CN102137732B - 用相干光学干涉测量装置校准激光设备的脉冲能量的方法 - Google Patents

Abstract

在一种对提供脉冲工作激光辐射的激光设备(110)的脉冲能量进行校准的方法中，用工作激光辐射在各种情况下以不同的脉冲能量对一个或多个测试对象(180)进行多次测试切削，特别是多脉冲测试切削。对每次测试切削的切削深度进行测量，并基于测得的切削深度和预定的期望切削深度来确定相关联的期望脉冲能量，并在激光设备上设定相关联的期望脉冲能量。根据本发明，切削深度借助于相干光学干涉测量设备(130)来测量。本发明还涉及一种激光设备，特别是实施以上方法的激光设备。

Description

用相干光学干涉测量装置校准激光设备的脉冲能量的方法

技术领域

本发明涉及一种对提供脉冲工作激光辐射的激光设备的脉冲能量进行校准的方法。在该方法中，借助于工作激光辐射对一个以上测试对象进行多次测试切削，特别是多脉冲测试切削，每次测试切削采用不同的脉冲能量。对每次测试切削的切削深度进行测量，并基于所测得的切削深度和指定设定点切削深度来确定相关联的设定点脉冲能量。在激光设备上设定该设定点脉冲能量。

本发明还涉及一种实施工作激光的能量校准的激光设备。

背景技术

上述方法及以上提及的激光设备用在屈光眼科激光手术等领域中。

屈光激光手术在这里应当被理解为借助于激光辐射来改变被称为“眼睛”的光学系统的成像特性。所辐射的激光辐射与眼的相互作用改变了眼睛的一个以上部分的屈光特性。由于角膜决定眼睛的成像特性，因此在很多情况下，眼部激光手术包括对角膜的工作。通过有针对性地去除材料(材料切削)，导致角膜的形状改变。因此，也使用术语“角膜整形”。

屈光眼科手术的一个重要例子是LASIK(准分子激光角膜原位磨镶术)，其中将角膜组织去除(切削)以对角膜整形，从而矫正视觉缺陷。经常使用UV范围(通常为193nm)内的受激准分子激光对角膜组织进行切削。激光辐射以使得在角膜的所选位置处切削指定量的组织的方式来针对时间和位置被引导到眼睛上。这种切削由所谓的切削轮廓来描述，即切削轮廓表示在角膜的每个点处要完成的切削。

通常在对待矫正的眼睛实施手术介入之前计算切削轮廓。该计算基于对当前状态下的眼睛的测量。对于眼睛的测量，现有技术已知各种技术，特别是地形图仪(所谓的角膜地形图仪)、波前分析仪、沙伊姆弗勒(Scheimpflug)设备、测厚仪和主观屈光确定。

切削轮廓被计算出来，以便在手术之后，对于经治疗的眼睛来说角膜具有最佳的形状，并且眼睛以前存在的光学成像误差得到尽可能的矫正。很久以前专家们就已经可以利用合适的方法来计算切削轮廓。

当已经确定了待治疗的眼睛的切削轮廓时，接下来要计算以何种方式能够利用可用的激光辐射来最佳地实现期望的去除。为此，必须找到并考虑激光脉冲的能量密度与它所实现的材料去除之前的关系。该关系形成对用作用以作用于材料的工作激光进行校准和材料的限定去除的基础。除了激光脉冲的能量密度之外，一系列其他参数，例如材料特性本身、材料温度、表面形状等，也会影响材料去除的量，但这里将主要考虑脉冲能量的变化。激光脉冲的控制程序在假定每个脉冲具有指定、恒定去除量的基础上计算。因此，重要的是应当在激光系统上精确地设定精确地实现假定/需要去除的能量。

在眼科手术中，已知各种针对脉冲激光对其作用于的材料的效果对激光进行能量校准的方法。

在第一种方法中，借助于待校准的激光束对特定电容器箔实施切削。这种切削导致颜色变化，而之后该颜色变化用作对已施加于箔以对其进行切削的能量的测量。

在能量校准的另一种方法中，对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的样本施加折射切削。然后利用顶点折射计来确定在切削位置处折射的改变。

另外，还开发出一种在PMMA能流测试圆盘上实施限定测试切削的方法。“能流”在这里被理解为单位面积的激光束的能量。测试切削的切削深度借助于机械探针来测量。如果所确定的切削深度在指定的范围内，则激光系统的能量被正确地设定。

然而，以上提及的方法和相关联的系统具有多种缺点。例如，如果使用如上所述的PMMA的能流测试圆盘的机械测量，则使用者必须在每次切削和测量之后决定是必须对设定的能量进行调整还是设定的能量已经被正确地设定。为了使激光束的能量实现所需设定点值，使用者可能必须重复该过程数次。这对于必须通过增加或减少辐射能量来逼近最佳切削深度从而逐步得到所需辐射能量的使用者来说是相当复杂的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种避免了以上提及的缺点的改进的能量校准方法及相应的激光设备。

根据本发明，为此目的，在以上提及的方法中，规定借助于相干光学干涉测量设备测量切削深度。这使得对测试对象的切削位置进行无接触测量成为可能，从而满足了校准方法的自动化的一个前提。以此方式可以确定切削深度和测试对象与激光设备的距离。另外，在相干光学干涉测量方法中，可以以束引导方式在离测试对象一定距离处实施测量，从而将测量方法集成到提供脉冲工作激光辐射的现有激光设备中。

切削深度的无接触确定和测量方法的集成能力允许有一种全新的方法来确定测试对象上的切削深度。因此，首先，可以改进脉冲能量的校准，从而例如在测试切削之后直接测量测试对象而无需为此而移动测试对象，因而可以实现校准过程的自动化。另外，由于可以借助于相干光学干涉测量设备同时利用切削深度确定和调整测试对象相对于激光设备的工作平面的位置，因此校准精度得以改进。由于更适于稍后使用的情况，因此这允许更精确地确定工作激光的脉冲能量。

根据本方法的有利实施例，测量设备基于OLCR(光学低相干反射计)原理进行工作。该测量原理用在厚度测量中以测量角膜的厚度。因此，该方法教导了使用适合测量角膜厚度的方法来测量测试对象上的测试切削的切削深度。因此，可以精确或可再现地确定由切削导致的测试对象的折射特性的改变。

特别地，如果借助于测量设备的测量束测量切削深度的话，由于所述测量束的路线与工作激光辐射同轴，因此集成干涉测量设备是特别容易的。已有的用于对工作激光束进行引导和整形的光学设备，例如镜子、透镜等，可以同时用于测量设备的测量束。为了使能量校准过程自动化，可以对同一测试对象实施若干次测试切削，该测试对象可以在连续的测试切削之间相对于测量设备移动。特别地，可以规定测试对象并非是人工移动而是马达移动的，从而可以在没有使用者介入的情况下对测试对象实施一系列测试切削。

在一个实施例中，规定在离用作测试对象的测试圆盘的圆盘中心具有半径距离的位置处施加测试切削，并且承载测试圆盘的转台在连续测试切削之间被转动指定角度。因此这些测试切削以彼此在测试圆盘上相隔最大距离的方式均匀分布，并且以技术上简单的方式实现测试对象的移动。这减少或避免了由相邻切削的材料沉积导致的测量结果的失真。

在根据本发明的方法中，还可以规定以确定的设定点脉冲能量对测试对象，特别是被执行了至少一次测试切削的测试对象实施控制切削，然后利用测量设备来对控制切削的切削深度进行测量。这在对测试对象进行一系列测试切削之后是特别有用的。例如，在确定了若干次测试切削的切削深度之后，假定所施加的脉冲能量与切削深度之间的函数关系，可以得到与设定点切削深度相关的设定点脉冲能量。通过以确定的设定点脉冲能量实施控制切削，可以验证该设定点脉冲能量最后是否形成了所需的设定点切削深度。

为了冷却测试对象和/或为了清洁测试切削上方的区域，推荐生成气流并将其至少引导至测试对象的被切削部分上。这可以在正在实施测试切削时进行，或者至少在实施测试切削之后进行，以吹走不可避免的切削云中的任何切削产物，以对切削口进行精确的光学测量。

除了所述的根据本发明的用于脉冲能量校准的方法外，本发明的思想也在激光设备中得以实现。该激光设备包括：

激光辐射源，提供用以对对象进行处理的脉冲工作激光辐射；

相干光学干涉测量设备，用于利用沿所述工作激光辐射的方向行进的测量束测量至少一个长度测量值，

可控定位模块，用于将由至少一个测试对象形成的测试对象装置定位在相对于激光辐射源的多个限定位置中，

计算机，控制所述激光辐射源、所述测量设备和所述定位模块，所述计算机被设计为在控制程序的控制之下实施下列动作以校准所述激光辐射源：

借助于所述工作激光辐射在各种情况下以不同的脉冲能量对所述测试对象装置实施多次测试切削，特别是多脉冲测试切削，

控制所述定位模块以在连续的测试切削之间移动所述测试对象装置到各个限定的相对于所述激光辐射源的位置，

借助于所述测量设备对每次测试切削的切削深度进行测量，

基于所测得的切削深度和指定的设定点切削深度来确定设定点脉冲能量，并且如果合适的话，为所述工作激光辐射设定所确定的设定点脉冲能量。

附图说明

下面将基于附图对本发明进行解释。

图1示出根据本发明实施例的用于对激光设备进行能量校准的方法的流程图，

图2示出已实施的各种测试切削的能量切削深度图，

图3a和图3b以示意性框图的形式示出根据本发明实施例的、测试切削之前和之后的激光设备，

图4a和图4b分别以俯视图和侧视图的形式示出用于将测试对象固定在限定的、可变的位置的定位模块，以及

图5以俯视图的形式示出被提供有切削位置和控制切削位置的测试对象。

具体实施方式

在图1中，通过步骤S1-S8示出根据本发明的方法的可用实施例。为了对提供脉冲激光辐射的激光设备的脉冲能量进行校准，在激光设备上设定第一初始脉冲能量(S1)。该脉冲能量初始值可以要么接近所需设定点能量，要么处于覆盖所需脉冲能量的范围的边缘。

以该第一设定脉冲能量，例如利用几千个激光脉冲对测试对象实施测试切削(S2)。通过将工作激光束的脉冲能量冲击到测试切削位置处，来将测试对象材料去除特定的量，从而在测试对象上形成凹痕。

借助于测厚仪来确定该切削深度(S3)。利用厚度测量可以精确地设定测试对象与激光设备的距离，同时测量测试对象的厚度。被切削的适合测试对象的材料与工作激光束的相互作用应当与稍后的目标对象(例如，角膜)与工作激光束之间的相互作用具有可比性。或者使用对辐射的激光脉冲的反应与稍后被治疗的材料(例如，生物组织)不同的材料(例如具有不同的强度)，但是至少例如凭经验数据可以大概地知道测试材料的反应与待治疗材料的反应之间的关系。测试对象的材料也必须能够适用厚度测量。就此而论，已表明薄片形聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)特别合适。在确定了切削位置的深度后，存在第一切削深度/脉冲能量值对。

从该测量值起，改变另一测试切削的脉冲能量(S4)。为此，从第一脉冲能量起，将下一脉冲能量升高/降低一个步宽。作为对逐步扫描能量范围的替代，也可想象到其它方法。例如，也可以通过迭代区间嵌套方法来确定设定点能量值。

该方法通过再次执行步骤S2-S4而继续进行，直到遍历先前定义的脉冲能量范围或者测试对象被提供最大次数的测试切削为止。

接下来，确定测得的切削深度与相关联的脉冲能量之间的关系(S5)。例如，可以假定切削深度与脉冲能量线性相关，并且可以用补偿直线来拟合脉冲能量/切削深度值对(“线性拟合”)。如果合适的话，可以按照其它模型实施更高阶回归分析或拟合。

根据以此方式确定的函数关系，可以根据所需设定点切削深度计算出所需设定点能量(S6)。

设定设定点能量值，并以所确定的设定点能量实施控制切削(S7)。接下来确定的控制切削的切削深度现在应当对应于所需设定点切削深度，这通过将控制切削深度与设定点切削深度进行比较来验证(S8)。

以此方式，在实施根据本发明的方法之后，针对工作激光的切削效果对激光进行简单且准确的校准，并且例如准备用于实施眼科激光手术。

图2示出根据本发明的根据该方法的这种校准过程的示例。在图中，横坐标上以mJ为单位示出激光脉冲的能量，并示出了1.58-1.76mJ的范围。以1.60mJ、1.65mJ、1.70mJ和1.75mJ的能量值实施了测试切削。纵坐标上以μm为单位示出通过厚度测量确定的切削深度，其在35-75μm的范围内。与脉冲能量值相关联的切削深度为55μm、60μm、65μm和70μm。以下用以下补偿直线拟合这四个测量值对A-D：

y＝100x-105

参数y表示以μm为单位的切削深度，参数x表示以mJ为单位的激光脉冲能量。例如，如果设定点切削深度为63.5μm(在图中由符号Ey指代)，则建议设定点能量的结果为1.658mJ。在图中该值由符号Ex指代。

当然，使用线性回归仅仅是根据测量值对确定指定设定点切削深度的所需设定点能量的很多可用方案之一。

图3a和图3b所示的激光设备100例如针对眼科激光手术而设计，并且作为激光辐射源包括：工作激光器110，适于角膜切削并发出脉冲辐射；眼睛跟踪仪120，用于在角膜治疗期间跟踪眼睛的活动；以及固定光140，在角膜治疗期间患者必须将他或她的眼睛固定在其上以保持眼睛活动尽可能地小。激光设备100中还集成了适于借助于OLCR(光学低相干反射计)捕获角膜厚度的测厚仪130。上述所有部件110-140在公共光学轴线X上工作，这通过诸如镜子、透镜等之类的各种光学部件实现。在图3a和图3b中，这些光学部件仅用镜子160示意性地表示。除了已知的上述部件之外，根据本发明的激光设备还具有定位模块170和计算机150。定位模块170仅以示意性地方式示出为方框，将结合图4a和图4b对其进行更具体的描述。定位模块上装有可更换的所谓的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的能流测试圆盘180。部件110-140和定位模块170均经由控制线190连接到计算机150。计算机具有被设计为控制部件110-140和定位模块170的控制程序200。

为了确定激光设备100的设定点脉冲能量，要确定能流测试圆盘180与激光设备100，特别是测厚仪180的距离(由双箭头210表示)和能流测试圆盘180的厚度(由另一双箭头220表示)。基于这些测量数据来控制工作激光器110和定位模块170，以便在能流测试圆盘180的不同位置处实施多次测试切削。在图3b中，示意性地表示这种测试切削230。在实施测试切削之后直接借助测厚仪130对测试切削位置230进行测量，从而确定得到的切削深度。这在图3b中由附图标记240示意性地表示。在以不同的脉冲能量如以上结合图1和图2所述实施了一系列测试切削之后，可以为目标切削深度确定所需设定点脉冲能量。

在图4a和图4b中，以更具体地方式示出已结合图3a和图3b提到的定位模块170。图4a示出定位模块的示意性俯视图，而图4b示出定位模块的示意性侧视图。定位模块170具有外壳171。在其顶侧提供有用于接纳能流测试圆盘180的接纳板172，接纳板172被布置在接纳设备173上，接纳设备173永久性地接合到外壳171。接纳设备173中集成有排气口174。

能流测试圆盘180被接纳板172托住。当实施一系列测试切削时，通过在各个测试切削之间例如借助于计算机控制的马达驱动来将能流测试圆盘例如逆时针地旋转90°，来将测试切削位置230以90°的角度均匀分布在能流测试圆盘180上。这在图4a中由箭头175表示。为了保证可再现的测量结果，气流被引向能流测试圆盘的顶部，在开口174处显现并掠过能流测试圆盘180的表面。气流可用于带走任何热量。在例如外壳171中可以容纳有产生气流的风扇和旋转驱动接纳盘172的伺服马达(均未示出)。气流被有益地引导以便可以去除出现在测试圆盘上方的切削云中的切削产物，从而使圆盘上方的区域保持干净且没有干扰颗粒。

图5示出能流测试圆盘180的放大图。这种圆形能流测试圆盘可以例如由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)构成，可以具有30mm的半径以及约4mm的厚度。当然，能流测试圆盘能够被生产成任何形状(例如，方形、条形等)，并具有不同于上述尺寸的尺寸。测试切削圆盘180具有彼此等距离并尽可能靠近边缘布置的四个外周切削位置230-233。这样布置的目的在于，通过保证测试切削位置230-233彼此之间的最大可能距离，来防止仍然正在用于切削的圆盘表面被切削产物污染。

在能流测试圆盘的中心处，布置有控制测试切削位置234。在对测试切削位置230-233处的测试切削的切削深度进行测量并对切削深度进行分析之后，以与所确定的设定点能量相对应的脉冲能量对控制测试切削位置234进行切削。如果提供了合适的移动机制，则也可以利用测厚仪130来测量控制切削位置234。然而，可替代地，可以利用诸如借助于深度测量探针的测量之类的机械测量方法。通过利用两种独立的测试方法，实现较低的误差概率。

Claims (5)

1.一种对提供脉冲工作激光辐射的激光设备的脉冲能量进行校准的方法，其中，借助于所述工作激光辐射，对一个以上测试对象分别以不同的脉冲能量实施多次测试切削，对每次测试切削的切削深度进行测量，然后，基于所测得的切削深度和指定的设定点切削深度，确定相关联的设定点脉冲能量并在所述激光设备上设定该设定点脉冲能量， 

其特征在于，借助于相干光学干涉测量设备对所述切削深度进行测量，借助于所述测量设备的沿所述工作激光辐射行进的测量束来测量所述切削深度，并且对同一测试对象实施多次测试切削，在连续的测试切削之间，相对于所述测量设备移动所述测试对象，其中在距用作所述测试对象的测试圆盘的圆盘中心具有半径距离的位置处施加测试切削，并且在连续的测试切削之间，将所述测试圆盘转动指定的旋转角度。 

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量设备基于光学低相干反射计原理进行工作。 

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，以确定的设定点脉冲能量对测试对象实施控制切削，然后利用所述测量设备对所述控制切削的切削深度进行测量。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，生成气流并将其至少引导至测试对像的被切削部分上。 

5.激光设备，包括： 

激光辐射源(110)，提供用以对对象进行处理的脉冲工作激光辐射； 

相干光学干涉测量设备(130)，用于利用沿所述工作激光辐射的方向行进的测量束测量至少一个长度测量值， 

可控定位模块(170)，用于将测试对象(180)定位在相对于所述激光辐射源(110)的多个限定位置中，所述定位模块包括用于接收用作测试对象的测试圆盘的接纳板和用于旋转地驱动所述接纳板的马达驱动， 

计算机，控制所述激光辐射源(110)、所述测量设备(130)和所述定位模块(170)，所述计算机被设计为在控制程序(200)的控制之下实施下列动作以校准所述激光辐射源(110)： 

借助于所述工作激光辐射，在各种情况下以不同的脉冲能量在距圆盘中心的半径距离处对所述测试圆盘实施多次测试切削， 

通过所述定位模块以在连续的测试切削之间旋转所述测试圆盘到各个限定的相对于所述激光辐射源的位置， 

借助于所述测量设备(130)对每次测试切削的切削深度进行测量， 

基于所测得的切削深度和指定的设定点切削深度来确定设定点脉冲能量，并且为所述工作激光辐射设定所确定的设定点脉冲能量。 

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