專利名稱：醫(yī)用激光束發(fā)射系統(tǒng)的激光聚焦調(diào)節(jié)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光和激光束發(fā)射系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明與激光手術(shù)系統(tǒng)中(如眼外科所用)的激光束聚焦有關(guān)。
在激光發(fā)射系統(tǒng)中，特別是在對正面元件(一般是物鏡組件)前所放的組織施以激光手術(shù)的激發(fā)射系統(tǒng)中，平行的激光束光一般從背面進入物鏡組件。平行光束被此物鏡聚焦到物鏡前一個規(guī)定的焦面上。
在大部分先于本發(fā)明的這種系統(tǒng)中，光束聚焦的深度控制，或光束焦點的“Z”距離或位置，由物鏡的Z-向運動進行控制。
這種形式聚焦的深度調(diào)節(jié)有一個問題，即物鏡組件往往一定有些笨重，因而物鏡很難對所需光束聚焦位置的動態(tài)變化進行快速響應(yīng)。聚焦控制的一個例子是在眼外科中，本系統(tǒng)的外科醫(yī)生/用戶需要控制聚焦以操縱在組織中的焦點。當用一臺產(chǎn)生直接控制的計算機來進行控制時，外科醫(yī)生/用戶的控制是不直接的，因此必須快速響應(yīng)聚焦深度(還有X位置和Y位置)的變化。實現(xiàn)這種經(jīng)物鏡的快速跟蹤調(diào)節(jié)需要能經(jīng)受很高加速度的簡單、輕便的物鏡。在很多情形里，充其量也是不實用的。
采用物鏡或光束聚焦位置的Z-軸調(diào)節(jié)的另一個問題發(fā)生在分成幾個光軸或光徑的系統(tǒng)情形里，其中幾條光徑共享同一個物鏡組件。在這樣一種系統(tǒng)中，束分離器一般用于幾種不同的診斷和分析設(shè)備，如用于能使外科醫(yī)生在以一種或幾種方式觀察組織時控制過程的成像設(shè)備。目標照明光和目標跟蹤功能可以另外的一條或多條軸疊合進來。在這種多光軸系統(tǒng)中，如果為移動激光束的聚焦深度調(diào)節(jié)公用物鏡的位置(如外科醫(yī)生把焦點移向不同的深度)，那么沿其它分離軸的活動和數(shù)據(jù)也會受到影響。為了這些軸上的數(shù)據(jù)精度可能需要對每次物鏡的移動進行補償。
因此在許多情形里，理想的是保持物鏡組件對目標靜止以不干撓除激光徑外其它光徑的光學裝置。這就是下述本發(fā)明的總目的。
根據(jù)本發(fā)明，一個激光束發(fā)射系統(tǒng)，特別是用于外科應(yīng)用的激光束發(fā)射系統(tǒng)，可進行有效和改進的聚焦調(diào)節(jié)以控制光束在目標上或目標里的聚焦深度。這種聚焦調(diào)節(jié)系統(tǒng)也可很好地應(yīng)用于工業(yè)過程。
在本發(fā)明的裝置中，發(fā)射系統(tǒng)前面的物鏡組件相對目標保持靜止。聚焦深度是通過調(diào)節(jié)一對正負透鏡(置于沿激光束發(fā)射軸物鏡后的一段距離處)的間距來控制的。束分離器放在物鏡和這對聚焦調(diào)節(jié)鏡之間，且至少有一條另外的光徑可不經(jīng)過這對正負透鏡疊合到激光束光徑物鏡的上游。因此，激光軸和至少一個另外的，可在其上執(zhí)行分析、目標成像和/或其它功能的軸在物鏡的上游和聚焦透鏡的下游處聯(lián)合在一起。
用這種方法，可控制激光束到目標上的聚焦深度，而不干撓沿部分共線的分析和成像軸的鏡片。另一個優(yōu)點是可以不依賴物鏡組件(可能會非常笨重)在要求快速響應(yīng)的手術(shù)過程中進行快速響應(yīng)聚焦。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，接近這對聚焦透鏡的治療激光束名義上是平行的，即是平行光束或非常接近平行。光束被第一(負或凹)透鏡發(fā)散，然后被第二(正或凸)透鏡恢復(fù)平行或幾乎平行。在這一“常態(tài)”位置，系統(tǒng)在通過物鏡組件后在目標的名義或起始位置處(如，眼外科的角膜表面處)聚焦。當兩片透鏡靠近時，來自凸透鏡的出射光束變得稍稍發(fā)散(或發(fā)散較多)，其效應(yīng)是把目標上的焦點移得更深。
本發(fā)明系統(tǒng)所用的這對正和負透鏡在其它領(lǐng)域并非未知。在某些觀察設(shè)備中，一對這樣的透鏡已被用作所謂變焦系統(tǒng)的部件。但是在本發(fā)明中，透鏡對的光學應(yīng)用不同，并且在簡化醫(yī)用激光發(fā)射系統(tǒng)和增加其效率和可靠性方面具有特殊的優(yōu)點。
因此，提出與用于醫(yī)用激光束發(fā)射系統(tǒng)中激光束聚焦的物鏡或或物鏡組件的Z-移動有關(guān)的問題，以及產(chǎn)生高可靠性和高效率的簡化光束發(fā)射系統(tǒng)都是本發(fā)明的目的。在以下參照附圖對一個優(yōu)選實施例進行的描述中，本發(fā)明的這些和其它目的優(yōu)點和性能將顯而易見。


圖1是整個系統(tǒng)的示意圖，它圖示了采用、體現(xiàn)在本發(fā)明中改進措施的一個手術(shù)激光束發(fā)射系統(tǒng)的例子。
圖2和圖3是圖示圖1系統(tǒng)一部分的簡化示意圖，它描繪了本系統(tǒng)一條光徑上正和負透鏡間的間距調(diào)節(jié)以實現(xiàn)激光束聚焦深度的變化。
在這些附圖中，圖1圖示了一個總體上用參考號10標識的激光束發(fā)射系統(tǒng)。系統(tǒng)10包括產(chǎn)生激光束(14)的激光源12。光束14通過各種光束傳輸?shù)墓鈱W裝置，例如可包括一個光束擴張器16、一面鏡子18(可以是旋轉(zhuǎn)鏡)、束分離器20和22以及一個物鏡組件24。如圖1所示，在一個首要實施例中，本發(fā)明的深度聚焦系統(tǒng)應(yīng)用于眼外科。因此在圖1中，光束聚焦在病人眼睛28的角膜表面的焦點26處。但是，應(yīng)當認為這里描述的聚焦調(diào)節(jié)系統(tǒng)在其它激光手術(shù)過程中，并且也在涉及激光的非手術(shù)工業(yè)過程中的應(yīng)用中也是有效的。
在圖1所示光束發(fā)射系統(tǒng)10中，激光束14沿著圖中30所標識的一條光徑或光束軸傳輸。另一條獨立的光徑或光軸由32所標識并通過所示20束分離器疊合到激光束的光徑30上。本圖還圖示了另一條光徑或光軸34，它在下游處由另一束分離器36疊合到光徑32上。軸32因而在束分離器20與目標或焦點26之間與光束軸30部分共線。另一條與光軸32聯(lián)合的光軸34也同樣共線。
如上所討論，光軸32可用于目標跟蹤，光軸34可用于目標成像。這些在圖1中示為例子的儀器和光學設(shè)備38，40和42可為外科醫(yī)生或用戶產(chǎn)生一系列可選的，獨立可調(diào)的圖像供目標(如眼28)分析，或者用來獲取進行手術(shù)過程決策的信息或者在手術(shù)進行時監(jiān)視手術(shù)進度。
光徑或軸32和34雖然共享激光軸30的一些光學裝置，如物鏡組件24和鏡子22，但是它們的目的不同且處理來自系統(tǒng)的不同光線。它們把光反射回成像設(shè)備，因而為外科醫(yī)生/用戶提供信息。它們可以包括觀察、跟蹤和分析通道，而這些通道在許多過程中希望能獨立于激光束14自身的聚焦深度調(diào)節(jié)而調(diào)節(jié)。在手術(shù)過程中，當通過一個自動的，編程的激光束控制系統(tǒng)來移動激光束在目標上的焦點時，常常不希望那些系統(tǒng)隨著光束焦點的移動而移動。
因此，理想的是不依賴物鏡組件24來同時(至少不是單獨地)對治療激光束和非治療通道的Z-軸或聚焦深度進行調(diào)節(jié)。物鏡24可為其它目的移動，如病人眼睛28沿Z軸的移動，物鏡24的位置可調(diào)節(jié)來跟隨病人的移動。這既會影響觀察通道(以及跟蹤和分析通道)又會影響激光束發(fā)射，以維持眼和物鏡24間的恒定關(guān)系。
但是，對發(fā)生在眼28(或工業(yè)操作中的工件)上或內(nèi)的聚焦點26深度的操縱應(yīng)當獨立地進行控制以不影響上面討論的觀察通道。
根據(jù)本發(fā)明，Z-軸或聚焦深度調(diào)節(jié)由一個透鏡對44完成，此透鏡對包括一個第一(負或凹)透鏡46和一個第二(正或凸)透鏡48。眾所周知在某些所謂的變焦系統(tǒng)中，負和正透鏡46和48間的間距將影響凸透鏡48即下游處出射光束的會聚度或發(fā)散度。透鏡對相隔的越近，出射光束的發(fā)散度越大，因而通過物鏡24后的聚焦點越深。
因此，從圖1中可看出透鏡對44的使用使得沿光束軸30的激光束發(fā)射光學裝置可獨立于沿成像軸32和34的成像光學裝置將手術(shù)或治療激光束14聚焦并且不影響成像光學裝置。
圖2和3圖示了上面剛剛描述的聚焦系統(tǒng)工作的原理示意圖。
圖2圖示了物鏡組件24上及其附近系統(tǒng)的部件。激光束14進入透鏡對44的第一(凹)透鏡46，經(jīng)折射如圖2所示發(fā)散，然后在凸透鏡48的下游射使之成幾乎平行的準直狀態(tài)的直線。圖2用來圖示透鏡對44的“常態(tài)”或“復(fù)原”位置，其中平行或接近平行的光被束分離器和鏡子22反射，隨后被物鏡24聚焦到一個期望的聚焦深度，即如圖所示的焦點26處。再說一遍，雖然附圖是會同眼外科激光束示出此系統(tǒng)，但是，應(yīng)當理解，物體28可以是工業(yè)過程中的工件。
還應(yīng)理解，在這個“常態(tài)”位置，從第二(凸)透鏡48出射的光束不一定是平行或甚至不一定是基本平行的。所圖示和描述的安排是較佳的，因為它使得這些光學裝置相對物鏡組件24的其它功能(與非治療軸32和34有關(guān))來說是比較簡單的。
圖3圖示了當凹透鏡46朝凸透鏡48移近時(如，通過可移動臺架設(shè)備50)，雖然兩透鏡間的光束14以同樣角度發(fā)散，但通過凸透鏡48時，其極限光線比較接近光軸30。因此，此凸透鏡會聚光束或使光束恢復(fù)直線的效果要差一些。因而在圖3所示的結(jié)構(gòu)中，出射的光束仍然有點發(fā)散。這當然使光束聚焦于離物鏡較遠的焦點26a處，從而更深入目標28。
如在光學中，諸如前面討論的變焦光學中所知，為了使透鏡對44的兩個透鏡接收平行的光束并且發(fā)送平行的光束，它們的間距應(yīng)當?shù)扔谕雇哥R48的無符號焦距(f2)減去凹透鏡46的無符號焦距(f1)。這由圖2示意出。
同行將非常清楚，盡管上述討論描述了優(yōu)選實施例，但是用本發(fā)明的原理可實現(xiàn)其它實施例。例如，正和負透鏡的順序可以調(diào)換;或者更復(fù)雜的透鏡元件組合可替換這里描述的兩個透鏡元件;或者正透鏡而非負透鏡是可移動透鏡;或者可以采用前述實施方案的任意組合?？梢杂靡粚φ哥R。而且，可以用反射元件(曲面鏡)代替折射元件。
上述優(yōu)選實施例意在描述本發(fā)明的原理，而不在限制其范圍。其它實施例和這個優(yōu)選實施例的變化對本領(lǐng)域同行來說顯而易見，且可以在不脫離下面權(quán)利要求書中所定義的本發(fā)明的精神和范圍而實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.在一個具有激光源和把激光束從此激光源發(fā)射到目標的光徑器件且在光徑器件的下游端的包含一個前方物鏡組件的手術(shù)激光束發(fā)射系統(tǒng)中，一個用于調(diào)節(jié)激光束在目標組織上的聚焦點距物鏡組件的深度或Z-距離的聚焦控制裝置，在光徑器件上有多個透鏡，與透鏡對關(guān)聯(lián)的可移動臺架器件用于調(diào)節(jié)透鏡間的至少一個間距以調(diào)節(jié)在多個透鏡下游處激光束接近物鏡組件時的發(fā)散度和會聚度，在外科醫(yī)生/用戶控制下的聚焦控制器件，用于調(diào)節(jié)所述可移動臺架器件和所述間距以控制激光束聚焦點距物鏡組件前方的深度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中激光束發(fā)射系統(tǒng)還包括分析設(shè)備以獲取從目標組織獲得的光信息;以及與這個分析設(shè)備關(guān)聯(lián)的第二光徑器件，所述第二光徑器件與第一光徑器件部分共同擴張且通過物鏡組件，帶有在第一和第二光徑器件的匯聚處的束分離器。其中沿第二光徑器件導向分析設(shè)備的光信息不受第一光徑器件上的多個透鏡完成的聚焦深度調(diào)節(jié)的影響。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中的多個透鏡包含由所述間距隔開的一個負或凹透鏡和正或凸透鏡組成的透鏡對。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的裝置，其中負透鏡在光徑器件上位于正透鏡的上游。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，其中負透鏡與可移動臺架器件相連。
全文摘要
一種特別用于外科的激光束發(fā)射系統(tǒng)。位于該發(fā)射系統(tǒng)前方的物鏡組件相對目標保持靜止，聚焦是通過調(diào)節(jié)一對正和負透鏡的間距來控制，這對透鏡位于光束發(fā)射軸物鏡后的一段距離處。束分離器位于物鏡和這對透鏡之間，且至少有另外一個光徑疊合到激光徑物鏡的上游。手術(shù)激光軸與至少另一個在其上完成分析、目標成像和其它功能的軸在物鏡上游合在一起。這樣可操縱激光束在目標上的聚焦深度而不干擾沿部分共線的分析和成像軸上的光學裝置。
文檔編號B23K26/02GK1059654SQ91105539
公開日1992年3月25日 申請日期1991年8月12日 優(yōu)先權(quán)日1990年8月13日
發(fā)明者威廉·D·方泰恩 申請人:鳳凰激光系統(tǒng)有限公司