СКАНИРУЮЩАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Российский патент 2002 года по МПК G02B26/10 

Изобретение относится к сканирующим оптическим системам с преломляющими элементами и может быть использовано в лазерных медицинских аппаратах для абляции и коагуляции биотканей, в лазерных технологических установках для поверхностной обработки и клеймения изделий.

Известна сканирующая оптическая система, содержащая последовательно расположенные по ходу светового пучка два плоских зеркала, установленные с возможностью вращения, и фокусирующую линзу [1]. Недостатком указанной системы является сложная траектория движения светового пятна в области сканирования и неодинаковые условия облучения периферийных и центральных участков области сканирования.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой является сканирующая оптическая система, содержащая преломляющую призму, установленную с возможностью вращения относительно оси, параллельной ее преломляющим граням [2] . Недостатком указанной системы является виньетирование светового пучка на границах преломляющих граней призм и уменьшение облученности периферийных участков области сканирования по сравнению с центральными участками.

Задачей изобретения является обеспечение постоянства облученности в области сканирования и одновременно обеспечение высокой эффективности использования потока излучения для облучения области сканирования.

Технический результат достигается тем, что в сканирующую оптическую систему, содержащую последовательно расположенные по ходу светового пучка положительную линзу и прямоугольную призму, установленную с возможностью вращения относительно оси, параллельной ее преломляющим граням, дополнительно введены вторая прямоугольная призма, установленная с возможностью вращения относительно оси, параллельной ее преломляющим граням, и кадровое окно, размещенное за призмами перед фокальной плоскостью положительной линзы, при этом оси вращения призм взаимно перпендикулярны и перпендикулярны оси светового пучка, размер а преломляющих граней каждой из призм в плоскости, перпендикулярной ее оси вращения, выбирается из соотношений:

где d - диаметр светового пучка на входе в призму;
f - фокусное расстояние линзы;
n - показатель преломления материала призмы;
а размер с кадрового окна в плоскости, перпендикулярной оси вращения каждой призмы, выбирается в зависимости от величин d, n и а.

Постоянство облученности обеспечивается ограничением области сканирования с помощью кадрового окна, а высокая эффективность использования потока излучения для облучения области сканирования обеспечивается оптимальным выбором размеров преломляющих граней призм и размеров кадрового окна.

В частном случае у сканирующей оптической системы размер с кадрового окна в плоскости, перпендикулярной оси вращения каждой призмы, выбирается из соотношений:


d - диаметр светового пучка на входе в призму;
n - показатель преломления материала призмы;
a - размер преломляющих граней призмы в плоскости, перпендикулярной ее оси вращения.

Выбор размеров кадрового окна из указанных соотношений с достаточной для практических применений точностью обеспечивает максимальную эффективность использования потока излучения для облучения области сканирования.

В частном случае сканирующая оптическая дополнительно содержит две положительные линзы, первая из которых размещена вблизи кадрового окна, а вторая размещена за фокальной плоскостью первой на расстоянии, не превышающем фокусного расстояния.

Дополнительное введение двух положительных линз обеспечивает увеличение рабочего отрезка сканирующей оптической системы, то есть расстояния от ее последней поверхности до плоскости сканирования. Это дает дополнительные удобства при работе со сканирующей оптической системой.

В частном случае сканирующая оптическая система дополнительно содержит датчики угловых перемещений, связанные с приводами призм, и систему управления, в которую поступают сигналы от датчиков угловых перемещений и сигналы от которой поступают к источнику излучения и к приводам призм.

Дополнительное введение датчиков угловых перемещений и системы управления обеспечивает возможность управления сканированием. В частности, управляя включением и выключением лазера в процессе сканирования, в области сканирования можно формировать область облучения заданной формы и размера, например треугольник, круг, кольцо и т.п. Это увеличивает функциональные возможности сканирующей оптической системы.

На фиг.1 показана сканирующая оптическая система, поперечный разрез, на фиг. 2 показан ход главного луча, попадающего на край области сканирования, на фиг. 3 - вариант сканирующей оптической системы с увеличенным рабочим отрезком, на фиг.4 - вариант сканирующей оптической системы с системой управления сканированием.

Сканирующая оптическая система (см. фиг.1) содержит последовательно расположенные по ходу светового пучка, идущего от лазера 1, положительную линзу 2, прямоугольные призмы 3 и 4, каждая из которых установлена с возможностью вращения относительно оси, параллельной ее преломляющим граням, и кадровое окно 5, за которым вблизи фокальной плоскости линзы 2 расположена облучаемая поверхность 6. Оси вращения призм 3 и 4 взаимно перпендикулярны и перпендикулярны оси светового пучка.

Сканирующая оптическая система работает следующим образом. Световой пучок проходит через положительную линзу 2, призмы 3 и 4 и кадровое окно 5 и фокусируется на облучаемой поверхности 6. На каждой из призм 3 и 4 световой пучок смещается параллельно самому себе в плоскости, перпендикулярной оси вращения призмы. Величина смещения пропорциональна углу падения светового пучка на входную грань призмы. При вращении призм 3 и 4 световое пятно перемещается по облучаемой поверхности 6. Кадровое окно 5 препятствует облучению периферийных участков области сканирования, облучение которых не может быть обеспечено без виньетирования. Этим обеспечивается постоянство облученности в области сканирования. Размер преломляющих граней каждой из призм 3 и 4 в плоскости, перпендикулярной ее оси вращения, и размер кадрового окна 5 выбираются в зависимости от диаметра светового пучка и фокусного расстояния линзы. Этим обеспечивается высокая эффективность использования потока излучения для облучения области сканирования.

На фиг.2 показаны:
A₁B₁, A₂,B₂, A₁A₂, B₁B₂ - входная, выходная и боковые грани призмы;
O₃,C₃ - центр и край кадрового окна;
O₄, C₄ - центр и край области сканирования;
O₀O₁C₂C₃C₄ - ход осевого луча, идущего в край области сканирования;
O₁,H₂ - нормаль к A₁B₁ и A₂B₂.

Введем обозначения:
2•O₁A₁=d - диаметр светового пучка на входе в призму;
A₁B₁=A₂B₂=A₁A₁=B₁B₂=a - размер граней призмы;
n - показатель преломления материала призмы;
2•O₃C₃ - размер кадрового окна;
∠O₂O₁H₂ = ∠O₀A₁O₁ = α - угол падения осевого луча, идущего в край области сканирования;
∠C₂O₁H₂ = β - угол преломления осевого луча, идущего в край области сканирования.

Из фиг.2 имеем:



Соотношение (2) можно представить в виде:

Решением уравнения (4) является предел последовательности ε_i, определяемой следующими рекурентными соотношениями:

Ограничиваясь двумя первыми членами этой последовательности, что достаточно для всех практических применений, получим следующее выражение:

Соотношение (3) с учетом закона преломления можно представить в виде:

Из фиг, 2 с учетом того, что призмы создают смещение фокальной плоскости вдоль оптической оси, имеем соотношение:

С точностью, достаточной для практических применений, это соотношение можно представить в виде:

Как видно из фиг.2, при вращении призмы каждая преломляющая грань пересекает ось светового пучка при входе его в призму в пределах угла поворота призмы при этом световой пучок проходит через кадровое окно только в пределах угла поворота призмы ±ε. Для практических применений необходимо, чтобы коэффициент использования потока излучения для облучения области сканирования составлял, по крайней мере, не менее 0.5. Это требование эквивалентно следующему соотношению:

которое можно представить в виде:

С учетом соотношения (6) с точностью, достаточной для практических применений, соотношение (11) можно представить в виде:
4•d<a. (12)
Из соотношений (6), (7), (9), (12) определяются конструктивные параметры сканирующей оптической системы, обеспечивающие постоянство облученности в области сканирования и высокую эффективность использования потока излучения для облучения области сканирования.

Для практических применений обычно требуется обеспечение равномерного построчного сканирования с заданной линейной скоростью υ_p строчной развертки и заданным расстоянием σ между строками.

Для каждой из призм средняя линейная скоростью υ_c перемещения лазерного пятна в области сканирования связана с угловой скоростью ω вращения призмы следующим соотношением:

где с и α определяются из соотношений (6) и (7).

Мгновенная линейная скорость υ_м определяется выражением:

где ε - угол падения осевого луча, идущего в область сканирования.

В пределах мгновенная линейная скорость υ_м отличается от средней линейной скорости υ_c не более чем на 7%. Для большинства практических применений такие изменения мгновенной линейной скорости υ_м несущественны.

В сканирующей оптической системе равномерное построчное сканирование обеспечивается в двух случаях.

В первом случае угловая скорость вращения первой призмы много меньше угловой скорости вращения второй, то есть ω₁≪ω₂. Направление строчной развертки в этом случае перпендикулярно оси вращения второй призмы, а линейная скорость υ_p строчной развертки и расстояние σ между строками определяются соотношениями:

Во втором случае разность угловых скоростей призм много меньше угловой скорости вращения каждой из призм, то есть ω₂-ω₁≪ω₁. В этом случае направление строчной развертки составляет угол с осями вращения призм, а соответствующие соотношения принимают вид:

Диаметр δ светового пятна в фокальной плоскости линзы связан с угловой расходимостью θ пучка следующим соотношением:
δ = f•θ. (17)
Из соотношений (15) и (16) определяются угловые скорости вращения призм ω₁ и ω₂ по заданной линейной скорости υ_p строчной развертки и заданному расстоянию σ между строками, а из соотношения (17) определяется фокусное расстояние линзы по заданному диаметру δ светового пятна.

На фиг. 3 показан вариант сканирующей оптической системы с увеличенным рабочим отрезком, то есть с увеличенным расстоянием от последней поверхности системы до облучаемой поверхности. Кроме элементов, показанных на фиг.1, сканирующая оптическая система с увеличенным рабочим отрезком содержит (см. фиг. 3) две положительные линзы 7 и 8. Линза 7 размещена вблизи кадрового окна 5, а линза 8 - за фокальной плоскостью линзы 7 на расстоянии, не превышающем фокусного расстояния.

В сканирующей оптической системе с увеличенным рабочим отрезком фокальная плоскость положительной линзы 2, расположенная вблизи кадрового окна 5 и положительной линзы 7, проецируется положительной линзой 8 на облучаемую поверхность 6. Положительная линза 7 служит коллективом.

Положение положительной линзы 8 вдоль оптической оси определяет положение выходного зрачка сканирующей оптической системы. Можно отметить два крайних случая.

В первом случае задняя фокальная плоскость положительной линзы 7 расположена вблизи положительной линзы 8, и выходной зрачок системы находится вблизи положительной линзы 8. В этом случае обеспечивается минимальный световой диаметр положительной линзы 8.

Во втором случае задняя фокальная плоскость положительной линзы 7 совмещена с передней фокальной плоскостью положительной линзы 8, и выходной зрачок системы находится на бесконечности. В этом случае ось падающего на облучаемую поверхность светового пучка остается перпендикулярной облучаемой поверхности на всей области сканирования, тем самым наиболее точно обеспечиваются одинаковые условия облученности периферийных и центральных участков области сканирования.

На фиг.4 показан вариант сканирующей оптической системы с системой управления сканированием. Кроме элементов, показанных на фиг.1, сканирующая оптическая система с системой управления сканированием содержит (см. фиг.4) датчики угловых перемещений 7 и 8, связанные с приводами 10 и 11 призм 3 и 4 соответственно, и систему управления 9, в которую поступают сигналы от датчиков угловых перемещений 7 и 8 и сигналы от которой поступают к лазеру 1 и к приводам 10 и 11.

В сканирующей оптической системе с системой управления сканированием датчики угловых перемещений 7 и 8 вырабатывают опорные сигналы, связанные с угловым положением призм 3 и 4 и соответственно с положением лазерного пятна на облучаемой поверхности 6. Опорные сигналы поступают в систему управления 9, которая в соответствии с заданной программой в процессе сканирования вырабатывает сигналы, управляющие лазером 1, например сигналы включения и выключения излучения. Таким образом в области сканирования можно формировать область облучения заданной формы и размера, например треугольник, круг, кольцо и т.п.

В частности, можно сформировать область облучения прямоугольной формы с размерами, определяемыми соотношениями (6) и (7). В этом случае сканирующая оптическая система может быть выполнена без кадрового окна 5, так как фактически кадровое окно будет сформировано системой управления.

Система управления 9 может также вырабатывать сигналы, управляющие приводами 10 и 11 и обеспечивающими изменение угловых скоростей вращения призм 3 и 4 в процессе сканирования. Если изменение угловых скоростей вращения происходит в соответствии с соотношением (14), то мгновенная линейная скорость υ_м перемещения светового пятна поддерживается постоянной на всей области сканирования. При этом на всей области сканирования с высокой точностью обеспечивается постоянная линейная скорость υ_p строчной развертки и одинаковое расстояние σ между строками.

Например, если в приводе используется двигатель постоянного тока, то в качестве управляющего сигнала на обмотку двигателя вместе с постоянным напряжением можно подавать переменное напряжение. При этом переменное напряжение должно быть синхронизировано с вращением двигателя, а амплитуда и фаза его должны в максимальной степени обеспечивать изменение скорости вращения в соответствии с соотношением (14).

В сканирующей оптической системе с управляемой областью облучения приводы призм 3 и 4 могут быть связаны друг с другом, например, посредством редуктора. В этом случае можно использовать один датчик угловых перемещений.

Примером конкретного выполнения сканирующей оптической системы служит сканер для лазерного хирургического аппарата "Ланцет - 2".

Выходящий из манипулятора лазерный пучок имеет диаметр d=2.3 мм и угловую расходимость ω =0.0006 рад. Фокусное расстояние фокусирующей линзы выбиралось f= 80 мм. В качестве материала призм использовался селенид цинка, показатель преломления которого n=2.4. Соотношения (9), (12) при этом принимают вид 9.5 мм < а < 40 мм.

Разработаны два варианта сканирующей оптической системы. В первом варианте использованы призмы с размером граней a=15 мм, при этом размер c кадрового окна и угол ε, определяемые соотношениями (6) и (7), равны соответственно ε =0.65 рад и с=12 мм. Во втором варианте использованы призмы с размером граней а=10 мм и соответствующие значения составляют ε =0.55 рад и с=7 мм.

Важным практическим применением сканеров является лазерная абляция биотканей. В режиме лазерной абляции должны быть выполнены следующие соотношения [3]:

Отсюда с учетом соотношений (15) и (17) получаем соотношения для угловых скоростей ω₁ и ω₂(ω₁≪ω₂), обеспечивающие работу сканирующей оптической системы в режиме лазерной абляции:

Для вышеуказанных вариантов сканирующей оптической системы соответственно получаем:


Сканеры были использованы для лазерной поверхностной обработки различных материалов, в частности для тонкого послойного удаления живой ткани. Оба варианта показали высокое качество обработки поверхности в режиме абляции и хорошую равномерность облучения на всех участках области сканирования. Сканеры рекомендованы к применению в медицинской практике.

Источники информации
1. Патент США 5411502, кл. А 61 В 17/36.

2. Ю.Г. Кожевников. Оптические призмы. Проектирование, исследование, расчет. - М.: Машиностроение, 1984, стр. 40.

3. О. К. Скобелкин, В.И. Козлов, А.В. Гейниц, Н.А. Данилин, В.А. Дербенев. Применение лазерных хирургических аппаратов "Ланцет" в медицинской практике. (Пособие для врачей). М., 2000, стр. 16.

Сканирующая оптическая система содержит последовательно расположенные по ходу светового пучка положительную линзу и прямоугольную призму, установленную с возможностью вращения относительно оси, параллельной ее преломляющим граням. Дополнительно введены вторая прямоугольная призма, установленная с возможностью вращения относительно оси, параллельной ее преломляющим граням, и кадровое окно, размещенное за призмами перед фокальной плоскостью положительной линзы. Оси вращения призм взаимно перпендикулярны и перпендикулярны к оси светового пучка. Размер а преломляющих граней каждой из призм в плоскости, перпендикулярной к ее оси вращения, выбирается из соотношений: где d - диаметр светового пучка на входе в призму; f - фокусное расстояние линзы; n - показатель преломления призмы. Размер с кадрового окна в плоскости, перпендикулярной к оси вращения каждой призмы, выбирается в зависимости от величин d, n и а. Технический результат - обеспечение постоянства облученности в области сканирования и одновременно обеспечение высокой эффективности использования потока излучения для облучения области сканирования. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Сканирующая оптическая система, содержащая последовательно расположенные по ходу светового пучка положительную линзу и прямоугольную призму, установленную с возможностью вращения относительно оси, параллельной ее преломляющим граням, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены вторая прямоугольная призма, установленная с возможностью вращения относительно оси, параллельной ее преломляющим граням, и кадровое окно, размещенное за призмами перед фокальной плоскостью положительной линзы, при этом оси вращения призм взаимно перпендикулярны и перпендикулярны к оси светового пучка, размер а преломляющих граней каждой из призм в плоскости, перпендикулярной к ее оси вращения, выбирается из соотношений

где d - диаметр светового пучка на входе в призму;
f - фокусное расстояние линзы;
n - показатель преломления материала призмы,
а размер с кадрового окна в плоскости, перпендикулярной к оси вращения каждой призмы, выбирается в зависимости от величин d, n и а. 2. Сканирующая оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что размер с кадрового окна в плоскости, перпендикулярной к оси вращения каждой призмы, выбирается из соотношений

где
d - диаметр светового пучка на входе в призму;
n - показатель преломления материала призмы;
a - размер преломляющих граней призмы в плоскости, перпендикулярной к ее оси вращения. 3. Сканирующая оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит две положительные линзы, первая из которых размещена вблизи кадрового окна, а вторая размещена за фокальной плоскостью первой на расстоянии, не превышающем фокусного расстояния. 4. Сканирующая оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что, она дополнительно содержит датчики угловых перемещений, связанные с приводами призм, и систему управления, в которую поступают сигналы от датчиков угловых перемещений и сигналы от которой поступают к источнику излучения и к приводам призм.