CN104039283A - 用于确定折射激光器的聚焦深度的图像处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定激光束的焦点深度的激光设备、系统以及方法。接口装置可联接到所述激光设备并具有包括前表面和后表面的扁平元件。具有预定形状的激光束通过焦点位置处的扁平元件进行聚焦。从所述扁平元件的前表面反射的寄生反射与从所述扁平元件的后表面反射的标准反射的叠加图像被检测。随后，所述寄生反射被从所述叠加图像中滤除。根据余留的标准反射，所述激光束的焦点的深度可被确定。

Description

用于确定折射激光器的聚焦深度的图像处理方法

背景技术

对于材料加工激光器，特别是对于用于眼外科手术的激光器，精确确定激光束的焦点深度是必要的，以便实现高质量且精确的切割。

折射激光器是一种特殊的材料加工激光器，其被用在LASIK(激光视力矫正手术)外科手术中。LASIK外科手术分三个步骤执行。第一步是制备角膜组织的瓣。第二步是利用折射激光器对在角膜瓣下的角膜进行矫形或重塑。在最后步骤中，该角膜瓣被重新定位。

人类角膜由五层组成。外层是上皮细胞层，是快速生长且易于再生的细胞的薄的组织层，通常由大约六层细胞组成。接下来，8-14μm厚的前弹性(Bowman's layer)层是保护基质层的胶原的凝结层。基质层是透明的中间层，其包括整齐排列的胶原纤维和稀疏分布的互连的角膜基质细胞，角膜基质细胞是负责一般性修复和维持的细胞。后弹力层(Descemet's membrane)是厚约5-20μm的薄的非细胞层。最后，内皮细胞层是一层约5μm厚、富含线粒体的细胞。

基质层是角膜的最厚的层，占多达90％的角膜厚度。外科手术期间基质层的重塑或矫形改变了角膜的光聚焦性能，这导致对患者视力的校正。

在LASIK外科手术期间，为了更准确地控制激光束的焦点的深度，一平的或弯曲的透明或/和半透明的面板被布置成与眼睛的外层接触。该面板还被称为扁平元件。该扁平元件具有前表面以及与眼睛接触的后表面，所述前表面通常涂覆有反射最小化层。

当对角膜瓣进行切割时，激光器的焦点深度必须被非常精确地控制。该角膜瓣被切割至大约80μm-500μm的厚度，例如约120μm。该角膜瓣通常被创建在距前弹力层极近处以避免由拉回该角膜瓣造成的创伤，但该角膜瓣距前弹力层足够远以避免破坏该层。为了实现一致、高质量的结果，激光束的焦点深度必须是在几个微米的精度内可控的。

在目前LASIK外科手术系统中，相对于眼睛的角膜表面的激光焦点深度在每个外科手术开始之前被校准(或重新校准)。

为了在校准期间确定激光束的焦点的精确深度，扁平元件的后表面与眼睛接触，并且具有特殊图案的激光束被引导至眼睛。根据从扁平元件的后表面反射的光的测量图案来计算相对于扁平元件的后表面的激光束焦点精确深度。为了确保不存在来自其它表面的会损害这些计算质量的寄生反射，扁平元件的前表面被涂有反射最小化的高透涂层。

问题描述

然而，这样的高透涂层相当昂贵，因此需要提供一种用于确定激光束焦点的精确深度的方法，这种方法甚至当扁平元件的前表面没有涂有反射最小化的高透层时也能起作用。这个问题由独立权利要求的主题解决。有利的实施例由从属权利要求限定。

发明内容

根据权利要求1对眼科激光设备的第一方面进行描述。接口装置可联接到激光设备并具有扁平元件，所述扁平元件对所述激光设备产生的激光束可以是透明的或/和半透明的。所述扁平元件具有前表面和后表面。所述激光设备包括：光学器件，其适于通过焦点处的所述扁平元件来聚焦具有预定形状的激光束。另外，所述激光设备包括：检测元件，其适于检测从所述前表面反射的寄生反射与从所述后表面反射的标准反射的叠加图像。所述激光设备还包括：处理器，其适于从所述叠加图像中数字地滤除所述寄生反射，并根据余留的标准反射来确定所述激光束的焦点的深度。

甚至当所述扁平元件的前表面不具有反射最小化涂层时，根据第一方面的所述激光设备也能够精确地确定所述激光束的焦点深度。

在根据第一方面的一个实施例中，所述眼科激光设备进一步包括：用于遮蔽所述激光束的至少一部分的遮光部。在这种情况下，所述光学器件适于通过所述遮光部来聚焦所述激光束以产生所述预定的形状。根据该实施例，可选择适当的遮光部，适当的遮光部适于为确定所述激光束的焦点深度提供准确结果。

在根据第一方面的另一实施例中，用于滤除所述寄生反射的处理器可适于将所述叠加图像与预定的参考图案进行卷积以产生辅助图像。所述处理器可适于接下来评估所述辅助图像以识别具有最高强度的最大点。最后，所述处理器可适于根据所述最大点的位置来重新定位所述参考图案，以及将所述叠加图像乘以所述重新定位的参考图案以产生所述标准反射。根据该实施例，标准反射的中心点可被确定，并且可根据该信息来消除寄生反射。

在前述实施例的改进中，所述参考图案可包括中心点，并且所述处理器可适于重新定位所述参考图案以便使所述中心点与所述最大点的位置重叠。根据该实施例，标准反射可位于的点能够被识别，从而确保没有一个标准反射在消除寄生反射时被消除。

附加性地或替代性地，所述叠加图像与所述参考图案的卷积可被执行为频域内的乘法运算。在该实施例的改进中，所述处理器可适于对所述叠加图像实施傅里叶变换。随后，所述处理器可适于将经过傅里叶变换的叠加图像乘以所述参考图案的傅里叶变换以产生经过变换的辅助图像。最后，所述处理器可适于对所述经过变换的辅助图像执行逆傅里叶变换以产生所述辅助图像。这使得卷积的叠加图像的计算能够被更快地执行，这是因为执行空间域上的卷积的计算量巨大。

在第一方面的另一实施例中，所述扁平元件不具有反射最小化涂层。

在前述两个实施例的任一实施例中，所述扁平元件的后表面可适于与待检查的眼睛处于接触。这使得所述光学器件与眼睛表面之间的距离在确定过程中能够保持恒定，从而确保焦点的深度始终被准确地测量。

第二方面是激光系统，该激光系统具有根据第一方面或第一方面的实施例中的一个实施例的激光设备。该激光系统进一步包括接口装置，所述接口装置可联接到所述激光设备并具有扁平元件，所述扁平元件对所述激光设备产生的激光束是透明的或/和半透明的。所述扁平元件包括前表面和后表面。

第三方面是一种用于确定由本文所述的眼科激光设备提供的激光束的焦点深度的方法。在方法的第一步骤中，具有预定形状的激光束通过焦点处的扁平元件而被聚焦。所述扁平元件具有前表面和后表面。所述扁平元件可以是透明和/或半透明的扁平元件，即，其可以对所述激光束是透明和/或半透明的。在第二步骤中，对叠加图像进行检测。所述叠加图像包括从所述前表面反射的寄生反射与从所述后表面反射的标准反射的叠加。在第三步骤中，从所述叠加图像中数字地滤除所述寄生反射。在最终步骤中，根据余留的标准反射来确定所述激光束的焦点的深度。

甚至当所述扁平元件的前表面不具有反射最小化涂层时，根据第三方面的所述方法也能够使所述激光束的焦点深度被精确地确定。

在根据第三方面的实施例中，所述滤除所述寄生反射的步骤可包括：将所述叠加图像与预定的参考图案进行卷积以产生辅助图像；对所述辅助图像进行评估以识别具有最高强度的最大点；根据所述最大点的位置来对所述参考图案进行重新定位；以及将所述叠加图像乘以所述重新定位的参考图案以产生所述标准反射。根据该实施例，标准反射的中心点可被确定，并且可根据该信息来消除寄生反射。

根据该实施例，所述进行卷积的步骤可包括：对所述叠加图像实施傅里叶变换；将经过傅里叶变换的叠加图像乘以所述参考图案的傅里叶变换以产生经过变换的辅助图像；以及对所述经过变换的辅助图像执行逆傅里叶变换以产生所述辅助图像。这使得卷积的叠加图像的计算能够被更快地执行，这是因为执行空间域上的卷积的计算量巨大。

第四方面是具有程序代码部分的计算机程序，当所述计算机程序被加载在计算机或处理器上时，或在计算机或处理器上运行所述计算机程序时，所述计算机程序使所述计算机或处理器执行本文所述的方法方面中的任一方面。

所述计算机程序程序可被存储在程序存储装置或计算机程序产品上。

在上述中，操作“傅里叶变换”涉及任何离散傅里叶变换，例如快速傅里叶变换(FFT)。然而，任何适于将空间信号变换到频域的计算方法都可被用在涉及“傅里叶变换”的地方。

所述激光设备、激光系统、对应的方法以及计算机程序在本文中以参照眼科的方式进行描述。然而，还可以设想的是，所述激光设备、激光系统、对应的方法以及计算机程序可被用在不同的技术领域，如用于皮肤病学或材料加工。

附图说明

将在附图的基础上对本发明进行进一步解释，附图始终是示意性的。

图1示出了根据本发明的一个实施例的包括激光设备的系统的示意图。

图2示出了根据图1的实施例的激光设备的一部分的示意图。

图3示出了根据图2的实施例中所使用的遮光部的平面图。

图4示出了根据图1的实施例的穿过扁平元件的光的示意图。

图5示出了根据本发明的实施例的方法的计算步骤的框图。

图6示出了适用于对激光束的焦点深度进行计算的过滤图像。

图7示出了根据图5的实施例的包括与标准反射叠加的寄生反射的图像。

图8示出了根据图5的实施例的参考图案。

图9示出了图8的参考图案的傅里叶变换。

图10示出了图9的经过傅里叶变换的参考图案与图7的叠加图像的傅里叶变换相乘的结果。

图11示出了图10的图像的逆傅里叶变换。

图12示出了根据图5的实施例的重新定位的参考图案。

具体实施方式

图1示出了用于将激光束14聚焦在人眼16内的焦点处的激光系统10。

该激光系统包括激光源12。激光源12可包括：例如激光振荡器(例如固体激光振荡器)；预放大器，该预放大器增加从振荡器发出的激光脉冲的脉冲功率并同时对脉冲进行暂时地展宽；后续脉冲检波器，该后续脉冲检波器从振荡器的预放大的激光脉冲中选取个别激光脉冲以便将重复频率降至所需程度；功率放大器，该功率放大器将所选的、仍处于暂时展宽的脉冲放大到应用所需的脉冲能量；以及脉冲压缩器，该脉冲压缩器将从功率放大器输出的脉冲压缩至应用所需的脉冲宽度。

激光源12产生脉冲的激光束14。选择辐射脉冲的脉冲宽度以产生用于诊断的反射光信号，或产生用于在待治疗患者的眼睛16的角膜组织中创建切口的反射光信号。激光束14的辐射脉冲具有在纳秒、皮秒、飞秒或阿秒范围的脉冲宽度。

另外，由激光源12产生的激光束14具有例如所讨论的应用所需的脉冲重复频率。从激光装置10发出的并引导至眼睛16上的辐射脉冲的重复频率对应于激光源12的输出端处产生的辐射脉冲的重复频率。替代性地，当针对眼睛16的预定作业轮廓需要时，可通过设置在激光束14的辐射光路中的光开关18来阻断从激光源12发出的辐射脉冲的一部分。因此，这样被阻断的辐射脉冲不会到达眼睛16。

光开关18也被称为脉冲调制器，可以例如采用声光调制器或电光调制器的形式。通常，光开关18可包含能够快速阻断个别激光脉冲的任意光学有源元件。例如，光开关18可包含用于吸收待阻断的辐射脉冲的束阱。光开关18能够使这种待阻断的辐射脉冲从激光束14的辐射脉冲的正常光路上偏转并将这些脉冲引导至束阱。

其它设置在激光束14的光路中的光学部件包括z控制器22和x-y控制器24。z控制器22控制激光束14的焦点的纵向位置，另一方面，x-y控制器24控制焦点的横向位置。为了说明，表示眼睛16区域中的x-y-z方向的坐标系已被画在图1中。在这种情况下，术语“纵向”表示光束传播的方向，其通常被指定为z方向。类似地，“横向”表示横向于激光束14的传播方向的方向，其通常被指定为x-y面。

为了实现激光束14的横向偏转，x-y控制器24可例如包括一对能够绕互相垂直的轴线倾斜的检流驱动扫描镜。z控制器22可例如包含可纵向调节的透镜或折射倍率可变的透镜或可变形的反射镜，利用该透镜可控制激光束14的发散，进而控制光束焦点的z位置。这样的可调节透镜或反射镜可被包含在光束扩展器中，该光束扩展器扩展从激光源12发出的激光束14。该光束扩展器可例如被配置为伽利略望远镜。

第一实施例的激光设备包括聚焦物镜，该聚焦物镜也被称为光学器件26，并且被设置在激光束14的光路中。光学器件26用于将激光束14聚焦到眼睛16上或眼睛16内所需的位置上，尤其聚焦到角膜内。聚焦光学器件26可以是F-θ物镜。

光开关18、z控制器22、x-y控制器24以及聚焦物镜26不必一定根据图1中所示的顺序进行设置。例如，在不失通用性的情况下，光开关18可被设置在光束路径中z控制器22的下游处。如果需要的话，可使x-y控制器24和z控制器22相结合以构成单个结构单元。图1中所示的部件的顺序和分组绝不应理解为限制性的。

聚焦物镜26的光束出射侧上，扁平元件30构成用于眼睛16的角膜的抵接界面。扁平元件30对于激光辐射是透明的或/和至少半透明的。在扁平元件的面向眼睛的后表面32上，扁平元件30包括用于眼睛16的角膜的抵接面。在扁平元件与眼睛表面相对的上侧，扁平元件30包括前表面36，所述前表面36没有任何反射最小化涂层。在所示的示例性情况下，后表面32被实现为平面。当利用适当压力将扁平元件30布置成与眼睛16接触时或当通过抽压将角膜抽吸在后表面32上时，后表面32将角膜拉平。如图1所示，眼睛16抵靠在扁平元件30的平面的后表面32上。

在平行平面设计的情况下，通常被指定为扁平板的扁平元件30被安装到呈锥形渐宽的承载套筒34的较窄端。扁平元件30与承载套筒34之间的连接可以是永久性的，例如通过粘合连接，或者该连接可以是可拆卸的，例如通过螺栓联接。还可以想到的是，使用单个既用作承载套筒34也用作扁平元件30的光学注塑制件。在未详细示出的方式中，承载套筒34具有位于其较宽的套筒端的联接结构，在附图中，该较宽的套筒端为上端。该联接结构适用于将承载套筒34联接到聚焦物镜26上。

激光系统10还包括检测元件42，例如照相机，该检测元件用于收集图像并将所述图像传递到控制计算机38。

激光源12、光开关18、检测元件42以及两个扫描器22、24由控制计算机38控制，控制计算机38根据存储器中所存储的控制程序进行操作。该控制程序包含由控制计算机38执行的指令(程序代码)，以便确定并控制激光束14在角膜中、透镜中或在抵靠接触元件30的眼睛16的另一位置处的光束焦点的位置。

激光系统10还可以包括连接到控制计算机38的接口模块(未示出)，以允许用户将命令输入到控制计算机38中。所述接口模块可包括屏幕或监视器以使用户能够查看关于激光系统10的部件的状态信息，和/或查看由检测元件42收集的数据。

在图2中，构成激光设备的激光系统10的一部分被更详细地显示。在激光束14的位于聚焦物镜26与扁平元件30之间的路径中，设置有遮光部40。遮光部40由对激光束14的光不透明的材料构成。将遮光部40的尺寸定制成使得基本上遮蔽整个激光束14。示出了方形遮光部40，但是其也可以是其它凸起形状，例如规则或不规则多边形或圆形。

图3示出了遮光部40的平面图。遮光部40具有中心开口43以及一个或更多个外部开口44，开口43、44适于允许来自激光束14的光穿过。外部开口44各自以距中心开口43相等的距离D分隔开。距离D小于激光束14的直径的一半，以便来自激光束14外缘的光穿过外部开口44。外部开口44可关于以中心开口43为中心的假想圆周均匀地分布，但外部开口44关于假想圆周的不均匀分布也是可能的。

图4示出了当光束14指向扁平元件30时，扁平元件30的透射/反射特性。当光到达扁平元件30的前表面36时，大部分光继续沿着相同的方向，但是一部分光被反射回来，从而形成寄生反射14b。

现有技术提供了在扁平元件30的前表面36上的反射最小化涂层，以便抑制寄生反射14b。然而，在本实施例中，前表面36不具有反射最小化涂层，因此在前表面36上入射的光将导致寄生反射14b。

随后，激光束14中的其余的光穿过扁平元件30，并到达扁平元件的后表面32。在此，一部分光也被反射回来，从而形成标准反射14a。

来自标准反射14a和寄生反射14b的反射光被检测元件42以输出图像的形式收集。

在现有系统中，由于设置在后表面36上的反射最小化涂层，输出图像仅包括标准反射14a。如果利用图3中所示的遮光部40，那么将产生类似于图6中所示图像的反射，其包括中心亮点以及四个外部亮点，所述中心亮点表示穿过中心开口43的光的标准反射14a，所述四个外部亮点表示穿过外部开口44的光的标准反射14a。根据中心点与外部点之间的距离，可以计算激光束14的焦点的深度。

在本实施例中，当利用图3中所示的遮光部40时，产生如图7所述所示的反射。该图像包括与寄生反射14b叠加的标准反射14a。寄生反射14b中的点具有类似于标准反射14a中的点的形态，该形态由遮光部40的开口43、44确定。然而，寄生反射14b中的点具有低于标准反射14a中的点的强度。此外，寄生反射14b中的点的分布范围比标准反射14a中的点更广。最后，寄生反射14b可以是不完整的，仅外部点中的一些被记录在图像中。

为了计算激光束14的焦点深度，因此，必须对图7的叠加图像进行过滤并除去寄生反射14b，以便可根据标准反射14a来计算激光束14的焦点深度。

图5示出了根据一个实施例的对叠加图像(例如图7中所示的图像)进行过滤的步骤。

在第一步骤中，根据遮光部40的图案来确定参考图案54。如图8所示，参考图案54包括在激光束14的所有可能的焦点深度处产生的点的位置的叠加，以作为特定遮光部40的标准反射14a的一部分。如图9所示，对参考图案54进行傅里叶变换以产生经过变换的参考图案56。

在系统10被投入使用之前，参考图案54的确定以及对变换参考图案56的计算可仅被执行一次，并且经过变换的参考图案56被存储在控制计算机38的存储器中。这样，在各个过滤操作期间无需重复这些操作；相反地，对应于遮光部40的经过变换的参考图案56可简单地从存储器中获得。

第一步骤的操作可由控制计算机38执行，或其可在外部处理器上被执行，并且结果被加载进控制计算机38的存储器中。其余的步骤由控制计算机38执行。

第二步骤可在第一步骤之前、第一步骤之后或与第一步骤并行执行，在第二步骤中，图7中所示的叠加图像50被傅里叶变换以产生经过变换的叠加图像52。

在第三步骤中，如图10所示，将经过变换的叠加图像52乘以经过变换的参考图案56以产生经过变换的辅助图像58。

在第四步骤中，如图11所示，对经过变换的辅助图像58进行逆傅里叶变换，以产生另一辅助图像60。辅助图像60表示叠加图像50与参考图案54的卷积。

在第五步骤中，对辅助图像60进行扫描以识别图11中由箭头指示的最高强度点。所述最高强度点是辅助图像60中最亮的点，并对应于标准反射14a的中心的位置。

在第六步骤中，图8中的参考图案54被重新定位，以使得参考图案54的中心点与图11中的辅助图像60中所识别的最高强度点的位置重合。重新定位的参考图案62被显示在图12中。

最后，在第七步骤中，将图7中的叠加图像50乘以图12中的重新定位的参考图案62，以产生经过过滤的图像64(如图6所示)。经过过滤的图像64基本上与遮光部40产生的标准反射14a相同，并且基本上没有任何寄生反射14b。随后，可利用已知的算法对经过过滤的图像64进行评估以确定激光束14的焦点的深度。

Claims (14)

1.一种眼科激光设备，其中，接口装置可联接到所述激光设备并具有包括前表面和后表面的扁平元件，其中，所述激光设备包括：

-光学器件，所述光学器件适于通过焦点处的所述扁平元件来聚焦具有预定形状的激光束，

-检测元件，所述检测元件适于检测从所述前表面反射的寄生反射与从所述后表面反射的标准反射的叠加图像，以及

-处理器，所述处理器适于从所述叠加图像中数字地滤除所述寄生反射，并根据余留的标准反射来确定所述激光束的焦点的深度。

2.根据权利要求1所述的眼科激光设备，其中，所述激光设备进一步包括：用于遮蔽所述激光束的至少一部分的遮光部，并且其中所述光学器件适于通过所述遮光部来聚焦所述激光束以产生所述预定的形状。

3.根据前述权利要求中任一项所述的眼科激光设备，其中，所述用于滤除所述寄生反射的处理器适于：

-将所述叠加图像与预定的参考图案进行卷积以产生辅助图像，

-评估所述辅助图像以识别具有最高强度的最大点，

-根据所述最大点的位置来重新定位所述参考图案，以及

-将所述叠加图像乘以所述重新定位的参考图案以产生所述标准反射。

4.根据权利要求3所述的眼科激光设备，其中，所述参考图案包括中心点，并且其中，所述处理器适于重新定位所述参考图案以便使所述中心点与所述最大点的位置重叠。

5.根据权利要求3所述的眼科激光设备，其中，所述叠加图像与所述参考图案的卷积被执行为频域内的乘法运算。

6.根据权利要求3所述的眼科激光设备，其中，所述处理器适于：

-对所述叠加图像实施傅里叶变换，

-将经过傅里叶变换的叠加图像乘以所述参考图案的傅里叶变换以产生经过变换的辅助图像，以及

-对所述经过变换的辅助图像执行逆傅里叶变换以产生所述辅助图像。

7.根据前述权利要求中任一项所述的眼科激光设备，其中，所述扁平元件不具有反射最小化涂层。

8.根据前述权利要求中任一项所述的眼科激光设备，其中，所述扁平元件的后表面适于与待检查的眼睛处于接触状态。

9.一种激光系统，所述激光系统具有根据前述权利要求中任一项所述的眼科激光设备并具有接口装置，所述接口装置可联接到所述激光设备并具有扁平元件，所述扁平元件对所述激光设备产生的激光束是透明的或/和半透明的，所述扁平元件包括前表面和后表面。

10.一种用于确定由眼科激光设备提供的激光束的焦点深度的方法，所述方法包括以下步骤：

-通过焦点处的扁平元件对具有预定形状的激光束进行聚焦，其中，所述扁平元件包括前表面和后表面；

-对从所述前表面反射的寄生反射与从所述后表面反射的标准反射的叠加图像进行检测；

-从所述叠加图像中数字地滤除所述寄生反射；以及

-基于余留的标准反射来确定所述激光束的焦点的深度。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述滤除所述寄生反射的步骤包括：

-将所述叠加图像与预定的参考图案进行卷积以产生辅助图像，

-对所述辅助图像进行评估以识别具有最高强度的最大点，

-根据所述最大点的位置来对所述参考图案进行重新定位，以及

-将所述叠加图像乘以所述重新定位的参考图案以产生所述标准反射。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述进行卷积的步骤包括：

-对所述叠加图像实施傅里叶变换，

-将经过傅里叶变换的叠加图像乘以所述参考图案的傅里叶变换以产生经过变换的辅助图像，以及

-对所述经过变换的辅助图像执行逆傅里叶变换以产生所述辅助图像。

13.一种具有程序代码部分的计算机程序，当所述计算机程序被加载在计算机或处理器上时，或在计算机或处理器上运行所述计算机程序时，所述计算机程序使所述计算机或处理器执行权利要求10-12中任一项所述的方法。

14.一种程序存储装置或计算机程序产品，包括权利要求13的所述计算机程序。