CN1059654A - 医用激光束发射系统的激光聚焦调节 - Google Patents

Abstract

一种特别用于外科的激光束发射系统。位于该 发射系统前方的物镜组件相对目标保持静止，聚焦是 通过调节一对正和负透镜的间距来控制，这对透镜位 于光束发射轴物镜后的一段距离处。束分离器位于 物镜和这对透镜之间，且至少有另外一个光径叠合到 激光径物镜的上游。手术激光轴与至少另一个在其 上完成分析、目标成像和其它功能的轴在物镜上游合 在一起。这样可操纵激光束在目标上的聚焦深度而 不干扰沿部分共线的分析和成像轴上的光学装置。

Description

本发明涉及激光和激光束发射系统。更具体地，本发明与激光手术系统中（如眼外科所用）的激光束聚焦有关。

在激光发射系统中，特别是在对正面元件（一般是物镜组件）前所放的组织施以激光手术的激发射系统中，平行的激光束光一般从背面进入物镜组件。平行光束被此物镜聚焦到物镜前一个规定的焦面上。

在大部分先于本发明的这种系统中，光束聚焦的深度控制，或光束焦点的“Z”距离或位置，由物镜的Z-向运动进行控制。

这种形式聚焦的深度调节有一个问题，即物镜组件往往一定有些笨重，因而物镜很难对所需光束聚焦位置的动态变化进行快速响应。聚焦控制的一个例子是在眼外科中，本系统的外科医生/用户需要控制聚焦以操纵在组织中的焦点。当用一台产生直接控制的计算机来进行控制时，外科医生/用户的控制是不直接的，因此必须快速响应聚焦深度（还有X位置和Y位置）的变化。实现这种经物镜的快速跟踪调节需要能经受很高加速度的简单、轻便的物镜。在很多情形里，充其量也是不实用的。

采用物镜或光束聚焦位置的Z-轴调节的另一个问题发生在分成几个光轴或光径的系统情形里，其中几条光径共享同一个物镜组件。在这样一种系统中，束分离器一般用于几种不同的诊断和分析设备，如用于能使外科医生在以一种或几种方式观察组织时控制过程的成像设备。目标照明光和目标跟踪功能可以另外的一条或多条轴叠合进来。在这种多光轴系统中，如果为移动激光束的聚焦深度调节公用物镜的位置（如外科医生把焦点移向不同的深度），那么沿其它分离轴的活动和数据也会受到影响。为了这些轴上的数据精度可能需要对每次物镜的移动进行补偿。

因此在许多情形里，理想的是保持物镜组件对目标静止以不干挠除激光径外其它光径的光学装置。这就是下述本发明的总目的。

根据本发明，一个激光束发射系统，特别是用于外科应用的激光束发射系统，可进行有效和改进的聚焦调节以控制光束在目标上或目标里的聚焦深度。这种聚焦调节系统也可很好地应用于工业过程。

在本发明的装置中，发射系统前面的物镜组件相对目标保持静止。聚焦深度是通过调节一对正负透镜（置于沿激光束发射轴物镜后的一段距离处）的间距来控制的。束分离器放在物镜和这对聚焦调节镜之间，且至少有一条另外的光径可不经过这对正负透镜叠合到激光束光径物镜的上游。因此，激光轴和至少一个另外的，可在其上执行分析、目标成像和/或其它功能的轴在物镜的上游和聚焦透镜的下游处联合在一起。

用这种方法，可控制激光束到目标上的聚焦深度，而不干挠沿部分共线的分析和成像轴的镜片。另一个优点是可以不依赖物镜组件（可能会非常笨重）在要求快速响应的手术过程中进行快速响应聚焦。

在本发明的优选实施例中，接近这对聚焦透镜的治疗激光束名义上是平行的，即是平行光束或非常接近平行。光束被第一（负或凹）透镜发散，然后被第二（正或凸）透镜恢复平行或几乎平行。在这一“常态”位置，系统在通过物镜组件后在目标的名义或起始位置处（如，眼外科的角膜表面处）聚焦。当两片透镜靠近时，来自凸透镜的出射光束变得稍稍发散（或发散较多），其效应是把目标上的焦点移得更深。

本发明系统所用的这对正和负透镜在其它领域并非未知。在某些观察设备中，一对这样的透镜已被用作所谓变焦系统的部件。但是在本发明中，透镜对的光学应用不同，并且在简化医用激光发射系统和增加其效率和可靠性方面具有特殊的优点。

因此，提出与用于医用激光束发射系统中激光束聚焦的物镜或或物镜组件的Z-移动有关的问题，以及产生高可靠性和高效率的简化光束发射系统都是本发明的目的。在以下参照附图对一个优选实施例进行的描述中，本发明的这些和其它目的优点和性能将显而易见。

图1是整个系统的示意图，它图示了采用、体现在本发明中改进措施的一个手术激光束发射系统的例子。

图2和图3是图示图1系统一部分的简化示意图，它描绘了本系统一条光径上正和负透镜间的间距调节以实现激光束聚焦深度的变化。

在这些附图中，图1图示了一个总体上用参考号10标识的激光束发射系统。系统10包括产生激光束（14）的激光源12。光束14通过各种光束传输的光学装置，例如可包括一个光束扩张器16、一面镜子18（可以是旋转镜）、束分离器20和22以及一个物镜组件24。如图1所示，在一个首要实施例中，本发明的深度聚焦系统应用于眼外科。因此在图1中，光束聚焦在病人眼睛28的角膜表面的焦点26处。但是，应当认为这里描述的聚焦调节系统在其它激光手术过程中，并且也在涉及激光的非手术工业过程中的应用中也是有效的。

在图1所示光束发射系统10中，激光束14沿着图中30所标识的一条光径或光束轴传输。另一条独立的光径或光轴由32所标识并通过所示20束分离器叠合到激光束的光径30上。本图还图示了另一条光径或光轴34，它在下游处由另一束分离器36叠合到光径32上。轴32因而在束分离器20与目标或焦点26之间与光束轴30部分共线。另一条与光轴32联合的光轴34也同样共线。

如上所讨论，光轴32可用于目标跟踪，光轴34可用于目标成像。这些在图1中示为例子的仪器和光学设备38，40和42可为外科医生或用户产生一系列可选的，独立可调的图像供目标（如眼28）分析，或者用来获取进行手术过程决策的信息或者在手术进行时监视手术进度。

光径或轴32和34虽然共享激光轴30的一些光学装置，如物镜组件24和镜子22，但是它们的目的不同且处理来自系统的不同光线。它们把光反射回成像设备，因而为外科医生/用户提供信息。它们可以包括观察、跟踪和分析通道，而这些通道在许多过程中希望能独立于激光束14自身的聚焦深度调节而调节。在手术过程中，当通过一个自动的，编程的激光束控制系统来移动激光束在目标上的焦点时，常常不希望那些系统随着光束焦点的移动而移动。

因此，理想的是不依赖物镜组件24来同时（至少不是单独地）对治疗激光束和非治疗通道的Z-轴或聚焦深度进行调节。物镜24可为其它目的移动，如病人眼睛28沿Z轴的移动，物镜24的位置可调节来跟随病人的移动。这既会影响观察通道（以及跟踪和分析通道）又会影响激光束发射，以维持眼和物镜24间的恒定关系。

但是，对发生在眼28（或工业操作中的工件）上或内的聚焦点26深度的操纵应当独立地进行控制以不影响上面讨论的观察通道。

根据本发明，Z-轴或聚焦深度调节由一个透镜对44完成，此透镜对包括一个第一（负或凹）透镜46和一个第二（正或凸）透镜48。众所周知在某些所谓的变焦系统中，负和正透镜46和48间的间距将影响凸透镜48即下游处出射光束的会聚度或发散度。透镜对相隔的越近，出射光束的发散度越大，因而通过物镜24后的聚焦点越深。

因此，从图1中可看出透镜对44的使用使得沿光束轴30的激光束发射光学装置可独立于沿成像轴32和34的成像光学装置将手术或治疗激光束14聚焦并且不影响成像光学装置。

图2和3图示了上面刚刚描述的聚焦系统工作的原理示意图。

图2图示了物镜组件24上及其附近系统的部件。激光束14进入透镜对44的第一（凹）透镜46，经折射如图2所示发散，然后在凸透镜48的下游射使之成几乎平行的准直状态的直线。图2用来图示透镜对44的“常态”或“复原”位置，其中平行或接近平行的光被束分离器和镜子22反射，随后被物镜24聚焦到一个期望的聚焦深度，即如图所示的焦点26处。再说一遍，虽然附图是会同眼外科激光束示出此系统，但是，应当理解，物体28可以是工业过程中的工件。

还应理解，在这个“常态”位置，从第二（凸）透镜48出射的光束不一定是平行或甚至不一定是基本平行的。所图示和描述的安排是较佳的，因为它使得这些光学装置相对物镜组件24的其它功能（与非治疗轴32和34有关）来说是比较简单的。

图3图示了当凹透镜46朝凸透镜48移近时（如，通过可移动台架设备50），虽然两透镜间的光束14以同样角度发散，但通过凸透镜48时，其极限光线比较接近光轴30。因此，此凸透镜会聚光束或使光束恢复直线的效果要差一些。因而在图3所示的结构中，出射的光束仍然有点发散。这当然使光束聚焦于离物镜较远的焦点26a处，从而更深入目标28。

如在光学中，诸如前面讨论的变焦光学中所知，为了使透镜对44的两个透镜接收平行的光束并且发送平行的光束，它们的间距应当等于凸透镜48的无符号焦距（f2）减去凹透镜46的无符号焦距（f1）。这由图2示意出。

同行将非常清楚，尽管上述讨论描述了优选实施例，但是用本发明的原理可实现其它实施例。例如，正和负透镜的顺序可以调换;或者更复杂的透镜元件组合可替换这里描述的两个透镜元件;或者正透镜而非负透镜是可移动透镜;或者可以采用前述实施方案的任意组合。可以用一对正透镜。而且，可以用反射元件（曲面镜）代替折射元件。

上述优选实施例意在描述本发明的原理，而不在限制其范围。其它实施例和这个优选实施例的变化对本领域同行来说显而易见，且可以在不脱离下面权利要求书中所定义的本发明的精神和范围而实现。

Claims (5)

1、在一个具有激光源和把激光束从此激光源发射到目标的光径器件且在光径器件的下游端的包含一个前方物镜组件的手术激光束发射系统中，一个用于调节激光束在目标组织上的聚焦点距物镜组件的深度或Z-距离的聚焦控制装置，

在光径器件上有多个透镜，与透镜对关联的可移动台架器件用于调节透镜间的至少一个间距以调节在多个透镜下游处激光束接近物镜组件时的发散度和会聚度，

在外科医生/用户控制下的聚焦控制器件，用于调节所述可移动台架器件和所述间距以控制激光束聚焦点距物镜组件前方的深度。

2、根据权利要求1的装置，其中激光束发射系统还包括分析设备以获取从目标组织获得的光信息;以及与这个分析设备关联的第二光径器件，所述第二光径器件与第一光径器件部分共同扩张且通过物镜组件，带有在第一和第二光径器件的汇聚处的束分离器。

其中沿第二光径器件导向分析设备的光信息不受第一光径器件上的多个透镜完成的聚焦深度调节的影响。

3、根据权利要求1的装置，其中的多个透镜包含由所述间距隔开的一个负或凹透镜和正或凸透镜组成的透镜对。

4、根据权利要求3的装置，其中负透镜在光径器件上位于正透镜的上游。

5、根据权利要求4的装置，其中负透镜与可移动台架器件相连。

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