JP4509790B2 - レーザビームに対する物体表面の位置及び整合を決定する方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は全般的には、交差軸に対する物体平面の位置及び整合を決定するため並びに決定された位置及び整合の使用によって物体平面を基準面として用いる際に補正の実施を可能にする方法及びシステムに関する。さらに詳しくは、本発明は、物体の平坦表面のレーザビームに対する位置及び整合を決定するため並びに決定された位置及び整合を使用してレーザビーム集束点に適用されるべき補正因子を計算する方法及びシステムに関する。

様々なレーザ処置または作業にはレーザビームを特定の集束点に適切に集束させることが必要である。例えば、作用されるべき眼組織内または眼組織上で眼組織が光による崩壊または離解を受けることになる眼のレーザ手術においては、レーザビームを集束させるために用いられる集束アッセンブリの正しい位置決めが極めて重要である。そのような眼手術処置には、角膜、強膜、虹彩、水晶体及び関係する構造、硝子体及び網膜における処置並びに緑内障の処置がある。皮膚科における用途や、さらには染色体の様々な部位を切除するためのＤＮＡの“手術”というような、眼を対象としない多くのレーザ手術処置においては、集束点深度の精度も必要である。また、フォトリソグラフィ及び微細加工のような非生体用途にも集束点深度の精度が必要である。

しかし、現在用いられているレーザシステムでは、レーザシステムに対して既知の関係で物体が位置決めされることが重要な問題である。例えば、眼手術においては、レーザシステムに対して既知の関係で眼を位置決めできる時に限り、眼内部の所望の領域に高い正確度でレーザビームを向けることができる。このことは、不正確にまたは誤って向けられたレーザビームは、処置されることが望ましくない眼の領域に影響を与え、眼に永久的な損傷を与え得るから重要である。

眼のレーザ処置を実施する目的のためにレーザシステムに対して既知の関係で眼を正確に位置決めするための一方法は、眼を安定化するために接触レンズを用いることである。しかし、これを行うためには、レーザシステムに対する接触レンズ（ガラス板または“不遊レンズ”）の整合がわかっていなければならない。レーザビームに対するレンズの整合がわかっていなければ、上に示したように、レーザビームの正確な位置合せに誤差が生じ得る。

レーザシステムに対する接触レンズの整合がわかっていることを保証するため、レンズを固定された方位でレーザシステムに永久的に搭載することが可能である。しかし、接触レンズがレーザシステム上に搭載されたままでいなければならないとすると、それぞれの眼のレーザ処置後のレンズの消毒は、時間がかかり、実施が困難であり、最もありそうなことには、極めて不経済的であり得る。あるいは、接触レンズをレーザシステムから取り外し、消毒して、取り替えることができる。さらに、使い捨て接触レンズを眼のレーザ処置に用いることができる。しかし、後者の２つの代替案については、接触レンズをレーザシステムに搭載した後に、接触レンズのレーザシステムとの整合を再びとる必要がある。

フアス（Juhasz）等の、（全ての目的に対して本明細書に参照として含まれる）特許文献１には、不遊レンズのレーザシステムとの整合をとるためのシステム及び方法が開示されている。特に、特許文献１には、レーザシステムに対して不遊レンズの整合を適切にとるため、接触レンズ上の基準マークをレーザビーム経路に沿う所定の集束点と一致させることが開示されている。この目的のため、レーザシステムは少なくとも３つの所定の経路に沿ってそれぞれの所定の集束点に連続してレーザビームを向け、これらの所定の経路にかけて接触レンズの位置を決める。それぞれの所定の経路に沿い、レーザビームが発射されて、接触レンズ上に一連のレーザマークを確立する。レーザマーク、所定の集束点及び基準マークがすべて一致すれば、接触レンズはレーザシステムと適切に整合がとられている。しかし、いずれかのレーザマークと基準マークの間に何らかの変位があれば、レーザシステムに対するレンズの整合をとるために全ての所定の集束点との全ての基準マークの整合をとるため、浮遊レンズを保持しているリテーナリングが調節される。
米国特許第６３７３５７１号明細書

しかし、上述した理由により、交差軸に対する物体平面の位置及び整合を決定するため並びに決定された位置及び整合の使用により物体平面を基準面として用いる際に補正の実施を可能にするための、別のシステム及び方法があることが望ましい。

本発明は全般的には、交差軸に対する物体平面の（傾きの角度及び方位を含む）位置及び整合を決定するため並びに決定された位置及び整合の使用により物体平面を基準面として用いる際に補正の実施を可能にする方法及びシステムに関する。さらに詳しくは、本発明は、物体の平坦表面のレーザビームに対する位置及び整合を決定するため並びに決定された位置及び整合を使用してレーザビーム集束点に適用されるべき補正因子を計算する方法及びシステムに関する。本方法及びシステムは湾曲表面をもつ物体にも適合させることができる。略述すれば、本方法及びシステムは、不遊レンズの下で角膜組織を光崩壊させるような、処置にレーザビームを使用する際に適用される補正因子、ｚオフセットを最終的に計算する。

不遊レンズの位置及び整合が決定されてしまえば、角膜組織を光崩壊させるためにレーザビームを用いる際に、整合を考慮に入れるためにレーザビームの位置決めを補正することができる。本方法は概ね２つの工程、第１は、不遊レンズのレーザビームに対する位置及び整合の決定、第２は、後の処置での使用のためのレーザビームｚオフセットの補正位置の決定に分けることができる。

本発明のシステムの一態様において、レーザビームの集束点の移動はＣＰＵ及びソフトウエア命令によって制御される。ソフトウエア命令は、ＣＤ、ハードディスク、ディスケット、またはその他の電子記憶媒体装置のような記憶媒体上におくことができる。さらに、コンピュータソフトウエア（命令セット）はＲＯＭ，ＲＡＭまたはコンピュータ命令を格納できるその他の記憶デバイスに格納することができる。ソフトウエアプログラムは、検出されるプラズマスパークの発生のｚ軸位置を取り込むために構成することができる。ｚ軸位置に加えて、ｘ軸位置及びｙ軸位置を取り込むことができる。

赤外レーザ、可視レーザ及びＵＶレーザを含む、様々なレーザ源を本発明の方法及びシステムとともに用いることができる。さらに、本発明の方法及びシステムとともに用いられるレーザ源は、連続波レーザ、Ｑスイッチパルスレーザ及びモードロック超短パルスレーザとすることができる。上記は全てを網羅したリストではないが、上記のタイプのレーザは本発明とともに用いることができる。本発明の一態様において、レーザビームは、フェムト秒またはピコ秒の範囲の短い光パルスの連続反復列で形成される。一実施形態において、レーザ源はパルス持続時間が１０ピコ秒より短い赤外超短パルスレーザである。様々なレーザ源を利用することができるが、フェムト秒レーザシステムの１つにおいて、物体を光崩壊させ、プラズマスパークを生じさせるためのパルス当りレーザエネルギーは２.５μｍの集束に対して約１〜５μＪである。

本発明とともに用いられる物体はレーザビームの集束点に接すると検出可能なプラズマスパークを発生することができる材料である。プラズマスパークが生じ得るいくつかの材料には、ガラス、ケイ素、または（医用級プラスチックを含む）プラスチック及び生体材料がある。物体は、物体がレーザビームの経路内に入るようにレーザシステムに永久的または一時的に取り付けられる。物体を所定の位置に付けるため、ケージ、ベース、フレームまたはその他の保持デバイスを用いることができる。例えば、（全ての目的のために本明細書に参照として含まれる）同時継続の米国特許出願第０９/７７２５３９号（出願公開第２００２/０１０３４８１号）明細書及び米国特許出願第０９/８９６４２９号（出願公開第２００２/０１０３４８２号）明細書に説明されているように、レーザシステムに結合された円錐形フレームに高純度石英ガラスからなる不遊レンズがおかれる。別の例は、スライドを所定の位置に保持するために圧力を用いて所定の位置におかれた顕微鏡スライドである。

本発明の一態様には、物体の表面の処々または物体内でのプラズマスパークの発生を決定する方法及びシステムがある。本方法及びシステムは、レーザビームの集束点が物体の表面に接したとき、またはレーザビームが物体内に集束されたときのプラズマスパークの発生を検出するために光検出器を利用する。光検出器はプラズマスパークの発生時点を識別する。光検出器は、フォトダイオード、ＣＣＤ、光電子増倍管、フォトトランジスタまたはプラズマスパークの発生の検出に適するいずれかのデバイスの内のいずれかとすることができる。

本発明の一態様には、レーザビームに対する物体表面の位置及び整合を決定する方法及びシステムがある。レーザビームを発生するためのレーザシステム及び実質的に平坦な表面を有する物体が提供される。本方法及びシステムは湾曲表面をもつ物体にも適合させることができる。物体はレーザビームの経路に配置される。物体はレーザシステムに永久的または一時的に取り付けることができる。レーザビームの集束点は、レーザビームのｚ軸に垂直な平面内で、所定のパターンに沿って反復して移動させられる。レーザビームの集束点が物体に接したときにプラズマスパークが検出される。レーザビームに対する物体表面の位置及び整合が決定される。

本発明の一態様において、レーザビームの集束点の移動は、レーザビームの集束点が物体に接することのないようなｚ軸面上の出発点から出発する工程、ｚ軸に垂直な少なくとも１つの平面内で、所定のパターンに沿ってレーザビームの集束点を反復移動させる工程及び、所定のパターンに沿うレーザビームの移動の完了後に、ｚ軸上のレーザビームの集束点の位置を前のｚ軸位置から設定距離Δｚだけ移す工程を含む。所定のパターンは円形であることが好ましい。一実施形態において、レーザビームの集束点の位置を物体の下方に定め、レーザビームを物体に向けて上方に移動させることができる。あるいは、別の実施形態において、レーザビームの集束点をレーザ源と物体の間のどこかに集束させ、レーザビームを物体に向けて（すなわち下方に）移動させることができる。

本発明の別の態様において、プラズマスパークの検出は、レーザビームが物体に接したときの第１のプラズマスパークを識別する工程、第１のプラズマスパークの第１のｚ軸位置を記録する工程、所定のパターンを完成させる第２のプラズマスパークを識別することにより所定のパターンの完成を識別する工程及び第２のプラズマスパークの第２のｚ軸位置を記録する工程を含む。

プラズマスパークの検出に加え、第１のｚ軸位置及び第２のｚ軸位置を用いてｚ軸に対する物体の位置及び整合が計算される。一実施形態において、物体表面の傾き角（整合）の計算は公式θ＝tan^−１（Δｚ/Ｄ）を利用して実行される。ここで、Δｚは第１のｚ軸位置と第２のｚ軸位置の間の差であり、Ｄは所定のパターンの直径である。

本発明の一実施形態において、プラズマスパークは操作員により目視で検出される。第１のプラズマスパークの発生及び所定のパターンの完成時における第２のプラズマスパークの発生が検出される。レーザシステムに相互接続された足踏みスイッチのような入力デバイスが手動操作される。レーザシステムの操作員が第１のプラズマスパークの発生を目視で識別すると、第１のｚ軸位置を記録するために、入力デバイスが作動されてコンピュータに信号を送る。レーザ集束点は反復する所定のパターンで物体を通って移動し続ける。レーザシステムの操作員が所定のパターンの完成を目視で識別すると、操作員は入力デバイスを作動させ、続いて、入力デバイスは第２のｚ軸位置を記録するためにコンピュータをトリガする。

本発明の別の実施形態において、プラズマスパークの検出は、プラズマスパークを検出するために光検出器を提供する工程及び光検出器によりプラズマスパークの発生を識別する工程を含む。光検出器は、フォトダイオード、ＣＣＤ、光電子増倍管、フォトトランジスタまたはプラズマスパークの発生の検出に適するいずれかのデバイスの内のいずれかとすることができる。

本発明の一実施形態において、プラズマスパークの検出は、物体の画像を撮るためにビデオカメラを提供する工程及び物体の一連の画像を取り込む工程を含む。表面の位置及び整合は現在の画像のピクセルから前の画像のピクセルを引き去り、続いて、得られたピクセルの内のある閾値をこえるピクセルの全てを加え合せて、その画像に対するプラズマ強度と相関するその画像に対する最終値とすることによって決定することができる。それぞれの計算に対する最終値をグラフにプロットしてプラズマ強度曲線を確立することができる。

レーザビームに対する不遊レンズの整合を決定する工程は、以下のように、いくつかの副工程に分けることができる。第１は、ｚ軸がレーザビームの経路として定められれば、レーザの集束点はｚ軸上で不遊レンズの下方の点ｚ_０に向けられる。次いでレーザビームの集束点は、ｚ軸に垂直な平面内で、閉パターン、例えば不遊レンズの直径より小さな固定された直径をもつ円に沿って移動させられる。集束点が閉パターンを周り終えた後、集束点は、設定距離（離隔層とも称される）ｚ_ｘだけ、上方の点ｚ_１に調節され、移動工程が反復される。上記の、集束点をｚ軸上でｚ_ｘだけ上方に調節する工程及び集束点を閉パターンで移動させる工程の２つの工程は、レーザの集束点がｚ軸上で上方の点ｚ_ｉに調節され、集束点が不遊レンズに接してプラズマスパークを生じさせるまで、ｉ回反復される。これがおこると集束点の位置ｚ_ｉが記録される。次いで集束点は前の出発点より上方にｚ_ｘだけ調節され、集束点はｚ軸に垂直な平面内で、レーザビームの集束点が全閉パターンに沿って不遊レンズに接し、全閉パターンに沿ってプラズマスパークを生じさせるまで、移動させられる。これがおこると集束点の位置ｚ_ｊが再び記録される。ｚ_ｉとｚ_ｊの間の距離を計算することによってΔｚを決定することができる。閉パターンの直径及びプラズマスパークを発生させながらｚ軸に沿って集束点が移動した総距離を用いれば、三角法を用いてｚ軸に対する不遊レンズの角度θを決定することができる。

本発明の一態様において、レーザビームに対する物体の表面の整合を決定する方法及びシステムが開示される。実質的に平坦な表面を有する物体が提供される。レーザビームを発生するためのレーザシステムが、物体の表面において少なくとも３つのプラズマスパークを生じさせるために利用される。レーザシステムは、プロセス及び計算を実施するように構成されたソフトウエアをもつＣＰＵを有する。プラズマスパークは、手動／目視、光検出器またはビデオ画像解析のような、先に説明した態様を含む、いずれかの態様で検出することができる。物体の平坦表面の処々の３点を検出することにより、レーザビームのｚ軸に対する平面及びレーザビームｚ軸に対する平面の傾きを同定することが可能である。さらに、表面が平坦でなければ、表面の曲率を検出することができる。この場合、プラズマスパークをともなう多数の点が識別され、それぞれのｘ座標、ｙ座標及びｚ座標が記録されることになろう。次いで表面の曲率が計算される。

本発明の一態様において、実質的に平坦な表面を有する物体上でレーザビームの集束点を決定する方法及びシステムが開示される。この新規なシステム及び方法は、物体からのレーザビームの反射の干渉縞パターンを決定するために干渉計を利用する。この特定のシステム及び方法においては、実質的に平坦な表面を有する物体が提供される。レーザビームを発生させるためのレーザシステムが提供される。レーザシステムはレーザビームの移動を命令するために構成された中央処理装置を有する。干渉計がレーザビームと相互接続される。レーザビームが実質的に平坦な表面またはその近くに集束される。レーザビームは平坦表面から背面反射される。干渉縞パターンが検出される。干渉縞パターンの解析に基づいて、レーザビームの集束点が平坦表面上にあるか否かが決定される。中央処理装置上での実行のためのソフトウエアプログラムは、物体の実質的に平坦な表面またはその近くにレーザビームを集束させ、レーザビームの干渉縞を検出し、干渉縞に基づいてレーザビームの集束点が平坦表面上にあるか否かを決定するために構成することができる。干渉縞の線が実質的に互いに平行であれば、レーザビームは平坦表面上に集束されている。

本発明のまた別の実施形態において、実質的に平坦な表面を有する物体上でのレーザビームの集束点を決定するための別の方法及びシステムが開示される。レーザシステムのコンピュータが信号の深度依存性をモニタする。信号の変化は不遊レンズの下表面と角膜の間の界面を示す。レーザビームを発生するためのレーザシステムはレーザビームの移動を命令するために構成された中央処理装置を有する。レーザビームにより生成される非線形周波数信号を検出するための、バンドパスフィルタをもつ光電子増倍管がレーザシステムと相互接続される。中央処理装置上での実行のためのソフトウエアプログラムは、レーザビームにより生成される非線形周波数信号をモニタし、レーザビームの集束点が所定の位置にあるか否かを決定するために構成される。非線形周波数信号は、２次高調波発生、３次高調波発生、誘導ラマン、または白色光発生等の内のいずれかとすることができる。

本発明のまた別の実施形態において、２つの物体の間の距離を決定する方法及びシステムが開示される。レーザビームの移動を命令するために構成された中央処理装置を有する、レーザビームを発生するためのレーザシステムが、第１の物体の表面における第１のプラズマスパークの生成及び検出のため並びに第２の物体の表面における第２のプラズマスパークの生成及び検出のために利用される。ソフトウエアプログラムが、第１のプラズマスパークの発生を検出することにより第１の物体の外表面における第１の点を識別し、第２のプラズマスパークの発生を検出することにより第２の物体の外表面における第２の点を識別して、第１の物体と第２の物体の間の距離を決定するために構成される。ソフトウエアプログラムは第１及び第２の点のｘ軸、ｙ軸及びｚ軸上の位置を記録し、次いで点間距離を計算する。プラズマスパークの検出はプラズマスパークを検出できるいずれかのデバイスによって行うことができる。一実施形態において、プラズマスパークは光検出器によって検出される。光検出器のいくつかの例には、フォトダイオード、ＣＣＤ、光電子増倍管、フォトトランジスタ、またはプラズマスパークの発生の検出に適するいずれかのデバイスの内のいずれかがある。

本発明のさらに完全な理解のため、ここで添付図面とともになされる以下の説明が参照される。

本発明及びその利点を詳細に説明するが、添付される特許請求の範囲によって定められる本発明の精神及び範囲を逸脱することなく本発明に様々な変形、置換及び変更がなされ得ることは当然である。さらに、本出願の範囲は本明細書に説明されるプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法及び工程の特定の実施形態に限定されると目されてはいない。当業者であれば、本発明にしたがって利用することができる、対応する、本明細書で説明する実施形態と実質的に同じ機能を実施するかまたは実質的に同じ結果を得られる、現在存在するかまたは今後開発される、プロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法または工程を、本発明の開示から容易に認めるであろう。したがって、添付される特許請求項は、そのようなプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法または工程をそれらの範囲内に含むと目される。

ここで図１を参照すれば、本発明にしたがう不遊レンズの位置及び整合システムの一実施形態の略図が示される。システム１０の主要コンポーネントはレーザシステム１２及び不遊レンズ１４である。眼のレーザ手術を達成するため、レーザシステム１２はシステムハウジング（図示せず）に搭載されたレーザ源１６を備える。レーザ源１６は、図１に示されるように、始点２２からレーザビーム２０を発生する。本発明の一実施形態において、レーザビーム２０は３００ピコ秒より短い（＜３００ｐｓ）パルス持続時間及びほぼ４００ｎｍ〜３０００ｎｍの間の波長を有する。レーザは１０５３ｎｍで動作し、パルス持続時間はほぼ６００〜８００フェムト秒、反復レートは１０ｋＨｚであることが好ましい。図１は、レーザビームの経路に平行であるｚ軸２４を定めるためにレーザビーム２４が用いられることを示している。本明細書で論じるように、本発明のシステム及び方法は、不遊レンズの使用を通じて示される。しかし、別の物体の位置及び整合を決定することもできる。すなわち、本発明のシステム及び方法はレーザビームに対する位置及び整合を決定したい他のいずれの物体も包含すると解されるべきである。

物体の整合の決定
図２を参照すると、レーザビーム２０及び傾けられた不遊レンズ１４が示されている。レーザビームのｚ軸２４に対する不遊レンズ１４の位置及び整合を決定するため、レーザビームの集束点は初め、浮遊レンズ１４の下方のｚ軸２４上の点に向けられる。この第１の点はｚ_０２６と称される。レーザビームの集束点は次いで閉パターンに沿って移動させられる。閉パターンはレーザビームの集束点が移動するであろう形状である。レーザビームの集束点が閉パターンに沿って移動するとともに、レーザビームが発射される。レーザビームが特定の幅で閉パターン上に発射されるように、レーザビームのスポット幅をレーザシステムによって設定することができる。例えば、一実施形態において、スポット幅は１μｍ〜３０μｍに設定することができる。特定の物体及び利用されるレーザ源に対して、スポット幅は上述した例とは異なり得る。

好ましい実施形態において、閉パターンは直径（Ｄ）２８を有する円形である。閉パターンはｚ軸２４に垂直な平面内につくられる。不遊レンズを用いる眼の処置に対し、閉パターンは、不遊レンズの位置及び整合の決定の完了後、次いで不遊レンズに押し付けられる角膜が閉パターン領域に接することのないように、十分に大きい直径を有するべきである。不遊レンズを用いるある検査において、７〜９.５ｍｍの直径が閉パターンに利用され、十分大きいことがわかった。もちろん、処置のタイプ及び整合が決定される特定の物体に依存して、別の直径を利用することができる。

第１の閉パターンの完成後、次いでレーザビームの集束点がｚ軸２４上で設定距離ｚ_ｘ３０だけ上方に調節されて、別の出発点ｚ_１３２におかれる。ここでｚ_１＝ｚ_０＋ｚ_ｘである。連続する閉パターンのそれぞれの間の距離ｚ_ｘに対する値は離隔層距離とも称される。閉パターンのそれぞれの経路に対し、レーザビームの集束点は離隔層設定に基づくｚ軸に沿う距離を移動するであろう。

次いでレーザビームの集束点はｚ軸２４に垂直な平面内で同様の閉パターンに沿って再び移動させられ、次いで、ｚ軸上で上方のｚ_２３４に調節される。ここでｚ_２＝ｚ_１＋ｚ_ｘである。閉パターンに沿う集束点の移動工程及びレーザビームの集束点の出発点のｚ軸２４上で上方への調節工程は、閉パターンに沿うレーザビームの集束点が不遊レンズ１４に接し、ｚ_ｎ３６において、検出され得る第１のプラズマスパークを生じさせるまで、ｎ回反復される。プラズマスパークが検出される特定の態様を以下に説明する。

ソフトウエアを利用するＣＰＵがレーザビームの集束点の移動を命令することが好ましい。レーザビームを移動させながら、ソフトウエアは集束点の座標を記録することができる。例えば、閉パターンを追うとともに、レーザビーム集束点の特定のｘ座標、ｙ座標及びｚ座標がわかるであろう。これは、ソフトウエアが特定の座標において閉パターンを通る集束点の移動を命令していることから真である。すなわち、レーザシステムソフトウエアはある定められた事象に基づいてｘ座標、ｙ座標及び／またはｚ座標を記録するように構成またはプログラムすることができる。

第１のプラズマスパークが発生する特定のｚ_ｎが記録される。閉パターンに沿う集束点の移動工程及びレーザビームの集束点の出発点のｚ軸２４上で上方への調節工程は、ｚ_ｊ３８において、レーザビームの集束点が全閉パターンに沿って不遊レンズ１４に接し、全閉パターンに沿うプラズマスパークの発生が検出されるまで、ｍ回反復される。ここでｊ＝ｍ＋ｎである。点ｚ_ｊが記録される。閉パターンの完成の検出が行われる特定の態様を以下で後に説明する。

本発明の方法のさらによい理解のため、図３は本発明のある工程をフローチャート形式で説明するものである。ステップ２０１において、レーザビームの集束点が不遊レンズの下方のｚ軸上の点ｚ_０に合せられる。次にステップ２０２において、レーザビームの集束点がｚ軸に垂直な平面内で、直径Ｄを有する円形であることが好ましい、パターンに沿って移動させられる。パターンに沿うレーザビームの移動中にプラズマスパークの発生に対するチェックがなされる。プラズマスパークが検出されると、ステップ２０４において、ｚ_ｎ位置が記録される。同様に、ｘ_ｎ座標及びｙ_ｎ座標も記録することができる。パターン周回が完了してもスパークが検出されなければ、ステップ２０３において、レーザビームの集束点がｚ軸上で上方に定められた距離ｚ_ｘだけ移動させられる。プラズマスパークが検出されるまでステップ２０２が反復される。

ステップ２０５において、レーザビームの集束点がｚ軸上で上方に定められた距離ｚ_ｘだけ移動させられる。次いでステップ２０６において、レーザビームの集束点がｚ軸に垂直な平面内で、直径Ｄを有する円形であることが好ましい、所定のパターンに沿って移動させられる。パターンに沿うレーザビームの移動中に円周全体にわたるプラズマスパークの発生の完了に対するチェックがなされる。全円の完成が検出されれば、ステップ２０７において、ｚ_ｊ位置が記録される。また座標ｘ_ｊ座標及びｙ_ｊ座標の位置を記録することもできる。円周全体にわたるプラズマスパークの発生が未了であれば、ステップ２０５を反復する。最後に、ステップ２０８において、不遊レンズの傾きを決定することができる。

プラズマスパークの目視検出
プラズマスパークは操作員により目視で検出され得る。例えば、レーザシステムの使用者により操作される足踏みスイッチで、プラズマスパークが発生した時点を識別できる。閉パターンに沿う集束点の移動が上で論じたように行われる。使用者が初めにプラズマスパークを検出した時点で、足踏みスイッチを作動させることができる。スイッチの作動により、第１のプラズマスパークのｚ軸座標を記録させるための信号がコンピュータに送られる。閉パターン全体に沿うプラズマスパークの発生を監視することによって使用者が閉パターンの完成を検出すると、使用者は足踏みスイッチを再び作動させる。すなわち、第２のｚ軸座標が得られる。次いで、第１及び第２のｚ軸座標を用いてレンズの傾きを決定することができる。

プラズマスパークの電子的検出
別の実施形態において、レーザシステムに接続された光検出器をプラズマスパークの発生を検出するために利用することができる。光検出器はそのような事象を決定することができるいずれかのデバイスとすることができる。例えば、光検出器には、フォトダイオード、ＣＣＤ、光電子増倍管、フォトトランジスタ、またはプラズマスパークの発生の検出に適する任意のデバイスを含めることができる。

プラズマスパークの初めの発生及び閉パターンの完成を決定し、よって、後に不遊レンズの傾きを計算するために用いることができる第１及び第２のｚ軸座標を与えるために光検出器を利用することができる。

一実施形態において、光検出器はレーザシステムに接続される。光検出器は、光検出器がプラズマスパークを検出できる、レーザシステム上の、レーザシステムに隣接する、またはレーザシステム近くの、位置におかれる。レーザビームが不遊レンズにプラズマスパークを生じさせたときに、光検出器は電圧または信号を発生する。光検出器が初めにプラズマスパークを検出すると、レーザシステムソフトウエアが第１のｚ軸座標を記録する。

閉パターン全体に沿うプラズマスパークの完成時の第２のｚ軸位置に対し、完成の識別は様々な方法で決定することができる。閉パターンの完成を決定するための一方法は、光検出器からの電圧または信号を評価し、これを閉パターンの完成に対する既知の時間と比較することである。与えられた閉パターンの完成に必要な時間を計算するようにレーザシステムソフトウエアを構成することができる。閉パターンの完成時点において光検出器の電圧または信号を評価することができる。閉パターンの終了時点においてプラズマスパークが発生していることを光検出器の電圧または信号が示せば、閉パターンの終了時点においてプラズマスパークが発生したことがわかる。この既知の完了時点を用いれば、第２のｚ軸位置を決定することができる。

物体内で最高強度のプラズマスパークが検出されるｘ−ｙ座標を決定することによって傾きの方位に関する情報を得ることができる。プラズマスパークからの最強信号は物体内の最深位置に対応する。

プラズマスパークのビデオ画像検出
別の実施形態において、プラズマスパークが発生しているときの不遊レンズの画像を取り込むためにビデオカメラが利用される。取り込まれた画像を順次比較することにより、不遊レンズの傾きを決定するために画像情報を用いることが可能である。一実施形態において、フレームレートが毎秒３０フレームのＮＴＳＣ方式カメラを利用した。しかし、フレームレートが異なる別のビデオカメラも利用することができる。

一般に、ビデオ画像は、レーザビーム集束点が不遊レンズの底面に向かって上方にスキャンされているときのプラズマスパークについて精査される。上述した目視／手動法及び光検出器法と同様に、レーザビーム集束点は、レーザビームの集束点がプラズマスパークを発生させないような開始点に設定される。次いで、レーザビーム集束点は閉パターン毎に次々に移動させられ、その間に第１及び第２のｚ軸座標が決定される。

一実施形態において、８ビットグレースケール画像が取り込まれ、評価される。グレースケール画像はグレースケール値が０（黒）と２５５（白）の間のピクセルを有する。０〜２５５の間の範囲にあるグレースケール値は特定のピクセルに対する明度を示す。例えば、画像のあるピクセル領域がゼロまたはゼロに近い値を有していれば、これは画像のその部分が暗いことを示すことになろう。あるピクセル領域が２５５または２５５に近い値を有していれば、これは画像のその領域が非常に明るいことを示すことになろう。すなわち、画像のある領域のピクセルに対する数値が大きいほど、その領域はより明るい（より白い）であろう。このピクセル評価モデルに基づいてプラズマスパークの発生を検出することができる。プラズマスパークが発生し、画像が撮られると、プラズマスパークが発生していなければ存在するであろうピクセルよりもさらに大きな数値範囲にあるピクセルが存在するであろう。これは、プラズマスパークが画像に記される非常に明るい光を発するからである。

ここで図４を参照すると、反復画像比較法を利用する不遊レンズ傾き決定を示すグラフが示されている。取り込まれるべき画像フレームの頻度は周期的時間間隔に設定される。グラフのｘ軸は取り込まれたビデオ画像のフレーム番号を表す。図示される例においては、レーザビームの集束点を直径７.８ｍｍの円パターンに合せた。レーザのスポット幅は３μｍに設定した。レーザ源については３μＪのエネルギーレベルを用いた。グラフのｙ軸はある閾値より上のピクセルに対する総比較画像値を表す。本実験において、閾値は２０に設定した。

プラズマスパーク線６０は、プラズマスパークの発生前、発生中及び発生後のいくつかの画像フレームの処理を示す。ビデオ画像処理は最初のビデオ画像の取込みとともに開始される。あらかじめ設定された時間の経過後、次の画像が取り込まれる。次いで、第１のビデオ画像と第２のビデオ画像が互いに比較される。

第１の画像値を得るため、第１の画像からのそれぞれのピクセル値（０〜２５５）が加え合わされる。第２の画像値を得るため、第２の画像からのそれぞれのピクセル値（０〜２５５）も加え合わされる。閾値が設定されていれば、閾値より大きい値を有するピクセル値だけが加え合わされることになろう。閾値を用いれば、光雑音が劇的に低減され、十分な室内光及び強い不遊レンズ照明における本プロセスの実行が可能になる。

第１の画像値を第２の画像値から差し引いて、総比較画像値を得る。ＣＰＵのメモリに格納される総比較画像値はグラフにプロットすることができる。グラフには示していないが、総比較画像値に対し、レーザシステムソフトウエアは特定の画像フレームについてのｘ座標、ｙ座標及びｚ座標も知っているかまたは格納しているであろう。すなわち、特定の総比較画像値に対して、ｘ座標、ｙ座標及びｚ座標をその特定の総比較画像値に関係付けることができる。

図４に示されるように、およそフレーム８６０より前では、プラズマスパークが発生していない。ｙ軸上で、プラズマスパーク線は総比較画像値が０の直線として示される。本プロセス中、周囲光は一貫したレベルに維持されることが好ましい。図４に示されるように、十分な室内光においてさえ、プラズマの発生が始まる前に雑音信号は全く存在しない。およそフレーム８６０から、プラズマスパークの発生が始まると、プラズマスパーク線６０について示されるように、高くなっていく信号ピークが生じる。

プラズマスパーク線６０のピークの両側縁間隔は全円の一周完了を表す。第１のピーク６４はプラズマスパークの最初の発生を示す。いずれのピークの頂点の正確なｘ−ｙ座標も、傾き軸を与える。ピークが０（または何らかの下側閾値）まで下がらない最初の時点で、全円プラズマスパークが完成している（第２のまたは最終の接触）。

第１及び第２の接触をさらに容易に検出するため、プラズマスパーク線６０は以下の方法でさらに処理される。二値信号（またはプラズマスパーク状態）を以下のプロセスでつくることができる。総比較画像値がある値をこえていれば、二値信号またはプラズマスパーク状態が１に設定される。特定の画像フレームに対して、総比較画像値が（本例では１に設定された）設定値より大きければ、そのフレームに対してプラズマスパーク状態は１または真に設定されることになろう。総比較画像値が設定値より小さければ、プラズマスパーク状態は０または偽に設定されることになろう。このようにすれば、グラフに示されるプラズマスパーク状態線６２で示されるように、特定の画像フレームに対するプラズマスパークの状態及び時刻がわかるであろう。

連続する２つのピーク頂点間の距離はレーザシステムソフトウエアにより定められる層離隔パラメータと等価である。これは通常２〜１０μｍ程度であるが、所望の正確度にしたがって変わり得る。それぞれのピーク頂点について、閉パターン周回が一度なされ、それぞれの周回毎に集束点位置はｚ軸上を上方に層離隔量だけ移動する。最初のプラズマスパーク６４とパターン全周にわたるプラズマスパーク６１の間にあるピークの数により、Δｚ＝|ｚ_{（最初のプラズマ）}−ｚ_{（全周プラズマ）}|が決定される。傾き軸の決定はピークの頂点がみられる時点におけるｘ−ｙ座標の位置に依存する。軸線はピーク頂点のｘ−ｙ位置から、円パターンの中心に対して１８０°をなして引くことができる。傾きの決定はθ＝tan^−１（Δz/Ｄ）にしたがい、ここでΔｚは、ＣＣＤカメラによって検出されるような、最初のプラズマスパーク６４とパターン全周プラズマスパーク６１の間のｚ位置の差であり、Ｄは円パターンの直径である。

レンズの傾き及びｚ座標オフセットの計算
式θ＝tan^−１（Δz/Ｄ）を用いることで、ｚ軸２４に対する不遊レンズ１４の整合が次いで計算される。ここでθ４０は不遊レンズ１４とｚ軸２４に垂直な平面の間の角度であり、Δｚは第１のｚ軸位置と第２のｚ軸位置の差であって、Ｄは所定のパターンの直径である。ｚ軸２４と不遊レンズ１４の間の角φ４２は９０°−θである。

電子的または手動手段によって第２のｚ軸位置を得る方法を上で論じたが、第２のｚ軸位置は計算することができる。第１のｚ軸位置が得られた後に第２のｚ軸位置が計算される。第２のｚ軸位置は、所定の円パターン上の、第１のｚ軸位置の対蹠点となるであろう。これは、所定の円パターンの使用により、（レーザが不遊レンズの下から上方にスキャンされていれば）第１のｚ軸位置は傾きの最下点であり、最上点は必ず所定のパターン上の第１のｚ軸位置の対蹠点となるであろうから、成立する。すなわち、（ｘ−ｙ座標に沿う）第１のｚ軸位置を決定することができ、次いで、円パターンの既知の直径を用いて第２のｚ軸位置を決定することができる。

所定の円パターンを用いれば、第１及び第２のｚ軸位置を見いだすことにより、不遊レンズの接触面の平面をｚ軸に関する平面の方位とともに決定することができる。

レーザビームに対する不遊レンズ１４の傾きの決定は非常に有用である。眼の手術の分野においては、眼の組織のさらに精確な光崩壊を達成することができる。例えば、眼のレーザ手術処置においては、光崩壊が極めて精確であることが重要である。不遊レンズを利用しているから、患者の角膜がレンズに押し付けられ、よってレンズのガラス面に向けて角膜が平らにされる。完全に較正されたレーザシステムとともに、完全に形成された不遊レンズを用れば、不遊レンズの接触表面（接触平面）はレーザビームに垂直であろう。これにより、レーザビームの集束点がｚ座標上のあるｘ−ｙ座標から別のｘ−ｙ座標に移された場合でも、同じｚ座標での角膜内のレーザビームの集束が可能になる。しかし、不遊レンズが傾けられていると、事実上、眼の組織におけるあるｘ−ｙ座標でのレーザビーム集束点が眼の組織における別のｘ−ｙ座標では異なることになるであろう。しかし、不遊レンズの傾きがわかっていれば、レンズ傾きを考慮して特定のｘ−ｙ位置に対するｚ座標（または集束点深度）をオフセットさせるかまたは補正することができるであろう。

物体の傾きを決定するための３点法
レーザビームのｚ軸に対する物体表面の傾きを決定するための別の方法は物体の３点を決定することである。レーザビームの集束点が物体に接することのないようなｚ軸点にレーザビームを集束させることができる。これは任意のｘ−ｙ座標において行うことができる。レーザビームのｚ軸集束点を特定の距離だけ増分して移動させ、レーザを発射する。集束点を再び設定距離だけ移動させて、レーザを発射する。第１のプラズマスパークが検出されるまでこれが続けられる。検出は、上述した、手動の、光検出器による、及びビデオ画像比較による方法を含む、いずれかの態様で行うことができる。第１の点（そのｘ座標、ｙ座標及びｚ座標）がレーザシステムによりメモりまたは記憶装置に記録されるかまたはセーブされる。

次いで、レーザシステムはレーザビームを第２のｘ−ｙ座標に向ける。次いで、レーザビームの集束点が物体に接することのないようなｚ軸点にレーザビームの集束点を移動させる。次いで再び、レーザビームのｚ軸集束点を特定の距離だけ増分して移動させ、レーザを発射する。第２のプラズマスパークが検出されるまでこれが続けられる。第２の点（そのｘ座標、ｙ座標及びｚ座標）がレーザシステムによりメモりまたは記憶装置に記録されるかまたはセーブされる。

次いで、レーザシステムはレーザビームを第３のｘ−ｙ座標に向ける。次いで、レーザビームの集束点が物体に接することのないようなｚ軸点にレーザビームの集束点を移動させる。次いで再び、レーザビームのｚ軸集束点を特定の距離だけ増分して移動させ、レーザを発射する。第３のプラズマスパークが検出されるまでこれが続けられる。第３の点（そのｘ座標、ｙ座標及びｚ座標）がレーザシステムによりメモりまたは記憶装置に記録されるかまたはセーブされる。

物体表面の３つの表面点が今では決定されているから、レーザビームのｚ軸に対する表面の平面が知られるであろう。物体の平面がわかれば、以降の処置でその平面をｚオフセットに対する基準面として用いることができる。

また、第１の物体の表面における第１のプラズマスパークの検出及び第２の物体の表面における第２のプラズマスパークの検出により、２つの点の間の距離を計算することができる。第１及び第２のプラズマスパークの検出は上述した方法によって行うことができる。次いで、それぞれのプラズマスパークのｚ軸座標を用いて、プラズマスパークが検出されたそれぞれの物体の表面間の距離が決定される。

ｚオフセット及び利得較正手順
レーザビーム（またはレーザビームのｚ軸）に対する物体の表面の整合（または傾き）を決定することにより、以降のレーザシステム動作に対してｚオフセット値を利用することができる。特定のｘ−ｙ座標に対して、ｚ座標を特定の距離だけオフセットして、物体の傾きの平面に平行な平面にレーザビームの集束点をおくことを可能にすることができる。

一実施形態において、ソフトウエアプログラムはデジタル／アナログカードに電圧を書き込むことによってレーザシステムの集束アッセンブリの変位を指令する。続いて、ｚ−ガルバノメータが指令された電圧に基づいてモーター駆動集束アッセンブリに電流を送ることによって、所望の集束点深度位置に集束アッセンブリを移動させるであろう。レーザシステム内におかれたリニアエンコーダが集束アッセンブリの直線移動を検知する。ホストコンピュータと協動するインテリジェントコントローラ及びソフトウエアプログラムがセンサを利用して集束アッセンブリに取り付けられているエンコーダストリップを読み取る。レンズが所定の位置に移動すると、エンコーダフィードバックがインテリジェントコントローラによって与えられ、実際の集束アッセンブリの位置が得られる。

ｚ利得を測定するためには第２の点を測定する必要がある。ｚ利得の測定は、実質的に互いに平行である実質的に平坦な上面及び下面を有するガラスのような、第２の物体を利用することによって達成できる。

一実験において、１６０μｍ厚顕微鏡スライドを不遊レンズ接触面の接触ガラスに取り付けた。スライドは１０６０ｎｍにおける屈折率が１.５２１のホウケイ酸ガラス（コーニング（Corning）０２１１）でつくられていた。スライドの平坦度を測定した。スライドは全体（２２×２２ｍｍ）にわたって±１μｍ以内の平行な平坦上面及び下面を有していた。ロッド及びロッド頂部の丸いプラスチックスクリューヘッドを用いて下から軽く押すことによってスライドを接触ガラスに押し付けた。この結果、スライドの下に閉パターンの円直径で空隙が生じる。ここで、出発深度が２００μｍに設定されていることを除き、この円形閉パターンはｚオフセット手順におけるように刻み込まれている。これは角膜組織内へのレーザビームの集束をシミュレートする。ヒトの角膜（ｎ＝１.３７７）に対する補正に対し、１６０μｍ厚ホウケイ酸ガラスは１４６μｍ厚角膜層に相当する。これを、ｆ＃＝１.４８の対物レンズ集束数をもつガウス型ビームを用いる、ＷｉｎＬａｓｅ（商標）３.０プロソフトウエアでシミュレートした。

適切な補正により、実験前にｚオフセットをゼロにすれば、上記ソフトウエアは１４６μｍのオフセットを示すはずである。数値がずれていれば、ｚスケール因子（ｚ利得）を、新ｚスケール因子＝（１４６μｍ/オフセット測定値）×旧ｚスケール因子による、新スケール因子に変える。

レーザシステム設定におけるｚスケール因子の補正後、ｚスキャナにかかる電圧が０ボルトの状態とｚオフセットが一致するとは限らず、したがって利得変化による影響を受け得るから、ｚオフセットを再度調節する必要がある。

干渉法レーザ集束点検出
レーザビームに対する物体の表面の位置を測定するための別の方法は干渉計の利用である。測定後、次いで、レーザシステムは物体の高さ寸法の分散を考慮することができ、集束点深度に対するオフセットパラメータを設定できる。ソフトウエア内のオフセットパラメータにより、不遊レンズの高さ寸法の分散の効果を相殺し、よって一貫した手術深度をもたらすことが可能になる。

本方法は不遊レンズのガラス面から背面反射されるレーザの波面の曲率を利用する。波面の曲率は干渉計によって測定される。

干渉縞の曲率を集束点深度に関係付けるには２つの方法がある、第１に、光学系及び干渉計の寸法形状を知ることにより、干渉縞パターンを正確に計算して集束点深度に関係付けることができる。しかし、この方法にはビームの形状寸法の精確な知識が必要である。

第２の、さらに実用的な方法は、測定可能な集束位置に対して測定装置を較正することである。これは、発明者等が本発明の実施にともなってしたがった手法である。一実施形態において、測定装置がガラス試料の様々な深さの刻みパターンに設定され、同時に干渉パターンが記録される。次いで、試料の刻み深さが顕微鏡を用いて測定され、先に記録された干渉縞の曲率と関係付けられる。

干渉計は、送光系に入る前にレーザビームから直接分けられる参照ビーム及び送光系を通過する測定ビームを利用する。参照ビームは実質的に平行ビームである。測定ビームは、不遊レンズの光学面から背面反射される、レーザビームの一部である。反射ビームは戻り方向にあるレーザ集束光学系及びスキャナシステムを通る光路を再びたどる。

反射面が集束点にあれば、背面反射ビームは送光系を通る同じ経路をそのまま再びたどる。このビームは参照ビームと干渉し得る。この場合、いずれのビームも平行ビームであり、直線の干渉縞をもつ干渉パターンをつくる。他方で、不遊レンズが集束点になければ、背面反射ビームは全く同じ経路はたどらずに後方に向かい、収束または発散ビームとして送光系から外れる。平行ビームと結合した収束または発散ビームは湾曲した干渉縞パターンをつくる。集束点の位置情報は、干渉パターンから、本質的には干渉縞の曲率の符号及び大きさから引き出すことができる。

一実施形態において、画像処理法が後に続く。生画像が初めに取り込まれ、次いでフィルタにかけられて、空間的に周期的な積分核を用いて画像をたたみ込むことにより強調される。このプロセスにより、例えば光学系上の塵埃粒子による、ランダムな性質をもつ画像の欠陥が平滑化される。同時に積分核の空間的周期性により正しい周期性をもつ干渉パターンのコントラストが強められる。

次の画像処理工程は、キャニーエッジ検出アルゴリズムによるエッジ検出である（エイ・キャニー（A. Canny），「コンピュータ化エッジ検出手法（A computational approach to edge detection）」，IEEE Trans. PAMI １９８６年，第８巻，ｐ.７６９〜６９８）。

次いでエッジ断片が解析される。与えられた長さより短い断片は棄却される。より長い断片は多項式曲線にフィッティングされる。多項式の２次係数が個々の干渉縞の曲率を与える。最後に、個々の干渉縞からの曲率が平均される。

一実施形態において、干渉パターンはビデオカメラ及び上述したフレーム取込みソフトウエアによって取り込まれる。パターンはコンピュータソフトウエアで解析することができる。干渉縞パターンの曲率が引き出され、集束位置が計算される。集束位置の決定において、干渉縞パターンが平行ビームからなっていればレーザビームの集束点は反射面上にある。レーザビームの集束点が反射面からどれだけ外れているかを決定するための一方法は、干渉縞パターンの様々な曲率の較正及び集束距離の測定を大量に行うことである。例えば、特定の干渉縞曲率に対する様々な集束距離を決定するためにマイクロメータを用いることができる。特定の干渉縞曲率に対して、集束点深度値を表にして格納することができる。次いで、レーザシステムのその後の使用に際して、特定の干渉縞パターンの曲率を決定することができ、次いで集束位置を決定するために表をルックアップすることができる。あるいは、特定の干渉縞の湾曲に対して集束位置が得られるようなアルゴリズムを決定するために、曲率に対して挙動を評価することができよう。

干渉縞パターン及びレーザビームの集束点との関係を決定するために様々な実験を行った。一実験において、測定した干渉縞パターンは下方に湾曲していた。これが図５Ａに示されている。レーザビームの集束点は、不遊レンズの接触面の上方２０μｍにあることがわかった。別の実験において、測定された干渉縞パターンは直線を形成していた。これが図５Ｂに示されている。レーザビームの集束点は不遊レンズのガラス表面上にあることがわかった。第３の実験において、測定した干渉縞パターンは上方に湾曲していた。これが図５Ｃに示されている。レーザビームの集束点は不遊レンズの接触面の下方１０μｍにあることがわかった。

不遊レンズの視野の光学中心にある一点の測定はｚオフセット値を与える。本方法は焦平面の傾きを決定するための不遊レンズの接触面の３点測定に用いることができる。

本干渉法は、不遊レンズの平面の集束点を決定するという利点を有するだけでなく、レーザビームの歪を検出するためにも用いることができる。そのような歪のいくつかには、i） 球面収差及び色収差のような、レーザシステム光学系の設計に固有の歪、ii） 空間的チャープのような、レーザから生じる歪、iii） スペック（spec）ミラーの平坦性からのような、コンポーネントレベルの収差からの歪、またはiv） システムの調整ずれによる歪があり得る。

測定されたレーザの集束位置が所定の許容範囲から外れていれば、ｚ軸集束位置に対するオフセット値を修正し、次いでレーザシステムを許容範囲に入れるためにサーボシステムに命令するように、レーザシステムソフトウエアを構成することができる。また、ハードウエアオフセット及び手術面に対するレーザ焦平面の傾きに適応するように、手術パターンに対するソフトウエアパラメータを構成することもできる。

非線形周波数変換
レーザビームの集束点深度を決定するための別の方法は、バンドパスフィルタをもつ光電子増倍管を用いて、レーザビームによって生成される非線形周波数信号をモニタすることである。レーザシステムコンピュータは信号の集束点深度依存性をモニタする。信号の変化は不遊レンズの下面と角膜の間の界面を示す。非線形周波数変換法は非侵襲性である。深度較正は、不遊レンズが患者の眼の上におかれている間に行うことができ、したがって機械的バックラッシュによって導入されるエラーを低減することができる。

本方法は、レーザビームの周波数とは異なる周波数の光を発生するための、ガラス及び角膜の様々な非線形効果の利用に基づく。そのような効果には、二次高調波発生、三次高調波発生、誘導ラマン、白色光発生等を含めることができるが、これらには限定されない。光崩壊閾値に近いレーザビーム強度において、上述した非線形プロセスの変換効率は検出可能な信号を発生するに十分に高い。これらの信号は、二次またはさらに高次の入力強度依存性を有し、ビームウエストまでの空間内に局限されるであろうし、したがって、界面検出の正確度を高めるであろう。

バンドパスフィルタをもつ光電子増倍管がレーザシステムに取り付けられる。レーザシステムのコンピュータが信号の集束点深度依存性をモニタする。信号の変化が不遊レンズの下面と角膜の間の界面を示す。５μｍより高い確度を達成することができる。

図６を参照すれば、本方法をさらに説明することができる。図６はブタの眼における二次高調波信号のビームウエスト位置依存性を示すグラフであり、深度軸の正符号は角膜内部の位置に対応し、ゼロ位置は角膜−ガラス界面に対応する。不遊レンズと角膜の界面におけるレーザビームの集束点を決定するため、信号の最大値の１/２がとられる。このことが、グラフ上の０μｍ点に示される。集束点が外れて不遊レンズに入ると信号は小さくなり、集束点が角膜に入ると信号は大きくなる。本方法は、フェムト秒モードロックレーザビームのような、あるレーザビームは共焦パラメータで表すことができることから、行うことができる。言い換えれば、レーザビームは特定の長さ範囲をもつ集束点を有する。集束点範囲の長さの１/２が角膜内部にあるときに、信号は信号の最大値の１/２にあることになろう。

一実験において、ブタの眼に接触している不遊レンズを用いて本方法を試験した。レーザのエネルギーレベルを、フルーエンスがガラスまたはブタの眼の光損傷閾値よりは低いが、角膜内で二次高調波を発生するには十分に高いように、０.２μＪまで下げた。集束点深度をスキャンしている間、二次高調波強度は角膜からガラス界面にかけて１/５０に減少した。これにより、±５.０μｍより高い正確度での角膜−ガラス界面における集束点の局在化が可能になった。結果が図６に提示されている。

別の実験において、プラスチック片がレンズに取り付けられている不遊レンズを用いて本方法を試験した。プラスチック片は不遊レンズと接触している角膜をシミュレートするために用いた。レーザシステムのエネルギーレベルを、フルーエンスがガラスの光損傷はおこさないが、白色光を発生するには十分に高いように、０.７μＪまで下げた。集束点深度をスキャンしている間、白色光強度はガラスからプラスチックにかけて２倍の変化を示した。これにより、５μｍの正確度でのガラス−プラスチック界面における集束点位置の局在化が可能になる。

上述した本発明のシステム及び方法は、レーザシステムに対する不遊レンズの位置及び整合を決定するためのシステムに十分よく適合される。しかし、上記の記述は例示及び説明の目的のために提示され、本発明を本明細書に開示された形態に制限することは目的とされていないことに注意すべきである。したがって、上記の教示及び該当技術の教示に相応する本システム及びプロセスに対する変形及び改変は本発明の範囲内にある。そのような変形は当業者であれば容易に思いつくであろうし、本発明の精神及び添付される特許請求の範囲内に包含される。

さらに、説明した実施形態は、本発明を実施するための最良の態様を説明し、当業者による、特定の用途にまたは本発明の使用に必要な様々な改変を含む、そのような実施形態、または別の実施形態での本発明の利用を可能にすることがさらに目的とされている。添付される特許請求項は従来技術で許される範囲までの別の実施形態を含むと解されるべきであるとされる。

本発明の一実施形態を示す、レーザシステムに対する不遊レンズの位置及び整合を決定するために用いられるシステムの斜視図である 不遊レンズ及びレーザビームの略図である レーザビームの焦平面に対する不遊レンズの位置、整合及び方位を決定する方法を示すフローチャートである レーザビームに対する不遊レンズの位置、整合及び方位を決定するためのビデオ画像解析を示すグラフである レーザビームを集束させるために干渉計を用いながら検出された干渉縞パターンを示す図である レーザビームを集束させるために干渉計を用いながら検出された干渉縞パターンを示す図である レーザビームを集束させるために干渉計を用いながら検出された干渉縞パターンを示す図である ブタの眼におけるビームウエスト位置に対する２次高調波信号の依存性を示すグラフである

符号の説明

１０ 不遊レンズ位置及び整合システム
１２ レーザシステム
１４ 不遊レンズ
１６ レーザ源
２０ レーザビーム
２４ ｚ軸

Claims (33)

1. レーザビームに対する物体の表面の位置及び傾きを決定する方法において、前記方法が、
   実質的に平坦な表面を有する物体を提供する工程、
   レーザビームを発生するためのレーザシステムを提供する工程、
   前記レーザビームの照射方向に平行であるｚ軸に垂直な平面内で、所定のパターンに沿って前記レーザビームの集束点を反復して移動させる工程、
   前記レーザビーム集束点が前記物体に接したときの少なくとも１つのプラズマスパークを検出する工程、及び
   前記検出する工程の結果を基に前記レーザビームに対する前記平坦表面の傾きを決定する工程、
   を有してなることを特徴とする方法。
2. 前記レーザビームがフェムト秒またはピコ秒の範囲にある短い光パルスの連続反復列で形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記物体が、不遊レンズ、ガラス板または顕微鏡スライドであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記物体が、ガラス、ケイ素、プラスチックまたは生体材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記移動させる工程が、
   前記レーザビームの前記集束点が前記物体に接することのないようなｚ軸面上の出発点に前記レーザビームの前記集束点をおく工程、
   前記ｚ軸に垂直な平面内で、所定のパターンに沿って前記レーザビームの前記集束点を反復して移動させる工程、及び
   前記所定のパターンに沿う前記レーザビームの移動が完了した後に、前記レーザビームの前記集束点の位置を前記ｚ軸上で設定距離Δｚだけ前のｚ軸から移す工程、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記所定のパターンが円形であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記検出する工程が、
   前記レーザビームが前記物体と接したときの第１のプラズマスパークを識別する工程、
   前記第１のプラズマスパークの第１のｚ軸位置を記録する工程、
   前記所定のパターンを完成させる第２のプラズマスパークを識別することによって前記所定のパターンの完成を識別する工程、及び
   前記第２のプラズマスパークの第２のｚ軸位置を記録する工程、
   を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
8. 前記決定する工程が、
   前記第１のｚ軸位置及び前記第２のｚ軸位置を用いて前記ｚ軸に対する前記物体の傾きを計算する工程、
   を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記計算が、θを前記物体の表面と前記ｚ軸に垂直な平面の間の角度、Δｚを前記第１のｚ軸位置と前記第２のｚ軸位置の間の差、Ｄを前記所定のパターンの直径とする、公式θ＝tan^−１（Δｚ/Ｄ）を利用することを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記検出する工程が、
    前記物体の画像を撮るためのビデオカメラを提供する工程、及び
    前記物体の一連の画像を取り込む工程、
    を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 前記検出する工程が、
    少なくとも１つのプラズマスパークの発生を決定するために前記物体の前記画像を比較する工程、
    を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記検出する工程が、
    第１の画像ピクセル値及び第２の画像ピクセル値を計算する工程、及び
    前記第２の画像ピクセル値から前記第１の画像ピクセル値を差し引くことにより総比較ピクセル値を計算する工程、
    を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. 前記検出する工程が、
    プラズマスパーク線を確立するために前記総比較ピクセル値をプロットする工程、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記検出する工程が、
    プラズマスパークを検出するための光検出器を提供する工程、及び
    前記光検出器により前記プラズマスパークの発生を識別する工程、
    を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
15. 前記光検出器が、フォトダイオード、ＣＣＤ、光電子増倍管またはフォトトランジスタの内のいずれかであることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記検出する工程が第１のプラズマスパークの発生及び所定のパターンの完成時における第２のプラズマスパークの発生を目視で検出する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
17. 前記検出する工程が光検出器により発生される電圧差を測定する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
18. 前記物体が透明または不透明であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
19. レーザシステムから発生されるレーザビームに対する物体の表面の位置及び傾きを決定するためのレーザシステムにおいて、前記システムが、
    レーザビームを発生するための、中央処理装置を備え、前記中央処理装置は前記レーザビームの移動を命令するために構成されている、レーザシステム、
    プラズマスパークを検出するための、前記レーザシステムに相互接続されている、プラズマスパーク検出デバイス、及び
    前記中央処理装置上での実行のためのソフトウエアプログラム、
    を備え、前記ソフトウエアプログラムが、
    前記レーザビームの照射方向に平行であるｚ軸に垂直な平面内で、所定のパターンに沿って前記レーザビームの集束点を反復して移動させ、
    前記レーザビーム集束点が前記物体の前記表面に接したときの複数のプラズマスパークを検出し、
    前記プラズマスパークの検出の結果を基に前記レーザビームに対する前記表面の位置及び傾きを決定するように構成されていることを特徴とするシステム。
20. 前記プラズマスパーク検出デバイスが光検出器であることを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
21. 前記光検出器が、フォトダイオード、ＣＣＤ、光電子増倍管またはフォトトランジスタの内のいずれかであることを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
22. 前記プラズマスパーク検出デバイスがビデオカメラであることを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
23. 前記レーザビームがフェムト秒またはピコ秒の範囲にある短い光パルスの連続反復列で形成されることを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
24. 前記移動させる工程のための前記ソフトウエアプログラムが、
    前記レーザビームの前記集束点が前記物体に接することのないような、ｚ軸面上の出発点に前記レーザビームの前記集束点をおき、
    前記ｚ軸に垂直な平面内で、所定のパターンに沿って前記レーザビームの前記集束点を反復して移動させ、
    前記レーザビームの前記集束点の位置を前記ｚ軸上で設定距離Δｚだけ前のｚ軸から移すように構成されていることを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
25. 前記所定のパターンが円形であることを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
26. 前記検出する工程のための前記ソフトウエアプログラムが、
    前記レーザビームが前記物体と接したときの第１のプラズマスパークを識別し、
    前記第１のプラズマスパークの第１のｚ軸位置を記録し、
    前記所定のパターンを完成させる第２のプラズマスパークを識別することによって前記所定のパターンの完成を識別し、
    前記第２のプラズマスパークの第２のｚ軸位置を記録するように構成されていることを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
27. 前記決定する工程のための前記ソフトウエアプログラムが、
    前記第１のｚ軸位置及び前記第２のｚ軸位置を用いて前記ｚ軸に対する前記物体の傾きを計算するように構成されていることを特徴とする請求項２６に記載のシステム。
28. 前記計算のための前記ソフトウエアプログラムが、θを前記物体の表面と前記ｚ軸に垂直な平面の間の角度、Δｚを前記第１のｚ軸位置と前記第２のｚ軸位置の間の差、Ｄを前記所定のパターンの直径とする、公式θ＝tan^−１（Δｚ/Ｄ）を利用することを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
29. 前記検出する工程のための前記ソフトウエアプログラムが、
    前記物体の第１及び第２の画像を取り込むように構成されていることを特徴とする請求項２２に記載のシステム。
30. 前記検出する工程のための前記ソフトウエアプログラムが、
    第１の画像ピクセル値及び第２の画像ピクセル値を計算し、
    前記第２の画像ピクセル値から前記第１の画像ピクセル値を差し引くことにより総比較ピクセル値を計算するように構成されていることを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
31. 前記検出する工程のための前記ソフトウエアプログラムが、
    光検出器により前記プラズマスパークの発生を識別するように構成されていることを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
32. 前記検出する工程のための前記ソフトウエアプログラムが、
    第１のプラズマスパークの発生及び前記所定のパターンの完成時における第２のプラズマスパークの発生を示す信号を送るための入力デバイスから入力を受け取るように構成されていることを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
33. 前記入力デバイスが足踏みスイッチであることを特徴とする請求項３２に記載のシステム。

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