(57)【要約】【解決手段】ビームの光路内に位置センサダイオードを配置する工程と、ビームのパルスに応答して、位置センサダイオードにより初期信号を生成する工程と、積分した電荷信号を生成するべく初期信号を積分する工程と、積分信号に応答して位置センサダイオード上でのパルスの位置を決定する工程とから成る、２００nm以下の波長を有する光ビームエネルギーの位置を測定しかつ決定するための方法が与えられる。当該方法は、位置センサダイオード技術を使って紫外線及び他の波長のパルス光を測定するのに特に好適である。積分器はPSDからの信号の全電荷を合算する。PSDの電極内の積分電荷の分布間の相関は非線形であり、異なる全パルス光量及び／またはスポットサイズに対する調節から利益を得ることができる。【選択図】図1
2008505696.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスビームの位置を決定するための方法であって、
ビームの光路内に位置センサダイオードを配置する工程と、
ビームのパルスに応答して、位置センサダイオードにより初期信号を生成する工程と、
積分した電荷信号を生成するべく初期信号を積分する工程と、
積分信号に応答して位置センサダイオード上でのパルスの位置を決定する工程と、
から成る方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、パルスビームは２２０nm以下の波長を有するレーザービームから成る、ところの方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法であって、パルスレーザービームは、約１９０nmから約１９６nmの範囲の波長を有する、ところの方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、パルスビームは角膜組織を光切除することができる、ところの方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法であって、さらに、ビームを分離し、位置センサダイオードに向かう光路に沿ってビームの第１部分を向け、患者の眼に向かう他の光路に沿ってビームの第２部分を向ける工程であって、その結果眼の上でのビームの位置を位置センサダイオードを使って決定しながらビームは眼の屈折を変化させることができる、ところの工程を含む方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、パルスビームはエキシマレーザーを使って生成される、ところの方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法であって、位置センサダイオードは検知面及び複数の電極を有し、初期信号はパルスに関連する全電荷を有し、積分は関連する少なくとも２つの電極に向けられた全電荷の少なくとも２つの部分を合算し、パルス位置は少なくとも２つの電荷部分を使って決定される、ところの方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法であって、初期信号の積分は複数の電極での複数の電荷部分を合算する工程から成り、パルス位置は複数の電極間での電荷分布を使って決定される、ところの方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、さらに、複数の電極での電荷から位置センサダイオードの検知面での全光量を決定する工程を含む方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、検知面のX軸に沿ったパルスの位置は、第１X電極と第２X電極との間の全電荷の分布とX位置との相関を使って決定される、ところの方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法であって、相関は非線形である、ところの方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載の方法であって、検知面はX-Y検知面から成り、検知面のY軸に沿ったパルスの位置は、第１Y電極と第２Y電極との間の全電荷の分布とY位置との相関を使って決定される、ところの方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、相関は非線形である、ところの方法。
【請求項１４】
請求項１に記載の方法であって、位置センサダイオードは複数の電極を有するシリコンフォトダイオードから成り、初期信号は複数のアナログ積分回路を使って積分され、各積分回路は関連する電極と接続されている、ところの方法。
【請求項１５】
請求項１に記載の方法であって、積分は積分器により実行され、さらに、
複数のパルスビームの複数の位置を決定する工程と、
少なくともいくつかのパルスの間に積分器をリセットする工程と、
を含む方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、パルスビームは１kHz以下の周波数を有する、ところの方法。
【請求項１７】
請求項１に記載の方法であって、初期信号は少なくともひとつのアナログ積分回路により積分される、ところの方法。
【請求項１８】
光路に沿ってパルス光ビームを方向付けるための光源と、
パルスビームに応答して信号を生成するよう光路内に配置された位置センサダイオードと、
電荷信号を生成するべくパルスに対して信号を積分するよう位置センサダイオードに接続された積分器と、
積分器に接続された位置モジュールであって、電荷信号に応答して位置センサダイオード上でのパルスの位置を決定するよう構成された位置モジュールと、
から成る装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の装置であって、パルスビームの波長は２２０nm以下である、ところの装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載の装置であって、光源はエキシマレーザーから成り、パルスレーザービームは約１９０nmから約１９６nmの範囲の波長を有する、ところの装置。
【請求項２１】
請求項１８に記載の装置であって、さらに、光源からの光路に沿って配置されたビームデフレクタと、該ビームデフレクタからの光路に沿って配置されたビームスプリッタを含み、ビームスプリッタはビームを分離して、位置センサダイオードに向かう光路に沿ってビームの第１部分を向け、他の光路に沿ってビームの第２部分を向け、ビームデフレクタはビームを可変に向け直し、その結果位置モジュールがビームの第２部分の位置を指示する、ところの装置。
【請求項２２】
請求項１８に記載の装置であって、位置センサダイオードは検知面及び複数の電極を有し、積分器は少なくとも２つの電極に接続され、信号はパルスに関連する全電荷を有し、積分器は関連する少なくとも２つの電極に向けられた全電荷の少なくとも２つの部分を合算することにより電荷信号を生成し、パルス位置は少なくとも２つの電荷部分を使って決定される、ところの装置。
【請求項２３】
請求項２２に記載の装置であって、積分器は関連する複数の電極での複数の電荷部分を合算し、位置モジュールは複数の電極での全電荷を決定するよう構成され、全電荷は位置センサダイオードの検知面での光量と相関し、位置モジュールは複数の電極間での電荷分布とパルス位置との相関を適用する構成される、ところの装置。
【請求項２４】
請求項２３に記載の装置であって、位置モジュールは、第１X電極と第２X電極との間の全電荷の分布から、検知面のX軸に沿ったパルス位置を決定するよう構成される、ところの装置。
【請求項２５】
請求項２４に記載の装置であって、検知面はX-Y検知面から成り、位置モジュールは、第１Y電極と第２Y電極との間での全電荷の分布から検知面のY軸に沿ってパルスの位置を決定するよう構成される、ところの装置。
【請求項２６】
請求項１８に記載の装置であって、位置センサダイオードは複数の電極を有するシリコンフォトダイオードから成り、積分器は複数のアナログ積分回路から成り、各積分回路は関連した電極に接続されている、ところの装置。
【請求項２７】
請求項１８に記載の装置であって、位置モジュールは複数のパルスビームの複数の位置を決定するように構成され、積分器は少なくともいくつかのパルスの間でリセットされる、ところの装置。
【請求項２８】
眼の屈折を変化させるための装置であって、
光路に沿って約２２０nm以下の波長を有するパルスレーザービームを向けるためのレーザーと、
レーザーからの光路に沿って配置され、ビームを可変に向け直すビームデフレクタと、
ビームデフレクタからの光路に沿って配置されたビームスプリッタであって、レーザービームを分離し、光路に沿ってレーザービームの第１部分を向けかつ眼に向かう他の光路に沿ってレーザービームの第２部分を向けるためのビームスプリッタと、
レーザービームのパルスに応答して信号を生成するよう光路内に配置された位置センサダイオードと、
電荷信号を生成するべくパルスに対して信号を積分するために位置センサダイオードに接続された積分器と、
前記積分器に接続され、電荷信号に応答して眼の上でのビームの位置を示すよう構成された位置モジュールと、
から成る装置。
【請求項２９】
請求項２８に記載の装置であって、さらに、屈折治療中にレーザースポット及び眼のサイズを変更するための可変アパーチャを含み、位置モジュールはレーザースポットサイズに応答して位置を決定する、ところの装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本件出願は、ここに参考文献として組み込む、２００４年７月９日出願の米国仮特許出願第60/586,557号に基づくものである。
【０００２】
本発明は概して、電磁気エネルギービームの位置を決定するための装置、システム及び方法を与える。多くの実施例において、本発明は屈折率手術で使用されるエキシマレーザービームのような２００nm以下の波長を有するパルスレーザービームの位置を決定するための方法及び装置を与える。
【背景技術】
【０００３】
屈折レーザー眼手術技術の導入により屈折手術はここ数年間で劇的に変化した。レーザー眼手術は、しばしば角膜組織の光分解切除を有効にするようレーザーを使用し、それにより接眼レンズを再彫塑し、視界欠陥を補正する。紫外線レーザーシステムは制御した方法で、角膜表面形状に所望の変化をもたらすよう角膜へエネルギーパルスのパターンを向ける。
【０００４】
初期の屈折レーザー手術システムはレーザービームの進歩的形状を与えるべく変更可能または切除可能マスクを採用していたが、現在のほとんどの屈折型レーザーシステムは露出した角膜面にわたってレーザースポットを走査させるようレーザービームを制御可能に偏向させる。しばしば、レーザーは角膜内から基質組織を選択的に除去するのに使用され、典型的に光屈折角膜切除(PRK)またはレーザーアシスト上皮下角膜曲率形成術(LASEK)及びレーザーインサイチュ角膜曲率形成術(LASIK)と呼ばれる方法で上皮組織が除去されるかまたは一時的に排除される。角膜上のレーザースポットのサイズは屈折処置の間変化してもしなくてもよく、レーザーエネルギーは離散的レーザーパルスの連続として照射され、各パルスが全切除形状の一部を除去する。
【０００５】
走査またはフライングスポットレーザー照射システムの使用は、特に、遠視、乱視、及び不規則な屈折エラーの治療に対して屈折治療のフレキシビリティを有意に増加させた。しかし、このような可動ビームシステムの使用は、治療プロトコルの態様を複雑化する。例えば、角膜組織の所望の彫塑を達成するために、治療ビームは走査されるか、さもなくば眼を横切って多くの異なる位置に移動される。ビームの移動は、オフセットレンズ、可動ミラー、検流アクチュエータ等を含むモータ操作機構を使って達成される。所望の彫塑を達成するために、走査したレーザービームは制御され及び／または正確にモニターされなければならない。ビームが一箇所に長く留まれば、走査機構または制御システムの故障または誤動作により、所望の組織切除パターンは達成されない。実際、走査システムの故障が手術の成功を危うくし、患者の眼にダメージを生じさせる。走査機構の誤動作は観測者によって容易に検出することができない。
【０００６】
レーザー屈折処理の安全性及び正確性を保証するために、角膜レーザー照射システム用のさまざまな動き検出システムが開発された。レーザー眼手術システムをキャリブレーションし、レーザービームスポットの特性を決定するための技術も開発された。それらの例は、ここに参考文献として組み込む米国特許出願第10/383,445号、第10/760,112号、第10/808,728号及び米国特許第6,666,855号に開示されている。
【特許文献１】米国特許第6,666,855号
【０００７】
これら及び他のシステムは、屈折手術用レーザーシステムの位置をモニターするのに効果的かつ安全であることを証明したが、更なる改良が所望される。より特定的に、レーザービームの位置を決定するための多くの技術は、走査したビームの位置を決定するために関連した画素イメージを処理する電荷結合デバイス(CCD)を用いる。概して有効であるが、これらのシステムはやや複雑で高価であり、画素密度により制限された解像度を有する。システムからの出力はこれらの画素ベースセンサーのデジタル特性を反映し、処理時間はシステムに必要なデータ処理能力の量を増加させ、及び／または位置確認の周期を制限する。
【０００８】
レーザービームの位置をモニターしまたは検出するために、さまざまな他の分野のシステムも使用可能である。近年人気を獲得したひとつの装置は、光位置センサダイオード(PSD)である。PSDは検出器の表面に光点の位置と正比例するアナログ出力を与えるシリコンフォトダイオードである。PSDは位置と光強度の同時モニターを可能にし、PSDから生成された光電流は光がPSDの波長範囲内にあるとき連続する光の入射スポットの位置と比例している。比較的シンプルなアナログデバイスのため、PSDはCCD及び光ビームの位置を決定するために画像処理を使用する他の画素ベースデバイスに対して有利である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
不運なことに、励起したPSDは、しばしば２００nm以上の波長を有する連続入射ビーム光の測定に制限されるが、これらの構造の応答性はしばしば少なくとも４００nmまたはそれ以上の入射波長から利益が得られる。したがって、その潜在的有利性にもかかわらず、PSDはレーザー屈折眼手術で使用されるようなパルスレーザービームの位置を測定し、モニターしかつ確認するために広く使用されてこなかった。
【００１０】
上記を鑑み、レーザーまたは他の光エネルギービームの位置を決定するための改良した装置、システム及び方法を与えることが有利である。特に、これらの改良が、位置検知シリコンフォトダイオードから得られる利点をもたらし、その利点をレーザー眼手術システム及び他のパルス光ビーム走査及び／または配置システムへ拡張することが有利である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、概して、光エネルギーの位置を測定しかつ決定するための改良した装置、システム及び方法を与える。本発明の技術は、２００nm以下（同じまたはそれ以上も含め）の波長を有する光を測定するのに適しており、特に紫外線またはその他のパルス光を測定するのに好適である。本発明は光位置センサダイオード(PSD)技術を使用するが、定常状態電流または電圧降下にはよらず、PSDから流れる全電荷を合算するために積分器を使用する。PSDの電極内の積分電荷分布の相関は非線形（しばしば標準的なPSD位置／信号線形関係とは対照的）であり、異なる全入射光量及び／またはスポットサイズの調節から利益を得る。有利なことに、PSD製造者が測定する光エネルギーがPSDの能力を超えると思う場合でさえ、光エネルギーの単一パルスに対するPSDからの積分信号により、パルスの位置及び／または光エネルギーは高信頼かつ正確に決定可能となる。
【００１２】
第１の態様において、本発明はパルスビームの位置を決定するための方法を与える。当該方法は、ビームの光路内で位置センサダイオードを配置する工程を含む。位置センサダイオードはビームのパルスに応答して電流のパルスを生成する。電流の初期パルスは積分電荷信号を生成するために積分される。位置センサダイオードでのパルスの位置は、積分電荷信号に応答して決定される。
【００１３】
パルスビームは２００nm以下の波長を有するレーザービームから成る。実施例において、パルスレーザービームは約１９０nmから役１９６nmの範囲の波長を有する。パルスビームは、角膜組織の光切除を可能にする。ビームは、位置センサダイオードに向かう光路に沿ってビームの第１部分が向けられた状態で、分離される。ビームの第２部分は患者の眼に向かう他の光路に沿って向けられ、その結果眼でのビーム位置が位置センサダイオードを使って決定されると同時にビームが眼の屈折率を変更する。パルスビームはエキシマレーザーを使って生成される。
【００１４】
位置センサダイオードは検知面及び複数の電極を有する。初期信号はパルスに関連する全電荷を有する。積分は全電荷の少なくとも２つ部分を合算する。合算した部分は位置センサダイオードの２つまたはそれ以上の電極と関連づけられる。初期信号の積分は、関連した複数の電極に対する複数の電荷を合算する工程から成り、パルス位置はそれらの電極間での電荷分布を使って決定される。位置センサダイオードの検知面での全光量は、電極での電荷から決定される。
【００１５】
検知面のX軸に沿ったパルスの位置は、第１X電極と第２X電極との間の全電荷の分布とX位置との間の線形または非線形相関関係を使って決定される。同様に、検知面はX-Y検知面から成り、第１Y電極と第２Y電極との間の全電荷の分布とY位置との間の線形または非線形相関関係を使って、検知面のY軸に沿ったパルスの位置が決定される。
【００１６】
位置センサダイオードは複数の電極を有するシリコンフォトダイオードから成る。初期信号は、複数のアナログ積分回路を使って積分され、各積分回路は関連する電極と接続されている。多くの実施例において、積分は積分器により実行され、ビームの複数のパルスの複数の位置が決定される。積分器はしばしば少なくともいくつかのパルスの間でリセットされる。パルスビームは１kHzまでのビームパルス周波数を有する。
【００１７】
他の態様において、本発明は光路に沿ってパルス光ビームを向けるための光センサを含む装置を与える。位置センサダイオードはビームのパルスに応答して信号を生成するように光路内に配置される。積分器は電荷信号を生成するためにパルス用の信号を積分するよう位置センサダイオードに接続される。位置モジュールは積分器に接続され、電荷信号に応答して位置センサダイオードでのパルスの位置を決定するよう構成されている。
【００１８】
しばしばパルスビームの波長は２２０nm以下であり、付加的に光源は、パルスレーザービームが約１９０nmから約１９６nmの範囲の波長を有するように、エキシマレーザーから成る。
【００１９】
ビームデフレクタが光源からの光路に沿って配置され、ビームスプリッタがビームデフレクタからの光路に沿って配置される。ビームスプリッタはビームを分離し、かつ、光路に沿って位置センサダイオードの方向へビームの第１部分を方向付ける。ビームの第２部分は他の光路に沿って向けられ、その結果、ビームデフレクタがビームの向きをさまざまに変えたとき、位置モジュールはビームの第２部分の位置を指示する。
【００２０】
位置センサダイオードは、検知面及び複数の電極を有する。積分器は少なくとも２つの電極に接続されている。信号はパルスに関連した全電荷を含む。積分器は関連する電極に向けられた全電荷の少なくとも２つの部分を合算することにより電荷信号を生成する。パルス位置は少なくとも２つの電荷部を使って決定される。
【００２１】
積分器は関連する複数の電極での複数の電荷を合算する。位置モジュールは電極での全電荷を決定するように構成され、全電荷は検知面での光量に相関している。位置モジュールは、複数の電極間での電荷の分布とパルス位置との間に相関を与えるよう構成される。相関は非線形であってもよい。
【００２２】
配置したモジュールは、第１X電極と第２X電極との間の全電荷の分布から検知面のX軸に沿ってパルスの位置を決定するように構成される。検知面はしばしばX-Y検知面から成り、位置モジュールは、第１Y電極と第２Y電極との間の全電荷の分布から検知面のY軸に沿ってパルスの位置を決定するように構成される。
【００２３】
位置センサダイオードは複数の電極を有するシリコンフォトダイオードから成る。積分器は複数のアナログ積分回路から成り、各積分回路は関連した電極に接続される。位置モジュールは、ビームの複数のパルスの複数の位置を決定するよう構成され、積分器は少なくともいくつかのパルスの間でリセットされる。
【００２４】
他の態様において、本発明は眼の屈折率を変更するための装置を与える。装置は光路にパルスレーザーを向けるためのレーザーから成る。レーザービームは２２０nm以下の波長を有する。ビームデフレクタはレーザーからの光路に沿って配置される。ビームデフレクタはビームをさまざまに向け直し、ビームデフレクタからの光路に沿ってビームスプリッタが配置される。ビームスプリッタはレーザービームを分離し、光路に沿ったレーザービームの第１部分及び他の光路に沿ったレーザービームの第２部分を眼に向ける。位置センサダイオードはレーザービームのパルスに応答して信号を生成するよう光路に配置される。電荷信号を生成するべくパルス用の信号を積分するために、積分器には位置センサダイオードが接続されている。位置モジュールが積分器に接続されている。位置モジュールは電荷信号に応答して眼の上のビーム位置を指示するよう構成される。
【００２５】
装置は、屈折治療中に眼の上のレーザースポットのサイズを変更するための可変アパーチャを含んでもよい。位置モジュールはレーザースポットサイズに応答して位置を決定する。レーザービームの波長はしばしば２２０nm以下である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明は、概して、光ビームを測定するための改良した装置、システム及び方法を与える。本発明のシステムは、概して、アナログ出力を与える位置センサダイオード(PSD)シリコンフォトカソードを含む。本発明の装置、システム及び方法は、PSDと互換するとして既知の波長、及びアナログ装置と互換性がないと以前は考えられていた波長の両方に対して位置センサダイオードの正確な使用を可能とするため、本発明の技術は、これらの正確、シンプルかつ低コストの構造の使用を拡張する。ここに説明する発明を使用することにより、３００nm以下の波長を有するパルスビーム、付加的に２２０nmまたはそれ以下の波長を有するビーム、２００nm以下の波長をしばしば有するビーム、及び多くの場合１９６nmまたはそれ以下の波長を有するビームの位置及び／または光エネルギーを正確に測定するのに位置センサダイオードが使用される。よって、発明は、位置センサダイオードと互換性が無いと考えられてきたエネルギーを含む、高いUVエネルギービームの測定に応用可能である。５０Hzまでのパルス周波数を有するビーム、しばしば１００Hzまでの周波数を有するパルス、多くの場合１kHzまでの周波数を有するパルスの測定が得られる。より長い波長の光及び／またはより長いパルス時間（または連続波ビーム）の測定も有効である。
【００２７】
本発明は屈折手術システムから照射されるパルスレーザーエネルギーを測定しかつ較正する際にただちに応用することができるが、本発明は他のさまざまな産業分野への応用が可能である。半導体製造、カット、溶接、加工、プロファイリング、軍事的応用、及び美容整形手術、組織スライス、ガン治療のような他の医学的応用で使用されるレーザーがここで説明する技術を使って測定される。よって、本発明は多くの異なる設定で応用できる。
【００２８】
図１を参照して、レーザー眼手術システム10は概して、眼の屈折特性を変化させるようレーザー14から眼16へパルスレーザービーム12を向ける。システム10のエレメントは、光屈折角膜切除(PRK)またはレーザーアシスト上皮下角膜曲率形成術(LASEK)、光治療角膜切除(PTK)、及びレーザーインサイチュ角膜曲率形成術(LASIK)を含むさまざまなレーザー眼手術処置の正確性及び効率を強化するのに有用である。
【００２９】
レーザー12は概してエキシマレーザーから成り、理想的には約１９３nmの波長を有するレーザー光のパルスを生成するアルゴンフッ素レーザーから成る。好適にレーザー14は、可変アパーチャ18及びビームステアリング装置20を含む照射光学機器を通じて、約１６０mジュール/cm2のフィードバック安定化フルエンスを患者の眼に与えるよう設計されている。本発明は、紫外線または赤外線放射線の代替ソースで使用されてもよく、特に、眼の近く及び／または下側の組織へ有意なダメージを生じさせることなく角膜組織を制御可能に切除するよう適応される。他の実施例において、レーザービームソースは米国特許第5,520,697号、第5,144,630号及び第5,742,626号に記載されるように、１９３nmと２１５nmとの間の波長を有する固体レーザーを使用する。他の実施例において、レーザーソースは米国特許第5,782,822号及び第6,090,102号に記載されるような赤外線レーザーから成ることもできる。
【００３０】
システム10のレーザー14及び照射光学装置は、概して、プロセッサ22の指示の下で患者の眼へビーム12を向ける。プロセッサ22は、角膜の所定の彫塑を有効にしかつ眼の屈折特性を変更するように、レーザーエネルギーのパルスに対して角膜部分を晒すようビーム12を選択的に調節する。レーザー14、可変アパーチャ18及びビームステアリング装置20は、所望のレーザー彫塑処理を有効にするようにプロセッサ22の制御の下にあり、プロセッサはレーザーパルスのパターンを有効にする（付加的に変更する）。
【００３１】
空間的及び／または時間的積分器、切除エレメント吸引器／フィルタ、アスピレータ、アイトラッカー、及び既知のレーザー手術システムの他のコンポーネントを含む付加的コンポーネント及びサブシステムがシステム10に含まれてもよい。本発明のビーム位置検知コンポーネントとともに使用するのに適したレーザー眼手術システムは、VISX、Alcon、Bausch & Lomb、 Nidek、Wavelight、 LaserSight、Schwind、Zeiss-Meditec等により製造または販売されているものである。レーザーシステムの例は、ここに参考文献として組み込む米国特許第6,755,818号、第6,331,177号及び第6,322,216号に開示されている。
【００３２】
図１に示されるように、ビームスプリッタ24はレーザー14と眼16との間のビーム12の光路に沿って配置される。より特定的に、ビームスプリッタ24が可変アパーチャ18及びビームステアリング装置20を含むレーザー照射システムの多くの光学コンポーネントの後に配置されている。ビームスプリッタ24は例えば、第２光路12bに沿ってレーザーエネルギーの他の部分を向き変えながら、第１光路12aに沿ってレーザービーム12のエネルギーの一部を伝送するミラーを含む。全エネルギーのわずかな部分のみが眼16から離れて方向付けられ、眼に関連した光路はミラーにより方向を変えられ、その結果わずかに伝達するミラーがビームスプリッタ24として使用される。エネルギーのバルクが眼16に照射される際、第１光路12aが一次光路として記述され、第２光路12bはビームモニター径路として記述される。
【００３３】
モニター径路12bに沿ってビームスプリッタ24から伝送されたレーザービーム12の部分は位置センサダイオード(PSD)26に向けられる。より特定的に、図１及び２を参照してわかるように、レーザービーム12の各パルスはPSD26の検知面30上にレーザースポット28を形成する。ビームスプリッタ24がビームステアリング装置20の下流に配置される際、検知面30上でのスポット28の位置は眼16に対するビームの位置により変化する。同様に、ビームスプリッタ24が可変アパーチャ18の下流にある際、パルスのサイズ及び全光量は眼に入射する光ビームのサイズにより変化する。
【００３４】
図１に示されるように、位置センサダイオードにより生成される信号からビームの位置を直接決定するのではなく、システム10は位置センサダイオード26から積分器34へ初期信号32を送信する。積分器34は、電荷信号36を生成するために、レーザービームの少なくともひとつのパルスに対して信号32を積分する。この電荷信号36はレーザービームの位置を決定するためにプロセッサ22により使用される。初期信号と記述するが、信号32は積分器34による積分前に前処理にかけられる。それにもかかわらず、積分器34からの積分または電荷信号36とは対照的に、信号32は初期信号のままである。
【００３５】
PSD26は概して、１または２次元検知面を有するシリコンフォトダイオードから成る。シリコンフォトダイオードは、典型的に約４００と１１００nmとの間のPSDの標準的波長範囲内の光スポットの連続波部分に正比例するアナログ出力を生成する。そのようなスペクトル範囲の光スポットはｐ−ｎ接合により分離された抵抗層を通じて光スポットの入射点から流れる光電流を生成する。この標準的な波長範囲内で、検出器の長さで割り算された幾何学的位置エラーの定義によれば、PSDから出力された信号は非線形性が１％以下と報告されているように非常に線形である。不運にも、レーザー眼手術システム10のような多くの応用に対して、レーザービーム12の波長はPSD26の標準スペクトル範囲の外にある。
【００３６】
PSD構造は、例えば、ON-TRAK PHOTONICS, INC.、 SITEK ELECTED OPTICS、PACIFICA SILICON SENSOR, INC.等から商業的に入手可能である。システム10内で屈折レーザービームの位置をモニターするための適当な実施例は、ガラスカバーを除去し、紫外線を透過させる融解石英カバーと置換することにより修正された、モデル番号DL-100-7-KERSMDを含む。
【００３７】
図２を参照して、PSD26は第１及び第２X電極40、42並びに第１及び第２Y電極44、46を有する。各電極は積分器34の関連した積分回路48に接続されている。積分回路48は関連した電極の電荷を合算するアナログ回路から成る。この合算電荷信号はプロセッサ、より特定的にプロセッサの位置モジュール50へ送信される。したがって、初期信号32は、電極40、42、44及び46等からの複数の信号から成る。同様に、積分信号36は電極に関連する複数の積分信号から成る。
【００３８】
プロセッサ22は、典型的に、バスシステムを通じて多くの周辺装置と連結する少なくともひとつのコンピュータプロセッサを含む。周辺装置は、記憶サブシステム、メモリサブシステム、ファイル記憶サブシステム、ユーザーインターフェース入力装置、ユーザーインターフェース出力装置、ネットワークインターフェースサブシステム等を含む。これらの周辺装置のいくつかは、本発明のいくつかの方法を実施するタンジブル記憶媒体52からコンピュータ実行可能コードをダウンロードするのに使用される。タンジブル媒体52はこれらの方法で使用するための、プロセッサに送信される信号とビーム位置及び／または他のビーム特性との間の相関を含むデータを格納する。
【００３９】
プロセッサ22の機能は直列のモジュールを使って実行され、各モジュールはハードウエア及び／またはソフトウエアから成る。例えば、位置モジュール50は、積分器34により与えられるような各電極からの積分信号に応答して、PSD26の検知面30上でのスポット28の位置を計算するためのソフトウエアのサブルーチンを含む機械読み取り可能コードから成る。位置モジュール50は、ひとつまたはそれ以上のアナログ-デジタル変換器、位置計算ソフトウエアを実行するためのひとつまたはそれ以上の積分回路プロセッサボード等のようなプロセッサのハードウエアコンポーネントも含む。一般に位置モジュール50及びプロセッサ22のコンポーネントは、単一のハウジング内に含まれる必要はないが、幅広いデータ処理アーキテクチャーにおいて分散されてもよい。同様に、ここに説明した方法を実行するソフトウエアは単一の連続コードとして、またはさまざまなサブルーチンとして書かれても良い。ハードウエア及びソフトウエアはしばしば、プロセッサ22により他の機能に使用されるハードウエア及びソフトウエア内に集積される。プロセッサ22は、パーソナルコンピュータ、ポータブルコンピュータ、ワークステーション、コンピュータ端末、ネットワークコンピュータ、レーザー手術システムの制御システム、メインフレーム、または他のさまざまなデータ処理構造を含むさまざまなタイプのプロセッサのいくつかを含むことができる。
【００４０】
図２を参照して、レーザーエネルギーのパルスがPSD26の検知面30上に入射する際、PSDはパルス内の紫外線の全光量で変化する光電荷を生成する。付加的に、光電荷はパルス内の全光量に比例する。この全電荷は検知面30上のレーザーパルススポット28の位置にしたがって、PSD26のX及びY電極40、42、44、46に分配される。
【００４１】
図３を参照して、アナログ積分回路48はひとつの特定の電極に関連するPSD26により生成される全電荷の一部を出力C2 OUTで電圧に変換する。図３に示される積分回路48は、例えば第２チャネル(C2またはC2 OUT)または電極として使用され、その結果PSDからの入力はPSD C2として示される。概して、キャパシタC3は積分キャパシタとして機能し、PSDの関連電極により放出された電荷を蓄積する。キャパシタC3の低リークは、それが使用されるまで、電荷信号を保存しておくという利点がある。C2 OUTでの出力信号はPSDから与えられた電荷に対するキャパシタC3の容量値に正比例する。演算増幅器U3はキャパシタC3をバッファしかつPSDを逆バイアスし、それにより適当な動作が強化される。
【００４２】
キャパシタC3及び演算増幅器U3は、多くのパルスに対するPSDからの電荷を保持するので、積分回路48に入力可能な最大パルス速度は全く制限される。所望のレーザーパルス速度を可能にするために、リセットループがパルス間で積分回路をリセットする。アナログスイッチU2が閉じられると、演算増幅器U1は演算増幅器U3の出力を基準電圧（ここでは、−４．７５ボルト）までドライブする。アナログスイッチU2が開かれると、演算増幅器U3及び積分キャパシタC3はPSD電極から送信された信号を積分することが可能になる。より特定的に、キャパシタC2はアナログスイッチU2からの注入電荷を吸収し、PSD信号が積分されている間演算増幅器U1の出力を一定に保持する。
【００４３】
抵抗R10及びキャパシタC1は、演算増幅器U1の応答周波数と同調する。レジスタR9は存在するであろう任意の配線容量から出力を分離する。よって、出力C2 OUTは、プロセッサ22によりさらに処理するためにアナログ-デジタル変換器により容易にデジタル化される。
【００４４】
本発明の位置センサダイオードを有するレーザー眼手術システム用の他の装置が図４に示されている。この実施例において、ビームステアリング装置20は、例えば、検流計または他の電子機械アクチュエータにより駆動される偏向ミラーから成る。ビームスプリッタの上流でレーザー手術システムのパルスを配置または処理する他の光学エレメントがモニターされてもよい。
【００４５】
光エネルギー照射がビームスプリッタ24の前の一次光路12a及びモニタリング光路12bに対して同じであるとき、特に、ビームスプリッタ24の下流側で一次光路12aに沿って光学コンポーネントが配置されていない場合、手術環境内に照射されたエネルギー配置の実施的に総合的測定が得られる。レーザー照射システムの熱効果及び他の光学特性もまたモニターされる。
【００４６】
図４の実施例において、ビームスプリッタ24は固定した反射鏡から成り、光学コンポーネントに関して、レーザーシステムから眼までの照射位置にまたはそれに近接して配置される。ミラービームスプリッタ24は制御した量の光エネルギーをビームモニター径路12bに沿って伝送し、それによってレーザーエネルギーのこの部分を主要光路から除去する。反射鏡の背面は、すべてのビームステアリング位置でのビームの伝送部分の通過、アパーチャ構成等を許す。付加的に、治療面での極端なオフセット位置において、モニター径路12bに沿って伝送されたビームの部分的なクリッピングが生じるかもしれない。位置センサダイオード26での位置的エラー及び不均一なエネルギープロファイルを避けるために、位置コマンド信号はそのようなクリッピング状態が最も生じやすい時を示す。レーザーシステムのすべてのパルスを個別にモニターする必要がない場合、このようなクリッピングパルスは無視される。他に、動き平均または他の信号処理法が、いくつかのパルスがチェックされない場合に位置精度を上げるのに実行されてもよい。
【００４７】
位置センサダイオード26のサイズ及びレーザー眼手術システム内の空間的制約を考慮して、二次光路は一次光路の完全なコピーでなくともよい。位置センサダイオード26の検知面で正確にイメージされた光路に沿って任意のアパーチャを有するのは有利であるが、レンズ64が空間的制約内で所望の面にビームが集束することができるようモニター径路12bに配置されてもよい。モニター径路12bのイメージ上に短焦点距離のレンズを使用することで、球面収差（平坦強度プロファイルを減少させる）を増加させ、走査中の動きの範囲を減少させ、ビームの検知位置の解像度を減少させる。長焦点距離レンズは走査範囲を増加させ、測定の解像度を改善するため、利用され得る。それにもかかわらず、モニタービームの走査レンジがプロセッサ22により所望のレーザー照射パルスパターンに相関されることで、正確なビームモニターが実行され得る。
【００４８】
付加的に、位置センサダイオード26は、一次元の位置センサダイオードから成るが、典型的には二次元の位置センサダイオードから成る。付加的に、ビーム12の紫外線放射は、チップから直接的に信号を誘導しながら、PSDの検知面を直接たたいてもよい。他に、保護カバーが位置センサダイオードを覆ってもよい。いくつかの実施例において、カバーから検知面へルミネセンスが通過することにより、保護カバーはUV励起に応答して発光する。これは、検知面をたたくUV放射線を減少または消去する。この構成において、UV放射線はカバーから光を誘導し、このカバーから誘導される光がチップにより検出される光を与え、誘導された光は典型的にUVレーザーエネルギーが無い間にPSDの標準波長範囲内にある。さらに他の実施例において、保護カバーは有意なルミネセンスを励起することなくモニタービームのUV放射線の一部を通過させ、カバーが位置センサダイオードに対して強化した寿命を与えることで、UV放射線はチップから直接的に信号を誘導する。
【００４９】
位置センサダイオード26は付加的に、一対のX位置信号及び一対のY位置信号から成る２対の信号を生成する。各信号は、積分器48により積分される。レーザーパルスのエネルギーは２つのX位置積分信号または２つのY位置積分信号のいずれかの信号の各対の成分を組み合わせることにより得られる。位置を検出するために、積分信号の同じ対が異なる方法で組み合わされ、２つのX位置積分信号は入射レーザーパルスのX位置を与えることができ、２つのY位置積分信号は入射レーザーパルスのY位置を与えることができる。
【００５０】
上記したシステム及び方法は、検流計を使って駆動されるひとつまたはそれ以上のミラーにより有効となるビームステアリングをモニターしかつ確認するのに特に有用である。検流計は温度範囲内で良好な安定性を有するが、温度範囲及び温度変化は個々のビームステアリング装置ごとに異なる。検流計の温度は熱電対、サーミスタまたは他の温度センサを使ってモニターされ、上記装置及び方法は、屈折補正を与えるための意図したレーザーエネルギーのパターンを与えるプロセッサに対して実際のビームステアリングにおけるダイレクトフィードバックを与えるのに使用される。
【００５１】
上記したビーム位置モニター装置及び方法は、治療中だけでなく、レーザー照射システムの光学コンポーネントのアライメントまたは調節中に使用されてもよい。例えば、開閉中のアイリスの中心移動が決定され、時間的積分中のビーム均一性、及びビーム軸の回りの照射光学機器の回転により導入されるビームの任意の振動が治療前及び／または治療中に測定されかつ補正される。
【００５２】
位置センサダイオードから直接取得した初期信号（PSDの標準動作範囲内の光から生成されるような）の使用は線形（ビーム位置に関して連続出力信号）でかつスポットサイズの違いにより影響されないが、ここで説明した積分信号技術は異なるスポットサイズで変化する相関から利益を得るものであり、しばしば非線形（非固定傾斜を有する）の相関を構成する。したがって、相関は例えば、異なるスポットサイズに対して積分信号を相関させる異なる曲線の連続から成る。これらの相関は上記した装置の実験的試験により容易に得られる。
【００５３】
PSD内で生成される電荷量は、入射レーザーパルスエネルギーを増加することにより増加する。PSDのエッジ（電極）を通過して流れるこの電荷の割合は、エッジに対するパルスの近接度と関連する。一次元のPSDに対して、２つの対向するエッジが存在し、その各々は電流のパルスを積分器に与える。該電流は、エッジを通過して流れた電荷に比例する信号を与えるよう積分器により積分される。信号はSl（左信号）及びSr（右信号）として記述される。レーザーパルスエネルギーは以下の式に関連する。
【００５４】
(Sl+Sr)                      式１
相関関係は、PSD内部の飽和及び電荷再結合並びに他の現象により非線形的な傾向がある。
【００５５】
PSDの左エッジからのレーザーパルスの中心の距離は以下の式で与えられる。
【００５６】
Sr×D/(Sl+Sr)                式2
ここで、DはPSDの全長である。二次元PSDに対して、同じ式が適用され、積分器のX及びY対からの信号は独立であると考えられる。トップアンドボトム電極の例では、トップ電極からのレーザースポットの距離は以下の式で与えられる。
【００５７】
Sb×D/(St+Sb)            式3
ここで、Sbはボトム信号であり、Stはトップ信号であり、DはPSDの全長である。
【００５８】
図５に示されるように、約１６０ｍJ/cm2のエネルギー密度を有する１９３nmの波長の直径５mmの単一レーザーパルスが、X及びYの両方向に治療面内で−４.５mmから＋４.５mmまで０.５mmのステップで発射された。この図で、PSDに到達した際のレーザーパルスのエネルギー密度は約１６０mJ/cm2の２％である。このパルスのグリッドは、治療中に発射される可能なパルスの全範囲をカバーする。位置は式１、２及び３を使って計算されたが、両方の寸法に対して、線形スケールファクタ及びオフセット値を使用することにより実際の発射位置に最適な一致をもたらすよう調節される。これら２対のフィッティングパラメータはキャリブレーション定数としてパルスの連続シーケンスに対して使用可能である。図５に示されるパルスの全シーケンスの二乗平均エラーは６６ミクロンである。この値は、エッジに非常に近づけるか、またはPSDのエッジによりクリップされるPSDのエッジにおけるパルスを除去することにより削減できる。図５の右上に示すように、パルスは光学トレインのコンポーネントによりわずかにクリップされており、それは少量の歪みも生じさせる。キャリブレーション法を使用して、実際の治療中に発射される５mmパルスの連続に対するRMSエラーは５０ミクロン以下であると予測される。パルスエネルギーに対するPSD応答の非線形性のために、この単純な線形キャリブレーション法を使って各レーザーパルス直径を個々に較正するのが所望される。非線形項を使用しかつ個々の積分信号を直接較正するより複雑なキャリブレーション方法が使用されてもよい。
【００５９】
いくつかの実施例が説明されてきたが、さまざまな修正、変更及び付加が当業者によって自明である。よって、本発明の態様は特許請求の範囲によってのみ制限されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】図１は、レーザー眼手術システムにおいてレーザーの位置を測定するために位置センサダイオード(PSD)を使用するための装置、システム及び方法を示す略示ブロック図である。
【図２】図２は、積分器が各ダイオードからの信号を積分しかつ図１のシステムで使用できるようにその信号をプロセッサの位置計算モジュールへ送信するところの複数の電極を有する位置センサダイオードを示す。
【図３】図３は、図２の積分器内で使用するためのアナログ積分回路の実施例を示す回路図である。
【図４】図４は、図１のシステムを使用するレーザー眼手術システムの光学トレインの部分を略示したものである。
【図５】図５は、X及びYの両方向で０.５mmのステップで与えられるレーザーパルスに対応するパルスのグリッドを略示したものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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