用于光无线功率系统安全操作的光功率计的制作方法

1.本发明涉及通过为基于激光的充电系统提供准确的功率计来对移动设备进行远程充电(特别是用于防止过度暴露于激光)的安全系统领域。


背景技术：

2.近年来，已经开发了许多电池供电的移动系统，它们的电池通常具有大约1-60wh的容量，这使得这些设备在需要充电之前可以运行数小时到数周。此类移动系统的充电时间通常短于12小时，并且因此充电器需要在该时间范围内提供大约1-5w的功率来为电池充电。已经针对此类移动系统开发了远程激光充电系统，该系统将光能转换为电能，并且在充电时无需将移动设备通过电线连接到电源。考虑到光功率和电功率之间的转换效率，光充电系统的承载光束的光功率通常为几瓦。
3.确保安全是远程的、基于激光的充电系统的要求。i类激光器的可达发射极限(ael)在美国由联邦法规21cfr～1040以及其它文件中定义。1类激光在所有正常使用条件下都是安全的。这意味着当用裸眼或借助典型的放大光学件(例如望远镜或显微镜)观察激光时，不能超过最大允许曝光(mpe)。人类暴露于超过可接受的时间或高于可接受的功率限制的功率不会使系统被归类为i类激光器，从而使此类激光器不适合一般公众使用。
4.由于根据上述规定，功率为几瓦的光束的允许曝光时间很短，对于1060nm的1w的7mm高斯光束而言，其曝光时间约为微秒，因此需要有效的主动安全系统来在激光的曝光时间超过允许的持续时间之前促进自动光束关闭。任何此类安全系统都需要准确测量发射器发出的光功率，以确保安全操作。
5.大多数当前的激光功率传输系统不包括功率计，或者包括可能不适合在设备的延长时间操作中提供准确结果的功率计。这样的现有技术系统可能不考虑随时间自然发生的光束形状的变化、波长的变化或系统本身的光学特性的变化。因此，它们的可靠性不足以确保长时间的安全操作。
6.例如，d.s.graham的us 2007/0019693“wireless power beaming to common electronic devices”中描述的系统使用光电二极管(28)来测量来自透镜的背反射。这种方法是省电的，因为它只使用本来会被浪费的光，因为它不会到达接收器并且不会在接收器处转换为电能。然而，光电二极管对透镜未对准、灰尘、波长变化敏感(因为透镜通常具有介电涂层，已知此类涂层对波长变化敏感)，并且在不重新校准的情况下无法随时间提供可靠的测量。它对来自外来光源的光电二极管的照明也非常敏感。
7.与本技术具有共同发明人并由本技术人共同拥有的della-pergola的us 2014/0126603也使用漏光镜将光束导向单个光电二极管。这种设计也可能容易受到灰尘、未对准和光束形状变化的影响，特别是因为在这些配置中的一些配置中使用了透镜。与本技术具有共同发明人的us 9,312,701“system for optical wireless power supply”建议基于检测光束中的功率损耗来检测光束中的物体。也具有共同发明人并由本技术人共同拥有的us 2014/0092929建议监控光束的功率和形状以确保安全。
8.许多安全系统依赖于对从发射器发射的激光功率的测量。当前技术建议使用功率计来测量激光功率，并且有时会指定使用“漏光”镜或透镜表面的反射将一些光耦合到光电二极管，但未能提供能够在长时间保持准确校准功率计的系统，由此需要经常重新校准以确保安全操作。
9.因此，需要一种长期、准确和可靠的功率计，以确保至少克服了现有技术系统和方法的一些缺点的远程光学充电系统的安全。
10.在本节和说明书的其它节中提到的每个出版物的公开内容均以引用的方式全文并入本文。


技术实现要素：

11.本发明公开了一种用于基于激光的无线功率传输系统的安全系统，该系统通过在无需重新校准和/或清洁的情况下使用可确保在长时间内可靠且准确地测量光功率的功率测量模块以最小的功率损耗确保长时间的安全操作。
12.当前公开中描述的功率测量系统提供了长期的可靠性、安全性和免维护操作，优于更喜欢高效率和低成本的更传统的方法。该系统与先前系统的不同之处在于，不是将检测器定位在使反射的激光和来自环境的杂散光都可以很容易地撞击到它的方向和位置，而是将检测器放置在激光器的出口孔附近，但面向激光器，使得进入外壳的外来光将被外壳的壁吸收，而不会撞击检测器。此外，当前公开的功率计描述了为功率测量提供稳定性的许多因素，主光束的功率损耗低并且没有范围损失。这些因素包括在光束模式、波长、温度的变化、光学元件的退化以及透射率和反射率的变化、光学和电子表面上的灰尘积聚、来自主光束的内部反射(“重影”)引起的测量偏差以及通过外部照明的测量偏差方面的弹性。
13.因此根据本公开描述的设备的示例性实现方式提供了一种用于测量激光束的功率的系统，包括：基本上不透明的外壳，激光束从该外壳被引导通过出口孔，该外壳包括：
14.(i)分束器，其被配置为将激光束的主要部分传输通过出口孔，并且反射激光束的次要部分；
15.(ii)漫射器元件，其被定位成使得激光束的反射的次要部分撞击在其上；
16.(iii)至少一个检测器元件，其与漫射器元件进行光学通信，检测器元件响应于撞击在其上的激光束的次要部分的漫射光而提供信号；以及
17.(iv)吸收器元件，其被定位成使得任何光的通过出口孔进入外壳并被分束器反射的那部分撞击在吸收器元件上，并且基本上被吸收。
18.在这样的系统中，激光器设置在外壳中，或者在外壳外部并将其光束引导到外壳中。
19.此外，检测器到激光器的光学耦合效率实质上可能大于检测器到外壳外部的任何其它位置的光学耦合。
20.另外，由分束器传输的光束的主要部分的波前形式应该基本上不受通过分束器的通道的影响。
21.在任何上述系统中，当光束的波长从其平均值改变高达3nm时，由激光束发射的功率与检测器元件接收到的功率之比基本上是固定的。此外，当光束的偏振从其平均值改变时，由激光束发射功率与由检测器元件接收到的功率之比基本上是固定的。另外，当光束的
光束分布从其平均值改变时，由激光束发射的功率与由检测器元件接收到的功率之比基本上是固定的。
22.在这些系统的任一系统中，分束器可以包括透明的前表面和抗反射的后表面。另外，漫射器元件被配置为使来自光束的信号跨光束分布均衡。漫射器元件可以具有适于均匀地照射检测器元件的凹形形状。
23.关于检测器元件，可以包括一对相邻的检测器，该一对相邻的检测器被定位成使得检测到的光束撞击在它们两者上。在这种情况下，如果激光束由激光二极管生成，则一对检测器应被布置成使得激光束的快轴平行于连接检测器的中心的线。
24.最后，在所有这些系统中，传输通过出口孔发射的激光束的主要部分可能大于源激光束的80％。
附图说明
25.结合附图，从以下详细描述中可以更全面地理解和领会当前要求保护的本发明，在附图中：
26.图1示出了对于1050nm波长和7mm直径的光束，最大允许曝光时间如何根据功率下降；
27.图2a和图2b示出了在现有技术与当前描述中公开的分束器和检测器之间的一些差异；
28.图3示出了用于在无需重新校准的情况下在长时间内准确测量光学充电系统的功率的示例性系统；
29.图4示出了跨长轴和短轴具有可变功率的二极管激光器的典型光束分布，其中识别出热点；
30.图5示出了示例性激光器，说明了跨长轴和短轴的功率变化；
31.图6a和图6b示出了用于提高功率计测量准确性的附加结构组件；以及
32.图7示出了示例性实现方式中的功率计的组件。
具体实施方式
33.首先参考图1，该图示出了对于1050nm波长和7mm直径的光束的最大允许曝光时间，示出了允许曝光时间根据光束功率的下降。
34.现在参考图2a，它示出了现有技术的光束传输系统，说明了如何使用分束器将发射的激光束的一小部分反射到与其传播方向相反的方向，并朝向检测器用于提供与输出功率据说成正比的信号。通常，大约98％的光束被传输，并且2％的激光被向后反射以撞击检测器。然而，由于检测器面向大部分激光传输通过的孔，因此从环境进入孔的入射光也会撞击检测器，并且因此可能会篡改获得的测量。
35.许多现有技术系统都存在使它们容易受到外部照明干扰的设计问题，因为它们将功率测量传感器放置在所谓的后向或向后方向而不是向前方向。
36.所谓的“激光器的向后方向”是指：针对功率计对其敏感的波长，从激光器到功率计或光电二极管的传输效率小于来自发射器外部的至少一个点的传输效率的任何方向。
37.所谓的“激光器的向前方向”被定义为：针对功率计对其敏感的波长，从激光器21b
到功率计或光电二极管的传输效率大于来自发射器外部的任何点的传输效率的方向。
38.因此，在向后方向上，来自系统外部的光到检测器25b的耦合大于光反射激光器21a到检测器的耦合。例如，漏光后视镜通常用于功率测量。激光器的后视镜被设计为对特定激光波长具有高反射率，并且通常对其它波长具有透射性，当其它波长来自外部时，将会篡改功率测量。在功率计放置在激光器的后视镜后面的情况下，大约0.1％的激光可能会耦合到检测器，而来自外部的光的多达5％的光可能会耦合到激光器。为了测量激光的功率，光束的一小部分被分离并导向功率计或检测器。检测器相对于激光器的配置以及分束器的角度二者都会影响检测器的准确性。graham的us2007/0019693使用透镜后表面作为分束器来测量来自透镜表面的背反射。在us 2014/0126603中，della pergola使用激光器的后视镜作为功率测量的耦合器(也在“向后”方向上)。在这种情况下，激光后视镜是分束器。
39.图2a示出了根据先前使用的技术构造的功率计，其中检测器25a在向后方向。分束器23a被定位成使得激光束22a被分束器分束，并且光束24a的小百分比被向后反射并到达检测器25a，激光束的主要部分从出口孔发射。然而，此外，来自外部的杂散光26a通过出口孔到达检测器25a，影响测量并降低其准确性。这是因为检测器相对于激光器面向向后方向，即，在其背对激光器的方向上，并且面向外部世界。
40.在图2b中，示出了根据入射背景光的干扰问题的新颖解决方案构造的示例性功率计。在这种配置中，检测器25b被放置在出口孔附近但相对于激光器面向向前方向，即，在面向激光器并且其背对外部世界的方向。因此，进入外壳的杂散光不会撞击到检测器上，并因此不会影响激光功率的读数。在这种实现方式中，分束器可以再次使得光束的98％被传输并且光束的2％被朝向检测器反射。在这种配置中，检测器25b被定位成使得激光束24b的2％在撞击到分数器23b之后被偏转并到达检测器25b，但是来自杂散光束26b的功率几乎没有到达检测器25b。
41.虽然激光器在图1-2中被视为包含于不透明外壳内，但可以理解的是，功率计也可以被构造为用于测量外部生成的激光束的单独设备。在这种情况下，外壳需要具有孔，激光器被定位成使得光束可以进入该孔。为了减少外来光的进入，最有利的是将激光器定位在尽可能靠近孔的位置，或者甚至接触包含孔的外壳壁。
42.现在参考图3，其示意性地示出了用于这种功率计模块中的分束器26，该分束器26被设计为分离从激光器21沿向前方向22朝向功率检测器27行进的激光束的一小部分。分束器26还将来自向后方向24的光转向损耗元件25，该损耗元件25通常是吸收光束范围内的波长的组件，其吸收大部分反射光以便防止后向光束的任何重要部分被进一步反射到检测器。如图2b所示，这些组件被密封在不透明的外壳中，以防止灰尘堆积，特别是在分束器23和损耗元件25上。
43.激光束(尤其是多模二极管激光束)经常经历光束形状变化。图4现在示出了典型光束形状的图像，该图像示出了激光束分布32，标记了快轴33和慢轴34。用对角线35示出的所谓“热点”在激光器的正常操作期间经常改变形状、位置和强度，整个光束32的形状也是如此。为了避免根据改变功率测量结果的这光束形状的这种动态变化，必须以均匀的效率对整个光束进行采样，这通常通过将整个光束聚焦到检测器上来实现。然而，这种配置对聚焦元件与光束和检测器的对准很敏感，并且往往会随着时间而漂移，需要重新对准或重新校准。
44.现在参考图5，其示意性地示出了二极管激光束的轴的另一视图。光束42从二极管激光器41发射，该二极管激光器可以是单纵模二极管激光器，也可以是多纵模二极管激光器。来自这种二极管激光器的光束42通常具有两个不同的正交轴43、44，其表现不同，所谓的快轴43从二极管发射器以大约25-50
°
发散，而慢轴44从二极管发射器以5-20
°
发散。与跨快轴的模式相比，跨慢轴44的模式通常不太一致且不太稳定。因此，光束在快轴43方向上的横截面通常接近高斯形状45，并且不会随时间实质上变化。
45.由于在慢轴44中缺乏功率分布一致性，因此采样器需要以均匀的效率对光束的整个慢轴44进行采样。快轴43的采样不太敏感，因为该方向上的功率分布更稳定，并且在任何给定部分的采样将保持代表该方向上的整个光束分布。因此，在一些情况下，在空间中对快轴43的一部分进行非均匀采样就足够了。
46.现在参考图6a和图6b，它们示意性地示出了确保对光束功率的准确测量的解决方案。在一些情况下，将整个光束聚焦到检测器功率计上是不切实际的或不可能的。在这种情况下，通过使光束撞击在漫射器56、57上来实现分束光束的均匀采样，漫射光从漫射器56、57分别撞击在检测器50、59上。漫射器的目的是确保由检测器收集的光对落在漫射器上的光束的每个部分具有相同的代表性，从而使针对光束的每个部分的采样率相同。如果在这种漫射器56、57和功率检测器50、59之间的功率计的光路长度分别实质上长于慢轴上的光束直径，其中光路长度的因子是光束直径的30倍被认为是足够的，那么可以使用简单的漫射器来通过功率计对整个光束进行几乎均匀的采样。在功率计光程较短的系统中，在漫射器和功率计上不同点之间的距离差异可能会导致采样不均匀，这进而可能导致对光束形状变化的敏感性。这在图6a中进行了说明，其中来自漫射器56不同侧的光束被示为撞击在检测器50上，并且很明显，在所示示例中，来自光束左侧的光将比来自光束右侧的光更靠近检测器，并在检测器中生成更大的信号。如果光束分布在其分布的任何给定位置示出变化的强度，就像二极管激光器发射的慢轴一样，则在具有比上述标准更短的路径长度的系统中，这将生成对光束分布中变化的过度依赖。
47.在许多情况下，出于实用性的原因，如此长的光路(光束直径的30倍)是不可取的，并且因此可以单独或一起实施三种替代解决方案。第一，可以使用诸如透镜、聚焦镜或望远镜(图6a和图6b中未示出)之类的光学布置来压缩光路，以便它可以适配在更短的空间中，同时保持漫射器采样的光束中最近点与它采样的最远点之间的差异尽可能短。第二，可以使用具有计划的可变反射率或透射率的漫射器56来补偿光束中不同位置之间的不同距离和角度，从而使采样变得均匀。第三，如图6b所示，可以使用成形漫射器57，其通常在光沿慢轴入射的方向上凹入，或针对两个轴均凹入，从而在光束中不同点之间的光路长度变得更加均衡。如果检测器50、59靠近漫射器的曲率中心放置，那么从漫射器中的每个点到检测器的距离将是相同的。通常，与完美圆形孔的小偏差将允许光束对漫射器进行均匀的离轴照明。这三种解决方案可以一起使用，也可以单独使用；光学设计领域的普通技术人员将知道如何设计和构建这样的系统及其组合。因此，这三个特征的组合实现方式实现了对光束模式变化的弹性。
48.如图6b所示，使用一对检测器50、59代替单个检测器元件是有利的。检测器被放置为使得连接它们的线在光学上平行于激光二极管快轴的方向。因此，两个检测器即使稍微偏离漫射光束的中心，也会生成相似的信号。图7更清楚地示出了这一点。如果系统超出校
准范围，则这些相似的信号可用于提供警告，因为这两个信号将开始不同，由此能够使得执行纠正措施以防止危险操作，例如降低功率水平、终止光束和/或呼叫技术人员。
49.基于漫射器的检测方案的实现方式通常仅利用总立体角的一小部分来通过光学检测器收集光，因为光在远离漫射器的许多方向上传播。因此，通过在漫射光束内实现多个这样的检测器，提供多个同时的功率指示信号，可以获得对这些配置中任何一个配置的扩展。所有这些信号不依赖于原始光束的特性(除了功率)，这确保了这些信号只需要相对彼此校准一次，并且虽然光束分布发生变化，这种校准仍然有效。具体而言，在圆柱形漫射器的情况下，多个检测器可以沿着圆柱体轴线定位。
50.本系统的另一典型方面是防尘密封的重要性，如图6b所示。采样器上以及光束路径中其它元件上的灰尘积累可能会导致采样率改变，并且从而导致光束功率的不准确测量。为了避免这样的灰尘问题，系统可以例如通过防尘外壳58密封，或者通过使用迷宫式空气路径延长在外部和内部之间的空气路径并使其复杂化，以防止灰尘到达采样系统。漫射器57和检测器50、59还可以封闭在阻光外壳55内，使得进入模块的任何随机光将对采样测量的准确性产生降低的影响。
51.现在参考图7，其示意性地示出了用于跟踪来自激光源621的光束610的功率的一个示例性方案，该激光源621位于该示例性布置中，位于功率计的外壳615外部，其中光束通过入口孔602进入。然而，激光器可以位于外壳内，如图2b中的示例性系统所示。如在先前的实现方式中，使用分束器607以便将入射光束的一部分偏转向检测器601、609。在该模块600中，光束610被分束器607分成从出口孔603引出并朝向接收器的主光束611以及构成总激光束的已知小部分的较小采样部分612。光束样本612进入阻光外壳616，在此它撞击到漫射器元件608。漫射器元件608可以是球形、圆柱形或其它形状，该其它形状有助于扰乱撞击光束的波前，使得相对于其它光子，每个光子的方向是随机的，或者几乎是随机的。散射光束的一部分以如下方式撞击在一对检测器601、609上，该方式是使得光束617的快轴平行于连接两个检测器的中心的线，其中慢轴沿检测器彼此相邻的方向。在这种配置中，两个检测器都覆盖了慢轴的整个长度，使得两个检测器同样覆盖了沿该方向的光束分布中可能的噪声随机变化，而沿快轴的更稳定的高斯分布可以被每个检测器部分覆盖，因为每个部分在时间上都保持合理的稳定。
52.如果原始光束的空间分布在入射光束的两个轴上不对称，例如在使用多模边发射二极管激光器时，圆柱形漫射器的效果最好。如图6所示的漫射器的曲光轴与以更强的空间变化为特征的光束的轴对齐；在如图3和图4中，这分别是激光器的慢轴34、44。然后，两个检测器都将光信号转换为电信号，并提供对信号的功率的测量。然后将该信息用于安全性确定。
53.在图7中，示出了主光束611的一部分被反射回功率计，并且该光613通过孔603从外部进入系统。进入孔603的杂散光也可以是来自不同于激光束的反射的源的环境光。该入射光613撞击在分束器607上，并且撞击光的一部分被反射为光束614并撞击在光束吸收器605上。光束吸收器605防止反射光束614在包围和围绕系统600的组件的外壳615内进一步被反射。
54.使用例如如图7所示的配置，在检测器对601、609处产生的电信号对原始光束的特性(除了其功率)在很大程度上不敏感。这样的其它特性包括但不限于偏振、波长和空间分
布。现有技术中提出的用于测量功率的解决方案通常建议在分束器中使用低耦合系数。使用介电涂层在分束器处耦合光，小于功率的0.5％或甚至小于0.2％的典型的耦合系数值是可能的，并且通常会出现附加的损耗，尤其是在漫射器中，而且在其它部分中也是如此。虽然介电分束器是可用的，但它们确实有许多缺点：激光器(尤其是二极管激光器)会经历纵向模式跳跃和波长类型改变，这会导致它们的波长和/或带宽随着时间而发生微小的漂移。介电涂层对波长变化很敏感，并且因此，使用介电涂层会导致系统可能对这些波长变化敏感，从而变得不安全。可以使用耐波长介电涂层，但成本更高。
55.在另一方面，来自金属表面的fresnel反射通常对波长变化不太敏感。在当前描述的系统中，使用基于fresnel反射或基于金属表面反射的分束器代替传统的介电涂层分束器更为有利。在一些实现方式中，与输出光束在其上被分束的表面相对的分束器的表面可以涂有抗反射涂层。在一些实现方式中也可以使用圆点金属涂层，特别是用于更高功率或大光束。
56.第一优选的采样器使用来自分束器607的通常透明的光学表面的正面的fresnel反射，即，面向激光束的面。背面通常涂有抗反射涂层以防止来自其的反射，但是从两个表面反射的实施例在一些情况下可能是有利的，特别是如果采样器很薄并且其面稍微不平行时。采样器在由光束覆盖的区域上保持空间一致，从而降低了对光束形状变化的敏感性；这种结构非常适合对具有固定波长的固定偏振光束进行采样。
57.选择采样角使得fresnel反射对光束610的一小部分进行采样。小角度(通常在brewster角度的0％到75％之间)具有独立于偏振的优点。较大的角度(在brewster角度的75％和120％之间)对偏振更敏感，但允许更高的透射率(尤其是“p”偏振)，从而提供更高的效率。接近45
°
的角度通常允许最紧凑的结构，这在需要紧凑系统时可能是有利的。在一个有利的实施例中，主偏振被设置为采样器轴上的“p”偏振，因此在约45
°
的入射角下的采样率相对于在接近0
°
的角处采样是较小的(约1-1.3％)，其中采样率通常在3-5％之间。以这种方式，实现了对波长和偏振变化的弹性。
58.本发明中的检测装置因此包括漫射元件608，其后是光学检测器601、609，该检测器仅收集来自漫射光束的立体角的一部分的光。漫射元件可以是透射的，其中漫射分布沿光束的原始方向生成，或者是反射的，其中分布经由漫射面的反射而生成。图7示出了后一种情况。完美的漫射器生成通用的lambertian分布，它不依赖于采样光束的偏振或波长。由于该分布的固定立体角由光学检测器收集并转换为功率指示信号，因此该指示信号对采样光束的偏振和波长也不敏感。选择实用的漫射器，使得相对于功率跟踪系统所需的准确性而言，对偏振和波长的剩余依赖性可以忽略不计。
59.在一个实施例中，光学检测器601、609定位在距漫射器足够大的距离处，使得整个漫射器区域相对于检测器基本上共享相同的距离和角度。这种几何结构确保漫射器的所有坐标对功率指示信号的贡献相同，因此该信号对原始光束的空间分布不敏感。在实践中，对于采样光束的给定的横向范围，检测距离被选择为使得剩余几何差异相对于功率跟踪系统所需的准确性产生可忽略不计的敏感性。
60.由光学检测器收集的光量以及因此相关联的功率指示信号的大小由收集立体角确定，而收集立体角进而又取决于检测距离和检测器区域。在另一实施例中，检测器区域由放置在稍大的光电检测器正上方的针孔孔确定。这种设计掩盖了检测器的无意光敏的区
域，因此提供了准确尺寸的有效区域。这种针孔的典型直径可以是但不限于300μm。在另一实现方式中，检测器区域足够大，以至于无意的附带光敏性的影响不会影响功率跟踪系统的准确性。在又一实施例中，无意光敏性被表征为预期信号的一部分。
61.在另一实现方式中，采样光束聚焦到漫射器上，从而实质上减小其横向范围。这样的设计能够减少检测距离，从而产生更紧凑的系统，而不会牺牲功率指示信号对原始光束的空间分布的抗扰度。
62.在又一实现方式中，漫射器具有球形分布；这种元件的简单实现方式是球形漫反射器。当将光学检测器放置在该球体的原点时，所有漫射器点相对于检测器共享相同的距离，而不管检测距离(在这种情况下是球体半径)。因此，对于任何检测距离，都可以保证不依赖原始光束的空间分布。
63.检测器/传感器最好远离弯曲漫射器(圆柱形或球形)的焦点放置，该焦点通常位于漫射器表面曲率半径的一半处。取决于机械设计，由漫射器生成的宽光束可能会撞击某些机械元件并被镜面反射或漫反射向光学检测器。这种贡献将功率指示信号增加到超出仅通过直接收集所期望的值。在优选实施例中，所有潜在的机械反射器都放置在一定距离处，使得它们对功率指示信号的贡献可以忽略。在另一实施例中，放置挡板用于阻挡间接收集路径；这些是自身反射无法到达检测器的百叶窗。在又一实施例中，相关的机械元件涂有吸收材料以便最小化它们对功率指示信号的贡献。这种涂层可以是例如可从kiryat gat,israel的acktar advanced coatings ltd.获得的metal velvet
tm
。
64.本领域技术人员应当理解，本发明不受上文具体示出和描述的内容的限制。相反，本发明的范围包括上述各种特征的组合和子组合，以及本领域技术人员在阅读以上描述后会想到的并且不属于现有技术的变化和修改。