DE102016112133A1

DE102016112133A1 - Verfahren zum redundanten Überwachen einer Lage eines beweglich gelagerten außenwirksamen Elements einer Vorrichtung und Vorrichtung

Info

Publication number: DE102016112133A1
Application number: DE102016112133.9A
Authority: DE
Inventors: Mario SHRAIKI; Thomas Hollerbach
Original assignee: Schwind Eye Tech Solutions GmbH
Current assignee: Schwind Eye Tech Solutions GmbH
Priority date: 2016-07-01
Filing date: 2016-07-01
Publication date: 2018-01-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum redundanten Überwachen einer Lage eines beweglich gelagerten außenwirksamen Elements (18) einer Vorrichtung (10), wobei die Lage des außenwirksamen Elements (18) durch eine Verstelleinrichtung der Vorrichtung (10) veränderbar ist. Eine von der Verstelleinrichtung unabhängige Leuchteinrichtung (14) beaufschlagt das außenwirksame Element (18) mit einem Lichtstrahl (26) und der Lichtstrahl (26) wird an dem außenwirksamen Element (18) reflektiert und/oder gebrochen (S1). Es erfolgt das Erfassen einer Strahlungsleistung eines Streulichts (28) des Lichtstrahls (26) mittels mindestens einer Sensoreinrichtung (30, S2) der Vorrichtung (10), und das Ermitteln der Lage des außenwirksamen Elements (18) durch eine Auswerte- und Ermittlungseinrichtung (32) anhand der erfassten Strahlungsleistung und anhand einer relativen räumlichen Position der Sensoreinrichtung (30) in der Vorrichtung (10, S3). Die Erfindung betrifft ebenfalls eine entsprechende Vorrichtung (10), die beispielsweise als Vorrichtung zum Durchführen einer chirurgischen Behandlung eines Auges oder als Galvanometerscanner ausgestaltet sein kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Lage eines beweglich gelagerten außenwirksamen Elements einer Vorrichtung, wobei die Lage des außenwirksamen Elements durch eine Verstelleinrichtung der Vorrichtung veränderbar ist. Eine solche Vorrichtung kann beispielsweise als Scanvorrichtung zum Durchführen einer chirurgischen Behandlung eines Auges und/oder als Galvanometerscanner ausgestaltet sein, und das außenwirksame Element kann beispielsweise als Spiegel zum Umlenken eines Laserstrahls ausgestaltet sein.
In derartigen Vorrichtungen werden typischerweise ansteuerbare außenwirksame Elemente verwendet, die beispielsweise einen Laserstrahl, den sogenannten Arbeitsstrahl, der zum Beispiel eine Hornhaut-Oberfläche abtasten soll, umlenken. Als außenwirksames Element wird dabei im Folgenden ein Bauteil oder eine Bauteilkomponente verstanden, das dazu ausgestaltet ist, in Abhängigkeit von seiner Lage zum Beispiel einen Lichtstrahl oder Schall auf zum Beispiel eine abzutastende Oberfläche umzulenken. Das außenwirksame Element ist dabei das letzte wirksame Glied einer Wirkkette, über welche die Vorrichtung eine bestimmungsgemäße Funktion ausübt, und kann zum Beispiel als Spiegel zum Umlenken eines Laserstrahls ausgestaltet sein, dessen Lage mithilfe einer Verstelleinrichtung, zum Beispiel mithilfe eines Galvanometerantriebs oder mittels Justierschrauben, verändert werden kann.
Um ein exaktes Abtasten zu ermöglichen, muss der Arbeitsstrahl exakt positioniert werden können. Hierzu muss also die korrekte Position oder Justierung des außenwirksamen Elements regelmäßig überwacht werden. Diese Überwachung erfolgt bisher bevorzugt indirekt über ein Erfassen einer Lage einer Achse des außenwirksamen Elements durch einen Encoder oder Drehwinkelgeber. Diese Überwachung wird zur Regelung des außenwirksamen Elements selbst verwendet und kann dadurch nicht unabhängig für eine funktional sichere Überwachung verwendet werden.
Dadurch ergibt sich nämlich das Problem, dass beispielsweise ein Defekt einer Verbindungsstelle zwischen dem außenwirksamen Element und einer Rotationsachse, beispielsweise ein Riss einer Klebenaht, eine Veränderung der relativen Lage des außenwirksamen Elements bewirkt, die nicht von der Verstelleinrichtung erkannt wird.
Im Stand der Technik wird dieses Problem umgangen, indem beispielsweise der Arbeitsstrahl beziehungsweise die Lage des außenwirksamen Elements mithilfe eines Hilfsstrahls, also eines weiteren, gebündelten Laserstrahls, oder eines ausgekoppelten Arbeitsstrahls, überwacht wird. Hierzu kann der Hilfsstrahl oder der ausgekoppelte Arbeitsstrahl fokussiert werden, um dann die Lage des Arbeitsstrahls beziehungsweise einen Fokus des Arbeitsstrahls über einen positions-sensitiven Sensor zu ermitteln. Unter einem fokussierten Lichtstrahl wird dabei ein undiffuser oder ein nahezu undiffuser Lichtstrahl verstanden, beispielsweise ein gebündelter und/oder gerichteter Lichtstrahl wie zum Beispiel ein Laserstrahl. Andere Realisierungen bilden Muster oder erzeugen durch Abbildungen auf Gitter Impulse, deren Analyse dann zu der Position des außenwirksamen Elements führt.
Aus der EP 1 252 482 B1 ist ein Verfahren für eine optische Messung einer Position eines Spiegels oder Reflektors bekannt, bei der dessen mechanische Bewegung über eine proportionale Verschiebung eines Lichtpunktes auf einem positionsempfindlichen Lichtdetektor erfasst werden kann.
Weitere Verfahren, die positions-sensitive Dioden als Sensoren nutzen, sind zum Beispiel aus der US 7,479,138 B2 und der US 7,538,310 B2 bekannt.
Weitere Verfahren, die Positionssensoren benötigen, sind zum Beispiel aus der US 6,864,478 B2 , US 4,560,925 und der US 4,466,088 bekannt.
All diese Verfahren sind jedoch sehr aufwendig und erfordern eine aufwendige und damit teure Sensortechnik, um eine entsprechend hohe Auflösung zu generieren. Die Kosten sind dabei sehr hoch.
Eine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist das Bereitstellen eines einfachen und kostengünstigen Verfahrens zum redundanten Überwachen einer Lage des außenwirksamen Elements.
Die gestellte Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren und die Vorrichtung der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
Die Erfindung basiert auf der Idee, eine Lage des beweglich gelagerten außenwirksamen Elements indirekt zu ermitteln, indem das außenwirksame Element mit einem Lichtstrahl beaufschlagt und durch eine Reflektion und/oder Refraktion des Lichtstrahls ein Streulicht erzeugt wird. Mit anderen Worten wird mit einem unfokussierten Lichtstrahl, oder auch durch Refraktion und/oder Reflektion eines fokussierten Lichtstrahls, eine diffuse Streuung an dem außenwirksamen Element erzeugt. Eine Sensoreinrichtung erfasst dann eine Strahlungsleistung des Streulichts oder eines Anteils des Streulichts.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum redundanten Überwachen der Lage des außenwirksamen Elements kann dabei mithilfe einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden, die eine Leuchteinrichtung zum Erzeugen des besagten Lichtstrahls aufweist. Eine Leuchteinrichtung ist dabei ein Bauteil oder eine Gerätekomponente, die zum Erzeugen eines Lichtstrahls ausgestaltet ist. Unter einer Lage des außenwirksamen Elements wird dabei im Folgenden auch eine Position verstanden, also eine relative Lage des außenwirksamen Elements in der Scanvorrichtung sowie eine Lage im eigentlichen Sinne, beispielsweise eine Winkelstellung oder Raumlage oder Drehlage des außenwirksamen Elements. Mit anderen Worten kann das außenwirksame Element bei einer gleichbleibenden Position unterschiedliche Raumlagen oder Drehlagen einnehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist gekennzeichnet durch Beaufschlagen des außenwirksamen Elements mit dem Lichtstrahl durch die zu der Verstelleinrichtung unabhängigen Leuchteinrichtung und Reflektieren und/oder Brechen des Lichtstrahls durch das Stellgliedelement. Hierdurch wird ein von dem außenwirksamen Element ausgehendes Streulicht erzeugt. Der Lichtstrahl kann dabei beispielsweise ein unfokussierter Lichtstrahl sein, also ein diffuser Lichtstrahl, oder ein gebündelter Lichtstrahl. Durch die Reflektion oder Refraktion eines fokussierten Lichtstrahls an dem außenwirksamen Element kann, mit anderen Worten, ein Lichtfeld entstehen, das sich über einen Reflektionswinkel graduell in seiner Strahlungsleistung ändert. Ist der Lichtstrahl ein unfokussierter, also diffuser oder divergenter Lichtstrahl, so wird dieser ebenfalls durch das außenwirksame Element so reflektiert oder refraktiert, dass das Lichtfeld entsteht. Unter dem Begriff „diffus“ wird dabei verstanden, dass sich über einen Ausbreitungswinkel oder Reflektionswinkel eine graduelle Helligkeitsänderung ergibt.
Beispielhaft kann der Lichtstrahl ein gebündelter Lichtstrahl sein und das außenwirksame Element kann beispielsweise eine raue Reflektions- und/oder Refraktionsstelle aufweisen, an der der Lichtstrahl reflektiert und/oder gebrochen wird, sodass das Lichtfeld entsteht. Ist der Lichtstrahl ein unfokussierter Lichtstrahl, so kann das außenwirksame Element beispielsweise an der Reflektions- und/oder Refraktionsstelle verspiegelt sein.
Es erfolgt ein Erfassen einer Strahlungsleistung, also einer Lichtleistung, des Streulichts des Lichtstrahls mittels einer Sensoreinrichtung, also einer Gerätekomponente oder eines Bauteils, das zum Aufnehmen bestimmter physikalischer oder chemischer Eigenschaften ausgestaltet ist. Die Sensoreinrichtung kann dabei zum Beispiel einen Photosensor, beispielsweise eine Photodiode, zum Messen der Strahlungsleistung aufweisen. Vorzugsweise erfolgt ein Erfassen der Strahlungsleistung von einem Anteil des Streulichts, also nur von Streulicht innerhalb eines vorbestimmten Ausschnitts des Lichtfelds. Mit anderen Worten wird keine Position oder Ausrichtung des Lichtstrahls erfasst, sondern die Strahlungsleistung seines Streulichtes. Die Sensoreinrichtung ist in dem Lichtfeld des diffusen oder divergenten Streulichts angeordnet und erzeugt in Abhängigkeit von der erfassten Strahlungsleistung ein Sensorsignal. Der durch das Sensorsignal der Sensoreinrichtung beschriebene Wert der erfassten Strahlungsleistung ändert sich also kontinuierlich mit der Lage des außenwirksamen Elements. Mittels einer Kalibration kann somit der Wert der erfassten Strahlungsleistung einer jeweiligen tatsächlichen Lage des außenwirksamen Elements zugeordnet werden. Es erfolgt also keine ortsaufgelöste Erfassung durch pixelweises Erfassen einer Gesamtheit des Lichtfelds. Es reichen weniger als zwanzig, insbesondere weniger als zehn Erfassungsorte für eine jeweilige Strahlungsleistung.
Es folgt ein Ermitteln der Lage des außenwirksamen Elements durch eine Auswerte- und Ermittlungseinrichtung anhand der erfassten Strahlungsleistung und anhand einer relativen räumlichen Position der Sensoreinrichtung innerhalb der Vorrichtung. Die Auswerte- und Ermittlungseinrichtung kann dabei beispielsweise als Mikrochip oder Datenverarbeitungsgerät ausgestaltet sein und die Lage des außenwirksamen Elements zum Beispiel berechnen oder anhand einer Kalibrierkurve zu ermitteln.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Lage oder Winkelstellung des außenwirksamen Elements oder eines Arbeitsstrahls indirekt ermittelt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind dabei keine teuren Komponenten notwendig, da nicht eine absolute räumliche Position eines gebündelten Lichtstrahls erfasst wird und somit auf die Verwendung teurer Positionssensoren verzichtet werden kann. Durch Erfassen der Strahlungsleistung des Streulichts oder eines Streulichtanteils kann indirekt auf die Lage des außenwirksamen Elements oder des Arbeitsstrahls rückgeschlossen werden, ohne dass die Sensoreinrichtung das gesamte Lichtfeld des Streulichts abdecken muss. Für das erfindungsgemäße Verfahren können also sehr kostengünstige Lichtquellen und Sensoren angesetzt werden, zum Beispiel eine einzelne lichtemittierende Diode und eine einzelne Photodiode. Weiterhin kommt das erfindungsgemäße Verfahren ohne jegliche optische Komponenten der Leuchteinrichtung aus, wie zum Beispiel einer Linse oder ein lichtbrechendes oder diffraktives Element. Außerdem reicht für die Überwachung der Lage des außenwirksamen Elements eine einmalige Messung.
Zum Überwachen der Lage des außenwirksamen Elements ist nur eine Messung notwendig. Das Verfahren kann jedoch mehrfach ausgeführt werden und es kann dabei vorgesehen sein, dass zum Beispiel das außenwirksame Element linear bewegt oder gedreht werden kann. Die Sensoreinrichtung kann dann ortsfest in der Scanvorrichtung angeordnet sein. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtung ortstreu ist und in verschiedene Position verfahren werden kann, wobei die einzelnen Positionen von der Auswerte- und Ermittlungseinrichtung vorgegeben oder ermittelt werden können.
Das außenwirksame Element kann vorzugsweise als optisches Element ausgestaltet und dazu eingerichtet sein, einen weiteren, fokussierten Lichtstrahl auf eine abzutastende Oberfläche umzulenken, wobei die Vorrichtung zum Beispiel als Scanvorrichtung oder Laserschweißgerät ausgestaltet sein kann. Der weitere, fokussierte Lichtstrahl kann mit anderen Worten als Arbeitsstrahl genutzt werden, der von dem außenwirksamen Element positioniert wird und die bestimmungsgemäße Funktion des Geräts übernimmt. Eine solche Scanvorrichtung kann zum Beispiel als chirurgisches Instrument für eine Augenoperation genutzt werden. Alternativ kann das außenwirksame Element als Element, das einen Wasserstrahl umleitet, ausgestaltet sein und in einem Wasserstrahlschneidegerät verbaut sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer Weiterbildung vorsehen, dass die Auswerte- und Ermittlungseinrichtung in Abhängigkeit der ermittelten Lage des außenwirksamen Elements einen Strahlengang oder eine Lage des Arbeitsstrahls ermittelt. Diese bereits oben angesprochene indirekte Ermittlung der Lage des Arbeitsstrahls ist für den Benutzer hilfreich, der dann zum Beispiel eine Orientierung des Arbeitsstrahles an der abzutastenden Oberfläche ableiten kann. Dies ist zum Beispiel beim Steuern des ersten Lichtstrahls während eines Betriebs der beispielhaften Scanvorrichtung hilfreich.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Streulicht des Lichtstrahls von der Sensoreinrichtung auf einer der Leuchteinrichtung zugewandten Seite des außenwirksamen Elements erfasst werden. Mit anderen Worten können sich die Sensoreinrichtung und die Leuchteinrichtung auf der gleichen Seite des außenwirksamen Elements befinden. Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass das Streulicht des Lichtstrahls auf einer der Leuchteinrichtung abgewandten Seite des außenwirksamen Elements erfasst wird. Beide Ausführungsformen können so zum Beispiel bauliche Vorgaben zu der Vorrichtung berücksichtigen, also beispielsweise eine Gehäuseart oder eine Raumaufteilung in dem Gehäuse.
Vorzugsweise kann der Lichtstrahl von dem Arbeitsstrahl ausgekoppelt werden. Eine Leuchteinrichtung kann dann vorteilhafterweise sowohl zum Erzeugen des Lichtstrahls, als auch des Arbeitsstrahls, verwendet werden. Dies reduziert die Kosten bei der Herstellung der Vorrichtung.
Um eine sogenannte „online“-Überwachung zu ermöglichen, können die Verfahrensschritte der jeweiligen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens während eines Abtastvorgangs der Scanvorrichtung durchgeführt werden. Mit anderen Worten kann der Überwachungsvorgang zeitgleich zu zum Beispiel einer Behandlung eines Auges mit der Scanvorrichtung erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann außerdem für eine Kalibrierung der Vorrichtung durchgeführt werden. Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Auswerte- und Ermittlungseinrichtung die Lage des außenwirksamen Elements anhand einer Kalibrierungsfunktion ermittelt, wobei die Kalibrierungsfunktion eine Abhängigkeit der Strahlungsleistung von der Lage des außenwirksamen Elements beschreiben kann. Die Kalibrierungsfunktion kann beispielsweise auch als Kennlinie oder parametrische Beschreibung der Strahlungsleistung in Abhängigkeit von der Relativlage oder als Kalibrierkurve bezeichnet werden.
Wird das außenwirksame Element in eine vorbestimmte Kalibrierungslage bewegt, und ermittelt die Auswerte- und Ermittlungseinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform eine Abweichung der ermittelten Lage zu einer vorbestimmten Kalibrierungslage des außenwirksamen Elements, so kann das erfindungsgemäße Verfahren dazu genutzt werden, eine Feinjustierung zu ermöglichen oder eine fehlerhafte Positionierung schnell festzustellen. Die Auswerte- und Ermittlungseinrichtung kann dann anhand der ermittelten Abweichung die Kalibrierungsfunktion ändern und/oder einen Warnton erzeugen.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorsehen, dass die Leuchteinrichtung den Lichtstrahl gepulst erzeugt, die Sensoreinrichtung in einer Pulspause eine Strahlungsleistung eines Umgebungslichtes erfasst, und die Auswerte- und Ermittlungseinrichtung die Lage des außenwirksamen Elements anhand einer Differenz der während eines Pulses erfassten Strahlungsleistung und der Strahlungsleistung des erfassten Umgebungslichtes ermittelt. Hierdurch kann ein etwaiger Fehler durch von außen in die Vorrichtung eintretendes Umgebungslicht vermindert oder behoben werden.
Die bereits oben erwähnten Vorteile werden durch das beschriebene Verfahren ermöglicht. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung, mit der das Verfahren durchgeführt werden kann. Die oben gestellte Aufgabe wird also ebenfalls durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum redundanten Überwachen einer Lage des außenwirksamen Elements weist das besagte beweglich gelagerte außenwirksame Element auf. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine Leuchteinrichtung zum Beaufschlagen des außenwirksamen Elements mit einem Lichtstrahl, wobei der Lichtstrahl ein fokussierter oder unfokussierter Lichtstrahl sein kann. Weiterhin weist die Scanvorrichtung die besagte Sensoreinrichtung zum Erfassen einer Strahlungsleistung eines Streulichts des von dem außenwirksamen Element reflektierten und/oder gebrochenen Lichtstrahls auf. Es ergeben sich die bereits oben genannten Vorteile.
Die Scanvorrichtung kann eine Auswerte- und Ermittlungseinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, die eine Auswerte- und Ermittlungseinrichtung betreffenden Verfahrensschritte gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Bei einer solchen Integration der auswertenden Auswerte- und Ermittlungseinrichtung sind keine zusätzlichen Hilfsgeräte wie zum Beispiel ein vorrichtungsexterner Computer notwendig.
Besonders gute Ergebnisse können erzielt werden, wenn das außenwirksame Element mindestens eine Rotationsachse hat und die Sensoreinrichtung mindestens je zwei Sensoren für jede Rotationsachse des außenwirksamen Elements aufweist, vorzugsweise wobei jeder der Sensoren als Photodiode ausgestaltet ist.
Die Sensoreinrichtung und die Leuchteinrichtung können vorzugsweise auf der gleichen Seite des außenwirksamen Elements angeordnet sein. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn das erfindungsgemäße Verfahren zeitgleich zu einem Abtastvorgang durchgeführt wird, da der zweite Lichtstrahl dann nicht auf die abzutastende Oberfläche abgelenkt wird.
Die Vorrichtung kann vorzugsweise als Vorrichtung zum Durchführung einer chirurgischen Behandlung eines Auges und/oder als Galvanometerscanner ausgestaltet sein. Das außenwirksame Element ist dann als optisches Element ausgestaltet, beispielsweise als Spiegel.
Weist die Leuchteinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Scanvorrichtung ein lichtstreuendes Element auf, also zum Beispiel eine Streuscheibe oder einen Diffusor, so kann der Lichtstrahl der Leuchteinrichtung schon vor der Reflektion und/oder Refraktion gestreut werden. Diese Ausführungsform findet eine besonders vorteilhafte Anwendung in solchen Vorrichtungen, in denen als außenwirksames Element zum Beispiel ein Spiegel verwendet wird. Die der Leuchteinrichtung zugewandten Oberfläche des außenwirksamen Elements muss dann nicht zum Beispiel aufgeraut werden, um das Lichtfeld zu erzeugen. Diese Ausführung hat sich als ebenfalls besonders vorteilhaft erwiesen in zum Beispiel solchen Scanvorrichtungen, in denen die Sensoreinrichtung und die Leuchteinrichtung auf der gleichen Seite des außenwirksamen Elements liegen wie beispielsweise eine zusätzliche Leuchteinrichtung zum Erzeugen eines Arbeitsstrahles.
Das außenwirksame Element kann eine Reflektions- und/oder Refraktionsstelle zum Reflektieren und/oder Brechen des Lichtstrahls aufweisen, die eine raue Oberfläche hat. Diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn zum Beispiel eine Leuchteinrichtung verwendet wird, die keinen diffusen Lichtstrahl, sondern einen fokussierten Lichtstrahl erzeugt.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in den Ausführungsbeispielen genannten Merkmale und die Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Funktionsgleiche Elemente weisen in den Figuren dieselben Bezugszeichen auf. Es zeigt:
1 eine schematische Skizze zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
2 eine schematische Skizze zu einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Dabei zeigt die 1 eine Prinzipdarstellung zu dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand eines ersten Ausführungsbeispiels.
Die 1 zeigt hierzu ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, die beispielsweise als Scanvorrichtung, zum Beispiel als Laserscanner für Augenoperationen, ausgestaltet sein kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann jedoch alternativ zum Beispiel als Laserschneider oder Wasserstrahlschneider ausgestaltet sein, oder als Vorrichtung 10, in der durch das außenwirksame Element 18 zum Beispiel eine Schallwelle umgelenkt werden kann.
Die 1 zeigt dabei beispielhaft eine erste Leuchteinrichtung 12, die in der Ophthalmologie benutzt werden kann, um einen Laserstrahl für Augenoperationen zu erzeugen. Die erste Leuchteinrichtung 12 erzeugt einen sogenannten Arbeitsstrahl 16. Die erste Leuchteinrichtung 12 ist hierbei ein optionales Bauteil oder Element der Vorrichtung 10, oder ein optionales vorrichtungsexternes Bauteil. Ein außenwirksames Element 18 der Vorrichtung 10 kann als dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekanntes außenwirksames Element ausgestaltet sein, beispielsweise als Spiegel eines Galvanoscanners 20. Die 1 zeigt dabei das Umlenken des Arbeitsstrahls 16 durch das außenwirksame Element 18 auf eine abzutastende Oberfläche (in der 1 nicht gezeigt), beispielsweise auf eine Hornhaut eines Patienten.
Das außenwirksame Element 18 ist beweglich in der Vorrichtung 10 gelagert, so dass zum Beispiel durch ein Kippen oder Drehen des außenwirksamen Elements 18 der Arbeitsstrahls 16 auf der abzutastenden Oberfläche bewegt werden kann. Im Beispiel der 1 ist das außenwirksame Element 18 beispielhaft drehbar um eine Rotationsachse 22 gelagert. Der Galvanoscanner 20 kann hierfür eine Verstelleinrichtung zum beispielsweise Drehen oder Schwenken des außenwirksamen Elements 18 aufweisen. Die Verstelleinrichtung (in der 1 nicht gezeigt) kann dabei eine herkömmliche Einrichtung zum Regeln der Lage des außenwirksamen Elements 18 und zum Beispiel einen Drehwinkelgeber aufweisen.
Die zweite Leuchteinrichtung 14 ist Bestandteil der Vorrichtung 10 und im Beispiel der 1 an einer Rückseite des außenwirksamen Elements 18 angeordnet, also an einer der ersten Leuchteinrichtung 12 gegenüberliegenden Vorderseite des außenwirksamen Elements 18. Die zweite Leuchteinrichtung 14 kann beispielsweise eine LED 24 aufweisen, die einen Lichtstrahl 26 erzeugt, der sich zum Beispiel aus vielen, diffus streuenden oder divergenten Lichtstrahlen zusammensetzen kann und zum redundanten Überwachen der Lage des außenwirksamen Elements verwendet wird. Die einzelnen diffusen oder divergenten Lichtstrahlen sind in der 1 als Pfeile dargestellt. Die zweite Leuchteinrichtung 14 ist dabei derart angeordnet, dass sie das außenwirksame Element 18, im Beispiel der 1 die Rückseite des außenwirksames Elements 18, mit dem Lichtstrahl 26 beaufschlagt. An der Rückseite werden dann die einzelnen Lichtstrahlen des diffusen Lichts der LED 24 reflektiert oder gebrochen, so dass durch den reflektierten Anteil des Lichtstrahls 26 ein Lichtfeld mit einer graduellen Helligkeitsänderung über den Ausbreitungswinkel oder Reflektionswinkel ergibt. Die einzelnen Streulichtstrahlen 28 sind dabei in der 1 als gestrichelte Pfeile dargestellt. Wird der Lichtstrahl 26 gebrochen, so kann er beispielsweise durch das außenwirksame Element 18 hindurch strahlen.
Alternativ kann die zweite Leuchteinrichtung 14 auch dazu ausgestaltet sein, einen Lichtstrahl 26 zu erzeugen, der gebündelt, also fokussiert, sein kann. In diesem Falle kann das außenwirksame Element 18 an einer Reflektions- und/oder Refraktionsstelle, an der der Lichtstrahl 26 reflektiert wird, eine raue Oberfläche aufweisen oder rau sein. Durch eine solche Oberfläche kann ein gebündelter zweiter Lichtstrahl 26 bei der Reflektion und/oder Refraktion in mehrere Lichtstrahlen eines Streulichts 28 reflektiert und/oder gebrochen werden.
Eine Lichtstärke des erzeugten Lichtstrahls 26 kann dabei so gewählt werden, dass eine Sensoreinrichtung 30 der Vorrichtung 10 voll ausgesteuert sein kann. Dies kann der Fachmann anhand der technischen Daten der Sensoreinrichtung 30 in einfacher Weise ermitteln. Eine Wellenlänge des erzeugten Lichtstrahls 26 kann dabei in Abhängigkeit von einem in die Vorrichtung 10 eindringenden Außenlichts gewählt werden. Vorzugsweise kann dabei der Lichtstrahl 26 aus sichtbarem Licht bestehen oder zum Beispiel Licht einer Wellenlänge von grünem Licht. Der Lichtstrahl 26 kann dabei vorzugsweise eine vorbekannte Abstrahlcharakteristik aufweisen, also vorbekannte Reflektionseigenschaften.
Die beispielhafte Vorrichtung 10 der 1 weist eine Sensoreinrichtung 30 auf, die beispielsweise zwei Sensoren umfassen kann. Im Beispiel der 1 können diese Sensoren die zweite Leuchteinrichtung 14 flankieren. Die 1 zeigt, dass jeder der beispielhaften Sensoren der Sensoreinrichtung 30 derart positioniert sein kann, dass keiner der einzelnen Sensoren das gesamte Lichtfeld des Streulichts 28 abdeckt und damit nur einen Anteil oder Ausschnitt des Streulichts erfasst. Die Sensoreinrichtung 30 ist dazu ausgestaltet, eine Strahlungsleistung, also eine photometrisch gewichtete Strahlungsenergie, zu erfassen. Es erfolgt also eine Messung einer Lichtleistung des Streulichts. Hierzu kann die Sensoreinrichtung 30 beispielsweise aus einen aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren für diesen Zweck aufweisen, beispielsweise einen oder mehrere Phototransistoren. Vorzugsweise kann die Vorrichtung 10 dabei eine Sensoreinrichtung 30 aufweisen, die für jede Rotationsachse des außenwirksamen Elements 18 zwei Sensoren, zum Beispiel zwei Photodioden, aufweisen kann.
Die Vorrichtung 10 kann vorzugsweise eine Auswerte- und Ermittlungseinrichtung 32 aufweisen, die beispielsweise als Mikrochip oder Datenverarbeitungsgerät ausgestaltet sein kann. Die Auswerte- und Ermittlungseinrichtung 32 kann über eine drahtlose oder drahtgebundene Datenkommunikationsverbindung (in der 1 nicht gezeigt) mit der Sensoreinrichtung 30 verbunden sein. Dem Reflektieren des Lichtstrahls 26 (Verfahrensschritt S1) und dem Erfassen der Strahlungsleistung (S2) folgt das Ermitteln der Lage des außenwirksamen Elements 18 (S3). Die relative räumliche Position der Sensoreinrichtung 30 oder einzelner Sensoren der Sensoreinrichtung 30 kann dabei beispielsweise in der Auswerte- und Ermittlungseinrichtung 32 abgespeichert sein. In dem Fall der 1 kann es sich bei der Sensoreinrichtung 30 um eine ortsfeste Sensoreinrichtung 30 handeln. Es kann alternativ vorgesehen sein, dass es sich bei der Sensoreinrichtung 30 um eine ortstreue Sensoreinrichtung 30 handeln kann, wobei dann beispielsweise die Auswerte- und Ermittlungseinrichtung 32 die relative räumliche Position der Sensoreinrichtung 30 ermitteln oder erkennen kann, oder die Sensoreinrichtung 30 kann eine aktuelle Position an die Auswerte- und Ermittlungseinrichtung 32 übermitteln. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtung 30 die Strahlungsleistung unterschiedlicher Strahlen des Streulichts 28 beziehungsweise unterschiedliche Anteile des Streulichts 28 erfassen und hierzu verschiedene Positionen einnehmen kann. Eine solche Sensoreinrichtung 30 kann zum Beispiel über einen Motor entlang einer Schiene in unterschiedliche Positionen bewegt werden.
Zur eigentlichen Regelung (in der 1 nicht gezeigt) kann die Vorrichtung 10 optional eine Steuereinrichtung aufweisen (in der 1 nicht gezeigt), die zum Beispiel als Gerätekomponente der Vorrichtung 10 oder als Steuerchip der Auswerte- und Ermittlungseinrichtung 32 ausgestaltet sein kann. Eine solche Steuereinrichtung kann zum Ausrichten des außenwirksamen Elements 18 in eine andere Lage nach einem Ermitteln einer aktuellen Lage des außenwirksamen Elements 18 vorgesehen sein.
Das Ermitteln der Lage des außenwirksamen Elements 18 kann beispielsweise durch ein Vergleichen der erfassten Strahlungsleistung einer dem Wert der Strahlungsleistung zugeordneten Beschreibung einer Lage des außenwirksamen Elements 18 verglichen werden. Beispielsweise kann in einer elektronisch gespeicherten Liste je ein Wert einer Strahlungsleistung einem Winkel, in dem das Streulicht 28 reflektiert wird, zugeordnet sein. Erfasst die Sensoreinrichtung 30 dann einen bestimmten Wert der Strahlungsleistung, so kann rückgeschlossen werden, in welchem Winkel der erfasste Strahl des Streulichts 28 erfasst wurde und somit auf die Lage des außenwirksamen Elements 18 rückgeschlossen werden.
Alternativ kann die Auswerte- und Ermittlungseinrichtung 32 dazu ausgelegt sein, beispielsweise durch eine entsprechende Programmierung, die Lage des außenwirksamen Elements zu berechnen. Bei einer solchen Berechnung kann optional auch ein Auslenkwinkel der zweiten Leuchteinrichtung 14 und/oder eine Reflektionseigenschaft des Lichtstrahls 26 berücksichtigt werden. Ist die Lage des außenwirksamen Elements 18 ermittelt, so kann anhand beispielsweise eines bekannten Einfallswinkels des Arbeitsstrahls 16, der einem Ausfallswinkel des ersten Arbeitsstrahls 16 entspricht, über eine einfache geometrische Berechnung die Position des Arbeitsstrahls 16 berechnet werden.
Je nach Anordnung der Komponenten, also je nach Anordnung der Sensoreinrichtung 30 und der zweiten Leuchteinrichtung 14, kann es nicht lineare Signalverläufe geben, also eine nicht lineare Helligkeitsänderung über den Ausbreitungswinkel des Lichtfelds, so dass eine Kalibrierung hilfreich sein kann. Dies kann durch zum Beispiel eine elektronische Auslegung der Auswerte- und Ermittlungseinrichtung 32 und/oder einer entsprechenden Ansteuerung der Sensoreinrichtung 30 mittels der optionalen Steuereinrichtung zumindest teilweise kompensiert werden.
Für einen solchen Kalibrierungsvorgang kann beispielsweise in der Auswerte- und Ermittlungseinrichtung 32 eine Kalibrierungsfunktion hinterlegt sein, die eine Abhängigkeit der Strahlungsleistung von einem Reflektionswinkel des Streulichts 28 beschreiben kann. Anhand einer solchen Kennlinie oder Kalibrierkurve können die einzelnen Komponenten kalibriert werden. Es kann eine Kalibrierung durchgeführt werden, indem mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens die Lage des außenwirksamen Elements 18 ermittelt wird. Die ermittelte Lage kann dann mit einer der erfassten Strahlungsleistung zugeordneten, bekannten Kalibrierungslage verglichen werden. Wird eine Abweichung beider Werte ermittelt, so kann die Kalibrierungsfunktion geändert werden.
Hierzu kann optional vorgesehen sein, dass die zweite Leuchteinrichtung 14 den Lichtstrahl 26 gepulst ausgeben kann. In einer Pulspause, also einer Ausphase der Leuchteinrichtung 14, kann die Sensoreinrichtung 30 dann zum Beispiel eine Lichtintensität eines von außerhalb der Vorrichtung 10 einfallenden Umgebungslichts erfassen und den erfassten Wert des Umgebungslichts von dem erfassten Messwert des Streulichts 28 abziehen. Mit anderen Worten kann die Differenz aus der Strahlungsleistung bei eingeschalteter Beleuchtung und der Strahlungsleistung bei ausgeschalteter Beleuchtung verwendet werden. Hierdurch kann zum Beispiel ein elektrischer Bias eliminiert werden.
Eine Kalibrierung kann dann beispielsweise vor einem geplanten Abtastvorgang an einem Patienten durchgeführt werden. Alternativ kann das erfindungsgemäße Verfahren auch während eines Abtastvorgangs durchgeführt werden, beispielsweise während einer Operation.
Die 2 zeigt eine Vorrichtung 10, bei der im Unterschied zu der Vorrichtung 10 aus der 1 beispielhaft die Sensoreinrichtung 30 und die zweite Leuchteinrichtung 14 auf der gleichen Seite des außenwirksamen Elements 18 angeordnet sein können wie die erste Leuchteinrichtung 12.
Die oben angeführten Ausführungsbeispiele veranschaulichen das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, eine Lage des außenwirksamen Elements 18 und/oder des optionalen Arbeitsstrahls 16 indirekt zu ermitteln, indem ein Lichtstrahl 26 erzeugt wird, der vorzugsweise von dem optionalen Arbeitsstrahl 16 unabhängig erzeugt werden kann, wobei mit dem Lichtstrahl 26 das außenwirksame Element 18 beaufschlagt wird, so dass Streulicht 28 durch die Reflektion des Lichtstrahls 26 erzeugt wird. Die Sensoreinrichtung 30 erfasst dann eine Strahlungsleistung des Streulichts 28 oder eines Anteils des Streulichts 28.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Lichtstrahl 26 ein unfokussierter Lichtstrahl 26 oder auch ein fokussierter Lichtstrahl 26 mit möglicherweise noch diffuser Streuung an einer Reflektions- und/oder Refraktionsstelle des außenwirksamen Elements 18 verwendet werden. Das diffus gestreute Signal kann durch das zu messende bewegende Objekt, also durch das außenwirksame Element 18, reflektiert und/oder gebrochen und an zum Beispiel einen ortstreuen Empfänger der Sensoreinrichtung 30 erfasst werden. Dies kann je nach Auslenkwinkel und Abstrahlcharakteristik der Signalquelle zu Signalunterschieden am Empfänger führen, mit deren Hilfe eine Positionsbestimmung möglich ist.
Es ergibt sich vorteilhaft, dass die verwendeten Komponenten, beispielsweise eine lichtemittierende Diode und/oder eine Photodiode, sehr billig sein können. Eine Reaktionszeit kann dadurch sehr hoch werden. Außerdem kommt man ohne jegliche optische Komponenten wie zum Beispiel Linsen, brechende oder diffraktive Elemente aus und im Bestfall kann man beispielsweise nur eine lichtemittierende Diode und eine Photodiode benötigen.
Durch eine entsprechende elektronische Auslegung und Ansteuerung kann von außen einfallendes Streulicht kompensiert werden. Hiermit kann ebenfalls zumindest teilweise kompensiert werden, dass ein Winkel oder eine Positionsauflösung der beispielhaften Vorrichtung 10 nicht so hoch sein kann wie bei Systemen aus dem Stand der Technik. Hiermit können ebenfalls nicht lineare Signalverläufe zumindest teilweise kompensiert werden.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel können eine lichtemittierende Diode und zwei Photodioden zum Winkel eines Galvospiegels als beispielhaftes außenwirksames Element 18 verwendet werden. Hierdurch kann ein sehr lineares Differenzsignal erzeugt werden. Vorzugsweise kann die Vorrichtung 10 als zweite Leuchteinrichtung 14 eine LED aufweisen sowie eine Sensoreinrichtung 30 mit je zwei Phototransistoren pro Achse des außenwirksamen Elements 18. Vorteilhafterweise kann dabei die erste Leuchteinrichtung 14 und die Sensoreinrichtung 30 auf oder an einer Rückseite des außenwirksamen Elements 18 angeordnet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1252482 B1 [0006]
US 7479138 B2 [0007]
US 7538310 B2 [0007]
US 6864478 B2 [0008]
US 4560925 [0008]
US 4466088 [0008]

Claims

Verfahren zum redundanten Überwachen einer Lage eines beweglich gelagerten außenwirksamen Elements (18) einer Vorrichtung (10), wobei die Lage des außenwirksamen Elements (18) durch eine Verstelleinrichtung der Vorrichtung (10) veränderbar ist, gekennzeichnet durch die Schritte: – durch eine von der Verstelleinrichtung unabhängigen Leuchteinrichtung (14) Beaufschlagen des außenwirksamen Elements (18) mit einem Lichtstrahl (26), – Reflektieren und/oder Brechen des Lichtstrahls (26) an dem außenwirksamen Element (18, S1), – Erfassen einer Strahlungsleistung eines Streulichts (28) des Lichtstrahls (26) mittels mindestens einer Sensoreinrichtung (30) der Vorrichtung (10, S2), – Ermitteln der Lage des außenwirksamen Elements (18, S3) durch eine Auswerte- und Ermittlungseinrichtung (32) anhand der erfassten Strahlungsleistung und anhand einer relativen räumlichen Position der Sensoreinrichtung (30) in der Vorrichtung (10).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung (10) als Scanvorrichtung und das außenwirksame Element (18) als optisches Element ausgestaltet ist, welches einen weiteren, fokussierten Lichtstrahl als Arbeitsstrahl (16) auf eine abzutastende Oberfläche umlenkt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Ermittlungseinrichtung (32) in Abhängigkeit der ermittelten Lage des außenwirksamen Elements (18) einen Strahlengang des Arbeitsstrahls (16) ermittelt (S3).
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte (S1, S2, S3) während eines Abtastvorgangs der Vorrichtung (10) durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl (26) aus dem Arbeitsstrahl (16) ausgekoppelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Ermittlungseinrichtung (32) die Lage des außenwirksamen Elements (18) anhand einer Kalibrierungsfunktion ermittelt, wobei die Kalibrierungsfunktion eine Abhängigkeit der Strahlungsleistung von der Lage des außenwirksamen Elements (18) beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das außenwirksame Element in eine vorbestimmte Kalibrierungslage bewegt wird, die Auswerte- und Ermittlungseinrichtung (32) eine Abweichung der ermittelten Lage des außenwirksamen Elements (18) zu der vorbestimmten Kalibrierungslage des außenwirksamen Elements (18) ermittelt, und anhand der ermittelten Abweichung die Kalibrierungsfunktion ändert und/oder ein Warnsignal erzeugt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das außenwirksame Element (18) mit einem gepulsten Lichtstrahl (26) beaufschlagt wird, – die Sensoreinrichtung (30) in einer Pulspause eine Strahlungsleistung eines Umgebungslichtes erfasst (S2), und – die Auswerte- und Ermittlungseinrichtung (32) die Lage des außenwirksamen Elements (18) anhand einer Differenz der erfassten Strahlungsleistung und des erfassten Umgebungslichtes ermittelt (S3).
Vorrichtung (10) zum redundanten Überwachen einer Lage eines beweglich gelagerten außenwirksamen Elements (18), aufweisend: – das beweglich gelagerte außenwirksame Element (18), gekennzeichnet durch – eine Leuchteinrichtung (14) zum Beaufschlagen des außenwirksamen Elements (18) mit einem Lichtstrahl (26), und – eine Sensoreinrichtung (30) zum Erfassen einer Strahlungsleistung eines Streulichts (28) des von dem außenwirksamen Element (18) reflektierten und/oder gebrochenen Lichtstrahls (26).
Vorrichtung (10) nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Auswerte- und Ermittlungseinrichtung (32), die dazu eingerichtet ist, die eine Auswerte- und Ermittlungseinrichtung (32) betreffenden Verfahrensschritte gemäß eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 3, 4 oder 6 bis 8 durchzuführen.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass – das außenwirksame Element (18) mindestens eine Rotationsachse (22) hat, und – die Sensoreinrichtung (30) mindestens je zwei Sensoren für jede Rotationsachse (22) des außenwirksamen Elements (18) aufweist, vorzugsweise wobei jeder der Sensoren als Photodiode ausgestaltet ist.
Scanvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (30) und die Leuchteinrichtung (14) auf der gleichen Seite des außenwirksamen Elements (18) angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass – das außenwirksame Element (18) als optisches Element ausgestaltet ist, und – die Vorrichtung (10) als Vorrichtung zum Durchführen einer chirurgischen Behandlung eines Auges und/oder als Galvanometerscanner ausgestaltet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchteinrichtung (14) ein lichtstreuendes Element aufweist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das außenwirksame Element (18) eine Reflektions- und/oder Refraktionsstelle zum Reflektieren und/oder Brechen des Lichtstrahls (26) aufweist, wobei die Reflektions- und/oder Refraktionsstelle eine raue Oberfläche hat.