CN103209798A - 用于利用聚焦的电磁辐射处理物质的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于利用聚焦的电磁辐射处理物质（M）的装置，其包括：发射电磁辐射（12）的源（10）；将辐射引导到物质（M）上的模块（14、16、18、22、26）；将辐射聚焦到物质（M）上或物质（M）内的模块（28）；在电磁辐射的光束路中产生图案（32）的设备（20）；在聚焦的辐射的焦点（F）以前的光束路中的至少部分反射性的表面（30），其中所述图案（32）通过所述引导辐射的模块和所述聚焦辐射的模块中的至少一些映像到所述至少部分反射性的表面（30）上；至少一个检测器（D1、D2），其上反射有所述表面（30）的图案（32）的图像且其产生与所述图像对应的电信号，其中该图像包含一条与焦点（F）位置相关的信息；计算机（C），接收所述电信号且被编制程序来处理所述图像以根据焦点位置产生电信号（34）；和发散调整元件（18），布置在所述光束路中且被设计成接收计算机（10）的所述电信号（34）以根据信号来改变电磁辐射的发散度。

Description

用于利用聚焦的电磁辐射处理物质的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于利用聚焦的电磁辐射处理物质的装置和方法。

背景技术

特别地，考虑中的装置是光学系统，该光学系统将由例如激光器或LED作为辐射源产生的电磁辐射引导到待处理的物质上或物质内，并且形成和聚焦所述电磁辐射。本文中，物质处理可以是例如对物质的在例如半导体或还在金属物质中执行的那种微范围内的图案设置。特别地，本发明可以用于眼科光学系统，特别地在屈光性角膜手术（如LASIK）中使用。

当通过聚焦的电磁辐射处理物质时，精确地定位焦点（特别地在电磁辐射的方向（通常称为“z方向”））通常具有决定性的重要意义。焦点的位置通常被称为“焦点位置”。该术语不仅涵盖上面介绍的在辐射方向的焦点位置（称为焦点深度），而且更一般地还涵盖聚焦辐射的位置和方向，即作为示例，辐射相对于系统光轴的偏离或相对于系统光轴的角位置。

US2002/0171028描述了一种用于焦点控制的装置，其中使反射光与通过光成像路径的第二光束干涉，并且执行干涉测量和控制。

另外，在US6,666,857B2中，通过干涉波前控制来执行焦点控制。通过自适应镜子的组合来完成在光消融期间对人眼的有效波前控制。

在US2004/0021851中，由激光器和之后的波束成形光学器件组成的光学阵列用于测量未知透镜的焦距。焦距的测量是通过从不同距离处在基准表面上聚焦来执行的。检测辐射的反向反射部分。然后，利用各个距离估算光斑直径。焦距通过“牛顿”关系式Z Z′=f²确定。未详细描述的衍射光栅用于对辐射的反向反射部分进行外耦合。另外，使用琼斯矩阵表达式来计算焦距。该方法具有1%的精度。

WO2007/096136A1描述了一种装置、一种相机和一种计算机，该装置用于检测具有位于待测量的焦点上的部分反射表面的光学系统的焦点位置，该照相机用于拍摄由所述表面反射的图像，该计算机用于估算由照相机拍摄的图像。在聚焦成像系统之前的光学系统的光路中布置光学元件，所述光学元件根据焦点的位置影响所述图像。焦点位置通过聚焦光学器件的元件来控制。

发明内容

下面，将特别地关于所谓的fs-LASIK（飞秒lasik）对本发明进行说明和解释，本发明与其它种类的物质处理相关的应用（在此情况下需要焦点位置的精确控制）类似地产生。

本发明目标是允许在利用聚焦的电磁辐射处理物质时以简单可靠的方式控制（特别地闭环控制）焦点位置。

在一个实施例中，本发明提供一种用于利用聚焦的电磁辐射处理物质的装置，包括：

-发射电磁辐射的源，

-用于引导的模块，将辐射引导到所述物质上，

-用于产生图案的模块，在电磁辐射的光路中产生图案，

-至少部分反射性的表面，位于聚焦的辐射的焦点以前的光路中，所述图案通过所述用于引导的模块和所述聚焦的模块中的至少一部分映像到所述至少部分反射性的表面上，

-至少一个检测器，所述图案的图像被所述表面反射到所述至少一个检测器上并且所述至少一个检测器产生与所述图像相对应的电信号，其中所述图像包含与所述焦点的位置相关的信息，

-计算机，接收所述电信号并且被编制程序来处理所述图像，以便根据焦点位置来产生电信号,以及

-发散调整元件，被布置在所述光路中并且适合于接收所述计算机的所述电信号，以便根据所述信号来改变电磁辐射的发散度。

利用这样的装置，有可能通过发散调整元件控制或以闭环方式控制焦点位置，其中计算机在图像处理期间获得与焦点位置相关的信息，以便如果实际的焦点位置未对应于所期望的正常焦点位置则产生信号，发散调整元件根据此信号将改变光束发散度，使得实际的焦点位置会与正常焦点位置相对应。光束发散度的变化具有的作用是焦点位置会在不需要触动聚焦模块（即狭义的语义上聚焦光学器件）的情况下发生改变。如果光束发散度增大，则焦点向光束方向迁移，如果发散度减小，则焦点会向与光束方向相反的方向迁移。

根据本发明的优选实施例，所述部分反射性的表面被布置在装置中的位置上，在此位置上电磁辐射也朝待处理的物质的方向离开该装置。

本发明的另一优先实施例是这样设想的，使得待处理的物质是眼组织，优选是角膜。当以此方式应用本发明时，该装置用于产生例如所谓的“瓣（flap）”，特别地通过飞秒激光器产生瓣。当在fs-LASIK手术中切割角膜来产生瓣时，通过控制焦点位置以特别精确的方式且尽可能平面地执行切割，即切割应该忠实于焦点深度。这里通常通过所谓的压平表面将玻璃板压靠在角膜上，以便固定眼睛以及获得在角膜的基质中用于切割瓣的基准面。然后，聚焦的激光脉冲通常在相对于压平表面大约100μm的深度处在角膜中切割平面切口。在切口边缘处，切割深度降低，使得除“瓣蒂（hinge）”外，瓣的边缘可以脱离，使得瓣可以从侧面翻开。

上面描述的本发明允许准确地持久地调整切口深度，从而克服了现有技术中偶尔出现的问题，该问题可能来自于由在考虑的手术期间产生的焦点位置变化所引起的切口深度的不期望变化。通过本发明，切口深度的变化可以下降到几个微米（μm）。

在目前用于fs-LASIK的典型系统中，通常在治疗以前通过在测试样品上执行切割来调整相对于所谓的压平表面（即表面，通过该表面，上面提到的玻璃板将角膜按压到限定的平面内的表面）的切口深度。

本发明基于以下发现：尽管这种使用测试样品确定切口深度，但是仍可能发生不期望的预设切口深度的变化。不期望的切口深度的变化可能在使用各种测试样品确定切口深度之间的时间段内以及在手术本身期间（即在执行切割过程中）发生，这样不期望的变化特别地是由下列原因引起的：

-激光束的发散度的变化，特别地由激光器组件或其它光学组件的热变化引起的以及还由激光束方向的漂移的变化引起，

-用于聚焦的光学组件的变化，再次特别地由热变化引起，以及

-玻璃板表面的制造误差，玻璃板被压靠在眼睛上以便限定压平表面。

一旦利用例如上面提到的测试样品预设切口深度，影响焦点位置的组件的后续变化就不再被察觉，特别地在现有技术中不再是正确的。本发明克服了此缺点并且选择性地允许：

-特别地由热效应引起的激光束发散度的变化的识别；

-特别地由热效应引起的聚焦光学器件的聚焦特征变化的识别；

-激光束形状变化的识别；

-光束方向变化的识别；

-上面提到的压平表面的制造误差和测量误差的识别；以及

-直到就在物质处理位置（即特别地fs-LASIK手术中的切口）以前的点的光路检查；以及此外

-在激光器或在光路中的系统故障识别，特别地在手术期间的在激光器或在光路中的系统故障识别。

本发明的更多优选实施例描述在从属权利要求中。

附图说明

接下来，将结合附图更详细地描述本发明的实施例，其中：

图1示意性示出了用于利用聚焦的电磁辐射处理物质的装置；

图2示出了电磁辐射的光路中的遮罩的实施例；以及

图3示意性示出了光束发散度的变化对图案的影响。

具体实施方式

图1中示出的用于利用聚焦的电磁辐射处理物质的装置，涉及在飞秒的准分子激光原位角膜磨镶（lasik）手术中对所谓的瓣的切割，即这里在表示物质M的眼睛的角膜中产生切割。

对这类使用而言公知的那类飞秒激光器担当辐射源10。由飞秒激光器发射的辐射12经过两个偏转镜14被提供至扩束器16，扩束器16扩展光束直径。经扩展的激光束被引导至发散调整元件18（即能够增大或减小激光束的发散度的单元）中。能够作为发散调整元件使用的组件特别地是具有可调整透镜的望远镜以及具有可变形的镜子或可变形的透镜的系统。接下来，激光束通过图案生成器20，例如在下文中更详细地描述的那种荫罩。图案生成器12在光束的横截面上产生不均匀分布的光束强度。图2示例性地示出了用于产生在方形的角上具有四个点的图案的荫罩。除所示出的孔以外的结构也适合于图案生成。通过发散调整元件18引起的激光束的发散度的变化导致遮罩图像（即图案）的尺寸变化，遮罩图像的尺寸变化是由遮罩后面的光束产生的。优选地，图案生成器适于旋转到光路以外。

在通过遮罩后，发散度已被调整的经扩展的激光束入射到分束器22上。在图1中，光束中的一部分光束被分束器22向下转向通过透镜L1到第一检测器D1上。激光束中的另一部分激光束直线地通过分束器22。这一子束入射到遮光板24上，并且如果所述遮光板24打开，则这一子束入射到偏转单元26上，光束通过该偏转单元26相对于眼睛M被引导和定位。聚焦光学器件由透镜28示意性表示。玻璃板通过（下面的）压平表面压靠在眼睛M的角膜上，这是在飞秒LASIK（fs-LASIK）手术中用于切割瓣的常规做法。聚焦光学器件（透镜28）调整激光束的焦点F，并且在瓣的切割过程中，焦点位于角膜中与光束方向基本垂直的平面内，例如位于相对于角膜表面100μm的深度。

当激光束的发散度通过发散调整元件18改变时，即使光学组件的其它调整保持不变，焦点F的位置也会像图1中双向箭头表示的那样变化。

玻璃板的压平表面30是部分反射性的，使得由图案生成器20产生的图案在压平表面30上的图像被反射回，并且经过分束器22和透镜L2被传送至第二检测器D2。该反射性的压平表面位于待处理的物质允许的与焦点F接近的位置。

两个检测器D1和D2是高分辨率电子相机，并且根据由图案生成器20产生的图案的被这两个检测器D1和D2拍摄的图像产生电信号，所述电信号被传送至计算机C去做图像处理。

由于分束器22的作用，第一检测器D1接收从辐射源10传送至第一检测器D1的没有在部分反射性的表面30上反射的图案图像。第二检测器D2接收从部分反射性的表面30反射回的图案图像。透镜L1和L2对检测器上的图像进行格式排列，以便获得最大化分辨率。

由于上面描述的光学组件相对于检测器D1和检测器D2的布置，由检测器接收的图案图像包含与装置的所有光学组件的光学条件相关的信息，特别地包含与当所述光束穿过图案生成器20时光束的发散度相关的信息。第一检测器D1对于分束器22以前的光路检测该信息，并且第二检测器D2关于从源10到压平表面30的光路中的所有组件检测该信息。

图案生成器20可以被配置为例如适合于插入光路中的具有孔的板（荫罩）。图1中由双向箭头示出荫罩是可移动的事实，并且荫罩从光路中移除的位置由附图标记20′表示。

作为荫罩的替代，还可以提供电光模块，电光模块保持在光路中并且可以被控制使得它们选择性地允许光束自由通过或允许在光路中形成遮罩，所述遮罩用于产生图案。

根据图1的用于对焦点F的位置实施控制或闭环控制的装置的功能如下：

如开始所描述的，由于由源10发射的辐射的光路中的组件的光特性的改变，所以在所考虑的那种装置中可能发生焦点位置的不期望移位，所述改变特别地是由热效应引起的。焦点位置的改变特别地在光束发散度改变时发生。当激光束的发散度改变时，遮罩在检测器D1和检测器D2中的图像（即由遮罩产生的图案的图像）会根据发散度是增加还是减少而变大或变小。图像的特性（特别地在压平表面30上形成的遮罩图像的尺寸）也是焦点位置的测量手段，即在压平表面上形成的辐射图案图像包含与焦点F的位置相关的信息，辐射图案是由图案生成器20产生的。计算机C中的图像处理模块可以使用该信息来计算用于发散调整元件18的控制信号，控制信号用来控制光束的发散度，使得焦点F将具有所期望的位置。

图2示出具有四个点P的荫罩的示例。图3示出该荫罩在压平表面30上的图像可以如何根据辐射的不同发散度而变化。这些变化通过例如图3中的双向箭头来标记。例如，当发散度对称地改变时，点P1、P2、P3和P4的原始位置可以向内迁移到各自的位置P1′、P2′、P3′和P4′，这意味着焦点F会靠近压平表面30。然而，如果所期望的焦点位置与点P1、P2、P3和P4的原始位置相对应，那么该原始位置可以通过改变发散度（例如通过根据光学元件的性质增大发散度）来重新建立。这可以在闭环方式以后执行，使得在准备手术措施（例如系统的光校准）和手术结束之间的时间段内，期望的焦点深度将总是保持高准确度。

从上文可以看出，遮罩在表面30上的图像包含与焦点F的位置相关的信息。还可以看出，图案在所述表面上的图像可以利用发散调整元件18通过调整发散度来改变。

利用这些函数依赖关系，有可能在焦点位置方面校准图1的光学装置，即从实验角度使用测试眼球等等在所预期的变化范围内将表面30上的每个图像指定到每个焦点位置，然后，该图像被检测器D2拍摄到并且与描述焦点位置的特征的数据（例如焦点深度）一起存储在计算机C内。为了进行图像处理，计算机C可以在其内储存通过实验（经验）获取的数据，在数据中，特定的焦点位置被分配给各个图案图像。该函数分配可以以例如表格的形式或通过经验获得的数学函数来执行。对于该装置的特定光学系统而言，图案的图像尺寸变化是辐射发散度变化的明确函数，此外，焦点位置的变化也是图像尺寸变化的明确函数，因此，是发散度变化的明确函数。这些函数依赖关系可以关于特定的光学系统（即图1的装置）从经验角度事先地确定，并且以所描述的方式存储在计算机C中。

在闭环情况中，发散调整元件18担当调整元件。闭环的扰动变量是基于检测器图像确定的。例如，长度信息（尺寸），例如图3中的点之间的尺寸，可以从遮罩的图像中获得。通过插值，作为分析基础使用的幅度可能比检测器D1和检测器D2的像素尺寸更准确。

根据图3，例如，实心点与空心点之间的距离可以在计算机C中通过图像处理来确定，并且包含响应于焦点位置变化的距离变化的通过经验获得的函数，可以用来通过由发散调整元件18引起的发散度变化重新建立从所存储的函数中计算出的点的位置，因此计算出期望的焦点位置。这全部是关于最初实验地（经验地）确定的参考位置相对地完成的，在参考位置中，焦点位置是基于例如测试眼球等测量的并且该焦点位置精确地代表例如在fs-LASIK手术中用于切割瓣的期望切割深度。然后，该期望参考深度与图2和图3的图案图像中的点的十分特定的尺寸相关，并且计算机C控制发散调整元件18，使得将在手术前以及手术中保持与期望焦点位置对应的点距离。

扰动变量特别地是从源10到分束器22的辐射路径上的光波长的热变化，沿该路径的发散度变化或者此外光学组件的其它变化。这导致两个检测器D1和D2上的图像的变化，检测器D1上的变化已经包含关于这些扰动变量的所有信息。

沿从分束器22到压平表面30的路径发生的光学组件的变化（特别地受热调节的变化）或者此外压平表面30的不正确放置导致检测器D2上的图像的变化，而对由检测器D1所拍摄的图像没有任何影响。

这意味着计算机也可以用于估算扰动变量，并且可能定位这些扰动，即与特定的光学组件相关联。

除了上面描述的控制焦点位置以外，上面描述的系统还允许在增加操作可靠性的方面下监控系统的其它重要方面。例如，监控功能可以通过计算机来实现，以检测光束中断、光束椭圆率的变化、污染、光学系统的缺陷等。所有这些对在两个检测器D1、D2之一上呈现的图案图像有影响，并且可以被评估以便为患者排除任何风险，例如在手术由于上面提到的参数偏离预定的标准值的原因而必须中断时。

为了尽可能限制计算机C中的图像处理所需的计算工作量，选取由图案生成器20产生的图案的最简单可能版本是可取的。这可以通过使用图2所示的相对简单的遮罩来实现。基于所显示的点阵列，各个具有两个顶点的一维分布每个可以通过对列和行进行求和来产生。这些顶点之间的距离可以利用比像素距离好的局部分辨率在没有重大计算量的情况下确定（通过插值）。

荫罩可以通过例如在金属板，黑化的膜，全息元件，透镜阵列等中提供孔来实现。简单的遮罩可以通过图像处理在没有重大计算量以及在几乎实时的情况下处理，而更复杂的遮罩需要较多的控制功能和误差分析。

作为此前关于图1描述的实施例的改进，有可能省略检测器D1和相关的透镜L1或代之以镜子。当检测器1被镜子代替时，光束偏离量可能增加，这或者允许光束通过到达焦点F或阻止光束朝向镜子。

根据图1的实施例的另一改进可以这样构思，使得省略检测器D2和相关的透镜L2或者以镜子代替检测器D2和相关的透镜L2。如果遮光板24关闭，那么这将允许测量出射光束的光束分布。如果遮光板24打开，那么已经存在于检测器D1上的图像分布将与第二光束分布（由表面30反射的）叠加。这两个图像可以相对于彼此被处理，例如一个图像可以从另一图像中扣除。在这么做时，这两个图像可以在空间上彼此分离，从而会简化图像处理。

如果省略检测器D1和相关的透镜L1，则遮光板24可以被旋转镜代替，以便利用时间移位和根据镜子的角度条件来拍摄这里只由一个检测器D2（相机）关注的图像。

作为使用二维相机作为检测器的替代，还可能使用行扫描相机作为此用途，此时对于图案生成器预先确定行图案。

类似地，可以通过偏转镜14的配置关于偏转镜的位置和角度来控制焦点位置。此外，焦点的位置（即焦点在垂直于光束方向延伸的平面内的位置）对压平表面30上的图案的图像有影响，并且可以通过计算机C中的图像处理用于利用偏转镜控制焦点位置，偏转镜被实现为可通过计算机C控制的可马达调整的元件。为此，与此前已描述的基于与发散度油管的焦点深度的内容相类似，计算机C也可以被经验地（实验地）编制程序，使得计算机C将以如下方式控制偏转镜14，在此方式中，焦点位置会在与光束方向的直角下被调整至由计算机预先确定的期望值。当在由恒定焦点深度所限定的平面内切割瓣时，保持该期望焦点位置。

上述内容还以对应的方式适用于焦点F位置处的辐射方向，这也体现在表面30上的图案的图像中，因此这与此前关于焦点深度和发散度之间的关系做出的介绍类似，可以通过利用计算机C控制偏转镜14来控制和闭环控制。附图标记列表

10 辐射源

12 辐射

14 镜子

16 扩束器

18 发散调整元件

20 图案生成器

22 分束器

24 遮光板

26 光束引导件

28 聚焦

30 压平表面

F  焦点

L1 透镜

L2 透镜

D1 检测器

D2 检测器

C  计算机

32 图案

P  点

34 信号

Claims (11)

1.一种用于利用聚焦的电磁辐射处理物质（M）的装置，包括：

发射电磁辐射（12）的源（10），

用于引导的模块（14、16、18、22、26），将辐射引导到所述物质（M）上，

用于聚焦的模块（28），将辐射聚焦到所述物质上或所述物质内，

用于产生图案的模块（20），在电磁辐射的光路中产生图案，

至少部分反射性的表面（30），位于聚焦的辐射的焦点以前的光路中，所述图案（32）通过所述用于引导的模块和所述用于聚焦的模块中的至少一部分映像到所述至少部分反射性的表面（30）上，

至少一个检测器（D1、D2），所述图案的图像被所述表面（30）反射到所述至少一个检测器（D1、D2）上并且所述至少一个检测器（D1、D2）产生与所述图像相对应的电信号，其中所述图像包含与所述焦点的位置相关的信息，

计算机（C），接收所述电信号并且被编制程序来处理所述图像，以便根据焦点位置来产生电信号，以及

发散调整元件（18），被布置在所述光路中并且适合于接收所述计算机的所述电信号（34），以便根据所述信号来改变电磁辐射的发散度。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述表面（30）被布置在所述电磁辐射离开所述装置的位置。

3.根据权利要求1或权利要求2之一所述的装置，其特征在于，

所述物质（M）是眼组织，优选是角膜。

4.根据前面的权利要求之一所述的装置，其特征在于，

所述源（10）是激光器，优选是飞秒激光器。

5.根据前面的权利要求之一所述的装置，其特征在于，

所述表面（30）是适于压靠在角膜上的压平表面。

6.根据前面的权利要求之一所述的装置，其特征在于，

所述图案（32）包括两个或更多个点（P）。

7.根据前面的权利要求之一所述的装置，其特征在于，

所述发散调整元件（18）包括望远镜、可变形镜以及可变形透镜之一。

8.根据前面的权利要求之一所述的装置，其特征在于，

两个检测器（D1、D2），所述检测器之一（D1）检测由所述源（10）发射的辐射，以及所述检测器中的另一检测器（D2）检测由表面（30）反射的辐射。

9.根据前面的权利要求之一所述的装置，其特征在于，

产生所述图案（32）的单元（20）被布置在所述发散调整元件（18）后面的电磁辐射的光路中。

10.根据前面的权利要求之一所述的装置，其特征在于，

所述图案（32）包括以矩阵形式排列的点（P）。

11.一种用于利用聚焦的电磁辐射处理物质的方法，包括以下步骤：

利用源（10）产生电磁辐射（12）；

将辐射引导到待处理的物质上；

将辐射聚焦到所述物质上或所述物质内；

利用电磁辐射产生图案（32）；

在聚焦的辐射的焦点（F）以前的电磁辐射的光路中提供至少部分反射性的表面（30）；

将所述图案映像在所述至少部分反射性的表面（30）上；

利用至少一个检测器（D1、D2）检测由所述表面（30）反射的辐射，所检测的图像包含与所述焦点（F）的位置相关的信息；

产生代表所检测的图像的电信号；

在计算机（C）中处理所述电信号，以便根据焦点位置产生电信号（34）；以及

根据所述电信号（34）调整所述发射的辐射的发散度。

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