专利名称：测定激光束光斑特性的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及测定激光束特性的校准技术，特别是用于激光眼外科手术系统。更具体说，本发明提供测定激光束光斑在靶上的大小和/或位置的装置、系统、和方法，并为产生、验证、或调整烧蚀算法，提供输入，该算法供设计一再雕刻过程使用。在结合激光眼外科手术系统使用时，本发明能够帮助测定传送至病人角膜上的激光束光斑图形，还能够用于校准激光束传送系统。
背景技术：
当进行激光眼外科手术时，例如用折光的激光束系统，烧蚀病人角膜上的靶区时，能对入射角膜的激光束光斑尺寸，有精确的信息，是十分有利的。对需要的光斑大小和形状的偏差，例如因激光束光斑直径的增加或减小，或因光斑呈现椭圆形或不对称形状，可使每一激光脉冲在病人角膜不需要烧蚀的地方，把组织烧蚀，导致该再雕刻不理想。激光光斑位置的不精确，可能导致偏离中心的烧蚀。
发明内容
本发明提供测定激光束光斑特性的方法和设备，该特性通常包括激光束光斑的强度、大小、和/或位置。本发明的一个优点，是能与激光眼外科手术系统一起使用，能够在用该激光束光斑烧蚀病人角膜某一区域之前或同时，精确测定激光束光斑的大小(包括其直径、面积、和偏心率)。
在本发明的优选方法中，令激光束沿扫过一参考刀口(最好包括刀口)的路径扫描，把光电检测器置于参考刀口后面，扫描期间，激光束最好基本上始终沿垂直于参考刀口平面的光路。
激光束扫描期间在时间上的各瞬间，光电检测器产生的输出信号，与实际入射该光电检测器的激光束(就是没有被参考刀口阻挡)的百分比对应。对能量均匀分布的光束，入射光电检测器的激光束能量的百分比，与入射光电检测器的激光束光斑面积对应。通过扫描期间测量光电检测器输出信号的特性，本发明提供的系统能测定激光束光斑的大小和形状，以及激光束的强度。在某些优选方面，是用计算机根据光电检测器的输出信号，计算激光束的强度和形状曲线的。
如上所述，光电检测器产生的输出信号，与入射其上的激光束光斑面积的大小对应。因此，当激光束全部入射参考刀口上时(即当激光束被参考刀口阻挡，不能到达光电检测器时)，该光电检测器将不产生输出信号，或产生只因噪声的最小输出信号。相反，当激光束光斑已经完全扫过参考刀口，全部入射光电检测器上时，光电检测器将产生最大的输出信号。
入射光电检测器的激光束光斑面积越大，光电检测器产生的输出信号越强。因此，本发明的一个优选方面是，激光束的强度由测量光电检测器的最大输出信号测定，此时激光束光斑全部入射光电检测器上，且不被参考刀口阻挡。
本发明的另一个优选方面，在于激光束光斑的总面积，是在该激光束在参考刀口上扫描期间，对代表光电检测器输出信号强度的曲线进行积分而测定的。
本发明的再一个优选方面，在于激光束光斑的中心位置，是在扫描期间，用光电检测器的输出信号达到其最大输出信号的一半来测定的，因而指示激光束光斑正好定位在参考刀口上(激光束光斑一半入射光电检测器而另一入射光电检测器的激光束光斑面积越大，光电检测器产生的输出信号越强。因此，本发明的一个优选方面是，激光束的强度由测量光电检测器的最大输出信号测定，此时激光束光斑全部入射光电检测器上，且不被参考刀口阻挡。
本发明的另一个优选方面，在于激光束光斑的总面积，是在该激光束在参考刀口上扫描期间，对代表光电检测器输出信号强度的曲线进行积分而测定的。
本发明的再一个优选方面，在于激光束光斑的中心位置，是在扫描期间，用光电检测器的输出信号达到其最大输出信号的一半来测定的，因而指示激光束光斑正好定位在参考刀口上(激光束光斑一半入射光电检测器而另一半激光束光斑则入射参考刀口上)。
本发明的另一个优选方面，在于激光束光斑沿扫描路径方向的宽度，是由激光束光斑的前沿和后沿位置的定位来测定，从而测定两者之间的间隔。在本发明的本方面，激光束光斑前沿的定位，由光电检测器开始发送输出信号而测定(指示激光束光斑前沿首先越过参考刀口，入射光电检测器上)。激光束光斑后沿的定位，由光电检测器的输出信号达到最大来测定(指示激光束光斑不被参考刀口阻挡，从而全部入射光电检测器上)。在时间上测定激光束光斑前沿和后沿如上述扫过参考刀口的瞬间之后，可以根据激光束扫过参考刀口的速度，计算激光束光斑沿扫描方向的宽度。
本发明的另一个优选方面，在于激光束光斑沿扫描路径方向的宽度，是由激光束光斑的前沿和后沿位置的定位来测定，从而测定两者之间的间隔。在本发明的本方面，激光束光斑前沿的定位，由光电检测器开始发送输出信号而测定(指示激光束光斑前沿首先越过参考刀口，入射光电检测器上)。激光束光斑后沿的定位，由光电检测器的输出信号达到最大来测定(指示激光束光斑不被参考刀口阻挡，从而全部入射光电检测器上)。在时间上测定激光束光斑前沿和后沿如上述扫过参考刀口的瞬间之后，可以根据激光束扫过参考刀口的速度，计算激光束光斑沿扫描方向的宽度。
在本发明的其他方面，通过扫描期间测量伸出信号变化率或变化率的对称性，可以发现激光束光斑的非对称性和偏心率。
本发明的又一其他方面，是测定激光束光斑在两个彼此垂直方向上的大小、形状、和位置。在本发明的本方面中，扫描最好沿两条垂直的路径进行，首先沿垂直于参考刀口的方向，其次沿参考刀口方向。在本发明的本方面中，或者用单个光电检测器，或者用两个分开的光电检测器，放在参考刀口后面，通过测量光电检测器的输出信号，测定激光束光斑沿两个垂直方向的的大小、形状、和位置。本发明本方面的优点，是能够检测光束光斑的非对称性(即光束光斑的不规则形状)以及光束光斑的偏心率(即光束光斑伸长成椭圆形)。
在本发明各优选方面中，该光电检测器是一种体效应装置。因此，本发明的优点是不需要更复杂和更昂贵的成像检测器。
本发明还提供校准扫描激光束传送系统的方法。这些方法包括把校准工具在靶位置上定位；把激光束引导至该工具；用该工具探测激光束；和响应探测的激光束而调整该系统。在各个不同方面中，激光束都能够在该工具与病人角膜之间反复地再定向(例如，通过检流计反射镜)。于是，在测定光束的大小、形状、和/或位置之后，能把激光束照在角膜上的已知位置。或者，把该工具反复地插入和移出激光束光源与病人角膜之间的光束光路。于是，能够反复地把该对准工具移出靶位置，对病人角膜进行再雕刻，然后在对角膜再雕刻后，放回靶位置。不论用该两种方式中哪一种，都可以对激光束的强度和形状特性进行反复测量，以及对激光束的瞄准进行反复的再校准，因而在烧蚀病人角膜时能确保精确的位置精度。
本发明的更进一步方面，在于激光束可以分束，把光束的第一部分引导至测量/对准工具，而把第二部分引导至病人的角膜，于是能够获得激光束光斑的形状和强度特性的实时测量和/或激光束传送系统的实时对准。
不论该工具的定位，该校准工具经常提供指示光束光斑大小、能量分布、和/或位置的信号。可以用这些信号来调整光束传送系统设计的烧蚀方案。具体说，使用探测的信息，能够修订计算位置和发射数的算法，从而增加再雕刻过程的精度。在每一烧蚀过程之前和/或之中，可以立刻用该校准信息来调整烧蚀算法。
在本发明的其他方面，测量/对准工具包括一靶，该靶响应入射其上的激光而发出荧光。在本发明的第二实施例中，操作员观察靶屏上该荧光光斑位置的同时，引导靶屏上的激光。该种观察最好通过系统显微镜完成。光束传送系统利用瞄准光学装置来对准，该瞄准光学装置可以包括十字线分划板，以此校准激光束传送系统。
图1是激光束的透视图，该激光束在参考刀口上扫描，刀口后面有光电检测器，图上画出的是在时间上激光束以参考刀口为中心的瞬间。
图2是与图1对应的顶视图。
图3A、3B、和3C，按顺序表明图1和图2中的激光束扫过参考刀口的移动。
图4是图3A、3B、和3C所示扫描期间，光电检测器的输出信号曲线。
图5是椭圆形激光束光斑的视图(主轴与扫描路径平行)，光斑在参考刀口上扫描，有一光电检测器在其后面。
图6代表图5的椭圆形激光束光斑扫描期间，光电检测器的输出信号。
图7是椭圆形激光束光斑的平面图(主轴与扫描路径垂直)，光斑在参考刀口上扫描，有一光电检测器在其后面。
图8代表图7的椭圆形激光束光斑扫描期间，光电检测器的输出信号。
图9是偏心形激光束光斑的平面图，光斑在参考刀口上扫描，有一光电检测器在其后面。
图10代表图9的椭圆形激光束光斑时，光电检测器的输出信号。
图11是激光束光斑在两个垂直的参考刀口扫描期间的顶视图，其中，该两个垂直参考刀口合起来组成一平面单元的一角。
图12与图11对应，但代之以用两个分开的光电检测器。
图13是顶视图，画出激光束在两个垂直参考刀口扫描，每一参考刀口有一独立的位于其后的光电检测器。
图14是在屏上引导激光束的激光束传送系统的透视图，该屏在激光束的入射区域发出荧光。
图15A是在激光束被引导至图14的荧光屏进行系统校准之前，通过激光束传送系统的瞄准光学装置的视图。
图15B是在系统校准之后，与图15A对应的视图。
图16表示激光束传送系统把激光束扫过校准工具，并把治疗激光束照在病人的角膜上。
图17表示把治疗激光束照在病人角膜上的激光束传送系统，图上画出光束光路中可移动的校准工具。
图18表示同时把治疗激光束照在病人角膜上和照在校准工具上的激光束传送系统。
图19画出的激光束传送系统，通过孔径轮或转台的可选孔径来引导激光束。
具体实施例方式
图1至13画出本发明第一实施例的各个方面。图14至15B画出本发明第二实施例的各个方面。图16至20画出包括校准工具的校准系统，该校准系统可以包括本发明的第一和第二实施例。
在进行激光眼科外科手术过程中，把准分子激光束瞄准病人角膜的烧蚀区域时，激光束在该靶上形成的光斑常常呈圆形，且通常希望有基本上均匀的能量分布。其他已知的光束传送系统有矩形或狭缝形的光束，任选地可用Gauss的或其他非均匀能量分布。无论如何，激光束光斑精确的强度和形状曲线，不能经常测定，仅因激光传送系统的瞄准光学装置。尽可能精确地了解激光束的强度和形状曲线，特别是在产生照在病人角膜上的激光束光斑图形时，是有益处的。知道了激光束光斑的精确强度和形状曲线，就能通过相继地把某一光斑图形的激光束照在角膜上，精确地对病人角膜雕刻。本发明提供激光束光斑强度和形状曲线的精确测定，可用于产生瞄准的图形，另外还对系统进行校准。
该激光系统可以包括，但不限于，诸如产生波长约193nm激光能量的氩-氟化物准分子激光器之类的准分子激光器。另外可供选择的激光系统，包括固态激光器，诸如倍频固态激光器、闪光灯和二极管泵浦的固态激光器等等。列举的固态激光器包括产生波长约193-215nm的UV固态激光器，例如公开在美国专利No.5,144,630和No.5,742,626，以及在Borsuztky等“Tunable UV Radiation at ShortWavelength(188-240nm)Generated by Frequency Mixing in LithiumBorate”，Appl.Phys.61529-532(1995)中的固态激光器。还可以用各种别的激光器。激光能量常常包括一系列分离的激光脉冲或发射组成的光束。
激光束光斑在靶上的准确直径和形状，经常不能准确测定，是仅因瞄准系统的光学装置。这一点在激光束光斑略为偏心或不对称时特别正确。此外，当在激光传送系统中变换不同孔径和透镜时，能够导致激光束光斑的大小和形状的微小变化。例如，图19画出通过孔径轮200孔径210的激光束18。当轮200转动时，激光束18将通过各个孔径220、230、和240。各孔径210、220、230、和240最好制成不同直径，使不同直径的光束18能有选择地照在病人角膜上。如本文所说明，本发明提供的系统，能在光束18通过每一孔径210、220、230、和240时，测定其准确的大小和形状。
本发明提供的方法和设备，可以精确测定的范围包括激光束光斑在靶上的大小、形状、和位置。因此，能够为了以某种激光束光斑图形对病人角膜雕刻，而产生激光束光斑形状和强度曲线。还有，考虑到激光束由本发明测定的实际位置，与由扫描硬件和激光传送系统瞄准光学装置检流计测定的位置之间的任何偏差，可以对准激光传送系统的瞄准光学装置。本发明通过测定激光束光斑准确的大小、形状、和强度，能够施行需要的角膜烧蚀治疗，又不使激光束的发射入射到不需要的靶组织位置或不需要烧蚀指向的靶上，因而增强雕刻算法和过程的精度。
在本发明的第一实施例中，如图1至13所述，激光束光斑沿扫过刀的刃口(或任何别的这样的参考刀口)的路径扫描，刀的刃口后面有一光电检测器。最好是，光束在扫描期间的取向，垂直于参考刀口的平面。按各种方式，激光束可以扫过参考刀口而射到光电检测器上，或扫过光电检测器而射在参考刀口上。
通过测量光电检测器的输出，能够测定激光束光斑的强度、大小、形状、和位置，方法如下。
图1画出激光束18的透视图，该激光束从激光光源(未画出)被向下引导，指向参考刀口30和光电检测器40。激光束18“扫描”(即在扫过的同时保持基本上垂直于)参考刀口30和光电检测器40。扫描的一个例子画在图16，图中的激光束18扫过测量/对准工具100，该工具可以包括参考刀口30和光电检测器40。具体说，转动检流计120，使激光束18从光束18A的位置到光束18B的位置，扫过对准工具100的表面。
回到图1，激光束18于是沿方向D扫过参考刀口30和光电检测器40。光电检测器40(最好包括体效应光电检测器)如图所示，位于参考刀口30的后面。图2画出与图1对应的顶视图，图上画出在时间上扫描的激光束光斑20的中心25，准确位于参考刀口30的刀口的瞬间。从图可见，扫描期间，如果激光束光斑20如图所示是圆形，则在时间上激光束光斑20的中心25准确位于参考刀口30的刀口的瞬间，激光束光斑20的第一个一半22入射光电检测器40上。
图3A、3B、和3C画出扫描过程中，激光束18扫过参考刀口30并入射光电检测器40上时，激光束光斑20顺序移动的情形。图4画出光束光斑20扫过参考刀口30并入射光电检测器40的过程中，光电检测器40输出信号S的相应强度。光电检测器40输出信号S的强度，与光束光斑20不受参考刀口30阻挡，因而直接入射光电检测器40的面积对应。具体说，对Gauss脉冲，信号S的强度能够表示如下 (两维光斑强度分布)dx或对“帽顶”脉冲(其中在脉冲截面上的能量分布基本上是均匀的)如下S=∫0xx2+y2dx]]>图4上的点P1、P2、和P3，分别表示光束光斑20在时间上位于图3A、3B、和3C的瞬间输出信号S的强度。对基本上圆形的光斑20，输出信号S的强度将取如图4所示S形曲线的形状，说明如下。
当光束光斑20如图3A所示，完全在参考刀口30之上时，光电检测器通常只发送小的信号强度N，代表系统中的噪声。随着光束光斑20扫过参考刀口30，光束光斑20逐渐有更大的面积到达光电检测器40，光电检测器输出信号S的强度增加。当光束光斑20到达图2和图3B所示位置时，光束光斑20的中心25正好位于参考刀口30，光束光斑20的第一个一半22，入射光电检测器40。因此，在点P2，信号S将接近它的最大信号强度的1/2。最后，当光束光斑20最终到达图3C所示位置时，整个光束光斑20入射光电检测器40，信号S在点P3达到它的最大信号强度。
本发明的一个优选方面，是当激光束光斑在点P3完全入射光电检测器上，并不受参考刀口阻挡时，通过测量光电检测器的最大输出信号而测定激光束18的强度。
本发明的另一个优选方面，在于激光束光斑20的面积，是由点P1与点P3之间曲线S下面的面积积分测定的，因为从图3A开始扫描，到图3C结束扫描，光束光斑变成入射光电检测器40上，所以该面积对应于光束光斑20的全部面积。
本发明的另一个优选方面，在于测定激光束光斑20中心25的位置。上面已经说明，当输出信号S的强度到达点P2，即点P3上输出信号S强度的1/2时，激光束光斑20的中心25在参考刀口30上通过。由于在点P1存在小的噪声信号N，所以难以测定何时输出信号强度是在点P2。因此，在一优选的办法中，P2是靠找出最大信号输出的第一个分数与最大信号输出的第二个分数之间的中点而测定的，其中，第一个分数和第二个分数，加起来等于最大信号输出。
例如，点P4位于P3最大信号输出的10％的信号强度处。类似地，点P5位于P3最大信号输出的90％的信号强度处。点P4和P5在信号曲线上定位之后，则点P2定位在两者之间的中央。显然，点P4和P5也可以是30％和70％，或15％和85％，或任何加起来等于100％点P3最大信号强度的其他相应的百分比组合。
扫描速度可以或者通过位置反馈系统，或者通过测定扫描的速度和位置来获得。按照对扫描速度的知识(对应于检流计120转动的速率)，并在时间上测定到达P2的瞬间(即，当光束光斑20的中心25位于参考刀口30上)，就能测定中心25的位置。
本发明的另一个优选方面，在于光束光斑20沿扫描方向D的宽度由如下方法测定。首先参考图3A，图上画出光束光斑20的前沿21位于参考刀口30上(在图4中以点P1表示)。扫描开始时，前沿21将开始入射光电检测器40(在图4中，以光电检测器输出信号正好开始增加来表示)。参考图3C，图上表示扫描结束，后沿23将入射光电检测器40(在图4中以点P3表示，此时光电检测器输出信号强度停止增加)。
知道激光束沿方向D扫描的移动速度(或者知道扫描期间的速度和时间，或者通过位置反馈系统)，就能在时间上测定到达P1和P3的瞬间。于是很容易计算激光束光斑20的宽度(该宽度在激光束光斑开始通过光电检测器的点P1，到结束通过的点P3)。
本发明的另一个优选方面，在于激光束光斑20的形状，由测量扫描期间输出信号S的变化率来测定。
例如，图5画出扫过参考刀口30和光电检测器40的椭圆形激光束光斑20A。如图所示，激光束光斑20A沿方向D伸长。与激光束光斑20A扫过参考刀口30和光电检测器40对应的输出信号S强度，示于图6。从图可见，在点P1和P3之间，光电检测器40输出信号S的变化率，比图4所示更平缓(与图4比较，在图6中，点P1和P3相隔更长的时间)。因此，图6中更平缓的输出信号S变化率，表明激光束光斑20A在D方向上比圆形激光束光斑20伸得更长。
与之对照，图7画出扫过参考刀口30和光电检测器40的椭圆形光束光斑20B。如图所示，激光束光斑20A沿垂直于方向D伸长。图8画出的输出信号S强度，与图7的扫描对应。从图可见，输出信号S的变化率，比图4所示快得多(与图4比较，在图8中，点P1和P3之间的时间更短)。因此，图8中输出信号S更快的变化率，表明激光束光斑20B在垂直于D方向上比圆形激光束光斑20伸得更长。
本发明的另一个优选方面，在于激光束光斑20的形状，由扫描期间测量输出信号S的对称性测定。据此，激光束光斑20的非对称性和/或偏心率的测定方法如下。参考图9，偏心的夸张的“泪滴形”激光束光斑20C扫过参考刀口30和光电检测器40。利用上述巧妙的方法，在图10上，前沿21C将位于点P1、光斑中心25C将位于点P2、而后沿将位于点P3。从图可见，点P2(在反之，图7画出投影形光束光斑20B扫过参考刀口30和光电检测器40。如图所示，激光束光斑20A沿垂直于方向D伸长。图8画出的输出信号S强度，与图7的扫描对应。从图可见，输出信号S的变化率，比图4所示快得多(与图4比较，图8中，点P1和P3之间的时间更短)。因此，图8中输出信号S更快的变化率，表明激光束光斑20B在垂直于D方向上比圆形激光束光斑20伸得更长。
本发明的另一个优选方面，在于激光束光斑20的形状，由扫描期间测量输出信号S的对称性测定。据此，激光束光斑20的非对称性和/或偏心率的测定方法如下。参考图9，偏心的夸张的“泪滴形”激光束光斑20C扫过参考刀口30和光电检测器40。利用上述巧妙的方法，在图10上，前沿21C将位于点P1、光斑中心25C将位于点P2、而后沿将位于点P3。从图可见，点P2(在反之，图7画出投影形光束光斑20B扫过参考刀口30和光电检测器40。如图所示，激光束光斑20A沿垂直于方向D伸长。图8画出的输出信号S强度，与图7的扫描对应。从图可见，输出信号S的变化率，比图4所示快得多(与图4比较，图8中，点P1和P3之间的时间更短)。因此，图8中输出信号S更快的变化率，表明激光束光斑20B在垂直于D方向上比圆形激光束光斑20伸得更长。
本发明的另一个优选方面，在于激光束光斑20的形状，由扫描期间测量输出信号S的对称性测定。据此，激光束光斑20的非对称性和/或偏心率的测定方法如下。参考图9，偏心的夸张的“泪滴形”激光束光斑20C扫过参考刀口30和光电检测器40。利用上述巧妙的方法，在图10上，前沿21C将位于点P1、光斑中 25C将位于点P2、而后沿将位于点P3。从图可见，点P2(在该点的信号强度是P3强度的1/2)并不在P1和P3的中央，而更靠近P1，因而表明激光束光斑20C具有某种偏心形状，其中心25C更靠近前沿21C，而不是靠近后沿23C。
如上所述，本发明提供沿某一方向测量激光束光斑强度、大小、和形状曲线的各种系统，其中的方向，是激光束光斑在参考刀口上扫描并扫在光电检测器上的方向。
除本发明各优选方面之外，还可以在两个方向上测定激光束光斑的大小、形状、和位置，方法如下。参考图11，光束光斑20沿第一方向D1移过刀口31，接着沿第二方向D2移过刀口33。在该图中，刀口31和33合起来构成参考刀口30的一角。
用上述技术，在激光束光斑20在刀口31扫过时，测量光电检测器40的输出信号，能够测定前沿21、后沿23、和中心25的位置。知道前沿21和后沿23的位置，就能计算沿方向D1的宽度W1。随后，激光束光斑20沿垂直的方向D2，扫过刀口33。结果，侧沿27和29、以及中心25的位置，能够用上述技术测定。知道侧沿27和29的位置，就能计算沿方向D2的宽度W2。
图12画出类似于图11的装置，但代之以使用分开的光电检测器40A和40B。图13再画出另一种装置，代之以使用两个分开的垂直的参考刀口32和34，以及位于其下方的两个分开的光电检测器40A和40B。
在测定光电检测器40上的激光束光斑20的大小和形状之后，知道了将要入射靶组织上光束光斑的精确大小和形状，就可以安全地把该激光束导向病人眼角膜中的靶组织。最好是，通过在角膜上某种图形中的不同地方，把激光束反复照射一定次数，对角膜雕刻，使之成为需要的形状。利用本发明，在逐次把激光束照射在角膜上之前或正在进行的时候，能够精确测定激光束光斑的大小和形状。
例如，如图16和17所示，可以在校准工具100与病人角膜130之间交替地引导激光束18。校准工具100最好包括按上面说明那样工作的参考刀口30和光电检测器40。参考图16，用检流计120反复地把激光束18反射到病人角膜130上，成为光束18C(接着，光束18从该位置扫过工具100，图上以光束18A到18B表示)。参考图17，也可以换种方式，把工具100反复向前移至工具100A所示虚位置和从该虚位置向后移回来。当工具100位于激光束的光路中时，测定激光束光斑20的强度和和形状曲线，这样，激光束18周期地中断它对角膜130的照射。光束反复扫过对准工具100的过程，或反复把工具100移开和放进光束光路中(从而反复测定激光束光斑20的大小和形状)，然后利用激光的烧蚀作用，重复地对角膜130再雕刻，确保在烧蚀病人角膜的过程中，激光束光斑20的大小和形状不随时间变化。
如图18所示，也可以用光束分束镜250把光束18的第一部分19A导向工具100，同时把光束18的第二部分19B导向角膜130。使用图18的装置，能够在烧蚀角膜组织的同时，实时测量角膜130上光束光斑20的强度和形状曲线。
在图16、17、和18上画出的还有计算机124，用于随时记录光电检测器40输出信号的强度，据此产生激光束光斑20的大小和形状曲线。此外，计算机124还能用于根据激光束光斑20的大小和形状曲线，计算照射在角膜130上的激光束光斑的优选图形。因此能够把角膜130雕刻成需要的形状。此外，监视器126能随时适当地显示光电检测器40输出信号的强度波形。
在另一个优选方面，工具100能用于对准激光传送系统的瞄准光学装置。具体说，在激光束光斑20扫过光电检测器40，对其中心25定位之后，能够精确对准光束传送系统(包括检流计120)，使瞄准光学装置122测定的激光束位置，与工具100指示的位置之间的任何偏差，都能得到改正。最好适当选取用于工具100的发出荧光但不会烧蚀的材料。该类材料可以包括白的木质纸或白的商业名片。也可以用从Connecticut的Startech公司购得的适当的荧光板材料。
在第二个实施例中，如图14至15B所示，测量/对准工具100包括屏105，该屏能响应入射的激光束，发出荧光。参考图14，激光束18被引导，入射于屏105，使屏105在光束光斑20的区域发出荧光。操作员200通过瞄准光学装置122(该瞄准光学装置最好包括系统显微镜)，观察光束光斑20的荧光，如图15A所示。瞄准光学装置122向操作员200显示分划板110，操作员则调整激光束传送光学系统，使发荧光的光束光斑对准分划板。
该实施例的优点是，能利用光束扫描机构完成光束光斑20位置的调整。因为系统显微镜不必用精确的X-Y调整机构来移动，对准极其方便。作为替代，发送至检流计激光束传送光学系统的瞄准信号，能够有选择地变更或偏移，引导光束打在靶位置上。在整个雕刻过程中利用该信号偏移，通过在多个靶位置之间移动光束，并通过向各个靶发射个别的光束，可以增大扫描精度。在另外的实施例中，光束传送光学系统可以通过机械的调整，在分划板110的十字线之间移动光束光斑20，以此对准激光束传送系统的瞄准光学装置。
在某些实施例中，工具100能够可移动地定位于，或靠近折光雕刻时眼睛占据的位置。工具100可以用旋臂之类按通常方式夹持。为了在雕刻过程前设定或校验系统，操作员键入对准模式。在该模式中，分划板110保持静止，并发射激光，使光束光斑20引发荧光。操作员可以用输入装置，如操纵杆、鼠标、开关之类，通过改变送至检流计的信号来调整光束传送光学系统，使光束光斑移动。再次发射激光束，产生新的激光光斑20，操作员继续调整信号偏移，直至激光束与激光束重合。重合时，操作员可以摁一摁钮(或向系统提供任何别的信号)，系统计算机将存储用于测定烧蚀中心的偏移信号。通常，在工具向旁边移开之后，还需要用分划板把眼睛与系统对准。
虽然，为便于了解，以举例方式，详细说明了列举的各个实施例，但是，本领域熟练人员显然知道，存在各种变化、更动、和修改。例如，可以用各种扫描光束传送系统，包括使用透镜的扫描系统，该透镜能使光束从光束轴或多个光束轴产生可变偏移，把一束光束或多束光束成像在横向偏移的靶位置上。本发明可与多种烧蚀设计协议或算法结合使用，并向能增大精度的算法提供输入。因此，本发明的范围仅受后面的权利要求书的限制。
权利要求
1.一种测定激光束特性的方法，包括使激光束沿扫过参考刀口的路径扫描，该参考刀口后面有一光电检测器；和测量光电检测器在扫描期间的输出信号，该输出信号与扫描期间入射光电检测器的激光束面积对应。
2.按照权利要求1的方法，其中激光束特性的测定包括通过在光电检测器扫描期间，对输出信号的强度积分，测定激光束光斑的尺寸。
3.按照权利要求1的方法，其中激光束特性的测定包括通过测定光电检测器扫描期间的输出信号到达最大输出信号强度的一半，定出激光束的中心位置。
4.按照权利要求1的方法，其中激光束特性的测定包括通过测定光电检测器的输出信号强度，到达介于最大信号强度的第一个分数与最大信号强度的第二个分数之间的中点信号强度，据此定出激光束的中心位置，其中，最大信号强度的第一个分数和第二个分数，加起来等于最大信号强度。
5.按照权利要求4的方法，其中，第一个分数是最大信号强度的10％，而第二个分数是最大信号强度的90％。
6.按照权利要求1的方法，其中，其中激光束特性的测定包括测定激光束沿扫描路径方向的宽度，方法是通过测定光电检测器开始发送输出信号，指示激光束已入射其上，据此定出激光束的前沿位置；通过测定光电检测器的输出信号到达最大输出信号，定出激光束的后沿位置；和测定激光束前沿与后沿之间的间隔。
7.按照权利要求1的方法，其中激光束特性的测定包括通过测量扫描期间输出信号的变化率，测定激光束的形状。
8.按照权利要求1的方法，其中激光束特性的测定包括通过测量扫描期间输出信号变化率的对称性，测定激光束的形状。
9.按照权利要求1的方法，其中，当激光束扫过参考刀口时，激光束是垂直于光电检测器的。
10.一种测定激光束特性的方法，包括使激光束沿第一路径扫描，扫过第一参考刀口，在第一参考刀口后面有第一光电检测器；使激光束沿第二路径扫描，扫过第二参考刀口，在第二参考刀口后面有第二光电检测器；其中第一参考刀口与第二参考刀口成一角度；测量第一和第二光电检测器在扫描期间的输出信号，该输出信号与扫描期间入射第一和第二光电检测器的激光束面积对应。
11.按照权利要求10的方法，其中，该角度一般成直角。
12.一种测定激光束特性的方法，包括使激光束沿第一路径扫描，扫过第一参考刀口；使激光束沿第二路径扫描，扫过第二参考刀口，其中一光电检测器位于第一和第二参考刀口后面，且其中第一和第二参考刀口互成一角度；并且，在扫描期间测量光电检测器的输出信号，该输出信号与扫描期间入射光电检测器的激光束面积对应。
13.按照权利要求12的方法，其中，第一参考刀口和第二参考刀口共同构成一平面单元的一角。
14.按照权利要求10或12的方法，其中使用工具对扫描激光束的探测，包括通过在光电检测器扫描期间，对输出信号的强度积分，测定激光束光斑的尺寸。
15.按照权利要求10或12的方法，其中使用工具对扫描激光束的探测，包括在沿第一和第二方向每个方向扫描期间，通过测定光电检测器的输出信号到达最大输出信号强度的一半，定出激光束的中心位置。
16.按照权利要求10或12的方法，其中使用工具对扫描激光束的探测，包括测定激光束沿第一和第二扫描方向的宽度，方法是；通过测定至少一个光电检测器开始发送输出信号，指示激光束已入射其上，据此定出激光束沿第一和第二方向每个方向的前沿位置；通过测定至少一个光电检测器的输出信号到达最大输出信号，定出激光束沿第一和第二方向每个方向的后沿位置；和测定激光束沿第一和第二方向每个方向的前沿与后沿之间的间隔。
17.按照权利要求1的方法，其中，激光束被分束，以便同时入射到光电检测器和病人角膜上。
18.按照权利要求17的方法，其中，用光束分束器把激光束分束。
19.按照权利要求1的方法，其中，在用激光束烧蚀病人角膜的同时，实时测定激光束光斑的特性。
20.按照权利要求1的方法，还包括产生表示激光束强度分布的一种算法。
21.按照权利要求1的方法，还包括产生表示激光束形状曲线的一种算法。
22.一种用于校准激光束传送系统的设备，包括参考刀口；位于参考刀口邻近的光电检测器，该光电检测器发送输出信号，作为对入射其上的激光的响应；和适于随时记录输出信号强度的计算机系统。
23.按照权利要求22的设备，其中，该计算机系统还适于产生表示入射光电检测器的激光束强度分布的一种算法。
24.按照权利要求22的设备，其中，该计算机系统还适于产生表示入射光电检测器的激光束形状曲线的一种算法。
25.按照权利要求22的设备，还包括适于显示输出信号强度随时间的波形的监视器。
26.一种用于校准扫描激光束传送系统的方法，该方法包括把校准工具定位在靶位置；用该扫描光束传送系统，把激光束引导至该工具上；用该工具探测激光束；和响应探测的激光束，调整该扫描光束传送系统。
27.按照权利要求26的方法，其中，该扫描光束传送系统是激光眼外科手术系统。
28.按照权利要求26的方法，还包括把激光束引导至病人的角膜，并用调整了的系统对角膜雕刻。
29.按照权利要求28的方法，其中，用一检流计反射镜，把激光束引向病人角膜。
30.按照权利要求26的方法，还包括用调整了的系统反复移动该工具和对角膜再雕刻。
31.按照权利要求30的方法，还包括在再雕刻之后，把工具再放在靶位置，并重复该引导、探测、和调整步骤，其中在引导步骤中不应烧蚀该工具。
32.按照权利要求26的方法，其中，用光束分束器把激光束分束，第一部分激光束被引导至该工具上，与此同时，用第二部分激光束对病人角膜雕刻。
33.按照权利要求26的方法，其中把激光束引导至工具上的步骤包括使激光束沿扫过参考刀口的路径扫描，并扫在光电检测器上。
34.按照权利要求33的方法，其中用该工具探测扫描激光束的步骤包括测量光电检测器在扫描期间的输出信号，该输出信号与扫描期间入射光电检测器的激光束面积对应。
35.按照权利要求33的方法，其中用该工具探测扫描激光束的步骤包括通过在光电检测器扫描期间，对输出信号的强度积分，测定激光束的尺寸。
36.按照权利要求33的方法，其中用该工具探测扫描激光束的步骤包括通过测定光电检测器扫描期间的输出信号到达最大输出信号强度的一半，定出激光束的中心位置。
37.按照权利要求36的方法，其中，通过测定光电检测器的输出信号强度，到达介于最大信号强度的第一个分数与最大信号强度的第二个分数之间的中点信号强度，据此定出激光束的中心位置，其中，最大信号强度第一个分数和第二个分数，加起来等于最大信号强度。
38.按照权利要求32的方法，其中用该工具探测扫描激光束的步骤包括测定激光束沿扫描方向的宽度，方法是通过测定该工具的光电检测器开始发送输出信号，指示激光束已入射其上，据此定出激光束的前沿位置；通过测定光电检测器的输出信号到达最大输出信号，定出激光束的后沿位置；和测定激光束前沿与后沿之间的间隔。
39.按照权利要求26的方法，其中使该激光束扫过该工具的步骤包括使该激光束扫过一靶，该靶响应入射其上的激光束，发出荧光。
40.按照权利要求39的方法，其中用该工具探测扫描激光束的步骤包括通过激光束传送系统的瞄准光学系统，观察荧光靶。
41.按照权利要求40的方法，其中响应探测的激光束而对系统的调整步骤包括把激光束传送系统的激光束传送光学装置，与该瞄准光学系统对准，直至观察的荧光靶位置与该瞄准光学系统的靶位置重合。
42.按照权利要求41的方法，其中，该激光束传送系统的瞄准光学系统，包括一分划板。
43.一种用于校准激光束传送系统的设备，包括激光束入射其上时能发出荧光的靶；激光束瞄准系统，用于把激光束引向该靶。瞄准光学装置，用于在该靶响应入射其上的激光束而发荧光时，观察靶的位置，该瞄准光学装置规定靶的位置；和调整机构，用于把激光束瞄准系统对准靶位置。
44.按照权利要求43的设备，其中，该激光束瞄准系统包括一分划板。
45.按照权利要求43的设备，其中，该用于观察靶位置的瞄准光学装置，包括一显微镜。
全文摘要
一种测定激光束光斑(20)尺寸的方法,包括:使激光束(18)沿扫过参考刀口(30)的路径扫描,该参考刀口有一光电检测器(40)位于其后;和测量光电检测器(40)在扫描期间的输出信号,该输出信号与扫描期间入射光电检测器(40)的激光束光斑(20)面积对应。
文档编号G01J1/42GK1378642SQ00814200
公开日2002年11月6日 申请日期2000年9月13日 优先权日1999年9月14日
发明者金曼·伊, 特兰斯·N·克拉彭 申请人:维思克斯公司