CN1091080A - 激光烧蚀用的对称性扫描方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过烧蚀改变目的物表面的 改进方法，其结果是能够减少烧蚀物残渣在目的物表 面上的再沉积。

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，这种再沉积的残渣会以某种方式阻止对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，这种烧蚀方法直到目前尚且是未知的。
现在制定的一种新方法，是按一定方式来烧蚀表面，以便同时清除掉再沉积的残渣而随后又能避免该残渣的积聚。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烧蚀目的物表面的方法，包括同时将分束后的脉冲紫外辐射光束射在上述目的物表面上，并使这些光束彼此相对运动及使目的物表面运动，以使整个目的物表面都能被扫描。
在本发明的进一步实施例中，公开了一种光致烧蚀目的物表面的方法，所包括的步骤为：a）同时将分束后的脉冲紫外辐射光束射在目的物表面上要求除去最少量材料的部位，以及b）让此被分束后光束的各个光束沿着彼此分离的方向并朝向目的物表面上要求除去最大量材料的部位进行扫描，以使整个目的物表面都能被扫描。
在本发明的更进一步实施例中，公开了一种光致烧蚀目的物表面的方法，所包括的步骤为：a）同时将分束后的脉冲紫外辐射光束至少射在目的物表面的两个相反的边缘，以及b）让上述光束沿着朝向并停止在目的物表面平分线上的方向进行扫描，以使整个目的物表面都能被扫描。
进一步说来，公开了一种光致烧蚀目的物表面的方法，所包括的步骤为：a）将环形的脉冲紫外辐射光束射在目的物表面的边缘，以及b）逐渐减小该光束的半径，从而使上述光束在朝向并停止在该目的物表面中心点上的所有方向上同时进行扫描，以使整个目的物表面都能被扫描。
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。图中虚线为最终所要求的凸表面的放大。
图2为表示新的同时让分束后的光束进行扫描方法的示意图。
图3为表示对此分束扫描方法提出的典型实验装置透视图。
图4表示为环形束扫描方法用的典型实验装置图。
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球面、柱面或者不同的折射本领或几何形状的物件，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等量的材料。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。
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不固定，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。
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，利用本发明能够产生出随意形状的表面，而且现有的图形只是为了说明的目的。
曾经发现，当激光束在透镜的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，而是再沉积的由透镜周围新近粘附的残渣。
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于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，再沉积的残渣会阻碍取得最佳结果的可能。
因此，根据本发明立即设想的是，为了在目的物表面上产生出最有效的结果，激光束的扫描要在要求除去最少量材料以产生出最终表面的位置或其附近开始。在复曲面的情况下，要求除去最少量材料是靠近其光学区的中心（参见图1a）。
因此，如本发明所设想的那样，图2及3表示的原始激光束1是由准分子激光器2发出的。该原始光束射在分束棱镜3上面并可有两束光4和5产生。随后这两束光被射在曲面的辅助反射镜6及7上，依次由其将这些光束射在目的物表面8上。在本发明的一个实施例中，扫描镜6及7是被计算机设备（未表示）控制的，同时对这些光束起作用，以使其同时穿过目的物表面运动及对其扫描。在适合于改变或产生出复曲面的一个实施例中，开始时这些光束会聚在目的物表面的平分线9上，并且沿着相互离开的方向朝着该目的物表面的相反边缘10及11同时扫描，以对整个目的物表面实现完全扫描。
在另一个实施例中，当要求从光学区的中心除掉更多的材料时，开始时这些光束射在该目的物表面的相反边缘，例如位置10及11，并且彼此相向同时运动，直至两光束会聚在目的物表面的平分线上，以对整个目的物表面实现完全扫描（参见图1b）。
在进一步实施例中，图4表示的是一个能够扩展和收缩的环形光束，可被用来对目的物表面的许多区域同时进行扫描。图4表示的这种系统对于改变或者产生复曲面是特别有用的，在此处的一个实施例中，由准分子激光器13发出的原始光束12可被射在能够产生环形光束15的圆锥形反射镜14或其它反射镜上，随后此环形光束15射在环形辅助反射镜16上。然后由此辅助反射镜将环形光束射在目的物表面17上。通过让锥形反射镜相对此环形辅助反射镜运动，可以逐渐增大或者减小该光束的直径。在一个实施例中，该环形光束于是可以其趋近为一个点的最小直径射在目的物表面的中心点18并朝外扩展，同时伸向目的物表面的最外围，以使整个目的物表面都能被扫描。
在要求从目的物的中心区除去比其周围更多材料的另一实施例中，开始时环形光束的直径被设置为同目的物表面最外围的直径匹配。然后通过让锥形反射镜相对环形辅助反射镜运动而使此环形光束的直径缩小，造成穿过此目的物表面同时对众多点进行扫描，以使该光束在目的物表面的中心点上会聚为最小直径，而且整个目的物表面均被扫描。
如本领域技术熟练的专业人员能够理解的那样，很多已知的反射（反射镜）或折射（透镜）光学系统均可被用来产生在此公开的分束光束或环形光束。故这里公开的实施例也只是为了说明的目的。
因此，为了根据本发明取得改进了的烧蚀效果，这种光束扫描可以沿着从中心开始同时向外朝着目的物表面的相反边缘的方向，或者从相反的边缘同时向内朝着中心点或直径，仅取决于如已经描述过的那样，什么是考虑到起始目的物表面的条件所要求的最终结果。应当理解，在需要错综复杂表面形状的场合，对本发明加以变化即可实现。
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是球面。）
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5，000毫焦耳/厘米2，约从500至约2，000毫焦耳/厘米2更好，且从750至约1，500毫焦耳/厘米2为最好。
“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，对比之下，“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坯料、模具和接触透镜的工具，也已由本发明仔细考虑。实际上用以赋予目的物表面光学性能的任何手段，都可由本发明加以改变。通过对用于制做模具有这类工具进行激光扫描以变更表面，被用来例如按照浇铸的方法制做接触透镜，已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可以想象会妨碍扫描之后达到更好的目的物表面质量的其它方法之类的其它激光扫描应用来说，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 (19)

1、一种用于烧蚀目的物表面并能减少烧蚀物残渣积聚的方法，其特征在于包括同时将分束后的脉冲紫外辐射光束射在上述目的物表面上，并使这些光束彼此相对运动及使目的物表面运动，以使整个目的物表面都能被扫描。
2、一种光致烧蚀目的物表面的方法，其特征在于包括以下步骤：a）同时将分束后的脉冲紫外辐射光束射在目的物表面上要求除去最少量材料的部位，以及b）让此被分束后光束的各个光束沿着彼此分离的方向并朝向目的物表面上要求除去最大量材料的部位进行扫描，以使整个目的物表面都能被扫描。
3、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。
4、根据权利要求1的方法，其特征在于所述的目的物表面是由交联的聚合物材料构成的。
5、根据权利要求1的方法，其特征在于所述的目的物是热固性材料。
6、根据权利要求1的方法，其特征在于所述的目的物是热塑性材料。
7、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。
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、根据权利要求2的方法，其特征在于所述的目的物为接触透镜。
10、根据权利要求2的方法，其特征在于所述的目的物为角膜表面。
11、一种光致烧蚀目的物表面的方法，其特征在于包括以下步骤：a）同时将两条脉冲紫外辐射光束至少射在目的物表面的两个边缘，以及b）同时让上述光束沿着朝向并停止在目的物表面平分线上的方向进行扫描，以使整个目的物表面都能被扫描。
12、根据权利要求11的方法，其特征在于所述的目的物表面为接触透镜。
13、一种光致烧蚀目的物表面的方法，其特征在于包括以下步骤：a）将环形的脉冲紫外辐射光束射在目的物表面的中心点，以及b）逐渐增大该光束的半径，从而使上述光束在离开上述中心点至该目的物表面所有边缘的所有方向上同时进行扫描，以使整个目的物表面都被扫描。
14、根据权利要求13的方法，其特征在于所述的目的物表面为接触透镜。
15、一种光致烧蚀目的物表面的方法，其特征在于包括以下步骤：a）将环形的脉冲紫外辐射光束射在目的物表面的边缘，以及b）逐渐减小该光束的半径，从而使上述光束在朝向并停止在该目的物表面中心点上的所有方向上同时进行扫描，以使整个目的物表面都能被扫描。
16、根据权利要求15的方法，其特征在于所述的目的物表面为接触透镜。
17、根据权利要求11的目的物表面，其特征在于所述的目的物是能够在其它表面上给出光学性能或表面几何形状的元件。
18、根据权利要求13的目的物表面，其特征在于所述的目的物是能够在其它表面上给出光学性能或表面几何形状的元件。
19、根据权利要求15的目的物表面，其特征在于所述的目的物是能够在其它表面上给出光学性能或表面几何形状的元件。
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