DE4444636A1 - Waffensystem für einen Blendlaser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Waffensystem für einen Blendlaser mit gerichteter Laserstrahlung geeigneter Wellenlänge, Intensität und Dauer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der Druckschrift DE 36 03 334 A1 ist ein Einmodenlaser zur Augenbehandlung bekanntgeworden, in dem eine mit zwei getrennten Öffnungen ausgestattete Blende so in dem Resonator angeordnet ist, daß die Öffnungen vor einer der Stirnflächen des Laserstabes liegen. Die von diesem Laser ausgestrahlten Einmodenimpulse weisen eine Divergenz unter 2 mrad und eine Energie von 15 mJ sowie eine Impulsdauer von etwa 10 nsek auf. Dieses Gerät soll für die Augenheilkunde Verwendung finden. Eine Verwendung als Blendlaser ist hiermit jedoch nicht möglich.

Die bisher eingeführten militärischen Lasersysteme, wie z. B. Laserentfernungsmesser, Zielmarkierer und Flugkörper-Leitstrahlprojektoren sind als Augenblendlaser ungeeignet, da ihre Laserenergie fest eingestellt auf ihre jeweilige militärische Aufgabe ausgelegt ist und nicht an die Anforderungen und Anwendungssituationen eines Augenblendlasers anpaßbar sind. Infolgedessen führt ihre Anwendung in der Regel nicht zu einer genügend intensiven, jedoch noch reversiblen Augenblendung, sondern entweder zu einer dauerhaften Augenschädigung oder zu einem unzureichenden Einfluß auf die Sehkraft.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung nach dem Oberbegriff zu schaffen, mit welcher bei der bestrahlten Person ein Sehverlust für mindestens mehrere Sekunden bis Minuten zuverlässig erzeugt wird, ohne daß eine dauerhafte Schädigung der Netzhaut eintritt. Die Einrichtung soll nicht durch einfache Gegenmaßnahmen neutralisiert werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung wird ein Ausführungsbeispiel erläutert.

Zur Erzeugung von Sehverlust wird das betreffende menschliche Auge mit gerichteter Laserstrahlung geeigneter Wellenlänge, Intensität und Dauer bestrahlt. Bei Verwendung von sichtbarem, monochromatischem Laserlicht wird dieses durch die Augenlinse auf einen extrem kleinen, nur durch Beugungseffekte begrenzten Fleck auf der Netzhaut fokussiert. Dadurch wird die Bestrahlungsintensität um ca. fünf Größenordnungen erhöht. Dies kann bereits bei niedriger ins Auge gelangender Laserenergie zu einem Sehpigmentverlust, einer Umstellung der nervösen Reizbarkeit der Netzhaut und damit zu einer Beeinträchtigung der Adaptionsfähigkeit, zu Ermüdungserscheinungen, Blendungsschmerzen, Lidreaktionen und damit zu einer Verschlechterung oder zum völligen Ausfall der Sehfunktionen - wie Kontrastempfindlichkeit, Sehschärfe etc. - führen.

Mit zunehmender intraokularer Exposition treten irreversible photochemische und thermische Veränderungen an den zapfen- und stäbchenförmigen Sehzellen auf, die zu dauerhafter Beeinträchtigung der Sehleistung führen können. Schließlich treten bei hoher eingestrahlter Laserenergie Verletzungen der Blutgefäße der Netzhaut auf, die zu Blutungen im Auge und zum totalen, irreversiblen Sehverlust führen.

Für einen für diesen Zweck am besten geeigneten Laser wird ein im Sichtbaren strahlender Pulslaser mit einer Wellenlänge X etwa zwischen 0,5 und 0,6 µm und einer Pulslänge von ≈ 10 ns vorgeschlagen. Eine sichtbare Wellenlänge wird deshalb gewählt, weil andernfalls eine zuverlässige Augenblendung selbst bei hohen, augenschädigenden Laserenergien nicht gewährleistet ist. Es empfiehlt sich auch, nicht immer einen gleichen, festen Wert für die Wellenlänge zu wählen, sondern diese innerhalb eines genügend großen Bereichs variabel bzw. einstellbar zu machen, weil anderenfalls eine auf die gebräuchlichen Laserwellenlängen eingerichtete Laserschutzbrille als Gegenmaßnahme eine Blendung verhindern könnte. Die Verwendung eines einzelnen, sehr kurzen Laserimpulses zur Augenblendung macht einfache Gegenmaßnahmen wie das Schließen von mechanischen Blenden oder den Lichtschlußreflex des Auges unwirksam. Dies ist in der Regel auch dann noch der Fall, wenn die Augenblendung durch eine Pulsfolge von mehreren Impulsen eines Impulslasers mit genügend hoher Pulsfrequenz oder durch einen kontinuierlich strahlenden Laser, z. B. einen Diodenlaser-Array, erzeugt wird, falls die Dauer der Bestrahlung unter ca. 0,1 s bleibt.

Die Laserenergiespanne zwischen der bei dem Augenblendlaser gewünschten reversiblen "Blitzlichtblendung" und irreversibler Augenschädigung ist beim tagadaptierten Auge relativ klein. Für den vorgeschlagenen Puls-Laser gelten etwa folgende Schwellwerte für die intraokulare Exposition:

Lasersicherheitsstandard max. 0,2 µJ
Blendung: <≈3 µJ
minimale Läsion: 3 µJ
Hämorrhagie (Augenblutung): 80-150 µJ

Beim nachtadaptierten Auge liegt die Energieschwelle für eine Blendung deutlicher niedriger, so daß der Abstand zwischen Blendung und Schädigung erheblich größer ist.

Bei Einstrahlung der "richtigen" Laserenergie in das Auge ist die gewünschte reversible Ausschaltung der Sehfähigkeit zuverlässig gewährleistet. Allerdings muß eine erhebliche Sorgfalt darauf verwendet werden, daß die Schwelle für eine irreversible Augenschädigung nicht erreicht oder gar überschritten wird.

Hierfür sind die in den Patentansprüchen niedergelegten und nachfolgend beschriebenen Mittel vorgesehen.

Als Ausführungsbeispiel für einen solchen Blendlaser wird ein Nd:YAG- Festkörperlaser vorgeschlagen, der durch Blitzlampen gepumpt wird und frequenzverdoppelnd ausgebildet ist. Seine Wellenlänge liegt bei 0,53 µm - also im grünen Spektralbereich - und seine Pulslänge beträgt 10 ns. Die Pulsenergie liegt bei ≲ 50 mJ für den Einzelpuls und bei ≲ 0,5 mJ für eine Pulsfolge bei 1 kHz.

Während diese Wellenlänge zur Blendung des ungeschützten Auges vorgesehen ist, erfordert das Unwirksam-Machen von Laserschutzbrillen als Gegenmaßnahme die Verfügbarkeit mindestens einer weiteren, von den gebräuchlichen Laserwellenlängen verschiedenen Wellenlänge. Durch geeignete Wahl des Lasermaterials, durch nachgeschaltete sogenannte Ramanzellen oder OPO′s (optisch-parametrische Oszillatoren) oder durch weitere Mittel des Standes der Technik können derartige andere Laserwellenlängen erzeugt werden. Es ist vorgesehen, daß der Laserschütze auch mindestens eine weitere, derartige Wellenlänge wählen kann.

Mit fortschreitender technischer Entwicklung werden auch Diodenlaser- Arrays mit hoher Leistung und Wellenlängen im Gelben und Grünen verfügbar werden. Derartige, kontinuierlich strahlende Laser sind als Quellen für einen Blendlaser ebenfalls gut geeignet.

Als Träger eines solchen Lasers ist ein "Gewehr" mit einer Zieleinrichtung vorgesehen, das ein einfaches Zielfernrohr oder ein Nachtsichtgerät (Restlichtverstärker oder Wärmebildgerät) sein kann. Gewehr und Zieleinrichtung sowie weitere Meßgeräte zur Zielaufklärung werden an einen Steuerrechner und eine vom "Schützen" in einem Traggerät zu transportierende Energieversorgung angeschlossen.

Zur Einstellung der "richtigen" Laserparameter ist eine Zielaufklärung, d. h. eine Bestimmung von relevanten Ziel- und Umweltparametern erforderlich, die durch Messung oder Schätzung erfolgen kann. Außer dem wichtigsten Zielparameter, nämlich der Entfernung der Zielperson, ist festzustellen, ob die Zielperson mit bloßem Auge oder durch ein Fernglas sieht, was ja die Lichtstärke beeinflußt. Auch die Transmission einer die Laserstrahlung beeinflussenden Sonnenbrille muß gegebenenfalls abgeschätzt werden.

Als Umweltparameter sind die die Augenadaption (Pupillenöffnung) bestimmenden Lichtverhältnisse und die meteorologische Sichtweite und Turbulenz der Atmosphäre festzustellen, von der die Transmission und Intensitätsfluktuation der Laserstrahlung vom Laser zur Zielperson abhängen. Das Vorliegen einer ungestörten und freien Sichtlinie bzw. von in der Sichtlinie befindlichen Blättern oder aber auch von Fensterglas, hinter dem die Zielperson steht, ist abzuschätzen.

Diese Parameter können entweder vom Schützen durch Beobachtung mit freiem Auge und durch die Zieleinrichtung hindurch geschätzt oder durch Meßgeräte gemessen werden. Die Zielentfernung kann z. B. durch einen Entfernungsmesser, die Sichtweite durch Kontrastmessungen als Funktion der Entfernung, die Lichtverhältnisse durch einen Belichtungsmesser bestimmt werden.

Es ist vorteilhaft, daß die zu erreichende intraokulare Exposition und der Laserstrahldurchmesser in der Zielentfernung vom Schützen festgelegt und dem Steuerrechner eingegeben werden. So kann die Stärke der Augenblendung und der Sicherheitsabstand der Laserenergie zu einer irreversiblen Augenschädigung situationsangepaßt gewählt werden. Weiterhin kann so z. B. erreicht werden, daß der Laserstrahl nur die Augen einer oder mehrerer ausgewählter Zielpersonen blendet, die in ihrer Umgebung stehenden Personen jedoch nicht geblendet werden. Ebenfalls kann so, insbesondere auch bei geringen Zielentfernungen, gewährleistet werden, daß beide Augen der Zielperson geblendet werden.

Diese vorgenannten Zielaufklärungswerte werden dem Steuerrechner - der beispielsweise ein "Newton-Notepad" sein kann - eingegeben. Dies erfolgt vorzugsweise automatisch, falls die Zielaufklärungswerte mit Meßgeräten ermittelt wurden, und durch den Schützen, falls es sich um seine Schätzwerte oder den gewünschten Laserstrahldurchmesser handelt. Der Steuerrechner berechnet daraus dann in bekannter Weise die zur Augenblendung erforderlichen Laserparameter und stellt und regelt diese, also die Strahldivergenz mittels der Sendeoptik, den Einzelpuls oder die Pulsfolge und die Pulsenergie des vom Schützen bei Bedarf abzufeuernden "Laserschusses" vorher automatisch ein.

Hierzu berechnet der Steuerrechner zunächst die aus den gemessenen Lichtverhältnissen zu erwartende Pupillenöffnung der Zielperson und bestimmt dann aus der zu erreichenden intraokularen Exposition und dem gewünschten Laserstrahldurchmesser am Ziel die dort zu erreichende Energiedichte für einen Einzelpuls des Lasers. Hierbei berücksichtigt er gegebenenfalls die vom Schützen eingegebenen Werte für die Lichtstärke des von der Zielperson benutzten Fernglases bzw. der Transmission von deren Sonnenbrille. Mit den Werten der Zielentfernung und der Sichtweite berechnet der Steuerrechner dann die Transmission der Ausbreitungsstrecke vom Laser zur Zielperson und daraus die abzustrahlende Energie des Laserimpulses. Falls diese höher als die maximale Einzelpulsenergie des Lasers ist, berechnet er die Anzahl der für den gewünschten Blendungseffekt erforderlichen Pulse und deren Pulsenergie, wobei er die bekannte Abhängigkeit der Schadensschwelle von der Impulsanzahl berücksichtigt. Falls die Pulsenergie nur in diskreten Schritten, z. B. durch Abschwächer, einstellbar ist, berechnet der Steuerrechner zur Feinabstimmung eine entsprechende Korrektur für die Strahldivergenz. Weiterhin berücksichtigt er, daß entsprechend der eingegebenen Turbulenzstärke im Ausbreitungsweg des Laserstrahls die erforderliche Pulsenergie abgesenkt werden muß, um trotz der turbulenzbedingten möglichen kurzzeitigen höheren Laserenergiedichte am Ziel den gewünschten Sicherheitsabstand der Laserenergie zu einer irreversiblen Augenschädigung einzuhalten.

Bei Verwendung eines Laserdioden-Arrays als Quelle berechnet der Steuerrechner in analoger Weise die für kontinuierliche Laser dieser Wellenlänge zu erreichende intraokulare Exposition sowie die übrigen beschriebenen relevanten Parameter und bestimmt daraus die abzustrahlende Laserleistung und die Bestrahlungsdauer. Hierbei berücksichtigt er wieder die bekannte Abhängigkeit der Schadensschwelle von der Wellenlänge, Leistung und Bestrahlungsdauer.

Die nutzbare Reichweite des vorbeschriebenen Systems hängt natürlich außer von den Laser-Parametern von der Meß- oder Schätzgenauigkeit der Zielaufklärung ab und liegt bei guten Sicht- und Meßbedingungen etwa bei < 1 km bei Tag und < 5 km bei Nacht.

Claims (14)

1. Waffensystem für einen Blendlaser mit gerichteter Laserstrahlung von geeigneter Wellenlänge, Intensität und Dauer zur Erzeugung von zeitlich begrenztem Sehverlust ohne dauerhafte Schädigung der Netzhaut, dadurch gekennzeichnet, daß ein im sichtbaren Bereich arbeitender Laser mit einstellbarer Strahldivergenz, abzustrahlender Energie und Bestrahlungsdauer in einem gewehrförmigen Träger mit Zieleinrichtung integriert ist und dem Laser eine tragbare Energieversorgung, ein Steuerrechner zur Eingabe von Zielaufklärungsparametern sowie Meßgeräte zur Bestimmung dieser Parameter bezüglich einer Zielperson und der Umwelt zugeordnet sind.

2. Waffensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Laser ein durch Blitzlampen gepumpter, im sichtbaren Bereich arbeitender Nd:YAG-Festkörper-Pulslaser mit einer Wellenlänge von 0,53 µm, einer Pulslänge von 10 ns, einer Pulsenergie von ≲ 50 mJ im Einzelpuls bzw. ≲ 0,5 mJ in der Pulsfolge bei 1 kHz und einem Laserstrahldurchmesser in Zielentfernung von ca. 20 cm verwendet wird.

3. Waffensystem nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Laser ein kontinuierlich strahlender Diodenlaser- Array verwendet wird.

4. Waffensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser auf mindestens eine weitere, von den gebräuchlichen Laserwellenlängen verschiedene Wellenlänge abgestimmt werden kann.

5. Waffensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Wahl des Lasermaterials, durch nachgeschaltete Ramanzellen oder OPO′s (optisch-parametrische Oszillatoren) und/oder durch weitere Mittel des Standes der Technik mindestens eine weitere Laserwellenlänge erzeugt werden kann.

6. Waffensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Zielaufklärungsparameter bezüglich der Zielperson deren Entfernung und gegebenenfalls die Lichtstärke bzw. Transmission eines von der Zielperson benutzten Fernglases bzw. eines Sonnenbrille, bezüglich der Umwelt die Ziel-Umgebungshelligkeit, die meteorologische Sichtweite und Turbulenz der Atmosphäre sowie gegebenenfalls die Art und Größe einer Sichtlinienstörung durch Hindernisse dem Steuerrechner eingegeben werden.

7. Waffensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Zieleinrichtung ein Zielfernrohr und/oder ein Nachtsichtgerät (Restlichtverstärker oder Wärmebildgerät) verwendet wird.

8. Waffensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßgeräte Entfernungsmesser und Belichtungsmesser verwendet werden.

9. Waffensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Zieleinrichtung und des Entfernungsmessers die Sichtweite durch Kontrastmessungen als Funktion der Entfernung vom Schützen ermittelt wird.

10. Waffensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zielaufklärungsparameter zumindest teilweise vom Schützen durch Beobachtung mit freiem Auge und durch die Zieleinrichtung hindurch geschätzt und dem Steuerrechner eingegeben werden.

11. Waffensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Meßgeräten ermittelten Zielaufklärungsparameter automatisch, die vom Schützen geschätzten Zielaufklärungsparameter vom Schützen dem Steuerrechner eingegeben werden.

12. Waffensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der gewünschte Laserstrahldurchmesser in der Zielentfernung vom Schützen dem Steuerrechner eingegeben wird.

13. Waffensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerrechner anhand der eingegebenen Zielaufklärungsparameter die zur Augenblendung erforderlichen Laserparameter berechnet und diese, also die Strahldivergenz, den Einzelpuls oder die Pulsfolge und die Pulsenergie und Pulsanzahl des Pulslasers bzw. die Laserleistung und Bestrahlungsdauer des kontinuierlichen Lasers automatisch voreinstellt und regelt.

14. Waffensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß dem gewehrförmigen Träger, der Energieversorgung, dem Steuerrechner und den Meßgeräten ein Stativ zugeordnet ist.