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WO2005003839A1 - Verfahren zur gerichteten bestrahlung und/oder zur richtungsaufgelösten detektion von strahlung - Google Patents

Verfahren zur gerichteten bestrahlung und/oder zur richtungsaufgelösten detektion von strahlung Download PDF

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Publication number
WO2005003839A1
WO2005003839A1 PCT/DE2004/001314 DE2004001314W WO2005003839A1 WO 2005003839 A1 WO2005003839 A1 WO 2005003839A1 DE 2004001314 W DE2004001314 W DE 2004001314W WO 2005003839 A1 WO2005003839 A1 WO 2005003839A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
radiation
light guide
face
light
angle
Prior art date
Application number
PCT/DE2004/001314
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Raimund Hibst
Karl Stock
Original Assignee
Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik an der Universität Ulm
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik an der Universität Ulm filed Critical Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik an der Universität Ulm
Priority to EP04738763A priority Critical patent/EP1636626A1/de
Publication of WO2005003839A1 publication Critical patent/WO2005003839A1/de

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/06—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor with illuminating arrangements
    • A61B1/0661—Endoscope light sources
    • A61B1/0669—Endoscope light sources at proximal end of an endoscope
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/06—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor with illuminating arrangements
    • A61B1/0627—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor with illuminating arrangements for variable illumination angles
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/06—Radiation therapy using light
    • A61N5/0601—Apparatus for use inside the body
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B23/00—Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices
    • G02B23/24—Instruments or systems for viewing the inside of hollow bodies, e.g. fibrescopes
    • G02B23/2407—Optical details
    • G02B23/2461—Illumination
    • G02B23/2469—Illumination using optical fibres

Definitions

  • the invention relates to a method for directed
  • Irradiation in particular of the wall surfaces of cavities and / or for directionally resolved detection of radiation emitted or reflected in particular from cavities, by means of a single light guide, in which for radiation the radiation lying in the visible or in the spectral region adjacent to it on both sides, preferably one, preferably one Laser, is coupled to one, front end face of the light guide.
  • the invention further relates to a device for carrying out the method.
  • Endoscopes are nowadays used for inspection of cavities both in various fields of application of technology and in particular in medicine. These can be constructed rigidly with rod lenses or consist of a flexible, ordered bundle of light guides.
  • the hollow space (for medical therapy or for material processing) can be irradiated under visual control by means of light guides introduced into the working channel of the endoscope.
  • To change the direction of radiation either the irradiation light guide is moved mechanically, e.g. by an Albaran, or miniaturized scanners are used at the fiber end.
  • the known instruments are complex, relatively expensive and, based on the microtechnology, large.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method of the type mentioned at the outset and an apparatus for carrying out the method, as a result of which smaller instruments are provided at the distal end (cavity side) without movable components, with which the cavities can nevertheless be irradiated in a directed manner. Furthermore, it should be achieved that not only the cavity can be irradiated via the same optical component, but also light, for example for feedback, but also for diagnostics, can be detected depending on the direction.
  • the advantage achieved by the invention consists essentially in the fact that no mechanical or similar devices are required at the end of the light guide inserted into the cavity in order to achieve an angle-dependent irradiation or also radiation detection.
  • the coupling angle does not have to be varied continuously, but can e.g. by means of a microprocessor-controlled operation of a deflection unit, also suddenly, in order to e.g. to achieve predefined spatial directions or to avoid angles with unwanted radiation.
  • the relationship between the angle of incidence during coupling (coupling angle alpha) and the radiation characteristic at the end of the light guide depends on the shape and length of the light guide and the diameter of the light bundle (relative to the light guide diameter), its divergence and the point of incidence on the entry surface.
  • the coupling angle and / or the beam aperture taking into account the The length of the light guide and the light-guiding core diameter are mode-selective.
  • the coupling angle is varied on one side only between axial radiation and the maximum possible coupling angle 1.
  • a maximum variation of the decoupling angle is achieved for a given angular range of the scanning mirror.
  • the invention makes use of the fact that the different modes of an optical fiber are used for variable, direction-dependent irradiation or detection.
  • Light guides whose core diameter is large compared to the wavelength, have different modes with different radiation characteristics.
  • the invention is based on the fact that by coupling at a variable angle to the optical axis different modes or a group of modes are used for a directionally variable radiation, or in
  • the direction of the irradiation is inferred.
  • a divergent light bundle is coupled axially into the light guide and the aperture is fully utilized as far as possible. Then only light is lost with angled coupling (alphaO), the directional distribution of the emitted light is initially not changed. However, if the aperture is not fully illuminated and the light guide is not so long or so curved that the modes mix completely, the emitted light does not fill the entire available angular range.
  • Axially coupled Shares emerge primarily axially; If it is slanted into the light guide, the emerging light describes a cone jacket, the opening angle beta of which depends on the coupling angle alpha and the thickness of which depends on the divergence during the coupling (delta alpha). The section through a surface perpendicular to the fiber axis is then a ring.
  • the divergence of the emerging light or the ring diameter can be varied at a certain distance.
  • the cone jacket is not filled evenly over its entire circumference. Instead of the ring, a projection is obtained in the projection, the orientation of which is determined by the plane of incidence of the coupling. The shorter the fiber, the more the sickle shrinks into one spot.
  • Cross-sectional shapes can be different Cross-sectional shapes (cylindrical, rectangular, polygonal, e.g. hexagonal or octagonal, layered), diameter (from a few 10 microns to several mm), lengths (mm to m) materials for core and shell (e.g. quartz, Glass, sapphire, zirconium fluoride, germanium oxide, plastic) and refractive index profiles (step or gradient index; various numerical apertures) can be particularly favorable.
  • core and shell e.g. quartz, Glass, sapphire, zirconium fluoride, germanium oxide, plastic
  • refractive index profiles step or gradient index; various numerical apertures
  • the object on which the invention is based is achieved by an arrangement with at least one radiation source, preferably a laser, and an optical waveguide, in which a deflection device is provided between the laser and the front end of the optical waveguide facing the radiation source Setting the entry angle of the radiation into the light guide allowed.
  • the light guide can advantageously be designed as a layer waveguide and / or at least end-tapped, with the core and / or the
  • Sheath of the light guide can be provided as quartz, glass, sapphire, zirconium fluoride, germanium oxide or plastic.
  • Deflection device is formed by a rotating mirror (scanning mirror) with an axis of rotation aligned perpendicular to the beam direction and lying in the mirror surface, and by a coupling unit consisting of an imaging element, by means of which the axis of rotation is imaged on the front end face of the light guide.
  • the imaging element can be a lens or preferably a spherical, parabolic or other shaped concave mirror.
  • a scanning lens is expediently connected upstream of the scanning mirror, the focal point of which coincides with the front focal point of the concave mirror.
  • the deflection unit can have a further scan mirror, the axis of rotation of which is oriented perpendicular to that of the first scan mirror and to the beam direction.
  • An alternative design is that the front face of the light guide is aligned obliquely to the longitudinal axis of the light guide. As a result, a non-symmetrical variation of the coupling angle can also be achieved with a colinear arrangement of coupling optics and light guides.
  • At least one optical deflection unit can be arranged directly in front of the end face of the light guide.
  • This optical deflection unit can be formed by an acousto-optical or an electro-optical modulator or a deflector by domain inversion.
  • a refractive or diffractive axicon between the radiation source and the light guide and behind that a focusing on the end face of the light guide Imaging system of variable focal length are arranged.
  • a cylindrically symmetrical radiation can be achieved.
  • the incident light is first split into a conical jacket by the Axicon and then focused by the lens on the entry surface of the light guide.
  • a further advantageous embodiment within the scope of the invention consists in that in order to achieve a uniform radiation direction at the end of the light guide on the hollow chamber side when using a plurality of radiation sources, their radiation is directed via beam splitters onto the optical axis of the coupling unit.
  • An essential advantage of the invention is that for the detection of radiation originating from the cavity, at least one radiation detector can take the place of the radiation source, ie a simple reversal of the effect can be used.
  • the radiation detector can be formed by an image recording camera for spatially resolved detection.
  • the radiation detector being formed by a simple radiation receiver (for example a photodiode or photomultiplier) and an imaging system of fixed or variable focal length focusing on the end face of the light guide.
  • an Axicon can be used in combination with a simple radiation receiver and a focusing one on the end face of the light guide
  • Imaging system of variable focal length can be provided.
  • a partially reflecting beam splitter can be provided directly at the front end of the light guide.
  • the radiation characteristic is that the end faces of the light guide are designed as normal plane faces perpendicular to the fiber axis or are provided with bevels, embossed zone plates, incorporated lenses, mirroring and / or combinations thereof.
  • FIG. 6 shows an angle-resolved detection by means of a camera, ring detector or line detector
  • FIG. 8 shows a representation of the angular translation with a taped light guide; left: beam simulated with optical ray tracing program, right-. Intensity distribution on the detector surface.
  • the arrangements shown in the drawing, in particular FIGS. 1 to 5, allow directed irradiation, for example, of the wall surfaces of cavities. In principle, with a corresponding reversal of the direction of irradiation, detection of radiation coming from the cavity is possible, as is indicated in FIG. 6.
  • FIG. 7 on the other hand, allow excitation and - at the same time - direction-resolved detection of the radiation emitted or reflected from cavities by means of a single light guide.
  • Radiation is provided by radiation from a light source 1, preferably a laser, which is in the visible or in the spectral region adjoining it on both sides and which is coupled onto the one front end face of the light guide 5.
  • the coupling takes place at a selectable and changeable angle to the light guide axis.
  • the radiation incident on the other, rear end face of the light guide 5 and emerging on the front end face can be detected in an angle-resolved manner.
  • a deflection device is provided between the laser 1 and the front end of the light guide 5 facing the radiation source, which allows the angle of entry of the radiation into the light guide 5 to be adjusted.
  • the deflection device initially has a rotating mirror 3 (scanning mirror) with an axis of rotation aligned perpendicular to the beam direction and lying in the mirror surface. It also includes one Coupling unit, by means of which the axis of rotation is imaged on the front end face of the light guide 5.
  • the coupling unit is designed as a spherical concave mirror 4; however, it can also be a differently shaped concave mirror 4, a lens or another imaging component.
  • the scanning mirror 3 is preceded by a focusing lens 2 whose focal point coincides with the front focal point of the concave mirror 4 for collimating the incident beam.
  • the light from the light source 1 is focused by the lens 2 via the movable mirror 3 into the focal point of the concave mirror 4 and from there onto the
  • the angle of incidence of the light on the fiber is varied by moving the scanning mirror 3. So that the impact point of the light beam does not shift when the scanning mirror 3 is rotated, the light beam is aligned with the axis of rotation of the scanning mirror 3 and this location is imaged on the end face of the light guide via the concave mirror (or an equivalent lens).
  • the radiation characteristic of the fiber then changes via the variation of the coupling angle.
  • the deflection unit can also have a further scan mirror 6, the axis of rotation of which is oriented perpendicular to that of the first scan mirror 3 and to the beam direction, as a result of which a 2-D scan is possible.
  • Fig. 3 describes that a coupling tilted by half the scan area can also be achieved in that the front end face of the light guide 5 is aligned obliquely to the longitudinal axis of the light guide.
  • a change in the coupling angle can also be achieved according to FIG. 4 in that at least one optical deflection unit is arranged directly in front of the end face of the light guide 5.
  • This optical deflection unit can be formed, for example, by an acousto-optical or an electro-optical modulator 7 or also by a deflector by domain inversion. Above all, this results in a very compact structure.
  • a refractive or diffractive axicon 8 can be provided between the radiation source and the light guide 5, behind which an imaging system of variable focal length focusing on the end face of the light guide 5 is arranged.
  • FIG. 6 shows in a more schematic representation that a radiation detector 10 can take the place of the radiation source 1, whereby an angle-dependent detection of the incoming radiation is possible.
  • the radiation detector can be formed, for example, by an image recording camera 10.
  • a deflection unit can again be provided for an angle-resolved detection, in which case the radiation detector can then be formed by a simple radiation receiver (for example a photodiode or photomultiplier).
  • a simple radiation receiver for example a photodiode or photomultiplier.
  • an imaging system of variable focal length focusing on the end face of the light guide 5 is to be provided.
  • an Axicon 8 in combination with a simple radiation receiver can also be used for the angularly resolved detection of a rotationally symmetrical radiation distribution.
  • An imaging system of variable focal length focusing on the end face of the light guide 5 must also be provided here.
  • beam splitters 11 are provided for separating irradiation light and light to be detected, which directs the radiation to be detected onto a detector 12.
  • a partially reflecting beam splitter 13 can be provided directly at the front end of the light guide 5 by means of a detector 14.
  • the end faces of the light guide 5 can be designed as normal plane faces perpendicular to the fiber axis or with bevels, embossed zone plates, incorporated lenses, reflectors and / or combinations thereof. In this way, an increase or decrease in the angle variation of the light during the radiation (angle beta) compared to the coupling (angle alpha), but also a deflection or focusing of the radiation can be achieved.
  • the light guides can also be specially shaped in another way, for example by asymmetrical cuts (as shown in FIG. 3b), with conically tapering or thickening ends (taper) and incorporated or attached refractive or diffractive elements.
  • Fig. 8 shows an example of a frusto-conical fiber piece with a beam path, which leads to a translation of the radiation angle beta compared to alpha.

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Abstract

Das erfindungsgemässe Verfahren dient zur gerichteten Bestrahlung insbesondere der Wandflächen von Hohlräumen und/oder zur richtungsaufgelösten Detektion von insbesondere aus Hohlräumen emittierter oder reflektierter Strahlung mittels eines einzelnen Lichtleiters.Zur Bestrahlung dient im sichtbaren oder im beidseits hieran angrenzenden spektralen Bereich liegende Strahlung wenigstens einer Lichtquelle, vorzugsweise eines Lasers, die an der einen,vorderen Stirnfläche des Lichtleiters (5) eingekoppelt wird. Die Einkopplung erfolgt unter einem wähl-und veränderbaren Winkel zur Lichtleiterachse. Zusätzlich oder alternativ kann die an der anderen, hinteren Stirnfläche des Lichtleiters einfallende und an der vorderen Stirnfläche austretende Strahlung winkelaufgelöst detektiert werden.

Description

Verfahren zur gerichteten Bestrahlung und/oder zur richtungsaufgelösten Detektion von Strahlung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gerichteten
Bestrahlung insbesondere der Wandflächen von Hohlräumen und/oder zur richtungsaufgelösten Detektion von insbesondere aus Hohlräumen emittierter oder reflektierter Strahlung mittels eines einzelnen Lichtleiters, bei welchem zur Bestrahlung die im sichtbaren oder im beidseits hieran angrenzenden spektralen Bereich liegende Strahlung wenigstens einer Lichtquelle, vorzugsweise eines Lasers, an der einen, vorderen Stirnfläche des Lichtleiters eingekoppelt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens .
Zur Inspektion von Hohlräumen werden sowohl in verschiedenen Anwendungsfeidern der Technik als auch insbesondere in der Medizin heutzutage Endoskope eingesetzt. Diese können starr mit Stablinsen aufgebaut sein oder aus einem flexiblen, geordneten Bündel von Lichtleitern bestehen. Durch in den Arbeitskanal des Endoskops eingebrachte Lichtleiter kann der Hohlraum (zur medizinischen Therapie bzw. zur Materialbearbeitung) unter Sichtkontrolle bestrahlt werden. Zur Veränderung der Abstrahlrichtung wird nach dem bekannten Stand der Technik entweder der Bestrahlungs-Lichtleiter mechanisch bewegt, z.B. durch einen Albaran, oder es werden miniaturisierte Scanner am Faserende eingesetzt . Die bekannten Instrumente sind jedoch aufwendig, verhältnismäßig teuer und, bezogen auf die Mikrotechnik, groß.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren anzugeben, wodurch kleinere Instrumente ohne bewegliche Bauteile am Distalende (hohlraumseitig) bereitgestellt werden, mit denen dennoch die Hohlräume gerichtet bestrahlt werden können. Weiter soll dadurch erreicht werden, daß über dasselbe optische Bauteil nicht nur der Hohlraum bestrahlt, sondern auch Licht, z.B. für eine Rückkopplung, aber auch zur Diagnostik, richtungsabhängig detektiert werden kann. Diese Aufgabe wird in verfahrensmäßiger Hinsicht nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Einkopplung unter einem wähl- und veränderbaren Winkel zur Lichtleiterachse erfolgt, und/oder daß die an der anderen, hinteren Stirnfläche des Lichtleiters einfallende und an der vorderen Stirnfläche austretende Strahlung winkelaufgelöst detektiert wird.
Der durch die Erfindung erreichte Vorteil besteht im wesentlichen darin, daß am in den Hohlraum eingeschobenen Ende des Lichtleiters keine mechanischen oder ähnlichen Einrichtungen benötigt werden, um eine winkelabhängige Einstrahlung oder auch Strahlungsdetektion zu erreichen. Die Variation des Einkoppelwinkels muss dabei nicht kontinuierlich erfolgen, sondern kann, z.B. durch einen mikroprozessorgesteuerten Betrieb einer Ablenkeinheit, auch sprunghaft erfolgen, um z.B. vordefinierte Raumrichtungen zu erreichen oder um Winkel mit unerwünschter Abstrahlung zu vermeiden. Der Zusammenhang zwischen dem Einfallswinkel bei der Einkopplung (Einkoppelwinkel alpha) und der Abstrahlcharakteristik am Lichtleiterende hängt von der Form und Länge des Lichtleiters sowie vom Durchmesser des Lichtbündels (relativ zum Lichtleiterdurchmesser) , seiner Divergenz und dem Aufpunkt auf der Eintrittsfläche ab.
Vorteilhaft ist hierbei, wenn die Einstrahlapertur und die Auftreffflache des Strahls auf der Stirnfläche des Lichtleiters einstellbar sind.
In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung empfiehlt es sich, daß der Einkoppelwinkel und/oder die Einstrahlapertur unter Berücksichtigung der Lichtleiterlänge und des lichtleitenden Kerndurchmessers entsprechend modenselektiv erfolgt.
Weiter ist es hierbei von Vorteil, wenn im Falle einer rotationssymmetrischen Abstrahlung der Einkoppelwinkel nur einseitig zwischen axialer Einstrahlung und maximal möglichem Einkoppelwinke1 variiert wird. Dadurch wird bei vorgegebenem Winkelbereich des Scanspiegels eine maximale Variation des Auskoppelwinkels erreicht .
Im Ergebnis macht sich die Erfindung zunutze, daß die verschiedenen Moden eines Lichtleiters für eine variable, richtungsabhängige Bestrahlung bzw. Detektion ausgenutzt werden. Lichtleiter, deren Kerndurchmesser groß gegenüber der Wellenlänge ist, haben verschiedene Moden mit unterschiedlicher Abstrahlcharakteristik. Die Erfindung stützt sich darauf, daß durch eine Einkopplung unter variablem Winkel zur optischen Achse unterschiedliche Moden oder eine Gruppe von Moden für eine richtungsvariable Bestrahlung genutzt werden, bzw. im
Falle der Detektion durch Selektion verschiedener Moden auf die Richtung der Einstrahlung geschlossen wird.
Im üblichen Fall wird mit einem divergenten Lichtbündel axial in den Lichtleiter eingekoppelt und dabei möglichst die Apertur voll ausgenutzt. Dann geht bei schräger Einkopplung (alphaO) nur Licht verloren, die Richtungsverteilung des abgestrahlten Lichts wird zunächst nicht verändert. Wird die Apertur jedoch nicht voll ausgeleuchtet und ist der Lichtleiter nicht so lang oder so stark gekrümmt, daß sich die Moden völlig durchmischen, füllt auch das abgestrahlte Licht nicht den ganzen zur Verfügung stehenden Winkelbereich aus . Axial eingekoppelte Anteile treten vornehmlich axial aus; wird schräg in den Lichtleiter eingekoppelt, beschreibt das austretende Licht einen Kegelmantel, dessen Öffnungswinkel beta vom Einkoppelwinkel alpha und dessen Dicke von der Divergenz bei der Einkopplung (delta alpha) abhängt. Der Schnitt durch eine Fläche senkrecht zur Faserachse ist dann ein Ring.
Durch Variation von alpha kann die Divergenz des austretenden Lichts bzw. der Ringdurchmesser in einem bestimmten Abstand variiert werden. Bei kürzeren Fasern wird der Kegelmantel nicht auf seinem gesamten Umfang gleichmäßig ausgefüllt. Man erhält dann in der Projektion statt des Rings eine Sichel, deren Orientierung durch die Einfallsebene der Einkopplung bestimmt wird. Je kürzer die Faser wird, umso mehr schrumpft die Sichel zu einem Fleck zusammen.
Eine noch ausgeprägtere Korrelation zwischen Einfallswinkel und Abstrahlrichtung lässt sich mit einem (kurzen) Schichtwellenleiter erreichen, in den ein Lichtbündel mit einem relativ zur Schichtdicke kleinen Durchmesser eingekoppelt wird. In den Fällen, in denen die Abstrahlung nicht zylindersymmetrisch ist, sondern noch von der Einkoppelrichtung abhängt, ist am Faserende ein zwei-dimensionales Scannen möglich. Die hierzu erforderliche Variation der Einkoppelrichtung lässt sich dadurch erreichen, daß der Einkoppelwinke1 in zwei zueinander senkrechten Richtungen verändert wird.
Je nach zu lösender Aufgabe (Größe des Hohlraums, Zugang, Symmetrie, ein- oder zwei-di ensionale Rasterung, erforderliche Auflösung etc.) können unterschiedliche Querschnittsformen (zylinderförmig, rechteckig, mehreckig, also z.B. 6- oder 8- eckig, schichtförmig) , Durchmesser (von einigen 10 Mikrometer bis zu mehreren mm) , Längen (mm bis m) Materialien für Kern und Mantel (z. B. Quarz, Glas, Saphir, Zirkoniumfluorid, Germaniumoxid, Kunststoff) und Brechungsindexprofile (Stufen- oder Gradientenindex; verschiedene Numerische Aperturen) besonders günstig sein.
In vorrichtungmäßiger Hinsicht wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch eine Anordnung mit wenigstens einer Strahlungsquelle, vorzugsweise einem Laser, sowie einem Lichtleiter, gelöst, bei welcher zwischen dem Laser und dem der Strahlungsquelle zugewandten, vorderen Ende des Lichtleiters eine Ablenkeinrichtung vorgesehen ist, die eine Einstellung des Eintrittswinkels der Strahlung in den Lichtleiter erlaubt.
Dabei kann der Lichtleiter vorteilhafterweise als Schichtwellenleiter ausgebildet und/oder wenigstens endseitig getapert ist, wobei für den Kern und/oder den
Mantel des Lichtleiters als Material Quarz, Glas, Saphir, Zirkoniumflourid, Germaniumoxid oder Kunststoff vorgesehen sein kann.
In bevorzugter Gestaltung ist hierbei die
Ablenkeinrichtung von einem Dreh-Spiegel (Scan-Spiegel) mit senkrecht zur Strahlrichtung ausgerichteter, in der Spiegeloberfläche liegender Drehachse sowie von einer aus einem Abbildungselement bestehenden Einkoppeleinheit gebildet, durch die eine Abbildung der Drehachse auf die vordere Stirnfläche des Lichtleiters erfolgt. Dabei kann das Abbildungselement eine Linse oder vorzugsweise ein sphärischer, parabolischer oder anders geformter Hohlspiegel sein.
Zweckmäßigerweise ist dabei dem Scan-Spiegel eine fokussierende Linse vorgeschaltet ist, deren Brennpunkt mit dem vorderen Brennpunkt des Hohlspiegels zusammenfällt .
Um eine zweidimensionale Variation des Einfallwinkels zu erreichen, kann die Ablenkeinheit einen weiteren Scan-Spiegel aufweisen, dessen Drehachse senkrecht zu der des ersten Scan-Spiegels sowie zur Strahlrichtung ausgerichtet ist.
Eine alternative Gestaltungsform besteht darin, daß die vordere Stirnfläche des Lichtleiters schräg zur Lichtleiter-Längsachse ausgerichtet ist. Dadurch läßt sich bei kolinearer Anordnung von Einkoppeloptik und Lichtleiter ebenfalls eine nicht symmetrische Variation des Einkoppelwinkels erreichen.
Alternativ zu mechanisch arbeitenden Ablenkeinrichtungen kann unmittelbar vor der Stirnfläche des Lichtleiters wenigstens eine optische Ablenkeinheit angeordnet sein. Diese optische Ablenkeinheit kann von einem akusto-optischen oder einem elektro-optischen Modulator oder einem Ablenker durch Domäneninversion gebildet sein.
Weiter besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, daß zwischen der Strahlungsquelle und dem Lichtleiter ein refraktives oder diffraktives Axicon und dahinter ein auf die Stirnfläche des Lichtleiters fokussierendes AbbildungsSystem von variabler Brennweite angeordnet sind. Hierdurch kann eine zylindersymmetrische Abstrahlung erreicht werden. Das einfallende Licht wird dazu zunächst durch das Axicon in einen Kegelmantel aufgespalten und anschließend durch die Linse auf die Eintrittsfläche des Lichtleiters fokussiert.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht im Rahmen der Erfindung darin, daß zur Erzielung einer einheitlichen Abstrahlrichtung am hohlkammerseitigen Ende des Lichtleiters bei Anwendung mehrerer Strahlungsquellen deren Strahlung über Strahlteiler auf die optische Achse der Einkoppeleinheit gelenkt wird.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass zur Detektion von aus dem Hohlraum stammender Strahlung an die Stelle der Strahlungsquelle - wenigstens - ein Strahlungsdetektor treten kann, also eine einfache Wirkungsumkehr ausgenutzt werden kann.
Hierbei kann zur ortsaufgelösten Detektion der Strahlungsdetektor von einer Bildaufnahmekamera gebildet sein.
Ebenso besteht jedoch auch die Möglichkeit, daß zur winkelaufgelδsten Detektion eine Ablenkeinheit vorgesehen ist, wobei der Strahlungsdetektor von einem einfachen Strahlungsempfänger (z.B. Photodiode oder Photomultiplier) gebildet und ein auf die Stirnfläche des Lichtleiters fokussierendes Abbildungssystem von fester oder variabler Brennweite vorgesehen ist. Auch kann wiederum in analoger Weise zur winkelaufgelösten Detektion einer rotationssymmetrischen
Strahlungsverteilung ein Axicon in Kombination mit einem einfachen Strahlungsempfänger eingesetzt werden und ein auf die Stirnfläche des Lichtleiters fokussierendes
Abbildungssystem von variabler Brennweite vorgesehen sein.
Schließlich besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit einer gleichzeitigen gerichteten Bestrahlung sowie einer richtungsaufgelösten Detektion von emittierter oder reflektierter Strahlung, indem die Trennung von Bestrahlungslicht und zu detektierendem Licht über Strahlteiler erfolgt.
Dabei kann darüberhinaus zur (zusätzlichen) Detektion des gesamten in den Lichtleiter eintretenden Lichtspektrums ein teilreflektierender Strahlteiler unmittelbar am vorderen Ende des Lichtleiters vorgesehen sein.
Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der
Abstrahlcharakteristik besteht darin, daß die Stirnflächen des Lichtleiters als übliche Planflächen senkrecht zur Faserachse ausgebildet oder mit Anschrägungen, aufgeprägten Zonenplatten, eingearbeiteten Linsen, Verspiegelungen und/oder Kombinationen hiervon versehen sind.
In folgenden wird die Erfindung an in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert; es zeigen: Fig. 1 eine Anordnung mit 1-D-Winkel-Variation über Scan-Spiegel,
Fig. 2 eine Anordnung mit 2 -D-Winkel-Variation über zwei Scan-Spiegel,
Fig. 3 oben: eine um den halben Scan-Bereich verkippte Einkopplung in den Lichtleiter, unten: eine durch Anschrägung des Lichtleiterendes gleichwirkende Einkopplung,
Fig. 4 eine Anordnung mit direkt auf das Lichtleiterende aufgesetzte Ablenkeinheit,
Fig. 5 eine zylindersymmetrische Einkopplung mittels Axicon und anschließender Fokussierung,
Fig. 6 eine winkelaufgelöste Detektion mittels Kamera, Ringdetektor oder Zeilendetektor,
Fig. 7 in der Teilfigur A eine winkelaufgelöste Anregung mit winkelaufgelöster Detektion, in der Teilfigur B eine winkelaufgelöste Anregung mit zusätzlicher integraler Detektion,
Fig. 8 eine Wiedergabe der Winkelübersetzung bei getapertem Lichtleiter; links: mit optischem Raytracing-Programm simulierter Strahl erlauf, rechts-. Intensitätsverteilung auf der Detektorfläche. Die in der Zeichnung insbesondere den Fig. 1 bis 5 dargestellten Anordnungen erlauben die gerichtete Bestrahlung beispielsweise der Wandflächen von Hohlräumen. Grundsätzlich ist bei entsprechender Umkehrung der Bestrahlungsrichtung eine Detektion von aus dem Hohlraum kommender Strahlung möglich, wie dies in Fig. 6 angedeutet ist. Die Anordnungen der Fig. 7 erlauben dagegen eine Anregung und - zeitgleiche - richtungsaufgelöste Detektion der aus Hohlräumen emittierten oder reflektierten Strahlung mittels eines einzelnen Lichtleiters.
Zur Bestrahlung dient eine im sichtbaren oder im beidseits hieran angrenzenden spektralen Bereich liegende Strahlung einer Lichtquelle 1, vorzugsweise eines Lasers, die an der einen, vorderen Stirnfläche des Lichtleiters 5 eingekoppelt wird. Die Einkopplung erfolgt unter einem wähl- und veränderbaren Winkel zur Lichtleiterachse.
In entsprechender Weise kann die an der anderen, hinteren Stirnfläche des Lichtleiters 5 einfallende und an der vorderen Stirnfläche austretende Strahlung winkelaufgelöst detektiert werden.
Zur Variation des Einstrahlwinkels ist zwischen dem Laser 1 und dem der Strahlungsquelle zugewandten, vorderen Ende des Lichtleiters 5 eine Ablenkeinrichtung vorgesehen, die eine Einstellung des Eintrittswinkels der Strahlung in den Lichtleiter 5 erlaubt.
Im einzelnen weist die Ablenkeinrichtung zunächst einen Dreh-Spiegel 3 (Scan-Spiegel) mit senkrecht zur Strahlriehtung ausgerichteter, in der Spiegeloberfläche liegender Drehachse auf. Weiter umfaßt sie eine Einkoppeleinheit, durch die eine Abbildung der Drehachse auf die vordere Stirnfläche des Lichtleiters 5 erfolgt.
In der Zeichnung ist die Einkoppeleinheit als sphärischer Hohlspiegel 4 ausgestaltet; es kann jedoch ebenso ein anders geformter Hohlspiegel 4, eine Linse oder ein anderes abbildendes Bauelement sein.
Wie sich insbesondere aus der Fig. 1 ersehen läßt, ist dem Scan-Spiegel 3 eine fokussierende Linse 2 vorgeschaltet, deren Brennpunkt zur Kollimierung des einfallenden Strahls mit dem vorderen Brennpunkt des Hohlspiegels 4 zusammenfällt. Das Licht der Lichtquelle 1 wird durch die Linse 2 über den beweglichen Spiegel 3 in den Brennpunkt des Hohlspiegels 4 fokussiert und von diesem auf die
Eintrittsfläche des Lichtleiters 5 gerichtet. Durch eine Bewegung des Scan-Spiegels 3 wird der Einfallswinkel des Lichts auf die Faser variiert. Damit der Auftreffort des Lichtstrahls sich bei der Drehung des Scan-Spiegels 3 nicht verschiebt, wird der Lichtstrahl auf die Drehachse des Scan-Spiegels 3 ausgerichtet und dieser Ort über den Konkav-Spiegel (oder eine äquivalente Linse) auf die Endfläche des Lichtleiters abgebildet. Über die Variation des Einkoppelwinkels verändert sich dann die Abstrahlcharakteristik der Faser.
Gemäß der Darstellung in Fig. 2 kann die Ablenkeinheit noch einen weiteren Scan-Spiegel 6 aufweisen, dessen Drehachse senkrecht zu der des ersten Scan-Spiegels 3 sowie zur Strahlrichtung ausgerichtet ist, wodurch ein 2-D-Scan möglich ist. Die Fig. 3 beschreibt, daß eine um den halben Scan-Bereich verkippte Einkopplung auch dadurch erreicht werden kann, daß die vordere Stirnfläche des Lichtleiters 5 schräg zur Lichtleiter-Längsachse ausgerichtet ist.
Eine Veränderung des Einkoppelwinkels kann entsprechend der Fig. 4 auch dadurch erreicht werden, daß unmittelbar vor der Stirnfläche des Lichtleiters 5 wenigstens eine optische Ablenkeinheit angeordnet ist. Diese optische Ablenkeinheit kann beispielsweise von einem akusto-optischen oder einem elektro-optischen Modulator 7 oder auch von einem Ablenker durch Domäneninversion gebildet sein. Dies ergibt vor allem auch einen sehr kompakten Aufbau.
Wie sich aus der Fig. 5 ergibt, kann zwischen der Strahlungsquelle und dem Lichtleiter 5 ein refraktives oder diffraktives Axicon 8 vorgesehen sein, wobei dahinter ein auf die Stirnfläche des Lichtleiters 5 fokussierendes Abbildungssystem von variabler Brennweite angeordnet ist.
In Fig. 6 ist in mehr schematischer Darstellung gezeigt, daß an die Stelle der Strahlungsquelle 1 ein Strahlungsdetektor 10 treten kann, wodurch eine winkelabhängige Detektion der eintreffenden Strahlung möglich ist.
Zur ortsaufgelösten Detektion kann der Strahlungsdetektor beispielsweise von einer Bildaufnahmekamera 10 gebildet sein. Für eine winkelaufgelöste Detektion kann wiederum eine Ablenkeinheit vorgesehen sein, wobei dann der Strahlungsdetektor von einem einfachen Strahlungsempfänger (z.B. Photodiode oder Photomultiplier) gebildet sein kann. Zusätzlich ist ein auf die Stirnfläche des Lichtleiters 5 fokussierendes Ab ildüngsSystem von variabler Brennweite vorzusehen.
Es kann jedoch in Analogie zur Fig. 5 zur winkelaufgelösten Detektion einer rotationssymmetrischen Strahlungsverteilung auch ein Axicon 8 in Kombination mit einem einfachen Strahlungsempfänger eingesetzt werden. Auch hierbei ist dann ein auf die Stirnfläche des Lichtleiters 5 fokussierendes Abbildungssystem von variabler Brennweite vorzusehen.
Um bei einer Anordnung gemäß Fig. 7 sowohl eine gerichtete Bestrahlung vorzunehmen wie auch richtungsaufgelöst emittierte oder reflektierte Strahlung zu detektieren, sind zur Trennung von Bestrahlungslicht und zu detektierendem Licht Strahlteiler 11 vorgesehen, der die zu erfassende Strahlung auf einen Detektor 12 lenkt . Dabei kann zur (zusätzlichen) Detektion des gesamten in den Lichtleiter 5 eintretenden LichtSpektrums mittels eines Detektors 14 ein teilreflektierender Strahlteiler 13 unmittelbar am vorderen Ende des Lichtleiters 5 vorgesehen sein.
Schließlich können in in der Zeichnung nicht im einzelnen dargestellter Weise die Stirnflächen des Lichtleiters 5 als übliche Planflächen senkrecht zur Faserachse ausgebildet oder mit Anschrägungen, aufgeprägten Zonenplatten, eingearbeiteten Linsen, Verspiegelungen und/oder Kombinationen hiervon versehen sein. Hierdurch läßt sich eine Vergrößerung oder Verkleinerung der Winkelvariation des Lichts bei der Abstrahlung (Winkel beta) gegenüber der Einkopplung (Winkel alpha) , aber auch eine Umlenkung oder Fokussierung der Strahlung erreichen. Die Lichtleiter können am proximalen und/oder distalen Ende auch in anderer Weise speziell ausgeformt sein, z.B. durch asymmetrische Anschliffe (wie in Fig. 3b gezeigt) , mit kegelförmig sich verjüngenden oder verdickenden Enden (Taper) und eingearbeiteten oder aufgesetzten refraktiven oder diffraktiven Elementen. Fig. 8 zeigt als Beispiel ein kegelstumpf-förmiges Faserstück mit Strahlverlauf, welches zu einer Übersetzung des Abstrahlwinkels beta gegenüber alpha führt .

Claims

Patentansprüche :
1. Verf hren zur gerichteten Bestrahlung insbesondere der Wandflächen von Hohlräumen und/oder zur richtungsaufgelδsten Detektion von insbesondere aus Hohlräumen emittierter oder reflektierter Strahlung mittels eines einzelnen Lichtleiters, bei welchem zur Bestrahlung die im sichtbaren oder im beidseits hieran angrenzenden spektralen Bereich liegende Strahlung wenigstens einer Lichtquelle, vorzugsweise eines Lasers, an der einen, vorderen Stirnfläche des Lichtleiters 5 eingekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkopplung unter einem wähl- und veränderbaren Winkel zur Lichtleiterachse erfolgt, und/oder daß die an der anderen, hinteren Stirnfläche des Lichtleiters einfallende und an der vorderen Stirnfläche austretende Strahlung winkelaufgelöst detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstrahlapertur und die Auftrefffläche des Strahls auf der Stirnfläche des Lichtleiters einstellbar sind.
3. Verf hren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß der Einkoppelwinkel und/oder die Einstrahlapertur unter Berücksichtigung der Lichtleiterlänge und des lichtleitenden Kerndurchmessers entsprechend modenselektiv erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer rotationssymmetrischen Abstrahlung der Einkoppelwinkel nur zwischen axialer Einstrahlung und maximal möglichem Einkoppelwinkel variiert wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung einer gerichteten Bestrahlung gemäß dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, mit wenigstens einer Strahlungsquelle 1, vorzugsweise einem Laser, sowie einem Lichtleiter 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Laser 1 und dem der Strahlungsquelle 5 zugewandten, vorderen Ende des Lichtleiters 5 eine Ablenkeinrichtung vorgesehen ist, die eine Einstellung des Eintrittswinkels der Strahlung in den Lichtleiter 5 erlaubt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter 5 als Schichtwellenleiter ausgebildet und/oder wenigstens endseitig getapert ist, wobei für den Kern und/oder den Mantel des Lichtleiters 5 als Material Quarz, Glas, Saphir, Zirkoniumflourid, Germaniumoxid oder Kunststoff vorgesehen ist .
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtung insbesondere von einem Dreh-Spiegel 3 mit senkrecht zur Strahlrichtung ausgerichteter, in der Spiegeloberfläche liegender Drehachse sowie von einer aus einem Abbildungselement bestehenden Einkoppeleinheit gebildet ist, durch die eine Abbildung der Drehachse auf die vordere Stirnfläche des Lichtleiters 5 erfolgt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbildungselement eine Linse oder vorzugsweise ein sphärischer, parabolischer oder anders geformter Hohlspiegel 4 ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8 , dadurch gekennzeichnet, daß dem Dreh-Spiegel 3 eine fokussierende Linse 2 vorgeschaltet ist, deren Brennpunkt mit dem vorderen Brennpunkt des Hohlspiegels 4 zusammenfällt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinheit einen weiteren Dreh-Spiegel 6 aufweist, dessen Drehachse senkrecht zu der des ersten Dreh-Spiegels 3 sowie zur Strahlrichtung ausgerichtet ist .
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor der Stirnfläche des Lichtleiters 5 wenigstens eine optische Ablenkeinheit angeordnet ist .
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Ablenkeinheit von einem akusto-optischen oder einem elektro-optischen Modulator 7 oder einem Ablenker durch Domäneninversion gebildet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Strahlungsquelle 1 und dem Lichtleiter 5 ein refraktives oder diffraktives Axicon 8 und dahinter ein auf die Stirnfläche des Lichtleiters 5 fokussierendes Abbildungssystem 9 von variabler Brennweite angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer einheitlichen Abstrahlrichtung am hohlkammerseitigen Ende des Lichtleiters 5 bei Anwendung mehrerer Strahlungsquellen deren Strahlung über Strahlteiler auf die optische Achse der Einkoppeleinheit gelenkt wird.
15. Vorrichtung zur Detektion von Strahlung gemäß dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4 sowie dem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an die Stelle der Strahlungsquelle 1 wenigstens ein Strahlungsdetektor tritt .
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur ortsaufgelösten Detektion der Strahlungsdetektor 12 von einer Bildaufnahmekamera 10 gebildet ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur winkelaufgelösten Detektion eine Ablenkeinheit vorgesehen ist, wobei der Strahlungsdetektor 12 von einem einfachen Strahlungsempfänger (z.B. Photodiode oder Photomultiplier) gebildet und ein auf die Stirnfläche des Lichtleiters 5 fokussierendes AbbildungsSystem von fester oder variabler Brennweite vorgesehen ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur winkelaufgelösten Detektion einer rotationssymmetrischen Strahlungsverteilung ein Axicon 8 in Kombination mit einem einfachen Strahlungsempfänger eingesetzt wird und ein auf die Stirnfläche des Lichtleiters 5 fokussierendes Abbildungssystem von variabler Brennweite vorgesehen ist .
19. Vorrichtung nach mehreren der Ansprüche 5 bis 18, zur gerichteten Bestrahlung sowie zur richtungsaufgelösten Detektion von emittierter oder reflektierter Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung von Bestrahlungslicht und zu detektierendem Licht über Strahlteiler 11 erfolgt.
20. Vorrichtung nach mehreren der Ansprüche 5 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur (zusätzlichen) Detektion des gesamten in den Lichtleiter 5 eintretenden Lichtspektrums ein teilreflektierender Strahlteiler 13 unmittelbar am vorderen Ende des Lichtleiters 5 vorgesehen ist.
21. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen des Lichtleiters 5 als übliche Planflächen senkrecht zur Faserachse ausgebildet oder mit Anschrägungen, aufgeprägten Zonenplatten, eingearbeiteten Linsen, Verspiegelungen und/oder Kombinationen hiervon versehen sind.
2. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere Stirnfläche des Lichtleiters 5 schräg zur Lichtleiter-Längsachse ausgerichtet ist.
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