CN102834766B - 激光扫描系统、毛发切割设备和相应的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于扫描毛发切割设备的激光束(3)的激光扫描系统(1)，所述激光扫描系统(1)包括激光扫描设备(7)，用于生成激光束的扫描移动；和可移动光学设备(5)，用于调整和/或聚焦激光束。根据本发明，激光扫描设备(7)包括具有机械耦合至可移动光学设备(5)的至少一个可移动光学元件(11)和固定至激光扫描设备(7)的光学系统(13)的布置，其中可移动光学元件(11)被布置成将可移动光学设备(5)的位置与激光束进入光学系统(13)的移动访问位置(23)相互关联，并且其中光学系统(13)被布置成将所述移动访问位置(23)与激光束入射在所述可移动光学设备(5)上的至少一个对应位置相互关联。本发明还涉及相应的毛发切割设备(27)和扫描激光束(3)的方法。

Description

激光扫描系统、毛发切割设备和相应的方法
技术领域
本发明涉及适于扫描毛发切割设备的激光束的激光扫描系统的领域，激光扫描系统包括用于生成激光束的扫描移动的激光扫描设备以及用于调整和/或聚焦激光束的可移动光学设备。本发明还涉及一种相应的毛发切割设备(激光剃刀)和一种相应的扫描激光束的方法，其利用用于生成激光束的扫描移动的激光扫描设备和用于调整和/或聚焦激光束的可移动光学设备。
背景技术
一种用于扫描毛发切割设备的激光束的激光扫描系统包括移动的光学设备(例如像振动的光学装置阵列)，用于将许多焦斑以简谐运动的方式引导到个体的皮肤之上。阵列的所述振动运动确保针对存在的毛发已经检查由检测设备覆盖的每个点和/或通过将高功率光学脉冲引导至每根检测的毛发来潜在地去剃检测设备覆盖的每个点。
文献WO2007/013008A1公开了一种毛发去除系统，包括毛发检测设备和毛发去除设备，该毛发去除设备可操作耦合至毛发检测设备以及用于检测待处理的一部分皮肤图像的图像传感器，其中图像传感器包括移动的透镜阵列。
由于光学装置的振动运动，在大部分设计中，应用跟踪机制来确保激光束与可移动光学装置的连续重叠或对准。这一跟踪机制可以例如由光电或声电偏转器、振动的跟踪镜或跟踪棱镜、液晶束偏转器等组成。跟踪机制需要精确地相对于可移动光学设备的相位、幅度和实际谐振频率以及其相关的机械和促动器同步。而且，跟踪机制需要足够快以跟踪可移动光学设备的运动并且能够处理检测激光的光(并且还优选地处理高功率切割激光的光)以及大体上与激光剃毛的整体要求(即，低成本、低电压、小尺寸、低功耗等)兼容。使用上述的方案却难以满足这一组要求。而且，该方案还应工作在许多环境条件下(温度、压力、湿度)并且应相当的防震和非常可靠。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种用于毛发切割设备的激光扫描系统、相应的毛发切割设备和一种扫描激光束的方法，该方法使得能够利用激光精确跟踪可移动光学设备的轨迹。
这一目的通过权利要求1、10和15定义的本发明实现。
本发明旨在通过让激光扫描系统自我跟踪来克服跟踪困难，即可移动光学设备本身的运动确保了始终获得可移动光学设备和入射激光束(检测激光束和/或切割激光束)之间的适当重叠或对准。
根据本发明的激光扫描系统的激光扫描设备，包括具有机械耦合至可移动光学设备的至少一个可移动光学元件和固定光学系统的布置，其中可移动光学元件被布置成将可移动光学设备的位置与所述激光束进入所述光学系统的移动访问位置相互关联，并且其中所述光学系统被布置成将所述移动访问位置与所述激光束入射在所述可移动光学设备上的、并且固定于所述可移动光学设备(5)的至少一个对应位置相互关联。可移动光学元件相对于可移动光学设备移动的同步移动允许通过激光束对可移动光学设备的简单和精确跟踪。
根据本发明的优选实施例，所述可移动光学元件和所述可移动光学设备彼此固定，特别地直接彼此固定。
根据本发明的另一优选实施例，可移动光学元件是按平行于所述可移动光学元件和所述可移动光学设备的移动轴的方向来调整用于反射所述激光束的反射元件。
根据本发明的又一优选实施例，所述反射元件被布置成相对于所述激光束的入射方向和相对于所述激光束的出射方向成45度(45°)的方向。反射元件优选是直接安装在可移动光学设备上的单个45度反射镜。该镜被放置成使得入射在这一镜上的光除了经历在与可移动光学设备的移动方向平行的方向上的90度改变之外，还经历在垂直于可移动光学设备的移动方向的横向位移。该位移的幅度取决于可移动光学设备相对于入射激光束的实际相位。
根据本发明的另一优选实施例，可移动光学设备包括用于调整和/或聚焦激光束的光学装置的阵列。光学装置的阵列优选是用于产生多个相邻焦点的锥形镜的线性阵列。激光束入射在可移动光学设备上的位置优选是光学装置之一处的位置。
根据本发明的另一优选实施例，激光束进入固定至激光扫描设备的光学系统的移动访问位置是在光学系统的第一反射装置上的位置。第一反射装置特别地是位于激光扫描系统的非移动部(例如壳体或框架)的任意处的45°(45度)反射装置，使得激光束在被可移动反射元件(镜)以45度方向偏转之后撞击固定的45度反射装置。可移动反射元件和固定的第一反射装置的反射表面彼此平行地放置使得在双反射之前和之后的激光的传播方向相同。按照这种方式，恰当地维持了激光束的横向移动。
根据本发明的另一优选实施例，光学系统还包括第二反射装置和第三反射装置，其中第一、第二和第三反射装置的每一个被布置成相对于激光束的入射方向和相对于激光束的出射方向成45°的方向。
使用用于重定向激光束的适当反射光学元件，可以确保特别是在可移动光学设备包括光学装置的阵列的情形中横向光束位移与可移动光学设备的运动一致，从而实现可移动光学设备的自我跟踪。按45度(45°)方向布置的可移动反射元件被放置成靠近可移动光学设备，使得移动的幅度、频率和相位与可移动光学设备的相同。按照这种方式，由于制造容差的所有相位、频率和幅度变化、温度、压力、老化等将在无需附加用于在所有条件下确保跟踪的进一步读出和反馈控制系统和进一步光束偏转系统而自动得到补偿。
根据本发明的另一优选实施例，第一、第二和第三反射装置中的至少一个反射装置是用于通过改变棱镜的位置而对阵列的单独光学装置选择性寻址的刻面棱镜的一部分。
根据本发明的另一优选实施例，光学系统还包括至少一个聚焦元件。聚焦元件是布置在光学系统的第一和第二反射装置之间的激光束光学路径中的透镜(特别地是圆柱透镜)。
根据本发明的毛发切割设备，包括根据前文所述的激光扫描系统，用于使用激光设备检测毛发的检测系统，和/或具有激光切割设备的激光切割系统。
根据本发明的优选实施例，检测系统和/或所述激光切割系统使用毛发切割设备的共同光学路径。检测系统和/或所述激光切割系统的激光束使用共同光学路径来影响可移动光学元件。
根据本发明的另一优选实施例，检测系统包括布置在共同光学路径中的分束设备，分束设备通过第一光学路径光学连接至所述激光设备并且通过第二光学路径光学连接至检测设备。
根据本发明的另一优选实施例，检测设备包括布置在所述第二光学路径中的聚焦系统、针孔和检测器。
根据本发明的另一优选实施例，激光切割系统包括布置在共同光学路径中的另一分束设备，另一分束设备通过另一光学路径连接至激光切割设备。
根据本发明的一种扫描激光束的方法，其使用激光扫描设备，该激光扫描设备包括具有固定光学系统和具有机械耦合至可移动光学设备的至少一个可移动光学元件的布置，其中所述可移动光学元件将所述可移动光学设备的位置与激光束进入所述固定光学系统的移动访问位置相互关联，并且所述固定光学系统将所述激光束的所述移动访问位置与所述可移动光学设备上的至少一个对应位置相互关联，所述激光束在所述至少一个对应位置入射在所述可移动光学设备上并且所述至少一个对应位置固定于所述可移动光学设备。优选地，可移动光学元件和可移动光学设备彼此固定，特别是直接彼此固定。特别地，可移动光学元件是按平行于可移动光学元件和可移动光学设备的移动轴的方向来调整反射激光束的反射元件。
根据本发明的优选实施例，反射元件被布置成相对于所述激光束的入射方向和相对于所述激光束的出射方向成45度(45°)的方向。反射元件优选是直接安装在可移动光学设备上的单个45度反射镜。该镜被放置成使得入射在这一镜上的光除了经历在与可移动光学设备的移动方向平行的方向上的90度改变之外，还经历在垂直于可移动光学设备的移动方向的横向位移。该位移的幅度取决于可移动光学设备相对于入射激光束的实际相位。
附图说明
参照下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将会变得明显且将得以被阐述。
在附图中：
图1示意性示出了根据本发明优选实施例的用于扫描毛发切割设备的激光束的激光扫描系统；
图2示意性示出了包括图1的激光扫描系统、检测系统和激光切割系统的毛发切割设备；
图3示出了将入射光束偏转和聚焦在与皮肤和毛发接触的光刀外侧的点上的内反射。
具体实施方式
图1示出了用于扫描毛发切割设备的激光束3的激光扫描系统1。激光束3可以是高功率激光切割设备的激光束或检测系统的激光设备的激光束。激光扫描设备1包括两个主要组件：可移动光学设备5，用于调整和/或聚焦出射的扫描激光束；和激光扫描设备7，用于生成扫描激光束的移动。光学设备5的移动优选是振动移动，该移动由双箭头9指示。
图1所示的可移动光学设备5包括光学装置5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g的线性阵列，用于调整和/或聚焦出射的扫描激光束。所示光学装置是产生多个相邻聚焦点的锥形镜。
扫描设备7包括具有可移动光学元件11和光学系统13的布置，其中，所述可移动光学元件11机械耦合至可移动光学设备5并且光学系统13包括固定在激光扫描设备中的三个反射装置15、17、19的。光学元件11是布置成将可移动光学设备5的位置与第一反射装置15上的移动访问位置23相互关联的反射元件21。反射元件21和反射装置15、17、19的每个布置成与入射和出射激光束3成45°的方向。另外，光学系统13布置成将所述移动访问位置与扫描激光束撞击可移动光学设备5的对应位置相互关联。可移动光学元件11和可移动光学设备5直接彼此固定以同步可移动光学设备5的移动和扫描激光束的入射。
反射元件21和第一反射装置15的每个形成为棱镜，第二反射装置17形成为用于经由第三反射装置19对阵列的单独光学装置5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g选择性寻址的刻面棱镜22，其中第三反射装置19形成为倾斜镜。三个反射装置按激光的光传播方向列出。附加的聚焦元件25(圆柱透镜)位于第一和第二反射装置15、17之间的激光束光学路径中。
光学设备5包括锥形镜的光学装置的阵列，其中镜孔径典型地为0.4×1.7mm，而光学装置(镜)之间的间距可以在从1.7到非常大的间隙之间变化。锥形镜阵列在片簧系统(未示出)中以一定谐振频率、相对相位和幅度振动。振动的方向在图中由双向箭头9指示。该幅度充分地使得锥形镜的聚焦移动确保在振动的半周期期间扫描整个表面。光学元件11(为镜或棱镜)贴附或机械连接至锥形镜阵列，使得它在所有操作条件下精确地跟随该阵列的运动。激光束3垂直入射在反射元件21和光学设备5的扫描运动(双向箭头9)上并且被偏转成与该扫描运动基本平行并且被固定至与光源本身相同的框架(即，不随光学设备振动而移动)的第一反射装置(对准为45度镜)收集。依赖于光在反射元件21上入射的垂直角度，光撞击在形成第二反射装置17的复杂光学棱镜的镜表面之一上，并且被偏转至45度倾斜的第三反射装置19，使得激光束向阵列的光学装置(即锥形镜)5a、……、5g之一的入口偏转。
可替换地，激光的光可以同时入射在第二反射装置17的所有反射表面上，从而允许阵列的所有光学装置(锥形镜)5a、……、5g的同时照射。
可以在反射元件21和第一反射装置15之间或者第一和第二反射装置15、17之间应用圆柱光学元件来准直或平行化激光束并且降低第二反射装置17的复杂性。另外，反射装置15、17、19可以由单块光学材料(即玻璃)构成，从而使整个系统坚固以维持在所有各种恶劣条件下的光学对准。
上述光学部件的3D布置的效果将参照图2示意性绘制的2D组件布局描述。激光束将仅用主要光线标示。
在图2中，激光束3的主要光线被描绘成其踪迹从锥形镜阵列5a、……、5g的中间、左边和极端右边的机械位置(分别用划线、点线和虚线表示)穿过扫描系统1。清楚地看到图中指示的激光束3与具有锥形镜阵列的光学设备5的实际位置无关地跟踪一个锥形镜(由划线、点线和虚线椭圆指示)。另外，清楚地看到通过略微改变激光束3的角度或高度至纸平面外的位置，有可能随机地选择棱镜22的反射表面17a、17b、17c、17d、17e、17f、17g之一以便寻找一个特定锥形镜。而且，通过照射棱镜22的所有反射表面，有可能照射所有的锥形镜而同时维持系统1的跟踪特性。也就是说，照射光束将分布于所有锥形镜5a、……、5g(或其它单独的光学装置)之上，其中光束的横截面的一部分将与锥形镜阵列的振动周期内的实际相位无关地访问相同的锥形镜/光学装置。当前布局的附加益处在于，为了访问单个光学装置(锥形镜)，所需的激光束偏转量与光学装置/锥形镜的短轴成比例。作为替换，当用单个寻址的镜来直接访问锥形镜时，两个锥形镜之间的总间距将会是所需光束偏转的决定因素，其可容易地为5-10倍大。
图2示出了对应的毛发切割设备27，包括根据图1的激光扫描系统1和用于检测毛发的具有激光设备31的检测系统29和具有激光切割设备35的激光切割系统33。检测系统29和/或激光切割系统33使用毛发切割设备27的共同光学路径37。
检测系统29包括布置在共同光学路径37中的分束设备39，其中分束设备39通过第一光学路径41连接至激光设备31并且分束设备39连接至第二光学路径45中的检测设备43。检测设备43包括布置在第二光学路径45中的聚焦系统47、针孔49和检测器51。激光切割系统33包括布置在共同光学路径37中的另一分束设备53，该另一分束设备53通过另一光学路径55连接至激光切割设备35.
图2和图3示出了包含光刀59的激光扫描系统1如何与并行的检测系统以及与寻址和毛发切割设备27集成在一起。
激光切割设备35聚焦在偏转装置57(即可旋转棱镜/镜、液晶波导、光电偏转器等)上使得它偏转出纸平面，从而允许它仅入射在刻面棱镜22的刻面17a、……、17g之一上并且因此仅在光学装置(锥形镜元件)之一上引导。同时，检测激光设备31被布置成使得激光束(通过使用更大的光束直径)同时入射在所有刻面17a、……、17g上。因此从每个刻面17a、……、17g返回的光表示从锥形镜元件5a、……、5g之一传出的信号。可以使用透镜58和针孔的组合来确保共焦检测，即确保当通过使用形成检测器51的光电检测器的阵列来检测锥形镜阵列5a、……、5g的光时，检测器阵列的每一单个元件仅接收从对应的锥形镜元件的聚焦传出的光而有效地拒绝聚焦外的光。
图3示出了具有内反射的光刀59，其用于将入射光(由绘制的线指示)偏转和聚焦至光刀59外侧的点，使得光的中央方向变成平行于平面(例如皮肤表面61)。光刀59包括刀体63和锥状端65，其中锥状端65包括抛物线反射器67。
图3进一步示出了根据本发明的优选实施例的与皮肤和毛发69接触的光刀。光刀59凹进皮肤表面61，从而优选地提供在低于皮肤表面61的水平上接触毛发69，从而使得毛发69能够在原始低于皮肤表面61的水平被切割。根据本发明的优选实施例，提供了一种在光刀59的聚焦位置处检测毛发存在的机会。另外，优选使用主动的毛发操纵装置来操纵或缩回毛发以实现更紧密的剃除。因此，优选使用锯齿状的刀片几何形状。
一旦毛发69被切割并且皮肤表面61再次从施加的应变中松弛，即，移除光刀59，毛发69已经优选地被更接近皮肤表面61或者可能低于皮肤表面61而切割。应注意，如果出于毛发皮肤操作的目的是这是有利的或者如果切割应当在不抵达皮肤表面61时进行，可在光刀59的前面安装附加的皮肤拉伸器，从而拉伸皮肤使得皮肤隆起更加可预测并且确保切割的光保持平行于暴露的皮肤区域61或在暴露的皮肤区域61上方。优选地，皮肤拉伸器附加地兼做激光束偏转器，由此抵达拉伸器的光被向上偏转和/或偏转远离皮肤表面61并且被吸收在毛发切割设备内。
应注意，光刀的轮廓不必与机械皮肤界面的轮廓一致。如果需要的话，可以添加例如用于光刀的支撑或用于皮肤操作的机械装置。这使得刀-皮肤界面在以相对高的皮肤温度下使用时优选成更加舒服和/或愉悦。
当逆着皮肤上的毛发生长方向剃除时，该刀优选头发相对于刀横截面呈基本直立位置的位置。一旦毛发69的基部(即毛发69进入皮肤的点)与刀59相接触，则优选将毛发协同刀片59一起拖拽相当长的时间量。由此，皮肤优选逐渐变形并且积聚充分的应力使得毛发最终弯曲在刀之下。在这一时间期间，毛发69优选便利地位于光刀的检测平面，从而确保充足的时间可用于要发生的检测和/或切割和/或用于切割毛发69，在此之后，它将容易地在光刀59之下滑动。
尽管在附图和前文中详细说明和描述了本发明。这样的说明和描述应理解为说明性或示例性而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员在实践所要求的发明时，根据对附图、公开内容和所附权利要求的研究，可以理解和实施所公开实施例的其他变型。在权利要求中，措辞“包括”不排除其他元件和步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。仅在互不相同从属权利要求中记载的某些措施的事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任意附图标记不应解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种用于扫描毛发切割设备的激光束(3)的激光扫描系统(1)，所述激光扫描系统(1)包括激光扫描设备(7)，用于生成所述激光束的扫描移动；和可移动光学设备(5)，用于调整和/或聚焦所述激光束，其特征在于：所述激光扫描设备(7)包括具有机械耦合至所述可移动光学设备(5)的至少一个可移动光学元件(11)和固定光学系统(13)的布置，其中所述可移动光学元件(11)被布置成将所述可移动光学设备(5)的位置与所述激光束(3)进入所述光学系统(13)的移动访问位置(23)相互关联，并且其中所述光学系统(13)被布置成将所述移动访问位置(23)与所述激光束入射在所述可移动光学设备(5)上的、并且固定于所述可移动光学设备(5)的至少一个对应位置相互关联。
2.根据权利要求1所述的激光扫描系统，其中所述可移动光学元件(11)和所述可移动光学设备(5)彼此固定。
3.根据权利要求1或2所述的激光扫描系统，其中所述可移动光学元件(11)是在平行于所述可移动光学元件(11)和所述可移动光学设备(5)的移动轴的方向上调整的用于反射所述激光束(3)的反射元件(21)。
4.根据权利要求3所述的激光扫描系统，其中所述反射元件(21)被布置在相对于所述激光束(3)的入射方向和相对于所述激光束(3)的出射方向成45°定向上。
5.根据权利要求1所述的激光扫描系统，其中所述可移动光学设备(5)包括用于调整和/或聚焦所述激光束(3)的光学装置(5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g)的阵列。
6.根据权利要求1所述的激光扫描系统，其中所述激光束进入所述光学系统(13)的所述移动访问位置(23)是在所述光学系统(13)的第一反射装置(15)上的位置。
7.根据权利要求6所述的激光扫描系统，其中所述光学系统(13)还包括第二反射装置(17)和第三反射装置(19)，其中所述第一、第二和第三反射装置(15、17、19)的每一个被布置在相对于所述激光束(3)的入射方向和相对于所述激光束(3)的出射方向成45°定向上。
8.根据权利要求7所述的激光扫描系统，其中所述可移动光学设备(5)包括用于调整和/或聚焦所述激光束(3)的光学装置(5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g)的阵列，以及其中所述第一、第二和第三反射装置(15、17、19)中的至少一个反射装置是用于对所述阵列的单独光学装置(5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g)选择性访问的刻面棱镜(22)的一部分。
9.根据权利要求1所述的激光扫描系统，其中所述光学系统(13)还包括至少一个聚焦元件(25)。
10.一种毛发切割设备(27)，包括根据前述权利要求之一所述的激光扫描系统(1)，其中所述毛发切割设备(27)还包括：
用于利用激光设备(31)检测毛发的检测系统(29)，和/或
具有激光切割设备(35)的激光切割系统(33)。
11.根据权利要求10所述的毛发切割设备，其中所述检测系统(29)和/或所述激光切割系统(33)使用所述毛发切割设备(27)的共同光学路径(37)。
12.根据权利要求11所述的毛发切割设备，其中所述检测系统(29)包括布置在所述共同光学路径(37)中的分束设备(39)，所述分束设备(39)通过第一光学路径(41)光学连接至所述激光设备(31)并且通过第二光学路径(45)光学连接至检测设备(43)。
13.根据权利要求12所述的毛发切割设备，其中所述检测设备(43)包括布置在所述第二光学路径(45)中的聚焦系统(47)、针孔(49)和检测器(51)。
14.根据权利要求11所述的毛发切割设备，其中所述激光切割系统(33)包括布置在所述共同光学路径(37)中的另一分束设备(53)，所述另一分束设备(53)通过另一光学路径(57)连接至激光切割设备(55)。
15.一种借助激光扫描设备(7)扫描激光束(3)的方法，其用于生成所述激光束的扫描移动，所述激光束跟踪可移动光学设备(5)以用于调整和/或聚焦所述激光束，其中所述激光扫描设备包括具有固定光学系统(13)和具有机械耦合至所述可移动光学设备(5)的至少一个可移动光学元件(11)的布置，其中所述可移动光学元件(11)将所述可移动光学设备(5)的位置与所述激光束(3)进入所述固定光学系统(13)的移动访问位置(23)相互关联，并且所述固定光学系统(13)将所述激光束(3)的所述移动访问位置(23)与所述可移动光学设备(5)上的至少一个对应位置相互关联，所述激光束在所述至少一个对应位置入射在所述可移动光学设备(5)上并且所述至少一个对应位置固定于所述可移动光学设备(5)。
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