專利名稱：采用區(qū)域構(gòu)圖屏板的激光整形的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工件激光整形的領(lǐng)域，特別是與利用屏板來控制工件曝光的工件激光整形的領(lǐng)域有關(guān)。
利用紫外線激光切除人的角膜，對角膜進(jìn)行整形，以便校正例如近視、遠(yuǎn)視和散光等視力問題，在目前引起人們相當(dāng)大的興趣。這樣的激光雕刻是通過將角膜暴露在紫外光脈沖之下，切除角膜的一薄層來完成的。紫外光的波長最好小于200毫微米。在脈沖積分通量為200毫焦耳/每平方厘米(nJ/cm)的情況，每一脈沖可切除約為0.1至0.2微米厚的一層角膜物質(zhì)。迄今已經(jīng)提出了許多控制激光切除的技術(shù)，用來保證角膜的形狀按要求進(jìn)行改變。這些技術(shù)包括使用有中心孔或隙縫的屏板，該中心孔或隙縫形成一定的形狀以限制每一激光光束的脈沖，使其只照射到一小部分角膜表面上，從而圍繞角膜對屏板進(jìn)行掃描時(shí)能按所規(guī)定的要求切除角膜物質(zhì)。另一技術(shù)是利用小直徑圓點(diǎn)，用多個(gè)脈沖橫貫角膜對該小圓點(diǎn)進(jìn)行掃描，以按規(guī)定要求逐步切除角膜物質(zhì)。
所有這些技術(shù)均有若干缺點(diǎn)。它們是對角膜的局部區(qū)域持續(xù)進(jìn)行手術(shù)的，因而它們很花費(fèi)時(shí)間，其原因在于必須應(yīng)用大量的脈沖來完成角膜的整形。許多這樣的手術(shù)過程需要幾分鐘或更長時(shí)間，以完成對角膜的反復(fù)雕刻。這樣長的時(shí)間有許多缺點(diǎn)。病人的頭和眼睛必須在整個(gè)雕刻時(shí)間內(nèi)保持在一個(gè)固定位置，以便進(jìn)行精確雕刻。這使病人和眼外科醫(yī)生很緊張。手術(shù)過程愈長，手術(shù)費(fèi)用愈高。這些技術(shù)的每一技術(shù)需要大量的激光脈沖來完成所要求的整形。利用有隙縫的屏板來控制曝光區(qū)域，其固有的缺點(diǎn)是激光能量的利用率低，這是由于大部分激光能量被屏板擋住的緣故。對掃描圓點(diǎn)型切除控制而言，在角膜的每一個(gè)小區(qū)域內(nèi)均需要較長的時(shí)間來精確切除所要求數(shù)量的物質(zhì)。
對這些技術(shù)的每一個(gè)技術(shù)來說，角膜表面的整形精度直接依賴于將屏板和/或激光束橫貫角膜進(jìn)行掃描的精度以及每一個(gè)脈沖的激光能量被控制的精度。人們需要有一種只化費(fèi)幾秒鐘就可雕刻一個(gè)角膜或小透鏡(lenticule)的激光雕刻技術(shù)以及一種其精度不依賴于激光光束或屏板中的孔橫貫角膜表面進(jìn)行精確掃描的技術(shù)。
這些技術(shù)的設(shè)備，每一個(gè)設(shè)備有安全風(fēng)險(xiǎn)問題，即在角膜的切除雕刻過程中，設(shè)備故障能導(dǎo)致角膜的不正確雕刻，包括切除的物質(zhì)多于規(guī)定的要求。由于幾方面的原因，這樣的風(fēng)險(xiǎn)在直接雕刻角膜時(shí)特別令人擔(dān)心。人所皆知，人的眼睛，特別是其角膜，不會(huì)很快再生的，如果能夠完全再生的話，也會(huì)留下影響良好視力的傷疤。因此，不按規(guī)定切除角膜物質(zhì)是不可挽救的手術(shù)過程，它會(huì)永久地破壞病人的視力。進(jìn)一步說，因?yàn)槊總€(gè)人只有一雙眼睛以及考慮到可視信息在我們現(xiàn)代信息非常多的社會(huì)中的巨大重要性，因而每個(gè)人都特別注意保護(hù)自己的眼睛。
即使最可靠的電子設(shè)備，也會(huì)產(chǎn)生偶然的事故。萬一在雕刻過程中產(chǎn)生事故可能會(huì)造成對眼睛的永久性破壞。
人們非常希望有一個(gè)能確保不致無意切除有用的組織的雕刻技術(shù)供雕刻人的角膜之用。
因此，本發(fā)明的主要目的是提供一種激光整形技術(shù)，這種技術(shù)既不依賴于激光光束的掃描，也不依賴于屏板中的孔的掃描。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種激光整形方法，在這種方法中，待整形的整個(gè)部位可作為一個(gè)整體來處理。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是精確地予先控制工件的整形模式圖。
本發(fā)明還有一個(gè)目是提供一種激光整形控制屏板，該屏板具有與所要求整形的區(qū)域模式圖相對應(yīng)的區(qū)域構(gòu)圖。
由說明書，作為一個(gè)整體，包括附圖，將會(huì)明了這些目的及其它目的。根據(jù)本發(fā)明，利用整形激光光束通過經(jīng)過一塊精確控制模式圖的區(qū)域構(gòu)圖屏板的方法來達(dá)到所述的目的，在所述的方法中，每一個(gè)激光脈沖按所述的模式圖將工件整形。
作為本發(fā)明的主要內(nèi)容如下1、一種把工件進(jìn)行激光加工成形的方法，該方法包括提供具有構(gòu)圖的屏板，其構(gòu)圖由可透光的光化象素及不透光的光化象素組成，所述可透光象素的位置對應(yīng)于在所述激光加工成形期間要求改變工件形狀的位置;
提供光化性光的源，該源提供光束，其大小足以籠罩所述屏板構(gòu)圖;
將所述屏板置于由所述源至所述工件的光通路中;
使所述光化學(xué)光通過所述屏板對準(zhǔn)到所述工件，以按照由所述屏板確定的構(gòu)圖對所述工件的表面加工成形。
2、上述1中所述的方法，其特征在于所述光化性光源提供能量實(shí)質(zhì)上預(yù)定的脈沖。
3、上述2中所述的方法，其特征在于所述的對準(zhǔn)步驟包括使來自所述光源的多個(gè)脈沖透過所述屏板的，以在所述工件的被曝光位置產(chǎn)生所要求的形狀變化。
4、上述1中所述的方法，其特征在于所述屏板的已構(gòu)圖區(qū)域包圍所述工件的整個(gè)加工區(qū)域。
5、上述1中所述的方法，其特征在于所述屏板的構(gòu)圖取在所述加工成形期間相對所述工件為本質(zhì)上維持靜止的狀態(tài)的形式。
6、上述5中所述的方法，其特征在于對通過所述光化學(xué)光的多脈沖的屏板來說，所述本質(zhì)上靜止的定位包括在所選的脈沖之后將所述罩板偏移在內(nèi)，所述偏移小于一個(gè)象素寬度。
7、上述1中所述的方法，其特征在于所述的工件是附在眼睛角膜上的小透鏡。
8、上述1中所述的方法，其特征在于所述的工件是用于附到眼睛角膜上的小透鏡。
9、上述1中所述的方法，其特征在于所述的工件是角膜。
10、一種將工件進(jìn)行激光雕刻的方法，本發(fā)明的特征在于該方法包括提供一組經(jīng)加權(quán)的屏板構(gòu)圖，其中每一個(gè)包括由透光和不透光的象素組成的特殊構(gòu)圖，所述透光象素對應(yīng)于要求除去物質(zhì)的位置，除去物質(zhì)的量與該罩板構(gòu)圖的加權(quán)成正比;
提供切除用的光源，該光源提供大小足以逐一籠罩每一個(gè)所述屏板的構(gòu)圖的光束。
用于每一個(gè)所述屏板構(gòu)圖的步驟包括將所述屏板構(gòu)圖置于由所述源至所述工件的光通路中，以及將適量的所述切除用的光對準(zhǔn)到所述的工件，以從所述工件的曝光部分有效的除去與所述屏板構(gòu)圖的加權(quán)正比的一定量的物質(zhì)。
11、上述10中所述的方法，其特征在于所述屏板組有二進(jìn)制的加權(quán)，其中第一屏板構(gòu)圖具有的加權(quán)為1，第二屏板構(gòu)圖具有的加權(quán)為2以及第三屏板構(gòu)圖具有的加權(quán)為3。
12、上述11中所述的方法，其特征在于所述切除用的光是按能量實(shí)際上相等的脈沖的形式提供的，所述加權(quán)為1的屏板用K個(gè)脈沖曝光，所述加權(quán)為2的屏板用2K個(gè)脈沖曝光，所述加權(quán)為4的屏板則用4K個(gè)脈沖曝光，其中K為整數(shù)常數(shù)。
13、上述12中所述的方法，其特征在于常數(shù)K等于1。
14、上述12中所述的方法，其特征在于在至少一個(gè)屏板構(gòu)圖要透過一個(gè)以上的脈沖的情況下，在對準(zhǔn)透過那個(gè)屏板構(gòu)圖的所述脈沖的至少一個(gè)脈沖之后，將所述屏板構(gòu)圖偏移，所述偏移小于一個(gè)象素寬度。
15、上述14中所述的方法，其特征在于所述至少一個(gè)屏板構(gòu)圖按照對準(zhǔn)通過其中的每個(gè)脈沖偏移。
16、上述10中所述的方法，其特征在于所述工件是附在眼睛角膜上的小透鏡。
17、上述10中所述的方法，其特征在于所述工件是用于附加到眼睛角膜上的小透鏡。
18、上述10中所述的方法，其特征在于所述工件是角膜。
19、用于用激光切除的方法在一個(gè)予定三維圖中除去物質(zhì)的一組屏板，本發(fā)明的特征在于包括多塊屏板，其每一塊屏板需按照指定的加權(quán)依次進(jìn)行曝光，以利用這組屏板來除去實(shí)質(zhì)上的所述予定三維圖內(nèi)的所述物質(zhì)。
20、上述19中所述的屏板組，其特征在于所述屏板中的每一塊屏板包括一予定數(shù)目的象素，每一屏板中的每一象素或是不透光的或是透光的，由不透光的和透光的象素所組成的構(gòu)圖是依照予定的要去除的物質(zhì)三維圖來確定的。
21、上述20中所述的屏板組，其特征在于所述屏板組包括加權(quán)為1的第一屏板，加權(quán)為2的第二屏板和加權(quán)為4的第三屏板。
22、上述21中所述的屏板組，其特征在于還包括加權(quán)為8的屏板。
23、上述22中所述的屏板組，其特征在于還包括加權(quán)為16的屏板。
24、上述23中所述的屏板組，其特征在于還包括加權(quán)為32的屏板。
25、上述19中所述的屏板組，其特征在于所述屏板的每一塊屏板存在于單塊基體上。
26、上述25中所述的屏板組，其特征在于每一個(gè)所述屏板構(gòu)圖的中心在所述基體上有一個(gè)予定的位置。
27、上述26中所述的屏板組，其特征在于該屏板組包括一個(gè)調(diào)節(jié)鍵，該調(diào)節(jié)鍵有一個(gè)相對于所述屏板構(gòu)圖的確定的位置。
28、上述27中所述的屏板組，其特征在于所述的鍵是所述基體的實(shí)際結(jié)構(gòu)的一部分。
29、上述27中所述的屏板組，其特征在于所述的鍵是所述基體上構(gòu)圖的一部分。
30、上述27中所述的屏板組，其特征在于所述鍵是所述基體的實(shí)際結(jié)構(gòu)和所述基體上的構(gòu)圖的組合。
31、生產(chǎn)激光成形屏板的系統(tǒng)，本發(fā)明的特征在于包括用于存儲屏板坯件的裝置;
用于將屏板坯件裝入曝光位置的裝置;
用于將屏板坯件曝光，使所要求的屏板構(gòu)圖處于受照射狀態(tài)的裝置。
用于將被曝光屏板坯件顯影并且按照由所述曝光和顯影所確定的構(gòu)圖將不透光涂層從所述坯件中除去。
32、上述31中所述的系統(tǒng)，其特征在于它還包括用于在所述屏板上提供有希望可以治好的病人的標(biāo)記，作為對所述屏板進(jìn)行曝光和顯影的一部分的裝置。
33、上述31中所述的系統(tǒng)，其特征在于包括用于存儲屏板設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的裝置。
34、上述31中所述的系統(tǒng)，其特征在于還包括用于接收屏板數(shù)據(jù)以便按所述所要求的屏板構(gòu)圖來控制所述屏板的曝光的裝置。
35、上述31中所述的系統(tǒng)，其特征在于所述用于曝光的裝置包括一臺激光打印機(jī)，該打印機(jī)是為對所述屏板坯件進(jìn)行曝光而配置的。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，使用一組經(jīng)加權(quán)的屏板來控制用激光雕塑法切除物質(zhì)所依照的模式圖。這些屏板最好能取二進(jìn)制加權(quán)，其中加權(quán)1的第一屏板用于控制K個(gè)激光脈沖的曝光模式圖，加權(quán)2的屏板用于控制2K個(gè)脈沖的激光曝光的模式圖，加權(quán)4的屏板用于控制4K個(gè)激光脈沖的曝光區(qū)域等等。如果需要的話也可用非二進(jìn)制加權(quán)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，一組二進(jìn)制屏板中的每一塊屏板包含一個(gè)陣列的象素，其中每一象素或是透光的，或是不透光的，因而分別可以或阻止對與該屏板的那個(gè)象素對準(zhǔn)了的區(qū)域進(jìn)行激光整形。
對于本發(fā)明，就實(shí)際結(jié)構(gòu)和方法，以及其進(jìn)一步的目的與優(yōu)點(diǎn)來說，參考下面結(jié)合附圖所作的說明即可很好地理解。


圖1是一張表，該表涉及所要求的相對切除度(the relative degreeof ablation)與一組加權(quán)屏板中每一塊屏板內(nèi)的對應(yīng)象素的透光度(1)或不透光度(0)的關(guān)系;
圖2和3各說明所要求的相對切除度的四個(gè)象素構(gòu)圖以及四塊屏板中每一塊屏板內(nèi)的相應(yīng)不透光或透光狀態(tài);
圖4說明八個(gè)加權(quán)屏板構(gòu)圖A-H，這些構(gòu)圖合起來在扁平的工件上形成一個(gè)凸圓球表面;
圖5是由圖4屏板組所雕刻的工件的部分剖開透視圖;
圖6說明八個(gè)加權(quán)屏板構(gòu)圖A-H，這些構(gòu)圖合起來在扁平的工件上形成一個(gè)雙曲線拋物面的表面;
圖7表示由圖6屏板組所產(chǎn)生的雙曲線拋物面表面的圖解說明;
圖8是用曲線圖說明激光切除的分辨率作為加權(quán)屏板數(shù)及象素尺寸的函數(shù);
圖9是沿曲率半徑為R1的球面的一部分的直徑剖開的截面;
圖10是沿曲率半徑為R2(R2＞R1)的第二個(gè)球表面的一部分的直徑剖開的載面;
圖11是沿圖9球表面的直徑剖開的截面，該圖表示為把圖9的球面改為圖10的球表面應(yīng)切除的物質(zhì);
圖12是表示沿圖11的截面直徑方向應(yīng)除去的物質(zhì)的深度與位置的函數(shù);
圖13表示一個(gè)八屏板組，該屏板組來切除圖11或12所指定的物質(zhì);
圖14表示一個(gè)八屏板組，該屏板組用來減小球面的曲率半徑;
圖15表示一個(gè)任意表面到另一個(gè)任意表面的變換。
根據(jù)本發(fā)明給出的屏板，不是用于直接雕刻象人的角膜(或附加到人的角膜的小透鏡)這樣的工件，而是用于控制每個(gè)激光脈沖透射到工件整個(gè)工作區(qū)域的激光能量，利用屏板控制的情況下，由每個(gè)脈沖對工件和那些工作區(qū)域進(jìn)行整形或切除。這樣做的好處是切除的模式圖是用屏板控制的，而不是用激光光束進(jìn)行掃描，或?qū)π】走M(jìn)行掃描來控制激光光束的掃描。這樣，切除的模式圖是用予制的屏板控制的，屏板的構(gòu)圖能在用于激光整形之前進(jìn)行檢查，以便保證實(shí)際出現(xiàn)在屏板上的構(gòu)圖將會(huì)產(chǎn)生所要求的整形模式圖。
根據(jù)本發(fā)明的屏板的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，切除模式圖是用一組加權(quán)屏板控制的，其中與屏板的光透射部分相一致的被除去物質(zhì)的量是與那塊屏板的指定加權(quán)成正比，一個(gè)特別優(yōu)選的加權(quán)屏板組的實(shí)施例包含一組二進(jìn)制加權(quán)屏板，其中各毗鄰的屏板加權(quán)為1，2，4，8，16，32，……屏板的數(shù)目以及最大的加權(quán)依賴于切除物質(zhì)時(shí)所要求的分辨率。
現(xiàn)參考圖1所示的表，該表涉及給定象素所要求的切除度與加權(quán)組內(nèi)每一屏板中那個(gè)象素的遮光狀態(tài)。在這個(gè)表的左邊一行中，所要求的相對切除度從0增加至255，其中17之后有間隙。在這個(gè)表的中間行中有一系列二進(jìn)制數(shù)字。這些數(shù)字上面的項(xiàng)目的最高行是屏板的字母符號，它們從右邊最低的加權(quán)屏板A開始并按字母次序增加到左邊的最高加權(quán)屏板H。這些屏板符號的正下方是諸屏板相應(yīng)的加權(quán)，它們按2次乘方從右邊的1增加到左邊的128。在它們的正下方是要獲取相等能量的激光脈沖時(shí)通過每一屏板應(yīng)透射激光脈沖數(shù)，該脈沖數(shù)從右邊的1增加到左邊的128。在表的右邊的一行中是一列諸屏板的屏板的字母符號，在這些屏板中，相應(yīng)的象素對該表同一排上所指定的相對切除度來說是透光的。該表的上面部分(其中所要求的相對切除度在排與排間增加1)僅包括五塊不同的屏板A-E。在該表的低下部分給出了需要附加屏板時(shí)的相對切除度，這部分中有一些間隙，這是為了使得該表能制到一張紙上。本專業(yè)的技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識到所省略的相對切除度受屏板的象素的狀態(tài)的控制情況類似于表先前的數(shù)據(jù)(較小的相對切除度)受控制的情況。
圖2中，相對切除度為7、8、9和10的以四個(gè)象素組成的一組表示于圖的左邊。這四個(gè)象素在加權(quán)為1，2，4和8的屏板A，B，C和D中的相應(yīng)狀態(tài)分別例示于圖的整個(gè)中間部分。撞擊到工件有關(guān)部分的脈沖總數(shù)表示于圖的最右端。在圖2中間部分的屏板中，填滿的象素對激光脈沖是不透光的，而空白的象素對激光脈沖是透光的。通過每一屏板透射的相等能量脈沖的數(shù)目直接表示于圖的中間部分的那塊屏板下方。
圖3與圖2的布置是類似的，但是此圖說明相對切除度為3，6，11和15的四個(gè)不同象素的情況。
可以理解下面的情況當(dāng)整形度正比于激光脈沖的能量強(qiáng)度時(shí)，屏板加權(quán)每一次增加，每個(gè)脈沖的能量就增加一倍，而不是固定能量的脈沖數(shù)增加一倍。這就是說，當(dāng)整形是與累積能量成線性關(guān)系時(shí)，關(guān)鍵在于受屏板控制的累積能量。當(dāng)物質(zhì)整形成與脈沖能量不成線性關(guān)系時(shí)，最好取適當(dāng)?shù)哪芰抗潭ǖ拿}沖，脈沖數(shù)隨屏板加權(quán)而增加。但是，如果需要的話，可選擇和利用脈沖能量和脈沖數(shù)的適當(dāng)組合。
圖4說明八個(gè)二進(jìn)制加權(quán)屏板，這些屏板在利用于加權(quán)組合的情況下將按照在工件的曝光面上留下一個(gè)凸球表面部分這樣一個(gè)形狀從平的工件除去物質(zhì)。屏板A加權(quán)最小，只有單個(gè)脈沖從中透過。屏B的加權(quán)為2，有2個(gè)脈沖從中透過。屏板C的加權(quán)為4，有4個(gè)脈沖從中透過。按照同樣的方式，屏D的加權(quán)為8，屏板E的加權(quán)為16，屏板F的加權(quán)為32，屏板G的加權(quán)為64以及屏板H的加權(quán)為128?？梢钥吹剑@些屏板的構(gòu)圖的每一個(gè)構(gòu)圖幾何中心是不透光的，因而在工件的中心沒有物質(zhì)被除去，而在超出構(gòu)圖A中細(xì)致構(gòu)圖的外限之外所有的屏板是透光的，因此，由這組屏板所控制的激光切除過程其所除去的一些物質(zhì)的數(shù)量等于所有屏板的加權(quán)和乘以由每一個(gè)脈沖所除去的物質(zhì)的厚度。在這種情況下，在該工件的這個(gè)外圍部分除去的總深度為255乘以由1個(gè)脈沖所除去的深度。
如果想在工件周圍、表面為球面的一部分的圓頂區(qū)外除去更多的物質(zhì)以便使圓頂形成圓柱體在工作背景部分上方延伸的頂部，則可以增設(shè)一個(gè)構(gòu)圖A中細(xì)致構(gòu)圖區(qū)不透光、在圓形區(qū)透光的屏板“I”，并將屏板“I”按對應(yīng)于所想切除的深度的加權(quán)進(jìn)行曝光。作為另外一種方法，也可以要工件邊緣區(qū)內(nèi)除去多一倍的物質(zhì)，與其同時(shí)，材料表面的光潔度下降，這種方法是將透過八塊屏板的每一塊屏板的脈沖數(shù)加倍，從而使工作區(qū)內(nèi)每個(gè)位置上除去的物質(zhì)量加倍。但是，這樣形成的表面是非球面的一部分橢面，而不是球面的一部分橢面。
最好將屏板A-H的每一塊屏板配置于單一的屏板襯底上，諸屏板的每一個(gè)構(gòu)圖的中心位置在相對于一個(gè)已知的參考位置，而該參考位置可以在各屏板或各屏板構(gòu)圖的一個(gè)屏板或一個(gè)屏板構(gòu)圖內(nèi)(如在它的中心)內(nèi)，也可以在所有的構(gòu)圖之外。
在圖4的用于將平的工件雕刻為具有球面的屏板組中可以看到的一個(gè)特性是出現(xiàn)在屏板中的細(xì)線隨著屏板加權(quán)的增加而減少。用來切除具有光滑對稱邊緣的大量物質(zhì)而設(shè)計(jì)的許多屏板組都有這個(gè)特點(diǎn)。
圖5是利用圖4的屏板組進(jìn)行雕刻而成的工件的局部剖示圖，所述的屏板組將扁平的上表面雕刻成具有球面斷面的表面。
圖6表示用于形成一個(gè)雙曲線拋物面的表面的一個(gè)八屏板組。在圖7中表示結(jié)果形成的表面，但是相對于圖7中的屏板組來說，已相對于屏板組轉(zhuǎn)了90°，該表面的左邊和右邊是由圖6中屏板構(gòu)圖的上部和下部形成的。
圖7中(X2)/(a2) - (Y2)/(b2) =CZ對于象小透鏡的或人或動(dòng)物的角膜的表面這樣的光學(xué)表面整形來說，令人感興趣的一件事情是用本發(fā)明二進(jìn)制屏板組進(jìn)行激光切除所產(chǎn)生的最終表面的圓滑程度。雖然許多規(guī)范可用于度量那個(gè)圓滑度，但我們選擇一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，用來比較由給定數(shù)目的屏板所得的分辨率，并且該分辨率作為象素尺寸的函數(shù)。在將一扁平的工件雕刻成一個(gè)凸出球面的情況，我們選擇的標(biāo)準(zhǔn)是由激光切除方法實(shí)際除去的物質(zhì)的體積與要制造一個(gè)球面而應(yīng)該除去的物質(zhì)的體積之比，這個(gè)要制造的球面是最大的球面，該表面完全位于工件之內(nèi)或在它的表面處。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)用曲線圖形式說明于圖8，其中雕刻范圍的直徑為5000微米并被雕刻成為球面的一部分表面以及在該范圍的中心處比它的邊緣處高25微米，如圖8頂部的截面圖所示。圓滑度為100%時(shí)表示該表面處處與理想的球面表面一致?？梢钥闯?，不依賴于所用屏板的數(shù)目的象素?cái)?shù)較少的情況來說，圓滑度百分率是低的。這是因?yàn)橄笏財(cái)?shù)目小會(huì)導(dǎo)致大的、扁平的成頂區(qū)域，這些區(qū)域與“理想”球面表面之間空出較大的部分，這種情況是與垂直(深度)控制的精度無關(guān)的。應(yīng)該指出，圓滑度隨著屏板組中屏板數(shù)目因而隨著所用的不同去除深度以及垂直分辨率的精度而增加并隨著象素?cái)?shù)目因而也隨水平分辨度的精度的增加而增加。還應(yīng)該認(rèn)識到的是被每一激光脈沖除去的物質(zhì)層愈薄，最后形成曲線的圓滑度愈好，但由給定數(shù)目的脈沖能除去的物質(zhì)的最大數(shù)量將會(huì)減少。
圖8說明一種特殊雕刻狀況的圓滑度。其它的情況有其它情況的圓滑度。當(dāng)工件是光學(xué)元件時(shí)，所需圓滑度的等級將與該特殊光學(xué)元件以及所使用的整個(gè)系統(tǒng)有關(guān)。
通常，對于雕刻人的角膜或依附在角膜上的小透鏡來說，所面對的問題不是一個(gè)把平的工件機(jī)械加工成球面形表面的問題，而是一個(gè)把現(xiàn)有的彎曲表面雕刻變換為改善視力的不同的彎曲表面的問題。在圖9中，要加以整形的初始彎曲表面10用一個(gè)截面表示，該截面是沿著那個(gè)球形表面的直徑來截取的。圖10示出了所要求的最后的彎曲表面110，連同用虛線輪廓線表示的現(xiàn)有的初始表面10。
在圖11中示出了初始彎曲表面10，所要求的曲面110配置在表面10內(nèi)(因?yàn)槟壳斑@個(gè)方法僅僅適用于將物質(zhì)除去)，為清楚起見，要除去的物質(zhì)120用斜陰影線表示。
在圖12中，要除去物質(zhì)120用要除去的厚度表示，該厚度為沿表面10直徑的位置的數(shù)。這個(gè)厚度在該表面的邊緣處為零并且向該表面的中心單調(diào)地增加。
圖13中說明了用于除去物質(zhì)120的一個(gè)八屏板組。
角膜完全是球面形的人不多。完全球面形的角膜表面只會(huì)給極少數(shù)人帶來最佳的視力。人的角膜形狀是不規(guī)則的以及人的總的視覺系統(tǒng)是這樣的一般說來，不規(guī)則的形狀會(huì)給人帶來最佳的視力。因此，本發(fā)明用于眼科上的最佳方式是將一個(gè)不規(guī)則的曲面彎換成另一種不同的不規(guī)則曲面。
圖14是一個(gè)八塊屏板組，用于減少球面形表面的曲率半徑(增加曲率)。這個(gè)屏板組按照與圖10-13所示方法的相反方法來改變曲率。
本發(fā)明的二進(jìn)制加權(quán)區(qū)域構(gòu)圖屏板實(shí)施例，其優(yōu)點(diǎn)之一在于在每一象素中可除去的物質(zhì)的數(shù)量可從零一直到(2N-1)倍由一個(gè)脈沖所除去的物質(zhì)的深度。這樣，可以將任一個(gè)任意表面通過確定在每一象素中待除去物質(zhì)的數(shù)量這樣的方法變換成任一個(gè)其它任意包含的表面。圖15給出了這個(gè)通過物質(zhì)本體的截面的粗略實(shí)例。在每個(gè)象素之上的數(shù)字對應(yīng)于那個(gè)象素中要除去的厚度。
本發(fā)明提供了用于雕刻角膜，小透鏡和其它工件以及用于將一個(gè)不規(guī)則表面變換成一個(gè)不同的不規(guī)則表面時(shí)優(yōu)于先有技術(shù)的許多優(yōu)點(diǎn)。尤為特別的是，物質(zhì)除去的程度是在屏板改進(jìn)工藝過程中受加權(quán)控制的，其效果是不必再仔細(xì)小心控制圓點(diǎn)激光束或孔屏板的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)光束細(xì)微運(yùn)動(dòng)和達(dá)到除去物質(zhì)的不規(guī)則性的剖面。因此，與先有技術(shù)的方法相比，本發(fā)明提供了對實(shí)際要除去物質(zhì)剖面的更可靠的控制。此外，既然整個(gè)雕刻過程是由一個(gè)激光束來執(zhí)行，該激光束大得足以籠罩整個(gè)已構(gòu)圖的屏板區(qū)域，那么只需用很少數(shù)的脈沖就可以產(chǎn)生所需的剖面。尤其是在最大除去深度為255倍由單脈沖移去的深度時(shí)，僅僅需要255個(gè)激光脈沖用于整個(gè)的雕刻過程，而不是小的掃描圓點(diǎn)在每一個(gè)要求那個(gè)除去物質(zhì)深度的點(diǎn)上所需的255個(gè)激光脈沖。因此，這個(gè)屏板組大大地減少了雕刻一個(gè)角膜，小透鏡或其它工件所需要的激光脈沖數(shù)目。這有許多好處，首先，該加工過程比先有技術(shù)的加工過程快很多。第二，眼睛受激光脈沖曝光的數(shù)目大大減少，因此由那個(gè)激光曝光所產(chǎn)生的付作用的危險(xiǎn)性減到最小。在脈沖重復(fù)頻率可高達(dá)每秒100個(gè)脈沖的準(zhǔn)分子激光器應(yīng)用于這個(gè)激光雕刻加工并且在255范圍內(nèi)分辨率為1時(shí)，僅僅需要255個(gè)脈沖，這對應(yīng)于2.5秒多一點(diǎn)的光激射時(shí)間。因?yàn)閷δ莻€(gè)分辨率來講需要八塊不同的屏板，所以將八塊不同的屏板轉(zhuǎn)換到相對于角膜或小透鏡的適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)位置所需的時(shí)間必須加到這個(gè)實(shí)際的激光器時(shí)間上。但是，用現(xiàn)代化的定位和調(diào)節(jié)設(shè)備，對每一次屏板轉(zhuǎn)換來說，這樣的屏板轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)應(yīng)在1秒鐘之內(nèi)完成，其最終結(jié)果是整個(gè)雕刻過程可以用約10秒鐘來完成。采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備，比1/2秒要短得多的屏板轉(zhuǎn)換時(shí)間是可能實(shí)現(xiàn)的。這樣，整個(gè)加工過程可以在10秒鐘內(nèi)很好地進(jìn)行。這大大地簡化了病人在激光切除過程中一直固定住他或她的眼睛的問題，因?yàn)閷σ粋€(gè)病人來說，把一個(gè)眼睛持續(xù)10秒固定于某一位置要比幾分鐘容易得多。而且，正確的切除模式圖是由正確制造的屏板加以保證的，正確地調(diào)節(jié)這些屏板，只要必要數(shù)目的固定能量脈沖透過每一個(gè)屏板構(gòu)圖即可。
為了使操作差錯(cuò)的危險(xiǎn)或?qū)Ρ景l(fā)明的激光切除加工的正確完成的其它干擾減少到最小的程度，使用于一個(gè)給定激光切除雕刻的所有被確定于一層掩膜層內(nèi)的屏板構(gòu)圖在單一基片上，所用的基片上有一個(gè)調(diào)節(jié)鍵，該鍵完全保證屏板正確地插入在雕刻設(shè)備中。這個(gè)調(diào)節(jié)鍵可以是基片實(shí)際結(jié)構(gòu)的一部分，如圖6右下邊所示的基片上構(gòu)圖的一部分，或兩者兼之。在基片角上的類似切口可作為調(diào)節(jié)鍵。也可用其它的調(diào)節(jié)鍵。每一片這樣的屏板基片也應(yīng)該包括正確識別予定的病人和眼睛。這可以是文字的形式，例如，病人的姓名和“左眼”或“右眼”，或者是數(shù)字或其它符號。最好使該雕刻設(shè)備包括自動(dòng)聯(lián)鎖，該自動(dòng)聯(lián)鎖依照每個(gè)屏板的加權(quán)來限制透過該屏板組的脈沖數(shù)目。也希望在各屏板上有正確的調(diào)節(jié)標(biāo)記，它保證多屏板正確地被調(diào)向小透鏡或角膜。
提供這樣的正確調(diào)節(jié)的一個(gè)技術(shù)是在角膜或小透鏡的視覺上有效的部分之外雕刻四個(gè)調(diào)節(jié)標(biāo)記。采用這種技術(shù)，各屏板的每一塊屏板中的各調(diào)節(jié)標(biāo)記在切除用的激光脈沖透過該屏板之前先被調(diào)節(jié)。這樣的調(diào)節(jié)參考(點(diǎn))可以雕刻在角膜或小透鏡中，或者可以是加到角膜或色斑點(diǎn)上小的反射性圓點(diǎn)，或者是由位置參考光束照明的點(diǎn)，這些被照明的點(diǎn)由調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過該屏板加以觀察。
雖然本發(fā)明已按照二進(jìn)制加權(quán)的屏板進(jìn)行了說明，但是由相同的概念也可使用其它的屏板加權(quán)。二進(jìn)制加權(quán)屏板的主要優(yōu)點(diǎn)是用最少的屏板數(shù)就可除去分辨率給定的物質(zhì)。
帶有象素為3至6平方微米的屏板能夠用掃描激光束將光刻膠圖形曝光或者直接從屏板基片上切除掩膜層等方法加以制造。
作為一種替代的屏板制備技術(shù)，屏板構(gòu)圖可用激光打印機(jī)按每英寸300個(gè)點(diǎn)進(jìn)行打印并且按四比一進(jìn)行縮小，以致產(chǎn)生每英寸1200個(gè)點(diǎn)的圖形或20.8微米寬的象素。
這些屏板能夠用作近接觸屏板，在平行光束的激光器光作為“接觸”屏的情況下，接觸屏板對工件模形構(gòu)圖的尺寸為1∶1的遮擋關(guān)系。為了除去切除物，在屏板和工件之間必須留出足夠的空間。這些屏板也可用作投影屏板，此時(shí)屏板和工件之間的尺寸減小。用投影屏板時(shí)，工件表面處的激光光線最好是平行光線，以避免工件加工表面尺寸極小時(shí)為非平面所引起的失真。
對于某些用足夠小的象素進(jìn)行激光成形加工的情況，屏板透光區(qū)域邊緣處的激光光束散射現(xiàn)象會(huì)對物質(zhì)去除情況產(chǎn)生影響。對高加權(quán)的屏板來說，可以用在每一激光脈沖之后或在一予定數(shù)目的激光脈沖之后略微移動(dòng)這些屏板的方法使這樣的影響減到最小。這個(gè)“略微”運(yùn)動(dòng)應(yīng)小于一個(gè)象素寬度，最好是小于一個(gè)象素寬度的二分之一。
通常，如果屏板基片有平的表面的話，屏板的加工是最簡單的。但是，最好在一個(gè)成形的表面上形成屏板，以便控制散射現(xiàn)象的影響或用于其它目的。這樣的成形表面包括那些具有象角膜一樣的曲率的表面，這使屏板遮擋層(the making layer)位于離角膜表面大致不變的距離。
該屏板遮擋層可配置在透光屏板基片的表面上，該表面是朝向工件或背離工件的。
為了簡化制造這種形式的屏板的過程，最好用自動(dòng)機(jī)構(gòu)來存儲屏板坯件，運(yùn)載屏板坯件到曝光位置以及在屏板坯件確定屏板構(gòu)圖。確定屏板構(gòu)圖的工藝過程是包括對屏板坯件的光刻膠進(jìn)行曝光膠進(jìn)行曝光和顯影并且然后按照由光刻膠限定的圖形將不透光的涂層從屏板基片的表面除去。用于處理和加工半導(dǎo)體芯片的一般型式的設(shè)備能夠用于這個(gè)場合。配套的打印機(jī)能用來作為曝光機(jī)。
這里所述的屏板已假定屏板構(gòu)圖是二進(jìn)制的，其中每一象素或是100%透光的或是0%透光的。當(dāng)然，可以用99%透光的屏板基片而不致與所要求的雕刻圖有很大的偏差。下述的屏板比較難以制造，但也是能夠制造的，即根據(jù)本發(fā)明，由100%透光的各部分，50%透光的各部分以及0%透光的各部分所組成的屏板構(gòu)圖是能夠制造和加以利用的，其方法是給出一個(gè)屏板坯件，該坯件上有50%透光的初始掩膜層以及該層上的為0%透光的第二屏板層。這樣的屏板能這樣來構(gòu)圖首先確定一個(gè)光刻膠構(gòu)圖，該圖使除了需要保留0%透光的部分以外，其它所有0%透光層都被除去。此后，對第二光刻膠層構(gòu)圖，在要求100%透光的各處，將50%透光層除去。按這種方法，能夠產(chǎn)生一種多重屏板(a multilevel mask)，這種屏板可以減少所需屏板數(shù)。按照類似的方法，如果需要的話，可以提供具有0%、25%、50%、75%以及100%透光區(qū)域的屏板。這種型式用于產(chǎn)生任意的和圓滑的雕刻表面的理想化的屏板，其透光范圍根據(jù)所要求的襯底物質(zhì)的切除等級，在0與100之間。這樣的屏板是在本發(fā)明的概念之內(nèi)的，其原因在于它是確定整個(gè)雕刻區(qū)域上的切除模式構(gòu)圖的一塊區(qū)域屏板。
制造這樣一種模擬區(qū)域屏板的一種方法是利用全息光照相圖，以將均勻的入射激光脈沖轉(zhuǎn)換成光線圖，根據(jù)所要求的切除等級，該光線在強(qiáng)度方面隨位置而變化。這樣一種全息光照相的屏板可用作為控制切除的一塊單一的屏板，或者，經(jīng)加權(quán)的各全息光照相屏板可應(yīng)用于要求較高分辨率的場合。
為了正確的加權(quán)除去物質(zhì)，激光光束應(yīng)該籠罩整個(gè)的屏板構(gòu)圖并且在橫貫屏板構(gòu)圖范圍內(nèi)具有恒定的積分通量。但是，如果該光束在光束范圍內(nèi)的積分通量具有已知的變化，那么在屏板設(shè)計(jì)過程中是能夠?qū)Υ诉M(jìn)行補(bǔ)償?shù)?，其方法是確定每個(gè)象素要去除物質(zhì)的深度，那樣的去除所需的總的積分通量以及在那個(gè)象素位置上激光光束的積分通量。然后將所需的總積分通量用局部的光束積分通量除，以確定所需的脈沖數(shù)。隨后在屏板構(gòu)圖的每一構(gòu)圖中將那個(gè)脈沖數(shù)利用那個(gè)象素的狀態(tài)設(shè)置到屏板中去。
就本發(fā)明在雕刻小透鏡或角膜方面的應(yīng)用，已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了許多討論。但是，本發(fā)明能夠用于任何可用激光成形的工件，將其成形，這些工件包括塑料、金屬體等等。
要去除的物質(zhì)的最大深度(D)，所需要的脈沖數(shù)目(n)以及單個(gè)脈沖去除的深度(T)有下列關(guān)系D/N＝T這樣，D＝NTT＝D/N 和N＝D/T雖然本發(fā)明已根據(jù)它的優(yōu)先實(shí)施例在此作了詳盡的敘述。但是其中許多改進(jìn)和改變均可由本專業(yè)的技術(shù)人員可以實(shí)現(xiàn)。因此，意欲用權(quán)利要求書來復(fù)蓋這樣的落入在本發(fā)明實(shí)際精神與范圍之內(nèi)的改進(jìn)與改變。
權(quán)利要求
1.一種把工件進(jìn)行激光加工成形的方法，該方法包括提供具有構(gòu)圖的屏板，其構(gòu)圖由可透光的光化象素及不透光的光化象素組成，所述可透光象素的位置對應(yīng)于在所述激光加工成形期間要求改變工件形狀的位置；提供光化性光的源，該源提供光束，其大小足以籠罩所述屏板構(gòu)圖；將所述屏板置于由所述源至所述工件的光通路中；使所述光化學(xué)光通過所述屏板對準(zhǔn)到所述工件，以按照由所述屏板確定的構(gòu)圖對所述工件的表面加工成形。
2.權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于所述光化性光源提供能量實(shí)質(zhì)上預(yù)定的脈沖。
3.權(quán)利要求2中所述的方法，其特征在于所述的對準(zhǔn)步驟包括使來自所述光源的多個(gè)脈沖透過所述屏板的，以在所述工件的被曝光位置產(chǎn)生所要求的形狀變化。
4.權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于所述屏板的已構(gòu)圖區(qū)域包圍所述工件的整個(gè)加工區(qū)域。
5.權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于所述屏板的構(gòu)圖取在所述加工成形期間相對所述工件為本質(zhì)上維持靜止的狀態(tài)的形式。
6.權(quán)利要求5中所述的方法，其特征在于對通過所述光化學(xué)光的多脈沖的屏板來說，所述本質(zhì)上靜止的定位包括在所選的脈沖之后將所述罩板偏移在內(nèi)，所述偏移小于一個(gè)象素寬度。
7.權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于所述的工件是附在眼睛角膜上的小透鏡。
8.權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于所述的工件是用于附到眼睛角膜上的小透鏡。
9.權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于所述的工件是角膜。
10.一種將工件進(jìn)行激光雕刻的方法，本發(fā)明的特征在于該方法包括提供一組經(jīng)加權(quán)的屏板構(gòu)圖，其中每一個(gè)包括由透光和不透光的象素組成的特殊構(gòu)圖，所述透光象素對應(yīng)于要求除去物質(zhì)的位置，除去物質(zhì)的量與該罩板構(gòu)圖的加權(quán)成正比;提供切除用的光源，該光源提供大小足以逐一籠罩每一個(gè)所述屏板的構(gòu)圖的光束。用于每一個(gè)所述屏板構(gòu)圖的步驟包括將所述屏板構(gòu)圖置于由所述源至所述工件的光通路中，以及將適量的所述切除用的光對準(zhǔn)到所述的工件，以從所述工件的曝光部分有效的除去與所述屏板構(gòu)圖的加權(quán)正比的一定量的物質(zhì)。
11.權(quán)利要求10中所述的方法，其特征在于所述屏板組有二進(jìn)制的加權(quán)，其中第一屏板構(gòu)圖具有的加權(quán)為1，第二屏板構(gòu)圖具有的加權(quán)為2以及第三屏板構(gòu)圖具有的加權(quán)為3。
12.權(quán)利要求11中所述的方法，其特征在于所述切除用的光是按能量實(shí)際上相等的脈沖的形式提供的，所述加權(quán)為1的屏板用K個(gè)脈沖曝光，所述加權(quán)為2的屏板用2K個(gè)脈沖曝光，所述加權(quán)為4的屏板則用4K個(gè)脈沖曝光，其中K為整數(shù)常數(shù)。
13.權(quán)利要求12中所述的方法，其特征在于常數(shù)K等于1。
14.權(quán)利要求12中所述的方法，其特征在于在至少一個(gè)屏板構(gòu)圖要透過一個(gè)以上的脈沖的情況下，在對準(zhǔn)透過那個(gè)屏板構(gòu)圖的所述脈沖的至少一個(gè)脈沖之后，將所述屏板構(gòu)圖偏移，所述偏移小于一個(gè)象素寬度。
15.權(quán)利要求14中所述的方法，其特征在于所述至少一個(gè)屏板構(gòu)圖按照對準(zhǔn)通過其中的每個(gè)脈沖偏移。
16.權(quán)利要求10中所述的方法，其特征在于所述工件是附在眼睛角膜上的小透鏡。
17.權(quán)利要求10中所述的方法，其特征在于所述工件是用于附加到眼睛角膜上的小透鏡。
18.權(quán)利要求10中所述的方法，其特征在于所述工件是角膜。
19.用于用激光切除的方法在一個(gè)予定三維圖中除去物質(zhì)的一組屏板，本發(fā)明的特征在于包括多塊屏板，其每一塊屏板需按照指定的加權(quán)依次進(jìn)行曝光，以利用這組屏板來除去實(shí)質(zhì)上的所述予定三維圖內(nèi)的所述物質(zhì)。
20.權(quán)利要求19中所述的屏板組，其特征在于所述屏板中的每一塊屏板包括一予定數(shù)目的象素，每一屏板中的每一象素或是不透光的或是透光的，由不透光的和透光的象素所組成的構(gòu)圖是依照予定的要去除的物質(zhì)三維圖來確定的。
21.權(quán)利要求20中所述的屏板組，其特征在于所述屏板組包括加權(quán)為1的第一屏板，加權(quán)為2的第二屏板和加權(quán)為4的第三屏板。
22.權(quán)利要求21中所述的屏板組，其特征在于還包括加權(quán)為8的屏板。
23.權(quán)利要求22中所述的屏板組，其特征在于還包括加權(quán)為16的屏板。
24.權(quán)利要求23中所述的屏板組，其特征在于還包括加權(quán)為32的屏板。
25.權(quán)利要求19中所述的屏板組，其特征在于所述屏板的每一塊屏板存在于單塊基體上。
26.權(quán)利要求25中所述的屏板組，其特征在于每一個(gè)所述屏板構(gòu)圖的中心在所述基體上有一個(gè)予定的位置。
27.權(quán)利要求26中所述的屏板組，其特征在于該屏板組包括一個(gè)調(diào)節(jié)鍵，該調(diào)節(jié)鍵有一個(gè)相對于所述屏板構(gòu)圖的確定的位置。
28.權(quán)利要求27中所述的屏板組，其特征在于所述的鍵是所述基體的實(shí)際結(jié)構(gòu)的一部分。
29.權(quán)利要求27中所述的屏板組，其特征在于所述的鍵是所述基體上構(gòu)圖的一部分。
30.權(quán)利要求27中所述的屏板組，其特征在于所述鍵是所述基體的實(shí)際結(jié)構(gòu)和所述基體上的構(gòu)圖的組合。
31.生產(chǎn)激光成形屏板的系統(tǒng)，本發(fā)明的的特征在于包括用于存儲屏板坯件的裝置;用于將屏板坯件裝入曝光位置的裝置;用于將屏板坯件曝光，使所要求的屏板構(gòu)圖處于受照射狀態(tài)的裝置。用于將被曝光屏板坯件顯影并且按照由所述曝光和顯影所確定的構(gòu)圖將不透光涂層從所述坯件中除去。
32.權(quán)利要求31中所述的系統(tǒng)，其特征在于它還包括用于在所述屏板上提供有希望可以治好的病人的標(biāo)記，作為對所述屏板進(jìn)行曝光和顯影的一部分的裝置。
33.權(quán)利要求31中所述的系統(tǒng)，其特征在于包括用于存儲屏板設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的裝置。
34.權(quán)利要求31中所述的系統(tǒng)，其特征在于還包括用于接收屏板數(shù)據(jù)以便按所述所要求的屏板構(gòu)圖來控制所述屏板的曝光的裝置。
35.權(quán)利要求31中所述的系統(tǒng)，其特征在于所述用于曝光的裝置包括一臺激光打印機(jī)，該打印機(jī)是為對所述屏板坯件進(jìn)行曝光而配置的。
全文摘要
切除手術(shù)時(shí)進(jìn)行的激光雕刻借助于屏板區(qū)域構(gòu)圖進(jìn)行控制，由該屏板構(gòu)圖根據(jù)作為位置的函數(shù)的所要求切除程度確定光的透光情況。在一個(gè)實(shí)施例中，一組二進(jìn)制加權(quán)的屏板被用來使要雕刻的工件的表面構(gòu)形產(chǎn)生任意的變化。
文檔編號A61F9/008GK1049966SQ9010751
公開日1991年3月20日 申請日期1990年9月3日 優(yōu)先權(quán)日1989年9月5日
發(fā)明者詹姆斯·威爾遜·羅斯, 朗倫·M·萊文森, 劉容生 申請人:通用電氣公司