CN100479778C - 通过激光感应光学击穿作用缩短毛发的装置 - Google Patents

通过激光感应光学击穿作用缩短毛发的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于缩短毛发(3)的装置(1)，尤其是从人体皮肤(5)中长出的毛发。装置(1)具有用于在预定脉冲时间内产生激光束(9)的激光源(7)，用于将激光束(9)聚焦到焦点(25)的光学系统(15)，以及用于将焦点定位到目标位置的激光束操纵器(17)。根据本发明，焦点(25)的尺寸和产生的激光束(9)的功率是这样的，在焦点(25)中，激光束具有高于毛发组织特征阈值的功率密度，高于该特征阈值时，在预定脉冲时间内，在毛发组织中发生激光感应光学击穿(LIOB)现象。LIOB现象导致毛发组织中的许多机械效应，例如空穴作用和冲击波的产生，这损坏发生LIOB现象的位置周围的位置中的毛发(3)。从实验可看到，在激光源(7)具有足够数量的总能量的情况下，LIOB现象可用于完全折断毛发，因而缩短毛发。根据本发明的装置(1)的优势在于完全折断毛发(3)所需的总能量的数量处于这样的水平：对毛发周围的皮肤组织的刺激和损坏被限制到可接受的水平或者甚至被完全防止。

Description

通过激光感应光学击穿作用缩短毛发的装置
技术领域
本发明涉及一种用于缩短毛发的装置，其包括用于在预定脉冲时间内产生激光束的激光源，用于将激光束聚焦到焦点的光学系统，以及用于将焦点定位在目标位置的激光束操纵器。
背景技术
开头段落中提到的这种用于缩短毛发的装置可从WO-A-00/62700中得知。已知的装置是激光剃刀，其适合于由非专业人士使用，也就是其适合于消费者市场，因为该装置包括将激光束的焦点自动定位在目标位置的系统，所述目标位置相应于皮肤表面附近毛发上的位置，在所述皮肤表面处毛发必须被熔化、蒸发或燃烧。已知装置的激光束具有波长，在该波长下毛发组织具有相对高的线性吸收特性。优选地，激光束焦点的尺寸相应于毛发的直径，因此出现在焦点中的毛发在其整个直径上以一致的方式被局部加热。充足数量的激光能量集中在焦点，因此出现在焦点中的毛发的一部分将熔化、蒸发或燃烧，毛发被缩短。
已知的用于缩短毛发的装置的缺陷在于在整个直径上熔化、蒸发或燃烧毛发所需的总能量相对较高。典型地已知装置需要4至5mJ的能量热折断或者热切断毛发。在大多数情况下所述能量太高以致不能避免对毛发周围皮肤组织的刺激或损坏。
发明内容
本发明的目的是提供开头段落中提到的这种用于缩短毛发的装置，通过该装置毛发可由显著降低的激光能量缩短，因此尽可能多地防止对毛发周围皮肤组织的刺激或损坏。
为了实现所述目的，根据本发明的用于缩短毛发的装置的特征在于，焦点的尺寸和产生的激光束的功率是这样的，在焦点中，激光束具有高于毛发组织特征阈值的功率密度，高于该特征阈值时，在预定脉冲时间内，在毛发组织中发生激光感应光学击穿现象。
通常，激光感应光学击穿(LIOB)现象发生在介质中，当焦点中激光束的功率密度超过特定介质特有的阈值时，其相对于脉冲激光束的波长为透明或半透明。低于该阈值时，特定介质相对于特定波长的激光束具有相对低的线性吸收特性。高于该阈值时，介质相对于特定波长的激光束具有强烈的非线性吸收特性，这是介质电离和等离子体形成的结果。该LIOB现象导致许多机械效应，例如空穴作用和冲击波的产生，这损坏出现LIOB现象的位置周围的位置中的介质。
从实验可看到LIOB现象可用于折断和缩短从皮肤长出的毛发。毛发组织相对于在大约500nm和2000nm之间的波长为透明或半透明。对于该范围内的每一个波长值，当焦点中激光束的功率密度超过毛发组织特有的阈值时，LIOB现象发生在焦点位置处的毛发组织中。所述阈值相当接近于水介质和组织特有的阈值，且依赖于激光束的脉冲时间。特别是，当脉冲时间增加时，要求功率密度(W/cm2)的阈值降低。可看出为了实现由LIOB现象产生的机械效应足够有效以便引起显著损坏，也就是毛发的至少初始断裂，例如10ns级的脉冲时间能满足该要求。对于该脉冲时间值，焦点中激光束的功率密度的阈值为2＊1010W/cm2级。在所述脉冲时间内，在例如通过具有足够大数值孔径的透镜获得的足够小的焦点尺寸和仅仅十分之几mJ的总脉冲能量下可实现该阈值。该脉冲能量的总数量显著小于由WO-A-00/62700中已知的装置引起毛发热断裂所要求的脉冲能量的总数量，可看出因为该总脉冲能量值，对毛发周围的皮肤组织的刺激和损坏被限制到可接受的水平或者甚至被大致完全防止。本发明的另一个优势是焦点中发生的所谓等离子体屏蔽效应，这意味着因为LIOB现象，大致激光束的所有能量在焦点中被吸收。因此，根据本发明的装置具有相对高的效率，防止对焦点后侧位置中的皮肤组织的刺激和损坏。
根据本发明的用于缩短毛发的装置的一个特殊实施例的特征在于激光束的波长在800nm和1300nm之间。相对于该范围内的波长，毛发组织和毛发周围的皮肤组织是半透明的。因此，激光束的焦点被定位在皮肤表面下侧的毛发中或上的位置，因而装置为皮肤提供保持相对长时间的最佳光滑度。因为皮肤组织和毛发组织相对于激光束的波长为半透明，LIOB现象仅发生在激光束的焦点中，所以激光束的能量仅有相对少的部分被出现在激光源和焦点之间的激光束中的皮肤组织和毛发组织吸收或散射。因此，几乎不发生所述皮肤组织的任何刺激和所述毛发组织的任何损坏，产生的激光束的能量的相对多部分被用于实现焦点中的LIOB现象。
根据本发明的用于缩短毛发的装置的进一步实施例的特征在于波长在1000nm和1100nm之间。对于该范围内的波长，毛发组织的线性吸收特性处于最低水平，因此产生的激光束的能量的最大部分被用于产生激光束的焦点中的LIOB现象。
根据本发明的用于缩短毛发的装置的一个特殊实施例的特征在于装置包括用于检测具有待缩短毛发的皮肤的至少一部分的图像的图像传感器，用于确定毛发相对于皮肤的位置和/或方向的图像识别系统，以及用于根据所述位置和/或方向的函数确定焦点目标位置的控制系统，其中，在操作中，控制系统将激光束操纵器调节到相应于焦点目标位置的位置，随后，致动激光源。在该特殊实施例中，激光束的焦点的目标位置由控制系统自动确定，当已经将激光束操纵器调节到相应于目标位置的位置时控制系统自动致动激光源。因为焦点的该自动确定和定位，所以用于缩短毛发的装置特别适合于非专业人士使用，也就是特别适合于消费者市场。
根据本发明的用于缩短毛发的装置的进一步实施例的特征在于，在操作中，对于每一个目标位置控制系统都致动激光源，以便产生若干具有预定脉冲时间的激光脉冲。因为在该进一步实施例中激光源产生用于每个目标位置的若干激光脉冲，所以每个脉冲的要求能量被显著降低，因而激光源的要求能量容量被显著降低。
根据本发明的用于缩短毛发的装置的进一步实施例的特征在于，在操作中，控制系统将激光束操纵器连续调节到假想线上的多个邻近目标位置，所述假想线横向于毛发的纵向方向延伸穿过待缩短的毛发。在该进一步实施例中，LIOB现象在所述假想线上的每个目标位置上连续实现，每个LIOB现象导致毛发的局部损坏或初始断裂，因此由连续实现的LIOB现象导致的整体损坏引起毛发沿着所述假想线的整体断裂。
附图说明
下面，参考附图进一步详细地解释根据本发明的用于缩短毛发的装置，其中：
图1示意性显示根据本发明的用于缩短毛发的装置，以及
图2详细显示图1装置的激光束焦点在被缩短的毛发上的目标位置。
具体实施方式
图1中，仅示意性显示用于缩短从人体皮肤5上长出的毛发3的装置1的主要部件。装置1包括激光源7，其用于在预定脉冲时间内产生激光束9。在所示实施例中，激光源7是脉冲Nd:YAG激光器，产生的激光束9具有1064nm的波长。产生的激光束9通过第一镜11、包括透镜系统或物镜的光学系统15、包括第二镜19的激光束操纵器17和辐射出射窗21遵循从激光源7朝着皮肤5的光学路径，所述第一镜安装在装置1的壳体13中的固定位置，所述辐射出射窗设置在壳体13的皮肤接触表面23。光学系统15将激光束9聚焦到焦点25。激光束操纵器17包括电传动构件27，其在图1中仅示意性显示，通过该电传动构件第二镜19可相对于第一枢转轴X和第二枢转轴Y枢转，第一枢转轴平行于第二镜19的表面和皮肤接触表面23延伸，第二枢转轴平行于第二镜19的表面且垂直于第一枢转轴X延伸。通过第二镜19相对于第一和第二枢转轴X和Y的枢转运动，焦点25被激光束操纵器17定位在目标位置，所述目标位置以下述方式确定。
如图1示意性所示，装置1还包括图像传感器29，其安装在壳体13的固定位置，用于检测具有待缩短毛发3的皮肤5的至少一部分的图像。在所示实施例中，图像传感器29是CCD照相机。装置1还包括图像识别系统31，其用于基于图像传感器29产生的皮肤5的图像确定毛发3相对于皮肤5的位置和/或方向。装置1的控制系统33基于图像识别系统31确定的毛发3相对于皮肤5的位置和/或方向确定焦点25的目标位置。为了简便此处省略图像识别系统31和控制系统33工作的详细说明。但是，可参考WO-A-00/62700。其中描述的毛发移除装置具有类似的图像识别系统和控制系统，其中详细描述了其工作。基于WO-A-00/62700中的所述描述，熟悉本领域技术的人员能设计和改装图像识别系统31和控制系统33，以便适合于它们在装置1中的目的。当目标位置已经被确定时，控制系统33调节激光束操纵器17的传动构件27和第二镜19到相应于目标位置的位置。随后，控制系统33致动激光源7。因为在这种方式中激光束9焦点25的目标位置由控制系统33自动确定，当已经调节激光束操纵器17的位置时控制系统33自动致动激光源7，所以装置1特别适合于由非专业人士使用，也就是特别适合于消费者市场。
如图2示意性所示，在所示实施例中控制系统33以这种方式确定激光束9的焦点25的目标位置，焦点25出现在毛发3的一部分中，所述部分毛发出现在皮肤表面35下侧一定距离d处。在所示实施例中，所示距离d大约为0.1mm。根据本发明，焦点25的尺寸和由激光源7产生的激光束9的功率是这样的，在焦点25中，激光束9具有高于毛发组织特征阈值的功率密度，高于该特征阈值时，在激光束9的预定脉冲时间内，在焦点25位置处的毛发组织中发生激光感应光学击穿(LIOB)现象。所述LIOB现象用于机械折断毛发3，如下面进一步描述。
通常，LIOB现象发生在介质中，当激光束的功率密度超过特定介质特有的阈值时，其对于激光束的波长为透明或半透明。低于该阈值时，介质对于特定波长的激光束具有相对小的线性吸收系数。高于该阈值时，介质对于特定波长的激光束具有强烈的非线性吸收系数，这是介质电离和等离子体形成的结果。LIOB现象导致许多机械效应，例如空穴作用和冲击波的产生，这损坏出现LIOB现象的位置周围的位置中的介质。
因为激光束9聚焦到焦点25，所以激光束9的功率密度在焦点25处具有最大值。因此，当激光束9的功率逐渐增加时，LIOB现象将首先发生在焦点25处。焦点25的尺寸和激光束9的功率是这样的，LIOB现象大致只发生在焦点25。在根据本发明的装置1的实施例中，激光源7的波长(1064nm)是这样一种波长，在该波长下皮肤组织和出现在皮肤表面35和焦点25之间的毛发组织是半透明的。因此，由皮肤组织和出现在皮肤表面35和焦点25之间的毛发组织吸收和散射的激光束9相对少，因此产生的激光束9能量的相对多部分被用于实现焦点25中的LIOB现象，几乎不发生皮肤组织的任何刺激和出现在皮肤表面35和焦点25之间的毛发组织的任何损坏。注意到通常紧邻皮肤表面35下侧的皮肤组织在大约800nm和1300nm之间范围内的波长下是半透明的。因此，用于缩短皮肤表面35下侧位置中的毛发的装置的实施例优选地具有在所述范围内波长的激光源。优选地，为了缩短皮肤表面35下侧的毛发，波长在大约1000nm到1100nm的范围内，如图1的实施例所示，因为在所述范围内的波长下毛发组织和紧邻皮肤表面35下侧的皮肤组织的线性吸收和散射特性为最低水平。
实验显示上述由毛发3中的焦点25中的LIOB现象导致的机械效应可导致毛发3的断裂或者至少导致紧邻焦点25周围的区域中毛发3的初始断裂。为了实现焦点25中的LIOB现象，焦点25中的激光束9的功率密度应高于毛发组织的特征阈值，如前所述。注意到所述毛发组织的特征阈值相当接近于水介质和水组织中发生LIOB现象所特有的阈值。而且，所述特征阈值依赖于激光源7的波长值和脉冲时间值。特别是，当脉冲时间增加时阈值(W/cm2)降低。熟悉的人员能通过实验确定所述阈值。
实验还进一步显示为了实现由LIOB现象产生的机械效应强烈到足够引起焦点25中毛发组织的显著损坏，也就是引起焦点25中毛发3的至少初始断裂，例如10ns级的激光源7的脉冲时间能满足该要求。在图1所示装置1的实施例中，Nd:YAG激光源7具有8ns的脉冲时间。对于10ns级的脉冲时间值，焦点25中激光束9功率密度的阈值为2＊1010W/cm2级。尽管该阈值巨大，但是在所述脉冲时间内在足够小尺寸的焦点25和不超过十分之几mJ的总脉冲能量下很容易实现。焦点25的要求尺寸为10um级，其大致小于毛发的平均直径(100um)，可通过光学系统15的透镜系统或物镜的足够大数值孔径实现。由于所述小数量的总脉冲能量，待缩短毛发周围的皮肤组织的刺激和损坏被限制到可接受的水平或者甚至大致完全防止。根据本发明的装置1的另一个优势在于装置1为皮肤5提供最佳光滑度，其能维持相对长的时间，因为毛发3在皮表面35下侧被折断。
本发明也包括实施例，其中激光束9的焦点25的位置在皮肤表面35上或其上侧，因而毛发3仅缩短到仅在皮肤表面35上的长度或高于皮肤表面35水平的长度。这种实施例的优势在于激光束9的波长不需要在紧邻皮肤表面35下侧的皮肤组织为透明或半透明的范围内。在这种实施例中，激光束9的波长应该在仅有毛发组织为透明或半透明的范围内。该范围大致宽于前述800nm和1300nm之间的范围，位于大约500nm和2000nm之间。注意到在毛发在皮肤表面35之上被折断的实施例中，如果在用装置1处理之前在皮肤5上涂抹毛发支撑凝胶，则会获得更好的结果。
从前述描述可清楚看到，在具有10ns级脉冲时间的激光束9的单脉冲和不超过十分之几mJ的总脉冲能量下能实现焦点25中毛发3的局部损坏或初始断裂。但是，为了实现毛发3的完全断裂，要求非常高的总能量。例如，这可通过具有非常高数量的总脉冲能量的单脉冲实现。但是这要求激光源7相对高的能量容量，因此对于适合于消费者市场的产品，激光源7的尺寸和/或成本变得高得不可接收。在图1所示装置1的实施例中，完全折断毛发3所要求的总能量被提供，因为对于焦点25的每一个目标位置，控制系统33都致动激光源7以便产生若干具有8ns的预定脉冲时间和0.2mJ的脉冲能量的激光脉冲。在图1所示实施例中，激光源7具有100Hz的脉冲频率，激光源7在大约50ms的时间段内在每一个目标位置被致动，以致在每一个目标位置激光源7将产生大约5个这种激光脉冲。此外，如图2所示，对于每根待缩短的毛发3，控制系统33可将激光束操纵器17连续调节到以规则间隔布置在假想线37上的N个邻近目标位置T1，T2，...，TN，所述假想线在毛发3将被缩短的位置处横向于毛发3的纵向方向Z延伸穿过毛发3。在这种方式中，实现每个目标位置T1，T2，...，TN处毛发3的初始断裂所需的每个激光脉冲的能量被限制，因此激光源7所需的能量容量被限制，由LIOB现象在所有目标位置T1，T2，...，TN处连续实现的初始损坏导致毛发3沿着所述假想线37的整体断裂。
注意到焦点25中由LIOB现象引起的毛发3的局部损坏也可通过具有比上述实施例中8ns示例小得相当多的预定脉冲时间的激光脉冲实现。如果激光脉冲具有足够的脉冲能量，则万亿分之一秒(10-12)级或千万亿分之一秒(10-15)级的脉冲时间也有效地导致毛发3的局部损坏，毛发3的完全断裂可通过毛发3中或毛发3上足够数量的不同目标位置上足够数量的脉冲实现。
注意到，在本发明的上述描述和权利要求书中，焦点25的要求尺寸和产生的激光束9的要求功率根据待实现的结果定义，也就是焦点25的尺寸和产生的激光束9的功率是这样的，在焦点25中，激光束9具有高于特征阈值的功率密度(W/cm2)，高于该特征阈值时在毛发组织中发生LIOB现象。但是注意到，对于给定的具有预定脉冲时间和脉冲能量的激光源，熟悉的人员能基于脉冲时间、脉冲能量、焦点中功率密度的特征阈值确定焦点的要求尺寸，熟悉的人员也能设计适合的光学系统，其提供所需尺寸的焦点。对熟悉的人员进一步明显的是如果使用的激光源具有较高的脉冲能量，则完全折断毛发所要求的激光脉冲的总数量被降低。
还注意到本发明也覆盖以下实施例，其中装置具有另一种用于将激光束聚焦到焦点的光学系统。取代透镜系统或物镜，例如，使用曲面镜。光学系统例如包括光束扩展器，其后跟随透镜系统或物镜，这将导致进一步减小焦点尺寸。注意到焦点25在垂直于出射窗21和皮肤表面35的方向上的位置由光学系统15的光学特性和光学系统15在激光源7和出射窗21之间的光学路径中的位置确定。所述焦点25的位置确定缩短后毛发3的长度。注意到根据本发明的装置可另外地设置有用于调节所述光学系统15的位置的致动器，或者用于调节光学系统15的光学特性的装置，因而焦点25在所述垂直于皮肤表面35的方向上的位置可手动或自动调节。最后注意到本发明也覆盖以下实施例，其中激光束操纵器和/或激光源不由控制系统33自动控制，而是由装置的专业操作者操作和控制。

Claims (6)

1、一种用于缩短毛发的装置，包括用于在预定脉冲时间内产生波长介于500nm至2000nm之间的激光束的激光源，用于将激光束聚焦到焦点的光学系统，以及用于将焦点定位到目标位置的激光束操纵器，其特征在于，焦点的尺寸和产生的激光束的功率是这样的，在焦点中，激光束具有高于毛发组织特征阈值的功率密度，高于该特征阈值时，在预定脉冲时间内，在毛发组织中发生激光感应光学击穿现象。
2、如权利要求1所述的用于缩短毛发的装置，其特征在于，激光束的波长在800nm和1300nm之间。
3、如权利要求2所述的用于缩短毛发的装置，其特征在于，波长在1000nm和1100nm之间。
4、如权利要求1所述的用于缩短毛发的装置，其特征在于，该装置包括用于检测具有待缩短毛发的皮肤的至少一部分的图像的图像传感器，用于确定毛发相对于皮肤的位置和/或方向的图像识别系统，以及用于根据所述位置和/或方向的函数确定焦点目标位置的控制系统，其中，在操作中，控制系统将激光束操纵器调节到相应于焦点目标位置的位置，随后，致动激光源。
5、如权利要求4所述的用于缩短毛发的装置，其特征在于，在操作中，对于每一个目标位置控制系统都致动激光源，以便产生若干具有预定脉冲时间的激光脉冲。
6、如权利要求4所述的用于缩短毛发的装置，其特征在于，在操作中，控制系统将激光束操纵器连续调节到假想线上的多个邻近目标位置，所述假想线横向于毛发的纵向方向延伸穿过待缩短的毛发。
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