DE3246290C2

DE3246290C2 -

Info

Publication number: DE3246290C2
Application number: DE3246290A
Authority: DE
Inventors: Hiromasa Ikoma City Jp Ishiwatari
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1981-12-15
Filing date: 1982-12-14
Publication date: 1988-12-08
Also published as: US4556875A; DE3246290A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Strahlungsenergieüberwachungssystem für eine optische Faser, deren Ausgangsenergie auf ein Objekt richtbar ist, mit einer ringförmigen Lichtdetektoranordnung aus mehreren Lichtdetektoren, die auf das Peripherie-Licht ausgerich tet ist, das sich außerhalb einer kegelförmigen Zone des vom Aus gangsende der optischen Faser auf das Objekt gerichteten Lichtes befindet, und die ein Signal an eine Kontrolleinrichtung liefert.

Ein solches Strahlungsenergieüberwachungssystem ist aus der US 40 21 663 bekannt.

Das aus der US 40 21 663 bekannte Strahlungsenergieüberwachungs system für eine optische Faser der einleitend genannten Art wird in Verbindung mit dem Endoskop verwendet, wobei das aus der optischen Faser austretende Licht der Betrachtungslinse des Endo skops zugeführt wird. Die ringförmige Lichtdetektoranordnung nach der US 40 21 663 ist ein lichtempfindliches Element, dessen Elek trode aus einem Reflexionsüberzug und einer damit kombinierten transparenten Elektrode bestehen kann oder die mit Kammzähnen oder gewellt ausgeführt ist. Mittels des lichtempfindlichen Elementes, welches das Peripherie-Licht empfängt, soll die Be leuchtungsstärke der Endoskoplampe gesteuert werden. Das licht empfindliche Element ist in Form eines Lichtdetektors vorhanden, der gegenüber sichtbarem Licht empfindlich ist, der jedoch im Infrarotbereich und in dem an den Infrarotbereich angrenzenden Bereich des sichtbaren Lichtes nicht ausreichend empfindlich ist. Weiterhin ergibt sich bei Verwendung von energiereichem Licht wie Laserlicht eine beträchtliche Erhitzung, wodurch das lichtempfind liche Element beschädigt werden kann.

Es ist auch ein Laser-Endoskop für medizinische Behandlung be kannt (DE-OS 28 32 847), bei welchem eine ringförmige fluoreszierende Schicht vorgesehen ist, mittels derer die aus einem Lichtwellenleiter außerhalb einer kegelförmigen Zone aus tretende Laser-Strahlungsleistung nachgewiesen werden soll, indem das reflektierte bzw. gestreute Fluoreszenzlicht über einen zwei ten Lichtwellenleiter einer photoelektrischen Einrichtung zuge führt wird. Entsprechende elektrische Signale der vom Laser aus gesendeten und von der Fluoreszenzschicht reflektierten Energie sollen über eine Meßeinrichtung verglichen werden um festzustel len, ob an der Austrittsfläche des Endoskops eine vorbestimmte Strahlungsenergie anliegt. Auch hier bestehen die gleichen Nach teile wie bei dem Strahlungsenergieüberwachungssystem gemäß US 40 21 663, indem die fluoreszierende Schicht im Infrarotbereich und in dem diesem benachbarten Bereich sichtbaren Lichtes keine ausreichende Empfindlichkeit hat und außerdem bei Anwendung ener giereichen Lichtes die Beschädigung der fluoreszierenden Schicht als Folge einer Erhitzung besteht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Strahlungsenergieüberwachungs system derart auszuführen, daß auch im Infrarotbereich und in dem benachbarten Bereich sichtbaren Lichtes ausreichende Empfind lichkeit erhalten und eine Beschädigung der Lichtdetektoranord nung durch Erhitzung vermieden ist.

Diese Aufgabe ist bei einem Strahlungsenergieüberwachungssystem der einleitend genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Licht innerhalb der kegelförmigen Zone zu Bearbeitungs zwecken auf das Objekt richtbar ist und daß die Lichtdetektoren wenigstens drei miteinander in Reihenschaltung verbundene Thermo elemente sind, die gleichförmig auf einem ringförmigen Substrat angeordnet sind, und daß die heißen Verbindungsstellen dem Peri pherie-Licht ausgesetzt sind, während eine im wesentlichen ring förmige Lichtmaske zum Abschirmen der kalten Verbindungsstellen der Thermoelemente dient.

Ein Strahlungsenergieüberwachungssystem gemäß der Erfindung ermöglicht gute Überwachung beispielsweise von Ausgangslaser licht, welches für verschiedene Bearbeitungen, beispielsweise für die Durchführung von medizinischen Operationen, verwendet wird, wobei die Lichtleitfaser ständig auf Schwierigkeiten und Ausfälle überwacht wird.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen an gegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispiels weise erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1(a) eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen Lichtwinkeln am Ausgangsende der optischen Faser und der relativen Energieintensität;

Fig. 1(b) eine Seitenansicht zur Erläuterung der Winkel in Fig. 1(a);

Fig. 2 eine Schnittseitenansicht des Hauptteils eines am Ende der optischen Faser angeordneten Handstücks zu sammen mit wichtigen Schaltungsblöcken;

Fig. 3(a) eine Vorderansicht eines Lichtdetektors des in Fig. 2 gezeigten Handstücks;

Fig. 3(b) eine Schnittseitenansicht des Lichtdetektors von Fig. 3(a);

Fig. 3(c) eine Vorderansicht eines abgewandelten Ausführungs beispiels eines Hauptteils des Lichtdetektors;

Fig. 4(a) eine Vorderansicht eines abgewandelten Ausführungs beispiels eines Lichtdetektors;

Fig. 4(b) eine Schnittansicht des Lichtdetektors nach Fig. 4(a) und

Fig. 5 eine Schnittansicht eines Handstücks zusammen mit Schal tungsblöcken einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Wenn das Laserlicht vom Ausgangsende der Faser 3 emittiert wird, strahlt das Ausgangslicht divergierend ab, wie in Fig. 1(b) gezeigt ist, und es ergibt sich eine Energieverteilung gemäß Fig. 1(a). Das heißt, die Energieverteilung nimmt mit zunehmendem Winkel gegenüber der optischen Achse rasch ab; und um einen be stimmten Winkel R ₁ wird die Abnahme mäßig, und wenn der Winkel R größer als R ₂ wird, befindet sich die Energie des Lichts fast ganz in diesem weiteren Winkel R ₂. Setzt man nun voraus, daß 90% des emittierten Lichts innerhalb des Bereichs des Winkels R ₁ lie gen und daß 95% der Lichtenergie im Bereich des Winkels R ₂ ent halten sind, dann kommt es zwischen einer ersten Wahl, bei der le diglich 90% der Lichtenergie durch die Linse abgenommen werden, und einer zweiten Wahl, bei der 95% der Lichtenergie durch die Linse 4 abgenommen werden, zu einem starken Unterschied des Durch messers der zweiten Linse 4. Das heißt, eine Erhöhung der mittels der Linse herausgegriffenen Lichtenergie um 5% muß mit einer be trächtlichen Vergrößerung des Linsendurchmessers bezahlt werden. Wenn beispielsweise R ₁ gleich 15° und R ₂ gleich 30° sind und der Abstand zwischen dem Ausgangsende der optischen Faser 3 und der Mitte der zweiten Linse 4 cm beträgt, dann ist der Linsendurch messer zum Aufnehmen von 90% der Lichtenergie 1 cm, während der Linsendurchmesser zum Aufnehmen von 95% der Lichtenergie 2 cm wird. Der Linsendurchmesser sollte auf einen vernünftigen Wert begrenzt werden, und zwar im Hinblick auf eine leichte Handhabung, ein leichtes Gewicht und vernünftige Kosten des Handstücks, und daher ist bei dem oben betrachteten Beispiel ein Linsendurchmes ser von 1 cm zu bevorzugen. In diesem Fall werden jedoch etwa 10% der Lichtenergie verschwendet, ohne daß sie durch Konvergie ren mittels der Linse einem Nutzen zugeführt würden. Somit fällt bei einem wirklichen Handstück ein bestimmter Prozentsatz der Lichtenergie immer als "Abfall" an. Mit der vorliegenden Erfin dung wird nun dieser Rand- beziehungsweise Peripherieteil der Energie, das heißt, das bisher als Abfall verschwendete Licht, genutzt, indem dieses Peripheriebereichslicht von einem Licht detektor zur Überwachung der Ausgangslichtenergie aufgenommen wird.

Es werden nun bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ausführ lich anhand der Fig. 2 und folgende erläutert.

Fig. 2 zeigt einen Hauptteil des am Ausgangsende 11 a einer opti schen Faser 11 vorgesehenen Handstücks 9. Das Handstück 9 weist ein Gehäuse 17 auf, das eine zweite Sammellinse 12 enthält, die am Ende des Gehäuses 17 angeordnet ist. Zwischen dem Ausgangsende 11 a und der zweiten Sammellinse 12 ist ein Lichtdetektor 15 ange ordnet. Die zweite Sammellinse 12 ist am Gehäuse mittels eines Linsenhalters 16 festgelegt. Wie Fig. 2 zeigt, ist der Lichtde tektor 15 innerhalb des Gehäuses koaxial rund um die optische Achse des Handstücks angeordnet und rund um einen Maximumwinkel weg 13 des Laserlichts, und zwar in solcher Weise, daß der Maxi mumwinkelweg 13 nicht berührt wird, daß jedoch der Lichtdetektor 15 in dichter Nähe zu diesem Maximumwinkelweg 13 liegt. Das Aus gangssignal des Lichtdetektors 15 wird auf einen Verstärker 18 und ferner auf eine Ausgangspegelanzeigevorrichtung 19 geführt.

Das vom Ausgangsende 11 a der optischen Faser 11 emittierte Laser licht weist den größten Teil seiner Lichtenergie im Winkel R ₁ des Lichtfokus auf, und nur ein kleiner Teil der Energie befindet sich in der Lichtperipherie zwischen dem Winkel R ₂ und dem Winkel R ₁. Das Licht des Peripherieteils bestrahlt den Lichtdetektor 15, und diese Lichtenergie wird im Lichtdetektor 15 absorbiert und in eine andere Energieart umgesetzt, beispielsweise in Wärmeener gie, und erzeugt dadurch ein Ausgangssignal. Der Lichtdetektor 15 gibt beispielsweise ein elektrisches Signal ab, das der Wärme energie entspricht, die durch die Absorption des Peripherieteil lichts erzeugt wird. Da das Verhältnis zwischen dem Licht des Pe ripherieteils und dem Licht innerhalb des Winkels R ₁ vor dem In stallieren der Faser in dem Handstück mittels einer anderen Meß methode gemessen werden kann, kann man die im Winkel R ₁ enthalte ne Lichtenergie wissen. Durch Multiplizieren des Ausgangssignals des Lichtdetektors mittels des Verstärkers 18 kann die Lichtener gie innerhalb des Winkels R ₁ berechnet werden, und die Energie wird in der Ausgangspegelanzeigevorrichtung 19 angegeben. Da das Peripherieteillicht kontinuierlich die ganze Zeit meßbar ist, kann die Ausgangspegelanzeigevorrichtung 19 den Pegel des auf ein Werkstück oder einen kranken Teil aufzubringenden Ausgangslichts kontinuierlich die ganze Zeit messen, und zwar ohne einen wesentlichen Verlust des zu benutzenden Lichts oder irgendeine Un bequemlichkeit oder Unannehmlichkeit bei der Benutzung aufgrund einer vorübergehenden Unterbrechung des Lichts während der Mes sung, wie dies beim herkömmlichen System der Fall ist.

Die Fig. 3(a) und 3(b) zeigen eine Ausführungsform des Licht detektors. Der Lichtdetektor umfaßt ein ringförmiges Gehäuse 27 und ein Substrat 26 kleiner Wärmekapazität mit einem Loch 261, durch das Licht gelangen kann. An dem Substrat 26 sind mindestens drei, vorzugsweise eine Anzahl von in Reihe verbundenen Thermo elementen angeordnet, und zwar mit gleichförmigem Abstand rund um die optische Achse, die durch Elementar- beziehungsweise Einzel drähte 21, 21 . . . und 22, 22 . . . eines bekannten Thermoelements, beispielsweise durch Kupferdrähte und Konstantandrähte, gebildet sind. Äußere Verbindungspunkte 24, 24 . . . sind gegenüber dem Licht mittels einer vor dem Substrat angeordneten ringförmigen Maske 28 maskiert. Beide Enden der in Reihe verbundenen Thermoelemente sind mittels eines Paares von Zuleitungsdrähten 25 zum Verstärker 18 herausgeführt. Die inneren Verbindungspunkte 23, 23 . . . sind dem Peripherielicht ausgesetzt.

Eine solche Konfiguration einer kreisartigen und gleichförmigen Anordnung einer Anzahl von in Reihe verbundenen Thermoelementen ist vorteilhaft für die Erzeugung eines gemittelten Lichtdetek torausgangssignals selbst dann, wenn die Verteilung des vom Aus gangsende 11 a emittierten Lichts nicht hinsichtlich der optischen Achse des Handstücks symmetrisch ist. Wenn das Peripherieteillicht den Lichtdetektor 15 bestrahlt, erhalten die inneren Verbindungs punkte 23, 23 . . . Licht, während die äußeren Verbindungspunkte 24, 24 . . . kein Licht erhalten, und daher wird eine Temperatur differenz zwischen den inneren Verbindungspunkten 23, 23 . . . und den äußeren Verbindungspunkten 24, 24 . . . gebildet, wodurch in je dem Thermoelement ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt wird, und die Summe der Ausgangssignale der Thermoelemente wird entspre chend über den Zuleitungsdrähten 25 abgegeben.

Als in Reihe verbundene Thermoelemente können neben den obener wähnten Kupfer-Konstantan-Thermoelementen irgendwelche anderen bekannten Thermoelemente verwendet werden. Fig. 3(c) zeigt ein anderes Beispiel von Thermoelementen. Dieses Thermoelement ist durch Dampfniederschläge zweier Arten von Metallschichten auf einem dünnen Substrat gebildet. Zum leichteren Verständnis ist eine erste Art von Metallschichten 261 mittels gepunkteter Muster und eine zweite Art von Metallschichten 262 mittels gestreifter Muster dargestellt.

Die Fig. 4(a) und 4(b) zeigen noch ein weiteres Beispiel des Lichtdetektors 15. Dieser Lichtdetektor weist ein ringförmiges Gehäuse 30 auf, das ein transparentes Fenster 32 und einen im Gehäuse 30 enthaltenen Widerstand 29 aufweist. Der Widerstand 29 erhält Licht durch das Fenster 32 und seine Temperatur ändert sich. Dadurch ändert sich der Widerstandswert zwischen den Zulei tungsdrähten 25. Der Widerstand 29 ist durch eine dünne Metall schicht oder ein Thermistormaterial auf einem ringförmigen Sub strat aus Isoliermaterial gebildet. Alternativ kann der Wider stand 29 durch Anordnen eines sehr feinen Platindrahts auf dem Substrat hergestellt werden, wobei die Oberfläche des Platin drahts geschwärzt wird, um eine wirkungsvolle Lichtabsorption zu erreichen. Der in den Fig. 4(a) und 4(b) gezeigte Lichtdetek tor weist ebenfalls Ringform auf, damit selbst dann, wenn das vom Ausgangsende 11 a der optischen Faser emittierte Licht irgend eine Unregelmäßigkeit rund um deren optische Achse aufweist, die Lichtdetektion bezüglich der optischen Achse gemittelt ist. Das heißt, dadurch, daß man für den Lichtdetektor eine ringförmige Konfiguration wählt, werden beeinträchtigende Effekte der Unre gelmäßigkeit bezüglich der optischen Achse ausgeschaltet. Dadurch ist die detektierte Energie im wesentlichen verläßlich.

Das Randzonen- beziehungsweise Peripherielicht vom Ausgangsende 11 a, das durch das Fenster 32 eindringt und vom Widerstand 29 aufgenommen wird, wird vom Widerstand 29 nahezu absorbiert und bewirkt einen Anstieg der Temperatur des Widerstands 29. Dadurch ändert sich der Widerstandswert des Widerstands 29 entsprechend der Menge des eingedrungenen Lichts. Indem man das elektrische Ausgangssignal auf den Verstärker 18 führt, kann man daher die Menge des Ausgangslichts mit Hilfe der Ausgangspegelanzeigevorrich tung 19 anzeigen.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform mit einer modifizierten Schaltungsanordnung. Der optische Teil ist der gleiche wie bei der Ausführungsform nach Fig. 2. Der elektrische Schaltungsteil weist zusätzlich eine Vergleichsschaltung 33, eine Steuer-/Alarm einrichtung 35, einen Bezugsspannungsgenerator 34 und eine Bezugs werteinstellvorrichtung 36 auf.

Setzt man voraus, daß die optische Faser 11 einen vorbestimmten Lichtbetrag entsprechend dem mittels der Bezugswerteinstellvor richtung 36 eingestellten Wert emittiert, wird das Ausgangssignal des Lichtdetektors 15 verstärkt und in der Vergleichsschaltung 33 mit dem Ausgangssignal des Bezugsspannungsgenerators 34 verglichen, dessen Ausgangssignal durch die Bezugswerteinstellvorrichtung 36 eingestellt worden ist. Wenn die Lichtabgabe von der optischen Faser 11 geringer wird, gibt die Vergleichsschaltung 33 daher ein Ausgangssignal an die Steuer-/Alarmeinrichtung 35, wodurch Alarm gegeben wird. Wenn die optische Faser 11 unbeabsichtigt zer- oder abgeschnitten wird oder wenn die Dämpfung des Lichts in der opti schen Faser 11 einen vorbestimmten Wert übersteigt, wird daher Alarm gegeben. Folglich kann der Benutzer des Geräts die Notwen digkeit erkennen, die optische Faser zu ersetzen oder das Gerät in Ordnung zu bringen.

Wie anhand der erfindungsgemäßen Ausführungsformen im einzelnen erläutert worden ist, kann das vom Handstück am Ausgangsende der optischen Faser abgegebene Ausgangslicht als solches zuverlässig und genau bemessen werden, wodurch das Gerät für eine Laser-Bear beitung oder eine medizinische Laser-Operation eine sehr hohe Zu verlässigkeit erhält. Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Ge rät die Überwachung oder die Messung kontinuierlich durchgeführt werden, ohne das Laser-Bearbeitungslicht oder das Laser-Opera tionslicht zu unterbrechen und ohne einen wesentlichen Verlust an Laserlicht. Die vorliegende Erfindung ist auf alle Arten von Laser-Bearbeitungsgeräten und medizinischen Laser-Operationsge räten anwendbar. Da die Lichtdetektion mittels thermoelektrischer Wandlung durchgeführt wird, kann die Detektion irgendeines Laser lichtstrahlenbündels, beispielsweise des Lichtstrahlenbündels eines YAG-Lasers oder eines CO₂-Lasers, zuverlässig detektiert werden.

Claims

1. Strahlungsenergieüberwachungssystem für eine optische Faser, deren Ausgangsenergie auf ein Objekt richtbar ist, mit einer ringförmigen Lichtdetektoranordnung aus mehreren Licht detektoren, die auf das Peripherie-Licht ausgerichtet ist, das sich außerhalb einer kegelförmigen Zone (R ₁) des vom Ausgangs ende der optischen Faser auf das Objekt gerichteten Lichtes befindet, und die ein Signal an eine Kontrolleinrichtung lie fert, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht innerhalb der kegelförmigen Zone (R ₁) zu Bearbei tungszwecken auf das Objekt richtbar ist und daß die Lichtdetek toren wenigstens drei miteinander in Reihenschaltung verbundene Thermoelemente (21, 22) sind, die gleichförmig auf einem ring förmigen Substrat (26) angeordnet sind, und daß die heißen Ver bindungsstellen (23) dem Peripherie-Licht ausgesetzt sind, wäh rend eine im wesentlichen ringförmige Lichtmaske (28) zum Ab schirmen der kalten Verbindungsstellen (24) der Thermoelemente (21, 22) dient.

2. Strahlungsenergieüberwachungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente metallische Aufdampfzonen (261, 262) unterschiedlicher Art sind, die auf das Substrat (26) aufgebracht sind, welches die im wesentlichen ringförmige Lichtmaske (28) aufweist.

3. Strahlungsenergieüberwachungssystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Vergleichseinrichtung (33) zum Vergleichen des detektierten Lichtpegels mit einem voreinge stellten Bezugspegel und eine Alarmeinrichtung (35), die Alarm gibt, wenn der detektierte Lichtpegel niedriger ist als der Be zugspegel.