(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを照射対象物に照射して照射対象物を切除するレーザ装置における、レーザビームの照射エネルギー密度の相違を評価するレーザビームの評価方法において、所定の照明光を投光したときにその透過光の光量が切除量に応じて変化する単一層又は層状の基材であって、前記レーザビームによる照射量の変化が切除深度の変化を伴う基材に、所定の照射領域内を略均一な深度で切除するようにレーザ装置の動作を制御してレーザビームを照射して基材を切除し、評価サンプルを作成する評価サンプル作成段階と、該評価サンプルに前記照明光を投光し、その透過光の光量分布により得られる濃淡画像を得る画像形成段階と、該画像形成段階で得られた濃淡画像に基づいて基材の切除深度の分布を解析する解析段階と、を備えることを特徴とするレーザビームの評価方法。
【請求項２】
請求項１のレーザビームの評価方法は、さらに前記解析結果に基づいて略均一な深度で切除するように前記レーザ装置の制御データを求める制御データ決定過程を備えることを特徴とするレーザビームの評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照射対象物に導光するレーザビームの照射強度を評価する方法、これを利用した照射強度評価装置、並びにレーザビーム照射装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
レーザビームは治療や加工用として様々な分野で用いられている。例えば、眼科分野では、エキシマレーザ光により患者眼角膜の上皮や実質を切除（アブレーション）することにより、角膜の曲率を変化させて近視等の屈折異常を矯正したり、角膜表層の病変部を切除するレーザ装置が知られている。この種のレーザ装置では、レーザ照射対象物上で略均一な深度の切除を行えるように制御することが重要とされる。本出願人も略均一な切除を可能にするために、切除領域内のレーザ照射密度を変化させるように構成したレーザ装置を特開平２０００−２７９４４０号公報において提案している。
【０００３】
ところで、レーザ装置を製造時に略均一な切除が可能なように調整したとしても、レーザ装置の設置現場で各光学素子の取付け作業を行うと、光軸の微妙なアライメント調整の影響を受け、切除深度形状が変動する。また、導光光学系に配置される光学素子の経年変化による劣化によっても、照射対象物上での切除深度形状が変動する。このため、レーザ装置の設置現場においても、実際に加工対象物にレーザ照射する前に、評価用の基準物にレーザ照射し、その切除深度形状を評価してレーザビームの照射強度を調整することが必要になる。
【０００４】
従来、切除深度形状を検査する方法としては、簡易的には、透明なＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）板にある条件でレーザ照射した後に、そのＰＭＭＡ板の屈折変化をレンズメータで読みとることで行われていた。また、切除したＰＭＭＡ板を三次元形状解析装置で解析することで切除深度形状の詳細でデータを得ていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レンズメータを用いた検査は、レーザ装置を設置した現場においても比較的簡単に測定ができるが、切除深度形状の概略を知るに過ぎず、詳細な形状を得ることはできなかった。
【０００６】
一方、三次元形状解析装置を用いる場合、その解析装置は大掛かりで高価であり、可搬性も低いため、レーザ装置の設置現場での使用が困難なこともある。
【０００７】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、比較的簡易な構成で、レーザビームの照射強度の状態を精度良く知ることができるレーザビームの評価方法を提供することを技術課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とする。
【０００９】
（１）  レーザビームを照射対象物に照射して照射対象物を切除するレーザ装置における、レーザビームの照射エネルギー密度の相違を評価するレーザビームの評価方法において、所定の照明光を投光したときにその透過光の光量が切除量に応じて変化する単一層又は層状の基材であって、前記レーザビームによる照射量の変化が切除深度の変化を伴う基材に、所定の照射領域内を略均一な深度で切除するようにレーザ装置の動作を制御してレーザビームを照射して基材を切除し、評価サンプルを作成する評価サンプル作成段階と、該評価サンプルに前記照明光を投光し、その透過光の光量分布により得られる濃淡画像を得る画像形成段階と、該画像形成段階で得られた濃淡画像に基づいて基材の切除深度の分布を解析する解析段階と、を備えることを特徴とする。
（２）  （１）のレーザビームの評価方法は、さらに前記解析結果に基づいて略均一な深度で切除するように前記レーザ装置の制御データを求める制御データ決定過程を備えることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係るレーザ照射装置システムの概略構成を示す図である。
【００１７】
１はレーザ装置であり、エキシマレーザ光により角膜を切除する角膜切除用レーザ装置である。１０はレーザ照射強度を評価する基材としての現像済み未感光ポジフィルムである。エキシマレーザ光の照射強度評価用の基材としては、エキシマレーザ光により切除を引き起こし、照射されるレーザビームのエネルギー密度分布状態の相違により濃淡変化を起こすものを使用する。すなわち、所定の照明光を投光したときにその透過光の光量がレーザビームの照射エネルギ密度に応じて変化する基材を使用し、それはフィルム状のものが好ましい。本実施形態では、レーザ装置１が設置される医療施設でも容易に入手できるように、写真用に市販されているポジフィルム１０を基材として使用しており、これは切除深度に応じて濃淡変化を起こす。１１はポジフィルム１０を載置する固定台であり、レーザ照射中にポジフィルム１０を安定して保持できれば、その構成は特に問わない。ポジフィルム１０は適当なサイズにカットした後、写真スライドに用いるマウント１２に取付け、固定台１１に載置すると良い。
【００１８】
２０はポジフィルム１０の濃淡変化を読み取るイメージスキャナである。イメージスキャナ２０は、所定位置に配置されたポジフィルム１０を照明する光源２１と、ポジフィルム１０を透過した光をレンズ２２を介して撮像するＣＣＤ（撮像素子）２３と、撮像した濃淡画像を記憶する画像メモリ２５、イメージスキャナ２０の作動を制御する制御部２６を備える。このイメージスキャナ２０も、ポジフィルム１０の撮影像を読み取るために市販されているものを使用できる。
【００１９】
３０はイメージスキャナ２０と接続された解析装置であり、市販のパーソナルコンピュータを使用できる。解析装置２０はイメージスキャナ２０側で得られたポジフィルム１０の画像を基にその濃淡変化を解析するプログラムを持つ。また、解析装置２０はレーザ装置１側の制御部１２０と接続されており、制御部１２０は解析装置２０からの解析結果を基にレーザ照射の制御データを得る。
【００２０】
図２は、レーザ装置１の光学系及び制御系概略図である。１０１はレーザ光を患者眼角膜へ導光して照射するための導光光学系である。１０２は波長１９３ｎｍのエキシマレーザ（ＡｒＦレーザ）光をパルス発振によって出射するレーザ光源である。レーザ光源１０２から出射されるレーザ光のビーム垂直断面は矩形形状であり、そのエネルギ強度分布は断面長手方向（Ｘ軸方向）では略均一な分布Ｆ（Ｗ）であり、それに直交する方向（Ｙ軸方向）ではガウシアン分布Ｆ（Ｈ）となっている（図３参照）。
【００２１】
１０３，１０４は平面ミラーであり、光源１０２から水平に出射されたレーザ光はミラー１０３によって上方に９０°偏向され、ミラー１０４によって再び水平に９０°偏向される。また、ミラー１０４は移動装置１２１によって図２中の矢印方向に平行移動され、レーザ光をガウシアン分布方向へ走査する。
【００２２】
１０５は導光光学系１０１の主光軸Ｌ１を中心にミラー１０４によるレーザ光の走査方向を回転させるイメージローテータであり、イメージローテータ１０５は回転装置１２２によって一定速度で一定方向に回転される。
【００２３】
１０６はレーザ光による照射領域を限定するためのアパーチャであり、その開口径は可変装置１２３によって変化される。１０８は導光光学系１０１の主光軸Ｌ１と観察光学系１１０が持つ対物レンズ１１１の光軸Ｌ２とを同軸にするダイクロイックミラーであり、ダイクロイックミラー１０８はエキシマレーザ光を反射し可視光を透過する。観察光学系１１０は対物レンズ１１１，双眼の顕微鏡部１１３等によって構成されており、これによって術者が患者眼Ｅや検査基準物１０を観察することができる。また、観察光学系１１０には光軸Ｌ２の軸方向（Ｚ軸方向）のアライメントを行うための２本のスリット指標を投影する指標投影光学系が配置されている（図示を略す）。
【００２４】
１２０は光源２，移動装置１２１，回転装置１２２，可変装置１２３等を制御するＣＰＵ等の制御装置である。１２５は照射径（照射領域）や切除深度（照射量）などの手術条件を入力するための入力装置である。１２６はレーザ照射のためのトリガ信号を発信するフットスイッチである。
【００２５】
このレーザ装置１において、照射対象物を略均一な深度で切除する場合の方法を説明する。
【００２６】
ミラー１０４を図２中の矢印方向に平行移動させ、レーザ光源１０２からのレーザパルスの繰返し周波数を踏まえた速度で、レーザ光をガウシアン分布方向へ走査する。ミラー１０４はレーザパルスに同期させて移動する。ある移動位置で１パルス又は数パルス照射後に平面ミラーを次の位置に移動させ、再び１パルス又は数パルス照射後にミラー１０４を移動する。この動作をアパーチャ１０６で制限される照射領域の一端から他端まで繰り返し、レーザパルスを重ね合わせる。そして、１スキャン毎に所定角度ずつ走査方向を変える。この重ね合わせの走査方向は、放射状に分散するようにすることが好ましい。
【００２７】
このようなレーザ照射において、各スキャンにおけるミラー１０４の移動速度（移動量）を適切に制御することにより、照射対象物上での重ね合わせの照射強度を変化させることができる。このため、照射対象物へのレーザ導光の途中でレーザの照射強度を変化させる要因がある場合にも、照射対象物を略均一な深度で切除することが可能となる（このレーザ照射の方法の詳細については、本出願人による特開平２０００−２７９４４０号公報を参照されたい）。
【００２８】
ところで、レーザ装置１を製造時に上記のように略均一な切除が可能なように調整したとしても、レーザ装置１の設置現場で各光学素子の取付け作業を行ったり、光学素子の経年変化による劣化（特に光学系の反射ミラーは中心部での劣化が早い）、等の要因により照射対象物上での切除深度が変動する。このため、レーザ装置１での設置現場においても、実際に加工対象である角膜を切除する前に、予めレーザ照射強度を評価し、その結果に基づいてミラー１０４の移動速度の制御データを定めるようにする。
【００２９】
次に、上記のような構成のシステムにおいて、レーザビームの照射強度分布の評価方法を、以下に説明する（図４参照）。
【００３０】
まず、レーザ装置１により、予め用意したポジフィルム１０を所定の条件でレーザ照射を行い、照射サンプルを作成する。なお、ポジフィルム１０はレーザ照射量の変化に対して、濃淡変化が比例関係にない部分があるので、評価用の基材としてポジフィルム１０を使用する場合には、異なった照射量の複数の評価サンプルを作成する。
【００３１】
照射サンプルの作成に当たり、レーザ照射条件を入力装置２５によって入力する。本実施形態では、前述したスキャン方向を順次変えていくミラー１０４の総スキャン数を２８〜３５スキャンまで１スキャンずつ変化させることで、１つのポジフィルム１０に照射量の異なるサンプルを８個作成する。
【００３２】
固定台１１に載置したポジフィルム１０を観察光学系１１０で観察してアライメントを行った後にレーザ光を照射し、図５に示すように、１つ目のサンプル２０１を作成する。次のサンプルに対するレーザ照射条件を入力後、ポジフィルム１０又はレーザ装置１の光学系を移動して、ポジフィルム１０上の異なる場所に２つ目のサンプル２０２を作成する。以後、同様にしてサンプル２０３〜２０８をポジフィルム１０に作成する。
【００３３】
目視により各サンプル２０１〜２０８の切除状態を確認する。目視の確認で照射部分の重なりや均一度等の異常がなければ、ポジフィルム１０をイメージスキャナ２０の図示なき挿入口から挿入し、８個のサンプル２０１〜２０８の画像を一括してイメージスキャナ２０で取り込む。ＣＣＤ２３に撮像された画像はメモリ２５に記憶される。次に、解析装置３０を操作してメモリ２５に記憶された画像を解析装置３０側に読み出し、解析プログラムによりポジフィルム１０の変化状態、すなわち、ここでは切除深度分布を解析する。
【００３４】
切除深度分布の解析について説明する（図６参照）。
【００３５】
＜ステップ１＞  まず、８個のサンプル２０１〜２０８を一括して取り込んだ画像全体の輝度分布データを得る。サンプル２０１〜２０８は個々に取り込んでも良いが、輝度分布データを一括して解析するためと、各サンプルを同じ基準で解析するため、一括で取り込む方が好ましい。図７は輝度分布データを輝度ヒストグラムで示した図であり、横軸が輝度を示し、縦軸が画素数を示す。イメージスキャナ２０で取り込む画像はＲＧＢの３色カラー画像であるので、輝度は２５６階調×３としている。
【００３６】
＜ステップ２＞  輝度分布データにおいて、レーザ照射量増加に対して輝度の変化しない部分（不感帯）はサンプル数が多くなる。そこで輝度分布極大となる輝度部分Ｐを不感帯とし、この不感帯より高輝度側又は低輝度側で、適当な範囲の輝度領域を解析対象とする。図７に示した輝度ヒストグラムにおいては、不感帯より高輝度側の５４階調分を解析対象としている。写真用のポジフィルム１０は各感色層やフィルタ層が存在する層状構造となっており、照射量の変化に対して輝度が変化しない不感帯層が存在する。この不感帯部分を解析対象から外し、照射量の変化に対して輝度が変化する部分をできるだけ抽出する。なお、ゼロ輝度の近傍で輝度分布が極端に多いのは、非照射領域のデータであるので、これも解析から外す。
【００３７】
＜ステップ３＞  また、取り込んだ画像全体から個々のサンプル２０１〜２０８の解析対象領域を切り分ける。個々のサンプルの切り分けは、図７の輝度ヒストグラムにおいて、低輝度の近傍側で適当なスレッショホールドレベルＳを設けて二値化することにより行う。その後、各サンプルでの輝度重心を求め、これを個々のサンプルの中心位置とする。
【００３８】
＜ステップ４＞  各サンプルについて、それぞれ中心位置からの距離と輝度との相関関係を取り出し（図８参照）、ある単位距離（画像のドット数）に対する輝度傾斜を求める。このとき、各サンプルにおいて、距離に対する輝度は平均値で計算する。この際、同一距離での輝度の偏差値が大きい場合には、装置コンディション不良と判断してメンテナンスの実施を指示する。また、切除深度分布の解析に当たっては、ある照射量、例えば、３０スキャン数で標準化するものとし、各サンプル毎の輝度傾斜は、[３０スキャン数／そのサンプルのスキャン数]の係数を乗じて補正する。
【００３９】
＜ステップ５＞  ステップ２で定めた輝度領域を解析対象とし、全サンプルから得られた輝度傾斜情報を繋ぎ合わせる。このとき、重複した部分については、輝度傾斜の絶対値が大きい方を用いる。１つのサンプルでは解析対象領域の全域の輝度傾斜情報を得ることが難しいが、複数のサンプルで得られたものを繋ぎ合わせることにより、全解析領域をカバーした輝度傾斜情報を得ることが可能となる。このためサンプル数は、解析領域の大きさ、切除深度分布の変化の大きさ、及び解析の輝度領域との関係で、その解析領域の輝度変化が得られる数とする。
【００４０】
＜ステップ６＞  全解析領域の輝度傾斜情報が得られたら、これを各距離で積分することにより、中心位置からの距離に対する相対的な輝度変化を求める。
【００４１】
＜ステップ７＞  また、各サンプルから取り出した中心位置からの距離と輝度との相関関係（図７参照）から、照射量の変化（１スキャン）に対する輝度変化の値Ｋを求める。これは次のように計算する。まず、解析対象の輝度領域で距離毎に１スキャンの違いによる輝度変化を求める。例えば、図８において、ある距離Ａで３０スキャンの輝度Ｉ１と３１スキャンの輝度Ｉ２が得られるので、距離Ａでの１スキャンの違いによる輝度変化＝Ｉ２−Ｉ１が求まる。そして、この計算を解析対象全域の各距離毎に行い、その平均値に標準偏差を加えた値を輝度変化の値Ｋとする。
【００４２】
＜ステップ８＞  切除深度分布解析の標準化を３０スキャンとしたので、輝度変化の値Ｋ×３０により３０スキャンにおける輝度変化を求め、この値をステップ６で得られた相対的な輝度変化のオフセット値とする。これにより得られた値を切除深度分布データとして扱う。
【００４３】
なお、評価用の基材として照射量の変化に対して濃淡変化が一定の関係を示す単一層の素材を用いる場合には、１個の照射サンプルを解析することでも切除深度分布データを得ることが可能できる。この場合には、切除深度に対する濃淡変化の関係の基準データを予め得ておくことにより、切除深度の分布データが得られる。
【００４４】
もちろん、評価用の基材として単一層の素材を用いる場合においても、少なくとも照射量の異なる２つの照射サンプルがあれば、上記と同じ考え方で切除深度分布データを得ることができる。ただし、この場合には輝度分解能の高い画像取り込み装置を用いることが好ましいい。
【００４５】
以上のようにして得られた切除深度分布データが得られたたら、その均一性が許容範囲内にあるか否かを確認する。これは解析装置３０で行っても良い。切除深度分布データが均一でない場合は、解析した切除深度分布データをレーザ装置１の制御装置１２０に直接又は入力装置１２５を用いて入力する。制御装置１２０はミラー１０４の移動速度の制御データを、入力されたデータに基づいて算出する。すなわち、制御装置１２０は照射サンプル作成時におけるミラー１０４の移動速度の制御データに対し、照射中心位置からの距離に対する切除深度の変化率からミラー１０４の移動速度の変更データを求める。
【００４６】
制御装置１２０で制御データの計算が終了したら、再度、ポジフィルム１０にレーザ光を照射して切除深度分布を評価し、照射エネルギーの均一性を確認する。
【００４７】
以上ではレーザ装置１の制御データをミラー１０４の移動速度としたが、これはレーザ光源１０２の出力自体を制御する方法、レーザ照射時間を制御する方法でも良い。また、以上のレーザ照射強度の評価は、照射対象物を略均一に切除する場合に限らず、他の形状についても行えることは言うまでもない。
【００４８】
また、以上の実施形態では照射対象物の切除を引き起こすレーザビームを例にとって説明したが、レーザビームの熱作用により凝固を引き起こすレーザビーム等、種々のレーザビームについても適用可能である。眼底凝固を行う波長のレーザビームの場合、凝固作用によって照明光の透過光量が変化する基材を用いて、その変化状態を解析すれば良い。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、比較的簡易な構成で、レーザビームによる照射強度の状態を精度良く知ることができる。これにより、レーザ装置毎に生じる照射エネルギー密度分布のバラツキを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態のレーザ照射装置システムの概略構成を示す図である。
【図２】実施形態のレーザ装置の光学系及び制御系概略図である。
【図３】エキシマレーザ光源から出射されるレーザビームのエネルギ強度分布を説明する図である。
【図４】照射強度分布の評価方法を説明するフローチャートである。
【図５】ポジフィルムに作成した照射サンプルを示す図である。
【図６】切除深度分布の解析のステップを説明するフローチャートである。
【図７】輝度分布データを輝度ヒストグラムで示した図である。
【図８】各照射サンプルについて、中心位置からの距離と輝度との相関関係を示した図である。
【符号の説明】
１  レーザ装置
１０  ポジフィルム
２０  イメージスキャナ
３０  解析装置
１０１  導光光学系
１０２  レーザ光源
１０４  ミラー
１０５  イメージローテータ
１０６  アパーチャ
１２０  制御装置
１２１  移動装置
１２２  回転装置
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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