УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСПОЛОЖЕНИЯ ФОКУСА ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ И ОФТАЛЬМОЛОГИЧЕСКОЕ ЛЕЧЕБНОЕ УСТРОЙСТВО
METHOD AND APPARATUS FOR OPTICAL SYSTEM LOCALISATION, AND OPHTHALMOLOGICAL THERAPEUTIC APPARATUS

Изобретение относится к устройству и способу определения расположения фокуса оптической системы. Прежде всего, изобретение относится к устройству и способу определения глубины фокуса формирующей изображение оптической системы и, кроме того, также к устройству и способу регулирования расположения фокуса и, прежде всего, глубины фокуса. Кроме того, изобретение также относится к офтальмологическому устройству для лечения и/или диагностирования с использованием названного устройства или, соответственно, названного способа.
В случае рассматриваемых оптических систем речь идет, прежде всего, о формирующей изображение оптической системе в составе приспособления по обработке материалов с использованием источников света, таких как, прежде всего, лазеры и светодиоды. Под обработкой материалов здесь следует понимать структурирование материалов в микродиапазоне, например, для диэлектрических материалов, таких как, например, биологическая ткань, а также металлические материалы. Прежде всего, изобретение может применяться в офтальмологических оптических системах, прежде всего, в сфере рефрактивной хирургии роговицы, такой как, например, LASIK. При этом особенно подходящей для данного изобретения сферой использования является способ fs-LASIK, то есть рефрактивная хирургия роговицы с применением фемтосекундного лазера.
При вышеназванных формирующих изображение оптических системах достижение высокоточной обработки материала, помимо всего прочего, зависит от точного контроля расположения фокуса. Под «расположением фокуса» здесь, прежде всего, понимается не только место фокуса по направлению оптической оси (так называемая глубина фокуса), но, в целом, также положение и ориентация фокусированного излучения, то есть, например, смещение относительно идеальной оптической оси системы или наклонное положение реальной оси оптического излучения относительно идеальной (желаемой) оптической оси. При использовании способа fs-LASIK существует особая зависимость от соблюдения подсчитанной глубины фокуса, что составляет особое применение данного изобретения.
В DE 10 2004009212 представлен оптический контактный элемент для лазерной обработки материала. Этот контактный элемент в предпочтительном конструктивном исполнении используется для способа fs-LASIK. При этом этот контактный элемент имеет диффракционно-оптическую структуру. Эти структуры должны за счет высоких числовых апертур объектива минимизировать возникающий угол падения. Дифракционный оптический элемент (ДОЭ) при этом имеет решетчатую структуру с радиально организованным периодом кристаллической решетки. Периоды кристаллической решетки при этом составляют от 200 до 500 л/мм. В качестве спектрального диапазона указывают данные в диапазоне мкм. По причине оптических ограничений возможна только числовая апертура около 0,3. Увеличение апертуры достигается путем применения второго дифракционного элемента в траектории лучей объектива. Этот ДОЭ также представляет собой циркулярную решетчатую структуру с периодом решетки, возрастающим по направлению к оптической оси. Радиус кривизны при этом соответствует радиусу кривизны глаза, равному около 8 мм. Обработка материала производится с данным едино предустановленным радиусом кривизны. При этом присасывание происходит схожим с WO 03/002008 и ЕР 1159986 А2 образом. Контроль фокуса с помощью этого представленного способа не производится.
В ЕР 0627675 представлено дифракционное оптическое приспособление для изображения одной или нескольких точек пространства из одного луча. При этом дифракционная структура также состоит из сегментарного расположения любых бинарных или многоуровневых дифракционных элементов. Структура расположения, прежде всего, может быть гексагональной или шестиугольной. Тем самым достигается отображение распространения светового луча. Однако осуществляется только превращение интенсивности и/или фазы.
В US 2002/0171028 описано устройство для фокусного контроля. При этом за счет отображения траектории лучей обратный свет вступает в интерференцию со вторым пучком лучей и, таким образом, производится интерферометрический контроль волн.
Таким же образом в US 6,666,857 В2 фокусный контроль проводится при помощи интерферометрического контроля волнового фронта. Активное управление волновым фронтом во время процесса фотоабляции на человеческом глазу в таком случае достигается путем комбинации адаптивных зеркал. Активное управление волновым фронтом выполнять не требуется.
В US 2004/0051976 А1 описывается оптическое приспособление конфокального микроскопа, состоящего из лазерного источника, преимущественно излучающего в УФ-диапазоне, оптики для расширения луча, дифракционной пинхол-решетки и объектива. Точная форма осуществления дифракционной пинхол-решетки не описана. В качестве преимущества этой технической формы осуществления может рассматриваться повышение эффективности, так амплитудные пинхол-решетки в зависимости от относительной апертуры имеют пропускание от 4 до 10%. Напротив, с дифракционной пинхол-решеткой для такого оптического элемента возможны показатели пропускания до 80%; зависимость от относительной апертуры или же от числа пинхол-отверстий при этом обусловлена только изготовлением.
2
В US 2004/0021851 оптическое приспособление, состоящее из лазера и последующей оптики для формирования луча, используется для измерения фокусного расстояния неизвестной линзы. Измерение фокусного расстояния при этом производится за счет фокусировки на базовой поверхности при различном расстоянии. При этом обнаруживают обратно отраженную долю излучения. Спектральные диаметры, в таком случае, оцениваются с соответствующих расстояний. При помощи соотношения Ньютона ZZ'=f определяют фокусное расстояние. Оптическую решетку, которая более подробно не описывается, используют для отбора обратно отраженной доли излучения. Матричный формализм Джонса также привлекают для подсчета фокусного расстояния. Точность способа составляет 1%.
В US 6,909,546 В2 описывается оптическое приспособление, состоящее из источника света (Nd:YAG2w) и последующей оптики для формирования луча. При этом применяются два дифракционно-оптических элемента для того, чтобы гомогенизировать лазерное излучение. Первый из двух ДОЭ используется при этом для гомогенизации и фильтрации пространственных частот. Последующее пинхол-отверстие производит фильтрацию пространственных частот. Внутри двойной структуры фильтрации пространственных частот находится второй ДОЭ, который создает желаемое распределение интенсивности в дальнем поле. Дальнее поле порождается либо полевой линзой, либо же вторым ДОЭ. В фокусе создается желаемое распределение интенсивности. Фокусный контроль при этом способе не проводится.
В соответствии с этим изобретение имеет целью разработать устройство и способ, с помощью которых может быть точно определено положение фокуса оптической системы.
Для этого изобретение предоставляет устройство для обнаружения положения фокуса оптической системы с источником излучения; фокусирующейся системой формирования изображения; с по меньшей мере частично отражающей поверхностью вблизи фокуса; соответствующей цифровой сенсорной системой (например, ПЗС-камерой, КМОП-камерой или тому подобным) для снятия отраженного от упомянутой поверхности изображения; с вычислительным устройством для оценки снятого камерой изображения, а также с оптическим элементом на траектории луча оптической системы перед формирующей изображение фокусирующей системой, который оказывает влияние на вышеупомянутое изображение в зависимости от положения фокуса.
При этом вышеупомянутая формирующая изображение фокусирующая оптическая система предпочтительно является фокусирующей оптикой с настраиваемым (вариативным) положением фокуса, прежде всего, системой, в которой можно установить место фокуса в направлении параллельно оптической оси изображения (то есть, глубину фокуса). Кроме того, при подобной системе, как правило, положение фокуса также можно установить в перпендикулярном направлении относительно оптической оси излучения, например при способе fs-LASTIK.
Следовательно, предлагаемое устройство и соответствующий способ служат прежде всего для начальной настройки и регулирования оптической системы таким образом, что непосредственно перед обработкой материала относительно заданной плоскости, так называемой поверхности, точно устанавливают фокус, прежде всего так, что он лежит точно на этой поверхности. При использовании со способом LASTIK вышеупомянутая нулевая плоскость предпочтительным образом является поверхностью, которая возникает в результате того, что роговая оболочка в интересующем диапазоне присасывается к базовой поверхности (это как таковое известно специалисту LASIK). Сплющивающая, прозрачная для используемого излучения мембрана покрыта с обращенной к роговой оболочке и прилегающей к ней стороны таким образом, что падающее излучение имеет низкий процент отражения. Далее, это отражение порождает указанное отображение излучения, сфокусированного на этой нулевой плоскости, которое замеряется и оценивается вышеупомянутой камерой. При идеальной фокусировке, таким образом, фокус должен находиться точно на этой нулевой плоскости (в представленном примере, таким образом, по существу на сплющенной поверхности роговой оболочки). Далее, в соответствии с оценкой отраженного изображения оптическая система настраивается таким образом, что фокусировка является оптимальной, то есть положение фокуса находится точно на нулевой плоскости. Таким образом, оптическая система настроена и отрегулирована и может использоваться для последующей обработки материала. При последующей обработке материала, как правило, положение фокуса относительно указанной нулевой плоскости изменяется. Так, например, в способе LASIK при срезании так называемого флапа фокус помещается на строму, и последовательно поперечно относительно оптической оси варьируются фокусные положения, чтобы создать флап. Как таковое, это известно. Вышеописанная начальная настройка системы обеспечивает точное позиционирование фокусов по отношению к желаемому предписанному положению.
При других обработках материала нулевая плоскость, которая также может быть обозначена как базовая поверхность, может быть определена по-другому и не обязательно должна совпадать с поверхностью материала, подвергающегося обработке. Излучение, сфокусированное на нулевой плоскости, и определение параметров изображения, отраженного на этой поверхности, позволяет провести такую проверку оптической системы, что настройка оптических свойств изображения оптической системы для идеального положения фокусировки именно на нулевой плоскости является известной на основе измерений параметров изображения, так что вслед за этим исходя из этих настроек оптической системы может быть изменено положение фокуса в соответствии с желаемой обработкой материала, например, внутрь роговой оболочки.
Согласно конструктивному исполнению вышеупомянутый оптический элемент, который в зависимости от положения фокуса оказывает влияние на фокусное изображение, требующее измерения, является смешивающей матрицей (так называемой, пинхол-решеткой).
Об оптическом элементе также может идти речь как о так называемом дифракционном оптическом элементе (ДОЭ), который создает точечный образец распределения интенсивности в дальнем поле (это как таковое известно специалистам и здесь далее не поясняется).
Вышеупомянутый оптический элемент может быть расположен на траектории лучей отраженного изображения между отражающей поверхностью и камерой, или также вне этой траектории лучей, в соответствии с видом применения проявляются соответствующие преимущества.
При помощи оптического элемента можно предпочтительным образом локально оказывать влияние на амплитуду (интенсивность) или фазу (волновой фронт) отраженного изображения и выявить долю расфокусировки волнового фронта.
Также возможно предусмотреть вышеупомянутый оптический элемент на траектории лучей как чувствительный к фазе или как чувствительный к амплитуде, прежде всего, их комбинацию.
Согласно предпочтительному варианту осуществления оптический элемент создает точечный образец, прежде всего, регулярный матричный точечный образец.
Изобретение также представляет способ определения расположения фокуса оптической системы, в котором излучение от источника излучения формируется на фокусной плоскости через формирующую изображение фокусирующуюся систему, и в случае которого для определения расположения фокуса оптической системы под влиянием формирующей изображение системы в фокусе создается изображение, которое там отражается и снимается камерой, причем оптический элемент оказывает влияние на снятое изображение в зависимости от фокусировки излучения, и в зависимости от вышеупомянутого влияния изображения в предусмотренное место фокуса передается информация о расположении фокуса фокусированного излучения.
Далее примеры осуществления изобретения объясняются подробнее на основании чертежей, на которых показано:
Фиг.1 - схематически первый пример осуществления оптической системы с устройством для определения расположения фокуса;
Фиг.2 - второй пример осуществления оптической системы с устройством для определения расположения фокуса;
Фиг.3 - схематически пример осуществления установки согласно фиг.2 со схематическим представлением распределения фаз излучения в системе и с решетчатой матрицей;
Фиг.4 - пример осуществления установки согласно фиг.2 с дифракционным оптическим элементом; и
Фиг.5, 6 - примеры осуществления для снятых камерой изображений при фокусирующем изображении типа решетчатой матрицы с точной фокусировкой или с погрешностью фокусировки.
В соответствии с фиг.1 оптическая система 10 имеет источник света 12, который, например, может представлять собой лазер (как, например, фемтосекундный лазер) или светодиод и т.д. Излучение, испускаемое источником света 12, проходит через выходное зеркало 14 и фокусируется через формирующую изображение фокусирующую систему 16 на плоскости 18. Формирующая изображение фокусирующая система 16 схематически представлена на фигурах посредством одной единственной линзы. Обычно, формирующая изображение фокусирующая система 16 имеет множество линз, одна или несколько из которых могут быть использованы для настройки и изменения фокуса. Такие формирующие изображение оптические системы как таковые известны.
На фиг.1 ссылочными позициями 20а и 20b обозначены области (места), в которых выборочно следует расположить оптический элемент, более подробно описанный ниже. Примерами подобных оптических элементов являются показанные на фиг.3 и 4 оптические элементы 34 и 36.
От отражающей поверхности 18 излучение поступает через формирующую изображение оптическую систему 16 и, при необходимости, через расположенный в области 20а, более подробно описанный ниже оптический элемент на выходное зеркало 14 и оттуда на фиг.1 отводится наверх через отображающую оптику 22 на цифровую камеру 24, например так называемую ПЗС-камеру с высоким локальным разрешением. Снятое камерой 24 цифровое изображение поступает на вычислительное устройство С и оценивается там, как это более подробно описано ниже.
На фиг.2 показан измененный пример осуществления, причем конструктивные элементы с одинаковой функцией или схожей функцией и признаки обозначены одинаковыми ссылочными позициями. В примере согласно фиг.2 предусмотрена оптика расширения луча (телескоп), состоящая из оптических элементов 26, 28 для того, чтобы расширить луч до его формирующей изображение фокусировки системой 16. Вместо представленного на фигуре телескопа Кеплера на его месте также может использоваться другая система формирования луча. В целом, оптическая система, обозначенная на фиг.2 как «оптика расширения луча», также может являться оптикой формирования луча.
Как уже упоминалось, в областях 20а и/или 20b согласно фиг.1 и 2 может располагаться оптический элемент, который в зависимости от более или менее оптимальной фокусировки при помощи формирующей изображение системы 16 на отражающей поверхности 18 оказывает влияние на вышеописанное изображение, возникающее в результате отражения и снятое камерой 24, и, таким образом, позволяет определить, является ли фокусировка на плоскость, соответствующую поверхности 18, точно требуемой, или расположение фокуса относительно этой плоскости сдвинуто, например слишком смещено назад или вперед по направлению оптической оси (так называемая глубина фокуса).
Согласно фиг.3 в качестве оптического элемента в вышестоящем смысле на траектории лучей до формирующей изображение фокусирующей системы 16 установлена теневая маска 34.
Таким образом, в идеальном случае формирующая изображение оптическая система 16 настроена таким образом, что исходящее от источника света 12 излучение точно сфокусировано на заданном месте в плоскости 18. Фокус отмечен на фиг.3 ссылочной позицией 18а. Пример осуществления согласно фиг.3 соответствует примеру согласно фиг.2 с оптикой расширения луча в области, которая отмечена ссылочной позицией 32. Также, там символически отмечены распределения фаз под ссылочными позициями 30а, 30b, 30c.
Оптический элемент 34 представляет собой решетчатую матрицу с отдельными отверстиями N×М в представленном регулярном (упорядоченном) расположении. В этом примере осуществления оптический элемент может быть выполнен как элемент, исключительно зависящий от амплитуды, оказывая, таким образом, влияние на интенсивность излучения. Типичные диаметры отверстий теневой маски составляют от 1 до 100 мкм. Система расположения, прежде всего, может быть шестиугольной, квадратной, гексагональной, а также круглой. Расположение отдельных отверстий зависит от используемого лучевого профиля и требований точности относительно места расположения фокуса. С описанной системой места расположения фокуса могут быть определены с точностью до нескольких мкм. Так как излучение на пути к плоскости 18 и отражаемое на поверхности 18 изображение, соответственно, проходят через оптический элемент 34, то происходит влияние на измеренное камерой 24 изображение в зависимости от точности фокусировки на плоскости 18. Изменение расположения фокуса относительно плоскости 18 (которая является нулевой плоскостью, определенной выше) на несколько микрометров может быть обнаружено в вычислительном устройстве С путем счет оценки снятого камерой 24 изображения.
Также возможно определить имеющуюся в фокусе мощность излучения за счет интеграции замеренных в отдельных точках изображения интенсивностей.
На фиг.5 в качестве примера схематично показаны отраженные изображения, полученные и оцененные таким образом. При этом, в центре на фиг.5 показано полученное матричное изображение отверстий для случая, когда оптическая система, включая формирующую изображение фокусирующую систему 16, настроена таким образом, что фокусировка располагается точно в желаемом месте на нулевой поверхности 18. Как уже сказано, отражающая поверхность расположена для создания измеренного изображения также на этой плоскости 18. Как показывает изображение отверстий в центре на фиг.5, отдельные отверстия без сферической части на отраженном изображении освещены полностью однородно в соответствии с входным профилем лучей.
На фиг.5, на левом изображении отверстий показано смещение расположения фокуса назад относительно нулевой плоскости 18 на около 100 мкм. Оценка изображения по сравнению с точной фокусировкой (фиг.5, центр) свидетельствует об изменении отдельных точек изображения в матрице, а вычислительное устройство С откалибровано для оценки таким образом, что «распознает» это отклонение. Калибровка вычислительного устройства может, например, экспериментальным образом производиться так, что при помощи известной формирующей изображение оптической системы целенаправленно снимают на камеру и сохраняют изменения созданного отраженного изображения в зависимости от расположения фокуса так, что расположение фокуса впоследствии может быть определено за счет сравнения с фактически измеренными изображениями.
На фиг.5 справа показана расфокусировка на 100 мкм с фокусным расстоянием объектива 50 мм с соответствующим изменением изображения отверстий в сравнении с идеальной фокусировкой. Говоря в общем, ассиметрия изображения позволяет, как это показано на фиг.5 слева и справа, провести анализ фокусировки. Если этот анализ на основе оценки изображения при помощи вычислительного устройства С дает ассиметричное распределения яркостей на изображении, то элементы формирующей изображение фокусирующей системы 16 могут меняться настолько долго, пока оценка изображения не даст результат, что фокус лежит точно на плоскости 18.
На фиг.4 показан пример осуществления устройства для определения расположения фокуса оптической системы 10, в котором оптический элемент в примере осуществления согласно фиг.2 расположен в области 20b, то есть таким образом, что отраженное на плоскости 18 по пути к камере 24 изображение не проходит через оптический элемент 36.
В данном случае, оптический элемент 36 представляет собой дифракционный оптический элемент (ДОЭ), который, например, образует разделитель лучей «1 на N», то есть делит отдельный луч на N-ное число лучей, причем N, например, может варьироваться от 2 до 50. Вызванная дифракционным элементом 36 дивергенция может быть рефракционно или дифракционно исправлена за счет второй (не показанной) структуры. Также, друг за другом могут быть расположены несколько дифракционных оптических элементов, в зависимости от профиля луча и желаемого анализа. Преимуществом устройства с дифракционными оптическими элементами является возможность корректировки обнаружившегося распределения фаз. На распределение фаз может быть оказано влияние, как за счет источника света, так и последующих оптических элементов, то есть, прежде всего, оптики для расширения луча. В этом примере осуществления, аналогично описанию со ссылкой на фиг.3, камерой 24 снимается отраженное на плоскости 18 изображение и оценивается в вычислительном устройстве С. На фиг.6 для случая, когда дифракционный оптический элемент создает матричное распределение излучения, показаны три, снятые камерой 24 изображения, причем изображение справа на фиг.6 показывает случай идеальной фокусировки с относительно равномерным освещением отдельных точек изображения. На фиг.6 слева представлен случай, когда расположение фокуса отклоняется в сторону от идеальной точки изображения 18а, а именно на несколько сот микрометров. Отдельные точки изображения освещены асимметрично. В центре на фиг.6 показан случай смещения расположения фокуса в сторону в другом направлении, причем отдельные матричные световые точки также менее освещены, чем в случае идеальной фокусировки согласно правому изображению на фиг.6.
Оптический элемент 36 в форме ДОЭ имеет по отношению к матрице отверстий преимущество высокой передачи. При помощи дифракционного элемента обычно можно достигнуть эффективности от 80 до 90%. Также такое расположение допускает очень высокую динамику при оценке расположения фокуса, то есть отклонения фокуса от идеального заданного положения могут быть определены в широком диапазоне.
Также возможно расположить дифракционный оптический элемент 36 в областях 20а согласно фиг.1 и 2.
Также дифракционный оптический элемент может быть выполнен в виде бинарного элемента или также в виде так называемой многоуровневой структуры. Решетчатые структуры могут быть одномерными, а также двумерными.
Если расположение согласно фиг.1, 2, 3 или 4 применяется в способе fs-LASIK, то под отражающей поверхностью 18, которая определяет вышеописанную нулевую плоскость, может пониматься, например, обратная сторона прозрачной пластинки в одном из самих по себе известных вакуумных приспособлений, которая выполнена таким образом (с покрытием или без покрытия), что отражается малое процентное число падающего излучения для получения изображения, которое должно быть снято камерой 24.
В качестве дифракционных оптических элементов, прежде всего, используются: решетки, зонные линзы Френеля, так называемые формирующие луч элементы и т.д. Также, в качестве элемента (36) могут использоваться так называемые рефракционно-оптические компоненты: например, микролинзовые решетки, формирующие луч элементы и т.д. Если оптический элемент 34 служит для амплитудного анализа, то, прежде всего, подходят теневые маски или также структуры расположения отверстий любой геометрии: квадратной, шестиугольной, гексагональной и т.д., в зависимости от типа луча и типа анализа.
Также оптический элемент может быть выполнен в виде щели или как структура из нескольких щелей.
2
При помощи описанных структур можно не только определять и регулировать расположение фокуса, но также можно определить дивергенцию лучей, мощности лазеров, отклонения излучения от оптической оси, отклонения от так называемого фактора качества луча М, а также изменения профиля исходящего луча светового источника 12, так как все эти параметры луча могут иметь влияние на отраженное изображение, снятое камерой 24. В отношении всех этих параметров луча на вычислительном устройстве С можно предварительно в экспериментальном порядке составить базу данных за счет целенаправленных испытаний, которая соотносит отдельные параметры лучей с отклонениями от идеальных заданных величин, которые, соответственно, отвечают изменениям изображения так, что систему можно отрегулировать путем принятия соответствующих регулирующих параметров по отношению к идеальным параметрам. При этом использование дифракционно-оптических элементов делает возможной компенсацию возможных изменений фаз на траектории луча, которые также могут повлиять на расположение фокуса. Такой анализ не позволяет использовать известный как таковой сенсор Хартмана-Шака.