CN113287052A - 控制激光束的焦点的位置 - Google Patents

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Abstract

在某些实施例中，一种用于控制激光束的焦点的位置的***包括光束扩展器、扫描仪、物镜、以及计算机。所述光束扩展器控制激光束的焦点、并且包括反射镜和扩展器光学装置。所述反射镜具有表面曲率，所述表面曲率可以被调整以控制焦点的z位置。所述扩展器光学装置将激光束朝向反射镜引导并且接收从反射镜反射的激光束。所述扫描仪接收来自光束扩展器的激光束、并操纵所述激光束以控制焦点的xy位置。所述物镜接收来自扫描仪的激光束并将所述光束朝向目标物引导。所述计算机接收深度指令并根据所述深度指令来设定致动参数以控制反射镜的表面曲率。

Description

控制激光束的焦点的位置
技术领域
本披露总体上涉及激光器***、更具体地涉及用于控制激光束的焦点的位置的***和方法。
背景技术
在眼科激光手术中，制造精密切口是重要的。例如，典型地激光辅助原位角膜磨镶术(LASIK)瓣在足够靠近鲍曼氏层处创建以避免由于将瓣拉回而引起的创伤、但离鲍曼氏层足够远以免破坏所述层，因此将瓣切至大致80微米(μm)到500μm、比如大致120μm的深度。作为另一个实例，在小切口微透镜取出(SMILE)手术中取出的微透镜(lenticule)使角膜具有曲率，这旨在提供屈光矫正，因此必须精确地切割微透镜。因此，为了获得恒定的高品质结果，激光束的焦点必须是在几微米的精度之内可控的。
发明内容
在某些实施例中，一种用于控制激光束的焦点的位置的***包括光束扩展器、扫描仪、物镜、以及计算机。所述光束扩展器控制激光束的焦点、并且包括反射镜和扩展器光学装置。所述反射镜具有表面曲率，所述表面曲率可以被调整以控制焦点的z位置。所述扩展器光学装置将激光束朝向反射镜引导并且接收从反射镜反射的激光束。所述扫描仪接收来自光束扩展器的激光束、并操纵所述激光束以控制焦点的xy位置。所述物镜接收来自扫描仪的激光束并将所述光束朝向目标物引导。所述计算机接收深度指令并根据所述深度指令来设定致动参数以控制反射镜的表面曲率。
在某些实施例中，一种用于控制被引导至目标物的激光束的焦点的位置的方法包括在计算机处接收深度指令，所述计算机根据深度指令来设定致动参数以控制反射镜的表面曲率。光束扩展器(包括反射镜和扩展器光学装置)接收激光束。所述反射镜具有表面曲率，所述表面曲率可以被调整以控制焦点的z位置。这些扩展器光学装置将激光束朝向反射镜引导，所述反射镜以所述表面曲率反射激光束以控制焦点的z位置。这些扩展器光学装置接收从反射镜反射的激光束。扫描仪接收来自光束扩展器的激光束、并操纵所述激光束以控制焦点的xy位置。物镜接收来自扫描仪的激光束并将所述激光束朝向目标物引导。
所述***和方法的实施例可以包括以下任意特征中的一个、两个或更多个的任何适合的组合：
■偏振器被配置用于：接收具有第一线性偏振的激光束；将所述具有第一线性偏振的激光束朝向波板引导；接收具有第二线性偏振的激光束；并且让所述具有第二线性偏振的激光束透过。
■波板被配置用于：接收来自所述偏振器的具有第一线性偏振的激光束；将所述激光束朝向所述反射镜引导；接收从所述反射镜反射的激光束；并且将从所述反射镜反射的激光束转换成相对于所述第一线性偏振被旋转的第二线性偏振。
■所述第一偏振与第二偏振之差为90度。
■波板包括四分之一波板，所述四分之一波板被配置用于：接收来自所述偏振器的所述具有第一线性偏振的激光束；将所述激光束从所述第一线性偏振转换成圆形偏振；将所述激光束朝向所述反射镜引导；接收从所述反射镜反射的激光束；并且将从所述反射镜反射的激光束从所述圆形偏振转换成所述第二线性偏振。
■波板包括半波板，所述半波板被配置用于：接收来自所述偏振器的所述具有第一线性偏振的激光束；将所述第一线性偏振旋转45度；将所述激光束朝向所述反射镜引导；接收从所述反射镜反射的激光束；并且将从所述反射镜反射的激光束的偏振旋转45度至所述第二线性偏振。
■准直器被配置用于：将所述激光束准直；并且将所述激光束朝向所述扫描仪引导。
■深度指令指定所述焦点的z位置。
■深度指令是从所述焦点的当前z位置进行增大或减小的指令。
附图说明
参考附图通过举例方式更详细地描述本披露的实施例，在附图中：
图1展示了激光器***的实施例，所述激光器***可以控制被引导至目标物的激光束的焦点的位置；
图2A至图2C展示了反射镜的实施例，图2A和图2B展示了反射镜的截面视图，而图2C展示了反射镜的电极板的实例；并且
图3展示了可以由图1的***执行的、用于控制被引导至目标物的激光束的焦点的位置的方法。
具体实施方式
现在参考说明书和附图，详细地示出了所披露的设备、***和方法的示例性实施例。本领域普通技术人员将清楚，所披露的实施例是示例性的而非是所有可能的实施例的穷举。
图1展示了激光器***10的实施例，所述激光器***可以控制被引导至目标物24的激光束的焦点的位置。激光器***10包括将激光束扩展的光束扩展器20。光束扩展器20具有反射镜22，所述反射镜具有可以通过对反射镜22的电极施加电压而改变的表面曲率。改变曲率将改变激光束的焦点的z位置，这改变了激光束在目标物24内的深度。
在所展示的实施例中，激光器***10包括如图所示相联的激光器26和光束扩展器20。光束扩展器20包括反射镜22和光学装置30，所述光学装置包括偏振器32、波板34、以及准直器36，它们如图所示相联。激光器***10还包括如图所示相联的扫描仪40、物镜42、控制电子器件44、以及计算机46。激光器***10可以用于对眼睛的一部分(例如，人或动物的眼睛的角膜)或仿照所述部分的测试材料(例如，聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA))执行眼科手术。
根据可以用于激光器***10的方法的实例，计算机46接收深度指令并根据所述深度指令来设定一个或多个致动参数以让控制电子器件44控制反射镜的表面曲率。激光器26产生激光束，所述激光束可以是线性偏振的。光束扩展器20的偏振器32接收并反射线性偏振的激光束。波板34接收激光束、将激光束从线性偏振转换成圆形偏振。反射镜22接收激光束并以根据深度指令控制的表面曲率来反射激光束。波板34接收反射的激光束、并且将从反射镜反射的激光束从圆形偏振转换成线性偏振，其中这种线性偏振相对于之前接收到所述激光束时的线性偏振被旋转。偏振器32让所述具有经旋转的线性偏振的激光束透过。准直器36将激光束准直并引导至扫描仪40。扫描仪40操纵所述激光束以控制焦点的xy位置。物镜42将激光束引导至目标物24。
为了辅助描述这些实施例，描述了激光器***的xyz坐标系。当激光束接近目标物时，所述光束的方向限定了z轴。z轴进而限定了xy平面。“Z位置”是指z轴的点；“xy位置”是指xy平面的点。可以以任何适合的方式来选择x轴和y轴在xy平面上的布置。例如，如果目标物24是患者的眼睛，则x轴或y轴可以平行于患者的竖直轴线。可以以任何适合的方式来选择z轴的原点。例如，如果目标物24是眼睛，则原点可以是眼睛的前表面，该原点可以接触或不接触患者界面。
为了辅助描述这些实施例，描述了光学装置。光学装置是控制(例如，反射、折射、滤波、透射(或透过)、和/或偏振)光的装置。所述装置可以由根据设计来控制光的任何适合的材料制成，例如玻璃、晶体、金属或半导体。光学装置的实例包括透镜、反射镜、棱镜、光学滤波器、波导、波板、扩展器、准直器、分光器、光栅、以及偏振器。
***10的示例性部件可以如下。激光器24是通过由激发的原子或分子来受激发射光子而产生强相干单色光的致密光束的装置。激光束可以具有任何适合的波长，例如红外(IR)或紫外(UV)范围内的波长。激光束的脉冲可以具有在任何适合范围内的脉冲持续时间，例如纳秒、皮秒、飞秒或阿托秒范围。
光束扩展器20是将激光束的直径扩展并控制激光束的焦点的一个或多个光学装置。在所展示的实施例中，光束扩展器20包括反射镜22和光学装置30。反射镜22是反射光、例如激光束的光学装置。在所展示的实施例中，反射镜22具有表面曲率，所述表面曲率可以被调整以控制激光束的焦点的z位置。反射镜22可以是任何适合的可变形反射镜，例如Revibro Optics可变形反射镜。参见图2A和图2B更详细地描述反射镜22。
扩展器光学装置30是将激光束引导至反射镜22并接收从反射镜22反射的激光束的光学装置。在所展示的实施例中，光学装置30包括偏振器32、波板34、以及准直器36。偏振器32是透射具有特定偏振的光而同时阻挡具有其他偏振的光的光学滤波器。所述偏振器可以将具有未定义或混合偏振的光转换为具有单一偏振状态(线性、圆形或椭圆形)的光。在所展示的实施例中，偏振器32将具有第一线性偏振的激光束朝向波板34反射、并透射具有第二线性偏振的激光束。可以选择第一偏振与第二偏振之间的关系，使得偏振器32可以将光束朝向反射镜22引导(例如，穿过波板34)以被反射镜22反射，然后可以让反射的光束(例如，穿过波板34)透过。在所展示的实施例中，波板34将光束的线性偏振改变90度，使得第一偏振与第二偏振之差为90度。
波板34是改变穿过其的光的偏振状态的光学装置。波板34可以是任何适合的波板，例如将线性偏振光转换成圆形偏振光(反之亦然)的四分之一波板、或者将线性偏振光旋转45度的半波板。在所展示的实施例中，波板34是四分之一波板，其接收来自偏振器32的具有第一线性偏振的激光束、将激光束从第一线性偏振转换为圆形偏振、并且将激光束引导至反射镜22。然后，波板34接收从反射镜22反射的激光束、并且将从反射镜反射的激光束从圆形偏振转换成相对于第一线性偏振被旋转的第二线性偏振。在所展示的实施例中，波板34将光束的原始线性偏振改变90度。
在另一个实施例中，波板34是半波板，其接收来自偏振器32的具有第一线性偏振的激光束、将激光束的偏振旋转45度、并且将激光束引导至反射镜22。然后，波板34接收从反射镜22反射的激光束、并且将激光束的偏振旋转45度至相对于第一线性偏振被旋转的第二线性偏振。在所述实施例中，波板34将光束的原始线性偏振改变90度。
准直器36是产生基本上或几乎平行的射线束或辐射束的光学装置。在被反射镜22反射之后，光束表现出强发散。因此，准直器36将激光束准直并将激光束引导至扫描仪40。
激光器***10还包括扫描仪40、物镜42、控制电子器件44、以及计算机46。激光束扫描仪40是控制激光束的方向以控制焦点的xy位置的一个或多个光学装置。为了使激光束横向偏转，扫描仪40可以具有关于相互垂直的轴线倾斜的一对致动的振镜扫描仪反射镜。在所展示的实施例中，扫描仪40接收来自光束扩展器20的激光束、并操纵所述激光束以控制焦点的xy位置。物镜42接收来自扫描仪40的激光束并将所述激光束引导至目标物24。
计算机46接收深度指令并且根据深度指令来调整控制电子器件44的一个或多个致动参数以用于控制反射镜22的表面曲率。深度指令描述了激光束的期望z位置，包括焦点进入目标物24中的深度。所述指令可以基于用户输入或软件程序的命令。例如，用户可以输入焦点在目标物24上或其中的特定深度，并且指令可以反映所述深度。作为另一个实例，软件程序可以指导计算机46改变焦点的z位置(可能还有xy位置)，以根据指定的图案在目标物24上或其内产生光致破裂。作为另一个实例，软件程序可以在一定范围内改变焦点以在所述范围内检测特定效果(例如，最高反射率)。
控制电子器件44从计算机46接收指令，并根据所述指令向反射镜22施加电压以改变反射镜22的曲率。在某些实施例中，控制电子器件44包括电放大器，所述电放大器接收低电压(例如0-10V)信号、并且提供高电压信号(例如0-400V)以操作反射镜22。为了控制像差，放大器可以控制若干个区域，其中每个区域具有低电压信号。
图2A至图2C展示了反射镜22的实施例。图2A和图2B展示了反射镜22的截面视图。反射镜22可以具有任何适合的直径，例如2至4mm。反射镜22的焦距可以在任何适合的范围(例如，65mm至无穷大)上变化。
反射镜22包括如图所示相联的壳体50、电极板52、膜54、以及连接器56。壳体50为反射镜22的部件提供结构支撑并且可以由任何适合的刚性材料制成。膜54可以包括柔性材料、比如聚合物。膜54具有反射表面57，反射表面在***10中是反射激光束的表面。反射表面57可以具有任何适合的直径，例如3至5mm，并且可以是金属的，例如铝、金或银。连接器56用于在膜54与电极板52之间施加电压、并且可以是任何的导电材料。
图2C展示了电极板52的实例。电极板52包括多个电极58(58a至58e)，这些电极在被激活时控制反射表面57的曲率。电极板52可以具有任何适合数量的任何适合形状的电极58。在实例中，五个电极58形成五个同心环。然而，电极板52可以具有更多或更少的任何适合形状(例如，圆形、卵形或方形)的电极58。
图2B展示了在膜54与电极板52之间施加电压之时，以及表面57的曲率响应于静电致动而变化。计算机46发送用于控制控制电子器件44的致动参数的指令，以控制反射镜22的表面曲率。致动参数可以起作用来对具体电极58施加特定电压，电极58a的参数值可以指定要对电极58a施加的特定电压。可以施加任何适合的电压。在这个实施例中，电压可以在0至400V的范围内。
在所展示的实例中，计算机46命令控制电子器件44对电极58a施加第一电压以将膜54朝板52吸引，并且对电极58b施加第二电压以将膜54背离板52排斥。在其他实例中，计算机46命令控制电子器件44对电极58a至58e施加电压以将膜54朝板52吸引，从而得到具有凹形形状的表面57。中心处的偏转可以更大，使得电极58e的电压可以大于电极58a至58d的电压，电极58d的电压可以大于电极58a至58c的电压，依此类推。
可以以任何适合的方式确定为了获得产生焦点的具体z位置的表面曲率的致动参数。例如，当对测试材料施加激光束时，可以改变曲率，以确定与材料内的z位置相对应的曲率。可以减小曲率以使焦点移动至更靠近物镜42，和/或可以增大曲率以使焦点远离物镜42。记录产生对应的z位置的致动参数值，以供计算机46使用。
图3展示了可以由图1的***10执行的、用于控制被引导至目标物24的激光束的焦点的位置的方法。所述方法开始于步骤108，其中，计算机46接收深度指令并根据所述深度指令来设定致动参数以控制反射镜的表面曲率。在步骤110中，光束扩展器20接收来自激光器26的具有第一线性偏转的激光束。光束扩展器20包括反射镜22和扩展器光学装置30，扩展器光学装置包括偏振器32和波板34。在步骤112中，偏振器32将具有第一线性偏振的激光束朝向波板34反射。
在步骤114中，波板34将所述激光束朝向反射镜22引导。如果波板34是四分之一波板，则波板34将激光束从第一线性偏振转换成圆形偏振。如果波板34是半波板，则波板34将第一线性偏振旋转45度。
反射镜22具有表面曲率，所述表面曲率在步骤116中被控制以反射激光束，从而使激光束的焦点在预定z位置处。反射镜22如参见图2A至图2C所描述的进行操作。反射镜22将光束朝向波板34反射。
在步骤118中，波板34将激光束转换成相对于第一线性偏振被旋转的第二线性偏振。如果波板34是四分之一波板，则波板34将从反射镜22反射的激光束从圆形偏振转换成第二线性偏振。如果波板34是半波板，则波板34将从反射镜22反射的激光束的偏振旋转45度至第二线性偏振。
在步骤120中，具有第二线性偏振的激光束透过偏振器32。在步骤122中，扫描仪40操纵所述激光束以控制焦点的xy位置。在步骤124中，物镜42将光束朝向目标物24引导。所述方法结束。
在此披露的***和设备的部件(例如，计算机)可以包括界面、逻辑和/或存储器，其中的任何一种都可以包括硬件和/或软件。界面可以接收给部件的输入、提供来自部件的输出、和/或处理所述输入和/或输出。逻辑可以执行部件的操作，例如，执行指令以从输入生成输出。逻辑可以是处理器，比如一个或多个计算机、或一个或多个微处理器(例如，位于计算机中的芯片)。逻辑可以是编码在存储器中的计算机可执行指令，这些指令可以由计算机执行，比如计算机程序或软件。存储器可以存储信息，并且可以包括一个或多个有形的、非瞬态的、计算机可读的、计算机可执行的存储介质。存储器的实例包括计算机存储器(例如，随机存取存储器(RAM)或只读存储器(ROM))、大容量存储介质(例如，硬盘)、可移动存储介质(例如，光盘(CD)或数字视频光盘(DVD))和网络存储装置(例如，服务器或数据库)。
虽然已经根据某些实施例描述了本披露，但是实施例的修改(比如替换、添加、更改或省略)将是本领域技术人员清楚的。相应地，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对实施例作出修改。例如，可以对在此披露的***和设备作出修改。***和设备的部件可以是集成的或分离的，并且***和设备的操作可以由更多、更少或其他的部件来执行。作为另一个实例，可以对在此披露的方法作出修改。所述方法可以包括更多、更少或其他的步骤，并且这些步骤可以以任何合适的顺序执行。

Claims (14)

1.一种用于控制被引导至目标物的激光束的焦点的位置的***，包括：
光束扩展器，所述光束扩展器被配置用于控制所述激光束的焦点、并且包括：
具有表面曲率的反射镜，所述表面曲率能够被调整以控制所述焦点沿着xyz坐标系的z轴的z位置，所述z轴由所述激光束限定；以及
一个或多个扩展器光学装置，所述扩展器光学装置被配置用于：
将所述激光束朝向所述反射镜引导；并且
接收从所述反射镜反射的激光束；
扫描仪，所述扫描仪被配置用于：
接收来自所述光束扩展器的激光束；并且
操纵所述激光束以控制所述焦点在由所述z轴限定的xy平面内的xy位置；
物镜，所述物镜被配置用于：
接收来自所述扫描仪的激光束；并且
将所述光束朝向所述目标物引导；以及
计算机，所述计算机被配置用于：
接收深度指令；并且
根据所述深度指令来设定一个或多个致动参数以控制所述反射镜的表面曲率。
2.如权利要求1所述的***，其中，所述扩展器光学装置包括偏振器，所述偏振器被配置用于：
接收具有第一线性偏振的激光束；
将所述具有第一线性偏振的激光束朝向波板引导；
接收具有第二线性偏振的激光束；并且
让所述具有第二线性偏振的激光束透过。
3.如权利要求2所述的***，其中，所述波板被配置用于：
接收来自所述偏振器的所述具有第一线性偏振的激光束；
将所述激光束朝向所述反射镜引导；
接收从所述反射镜反射的激光束；并且
将从所述反射镜反射的激光束转换成相对于所述第一线性偏振被旋转的第二线性偏振。
4.如权利要求2所述的***，其中，所述第一偏振与第二偏振之差为90度。
5.如权利要求3所述的***，其中，所述波板包括四分之一波板，所述四分之一波板被配置用于：
接收来自所述偏振器的所述具有第一线性偏振的激光束；
将所述激光束从所述第一线性偏振转换成圆形偏振；
将所述激光束朝向所述反射镜引导；
接收从所述反射镜反射的激光束；并且
将从所述反射镜反射的激光束从所述圆形偏振转换成所述第二线性偏振。
6.如权利要求3所述的***，其中，所述波板包括半波板，所述半波板被配置用于：
接收来自所述偏振器的所述具有第一线性偏振的激光束；
将所述第一线性偏振旋转45度；
将所述激光束朝向所述反射镜引导；
接收从所述反射镜反射的激光束；并且
将从所述反射镜反射的激光束的偏振旋转45度至所述第二线性偏振。
7.如权利要求1所述的***，其中，所述扩展器光学装置包括准直器，所述准直器被配置用于：
将所述激光束准直；并且
将所述激光束朝向所述扫描仪引导。
8.如权利要求1所述的***，其中，深度指令指定所述焦点的z位置。
9.如权利要求1所述的***，其中，深度指令是从所述焦点的当前z位置进行增大或减小的指令。
10.一种用于控制被引导至目标物的激光束的焦点的位置的方法，包括：
在计算机处接收深度指令；
根据所述深度指令来设定一个或多个致动参数以控制反射镜的表面曲率；
在包括所述反射镜和一个或多个扩展器光学装置的光束扩展器处接收所述激光束，所述反射镜具有表面曲率，所述表面曲率能够被调整以控制所述焦点沿着xyz坐标系的z轴的z位置，所述z轴由所述激光束限定；
通过所述一个或多个扩展器光学装置将所述激光束朝向所述反射镜引导；
通过所述反射镜以所述表面曲率来反射所述激光束以控制所述焦点的z位置；
在所述一个或多个扩展器光学装置处接收从所述反射镜反射的激光束；
在扫描仪处接收来自所述光束扩展器的激光束；
操纵所述激光束以控制所述焦点在由所述z轴限定的xy平面内的xy位置；
在物镜处接收来自所述扫描仪的激光束；并且
将所述光束朝向所述目标物引导。
11.如权利要求10所述的方法，其中：
所述一个或多个扩展器光学装置包括偏振器；
通过所述一个或多个扩展器光学装置将所述激光束朝向所述反射镜引导进一步包括：
在所述偏振器处接收具有第一线性偏振的激光束；并且
将所述具有第一线性偏振的激光束引导至波板；并且
在所述一个或多个扩展器光学装置处接收从所述反射镜反射的激光束进一步包括：
接收具有第二线性偏振的激光束；并且
让所述具有第二线性偏振的激光束透过。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括：
在所述波板处接收来自所述偏振器的所述具有第一线性偏振的激光束；
将所述激光束朝向所述反射镜引导；
在所述波板处接收从所述反射镜反射的激光束；并且
将从所述反射镜反射的激光束转换成相对于所述第一线性偏振被旋转的第二线性偏振。
13.如权利要求12所述的方法，其中：
所述波板包括四分之一波板；
在所述波板处接收来自所述偏振器的所述具有第一线性偏振的激光束进一步包括：
将所述激光束从所述第一线性偏振转换成圆形偏振；并且通过所述波板将从所述反射镜反射的激光束转换成相对于所述第一线性偏振被旋转的第二线性偏振进一步包括：
将从所述反射镜反射的激光束从所述圆形偏振转换成所述第二线性偏振。
14.如权利要求12所述的方法，其中：
所述波板包括半波板；
在所述波板处接收来自所述偏振器的所述具有第一线性偏振的激光束进一步包括：
将所述第一线性偏振旋转45度；并且
通过所述波板将从所述反射镜反射的激光束转换成相对于所述第一线性偏振被旋转的第二线性偏振进一步包括：
将从所述反射镜反射的激光束的偏振旋转45度至所述第二线性偏振。
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