CN110573060A - 用于激光的眼睛安全系统 - Google Patents

Abstract

一种眼睛安全系统，基于从眼睛的回射，在短时间内关闭激光源，以避免达到危害眼睛的水平。在激光意外朝向附近眼睛引导的情况下，系统迅速收集并检测从眼睛视网膜回射的激光。在检测到回射光时，比较器/处理器组件发出信号以关闭激光源，以终止对眼睛的危害。

Description

用于激光的眼睛安全系统

技术领域

本发明总体上涉及眼睛安全，尤其涉及保护视力免受激光伤害的方法和设备，并且具体涉及关闭激光源以防止眼睛损伤的系统和方法。

背景技术

Gerber的美国专利号5,451,765中的装置捕获来自物体表面的散射光，以检测物体是否位于激光的路径中。Gerber的专利描述了在撞击物体时散射的能量，并且当能量沿着激光束光轴反射回时，将一些散射能量称为反射能量。但是，Gerber的图1至图3显示，反射的能量不仅限于平行于激光路径回射的能量，而且该装置还捕获返回的但不平行于激光路径的散射光。因此，Gerber的装置无法辨别从可能受到危害的眼睛回射的光，而不是来自其他表面的散射光。

发明内容

此系统和设备可以作为安全特征集成到各种激光发射装置中，以关闭激光源以防止眼睛受伤。激光源产生激光束，该激光束穿过一个或多个透镜以准直发散光束。二向色分束器以准直激光束的光轴为中心。没有被分束器的第一侧反射的一部分光束通过二向色分束器，并在一个或多个附加透镜中扩展和准直。二向色分束器反射包括激光发射波长的窄波长带。

从受危险的眼睛回射的任何光返回到分束器。放置分束器以将回射光反射到具有无限聚焦(无限合焦)的聚光眼睛安全透镜中，该无限合焦设计用于收集回射光并将其引导到快速检测器上。二向色分束镜将一部分回射光反射到眼睛安全透镜中。由于分束器是二向色的，因此它仅将窄波段(包括激光发射波长)反射到眼睛安全透镜中。

眼睛安全透镜具有筛选的小孔(例如，其直径近似于中等光线下成人眼球的瞳孔的平均直径)，并且可以设计用于无限聚焦的回射光束，即主要由平行光线组成的光束。眼睛安全透镜的小孔和无限合焦几乎仅捕获从眼睛回射的光，并减少捕获与回射无关的散射光。眼睛安全透镜将回射光引导到快速检测器。检测器连接到放大器和比较器，以识别回射信号。一旦识别出信号，则眼睛安全机构停止从源发射激光，以终止对眼睛的激光危险。

附图说明

通过参考附图考虑的以下详细描述，本发明的前述和附加特征和特性将变得更加显而易见，其中：

图1是示意性地描绘根据本发明的系统的示意图；并且

图2是图1所示系统的眼睛安全透镜部件的放大透视图，示出了安全透镜具有选定直径尺寸的孔。

具体实施方式

设计了当前公开的设备和方法，以保护激光装置的使用者的眼睛免受由于激光能量、尤其是意外地错误地引导朝向眼睛的激光能量造成的伤害。本发明提供了用于例如在诸如美国专利号9,946,082中描述的装置内实现的激光的眼部安全系统和设备。然而，此系统可以作为安全特征集成到各种激光发射装置中。特别考虑的是，该系统可以潜在地并入用于低强度激光能量的治疗应用的激光束产生装置中，诸如仅美国专利号8,136,531、9,358,402或9,782,221中公开的那些装置。

请关注图1，其示意性地描绘了与受检眼球10操作性地关联的本发明的可能实施例。激光二极管20产生激光束21，该激光束穿过设备的光学器件，并最终可能(意外地)入射在眼睛10的视网膜12上。穿过系统的辅助透镜34、36的激光23可能意外地引导朝向使用者或旁观者的眼球10；当发生此类事故时，主光束的这种入射光23被眼睛10并从眼睛10朝向设备回射回去。图1描绘了返回光束24从眼睛视网膜12通过眼睛10的眼睛晶状体16反射回去。返回光束24因此从眼睛10回射，并最终到达下文将进一步描述的设备中的检测器45。眼睛晶状体16发出的返回光束24是为平行光束。部分地由于平行光从眼睛晶状体16离开，与从其他表面散射的光(其强度随R²减小，其中R为光学传播距离)相比，从眼睛10回射的返回光束24具有更高的强度朝向系统的光学机构返回。另外，在近红外(NIR)区域中，光容易被许多人体组织吸收或透射，使得人体组织散射非常少的光。相比之下，NIR光从眼睛10反射比从其他人体组织反射的更好。因为此系统配置为收集回射的平行光线，所以它可以区分从其他表面(除了视网膜12)散射的光，这种光不会对眼睛造成伤害。而且，由于此系统可以在使用NIR光的装置中实现，因此该系统可以进一步区分已经从眼睛10回射的NIR光。

眼睛安全透镜50将回射光束24引导至检测器45；并且存在从分束器28的第二侧反射的返回光束的反射部分26。观察到，直到返回光束24(及其反射部分26)已经通过眼睛安全透镜50，光束24平行于入射主光束23的光线。为清楚起见，从图1的侧视图中省略但是在图2中示出了，眼睛安全透镜50设置有小直径d的筛孔52，使得仅具有相应直径d的反射光束26经由透镜50透射到检测器45。

根据图1中所示的实施例的系统和方法，激光二极管20发射红外(IR)区域、优选地诸如在近红外(NIR)区域(大约750nm至大约6,000nm)中的光束21。从二极管源20发射的发散光束21穿过一个或多个主透镜30、32(示出两个)以使得发散光束21准直并校正像散。二向色分束器28使入射在其侧面上的任何光束的大部分通过并且反射任何这样的入射光束的少部分。优选地，二向色分束器28具有约10-20％的反射，并且以光轴A为中心，该光轴可以对应于准直的、校正的激光束的轴线。准直光束的第一部分22(大部分准直光束，诸如约80-90％的准直光束)通过二向色分束器28，并在一个或多个附加辅助透镜34、36(示出两个)中再次扩展和准直以产生主光束23(其可能意外地入射在眼睛10上)。二向色分束器28反射包括从激光二极管源20发射的波长的窄(小于100纳米)波长带。光的反射部分26在此窄波长带中。此反射的窄波长带可以例如以从激光源20发射的光21的波长带为中心。

二向色分束器28的第二侧将回射的返回光束24的反射部分26反射到眼睛安全透镜50上。二向色分束器28的相对的第一侧也反射来自激光二极管20的准直光束的(例如，10-20％)重定向部分27。在与眼睛安全透镜50相对的位置(即，在分束器28的另一侧)，黑光阱40被定位为捕获从分束器的第一侧反射的准直激光束的重定向部分27，从而减少重定向光27向眼睛安全检测器45的散射。黑光阱40例如可以由涂有反射率极低的黑色哑带物质的折叠金属(例如铝)制成；合适的光阱技术在光学领域是已知的。黑光阱40可以使其平面(以90度的关系)正交地布置，使得准直光束的重定向部分27不朝向眼睛安全检测器45反射，如图1所示。二向色的分色器28可以选择性地配置为主要仅将窄的(小于100纳米)波长带反射到检测器45上，以减少甚至避免对其他光源(太阳反射等)的误报警。

在主光束23意外引导到受检眼睛10中的情况下，从视网膜12回射的返回光束24经由眼睛晶状体16返回到分束器28的第二侧。放置分束器28以将回射的返回光24反射到聚光透镜(眼睛安全透镜50)中。眼睛安全透镜50具有无限合焦，该无限合焦被设计为收集回射光26并将其聚焦到快速检测器45上。根据其上述特性，二向色分束器28因此将回射光束24的10-20％反射到眼睛安全透镜50中。而且，因为分束器28是二向色的，因此它将窄的波长带(包括激光发射波长)反射到眼安全透镜50中。

请关注图2，示出了眼睛安全透镜50的放大图。眼睛安全透镜50可以具有限定小孔52的屏幕、盖或其他部分51。眼睛安全透镜50还优选地被设计用于接收和收集从眼睛晶状体16无限聚焦的回射光束24，即主要由平行光线组成的光束。眼睛安全透镜50的这个特征是主要捕获回射光24的回射部分26，并减少捕获无关的散射光。

例如，并且参考图2，眼睛安全透镜50优选具有限定孔52的一些屏幕或部分51，该孔52的小有效直径d小于或等于约8毫米(mm)、优选地在约5mm至约8mm的范围内(包括端值在内)。回射光束24的截面面积通常小于入射在眼睛10和周围眼周组织上的主光束23的截面面积。此较小的面积是由回射光24穿过受检眼球10的瞳孔(具有小直径)导致的。因此，眼睛安全透镜50优选地限定具有近似于眼睛10的瞳孔直径的直径d的孔52。成年人的正常瞳孔大小变化，在明亮的光线下直径约为1.5mm至4mm，并且在微光或黑暗中直径约为4mm至8mm。由于瞳孔的大小(直径)随曝光量而变化，因此可以进行常规测试来确定或优化眼睛安全透镜50的孔径d，以使其足够大以检测眼睛回射，但又足够小以减小甚至消除对眼睛回射(例如，反射部分26)以外的光线的误报警。同样，眼睛安全透镜50的孔径d相应地可以例如约等于成年人在中等光线下的平均瞳孔直径，例如，从约5mm到约8mm，并且优选地，以进一步示例的方式，约4mm；孔52的有效直径d优选地尽可能小，同时仍然允许回射检测。

快速检测器45连接到放大器和比较器电路组件47，以识别从检测器接收到的回射信号。如果并且当回射信号被识别为是从受检眼睛10回射的光的结果，则系统的比较器电路组件47立即发出中断激光二极管功能(例如，通过中断向二极管20的供电)的信号，因此，迅速终止从源20的激光发射。比较器电路组件47包括任何合适类型的开关装置或与之通信，使得由比较器组件47产生的中断信号致动组件47中的开关以关闭激光二极管20。作为比较器的替代，检测器45可以替代地连接到放大器、模数(ATD)转换器或电压-频率(VTF)转换器和微处理器组件47(代替比较器组件)，当接收到回射的光信号时，该组件切断来自源20的发射。

可以根据眼睛的回射光在相应激光波长中的强度来自适应地选择分束器28的反射特性。例如，人眼在红外波长上的反射率比在绿色波长上高的多；因此，与绿色激光器相比，NIR激光器可以使用低反射率的分束器28，其可以包括在根据美国专利号9,946,082中描述的装置中。

例如，眼睛安全系统包括以能够在检测器检测到选定波长的选定强度的光之后关闭激光二极管20的方式联接至激光二极管20的光检测器45。激光二极管20的光束路径中的二向色分束器28配置为使来自激光二极管的光21通过并且反射沿主光束23的路径返回的返回光24。在一个实施例中，激光源20、分束器28、至少一个主透镜30和至少一个辅助透镜34沿着中心光轴A相互对准。分束器28配置为仅将小于100nm但包含所选波长的特定波长带中的光反射到检测器45，并使得将窄波长带以外的光反射到检测器最小化。基本上无限聚焦的安全透镜50收集从分束器28反射的光26，并使得反射光26前进到检测器45。

作为进一步的示例，与无限聚焦结合，安全透镜50具有孔52，孔的尺寸设计成主要捕获从眼睛10返回的光束24中的回射光，即，平行于主光束23的路径的光。

作为又一示例，眼睛安全系统和方法包括黑光阱40，黑光阱定位成捕获来自激光二极管20的从分束器28的第二侧沿远离检测器45的方向反射的光27。

尽管在本说明书中已经示出和描述了特定实施例，但是本领域普通技术人员将理解，被计算为实现相同目的的任何布置都可以代替所示的特定实施例。本申请旨在覆盖本发明的任何修改或变型。例如，可以应用借助于不同的硬件或替代的透镜配置的光学器件的修改。此外，应当不限制地考虑组合或单独地增加材料和透镜/分束器配置的变型，该变型增加了系统检测和处理从人眼回射的激光能量的信号的能力。

Claims (19)

1.一种用于激光装置的眼睛安全设备，用于检测从眼睛回射的激光并在检测到所述回射光时在短时间内关闭激光源。

2.如权利要求1所述的设备，包括用于分离由所述源发出的光束的二向色分束器，由此所发射光束的第一部分穿过所述分束器，并且从所述分束器的第一侧反射所发射光束的第二重定向部分；并且，所述光束的第一部分可能意外地引导到所述眼睛并从所述眼睛朝向所述分束器回射。

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述二向色分束器使任何入射光束的大部分通过。

4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所发射光束的第一部分在所发射光束的80％至90％之间，并且所发射光束的重定向部分在所发射光束的10％至20％之间。

5.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述二向色分束器反射小于100nm的包括从所述源发射的波长的窄波长带。

6.如权利要求2所述的设备，进一步包括：

激光检测器；以及

眼睛安全透镜，用于将从所述眼睛回射并从所述分束器第二侧反射的任何光的至少一部分引导到所述检测器。

7.如权利要求6所述的设备，进一步包括：放大器和比较器组件，与所述检测器通信，用于从所述检测器识别回射信号并关闭所述激光源。

8.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述眼睛安全透镜具有孔，所述孔的直径近似于所述眼睛的瞳孔的直径。

9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述孔的直径小于或等于约8毫米。

10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述孔的直径在5mm与8mm之间(包括端点值)。

11.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述眼睛安全透镜具有无限合焦，以用于收集从所述眼睛回射的任何光的所述部分并将其聚焦在所述检测器上。

12.如权利要求2所述的设备，进一步包括用于捕获所发射光束的重定向部分的光阱。

13.一种与激光源一起使用的安全系统，所述系统适于保护使用者的眼睛免受由于所述激光直接朝向眼睛照射造成的伤害，所述系统包括：

至少一个主透镜，用于将从所述源发射的发散光束准直成准直光束；

二向色分束器，用于分束所述准直光束，由此所述准直光束的第一部分穿过所述分束器，并且所述准直光束的第二重定向部分从所述分束器的第一侧反射；

光阱，用于捕获所述准直激光束的所述重定向部分；

至少一个辅助透镜，用于使所述准直光束的第一部分扩展并准直成主光束；

激光检测器；

眼睛安全透镜，用于将从所述分束器第二侧反射的任何返回光束的一部分引导到所述检测器；以及

放大器和比较器组件，与所述检测器通信，用于：

从所述检测器识别回射信号；

关闭所述激光源；

其中，当返回光束从所述使用者的眼睛回射时，它被引导到所述检测器并被所述检测器检测到，所述检测器向所述放大器和比较器组件产生回射信号以关闭所述激光源。

14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述眼睛安全透镜限定孔，所述孔的直径近似于所述眼睛的瞳孔的直径。

15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述孔的直径在5mm和8mm之间(包括端点值)。

16.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述眼睛安全透镜具有无限合焦，用于收集从所述分束器的第二侧反射的任何返回光束的一部分并将其聚焦在所述检测器上。

17.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述二向色分束器使入射在其上的大部分光束通过。

18.如权利要求17所述的设备，其特征在于，所述准直光束的第一部分在从所述源发射的光束的80％至90％之间，并且所发射光束的重定向部分在从所述源发射的光束的10％至20％之间。

19.如权利要求17所述的设备，其特征在于，所述二向色分束器反射小于100nm的包括从所述源发射的波长的窄波长带。