DE4017850C1 - Controlling laser beam radiation dose - using difference in properties of red, green and blue components of diffusely reflected light, as measure of radiation - Google Patents

Controlling laser beam radiation dose - using difference in properties of red, green and blue components of diffusely reflected light, as measure of radiation

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Abstract

Radiation dose of laser beam radiation directed on a workpiece, e.g. of plastics, which changes colour on radiation is controlled by a method in which the workpiece is illuminated by a wide-band light source. The difference in the proportions of the red, green, and blue components of diffusely reflected light is used as a measure of the radiation. ADVANTAGE - Short response time, partic. for small radiation doses.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Strahlungsdosis von Laserstrahlung, welche auf ein zu bearbeitendes Material gerichtet ist, wobei die von dem Material remittierte Strahlung erfaßt und zur Steuerung des Lasers ausgewertet wird sowie eine Vorrichtung zur Durch­ führung dieses Verfahrens.The invention relates to a method for regulating the radiation dose of laser radiation, which is directed onto a material to be processed is, the radiation remitted by the material is detected and used Control of the laser is evaluated and a device for through implementation of this procedure.

Bei der Bestrahlung mit leistungsstarken Lasern im UV-Licht, z. B. mittels Excimer-Lasern oder im nahen Infrarot, z. B. mittels Nd:YAG-Laser oder im fernen Infrarot, z. B. mittels CO2-Lasern verändern viele Materialien, z. B. nicht lichtechte Pigmente, Kunststoffe oder organi­ sches Gewebe, ihre Farbe. Diese Farbänderung, die zum Teil unerwünscht ist, ist ein Kennzeichen für Materialveränderungen. Dies wurde bei­ spielsweise in der Laserchirurgie frühzeitig erkannt und die behandeln­ den Ärzte konnten nach Einschätzung der Farbveränderung Rückschlüsse auf die Strahlungsdosis des Lasers und somit auf die Wirkung im Gewebe ziehen.When irradiated with powerful lasers in UV light, e.g. B. using excimer lasers or in the near infrared, e.g. B. using Nd: YAG laser or in the far infrared, e.g. B. using CO 2 lasers change many materials such. B. non-lightfast pigments, plastics or organic tissue, their color. This color change, which is sometimes undesirable, is a hallmark of material changes. This was recognized early on in laser surgery, for example, and the doctors treating them were able to draw conclusions about the radiation dose of the laser and thus the effect on the tissue after assessing the color change.

Zur Vermeidung von Gewebeschäden über das gewünschte Maß hinaus ist beispielsweise aus der DE 28 29 516 A1 ein Verfahren zur automatischen Erkennung thermischer Einwirkungen von Laserstrahlen im biologischen Gewebe bekannt, bei dem entweder die Änderung der thermischen Rückstrah­ lung aus dem laserbestrahlten Gewebe mit einem Detektor registriert und in einer Auswerteelektronik in Temperaturwerte umgesetzt werden oder Änderungen des rückgestreuten Laserlichtes aus dem bestrahlten Gewebe im Zentrum der Auftrefffläche des Laserstrahls im Verhältnis zur Rück­ streuung aus Flächenbereichen außerhalb der Auftreffstelle gemessen, registriert und ausgewertet werden. Bei Überschreiten vorgegebener Schwellwerte wird der Laser automatisch abgeschaltet.To avoid tissue damage beyond what is desired for example from DE 28 29 516 A1 a method for automatic Detection of thermal effects of laser beams in biological Tissue known to either change the thermal retroreflect treatment from the laser-irradiated tissue with a detector and are converted into temperature values in an evaluation electronics or Changes in the backscattered laser light from the irradiated tissue in the Center of the area of incidence of the laser beam in relation to the back scatter measured from areas outside the impact point, be registered and evaluated. If the specified limit is exceeded The laser is automatically switched off.

Die Messung der Änderungen des rückgestreuten Laserlichtes im thermi­ schen Spektralbereich setzt jedoch bereits erhebliche Veränderungen des Materials voraus, wohingegen im optischen Spektralbereich die Farbver­ schiebungen stark vom jeweiligen Material sowie dem Spektralbereich des Lasers abhängig sind, so daß eine eindeutige Aussage über die Strah­ lungsdosis insbesondere bei niedrigen Dosiswerten nicht immer möglich ist. Auch die Messung der emitierten Laserleistung liefert nicht immer exakte Werte für den erzielten Effekt im Material, da sich das Absorp­ tionsverhalten vieler Materialien mit zunehmender Laserbestrahlung ändert. Vor allem ist die für medizinische Anwendungen erwünschte Strahlführung des reflektierten IR-Laserlichtes bzw. der Wärmestrahlung über Endoskope bzw. verfügbaren Lichtwellenleiter wegen der hohen optischen Verluste sehr schwierig.Measuring the changes in the backscattered laser light in thermi However, the spectral range is already causing considerable changes in the Material ahead, whereas in the optical spectral range the color ver shifts strongly from the respective material as well as the spectral range of the  Lasers are dependent, so that a clear statement about the beam dosage dose is not always possible, especially at low dose values is. The measurement of the emitted laser power does not always deliver either exact values for the effect achieved in the material, since the Absorp behavior of many materials with increasing laser radiation changes. Above all, that is desirable for medical applications Beam guidance of the reflected IR laser light or heat radiation via endoscopes or available optical fibers because of the high optical losses very difficult.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Regelung der Strahlungsdosis von Laserstrahlung zu schaffen, welche für solche, mit der Laserstrahlung zu bearbeitende Materialien geeignet ist, die charakteristische Farbänderungen bei Erreichen einer bestimmten absorbierten Strahlungsdosis aufweisen.It is therefore an object of the invention, a method and an apparatus to regulate the radiation dose of laser radiation, which suitable for materials to be processed with laser radiation is the characteristic color changes when a certain one is reached have absorbed radiation dose.

Diese Aufgabe wird durch ein nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildetes Verfahren bzw. durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 5 gelöst.This task is carried out according to the characteristics of the Claim 1 trained method or by a device solved according to claim 5.

Die Erfindung macht sich die Kriterien der Farbmetrik zunutze, wonach sich jeder Farbton durch drei Koordinaten darstellen läßt, die seinem Rot-, Grün- und Blauanteil entsprechen, bildet man aus diesen Koordinaten die sog. Farbwertanteile, so bleiben schießlich nur zwei unabhängige Größen übrig, so daß durch eine Messung dieser zwei Größen der genaue Farbort der gesuchten Farbe innerhalb des sog. Farbendreiecks bestimmt werden kann. Damit sind dann auch Farbortverschiebungen, also Farbdif­ ferenzen meßtechnisch erfaßbar.The invention takes advantage of the criteria of colorimetry, according to which each color can be represented by three coordinates that correspond to its The red, green and blue components correspond to these coordinates the so-called color value components, so ultimately only two remain independent Sizes remaining so that by measuring these two sizes the exact The color location of the color sought is determined within the so-called color triangle can be. This means that there are also color location shifts, i.e. color differences ferences can be measured.

So lassen sich z. B. Hautpigmente annähernd durch die Rot- und Grünfarb­ wertanteile bzw. durch Signale von Fotodioden, die in diesen Spektralbe­ reichen empfangen können, farbmetrisch bestimmen. Zur Farbwertmessung ist eine Beleuchtungsquelle mit bekannter spektraler Zusammensetzung erforderlich. Üblicherweise werden hierzu Wolfram-Norm-Glühlampen mit einer Temperatur von 2850 K verwendet. Da im UV bzw. IR strahlende Laser in der Regel eine sog. Pilotlichtquelle im Sichtbaren verwenden, z. B. HeNe-Pilotlaser bei 632 nm (rot), bietet sich zur Beleuchtung auch zusätzlich eine im Grünen strahlende Lichtquelle an, die beispielsweise bei einem Nd:YAG-Laser durch Frequenzverdoppelung eines Teils der Arbeitsstrahlung erzielt wird. In einer derartigen monochromatischen Beleuchtung im Roten und Grünen, lassen sich dann ebenfalls Farbwert­ differenzen ausreichend genau ermitteln. Eine Zuschaltung von Argonlaserstrahlung (blau) erlaubt eine farbmetrisch exakte Farbdifferenzwertbestimmung.So z. B. skin pigments approximately by the red and green colors shares of value or by signals from photodiodes in this spectral alb can receive rich, determine colorimetrically. For color value measurement is a lighting source with a known spectral composition required. Tungsten standard incandescent lamps are usually used for this purpose a temperature of 2850 K is used. Because in UV or IR radiant  Lasers generally use a so-called pilot light source in the visible, e.g. B. HeNe pilot laser at 632 nm (red) is also suitable for lighting additionally a light source that shines in the green, for example with an Nd: YAG laser by frequency doubling of part of the Working radiation is achieved. In such a monochromatic Illumination in red and green can then also be color value determine differences with sufficient accuracy. An activation of Argon laser radiation (blue) allows a colorimetric exact Color difference value determination.

Die Methode der Farbwertdifferenzmessung hat beispielsweise gegenüber bekannten Infrarottemperaturmeßverfahren den Vorteil einer relativ kurzen Ansprechzeit, vor allem bei geringen Strahlungsdosen und ent­ sprechend niedrigen Temperaturen; außerdem können bei Lasern, die im sichtbaren bzw. nahen Infrarot arbeiten, die gleichen Lichtleitersysteme auch für die Farbwertdifferenzmessung verwendet werden.The method of measuring the color difference has, for example, compared known infrared temperature measurement method the advantage of a relative short response time, especially with low radiation doses and ent speaking low temperatures; In addition, with lasers that are in the visible or near infrared work, the same light guide systems can also be used for color difference measurement.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Figur teilweise schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben:
Die Strahlung eines als Arbeitslaser vorgesehenen Nd:YAG-Lasers mit einer Wellenlänge von 1064 nm wird zusammen mit der roten Strahlung eines Helium-Neon-Pilotlasers 2 (Wellenlänge = 632 nm) und der durch Frequenz­ verdopplung (3) aus der Strahlung des Nd:YAG-Lasers erzeugten grünen Strahlung mit einer Wellenlänge von 532 nm in eine Lichtleitfaser 4 eingekoppelt. Das Ende der Lichtleitfaser 4 wird auf das zu bearbeitende Material 5 gerichtet, wobei die austretende rote und grüne Strahlung als Beleuchtung und die Strahlung des Nd:YAG-Lasers als Arbeitsstrahlung dient. Die von dem zu bearbeitenden Material 5 reflektierte, in der Figur gestrichelt dargestellte Strahlung wird über parallel zur Licht­ leitfaser 4 geführte Lichtleitfasern 6 bzw. 7 empfangen und über frequenzselektive Spiegel 8 und 9 Fotodioden 10 und 11 zugeführt derart, daß über den Spiegel 8 ausschließlich ein Ausschnitt aus dem roten Spektralbereich auf den Detektor 10 gelangt und über den Spiegel 9 ausschließlich ein Ausschnitt aus dem grünen Spektralbereich auf den Detektor 11 trifft. Die Detektorsignale werden in Verstärkern 12 bzw. 13 verstärkt und einem Rechner 14 zugeführt. Der Rechner 14 steuert zum einen über eine Steuereinrichtung 15 den Arbeitslaser 1 bezüglich seiner Intensität und/oder Strahlungsdauer und regelt zum anderen über Steuer­ einrichtungen 16 und 17 die Beleuchtungseinrichtungen 2 und 3 auf konstante Strahlungsleistung.The invention is described in more detail below with reference to an exemplary embodiment which is shown schematically in the figure:
The radiation from an Nd: YAG laser provided as a working laser with a wavelength of 1064 nm is combined with the red radiation from a helium-neon pilot laser 2 (wavelength = 632 nm) and the frequency ( 3 ) from the radiation from the Nd: YAG lasers generated green radiation with a wavelength of 532 nm coupled into an optical fiber 4 . The end of the optical fiber 4 is directed onto the material 5 to be processed, the emerging red and green radiation serving as illumination and the radiation from the Nd: YAG laser as working radiation. The light reflected by the material to be processed 5, dashed lines in the figure represented radiation is received via leitfaser parallel to the light 4 guided optical fibers 6 and 7, and dichroic mirrors 8 and 9, photodiodes 10 and 11 are fed so that only via the mirror 8, a Section of the red spectral range reaches detector 10 and only a section of the green spectral range hits detector 11 via mirror 9 . The detector signals are amplified in amplifiers 12 and 13 and fed to a computer 14 . The computer 14 controls on the one hand via a control device 15 the working laser 1 with regard to its intensity and / or radiation duration and on the other hand controls the lighting devices 2 and 3 to constant radiation power via control devices 16 and 17 .

Die Farbwertbestimmung und damit die Steuerung des Lasers 1 geschieht dabei auf folgende Weise:
Zu Beginn einer Messung wird zum einen der zu Beleuchtungszwecken vorge­ sehene Pilotlaser 2 als auch der Nd:YAG-Laser 1 mit einer geringen Strahlungsleistung, die nach Frequenzverdopplung ebenfalls nur zu Beleuchtungszwecken vorgesehen ist, in Betrieb genommen. Der Rechner 14 führt dann aufgrund der empfangenen Detektorsignale eine Farbwertmessung aus der reflektierten Strahlung durch und speichert die Koordinaten des entsprechenden Farbortes. Eine Meßeinrichtung zur Farbwertmessung ist beispielsweise aus dem Prospekt zum "Farberkennungsgerät FEG" der Firma "eltrotec" bekannt und kann prinzipiell in die dargestellte Einrichtung integriert sein. Nach Festlegung des Farbortes des unbehandelten Materials 5 wird dann der Arbeitslaser 1 auf die für die Behandlung vorgesehene Strahlungsleistung hochgeregelt und über den Rechner 14 ständig die Veränderung des Farbortes gemessen. Bei einer vorgegebenen Farbortverschiebung (Farbwertdifferenz) wird der Arbeitslaser 1 wieder abgeschaltet. Sämtliche für die Strahlungsdosis relevanten Werte werden zusätzlich auf einem mit dem Rechner verbundenen Drucker 18 ausgedruckt.The color value determination and thus the control of the laser 1 takes place in the following way:
At the beginning of a measurement, the pilot laser 2 provided for lighting purposes and the Nd: YAG laser 1 with a low radiation power, which after frequency doubling is also provided only for lighting purposes, are put into operation. The computer 14 then carries out a color value measurement from the reflected radiation on the basis of the received detector signals and stores the coordinates of the corresponding color location. A measuring device for color value measurement is known, for example, from the brochure for the "color recognition device FEG" from the company "eltrotec" and can in principle be integrated into the device shown. After determining the color location of the untreated material 5 , the working laser 1 is then regulated up to the radiation power intended for the treatment and the change in the color location is continuously measured via the computer 14 . The working laser 1 is switched off again at a predetermined color location shift (color value difference). All values relevant to the radiation dose are additionally printed out on a printer 18 connected to the computer.

Die Strahlungsführung sowohl des Arbeitslasers als auch der Beleuchtungseinrichtungen läßt sich vielfach variieren und kann dem jeweiligen Zwecke angepaßt sein.The radiation guidance of both the working laser and the Lighting devices can be varied in many ways and can be adapted to the respective purposes.

Claims (11)

1. Verfahren zur Regelung der Strahlungsdosis von Laserstrahlung, welche auf ein zu bearbeitendes Material gerichtet ist, wobei die von dem Material remittierte Strahlung erfaßt und zur Steuerung des Lasers ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der remittier­ ten Strahlung eine Farbwertdifferenzmessung vorgenommen wird.1. A method for controlling the radiation dose of laser radiation, which is directed to a material to be processed, wherein the remitted radiation from the material is detected and evaluated to control the laser, characterized in that a color value difference measurement is carried out by means of the remitted radiation. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu bearbeitende Material mit einer breitbandigen Lichtquelle beleuchtet und die Differenz der Farbwertanteile der von dem Material remittierten Strahlung mindestens zweier der Farben rot, grün oder blau zumindest vor und nach der Laserbestrahlung bestimmt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the processing material illuminated with a broadband light source and the difference in the color value proportions of those remitted by the material Radiation at least two of the colors red, green or blue at least before and after laser irradiation is determined. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu bearbeitende Material mit Licht aus mindestens zwei schmalbandigen Spek­ tralbereichen beleuchet und die Differenz der Farbwertanteile der von dem Material remittierten Strahlung zumindest vor und nach der Laserbe­ strahlung bestimmt wird.3. The method according to claim 1, characterized in that the processing material with light from at least two narrow-band spotting illuminated areas and the difference in the color value proportions of radiation remitted to the material at least before and after the laser radiation is determined. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Farbwertdifferenzmessung unter Abwesenheit der bear­ beitenden Laserstrahlung erfolgt.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized records that the color value difference measurement in the absence of the bear processing laser radiation. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch
einen Laser (1), dessen Strahlung auf ein Material (5) zum Zwecke des Schneidens, Schweißens oder Koagulierens richtbar ist,
eine Beleuchtungseinrichtung (2, 3), deren Strahlung auf den von dem Laser bearbeiteten Bereich des Materials (5) gerichtet ist, derart, daß die von diesem remittierte Strahlung mindestens zwei unterschiedliche Spektralbereiche aufweist,
eine Farbwertdifferenz-Meßeinrichtung (10, 11, 12, 13, 14), die auf mindestens zwei von dem Material (5) remittierten Spektralbereiche ein­ gestellt ist und
eine Steuereinrichtung (15), die die auf den jeweils bearbeiteten Bereich des Materials auftreffende Strahlungsdosis des Lasers (1) auf einen vorgebbaren Wert begrenzt.5. Device for performing the method according to one of claims 1 to 4, characterized by
a laser ( 1 ), the radiation of which can be directed onto a material ( 5 ) for the purpose of cutting, welding or coagulating,
an illumination device ( 2 , 3 ), the radiation of which is directed onto the region of the material ( 5 ) processed by the laser, in such a way that the radiation remitted by it has at least two different spectral ranges,
a color value difference measuring device ( 10 , 11 , 12 , 13 , 14 ) which is set to at least two spectral ranges remitted by the material ( 5 ) and
a control device ( 15 ) which limits the radiation dose of the laser ( 1 ) impinging on the respectively processed area of the material to a predeterminable value. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (1) ein Nd:YAG-cw-Laser ist, in dessen Strahlengang zur Erzeugung einer Beleuchtungsstrahlung ein HeNe-Pilotlaser (2) sowie ein Frequenz­ verdoppler (3) für die Strahlung des Nd:YAG-cw-Lasers eingekoppelt wird.6. The device according to claim 5, characterized in that the laser ( 1 ) is a Nd: YAG-cw laser, in the beam path for generating an illuminating radiation, a HeNe pilot laser ( 2 ) and a frequency doubler ( 3 ) for the radiation of the Nd: YAG-cw laser is coupled. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die bearbeitende Laserstrahlung und die Beleuchtungsstrahlung in getrennten, zu einem Lichtleitfaserbündel zusammengefaßten Lichtleitfasern (4, 6, 7) geführt ist.7. The device according to claim 5, characterized in that the processing laser radiation and the illuminating radiation in separate, combined into an optical fiber bundle optical fibers ( 4 , 6 , 7 ) is guided. 8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Material remittierte Strahlung durch mindestens eine Lichtleitfaser zur Farbwertdifferenz-Meßeinrichtung geführt ist.8. The device according to claim 5 or 6, characterized in that that the radiation remitted by the material by at least one Optical fiber is guided to the color value difference measuring device. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser- und die emittierte sowie remittierte Beleuchtungsstrahlung durch denselben Lichtleiter geführt wird und die remittierte Strahlung über einen Strahlteiler und ein Linienfilter der Farbwertdifferenz-Meßein­ richtung zugeführt wird.9. The device according to claim 8, characterized in that the Laser and the emitted and remitted illuminating radiation the same light guide is guided and the remitted radiation over a beam splitter and a line filter for color difference measurement direction is fed. 10. Verwendung des Verfahrens oder der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Schneiden und/oder Koagulieren von biologischem Gewebe.10. Use of the method or the device according to one of the Claims 1 to 9 for cutting and / or coagulating biological Tissue. 11. Verwendung des Verfahrens oder der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9 zur Bestimmung chemischer oder thermischer Farbreaktionen.11. Use of the method or the device according to one of the Claims 1-9 for the determination of chemical or thermal color reactions.
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