CN1085144A - 激光烧蚀用的扫描方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改进的方法，用于通过烧蚀改 变目的物表面，其结果在于能够减少烧蚀残渣在目的 物表面上再沉积。

Description

本发明涉及通过激光烧蚀改变目的物表面领域，以及使用激光对于表面领域，以及使用激光对于表面及由这类烧蚀方法改变后的目的物进行精加工的方法。
利用激光束来改变表面是已知的。早在二十世纪八十年代即已发现，以紫外频率范围发出的脉冲激光，通过烧蚀作用的光致分解（APD）能够改变目的物的表面。后来曾经发现，通过采用APD，可以除去的目的物材料层约为每一脉冲1微米目的物材料的数量级。
另外还曾指出，APD并不对重新又直接暴露在被烧蚀材料下面的材料的特性产生显著性蚀变。这种现象被解释为，由于紫外激光器在足够短的时间周期内提供的足够能量，实际上能够破坏聚合的目的物材料的共价键而不会对其基底加热（参见美国专利Nos.4，417，948及4，568，632）。此外，采用APD的扫描方法已在美国专利5，061，342中公开。
根据进一步进行研究，还曾发现，某些材料当被烧蚀时能够产生不等量的烧蚀有机物残渣，其中有些会再沉积在目的物材料的表面上。据认为，这种再沉积的残渣能够阻止对于被烧蚀的目的物表面予示蚀变的企图。
此外，还曾发现，某些材料不能象其它材料那样被干干净净地进行蚀刻。对于目的物的表面进行烧蚀，一方面还要除掉来自该表面的再沉积和粘附的残渣，同时又能避免残渣进一步积聚的方法，尚且是未知的。
现在制定的一种新方法则用来按一定方式烧蚀表面，以便同时清除掉再沉积的残渣而随后又能避免残渣的聚积。为了在选定的目的物上获得所需要的最终表面，必须在烧蚀过程继续在目的物表面的剩余部分上面进行之前，先从该表面上清除掉烧蚀过程中形成并成为再沉积及粘附在该表面上的残渣。
根据本发明公开的一种方法，用来通过烧蚀改变目的物表面同时避免烧蚀残渣积聚，所包括的步骤为：a）将脉冲的紫外辐射光束射在目的物表面上要求除去最少量材料处所在的位置，以及b）让该光束沿着朝向目的物表面上要求除去最大量材料处所在部分的方向进行扫描。
根据进一步的实施例公开了一种烧蚀目的物表面的方法，所包括的步骤为：a）将脉冲的紫外辐射光束射在目的物表面的第一边缘;b）让上述光束沿着朝向并停止在目的物表面的平分线上的方向进行扫描;c）将目的物旋转180°;d）让该光束返回到其步骤a）中处在目的物表面边缘的位置，以及e）让该光束沿着朝向并停止在上述平分线上的方向进行扫描，以使整个目的物表面都能够被扫描。
进一步的设想是，本申请提出的发明对于压型的交联的、热固性、热塑性或其它材料特别有用，其中包括适于用作接触透镜的光学透明材料。
图1a表示接触透镜坯料的横截面。图中虚线为最终所要求的复曲面的放大。
图1b表示接触透镜坯料的横截面。图中虚线为作为透镜表面的所要求精加工成的曲线的放大。
图2为作为此项新的扫描工艺提出的表示典型实验装置示意图。
如图1a及1b所示，所要求的任何类型的最终加工表面，都可以采用本发明的激光扫描在目的物表面上给出。如图1a所示，通过除去光学区周围较多的材料，可以将复曲面的曲线配置在目的物上。也可以如图1b所示精加工成具有不同光焦度的透镜，其中在光学区周围除去较少的材料，且在光学区中央除去较多的材料。对于本领域技术熟练的专业人员应当理解，使用本发明能够产生出随意形状的表面，而且现有的图形仅为了说明的目的。
图2表示对于利用本发明可能存在的一种装置。原始的激光束1是由准分子激光器2发出的。此原始的激光束射向第一块扫描镜3，并可射向第二块扫描镜4。随后该原始激光束将射向可移动的光束变换平台5，该平台包括能够产生高能量密度的聚焦镜6。该光束变换平台还可包括能够产生低能量密度光束的柱面镜7。在此光束经变换之后，将射向目的物所在工位8。目的物工位包括其上固定有安装机构10以将目的物11固定在适当位置的转动机构9。
本发明涉及一种变更光学表面的新方法，以使其按照球面、柱面或者不同的折射本领、形状系数或不同的表面几何形状产生变化。这种新方法乃是美国专利No.5，061，342中教导的工艺过程的改进，其整个内容在此被结合作为参考。
本发明的方法在于利用紫外辐射从目的物表面上烧蚀材料，以在该目的物上产生出所需要的最终表面。适于进行烧蚀的目的物表面，包括有接触透镜、接触透镜坯料、用于制做接触透镜的模具、用于制做这种模具的工具，以及任何其上直接或者间接地给出所需要的可予测的最终的球面、柱面或者不同的折射本领的物件，例如接触透镜。
为了产生所需要的最终结果，往往须从目的物表面上除去不同量的材料。例如为了在接触透镜上产生出复曲面，必须从光学区的边缘或周围除掉比光学区的中央部位更多的材料（参见图1a）。因此，为了产生复曲面，与光学区的中央部位被扫描且其表面被烧蚀时产生的有机物残渣相比，光学区周围将产生更大量的烧蚀物残渣。
曾经发现，当激光束在透镜的一个边缘开始其扫描以产生出复曲面时，该透镜的表面上会随机地再沉积出显著的被烧蚀物残渣。其中的某些残渣将再沉积在激光束扫描光路中的透镜目的物之上。当出现这种情况时，随着激光继续其扫描，此激光束首先碰到的材料不再是原来的目的物表面，而是再沉积的由其周围新近粘附的残渣。
复曲面接触透镜，被理解为可校正由散光引起的视觉灵敏度不足的镜头。这样的透镜具有柱面的折射元件，在经过光轴的所有平面内其折射本领并非固定，而是在一个平面内具有最高的折射本领，且在垂直此第一平面的另一平面内具有最低的折射本领。
尽管由美国专利5，061，342中描述的所谓“边缘至边缘”扫描产生出来的最终表面常常是对其它已知表面变型方法（诸如钉板条之类）的一种改进，然而应当相信，有时会产生有机物残渣并阻碍获得最佳结果的可能。因此，在本发明的一个实施例中，激光束的扫描是在必须除去最少量材料的位置或其附近开始的，并且射向必须除去最大量材料的位置，以产生出最后的表面。在复曲面的情况下，需除去最少量材料的位置靠近光学区的中央。因此，如本发明所设想的那样，激光束一开始位于该透镜的平分线上，并且朝着该透镜的一个边缘进行扫描。当该光束到达此边缘时，该扫描停止，而且该光束返回到该平分线或者起始扫描位置。然后将该透镜或其它目的物被固定的平台最好旋转180度，以使该光束能够象其对该目的物第一“半”扫描行进行那样，在同一方向上运动。在该位置上，激光束再一次起作用，并且离开平分线并朝向边缘移动以继续进行扫描，这时的扫描是在目的物表面的剩余部分上面进行。按照这种方式，似乎会有更多的残渣能从光学区中有效地去除。
该平台可以旋转任意角度，并按照例如象每隔20°的重复增量进行扫描，直至整个目的物表面被完全扫描。在改变接触透镜表面的情况下，目的物的表面通常为大约象准分子激光器产生的原始光束一样宽的光学区。因此，对于整个目的物表面进行扫描，可以通过将平台旋转180°并进行一次扫描（或者两次CE扫描）来实现。
如图1b中表示的那样，假如必须从目的物的中心部位除去更多的材料以产生出所需要的最终目的物表面，那么根据本发明的光束扫描要在第一边缘位置开始，并朝着该目的物的中心或者平分线继续进行。当扫描到达上述平分线时，扫描被中断，光束不再起作用，然后返回到扫描出发处所在的边缘位置。将其上固定有目的物的平台旋转180°。然后让光束重新起作用并朝着平分线继续进行扫描，以使整个目的物表面均能被扫描。
或者换一种方式，在光束由第一边缘运动而到达平分线之后，让其不起作用，然后让此光束射向相反的第二边缘，随后让其朝着上述平分线进行扫描，直到整个目的物表面均被扫描为止。按照这种方式，无须再旋转目的物。如果象仰卧的病人作角膜外科手术那样被扫描的目的物不能方便或准确地旋转，那么该实施例将是首选的。
因此，为了根据本发明获得改进的烧蚀结果，可以沿着“从中心到边缘”或者“从边缘到中心”的方向继续进行光束扫描，仅取决于考虑到起始目的物表面的条件所需要的最后结果如何。换而言之，在任何给定位置必须从目的物表面上除掉的材料的多少，决定了该处的光束扫描是开始还是结束。
因而应当认为，为了减少目的物表面上的残渣积聚，光束的扫描必须在目的物表面上必须除掉最少量材料而且将会形成最少量残渣处的位置上开始。因而技术熟练的专业人员将会理解，扫描可以按照想象得到的任何多样化的位置开始和结束，以便由随意形状的原始目的物表面产生出所需要的任何完美的表面效果。
应当理解，目的物表面上的平分线，乃是穿过目的物表面中心延伸的一条线。（就形状而言，目的物表面不必一定是圆的或者球面。）
施加在目的物每一单位面积上的激光能量通称为能量密度，对于紫外辐射来说，常常用每平方厘米毫焦耳（mJ/cm2）来表示。根据本发明进行扫描的激光能量密度的范围，最好约从20至约5000毫焦耳/厘米2，约从500至约2000毫焦耳/厘米2更好，且从750至约1500毫焦耳/厘米2为最好。
尽管本发明的方法将能工作在任何给定的能量水平上，然而本领域的技术熟练人员应当理解，一定的材料将需要一定的能量密度，以便通过烧蚀而有效地改变表面。
“交联的”聚合物材料被理解为是对任何一种聚合物材料的描述，该聚合物材料带有通过或是由元素、基团或是由通称为交联剂的化合物构成的桥（bridge）将其聚合物分子的两个链组成的连接物（attachment）。
“热固性”材料一词，是指加热时不可逆转地固化或“凝固”的聚合物。对比起来，“热塑性”材料被理解为是指受热时变软并能恢复至其起始状态的聚合物。
尽管本发明非常适合于接触透镜的变型，然而改变接触透镜的钮扣状物（button）、坯料和模具以及用于制做该模具及接触透镜的工具，也已由本发明仔细考虑。实际上用以赋予另一表面以光学性能或表面几何形状的任何手段，均可由本发生加以改变。通过对用于制做模具的这类工具进行激光扫描以变更表面，依次再将该模具按浇铸法用于制做接触透镜，被公开在与此同时提出并共同转让的被标记为代理卷号No.P00995的美国专利申请中。
对于象角膜雕刻以及烧蚀残渣被指出是扫描后妨碍达到更好的目的物表面质量因素的任何其它方法的其它一些激光扫描应用来说，本发明进一步被认为是有用的。对于本领域技术熟练的专业人员来说，根据这里提出的教导对本发明作出其它一些改进和变更是可能的。因而应当理解，在权利要求书的范围内，本发明可以不同于这里的特定描述去实施。

Claims (15)

1、一种通过烧蚀改变目的物表面同时又能避免烧蚀残渣积聚的方法，其特征在于包括下述步骤：a)将脉冲的紫外辐射光束射在目的物表面上要求被除去最少量材料处所在的位置，以及b)让该光束沿着朝向目的物表面上要求被除去最大量材料处所在部分的方向进行扫描。
2、根据权利要求1的方法，其特征在于所述的脉冲紫外辐射光束是由准分子激光器发出的。
3、根据权利要求1的方法，其特征在于所述的目的物表面包括交联的聚合物材料。
4、根据权利要求1的方法，其特征在于所述的目的物为热固性材料。
5、根据权利要求1的方法，其特征在于所述的目的物为热塑性材料。
6、根据权利要求1的方法，其特征在于所述紫外辐射光束的能量密度约从20毫焦耳/厘米2至约5，000毫焦耳/厘米2。
7、根据权利要求1的方法，其特征在于所述光束的能量密度约为1焦耳/厘米2。
8、根据权利要求1的方法，其特征在于所述的目的物为接触透镜。
9、一种通过烧蚀改变目的物表面同时又能避免烧蚀残渣积聚的方法，其特征在于包括如下步骤：a）将脉冲的紫外辐射光束射在目的物表面的边缘;b）让上述光束沿着朝向并停止在目的物表面的平分线上的方向进行扫描;c）将目的物旋转180°;d）让该光束返回到其步骤a）中位置，现在是目的物表面的相反边缘，以及e）让该光束沿着朝向并停止在上述平分线上的方向进行扫描，以使整个目的物表面都能够被扫描。
10、一种通过烧蚀改变目的物表面同时又能避免烧蚀残渣积聚的方法，其特征在于包括如下步骤：a）将脉冲的紫外辐射光束射在目的物表面的第一边缘上;b）让上述光束沿着朝向并停止在上述目的物表面的平分线上的方向进行扫描;c）让上述光束不起作用;d）将上述光束射在与上述第一边缘直接相对的边缘上;e）重新让上述光束起作用;f）让上述光束从上述相反的边缘沿着朝向并停止在上述平分线上的方向进行扫描，以使整个目的物表面都能够被扫描。
11、根据权利要求9的目的物表面，其特征在于所述的目的物是能够在另一个表面上赋予光学性能或表面几何形状的元件。
12、根据权利要求10的目的物表面，其特征在于所述的目的物是能够在另一个表面上赋予光学性能或表面几何形状的元件。
13、根据权利要求9的目的物表面，其特征在于所述的目的物为接触透镜。
14、根据权利要求10的目的物表面，其特征在于所述的目的物为接触透镜。
15、根据权利要求10的目的物表面，其特征在于所述的目的物为角膜表面。
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