DE19804029A1

DE19804029A1 - Vorrichtung zur Sicherung, Überwachung und Verbesserung der Qualität von Lasern und Strahlführungssystemen für die Materialbearbeitung und Medizintechnik

Info

Publication number: DE19804029A1
Application number: DE19804029A
Authority: DE
Original assignee: LESMUELLER LASERTECHNIK GmbH
Current assignee: LESMUELLER LASERTECHNIK GmbH
Priority date: 1998-02-02
Filing date: 1998-02-02
Publication date: 1999-08-05

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Sicherung, Überwachung und Verbesserung der Qualität von Lasern und Strahlführungssystemen für die Materialbearbeitung und Medizin technik. Sie betrifft insbesondere die Laser-Behandlung von Augenfehlern.

Problemstellung

In einigen Laserapplikationen kommt ein unfokussierter Strahl zur Anwendung. Hier sind die Anforderungen an die Strahlqualität und deren Sicherung besonders hoch. Auch beim Schneiden und Schweißen mit fokussiertem Laser spielt die Einhaltung der Strahlqualität eine große Rolle.

In der Augenheilkunde beispielsweise, wird seit mehreren Jahren die Wirkung von Laser strahlung auf die Hornhaut u. a. zur Korrektur von Fehlsichtigkeit benutzt. Hierbei kommt es auf eine zeitlich stabile und genau bestimmbare Leistung und Intensitätsverteilung des La serstrahls an. Außerdem wird eine möglichst ideale Form des Strahlungsprofils während der ganzen Dauer der Behandlung benötigt (Top-Hat-Profil, Gauß-Profil).

Zur Kontrolle etwaiger Abweichungen von der geforderten Laserleistung und Intensitätsver teilung wird derzeit bei einem Verfahren der Abtrag von Folien in genau definierter Dicke auf vorgefertigten Compoundplättchen benutzt. Eine grobe Einschätzung und Einstellung der Laserleistung kann mit diesem Verfahren ebenfalls erfolgen.

Ein anderes Verfahren verdampft Gelatineschichten von kalibrierter Dicke und mißt das Durchbruchverhalten mittels eines UV-empfindlichen Sensors.

Die Grenzen solcher Abtragverfahren liegen in:

- fehlende Objektivierbarkeit durch die subjektive Bewertung der Abtragsleistung und -Form
- geringe Genauigkeit
- keine Aussage über Stabilität und Veränderungen des Laserstrahls über eine vollständige Behandlungsdauer
- keine Überprüfung der Strahlposition
- keine Online-Überwachung des Laserstrahlprofils während einer Behandlung
- keine Dokumentation der tatsächlich durchgeführten Behandlung.

Problemlösung

Es wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die über eine Auskoppelvorrichtung einen kleinen festen Anteil des Strahls auskoppelt und auf einen bildgebenden Sensor lenkt. Dort werden Photonen des Laserlichts in elektrische Signale gewandelt. Der Sensor kann zum Beispiel ein CMOS-Sensor, ein CCD-Sensor oder auch eine komplette Videokamera sein. Wichtig ist, daß die Auskopplung möglichst nahe am Bearbeitungsort angebracht wird, damit alle Störquellen des Strahlwegs erfaßt werden können. Dies gilt nicht für Anwendungen, in de nen der Laser allein oder nur ein kritisches Element der Strahlformung überwacht werden soll.

In Fällen, in denen die Wellenlänge der Laserstrahlung für den Sensor nicht geeignet ist, kann ein Bildwandler dazwischengeschaltet werden. Zur Vergrößerung des Bildfeldes kann eine Optik verwendet werden.

Über eine Rechnereinheit (Mikroprozessor, PC, etc.) werden die empfangenen Signale eingelesen, analysiert und weiterverarbeitet. Die Analyse der Berechnung und Beurteilung kann auf Verfahren der Bildverarbeitung beruhen.

Eine erfindungsgemäße Ausführung würde die aktuelle Intensitätsverteilung zum Beispiel mit einer gespeicherten Referenzverteilung vergleichen. Abweichungen der Laserleistung, Strahllage, -Durchmesser und -Verteilung werden errechnet und das Erreichen bzw. die Überschreitung von Grenzwerten signalisiert. Grenzwerte können nicht nur aus dem Ver gleich mit Referenzen gewonnen werden, sondern auch über zusätzliche Wege vorgegeben sein.

Es können ganze Applikationszyklen aufgenommen und mit Referenzzyklen verglichen wer den. Dies kann, zum Beispiel, durch die Kontrolle der zeitlichen Folge einzelner Laserpulse oder der Abfolge von Applikationsabschnitten erfolgen.

Die applizierte Laserstrahlung kann auch über dem Bearbeitungsfeld zeitlich integriert und an vorgegebenen Referenzen und Sollwerten gemessen und bewertet werden.

Da die Wirkung des Lasers (Abtrag) in der Regel nicht linear zur auftreffenden Laserleistung ist, kann es sinnvoll sein, jeden Laserpuls einzeln aufzunehmen und die gemessene Vertei lung der Laserintensität mit der Prozeß-Wirkungsfunktion zu falten, bevor sie integriert wird. Das Ergebnis ist dann ein 2-dimensionales Abtrags-Summationsprofil.

Wird die Vorrichtung im off-line Betrieb eingesetzt, so kann sie dazu benutzt werden den momentanen Zustand des Lasers zu überprüfen und ggfs. die Parameter für die nachfolgen de Applikation einzustellen oder zu korrigieren.

Etwaige Fehler der Laserstrahlquelle und des Strahlführungssystems durch Alterung, Ver schmutzung, Dejustage, etc., aber auch Software- und Programmierfehler lassen sich recht zeitig erkennen. Aus der Art erkannter Abweichungen von Sollwerten und Referenzen kön nen Rückschlüssen der Ursache gezogen werden. Das dient zur Vereinfachung von War tungs- und Instandsetzungsarbeiten.

Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist eine solche Gestaltung der Sensoreinheit, die sich leicht und einfach handhaben läßt, Ähnlichkeiten in Form und Gestalt mit dem Bearbei tungsgut besitzt und sich bequem und reproduzierbar gegen das Bearbeitungsgut austau schen läßt. (z. Beispiel "Kunstauge" für die Opthalmologie).

Im on-line Betrieb lassen sich Fehler schon während der Anwendung erkennen. Gegenmaß nahmen können unmittelbar und kontrolliert getroffen werden. Die von der Vorrichtung er mittelten Fehlergrößen können unmittelbar zur Korrektur herangezogen werden.

Im on-line Betrieb ist es möglich, aus den Informationen der Vorrichtung Regelparameter für Laser, Strahlführung und Strahlablenkung zu gewinnen und über Regelkreise an zugeord nete Stellglieder zu führen.

<Regelparameter<
<Stellgröße<
Durchmesser	→ Aufweitungseinheit, Fokussiereinheit
Strahllage	→ Ablenkeinheit, Scanner
Intensitätsprofil, Astigmatismus	→ Laserresonator, Homogenisator

Zur unmittelbaren visuellen Kontrolle kann ein Sichtgerät angeschlossen werden, auf dem ein aktuelles Abbild des Laserstrahls dargestellt ist. Daneben können Referenzbilder, Quer schnitte, Ausgewählte Meßwerte, Korrellationen, etc. dargestellt werden.

Ausführungsbeispiel

Für die Korrektur bestimmter Fehlsichtigkeiten des Auges mittels Eximer-Laser, z. Bsp. Pho torefraktive Keratektomie, PRK, sei eine erfindungsgemäße Ausführung in Abb. 1 dargestellt. Der Schnittpunkt zweier Pilotstrahlen (2) definieren die Operationsebene (6) und den Mittel punkt des Eximer Laserstrahls (1). Bei der PRK wird an diesem Ort die Hornhaut des zu behandelnden Auges auf die optische Achse der Pupille justiert.

1. Sensoreinheit

Die Sensoreinheit (7) ist einem Auge nachgebildet und kann in einen Kunstkopf (9) gebettet sein (Abb. 2).

Das erste Element der Sensoreinheit besteht aus einem, eventuell gekrümmten, UV-Abschwächer (4). Dieser muß so gewählt werden, daß Ablenkung, Strahlversatz und Ab schwächung der Pilotstrahlen minimal bleiben. Die Abschwächung kann durch aufgebrachte Interferenzschichten oder Absorption an Schichten oder Substrat erfolgen. Es ist auch ein mehrstufiger Abschwächer/Filter denkbar. Im vorliegenden Fall besteht der UV-Abschwächer aus zwei beidseitig AR-beschichtetem, dünnen sphärischen Quarzplättchen mit einer Ab schwächung von insgesamt 0.0025.

Zweites Element ist ein Bildwandler, hier eine phosphorhaltige Schicht auf Glassubstrat (5). Der Bildwandler könnte gegebenenfalls mit einer zusätzlich abschwächenden Schicht verse hen sein. Er könnte auch aus einem Quarzsubstrat mit AR-Schicht auf der Oberseite und UV-sensitiver Schicht auf der Unterseite gefertigt sein. Auf dem Bildwandler sind Marken angebracht, die eine Justierung des Sensors in den Strahlengang, ähnlich wie bei einem richtigen Auge, erlauben.

Im Strahlengang hinter dem Strahl-Abschwächer und Bildwandler ist eine CCD-Videokamera mit handelsüblichen Objektiv und Zwischenring (8) angeordnet.

Der Sensor ist in einem staubdichten, stabilen Gehäuse eingebaut das in einem Kunstkopf eingebracht ist, der sich ähnlich wie ein Patientenkopf handhaben läßt und deshalb schnell und sicher vor jeder Behandlung oder in regelmäßigen Abständen benutzen läßt (Abb. 2). Diese Gestaltung dient dazu, die Anwendung zu erleichtern und die Akzeptanz der Aperatur zu erhöhen.

2. Auswerteeinheit

Zur Auswertung ist der Sensor mit einem handelsüblichen PC oder Laptop verbunden. Die ser ist mit einem Bildwandler versehen, der die Signale der Kamera digitalisiert und zur Weiterverarbeitung in den PC-Speicher einliest. Im PC-Speicher findet die Berechnung und Bildverarbeitung statt, werden Vergleiche mit Referenzen vorgenommen und kann schließ lich die Bewertung erfolgen.

Der PC speichert Bilder von optimalen Strahlverteilungen als Referenzen. Desgleichen wer den Abbilder von ganzen Behandlungen mit typischen Parametern als Referenzbehand lungsdateien abgelegt. Diese können abgerufen und vor einer entsprechenden Behandlung mit einem aktuell erzeugten Muster verglichen werden.

Auf einem PC-Monitor (Abb. 3) wird das Summationsprofil der aktuellen Behandlung (10) dargestellt. Der Vergleich mit einer gespeicherten Sollprofil als Referenz (11) führt zu einem errechnetem Korrelationsfaktor (12) als eine Grundlage für die Beurteilung der Behand lungsqualität.

Die Erfindung zeigt ein einfach verstehbares und vergleichbares Bild der tatsächlich zur An wendung gelangenden Laserleistung. Deshalb ist es auch denkbar, daß der Einsatz der Er findung zu vertieften Erkenntnissen der PRK und ähnlicher Methoden in Forschung und Pra xis beitragen könnte.

Claims

1. Vorrichtung zur Überwachung und Steuerung eines Laserstrahls zur Materialbearbeitung und insbesondere zur Behandlung von Augenfehlern durch Eximer-Laser und andere geeignete Laser, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität und Intensitätsverteilung der vom Laser ausgehenden Strahlung bzw. deren Änderung vor oder während der Bearbeitung der Bearbeitungsoberfläche gemessen wird und entweder als Signal direkt zur Prozeßsteuerung des Systems verwendet wird oder zur Dokumentation des Abtragprozesses begleitend zur Behandlung aufgezeichnet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Intensität oder Intensitätsverteilung ein kleiner, fester Anteil des Strahls mittels eines Strahlteilers ausgekoppelt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahlteiler nach den Optiken zur Formung und Lenkung des Laserstrahls und vor dem zu behandelnden Gut angeordnet wird, um damit die Fehler des Gesamtsystems zu erfassen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler zusätzlich Pilotlaser und Justierlaser teilweise auskoppelt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren die Intensität oder Intensitätsverteilung entweder pro einzelnem Puls oder als Summe der Pulse messen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Intensitätsverteilung ein bildgebender, ortsauflösender Flächensensor verwendet wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein CCD-Sensor oder eine Videokamera zur Messung der 2-dimensionalen Intensitätsverteilung benutzt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich vor dem Sensor ein Bildwandler befindet, der die vom Laser emittierte elektromagnetische Strahlung in einen Wellenlängenbereich umsetzt, der vom Sensor gemessen werden kann.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildwandler für die Wellenlänge des Pilotlasers und des Justierlasers transparent ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Bildwandler und Strahlabschwächer eine Einheit bilden, was durch den Auftrag geeigneter Schichten oder durch Absorption durch das Trägermaterial erfolgen kann.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale des oder der Sensoren einer Rechnereinheit zugeführt, dort analysiert und mit einem entsprechenden Programm verarbeitet werden. Die Analyse der Intensitäts verteilung kann auch mit einem Verfahren der Bildverarbeitung durchgeführt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Behandlung, Intensität und Intensitätsverteilung des Lasers durch das beschriebene Verfahren analysiert werden und aus den gewonnenen Meßwerten der Laser und die optischen Elemente überprüft und optimal eingestellt werden. Durch Einbeziehung des Pilotlasers nach Unteranspruch 4 und 9 ist die ordnungsgemäße Justierung von Führungs- und Arbeitsstrahl leicht überprüfbar.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität oder Intensitätsverteilung während der Behandlung der Hornhaut gemessen und im Rechner ständig mit einem Referenzwert verglichen wird und daß bei Erreichen des Referenzwertes und damit des gewünschten Abtrags der Hornhaut der Laser abgeschaltet wird. Dieses Verfahren kann auf einen Maximalwert oder Mittelwert der Abtragung angewendet werden und sich dabei auf das Behandlungsgebiet insgesamt oder einzelne Zonen und Felder desselben beziehen.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität oder Intensitätsverteilung jedes Pulses gemessen und durch ein geeignetes Programm die erzielte Abtragung errechnet wird. Der daraus resultierende Gesamtabtrag der Hornhaut wird mit einem gewünschten, im Rechner vorher eingegebenen, 3-dimensionalen Profil des Hornhautsollabtrages verglichen. Der Laserstrahl wird während der Behandlung über seine Intensität und Abtragungsort online so gesteuert, daß der gewünschte 3-dimensionale Abtrag der Hornhaut erreicht wird. Dieses Verfahren ist sowohl für das Zonen- als auch das Spotverfahren geeignet.

15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessene Intensität und Intensitätsverteilung nach Auswertung durch die Rechnereinheit online dazu benutzt werden, während der Behandlung die Energie, den Durchmesser, die Strahllage, das Intensitätsprofil zu regeln.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensitätsverteilung korrigiert wird, indem im Laserresonator ein oder mehrere Resonatorspiegel entsprechend nachgestellt werden.

17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vollflächenbehandlung der Hornhaut die Intensitätsverteilung während der Behandlung gemessen und ausgewertet wird und durch Regelung des Lasers und der Optik der gewünschte Abtrag erzielt wird.

18. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor Ähnlichkeit in Form und Gestalt mit dem Bearbeitungsgut (Auge, Kopf) hat und sich bequem und reproduzierbar gegen das Bearbeitungsgut austauschen läßt.