DE60020379T2

DE60020379T2 - Lichtbehandlungskopf

Info

Publication number: DE60020379T2
Application number: DE60020379T
Authority: DE
Inventors: B. Gregory ALTSHULER; H. Henry ZENZI
Original assignee: Palomar Medical Technologies LLC
Current assignee: Palomar Medical Technologies LLC
Priority date: 1999-11-09
Filing date: 2000-01-13
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2020-01-14
Also published as: EP1211999B1; US6974451B2; US20110267830A1; US20050038418A1; DE60020379D1; US6976985B2; US6663620B2; US6517532B1; US20020128635A1; EP1559378A3; HK1046838B; US8002768B1; EP1211999A1; US20030195494A1; EP1559378A2; HK1046838A1; US8328796B2; WO2001034048A1; ATE296062T1; US20060161143A1

Description

Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Lichtenergiezuführungsköpfe und insbesondere einen Laserdiodenkopf oder sonstigen Lichtenergiezuführungskopf zum Zuführen von Lichtenergie bis auf eine gewählte Tiefe in einem Medium, insbesondere einem Streumedium, wobei dieser Kopf ein verbessertes Wärmemanagement sowohl für die Laserdioden (oder einen anderen Lichtenergie-Emitter) und das Medium bietet und/oder Lichtenergie vom Laser/Emitter effizienter nutzt.
Hintergrund der Erfindung
Lichtenergie-Emitter, wie u.a. Laser und insbesondere Halbleiterdiodenlaser, Blitzlampen, Halogen- und sonstige Glühlampen usw., finden in den Bereichen Medizin, Industrie, Forschung, Regierung und anderen zunehmend Anwendung. In vielen dieser Bereiche soll die Lichtenergie bis zu einer gewählten Tiefe in einem Lichtstreumedium zugeführt werden. Aufgrund der Streuung erreicht nur ein Bruchteil der der Oberfläche des Mediums zugeführten Lichtenergie den Zielbereich, und ein großer Teil der übrigen Energie wird aus dem Medium hinaus gebrochen und in die Umgebungsatmosphäre abgeleitet. Für ein stark streuendes Medium wie die Haut können bis zu 50–80 Prozent der einfallenden Energie aufgrund dieses Rückstreueffekts verloren gehen, so dass leistungsstärkere Lichtenergie-Emitter/Laser oder eine größere Zahl von Emittern/Diodenlasern (wo Diodenlaser verwendet werden) notwendig sind oder es erforderlich ist, dass Lichtenergie über einen viel kleineren Bereich zugeführt wird, um eine gewünschte Fluenz an einem Ziel zu erreichen. Die Verwendung eines Kopfs mit einem leistungsstärkeren Emitter/Laser oder die Verwendung einer größeren Zahl und/oder von leistungsstärkeren Emittern/Diodenlasern hat zur Folge, dass der Kopf größer und teurer wird und dass die Wärmemanagementprobleme aufgrund der Anwendung des Kopfes verstärkt werden. Eine Konzentration des Strahls, um eine höhere Fluenz mit geringerer Punktgröße oder Apertur zu erreichen, hat einen negativen Einfluss auf die Tiefe im Medium, die mit der Lichtenergie erreicht werden kann, und kann die zum Durchführen einer bestimmten Prozedur notwendige Zeit signifikant erhöhen.
Das Dokument US-A-5 820 625 offenbart einen Kopf zum Applizieren von Lichtenergie bis zu einer gewählten Tiefe in einem Streumedium mit einer äußeren Schicht in physischem und thermischem Kontakt mit dem genannten Kopf, der Folgendes umfasst: ein thermisch leitendes Gestell mit einer Energie emittierenden Oberfläche; eine Mehrzahl von optische Energie emittierenden Elementen, die in dem genannten Gestell neben der genannten Energie emittierenden Oberfläche montiert sind, wobei sich jedes genannte Element in thermischem Kontakt mit dem genannten Gestell befindet und so ausgerichtet ist, dass es Lichtenergie durch die genannte Oberfläche leitet; und einen Kühlmechanismus für das genannte Gestell.
Das US-Patent Nr. 5,824,023 von Rox Anderson lehrt eine Möglichkeit zum Lösen des Reflexionsproblems mit bestimmten Lasern oder anderen Lichtenergie emittierenden Geräten. Die Technik dieses Patents hat jedoch auch geringe Punktgrößen zur Folge und lässt sich nicht leicht für die Verwendung in bestimmten Anwendungen wie z.B. in Laserdiodenköpfen anpassen. Daher wird eine verbesserte Technik benötigt, um eine optimale Nutzung der Lichtenergie von Lichtenergie emittierenden Vorrichtungen im Allgemeinen und von Laserdioden oder Laserdiodenbalken eines Laserdiodenkopfes im Besonderen zu ermöglichen, indem von der Oberfläche des bestrahlten Mediums gestreutes Licht recycelt oder wiederverwendet und zurück in Richtung auf einen gewünschten Zielbereich in dem Medium geleitet wird.
Ein verwandtes Problem beinhaltet das Wärmemanagement bei der Verwendung eines Laserdiodenkopfes oder eines anderen Kopfes, der Lichtenergie-Emitter enthält, und insbesondere die Fähigkeit, ein gemeinsames Kühlelement zu verwenden, um sowohl die Laserdioden/Lichtenergie-Emitter als auch die bestrahlte Oberfläche des Mediums zu kühlen. Oberflächenkühlung kann in verschiedenen Anwendungen erforderlich sein, insbesondere in medizinischen Anwendungen, da bis zu einer Tiefe in dem Medium, z.B. der Haut eines Patienten, zugeführte Laserenergie durch die Oberfläche des Mediums passieren muss, z.B. die Epidermis der Haut eines Patienten, um den Zielbereich zu erreichen. Eine Erhitzung der Oberfläche des Mediums kann Schäden an der Oberfläche verursachen, wenn keine geeignete Kühlung erfolgt. Systeme des Standes der Technik sahen entweder keine Kühlung für die Oberfläche des Mediums vor oder brauchten separate Kühlelemente für Dioden und Medium.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß dem oben Gesagten stellt die vorliegende Erfindung in einem ersten Aspekt einen Kopf zum Applizieren von Lichtenergie bis auf eine gewählte Tiefe in einem Streumedium mit einer äußeren Schicht in physischem und thermischem Kontakt mit dem Kopf bereit. Der Kopf beinhaltet ein(en) thermisch leitendes/n Block oder Gestell mit einer Energie emittierenden Oberfläche; eine Mehrzahl von Laserdioden oder anderen Energie emittierenden Elementen, die in dem Block neben der Energie emittierenden Oberfläche montiert sind, wobei jedes der Elemente in thermischem Kontakt mit dem Gestell und so ausgerichtet ist, dass es Lichtenergie durch die Energie emittierende Oberfläche leitet. Eine dünne, transparente, thermisch leitende Schicht ist über der Licht emittierenden Oberfläche und in thermischem Kontakt damit vorgesehen, wobei die Schicht mit der Außenschicht des Mediums in Kontakt ist, wenn der Kopf Lichtenergie darauf appliziert. Schließlich ist ein Kühlmechanismus für das Gestell vorgesehen, wobei das Gestell die Ableitung von Wärme sowohl von den Elementen als auch von der Außenschicht des Mediums zulässt. Für einige Ausgestaltungen ist die thermisch leitende Schicht ein Überzug, der auf der Licht emittierenden Oberfläche des Gestells ausgebildet ist.
Für bevorzugte Ausgestaltungen beinhaltet der Kopf auch eine reflektierende Schicht auf der thermisch leitenden Schicht, wobei in der reflektierenden Schicht eine Öffnung unter jedem Element ausgebildet ist, durch die Lichtenergie auf das genannte Medium appliziert werden kann. Die reflektierende Schicht befindet sich vorzugsweise zwischen der thermisch leitenden Schicht und der Energie emittierenden Oberfläche des Gestells/Blocks und hat vorzugsweise einen Flächeninhalt, der größer ist als der Flächeninhalt des Blocks. Insbesondere könnte der Flächeninhalt der reflektierenden Schicht wenigstens im Wesentlichen so groß sein wie die Reflexionsapertur für gestreute Lichtenergie von dem Medium. Um einen gewünschten Verstärkungskoeffizienten (f) infolge einer Retroreflexion von der reflektierenden Schicht zu erhalten, sollte die Apertur, durch die Lichtenergie auf das Medium appliziert wird, eine Mindestgröße
haben, wobei d ein Rückstreuapertur-Inkrement für eine bestimmte Wellenlänge und ein bestimmtes Medium, R der Reflexionskoeffizient des Mediums und r der Reflexionskoeffizient der reflektierenden Schicht sind.
Der Block für den Laserdiodenkopf kann eine Reihe verschiedener Formen annehmen. Insbesondere ist bei einigen Ausgestaltungen der Erfindung in dem Block eine Senkung ausgebildet, wobei die Energie emittierende Oberfläche die Oberfläche der Senkung ist, und wobei jedes Element für einige Ausgestaltungen so montiert ist, dass es Lichtenergie im Wesentlichen lotrecht zur Senkungsoberfläche auf dem Punkt darauf emittiert, an dem das Element montiert ist. Das Medium wird in die Senkung und in Kontakt mit der Oberfläche davon gezwungen. Das Medium kann dadurch in die Senkung gezwungen werden, dass der Kopf einfach gegen ein weiches verformbares Medium wie z.B. einige Bereiche der Haut eines Patienten gedrückt werden, oder es kann ein Saugmittel wie z.B. eine Unterdruckleitung vorgesehen werden, um die Haut oder ein anderes Medium in die Senkung zu ziehen. Die Senkung kann eine Reihe verschiedener Formen haben, einschließlich im Wesentlichen halbrund oder im Wesentlichen rechteckig. Wo der Kopf zum Entfernen von Haaren beispielsweise bei einer Person verwendet wird, da kann die Senkung eine Größe haben, die ausreicht, damit ein einzelnes Haarfollikel in der Ebene der rechteckigen Senkung in diese eintritt.
Die reflektierende Schicht kann auch für Köpfe geformt und benutzt werden, die den gekühlten Block nur zum Kühlen der Dioden oder anderer Lichtenergie-Emitter und nicht zum Kühlen der Oberfläche des Mediums verwenden, z.B. in Anwendungen, bei denen eine dickere transparente Schicht verwendet wird, oder für Köpfe, die andere Lichtenergie emittierende Elemente verwenden als Laserdiodenbalken, z.B. Glühlampen oder Lichtleiter, die mit einer geeigneten Licht emittierenden Komponente gespeist werden. Für solche Köpfe hätte die reflektierende Schicht weiterhin Bereiche des oben genannten Typs und hätte vorzugsweise eine emittierende Apertur mit einer Mindestabmessung D_min, die wie oben angegeben bestimmt wird. Für diese Ausgestaltungen könnte die transparente Schicht ein Wellenleiter einer gewählten Form sein, und diese könnte eine abgestumpfte Form sein, bei der je nach der gewünschten Aperturgröße entweder das größere Ende oder das kürzere Ende neben dem Block liegt. Gewählte Seiten oder Wände des Wellenleiters können einen Winkel in Abhängigkeit von der reflektierenden Schicht haben, um in einem spitzen Winkel in den Wellenleiter eintretende Lichtenergie zu dämpfen.
In noch einem weiteren Aspekt der Erfindung kann der Kopf ferner wenigstens ein Energie emittierendes Element beinhalten, das so montiert ist, dass es Lichtenergie durch eine Apertur auf das Medium appliziert, wobei die Apertur eine Mindestabmessung D_min wie oben angegeben definiert sowie eine reflektierende Schicht hat, die so montiert ist, dass sie von dem Medium zurückgestreute Lichtenergie retroreflektiert. Die Apertur kann kreisförmig, dann ist D ein Durchmesser der Apertur, oder im Wesentlichen rechteckig sein, und dann ist D die Länge einer kurzen Seite der Apertur.
Die obigen sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden spezifischeren Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen der Erfindung hervor, die in den Begleitzeichnungen dargestellt sind.
In den Zeichnungen zeigt:
1 eine teilweise geschnittene, teilschematische Darstellung eines Kopfes gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung im Seitenriss;
2A und 2B vergrößerte Seitenrissansichten eines Abschnitts des in 1 gezeigten Kopfes für zwei verschiedene Spezies davon;
3A eine geschnittene, teilschematische Darstellung eines Kopfes für eine erste Spezies einer zweiten Ausgestaltung im Seitenriss, 3B eine vergrößerte Seitenansicht eines Abschnitts des in 3A gezeigten Kopfes;
4 eine geschnittene, teilschematische Darstellung einer zweiten Spezies der zweiten Ausgestaltung der Erfindung im Seitenriss;
5A eine geschnittene, teilschematische Darstellung einer dritten Spezies der zweiten Ausgestaltung der Erfindung im Seitenriss, 5B eine vergrößerte Seitenrissansicht eines Abschnitts der Spezies von 5A;
6 eine geschnittene, teilschematische Darstellung einer ersten Spezies für eine dritte Ausgestaltung der Erfindung im Seitenriss;
7 eine geschnittene, teilschematische Darstellung einer zweiten Spezies für die dritte Ausgestaltung der Erfindung im Seitenriss;
8 und 9 geschnittene, teilschematische Darstellungen einer dritten und vierten Spezies der dritten Ausgestaltung der Erfindung im Seitenriss;
10A und 10B grafische Darstellungen, die den Rückstreueffekt jeweils für einen schmalen und einen breiten Strahl illustrieren;
11 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen einem Strahlungsverstärkungskoeffizienten in einem Streumedium und dem Strahlendurchmesser für drei Medien mit unterschiedlichen diffusen Reflexionscharakteristiken; und
12 eine geschnittene, teilschematische Darstellung einer vierten Ausgestaltung der Erfindung im Seitenriss.
Ausführliche Beschreibung
1 zeigt zunächst einen Laserkopf 10, der eine Mehrzahl von Laserdiodenbalken 11 enthält, die jeweils eine Mehrzahl von Emittern 11A beinhalten und in einer in einem Block 12 ausgebildeten Rille 13 montiert sind. Block 12 kann aus einem oder mehreren Materialien mit guten Wärmeleiteigenschaften gebildet sein und kann auf eine Reihe verschiedener Weisen hergestellt werden, die alle im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen. Insbesondere kann Block 12 aus einem einzelnen Material gebildet sein, das nicht nur gute Wärmeleiteigenschaften besitzt, sondern auch ein elektrischer Isolator ist, wobei die Seitenwände von Rillen 13 mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet oder überzogen und die Diodenbalken in die Rillen eingelötet sind, wobei ein elektrischer Schaltkreis zwischen benachbarten Rillen gebildet ist, so dass Strom durch die Dioden fließen kann, ohne durch den Block 12 kurzgeschlossen zu werden. Alternativ kann der Abschnitt von Block 12 zwischen Rillen 13 aus elektrisch leitenden Gestellen gebildet sein, die auf eine geeignete Weise an einem wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Substrat befestigt sind, wobei die leitenden Gestelle einen Strompfad durch die Dioden bilden und das isolierende Substrat Kurzschlüsse verhütet. Es können auch andere Techniken zum Erzeugen eines Strompfades durch die Dioden angewendet werden, um eine selektive Erregung davon zu erzielen, während ein Kurzschlusspfad durch den Block 12 verhütet wird.
Block 12 dient als Wärmesenke für Diodenbalken 11, und es kann mit einer Reihe verschiedener Techniken Wärme von Block 12 abgeführt werden. Dazu gehört die Bereitstellung von einem oder mehreren Kanälen durch den Block 12 und das Strömen eines Fluids, das allgemein ein Wasser ist, aber auch ein(e) andere(s) Flüssigkeit oder Gas sein kann, durch den Kanal, um Wärme vom Block 12 abzuführen. Alternativ können ein oder mehrere thermoelektrische Komponenten 14, z.B. Peltier-Elemente, am Block 12 angebracht und zum Abführen von Wärme davon genutzt werden.
Ein transparentes Element 15 mit einer daran angebrachten hoch reflektierenden Maske 16 ist am Boden des Blocks 12 montiert, wobei sich die Maske 16 vorzugsweise zwischen Block 12 und Element 15 befindet. Für eine bevorzugte Ausgestaltung, in der der Kopf 10 für dermatologische Behandlungen verwendet wird, wobei das Streumedium 18 die Haut eines Patienten ist, ist das transparente Element vorzugsweise aus Saphir oder einem anderen Material mit guter Indexübereinstimmung mit der Haut ausgebildet und ist vorzugsweise entweder ein Saphirüberzug, z.B. mit einer Dicke von 1 bis 2 Mikron, oder ein(e) Saphirplatte oder -wafer, die/der z.B. eine Dicke von 1 bis 2 mm hat. Wenn die Komponente 15 eine Platte oder ein Wafer ist, dann kann die Maske 16 ein Überzug aus einem hoch reflektierenden Material wie Ag, Cu, Au oder ein mehrschichtiger dielektrischer Überzug sein, der mit einer in der Technik bekannten geeigneten Beschichtungstechnik, wie z.B. Lithografie, auf der/dem Platte/Wafer 15 ausgebildet ist. Öffnungen 20 (2A) sind im Überzug 16 unter jedem Diodenbalken-Emitter 11A ausgebildet, wobei die Öffnungen 20 lediglich groß genug sind, um Licht von den Diodenbalken unbehindert durchzulassen. Es ist wünschenswert, die Schlitze oder Öffnungen 20 in der reflektierenden Schicht oder Maske 16 möglichst klein zu halten, da so die Reflexionsfähigkeit der Maske maximiert wird und somit, wie später erläutert wird, die Retroreflexion von von der Haut oder einem anderen Medium 18 gestreuter Energie optimiert wird. Aus Gründen, die später ausführlicher erörtert werden, sollte die reflektierende Schicht 16 eine größere Fläche haben als Block 12, um die Reflexion von davon emittiertem/r gestreutem/r Licht oder Energie zurück ins Medium 18 weiter zu verstärken. Da die Maske 16 für die illustrative Ausgestaltung auf einer/einem transparenten Platte oder Wafer 15 getragen wird, hat auch diese Komponente ein größeres Profil. Alternativ kann die Maske 16 ein(e) dünne(r) Platte oder Wafer mit darin ausgebildeten Schlitzen 20 sein, und die transparente Komponente 15 kann eine Schicht beispielsweise aus Saphir mit einer Dicke im Bereich von 1 bis 2 Mikron sein, die darauf aufgetragen ist. In diesem Fall braucht der Überzug nicht über die Abmessungen des Blocks 12 hinaus zu reichen; es wird jedoch bevorzugt, dass dieser Überzug über die vollen Ausmaße der Maske 16 verläuft, damit eine gute optische Indexübereinstimmung für retroreflektiertes Licht entsteht.
Schließlich beinhaltet die Vorrichtung von 1 einen Kasten 23, der mit geeigneten elektrischen Leitungen und ggf. Rohrleitungen (für Kühlwasser) 24 mit dem Kopf 10 verbunden ist. Der Kasten 23 kann geeignete Stromversorgungsleitungen für Diodenbalken 11, einen Steuerschaltkomplex, Fluidpumpen, wo Fluidkühlung verwendet wird, sowie andere geeignete Komponenten beinhalten. Die spezifischen im Kasten 23 enthaltenen Komponenten sind nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung von 1 hat mehrere vorteilhafte Merkmale gegenüber dem Stand der Technik. Zunächst ist es dort, wo das Medium 18 die Haut eines Patienten ist, der eine dermatologische Prozedur, z.B. die Entfernung einer Tätowierung, eines Feuermals, eines Blutgefäßes oder einer anderen Gefäßverletzung oder die Beseitigung von Haaren durchläuft, wünschenswert, die Epidermis, die Oberflächenschicht der Haut zu kühlen, um thermische Schäden daran während der Prozedur zu verhüten. Im Stand der Technik wurde ein Kühlmechanismus für die Epidermis im Besonderen und für den Oberflächenbereich der Haut des Patienten im Allgemeinen vorgesehen, wobei der Kühlmechanismus von dem zum Abführen von Wärme von Diodenbalken 11 verwendeten Kühlmechanismus separat und unabhängig ist. Diese separaten Kühlmechanismen erhöhen Größe, Gewicht, Komplexität und Kosten des Systems im Allgemeinen und des Zuführungskopfes 10 im Besonderen. Die Ausgestaltung von 1 überwindet diese Probleme dadurch, dass höchstens ein paar Millimeter Material zwischen dem Block 12, der durch thermoelektrische Komponenten 14, durch ein fließendes Fluid und/oder durch andere geeignete Mittel gekühlt wird, und der Haut des Patienten liegen. Ferner hat der gewöhnlich für die transparente Komponente 15 verwendete Saphir gute Wärmeübertragungseigenschaften, so dass Wärme von der Haut des Patienten leicht zu dem gekühlten Block 12 strömen kann, und dieser Block kann als Wärmesenke sowohl für die Diodenbalken 11 als auch die Epidermis der Haut eines Patienten oder einen anderen Oberflächenbereich eines Mediums 18 dienen, auf das Lichtenergie appliziert wird. Diese Anordnung ist kompakter, einfacher und kostengünstiger als Köpfe des Standes der Technik, die dieselbe Funktion ausführen.
Ferner wird, wie in der Figur illustriert, von einem Diodenbalken 11 in der Form von Strahlen 26 emittierte Lichtenergie im Medium 18, z.B. der Haut eines Patienten, gestreut, und wenigstens ein Teil dieser Energie, vielleicht 70%, je nach der Pigmentierung der Haut des Patienten, wird zurückreflektiert und verlässt die Haut des Patienten in einem Winkel. Im Wesentlichen die Gesamtmenge dieses Lichts trifft auf die reflektierende Oberfläche oder Maske 16 und, da diese Maske ein Reflexionsvermögen hat, das sich 100% nähert, wird im Wesentlichen die gesamte Menge dieser Lichtenergie in die Haut des Patienten retroreflektiert. Diese Retroreflexion führt zu einer etwa 300prozentigen Zunahme der Lichtenergie oder Fluenz, die ein Ziel in einer gewählten Tiefe in der Haut des Patienten für eine von Diodenbalken 11 emittierte gegebene Fluenz erreicht. Dies bedeutet, dass entweder dieselben therapeutischen Ergebnisse mit weniger Diodenbalken 11 oder Diodenbalken 11 geringerer Energie oder höhere Energie und somit eine effektivere Behandlung mit derselben Anzahl und Leistung von Diodenbalken erzielt werden können. So können bessere Ergebnisse für (eine) gegebene Größe, Kosten und Komplexität des Diodenlaserkopfes erzielt werden.
Ferner verlässt, wie in 10B illustriert, über eine Apertur der Größe D in das Streumedium 18 eintretende Lichtenergie aufgrund von Strahldivergenz und Streuung das Medium über eine Apertur D + d, wobei d ein Rückstreuapertur-Inkrement und für eine bestimmte Strahlwellenlänge und ein bestimmtes Medium im Wesentlichen konstant ist, unabhängig von der Eingangsapertur D. Dies ist in den 10A und 10B illustriert, wo d für einen dünnen Strahl, der im Wesentlichen an einem einzigen Punkt in das Medium 18 eintritt, und einen breiten Strahl mit einer Apertur D im Wesentlichen gleich ist. Somit wird d mit zunehmender Aperturgröße D zu einem geringeren Anteil der Reflexionsapertur D + d. Für eine allgemein kreisförmige Apertur sind D und D + d Durchmesser, während diese Werte für eine allgemein rechteckige Apertur als die Länge der kleineren Seite des Rechtecks angesehen werden können.
Die Reflexion durch die reflektierende Maske 16 kann die Menge an Energie, die einen gewünschten Zielbereich erreicht, um ein Mehrfaches erhöhen. Diese Erhöhung der effektiven Nutzung von Lichtenergie kann durch die Erhöhung der Beleuchtung innerhalb des Streumediums 18 quantitativ beschrieben werden, und diese Erhöhung ist das Verhältnis (f) zwischen der Beleuchtung an einem willkürlichen Zielpunkt innerhalb des Streumediums, wenn das reflektierte Licht zum Medium (I_R) zurückgeleitet wird und wenn es nicht (I_O) ist (d.h. f = I_R/I_O). Der Wert von f ist vom Reflexionskoeffizienten R des Streumediums 18 und vom Reflexionskoeffizienten der reflektierenden Maske 16 (r) abhängig, die das gestreute Licht zurück in das Medium leitet (d.h. f = 1/1 – Rr). Diese bekannte Abhängigkeit berücksichtigt jedoch nicht den Einfluss der Strahlapertur D. Da die Strahlapertur infolge des Streuens um d zunimmt, hat der Verstärkungskoeffizient f eine starke Abhängigkeit von der Apertur D des einfallenden Strahls. Insbesondere wurde im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung ermittelt, dass der Verstärkungskoeffizient f bei Berücksichtigung der Strahlapertur näherungsweise mit der folgenden Gleichung berechnet werden kann:
Mittels Gleichung 1 für ein(en) bestimmtes(n) Medium und Reflektor und eine gewünschte Beleuchtungsverstärkung, kann eine Mindeststrahlapertur (D_min) ermittelt werden. D_min wird allgemein ausgedrückt durch:
Für f = 2 wird dieses Minimum reduziert auf
Bei heller Haut als Reflexionsmedium und einem einfallenden Strahl im roten Bereich des Spektrums betrugen die Werte in der obigen Gleichung R ≈ 0,7 und d ≈ 3 mm. Unter der Annahme eines Reflektors mit r ≈ 0,95 käme es dann zu D_min = 19,5 mm. Dies lässt den Schluss zu, dass für die meisten Anwendungen in der Laserdermatologie der Strahldurchmesser oder eine andere geeignete Größe (D) größer sein sollte als 20 mm, damit eine Retroreflexion die gewünschte Beleuchtungsverstärkung erzielen würde. Dies ist in 11 illustriert, wo (f) als eine Funktion des Verhältnisses D/d für drei Reflexionsumgebungen dargestellt ist, wobei r in jeder Instanz 0,95 beträgt und wobei R jeweils gleich 0,2, 0,5 und 0,8 ist. Es ist ersichtlich, dass besonders für das hoch streuende Medium mit R = 0,8, f weiter mit zunehmender Eingangsaperturgröße zunimmt und, mit Retroreflexion, bis zum 3,8fachen der Intensität erzielen kann, die ohne Retroreflexion erzielbar ist. Unter der Annahme, dass d gleich 3 mm ist, würde eine Eingangsapertur von 20 mm zu einer Beleuchtung von weit mehr als dem Zweifachen am Ziel ergeben als dann, wenn keine Retroreflexion genutzt würde, und eine kleinere Apertur, z.B. D = 15 mm, würde weiterhin eine signifikante Verstärkung ergeben. Somit kann, während jeder individuelle Diodenbalken 11 einen Strahl mit einer Größe im Mikronbereich erzeugt, der Kopf 10 so ausgelegt werden, dass ein Strahl mit einer Dimension D entsteht, die ausreicht, um eine gewünschte Beleuchtungsverstärkung zu erzielen. Die reflektierende Oberfläche 16 wird vorzugsweise groß genug gemacht, um die Reflexionsapertur voll abzudecken, die aus D + d besteht, erfordert jedoch möglicherweise nur wenig oder keine Ausdehnung über das Ende des Blocks 12 hinaus, wo D relativ zu d groß ist.
Die in 1 gezeigte Ausgestaltung bietet somit wenigstens drei signifikante Vorteile gegenüber Laserdiodenköpfen des Standes der Technik. Zunächst stellt sie einen sehr effizienten Mechanismus zum Kühlen sowohl der Laserdioden als auch der Oberfläche des Mediums 18 mittels desselben Kühlmechanismus bereit. Zweitens stellt sie einen einfachen und effektiven Mechanismus zum Retroreflektieren von vom Medium 18 gestreutem Licht über die gesamte Streuapertur von einem solchen Medium bereit; und drittens stellt sie eine Strahlapertur bereit, die für eine effiziente Beleuchtungsverstärkung infolge von Retroreflexion groß genug ist, während Strahlungsquellen, z.B. Laserdiodenbalken verwendet werden, die individuell kleine Strahlaperturen im Mikronbereich erzeugen.
2B illustriert eine alternative Ausgestaltung der Erfindung, die in einigen Anwendungen nützlich sein kann. Die Ausgestaltung von 2B unterscheidet sich von der von 2A dahingehend, dass die transparente Schicht 15 durch eine zylindrische Linse 31 ersetzt ist, die unter jedem der Laserdiodenbalken 11 montiert ist. Zylindrische Linsen 31 können auf in der Technik bekannte Weisen an der Array befestigt werden, z.B. mit einer Stützhalterung oder einer anderen Tragstruktur, entweder am Block 12 an gegenüberliegenden Enden jeder zylindrischen Linse 31 montiert oder an diesen angeformt. Block 12 verläuft auch etwas unterhalb des Bodens der Diodenbalken 11 und bietet so eine strukturelle Abstützung für die Linsen 31 und lässt es zu, dass der Block 12 die Oberseite des Mediums 18 berührt, wenn ein geringer Druck auf den Block 12 aufgebracht wird, so dass der Block weiterhin die Oberfläche des Mediums kühlen kann. Ein reflektierender Überzug 16 ist an der Bodenwand des Blocks 12 in allen Bereichen davon ausgebildet, mit Ausnahme der Bereiche direkt unter Diodenbalken-Emittern 11A, ansonsten verläuft der reflektierende Überzug im Wesentlichen um die gesamte Wand der Aussparung herum, in der die Linse 31 positioniert ist. Je nach ihrem Durchmesser kann eine Linse 31 zum Bündeln des aus dem entsprechenden Diodenbalken 11 austretenden Strahls 26 zu parallelen Strahlen verwendet werden, im Gegensatz zu divergierenden Strahlen wie in 2A gezeigt, oder zum Konvergieren solcher Strahlen in Richtung auf einen Brennpunkt, der sich vorzugsweise in der Zieltiefe befindet. Ein solches Bündeln oder Konvergieren des Strahls 26 reduziert die nachteiligen Effekte des Streuens auf dem Strahl, eliminiert jedoch ein solches Streuen nicht oder reduziert auch die Notwendigkeit für eine reflektierende Oberfläche 16 nicht erheblich.
3 zeigt eine Ausgestaltung, die sich von der von 1 dadurch unterscheidet, dass eine höhere Fluenz nötig ist als die, die nur durch die Diodenbalken entsteht, selbst mit Retroreflexion. Daher wird von der transparenten Schicht 15 emittierte Energie auf einen Standardkonzentrator 34A appliziert, der ein hohler Kegelstumpf oder ein Prisma sein kann, aber vorzugsweise ein Block oder eine Scheibe aus Material mit einer guten Indexübereinstimmung und guten Wärmetransfereigenschaften auf das Medium 18 ist, z.B. Saphir, wenn das Medium menschliche Haut ist. Der Konzentrator 34A opfert Aperturgröße, um auf eine in der Technik bekannte Weise eine höhere Fluenz zu erzielen. Die Aperturgröße wird jedoch groß genug gehalten, damit sie den in Gleichung (2) oben vorgegebenen Anforderungen weiterhin genügt, um die Energieverstärkungseffekte von Retroreflexion zu bewahren.
Die Ausgestaltung von 3 befasst sich auch mit einem zweiten Problem, dass gestreutes Licht von der Haut in einer Reihe verschiedener Winkel emittiert und allgemein im selben Empfangswinkel zur Haut zurückgeführt wird. Dies führt zu einer höheren Konzentration von Lichtenergie auf der Oberfläche der Haut, wo alle Strahlen empfangen werden, und zu einer geringeren Energie in der Tiefe, wo sich im Allgemeinen das gewünschte Ziel befindet, und spitzwinklige Strahlen treten nur an der Oberfläche auf. Da an der Hautoberfläche konzentrierte Energie keinem nützlichen therapeutischen Zweck dient und thermische Schäden oder Unbehagen verursachen kann, wenn sie nicht ausreichend gekühlt wird, ist es wünschenswert, solche spitzwinklig reflektierten Strahlen zu reduzieren oder zu eliminieren, ohne Strahlen zu stören, die in Winkeln im Wesentlichen lotrecht zur Mediumoberfläche reflektiert und in diesen Winkeln zur Haut zurückgeführt werden. Diese Aufgabe wird für die Ausgestaltung von 3 dadurch gelöst, dass ein Überzug 32 an den Seitenwänden des Konzentrators 34A vorgesehen wird, der eine winkelabhängige Reflexionscharakteristik hat und ein erheblich geringes Reflexionsvermögen besitzt als die reflektierende Oberfläche 16. Dies bedeutet, dass die auf der Oberfläche 32 auftreffenden spitzwinkligen Strahlen gedämpft oder eliminiert werden, so dass die in einem spitzen Winkel in das Medium 18 eintretenden Strahlen reduziert werden, wobei diese Strahlen nur schädlich sind und keinem nützlichen therapeutischen Effekt dienen.
Während die Ausgestaltung von 3 die oben erörterten Vorteile hat, hat sie auch zwei potentielle Nachteile. Zunächst ist die Apertur zum Empfangen von reflektierter Strahlung kleiner als die Apertur (d.h. D + d) von reflektierter Strahlung, so dass diese Ausgestaltung nicht sämtliche reflektierte Strahlung sammelt und sie auf das Medium 18 retroreflektiert. Dies ergibt eine geringe Abnahme des Intensitätsverstärkungsverhältnisses (f) für diese Ausgestaltung; dieser Nachteil wird jedoch durch die Tatsache gemildert, dass ein großer Teil der für diese Ausgestaltung verlorenen Energie Energie in Winkeln ist, die selbst dann, wenn sie retroreflektiert wird, nur zum Erhitzen der Oberfläche des Mediums 18 beiträgt und keinen therapeutischen Effekt hat oder sonstige nützliche Arbeit im Zielbereich in einer gewählten Tiefe im Medium leistet. Da D größer als (d) ist, wird dieser Verlust auch minimiert. Falls gewünscht, können auch reflektierende Verlängerungen für diese Ausgestaltung vorgesehen werden, um sämtliche reflektierte Energie zu retroreflektieren.
Der zweite Nachteil ist, dass der gekühlte Block 12 je nach der Dicke des Konzentrators 34A die Oberfläche des Mediums 18 möglicherweise nicht effektiv kühlen kann. Insbesondere wird die Zeit (t), die zum Abführen von Wärme von einer Scheibe aus Material mit einer Seite in gutem Wärmekontakt mit der zu kühlenden Oberfläche, einer gegenüberliegenden Seite in gutem thermischem Kontakt mit dem Kühlmedium, in diesem Fall Block 12, und einer Distanz oder Dicke (/) dazwischen, ausgedrückt durch: t_I2/α (4) wobei α der dielektrische Plattentemperaturleitfähigkeit-Koeffizient ist. Wo Energie als aufeinander folgende Laserimpulse auf die Scheibe aufgebracht wird, die durch eine Zeit t_p voneinander beabstandet sind, da wird die Scheibendicke I für die zu bewirkende Kühlung allgemein ausgedrückt durch:
Wo die dielektrische Schicht, durch die optische Energie übertragen wird und durch die eine Kühlung erfolgen soll, aus Saphir mit maximal α = 15·10^–6 m²/s ist, und für ein typisches Intervall von 0,25 s zwischen Impulsen, würde dies zu einer kombinierten Dicke für die transparente Schicht 15 und den Konzentrator 34A von weniger als 1,9 mm führen. Daher wäre die Verwendung eines Blocks 12 zum Kühlen sowohl der Diodenbalken 11 als auch der Oberfläche des Mediums 18 normalerweise nicht durchführbar, wenn ein Konzentrator 34A verwendet wird, und wenn Kühlung erforderlich ist, dann könnte dies normalerweise nur mit Hilfe eines separaten Kühlmechanismus erzielt werden, z.B. ein oder mehrere thermoelektrische Kühlelemente 36, im Kontakt mit dem Konzentrator 34A, und vorzugsweise in der Nähe seiner Unterseite. 3 zeigt zwar nur ein solches Kühlelement, aber typischerweise würden vier oder mehr solche Elemente bereitgestellt, im Wesentlichen gleichmäßig um die Peripherie des Konzentrators 34A beabstandet, um diesen gleichmäßig zu kühlen.
Die 4 und 5 illustrieren zwei zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung, die sich von der in 3 gezeigten nur dadurch unterscheiden, dass in 4 die Scheibe 34B ein Expander anstatt eines Konzentrators ist, während die Scheibe 34C in 5 parallele Wände hat, die weder als Konzentrator noch als Expander dienen. Die Scheiben 34A, 34B und 34C erlauben daher die Verwendung eines einzelnen Blocks 12 mit Diodenbalken 11, einer transparenten Schicht 15 und einer reflektierenden Schicht 16, um eine Reihe verschiedener programmierbarer Fluenzniveaus zu erzielen. Die Ausgestaltung von 4 ist dahingehend vorteilhaft, dass sie es zulässt, dass ein größerer Teil des von der Oberfläche des Mediums 18 emittierten gestreuten Lichts gesammelt und recycelt wird als die übrigen Ausgestaltungen, wobei die Ausgestaltung von 5 die Fähigkeit hat, intermediäres gestreutes Licht zu sammeln. Alle drei Ausgestaltungen haben winkelabhängige reflektierende Seitenwände 32, um in spitzen Winkeln emittiertes Licht zu reduzieren oder im Wesentlichen zu eliminieren. Die reduzierte Reflexion von Oberflächen 32 mag zwar gleichmäßig sein, aber es wird bevorzugt, dass der Reflexionsgrad von diesen Oberflächen winkelabhängig ist, so dass auf diese Oberflächen in spitzeren Winkeln auftreffendes Licht stärker gedämpft wird, während in weniger spitzen Winkeln auf diese Oberflächen auftreffendes Licht und somit Licht, das eher in einer lotrechten Richtung von der Oberfläche emittiert wird, weitaus weniger gedämpft wird, oder mit anderen Worten, vollständiger reflektiert wird. Ferner kann auch die reflektierende Oberfläche 16 für alle Ausgestaltungen winkelabhängig sein und in im Wesentlichen lotrechten Winkeln eintretendes Licht stärker reflektiert als Licht, das in spitzeren Winkeln einfällt. Dies kann zwar mit einem einschichtigen Überzug erzielt werden, wird aber vorzugsweise mit einem mehrschichtigen Überzug erzielt.
Die 6–8 illustrieren verschiedene Spezies einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, in der Block 12 durch einen Block 42 mit einer darin ausgebildeten Aussparung 44 ersetzt wurde. Rillen 13 sind in einem gewählten Muster um den Umfang der Aussparung 44 ausgebildet. Mit besonderer Bezugnahme auf 6, in Block 42A ist eine halbzylindrische Aussparung 44A ausgebildet und Rillen 13 mit darin montierten Diodenbalken 11 sind in einem halbrunden Muster um die Peripherie der Aussparung 44A angeordnet, wobei jede Rille 13 und jeder Diodenbalken 11 darin im Wesentlichen lotrecht zum Umfang der Aussparung 44A (d.h. im Wesentlichen parallel zu einem Radius) an dem Punkt auf dem Umfang liegt, wo sie sich befinden. Ein Teil des Mediums 18 neben der Aussparung 44A wird in diese hoch und mit der auf der Innenseite der Aussparung ausgebildeten transparenten Oberfläche 15 in Kontakt gebracht. Medium kann entweder dadurch in die Aussparung 44A gebracht werden, dass der Block 42A gegen ein relativ weiches Medium 18, z.B. die Haut in bestimmten Bereichen, gedrückt wird, um die Haut in die Aussparung zu zwingen, oder indem eine Unterdruckquelle vorgesehen wird, entweder neben den Balken nahe der Mitte der Aussparung oder zwischen solchen Balken, um die Haut in die Aussparung zu ziehen. Es können auch andere Techniken zum Zwingen von Haut oder eines anderen Mediums 18 in die Aussparung 44A angewendet werden, entweder zusätzlich zu oder anstatt von einer oder mehreren der beiden oben erwähnten Techniken. Schließlich ist auf dem unteren Abschnitt des Blocks 42A außerhalb der Aussparung 44A ein winkelabhängiger reflektierender Überzug 32 ausgebildet, wobei diese Oberfläche ein Teil des Lichts zurück in die Haut in einem Bereich reflektiert, wo sie zur Aussparung 44A gestreut werden kann.
Für die Ausgestaltung von 6 läge der Zielbereich für die Lichtenergie etwa am Fokus der Diodenbalken, was allgemein an einem Punkt in der Nähe der unteren Mitte der Aussparung 44A wäre. Licht, das von der Haut vor dem Erreichen eines solchen Zielbereiches reflektiert würde, würde typischerweise in die Aussparung zurückreflektiert und schließlich zum Ziel zurückgeleitet, was für diese Ausgestaltung zu einem sehr hohen Beleuchtungszunahmeverhältnis (f) führen würde.
7 zeigt eine Ausgestaltung, die sich von der von 6 dadurch unterscheidet, dass die Aussparung 44A in Block 42A nicht einfach eine dünne transparente Schicht 15 hat, sondern dass darin ein(e) transparente(r) Block oder Linse 40 positioniert ist, wobei eine enge rechteckige Aussparung 48 in der zylindrischen Linse 40 ausgebildet ist. Die Rillen 13 und die darin montierten Diodenbalken 11 haben einen etwas größeren Winkel, so dass sie einen Fokus nahe der oberen Mitte der Aussparung 48 haben. Die Ausgestaltung von 7 ist besonders gut für Haarentfernungsanwendungen geeignet, bei denen eine Hautfalte mit einem einzigen Haarfollikel in der Ebene der Figur (es können sich in der Aussparung 48 über deren Länge mehrere Haarfollikel befinden) zu einem gegebenen Zeitpunkt in der Aussparung 48 ist. Dann würde normalerweise ein Unterdruck benötigt, um eine solche Hautfalte in die Aussparung 48 zu ziehen. Was die Ausgestaltung von 6 betrifft, diese führt zu einer hohen Lichtkonzentration, einschließlich Licht, das von der reflektierenden Oberfläche 16 reflektiert wird und den Zielpunkt in der Aussparung 48 erreicht. Dieser Effekt wird ferner dadurch verstärkt, dass ein hoch reflektierender Überzug 49 auf der Unterseite der zylindrischen Linse 40 vorgesehen wird, der verhindert, dass Licht die Linse in das Medium 18 verlässt. Somit werden im Wesentlichen 100% des von den Diodenbalken 11 erzeugten Lichts für diese Ausgestaltung der Erfindung auf den Zielbereich appliziert, wobei praktisch keine Energie durch Streuung verloren geht.
8 ist 6 ähnlich, mit der Ausnahme, dass die Aussparung 44B in Block 42B einen rechteckigen anstatt einem halbrunden Querschnitt hat, und die Rillen 13 sind lotrecht zu den Wänden der Aussparung 44B an den Punkten, an denen sie sich befinden. Während diese Ausgestaltung nicht zu einer Fokussierung des Lichts an einem einzelnen Punkt führt wie bei den Ausgestaltungen der 6 und 7, so resultiert doch eine hohe Konzentration von Lichtenergie in der Aussparung 44B, die auf das Medium appliziert wird, das mit Druck, Unterdruck oder mit anderen geeigneten Mitteln in die Aussparung bewegt wird.
Die Ausgestaltung von 9 ist der von 1 ähnlich, mit der Ausnahme, dass dort keine verlängerten Abschnitte für die Schichten 15 und 16 vorgesehen sind, sondern dass sich an jedem Ende des Blocks flexible Verlängerungen 52 befinden, auf denen ein winkelabhängiger reflektierender Überzug 32 ausgebildet ist. Mit Hilfe von Unterdruck kann ein Teil des Mediums 18 in den Bereich unter dem Block 12 und die Verlängerungen 52 gezogen werden, um eine verstärkte Bestrahlung eines Zielbereichs in dieser Region oder darunter zu erzeugen. Die Seitensektionen 52 mit winkelabhängigem reflektierendem Überzug leiten Lichtenergie in der (d) Region (10B) effektiver in den Zielbereich als die Flansche von 1.
Obwohl oben nicht spezifisch erwähnt, so können die Ausgestaltungen der 6–9 doch die Kühltechnik von 1 nutzen, in der Block 12 und/oder Block 42 sowohl zum Kühlen von Diodenbalken 11 als auch zum Kühlen der Oberfläche der Haut oder eines anderen Mediums 18 verwendet wird. Die Ausgestaltung von 7 löst diese Aufgabe nicht so effektiv wie einige der anderen Ausgestaltungen.
Während für die oben beschriebenen Ausgestaltungen Diodenbalken in Block 12 des Kopfes 10 montiert wurden, könnten in einigen Anwendungen andere Lichtemitter, z.B. Glühlampen wie Halogenlampen, auf geeignete Weise anstelle der Diodenbalken in Block 12 montiert werden. Viele der Vorteile der vorliegenden Erfindung könnten auch erzielt werden, wenn ein Licht von einem Laser oder einer anderen Licht emittierenden Quelle empfangender Lichtleiter für jeden Diodenbalken 11 für die verschiedenen Ausgestaltungen substituiert wird. So zeigt z.B. 12 einen Kopf 10', der sich von dem in 1 gezeigten dadurch unterscheidet, dass Licht von einem Laser oder einem anderen Lichtenergie-Emitter von geeigneter Leistung und Wellenlänge durch einen Lichtleiter in Leitungen 24 zu einem Netz von Lichtleitern 60 in Block 12 geleitet wird, wobei sich eine Mehrzahl von Lichtleitern 60 hinter jedem gezeigten Lichtleiter befindet, um im Wesentlichen dasselbe Lichtemissionsmuster zu erzeugen wie für die Mehrzahl von Emittern 11A jedes Diodenbalkens 11. Die Mindestaperturgröße D zum Erzielen einer gewählten Verstärkung (f) von Retroreflexion ist auch auf im Wesentlichen jeden Laser oder sonstigen Lichtenergie emittierenden Kopf anwendbar, der an einem Streumedium verwendet wird, einschließlich derer, die in verschiedenen früheren Patenten und Anmeldungen dargestellt sind, z.B. 5,595,568; 5,735,844; 5,824,023 und der Anmeldung mit der Seriennummer 09/078055, von der die 4 z.B. einen Kopf zeigt, der beim Umsetzen der Lehren der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, die sich aber von 12 dadurch unterscheidet, dass die Lichtleiter zum Fokussieren der Lichtenergie abgewinkelt sind. Wo Lichtleiter verwendet werden, da ist möglicherweise kein(e) transparente(s) Schicht oder Element notwendig, und ein reflektierender Überzug 16 kann direkt auf die Unterseite von Block 12 appliziert werden, wobei Öffnungen im Überzug unter jedem Lichtleiter vorgesehen sind.
Ferner ist die transparente Schicht vorzugsweise um wenigstens mehrere Mikron, z.B. 50–100 Mikron, von den Diodenbalken beabstandet, um einen Kurzschluss der Laserbalken sicher zu verhüten, und dieser Raum kann mit Luft oder einem anderen Gas oder mit einer Flüssigkeit oder einem festen Isoliermaterial gefüllt werden, das wenigstens in den Bereichen unter den Öffnungen oder Schlitzen in der reflektierenden Schicht 16 transparent ist. Für diese Ausgestaltung kann der Abstand so gewählt werden, dass keine Kühlung des Mediums von Block 12 mehr möglich ist.
Damit wurde eine Erfindung offenbart, einschließlich einiger Ausgestaltungen und verschiedenen Spezies jeder Ausgestaltung, die einen einfacheren Kühlmechanismus für bestimmte Ausgestaltungen für die Oberfläche eines Mediums bietet, das eine Laser- oder sonstige Lichtenergieprozedur erfährt, und die auch eine optimalere, und in einigen Fällen im Wesentlichen optimale, Nutzung von Lichtenergie ermöglicht, die von Diodenlaserbalken erzeugt wird, oder einer anderen Lichtenergiequelle, selbst dann, wenn das Licht einem stark streuenden Medium zugeführt wird, indem die Vorrichtung so ausgelegt wird, dass eine ausreichende Eingangsapertur und geeignete Mechanismen zum Retroreflektieren von solchem Licht vorgesehen werden. Auch wurden zwar einige Ausgestaltungen und Spezies davon offenbart, aber es ist klar, dass diese lediglich zur Illustration dienen und dass auch andere ähnliche oder äquivalente Mechanismen verwendet werden könnten. So wurde die Erfindung zwar mit Bezug auf bevorzugte Ausgestaltungen und Spezies oben dargestellt und beschrieben, aber der Fachperson sind die obigen sowie weitere Änderungen im Hinblick auf Form und Detail möglich, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, der nur durch die beiliegenden Ansprüche definiert wird.

Claims

Kopf (10) zum Applizieren von Lichtenergie bis auf eine gewählte Tiefe in einem Streumedium (18) mit einer äußeren Schicht in physischem und thermischem Kontakt mit dem genannten Kopf, der Folgendes umfasst: ein thermisch leitendes Gestell (12) (42) mit einer Energie emittierenden Oberfläche; und eine Mehrzahl von optische Energie emittierenden Elementen (11), die in dem genannten Gestell (12) (42) neben der genannten Energie emittierenden Oberfläche montiert sind, wobei sich jedes Element in thermischem Kontakt mit dem genannten Gestell befindet und so ausgerichtet ist, dass es Lichtenergie durch die genannte Oberfläche leitet, dadurch gekennzeichnet, dass er Folgendes umfasst: eine transparente, thermisch leitende Schicht (15) (31) (40) über die genannte Oberfläche und in thermischem Kontakt damit, wobei die genannte Schicht mit der genannten äußeren Schicht des Mediums (18) in Kontakt ist, wenn der Kopf Lichtenergie darauf appliziert; und einen Kühlmechanismus (14) für das genannte Gestell, wobei das genannte Gestell die Ableitung von Wärme von den genannten Elementen und von der genannten äußeren Schicht des Mediums zulässt.
Kopf (10) nach Anspruch 1 mit einer reflektierenden Schicht (16) auf der genannten thermisch leitenden Schicht (15), wobei in der genannten reflektierenden Schicht (16) eine Öffnung (20) unter jedem Element (11) ausgebildet ist, durch die Lichtenergie auf das genannte Medium (15) appliziert werden kann.
Kopf (10) nach Anspruch 2, wobei der Flächeninhalt der genannten reflektierenden Schicht (16) größer ist als der Flächeninhalt des genannten Gestells (12) (42).
Kopf (10) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Flächeninhalt der genannten reflektierenden Schicht (16) wenigstens im Wesentlichen so groß ist wie eine Reflexionsapertur für gestreute Lichtenergie von dem genannten Medium (18).
Kopf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Lichtenergie durch eine Apertur auf das genannte Medium (18) appliziert wird, wobei es einen gewünschten Verstärkungskoeffizienten f infolge einer Retroreflexion von der genannten reflektierenden Schicht (16) gibt, wobei das Medium (18) und die reflektierende Schicht (16) jeweils Reflexionskoeffizienten R und r haben und wobei der Mindestwert Dmin für eine Dimension D der Apertur wie folgt lautet:
Kopf (10) nach Anspruch 5, wobei die genannte Apertur im wesentlichen kreisförmig ist und wobei D der Durchmesser der Apertur ist.
Kopf (10) nach Anspruch 5, wobei die genannte Apertur im Wesentlichen rechteckig ist und D die Länge einer kurzen Seite der genannten Apertur ist.
Kopf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei in dem genannten Gestell (42) eine Senkung (44A) ausgebildet ist, wobei die genannte Energie emittierende Oberfläche die Oberfläche der genannten Senkung ist, wobei jedes der genannten Elemente (11) so montiert ist, dass es Lichtenergie im Wesentlichen lotrecht zur Senkungsoberfläche an dem Punkt darauf emittiert, auf dem das Element montiert ist, wobei das genannte Medium (18) in die genannte Senkung (44A) und in Kontakt mit der Oberfläche davon gezwungen werden kann.
Kopf (10) nach Anspruch 8, wobei die genannte Senkung im Wesentlichen halbkugelförmig ist.
Kopf (10) nach Anspruch 8, wobei die genannte Senkung im Wesentlichen rechteckig geformt ist.
Kopf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die genannte thermisch leitende Schicht (15) ein auf der genannten Licht emittierenden Oberfläche ausgebildeter Überzug ist.
Kopf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei jedes Element (11) ein Diodenlaserbalken ist.
Kopf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend eine reflexionsfähige Schicht (16), die alle Abschnitte der genannten Oberfläche mit Ausnahme jedes gewählten Abschnitts der genannten Oberfläche bedeckt, durch die Lichtenergie geleitet wird, wobei die genannte reflektierende Schicht (16) von dem genannten Medium gestreute Lichtenergie zurück reflektiert.
Kopf (10) nach Anspruch 13, wobei jedes optische Energie emittierende Element (11) einen Lichtleiter aufweist, der wenigstens teilweise durch die genannte Struktur von der genannten Oberfläche verläuft und optisch so geschaltet ist, dass er Lichtenergie von einer Licht emittierenden Komponente empfängt.
Kopf (10) nach Anspruch 14, wobei die genannte Licht emittierende Komponente ein Laser, eine Blitzlampe oder eine Glühlampe ist.
Kopf (10) nach Anspruch 13, 14 oder 15, wobei jedes Energie emittierende Element (11) einen Lichtenergie-Emitter aufweist, der so in der genannten thermisch leitenden Schicht (15) (31) (40) montiert ist, dass er Lichtenergie durch den entsprechenden gewählten Abschnitt der genannten Oberfläche emittiert.
Kopf (10) nach Anspruch 16, wobei jeder Emitter (11) neben, aber beabstandet von, der genannten Oberfläche montiert ist, wobei die genannte reflexionsfähige Schicht (16) auf wenigstens einer Seite der genannten transparenten, thermisch leitenden Schicht (15) (31) (40) ist.
Kopf (10) nach Anspruch 16 oder 17, wobei der Flächeninhalt der genannten reflektierenden Schicht (16) größer ist als der der genannten Oberfläche.
Kopf (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die genannte thermisch leitende Schicht (15) ein Wellenleiter (34) einer gewählten Form ist.
Kopf (10) nach Anspruch 19 mit einer winkelabhängigen reflektierenden Schicht (32) an gewählten Wänden des genannten Wellenleiters, um im spitzen Winkel in den Wellenleiter eintretende Lichtenergie zu dämpfen.
Kopf (10) nach Anspruch 19 oder 20, wobei die genannte gewählte Form ein Pyramidenstumpf ist, wobei sich entweder ein größeres oder ein kürzeres Ende einer Pyramide neben dem genannten Gestell (12) befindet.
Kopf (10) nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei die genannte thermisch leitende Schicht (15) ein auf der genannten Licht emittierenden Oberfläche ausgebildeter Überzug ist.
Kopf (10) nach einem der Ansprüche 16 bis 22, wobei der genannte Emitter (11) entweder ein Diodenlaserbalken oder eine Glühlampe ist.
Kopf (10) nach einem der Ansprüche 12 bis 23, wobei in dem genannten Gestell (42A') eine Senkung (44A) ausgebildet ist, wobei die genannte Energie emittierende Oberfläche die Oberfläche der Senkung (44A) ist, wobei die transparente, thermisch leitende Schicht (40) so gestaltet ist, dass sie die genannte Senkung ausfüllt, wobei eine enge Aussparung (48) in der genannten thermisch leitenden Schicht ausgebildet ist, wobei die genannten optische Energie emittierenden Elemente (11) Lichtenergie auf die genannte Oberfläche richten, um Licht an einem Punkt in der genannten Aussparung (48) zu bündeln.