，简化设备配置，降低传能成本

总的来说，在本申请实施例中，无需接收天线；启动传能激光器进行能量的高效传输；解决了传统装置在光能量传输过程中受距离和光电池尺寸限制导致传能范围受限的问题，达到了可以根据传输距离和光电池尺寸进行调节并进行有效高质量传能的技术效果。

实施例4

先请参阅图1，图1是本发明基于激光的无线能量传输系统示意图；由图可见，本发明基于激光的无线能量传输系统，其结构包括发射装置101与接收装置102，所述的发射装置包括传能激光器1、二向分色片2、光学发射天线3、第一四分之一波片4、偏振分光棱镜5、第二四分之一波片6、滤光片7、图像传感器8、第一计算机9、指示激光器10、起偏器11、第一望远镜12、第一二维转台13，所述的光学发射天线3包括第一正透镜31、第二正透镜32、伺服电机33，所述的图像传感器8包括聚焦镜头81、感光元件82，所述的接收装置102包括角锥棱镜14、光电池15、能量管控单元16、负载17、蓄电池18、第二望远镜19、第二二维转台20、第二计算机21，

所述的图像传感器8通过数据线连接于所述的第一计算机9的第一端口9001，所述的第一二维转台13通过数据线连接于所述的第一计算机9的第二端口9002，所述的光学发射天线3通过数据线连接于所述的第一计算机9的第三端口9003，所述的第二二维转台20通过数据线与所述的第二计算机21相连，所述的光电池15的输出端与所述的能量管控单元16的输入端1601相连，所述的能量管控单元16的第一输出端1602与所述的负载相连，所述的能量管控单元16的第二输出端1603与所述的蓄电池18相连，

所述的二向分色片2、光学发射天线3、第一四分之一波片4、偏振分光棱镜5、第二四分之一波片6、滤光片7、图像传感器8、指示激光器10、起偏器11、第一望远镜12安装于所述的第一二维转台20上，所述的光电池15安装于所述的第二二维转台20上，所述的角锥棱镜14固定于所述的光电池15的中心，

沿所述的能量激光器1出射激光主轴方向上依次为所述的二向分色片2、光学发射天线3，所述的二向分色片2的透射平面与所述的能量激光器1出射激光主轴方向成45°夹角，沿与所述的二向分色片2的反射面成45°夹角的方向上依次是所述的第一四分之一波片4、偏振分光棱镜5、第二四分之一波片6、滤光片7、图像传感器8，沿所述的指示激光器10出射激光主轴方向上依次为所述的起偏器11、偏振分光棱镜5，所述的偏振分光棱镜5的反射面与所述的指示激光器10出射激光主轴方向成45°夹角，所述的起偏器11的偏振方向与所述的偏振分光棱镜5的反射面平行，所述的第一望远镜12的光轴方向与所述的能量激光器1出射激光主轴方向平行，所述的感光元件82位于所述的聚焦镜头81的后焦面上。

为了进一步阐述，下面从使用方法或步骤方面来进一步说明本专利的技术方案，包括：

能量发射方与能量接收方进行通信，告知对方大致方位，然后利用所述的第一望远镜12对所述的接收装置102进行粗瞄准，利用所用的第二望远镜19对所述的发射装置101进行粗瞄准；

所述的指示激光器出光，利用所述的第一计算机9观察所述的图像传感器8接收到的光斑位置，利用所述的第一计算机9调节所述的第一二维转台13的方位，同时利用所述的第二计算机21调节所述的第二二维转台20的方位；

当所述的图像传感器8接收到的光斑位置位于所述的感光元件82的中心时，锁定所述的第一二维转台13与第二二维转台20的方位；

根据传输距离与光电池尺寸，控制所述的伺服电机调节所述的第一正透镜与第二正透镜之间的离焦量，以使出射激光的发散角与光斑尺寸与所述的光电池实现最佳匹配，然后所述的传能激光器出光，开始无线能量传输；

能量接收方向能量发射方发送能量传输结束指令，关闭所述的传能激光器1、指示激光器10，传能结束。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1.本申请实施例采用的无线能量传输发射装置，当需要无线传能时，激光处理单元，对所述激光指示器传输的指示光能进行第一基础处理后，传输给所述光学发射天线；以及根据接收装置反射回来的反射指示光能进行第三基础处理得到反射指示信息，所述反射指示信息用于确定所述光学发射天线的位置；以及，在确定好所述光学发射天线的位置后，对所述传能激光器传输的待传输光能进行第二基础处理后，传输给光学发射天线；所述光学发射天线包括：第一正透镜、第二正透镜；所述第二正透镜与所述第一正透镜平行设置；以及伺服控制器，所述伺服控制器用于根据发射装置和接收装置之间的距离、接收装置中光电池的面积控制所述第一正透镜和所述第二正透镜之间的焦距；调整好焦距后，传能激光器出光通过激光处理单元进行第二基础处理后通过光学发射天线将光能(束)传输到光电池上进行能量的无线传输；解决了现有无线传能系统接收装置和发射装置均需要光学天线才能完成能量传输的问题，使得传能天线和受能天线共用一个光学天线，达到了简化结构，降低成本的技术效果。

2.由于申请实施例中采用了一种基于激光的无线能量传输系统，当需要无线传能时，激光处理单元，对所述激光指示器传输的指示光能进行第一基础处理后，传输给所述光学发射天线；以及根据接收装置具有的角锥棱镜反射回来的反射指示光能进行第三基础处理得到反射指示信息，所述反射指示信息用于确定所述光学发射天线的位置；以及，在确定好所述光学发射天线的位置后，对所述传能激光器传输的待传输光能进行第二基础处理后，传输给光学发射天线；所述光学发射天线包括：第一正透镜、第二正透镜；所述第二正透镜与所述第一正透镜平行设置；以及伺服控制器，所述伺服控制器用于根据发射装置和接收装置之间的距离、接收装置中光电池的面积控制所述第一正透镜和所述第二正透镜之间的焦距；调整好焦距后，传能激光器出光通过激光处理单元进行第二基础处理后通过光学发射天线将光能(束)传输到光电池上进行能量的无线传输；解决了现有远距离光能无线传输中需要光学接收天线导致结构复杂和成本高的问题，达到了不需要接收天线从而降低成本。

3.由于本申请实施例采用了一种无线能量传输的方法，包括：将指示激光器提供的指示光能，通过激光处理单元进行第一基础处理后提供给光学发射天线，通过光学发射天线传输至接收装置；通过所述光学发射天线接收接收装置反射回来的反射指示光能，并通过激光处理单元进行第三基础处理后得到反射指示信息；根据所述反射指示信息确定所述发射天线的位置；将传能激光器提供的待传输光能，通过激光处理单元进行第二基础处理后提供给光学发射天线，通过所述光学发射天线传输至接收装置；实现了光学发射天线与受能设备的精确定位，解决了无线传能技术系统中接收装置需要接收天线进行定位的问题，达到发射装置和受能装置共用一套发射天线，简化设备配置，降低传能成本。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (15)

1.一种无线能量传输发射装置，其特征在于，包括：激光指示器、传能激光器、激光处理单元以及光学发射天线，其中，

激光指示器，提供指示光能，并将指示光能传输给所述激光处理单元；

传能激光器，提供待传输光能，并将待传输光能传输给所述激光处理单元；

激光处理单元，对所述激光指示器传输的指示光能进行第一基础处理后，传输给所述光学发射天线；以及根据接收装置反射回来的反射指示光能进行第三基础处理得到反射指示信息，所述反射指示信息用于确定所述光学发射天线的位置；以及，在确定好所述光学发射天线的位置后，对所述传能激光器传输的待传输光能进行第二基础处理后，传输给光学发射天线；

光学发射天线，将激光处理单元传输的指示光能和待传输光能向接收装置传输；所述光学发射天线包括：第一正透镜、第二正透镜；所述第二正透镜与所述第一正透镜平行设置；以及伺服控制器，所述伺服控制器用于根据发射装置和接收装置之间的距离、接收装置中光电池的面积控制所述第一正透镜和所述第二正透镜之间的焦距。

2.如权利要求1所述的无线能量传输发射装置，其特征在于，

所述激光处理单元，包括按照光路依次设置的二向分色片、第一四分之一波片、偏振分光棱镜、第二四分之一波片、滤光片、图像传感器；以及:

设置在偏振分光棱镜一侧并在指示激光器出射光轴上的起偏器；

所述二向分色片设置在传能激光器出射光轴延伸段上。

3.如权利要求2所述的无线能量传输发射装置，其特征在于，

所述第一基础处理包括：将所述激光指示器传输来的指示光能偏振态经起偏器调整为竖直偏振态，再经过偏振分光棱镜反射至第一四分之一波片，经过第一四分之一波片后变为圆偏振光，再经二向分色片滤光后反射至光学发射天线；

所述第二基础处理包括：将所述传能激光器传输来的光能经二向分色片滤光后透射至光学发射天线；

所述第三基础处理包括：将光学发射天线接收到的反射指示光能传输给二向分色片滤光后反射至第一四分之一波片透射，透射后偏振态变为水平偏振光，再经偏振分光棱镜透射，再依次经过第二四分之一波片、滤光片滤波，并由图像传感器接收。

4.如权利要求1所述的无线能量传输发射装置，其特征在于，所述反射指示信息用于确定所述发射天线的位置包括：根据指示光能在图像传感器的位置调整光学发射天线相对于接收装置的位置，使指示激光聚焦光斑位于图像传感器感光面中心，并锁定光学发射天线位置。

5.如权利要求2所述的无线能量传输发射装置，其特征在于，

所述发射装置还包括：第一计算机、第一望远镜、第一二维转台；

其中：

所述第一计算机连具有多个连接端口，并且分别连接所述图像传感器、第一二维转台、光学发射天线；

所述第一望远镜设置于所述第一二维转台上；

所述激光处理单元、光学发射天线设置于所述第一二维转台上。

6.一种基于激光的无线能量传输系统，其特征在于，包括如权利要求1-5中任一项所述的发射装置及与其无线传输连接的接收装置，所述接收装置包括：

光电池,用于将接收到的光能转化成电能；

角锥棱镜，所述角锥棱镜固定于所述光电池中心，用于接收光学发射天线传输来的光束并原路反射于光学发射天线。

7.如权利要求6所述的基于激光的无线能量传输系统，其特征在于，

所述接收装置还包括能量管控单元、负载、蓄电池、第二望远镜、第二二维转台、第二计算机；

其中：

所述第二望远镜位于所述第二二维转台上；所述光电池设置于所述第二二维转台上；所述第二二维转台与所述第二计算机连接；

所述光电池依次连接有能量管控单元、负载；所述能量管控单元连接有蓄电池。

8.如权利要求6所述的基于激光的无线能量传输系统，其特征在于，所述图像传感器包括聚焦镜头及位于所述聚焦镜头后焦面上的感光元件。

9.如权利要求6所述的基于激光的无线能量传输系统，其特征在于,

所述的二向分色片的透射平面与所述的传能激光器出射激光主轴方向成45°夹角。

10.如权利要求6所述的基于激光的无线能量传输系统，其特征在于，

所述的第一四分之一波片、偏振分光棱镜、第二四分之一波片、滤光片、图像传感器沿所述的二向分色片的反射面成45°夹角的方向上依次设置。

11.如权利要求6所述的基于激光的无线能量传输系统，其特征在于，

所述的偏振分光棱镜的反射面与所述的指示激光器出射激光主轴方向成45°夹角设置；

所述的起偏器的偏振方向与所述的偏振分光棱镜的反射面平行。

12.如权利要求6所述的基于激光的无线能量传输系统，其特征在于，所述的第一望远镜的光轴方向与所述的传能激光器出射激光主轴方向平行。

13.一种利用权利要6所述的系统进行无线能量传输的方法，其特征在于，包括：

将指示激光器提供的指示光能，通过激光处理单元进行第一基础处理后提供给光学发射天线，通过光学发射天线传输至接收装置；

通过所述光学发射天线接收接收装置反射回来的反射指示光能，并通过激光处理单元进行第三基础处理后得到反射指示信息；

根据所述反射指示信息确定所述发射天线的位置；

将传能激光器提供的待传输光能，通过激光处理单元进行第二基础处理后提供给光学发射天线，通过所述光学发射天线传输至接收装置。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：

通过接收装置中的光电池接收来自发射装置的待传输光能，并转化为电能；

通过接收装置中的角锥棱镜将来自发射装置的指示光能反射回到所述光学发射天线。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括：

接收装置和发射装置通讯定位；

指示激光器出光经激光处理单元处理后通过光学发射天线传输到接收装置上的角锥棱镜上；

利用角锥棱镜的任意角入射原路发射特性，将传输来的光束反射到光学发射天线；

光学发射天线将角锥棱镜反射来的光束传输给激光处理单元进行调整或处理；

根据光电尺寸和传输距离，利用伺服电机调整第一正透镜与第二正透镜之间的离焦量ΔL为：

$\mathrm{\Δ}L=\frac{f_2^2\left(D-L\right)}{f_2(D-L)-ZD}$

式中，f2为第二正透镜的焦距，D为传能激光在第二正透镜表面的光斑直径，L为光电池的直径，Z为光学发射天线与光电池的距离；

传能激光器开启发射传能激光，传能激光经激光处理单元处理后通过光学发射天线将光束传输到光电池上进行光电转换，进行无线能量传输。