ПРИБОР И СПОСОБ ОБРАБОТКИ КОЖИ НА ОСНОВЕ ИЗЛУЧЕНИЯ
RADIATION-BASED SKIN TREATMENT DEVICE AND METHOD

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к прибору для генерирования лазерно-индуцированного оптического пробоя в ткани млекопитающего, таких как ткань кожи, и по существу может быть использовано для (косметической) обработки людей или животных. Таким образом, прибор может быть прибором для обработки кожи или прибором для обработки внутренних органов, таким как эндоскоп или катетер. Прибор содержит источник излучения и систему фокусировки для фокусировки падающего пучка излучения от источника излучения в фокальное пятно, расположенное за пределами прибора, так чтобы фокальное пятно могло быть расположено в ткани под границей (поверхностью) ткани (например, границей кожи, границей органа), чтобы вызвать лазерно-индуцированный оптический пробой ткани у фокального пятна.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Такие приборы, среди прочего, используются для косметической обработки, такой как, например, омоложение кожи, включающее в себя обработку морщинок, а также для ухода за внешностью. При обработке кожи прибор используют для создания фокального пятна в слое дермы кожи, подлежащей обработке, практически без воздействия на слой эпидермиса. Мощность и длительность импульса лазера и размер фокального пятна выбирают так, чтобы явление лазерно-индуцированного оптического пробоя (LIOB) воздействовало на кожу для стимуляции возобновления развития тканей кожи и, посредством этого, обеспечения омоложения кожи, такого как, например, уменьшение морщинок. Пример такого прибора раскрыт в международной заявке на патент, опубликованной под номером WO2008/001284.
В случае ухода за внешностью упомянутый прибор используют для фокусирования излучения внутри волоса, и явление LIOB вызывает срезание этого волоса. Например, международная заявка на патент, опубликованная под номером WO2005/011510, описывает прибор для укорачивания волос. Размер фокального пятна и мощность генерируемого лазерного пучка таковы, что в фокальном пятне лазерный пучок имеет плотность мощности, которая выше характерного порогового значения для ткани волоса, выше которого происходит явление LIOB.
2
В общем, лазерно-индуцированный оптический пробой (LIOB) происходит в средах, которые являются практически прозрачными или полупрозрачными для длины волны лазерного пучка, когда плотность мощности (Вт/см) лазерного пучка в фокальном пятне превышает пороговое значение, которое является характерным для конкретной среды. Ниже порогового значения конкретная среда имеет относительно низкие линейные свойства поглощения на конкретной длине волны лазерного пучка. Выше порогового значения среда имеет сильно нелинейные свойства поглощения на конкретной длине волны лазерного пучка, которые являются результатом ионизации среды и образования плазмы. Это явление LIOB приводит к нескольким механическим эффектам, таким как кавитация и генерирование ударных волн, которые повреждают среду в местоположениях, окружающих местоположение явления LIOB. Явление LIOB может проявляться в виде эффекта адиабатического расширения, когда вся энергия используется для расширения среды. По существу, прибор по настоящему изобретению следует отличать от приборов, основная функция которых основана на прямом нагревании среды лазерным излучением, поскольку их плотности мощности и режимы лазерного воздействия обычно являются несравнимыми.
2
Ткань волос является прозрачной или полупрозрачной для длин волн между приблизительно 500 нм и 2000 нм. Для каждого значения длины волны в этом диапазоне явление LIOB происходит в ткани волос у местоположения фокального пятна, когда плотность мощности (Вт/см) лазерного пучка в фокальном пятне превышает пороговое значение, которое является характерным для ткани волос. Упомянутое пороговое значение является довольно близким к пороговому значению, которое является характерным для водных сред и тканей и зависит от длительности импульса лазерного пучка. В частности, пороговое значение требуемой плотности мощности уменьшается, когда длительность импульса увеличивается.
10
2
Для обеспечения механических эффектов в результате явления LIOB, которые являются достаточно эффективными для обеспечения значительного повреждения, т.е. по меньшей мере для начального повреждения волоса, длительность импульса порядка, например, 10 нс, является достаточной. Для этого значения длительности импульса пороговое значение плотности мощности лазерного пучка в фокальном пятне составляет порядка 2*10 Вт/см. Для описанной длительности импульса и в случае достаточно малого размера фокального пятна, полученного, например, посредством линзы, имеющей достаточно большую числовую апертуру, это пороговое значение может быть обеспечено в случае общей энергии импульса, составляющей всего лишь несколько десятых миллиджоуля. Значения параметров подобного порядка могут быть использованы для генерирования явления LIOB в ткани кожи, как более подробно описано в документе WO2008/001284.
Эффективность оптического пробоя для омоложения кожи зависит от нескольких факторов, таких как оптические и структурные свойства кожи, интенсивность лазерного излучения в фокусе, оптической связи и т.д.
Упомянутая обработка требует сканирования фокусом LIOB по некоторой области ткани.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Существуют трудности со сканированием большой площади поверхности с достаточно высокой скоростью, поэтому время обработки единицы площади обычно является большим.
Задачей настоящего изобретения является по меньшей мере частичное преодоление этих трудностей. Эта задача достигается настоящим изобретением, определенным независимыми пунктами формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения обеспечивают предпочтительные варианты осуществления.
Примеры согласно первому аспекту настоящего изобретения обеспечивают прибор, выполненный с возможностью генерировать лазерно-индуцированный оптический пробой в тканях млекопитающих, содержащий:
- источник излучения, выполненный с возможностью выдавать пучок импульсного излучения;
- сканер пучка, выполненный с возможностью выдавать сканирующий пучок импульсного излучения;
- блок фокусировки пучка, выполненный с возможностью фокусировать сканирующий пучок импульсного излучения в фокальное пятно для его позиционирования в ткани млекопитающего, чтобы вызвать лазерно-индуцированный оптический пробой,
причем сканер пучка выполнен с возможностью выдавать сканирующий пучок импульсного излучения так, что во время сканирования пучком импульсного излучения точка пересечения сканирующего пучка импульсного излучения и воображаемой плоскости перемещается по дуговому пути, лежащему на воображаемой плоскости.
Конструкция линз объектива в такой системе делает постобъективное сканирование и, вероятно, также предобъективное сканирование излучения (пучков) трудным или даже невозможным. Соответственно, сканирование самим объективом (т.е. всем оптическим модулем) поверх заданной области является предпочтительным решением для обработки большой площади поверхности с достаточной скоростью.
Эта система использует поворачивающиеся оптические части для реализации следования лазерного пучка по некоторому пути. Таким образом, возможны высокие скорости перемещения пучка вдоль поверхности ткани (например, над кожей), поскольку значительно уменьшаются или даже предотвращаются рывки при изменении направления линейного сканирования и требуемые ускорения и замедления. Настоящее изобретение использует тот факт, что предотвращается обращение момента поступательного движения, которое является более трудным и вызывает больше вибраций, чем обращение момента поворота.
Дополнительно, в известных системах лазер должен быть выключен во время ускорения и замедления в ходе обращения направления сканирования системы фокусировки для предотвращения избыточного воздействия на кожу на крайних участках траектории движения, и это может быть предотвращено с использованием конструкции по настоящему изобретению. Это обеспечивается, в частности, при сканировании по замкнутому контуру с практически постоянной скоростью так, чтобы не требовалось никаких обращений направления сканирующего движения.
Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает более эффективную обработку. Оно также обеспечивает то, что наконечник, включающий в себя сканирующую и оптическую части, используемый пользователем, является более управляемым, более дешевым и/или меньшим по размеру.
Настоящее изобретение может быть использовано для обработки тканей людей и животных. В частности, может быть обработана ткань на границах органов или кожи.
Прибор может быть выполнен с возможностью перемещать блок фокусировки синхронно или вместе с пучком импульсного излучения по дуговому пути во время сканирования сканером пучка.
Сканер пучка может содержать:
- устройство изменения пучка, выполненное с возможностью принимать пучок импульсного излучения, имеющий первую ось пучка, и выдавать измененный пучок, имеющий вторую ось пучка, которая не совпадает с первой осью пучка; и
- поворотный механизм, выполненный с возможностью поворачивать изменяющую пучок часть вокруг оси поворота так, что измененный пучок реализует сканирующий пучок импульсного излучения.
Поворотный механизм может быть предназначен для поворота изменяющей пучок части вокруг оси, параллельной пути излучения и предпочтительно совпадающей с ним.
Элемент изменения пучка может быть выполнен с возможностью обеспечивать отклоненный путь излучения так, чтобы он был параллелен пути излучения и сдвинут вбок относительно пути излучения.
Устройство изменения пучка может быть или содержать дефлектор пучка или дифрактор пучка.
Блок фокусировки пучка может быть связан с изменяющей пучок частью для поворота вместе с изменяющей пучок частью. Это обеспечивает хорошую оптическую связь при реализации поворотного сканирования.
Изменяющая пучок часть может быть реализована несколькими путями. Изменяющая пучок часть может содержать одну или более поверхностей для преломления или отражения пучка импульсного излучения. Устройствами с такими поверхностями могут быть зеркала для реализации изменения пути излучения в измененный путь излучения. Это является легким решением. Также, отдельные зеркала могут быть использованы при использовании множества таких элементов. Они могут перемещаться независимо в таких реализациях, как на фиг. 4.
Изменяющая пучок часть может содержать одну или более призм для реализации изменения пути излучения в отклоненный путь излучения. Призма может содержать ромбоидную призму. Она позволяет использовать два полных внутренних отражения для обеспечения Z-образного пути пучка через призму, в результате чего реализуется (т.е. перпендикулярный направлению пучка) сдвиг в боковом направлении оси пути.
Призма может содержать призму Дове. Она позволяет использовать два преломления и одно полное внутреннее отражение для обеспечения V-образного пути пучка (с левым-правым входом и выходом из V) через призму, в результате чего реализуется (т.е. перпендикулярный направлению пучка) сдвиг в боковом направлении оси пути.
Эти две конструкции призм используют полное внутреннее отражение, что обеспечивает высокий порог повреждения и очень низкие потери. Также, призму можно поворачивать как одно устройство для реализации сканирования, что обеспечивает хорошую возможность для обеспечения поворотного баланса и надежности, а также компактности.
В упомянутом приборе поворотный механизм может быть выполнен с возможностью:
- реализовывать полный оборот изменяющей пучок части на 360 градусов; или
- реализовывать чередующиеся повороты изменяющей пучок части туда и обратно менее чем на 360 градусов. Например, этот способ может реализовывать полный оборот призмы/зеркала на 360 градусов или чередующиеся повороты призмы/зеркала менее чем на 360 градусов. Поворотная система позволяет сканировать большую площадь поверхности с достаточно высокой скоростью. Эта система может следовать контурам кожи и приспосабливаться к локальной кривизне кожи и оказывать давление на кожу. Эта система может иметь относительно большое отношение размеров и в то же время демонстрировать значительную производительность в отношении следования контуров.
Может быть обеспечен прибор по любому из пунктов 3-9 формулы изобретения, причем первая ось пучка и вторая ось пучка задают расстояние, измеряемое перпендикулярно первой оси пучка, и прибор содержит дополнительный механизм для изменения упомянутого расстояния.
При этом может быть реализован настраиваемый радиус дугового пути. Настройка может быть ручной или моторизованной и может выполняться либо между использованиями (сеансами сканирования) прибора, либо во время его использования. Таким образом, области сканирования могут быть установлены пользователем в соответствии с потребностью.
Дополнительный механизм может содержать то, что устройство изменения пучка включает в себя:
- одну или более преломляющих или отражающих пучок поверхностей, по меньшей мере одна из которых может быть наклонена относительно первой оси пучка, или
- по меньшей мере две преломляющие или отражающие пучок поверхности, расстояние между которыми может быть изменено.
Наклон поверхности, которая изменяет направление оси пучка, может быть удобным способом с малым форм-фактором для реализации изменения радиуса дугового пути. Например, отражающая поверхность, используемая для поворота оси 31 пучка до оси 34, может быть наклонена для увеличения угла между осями 34 и 32 таким образом, чтобы расстояние 36 увеличилось. Этот принцип может быть также использован в реализации с фиг. 4.
Увеличение, например, расстояния вдоль направления 42 между двумя отражающими поверхностями, одна из которых используется для поворота оси 42 до оси 44, а другая используется для поворота оси 44 до оси 47, будет приводить к увеличению расстояния 46. Этот механизм может требовать только скольжения блоков вдоль оси 42, которое может быть ручным или моторизованным.
Система фокусировки может содержать:
- линзу предварительной фокусировки для увеличения сходимости сканирующего пучка импульсного излучения; и
- линзу фокусировки, имеющую выпуклые поверхности входа излучения и выхода излучения. Линза фокусировки может быть контактирующей с поверхностью линзой (например, контактирующей с поверхностью ткани линзой). Альтернативно, может существовать другое выходное окно, за которым может быть расположена линза фокусировки.
Это расположение обеспечивает систему фокусировки, которая обеспечивает управляемую глубину, при необходимости, управляемую даже во время использования.
Линза предварительной фокусировки может содержать асферическую линзу.
Линза предварительной фокусировки может содержать:
выпуклую поверхность входа излучения; и
плоскую поверхность выхода излучения или выпуклую поверхность выхода излучения со средним радиусом кривизны, большим среднего радиуса кривизны поверхности входа излучения.
Контактирующая с кожей линза может быть образована из стекла BK7 или плавленого кварца.
Внешняя поверхность контактирующей с кожей линзы, предназначенная для контакта с кожей, предпочтительно содержит просветляющее покрытие. Это предотвращает повреждение самой системы фокусировки излучением, отраженным от кожи.
В одном расположении прибор дополнительно содержит электрически настраиваемую линзовую систему перед системой сканирования пучка для обеспечения компенсации аберраций в системе фокусировки. Это позволяет сохранять эффективность LIOB на разных глубинах фокуса.
В первом примере настраиваемая линзовая система содержит электрически настраиваемую полимерную линзу. Тогда настраиваемая линзовая система может дополнительно содержать рассеивающую линзу на выходе электрически настраиваемой полимерной линзы. Эта рассеивающая линза обеспечивает компенсацию исходной формы полимерной линзы.
Во втором примере настраиваемая линзовая система содержит линзу с электросмачиванием.
Прибор может содержать контроллер фокуса для управления расстоянием от системы фокусировки до фокального пятна посредством настройки промежутка между линзой предварительной фокусировки и линзой фокусировки.
Прибор может содержать:
- элемент (90) сжатия пучка, расположенный перед сканером (92) пучка; и
- элемент (40) расширения пучка после сканера 92 пучка;
Сжатие пучка может быть обеспечено перед сканированием пучка, и обеспечение расширения пучка может быть обеспечено после сканирования пучка.
Обеспечен прибор по любому предшествующему пункту формулы изобретения, дополнительно содержащий настраиваемую линзовую систему, расположенную на пути излучения перед системой сканирования пучка, для обеспечения компенсации аберраций в системе фокусировки. Это особенно полезно, когда система фокусировки обеспечивает настраиваемую глубину фокуса. Каждая глубина может требовать отличающейся компенсации аберрации для обеспечения оптимального качества фокуса.
Настоящее изобретение также обеспечивает способ обработки кожи на основе излучения, содержащий:
обеспечение падающего пучка импульсного излучения для обработки кожи посредством лазерно-индуцированного оптического пробоя ткани волоса или кожи;
сканирование пучком, чтобы задать круговой или дуговой путь с использованием призмы, которая реализует сдвиг в боковом направлении пучка посредством поворота призмы вокруг оси падения, вдоль которой проходит пучок излучения, падающий на призму; и
фокусировку падающего пучка излучения в фокальное пятно в ткани волоса или кожи, причем система фокусировки поворачивается вместе с призмой.
Этот способ является не терапевтическим способом, а, в частности, косметическим способом для омоложения кожи или удаления волос. Способ может быть использован для изменения внешнего вида кожи, например, в отношении пигментации, рельефа (уменьшение морщинок).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Примеры настоящего изобретения будут теперь подробно описаны со ссылкой на сопутствующие схематичные чертежи, в которых:
Фиг. 1 схематично показывает прибор для обработки LIOB;
Фиг. 2A-2D показывают примеры дуговых путей, по которым пучок следует при сканировании, реализуемом настоящим изобретением;
Фиг. 3 показывает первую реализацию сканирования пучка по дуговому пути;
Фиг. 4 показывает вторую реализацию сканирования пучка по дуговому пути;
Фиг. 5A-5D показывают призмы для реализации сдвига в боковом направлении пучка в случае, например, реализации с фиг. 4. Они также показывают расширение пучка и крайние положения фокусировки;
Фиг. 6 показывает линзовую карусель для реализации разных положений глубины фокуса;
Фиг. 7А-7С показывают систему фокусировки с фокусом, настраиваемым посредством изменения расстояния между линзами;
Фиг. 8 показывает второй пример линзовой системы для обеспечения компенсации аберраций;
Фиг. 9 показывает пути лучей через систему сжатия пучка, компенсации аберраций, сканирования, расширения пучка и фокусировки;
Фиг. 10 показывает систему с фиг. 1, модифицированную так, что она включает в себя линзовую систему для компенсации аберраций, и
Фиг. 11 показывает прибор согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к прибору для генерирования лазерно-индуцированного оптического пробоя (LIOB) в ткани. Оно может быть, например, прибором для обработки кожи для (косметической) обработки кожи млекопитающих, таких как люди или животные. Прибор содержит источник излучения (обычно и предпочтительно лазер) для обеспечения пучка излучения с интенсивностью, которая пригодна для обеспечения LIOB в ткани, по меньшей мере когда пучок излучения сфокусирован в ткани. Для этой цели система включает в себя систему фокусировки для создания сфокусированного пучка излучения, определяющую фокус, располагаемый за пределами системы фокусировки так, чтобы посредством управления системой фокусировки фокус мог быть расположен в ткани, подлежащей обработке. Предпочтительно, чтобы фокус мог быть, таким образом, расположен под поверхностью ткани, подлежащей обработке.
Прибор также включает в себя систему сканирования пучка, которая выполнена с возможностью сканировать сфокусированным пучком по криволинейному пути над поверхностью ткани, подлежащей обработке. Эта система и вид сканирования обеспечивают плавное перемещение фокального пятна под поверхностью ткани и вдоль нее и могут обеспечить достаточную скорость сканирования заданной площади поверхности.
Система сканирования согласно настоящему изобретению может быть реализована многими путями, некоторые из которых будут описаны здесь ниже. Однако перед подробным описанием настоящего изобретения будет приведено краткое описание одного примера прибора того типа, к которому относится настоящее изобретение, который предназначен для косметической обработки кожи. Прибор для ухода за внешностью или других целей, связанных с обработкой кожи, может быть выполнен, в общем, подобным образом.
Прибор 1 на фиг. 1 выполнен с возможностью обрабатывать ткань 3 (в этом примере, кожу), имеющую поверхность 5 ткани (например, внешнюю поверхность эпидермиса).
Прибор содержит источник 9 излучения, который в этом примере является лазером, для генерирования пучка 11 импульсного лазерного излучения, и оптическую систему 13 для управления фокусированием пучка 11 лазерного излучения в сфокусированный пучок 11' лазерного излучения, который фокусируется в фокальное пятно 15.
Кожа 3 млекопитающего (например, человека) содержит множественные слои с разными оптическими свойствами. Эпидермис состоит из самых внешних слоев и образует водонепроницаемый защитный барьер. Под эпидермисом расположена дерма, которая содержит коллагеновые волокна, на которые направлена обработка прибором 1. Задачей обработки кожи и прибора по настоящему изобретению является создание фокуса 15 пучка 11 импульсного лазерного излучения в коллагене дермы для создания микроскопических повреждений без значительного воздействия на эпидермис. Упомянутые повреждения могут приводить к образованию нового коллагена, и вследствие этого может быть обеспечено омоложение кожи, например, уменьшение морщинок.
Оптическая система и система фокусировки прибора 1, таким образом, выполнены так, что фокальное пятно 15 может быть расположено в целевом положении внутри кожи 3 под поверхностью 5. Таким образом, система фокусировки выполнена так, что фокальное пятно находится за пределами системы фокусировки и на некотором расстоянии от выходного окна/линзы системы. Размер фокального пятна 15 и мощность генерируемого пучка лазерного излучения являются такими, что в фокальном пятне 15 пучок 11 лазерного излучения имеет плотность мощности, которая выше характерного порогового значения для ткани кожи, выше которого, при заданной длительности импульса, может происходить лазерно-индуцированный оптический пробой (LIOB). Система фокусировки также выполнена так, что даже в случае энергий излучения, способных вызывать LIOB, на эпидермис не оказывается значительное воздействие.
Источник излучения выполнен с возможностью обеспечивать пучок лазерного излучения с такой длиной волны или диапазоном длин волн, чтобы поверхность кожи была по меньшей мере частично и предпочтительно практически прозрачной и нерассеивающей для излучения из источника излучения. Это обеспечивает пригодную глубину проникновения излучения в кожу, составляющую вплоть до 3 мм. Источник излучения также выполнен с возможностью обеспечивать достаточную энергию в каждом импульсе для обеспечения явления LIOB в ткани у фокального пятна. Лазер с длиной волны, равной 1064 нм, является предпочтительным типом лазеров, но могут применяться и другие лазеры. Таким образом, в этом примере источник излучения содержит Nd:YAG лазер с модулируемой добротностью, излучающий импульсы лазерного излучения на длине волны около 1064 нм с длительностью импульса примерно 5-10 нс. Однако, как упомянуто выше, могут быть использованы другие лазеры, известные в данной области техники, такие как, например, трехуровневый Nd:Cr:Yag лазер и/или диодные лазеры.
Пример оптической системы 13 содержит дополнительные оптические элементы для управления пучком 11 лазерного излучения, но они не все могут быть необходимы для реализации настоящего изобретения, как будет описано ниже. Таким образом, прибор 1 также включает в себя систему 17 отражения пучка, систему 19 формирования пучка, систему 23 формирования пучка, причем эти системы могут содержать одно или более зеркал, призм, делителей пучка, поляризаторов, оптических волокон, линз, апертур, затворов и т.д., для управления излучением пучка 11 лазерного излучения.
Система 17 отражения пучка в этом случае является дихроичным делителем пучка, но могут быть использованы и другие системы отражения пучка. Системы отражения пучка и формирования пучка обеспечивают расширение или сжатие пучка для обеспечения при необходимости дополнительной сходимости или расходимости пучка.
Система фокусировки в этом случае является высокоапертурной линзовой системой, имеющей одну или более линз. Параметры фокусировки лазерного пучка могут быть определены соответствующими установочными параметрами системы формирования пучка и/или системы фокусировки, например, посредством настройки числовой апертуры системы фокусировки. Пригодные значения для числовой апертуры системы фокусировки могут быть выбраны из диапазона 0,05<NA<nm, где nm является показателем преломления среды на длине волны лазера, во время эксплуатации.
По меньшей мере часть оптической системы 13 и/или пути пучка 11 лазерного излучения может быть окружена светонепроницаемой оболочкой, например, для защиты глаз, например, содержащей непрозрачные трубки и/или одно или более оптических волокон.
Оптическая система также включает в себя систему 21 сканирования пучка, которая выполнена с возможностью управлять пучком 11 так, что сфокусированный пучок 11' и, вместе с ним, фокальное пятно 15, может сканироваться по поверхности 5 кожи 3 для обработки области кожи во время использования прибора 1. Для этой цели, система 21 сканирования может содержать сканирующие призмы.
Системы сканирования приборов уровня техники были выполнены с возможностью сканировать туда и обратно вдоль линейной траектории. Эта конструкция и способ сканирования могут обусловливать трудности во время использования прибора, как будет объяснено ниже.
Например, источник 9 излучения выполнен с возможностью излучать заданное число лазерных импульсов с заданной длительностью импульса (в этом случае ~5 до 10 нс) и частотой повторения импульсов, составляющей, например, 1000 Гц. Поскольку типичный диаметр повреждения LIOB может быть порядка 200 мкм или менее, типичный шаг повреждений, составляющий по меньшей мере порядка 200 мкм, может потребоваться для предотвращения перекрытия повреждений во время обработки. Таким образом, при режиме (способе) обработки, который использует обработку менее чем 100% площади кожи, может потребоваться скорость сканирования, уже составляющая 200 мм/с.
Эта скорость сканирования исключает любые режимы только ручного сканирования вследствие недостатка контроля при применении этих довольно высоких скоростей сканирования в ручном режиме. Дополнительно, для любой стартстопной системы сканирования или системы прямого-обратного сканирования достижение этой скорости сканирования будет трудной задачей вследствие короткого расстояния для ускорения, и может приводить к механическим вибрациям и неэффективному использованию мощности источника излучения (например, лазера). Дополнительно, в таких системах лазер должен быть выключен во время ускорения и замедления системы фокусировки для предотвращения избыточного воздействия на кожу. С другой стороны, легче управляемая меньшая скорость сканирования (вместе с меньшей частотой повторения лазерных импульсов) будет приводить к нежелательному значительному увеличению времени обработки типичных обрабатываемых площадей поверхности.
Для устранения всех этих проблем настоящее изобретение использует сканирование с непрерывным движением по криволинейному пути или траектории, что предотвращает резкие повороты или обращения линейного движения. Упомянутый прибор и, в частности, система сканирования в комбинации с системой фокусировки, выполнены с возможностью реализовывать такое сканирование. В случае такого сканирования с гладкой траекторией увеличенные скорости сканирования могут быть получены без таких недостатков, как сильные вибрации и неэффективное использование возможностей лазера. Это ускоренное сканирование в свою очередь допускает более медленное ручное управление с сопутствующим улучшенным контролем и при этом обеспечивает приемлемые времена обработки для области, подлежащей обработке.
Фиг. 2А и 2В показывают некоторые предпочтительные примеры путей или траекторий с замкнутым контуром, вдоль которых обеспечиваются лазерные импульсы, пригодные для использования с настоящим изобретением. Фиг. 2А и 2В показывают круговой путь 20 и эллиптический путь 21, соответственно. Однако могут быть использованы и другие пути, например, спиральные пути (круговые пути с увеличивающимся или уменьшающимся радиусом). В зависимости от скорости перемещения фокальной точки вдоль траектории и частоты повторения лазерных импульсов множественные события LIOB (показанные звездочками) происходят на заданных взаимных расстояниях вдоль траектории 20 или 21. Таким образом, траектория, так сказать, дискретизируется событиями LIOB. Взаимное расстояние может быть установлено посредством частоты повторения лазерных импульсов в комбинации со скоростью сканирования. Фиг. 2C и D показывают, как перемещение вдоль направлений 22 и 23 может быть использовано для покрытия области обработки. На этом чертеже осуществляют сканирование по траектории с замкнутым контуром, после чего центр сканирования смещают (например, посредством перемещения системы фокусировки) для обеспечения второго сканирования, и т.д. На практике, однако, смещение и сканирование могут быть непрерывными, так что окружности или эллипсы будут заменяться непрерывным повторяющимся движением, сходным с движением на фиг. 2C и D. Таким образом, форма траектории вместе с направлением смещения определяют форму области, подлежащей обработке. В то время как в случае круговой траектории такая форма области (полоса области обработки с шириной, равной диаметру окружности) не зависит от направления 22 перемещения вследствие круговой симметрии, это не так, например, для эллиптической траектории. Последняя траектория обеспечивает области обработки, которая является более широкой при смещении в направлении 22 по сравнению со смещением в направлении 23. Это может быть предпочтительным, когда должны обрабатываться узкие и широкие области. Тот же самый эффект может быть получен с использованием кругового смещения, но тогда должен настраиваться диаметр (радиус) окружности, возможно, в комбинации с расстоянием повторения LIOB вдоль траектории, для сохранения одной и той же плотности области LIOB в пределах поверхности.
Таким образом, быстрый поворот может быть использован вместе с лучше управляемым менее быстрым смещением для покрытия некоторой области, в то время как частота повторения импульсов может сохраняться относительно высокой для обеспечения достаточной плотности повреждений в пределах этой области. Конечно, скорость поворота, радиус поворота и/или частота повторения импульсов могут настраиваться для коррекции различий в радиусе так, чтобы плотность повреждений (одно повреждение на каждый импульс) все же была равномерно распределена вдоль спиральной траектории.
2
В качестве примера критериев скоростей сканирования и смещения может быть принято во внимание следующее. Существует минимальная скорость поворота, связанная с частотой повторения импульсов лазера и размером генерируемых повреждений. Рассмотрим размер повреждений, составляющий, например, 100 мкм, и частоту повторения импульсов, составляющую 1000 Гц. Скорость движения по траектории сканирования (линейное движение в уровне техники) должна тогда составлять по меньшей мере 100 мм/с для предотвращения перекрытия повреждений. В качестве одного примера, в случае головной части прибора с размером поперечного сечения, равным 1,5 см, в случае кругового сканирования пучком (фокусом) с радиусом около 0,75 см, для обеспечения таких скоростей может потребоваться скорость поворота, приблизительно равная 2 полным оборотам в секунду или более. Скорость ручного движения для смещения тогда должна составлять по меньшей мере 0,2 мм/с снова для предотвращения перекрытия. Это может предполагать 100%-покрытие (которое, вероятно, было бы слишком высоким для единственной обработки). Более вероятно, что ручное движение может быть более быстрым (например, 2-5 мм/с), тогда как типичные размеры повреждений могут быть меньшими (например, > 50 мкм) в зависимости от энергии лазера и глубины обработки. Для обеспечения 10%-покрытия (в одном проходе можно использовать, например, скорость поворота, равную ~ 6 оборотов в секунду, и ручное движение со скоростью ~ 0,5-1,5 мм/с, предпочтительно 0,6-1,2 мм/с. Эти фигуры масштабируются линейно в зависимости от частоты лазерных импульсов. В случае таких параметров обработка площади 100 см с 10%-плотностью повреждений LIOB будет занимать приблизительно 7,5 минут. Но следует отметить, что уменьшение частоты импульсов вызывает уменьшение скорости поступательного движения для сохранения покрытия в единственном проходе. Следовательно, общее время обработки области увеличивается.
На фиг. 2А события LIOB имеются вдоль всего пути с замкнутым контуром. Однако в случае сканирования с фиг. 2С это может означать, что двойные события LIOB могут иметь место в одном пятне вследствие смещения. Для предотвращения этого, источник излучения может быть выключен или блокирован с использованием затвора, например, по меньшей мере для части кривой. Фиг. 2В показывает, что события LIOB происходят только на одной половине пути сканирования. Сканирование в направлении 22 теперь не приведет к перекрытию событий LIOB.
Согласно настоящему изобретению, система сканирования выполнена с возможностью обеспечивать сканирование или управление пучком для реализации плавного сканирования фокусом в пределах данной области. Система сканирования пучка, например, прибора с фиг. 1, может быть заменена системой сканирования пучка согласно настоящему изобретению. Другие реализации будут описаны здесь ниже.
Фиг. 3 показывает первую конструкцию системы сканирования для обеспечения этой реализации. Система 30 сканирования пучка включает в себя оптическое устройство 31 для приема и управления пучком 11 импульсного излучения, который приходит от источника излучения и входит в оптическое устройство вдоль первого направления 32. Оптическое устройство 31 выполнено с возможностью изменять первое направление 32 на второе направление 34, которое является отличным от первого направления, таким образом, чтобы из оптического устройства 31 выходил перенаправленный пучок 11'' импульсного излучения. Перенаправленный пучок 11'' импульсного излучения фокусируется системой 23 фокусировки в фокальный пучок 11' с фокальным пятном 15. Как описано выше, во время использования, фокальное пятно 15 расположено в ткани 3 под поверхностью 5 ткани. В этом примере, оптическое устройство 31 поворачивается вместе (синхронно) с системой 23 фокусировки вокруг оси 33. Следовательно, сфокусированный пучок 11' и фокальное пятно 15 также поворачиваются вокруг этой оси и при этом реализуют поворотную траекторию по поверхности 5 (см. например, фиг. 2A - 2D). Фокальное пятно поворачивается с радиусом 36 вокруг этой оси. Этот радиус может соответствовать радиусу 0,75 см головной части прибора, упомянутой в связи с фиг. 2. Во время поворота радиус может быть постоянным для реализации траекторий, таких как траектории на фиг. 2А, но альтернативно радиус может изменяться между крайними значениями, например, для реализации траекторий, таких как траектории фиг. 2В. Вышеупомянутое ручное или механическое смещение местоположения оси смещения по поверхности может быть теперь использовано для хорошего контроля обработки некоторой области, как объяснено со ссылкой на фиг. 2.
В этом примере, линзовая система 23 немного наклонена для приспособления к наклонному направлению 34 (наклоненному по отношению к направлению 32). Это не всегда так, но предпочтительно для наиболее эффективной фокусировки.
Пучок 11 показан как параллельный пучок, однако это не обязательно должно быть так для реализации настоящего изобретения. Сходящийся или расходящийся пучок может быть перенаправлен с хорошим результатом, поскольку затем может быть обеспечена хорошая фокусировка.
Оптическое устройство 31 может содержать или состоять из одного или более зеркал для перенаправления импульсного пучка 11. Альтернативно или дополнительно может быть использована одна или более призм (например, треугольных призм). Предпочтительно использовать элементы, которые не приводят к потерям излучения, т.е. которые работают на основе полного внутреннего отражения так, что все излучение в конце концов перенаправляется в направлении 34. Для этой цели может быть использована призма.
В примере с фиг. 3 система 23 фокусировки поворачивается синхронно с системой сканирования. Она может быть, таким образом, установлена на независимом поворотном устройстве, которое приводится в движение синхронно с поворотом оптического устройства 31. Однако легче прикрепить ее к поворотному механизму оптического устройства 31. Это обеспечивает простой способ хорошего, стабильного оптического выставления системы фокусировки и системы сканирования, что является важным, когда используются высокие энергии, и управление глубиной фокуса должно быть точным. Однако это не предполагает осуществления развертки системы фокусировки над поверхностью кожи. Альтернативой, которая может предотвратить такую развертку, является альтернатива, в которой система фокусировки содержит более двух, и предпочтительно большее множество линз вдоль траектории поворота сфокусированного пучка 11'. Со ссылкой на фиг. 2А, например, число линз, равное требуемому числу событий LIOB (звездочек), может быть выбрано так, чтобы могло быть обеспечено поворотное движение. Тогда минимально следует использовать три линзы. Эти линзы могут не поворачиваться вместе с системой сканирования, поскольку поворот пучка и частоту повторения импульсов выбирают так, чтобы каждый раз, когда приходит следующий лазерный импульс, система сканирования была выставлена с одной и, предпочтительно, следующей или более поздней, линзой в линию. Это может потребовать, например, частоты поворота, которая является частотой импульсов, деленой на кратное число линз. Система обратной связи может быть использована для коррекции выставления. Однако система фокусировки, поворачивающаяся вместе с системой сканирования, является предпочтительной.
Может быть предпочтительным, чтобы система фокусировки и, в частности, ее выходная линза, была размещена на поверхности так, чтобы ось ее линзы была вертикальной (не наклонена относительно) к поверхности для обеспечения плавного перемещения над поверхностью, которая может быть неплоской, и обеспечения при этом хорошего управления глубиной фокуса. Фиг. 4 показывает систему сканирования для реализации этого. Таким образом, система 40 сканирования пучка включает в себя оптическое устройство 41 для приема и управления пучком 11 импульсного излучения, который входит в оптическое устройство вдоль первого направления 42. Оптическое устройство 41 выполнено с возможностью изменять первое направление 42 на второе направление 44, которое является отличающимся от первого направления. Однако, перед выходом из оптического устройства 41, пучок со вторым направлением 44 перенаправляется еще раз в третьем направлении 47, которое в этом случае параллельно первому направлению 42, так что пучок 11'' импульсного излучения выходит из оптического устройства 41 так, что этот пучок смещен в боковом направлении или сдвинут относительно пучка 11, входящего в оптическое устройство 41. Сдвиг происходит вдоль направления 48, которое может быть перпендикулярным оси 43 поворота и первому направлению 42 пучка 11. Сдвинутый пучок 11'' импульсного излучения затем фокусируется системой 23 фокусировки в фокальный пучок 11' с фокальным пятном 15.
Как описано выше, во время использования прибора, имеющего эту систему сканирования, фокальное пятно 15 расположено в ткани 3 под поверхностью 5 ткани. В этом примере, оптическое устройство 41 снова поворачивается вместе (синхронно) с системой 23 фокусировки вокруг оси 43. Следовательно, сфокусированный пучок 11' и фокальное пятно 15 также поворачиваются вокруг этой оси и при этом реализуют поворотную траекторию по поверхности 5 (см. например, фиг. 2). Фокальное пятно поворачивается с радиусом 46 вокруг оси 43. Ручное или механическое смещение местоположения оси смещения по поверхности может быть теперь использовано для проведения с хорошим управлением обработки некоторой области, как объяснено со ссылкой на фиг. 2. Использование этой системы сканирования может быть подобным использованию, описанному в случае примера с фиг. 3.
В отличие от системы сканирования с фиг. 3 система сканирования с фиг. 4 обеспечивает то, что ось выходной линзы системы фокусировки расположена вертикально к поверхности. Это может быть так, поскольку оптическое устройство выполнено так, что третье направление 47 пучка 11'' является таким, что пучок 11 параллелен пучку 11'', но по меньшей мере частично не совпадает с ним. Однако, на фиг. 4, этот пучок не обязательно должен быть параллельным для реализации настоящего изобретения, а может быть наклонным относительно вертикали к поверхности 5. Это может снова приводить к ситуации с фиг 3.
Если бы пучки с фиг. 3 или 4 были наклонными, то тогда могло бы быть использовано выпуклое контактное окно, напротив которого кожа могла бы быть сжата, и на внутренней стороне которой могла бы поворачиваться линза.
В оптическом устройстве с фиг. 4 для перенаправления пучка могут быть использованы зеркала. Альтернативно, могут быть использованы призмы. Снова предпочтительны элементы полного внутреннего отражения.
Системы 30 и 40 сканирования могут быть выполнены с возможностью допускать изменение радиуса 36 или 46 поворота между сеансами использования или непрерывное их изменение. Одним путем осуществления этого является реализация механизма, который допускает наклон 39 или 49 посредством, например, поворота оптического устройства 31 или 41 так, чтобы направления 34 или 47 наклонялись соответствующим образом. Альтернативно и предпочтительно, чтобы, когда пучок 47 должен сохранять одно и то же направление при разных радиусах 46, оптическое устройство 41 могло быть выполнено с возможностью допускать изменение смещения 48 в боковом направлении. Это может быть, например, реализовано посредством увеличения расстояния, измеряемого вдоль направления 42, между элементами для первого перенаправления и второго перенаправления пучка так, чтобы пучок 11 перемещался на большее расстояние вдоль направления 44. Для этого могут быть использованы взаимно сдвигаемые зеркала или призмы. Такое управление расстоянием может ручным или моторизованным с использованием, например, программного средства оборудования и т.д. Другие варианты могут быть использованы без потери адаптивности радиуса.
Фиг. 5А показывает первую конструкцию согласно фиг. 4 на основе ромбоидной призмы 50 в качестве части оптического устройства. Две противоположные торцевые поверхности 50a, 50b функционируют в качестве поверхностей полного внутреннего отражения. Они расположены под углом 45 градусов к направлению падающего пучка, совпадающему с первым направлением 42 пучка 11 импульсного излучения. Два внутренних отражения в призме обеспечивают сдвиг в боковом направлении падающего пучка 11 таким образом, что выходной пучок 11'' параллелен входному пучку, но сдвинут в боковом направлении относительно него. Посредством поворота призмы вокруг оси, перпендикулярной направлению сдвига в боковом направлении, и, таким образом, параллельной направлению падающего пучка, выходной пучок 11'' развертывается по круговому пути. Упомянутый поворот происходит вокруг оси входного пучка 11. Радиусом развертываемой окружности является длина ромбоида. Ромбоидные призмы могут быть при необходимости изготовлены с просветляющими покрытиями на гранях.
Фиг. 5В показывает вторую конструкцию призмы. Эта конструкция содержит призму 52 Дове. Две торцевые поверхности 52a, 52b функционируют в качестве преломляющих поверхностей раздела, и нижняя поверхность 52с функционирует в качестве поверхности полного внутреннего отражения. Упомянутые торцевые поверхности расположены по углом 45 градусов к падающему излучению. Два преломления и единственное полное внутреннее отражение в призме снова обеспечивают сдвиг в боковом направлении падающего пучка, так что выходной пучок параллелен входному пучку, но сдвинут в боковом направлении относительно него. Посредством поворота призмы вокруг оси, перпендикулярной направлению сдвига в боковом направлении, и, таким образом, параллельной направлению падающего пучка, выходной пучок 11'' развертывается по круговому пути. Упомянутый поворот происходит вокруг оси входного пучка. Величина смещения пучка зависит от положения падающего пучка относительно входной поверхности 52а призмы Дове и от размера призмы. Призму поворачивают вокруг основного падающего пучка. Просветляющие покрытия снова могут быть нанесены на наклоненные поверхности для уменьшения потерь на отражение.
Использование поворачивающейся призмы, как и в случае вариантов осуществления с фиг. 5, предотвращает проблемы с выставлением, уменьшает риск оптического повреждения и создает меньше проблем, связанных с уменьшением стабильности, чем в случае отклонения на основе зеркал с покрытием.
Существуют многие другие конструкции призм, которые могут быть использованы. Однако, две конструкции, описанные выше, являются особенно полезными, поскольку они используют полное внутреннее отражение. В частности, в случае, когда для LIOB требуются пучки излучения с высокой плотностью энергии, предпочтительно использовать полное внутреннее отражение и соответствующий высокий порог повреждения и очень низкие потери, что делает эти конструкции особенно полезными для того применения, в котором используется излучение с высокой плотностью энергии.
Ромбоидная призма имеет минимальное смещение пучка, равное внутренней апертуре ромбоида. Однако призма Дове может практически перекрывать падающий и излучаемый пучок и обеспечивает меньший радиус сканирования, чем у ромбоида, и, дополнительно, фактическая величина смещения пучка является настраиваемой даже после изготовления призмы посредством выбора положения входного пучка излучения относительно формы призмы Дове.
Преимущество ромбоида состоит в том, что за исключением искажения поляризации на поверхностях полного внутреннего отражения, он оптически представлен толстой пластиной из стекла, что уменьшает влияние этой призмы на аберрации в сходящемся и расходящемся пучках. Дополнительно, для заданной величины смещения пучка и незатененной апертуры, ромбоид имеет минимальный вес, поскольку длина призмы Дове обычно должна быть приблизительно в четыре раза большей, чем поперечное сечение незатененной апертуры.
Упомянутая призма имеет соответствующий вес, который должен сохраняться минимальным, например, в целях обеспечения равновесия во время поворота. Для этой цели, пучок расширяют непосредственно после отклонения призмой с использованием комбинации плоско-вогнутой линзы (например, с f=12,0 мм) и плоско-выпуклой линзы (например, с f=30 мм), которые вместе образуют расширяющую линзу 40, обеспечивающую расширение пучка в 2,5 раза. Таким образом, диаметр пучка, проходящего через призму, может сохраняться относительно малым, что обеспечивает возможность применения малоразмерных призм.
Как упомянуто выше, могут быть использованы зеркала, но использование зеркал с этим высокоинтенсивным излучением может потребовать специальных сильноотражающих покрытий и подложек для зеркала, тогда как ромбоидная призма основана исключительно на полных внутренних отражениях и требует, возможно, только простых просветляющих покрытий на входной и выходной поверхностях призмы. Другими устройствами для отклонения пучков являются акусто/электро-оптические устройства, жидкие кристаллы, и т.д., но они, как правило, являются дорогостоящими, имеют потери, и/или склонны к повреждению от лазерного излучения.
Система сканирования или поворотная часть системы сканирования, например, поворотные призмы, предпочтительно, механически уравновешивается для предотвращения вибраций. Для этой цели, поворотные части могут быть расположены и/или выполнены с использованием или без использования дополнительной весовой балансировки, таким образом, чтобы ось поворота совпадала с осью инерции поворотных частей. Опора для поворота необходимых частей может быть подвешена на шарикоподшипниках и может соединяться прямо с ротором двигателя для минимизации влияния установочных параметров коррекции аберраций на эффективную числовую апертуру сфокусированного излучения. Однако могут быть использованы и другие типы уравновешивания, а также могут быть использованы другие способы обеспечения плавного движения, например, способы с магнитной опорой или гидродинамическим подшипником.
Фиг. 5А показывает пути лучей через ромбоидную призму 50, через рассеивающую пучок расширяющую линзу 56 (например, в 2,5 раза) и через систему 23 фокусировки. Фиг. 4(b) показывает пути лучей через призму 52 Дове, через рассеивающую пучок расширяющую линзу 56 и через систему 23 фокусировки. Следует отметить, что показано, что система 23 фокусировки содержит пару линз. Эта двухлинзовая конструкция сама по себе не является обязательной для реализации настоящего изобретения, но может обеспечить хорошую фокусировку.
Для приспособления к сканированию малых областей поворотное сканирование может быть реализовано в режиме с чередованием, когда скорость обработки автоматически адаптируется к мгновенной скорости сканера. Таким образом, непрерывный поворот в одном направлении затем переключается на поворот туда и обратно на протяжении только части полного оборота устройства. Альтернативно, поворот может сохраняться непрерывным, но лазер выключают или блокируют с использованием затвора или диафрагмы таким образом, чтобы он обеспечивал импульсы для кожи только вдоль заданной меньшей части кривой сканирования. Например, как показано на фиг. 2В, сканирование продолжается по замкнутому контуру, но импульсы LIOB обеспечиваются только во время прохождения половины контура. Могут быть установлены другие определенные сегменты контура, если это потребуется для области, подлежащей обработке. Таким образом, в таких вариантах осуществления настоящего изобретения прибор также способен выполнять прямое-обратное сканирование, но вдоль криволинейного пути. Вибрации, связанные с поворотным перемещением туда и обратно являются значительно меньшими, чем вибрации, вызываемые линейным перемещением туда и обратно.
Подход сканирования с чередованием может быть основан на любой стартстопной системе сканирования, которая обеспечивает требуемую скорость сканирования на протяжении короткого расстояния ускорения, в то время как скорость обработки (определяемая размером малого окна обработки) адаптируется автоматически. Одна из реализаций основана на конструкции CD/DVD-оптики, реализующей подход составной оптики с механическим сканированием линзы с использованием приводов от шаговых двигателей.
Фиг. 6 показывает способ реализации настройки глубины фокуса с использованием системы фокусировки с линзами 61 и 62, установленными на держателе 60. В этом примере показаны две линзы, но может быть использовано более двух линз. Каждая из линз обеспечивает отличающуюся глубину фокуса. Опора 60 и линзы в этом случае поворачиваются вместе со сканером вокруг оси 43 во время сканирования. Если линзу 61 должна быть заменена линзой 62, то опора 60 повернется относительно устройства 41. Таким образом, линзы расположены вокруг кругового пути, и система меток обеспечивает позиционирование относительно системы 21 сканирования. Другой зажимной механизм может быть использован для поворота во время смены линз и для фиксации линзы во время сканирования устройством. Могут быть использованы другие способы настраиваемой фиксации линз на данном пути. Настройка может быть ручной, а также моторизованной и управляемой контроллером, например, контроллером 25.
Система фокусировки или ее линзовая часть и/или система сканирования предпочтительно удерживаются системой подвески, отслеживающей контур поверхности, которая позволяет по отдельности или совместно подпружинить выходное окно, линзу или множественные линзы для обеспечения отслеживания контура во время поворотного сканирования и/или смещения при использовании прибора. В частности, в случае сканирования прибором в контактном режиме, это является предпочтительным тем, что позволяет поддерживать уместный контакт при сканировании рельефных поверхностей, таких как кожа, и минимизировать дискомфорт.
Альтернативный способ реализации фокусирования на множественных глубинах в комбинации со сканированием по настоящему изобретению описан в связи с фиг. 7А-7С, в которых система 23 фокусировки показана в виде пары линз. Например, фиг. 5С и 5D показывают местоположение такой системы 23 фокусировки относительно призм системы сканирования. Двухлинзовая система позволяет настраивать фокальное положение, а также обеспечивает оптимальную связь с кожей. Двухлинзовая система может поворачиваться вместе с системой сканирования, и можно избежать многофокусного решения фиг. 6 с множеством линз. Также, система фиг. 7А-С может обеспечить непрерывно управляемую глубину фокуса.
Подробности конструкции системы фокусировки с множественным линзами были описаны в неопубликованной заявке на европейский патент № 16183299.3 (под номером 2016P00580EP патентного реестра), которая включена в настоящий документ по ссылке, и эта система будет только кратко описана здесь ниже по этой причине.
Таким образом, система фокусировки содержит комбинацию выходной линзы 70 и линзы 72 предварительной фокусировки.
Линза 70 изготовлена из оптического стекла, например, с числом Аббе в диапазоне от 50 до 85. Например, может быть использовано стекло боросиликатный крон, известное как BK7. Альтернативно, может быть использована линза из плавленого кварца. Могут быть использованы и другие материалы, но упомянутые материалы являются эффективными. Упомянутые материалы являются, в общем, прозрачными для пропускаемой длины волны (например, излучения Nd:YAG-источника с длиной волны 1064 нм) и имеют высокий порог повреждения. Линза 70 содержит двояковыпуклую линзу, например, двояковыпуклую линзу из плавленого кварца с просветляющим покрытием 71 на обеих сторонах выходной части линзы, подходящим для мощного лазера с длиной волны 1064 нм.
Линзы на каждой стороне конструкции имеют одинаковую кривизну и конструкцию.
Линза 72 содержит доступную для приобретения асферическую линзу, о которой известно, что она при эксплуатации способна выдерживать интенсивность лазерного излучения. Задача линзы 72 состоит в преобразовании почти коллимированного излучения, выходящего из системы сканирования (см. фиг. 1), в излучение с требуемым углом сходимости.
Соответствующие асферические линзы известны своим использованием с лазерными диодами, фотодиодами и системами волоконных соединений, а также в области оптической записи данных. Например, соответствующие линзы изготавливаются компанией LightPath Technologies Inc.
Линза 72 имеет выпуклую поверхность 74 входа излучения и плоскую поверхность 76 выхода излучения или же выпуклую поверхность 76 выхода излучения с линзовой поверхностью с большим радиусом кривизны, чем у поверхности входа излучения.
Промежуток между двумя линзами 70, 72 является настраиваемым для изменения глубины фокуса. Таким образом, существует контур управления между контроллером 25 прибора согласно настоящему изобретению и системой 23 фокусировки, как показано на фиг. 1. Настройка показана на фиг. 7В и 7С. Расстоянием между линзами можно, например, управлять для обеспечения набора фиксированных глубин фокусировки или непрерывно изменяющейся глубины фокусировки либо вручную, либо на основе обратной связи.
Фиг. 7В показывает первый, нулевой промежуток между двумя линзами, который соответствует максимальной глубине фокуса, например, около 750 мкм. Фиг. 7С показывает максимальный промежуток между двумя линзами, который соответствует минимальной глубине фокуса, например, около 200 мкм.
Комбинация двух линз вводит некоторые ограничения в отношении пользовательской спецификации. Это связано с ограниченным свободным рабочим расстоянием асферической линзы 72 в сочетании с ограничениями на минимально достижимую толщину линзы 70.
Например, максимально достижимая глубина обработки внутри дермы может быть ограничена, приблизительно, 750 мкм, как упомянуто выше.
Следовательно, может потребоваться коррекция сходимости излучения, падающего на линзу 72, с учетом поправки на этот эффект, т.е. требуется слабосходящийся падающий пучок.
Возможность изменения фокуса для обработки с множественными глубинами означает, что может потребоваться обеспечить некоторую коррекцию аберраций для их компенсации, т.е. относительный сдвиг в расстоянии между двумя линзами предполагает, что может потребоваться обеспечить некоторую коррекцию аберраций для их компенсации. Примеры того, как можно реализовать эту коррекцию аберраций, приведены ниже. Подробное описание того, как можно реализовать коррекцию аберраций, обеспечено в неопубликованной заявке на европейский патент № 16183301.7 (под номером 2016P00581EP патентного реестра), которая включена в настоящий документ по ссылке, и эта система будет только кратко описана здесь ниже по этой причине.
Таким образом, коррекция аберраций может быть реализована в различных точках в лазерном пучке прибора по настоящему изобретению, например, до или после формирования пучка (системой 19 формирования пучка). Дополнительно, система 19 формирования пучка может быть реализована системой 23 фокусировки так, чтобы только коррекция аберраций обеспечивалась между системой 17 отражения пучка и системой 21 сканирования.
Для коррекции сферической аберрации, которая предполагается при фокусировании на разных глубинах, расходимость пучка, падающего на сканирующие призмы системы 21 сканирования, может быть сделана настраиваемой. Самым простым решением может состоять в том, чтобы позволить пользователю настраивать расходимость пучка посредством управления одним или более положениями линз. Однако, поскольку размещение этих линз является довольно критическим, и система должна эксплуатироваться пользователями без опыта работы с лазерной оптикой, было бы лучше реализовать некоторую форму автоматической коррекции, которая настраивает положение или оптическую силу линзы в зависимости от выбранной глубины фокуса, или даже «на лету», например, в зависимости от интенсивности вспышек LIOB. Второй аспект настоящего изобретения относится к коррекции аберраций.
Поскольку моторизованное фокусирование обычно занимает много пространства и является механически сложным и обычно слишком медленным для приспособления к динамическим изменениям, адаптивный оптический элемент является предпочтительным. Двумя примерами пригодных адаптивных оптических элементов являются электрически настраиваемые линзы, такие как электрически настраиваемая полимерная линза с низкой дисперсией, управляемая устройством с электродинамическим сервоприводом, и линза с жидкостной фокусировкой. Подробное описание таких линз приведено, например, в неопубликованной заявке на европейский патент №16183301.7.
Фиг. 8 показывает изменяемую линзовую конструкцию на основе полимерной линзы, включающую в себя блок 80 управления (электродинамический сервопривод), полимерную линзу 82 и дополнительную рассеивающую линзу 84. Рассеивающая линза 84 компенсирует общее фокусное расстояние собирающей полимерной линзы таким образом, что излучение 11 будет все еще почти коллимированным после прохождения через эти две линзы. Дополнительная рассеивающая линза 84 используется для обеспечения того, чтобы пучок был настраиваемым в соответствующем диапазоне между сходящимся и немного расходящимся. Полимерная линза содержит корпус, который содержит электродинамический сервопривод и соответствующие механизмы, и некоторое количество окон для защиты чувствительной поверхности полимера от внешних воздействий.
Целью настройки является компенсация аберраций, вызванных полной оптической системой. Система фокусировки фактически содержит некоторое количество линз и саму кожу. Эта система может изменяться вследствие нескольких причин:
(i) Пользователь или оператор выбирает другой набор линз фокусировки для изменения глубины обработки внутри кожи.
(ii) На падающий лазерный пучок воздействуют изменения, происходящие вследствие, например, изменений рабочей температуры.
(iii) Профиль показателя преломления в обрабатываемой коже изменяется вследствие других уровней гидратации и т.д.
Настройка может немного изменять расходимость пучка, падающего на линзы объектива (и при этом обычно сохраняет неизменным диаметр пучка), что может быть использовано для уменьшения влияния эффектов, упомянутых выше, на качество фокусирования. Дополнительно, оптическое моделирование показало, что посредством использования инструментов такого рода также могут быть эффективно уменьшены аберрации более высоких порядков (в частности, сферические аберрации 3-го порядка).
Настройка управляет глубиной фокуса посредством компенсации аберраций посредством введения дополнительной сходимости или расходимости.
Изменяемую линзовую конструкцию размещают перед асферической линзой 72 системы 23 фокусировки.
Для ограничения влияния изменяемой расходимости на диаметр пучка, падающего на асферическую линзу 72 системы 23 фокусировки, элементы для коррекции аберраций размещают как можно ближе к входу в систему 21 сканирования, в результате чего ограничивается размер пространства, которое доступно для размещения механических компонентов и сканирующих двигателей. Таким образом, система коррекции может быть частью наконечника прибора.
Фиг. 9 показывает ход луча через линзу 90 с электросмачиванием, используемую для коррекции аберраций. Эта линза вносит очень малую сходимость. Для этой линзы не требуется никакой дополнительной компенсации исходной кривизны. Вместо этого может потребоваться, чтобы эта линза вносила малую расходимость. Падающий пучок является почти коллимированным, и требуемая коррекция обычно является малой.
Фиг. 10 показывает ход луча через полный комплект всех оптических элементов. Эти элементы включают в себя блок 100 3x-сжатия пучка и рассеивающую линзу 102, которые вместе уменьшают размер пучка так, чтобы могла быть использована меньшая призма, а также реверсируют расширение пучка, используемое в манипуляторе, который, при наличии, соединяет наконечник с источником лазерного излучения. Входной пучок, например, имеет диаметр 6 мм. Показан блок коррекции аберраций (включающий в себя части 80, 82, 84 фиг. 8), призма 52 Дове (вместо нее в сканере может быть оптическое устройство другого типа), расширитель 104 пучка и настраиваемая система 23 фокусировки.
Фиг. 11 показывает систему по настоящему изобретению, модернизированную так, что она включает в себя настраиваемую линзовую систему 100 для коррекции аберраций системы 23 фокусировки. Настраиваемая линзовая система 100 управляется контроллером 25 одновременно с настройкой установочного параметра глубины фокуса системы 23 фокусировки, так что коррекция аберраций согласуется с установочным параметром системы 23 фокусировки. Настраиваемая линзовая система 100 обеспечена на входе системы 21 сканирования. Таким образом, она не обязательно должна поворачиваться вместе с системой сканирования.
Таким образом, система коррекции аберраций, которая может быть объемной и тяжелой, не обязательно должна осуществлять сканирование вместе с системой 23 фокусировки (линзами объектива), что могло бы затруднить сканирование с высокими скоростями и с непрерывным движением вследствие необходимости скольжения электрических контактов и т.д., и поскольку это движение могло бы также вызывать вибрации самих настраиваемых линз. Линзы фокусировки и опоры, образующие систему 23 фокусировки, весят всего несколько грамм. Полимерная настраиваемая линза, например, весит всего лишь десятки грамм, если исключить соответствующие опоры и плоско-вогнутые линзы.
Системы с фиг. 1 и 10 имеют один конкретный набор оптических компонентов между лазером и системой фокусировки. Однако предполагается, что это расположение не является ограничением. Система обратной связи по настоящему изобретению может быть использована в других системных конфигурациях с меньшим или большим числом компонентов.
Коррекция аберраций представляет особый интерес для электрически настраиваемой системы фокусировки, такой как система, описанная выше. Однако коррекция аберраций может быть также использована в связи с механически настраиваемой системой фокусировки, такой как система, показанная на фиг. 2.
В частности, не всеми аберрациями можно управлять посредством выбираемого набора настроек, так что точная настройка может быть желательной в зависимости от конкретного случая или в динамическом режиме.
Система коррекции аберраций сама по себе не имеет достаточную мощность для значительного влияния на глубину фокусировки.
В случае прибора согласно настоящему изобретению система фокусировки и предпочтительно также система сканирования и/или система 19 управления пучком и система 17 отражения пучка могут быть частью ручного прибора или элемента, который может удерживаться пользователем во время обработки субъекта.
В таком случае может существовать манипулятор между источником 9 лазерного излучения и системой 17 отражения пучка для направления излучения источника к наконечнику. Также могут быть использованы другие способы обеспечения излучения от источника для наконечника или системы сканирования.
Источник 9 излучения может управляться необязательным контроллером 25, который может обеспечивать пользовательский интерфейс для установки параметров прибора и/или обеспечения обратной связи с пользователем во время обработки. Пользовательский интерфейс может иметь аппаратное или программное средство с кнопками и ручками. Также, одна или более частей оптической системы 13 могут управляться необязательным контроллером (не показан), который может быть объединен с контроллером 25 источника излучения для управления одним или более свойствами целевого положения и/или фокального пятна.
Система 17 отражения пучка может содержать дихроичный делитель пучка, который отражает лазерное излучение, но пропускает излучение видимой длины волны. Таким образом, излучение видимой длины волны, отраженное от кожи 3, возможно, сгенерированное событием LIOB, захватывается оптической системой и обеспечивается в качестве сигнала 25 обратной связи, который может быть использован для управления системой либо вручную, либо автоматически. Такая система обратной связи не является обязательной для реализации настоящего изобретения, но является предпочтительной для управления глубиной фокуса и т.д., при необходимости. Глубина фокусирования, обеспечиваемая системой 23 фокусировки, предпочтительно является настраиваемой. Таким образом, она может быть основана на сигнале 25 обратной связи. Таким образом, также могут быть использованы другие типы обратной связи на основе излучения.
Обратная связь может быть использована для наблюдения за тем, какая область обрабатывалась или обрабатывается в некоторый момент времени. Устройство отслеживания площади поверхности может быть использовано для отображения тех областей, которые были обработаны.
Обработка кожи может содержать процесс бритья с удалением волос. Во время использования, система 23 фокусировки перемещается над поверхностью кожи, которую необходимо побрить. Система фокусировки образует выходное окно для обеспечения возможности выхода падающего пучка излучения из прибора. Система фокусировки затем образует оптическое лезвие.
Обработка кожи может содержать прибор для омоложения кожи для уменьшения морщинок, которые могут появиться на коже человека в результате нормальных процессов старения. Во время использования, фокусирующий элемент прижимают к коже или удерживают вблизи кожи, подлежащей обработке. Выходное окно, образованное системой фокусировки (часть выходной линзы в этом примере) удерживают параллельно коже, и падающий пучок выходит из выходного окна и входит в кожу в направлении, практически перпендикулярном поверхности кожи.
Самый внешний слой эпидермиса является роговым слоем эпидермиса, который, вследствие своих микроскопических флуктуаций шероховатости, затрудняет оптическую связь (переход излучения) между прибором 1 и кожей 3. По этой причине, связующая текучая среда предпочтительно обеспечивается между системой фокусировки (выходной линзой или окном) и кожей, причем ее показатель преломления должен соответствовать показателю преломления кожи и/или выходной линзы системы фокусировки. Иммерсионная текучая среда может быть обеспечена между системой фокусировки и поверхностью (кожи). Предпочтительно использовать иммерсионную текучую среду с показателем преломления, близким к показателю преломления контактирующей с кожей линзы системы 23 фокусировки и кожи или волос, где должно происходить LIOB. Для этой цели пригодны текучие среды с показателем преломления от примерно 1,4 до примерно1,5. Также вода, хотя она и имеет несколько меньший показатель преломления, равный 1,33, может для некоторых приборов и применений быть пригодной иммерсионной текучей средой.
Альтернативный способ вывода лазерного излучения из прибора (например, выходного окна, такого как линза) в кожу описан в документе WO2013/128380. В этом случае, оптическую фольгу (со ссылочной позицией 14 на фиг. 1 документа WO2013/128380), прозрачную для лазерного излучения, используют со связующей текучей средой (со ссылочной позицией 13 на фиг. 1 документа WO2013/128380) между линзой или выходным окном и прозрачной фольгой и со связующей текучей средой (со ссылочной позицией 15 на фиг. 1 документа WO2013/128380) между кожей и оптической фольгой. Текучая среда 13 может все же допускать поворот выходной линзы поверх связующей фольги, в то время как фольга является более или менее неподвижной относительно кожи. За подробностями относительно связующих текучих сред и оптической фольги читатель может обратиться к документу WO2013/128380, содержание которого включено в настоящий документ по ссылке. По меньшей мере подробности, относящиеся к связующим текучим средам и прозрачной оптической фольге, являются частью настоящего описания, и эти подробности не повторяются здесь для краткости.
Следует отметить, что вышеупомянутые варианты осуществления иллюстрируют, а не ограничивают настоящее изобретение, и что специалисты в области техники смогут разработать многие альтернативные варианты осуществления, не выходя за рамки объема прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения, никакие ссылочные позиции, помещенные в скобки, не следует толковать как ограничение формулы изобретения. Использование глагола «содержать» и его спряжений не исключает наличия элементов или этапов, отличных от элементов или этапов, заявленных в формуле изобретения. Элемент в единственном числе не исключает наличия множества таких элементов. Настоящее изобретение может быть реализовано посредством аппаратного средства, содержащего несколько отдельных компонентов, и посредством соответствующим образом запрограммированного компьютера. В пункте формулы изобретения на прибор, в котором перечисляются несколько средств, некоторые из этих средств могут быть реализованы одним и тем же аппаратным элементом. Тот факт, что некоторые меры приведены во взаимно отличающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих мер не может быть использована с преимуществом.