專(zhuān)利名稱(chēng)：激光束的發(fā)送和眼跟蹤系統(tǒng)的制作方法
本專(zhuān)利申請(qǐng)與同一天提交并為共同受讓人所擁有的相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)“眼運(yùn)動(dòng)傳感方法和系統(tǒng)”以及“激光刻蝕系統(tǒng)和方法”一起為共同待批專(zhuān)利。因而這些專(zhuān)利申請(qǐng)的內(nèi)容包括在參考文獻(xiàn)中。
本發(fā)明的范圍本發(fā)明總體上涉及激光系統(tǒng)，更具體地涉及用于腐蝕一運(yùn)動(dòng)表面，如眼角膜組織的激光系統(tǒng)。
本發(fā)明的背景用激光腐蝕一工件表面的部分或全部在工藝上已為人所知。在眼科醫(yī)學(xué)方面，光折射角膜切除術(shù)(photorefractive keratectomy)(PRK)是一種通過(guò)用激光修改角膜的曲率來(lái)糾正眼睛聚焦不足的方法。PRK不同于用激光裝置進(jìn)行的更傳統(tǒng)的眼科手術(shù)，如組織切除或熱凝固(thermal coagulation)。PRK一般是用193毫微米波長(zhǎng)的激發(fā)激光束在光分解過(guò)程中剝離工件，如角膜組織來(lái)完成的。在這方面多數(shù)臨床已用120-192mJ/cm2和5-10Hz脈沖重復(fù)率的激光手術(shù)來(lái)完成。這種方法叫作“角膜雕刻”。
在進(jìn)行角膜雕刻之前，用機(jī)械方法剝離角膜上皮(epithelium)以暴露角膜基質(zhì)(stroma)前表面上的角膜前的彈性層(Bowmanmembrane)。此時(shí)，激光在角膜前彈性層上的剝離即可開(kāi)始。這種過(guò)程最好使用激元激光束。在根據(jù)需要將角膜組織剝離到不同深度以重新確定前角膜基質(zhì)的形狀時(shí)，激光束的屏蔽是可變的。雕刻后，上皮迅速長(zhǎng)大并重新覆蓋已確定形狀的區(qū)域，形成一個(gè)光學(xué)上正確或非常接近角膜。在有些情況下，把角膜的表面皮瓣折向一邊，并將暴露的角膜基質(zhì)剝離成所需的表面形狀，然后將皮瓣放回原處。
光治療角膜切除術(shù)(phototherapeutic keratectomy)(PTK)方法使用的設(shè)備在功能上與PRK要求的設(shè)備相同。PTK方法與PRK方法的不同在于PTK不是重新確定角膜的形狀，而是用前面提到的激元激光束治療角膜表面的病理萎縮，如果不這樣做，也許需要角膜移植。
在這兩種方法中，使用治療激光在不希望的眼睛運(yùn)動(dòng)中造成的手術(shù)誤差會(huì)降低手術(shù)的折射效果。因?yàn)橹委熂す饧性诓∪说睦碚撘曒S上，實(shí)際上近似為病人瞳孔的中心，因而眼的運(yùn)動(dòng)或者眼睛的定位至關(guān)重要。但是，部分原因是眼睛的殘余運(yùn)動(dòng)和叫作眼睛迅速掃視(saccadic)運(yùn)動(dòng)，這種視軸很難確定。眼睛的迅速掃視是人類(lèi)視覺(jué)的一種內(nèi)在高速運(yùn)動(dòng)(即持續(xù)時(shí)間非常短，10-20毫秒和高達(dá)10的轉(zhuǎn)動(dòng))，為視網(wǎng)膜提供動(dòng)態(tài)視野。眼的快速掃視運(yùn)動(dòng)幅度較小時(shí)，由于心理作用、人體化學(xué)、手術(shù)光照條件等因素而隨著病人的不同而有很大的變化。因此，即使外科醫(yī)生可能能夠覺(jué)察到眼睛的某些運(yùn)動(dòng)并且一般可以操縱手動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)停止或重新啟動(dòng)治療激光，但外科醫(yī)生的反應(yīng)時(shí)間不能快到足以隨著眼睛的運(yùn)動(dòng)相應(yīng)地移動(dòng)治療激光。
本發(fā)明概述因此，本發(fā)明的目的是提供一種能夠與剝蝕一表面的激光系統(tǒng)一起使用的激光發(fā)送和眼睛跟蹤的方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種向一表面發(fā)送治療激光并自動(dòng)為治療激光重新定向以補(bǔ)償表面運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供一種向眼睛光學(xué)中心周?chē)惶囟ㄐ螤畹难劬Ρ砻姘l(fā)送角膜剝離激光束并自動(dòng)使角膜剝離激光束重新定向以補(bǔ)償眼的運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，因而無(wú)論眼睛如何運(yùn)動(dòng)，剝離的形狀一定。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供一種用于與眼科治療激光一起使用的激光發(fā)送和眼跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)中跟蹤操作以無(wú)干擾的方式檢測(cè)眼睛的運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種根據(jù)眼睛瞳孔的幾何中心或醫(yī)生確定的從瞳孔中心的偏移自動(dòng)發(fā)送并保持角膜剝離激光束的系統(tǒng)。本發(fā)明的一個(gè)特殊目的就是使用分布在離散剝離圖形中的激光脈沖使角膜剝離以外的物體加工成形。
因此，在描述附圖和詳細(xì)說(shuō)明之后，本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)將更為明顯。
根據(jù)本發(fā)明，將提供一種眼睛治療激光束的發(fā)送和眼跟蹤系統(tǒng)。治療激光及其投射鏡片以適于眼睛治療的能量產(chǎn)生沿原始光束路徑(即系統(tǒng)的光軸)的激光束。一光學(xué)轉(zhuǎn)換器根據(jù)一定的掃描圖形將原始光束路徑偏轉(zhuǎn)為與原始光束路徑平行的最終光束路徑。一光學(xué)角度調(diào)節(jié)器改變最后光束路徑與原始光束路徑的相對(duì)角度，使激光入射到眼睛上。
一眼運(yùn)動(dòng)傳感器檢測(cè)眼睛運(yùn)動(dòng)相對(duì)于系統(tǒng)光軸的可測(cè)量，然后產(chǎn)生表示運(yùn)動(dòng)的誤差控制信號(hào)。眼運(yùn)動(dòng)傳感器包括1)一個(gè)光源，用于產(chǎn)生不損傷眼睛的光能；2)一個(gè)光發(fā)送裝置，用于把發(fā)送光路上的光能以與治療激光的最后光束路徑平行的關(guān)系送至光角度調(diào)節(jié)器；3)一光接收裝置。眼運(yùn)動(dòng)傳感器的發(fā)送光路與治療激光最后光束的路徑間的平行關(guān)系由光角度調(diào)節(jié)器來(lái)保持。這樣，治療激光和眼運(yùn)動(dòng)傳感器的光能以平行的關(guān)系射入眼中。
眼運(yùn)動(dòng)傳感器光能的一部分從眼睛反射，作為反射能沿反射光路通過(guò)光角度調(diào)節(jié)器返回。光接收裝置檢測(cè)反射能量并在反射能量的基礎(chǔ)上產(chǎn)生誤差控制信號(hào)。光角度調(diào)節(jié)器響應(yīng)誤差控制信號(hào)，以根據(jù)二者間的相互關(guān)系改變激光光束的最后光路和眼運(yùn)動(dòng)傳感器的發(fā)送光程。這樣，從治療激光器發(fā)出的光束和從眼運(yùn)動(dòng)傳感器發(fā)出的光能就跟蹤了眼的運(yùn)動(dòng)。
在實(shí)施該技術(shù)時(shí)，圖形造成了重疊，但不造成共軸位置，以致使每個(gè)脈沖通過(guò)剝離或腐蝕去掉一塊微小體積的物質(zhì)。對(duì)于不同的深度，在需要增加剝離的區(qū)域重復(fù)剝離圖形。激光脈沖通常有一定的脈沖重復(fù)頻率。一序列中相繼的脈沖距前一個(gè)脈沖至少相距一個(gè)脈沖束的寬度并有一定距離，使剝離掉的顆粒不對(duì)后面的脈沖有很大的干擾。為了最大限度地提高剝離速度，后面的脈沖應(yīng)離得足夠近，以使激光束能在脈沖重復(fù)的時(shí)間內(nèi)移至后續(xù)的位置。剝離在物體上進(jìn)行直至達(dá)到所需的特定形狀。
該技術(shù)基本上是新技術(shù)，也可以用于除角膜以外的物體。
附圖簡(jiǎn)述

圖1為以本發(fā)明為依據(jù)的激光束發(fā)送和眼跟蹤系統(tǒng)的框圖，該系統(tǒng)將與眼科治療激光共同使用；圖2為與本發(fā)明的眼科治療激光實(shí)施例一起使用的激光發(fā)送部分投射鏡頭的剖面圖；圖3為一光子反射鏡布置的示意圖，用于沿一個(gè)軸的光束產(chǎn)生平移偏移；圖4為用于本發(fā)明眼科治療激光實(shí)施例中的伺服控制器/電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路框圖；圖5為用于本發(fā)明眼科治療激光實(shí)施例中的眼運(yùn)動(dòng)傳感器優(yōu)選實(shí)施例的框圖。
本發(fā)明的詳細(xì)描述現(xiàn)在參照附圖，特別是圖1，該圖為一個(gè)激光束的發(fā)送和眼跟蹤系統(tǒng)(用數(shù)字5表示)的框圖。系統(tǒng)5的激光束發(fā)送部分包括治療激光源500，投射鏡頭510，X-Y平移(反射)鏡520，光束平移控制器530，分光光束分離器200，及光束角度調(diào)節(jié)鏡光學(xué)器件300。例如，假設(shè)治療激光500為193毫微米波長(zhǎng)的激發(fā)激光，用于在一活動(dòng)工件，例如眼睛10上進(jìn)行眼科PRK(或PTK)手術(shù)。但是，可以理解的是本發(fā)明的方法和系統(tǒng)同樣可以使用除眼睛以外的其它活動(dòng)工件以及其它波長(zhǎng)的表面處理或表面剝蝕激光。激光脈沖象照相一樣并且最好是按一定分布順序分布在需要?jiǎng)冸x或腐蝕的整個(gè)區(qū)域。具有足夠能量以造成剝離的單個(gè)脈沖產(chǎn)生一個(gè)剝離顆粒的微小云團(tuán)，如果該云團(tuán)的位置與下一個(gè)激光脈沖同一點(diǎn)相同，就會(huì)對(duì)其產(chǎn)生干擾。為了避免這種干擾，下一個(gè)激光脈沖在空間上要分布在距有足夠距離的下一個(gè)剝離或腐蝕點(diǎn)處，這樣就避開(kāi)了剝蝕顆粒云團(tuán)。云團(tuán)一消散，就在前次腐蝕區(qū)域的附近產(chǎn)生另一個(gè)激光脈沖，這樣在照射的圖形完成后，逐次照射充填就完成所述圖形，因而獲得物體或角膜的所需形狀。
在系統(tǒng)5光束發(fā)送部分的操作中，激光源500產(chǎn)生入射到投射鏡510的激光束502。投射鏡510調(diào)整直徑和距離，使光束502根據(jù)執(zhí)行的特殊作業(yè)的要求進(jìn)行聚焦。對(duì)用于PRK或PTK的激勵(lì)器激光的例子，投射鏡510包括平面凹透鏡512，定焦距透鏡514和516，如圖2的剖面圖所示。透鏡512和514共同起作用，形成一個(gè)擴(kuò)大光束502直徑的A-焦點(diǎn)望遠(yuǎn)鏡。定焦距透鏡516使擴(kuò)大后的光束502在工件，即眼睛10上聚焦，并在透鏡516的焦平面內(nèi)提供足夠的深度，如箭頭518所示。這為投射光學(xué)元件510相對(duì)于工件表面的位置提供了適當(dāng)靈活性。當(dāng)透鏡靈活性允許時(shí)，另一種方法是取消透鏡514。
光束502離開(kāi)投射光學(xué)元件510后照射到X-Y平移鏡520上，該平移鏡在光束平移控制器530的控制下將光束502分別沿兩個(gè)互相正交的軸平移或偏移?？刂破?30一般為根據(jù)實(shí)施的特定眼科手術(shù)而預(yù)先確定的光束二維平移或偏移編程的處理器組。對(duì)用于PRK或PTK手術(shù)的激元激光的實(shí)例，控制器530可以根據(jù)前面所述的共同待批專(zhuān)利申請(qǐng)“激光刻蝕系統(tǒng)和方法”進(jìn)行編程。光束502的程控平移和偏移由X-Y平移鏡520進(jìn)行。
X、Y平移軸分別單獨(dú)受一平移鏡的控制。如圖3所示，X-Y平移鏡520的Y平移操作是用平移鏡522進(jìn)行的。平移鏡522可在圖中所示位置和虛線(xiàn)526所示的位置之間移動(dòng)，它的移動(dòng)使輸出光束與輸入光束間的角度保持不變。這種運(yùn)動(dòng)由平移鏡馬達(dá)和控制525帶動(dòng)，而525又受來(lái)自光束平移控制器的輸入信號(hào)的驅(qū)動(dòng)。例如，馬達(dá)和控制器525可以用Trilogy Systems Corporation的馬達(dá)(如TO50型)如Delta TauSystems的控制板(如400-602276PMAC型)。
若平移鏡522的定位如圖所示，光束502沿實(shí)線(xiàn)528a的路徑傳播。若平移鏡522的位置如虛線(xiàn)526定位，光束502沿虛線(xiàn)528b的路徑傳播。對(duì)于X-平移操作用，可采用類(lèi)似的平移鏡(未示出)。X平移操作用同樣的方式完成，但與Y平移正交，并可在Y平移之前或之后進(jìn)行。
系統(tǒng)5的眼跟蹤系統(tǒng)包括眼運(yùn)動(dòng)傳感器100，分光光束分離器200和光束角度調(diào)節(jié)鏡300。傳感器100確定眼的運(yùn)動(dòng)量并用眼運(yùn)動(dòng)量調(diào)節(jié)鏡片310和320，以跟蹤眼的運(yùn)動(dòng)。為了作到這一點(diǎn)，傳感器100首先將已經(jīng)過(guò)選擇的傳輸光能101-T傳輸穿過(guò)分光光束分離器200。同時(shí)，光束502根據(jù)特殊的治療過(guò)程經(jīng)過(guò)束平移后，照射到分光光束分離器200，200已選為將光束502(如193毫微米波長(zhǎng)的激光束)反射到光束角度調(diào)節(jié)鏡300。
光能101-T要準(zhǔn)直，以使其照射到光束角度調(diào)節(jié)鏡300時(shí)與光束502平行。需要理解的是，這里使用的“平行”一詞包括光能101-T和光束502重合或共線(xiàn)。光能101-T和光束502都可用300互相調(diào)節(jié)。因此，光能101-T和光束502射入眼睛10時(shí)仍保持平行關(guān)系。因?yàn)閄-Y平移鏡520獨(dú)立地偏移光束502的位置而與300無(wú)關(guān)，光束502和光能101-T的平行關(guān)系將保持在整個(gè)特殊眼科手術(shù)中。
光束角度調(diào)節(jié)鏡由獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)的鏡片310和320組成。鏡片310可繞軸312轉(zhuǎn)動(dòng)，如箭頭314所示，而鏡片320可繞軸322轉(zhuǎn)動(dòng)，如箭頭324所示。軸312和322互相正交。這樣，鏡頭310能夠在第一平面內(nèi)(如高度)掃描光能101-T和光束502，而鏡片320則能夠在第二平面(如方位角)掃描光能101-T和光束502。光能101-T和光束502離開(kāi)光束角度調(diào)節(jié)鏡300后即照射到眼睛10上。
鏡片310和320的運(yùn)動(dòng)一般分別由伺服控制器/馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器316和326完成。圖4為用于PRK/PTK治療實(shí)例的伺服控制器/馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器316的優(yōu)選實(shí)施例的框圖。(同樣的結(jié)構(gòu)用于伺服控制器/馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器326)。一般來(lái)說(shuō)，眼運(yùn)動(dòng)傳感器100測(cè)量的誤差較大時(shí)，驅(qū)動(dòng)器316，326必須快速反應(yīng)，并且必須進(jìn)一步提供非常高的低頻(DC)至大約每秒100弧度的增益，以實(shí)際消除穩(wěn)態(tài)和瞬時(shí)誤差。
更為特殊的是，眼運(yùn)動(dòng)傳感器100提供了瞳孔中心(或醫(yī)生選擇的距瞳孔中心的偏移)與鏡片310所指向位置間的誤差測(cè)量。位置傳感器3166的設(shè)置是為了直接測(cè)量電流計(jì)馬達(dá)3164的驅(qū)動(dòng)軸(未出示)的位置。位置傳感器3166的輸出在微分電路3168中進(jìn)行微分，以提供馬達(dá)3164的驅(qū)動(dòng)軸的速度。該速度與來(lái)自眼運(yùn)動(dòng)傳感器的誤差求和。所得之和在積分電路3160中積分，然后輸入電流放大器3162以驅(qū)動(dòng)電流計(jì)馬達(dá)3164。由于馬達(dá)3164的驅(qū)動(dòng)軸使鏡片310轉(zhuǎn)動(dòng)，眼運(yùn)動(dòng)傳感器100的測(cè)量誤差減少到可以忽略不計(jì)。通過(guò)位置傳感器3166和微分電路3168的速度反饋給伺服控制器/馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器316提供了測(cè)量的傳感器誤差較大時(shí)快速反應(yīng)的能力。
從眼睛10反射的光能(圖中用數(shù)字101-R表示)通過(guò)角度調(diào)節(jié)鏡300和光束分離器200返回，以在傳感器100處進(jìn)行檢測(cè)。傳感器100根據(jù)反射能量101-R的變化確定眼運(yùn)動(dòng)的量。指示眼運(yùn)動(dòng)量的誤差控制信號(hào)通過(guò)傳感器100反饋給光束調(diào)節(jié)鏡300。該誤差控制信號(hào)支配著鏡片310和320的運(yùn)動(dòng)或重新排列，努力使誤差控制信號(hào)為零。在作這一點(diǎn)時(shí)，光能101-T和光束502根據(jù)眼的運(yùn)動(dòng)而移動(dòng)，而光束502相對(duì)于瞳孔中心的實(shí)際位置受X-Y轉(zhuǎn)換鏡520的控制。
為了利用光束分離器200的優(yōu)點(diǎn)，光能101-T必須具有與治療激光束502不同的波長(zhǎng)。光能最好在可見(jiàn)光譜之外，以不干擾或破壞外科醫(yī)生對(duì)眼10的觀察。另外，如果本發(fā)明用于眼科手術(shù)過(guò)程，光能101-T必須是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ANSI)規(guī)定的，對(duì)眼睛安全的。例如，在滿(mǎn)足上述要求的各種波長(zhǎng)中，光能101-T為900毫微米波長(zhǎng)區(qū)域的紅外光能。該范圍的光滿(mǎn)足上述指標(biāo)，并進(jìn)一步根據(jù)隨時(shí)具備的條件產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)上可提供的光源。一種這種光源為在4KHz下工作的高脈沖重復(fù)頻率的905毫微米GaAs激光，這種光在50毫微秒的脈沖內(nèi)產(chǎn)生10毫微焦耳的符和ANS1規(guī)定的眼安全脈沖。
確定眼運(yùn)動(dòng)量的優(yōu)選實(shí)施例方法以及實(shí)施這種方法的眼運(yùn)動(dòng)傳感器100在前面所述的共同待批專(zhuān)利申請(qǐng)中作了詳細(xì)描述。但是為了進(jìn)行完整的描述，將借助于圖5所示的框圖對(duì)傳感器100進(jìn)行簡(jiǎn)要的描述。傳感器100可以分為一個(gè)發(fā)送部分和一個(gè)接收部分。發(fā)送部分主要將光能101-T以光點(diǎn)21，22，23，24的形式投向眼睛10表面的一個(gè)范圍內(nèi)(如光圈/瞳孔邊界14)。接收部分監(jiān)測(cè)由光點(diǎn)21、22、23、24產(chǎn)生的反射光形式的光能101-R。如所示，發(fā)送時(shí)，光點(diǎn)21、23在軸25上聚焦和定位，而光點(diǎn)22、24則在軸26上聚焦和定位。軸25和26互相正交。光點(diǎn)21、22、23、24聚焦，入射到并均勻分布在光圈/瞳孔邊界14上。四個(gè)光點(diǎn)21、22、23、24能量相等并均勻分布在光圈/瞳孔邊界14上。這種布置以下述方式提供雙軸運(yùn)動(dòng)傳感。光點(diǎn)中的每一個(gè)在光圈/瞳孔邊界14自己的位置上產(chǎn)生一定量的反射。由于邊界14隨著眼的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，因而從光點(diǎn)21、22、23、24的反射量也隨著眼的運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化。由于4個(gè)光點(diǎn)在圓形邊界幾何形狀上的均勻分布，眼睛的水平或垂直運(yùn)動(dòng)由從相鄰兩對(duì)光點(diǎn)反射量的變化來(lái)檢測(cè)。例如，眼的水平運(yùn)動(dòng)通過(guò)將光點(diǎn)21、24的組合反射與光點(diǎn)22、23組合反射進(jìn)行比較來(lái)監(jiān)測(cè)。同樣，眼的垂直運(yùn)動(dòng)通過(guò)將光點(diǎn)21、22的組合反射與光點(diǎn)23、24組合反射的比較來(lái)監(jiān)測(cè)。
更為特殊的是，發(fā)送部分包括一個(gè)905毫微米脈沖二極管激光器102，二極管102通過(guò)光纖104將光傳輸給光纖部件105，光纖部件105將來(lái)自激光器102的每個(gè)脈沖分解并延遲為4個(gè)能量相等的脈沖。部件105包括1至4個(gè)光分離器106，將4個(gè)等能量脈沖輸出給光纖108、110、112、114。為了采用一個(gè)單一的處理器來(lái)處理光纖108、110、112、114傳輸?shù)拿總€(gè)脈沖產(chǎn)生的反射，每個(gè)脈沖分別為光纖延遲線(xiàn)109，111，113和115均勻延遲。例如，延遲線(xiàn)109產(chǎn)生零延遲，即延遲＝0X。(其中X為延遲增量)；延遲線(xiàn)111產(chǎn)生X延遲，即延遲＝1X，等等。
脈沖重復(fù)頻率和延遲增量X的選擇使得傳感器100的數(shù)據(jù)率大于所關(guān)心的運(yùn)動(dòng)速度。對(duì)于眼睛的快速掃視運(yùn)動(dòng)，傳感器100的數(shù)據(jù)率至少應(yīng)為幾百赫茲量級(jí)。例如，約4KHz的傳感器數(shù)據(jù)率是由下列各項(xiàng)完成的1)選擇小的、但具有足夠值的X，使處理器160能夠處理數(shù)據(jù)(如160毫微秒)；2)激光器102的脈沖間的時(shí)間選擇為250微秒(即激光器102以4KHz的速率發(fā)出脈沖)。
4個(gè)等能量脈沖通過(guò)光纖116、118、120、122離開(kāi)部件105，這4條光纖組成一個(gè)光纖束123。光纖束123將各光纖安排為每條光纖的中心構(gòu)成方形的一個(gè)角。從部件105射出的光經(jīng)過(guò)偏振器124，偏振器124輸出如箭頭126所示的水平偏振光束。水平偏振光束126射向聚焦鏡130，在130中根據(jù)所關(guān)心的邊界調(diào)整光束126間的間距。另外，可提供變焦能力(未出示)以調(diào)整光點(diǎn)21、22、23、24形成的圖形的大小。這種能力使傳感器適應(yīng)不同病人和邊界等。
偏振光束分離塊(cube)140接收來(lái)自聚焦鏡130的水平偏振光束126。塊140的形狀使其能傳輸水平偏振光并反射垂直偏振光。因此塊140只傳輸水平偏振光束126，如箭頭142所示，這樣只有水平偏振光作為光點(diǎn)21、22、23、24射入眼10。光能從眼10反射后會(huì)去偏振，(即具有水平和垂直兩個(gè)分量)，如箭頭150所示。
接收部分首先引導(dǎo)反射光的垂直分量，如箭頭152所示。這樣，塊140用來(lái)從反射能中分離出傳輸光能，以進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。來(lái)自光點(diǎn)21、22、23、24反射光的垂直偏振部分穿過(guò)聚焦透鏡154射向紅外檢測(cè)器156。檢測(cè)器156將其信號(hào)傳送給多道峰值檢測(cè)電路158，檢測(cè)電路158主要是一個(gè)多峰值取樣和保持電路，各種各樣的這種電路在技術(shù)上已為人所熟知。電路158的配置是為了根據(jù)激光器102的脈沖重復(fù)率和延遲X取樣并保持來(lái)自檢測(cè)器156的峰值。例如，如果激光器102的脈沖重復(fù)率為4KHz，電路158每250微秒收集一次來(lái)自光點(diǎn)21、22、23、24的反射。
對(duì)每組4個(gè)光點(diǎn)(即激光器102的每個(gè)脈沖)的反射能相關(guān)的值送給處理器160，確定眼運(yùn)動(dòng)的水平和垂直分量。例如，令R21、R22、R23、R24分別表示一組光點(diǎn)21、22、23、24的檢出反射量，水平運(yùn)動(dòng)量直接由歸一化關(guān)系式(1)定量確定，(R21+R24)-(R22+R23)R21+R22+R23+R24---(1)]]>而垂直運(yùn)動(dòng)量直接由歸一化關(guān)系式(2)定量確定。(R21+R22)-(R23+R24)R21+R22+R23+R24---(2)]]>注歸一化(即除以R21＋R22＋R23＋R24)減小了信號(hào)強(qiáng)度變化的影響。眼運(yùn)動(dòng)的測(cè)量量一旦確定即送往光束角度調(diào)節(jié)鏡300。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)很多。定量測(cè)量眼運(yùn)動(dòng)量并用眼運(yùn)動(dòng)量來(lái)重新指導(dǎo)系統(tǒng)的激光發(fā)送和眼跟蹤部分，而與激光的定位機(jī)構(gòu)無(wú)關(guān)。系統(tǒng)的操作不干擾特殊治療激光或外科醫(yī)生實(shí)施眼睛治療手術(shù)。
雖然已就一特殊實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，仍可根據(jù)上述技術(shù)的能力作出多種變化和修改。因此，需要理解的是，在所附的權(quán)利要求范圍內(nèi)，可在特殊描述的內(nèi)容以外使用本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一剝蝕一表面的激光束發(fā)送和跟蹤系統(tǒng)，包括激光裝置，用于產(chǎn)生具有適于將所述表面剝蝕為一特定形狀的能量的、沿一初始光路的激光；一個(gè)光平移器，用于將所述初始光路平移到與所述初始光路平行的最終光路；一個(gè)光角度調(diào)節(jié)器，用于改變所述最終光路與上述初始光路的相對(duì)角度，使所述激光入射到所述表面；一個(gè)傳感器，用于檢測(cè)所述表面相對(duì)于所述光軸運(yùn)動(dòng)的可測(cè)量量，并生成指示上述運(yùn)動(dòng)可測(cè)量誤差的控制信號(hào)，所述光角度調(diào)節(jié)器響應(yīng)所述誤差控制信號(hào)，以改變所述最終光路的角度。
2.在權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)中，所述光平移器包括至少兩個(gè)能獨(dú)立平移動(dòng)的反射鏡，用于沿兩個(gè)相互正交的軸移動(dòng)初始光程。
3.在權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)中，所述光平移器包括至少兩個(gè)能獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡，用于沿兩個(gè)互相正交的軸改變最終光路的角度。
4.在權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)中，所述傳感器包括一個(gè)光源，用于產(chǎn)生不剝蝕所述表面的光能，該光能在一發(fā)送光路上傳播；一個(gè)光發(fā)送裝置，用于將所述發(fā)送光路上的所述光能發(fā)送給所述光角度調(diào)節(jié)器，根據(jù)所述光角度調(diào)節(jié)器改變所述發(fā)送光路的角度，所述光能最后入射到所述表面，并且所述光能的一部分從所述表面反射，作為反射能沿反射光路通過(guò)所述光角度調(diào)節(jié)器返回；一個(gè)光接收裝置，用于檢測(cè)來(lái)自所述光角度調(diào)節(jié)器的反射能并在所述反射能的基礎(chǔ)上產(chǎn)生誤差控制信號(hào)。
5.權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，還包括一個(gè)分光光束分離器，光學(xué)上位于所述傳感器、光平移器和光角度調(diào)節(jié)器之間，用于將所述光能引導(dǎo)給所述光角度調(diào)節(jié)器，將所述反射光能引導(dǎo)給所述傳感器，以及將所述最終光路引導(dǎo)給所述光角度調(diào)節(jié)器。
6.一用于剝蝕一表面的激光束發(fā)送和跟蹤方法，包括以下步驟將發(fā)光裝置產(chǎn)生的光束聚焦，使其入射到一個(gè)光束路徑調(diào)節(jié)器上，所述發(fā)光裝置的每個(gè)光束具有的能級(jí)不對(duì)所述表面產(chǎn)生剝蝕；使一激光束聚焦，使其以與所述發(fā)光裝置的光平行的關(guān)系入射到所述光路調(diào)節(jié)器，所述激光束具有適于剝蝕所述表面的能級(jí)；操縱所述光路調(diào)節(jié)器，使所述發(fā)光裝置的光和所述激光束以所述的平行關(guān)系入射到所述表面，所述發(fā)光裝置的一部分光從所述表面反射，成為相應(yīng)于所述發(fā)光裝置的反射光束的一部分，所述反射光的能級(jí)指示所述表面的運(yùn)動(dòng)；在所述反射光能級(jí)的基礎(chǔ)上重新排列所述光路調(diào)節(jié)器，以根據(jù)所述表面的所述運(yùn)動(dòng)及時(shí)以所述的平行關(guān)系移動(dòng)所述發(fā)光裝置的光束和所述激光光束。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中，所述操作和重新排列的步驟包括沿兩個(gè)互相正交的軸改變所述發(fā)光裝置的每個(gè)光束和所述激光光束的角度。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中，沿所述二個(gè)軸中每一個(gè)的光束角度能夠獨(dú)立改變。
9.一用于治療眼睛表面的眼治療激光束發(fā)送和眼跟蹤系統(tǒng)包括激光裝置，用于產(chǎn)生沿一初始光路的并具有適于治療所述眼睛的能級(jí)的激光；一個(gè)光平移器，用于將所述初始光路平移到最終光路；一個(gè)光角度調(diào)節(jié)器，用于改變所述最終光路相對(duì)于所述眼睛的光軸的角度，在這之后所述激光即入射到所述眼睛；一個(gè)眼運(yùn)動(dòng)傳感器，用于檢測(cè)所述眼睛相對(duì)于所述光軸運(yùn)動(dòng)的可測(cè)量量并產(chǎn)生指示運(yùn)動(dòng)可測(cè)量量的誤差控制信號(hào)；所述眼運(yùn)動(dòng)傳感器包括1)一個(gè)光源，用于產(chǎn)生不損傷所述眼睛的光能；2)一個(gè)光發(fā)送裝置，用于將所述光能沿一發(fā)送光路發(fā)送給所述光角度調(diào)節(jié)器，該發(fā)送光路與所述最終光路成平行關(guān)系，所述光角度調(diào)節(jié)器根據(jù)所述最終光程的角度改變所述發(fā)送光路的角度，所述光能和所述激光以所述的平行關(guān)系入射到所述的眼睛，所述光能的一部分從所述眼睛反射，成為反射能沿反射光路通過(guò)所述光角度調(diào)節(jié)器返回；3)一光接收裝置，用于檢測(cè)來(lái)自所述光角度調(diào)節(jié)器的所述反射能并在所述反射能的基礎(chǔ)上產(chǎn)生所述誤差控制信號(hào)，所述光角度調(diào)節(jié)器對(duì)所述誤差控制信號(hào)作出響應(yīng)，以根據(jù)所述最終光路和發(fā)送光路的相互關(guān)系改變各自的角度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述激光裝置為193毫微米波長(zhǎng)的激元激光器，其能級(jí)適于在光分解過(guò)程中剝離所述眼睛的角膜組織。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述光角度調(diào)節(jié)器至少包括二個(gè)能獨(dú)立平移的反射鏡，用于沿兩個(gè)相互正交的軸移動(dòng)所述原始光程。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述光角度調(diào)節(jié)器至少包括二個(gè)能獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡，用于沿兩個(gè)相互正交的軸改變所述最終光路和所述發(fā)射光路的角度。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述光源產(chǎn)生波長(zhǎng)在可見(jiàn)光譜之外的所述光能。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述光源產(chǎn)生波長(zhǎng)大約為900毫微米的所述光能。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，還包括一個(gè)分光光束分離器，光學(xué)上位于所述眼運(yùn)動(dòng)傳感器、光平移器和光角度調(diào)節(jié)器之間，用于將所述光能引導(dǎo)到所述光角度調(diào)節(jié)器，將所述反射光能引導(dǎo)到眼運(yùn)動(dòng)傳感器，以及將所述最終光路引導(dǎo)到所述光角度調(diào)節(jié)器。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述系統(tǒng)，其中，所述光發(fā)送裝置包括一個(gè)光分離器，用于將所述光能轉(zhuǎn)化為多個(gè)光點(diǎn)；聚焦鏡，用于將通過(guò)光角度調(diào)節(jié)器的所述多個(gè)光點(diǎn)聚焦，使所述多個(gè)光點(diǎn)入射到一邊界的多個(gè)對(duì)應(yīng)位置上，該邊界的運(yùn)動(dòng)與所述眼睛的所述運(yùn)動(dòng)一致，所述邊界由兩個(gè)具有不同反射系數(shù)的視覺(jué)上毗鄰的表面來(lái)確定，上述反射光能的一部分從所述多個(gè)位置的每個(gè)位置上反射。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中，所述邊界為圓形，并且所述多個(gè)光點(diǎn)包括4個(gè)光點(diǎn)，所述聚焦鏡包括使所述4個(gè)光點(diǎn)大致均勻地分布在所述圓形邊界上的裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述圓形邊界位于所述眼睛的瞳孔中心周?chē)?br> 19.根據(jù)權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中，所述圓形邊界自然地出現(xiàn)在所述眼睛的表面。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)光點(diǎn)的每一個(gè)都在可見(jiàn)光光譜之外。
21.根據(jù)權(quán)利要求16的系統(tǒng)，其中，所述激光裝置為193毫微米波長(zhǎng)的激元激光器，其能級(jí)適于在光分解過(guò)程中剝離所述眼睛的角膜組織，并且上述多個(gè)光點(diǎn)的每個(gè)均具有大約900毫微米的波長(zhǎng)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其中還包括一個(gè)分光光束分離器，光學(xué)上處于所述眼運(yùn)動(dòng)傳感器、光平移器和光角度調(diào)節(jié)器之間，用于將所述多個(gè)光點(diǎn)傳輸給所述光角度調(diào)節(jié)器，將所述反射光能傳導(dǎo)給所述眼運(yùn)動(dòng)傳感器，以及將所述最終光路反射至所述光角度調(diào)節(jié)器。
23.根據(jù)權(quán)利要求16的系統(tǒng)，其中所述光發(fā)送裝置還包括將上述多個(gè)光點(diǎn)中的每一個(gè)偏振為水平偏振分量的裝置；一個(gè)偏振光束分離塊，用于只把所述多個(gè)光點(diǎn)中每個(gè)光點(diǎn)的水平分量傳輸給所述光角度調(diào)節(jié)器。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的系統(tǒng)，其中，所述反射能被偏振為水平和垂直偏振光，所述接收裝置包括所述偏振光束分離塊，用于引導(dǎo)所述反射能，該反射能是垂直偏振的，其來(lái)自水平偏振的所述反射能。能量檢測(cè)鏡，用于測(cè)量所述的垂直偏振反射能；一個(gè)處理器，根據(jù)垂直偏振反射能確定所述眼運(yùn)動(dòng)的所述可測(cè)量量。
25.一用于眼治療的激光束發(fā)送和跟蹤系統(tǒng)包括一激光器，用于產(chǎn)生具有適于眼治療的能級(jí)的沿初始光路的激光；一個(gè)用于將初始光路移至與初始光路不同的光路的機(jī)構(gòu)；一個(gè)傳感器，用于檢測(cè)所述眼運(yùn)動(dòng)的可測(cè)量量并產(chǎn)生指示所述運(yùn)動(dòng)的可測(cè)量量，所述機(jī)構(gòu)對(duì)所述控制信號(hào)作出響應(yīng)，將所述光路改變?yōu)樗龅牟煌饴贰?br> 26.一用于剝蝕一表面的激光束發(fā)送和跟蹤系統(tǒng)包括一個(gè)激光器，用于產(chǎn)生具有其能級(jí)適于剝蝕所述表面的沿初始光路的激光；一個(gè)用于根據(jù)所述表面形狀改變的特定圖形結(jié)果將所述初始光路移至不同光路的機(jī)構(gòu)；一個(gè)傳感器，用于檢測(cè)所述表面運(yùn)動(dòng)的可測(cè)量量并產(chǎn)生指示所示運(yùn)動(dòng)可測(cè)量量的控制信號(hào)；一個(gè)分立的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，用于根據(jù)所述控制信號(hào)改變所述光路，其中，對(duì)所述激光束進(jìn)行校正，以獲得所述的特定圖形。
27.通過(guò)對(duì)眼睛角膜上的手術(shù)改變眼睛的光學(xué)特征的方法，該方法包括選擇性紫外線(xiàn)照射和光分解角膜剝離，除去一定體積的角膜組織，深入角膜基質(zhì)一定深度，并達(dá)到預(yù)定的彎曲剖面，其中，該方法包括探測(cè)眼睛的位置以及調(diào)節(jié)所述的紫外線(xiàn)幅照，以保證達(dá)到所述的預(yù)定曲線(xiàn)剖面。
28.將一物體剝蝕為所需形狀的方法包括以下步驟產(chǎn)生多次激光束照射點(diǎn)；選擇所述多次激光束照射點(diǎn)的照射點(diǎn)圖形，其中，所述照射點(diǎn)圖形將所述物體剝蝕成所需的形狀；將所述物體進(jìn)行多個(gè)激光束點(diǎn)照射，激光束以一空間分布圖形分布在所述要?jiǎng)兾g的物體的范圍內(nèi)，使逐次照射各次之間有足夠的距離，這樣剝蝕下的物質(zhì)不會(huì)干擾后面的照射點(diǎn)；重復(fù)進(jìn)行所述激光束的照射，直至累積的照射充滿(mǎn)并完成所述圖形，達(dá)到所需的形狀。
29.將一物體剝蝕成所需形狀的系統(tǒng)包括一個(gè)脈沖激光器，用于產(chǎn)生多次激光照射，所述多次激光照射的每一次都在初始光路上傳播；一個(gè)根據(jù)預(yù)先規(guī)定的照射圖形將初始光路移至與其不同的光路的機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)中將所述多激光束照射引導(dǎo)到要被剝蝕的物體；和一個(gè)控制器，用于根據(jù)所述的預(yù)定照射圖形給所述機(jī)構(gòu)發(fā)出移動(dòng)控制指令，其中，所述照射點(diǎn)圖形能夠把所述物體剝蝕成所述的需要的形狀；所述控制器發(fā)出對(duì)所述物體進(jìn)行所述多次激光束照射點(diǎn)的移動(dòng)控制指令；照射以一空間分布的照射點(diǎn)圖形分布在要?jiǎng)兾g的物體的范圍內(nèi)，使所述激光束依次照射在所述物體上相距足夠距離的位置，使前一次照射剝蝕下來(lái)的物質(zhì)在后續(xù)的鄰近照射前散逸，累積的照射充填并完成預(yù)定的照射點(diǎn)圖形，以達(dá)到所需的形狀。
30.把一物體剝蝕成一特定形狀的方法包括提供一個(gè)需要加工成形的物件；提供需要從所述物體上剝蝕下來(lái)的物質(zhì)的體積和形狀；提供具有一定脈沖重復(fù)頻率的脈沖剝蝕光束，以從所述物件上磨掉微小體積的物質(zhì)；對(duì)剝離物質(zhì)的光束提供一個(gè)重疊的、但不是共軸的位置圖形；為所述光束提供一個(gè)脈沖排序程序，其中，該程序中所述的逐次剝蝕脈沖相互空間隔開(kāi)至少一個(gè)光束寬度，同時(shí)又應(yīng)足夠靠近，使光束能在脈沖重復(fù)頻率的時(shí)間內(nèi)移到下一次的位置；根據(jù)所述圖形以一定順序從所述物件上進(jìn)行剝離物質(zhì)直至達(dá)到一定的形狀。
全文摘要
一表面處理的激光束發(fā)送和跟蹤系統(tǒng)。激光器(500)產(chǎn)生沿一光路的具有適于處理一表面的能級(jí)的激光(502)。一光平移器(520)將該光路移至一最終光路。一光角度調(diào)節(jié)器(310、316、320、326)改變最終光路相對(duì)于初始光路的角度，使激光入射到要處理的表面。一運(yùn)動(dòng)傳感器(100)將光能(101-T)傳輸?shù)皆摫砻娌⑼ㄟ^(guò)光角度調(diào)節(jié)器接受來(lái)自該表面的反射光能(101-R)。光能通過(guò)光角度調(diào)節(jié)器沿與移動(dòng)后的光束平行的路徑傳播。運(yùn)動(dòng)傳感器檢測(cè)該表面相對(duì)于初始光路的運(yùn)動(dòng)并且產(chǎn)生指示運(yùn)動(dòng)的誤差的控制信號(hào)。光角度調(diào)節(jié)器響應(yīng)誤差控制信號(hào)以改變最終光路的角度。
文檔編號(hào)A61N5/06GK1154658SQ95193448
公開(kāi)日1997年7月16日 申請(qǐng)日期1995年4月18日 優(yōu)先權(quán)日1995年4月18日
發(fā)明者R·W·弗雷, J·H·布哈特, G·P·格雷, 小G·R·唐尼斯, J·E·麥韋特, N·澤金 申請(qǐng)人:獨(dú)立技術(shù)公司