CN109561931A - 基于光的皮肤处理装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于光的皮肤处理装置,包括激光光源,该激光光源用于提供脉冲的入射光束,以用于通过毛发或皮肤组织的激光诱导光学击穿来处理皮肤。在一种布置结构中,聚焦系统具有用于提高入射光束的会聚的预聚焦透镜和具有凸面的光输入表面和凸面的光出射表面的皮肤接触透镜。焦斑位置通过调节预聚焦透镜与皮肤接触透镜之间的间隔来控制。在另一种布置结构中,在可调节聚焦系统之前存在可调节透镜系统,以用于针对可调节聚焦系统中的像差提供补偿。
Description
技术领域
本发明涉及用于在皮肤组织中产生激光诱导光学击穿(laser induced opticalbreakdown)的装置,并且因此可被用于人或动物的皮肤(美容)处理。该装置包括光源和用于将光源的入射光束聚焦在位于装置外侧的焦斑中的光学系统。
背景技术
此类基于光的皮肤处理装置例如被用于美容处理,比如,皱纹处理和用于毛发切除。在基于光的皱纹处理中,该装置在待处理皮肤的真皮层中产生焦斑。选择激光的功率和脉冲持续时间以及焦斑的尺寸,使得激光诱导光学击穿(LIOB)现象影响皮肤,以便刺激皮肤组织的再生长,并且由此减少皱纹。在公开为WO 2008/001284的国际专利申请中公开了这种装置的一个示例。
在基于光的毛发切除中,入射光束聚焦在毛发内,并且LIOB现象导致毛发被切断。例如,公开为WO 2005/011510的国际专利申请描述了一种用于缩短毛发的装置,该装置包括用于在预定脉冲时间期间产生激光束的激光源、用于将激光束聚焦成焦斑的光学系统和用于将焦斑定位在目标位置中的激光束操纵器。焦斑的尺寸和所产生的激光束的功率使得在焦斑中激光束的功率密度高于毛发组织的特征阈值,并且在该特征阈值之上持续预定的脉冲时间,在毛发组织中发生激光诱导光学击穿(LIOB)现象。
通常,在介质中发生激光诱导光学击穿(LIOB),当焦斑中的激光束的功率密度(W/cm2)超过阈值时,该介质对于激光束的波长来说是透明或半透明的,该阈值是特定介质的特征。低于该阈值,该特定介质对于激光束的特定波长来说具有相对低的线性吸收性质。高于该阈值,该介质对于激光束的特定波长来说具有较强的非线性吸收性质,这是介质电离和等离子体形成的结果。这种LIOB现象导致产生多种机械效应,例如空化和产生冲击波,这些效应损坏位于LIOB现象的位置周围的位置中的介质。
已经发现LIOB现象可用于破坏和缩短从皮肤生长的毛发。对介于约500nm与2000nm之间的波长来说,毛发组织是透明或半透明的。对于在这个范围内的波长的每个值,当焦斑中的激光束的功率密度(W/cm2)超过作为毛发组织的特征的阈值时,在焦斑位置处的毛发组织中出现LIOB现象。所述阈值非常接近作为水性介质和组织的特性的阈值并且取决于激光束的脉冲时间。具体而言,当脉冲时间增加时,所需功率密度的阈值减小。
为了实现由于LIOB现象而产生的机械效应,其足够有效从而导致产生显著的损坏,即至少是毛发的初始破裂,例如10ns的脉冲时间就足够。对于脉冲时间的这个值,焦斑中激光束的功率密度的阈值大约为2×1010W/cm2。对于所述的脉冲时间,并且在例如借助于具有足够大的数值孔径的透镜获得足够小的焦斑尺寸的情况下,该阈值可以仅用十分之几毫焦耳的总脉冲能量来实现。类似数量级的参数值可以被用于在皮肤组织中产生LIOB效应,如在WO 2008/001284中更详细地描述的。
发明内容
可能出现的问题是,光学系统的光穿过而从装置出射的部分(光出射窗体)可能会被LIOB的产物(冲击波、等离子体、高功率密度)损坏。损坏的光出射部分对装置在预期位置处提供足够紧密聚焦的能力具有不利的影响,这可能降低处理过程的功效和/或可能增加不良副作用的发生,例如皮肤刺激。
因此,需要一种LIOB产生装置,其中确保光耦合到皮肤中而不损坏光出射窗体。
需要专业的基于LIOB的皮肤处理装置以在皮肤内的不同深度或多个深度处产生损伤,以获得更高的处理功效和/或尤其是用于处理较深的皱纹、纹身或其它皮肤特征。此外,皮肤在整个人体皮肤区域上的厚度不均匀。这种装置的深度范围例如优选地在100μm到1000μm的范围内。此外,该装置应能提供这种可变深度聚焦特征而无需过度复杂的系统调整。理想情况下,处理深度应该是可调节的,而无需技术专家的干预。还可期望该装置允许在各种不同的处理深度处快速处理以适合多个应用区域。
因此,能够在各种深度处处理的用户需求主要涉及处理功效的优化。
可获得的最大处理深度通常一方面受可用激光功率的量和真皮的物理深度的限制,并且另一方面受到装置的光出射窗体的接近度的限制。太靠近窗体(即,激光路径中的最后一个光学元件)的处理可能导致在窗体内的光学击穿,从而导致永久性失效。
具有高数值孔径和大自由工作距离两者的单个透镜通常相对体积大。作为示例,例如在水中具有3.3mm和2.2mm的典型自由工作距离的典型的已知水浸物镜的重量相当地太高,以至于在扫描期间不允许快速加速。另外,它们的通光孔径很大,从而导致需要相对体积大的扫描光学器件来偏转光束。与这样的通用物镜相关的另一个挑战是,它不会被优化以用于聚焦在皮肤内,从而导致在这些类型的应用中性能降低。
因此,在具有可调节焦深的系统中出现的另一个问题是,当光束聚焦在皮肤内的多个深度处时,焦点中的光束质量将由于(球面)像差而劣化。这些像差是由不同物镜的不同目标深度和受试者的区域之间和受试者之间皮肤湿度的变化带来的。由像差引起的焦点中光束质量的降低妨碍了LIOB的发生,从而导致处理功效不佳。
因此,需要一种LIOB产生装置,其中针对皮肤内的不同焦深改善或甚至确保光耦合到皮肤中。
本发明的目的是至少部分地满足上述需求中的一个或多个。
这个目的通过如独立权利要求所限定的本发明来实现。从属权利要求提供了有利的实施例
根据本发明的第一方面的示例提供了一种装置,包括:
光源,该光源用于提供脉冲的入射光束,以用于通过毛发或皮肤组织的激光诱导光学击穿来处理皮肤;
聚焦系统,该聚焦系统用于将入射光束聚焦到毛发或皮肤组织中的焦斑中,其中聚焦系统包括:
预聚焦透镜,其中到预聚焦透镜的入射光束是会聚的,并且预聚焦透镜用于提高入射光束的会聚;和
聚焦透镜,该聚焦透镜具有凸面的光输入表面和凸面的皮肤接触光出射表面,其中聚焦透镜在脉冲的入射光束的波长处具有介于1.4到1.6的范围内的折射指数;和
聚焦控制器,该聚焦控制器用于通过调节预聚焦透镜与聚焦透镜之间的间隔来控制从聚焦系统到焦斑的距离。
这种装置可用于在人类或动物的皮肤或毛发中产生LIOB。该装置可用于对此类人类或动物的皮肤进行处理,并且尤其是进行美容处理。该装置可以特定地适用于这个目的,并且因此是基于光的皮肤处理装置。
这种布置结构提供了一种聚焦系统,该聚焦系统给出了可控的深度,并且该聚焦系统可以以低成本和系统的简单适用性来实施。这为可以实施预期的自由工作距离的其它解决方案提供了改进。例如,可以使用商业非球面和球面光学器件,它们通常被设计成用于蓝光播放器、CD播放器、DVD播放器中并且处于光学通信波长。然而,为了便于处理,此类标准的球形光学器件通常体积大。这些光学器件对于聚焦到皮肤中以产生LIOB来说表现出较低的性能,因为它们的光学和材料性能不令人满意。
本发明能够实现改善的低重量、大自由工作距离和适当的皮肤耦合几何形状的组合。
预聚焦透镜可以包括非球面透镜。商业非球面透镜可以例如结合定制的球面光学器件使用。用于微型非球面光学器件的制造技术的发展仍然落后于定制球面光学器件的发展。大多数非球面微光学器件是使用低Tg玻璃材料的压缩成型来制造的,并且涉及复杂的迭代模具设计。替代解决方案涉及塑料光学器件的模制和液体溶胶-凝胶熔融石英的模制。
尽管最后这两种技术不涉及复杂的高温模具设计步骤,但它们在过程中仍然需要一些迭代。
包括完全定制的球面和非球面光学器件的组合的设计可以实现数值孔径(NA)的最高值,例如NA>0.8。例如,可以使用高达1.2的NA,当与介质(例如皮肤)接触时,高达1.2的NA是可行的。
预聚焦透镜可包括:
凸面的光输入表面;和
平面的光输出表面或凸面的光输出表面,该凸面的光输出表面的平均曲率半径大于光输入表面的平均曲率半径。
聚焦透镜可以具有等于或介于1.4与1.6之间的折射指数,以尽可能匹配皮肤的折射指数,从而减少透镜出射表面处的反射。优选地,透镜的阿贝数在50与85之间,以减少色散。透镜可以由BK玻璃(例如,优选地BK7玻璃)制成,或者由熔融石英制成。考虑到能够承受用于在皮肤中产生LIOB效应的高光强度,同时具有接近皮肤的折射指数的折射指数,这些类型的透镜是优选的。
聚焦透镜的外表面(光出射表面)优选地包括抗反射涂层。这可以减少所使用的激光的反射,因为这是高强度的。这防止聚焦系统本身受到来自皮肤或透镜表面本身的反射光的损坏。在皮肤中产生LIOB所使用的高光强度的情况下,这种反射可能尤其显著。
在一种布置结构中,该装置进一步包括可调节透镜系统,该可调节透镜系统布置在聚焦系统之前的光学路径中,以用于提供对聚焦系统中的像差的补偿。这使得LIOB功效能够维持在不同的焦深处。优选地,调节通过电气方式实现,例如,借助于其焦距可以电气地更改的电可调谐透镜。
在第一示例中,可调节透镜系统包括电可调谐透镜,例如基于电可调谐聚合物材料的透镜。然后,可调节透镜系统可进一步包括位于电可调谐透镜的输出处的负透镜。这种负透镜针对电可调谐透镜的初始形状提供补偿。
在第二示例中,可调节透镜系统包括电润湿或流体聚焦透镜。
优选地,该装置包括扫描系统,其中可调节透镜系统设置在扫描系统的输入处。
本发明提供一种方法,包括:
提供脉冲的入射光束,以用于产生毛发或皮肤组织的激光诱导光学击穿;
通过以下方式将入射光束聚焦到毛发或皮肤组织中的焦斑中:
使用预聚焦透镜提高入射光束的会聚;
使用聚焦透镜将从预聚焦透镜出射的光聚焦到皮肤中,该聚焦透镜与皮肤接触并且具有凸面的光输入表面和凸面的光出射表面,其中聚焦透镜在脉冲的入射光束的波长处具有在1.4到1.6范围内的折射指数;
通过调节预聚焦透镜与聚焦透镜之间的间隔来控制从聚焦系统到焦斑的距离。
根据本发明的第二方面的示例提供了一种装置,包括:
光源,该光源提供脉冲的入射光束,以用于产生毛发或皮肤组织的激光诱导光学击穿;
可调节聚焦系统,该可调节聚焦系统用于将入射光束聚焦到毛发或皮肤组织中的焦斑中;
扫描系统,该扫描系统用于扫描焦斑;和
电可调节透镜系统,该电可调节透镜系统布置在可调节聚焦系统之前的光学路径中,以用于针对可调节聚焦系统中的像差提供补偿,其中可调节透镜系统位于扫描系统的输入处。
这种可调节透镜系统使得LIOB功效能够维持在不同的焦深处。
可调节聚焦系统可以是如本发明的第一方面所定义的聚焦系统。
在第一示例中,可调节透镜系统包括电可调谐聚合物透镜。然后,可调节透镜系统可以进一步包括位于电可调谐聚合物透镜的输出处的负透镜。这种负透镜针对聚合物透镜的初始形状提供补偿。
在第二示例中,可调节透镜系统包括电润湿透镜。
可调节聚焦系统优选地包括:
预聚焦透镜,该预聚焦透镜用于提高入射光束的会聚;和
聚焦透镜,该聚焦透镜具有凸面的光输入表面和凸面的光出射表面,
并且该装置进一步包括聚焦控制器,该聚焦控制器用于通过调节预聚焦透镜与聚焦透镜之间的间隔来控制从聚焦系统到焦斑的距离。
因此,聚焦系统可以基于上文所述的第一方面。针对第一方面限定的所有特征可以用于第二方面。因此,如在第一方面中,预聚焦透镜可以包括非球面透镜。它可以包括凸面的光输入表面和平面的光输出表面或凸面的光输出表面,凸面的光输出表面的平均曲率半径大于光输入表面的平均曲率半径。
聚焦透镜可以由BK7玻璃或熔融石英形成,并且皮肤接触透镜的用于接触皮肤的外表面优选地包括抗反射涂层。
第二方面还提供了一种基于光的皮肤处理方法,包括:
提供脉冲的入射光束,以用于通过毛发或皮肤组织的激光诱导光学击穿来处理皮肤;
使用可调节聚焦系统将入射光束聚焦到毛发或皮肤组织中的焦斑中;
使用扫描系统扫描皮肤上的焦斑;和
在扫描系统的输入处,使用位于可调节聚焦系统之前的电可调节透镜系统针对可调节聚焦系统中的像差提供补偿。
根据本发明的装置的方法或用途优选地是非治疗性的方法或用途,尤其是美容方法,以用于更改皮肤外观,例如皮肤恢复、皱纹减少或皮肤毛发去除等。
附图说明
现在将参考附图详细描述本发明的示例,其中:
图1示意性地示出了已知的LIOB皮肤处理装置;
图2示出了实施焦深控制的已知方法;
图3示出了聚焦系统设计;
图4示出了处于两个极端焦斑位置处的图3的聚焦系统设计;
图5示出了用于提供像差补偿的透镜系统的第一示例;
图6示出了用于提供像差补偿的透镜系统的第二示例;和
图7示出了被修改成包括用于像差补偿的透镜系统的图1的系统。
具体实施方式
本发明涉及一种用于基于光的皮肤处理的装置。该装置包括光源和光学系统,该光学系统用于将外部光源的入射光束聚焦在位于该装置外侧的焦斑中。因此,聚焦的光可被用于通过皮肤组织或其毛发的激光诱导光学击穿(LIOB)来处理动物或人的皮肤组织。
在第一方面中,一种聚焦系统具有用于提高入射光束的会聚的预聚焦透镜和具有凸面的光输入表面和光出射表面的聚焦透镜。焦斑位置通过调节预聚焦透镜与聚焦透镜之间的间隔来控制。
在第二方面中,还存在一种用于将入射光束聚焦到毛发或皮肤组织中的焦斑中的可调节聚焦系统,并且另外,在可调节聚焦系统之前存在可调节透镜系统,以用于针对可调节聚焦系统中的像差提供补偿。
对于这两个方面和其它方面,优选地,聚焦透镜适合用作皮肤接触透镜,并且因此是皮肤接触透镜。当使用该装置时,可以在透镜与皮肤之间施加用于改善透镜与皮肤之间的光学接触的介质(例如,折射指数匹配流体),并且透镜材料或表面材料可以适于更好地匹配流体的折射指数或者皮肤本身。替代性地,聚焦透镜也可以与光学窗体结合使用,光穿过光学窗体聚焦在皮肤中。这种光学窗体可以是装置的一部分,并且因此甚至可以是聚焦系统的一部分。在US 2015/0051593中描述了这样的示例。然后,可以将光学窗体施加到皮肤,使得聚焦透镜可以定位在窗体附近或者甚至与窗体接触。在另一种替代性设置中,将与该装置分离的光学窗体利用其一侧施加到皮肤上。因此,这种分离的光学窗体可以是具有相对小的厚度且柔韧/可弯曲/柔性的光学透明片材(单层或多层),使得其至少部分地适形于皮肤的曲率。在WO 2013/128380中公开了示例。这样,聚焦透镜可以是光学透明的片材接触透镜。与聚焦透镜分离的窗体使得两者能够由不同的材料制成,以优化皮肤与聚焦透镜之间的光学接触(例如,折射指数的更好匹配),例如在WO 2013/128380中所描述的。
在详细描述本发明之前,将给出本发明涉及的装置类型的一个示例的概要。然而,可想到本发明将为其工作的其它装置。
图1示出了用于处理具有表面5的皮肤3的LIOB系统1。在这种情况下,表面是裸露的皮肤,但是可以用透明片材覆盖,以用于如上文中所述的指数匹配。
系统1包括用于至少在预定脉冲时间期间产生激光束11的光源9,并且它包括光学系统13,光学系统13用于将激光束11聚焦到焦斑15中并且用于将焦斑15定位在皮肤3内的目标位置中,光学系统13对来自光源9的光来说是至少部分地透明的。换句话说,优选地,该光源是一种提供基本上或完全不被皮肤组织吸收的光的光源。
图1中示意性地指示的光学系统13的示例包括光束反射系统17、光束整形系统19、光束扫描系统21和聚焦系统23,这些系统可以包括一个或多个反射镜、棱镜、光束分离器、偏振器、光纤、透镜、光圈、快门等,它们适合于操纵光源的光。例如,扫描系统包括扫描棱镜。在这种情况下,光束反射系统17是二向色光束分离器。光束反射和光束整形提供扩展或压缩,并且为光束引入附加的会聚或发散。
聚焦系统具有焦深选择、光束整形和聚焦以及光输出表面/窗体,在这种情况下,该光输出表面/窗体也适合与皮肤接触。尽管在图1中没有具体地绘制,但是可以存在用于操纵聚焦系统的轮廓跟随悬挂系统,使得当装置在使用时并且不管皮肤是否被施加到其上的透明片材覆盖,都能够维持光输出表面与皮肤表面的接触。
光学系统13的至少一部分和/或激光束11的光束路径可以封闭在例如包括不透明管和/或一个或多个光纤的光阻挡围壳中。这可以出于例如用户(眼睛)的安全而进行,因为光束在基于LIOB的装置中可能具有较高的能量。
优选地,光源9是激光光源,该激光光源被配置成以预定波长(不明显或更好地完全不被皮肤组织吸收)并且利用预定脉冲持续时间和重复率或频率发射预定数量的激光脉冲。系统1是可配置的,使得焦斑15的目标位置可以在皮肤表面下方。焦斑15的尺寸和所产生的激光束的功率使得在焦斑15中激光束11具有高于皮肤组织的特征阈值的功率密度,在高于该特征阈值的情况下持续预定的脉冲时间,发生激光诱导光学击穿事件。
在激光源9与二向色光束分离器17之间可以存在呈铰接臂形式的光导系统(图1中未示出)。该臂可以具有管和反射镜,该反射镜用于引导在管内的光。然后,光束反射系统17和随后的部件形成手持件的一部分,该手持件具有适当的握把,以供用户保持。铰接臂允许手持件在装置使用期间容易地三维移动。由于铰接臂的反射镜中的对准误差,光束可在进入铰接臂之前扩展,并且然后在光束转向和像差校正之前被压缩。也可以使用其它适合的光导结构。可以使手持件能够从光导结构拆卸,从而允许容易的更换。
皮肤3包括具有不同光学性质的多个层。表皮由最外层组成,并且形成防水保护性屏障。表皮的最外层是角质层,由于其粗糙度的微观波动,该角质层阻碍了装置1与皮肤3之间的光耦合。由于这个原因,优选地,在聚焦系统与皮肤之间提供具有旨在匹配皮肤和/或聚焦系统的出射透镜的折射指数的折射指数的耦合流体。
真皮位于表皮下方。真皮包括胶原纤维,利用根据本发明的装置进行皮肤处理的目标是胶原纤维。
皮肤处理的目的是在真皮中产生光束11的焦斑15,以便产生微观损伤,这又可能导致新的胶原形成,因为据信在皮肤中起作用的正常修复机制将被损伤所触发。
光源9可由可选的控制器25控制,可选的控制器25可以提供用户界面,以用于设置例如激光强度、脉冲宽度或持续时间和重复率,或者如果可能的话甚至利用手边的光源进行波长调谐。此外,光学系统13的一个或多个部分可以利用可选的控制器(未示出)控制,可选的控制器可以与可选的光源控制器25集成以控制目标位置和/或焦斑的一个或多个性质,例如,从该装置的光出射表面起测量的焦斑深度。
激光束聚焦参数可以通过光束整形和/或聚焦系统的适当设置(例如,通过对聚焦系统的数值孔径进行调节)来确定。聚焦系统的数值孔径NA的适合值可以从0.05<NA<nm的范围选择,其中nm是在操作期间介质针对激光波长的折射指数。在WO 2008001284中已经公开了可与本发明一起使用的各种光束能量的示例的且适合的NA值。此外,在WO 2008001284中已经公开了适合于与本发明一起使用的激光源的波长范围及其能量设置。因此,本领域技术人员参考WO 2008001284以获得这些和其它(详细的)选项,以及可以在本发明的装置中实现或与本发明的装置一起使用的操作方法。应注意的是,可以在没有WO 2008001284的所描述的传感器反馈系统和方法的情况下实施这些选项和使用方法。
一种适合的光源包括Q开关Nd:YAG激光器,该激光器发射波长为大约1064nm、脉冲持续时间为大约5到10ns的激光脉冲,但是也可以使用其它激光器,例如Nd:Cr:Yag三级激光器和/或二极管激光器。
在图1的示例性装置中,光束反射系统17包括二向色光束分离器,该二向色光束分离器反射激光,但是在这种情况下,优选地,使可见波长的光(如在这种情况下,激光光源的双倍频率的绿光)通过。因此,来自皮肤3的所接收的可见波长的光被光学系统捕获并且作为反馈信号11',反馈信号11'可被用于手动或自动地控制该系统。已知在某些情况下LIOB可以在皮肤中产生双倍频率的光,并且这可以被用于测量或估计实际处理深度和/或处理程度。
应注意的是,上文概述的具体扫描和光束移动设计仅是一个示例。如上文所述,本发明涉及一种聚焦系统设计,该聚焦系统设计可以被用于许多其它不同的系统配置中以用于在皮肤中产生LIOB,例如,具有本发明的透镜布置结构的低重复率激光器可以被用作不使用任何扫描的独立装置,使得至少不存在扫描系统21。在这种情况下,为了处理更大的皮肤区域,消费者或操作者可以手动移动装置。
优选地,由聚焦系统23提供的焦深是可调节的。
图2示出了用以实施这样的调节的一种方式。聚焦系统23包括具有光输出表面/窗体26的一组聚焦透镜,每个光输出表面/窗体26具有不同的焦深,并且通过扫描仪马达27提供通向透镜中的一个的光学路径,扫描仪马达27旋转扫描系统21。输出表面/窗口26由轮廓跟随悬挂系统28保持。因此,输出表面/窗口围绕圆形路径布置,并且凹口系统提供相对于扫描系统21的定位。可以存在四个输出窗体26,并且因此,四个透镜组各自分别利用弹簧加载以提供轮廓跟随。
扫描系统21被用于扫描皮肤区域上的焦点。
机电系统操作扫描系统以移动光束位置并且还同步移动聚焦系统23(即,物镜)。因此,物理地扫描聚焦系统,而扫描系统21上游的所有部件保持静止。
可以在图1的系统中使用的激光的一个示例具有1000Hz的最大重复频率,并且典型处理方案使用200μm的损伤间距,从而导致200mm/s的典型的最大扫描速度。由于当通过手应用这些扫描速度时缺乏控制,因此这个扫描速度排除了任何仅手动扫描的选项。
另外,任何起停扫描系统都将受到在短的加速距离内达到这个扫描速度的严重挑战,从而导致机械振动和激光的无效使用。更容易控制的较慢扫描速度将显著增加大表面区域的处理时间。
为了克服这个挑战,可以使用优选地基于旋转运动的连续运动扫描,这可以容易地实现这些扫描速度并且不会遭受强烈的振动和激光能力的无效使用。为了这个目的,可以在扫描系统21中使用旋转棱镜设置。
第一种可能的棱镜设计包括菱形。两个相反的平行端面用作全内反射面(例如,具有如图1中以侧视图示出的菱形形状)。它们与入射光方向成45度。棱镜中的两个内反射提供入射光束的侧向偏移,使得出射光束相对于输入光束平行但侧向偏移。通过围绕垂直于侧向偏移方向并且因此平行于入射光束方向的轴线旋转棱镜,由输出光束扫过圆形路径。旋转围绕输入光束的轴线。扫过的圆的半径是菱形的长度。菱形棱镜可以根据需要在表面上制造有防反射涂层。
第二种可能的棱镜设计是道威棱镜(dove prism)。两个端面用作折射界面,并且底面用作全内反射面。端面与入射光成45度,但它们彼此成90度,而不是像菱形棱镜那样彼此平行(因此具有与图1中示意性示出的侧视图不同的侧视图)。棱镜中的两个折射和单个全内反射再次提供入射光束的侧向偏移,使得出射光束相对于输入光束平行但侧向偏移。通过围绕垂直于侧向偏移方向并且因此平行于入射光束方向的轴线旋转棱镜,由输出光束扫过圆形路径。旋转围绕输入光束的轴线。光束平移的量取决于入射光束相对于道威棱镜的输入表面的位置和棱镜的尺寸。棱镜围绕主入射射线旋转。可以在成角度的表面上同样添加抗反射涂层以减少反射造成的损失。
旋转棱镜被机械地平衡以避免振动。棱镜支架悬挂在滚珠轴承上并且直接连接到马达转子,以便最小化像差校正设置对所聚焦的光的有效数值孔径的影响。
在第一方面中,本发明尤其涉及聚焦系统23,并且提供了一种透镜系统,该透镜系统使得能够调节焦点位置,同时还在使用或不使用耦合介质(例如施加于皮肤与系统之间的透明片材)的情况下提供与皮肤的最佳耦合。设计旨在防止接触窗体/出射透镜损坏和皮肤损伤,从而提供改善的安全性和提高的处理功效。这些目标是基于专门设计和定制的皮肤接触窗体/透镜和可商购获得的非球面透镜的组合而实现的。
图3示出了聚焦系统23的设计。它包括聚焦透镜30和预聚焦透镜32的组合,光在进入皮肤之前穿过聚焦透镜30从该装置射出。
透镜30由光学材料(例如,光学玻璃)制成,优选地,该光学材料的阿贝数(Abbeynumber)在50到85的范围内,以使色散最小化。最优选地,这种透镜的折射指数接近1.4,即皮肤的折射指数。尽可能好的匹配将减少聚焦系统出射表面与皮肤表面之间的反射(在其之间施加或不施加透明片材的情况下),从而减少由系统和皮肤两者的表面的反射所导致的损坏。优选地,折射指数在1.4与1.6之间,或在1.4与1.55之间,或甚至在1.4与1.5之间。优选地,光学材料还被选择成承受被用于在皮肤中产生LIOB的高激光束强度。无机材料优于塑料材料。考虑到以上情况,例如,可以使用硼硅酸盐冕(BK)玻璃,并且尤其是BK7类型。这些具有1.5的折射指数,其高于但接近1.4,同时在减少反射的情况下提供良好的材料稳定性和用于产生LIOB的阿贝数。替代性地,可以使用具有1.46的折射指数的熔融石英透镜。最优选地,聚焦透镜由BK7光学玻璃或熔融石英制成。
透镜30包括双凸透镜,例如在这种情况下,熔融石英双凸透镜。它至少在输出表面一侧上具有适合于1064nm高功率激光器的抗反射涂层31。在透镜的每一侧上的凸面的表面具有相同的曲率和设计。
透镜30具有第一、输入表面和第二、输出表面。第一表面是球形的,并且产生聚焦到皮肤中的特定焦点的聚焦。第二表面也是球形的,并且用于与皮肤直接接触。球形表面避免引入像差。尤其是在折射指数与皮肤(透镜与其接触)相匹配时,第二表面不会损坏射线的聚焦角。优选地,它具有较高的损坏阈值。透镜的数值孔径增加了与皮肤的折射指数相对应的因子。数值孔径对焦深来说是不变的。
透镜30的较高的数值孔径意味着在物镜尺寸的非常显著的部分上扫描来自扫描系统的焦点实际上是不可行的。作为示例,可以通过在固定的高数值孔径物镜上的光束偏转来扫描的典型区域大约是透镜本身半径的10%。例如,这将限于几百微米。数值孔径越高,其变得越困难,使得扫描区域甚至进一步限于仅几十微米,这在单个处理区域的尺寸内。因此,扫描涉及物镜整体的移动。
透镜32包括能够维持激光强度的可商购获得的非球面透镜。透镜32的目的是将近准直光11(见图1)转换成所期望的会聚角。透镜32具有第一透镜非球面表面34,在透镜32仅处于空气中的情况下,第一透镜非球面表面34聚焦到与聚焦透镜30相同的深度。透镜32具有较高的数值孔径(在空气中),例如0.7或更高。
图3中示出了在已经穿过聚焦系统的第一透镜表面34之后的光线。
已知适合的非球面透镜与激光二极管、光电二极管和光纤耦合系统一起使用,并且用于光学数据记录领域中。例如,适合的透镜由光路技术公司(LightPath TechnologiesInc.)制造。
透镜32具有凸面的第一光输入表面34和平面的光出射表面36或者凸面的光出射表面36,凸面的光出射表面36具有曲率半径大于光输入表面的透镜表面。
非球面透镜可以稍微偏离其设计波长(例如,780nm)使用,从而导致在这种情况下制造它的ECO-550玻璃材料的折射指数稍微较低。因此,然后需要针对这种效应校正入射在非球面表面上的光的会聚,即需要稍微会聚的入射。
虽然透镜32可以由与透镜30相同的材料形成,但是它可以由更低的成本和更容易制造的材料制成,因为与其它透镜相比,透镜32中的强度更低。因此,透镜32可以由BK7光学玻璃或熔融石英或其它材料制成。
预聚焦透镜32例如包括Lightpath 352230-1064透镜,该透镜在具有1064nm抗反射涂层的情况下具有焦距f=4.55mm且NA=0.55。
透镜30例如包括熔融石英双凸透镜,其具有1064nm抗反射涂层,并且具有透镜表面曲率半径r1、2=3.2248mm、直径3.6mm和在透镜30的中心中沿着其光学轴线测量的厚度2mm。
两个透镜30、32之间的间隔是可调节的,以改变焦深。这可以是手动的,但优选地是电动的或者以其它方式是设备可控制的。调节可以在处理期间实施,但其优选地被控制而在激光至少不进入透镜30时,但优选地不进入聚焦系统时进行调节。通常,在处理期间并不实时进行焦深调节。
在控制器25与聚焦系统23之间存在控制路径,如图1中所示。在图4中示出了调节。
可以例如使用从皮肤和图像传感器以及图像处理器接收的光来使用反馈控制。如前文中所指示,这样的光可以是在皮肤中产生的可见的倍频激光。然后,可以使用由图像传感器捕获的图像来确定聚焦系统与皮肤组织之间的接触的性质,并且可以相应地调节焦点。这种调节可以例如考虑到皮肤的干燥。
图4A示出了两个透镜之间的第一零间隔,该第一零间隔对应于例如约750μm的最大焦深。图4B示出了两个透镜之间的最大间隔,该最大间隔对应于例如约200μm的最小焦深。对于第一顺序,焦点相对于透镜32的深度保持恒定。
两个透镜的组合对用户规格带来了一些限制。这与非球面透镜32的有限自由工作距离有关,其与对皮肤接触透镜30的最小可实现厚度的限制相结合。因此,真皮内最大可实现处理深度可以是大约750μm,稍微小于优选的1mm。
两个透镜之间距离上的相对偏移意味着需要安装一些像差校正装置来进行补偿。下文讨论如何实施这种像差校正的示例。
另外,上文示例中的非球面透镜稍微偏离其设计波长780nm使用,从而导致制造它的ECO-550玻璃材料的折射指数稍微较低。因此,需要针对这种效应校正入射在非球面表面上的光的会聚,即需要稍微会聚的入射。
本发明涉及基于LIOB的皮肤处理装置。聚焦系统提供了与皮肤的改善接触、均匀的光学耦合,并且其防止接触窗体/出射透镜损坏和皮肤损伤。它还允许无缝的轮廓跟随,以用于皮肤处理或甚至剃刮(如果需要)。因此,皮肤处理可以包括毛发去除剃刮过程。在使用期间,聚焦系统23在待被处理或剃刮的皮肤表面上移动。聚焦系统形成出射窗口,以允许入射光束离开装置。然后,聚焦系统形成光学叶片。
皮肤处理可以包括皮肤恢复装置,以用于减少由于正常的老化过程而可能出现在人体皮肤中的皱纹。在使用期间,将聚焦元件压在待处理的皮肤上或保持靠近待处理的皮肤。由聚焦系统形成的出射窗口保持平行于皮肤,并且入射光束离开出射窗口并且沿基本上垂直于皮肤表面的方向进入皮肤。如WO 2013/128380中所描述的,可以在聚焦透镜(或者,如果存在,另一个平坦出射窗体的出射窗体)与皮肤之间提供包括一种或多种指数匹配流体的透明片材。这是本发明的优选设置和使用方式,因为它可以增强聚焦系统在皮肤(或者更确切地说,透明片材的顶部表面)上的侧向移动。如也在WO 2013/128380中详细描述的那样,片材可以被用于通过角质层的粗糙度的毛细作用力将皮肤拉向它来改善指数匹配以及皮肤平整。这样的片材或箔片的细节公开在所提供的参考文献中,并且意在成为本发明的一部分,但是为了简洁起见,这里将不需要重复。
因此,在根据本发明的装置的所有应用中,可以在聚焦系统与皮肤表面之间提供浸没流体。优选地,使用折射指数接近聚焦系统23的皮肤接触透镜和皮肤或毛发(其中将发生LIOB)的折射指数的浸没流体。为了这个目的,折射指数为大约1.4到大约1.5的流体是适合的。此外,尽管具有1.33的稍低的折射指数,但是对于一些装置和应用来说,水可以是适合的浸没流体。在WO 2013/128380中提供了适合于与透明片材一起使用的流体示例。
如上文所提到,可变聚焦能力意味着可能需要设置一些像差校正来进行补偿。
这种像差校正可以在系统中的各个点处实施,例如在光束整形之前或之后(通过光束整形系统19)。此外,光束整形系统19可以由聚焦系统23实施,使得仅在光束反射系统17与扫描系统21之间提供像差校正。
为了校正当在皮肤内的不同深度处聚焦时预期的球面像差,可以使入射在扫描系统21的扫描棱镜上的光束的发散能够调节。
最简单的解决方案将是允许用户通过操纵一个或多个透镜位置来调节光束的发散。然而,由于这些透镜的放置是非常关键的,并且系统需要可由没有激光光学背景的用户操作,因此最好实施某种形式的自动校正,该自动校正根据所选择的焦深或者甚至是动态地例如根据观察到的LIOB闪光强度而调节透镜的位置或强度。
本发明的第二方面涉及像差校正。
由于机动化聚焦通常消耗大量空间并且机械上复杂并且通常太慢以至于不能适应动态变化,因此自适应光学元件是优选的。
适合的自适应光学元件的两个示例是电可调谐低色散聚合物透镜和液体聚焦透镜。这些是电可调谐透镜的两个示例。
电可调谐低色散聚合物透镜是基于柔性聚合物借助于音圈致动器实现的弹性变形。这样的透镜例如从Optotune(商标)公司购得。液体聚焦透镜基于电润湿原理,由此通过改变透镜支架的表面的润湿特性来使低折射指数水相液体与高折射指数油相液体之间的接触表面的曲率变化。这样的透镜例如可从Varioptic(商标)公司或Optilux(商标)公司购得。这样的透镜也已经在例如US 7616737或7808717中以及其中的参考文献中描述。
与2.5mm直径的现成液体聚焦透镜相比,低色散聚合物透镜在大孔径直径(例如,10mm)方面具有优势。较大的透镜使得对准不那么具挑战性。聚合物透镜的缺点与其对温度的敏感性有关,当以连续的高激光功率或音圈的高驱动电流运行时,这可能导致错误的焦深和/或物理损坏。流体聚焦透镜具有汲取非常小的电流的优点。
优选地,透镜设置有适合于1064nm高功率激光的涂层。
图5示出了基于聚合物透镜的可变透镜设计。
图5示出了控制单元40(音圈)、聚合物透镜42和附加的负透镜44。
负透镜针对整个聚合物正透镜补偿焦距,使得光在通过两个透镜之后将仍然几乎是准直的。附加的负透镜44被用于允许光束可在会聚与稍微发散之间的适合范围内调节。
聚合物透镜包括保持音圈和相关联机械装置的壳体以及用以保护敏感的凸面的聚合物表面免受外部影响的多个窗体。
调节的目的是补偿由整个光学系统引起的像差。聚焦系统实际上包括多个透镜和皮肤本身。这个系统可能会由于多种原因而有所不同:
(i)用户或操作者选择一组不同的聚焦透镜来改变皮肤内的处理深度。
(ⅱ)入射激光束由于例如操作温度的改变而经历改变。
(ⅲ)由于不同的水合水平等导致的被处理皮肤中的折射指数分布改变。
调节可以稍微使入射在物镜上的光束的发散变化(同时保持光束的直径大部分不受影响),这可以被用于减少上文所提到的效应对聚焦质量的影响。此外,光学模拟已经表明,通过使用这些类型的工具,也可以有效地降低更高阶的像差(尤其是三阶球面像差)。
可变透镜设计被放置在聚焦系统23的非球面透镜32之前。
为了限制可变发散对入射在聚焦系统23的非球面透镜32上的光束的直径的影响,像差校正元件尽可能靠近扫描系统21放置,从而有效地限制了可用于放置机械部件和扫描马达的空间的量。
图6示出了被用于像差校正的电润湿透镜50的射线轨迹。
透镜引入了非常少量的会聚。这个透镜无需对初始曲率的额外补偿。相反,透镜可能需要引入少量的发散。入射光束接近于准直,并且所需的校正通常很小。
图7示出了被修改成包括用于聚焦系统23的像差校正的可调节透镜系统60的图1的系统。可调节透镜系统60与聚焦系统的焦深设置的调节由控制器25同步地控制,使得像差校正与聚焦系统23的设置匹配。可调节透镜系统60设置在扫描系统21的输入处。
扫描系统例如包括一组用于不同深度的物镜23。可调节透镜系统由这些物镜中的每一个共享,而所选择的物镜在皮肤上扫描。因此,像差校正部件保持在系统的静态部分中。像差校正考虑了焦深(即所选择的物镜)以及由光学路径中的所有其它部件引入的像差。目的是在不改变光束直径的情况下补偿球面像差。球面像差例如由预聚焦透镜32引入。
因此,可能体积大并且重的像差校正系统不需要用聚焦系统23(物镜)扫描,因为需要滑动电触点等,并且因为运动也可能引起可调谐透镜本身的振动,所以这将使得高速扫描和连续运动变得困难。形成聚焦系统23的聚焦透镜和支架仅重几克。例如,聚合物可调谐透镜仅重几十克,不包括相关联的支架和平凹透镜。
因此,像差校正在空间中是静态的,但它可以根据空间相关的各种反馈装置(例如,基于闪光强度或听觉反馈)而在时间上变化。
图1和图7的系统在激光器与聚焦系统之间具有一组特定的光学部件。然而,这种布置并非意在是限制性的。本发明的聚焦系统和像差补偿系统可以用于具有更少或更多数量的部件的不同系统配置中。从上文描述清楚的是,本发明特别涉及与皮肤进行接触的最终聚焦系统和像差补偿系统。
像差校正对于例如结合本发明的第一方面所描述的电可调节聚焦系统来说是尤其关注的。然而,像差校正也可以与如图2中所示的机械可调节聚焦系统结合使用。
具体而言,并非所有的像差都可能以可选择的一组调节来控制,所以可能期望以个案方式或以动态的方式进行微调。
像差校正系统没有足够的功率来显著地影响焦深,因此(图2的)索引系统可以与像差校正系统组合。
应注意,上文所提到的实施例例示说明而非限制本发明,并且所属领域的技术人员将能够在不背离所附权利要求的范围的情况下设计出许多替代实施例。在权利要求书中,置于括号内的任何附图标记不应理解为对权利要求进行限制。动词“包括”及其变形的使用并不排除权利要求中所述之外的元件或步骤的存在。在元件前面的冠词“一(a)”或“一(an)”不排除多个这样的元件的存在。本发明可以借助于包括几个不同元件的硬件并且借助于适当编程的计算机来实现。在列举了几种装置的装置权利要求中,这些装置中的若干个可以由同一个硬件项来体现。在互不相同的从属权利要求中陈述某些措施的事实并不表示不能有利地利用这些措施的组合。
Claims (15)
1.一种装置(1),包括:
光源(9),所述光源用于提供脉冲的入射光束(11),以用于产生毛发或皮肤组织的激光诱导光学击穿;
可调节聚焦系统(23),所述可调节聚焦系统用于将所述入射光束(11)聚焦到所述毛发或皮肤组织中的焦斑(15)中;
扫描系统(21),所述扫描系统用于扫描所述焦斑;和
电可调节透镜系统,所述电可调节透镜系统布置在所述可调节聚焦系统之前的光学路径中,以用于针对所述可调节聚焦系统中的像差提供补偿,其中所述可调节透镜系统设置在所述扫描系统(21)的输入处。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述可调节透镜系统包括能够通过调谐改变其焦距的可调谐透镜(42)。
3.根据权利要求2所述的装置,其特征在于,所述可调节透镜系统进一步包括布置在所述可调谐透镜(42)后面的光学路径中的负透镜(44)。
4.根据权利要求2或3所述的装置,其特征在于,所述可调谐透镜是电可调谐的。
5.根据权利要求4所述的装置,其特征在于,电可调谐的所述可调谐透镜包括电可调谐聚合物透镜、或电润湿或流体聚焦透镜(50)。
6.根据前述任一项权利要求所述的装置,其特征在于,所述可调节聚焦系统包括:
预聚焦透镜,所述预聚焦透镜用于提高所述入射光束(11)的会聚;和
聚焦透镜,所述聚焦透镜具有凸面的光输入表面和光出射表面,
并且,所述装置进一步包括聚焦控制器,所述聚焦控制器用于通过调节所述预聚焦透镜与所述聚焦透镜之间的间隔来控制从所述可调节聚焦系统到所述焦斑的距离。
7.根据权利要求6所述的装置,其特征在于,所述预聚焦透镜包括非球面透镜。
8.根据权利要求6或7所述的装置,其特征在于,所述预聚焦透镜包括:
凸面的光输入表面;和
平面的光输出表面或凸面的光输出表面,所述凸面的光输出表面的平均曲率半径大于所述光输入表面的平均曲率半径。
9.根据权利要求6到8中的任一项所述的装置,其特征在于,皮肤接触透镜由BK7玻璃或熔融石英形成。
10.根据权利要求6到9中的任一项所述的装置,其特征在于,所述聚焦透镜的用于接触皮肤的外表面包括抗反射涂层。
11.一种方法,包括:
提供脉冲的入射光束,以用于产生毛发或皮肤组织的激光诱导光学击穿;
使用可调节聚焦系统将所述入射光束(11)聚焦到所述毛发或皮肤组织中的焦斑(15)中;
使用扫描系统扫描所述皮肤上的所述焦斑;和
在所述扫描系统(21)的输入处,使用布置在所述可调节聚焦系统之前的所述光学路径中的可调节透镜系统针对所述可调节聚焦系统中的像差提供补偿。
12.根据权利要求11所述的方法,其特征在于,所述方法包括使用电可调谐聚合物透镜或电润湿透镜针对像差提供补偿。
13.根据权利要求11或12所述的方法,其特征在于,针对像差提供补偿包括:
使用预聚焦透镜来提高所述入射光束(11)的会聚;
使用具有凸面的光输入表面和凸面的光出射表面的皮肤接触镜提供到所述皮肤中的聚焦;和
通过调节所述预聚焦透镜与所述皮肤接触透镜之间的间隔来控制从所述聚焦系统到所述焦斑的距离。
14.一种根据前述权利要求中的任一项所述的装置的用于处理皮肤的用途。
15.根据权利要求11到13中的任一项所述的方法,或根据权利要求14所述的用途,其特征在于,所述方法或用途是用于改变皮肤外观的美容方法。
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