DE69629066T2 - Verfahren und Gerät zur zeitlichen und räumlichen Strahlintegration - Google Patents

Verfahren und Gerät zur zeitlichen und räumlichen Strahlintegration Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung betrifft optische Systeme zur Abgabe von Strahlen im allgemeinen und optische Systeme zur Abgabe von Strahlen, die verwendet werden, um die zeitlichen und räumlichen Eigenschaften von Laserstrahlen zu verbessern.
  • Optische Systeme zur Abgabe von Strahlen, die verwendet werden, um die zeitlichen und räumlichen Eigenschaften paralleler Strahlenbündel mit unsymmetrischen Energieprofilquerschnitten zu verbessern, wie bei Excimer-Laserbündeln, sind bekannt. Beispielsweise wird in dem Visx Twenty/Twenty Excimer-Lasersystem, welches von der Visx Incorporated of Santa Clara, California, entwickelt wurde, ein paralleler Laserstrahl, der zur photorefraktiven Karatektomie (PRK) und phototherapeutischen Karatektomie (PTK) verwendet wird, mittels eines optischen Systems zur Strahlenabgabe in eine Operationsebene geliefert, welches einen Excimer-Laserstrahl sowohl räumlich als auch zeitlich integriert. Bei diesem System wird ein paralleler Laserstrahl zuerst durch einen stationären räumlichen Strahlintegrator geführt, der mehrere Prismen aufweist, die vorzugsweise hexagonal gestaltet sind, und um eine optische Mitte in Form eines ähnlichen Hohlraumes verteilt sind, wobei eine Seite jedes Prismas so zur Mittelachse geneigt ist, daß die Teile eines Laserstrahls die durch jedes Prisma treten, zur Mittelachse der Prismenanordnung hin gebrochen werden. Nach dem Passieren des räumlichen Strahlintegrators wird der Laserstrahl als nächstes durch einen zeitlichen Strahlintegrator geführt, der ein Dove-Prisma aufweist, welches um die in Längsrichtung verlaufende optische Achse rotiert wird, um den Strahl zu drehen. Der aus dem zeitlichen Strahlintegrator austretende Strahl wird dann durch eine Blende mit verstellbarem Durchmesser geführt und mittels entsprechender Spiegel und Linsen in die Operationsebene geleitet.
  • Während diese Anordnung einen parallelen Laserstrahl räumlich und zeitlich ausgesprochen effektiv integriert, ist sie extrem empfindlich hinsichtlich der Anordnung des Dove-Prismas entlang der optischen Achse des Systems zur Strahlenabgabe. Insbesondere verursacht jede leichte Fehlausrichtung des Dove-Prismas eine Multiplikation des Winkelfehlers um einen Faktor 2. Da jede Winkelabweichung den überlappenden Strahl radial relativ zur Öffnung versetzt und so die Symmetrie des Strahls an der Behandlungsstelle beeinflußt, muß die Anfangsausrichtung des Dove-Prismas hinsichtlich der Strahlenachse extrem sorgfältig durchgeführt werden, und es sind häufige, regelmäßige Justierüberprüfungen erforderlich, um sicherzustellen, daß die Anfangseinstellung nicht gestört wurde. Versuche, eine räumliche und zeitliche Strahlintegrationstechnologie ohne diesen Nachteil bereitzustellen, sind bisher nicht erfolgreich gewesen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Abgabe eines Laserstrahls angegeben, die einen parallel gerichteten Laserstrahl zeitlich und räumlich integriert, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: Einen zeitlichen Strahlintegrator; eine Einrichtung zum Drehen des zeitlichen Strahlintegrators, so daß ein durch die Einrichtung tretender, parallel gerichteter Laserstrahl um die Strahlachse gedreht wird; und einen räumlichen Strahlintegrator, der in der Bahn des aus dem zeitlichen Integrator austretenden Strahls angeordnet ist.
  • Wie anschließend erklärt werden wird, umfaßt die Erfindung eine Technik zum zeitlichen und räumlichen Integrieren eines parallelen Laserstrahls, bei der eine Anfangsausrichtung bzgl. der Strahlachse relativ einfach vorgenommen werden kann, und die relativ stabil und unempfindlich gegen Winkelverstellungen der optischen Elemente für die zeitliche Strahlintegration ist.
  • Die Erfindung gibt ebenfalls ein Verfahren zum Behandeln eines parallel gerichteten Laserstrahls an, um dessen räumliche und zeitliche Eigenschaften zu verbessern, wobei das Verfahren die Schritte aufweist, einen parallel gerichteten Strahl zuerst durch einen zeitlichen Strahlintegrator zu lenken, der den Strahl mit einer bestimmten Geschwindigkeit um die Strahlachse dreht und dann den aus dem zeitlichen Strahlintegrator austretenden Strahl durch einen räumlichen Strahlintegrator zu lenken, um eine räumliche Integration des Strahls zu bewirken.
  • Der zeitliche Strahlintegrator weist vorzugsweise erste und zweite zylindrische Linsen auf, die in einem Abstand zueinander entlang der Achse des parallel gerichteten Laserstrahls angeordnet sind, und eine Einrichtung zum gleichzeitigen Drehen der zylindrischen Linsen um die Strahlachse. Der Effekt dieses zeitlichen Integrationsmechanismus besteht in einer Rotation des Laserstrahls mit einer Rotationsgeschwindigkeit, die doppelt so hoch ist wie die Rotationsgeschwindigkeit der Zylinderlinsen. Im Ausführungsbeispiel sind die zylindrischen Linsen im wesentlichen identisch.
  • Vorzugsweise wird der räumliche Strahlintegrator ebenfalls um die Strahlachse gedreht. Dies erfolgt vorzugsweise mit einer Winkelgeschwindigkeit, die größer ist als die Rotationsgeschwindigkeit der zylindrischen Linsen. Vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit, die doppelt so hoch wie die Rotationsgeschwindigkeit der zylindrischen Linsen, so daß der nachfolgende räumliche Strahlintegrator relativ stationär bzgl. des rotierenden Strahls ist, der aus den zylindrischen Linsen austritt. In einer weiteren Ausführung wird die Winkelgeschwindigkeit, mit der der räumliche Strahlintegrator rotiert, der Rotationsgeschwindigkeit der zylindrischen Linsen angeglichen. Der räumliche Strahlintegrator kann jedoch auch still gehalten werden, d. h. überhaupt nicht rotiert werden.
  • Wenn der räumliche Strahlintegrator um die Strahlachse gedreht wird, wird mit dieser Rotation begonnen, bevor die Rotation des zeitlichen Strahlintegrators aufgenommen wird, um zuerst die räumlichen Eigenschaften des parallel gerichteten Strahls, der durch den räumlichen Strahlintegrator geführt wird, zu optimieren.
  • Wenn der zeitliche Strahlintegrator zylindrische Linsen aufweist, die wie vorerwähnt in einem Abstand zueinander entlang der Achse des parallel gerichteten Laserstrahls angeordnet sind, wobei die Zylinderachsen der zylindrischen Linsen im wesentlichen gleich ausgerichtet sind, werden die zylindrischen Linsen vorzugsweise entlang der Strahlachse in so einem Abstand zueinander angeordnet, daß dieser im wesentlichen der Summe der Brennweiten jeder zylindrischen Linse entspricht.
  • Im Ausführungsbeispiel sind zwei zylindrische Linsen mit gleicher Brechkraft in der Laserstrahlbahn angeordnet, wobei ihre Achse gleich ausgerichtet sind und ihr Abstand der Summe ihrer Brennweiten entspricht. Diese Anordnung liefert einen im wesentlichen gleich ausgebildeten aber rotierenden Laserstrahl am Ausgang des Integrators. In anderen Ausführungen werden zwei zylindrische Linsen mit unterschiedlicher Brechkraft im Laserstrahl installiert, wobei ihre Achsen gleich ausgerichtet sind und ihr Abstand gleich der Summe ihrer Brennweiten ist. Diese Anordnung liefert am Ausgang des Integrators einen verstärkten oder reduzierten, aber gleichfalls rotierenden Laserstrahl. Die Größe des aus diesem Integrator austretenden Laserstrahls wird hinsichtlich der Breite und Höhe durch den Kehrwert des Verhältnisses zwischen der ersten und zweiten Integratorlinse beeinflußt sowie durch die Sinus- oder Kosinusfunktion des Winkels der ersten Linse zum Winkel des Laserstrahls, welcher in einen solchen Integrator eintritt.
  • Die Vorrichtung zum zeitlichen Integrieren umfaßt eine erste Einrichtung zum gleichzeitigen Rotieren der zylindrischen Linsen um die Strahlachse, so daß ein durch das zylindrische Linsenpaar tretender Strahl mit der doppelten Rotationsgeschwindigkeit der Linsen um die Strahlachse rotiert wird. Im erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel umfaßt die Vorrichtung eine Einrichtung, um eine Relativrotation zwischen dem räumlichen Strahlintegrator und dem zylindrischen Linsenpaar zu liefern. Diese Einrichtung umfaßt vorzugsweise eine zweite Einrichtung zum Rotieren des räumlichen Strahlintegrators relativ zu den zylindrischen Linsen, und eine Einrichtung um eine synchronisierte Bewegung zwischen der ersten und zweiten Rotationseinrichtung darzustellen. Die Winkelgeschwindigkeit des räumlichen Strahlintegrators ist vorzugsweise so eingestellt, daß sie ein Vielfaches, vorzugsweise das Doppelte, der Winkelgeschwindigkeit beträgt, mit der die zylindrischen Linsen rotieren.
  • Der räumliche Strahlintegrator umfaßt vorzugsweise mehrere hexagonale Prismen, die um einen Mittelpunkt herum verteilt sind, wobei jedes Prisma eine Lichtaustrittsfläche aufweist, die den austretenden Teil des parallel verlaufenden Strahls zum Mittelpunkt der Prismenanordnung hin bricht, wobei jede Lichtaustrittsfläche vorzugsweise in einem Winkel zu einer Gehäuseachse angeordnet ist, die durch den Mittelpunkt des räumlichen Strahlintegrators verläuft. Die Mitte kann entweder einen Hohlraum oder ein optisches Element, z. B. ein Prisma, aufweisen, das eine ebene Lichtaustrittsfläche aufweist.
  • Die Vorrichtung umfaßt ferner vorzugsweise eine Einrichtung, die eine anfängliche Relativrotation zwischen dem räumlichen Strahlintegrator und den zylindrischen Linsen ermöglicht, um die räumlichen Eigenschaften des hindurchtretenden parallelen Strahls zu optimieren. Die Erfindung kann ferner zusätzlich eine Spreizlinse (expanding lens), vorzugsweise eine sphärische Linse, aufweisen, die in der Bahn des aus der in Strahlrichtung liegenden zylindrischen Linse des Linsenpaars austretenden Strahls liegt, vorzugsweise zwischen dieser Linse und dem räumlichen Strahlintegrator.
  • Die erste Einrichtung zum Rotieren der zylindrischen Linsen um die Strahlachse umfaßt vorzugsweise ein Gehäuse, um die zylindrischen Linsen gut ausgerichtet aufzunehmen, einen Motor zum Erzeugen der mechanischen Bewegung, und eine Einrichtung zum Übertragen der mechanischen Bewegung auf das Gehäuse. Die Übertragungseinrichtung umfaßt vorzugsweise ein Antriebszahnrad, welches mit dem Motor gekoppelt ist, und ein angetriebenes Zahnrad, welches mit dem Gehäuse gekoppelt ist und mit dem Antriebszahnrad in Eingriff zu bringen ist. Die Einrichtung zum Erzeugen der Relativrotation zwischen dem räumlichen Strahlintegrator und den zylindrischen Linsen umfaßt vorzugsweise ein zweites Gehäuse zur Aufnahme des räumlichen Strahlintegrators, einen Motor zum Erzeugen der mechanischen Bewegung und eine Einrichtung zum Übertragen der mechanischen Bewegung auf das zweite Gehäuse, wobei die Übertragungseinrichtung vorzugsweise ein mit dem Motor gekoppeltes Antriebszahnrad aufweist und ein mit dem Gehäuse gekoppeltes angetriebenes Zahnrad aufweist, das mit dem Antriebszahnrad in Eingriff zu bringen ist. Der Motor ist vorzugsweise ein einziger Motor, den sich die erste Rotationseinrichtung und die andere Einrichtung teilen.
  • In einem alternativen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, wird der räumliche Strahlintegrator mit der gleichen Geschwindigkeit wie die zylindrischen Linsen rotiert. In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel ist der räumliche Strahlintegrator fixiert und die zylindrischen Linsen werden rotiert. In beiden alternativen Ausführungen variiert die Winkelstellung des rotierten Strahls zum räumlichen Strahlintegrator über die Zeit; während im Ausführungsbeispiel die Winkelstellung des rotierten Strahls bzgl. des räumlichen Strahlintegrators fixiert ist.
  • Die Erfindung liefert sowohl räumliche als auch zeitliche Integration für einen parallel gerichteten Laserstrahl und ist deutlich weniger empfindlich hinsichtlich einer Fehljustierung des zeitlichen Strahlintegrators bzgl. der Strahlachse. Insbesondere wird jede Achsabweichung mit einem Faktor von etwa 0,5 der Abweichung multipliziert, und zwar wegen des Brechungsprinzips der zylindrischen Linsen, der besser im Vergleich zum Multiplikationsfaktor von 2 liegt, der mit zeitlichen Strahlintegratoren erreicht wird, welche Dove-Prismen verwenden.
  • Zum besseren Verständnis der Eigenschaften und Vorteile der Erfindung sollte auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den Begleitzeichnungen Bezug genommen werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines Abschnitts des Systems zur Abgabe eines Laserstrahls, welches die Erfindung verkörpert;
  • 2 ist eine schematische Schnittdarstellung entlang der Linie 2-2 aus 1 eines Abschnitts des räumlichen Strahlintegrators;
  • 3 ist eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels entlang der Linien 3-3 aus 4;
  • 4 ist eine Frontalansicht des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels;
  • 5A und 5B bilden zusammen eine schematische Darstellung des Systems zur Abgabe eines Laserstrahls, welches die Erfindung verkörpert; und
  • 5C zeigt die relative Ausrichtung der 5A und 5B zueinander.
  • 6 ist eine schematische Darstellung eines zeitlichen Strahlintegrators, der zwei zylindrische Linsen unterschiedlicher Brennweiten verwendet.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Nun bezugnehmend auf die Zeichnungen, zeigt 1 in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgabe eines Laserstrahls. Wie in dieser Figur gezeigt, ist ein parallel gerichteter Strahl 10 von einer (nicht gezeigten) Laserquelle auf die Eintrittsfläche eines zeitlichen Strahlintegrators gerichtet, der generell mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet wird. Im Ausführungsbeispiel nach 1 umfaßt der zeitliche Strahlintegrator 12 eine Paar im wesentlichen identische zylindrische Linsen 13, 14, die jeweils auf der Bahn des Strahl 10 angeordnet sind und entlang der Strahlachse in einem Abstand zueinander angeordnet sind, welcher der Summe der Brennweiten der Linsen entspricht. Die zylindrischen Achsen 15 jeder dieser Linsen 13, 14 sind gleich ausgerichtet und jede Linse ist mit ihrer flachen Seite senkrecht zur Strahlachse ausgerichtet, wobei die optische Mitte jeder Linse 13, 14 mit der Strahlachse zusammenfällt. Die konvexe zylindrische Fläche der Linse 13 stellt die Eintrittsseite des zeitlichen Strahlintegrators 12 dar, während die konvexe Seite der zylindrischen Linse 14 die Austrittsseite des zeitlichen Strahlintegrators bildet.
  • Wie durch die gebrochene Linie 17 angedeutet, sind die zylindrischen Linsen 13, 14 mechanisch gekoppelt, und wie durch den kreisbogenförmigen Pfeil 18 angedeutet, sind die zylindrischen Linsen 13 und 14 zum gleichzeitigen Drehen um die Strahlachse angeordnet. Wenn ein Strahl 10 beim gleichzeitigen Drehen der Linsen 13, 14 durch den zeitlichen Strahlintegrator 12 tritt, ist der gedrehte Strahl, welcher an der Austrittsseite der Linse 14 austritt, bei jeder vollständigen Drehung des Linsenpaares 13, 14 zweimal gedreht.
  • Eine optionale Strahlaufweitungslinse 20 ist in der Bahn des aus dem zeitlichen Strahlintegrator 12 austretenden Strahls angeordnet und wird verwendet, um die Strahlgröße bei solchen Anwendungen aufzuweiten, die eine solche Aufweitung erfordern.
  • Ein generell mit dem Bezugszeichen 25 bezeichneter räumlicher Strahlintegrator ist in der Bahn des aus dem zeitlichen Strahlintegrator 12 austretenden gedrehten Strahls angeordnet (der optional auch aus der optionalen Strahlaufweitungslinse 20 austreten kann). Der räumliche Strahlintegrator 25 weist ein dicht gepacktes Feld hexagonaler Prismen 27 auf, die um eine Mitte des räumlichen Strahlintegrators 25 herum angeordnet sind. Wie in 2 gezeigt, sind die Austrittsflächen 28 jedes der Prismen 27 bzgl. der Mittelachse 29 des räumlichen Strahlintegrators geneigt. Dadurch wird der Teil des gedrehten Laserstrahls, der durch das jeweilige Prisma tritt, beim Verlassen der Austrittsfläche 28 zu Mittelachse hin gebrochen. Der aus dem räumlichen Strahlintegrator 25 austretende, räumlich integrierte Strahl wird entlang der optischen Elementen bis zu seiner Zielstelle oder -ebene weiter übertragen.
  • Wie durch den gekrümmten Pfeil 32 angedeutet, kann der räumliche Strahlintegrator 25 für eine Rotationsbewegung um die Strahlachse angebracht werden. Im Ausführungsbeispiel ist der räumliche Strahlintegrator 25 so angebracht, daß er die gleiche Drehrichtung wie der zeitliche Strahlintegrator 12 aufweist, aber mit der doppelten Rotationsgeschwindigkeit des zeitlichen Strahlintegrators 12 gedreht wird. Der gedrehte Strahl, der aus dem zeitlichen Strahlintegrator 12 austritt, hat dadurch eine bestimmte Winkelorientierung zum räumlichen Strahlintegrator 25 (da der Strahl beim Passieren der zgl. Linsen 13, 14 zweifach rotiert wird). Bei dieser Ausführung ist die Winkelausrichtung des räumlichen Strahlintegrators 25 anfänglich hinsichtlich der Winkelausrichtung des zeitlichen Strahlintegrators 12 eingerichtet, wobei der Integrator 12 feststeht, um die Winkelposition des räumlichen Strahlintegrators 25 relativ zum Strahl zu bestimmen, welche optimale räumliche Eigenschaften, d. h. Glätte, Profil und Homogenität, ergibt. Sobald diese Orientierung bestimmt wurde, werden die relativen Winkelstellungen des zeitlichen Strahlintegrators 12 und des räumlichen Strahlintegrators 25 während der Rotation dieser beiden Einheiten so gesteuert, daß diese optimale Winkelausrichtung zwischen dem Strahl 10 und dem räumlichen Strahlintegrator konstant gehalten wird. Auf diese Weise wird die räumliche Strahlintegratoon optimiert.
  • Bei einer ersten alternativen Ausführung der Erfindung, wird der räumliche Strahlintegrator 25 einfach mit dem zeitlichen Strahlintegrator 12 verriegelt und gemeinsam mit diesem gedreht. Bei einer weiteren alternativen Ausführung wird die Winkelstellung des räumlichen Strahlintegrators 25 einfach festgesetzt, und nur der zeitliche Strahlintegrator 12 wird gedreht. Bei beiden alternativen Ausführungen dreht sich der aus dem zeitlichen Strahlintegrator 12 austretende Strahl ebenfalls bzgl. des räumlichen Strahlintegrators 25. Dadurch wird die anfängliche Winkelausrichtung des räumlichen Strahlintegrators 25 hinsichtlich des zeitlichen Strahlintegrators 12 überflüssig.
  • 3 und 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Anbringen zylindrischer Linsen 13, 14 und Prismen 27 für den räumlichen Strahlintegrator, und zum Rotieren der Prismen 27 relativ zu den Linsen 13, 14. Wie in diesen Figuren zu sehen, ist die zylindrische Linse 13 in einer Öffnung 41 eines hohlen, im wesentlichen zylindrischen Elements 42 angebracht. Die zylindrische Linse 14 ist in einer Öffnung 44 in einem zweiten im wesentlichen zylindrischen Element 45 angebracht. Der Außendurchmesser des Elements 42 ist so gewählt, daß er gleitend verschiebbar in den Innendurchmesser des Elements 45 paßt, so daß der axiale Abstand zwischen den Linsen 13 und 14 eingestellt werden kann. Das Aufnahmeelement 45 ist über Lager 46 drehbar bzgl. eines Tragelements 48 angebracht. Das Tragelement 48 trägt zusätzlich einen Antriebsmotor 50, einen Motortransmissionsmechanismus 51 und eine Antriebswelle 53. Ein erstes Zahnrad 45 ist auf der Welle 43 angebracht und über eine Reibklemme 57, welche von einem Reibflansch 59 aufgenommen ist, welcher an einer Stirn des Antriebszahnrad 55 befestigt ist. Ein zweites Antriebszahnrad 61 ist ebenfalls über eine Reibklemme 57 und einen Flansch 59 auf dem Schaft 53 angebracht.
  • Das Antriebszahnrad 55 ist im Eingriff mit einem ersten angetriebenen Zahnrad 64, welches am Gehäuseelement 45 befestigt ist. Das Antriebszahnrad 61 ist im Eingriff mit einem zweiten angetriebenen Zahnrad 66, welches an einem Haltekopf 69 der räumlichen Strahlintegratorprismen 27 befestigt ist.
  • Im Betrieb sind die zylindrischen Linsen 13, 14 innerhalb ihrer jeweiligen Öffnungen mit ausgerichteten zylindrischen Achsen in den Elementen 42, 45 angeordnet, und ihr Abstand entlang der Strahlachse ist so eingestellt, daß die Linsen 13, 14 um einen Abstand, die der Summe der Brennweiten der beiden Linsen entspricht, voneinander getrennt. Anschließend wird das Feld aus Hexagonalprismen 27 im Element 69 angebracht und diese Anordnung wird mit dem angetriebenen Zahnrad 66 verbunden. Diese Anordnung wird nun an der Achse des Laserstrahls (durch die strichpunktierte Linie in 3 angedeutet) ausgerichtet und danach wird das Laserstrahlprofil bei rotierendem Befestigungskopf 69 geprüft. Sobald die optimale relative Winkelstellung zwischen dem Strahl und den Prismen 27 erreicht ist, wird das Antriebszahnrad 61 mit der Welle 53 über die Klemme 57 und das Teil 59 verriegelt, und das Antriebszahnrad 55 wird in ähnlicher Weise mit der Welle 53 verriegelt (es sei denn, daß dieser Schritt bereits vor der anfänglichen Dreheinstellung des Befestigungskopfes 69 durchgeführt wurde). Die Vorrichtung ist nun ausgerichtet und einsatzbereit.
  • Im Betrieb wird der Motor 50 über entsprechende Steuersignale betrieben, um die Antriebszahnräder 55, 61 zu drehen, und so die Gehäuseelemente 42, 45 in den Lagern 46 sowie die Prismen 27 zu drehen. Die relative Rotationsgeschwindigkeit der Linsen 13, 14 zu den Prismen 27 werden durch die Übersetzungsverhältnisse der Zahnräder 55, 61, 64 und 66 bestimmt. Für den Fachmann ist klar, daß diese relativen Drehgeschwindigkeiten verändert werden können, indem einfach Zahnräder mit unterschiedlichen Übersetzungen verwendet werden, wie es durch die Anforderungen einer bestimmten Anwendung bestimmt werden kann.
  • Die 5A und 5B zeigen die Anwendung der Erfindung in einem augenärztlichen (ophtamologischen) Laseroperationssystem. 5C zeigt die relative Anordnung für die 5A und 5B. Wie in diesen Figuren gezeigt wird, wird ein parallel gerichteter, Strahl 10 aus einer geeigneten Laserquelle 70, wie z. B. einer Excimer-Laserstrahlquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls im fernen ultravioletten Bereich mit einer Wellenlänge von 193 Nanometern, auf einen Strahlteiler 71 gerichtet. Ein Teil des Strahls wird auf einen Energiedetektor 72 reflektiert; der verbleibende Teil wird durch den Strahlteiler 71 geführt und von einem Spiegel 73 auf die zylindrische Eintrittsfläche des zeitlichen Strahlintegrators 12 reflektiert. Der gedrehte aus dem Integrator 12 austretende Strahl wird durch die Spreizlinse 20 geführt, die eine negative Linse ist, um die Strahlgröße etwas aufzuweiten, danach durch den räumlichen Strahlintegrator 25 und auf einen Spiegel 74. Der vom Spiegel 74 reflektierte Strahl wird durch eine Kollimatorlinse 75 geführt, vorzugsweise eine positive plankonvexe Linse, die die Strahlgröße reduziert. Der die Kollimatorlinse 75 verlassende Strahl wird auf eine verstellbare Blende 77 gerichtet, bei der vorzugsweise eine Irisblende mit variablem Durchmesser mit einem variablen Schlitz kombiniert ist, um Strahlgröße und -profil an ein bestimmtes augenärztliches Operationsverfahren anzupassen, wie z. B. einem Verfahren zur fotorefraktiven Keratektomie. Der abgeblendete Strahl aus der einstellbaren Blende 77 wird auf eine Bildlinse gerichtet, vorzugsweise eine bikonvexe Einzellinse mit einer Brennweite von 125 mm. Der abgebildete Strahl von der Linse 79 wird durch einen Spiegel/Strahlteiler 80 in die Operationsebene 82 reflektiert, in der der Scheitel der Hornhaut des Patienten positioniert ist. Ein Behandlungsenergiedetektor 84 registriert den übertragenen Teil der Strahlenergie am Spiegel/Strahlteiler 80. Ein Strahlteiler 86 und eine Mikroskop-Objektivlinse 88 sind Teil der Betrachtungsoptik. Auf Wunsch kann eine Videokamera im optischen Pfad des aus der Mikroskop-Objektivlinse 88 austretenden aufgeweiteten Strahls angebracht werden, um die Betrachtung oder Aufzeichnung des Operationsverfahrens zu unterstützen. In ähnlicher Weise kann auch ein Headup-Display in den optischen Pfad des Mikroskops eingefügt werden, das vom Strahlteiler 86 reflektiert wird, um zusätzliche Betrachtungsmöglichkeiten zu schaffen.
  • In der Anwendung der in den 5AC gezeigten Erfindung hängt die Drehgeschwindigkeit des zeitlichen Strahlintegrators im allgemeinen von der Art des Operationsverfahrens ab, und korreliert insbesondere mit der Rate, mit der die Laserpulse erzeugt werden. Im allgemeinen bewegen sich in augenärztlichen Operationsverfahren die Rotationsgeschwindigkeiten in einem Bereich von etwa 100 bis 200 Umdrehungen pro Minute.
  • Wie oben erwähnt, sind die zylindrischen Linsen 13, 14 des zeitlichen Strahlintegrators 12 im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel im wesentlichen identisch und haben daher gleiche Brennweiten. Auf Wunsch können zylindrische Linsen mit unterschiedlichen Brennweiten verwendet werden, wie in 6 gezeigt. Bezugnehmend auf diese Figur werden zwei zylindrische Linsen 113, 114 mit unterschiedlicher Brechkraft und ausgerichteten Achsen, wie gezeigt, angeordnet. Die Linsen 113, 114 sind entlang der Strahlachse in einem Abstand zueinander angeordnet, welcher der Summe der beiden Brennweiten f1, f2 entspricht. Bei dieser Ausführung wird die Größe des an der Austrittsseite des zeitlichen Strahlintegrators austretenden Laserstrahls hinsichtlich seiner Breite und Höhe durch den Kehrwert der ersten und zweiten Integratorlinsen 113, 114 sowie die Sinus- oder Kosinusfunktion des Winkels zwischen dem eintretenden Laserstrahl und der Eintrittslinse bestimmt. Für den Fachmann ist klar, daß bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel entweder die Linse 113 oder 114 als Eintritts- oder Austrittslinse für den zeitlichen Strahlintegrator fungieren kann. Genauso ist es klar, daß die Linsen 113, 114 in der gleichen Weise angeordnet und betrieben werden können, wie dies oben in Bezug auf die Ausführungen der 15AC beschrieben ist.
  • Der erfindungsgemäße zeitliche und räumliche Strahlintegrator erzielt eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem bekannten räumlichen und zeitlichen Strahlintegrator, der rotierende Dove-Prismen verwendet. Erstens können wegen der Verwendung im wesentlichen identischer zylindrischer Linsen 13, 14 und die einfache Befestigungsanordnung, wie in 3 und 4 dargestellt, die Optiken des zeitlichen und räumlichen Strahlintegrators relativ aneinander ausgerichtet werden. Weiterhin ist nach diesem Ausrichten die Wahrscheinlichkeit einer nachfolgenden Fehlausrichtung extrem niedrig. Auch führt jede Winkelfehlausrichtung bzgl. der Laserstrahlachse nur zu einer Multiplikation des Fehlausrichtungsfehlers am Laserstrahl mit einem Faktor von etwa 0,5, der wesentlich besser liegt als der Fehlermultiplikationsfaktor von 2,0 für einen zeitlichen Strahlintegrator, welcher rotierende Dove-Prismen verwendet.
  • Während das oben Gesagte eine vollständige und umfassende Offenbarung der Ausführungsbeispiele der Erfindung liefert, sind verschiedene Modifikationen, alternative Gestaltungen und Äquivalente für den Fachmann offensichtlich. Während die Erfindung hier ausdrücklich bzgl. eines augenärztlichen Laseroperationssystems beschrieben wurde, können z. B. andere Anwendungen der Erfindung entwickelt werden, falls gewünscht. Daher sollte das oben Gesagte nicht zur Beschränkung der Erfindung verwendet werden, die durch die anhängenden Ansprüche definiert ist.

Claims (26)

  1. Vorrichtung zur Abgabe eines Laserstrahls, die einen parallel gerichteten Laserstrahl zeitlich und räumlich integriert, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: einen zeitlichen Strahlintegrator (12); eine Einrichtung (18) zum Drehen des zeitlichen Strahlintegrators (12), so daß ein durch die Einrichtung tretender, parallel gerichteter Laserstrahl um die Strahlachse gedreht wird; und einen räumlichen Strahlintegrator (25), der in der Bahn des aus dem zeitlichen Integrator (12) austretenden Strahl angeordnet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der räumliche Strahlintegrator (25) mehrere, um eine Mitte verteilte Prismen (27) aufweist, wobei jedes Prisma (27) eine Austrittsfläche (28) aufweist, die einen austretenden Strahlabschnitt zur Mitte hin bricht.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher der räumliche Strahlintegrator (25) eine Körperachse (29) aufweist, die durch die Mitte hindurch verläuft, und wobei jede Austrittsfläche (28) in einem Winkel zu der Körperachse angeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei welcher die Mitte einen Hohlraum oder ein optisches Element aufweist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der zeitliche Strahlintegrator (12) erste und zweite zylindrische Linsen (13, 14) aufweist, die in einem Abstand zueinander auf einer Strahlachse (10) quer zur Strahlachse (10) angeordnet sind, und die Einrichtung (18) zum gleichzeitigen Drehen der zylindrischen Linsen (13, 14) um die Strahlachse (10), so daß ein parallel gerichteter, durch die zylindrischen Linsen tretender Laserstrahl um die Strahlachse gedreht wird.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die zylindrischen Linsen (13, 14) in einem Abstand entlang der Strahlachse zueinander angeordnet sind, die der Summe der Brennweiten der beiden zylindrischen Linsen entspricht.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, zusätzlich eine Spreizlinse (20) aufweisend, welche in der Bahn des aus einer der zylindrischen Linsen (13, 14) austretenden Strahls angeordnet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher die Spreizlinse (20) zwischen einer der zylindrischen Linsen (13, 14) und dem räumlichen Strahlintegrator (25) angeordnet ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher eine Einrichtung (32) zum Drehen des räumlichen Strahlintegrators (25) um die Strahlachse vorgesehen ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, soweit abhängig von einem der Ansprüche 5 bis 8, bei welcher die Einrichtung (32) zum Drehen des räumlichen Strahlintegrators (25) so angeordnet ist, daß sie eine Relativdrehung zwischen dem räumlichen Strahlintegrator (25) und den zylindrischen Linsen (13, 14) zuläßt.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Einrichtung (18) zum Drehen der zylindrischen Linsen (13, 14) und die Einrichtung (32) zum Drehen des räumlichen Strahlintegrators (25) so angeordnet sind, daß sie eine synchrone Bewegung der zylindrischen Linsen (13, 14) mit dem räumlichen Strahlintegrator (25) ermöglichen.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei welcher die Anordnung so ist, daß der räumliche Strahlintegrator (25) in eine Drehung mit der Geschwindigkeit n versetzt wird, wobei n/2 die Drehgeschwindigkeit der zylindrischen Linsen (13, 14) um die Strahlachse ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei welcher die Einrichtung (18) zum Drehen der zylindrischen Linsen (13, 14) ein Gehäuse (42, 45) zur Aufnahme der zylindrischen Linsen aufweist, einen Motor (50) zum Erzeugen der mechanischen Bewegung und eine erste Einrichtung (55, 64) zum Übertragen der mechanischen Bewegung auf das Gehäuse (42, 45) und wobei die Einrichtung (32) zum Drehen des räumlichen Strahlintegrators (25) eine Aufnahmeeinrichtung (69) für den räumlichen Strahlintegrator (25) umfaßt, und eine zweite Einrichtung (61, 66) zum Übertragen der mechanischen Bewegung auf die Befestigungseinrichtung (69).
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, zusätzlich aufweisend eine lösbare Kupplung (57, 59) zwischen dem Motor (50) und der ersten oder zweiten Einrichtung (55, 64; 61, 66).
  15. Augenärztliches Laseroperationssystem mit: einer Laserquelle (70), einer Vorrichtung zur Abgabe eines Laserstrahls nach einem der Ansprüche 1 bis 14 und eine Einrichtung (74, 75, 77, 79, 80) zum Lenken des aus der Abgabevorrichtung austretenden Laserstrahls auf eine Operationsebene (82).
  16. System nach Anspruch 15, bei welchem ein Teil des Laserstrahl-Outputs der Laserquelle (70) über eine Einrichtung zur Strahlteilung (71) auf einen Energiedetektor (72) gelenkt wird, bevor der Laserstrahl in die Vorrichtung zur Abgabe eines Laserstrahls gelangt.
  17. System nach Anspruch 15 oder 16, bei welchem eine variable Blendeneinrichtung (77) in der Bahn des aus der Vorrichtung zur Abgabe eines Laserstrahls austretenden Laserstrahls vorgesehen ist.
  18. System nach einem der Ansprüche 15, 16 oder 17, wobei eine Einrichtung zur Strahlteilung (80) vorgesehen ist, um einen aus der Vorrichtung zur Abgabe eines Laserstrahls austretenden Laserstrahl (a) auf eine Operationsebene (82) und (b) auf eine Behandlungsenergie-Detektionseinrichtung (84) zu lenken.
  19. System nach einem der Ansprüche 15 bis 18, einschließlich einer Einrichtung (88) zum Betrachten und/oder Aufzeichnen eines augenärztlichen Operationsvorgangs.
  20. Verfahren zum Behandeln eines parallel gerichteten Laserstrahls, um desen räumliche und zeitliche Eigenschaften zu verbessern, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: (a) einen parallel gerichteten Strahl (10) zuerst durch einen zeitlichen Strahlintegrator (12) lenken, der den Strahl mit einer bestimmten Geschwindigkeit um die Strahlachse dreht; und (b) dann den aus dem zeitlichen Strahlintegrator (12) austretenden Strahl durch einen räumlichen Strahlintegrator (25) lenken, um eine räumliche Integration des Strahls zu bewirken.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, bei welchem der Schritt (a) das Anordnen eines Paars zylindrischer Linsen (13, 14) in einem Abstand zueinander entlang der Achse des parallel gerichteten Strahls umfaßt, und das gemeinsame Drehen des Paares zylindrischer Linsen um die Strahlachse.
  22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, wobei der Schritt (b) das Drehen des räumlichen Strahlintegrators (25) um die Strahlachse umfaßt.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, bei welchem der räumliche Strahlintegrator (25) mit einer Winkelgeschwindigkeit gedreht wird, die größer ist als die Drehgeschwindigkeit der zylindrischen Linsen (13, 14), z. B. mit einer Winkelgeschwindigkeit, die doppelt so hoch ist wie die Drehgeschwindigkeit der zylindrischen Linsen.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, bei welchem die Winkelgeschwindigkeit der Drehung des räumlichen Strahlintegrators (25) so groß ist wie die Drehgeschwindigkeit der zylindrischen Linsen (13, 14).
  25. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, bei welchem Schritt (b) das Festlegen des räumlichen Strahlintegrators (25) bezüglich der Drehung des Strahls umfaßt.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25, bei welchem vor dem Schritt (a) der räumliche Strahlintegrator (25) um die Strahlachse gedreht wird, um zu Beginn die räumlichen Eigenschaften des parallel gerichteten, durch den Integrator tretenden Strahls zu optimieren.
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