一种产生回转对称面的扫描方法及装置与流程

本发明属于光学领域，更具体地，涉及一种产生回转对称面的扫描方法及装置。

背景技术：

近视已经成为困扰人类的一大健康问题。数据显示，2050年全世界将近一半的人可能患上近视眼。我国已有多达6亿的近视患者，是世界上近视发病率最高的国家之一。根据2018年国家卫健委的统计数据，我国的青少年总体近视率达到53.6％，其中高中生近视率已经高达81.0％。同时，由于智能手机等普及，近视问题也将日益突出。可以预见，如果没有得到有效的防治，我国的近视人口将进一步上升，降低人口总体素质。目前，眼镜和隐形眼镜等是矫正视力最常用的手段，但是给近视者的日常生活带来了不便。所以，可以长效稳定矫正视力的屈光手术方式成为另一种具有吸引力的选择，其中用激光进行角膜屈光手术治疗得到了较广泛应用。

目前的主流技术是准分子激光原位角膜磨镶术(lasik)，其先将角膜基质上部进行制瓣，然后利用准分子激光对角膜基质进行加工，已达到矫正视力的目的。制瓣过程可以使用特制的刀具，亦可用飞秒激光进行。飞秒激光辅助的制瓣过程更加的程序化，可以大大提升制瓣的精度。lasik手术方式中，需要在角膜上产生较大的切口，会将切断很多神经，导致术后可能产生较为严重的干眼症状，同时角膜也易受外力影响。

使用飞秒激光在角膜基质内制造一个微小透镜，再将其取出的技术也在临床上得到了一些应用，这种全飞秒激光器进行手术的方式包括飞秒激光小切口角膜微透镜取出术(smile)和飞秒激光基质透镜取出术flex。其中smile技术可以在角膜上产生较小的切口，从而减小角膜表面力学性能的缺失，达到比较好的视力矫正。

上述用到飞秒激光进行屈光手术的方式，都需要在角膜基质内形成一个回转对称的扫描面，多为圆面、球面和柱面。如lasik中进行角膜瓣制备时，需要在角膜基质内产生一个圆面或球面，在将角膜上皮掀开，从而暴露用于矫正视力的角膜基质部分。又如在smile中，需要产生球面和圆柱面等回转对称面，从而在角膜内切除一个微小透镜出来。

在飞秒激光屈光手术中，需要通过患者接口将患者的眼球和飞秒激光手术系统固定在一起。患者接口一般通过负压进行眼球的吸附，以保证眼球的相对位置的固定。负压吸附的方式会给患者造成较大的心理压力，可能导致手术中的配合困难。较长时间的负压吸附也会导致患者出现球结膜下出血。而在手术中，一旦负压丢失，就会导致手术的中断，医生需要根据自身经验进行手术方式的重新制定，这可能会导致手术最终结果不及预期。所以尽量缩短手术中负压固定的时间是非常必要的。

负压固定一方面起到眼球固定的作用，另一方面也为精确的激光手术提供参考平面。在手术中，需要利用光束扫描器件使聚焦于眼角膜组织内的光焦点扫描，以形成所需要的各种扫描面，如柱面、球面、圆面等。由于飞秒激光与角膜组织相互作用时产生的空化效果，即在焦点对应位置产生一个空洞。通过光束扫描器件将光焦点扫描成面，即可在角膜内形成分割面。在扫描的过程中，需要一个固定的参考面作为基准产生分割面，这个基准一般由负压装置提供。所以在进行扫描的时候是需要进行负压固定的，同时负压固定也主要是为了满足扫描的需求，该需求包括固定眼球和提供基准面。缩短扫描的时间将能够有效减少眼球被负压吸附的时间。

现有厂家生产的飞秒眼科手术设备，如wavelight、visumax、zeimerldv等，多基于xyz扫描器进行光束的扫描，通常是单焦点扫描方式规划轨迹。z方向指光束传播方向，x方向和y方向构成的平面与z方向垂直。在专利cn102387764a中，激光通过xy扫描器件进行光束的扫描，在角膜区域形成二维的扫描面。在专利cn109475432a中，激光先经过z扫描器后，再经过xy扫描器件，通过这两个扫描器的协同工作在目标空间内制造所需的三维分割面。在专利cn102647964b中，光束先经过一个z扫描器，再经由xy扫描器，最后再经过一个z扫描器之后聚焦于目标区域。两个z扫描器分别负责不同速度的z方向光焦点的扫描。在专利cn107864619a中，使用两组xyz扫描器进行光束的扫描，一组快xyz扫描器负责小范围的快速送，另一组慢的xyz扫描负责实现大范围的扫描。

利用xyz扫描器进行光束的扫描轨迹主要分为两类，一个是光栅扫描，另一个是螺旋线扫描。光栅扫描方式是使用x扫描器和y扫描器配合工作，x扫描器负责快速的扫描，在x方向上形成一条扫描线；y扫描器扫描速度较慢，在x扫描器完成一次扫描后，y扫描器将光斑在y方向移动一个扫描间隔，x扫描器进行下一个周期的扫描。为实现光栅扫描，需要给x扫描器和y扫描器分别加载较高频率和较低频率的锯齿波驱动信号。通过控制快扫描的x扫描器和慢扫描的y扫描器，就能够实现二维的光焦点的扫描。这种方式形成的扫描面一般为方形，而角膜组织的分离时一般希望分离面为圆形，所以需要控制激光的曝光，即在扫描到不想分离的区域时将激光关断。螺旋线方式也是利用x扫描器和y扫描器进行扫描，但是不同的是x扫描器和y扫描器的扫描速度一致。x扫描器和y扫描器加载相同的正弦驱动信号，但是两者驱动信号的相位相差π。通过改变驱动信号的幅值可以控制光束是扫描圆轨迹的半径大小，实现由内及外或者由外及内的螺旋扫描。但是这种扫描方式中，点扫描的角速度是一定的，线速度随圆半径变化。所以在固定的激光脉冲重复频率下，圆面内侧的脉冲会比外侧密集。为了使脉冲的密度均匀，需要对脉冲的重复频率根据扫描的半径进行调制。现有的飞秒激光眼科手术设备相关专利技术中，大多是基于xyz扫描实现光束扫描，扫描的轨迹规划一般基于单点扫描。在手术过程中，扫描面的形成需要大约15秒的时间，还是比较长的，会给患者造成比较大的心理负担，同时也存在负压丢失的可能和相关并发症的产生。

使用多个焦点的方式缩短扫描时间的思路在激光加工和显微成像等领域已展开较多的尝试。在专利cn107876968a中，使用多个相互独立的系统进行同时加工以提升加工速度。专利cn108994452a中提到，使用多个独立扫描和协助扫描的xy扫描器扩大加工范围，这种方式也可以用于实现多点同时扫描。在专利cn106216832a中，使用三个x扫描器和一个y扫描器实现三束光的同时扫描，提升加工效率。在专利cn106735875b和cn110026678a中，利用空间光调制器将产生多光束，然后利用xy扫描器实现多光束的同时扫描，提升加工速度。在专利cn108845410a中，提到一种使用多面体棱镜进行激光分束，在使用xy扫描器实现多光束的并行扫描，缩短扫描时间，并将该方法应用于共聚焦扫描成像系统。专利cn109211854a中，使用分束器件将激光分为多束等角间距的激光后用xy扫描器进行扫描，该方法应用于多光子显微光学成像中，提升成像的时间分辨率。

现有的进行多焦点扫描的思路由两种。第一种是用多个相对独立的扫描器件进行光束的扫描，然后将这些相对独立的扫描光束进行耦合，投送到目标区域。这种方式能够耦合的扫描器件数目将十分有限，且数目越多结构越为复杂，在激光眼科手术中并不实用。第二种是将激光光束通过空间光调制器、多面棱镜、微透镜阵列、光栅等光学器件将光束分为扫描角度不同的多束激光，然后利用xy扫描器进行多光束的扫描，通过聚焦在目标区域实现多焦点的并行扫描，缩短扫描时间。但是这种方法并适用于飞秒激光眼科手术的激光扫描。

使用xy扫描器进行多焦点的扫描时，不适合用螺旋线扫描实现圆面、球面和柱面的扫描。因为多光束进行同步的螺旋线扫描时，产生的轨迹是多个大小相同的圆，且圆心的位置不同。如果想形成一个完整的扫描平面，如眼科手术中的圆面，轨迹线之间就会有重叠，导致角膜部分区域重复切割，加大对角膜组织的影响。xy扫描器件可以并行的将多焦点进行光栅扫描，可以实现完整扫描面且无重叠。如果要形成圆面、球面和柱面的切削，这种方式进行扫描时需要控制激光的曝光，且曝光的控制在角膜的不同区域是不一样的。但是将光束分为多束后，这些光束的控制将是同步的，难以做到单独控制，所以这种扫描方式也不适用于飞秒激光眼科手术中的光束扫描。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种产生回转对称面的扫描方法及装置，其目的在于提高形成回转对称面的速度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种产生回转对称面的扫描装置，包括：脉冲激光器、多光束产生器件、光束旋转器、光学聚焦器件、设备控制器；

所述脉冲激光器用于产生脉冲激光束；所述脉冲激光束经过所述多光束产生器件形成n束扫描角度不同的光束，再依次经过所述光束旋转器和所述光学聚焦器件，在目标区域形成n个光焦点；

所述光束旋转器用于使所述n个光焦点围绕光轴旋转，形成一个或多个圆轨迹；

所述光束旋转器用于完成所述圆轨迹的扫描后，改变所述n个光焦点在所述目标区域的位置；

所述设备控制器用于协调所述多光束产生器件和所述光束旋转器，使所述n个光焦点按照预定的轨迹进行扫描，从而形成回转对称面。

进一步地，所述装置还包括光束预处理单元，用于对所述脉冲激光束进行扩束准直和色散预补偿。

进一步地，所述多光束产生器件为空间光调制器，所述光束旋转器为道威棱镜。

进一步地，所述设备控制器还用于调节所述脉冲激光器的重复频率和单脉冲能量，使所述目标区域的脉冲密度保持一致。

进一步地，所述光学聚焦器件为以下之一：物镜、场镜、球面反射镜。

本发明另一方面提供了一种产生回转对称面的扫描方法，利用上述的产生回转对称面的扫描装置，包括以下步骤：

s1：产生脉冲激光束，并形成n束扫描角度不同的光束；

s2：在目标区域形成n个光焦点，所述n个光焦点分布于以光轴为中心的同一个圆上，且所述n个光焦点等间隔分布；

s3：使所述n个光焦点围绕光轴旋转，形成一个圆轨迹；

s4：完成所述圆轨迹的扫描后，改变所述n个光焦点在所述目标区域的位置，继续进行旋转扫描，形成下一个圆轨迹，直至形成回转对称面。

进一步地，所述方法还包括：

s1：产生脉冲激光束，并形成n束扫描角度不同的光束；

s2：在目标区域形成n个光焦点，所述n个光焦点分布于以光轴为中心的m个圆上；其中，n≥2，m≥2，且n能被m整除；

s3：使所述n个光焦点围绕光轴旋转，形成m个圆轨迹；

s4：完成所述m个圆轨迹的扫描后，改变所述n个光焦点在所述目标区域的位置，继续进行旋转扫描，形成另外m个圆轨迹，直至形成回转对称面。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明通过脉冲激光器、多光束产生器件、光束旋转器、光学聚焦器件，在目标区域形成n个光焦点，并使n个光焦点围绕光轴旋转，形成一个或多个圆轨迹；完成圆轨迹的扫描后，改变n个光焦点在目标区域的位置，使n个光焦点按照预定的轨迹进行扫描，从而实现多点同时扫描，并快速形成回转对称面。

(2)本发明可以应用于飞秒眼科激光手术，有助于缩短手术时间，尤其是手术中负压吸附固定的时间，从而更好地缓解患者术中的不适感，提高手术的成功率。

附图说明

图1为本发明提供的产生回转对称面的扫描装置的结构示意图；

图2为本发明提供的进行光束扫描的光学系统的示意图；

图3为本发明提供的一个圆轨迹扫描的示意图；

图4为本发明提供的基于多点同时进行扫描的扫描轨迹a的示意图；

图5为本发明提供的基于多点同时进行扫描的扫描轨迹b的示意图；

图6为本发明提供的基于多点同时进行扫描的扫描轨迹c的示意图；

图7为本发明提供的基于多点同时进行扫描的扫描轨迹d的示意图；

图8为本发明提供的基于多点同时进行扫描的扫描轨迹e的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实施例提供了一种产生回转对称面的扫描装置，如图1所示，包括脉冲激光器1、光束预处理单元2、多光束产生器件3、光束旋转器4、光束聚焦器件5和设备控制器8。脉冲激光器1产生的脉冲激光束7，其波长可以是任意满足眼科手术的波长，例如800nm到1500nm。脉冲激光器1输出的脉冲激光可以与目标区域的物质发生相互作用，由此产生的一些效应，可以用于眼科手术，如光致破裂、光诱导交联等。脉冲激光束7的重复频率可以是10khz到10mhz，单脉冲的能量可以是10nj到100uj以满足眼组织切削需求。脉冲激光束7需要经过光束预处理单元2，进行光束的扩束和色散的补偿等。经过预处理的脉冲激光束7进过多光束产生器件3后，变为多束具有不同扫描角度不同的光束，也称为衍射角度，多光束产生器件3所产生的n束脉冲激光可以随着扫描过程发生变化，所述变化包括光束偏转角、分束数目。多光束产生器件3可以是任意能够将入射光束分散到不同角度的光学器件和光学器件组合，例如衍射型器件空间光调制器和声光晶体等，又例如分光棱镜和多个振镜的组合。分光棱镜和多个振镜的组合是指，先将光束分为多束，然后通过多个振镜分别控制不同的光束，再由分光棱镜合束的方法。脉冲激光束7变为多束后通过光束旋转器4，经过光束的旋转后，扫描角度就会发生变化，在回转对称扫描面6上聚焦的点也会发生变化。光束旋转器4可以是任意能使光束发生旋转的光学器件，或者光学器件组合，例如道威棱镜，光束旋转器4通过电机带动，进行稳定、高速的旋转，电机的速度可以调节扫描面形成的时间。经过光束旋转后的脉冲激光束7被光束聚焦器件5聚焦于目标所在的位置，在眼科手术的应用中，该位置可以是任何需要使用激光制造切口的位置，例如眼角膜、晶状体、玻璃体等。光束聚焦器件5可以是任何能将光束进行聚焦的光学器件，例如物镜、场镜、球面反射镜等，聚焦的光斑大小可以是任意需要的尺寸，例如1～10μm。

回转对称扫描面可以分解为多个圆轨迹的扫描。先通过多光束产生器件3在目标区域产生多个光焦点，然后使用光束旋转器4使多个焦点围绕同一个轴线旋转，所述轴线在本实施例中是光学系统的光轴。光束旋转器4完成一个或者多个圆轨迹的完整扫描后，通过多光束产生器件3改变多个光焦点在目标区域的位置，在使用光束旋转器件进行光焦点的旋转扫描，完成下一段的圆轨迹扫描。通过设备控制器8实现光束产生器件3和光束旋转器4的协同工作，使光焦点按照预定的轨迹进行扫描，最终在目标区域形成回转对称扫描面6，例如球壳面、圆面、圆柱面等。

图2示意了多光束产生器件3和光束旋转器4的一种具体配置，在该配置中，图1中的多光束产生器件3为衍射型器件空间光调制器301，以实现产生多光束且光束的扫描角度不同的目的；图1中的光束旋转器4为道威棱镜401，旋转道威棱镜401以实现脉冲激光脉冲束7旋转的目的。空间光调制器301上有很多个微小单元组成，每个单元可以对入射其上的光进行单独的控制，控制的参数包括入射的脉冲激光束7的振幅和相位。图案310示意光束调制的一种可能，图案310上的不同灰度值就表示调制量大小的不同，例如灰度值0～255对应的相位调制量为0～2π，又例如灰度值0～255对应的相对振幅调制量为0～1。经过空间光调制器301调制后的脉冲激光束7即变为多束衍射方向不同的激光束，也就是扫描角度不同的多束激光。透镜组11和透镜组12构成光学成像系统将空间光调制器301成像到道威棱镜401靠近空间光调制器301的一侧表面。将道威棱镜401沿旋转轴13进行旋转，即可实现脉冲激光束7的旋转，且脉冲激光束7是被空间光调制器301调制过的，则调制后的光束就会被旋转。

图3为形成圆轨迹扫描的示意图，以4个焦点同时扫描示意，需要说明的是，并非在本发明中只能用4个焦点进行扫描。最开始时，出射道威棱镜401的脉冲激光束7被空间光调制器301按图案311调制，在目标区域形成4个焦点，如图3中目标区域的焦点61、焦点62、焦点63和焦点64。旋转道威棱镜401，则出射道威棱镜401的脉冲激光束7被空间光调制器301调制的图案就会由图案311到图案312、图案313和图案314依次变化。图3中举例的四种状态是在目标区域形成一个圆轨迹的四个中间状态，并非在扫描过程中仅有这四个状态。在调制图案发生变化时，在目标区域形成的四个焦点也会依次发生变化，所发生的变化在图3中调制图案下示意。整个图案的旋转如图案315所示，对应在目标区域形成如圆轨迹65。

本发明另一方面提供了一种产生回转对称面的扫描方法，包括光焦点分布于以光轴为中心的同一个圆上和多个圆上两种情况。

方法一，包括以下步骤：

s1：产生脉冲激光束，并形成n束扫描角度不同的光束；

s2：在目标区域形成n个光焦点，所述n个光焦点分布于以光轴为中心的同一个圆上，且所述n个光焦点等间隔分布；

s3：使所述n个光焦点围绕光轴旋转，形成一个圆轨迹；

s4：完成所述圆轨迹的扫描后，改变所述n个光焦点在所述目标区域的位置，继续进行旋转扫描，形成下一个圆轨迹，直至形成回转对称面。

方法二，包括以下步骤：

s1：产生脉冲激光束，并形成n束扫描角度不同的光束；

s2：在目标区域形成n个光焦点，所述n个光焦点分布于以光轴为中心的m个圆上；其中，n≥2，m≥2，且n能被m整除；

s3：使所述n个光焦点围绕光轴旋转，形成m个圆轨迹；

s4：完成所述m个圆轨迹的扫描后，改变所述n个光焦点在所述目标区域的位置，继续进行旋转扫描，形成另外m个圆轨迹，直至形成回转对称面。

需要说明的是，n个光焦点通过同一个光束旋转器件进行扫描，所以在同时进行扫描的圆轨迹具有相同角速度ω；并且来自同一个脉冲激光光源的n束脉冲激光也具有相同的重复频率fm。当圆轨迹的半径为r时，则可以得到光束扫描时，两个脉冲聚焦的空间位置的点间距扫描的点间距与圆轨迹的扫描半径是相关的。在进行光焦点的扫描时，很重要的一点是保证扫描点间距一致。所以在进行n个光焦点扫描时，其产生的轨迹需要分布在较近的1～n个圆周上，这里的“较近”是指不同圆轨道的扫描点间距之间的差异在被允许的范围内。

图4、图5、图6、图7和图8以4个光焦点为例，示意了五种不同的扫描轨迹，分别对应扫描轨迹a、扫描轨迹b、扫描轨迹c、扫描轨迹d和扫描轨迹e。

在图4中，焦点611、焦点621、焦点631和焦点641所具有的特点是，不同时分布在同一的圆周上，且在空间上分散开来；焦点611和焦点631关于圆轨道中心对称分布，在同一圆周上；焦点621和焦点641关于圆轨道中心对称分布，在同一圆周上。焦点611、焦点621、焦点631和焦点641分别沿着图4中的轨道651、轨道661、轨道671和轨道681进行扫描。待焦点611、焦点621、焦点631和焦点641扫描半个圆后，得到两个完整的圆轨迹；改变四个焦点的位置，继续进行扫描，这种扫描方法在具体实施例中称为扫描轨迹a。

在图5中，焦点612、焦点622、焦点632和焦点642所具有的特点是，不同时分布在同一的圆周上；焦点612和焦点622分布在一起，焦点632和焦点642分布在一起；焦点612和焦点632关于圆轨道中心对称分布，在同一圆周上；焦点622和焦点642关于圆轨道中心对称分布，在同一圆周上。焦点612、焦点622、焦点632和焦点642分别沿着图5中的轨道652、轨道662、轨道672和轨道682进行扫描。待焦点612、焦点622、焦点632和焦点642扫描半个圆后，得到两个完整的圆轨迹；改变四个焦点的位置，继续进行扫描，这种扫描方法在具体实施例中称为扫描轨迹b。

在图6中，焦点613、焦点623、焦点633和焦点643所具有的特点是，同时分布在同一圆周上，且等间隔分布；焦点613和焦点633关于圆轨道中心对称分布；焦点623和焦点643关于圆轨道中心对称分布。焦点613、焦点623、焦点633和焦点643分别沿着图6中的轨道653、轨道663、轨道673和轨道683进行扫描。待焦点613、焦点623、焦点633和焦点643扫描四分之一个圆后，得到一个完整的圆轨迹；改变四个焦点的位置，继续进行扫描，这种扫描方法在具体实施例中称为扫描轨迹c。

在图7中，焦点614、焦点624、焦点634和焦点644所具有的特点是，彼此分布在不同圆周上，且在空间上分散分布。焦点614、焦点624、焦点634和焦点644分别沿着图7中的轨道654、轨道664、轨道674和轨道684进行扫描。待焦点614、焦点624、焦点634和焦点644扫描一个圆后，得到四个完整的圆轨迹；改变四个焦点的位置，继续进行扫描，这种扫描方法在具体实施例中称为扫描轨迹d。

在图8中，焦点615、焦点625、焦点635和焦点645所具有的特点是，彼此分布在不同圆周上，且在空间上是分布在一起的。焦点615、焦点625、焦点635和焦点645分别沿着图8中的轨道655、轨道665、轨道675和轨道685进行扫描。待焦点615、焦点625、焦点635和焦点645扫描一个圆后，得到四个完整的圆轨迹；改变四个焦点的位置，继续进行扫描，这种扫描方法在具体实施例中称为扫描轨迹e。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。