专利名称：用于眼科手术激光器的可变级光学系统的制作方法在进行借助于由激光脉冲引起的光致破裂的激光手术时，可使用各种晶状体手术操作来摘除晶状体。这些操作可将晶状体分裂成小碎片，并且通过小切口将这些碎片从眼睛摘除。在这样的操作中，可使用手动器械、超声、加热流体或激光器。
本专利文件描述了用于提供在将激光脉冲的激光束输送到手术目标方面的可变扫描控制的系统和技术的例子和实现。所述系统和技术可用于眼前段和晶状体内的、借助于由来自飞秒激光器的激光脉冲引起的光致破裂的激光手术。所述系统和技术可以以下述 方式实现，即，提供激光束的光学扫描，以使在扫描激光束并且将激光束聚焦到眼睛中期间激光束的光学畸变减小或最小。例如，眼科激光系统可被实现为包括激光源，其产生激光脉冲的激光束；XY扫描仪，其在横跨于Z轴的方向上扫描激光束；Ζ扫描仪，其沿着Z轴扫描激光束，并且包括连续式Z扫描仪和增量式Z扫描仪，所述连续式Z扫描仪提供激光束沿着Z轴的连续式扫描，所述增量式Z扫描仪提供激光束沿着Z轴的增量式扫描。在实施例中，增量式Z扫描仪被构造为以增量的方式按Z步长对眼科激光系统的焦深进行Z扫描，连续式Z扫描仪被构造为以连续的方式在与所述Z步长对应的连续扫描范围内对眼科激光系统的焦深进行Z扫描。在实施例中，Z扫描仪被构造为使得连续扫描范围大于一个或多个Z步长，从而其中焦深可被连续式Z扫描仪在相邻的Z步长进行Z扫描的连续扫描范围重叠，并且眼科激光系统的操作者能够在准连续的Z扫描范围内对焦深进行Z扫描。在实施例中，整个Z扫描范围具有在0-5mm、5-10mm、10-30mm和0_15mm的范围之一内的长度。在实施例中，增量式Z扫描仪能够将焦深设置到角膜Z高度(level)，使得外科医生可在围绕所述角膜Z高度的连续扫描范围内进行角膜眼科操作，并且能够将焦深设置到一个或多个晶状体Z高度，使得外科医生可在围绕所述一个或多个晶状体Z高度的连续扫描范围内进行晶状体眼科操作。在实施例中，Z扫描仪被构造为保持激光束的像差好于目标区域中的阈值。在实施例中，眼科激光系统的像差可用斯特列尔比(Strehl ratio)S表征，斯特列尔比S高于目标区域中的阈值S(threshold)，其中，S(threshold)是O. 6,0. 7,0. 8和O. 9的值之一。在实施例中，斯特列尔比S对应于具有在O. 4微米至I. I微米的范围内的波长的激光束。在实施例中，斯特列尔比S高于目标区域中的五个参考点中的一个或多个处的S(threshold)，其中，所述五个参考点根据它们在目标区域中的柱坐标(z，r)被确定为Pl= (O, O)、P2= (2，6)、P3= (5，O)、P4= (8，O)、P5= (8，3)，这些坐标全都是以毫米为单位，并且所述五个参考点相对于目标区域的、在(0，0)处的前中心成任何方位角Φ。在实施例中，眼科激光系统的像差可用焦斑半径rf表征，焦斑半径rf小于目标区域中的阈值 Tf (threshold)，其中，rf (threshold)是 2、3、4、5 和 6 微米之一。在实施例中，焦斑半径rf小于目标区域中的五个参考点中的一个或多个处的rf(threshold)，其中，所述五个参考点根据它们在目标区域中的柱坐标(z，r)被确定为Pl= (O, O)、P2= (2，6)、P3= (5，O)、P4= (8，O)、P5= (8，3)，这些坐标全都是以毫米为单位，并且所述五个参考点相对于目标区域的、在(0，0)处的前中心成任何方位角Φ。在实施例中，所述像差是球面像差、彗形像差、散光和色差之一。 在实施例中，Z扫描仪被构造为至少部分补偿由Z扫描仪对眼科系统在目标区域中的焦深进行Z扫描而引起的像差。在实施例中，增量式Z扫描仪具有一个或多个可变级，其中，所述可变级可被定位在激光束的路径内和外。在实施例中，所述可变级可被定位在按预定的Z步长移动激光束的焦深的一系列构造中。在实施例中，不同的可变级被构造为与基本Z步长长度乘以2的不同次幂成比例地移动焦深。在实施例中，可变级的数量为一、二、三和四之一。在实施例中，由可变级引起的像差至少部分被包括功能多重态透镜(functionalmultiplet lens)的可变级补偿。在实施例中，由可变级引起的像差至少部分被包括具有不同于零的配曲调整(bending)参数的单态透镜(singlet lens)的可变级补偿。在实施例中，可通过机械滑块、机械致动器、旋转臂和机电装置使可变级在激光束的路径内移动。在实施例中，连续式Z扫描仪被构造为当不同的可变级被定位在激光束的路径内时在预定的连续扫描范围内扫描激光束的焦深，其中，所述预定的连续范围对于不同的可变级是不同的，或者对于不同的可变级是相同的。在实施例中，连续式Z扫描仪被定位在激光源与XY扫描仪之间，增量式Z扫描仪被定位在激光束的路径内的XY扫描仪之后。在实施例中，连续式Z扫描仪被定位在激光束的路径内的XY扫描仪之后。在实施例中，连续式Z扫描仪包括第一块和第二块，第一块被定位在光源与XY扫描仪之间，第二块被定位在激光束的路径内的XY扫描仪之后。在实施例中，Z扫描仪被构造为基本上彼此无关地改变激光束的Z焦深和数值孔径。在实施例中，Z扫描仪被定位在与物镜分离的壳体中以及在激光束的路径内的该物镜之前。在实施例中，一种方法包括以下步骤光源产生激光束；连续式Z扫描仪对激光束的焦深进行Z扫描；并且增量式Z扫描仪对激光束的焦深进行Z扫描。在实施例中，增量式Z扫描仪进行Z扫描的步骤包括按增加的Z步长对焦深进行Z扫描，连续式Z扫描仪进行Z扫描的步骤包括在与所述增加的Z步长对应的连续扫描范围内对焦深进行Z扫描。在实施例中，所述连续扫描范围中的一个或多个大于Z步长，从而其中焦深可被连续式Z扫描仪在相邻的Z步长进行Z扫描的连续扫描范围重叠，并且眼科激光系统的操作者能够在准连续的Z扫描范围内对焦深进行Z扫描。一些实施例包括以下步骤将增量式Z扫描仪设置到角膜Z高度，通过连续式Z扫描仪对焦深进行Z扫描来执行角膜手术操作；将增量式Z扫描仪设置到一个或多个晶状体高度，并且通过连续式Z扫描仪对焦深进行Z扫描来执行晶状体手术操作。 在实施例中，所述方法包括保持像差好于目标区域中的阈值的步骤，其中，所述像差是球面像差、彗形像差、散光和色差之一。在实施例中，增量式Z扫描仪进行Z扫描的步骤包括将增量式Z扫描仪的一个或多个可变级定位在激光束的路径内。在实施例中，增量式Z扫描仪进行Z扫描的步骤包括将所述可变级定位在按预定的Z增量对焦深进行Z扫描的一系列构造中。在实施例中，增量Z扫描仪进行Z扫描的步骤包括通过在激光束的路径内和外移动不同的可变级来与基本Z步长乘以2的不同次幂成比例地移动焦深。在实施例中，对焦深进行Z扫描的步骤包括连续式Z扫描仪对焦深进行Z扫描，到达第一连续扫描范围的最大值附近的焦深；增量式Z扫描仪将所述焦深增大一个增加的Z步长；将连续式Z扫描仪重置到第二连续扫描范围的最小值附近；并且在第二连续扫描范围内对焦深进行Z扫描。在实施例中，第一连续扫描范围和第二连续扫描范围基本上相等。在实施例中，对焦深进行Z扫描的步骤包括基本上与调整激光束的数值孔径无关地对焦深进行Z扫描。一些实施例包括激光源，其产生脉冲激光束；XY扫描仪，其在横跨于Z轴的方向上扫描所述激光束；连续式Z扫描仪和可变级Z扫描仪，其沿着Z轴扫描所述激光束。在实施例中，可变级Z扫描仪包括被构造为定位在激光束的路径内和外的可变级。
图I示出手术激光输送系统的例子。图2示出高斯波前G和有像差波前W。图3Α至图3Β示出最佳焦平面和被扫描焦平面处的光线。图3C示出焦斑半径的例子。图4示出斯特列尔比S与RMS波前误差ω之间的关系的例子。图5示出用于眼科手术的参考点。图6Α至图6Β示出图I中的系统中的预补偿器的示例性操作。图7Α至图7Β示出高效率Z扫描功能的不同使用。
图8A至图8D示出图I中的系统中的预补偿器的示例性实现。图9示出图I中的激光输送系统使用两个Z扫描仪的示例性实现。图10示出包含O个、I个或2个Z深度扫描仪和O个、I个或2个NA修改器的构造的表格。图IlA至图IlC示出图9中的系统中的XY扫描仪的示例性实现。图12A至图12D示出作为数值孔径的函数的像差和作为Z焦深的函数的对应光学数值孔径NAtjpt (z)。图13A至图13B示出第一扩束器块和可移动扩束器块的两种示例性设置。
图14示出中间焦平面的例子。图15示出具有增量式Z扫描仪的激光输送系统的例子。图16A至图16B示出用于图15中的系统中的增量式Z扫描仪的、目标区域中的Z高度、步长和范围。图17A至图17B示出用于图15中的系统中的增量式Z扫描仪的可变级Z扫描仪的操作。图18示出图15中的系统中的增量式Z扫描仪的实现。图19示出用于图15中的系统的物镜的实现。图20示出目标区域中的弯曲焦平面。图21示出XY扫描仪倾斜角的列线图。图22示出可移动扩束器位置的列线图。图23示出光束扫描控制方法的例子的步骤。

在一些实现中，成像系统可以是光学相关断层扫描(OCT)系统。成像系统的成像光束可具有分离的成像光路、或者部分或完全与手术光束共享的光路。具有部分或完全共享的光路的成像系统降低了成本，并且简化了成像和手术系统的校准。成像系统还可使用与激光输送系统I的激光相同或不同的光源。成像系统还可具有它自己的光束扫描子系统，或者可利用激光输送系统I的扫描子系统。在援引的共同未决申请中描述了这样的OCT系统的几种不同架构。激光输送系统I还可与视觉观测光学器件组合来实现。观测光学器件可帮助手术激光的操作者观测手术激光束的效果并且响应于观测结果控制该光束。最后，在使用红外(因此，不可见)手术激光束的一些实现中，可利用在可见频率工作的附加的跟踪激光器。可见跟踪激光器可被实现为跟踪红外手术激光的路径。可使跟踪激光器在低得足以不引起目标组织的任何破裂的能量下工作。观测光学器件可被构造为将从目标组织反射的跟踪激光引向激光输送系统I的操作者。在图I中，与成像系统和视觉观测光学器件相关联的光束可以比如通过分束器/二向色反射镜600耦合到激光输送系统I中。本申请将不全面地讨论激光输送系统I与成像系统、观测系统和跟踪系统的各种组合。在并入的美国专利申请12/205，844中全面讨论的大量这样的组合全都在本申请的整个范围内。图I中的激光输送系统I包括激光引擎100、预补偿器200、XY扫描仪300、第一扩束器块400、可移动扩束器块500、分束器/ 二向色反射镜600、物镜700和患者界面800，其中，第一扩束器块400和可移动扩束器块500将被共同称为Z扫描仪450。在以下许多实现中，使用下述惯例，S卩，Z方向是基本上沿着激光束的光路的方向、或者沿着光学兀件或手术目标的光轴的方向。横跨于Z方向的方向被称为XY方向。术语横跨在更广泛的意义上被用于包括在一些实现中横跨方向和Z方向可能不是严格地彼此垂直。在一些实现中，可用径向坐标更好地描述横跨方向。因此，术语横跨方向、XY方向或径向方向表示所述实现中的相似方向，这些方向全都大致(但不必精确地)垂直于Z轴。I、激光引擎100激光引擎100可包括发射具有预定激光参数的激光脉冲的激光器。这些激光参数可包括I飞秒至100皮秒范围内的脉冲持续时间，或者10飞秒至10皮秒范围内的脉冲持续时间，或者在一些实施例中，100飞秒至I皮秒范围内的脉冲持续时间。激光脉冲可具有O. I微焦耳至1000微焦耳范围内的每脉冲能量，在其它实施例中，I微焦耳至100微焦耳范围内的每脉冲能量。脉冲可具有IOkHz至IOOMHz范围内的重复频率，在其它实施例中，IOOkHz至IMHz范围内的重复频率。其它实施例可具有落在这些范围限值的组合(诸如1-1000飞秒的脉冲持续时间的范围)内的激光参数。用于特定操作的激光参数可以比如在术前操作期间或者基于基于患者的某个数据(诸如他/她的年龄)的计算在这些宽范围内选择。激光引擎100的例子可包括钕玻璃激光器和Nd:Yag激光器以及多种其它激光器。激光引擎100的工作波长可以在红外范围内或可见范围内。在一些实施例中，工作波长可以在700nm-2微米范围内。在一些情况下，比如，在基于Yb或Nd的红外激光器中，工作波长可以在I. 0-1. I微米范围内。在一些实现中，激光脉冲的激光参数可以是可调整的且可变的。激光参数可以在 短的切换时间内进行调整，从而使得手术激光输送系统I的操作者能够在复杂手术期间改变激光参数。这样的参数改变可响应于激光输送系统I的感测或成像子系统的读取来启动。其它参数改变可作为多步骤操作的一部分来被执行，在所述多步骤操作期间，激光输送系统可以首先用于第一手术操作，之后用于不同的第二手术操作。例子包括首先在眼睛的晶状体的区域中执行一个或多个手术步骤，诸如囊切开术步骤，之后在该眼睛的角膜区域中执行第二手术操作。这些操作可按各种顺序执行。以每秒数万到数十万个触发的脉冲重复率或更高脉冲重复率工作、并且每脉冲能量相对低的高重复率脉冲激光可用于手术应用，以实现某些优点。这样的激光器使用相对低的每脉冲能量来使由激光诱导的光致破裂引起的组织效应局部化。在一些实现中，例如，破裂组织的范围可限于几微米或几十微米。该局部化的组织效应可改进激光手术的精度，并且在某些手术操作中可以是令人满意的。在这样的手术的各种实现中，上百个、上千个或上百万个脉冲可被输送到一系列邻近的、近乎邻近的或者相隔受控距离的斑点。这些实现可实现某些期望的手术效果，诸如组织切开、分离或分裂。脉冲和扫描模式的参数可通过各种方法来选择。例如，它们可以基于晶状体的光学性质或结构性质的术前测量。激光能量和斑点分离也可以基于晶状体的光学性质或结构性质的术前测量或者年龄相关算法来选择。2、预补偿器200图2示出了激光束的波前可出于几种不同的原因而以几种不同的方式偏离理想行为。一大批这些偏离被称为像差。像差(以及其它波前畸变)使实际的图像点从理想的旁轴高斯图像点移位。图2示出了通过出射光瞳ExP出射的光的波前。未畸变的球面波前G从光瞳散发，并且会聚到在波前G的曲率中心处的点PI。G也被称为高斯参考球。有像差波前W偏离G，并且会聚到不同的点P2。有像差波前W在点Ql处的像差AW可用相对于未畸变的参考球G的通路的光程来表征JIT=W, 画，其中，Iii是介质在图像空间中的折射率，是点Ql和Q2的距离。总的来讲，像差AW依赖于出射光瞳处的坐标和焦平面处的坐标这二者。因此，该像差AW也可被认为是相关函数它表示其图像会聚到P2 (在光轴上从Pl移动r’)的点的集合位于表面W上，表面W在出射光瞳ExP处的径向距离r处与参考球G偏离Λ W的量。对于旋转对称系统，可根据r和r’的二重幂级数展开将AW写为


本公开涉及用于眼科手术激光器的可变级光学系统。提供了用于提供在将激光脉冲的激光束输送到手术目标方面的可变扫描控制的系统和技术。所述系统和技术可用于眼前段和晶状体内的、借助于由来自飞秒激光的激光脉冲引起的光致破裂的激光手术。