检测、校正及测量目标组织的系统和方法

专利名称：检测、校正及测量目标组织的系统和方法
技术领域：
本发明涉及光学，更具体地说，它与涉及光学的过程(例如涉及在目标上聚焦的激光束的医学或工业过程)当中一个光学目标的检测、测量与校正有关。
在激光发射系统中，特别是在向接受手术的目标组织发射外科手术激光束的系统中，重要的是或者使目标在过程中完全不动，或者能在光学上迅速地追随或“跟踪”所发生的目标运动。在外科手术台上，这些运动可以是由病人不能或不想足够控制住的有意肌肉运动引起，以及/或者由于无意识肌肉运动(例如心跳、呼叫)所引起。对于向使用者提供有关目标结构或外形及/或向目标上或目标内部发射的激光束聚焦点位置的影象或数据的成象系统而言，这一点是确实的。对于聚焦系统本身，这一点也是确实的。
共焦点显微技术的原理是众所周知的。这一原理涉及一个光学系统在一个物镜前面的一个物体或位置上的聚焦，而将第二聚焦点放在系统中物镜后面的针孔位置上。如果光源通过物镜进入系统的深度发生变化，那么由于第二焦点的移动或者光束收敛点离开针孔，使得在针孔后面的影象平面上的光强度减弱。
Bille专利4，881，808号披露了用于确定一个目标(例如人眼角膜)位置的成象系统。Bille所披露的系统利用共焦点显微技术原理来确定角膜上一系列点的位置，以便绘出角膜形状的电子图象，从而确定它的位置。为了确定每一点的位置，Bille移动足焦点显微镜系统中的针孔，以便找到使穿过针孔的光线在那里聚焦的针孔位置，也就是在针孔后面的光检测器上有最大光强的针孔位置。在Bille系统中所选取的每个点给出成象系统中一个特定描准(aiming)位置的相对深度。利用这样选取的大量点，它们每一个处于不同的描准位置，Bille的系统便能够一系列点的坐标，从而绘出被成象的曲线形状的位置图象。所以，Bille专利系统的运转方式与传统的共焦点显微技术类似，那里所研究的点位置的横向移动造成一组测量值，这些测量值能用来产生被成象目标的外形图(topographycal mapping)。
Bille的系统在原理上与本发明的区别在于Bille的目的和目标是对一个形体(例如眼睛的角膜)成象和确实该形体的位置。而本发明的系统不是一个成象系统，而是用于检测一个目标(例如眼睛的角膜)在一个过程(如激光眼科手术)中的运动的系统。本发明的系统的目的是监视一个镜面反射点沿着单一光轴线的深度，而不是对角膜的形状成象或者对空间的一系列点进行定位。
再有，本发明的主要目的是在外科手术过程中校正和追踪目标(如眼睛的角膜)深度运动;这一点的实现方法是驱动系统的物镜(或其他光学系统)，以响应由于目标上的镜面反射点深度位置的变化所引起的在针孔后面光检测器上成象的光强度的变化。
根据本发明，用于在激光瞄准(targeting)过程中检测、测量和/或校正目标运动的一个系统，在其最佳实施例中采用了共焦点显微技术原理，以便追踪目标深度位置的变化。
一个针孔和光检测器的组合位于发射激光束系统的透镜组(optics)的后面，例如，这个激光束是眼外科手术用的激光束。本发明的系统中的透镜组的结构安排是这样的当激光束的目标处在正常位置时，其光束的收敛部分(beam waist)精确地形成于针孔位置。这样，最大光强度便指向针孔后面的光检测器上。
当目标从其正常位置移开时，即改变了它到光学系统的深度距离，于是来自针孔/光检测器组合的信号便减小。这个信号的变化能被用来驱动光系的物镜的进出，从而随着运动的目标而运动。当目标运动时，其目标在两个方向的运动(即向着物镜和离开物镜的两个方向运动)都会使信号减小。当发生目标运动时，其物镜的运动方式是再次把焦点移到目标反射面上，从而使光检测器上的信号达到极大。通过抖动(dither)针孔/光检测器组合来确定向哪个方向的运动将使信号增加，从而实现对聚焦状态的监视。只要在抖动两端的信号彼此平衡，便不需要校正，在那一点上的信号将为极大值。当由偏离平衡状态识别出适当的方向时，其物镜便在那个方向上移动，直到在光检测器上的信号再次被平衡/极大，这样便告知光束收敛点再次位于针孔处(这可能会导致运动超过极大值点，然后再返回极大值点)。这样，物镜再次处于适当位置，使激光束聚焦在目标的正确深度上。这个深度可能不同于产生被接收的反射光的表面所处的深度，但与该深度有一个固定的关系。
本系统的另一个应用或实施例中，光检测器信号能用来驱动针孔/光检测器组合的运动，使之移动到再次获得峰值信号的位置。针孔位置的变化能被用来确定目标深度变化的程度，给出定量的测量结果。
所以，本发明的目的之一是提供一种比较简单和精确的深度检测、校正和/或测量系统，以便与激光手术过程结合使用，特别是用在手术激光被折叠到同一个光束路径从而能使用公共物镜的场合。通过下文中结合附图对最佳实施例的描述，将使本发明的这些目的及其他目的、优点及特点变得显然。


图1是一张原理图，给出一个光学系统以显示本发明的原理，用于确定目标的距离(range)和/或用于跟踪目标的运动。
图2给出光从目标(眼角膜上的泪状物层(tear layer))反射的细节，其目标通常位于发射物镜(delivery objective lens)的焦点。
图3为一详图，显示出图2中目标表面及射光被聚焦在后焦点(rear focus)或者说光束会聚点，它精确地位于系统中的针孔。
图4是与图2类似的详细原理图，并且与图2并列，显示出目标体(眼睛)向新的深度位置运动，在这个位置上反射面不在发射(delivery)物镜的焦点上。图4显示出发射光线从非焦点位置上的反射。
图5是与图3类似的细节原理图，显示出由于图4和图2所示的目标位移所造成的光现在针孔的出露(cropping)。
图6是与图1相似的系统原理图，但给出的是当目标如图4那样移位从而造成图5所示光束聚汇点位移的反射光穿过系统的不同路径。
图7是一个简单流程图，显示出作为本发明一部分的目标跟踪系统的运转过程。
图8是本发明的又一实施例的部分示意图。
在附图中，图1给出一个光学系统10，以图表明本发明的原理。在系统10中，一个发射物镜或物镜组合12位于目标14邻近，该目标14以人睛角膜16为例。前反射表面17(在这种情况里是角膜上的泪状物层(tear layer)通常位于该光学系统10以及物镜组合12的光轴上，而且，至少是在通常情况下，处于物镜系统12的焦点上。这一点由图1中的边缘射线指示出来。激光手术的实际目标常常是不与反射面17相吻合，特别是在眼外科手术中更是如此。它可能在角膜内部或眼睛中的更深部位，甚至是视网膜，而且它可能不在光轴上。反射面17是一个参考点，其手术目标与该表面有一个已知的关系。
图1还显示出手术激光22，它的光束24被光束分光器26折叠到系统光轴18上。这样，手术激光24被物镜组合12聚焦到目标上，该目标也是可能不与反射面17重合的。
图1中还显示出第二个激光28。该激光源28发射出低功率激光束，只是为了照明的目的。它的激光束30通过聚束透镜组32，并用光束分光器34把它折叠到系统10的光轴18上。如所指示的那样，照明光束还通过另一透镜组(图1中未画出，作为平行或几乎平行光束达到发射物镜组合12。然后该照明光束聚焦在目标上，(由边缘射线20表示)，实质上是在物镜的焦点上。
如上面所说明的那样，在此同时，利用同一物镜12将手术激光束24聚焦，从而使它在放手术之处的一个小深度范围内操作。由于在物镜后面的发射透镜组不同，使得手术光束的焦点所在位置与照明光束的焦点位置不同，尽管二者通过相同的物镜12。图1是示意性略图，其比例尺和角度都是不精确的。
图1还显示出描准/反描准(collimation/decolli-mation)透镜组合38，它构成系统10的透镜组的一部分聚束形成透镜组32与透镜组合38的联合扩展(expand)了照明光束30，而透镜组合38反过来又使在反方向传播的反射光聚焦。这样当目标(例如眼睛14)精确地位于距发射物镜12正确距离上的时候，照明光的反射光返回系统，被角膜表面上的泪层17镜面反射。边缘光束射线20示意性表明，这个反射光反向穿过物镜12并再次进入由标号40表示的平行路径(或者基本上平行，与照明光的路径相似)。边缘射线然后显示出被描准/反描准透镜组合38聚焦、穿过光束分光器34和针孔构造42。该针孔构造的针孔精确地位于光束聚汇部44，因此，基本上是全部反射光束经过光束聚汇部44穿过针孔。
在针孔构造42的背后是光检测器46。如图1所示，当光束器聚汇部适当地位于对孔时，光检测器46接收通过透镜组的全部反射光。这样，在这种状态下在光检测器上检测到最大光强度。
微处理器48接收来自光检测器46的光强度信号，并作出反应，向一个马达或其他伺服装置52发送一个信号(由线50指示)。如图所示，该马达或伺服装置与发射物镜组合12相连，并能响应来自微处理器48的信号，推动物镜沿深度方向进出。如前所述，如果在光检测器上的信号变弱，那么就深度而言，系统必须寻找一个新的目标位置。这样，当微处理器48确定了信号变弱时，该微处理器能指示马达52在一个给定方向上推动物镜，探测出此时信号变弱还是变强，然后在适当的方向上推动物镜。另一种办法是，如果针孔/光检测器组合能很迅速地进出抖动(见前述)，那么利用信号的不平衡能够确定哪一个方向会产生信号的增强。当确定了正确方向后，便推动物镜组合12沿那个方向运动，直至信号再次达到极大值为止。
当目标移动时使光检测器上的信号变弱，其原因在于光束聚汇部44离开了针孔42位置。这一效应在图2、3、4、5、6中图示出来了。
在图2中角膜泪层17处于物镜的精确焦点上。光沿着同一路径被反射回来，如边缘射线20所示。在系统的另一端(如图3所示)光束聚汇部44精确地出现在针孔，使反射光的全部强度投射到光检测器46的感光表面54上。
另一方面，如果目标以及相应的反射面17在深度上从图2所示位置移开(见图4)，则返回的反射光的光路(optics)就不同了。图4表明，角膜已移到更靠近系统10，就是说，更靠近发射物镜12。前进的照明光束的边缘射线20不是在其焦点打在泪层的反射面17上，所产生的反射回返射线58不遵循图1所示边缘射线路径。这一效应示于图6。
图6表明，由线58指示的照明光束的反射光的更接近于物镜中心的地方穿过发送物镜(如图所示，此时眼睛比正常情况接近物镜)这些返回射线一般有与照明边缘射线20相同的角度(取决于目标曲率)，尽管是反向的。这样，由于它们在更靠近其中心的地方通过物镜，他们在60处发散了，而在那里照明光束基本上是平行的。这使得后焦点或者说光束聚汇部44被推回来，推到了图5中的细节示意图的44a所指示的那一点。这是返回射线的交叉点，而针孔构造42接收(crop)了返回光束中除了很小的中心区域以外的全部光束。这样实际达到光检测器平面54的反射光的强度大大小于目标处于适当位置(见图1和图3)时的光强度。
图2和4以图说明反射面17位置的变化引起照明光束边缘射线焦点位置的更大变化，加载(Loading)到图3和5所示光束聚汇部的位移上。
图7是一个简化流程图，给出微处理器48响应光检测器46上的信号变化，从而对马达或伺服装置52的控制过程。
上面描述的最佳实施例是要用来具体说明本发明的原理，而不是限制本发明的范围，其他实施例以及对这一最佳实施例的修改对于内行人而言是显而易见的，而且可以实现，而不偏离在下述权利要求中所规定的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一个光学系统，用于检测和校正手术激光束所指向的目标在深度方向的运动，该手术激光束穿过该光学系统的公共物镜；该系统包括在该光学系统前部的物镜组，位于目标邻近。该目标位于该物镜组的光轴上，而且通常位于物镜组的焦点上；照明手段，用于通过物镜组向目标发射照明光束，当目标处于正常位置时，照明光束的焦点落于伴随目标的一个反射面上；在物镜组后面的光学部件，用于接收从伴随目标的反射面反射回来并通过物镜组的反射光，并将反射光聚焦到后焦点或光束聚汇部；一个针孔构造，当目标处于正常位置而使反射面处于照明光束焦点时，其针孔位于光束聚汇部；在针孔构造后面的光检测器，所在位置可接收从目标的反射面反射并通过物镜组、光学部件、及针孔的照明光束，该光检测器包括测量通过针孔接收的光强度的手段；手术激光装置，用于产生手术激光束，并带有将手术激光束折叠到光学系统中的手段，以此将手术激光束通过物镜组达到目标上的手术激光焦点；以及目标跟踪装置，它与光检测器相连，包括驱动装置，用于将物镜组向外推向目标或向内离开目标，该目标跟踪装置包括响应光检测器上光强度减小的手段，用以推动物镜组直到在光检测器上检测到的光水平达到极大为止，表明光束聚汇部位于针孔，并且反射面的位置位于照明光束的焦点，从而能按照希望的那样适当地重新确定手术激光束焦点相对于目标的位置。
2.根据权利要求1的一个系统，其中伴随目标的反射表面是人眼角膜的泪层。
3.检测和校正手术激光束指向的目标在深度方向上的运动的一种方法，包括将来自照明光源的照明光束通过物镜组指向目标，使光束达到的焦点位于伴随目标的反射表面上;提供一个带有针孔的针孔构造，该针孔构造位于物镜组后面的光学系统中;将照明光束从伴随目标的反射面反射出去，接收穿过物镜组和光学系统的反射光，当目标处于正常位置从而反射面位于照明光束的焦点时，反射光的后焦点或光束聚汇部处在针孔位置;将手术激光束穿过物镜组达到在目标上的手术激光束焦点，它可能与照明光束的焦点不同，但二者有一个已知的关系;利用位于针孔后面的光检测器检测穿过针孔的光的水平;以及对位于针孔后面的光检测器所感知的光强度减弱作出响应将物镜组向外移而移向目标或者将物镜组向内移离开目标，直到光检测器感知的光水平达到极大，这表明光束聚汇部位于针孔，而且反射表面位于照明光束的焦点，从而将手术激光束聚焦到目标上的适当深度。
4.权利要求3的方法，这里伴随目标的反射面是人眼角膜的泪层，这里的手术激光束所具有的强度和速率(rate)能够进行眼睛内部的治疗手术。
5.权利要求3的方法，包括向内向外抖动针孔和光检测器组合以便确定向哪一个方向运动能使光检测器上的光水平增大，然后按照抖动所确定的适当方向来移动物镜组，直至所感受的光水平达到极大，这等效于得到平衡的抖动信号。
6.权利要求3的方法，这里移动物镜组使光检测器感知的光水平达到极大的过程是这样实现的监测一个微处理器中来自光检测器信号的强度，并用该微处理器自动指挥一个马达装置，从而在检测到光水平降低之后推动物镜组使所感知的光强度达到极大。
7.检测和校正手术激光束指向的目标在深度方向上的运动的一种方法，包括将来自照明光源的照明光束通过物镜组指向目标，使光束达到的焦点位于伴随目标的反射表面上;提供至少一个带有针孔的针孔构造，该针孔构造位于物镜组后面的光学系统中;将照明光束从伴随目标的反射面反射出去，接收穿过物镜组和光学系统的反射光，当目标处于正常位置从而反射面位于照明光束的焦点时，反射光的后焦点或光束聚汇部相对于针孔处于一个正常位置;将手术激光束穿过物镜组达到在目标上的手术激光束焦点，它可能与照明光束的焦点不同，但二者有一个已知的关系;利用位于针孔后面的光检测器检测穿过针孔的光的水平;以及对位于针孔后面的光检测器所感知的光强度变化作出响应将物镜组向外移而移向目标或者将物镜组向内移离开目标，直到光检测器感知的光水平基本上达到上述正常位置上检测到的水平，这表明光束聚汇部相对于针孔位于正常位置，而且反射表面位于照明光束的焦点，从而将手术激光束聚焦到目标上的适当深度。
全文摘要
在医学分析或外科手术系统中检测、测量及校正目标运动的一个系统和方法，它利用了共焦点显微技术的一般原理。一个针孔和光检测器的组合置于系统的光具组后面，该系统的光具组用于发生例如眼科手术的激光束。如在一个共焦点显微镜中那样，其光具组的安排使得当目标在其正常位置时一个光束的聚汇部精确地形成于针孔处。当目标沿深度方向运动离开其正常位置时，来自针孔/光检测器组合的信号便减小。信号的这种变化能用来驱动光具组的物镜。
文档编号G02B7/32GK1067573SQ9210116
公开日1993年1月6日 申请日期1992年2月19日 优先权日1991年2月19日
发明者威廉·D·弗泰恩 申请人:凤凰激光系统有限公司