DE19502258C2 - Vorrichtung zum gleichmäßigen Abtragen einer Schicht von der Oberfläche eines Substrats - Google Patents

Description

Es ist bekannt, zur Formung der Cornea Gewebe mittels Laser­ strahlen abzutragen (Photoablation). Vorzugsweise werden hierfür Excimer-Laser eingesetzt, deren Wellenlänge bei etwa 200 nm und größer liegt. Eine bekannte Anordnung ist in Fig. 1 gezeigt, bei der ein Laserstrahl eines Excimer-Lasers 10 durch einen Strahl-Homogenisator 12 und eine Irisblende 14 geleitet und anschließend von einem Spiegel 18 auf die Cornea eines Auges 2 gelenkt wird. Die Größe der Irisblende ist mittels einer Steuervorrichtung 16 veränderbar. Auf diese Weise kann die Größe des von dem Laserstrahl auf der Cornea abgebildeten Flecks eingestellt werden. Durch Variie­ ren der Fläche und Form des Flecks und der Anzahl der La­ serimpulse für bestimmte Flächenabschnitte der Cornea kann die Form der Cornea verändert und damit eine Fehlsichtigkeit des Auges korrigiert werden.

Beispielhaft ist in Fig. 2 gezeigt, wie die Cornea, die zunächst einen Radius R₁ hat, durch Laserbehandlung in einem kreisförmigen Bereich mit einem Durchmesser D in ihrer Form abgeflacht wird, so daß sich anschließend ein wirksamer Ra­ dius R₂ ergibt. Im Bereich der optischen Achse 5 des Auges 2 ergibt sich ein Schichtdickenabtrag mit einer Dicke A.

Aus bisher ungeklärten Gründen kommt es zu einer ungleich­ mäßigen Abtragung des Gewebes, d. h. es ergeben sich nach der Behandlung mit der bekannten Vorrichtung Abweichungen von einer gewünschten Form der Cornea. Wie in der in Fig. 3 ge­ zeigten vergrößerten Ansicht des mit einem Kreis in Fig. 2 markierten Bereichs schematisch dargestellt ist, wird im Be­ reich der optischen Achse weniger als in den Randbereichen abgetragen. Bei Versuchen kam es zu einer Abweichung x in der Größe von 5 bis 10 µm, die in einem Bereich mit einem Durchmesser d von 2 bis 3 mm symmetrisch zur optischen Achse 5 lag. Diesem sogenannten "Zentralinsel"-Problem (Central Island) begegnet man bisher damit, daß eine Vor- bzw. Nach­ behandlung für den mittleren Bereich durchgeführt wird, bei der mittels Laserstrahlimpulsen bei entsprechender Variation der Einstellung der Irisblende 14 diese Erhebung abgetragen werden soll. Das Ergebnis dieser Nachbehandlung ist aber oft unzureichend.

US 5 350 374 beschreibt ein Topographiesystem, das zur Steuerung eines Systems zur Photoablation verwendet wird. Diese Vorrichtung weist eine mikromechanische Mo­ dulationseinrichtung auf, die aus einem Feld aus kleinen bewegbaren Masken besteht, die einen Laserstrahlanteil jeweils durchlassen oder blockieren. Abhängig von der Auswertung durch das Topographiesystem werden die ein­ zelnen Masken derart angesteuert, daß durch eine aufein­ anderfolgende Abtragung von Einzelflächen der gewünschte Abtrag erreicht wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der das vorstehend beschriebene Problem vermieden wird.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen der Pa­ tentansprüche.

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, den mit her­ kömmlichen Vorrichtungen erzeugten Laserfleck (Ablationsbe­ reich, Behandlungsbereich) in mehrere belichtete und unbe­ lichtete Bereiche aufzuteilen. Dadurch wird bei jedem Laser­ impuls Material nur im belichteten Bereich abgetragen. Durch Verstellen der Einrichtung werden bei folgenden Laserimpul­ sen auch die zunächst unbelichteten Bereiche belichtet und hier Material abgetragen, wodurch über die vollständige Flä­ che des Laserflecks ein gleichmäßiger Abtrag vom Material erfolgt. Im Gegensatz zum Stand der Technik erfolgt der Ab­ trag bezogen auf eine eingestellte Größe eines Laserflecks nicht in einem Schritt sondern wird in mehrere Schritte auf­ geteilt. Dies hat den Vorteil, daß eine gleichmäßige Schicht abgetragen wird, und das vorstehend beschriebene Problem des "Central Island" vermieden wird.

Vorzugsweise haben die belichteten Bereiche eine solche Größe und Form, daß die Entfernung jedes Punktes innerhalb eines belichteten Bereiches zum nächsten unbelichteten Punkt, d. h. außerhalb des Bereiches kleiner als 1,5 mm ist. Wenn der belichtete Bereich kreisförmig ist, hat dieser Kreis einen Radius von kleiner 1,5 mm.

Vorzugsweise beträgt das Verhältnis der Flächen der belich­ teten zu den unbelichteten Bereichen 1 : 5 bis 5 : 1. Die be­ lichteten und unbelichteten Bereiche können gleichmäßig aber auch ungleichmäßig über den Laserfleck verteilt sein. Bei­ spielsweise kann in einer mittleren Zone des Laserflecks der Anteil der belichteten Bereiche größer sein als in einer außen liegenden Zone.

Die Siebblende wird vorzugsweise im Strahlengang im Bereich vor der zu bearbeitenden Fläche angeordnet. Alternativ kann die Siebblende zwischen dem Laser und dem Strahlhomogenisa­ tor oder auch zwischen dem Homogenisator und der Irisblende oder der Irisblende und dem Umlenkspiegel angeordnet sein. Alternativ zu einer hin- und hergehenden Bewegung in einer Richtung kann die Siebblende in mehrere Richtungen z. B. ent­ lang der Linie eines Rechtecks oder Vielecks oder einer Kreisbahn in einer Ebene im wesentlichen senkrecht zur La­ serstrahlachse bewegt werden. Zusätzlich oder anstelle dieser Bewegung kann die Siebblende um die Laserstrahlachse bzw. eine dazu parallele Achse gedreht werden.

Anstelle einer Siebblende kann eine Maske eingesetzt werden, die mehrere Bereiche aufweist, die für den Laserstrahl durchlässig sind und im übrigen für den Laserstrahl undurch­ lässig ist. Eine Maske hat den Vorteil, daß beliebige Muster aus durchlässigen und undurchlässigen Bereichen herstellbar sind.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung ist im Strahlengang ein Spiegel angeordnet, der in be­ stimmten Bereichen reflektierend ausgebildet ist. Beispiels­ weise kann ein im Strahlengang angeordneter Umlenkspiegel (vgl. Spiegel 18 in Fig. 1 oder 4) eingesetzt werden, der in bestimmten Bereichen reflektierend ausgebildet ist. Entspre­ chend dem Muster der reflektierenden Bereiche des Spiegels wird auf der zu bearbeitenden Fläche des Substrats ein La­ serfleck mit belichteten und unbelichteten Bereichen er­ zeugt. Durch eine entsprechende Verstellung der Position dieses Spiegels und/oder Drehung des Spiegels um eine Ver­ stellachse vor jedem Laserimpuls können aufeinanderfolgend verschiedene Stellen auf der zu bearbeitenden Fläche belich­ tet werden.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung sind mehrere Einrich­ tungen im Laserstrahlgang vorhanden. Es können mehrere Sieb­ blenden oder auch Kombinationen mit Masken oder Spiegel ein­ gesetzt werden. Beispielsweise können zwei Siebblenden mit gleichem Aufbau derart verschiebbar zueinander angeordnet sein, daß die Größe und Form der belichteten Bereiche des Laserflecks veränderbar ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird von der Ein­ richtung, d. h. von der Siebblende, der Maske oder dem Spie­ gel mit einem bestimmten Reflexionsmuster ein Laserfleck mit einem schachbrettartigen Raster erzeugt. Der Laserfleck weist hierbei eine gleich große Anzahl von belichteten und unbelichteten Bereichen auf, die gleich groß und regelmäßig angeordnet sind. Alternativ können Balkenmuster aus neben­ einanderliegenden streifenförmigen belichteten und unbelich­ teten Bereichen erzeugt werden. Regelmäßige Muster haben den Vorteil, daß entsprechend einem vorhandenen Rastermaß die Einrichtung vor jedem Laserimpuls oder einer Serie von La­ serimpulsen entsprechend verstellt wird. Es sind aber auch beliebige Muster mit gegebenenfalls unterschiedlich großen und geformten belichteten Bereichen möglich, wobei die Einrichtung vorzugsweise so verstellt wird, daß statistisch eine gleichmäßige Abtragung von Material auf der zu bearbei­ tenden Fläche des Substrats erfolgt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine bekannte Vorrichtung zur Formung einer Cornea durch Abtragen von Material mittels Laserstrahlim­ pulsen,

Fig. 2 eine schematische Ansicht der Cornea vor und nach der Behandlung,

Fig. 3 einen Ausschnitt des in Fig. 2 mit einem Kreis mar­ kierten Bereiches,

Fig. 4 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsge­ mäßen Vorrichtung,

Fig. 5 eine der Fig. 3 entsprechenden Ansicht eines Berei­ ches der Cornea nach der Behandlung mit der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 4,

Fig. 6 eine Siebblende mit einem schachbrettartigen Muster, und

Fig. 7 ein Laserfleck mit einem balkenförmigen Raster.

Fig. 4 entspricht weitgehend der Vorrichtung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Auf die vorstehende Beschreibung wird bezug genommen. Zusätzlich ist eine Siebblende 20 im Strahlengang des Lasers zwischen dem Spiegel 18 und dem Auge 2 angeordnet. Die Siebblende 20 ist im wesentlichen quer zur Achse des Laserstrahls hin und her bewegbar. Die Bewegung der Siebblende 20 wird von der Steuereinrichtung 16 gesteu­ ert. Die Steuerung erfolgt vorzugsweise automatisch mittels Rechnersteuerung in Abhängigkeit von der Anzahl der Laserim­ pulse. Darüber hinaus kann die Steuervorrichtung auch die Irisblende 16 steuern.

Die Siebblende bewirkt, daß auf der zu behandelnden Fläche ein Laserfleck abgebildet wird, der ein Hell-Dunkel-Muster hat. Im Gegensatz zum Stand der Technik besteht der Fleck nicht nur aus einer hellen Fläche, sondern diese Fläche wird mit der Siebblende so teilweise abgeschattet, daß eine Viel­ zahl von kleinen belichteten Bereichen gebildet werden, an die sich jeweils unbelichtete Bereiche anschließen. Vorzugs­ weise wird die Siebblende vor jedem Laserimpuls in eine neue Position gebracht und dann werden vorzugsweise die Bereiche auf der zu bearbeitenden Fläche belichtet, die vorher nicht belich­ tet worden sind. Nach einer gewünschten Abfolge von Verstel­ lungen wird die gesamte zu bearbeitende Fläche belichtet. Im Ergebnis wird eine gleichmäßig dicke Materialschicht abge­ tragen.

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Siebblende bei der Laser­ behandlung zur Formung der Cornea bewirkt in vorteilhafter Weise, daß der gewünschte Abtrag gleichmäßig über die zu be­ handelnde Fläche erfolgt. Wie in Fig. 5 gezeigt, wird die Erhöhung im Bereich der optischen Achse 5, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, vermieden. Dies hat den Vorteil, daß die bisher häufig notwendige Nachbehandlung entfallen kann und eine gleichmäßigere Oberflächenkontur erzielbar ist.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird eine Siebblende 20 mit einem schachbrettartigen Raster einge­ setzt, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist. Das schachbrettar­ tige Raster hat eine Breite M und eine Höhe N und besteht aus regelmäßig angeordneten belichteten und unbelichteten Bereichen mit einer Breite k und einer Höhe 1. Im gezeigten Beispiel sind sowohl die Siebblende als auch die einzelnen belichteten und unbelichteten Bereiche quadratisch. Eine solche Siebblende 20 wird von der Steuereinrichtung 16 um jeweils das Rastermaß k, l in einer Richtung hin- und herbe­ wegt. Auf diese Weise wird nach jeweils zwei Laserimpulsen die gesamte zu behandelnde Fläche belichtet.

Gemäß der vorliegenden Erfindung können beliebige Einrich­ tungen eingesetzt werden, die eine Aufteilung des Laser­ flecks in belichtete (helle) und unbelichtete (dunkle) Be­ reiche bewirken. Die Flächen-Anteile der belichteten Berei­ che können insgesamt gleich den Flächen-Anteilen der unbe­ lichteten Bereiche sein, wie es beispielsweise bei der in Fig. 6 gezeigten schachbrettartigen Siebblende der Fall ist. Erfindungsgemäß kann die Summe der belichteten Bereiche ge­ genüber der Summe der unbelichteten Bereiche kleiner aber auch größer sein. Das Verhältnis der belichteten zu unbe­ lichteten Bereichen kann hierbei zwischen 1 : 5 bis 5 : 1 lie­ gen. Angepaßt an dieses Verhältnis wird die Siebblende ent­ sprechend nacheinander in mehrere Positionen gebracht. Geht man beispielsweise von einer Siebblende aus, bei der sich an einen belichteten Bereich zwei gleich große unbelichtete Be­ reiche anschließen, so ist für die Belichtung der gesamten zu bearbeitenden Fläche die Siebblende insgesamt dreimal vor einem Laserimpuls zu verschieben, so daß im Ergebnis ein La­ serimpuls für jede Stelle der zu bearbeitenden Fläche des Laserflecks wirksam ist.

Vorzugsweise ist das Raster der Siebblende einheitlich. Al­ ternativ können Siebblenden eingesetzt werden, deren Ver­ hältnis der belichteten zu unbelichteten Bereiche über die Fläche der Siebblende unterschiedlich ist. Beispielsweise kann eine Siebblende verwendet werden, die in bestimmten Zo­ nen, wie in der Mitte oder am Rand einen höheren Anteil an hellen bzw. dunklen Bereichen hat.

In Fig. 7 ist ein Laserfleck gezeigt, der parallel nebenein­ anderliegende balkenförmige belichtete und unbelichtete Be­ reiche aufweist.

Die Form und Größe jedes be­ lichteten Bereiches ist vorzugsweise so zu wählen, daß die Entfernung zwischen einem beliebigen Punkt im belichteten Bereich zum Rand des belichteten Bereichs, d. h. zu einem un­ belichteten Punkt E < 1,5 mm beträgt. Am Beispiel des in Fig. 7 dargestellten Laserflecks heißt dies, daß die strei­ fenförmigen belichteten Bereiche eine Breite von vorzugs­ weise < 3 mm aufweisen. Die Ausdehnung in der Länge der Streifen ist dabei beliebig. Am Beispiel der in Fig. 6 ge­ zeigten Siebblende ist die Breite k bzw. Höhe l der belich­ teten Bereiche jeweils < 3 mm.

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere vorteilhaft ein­ setzbar bei Verfahren zur Formung der Cornea eines Auges, wobei insbesondere mittels einer verstellbaren Irisblende ein sich in Größe und Form verändernder Laserfleck auf der Cornea abgebildet wird. Die Erfindung ist aber auch in ande­ ren technischen Gebieten einsetzbar, d. h. beim Abtragen von Material eines beliebigen Substrats.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Abtragen von Material von einem Substrat mit:
einem Laser (10), mit dem ein Laserstrahl mit einer geeigneten Wellenlänge entlang eines Strahlengangs emittierbar ist,
einem optischen System (12, 14, 18), das mit dem Laser (10) verbunden ist und den Laserstrahl so zu führen vermag, dass ein Laserfleck (F) auf eine zu bearbeitende Fläche des Substrats abbildbar ist, wobei das optische System den Laserstrahl derart zu formen vermag, dass ein gewünschtes Ablationsprofil erzeugbar sein sollte, gekennzeichnet durch eine Maske (20), die in dem Laserstrahlengang zusätzlich angeordnet ist, zum Abschauen von Teilen des Laserflecks, derart, dass mehrere relativ zueinander gleichbleibend angeordnete belichtete und unbelichtete Bereiche gleichzeitig auf der zu bearbeitenden Fläche des Substrats erzeugbar sind, wobei das Flächenverhältnis der belichteten zu den unbelichteten Bereichen fest vorgegeben ist, wobei die Maske aufeinanderfolgend relativ zur optischen Achse verschiebbar ist, so dass mit einer Summe von Abtragungen ein Ablationsprofil erzeugbar ist, das mit dem gewünschten Ablationsprofil proportional übereinstimmt, welches ohne die Maske erzeugbar sein sollte, und wobei die belichteten und unbelichteten Bereiche gleichmäßig über die zu bearbeitende Fläche des Substrats verteilt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der belichteten Bereiche (B1) eine solche Größe und/oder Form hat, daß die Entfernung jedes der belich­ teten Punkte innerhalb dieses Bereiches zum nächsten un­ belichteten Punkt außerhalb des Bereiches kleiner als 1,5 mm ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Flächen-Verhältnis der belichteten zu den unbelichteten Bereichen 1 : 5 bis 5 : 1 beträgt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe und/oder Form der belich­ teten und/oder unbelichteten Bereiche gleich ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske im wesentlichen senkrecht zur Achse des Laserstrahls in mindestens einer Richtung verstellbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske im wesentlichen um die La­ serstrahlachse oder eine zur Laserstrahlachse parallele Achse drehbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske (20) mindestens eine Sieb­ blende aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske einen Spiegel aufweist, der in bestimmten Bereichen reflektierend ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske (20) ein schachbrettarti­ ges Raster aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein Excimer-Laser (10) ist, und das optische System einen Homogenisator (12), eine Irisblende (14), einen Umlenkspiegel (18) und eine Steuervorrichtung (16) aufweist, mit der die Öffnung der Irisblende (14) veränderbar ist.