DE19836115A1 - Aufweitungs- und Fokussierungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Aufweitungs- und Fokussierungssystem für mindestens ein Strahlenbündel mit mindestens zwei sich gegenüberliegenden spiegelnden Flächen.

Aus der US 5,128,509 ist ein optisches System mit einem Konkav- und einem Konvexspiegel bekannt, welches sich durch einen einfachen Aufbau und eine Achromatisierung für einen Wirk- und einen Zielstrahl auszeichnet. Nachteilig bei diesem optischen System ist das Erfordernis von asphärischen Flächen bei kurzen Baulängen, da der Gaußfehler zwischen Wirk- und Zielstrahl zu groß wird und somit für eine Wellenlänge keine beugungs­ begrenzte Abbildung möglich ist. Eine derartige asphärische Fläche muß jedoch sehr genau gefertigt werden. Die zulässige Toleranz für die Pfeilhöhendifferenz liegt in der Größenordnung von λ/4, um eine beugungsbegrenzte Abbildung für die beiden Wellenlängen zu realisieren.

Die Anmelderin benutzt seit langem ein optisches System mit drei Linsen, welches sehr kurzbauend ist. Die Veränderung zu einem Zoomsystem hätte jedoch mindestens eine weitere Linse erfordert und weitere Linsen wären zur Achromatisierung notwendig. All dies hätte zu einer deutlich größeren Baulänge geführt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Aufweitungs- und Fokussierungsoptik zu schaffen, welche bei kurzer Baulänge der Optik aus einfach herzustellenden optischen Bauteilen besteht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruchs gelöst.

Das erfindungsgemäße Aufweitungs- und Fokussierungssystem für Strahlenbündel besitzt mindestens zwei sich vorzugsweise gegenüberliegende spiegelnde Flächen.

Zur erfinderischen Erfüllung der Aufgabe sind die beiden spiegelnden Flächen auf Spiegellinsen aufgebracht und die spiegelnde Fläche jeder der beiden Spiegellinsen ist konkav.

Durch diese erfinderische Lösung kann man mit einer relativ einfachen Optik eine beugungsbegrenzte Abbildung erreichen.

Die Spiegellinsen werden häufig auch als Manginspiegel bezeichnet. Sie sind Rückflächenspiegel mit zumeist zwei leicht herstellbaren Kugelflächen. Aufgrund der kurzen Brennweite kompensiert bei der erfindungsgemäßen Lösung die positive sphärische Aberration des Spiegels L1 die negative sphärische Aberration des Spiegels L2.

Vorteilhafterweise ist das System achromatisiert, damit man mit ein und derselben Optik für Strahlenbündel mit zwei sehr unterschiedlichen Wellenlängen gute Abbildungen erhält. Hierbei ist insbesondere auf die Auswahl der zur Berechnung verwendeten Glassorte zu achten.

Das System eignet sich insbesondere für Strahlenbündel von einem Laserstrahl, wobei das Strahlenbündel aus einem Wirk- und einem Pilotlaserstrahl bestehen. Diese Kombination trifft man sehr häufig an, da der Wirklaserstrahl sehr häufig eine Wellenlänge aus dem nicht sichtbaren Spektralbereich aufweist. Nur wenige Optiken sind aber in der Lage, ein Strahlenbündel mit sehr zwei sehr unterschiedlichen Wellenlängen sehr gut abzubilden.

Bei gewissen Anwendungen (z. B. in der Medizin) kann der Wirklaserstrahl von einem Erbiumlaser stammen und der Pilot­ laserstrahl eine Wellenlänge von ca. 670 nm besitzen.

Vorteilhafterweise ist die Brechkraft der einen Spiegellinse positiv und die Brechkraft der anderen Spiegellinse negativ, obwohl beide Spiegellinsen eine konkave Spiegeloberfläche aufweisen.

Es ist vorteilhaft, wenn die beiden Spiegellinsen ihren Abstand zueinander auf der optischen Achse verändern können, da durch eine Variation des Abstandes der beiden Spiegellinsen unterschiedliche Schnittweiten eingestellt werden können (wie dies z. B. in Verbindung mit einem Operationsmikroskop zur Anpassung an die Objektivbrennweite erforderlich ist). Desweiteren kann durch gezielte Defokussierung der Durchmesser des Laserspots vergrößert werden, wenn dies bei dem Einsatz des Laserstrahls erforderlich und sinnvoll ist.

In allen möglichen Fokusstellungen erreicht man mit dem erfindungsgemäßen System für den Wirk- und Zielstrahl eine beugungsbegrenzte Abbildung. Das hat den Vorteil, daß der Wirkstrahl zusammen mit dem Pilotstrahl exakt fokussiert werden kann.

Zur besseren Strahlführung am zu bestrahlenden Objekt ist es vorteilhaft, wenn dem System ein Planspiegel nachgeschaltet ist. Dieser nachgeschaltete, vorzugsweise bewegliche Plan­ spiegel kann dann den Strahlengang z. B. in die Objektebene gezielt umlenken.

Vorteilhafterweise ist bei der Spiegellinse L1 der Vorder­ flächenradius größer als der Hinterflächenradius und bei der Spiegellinse L2 der Vorderflächenradius kleiner als der Hinterflächenradius.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur, näher erläutert, wobei das nachfolgende Beispiel keinen abschließenden Charakter für die Erfindung hat und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beinhaltet.

In der einzigen Figur ist ein erfindungsgemäßes Aufweitungs- und Fokussierungssystem dargestellt.

Die in der Figur dargestellte achromatische Aufweitungs- und Fokussierungsoptik (1) besteht aus zwei Mangin-Spiegeln bzw. Spiegellinsen L1 und L2. Jede der beiden Spiegellinsen ist ein aus einer Linse mit verspiegelter Rückseite bestehender Spiegel, welcher insbesondere durch seine Verwendung als Scheinwerferspiegel und bei aplanatischen Spiegelsystemen bekannt ist.

In diesem Beispiel dient ein Erbiumlaser mit einer Wellenlänge von 2,94 µm als Wirklaser (10) und ein Injektionslaser (Halbleitermaterial [In, Ga])P) als Pilot- bzw. Zielstrahllaser (11). Durch die gemeinsame Spiegelung der beiden Strahlenbündel (10, 11), wobei das Zielstrahllaserbündel (11) in das Wirkstrahllaserbündel (10) über eine planparallele Strahlteilerplatte (8) mit auf die beiden Wellenlängen abgestimmter Beschichtung eingekoppelt wurde, kann sowohl für den Wirk- (10) als auch für den Zielstrahllaser (11) (Wellenlänge rund 670 nm) eine beugungsbegrenzte Abbildung bei möglichst kurzer Baulänge des abbildenden optischen Systems (1) erreicht werden.

Beide Spiegellinsen L1 und L2 haben eine konkave Spiegelfläche (20, 22), wobei die Spiegellinse L1 eine negative und die Spiegellinse L2 eine positive Brechkraft hat. Alle optisch wirksamen Flächen (20, 21; 22, 23) der Spiegellinsen L1 und L2 haben einen sphärischen Radius, die sehr kostengünstig zu fertigen sind.

Durch Variation des Abstandes der beiden Spiegellinsen (L1, L2) können unterschiedliche Schnittweiten eingestellt werden, wie dies insbesondere z. B. in Verbindung mit einem Operationsmikroskop (in dieser Abbildung nicht dargestellt) zur Anpassung an die Objektivbrennweite erforderlich ist. Des weiteren kann durch Defokussierung der Durchmesser des Laserspots vergrößert werden, wie dies insbesondere bei der Verwendung mit einem Operationsmikroskop (in dieser Abbildung nicht dargestellt) häufig geschehen muß.

Über einen nachgeschalteten, beweglichen Planspiegel (17) wird der Strahlengang der beiden Laserstrahlen (10, 11) in dem gemeinsamen Strahlenbündel in die Objektebene (24) umgelenkt. In allen möglichen Fokusstellungen erreicht man für den Wirk- (10) und den Zielstrahl (11) eine beugungsbegrenzte Abbildung, so daß man den Vorteil hat, daß der Wirkstrahl (10) mit dem Pilotstrahl (11) exakt fokussiert werden kann.

Der Durchmesser des Strahlenbündels (10, 11), welches aus dem Wirk- und dem Ziellaserstrahl besteht, vor Eintritt in das abbildende optische System (1) beträgt rund 3 mm.

Die Spiegellinse L2 hat eine Dicke von 3,5 mm, einen freien Durchmesser von 26 mm, einen verspiegelten hinteren sphärischen Linsenradius von 109,27 mm auf ihrer Rückfläche (22) und einen vorderen sphärischen Linsenradius von 122,68 mm auf der Linsenvorderseite (23).

In der Mitte weist dies Spiegellinse (L2) eine dem Durchmesser des Strahlenbündels (10, 11) angepaßte kreisrunde Öffnung (12) auf (um die Einstrahlung des Strahlenbündels (10, 11) in das optische System (1) zu ermöglichen), welche das eintretende Strahlenbündel nicht begrenzt (d. h. die Öffnung (12) dient nicht als Ringblende).

Die Spiegellinse L1 hat eine Dicke von nur 2 mm, einen freien Durchmesser von 3,5 mm, einen verspiegelten hinteren sphärischen Linsenradius von 51,89 mm auf ihrer Rückfläche (20) und einen vorderen sphärischen Linsenradius von 10,772 mm auf ihrer Vorderfläche (21).

Der Abstand zwischen den beiden Linsenvorderflächen der Spiegellinsen L1 und L2 kann zwischen 41,93 mm und 44,28 mm variieren, wodurch man einen Abstand zwischen Planspiegel (17) und Objektebene (24) zwischen 231 mm und 357 mm erhält.

Der Abstand zwischen der Rückseite (20) der verspiegelten Spiegellinse L1 und einem dieser nachfolgenden Planspiegel (17) beträgt 54,14 mm. Dieser Planspiegel (17) selber hat dabei einen Durchmesser von 25,5 mm. Der Planspiegel (17) ist mit einem Hebel (18) ausgestattet, so daß man ihn um eine Drehachse (19) schwenken kann. Der Schwenkwinkel ist vorzugsweise klein (kleiner als 5°), kann aber je nach Verwendungszweck des Systems (1) auch sehr viel größer sein.

Als Material für die beiden Spiegellinsen L1 und L2 wurde das Glas ZNS Multispektral verwendet, welches von der Firma Schott, Mainz bezogen werden kann. Als Material eignet sich auch ZnSe (auch beziehbar von der Fa. Schott), da beide Gläser eine hohe Transmission im nahen und fernen Infrarot besitzen. Aufgrund der höheren Brechzahl ergeben sich jedoch andere Radien für die Manginspiegel.

Die Spiegellinse L1 hat einen festen Abstand relativ zur Quelle der Laserstrahlen und relativ zum Umlenkspiegel (17). Zur Brennweitenveränderung wird die Spiegellinse L2 bewegt, da diese die größere Brennweite aufweist und somit deren Bewegung unempfindlicher gegenüber Lagertoleranzen (z. B. Verkippung, Dezentrierung, usw.) ist.

Die Spiegellinse L1 kann mittels eines dünnen Metallspiders (14) auf der optischen Achse (9) befestigt werden. Dies kann aber zu Abschattungseffekten führen, welche bei den folgenden zwei Alternativen nicht auftreten.

Als Metallspiderersatz zur Befestigung der Spiegellinse L1 eignet sich aber auch ein Linsenträger (in der Abbildung nicht dargestellt), dessen zur L1 gewandter Vorderflächenradius dem der verspiegelten Rückseite der Spiegellinse L1 entspricht. Man erspart sich hierdurch eine zusätzliche Abschlußplatte!

Die andere Linsenseite des Linsenträgers wird dann so dimensioniert, daß der Linsenträger auf den durch ihn hindurch dringenden Strahl lediglich die Wirkung einer Planfläche aufweist (das bedeutet aber, daß die beiden Radien des Linsenträgers unterschiedlich sind).

Die Dicke eines derartigen Linsenträgers würde dann vorzugs­ weise bei 3,5 mm liegen und er wäre auch aus ZnS, damit beide Materialien die gleichen Wärmeausdehungskoeffizienten besitzen und thermisch bedingte Kittspannungen ausgeschlossen sind. Eine derartige Befestigung der Spiegellinse L1 hätte den Vorteil, daß man eine sehr stoßsichere Anordnung erhält.

Wenn man den Kippwinkel des Planspiegels (17) nicht sehr groß wählt, so kann der Laserkopf sehr kompakt gestaltet werden.

Vor dem Gehäuse (2) des Laserkopfes ist eine Teilerplatte (8) zur Einkopplung des Ziellasers (11) in den Strahlengang des Wirklasers (10) angebracht. Die parallelen Strahlenbündel von Wirklaser (10) und Ziellaser (11) dringen dabei durch entsprechende Öffnungen (6, 7) in das Gehäuse (2) ein, wobei diese Öffnungen (6, 7) so groß sind, daß sie für die beiden Laserstrahlen (10, 11) keine begrenzende Wirkung haben.

Die Beschichtung auf der Oberfläche der Planplatte (8) ist so ausgelegt, daß die Strahlen des Wirklasers (10) weitestgehend reflektiert werden, während die Strahlen des Ziellaser (11) die Planplatte (8) fast ungestört durchdringen können.

Zur Variation der Entfernung zwischen den beiden Spiegellinsen L1 und L2 ist zwischen den beiden, jeweils eine Spiegellinse L1 und L2 tragenden Gehäuseteilen (2, 13) ein Verstellmechanismus (3, 16) angebracht, welcher im einfachsten Fall aus einem Innen- (3) und einem Außengewinde (16) besteht, welche ineinandergreifen.

Damit man die Entfernung der beiden Linsen L1 und L2 zueinander verstellen kann, weist das Gehäuse (2) eine Öffnung (4) auf, durch welche man auf eine Noppenfläche (15) auf dem inneren Gehäuseteil (13) zugreifen kann. Auf der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses (2) befindet sich ein Freiraum (5), um eine ungestörte Drehung des inneren Gehäuseteils (13) im Gehäuse (2) sicherzustellen.

Durch Drehung des inneren Gehäuseteils (13) kann man dann die gewünschte Entfernung zwischen den beiden Spiegellinsen L1 und L2 einstellen.

Selbstverständlich kann dieser Verstellvorgang auch motorisch erfolgen, wenn man einen entsprechenden Verstellmotor in oder am Gehäuse (2) anbringt (in der Abbildung nicht dargestellt). Insbesondere wenn die Spiegellinse L1 mittels Metallspider (14) auf der optischen Achse (9) fixiert ist, sollte eine Planplatte (25) als Abschlußplatte zwischen der Spiegellinse L1 und dem Umlenkspiegel (17) für einen Gehäuseabschluß im Gehäuseteil (2) angebracht werden. Für die Beobachtung sollte auch ein Durchblick (24) in diesem Gehäuseteil (2) zwischen Spiegellinse L1 und Planspiegel (17) vorgesehen werden.

Claims (14)

1. Aufweitungs- und Fokussierungssystem für mindestens ein Strahlenbündel mit mindestens zwei spiegelnden Flächen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden spiegelnden Flächen auf Spiegellinsen als Rückflächenspiegel angebracht sind.

2. Aufweitungs- und Fokussierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spiegelnde Fläche der beiden Spiegellinsen eine konkave Spiegelfläche ist.

3. Aufweitungs- und Fokussierungssystem nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß das System achromatisiert ist.

4. Aufweitungs- und Fokussierungssystem nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlen­ bündel von einem Laserstrahl ist.

5. Aufweitungs- und Fokussierungssystem nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlen­ bündel aus einem Wirk- und einem Pilotlaserstrahl bestehend ist.

6. Aufweitungs- und Fokussierungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirklaserstrahl von einem Erbiumlaser stammend ist und daß der Pilotlaserstrahl eine Wellenlänge von ca. 670 nm besitzt.

7. Aufweitungs- und Fokussierungssystem nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem System eine Teilerplatte enthalten ist, über welche der Wirk- und/oder Pilotlaser in den Hauptstrahlengang eingekoppelt wird.

8. Aufweitungs- und Fokussierungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Transmission der Teiler­ platte für den Pilotlaser maximal und die Reflexion für den Wirklaser maximal ist.

9. Aufweitungs- und Fokussierungssystem nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechkraft der einen Spiegellinse positiv und die Brechkraft der anderen Spiegellinse negativ ist.

10. Aufweitungs- und Fokussierungssystem nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die spiegelnden Flächen einen sphärischen Radius haben.

11. Aufweitungs- und Fokussierungssystem nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der beiden Spiegellinsen zueinander auf der optischen Achse veränderbar ist, wobei die Abstandsveränderung zur Brennweitenanpassung und/oder zur Variation der Spotgröße dient.

12. Aufweitungs- und Fokussierungssystem nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß dem System ein beweglicher Planspiegel nachgeschaltet ist.

13. Aufweitungs- und Fokussierungssystem nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Spiegellinse L1 der Vorderflächenradius kleiner ist als der Hinterflächenradius und daß bei der Spiegellinse L2 der Vorderflächenradius größer ist als der Hinter­ flächenradius.

14. Aufweitungs- und Fokussierungssystem nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß beide Spiegellinsen aus demselben Material hergestellt sind.