JP2010534387A - 放電ランプコントローラ - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、光出力をモニタし、パルス時に実質的に一定である光出力を確実に提供するシステムを提供する。
【解決手段】
可視光線の波長範囲のブロードバンドの出力パルスを発生させる少なくとも１つの放電ランプが開示されている。出力パルスは所定の時間間隔と所定の全電気エネルギーの入力を有している。さらに駆動回路が提供され、エネルギーパルスを放電ランプに送る。また、放電ランプからの光出力を検出するセンサと、センサによって検出された光パラメータに対応して駆動回路を操作する制御機構とが提供されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は一般的に医療用および美容用のブロードバンド（広帯域）非コヒーレンス光源の提供に適した放電ランプのコントローラに関する。

上記の目的に則した非コヒーレンス光源を提供する放電ランプは従来のレーザ技術に勝るいくつかの利点を有している。例えば、それらは安価であり、多様な利用が可能な複数の波長を発生させることができ、厳密な調節制御の必要性も少ない。

医療用および美容用の代表的な放電ランプは、フラッシュランプからの光出力を対象部位に方向付ける形状のリフレクタ内に位置するキセノンアークフラッシュランプを含んでいる。図１は、開口部３を有したリフレクタハウジング２内に取り付けられている放電管１を含んだそのような放電ランプを図示する。開口部３の下方には光ガイド４が配置されている。光ガイド４はフラッシュランプからの直接的な照射光と反射光を集光し、対象部位に送る。

典型的にはこのようなフラッシュランプはコンデンサ放電回路によって駆動され、駆動に必要な電気エネルギーは光パルスの出力が必要となるまでコンデンサ内に蓄電される。図２はそのようなフラッシュランプの簡略化された回路を示す。放電管１は起動変圧器５と蓄電コンデンサ６とに接続されている。光出力が必要になると電気エネルギーがフラッシュランプに送られ、電気エネルギーは光出力に変換される。このようなタイプの放電回路ではフラッシュランプを流れる電流は、コンデンサの放電特性に応じてパルス時に変性する。パルス時の電流変性は光エネルギー強度を変動させる。出力波長はフラッシュランプ内のプラズマ温度によって決定されるため、出力波長スペクトルは変動する。このプラズマ温度は電流によってコントロールされる。

出力波長を一定に保つため、出力パルス時に電流を一定に維持する方法が提案されてきた。

光パルス時に電流を一定に維持することを目的とした方法は米国特許６８８８３１９により提案されている。この方法は、放電ランプを流れる電力を検出するセンサを含んだパルス型フラッシュランプの駆動回路と、エネルギーを蓄積する蓄電コンデンサとフラッシュランプとの間でオン/オフスイッチを操作する直列レギュレータとを利用する。スイッチ切り替え頻度は回路を流れる電流または電力をモニタすることで決定される。この方法は電流パルス時を通じて比較的コンスタントな電流出力を提供することができる。このような回路は一般的には、例えば米国特許４５１３３６０内で解説されているフライホイール回路と称される。

一定の電流パルスの提供には利点が存在するが、この方法は一定の光出力を提供することはない。なぜなら、出力光強度は電流の変動要素としては明示されない多数の外部要因によって変動するからである。これら外部要因には（これらに限定されないが）充填ガス圧、ガス純度、作動温度、フラッシュランプ外殻（エンベロープ）劣化、フラッシュランプ外殻コーティング（導電性向上のためのコーティング）またはフラッシュランプ外殻ドーピング（所定波長の選択的フィルターのため）が含まれる。これらパラメータの多くは使用中に変動する。例えば、汚染物質による光変動のためにフラッシュランプ出力が使用中に劣化する。汚染物質は光劣化を引き起こすがフラッシュランプを流れる電流には影響を及ぼさないであろう。

米国特許６８８８３１９ 米国特許４５１３３６０

従って本発明は、光出力をモニタし、パルス時に実質的に一定である光出力を確実に提供するシステムを提供する。

本発明のシステムは可視スペクトルの波長範囲の非コヒーレンス出力光パルスを発生させることができる少なくとも１つの放電ランプと、複数のエネルギーパルスを放電ランプに送る駆動回路とを含む。この光パルスは所定の時間間隔と、そのパルス用のための所定の全電気エネルギー入力とを有している。この駆動回路は、（ａ）駆動回路に電気エネルギーの入力を保存することができる蓄電コンデンサと、（ｂ）蓄電コンデンサを繰り返し充電する充電器と、（ｃ）蓄電コンデンサから放電ランプに電気エネルギーの入力を送るためのスイッチと、（ｄ）設定時間の間隔を通じてスイッチの選択的な開閉を行い、それぞれは設定時間の間隔よりも短い複数のエネルギーのパケットを放電ランプに送る駆動手段と、を含んでいる。本発明のシステムは、放電ランプからの光出力を検出する光センサと、光センサによって検出された光出力の変化に応じて駆動手段を作動させるコントローラとをさらに含んでいる。

本発明はさらに可視スペクトルの波長範囲のブロードバンド出力パルスを発生させることができる放電ランプを提供する。この出力パルスは所定の時間間隔と、そのパルスのための所定の全電気エネルギーの入力とを、エネルギーパルスを放電ランプに送る駆動回路と、放電ランプからの光出力を検出するセンサと、センサによって検出されたパラメータに応じて駆動回路を作動させるコントローラ機構と共に含んでいる。

光パルスの時間間隔は典型的には１から１００ミリ秒（例えば、１０から１００ミリ秒）であり、エネルギーの個別パケットは典型的にはそれより短い、例えば５から２５ミリ秒程度を有する。

好適にはコントローラは、センサで検出された光出力を事前にキャリブレーション処理され、メモリ装置へ保存された値と比較するように設計された処理装置を含む。

好適にはこのコントローラ機構はそれぞれのセンサ出力に対して高速アナログ−デジタル変換器を含む。

好適には複数の放電ランプが使用される。このことでさらに均質な光出力を得ることが可能となる。典型的にはこのような複数のランプは、ランプのための単光ガイドを備えた単一のリフレクタ装置に提供される。

複数の放電ランプが利用される場合には、好適にはシステムは、センサによってランプの１つが出力パルスを発生させていないことが示されると放電ランプを停止させる手段を含む。

さらに本発明は放電ランプのごときパルス照射源を駆動する方法を提供する。この方法は、その照射源に送る電気エネルギーを保存できる蓄電コンデンサを利用するステップと、所定の時間間隔内で複数のエネルギーパケットの形態にてエネルギーパルスを照射源に送らせるように蓄電コンデンサを選択的に充電するステップとを含む。照射源からの光出力は検出され、蓄電コンデンサから照射源へのエネルギー搬送はセンサによって検出された光パラメータに応じて制御される。

さらに本発明は光線美容法を提供する。これは電気エネルギー入力を放電ランプに提供し、光出力パルスを人間または動物の皮膚組織に向けるステップを含む。放電ランプは前述の方法によって駆動される。

本発明の好適な特徴を以下において添付図面を利用して解説する。

本発明のシステムで利用される典型的なリフレクタと光ガイドの組合せの概略図である。 図１で示すフラッシュランプの簡略回路図である。 本発明で使用される代表的な回路および光フィードバックのシステムを図示する。 図３のシステムでの利用に適した代表的なデジタルコントローラを図示する。

図３で示す電源１１はＤＣ電圧に変換されるＡＣ電力源１２（典型的には１１０Ｖまたは２４０Ｖ ＡＣ ５０/６０Ｈｚ）を有する。このＤＣ電圧はエネルギーを保存する蓄電コンデンサＣ１の充電に使用される。蓄電コンデンサＣ１を充電する電圧はデジタル制御システム１３から電源１１へのＳＥＴ信号を介して制御される。コンデンサ電圧Ｖｃはデジタル制御システム１３によってモニタされる。Ｖｃに達すると制御システム１３は電源１１を切る。この充電中に半導体スイッチ１４と１５はＯＦＦモードであり、残りの回路部分に電流が流れるのを阻止する。

フラッシュランプ１６と１７（典型的にはキセノンアーク放電ランプ）は両方とも開回路モードである。すなわちフラッシュランプには導電経路が存在しない。蓄電コンデンサＣ１は必要となるまで蓄電された電気エネルギーを保存する。

フラッシュランプ１６と１７からの光出力が必要になると、フラッシュランプはまず“絶縁破壊”すなわち“起動”され、フラッシュランプ内のガスを通じて導電経路が形成されなければならない。フラッシュランプ１６と１７を起動させるには、外部起動面１８と１９を介してフラッシュランプのガラス外殻の外面に高電圧スパイクが適用される。光出力が必要になると制御システム１３は起動回路２０にＴＲＩＧ信号を送る。起動回路２０は起動変圧器Ｔ１とＴ２のそれぞれの一次（Ｐｒｉ）巻線に電圧パルスを印加する。一次巻線（Ｐｒｉ）は起動変圧器の二次（Ｓｅｃ）巻線に高電圧を発生させるために増幅される。

得られた起動スパイクＶ_Ｔ１とＶ_Ｔ２は典型的には５から１０ｋＶであり、長さは１０μ秒である。一方、一次電圧パルスは２００から４００Ｖである。フラッシュランプの外側のこの高電圧スパイクはフラッシュランプ内のキセノンガスをイオン化し、フラッシュランプの陽極から陰極に導電経路を形成する。

起動回路２０に送られるＴＲＩＧ信号と同時的に半導体スイッチ１４と１５にスイッチが入れられ（すなわち閉鎖）、制御システム１３から制御信号ＳＷ_１とＳＷ_２を介して導電経路が提供される。起動スパイクＶ_Ｔ１とＶ_Ｔ２がフラッシュランプ１６と１７内に必要なイオン化を誘起させたなら電流がインダクタＬ_１とＬ_２に流れ、両フラッシュランプは接地され、フラッシュランプ内のイオン化キセノンガスから光出力を発生させる。コンデンサＣ１からの電流はスイッチ１４と１５および両フラッシュランプを流れるが、インダクタＬ_１とＬ_２はコンデンサＣ１から送られるエネルギーの割当分を保存する。

フラッシュランプ１６または１７からの光出力が制御回路１３内にて事前に設定された高レベルに到達し、光センサー２１と２２からの信号Ｓ_１とＳ_２によってモニタされると、制御システム１３はスイッチ１４または１５を開き、コンデンサＣ１からさらなる電流が対応するフラッシュランプを通過することを阻止する。例えば、もしフラッシュランプ１６が設定光出力値に到達すると、スイッチ１４は制御システム１３からのＳＷを介して開かれ、コンデンサＣ１からのさらなる電流を阻止する。スイッチ１５が閉じられると、インダクタＬ_１内に保存されたエネルギーはダイオードＤ１（一般的に“フライホイールダイオード”と呼称）を介して電流をフラッシュランプ１６に流す。光出力はＳ_１を介して制御システム１３でモニタされ、電流が事前に設定された低電流値にまで減少するとスイッチ１５は閉鎖され、コンデンサＣ１から電流を再び流し、フラッシュランプ内の出力を維持し、インダクタ内にエネルギーを保存する。このプロセスはフラッシュランプ１７のために同時に独立的に実行される。

このプロセスを１００から５００ｋＨｚの範囲で繰り返すことでフラッシュランプからの光出力は、必要な光パルスの持続時間の一定レベル（典型的には１から１００ミリ秒）に維持できる。必要とされる光パルス中にフラッシュランプの出力を一定に保つため、両スイッチ１４と１５のオン・オフ切替間のデューティ比はパルス時に変動し、保存エネルギー放出中のコンデンサＣ１の電圧降下を補償する。

図４で示すデジタル制御システムは操作に適した制御ソフトウェアアルゴリズムを含んだプロセッサユニット３１を含む。Ｖｃ信号でモニタされるコンデンサＣ１の充電電圧はアナログ・デジタル変換器３２に印加され、そのデジタル出力はプロセッサユニット３１によって読み取られる。必要とされる充電電圧Ｖｃによっては、プロセッサユニットはＳＥＴ信号を介して電源を制御する。所望の充電電圧Ｖｃに到達すると電源出力は停止される。光出力パルス後に保存エネルギーが減衰すると、コンデンサＣ１はプロセッサユニット３１の指示に従って電源により再充電される。

装置システムの操作員はユーザインターフェース３３を利用して所望するエネルギーの出力光パラメータ、パルス持続時間およびパルス形態（単パルスまたは多重パルス）を選択する。メモリユニット３４内に含まれるデータ表がプロセッサユニット３１によって参照され、必要とされる出力光レベルに対応する所定のセンサ読み取り値が得られる。

光センサ２１と２２からの信号は、２つの独立したアナログ・デジタル変換器３４と３５によってデジタル形式に変換されてプロセッサユニット３１により読み取られ、メモリユニット３４に保存されているデータ表で定められた設定値と比較される。

Claims (9)

1. 所定の時間間隔と所定の全電気エネルギーの入力とを有した可視スペクトルの波長範囲の非コヒーレンスな出力光パルスを発生させることができる少なくとも１つの放電ランプと、該放電ランプに複数のエネルギーパルスを送る駆動回路とを含んだ構造体であって、該駆動回路は、（ａ）該駆動回路に電気エネルギー入力を保存させる蓄電コンデンサ手段と、（ｂ）該蓄電コンデンサ手段を繰り返し充電する充電手段と、（ｃ）前記蓄電コンデンサ手段から前記放電ランプに電気エネルギーを送らせるスイッチと、（ｄ）前記所定時間の間隔を通じて前記スイッチの選択的な開閉を行い、それぞれが前記所定時間の間隔よりも短い持続時間の複数のエネルギーパケットを前記蓄電コンデンサから前記放電ランプに送る駆動手段と、を含んでおり、本構造体は、放電ランプからの光出力を検出する光センサ手段と、該光センサによって検出された光出力の変化に応じて前記駆動手段を作動させる制御手段とをさらに含んでいることを特徴とする構造体。
2. 制御手段は、センサ手段によって検出された光出力を、メモリ装置に保存されたキャリブレーション済みの値と比較するように設計されているプロセッサユニットを含んでいることを特徴とする請求項１記載の構造体。
3. 複数の放電ランプを含んでいることを特徴とする請求項１または２記載の構造体。
4. 放電ランプの１つが出力パルスを発生させていないことがセンサで判明すると放電ランプのエネルギー供給を停止する手段をさらに含んでいることを特徴とする請求項３記載の構造体。
5. 可視光線の波長範囲のブロードバンドの出力パルスを発生させる放電ランプであって、該出力パルスは、所定時間の間隔と、パルスのための所定の全電気エネルギーの入力とを有しており、本放電ランプにエネルギーパルスを送るための駆動回路と、本放電ランプからの光出力を検出するセンサと、該センサで検出された光パラメータに対応して前記駆動回路を操作する制御機構とを含んでいることを特徴とする放電ランプ。
6. 複数の放電管を含んでいることを特徴とする請求項５記載の放電ランプ。
7. 制御機構はセンサによって検出された光出力を、メモリ装置に保存されたキャリブレーション済みの値と比較するように設計されているプロセッサユニットを含んでいることを特徴とする請求項５または６記載の放電ランプ。
8. 放電ランプのようなパルス式放射源を駆動する方法であって、該放射源に送られる電気エネルギーを保存する蓄電コンデンサを利用するステップと、所定の時間間隔内において複数のエネルギーパケットの形態でエネルギーパルスを前記放射源に送るように前記蓄電コンデンサを選択的に充電するステップと、前記放射源からの光出力を検出するステップと、センサにより検出されたパラメータに対応して前記蓄電コンデンサからのエネルギーを前記放射源に制御して送るステップと、を含んでいることを特徴とする方法。
9. 光線美容法であって、皮膚に向けられる光出力パルスを発生させるべく放電ランプに電気エネルギーの入力を提供するステップを含んでおり、前記放電ランプは請求項８記載の方法によって駆動されることを特徴とする美容法。

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