DE4137646A1 - Vorrichtung zur lamellaren abtragung einer oberflaeche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Vorrichtung findet beispielsweise Verwendung in der refraktiven Corneachirurgie, wo Sehfehler wie Kurz-, Weitsichtigkeit oder Astigmatismus dadurch korrigiert werden, daß an der Oberfläche der Cornea eine Lamelle radial ver­ änderlicher Dicke derart abgetragen wird, daß die so ver­ änderte Cornea Brechungseigenschaften aufweist, die die Seh­ fehler des Auges kompensieren. Die Abtragung kann mit Lasern im UV-Bereich des elektromagnetischen Spektrums erfolgen, z. B. mit Excimer-Lasern, die im Bereich um 200 nm kohärente Strahlung liefern.

In der Europäischen Offenlegungsschrift EP 02 74 205 wird eine Vorrichtung beschrieben, mit der durch zeitliche Variation von Form und Größe des auftreffenden Laserstrahl- Querschnittes die Abtragung einer Lamelle veränderlicher Dicke erreicht wird. Hierzu wird das von einem Excimer-Laser gelieferte Strahlprofil zunächst homogenisiert, um über den Strahlquerschnitt eine rotationssymmetrische Intensitäts- Verteilung zu realisieren. Dies geschieht entweder mit einem optischen Filter, das eine geeignete Transmissionscharakte­ ristik aufweist oder aber durch ein optisches System mit Strahlteilern und mehreren reflektierenden Flächen. An­ schließend wird der homogenisierte Strahlquerschnitt mit Hilfe eines Blendenrevolvers entsprechend den Korrektur­ anforderungen dimensioniert und daraufhin über ein Zoom- Teleskop-System auf die zu behandelnde Cornea projiziert. Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist zunächst der schlechte Wirkungsgrad des Gesamtsystems. So wird bei den beschriebenen Homogenisierungsvorrichtungen nur ein Bruchteil der einfal­ lenden Strahlintensität genutzt, d. h. nach dem optischen Filter oder aber dem Reflektorsystem mit Strahlteiler stehen weniger als 50% der Eingangsintensität zur Verfügung. Dem­ entsprechend aufwendig muß deshalb der verwendete Excimer- Laser dimensioniert werden. Weiterhin ist bei dieser Vorrich­ tung nachteilig, daß keine eigentliche Abbildung des benotig­ ten Strahlquerschnittes bzw. der entsprechenden Maske auf die Cornea stattfindet, sondern lediglich eine Beschränkung des Strahlquerschnittes erfolgt. Dieser Strahlquerschnitt wird über das nachfolgende Zoom-Teleskop-System auf die Cornea projiziert. Aufgrund unvermeidbarer Strahldivergenz ist dem­ zufolge auch keine scharfe Projektion des benötigten Laser­ strahl-Querschnitts möglich. Insbesondere wird hiermit keine Projektion exakt begrenzter Ränder realisierbar, was je nach zu behebendem Sehfehler erforderlich sein kann.

In der Europäischen Patentschrift EP 02 24 322 erfolgt mit Hilfe der darin beschriebenen Vorrichtung eine optische Ab­ bildung eines gewünschten Strahlquerschnittes auf die Cornea, so daß scharfe Ränder des Strahlquerschnittes auf die Cornea abgebildet werden können. Jedoch ist keine Möglichkeit zur Homogenisierung der Bestrahlungsstärke über den Strahlquer­ schnitt vorgesehen. Fluktuationen der Bestrahlungsstärke innerhalb eines auftreffenden Pulses beeinflussen jedoch das Ablationsergebnis in unvorhersehbarer Weise.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vor­ richtung zur lamellaren Abtragung einer Oberfläche zu schaffen, welche neben der geometrischen Strahlformung auch eine Homogenisierung der Intensität des auftreffenden Strahl­ querschnittes gewährleistet. Gleichzeitig soll ein hoher Wirkungsgrad des Gesamtsystemes erreicht werden.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merk­ malen des Anspruches 1. Vorteilhafte einzelne Komponenten finden sich in den folgenden Unteransprüchen.

Die geometrische Strahldimensionierung und -homogenisierung einer geeigneten kohärenten Strahlungsquelle wird erreicht, indem ein Strahlbündel eine einstellbare Abschwächvorrich­ tung, ein Strahlformungs- und Homogenisierungssystem sowie eine nachfolgend angeordnete Blende mit der gewünschten geometrischen Gestalt beleuchtet. Über eine nachgeordnete Abbildungseinrichtung wird die jeweilige Blende auf die zu bearbeitende Oberfläche abgebildet. Eine Detektoreinrichtung im Strahlengang vor der zu bearbeitenden Oberfläche dient zur Überwachung des gelieferten Strahlprofiles. Ein Rechner über­ nimmt die Verarbeitung dieser Daten und regelt die Abschwäch­ vorrichtung in Abhängigkeit vom Abbildungsmaßstab, sowie die zeitliche Variation des Abbildungsmaßstabes je nach Vorgabe.

Da auf der zu bearbeitenden Oberfläche bei jedem momentan eingestellten geometrischen Strahlquerschnitt die gleiche konstante Bestrahlungsstärke gewünscht wird, ist es vorteil­ haft, die Abschwächvorrichtung jeweils so nachzuregeln, daß eine konstante mittlere Bestrahlungsstärke unabhängig vom Abbildungsmaßstab gewährleistet ist.

Über ein Strahlformungssystem nach der Abschwächvorrichtung wird erreicht, daß der eintretende Strahlquerschnitt auf­ geweitet wird, damit er die nötigen Strahldimensionen am Eingang des eigentlichen Homogenisierungssystems besitzt. Hierdurch kann nahezu das gesamte Strahlprofil ausgenutzt werden, d. h. es resultiert ein hoher Wirkungsgrad des Gesamt­ systemes als entscheidender Vorteil.

Das nachfolgende Homogenisierungssystem gewährleistet in definierter Entfernung eine konstante Bestrahlungsstärke. An diesem Ort im Strahlengang ist vorteilhafterweise die ab­ zubildende Blende angeordnet, wo dann über dem gesamten Blendenquerschnitt dieselbe Bestrahlungsstärke vorliegt. Somit ist das Ablationsergebnis unempfindlich gegen die üblichen Intensitäts-Fluktuationen im Strahlprofil. Eine vorteilhafte Realisierung der Homogenisierungseinrichtung besteht in einem Keilplattensystem, das den aufgeweiteten Strahl in mehrere Teilstrahlenbündel zerlegt und diese in einer definierten Ebene zur Superposition bringt. Je größer hierbei die Zahl der Teilstrahlenbündel gewählt wird, desto homogener wird das resultierende Strahlprofil.

In der Superpositionsebene ist die abzubildende Blende in festem Relativabstand zur Homogenisierungseinrichtung an­ geordnet. Die Abbildung der Blende auf die zu bearbeitende Oberfläche erfolgt durch ein nachfolgendes Linsensystem. Entscheidend hierbei ist die Möglichkeit, den Abbildungs­ maßstab zeitlich variieren zu können. Zweckmäßigerweise erfolgt dies entweder durch abgestimmte Variation von Homogenisierungseinrichtung und Blende einerseits, die in festem Abstand montiert sind, und optischer Abbildungsein­ richtung andererseits. Oder aber man hält die Position von Homogenisierungssystem und Blende fest, variiert nun aller­ dings den Abbildungsmaßstab mit Hilfe einer Zoom-Abbildungs­ vorrichtung variabler Brennweite.

Vorteilhaft ist des weiteren, einen Strahlteiler vor der zu bearbeitenden Oberfläche im Strahlengang anzuordnen, der einen Teil des Laserstrahles auf einen entsprechenden Detektor reflektiert und die Strahlprofil-Daten an einen geeigneten Rechner übermittelt. Dieser Rechner verarbeitet weiterhin die Daten der optischen Abbildungseinrichtung und regelt entsprechend die Abschwächvorrichtung sowie die zeit­ liche Änderung des Abbildungsmaßstabes.

Eine derartige Vorrichtung eignet sich insbesondere zur lamellaren Ablation der Augen-Hornhaut, wo beispielsweise durch stufenweise Verkleinerung einer Kreisblende eine Abflachung der Cornea erreicht wird und so Kurzsichtigkeit korrigiert werden kann. Entsprechend können bei Verwendung anderer Blendenformen Sehfehler wie Weitsichtigkeit und Astigmatismus durch zeitliche Variation des Strahlquer­ schnittes korrigiert werden.

Der Einsatz einer derartigen Vorrichtung ist jedoch auch möglich, will man eine beliebige Oberfläche mit einem bestimmten Oberflächenprofil versehen.

Anhand der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles werden weitere Vorteile sowie Realisierungs-Alternativen hierzu erläutert.

Dabei zeigt

Fig. 1 die schematische Darstellung eines Ausführungs­ beispiels,

Fig. 2a eine Seitenansicht der Homogenisierungseinrichtung, ausgeführt als Keilplattensystem,

Fig. 2b die Frontansicht der Homogenisierungseinrichtung aus Fig. 2a.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, wie es innerhalb der refraktiven Corneachirurgie verwendet werden kann. Ausgehend von der Strahlquelle folgt eine Beschreibung der gesamten optischen Systemkomponenten in Richtung der Strahlausbreitung.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel dient ein Excimer-Laser (1) als Strahlungsquelle. Verwendet werden kann hierzu bei­ spielsweise ein ArF-Laser, der ultraviolette Strahlung mit einer Wellenlänge von 193 nm aussendet. Die folgende Ab­ schwächvorrichtung (2) ist als drehbarer dielektrischer Spiegel (2) ausgeführt, dessen Transmissionscharakteristik vom Einfallswinkel der auftreffenden Strahlung abhängt. Hierzu geeignete dielektrische Spiegel werden beispielsweise von der Firma "LASER-OPTIK" vertrieben. Die Stellung des dielektrischen Spiegels (2) im Strahlengang läßt sich mit Hilfe eines angeschlossenen Rechners (3) variieren. Da auf der zu bearbeitenden Cornea (10) eine konstante Bestrahlungs­ stärke unabhängig von der Größe des momentan auf treffenden Strahlquerschnittes erforderlich ist, muß in Abhängigkeit des momentan auftreffenden Strahlquerschnittes die Eingangsinten­ sität mit Hilfe dieser Abschwächvorrichtung geregelt werden. Die daran anschließend angeordnete Strahlaufweitungseinrich­ tung (4a, 4b) ist als galileischer Aufweiter, bestehend aus einer Zerstreuungs- (4a) und einer Sammellinse (4b) aus­ geführt. Die Strahlaufweitungseinrichtung (4a, 4b) erzeugt am Eingang der Homogenisierungseinrichtung (5) die erforder­ lichen Strahldimensionen. Damit kann das gesamte Strahlprofil effektiv genutzt werden, d. h. ein hoher Wirkungsgrad des Gesamtsystemes ist gewährleistet. Der aufgeweitete Laser­ strahl trifft auf die nachfolgend angeordnete Homogenisie­ rungseinrichtung (5), hier ausgeführt als Keilplattensystem (5). Dieses wird anschließend in Fig. 2a und Fig. 2b detaillierter beschrieben. Alternativ zu diesem Ausführungs­ beispiel ist es auch möglich, die Homogenisierungseinrichtung als Wabenkondensor oder Spiegelkasten auszuführen. Derartige Einrichtungen werden beispielsweise von G. Schröder in "Technische Optik", Würzburg 1986, oder von J. Wangler, J. Liegel in "Proceedings ECO II", Vol. 1138, S. 129, Paris 1989, detailliert beschrieben. Dabei ist entscheidend, daß die resultierende Strahlhomogenisierung keine wesentlichen Intensitätsverluste im Strahlprofil zur Folge hat. Das Keil­ plattensystem (5) des Ausführungsbeispieles zerlegt den auf­ geweiteten Laserstrahl in mehrere Teilstrahlenbündel, die sich aufgrund der optischen Wirkung der einzelnen Keilplatten in der Ebene der nachfolgend angeordneten Blende (6) über­ lagern. Am Ort dieser Blende (6) ist somit eine homogene Bestrahlungsstärke des Laserstrahles über dessen Strahlquer­ schnitt gewährleistet. Entscheidend ist der feste Relativ­ abstand zwischen dem Keilplattensystem (5) und der verwende­ ten Blende (6), um diese an dem Ort im Strahlengang zu positionieren, wo eine optimale Strahlhomogenität gewähr­ leistet ist. Als Blendenform, die auf die Cornea (10) ab­ gebildet werden soll, kommen je nach zu korrigierendem Seh­ fehler Kreis-, Kreisring- oder aber Spaltblenden in Frage. Die homogen ausgeleuchtete Blende (6) wird mit dem nachgeord­ neten optischen Abbildungssystem (7a, 7b) auf die Hornhaut (10) abgebildet. Das optische Abbildungssystem (7a, 7b) besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem zwei­ linsigen System mit einer Sammel- (7a) und einer Zerstreu­ ungslinse (7b).

Entscheidend ist die Möglichkeit, den Abbildungsmaßstab des optischen Abbildungssystem (7a, 7b) zeitlich variieren zu können, um durch zeitliches Verändern der geometrischen Strahlquerschnittsdimensionen auf der Augenhornhaut (10) eine radial unterschiedliche Abtragungscharakteristik zu erzielen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird diese zeitliche Variation des Abbildungsmaßstabes durch die Variation von Gegenstands- und Bildweite des optischen Abbildungssystemes (7a, 7b) erreicht. Hierzu ist das optische Abbildungssystem (7a, 7b), bestehend aus der Sammel- (7a) und Zerstreuungs­ linse (7b), welches eine feste Abbildungs-Brennweite auf­ weist, entlang der optischen Achse (12) variabel angeordnet. Ebenfalls variabel entlang der optischen Achse (12) ist die Einheit aus Keilplattensystem (5) und abzubildender Blende (6) angeordnet. Durch Variation der Position dieser beiden Einheiten entlang der optischen Achse (12) läßt sich somit eine zeitliche Änderung des auftreffenden Laserstrahl­ querschnittes realisieren.

Alternativ zum dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Möglichkeit, ein optisches Abbildungssystem mit variabler Brennweite, d. h. ein Zoom-System einzusetzen. Bei einer derartigen Anordnung hat dann sowohl die Einheit aus Homogenisierungseinrichtung und Blende einerseits als auch das Zoom-System andererseits eine definierte Position auf der optischen Achse im Strahlengang. Variiert werden hierbei die Relativabstände der einzelnen Optik-Komponenten des Zoom- Systemes.

Um einen möglichst großen Bereich bei der Abbildungsmaßstab­ änderung abzudecken ist es weiterhin möglich, die jeweils benötigte Blendenform in verschiedenen Dimensionen in den Strahlengang zu setzen. Dies kann beispielsweise mit einem Blendenrevolver erfolgen, auf dem Blenden verschiedenster Form und Größe angeordnet sind.

Zwischen dem optischen Abbildungssystem (7a, 7b) und der zu bearbeitenden Cornea (10) ist im Strahlengang weiterhin ein Strahlteiler (8) angeordnet, der einen Teil des Laserstrahles auf einen Detektor (9) umlenkt. Als geeigneter Strahlteiler kommt eine einseitig entspiegelte Quarzglasplatte in Frage, wie sie von der Firma "LASER-OPTIK" vertrieben wird. Als Detektor kommt ein sog. Energymeter der Firma "LASER- PRESCISION" in Frage oder aber eine Detektormatrix der Firma "SPIRICON". Mit Hilfe dieses Detektors (9) wird die Bestrah­ lungsstärke sowie die Homogenität des Laserstrahl-Quer­ schnittes erfaßt und an den angeschlossenen Rechner (3) übermittelt. Der Rechner (3) erfaßt weiterhin laufend die aktuellen Daten des optischen Abbildungssystems (7a, 7b). Mit Hilfe der ermittelter Daten bezüglich der Strahleigenschaf­ ten, regelt der Rechner den dielektrischen Spiegel (2) der­ art, daß eine stets gleiche mittlere Bestrahlungsstärke auf der zu bearbeitenden Cornea (10) gewährleistet ist, unab­ hängig vom momentanen Strahlquerschnitt. Weiterhin sorgt der Rechner anhand des vorgegebenen Ablationsprofiles für die zeitliche Variation des Abbildungsmaßstabes der Blende (6) auf der Cornea (10). Im dargestellten Ausführungsbeispiel geschieht dies durch Regeln der Relativposition des Keil­ plattensystemes (5) und Blende (6) einerseits sowie des optischen Abbildungssystems (7a, 7b) andererseits. Diese werden jeweils entlang der optischen Achse zueinander versetzt. In der vorher erwähnten alternativen Ausführungs­ form zur Variation des Abbildungsmaßstabes müßte entsprechend die Abbildungs-Brennweite des Zoom-Systems zeitlich geregelt werden.

Fig. 2a zeigt einen seitlichen Schnitt durch das Keilplat­ tensystem (5) aus Fig. 1. Im dargestellten Ausführungsbei­ spiel sind in einer ersten Ebene I 4 Keilplatten (13a, 13b, 13c, 13d) symmetrisch zur optischen Achse (12) angeordnet. Dabei weisen die beiden Keilplatten (13b, 13c), die direkt an der optischen Achse (12) liegen, den gleichen Keilwinkel auf. Ebenso besitzen die außen liegenden Keilplatten (13a, 13d) den jeweils gleichen Keilwinkel. Die außen liegenden Keil­ platten (13a, 13d) besitzen dabei einen größeren Keilwinkel als die innen liegenden Keilplatten (13b, 13c). In der davor liegenden Ebene II ist das gleiche Keilplattensystem, jedoch um 900 um die optische Achse (1) gedreht, angeordnet. In der Frontansicht dieses Systemes in Fig. 2b ist die damit resul­ tierende Zerlegung des gesamten Strahlquerschnittes in 16 Teilflächen ersichtlich. Der von links in Fig. 2a auf das Keilplattensystem auftreffende Laserstrahl (14) wird dadurch in 16 Teilstrahlenbündel zerlegt, die sich aufgrund der optischen Wirkung der Keile in einer Ebene homogen über­ lagern. Je größer die Zahl der Teilflächen eines derartigen Keilplattensystemes gewählt wird, desto homogener ist die resultierende Bestrahlungsstärke.

Neben der Anwendung in der refraktiven Cornea-Chirurgie ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung beispielsweise auch in der Materialbearbeitung möglich, um z. B. Fresnel- Linien zu fertigen.

Claims (15)

1. Vorrichtung zur lamellaren Abtragung einer Oberfläche mit kohärenter Strahlung durch zeitliche Änderung der Form und Größe des auf treffenden Strahlquerschnittes mit Hilfe eines optischen Systemes, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System Einrichtungen zur Strahlformung (4a, 4b) sowie zur Abbildung einer Blende (6) enthält und außerdem eine weitere Einrichtung (5) zur Homogenisierung der Intensität des auftreffenden Strahlquerschnittes vor­ gesehen ist, wobei aus der Homogenisierung keine wesent­ lichen Intensitätsverluste im Verhältnis zur Intensität des einfallenden Strahlquerschnittes resultieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

• - eine kohärente Strahlungsquelle (1),
• - eine nachfolgend angeordnete Abschwächeinrichtung (2) zur Regelung der mittleren Bestrahlungsstärke,
• - einer nachfolgend angeordneten Strahlaufweitungs­ einrichtung (4a, 4b),
• - einer nachfolgenden Homogenisierungseinrichtung (5) zur Erzeugung einer konstanten mittleren Bestrahlungs­ stärke,
• - einer abzubildenden Blende (6), angeordnet in einer Ebene konstanter mittlerer Bestrahlungsstärke,
• - einem nachfolgenden optischen Abbildungssystem (7a, 7b) mit variablem Abbildungsmaßstab,
• - einer Einrichtung (8, 9) zur Überwachung der Strahl­ qualität zwischen Abbildungssystem und zu bearbeiten­ der Oberfläche (10),
• - sowie einem Rechner (3), der die aktuellen Systemdaten der Überwachungseinrichtung (8, 9), des optisches Ab­ bildungssystems (7a, 7b) sowie des Homogenisierungs­ systemes (5) laufend erfaßt und entsprechend den Abtragungsanforderungen zusammen mit der Abschwäch­ vorrichtung (2) nachregelt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als kohärente Strahlungsquelle (1) ein Excimer-Laser im UV-Bereich des elektromagnetischen Spektrums dient.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Abschwächeinrichtung (2) ein dielektrischer Spiegel vorgesehen ist, dessen Transmissionscharakteristik vom Einfallswinkel der auf treffenden Strahlung abhängt, und dessen Winkelstellung zum Strahl über den Rechner (3) einstellbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlaufweitungs-Einrichtung (4a, 4b) ein Galilei- Teleskop-System dient.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Strahlhomogenisierung ein Keilplattensystem (5) vor­ gesehen ist, das den eintretenden Laserstrahl in mehrere Einzelbündel zerlegt und diese in einer definierten Ebene homogen zur Superposition bringt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abzubildende Blende (6) als Kreisblende ausgeführt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abzubildende Blende (6) als Kreisringblende aus­ geführt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abzubildende Blende (6) als Spaltblende ausgeführt ist.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7-9, dadurch gekennzeich­ net, daß auf einem Blendenrevolver Blenden verschiedener Form und Größe angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Homogenisierungseinrichtung (5) und die abzubildende Blende (6) in festem Relativabstand zueinander angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Abbildungssystem (7a, 7b) aus mindestens zwei Linsen mit definiertem Relativabstand besteht und eine feste Abbildungs-Brennweite aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Position des optischen Abbildungssystemes (7a, 7b) sowie der Homogenisierungseinrichtung (5) und der ab­ zubildenden Blende (6) entlang der optischen Achse (12) variabel ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Homogenisierungseinrichtung (5) und die abzubildende Blende (6) eine feste Position auf der optischen Achse (12) besitzen und das optische Abbildungssystem (7a, 7b) als Zoom-System variabler Brennweite ausgeführt ist.

15. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-14, gekennzeichnet durch die Verwendung zur refraktiven Horn­ hautchirurgie, wobei durch Abtragung einer Lamelle radial veränderlicher Dicke eine Korrektur von Sehfehlern wie Myopie, Hyperopie und Astigmatismus möglich ist.