WO2003009045A2 - Device for deflecting a laser beam - Google Patents

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    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements

Definitions

  • the invention relates to a device according to the preamble of the main claim, namely a device for deflecting a laser beam extending in the radiation direction by means of a deflection unit which, based on a neutral position, is rotatably mounted about a first axis and by means of an optical unit arranged downstream thereof and which is arranged around a second axis is rotatable, the laser beam being deflected by the deflection unit as a deflected laser beam by a first angle towards the optical unit and emerging behind the latter as a deflected laser beam from the device and wherein one leg of the first angle from the deflected laser beam and the other leg from a laser beam formed during the deflection in neutral position is formed as a neutral leg.
  • a device for deflecting a laser beam is known as a so-called orthogonal scanner with a plane mirror as a deflection unit and a further plane mirror as an optical unit.
  • the bisector of the first angle is perpendicular to the first axis.
  • This known device generally carries out two superimposed movements with both mirrors, namely a rapid back and forth movement about the first and a slow linear movement about the second axis.
  • a continuous movement pattern in the linear direction for example a sinusoidal movement.
  • Other motion sequences are difficult to generate and have the disadvantage that the positioning frequency is limited to a few kilohertz (kHz) due to the inertia of the deflection units.
  • the invention has for its object to develop an above-mentioned device according to the preamble of the main claim so that on the one hand faster positioning can be realized with closed movements.
  • the laser beam behind the first deflection unit is deflected by the first angle with respect to the first axis, so that the deflected beam falls on the optical unit which rotates about its own axis, as a result of which the laser beam acts as a cone jacket with a certain opening angle , which depends on the first angle, exits the device.
  • the opening angle of the emerging laser beam in the form of the cone shell during beam deflection can be enlarged or reduced by changing the angular position of the fixed deflection unit about its first axis.
  • closed curves can advantageously run through extremely quickly and thus high positioning frequencies can be achieved.
  • closed Movements e.g. B. circular tracks
  • the positioning frequency is only limited by the pulse rate of the light source for the laser beam.
  • circles, ellipses or spirals or other circle-like movements can be achieved in the simplest way. For example, if operations are carried out on the eye, a sequence of merging points along a closed curve at a distance of 5 ⁇ m, for example, takes about 5 minutes.
  • Figure 1 shows an embodiment of the invention in a schematic side view
  • Figure 2 shows a special embodiment of the optical unit
  • the device designated overall by 5 in FIG. 1 serves to deflect a laser beam 6, which strikes in the radiation direction 7 on a first deflection unit designed as a flat mirror 8, which in its angular position 8 ′ or 8 about a first axis 9 that can be rotated perpendicularly in the plane of the drawing '' is adjustable.
  • the laser beam 6 is directed from the first deflection unit 8 as a deflected beam 10, 10 ′, 10 ′′ to the optical unit designated as a whole by 11 by a first angle p with respect to the neutral position 8 shown in FIG Center of the optical unit 11 deflected.
  • This optical unit 11 is designed as an image or beam rotator. Its axis of rotation z - the second axis - typically coincides with the laser beam 10 deflected in the neutral position of the deflection unit 8.
  • the image or beam rotator 11 is driven to rotate about the axis 10 in a direction of rotation.
  • an image plane 12 when the deflection unit 8 is set in the position 8 ′ or 8 ′′, the first angle p results, which is represented as a beam 13 emerging from the device 5 along a cone shell, that is to say in the case of a cone with the opening angle p extends.
  • This image results in the image plane 12 a circle with a radius R and a point due to the first angle p, which is rotated by the angle ⁇ due to the optical unit 11.
  • FIG. 2 An example of an image or beam rotator 11 designed as a perchan prism is shown in FIG. 2 in a schematic cross section.
  • a perchan prism, designated as a whole by 22, is arranged as an optical unit 11 in a sleeve 21 supported by a ball bearing 20.
  • the outer bearing ring 24 of the ball bearing 20 is fixed to the device and has a motor 25 with a drive disk 26 which engages on a preferably arranged external ring gear 27 of the sleeve 21 and drives it in operation in a certain direction of rotation and at a predeterminable speed.
  • any other device that acts as an image or beam rotator can also be used.

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Abstract

The invention relates to a device for deflecting a laser beam, running in a beam direction, by means of a deflector unit, mounted such as to rotate from a neutral position about a first axis and an optical unit arranged after the above which may rotate about a second axis, the laser beam coming from the deflector unit as a deflected laser beam is deflected by a first angle to the optical unit and, subsequent to said unit, is then emitted from the device as a deflected laser beam, whereby the one side of the first angle is formed by the deflected laser beam and the other neutral side is formed by a laser beam produced in the neutral position on deflection. The optical unit is embodied as an image or beam rotor and the second axis thereof falls on the second side. Furthermore the optical unit which rotates in a rotating direction about the second axis is embodied such as to deflect the laser beam emitting along the surface of a cone with an opening angle related to the second axis, whereby the deflecting unit on the first axis may be exchanged in order to alter the scale of the deflection of the laser beam emitted from the device.

Description

Vorrichtung zur Ablenkung des Laserstrahls Device for deflecting the laser beam
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs, nämlich Vorrichtung zum Ablenken eines in Strahlungsrichtung verlaufenden Laserstrahls mittels einer Ablenkeinheit, die ausgehend von einer Neutrallage um eine erste Achse drehbar gelagert ist, und mittels einer dieser nachgeordneten optischen Einheit, die um eine zweite Achse drehbar ist, wobei der Laserstrahl von der Ablenkeinheit als abgelenkter Laserstrahl um einen ersten Winkel auf die optischene Einheit hin abgelenkt wird sowie hinter dieser als abgelenkter Lasestrahl aus der Vorrichtung austritt und wobei der eine Schenkel des ersten Winkels von dem abgelenkten Laserstrahl und der andere Schenkel von einem bei der Ablenkung in Neutrallage gebildeten Laserstrahl als neutraler Schenkel gebildet ist.The invention relates to a device according to the preamble of the main claim, namely a device for deflecting a laser beam extending in the radiation direction by means of a deflection unit which, based on a neutral position, is rotatably mounted about a first axis and by means of an optical unit arranged downstream thereof and which is arranged around a second axis is rotatable, the laser beam being deflected by the deflection unit as a deflected laser beam by a first angle towards the optical unit and emerging behind the latter as a deflected laser beam from the device and wherein one leg of the first angle from the deflected laser beam and the other leg from a laser beam formed during the deflection in neutral position is formed as a neutral leg.
Eine Vorrichtung zum Ablenken eines Laserstrahls sind als sogenannte orthogonale Scanner mit einem ebenen Spiegel als Ablenkeinheit und einem weiteren ebenen Spiegel als optische Einheit bekannt. Die Winkelhalbierende des ersten Winkels steht hierbei senkrecht auf der ersten Achse . Diese bekannte Vorrichtung führt mit beiden Spiegeln im allgemeinen zwei überlagerte Bewegungen, nämlich eine schnelle Hin- und Herbewegung um die erste und eine langsame Linearbewegung um die zweite Achse aus . Infolgedessen ergibt sich ein in Linearrichtung fortlaufendes Bewegungsmuster, zum Beispiel eine sinusförmige Bewegung. Andere Bewegungsabläufe sind schwer erzeugbar und mit dem Nachteil verbunden, daß die Positionierfrequenz auf einige wenige Kilohertz (kHz) beschränkt ist aufgrund der Trägheit der Ablenkeinheiten.A device for deflecting a laser beam is known as a so-called orthogonal scanner with a plane mirror as a deflection unit and a further plane mirror as an optical unit. The bisector of the first angle is perpendicular to the first axis. This known device generally carries out two superimposed movements with both mirrors, namely a rapid back and forth movement about the first and a slow linear movement about the second axis. As a result, there is a continuous movement pattern in the linear direction, for example a sinusoidal movement. Other motion sequences are difficult to generate and have the disadvantage that the positioning frequency is limited to a few kilohertz (kHz) due to the inertia of the deflection units.
Nachdem früher die Pulsfolge bei Lasern nach dem Stand der Technik vergleichsweise gering war, genügte zur Ablenkung der Folge von Laserimpulsen eine relativ langsame Ablenkvorrichtung, wie sie als Gattung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs angegeben ist . Dies hat sich mit den extrem schnell gepulsten Femto-Laserstrahlungsquellen geändert. Werden solche eingesetzt, so sind die Vorrichtungen zum Ablenken des Laserstrahls für manche Anwendungen zu langsam. Werden mittels Laser z.B. Operationen am Auge durchgeführt, so wird für eine Folge von Verschmelzpunkten einer "Naht" längs einer geschlossenen Kurve im Abstand von z.B. 5 μm etwa eine Stunde benötigt.Since the pulse sequence in the case of lasers according to the prior art was previously comparatively small, a relatively slow deflection device, as specified as a genus according to the preamble of the main claim, was sufficient to deflect the sequence of laser pulses. This has changed with the extremely fast pulsed femto laser radiation sources. If such are used, the devices for deflecting the laser beam are too slow for some applications. Are e.g. Operations on the eye are carried out for a sequence of fusion points of a "seam" along a closed curve at a distance of e.g. 5 μm takes about an hour.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs so weiterzubilden, daß zum einen schnellere Positionierungen bei geschlossenen Bewegungsabläufen realisiert werden können.The invention has for its object to develop an above-mentioned device according to the preamble of the main claim so that on the one hand faster positioning can be realized with closed movements.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs erfindungsgemäß durch dessen kennzeichnende Merkmale nämlich dadurch gelöst, daß die Ablenkeinheit im Betrieb feststehend angeordnet ist oder langsam um die erste Achse gedreht wird, daß die optische Einheit als Bild- oder Strahlrotator ausgebildet ist, daß dessen zweite Achse mit dem neutralen Schenkel zusammenfällt, daß die um die zweite Achse in einer Drehrichtung rotierende zweite Ablenkeinheit als den austretenden Laserstrahl längs eines Kegelmantels mit einem Öffungswinkel in Bezug auf die zweite Achse ablenkend ausgebildet ist und daß zwecks Änderung des Maßes der Ablenkung des aus der Vorrichtung austretenden Laserstrahls die Ablenkeinheit bezüglich der ersten Achse änderbar ist .This task is done with a generic Device according to the preamble of the main claim according to the invention solved by its characterizing features namely that the deflection unit is arranged to be stationary during operation or is slowly rotated about the first axis, that the optical unit is designed as an image or beam rotator, that its second axis with the Neutral leg coincides that the second deflecting unit rotating about the second axis in a direction of rotation is designed to deflect the emerging laser beam along a conical surface with an opening angle with respect to the second axis and that in order to change the degree of deflection of the laser beam emerging from the device Deflection unit is changeable with respect to the first axis.
Durch diese erfindungsgemäße Lösung wird der Laserstrahl hinter der ersten Ablenkeinheit, bezogen auf die erste Achse um den ersten Winkel abgelenkt, so daß der abgelenkte Strahl auf die optische Einheit fällt, die um ihre eigene Achse rotiert, wodurch der Laserstrahl als Kegelmantel mit einem bestimmten Öffnungswinkel, der von dem ersten Winkel abhängig ist, aus der Vorrichtung austritt. In überraschend einfacher Weise kann der Öffnungswinkel des austretenden Laserstrahls in Form des Kegelmantels bei der Strahlablenkung durch Veränderung der Winkellage der fest angeordneten Ablenkeinheit um deren erste Achse vergrößert oder verkleinert werden.With this solution according to the invention, the laser beam behind the first deflection unit is deflected by the first angle with respect to the first axis, so that the deflected beam falls on the optical unit which rotates about its own axis, as a result of which the laser beam acts as a cone jacket with a certain opening angle , which depends on the first angle, exits the device. In a surprisingly simple manner, the opening angle of the emerging laser beam in the form of the cone shell during beam deflection can be enlarged or reduced by changing the angular position of the fixed deflection unit about its first axis.
Mit Vorteil können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung geschlossene Kurven äußerst schnell durchlaufen und damit hohe Positionierfrequenzen erzielt werden. Bei solchen geschlossenen Bewegungsabläufen, z. B. kreisförmigen Bahnen ist die Positionierfrequenz nur durch die Pulsrate der Lichtquelle für den Laserstrahl begrenzt. Außerdem können Kreise, Ellipsen oder Spiralen oder andere kreisähnliche Bewegungsabläufe in einfachster Art und Weise erzielt werden. Werden z.B. Operationen am Auge durchgeführt, so wird für eine Folge von Verschmelzpunkten längs einer geschlossenen Kurve im Abstand von z.B. 5 μm etwa 5 Minuten benötigt.With the device according to the invention, closed curves can advantageously run through extremely quickly and thus high positioning frequencies can be achieved. In such closed Movements, e.g. B. circular tracks, the positioning frequency is only limited by the pulse rate of the light source for the laser beam. In addition, circles, ellipses or spirals or other circle-like movements can be achieved in the simplest way. For example, if operations are carried out on the eye, a sequence of merging points along a closed curve at a distance of 5 μm, for example, takes about 5 minutes.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet .Further expedient refinements and developments of the invention are characterized in the subclaims.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert . In dieser zeigt :An embodiment of the invention is explained below with reference to the drawing. In this shows:
Figur 1 eine Ausführungsform der Erfindung in schematischer Seitenansicht undFigure 1 shows an embodiment of the invention in a schematic side view
Figur 2 eine spezielle Ausführungsform der optischen EinheitFigure 2 shows a special embodiment of the optical unit
Die in Figur 1 insgesamt mit 5 bezeichnete Vorrichtung dient zum Ablenken eines Laserstrahls 6, der in Strahlungsrichtung 7 auf eine als ebener Spiegel 8 ausgebildete erste Ablenkeinheit auftrifft, der um eine senkrecht in der Zeichenebene drehbare erste Achse 9 in seiner Winkellage 8' bzw. 8'' einstellbar ist. Der Laserstrahl 6 wird von der ersten Ablenkeinheit 8 als abgelenkter Strahl 10, 10', 10'' zu der insgesamt mit 11 bezeichneten optischen Einheit um einen ersten Winkel p bezüglich der in Figur 1 gezeichneten Neutrallage 8 auf das Zentrum der optischen Einheit 11 abgelenkt.The device designated overall by 5 in FIG. 1 serves to deflect a laser beam 6, which strikes in the radiation direction 7 on a first deflection unit designed as a flat mirror 8, which in its angular position 8 ′ or 8 about a first axis 9 that can be rotated perpendicularly in the plane of the drawing '' is adjustable. The laser beam 6 is directed from the first deflection unit 8 as a deflected beam 10, 10 ′, 10 ″ to the optical unit designated as a whole by 11 by a first angle p with respect to the neutral position 8 shown in FIG Center of the optical unit 11 deflected.
Diese optische Einheit 11 ist als Bild- bzw. Strahlrotator ausgebildet. Dessen Rotationsachse z -die zweite Achse- fällt hierbei typischerweise mit dem in Neutrallage der Ablenkeinheit 8 abgelenkten Laserstrahl 10 zusammen. Der Bild- oder Strahlrotator 11 wird hierbei um die Achse 10 in einer Drehrichtung rotierend angetrieben. Dann ergibt sich in einer Bildebene 12 bei Anstellung der Ablenkeinheit 8 in der Stellung 8' oder 8' ' der erste Winkel p, der sich als aus der Vorrichtung 5 austretender Strahl 13 längs eines Kegelmantels darstellt, das heißt bei einem Kegel mit dem Öffnungswinkel p erstreckt . Diese Abbildung ergibt in der Bildebene 12 ein Kreis mit aufgrund des ersten Winkels p einem Radius R und einem Punkt, der infolge der optischen Einheit 11 um den Winkel φ verdreht ist.This optical unit 11 is designed as an image or beam rotator. Its axis of rotation z - the second axis - typically coincides with the laser beam 10 deflected in the neutral position of the deflection unit 8. The image or beam rotator 11 is driven to rotate about the axis 10 in a direction of rotation. Then, in an image plane 12, when the deflection unit 8 is set in the position 8 ′ or 8 ″, the first angle p results, which is represented as a beam 13 emerging from the device 5 along a cone shell, that is to say in the case of a cone with the opening angle p extends. This image results in the image plane 12 a circle with a radius R and a point due to the first angle p, which is rotated by the angle φ due to the optical unit 11.
Ein Beispiel eines als Perchan-Prismas ausgebildeten Bild- oder Strahlrotators 11 ist in Figur 2 im schematischen Querschnitt dargestellt. In einer mittels eines Kugellagers 20 gelagerten Hülse 21 ist ein insgesamt mit 22 bezeichnetes Perchan-Prisma als optische Einheit 11 angeordnet . Der äußere Lagerring 24 des Kugellagers 20 ist vorrichtungsfest gelagert und weist einen Motor 25 mit einer Antriebsscheibe 26 auf, die an einem vorzugsweise außen angeordneten Zahnkranz 27 der Hülse 21 angreift und diese im Betrieb in einer bestimmten Drehrichtung und mit einer vorgebbaren Drehzahl antreibt .An example of an image or beam rotator 11 designed as a perchan prism is shown in FIG. 2 in a schematic cross section. A perchan prism, designated as a whole by 22, is arranged as an optical unit 11 in a sleeve 21 supported by a ball bearing 20. The outer bearing ring 24 of the ball bearing 20 is fixed to the device and has a motor 25 with a drive disk 26 which engages on a preferably arranged external ring gear 27 of the sleeve 21 and drives it in operation in a certain direction of rotation and at a predeterminable speed.
Anstelle des Perchan-Prismas als optische Einheit 11 kann auch jede andere Vorrichtung eingesetzt werden, die als Bild- oder Strahlrotator wirkt. Instead of the perchan prism as the optical unit 11, any other device that acts as an image or beam rotator can also be used.

Claims

AN S P R U C H E EXPECTATIONS
1. Vorrichtung (5) zum Ablenken eines in Strahlungsrichtung (7) verlaufenden Laserstrahls (6) mittels einer Ablenkeinheit (8) , die ausgehend von einer Neutrallage (8, 10) um eine erste Achse (9) drehbar gelagert ist, und mittels einer dieser nachgeordneten optischen Einheit (11) , die um eine zweite Achse (z) drehbar ist, wobei der Laserstrahl (6) von der Ablenkeinheit (8) als abgelenkter Laserstrahl um einen ersten Winkel (σ) auf die optischene Einheit (11) hin abgelenkt wird sowie hinter dieser als abgelenkter Lasestrahl (13) aus der Vorrichtung (5) austritt und wobei der eine Schenkel des ersten Winkels (σ) von dem abgelenkten Laserstrahl (10', 10'') und der andere neutrale Schenkel (10) von einem bei der Ablenkung in Neutrallage gebildeten Laserstrahl (10) gebildet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die optische Einheit (11) als Bild- oder Strahlrotator ausgebildet ist, daß dessen zweite Achse (z) mit dem neutralen Schenkel (10) zusammenfällt, daß die um die zweite Achse (z) in einer Drehrichtung rotierende optische Einheit als den austretenden Laserstrahl (13) längs eines Kegelmantels mit einem Öffungswinkel (σ) in Bezug auf die zweite Achse (z) ablenkend ausgebildet ist und daß zwecks Änderung des Maßes der Ablenkung des aus der Vorrichtung (5) austretenden Laserstrahls (13) die Ablenkeinheit (8) bezüglich der ersten Achse (9) änderbar ist. 1. Device (5) for deflecting a laser beam (6) extending in the radiation direction (7) by means of a deflection unit (8), which is mounted rotatably about a first axis (9) starting from a neutral position (8, 10), and by means of a this downstream optical unit (11), which is rotatable about a second axis (z), the laser beam (6) being deflected by the deflection unit (8) as a deflected laser beam by a first angle (σ) towards the optical unit (11) is and behind it emerges as a deflected laser beam (13) from the device (5) and wherein one leg of the first angle (σ) from the deflected laser beam (10 ', 10'') and the other neutral leg (10) from one Laser beam (10) formed in the deflection in neutral position, characterized in that the optical unit (11) is designed as an image or beam rotator, that its second axis (z) coincides with the neutral leg (10), that around the second axis (z) in an optical unit rotating in a direction of rotation is designed to deflect the emerging laser beam (13) along a cone shell with an opening angle (σ) with respect to the second axis (z) and that in order to change the degree of deflection of the laser beam emerging from the device (5) (13) the deflection unit (8) can be changed with respect to the first axis (9).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinheit (8) reflektierend, zum Beispiel als Spiegel, abbildend, zum Beispiel als Linse und/oder beugend, zum Beispiel als Beugungsgitter ausgebildet ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the deflection unit (8) is reflective, for example as a mirror, imaging, for example as a lens and / or diffractive, for example as a diffraction grating.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinheit (8) als Prisma ausgebildet ist .3. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the deflection unit (8) is designed as a prism.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinheit (8) als Linse bzw. Linsensystem ausgebildet ist.4. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the deflection unit (8) is designed as a lens or lens system.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bild- oder Stahlrotator (11) als Perchan-Prisma ausgebildet ist.5. The device according to claim 1, characterized in that the image or steel rotator (11) is designed as a Perchan prism.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahlrotator (11) in einer Hülse (21) angeordnet und diese in einem Lager, insbesondere Kugel-, Luft-, Magnet- oder Gleitlager (20) drehbar gelagert ist.6. The device according to claim 1, characterized in that the steel rotator (11) arranged in a sleeve (21) and this is rotatably mounted in a bearing, in particular ball, air, magnetic or sliding bearing (20).
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Lagerring (24) des Lagers (20) vorrichtungsfest gelagert ist und einen Motor (25) mit einer Antriebsscheibe (26) aufweist. 7. The device according to claim 6, characterized in that the outer bearing ring (24) of the bearing (20) is fixed to the device and has a motor (25) with a drive pulley (26).
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Lagerring (24) des Lagers (20) einen außen angeordneten Zahnkranz 27 aufweist, an dem die Antriebsscheibe (26) angreift und mit einer bestimmten Drehrichtung und mit einer vorgebbaren Drehzahl antreibt . 8. The device according to claim 7, characterized in that the outer bearing ring (24) of the bearing (20) has an externally arranged ring gear 27 on which the drive disc (26) engages and drives with a certain direction of rotation and at a predetermined speed.
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