DE19710597C1 - Vorrichtung zur Erzeugung eines beleuchteten Bereiches mit hoher, lokal veränderbarer Energiedichte mit Hilfe eines Lasers und einer DMD - Google Patents

Description

Die Anmeldung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines beleuchteten Bereiches gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Vorrichtung ist aus der US 5 122 135 bekannt. Hierdurch ist es einem Augenchirurgen möglich, mit Hilfe ei­ nes bistabilen Spiegels einen ersten oder einen zweiten Lichtstrahl eines Operationsinstruments auf ein Auge zu rich­ ten. Einer der beiden Lichtstrahlen ist ein Laserstrahl. Es ist damit möglich, einen beleuchteten Bereich mit hoher, lo­ kal veränderbarer Energiedichte zu erzeugen, bei dem der La­ serstrahl entweder auf den zu beleuchtenden Bereich eines Au­ ges, oder, bei entsprechender Stellung des Spiegels, in einen nicht zum zu beleuchtenden Bereich gehörenden Bereich gelenkt werden kann. Auch sind Lösungen für eine Strahlaufweitung und damit eine Vergrößerung des behandelbaren Bereichs beschreiben. Nachteilig ist jedoch, daß sich die Energiedichte nur für den gesamten Bereich variieren läßt und lokal veränderbare Ener­ giedichten nicht erzielbar sind.

Bekannt ist weiterhin, den Laserstrahl durch ein Abtast- Verfahren abzulenken. Ein quasi punktförmig vorhandener La­ serstrahl wird mittels geeigneter Vorrichtungen, bei­ spielsweise durch zwei senkrecht zueinander orientierte Schwingspiegel oder durch andere Spiegel-Kombinationen in X-Y-Richtung abgelenkt. Die Energiedichte der Laserstrahlung läßt sich durch die Aufbauzeit der abgescannten Fläche und durch entsprechende räumliche Verteilung der Intensitäten verändern. Nachteilig ist, daß die gewünschte Licht- Intensitätsverteilung immer in einer Aufbauzeit entsprechend einer vollständigen Flächen-Abtastung entsteht. Bei der Ver­ wendung resonanter Abtaster ist eine zusätzliche zeitliche Modulation des Laserstrahls erforderlich.

Es sind auch Verfahren bekannt, bei denen die Intensi­ tätsverteilung eines senkrecht zur Ausbreitungsrichtung hin­ reichend ausgelegten Laserstrahls selbst verändert wird. Dies kann erreicht werden, in dem durch Modifikation der Resona­ torgeometrie oder -konfiguration des Lasers selbst unter­ schiedliche Transversal-Schwingungen (transversal modes) er­ zeugt werden. Weiterhin sind eine Vielzahl von externen Mög­ lichkeiten zur Beeinflussung der lateralen Intensitätsvertei­ lung des Laserstrahls bekannt. Dazu gehören passive Elemente, wie Linsen, optische Gitter, holografische, optische Bauele­ mente, und aktiv betriebene Bauelemente, wie Pockels-Zellen, Kerr-Zellen und dergleichen. Insbesondere Kerr-Zellen erlau­ ben eine sehr schnelle Veränderung des Strahlprofils. Der Nachteil dieser Verfahren ist jedoch, daß immer nur eine den ganzen Strahl betreffende Änderung des Strahlprofils möglich ist. Jedes der bekannten Elemente hat immer nur eine gewisse, eng begrenzte Möglichkeit der Variation der lateralen Inten­ sitätsverteilung.

Aus der DE 31 48 748 A1 ist bekannt, hochempfindliche Ober­ flächen, wie beispielsweise die Hornhaut des menschlichen Au­ ges, mit die Oberfläche nicht durchdringenden Schnitten nach einem vorgefertigten Schnittmuster zu bearbeiten. Hierbei wird ein Laserskalpell durch eine rechnergesteuerte Vorrich­ tung bewegt. Aus der DE 31 48 748 A1 ist auch bekannt, mit Hilfe von Lasern zu gravieren.

Aus der DE 33 31 431 A1 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines beleuchteten Bereiches in einem Auge mit Hilfe eines Lasers bekannt, bei der die Laserstrahlen durch optische Ein­ richtungen in ein Augenuntersuchungsgerät einkoppelbar sind.

Aus der DE 33 31 431 A1 ist weiter bekannt, die Laserstrahlen über ihren Verlauf zu kapseln, um einen versehentlichen Ein­ griff in den Strahlengang zu verhindern. Dazu werden Teile der Vorrichtung innen hohl gefertigt, so daß in ihrem Inneren der Lichtstrahl geführt werden kann.

Ausgehend von einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1 ist es die Aufgabe der Erfindung, diese Vorrichtung derart weiterzubilden, daß sie es erlaubt, den Laserstrahl über die Flächenverteilung des beleuchteten Bereiches zu va­ riieren, wobei bestimmte Muster wählbar sind.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genann­ ten Art dadurch gelöst, daß der Laserstrahl beim Auftreffen auf eine Objektoberfläche eine über einen Quadratzentimeter- Bereich homogene Energiedichte-Verteilung erzeugt, daß der bistabile Spiegel eine digitale, bistabile Mikrospiegel- Vorrichtung (DMD = digital micromirror device) ist und daß der Laserstrahl auf die digitale, bistabile Mikrospiegel- Vorrichtung gelenkt ist, von der Teile des Laserstrahls über verstellbare Mikrospiegel in einzelnen Strahlbündeln, die je­ weils einem Pixel entsprechen, auf den zu beleuchtenden Be­ reich des Objekts oder, bei entsprechender Stellung des Mi­ krospiegels, in den nicht zum zu beleuchtenden Bereich gehö­ renden Absorber-Bereich zu lenken sind.

"Direkt oder indirekt" bedeutet hierbei, daß ein Laserstrahl ohne optisches Zwischenelement indirekt mit derartigen Zwi­ schenelementen aufgestrahlt wird. So können Aufweitungen oder Verjüngungen des Laserstrahls beispielsweise mit Zerstreu­ ungs- oder Sammellinsen erreicht werden.

Der mit Hilfe des Lasers beleuchtete Bereich kann dabei bis auf eine Pixelgröße sehr schnell verändert werden. Derartige DMD-Bauelemente sind an sich bekannt, vgl. EP 0 738 910 A2 ≘ US 5 535 047 und Fernseh- und Kino-Technik, 50. Jg., Nr. 10/1996, Seiten 555-564.

Bei den aus der EP 0 738 910 A2 bekannten Bauelementen han­ delt es sich um eine Art Micro-Chip, auf dessen Oberfläche miniaturisierte, kippbare Mikro-Spiegel angebracht sind. Die einzelnen Mikro-Spiegel haben eine Abmessung von beispiels­ weise 4 × 4 µm². Ein DMD-Mikro-Chip kann auf einer Fläche von 15 × 15 mm² ca. 500 000 dieser Spiegelelemente enthalten. Je­ der dieser Spiegel ist als "Pixel-Element" über eine elektro­ nische Steuerung adressierbar. Die Stellzeit einzelner Spie­ gel beträgt etwa 21 µs bei der optischen Informationsbearbei­ tung, Projektions-Displays, Monitoren, Fernsehen und beim elektrofotografischen Drucken.

Eine Verwendung des DMD für die Erzeugung eines beleuchteten Bereiches, mit hoher lokal veränderbarer Energiedichte mit Hilfe eines Lasers ist, soweit ersichtlich, bisher nicht an­ gegeben und nicht vorgesehen worden. Bei bekannten DMD-Chips ist ein Betrieb mit hochenergetischen Lasern in sichtbaren, in IR- oder UV-Bereichen nicht beabsichtigt. Es sind speziel­ le transparente Abdeckungen der DMD-Chips erforderlich, die je nach Spektrum auszuwählen sind.

Die Bereiche mit hoher, lokal veränderbarer Energiedichte können laufend verändert werden, so daß sich beispielsweise auf einem voreingestellten Feld ein genaues Ausschnittmuster, beispielsweise in Quadrat- oder Kleeblatt-Form aus schneiden läßt.

Da für derartige Prozesse erforderliche Laser im allgemeinen sehr viel Energie ausstrahlen, sind es meistens gepulste La­ ser. Dabei ergibt sich das Erfordernis, daß die Pulsfrequenz mit der Mikrospiegel-Schaltungsphase synchronisierbar sein sollte.

Als geeignete Laser haben sich solche erwiesen, die im Be­ reich des nicht-sichtbaren oder sichtbaren Lichtes arbeiten, insbesondere CO₂-Gas-Laser (IR) oder Nd-YAG-Laser (IR), Er- YAG-Laser und Argonlaser (sichtbar) oder Excimer (UV) be­ währt. Die in den Strahlengang des Lasers einzubringende Mi­ krospiegel-Vorrichtung muß eine für die verwendete Laserwel­ lenlänge hinreichend transparente und strahlungsfeste Kapse­ lung besitzen. Hierzu eignet sich insbesondere eine Abdeckung aus Quarz.

Insbesondere in zwei technischen Geräten läßt sich die ein­ gangs genannte Vorrichtung besonders vorteilhaft anwenden. Zum einen handelt es sich um ein Laser-Skalpell zur Ausfüh­ rung von Mikro-Operationen, beispielsweise zur Abtragung von Hornhautgewebe oder zur Koagulation innerhalb des Augenhin­ tergrundes. Steuerungsvorrichtungen zur Steuerung eines La­ ser-Skalpells sind u. a. bekannt aus DE 31 48 748 A1.

Zum anderen handelt es sich um Laser-Graviervorrichtungen zur Mikro-Materialbearbeitung von Oberflächen. Hier wird an der Oberfläche partiell Material verdampft oder umgewandelt. Auf einem kunststoffbeschichten Zylinder kann beispielsweise mit Hilfe eines Gravurgerätes zur Lasergravur eine Rasterpunkt- oder Pixelverteilung erfolgen, die bereits von vornherein be­ stimmte Strukturen aufweist, also nicht mehr Punkt für Punkt eingebracht werden muß.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Die Figuren der Zeichnung zeigen im einzelnen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Erzeugung eines beleuchteten Bereiches gemäß Erfin­ dung;

Fig. 2 eine 3 × 3 Pixel-Anordnung einer Mikrospiegel- Vorrichtung.

Mit Hilfe eines Hochenergie-Lasers 1, beispielsweise eines Nd-YAG-Laser wird ein Laserstrahl 2 erzeugt, der in Kreisform abgeblendet ist und einen Durchmesser von etwa 10 mm hat. Der Laserstrahl hat eine homogene Energiedichte-Verteilung über diese Fläche. Er wird grundsätzlich ohne weitere optische Zwischenelemente auf eine Mikrospiegel-Vorrichtung 5 gelenkt. Um jedoch entsprechend den Energieerfordernissen und den La­ ser-Geometrien verschiedener Strahl-Parameter erzeugen zu können, werden optische Elemente zur Strahlerweiterung oder -verjüngung eingesetzt.

Die Mikrospiegel-Vorrichtung, die noch anhand der Fig. 2 ge­ nauer beschrieben werden wird, ist mit einer für das Laser­ licht durchsichtigen Kapsel 8 aus schlierenfreiem Quarz luft­ dicht abgedeckt. Eine solche Kapsel ist hinreichend transpa­ rent und strahlungsfest. Auch andere transparente, hitzefeste Materialien sind verwendbar, z. B. Gläser.

Über einen Adress- und Datenbus 11 werden von einem Mikro- Computer 10, der sowohl über ausreichende Speicherkapazität als auch Steuerungsvorrichtungen verfügt, die Pixelinforma­ tionen in Form von Byte-Werten pro Pixel an die Mikro­ spiegel-Vorrichtung 5 gesendet. Die aus 864 × 576 einzelnen Spiegeln 30 (vgl. Fig. 2) bestehende Mikrospiegel-Vorrich­ tung 5 schickt einen Teil des Laserstrahls als abgelenktes Laserstrahl-Bündel 3' auf einen Absorber 7, während ein wei­ terer Teil, nämlich ein moduliertes Laserstrahl-Bündel 3'' auf eine Objektoberfläche 4 abgelenkt wird. Entsprechend der in der Mikrospiegel-Vorrichtung 5 erzeugten Pixelgrafik bildet sich demnach ein beleuchteter Bereich mit hoher, lokal verän­ derbarer Energiedichte ab. Im vorliegenden Fall kann bei­ spielsweise die Hornhaut 6 eines Auges strukturiert abgetra­ gen werden, so daß die Refraktion geändert oder andere thera­ peutische Zwecke bei Augenoperationen erfüllt werden können.

Es ist auch möglich, den Laserstrahl auf den Augenhintergrund zu richten, und beispielsweise eine genau lokalisierte Koagu­ lation mit Hilfe des Lasers vorzunehmen. Gerade im Bereich des menschlichen Auges sind genau lokalisierte Operation­ stechniken mit oft mit vielen Hundert Lokalisation (z. B. Koa­ gulation bei einer diabetischen Retinopathie) erforderlich, die mit Hilfe der vorbeschriebenen Vorrichtung erleichtert sind.

Es sind jedoch auch andere medizinische Zwecke vorgesehen, um Zellstrukturen im oder am Körper zu verändern, z. B. das Ver­ öden von Gefäßen, Zerstören oder Abtragen von Gewebe in genau lokalisierten Bereichen. Die Erfindung ermöglicht es, größere Flächen mit Laserlicht zu therapieren, wobei mittels unter­ schiedlicher Pixelgrafiken, gegebenenfalls auch weiteren op­ tischen Elementen, wie Zerstreuungslinsen, die gewünschte Verteilung der Laserleistung auf das Behandlungsareal einge­ stellt werden kann. Der über die Bestrahlungszeit integrierte Energieertrag kann pro Flächeneinheit pixelweise spezifisch realisiert werden.

Die Vorrichtung erfüllt damit die Aufgaben eines als "Laser­ skalpell" bezeichneten Operationsgerätes zur Erzielung fein­ ster Schnitte oder Öffnungen in biologischem Gewebe. Als La­ ser können dabei eingesetzt werden CO₂-Gaslaser, Nd-YAG- Laser, Er-YAG-, Eximer oder Argon-Laser, wie dies auch für Laser-Skalpelle bekannt ist.

Wird ein Laser in Pulsbetrieb geschaltet, so ist ein zusätz­ licher Synchronisator 9 erforderlich, so daß der Schaltrhyth­ mus der Mikrospiegel-Vorrichtung mit dem Anfang des Laserpul­ ses synchronisiert werden kann.

Eine andere Anwendungsmöglichkeit der vorbeschriebenen Vor­ richtung sind sogenannte Laser-Gravurgeräte. Bei diesen Gerä­ ten wird durch partielles Materialverdampfen mit Hilfe des modulierten Laserstrahl-Bündels 3'' in einer Kunststoff- Oberfläche eine Reliefdruckform in Form einer Gravur herge­ stellt. Insbesondere beim Rakel-Tiefdruck, bei dem nur gerin­ ge Vertiefungen von 30 bis 40 µm erforderlich sind, läßt sich eine solche Gravur einsetzen. Dabei kann eine wesentliche Be­ schleunigung erfolgen, da nicht mehr nur einzelne Punkte der Rasterung angebracht werden, sondern zugleich mehrere, sich über die Pixelverteilung ergebende Einbrennpunkte pro Takt erzeugt werden können.

In Fig. 2 ist eine 3 × 3 Pixel-Konfiguration einer digita­ len, bistabilen Mikrospiegel-Vorrichtung 100 dargestellt. Über eine Adress-Codeleitung werden die Steuerungsimpulse an eines der beiden Adress-Elektroden 26 und 28 geleitet, die jeweils einen Mikrospiegel 30 von der Größe eines Pixels steuern. Der Mikrospiegel 30 ist quadratisch und befindet sich mit einem Haltepfosten 34 verbunden auf ei­ nem Joch 32, das etwa Schmetterlingsform hat. Mit Hilfe eines Paares von Torsionslaschen 40, die an Kappen 42 befestigt sind, können Spiegel und Joch gekippt werden. Ein Paar von angehobenen Adress-Elektroden 50 und 54 können elektrosta­ tisch anziehend gemacht werden, so daß das Joch kippt. Die Mikrospiegel 30 kippen damit aus der Reflexionsebene und werden bis zum Anschlag auf die Anschlagfläche 60 schrägge­ stellt. Durch ein entsprechendes Gegenmoment werden die Mi­ krospiegel 30 wieder in die normale, spiegelnde Konfiguration eingestellt.

Die Oberfläche der Mikrospiegel ist ein hochglänzendes Spie­ gelmetall. Die gesamte Mikrospiegel-Vorrichtung 5 enthält ei­ ne Anordnung von 864 × 576, d. h. ca. 497.664 derartiger Spiegelelemente 30.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines beleuchteten Bereiches mit hoher, lokal veränderbarer Energiedichte mit Hilfe eines Lasers (1) und mindestens eines bistabilen Spie­ gels, in der mit dem Laser (1) direkt oder indirekt ein Laserstrahl (2) erzeugbar ist, der auf einen zu beleuch­ tenden Bereich des Objekts oder, bei entsprechender Stel­ lung des Spiegels, in einen nicht zu dem zu beleuchtenden Bereich gehörenden Absorber-Bereich (7) zu lenken ist, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Laserstrahl beim Auftreffen auf eine Objekto­ berfläche eine über einen Quadratzentimeter-Bereich ho­ mogene Energiedichte-Verteilung erzeugt,
• - daß der bistabile Spiegel eine digitale, bistabile Mi­ krospiegel-Vorrichtung (5 - DMD = digital micromirror device) ist und
• - daß der Laserstrahl auf die digitale, bistabile Mikro­ spiegel-Vorrichtung gelenkt ist, von der Teile des La­ serstrahls über verstellbare Mikrospiegel (30) in ein­ zelnen Strahlbündeln (3''), die jeweils einem Pixel ent­ sprechen, auf den zu beleuchtenden Bereich des Objekts oder, bei entsprechender Stellung des Mikrospiegels, in den nicht zum zu beleuchtenden Bereich gehörenden Ab­ sorber-Bereich (7) zu lenken sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz eines gepulsten Lasers (1) die Pulsfrequenz mit der Mikrospiegel-Schaltungsphase synchronisierbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mikrospiegel (30) mit einer für die Wellenlänge des Laserlichts durchlässigen Kapsel (8), die vorzugsweise aus Quarz besteht, abgedeckt sind.

4. Laser-Skalpell zur Ausführung von Mikro-Operationen, bei­ spielsweise zur Abtragung von Hornhautgewebe oder zur Koagulation innerhalb des Augenhintergrundes, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dieses eine Vorrichtung gemäß den An­ sprüchen 1 bis 3 umfaßt.

5. Laser-Graviervorrichtung zur Mikro-Materialbearbeitung von Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 umfaßt.