(57)【要約】  一般的にモバイル電子デバイスに存在する、光によって無線電力を電力受信装置に伝送するためのシステムに関する。トランスミッタは終端反射体と終端反射体の間に位置する利得媒体を有する光共振器を備え、光ビームを生成する。ビームの周波数は一般的な用途のほとんどすべての透明有機材料で吸収されるように選択される。トランスミッタに位置するビームステアリングユニットはビームを複数の方向のいずれにも指向させることができ、ビームは低反射表面を通過して光電気電力コンバータによってレシーバで吸収される。この電力コンバータのバンドギャップは利得媒体のバンドギャップよりも小さいように選択される。レシーバはインダクター、エネルギー貯蔵デバイスおよびスイッチを有する電圧コンバータを備える。ビームステアリングコントローラはビームがレシーバに衝突することを確実にする。
2018522421.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光によって無線電力を電力受信装置に伝送するためのシステムであって、
終端反射体を有し、光ビームを放射するために使用される光共振器と、
前記光共振器の内部に配置され第１のバンドギャップエネルギーを有する利得媒体であって、冷却システムに熱的に接着され、利得媒体を通過する光を増幅するように構成される前記利得媒体と、
電力を前記利得媒体に供給し、前記利得媒体の小信号利得を制御するドライバと、
前記光ビームを複数の方向の少なくとも１つに向けるように構成されるビームステアリング装置と、
前記光ビームを、電圧を有する電力に変換するように構成される光電気電力コンバータであって、第２のバンドギャップエネルギーを有する前記光電気電力コンバータと、
前記光電気電力コンバータによって生成された前記電力の前記電圧を異なる電圧に変換するように構成された電気的電圧コンバータであって、インダクター、エネルギー貯蔵デバイスおよびスイッチを有する前記電気的電圧コンバータと、
前記光電気電力コンバータの少なくとも１つの表面であって、前記利得媒体と前記光電気電力コンバータの間で光学的に露出される前記表面と、
前記光ビームが前記光電気電力コンバータに衝突したことを示す信号を提供するように構成される検出器と、
前記ビームステアリング装置と前記ドライバの状態の少なくとも１つを制御するように構成されるコントローラであって、少なくとも前記検出器から制御入力信号を受信する前記コントローラとを含み、
前記少なくとも１つの表面はそこに入射される光の一部分を、
（ｉ）拡散的に、または
（ｉｉ）反射された光が前記表面に対して前記光共振器から離れる方向に位置する虚焦点を有するように、または
（ｉｉｉ）前記反射された光が前記表面から前記光共振器の方向に少なくとも１ｃｍに位置する実焦点を有するように反射する特性を有し、
前記コントローラは前記検出器から受信される前記制御入力信号に応答して以下の工程の少なくとも１つを実施させるように構成され、
前記ドライバに前記利得媒体の前記小信号利得を変化させ、
前記光ビームの放射輝度を変化させ、
前記ドライバによって供給される電力を変化させ、
前記ビームステアリング装置の走査速度を変化させ、
前記ビームステアリング装置の走査位置を変化させ、
前記光電気電力コンバータの位置を規定する走査位置を記録させ、
前記利得媒体はＮｄイオンがドープされた半導体デバイスまたは固体ホストであり、波数が８、３００ｃｍ−１から１２、５００ｃｍ−１の範囲にある少なくとも１つの周波数の放射を減衰させるフィルタを含み、
前記第２のバンドギャップエネルギーは前記第１のバンドギャップエネルギーよりも小さく、
前記第１のバンドギャップエネルギーは０．８ｅＶ〜１．１ｅＶの間であり、
前記スイッチのクローズド直列抵抗は次式で与えられるＲよりも小さく、
【数１】
2018522421.tif 000010
ここでＲは測定される単位がオームであり、
Ｅ利得は前記第１のバンドギャップエネルギーであって、測定される単位はジュールであり、
Ｐレーザドライバは、レーザドライバから前記利得媒体に供給される電力であって、測定される単位はワットであり、
前記光ビームの放射輝度は少なくとも８ｋＷ／ｍ２／ステラジアンであり、周波数は約６９４０ｃｍ−１に位置するＣ−Ｈ吸収の第１の倍音と第２の倍音との間であるシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記異なる電圧は前記光電気電力コンバータによって生成される前記電圧よりも高い電圧であるシステム。
【請求項３】
請求項１または２に記載のシステムにおいて、前記ビームステアリング装置の前記状態は前記ビームステアリング装置の照準方向または走査速度の少なくとも１つであるシステム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記光ビームの放射輝度は少なくとも８００ｋＷ／ｍ２／ステラジアンであるシステム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記光共振器の前記終端反射体のそれぞれは（ｉ）誘電体ミラー、（ｉｉ）ブラッグミラー、（ｉｉｉ）フレネル反射体あるいは（ｉｖ）異なる屈折率を有する誘電体または半導体材料の層を交互に配置した層からなるミラーのいずれかであるシステム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記利得媒体はＮｄイオンがドープされた透明固体ホスト材料または半導体であるシステム。
【請求項７】
請求項６に記載のシステムにおいて、波数が８３００ｃｍ−１よりも大きい放射を抽出するためのフィルタをさらに含むシステム。
【請求項８】
請求項６に記載のシステムにおいて、前記半導体である場合には前記利得媒体は量子ドット利得媒体であるシステム。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記冷却システムはヒートシンク、ペルチエダイオード、および流体冷却プレートの少なくとも１つであるシステム。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記冷却システムはファンも備えるシステム。
【請求項１１】
請求項９に記載のシステムにおいて、前記利得媒体は２００゜ケルビン／ワット熱抵抗よりも小さい半田層を使用して前記冷却システムに取り付けられるシステム。
【請求項１２】
請求項９に記載のシステムにおいて、前記冷却システムは前記利得媒体と周囲空気との間の熱抵抗が２００゜ケルビン／ワット未満であるシステム。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記光電気電力コンバータは太陽電池であるシステム。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記光電気電力コンバータの直列抵抗は１オーム未満であるシステム。
【請求項１５】
請求項１３に記載のシステムにおいて、前記太陽電池はＩＩＩ−Ｖ族デバイスであるシステム。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記インダクターのオームを単位として測定された直列抵抗は、ジュールを単位として測定された前記第１のバンドギャップエネルギーの二乗を２×１０−４０にワットを単位として測定される前記ドライバの電力を乗算した値で除算した値よりも小さいシステム。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記エネルギー貯蔵デバイスはコンデンサーまたは再充電可能なバッテリーのいずれかであるシステム。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか一項に記載のシステムにおいて、リトロ反射体をさらに含むシステム。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記利得媒体は前記ドライバによって電気的にまたは光学的に励起されるシステム。
【請求項２０】
請求項１〜１９のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記第２のバンドギャップエネルギーは前記第１のバンドギャップエネルギーの５０％よりも大きいシステム。
【請求項２１】
トランスミッタからレシーバへ電力を伝送するための方法において、
第１の電力を約６９４０ｃｍ−１に位置するＣ−Ｈ吸収の第１の倍音と第２の倍音との間の周波数を有する電磁波に変換する工程であって、前記電磁波の放射輝度は少なくとも８ｋＷ／ｍ２／ステラジアンであり、前記変換する工程は終端反射体を有する光共振器と前記第１の電力を受信するレーザドライバに結合される利得媒体とを使用して実施され、前記利得媒体は０．８ｅＶ〜１．１ｅＶの間の第１のバンドギャップエネルギーを有し、前記光共振器の中に位置し、冷却システムに熱的に接着され、通過する前記電磁波を増幅するように構成される工程と、
制御ユニットによって制御されるビームステアリング装置を使用して、前記電磁波を複数の方向の少なくとも１つに指向させる工程と、
ビームによる部分的に透明面を有するターゲットへの衝突を検知する工程であって、前記衝突に対応する指示によって前記制御ユニットを以下の工程の少なくとも１つを実施する工程であって、
前記利得媒体の小信号利得を変化させる工程と、
電磁ビームの放射輝度に変化を生じさせる工程と、
前記第１の電力に変化を生じさせる工程と、
前記ビームステアリング装置の走査速度に変化を生じさせる工程と、
前記ビームステアリング装置の走査位置に変化を生じさせる工程と、
前記ターゲットの位置を規定する走査位置を記録する工程とを含む工程と、
前記第１のバンドギャップエネルギーよりも小さい第２のバンドギャップエネルギーを有する光電気電力コンバータを使用して、前記電磁波を、電圧を有する第２の電力に変換する工程と、
電気的電圧コンバータを使用して前記電圧を異なる電圧に変換する工程であって、前記電気的電圧コンバータはインダクター、エネルギー貯蔵デバイスと次式で与えられるＲよりも小さなクローズド直列抵抗を有するスイッチを含み、
【数２】
2018522421.tif 000011
ここでＲは測定される単位がオームであり、
Ｅ利得は前記第１のバンドギャップエネルギーであって、測定される単位はジュールであり、
Ｐレーザ＿ドライバはワットを単位として測定される前記第１の電力であり、
表面は前記表面に入射する前記電磁波の一部分を、
（ｉ）拡散的に、または
（ｉｉ）反射された光の虚焦点が前記表面に対して前記光共振器から離れて位置し、または
（ｉｉｉ）前記反射された光が前記表面に対して前記光共振器の方向に少なくとも１ｃｍに位置する実焦点を有するように反射するように設計される工程と、
前記利得媒体はＮｄイオンがドープされた半導体デバイス、または固体ホストのいずれかであって、波数が８、３００ｃｍ−１から１２、５００ｃｍ−１の範囲にある少なくとも１つの周波数に対して放射を減衰させるフィルタを有する方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の方法において、前記スイッチは次式で決定される周波数でスイッチングされ、
【数３】
2018522421.tif 000012
ここで、ｆはＨｚを単位として測定されるスイッチング周波数であり、
Ｅ利得は前記利得媒体のバンドギャップであり、ジュールを単位として測定され、
Ｖ出力は電圧コンバータの出力電圧であり、ボルトを単位として測定され、
Ｐレーザ＿ドライバはレーザドライバによって前記利得媒体に励起される電力であってワットを単位として測定される方法。
【請求項２３】
請求項２１または２２に記載の方法において、前記ビームの前記ターゲットへの衝突の検出は、
前記ターゲットでのリトロ反射照度を前記トランスミッタで検出することによって、または
レシーバセンサを使用して前記ターゲットの照度を検出することによって実施される方法。
【請求項２４】
請求項２１〜２３のいずれかに記載の方法において、前記第２のバンドギャップエネルギーは前記第１のバンドギャップエネルギーの５０％よりも大きい方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は無線電力ビームの分野に関し、特に光電力を国内環境でモバイル電子デバイスにビーム伝送するためのレーザベースの伝送システムの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
物理的なワイヤ接続を必要としないで電力を遠隔地へ伝送する需要が長い間存在してきた。この需要は、定期的に再充電が必要なバッテリーで動作するポータブル電子デバイスが人気になるとともに、ここ数十年の間に重要になってきた。当該モバイル用途には携帯電話、ラップトップ、車、玩具、ウエアラブルデバイスおよび補聴器が含まれる。現在、集中的に使用されるスマートフォンでの従来バッテリーおよび一般的なバッテリー用途のキャパシティの状態は、バッテリーが一日に一回以上の充電が必要であり得るので、リモート無線バッテリー再充電に対する需要が大きくなっている。
【０００３】
バッテリー技術には長い歴史があり、まだ発展途上である。１７４８年にベンジャミンフランクリンがライデン瓶から製造された最初のバッテリーを記述し、最初の電力ソースであり、キャノンバッテリーに似ていた（これがバッテリーに名付けられた）。その後１８００年に、ボルタがより非常に持ち運びが可能な銅亜鉛バッテリーを発明した。最初の再充電可能なバッテリーである、鉛酸バッテリーが１８５９年にガストンプランテによって発明された。その時以来、再充電可能なバッテリーのエネルギー密度は少なくとも８倍増加してきており、図１に示されるように、さまざまな再充電可能なバッテリー化学品のエネルギー密度を、質量と体積パラメータの両方で示し、最初の鉛酸化学品から今日のリチウムベースの化学品および亜鉛空気化学品が示されている。同時にポータブル電子／電気デバイスで消費される電力は、何回かのフルバッテリー充電が一日で必要になるポイントに達した。
【０００４】
バッテリーの発明後ほぼ一世紀、１８７０年から１９１０年の間、テスラは電磁波を使用した電力伝送を試みてきた。そのとき以来、電力を安全に遠隔地に伝送する多くの試みが実施されてきており、送信または受信デバイスよりも著しく大きな距離を超えることで特徴づけられる。この試みは１９８０年代のＳＨＡＲＰ（Ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ  Ｈｉｇｈ  Ａｌｔｉｔｕｄｅ  Ｒｅｌａｙ  Ｐｌａｔｆｏｒｍ）プロジェクトを実行してきたＮＡＳＡから、テスラに似たシステムを２００７年に経験したＭａｒｉｎ  Ｓｏｌｊａｃｉｃに渡る。
【０００５】
しかし、現在までに、わずか３つの商業的に入手可能な技術だけが、電線がなく安全に電力をモバイルデバイスに伝送できる。すなわち、
磁気誘導−一般的にわずか数ｍｍに範囲が制限される。
太陽電池−通常の（安全な）明るさの部屋で太陽光または人工照明で利用可能なレベルで照らされた場合に携帯電話サイズでは０．１ワット以上を生成できない。
環境発電技術―ＲＦ波を利用可能なエネルギーに変換するが、ＲＦ信号伝送は健康とＦＣＣ規制によって制限されるので、現在の実際的な状況では０．０１Ｗを超えて動作することができない。
同時に、ポータブル電子デバイスの一般的なバッテリーのキャパシティは１〜１００ワット×時間であり、一般的に毎日の充電が必要なので、より長い距離でより多くの電力伝送が必要になる。
【０００６】
したがって、数メータを超えて、安全に、一般的に再充電可能なバッテリーを備えるポータブル電子デバイスに電力を伝送するための満たされていない需要がある。
【０００７】
住宅環境で電力を伝送するためのいくつかの試みが、コリメートされたまたは基本的にコリメートされた電磁波を使用して実施されてきた。しかしながら、そのような製品を一般市場で商業的に入手可能とすることは現時点では制限されている。そのような商業的なシステムを発売する前にいくつかの解決すべき課題がある。
開発されたシステムは安全でなければならない。
開発されたシステムはコスト効率がよくなければならない。
開発されたシステムは一般的な家庭環境での危険性に耐えうるものでなければならなく、それらにはダスト、指紋または液漏れ等の汚濁物、振動、ビームの遮断、不完全なインストール、あるいは、継続的な床への落下が含まれる。
【０００８】
レーザ電力レベルを送信するために現在許容されている公共の露出レベルは、複雑な安全システム無しで役に立つ量の電力を供給するためには十分ではない。例えば、ＵＳ、連邦規制のコード、タイトル２１、ボリューム８、（２１ＣＦＲセクション８）、２０１４年４月改訂、チャプターＩ、サブチャプターＪパート１０４０では、レーザ製品を含む光放出製品の性能基準を定めている。可視範囲外の波長に対しては、クラスＩ、クラスＩＩＩ−ｂおよびクラスＩＶレーザ（クラスＩＩ、ＩＩａ、およびＩＩＩａは４００ｎｍ〜７１０ｎｍの例えば可視レーザに対するものである）が存在する。可視範囲外のレーザでは、クラス１は一般人の使用には安全であると考えられ、クラスＩＩＩｂおよびＩＶは安全ではないと考えられている。
【０００９】
図２を参照すると、７ｍｍに対してのＭＰＥ（最大の許可可能な露出値）を示すグラフである。クラスＩレーザに対する瞳孔径では、上で参照した２１ＣＦＲセクション８によれば、０．１〜６０秒の露出である。上述したグラフから明らかなように、
（ｉ）最大の許可可能な露出値レベルは一般に（いつもそうであるとは限らないが）波長とともに増加し、
（ｉｉ）２１ＣＦＲセクション８で規定される要求を満たすために、人がビームの中に入った後にレーザを約０．１秒でターンオフしても、２．５μを超える長い波長では１．２５Ｗを超える光を伝送できないし、より短い波長では規制リミットはもっと小さくなる。
したがって、ある種の安全システムがなければ、わずか数ミリワットのレーザ電力しか伝送に使用できないし、このレベルではたとえ完全に電気に変換できたとしても、ポータブル電子デバイスを充電するために必要とされる電力よりも著しく低い電力しか供給できない。携帯電話は、例えば、モデルによって異なるが充電のために１〜１２Ｗが必要である。
【００１０】
クラス１レーザＭＰＥの電力を超える高い電力を伝送するために、安全システムが必要である。出願人の知る限りにおいて、訓練されていない人がアクセス可能な住宅地域の環境において著しく大きい電力レベルを伝送できるシステムはまだ商業化されていない。
【００１１】
ロバストで安全なシステムを構築することは難しい。指紋およびダストがレーザ光を散乱させ、透明面がそれを反射または散乱させることがこの分野では知られている。高電力を伝送させるためには、クラスＩＶ（またはＩＩＩｂ）レーザが必要となり、信頼性がある安全システムが必要となる。クラスＩＶレーザでは、メインビームからの拡散放射も危険である。２１ＣＦＲセクション８、２０１４年４月改訂、チャプターＩ、サブチャプターＪパート１０４０によれば、４００ｎｍ〜１４００ｎｍで照射するレーザであって、０．５Ｗビーム出力を超えるものは、０．５秒を超える露出に対してクラスＩＶレーザと一般的に見なされ、当該レーザからの散乱放射でさえも危険であり得る。当該レーザにはロックキーと図３に示されるものと同等の警告ラベルが要求され、「散乱放射」でも警告が必要であり、レーザのユーザは一般的に安全ゴーグルを身につけることが必要であり、一般的に訓練を受けた専門家であり、これらの態様のすべてがモバイル電子デバイスを充電するために国内で入手可能なレーザ電力伝送システムの使用に許容できる条件とはとても異なる。
【００１２】
従来技術では、もし当該反射が発生した場合に備えて、一般的に当該反射をブロックする精巧なビームブロッキング構造と組み合わせて、当該反射を防止するために表面に反射防止用のコーティングを使用する。しかしながら、従来技術で使用されるＡＲ−コーティングによる解決法は、その表面の堆積したダストまたはこぼれた液体、または不適切なクリーニングに起因するコーティング摩耗や裂け目によって失敗する傾向がある。さらに、ビームブロック解決法は、一般的にシステムの視界を著しく制限し、最近のポータブル電子デバイスの寸法に比較して大きい。
【００１３】
したがって、従来技術では、不必要な方向への電力ビームの散乱および反射を防止するための信頼性がある「省スペース（ｓｍａｌｌ  ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ）」メカニズムが欠けている。当該散乱および反射は、トランスミッタとレシーバの間に透明面が不注意に配置されること、または、多くの異なる透明材料、またはシステムの外部表面である、一般的にレシーバの前面に堆積し得る液こぼれや指紋から生じるその透明面の光特性に起因し得る。
【００１４】
従来技術で示唆される解決法に関する第３の課題は、当該安全システムは一般的に電力ビームシステムの精密な配置を保証するメカニズムが要求され、安全システムは両方のシステムが同一軸で電力ビームが充分に発散するまたは充分に減衰する（あるいはこれらの要因といずれかの他の要因の組み合わせ）まで存在し、安全の限界値を超えないようにすることが必要である。これはコリメートされたクラスＩＶまたはＩＩＩｂレーザビームで達成することは著しく困難であり、一般的に距離とともに拡大しないので、とても長い距離にわたって安全限界値を超える。
【００１５】
当該安全システムを構築するために使用される動作の従来技術の１つの原理は、ビームの経路に配置され得る透明面で光を検出することである。しかしながらビーム経路に侵入し得る透明面は非常に多くの異なる透明材料から構成され得て、反射防止ＡＲがコートされ得て、または、ブルースター角度に近い角度で配置され得るのでビームを吸収しなければ光システムではほとんで見ることができない。しかしながら、各材料の光吸収レベルは異なり、無視できるほどであり得て、光吸収に依存する光システムを構成するには非常に材料が特別であり、多くの入手可能な材料はとても大きいので、当該システムは複雑で、大きくコストが高いものになりがちであり、適切に設計されないと、信頼性がなくなり、特に重要な安全システムであることを考慮に入れるとそのようになる。検出可能なビーム減衰を提供するために反射に依存することにも問題があり、前記表面は反射防止用のコーティングでコートされ得て、ビームに対してブルースター角度に近い角度で配置され得るので、前記表面の特定の位置に対しては反射が最小になり得る。
【００１６】
したがって、従来技術システムおよび方法の少なくともいくつかの不利な点を克服する、組み込まれて安全な特徴を有するレーザ電力伝送システムに対する需要がある。
明細書のこのセクションでおよび他のセクションで言及された刊行物のそれぞれの開示は参照としてその全体がこの明細書に組み込まれる。
【発明の概要】
【００１７】
国内で使用される反射性材料の多くはプラスチックであるので、本開示の試みは電力が遠隔デバイスで圧倒的多数の透明有機材料によって吸収されるように使用される光ビームを有するシステムを提供し、プラスチックまたは他の有機材料がビームに挿入されると検出することが容易になる。これは、ある波長で基本的に透過性があるプラスチック材料に対しても適用可能である。この目的を達成すると、透明なプラスチック物体をビームに適切に挿入させることで、不用意な反射に良好な保護を提供するレーザ電力伝送システムになり得る。
【００１８】
それらの光特性を決定するためにすべての透明材料の吸収／伝送スペクトルを測定することは実現可能ではなく、そのような材料は数多くあり、その多くは評価のために使用されるすぐに入手できる吸収スペクトルを文字通りもっておらないので、より理論的で、システム的なアプローチが必要である。
【００１９】
ビーム中に置かれると、ビームの減衰を測定することによって、不透明または一部が不透明である材料であっても容易に検出することが可能である。しかしながら、透明またはほとんど透明ないくつかの材料では、当該透明材料を検知することは著しく難しいことになる。固体透明材料には、有機材料と無機材料の２つの大きなグループがある。一般人に入手可能な無機透明固体材料の数は非常に限られており、それらは、ガラス、通常使用されるいくらかの半導体材料、石英、並びに、ダイヤモンド、ルビーおよび方解石等のいくつかの自然発生的な材料からそのほとんどが構成される。したがって、すべての同様のシナリオをカバーする、無機透明材料からの反射を検出するシステムを構成することが可能である。
一方で、一般人に入手可能な異なる有機、透明材料は数多く有り、新しい透明材料が常にリストに追加され続けている。このことによってこのグループを光学的に特徴付けることには非常に大きな問題があり、実質的には不可能である。
【００２０】
ポリマーは透明有機材料の重要なグループであり、本発明の動作方法の意図を説明することを補助するサンプルグループとして使用される。ポリマーは一般的にはモノマーの長鎖から構成され、当該ポリマーは一般的には炭素またはシリコンのいずれかから構成されるという背景を有する。図４〜図９は、いくつかの一般的に使用される透明ポリマーの化学構造を示す。図４はポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）鎖を示し、図５はポリカーボネートの構造を示し、図６はポリスチレンの構造を示し、図７はナイロン６，６を示し、図８はポリプロピレン鎖を示し、図９はポリエチレン鎖構造を示す。
【００２１】
観察されるように、図示されるサンプルポリマーの化学構造は非常に異なり、これらのポリマーの吸収スペクトルは材料の密度、微量の試薬、および鎖長を含む多くの要因に依存する。しかしすべての上述の透明ポリマーには共通のいくつかの化学結合、特にＣ−Ｃ結合およびＣ−Ｈ結合があることが観察される。これは特に、本開示のシステムによって検知され得る、ほとんど全体が有機材料に基づく市販のポリマーにとっては真実であり、または、本開示のシステムによって検知され得る、シリコーン、ポリシラン、ポリゲルマンおよびポリスタンナン等の半有機シリコンベースのポリマー、またはポリフォスパゼンズ（ｐｏｌｙｐｈｏｓｐａｈａｚｅｎｅｓ）にとっても真実である。
それとは別に、炭素化学物質に基づかない、ほとんどの伝送スペクトルデータを容易に入手可能なさまざまなガラスからほとんどが構成される、一般人に入手可能な透明材料の数は非常に限られている。
【００２２】
レーザがポリマー中の振動性のＣ−Ｈ結合、または同様に振動性のＣ−Ｃ結合のいずれかを励起するようにシステムがデザインされた場合には、ビーム中に当該ポリマーの１つが配置されれば、ポリマーによる電力ドロップを監視することによって容易に検出することが可能である。これは、Ｃ−Ｈ結合またはＣ−Ｃ結合による吸収が常に存在し、レーザ波長と当該波長が常に一致することを前提としている。回転ピークをこの目的に使用することも可能であるが、ポリマーでは信頼性がないことがあるので、振動性のＣ−Ｈ吸収（あるいはＣ−Ｃ吸収）がこの目的にはより適している。
【００２３】
異なるポリマー結合の一般的な吸収領域のチャートを示す図１０を参照する。２９００〜３２００ｃｍ−１周囲のＣ−Ｈ伸縮振動は図示されたポリマーのほとんどで発生することが観察される。したがって、これによって吸収バンドから発生する送信電力の変化を使用して、安全システムのための吸収メカニズムのトリガーとして使用可能である。しかしながら、これらの吸収バンドには、この目的のために使用しづらい２つの課題がある。
（ｉ）Ｃ−Ｈ振動性の吸収線は一般的に非常にシャープで、その正確な周波数は１つのポリマーから他のポリマーで非常に変化するので、レーザは１つのポリマーを励起でき得るが、他のポリマーを励起できない場合がある。したがって、レーザが当該ポリマーの特定のＣ−Ｈ振動線に正確に調節されなければ、レーザは吸収されない。
（ｉｉ）当該Ｃ−Ｈ振動ピークは一般的に中間の吸収ピークであり、数ｍｍ厚の材料セクションによるビームの減衰は２０〜５０％（すなわち、小さな容器の微量の材料さえも検出できる）が、中間の（ｃｍ材料あたり２０〜７０の％減衰）および強い（ｃｍあたり７０％を超える減衰）吸収ピークは一般的に容易に検出できるが、堅固なシステムを構築するためには使用できない。
【００２４】
市販のシステムでは、消費者の環境に合わせて設計されるので、指紋は共通の課題である。通常動作では、指紋がその上にある場合であっても、システムが簡単に故障することは許されず、かわりに安全基準を超える危険性がある場合には、システムは伝送を中止するべきである。そのようにするために、レシーバにいかなる指紋が付着していても、システムはビームをブロックするものを検出するが伝送を中止すべきではない。強いまたは中間の吸収ピークが使用される場合には、指紋または他の汚濁物がレシーバまたはトランスミッタの外部の光学表面に付着した場合であっても、ビームを強く吸収するので、電力伝送を失敗させる。指紋もビームを吸収する有機化合物を含むのでこれが発生し、制御不能なシステムの故障を引き起こす。一般的に外部にある光学部品の表面に指紋等の有機材料が付着する可能性がある環境下でシステムが動作可能であるために、安全システムがビームの中に挿入される危険な透明アイテムを検出するとともに、レーザビームが成功裏に指紋を通過するシステムを構築することが必要である。ところが一方で、安全システムが中間または強い吸収バンドの代わりに弱い吸収バンドを利用すると、その場合にはシステムは指紋ともに動作を継続し、電子的な判断に基づいて、制御された方法で停止され得る。
【００２５】
Ｃ−Ｃ吸収バンドに戻ると、８００ｃｍ−１〜１３００ｃｍ−１の伸縮バンドはワイドバンドであるので、ナローバンドレーザはこの領域のナローバンド吸収ピークをほとんど検知することができない。ピークは８００ｃｍ−１から１３００ｃｍ−１範囲に位置し得るが、その一般的な幅はとても狭く、ナローバンドレーザでは容易に検知できないのである。さらに、以下に説明する図１１に見られるように、いくつかのポリマーではこのバンドが消えており、８００〜１３００ｃｍ−１の間で吸収ピークは視認されず、Ｃ−Ｃ結合が存在しないいくつかのポリマーがあり得て、それらは芳香炭素−炭素結合すなわちＣ＝Ｃ結合およびＣ−Ｏ−Ｃ結合で置き換えられている。
【００２６】
Ｃ−Ｃ線の吸収強度に起因する別の課題がある。ポリエチレン等の対称な化合物では、検出することがほとんど不可能であるが、他の化合物ではとても強いのでレシーバの前記表面の弱い指紋であってもシステムの動作を不可能にし、電力のほとんどの部分が指紋によって吸収され得るので、デバイスが使用できないようになる。光学表面に指紋が付着し得るシステムの動作を可能にするために、異なるポリマー間であまり変化しない弱い、しかし弱すぎない吸収線が要求され、それがほとんどの有機ポリマーで発見され、そのピーク周辺で動作するシステムと連結して、そのピークに調節されたレーザが使用されるべきである。図１０から分かるように、一般的に使用されるポリマーおよび図示される吸収バンドにはそのようなピークがない。
【００２７】
この開示に記載されるシステムの例示実装形態によれば、電力受信装置に光無線電力を伝送するためのシステムが供給され、前記システムは
（ａ）終端反射体を有し、光ビームを放射するために使用される光共振器と、
（ｂ）前記光共振器の中に配置され、第１のバンドギャップエネルギーを有する利得媒体であって、冷却システムに熱的に接着され、利得媒体を通過する光を増幅するように構成される前記利得媒体と、
（ｃ）前記利得媒体に電力を供給し、前記利得媒体の小信号利得を制御するドライバと、
（ｄ）複数の方向のうち少なくとも１つの方向に光ビームを向けるように構成されるビームステアリング装置と、
（ｅ）前記光ビームを、電圧を有する電力に変換するように構成される光電気電力コンバータであって、第２のバンドギャップエネルギーを有する前記光電気電力コンバータと、
（ｆ）前記光電気電力コンバータによって生成された前記電力の電圧を異なる電圧に変換するように構成される電気的電圧コンバータであって、インダクター、エネルギー貯蔵デバイスおよびスイッチを有する前記電気的電力コンバータと、
（ｇ）前記光電気電力コンバータに関連する少なくとも１つの表面であって、前記利得媒体と前記光電気電力コンバータの間に光学的に配置される表面と、
（ｈ）前記光電気電力コンバータに作用する光ビームを示す信号を供給するように構成される検出器と、
（ｉ）前記ビームステアリング装置と前記ドライバの状態の少なくとも１つを制御するように構成されるコントローラであって、少なくとも前記検出器からの制御入力信号を受信する前記コントローラとを含み、
（ｊ）前記少なくとも１つの表面はそこに入射される光の一部分を以下のように反射する特性を有し、（ｉ）拡散的に、または（ｉｉ）反射された光が前記表面に対して前記光共振器から離れて位置する虚焦点を有するように、または（ｉｉｉ）反射された光が。前記表面から前記光共振器の方向に少なくとも１ｃｍに位置する実焦点を有するように反射し、
（ｋ）コントローラは前記検出器から受信された制御入力信号に応答し、（ｉ）前記ドライバに前記利得媒体の前記小信号利得を変更させる、（ｉｉ）前記光ビームの放射輝度を変更する、（ｉｉｉ）前記ドライバによって供給された電力を変更する、（ｉｖ）前記ビームステアリング装置の走査速度を変更する、（ｖ）前記ビームステアリング装置の走査位置を変更する、（ｖｉ）前記光電気電力コンバータの位置を定義する走査位置を記録することのいずれか１つを実行し、
（ｌ）利得媒体はＮｄイオンがドープされた半導体デバイスまたは固体ホストであり、波数が８、３００ｃｍ−１から１２、５００ｃｍ−１の範囲にある少なくとも１つの周波数の放射を減衰させるフィルタを含み、
（ｍ）前記第２のバンドギャップエネルギーは前記第１のバンドギャップエネルギーよりも小さく、
（ｎ）前記第１のバンドギャップエネルギーは０．８ｅＶから１．１ｅＶの範囲に有り、
（ｏ）スイッチのクローズド直列抵抗は次式で与えられるＲよりも小さい。
【数１】
2018522421.tif 000003
ここでＲは測定される単位がオームであり、Ｅ利得は第１のバンドギャップエネルギーであって、測定される単位はジュールであり、Ｐレーザドライバは、レーザドライバから利得媒体に供給される電力であって、測定される単位はワットであり、
（ｐ）光ビームの放射輝度は少なくとも８ｋＷ／ｍ２／ステラジアンであり、周波数は約６９４０ｃｍ−１に位置するＣ−Ｈ吸収の第１の倍音と約８１３０ｃｍ−１に位置するＣ−Ｈ吸収の第２の倍音との間にある。
いずれの当該システムにおいても、異なる電圧は光電気コンバータによって生成された電圧よりも高い電圧であり得る。さらに、ビームステアリング装置の状態はビームステアリング装置の照準方向と、走査速度のどちらかまたは両方であり得る。
さらに、上述のシステムのいずれにおいても、光ビームの放射輝度は少なくとも８００ｋＷ／ｍ２／ステラジアンであり得る。
別の例示実装形態は、上述のシステムのいずれかを含むことができ、そこでは共振器の終端反射体のそれぞれは（ｉ）誘電体ミラー、（ｉｉ）ブラッグミラー、（ｉｉｉ）フレネル反射体あるいは（ｉｖ）異なる屈折率を有する誘電体または半導体材料の層を交互に配置した層からなるミラーであり得る。さらに、利得媒体はＮｄイオンがドープされた透明固体ホスト材料または半導体のいずれかであり得る。当該場合には、システムは波数が８３００ｃｍ−１よりも大きい放射を抽出するためのフィルタをさらに含み得る。利得媒体が半導体である場合には、量子ドット利得媒体であり得ることが有利である。
上述のシステムのさらなる例示実装形態では、冷却システムは、ヒートシンク、ペルチエダイオード、および流体冷却プレートの少なくとも１つであり得る。システムはファンも備え得る。さらに、利得媒体は２００゜ケルビン／ワット熱抵抗よりも小さい半田層を使用して冷却システムに取り付けられ得る。いずれの場合にも、冷却システムは利得媒体と周囲空気との間の熱抵抗が２００゜ケルビン／ワット未満であるようにあり得る。
【００２８】
上述のシステムのいずれかの代替実装形態では、光電気電力コンバータは太陽電池であり得る。当該場合には、太陽電池はＩＩＩ−Ｖデバイスであり得る。いずれの場合にも、光電気電力コンバータの直列抵抗は１オーム未満であり得る。
上述のシステムのさらなる実装形態によれば、インダクターのオームを単位として測定された直列抵抗は、ジュールを単位として測定された第１のバンドギャップエネルギーの二乗を２×１０−４０とワットで測定されたドライバ電力を乗算したものよりも小さい。
他の実装形態では、エネルギー貯蔵デバイスはコンデンサーまたは再充電可能なバッテリーのいずれかであり得る。
さらに、上述のシステムのいずれもリトロ反射体をさらに含み得る。また、利得媒体はドライバによって電気的または光学的に励起され得る。さらに、第２のバンドギャップエネルギーは第１のバンドギャップエネルギーの５０％を超え得る。
【００２９】
さらに他の実装形態ではトランスミッタからレシーバへ電力を伝送するための方法を実施し、当該方法は、
（ａ）第１の電力を約６９４０ｃｍ−１に位置するＣ−Ｈ吸収の第１の倍音と第２の倍音との間の周波数を有する電磁波に変換する工程であって、前記電磁波の放射輝度は少なくとも８ｋＷ／ｍ２／ステラジアンであり、前記変換する工程は終端反射体を有する光共振器と、第１の電力を受信するレーザドライバに接続される利得媒体を使用して実施され、利得媒体は０．８ｅＶ〜１．１ｅＶの間の第１のバンドギャップエネルギーを有し、前記光共振器の内側に位置し、冷却システムに熱的に接着され、通過する電磁波を増幅するように構成される工程と、
（ｂ）制御ユニットによって制御されるビームステアリング装置を使用して、前記電磁波を複数の方向の少なくとも１つに向ける工程と、
（ｃ）部分的に透明面を有するターゲットへのビームの衝突を検出する工程であって、衝突が発生すると制御ユニットを使用して（ｉ）利得媒体の小信号利得を変化させる工程、（ｉｉ）電磁ビームの放射輝度を変化させる工程、（ｉｉｉ）第１の電力を変化させる工程、（ｉｖ）前記ビームステアリング装置の走査速度を変更する工程、（ｖ）前記ビームステアリング装置の走査位置を変更する工程、（ｖｉ）ターゲットの位置を定義する走査位置を記録する工程の少なくとも１つを実施し得る工程と、
（ｄ）第１のバンドギャップエネルギーよりも小さい第２のバンドギャップエネルギーを有する光電気電力コンバータを使用して、電磁波を、電圧を有する第２の電力へ変換する工程と、
（ｅ）電気的電圧コンバータを使用して前記電圧を異なる電圧へ変換する工程であって、前記電気的電圧コンバータはインダクター、エネルギー貯蔵デバイス、および、次式で与えられるＲよりも小さなクローズド直列抵抗を有するスイッチを有する工程を含み
【数２】
2018522421.tif 000004
ここでＲは測定される単位がオームであり、Ｅ利得は第１のバンドギャップエネルギーであって、測定される単位はジュールであり、Ｐレーザ＿ドライバは第１の電力であって、測定される単位はワットであり、
ここで
（ｆ）表面は表面に入射する電磁波の一部を以下のように反射するように設計される。（ｉ）拡散的に、または（ｉｉ）反射された光が前記表面に対して前記光共振器から離れて位置する虚焦点を有するように、または（ｉｉｉ）反射された光が。前記表面から前記光共振器の方向に少なくとも１ｃｍに位置する実焦点を有するように設計され、
（ｇ）利得媒体はＮｄイオンがドープされた半導体デバイス、または固体ホストであって、波数が８、３００ｃｍ−１から１２、５００ｃｍ−１の範囲にある少なくとも１つの周波数に対して放射を減衰させるフィルタを含み、
当該方法では、スイッチは以下の式で決定される周波数でスイッチングし得る
【数３】
2018522421.tif 000005
【００３０】
ここでｆはＨｚを単位として測定されるスイッチング周波数である。Ｅ利得は利得媒体のバンドギャップであり、ジュールを単位として測定され、Ｖ出力は電圧コンバータの出力電圧であり、ボルトを単位として測定され、Ｐレーザドライバはワットを単位として測定される電力であってレーザドライバで利得媒体を励起して得られる。
さらに、ターゲットへのビーム衝突の検出は、ターゲットからのリトロ反射照度をトランスミッタで検出すること、または、レシーバセンサを使用してターゲットの照度を検出することで実行され得る。
さらに、上述の方法のいずれの場合にも、第２のバンドギャップエネルギーは第１のバンドギャップエネルギーの５０％を超え得る。
【００３１】
本発明は図面とともに以下の詳細な説明を参照することにより、より完全に理解することができるであろう。
図４〜９は一般的に使用されるさまざまな透明ポリマーの化学成分の例を示す。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】さまざまなバッテリー化学物質のエネルギー密度を示す図である。
【図２】さまざまな露出時間に対する、ＵＳ連邦規則集、タイトル２１、ボリューム８、（２１ＣＦＲセクション８）、２０１４年４月改訂、チャプターＩ、サブチャプターＪパート１０４０によるレーザの最大の許可可能な露出値を示す。
【図３】クラスＩＶレーザ製品に対する警告標識の例を図示する。
【図４】ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）鎖を示す。
【図５】ポリカーボネートの構造を示す。
【図６】ポリスチレンの構造を示す。
【図７】ナイロン６，６の構造を示す。
【図８】ポリプロピレン鎖構造を示す。
【図９】ポリエチレン鎖構造を示す。
【図１０】共通する有機化学結合に対するＩＲ吸収バンドを示す。
【図１１】ポリエチレンのＩＲ吸収スペクトルを示す。
【図１２】いくつかの共通する有機化学結合に対する倍音吸収バンドを示す。
【図１３Ａ】太陽電池の出力電圧を異なる電圧に変換するための異なる電子回路構成を示す。
【図１３Ｂ】太陽電池の出力電圧を異なる電圧に変換するための異なる電子回路構成を示す。
【図１４】放射輝度８ｋＷ／ｍ２／ステラジアンのビームがミラーに照射された場合に、ミラーによって１平方メートルあたり反射される電力を開口数の関数で示す。
【図１５Ａ】本開示のトランスミッタによって照射されるレシーバ前面からの安全ではない反射を避けるための本開示による例示装置の概略図を示す。
【図１５Ｂ】本開示のトランスミッタによって照射されるレシーバ前面からの安全ではない反射を避けるための本開示による例示装置の概略図を示す。
【図１５Ｃ】本開示のトランスミッタによって照射されるレシーバ前面からの安全ではない反射を避けるための本開示による例示装置の概略図を示す。
【図１６】本開示の完全な光無線電力供給システムのより詳細な説明を示す概略図である。
【図１７】図１６のシステムの電力伝送の変化をビームステアリングミラーの傾き角度に対して示すグラフである。
【図１８】図１６のシステムの利得媒体に対する冷却システムの概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
上述の検討から、本開示の光無線電力供給システムの１つの例示実装形態では、６９４０ｃｍ−１でのＣ−Ｈ吸収の第１の倍音と８１３０ｃｍ−１でのＣ−Ｈ吸収の第２の倍音の間に調節されたシステムで動作し得る。当該倍音バンドはあまり知られていないバンドであって、まして化学的な情報はあまり含まれておらず、禁制量子力学的な遷移に本質的に起因し、複雑なメカニズムによってのみ許可されている。したがって、それらによってワイドな、弱い吸収バンドが提供され、この用途にはまさに好適であるが、分析化学にはあまり重要ではないことが分かった。バンドのブロードな特性によってさまざまな異なるポリマー組成を検出可能であるが、弱い吸収によってシステムは有機質汚れおよび指紋に近くても動作を継続できる。このことによってこれらの線は吸収測定の一般的な使用にはあまり有用ではないが、本発明には理想的である。これらの線の別の有用な点は同一の周波数帯に直接位置する一般的な吸収線がないことであるので、材料の化学成分を変更させても測定結果に大きな影響を与えないことである。多くの当該倍音バンドを図１２のチャートに図示する。
【００３４】
おそらくダイオードレーザとダイオード励起、固体状態（ＤＰＳＳ）レーザの両方ともこれらの周波数では著しく効率が悪いので、当該バンドで動作する電気−光学部品は珍しくて調達が難しく、低電力レーザだけが現在市販されている。好ましい周波数で所望のパラメータを有するレーザは現在入手不可能なので、この使用に適したレーザが新規に設計される必要がある。共振器および利得媒体も設計される必要がある。おおよそコリメートされた、または、ほとんどコリメートされたビームを形成するのに十分な選択周波数および放射輝度値を有するレーザが構成される必要がある。ビームの良好なコリメーションを達成するためには、放射輝度は少なくとも８ｋＷ／ｍ２／ステラジアンが必要であり、および、効率的な電力伝送を行うための高電力システムにはさらに８００ｋＷ／ｍ２／ステラジアンが必要であり得る。遠距離で動作する小さなシステムには、同様の原理によってより高い放射輝度（１０ＧＷ／ｍ２／ステラジアンまで）が将来設計され得る。当該レベルよりも小さい放射輝度で使用されるレシーバは非常に大きい必要があるが、それはシステムを扱いにくくする。
【００３５】
共振器のために異なるミラーのセットアップが使用され、特に良質な金属のミラーは金、銀あるいはアルミニウムから形成された。これらはレーザ発振効率を著しく低減することが見いだされた。誘電体材料ミラーによってより良好な結果を達成することができる。あるいは、フレネルミラーは低コストであるという１つの利点を有する。使用可能な他のミラーはブラッグミラー（それは誘電体であり得る）である。安定な、あるいはほとんど安定な共振器を形成するようにミラーは配置される必要があり、共振器ではレーザの内側のバリアによって（ファイバーあるいはダイオードレーザの中等）光子が空間に閉じ込められ、利得媒体はミラーの間の共振器の中に配置され、その位置で利得媒体は共振器の中で共振するビームを増幅でき、ビームの放射輝度は少なくとも８ｋＷ／ｍ２／ステラジアンである。
【００３６】
利得媒体が１波長よりも長い距離でレーシングできる場合には、誘電体ミラーはその波長を特定な値に制限するように選択され得る。あるいは、フィルタでレーシング周波数を固定するように使用することができる。
【００３７】
特に、ミラーは６９４０ｃｍ−１でのＣ−Ｈ吸収の第１の倍音と８１３０ｃｍ−１でのＣ−Ｈ吸収の第２の倍音との間の少なくとも１つの波長で高反射率を有することがよい。
【００３８】
利得媒体には異なる３つのアプローチが使用されてもよい。
１．ＤＰＳＳ設計
ＤＰＳＳ設計では、利得媒体には、ＹＶＯ４結晶、ＧＧＧ結晶およびガラスも必要に応じてクリアなホストに使用されてもよいが、Ｎｄ−ドープＹＡＧ結晶が使用されてもよい。Ｎｄは約７４５０ｃｍ−１近辺で遷移を有するので、Ｃ−Ｈバンドの第１の倍音とＣ−Ｈバンドの第２の倍音との間の動作にはネオジウムが最も適している。Ｎｄイオンは一般的には８０８ｎｍレーザダイオードからの放射を吸収することで励起される必要があるが、他の波長も使用され得る。９４００ｃｍ−１周辺の遷移をブロックするフィルタが共振器の中に追加されなければ、あるいは共振器からの不必要な放射が抽出されなければ、Ｎｄ−ベースの利得媒体はより高い周波数でレーザ用として使用できる傾向がある。そのようなフィルタが追加される場合には、レーシングは７４４０〜７４８０ｃｍ−１で開始する。当該フィルタ動作は、フィルタの代わりにまたはレーザ共振器の適切な色設計によって、プリズムまたは回折格子を使用して達成され得る。
２．半導体レーザ
代替形態として、半導体−ベースの設計が提案されてもよい。使用される半導体のレーシングバンドギャップを変更することによって半導体レーザの波長を合わせることが可能である。１ｅＶ台のバンドギャップを有する半導体、特にＩＩＩ−Ｖ族の半導体、特に、これに限られないが、量子ドットタイプは、６９００ｃｍ−１〜８２００ｃｍ−１の間の所望の周波数の光を放射する。特に０．８ｅＶ〜１．１ｅＶの間のバンドギャップは良好な結果を生成し、基本的にすべての一般的に使用されるポリマーによって、少なくとも部分的に吸収される。
３．ブラッグミラーおよび／またはファイバーループミラーを含み得るＮｄドープファイバーレーザ等のさまざまな代替設計もこの開示に記載されたシステムで使用され得る。代替的にラマンシフトファイバーレーザも使用可能である。
【００３９】
動作中、利得媒体は熱くなるので、波長シフトおよび効率低下を避けるために冷却されなければならない。利得媒体が適切に冷却されれば、６９００ｃｍ−１〜８２００ｃｍ−１の間の周波数で少なくとも８ｋＷ／ｍ２／ステラジアンの放射輝度を有するビームが放射されるまで、励起電力または電流を増加させることが可能である。当該ビームはほとんどコリメートさせられ、ポリマーを含むほとんどの有機材料で減衰されるので、検出が可能である。しかしながら、指紋等の汚濁物では強く吸収されない。
【００４０】
レーザ利得媒体は一般的に１５０度セ氏以下の温度で動作するように構成される。もしその温度が一般的に２５０度セ氏を超えるレベルになると、多くの問題が発生する。
第１に、低レベル励起状態の増加、特に３−および４−レベルレーザで、および、半導体のチャージキャリアの熱再結合にもよって、発光効率が著しく低下し得る。
第２に、利得媒体の半田付けは、そのような熱的取り付け方法が使用される場合には、損傷を受け得る。
第３に、ビームを劣化させ得る熱収差が発生し得る。
第４に、周囲の熱膨張とは異なるレーザ利得媒体の熱膨張を発生させ、機械的ストレスすなわち利得媒体の反りや破砕さえも生じさせ得る。
【００４１】
これらの理由のために、とりわけ、利得媒体は冷却システムに熱的に取り付けられなければならない。一般的に利得媒体は１ｍｍ２〜４０ｍｍ２の間の表面から０．１〜１００Ｗの熱を放射する。利得媒体の温度が１５０度未満を維持するためには、利得媒体の冷却システムは２００ケルビン／ワット未満の熱抵抗を有する必要があり、一般的に１０Ｗを超える電力入力に起因する高電力を送信するシステムでは、熱抵抗は著しく低い必要があり、多くの場合に熱抵抗は０．０５ケルビン／ワット未満が必要である。
【００４２】
冷却システムの表面は利得媒体に取り付けられ、一般的に半田または接着剤等の第３の材料を使用し、それは利得媒体自体の膨張係数と冷却システムの前面の膨張係数の両方に適合した膨張係数でなければならない。
【００４３】
一般的な当該冷却システムは、受動的なヒートシンク、ファン付きのヒートシンク、ファン付きまたはファン無しのヒートシンクに接続されるペルチエ部品、または、流体で冷却される冷却システムであり得る。代替的に、循環ポンプベースの能動的に循環する、または、ヒートパイプベースの受動的に循環するスタンドアローンの流体循環冷却システムから構成されて使用されてもよい。
【００４４】
冷却システムがファン付きのヒートシンクから構成される場合には、その熱抵抗は０．１゜ケルビン／ワット未満であるべきである。
冷却システムが受動的なヒートシンクである場合には、その熱抵抗は０．３゜ケルビン／ワット未満であるべきである。
冷却システムがペルチエ部品である場合には、少なくとも５度の温度差異ΔＴを生成する必要がある。
冷却システムが能動的な流体で冷却される冷却システムである場合には、ここで述べられる熱抵抗の全範囲をカバーできることが必要である。
【００４５】
低コストで静かに動作させるために設計されるシステムでは受動的なヒートシンクが好ましいが、高電力システムには流体で冷却されるシステムが好ましい。電気的出力が、１Ｗを超え、約１リッター未満等の小さな体積を有するトランスミッタを有するシステムには一般的にファン付きのヒートシンクまたは流体ポンプが使用される。
【００４６】
一般的に利得媒体は電力を供給するドライバによって駆動され、ある種の半導体利得媒体では電力として供給され、あるいは他の半導体利得媒体またはＤＰＳＳシステムでは光として供給され、あるいは化学的または他の形態のエネルギーとして供給され得る。ドライバによって供給される電力量によって達成される小信号利得が決定され、それがレーザの動作条件および放射を決定する。しかし、利得媒体の飽和利得は通常は利得媒体として選択された材料の関数であるが、単純な線形関数であるとは限らず、最終的には、レーザから放射される放射輝度に依存する。そのようなレーザドライバは２つ以上の動作状態を有し得て、電力伝送用に１つが使用され、他のものはターゲット走査、セットアップ、および情報伝送等のシステムの他の機能のために使用される。電力伝送中の安定した動作がもっと重要であるが、レーザドライバが両方の動作条件で（電力およびビームパラメータに関し）安定した放射を生成することが重要である。
【００４７】
役立つ電力を伝送するため、光ビームを電気に再び変換するために、光から電気への電力コンバータは、一般的に太陽電池が使用されるべきである。レーザと同様に、使用されるビームの周波数に合わせられた適切な太陽電池は、在庫があってすぐに入手可能な部品として市販品としては入手できないので、カスタムセルが要求される。ビーム周波数が半導体で効率的に吸収されるためには、光起電性の半導体のバンドギャップは使用される利得媒体のバンドギャップよりわずかに小さいことが必要である。そうでなければ、変換効率はとても悪くなる。一方で、使用されるバンドギャップが小さすぎると、その場合には低効率システムとなってしまう。太陽電池上の導体も高放射輝度が使用されるビームの放射輝度に合わせられる必要があり、より厚い導体が必要になる。
【００４８】
レーザ利得媒体のバンドギャップは０．８〜１．１ｅＶの範囲であるべきであり、使用される太陽電池のバンドギャップはそれよりも小さくなければならず、単一接合太陽電池は一般的に電子電荷によって分割されたバンドギャップエネルギーの６０〜８０％の電圧を生成するので、レーザ周波数に合わせられた単一接合セルは非常に低い電圧、一般的に０．３〜０．８Ｖを生成し、実際的なシステムに要求されるように出力電力を数ワットと仮定すると、一般的に高電流を生成する。生成された電流を深刻な損失（例えば＞５％）なく伝送するために半導体の導体は十分に厚い必要がある。一般に導体の直列抵抗は１オーム以下、さらに好ましくは、０．１オーム以下であることが必要であり、その効率は通常、温度の上昇とともに減少するので、生成された熱は太陽電池から効率的に除去されるべきである。
【００４９】
この低電圧と高電力の組み合わせでは、容易にポータブルデバイスを充電するために要求される高電圧、一般的に３．３Ｖまたは５Ｖである、に変換することはできない。さらに、通信システム等のいくつかのシステムでは、−４８Ｖ、１２Ｖまたは３．８Ｖ等の電圧が要求され得る。システムは安定した電圧であって、太陽電池から予想される出力電圧よりも高いレベルを供給することが必要である。太陽電池の電圧を高める一般的な方法はそれらを直列に接続することであり、それは例えば米国特許第３，３７０，９８６号のＭ．Ｆ．Ａｍｓｔｅｒｄａｍ  ｅｔ  ａｌ．、「Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  Ｓｅｒｉｅｓ  Ａｒｒａｙ  ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ  Ｐ／Ｎ  ａｎｄ  Ｎ／Ｐ  Ｃｅｌｌｓ」に開示され、そこには高電圧を生成するための一般的な構成が示され、そこではほとんど同一量の半導体を使用し追加の部品を使用せず、したがってそれが一般的に選択される解決策である。
【００５０】
しかしながら、特に当該レーザは一般的に均一形状のビームを有していないので、この解決策は、レーザの放射輝度が８ｋＷ／ｍ２／ステラジアンにもなる高輝度で使用される本願に記載されたシステム等のシステムには適していない。さらに、そのビーム形状は時間の経過とともに変化し得て、指向精度が光学的に所望されるものよりも劣り得る。当該状況では、すべてのセルを均一に照射するコンパクトで効率的なシステムを設計することは事実上不可能である。直列に接続された太陽電池が均一に照射されなければ、それらは同一の電流を生成しない。当該場合には電圧は所望のレベルに実際に昇圧されるが、電流は通常はもっとも照射量が少ないセルである最も小さい電流を生成するセルによって生成される電流に降下するであろう。当該状況では、効率はとても悪い。したがって、電圧を昇圧するための代替方法を改良する必要がある。
【００５１】
単一セルの電圧を昇圧するための１つの方法は、並列に接続されたコンデンサーにチャージし、次にそれらを直列で放電することによってもたらされ得る。この方法は低電流ではよい結果を生じるが、電流が特定のレベルを超えるまで増加すると、スイッチング回数が支配的な要素となり、効率に影響を与え、スイッチング回数が増加するにつれて効率が劣化する。
【００５２】
速く、低抵抗な、スイッチングメカニズムを使用してエネルギーが交流に変換されれば、結合インダクタンスを使用して交流電流を増幅することができ、次に再び交流に変換することができる。昇圧された交流電圧は、ダイオードブリッジおよびコンデンサーまたはバッテリー等のエネルギー貯蔵デバイスを使用して、直流に変換できる。電圧が光電セル電圧の２０倍を超える電圧に昇圧される必要がある場合に、当該システムは有利である。当該システムの別の有利な点は、スイッチングがレーザを使用してトランスミッタからできることにあるので、レシーバコストと複雑さを低減する点にある。電圧が１０倍未満の係数で昇圧される必要がある場合、または、体積の制限が用途によって重要である場合、当該システムは不利である。
【００５３】
図１３Ａを参照すると、効率的で単純な電圧変換方法が示される。図１３Ａの構成では、太陽電池の電圧を昇圧するために、単一のインダクターが低抵抗スイッチングメカニズムとエネルギー貯蔵デバイスと共に使用され得る。図１３Ａでは、左側の矩形形状が太陽電池であり、スイッチＳはＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、ＢＪＴ、ＩＧＢＴまたはｐＨＥＭＴ等の低抵抗スイッチであり、インダクタンスＬは太陽電池の出力に接続され、コンデンサーＣはエネルギー貯蔵デバイスとして機能する。
【００５４】
以下の記述では、部品の使用を単純化するために抵抗がゼロであると仮定する。抵抗損失を考慮すると計算が複雑になるので、この開示の後のセクションで説明する。スイッチングメカニズムは充電フェーズと放電フェーズの２つの主な動作フェーズの間でインダクターを循環させる。充電フェーズでは、スイッチＳを閉じることでインダクターは太陽電池と並列に接続される。このフェーズの間に、インダクターは太陽電池によって変換されたエネルギーでチャージされる。インダクターエネルギーの増加は次式で表される。
ΔＥＬ＿ＣＨ＝Ｖｐｖ×ＩＬ×ＴＣＨ
ここで
Ｖｐｖは太陽電池の出力電圧であり、
ＩＬは平均インダクター電流であり、
ＴＣＨは充電フェーズの時間である。
【００５５】
放電フェーズでは、インダクターはスイッチＳを開いて太陽電池と負荷の間に接続される。このフェーズの間は、インダクターから出力エネルギー貯蔵デバイスに分配されるエネルギーはインダクターエネルギーの減少によって供給される。
ΔＥＣ＝ＶＯ×ＩＬ×ＴＤＩＳ、ここで
ＶＯはエネルギー貯蔵デバイスの電圧であり、一般的にデバイスの所望の出力電圧に非常に近く、したがってシステムの出力電圧に接近し得る。
ＩＬは平均インダクター電流であり、
ＴＤＩＳは放電フェーズの時間である。
【００５６】
当該フェーズに太陽電池からインダクターに搬送されるエネルギーは次式で与えられる。
ΔＥＬ＿ＤＩＳ＝Ｖｐｖ×ＩＬ×ＴＤＩＳ。
当該期間のインダクターエネルギーの変化は入力エネルギーと出力エネルギーとの差である。
ΔＥＬ＿ＤＩＳ＝Ｖｐｖ×ＩＬ×ＴＤＩＳ−ＶＯ×ＩＬ×ＴＤＩＳ。
【００５７】
定常状態運転では、サイクルの最後のインダクターのエネルギーはサイクルの最初に生成される同じ値に戻る
ΔＥＬ＿ＣＨ＝−ΔＥＬ＿ＤＩＳ、
これは代入後の値である。
ＶＯ＝Ｖｐｖ×（１＋ＴＣＨ／ＴＤＩＳ）。
したがってエネルギー貯蔵デバイス電圧は太陽電池電圧と充電フェーズと放電フェーズ期間の比によって決定される。
【００５８】
しかしながら、本システムでは、部品の寄生特性および他の特性が変換動作および効率に重大な影響があり得るので、システムが効率的に動作するには、適切な部品の選択と使用に注意しなければならない。これらの要素が一つ一つ検討される。
【００５９】
インダクター
１．インダクターのインダクタンスは印加電圧に対するインダクター電流の変化率で定義され、それはｄＩ／ｄｔ＝Ｖ／Ｌで与えられ、ここでｄＩ／ｄｔは電流変化速度であり、Ｖはインダクターの両端間に印加される電圧であり、Ｌはインダクタンスである。現在のシステムでは、Ｖはトランスミッタの利得媒体によって決定される。異なる利得媒体を選択すると光子エネルギーの変化を生じ、それが結果として光起電性バンドギャップの変化を生じ、その結果光起電性電圧が変化する。これによって異なるインダクターおよび／またはスイッチング周波数の選択が求められる。スイッチング速度は、インダクター電流が光電気電力コンバータを介したトランスミッタからの入力電力の変化に応答できるように十分に速くなければならず、並びに、電力損失、入力電圧リップルおよび出力電圧リップルを生じる高い値の電流リップルを避けるように十分に遅くなければならない。インダクターの最適な値では最大予想入力電流の２０％〜４０％の間であるリップル電流を生じるが、システムは１０％〜６０％の間で、動作可能であり得る。回路パラメータの厳密な解析によれば、ヘンリーを単位として測定されるインダクターのこの目的の値Ｌを達成するためには以下の式のリミットの間でなければならない。
【数４】
2018522421.tif 000006
ここで
ｆはＨｚを単位として測定されるスイッチング周波数であり、
Ｅ利得は利得媒体のバンドギャップであり、ジュールを単位として測定され、
Ｖ出力は電圧コンバータの出力電圧であり、ボルトを単位として測定され、
Ｐレーザ＿ドライバはレーザドライバから利得媒体に励起される電力であって、ワットを単位として測定される。
【００６０】
インダクターをモバイルクライアントに成功的に結合させるためには、モバイルクライアント充電に要求される電流に適切であってポータブル用途に適切な限界値を持つインダクターは一般的にこの値よりもずっと小さいので、インダクタンスは一般的に１０ｍＨよりも小さい必要がある。また、１０ｎＨ等の非常に小さいインダクタンスを有するインダクターは、スイッチ等のシステムの他の部品の入手可能性を厳しく制限する高スイッチング周波数を要求し、当該高周波数によって生じるスイッチング損失は太陽電池によって伝達される電力量よりも大きくなる。
２．インダクターの直列抵抗である、Ｒｐａｒａｓｉｔｉｃは伝達電力損失を最小化できるようにできるだけ小さい必要がある。一般的に、１０％未満の効率低下を生じるような値が選択される。オームを単位として測定されるインダクターの直列抵抗は以下の式未満である必要がある
【数５】
2018522421.tif 000007
ここで
Ｅ利得は利得媒体のバンドギャップであり、ジュールを単位として測定され、
Ｐレーザ＿ドライバはレーザドライバから利得媒体に励起される電力であって、ワットを単位として測定される。
３．典型的なシステムではインダクター直列抵抗は１０Ω未満である。インダクターの飽和電流は、通常、予想されるインダクターピーク電流よりも大きい値に選択され、次式で与えられる。
ＩＳＡＴ＞ＩＰＥＡＫ＝Ｉｍ＋Ｖｐｖ×（１−Ｖｐｖ／ＶＯ）／（２×Ｌ×ｆ）。
単一接合太陽電池から１０ｍＷを超える電力を抽出するためには、飽和電流は１０ｍＷ／０．８ｖ＝１２．５ｍＡを超える必要がある。
４．信頼性がある動作のためには、インダクターは予想される最大入力電流よりも大きい電流で決定されなければならない。単一接合太陽電池から１０ｍＷを超える電力を抽出するためには、インダクターは１０ｍＷ／０．８ｖ＝１２．５ｍＡを超える電流で決定されなければならない。
【００６１】
スイッチングメカニズム
１．スイッチングメカニズムは通常２つ以上のデバイスである。第１のデバイス、メインスイッチは、通電して、インダクターを充電フェーズに設定する。第２のデバイスはダイオード（図１３Ａに示されるように）またはスイッチであり得て、その機能は、放電フェーズ中にはインダクターを負荷に接続する、または、エネルギー貯蔵デバイスに出力し、充電フェーズ中には負荷からインダクターを取り外す。
２．スイッチングメカニズムでは、スイッチング損失を最小化するために低スイッチノードキャパシタンスが要求される。
ＰＳＷ２＝０．５×Ｃｓｗ×ＶＯ２×ｆ。
レーザ電力の５０％を超える電力を抽出するためには、スイッチノードキャパシタンスは次式未満である必要がある。
【数６】
2018522421.tif 000008
３．典型的なシステムでは、スイッチノードキャパシタンスは１００ｎＦ未満で１０ｐＦを超える値である。
４．スイッチノードのメインスイッチの直列抵抗は、そのスイッチはインダクターをグランドに接続させるか光電気電力コンバータをインダクターに接続させるが、以下の式未満であることが必要である。
【数７】
2018522421.tif 000009
典型的なシステムではスイッチ直列抵抗は１０Ω未満である。
【００６２】
エネルギー貯蔵デバイス
１．エネルギー貯蔵デバイスはコンデンサーまたはバッテリーまたはその両方であり得る。
２．インダクターが出力から切断される充電フェーズ中に、エネルギー貯蔵デバイスには出力電圧を維持することが要求される。貯蔵デバイスのキャパシタンスはスイッチング周波数、レーザ電力および所望の出力リップル電圧に基づいて選択される。
ＣＯＵＴ＞ＰＬＡＳＥＲ＿ＤＲＩＶＥＲ／（ｆ×ＶＯ×ΔＶＯ）
ここでΔＶＯは所望の出力リップル電圧である。
３．光パスの一時的な中断の間は、エネルギー貯蔵デバイスは電力を負荷に供給することもできる。中断しないで電力を供給するためには、エネルギー貯蔵デバイスは最小動作出力電力（ＰＯＵＴ＿ＭＩＮ）に中断時間間隔（ＴＩＮＴ）を乗算した値に等しい量のエネルギーを少なくとも保存しなければならない。
ＥＯＵＴ＿ＭＩＮ≧ＰＯＵＴ＿ＭＩＮ×ＴＩＮＴ。
コンデンサーがエネルギー貯蔵デバイスとして使用される場合には、キャパシタンスは次式ＣＯＵＴ≧２×ＥＯＵＴ／ＶＯＵＴ２よりも大きい必要がある。
１０ｍＷを超える最小動作出力電力で１００ｍｓを超える中断時間間隔で未中断動作をするためには、貯蔵されるエネルギーは１ｍＪを超える必要があり、キャパシタンスは８０μＦを超える必要がある（ＶＯＵＴ＝５Ｖと仮定する）。
【００６３】
いくつかの場合には、コンデンサーはクライアント用途に対してエネルギー貯蔵デバイスとして機能し得る。当該場合には、クライアントアプリケーションはいずれかの二次的なエネルギー貯蔵デバイス（モバイルデバイスにインストールされた従来使用されていたバッテリー）を使用しないように設計され得て、ここに記載されているシステムのエネルギー貯蔵デバイスは次の充電イベントまでにクライアントデバイスに必要な電力を供給するのに充分なエネルギーを貯蔵する必要がある。当該場合には、少なくとも０．５Ｆ、さらに１０Ｆ以上のキャパシタンスを有するスーパーコンデンサーが使用され得る。他の場合である、クライアントデバイスの要求電力が低い場合、あるいはデバイスの内部にインスト−ルされているバッテリー等の独立したエネルギー貯蔵デバイスを持つ場合、あるいは電力が供給されない場合にはデバイスが動作する必要がない場合には、使用されるコンデンサーは一般的に１Ｆを充分に超える。エネルギー貯蔵デバイスとして再充電可能なバッテリーが使用される場合には、上述のコンデンサーロジックに類似するが、バッテリーが電圧を調節する手段としてだけ使用され、充電イベントの間にクライアントデバイスに供給される電力を維持する手段として使用されない場合には、バッテリーのエネルギーキャパシティは有利なことにスイッチの１００サイクルの間に供給されるエネルギーの１００倍にまでなり（一般的に０．１Ｗｈ以下である）、このレベルはバッテリーの製造高予算および費用対効果によって決定される。一方で、バッテリーが充電イベント中にクライアントデバイスに電力を供給するためにも使用される場合には、充電イベント中にクライアントデバイスに必要とされるエネルギー、携帯電話の場合には一般的に０．１Ｗｈ以上、を少なくとも貯蔵するためにそのキャパシティは充分に大きい必要がある。バッテリーはそのバッテリーが内部で使用される予定の製品によって体積にも制限がある。したがって、ある体積Ｖを有する製品のバッテリーが、デバイスの外側に組み込まれる場合には、一般的にデバイスの数倍、すなわち、３Ｖまでに制限される。この経験則の例によれば、１００ｃｃの携帯電話に電力を供給するために使用されるバッテリーの体積は一般的に３００ｃｃ未満に制限される。一般的に当該バッテリーのキャパシティは上述した制限のために３００Ｗｈ以下である。
【００６４】
図１３Ａの回路は唯一可能な技術ではない。図１３Ｂは同等の性能特性を達成できる異なる設計を示す。図１３Ｂの部品の役割、制約および予想される値は図１３Ａ回路でリストアップされた部品と同一である。主な相異点は出力電圧の正端子と負端子が反転することである。
【００６５】
いくつかの用途では、エネルギー貯蔵デバイスは受信した電力を使用する予定のデバイスの内側に好ましくは位置し得る。他の用途では、特に短い期間の動作が見込まれる用途であって、調節された電圧が要求されない用途では、エネルギー貯蔵デバイスは削除されてもよい。
【００６６】
レギュレーションポイント
太陽電池の電力出力は入力される光電力およびそれに適用される負荷によって異なる。したがって、最適な負荷条件で太陽電池の最大出力電力を生成するので、電圧コンバータの制御メカニズムは負荷ポイントをレギュレートしなければならない。制御メカニズムは、多くの場合に最大電力動作ポイントとして知られるセル端子間で定電圧を維持する動作をするように、または、セル出力電力を測定し、すべての動作条件で最適なセル電圧を探索することによって最大電力動作ポイントを追跡できるように設計できる。第１のアプローチは簡単であり、第２のアプローチは電力効率がよりよい。
【００６７】
生成されたレーザビームはレシーバに向かって指向される必要がある。ビームをレシーバに指向させるために、ビームステアリング装置が使用される。使用されるいくつかのビームステアリングサブシステムには、可動ミラー、可動レンズ、電気−光変調器、電磁−光変調器、すべてのトランスミッタシステムを１つ以上の方向に移動させる一組のモータ、またはいずれかの他の適切なビーム偏向デバイスが含まれ得る。
ビームステアリング装置はコントローラによって制御され、最も都合がよい場合には同一のコントローラがレーザドライバを制御するために使用される。
ビームステアリング装置は８ｋＷ／ｍ２／ステラジアンを超えるビームを複数の方向のいずれの方向にも指向させることができるように構成される。
ビームステアリング装置の損傷閾値はビームの放射輝度に耐え得ることが必要である。
例えば、開口数０．５を有するフォーカッシングメカニズムを使用してビームがミラーに焦点を結ぶ場合には、８ｋＷ／ｍ２／ステラジアンのビームに対してミラーは少なくとも６．７ｋＷ／ｍ２の電力密度に耐える必要がある。より高放射輝度のビームが使用される場合には、それに対応してより高い損傷閾値を有するようにミラーが選択される必要がある。
【００６８】
図１４は、８ｋＷ／ｍ２／ステラジアンのビームがミラーに焦点が結ばれた場合に開口数の関数として、ミラー１平方メートルあたり反射される電力を示す。
高放射輝度ビームが使用される場合には、ミラーで反射される電力はそれに対応して線形的に増加する。
ビームはまったく均一ではない場合があり得るので、ビーム平均に比較して１０倍の放射照度を有する場合がある「ホットスポット」が生成され得る。
したがって、実際のビーム放射照度およびミラーへのフォーカッシングメカニズムの開口数に合わせて、ミラーは図１４に示される値よりも好ましくは少なくとも１０倍の損傷閾値を持つべきである。
【００６９】
一般的にレシーバには光前面があり、それは太陽電池に近い位置であって太陽電池とトランスミッタの間に位置し、それを通過してビームがレシーバに入射し、太陽電池の一般的に壊れやすい構造を保護するために必要で有り、多くの場合、電力レシーバが組み込まれるデバイスの外部デザインに一致するためにある。前面にはＣｏｒｎｉｎｇ  Ｇｏｒｉｌｌａ  Ｇｌａｓｓ（登録商標）または類似するもの等によるスクラッチから保護するためのコーティングを有してもよく、または、スクラッチに耐えるように改良するように取り扱われ得る。その上に付着し得る指紋およびダスト等の汚染物質のレベルを低減するように、または光の影響を低減するようにも取り扱われ得るし、そこから反射される光のレベルを低減するように反射防止コーティングでコーティングされ得る。太陽電池の前面もコーティングされ得る。いくつかの場合には、前面は太陽電池自体の構造の一部または太陽電池にコーティングされ得る。
【００７０】
いくつかの状況では、非常に低い反射率を有する反射防止用のコーティングを選択することによって、安全な閾値以下に前記表面からの反射量を低減でき得るが、コーティングに異物が混入したり、または、その上にこぼれた流体または指紋で覆われると、当該反射防止用のコーティングの反射量を低減する効率は悪くなり、一般的に、入射光の３〜４％が制御不能な方向に反射される。当該反射が発散するように反射されると、その電力密度はすぐに安全レベルに降下する。しかしながら、焦点を結ぶように反射されると、電力密度は安全ではないレベルに上昇し得る。このために、当該表面のＲＯＣ（曲率半径）が、その上のどのようなポイントにおいても、あらかじめ定められた値未満ではないことが重要である。一般に、当該表面からの反射が入射光のほんの一部であることが意図されれば、表面の曲率がどのような特性またはどのような形態を取っても、いかなる重大なビーム反射の危険も低減される。未処理ガラス表面からの約４％の反射が増加した場合であっても、当該表面上の外部からの汚染物質材料の層が反射率を上昇させれば、反射された光のレベルは可変であり得る。しかしながら、そのような反射は２０％を超えないことが予想され、一般に実質的には反射率が０．１％またはそれよりも小さいことが普通であるＡＲコートガラスの場合等の未処理ガラスの４％未満である。したがって、入射光の一部を反射する特性を有するので、当該表面がこの開示に記載され、請求項で請求され、この記載は入射光の２０％未満であり、一般に未処理ガラスの４％未満であることをあらわすために使用される。
【００７１】
図１５Ａ〜図１５Ｃを参照すると、それらは、入射光の一部分が当該表面から反射された場合であっても上述した安全ではない反射を避ける概略的な方法を示す。図１５Ａは表面が凹面である状況を示し、図１５Ｂは表面が凸面である状況を示し、図１５Ｃは表面が拡散性の表面である状況を示す。図１５Ａでは、少なくとも８ｋＷ／ｍ２／ステラジアン放射輝度を有する入射ビーム１１０が、太陽電池の前面にあり得る前面１１１を通過するようにして、太陽電池１１２に向けて指向される。前面１１１は、前記表面からいくらか離れた距離に焦点１１４を結ぶ焦点ビーム１１３を生成するビーム１１０のいくらかを反射する。焦点１１４が目または皮膚、または他の対象物に対していかなる危険性も示さないことを確実にするために、前記表面１１１の曲率半径（ＲＯＣ）は、図１５Ａに示すようにビームが低開口数で焦点を結ぶように、または図１５Ｂに示すように焦点がぼけるように、または図１５Ｃに示すように拡散されなければならない。これらの制限を達成するために、図１５Ａに示すようにトランスミッタから太陽電池を見る方向で前記表面が凹面である場合には、そのＲＯＣは１ｃｍよりも大きくなければならなく、一般的に０．５Ｗ以上の光である高電力システムが使用される場合には、５ｃｍよりも大きくなければならない。あるいは、図１５Ｂに示すように前記表面ＲＯＣは負であり、ＲＯＣは０〜１ｃｍの範囲であり得る。これらの制限によれば、光の反射ビームの焦点は虚焦点、すなわち、発散する反射ビームによるもの、または、前記表面の前方で少なくとも１ｃｍの距離に有ることを確実にし、焦点によって生成される危険性が著しく低減される。前記表面は、図１５Ｃに示すように拡散性の表面を形成するために小さな曲率を持つ多数の領域でもあり得て、これによって危険な焦点を形成する危険性を著しく低減し得る。当該場合には、前記表面の各サブセクションの曲率半径は焦点を形成しない１ｃｍよりも小さい値であり得る。さらに、前記表面が複数の領域に分割される場合には、各領域はより小さな曲率を有する。
【００７２】
安全に動作させるためには、太陽電池によってブロックされ、安全ではない領域に指向させないように、システムは電力ビームを太陽電池に指向させるようにできる必要もある。それを達成するために、レシーバへのビームの衝突を示すように、検出器が配置される必要がある。当該検出器は一般的にレシーバの中に配置されるが、検出器がトランスミッタの中に配置される構成も可能であり、その場合には、検出器はレシーバへのビームの衝突に起因して発生する現象に応答することが必要になる。当該トランスミッタ関連システムには、トランスミッタがバーコードの照明パターンを検出でき得るように、レシーバに印刷されたバーコードからのビーム反射等のレシーバから受信された光学的な情報の画像収集と処理が必要になり得る。リトロ反射体または複数のリトロ反射体またはアレーまたはそれらのパターンからの反射光はレシーバの上に配置され得て、当該反射光はトランスミッタで検知され得て、それは映像処理によって、バック反射を測定することによって、または反射コヒーレンス効果を測定することによって検知され得る。検出器は、レシーバの中に位置する電流または電圧センサ、レシーバまたはトランスミッタ中のフォトダイオード、若しくは、トランスミッタまたはレシーバの中にあり得るイメージングデバイスであり得る。太陽電池に近接するリトロ−反射体が使用されてもよく、トランスミッタ中の追加の検出器と組み合わせて、リトロ反射体から反射される光を検出する。
【００７３】
検出器は、太陽電池に衝突した光ビームを検出すると、それに応じて信号をシステムコントローラへ送信する。検出器がレシーバ中にある場合には、ＲＦ、ＩＲ、可視光、ＵＶ、ビームの変調、ＴＣＰ／ＩＰ、あるいは音であり得る通信チャネルを使用して、当該送信は無線で実行され得る。システムコントローラは通常トランスミッタの中に位置するが、メイン制御ユニットの中に位置してもよいし、トランスミッタからのコンピュータネットワークに位置してもよい。信号を受信すると、コントローラ以下の少なくとも１つを実行して応答する。
（ａ）レーザドライバの状態を変更すること。
（ｂ）ビームを指向させる方向、あるいは、方向が変化する速度等のビームステアリング装置の動作特性を変更すること。
【００７４】
図１６を参照すると、完全なシステムの詳細な記述を示す概略図である。システムはトランスミッタ２１とレシーバ２２を含む。一般に、トランスミッタとレシーバはお互いに離れて位置するが、図１６では示されず、便宜のために、お互いが近くに位置する。ビーム１５は電力をトランスミッタ２１からレシーバ２２に伝送する。
【００７５】
レシーバ２２では、前面７は入射ビーム１５の一部分を反射ビーム１６として反射し、それを拡散して前面７の後ろ側に虚焦点を形成するか、表面７の前で遠くとも１ｃｍで実焦点を結ぶ。少なくとも一部が透明面７を通過して伝送された後に、ビーム１５は光電気電力コンバータ１に衝突する。
【００７６】
光電気電力コンバータ１は、表面７または別のウィンドウであり得るフロントウィンドウを有し得るパッケージで囲まれ得る。また、それはそれを取り囲む空気、または接着剤またはガラスとのインターフェースとして機能するように適用される外部表面を持つようにコーティングされてもよい。一般的な構成では、光電気電力コンバータ１は半導体層の接合であり得て、一般的にそれらに導体が堆積される。多くの実施形態では、表面７はコーティングされ、または、これらの半導体層の１つの外部表面であり得る。
【００７７】
シグナリング検出器８はビーム１５が太陽電池１に衝突する間にその情報をコントローラ１３に送信することを示し、この例示システムでは、トランスミッタ２１の中に位置する。制御信号はリンク２３によってトランスミッタの検出器２４に伝送される。
【００７８】
電気電力コンバータ１は、バンドギャップＥ８を有し一般的に０．３５〜１．１Ｖの間の電圧を生成し、マルチ接合太陽電池を使用することで高電圧を生成し得る。電力は太陽電池１から低抵抗を有する導体２ａおよび２ｂを通って、そこを通過するエネルギーの一部を磁場に貯蔵するインダクター３に流れる。
【００７９】
自動スイッチ４は、一般的に制御回路（図１６には図示せず）に接続されるＭＯＳＦＥＴトランジスタであるが、交互に起きる状態の間でスイッチングし、第１の時間部分では電流をインダクター３からグランドに通電させ、第２の時間部分では、インダクターにそこに貯蔵された磁気エネルギーを太陽電池よりも高電圧での電流として、ダイオード５を介して負荷６に流れるようにさせ、電力として使用できるようにする。
【００８０】
自動スイッチ４は固定周波数または可変周波数および／またはデューティサイクルおよび／または波形形状で動作し得て、それらはトランスミッタによって制御され得て、またはクライアント負荷によって制御され得て、負荷での電流、電圧、または温度に基づいて、または自動スイッチ４の電流、電圧または温度に基づいて、光電気電力コンバータ１によって発生する電流、電圧または温度に基づいて、またはシステムの状態に関する他の指示情報に基づいて制御され得る。
【００８１】
レシーバは、図１６に示すように、負荷６と直接接続されてもよく、または負荷６はレシーバの外部にあってもよく、あるいは負荷は携帯電話あるいは他の電力消費デバイス等の別のデバイスであってもよく、ＵＳＢ／マイクロＵＳＢ／Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ／ＵＳＢタイプＣ等のソケットを使用して接続させることができ得る。
【００８２】
ほとんどの場合に、負荷６と並列に接続されたコンデンサーまたはバッテリー等のエネルギー貯蔵デバイスがあり、または、負荷６はコンデンサーまたはバッテリー等のエネルギー貯蔵デバイスを含んでもよい。
【００８３】
トランスミッタ２１はビーム１５を生成し、レシーバ２２に指向させる。動作の第１のモードでは、トランスミッタ２１は走査ビームを使用して、すなわち、レシーバを検出することによってレシーバ２２の存在を探索し、それらは、ＲＦ、光、ＩＲ光、ＵＶ光、または音等の通信手段を使用して、リトロ−反射体、またはリトロ−反射性構造、バーコード、高コントラストパターン若しくは他の視覚的な識別子等のレシーバの視覚的な識別子を検出するカメラを使用して実行される。おおまかな位置が分かると、ビーム１５は、一般的に低電力で、レシーバ２２の周囲のおおよその領域を走査する。当該走査の間に、ビーム１５は太陽電池１に衝突する。ビーム１５が太陽電池１に衝突すると、検出器８がそれを検出し、それに応じてコントローラ１３に信号を送信する。
コントローラ１３は当該信号に応答して、レーザドライバ１２に次のいずれかまたは両方を命令する。利得媒体１１に入力される電力Ｐを変化させること、および、ミラー１４にそのビームを指向させる走査速度または速度を変化させるかその位置を保持すること、走査ステップの速度を変えること。利得媒体１１がレーザ電力供給部１２から異なる電力Ｐを受信すると、その小信号利得−１つの光子が利得媒体を横断する時に得られる利得であって同時には他の光子が利得媒体を横断しない利得−が変化する。バックミラー１０と出力カップラー９との間の方向に指向された光子が利得媒体１１を通過すると、複数の光子が同一方向に放射され、ビーム１５のそれはバックミラー１０と出力カップラー９との間で光共鳴を生成する。
【００８４】
出力カップラー９は反射率がＲである半透明ミラーであり、６９４０ｃｍ−１でのＣ−Ｈ吸収の第１の倍音と８１３０ｃｍ−１でのＣ−Ｈ吸収の第２の倍音との間のスペクトルの少なくとも一部で動作し、一般的に複数層の誘電体または半導体のコーティングがあり、それは異なる屈折率材料の層が交互に基板に堆積されており、当該基板は一般的にはガラス、プラスチックまたは利得媒体１１の前記表面である。または、利得媒体が十分に小信号利得を提供できるか十分に高い屈折率を有する場合にはフレネル反射が使用されてもよいし、一般的な金属ミラーを使用することもできる。利得媒体が半導体またはファイバー増幅器である場合には、ブラッグ反射体を使用してもよい。出力カップラー９はビームエクストラクターと組み合わされた高反射率ミラーから構成されてもよく、ビームエクストラクターは半透明光部品等の部品であって、共振器中の前進波から光の一部分を透過させて光の別の一部を抽出するが、一般的に共振器中の後方伝搬波から抽出される第３の部分でもある。
【００８５】
後方反射体１０は高反射率ミラーであるが、光の一部分が後方へリークし得てそれがモニタリングまたは他の目的のために使用され得て、６９４０ｃｍ−１でのＣ−Ｈ吸収の第１の倍音と８１３０ｃｍ−１でのＣ−Ｈ吸収の第２の倍音の間のスペクトルの少なくとも一部で動作する。一般的にそれは通常はガラス、金属またはプラスチックである表面に交互に堆積される異なる屈折率材料の交互層から構成され得る。あるいは、利得媒体が十分に小信号利得を提供できる場合にはフレネル反射を使用できるが、一般的な金属ミラーを使用することもできる。利得媒体が半導体またはファイバー増幅器である場合には、ブラッグ反射体を使用してもよい。
【００８６】
利得媒体１１は、６９４０ｃｍ−１でのＣ−Ｈ吸収の第１の倍音と８１３０ｃｍ−１でのＣ−Ｈ吸収の第２の倍音との間の放射を増幅し、必ずしもこのスペクトル範囲の全体を増幅する必要はない。これはレーザドライバ１２の電力Ｐで励起されると出力カップラー９による損失よりも大きな小信号利得を提供することができる。この領域、視野では、損傷閾値は少なくとも８ｋＷ／ｍ２／ステラジアン／（１−Ｒ）のビームを充分維持できるように大きく、ここでＲは出力カップラー９の反射率である。それはＮｄイオンがドープされた０．８〜１．１ｅＶのバンドギャップを有する半導体材料、または透明ホスト材料、またはそのスペクトル範囲で誘導放出が可能な別の構造体からされ得る。利得媒体１１はバック反射体１０から出力カップラー９間の光軸の間に位置するので、バック反射体１０によって反射された放射が利得媒体１１によってバック反射体１０と出力カップラー９との間で共振する。
【００８７】
利得媒体１１が０．８〜１．１ｅＶの間のバンドギャップを有する半導体である例示実装形態では、好ましくは熱除去デバイスに取り付けられ、レーザドライバ１２によって電気的または光学的に励起され得る。
【００８８】
利得媒体１１が、ＮｄイオンがドープされたＹＡＧ、ＹＶＯ４、ＧＧＧ、あるいはガラスまたはセラミックス等の透明ホストである例示実装形態では、利得媒体１１はバックミラー１０と出力カップラー９との間で共振する９４００ｃｍ−１周囲の放射を抽出するフィルタと光学的に接続されることが好ましい。
【００８９】
ビームステアリング装置１４が示され、コントローラ１３によって制御される。それはビーム１５を複数の方向へ偏向させることができる。その領域は最大動作傾斜角に傾斜しても基本的にビーム１５のほとんどの部分を含むように充分に大きい必要がある。簡略化するために２次元を例にすると、ビーム１５が５ｍｍ直径（１／ｅ２直径）のガウスビームにコリメートされ、ビームステアリング装置がビーム中心に光軸がある単一の丸いジンバル型ミラーであり、ミラーに要求される最大傾斜角が３０度であり、ビームステアリング装置１４の他の開口がない場合には、ミラーがビームの直径と同じ５ｍｍ直径であれば、垂直入射ビームに対して約１３％の損失となるが、６０度の傾斜角では約６０％が損失となる。システムの性能に深刻なダメージをもたらす。この電力損失は図１７のグラフに図示される。
【００９０】
動作の最初に、コントローラ１３はレーザドライバ１２とミラー１４にシーク動作をするように命令する。これはビーム１５を、第１の状態で動作するレーザドライバ１２で、レシーバ２２が見つかりそうな一般的な方向に向けることによって実行される。例えば、トランスミッタが部屋の天井との間のコーナーに取り付けられている場合には、走査は下方と部屋の隣接する２つの壁の間で実行される。ビーム１５が光から電気への電力コンバータ１を含むレシーバ２２に当たると、検出器８はコントローラ１３等に信号を送信する。そのような信号が受信されないと、コントローラ１３はビームステアリング１４にビーム１５を、レシーバを探すように他の方向に向けるように命令する。当該信号が検出器８から受信されると、コントローラ１３はレシーバにロックするためにビームステアリング１４にその走査を停止または速度をダウンさせるように命令し、レーザドライバ１２のその電力放出を増加させるように命令し得る。あるいはコントローラ１３はレシーバ２２の位置を記憶し、後のステージでその場所に戻り得る。
【００９１】
レーザドライバ１２がその電力放出を増加させると、利得媒体１１の小信号利得が増加し、その結果ビーム１５が多くの電力を搬送し、電力伝送が始まる。検出器８が、電力損失が閾値を超えることを検出すると、閾値はあらかじめ定められまたは動的に設定され得て、一般的に最大許容露出レベルの重要な部分をあらわすレベルであり、一般的にシステム雑音指数よりも大きく、これらの条件はビーム１５を光電気電力コンバータ１にこれ以上適切に向けられない、あるいは何らかの物体がビームの経路に入った、あるいは誤動作が発生したことを示唆し、通常はコントローラ１３が電力を低減し、要求される安全レベルを維持するようにレーザドライバ１２の状態を変更するように命令する。安全な動作であることを示す別の指標が存在すると、例えば、ユーザインターフェースまたはＡＰＩによって指示され得る安全伝送に関するユーザの指示、あるいは第２の安全システムからの安全な動作の指示があると、コントローラはレーザに電力損失を補償して電力を増加するように命令し得る。コントローラ１３はビームステアリングアッセンブリ１４に再びシーキング動作を実行するようにも命令し得る。
【００９２】
２つの異なる状態がシーク動作にはあり得て。第１の動作は、カメラを使用して粗サーチが実施され得て、それは視覚的なパターンをサーチするものであって、リトロ反射体、高コントラスト映像、レシーバまたは別の指示体からの応答信号をサーチし、すなわちビームステアリング１４の走査特性を使用することによる。レシーバが見つけられる可能性がある位置リストがこのようにして生成され得る。第２のステージはファインシークであり、ビーム１５が光電気電力コンバータ１に衝突したことを検出器８が信号送信するまでビームステアリングミラー１４によってビーム１５を小さな領域に向ける。
【００９３】
図１８を参照すると、図１６のシステム利得媒体１１のための例示冷却システムを示す。反射体９、１０は分離した光部品として示されるが、システムを簡単化するためにそれらの一方または両方が利得媒体の端部表面に直接コーティングされ得ることが理解される。利得媒体１１はレーザドライバ１２から受信された電力を熱と光子の両方に変換し、利得媒体が特定の温度以上に加熱されると一般的にシステム性能を劣化させる。
このために、利得媒体１１には好ましくは熱抵抗が小さい熱を伝導する半田である結合剤３３を使用してヒートシンク３４を取り付ける。結合剤３３は導電性の接着剤であってもよい。結合剤３３の熱膨張係数は利得媒体１１とヒートシンク３４の間であり得る。ヒートシンク３４は一般的に金属から形成される低熱抵抗ヒートシンクであり得て、その表面領域を増やすためのフィン、または、ファンまたは流体ポンプ３５等の外部流体ポンピングシステムが備えられ得る。
【００９４】
当業者にとって明らかなように本発明は上述して示された特定の形態に限定されることを意図しない。むしろ本発明の範囲には上述したさまざまな特徴のコンビネーション、サブコンビネーションの両方を含むだけではなく、上述した明細書に接した当業者がそれらに加える従来技術ではない変形形態、修正形態も含む。
【図１】
2018522421.tif 000013
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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