CN104334108B - 基于liob的毛发切割设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于激光的毛发切割设备(10)，所述设备(10)包括激光源(18)、光学透明出口窗(15)以及光学元件(11，12，13，14)。激光源(18)提供了入射光束(21)以便通过在光束(21)的焦点位置中的毛发(22)的激光诱导光击穿(LIOB)在皮肤表面上方或附近切割毛发(22)。光学透明的出口窗具有外部出口表面(15)以允许入射光束(21)离开设备。光学元件(11，12，13，14)使入射光束(21)聚焦在距离出口表面(15)工作距离的焦点位置处。激光源(18)与光学元件布置并且构造为使得工作距离至少为(I)其中NA是离开设备(10)的入射光束的数值孔径，E_p是入射光束(21)的脉冲能量(J)，F_thresh是出口表面的影响阈值(J/m²)，M²是入射光束(21)的光束质量并且λ是入射光束(21)的波长(m)。

Description

基于LIOB的毛发切割设备

技术领域

本发明涉及基于激光的毛发切割设备，包括：激光源以用于提供入射光束以便通过在光束的焦点位置中的毛发的激光诱导光击穿(LIOB)在皮肤表面上方或附近切割毛发；光学元件，其用于将所述入射光线聚焦在距离出口表面工作距离的所述焦点位置以允许入射光束离开设备。

背景技术

此基于激光的毛发切割设备例如是公布为WO2011/010246的国际专利申请中所公开的。所述国际专利申请描述了此用于缩短毛发的设备，其包括用于在预定脉冲时间期间产生激光束的激光源、用于使激光束聚焦在焦点中的光学系统以及用于将焦点定位在目标位置处的激光束操纵器。产生的激光束的焦点的尺寸与能量是使得在焦点处激光束具有在用于毛发组织的特征阈值以上的能量密度，在所述特征阈值以上的预定的脉冲时间，毛发组织中发生激光诱导光击穿(LIOB)现象。具有锥形端部的光学刀片沿着基本上平行于皮肤表面的方向朝向在皮肤的正上方高度处被切割的毛发引导激光束。

通常来说，当焦点中的激光束的能量密度超过作为特定介质的特征的阈值时，在对于脉冲的激光束的波长透明或半透明的介质中发生激光诱导光击穿(LIOB)。在阈值以下，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特性。

在此阈值以上，对于激光束的特定波长来说此介质具有强烈的非线性吸收特性，这是介质的离子化与等离子体的形成的结果。此LIOB现象导致诸如气蚀与冲击波的产生的多种机械效应，这破坏在LIOB现象的位置周围位置中的介质。

通过实验看起来LIOB现象可以用于破坏以及剪短从皮肤长出的毛发。对于大约500nm与2000nm之间的波长来说毛发组织是透明或半透明的。对于此范围内的每个波长值来说，当在焦点中的激光束的能量密度超过作为毛发组织的特征阈值时在焦点的位置处的毛发组织中发生LIOB现象。所述阈值相当接近作为用于水介质与组织的特征的阈值并且独立于激光束的脉冲时间。特别地，当脉冲时间增加时要求的能量密度(W/cm²)的阈值减小。看起来似乎，为了实现足够有效以致使毛发的显著破坏，即至少初始破坏的由于LIOB现象的机械效应，例如10ns的级别的脉冲时间是足够的。对于脉冲时间的此值来说，在焦点处的激光束的能量密度的阈值是2*10¹⁰W/cm²的级别。对于描述的脉冲时间并且利用例如，通过具有足够大数量穿孔的透镜获得的足够小的焦点尺寸，可以通过仅几十mJ的总脉冲能量实现此阈值。

尽管能够利用WO2011/010546的设备从通过光学刀片的出口表面离开设备并且具有足够能量切割人类毛发的入射光束来产生激光诱导光击穿(LIOB)，具有通过小的玻璃“刀片”离开设备的入射激光束并且具有足够能量以切割人类毛发，但LIOB的产物(冲击波、等离子、高辐射)可能对出口表面造成毁灭性的破坏。受损刀片对设备在期望位置提供贴近的聚焦的能力具有不利影响以，这可能减小刮切处理的功效并且/或者可能增加诸如皮肤刺激的负面影响的发生。

发明内容

本发明的目的是提供一种皮肤处理系统，其中减小了LIOB造成的对出口表面的破坏。

根据本发明的第一方面，通过提供基于激光的毛发切割设备实现了此目的，所述基于激光的毛发切割设备包括激光源，该激光源用于提供入射光束以便通过在光束的焦点位置中的毛发的激光诱导光击穿(LIOB)在皮肤表面上方或附近切割毛发；光学透明的出口窗，其具有外部出口表面以允许入射光束离开设备；光学元件，其用于使入射光束聚焦在距离出口表面工作距离的焦点位置处，其中激光源与光学元件布置并且构造为使得工作距离至少是

其中NA是离开设备的入射光束的数值孔径，Ep是入射光束的脉冲能量(J)，F_thresh是出口表面的影响阈值(J/m²)，M²是入射光束的光束质量并且λ是入射光束的波长(m)。

实验已经示出可以在很大程度上通过明智地选择出口表面材料来避免源于激光束的光强与LIOB引起的冲击波的出口表面的破坏。意外的是，能够充分地降低源于等离子撞击的破坏的出口表面材料不是容易地可获得的。发明人通过许多LIOB实验，利用不同的出口表面材料、激光束特性与光学元件，推断出最重要系统参数与限制等离子体破坏所要求的最小工作距离之间的上述关系。获得的结果的重要的后果是期望的工作距离结果是远大于先前应用的。尽管通常是切割更接近刀片表面的毛发，新发现的关系意指根据相关光束参数应该使用至少150μm，但是优选地200μm或者甚至300μm的工作距离。

在上面示出的最小工作距离与其它操作参数之间的关系中，影响阈值是对于在破坏发生以前必须通过入射光束的一次脉冲提供到单位表面积(例如1cm²)的总能量数量的测量值。阈值或多或少独立于出口表面的实际材料。影响阈值取决于脉冲持续期间(较短脉冲则较高影响阈值)以及激光波长(较短波长则较高影响阈值)。通过文献已知用于确定影响阈值的标准公式。

可以以不同的方式定义激光光束的光束质量，但是本质上是在一些情形下(例如，具有有限的光束发散)激光束能够多么致密地被聚焦的测量。量化光束质量的最通常的方式是光束参数乘积(BPP)或者M²因子。BPP限定为在光束腰处的光束半径与远场光束发散角的乘积。M²因子定义为光束参数乘积除以用于具有相同波长的衍射限制的高斯光束的相应乘积。对于理想光束来说，M²接近1。在此应用中描述的大部分实例中M²约为1.2。然而，具有高达10或者甚至更高的M²因子的光束也可以被用于基于LIOB的毛发切割。

在根据本发明的毛发切割设备的实施方式中，机械间隔件设置为使毛发定位在焦点位置处。当间隔件的前表面与出口表面之间的距离等于或者大约等于工作距离时，由于激光束的焦点位置中的LIOB抵靠间隔件的前表面放置的毛发将被切割。

间隔件可以是包括出口表面的光学刀片的一体部分并且布置为沿着基本上平行于皮肤表面的方向引导光束。另选地，机械间隔件是伸展元件的一体部分，其在毛发切割设备的使用过程中用于伸展皮肤表面并且提升相对于刮切方向在光学刀片前面的毛发。当在皮肤表面上方拉动设备时，伸展元件伸展并且平滑皮肤，由此使毛发刚好提升到伸展元件后面。然后间隔元件在距离光学刀片的出口表面正确距离处将毛发保持在直立的位置，使得可以通过激光束切割毛发。当然，此外当间隔件是光学刀片的一体部分或者完全分离特征时，可以提供机械伸展件以便伸展皮肤表面与提升毛发。

选择性地，出口表面是布置在出口窗上的透明保护层的外表面，所述保护层具有比出口窗自身对LIOB破坏更高的耐性。这里透明意味着至少对于激光束的波长的光很大程度上是透明的。耐破坏层设置为提供保护以防仍然可能发生在距离出口表面太近距离处的任何LIOB事件。使用保护层的优点是诸如光学刀片的其它透明元件，可以由类似玻璃或塑料的更便宜和/或更容易可成型材料制成，同时更耐用的材料被用于需要保护以防LIOB引起的破坏的出口表面。用于透明保护层的材料的适当实例是蓝宝石、氧化铝、金刚石，尖晶石、YAG、GaN或碳化物。当不使用保护层时，出口窗自身优选地由此耐破坏材料制成。

保护层优选地可释放地固定到出口窗。当保护层受损时，可以通过新的未受损保护层来替换它并且此破坏不会对毛发切割设备的操作具有不利影响。保护层可以由柔性与透明聚合物制成。聚合物是便宜并且可容易成型的。此设备还可以包括模具，所述模具用于将聚合物成型为期望的未受损形状并且将成形的聚合物定位在其中其用作保护层的出口表面。在被用作保护层以后，例如可以通过设备移除该聚合物并且收集在垃圾桶中或者可以再引导到模具以便回收。

参照后面描述的实施方式本发明的这些与其它方面将是显而易见的并且将被阐释。

附图说明

在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的激光剃须器；

图2示出了在皮肤表面上方经过的光学刀片的特写；

图3示出了在皮肤表面上方经过的光学刀片、伸展元件以及间隔件；

图4示出了具有一体形成间隔件的光学刀片；

图5示出了具有一体形成间隔件的不同的光学刀片；

图6示出了具有保护层的光学刀片；

图7示出了具有可替换且可回收保护层的光学刀片；以及

图8示出了具有可成型且可替换的保护层的光学刀片。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的激光剃须器10。提供激光剃须器10以便通过将具有足够高能量的激光束21聚焦在毛发22内部选择性地切割毛发22。通过可以包括激光二极管的激光源18提供激光束21。例如，具有1064nm的发射物的脉冲Nd：YAG激光器或者具有1645nm的发射物的Er：YAG激光器被用于LIOB切割毛发22。光束21经由透明的出口窗离开激光剃须器10。在此激光剃须器10中出口窗体现为光学刀片14，其还沿着或多或少平行于皮肤23的方向引导光束21(当设备10操作时)。光21在光学刀片14的出口表面15离开设备10。诸如透镜12、镜子11、针孔13与光学刀片14的光学元件设置为使脉冲的激光束21聚焦在毛发22中。光学元件11、12、13、14可以是可通过聚焦设备(未示出)调节的以便适于当需要时调节焦点的精确位置。聚焦设备可以通过旋转和/或移动光学元件11、12、13、14调节光束21的精确轨迹与焦点的位置。

达到皮肤23或毛发22的光21的一部分在皮肤23或毛发22组织处反射或散射并且经由出口表面15再进入设备10。图1的激光剃须器10可以另外地包括探测单元16，所述探测单元用于在光束已经被反射、散射或在皮肤23或毛发22处的组织另外地相互作用以后探测光束21。探测单元16可以包括一个或多个光电二极管并且可以布置为仅探测具有预定偏振方向的光。还可以包括用于单独地测量不同偏振分量的多个通道。此探测单元16通常地设置在激光剃须器10中以便执行毛发探测。光源18与聚焦设备优选地根据来自探测单元16的探测信号操作以使激光束21仅瞄准探测的毛发并且减小由于不必要的激光脉冲和LIOB事件的皮肤23刺激或者破坏出口表面15。

根据本发明，设备10的工作距离至少是

其中NA是离开设备10的入射光束21的数值孔径，E_p是入射光束21的脉冲能量，F_thresh是出口表面15的影响阈值，M²是入射光束21的光束质量以及λ是入射光束21的波长。

影响阈值或多或少地独立于出口表面15的实际材料并且是在破坏发生以前将要通过入射光束21的一次脉冲提供到单位表面积(例如1cm²)的能量总量的测量值。影响阈值取决于脉冲持续期间(较短脉冲则较高影响阈值)以及激光波长(较短波长则较高影响阈值)。通过文献已知用于确定影响阈值的标准公式。在下面的表格中提供了用于三种不同波长与五种不同脉冲持续时间的示例性影响阈值(J/cm²)。

激光束的光束质量(M²)是描述激光束能够多好地被聚焦的尺寸参数。对于理想光束来说，M²接近1。在此应用中描述的大部分实例中M²约为1.2。然而，具有高达10或者甚至更高的M²因子的光束也可以被用于基于LIOB的毛发切割。

当对于上面等式中的各个参数使用典型值(λ＝800nm，E_p＝10mJ，NA＝0.5、良好的光束质量(M²约1.2)以及50ns脉冲持续期间)时，需要至少150微米的最小工作距离以实质减少对出口表面15的LIOB引起损害的量。为了进一步减小对出口表面的破坏或者当使用不同的参数值时，可能需要多于200或甚至300微米的工作距离。

对于具有10mJ的脉冲能量、NA＝0.8与良好的光束质量(M²约1.2)的通常入射光束来说，下面的表格近似地示出了用于不同波长(nm)与脉冲持续期间(ns)的最小工作距离(微米)：

对于类似的入射光束，但是NA＝0.5，近似的最小工作距离是：

图2示出了经过皮肤表面23的光学刀片14的特写。光束21在光学刀片14的出口表面15离开设备10。光束沿着基本上平行于皮肤表面23的方向离开设备10，使得光束21的焦点定位在毛发22内部。“基本上平行”应该理解为包括相对于皮肤表面23的小的角度，这仍然允许光束21使其焦点在毛发22内部并且在皮肤表面23上方(例如，参见图5)。

在焦点处的激光束21的能量密度使得其超过用于毛发组织的LIOB阈值。因此，在毛发组织内部发生LIOB事件25，由此切割毛发22。在使用过程中，设备10的光学刀片14沿着刮切方向55沿着皮肤表面23移动使得多个毛发22被连续地切割。设备的工作距离29，即出口表面15与LIOB事件25发生的焦点之间的距离，满足上面示出的等式以便最小化或完全地避免对出口表面15的LIOB引起的破坏。

图3中的特写示出了还包括伸展元件31与间隔件41的实施方式。当在皮肤表面23上方拉动设备10时，伸展元件31伸展并且使平滑皮肤23，由此刚好在伸展元件31后面提升毛发22。然后间隔元件41在距离光学刀片14的出口表面15正确距离处将毛发22保持在更加直立的位置，使得可以通过激光束21切割毛发22。这里“正确”距离与至少满足上面公开等式的设备10的工作距离29相应。除了以光束21的焦点与毛发22一致的此种方式操纵毛发22以外，间隔元件41可以提供对LIOB事件25的破坏效果的一些保护。伸展元件31与间隔元件41通常地由塑料制成，但是也可以使用金属或者其它材料或者材料的组合。间隔元件41可以附接到伸展元件31、光学刀片14或者设备壳体，或者可以是伸展元件31、光学刀片14或者设备壳体的一体部分。只要它们将毛发22有效地保持在或者靠近设备10的工作距离29处，不同的形状就可能是有用的。

图4示出了具有一体形成间隔件41的光学刀片42。光学刀片42的间隔件部分41可以或可以不由与光学刀片42的剩余部分相同的材料制成。间隔件部分41不是必须是透明或者抗LIOB的。

图5示出了具有一体形成间隔件41的不同的光学刀片43。在此实施方式中，光束21与皮肤表面23形成小的角度。这具有使毛发22在更靠近皮肤表面23的位置处被切割的优点。光学刀片43的间隔件部分41的功能与上述附图中的间隔元件和间隔件部分41的功能相同。再次，其它形状可以是同等有用的。仅重要的是间隔件部分41将毛发22有效地保持在设备10的工作距离29处或附近。

图6示出了出口窗，这里是以具有保护层61的光学刀片14的形式。保护层61由具有至少高于出口窗自身的耐LIOB破坏性的高LIOB耐破坏性的材料制成并且对于光束21的波长的光可透射。保护层61包括光束通过其离开设备10的出口表面15。保护层61设置为提供保护以防例如由于聚焦问题或者不期望的反射仍然可能发生在距离出口表面太近距离处的任何LIOB事件25。使用保护层61的优点是诸如光学刀片14的其它透明元件可以由类似玻璃或塑料的更便宜和/或更容易可成型材料制成，同时更耐久材料被用于需要保护以防LIOB引起的破坏的出口表面15。

用于透明保护层61的材料的适当实例是蓝宝石、氧化铝、金刚石，尖晶石、YAG、GaN或碳化物。保护层61优选地可释放地固定到光学刀片14。当保护层61受损时，可以通过新的未受损保护层替换它并且破坏将不会对毛发切割设备10的操作具有不利影响。可以例如当将剃须设备10放置在放置座中时执行保护层的替换或修复。

保护层61可以由柔性与透明聚合物制成。聚合物是便宜并且可容易成型的。重要的是聚合物61展现了激光的最小吸收，这可以通过选择对于光束21的波长透明的聚合物61和/或通过利用聚合物61的薄层来保护刀片14而获得。例如，诸如AF1600的含氟聚合物不吸收ER：YAG激光器的1645nm激光波长。AF1600的另一个优点是其折射率与水的折射率匹配。当保护层61具有类似于浸渍流体(例如水)的相似的反射率时，光束受到保护层61中的任何破坏的影响最小化。

聚合物优选地足够柔性以经受LIOB冲击波。此外，期望的是聚合物61耐等离子体的高热载荷。适当的聚合物材料可以是丙烯酸酯、硅胶、聚碳酸酯、聚对二甲苯或聚酰亚胺。聚碳酸酯的优点在于它们非常抗开裂或断裂。聚对二甲苯和聚酰亚胺可以经受高温。

图7示出了具有可成型与可替换聚合物保护层71的光学刀片14。图7中的设备利用至少能够临时地用作保护层71并且保护光学刀片14的出口表面免受LIOB破坏的聚合物带72。保护层71定位在光学刀片与LIOB形成25的位置之间。当例如固定数量的刮切或激光脉冲以后，探测到对屏蔽件71的破坏或者当使用者开始替换协议时，移动带72使得其新的并且未受损的部分接管保护层71的功能。另选地，带72连续地和/或稳定地移动，使得光束不能两次击中受损部分。此设备10还包括模具73，所述模具用于将聚合物72成型为未受损形状并且将成形的聚合物定位在其中其用作保护层17的光学刀片14的出口表面。使用此模具73使得能够再回收带72的已使用的部分并且在无需供给新的保护层材料的情况下提供新的保护层71。

图8示出了与图7类似的光学刀片71构造。然而，在此实施方式中，聚合物带72是不回收的。模具73利用来自可再填充聚合物的储存器81的聚合物以形成新的未受损的保护层71。在被用作保护层71以后，聚合物被从出口表面移除，并且例如收集在垃圾桶82中。

应该指出的是上述实施方式描述而不是限定本发明，并且在不偏离所附权利要求的范围的情况下本领域中的技术人员将能够设计多个另选实施方式。在权利要求中，位于圆括号之间的任何附图标记都不应理解为是限定权利要求。术语“包括”及其动词形式变化的使用不排除存在除了权利要求中所述的这些以外的元件或步骤。在元件前面的冠词“一个”或“一种”不排除存在多个此种元件。可以通过包括若干不同元件的硬件，以及通过适当地编程的计算机来实施本发明。在设备权利要求中列举了几种装置，可以通过硬件中的一个相同项体现几种这些装置。在相互不同的从属权利要求中叙述的一些措施的单纯事实不表示不能有利地利用这些措施的组合。

Claims (12)

1.一种基于激光的毛发切割设备(10)，其包括：

激光源(18)，其用于提供入射光束(21)以便通过在所述光束(21)的焦点位置中的所述毛发(22)的激光诱导光击穿(LIOB)在皮肤表面上方或附近切割毛发(22)；

光学透明的出口窗，其具有外部出口表面(15)以允许所述入射光束(21)离开所述设备；

光学元件(11，12，13，14)，其用于使所述入射光束(21)聚焦在距离所述出口表面(15)工作距离的焦点位置处，其中

所述激光源(18)与所述光学元件布置并且构造为使得所述工作距离至少是

$\frac{1}{{\mathrm{\πNA}}^2}\sqrt{\frac{2E_p{\mathrm{NA}}^2\mathrm{\π}}{F_{thresh}}-M^2{\mathrm{\λ}}^2}$

其中NA是离开所述设备(10)的所述入射光束的数值孔径，E_p是所述入射光束(21)的脉冲能量(J)，F_thresh是所述出口表面的影响阈值(J/m²)，M²是所述入射光束(21)的光束质量以及λ是所述入射光束(21)的波长(m)。

2.根据权利要求1所述的基于激光的毛发切割设备(10)，还包括用于将所述毛发定位在所述焦点位置的机械间隔件。

3.根据权利要求2所述的基于激光的毛发切割设备(10)，还包括光学刀片(14)，所述光学刀片包括所述出口表面(15)并且布置为沿着基本上平行于所述皮肤表面的方向引导所述光束(21)，所述机械间隔件是所述光学刀片(14)的一体部分。

4.根据权利要求2所述的基于激光的毛发切割设备(10)，还包括光学刀片(14)，所述光学刀片包括所述出口表面(15)并且布置为沿着基本上平行于所述皮肤表面的方向引导所述光束(21)，以及伸展元件(31)，其在所述毛发切割设备(10)的使用过程中用于伸展所述皮肤表面并且提升相对于刮切方向(55)在所述光学刀片(14)的前面的所述毛发，其中所述机械间隔件是所述伸展元件(31)的一体部分。

5.根据权利要求1所述的基于激光的毛发切割设备(10)，其中所述出口表面(15)包括蓝宝石、氧化铝、金刚石、尖晶石、YAG、GaN或碳化物。

6.根据权利要求1所述的基于激光的毛发切割设备(10)，其中所述出口表面(15)是布置在所述出口窗上的透明保护层的外表面，所述保护层具有比所述出口窗对LIOB破坏更高的耐性。

7.根据权利要求6所述的基于激光的毛发切割设备(10)，其中所述保护层包括蓝宝石、氧化铝、金刚石、尖晶石、YAG、GaN或碳化物。

8.根据权利要求6所述的基于激光的毛发切割设备(10)，其中所述保护层具有至少50μrn的厚度。

9.根据权利要求6所述的基于激光的毛发切割设备(10)，其中所述保护层可释放地固定到所述出口窗(14)。

10.根据权利要求6所述的基于激光的毛发切割设备(10)，其中所述保护层由柔性且透明聚合物制成。

11.根据权利要求10所述的基于激光的毛发切割设备(10)，还包括模具，所述模具用于将所述聚合物成型成未受损形状并且将所述形状的聚合物定位在其中所述形状的聚合物用作所述保护层的所述出口表面(15)处的位置。

12.根据权利要求11所述的基于激光的毛发切割设备(10)，还包括用于将用过的保护层从所述出口表面(15)处的所述位置移除的装置。