ПОДВИЖНЫЙ ПОДВЕС С КОМПЕНСАЦИЕЙ ВЕСА ДЛЯ ФОКУСИРУЮЩЕГО ОБЪЕКТИВА ЛАЗЕРНОГО УСТРОЙСТВА
WEIGHT-COMPENSATED MOBILE SUSPENSION FOR FOCUSING LENS OF LASER DEVICE

Область техники
Изобретение относится к подвижному подвешиванию с компенсацией веса фокусирующего объектива лазерной системы. Лазерная система предпочтительно обеспечивает импульсное лазерное излучение, которое фокусируется посредством фокусирующего объектива на желательную зону, на которую должно воздействовать излучение.
Уровень техники
Подвижное подвешивание фокусирующего объектива с компенсацией его веса является желательным преимущественно (но не исключительно) в случае воздействия на живую ткань при наличии прямого контакта между тканью и лазерной системой. Подобный прямой контакт часто создается, например, в случае операций на человеческом глазе с применением лазерной хирургии, когда требуется произвести разрезы в роговице или в других частях глаза, используя ультракороткие импульсы лазерного излучения. В этом случае прямой контакт создается, чтобы гарантировать точное позиционирование глаза, подлежащего воздействию относительно лазерной системы в направлении распространения излучения. Для этого обычно на переднюю поверхность фокусирующего объектива помещают сопрягающий блок (адаптер для пациента), который обеспечивает физическое сопряжение глаза с лазерной системой. У сопрягающего блока обычно имеется прикрепляемый к фокусирующему объективу держатель контактного элемента, который должен быть приведен в контакт с глазом и который изготавливается из материала, прозрачного для лазерного излучения. Контактный элемент может, например, иметь плоскую нижнюю сторону для уплощения роговицы.
Фокусирующие объективы лазерных систем часто являются многолинзовыми системами, имеющими значительную массу (значительный вес). Так, масса в несколько килограммов не является необычной для подобных объективов. Разумеется, при проведении глазной операции к глазу, подлежащему воздействию, не должен прикладываться полный вес фокусирующего объектива. По этой причине для фокусирующих объективов применяются подвесы с компенсацией веса. При использовании подобных решений по компенсации веса усилие, с которым фокусирующий объектив все же воздействует на глаз, уменьшается, например, до нескольких ньютонов (например до 1-2 Н). Это позволяет слегка и плавно приподнимать фокусирующий объектив, не создавая опасности для глаза, если пациент неожиданно и непроизвольно приподнимает свою голову, например как проявление панической реакции.
Пример подвеса для фокусирующего объектива с компенсацией его веса приведен в US 5336215. Здесь вес объектива компенсируется с помощью пружинной системы, посредством которой объектив подвешен на раме с возможностью смещения относительно нее.
Раскрытие изобретения
Изобретение направлено на создание точно и надежно функционирующего устройства для компенсации веса фокусирующего объектива в лазерной системе.
Согласно изобретению с этой целью предлагается подвес для подвижного подвешивания с компенсацией веса фокусирующего объектива лазера лазерной системы, содержащий:
- генератор усилия для генерирования усилия, уравновешивающего вес фокусирующего объектива,
- передаточный механизм, обеспечивающий приложение к фокусирующему объективу противодействующего усилия и возможность компенсирующего движения фокусирующего объектива вверх/вниз, и
- устройство, направляющее перемещение фокусирующего объектива таким образом, что при компенсирующем движении фокусирующего объектива вверх/вниз его оптическая ось сохраняет по меньшей мере свою ориентацию и, предпочтительно, свое положение в пространстве.
Задание посредством направляющего устройства, направления перемещения фокусирующего объектива предотвращает нежелательный наклон его оптической оси при компенсирующем движении объектива вверх/вниз. В контексте изобретения под "компенсирующим движением вверх/вниз" понимается движение фокусирующего объектива вверх или вниз относительно лазерной системы. Таким образом, независимо от компенсирующего движения объектива, его оптическая ось сохраняет заданную ориентацию по отношению к объекту, на который производится воздействие, например по отношению к оптической оси человеческого глаза, подвергаемого воздействию. Здесь следует отметить, что изобретение в принципе может применяться в сочетании с лазерными системами, предназначенными для любых приложений, в частности для обработки любых (в том числе неживых) материалов, и никак не ограничено только офтальмологическими применениями.
Генератор усилия может содержать противовес, масса которого используется для генерирования по меньшей мере части, например всего, противодействующего усилия. Противовес может состоять из единственного уравновешивающего компонента или, альтернативно, из нескольких (по меньшей мере двух) отдельных компонентов, создающих вес, которые, например, могут использоваться в варьируемом количестве и/или в варьируемых взаимных положениях. Подобные компоненты могут также быть объединены в единственный компонент для получения нужного общего веса и извлекаться, по мере необходимости, из этого компонента. Такие настройки противовеса позволяют тарировать компенсирующий вес с особой точностью.
При этом изобретение не исключает возможности генерирования части противодействующего усилия посредством по меньшей мере одного упругого элемента. В связи с недостатком (часто ассоциируемым с упругими элементами), состоящим в зависимости эффективного усилия от перемещения (поскольку упругость зависит от степени деформации упругого элемента), генератор усилия предпочтительно не генерирует противодействующее усилие исключительно посредством упругих элементов. Однако, сочетание одного или более упругих элементов с противовесом представляется допустимым, например, чтобы намеренно получить заданную зависимость усилия от перемещения.
Передаточный механизм предпочтительно выполнен в виде коромысла, на одну сторону которого воздействует противодействующее усилие, а на другую сторону - вес фокусирующего объектива. Функционально коромысло можно сравнить с коромыслом рычажных весов.
Например, коромысло может иметь по меньшей мере один рычаг, одно плечо которого связано с фокусирующим объективом, а другое - с генератором усилия. Должно быть понятно, что для формирования коромысла можно использовать два или более таких рычагов, расположенных смежно и взаимно параллельно. При этом положение точки приложения усилия, создаваемого генератором усилия, может регулироваться по длине рычага с целью регулирования крутящего момента, действующего на рычаг. В общем случае желательно, чтобы расстояние по меньшей мере одной точки приложения усилия к коромыслу со стороны генератора усилия от оси качательного движения коромысла было регулируемым.
Преимущество использования противовеса, который действует на одну сторону коромысла (т.е. на одно плечо рычага) для генерирования по меньшей мере части противодействующего усилия, состоит в максимально возможном постоянстве этого усилия во всем функционально необходимом диапазоне перемещения фокусирующего объектива. Путем преднамеренного смещения центра тяжести противовеса относительно коромысла можно точно задать характеристическую кривую усилие/расстояние, обеспечиваемую подвесом. Это позволяет проводить тарировку даже с неделимым противовесом. С другой стороны, если генератор усилия содержит по меньшей мере один упругий элемент, характеристическая кривая усилие/расстояние подвеса может быть дополнительно настроена с использованием зависимости усилие/расстояние, типичной для пружин и других упругих элементов, поскольку точку приложения усилия, создаваемого упругим элементом можно смещать вдоль рычага (коромысла).
Фокусирующий объектив предпочтительно опирается на коромысла с возможностью поворота относительно него вокруг оси поворота, проходящей параллельно оси (X) качательного движения на расстоянии от нее. Для обеспечения стабильности пространственного положения оптической оси объектива рекомендуется расположить опору фокусирующего объектива на коромысло на переменном расстоянии от оси качательного движения коромысла. Если коромысло наклоняется, фокусирующий объектив может совершить аналогичное движение, что означает изменение его расстояния от оси коромысла. Благодаря этому объектив может двигаться вверх и вниз по прямой линии, а не вдоль окружности, т.е. сохранять свое положение в поперечном направлении (в направлении, ортогональном оси объектива) относительно объекта, подвергающегося воздействию.
Подшипник, в котором происходит качание коромысла, предпочтительно характеризуется низким трением. Его можно выполнить, например, в виде подшипника скольжения из пластика или подшипника качения. Трение желательно сделать, по возможности, минимальным, чтобы избежать отклонения от заданной эффективной зависимости усилие/расстояние подвеса в результате наложения силы трения.
В предпочтительном варианте фокусирующий объектив опирается на опорную поверхность коромысла с возможностью свободного перемещения по ней. В частности, этой поверхности можно придать такую форму, что объектив может свободно лежать на коромысле. Опорная поверхность может быть сформирована, например, в виде по меньшей мере одного продольного углубления по меньшей мере в одном из рычагов коромысла, в которое может быть введен соответствующий опорный шип или другой опорный элемент. Данное углубление может быть открытым сверху и/или вперед или назад - в зависимости от того, с каким рычагом связан объектив. В результате опорный элемент объектива может быть введен в углубление спереди или сзади.
Должно быть понятно, что опорная поверхность может быть альтернативно выполнена, например, в форме более или менее открытых продольных отверстий, а объектив может сопрягаться с каждым таким отверстием посредством соответствующего опорного выступа. Должно быть также понятно, что в одном из вариантов опорная поверхность может быть сформирована на объективе, и соответствующие элементы для опирания на эту опорную поверхность могут быть сформированы на коромысле.
В любом случае опора объектива на коромысло предпочтительно выполнена так, что в процессе качательного движения коромысла может происходить не только поворот объектива относительно коромысла, но также и изменение радиального расстояния между осями поворота объектива и качания коромысла.
Направляющее устройство предпочтительно выполнено в виде линейной направляющей, задающей направление перемещения, параллельное оптической оси фокусирующего объектива. У этой направляющей предпочтительно имеются направляющие элементы, предотвращающие, при компенсирующем движении фокусирующего объектива вверх/вниз, его движение в направлении, поперечном относительно его оптической оси. Это свойство является полезным для стабилизации положения объектива в пространстве.
Так, направляющее устройство может содержать линейную направляющую и салазки, направление перемещения которых она задает. Салазки могут быть закреплены на фокусирующем объективе. Линейная направляющая может быть снабжена по меньшей мере одной направляющей прорезью. У салазок может иметься по меньшей мере один направляющий выступ, который может взаимодействовать с направляющей прорезью так, чтобы предотвратить движение салазок в горизонтальном направлении. Это делает возможным обеспечить, в случае компенсирующего перемещения салазок относительно своего положения, возможность перемещения фокусирующего объектива в вертикальном направлении с сохранением ориентации и положения его оптической оси. Для этой цели в направляющей прорези могут быть выполнены дополнительные вырезы, с которыми сопрягается направляющий выступ.
Согласно другому своему аспекту изобретение предлагает лазерную систему, содержащую:
- источник лазерного излучения, предпочтительно импульсного лазерного излучения,
- фокусирующий объектив для фокусирования лазерного излучения, имеющий оптическую ось,
- сопрягающий блок, который установлен на выходной стороне фокусирующего объектива и предпочтительно прикреплен к нему, как отдельный узел, и снабжен контактным элементом, прозрачным для лазерного излучения и предназначенным для накладывания на объект, подлежащий обработке посредством лазерного излучения,
- подвес, в частности описанного выше типа, служащий для подвижного подвешивания фокусирующего объектива с компенсацией его веса, при этом подвес содержит:
коромысло, имеющее два плеча и связанное с корпусом компонента лазерной системы с возможностью качательного движения вокруг своей оси, фокусирующий объектив, опирающийся на одно из плеч коромысла с возможностью поворота относительно коромысла вокруг оси поворота, проходящей параллельно оси качательного движения на расстоянии от нее, прикрепленный к другому плечу коромысла противовес для генерирования противодействующего усилия, которое обеспечивает компенсацию по меньшей мере основной части веса фокусирующего объектива, и устройство, направляющее перемещение фокусирующего объектива вдоль прямолинейной траектории, параллельной его оптической оси.
Краткое описание чертежа
Далее изобретение будет описано более подробно, со ссылками на прилагаемый чертеж, на котором, схематично и не полностью в масштабе, представлен вариант лазерной системы для выполнения разрезов в роговице или в других тканях человеческого глаза.
Осуществление изобретения
На чертеже представлена только выходная часть лазерной системы (обозначенной в целом, как 10), т.е., по существу, только фокусирующий объектив 12 с блоком 13 сопряжения с глазом пациента (сопрягающим блоком), установленным на выходной стороне объектива. Предусмотрена компенсация веса фокусирующего объектива 12, который подвешен посредством подвеса 14. Под "компенсацией веса" в контексте изобретения подразумевается компенсация по меньшей мере основной части веса объектива 12. Незначительная остаточная часть веса объектива (например, порядка нескольких ньютонов) может оставаться некомпенсированной. Фокусирующий объектив 12 фокусирует (непроиллюстрированным на чертеже образом) афокальный пучок лазерного излучения, формируемый лазерной системой 10 в фокальной зоне, совмещенной с глазной тканью, подлежащей разрезанию. Используется лазерное излучение с длительностью импульсов, например, в фемтосекундном диапазоне и с длиной волны в ближней инфракрасной области (например, примерно между 1000 нм и 1100 нм), или в ультрафиолетовом диапазоне, предпочтительно с длиной волны 300 нм.
<mrow><mover accent="true"><mi>G</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
В варианте по чертежу подвес 14 снабжен генератором усилия с противовесом 16. Генератор создает вертикальное усилие
, посредством которого обеспечивается по меньшей мере частичная компенсация веса фокусирующего объектива 12. Подвес 14 содержит также передаточный механизм в форме коромысла 18, которое своим правым (на чертеже) концом присоединено к противовесу 16. На другом (на чертеже левом) конце коромысла имеется опора 20 для присоединения к фокусирующему объективу 12. Противовес 16 может смещаться вдоль соответствующего плеча коромысла, что позволяет изменять положение эффективной точки К приложения усилия противовеса и, соответственно, эффективный противодействующий момент.
Коромысло 18 установлено в подшипниках 22, так что оно может поворачиваться вокруг своей оси Х качания, расположенной на расстоянии между точками приложения весов объектива 12 и противовеса 16, на расстоянии от них. Через подшипники 22 и одну или более соединительных консолей 21 коромысло 18 связано со схематично изображенной несущей частью 23, которая относительно других компонентов лазерной системы 10 может быть установлена стационарно или подвижно.
У коромысла 18 может иметься, например, продолговатый, в частности, по существу, прямолинейный рычаг 19, который одним своим концом связан с объективом 12, а другим - с противовесом 16. Целесообразно использовать два таких рычага 19, расположенных параллельно друг другу по обеим сторонам объектива 12 (т.е. на представленном на чертеже виде позади и впереди объектива 12). Поэтому, хотя в дальнейшем описании будет упоминаться только один рычаг, все последующие объяснения в равной степени применимы к обоим рычагам.
В представленном примере опора 20 образована поперечно ориентированным углублением 24 рычага 19 (показанным штриховыми линиями), которое открыто более чем на одну сторону (на чертеже вверх и влево). Дно 24а этого углубления образует опорную поверхность для вертикального шипа 26, выступающего в поперечном направлении от объектива 12 и входящего в углубление 24. Фокусирующий объектив 12 свободно опирается на рычаг 19 своим шипом 26. При повороте (качании) коромысла 18 происходит не только поворот объектива 12 относительно коромысла 18 вокруг оси вертикального шипа, но и сам шип 26 смещается в опоре 20. В результате этого смещения изменяется расстояние от вертикального шипа 26 до оси Х качания. Это позволяет, несмотря на движение объектива 12 вверх и вниз, поддерживать неизменными положение и ориентацию оси О оптического объектива в пространстве. Чтобы смещение вертикального шипа 26 в опоре 20 происходило с минимальным возможным трением, вертикальный шип 26 может, например, нести кольцо 28, которое может катиться по дну 24а углубления 24, будучи установленным в подшипнике качения или скольжения.
Подвес 14 содержит также направляющее устройство, обеспечивающее возможность вертикального линейного перемещения фокусирующего объектива 12. В то время как возможность перемещения вертикального шипа 26 в опоре 20 создает условия для постоянства положения в пространстве оси О объектива при движении объектива 12, направляющее устройство гарантирует, что ось О объектива, действительно, не будет наклоняться или смещаться параллельно самой себе.
В представленном варианте направляющее устройство содержит линейную направляющую 30, которая зафиксирована относительно фокусирующего объектива 12, и салазки 32, которые перемещаются по ней и закреплены на фокусирующем объективе 12. У линейной направляющей 30 имеется Т-образная направляющая прорезь 34, взаимодействующая с направляющим выступом 36 на салазках 32. В представленном варианте данный выступ имеет в вертикальном сечении форму буквы Т, два плеча 36а перекладины которой взаимодействуют с соответствующими плечами прорези 34 таким образом, что предотвращается горизонтальное (поперечное) смещение фокусирующего объектива 12 (на чертеже вправо) относительно направляющей 30. Кроме того, взаимодействие плеч 36а салазок с плечами Т-образной прорези 34 гарантирует, что фокусирующий объектив 12 не будет наклоняться. Направляющее устройство постоянно удерживает его в заданной ориентации.
Взаимодействие направляющего выступа 36 с направляющей прорезью 34 обеспечивает достаточный диапазон перемещения по вертикали, чтобы гарантировать необходимую длину хода фокусирующего объектива 12 в вертикальном направлении.
Если фокусирующий объектив 12 вместе со своим адаптером 13 помещен на (неизображенный) глаз, подлежащий лечебному воздействию, фокусирующий объектив 12 может сместиться вертикально вверх под действием легкого противодавления со стороны глаза. В случае этого компенсирующего движения фокусирующего объектива 12 вертикальный шип 26 смещается, перекатываясь (или, альтернативно, скользя) по дну 24а углубления 24, в то время как коромысло 18 поворачивается по часовой стрелке вокруг своей оси X. Одновременно объектив 12 поворачивается относительно коромысла 18 вокруг оси вертикального шипа 26. В отличие от этого, если бы (в гипотетическом случае) фокусирующий объектив 12 был жестко соединен с коромыслом 18, движение фокусирующего объектива 12 вверх или вниз приводило бы к наклону его оптической оси О. Однако в представленном варианте возможность такого наклона исключена благодаря использованию подвижной опоры объектива 12 на коромысло 18 и удерживанию объектива 12 на линейной траектории посредством линейной направляющей 30.