DE102006007751A1

DE102006007751A1 - Lens arrangement for femto-second laser in-situ keratomileusis, has phase units for controlling parameter such as divergence, phase function, laser output and beam quality, where units have specially adjusted diffractive optical units

Info

Publication number: DE102006007751A1
Application number: DE102006007751A
Authority: DE
Inventors: Olaf Dr. Kittelmann; Peter Dr. Triebel
Original assignee: Wavelight GmbH
Current assignee: Wavelight GmbH
Priority date: 2006-02-20
Filing date: 2006-02-20
Publication date: 2007-08-23

Abstract

The arrangement has an optical system such as laser, light source or optical arrangement and a set of optical phase units for controlling a system parameter such as divergence, phase function, laser output and beam quality. The phase units have a set of specially adjusted diffractive optical units that are circularly arranged lattice structure with n-layers, where the diffractive optical units are exchanged by refractive units. The lattice structure enables a local-hysterical function depending on a sub-aperture dimension. An independent claim is also included for a method for controlling an optical system of a lens arrangement.

Description

Einleitungintroduction

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der online-Kontrolle von optischen Parametern bei Beleuchtungssystemen bestehend aus einer Lichtquelle (Laser, LED oder ähnlichem) und einer nachfolgenden Optik bestehend aus einer beliebigen Anordnung von Phasenelementen und Amplitudenelementen, dies schließt diffraktive und refraktive Optiken jeglicher Art, Funktion und Anordnung ein.The present invention employs deals with the online control of optical parameters in lighting systems consisting of a light source (laser, LED or similar) and a subsequent optic consisting of any arrangement of phase elements and amplitude elements, this includes diffractive ones and refractive optics of any kind, function and arrangement.

In der vorliegenden Erfindung wird eine resultierende Phasenfunktion eines optischen Systems mit einer geeignet abgestimmten Phasenfunktion eines diffraktiven oder auch refraktiven Elementes oder einer Anordnung solcher überlagert. Die daraus entstehende Intensitätsverteilung ermöglicht die Bewertung des Justagezustandes des optischen Systems sowie die Kontrolle von Laserparametern wie Leistung, Strahlprofil und Divergenz.In The present invention becomes a resulting phase function an optical system with a suitably tuned phase function a diffractive or refractive element or an arrangement such superimposed. The resulting intensity distribution allows the evaluation of the adjustment state of the optical system and the Control of laser parameters such as power, beam profile and divergence.

Stand der Technikwas standing of the technique

Als Stand der Technik angesehen werden können refraktive und diffraktive Mikrolinsenarrays. Die Herstellung dieser optischen Bauelemente kann durch verschiedene Verfahren realisiert werden und ist unter Beachtung der minimalen Strukturgröße als Stand der Technik anzusehen. Weiterhin existieren zahlreiche Anwendungen bei denen Mikrolinsenarrays oder aber auch diffraktive Optiken zur Beeinflussung der Phase und Intensität einfallender elektromagnetischer Strahlung verwendet werden kann, im speziellen Strahlhomogenisierung, Strahlteilung und eine gezielte Manipulation der Phasenverteilung. Generell bekannt ist, dass refraktive Mikrolinsenarrays zur Überprüfung der Wellenfront verwendet werden. Diese weit verbreitete Anordnung entspricht der Methode von Shack-Hartmann zur Kontrolle von Wellenfronten [ EP000001419752 A1 ].Refractive and diffractive microlens arrays can be considered as state of the art. The production of these optical components can be realized by various methods and should be regarded as state of the art, taking into account the minimum structure size. Furthermore, there are numerous applications in which microlens arrays or even diffractive optics for influencing the phase and intensity of incident electromagnetic radiation can be used, in particular beam homogenization, beam splitting and a targeted manipulation of the phase distribution. It is generally known that refractive microlens arrays are used to check the wavefront. This widespread arrangement corresponds to the method of Shack-Hartmann for controlling wavefronts [ EP000001419752 A1 ].

Weiterhin als Stand der Technik anzusehen ist die Wellenfrontvermessung des Auges mittels adaptiver Shack-Hartmann Technik []. Die Wellenfrontkorrektur durch adaptive Spiegel gekoppelt mit einem Shack-Hartmann-Wellenfrontsensor ist ebenfalls in einigen Patenten beschrieben und als Stand der Technik anzusehen [ US 6,685,319 B2 ].Further state of the art is the wavefront measurement of the eye using the adaptive Shack-Hartmann technique []. Wavefront correction by adaptive mirrors coupled to a Shack-Hartmann wavefront sensor is also described in some patents and to be considered as prior art [ US 6,685,319 B2 ].

Die Asphärenbewertung mittels adaptierter diffraktiver Mikrolinsenarrays ist ebenfalls in zwei Patenten von EASTMAN KODAK [ US 5,751,492 ; US 5,696,371 ] beschrieben. Hierbei werden azentrisch angeordnete Mikrolinsenarrays in diffraktiver Ausführung beschrieben.Aspheric evaluation using adapted diffractive microlens arrays is also described in two patents of EASTMAN KODAK [ US 5,751,492 ; US 5,696,371 ]. In this case, acentrically arranged microlens arrays are described in a diffractive design.

Dies ist in diesem Schutzrecht ein optisches Phasenelement welches diffraktive Mikrolinsen in hexagonaler und quadratischer Anordnung enthält.This is in this protection right an optical phase element which diffractive Contains microlenses in hexagonal and square arrangement.

Die Verwendung von diffraktiv-optischen Elementen zum Nulltest oder ähnlichem in interferometrischen Anordnungen stellt ein anderes technisches Wirkprinzip dar und berührt das hier dargestellte Verfahren nicht. [ US 5,233,174 ]The use of diffractive optical elements for zero test or the like in interferometric arrangements represents another technical working principle and does not affect the method presented here. [ US 5,233,174 ]

Weiterhin existieren zwei Veröffentlichungen über die Herstellung und das Design von diffraktiven Mikrolinsenarrays, so dass dies als veröffentlicht angesehen werden kann.Farther exist two publications about the Production and design of diffractive microlens arrays, see above that this as published can be viewed.

[N. Davies, M. McCormick, and M. Brewin, "Design and analysis of an image transfer system using microlens arrays," Opt. Eng. 33, 3624–3633 (1994), Neal, D.R., et. al, "A multi-tiered wavefront sensor using binary optics", Adaptive Optics in Astronomy, pp. 574–585, 1994][N. Davies, M. McCormick, and M. Brewin, "Design and analysis of an image transfer system using microlens arrays, "Opt. Closely. 33, 3624-3633 (1994), Neal, D.R., et. al, "A multi-tiered wavefront sensor using binary optics, Adaptive Optics in Astronomy, pp. 574-585, 1994]

Die hier beschriebene Erfindung grenzt sich durch die Verwendung eines speziell angepassten diffraktiv-optischen Elementes und der online-Kontrolle der Strahlparameter wie Divergenz, Wellenfrontfehler und Leistung durch die hier bisher beschriebenen Verfahren und Anordnungen ab. Dieses Verfahren schließt dabei das System der Strahlungsquelle und einer geeignet gewählten optischen Anordnung ein. Der Vorteil der vorgestellten technischen Lösung besteht in der Möglichkeit ein bekanntes optisches System hinsichtlich seines Justagezustandes mittels eine speziellen optischen Elementes zu charakterisieren. Dabei werden sowohl das Strahlprofil als auch die spezifische Wellenfront vermessen. Die vorgestellte technische Lösung ermöglicht somit eine online-Kontrolle eines optischen Systems bestehend aus Linsen und einer Lichtquelle, im Speziellen eines Lasers.The The invention described here is limited by the use of a specially adapted diffractive optical element and online control the beam parameters such as divergence, wavefront error and power by the methods and arrangements described hereinabove. This procedure concludes while the system of the radiation source and a suitably selected optical Arrangement. The advantage of the presented technical solution exists in the possibility a known optical system with regard to its adjustment state to characterize by means of a special optical element. In doing so, both the beam profile and the specific wavefront become measured. The presented technical solution thus enables online control an optical system consisting of lenses and a light source, in particular a laser.

Technische AusführungTechnical execution

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der online-Kontrolle von einem Laserstrahl nach Propagation durch eine Anordnung von Linsen zur Strahlformung bzw. Aufweitung. Dabei ist bei einer vom Idealzustand abweichenden Justage von einer spezifischen Anordnung von Linsen zur Strahlaufweitung, Fokussierung oder Zwischenabbildung eine charakteristische Phasenverteilung im Fernfeld nach dieser Linsenanordnung zu erwarten. Diese Phasenverteilung ist dabei vom jeweiligen Justagezustand des Gesamtsystems abhängig.The present invention employs yourself with the online control of a laser beam after propagation by an arrangement of lenses for beam shaping or widening. It is at a deviating from the ideal state adjustment of a specific Arrangement of lenses for beam widening, focusing or intermediate imaging a characteristic phase distribution in the far field after this Lens arrangement to be expected. This phase distribution is from the respective adjustment state of the overall system dependent.

Die resultierende Wellenfront des Gesamtsystems bestehend aus Laserquelle und nachfolgender Optik ist dabei sowohl von den Laserparametern, wie Divergenz und Strahlprofil als auch von spezifischen optischen Eigenschaften der Optik abhängig.The resulting wavefront of the overall system consisting of laser source and subsequent optics is both of the laser parameters, how Divergence and beam profile as well as specific optical properties the optics dependent.

Als beispielhaft und eine bevorzugte Ausführungsform soll folgende Anordnung von optischen Elementen, in diesem Fall Linsen, angesehen werden (vgl. 1).As an example and a preferred Ausfüh The following arrangement of optical elements, in this case lenses, is to be considered (cf. 1 ).

Im Folgenden werden zwei Ausführungsformen näher dargestellt.in the Following are two embodiments shown in more detail.

In 2 ist die Ausführung einer Kontrolle der optischen Eigenschaften eines abbildenden Systems bestehend aus einem Teleskop und einem speziell darauf abgestimmten diffraktivem optischen Element dargestellt. Dieses diffraktiv optische Element besteht dabei in einer bevorzugten Ausführungsform aus einer optischen Phasenstruktur welche meist in ein entsprechendes Trägersubstrat eingebracht wurde. Dieses Trägersubstrat besteht für Anwendungen im sichtbaren, UV oder NIR Spektralbereich meist aus einem dielektrischen Material, häufig Quarzglas.In 2 is the execution of a control of the optical properties of an imaging system consisting of a telescope and a specially matched diffractive optical element shown. In a preferred embodiment, this diffractive optical element consists of an optical phase structure which was usually introduced into a corresponding carrier substrate. For applications in the visible, UV or NIR spectral range, this carrier substrate usually consists of a dielectric material, often quartz glass.

Die bisher beschriebene Anordnung erlaubt dabei die Vermessung und Aufnahme von Laserleistung, Divergenz und Wellenfront nach einer Anordnung von Linsen.The previously described arrangement allows the measurement and recording of laser power, divergence and wavefront after an array of lenses.

Als typisches Intensitätsbild für diese Ausführungsform mit einer nachfolgenden CCD-Kamera kann eine folgende Verteilung angesehen werden. (vgl. 3)As a typical intensity image for this embodiment with a subsequent CCD camera, a following distribution can be considered. (see. 3 )

Eine genaue Auswertung des jeweiligen Justagezustandes der Optiken ergibt sich dabei aus dem geeignet zu wählenden Vergleich mit einem Referenzbild der CCD. Eine Abhängigkeit der zu erwartenden Intensitätsverteilung ist in 4 dargestellt.An exact evaluation of the respective adjustment state of the optics results from the appropriate choice to be compared with a reference image of the CCD. A dependence of the expected intensity distribution is in 4 shown.

In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform wird ebenfalls von einer gegebenen Phasenverteilung erzeugt durch eine Lichtquelle (bevorzugt Laser, LED) und einer nachfolgenden Anordnung von Linsen oder anderen optischen Elementen ausgegangen.In a second preferred embodiment is also generated by a given phase distribution a light source (preferably laser, LED) and a subsequent one Arrangement of lenses or other optical elements assumed.

Bei dieser Ausführungsform wird jedoch die zu erwartende Phase des optischen Systems mit der konjugiert komplexen Phase überlagert. Eine bevorzugte Ausführungsform ist in 5 und 6 dargestellt. Es sind dabei ein kreisförmiger Spot und ringförmige Beugungsordnungen zu beobachten. Für eine ideale Justage sind dabei die Beugungsordnungen kreisförmig ausgeleuchtet.In this embodiment, however, the expected phase of the optical system is superimposed with the complex conjugate phase. A preferred embodiment is in 5 and 6 shown. There are a circular spot and annular diffraction orders to observe. For an ideal adjustment while the diffraction orders are illuminated circular.

Für ein optisches System abweichend von der idealen Justage ergeben sich in Abhängigkeit der Art der Dejustage folgende Abbildungen auf dem nachgeschalteten CCD-Sensor nach geeigneter Transformation der resultierenden Intensitätsverteilung in das Fernfeld (vgl. 6).For an optical system different from the ideal adjustment, depending on the type of misalignment, the following figures result on the downstream CCD sensor after suitable transformation of the resulting intensity distribution into the far field (cf. 6 ).

Als ein Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung kann die fs-LASIK angesehen werden. Bei diesem Mikrostrukturierungsverfahren von Augengewebe wird die Strahlung eines fs-Lasers mit einer geeigneten Optik aufgeweitet und anschließend wird mittels einer Fokussierungsoptik ein kleiner Spotdurchmesser auf der zu bearbeitenden Fläche erzeugt. Eine Veränderung der Fokuslage kann bei diesem Verfahren durch eine Anpassung der Teleskopbrennweite im Millimeterbereich durchgeführt werden. Man erreicht somit eine veränderliche Fokuslage bei einem feststehenden Objektiv. Um die Abbildungseigenschaften des Teleskops zu kontrollieren kann dieses Verfahren eingesetzt werden. Über eine geeignete Auskoppeloptik (Strahlteiler) kann ein Kamerabild der Intensitätsverteilung nach Transmission durch das Teleskop ausgewertet werden. Wie bereits in den beiden bevorzugten Ausführungsformen dargestellt, lässt sich der Justagezustand direkt aus dem Kamerabild zurückrechnen. Als ein Auswertungsalgorithmus kann dabei die FFT-Analyse angesehen werden. Weiterhin erlaubt eine Integration der gesamten Intensitätsverteilung eine online-Leistungsmessung der Laserleistung. Aufgrund der Kenntnis der Phasenverteilungen des Teleskops und des spezifischen optischen Elementes oder der Elemente lassen sich online Aussagen über das Strahlprofil (Intensität und Phase) und damit letztlich über die Fokussierbarkeit der Laserstrahlung während der Mikromaterialbearbeitung treffen.When An area of application of the present invention may be the fs-LASIK be considered. In this microstructuring method of ocular tissue the radiation of an fs-laser is widened with a suitable optics and subsequently becomes a small spot diameter by means of a focusing optics on the surface to be processed generated. A change The focal position can in this process by adjusting the Telescopic focal length in the millimeter range are performed. One achieves thus a changeable one Focus position with a fixed lens. Around the picture properties The telescope can control this procedure become. about a suitable coupling-out optical system (beam splitter) can be a camera image the intensity distribution be evaluated after transmission through the telescope. As already in the two preferred embodiments shown, leaves the calibration state can be calculated directly from the camera image. As an evaluation algorithm, the FFT analysis can be considered. Furthermore, integration allows the entire intensity distribution an online power measurement of the laser power. Due to the knowledge of Phase distributions of the telescope and the specific optical Element or the elements can be online statements about the Beam profile (intensity and phase) and ultimately over the focusability of the laser radiation during micromaterial processing to meet.

Claims

Arrangement consisting of an optical system (Light source, optical arrangement) and one or more optical Phase elements to control the system parameters such as divergence, Phase function, laser power and beam quality

to 1., The optical phase elements consist of one or more specially tuned diffractive optical elements

to 2. The diffractive optical elements are in this Method circularly arranged grating structures with up to n-phase stages

to 3. A special faceted arrangement of these allows circular grating structures a spatially resolved Function in dependence the sub-aperture size

to 3. The diffractive elements used can be inventive also be replaced by refractive elements. Refractive means here a continuous phase profile of the optical element

to 1., The optical phase elements can also from arbitrarily addressable LCD matrix elements (LCD - liquid crystal display) or else DLP elements (digital light processor) consist.

Method consisting of light source, optical illumination system and adapted according to the invention Phase elements or elements and subsequent intensity detection to control the optical parameters of the present system. These Control can be done online become.

Application of the device and the method for fs-LASIK. The light source used is an fs laser. The Pulse durations can vary between less than 1 ps to 1 fs.