JP5027163B2 - 光学系の焦点位置を検出する装置および方法、ならびに眼科的処置装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学系の焦点位置を検出する装置および方法に関する。特に、本発明は、結像光学系の焦点深度を検出する装置および方法に、さらには焦点位置および特に焦点深度を制御する装置および方法にも関する。さらに、本発明はまた、該装置および／または該方法を使用する眼科的な処置および／または診断装置に関する。

本明細書で論じている光学系の場合では、対象となる系は、特に、レーザおよびＬＥＤなどの光源を使用する、特に、材料処理設備における結像光学系である。材料処理とは、本明細書では、例えば、生物学的組織などの誘電材料、または金属材料にも関する顕微鏡的領域における材料構造化を意味するものと理解されるべきである。特に、本発明は、眼科用光学系において、とりわけ、例えば、レーシック（ＬＡＳＩＫ、レーザ原位置角膜曲率形成laser in-situ keratomileusis）などの、角膜屈折矯正手術において使用可能である。この場合に、本発明に関する特に適切な応用分野は、フェムト秒レーシックであり、よってフェムト秒レーザを使用する角膜屈折矯正手術である。

前述の光学結像系では、高精度の材料処理動作の実現が、とりわけ焦点位置の精密な制御に依存する。本明細書では、「焦点位置」とは、何よりも光軸方向における焦点の箇所を意味するばかりでなく、より一般的には、合焦された放射の位置および方向付け、よって、例えば、光学結像系の理想的な光軸に対するずれ、または理想的な（望ましい）光軸に対する光放射の実際の軸の成角をも意味することが理解される。フェムト秒レーシックでは、計算された焦点深度に準拠することが特に重要であり、これは、本発明の特定用途の１つである。

独国特許出願公開第１０ ２００４ ００９２１２号（Ａ１）では、レーザ材料処理用の光学接触素子が提供される。この接触素子は、フェムト秒レーシックの好ましい実施形態で使用される。この場合には、この接触素子は回折光学構造から成る。これらの構造は、レンズの高い開口数によって生じる入射角を最小化することが企図される。回折光学素子（ＤＯＥ）は、この出願公開では、径方向に調節された格子周期を有する格子構造から成る。この場合の格子周期は、２００ライン／ｍｍと５００ライン／ｍｍとの間にある。マイクロメートル範囲にある値は、スポット・サイズとして示される。光学限界により、約０．３の１つの開口数しか可能でない。開口数の拡大は、レンズのビーム経路中に第２の回折素子を使用することによって実現される。このＤＯＥは同様に、光軸に向かって大きくなる格子周期を有する円形格子構造として実施される。これを実施する利点として、この出願公開では、より高い開口数の実現が示唆されている。さらには、接触素子が湾曲状態で実施される。その曲率は眼の曲率、すなわち、約８ｍｍに対応する。材料処理は、この均一に予め設定された曲率で実施される。吸着付属装置は、ＰＣＴ特許国際公開第０３／００２００８号（Ａ１）および欧州特許出願公開第１１５９９８６号（Ａ２）と同様に実施される。焦点制御は、これに提示された方法では実施されない。

欧州特許出願公開第０６２７６７５号（Ａ１）では、ビームから１つまたは複数の空間点をマッピングする回折光学装置が提供される。この出願公開では、回折構造が同様に、任意バイナリまたは多段階回折素子の円弧状配置から成る。この配置は、特に、六辺形配置または六角形配置でありうる。このようにして光ビームのマッピングが実現される。しかし、強度および／または位相の変換しか企図されていない。

米国特許出願公開第２００２／０１７１０２８号では、焦点制御用装置が説明される。この出願公開では、第２の光束と干渉するように、戻り光が結像ビーム経路によってもたらされ、よって干渉計波長制御が実行される。

干渉計波面制御による焦点制御が、米国特許第６６６６８５７号（Ｂ２）における場合と同様に実行される。その場合に、人間の眼に対する光切除処理時の能動的な波面制御は、適応ミラーを組み合わせたものによって実現される。能動的な波面制御を企図しようとするものではない。

米国特許出願公開第２００４／００５１９７６号（Ａ１）では、主としてＵＶスペクトル範囲で射出するレーザ源、ビーム拡大器、回折ピンホール・アレイ、および対物レンズから成る共焦点顕微鏡の光学配置が説明される。回折ピンホール・アレイが、その的確な実施形態で説明されているわけではない。効率の向上は、振幅ピンホール・アレイが開口比に応じて４％と１０％との間の典型的な透過率を有するとき、この技術的な実施形態の１つの利点として理解されうる。他方で、回折ピンホール・アレイでは、このような光学素子の透過率の値は８０％まで可能であり、この出願公開では、開口比またはピンホールの数に対する依存性のみが製造に関する条件である。

米国特許出願公開第２００４／００２１８５１号では、レーザおよび後続のビーム成形光学素子から成る光学配置が、未知のレンズの焦点距離を測定するために使用される。焦点距離の測定は、この場合には、様々な距離にある基準表面上に合焦することによって実行される。反射して戻ってくる放射の一部が検出される。次いで、スポット直径がそれぞれの距離において評価される。焦点距離は、「ニュートンの」関係式Ｚ Ｚ’＝ｆ^２によって求められる。光学格子（より詳細に説明されていない）を使用して、反射して戻された放射の一部を分離する。ジョーンズ行列形式が、焦点距離を計算するために同様に利用される。この方法の精度はほぼ１％である。

米国特許第６９０９５４６号（Ｂ２）では、光源（Ｎｄ：ＹＡＧ２Ｗ）および後続のビーム成形光学素子から成る光学配置が説明される。この場合に、２つの回折光学素子を使用して、レーザ放射を均質化する。２つのＤＯＥの第１のＤＯＥが、この特許では、均質化および空間周波数濾過のために使用される。後続のピンホールが、空間周波数濾過を実行する。空間周波数濾過の２ｆ系の内部には、遠視野で望ましい強度分布を生成する第２のＤＯＥが位置する。この遠視野は、視野レンズによってまたは第２のＤＯＥによって生成される。望ましい強度分布は、焦点の中に生成される。焦点制御は、この方法では実行されない。

したがって、本発明の目的は、光学系の焦点位置を精確に測定できる装置および方法を提供することである。

この目的のために、本発明は、光学系の焦点位置を検出する装置を提供するものであり、放射源と、合焦結像システムと、焦点上の少なくとも一部が反射性の表面と、該表面によって反射された画像を記録するのに適切なデジタル・センサ・系（例えば、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラなど）によって記録された画像を評価するコンピュータと、合焦結像システムの上流で光学系のビーム経路中の光学素子とを備え、光学系の焦点位置を検出する装置において、光学系はレーシック装置であり、ビーム経路中の光学素子は、焦点位置に応じて、画像の位相または振幅に影響を及ぼし、一部が反射性の表面は、デジタル・センサ・系を使用して記録される画像を得るために、入射放射の僅かなパーセンテージを反射する。

この場合に、該合焦光学結像系は、調節可能な（可変の）焦点位置を有する合焦光学素子であることが好ましく、よって、特に、焦点の位置が画像の光軸に平行な方向（よって焦点深度）へ調節可能である系である。さらに、このような系では、焦点位置が通常では、例えば、フェムト秒レーシックにおいて、放射の光軸に直交する方向へも調節可能である。

したがって、本発明による装置およびその対応する方法は、所定の平面、すなわち、いわゆる表面に対する材料処理の直前に、特に、焦点がこの表面上に正確に位置するように焦点が精確に調節されるように、特に、光学系の最初の設定および位置合わせに役立つ。レーシックで使用されるとき、該零平面は、角膜が、関心領域内で吸着によって基準表面に付着されることによって生じる表面であることが好ましい（これは、それ自体はレーシック専門家に公知である）。使用される放射に対して透過性の平坦化円板は、入射放射の僅かなパーセンテージが反射されるように、その円板の角膜に面しかつ角膜に隣接して位置する側が被覆される。次いで、この反射は、この零平面上に合焦された放射の該画像を生成し、この画像は該カメラを使用して測定され、かつ評価される。したがって、理想的な合焦では、焦点は、この零平面上に（よって、図示の実施例では、本質的には、平坦化された角膜表面上に）正確に位置するべきであり、次いで、反射された画像の評価にしたがって、光学素子は、合焦が最適であるように、よって焦点の位置が正確にこの零平面内にあるように調節される。こうして、光学系は、設定および位置合わせされ、後段の材料処理に使用されうる。後段の材料処理では、焦点位置は、通常では該零平面に対して変更される。よって、例えば、フェムト秒レーシックでは、いわゆるフラップを切るとき、焦点は支質の中に位置決めされ、かつ焦点位置は、フラップを作るために、光軸に対して直角に連続的に変化する。これは、それ自体は公知である。上で説明した本系の最初の設定は、焦点を所望の目標点に正確に位置決めすることを保証する。

他の材料処理動作では、基準平面としても説明されうる零平面は、様々に定めることができ、被処理材料の表面と必ずしも一致する必要はない。零平面上に合焦された放射およびこの平面内で反射された画像の測定は、正確に零平面内に合焦する理想状態に関する光学系の光学的結像特性の設定が画像測定によって既知となり、次いで、光学系のこれらの設定から出発して、焦点位置が所望の材料処理にしたがって、例えば、角膜の内側の中へ変更されうるように、光学系の較正をもたらす。

１つの構成によれば、焦点位置に応じて、測定される焦点画像に影響を及ぼす該光学素子は、絞りマトリックス（いわゆるピンホール・アレイ）である。

また光学素子は、遠視野分布でドット・パターンを生成する、いわゆる回折光学素子（ＤＯＥ）でもよい（それ自体は当業者に公知であり、本明細書ではより詳細には説明しない）。

該光学素子は、反射表面とカメラとの間の反射された画像のビーム経路中に、またはこのビーム経路の外側に配置可能である。用途の種類にしたがって、それぞれの場合において利点が得られる。

反射された画像の振幅（強度）または位相（波面）は、光学素子によって局所的に影響を受けうることが好ましく、波面の脱焦部分は可視化されうる。

該光学素子は位相感度も振幅感度も有するように、特に、これらを結合させてビーム経路中に設けることも可能である。

好ましい構成によれば、光学素子は、ドット・パターン、特に、マトリックスの形態にある規則的なドット・パターンを生成する。

本発明は、光学系の焦点位置を検出する方法も提供する。この方法では、放射源の放射が、合焦結像システムを介して焦点平面内にマッピングされ、ビーム経路中の光学素子によって、合焦結像システムを含む光学系の焦点位置を決定するために、焦点で反射されかつカメラによって記録される画像が焦点上に生成され、光学素子は、放射の合焦に応じて、記録された画像に影響を及ぼし、かつ画像への影響に応じて、企図された焦点に対する合焦された放射の焦点位置に関する結論が導出される方法において、光学素子によって、画像の位相または振幅が焦点位置に応じて影響を受け、光学系はレーシック装置であり、一部が反射性の焦点表面は、デジタル・センサ・系を使用して記録される画像を得るために、入射放射の僅かなパーセンテージを反射する。

図面を参照して、以下に本発明の実施例をより詳細に説明する。

図１によれば、光学系１０は、例えばレーザ（例えばフェムト秒レーザなどの）またはＬＥＤ等でありうる光源１２を有する。光源１２によって射出された放射は、出力ミラー１４を通過して、合焦結像系１６を介して平面１８の上に合焦される。合焦結像系１６は、図では単一のレンズによって模式的にしか示されていない。通常では、合焦結像系１６は複数のレンズを有し、その中の１つまたは複数のレンズが、焦点の設定および変更のために駆動されうる。このような光学結像系は、それ自体は公知である。

図１では、以下でより詳細に説明する光学素子が随意選択的に位置決めされることになる領域（複数の点）が、参照符号２０ａおよび２０ｂによって表示される。このような光学素子の実施例が、図３および４に示されている光学素子３４および３６である。

反射表面１８によって反射された放射が、光学結像系１６と、適用可能であれば、領域２０ａ内に配置された、以下でさらに詳細に説明する光学素子とを介して通過し、出力ミラー１４に達して、図１では、そこから結像光学素子２２を介してデジタル・カメラ、例えば、高い局所解像度を有するいわゆるＣＣＤカメラに達する。カメラ２４によって記録されたデジタル画像は、コンピュータＣに入力され、そこで、以下でさらにより詳細に説明するように評価される。

図２は、変更された実施例を示し、同じかまたは同様の機能を有する構成要素および特徴構造には同じ参照符号が与えられている。図２にしたがう実施例では、ビームを結像系１６で合焦する前にビームを拡大するために、光学素子２６、２８から成るビーム拡大器（望遠鏡）が設けられている。この図に示したケプラー望遠鏡の代わりに、別のビーム成形系を使用することも可能である。一般に、図２で「ビーム拡大器」と呼ばれた光学系は、ビーム成形系であってもよい。

既に上述したように、光学素子が、図１および図２の領域２０ａおよび２０ｂ内に配置される。この光学素子は、結像系１６によって反射表面１８上に合焦される最適程度に応じて、反射によって生成されかつカメラ２４によって記録された上述の画像に影響を及ぼすものであり、したがって、表面１８に対応する平面上への合焦が望ましい合焦であるかどうか、またはその焦点位置が、当該平面に対して変位しているかどうか、例えば、光軸方向の前方に離れ過ぎているのか後方に離れ過ぎているのか（いわゆる焦点深度）に関して容易に結論付けることができる。

図３によれば、シャドー・マスク３４が、合焦結像系１６の上流でビーム経路中に、本発明の意味における光学素子として配置される。

したがって、理想的な場合には、光学結像系１６は、光源１２から来る放射が、平面１８の所定の点に精確に合焦されるように設定される。図３では参照符号１８ａによってこの焦点は示されている。図３の実施例は、図２の例に対応しており、ビーム拡大器が、参照符号３２によって示された領域内に備わっている。図３では、位相分布も参照符号３０ａ、３０ｂ、３０ｃによって記号表示されている。

光学素子３４は、Ｎ×Ｍ個の個々の穴が図示した規則的な配置になっている穴マトリックスである。この実施例では光学素子を純粋な振幅関連素子として実施することにより、放射の強度に影響を及ぼすことができる。シャドー・マスク中の典型的な穴の直径は、１μｍと１００μｍとの間にある。これらの穴は、特に、六角形、正方形、六辺形、または円形とすることができる。個々の穴の配置は、使用されるビーム・プロファイルと、焦点位置に関する精度上の要件とに合わせて方向付けられる。説明の光学系では、焦点位置が数μｍまで精確に測定可能である。平面１８に達する経路上の放射および平面１８内で反射された画像は、それぞれが光学素子３４を通過するので、カメラ２４によって測定された画像は、平面１８内における合焦の精度に応じて影響を受ける。平面１８（これは上で定められた零平面である）に対する焦点位置の数マイクロメートルの変化が、カメラ２４によって記録された像をコンピュータＣで評価することによって検出可能である。

個々の画像点においてカメラ２４によって測定された強度を積分することによって、焦点中に生じる放射出力を測定することも可能である。

図５は、こうして得られ評価された反射画像を例示する。この場合に、図５はその中央に、合焦が零平面１８内の望ましい点の上に正確に位置するように、合焦結像系１６を含む光学系が設定された場合に得られたマトリックス状の穴画像を示す。言及したように、測定画像を生成するための反射表面も、この平面１８内に位置する。図５における中央の穴画像が示すように、この反射画像では、入力ビーム・プロファイルにしたがって、個々の穴が球面部分を有することなく完全に均質に照明される。

図５は、左側の穴画像では、零平面１８に対して約１００μｍだけ焦点位置が後方に変位していることを示す。正確な合焦（図５の中央）と比べて、この画像評価は、マトリックス中の個々の画像ドットの変更をもたらし、コンピュータＣは、それがこの偏移を「認識」するように評価に対して較正される。コンピュータの較正は、例えば、公知の光学結像系を使用して、生成された反射画像の変化が焦点位置に応じて特定的に記録および格納されることによって、次いで焦点位置を実測画像との比較によって測定できるような方式で実験的に実行可能である。

図５は、右側に、５０ｍｍのレンズ焦点距離で−１００μｍだけ脱焦されていることを示し、理想的な合焦に比べ穴画像が相応に変更されている。一般的に言えば、図５の左および右に示したように、画像の非対称性によって合焦の分析が可能となる。コンピュータＣを使用した画像評価に基づいて、この分析によって画像中に非対称的な輝度分布が得られる場合に、合焦結像系１６の各素子は、焦点が正確に平面１８内に位置することが画像評価によって示されるまで変更可能である。

図４は、光学系１０の焦点位置を検出するための装置の実施例を示す。この装置では、光学素子が、図２の実施例における領域２０ｂ内に配置されることによって、平面１８上で反射された画像がカメラ２４に達する途中で光学素子３６を通過しないようになる。

この場合における光学素子３６は、例えば、「１からＮ個の」ビーム分割器を形成することによって単一の入射ビームをＮ個の単一のビームに分割する回折光学素子（ＤＯＥ）である。ここで、Ｎは例えば２と５０との間で可変である。回折素子３６によって引き起こされる拡散は、第２の構造（図示せず）によって屈折または回折により補正可能である。幾つかの回折光学素子を、ビーム・プロファイルおよび所望の分析に応じて、前後に配置することもできる。回折光学素子を備える配置の利点は、入射位相分布を補正できることである。位相分布は、光源と、それに続く光学素子、特にビーム拡大器との双方によって影響を受けうる。この実施例ではまた、図３を参照した説明と同様に、平面１８内で反射された画像は、カメラ２４によって記録され、かつコンピュータＣで評価される。図６は、回折光学素子がマトリックス状の放射分布を生成した場合に、カメラ２４によって記録された３つの画像を示し、図６の右側にある画像が、個々の画像ドットの相対的に均一な照度を有する理想的な合焦を示す。図６における左側には、焦点位置が理想的な結像点１８ａから横方向へ、厳密には数百マイクロメートルだけ偏移した場合が示されている。個々の画像ドットは、非対称的に照明されている。図６の中央は、別の方向へ横方向に変位した焦点位置を示しており、個々のマトリックス状の光ドットが図６における右側の画像のこの場合も理想的な合焦の場合よりも低い対称度で照明される。

ＤＯＥの形態にある光学素子３６は、高透過率の穴マトリックスに比べて利点を有する。

回折素子が備わっていると、通常は８０と９０％との間の効率が実現可能である。このような配置によって、焦点位置の評価において非常に高い動的特性を得ることも容易になる。すなわち、理想的な目標位置からの焦点の偏移を広い範囲にわたって確立することが可能となる。

図１および図２の領域２０ａ内に回折光学素子３６を配置することも可能である。

また回折光学素子は、バイナリ素子として、またはいわゆる多水準格子構造としても実施可能である。格子構造は、一次元でもよいし、または二次元でもよい。

図１、図２、図３、または図４の配置をフェムト秒レーシックで使用する場合、上で説明した零平面を定める反射表面１８は、例えば、カメラ２４によって記録される画像を得るために入射放射の僅かなパーセンテージが反射されるように構成された（被覆されるか被覆されない）それ自体は公知の吸着装置中の透明円板の背面とすることができる。

回折光学素子には、特に、格子、フレネル帯レンズ、いわゆるビーム成形素子等が使用される。いわゆる屈折光学構成要素も、素子（３６）、例えば、微小レンズ・アレイ、ビーム成形素子等として使用可能である。光学素子３４が振幅分析用に使用される場合は、シャドー・マスク、または正方形、六角形、六辺形などの任意の幾何学形状に穴を配置したものも、ビームのタイプおよび分析目的に応じて特に適切である。

光学素子は、細穴としてまたは幾つかの細穴の配置として形成することもできる。

説明した配置を使用すると、焦点位置の測定および制御が可能となるばかりでなく、ビーム拡散、レーザ出力、光軸からの放射の偏移、いわゆるビーム積Ｍ^２における偏移、または光源１２の出力ビーム・プロファイルの変化も検出可能である。なぜならばこれらすべてのビーム・パラメータはカメラ２４によって記録された反射画像に影響を及ぼすからである。これらすべてのビーム・パラメータに関して、コンピュータＣには、目標実証実験を通じてデータベースが実験的に予め供給可能である。このデータベースは、画像変化にそれぞれ対応する理想的な目標値からの偏移を個々のビーム・パラメータに割り当てるので、本系は、対応する補正変数の関与によって理想的な値に調節可能となる。この場合に回折光学素子の使用によって、同様に焦点位置に影響を及ぼしうるビーム経路中で生じる可能性のあるいかなる位相変化も容易に補償される。それ自体は公知のハルトマン・シャック型センサでは、このような分析は容易にならない。

焦点位置を検出する装置を有する光学系の第１の実施例を模式的に示す図である。 焦点位置を検出する装置を有する光学系の第２の実施例を示す図である。 本系における放射の位相分布を模式的に示し、かつ穴マトリックスを備える、図２の配置の実施例を模式的に示す図である。 回折光学素子を備える、図２の配置の実施例を示す図である。 正確な合焦および／または合焦誤差を有する穴マトリックス状に焦点マッピングする、カメラによって記録された画像の実施例を示す図である。 正確な合焦および／または合焦誤差を有する穴マトリックス状に焦点マッピングする、カメラによって記録された画像の実施例を示す図である。

Claims (13)

1. 放射源（１２）と、合焦結像システム（１６）と、焦点（１８ａ）上の少なくとも一部が反射性の表面（１８）と、前記表面（１８）によって反射された画像を記録するデジタル・センサ・系（２４）と、前記デジタル・センサ・系（２４）によって記録された前記画像を評価するコンピュータ（Ｃ）と、前記合焦結像システム（１６）の上流で光学系（１０）のビーム経路中の光学素子（３４、３６）とを備え、前記光学系（１０）の焦点位置を検出する装置において、前記光学系（１０）はレーシック装置であり、ビーム経路中の前記光学素子（３４、３６）は、前記焦点位置に応じて、前記画像の位相または振幅に影響を及ぼし、前記一部が反射性の表面（１８）は、前記デジタル・センサ・系を使用して記録される前記画像を得るために、入射放射の僅かなパーセンテージを反射することを特徴とする装置。
2. 前記光学素子（３４、３６）は、穴マトリックスであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記光学素子（３４、３６）は、回折光学素子であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
4. 前記光学素子（３４）は、前記反射された画像のビーム経路中に配置されることを特徴とする、前記請求項１から３のうちの１項に記載の装置。
5. 前記光学素子（３６）は、前記反射された画像のビーム経路の外側に配置されることを特徴とする、請求項１から３のうちの１項に記載の装置。
6. 前記光学素子（３４、３６）は、格子構造を有することを特徴とする、前記請求項１から５のうちの１項に記載の装置。
7. 前記回折光学素子（３４、３６）は、ドット・パターンを生成することを特徴とする、請求項３に記載の装置。
8. 前記回折光学素子（３４、３６）は、マトリックスの形態にあるドット・パターンを生成することを特徴とする、請求項３に記載の装置。
9. 前記放射源（１２）は、フェムト秒レーザであることを特徴とする、前記請求項１から８のうちの１項に記載の装置。
10. 前記コンピュータの評価に応じて、前記光学系（１０）の結像を設定する手段を備える、前記請求項１から９のうちの１項に記載の装置。
11. 材料処理の直前に光学系（１０）の焦点位置を検出する方法であって、放射源（１２）の放射が、合焦結像システム（１６）を介して焦点平面（１８）内にマッピングされ、ビーム経路中の光学素子（３４、３６）によって、前記合焦結像システム（１６）を含む光学系の焦点位置を決定するために、焦点（１８ａ）で反射されかつカメラ（２４）によって記録される画像が前記焦点上に生成され、前記光学素子（３４、３６）は、放射の合焦に応じて、記録された前記画像に影響を及ぼし、かつ前記画像への前記影響に応じて、企図された焦点（１８ａ）に対する合焦された放射の焦点位置に関する結論が導出される方法において、前記光学素子（３４、３６）によって、前記画像の位相または振幅が焦点位置に応じて影響を受け、前記光学系はレーシック装置であり、一部が反射性の前記焦点表面（１８）は、デジタル・センサ・系を使用して記録される前記画像を得るために、入射放射の僅かなパーセンテージを反射することを特徴とする方法。
12. 焦点位置に関する前記導出された結論によって、前記光学系（１０）の光学素子が、焦点位置を変更するように設定される、請求項１１に記載の方法。
13. 請求項１から１０のうちの１項に記載の装置を使用して、フェムト秒レーザ放射で眼科的な処置または診断を実行する装置。

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