"APARELHO E MÉTODO PARA DETECTAR A POSIÇÃO FOCAL DEUM SISTEMA ÓPTICO, E5 APARELHO PARA REALIZAR UMTRATAMENTO OFTALMOLÓGICO OU DIAGNÓSTICO COMRADIAÇÃO LASER FEMTOSEGUNDA"
A invenção relaciona-se a um aparelho e um método paradetectar a posição focai de um sistema óptico. Em particular, a invençãorelaciona-se a um aparelho e um método para detectar a profundidade do focode um sistema óptico de formação de imagem e ainda mais também a umaparelho e um método para controlar a posição focai e em particular aprofundidade do foco. Ainda mais, a invenção também se relaciona a umaparelho de tratamento oftalmológico e/ou diagnóstico usando citado aparelhoe/ou citado método.
No caso dos sistemas ópticos em discussão aqui, o sistema osistema em questão é, em particular, um sistema óptico de formação deimagem em uma instalação de processamento de material usando fontesluminosas, tais como lasers e LEDs em particular. 0 processamento dematerial deveria ser entendido aqui como significando também a estruturaçãomaterial na micro faixa, por exemplo, para materiais dielétricos, tal como umtecido biológico ou também materiais metálicos. Em particular, a invençãopode ser usada em sistemas ópticos oftalmológicos, especialmente em cirurgiarefrativa da córnea, tal como LASIK, por exemplo. Uma área de aplicaçãoparticularmente adequada para a presente invenção, neste caso é fs-LASIK,cirurgia refrativa da córnea usando um laser femtosegundo.
Nos sistemas de formação de imagem óptica anteriormentemencionados, obter operações de processamento de material de alta precisãodepende, entre outros, do controle exato da posição focai. "Posição focai" éentendido aqui, acima de tudo, significando não só a localização do foco nadireção do eixo óptico (assim chamada profundidade de foco), porém maisgeralmente a posição e orientação da radiação focalizada, então, por exemplo,um desvio em relação ao eixo óptico ideal do sistema ou angularidade do eixoreal da radiação óptica em relação ao eixo óptico ideal (desejado). No fs-LASIK é particularmente importante aderir à profundidade de foco calculadae esta é uma aplicação particular da presente invenção.
Em DE 10 2004 009 212 Al, um elemento de contato ópticopara processamento de material a laser é apresentado. Este elemento decontato é usado na realização preferida para fs-LASIK. Neste caso, esteelemento de contato consiste de uma estrutura óptica difrativa. Estasestruturas são destinada a minimizar os ângulos de incidência ocorridosdevido a aberturas numéricas altas das lentes. O elemento óptico difrativo(DOE) consiste aqui de uma estrutura em grade com período de gradeamentoajustado. Os períodos de gradeamento entre 200l/mm e 500l/mm. Valores nafaixa de μηι são indicados como tamanhos de pontos. Devido aos limitesópticos, somente é possível uma abertura numérica de aproximadamente 0,3.
O aumento da abertura é obtido usando um segundo elemento difrativo nocaminho do feixe da lente. Este DOE é executado de modo similar como umaestrutura de grade circular com um período de gradeamento que se tornamaior na direção do eixo óptico. Alcançar aberturas numéricas mais altas éindicado aqui como uma vantagem desta execução. Ainda mais, o elementode contato é executado curvo. O raio de curvatura corresponde ao raio decurvatura do olho, aproximadamente, 8 mm. O processamento de material érealizado com este raio de curvatura uniformemente pré ajustado. A anexaçãoda sucção é executada similarmente a WO 03/002008 Al e EP 1 159986 A2.
O controle de foco não é realizado com este método apresentado.
Em EP 0 627 675 Al, um dispositivo óptico difrativo éapresentado para o mapeamento de um ou mais pontos no espaço a partir deum feixe. Aqui, a estrutura difrativa consiste similarmente de um arranjo tiposegmento de elementos difrativos binários ou multi estágios arbitrários. Oarranjo pode ser um arranjo hexagonal ou hexangular, em particular. Então, omapeamento de um feixe de luz é obtido. Entretanto, somente umaintensidade ou/e transformação de fase é assegurada.
Em US 2002/0171028, é descrito um aparelho para controle defoco. Aqui, a luz de retorno é trazida por um caminho de feixe de formação deimagem para interferir com um segundo feixe de raios e então é realizado ocontrole de onda interferométrico.
O controle de foco por meio do controle de frente de ondainterferométrico é realizado de modo similar em US 6.666.857 B2. O controlede frente de onda ativo durante o processo de foto ablação no olho humano éentão alcançado por uma combinação de espelhos adaptivos. Nenhumcontrole de frente de onda ativo deve ser assegurado.
Em US 2004/0051976 Al, um arranjo óptico de ummicroscópio confocal, consistindo de uma fonte laser emitindopredominantemente na faixa espectral de UV, um expansor de feixe, umarranjo de pontinhos difrativos e uma lente objetiva são descritos. Um arranjode pontinhos difrativos não é descrito em sua realização exata. O aumento deeficiência pode ser visto como uma vantagem desta realização técnica, poisarranjos de pontinhos de amplitude possuem uma transmissão típica entre 4%e 10%, dependendo da relação de abertura. Com um arranjo de pontinhosdifrativos, por outro lado, valores de transmissão de tal elemento óptico de até80% são possíveis, a dependência da relação de abertura ou do número depontinhos sendo somente condicionada à fabricação.
Em US 2004/0021851, um arranjo óptico consistindo de umlaser e óptica de conformação de feixe subseqüente é usado para medir adistância focai de lente desconhecida. A medição da distância focai érealizada neste caso focalizando sobre uma superfície de referência em váriasdistâncias. A porção da radiação que é refletida de volta é detectada. Osdiâmetros de spot são então avaliados nas respectivas distâncias. A distânciafocai é determinada por meio da relação de Newton Z Z'= f2. Uma gradeóptica, que não é descrita em grande detalhe, é usada para desacoplar a porçãoda radiação refletida de volta. O formalismo de matriz de Jones ésimilarmente aplicado para calcular a distância focai. A precisão do método épróxima de 1%.
Em US 6.909.546 B2, um arranjo óptico consistindo de umafonte de luz (Nd:YAG2w) e é descrita a óptica de conformação de feixesubseqüente. Neste caso, dois elementos ópticos difrativos são usados parahomogeneizar a radiação laser. O primeiro dos dois DOE é usado aqui parahomogeneização e filtragem de freqüência espacial. Pontinhos subseqüentesrealizam a filtragem de freqüência espacial. Dentro do sistema 2f estálocalizado o segundo DOE, que produz a distribuição de intensidade desejadano campo distante. O campo distante é produzido pela lente do campo ou pelo2o DOE. A distribuição de intensidade desejada é produzida no foco. Ocontrole de foco não é executado neste método.
O objetivo da invenção conseqüentemente é prover umaparelho e método com o qual a posição focai de um sistema óptico possa serdeterminada precisamente.
Para esta finalidade, a invenção provê um aparelho paradetectar a posição focai de um sistema óptico com uma fonte de radiação, umsistema de formação de imagem de focalização, uma superfície pelo menosparcialmente refletiva no foco, um sistema de sensor digital adequado (porexemplo, câmera CCD, câmera CMOS ou similar) para gravar uma imagemque é refletida pela citada superfície, um computador para avaliar a imagemgravada pela câmera e um elemento óptico no caminho do feixe do sistemaóptico a montante do sistema de imagem de focalização, cujo elemento ópticoinfluencia a citada imagem, dependendo da posição focai.
Neste caso, a citada focalização do sistema de formação deimagem óptica é preferivelmente óptica de focalização com posição focaiajustável (variável), então em particular um sistema com o qual a localizaçãodo foco é ajustável em uma direção paralela ao eixo óptico da imagem (então,a profundidade do foco). Em adição, em tal sistema a posição focai éusualmente também ajustável em uma direção perpendicular ao eixo óptico daradiação, por exemplo, em fs-LASIK.
O aparelho de acordo com a invenção e o métodocorrespondente servem então em particular para a configuração e alinhamentoinicial de um sistema óptico como aquele imediatamente anterior aoprocessamento de material em relação a um plano predeterminado, a assimchamada superfície, o foco é ajustado precisamente, em particular de tal modoque permanece exatamente sobre esta superfície. Quando usado em LASIK,citado plano nulo é preferivelmente uma superfície que surge devido ao fatode que a córnea é anexada por sucção na área de interesse a uma superfície dereferência (isto é conhecido como tal, pelo especialista LASIK). O disco denivelamento, que é transparente para a radiação usada, é revestido em seulado faceando a córnea e ficando próximo desta, de tal modo que umapequena percentagem da radiação incidente é refletida. Esta reflexão entãoproduz a citada imagem da radiação focalizada neste plano nulo, cuja imagemé medida usando citada câmera e avaliada. Na focalização ideal, o focodeveria portanto, cair exatamente neste plano nulo (então essencialmente nasuperfície da córnea nivelada no exemplo mostrado) e de acordo com aavaliação da imagem refletida, o sistema óptico é então ajustado de tal modoque a focalização seja ótima, então a posição do foco está exatamente nesteplano nulo. O sistema óptico é então configurado e alinhado e pode ser usadopara o processamento de material subseqüente. No processamento de materialsubseqüente, a posição do foco é usualmente mudada em relação ao citadoplano nulo. Então, no fs-LASIK, por exemplo, ao cortar a chamada aba, ofoco é colocado no estroma e as posições de foco são variadas sucessivamentede ângulos retos com o eixo óptico, para produzir a aba. Isto é conhecidodeste modo. A configuração inicial do sistema conforme descrita acimagarante o posicionamento exato dos focos nos pontos alvo desejados.
Em outras operações de processamento de material, o planonulo, que também pode ser descrito como o plano de referência, pode serdefinido diferentemente e não tem necessariamente que coincidir com asuperfície do material a ser processado. A radiação focalizada sobre o planonulo e a medição da imagem refletida neste plano fornece calibração dosistema óptico de tal modo que a configuração das propriedade de formaçãode imagem óptica do sistema óptico para o estado ideal de focalizaçãoexatamente no plano nulo, é conhecida devido à medição de imagem, de talmodo que, ao começar a partir destas configurações do sistema óptico, aposição focai pode ser mudada de acordo com o processamento de materialdesejado, por exemplo, no interior da córnea.
De acordo com uma configuração, citado elemento óptico, queinfluencia a imagem de foco a ser medida dependendo da posição focai, éuma matriz de diafragma (assim chamado arranjo de pontos).
O elemento óptico pode também ser um assim chamadoelemento óptico difrativo (DOE), que produz uma configuração de pontos nadistribuição de campo distante (conhecida como tal aos especialistas natécnica e não explicada em maior detalhe aqui).
Citado elemento óptico pode ser arranjado no caminho defeixe da imagem refletida entre a superfície refletida e a câmera, ou tambémfora deste caminho de feixe. Resultam vantagens em cada caso, de acordocom o tipo de aplicação.
A amplitude (intensidade) ou fase (frente de onda) da imagemrefletida pode ser preferivelmente influenciada localmente pelo elementoóptico e as porções de desfocalização da frente de onda podem ser tornadasvisíveis.
É também possível prover citado elemento óptico no caminhodo feixe, ambos sensivelmente em fase e sensivelmente em amplitude, emparticular uma combinação destes.
De acordo com uma configuração preferida, o elemento ópticoproduz uma configuração de pontos, em particular uma configuração depontos regular, na forma de uma matriz.
A invenção também provê um método para detectar a posiçãofocai de um sistema óptico, no qual a radiação de uma fonte de radiação émapeada via sistema de formação de imagem de focalização em um planofocai e onde, para determinar a posição focai do sistema óptico, incluindo osistema de formação de imagem, é produzida uma imagem no foco, que é alirefletida e é gravada por uma câmera, onde um elemento óptico influencia aimagem gravada, dependendo da focalização da radiação, e dependendo dacitada influência da imagem, informação sobre a posição focai da radiaçãofocalizada no ponto focai visualizado, é derivada.
Exemplos práticos da invenção são descritos em maior detalheabaixo, com referência ao desenho.
Figura 1 mostra esquematicamente um primeiro exemploprático de um sistema óptico com um aparelho para detectar uma posiçãofocai;
Figura 2 mostra um segundo exemplo prático de um sistemaóptico com um aparelho para detectar uma posição focai;
Figura 3 mostra esquematicamente um exemplo prático de umarranjo de acordo com a Figura 2, com representação esquemática dasdistribuições de fase da radiação no sistema e uma matriz de orifícios;
Figura 4 mostra um exemplo prático de um arranjo de acordocom a Figura 2, com um elemento óptico difrativo; e
Figuras 5, 6 mostram exemplos práticos de imagens gravadaspor uma câmera com mapeamento de focalização na maneira de uma matrizde orifícios com focalização exata e/ou erros de focalização.
De acordo com a Figura 1, um sistema óptico 10 possui umafonte de luz 12 que pode ser, por exemplo, um laser, (tal como um laser fs,por exemplo) ou um LED etc. A radiação emitida pela fonte de luz 12 passaatravés de um espelho de saída 14 e é focalizada por um sistema de formaçãode imagem de focalização 16 em um plano 18. O sistema de formação deimagem de focalização 16 é apenas indicado esquematicamente nas figuraspor uma lente única. Normalmente, o sistema de formação de imagem defocalização 16 tem diversas lentes, das quais uma ou mais podem ser atuadaspara configurar e mudar o foco. Tais sistemas de formação de imagem ópticasão conhecidos deste modo.
Na Figura 1, áreas (pontos) são marcadas pelos sinais dereferência 20a e 20b, nos quais um elemento óptico descrito em maior detalheabaixo deve ser posicionado opcionalmente. Exemplos de tais elementosópticos são os elementos ópticos 34 e 36 mostrados nas Figuras 3 e 4.
A radiação refletida pela superfície refletiva 18 passa viasistema de formação de imagem de focalização 16 e, se aplicável, viaelemento óptico arranjado na área 20a e descrito em detalhe adicional abaixo,até o espelho de saída 14 e é defletida para cima a partir daí, na Figura 1, viaóptica de formação de imagem 22 para uma câmera digital 24, por exemplo,uma assim chamada câmera CCD com alta resolução local. A imagem digitalgravada pela câmera 24 é inserida em um computador C e avaliada aqui,conforme descrita em mais detalhe adicionalmente abaixo.
Figura 2 mostra um exemplo prático modificado, comcomponentes e características tendo as mesmas ou funções similares sendoprovidas pelos mesmos sinais de referência. No exemplo de acordo com aFigura 2, um expansor de feixe (telescópio) consistindo dos elementos ópticos26, 28 é provido para expandir o feixe antes de sua focalização com o sistemade formação de imagem de focalização 16. Ao invés do telescópio de Kepplermostrado na figura, um outro sistema de conformação de feixe pode tambémser usado em seu lugar. Geralmente, o sistema óptico designado como um"expansor de feixe" na Figura 2 pode também ser um sistema de conformaçãode feixe.
Conforme já mencionado acima, um elemento óptico pode serarranjado nas áreas 20a e/ou 20b de acordo com as Figuras 1 e 2 que,dependendo da focalização mais ou menos ótima por meio do sistema deformação de imagem de focalização 16 sobre a superfície refletiva 18,influencia a imagem descrita acima, que foi produzida por reflexão e gravadapela câmera 24, e assim facilita uma conclusão quanto à focalização sobre oplano correspondente à superfície refletiva 18 ser precisamente aquela que édesejada, ou se a posição focai é deslocada em relação a este plano, porexemplo, cai longe demais adiante ou longe demais atrás na direção do eixoóptico (também chamada profundidade de foco).
De acordo com a Figura 3, uma máscara de sombra 34 éarranjada como um elemento óptico no presente sentido no caminho de feixea montante do sistema de formação de imagem de focalização 16.
No caso ideal, o sistema de formação de imagem defocalização 16 é então configurado de tal modo que a radiação proveniente dafonte de luz 12 é focalizada precisamente no plano 18 em um pontopredeterminado. O foco é marcado na Figura 3 pelo sinal de referência 18a. Oexemplo prático de acordo com a Figura 3 corresponde ao exemplo de acordocom a Figura 2, com um expansor de feixe na área indicada pelo sinal dereferência 32. As distribuições de fase são também marcadas simbolicamenteaqui pelos sinais de referência 30a, 30b, 30c.
O elemento óptico 34 é uma matriz de furos com NxMorifícios individuais no arranjo regular mostrado. O elemento óptico pode serexecutado neste exemplo prático como um elemento relacionado a amplitudepuro, influenciando então intensidades da radiação. Os diâmetros de furotípicos na máscara de sombra permanecem entre 1 μπι e 100 μηι. Os orifíciospodem ser em particular hexangulares, quadrados, hexagonais ou tambémcirculares. O arranjo dos orifícios individuais é orientado para o perfil defeixes usados e as exigências a respeito de precisão com relação à posiçãofocai. Com o sistema escrito, posições focais podem ser determinadas comprecisão de uns poucos μηι. Uma vez que a radiação no caminho para o plano18 e a imagem refletida no plano 18 passam, cada uma, através do elementoóptico 34, a imagem medida pela câmera 24 é influenciada, dependendo daprecisão da focalização do plano 18. Uma mudança na posição focai emrelação ao plano 18 (que é o plano nulo definido acima) de uns poucos micrometros pode ser detectada pela avaliação da imagem gravada pela câmera 24no computador C.
É também possível determinar a saída de radiação ocorrida nofoco, pela integração das intensidades medidas pela câmera 24 nos pontos deimagem individuais.
Figura 5 mostra, por meio de exemplo e esquematicamente,imagens de reflexão obtidas e avaliadas desta maneira. Neste caso, a Figura 5mostra, no meio da imagem de orifícios tipo matriz obtida no caso em que osistema óptico, incluindo o sistema de formação de imagem de focalização 16é configurado de tal modo que a focalização permanece exatamente no pontodesejado no plano nulo 18. Conforme estabelecido, a superfície refletida paraproduzir a imagem medida também permanece neste plano 18. Como aimagem de orifícios na Figura 5, intermediária, mostra, na imagem refletidaos orifícios individuais são iluminados de modo inteiramente homogêneo,sem uma porção esférica, de acordo com o perfil do feixe de entrada.
Na imagem de orifício esquerda, a Figura 5 mostra umdeslocamento da posição focai recuada de aproximadamente 100 μηι emrelação ao plano nulo 18. Comparada com a focalização exata (Figura 5,meio), a avaliação de imagem produz uma modificação dos pontos da imagemindividual na matriz e o computador C é calibrado para avaliação, de tal modoque "reconhece" este desvio. A calibração do computador pode ter lugar, porexemplo, experimentalmente, de tal modo que, usando o sistema de formaçãode imagem óptica conhecido, mudanças na imagem refletida produzida sãogravadas e armazenadas especificamente, dependendo da posição focai, de talmodo que então a posição focai pode ser determinada por comparação comimagens realmente medidas.
À direita, Figura 5 mostra desfocalização por -100 μιη comuma dispositivo de fototerapia de lente de 50 mm com modificaçãocorrespondente da imagem de orifício comparada com a focalização ideal.Falando em geral, a assimetria da imagem, conforme mostrado à esquerda edireita na Figura 5, permite análise da focalização. Se, com base na avaliaçãode imagem usando o computador C, esta análise resulta em uma distribuiçãode brilho assimétrica na imagem, então elementos do sistema de formação deimagem de focalização 16 podem ser mudados até que a avaliação de imagemmostre que o foco permanece exatamente no plano 18.
Figura 4 mostra um exemplo prático do aparelho para detectara posição focai de um sistema óptico 10, no qual o elemento óptico éarranjado na área 20d no exemplo prático de acordo com a Figura 2, então detal modo que a imagem refletida no plano 18 não passa através do elementoóptico 36 em seu caminho para a câmera 24.
O elemento óptico 36 neste caso é um elemento ópticodifrativo (DOE) que forma, por exemplo, um divisor de feixe "1 para N", eentão divide um único feixe incidente em N feixes únicos, onde N podevariar, por exemplo, entre 2 e 50. A divergência causada pelo elemento óptico36 pode ser corrigida refrativamente ou difrativamente por uma segundaestrutura (não mostrada). Vários elementos ópticos difrativos podem tambémser arranjados um atrás do outro, dependendo do perfil do feixe e análisedesejada. Uma vantagem de um arranjo com elementos ópticos difrativos é apossibilidade de correção da distribuição de fase incidente. A distribuição defase pode ser influenciada por ambas fonte de luz e elementos ópticosseguintes, então em particular o expansor de feixe. Neste exemplo práticotambém, analogamente à descrição com referência à Figura 3, a imagemrefletida no plano 18 é gravada pela câmera 24 e avaliada no computador C.Figura 6 mostra três imagens gravadas pela câmera 24 no caso em que oelemento óptico difrativo produz uma distribuição de radiação como matriz,onde a imagem à direita na Figura 6 mostra o caso de focalização ideal comiluminação relativamente uniforme dos pontos de imagem individuais. NaFigura 6, esquerda, é mostrado o caso no qual a posição focai se desvialateralmente do ponto de formação de imagem ideal 18a, para ser preciso, devárias centenas de micro metros. Pontos de imagens individuais sãoiluminados assimetricamente. Figura 6, no meio, mostra uma posição focaideslocada lateralmente em uma outra direção, onde os pontos de luz em formade matriz individuais são similarmente iluminados menos simetricamente doque no caso de focalização ideal de acordo com a imagem na Figura 6, àdireita.
Um elemento óptico 36 na forma de um DOE tem a vantagem,comparado com a matriz de orifícios de alta transmissão. Com um elementodifrativo, eficiência entre 80 e 90% pode ser tipicamente alcançada. Talarranjo também facilita dinâmica muito alta na avaliação da posição focai,isto é, desvios do foco da posição alvo ideal podem ser estabelecidos atravésde uma ampla faixa.
É também possível arranjar o elemento óptico difrativo 36 nasáreas 20a de acordo com as Figuras 1 e 2.
O elemento óptico difrativo pode também ser executado comoum elemento binário ou também como uma assim chamada estrutura gradeadamulti nível. As estruturas gradeadas podem ser de uma dimensão ou tambémde duas dimensões.
Se um arranjo de acordo com as Figuras 1, 2, 3 ou 4 é usadoem fs-LASIK, então a superfície refletiva 18, que define o plano nuloexplicado acima, pode ser, por exemplo, a parte posterior de um discotransparente em um aparelho de sucção conhecido deste modo, que éconstruído (revestido ou não revestido) de tal modo que uma pequenapercentagem da radiação incidente é refletida para obter a imagem a sergravada pela câmera 24.
Os seguintes são usados em particular como elementos ópticosdifrativos: gradeamentos, lentes de zona de Fresnel, assim chamadoselementos de conformação de feixe, etc. Os assim chamados componentesópticos refrativos podem também ser usados como elemento (36): porexemplo, arranjos de micro lentes, elementos de conformação de feixe, etc. Seo elemento óptico 34 é usado para análise de amplitude, então máscaras desombra ou também arranjos de orifícios em qualquer geometria tal comoquadrada, hexangular, hexagonal, etc. são particularmente adequadas,dependendo do tipo de feixe e objetivo de análise.
O elemento óptico pode também ser formado como uma fendaou como um arranjo de várias fendas.
Usando os arranjos descritos, não só a posição focai pode serdeterminada e controlada, como divergências de feixe, saídas de laser, desviosda radiação do eixo óptico, desvios no assim chamado produto de feixe M oumudanças no perfil do feixe de saída da fonte de luz 12 podem também serdetectados, uma vez que todos estes parâmetros de feixe podem ter umainfluência na imagem refletida gravada pela câmera 24. Com relação a todosestes parâmetros de feixe, o computador C pode ser providoexperimentalmente de antemão de uma base de dados através de tentativasobjetivadas, cuja base de dados designa desvios dos valores alvo ideais, cadaum dos quais corresponde a alterações de imagem, para parâmetros de feixeindividuais, de tal modo que o sistema é ajustável para valores ideais pelaintervenção com variáveis de correção correspondente. O uso de elementosópticos difrativos aqui facilita a compensação de quaisquer alterações de faseocorrendo possivelmente no caminho do feixe, que podem tambéminfluenciar a posição focai. O sensor de Hartmann Shack, conhecido como tal,não facilita tal análise.