forschungsprogramm optische technologien - Baden-Württemberg ...

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Wissenschaft & Forschung
[2001]
Projekt:
Motivation und Ziel
Für die Inspektion kleiner Hohlräume stehen für die Medizin
und Technik heute eine Vielzahl von Endoskopen zur Verfügung.
Die kleinsten flexiblen Bildleiter erreichen Durchmesser von
unter 0,5 mm, Mini-Endoskope mit Arbeitskanal sind mit
Außendurchmessern von etwa 2 mm erhältlich. Die Arbeitskanäle
können Lichtleiter aufnehmen, so dass die Hohlräume
nicht nur betrachtet, sondern auch z.B. mit Laserstrahlung
bearbeitet werden können. Für die Zukunft ist davon auszugehen,
dass
Ausschreibung 2001: Design optischer Systeme
Mikrooptische scannende Laserstrahl-
Führungssysteme für endoluminale Anwendungen
Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik (ILM) an der Universität Ulm
a) die zu untersuchenden und zu bearbeiteten
Hohlräume immer kleiner werden und
b) eine zunehmende Automatisierung die visuelle
Inspektion zum Teil ablösen und daher eine vollständige
Bildaufnahme unnötig sein wird.
Um diesen zukünftigen Anforderungen gerecht zu werden, ist
es Ziel des Projekts, ein optisches System zu entwickeln, welches
das Vordringen in noch kleinere Dimesionen erlaubt und
die automatisierte Bearbeitung unterstützt.
Idee und Konzept
Die am ILM entwickelte Grundidee ist es, Hohlräume mit nur
einem einzelnen Lichtleiter variabel zu bestrahlen und/oder im
Hohlraum (re-) emittiertes Licht winkelaufgelöst zu detektieren.
Die Detektion des Lichts aus dem Hohlraum, z.B. Fluoreszenzstrahlung
oder rückgestreutes Licht, erlaubt eine richtungsselektive
Abrasterung des Hohlraums zur Diagnostik.
Abb. 1: Abstrahlungsmuster, die mit
zylinderförmigen Fasern erzeugt werden
können. Der Ringdurchmesser
steigt mit zunehmendem Einkoppelwinkel
an, dünnere Lichtleiter führen
zu schmaleren Ringen
(oben: = 500 µm Simulation,
unten: = 200 µm Messung).
Wenn diese zur Regelung der Bearbeitung bzw. Therapie als
Feedback genutzt werden kann, ist eine automatisierte
Behandlung ohne visuelle Kontrolle möglich. Durch die
Benutzung einer einzigen Faser für die Bestrahlung und die
Rückführung optischer Feedback-Signale sind prinzipiell sehr
kleine Baugrößen möglich. Die "Faser-Scanner" können sowohl
alternativ zu als auch in Verbindung mit Endoskopen zur flexiblen
Beleuchtung, Diagnostik oder Bearbeitung eingesetzt werden.
Forschung und Realisierung
Der gewählte optische Ansatz besteht darin, durch eine gezielte
Variation des Einkoppelwinkels in einen Lichtleiter eine
Variation des Auskoppelwinkels zu erreichen. Der gewünschte
auskoppelseitige Winkelbereich und die Auflösung werden
durch den Bereich und die Rasterung des Einkoppelwinkels
sowie durch das Lichtleiter-Design bestimmt. Um die Grundlage
für möglichst viele Anwendungen zu legen, wurden
zunächst alle relevanten Abhängigkeiten der Übertragung
quantifiziert. Neben Faktoren wie Länge, Querschnitt und
Material des Lichtleiters wurden auch spezielle Modifikationen
der Faserenden, wie Anschrägungen oder Taper untersucht.
Beispielhaft sind in Abb. 1 Beleuchtungsmuster von zylinderförmigen
Fasern zu sehen. Je nach Einkoppelwinkel kann die
Abstrahlung zwischen einem wenig divergenten axialen
Bündel bis zu ringförmigen Verteilungen variiert werden. Die
Abb. 2 zeigt die Konstruktion eines Scan-Handstücks für die
Zahnmedizin unter Verwendung einer Faser mit rechteckigem
Querschnitt. Die Strahlung eines Er:YAG-Lasers wird über eine