CN106913417A - 通过光学辐射的方式在透明物质中制造切面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于在透明物质中制造切面的处理设备，包括：激光装置，适于通过光学辐射方式在透明物质中产生切面，且包括：光学装置，其将光学辐射沿着光轴聚焦到位于物质中的焦点上，并且在物质中具有像场，焦点位于像场中；用于横向于光轴和沿着光轴移动焦点的位置的焦点调节装置，其包括用于沿着光轴移动焦点的位置的双台z扫描器，双台z扫描器包括实施慢长行程焦点移位的慢台和实施快速短行程焦点移位的快台，和控制装置，其连接至激光装置和控制激光装置，使得焦点调节装置沿着路径移动光学辐射的焦点在物质中的位置，其中控制装置控制激光装置，使得切面大体平行于光轴延伸，且在沿着光轴的投影中是曲线，曲线具有最大范围。

Description

通过光学辐射的方式在透明物质中制造切面
本申请是申请日为2012年10月22日、申请号为201280063373.2、发明创造名称为“通过光学辐射的方式在透明物质中制造切面”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种用于在透明物质中制造切面的处理设备。
本发明还涉及一种用以生成用于激光装置的控制数据的方法，其中所述方法适于通过光学辐射的方式在透明物质中产生切面。
所述设备和方法尤其用于眼科的领域中。
背景技术
在这些使用以及其他应用领域中，光学辐射作用到对于光学辐射是透明的所述物质内部，例如组织内部。非线性处理通常被使用，其需要将加工辐射(通常是脉冲激光辐射)聚焦到所述物质中，即在所述物质的表面以下。切面的制造通过在所述物质中移位焦点的位置来进行。利用形成本发明的描述的基础的知识，焦点的移位不必需要在此时也将辐射辐射到焦点上。尤其是在使用脉冲激光辐射时，所述焦点被连续地移位，激光辐射脉冲在所述焦点移位期间仅在特定时间被发射。尽管相应的光学装置和焦点调节装置连续地操作，这也是为什么此处术语“焦点移位”也被理解成表示所述光学辐射将被聚焦所在的点的相应的移位，即使这样的辐射未立即被发射，例如在两个激光脉冲之间。
激光辐射的高聚焦(即几何上严格受限的焦点)对于非线性作用具有重要意义，因为仅在此时可以实现在所述物质中所需的功率密度。这既适用于非线性处理，也适用于相继地发射的多个激光辐射脉冲相互作用以实现物质切割作用的处理，其中在非线性处理中单独的焦点也导致相互作用。在这一点上，在多个重叠的焦点斑处发射激光辐射脉冲和仅多个激光辐射脉冲的相互作用导致在重叠区域中的物质切割的多个方法。
三维切面平行于辐射入射(所谓的主入射方向)的光轴延伸，例如在眼科领域中是需要的作为圆柱体表面形的切面，尤其是在内障外科中。在此处，具有特定直径的圆形开口在囊袋的前面被制造出。然后，所述形状的切面是圆筒形，其大致平行于光轴和因此也平行于光学辐射的主入射方向定向。
EP 1486185涉及用于白内障外科手术的设备，其中激光辐射被借助于光纤传输至远端部。瞄准仪在所述远端部中被机械地调整，用于调整所述焦点沿着光轴的位置。所述焦点因此可以仅被沿着光轴非常慢地调整，因为瞄准仪的快速的移动将导致远端部的不期望的振动和热负载。另外，在眼睛手术所需的功率下使用光纤是极其有问题的。
在US 7486409和US 6590670中描述了用于基于振动的音叉快速地改变焦点的深度位置的方法。光学布置中的至少一个透镜被固定至音叉的振动臂，其被使得通过电磁体进行振动。为了调整所述深度，DE 10034251提出将转角反射器附接到音叉的振动臂。转角反射器被用非准直的光束照射，被反射回来的光束的传播通过调整转角反射器的位置被改变。如果光束被使用物镜聚焦，那么实现了例如沿着光轴的焦点位置在深度方向上的快速的改变。这些音叉布置被提出用于光学测量技术。
为了制造平行于辐射入射的光轴延伸的三维切面，激光处理设备是已知的，其具有三维焦点调整的光学单元和装置。这样的处理设备在像场中移位所述焦点并且用像场平面的移位补充所述两维移位来实现三维焦点位置设置。因为像场平面的移位远慢于在所述像平面中的焦点位置的两维移位，所以必须小心处理这些设备，需要尽可能小的像平面移位，用于尽可能快速地设计切面的制造。因此，例如，螺旋状轨迹在现有技术中是已知的，其将像平面中的快速移位与相对慢的移位结合或与像平面位移的调整结合。这样，例如，平行于光轴的圆柱形切面可以被非常快速地制造出。
这种方法的缺点是所述光学装置必须被设计成使得焦点位置的快速的两维移位在像场中是可行的。像场尺寸也必须被设计成使得期望的切面尺寸被覆盖。
发明内容
因此，本发明的目的在于开发开始所提及的类型的设备和方法，使得大体平行于光轴延伸的切面(尤其是圆柱体表面形切面)可以用较小的花费来制造。
处理设备适于在透明物质中制造切面，所述处理设备包括激光装置，其适于通过光学辐射的方式在所述透明物质中产生切面，所述激光装置具有光学装置，其将光学辐射沿着光轴聚焦到位于所述物质中的焦点上，并且在所述物质中具有像场，所述焦点位于所述像场中，所述光学装置具有像场尺寸。所述设备还包括用于横向于所述光轴和沿着所述光轴移动所述焦点的位置的焦点调节装置。控制装置连接至激光装置和控制所述激光装置，使得所述焦点调节装置沿着路径移动光学辐射的焦点在所述物质中的位置。所述控制装置控制激光装置，使得所述切面大体平行于所述光轴延伸，并且在沿着光轴的投影中是曲线，所述曲线具有最大范围。所述焦点调节装置横向于光轴移位像场，以横向于光轴移动焦点，控制装置控制激光装置。可选地，切面具有大于像场尺寸的最大范围。所述焦点调节装置实施横向于光轴的焦点的位置的移动，所述移动是沿着曲线的焦点的位置移动和在沿着曲线移动期间上轴向焦点位置与下轴向焦点位置之间的焦点的位置的振荡式移动的形式。
所述方法产生用于激光装置的控制数据，其中所述方法适于通过光学辐射的方式在透明物质中产生切面。所述激光装置包括光学装置，其将光学辐射沿着光轴聚焦到位于所述物质中的焦点上。光学装置在物质中具有像场。焦点位于像场中。像场具有像场尺寸。激光装置还包括用于横向于所述光轴和沿着所述光轴移动所述焦点的位置的焦点调节装置。所述控制数据限定路径，光学辐射的焦点位置将沿着所述路径在物质中被移动、以生成切面。切面平行于所述光轴延伸，并且所述切面在沿着光轴的投影中形成曲线，所述曲线具有最大范围。所述控制数据为所述焦点调节装置限定沿着曲线的所述焦点的位置的移动。可选地，所述控制数据限定所述路径，使得横向于所述光轴、切面具有大于像场尺寸的最大范围并且为横向于光轴的像场的移位而提供。控制数据为焦点调节装置限定在沿着路径的移动期间在上轴向焦点位置与下轴向焦点位置之间沿着光轴的焦点的位置的多次振荡移动。
本发明使用路径来产生切面，该路径原理上不同于通常的方法，其目的在于尽最大可能最小化焦点的轴向偏移。相反，焦点的位置现在横向于光轴(所谓的横向调整)比轴向更加缓慢地调整，方式为：在如下曲线上引导焦点位置，该切面在沿着光轴的投影上具有该曲线。这种曲线是切面的标高线或者轮廓线(elevation line)。优选地其是闭合的曲线，例如周期性的利萨佐斯(Lissajous)图形，例如圆形、椭圆形等。焦点以垂直于此的振荡方式移位，即轴向地或沿着光轴。因此，实现了一路径，其在垂直于光轴所看到的切面的侧视图中，在对应于下和上轴向焦点位置的切面的上和下边缘之间的蜿蜒形状地来回移动。
所述切面由所述方法制造，控制数据为所述切面而被设计，并且机加工装置的控制设备限定所述切面，且所述切面如已经提及的可选地仅大体且不必严格地平行于光轴延伸。与曲线的长度相比，相对于平行很小的偏离是可以接受的。尤其是，与将被处理的区域的范围相比具有小的像场且以像场移位工作的激光装置中，可以在所述小的像场内执行额外的焦点移位。当然，这允许额外地横向地偏转焦点的位置，同时所述像场被沿着曲线移动。由此，所述切面可以具有不严格地平行于光轴的区域。同样，通过控制在像场内的额外的焦点移位可以制造相对于光轴至少部分地是倾斜的切面，使得整体上切面略微成一角度。在此情形中，在像场内的额外的横向焦点移位适合于与振荡的轴向焦点移位同步。
焦点的移动不必要求光学辐射发射到将被切割的物质的每一焦点位置上。因此，例如当使用脉冲辐射时，更加简单的是连续地移位所述焦点，结果是激光辐射脉冲发射到其上的斑点在对应于焦点的路径速度的物质中被间隔开。如果产生等离子体气泡的光学穿透被用于物质切割作用，则甚至优选的是在斑点之间保持特定的距离，单独的激光辐射脉冲被发射到所述斑点上。然而，其中在没有产生光学穿透的情况下多个激光辐射脉冲协同作用以切割物质的方法也是已知的。这些方法也被称为子阈值方法。
另外，沿着所述路径的焦点的移位不会排除物质切割作用的激光辐射不被发射到焦点被引导所沿的路径的单独部分上的可能性。尤其是，在使用基于等离子体气泡的物质切割时，此处路径的多个部分是相关的，在其中焦点被从上至下移动，即沿着光学辐射的入射方向。如果等离子体气泡被产生用于物质切割，则另外的光学穿透和等离子体气泡将至少在一些时间段内不能在最近形成的等离子体气泡(其可以远大于焦点)下方的区域中产生，因为位于其上的每一等离子体气泡削弱了焦点品质，使得不能肯定地实现光学穿透。在本发明的范围内，因此完全可以阻挡光学辐射，即在路径的其中焦点向下移动(即远离激光装置)的部分上将其关断或至少在其的物质机加工作用上不起作用。在用于这种不起作用的现有技术中各种方法是已知的，例如激光脉冲光拉长、焦点劣化、光谱变化、偏振变化等。在本发明的范围内，因此在路径的其中焦点的位移在光学辐射的入射方向(即在与光学辐射的入射方向相同的方向上)上移动所沿的部分上、所述光学辐射被关断或修改使得光学辐射在透明物质中没有起到物质切割作用的方法是有利的。
另外在这样的情形中为了尽可能接近地将切面覆盖光学辐射产生物质切割作用所在的路径部分，优选地设计了非对称的振荡，结果是：路径的其中焦点的位置在光学辐射的入射方向上移动的部分比路径的其中焦点的位置相反于光学辐射的入射的方向移动的部分更加陡地延伸。
在数学意义上，所述切面是二阶连续的。那么所述曲线是闭合的。所制造的切面尤其是成圆柱形表面的形状，其在所提及的白内障手术的应用中是有利的。同样，当然所述切面还可以用于分段或改变透明物质，例如眼睛组织。除此之外，考虑了在白内障手术中的移除之前的晶状体的分段或由此目的是改变角膜的曲率以矫正缺陷视力的目标的弱化角膜。尤其是，但是对于这些应用不排他的，闭合的(即周期性的)彼此相交的Lissajous图形是合适的。这样的Lissajous图形可以通过根据谐波函数执行双轴向偏转来实现，其基于基础函数的整数倍数，其中整数倍数对于两个偏转轴是不同的。
然而，所述切面还可以是简单地连续的；曲线那么是非闭合的线。
如果在轴向上的上或下焦点位置处执行物质切割，那么这些焦点位置自动地分别限定了切面的上或下边缘。
像场的移位使得可以摈弃昂贵的光学单元，该光学单元具有足够大的像场以覆盖整个处理区域。然而，还可以指出完全可以具体化所述处理设备或所述方法，使得：如果像场尺寸大于所述设想的、试图的或制造的切面的最大尺寸的话，焦点的位置的横向移位在没有像场的移位的情况下完成。这样的延展在本发明的范围内。那么焦点的移位可以横向于光学比沿着光轴更加缓慢地执行的优点被保持。对于眼科应用，眼睛中的像场那么应当至少具有大约5mm的直径。
如果使用较小的像场和不管是否期望制造横向上大于像场尺寸的最大横向范围的结构，那么通过横向于光轴移动光学装置或光学元件尤其容易地移位像场。这结合在像场内的横向焦点移位被进行。
用于制造切面的装置和方法在白内障手术中是尤其有利地适用的。放置在眼睛上的可移动的远端部对于这样的手术是需要的。因此优选的，激光装置具有基部和可移动的远端部，该远端部经由柔性的或活节连接的透射装置彼此连接，其中焦点调节装置通过两个部分形成，且具有第一扫描器和第二扫描器，该第一扫描器沿着光轴移动焦点的位置并且布置在所述基部中，所述第二扫描器横向于所述光轴移动所述焦点的位置，其中第二扫描器中的至少一个部件布置在远端部中。在用于横向于光轴调整焦点的位置的第二扫描器中，所述部件优选地是用于横向于光轴推移物镜的致动器。
透射装置可以优选地包括块状光学装置。已经证明如果基部将非准直的光束耦接到透射装置中是有利的，因此光束具有特定的发散或会聚的状态。透射装置，例如对应的活节连接的臂将所述光束从基部引导至远端部，同时保持发散或会聚的状态。用于实现xy扫描程序的物镜的横向推移那么与发散修改装置的对应的激活相结合，其影响了非准直束的发散或会聚，用于补偿由于物镜的横向推移所引起的在路径长度上的变化。这防止了：物镜的横向推移，即用于xy扫描的像场调整以不期望的方式随之造成沿着光轴的焦点位置的移位。
发散修改装置尤其优选地可以布置在基部中，因为远端部这样保持是紧凑的。其可以被实现为具有调节其的致动器的伸缩装置。
在基部和远端部之间使用非准直束另外的优点是z扫描器可以通过调整非准直束路径的路径长度的第一扫描器尤其容易地实现。回反射器，例如转角反射镜可以用于这种路径长度调整。非准直束路径的使用使得可以通过改变至物镜的束路径的路径长度容易调整焦点的深度位置。然而，在第一扫描器和物镜之间必定具有非平行的束路径，因为平行束路径将废除第一扫描器的作用。从z扫描器至物镜的束路径因此不是远心的。
优选地，基部包括非准直的(即发散或会聚的)束路径部分，第一扫描器包括转角反射镜，其位于所述束路径部分中。为了沿着光轴移位焦点的位置，转角反射镜被推移，用于改变非准直束路径部分的长度。
转角反射镜可以通过振荡器尤其快速地推移，其使得转角反射镜振动，以周期性地改变非准直束路径部分的长度。可替代地，可以将多个转角反射镜安装在旋转盘上，其一个接一个地穿过非准直束路径部分。
可以理解，在不背离本发明的范围的情形下，上述的特征和下文将要说明的这些特征可以被使用，不仅以所述的组合，而且也以其他的组合或单独地使用。用于物质切割或制造控制数据的方法特征的描述还同样与控制装置的对应的实施例相关，其控制处理设备。反之，关于处理设备所描述的特征，尤其其控制装置，同样与用于物质处理或制造控制数据的相对应的方法相关。
可以与处理设备分离地(即独立于处理设备)执行控制数据的产生。当然，其预先假设了关于处理设备的对应的知识，控制数据被提供用于所述处理设备。
附图说明
下文通过举例的方式参考附图更加详细地说明本发明，附图也公开了对于本发明是必需的特征。此处显示出：
图1是眼科手术的处理设备的示意图，尤其是用于矫正视力缺陷；
图2是关于图1的处理设备的结构的示意图；
图3是利用图1的处理设备将脉冲激光辐射引入到眼睛中的原理图；
图4是通过眼睛的囊袋的切面的示意图；
图5是图4显示的切面的示意图；
图6是类似于图5的示意图，用于图示出在路径上引导激光束；
图7是与图4中的切面不同没有围绕区域的切面的示意图；
图8是类似于图4的示意图，用于图示图7的切面的可能的应用；
图9是被设计用于内障手术的处理设备的示意图；
图10是图9的处理设备的远端部的示意图；
图11是图9的处理设备的z扫描器的示意图；
图12是图9的处理设备的控制构思的示意图方框图；和
图13和14是图9的处理设备的z扫描器的可替代的实施例的示意图。
具体实施方式
图1显示用于眼睛手术的处理设备1。例如，可以用其进行类似于在EP 1 159 986A2和US 5,549,632中描述的眼睛手术过程。处理设备1通过处理激光辐射2的方式制造在透明物质中的物质切割。所述物质切割可以例如是制造切面，尤其是用于矫正缺陷视力的处理设备可以在病人4的眼睛3上产生变化。缺陷视力可以包括远视、近视、老视、散光、混合形散光(在一个方向上是远视和在与其成直角的方向上是近视的散光)、非球面误差以及高阶像差。物质切割可以用在角膜手术的领域中，但是也可以用在眼睛的其他组织上，例如在白内障手术中。虽然在下文提及眼睛手术，但是这在每一情形中仅通过举例被理解，且不理解成限制性的。
在所述的实施例中，设备1中的部件通过一体式的控制单元进行控制，然而其当然还可以被设置成单独的单元。
图2示意性地显示出处理设备1。在此种变形例中，其具有至少三个装置或模块。激光装置L发射经由光学装置O进入到所述物质(例如眼睛)上的激光束2，并且在三个空间方向上移动焦点在所述物质中的位置。沿着光轴(z轴)的主入射方向的移位被称为轴向移位，垂直于其的移位被称为横向移位。在图2显示的变形例中，光学装置O具有像场B，激光辐射2的焦点6位于该像场中，该像场小于将被处理的区域的范围。为了横向地移位焦点6在所述物质中的位置，激光装置L的物镜被横向于光轴推移。这在图2中由用于物镜的双箭头示出。焦点6与像场B一起由此被推移。可选地，焦点6可以另外被在像场B内的区域S内精细地移位。
在可替代的变形例中，激光装置L具有在像场B中移位焦点6的横向扫描装置，该像场足够大以覆盖将被处理的区域的范围。另外提供了轴向扫描装置。
在所有变形例中，激光装置L的操作是完全自动化的，由集成的或单独的控制装置C控制。响应于相对应的开始信号，激光装置L开始移动激光束2，由此以也将要描述的方式产生切面。
控制装置C根据控制数据操作，控制数据已经通过控制装置产生或被供给至其。在图2显示的后者的情形中，操作所需的控制数据经由未被更加详细地说明的控制线路预先被供给至控制装置C，作为计划装置P的控制数据集。控制数据的确定或传输发生于激光装置L的操作之前。当然，也可以无线地进行通信。作为直接通信的替代方案，还可以布置实体上与激光单元L在空间上是分开的计划单元P，并且提供对应的数据传输通道。
在眼科中，眼睛3的缺陷视力优选地在使用处理设备1之前被用一个或更多的测量装置M测量。测量的值之后被供给至控制装置或计划装置P，并且形成产生控制数据的依据。尤其是，可以测量将被处理的区域的位置和/或范围，尤其将被切割下的部分的位置和/或范围。
控制装置或计划装置P由测量数据产生控制数据集，该测量数据已经例如针对于将被处理的眼睛被确定。它们被经由接口S供给至计划装置P，并且在所示的实施例中来自测量装置M，该测量装置M之前已经对病人4的眼睛进行了测量。当然，测量装置M将对应的测量数据传输至计划装置P或以任何期望的方式直接传输至控制装置C。
在所述的实施例中，激光辐射2被聚焦成进入例如眼睛3的物质中的脉冲激光束。在此种情形中，由激光装置L所产生的脉冲持续时间例如在飞秒范围内，激光辐射2通过非线性光学作用在例如囊袋、晶状体或角膜的物质中起作用。激光束具有短达例如50-800fs(优选地100-400fs)的激光脉冲，且脉冲重复频率在10kHz和10MHz之间。然而，处理设备1通过激光辐射2所采用的物质切割作用的类型对于下述的描述不再重要相关，尤其是没必要使用脉冲激光辐射。唯一重要的是处理辐射2在物质中的焦点被沿着一路径移位。可替代地，可以使用UV辐射(300-400nm)，尤其是具有大约355nm的波长和在0.1-10ns之间的脉冲持续时间的UV辐射。
处理设备1在所述物质中产生了切面，该切面的形状依赖于激光脉冲焦点被布置在所述组织中的图案。所述图案又依赖于所述焦点被移位所沿的路径。所述路径预先确定了焦点位置的聚焦位置，一个或更多的激光脉冲被反射至所述聚焦位置且最终限定了切面的形状和位置。
在图3中示意性地示出了激光束2的可能的作用。其被通过未更加详细地示出的激光装置L的光学装置的方式聚焦到所述物质中，例如眼睛的角膜5或晶状体中。结果，焦点6形成在所述物质中，其在所述焦点中激光辐射的能量密度如此高使得结合所述脉冲长度发生非线性作用。例如，脉冲激光辐射2的每一脉冲可以在例如角膜5或晶状体的物质中在焦点6的各自的斑点处产生光学穿透，其在图3中通过举例的方式由等离子体气泡示出。结果，例如组织的物质通过这种激光脉冲进行切面。当等离子体气泡形成时，所述组织层被破坏掉大于由激光辐射2的焦点6所覆盖的斑点的区域，虽然仅在焦点上实现了制造所述穿透的条件。为了通过每一激光脉冲产生光学穿透，激光辐射的能量密度(即注量(fluence))必须大于特定的阈值，该阈值依赖于波长和脉冲长度。这种关系对于本领域技术人员是已知的，例如从DE 695 00 997 T2是已知的。
可替代地，还可以借助于在一个区域中发射多个激光辐射脉冲，通过脉冲激光辐射产生物质切割作用，其中斑点6(即焦点6的地点)重叠了多个激光辐射脉冲。之后多个激光辐射脉冲相互作用以实现组织切割作用，而不形成等离子体气泡(所谓的亚阈值机制(regime))。例如，处理设备1可以使用在WO 2004/032810 A2中所描述的原理。
通过举例的方式，图4显示了囊袋中的切面9的产生，该囊袋包围了眼睛3的晶状体8。切面9是二阶连续的。其具有圆筒套的形状，因此具有圆柱体的横截面，其的母线是圆形曲线K；然而，其他闭合的图形也可以作为圆柱体的母线，尤其是任何周期性的利萨佐斯图形，包括相交叉的利萨佐斯图形。
曲线K限定了焦点的横向移位，即在x/y平面中的横向移位。对应的x/y坐标位于激光装置L的像场B的平面中。它们作为示例在图中被绘出。焦点6的位置被沿着垂直于光轴OA的曲线K移动，其是光学激光辐射2的主入射方向。同时，焦点的轴向位置沿着光轴OA振荡，即垂直于x/y平面的光轴OA振荡。在切面9中获得了在上轴向焦点位置z1和下轴向焦点位置z2之间来回振荡的路径10。在沿着曲线K的移动期间这些振荡被执行几次。
这种程序避免了在将被处理的区域之上激光辐射2快速的横向偏转，在所述的情形中其的特点在于曲线K的半径R并且具有2*K的最大横向尺寸。可选地，像场B的尺寸远小于所述横向范围。通常，执行快速的轴向移动，同时在x/y平面中的移动遵循曲线K。因此，产生了大致平行于光轴的切面。因此可以使用简单的光学系统，其不需要快速地且长行程地横向移位焦点。
针对于轴向焦点移位，考虑了几种方法，例如电光学透镜或所谓双台z扫描器，其将慢长行程的移位与快速的短行程的移位相结合。这种双台的z扫描器的两个台可以在空间上是独立的或组合式的。
对于处理人的晶状体的情形，其在下述中作为示例被处理，由于解剖学的原因实质上不能超过最大值NA＝0.2。基于此，使用的物镜的有效焦距的结果至少大约是：
为了走过所述路径10，轴向移位必须根据下述遵循一路径：
对于加速度，相应地下述被获得：
在白内障手术中，曲线K的典型的半径R在2和3mm之间。切面的圆周因此大约是20mm。为了在基于等离子体泡的技术中实现好的物质切割，切向路径尺寸(相邻的轴向振荡)应当在1和10μm之间。因此，将制造在2000和20000之间的竖直切面路径部分。斑点之间的间距在每一切面路径部分上应当在1和10μm的量级。
高度H必须至少对应于囊袋的厚度，因此大约是20-25μm。如果其较小，那么在彼此之上将“叠置”多个切面9，用于切断囊袋，其中特定的重叠可能是有用的。
从25μm至250μm的总高度看上去是实际的。因此切面9具有从大约500000至5000000μm2的单位面积。50000至5000000个激光斑因此被以从1x1μm至最大值10x10μm的栅格常数进行定位。
在100kHz的激光脉冲重复率，导致了从0.5至50s的最小切面制造时间(在没有休息时间或停机时间的情形下)。因为在μJ范围中的脉冲能量可以在这样的激光脉冲重复率下容易被制造，所以优选地将较大的平均斑距离与较高的能量结合，例如0.5μJ和3x3μm。切面的制造时间因此仅是几秒钟(小于10s)，即使在高的圆柱体的情形中。
可替代地，在低脉冲能量(＜100nJ)和在几MHz的范围总的激光脉冲重复率下，可以使用1x1μm的班距离。例如，同样在5MHz再次获得了仅几秒钟(小于10s)的切面的制造时间。
这意味着轴向调整依赖于路径距离必须在围绕具有20mm的周长的曲线K的横向回路期间在大约5秒钟内实现200至20000个轴向振荡。因此，轴向频率(振荡频率)是500Hz至5kHz。对于加速度，下述的结果是：
需注意路径10的类型不会自动地通过之前的相互作用防止通过物质(组织)的光束路径的不利的影响，如在沿着激光辐射的入射方向的切面中的层至层的构造中的情形。因此，根据图6，通过修改路径10的部分11上的激光辐射2进入到物质中的深度(远离入射方向)提供了一种改进方案，使得不发生可能妨碍随后的脉冲的传输的相互作用，或者其至少被降低。在最简单的情形中，脉冲被完全地限制在这些部分11上。这种构思还可以延展至靠近路径的反转点的区域，因此高达至在路径10的转弯点周围的大约40％(不必是对称的)。
图7通过示例显示出一种切面9，其仅在数学含义上是连续的，其切面的曲线K因此被闭合以形成回路。切面9的最大尺寸因此得自曲线K的长度13。焦点又沿着曲线K横向地移位。在走过长度13期间，但是焦点同时以振荡的方式轴向地移位。
轴向上和下焦点位置的绝对位置沿着曲线K变化。当然，并非强制性的是：可以使用恒定的轴向上和下焦点位置。就像轴向上和下焦点位置不一定是恒定的那样，在其间执行振荡的轴向上和下焦点位置之间的距离也不必是恒定的。结果，焦点的位置遵循在切面9中的蜿蜒路径10，振荡的轴向上和下焦点位置分别预先确定了切面9的上边缘和下边缘。这对于二阶连续的切面同样是可行的。
图8通过示例显示出这样的切面的可能的应用。在每一情形中，两个切面又显示在囊袋上，包围了晶状体。通过示例的方式示出了具有曲线K.1和K.2的两个切面9.1和9.2。
左手边的切面9.1是在沿着曲线K.1的移动期间上和下焦点位置可以变化的示例。沿着路径10.1的振荡因此与沿着曲线K.1的位置同步，结果是例如所制造的切面成图8中所显示的圆形盘的形状。如在图8的实施例中所显示的是可行的，用于将所述切面限制成期望的剖面的透明物质，在此是晶状体，在没有损坏其他物质的结构(在此是囊袋)情形下。
右手的切面9.2示出切面还可以偏离严格地平行于光轴OA。如在左手的切面9.1中，此处的轴向焦点移位也与横向的焦点移位同步。然而，现在大体意思是，执行与轴向焦点移位同步的另外的横向焦点移位，用于略微相对于光轴OA使得切面9.2倾斜。当然，这种倾斜也可以被限制至切面9.2的剖面。这种另外的横向焦点移位将被实现，尤其是仅在当焦点另外以合适的方式在像场B内移位时的图2中的处理设备中。切面9.2仍然大致平行于光轴OA，因为与轴向焦点移位同步的另外的横向焦点移位与曲线K的范围相比很小。
仅如果振幅可以被最小化，可以执行轴向焦点移位。优选地，这是在z扫描器配置成使得焦点移动与z扫描器的移动的光学比例小于1∶2时的情形，优选地甚至小于1∶1的情形。这意味着在扫描器中的机械路径变化不大于在物体中的焦点移动。那么加速度在从0.1至103m/s2的范围内。
用于实现这样的值的可选的装置是反射性的z扫描器，其的光学设计被提供以防止：在传统的扫描路径情况下的光束聚焦被定位在扫描器的光学界面上。
另外的可选的装置由作为驱动装置的压电叠层或撞杆卷簧的z扫描器构成，其被尽可能共振地操作。另外的选择是通过光电部件(例如AOM)的方式产生反射。
如所提及的，也可以使用第二z扫描器，其实现了激光束的额外的发散变化(正或负的发散)，该变化在时间上是缓慢的，其中扫描器被通过控制单元控制，该控制单元在各自的其他的扫描器的控制期间考虑了一个扫描器的位置信号或控制信号，因为例如在控制单元中产生两种控制信号。可以通过控制装置6实现控制单元。
在图9中示意性地显示的处理设备1提供了沿着光轴的焦点位置的快速的变化，即用于眼科手术领域中的快速z扫描器，尤其是用于白内障手术。在这种处理设备1中，已经参考之前的附图说明的和具有在处理设备1中相同的功能或结构的元件被提供给相同的参考标号，因此不必再次进行说明。
处理设备1具有基部15，其提供了激光辐射2和远端部16，激光辐射被传输至远端部16。所述传输通过活节连接的臂17的方式进行，其优选地具有自由空间的光学装置，该光学装置可以通过例如合适的偏转反射镜(未显示)来实现。使用光纤是不利的，因为具有与所需要的激光辐射2的辐射强度相关的问题。然而，可以在活节连接的臂17中使用光纤，或使用光纤替代活节连接的臂17。
远端部16布置在眼睛3上。在图10中详细地显示出其并且在下文进行了说明。
Z扫描器和xy扫描器实现在基部15和远端部16中。因此，两个元件因此与活节连接的臂17一起形成激光装置L。z扫描器设置在图9的结构的基部15中。激光源18发射激光辐射2，该激光辐射经由偏转反射镜19和透镜20以非准直束路径传输到z扫描器21中，其的结构将在下文参考图11、13和14进行说明。Z扫描器经由偏转反射镜22和透镜23、24将激光辐射2作为非准直束输出至活节连接的臂17。透镜23、24形成伸缩镜，其可以经由驱动装置25进行调整。将在下文说明这种伸缩镜的重要性。
当配置成块状光学装置时，活节连接的臂17包含一系列的偏转反射镜和可选的中继光学单元，用于将非准直的束传输至活节连接的臂的外侧。
远端部16接收来自活节连接的臂17的为非准直束的激光辐射2并且将其经由接触透镜27输出到眼睛3中。手持件26被提供用于定位远端部16。
激光辐射2被经由偏转反射镜28和29在远端部16中引导至物镜30，其被通过致动器31横向于光轴推移。这实现了已经提及的像场移位。物镜30不是场物镜，即不是在图像侧能够伸缩的物镜，但是激光辐射依赖于在物镜30的入射光瞳处的束的发散或会聚而聚焦到眼睛3中的不同深度。因此，在束传播中有z扫描器造成的变化被转换成在眼睛3中的轴向焦点位置的变化。
为了调整像场，物镜3通过致动器31在远端部16中横向地移动。同时，在远端部16中的偏转反射镜28和29通过控制装置C被机械地控制并后续定位，用于推移物镜30，使得激光辐射2总是将准心束保持在物镜的入射光瞳中。
图11示意性地显示出z扫描器21的作用。其具有转角反射镜31，其实现了回反射器。原理上，转角反射镜31可以由任何不同类型的回反射器替代。转角反射镜31固定至音叉32，该音叉被使得通过激励器33振动。转角反射镜被激光辐射2的非准直束照射。通过调整转角反射镜的位置，改变了非准直束路径的长度，因此改变了激光辐射2的发散束的传播。
图13和14显示了用于扫描器21的替代方案。根据图13，大量的转角反射镜31被固定在旋转盘34上，其被使得围绕轴线35旋转。所述旋转的作用是发散束部分的光学路径长度被调整。优点是更加快速的调整，缺点是较低的重复精度，增加了多个转角反射镜31的调整的费用。图14显示了另一种改进方案，其除了图13的结构之外具有末端反射镜36和分束器35。激光辐射2的入射、发散束穿过分束器37、在转角反射镜31处被偏转至末端反射镜36、在那里被反射(由现在起束路径由虚线显示)、被转角反射镜31再次反射以及之后通过分束器37耦合出来。在盘34的旋转期间发生的路径长度调整因此大至两倍，结果是在盘34的相同的旋转速度下实现了更高的调整速度。
为了根据上述的切割方法在眼睛中产生有针对性的切面，致动器31在远端部16中横向地移动物镜31(通过后续定位偏转反射镜28和29)。在这种横向移动期间，伸缩镜23、24被通过驱动装置25同步地进行后续调整。这是必须的，因为从扫描器21至物镜30的光学路径长度由于物镜31的横向移动而变化。因为在激光辐射的束射到物镜30上时其是非准直的，所以路径长度的变化将额外地导致焦点z位置的变化。因此，将破坏z扫描器所期望的性质。因此，光束的发散/会聚被借助于伸缩镜23、24与物镜30的移动同步地进行调整。
图12显示了为此目的而提供的控制构造的方框图。在此，控制装置C被显示成具有三种功能的形式。中央控制块CC控制两个子块，用于控制伸缩镜23、24的控制块CT和用于致动器31的控制块CO，即推移物镜30。对物镜30的横向位置的移位和伸缩镜23、24的移位的同步控制产生的结果是在深度方向上的焦点的位置被仅通过z扫描器21设定，像场B的移位不会使得其与焦点的深度位置同步地推移。或者说，伸缩镜23、24的同步的移位是影响射到物镜30上的辐射的发散/会聚的方式，所述同步移位和物镜的横向移位确保了像场在垂直于光轴的平面中移动且不是在弯曲的路径上移动。
当处理白内障时，有利的是提供导航性能，其使得可以找到将被处理的结构的位置，例如囊袋或晶状体的位置。在具有用于焦点移位的机械移动的光学单元的系统中，考虑了不同的变形例，该系统具有小于将被发现的结构或将被制造的切面的像场。
变形例1-共焦检测：为了在角膜5和/或晶状体8的区域中测量眼睛3的形貌，回射的光被借助于偏振光学单元偏振、聚焦到隔膜上并且使用光电检测器记录。激光辐射2的波长被用于这种测量。使用z扫描器，感测到来自10-100μm的小扫描范围的共焦信号。由光电检测器记录的信号被放大，例如用锁相(lock-in)方法或矩形波积分器。用于lock-in放大器的参考频率等于快速z扫描器的扫描频率。在物镜的(慢)移动期间记录了共焦信号。像场B沿着曲线K移动，其与用于激光处理的图案一致。同时，调整了轴向焦点位置，结果是走过(相关还有一处)了一路径(例如路径10)。以这种方式，确定了激光吸收将要发生的精确位置，因此增加了处理的安全性。
变形例2-OCT检测：在本变形例中，使用短相干光测量在角膜5和/或晶状体8的区域内的眼睛3的形貌，该相干光具有不同的波长。来自短相干源的光使用分色镜被耦合到光学单元O中。被眼睛结构回反射的光被同一分色镜偏转，并且使用干涉布置检测。为了使得激光处理安全和精确，使用了物镜，其具有在0.15-0.2的范围内的数值孔径。在物镜的完全照射的入射光瞳中，OCT检测的z轴向测量范围受到物镜的场的深度限制。因此，在此短相干照射被设计(例如通过相应地选择准直器的几何构型或使用隔膜)，使得仅照射物镜O的入射光瞳的一部分。因为被聚焦的短相干光的有效的数值孔径因此被减小，所以在此对于OCT检测实现了更大的深度范围。
优选地，在这些导航测量中，没有发生眼睛结构的断层图像采集，但是借助对已选择的点的深度解析式测量而对眼睛结构加以模拟和与计算机眼睛模型匹配。这种匹配的结果被表示成可选的动画。使用这种动画，当值的外科医生将设定光致破裂的空间边界。
优选地，深度解析式的导航测量沿着用于激光处理的路径发生。如果这些测量发现了与晶状体相关的计划中的囊袋开口的圆形图案的偏心，那么可选地，采取一系列的导航测量。用这种方式获得的数据再次被与计算机的眼睛模型相关联，所述结果被显示为用于监控激光处理的动画。

Claims (19)

1.一种用于在透明物质(7，8)中制造切面的处理设备，所述处理设备包括：
-激光装置(L)，其适于通过光学辐射(2)的方式在所述透明物质(7，8)中产生切面，所述激光装置包括：
-光学装置(O)，其将光学辐射沿着光轴(OA)聚焦到位于所述物质中的焦点(6)上，并且在所述物质(7，8)中具有像场(B)，所述焦点(6)位于所述像场中，
-用于横向于所述光轴(OA)和沿着所述光轴(OA)移动所述焦点(6)的位置的焦点调节装置，其中所述焦点调节装置包括用于沿着所述光轴(OA)移动所述焦点(6)的位置的双台z扫描器，所述双台z扫描器包括实施慢长行程焦点移位的慢台和实施快速短行程焦点移位的快台，和
-控制装置(S)，所述控制装置连接至所述激光装置(L)和控制所述激光装置(L)，使得所述焦点调节装置沿着路径(10)移动光学辐射(2)的焦点(6)在所述物质(7，8)中的位置，其中所述控制装置(S)控制激光装置(L)，使得所述切面(9)大体平行于所述光轴(OA)延伸，并且在沿着光轴(OA)的投影中是曲线(K)，所述曲线(K)具有最大范围(R)。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述两个台在空间上是独立的。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述激光装置(L)具有基部(15)、可移动远端部(16)以及柔性的或活节连接的光学透射装置(17)，所述光学透射装置连接所述基部(15)和所述远端部(16)，其中所述基部(15)将激光辐射(2)作为非准直束耦合到所述透射装置(17)中，所述透射装置(17)将所述非准直束透射至所述远端部(16)，所述远端部(16)具有物镜(30)，所述物镜接收所述非准直束并且将其聚焦到眼睛(3)中。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述用于移动焦点(6)的位置的焦点调节装置具有第一扫描器(21)和第二扫描器，所述第一扫描器实现所述快台并且布置在基部(15)中，所述第二扫描器包括致动器(31’)，所述致动器(31’)用于通过横向于光轴(OA)推移物镜(30)而横向于所述光轴(OA)移动所述焦点(6)的位置，所述第二扫描器还包括发散修改装置(23-25)，所述发散修改装置实现所述慢台并且修改所述非准直束的发散或会聚。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述控制装置还被设计使得所述控制装置控制所述第一和第二扫描器，以使它们彼此同步动作。
6.根据权利要求4或5所述的设备，其中所述发散修改装置(23-25)被布置在所述基部(15)中。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的设备，其中所述发散修改装置具有伸缩镜(23，24)和对伸缩镜(23，24)加以调整的致动器(25)。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的设备，其中所述第一扫描器(21)改变所述非准直束的路径长度。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述第一扫描器(21)包括可推移的转角镜(31)。
10.根据权利要求8或9所述的设备，其中所述第一扫描器(21)具有用于周期性地改变所述路径长度的振荡产生装置，尤其是振荡器元件(32)或者被安装在旋转盘(34)上的多个转角镜(31)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的设备，其中所述控制装置(S)控制所述激光装置(L)，使得所述焦点调节装置沿着曲线(K)横向于光轴(OA)移动所述焦点(6)的位置，并且在沿着曲线(K)的移动期间，沿着光轴(OA)在上轴向焦点位置(z1)和下轴向焦点位置(z2)之间振动式地移动所述焦点(6)的位置。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述控制装置(S)在沿着曲线(K)的移动期间改变所述上轴向焦点位置(z1)和下轴向焦点位置(z2)。
13.一种用以生成用于激光装置(L)的控制数据的方法，其中所述方法适于通过光学辐射(2)的方式在透明物质(7，8)中产生切面，其中所述激光装置包括：
-光学装置(O)，其将光学辐射沿着光轴(OA)聚焦到位于所述物质中的焦点(6)上，并且在所述物质(7，8)中具有像场(B)，所述焦点(6)位于所述像场中，
-用于横向于所述光轴(OA)和沿着所述光轴(OA)移动所述焦点(6)的位置的焦点调节装置，其中所述焦点调节装置包括用于沿着所述光轴(OA)移动所述焦点(6)的位置的双台z扫描器，所述双台z扫描器包括实施慢长行程焦点移位的慢台和实施快速短行程焦点移位的快台，和
其中所述控制数据限定所述物质(7，8)中用于移动所述光学辐射(2)的焦点(6)的位置的路径(10)，从而以切面(9)大体平行于所述光轴(OA)延伸的方式生成所述切面(9)，并且所述切面在沿着光轴(OA)的投影中是曲线(K)，所述曲线(K)具有最大范围(R)，并且其中所述控制数据被确定以控制用于沿光轴(OA)移动所述焦点(6)的位置的双台z扫描器的操作。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述控制数据还被确定用于为所述焦点调节装置限定沿着曲线(K)的所述焦点(6)的位置的移动和在沿着曲线(K)的移动期间的沿着光轴(OA)在上轴向焦点位置(z1)和下轴向焦点位置(z2)之间的所述焦点(6)的振动式移动。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述上轴向焦点位置(z1)和所述下轴向焦点位置(z2)沿着所述曲线改变。
16.根据权利要求13-15中任一项所述的方法，其中所述控制数据被确定用于限定所述曲面(9)具有圆柱体表面的形状。
17.根据权利要求13-16中任一项所述的方法，其中所述上轴向焦点位置(z1)限定所述切面(9)的上边缘，所述下轴向焦点位置(z2)限定所述切面(9)的下边缘。
18.根据权利要求13-17中任一项所述的方法，其中所述曲线(K)是周期性利萨佐斯图形。
19.根据权利要求13-18中任一项所述的方法，其中所述曲线(K)是闭合的曲线。
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