闭环聚焦定位系统和方法

专利名称：闭环聚焦定位系统和方法
本申请是2001年10月12日提交的待决申请09/976,555的部分继续申请。
背景技术：
0001各种激光器过程或操作都要求将激光束适当地聚焦在一个特定焦点上。例如，在对患部组织之内或之上的眼组织进行光分裂或切除的眼科激光手术中，用来聚焦激光束的聚焦装置的正确定位是至关重要的。这样的眼外科手术过程包括角膜、巩膜、虹膜、晶状体和有关结构、玻璃体和视网膜的手术以及用来治疗青光眼的手术。此外，在很多非眼科激光外科手术的过程中(例如在皮肤病学中的应用中以及在DNA中切除部分染色体的“外科手术”应用中)，对焦深精度也有要求。此外，在非生物学应用中，例如光刻和显微机械加工中对焦深精度也有要求。
0002即使对激光器的聚焦元件进行校准(该校准因外科手术治疗方案的要求的不同而不同)，激光束的实际焦深仍然可能不同于该治疗的期望焦深。因此，需要一种闭环系统，其控制聚焦装置运动到一个期望位置，以及反馈验证聚焦装置是否已经实现了期望位移或运动(movement)。通过这种方式，焦点的深度位置可以被精确地控制。

发明内容
0003本发明一般涉及闭环聚焦定位系统。更具体地，本发明涉及一种使用于聚焦激光束的聚焦装置运动到一个期望位置(亦被称为理论位置)，然后通过反馈定位装置确定聚焦装置的实际运动值的方法和系统。
0004简言之，闭环聚焦定位系统就是利用执行软件的计算机处理器来控制聚焦激光束的聚焦装置的运动。软件被配置成允许操作员来识别激光器焦点或焦深。聚焦装置又被指示运动到一个期望位置。反馈定位装置读取聚焦装置的实际位置或者运动。通过比较期望位置和实际位置来确定聚焦装置是否已经被正确移动，从而保证激光束在激活或启动时被正确聚焦。
0005在一个实施例中，期望位置和实际位置之差δ值在可接受范围内时，聚焦装置被重新定位。这允许对聚焦装置的位置进行系统修正。但是，如果δ值超出了可接受范围时，激光器系统的聚焦装置应该被重新校准。
0006不同种类的激光源都可以与本发明的系统和方法一起使用，包括红外激光器、可视或可见光激光器和紫外激光器。此外，与本发明系统一起使用的激光源可以是连续波激光器、Q开关脉冲激光器、模式锁定超短脉冲激光器。尽管所列并不是所有激光器的穷尽列表，但前述类型的激光器都可以与本发明一起使用。在该优选实施例中，激光源是红外超短脉冲激光器，其脉冲持续时间小于10微微秒。
0007聚焦装置可以是单个透镜、物镜、复合透镜、透镜装置、曲面镜或一系列的曲面和/或平面镜，前述装置的组合，或者一种包括前述装置的可运动壳体，聚焦装置被用来聚焦激光束，聚焦装置的运动能够被测量出并且该运动与一个焦深相关。换言之，聚焦装置可以是整体或部分可运动的任何激光聚焦装置，可以通过反馈定位装置测量这种装置的运动，以确定是否获得一个实际焦点。
0008在本发明系统的一个具体实施例中，用于眼外科手术的激光系统的操作员对进行眼结构光分裂或切除的期望焦深位置值进行识别，如在角膜或晶状体手术中。主计算机上执行的软件程序接收一个用于激光器焦深位置的值。该软件程序通过向数/模转换卡写入一个电压来命令激光系统中的聚焦装置移位。一个Z检流器(galvo)又根据所命令的电压，通过将电流引导到电机驱动的聚焦装置来使聚焦装置运动到期望的焦深位置。
0009放置在激光器系统中的线性编码器检测出聚焦装置的线性运动。与主计算机和软件程序整合在一起的智能控制器使用一个传感器来读取附连到聚焦装置的编码器条或光栅(encoder strip)。当透镜运动就位时，由智能控制器提供一个编码器反馈，从而获取一个实际聚焦装置位置。
0010虽然反馈定位装置在一个实施例中是一个线性编码器，但可使用的其它反馈定位装置包括旋转编码器、干涉仪编码器、光学编码器、分解器、海登海姆标尺(Heidenheim scale)、角编码器、数字式长度测量仪系统、相位装置、磁条阅读器、变换器。


0011为更完整地理解本发明，下面将结合附图对本发明作进一步的说明，其中图1是闭环聚焦定位系统的示意图，其图解说明了本发明的一个
具体实施例方式
0012虽然已经详细描述了本发明及其优点，但应该理解的是，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，此处可以做出各种改变、替换和变化。而且，本发明的范围不应被限制成说明书中所描述的过程、机器、制造、物质成分、手段、方法和步骤的具体实施例。根据本发明公开的内容，本领域普通技术人员很容易意识到，根据本发明，执行与本文所描述的相应实施例基本相同的功能或达到与本文所描述的相应实施例基本相同的效果的、现有的或今后开发的过程、机器、制造、物质成分、手段、方法或者步骤，都可被使用。因此，所附权利要求包括其范围内这样的过程、机器、制造、物质成分、手段、方法和步骤。
0013闭环聚焦定位系统0014图1描述了根据本发明的闭环聚焦系统的一个实施例的示意图。主板上装有CPU10的计算机7通过电缆19与数模转换卡11互连。CPU10发送指令到数/模转换卡11，并籍此从电源15向电机14提供电压。电机通过一个安装在传动轴箱13中的传动轴18为可运动变焦透镜装置26(示于壳体17中)提供线性运动。或者，一个反射镜或者系列反射镜可被用作可运动单元。反馈定位装置12(例如线性编码器)利用传感器16来读取聚焦装置26的位移或运动。反馈定位装置12与CPU10互连。监视器或屏幕8以及扬声器9可被用来提供声音和/或可视警告。
0015在一个实施例中，聚焦装置是电动Z检流器聚焦系统的一部分。Z检流器通常是一个有限偏移电机，其转矩与施加的电流呈正比。当向电机施加电流时，检流器的轴转动过部分圆周。只要施加有电流，该轴就会根据所施加的电流量保持转动。当电流减小时，该轴朝其初始位置转动，当去除电流时，该轴返回到它的静止位置。通过聚焦装置的光的焦点根据施加到电机的电流量被移位。在另一个实施例中，可运动聚焦装置可以是一个曲面镜或者一系列的曲面和/或平面镜，其位置决定了激光器的焦深位置。
0016在一个实施例中，线性编码器，如MicroE SystemsTM型号(M2100L30SS200)的产品，可以被用作反馈定位装置12。MicroE编码器产品包括编码器条(具有反射剃度的玻璃条)、传感器头16和内插串行模块12。编码器优选被配置成在约900Hz或更高频率下，每计数分辨率为0.1μm或更小。
0017CPU使用线性编码器来精确检测变焦透镜装置的位置，从而将焦点位置控制在绝对值为几个微米的范围内。这是通过知道检流器命令电压增量(产生线性检流器转动的线性电压步进)来实现的。检流器产生丝杠的精确旋转运动，丝杠使聚焦装置运动。聚焦装置附连有光编码器梯度条。由此，编码器能够准确地测量出聚焦装置的运动。知道了编码器的输出(每微米位移上的许多计数)和检流器电压的步进命令(每微米位移上的电压步进数目)，系统软件就能够比较这两个值，从而确定状态是正常的还是在范围之外的。
0018如图2a-2c中进一步说明的，传感器头16固定在壳体17上，壳体17上有一个窗口或开孔，使得传感器头16能够读取固定在聚焦装置26上的梯度条25。当聚焦装置26被移动或者以线性方式运动时，传感器头16读取聚焦装置26的运动。图中所示聚焦装置用于与其它光学元件27、28和29一起将激光束22聚焦到固定焦点23。
0019来自美国U.S.Digital的型号为AD4-B-D-S1767的积分(A，B，索引)到串口RS-232的转换器被用作数/模转换卡11。AD4-B板优选经由运行于标准9600波特率的九芯电缆19连接到计算机7的主板。
0020MicroE内插件12和U.S.Digital板11作为一个装置安装在一起。该装置的电源供给是通过从计算机系统电源+12VDC连接到U.S.Digital板上的DC插头来实现的。内插件和AD4-B通过电缆20连接。积分信号从MicroE内插件经由RS-422(微分)输入到U.S.Digital板11中。MicroE板的电源也是通过电缆提供的。MicroE传感器头16通过来自内插件12的电缆21附连到壳体17。编码器玻璃条25通过UV固化粘结剂附连到聚焦装置26。
0021计算机7控制聚焦装置26的定位，并从内插件12接收关于聚焦透镜装置位置的数据。
0022闭环聚焦定位系统的软件控制0023在所发明的系统的一个实施例中，焦点位置由优选通过CPU10可执行的软件指令来计算和控制。软件指令可以存储在存储介质中，例如CD、硬盘、软盘、或其它电子存储介质设备。此外，计算机软件(指令集)可以被存储在ROM、RAM或其它能够存储计算机指令的存储设备中。软件程序可被配置成为聚焦装置26提供各种控制。该软件所执行的功能包括系统初始化、系统校准、聚焦装置的运动、聚焦装置的自动重新定位、确定聚焦装置是否在期望位置。本领域技术人员根据这一公开将很容易确定其它功能。
0024系统初始化。执行一个初始化和错误检查进程来确定系统中的各个组件是否可运行。这需要从组成装置中传出状态或者响应，组成装置例如聚焦装置(例如Z检流器物镜)、模数转换器、线性编码器和通信接口。如果这些装置中的任何一个回应了错误代码或者根本不响应，那么该软件就会指示这种错误。
0025系统的校准。该软件检测固定于聚焦装置的线性编码器索引。在一个实施例中，Z检流器被命令运动通过它的上下限，从而确定零位置。然后，Z检流器停于零位置处。此外，软件通过向数模转换器提交一个信号，数模转换器又向Z检流器提供一个正电压信号或负电压信号来校准Z检流器。在指示Z检流器移动后，从编码器索引中获得一个读数。
0026聚焦装置的运动。在校准了Z检流器之后，发出定位命令使Z检流器运动到期望位置。初始时，Z检流器位于零位置。Z检流器聚焦装置被命令运动到期望位置。然后，利用线性编码器确定聚焦装置的实际位置。
0027确定聚焦装置是否处于期望位置。一旦Z检流器运动到期望位置，Z检流器的实际位置就被确定。编码器传感器通过壳体窗口读取编码器索引。
0028该软件程序对聚焦装置的实际位置和期望焦深位置进行比较。该软件确定期望焦深位置是否处于一定的范围内。如果实际的聚焦装置位置和期望的焦深位置在范围内，则软件将会允许对眼睛继续进行激光治疗。如果实际的聚焦装置位置在范围之外，则该软件将会阻止激光治疗开始进行。
0029可根据聚焦系统的具体使用来制定一个可接受范围。对于眼外科手术而言，期望位置和实际位置之差通常应该为5微米或更小。这保证了透镜的定位和对眼结构的后续治疗极度精确。例如，可接受范围可被设置如下如果D＜＝X，那么不进行透镜调整，且允许进行激光治疗，其中D是期望位置和实际位置之差，X为5微米或更小；如果X＜D＜Y，那么重新调整聚焦装置以减小X和Y之差，并重新确认适当的X值，其中Y为25微米；如果D＞＝Y，那么需要重新校准聚焦系统，而且不应进行激光治疗。
0030在本发明的闭环聚焦系统中，可以通过多种方式来实现透镜的运动，包括但不限于以下方式00311.计算机处理器可以指示电动聚焦装置从一个基础位置线性运动到一个期望位置。与数模转换器互连的处理器为电动透镜提供一个电压源，并由此使透镜运动到期望位置。然后，反馈定位装置确定透镜的实际位置。
00322.此外，当聚焦装置并不处于其基础位置时，计算机处理器可指示聚焦装置运动。例如，可能计算机处理器先前已经使聚焦装置运动到一个期望位置。聚焦装置不必返回到基础位置就可运动到新位置。当前位置和新期望位置的值被用来计算聚焦装置将要移位多少。
00333.聚焦装置还可根据系统操作员的命令运动特定的增量。例如，该装置可被命令向上或向下运动特定的增量，例如数微米。
0034聚焦装置的自动重新定位。一个δ值可被计算成期望位置值和实际位置值之间的绝对差值。然后，δ值与期望位置和实际位置之间的一个可接受的变化范围进行比较。如果δ值很小，例如约正负2微米，那么不对聚焦装置进行重新定位。但是如果存在一个较大的δ值，例如在大于2微米到小于25微米之间，那么将对聚焦系统稍稍进行重新定位，以使期望位置和实际位置之差为正负2微米。如果该差异大于25微米，那么应对聚焦装置进行重新校准。对聚焦装置进行重新定位的精度将取决于具体应用。该系统可被配置成在每次所指示的运动结束时，对聚焦装置的重新定位完成。或者，在聚焦装置的运动过程中，反馈定位装置能够监测实际位置，并将其与聚焦装置的系统估算位置进行比较。以这种方式，校正操作能够被即时执行，并且如果δ值处于可接受范围之外，聚焦装置能够实时地重新定位。
0035闭环聚焦定位系统的示例性实施方式0036参照图4，示出了一个示例性眼科激光系统的透视图，在该眼科激光系统中可实施本发明的系统。一个用户界面和终端31用来向CPU(未示出)输入期望焦距值的数据输入。示例性眼科激光系统包括一个紧急关断开关32、磁盘驱动器33、钥匙开关34、光束传送装置35，操作显微镜36、控制面板37和用于与眼部固定装置接口的装载平台。
0037参照图5，示出了图4的示例性眼科激光系统的示意图。激光源41被引导通过光束传送装置，进入Z扫描物镜43。显示器42用来观察激光治疗中的眼睛。当聚焦装置处于可接受范围之外时，显示器可以向系统操作者提供可视警告。
0038上面所描述的本发明的系统和方法都很好地适用于闭环聚焦定位系统。但应该注意的是，前面的描述都是为了图解说明和描述的目的作出的，不应将本发明限制在此处所公开的形式。因此，对等同于上述教导以及相关技术教导的系统和工艺过程所作的变化和修改，都在本发明的范围内。例如，如先前提到的，本发明的几个方面可以应用和实施于交互式计算机网络中或者除了互联网之外的其它客户-服务器系统中。这些变化对于相关技术领域的技术人员而言将很容易揭示它们自身，且包含在本发明的精神和所附权利要求的范围内。
0039而且，所描述的实施例是进一步用来解释实践本发明的最佳模式，使本领域其它技术人员能够把本发明使用在这样的实施例或其他实施例中，且根据具体应用或用途对本发明作出各种修改。应充分参考现有技术来解释所附权利要求所能包括的替换性实施例。
权利要求
1.一种闭环聚焦定位系统，所述系统包括一个聚焦装置，其用于将激光束聚焦到焦深位置；一个反馈定位装置，其用于确定所述聚焦装置的位置；以及一个计算机处理器，其被互连到所述反馈定位装置，所述处理器适于根据期望焦深位置来指示所述聚焦装置的运动，且所述处理器适于从所述反馈定位装置接收所述聚焦装置的实际位置值；其中所述反馈定位装置适于读取所述聚焦装置的线性运动，以获得所述实际位置值，所述处理器适于计算所述实际位置值与所述期望位置值之间的δ值，而且如果所述δ值在可接受范围内，那么所述处理器适于重新定位所述聚焦装置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述反馈定位装置是线性编码器。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述反馈定位装置是旋转编码器。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述反馈定位装置是干涉仪编码器。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述反馈定位装置是光学编码器。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述反馈定位装置是分解器。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述反馈定位装置是海登海姆标尺。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述反馈定位装置是角编码器。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述反馈定位装置是数字式长度测量仪系统。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述反馈定位装置是相位装置。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述反馈定位装置是磁条阅读器。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述反馈定位装置是变换器。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述聚焦装置是可运动变焦透镜。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述聚焦装置是电动检流器聚焦装置。
15.根据权利要求1所述的系统，进一步包括一个数/模转换器，其用于将来自所述计算机处理器的电子信号转换为模拟电压源，所述模拟电压源用来为所述可运动聚焦装置供电。
16.根据权利要求1所述的系统，进一步包括一个激光源，其用于产生一个激光束，该激光束被引导通过所述可运动聚焦装置。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述激光源是一个红外超短脉冲激光器，其脉冲持续时间小于10微微秒。
18.根据权利要求16所述的系统，其中所述激光源是一个连续波激光器、Q开关脉冲激光器或模式锁定超短脉冲激光器。
19.根据权利要求1所述系统，进一步包括一个可视显示器，其用于在所述δ值超出所述可接受范围时向操作者提供可视警告。
20.根据权利要求1所述系统，进一步包括一个声音装置，其用于在所述δ值超出所述可接受范围时向操作者提供一个声音警告。
21.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器适于在所述δ值超出可接受范围时阻止激光启动。
22.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器适于在所述聚焦装置向所述期望焦深运动的过程中重复地重新定位所述聚焦装置。
23.根据权利要求2所述的系统，其中所述线性编码器包括一个编码器条、一个传感器头和内插串行模块。
24.根据权利要求16所述的系统，其中所述处理器适于在所述δ值处于可接受范围内时允许启动所述激光源。
25.一种用于定位聚焦装置的方法，所述聚焦装置用来聚焦激光，所述方法包括根据一个期望位置值使聚焦装置运动到期望位置；为所述聚焦装置的实际线性运动确定一个实际位置值；确定所述实际位置值与所述期望位置值之间的δ值；以及如果所述δ值处于一个特定范围内则重新定位所述聚焦装置。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述根据一个期望位置值使聚焦装置运动到期望位置的步骤包括通过软件程序接收激光束的期望焦深；将所述焦深值转换为基于位置的值；以及引导所述聚焦装置运动到所述基于位置的值。
27.根据权利要求26所述的方法，进一步包括以下步骤如果所述δ值处于可接受范围之外，则阻止所述激光束的启动。
28.根据权利要求25所述的方法，其中所述为所述聚焦装置的实际线性运动确定一个实际位置值的步骤包括利用一个反馈定位装置来读取所述聚焦装置的实际位置。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述反馈定位装置是线性编码器
30.根据权利要求28所述的方法，其中所述反馈定位装置是旋转编码器。
31.根据权利要求28所述的方法，其中所述反馈定位装置是干涉仪编码器。
32.根据权利要求28所述的方法，其中所述反馈定位装置是光学编码器。
33.根据权利要求28所述的方法，其中所述反馈定位装置是分解器。
34.根据权利要求28所述的方法，其中所述反馈定位装置是海登海姆标尺。
35.根据权利要求28所述的方法，其中所述反馈定位装置是角编码器。
36.根据权利要求28所述的方法，其中所述反馈定位装置是数字式长度测量仪系统。
37.根据权利要求28所述的方法，其中所述反馈定位装置是相位装置。
38.根据权利要求28所述的方法，其中所述反馈定位装置是磁条阅读器。
39.根据权利要求28所述的方法，其中所述反馈定位装置是变换器。
40.根据权利要求25所述的方法，其中所述聚焦装置是可运动变焦透镜。
41.根据权利要求25所述的方法，其中所述聚焦装置是电动检流器聚焦装置。
42.根据权利要求25所述的方法，进一步包括以下步骤向电机产生一个电流，以便使所述聚焦装置运动。
43.根据权利要求25所述的方法，进一步包括以下步骤提供所述δ值处于可接受范围之外的声音和/或可视警告。
44.根据权利要求25所述的方法，进一步包括以下步骤如果所述δ值处于可接受范围之外，则阻止激光启动。
45.根据权利要求25所述的方法，进一步包括以下步骤提供一个激光源，用于产生一个被引导通过所述可运动聚焦装置的激光束。
46.根据权利要求45所述的方法，其中所述激光源是红外超短脉冲激光器。
全文摘要
一种闭环聚焦系统和方法，其将聚焦装置(26)定位到期望位置。反馈定位装置(12)，例如线性编码器，为聚焦装置的线性运动提供一个实际值或读取值。将聚焦装置的期望位置与实际位置进行比较。如果这两个值在预定容差或有效范围之外，则给出一个声音警告或可视警告。当激光源(41)与该聚焦系统一起使用时，如果这两个值在可接受范围之外，激光器的操作将会被阻止。然而，如果期望位置和实际位置之差在可接受范围之内，聚焦装置被重新定位，从而允许对聚焦装置的位置进行实时系统校正。
文档编号G02B7/28GK1973232SQ200580016120
公开日2007年5月30日 申请日期2005年4月11日 优先权日2004年4月20日
发明者P·戈尔茨坦, C·G·苏亚雷斯, S·A·德隆, R·K·韦伯, T·尤哈兹 申请人:英特拉西有限公司