CN114145908B - 一种使用聚焦线光斑产生曲面扫描面的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使用聚焦线光斑产生曲面扫描面的方法和装置，属于激光扫描领域。方法包括：步骤S1，拟合待切割曲面获得多条曲线的位置信息和曲率信息，并将曲率信息转换为对应的相位调制信息；步骤S2，通过相位调制信息对激光光束的相位进行调制，形成相位变化的调制光束；步骤S3，使调制光束在目标区域形成聚焦线光斑；步骤S4，使聚焦线光斑按照所述位置信息在三维空间中扫描，产生一个或多个曲面扫描面。本发明的方法和装置，能够提升扫描速度，应用在眼科手术中，可以减少手术时间，降低各种因手术时间长产生的副作用，进而提升眼睛激光手术的治疗效果。

Description

一种使用聚焦线光斑产生曲面扫描面的方法和装置
技术领域
本发明属于激光扫描领域，更具体地，涉及一种使用聚焦线光斑产生曲面扫描面的方法和装置。
背景技术
激光已经被广泛的应用人眼睛的治疗中，使用激光对组织的“光击穿”效应来对人眼组织或者人眼中植入的医学材料进行切割，或者通过激光对组织进行“消融”，总而言之，使用激光对眼睛内的结构进行修改从而改变眼睛的光学特性以矫正眼睛已成为一种常见的眼科手术，比如使用聚焦准分子激光对角膜组织进行消融的准分子激光原位角膜磨镶术(LASIK)和使用聚焦飞秒脉冲激光在角膜中切割透镜的小切口角膜微透镜取出术(SMILE)。
LASIK手术在角膜表面切割角膜瓣，将角膜瓣掀开，使用准分子激光聚焦的点光斑对角膜组织进行消融。SMILE手术使用超短脉冲激光聚焦的点光斑对眼睛内部的组织进行切割，首先在角膜内部切割出“透镜”，在角膜表面切割出小切口，从切口将“透镜”取出，从而达到矫正眼睛屈光度的目的。不论是LASIK手术还是SMILE手术，都是使用激光聚焦的点光斑与眼睛内的组织进行作用。
现在眼睛激光手术都是使用激光聚焦的点光斑与眼睛内的组织进行作用，对眼睛内的结构进行修改从而改变眼睛的光学特性以达到矫正眼睛的目的。由于使用点光斑进行作用，而手术需要对眼睛内的几何体或者几何面进行切割或修改，这就会导致手术的时间较长。例如，现行的眼科激光手术系统需要使用负压吸附机构对眼睛进行固定，如果吸附的时间过长，就会使眼睛产生副作用，比如眼睛内部血管的损伤。因此，缩短激光手术的时间，尽快的完成激光手术，在眼科激光手术中是十分重要的。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种使用聚焦线光斑产生曲面扫描面的方法和装置，其目的在于提升激光扫描的速度。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种使用聚焦线光斑产生曲面扫描面的方法，包括以下步骤：
步骤S1，拟合待切割曲面获得多条曲线的位置信息和曲率信息，并将曲率信息转换为对应的相位调制信息；
步骤S2，通过相位调制信息对激光光束的相位进行调制，形成相位变化的调制光束；
步骤S3，使调制光束在目标区域形成聚焦线光斑；
步骤S4，使聚焦线光斑按照所述位置信息在三维空间中扫描，产生一个或多个曲面扫描面。
进一步地，所述相位调制信息的相位分布函数
Figure BDA0003340935370000021
为：
Figure BDA0003340935370000022
或
Figure BDA0003340935370000023
其中，x为相位调制面上横向坐标值，λ是激光光束的波长，f(y)是相位调制面上纵向的焦距变化函数；g(y)是相位调制面上纵向焦距的横向位置变化函数。
进一步地，在步骤S2中，通过相位调制信息对激光光束的相位进行调制之前还包括以下操作中的至少之一：将激光光束进行扩束、准直以及色散补偿。
进一步地，在步骤S1中，通过插值逼近或多项式逼近进行拟合。
按照本发明的另一方面，提供了一种使用聚焦线光斑产生曲面扫描面的装置，包括：激光器、光束调制器件、光束扫描器件、光束聚焦器件、系统控制器；
所述系统控制器，用于拟合待切割曲面获得多条曲线的位置信息和曲率信息，并将曲率信息转换为对应的相位调制信息；
所述激光器用于产生激光光束；所述光束调制器件通过相位调制信息对激光光束的相位进行调制，形成相位变化的调制光束；调制光束经过所述光束扫描器件，光束聚焦器件，在目标区域形成聚焦线光斑；
所述光束扫描器件用于使聚焦线光斑在三维空间中扫描，产生一个或多个曲面扫描面；
所述系统控制器还用于协调光束调制器件和光束扫描器件，使所述聚焦线光斑按照预定的轨迹进行扫描，并控制光束调制器件在不同的扫描位置加载指定的相位调制信息。
进一步地，所述光束调制器件为空间光调制器、柱透镜、数字微镜器件或可变形反射镜。
进一步地，所述光束扫描器件为扩束调焦器件和振镜的组合或三轴振镜。
进一步地，所述光束聚焦器件为物镜、场镜、透镜或球面反射镜。
进一步地，所述光束调制器件上加载的相位调制信息的相位分布函数为：
Figure BDA0003340935370000031
或
Figure BDA0003340935370000032
其中，x为相位调制面上横向坐标值，λ是激光光束的波长，f(y)是光束调制器件在纵向的焦距变化函数；g(y)是光束调制器件在纵向焦距的横向位置变化函数。
进一步地，还包括：
光束预处理器件，位于所述激光器和光束调制器件之间，用于以下操作中的至少之一：将激光光束进行扩束、准直或色散补偿；
和/或反光镜，用于改变扫描光束的方向。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明的方法和装置，通过拟合待切割曲面获得多条曲线的位置信息和曲率信息，并将曲率信息转换为对应的相位调制信息与产生的激光光束进行相位调制，该相位调制信息通过聚焦之后形成一段弯曲的线聚焦光斑，根据拟合获得的位置信息在不同位置进行扫描，形成曲面扫描面，能够实现曲面的快速扫描。该方法和装置应用在眼睛激光手术中，使用聚焦线光斑在眼睛内部产生曲面扫描面，可以显著提升眼睛激光手术的速度，减少手术时间，降低各种因手术时间长产生的副作用，提升眼睛激光手术的治疗效果。
(2)进一步的，通过在光束调制器件上加载不同的相位分布函数，可以形成不同形状的曲面扫描面。
(3)作为优选，可以对激光束进行扩束、准直和色散补偿等预处理，提升形成的线聚焦光斑的质量。
总而言之，发明的方法和装置，能够提升扫描速度，应用在眼科手术中，可以减少手术时间，降低各种因手术时间长产生的副作用，如：因负压吸附引起的手术副作用，进而提升眼睛激光手术的治疗效果。
附图说明
图1为本发明实施例提供的使用聚焦线光斑产生曲面扫描面的扫描装置结构示意图。
图2为本发明实施例产生曲面扫描面的工作流程图。
图3为本发明实施例产生的聚焦线光斑的示意图。
图4为本发明实施例产生的曲面扫描面的示意图。
图5为本发明实施例扫描形成的曲面体的示意图。
图6为本发明实施例形成的不同曲率的聚焦线光斑的实验图。
图7为本发明实施例通过柱透镜的焦距变化产生聚焦线光斑的原理示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1为激光器，2为光束预处理器件，3为光束调制器件，4为光束扫描器件，5为反光镜，6为光束聚焦器件，7为系统控制器，11为线聚焦光斑，35为标准柱透镜，38为焦距变化的柱透镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本实施例提供了一种使用聚焦线光斑产生曲面扫描面的装置，通过产生不同曲率的线聚焦光斑，并使用该线聚焦光斑扫描产生扫描曲面。主要包括：激光器1、光束预处理器件2、光束调制器件3、光束扫描器件4、反光镜5、光束聚焦器件6和系统控制器7。
激光器1，用于产生激光光束，产生的激光光束，其波长优选为适用于眼科手术的波长，例如500nm到2000nm。激光器1产生的激光光束可以与指定区域的物质产生相互作用，此相互作用可用于进行眼科手术，比如光诱导交联和光致破裂。激光光束的重复频率优选为10kHz到10MHz。
光束预处理器件2，位于激光器和光束调制器件之间，用于将激光光束进行以下操作中的至少之一：扩束、准直、色散补偿等，形成预处理后的激光光束。
光束调制器件3，对预处理后的激光光束的相位、振幅、波长和偏振态等的一个或多个状态进行调制，产生调制光束。其中，光束调制器件可以是任意能够对激光光束的相位、振幅、波长和偏振态等状态进行调制的器件，比如空间光调制器、柱透镜、数字微镜器件或可变形反射镜等。本实施例中，优选对预处理后的激光光束的相位进行调制，光束调制器件优选为空间光调制器。通过对激光光束的相位进行调制，使得最终的光束经过光学聚焦器件6聚焦后能够产生不同曲率的线聚焦光斑11，其中，相位调制信息由系统控制器7提供。需要说明的是，在其它实施例中，若选用柱透镜作为光束调制器件，由于柱透镜的焦距固定，最终产生的线聚焦光斑为直线聚焦光斑。
光束扫描器件4，将调制光束进行平移、旋转和焦平面的调整等二维或三维扫描，使得最终聚焦后的线聚焦光斑的位置发生变化，即使得聚焦后的不同曲率的线聚焦光斑11在x、y、z三维空间内扫描形成一个或多个扫描曲面。其中，光束扫描器件4可以是能使光束发生平移、旋转和焦平面调整的器件或者光学器件的组合，优选为扩束调焦器件和振镜的组合或三轴振镜。
反光镜5，位于光路中的任意位置，用于改变扫描光束的方向，便于缩短装置的尺寸。
光束聚焦器件6，用于将扫描光束聚焦于指定的位置，产生不同曲率的线聚焦光斑11。在眼科手术的应用中，该位置可以是任何需要使用激光光束作用的位置，如角膜、玻璃体和晶状体等。其中，光束聚焦器件可以是任意地能够将光束进行聚焦的光学器件，如物镜、场镜、透镜或球面反射镜等。
系统控制器7，用于产生相位调制信息给光束调制器件3，同时控制光束扫描器件4扫描轨迹，即通过拟合待切割曲面不同位置处的多条曲线的位置信息和曲率信息，并将曲率信息转为对应的相位调制信息加载在光束调制器件上，将位置信息加载在光束扫描器件上，使聚焦线光斑在不同位置扫描形成不同曲率的线聚焦光斑11，控制光束调制器件在不同的扫描位置加载不同的相位调制信息，更新不同位置的不同曲率的线聚焦光斑，最终产生曲面扫描面。同时，还用于控制激光器1的开关、输出波长和输出频率等信息；控制光束预处理器件2的扩束直径、准直度、色散补偿情况。
如图2所示，使用线聚焦光斑产生曲面扫描面的工作流程图。包括如下步骤：
步骤1，输入待切割曲面数据，该曲面数据可以是需要切割的任意曲面，例如眼睛激光手术中的根据Munnerlyn方程计算出来的待去除的曲面体以及由个性化激光眼科手术模型生成的待去除的曲面体。
步骤2，根据输入的待切割曲面数据拟合出曲面上不同位置处不同曲率的多条曲线。所用的拟合方法优选为插值逼近和多项式逼近等。
步骤3，将不同曲率的曲线对应的相位信息(即光束调制数据)加载在光束调制器件上，将激光光束进行相位调制后形成相位变化的调制光束。
步骤4，光束扫描器件根据拟合出的多条曲线的不同位置信息(即三维扫描信息)对调制光束在不同位置进行三维扫描。
步骤5，将扫描光束通过光束聚焦器件聚焦形成不同曲率的线聚焦光斑，最终形成一个或多个扫描曲面。
在这个过程中，由于在不同的空间位置处加载了不同的相位调制信息，可以更改聚焦后的线光斑的曲率，形成不同形状的线聚焦光斑。当不同位置处的相位信息相同时，得到曲率相同的聚焦线光斑，最终扫描形成柱面。
如图3所示，本发明实施例产生的聚焦线光斑的示意图，加载在空间光调制器上的不同曲率的曲线对应的相位调制信息分布函数为：
Figure BDA0003340935370000071
其中，x为相位调制面上横向坐标值，λ是激光光束的波长，f(y)是空间光调制器在y方向(纵向)上加载的焦距变化函数，该焦距变化函数指在相位调制面的不同的y位置，经过相位调制面的聚焦线光斑与相位调制面的距离变化函数。
通过改变f(y)函数，控制y方向上不同位置的聚焦线的聚焦位置，光束扫描后，经过光束聚焦器件，可以产生不同曲率的聚焦线光斑。应当可以理解的是，图中的线聚焦光斑为示意性的，实际使用时可以生成不同曲率的线聚焦光斑。
进一步的，当在空间光调制器上加载的相位调制信息分布函数为：
Figure BDA0003340935370000081
其中，g(y)描述在y方向上焦距的横向位置的变化函数，即在相位调制面的不同的y位置，经过相位调制面的聚焦线光斑与相位调制面的距离在横向位置的变化函数。可以通过改变g(y)函数来控制y方向上，不同位置聚焦线的横向聚焦位置。通过调控g(y)和f(y)函数，可以形成一条三维空间内不同曲率的聚焦线。
如图4所示，为本发明实施例产生的曲面扫描面的示意图。A1和B1分别是不同位置不同曲率的聚焦线光斑，调制后的激光光束经过光束扫描器件产生平移、旋转和焦平面的改变产生曲面扫描面C1。
如图5所示，为本发明扫描形成的曲面体的示意图。A2和B2分别是不同位置不同曲率的聚焦线光斑，调制后的激光光束经过光束扫描器件产生平移、旋转和焦平面的改变产生曲面体C2。
如图6所示，为本发明实施例形成的在不同的焦平面位置处不同曲率的聚焦线光斑的实验图，右侧为其对应的聚焦线光斑示意图，右侧的示意图中，颜色深的位置为光斑聚焦位置。
如图7所示，为通过柱透镜的焦距变化产生聚焦线光斑的原理示意图。本实施例以柱透镜为例，对产生聚焦线光斑的原理及加载到光束调制器件上的相位信息分布进行解释。应当可以明白的是，本实施例是以柱透镜的相位信息分布为例，说明产生聚焦线光斑的原理，并不意味只加载柱透镜的相位信息。
标准柱透镜35(焦距固定的柱透镜)的相位关系为：
Figure BDA0003340935370000091
其中，λ是激光光束的波长，f为柱透镜的焦距，光束M经过柱透镜后，聚焦产生直线光斑M’。
将柱透镜的焦距沿y方向上进行变化(如焦距由原先的f，变为f1，f2，……，f7)，光束N经过焦距变化的柱透镜38后，聚焦产生曲率不同的聚焦线光斑N’。
此时，该焦距变化的柱透镜的相位关系为：
Figure BDA0003340935370000092
其中，x为相位调制面上横向坐标值，λ是激光光束的波长，f(y)描述在y方向上柱透镜焦距的变化。通过改变f(y)函数，控制y方向上不同位置的聚焦线的聚焦位置，从而在不同位置产生不同曲率的聚焦线光斑。
在实际中，并不存在焦距沿y方向上进行变化的柱透镜，但是可以通过空间光调制器模拟产生这样的柱透镜。
基于此，可以理解，通过在空间光调制器上加载相位调制信息分布函数：
Figure BDA0003340935370000093
其中，f(y)为y方向上的焦距变化函数，可以在不同位置产生不同曲率的聚焦线光斑。
同时，本发明提供了一种使用聚焦线光斑产生曲面扫描面的方法，包括如下步骤：
步骤S1，产生激光光束；拟合待切割曲面获得多条曲线的位置信息和曲率信息，并将曲率信息转换为对应的相位调制信息；
步骤S2，通过相位调制信息对激光光束的相位进行调制，形成相位变化的调制光束；
步骤S3，使调制光束在目标区域形成聚焦线光斑；
步骤S4，使聚焦线光斑按照所述位置信息在三维空间中扫描，产生一个或多个曲面扫描面。
具体的，步骤S1中，相位调制信息的相位分布函数为：
Figure BDA0003340935370000101
其中，x为相位调制面上横向坐标值，λ是激光光束的波长，f(y)是相位调制面上纵向的焦距变化函数。
进一步地，步骤S1中，相位不同的调制信息的相位分布函数为：
Figure BDA0003340935370000102
其中，g(y)是相位调制面上纵向焦距的横向位置变化函数。
进一步地，在步骤S2中，通过相位调制信息对激光光束的相位进行调制之前还包括以下操作中的至少之一：将激光光束进行扩束、准直以及色散补偿。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种使用聚焦线光斑产生曲面扫描面的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，拟合待切割曲面获得多条曲线的位置信息和曲率信息，并将曲率信息转换为对应的相位调制信息；
步骤S2，通过相位调制信息对激光光束的相位进行调制，形成相位变化的调制光束；
步骤S3，使调制光束在目标区域聚焦之后形成一段弯曲的聚焦线光斑；其中，不同位置处形成的所述弯曲的线光斑的曲率不同；
步骤S4，使聚焦线光斑按照所述位置信息在三维空间中扫描，产生一个或多个曲面扫描面；
所述相位调制信息的相位分布函数
Figure DEST_PATH_IMAGE001
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，
其中，x为相位调制面上横向坐标值，λ是激光光束的波长，f(y)是相位调制面上纵向的焦距变化函数；g(y)是相位调制面上纵向焦距的横向位置变化函数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，通过相位调制信息对激光光束的相位进行调制之前还包括以下操作中的至少之一：将激光光束进行扩束、准直以及色散补偿。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，通过插值逼近或多项式逼近进行拟合。
4.一种使用聚焦线光斑产生曲面扫描面的装置，其特征在于，包括：激光器（1）、光束调制器件（3）、光束扫描器件（4）、光束聚焦器件（6）、系统控制器（7）；
所述系统控制器（7），用于拟合待切割曲面获得多条曲线的位置信息和曲率信息，并将曲率信息转换为对应的相位调制信息；
所述激光器（1）用于产生激光光束；所述光束调制器件（3）通过相位调制信息对激光光束的相位进行调制，形成相位变化的调制光束；调制光束经过所述光束扫描器件（4），光束聚焦器件（6），在目标区域聚焦之后形成一段弯曲的聚焦线光斑；其中，不同位置处形成的所述弯曲的线光斑的曲率不同；
所述光束扫描器件（4）用于使聚焦线光斑在三维空间中扫描，产生一个或多个曲面扫描面；
所述系统控制器（7）还用于协调光束调制器件（3）和光束扫描器件（4），使所述聚焦线光斑按照预定的轨迹进行扫描，并控制光束调制器件（3）在不同的扫描位置加载指定的相位调制信息；
所述光束调制器件上加载的相位调制信息的相位分布函数
Figure 579067DEST_PATH_IMAGE001
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，
其中，x为相位调制面上横向坐标值，λ是激光光束的波长，f(y)是光束调制器件在纵向的焦距变化函数；g(y)是光束调制器件在纵向焦距的横向位置变化函数。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述光束调制器件为空间光调制器、柱透镜、数字微镜器件或可变形反射镜。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述光束扫描器件为扩束调焦器件和振镜的组合或三轴振镜。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述光束聚焦器件为物镜、场镜、透镜或球面反射镜。
8.根据权利要求5-7任意一项所述的装置，其特征在于，还包括：
光束预处理器件（2），位于所述激光器（1）和光束调制器件（3）之间，用于以下操作中的至少之一：将激光光束进行扩束、准直或色散补偿；
和/或反光镜（5），用于改变扫描光束的方向。
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