TW201118418A - Optical imaging system, particularly in a laser surgical ophthalmic apparatus - Google Patents

Description

201118418 六、發明說明： t考务明所属拓L称T領起^ 3 本發明係關於一種可特別使用在眼用雷射外科裳置中 的光學成像系統’而且其亦可使用在用於其它加工任務(例 如，光電伏特計或工業材料加工）的雷射系統中。 I：先前技術3 特別是，本發明提供一種光學成像系統，其允許傳送 通過該成像系統的雷射束之焦點在z方向中快速位移；根據 習知的命名法，Z方向代表束路徑的方向（光束傳播方向）。 然後，X或y方向經了解為在與z方向正交之平面中的任何方 向。在此平面中，為了掃描欲藉由雷射束加工的材料區域 之目的，習知上藉由掃瞄器來進行雷射束的移動；該欲加 工的材料可為活的或死的材料。 將發射出在飛秒範圍内的短脈衝輻射之雷射系統使用 在眼睛外科中，尤其是在角膜中（而且亦在人類水晶體中） 製得組織内切口。於此實例中所使用之效應為光學的重大 發現其導致曝光組織所謂的光***(ph〇t〇diSrUpti〇n)。此 光***之產生需要比較強的雷射束聚焦，其藉由讓使用於 聚焦的聚焦絲儀n具有相應大的光圈達成。在已知的眼 科學fs雷射系統巾，該聚焦光學儀器通常藉由所謂的f-θ物 鏡形成’其紐當掃㈣雷射束時可平面場成像及可避免 在2方向中不希望得到的束焦點位移。 fs雷射系統在眼科學(例如，用於lasik應用）中具有重 要位置。LASIK代表雷射原位屈光性角膜重塑術(1_比 201118418 situ keratomileusis)及指為用來修正視覺缺陷的角膜處理技 術，其在角膜表面上切開一仍然部分連接至角膜組織之所 謂的“瓣”’然後將此瓣折Φ至旁邊，及在折疊該瓣後，根 據患者特定的切除外形，以短波雷射光(例如，在193奈米 處發射的準分子雷射）來切除曝露出的基質組織。 為了產生S亥瓣切割，已知藉由壓平板來平整化欲處理 的眼睛及在角膜内部於平面上二維地導引該束焦點。由於 由f-θ物鏡提供平面場成像，其不需要焦點之任何2位移。若 想要從該基質從事該瓣的邊緣切割時，可僅在該瓣的邊緣 區域中需要於Z方向中位移焦點位置。 已經於先述技藝中對在2方向中的焦點位移提出多種 解決方案。WO 03/032803 A2提出在z軸方向（即，沿著束路 徑）上整體位移該聚焦物鏡。其變型為將該聚焦物鏡裝配成 變焦物鏡。但是，二方法皆具有必需非常精確地進行聚焦 物鏡之機械位移或變焦設定的缺點，因為其將會以丨：i轉 換成焦點位置調整。對想要在雷射束的連續脈衝間位移焦 點數微米來說，因此，將需要聚焦物鏡或物鏡的變焦鏡頭 在相同距離上相應地快速機械位移。習知的機械傳動設備 不合適於此。 另一種解決方案顯現在DE 10 2005 013 949 A1中。在 其中的雷射系統具有—二鏡片擴展光學儀器（擴束器，設計 如為望遠鏡）、一下游掃瞄器及一在該掃瞄器後的聚焦鏡。 该擴展光學儀器的入口鏡片（裝配如為凹透鏡)可藉由線性 傳動設備在束方向中（即，在z方向中）位移。此入口鏡片的 201118418 位移修改從擴展光學儀器所射出的雷射束之發散。若聚焦 鏡(f-θ物鏡）的位置仍然固定時，因此，焦點位置在Z方向中 移動。 此對聚焦光學儀器的Z位移之解決方案的優點在於較 好的再現能力及較高的位移準確性，因為該光學成像系統 將擴束器的入口鏡片之位移移動轉換成焦點位置的位移移 動（其減少例如因子10)。但是，該入口鏡片可達成的調整速 率受限於轉換成焦點平面的束焦點位移速率。對三維切割 來說(如例如角膜透鏡體摘出所需要），一般公認根據DE 10 2005 0139 49 A1的焦點調整方法比顯現在w〇 03/032803 A2中的方法更快，此簡單地因為在調整擴束器的入口鏡片 之實例中，欲移動的主體遠少於在調整整體聚焦光學儀器 的實例中者。同時存在的是’聚焦光學儀器可容易地重達 數公斤，但是其仍然必需沒有振動地移動。另一方面，擴 束器的入口鏡片可具有比較小的光圈及相應地小及重量 輕。然而，當想要以雷射（其足夠快速地重複)在可接受地短 的時間内製得角膜内透鏡體切割或另一種三維切口時，習 知的線性傳動設備無法滿足需求。可使用習知的線性傳動 設備，以例如在約1至3毫米/秒間的調整速率來可信賴、無 傾斜地引導擴束器的入口鏡片’然而亦可以可容忍的費用 達成最高約5毫米/秒的入口鏡片之機械引導。但是，對透 鏡體切割來說，當使用在二至三位數的千赫範圍内或甚至 較快重複的fs雷射與相同的z焦點調整原理時，將需要至少 10毫米/秒或更高的入口鏡片調整速率，此無法以商業可購 201118418 得的線性傳動設備系統達成，至少不是能滿足調整準確性 及引導精確度的需求之那些系統。 除了擴束器的入口鏡片之線性移位能力外，de川 2005 013 949 A1提出將二片凹面鏡放置在雷射與掃目苗器間 之束路徑中，雷射束（因此其焦點位置）在2方向中的發散可 藉由改變凹面鏡之相互間距而變化。於此再次，可比較的 限制存在於機械的調整速度。 L發明内容3 本發明的目的之一為提供一種更合適於在材料加工中 及特別在眼科學中的三維焦點引導之光學成像系統。 為了達成此目標，本發明提供一種具有至少一片可變 形的鏡子及一調整與控制配置的光學成像系統，其中該配 置連結至該鏡子及藉由鏡子之變形（特別根據預定的焦點 位移曲線)調適，以在光束傳播方向中位移該成像系統的影 像邊焦點。 該可變形的鏡子及其在雷射系統中的用途本身已知。 例如’就這一點而言，可參考S.綿（Menn)，P.比爾登 (Bierden) ’ 在雷射 + 光子學(photonik) 4/2007，第 18-22頁中 之“Spieglein ’ Spieglein...，Technologische Fortschitte und Anwendungen verformbarer Mikrospiegel”[鏡子，鏡子…， 可變形的微鏡之技術性發展及應用]。特別是，根據在此論 文中的資訊’該可變形的鏡子可分成五種不同的基本變 型，換句話說，可變形的MEMS鏡子(MEMS :微機電系統）、 壓電性可變形的鏡子、可變形的薄膜鏡子、雙態可變形的 6 201118418 鏡子及鐵磁性可變形的鏡子。本發明不想要受限於這些不 -⑽子型式的特_子。原則上，可在純系統的望遠鏡 内使用任何能讓入射的雷射束之波前具有想要的修改之可 變形的鏡子。藉由仙雷射的束引導+使用可變形（調適） 的鏡子’可達成更快的束焦點之2位移（與習知的機械線性 調整系統比較，例如m個級數大小卜 可調適的鏡子之-個已知的應用領域為例如在天文觀 察中。於此’受擾礼的波前藉由可調適的鏡子轉換成平面 波前’以便改良所接收由大氣干擾而變形的光之影像品 質。與此比較，本發明不企圖藉由可變形的鏡子之相應變 形來消除不希望得到的波前魏。反而，本發明旨在藉由 纟適地膽可μ的鏡子來變形人射在鏡子上的光束之波 前，以便該成像系統（因此該束焦點）之影像邊焦點以想要的 方式在Ζ方向上位移。較佳的是，調適該調整與控制配置， 以將該鏡子調整至可將基本上平面入射波轉換成具有基本 上一致的彎曲波前之反射波形狀，其波前曲率的強度依在 光束傳播方向中之想要的焦點位置而定。對在聚焦處高束 品質來說，想要波前曲率的一致性。因此，本發明基本上 逆轉可δ周適的鏡子用來改良波前的可平面性之習知用途， 及從大約平面波則蓄意地產生一明確、持續可變的波前曲 率。所產生的波前曲率可意謂著發散增加或減少，以便該 束焦點在一個方向中位移或其它從預定的中立位置 position)起始。 在一個具體貫例中，可在光束傳播方向中，將該鏡子 7 201118418 安排在望遠鏡前。另一方面，在另一個具體實例中可在 光束傳播方向中，將其安排在望遠鏡後，但是在具有至少 單一鏡片的聚焦光學儀器前，及在掃瞄器前較佳。再者， 根據更另一個具體實例，可理解的是，由二片鏡子建構出 束擴展光學儀器及將鏡子之一安裝成可調適可變形的鏡 子，藉此可將想要的發散引進該束中。 由本發明促進，在Z方向上快速焦點位移對使用在那些 眼科學應用中特別具吸引力（其以快速重複聚焦的fs雷射轄 射操作及需要快速三維切Π引導—段短的處理時間）。因 此，本發明的另-個觀點提供—種用於眼用f㈣科的裝 置，其具有脈衝的飛秒f射束來源、擴展雷射束的束擴展 光學儀器、在該擴展光學儀器下游用來在與該束路徑垂直 的平面中偏轉該雷射束之掃晦器、及在該掃㈣下游用來 聚焦該雷射束之聚焦光學儀器，其中該裝置具卜可_ 的鏡子(其錢在光束傳射向中，於雷射㈣與聚焦光學 儀益間)及-程式控制之調整與控制配 及根據欲在患者眼睛中產生及藉由控制程式纽之預定: 切割外形調適’以變形該鏡子而在束路財向中位移束隹 點）。可調適該調整與控制配置以控制該 _ 束的束焦點可在束路徑方向中位移至少心= 150微米較佳，至少2〇〇微米更佳 可從本發明的快速三維切 個可能的應 201118418 用為角膜透鏡體摘出，其中從肖膜基f切出—大約透鏡形 體積單元來修正角臈折射。對此來說，精確及快速地三維 定位fs雷射脈衝的焦點重要。此掃瞄器在x y方向中之相應 快速的操作沒有問題。例如，根據電流計原理操作的習知 鏡子掃描器能夠容易地保證所需要的偏轉，甚至在百萬赫 茲範圍内的脈衝重複時。可藉由使用可變形的鏡子，容易 地在Z方向中，於數毫秒或至少數十毫秒内，在高範圍（二 位數至三位數微米）内偏移束焦點。對角膜透鏡體摘出來 說，例如，其允許在數分鐘(例如，2_4分鐘）或甚至在少於i 分鐘(依透鏡體的尺寸而定）内進行整體透鏡體切，其將由 患者在此操作下所遭受到的不舒服度限制在儘可能短的時 間内。再者，本發明打開沒有如先前習知般使用準分子雷 射來折射性修正眼睛的機會，因為在透鏡體摘出期間，束 焦點之z位置的高精確度及再現能力允許束引導與欲修正 的視覺缺陷準確地相配。 圖式簡單說明 本發明將藉由所附加的圖形之輔助更詳細地描述在下 列，其中： 第1圖圖式地顯示出人類眼睛的m含角膜之戴 面圖，於其中指示出角膜透鏡體切割； 第2圖圖式地顯示出將根據本發明之裝置用於眼用雷 射外科的實施例； 第3圖顯示出此眼用雷射外科裝置的第一種變化；及 第4圖顯示出另一種變化。 201118418 【實施方式3 首先，參照第1圖。其以截面表示顯示出人類眼睛的角 膜（由10表示）。眼睛的光學軸(觀看軸）由點及破折號指示出 且由12表示。角膜10具有前表面14及背表面16。人類眼睛 的厚度d之典型範圍約500微米，當然可依人而異而向上或 向下變化。眼睛的鞏膜及緣在第1圖中由18指示出，及緣的 邊緣由20表示。 在第1圖中，欲藉由聚焦的fs雷射輻射處理切開之角膜 内或更精確地基質内透鏡體22亦由破折號指示出，其隨後 經由欲側面引進角膜10中之開口操作地摘出。此開口亦可 藉由雷射切割產生。飛秒透鏡體摘出允許修正視覺缺陷（例 如，近視及近視性散光）。透鏡體22習知地藉由基本上平坦 後端切割24及彎曲前端切割26產生。透鏡體直徑（在第1圖 中由a表示）範圍例如在約6至8毫米之間，同時典型的透鏡 體厚度（由b表示）為例如約80-100微米。隨著這些透鏡體的 厚度值，可修正約-5 dpt至-6 dpt的視覺缺陷。要瞭解透鏡 體直徑及透鏡體厚度二者可根據欲修正的視覺缺陷強度而 變化。但是，在任何事件中，該透鏡體厚度將經常為數十 微米，其與大約平坦透鏡體的下邊（由後端透鏡體切割24定 義）相關連，意謂著在雷射束於透鏡體頂端（即，透鏡體22 具有最大的厚度處)上之線掃描中，雷射束的束焦點必需在 光束傳播方向執行與透鏡體厚度相應的偏移。 現在，亦參照第2圖。在其中顯示出的雷射裝置包括飛 秒雷射來源28，其例如由纖維雷射形成，其產生具有脈衝 10 201118418 週期在飛秒範圍内及脈衝重複速率在高（二位數至三位數) 千赫範圍内（或甚至在百萬赫茲範圍内較佳）之脈衝雷射輻 射30。所產生的雷射束藉由擴展光學儀器32擴展。在光束 傳播方向中，於擴展光學儀器32前有一有效可變形的鏡子 34，其變形狀態可藉由通常由36表示之引動器配置（其依次 由程式控制的控制單元38驅動）調整。該鏡子34具有多樣性 可藉由引動器配置36調整的各別鏡子面，及該引動器配置 36可例如具有壓電式驅動元件、MEMS驅動元件、驅 動元件(DMD :數位微鏡裝置）或LCD驅動元件(LCD :液晶 裝置）。 ' 再者，在所顯示出的典型實例中，處在該鏡子料前者 為被動偏轉鏡子40，但是其在波前特徵(因此雷射束3〇之發 散)上無效應或至少無實質上效應。 由擴展光學儀韻擴展㈣射束(及由42表㈤隨後旅 經至掃猫祕，其目的為在與光束傳射向㈣向；參昭 同樣在第2圖中指示出的座標系統)正交的xy平面中 射束42 ’因此在欲處理的眼睛區域上掃描該雷射束。在所 顯示出的典型實例中，該掃猫器根據電流計原理作用及藉 由二片可傾斜的偏轉鏡子46,48(其可由控财元侧綱 成。要瞭解同樣可根據其它原理來操作掃描器(例如，藉由 可合適地控制的晶體掃描）。 掃猫器44接著聚焦物鏡50(特別是fe 聚焦到焦點位置52上）。在所顯示出的典型實財 獅安裝有二片鏡片54,56。要瞭解物鏡啊容易地裝配有 201118418 任何其它想要的鏡片數目。聚焦物鏡(如f-θ物鏡）的具體實 例導致平面場成像，其中焦點位置50總是位於與z方向正交 的平面處而與雷射束之偏轉角度無關。 在所顯示出的典型實例中，該束擴展光學儀器32由具 有負折射功率（凹透鏡）的入口鏡片58與具有正折射功率 (會聚透鏡）的出口鏡片60之伽利略（Galilean)望遠鏡形 成。再者，具有二片凸透鏡之開普勒（Keppler)版望遠鏡可 能。 根據一個典型的具體實例，入射在鏡子34上的雷射束 3〇具有一基本上平面波前，對焦點位置52的預定參考位置 (中立位置）來說，其從鏡子34中反射而基本上沒有彎曲效 應，因此基本上保存其平面波前。對焦點位置52從此中立 位置在z方向上位移來說，控制單元38可經由中間引動器配 置36來調整鏡子34，以便該入射雷射束3〇的平面波前轉換 成基本上一致的彎曲波前。依波前曲率的本質而定，此可 讓該雷射束發散或會聚。此在束發散上的改變導致焦點位 置52在z方向中位移，而其它方面擴展光學儀器^固定地配 置·同樣未移動聚焦物鏡50。 控制單元38根據欲在眼睛中產生的切割曲線來控制引 動器配置36，因此鏡子34的變形狀態。用於控制單元38的 相應控制程式貯存在記憶體（無詳細地顯示出）中。切割曲線 或控制程式詳細指出該光學成像系統的焦點對在x · y平面 中的不同位置於2方向中位移之方法，及在本發明的觀念 中，此程度為典型的焦點位移曲線。可驅動及引動合適於 12 201118418 鏡子34的引動器之精確度及速度使得可在數十毫秒或甚至 數毫秒内達成束焦點在數十微米範圍内z偏移。因此，可在 以fs雷射系統有效及快速地透鏡體切割所需要之時間内調 整該f-θ物鏡50的焦點。例如，可容易地在約1〇毫秒至4〇毫 秒間之日守間内執行具有約100微米.的束焦點2偏移之完全線 掃描’及在某些情況下甚至少於5毫秒。因此，本發明在雷 射束的束路徑中使用可調適、可變形的鏡子達成諸如在飛 秒透鏡體摘出之實際可行的應用中所需要之聚焦偏移頻 率。 在根據第3及4圖的變型中’相同或具有相同效應之構 件k供與在第2圖中相同的參考數字，但是加入小寫體字 母。為了避免不需要的重複，參照先前關於第2圖之解釋， 除非在下列有其它方面指示出。 第3圖的典型具體實例亦在從雷射來源28a射出的雷射 束之束路徑中包含可調適的鏡子34a。但是，可調適的鏡子 34a位於光束傳播方向中之望遠鏡32a與掃瞄器44a間。因 此’攸望运鏡32a射出之經擴展的雷射束部分42a在望遠鏡 32a的入口邊上具有如雷射束30a般的基本平面波前。根據 欲設定的束焦點z位置’由鏡子34a反射及進入掃猫器44a的 雷射束（由62a表示)僅有部分具有彎曲的波前，其曲率程度 依束聚焦之想要的z位置而定。 為了完整性’在第3圖中指示出進一步的被動偏轉鏡子 64a，66a，然而它們在雷射束之發散上不具有效應。 根據第4圖’該雷射裝置的變型可沒有用於雷射束的束 13 201118418 擴展之望遠鏡而作用。反而，該可調適的鏡子鳥其自身為 束擴展光學儀ϋ的部分，其由可調適的鏡子施及進—步鏡 子68b組成之鏡子組合形成。在雷射束通的光束傳播方向 中k遇到此鏡子组合之第„鏡子為凸面鏡，同時第二遭遇 到的鏡子為凹面鏡。在所顯示出的典型實例巾，可變形的 鏡子34b構m面鏡，同時鏡子娜構成該凹面鏡及安裝 士為鏡面不可調適的靜止鏡子。要瞭解在經修改的具體實 例中，在該鏡子組合中第二遭遇到的凹面鏡可安裝成調適 地，同時該第一遭遇到的鏡子靜止。 該鏡子組合3扑烏以可與望遠鏡相比較的方式造成 束擴展。藉由合適地驅動可調適的鏡子34b之面，可以類似 於在第2及3圖的典型具體實例中之方式引起雷射束發散改 變，而在z方向中造成焦點位置52b之相應位移。 第4圖的典型具體實例由於其特別簡單的束引導優 良。再者，可能發生的成像誤差（視覺迷亂及散光)可由可變 形的鏡子34b補償，甚至在中立位置中。名稱‘‘中立位置，，想 要指為焦點位置52b假設一經定義的2參考位置之參考狀 態。對束擴展使用反射光學取代透射光學優良，特別是使 用比用於透鏡體切割的400奈米短之波長。 在上述描述的典型具體實例中，該可調適的鏡子34, 34a，34b為DMD型式(DMD :數位微鏡裝置）或LC〇s型式 (LCOS :液晶光學系統）或壓電控制的鏡子較佳。但是，明 顯不想要排除可用於該可變形的鏡子之其它作用及引動原 201118418 i:圖式簡單說明3 第1圖圖式地顯示出人類眼睛的一部分包含角膜之截 面圖，於其中指示出角膜透鏡體切割； 第2圖圖式地顯示出將根據本發明之裝置用於眼用雷 射外科的實施例； 第3圖顯示出此眼用雷射外科裝置的第一種變化；及 第4圖顯示出另一種變化。 【主要元件符號說明】 10...角膜 34...可變形的鏡子 12...光學軸 34a...可調適的鏡子 14...前表面 34b...可調適的鏡子 16...背表面 36...引動器配置 18...鞏膜及緣 38...控制單元 20...緣的邊緣 40...被動偏轉鏡子 22...基質内透鏡體 42...雷射束 24...平坦後端切割 42a...雷射束 26...彎曲前端切割 44.··掃瞄器 28...飛秒雷射來源 44a…掃猫 28a...雷射來源 46…偏轉鏡子 30·.·雷射束 48...偏轉鏡子 30a...雷射束 50...聚焦物鏡 30b...雷射束 ' 52...焦點位置 32...擴展光學儀器 52b...焦點位置 32a.··望遠鏡 54...鏡片 15 201118418 56...鏡片 66a...被動偏轉鏡子 58...入口鏡片 68b...鏡子 60...出口鏡片 a...透鏡體直徑 62a···雷射束 b...透鏡體厚度 64a...被動偏轉鏡子 d...角膜厚度 16

Claims (1)

1. 201118418 七、申請專利範圍： 1.—種具有至少一可變形的鏡子及調整與控制配置之光 學成像系統，其中該配置係連結至該鏡子及被設計成特 另J根據預疋的焦點位移曲線(displacement profile)，藉 由該鏡子之變形位移該成像系統在光束傳播方向上的 影像端焦點。 2·如申凊專利範圍第1項之光學成像系統，其中該調整與 控制配置被設計以將該鏡子調整至一形狀俾使得一實 質上平面入射波被轉換成具有實質上一致的彎曲波前 之一反射波，該波前曲率的強度依在光束傳播方向上所 欲的焦點位置而定。 3.如申請專利範圍第1或2項之光學成像系統，其中該鏡子 被安排在光束傳播方向上之一望遠鏡前。 4_如申請專利範圍第印項之光學成像***，其中該鏡子 被女排在光束傳播方向上之一望遠鏡後，但是在具有至 少一單一鏡片的聚焦光學儀器前，且較佳地在一掃瞄器 前。 5. 如申請專利範圍第lsl2項之光學成像***，其包括由該 可變形的鏡子及-另外地特別是靜止的鏡子所形成之 束擴展光學儀器。 6. 如申請專利範@第1至5項巾之—項的光學祕系統，其 中该可變开> 的鏡子為一DMD型式或一lc〇S型式或一壓 電（piezoelectrically)控制型式。 7. —種如申請專利範圍第丨至6項中之一項的光學成像系 17 201118418 統之用途，其與一飛秒('femtosecond)雷射使用在加工活 的或死的材料上，特別是在角膜外科中。 8. —種用於眼用雷射外科的裝置，其具有一脈衝飛秒雷射 束來源、擴展該雷射束的束擴展光學儀器、在該束擴展 光學儀器下游用來在與該束路徑垂直的一平面中偏轉 該雷射束之一掃瞄器、及在該掃瞄器下游用來聚焦該雷 射束的聚焦光學儀器；其中該裝置具有一可變形的鏡 子，其被安排在光束傳播方向上，於該雷射來源與該聚 焦光學儀器間；及一程式控制的調整與控制配置，其係 連結至該鏡子及被設計成根據欲在患者眼睛中產生的 一預定切割曲線，以變形該鏡子而在束路徑的方向中位 移該束焦點。 18