CN1326505C - 用于确定物体表面相对于激光束的位置和对准的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明总体上涉及一种方法和系统，用于确定一平面相对于相交轴的位置和对准，并且当把该平面用作参考平面时利用已知的位置和对准进行校正。更特别的是，本发明涉及这样一种方法和系统，用于确定一平坦表面相对于激光束的倾斜角，并且利用所确定的倾斜角计算要应用于该激光束的校正因数。简言之，该方法和系统最终计算在应用激光束的过程中要应用的校正因数，z偏移。

Description

用于确定物体表面相对于激光束的位置和对准的方法和系统
背景技术
各种激光过程或操作需要将激光束完完全全地聚焦到一个具体的焦点上。例如，在已损伤的眼组织中或眼组织上光分裂或摘除该眼组织的眼科激光外科手术中，正确定位聚焦激光束的聚焦组件是非常关键的。这种眼科手术过程包括在角膜、巩膜、虹膜、晶状体及相关结构、玻璃体和视网膜中的那些手术过程，以及治疗青光眼的过程。在许多非眼科激光手术过程中也要求焦深精度，如皮肤病学中的应用，甚至在切除部分染色体的DNA“手术”中的应用。此外，非生物学应用，如光刻和微切削加工也要求焦深精度。
但是，如果利用目前使用的激光系统，以相对于激光系统的已知关系定位物体是关键问题。例如，在眼手术中，仅仅在将眼睛以相对于激光系统的已知关系定位时，才能以高准确度将激光束引导到眼睛内部的所希望的区域。这是很重要的，因为不准确地或不完完全全地引导的激光束可能损伤不希望被治疗的眼睛区域，并导致眼睛的永久性损伤。
一种为了执行激光眼科过程，把相对于激光系统准确地定位眼睛的方法是利用接触透镜(contact lens)使眼睛稳定。但是为此，必须已知该接触透镜(玻璃板或“消球差透镜(aplanation lense)”)相对于激光系统的对准。如上面指示的，如果不知道透镜相对于激光束的对准，那么在激光束的准确定位过程中就可能产生误差。
为了确保接触透镜相对于激光系统的对准是已知的，可以以固定的方向将该透镜永久地安装在该激光系统上。但是，如果该接触透镜将来保持安装在该激光系统上，那么在每次激光眼科过程之后透镜的消毒就可能花费很多时间，很难实现，并且最可能是非常的不经济。可替换的是，可将该接触透镜从激光系统中取下、消毒和更换。此外，对于激光眼科过程可以使用一次性使用的(disposable)接触透镜。但是对于最后两个可替换方案中的任一个而言，在该接触透镜安装到激光系统之后需要使该接触透镜与激光系统重新对准。
授予Juhasz等人的美国专利6,373,571(出于所有目的在此引入作为参考)公开了用于将消球差透镜与激光系统对准的系统和方法。具体而言，Juhasz公开了为了使消球差透镜与激光系统完完全全地对准，使接触透镜上的参考标记与沿着激光束路径的预定焦点重合。为此目的，激光系统依次沿着至少三个预定路径把激光束引导到达各自的预定焦点，接触透镜定位于跨过这些预定路径。沿着每个预定路径发射激光束，从而在接触透镜上建立一系列激光标记。如果激光标记、预定焦点和参考标记都重合，那么该接触透镜就与激光系统完完全全地对准了。但是，如果任何激光标记和参考标记之间存在任何位移，那么就要调整保持消球差透镜的挡圈以使所有参考标记与所有预定焦点对准，从而使该透镜与激光系统对准。
但是由于上面所述，需要具有可替换的系统和方法来确定物体平面相对于相交轴的位置和对准，并当把该平面用作参考平面时，利用该已知的位置和对准进行校正。
发明概述
本发明总体上涉及一种方法和系统，用于确定物体平面相对于相交轴的位置和对准(包括倾角和倾向)，并且当把该平面用作参考平面时利用该已知的位置和对准进行校正。更特别的是，本发明还涉及一种方法和系统，用于确定物体的平坦平面相对于激光束的位置和对准，并且利用该确定的位置和对准计算要应用于该激光束焦点的校正因数。该方法和系统也可适用于曲面物体。简言之，该方法和系统最终计算在使用激光束的过程(如光分裂(photodisrupt)位于消球差透镜下面的角膜组织)中要应用的校正因数，z偏移。
一旦确定了消球差透镜的位置和对准，可以校正该激光束的定位以在利用激光束光分裂角膜组织时考虑这种对准。一般来说，该方法分为两个步骤：第一，确定该消球差透镜相对于激光束的位置和对准；第二，确定激光束的校正位置z偏移供以后在某个过程中使用。
在本发明的系统的一个方面，通过CPU和软件指令控制激光束焦点的移动。该软件指令可以包含在存储介质上，如CD、硬盘驱动器、软磁盘，或其他电子存储介质装置。另外，计算机软件(指令集)可存储在ROM、RAM或能够存储计算机指令的其他存储设备中。可将软件程序配置为捕获检测到的等离子体火花(plasma spark)出现的z轴定位。除了z轴定位之外，还可以捕获x轴和y轴定位的位置。
本发明的方法和系统可以使用各种激光源，所述激光源包括红外线、可见光和UV激光器。此外，本发明的方法和系统使用的激光源可以是连续波、Q开关脉冲和锁模超短脉冲激光器。尽管上面不是穷尽的列表，但是上述类型的激光器都可以用于本发明。在本发明的一个方面，激光束由连续重复序列的飞秒或皮秒范围内的短光脉冲形成。在一个实施例中，激光源是脉冲持续时间小于10皮秒的红外超短脉冲激光器。尽管可以利用各种激光源时，但是在一种飞秒激光系统中，对于2.5μm的焦点来说，用于光分裂物体和产生等离子体火花每脉冲的激光能量约为1-5μJ。
本发明使用的物体是在与激光束的焦点接触时能够产生可检测的等离子体火花的材料。可产生等离子体火花的一些材料包括玻璃、硅，或塑料(包括医用塑料)和生物材料。将该物体永久地或临时地粘贴到激光系统上，使该物体处于激光束的路径中。可以使用盒、基座、框架或其他固定装置将物体定位在合适的位置。例如，将高度纯净的熔融石英构成的消球差透镜放置在与激光系统相连的锥形框架中，如在共同未决的美国申请09/772,539(公开号US2002/0103481)和09/896,429(公开号US2002/0103482)(所述文件出于所有目的在此引入)中所描述的。另一个例子是通过利用压力将显微镜载玻片保持在适当位置而将其定位在适当位置。
在本发明的一个方面，提供一种用于确定在物体的表面附近或在物体中出现等离子体火花的方法和系统。当激光束的焦点接触物体的表面时，或者当激光束聚焦到该物体中时，该方法和系统利用光检测器检测等离子体火花的出现。光检测器识别等离子体火花出现的时间。光检测器可以是光电二极管、CCD、光电倍增器、光电晶体管或适合于检测等离子体火花出现的任何设备之一。
在本发明的一个方面，提供一种用于确定物体表面相对于激光束的位置和对准的方法和系统。提供用于产生激光束的激光系统和表面基本平坦的的物体。该方法和系统也可适宜于曲面物体。将该物体定位在激光束的路径中。该物体可以永久地或临时地粘贴在激光系统上。在与激光束z轴相垂直的平面内沿着预定图案反复移动该激光束的焦点。当激光束焦点接触该物体时检测等离子体火花。确定该物体表面相对于该激光束的位置和对准。
在本发明的一个方面，移动激光束的焦点包括在z轴平面上的一个起始点开始，使得激光束的焦点在这一点上不与该物体接触；在与z轴垂直的至少一个平面内沿着预定图案反复移动激光束的焦点；沿着预定图案完成激光束的移动之后，将激光束的焦点重新定位在z轴上与前一个z轴定位相距一个设定距离Δz的位置处。预定图案优选是圆形。在一个实施例中，可以将激光束的焦点定位在物体下面，该激光束向上朝物体移动。或者在另一个实施例中，将激光束的焦点聚焦在激光源和物体之间的某处，该激光束朝物体(或者向下)移动。
在本发明的另一方面，等离子体火花的检测包括当激光束接触到物体时识别第一等离子体火花；记录该第一等离子体火花的第一z轴定位；通过沿着完整的预定图案识别第二等离子体火花来识别预定图案的完成；记录第二等离子体火花的第二z轴定位。
此外对于检测等离子体火花，利用第一z轴定位和第二z轴定位计算该物体相对于z轴的位置和对准。在一个实施例中，通过利用公式θ＝tan-1(Δz/D)来计算物体表面的倾角(对准)，其中Δz是第一z轴定位和第二z轴定位之差，D是预定图案的直径。
在本发明的一个实施例中，通过操作者在视觉上检测等离子体火花。在预定图案完成时检测第一等离子体火花的出现和第二等离子体火花的出现。手动地操作与激光系统互连的输入设备，如脚踏开关。当激光系统的操作者在视觉上识别第一次出现等离子体火花时，那么触发该输入设备向计算机发送信号从而记录第一z轴位置。激光焦点在迭代的预定图案中连续通过物体。当激光系统的操作者在视觉上识别预定图案完成时，那么该操作者触发输入设备，该输入设备又触发计算机记录第二z轴位置。
在本发明的另一个实施例中，等离子体火花的检测包括提供用于检测等离子体火花的光检测器，和利用该光检测器识别等离子体火花的出现。该光检测器可以是光电二极管、CCD、光电倍增器、光电晶体管或适合于检测等离子体火花出现的任何器件之一。
在本发明的一个实施例中，等离子体火花的检测包括提供用于摄取物体的图像和捕获该物体的一系列图像的摄像机。可以通过下面的步骤来确定表面的位置和对准，从当前图像的像素中减去前一个图像的像素，接着将超过一定阈值的所有得到的像素相加，以成为用于该图像的最终数值，该数值与用于该图像的等离子体强度相互关联。每次计算的最终数值可以标在曲线图上以建立等离子体强度曲线。
确定消球差透镜相对于激光束的对准的步骤可以分为如下几个子步。第一，如果将z轴定义为激光束的路径，那么将激光的焦点引导至消球差透镜下面的z轴上的点z0。然后在垂直于z轴的平面内沿着闭合图案移动激光束的焦点，该闭合图案例如其固定直径小于消球差透镜的直径的圆。在焦点完成该闭合图案之后，将该焦点向上调整一个设定距离(也称作分离层)zx，到达z1，并重复该移动步骤。最后两个步骤，即沿z轴向上调整焦点到达z2和在闭合图案中移动焦点的步骤重复i次，直到沿z轴向上调整该激光的焦点到达zi，并且该焦点接触到消球差透镜，产生等离子体火花。当等离子体火花出现时，记录该焦点位置zi。然后将该焦点调整到上一个起始点之上zx，并沿垂直于z轴的平面内的闭合图案移动该焦点，直到激光沿整个闭合图案都接触消球差透镜，沿该整个闭合图案产生等离子体火花。当等离子体火花出现时，再次记录焦点位置zj。通过计算z0和zj之间的距离可确定Δz。利用闭合图案的直径和焦点沿z轴行进的总距离，可利用三角法来确定消球差透镜相对于z轴的角θ。
在本发明的一个方面，公开了一种用于确定物体表面相对于激光束的对准的方法和系统。提供表面基本平坦的物体。利用产生激光束的激光系统在物体表面处产生至少三个等离子体火花。该激光系统具有带软件的CPU，该软件配置为执行所述过程和计算。可以按照任何方式来检测等离子体火花，所述方式包括前面描述的方式，如手动/视觉上、光检测器或视频图像分析。通过检测在物体平坦表面周围的三个点，可以识别相对于激光束的z轴的一平面以及该平面相对于激光束z轴的倾斜。另外，如果该表面不是平坦的，那么可以检测该表面的曲率。在这种情况下，利用等离子体火花识别多个点，并且记录它们的x、y、z坐标。然后可计算该表面的曲率。
在本发明的一个方面，公开了一种用于确定激光束在表面基本平坦的物体上的焦点的方法和系统。这种新型的系统和方法利用干涉仪来确定从物体反射的激光束的条纹图案。在该特定的系统和方法中，提供表面基本平坦的物体。提供用于产生激光束的激光系统。该激光系统具有指示激光束移动而配置的中央处理器。该干涉仪与激光系统互连。激光束聚焦在基本上平坦的表面上或附近。该激光束从该平坦表面反射回来。检测干涉图案。根据对该干涉图案的分析，确定该激光束焦点对准还是未对准。在中央处理器上执行的软件程序可配置为用于将该激光束聚焦在物体基本上平坦的表面上或其附近，检测该激光束的条纹图案，并根据该条纹图案确定激光束焦点是否对准。如果条纹图案的线基本上彼此平行，那么该激光束聚焦在该平坦表面上。
在本发明的再一个方面，公开了另一种用于确定激光束在表面基本平坦的物体上的焦点的方法和系统。激光系统计算机监控信号对于深度的依赖性。信号改变表示消球差玻璃的下表面与角膜之间的分界面。用于产生激光束的激光系统具有为指示激光束移动而配置的中央处理器。具有带通滤波器的光电倍增器与激光系统互连，该光电倍增器用于检测由激光束产生的非线性频率信号。在中央处理器上执行的软件程序可配置为用于监控由该激光束产生的非线性频率信号，并确定该激光束是否焦点对准。该非线性频率信号可以是二次谐波发生、第三谐波发生、受激拉曼(Raman)或白光发生等等中的任一种。
在本发明的再一个方面，公开了一种用于确定两个物体之间的距离的方法和系统。利用用于产生激光束并具有中央处理器的激光系统来产生和检测第一物体表面处的第一等离子体火花，并产生和检测在第二物体的表面处的第二等离子体火花，所述中央处理器配置为指示激光束的移动。配置的软件程序用于通过检测第一等离子体火花的出现而识别第一物体的外表面的第一点，通过检测第二等离子体火花的出现而识别第二物体的外表面的第二点；并确定第一点和第二点之间的距离。该软件程序记录第一和第二点的x、y、z轴定位，然后计算这两个点之间的距离。可以通过能够检测等离子体火花的任何设备来检测等离子体火花。在一个实施例中，通过光检测器来检测等离子体火花。光检测器的一些例子包括光电二极管、CCD、光电倍增器、光电晶体管，或适合于检测等离子体火花的出现的任何器件。
附图简述
为了更完整地理解本发明，下面结合附图进行描述，其中：
图1是图解说明本发明一个实施例的用于确定消球差透镜相对于激光系统位置和对准的系统的透视图；
图2是消球差透镜和激光束的示意图；
图3是图解说明用于确定消球差透镜相对于激光束的焦平面的位置、对准和取向的流程图；
图4是图解说明用于确定消球差透镜相对于激光束的位置、对准和取向的视频图像分析的曲线图；
图5A-5C是图解说明当利用干涉仪聚焦激光束时检测到的图案条纹的图；以及
图6是图解说明在猪眼中二次谐波信号对光束腰部位置的依赖性的曲线图，其中深度轴的正号对应于角膜内的位置，零位置对应于角膜-玻璃分界面。
发明详述
尽管已经详细描述了本发明及其优点，但是应该理解，在不背离由附加的权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替换和变更。此外，本发明的范围并不意味着限制于说明书中所描述的过程、机器、制造、物质的成分、装置、方法和步骤的特定实施例。本领域的普通技术人员很容易从本发明的公开内容中了解到，根据本发明可以利用目前存在或以后开发的过程、机器、制造、物质的成分、工具、方法或步骤，上述这些能够执行与这里描述的相应实施例基本上相同的功能，或者达到与所述实施例基本上相同的结果。因此，附加的权利要求书意味着在其范围中包括这些过程、机器、制造、物质的成分、工具、方法或步骤。
现在参考图1，该图表示根据本发明的消球差透镜位置和对准系统的一个实施例的示意图。系统10的主要部件是激光系统12和消球差透镜14。为了完成激光眼科手术，激光系统12包括安装在系统外壳(未示出)上的激光源16。该激光源16从发源点22发射激光束20，如图1所示。在本发明的一个实施例中，激光束20的脉冲持续时间小于300皮秒(＜300ps)，其波长在大约400-3000nm之间。优选的是，该激光工作于1053nm的波长、大约为600-8000飞秒的脉冲持续时间以及10kHz的重复频率。图1示出利用激光束20来定义与该激光束的光路平行的z轴24。如这里所讨论的，通过使用消球差透镜来显示本发明的系统和方法。但是，也可以确定其他物体的位置和对准。这样，本发明的系统和方法应该解释为覆盖需要确定其相对于激光束的位置和对准的任何其他物体。
物体对准的确定
参考图2，该图示出激光束20和倾斜的消球差透镜14的示意图。为了确定消球差透镜14相对于激光束的z轴24的位置和对准，将激光束的焦点首先引向消球差透镜14下面的z轴24上的一点。该第一点称作z026。然后沿着一个闭合图案移动该激光束的焦点。该闭合图案是该激光束焦点行进的形状。当该激光束焦点沿着该闭合图案行进时，发射激光束。通过该激光系统可设定激光束的光点距离，从而在特定距离的闭合图案上发射激光束。例如，在一个实施例中，光点距离可设定为1μm-30μm。对于特定的物体和采用的激光源，光点距离可以不同于上述实施例。
在一个优选实施例中，该闭合图案是具有直径(“D”)28的圆形。在垂直于z轴24的平面内形成该闭合图案。对于使用消球差透镜的眼科过程来说，该闭合图案应该具有足够大的直径，以使得在确定消球差透镜的位置和对准之后，压住该消球差透镜的角膜随后不会接触该闭合图案区域。在使用消球差透镜的某些测试中，该闭合图案采用7-9.5mm的直径，并且发现该直径足够大。根据过程的类型和确定对准的特殊物体可以采用其他直径的路线。
在第一闭合图案完成之后，然后将激光束的焦点沿z轴24向上调整一个设定距离zx30到达另一个起始点z132，其中z1＝z0+zx。每个连续的闭合图案之间的距离zx的值也称作分离层距离。对于该闭合图案的每次行进，所述激光束焦点根据分离层的设置沿z轴移动一定距离。
然后再次沿着与z轴24垂直的平面内的类似闭合图案移动该激光束的焦点，并随后将该激光束的焦点沿z轴向上调整到z234，其中z2＝z1+zx。沿着闭合图案移动焦点的步骤和沿着z轴24向上调整激光束焦点的起始点的步骤重复n次，直到沿着闭合图案的激光焦点与消球差透镜14接触，在zn36处产生可被检测到的第一等离子体火花。在下面描述检测等离子体火花的特殊方式。
利用软件的CPU优选指示激光束焦点的移动。当移动该激光束时，该软件可记录该焦点的坐标。例如，当激光束焦点沿着该闭合图案行进时，可获知该激光束焦点的具体的x、y和z坐标。这可以作到，因为是由软件来指示焦点移动通过闭合图案的特定坐标。因此，可对激光系统软件进行配置或编程，以基于某些规定事件记录x、y和/或z坐标。
记录第一等离子体火花出现时的特定zn。沿着闭合图案移动焦点的步骤和沿着z轴24向上调整激光束焦点的起始点的步骤重复m次，直到激光的焦点沿着整个闭合图案与消球差透镜14接触，在zj38的位置，产生可被检测到的沿整个闭合图案的等离子体火花，其中j＝m+n。记录点zj。稍后在下面描述检测闭合图案的完成的特殊方式。
为了更好地理解本发明的方法，图3以流程图的形式列出本发明的一些步骤。在步骤201中，将激光束的焦点设定在消球差透镜下面的z轴上的一点z0。接着在步骤202中，沿着垂直于z轴的平面内的图案移动激光束的焦点，该图案优选是具有直径D的圆形。在激光束沿着该图案移动的过程中，检查等离子体火花的出现。如果检测到等离子体火花，那么在步骤204中，记录该zn位置。同样，也可记录坐标xn和yn。如果没有检测到火花，当图案完成时，那么在步骤203中，将激光束的焦点沿着z轴向上移动一个确定的距离zx。重复步骤202直到检测到等离子体火花。
在步骤205中，将激光束的焦点沿着z轴向上移动一个确定的距离zx。然后在步骤206中，沿着垂直于z轴的平面内的预定图案移动该激光束的焦点，所述预定图案优选是具有直径D的圆形。在激光束沿着该图案移动的过程中，检查等离子体火花在该圆圆周上是否已经完成。如果检测激光束焦点走完整个圆，那么在步骤207中记录该zj位置。并且，也可记录该位置的坐标xn和yn。如果等离子体火花在该圆圆周上还没有完成，那么重复步骤205。最后，在步骤208中，可以确定消球差透镜的倾斜。
等离子体火花的可视检测
等离子体火花可由操作者在视觉上检测。例如，由激光系统的用户操作的脚踏开关可以识别等离子体火花出现的时间。如上所述执行焦点沿着闭合图案的移动。当用户第一次检测到等离子体火花时，触发脚踏开关。该开关的触发向计算机发信号以记录第一个等离子体火花的z轴坐标。当用户通过观察到沿闭合图案的全部等离子体火花而检测到该闭合图案完成时，用户再次触发脚踏开关。这样，得到第二个z轴坐标。然后使用这两个坐标可确定该透镜的倾斜。
等离子体火花的电子检测
在另一个实施例中，可以利用与激光系统相连的光检测器来检测等离子体火花的出现。该光检测器可以是能够确定这一事件的任何器件。例如，光检测器可以包括光电二极管、CCD、光电倍增器、光电晶体管，或适合于检测等离子体火花的出现的任何器件。
可以利用光检测器来确定等离子体火花的第一次出现和闭合图案的完成，由此给出第一和第二z轴坐标，然后利用这两个坐标来计算消球差透镜的倾斜。
在一个实施例中，光检测器与激光系统相连。将光检测器放置在激光系统上、邻接该激光系统、或该激光系统附近的位置，在那些位置光检测器可以检测等离子体火花。当激光束在消球差透镜中产生等离子体火花时，光检测器产生一个电压或信号。当光检测器第一次检测到等离子体火花时，那么该激光系统软件记录第一个z轴坐标。
对于等离子体火花沿整个闭合图案完成的第二z轴位置，可以按照不同的方式来确定对这种完成的识别。确定该闭合图案的完成的一种方式为估计光检测器的电压或信号，并将其与闭合图案完成的已知时间进行比较。对激光系统软件进行配置，以计算完成给定闭合图案所必需的持续时间。在闭合图案完成时，估计光检测器的电压或信号。如果光检测器的电压或信号显示在闭合图案的末端出现等离子体火花，那么我们就知道在闭合图案的末端出现了等离子体火花。根据该已知的完成点，那么可确定该第二z轴位置。
通过确定在物体中检测到的最强烈的等离子体火花的x-y坐标可获得关于倾斜取向的信息。最强烈的等离子体火花信号对应于物体中的最深位置。
等离子体火花的视频图像检测
在一个可替换的实施例中，利用摄像机来捕获产生等离子体火花时消球差透镜的多个图像。通过比较捕获到的图像序列，那么可以利用该图像信息来确定消球差透镜的倾斜。在一个实施例中，使用帧频为每秒30帧的NTSC摄像机。但是，也可以使用具有不同帧频的其他摄像机。
一般来说，当朝消球差透镜的底面向上扫描激光束焦点时，搜索视频图像中的等离子体火花。类似于上述可视/手动和光检测器方法，将激光束焦点设定在一个起始点，该激光束焦点在该起始点的位置处不产生等离子体火花。然后移动激光束焦点通过连续的闭合图案，同时确定第一和第二z轴坐标。
在一个实施例中，捕获和估计8位灰度级图像。灰度级图像具有灰度值在0(黑色)和255(白色)之间的多个像素。在0-255范围之间变化的灰度值表示特定像素的亮度。例如，如果图像的某一像素区域的值为0或接近0，那么表示该部分图像是暗的。如果图像的某一像素区域的值为255或接近255，那么表示该部分图像非常亮。这样，图像某一区域的像素数值越大，则该区域就越亮(或越白)。根据这一像素赋值模型，可以检测等离子体火花的出现。当等离子体火花出现并且拍摄图像时，与没有出现等离子体火花相比，存在更多范围更大的像素。这是因为等离子体火花产生在图像中可注意到的非常明亮的光。
现在参考图4，该图示出一曲线图，图解说明利用迭代图像比较法来确定消球差透镜的倾斜。设定将要捕获的图像帧的频率为周期性的时间间隔。曲线图的x轴代表捕获的视频图像的帧数。在该图解例中，将激光束的焦点设定在直径7.8mm的圆形图案中。激光的光点距离设定为3μm。激光源利用3μJ能量的能级。曲线图的y轴代表高于一定阈值数值的那些像素的总的比较图像值。在该实验中，设定阈值数值为20。
等离子体火花线60显示在等离子体火花出现之前、出现过程中和出现之后的图像的几个帧的处理。视频图像处理从捕获第一个视频图像开始。在预置时间间隔之后，捕获下一个图像。然后将第一个视频图像和第二个视频图像互相比较。
将第一图像的每个像素值(0-255)加起来以获得第一图像值。并且，将第二图像的每个像素值(0-255)加起来以获得第二图像值。如果设定了阈值，那么只把其值高于阈值的那些像素值相加。利用阈值显著降低了光噪声，并允许在完全室内照明和消球差透镜高度照明下进行处理。
第二图像值减第一图像值得到总的比较图像值。该总的比较图像值存储在CPU的存储器中，可以在曲线图上标绘。尽管该曲线图中没有示出总的比较图像值，但是激光系统软件也可以知道或已经存储该特定图像帧的x、y和z坐标。这样，对于特定的总的比较图像值而言，可以把所述x、y和z坐标与该特定的总的比较图像值相关联。
如图4中所示，在大约帧860之前，没有出现等离子体火花。在y轴上，该等离子体火花线显示为总的比较图像值为零的线性线。在处理过程中，环境光优选保持在一致的程度。如图4中所示，在等离子体开始之前，甚至在完全室内照明的情况下，几乎不存在噪声信号。当等离子体火花从大约帧860开始时，出现如等离子体火花线60上所示的递增的山形信号。
等离子体火花线60上一个山形的每一侧之间的间距代表一个整圆的完成。第一个山形64代表第一次出现等离子体火花。任何山顶处的确切x-y坐标都给出了倾斜轴。当该山形第一次没有下降到0时(或一定的较低阈值)，即完成等离子体圆(第二或最后的接触)。
为了更容易检测第一和第二接触，按照下面的方式进一步处理该等离子体火花线60。如果总的比较图像值高于某一值，那么将二进制信号或等离子体火花状态设定为1。如果对于特定的图像帧，总的比较图像值高于该设定值(在该例子中该设定值设定为1)，那么对于该帧来说，等离子体火花状态设定为1或真。如果总的比较图像值低于该设定值，那么等离子体火花状态设定为0或假。按照这种方式，如绘制的等离子体火花状态线62上所示，可知道针对特定图像帧和时间等离子体火花状态。
两个连续山峰之间的距离等于激光软件定义的分离层参数。这通常是2-10微米的数量级，但是可根据所需准确度改变。对于每个山峰来说，闭合图案做一次旋转，对于每次旋转来说，焦点位置沿z方向向上移动一个分离层的量。第一等离子体火花64和图案完全闭合61之间包含的峰的数量决定下面的Δz＝|z(第一等离子体)-z(完全闭合)|。倾斜轴的确定取决于存在山峰时的x-y坐标的位置。轴线可从该山峰的x-y位置相对于该圆形图案的中心被拉开(draw)180°。倾斜的确定如下θ＝tan-1(Δz/D)，其中Δz是由CCD摄像机所检测的第一等离子体火花64和图案完全闭合61之间的z位置之差，D是圆形图案的直径。
透镜倾斜和z坐标偏移的计算
然后通过利用下面的方程式：θ＝tan-1(Δz/D)来计算消球差透镜14相对于z轴24的对准；其中θ40是消球差透镜14与垂直于z轴24的平面之间的角，Δz是第一z轴定位和第二z轴定位之间的差值，D是预定图案的直径。z轴24和消球差透镜14之间的角φ42是90-θ。
尽管上面的方法讨论了通过电子或手动工具获得第二z轴定位，但是也可以计算得到该第二z轴定位。在获得第一z轴定位之后，那么可计算第二z轴定位。该第二z轴定位是与第一z轴定位相对的圆形预定图案上的点。这的确如此，因为利用圆形预定图案，可保持第一z轴定位是倾斜的最低点(如果从低于消球差透镜处向上扫描激光)，最高点可以总是与该第一z轴定位相对的预定图案上的点。这样，可以确定第一z轴定位(连同x、y坐标)，然后可以利用圆形图案的已知直径来确定第二z轴定位。
利用圆形预定图案，通过获得第一和第二z轴定位，可以确定消球差透镜的接触面的平面，以及该平面关于z轴的取向。
确定消球差透镜14相对于激光束的倾斜非常有用。在眼科手术领域中，可以实现眼组织的更精确的光分裂。例如，在眼科激光手术过程中，光分裂应该非常精确是很重要的。当利用消球差透镜时，患者的角膜压住该透镜，由此使靠着透镜玻璃表面的角膜变平。利用极好校准的激光系统，使用极好成形的消球差透镜，该消球差透镜的接触面(接触平面)会垂直于该激光束。因此允许在一个x-y位置处激光束聚焦在角膜中的z坐标与如果激光焦点移动到另一个x-y位置时的激光束聚焦的z坐标相同。但是如果消球差透镜倾斜，那么将导致眼组织中一个x-y位置处的激光焦点与该眼组织中另一个x-y位置处的激光焦点实际上不同。但是如果已知消球差透镜的倾斜，那么可以偏移或补偿特定x-y位置的z坐标(或焦距)以考虑这种透镜倾斜。
确定物体倾斜的三点法
确定物体表面相对于激光束的z轴倾斜的可替换方式为确定物体的三个点。可以将激光束聚焦在z轴上一点，在这一点处激光束的焦点不与该物体接触。这一点可以是任何x、y坐标。激光束z轴焦点递增地移动一个规定的距离，并且发射激光。该焦点再次移动一个设定距离，并发射激光。持续这一过程直到检测到第一等离子体火花。这种检测可以是任何方式，包括上述手动地、通过光检测器和视频图像比较的各种方法。记录第一点(其x、y和z坐标)，或由激光系统将其保存在内存或存储器中。
然后该激光系统将该激光束引导至第二x、y坐标。然后将该激光的焦点移动至z轴一点，在这一点处激光束的焦点不与该物体接触。然后，再次把激光束z轴焦点递增地移动一个规定的距离，并发射激光。持续这一过程直到检测到第二等离子体火花。记录第二点(其x、y和z坐标)，并由激光系统将其保存在内存或存储器中。
然后该激光系统将该激光束引导至第三x、y坐标。然后将该激光束的焦点移动至z轴一点，在这一点处该激光束的焦点不与该物体接触。然后，再次把激光束z轴焦点递增地移动一个规定的距离，并发射激光。持续这一过程直到检测到第三等离子体火花。记录第三点(其x、y和z坐标)，并由激光系统将其保存在内存或存储器中。
现在已经确定了该物体的一个表面的三个表面点，这样就可以知道该表面相对于激光的z轴的平面。由于知道了该物体的该平面，那么随后的过程可以利用该平面作为z偏移的参考面。
此外，通过检测第一物体的该表面处的第一等离子体火花，并且检测第二物体的该表面处的第二等离子体火花就可以计算出两点之间的距离。可通过上述方法来检测第一和第二等离子体火花。然后利用每个等离子体火花的z轴坐标来确定检测到等离子体火花的每个物体表面之间的距离。
z偏移和增益校准程序
通过确定物体表面相对于激光束(或激光束的z轴)的对准(或倾斜)，可以将z偏移值用于随后的激光系统操作。对于特定的x、y坐标，可以将z坐标偏移一个特定距离，从而使激光束的焦点位于与该物体倾斜的平面相平行的平面。
在一个实施例中，软件程序通过向数字/模拟卡写入一电压来命令激光系统的聚焦组件的位移。通过将电流引向电机驱动的聚焦组件，根据命令的电压，Z电流计又将该聚焦组件移动到所需的焦深位置。位于该激光系统中的线性编码器感测该聚焦组件的线性移动。与主机计算机和软件程序相互作用的智能控制器利用传感器读出连接到该聚焦组件的编码器条。随着该透镜移动到合适的位置，智能控制器提供编码器反馈，并得到实际的聚焦组件位置。
为了测量z增益，需要测量第二点。通过利用如下的第二物体可实现z增益的测量，该第二物体诸如具有基本上平坦的顶面和底面的玻璃，所述顶面和底面基本上彼此平行。
在一个实验中，将160μm厚的显微镜载玻片靠着消球差透镜接触平面的压片玻璃安装。该载玻片用1060nm时折射率为1.521的硼硅酸盐玻璃(Corning0211)制作。测量该载玻片的平面度。该载玻片具有在整个载玻片(22×22mm)范围内±1μm的平行的顶平面和底平面。通过利用在载玻片顶部的杆和圆形塑料螺钉头从下面稍微推压而使该载玻片压住该压片玻璃。这导致在闭合图案的圆直径处载玻片下面的气隙。现在如在z偏移过程中一样切割圆形的闭合图案，但是将起始深度设定为200μm。这模拟了激光束聚焦到角膜组织中。为了校正人的角膜(n＝1.377)，160μm厚的硼硅酸盐玻璃对应于146μm厚的角膜层。这通过利用WinLaseTM3.0Pro软件、高斯光束、聚焦数f#＝1.48的物镜进行模拟。
根据在适当位置的校正，如果在一个过程之前，将z偏移调整到零，那么希望该软件能报告146μm的偏移。如果该数偏离(off)，那么按照下面的量把z比例因子(z增益)偏离∶新的z比例因子＝(146μm/测得的偏移)*旧的z比例因子。
在校正激光系统设定的z比例因子之后，需要重做z偏移，因为该z偏移可能没有与z扫描仪上的0电压一起回落并由此可能会受增益变化的影响。
干涉测量的激光焦点检测
测量物体表面相对于激光束的位置的另一种方式是利用干涉仪。在测量之后，激光系统然后可说明该物体的高度尺寸的变化，并设定焦深的偏移参数。软件中的偏移参数可以抵消消球差透镜的高度尺寸变化的影响，由此提供相同的外科手术深度。
这种方法利用从消球差透镜的玻璃表面反射回来的激光的波前曲率。用干涉仪来测量该波前曲率。
有两种方法将条纹曲率与焦深联系起来。第一种方法，通过知道光学系统和干涉仪的几何形状，可确切计算出条纹图案，并将其与焦深相关。但是这一方法要求知道有关光束几何形状的精确知识。
第二种更实用的方法是将该机器校准到可测量的焦点位置。这是我们利用我们的仪器所遵循的方法。在一个仪器中，将该机器设置为把玻璃样本中的图案切割到不同的深度，同时记录该干涉图案。然后借助于显微镜测量试样中的切割深度，并如以前记录的将其与条纹曲率相关。
该干涉仪利用从进入输送系统之前直接从激光束分离出来的参考光束，和穿过该输送系统的测量光束。该参考光束基本上是平行光束。该测量光束是从消球差透镜的光学表面反射回来的一部分激光束。该反射的光束沿反向通过激光聚焦光学系统和扫描仪系统折回到光路中。
如果该反射面位于焦点处，那么反射回的光束通过输送系统一直折回同一光路，并作为平行光束离开该输送系统。该光束可用参考光束干涉。在这种情况下，这两个光束都是平行的，并且它们产生具有直条纹的干涉图案。另一方面，如果消球差透镜焦点未对准，那么反射回的光束不会反向行经完全相同的光路，并且作为会聚或发散光束离开该输送系统。会聚或发散光束与平行光束结合产生弯曲条纹图案。从干涉图案，主要从条纹曲率的符号和幅度中提取焦点的位置信息。
在一个实施例中，采取图像处理方法。首先捕获原始图像，然后通过把该图像与在空间上周期性的中心(kernel)进行卷积来过滤和增强该图像。这一过程平滑了例如因光学系统上的尘粒而导致的随机性的图像不完全性。同时，中心的空间周期性增强了该干涉图案与右边周期性的对比。
图像处理的下一步是用Canny Edge Detection algorithm(边缘检测算法)进行的边缘检测.(Canny，A.(1986)A computational approachto edge detection.IEEE Trans.PAMI，8：769-698。)
然后分析边缘毛边。丢弃比给定长度短的毛边。较长的毛边用多项式曲线拟合。该多项式的二阶系数给出各个条纹的曲率。最后，求出各个条纹的曲率的平均值。
在一个实施例中，用上述的摄像机和帧捕获软件来捕获干涉图案。用计算机软件来分析该干涉图案。提取该条纹图案的曲率井计算焦点位置。为了确定该焦点位置，当干涉图案具有平行光束时，那么使该激光束聚焦。确定激光束焦点未对准的程度的一个方法是质量校准条纹图案的各曲率并测量焦距。例如，可以使用测微计来确定对应特定条纹曲率的各个焦距。对于特定的条纹曲率，可以将焦深值存储在表中。然后，为了该激光系统的后续使用，确定特定的条纹图案曲率，继而在表中查找以确定焦点位置。可选择的是，可以对该曲率特性进行估计以确定一种算法，从而可以得到对应特定条纹曲线的焦点位置。
进行各种实验来确定条纹图案以及与该激光束的焦点的关系。在一个实验中，测得的干涉条纹图案向下弯曲。这种干涉条纹图案在图5A中示出。激光束的焦点位于消球差透镜的接触平面之上20μm。在另一个实验中，测得的干涉条纹图案形成直线。这种干涉条纹图案在图5B中示出。激光束的焦点位于消球差透镜的玻璃表面上。在第三个实验中，测得的条纹图案向上弯曲。这种干涉条纹图案在图5C中示出。得到的激光束的焦点位于消球差透镜的接触平面之下10μm。
测量位于消球差透镜视场的光心处的一点可提供z偏移数。这种方法可用于测量消球差透镜的接触平面的三点测量，从而确定焦平面的倾斜。
这种干涉测量法不仅具有确定消球差透镜的平面的焦点的优点，而且可用于检测激光束畸变。这些畸变中的一些可以是i)激光光学系统的设计所固有的性质，如球差和色差，ii)来自激光器，如空间啁啾声信号，iii)来自部件水平像差的畸变，如超出规定的反射镜平面度，或者iv)因系统未对准引起的畸变。
如果测得的激光焦点位置在预定的可接受范围之外，那么激光系统软件可配置为指示伺服系统来修改z轴焦点位置的偏移值，然后使该激光系统进入可接受的范围内。并且，用于外科手术图案的软件参数可配置为适应硬件偏移和激光焦平面相对于外科手术平面的倾斜。
非线性频率转换
确定激光束焦深的另一种方法是利用具有带通滤波器的光电倍增器来监控由激光束产生的非线性频率信号。该激光系统计算机监控信号对焦点深度的依赖性。信号变化表示消球差玻璃的下表面与角膜之间的分界面。非线性频率转换方法是非扩散性的(noninvasive)。在消球差透镜对接在患者眼睛上时进行深度校准，从而减小了由机械反冲引入的误差。
这种方法基于在玻璃和角膜中利用不同非线性作用而以不同于激光束频率的频率产生光。这种作用包括但不限于二次谐波发生、第三谐波发生、受激拉曼，白光发生等等。在接近于光分裂阈值的激光束强度处，上述非线性过程的转换效率足够高到能够产生可检测信号。这些信号对输入强度具有二阶或高阶依赖，并且在空间上被限制在光束腰部，因此提高了分界面检测的准确度。
具有带通滤波器的光电倍增器连接到该激光系统。激光系统的计算机监控该信号对于焦点深度的依赖性。信号变化表示消球差透镜的下表面与角膜之间的分界面。可以达到优于5微米的精度。
参考图6，进一步描述该方法。图6是图解说明在猪眼中二次谐波信号对于光束腰部位置的依赖性的曲线图，在光束腰部位置处，深度轴的正号对应于角膜内部的位置，零位置对应于角膜-透镜分界面。为了确定激光束在消球差透镜和角膜分界面处的焦点，取信号的最大值的一半。这在曲线图上的0微米点处显示。如果焦斑移出进入到消球差透镜中，那么信号减小，如果焦点进入角膜，那么信号增大。可以这样进行是因为可利用如飞秒锁模激光束的特定激光束通过其共焦参数来描述。换句话说，激光束具有特定长度范围的焦点。当焦点范围长度的一半在角膜内时，信号就会位于该信号最大值的一半处。
在一个实验中，利用与猪眼接触的消球差透镜来测试该方法。激光的能级降低到。2μJ，从而使积分通量低于玻璃或猪眼的光学损伤阈值，但是却高到足以在角膜中产生二次谐波。当扫描焦点深度时，二次谐波的强度从角膜到玻璃分界面降低了50倍。这使得焦点在角膜-玻璃分界面的定位具有优于+/-5.0微米的准确度。结果在图6中给出。
在另一个实验中，利用具有附着于消球差透镜的一片塑料的消球差透镜来测试该方法。这片塑料用于模拟与该消球差透镜接触的角膜。激光系统的能级降低到.7μJ，从而使积分通量低于玻璃的光学损伤，但是却高到足以产生白光。当扫描焦点深度时，白光的强度从玻璃到塑料改变了2倍。这使得焦斑位置在玻璃-塑料分界面的定位具有5微米的准确度。
上述本发明的系统和方法非常适合于确定消球差透镜相对于激光系统的位置和对准的系统。但是，应该注意，上面的描述是出于说明和描述的目的，并不意味着将本发明限制于这里公开的形式。因此，与相关技术的上述一个和多个教导相称的系统和方法的变化和修改都在本发明的范围内。本领域的普通技术人员很容易进行这些变化，并且这些变化包含在本发明的精神和下面权利要求书的范围内。
此外，描述的各个实施例意在解释实施本发明的最佳方式，使本领域的其他技术人员能够在这种或其他实施例中，以及用本发明的特定应用和用途所需的各种修改来使用本发明。这意味着，附加的权利要求书解释为所包括的可替换实施例达到现有技术允许的范围。

Claims (50)

1.一种用于确定物体表面相对于激光束的位置和对准的方法，该方法包括以下步骤：
提供表面基本平坦的物体；
提供用于产生激光束的激光系统；
在与激光束的z轴垂直的平面内沿着预定图案反复移动该激光束的焦点；
当该激光束焦点接触该物体时检测至少一个等离子体火花；以及
确定该平坦表面相对于激光束的对准。
2.根据权利要求1的方法，其中激光束由连续重复序列的、飞秒或皮秒范围内的短光脉冲形成。
3.根据权利要求1的方法，其中该物体是消球差透镜、玻璃板或显微镜载玻片。
4.根据权利要求1的方法，其中该物体由玻璃、硅、塑料或生物材料组成。
5.根据权利要求1的方法，其中移动步骤包括：
将激光束的焦点设定在z轴平面上的起始点，在这一点处激光束的焦点不与该物体接触；
在与z轴垂直的平面内沿着预定图案反复移动该激光束的焦点；以及
在激光束沿着预定图案移动完成之后，将激光束的焦点重新定位在z轴上与前一个z轴定位相距一个设定距离Δz的位置。
6.根据权利要求1的方法，其中该预定图案是圆形。
7.根据权利要求5的方法，其中检测步骤包括：
当激光束接触到物体时识别第一等离子体火花；
记录该第一等离子体火花的第一z轴定位；
通过沿着完整预定图案识别第二等离子体火花来识别预定图案的完成；以及
记录第二等离子体火花的第二z轴定位。
8.根据权利要求7的方法，其中该确定步骤包括：
利用第一z轴定位和第二z轴定位计算该物体相对于z轴的对准。
9.根据权利要求8的方法，其中所述计算利用公式θ＝tan-1(Δz/D)进行，其中θ是消球差透镜和垂直于z轴的平面之间的角，Δz是第一z轴定位和第二z轴定位之差，D是预定图案的直径。
10.根据权利要求1的方法，其中检测步骤包括：
提供用于摄取物体的图像的摄像机；以及
捕获一系列物体图像。
11.根据权利要求10的方法，其中检测步骤包括：
比较物体的所述图像，从而确定至少一个等离子体火花的出现。
12.根据权利要求1的方法，其中确定对准步骤包括：
计算第一图像像素值和第二图像像素值；以及
通过从第二图像像素值中减去第一图像像素值来计算总的比较像素值。
13.根据权利要求12的方法，其中确定对准步骤进一步包括：
标绘总的比较像素值以建立等离子体火花线。
14.根据权利要求1的方法，其中检测步骤包括：
提供用于检测等离子体火花的光检测器；以及
利用该光检测器识别等离子体火花的出现。
15.根据权利要求14的方法，其中光检测器是光电二极管、CCD、光电倍增器，或光电晶体管中的任何一种。
16.根据权利要求1的方法，其中检测步骤包括在预定图案完成时手动地检测第一等离子体火花的出现和第二等离子体火花的出现。
17.根据权利要求1的方法，其中确定步骤确定该物体的该平坦表面相对于激光束的倾斜。
18.根据权利要求1的方法，其中检测步骤包括测量由光检测器产生的电压。
19.根据权利要求1的方法，其中物体是透明的或不透明的。
20.一种用于确定物体表面相对于从激光系统产生的激光束的位置和对准的激光系统，该系统包括：
用于产生激光束的激光系统，该激光系统具有中央处理器，该中央处理器配置为用于指示该激光束的移动；
用于检测等离子体火花的等离子体火花检测设备，该等离子体火花检测设备与该激光系统互连；以及
用于在中央处理器上执行的软件程序，该软件程序配置为：
在与激光束的z轴垂直的平面内沿着预定图案反复移动该激光束的焦点；
当激光束焦点接触该物体的表面时检测多个等离子体火花；以及
确定该表面相对于该激光束的位置和对准。
21.根据权利要求20的系统，其中等离子体火花检测设备是光检测器。
22.根据权利要求21的系统，其中该光检测器是光电二极管、CCD、光电倍增器，或光电晶体管中的任何一种。
23.根据权利要求21的系统，其中该等离子体火花检测设备是摄像机。
24.根据权利要求20的系统，其中激光束由连续重复序列的、飞秒或皮秒范围内的短光脉冲形成。
25.根据权利要求20的系统，其中用于移动步骤的软件配置为：
将激光束的焦点设定在z轴平面上的起始点，在这一点处激光束的焦点不与该物体接触；
在与z轴垂直的平面内沿着预定图案反复移动激光束的焦点；以及
将激光束的焦点重新定位在z轴上与前一个z轴定位相距一个设定距离Δz的位置。
26.根据权利要求20的系统，其中该预定图案是圆形。
27.根据权利要求20的系统，其中用于检测步骤的软件配置为：
当激光束接触到物体时识别第一等离子体火花；
记录该第一等离子体火花的第一z轴定位；
通过沿着完整预定图案识别第二等离子体火花来识别预定图案的完成；以及
记录第二等离子体火花的第二z轴定位。
28.根据权利要求27的系统，其中用于检测步骤的软件配置为：
利用第一z轴定位和第二z轴定位计算该物体相对于z轴的对准。
29.根据权利要求28的系统，其中用于计算的软件利用公式θ＝tan-1(Δz/D)，其中θ是消球差透镜和垂直于z轴的平面之间的角，Δz是第一z轴定位和第二z轴定位之差，D是预定图案的直径。
30.根据权利要求23的系统，其中用于检测步骤的软件配置为：
捕获该物体的第一和第二图像。
31.根据权利要求30的系统，其中用于确定对准步骤的软件配置为：
计算第一图像像素值和第二图像像素值；以及
通过从第二图像像素值中减去第一图像像素值来计算总的比较像素值。
32.根据权利要求21的系统，其中用于检测步骤的软件配置为：
利用光检测器识别等离子体火花的出现。
33.根据权利要求20的系统，其中用于检测步骤的软件配置为：
接收来自输入设备的输入，以便发信号通知在预定图案完成时第一等离子体火花的出现和第二等离子体火花的出现。
34.根据权利要求33的系统，其中该输入设备是脚踏开关。
35.根据权利要求20的系统，其中用于确定步骤的软件配置为：
确定该物体的该平坦表面相对于激光束的倾斜。
36.一种用于确定物体表面相对于激光束的对准的方法，该方法包括以下步骤：
提供表面基本平坦的物体；
提供用于产生激光束的激光系统；
通过检测等离子体火花的出现来识别该物体表面的至少三个点；以及
确定该平坦表面相对于该激光束的z轴的倾斜。
37.一种用于确定物体表面相对于从激光系统产生的激光束的位置和对准的激光系统，该系统包括：
用于产生激光束的激光系统，该激光系统具有中央处理器，该中央处理器配置为用于指示该激光束的移动；
用于检测等离子体火花的等离子体火花检测设备，该等离子体火花检测设备与该激光系统互连；以及
用于在中央处理器上执行的软件程序，该软件程序配置为：
通过检测等离子体火花的出现来识别该物体表面的至少三个点；以及
利用这至少三个点来确定该平坦表面相对于该激光束的z轴的倾斜。
38.一种用于确定激光束在物体表面附近的焦点的方法，该方法包括以下步骤：
提供表面基本平坦的物体；
提供用于产生激光束的激光系统；
将激光束聚焦在基本上平坦的表面上或其附近，其中激光束从该平坦表面反射回来；
检测该激光束的条纹图案；以及
确定该激光束焦点是否对准。
39.根据权利要求38的方法，其中检测步骤包括：
提供一干涉仪；以及
利用干涉仪来分析条纹图案。
40.根据权利要求38的方法，其中确定步骤包括：
估计该条纹图案以确定条纹图案的各条线是否基本上彼此平行。
41.根据权利要求38的方法，其中确定步骤包括：
估计该条纹图案以确定这些线的曲率。
42.一种用于确定激光束在物体表面附近的焦点的激光系统，该系统包括：
用于产生激光束的激光系统，该激光系统具有中央处理器，该中央处理器配置为用于指示该激光束的移动；
用于检测条纹图案的干涉仪，该干涉仪与激光系统互连；以及
用于在中央处理器上执行的软件程序，该软件程序配置为：
将激光束聚焦在基本上平坦的表面上或其附近，其中激光束从该平坦表面反射回来；
检测该激光束的条纹图案；以及
确定该激光束焦点是否对准。
43.根据权利要求42的激光系统，其中确定步骤包括：
估计该条纹图案以确定条纹图案的备条线是否基本上彼此平行。
44.根据权利要求42的激光系统，其中确定步骤包括：
估计该条纹图案以确定这些线的曲率。
45.一种用于确定激光束在物体表面附近的焦点的方法，该方法包括以下步骤：
提供表面基本平坦的物体；
提供用于产生激光束的激光系统；
监控当扫描相对于物体的焦点的Z轴深度时由激光束产生的非线性干涉频率信号，其中该非线性干涉频率信号是由激光束的焦点与物体之间的干涉造成的，且与激光束的强度有二阶或高阶依赖关系；以及
确定该激光束是否聚焦在物体表面上成为激光焦点。
46.根据权利要求45的方法，其中该信号是二次谐波发生、第三谐波发生、受激拉曼或白光发生等中的任一种。
47.一种用于确定激光束在一物体表面附近的焦点的激光系统，该系统包括：
用于产生激光束的激光系统，该激光系统具有中央处理器，该中央处理器配置为用于指示该激光束的移动；
具有带通滤波器的光电倍增器，用于检测由激光束产生的非线性干涉频率信号，其中该非线性干涉频率信号是由激光束的焦点与物体之间的干涉造成的，且与激光束的强度有二阶或高阶依赖关系；以及
用于在中央处理器上执行的软件程序，该软件程序配置为：
监控当扫描相对于物体的焦点的Z轴深度时由光电倍增器检测的非线性干涉频率信号；以及
利用非线性干涉频率信号对激光束的二阶或高阶依赖关系确定该激光束的焦点是否处在物体的表面上。
48.根据权利要求47的系统，其中该信号是二次谐波发生、第三谐波发生、受激拉曼或白光发生等等中的任一种。
49.一种用于利用激光束确定两个表面之间距离的方法，该方法包括以下步骤：
提供具有一个外表面的第一物体；
提供具有一个外表面的第二物体；
提供用于产生激光束的激光系统；
通过检测第一等离子体火花的出现来识别第一物体的外表面上的第一点的第一坐标位置；
通过检测第二等离子体火花的出现来识别第二物体的外表面上的第二点的第二坐标位置；
确定第一点和第二点之间的距离。
50.一种用于确定物体表面相对于从激光系统产生的激光束的位置和定位的激光系统，该系统包括：
用于产生激光束的激光系统，该激光系统具有中央处理器，该中央处理器配置为用于指示该激光束的移动；
用于检测等离子体火花的等离子体火花检测设备，该等离子体火花检测设备与该激光系统互连；以及
用于在中央处理器上执行的软件程序，该软件程序配置为：
通过检测第一等离子体火花的出现来识别第一物体的外表面上的第一点的第一坐标位置；
通过检测第二等离子体火花的出现来识别第二物体的外表面上的第二点的第二坐标位置；
确定第一点和第二点之间的距离。
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