[发明专利]一种光束控制装置

说明书

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。

技术领域

本发明涉及光束方向控制领域，尤其涉及自由空间光通讯领域。

背景技术

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，本发明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。