СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
LIGHT-EMITTING DEVICE

Область применения
Настоящее изобретение относится к области светоизлучающих устройств и к области электробытовых приборов, в частности к электромагнитным устройствам для удаления волос, содержащим светоизлучающее устройство.
Уровень техники
Технология лазерного удаления волос или лазерной эпиляции используется для удаления волос с кожи человека и для предотвращения роста новых волос. Поглощение электромагнитного излучения волосами, особенно корнями волос, в определенных диапазонах длин волн электромагнитного излучения сильнее, чем поглощение в окружающих областях кожи. Поэтому при обработке кожи светом в определенном диапазоне длины волны корни волос могут быть селективно нагреты до температур свыше 60°С, после чего корни волос теряют способность производить новые волосы. Такая световая обработка позволяет ограничивать рост волос на коже человека.
Ввиду необходимости использования мощных источников лазерного излучения, применение лазерной технологии удаления волос в течение долгого времени было возможным только в специализированных салонах красоты и клиниках.
Поэтому существует потребность в электромагнитных устройствах для удаления волос, выполненных в виде электробытовых приборов, которые могли бы использоваться в домашних условиях непрофессионалами. Поскольку электробытовые приборы для персонального ухода, как правило, рассчитаны на удержание их в руке пользователем, то электромагнитные устройства для удаления волос должны удовлетворять ряду строгих требований безопасности.
В частности, электробытовые приборы, содержащие мощные источники света, должны исключать неконтролируемый выход интенсивного света за пределы корпуса прибора.
Поэтому целью настоящего изобретения является обеспечить светоизлучающее устройство, допускающее только контролируемое излучение лазерного света из его корпуса, то есть характеризующееся низким уровнем опасности для глаз пользователя.
Сущность изобретения
В первом воплощении настоящего изобретения предлагается светоизлучающее устройство, содержащее по меньшей мере один источник электромагнитного излучения, при работе устройства обеспечивающий по меньшей мере один рабочий пучок излучения, при этом корпус является непрозрачным для рабочего пучка излучения и имеет выходное отверстие, при этом источник излучения, обеспечивающий рабочий пучок излучения, расположен в корпусе, и при этом источник излучения, обеспечивающий рабочий пучок излучения, и выходное отверстие расположены таким образом, что при работе устройства рабочий пучок излучения может выходить из корпуса через выходное отверстие; по меньшей мере один источник электромагнитного излучения, обеспечивающий по меньшей мере один зондирующий пучок излучения при работе устройства; по меньшей мере один детектор для регистрации зондирующего пучка излучения; по меньшей мере одно сенсорное окно, имеющее контактную граничную поверхность, при этом детектор расположен таким образом, что при работе устройства зондирующий пучок излучения на пути от источника излучения, обеспечивающего зондирующий пучок излучения, к детектору по меньшей мере один раз отражается от граничной контактной поверхности сенсорного окна вследствие полного внутреннего отражения, если контактная граничная поверхность сенсорного окна находится в контакте с воздухом; и контроллер, функционально связанный с источником излучения, обеспечивающим рабочий пучок излучения, и с детектором, и функционирующий таким образом, что он воздействует на работу источника излучения, обеспечивающего рабочий пучок излучения, в зависимости от уровня мощности зондирующего пучка излучения, регистрируемого на детекторе.
Защита глаз пользователя достигается за счет предотвращения выхода электромагнитного излучения рабочего пучка излучения из устройства, если по меньшей мере часть сенсорного окна находится в контакте только с воздухом. Как только в контакт с участками сенсорного окна попадают какие-либо материалы, отличные от воздуха, например кожа пользователя, нарушается полное внутреннее отражение света на контактной граничной поверхности сенсорного окна, и на детектор падает меньшее количество света зондирующего пучка излучения. В ответ на изменение количества света, падающего на детектор, контроллер воздействует на работу источника излучения, обеспечивающего рабочий пучок излучения, и тем самым препятствует выходу опасного излучения из корпуса устройства.
Во втором воплощении изобретения предлагается электробытовой прибор, содержащий светоизлучающее устройство в соответствии с первым воплощением настоящего изобретения.
Примером электробытового устройства в соответствии с данным воплощением настоящего изобретения является электромагнитное устройство для удаления волос.
Еще в одном воплощении настоящего изобретения предлагается способ излучения света, содержащий этапы: обеспечения по меньшей мере одного рабочего пучка электромагнитного излучения, обеспечения корпуса, непрозрачного для рабочего пучка излучения и имеющего выходное отверстие, при этом рабочий пучок излучения обеспечивается в корпусе, и при этом рабочий пучок излучения и выходное отверстие расположены таким образом, что при работе устройства рабочий пучок излучения может выходить из корпуса через выходное отверстие; обеспечения по меньшей мере одного зондирующего пучка электромагнитного излучения; регистрации зондирующего пучка излучения, при этом регистрация зондирующего пучка излучения на выходе из сенсорного окна производится после его полного внутреннего отражения на контактной граничной поверхности сенсорного окна, если контактная граничная поверхность сенсорного окна находится в контакте с воздухом; и управления генерацией рабочего пучка излучения по результатам регистрации зондирующего пучка излучения.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Схематическое сечение передней части лазерного устройства в одном из воплощений настоящего изобретения.
Фиг. 2. Схематическое сечение элемента лазерного устройства.
Фиг. 3. Схематический вид сбоку элемента лазерного устройства.
Фиг. 4. Схематический вид сверху элемента лазерного устройства, изображенного на фиг. 3.
Фиг. 5. Схематический вид сверху элемента лазерного устройства.
Фиг. 6. Схематический вид сверху элемента лазерного устройства в соответствии с еще одним воплощением настоящего изобретения.
Фиг. 7. Схематический вид сверху элемента лазерного устройства.
Фиг. 8. Схематический вид сбоку элемента лазерного устройства.
Фиг. 9. Схематический вид сверху элемента лазерного устройства, изображенного на фиг. 8.
Фиг. 10. Аксонометрический вид сенсорного окна в воплощении, изображенном на фиг. 8 и 9.
Фиг. 11. Схематический вид сбоку лазерного устройства.
Фиг. 12. Схематический вид сбоку лазерного устройства.
Подробное описание изобретения
В одном из воплощений настоящего изобретения источник излучения, обеспечивающий рабочий пучок излучения, и источник излучения, обеспечивающий зондирующий пучок излучения, могут быть одним и тем же источником излучения.
В альтернативном воплощении настоящего изобретения источник излучения, обеспечивающий рабочий пучок излучения, и источник излучения, обеспечивающий зондирующий пучок излучения, могут представлять собой по меньшей мере два отдельных источника электромагнитного излучения.
В случае, если источник излучения, обеспечивающий рабочий пучок излучения, и источник излучения, обеспечивающий зондирующий пучок излучения, представляют собой единый источник электромагнитного излучения, то в одном из воплощений настоящего изобретения источник электромагнитного излучения может содержать расщепитель пучка, предназначенный для разделения излучения, обеспечиваемого фактическим излучателем, на зондирующий пучок излучения и рабочий пучок излучения.
В другом воплощении настоящего изобретения, в котором зондирующий пучок излучения и рабочий пучок излучения также обеспечиваются единым источником излучения, такой источник излучения может содержать подвижное или включаемое зеркало.
В одном из воплощений настоящего изобретения источником излучения, обеспечивающим рабочий пучок излучения, может быть лазер.
В одном из воплощений настоящего изобретения вторым источником света, обеспечивающим зондирующий пучок излучения, может быть светодиод.
Еще в одном из воплощений настоящего изобретения вторым источником света, обеспечивающим зондирующий пучок излучения, может быть лазерный диод.
В воплощениях настоящего изобретения детектор может быть элементом любого типа, чувствительным к электромагнитному излучению и способным обеспечивать выходной сигнал под действием излучения. В одном из воплощений детектор может быть полупроводниковым детектором. Примерами полупроводниковых детекторов являются фотодиоды и фототранзисторы. В некоторых воплощениях детектор может быть однопиксельным устройством, в то время как в других воплощениях детектор может быть устройством, содержащим много пикселей. Так, например, в качестве многопиксельного детектора может использоваться ПЗС-камера или КМОП-камера. В некоторых воплощениях детектором может быть детектор кожи.
Сенсорное окно служит световодом для зондирующего пучка излучения при работе устройства. Световод может усиливать гомогенность рабочего пучка излучения.
В одном из воплощений сенсорное окно может обеспечивать входную граничную поверхность для зондирующего пучка излучения, при этом входная граничная поверхность для зондирующего пучка излучения расположена таким образом относительно контактной граничной поверхности и угол падения зондирующего пучка излучения на входную граничную поверхность выбран таким образом, что при работе устройства зондирующий пучок излучения претерпевает полное внутреннее отражение на контактной граничной поверхности, если контактная граничная поверхность находится в контакте с воздухом.
h
1
h
крит
крит
Полное внутреннее отражение на границе раздела двух сред может происходить, когда коэффициент преломления n среды, в которой распространяется пучок света, выше, чем коэффициент преломления n материала на противоположной стороне границы раздела, и при этом угол падения пучка света в среде с большим коэффициентом преломления n должен быть больше критического значения угла α. Критический угол падения α рассчитывается, как:
крит
1
h
α=arcsin(n/n).
Как только контактная граничная поверхность сенсорного окна приводится в соприкосновение с тканью, например с кожей, критическое значение угла, при котором возможно полное внутреннее отражение, резко меняется, поскольку кожа имеет показатель преломления, примерно равный 1,4, что значительно выше показателя преломления воздуха, поэтому, если угол падения зондирующего пучка излучения на контактную граничную поверхность подобран правильно, полное внутреннее отражение исчезает. Поэтому как только контактная граничная поверхность приводится в соприкосновение с тканью, например с кожей, полное внутреннее отражение пропадает.
Поэтому в одном из воплощений изобретения сенсорное окно может обеспечивать входную граничную поверхность для зондирующего пучка излучения, при этом входная граничная поверхность для зондирующего пучка излучения расположена таким образом относительно контактной граничной поверхности и угол падения зондирующего пучка излучения на входную граничную поверхность выбран так, что при работе устройства зондирующий пучок излучения не претерпевает полного внутреннего отражения на контактной граничной поверхности, как только контактная граничная поверхность находится в контакте с кожей.
В одном из воплощений настоящего изобретения сенсорное окно может быть изготовлено из полиметилметакрилата, имеющего коэффициент преломления примерно 1,49.
Настоящее изобретение позволяет предотвратить выход опасного излучения за пределы корпуса, в котором установлен источник излучения, обеспечивающий рабочий пучок излучения, если светоизлучающее устройство не эксплуатируется в безопасных условиях. В данном контексте условия могут считаться безопасными, когда выходное отверстие корпуса, в котором установлен источник излучения, обеспечивающий рабочий пучок излучения, находится в контакте с кожей, то есть корпус, в котором установлен источник излучения, обеспечивающий рабочий пучок излучения, в совокупности с кожей образует закрытый объем, за пределы которого проникновение излучения, опасного для глаз, становится маловероятным.
Поэтому в одном из воплощений настоящего изобретения сенсорное окно может быть расположено в непосредственной близости к выходному отверстию корпуса. При расположении сенсорного окна и выходного отверстия корпуса в непосредственной близости друг к другу достаточно велика вероятность того, что если сенсорное окно находится в контакте с тканью, то выходное отверстие также будет находиться в контакте с тканью или будет закрыто тканью, и это будет препятствовать выходу опасного излучения за пределы закрытого объема, образованного корпусом и кожей.
В другом воплощении изобретения сенсорное окно может быть расположено в выходном отверстии корпуса, при этом сенсорное окно изготовлено из материала, прозрачного как для рабочего пучка излучения, так и для зондирующего пучка излучения при работе устройства, и при этом рабочий пучок излучения при работе устройства может выходить из корпуса через сенсорное окно.
Если область выходного отверстия корпуса, через которое выходит рабочий пучок излучения, и область падения зондирующего пучка излучения идентичны друг другу или по меньшей мере частично перекрывают друг друга, то уровень светового сигнала зондирующего пучка излучения, регистрируемый детектором, позволяет надежно предсказать, находится ли выходное отверстие корпуса в контакте с тканью или нет.
В одном из воплощений контроллер, функционально связанный с источником излучения, обеспечивающим рабочий пучок излучения, и с детектором, может работать таким образом, что он будет усиливать мощность рабочего пучка излучения, обеспечиваемого источником излучения, как только детектор зафиксирует, что нет полного внутреннего отражения на контактной граничной поверхности, то есть что контактная граничная поверхность находится в контакте с тканью.
В другом воплощении изобретения контроллер, функционально связанный с источником излучения, обеспечивающим рабочий пучок излучения, и с детектором, может работать таким образом, что он будет отключать рабочий пучок излучения, как только детектор обнаружит, что сенсорное окно не находится в контакте с тканью, то есть происходит полное внутреннее отражение зондирующего пучка излучения на контактной граничной поверхности, в результате чего на детекторе фиксируется высокий уровень мощности отраженного зондирующего пучка излучения.
В одном из воплощений настоящего изобретения источник излучения, обеспечивающий рабочий пучок излучения, и источник излучения, обеспечивающий зондирующий пучок излучения, могут быть выбраны таким образом, что рабочий пучок излучения будет иметь первую длину волны, а зондирующий пучок излучения будет иметь вторую длину волны, при этом первая длина волны и вторая длина волны отличны друг от друга, и при этом детектор настроен только на вторую длину волны - длину волны зондирующего пучка излучения.
Такая настройка чувствительности детектора только на вторую длину волны - длину волны зондирующего пучка излучения - обеспечивает эффективное подавление постороннего излучения и полностью исключает или по меньшей мере понижает уровень шумового сигнала при измерении мощности зондирующего пучка излучения детектором.
В одном из воплощений настоящего изобретения по меньшей мере один источник излучения, обеспечивающий зондирующий пучок излучения, и по меньшей мере один детектор расположены на противоположных сторонах сенсорного окна.
В другом воплощении изобретения по меньшей мере один источник излучения, обеспечивающий зондирующий пучок излучения, и по меньшей мере один детектор расположены на одной и той же стороне сенсорного окна, и при этом на стороне сенсорного окна, противоположной стороне расположения источника излучения, обеспечивающего зондирующий пучок излучения, и детектора, расположен отражатель для отклонения зондирующего пучка излучения.
Наличие отражателя на пути зондирующего пучка излучения позволяет менять форму пучка излучения на контактной граничной поверхности сенсорного окна. В одном из воплощений отражатель может быть расположен таким образом, что отраженный зондирующий пучок излучения будет покрывать значительную часть площади контактной граничной поверхности сенсорного окна.
В другом воплощении изобретения отражатель может иметь такую конструкцию, что отраженный зондирующий пучок излучения будет покрывать на контактной граничной поверхности область, имеющую площадь, равную или меньшую площади поперечного сечения рабочего пучка излучения, выходящего из корпуса через сенсорное окно. В одном из воплощений настоящего изобретения отражатель может иметь конструкцию, при которой отраженный зондирующий пучок излучения будет покрывать на контактной граничной поверхности область, площадь которой составляет по меньшей мере 60% площади поперечного сечения рабочего пучка излучения, выходящего из корпуса через сенсорное окно.
Поскольку зондирующий пучок излучения покрывает довольно большую долю поперечного сечения рабочего пучка излучения на контактной рабочей поверхности, то остатки пыли, жидкостей или грязи на граничной поверхности будут не так значительно влиять на уровень сигнала, регистрируемого детектором. То есть, при регистрации отраженного сигнала с достаточно большой площади небольшие области, на которых отсутствует полное внутреннее отражение вследствие перечисленных выше нежелательных эффектов, будут не так значительно сказываться на результате, как в случае, когда площадь наблюдаемого участка контактной граничной поверхности мала. Кроме того, если площадь области контактной граничной поверхности, покрытой зондирующим пучком излучения, практически равна площади поперечного сечения рабочего пучка излучения, то это может исключать ситуации, когда частичное покрытие сенсорного окна тканью будет восприниматься детектором, как полное покрытие.
В одном из воплощений настоящего изобретения в качестве отражателя может использоваться отражатель, расположенный снаружи сенсорного окна.
Еще в одном из воплощений настоящего изобретения роль отражателя может выполнять отражающее покрытие граничной поверхности сенсорного окна.
Еще в одном из воплощений настоящего изобретения отражение может быть обеспечено за счет полного внутреннего отражения на граничной поверхности сенсорного окна.
Еще в одном из воплощений настоящего изобретения сенсорное окно может иметь пилообразный профиль в сечении плоскостью, параллельной контактной граничной поверхности.
Пилообразное сечение плоскостью, параллельной контактной граничной поверхности, может обеспечивать световозвращающий эффект в одном направлении.
Еще в одном из воплощений настоящего изобретения граничная поверхность сенсорного окна может содержать множество пар секций поверхности, расположенных под углом друг к другу, что обеспечивает световозвращающие свойства граничной поверхности в отношении по меньшей мере части зондирующего пучка излучения. Еще в одном из воплощений настоящего изобретения сенсорное окно может содержать множество пар секций поверхности, расположенных по отношению друг к другу под углом, составляющим от примерно 75° до примерно 90°.
Еще в одном из воплощений настоящего изобретения может быть обеспечено множество зондирующих пучков излучения за счет наличия множества источников излучения, обеспечивающих зондирующие пучки.
За счет использования множества зондирующих пучков излучения, падающих на контактную граничную поверхность сенсорного окна, может одновременно проводиться наблюдение за множеством пятен зондирующих пучков излучения, расположенных в различных областях сенсорного окна.
В одном из воплощений настоящего изобретения два источника излучения, обеспечивающих два зондирующих пучка излучения, и один детектор расположены на одной стороне сенсорного окна, в то время как на стороне, противоположной стороне расположения источников излучения, обеспечивающих зондирующие пучки, и детектора, может быть расположен отражатель.
В одном из воплощений настоящего изобретения калибровка детектора может проводиться путем измерения мощности зондирующего пучка излучения, когда контактная граничная поверхность сенсорного окна не находится в контакте с кожей. Полученная при этом большая измеренная величина может считаться опорным значением «в отсутствие контакта». При контакте с кожей данное измеренное значение будет постепенно падать, и как только измеряемое значение величины упадет ниже заданного порога, контроллер определит, что контакт с кожей установлен. Как только измеряемое значение величины вновь повысится сверх заданного порога, детектор определит, что контакт с кожей потерян.
В одном из воплощений настоящего изобретения калибровка может проводиться только один раз, сразу после изготовления светоизлучающего устройства.
В другом воплощении может быть реализована автоматическая калибровка, например, всякий раз при включении устройства. При этом устройство определяет и запоминает максимальное измеренное значение как текущее опорное значение «в отсутствие контакта».
В случае, когда попеременно используются два или более зондирующих пучков излучения, в одном из воплощений может требоваться, чтобы для определения факта контакта с кожей уровни мощности обоих пучков излучения, измеренные детектором, упали ниже заданного порога. В альтернативном воплощении для установления факта контакта с кожей может быть достаточно, чтобы уровень мощности хотя бы одного из пучков излучения, измеренный детектором, упал ниже порогового значения.
В одном из воплощений настоящего изобретения корпус может быть изготовлен из цветного материала, поглощающего рассеянный свет от зондирующего пучка излучения.
В одном из воплощений настоящего изобретения источник излучения, обеспечивающий зондирующий пучок излучения, может находиться в двух состояниях: источник излучения включен и источник излучения выключен. Сигнал, измеренный детектором, когда источник излучения выключен, может вычитаться из уровня сигнала, когда источник излучения включен. Таким образом можно исключить влияние фонового освещения.
В одном из воплощений настоящего изобретения контроллер может быть жестко смонтированной электронной схемой.
Ниже приводится подробное описание ряда воплощений светоизлучающих устройств, со ссылками на прилагаемые чертежи. Воплощения описаны в порядке, примерно соответствующем порядку упомянутых выше особенностей настоящего изобретения. На всех чертежах одинаковыми номерами позиций обозначены идентичные элементы.
На фиг. 1 схематически показано светоизлучающее устройство, которое в данном случае выполнено в виде лазерного устройства 1, на примере которого ниже будут объяснены цели функциональные особенности воплощений настоящего изобретения.
Источник лазерного света, а именно мощный диодный лазер 2, расположен в корпусе 3. Для эффективного удаления волос и предотвращения их роста может использоваться источник лазерного света от класса 1 до класса 4 в соответствии со стандартом безопасности обращения с лазерами ISOEN 60825-1/2007.
При работе устройства 1 лазер 2 обеспечивает рабочий пучок 4 излучения, который используется для предотвращения роста волос на коже 5 человека. Лазер 2 представляет собой источник электромагнитного излучения, обеспечивающий рабочий пучок излучения в контексте воплощений настоящего изобретения. Рабочий пучок 4 излучения может выходить из корпуса 3 через выходное отверстие 6. Как показано схематически на фиг. 1, работающее лазерное устройство 1 прикладывают к коже 5 таким образом, что рабочий пучок 4 излучения через выходное отверстие 6 корпуса 3 может проникать в кожу 5.
В отсутствие защитных функций, обеспечиваемых настоящим изобретением, рабочий пучок 4 излучения выходил бы из корпуса 3 даже после удаления устройства 1 с кожи 5.
Светоизлучающее устройство в соответствии с настоящим изобретением предотвращает выход опасного для глаз излучения в виде рабочего пучка 4 излучения из корпуса 3, как только выходное отверстие 6 перестает быть в контакте с кожей 5.
В одном из воплощений, показанном на фиг. 1, в корпусе 3 имеется сенсорное окно 7, расположенное и протяженное таким образом, что оно также расположено в выходном отверстии 6 корпуса 3, обеспечивающем выход рабочего пучка 4 излучения. Сенсорное окно 7 содержит контактную граничную поверхность 8, которая при работе устройства 1 может быть приведена в контакт с кожей 5.
Воплощения настоящего изобретения обеспечивают уменьшение выходной мощности источника 2 лазерного излучения или полное отключение данного источника при работе устройства, как только контактная граничная поверхность 8 сенсорного окна 7 не находится в контакте с кожей 5.
Обрабатываемая кожа 5 используется как барьер для прохождения света и может считаться частью защитной системы устройства, поскольку при работе устройства, когда кожа 5 находится в контакте с контактной граничной поверхностью 8, она предотвращает выход рабочего пучка 4 излучения из корпуса 3 в окружающее пространство.
Требования в виде минимального контакта с кожей в контексте настоящего изобретения определяются соображениями безопасности эксплуатации устройства, с одной стороны, или легкостью обращения с устройством, с другой стороны. Чем больше контактная граничная поверхность 8 сенсорного окна 7, тем выше уровень безопасности, поскольку меньше остается места для выхода лазерного света в окружающее пространство. С другой стороны, слишком большая область контакта может затруднять обращение с устройством, поскольку пользователь должен все время обеспечивать большую площадь контакта граничной поверхности 8 с кожей. Уследить за этим может быть достаточно трудно, особенно на участках тела с близким расположением костей к коже, таких, как, например, подбородок. Меньшая площадь контакта может вызвать необходимость принятия дополнительных мер безопасности для глаз, например установки рассеивателя на пути рабочего пучка 4 излучения. Рассеиватель может использоваться для уменьшения пространственной когерентности и уменьшения излучения рабочего пучка 4 излучения, выходящего из корпуса 3, и тем самым для уменьшения опасности для глаз, исходящей от пучка 4 излучения.
И хотя в воплощении, изображенном на фиг. 1, сенсорное окно 7 расположено внутри выходного отверстия 6 корпуса 3, возможны воплощения, подобные изображенному на фиг. 11, в которых сенсорное окно 7"" расположено в непосредственной близости к выходному отверстию 6 корпуса 3.
Кроме того, как показано на фиг. 1, безопасность работы устройства 1 дополнительно обеспечивается за счет использования зондирующего пучка 11 излучения. Для этого в корпусе 3 расположен второй источник 16 электромагнитного излучения, обеспечивающий зондирующий пучок 11 излучения. Зондирующий пучок 11 излучения входит в сенсорное окно 7 через входную граничную поверхность 12 сенсорного окна 7. Угол падения зондирующего пучка 11 излучения на входную граничную поверхность 12 выбран таким образом, что на контактной граничной поверхности 8 сенсорного окна 7 зондирующий пучок 11 излучения претерпевает полное внутреннее отражение, если контактная граничная поверхность 8 сенсорного окна 7 находится в контакте с воздухом. Если действительно имеет место полное внутреннее отражение на контактной граничной поверхности 8, то зондирующий пучок 11 излучения выходит из сенсорного окна 7 через выходную граничную поверхность 13, после чего попадает на детектор 14, измеряющий мощность зондирующего пучка 11 излучения.
Детектор 14 функционально связан с контроллером 15, который в свою очередь функционально связан с источником излучения 2, обеспечивающим рабочий пучок 4 излучения. Контроллер 15 следит за уровнем мощности зондирующего пучка 11 излучения, попадающего на детектор 14. Как только полное внутреннее отражение, которое претерпевает зондирующий пучок 11 излучения на контактной граничной поверхности 8, нарушено, например, из-за приведения контактной граничной поверхности 8 сенсорного окна 7 в контакт с кожей 5, уровень мощности зондирующего пучка 11 излучения, регистрируемый детектором 14, падает. Как только уровень мощности, регистрируемый детектором 14, возрастает выше определенного порогового значения, контроллер 15 в воплощении на фиг. 1 отключает источник излучения 2, обеспечивающий зондирующий пучок излучения, и тем самым предотвращает выход излучения от рабочего пучка за пределы корпуса 3.
1
крит
пмма
крит
0
1
2
крит
Функциональные особенности воплощения, изображенного на фиг. 1, более подробно описаны ниже со ссылками на фиг. 2а) и b). Полное внутреннее отражение зондирующего пучка 11 излучения на контактной граничной поверхности 8 сенсорного окна 7 будет иметь место, когда угол α падения пучка на контактную граничную поверхность 8 больше, чем критический угол α полного внутреннего отражения. В показанном воплощении сенсорное окно 7 изготовлено из полиметилметакрилата (ПММА), имеющего коэффициент преломления n, примерно равный 1,49, в результате чего, когда контактная граничная поверхность 8 находится в контакте с воздухом, критический угол полного внутреннего отражения α=42°. Соответственно в показанных воплощениях угол α падения зондирующего пучка 11 излучения на входную граничную поверхность 12 выбран таким образом, что угол  αпадения на контактную граничную поверхность 8 составляет примерно 50°. В данных условиях угол α падения зондирующего пучка 11 излучения на выходную граничную поверхность 13 сенсорного окна 7 составляет 40°, что меньше, чем критический угол α, во избежание полного внутреннего отражения пучка от выходной граничной поверхности 13.
кожи
крит
1
1
На фиг. 2b) показана ситуация, когда контактная граничная поверхность 8 находится в контакте с кожей 5, имеющей показатель преломления n, примерно равный 1,4, и соответственно критический угол α полного внутреннего отражения примерно равен 69°. Поскольку угол падения α не зависит от материала, в контакте с которым находится контактная граничная поверхность 8 сенсорного окна 7, то в данной ситуации угол α падения на контактную граничную поверхность 8 меньше, чем критический угол для граничной поверхности 8, расположенной между сенсорным окном 7 из полиметилметакрилата и кожей 5, приведенной в контакт с контактной граничной поверхностью 8.
Поскольку в ситуации, изображенной на фиг. 2b), то есть когда кожа 5 находится в контакте с контактной граничной поверхностью 8, на детектор 14 едва ли попадет какое-либо количество света зондирующего пучка 11 излучения, и уровень мощности пучка, регистрируемый детектором 14, упадет ниже заданного порогового значения, в результате чего контроллером будет включен источник лазерного излучения 2, обеспечивающий рабочий пучок излучения.
Несмотря на то, что принцип включения рабочего пучка излучения при изменении характера полного внутреннего отражения зондирующего пучка 11 излучения на контактной граничной поверхности 8 одинаков для всех воплощений, изображенных на фиг. 3-11, данные воплощения отличаются от воплощения, показанного на фиг. 1 и 2, тем что в них используются иные пути прохождения зондирующего пучка 11 излучения.
Несмотря на то, что в большинстве воплощений, подробно описанных ниже, используется по меньшей мере два различных источника излучения, а именно, по меньшей мере один первый источник излучения, обеспечивающий рабочий пучок излучения, и по меньшей мере один второй источник излучения, обеспечивающий зондирующий пучок излучения, сведущим в данной области техники будет очевидно, что возможны воплощения, в которых используется единственный источник излучения, обеспечивающий как рабочий пучок излучения, так и зондирующий пучок излучения.
Воплощение, в котором используется единственный источник, обеспечивающий как рабочий пучок излучения, так и зондирующий пучок излучения, схематически показано на фиг. 12. В данном воплощении источник 9 излучения выполнен в виде полупроводникового лазера 2′′′′′ и подвижного зеркала 10. Излучение, испускаемое лазером 2′′′′′, отражается зеркалом 10, в результате чего формируется зондирующий пучок 11′′′′′ излучения, или проходит беспрепятственно, в результате чего формируется рабочий пучок 4 излучения. Когда зеркало 10 находится в положении, показанном на фиг. 12, оно отражает пучок света, направляя его по пути зондирующего пучка излучения. Когда зеркало убрано, свет, испускаемый лазерным источником 2′′′′′, испускается в виде рабочего пучка 4 излучения.
Как объяснялось выше со ссылками на фиг. 2а) и b), зондирующий пучок 11′′′′′ излучения падает на входную граничную поверхность 12 сенсорного окна 7 таким образом, что зондирующий пучок 11′′′′′ излучения испытывает полное внутреннее отражение на контактной граничной поверхности 8 сенсорного окна 7, если сенсорное окно 7 находится в контакте с воздухом. После отражения от контактной граничной поверхности 8 зондирующий пучок 11′′′′′ излучения выходит из сенсорного окна 7 через выходную граничную поверхность 13 сенсорного окна 7 и попадает на детектор 14, измеряющий мощность зондирующего пучка 11′′′′′ излучения. Детектор 14 функционально связан с контроллером 15′′′′′, который в свою очередь функционально связан с полупроводниковым лазером 2′′′′′ и приводом, приводящим в движение зеркало 10. Как только полное внутреннее отражение, которое претерпевает зондирующими пучок 11′′′′′ излучения на контактной граничной поверхности 8 сенсорного окна 7, нарушено, например, из-за приведения контактной граничной поверхности 8 сенсорного окна 7 в контакт с кожей 5, уровень мощности зондирующего пучка 11′′′′′ излучения, регистрируемый детектором 14, падает. Как только уровень мощности, регистрируемый детектором 14, падает ниже определенного порогового значения, контроллер 15′′′′′, наблюдающий за уровнем мощности зондирующего пучка 11′′′′′ излучения, попадающего на детектор 14, включает привод зеркала 10, в результате чего зеркало 10 убирается и рабочий пучок 4 излучения может выходить из корпуса.
В альтернативном воплощении зеркало 10 может быть включаемым, так что при этом исключается какое-либо механическое движение зеркала.
И хотя в воплощениях, изображенных на фиг. 1, 2 и 11, источник 16 излучения, обеспечивающий зондирующий пучок 11 излучения, и детектор 14 расположены на противоположных сторонах 12, 13 сенсорного окна 7, в воплощениях на фиг. 3-9 по меньшей мере один источник излучения, обеспечивающий зондирующий пучок 11 излучения, и по меньшей мере один детектор для измерения мощности зондирующего пучка излучения после его отражения от контактной граничной поверхности 8 сенсорного окна 7 расположены на одной стороне сенсорного окна 7.
Общей особенностью воплощений на фиг. 3-9 является то, что на стороне сенсорного окна 7, противоположной стороне расположения источника излучения и детектора, расположен отражатель, отклоняющий зондирующий пучок излучения так, чтобы сформировать требуемый оптический путь зондирующего пучка излучения.
В воплощении, показанном на фиг. 3, на первой стороне 17 сенсорного окна 7 расположены как светоизлучающий диод 16 в качестве источника излучения, обеспечивающего зондирующий пучок 11 излучения, так и детектор 14, измеряющий уровень мощности зондирующего пучка 11 излучения после его полного внутреннего отражения на контактной граничной поверхности 8 сенсорного окна 7. На второй, противоположной стороне 18 сенсорного окна 7, расположено вогнутое зеркало 19, используемое в качестве отражателя, которое не только перенаправляет зондирующий пучок 11 излучения, но также и формирует профиль зондирующего пучка 11 излучения.
Световой путь зондирующего пучка 11 излучения в условиях, когда имеет место полное внутреннее отражение на контактной граничной поверхности 8 сенсорного окна 7, можно кратко описать следующим образом: светоизлучающий диод 16 испускает зондирующий пучок 11 излучения в направлении граничной поверхности 8, который входит в сенсорное окно 7 и претерпевает полное внутреннее отражение на контактной граничной поверхности 8. После этого зондирующий пучок 11 излучения выходит из сенсорного окна 7 на противоположной его стороне, где он отклоняется зеркалом 19, которое фокусирует зондирующий пучок 11 излучения на детектор 14. После этого зондирующий пучок излучения снова входит в сенсорное окно 7, проходит через сенсорное окно 7 и выходит из сенсорного окна 7, после чего регистрируется детектором 14. Зеркало 19 фокусирует зондирующий пучок 11 излучения таким образом, что пятно освещения на контактной граничной поверхности отображается на детектор.
Из сечения на фиг. 3 можно видеть, что в данном воплощении зеркало имеет кривизну в одном направлении. В воплощении, изображенном на фиг. 3, зеркало 19 имеет форму цилиндрического зеркала.
На фиг. 4 показан вид сверху воплощения, во многом подобного воплощению на фиг. 3, с тем отличием, что зеркало 19 имеет кривизну в двух направлениях.
На фиг. 5 показано еще одно воплощение, которое является развитием воплощения, изображенного на фиг. 4, но в котором используются два или более отдельных источников излучения 16′, обеспечивающих два или более зондирующих пучков 11′а, 11′b излучения. Два отдельных светоизлучающих диода 16' используются для освещения различных частей контактной граничной поверхности сенсорного окна 7.
В одном из воплощений светоизлучающие диоды 16′ могут быть включаемыми попеременно и уровни мощности двух зондирующих пучков 11′а и 11′b излучения могут регистрироваться детектором 14 независимо друг от друга. Достаточным сигналом установившегося контакта между контактной граничной поверхностью и кожей может быть падение мощности хотя бы одного из зондирующих пучков 11′а и 11′b излучения ниже требуемого уровня.
В альтернативном воплощении изобретения уровни мощности обоих зондирующих пучков 11′а и 11′b излучения должны выполнять определенные критерии, чтобы совокупный их сигнал рассматривался как сигнал установившегося контакта.
Во всех воплощениях, изображенных на фиг. 6, 7, 8 и 9, реализован отражатель, встроенный в сенсорное окно 7" и 7′′′ на стороне сенсорного окна, противоположной стороне расположения источника света 16, обеспечивающего зондирующий пучок 11 излучения, и детектора 14.
В воплощении, изображенном на фиг. 6, сенсорное окно 7" на своей стороне, противоположной стороне расположения источника света 16 и детектора 14, имеет выпуклую форму, и при этом поверхность 20 выпуклой области покрыта отражающим металлическим покрытием 21. Сформированное таким образом зеркало на поверхности 20 сенсорного окна 7" в принципе имеет такие же функции, как наружное зеркало 19, используемое, например, в воплощении на фиг. 5.
В воплощениях, изображенных на фиг. 7-10, отражатель сформирован самой граничной поверхностью 23 сенсорного окна 7". Одна сторона 22 сенсорного окна 7′′′ имеет такую форму, что происходит полное внутреннее отражение на граничной поверхности 23 между сенсорным окном 7′′′ и воздухом на данной стороне 22. Поскольку данная сторона 22 находится только в контакте с воздухом, условия полного внутреннего отражения всегда будут выполнены, если правильно подобраны форма граничной поверхности 23 и оптические пути зондирующих пучков излучения 11′′′, 11′′′a, 11′′′b. Это позволяет избежать нанесения дополнительного отражающего покрытия на сенсорном окне 7′′′.
В воплощениях на фиг. 7 и 8-10 оптические пути зондирующих пучков 11, 11′′′а, 11′′′b излучения исходят от светоизлучающих диодов 16, 16′′′, претерпевают полное внутреннее отражение на контактной граничной поверхности 8 и еще одно полное внутреннее отражение на граничной поверхности 23 сенсорного окна 7′′′, и попадают на детектор 14.
В воплощении на фиг. 7, а также в воплощениях на фиг. 8-10 граничная поверхность 23 на стороне 22 сенсорного окна 7′′′, обеспечивающая отражатель, имеет пилообразный профиль, подобранный таким образом, что по меньшей мере в одном направлении при полном внутреннем отражении происходит фокусировка зондирующего пучка 11, 11′′′а, 11′′′b излучения на детекторы 14. Данный профиль поверхности обеспечивает одновременно световозвращающие и фокусирующие свойства.
Таким образом, граничная поверхность 23 сформирована из множества пар секций 24а, 24b поверхности, перпендикулярных или практически перпендикулярных друг другу в сечении, параллельном радиусу кривизны граничной поверхности 23.
В одном из воплощений настоящего изобретения сенсорное окно 7′′′ может быть изготовлено способом инжекционного формования или фрезерования из материала, имеющего подходящие оптические свойства, например из стекла, поликарбоната или полиметилметакрилата.
Форма сенсорного окна или световода, а также пилообразной поверхности будут зависеть от показателя преломления материала и могут быть подобраны в зависимости от свойств используемого материала.
Как упоминалось в отношении воплощения, изображенного на фиг. 5, воплощение на фиг. 7 также содержит два светоизлучающих диода 16′′′, обеспечивающих два отдельных зондирующих пучка 11′′′а и 11′′′b излучения. Два отдельных светоизлучающих диода 16′′′ используются для освещения различных частей контактной граничной области сенсорного окна 7′′′.
Светоизлучающие диоды 16′′′ могут быть включаемыми попеременно и уровни мощности двух зондирующих пучков 11′′′а и 11′′′b излучения могут регистрироваться детектором 14 независимо друг от друга. В воплощении, показанном на фиг. 7, для подачи сигнала установившегося контакта оба зондирующих пучка 11′′′а и 11′′′b излучения должны выполнять определенные требования к уровню мощности. Такая конфигурация позволяет избежать ситуации, при которой покрытие только части контактной граничной поверхности кожей может привести к выходу излучения рабочего пучка за пределы корпуса. В качестве альтернативы, в воплощениях, показанных на фиг. 8 и 9, светоизлучающее устройство может содержать только один источник 16 и только один детектор 14.
Размеры и их значения, содержащиеся в данном документе, не следует рассматривать как строго ограниченные в точности приведенными значениями. Напротив, если не оговорено особо, под приведенным значением понимается данное значение в точности и все значения, находящиеся в функционально эквивалентной его окрестности. Так, например, значение, обозначенное как 40 мм, следует рассматривать как «примерно 40 мм».