CN101267766A - 一种用于控制和监控激光能量的装置、系统和方法 - Google Patents

一种用于控制和监控激光能量的装置、系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明基于探测准分子激光器的激光脉冲撞击到参考材料上时所生成的声音的原理。特别是在准分子激光器的激光脉冲撞击在参考材料上的地方，辐射通过光解作用来切除对应量的参考材料。可以基于测量由切除所产生的声冲击波来确定材料的切除量，该切除量与施加到参考材料上的脉冲能量成比例。所述参考材料优选地为由可被准分子激光切除的材料制成的片，更优选地为塑胶制成的片，并且最优选地为PMMA制成的片。

Description

一种用于控制和监控激光能量的装置、系统和方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制和监控激光能量的装置、系统和一种方法，并且尤其涉及一种用于监控用于折射激光系统中的准分子激光能量的装置和方法。
背景技术
US 6195164 B1涉及一种用于校准激光切除的系统和方法。该公知方法以测量测试面的光焦度以及形状为基础，测试面已经被激光传递的能量所切除。通过使用显微镜、摄像机连接器以及激光切除系统的其它现有部件来分析与切除测试面相重叠的几何图案的作用。如果需要，被切除的测试面的已知光学性质可以用于通过改变诸如激光脉冲强度和曝光时间的治疗参数来调节激光切除系统。
发明内容
本发明的潜在目的是提供用于监控激光能量的一种装置和一种方法。
该目的可以通过权利要求的特征来得到实现。
本发明以探测准分子激光器的激光脉冲撞击在参考材料上时生成的声音为基础。特别地，当准分子激光器的激光脉冲撞击在参考材料上时，辐射通过光解作用来切除对应量的参考材料。材料的切除量与施加于参考材料的脉冲能量成比例，能够基于测量由切除所产生的声冲击波来确定所述切除量。所述参考材料优选地为能由准分子激光侵蚀的材料制成的片，更优选为由塑胶制成的片，最优选为PMMA。
根据本发明的装置包括麦克风，该麦克风在激光脉冲撞击到参考材料上时提供电信号。所述电信号与冲击波对麦克风的压力相对应，所述冲击波从激光脉冲撞击到参考面的位置进行传播。
将来自麦克风的电信号提供给处理构件，该处理构件接收所述电信号并且生成参考数据，该参考数据为衡量激光脉冲的能量的尺度以及衡量对应的切除速度和/或切除区域大小的尺度。
根据本发明的优选实施方式，所述处理构件包括放大器，该放大器接收所述麦克风的电信号并且放大该信号以进行进一步的处理。优选地，通过使用模数转换器将所述放大器的输出信号转换为数字信号。该数字信号然后被提供给数字分析仪，该数字分析仪优选为微处理器或者微型计算机。
所述麦克风提供的典型电信号具有类似衰减正弦信号的形式。例如起始于表示背景声音的基点，该电信号的幅度随时间变小并且在对应的时间tmin1到达特定的最小值Emin1。所述幅度然后在对应的时间tmax1再次变大到第一信号最大值Emax1。该信号进一步变为第二最小值Emin2，并且随后变为第二最大值Emax2等等。所述第二最小值EXmin2的绝对值小于所述第一最小值Emin1的绝对值，并且类似的，所述第二最大值Emax2的绝对值小于第一最大值Emax1的绝对值。
根据本发明的优选实施方式，在所述第一信号最小值Emin1处的幅度值被用于确定冲击波的压力幅度的量度。为了估算所述幅度，优选地利用三个参数，即基带信号的值，即优选地为十个采样的平均值的背景声音信号。第二参数为峰值，即所述第一最小值Emin1的数字值。第三参数为所述第一最小值Emin1的位置，即，相对于激光脉冲撞击参考面时的起始时间t0的，或者相对于当触发信号被发送到激光系统时的时间的时间点tmin1。
所述信号幅度被确定为所述基带信号值与所述峰值之间的差值。
本发明提供一种控制和监控激光脉冲的能量的方法，尤其是准分子激光器的激光脉冲的能量。该方法包括校准程序、调节程序以及监控程序。
根据本发明的另一方面，将一系列激光脉冲中的每个第n激光脉冲导引到所述参考材料上规定的位置。数字n为大于2的自然数，优选地为25到200，更优选地为100。根据激光系统的脉冲率来选择合适的数字n。根据该优选实施例，估算所述第n个激光脉冲的对应电信号。这样具有的好处为，当在正常操作条件下测试所述激光系统时，即在高脉冲率，例如500Hz，能够简化用于估算所述电信号的处理构件。将所述一系列激光脉冲中的其它激光脉冲导引到所述参考材料的停放位置(park position)或者是导引到光束收集器。这样具有的另一个优点为，通过仅将所述一系列激光脉冲中的每个第n激光脉冲施加于所述参考材料的测量位置，可以避免在使用塑料的情况下所述材料被加热，加热可以导致所述材料的碳化。此外，一旦切除材料，被切除的材料可以在所述参考材料的测量位置附近形成尘雾。如果在撞击到所述参考材料处的测量位置上的随后的激光脉冲之间存在足够的时间，则所述尘雾将会消失，使得后续的脉冲不会受到该碎片尘雾的影响。
附图说明
下面将通过参照附图的示例来进一步描述本发明，其中：
图1为示例根据本发明的优选实施例的装置的示意图；
图2为显示麦克风的输出信号的图示；
图3显示了激光束的能量分布图的图示；
图4示意性地显示了用于控制和监控激光能量的显示面板；
图5显示了使用本发明的自动能量调节的流程图；以及
图6显示了执行根据本发明的方法的示意图。
具体实施方式
图1显示了示例根据本发明的优选实施例的装置的示意图。该装置包括参考材料10，该参考材料10可以为合适的测试材料的片，优选地为聚碳酸酯并且更优选地为PMMA。可以使用在测试表面上应用激光脉冲可以产生声学效应的任何参考材料。更优选地，可以使用任何在由优选地工作于193nm的波长的准分子激光器的激光脉冲切除时能够产生声冲击波的任何材料。所述装置还包括探测器，用于探测所述声学声音并且提供电信号。在本实施例中，使用麦克风20，其将所述声冲击波的压力转换为电信号。所述麦克风20的输出连接到处理构件30。该处理构件分析从所述麦克风接收到的电信号并且输出作为所述电信号的量度的数据到个人计算机(PC)。
图1进一步以略图形式显示激光脉冲1撞击到所述参考材料10的上表面的测量位置12处。如在测量位置12处概略显示的，材料被切除并且如线14所表示的那样撒播开。参考数字16表示了从测量位置12传播开的声学声音。
在图2中，显示了麦克风20的输出信号的示例的图示，该信号在所述处理构件30中被处理。图中显示了声信号的幅度，该幅度以计数为单位并且随时间而改变。所显示的时间以在测量期间进行的采样为单位。在优选实施例中，用于进行采样的采样率为1.2MHZ。
更具体地，图2显示了起始于由衰减的正弦信号跟随的基带信号的信号。在该实施例中，表示背景声音的基带信号是对10个采样取的平均值。该示例中的基值为2047。第一信号最小值Emin1具有峰值669。该第一信号最小值Emin1对应于位置51处的采样，该位置51与时间tmin1相对应。根据本发明的优选实施例，此三个估算参数，即基值、峰值、位置值，输出到个人计算机以进行进一步的处理。
图2中所示的信号形式还包括位置tmax1处的第一信号最大值Emax1，接着为在对应时间tmin2和tmax2处的第二信号最小值Emin2和随后的第二信号最大值Emax2。
在本优选实施例中，声信号幅度对应于所述基值和峰值的差值。然而，可以使用另外的信息来来估算声冲击波，该信息对应于激光能量、激光大小以及撞击参考材料的任何激光脉冲的激光形式。例如，所述第一信号最大值和任何另外的信号最小值和信号最大值都能够用于估算。此外，可以使用各个最大值和最小值的时间点来进行估算。
将如下执行测量。由聚碳酸酯(PC)制成的测试片被置于与治疗表面相同的水平面或者高度，治疗表面邻近测量位置但与测量位置间隔开。当使用具有500Hz重复率的激光时，可以通过测量每100个激光脉冲中的一个激光脉冲来执行能量检查，即，n＝100，这意指估算每第100个激光脉冲(测量频率为5Hz)。在此测量期间，一个激光脉冲被导引到测量位置(0，0)，而其它99个激光脉冲被导引到停放位置(0，-12500)。
在图3中，显示了示例激光束的能量分布的图示。更具体地，其显示了能量与激光斑的宽度的关系曲线。在该实施例中，最大值为大约120-140mJ/cm2。FWHM(半高宽)值在治疗表面的水平面为大约0.75至0.8mm。纵横比优于1∶1.1。在校准程序期间，调节目标能量、目标大小以及目标形状，以便在治疗水平面上获得目标激光斑。然后，将利用目标光斑来切除由聚碳酸酯制成的参考面时的对应声信号存储为对应于100％的目标值。
图4显示了具有显示器51的用于控制和监控激光能量的面板50。所述显示器包括显示从20％至180％的刻度。100％+/-5％的区域被显示为垂直束，其中三角形指向实际值。只要实际值在所述100％+/-5％的区域内，则能量检查将被视为成功。然而，如果能量过低或者过高，则可以通过改变激光器的高电压来改变激光能量。这可以通过使用按钮“提高能量”52、“降低能量”53来实现。用户还可以选择用于“自动能量调节”的按钮54。所述面板还包括用于“移入”和“移出”用于参考材料(即测试片)的支承台57的按钮55、56。
根据优选实施例，基于50个测量脉冲(对应于5000个激光脉冲)来执行测量。在此测量期间，激光器的高电压保持不变。在用户手动改变高电压之后，通过按下按钮58来执行新的能量检查。
当使用自动能量调节时，激光器软件调节激光器的高电压直到其到达目标值。这通常在150个测量脉冲之后达到。一旦能量检查成功，就将光子能量监控器的信号存储为用于治疗的参考值。
在每一个测量脉冲，声能监控器所提供的数据被用来按百分比计算声信号并且然后显示对应的值。声信号的平均值被按百分比显示在图示中。在能量检查的最后，输出声信号的平均值。
参照图5，将描述自动能量调节的流程图。优选地在数个调节周期中执行自动能量调节，直到实际能量与目标能量之差小于+/-3％为止。
在按下“自动能量调节”按钮之后，软件以及声、光子能量监控器进入到初始阶段。一旦踩下脚踏开关150，测量脉冲(在最大值)就被导引到测试样本。在15个测量脉冲之后，执行检查以进行过程调节，在该过程调节中，如果实际能量与目标能量之间的差值大于+/-5％，则调节激光器的高电压。在进一步的15个测量脉冲之后，再次检查对应的能量平均值，并且如果必要，执行所述高电压的再次调节。当达到所述过程调节的标准时，向测试样本施加进一步的25个测量脉冲。然后检查能量的平均值是否满足+/-3％的精密调节标准。如果不满足此标准，则调节激光能量。在进一步的40个测量脉冲之后，再次检查是否满足所述精密调节标准。一旦满足该标准，则程序进行到调节程序的结束。其后，将在预定时间内允许使用所述激光系统进行治疗。所述预定时间可以由用户进行选择并且可以为例如2分钟和20分钟之间的任意时间。
图6中显示了用于执行执行校准程序、调节程序以及监控程序的示意图。
优选地在激光系统投递到用户之间和其后的保养期间以规则的间隔执行校准程序，用于检查激光系统的功能。。更具体地，在测试环境中，激光系统用于提供激光脉冲1到测试材料10，该测试材料10位于治疗位置，即，位于执行病人眼睛的治疗的相同位置和高度。通过这样的方式调节所述激光系统，使得撞击到测试材料10上的激光脉冲1提供目标能量，该目标能量通过合适的系统来测量，例如通过使用用于分别测量能量和功率的焦耳计5。作为这样的焦耳计，优选地使用结合有测量头J8-LP4或者PB-10X的集成电路EPM-1000。此已知的装置使用通过使用热电或者热测量头来确定脉冲能量或者平均功率的测量原理。优选地，在治疗位置执行测量，但是可选地，可以使用系统中的任何位置。
进一步调节所述激光系统，使得撞击到治疗表面上的测试材料上的目标激光脉冲9具有预定的目标能量分布、预定的目标形状以及预定的目标大小(目标直径)。可以通过合适的装置7，例如光束轮廓仪，来执行此测量。光束轮廓仪7优选地包括CCD-相机(电荷耦合器件)，该CCD-相机包括用于在激光脉冲撞击到光束轮廓仪的荧光测试面时探测荧光的相机芯片。可选地，可以使用表面光度仪来确定测试表面上切除材料的轮廓。更为优选地，使用包括由聚碳酸酯(PC)或者可选地PMMA制成的塑料材料的测试材料。通过使用激光表面光度仪或者μ-扫描设备(μ-SCAN-device)来测量材料的切除量。
为了检查能量分布、形状以及大小，可以执行进一步的测试，例如，折射测试。
使用根据目标能量(包括前述的参数)调节的激光系统，使用根据本发明的声传感器20、30来测量声冲击波，该冲击波来源于使用所述激光系统的激光脉冲时材料的切除量。更具体地，激光束被导引到参考材料并且当激光脉冲撞击到参考材料上时所产生的声音由麦克风20所接收，该麦克风提供信号给处理构件30。所述处理构件30优选地提供包括基值、峰值以及位置值的三个参数值32。在此示例中，这些信号被提供给激光系统的个人计算机40作为以后使用的目标值。在本示例中，这些目标值均对应于100％。在可以以定期的间隔如上所述那样重复的校准程序后，将如下所述使用激光系统。
在进行病人眼睛的治疗之前，用户可以通过所述调节程序来检查激光脉冲的能量。通过光学系统4将所述准分子激光器3的光束1导引到参考材料10并且测量声冲击波的声音。处理构件30提供关于能量的实际值的信息。在本实施例中，测量的参数34为实际基值、实际峰值以及实际位置值。这些值被提供激光系统的个人计算机40。在该个人计算机中，将每一个实际值34与各个目标值32的每一个进行比较。将比较结果提供给显示器50。
在执行能量检查时，声传感器所提供的实际值可以从目标值偏离目标值的+/-5％，该目标值被作为100％的值。
用户然后可以手动改变准分子激光的能量，例如，通过减小或者增大激光器3的高电压。优选地，此比较的结果可以被用于激光能量的自动调节60，例如，用于自动减小或自动增大激光器的高电压。
所述激光系统优选地包括用于在治疗期间测量激光能量的光子能量监控构件70。优选地，例如通过使用部分反射镜将激光光束的部分导引到所述光子能量监控构件70。根据本发明，所述光子能量监控构件向个人计算机40提供表示激光束的能量值的参考值72。可以在用户执行能量检查或者执行自动能量检查时的同时获取该参考值72。光子能量监控构件70的参考值72用于在治疗期间监控实际能量。
在执行病人眼睛的治疗时执行监控程序。光子能量监控构件70持续发送实际值74到个人计算机40。个人计算机40执行实际值74与预先存储其中的参考值72的比较。如果实际值74与参考值72之间的差值76变为大于预定值，则个人计算机40提供指令信号78到激光系统以停止激光治疗。在示例中，当实际值74与参考值72之间的差值76总计达到参考值的2.5％时，停止治疗。因此，如果激光束的实际能量减小或者增大以至于差值变得大于参考值的2.5％时，则停止治疗。
根据本发明，光子能量监控构件所获取的参考值72为在调节程序的能量检查期间的最后300个脉冲的平均值。因此，光子能量监控构件所提供的实际值74为对治疗期间的300个脉冲取得的平均值。
本发明的前述公开和描述是其示例性和解释性的，并且其实，可以不脱离本发明的范围，对大小、形状、材料、成分、电路元件、线路连接和接触以及所示例的电路和结构和操作方法的细节作出改变。

Claims (28)

1、一种用于测量撞击到参考材料上的准分子激光器的激光脉冲的能量的装置，包括用于探测声音的构件。
2、如权利要求1所述的装置，其中声音探测器适于测量由切除一定量的所述参考材料而产生的声冲击波，该参考材料的切除量对应于所述激光脉冲的能量。
3、如权利要求1或2所述的装置，其中所述声音探测器包括麦克风，该麦克风提供与冲击波的压力相对应的电信号，该冲击波从所述激光脉冲撞击到所述参考材料上的位置传播。
4、如权利要求3所述的装置，还包括处理构件，该处理构件从所述麦克风接收所述电信号用于生成参考数据，该参考数据为撞击到所述参考材料上的所述激光脉冲的能量的量度。
5、如权利要求4所述的装置，其中，所述处理构件包括放大器、模-数转换器以及数字分析器，该放大器接收所述麦克风的所述电信号以放大该信号，该模数转换器用于将所述放大的信号转换成数字信号，该数字分析器接收所述数字信号。
6、如权利要求4或5所述的装置，其中，所述处理构件适于提供三个参数值作为探测的声音的量度，该三个参数值包括表示背景声音的基值、峰值以及所述电信号的第一最小值Emin1的对应位置值。
7、如权利要求5所述的装置，还包括个人计算机，用于接收所述三个参数值作为撞击到所述参考材料上的所述准分子激光器的激光脉冲的实际值，并且用于将所述实际值与先前针对被校准的激光器的激光脉冲所存储的目标值进行比较，并且所述个人计算机提供所述比较的结果。
8、如权利要求7所述的装置，还包括用于通过对应于所述控制信号来自动减小或者自动增大所述激光器的高电压以自动调节激光器的能量的构件，该激光器接收与所述个人计算机提供的比较结果相对应的控制信号。
9、一种激光系统，包括如权利要求1至8中任意一项所述的装置，该装置包括准分子激光器以及构件，该构件用于将所述准分子激光器的激光脉冲导引到所述参考材料上的测量位置或者其它位置，优选地，为所述参考材料上的停放位置。
10、如权利要求9所述的激光系统，还包括构件，用于从一系列激光脉冲中选择要导引到所述参考材料上的测量位置的每个第n激光脉冲。
11、如权利要求10所述的激光系统，其中所述数字n为大于2的自然数，优选地为25至200，更优选地为100。
12、如权利要求9至11中任意一项所述的激光系统，还包括光子能量监控构件以及分束镜，该分束镜用于将部分激光束导引到所述光子能量监控构件。
13、如权利要求12所述的激光系统，其中，所述个人计算机适于接收所述光子能量监控构件的实际值，用于执行所述实际值与先前存储在所述个人计算机中的参考值的比较。
14、如权利要求13所述的激光系统，其中，所述光子能量监控构件包括用于生成所述准分子激光器的300个脉冲的平均值的构件。
15、一种用于测量撞击到参考材料上的准分子激光器的激光脉冲的能量的方法，包括探测声音的步骤。
16、如权利要求15所述的方法，其中，探测声音的步骤包括测量由切除一定量的所述参考材料而产生的声冲击波，该参考材料的切除量对应于所述激光脉冲的能量。
17、如权利要求15或16所述的方法，其中探测声音的步骤包括提供与冲击波的压力相对应的电信号，该冲击波从所述激光脉冲撞击到所述参考材料上的位置传播。
18、如权利要求17所述的方法，还包括处理所述电信号以生成参考数据的步骤，该参考数据为撞击到所述参考材料上的激光脉冲的能量的量度。
19、如权利要求18所述的方法，其中，所述处理步骤包括：放大所述电信号、将所所述放大的信号模-数转换成数字信号、以及数字分析所述数字信号。
20、如权利要求18或19所述的方法，其中，所述处理步骤包括提供三个参数值作为探测的声音的量度，该三个参数值为表示背景声音的基值、峰值以及所述电信号的第一最小值Emin1的对应位置值。
21、如权利要求20所述的方法，还包括将作为撞击到所述参考材料上的所述准分子激光器的激光脉冲的实际值的所述三个参数值与先前针对校准的激光器的激光脉冲所存储的目标值进行比较，并且提供所述比较的结果。
22、如权利要求21所述的方法，还包括提供与所述比较结果相对应的控制信号，以通过对应于所述控制信号而自动减小或者自动增大所述激光器的高电压来进行所述激光器的能量的自动调节。
23、如权利要求15至22中任意一项所述的方法，包括将所述准分子激光器的激光脉冲导引到所述参考材料上的测量位置或者其它位置，优选地，所述参考材料上的停放位置的步骤。
24、如权利要求23所述的方法，还包括从一系列激光脉冲中选择要导引到所述参考材料上的测量位置的每个第n激光脉冲的步骤。
25、如权利要求24所述的方法，其中所述数字n为大于2的自然数，优选地为25至200，更优选地为100。
26、如权利要求15-25中任意一项所述的方法，还包括使用光子能量监控构件以及用于将部分激光束导引到所述光子能量监控构件的分束镜的光子能量监控步骤。
27、如权利要求26所述的方法，还包括将所述光子能量监控构件的实际值与先前存储的参考值比较。
28、如权利要求27所述的方法，其中，所述光子能量监控步骤包括生成所述准分子激光器的300个脉冲的平均值。
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