DE19753344A1

DE19753344A1 - Device for homogenizing a light or laser beam

Info

Publication number: DE19753344A1
Application number: DE1997153344
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr Steiner; Detlef Dipl Phys Russ
Original assignee: G Rodenstock Instrumente GmbH
Current assignee: G Rodenstock Instrumente GmbH
Priority date: 1997-12-02
Filing date: 1997-12-02
Publication date: 1999-06-10
Also published as: WO1999028077A2; WO1999028077A9; WO1999028077A3

Abstract

Disclosed is a device for illuminating and/or processing a surface, especially for shaping the cornea by means of light, comprising at least one light source emitting a beam of light and more particularly a laser beam, and an optical system which guides the beam of light or laser beam to the surface to be illuminated or processed and consists of a device for homogenizing said beam. The invention is characterized in that the device for homogenizing the beam has at least one homogenizer element with a plurality of faceted members dividing the light hitting each facet in an approximately even manner on at least one cross-sectional area of said beam at a given distance from the homogenizer element. This enables intensity to be homogenized to a high degree, independent of temporal or spatial distribution, divergence, laser beam mode structure or possible adjustment errors.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Be leuchtung und/oder zur Bearbeitung einer Fläche und insbe sondere zur Formung der Cornea mittels Licht gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device for loading lighting and / or for processing a surface and esp especially for shaping the cornea using light according to the Preamble of claim 1.

Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise zur Mate rialbearbeitung, zur Beleuchtung und/oder zur Abbildung mit Hilfe eines Lichtstrahls und vorzugsweise eines Laser strahls verwendet.Such devices become, for example, mate rial processing, for lighting and / or for imaging using a light beam and preferably a laser beam used.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet gattungsgemäßer Vorrich tungen ist die Hornhautabtragung bzw. Cornea-Formung zur Behebung von Fehlsichtigkeiten.A preferred area of application of the generic device the corneal ablation or cornea formation Correction of ametropia.

Ein in der Hornhautchirurgie bekanntes Verfahren zur Kor rektur einer Fehlsichtigkeit besteht darin, mit Hilfe ei nes Laserstrahls die Oberfläche der Hornhaut flächig abzu tragen. Bei dieser photorefraktometrischen Entfernung von Corneamaterial sind in der Vergangenheit bevorzugt Exci merlaser verwendet worden, die insbesondere Licht mit der Wellenlänge 193 nm emittieren.A known procedure for cor rectifying an ametropia consists of using egg laser surface across the surface of the cornea carry. With this photorefractometric removal of Corna materials have been preferred Exci in the past Merlaser has been used, in particular light with the Emit wavelength 193 nm.

Wegen einer möglicherweise cancerogenen und/oder mutagenen Wirkung solcher Uv-Strahlung ist vorgeschlagen worden, La ser zu verwenden, die Licht im Wellenlängenbereich von 3 µm emittieren.Because of a possibly carcinogenic and / or mutagenic Effect of such UV radiation has been suggested, La to use the light in the wavelength range of 3 emit µm.

Ein derartiger Laser ist ein Multimode Er:YAG-Laser. Diese Laser besitzen jedoch über ihren Strahlquerschnitt eine ausgeprägte Ringstruktur der Intensität. Ohne Homogenisie rung dieser Ringstruktur wurde die Cornea ungleichmäßig abgetragen bzw. ablatiert.Such a laser is a multimode Er: YAG laser. This However, lasers have one over their beam cross section pronounced ring structure of intensity. Without homogeneity Due to this ring structure, the cornea became uneven removed or ablated.

Es ist deshalb erforderlich, um eine flächig gleichmäßige Abtragung zu erhalten, den Laserstrahl über seine Quer schnittsfläche zu homogenisieren.It is therefore necessary to have a uniform surface Obtain ablation, the laser beam across its cross homogenize cutting surface.

Laser mit geringer Divergenz (einige mrad) lassen sich gut homogenisieren, jedoch werden häufig höhere Pulsenergien in der Größenordnung von 2J benötigt, die sich nur mit La serstäben größeren Querschnitts (5 mm) und entsprechend hö herer Pulsenergie erreichen lassen. Dadurch wird die Di vergenz des Laserstrahls auf zweierlei Weise nachteilig verstärkt und somit eine Homogenisierung erschwert: Wegen des größeren Stabquerschnitts schwingen bei gleicher Stab länge höhere Transversalmoden an, die eine stärkere Diver genz besitzen; außerdem führt die höhere Pumpenergie zu einer stärkeren Ausprägung einer thermischen Linse im La serstab während des Pulses, die ebenfalls die Divergenz des Strahls erhöht.Lasers with low divergence (a few mrad) work well homogenize, but often higher pulse energies in the order of 2J, which can only be achieved with La rods larger cross-section (5 mm) and correspondingly higher allow their pulse energy to be reached. Thereby the Di disadvantageous convergence of the laser beam in two ways strengthened and thus a homogenization difficult: Because of the larger rod cross-section swing with the same rod longer transversal modes that a stronger diver possess gene; moreover, the higher pump energy leads to a stronger version of a thermal lens in the La during the pulse, which is also the divergence of the beam increased.

Nachteilig ist weiterhin, daß die Qualität und die Kon stanz der Homogenisierung stark von der Justierung, von der Modenstruktur und von der Pumpenergie abhängen mit entsprechend nachteiligen Folgen für die Robustheit, Zu verlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit herkömmlicher photorefraktometrischer Ablationsvorrichtungen im klini schen Einsatz.Another disadvantage is that the quality and the Kon punch of homogenization strongly from adjustment, from depend on the mode structure and the pump energy correspondingly adverse consequences for the robustness, Zu reliability and ease of maintenance more conventional photorefractometric ablation devices in the clinic use.

Die DE 44 41 579 C1, von der bei der Formulierung des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ausgegangen worden ist, be schreibt eine Vorrichtung zur Formung der Cornea mit we nigstens einer Lichtquelle, die einen Licht- und insbeson dere einem Laserstrahl emittiert. Ein optisches System, das den Licht- bzw. Laserstrahl auf die zu beleuchtende bzw. zu bearbeitende Fläche führt, weist eine Einrichtung zur Strahlhomogenisierung auf.DE 44 41 579 C1, of which in the formulation of the The preamble of claim 1 has been assumed, be writes a device for shaping the cornea with we at least a light source that is a light and in particular which emits a laser beam. An optical system that the light or laser beam onto the one to be illuminated or surface to be machined, has a device for beam homogenization.

Zur Homogenisierung wird der zur Ablation verwendete La serstrahl fokussiert und passiert ein gegenüber dem Fokus punkt axial geringfügig versetztes Beugungselement. Der Abstand des Beugungselements (eines Gitters oder einer Lochblende) kann so gewählt werden, daß dessen Beugungsma xima mit dem Minima der Modenverteilung interferieren. Dies führt bei Pulsenergien von bis zu 1 J zu einer Homo genisierung des Strahls in einer Bildebene.The La. Used for ablation is used for homogenization serstrahl focuses and passes in relation to the focus Diffraction element slightly offset axially. Of the Distance of the diffraction element (a grating or a Pinhole) can be chosen so that its diffraction xima interfere with the minimum of the mode distribution. With pulse energies of up to 1 J, this leads to homo generation of the beam in an image plane.

Bei höheren Pulsenergien - beispielsweise in der Größen ordnung von 2 J - wird jedoch keine ausreichende Homogeni tät erreicht.At higher pulse energies - for example in sizes order of 2 J - however will not be sufficient homogeneity activity achieved.

Zudem stößt die Homogenisierung durch Beugungselemente auf prinzipbedingte Grenzen. So ermöglicht der Einsatz einer Lochblende einen lediglich radialen Intensitätsausgleich, während azimutale Intensitätsschwankungen weiterhin zu ei nem entsprechend ungleichmäßigen Ablationsverhalten füh ren. Auch bei Einsatz eines Beugungsgitters bleibt die durch die Gittergeometrie bestimmte Homogenisierungswir kung hinter der erwünschten, nahezu vollständigen Intensi tätsangleichung über den Strahlquerschnitt insbesondere dann zurück, wenn die Intensitätsschwankungen nicht radi al, sondern statistisch verteilt sind.In addition, the homogenization is diffracted by diffraction elements principle-related limits. So the use of a Pinhole only a radial intensity compensation, while azimuthal intensity fluctuations continue to egg lead accordingly to uneven ablation behavior ren even if a diffraction grating is used homogenization determined by the lattice geometry behind the desired, almost complete intensity approximation of the beam cross-section in particular then back when the intensity fluctuations are not radi al, but are statistically distributed.

Auch bei anderen Anwendungen stellt sich die Aufgabe, ei nen Lichtstrahl über seinen Querschnitt zu homogenisieren, insbesondere immer dann, wenn ein Material durch auftref fende elektromagnetische Strahlung bearbeitet wird, wenn ein Objekt über einen Bereich von der Größenordnung eines Strahldurchmessers gleichmäßig zu beleuchten ist, oder wenn für andere Zwecke, beispielsweise für eine optische Abbildung, ein zuvor homogenisierter Strahl benötigt wird.The task also arises in other applications homogenize a beam of light across its cross-section, especially whenever a material hits through electromagnetic radiation is processed if an object over a range of the order of one Beam diameter is illuminated evenly, or if for other purposes, for example for an optical one Figure, a previously homogenized beam is needed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Vorrichtung zur Beleuchtung und/oder zur Bearbeitung einer Fläche und ins besondere zur Formung der Cornea mittels Licht gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß auch bei azimutalen Intensitätsschwankungen, wie sie beispielsweise bei Multimode Er:YAG-Lasern mit höheren Strahlenergien auftreten, eine wirkungsvolle Homogenisie rung erreicht wird, die insbesondere zur Cornea-Formung ausreichend ist.The invention is based, device for Lighting and / or for processing a surface and ins special for shaping the cornea by means of light according to the Develop the preamble of claim 1 in such a way that even with azimuthal fluctuations in intensity, like them for example with multimode Er: YAG lasers with higher ones Radiant energies occur, an effective homogenization tion is achieved, especially for corneal shaping is sufficient.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Er findung sind Gegenstand der Ansprüche 2 folgende.This object is achieved by the in claim 1 marked features solved. Further training of the Er invention are the subject of claims 2 following.

Erfindungsgemäß weist die Einrichtung zur Strahlhomogeni sierung wenigstens ein Homogenisier-Element mit einer Vielzahl von Facettenelementen auf, von denen jedes das auf dieses Facettenelement auftreffende Licht in etwa gleichmäßig auf zumindest eine Strahlquerschnittsfläche mit einem bestimmten Abstand vom Homogenisier-Element ver teilt.According to the invention, the device has beam homogeneity at least one homogenizing element with a Variety of facet elements, each of which is the light striking this facet element approximately evenly on at least one beam cross-sectional area ver with a certain distance from the homogenizing element Splits.

Grundgedanke dieser Erfindung ist die Idee, im Strahlen gang des Licht- oder Laserstrahls eine Vielzahl dicht ge packter, im Verhältnis zum Strahldurchmesser kleiner Fa cettenelemente anzuordnen, die jeweils das auftreffende Licht im weiteren Strahlengang über dem gesamten Strahl durchmesser oder über eine andere definierte, für alle Fa cettenelemente einheitliche Querschnittsfläche zu vertei len. Im Falle eines auftreffenden inhomogenen Strahls wird die je nach Lage des einzelnen Facettenelements unter schiedlichen Energiedichte jeweils auf die gesamte Quer schnittsfläche verteilt, wodurch eine statistische Durch mischung des Rohstrahls in zumindest in einem bestimmten Abstand zum Homogenisier-Element erzielt wird. In diesem Abstand, beispielsweise in der Fokalebene des optischen Elements, wird die Intensitätsverteilung durch eine Gloc kenkurve dargestellt.The basic idea of this invention is the idea of shining light or laser beam a variety of dense ge packed, in relation to the beam diameter smaller Fa Arrange chain elements, each of which strikes Light in the further beam path over the entire beam diameter or another defined, for all Fa to distribute chain elements uniform cross-sectional area len. In the case of an incident inhomogeneous beam depending on the location of the individual facet element below different energy density on the entire cross cut surface distributed, creating a statistical through mixing the raw jet in at least one particular one Distance to the homogenizing element is achieved. In this Distance, for example in the focal plane of the optical Elements, the intensity distribution is determined by a gloc curve shown.

Über die prinzipielle Homogenitätssteigerung hinaus hat die Erfindung den Vorteil, daß die erzielte Homogenisie rung ohne zusätzliche Anforderungen an den Laser oder des sen Strahlprofils erreicht wird. Dies eröffnet für Laser quellen beliebiger zeitlicher und/oder räumlicher Intensi tätsverteilung und beliebiger Divergenz neue Einsatzmög lichkeiten.Beyond the principle increase in homogeneity the invention has the advantage that the homogeneity achieved tion without additional requirements for the laser or the beam profile is achieved. This opens up for lasers sources of any temporal and / or spatial intensity distribution and any divergence new possibilities options.

Durch die Erfindung wird damit unabhängig von der zeitli chen oder räumlichen Intensitätsverteilung oder der Diver genz oder der Modenstruktur eines Laserstrahls und unab hängig von etwaigen Justierfehlern über den Strahlquer schnitt eine Intensitätshomogenisierung besonderer Güte erzielt.The invention thus becomes independent of the time chen or spatial intensity distribution or the diver or the mode structure of a laser beam and dependent on any adjustment errors across the beam cross cut a high-quality homogenization achieved.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß der Homoge nisator insgesamt gekrümmt ist. Dadurch läßt sich eine zur Strahlführung ohnehin benötigte optische Fläche des opti schen Systems als Homogenisier-Element gestalten, ohne daß zusätzliche Elemente in dem Strahlengang eingebaut werden müssen.A preferred embodiment provides that the homogeneous overall is curved. This allows one to Beam guidance anyway required optical surface of the opti design systems as a homogenizing element without additional elements can be installed in the beam path have to.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß der Homogeni sator ein Spiegel, insbesondere ein Hohlspiegel ist. Durch einen derartigen Facettenspiegel kann die auftreffende Strahlung rückgestreut werden oder um beispielsweise 10° bis 90° oder um jeden anderen Winkel umgelenkt werden, wo bei dann die erfindungsgemäß gleichmäßig beleuchtete Flä che im Strahlengang hinter dem Facettenspiegel liegt. Another embodiment provides that the Homogeni sator is a mirror, in particular a concave mirror. By such a facet mirror can be the impinging Radiation are backscattered or by, for example, 10 ° can be deflected up to 90 ° or at any other angle where then the evenly illuminated area according to the invention surface in the beam path behind the facet mirror.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß das Homogeni sier-Element ein transmittierendes Element, wie beispiels weise eine Linse ist. Die dementsprechende Facettenlinse oder sonstige erfindungsgemäßes Transmissionsoptik bewirkt die Durchmischung des Strahls in einem gewissen Abstand hinter der Linse, ohne daß eine besondere Strahlumlenkung erforderlich ist.Another embodiment provides that the homogeneity sier element a transmitting element, such as wise is a lens. The corresponding multifaceted lens or other transmission optics according to the invention the mixing of the jet at a certain distance behind the lens without any special beam deflection is required.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß die Facet tenelemente konkave und/oder konvexe Verformungen opti scher Flächen wie etwa Vertiefungen und/oder Erhebungen sind. Im Falle einer ebenen optischen Fläche ebenso wie im Falle eines Facettenspiegels oder einer Facettenlinse, d. h. unabhängig von einer eventuellen Krümmung des Homoge nisators insgesamt ist dessen Oberfläche mit einer Viel zahl von Facettenelementen versehen, in deren Bereich die Oberfläche von ihrem Gesamtverlauf abweichend gestaltet ist. Im einfachsten Fall ist die Oberfläche des Homogeni sier-Elements dicht mit einer Vielzahl von Einbeulungen oder Wölbungen besetzt.Another embodiment provides that the facet ten elements concave and / or convex deformations opti surfaces such as depressions and / or elevations are. In the case of a flat optical surface as well as in the Case of a facet mirror or a facet lens, d. H. regardless of a possible curvature of the homogeneous nisators overall has a lot of surface number of facet elements, in the area of which Surface designed differently from their overall course is. In the simplest case, the surface is the Homogeni sier-Elements sealed with a variety of dents or vaulted.

Solche Vertiefungen oder Erhebungen können beispielsweise wabenförmig oder auch in anderer Weise angeordnet sein. Grundsätzlich ist jedoch die Anordnung ebenso wie die Form der Facettenelemente bzw. ihrer Umrandung beliebig. Jedes einzelne Facettenelement verteilt aufgrund seiner speziel len Oberflächengestaltung auftreffendes Licht derart, daß es im weiteren Strahlengang aufgeweitet und in einem be stimmten Abstand auf eine für alle Facettenelemente zumin dest in etwa einheitliche Querschnittsfläche verteilt wird. Such depressions or elevations can, for example be arranged in a honeycomb shape or in another way. In principle, however, the arrangement is just like the shape any of the facet elements or their borders. Each individual facet element distributed due to its special len surface design light so that it expanded in the further beam path and in a be agreed distance to one for all facet elements least distributed in approximately uniform cross-sectional area becomes.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß die Facet tenelemente sphärisch oder im wesentlichen sphärisch ge formt sind. In diesem Fall ist die Oberfläche mit einer Vielzahl technisch einfach herstellbarer sphärischer Mi krohohlspiegel überzogen. Je nach Position des Facet tenelementes auf der Oberfläche kann ein anderer Aus schnitt einer Kugeloberfläche oder ein von der sphärischen Gestalt abweichender Oberflächenverlauf gewählt werden, um von dieser Position aus die Strahlung auf die gemeinsame Querschnittsfläche zu richten und zu verteilen.Another embodiment provides that the facet spherical or substantially spherical are shaped. In this case the surface is one Plenty of technically easy to manufacture spherical Mi concave mirror coated. Depending on the position of the facet Another element can be found on the surface cut a spherical surface or one of the spherical Shape deviating surface course can be chosen to from this position the radiation on the common Straighten and distribute cross-sectional area.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß die Tiefe bzw. Höhe der Facettenelemente auf die Wellenlänge abgestimmt und insbesondere größer als diese ist. Durch einen ausrei chend großen Höhenunterschied der Facettenelemente über der Homogenisatoroberfläche wird sichergestellt, daß Strahlung aller Phasenlagen einschließlich der Maxima und Minima interferieren kann. Wird ein Laser verwendet, sind aufgrund der hohen Kohärenzlänge zwar in jedem Fall Beu gungsmuster feststellbar, bei einer ausreichend großen Hö henveränderung durch die Facettenelemente und der so be wirkten Interferenz von Wellenzügen und ausreichend großer Gangunterschiede wird erreicht, daß die durch konstruktive und destruktive Interferenzbereiche gebildeten Speckle- Muster verdichtet und daher praktisch nicht mehr auflösbar sind, so daß eine gleichmäßige Ablation sichergestellt ist.Another embodiment provides that the depth or Height of the facet elements matched to the wavelength and in particular is larger than this. Through one large difference in height of the facet elements the homogenizer surface ensures that Radiation of all phases including the maxima and Minima can interfere. If a laser is used, are due to the high coherence length in any case Beu determination pattern, with a sufficiently large height Change in height due to the facet elements and the so be acted interference from wave trains and sufficiently large Path differences is achieved by constructive and destructive interference areas formed speckle- Patterns are compacted and therefore practically impossible to resolve are so that a uniform ablation is ensured is.

Selbstverständlich ist es aber auch möglich, vollkommen anders ausgebildete Homogenisier-Elemente, wie beispiels weise holographische Elemente zu verwenden. Of course, it is also possible to be perfect differently designed homogenizing elements, such as wise to use holographic elements.

Dabei ist es selbstverständlich möglich, mehr als ein Ho mogenisier-Element einzusetzen. Die einzelnen Elemente müssen dabei nicht identisch ausgebildet sein. So ist es möglich, ein reflektierendes und ein transmittierendes Ho mogenisier-Element zu verwenden.It is of course possible to have more than one ho insert mogenizing element. The individual elements do not have to be identical. That's the way it is possible, a reflecting and a transmitting Ho to use mogenizing element.

So kann die Homogenisierungswirkung beispielsweise durch aufeinanderfolgende Umlenkung des Strahls mit Hilfe zweier erfindungsgemäßer Facettenhohlspiegel verbessert werden. Ebenso ist es denkbar, zwei Homogenisier-Elemente zu ver wenden, die mit im wesentlichen streifenförmigen, um 90° verdreht angeordneten Facettenelementen versehen sind, und deren Homogenisierungseffekte sich gegenseitig ergänzen. Die Anordnung zweier Homogenisier-Elemente ist insbesonde re von Vorteil, um den durch das erste Homogenisier- Element elliptisch verformten Strahlquerschnitt durch das zweite Homogenisier-Element wieder auf einen kreissymme trischen Querschnitt zu bringen.For example, the homogenization effect can be achieved by successive deflection of the beam with the help of two faceted concave mirror according to the invention can be improved. It is also conceivable to use two homogenizing elements turn that with essentially strip-shaped, by 90 ° twisted facet elements are provided, and whose homogenization effects complement each other. The arrangement of two homogenizing elements is in particular re is advantageous in order to ensure that the Element elliptically deformed beam cross section through the second homogenizing element again on a circular symmetry bring cross section.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß die Vorrich tung einen Er:YAG-Laser aufweist. Wenngleich sich die Er findung grundsätzlich bei beliebigen Lasern und auch bei sonstigen Lichtquellen einsetzen läßt, so eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders, um den von Er:YAG- Lasern emittierten Infrarotstrahl von 3 µm für medizini sche Anwendungen und insbesondere für die Hornhautchirur gie zu homogenisieren.Another embodiment provides that the Vorrich has an Er: YAG laser. Although the Er in principle with any laser and also with other light sources can be used, so the The device according to the invention, in particular, for the Er: YAG Lasers emitted infrared beam of 3 µm for medical devices cal applications and especially for corneal surgery homogenize.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des all gemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen hinsichtlich der Offenba rung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemä ßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen als Prinzipskizze:The invention is hereinafter without limitation of all general inventive idea based on execution examples with reference to the drawing described to the rest of the Offenba tion of all of the invention not explained in detail in the text details are expressly referred to. Show it as a sketch:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines den Strahl umlenken den Facettenhohlspiegels, Fig. 1 shows an embodiment of a beam deflect the concave mirror facets,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines den Strahl zurück lenkenden Facettenhohlspiegels, Fig. 2 shows an embodiment of a steering the beam back facets concave mirror,

Fig. 3 eine vergrößerte Detailansicht aus Fig. 2 und Fig. 3 is an enlarged detail view of Fig. 2 and

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zweier den Strahl umlenkender Facettenhohlspiegel. Fig. 4 shows an embodiment of an arrangement of two facet concave mirrors deflecting the beam.

Fig. 1 stellt die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen, d. h. mit Mikrofacetten versehenen Hohlspiegels, der als Homogenisier-Element dient, anhand des Verlaufs zweier Randstrahlen und der optischen Achse schematisch dar. Von einer Laserquelle 1 ausgehend trifft der Strahl auf einen Facettenhohlspiegel 2 und wird von diesem um 90° umge lenkt. In einer gewissen Entfernung vom Hohlspiegel befin det sich eine Ebene 4, die erfindungsgemäß ungeachtet et waiger Intensitätsinhomogenitäten über den Strahlquer schnitt zwischen der Laserquelle und dem Hohlspiegel gleichmäßig beleuchtet wird. Fig. 1 illustrates the functioning of a the invention, ie with micro facets provided concave mirror which serves as a homogenizer element, of course two edge beams and the optical axis based schematically. From a laser source 1, starting applies the beam onto a facet concave mirror 2 and is of this deflected by 90 °. At a certain distance from the concave mirror is a plane 4 , which according to the invention is uniformly illuminated regardless of any intensity inhomogeneities across the beam cross section between the laser source and the concave mirror.

Die zunächst mit geringer Divergenz auseinanderlaufenden Randstrahlen werden ebenso wie der Mittelpunktstrahl durch die Form des Hohlspiegels insgesamt um 90° umgelenkt, wie in der Figur erkennbar.Those that diverge initially with little divergence Edge rays are passed through just like the center ray the shape of the concave mirror deflected a total of 90 °, such as recognizable in the figure.

Der erfindungsgemäße Hohlspiegel weist eine Vielzahl von Facetten auf, die in Fig. 1 andeutungsweise und klarer in Fig. 3 als kleine Unregelmäßigkeiten in der Hohlspiegel fläche erkennbar sind. Dadurch entstehen von den Facetten am Auftreffpunkt der Randstrahlung auf den Hohlspiegel ausgehende Lichtkegel, deren seitliche Begrenzungen in Fig. 1 im weiteren Strahlverlauf dargestellt sind. In gleicher Weise erzeugen die Facetten am Auftreffpunkt des Mittelpunktstrahls auf den Spiegel und auch auf der gesam ten beleuchteten Hohlspiegelfläche entsprechende Lichtke gel, die in Fig. 1 nicht näher dargestellt sind. All diese Lichtkegel passieren in einer Ebene 4, die sich in einem definierten Abstand zum Hohlspiegel, d. h. zum Auftreff punkt des Mittelpunktstrahls 3 auf dem Hohlspiegel 2 be findet, in etwa dieselbe Querschnittsfläche.The concave mirror according to the invention has a large number of facets, which are indicated in FIG. 1 as a hint and clearer in FIG. 3 than small irregularities in the concave mirror surface. This results in light cones emanating from the facets at the point of incidence of the edge radiation on the concave mirror, the lateral boundaries of which are shown in FIG. 1 in the further beam path. In the same way, the facets at the point of incidence of the center beam on the mirror and also on the entire illuminated concave mirror surface produce corresponding light cones, which are not shown in FIG. 1. All these cones of light pass in a plane 4 , which is located at a defined distance from the concave mirror, ie the point of incidence of the center beam 3 on the concave mirror 2 , approximately the same cross-sectional area.

Dadurch, daß die verschiedenen Lichtkegel unabhängig von ihrer individuellen Gewichtung bzw. Intensität den gesam ten gemeinsamen Ausschnitt der Ebene 4 passieren, werden etwaige Inhomogenitäten der Strahlintensität nahezu voll ständig ausgeglichen.Characterized in that the different light cone regardless of their individual weighting or intensity pass the entire common section of level 4 , any inhomogeneities in the beam intensity are almost completely compensated.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines die auftreffende Strahlung zurücklenkenden erfindungsgemäßen Hohlspiegels und dazu exemplarisch den Verlauf der von fünf Facettenelementen zurückreflektierten Lichtkegel. Der Durchmesser der fünf ausgewählten Facettenelemente ist durch die Breite der auf sie auftreffenden Strahlabschnitte angedeutet. In einem auf der Mittelachse 3 dargestellten Abstand f von dem Hohlspiegel 2 befindet sich die Ebene optimaler Homogeni tät 4. In Fig. 2 ist zu erkennen, daß sich in dieser Ebe ne, genauer ein wenig rechts davon, oberhalb und unterhalb der optischen Achse 3 die Randstrahlen der fünf rückre flektierten Lichtkegel schneiden und folglich die Lichtke gel in etwa denselben Ausschnitt der Ebene 4 beleuchten. FIG. 2 shows an example of a concave mirror according to the invention which deflects the incident radiation, and, by way of example, the course of the light cone reflected back by five facet elements. The diameter of the five selected facet elements is indicated by the width of the beam sections striking them. At a distance f from the concave mirror 2 shown on the central axis 3 is the level of optimal homogeneity 4. In FIG. 2 it can be seen that there is ne, more precisely a little to the right, above and below the optical axis 3 in this plane intersect the marginal rays of the five back-reflected light cones and consequently illuminate the light cone in approximately the same section of level 4 .

Fig. 3 zeigt vergrößert einen Ausschnitt des erfindungsge mäßen Hohlspiegels 2, dessen Oberfläche durch eine Viel zahl von Facettenelementen bzw. Vertiefungen 5 struktu riert ist. Für zwei Facetten sind die Randstrahlen der auf sie auftreffenden Teilbündel sowie die jeweiligen rückre flektierten Randstrahlen, d. h. die Randstrahlen der von den Facetten ausgehenden Lichtkegel, dargestellt. Aufgrund der zusätzlichen Krümmung der hier konkav gestalteten Fa cetten wird der jeweils oben auf die Facette auftreffende Strahl nach unten zurückgelenkt, während der jeweils unten auf die Facette auftreffende Strahl in einem kleineren Winkel nach oben zurückgelenkt wird. Die Winkelablenkung der zurückreflektierten Strahlen ist durch die konkrete Form der Facetten und durch ihre Lage bzw. Entfernung von der optischen Achse bestimmt. Sämtliche oben auf eine Fa cette auftreffende und nach unten zurückreflektierte Strahlen begrenzen in der außerhalb der Fig. 3 liegenden Ebene 4 den gleichmäßig beleuchteten Flächenabschnitt zu einer Seite hin. In gleicher Weise vereinigen sich sämtli che unten auf eine Facette auftreffenden Strahlen am ge genüberliegenden Rand des Lichtbündels in der Ebene 4. So mit verteilt jede Facettenvertiefung auftreffendes Licht auf denselben Ausschnitt dieser Ebene 4. Fig. 3 shows an enlarged section of the concave mirror 2 according to the invention, the surface of which is structured by a large number of facet elements or depressions 5 . For two facets, the marginal rays of the partial bundles striking them as well as the respective back-reflected marginal rays, ie the marginal rays of the light cones emanating from the facets, are shown. Due to the additional curvature of the facets, which are concavely shaped here, the beam hitting the facet at the top is deflected downwards, while the beam hitting the facet at the bottom is deflected upwards at a smaller angle. The angular deflection of the rays reflected back is determined by the specific shape of the facets and by their position or distance from the optical axis. All the rays hitting a facet at the top and reflected back downward delimit the uniformly illuminated surface section to one side in the plane 4 lying outside of FIG. 3. In the same way, all the rays hitting a facet at the bottom unite at the opposite edge of the light beam in level 4. Thus, each incident light distributes each facet recess onto the same section of this level 4.

Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung mit zwei aufeinanderfolgend angeordneten erfindungsgemäßen Facettenhohlspiegeln, durch die eine zweifache Durchmischung des Laserstrahls über seinen Querschnitt und damit eine noch weitergehende Homo genisierung erzielt wird. Der Abstand zwischen den Spie geln 2a und 2b entspricht näherungsweise dem halben Ab stand der Ebene 4 vom Auftreffpunkt des Mittelpunktstrahls 3 auf den Hohlspiegel 2 in Fig. 1, so daß jedes am Spiegel 2a erzeugte Lichtbündel den gesamten Spiegel 2b ausleuch tet. Fig. 4 shows a device with two successively arranged facet concave mirrors according to the invention, through which a double mixing of the laser beam across its cross-section and thus a further Homo genization is achieved. The distance between the mirror gels 2 a and 2 b corresponds approximately to half from the level 4 was from the point of incidence of the center beam 3 to the concave mirror 2 in Fig. 1, so that each beam generated at the mirror 2 a illuminates the entire mirror 2 b .

Die Facetten des Spiegels 2b verursachen ihrerseits wie derum entsprechende Lichtbündel. Während in Fig. 4 von den beiden Rändern des Hohlspiegels 2b befindlichen Facetten ausgehend nur jeweils ein Strahlenkegel abgebildet ist, erzeugt jede Facette des Spiegels 2b in Wirklichkeit eine Vielzahl von Lichtkegeln, deren mittlere Ausbreitungsrich tung durch die Position derjenigen Facette des Spiegels 2a bestimmt ist, von der aus das Licht auf die Facette des Spiegels 2b auftrifft. Durch die Vielzahl erzeugter Sekun därlichtkegel leuchtet jede Facette des Spiegels 2b den selben einheitlichen Ausschnitt der Ebene 4b bester Homo genität aus, in der in an sich bekannter Weise weitere op tische Elemente wie beispielsweise Doppellinsen gleicher Brechzahl, aber unterschiedlicher Absorption vorgesehen sein können, um eine zusätzliche radiale Intensitätsmodu lation zu bewirken.The facets of the mirror 2 b in turn cause the corresponding light beam. While in Fig. 4 starting from the two edges of the concave mirror 2 b facets only one ray cone is shown, each facet of the mirror 2 b actually produces a plurality of light cones, the average direction of propagation of which is determined by the position of that facet of the mirror 2 a is determined from which the light strikes the facet of the mirror 2 b. Due to the large number of secondary light cones generated, each facet of the mirror 2 b illuminates the same uniform section of the level 4 b of the best homogeneity in which, in a manner known per se, further optical elements such as, for example, double lenses of the same refractive index but different absorption can be provided, to effect an additional radial intensity modulation.

Wie insbesondere aus den Fig. 2 und 4 erkennbar ist, wird durch den erfindungsgemäßen Facettenträger außer der Stahlhomogenisierung auch eine Strahlaufweitung erreicht. In der Brennebene des Facettenträgers wie etwa des Hohl spiegels muß die durch die mikroskopischen Facettenspiegel erzeugte Strahlausweitung in der Größenordnung des gewähl ten Ablationsdurchmessers liegen. Bei einem typischen Hohlspiegel mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Brennweite von 100 mm bedingt dies im Falle beispielsweise sphärischer Facetten einen Facettenkrümmungsradius von 5 mm. Um die Ausbildung grober Speckle-Muster durch Interfe renz zu vermeiden, müssen die Erhebungen oder Vertiefungen der Facetten tief gegenüber der verwendeten Wellenlänge sein. Bei einer Wellenlänge von beispielsweise 3 µm und einer Facettentiefe von 50 µm ergeben sich beispielsweise Facettendurchmesser von 600 µm.As can be seen in particular from FIGS. 2 and 4, in addition to the steel homogenization, the facet carrier according to the invention also expands the beam. In the focal plane of the facet carrier, such as the concave mirror, the beam expansion generated by the microscopic facet mirror must be of the order of magnitude of the selected ablation diameter. In the case of a typical concave mirror with a diameter of 25 mm and a focal length of 100 mm, this requires a radius of curvature of 5 mm in the case of spherical facets, for example. In order to avoid the formation of coarse speckle patterns by interference, the elevations or depressions of the facets must be deep compared to the wavelength used. With a wavelength of 3 µm, for example, and a facet depth of 50 µm, facet diameters of 600 µm, for example, result.

Ungeachtet dieser beispielhaften Angaben erstreckt sich der allgemeine Erfindungsgedanke auf sämtliche in den Pa tentansprüchen genannten und daraus ableitbaren Ausfüh rungsformen und auf sämtliche Anwendungsgebiete, in denen sich die Homogenisierung eines elektromagnetischen Strah lenbündels erforderlich ist oder auch nur anbietet.Notwithstanding this exemplary information, it extends the general idea of the invention to all in the Pa Execution mentioned and derived from it forms and all areas of application in which the homogenization of an electromagnetic beam len bundle is required or even offers.

Claims

1. Device for lighting and / or for processing a surface and in particular for shaping the cornea by means of light, with

- At least one light source that emits a light and in particular a laser beam, and
an optical system which guides the light or laser beam onto the surface to be illuminated or processed and which has a device for beam homogenization,

characterized in that the device for beam homogenization has at least one homogenizing element with a multiplicity of facet elements, each of which distributes the light incident on this facet element approximately uniformly over at least one beam cross-sectional area with a certain distance from the ho homogenizing element.

2. Device according to claim 1, characterized in that the homogenizing element has at least one curved surface on which chain elements are provided.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the homogenizing element a mirror and in particular a concave mirror has facet elements on the mirror surface are seen.

4. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the homogenizing element has a light transmitting element.

5. The device according to claim 4, characterized in that the homogenizing element we at least one lens in which at least one Lens surface has facet elements.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the facet elements are concave ve and / or convex deformation of optical surfaces like Deepenings and / or surveys.

7. The device according to claim 6, characterized in that the facet elements spherical are trained.

8. The device according to claim 6 or 7, characterized in that the depth or height of the company chain elements on the wavelength of the incident Lights are matched.

9. The device according to claim 8, characterized in that the depth or height of the company chain elements larger than the wavelength of light is.

10. The device according to one of claims 1 to 9, characterized in that at least two homogeneous sier elements are provided.

11. The device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the device as light source an Er: YAG laser.