測定雷射束光斑特性的方法和設備的製作方法
2023-04-24 21:00:31 2
專利名稱：測定雷射束光斑特性的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及測定雷射束特性的校準技術，特別是用於雷射眼外科手術系統。更具體說，本發明提供測定雷射束光斑在靶上的大小和/或位置的裝置、系統、和方法，並為產生、驗證、或調整燒蝕算法，提供輸入，該算法供設計一再雕刻過程使用。在結合雷射眼外科手術系統使用時，本發明能夠幫助測定傳送至病人角膜上的雷射束光斑圖形，還能夠用於校準雷射束傳送系統。
背景技術：
當進行雷射眼外科手術時，例如用折光的雷射束系統，燒蝕病人角膜上的靶區時，能對入射角膜的雷射束光斑尺寸，有精確的信息，是十分有利的。對需要的光斑大小和形狀的偏差，例如因雷射束光斑直徑的增加或減小，或因光斑呈現橢圓形或不對稱形狀，可使每一雷射脈衝在病人角膜不需要燒蝕的地方，把組織燒蝕，導致該再雕刻不理想。雷射光斑位置的不精確，可能導致偏離中心的燒蝕。
發明內容
本發明提供測定雷射束光斑特性的方法和設備，該特性通常包括雷射束光斑的強度、大小、和/或位置。本發明的一個優點，是能與雷射眼外科手術系統一起使用，能夠在用該雷射束光斑燒蝕病人角膜某一區域之前或同時，精確測定雷射束光斑的大小(包括其直徑、面積、和偏心率)。
在本發明的優選方法中，令雷射束沿掃過一參考刀口(最好包括刀口)的路徑掃描，把光電檢測器置於參考刀口後面，掃描期間，雷射束最好基本上始終沿垂直於參考刀口平面的光路。
雷射束掃描期間在時間上的各瞬間，光電檢測器產生的輸出信號，與實際入射該光電檢測器的雷射束(就是沒有被參考刀口阻擋)的百分比對應。對能量均勻分布的光束，入射光電檢測器的雷射束能量的百分比，與入射光電檢測器的雷射束光斑面積對應。通過掃描期間測量光電檢測器輸出信號的特性，本發明提供的系統能測定雷射束光斑的大小和形狀，以及雷射束的強度。在某些優選方面，是用計算機根據光電檢測器的輸出信號，計算雷射束的強度和形狀曲線的。
如上所述，光電檢測器產生的輸出信號，與入射其上的雷射束光斑面積的大小對應。因此，當雷射束全部入射參考刀口上時(即當雷射束被參考刀口阻擋，不能到達光電檢測器時)，該光電檢測器將不產生輸出信號，或產生只因噪聲的最小輸出信號。相反，當雷射束光斑已經完全掃過參考刀口，全部入射光電檢測器上時，光電檢測器將產生最大的輸出信號。
入射光電檢測器的雷射束光斑面積越大，光電檢測器產生的輸出信號越強。因此，本發明的一個優選方面是，雷射束的強度由測量光電檢測器的最大輸出信號測定，此時雷射束光斑全部入射光電檢測器上，且不被參考刀口阻擋。
本發明的另一個優選方面，在於雷射束光斑的總面積，是在該雷射束在參考刀口上掃描期間，對代表光電檢測器輸出信號強度的曲線進行積分而測定的。
本發明的再一個優選方面，在於雷射束光斑的中心位置，是在掃描期間，用光電檢測器的輸出信號達到其最大輸出信號的一半來測定的，因而指示雷射束光斑正好定位在參考刀口上(雷射束光斑一半入射光電檢測器而另一入射光電檢測器的雷射束光斑面積越大，光電檢測器產生的輸出信號越強。因此，本發明的一個優選方面是，雷射束的強度由測量光電檢測器的最大輸出信號測定，此時雷射束光斑全部入射光電檢測器上，且不被參考刀口阻擋。
本發明的另一個優選方面，在於雷射束光斑的總面積，是在該雷射束在參考刀口上掃描期間，對代表光電檢測器輸出信號強度的曲線進行積分而測定的。
本發明的再一個優選方面，在於雷射束光斑的中心位置，是在掃描期間，用光電檢測器的輸出信號達到其最大輸出信號的一半來測定的，因而指示雷射束光斑正好定位在參考刀口上(雷射束光斑一半入射光電檢測器而另一半雷射束光斑則入射參考刀口上)。
本發明的另一個優選方面，在於雷射束光斑沿掃描路徑方向的寬度，是由雷射束光斑的前沿和後沿位置的定位來測定，從而測定兩者之間的間隔。在本發明的本方面，雷射束光斑前沿的定位，由光電檢測器開始發送輸出信號而測定(指示雷射束光斑前沿首先越過參考刀口，入射光電檢測器上)。雷射束光斑後沿的定位，由光電檢測器的輸出信號達到最大來測定(指示雷射束光斑不被參考刀口阻擋，從而全部入射光電檢測器上)。在時間上測定雷射束光斑前沿和後沿如上述掃過參考刀口的瞬間之後，可以根據雷射束掃過參考刀口的速度，計算雷射束光斑沿掃描方向的寬度。
本發明的另一個優選方面，在於雷射束光斑沿掃描路徑方向的寬度，是由雷射束光斑的前沿和後沿位置的定位來測定，從而測定兩者之間的間隔。在本發明的本方面，雷射束光斑前沿的定位，由光電檢測器開始發送輸出信號而測定(指示雷射束光斑前沿首先越過參考刀口，入射光電檢測器上)。雷射束光斑後沿的定位，由光電檢測器的輸出信號達到最大來測定(指示雷射束光斑不被參考刀口阻擋，從而全部入射光電檢測器上)。在時間上測定雷射束光斑前沿和後沿如上述掃過參考刀口的瞬間之後，可以根據雷射束掃過參考刀口的速度，計算雷射束光斑沿掃描方向的寬度。
在本發明的其他方面，通過掃描期間測量伸出信號變化率或變化率的對稱性，可以發現雷射束光斑的非對稱性和偏心率。
本發明的又一其他方面，是測定雷射束光斑在兩個彼此垂直方向上的大小、形狀、和位置。在本發明的本方面中，掃描最好沿兩條垂直的路徑進行，首先沿垂直於參考刀口的方向，其次沿參考刀口方向。在本發明的本方面中，或者用單個光電檢測器，或者用兩個分開的光電檢測器，放在參考刀口後面，通過測量光電檢測器的輸出信號，測定雷射束光斑沿兩個垂直方向的的大小、形狀、和位置。本發明本方面的優點，是能夠檢測光束光斑的非對稱性(即光束光斑的不規則形狀)以及光束光斑的偏心率(即光束光斑伸長成橢圓形)。
在本發明各優選方面中，該光電檢測器是一種體效應裝置。因此，本發明的優點是不需要更複雜和更昂貴的成像檢測器。
本發明還提供校準掃描雷射束傳送系統的方法。這些方法包括把校準工具在靶位置上定位；把雷射束引導至該工具；用該工具探測雷射束；和響應探測的雷射束而調整該系統。在各個不同方面中，雷射束都能夠在該工具與病人角膜之間反覆地再定向(例如，通過檢流計反射鏡)。於是，在測定光束的大小、形狀、和/或位置之後，能把雷射束照在角膜上的已知位置。或者，把該工具反覆地插入和移出雷射束光源與病人角膜之間的光束光路。於是，能夠反覆地把該對準工具移出靶位置，對病人角膜進行再雕刻，然後在對角膜再雕刻後，放回靶位置。不論用該兩種方式中哪一種，都可以對雷射束的強度和形狀特性進行反覆測量，以及對雷射束的瞄準進行反覆的再校準，因而在燒蝕病人角膜時能確保精確的位置精度。
本發明的更進一步方面，在於雷射束可以分束，把光束的第一部分引導至測量/對準工具，而把第二部分引導至病人的角膜，於是能夠獲得雷射束光斑的形狀和強度特性的實時測量和/或雷射束傳送系統的實時對準。
不論該工具的定位，該校準工具經常提供指示光束光斑大小、能量分布、和/或位置的信號。可以用這些信號來調整光束傳送系統設計的燒蝕方案。具體說，使用探測的信息，能夠修訂計算位置和發射數的算法，從而增加再雕刻過程的精度。在每一燒蝕過程之前和/或之中，可以立刻用該校準信息來調整燒蝕算法。
在本發明的其他方面，測量/對準工具包括一靶，該靶響應入射其上的雷射而發出螢光。在本發明的第二實施例中，操作員觀察靶屏上該螢光光斑位置的同時，引導靶屏上的雷射。該種觀察最好通過系統顯微鏡完成。光束傳送系統利用瞄準光學裝置來對準，該瞄準光學裝置可以包括十字線分劃板，以此校準雷射束傳送系統。
圖1是雷射束的透視圖，該雷射束在參考刀口上掃描，刀口後面有光電檢測器，圖上畫出的是在時間上雷射束以參考刀口為中心的瞬間。
圖2是與圖1對應的頂視圖。
圖3A、3B、和3C，按順序表明圖1和圖2中的雷射束掃過參考刀口的移動。
圖4是圖3A、3B、和3C所示掃描期間，光電檢測器的輸出信號曲線。
圖5是橢圓形雷射束光斑的視圖(主軸與掃描路徑平行)，光斑在參考刀口上掃描，有一光電檢測器在其後面。
圖6代表圖5的橢圓形雷射束光斑掃描期間，光電檢測器的輸出信號。
圖7是橢圓形雷射束光斑的平面圖(主軸與掃描路徑垂直)，光斑在參考刀口上掃描，有一光電檢測器在其後面。
圖8代表圖7的橢圓形雷射束光斑掃描期間，光電檢測器的輸出信號。
圖9是偏心形雷射束光斑的平面圖，光斑在參考刀口上掃描，有一光電檢測器在其後面。
圖10代表圖9的橢圓形雷射束光斑時，光電檢測器的輸出信號。
圖11是雷射束光斑在兩個垂直的參考刀口掃描期間的頂視圖，其中，該兩個垂直參考刀口合起來組成一平面單元的一角。
圖12與圖11對應，但代之以用兩個分開的光電檢測器。
圖13是頂視圖，畫出雷射束在兩個垂直參考刀口掃描，每一參考刀口有一獨立的位於其後的光電檢測器。
圖14是在屏上引導雷射束的雷射束傳送系統的透視圖，該屏在雷射束的入射區域發出螢光。
圖15A是在雷射束被引導至圖14的螢光屏進行系統校準之前，通過雷射束傳送系統的瞄準光學裝置的視圖。
圖15B是在系統校準之後，與圖15A對應的視圖。
圖16表示雷射束傳送系統把雷射束掃過校準工具，並把治療雷射束照在病人的角膜上。
圖17表示把治療雷射束照在病人角膜上的雷射束傳送系統，圖上畫出光束光路中可移動的校準工具。
圖18表示同時把治療雷射束照在病人角膜上和照在校準工具上的雷射束傳送系統。
圖19畫出的雷射束傳送系統，通過孔徑輪或轉臺的可選孔徑來引導雷射束。
具體實施例方式
圖1至13畫出本發明第一實施例的各個方面。圖14至15B畫出本發明第二實施例的各個方面。圖16至20畫出包括校準工具的校準系統，該校準系統可以包括本發明的第一和第二實施例。
在進行雷射眼科外科手術過程中，把準分子雷射束瞄準病人角膜的燒蝕區域時，雷射束在該靶上形成的光斑常常呈圓形，且通常希望有基本上均勻的能量分布。其他已知的光束傳送系統有矩形或狹縫形的光束，任選地可用Gauss的或其他非均勻能量分布。無論如何，雷射束光斑精確的強度和形狀曲線，不能經常測定，僅因雷射傳送系統的瞄準光學裝置。儘可能精確地了解雷射束的強度和形狀曲線，特別是在產生照在病人角膜上的雷射束光斑圖形時，是有益處的。知道了雷射束光斑的精確強度和形狀曲線，就能通過相繼地把某一光斑圖形的雷射束照在角膜上，精確地對病人角膜雕刻。本發明提供雷射束光斑強度和形狀曲線的精確測定，可用於產生瞄準的圖形，另外還對系統進行校準。
該雷射系統可以包括，但不限於，諸如產生波長約193nm雷射能量的氬-氟化物準分子雷射器之類的準分子雷射器。另外可供選擇的雷射系統，包括固態雷射器，諸如倍頻固態雷射器、閃光燈和二極體泵浦的固態雷射器等等。列舉的固態雷射器包括產生波長約193-215nm的UV固態雷射器，例如公開在美國專利No.5,144,630和No.5,742,626，以及在Borsuztky等「Tunable UV Radiation at ShortWavelength(188-240nm)Generated by Frequency Mixing in LithiumBorate」，Appl.Phys.61529-532(1995)中的固態雷射器。還可以用各種別的雷射器。雷射能量常常包括一系列分離的雷射脈衝或發射組成的光束。
雷射束光斑在靶上的準確直徑和形狀，經常不能準確測定，是僅因瞄準系統的光學裝置。這一點在雷射束光斑略為偏心或不對稱時特別正確。此外，當在雷射傳送系統中變換不同孔徑和透鏡時，能夠導致雷射束光斑的大小和形狀的微小變化。例如，圖19畫出通過孔徑輪200孔徑210的雷射束18。當輪200轉動時，雷射束18將通過各個孔徑220、230、和240。各孔徑210、220、230、和240最好製成不同直徑，使不同直徑的光束18能有選擇地照在病人角膜上。如本文所說明，本發明提供的系統，能在光束18通過每一孔徑210、220、230、和240時，測定其準確的大小和形狀。
本發明提供的方法和設備，可以精確測定的範圍包括雷射束光斑在靶上的大小、形狀、和位置。因此，能夠為了以某種雷射束光斑圖形對病人角膜雕刻，而產生雷射束光斑形狀和強度曲線。還有，考慮到雷射束由本發明測定的實際位置，與由掃描硬體和雷射傳送系統瞄準光學裝置檢流計測定的位置之間的任何偏差，可以對準雷射傳送系統的瞄準光學裝置。本發明通過測定雷射束光斑準確的大小、形狀、和強度，能夠施行需要的角膜燒蝕治療，又不使雷射束的發射入射到不需要的靶組織位置或不需要燒蝕指向的靶上，因而增強雕刻算法和過程的精度。
在本發明的第一實施例中，如圖1至13所述，雷射束光斑沿掃過刀的刃口(或任何別的這樣的參考刀口)的路徑掃描，刀的刃口後面有一光電檢測器。最好是，光束在掃描期間的取向，垂直於參考刀口的平面。按各種方式，雷射束可以掃過參考刀口而射到光電檢測器上，或掃過光電檢測器而射在參考刀口上。
通過測量光電檢測器的輸出，能夠測定雷射束光斑的強度、大小、形狀、和位置，方法如下。
圖1畫出雷射束18的透視圖，該雷射束從雷射光源(未畫出)被向下引導，指向參考刀口30和光電檢測器40。雷射束18「掃描」(即在掃過的同時保持基本上垂直於)參考刀口30和光電檢測器40。掃描的一個例子畫在圖16，圖中的雷射束18掃過測量/對準工具100，該工具可以包括參考刀口30和光電檢測器40。具體說，轉動檢流計120，使雷射束18從光束18A的位置到光束18B的位置，掃過對準工具100的表面。
回到圖1，雷射束18於是沿方向D掃過參考刀口30和光電檢測器40。光電檢測器40(最好包括體效應光電檢測器)如圖所示，位於參考刀口30的後面。圖2畫出與圖1對應的頂視圖，圖上畫出在時間上掃描的雷射束光斑20的中心25，準確位於參考刀口30的刀口的瞬間。從圖可見，掃描期間，如果雷射束光斑20如圖所示是圓形，則在時間上雷射束光斑20的中心25準確位於參考刀口30的刀口的瞬間，雷射束光斑20的第一個一半22入射光電檢測器40上。
圖3A、3B、和3C畫出掃描過程中，雷射束18掃過參考刀口30併入射光電檢測器40上時，雷射束光斑20順序移動的情形。圖4畫出光束光斑20掃過參考刀口30併入射光電檢測器40的過程中，光電檢測器40輸出信號S的相應強度。光電檢測器40輸出信號S的強度，與光束光斑20不受參考刀口30阻擋，因而直接入射光電檢測器40的面積對應。具體說，對Gauss脈衝，信號S的強度能夠表示如下 (兩維光斑強度分布)dx或對「帽頂」脈衝(其中在脈衝截面上的能量分布基本上是均勻的)如下S=0xx2+y2dx]]>圖4上的點P1、P2、和P3，分別表示光束光斑20在時間上位於圖3A、3B、和3C的瞬間輸出信號S的強度。對基本上圓形的光斑20，輸出信號S的強度將取如圖4所示S形曲線的形狀，說明如下。
當光束光斑20如圖3A所示，完全在參考刀口30之上時，光電檢測器通常只發送小的信號強度N，代表系統中的噪聲。隨著光束光斑20掃過參考刀口30，光束光斑20逐漸有更大的面積到達光電檢測器40，光電檢測器輸出信號S的強度增加。當光束光斑20到達圖2和圖3B所示位置時，光束光斑20的中心25正好位於參考刀口30，光束光斑20的第一個一半22，入射光電檢測器40。因此，在點P2，信號S將接近它的最大信號強度的1/2。最後，當光束光斑20最終到達圖3C所示位置時，整個光束光斑20入射光電檢測器40，信號S在點P3達到它的最大信號強度。
本發明的一個優選方面，是當雷射束光斑在點P3完全入射光電檢測器上，並不受參考刀口阻擋時，通過測量光電檢測器的最大輸出信號而測定雷射束18的強度。
本發明的另一個優選方面，在於雷射束光斑20的面積，是由點P1與點P3之間曲線S下面的面積積分測定的，因為從圖3A開始掃描，到圖3C結束掃描，光束光斑變成入射光電檢測器40上，所以該面積對應於光束光斑20的全部面積。
本發明的另一個優選方面，在於測定雷射束光斑20中心25的位置。上面已經說明，當輸出信號S的強度到達點P2，即點P3上輸出信號S強度的1/2時，雷射束光斑20的中心25在參考刀口30上通過。由於在點P1存在小的噪聲信號N，所以難以測定何時輸出信號強度是在點P2。因此，在一優選的辦法中，P2是靠找出最大信號輸出的第一個分數與最大信號輸出的第二個分數之間的中點而測定的，其中，第一個分數和第二個分數，加起來等於最大信號輸出。
例如，點P4位於P3最大信號輸出的10％的信號強度處。類似地，點P5位於P3最大信號輸出的90％的信號強度處。點P4和P5在信號曲線上定位之後，則點P2定位在兩者之間的中央。顯然，點P4和P5也可以是30％和70％，或15％和85％，或任何加起來等於100％點P3最大信號強度的其他相應的百分比組合。
掃描速度可以或者通過位置反饋系統，或者通過測定掃描的速度和位置來獲得。按照對掃描速度的知識(對應於檢流計120轉動的速率)，並在時間上測定到達P2的瞬間(即，當光束光斑20的中心25位於參考刀口30上)，就能測定中心25的位置。
本發明的另一個優選方面，在於光束光斑20沿掃描方向D的寬度由如下方法測定。首先參考圖3A，圖上畫出光束光斑20的前沿21位於參考刀口30上(在圖4中以點P1表示)。掃描開始時，前沿21將開始入射光電檢測器40(在圖4中，以光電檢測器輸出信號正好開始增加來表示)。參考圖3C，圖上表示掃描結束，後沿23將入射光電檢測器40(在圖4中以點P3表示，此時光電檢測器輸出信號強度停止增加)。
知道雷射束沿方向D掃描的移動速度(或者知道掃描期間的速度和時間，或者通過位置反饋系統)，就能在時間上測定到達P1和P3的瞬間。於是很容易計算雷射束光斑20的寬度(該寬度在雷射束光斑開始通過光電檢測器的點P1，到結束通過的點P3)。
本發明的另一個優選方面，在於雷射束光斑20的形狀，由測量掃描期間輸出信號S的變化率來測定。
例如，圖5畫出掃過參考刀口30和光電檢測器40的橢圓形雷射束光斑20A。如圖所示，雷射束光斑20A沿方向D伸長。與雷射束光斑20A掃過參考刀口30和光電檢測器40對應的輸出信號S強度，示於圖6。從圖可見，在點P1和P3之間，光電檢測器40輸出信號S的變化率，比圖4所示更平緩(與圖4比較，在圖6中，點P1和P3相隔更長的時間)。因此，圖6中更平緩的輸出信號S變化率，表明雷射束光斑20A在D方向上比圓形雷射束光斑20伸得更長。
與之對照，圖7畫出掃過參考刀口30和光電檢測器40的橢圓形光束光斑20B。如圖所示，雷射束光斑20A沿垂直於方向D伸長。圖8畫出的輸出信號S強度，與圖7的掃描對應。從圖可見，輸出信號S的變化率，比圖4所示快得多(與圖4比較，在圖8中，點P1和P3之間的時間更短)。因此，圖8中輸出信號S更快的變化率，表明雷射束光斑20B在垂直於D方向上比圓形雷射束光斑20伸得更長。
本發明的另一個優選方面，在於雷射束光斑20的形狀，由掃描期間測量輸出信號S的對稱性測定。據此，雷射束光斑20的非對稱性和/或偏心率的測定方法如下。參考圖9，偏心的誇張的「淚滴形」雷射束光斑20C掃過參考刀口30和光電檢測器40。利用上述巧妙的方法，在圖10上，前沿21C將位於點P1、光斑中心25C將位於點P2、而後沿將位於點P3。從圖可見，點P2(在反之，圖7畫出投影形光束光斑20B掃過參考刀口30和光電檢測器40。如圖所示，雷射束光斑20A沿垂直於方向D伸長。圖8畫出的輸出信號S強度，與圖7的掃描對應。從圖可見，輸出信號S的變化率，比圖4所示快得多(與圖4比較，圖8中，點P1和P3之間的時間更短)。因此，圖8中輸出信號S更快的變化率，表明雷射束光斑20B在垂直於D方向上比圓形雷射束光斑20伸得更長。
本發明的另一個優選方面，在於雷射束光斑20的形狀，由掃描期間測量輸出信號S的對稱性測定。據此，雷射束光斑20的非對稱性和/或偏心率的測定方法如下。參考圖9，偏心的誇張的「淚滴形」雷射束光斑20C掃過參考刀口30和光電檢測器40。利用上述巧妙的方法，在圖10上，前沿21C將位於點P1、光斑中心25C將位於點P2、而後沿將位於點P3。從圖可見，點P2(在反之，圖7畫出投影形光束光斑20B掃過參考刀口30和光電檢測器40。如圖所示，雷射束光斑20A沿垂直於方向D伸長。圖8畫出的輸出信號S強度，與圖7的掃描對應。從圖可見，輸出信號S的變化率，比圖4所示快得多(與圖4比較，圖8中，點P1和P3之間的時間更短)。因此，圖8中輸出信號S更快的變化率，表明雷射束光斑20B在垂直於D方向上比圓形雷射束光斑20伸得更長。
本發明的另一個優選方面，在於雷射束光斑20的形狀，由掃描期間測量輸出信號S的對稱性測定。據此，雷射束光斑20的非對稱性和/或偏心率的測定方法如下。參考圖9，偏心的誇張的「淚滴形」雷射束光斑20C掃過參考刀口30和光電檢測器40。利用上述巧妙的方法，在圖10上，前沿21C將位於點P1、光斑中 25C將位於點P2、而後沿將位於點P3。從圖可見，點P2(在該點的信號強度是P3強度的1/2)並不在P1和P3的中央，而更靠近P1，因而表明雷射束光斑20C具有某種偏心形狀，其中心25C更靠近前沿21C，而不是靠近後沿23C。
如上所述，本發明提供沿某一方向測量雷射束光斑強度、大小、和形狀曲線的各種系統，其中的方向，是雷射束光斑在參考刀口上掃描並掃在光電檢測器上的方向。
除本發明各優選方面之外，還可以在兩個方向上測定雷射束光斑的大小、形狀、和位置，方法如下。參考圖11，光束光斑20沿第一方向D1移過刀口31，接著沿第二方向D2移過刀口33。在該圖中，刀口31和33合起來構成參考刀口30的一角。
用上述技術，在雷射束光斑20在刀口31掃過時，測量光電檢測器40的輸出信號，能夠測定前沿21、後沿23、和中心25的位置。知道前沿21和後沿23的位置，就能計算沿方向D1的寬度W1。隨後，雷射束光斑20沿垂直的方向D2，掃過刀口33。結果，側沿27和29、以及中心25的位置，能夠用上述技術測定。知道側沿27和29的位置，就能計算沿方向D2的寬度W2。
圖12畫出類似於圖11的裝置，但代之以使用分開的光電檢測器40A和40B。圖13再畫出另一種裝置，代之以使用兩個分開的垂直的參考刀口32和34，以及位於其下方的兩個分開的光電檢測器40A和40B。
在測定光電檢測器40上的雷射束光斑20的大小和形狀之後，知道了將要入射靶組織上光束光斑的精確大小和形狀，就可以安全地把該雷射束導向病人眼角膜中的靶組織。最好是，通過在角膜上某種圖形中的不同地方，把雷射束反覆照射一定次數，對角膜雕刻，使之成為需要的形狀。利用本發明，在逐次把雷射束照射在角膜上之前或正在進行的時候，能夠精確測定雷射束光斑的大小和形狀。
例如，如圖16和17所示，可以在校準工具100與病人角膜130之間交替地引導雷射束18。校準工具100最好包括按上面說明那樣工作的參考刀口30和光電檢測器40。參考圖16，用檢流計120反覆地把雷射束18反射到病人角膜130上，成為光束18C(接著，光束18從該位置掃過工具100，圖上以光束18A到18B表示)。參考圖17，也可以換種方式，把工具100反覆向前移至工具100A所示虛位置和從該虛位置向後移回來。當工具100位於雷射束的光路中時，測定雷射束光斑20的強度和和形狀曲線，這樣，雷射束18周期地中斷它對角膜130的照射。光束反覆掃過對準工具100的過程，或反覆把工具100移開和放進光束光路中(從而反覆測定雷射束光斑20的大小和形狀)，然後利用雷射的燒蝕作用，重複地對角膜130再雕刻，確保在燒蝕病人角膜的過程中，雷射束光斑20的大小和形狀不隨時間變化。
如圖18所示，也可以用光束分束鏡250把光束18的第一部分19A導向工具100，同時把光束18的第二部分19B導向角膜130。使用圖18的裝置，能夠在燒蝕角膜組織的同時，實時測量角膜130上光束光斑20的強度和形狀曲線。
在圖16、17、和18上畫出的還有計算機124，用於隨時記錄光電檢測器40輸出信號的強度，據此產生雷射束光斑20的大小和形狀曲線。此外，計算機124還能用於根據雷射束光斑20的大小和形狀曲線，計算照射在角膜130上的雷射束光斑的優選圖形。因此能夠把角膜130雕刻成需要的形狀。此外，監視器126能隨時適當地顯示光電檢測器40輸出信號的強度波形。
在另一個優選方面，工具100能用於對準雷射傳送系統的瞄準光學裝置。具體說，在雷射束光斑20掃過光電檢測器40，對其中心25定位之後，能夠精確對準光束傳送系統(包括檢流計120)，使瞄準光學裝置122測定的雷射束位置，與工具100指示的位置之間的任何偏差，都能得到改正。最好適當選取用於工具100的發出螢光但不會燒蝕的材料。該類材料可以包括白的木質紙或白的商業名片。也可以用從Connecticut的Startech公司購得的適當的螢光板材料。
在第二個實施例中，如圖14至15B所示，測量/對準工具100包括屏105，該屏能響應入射的雷射束，發出螢光。參考圖14，雷射束18被引導，入射於屏105，使屏105在光束光斑20的區域發出螢光。操作員200通過瞄準光學裝置122(該瞄準光學裝置最好包括系統顯微鏡)，觀察光束光斑20的螢光，如圖15A所示。瞄準光學裝置122向操作員200顯示分劃板110，操作員則調整雷射束傳送光學系統，使發螢光的光束光斑對準分劃板。
該實施例的優點是，能利用光束掃描機構完成光束光斑20位置的調整。因為系統顯微鏡不必用精確的X-Y調整機構來移動，對準極其方便。作為替代，發送至檢流計雷射束傳送光學系統的瞄準信號，能夠有選擇地變更或偏移，引導光束打在靶位置上。在整個雕刻過程中利用該信號偏移，通過在多個靶位置之間移動光束，並通過向各個靶發射個別的光束，可以增大掃描精度。在另外的實施例中，光束傳送光學系統可以通過機械的調整，在分劃板110的十字線之間移動光束光斑20，以此對準雷射束傳送系統的瞄準光學裝置。
在某些實施例中，工具100能夠可移動地定位於，或靠近折光雕刻時眼睛佔據的位置。工具100可以用旋臂之類按通常方式夾持。為了在雕刻過程前設定或校驗系統，操作員鍵入對準模式。在該模式中，分劃板110保持靜止，並發射雷射，使光束光斑20引發螢光。操作員可以用輸入裝置，如操縱杆、滑鼠、開關之類，通過改變送至檢流計的信號來調整光束傳送光學系統，使光束光斑移動。再次發射雷射束，產生新的雷射光斑20，操作員繼續調整信號偏移，直至雷射束與雷射束重合。重合時，操作員可以摁一摁鈕(或向系統提供任何別的信號)，系統計算機將存儲用於測定燒蝕中心的偏移信號。通常，在工具向旁邊移開之後，還需要用分劃板把眼睛與系統對準。
雖然，為便於了解，以舉例方式，詳細說明了列舉的各個實施例，但是，本領域熟練人員顯然知道，存在各種變化、更動、和修改。例如，可以用各種掃描光束傳送系統，包括使用透鏡的掃描系統，該透鏡能使光束從光束軸或多個光束軸產生可變偏移，把一束光束或多束光束成像在橫向偏移的靶位置上。本發明可與多種燒蝕設計協議或算法結合使用，並向能增大精度的算法提供輸入。因此，本發明的範圍僅受後面的權利要求書的限制。
權利要求
1.一種測定雷射束特性的方法，包括使雷射束沿掃過參考刀口的路徑掃描，該參考刀口後面有一光電檢測器；和測量光電檢測器在掃描期間的輸出信號，該輸出信號與掃描期間入射光電檢測器的雷射束面積對應。
2.按照權利要求1的方法，其中雷射束特性的測定包括通過在光電檢測器掃描期間，對輸出信號的強度積分，測定雷射束光斑的尺寸。
3.按照權利要求1的方法，其中雷射束特性的測定包括通過測定光電檢測器掃描期間的輸出信號到達最大輸出信號強度的一半，定出雷射束的中心位置。
4.按照權利要求1的方法，其中雷射束特性的測定包括通過測定光電檢測器的輸出信號強度，到達介於最大信號強度的第一個分數與最大信號強度的第二個分數之間的中點信號強度，據此定出雷射束的中心位置，其中，最大信號強度的第一個分數和第二個分數，加起來等於最大信號強度。
5.按照權利要求4的方法，其中，第一個分數是最大信號強度的10％，而第二個分數是最大信號強度的90％。
6.按照權利要求1的方法，其中，其中雷射束特性的測定包括測定雷射束沿掃描路徑方向的寬度，方法是通過測定光電檢測器開始發送輸出信號，指示雷射束已入射其上，據此定出雷射束的前沿位置；通過測定光電檢測器的輸出信號到達最大輸出信號，定出雷射束的後沿位置；和測定雷射束前沿與後沿之間的間隔。
7.按照權利要求1的方法，其中雷射束特性的測定包括通過測量掃描期間輸出信號的變化率，測定雷射束的形狀。
8.按照權利要求1的方法，其中雷射束特性的測定包括通過測量掃描期間輸出信號變化率的對稱性，測定雷射束的形狀。
9.按照權利要求1的方法，其中，當雷射束掃過參考刀口時，雷射束是垂直於光電檢測器的。
10.一種測定雷射束特性的方法，包括使雷射束沿第一路徑掃描，掃過第一參考刀口，在第一參考刀口後面有第一光電檢測器；使雷射束沿第二路徑掃描，掃過第二參考刀口，在第二參考刀口後面有第二光電檢測器；其中第一參考刀口與第二參考刀口成一角度；測量第一和第二光電檢測器在掃描期間的輸出信號，該輸出信號與掃描期間入射第一和第二光電檢測器的雷射束面積對應。
11.按照權利要求10的方法，其中，該角度一般成直角。
12.一種測定雷射束特性的方法，包括使雷射束沿第一路徑掃描，掃過第一參考刀口；使雷射束沿第二路徑掃描，掃過第二參考刀口，其中一光電檢測器位於第一和第二參考刀口後面，且其中第一和第二參考刀口互成一角度；並且，在掃描期間測量光電檢測器的輸出信號，該輸出信號與掃描期間入射光電檢測器的雷射束面積對應。
13.按照權利要求12的方法，其中，第一參考刀口和第二參考刀口共同構成一平面單元的一角。
14.按照權利要求10或12的方法，其中使用工具對掃描雷射束的探測，包括通過在光電檢測器掃描期間，對輸出信號的強度積分，測定雷射束光斑的尺寸。
15.按照權利要求10或12的方法，其中使用工具對掃描雷射束的探測，包括在沿第一和第二方向每個方向掃描期間，通過測定光電檢測器的輸出信號到達最大輸出信號強度的一半，定出雷射束的中心位置。
16.按照權利要求10或12的方法，其中使用工具對掃描雷射束的探測，包括測定雷射束沿第一和第二掃描方向的寬度，方法是；通過測定至少一個光電檢測器開始發送輸出信號，指示雷射束已入射其上，據此定出雷射束沿第一和第二方向每個方向的前沿位置；通過測定至少一個光電檢測器的輸出信號到達最大輸出信號，定出雷射束沿第一和第二方向每個方向的後沿位置；和測定雷射束沿第一和第二方向每個方向的前沿與後沿之間的間隔。
17.按照權利要求1的方法，其中，雷射束被分束，以便同時入射到光電檢測器和病人角膜上。
18.按照權利要求17的方法，其中，用光束分束器把雷射束分束。
19.按照權利要求1的方法，其中，在用雷射束燒蝕病人角膜的同時，實時測定雷射束光斑的特性。
20.按照權利要求1的方法，還包括產生表示雷射束強度分布的一種算法。
21.按照權利要求1的方法，還包括產生表示雷射束形狀曲線的一種算法。
22.一種用於校準雷射束傳送系統的設備，包括參考刀口；位於參考刀口鄰近的光電檢測器，該光電檢測器發送輸出信號，作為對入射其上的雷射的響應；和適於隨時記錄輸出信號強度的計算機系統。
23.按照權利要求22的設備，其中，該計算機系統還適於產生表示入射光電檢測器的雷射束強度分布的一種算法。
24.按照權利要求22的設備，其中，該計算機系統還適於產生表示入射光電檢測器的雷射束形狀曲線的一種算法。
25.按照權利要求22的設備，還包括適於顯示輸出信號強度隨時間的波形的監視器。
26.一種用於校準掃描雷射束傳送系統的方法，該方法包括把校準工具定位在靶位置；用該掃描光束傳送系統，把雷射束引導至該工具上；用該工具探測雷射束；和響應探測的雷射束，調整該掃描光束傳送系統。
27.按照權利要求26的方法，其中，該掃描光束傳送系統是雷射眼外科手術系統。
28.按照權利要求26的方法，還包括把雷射束引導至病人的角膜，並用調整了的系統對角膜雕刻。
29.按照權利要求28的方法，其中，用一檢流計反射鏡，把雷射束引向病人角膜。
30.按照權利要求26的方法，還包括用調整了的系統反覆移動該工具和對角膜再雕刻。
31.按照權利要求30的方法，還包括在再雕刻之後，把工具再放在靶位置，並重複該引導、探測、和調整步驟，其中在引導步驟中不應燒蝕該工具。
32.按照權利要求26的方法，其中，用光束分束器把雷射束分束，第一部分雷射束被引導至該工具上，與此同時，用第二部分雷射束對病人角膜雕刻。
33.按照權利要求26的方法，其中把雷射束引導至工具上的步驟包括使雷射束沿掃過參考刀口的路徑掃描，並掃在光電檢測器上。
34.按照權利要求33的方法，其中用該工具探測掃描雷射束的步驟包括測量光電檢測器在掃描期間的輸出信號，該輸出信號與掃描期間入射光電檢測器的雷射束面積對應。
35.按照權利要求33的方法，其中用該工具探測掃描雷射束的步驟包括通過在光電檢測器掃描期間，對輸出信號的強度積分，測定雷射束的尺寸。
36.按照權利要求33的方法，其中用該工具探測掃描雷射束的步驟包括通過測定光電檢測器掃描期間的輸出信號到達最大輸出信號強度的一半，定出雷射束的中心位置。
37.按照權利要求36的方法，其中，通過測定光電檢測器的輸出信號強度，到達介於最大信號強度的第一個分數與最大信號強度的第二個分數之間的中點信號強度，據此定出雷射束的中心位置，其中，最大信號強度第一個分數和第二個分數，加起來等於最大信號強度。
38.按照權利要求32的方法，其中用該工具探測掃描雷射束的步驟包括測定雷射束沿掃描方向的寬度，方法是通過測定該工具的光電檢測器開始發送輸出信號，指示雷射束已入射其上，據此定出雷射束的前沿位置；通過測定光電檢測器的輸出信號到達最大輸出信號，定出雷射束的後沿位置；和測定雷射束前沿與後沿之間的間隔。
39.按照權利要求26的方法，其中使該雷射束掃過該工具的步驟包括使該雷射束掃過一靶，該靶響應入射其上的雷射束，發出螢光。
40.按照權利要求39的方法，其中用該工具探測掃描雷射束的步驟包括通過雷射束傳送系統的瞄準光學系統，觀察螢光靶。
41.按照權利要求40的方法，其中響應探測的雷射束而對系統的調整步驟包括把雷射束傳送系統的雷射束傳送光學裝置，與該瞄準光學系統對準，直至觀察的螢光靶位置與該瞄準光學系統的靶位置重合。
42.按照權利要求41的方法，其中，該雷射束傳送系統的瞄準光學系統，包括一分劃板。
43.一種用於校準雷射束傳送系統的設備，包括雷射束入射其上時能發出螢光的靶；雷射束瞄準系統，用於把雷射束引向該靶。瞄準光學裝置，用於在該靶響應入射其上的雷射束而發螢光時，觀察靶的位置，該瞄準光學裝置規定靶的位置；和調整機構，用於把雷射束瞄準系統對準靶位置。
44.按照權利要求43的設備，其中，該雷射束瞄準系統包括一分劃板。
45.按照權利要求43的設備，其中，該用於觀察靶位置的瞄準光學裝置，包括一顯微鏡。
全文摘要
一種測定雷射束光斑(20)尺寸的方法,包括:使雷射束(18)沿掃過參考刀口(30)的路徑掃描,該參考刀口有一光電檢測器(40)位於其後;和測量光電檢測器(40)在掃描期間的輸出信號,該輸出信號與掃描期間入射光電檢測器(40)的雷射束光斑(20)面積對應。
文檔編號G01J1/42GK1378642SQ00814200
公開日2002年11月6日 申請日期2000年9月13日 優先權日1999年9月14日
發明者金曼·伊, 特蘭斯·N·克拉彭 申請人:維思克斯公司