Messtechnische und simulative Methoden zur Bestimmung von laser-induzierten Schädigungsschwellwerten an der Retina

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Lasersicherheit scannender, optischer Lasersysteme, wie z. B. Lidarsensoren und Datenbrillen. Die Architektur scannender Lasersysteme, und damit eng verbunden das Expositionsszenario an der Retina, variiert stark applikationsspezifisch. Insbesondere können u. a. aufgrund des schrägen Einfalls in das Auge und der Systemarchitektur, asymmetrische und elongierte, retinale Bilder entstehen. Für diese asymmetrischen, retinalen Expositionsszenarien gibt es Berechnungsvorschriften und Emissionsgrenzwerte der internationalen Lasersicherheitsnorm bei deren Einhaltung von einem augensicheren Produkt ausgegangen wird. ... mehrAllerdings basiert diese Norm auf einer Datenbasis von Schädigungsschwellwerten aus Experimenten mit kreisrunden Expositionsszenarien. Um die Produktperformance und -sicherheit zu verbessern sowie die Höhe der vorhandenen Sicherheitsfaktoren präziser bestimmen zu können, werden Methoden benötigt, die asymmetrische Szenarien an der Retina direkt betrachten können. Daher erweitert diese Arbeit bestehende Methoden, darunter Ex-vivo Explant Experimente mit tierischem Gewebe und thermische Simulationen, um auch für diese asymmetrischen Szenarien retinale Schädigungsschwellwerte bestimmen zu können.
Im Zuge dieser Methodenerweiterung zeigt diese Arbeit auf, dass in dem optischen Schädigungsmessaufbau der Ex-vivo Explant Experimente mithilfe spezieller Blendengeometrien beliebige, asymmetrische Außengeometrien erzeugt werden können. Es werden erstmals Experimente mit elongierten Strahlprofilen in rechteckiger Geometrie durchgeführt und Schädigungsschwellwerte für Einzelpulse und Pulsfolgen für Schweinegewebeproben bestimmt. Für die thermischen Simulationen erweitert diese Arbeit ein validiertes, homogenes Retina-Simulationsmodell zu dem 3D Modell. Mit diesem 3D Modell wird die Berücksichtigung von asymmetrischen Expositionsszenarien beliebiger Intensitätsverteilungen demonstriert.
Die Dissertation kommt zu dem Ergebnis, dass die Bestimmung von Schädigungsschwellwerten asymmetrischer, retinaler Bildern sowohl für den thermischen Schädigungsmechanismus (z. B. bei Pulsdauern im Mikrosekundenregime oder bei einer Hintergrunderwärmung des Gewebes) als auch für den thermomechanischen Schädigungsmechanismus (z. B. bei Pulsdauern im Nanosekundenregime) mittels Ex-vivo Explant Experimente möglich ist. Die Arbeit hebt die Elongation des retinalen Bildes als charakteristisches Merkmal hervor und untersucht diese mithilfe der weiterentwickelten, messtechnischen und simulativen Methoden. Die gewonnenen Erkenntnisse tragen zur generellen Weiterentwicklung und einer möglichen, zukünftigen Anerkennung der Methode bei. Ein zukünftiger Schädigungsmessaufbau mit weiteren Verbesserungsvorschlägen ist die finale Schlussfolgerung der Arbeit.

This dissertation focuses on the laser safety of scanning optical laser systems, such as Lidar sensors and smart glasses. The architecture of scanning laser systems, and thus closely related, the exposure scenario on the retina, highly varies application-specifically. In particular, due to oblique incidence into the eye and the system architecture asymmetrical and elongated retinal images can occur. For these asymmetrical retinal exposure scenarios, rulesets and emission limits exist within the international laser safety standard, which, according to the state of the art, lead to an eye-safe product upon compliance. ... mehrHowever, this standard is based on a database of retinal damage thresholds derived from experiments with circular exposure scenarios. To improve product performance and safety and to determine the level of existing safety factors more precisely, methods to directly consider asymmetrical scenarios at the retina are required. Therefore, this work extends existing methods, including ex-vivo explant experiments with animal tissue and thermal simulations, to determine retinal damage thresholds for these asymmetrical scenarios.
In the course of this method extension, this work demonstrates that in the optical measurement setup of the ex-vivo explant experiments arbitrary external geometries of the irradiance profile can be generated using special aperture geometries. For the first time, experiments with elongated beam profiles with rectangular geometry are conducted, determining single and multi-pulse damage thresholds of porcine tissue samples. For the thermal simulations, this work enlarges a validated, homogeneous retinal simulation model to the 3D model. With this 3D model, the investigation of asymmetrical exposure scenarios with arbitrary intensity distributions is demonstrated.
The dissertation concludes that it is possible to determine damage thresholds of asymmetrical retinal images for both the thermal damage mechanism (e.g. for pulse durations in the microsecond regime or with background heating of the tissue) and the thermomechanical damage mechanism (e.g. for pulse durations in the nanosecond regime) using ex-vivo explant experiments. The work identifies the elongation of the retinal image as a characteristic feature and studies it using the advanced metrological and simulative methods. The insights gained contribute to the general advancement and possible future recognition of the method. A future damage measurement setup with further suggestions for improvement is the final conclusion of this work.