TWI392475B - 雷射掃描器 - Google Patents

Description

雷射掃描器

本發明係關於雷射掃描器，且特定言之係關於可用於眼科雷射手術之雷射掃描器。

用於眼科雷射手術之雷射掃描器通常利用一對掃描鏡來有角度地偏轉並掃描雷射光束。通常使用兩個掃描鏡，每一者沿著兩個正交軸中之一者掃描雷射。一聚焦物鏡(無論是一透鏡或多個透鏡)使雷射光束成像於光學系統之焦平面上。因此，雷射光束之焦點在光學系統之焦平面內得以在兩個維度(x與y)上掃描。沿著第三維度掃描(亦即，將焦平面沿著光軸(z軸)移動)可藉由沿著光軸移動聚焦物鏡或聚焦物鏡中之一或多個透鏡來達成。

用於聚焦眼科手術雷射之光學系統通常十分複雜。該等光學系統通常需要以高數值孔徑(NA)來具有繞射限制效能且在一大範圍內掃描雷射光束。該等系統中所通常使用之移動鏡面造成顯著之設計束縛，此係因為在掃描過程中使用顯著高之場角度，因此要求對諸如散光、彗形像差及其他較高階像差之像差進行光學校正。此外，由於有角度地掃描光束，因此通常產生物鏡之離軸像差且要求加以校正。

對在先前技術之該等雷射掃描器中所造成之像差進行校正所需要的光學器件傾向於增加總光學系統之重量及成本。加至該等系統上之總成本可在數萬美元或更多之範圍內。具有校正光學器件之雷射掃描器的總重量可在五公斤或更多之範圍內。該等沉重之系統極難手動定位於患者之眼睛上。為進行補償，常常使用電動台架(motorized gantry)在一"對接"程序中將光學器件移至眼睛之位置上。為確保患者在"對接"期間之安全且防止電動台架之無意移動，將特殊安全電子包括為該等掃描系統之部分。此等額外之電子進一步增加了掃描系統之複雜性及成本。

本發明係針對雷射掃描器。該雷射掃描器包含一雷射源及用於在三個維度上掃描焦點的光學器件。光學器件包括用於沿三個正交軸掃描雷射光束的光學元件及一延伸光學器件之焦平面使其遠離聚焦透鏡的光學元件。

在本發明之一第一獨立態樣中，包括一第一光學元件及一聚焦元件作為雷射掃描器之光學器件之部分。此第一光學元件經調適以沿著來自雷射源之光的光軸移動。該聚焦元件經調適以與該光軸正交移動。光學器件之焦平面深度可藉由第一光學元件之移動來調整。此外，該聚焦元件可包括兩個聚焦透鏡，每一者經調適以沿著兩個正交軸移動，此等軸亦與光軸正交。

在本發明之一第二獨立態樣中，一位於雷射掃描器之光學器件中的光學元件經調適以在不增加一所包括之聚焦元件之f 數值的情況下有效地增加該聚焦元件的焦距。較佳地，此光學元件之折射率大於一。

在本發明之一第三獨立態樣中，雷射掃描器併入於一經調適以用於眼科雷射手術之系統中且包括一光學安置於聚焦元件與進行手術程序之眼睛之間的鏡面。此鏡面經調適以使來自雷射源之光通過而反射可見光。手術系統亦包括一光學耦接至該鏡面以自鏡面接收所反射之可見光的視域。此視域視需要允許一主治醫師在眼科手術雷射程序發生時直接觀看該眼科手術雷射程序。若需要，則可包括放大光學器件作為視域之部分以有助於觀看手術程序。

在本發明之一第四獨立態樣中，以一有助於使得掃描整個區域所需之時間最小化的方式來掃描雷射之焦點。焦點係沿著大體上呈線性之路徑來掃描的。在沿該路徑掃描期間，將一振盪運動於一與該路徑正交的方向上引入該掃描路徑中。在較大之掃描圖案中，可將此技術用於掃描圖案之任何線性或大體上呈線性之片段中。

在本發明之一第五獨立態樣中，可結合使用前述態樣中之任意者。

因此，本發明提供一種改良之雷射掃描器。在下文中將呈現其他目標及優勢。

轉而詳細參看圖式，圖1說明一可有利地用於眼科雷射手術之雷射掃描器11。該雷射掃描器11包括：一雷射源13及用於將來自該雷射源之光引向眼睛17之光學器件15，以及一使得醫師能夠在手術進行時看到眼睛17之視域19。雷射源13可係任何類型，但出於眼科雷射手術之目的，該雷射源13較佳能夠產生一脈衝雷射光束。一種該雷射源描述於美國專利第4,764,930號中，其之揭示內容以引用之方式併入本文中。此外，脈衝雷射光束較佳具有一長達數奈秒或短達數飛秒之脈衝持續時間。

自雷射源13發出之光穿過移動式Z軸掃描透鏡21、準直透鏡23、兩個移動式聚焦透鏡25、27、鏡面29、折射材料塊31及扁平透鏡33到達位於眼睛17之角膜之上或之內的焦點35。不同於多數關於雷射掃描器之先前技術，圖1之雷射掃描器11不包括任何掃描鏡。如此，來自雷射源之光在穿過每一光學元件是總是同軸的。具有一同軸雷射光束大大降低或消除了校正離軸像差、散光及彗形像差之需要。消除校正光學器件之需要進而減輕了雷射掃描器之總重量，由此使得有可能執行一手動"對接"程序而不要求複雜之自動作業來執行"對接"程序。此亦直接導致該等雷射掃描器且詳言之為併入該等雷射掃描器中之眼科雷射手術設備之成本顯著降低。

雖然展示兩個聚焦透鏡25、27，但可使用一單個移動式聚焦透鏡或者兩個以上之聚焦透鏡。無論使用多少透鏡作為聚焦物鏡，來自雷射源13之光較佳聚焦於小於5 μm之光斑尺寸。

鏡面29可透射來自雷射源13之光的波長，但反射具有可見波長之光。此允許由鏡面29向視域19反射眼睛(在該眼睛上正執行一程序)之一影像。視域19包括一將影像引向放大透鏡39、41之鏡面37。由於鏡面29在眼睛17與雷射掃描器光學器件之物鏡之間的一點上擷取眼睛17之影像，因此視域19所需要之放大量與先前技術之雷射掃描器系統相比急劇減小。雖然鏡面29展示為一與折射材料塊31分離之光學元件，但其可作為一鏡式內表面或作為兩片折射材料之間的一界面而併入於折射材料塊31中，其一起形成折射材料塊。

折射材料塊31包括於雷射掃描器光學器件之聚焦物鏡(亦即，聚焦透鏡25、27)之後以有效地延長聚焦透鏡25、27之焦距。此係藉由使用一具有大於空氣折射率之折射率的折射材料塊來完成的。藉由折射材料塊31處於適當之位置，可使得經組合之聚焦透鏡之實際焦距相對短(例如大約20 mm)，而不用實際增加聚焦透鏡之f 數值。藉由使聚焦透鏡具有短焦距，可大大減少或消除對於校正具有長焦距之聚焦光學器件所經常引發之色像差之需要。藉由折射材料31處於適當之位置，可使聚焦透鏡25、27之有效焦距顯著變長。此有助於將來自手術雷射之光自掃描器末端聚焦於患者眼睛之上或之內。

包括扁平透鏡33以有助於將雷射掃描器11使用為眼科雷射手術系統之部分。扁平透鏡33之功能描述於美國專利第5,549,632號中，其之揭示內容以引用之方式併入本文中。除了作為一安置於雷射源13與眼睛17之間的基本折射材料塊之外，扁平透鏡33並未主動使用於在角膜上或角膜內掃描來自雷射之光。

轉而參看圖2，z軸掃描透鏡21可沿著雷射光束之光軸43移動。可由熟習此項技術者所知之任一類型的驅動機構(未圖示)來達成此z軸掃描透鏡21之移動，包括：電流計、步進馬達、具有導螺桿驅動器/線性平臺之旋轉馬達、線性馬達、音圈型線性致動器、壓電致動器、超音波壓電陶瓷馬達、DC伺服馬達及其類似物。該驅動機構亦較佳包括一反饋迴路以使得相關聯之控制電子(未圖示)可判定z軸掃描透鏡21之位置並控制其移動。藉由將對z軸掃描之控制寄於一光學安置於聚焦物鏡之外及之前的透鏡中，可能較為精細地控制焦點35之z軸位置。在先前技術中，焦點之z軸位置通常係由聚焦物鏡自身之z軸移動來控制，使得聚焦物鏡之移動與焦點之移動之間的比率為1：1。相比之下，使用本文所揭示之組態，10：1、100：1、1000：1或更大之比率係可能的。

類似地，第一聚焦透鏡25可沿y軸移動，且第二聚焦透鏡27可沿x軸移動。可用與z軸掃描透鏡21之移動及控制相同之方式來完成及控制此等兩個透鏡之移動。此等兩個聚焦透鏡25、27中之每一者沿其各別軸之移動導致在焦平面內沿彼等軸掃描焦點35。在圖2中，聚焦透鏡25、27中之每一者展示為沿x軸與y軸移位，導致焦點35掃描至一位於焦平面內的離軸位置。在使用一單個聚焦透鏡的情況下，該單個透鏡可在由x軸與y軸所界定之平面內移動，由此允許焦點在整個焦平面上掃描。

在眼科雷射手術系統中使用所述雷射掃描器且與電腦結合來控制z軸掃描透鏡及兩個聚焦透鏡之位置及運動允許對雷射掃描器進行精細之控制以使得可使用可掃描焦點在眼睛角膜之上或之內造成手術切口。

圖3說明一掃描圖案，其包括沿一軸("快速軸")之線性運動以及沿第二正交軸("慢速軸")之小幅高頻振盪。此類型之掃描圖案可使用於在不需要增加沿快速軸之掃描速度的情況下有效增加雷射掃描器之覆蓋區域。此外，其可在雷射掃描器進行任何實質上線性運動時使用，而與實際之掃描方向無關。對於一給定之線性速度而言，有效覆蓋區域增加了大約四倍。沿慢速軸之振盪運動可經由驅動x軸及/或y軸掃描透鏡之掃描器馬達來達成，或者其可藉由將振盪運動疊加至掃描透鏡之線性運動上的額外掃描器馬達來達成。

圖4展示如何有利地使用上文所述之振盪運動來相比圖5所說明之普通光柵圖案而增加沿快速軸之每一線性穿行的有效覆蓋區域。藉由減少掃描同一區域所需之穿行的數目，可顯著減少掃描整個區域所需要的時間。

因此，揭示一改良之雷射掃描器。雖然已展示並描述本發明之實施例，然而熟習此項技術者將易瞭解，在不偏離本文之發明概念之情況下做出多種修改係可能的。特定言之，來自雷射源之光展示為直接穿過一光學元件至另一光學元件。然而，本文中所描述之鏡面及透鏡的特定組態僅係說明作為雷射掃描器之基礎的光學器件。可包括額外或不同光學元件以適應一所要之機械或光學組態的替代性實施例係可能的。因此，本發明僅限制於以下申請專利範圍之精神中。

11．．．雷射掃描器

13．．．雷射源

15．．．光學器件

17．．．眼睛

19．．．視域

21．．．掃描透鏡

23．．．準直透鏡

25．．．聚焦透鏡

27．．．聚焦透鏡

29．．．鏡面

31．．．折射材料塊

33．．．扁平透鏡

35．．．焦點

37．．．鏡面

39．．．放大透鏡

41．．．放大透鏡

43．．．光軸

圖1示意性說明一雷射掃描器；圖2說明圖1之雷射掃描器以及各種光學元件之移動如何致能在三個維度上掃描焦點；圖3說明可使用圖1之雷射掃描器有利地實現之第一焦點掃描圖案；圖4說明可使用圖1之雷射掃描器有利地實現之第二焦點掃描圖案；且圖5說明一根據先前技術之光柵掃描。

11．．．雷射掃描器

13．．．雷射源

15．．．光學器件

17．．．眼睛

19．．．視域

21．．．掃描透鏡

23．．．準直透鏡

25．．．聚焦透鏡

27．．．聚焦透鏡

29．．．鏡面

31．．．折射材料塊

33．．．扁平透鏡

35．．．焦點

37．．．鏡面

39．．．放大透鏡

41．．．放大透鏡

Claims (25)

1. 一種雷射掃描器，包含：一雷射源；一第一光學元件，其經調適以沿著一來自該雷射源之光之光軸移動；一聚焦元件，其自該第一光學元件接收雷射光，其中該聚焦元件經調適以與該光軸正交移動；及一第二光學元件，其自該聚焦元件接收雷射光，其中該第二光學元件經調適以在不增加該聚焦元件之f 數值的情況下有效地增加該聚焦元件之一焦距。
2. 如請求項1之雷射掃描器，其進一步包含一光學式地安置於該第一光學元件與該聚焦元件之間的準直透鏡。
3. 如請求項1之雷射掃描器，其中該聚焦元件包含一經調適以沿著一第一軸移動的第一聚焦透鏡，該第一軸與該光軸正交。
4. 如請求項3之雷射掃描器，其中該聚焦元件進一步包含一經調適以沿著一第二軸移動的第二聚焦透鏡，該第二軸與該第一軸且與該光軸正交。
5. 如請求項1之雷射掃描器，其中該第二光學元件具有一大於1之折射率。
6. 如請求項1之雷射掃描器，其進一步包含一光學安置於該聚焦元件與該第二光學元件之間的鏡面，該鏡面經調適以使來自該雷射源之光通過而反射可見光。
7. 一種雷射掃描器，包含： 一雷射源；一掃描透鏡，其經調適以沿著一來自該雷射源之光之光軸移動；第一聚焦透鏡及第二聚焦透鏡，其自該掃描透鏡接收雷射光，其中該第一聚焦透鏡經調適以沿著一第一軸移動，該第一軸與該光軸正交，且該第二聚焦透鏡經調適以沿著一第二軸移動，該第二軸與該第一軸且與該光軸正交；及一光學元件，其自該等聚焦透鏡接收雷射光，其中該光學元件具有一大於1之折射率。
8. 如請求項7之雷射掃描器，其進一步包含一光學式地安置於該掃描透鏡與該第一聚焦透鏡之間的準直透鏡。
9. 一種雷射掃描器，包含：一雷射源；一掃描透鏡，其經調適以沿著一來自該雷射源之光之光軸移動；一準直透鏡，其自該掃描透鏡接收雷射光；第一聚焦透鏡及第二聚焦透鏡，其自該準直透鏡接收雷射光，其中該第一聚焦透鏡經調適以沿著一第一軸移動，該第一軸與該光軸正交，且該第二聚焦透鏡經調適以沿著一第二軸移動，該第二軸與該第一軸且與該光軸正交；一折射材料塊，其自該等聚焦透鏡接收雷射光；及一鏡面，其光學式地安置於該聚焦元件與該折射材料 塊之間，該鏡面經調適以使來自該雷射源之光通過而反射可見光。
10. 一種掃描來自一雷射源之光之方法，該方法包含：將來自該雷射源之光經由一光學系統引導至一焦點，該光學系統在光學對準中包含：一掃描透鏡、一聚焦元件及一光學元件，其中該光學元件經調適以在不增加該聚焦元件之f數值的情況下有效地增加該聚焦元件之一焦距；沿一z軸移動該掃描透鏡以調整該焦點沿該z軸之一深度；及在一與該z軸正交之平面內移動該聚焦元件以調整該焦點相對於該z軸之一位置。
11. 如請求項10之方法，其中該聚焦元件包含第一聚焦透鏡及第二聚焦透鏡。
12. 如請求項11之方法，其中移動該聚焦元件包括沿一第一軸移動該第一聚焦透鏡，該第一軸與該z軸正交。
13. 如請求項12之方法，其中移動該聚焦元件包括沿一第二軸移動該第二聚焦透鏡，該第二軸與該z軸且與該第一軸正交。
14. 如請求項10之方法，其中該光學元件具有一大於1之折射率。
15. 一種掃描來自一雷射源之光之方法，該方法包含：將來自該雷射源之光經由一光學系統引至一焦點，該光學系統在光學對準中包含：一掃描透鏡、一準直透 鏡、第一聚焦透鏡及第二聚焦透鏡以及一光學元件，其中該光學元件具有一大於1之折射率；沿一z軸移動該掃描透鏡以調整該焦點沿該z軸之一深度；沿一第一軸移動該第一聚焦透鏡以調整該焦點相對於該z軸之一位置，該第一軸與該z軸正交；及沿一第二軸移動該第二聚焦透鏡以進一步調整該焦點相對於該z軸之一位置，該第二軸與該z軸且與該第一軸正交。
16. 一種用於眼科雷射手術之雷射掃描器系統，該系統包含：一雷射源；光學器件，其經調適以將來自該雷射源之光引向一眼睛，該光學器件包含：一第一光學元件，其經調適以沿著一來自該雷射源之光之光軸移動；一聚焦元件，其自該第一光學元件接收雷射光，其中該聚焦元件經調適以與該光軸正交移動；一第二光學元件，其自該聚焦元件接收雷射光，其中該第二光學元件經調適以在不增加該聚焦元件之f 數值的情況下有效地增加該聚焦元件之一焦距；一鏡面，其光學安置於該聚焦元件與該第二光學元件之間，該鏡面經調適以使來自該雷射源之光通過而反射可見光；及 一視域，其光學耦接至該鏡面以接收該所反射之可見光。
17. 如請求項16之系統，其中該光學器件進一步包含一光學式地安置於該第一光學元件與該聚焦元件之間的準直透鏡。
18. 如請求項16之系統，其中該聚焦元件包含一經調適以沿著一第一軸移動的第一聚焦透鏡，該第一軸與該光軸正交。
19. 如請求項18之系統，其中該聚焦元件進一步包含一經調適以沿著一第二軸移動的第二聚焦透鏡，該第二軸與該第一軸且與該光軸正交。
20. 如請求項16之系統，其中該第二光學元件具有一大於1之折射率。
21. 如請求項16之系統，其中該鏡面經調適以反射該眼睛之一影像。
22. 如請求項16之系統，其中該視域包含一或多個放大透鏡。
23. 一種用於眼科雷射手術之雷射掃描器系統，該系統包含：一雷射源；光學器件，其經調適以將來自該雷射源之光引向一眼睛，該光學器件包含：一掃描透鏡，其經調適以沿著一來自該雷射源之光之光軸移動； 第一聚焦透鏡及第二聚焦透鏡，其自該掃描透鏡接收雷射光，其中該第一聚焦透鏡經調適以沿著一第一軸移動，該第一軸與該光軸正交，且該第二聚焦透鏡經調適以沿著一第二軸移動，該第二軸與該第一軸且與該光軸正交；一光學元件，其自該等聚焦透鏡接收雷射光，該光學元件具有一大於1之折射率；及一鏡面，其光學安置於該第一聚焦透鏡及該第二聚焦透鏡與該光學元件之間，該鏡面經調適以使來自該雷射源之光通過而反射該眼睛之一影像；及一視域，其光學式地耦接至該鏡面以接收該眼睛之該影像。
24. 如請求項23之系統，其中該光學器件進一步包含一光學安置於該第一光學元件與該第一聚焦透鏡及該第二聚焦透鏡之間的準直透鏡。
25. 如請求項23之系統，其中該視域包含一或多個放大透鏡。