ЛАЗЕРНЫЙ ЗОНД С ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ОРИЕНТИРУЕМЫМ ПУЧКОМ СВЕТА
LASER PROBE WITH ELECTRICALLY ORIENTED LIGHT BEAM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к лазерным зондам в целом и в частности к лазерному зонду с электрически ориентируемым пучком света.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Лазерные зонды имеют один или несколько оптических волокон, которые испускают пучки света. Лазерные зонды обычно используют механические принципы ориентирования испускаемых пучков света. Например, оптическое волокно может быть помещено в трубку, которая может быть согнута или выпрямлена для испускания пучка света в определенном направлении. В другом примере вращаемые двигателями призмы могут ориентировать проходящие через призмы пучки света. В качестве еще одного примера лазерный зонд может иметь различные оптические волокна, которые направляют пучок света в разных направлениях, и пучок света фокусируется на конкретном волокне для направления пучка в определенном направлении. Известные лазерные зонды, однако, могут в определенных ситуациях не обладать возможностью удовлетворительным образом ориентировать испускаемые пучки света.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Некоторые варианты осуществления относятся к лазерному зонду, который электрически ориентирует испускаемый пучок света. Лазерный зонд может включать в себя корпус, оптический волновод и ячейку ориентирования пучка. Корпус имеет трубчатую форму, образующую ограничивающую внутреннюю область. Оптический волновод расположен в пределах внутренней области и сконфигурирован так, чтобы испускать пучок света, распространяющийся в первом направлении. Ячейка ориентирования пучка расположена внутри корпуса и содержит электрооптический (ЕО) материал. Ячейка ориентирования пучка выполнена с возможностью приема одного или более напряжений и электрического ориентирования пучка света в EO материале во втором направлении. Лазерный зонд может быть направленным лазерным зондом или многоточечным лазерным зондом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Примерные варианты осуществления настоящего изобретения описаны с помощью примера, подробно рассмотренного со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 иллюстрирует пример системы, которая может электрически управлять светом в лазерном зонде в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
Фиг. 2А и 2В иллюстрируют пример электрооптического (ЕО) материала, который может быть использован в системе, которая электрически управляет светом в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
Фиг. 3 и 4 иллюстрируют другой пример системы, которая может электрически управлять светом в лазерном зонде согласно некоторым вариантам осуществления изобретения:
Фиг.5А-5D иллюстрируют пример напряжений, приложенных к ячейке ориентации пучка в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
Фиг.6 иллюстрирует пример системы, которая может электрически управлять светом в двух измерениях в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения, и
Фиг.7 иллюстрирует пример распределения углов расходимости, которое может быть использовано для получения распределения испускаемого света в соответствии с определенными вариантами осуществления изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее подробно показаны примерные варианты осуществления раскрываемых устройств, систем и способов со ссылками на описание и чертежи. Описание и чертежи не предусматривают того, чтобы быть исчерпывающими или иначе ограничивать формулу изобретения конкретными вариантами осуществления, показанными на чертежах и раскрытыми в описании. Хотя чертежи представляют возможные варианты осуществления, чертежи не обязательно выполнены в масштабе и некоторые особенности могут быть преувеличены, удалены или частично разделены, чтобы лучше проиллюстрировать варианты осуществления изобретения.
Фиг.1 иллюстрирует пример системы 10, которая может электрически направлять пучок света в лазерном зонде в соответствии с некоторыми вариантами осуществления. В определенных вариантах система 10 может быть помещена в человеческое (или другое живое или бывшее живым) тело для медицинских целей, например для глазной хирургии. Например, система 10 может быть хирургическим инструментом с внутренней подсветкой для проецирования света внутрь глазного яблока.
В показанном примере система 10 включает в себя канюлю 20 (или другой корпус), внутренний цилиндр 24, расположенный внутри канюли 20, втулку 26, расположенную во внутреннем цилиндре 24, и оптическое волокно 28 (или другой оптический волновод) расположен внутри втулки 26. Электроды 30 (30a-b) расположены в стенках внутреннего цилиндра 24. Оптическое волокно 28 испускает пучок 32. Объектив 34 и ячейка 40 ориентации пучка расположены в пределах внутреннего цилиндра 24 в направлении пучка 32. Ячейка 40 ориентации пучка содержит в направлении пучка 32 крышку 42, электродный слой 44а, электрооптический (ЕО) элемент 46, призму 48 и электродный слой 44b. В примере функционирования оптическое волокно 28 испускает пучок света в первом направлении. Ячейка 40 ориентации пучка получает одно или несколько напряжений и пучок света и электрически ориентирует пучок света, направляя его во второе направление.
Корпус (например, канюля 20) может иметь любую подходящую форму и размер. Корпус может иметь трубчатую (или цилиндрическую) форму с осью цилиндра 22 и с любыми подходящими длиной и диаметром, например длиной в диапазоне от одного до двух дюймов, наружным диаметром (OD) в диапазоне от 0,05 до 0,02 дюйма и внутренним диаметром (ID) в диапазоне от 0,04 до 0,01 дюйма (но, конечно, может быть больше или меньше). Для канюли размер может зависеть от калибра (ga) канюли. Например, 20 ga канюля может быть приблизительно 0,0365 дюйма по ID и 0,031 дюйма по ID; 23ga канюли могут быть приблизительно 0,0255" по OD и 0,021 дюйма по ID, и 25 ga канюли могут быть приблизительно 0,0205" по OD и 0,0156 дюйма по ID. Данное раскрытие предполагает и меньшие канюли (большего калибра).
В некоторых вариантах осуществления корпус может иметь внутреннюю поверхность, которая ограничивает внутреннюю область 50. Поверхность корпуса может определять по меньшей мере одно отверстие, например, открытый дальний конец 52, а также может определять другое отверстие, такое как открытый ближний конец. Корпус может быть из любого подходящего материала, например металла, такого как нержавеющая сталь. В определенных вариантах осуществления корпусом может быть канюля 20, которая может быть вставлена в объект для медицинских целей, например для глазной хирургии.
Внутренний цилиндр 24, расположенный внутри канюли 20, может далее ограничивать внутреннюю область 50. В некоторых вариантах осуществления внутренний цилиндр 24 электрически изолирует внутреннюю область 50 от внешней по отношению к внутреннему цилиндру 24. Внутренний цилиндр 24 может быть из любого подходящего материала, например керамики. Втулка 26, расположенная во внутреннем цилиндре 24, поддерживает и удерживает оптический волновод (например, оптическое волокно 28) в положении для направления пучка 32 к линзе 34.
Оптическое волокно 28 является прозрачным волокном, которое действует в качестве волновода для передачи света от лазерного источника, чтобы сформировать пучок 32 света. Пучок 32 света может быть передан в первом направлении, которое может в основном совпадать с цилиндрической осью 22 канюли 20. Объектив 34 получает и коллимирует пучок 32 света. Объективом 34 может быть любая линза, подходящая для коллимации пучка света, такая как линза с градиентом показателя преломления (GRIN).
Ячейка 40 ориентирования пучка электрически ориентирует пучок 32 света от первого направления во второе направление, отличающееся от первого направления. В некоторых вариантах осуществления ячейка 40 ориентирования пучка может получать один или более уровней напряжения и электрически ориентировать пучок света посредством ЕО материала 46 в ответ на уровни напряжения. Пучок может быть ориентирован на угол θ по отношению к цилиндрической оси 22 канюли 20. Угол отклонения θ иметь любое подходящее значение, например значение в диапазоне от 0 до 90 градусов.
Крышка 42 ячейки 40 ориентирования пучка может быть из любого подходящего прозрачного материала, такого как стекло, и может иметь любую подходящую форму и размер, например, гладкой пластины с толщиной в диапазоне от 10 до 200 микрон. Электродные слои 44 (44а-b) подводят электрический ток от источника 31 питания для приложения электрического напряжения к ЕО элементу 46. Электродные слои 44 могут состоять из любого подходящего электропроводного материала, такого как оксид индия-олова (ITO).
ЕО элемент 46 меняет свой показатель преломления в ответ на приложенное электрическое поле. Соответственно, ЕО элемент 46 может изменить направление пучка света в ответ на приложенное напряжение. ЕО элемент 46 может содержать любой подходящий EO материал, такой как оптически прозрачный электропроводный (OTEC) материал. Примеры OTEC материала описаны со ссылками на Фиг.2. Призма 48 является прозрачным оптическим элементом, который преломляет пучок 32 света.
EO элемент 46 и призма 48 могут иметь любую подходящую форму и компоновку. В некоторых вариантах осуществления они могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы одна часть пучка 32 света проходила в большей степени через более EO элемент 46, чем проходит другая часть, и в меньшей степени через призму 48, чем проходит другая часть. В показанном примере части 60 (60a-b) оптического пути проходят через ЕО элемент 46 и призму 48. И ЕО элемент 46 и призма 48 имеют форму клина, где длина оптического пути через каждый элемент изменяется для различных частей пучка 32. Часть 60а имеет ЕО участок 64а и призменный участок 66а, а часть 60b имеет ЕО участок 64b и призменный участок 66b. ЕО участок 64а превышает ЕО участок 64b, и призменный участок 66а меньше призменного участка 66b. ЕО элемент 46 и призма 48 могут иметь любой подходящий размер. Например, наиболее толстая часть ЕО элемента 46 может быть в диапазоне от 30 до 600 мкм, и наиболее тонкая часть может находиться в диапазоне от 0 до 100 микрон. Самая толстая часть призмы 48 может быть в диапазоне от 130 до 700 мкм, а наиболее тонкая часть может быть в диапазоне от 100 до 200 мкм.
Источник 31 питания подает электричество на электроды 30, чтобы подать напряжение к ячейке 40 ориентирования пучка для ориентирования пучка 32 света. В некоторых вариантах осуществления источник 31 питания может изменять уровни напряжения для изменения направления пучка 32 света, чтобы сформировать структуру испускаемого света. Примеры этого описаны более подробно со ссылкой на Фиг. 7.
Фиг.2А и 2В иллюстрируют пример электрооптического (EO) материала, который может быть использован в системе, которая электрически ориентирует свет в соответствии с некоторыми вариантами осуществления. В этом примере EO материал 46 расположен между электродами 30.
LC
LCo
EO материал 46 может быть жидким кристаллом (LC), таким как полимер-дисперсный жидкокристаллический (PDLC) материал. В PDLC материале, мельчайшие круглые или квази-круглые LC капли 70 с молекулами LC 74 погружены в среду из напряженного полимера 72. Капли 70 неподвижны в полимере 72, но молекулы LC 74 в каплях 70 могут свободно вращаться. В отсутствие электрического поля ориентации молекул LC 74, как правило, случайны, и результирующим эффективным показателем преломления LC капли 70 является n (V=O)=n (Фиг. 2А).
LCo
LC
LC
max
При приложении к PDLC материалу возрастающего напряжения LC молекулы 74, как правило, все более и более ориентируются по направлению электрического поля и показатель преломления капли 70 изменяется от n до n(V). При максимальном напряжении Vmax, LC молекулы 74 выстроены по электрическому полю, а показатель преломления LC капли 70 выражается как n(V) (фиг. 2В).
eff
polymer
LC
eff
eff
eff-max
max
LC капли 70 могут быть порядка длины волны излучения лазера или меньше, чтобы избежать рассеяния света падающего пучка на LC каплях 70. PDLC материал, освещенный лазерным пучком, является действующей средой с эффективным показателем преломления n, который зависит от постоянного показателя полимера n и зависящего от напряжения эффективного показателя LC капли n. Таким образом, эффективный показатель n также зависит от напряжения и изменяется от n при 0 вольт до nпри V.
В примере на фиг.1 угол расходимости θ может быть задан выражением:
-1
-1
g
m
eff
g
θ(V)=sin{(n/n)sin[α-sin([n(V)/n]sinα)]},
g
m
где n - показатель преломления стеклянной призмы, n - показатель преломления окружающей среды и α - это преломляющий угол призмы. Для малых углов призмы α это уравнение может быть аппроксимировано выражением:
g
eff
m
θ(V)={[n-n(V)]/n}α
max
max
Таким образом, пучок можно ориентировать непрерывно между 0 градусов и θ (что обычно выполняется при V).
Фигуры 3 и 4 иллюстрируют другой пример системы 10, которая может электрически ориентировать пучок в лазерном зонде в соответствии с некоторыми вариантами осуществления. Система 10 ориентирует свет, при приложении различных напряжений к различным частям ячейки 40 ориентирования пучка. В этом примере ячейка 40 ориентирования пучка включает в себя крышку 42, электродный слой 44, расположенный снаружи крышки 42, ЕО элемент 46, расположенный снаружи электродного слой 44, электродный слой 90, расположенный снаружи ЕО элемента 46, и крышку 96.
Электродные слои 44 и 90 подводят различные напряжения к ЕО элементу 46. В некоторых вариантах осуществления электродный слой 90 содержит полосковые электроды 92, где по меньшей мере два полосковых электрода 92 подводят различные напряжения. Полосковый электрод 92 может содержать любой проводящий материал, как, например, ITO. В некоторых вариантах осуществления полосковые электроды 92 являются индивидуально адресуемыми для обеспечения монотонно изменяющегося с расстоянием распределения напряжения.
Фиг.5А-5D иллюстрируют пример напряжений, приложенных к ячейке 40 ориентирования пучка из фиг.3 и 4, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления. Фигуры показывают, как могут быть приложены напряжения к ячейке 40 ориентирования пучка с полосковыми электродами 92, для получения монотонно изменяющегося с расстоянием распределения показателя преломления.
Фиг. 5А иллюстрирует пример ячейки 40 ориентирования пучка с полосковыми электродами 92 и сторонами А и В. Разные полосковые электроды 92 могут создавать различные напряжения для обеспечения распределения напряжения в зависимости от расстояния вдоль ячейки. Могут быть приложены любые подходящие напряжения. В примере на Фиг. 5В напряжения монотонно изменяются относительно положения от стороны А до стороны В, например от напряжения в диапазоне от 10 до 250 вольт на стороне А до напряжения в диапазоне от 0 до 5 вольт на стороне B. Зависимость напряжения от положения определяет зависимость показателя преломления от положения. В примере, показанном на Фиг. 5С, показатель преломления монотонно изменяется с расстоянием от стороны А до стороны В, например от показателя преломления в диапазоне от 1,5 до 1,8 на стороне А до показателя преломления в диапазоне от 1,4 до 1,6 на стороне В. Соответственно, ячейка 40 ориентирования пучка может действовать таким же образом по отношению к клиновидной призме, как показано на Фиг. 5D.
Время для прохождения пучка через оптический элемент обратно пропорционально его оптической толщине, которая определяется произведением показателя преломления и толщины ячейки 40, где проходит пучок. В показанном примере толщина ячейки является постоянной вдоль всей ячейки 40, а показатель преломления варьируется вдоль ячейки 40, как и оптическая толщина, и, следовательно, время прохождения света меняется монотонно вдоль ячейки. Показатель преломления ниже на стороне B ячейки, чем на стороне А, так что пучок проходит через ячейку быстрее на стороне B, чем на стороне А.
В определенных ситуациях падающий и выходящий пучки являются коллимироваными. При нормальном падении коллимированного пучка на ячейку 40, как на Фиг. 5А, пучок достигает выходной поверхности 98 пластины 96 на стороне B быстрее, чем делает это на стороне А, потому что показатель преломления на стороне В ниже, чем на стороне А. Согласно законам оптики пучок, выходящий из поверхности 98, должен быть плоским, с волновым фронтом, перпендикулярным направлению пучка. Таким образом, при выходе из ячейки 40 происходит ориентирование пучка по направлению к стороне А. Соответственно, между плоским волновым фронтом, падающим на ячейку, и плоским волновым фронтом, выходящим из ячейки, пучки имеют одинаковую общую длину оптического пути. Тот же принцип применим для клиновидной призмы, за исключением того, что в этом случае показатель преломления является постоянным, а изменяется толщина призмы с изменением поперечного положения. Но конечный результат тот же самый: плоская LC-ячейка с полосковыми электродами оказывает такое же влияние на падающий свет, как клиновидная призма с постоянным показателем преломления.
Фиг. 6 иллюстрирует пример системы 10, которая может электрически ориентировать свет в двух измерениях в соответствии с некоторыми вариантами осуществления. Две или более ячейки 40 (40a-b) ориентирования пучка могут быть ориентированы в разных направлениях, чтобы ориентировать пучок 32 света в двух измерениях. Например, две ячейки 40 ориентирования пучка могут быть ориентированы ортогонально таким образом, что ячейка 40a перемещает пучок 32 по первой координатной оси, а ячейка 40b перемещает пучок 32 по второй координатной оси, ортогональной первой координатной оси для обеспечения двумерного ориентирования пучка.
i
1
4
i
i
Фиг.7 иллюстрирует пример распределения углов отклонения, которое может быть использовано для получения распределения испускаемого света. В некоторых вариантах осуществления напряжения, подаваемые на ячейку 40 ориентирования пучка, могут быть изменяемыми для изменения угла отклонения θ. В примере кривая 112 показывает угол отклонения θ, изменяющийся во времени от θ=θ до θ. Изменения в угле отклонения θ могут привести к специфической структуре испускаемого света. В данном примере графическое изображение 114 показывает распределение испускаемого света, которое образуется в результате изменений в угле отклонения θ. В некоторых вариантах осуществления питание лазера может быть синхронизировано так, чтобы быть включенным, когда угол отклонения θ равен нужному углу θ, но выключенным, когда угол отклонения θ переключается между желаемыми углами θ. Возникающая в результате картина светового распределения может иметь более четкие и менее размытые пятна.
В некоторых вариантах осуществления изменения напряжения могут быть выполнены компонентом, который может включать в себя интерфейс, логику, память и/или другой подходящий элемент, любой из которых может включать в себя аппаратные средства и/или программное обеспечение. Интерфейс может получать входные данные, отправлять выходные, обрабатывать входные и/или выходные данные, и/или выполнять другие соответствующие операции. Операции компонента могут выполняться логической схемой, например, выполнение инструкций для формирования выходных данных из входных. Логика может быть закодирована в памяти и может выполнять операции при запуске выполнения компьютером. Логика может быть процессором, например, одним или более компьютеров, одним или более микропроцессоров, одним или более приложений, и/или другой логикой. Память может хранить информацию и может содержать один или более материальных машиночитаемых и/или реализуемых на компьютере носителей данных. Примеры памяти включают в себя компьютерную память (например, память со случайным доступом (RAM) или только считываемую память (ROM)), носители для хранения массивов информации (например, жесткий диск), съемный носитель (например, компакт - диск (CD) или цифровой видеодиск (DVD)), базу данных и/или сетевое хранилище данных (например, сервер) и/или другие машиночитаемые носители.
Хотя настоящее изобретение было описано в терминах определенных вариантов осуществления, модификации (такие как изменения, замены, добавления, исключения и/или другие модификации) вариантов осуществления будут очевидны специалистам в данной области техники. Соответственно, изменения могут быть внесены в варианты осуществления без отклонения от объема изобретения. Например, модификации могут быть внесены в системы и устройства, раскрытые здесь. Компоненты систем и устройств могут быть объединены или разделены, и функционирование систем и устройств может осуществляться большим, меньшим количеством компонентов или другими компонентами. В качестве другого примера модификации могут быть внесены в способы, раскрытые здесь. Способы могут включать в себя большее, меньшее количество этапов или другие этапы, и этапы могут быть выполнены в любом соответствующем порядке.
Другие модификации возможны без отклонения от объема изобретения. Например, описание иллюстрирует варианты осуществления в конкретных практических применениях, в то же время другие приложения будут очевидны специалистам в данной области техники. Кроме того, будущие разработки будут возникать в области техники, раскрытой здесь, и раскрытые системы, устройства и способы будут использоваться в таких будущих разработках.
Объем изобретения не должен определяться на основе описания. В соответствии с патентными регламентами описание объясняет и иллюстрирует принципы и режимы работы изобретения с использованием примерных вариантов осуществления. Описание позволяет другим специалистам в данной области техники использовать системы, устройства и способы в различных вариантах осуществления и с различными модификациями, но не должно использоваться для определения объема изобретения.
Объем изобретения должен определяться со ссылкой на формулу изобретения и полный объем эквивалентов, на которые формула изобретения дает право. Всем терминам формулы изобретения следует давать наиболее широкие обоснованные истолкования и их обычные значения, что понятно специалистам в данной области техники, если здесь не приведено конкретное указание на обратное. Например, использование единственного числа следует рассматривать как указание на один или более из указанных элементов, если в формуле изобретения не указано, наоборот, явное ограничение. В качестве другого примера, "каждый" относится к каждому члену набора или каждому члену подмножества набора, где набор может включать ноль, один или более одного элемента. В итоге, изобретение способно к модификации, и объем изобретения должен быть определен со ссылкой не на описание, а со ссылкой на формулу изобретения и полный объем эквивалентов.