DE102015111473A1

DE102015111473A1 - Zweidimensionales Scanverfahren und eine entsprechende Scanvorrichtung

Info

Publication number: DE102015111473A1
Application number: DE102015111473.9A
Authority: DE
Inventors: Gerit Dröge
Original assignee: Heidelberg Engineering GmbH
Current assignee: Heidelberg Engineering GmbH
Priority date: 2015-07-15
Filing date: 2015-07-15
Publication date: 2017-01-19
Also published as: WO2017008780A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Scanverfahren, bei dem ein kohärenter Lichtstrahl (L), insbesondere ein Laserstrahl, zweidimensional abgelenkt wird, wobei der Lichtstrahl (L) in einer ersten Ablenkrichtung (x) von einem verschwenkbaren spiegelnden Element geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das spiegelnde Element ein Beugungsgitter (1) ist und der Lichtstrahl in einer zweiten, von der ersten unterschiedlichen Ablenkrichtung (y) über das Beugungsgitter (1) abgelenkt wird, indem die Wellenlänge des Lichtstrahls (L) in einem Wellenlängenbereich variiert wird. Es wird weiterhin eine entsprechende Scanvorrichtung beschrieben.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Scanverfahren, bei dem ein kohärenter Lichtstrahl, insbesondere ein Laserstrahl, zweidimensional abgelenkt wird, wobei der Lichtstrahl in einer ersten Ablenkrichtung von einem verschwenkbaren spiegelnden Element geführt wird. Ein derartiges Scanverfahren sowie eine entsprechende Scanvorrichtung sind in der WO 2013/029784 A1 beschrieben.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen haben den Nachteil, dass sowohl für die Ablenkung des Lichtstrahls in einer ersten Ablenkrichtung als auch in einer zweiten, von der ersten Ablenkvorrichtung verschiedenen Ablenkrichtung optische Spiegel verwendet werden, die mit Hilfe mechanischer Winkelscanner entsprechend verstellt werden. Dazu werden beispielsweise Galvanometer-Scanner, MEMS-Scanner oder Resonanzscanner verwendet, bei denen die Zeilenfrequenz durch die Trägheit der Scanner und Spiegel stark limitiert ist. Darüber hinaus ist bei der Verwendung von Resonanzscannern die Bestimmung der durch Drifteffekte veränderlichen Scanauslenkung technisch sehr aufwendig. Werden für das Scannen in den beiden Ablenkrichtungen jeweils Galvanometer-Scanner verwendet, hat dies zur Folge, dass die Scanner keinen gemeinsamen Pivot-Punkt aufweisen, was die optische Justage der Apparatur sehr aufwendig macht.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Scanverfahren sowie eine entsprechende Scanvorrichtung vorzuschlagen, welche eine hohe Zeilenfrequenz erlauben und darüber hinaus mit einfachen technischen Mitteln realisiert und ebenso einfach in der Handhabung sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Scanverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der nebengeordnete Anspruch 13 beschreibt eine entsprechende Scanvorrichtung zur Durchführung des Scanverfahrens. Die abhängigen Ansprüche betreffen jeweils vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Demgemäß wird bei dem vorgeschlagenen Scanverfahren der Lichtstrahl in einer zweiten, von der ersten unterschiedlichen Ablenkrichtung über das Beugungsgitter abgelenkt, indem die Wellenlänge des Lichtstrahls in einem Wellenlängenbereich variiert wird.
Anstelle beispielsweise die Zeilen-Strahlablenkung durch mechanisches Drehen eines spiegelnden Elementes zu realisieren, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird in einer Raumrichtung eine unbewegte optische Strahlablenkung mit Hilfe eines Beugungsgitters realisiert. Der Ablenkwinkel wird durch die Änderung der Wellenlänge des Lichts variiert. Hierzu kann eine durchstimmbare Lichtquelle mit hoher Sweeprate von beispielsweise 50 kHz–150 kHz verwendet werden. Dabei ist durch die Sweeprate der durchstimmbaren Lichtquelle gerade die Frequenz der Strahlablenkung, etwa die Zeilenfrequenz, bestimmt. Die maximale Zeilenfrequenz der Strahlablenkung liegt damit deutlich über den Frequenzen, die mit Hilfe mechanisch bewegter Elemente, wie Spiegel oder dergleichen, erzielt werden können, die üblicherweise Zeilenfrequenzen von weniger als 10 kHz ermöglichen.
Das Beugungsgitter kann das spiegelnde Element sein, so dass das Beugungsgitter und das spiegelnde Element als dasselbe Bauteil ausgebildet sind.
Der Winkel der Scanablenkung in der zweiten Ablenkrichtung ist nur abhängig von der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts. Ist somit diese Wellenlänge bekannt oder wird diese während des Sweep gemessen, ist der Ablenkwinkel eindeutig bestimmbar. Die momentane Wellenlänge des Sweep kann beispielsweise mit Hilfe einer K-Clock, in Verbindung mit einem Fiber-Bragg-Gitter als Wellenlängenreferenz kontinuierlich gemessen werden.
Wenn das Beugungsgitter das spiegelnde Element ist, kann das Beugungsgitter beispielsweise auf einem Galvanometer-Scanner um 45° geneigt zur Drehachse des Scanners montiert sein. Dann ist die Ablenkrichtung des Gitters aufgrund optischer Beugung orthogonal zur Ablenkrichtung durch die Rotation des Scanners. Da die Ablenkung in beiden orthogonalen Richtungen somit nur von einem einzigen optischen Element aus erfolgt, existiert auch nur ein Pivot-Punkt, wodurch die optische Justage gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen deutlich vereinfacht wird.
Der Lichtstrahl kann beispielsweise von einer Lichtquelle, insbesondere einem Laser, mit durchstimmbarer Wellenlänge bereitgestellt werden. Dabei kann die Ablenkfrequenz des Lichtstrahls in der zweiten Ablenkrichtung einer Sweeprate der durchstimmbaren Lichtquelle entsprechen. Die Sweeprate der Lichtquelle beträgt beispielsweise zwischen 50 kHz und 150 kHz. Die Wellenlänge der durchstimmbaren Lichtquelle kann sich beispielsweise im VIS- und/oder im NIR-Bereich befinden, wobei sie beispielsweise zwischen 800 nm und 1.400 nm liegen kann. Die Gitterkonstante des Beugungsgitters 1 kann beispielsweise 1.200 Linien/mm betragen, wobei grundsätzlich auch Gitter mit einer Gitterkonstanten von 100 bis 2.000 Linien/mm je nach verwendetem Licht denkbar sind.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass während eines Scannvorgangs die Wellenlänge des Lichtstrahls gemessen und daraus der Ablenkwinkel in der zweiten Ablenkrichtung bestimmt wird. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass die Wellenlängen mit Hilfe einer K-Clock, in Verbindung mit einem Fiber-Bragg-Gitter als Wellenlängenreferenz kontinuierlich gemessen werden. Es ist weiterhin denkbar, anhand von ermittelten Werten der Ablenkwinkel verschiedener Scanzeilen eine Alienierung der verschiedenen Scanzeilen durchzuführen. Weiterhin kann anhand von ermittelten Werten der Ablenkwinkel eine Bildbreite festgelegt werden.
Anhand von ermittelten Werten der Ablenkwinkel kann ein erster Wellenlängenreferenzwert als Scan-Start und ein zweiter Wellenlängenreferenzwert als Scan-Stop festgelegt werden.
Das Beugungsgitter kann in einem Winkel von 30° bis 60°, bevorzugt 40° bis 50° und insbesondere näherungsweise 45° geneigt zur drehverstellbaren Achse eines Winkelscanners, vorzugsweise eines Galvanometer-Scanners, montiert sein.
Vorzugsweise ist das Beugungsgitter so montiert, dass bei Variation der Wellenlänge des Lichtstrahls der Lichtstrahl durch das Beugungsgitter orthogonal zur Ablenkung durch die Rotation des Winkelscanners abgelenkt wird.
Gemäß einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung eine Scanvorrichtung zur Durchführung eines Scanverfahrens der vorbeschriebenen Art. Dazu weist die Scanvorrichtung einen Winkelscanner mit einer drehverstellbaren Achse auf. Die Scanvorrichtung weist weiterhin ein Beugungsgitter auf, das an der drehverstellbaren Achse montiert ist, so dass das Beugungsgitter über den Winkelscanner in einer ersten Raumrichtung verschwenkt werden kann. Die Scanvorrichtung weist weiterhin eine Lichtquelle zur Erzeugung eines kohärenten Lichtstrahls mit durchstimmbarer Wellenlänge auf, wobei der Lichtstrahl auf das Beugungsgitter gerichtet ist, so dass der Lichtstrahl bei Variation der Wellenlänge des Lichtstrahls in einer zweiten, von der ersten unterschiedlichen Raumrichtung abgelenkt wird.
Der Winkelscanner kann ein Galvanometer-Scanner sein, an dessen Drehachse das Beugungsgitter unter dem zuvor genannten Winkel montiert ist. Für die Bestimmung der Wellenlänge der durchstimmbaren Lichtquelle kann die Scanvorrichtung eine K-Clock und ein Fiber-Bragg-Gitter aufweisen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachstehenden Figuren erläutert. Dabei zeigt:
1 schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Scanvorrichtung; und
2 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Scanvorrichtung.
Wie in 1 gezeigt ist, besteht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Scanvorrichtung im Wesentlichen aus einem Winkelscanner 5, der beispielsweise als ein Galvanometer-Scanner ausgebildet sein kann und eine Drehachse z aufweist, an der ein spiegelndes Element 1, insbesondere ein Beugungsgitter, montiert ist. Mit der Drehachse z des Winkelscanners 5 ist ein kohärenter Lichtstrahl L, beispielsweise bereitgestellt von einer Laserlichtquelle, auf das Beugungsgitter gerichtet, wobei zwischen der Normalen des Beugungsgitters 1 und der Einfallsrichtung des Lichtstrahls L ein Winkel von im Wesentlichen 45° besteht. Vorzugsweise ist das Beugungsgitter so montiert, dass die beiden Ablenkrichtungen x, y, welche sich einmal durch Verschwenken des Beugungsgitters 1 um die Drehachse z und einmal durch die Wellenlängenvariation des einfallenden Lichtstrahls L ergeben, um 90° zueinander liegen. Mithin kann mit Hilfe des Beugungsgitters 1 somit eine Zeilenablenkung in y-Richtung durch Variation der Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls L erreicht werden, die orthogonal zu der Spaltenablenkung in x-Richtung durch Verschwenken des Beugungsgitters 1 mit Hilfe des Winkelscanners 5 ausgerichtet ist.
Das Durchstimmen der Lichtquelle führt somit zu einer bewegungslosen, horizontalen Strahlablenkung. Die horizontale Scanposition, der Ablenkwinkel, ist somit nur abhängig von der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts. Die momentane Wellenlänge der durchstimmbaren Lichtquelle kann während des Sweeps gemessen werden. Dadurch ist es möglich, die einzelnen Zeilen bei 2D-Scans zu alienieren und die Bildbreite konstant zu halten. Die Bestimmung der momentanen Wellenlänge kann einfach durch die Verwendung eines Fiber-Bragg-Grating (FBG) als Wellenlängenreferenz und einer K-Clock als Wellenlängenzähler durchgeführt werden. Es sind ebenfalls Aufbauten mit zwei Wellenlängenreferenzen für Scan-Start und Scan-Stop denkbar.
Die Ablenkung in der dazu orthogonalen, vertikalen Richtung erfolgt durch eine Verkippung des optischen Gitters mit Hilfe des Winkelscanners 5, beispielsweise mit Hilfe eines Galvanometer-Scanners. Da die Ablenkung in beiden Raumrichtungen von einer gemeinsamen Oberfläche ausgeht, existiert folglich auch nur ein Pivot-Punkt, wodurch die Handhabung der Apparatur wesentlich erleichtert wird.
Wenn die vertikale Ablenkung beispielsweise mit einem Galvanometer-Scanner mit zum Beispiel 100 Hz erfolgt, kann mit einer 100 kHz-Swept-Source als Lichtquelle eine Auflösung von 1000 × 1000 Punkten mit 100 Hz Bildfrequenz erreicht werden. Die Samplerate liegt dann bei 100 MHz.
Das beschriebene Scanverfahren sowie die entsprechende Scanvorrichtung eignen sich insbesondere für die (konfokale) Laser-Scanning-Microskopie, beispielsweise zur Untersuchung des menschlichen Auges. Ein beispielhafter Aufbau ist in dem Blockschaltbild gemäß 2 gezeigt.
Von einer durchstimmbaren Lichtquelle 2 wird kohärentes Licht bereitgestellt. Die Lichtquelle 2 kann beispielsweise eine Laserlichtquelle sein. Über einen Strahlteiler 11 wird ein Teil des Lichtes zu der Optik 9 weitergeleitet, welche das Licht der Lichtquelle 2 zu einem Strahlbündel formt und auf das Beugungsgitter 1 richtet, welches über einen Winkelscanner 5, beispielsweise einen Galvanometer-Scanner, verschwenkbar ist, um eine Strahlablenkung in Vertikalrichtung x zu realisieren. Wird die Wellenlänge der durchstimmbaren Lichtquelle 2 variiert, erfolgt eine Ablenkung in Horizontalrichtung y aufgrund des physikalischen Beugungseffektes. Die Wellenlänge der durchstimmbaren Lichtquelle 2 kann sich beispielsweise im VIS- und/oder im NIR-Bereich befinden, wobei sie beispielsweise zwischen 800 nm und 1.400 nm liegen kann. Die Gitterkonstante des Beugungsgitters 1 kann beispielsweise 1.200 Linien/mm betragen, wobei grundsätzlich auch Gitter mit einer Gitterkonstanten von 100 bis 2.000 Linien/mm je nach verwendetem Licht denkbar sind.
Mit Hilfe des in x- und y-Richtung abgelenkten Lichtstrahls der durchstimmbaren Lichtquelle 2 kann folglich eine Abbildung B beispielsweise eines menschlichen Auges A erzeugt werden. Das vom Auge A reflektierte Licht wird von einem Detektor 6 detektiert, um es mit Hilfe gängiger Bildverarbeitungsmethoden analysieren zu können. Der Teil des Lichts, der durchstimmbaren Lichtquelle 2, welcher nicht an die Optik 9 durchgeleitet wird, wird an einen Signalteiler 10 weitergeleitet, über welchen wiederum ein erster Lichtanteil an eine K-Clock 3 weitergeleitet wird. Der nicht der K-Clock zugeführte Lichtanteil wird an ein Fiber-Bragg-Gitter 4 weitergeleitet, welches als Wellenlängenreferenz dient, um aus den Signalen von K-Clock 3 und Fiber-Gragg-Gitter 4 die Wellenlänge der durchstimmbaren Lichtquelle 2 zu bestimmen.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2013/029784 A1 [0001]

Claims

Scanverfahren, bei dem ein kohärenter Lichtstrahl (L), insbesondere ein Laserstrahl, zweidimensional abgelenkt wird, wobei der Lichtstrahl (L) in einer ersten Ablenkrichtung (x) von einem verschwenkbaren spiegelnden Element geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl in einer zweiten, von der ersten unterschiedlichen Ablenkrichtung (y) über das Beugungsgitter (1) abgelenkt wird, indem die Wellenlänge des Lichtstrahls (L) in einem Wellenlängenbereich variiert wird.
Scanverfahren nach Anspruch 1, bei dem der Lichtstrahl (L) von einer Lichtquelle (2), insbesondere einem Laser, mit durchstimmbarer Wellenlänge breitgestellt wird.
Scanverfahren nach Anspruch 2, bei dem die Ablenkfrequenz des Lichtstrahls (L) in der zweiten Ablenkrichtung einer Sweeprate der durchstimmbaren Lichtquelle (2) entspricht.
Scanverfahren nach Anspruch 3, bei dem die Sweeprate der Lichtquelle (2) vorzugsweise zwischen 50 kHz und 150 kHz beträgt.
Scanverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem während eines Scanvorgangs die Wellenlänge des Lichtstrahls (L) gemessen und daraus der Ablenkwinkel in der zweiten Ablenkrichtung (y) bestimmt wird.
Scanverfahren nach Anspruch 5, bei dem die Wellenlänge mithilfe einer K-Clock (3) in Verbindung mit einem Fiber-Bragg-Gitter (4) kontinuierlich gemessen wird.
Scanverfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem anhand von ermittelten Werten der Ablenkwinkel verschiedener Sannzeilen eine Alienierung der verschiedenen Scannzeilen durchgeführt wird.
Scanverfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem anhand von ermittelten Werten der Ablenkwinkel eine Bildbreite festgelegt wird.
Scanverfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem anhand von ermittelten Werten der Ablenkwinkel ein erster Wellenlängenreferenzwert als Scan-Start und ein zweiter Wellenlängenreferenzwert als Scan-Stop festgelegt wird.
Scanverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das spiegelnde Element das Beugungsgitter (1) ist.
Scanverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Beugungsgitter (1) in einem Winkel von 30° bis 60°, bevorzugt 40° bis 50° und insbesondere näherungsweise 45° geneigt zur drehverstellbaren Achse (z) eines Winkelscanners (5), vorzugsweise eines Galvanometer-Scanner, montiert ist.
Scanverfahren nach Anspruch 10, bei dem bei Variation der Wellenlänge des Lichtstrahls der Lichtstrahl durch das Beugungsgitter (1) orthogonal zur Ablenkung durch eine Rotation des Winkelscanners (5) abgelenkt wird.
Scanvorrichtung zur Durchführung eines Scanverfahrens nach einem der vorangegangen Ansprüche, die aufweist: – einen Winkelscanner (5) mit einer drehverstellbaren Achse (z); – ein Beugungsgitter (1), das an der drehverstellbaren Achse (z) montiert ist, so dass das Beugungsgitter (1) über den Winkelscanner (5) in einer ersten Raumrichtung (x) verschwenkt ist; – eine Lichtquelle (2) zur Erzeugung eines kohärenten Lichtstrahls (L) mit durchstimmbarer Wellenlänge, wobei der Lichtstrahl (L) auf das Beugungsgitter (1) gerichtet ist, so dass der Lichtstrahl (L) bei Variation der Wellenlänge des Lichtstrahls (L) in einer zweiten, von der ersten (x) unterschiedlichen Raumrichtung (y) abgelenkt wird.
Scanvorrichtung nach Anspruch 13, bei der der Winkelscanner (5) einen Galvanometer-Scanner aufweist, an dessen Drehachse (z) das Beugungsgitter (1) unter dem Winkel montiert ist.
Scanvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, die zur Bestimmung der Wellenlänge der durchstimmbaren Lichtquelle eine K-Clock (3) und ein Faser-Bragg-Gitter (4) aufweist.