用于检测光学系统和眼科医疗设备的焦点位置的装置和方法

专利名称：用于检测光学系统和眼科医疗设备的焦点位置的装置和方法
技术领域：
本发明涉及到一种检测光学系统焦点位置的装置和方法。详细地说， 本发明涉及到一种检测成像光学系统的焦点深度的装置和方法，而且还涉 及到一种控制焦点位置尤其是焦点深度的装置和方法。此外，本发明还涉 及到一种使用所述装置和/或所述方法的眼科医疗和/或诊断设备。
背景技术：
就此处讨论的光学系统而言，具体来说，该正被讨论的光学系统是材
料加工设备中使用光源的成像光学系统，具体地，例如激光和LED。在此， 材料加工还应被理解为在微尺度范围内构造材料，例如像生物组织这样的 电介质或者是金属材料。特别地，本发明可使用于眼科光学系统中，尤其 是角膜屈光手术中，例如LASIK。该情况下本发明特别适合的应用领域是 fs-LASIK，例如使用飞秒激光器的角膜屈光手术。
在前述的光学成像系统中，获得高精度的材料加工操作取决于焦点位 置的精确控制。"焦点位置"在此处首先被理解为，不仅是在光轴方向上 的焦点位置(所谓的焦点深度)，而且还更多通常地是聚焦辐射的位置和 方向，例如，相对于系统理想光轴的偏移，或者光辐射的实际光轴相对于 理想(期望)光轴的角形。在fs-LASIK中，追随计算出的焦点深度尤其 重要，并且这是本发明特别的应用。
专利DE 10 2004 009 212 Al中呈现了一种用于激光材料加工的光学 接触构件。该接触构件使用于fs-LASIK优选的实施例中。此例中，该接 触构件包括衍射光学结构。这些结构被设计用于最小化因为镜头的大数值 孔径而产生的入射角。衍射光学元件(DOE)在此包括具有沿径向调整光 栅周期的光栅结构。此例中的光栅周期在2001/mm和5001/mm之间。微 米尺度内的数值表示为斑点的尺寸。因为光学限制，仅有一个接近0.3的
数值孔径是可能的。孔径的放大通过在镜头的光路中使用第二个衍射构件 得以实现。该衍射光学元件同样实施为圆形光栅结构，该光栅结构具有朝 向光轴变大的光栅周期。获得更大的数值孔径在此处被认为是该实施的优 点。此外，接触构件被制作为弯曲部分。其相对于眼睛曲率半径的曲率半
径为大约8mm。材料加工根据该一致的预设曲率半径实行。吸气附着以 类似于专利WO 03/00208 Al和EP 1 159 986 A2的方式实行。焦点控制在 此处呈现的方法中没有实行。
专利EP 0 627 675 Al介绍了一种用于从光束映射一个或更多个空间 点的衍射光学装置。此处，该衍射结构同样包括任意二进的或多级的衍射 构件的分段式结构。该结构具体可以是六边形的或者六角形的结构。因而， 光束的映射得以实现。然而，仅有强度或/和相变被采用。
专利US 2002/0171028描述了一种用于焦点控制的设备。此处返回光 被成像光路引导与第二束光干涉，并从而实行干涉测量的波控制。
依靠干涉测量波阵面控制方法的焦点控制在专利US 6,666,857 B2中 同样也有实行。在人眼上光消融过程中的主动波阵面控制在那时通过组合 适当的镜子得以实现。没有主动波阵面控制将被采用。
专利US 2004/0051976 Al描述了一种共焦显微镜的光学结构，该结构 包括主要发射紫外线光谱范围的激光光源，光束扩展器，衍射针孔阵列， 以及物镜。衍射针孔阵列未在其明确实施例中描述。作为该技术实施例的 一个优点，因为幅度针孔阵列具有取决于孔径比的典型的4%至10%的透 射率，可看见效率的提高。在另一方面，具有了衍射针孔阵列，这样的光 学元件的透射值可高达80。/。，由孔径比或者针孔的数量决定，此处该孔径 比或者针孔的数量仅取决于生产过程。
在专利US 2004/0021851中， 一种包括激光和随后的光束整形光学器 件的光学结构被使用于测量未知镜头的焦距。此例中的焦距测量通过聚焦 在不同距离的参考平面而得以实行。辐射的反射回的部分被检测。位于各 自距离的斑点直径于是被评估。焦距通过"牛顿"方程ZZ、f确定。没 有更加详细描述的光栅被使用于解耦辐射反射回的部分。琼斯矩阵表述也 同样被画上以便计算焦距。该方法的精度接近1%。
专利US 6,909,546 B2描述了一种包括光源(Nd:YAG2w)和随后的光
束整形器光学器件的光学结构。此例中，使用两个衍射光学元件以便将激 光辐射均匀化。两个DOE中的第一个在此处用于均匀化和空间频率过滤。
随后的针孔实行空间频率过滤。第二DOE位于空间频率过滤的2f系统内 部，在远场生成需要的强度分布。该远场可以通过物镜或者第二个DOE 生成。需要的强度分布在焦点内生成。在此方法中没有实行焦点控制。

发明内容
相应地，本发明的目标是提供一种装置和方法，根据该装置和方法， 光学系统的焦点位置能够被精确地确定。
因此，本发明提供了一种用于检测光学系统焦点位置的装置，该装置 具有辐射源；聚焦成像系统；在焦点上至少部分反射的表面；用于记录 被所述表面反射的图像的合适的数字传感系统(例如CCD照相机、CMOS 照相机或类似的)；用于评估由照相机记录的图像的计算机；以及在光学 系统的光路中处于聚焦成像系统之前的光学元件，该光学元件根据焦点位 置影响所述图像。
在此情况下，所述聚焦光学成像系统优选地是焦点位置可调的(可变 的)聚焦光学器件，例如尤其是一种系统，该系统焦点的位置在平行于图 像光轴的方向上是可调的(例如焦点深度)。另外，在这样的系统中，焦 点位置在垂直于辐射的光轴的方向上通常也是可调的，例如在fs-LASIK中。
依据本发明的装置以及相应的方法因此具体地用于在材料加工之前 即时地相对于预定的平面对光学系统进行初始的设置和对齐，该预定的平 面称为表面，焦点可精确地调整，从而具体精确地位于所述表面上。当在 LASIK中使用时，通过在感兴趣的区域内抽气角膜附着在参考表面，所述 零平面优选为由此产生的表面(这对于LASIK专家来说是已知的)。对于 使用的辐射来说是透明的整平圆盘在其面对角膜并且靠近角膜的侧面有 涂层，从而小百分比的入射辐射被反射。该反射于是产生了聚焦在该零平 面上的所述辐射图像，该图像通过使用所述照相机被记录并被评估。理想 聚焦时，焦点应当因此精确地位于该零平面上(从而必要地位于所示实例
的整平的角膜表面上)，并且根据反射图像的评估因而光学系统被调整以
至于聚焦是最优化的，从而焦点的位置精确地位于零平面内。该光学系统 如此设置和对齐，并且可使用于随后的材料加工。在随后的材料加工中，
焦点的位置相对于所述零平面通常是改变的。因而在fs-LASIK中，伊j如，
当切割所谓的瓣时，焦点位于基质中，并且焦点位置以相对于光轴适当的 角度连续地变化以便生成瓣。这是已知的。以上描述的系统的初始设置保 证了焦点在期望目标点的精确地定位。
在其他材料的加工操作中，还可描述为参考平面的零平面能够不同地 限定，并且不一定需要和将要加工的材料表面重合。聚焦在零平面上的辐 射和该平面内的反射图像的测量为光学系统提供了校准，从而，由于图像 的测量，为了精确聚焦在零平面内的理想状态所需要的光学系统的光学图 像性质的设置是已知的，于是，从而，从这些光学系统的设置开始，焦点 位置可以根据期望的材料加工改变，例如，进入角膜内部。
根据一个构造，根据焦点位置影响将被测量的焦点图像的所述光学元 件是光圈矩阵(所谓的针孔阵列)。
该光学元件还可以是所谓的衍射光学元件(DOE)，该衍射光学元件 在远场分布生成点图案(对于本领域技术人员来说是己知的并且不在此更 加详细解释)。
所述光学元件可以设置在反射图像的光路中，位于反射表面和照相机 之间，或者还可以在该光路外部。根据应用的类型，每一种情况都导致优 势。
反射图像的幅度(强度)或者相位(波阵面)可以优选地被光学元件 局部地影响，并且波阵面的散焦部分能够被着色从而可见。
还可能在光路中设置所述光学元件，该光学元件既是相敏感的，又是 幅度敏感的，尤其是两者的综合。
根据优选地构造，该光学元件生成点图案，尤其是矩阵形式的规则的 点图案。
本发明还提供了一种用于检测光学系统的焦点位置的方法，该系统中 辐射源的輻射通过聚焦成像系统映射在焦平面内，并且其中为了确定包括 成像系统的光学系统的焦点位置，图像生成在焦点，该图像在焦点处被反 射并由照相机记录，其中光学元件根据辐射的聚焦影响记录的图像，并且
根据对图像的所述影响，得到位于预想聚焦点的聚焦辐射的焦点位置的信


本发明的实施实例在下文中根据图的参考更加详细地描述。 图l图解性地显示了具有用于检测焦点位置的设备的光学系统的第一 实施实例；
图2显示了具有用于检测焦点位置的设备的光学系统的第二实施实
例.，
图3图解性地显示了根据图2的结构的实施实例，该图具有系统中辐射 的相分布的图示和孔矩阵。
图4显示了根据图2的结构的实施实例，该结构具有衍射光学元件；以
及
图5、 6显示了由照相机记录的图像的实施实例，该些图像以孔矩阵的 方式聚焦映射，具有精确的聚焦和/或聚焦误差。
具体实施例方式
根据图l，光学系统10具有光源12，该光源可以是激光(例如fs-激光器)或者LED等等。 由光源12发出的辐射穿过输出镜14，并且通过 聚焦成像系统16聚焦在平面18上。该聚焦成像系统16在图中仅由单个 的镜头图解性地表示。通常聚焦成像系统16具有多个镜头，其中的一个 或者更多个可以移动用于设置和改变焦点。这样的光学成像系统是已知 的。
图1中，在由标号20a和20b表示区域(点)处可选择性的放置在下文 中更加详细描述的光学元件。这样光学元件的实例是图3和图4中显示的光 学元件34和36。
被反射表面18反射的辐射通过光学成像系统16以及在下文将更加详 细描述的设置在区域20a可适用的光学元件，到达输出镜14并从图1中 的该处被向上偏转，经由成像光学器件22到达数码相机24，例如具有高 局部分辨率的称为CCD的相机。由相机24记录的数字图像进入计算机C
并在该处被评估，如同下文中进一步详细描述的那样。
图2显示了修改过的实施实例，具有相同或类似功能的部件和特征被
赋予相同的标号。根据图2的实例中设置有包括光学元件26、 28的光束 扩展器(望远镜)，用于在光束通过成像系统16聚焦之前将其扩展。另外 一种光束整形系统也可以取代图中所示的开普勒望远镜在其位置使用。通 常，图2中标示为"光束扩展器"的光学系统也可以是光束整形系统。
如上已描述的，取决于更多或更少的依靠成像系统16在反射表面18 上的优化聚焦，可以根据图1和图2在区域20a和/或20b设置光学元件， 影响以上所述由反射产生并且由照相机24记录的图像，并因而有助于判 断在对应于表面18的平面上的聚焦是否如同期望的一样精确，或者焦 点位置是否相对于该平面偏移，例如在光轴的方向上处于太向前或者太靠 后(所谓的焦点深度)。
根据图3，在聚焦成像系统16之前的光束通路中，遮光板34作为本例 中的光学元件被设置。
在理想的情况下，光学成像系统16被如此设置:来自光源12的辐射精 确地聚焦在平面18内预先确定的点。该焦点在图3中由标号18a标示。该根 据图3的实施实例对应于根据图2在标号32指示的区域内具有光束扩展器 的实例。相位分布在图中也由标号30a、 30b、 30c符号性地表示。
光学元件34是图中显示的孔矩阵，该孔矩阵具有NXN个规则排列的单 独的孔。光学元件在本实施实例中可实施为纯幅度相关的构件，从而影响 辐射的强度。遮光板中典型的孔径在1微米和100微米之间。这些孔具体可 以是六角的、正方形、六边形或者圆形。这些单独的孔根据使用的光束轮 廓和焦点位置的精度要求而取向。根据所描述的系统，焦点位置可以精确 地确定至几个微米。因为在光路上射向平面18的辐射和在平面18内反射的 图像都通过光学元件34，照相机24测量的图像受到取决于平面18上聚焦精 度的影响。焦点位置相对于平面18 (以上定义为零平面)几个微米的改变 可以通过计算机C对照相机24所记录的图像的评估而检测到。
还可能通过积分照相机24在单独图像点测量到的强度从而确定发生 在焦点的辐射输出。
图5以实例和图解的方式显示了以这种方式获得的和评估的反射图
像。在此，包括聚焦成像系统16的光学系统被设置为在零平面18内期望的 点处精确地聚焦，图5中间的一幅图显示了由该设置获得的矩阵样子的孔 图像。如同说明的，用于生成被记录图像的反射表面也位于该平面18内。 如同图5中间一幅图所显示的孔图像，根据输入光束剖面图，该反射图像中 单独的孔被完全地均匀地照亮，而不具有球形部分。
在左手边的孔图像中，图5显示了将焦点位置相对于零平面18向后移 动大概100微米的情况。和精确聚焦(图5，中间)相比，该图像评估改变 了矩阵中的单独图像点，并且为了进行评估计算机C被校准从而"辨认" 该偏差。计算机的校准可以以试验性的方式进行，例如使用已知的光学成 像系统，明确地根据焦点位置的改变记录和储存所产生的反射图像，从而 可以通过和实际测量到的图像对比来确定焦点位置。
在右侧图中，图5显示了在镜头焦距50ram时散焦-100微米的情况下孔 图像相对于理想聚焦情况相应的改变。通常而言，如图5左侧和右侧图所 显示的图像不对称允许了聚焦的分析。在使用计算机C进行图像评估的基 础上，如果该分析导致图像中非对称的亮度分布，那么聚焦成像系统16中 的构件可以被改变直至图像评估显示焦点精确地位于平面18中。
图4显示了用于检测光学系统10焦点位置的装置的实施实例，其中根 据图2的实施实例在区域20b设置有光学元件，从而在平面18上反^f的图像 在其射向照相机24的路途中不通过光学元件36。此例中光学元件36是衍射 光学元件(DOE),该构件形成例如"1到N"的光束分裂器，从而将入射的 单个光束分割为N个单独光束，其中N可在2至50之间变化。由衍^j"构件36 引起的发散可以通过第二结构(未显示)折射地或衍射地校正。几个衍射 光学元件也可以一个在另一个之后设置，取决于光束剖面图和期望的分 析。具有衍射光学元件的设置的优点是能够校正入射相分布。相分布可同 时受光源和后续光学元件例如光束扩展器的影响。同样在本实施实例中， 类似于根据图3的描述，平面18内反射的图像被照相机24记录并在计算机C 中评估。图6显示了在衍射光学元件生成矩阵样子的辐射分布过程中由照 相机24所记录的三幅图像，其中图6中右侧的图像显示了理想聚焦时具有 相对均匀发光的单独图像点的实例。图6中左侧的图像显示了焦点位置横 向偏离理想成像点18a的实例，偏移量精确至几百个微米。单独的图像点
不对称地发光。图6中间的图像显示了焦点位置在另一个方向横向偏移的
情况，其中单独的矩阵样子的光点同样发光，但对称性小于根据图6右侧 图像的理想聚焦的实例。
D0E形式的光学元件36与高透射孔矩阵相比具有优势。通过衍射构件， 可获得典型的80%至90%的效率。这样的结构还有利于焦点位置非常大动态 的评估，即焦点从理想目标位置的偏离可以建立在大范围内。
根据图1和图2，还可能在区域20a设置衍射光学元件36。
衍射光学元件还可以实施为二进单元或者是所谓的多水准光栅结构。 该光栅结构可以是一维或者也是二维。
如果根据图l、 2、 3或4的结构在fs-LASIK中使用，如同己知的，那么 限定以上解释的零平面的反射表面18可以是例如抽气装置中的透明圆盘 的后部，该平面被构造(涂层或没有涂层)为小百分比的入射辐射被反 射以便获得由照相机24记录的图像。
以下为具体作为衍射光学元件使用的构件光栅、菲涅耳区透镜、所 谓的光束整形构件等等。所谓的折射光学部件也可以作为构件(36)使用 例如微透镜阵列，光束整形构件等等。如果光学元件34用于幅度分析，遮 光板或者任何几何形状的孔排列，例如正方形、六角形、六边形等，是尤 其适合的，取决于光束的类型和分析目的。
该光学元件还可以形成为槽或者几个槽的排列。
使用所描述的结构，不仅可以确定和控制焦点位置，还可以检测到光 束发散、激光输出、辐射从光轴线的偏离、所谓的光束产品M2的偏差或者 是光源12的输出光束剖面图的改变，因为所有这些光束参数都可影响到由 照相机24记录的反射图像。对于所有这些光束参数，计算机C能够通过指 标值预先实验性地设置数据库，该数据库分配与独立的光束参数的理想目 标值的偏差(每个偏差对应于图像变化)，，从而系统可以通过对应的校正 参数的干涉被调整至理想值。此处衍射光学元件的使用加速了对光路中可 能产生的影响焦点位置的任何相变换的补偿。己知的哈特曼夏克传感器无 助于遮掩的分析。
权利要求
1. 一种用于检测光学系统(10)的焦点位置的装置，该光学系统(10)具有辐射源(12)；聚焦成像系统(16)；在焦点(18a)上至少部分地反射的表面(18)；用于记录所述表面(18)反射的图像的数字传感系统(24)；用于评估照相机(24)记录的图像的计算机(C)；以及在光学系统(10)的光路中处于聚焦成像系统(16)上游的光学元件(34，36)，该光学元件根据焦点位置影响所述图像。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，光学元件(34， 36)是 孔矩阵。
3. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，光学元件(34， 36)是 衍射光学元件。
4. 根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，光学元件 (34)设置在所述反射图像的光路中。
5. 根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，光学元件 (36)设置在反射图像的光路外。
6. 根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，光学元件 (34， 36)以局部分解的方式影响图像的幅度。
7. 根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，光学元件 (34， 36)以局部分解的方式影响图像的相位。
8. 根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，光学元件 (34， 36)具有光栅结构。
9. 根据权利要求3所述的装置，其特征在于，衍射光学元件(34， 36) 生成点图案，尤其是矩阵形式的点图案。
10. 根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，辐射源(12) 是fs-激光器，并且光学系统是LASIK装置。
11. 根据以上权利要求中任一项所述的装置，具有根据计算机的评估 对光学系统的成像进行设置的方法。
12. —种用于检测光学系统(10)的焦点位置的方法，所述光学系统 中辐射源(12)的辐射通过聚焦成像系统(16)映射在焦平面(18)内，并且其中为了确定包括成像系统(16)的光学系统的焦点位置，通过光路中的光学元件(34， 36)图像生成在焦点(18a)上，该图像在焦点处被 反射并由照相机(24)记录，其中所述光学元件(34， 36)根据辐射的聚 焦影响记录的图像，并且其中根据对图像的所述影响推导出相对于预想焦 点(18a)的聚焦辐射的焦点位置的结论。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中，通过所述推导出的关于焦点 位置的结论，光学系统(10)的光学元件被设置以便改变焦点位置。
14. 一种设备，该设备用于使用根据权利要求1至11中任一项所述的 装置、利用飞秒激光器辐射实行眼科治疗或者诊断。
全文摘要
一种用于检测光学系统(10)的焦点位置的装置和方法，该光学系统(10)具有辐射源(12)；聚焦成像系统(16)；在焦点(18a)上至少部分反射的表面(18)；用于记录所述平面(18)反射的图像的数码相机(24)；用于评估照相机(24)记录的图像的计算机(C)；以及在光学系统(10)的光路中处于聚焦成像系统(16)之前的光学元件(34，36)，该光学元件根据焦点位置影响所述图像。
文档编号B23K26/04GK101389296SQ200780006070
公开日2009年3月18日 申请日期2007年2月20日 优先权日2006年2月20日
发明者奥拉夫·柯特泰耳曼, 彼得·特里艾保 申请人:波光股份有限公司