複雜光學診斷及治療系統中的反射光的光譜分離的製作方法
2023-05-03 07:23:21 1
專利名稱：複雜光學診斷及治療系統中的反射光的光譜分離的製作方法
技術領域：
本發明涉及鏡片(optics)，特別是涉及用於醫學用途的鏡片，如在光學檢測、診斷及治療儀器中的鏡片。本發明的方法和裝置涉及怎樣使得各種多功能光學組分同時運轉而組分功能中的任何一個功能在使用中沒有大的降低且並不大量增加所需照明水平，所有這些光學組分通常將爭奪從靶目標回來的反射信號。所考慮的各種光學組分是雷射、多實時診斷(multiple real-time diagnostics)，聯機視頻成象(on-line video imaging)及其它測試和測量設備。
在醫學中雷射的歷史到現在已跨越了近三十年。最初，雷射為醫學提供了一個新技術，在經歷這幾十年的過程中，已逐步了解到雷射可以作為一種治療儀器的名種應用。由於對雷射在進行治療過程的耐久力的把握已經增加，所以人們正在繼續地研究使用雷射的新方式以致力於在總是增加的應用範圍內使雷射應用更為有效。
在用於醫學目的的光學診斷儀器中，特別是眼科學和眼科手術中，包括形貌測量形狀成象(topographical and shape imaging)、細胞計算(cell counting)、視頻顯微鏡成象(video microscope imaging)及運動識別(motion recognition)的若干個不同類型的分析和診斷，可以通過將反射光和射線從靶目標表面引導到檢測器的適當形式上。作為一個例子，看一下1989年12月22日存檔的未決申請系列第146，109號，該申請與本發明指定了同一代理人。
使用共軸照明，反射光的共同光束來執行一系列不同的診斷及治療功能，比如在眼科診斷或支持眼科手術中有時可能是所希望的。特別是在眼科實踐中，將共同反射光束分離成一系列光束有時是必要的或所希望的，如用於形貌測量成象，用於產生一個或多個視頻成象，用於檢測運動或其它功能。見未決美國申請系系第307，315號和457109號，它們分別和擋於89年2月6日，和89年12月22日，且與本發明指定同一代理人，在這裡一塊作為參考。這些未決申請包括成象、跟蹤及角膜表面檢測儀器。因而，增加雷射操作的有效性通常需要光學診斷及光學傳感技術的共軸應用以更好地識別各個靶目標的形狀及位置。這可以導致來自所希望的各種診斷探測儀器對反射光的爭奪(competifion for)。這種現象的一個例子是出現在眼科學中，精確折光的白內障或玻璃體視網膜外科手術隨時需要測量儀器的廣泛排列的聯機集成(on-line integration of wide array of measurment devies)，象所參考的專利系統中在某種程度上說明的那樣。
在折光手術中，外科醫生需知角膜的最初形狀，所說角膜的健康狀態及損害的形狀指標，這個指標將導致所說角膜的所希望的最終形狀。還有，外科醫生需能夠設立雷射將要損害的位置並能夠使這種損害與病人眼運動無關。此外，外科醫生需要通過直接或間接成象的某種形式來監視操作的整個過程。
普通的方法是使用時而被極化，時而經過紫外線(UV)和紅外線(IR)濾色器的白光照明以及用於每一個所需的不同診斷元件檢測器的基本是白光檢測器。如果只需少量檢測器，這並不給所用的照明水平增加負擔。當需要更多的檢測器時，標準的方法是增加照射在眼睛上的照明量來提供檢測所需的足夠的反射光。另一種通常串聯同時(intandem)使用的方法是使用靈敏度總是增加的檢測器。
對檢測器的靈敏性以及對在設有眼損傷僅是不舒服的情況下人眼所能承受的照明量都存在著限制。而且，對於在沒有損害的情況下所能經受的熱和光的強度來說，鏡片，反射器及在這些光學元件上的塗層有著實際上的局限。
曲型的白光源如用於外科手術的照明或用於眼科診斷照明目的的白光源的光譜一般表現出高斯(Gaussian)分布。白光的可見光譜部分的強度對曲線的峰值上的中波來說是最大的，強度朝向光譜的紅外線與紫外線端尖銳的下降。
已知，在鏡片和鏡子的表面的光學塗層能影響照在光學元件上的光的光譜分離。這樣的塗層通常用於太陽鏡及各種雷射應用中，它引起光譜的被選擇部分即所選擇的光的中波範圍波反射而剩餘部分被傳輸。
然而，在本發明之前，經過光束分離器上的光學塗層及類似光學元件的光譜選擇性並沒有以如下描述的本發明的方式來應用，來加強用於多個診斷和成象功能的所給光的強度的效用。根據本發明，可以串聯同時使用相對低價的檢測器用相對類似的照明水平來工作。
本發明的方法，裝置及系統通過增加已給的輸入照明強度中的有用光的有效量，通過分離反射光的光譜來解決這些問題。在多個不同檢測裝置中的每一個上使用反射光的不同光譜範圍，每個不同檢測裝置由於其靈敏度而被選擇到可用的特殊光譜範圍。
本方法和系統在光學診斷中特別有用，以便使得可以將限制了強度的照明光束為一系列不同分析和診斷目的用作反射光。一系列在反射光光道裡的被塗復的光束分離器被用於將返回的反射光束分離成不同光譜成分，光譜成分的每一種是分別從共軸光中反射出來的，用於不同的診斷目的。
結果，可更有效地將相對低強度的照明光束在若干個甚至4或5或6個不同檢測器中產生信息。
用本發明的系統和方法，可以保持對眼的安全、相對低水平的照明，同時仍能使光源不同的光譜成分服務於大量的傳感器、觀察和分析儀器。
在本發明的一個實施例中，照明光束具有在強度上在被擴展的最上及最下波長範圍內但仍在安全水平內的光譜成分，它使光譜分布非高斯化且更加平坦。由於光束的這樣的修正，光的應用更加擴展。
本發明的原則可應用於別的光學診斷系統如在工業過程中，不包括眼的分析。特別是，這個系統可應用於任何這樣的過程，在這個過程中最大允許光水平非常有限，在這個過程中，若干個不同類型分析或傳感必須用同一反射光束進行以便改進這個過程，結果存在對可用光強度的爭奪。這可能發生在比如，調查的對象或工業操作的對象只能經受一個有限的熱度的地方或者是對象是光敏材料帶有嚴格的光水平限制的地方。
在本發明的一個實施例中，用於眼分析的光學診斷系統包括為了診斷目的接受從病人眼中的反射光的各個傳感器。這個系統包括用於將照明光束送向眼中的照明裝置，這個光束可以通過系統的一個光道共軸傳遞，而不能離軸傳遞。在從眼的反射光道中至少有一個光束分離器，它的放置是為了接收從眼的光學表面被反射並返回到一個光束分離器的照明光束。
為了離軸反射基本在第一預定選波長範圍內的所有光，在反射光光道中提供一個在至少第一光束分離器上的第一塗層裝置。第一光束分離器具有用於傳遞基本上所有反射光的剩餘波長的裝置。
當從眼中的反射光被在多個連接光束分離器中的至少一個光束分離器分離時，多個檢測光學裝置的每一個被放置來接收從眼中的反射光的一部分。通過這種安置，從眼中的反射光的光譜比反之所能獲得的光譜實質上更大的部分在檢測儀器中被用於診斷目的。這使得照明光束的強度被減少到最低值。
在最佳實施例中，在從眼反射光的光道中向下沿著這一光束分離器的光道上有進一步的連續光束分離器。塗層被包括在連續光束分離器上，用於反射出光的各個分離光譜部分且用於傳遞剩下的部分。
因而，在本發明的目標中有提供一被改進的共軸光學診斷系統，在這個系統中，為了檢測和分析的目的通過有效利用的光的基本上所有光譜部分相對低水平的光被用於照明病人的眼或其他靈敏物件或工件。本發明的這些或其它目標，優點及特徵將通過下列最佳實施例的描述，及綜合附加權利要求更加明確。
圖1是一個示意圖，示出了在一光學診斷系統中根據本發明的一種安置。
圖2是一類似的圖，示出了也在本發明原則內的一個稍加改進的一個裝置。
圖3是一曲線圖，示出了典型白光的高斯分布，相對于波長的強度的劃分。
圖4是一類似於圖3的曲線圖，但是示出的是可根據本發明來使用的光的加強分布。
在附圖中，圖1示出了根據本發明的一個光學診斷和/或外科手術系統10，雖然示出的系統10與眼科應用有關，但應理解為系統是可應用於任何這樣過程的，在這個過程中最大允許照明水平是有限的，且在這個過程中若干不同類型的分析傳感是用從一個工件中反射的同樣的反射光來完成的。這可以包括工業過程，在這些工程中工件或調查的物體已能經受一個有限的熱波或光波，但在這裡卻需要或希望對工件的不同診斷的多樣性。
如圖1所示，本發明的系統10可用於病人眼睛12的診斷和分析。眼睛可以用如圖示的一照明器B來照明，離軸且斜著瞄準眼睛;或是可以用如圖1所示的照明器A來交替照明。照明器A是直接在從眼返回的反射光的軸14上的。軸14不必與眼的視軸(未示出)相一致。
如圖1中的圖解實施例所示，如果使用照明器A，照明光束16穿過一個光分離器鏡子18，該鏡可以是用於將系統瞄向眼睛的旋轉鏡(turning mirror)，可以是跟蹤眼運動的跟蹤系統的部分。鏡18也可以用於瞄準一外科手術雷射20，該雷射可包括在系統中，象下面進一步討論及在例如上面參考的未決申請系列第37，315號中所示出的那樣。照明光束16一般沿軸14穿過。照明光束16穿過系統的物鏡22，通過物鏡光束波聚焦在眼12上。
如附圖所示，從眼中返回、被反射的光沿反射光軸14通過物鏡22運行且從鏡18被反射。通過在鏡18上一適當塗層，即在面向眼的一邊上的標準高反射塗層(和在相對邊上的一抗反射塗層或不反射塗層)，實際上100%的反射光束14將沿系統的一連續的被折光學軸24來穿過。
圖1說明了本發明的原則，由此原則一系列反射光束24的分離光譜成分可以從光束24中分離且用於不同的、分開的診斷目的。例如，光束的不同成分的診斷應用中一些可以是一角膜鏡(corneoscope)，內皮細胞計算器(endothelial cell counter，眼內壓監視器(intraocular pressure monitor)，流體速度計(fluid velocimefer)，分光儀(spectrometer)，底部相機(fundns camera)或一形貌成象(topographic imaging)裝置，就象1989年12月22日存檔且指定了與本發明相同代理人的共同未決申請系列第456，109號所示。
在圖1中所示的例子中，第一被塗復的光束分離器鏡26將反射光的第一光譜分離部分從眼反射到可變焦相機30(zoom video camera)中，相機30可用於使眼的特徵成象，且這可以包括顯微成象。第二被塗復光束分離鏡32是將反射光束的第二光譜分離部分34反射進第一眼科診斷儀36，該診斷儀可以例如是上面所略述的任何診斷儀。第三被塗復光束分離器鏡38分離出反射光的第三光譜分離部分40用於第二診斷儀42，該診斷儀又可以是上面略述的儀器中的一個。
圖1也示出了第四和第五塗復光束分離器鏡44和50可以分別分離光束的光譜分離部分46和52，用於另外的診斷或外科輔助器械48和54。器械48可以是運動識別檢測器，它可以用於通過附圖所示的雷射20來輔助眼科雷射手術。最後的光束分離器50因而允許外科手術雷射束56穿過並沿光軸24向眼睛運動，且在外科手術過程中由與眼的運動的檢測相對應的旋轉鏡18來控制方向。
圖2是一個與圖1類似的圖，但示出了另一個更簡單的安置，它仍在本發明的原則中。在圖2中被折光鏡反射的從眼12的反射光束14、24隻通過二個被塗復光束分離器60和66被分離光譜。光束分離器60分離出反射光的光譜分離部分62且將其引導到第一眼科診斷裝置64上。這個裝置可以是上面略述的任何一個診斷儀器，或例如是一用於使眼的各部成象的可變焦相機。這個光束分離器66分離出反射光的光譜分離部分68且引導到另一眼科診斷儀70上，該診斷儀70也可以是上面討論的器械中的任何一個。
在這個實施例中，光束分離器66將反射光束24的剩餘部分72傳到另一診斷儀74中，該診斷儀是作為用於眼診斷的檢測器的另一種形式被示出的。光72的剩餘部分包含還設有分離成光譜分離部分62和68的所有光譜部分，象上面參考的申請系列第456，109號中所說，當使用從同一靶目標瞬時出現反射，這些儀器的這種多樣性可以實施時，利用這種同時性的新過程就可實行了。
圖3和4示了根據波長的光的分布…即強度對波長。圖3示出了一般的發生在普通白光的例子中的典型高斯分布。在圖3中80和82代表的最高強度可見光波段典型的分別是450nm-600nm波段，和600nm-750nm。這些一般分別代表可見光的蘭-綠和紅色。在短波長範圍84中的光比如400-450nm波段具有稍低的強度。具有還要低的波長的波段86如300nm到400nm具有非常低的強度，特別是在這個波段的低限更是低強度，如所示。這是光譜的紫外線端，對許多診斷目的來說，在峰值光強必須達到一預定極限的條件下如用於眼科診斷時這裡大部分波長的強度都太低。
n個在圖3的高斯分布曲線中示出的附加波長波段88和90是在紅外線範圍並在此範圍之上。如所示，波段88的部分及通常所有的段90在強度上太低以致不能用於如上面討論的診斷目的。這些波長範圍可以是以大約800nm到120nm，及從1200nm到波長光譜的有效上端。光譜範圍的進一步再細分如果需要是可以接納大量的具有分離功能、共軸的裝置。
可以看到，如果由在圖3中列出的分布所表示的白光用於例如如圖1和圖2所示的若干診斷和成象和其他光檢測及支持眼科手術的目的，且沒有任何反射光束的光譜分離，在光道上的每一個連續光束分離器將降低通過光束分離器所傳遞的剩餘光的強度。用於各種診斷及成象裝置的可用光量因而僅由反射光束的峰值強度來決定。這個峰值強度被分離在若干個診斷和成象裝置中，這些裝置爭奪可獲得的光，一些需要比另一些更大的強度。對這樣的大量裝置如圖1所示出的數目，用反射光的可獲得的水平來支持所有裝置通常是不可能的。被照明器A或照明器B送入眼中(或一工件或其它無件)的源光束是如上面所述受到限制。
因而，用本發明，可以支持如圖1所示的一系列診斷裝置，每一個裝置具有用於裝置的特殊需求的足夠光強。作為例子，圖3示出6個不同波段的高斯分布光譜。這6個分離波段中可以選擇5個用於圖1中所示的5個器械的需求。某些裝置可以更好地使用紫外線信號，波段86可由一適當塗復的光束分離器分離並送到檢測器。某些檢測器可以不需要象其它的檢測器那樣的高強度，光束光譜分離部分86或88可以被引導到這些裝置上。以這樣方式，不增加引入眼中的光的峰值強度，第一個檢測器器械可以被送入足夠的光強度以用於所需目的。這個可利用的反射光在某種意義上如圖3示出的那樣是水平分離的，不同波段一般是有相似的強度。這相對於光的「垂直分離」，這種分離是由一個反射白光信號的簡單連續分離引起的。它減少了在第一個連續分離器上的剩餘強度。
圖4是一曲線圖，示出了一個可以產生於和用於本發明的增強光分布曲線92。圖4中示出的平坦峰值強度分布對使用本發明的原則具有特殊的優勢。用這個波長/強度分布，更多的波長段可用於上述的診斷、成象等目的，所有波段具有基本相同的強度。
為了用圖4所示出的一般光譜分布來產生源光，可在光譜兩端加強白光，即附加紫外線光可被加在一端，附加紅外線光被加在另一端。最好完成這種加強結果更多的極限和弱強度範圍可被支撐到一更大強度，以使產生儘可能寬的平坦頂端峰值強度曲線。因而，如圖4所示，這種加強可發生在從大約450或500nm開始，及在波長的上極端通過紅外線範圍到大約1200nm，而且也許可包括一些或全部的可見紅光範圍。這樣的加強可以通過例如使用帶有被加入到照明器白光源之中的附加白光濾色器或從特殊光源如紫外線和紅外線波段光發生器加入光中來完成。
可用於光束分離器26，32，38，44，50，60和66上的選擇塗層可以Newport研究公司(Newport Research corporation)獲得。見最新出版的Newport研究公司的Newport目錄」，例如N-105頁。也看一下光學塗層實驗室公司(Technical Products Division，Optical Coating Laboratory Inc)技術產品部的目錄中所列的色彩分離二色性的濾色器，公司地址Box1599，Santa Rosa，California 95402。這種選擇塗層技術在已知技術中是很好的。
上面描述的最佳實施例是試圖示出本發明的原則，但不局限於這個的範圍。其它的實施例及對最佳實施例的變換對那些在本領域中熟悉的人來說是明顯的，它們在不偏離如下面權利要求中所確定的本發明的精神及範圍的條件下是可以實施的。
權利要求
1.在一個用於實時眼分析的光學診斷系統中，包括多個接收從病人眼中反射光以用於診斷目的的傳感器，這項改進包括將照明光束軸向地通過一光道送向眼中的照明器，在照明裝置與眼間的照明光束上的多個連續光束分離器，每一個分離器具有將基本上所有照明光束沿所說光道傳輸到眼中的裝置，用於將從眼的光學表面反射回的光沿所說光道共軸送回多個連續光束傳感器的裝置，在反射光道裡至少一個第一光束分離器上的第一塗層裝置，它用於將在第一預選波長段裡的基本上所有光反射離開光道，且所說第一光束分離器具有用於傳遞反射光的基本上所有剩餘波長的裝置，在反射光道裡的多個光束分離器中的一個連續光束分離器上的第二塗層裝置，它用於將在第二預選波段的基本上所有反射光反射離開光道，且所說連續光束分離器具有用於傳遞反射光的基本所有剩餘波長的裝置，在最後反射光束分離器上的最後塗層裝置，它用於將基本所有剩餘光反射離開光道，且多個檢測光學裝置，每一個放置來接收從多個連續光束分離器裡的一個光束分離器反射回來的光，且由此，從眼中反射的光中的基本上較大部分的光譜都在檢測設備上用於診斷目的，使能夠將照明光的強度減至最低。
2.在用於實時眼分析的光學診斷系統中，包括多個用於接收從病人眼中反射回來的光以用於診斷目的的傳感器，這項改進包括將一照明光束送入眼中的照明裝置，在從眼的反射光道裡所安置的至少一個光束分離器，以便接收從眼的光學表面反射回所說光束分離器的照明光束中的光，在反射光道裡至少第一光束分離器上的第一塗層裝置，它用於將在第一預選波段裡的基本上所有光反射離開光道，且所說第一光束反射器具有用於傳輸反射光的基本所有剩餘波長的裝置，且多個檢測光學裝置，每一個安置來接收從眼中反射的光的一部分，這部分是由多個連續光束分離器中至少一個所說光束分離器所分離的，由此，從眼反射的光中的光譜用在檢測設備上用於診斷目的的部分基本大於反之沒有光譜分離時獲得的光譜部分，從而使得照明光束的強度減至最低。
3.權利要求2中的裝置，包括在從眼反射的光的光道中安置的多個連續光束分離器，且進一步包括在反射光道裡多個光束分離器中的一個連續光束分離器上的第二塗層裝置，它用於將在第二預選波段中的基本所有反射光反射離開光道，而且所說連續光束分離器具有傳遞反射光的基本所有剩餘波長的裝置，包括至少三個檢測儀的多個檢測光學儀器，每一個用於接收從眼中反射的光的不同光譜部分。
4.權利要求3的裝置，進一步包括在最後反射光束分離器上的最後塗層裝置，它用於將基本所有剩餘光從光道上反射離開光道，反射到所說多個檢測光學儀器之最後一個上面。
5.權利要求2的裝置，在這個裝置裡，照明裝置包括用於用特殊加強光譜部分發射照明光的照明裝置，由於用此特殊加強光譜部分，結果光束的光譜分布並不按照白光的典型高斯分布。
全文摘要
一個用於支持雷射眼外科手術的診斷系統，解決了在使用一系列不同檢測器來接收和檢測反射照明光束的靶目標的特徵時經常遇到的光爭奪問題。照明光束的強度，特別在眼手術中被限制一水平上，在一個使用多個連續光束分離器的系統中，一系列檢測儀器爭奪足夠的光強以用於特殊功能。本發明的系統解決了這個問題且通過在光從眼中反射後分離光譜的方式從一已給輸入強度中增加有用光的有效量，由此，利用了在多個不同檢測儀器上的光的不同光譜範圍。
文檔編號A61F9/00GK1069404SQ91105540
公開日1993年3月3日 申請日期1991年8月12日 優先權日1991年8月12日
發明者H·阿爾弗雷德·斯克拉, 阿蘭·M·弗蘭克 申請人:鳳凰雷射系統有限公司