DE10031414B4

DE10031414B4 - Vorrichtung zur Vereinigung optischer Strahlung

Info

Publication number: DE10031414B4
Application number: DE10031414A
Authority: DE
Inventors: Mario Gerlach; Bastiaan Oostdijck
Original assignee: VEB Carl Zeiss Jena GmbH; Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG; Carl Zeiss Jena GmbH
Priority date: 2000-06-28
Filing date: 2000-06-28
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2020-06-29
Also published as: US6608674B2; JP2002058696A; US20020051291A1; JP4849737B2; DE10031414A1

Abstract

Vorrichtung zur Vereinigung optischer Strahlung unter Ausnutzung der Polarisationseigenschaften des Lichtes, umfassend eine planparallele, optisch transparente Platte (1) einem Brechungsindex n, welche eine optisch wirksame, erste Fläche (2) die ein optischer Wirkstrahl (4) aftrifft, und eine zur ersten Fläche (2) parallele,optisch wirksame, zweite Fläche (3) umfaßt auf die ein optischer Zielstrahl (10) am Ort (5) des Austritts des Wirkstrahls (4) aus dieser zweiten Fläche (3) auftrifft,
wobei
a) die Planparallelplatte (1) so zu den zu koppelnden Strahlen (4; 10) oder Strahlengängen angeordnet ist, daß der Wirkstrahl (4) auf die erste Fläche (2) der Platte (1) und der Zielstrahl (10) auf die zweite Fläche (3) der Platte (1) jeweils unter einem Winkel α auftreffen,der nicht gleich aber annähernd gleich dem dem Brechungsindex n der Platte (1) entsprechenden Brewsterwinkel ist,
b) der Wirkstrahl (4) und der Zielstrahl (10) linear polarisiert sind, wobei die Polarisationsebene des Wirkstrahls (4) parallel zur Einfallsebene der Vorrichtung und die Polarisationsebene des Zielstrahls (10) senkrecht zur Einfallsebene der Vorrichtung verlaufen,
c) am Ort (6) es Eintritts des Wirkstrahls (4) in die Planparallelplatte (1) ein erster Teilstrahl (8) durch Reflexion erzeugt wird,
d) am Auftreffort des Zielstrahls (10) auf die Planparallelplatte (1) ein zweiter Teilstrahl (8.1) durch Reflexon erzeugt wird und
e) diesen Teilstrahlen (8; 8.1) jeweils Fotodetektoren (9; 13) zugeordnet sind die mit einer Verarbeitungseinheit (17) zur Erzeugung von Steuersignalen verbunden sind mit denen die auf die Platte (1) treffende Strahlung gesteuert oder geregelt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Vereinigung optischer Strahlung unter Ausnutzung der Polarisationseigenschaften des Lichtes.
Weite Anwendungsbereiche von Lasern als Strahlungsquellen im sichtbaren oder nicht sichtbaren Spektralbereich in Medizin und Technik erfordern eine optische Markierung der Bearbeitungszone durch einen Ziel- oder Markierungslaser, wobei die Wellenlänge des Ziellasers gewöhnlich im sichtbaren Spektralbereich liegt. Ein Wirkstrahl eines Wirkstrahllasers dient beispielsweise der Bestrahlung erkrankter Bereiche, beispielsweise in Innern des Auges. Wirklaserstrahl und Zielstrahl werden üblicherweise durch dichroitische optische Elemente vereinigt, und/oder es werden aus dem Wirkstrahl Strahlungsanteile ausgekoppelt, die u. a. Meßzwecken dienen.
Zur Anwendung kommen für solche optischen Elemente Strahlteilerwürfel oder teilreflektierende Planparallelplatten, die z. B. unter einem Winkel von 45° in dem entsprechenden Strahlengang angeordnet werden. Diese Elemente besitzen üblicherweise eine dielektrische Beschichtung zur Entspiegelung ihrer optisch wirksamen Flächen auf der Wellenlänge des Wirkstrahles. Im Gegensatz dazu wird die Einkopplung des Markierungslasers über dielektrische Schichten hohen Reflexionsgrades auf den Flächen vorgenommen. Reflektierte Anteile des Wirkstrahles, verursacht durch die Vereinigungsoptik, können zur Leistungsregelung und zur Leistungsüberwachung des Wirkstrahles genutzt werden.

Ein solches Element ist in DE 19816302 C1 im Zusammenhang mit einer Einrichtung zur Strahlentherapie von Gewebeteilen beschrieben. Bei dieser Einrichtung werden durch ein optisches Element, welches eine planparallele Platte darstellt, ein Ziel- und ein Wirk- oder Therapiestrahl vereinigt. Dieses Element besitzt zwei optisch wirksame Flächen, an denen die Vereinigung der Strahlen und die Auskopplung mindestens eines Teilstrahls aus dem Wirkstrahl stattfinden. Die ausgekoppelten Teilstrahlen werden Strahfungsempfängern zugeführt, deren Signale zu Regel- oder Überwachungszwecken nach einer entsprechenden Weiterverarbeitung benutzt werden.

Die Nachteile dieses Standes der Technik können etwa wie folgt dargelegt werden. Er erfordert Modifikationen der optischen Oberflächen der entsprechenden optischen Elemente zur Reduktion der Reflexions- und Koppelverluste. Die Realisierung erfolgt durch das Aufbringen dielektrischer Schichten, die den Reflexionsgrad der Oberflächen auf der Wellenlänge des Wirkstrahls vermindern und gleichzeitig den Reflexionsgrad der Markierungswellenlänge erhöhen. Dielektrische Schichten besitzen aber den Nachteil, daß sich die optischen Eigenschaften in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen ändern. So können eine Änderung der Umgebungstemperatur oder der Luftfeuchtigkeit dazu führen, daß sich der Reflexionsgrad der Schicht, der Anteil der Streuverluste und die Wellenlängencharakteristik deutlich verändern. Das kann bei der Anwendung eines Koppelelementes nach dem Stand der Technik zu Leistungsverlusten, Fehlmessungen, Überwachungslücken und letztendlich, im Anwendungsfall bei medizinischen Geräten, zur Gefährdung von Personen führen. Die Aufkittung optischer Keile oder prismatischer Elemente soll die Orthogonalität zwischen dem einfallenden Strahl und der optischen Oberfläche sicherstellen, um Empfindlichkeit gegenüber Umweltbedingungen zu minimieren. Diese Maßnahmen führen jedoch im Weiteren die Nachteile mit sich, daß optische Abbildungsfehler, wie z. B. Astigmatismus, durch das Koppelelement erzeugt werden. Nach wie vor sind aber auf dem Koppelelement aufwendige dielektrische Beschichtungen erforderlich, durch die der Herstellungsaufwand vergrößert wird.

Zudem ist es aus der Druckschrift DE 4101044 C1 bereits bekannt, mit Hilfe einer planparallelen, optisch transparenten Platte und unter Ausnutzung der Polarisationseigenschaften des Lichts zwei Strahlengänge zu vereinigen, wobei das Licht dieser Strahlengänge von zwei Seiten und zwar jeweils im Brewsterwinkel auf die Platte trifft, das Licht des ersten Strahlengangs parallel zur Einfallsebene linear polarisiert ist und durch die Platte hindurchtritt und das Licht des zweiten Strahlengangs senkrecht zur Einfallsebene polarisiert ist und zum Teil an der Platte reflektiert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Vereinigung optischer Strahlung zu schaffen, die ein konstruktiv einfach aufgebautes Koppelelement aufweist und die ein definiertes Auskoppeln von Strahlenanteilen bei vergleichsweise geringen Koppelverlusten erlaubt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den im ersten Patentanspruch dargelegten Mitteln gelöst. In den weiteren Ansprüchen werden Einzelheiten und weitere Ausführungen der Erfindung offenbart.

Damit der Wirkstrahl und der Zielstrahl den gleichen Verlauf und identische Wege besitzen, ist es günstig, wenn der Zielstrahl am Ort des Austritts des Wirkstrahls aus der zweiten Fläche der Planparallelplatte kollinear mit dem Wirkstrahln zusammengeführt wird.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn in den Strahlengängen der Teilstrahlen Polarisations-, Absorptions-, holographische oder dielektrische Filter den Fotodetektoren vorgelagert sind.

Der Hauptvorteil der Vorrichtung ergibt sich aus dem Verzicht auf reflexmindernde dielektrische Schichten auf den optisch wirksamen Flächen der Planparallelplatte. Einerseits können Kosten und Zeit des Beschichtungsarbeitsganges gespart werden, zum anderen fallen alle Probleme, die im Zusammenhang mit dielektrischen Schichten auftreten, weg. Das bedeutet, daß sich ändernde Umweltbedingungen nicht zu einer Änderung der Schichteigenschaften führen können. Da der Reflexionsgrad der optischen Flächen nur von der Brechzahl des Glasmaterials, des Einfallswinkels und in geringem Maße von der Divergenz des Lasers abhängig ist, erweist sich das System als invariant gegenüber wechselnden Umweltbedingungen. Bei der vorgeschlagenen Anordnung wird eine größtmögliche Unabhängigkeit gegenüber Feuchtigkeits- und Temperatureinflüssen erreicht.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen

1 die erfindungsgemäße Vorrichtung und

2 den Reflexionsgrad an der Planparallelplatte als Funktion des Einfallwinkels.

Der prinzipielle Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird anhand der 1 erläutert. Diese umfaßt eine Planparallelplatte 1 aus einem, für die verwendete Wellenlänge optisch transparenten Werkstoff mit einem Brechungsindex n, beispielsweise aus Glas, Kunststoff oder Kristall, welche in eine optisch wirksame, erste Fläche 2 und , eine dazu parallele optisch wirksame, zweite Fläche 3 besitzt. Im in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel trifft ein Wirkstrahl 4, welcher von einer nicht dargestellten Strahlungsquelle ausgesandt wird, unter einem Einfallswinkel α auf die erste Fläche 2, welcher nicht gleich aber annähernd dem Brechungsindex n der Platte 1 entsprechenden Brewsterwinkel ist. Von einem annähernd unter dem Brewsterwinkel auf eine Grenzfläche einfallenden Strahl schließen der an der Grenzfläche gebrochene und der an dieser Fläche reflektierte Strahl 8 annähernd einen Winkel von 90° ein. Dieser Wirkstrahl 4, welcher linear polarisiert ist und dessen Polarisationsebene parallel zur Einfallsebene der Vorrichtung (Planparallelplatte 1) verläuft, wird an der Fläche 2 der Planparallelplatte 1 gebrochen und verläßt diese Planparallelplatte 1 am Austrittsort 5 parallel versetzt zum am Eintrittsort 6 eintretenden Wirkstrahl 4 in Richtung zu einem Bestrahlungsort (Pfeil 7). Bei einem derart polarisierten Wirkstrahl 4 ist der an der Grenzfläche in die Planparallelplatte 1 eintretende Strahlanteil sehr groß gegenüber dem an dieser Grenzfläche reflektierten Strahl 8, so daß der größte Teil der einfallenden Strahlung des Wirkstrahls 4 durch die Planparallelplatte 1 hindurchgeht.
Der am Eintrittsort 6 reflektierte Anteil 8 des einfallenden Wirkstrahls 4 wird einem Fotoempfänger 9 zugeleitet. Da der Wirkstrahl 4 linear polarisiert ist und seine Polarisationsebene parallel zur Einfallsebene der Vorrichtung verläuft, erfährt dieser Strahl 4 beim Durchgang durch die Planparallelplatte 1 äußerst geringe Reflexionsverluste.
Am Austrittsort 5 des gebrochenen Anteils des Wirkstrahl 4 an der zweiten Fläche 3 der Planparallelplatte 1 wird in vorteilhafter Weise ein Zielstrahl 10 in den Strahl 4 eingekoppelt. Ein Anteil des Zielstrahls 10 wird an der Planparallelplatte 1 gebrochen und durchläuft die Platte und verläßt an einem Ort 11 auf der ersten Fläche die Planparallelplatte 1 als gebrochener Anteil 12 und kann ebenfalls einem Fotoempfänger 13 zugeführt werden.
Die Polarisationsebene des Zielstrahls 10 senkrecht zur Einfallsebene der Vorrichtung, damit der Strahl 10 an dieser zweiten Fläche 3 mit einem hohen Reflexionsgrad reflektiert wird. Der an der Planparallelplatte 1 reflektierte Anteil beträgt ca. 20 % bis 30 %, Der Rest durchläuft die Platte 1.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die laterale Position der Planparallelplatte 1 so gewählt, daß der austretende Strahl aufgrund des optischen Strahlversatzes die Platte 1 im Zentrum (Austrittsort 5) verläßt. Aufgrund der Symmetriebedingungen ist somit sichergestellt, das auch restliche Front- und Rückseitenreflexionen an den Flächen 2 und 3 unabgeschattet ausgewertet werden können. Der Abstand der geometrisch parallel verlaufenden Front- und Rückseitenreflexe ist vom Winkel der Platte zur optischen Achse 15, dem Brechungsindex n der Planparallelplatte 1 sowie der Dicke der Platte 1 abhängig. Da aber der Brechungsindex n der Platte 1 den Brewsterwinkel und somit den Winkel zur optischen Achse 15, die parallel zum Strahl 4 verläuft, festlegt, kann der Abstand der austretenden Strahlen (reflektierter Anteil 8 und gebrochener Anteil 12) nur über die Plattendicke d eingestellt werden.
In 2 ist der Reflexionsgrad an der Planparallelplatte 1 als Funktion des Einfallswinkels des Wirkstrahls dargestellt. Deutlich ersichtlich ist das ausgeprägte Minimum des Reflexionsgrades in der Umgebung des Brewsterwinkels. Im Arbeitspunkt der Vorrichtung ist ohne zusätzliche Maßnahmen der Oberflächenentspiegelung ein Restreflexionsgrad von 0.05 % für den Wirkstrahl pro optischer Fläche zu erreichen.
Die Polarisationsebene des Zielstrahls 10 ist senkrecht zur Einfallsebene der Vorrichtung eingestellt. Da für diese die Brewsterbedingung nicht erfüllt ist, wird abhängig von der Brechzahl n der Planparallelplatte 1 der etwa 600- bis 1000-fache Reflexionsgrad im Vergleich zum Reflexionsgrad ersten Strahles 4 erreicht. Das bedeutet, daß der Zielstrahl 10 effizient durch ein optisches Bauelement in der Form der Planparallelplatte 1 in den Wirkstrahl 4 eingekoppelt werden kann, welches den Wirkstrahl 4 nahezu verlustfrei passieren läßt. Im Abstand der Strahlen der Restreflexion ist ein Fotoempfänger 9 zur Messung und Überwachung der Wirkstrahlleistung positioniert.
Um Fehlmessungen der Wirkstrahlleistung durch transmittierte Zieltrahlleistung zu verhindern, werden vor den Fotoempfängern, die mit einer Rechner- oder Auswerteeinheit 17 verbunden sind, ein oder mehrere Filter 16 angeordnet. Das Filter 16 blockt die transmittierte Zielstrahlleistung, während der reflektierte Anteil 8.1 des Wirkstrahls 4 nahezu verlustfrei den Fotoempfänger 9 erreicht. In einem anderen Anwendungsfall kann das Filter 16 auch für die Wellenlänge des Zielstrahls durchlässig sein und noch vorhandene Reste des Wirkstrahls 4 herausfiltern.
Diese extreme Aufspaltung der Reflexionsverhältnisse läßt sich nur unter Ausnutzung des Brewster'schen Gesetzes und unter Anwendung streng linear polarisierter Wirk- und Zielstrahlen 4 und 10 erreichen.

Claims

Vorrichtung zur Vereinigung optischer Strahlung unter Ausnutzung der Polarisationseigenschaften des Lichtes, umfassend eine planparallele, optisch transparente Platte (1) einem Brechungsindex n, welche eine optisch wirksame, erste Fläche (2) die ein optischer Wirkstrahl (4) aftrifft, und eine zur ersten Fläche (2) parallele, optisch wirksame, zweite Fläche (3) umfaßt auf die ein optischer Zielstrahl (10) am Ort (5) des Austritts des Wirkstrahls (4) aus dieser zweiten Fläche (3) auftrifft, wobei a) die Planparallelplatte (1) so zu den zu koppelnden Strahlen (4; 10) oder Strahlengängen angeordnet ist, daß der Wirkstrahl (4) auf die erste Fläche (2) der Platte (1) und der Zielstrahl (10) auf die zweite Fläche (3) der Platte (1) jeweils unter einem Winkel α auftreffen,der nicht gleich aber annähernd gleich dem dem Brechungsindex n der Platte (1) entsprechenden Brewsterwinkel ist, b) der Wirkstrahl (4) und der Zielstrahl (10) linear polarisiert sind, wobei die Polarisationsebene des Wirkstrahls (4) parallel zur Einfallsebene der Vorrichtung und die Polarisationsebene des Zielstrahls (10) senkrecht zur Einfallsebene der Vorrichtung verlaufen, c) am Ort (6) es Eintritts des Wirkstrahls (4) in die Planparallelplatte (1) ein erster Teilstrahl (8) durch Reflexion erzeugt wird, d) am Auftreffort des Zielstrahls (10) auf die Planparallelplatte (1) ein zweiter Teilstrahl (8.1) durch Reflexon erzeugt wird und e) diesen Teilstrahlen (8; 8.1) jeweils Fotodetektoren (9; 13) zugeordnet sind die mit einer Verarbeitungseinheit (17) zur Erzeugung von Steuersignalen verbunden sind mit denen die auf die Platte (1) treffende Strahlung gesteuert oder geregelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, durch gekennzeichnet, daß der Zielstrahl (10) am Ort (5) es Austritts des Wirkstrahls (4) aus der zweiten Fläche (2) der Planparallelplatte (1) kollinear mit dem Wirkstrahl (4) zusammengeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengängen der Teilstrahlen (8; 8.1) Polarisations-, Absorptions-, holographische oder dielektrische Filter (16), den Fotodetektoren (9; 13) vorgelagert, vorgesehen sind.