DE4141890C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Materialabtragung von der Oberfläche eines Objektes, insbesondere von der Hornhaut eines Auges - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Materialabtragung von der Oberfläche eines Objektes, insbesondere von der Horn­ haut eines Auges, durch einen Laserstrahl, sowie ein Verfah­ ren zur entsprechenden Materialabtragung.

2. Beschreibung des Standes der Technik

In letzter Zeit wurden einige Verfahren vorgeschlagen, um die Re­ fraktion eines Auges dadurch zu korrigieren, daß die Oberfläche der Hornhaut abgetragen wird, um deren Krümmung zu ändern. Bei diesem Verfahren ist es erforderlich, die Tiefe der Abtragung zu steuern, so daß diese gleichmäßig ist. Dies wurde dadurch er­ reicht, daß die Intensitätsverteilung des für die Abtragung ver­ wendeten Lasers so gesteuert wurde, daß diese konstant war.

So schlägt beispielsweise die offengelegte japanische Patentanmel­ dung No. 63-150069 (USP 4,911,711) vor, den Laserstrahl durch ein Filter mit spezieller Durchlaßcharakteristik zu homogenisieren, oder aber diesen Laserstrahl zu reflektieren.

Bei der Filtermethode durchdringt der Laserstrahl ein Filter mit einer Durchlaßcharakteristik, die umgekehrt zur Intensitätsvertei­ lung des Laserstrahls verläuft, wodurch die Strahlintensität an den Stellen großer Intensität reduziert und dadurch eine gleich­ mäßige Intensitätsverteilung erreicht wird.

Wenn der Laserstrahl von z. B. einem Excimerlaser eine Verteilung wie in Fig. 7(a) aufweist, ist die Intensitätsverteilung entlang der X-Achse wie in Fig. 7(b) dargestellt, und die Gaußsche Inten­ sitätsverteilung entlang der Y-Achse weist eine maximale Krümmung im mittleren Teil des Laserstrahls auf, wie in Fig. 7(c) darge­ stellt.

Der Laserstrahl durchdringt dann das Filter mit einer Durchlaßcha­ rakteristik in Y-Richtung, die im mittleren Teil der Filterfläche gering ist, wie in Fig. 8(c) dargestellt (in diesem Fall ist die Durchlaßcharakteristik in X-Richtung gleichförmig, wie in Fig. 8(b) gezeigt). Die Intensität des Teils mit hoher Intensität (der mittlere Teil der Intensitätsverteilung von Fig. 7(c) wird durch den Teil des Filters mit geringer Transmission (mittlerer Teil der Transmissionsverteilung von Fig. 8(c)) reduziert.

Der Teil der Intensitätsverteilung des Lasers mit geringer Inten­ sität (beide Endteile der Intensitätsverteilung von Fig. 7(c)) durchdringen die Teile des Filters mit hoher Transmission (beide Endteile der Transmissionsverteilung nach Fig. 8(c)) und werden dort nur geringfügig absorbiert. Folglich wird die Intensitätsver­ teilung des durchgelassenen Laserstrahls an den Teilen mit gerin­ ger Intensität (beide Endteile) und der intensitätsstarke mittlere Teil gleich groß gemacht, wodurch eine gleichmäßige Intensitäts­ verteilung erzielt wird.

Bei dem Verfahren zur Homogenisierung eines Laserstrahls durch Re­ flexion wird dieser in eine Anzahl von Strahlen aufgespalten und wieder zusammengeführt, so daß dieser homogenisiert wird. Eine solche Vorrichtung ist in Fig. 9 dargestellt. Die Vorrichtung weist ein zentrales dreieckförmiges optisches Prisma 2a auf. Au­ ßerdem sind zwei kleinere äußere Prismen 2b, 2c, erste und zweite Strahlaufteilungsprismen 3a, 3b, eine Eingangseinheit und zwei ge­ trennte Reflektoren 4a, 4b zur Aufteilung des Laserstrahls, und äußere Paare von Reflektoren 5a, 5b und 6a, 6b vorgesehen.

Jeder der Reflektoren 4a, 4b reflektiert ein Drittel des Laser­ strahls von der Höhe H des Strahles ab und lenkt diesen Anteil in Richtung der Reflektoren 5a, 6b zur weiteren Reflexion durch die Reflektoren 5a, 6a, um auf diese Weise die äußeren Teile gegenüber dem zentralen Teil zu versetzen.

Am Ort des operativen Teils des Strahlteilers 3a wird der obere abgetrennte Drittelteil durch den Reflektor 5b abgelenkt und zum zentralen Drittelteil addiert.

Am Ort des operativen Teils des Strahlteilers 3a wird der untere abgetrennte Drittelteil durch den Reflektor 6b abgelenkt und zum zentralen Drittelteil und dem bereits addierten oberen Drittelteil addiert.

Fig. 10 zeigt das Ergebnis des in Verbindung mit Fig. 9 erläuter­ ten Vorgangs. Die Gaußverteilung eines Laserstrahls mit dem ge­ strichelt gezeichneten Profil P enthält einen oberen Teil, der durch die Reflektoren 4a, 5a, 5b abgelenkt und übertragen wird, um durch die Strahler Strahlteilerfläche 3a mit dem zentralen Teil vereinigt zu werden. Der versetzte obere Teil ist durch die strichpunktierte Kurve P' dargestellt.

In ähnlicher Weise wird der durch die strichpunktierte Kurve P" dargestellte untere Teil abgetrennt und durch die Reflektoren 4b, 6a, 6b übertragen, um mit den bereits zusammengeführten mittleren und oberen Teilen durch die Strahlteilerfläche 3b vereinigt zu werden.

Das Ergebnis ist eine Strahlverteilung, die ein Drittel der Höhe des zentralen Eindrittelanteils aufweist und die entlang der Y- Achse eine Intensitätsverteilung besitzt, wie sie im wesentlichen durch die ausgezogene Linie P_R dargestellt ist.

Ein anderes Verfahren ist in der offengelegten japanischen Pa­ tentanmeldung No. 63-289519 gezeigt, wobei eine Anordnung von zy­ lindrischen Linsen verwendet wird, die ein Array von dichten, in X-Richtung angeordneten Zylinderlinsen darstellen.

Fig. 11 stellt eine Anordnung dar, bei der ein Laserstrahl auf eine Bestrahlungsfläche S trifft, nachdem er eine torische Linse 7 und ein Array von Zylinderlinsen 8 passiert hat. Nachdem der La­ serstrahl durch die torische Linse 7 gebündelt wurde, die eine stark sammelnde Wirkung in Y-Richtung und eine schwach sammelnde Wirkung in X-Richtung aufweist, durchdringt er das Array von Zy­ linderlinsen 8. Dadurch erhält die Brechung des Laserstrahls in Y- Richtung eine Zufallsverteilung und es entsteht eine gleichmäßige Intensitätsverteilung auf der Bestrahlungsfläche S.

Bei den oben geschilderten Methoden ergeben sich mehrere Nach­ teile. Bei der Transmissionsfilter-Methode mit spezieller Durch­ lässigkeitsverteilung ist es schwierig, ein Filter mit richtigem Kurvenverlauf herzustellen und es gelingt nicht, eine gleichmäßige Intensitätsverteilung des Strahls zu erzeugen, da die Durchlaß­ kurve ungenau ist. Die Intensitätsverteilung des Laserstrahls kann auch dann nicht kompensiert werden, wenn sich dessen Intensitäts­ verteilung ändert oder wenn die Strahlachse falsch ausgerichtet ist. Es ergibt sich auch das Problem, daß das Ausmaß der Durchläs­ sigkeit im Bereich der hohen Strahlintensität so stark reduziert werden muß, daß der dadurch entstehende Energieverlust nicht trag­ bar ist.

Bei der Methode durch Homogenisierung durch Reflexion des La­ serstrahls durch eine Mehrzahl von Spiegeln ergibt sich ein komplexer Aufbau und der Zeitaufwand zur Justierung ist groß. Wenn sich die Intensitätsverteilung des Laserstrahls ändert oder die Strahlachse falsch ausgerichtet ist, kann keine gleichmäßige Energieverteilung erzielt werden, wenn der La­ serstrahl nach Teilung durch den Strahlteiler rekombiniert wird. Bei der Methode mit dem zylindrischen Linsenarray er­ gibt sich die Schwierigkeit, daß dessen Herstellung kompli­ ziert und zeitaufwendig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Ver­ fahren zu schaffen, bei denen die oben geschilderten Probleme bei der Materialabtragung vermieden werden. Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 gekennzeich­ nete Vorrichtung bzw. das in Patentanspruch 10 gekennzeich­ nete Verfahren gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird ausführlich unter Bezugnahme auf folgende Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anordnung der Teile der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Intensitätsprofils der horizontalen Achse (X-Achse) und der vertikalen Achse (Y-Achse) eines Laserstrahls von einem Eximerlaser, wie er im Beispiel der Fig. 1 benützt wird;

Fig. 3(a) bis 3(d) Diagramme der Laserstrahlintensitätsprofile entlang der vertikalen (Y-Achse) Richtung in einer Öff­ nung;

Fig. 4(a) bis 4(d) Diagramme der Laserstrahlintensitätsprofile entlang der vertikalen (Y-Achse) Richtung auf der Horn­ haut eines Auges;

Fig. 5(a) bis 5(e) sind Darstellungen, die den Vorgang der Abtra­ gung gemäß Fig. 4 erläutern;

Fig. 6(a) und 6(b) sind zeitliche Diagramme, um die Steuerung der Bewegung des Planspiegels 12 von Fig. 1 in bezug auf den Laserstrahl zu erläutern;

Fig. 7(a) bis 7(c) sind Zeichnungen, die ein allgemeines Beispiel der Energieverteilung eines Laserstrahls, beispielsweise eines Eximerlasers, wiedergeben;

Fig. 8(a) bis 8(c) dienen der Erklärung des ersten Beispiels nach dem Stand der Technik;

Fig. 9 dient der Erläuterung des zweiten Beispiels nach dem Stand der Technik;

Fig. 10 zeigt die Intensitätsverteilung, die durch die Vorrich­ tung nach Fig. 9 erzielt wird und

Fig. 11 dient der Erläuterung des dritten Beispiels nach dem Stand der Technik.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung unter Bezugnahme auf die bei­ gefügten Zeichnungen im Detail geschrieben.

Wie in Fig. 1 dargestellt, umfaßt die Abtragungsvorrichtung eine Laserquelle 10 (bevorzugt einen Eximerlaser), Planspiegel 11, 12, 15 zur Ablenkung des Laserstrahls L_B, der von der Laserquelle 10 emittiert wird, eine Öffnung 13 mit veränderlichem Durchmesser im optischen Strahlengang zwischen den Spiegeln 12 und 15, und ein Projektionsobjektiv 14, das zur Projektion des durch die Öffnung 13 verlaufenden Laserstrahls L_B auf eine Hornhaut 16 über den Spiegel 15 dient.

Der von der Laserquelle 10 kommende Laserstrahl L_B wird vom Plan­ spiegel 11 um 90° umgelenkt, vom Spiegel 12 um weitere 90°, wobei er in der gleichen Ebene verläuft. Nachdem der Laserstrahl die Öffnung 13 passiert hat, wird er vom Planspiegel 15 um 90° in der gleichen Ebene umgelenkt und auf die Oberfläche der Hornhaut 16 projiziert.

Obwohl der Laserstrahl beim Passieren der Öffnung 13 gestreut wird, wird er durch das Projektionsobjektiv 14 gesammelt. Das Pro­ jektionsobjektiv 14 ist zur Öffnung 13 und zur Hornhaut 16 konju­ giert, der durch die Öffnung 13 innerhalb eines bestimmten Be­ reichs kommende Laserstrahl wird so auf die Oberfläche der Horn­ haut 16 projiziert, daß die Abtragungsfläche der Hornhaut begrenzt ist. Die Hornhaut ist in bezug auf die Vorrichtung in einer vorbe­ stimmten Position angeordnet.

Das Teilprofil des von der Laserquelle emittierten Laserstrahls der Fig. 1 weist eine fast gleichmäßige Intensitätsverteilung F(W) in horizontaler Richtung (X-Achse Richtung) auf, während die Strahlintensitätsverteilung in vertikaler Richtung (Y-Achsenrich­ tung) eine Gaußsche Verteilung F(H) besitzt.

Der Planspiegel 12 in Fig. 1 ist parallel zur Z-Achse durch einen Antriebsmotor 17 bewegbar, und die Position des Spiegels 12 (Ausmaß der Bewegung) wird durch einen Detektor 18 festgestellt. Der Positionsdetektor 18 kann beispielsweise einen Rotationsenco­ der auf der Achse des Spiegelantriebsmotors 17 aufweisen.

Der Positionsdetektor 18 und die Laserquelle 10 sind mit einer Steuervorrichtung 19 verbunden, wobei die Laserimpulse abhängig vom Ausgangssignal des Positionsdetektor 18 emittiert werden. Der Betrieb der vorliegenden Vorrichtung wird durch einen Mikroprozes­ sor der Steuervorrichtung 19 gesteuert.

Wie oben beschrieben bewegt sich der Spiegel 12 parallel zur Z- Achse der Fig. 1, wobei der Laserstrahl parallel zur Richtung der Gaußverteilung bewegt wird. Der Planspiegel 12 bewegt sich syn­ chron zu dem von der Laserimpulsquelle 10 abgestrahlten Laserim­ puls, und nachdem ein oder mehrere Laserimpulse mit einer vorbe­ stimmten Position des Planspiegels 12 ausgesandt wurden, bewegt sich der Spiegel 12 zu einer nächsten Position, worauf wieder in dieser Position ein oder mehrere Laserimpulse ausgesandt werden, worauf sich der Spiegel 12 in eine nächste Position bewegt. Dieser Bewegungsvorgang wird von einem Ende der Öffnung 13 zum anderen Ende wiederholt. Dies bedeutet, daß die Bestrahlung mit dem Laser­ strahl in der Abtragungsfläche der Hornhaut mit einem bestimmten Interval wiederholt wird (mit einem oder mehreren Laserimpulsen, so daß diese Impulse kombiniert und eine gleichmäßige Abtragung der Tiefe erzielt wird.

Das Ausmaß der Bewegung des Planspiegels 12 wird durch Korrelation verschiedener Komponenten bestimmt, z. B. der Tiefe der Abtragung, dem erforderlichen Ausmaß der Gleichförmigkeit, oder der Intensi­ tät und der Intensitätsverteilung des Lasers, oder ähnlichen Fak­ toren. Die Einstellung der Intensität des Laserstrahls oder der Abtragungstiefe pro Impuls kann durch Einstellung der Leistung des Lasers innerhalb eines bestimmten Bereichs eingestellt werden.

Zur Vereinfachung der Erläuterung kann angenommen werden, daß sich der Planspiegel 12 bei jedem Impuls bewegt, obwohl ein solches 1 : 1 Verhältnis bei der Erfindung nicht erforderlich ist. Die Fig. 3(a) bis 3(d) zeigen die Änderung der Intensitätsverteilung des Lasers in Y-Richtung in der Öffnung 13. Die Fig. 4(a) bis 4(d) zeigen die Intensitätsverteilung in Y-Richtung auf der Hornhaut 16. Die Fig. 5(a) bis 5(e) geben den Vorgang der Abtragung der Hornhaut wieder.

Wenn ein erster Laserstrahlimpuls mit der in Fig. 3(a) dargestell­ ten Intensitätsverteilung in der Öffnung 13 durch das Projektions­ objektiv 14 auf die Hornhaut 16 fokussiert wird, ergibt sich auf der Hornhaut 16 die in Fig. 4(a) gezeigte Intensitätsverteilung. Zu diesem Zeitpunkt wird die Hornhaut 16 durch die Laserbestrah­ lung abgetragen, wie durch die schraffierte Fläche in Fig. 5(a) dargestellt ist. Wenn ein zweiter Laserimpuls fokussiert wird, nachdem der Planspiegel 12 in Richtung der Z-Achse bewegt wurde, hat sich die Intensitätsverteilung in der Öffnung 13 wie in Fig. 3(b) geändert. Folglich ist die auf die Hornhaut projizierte In­ tensitätsverteilung wie in Fig. 4(b) dargestellt, und die Hornhaut 16 wird weiter wie in Fig. 5(b) dargestellt, getragen. Der dritte Impuls des Lasers erzeugt eine Intensitätsverteilung in der Öff­ nung 13 wie in Fig. 3(c) gezeigt, und die Intensitätsverteilung auf der Hornhaut 16 ist wie in Fig. 4(c) dargestellt, wodurch die in Fig. 5(c) durch eine Schraffierung gekennzeichnete Fläche auf der Hornhaut abgetragen wird. In gleicher Weise verursachen wei­ tere Laserimpulse bis zum n-ten Impuls Intensitätsverteilungen in der Öffnung 13, wie in der Fig. 3(d) dargestellt. Die Fig. 4(d) zeigt die Intensitätsverteilung auf der Hornhaut 16 und die in der Fig. 5(d) dargestellten schraffierten Flächen werden abgetragen.

Durch die Bewegung des Planspiegels 12 parallel zur Z-Achse und synchron in bezug auf den Laserimpuls und Bestrahlung mit dem La­ serimpuls während dieser in Richtung seiner ungleichmäßigen Inten­ sitätsverteilung bewegt wird, wird die Hornhaut 16 um eine fast gleichmäßige Tiefe abgetragen.

Die Fig. 6(a) und 6(b) sind Zeitdiagramme um die Zeitabstimmung des Steuermechanismus zu erläutern, der den Planspiegel 12 synchron mit dem Laserimpuls bewegt. In Fig. 6(a) ist der Ausgangs- Puls des Lasers dargestellt und Fig. 5(b) zeigt das Ausgangssignal des Detektors 18, der die Position des Planspiegels 12 überwacht.

Ein m-Impulsausgangssignal des Lagedetektors 18 wird verwendet, um das Ausmaß der Bewegung des Planspiegels 18 zur Erzielung einer gleichmäßigen Abtragung zu erreichen.

Wenn das Ausgangssignal des Lagedetektors 18, der die Position des Planspiegels 18 zum Zeitpunkt des ersten Laserimpulses detektiert, der erste Impuls ist, wird der Planspiegel 12 so bewegt, daß das m + 1te Ausgangssignal zum Zeitpunkt des zweiten Laserimpulses abge­ geben wird, und das 2m + 1te Ausgangssignal wird zum Zeitpunkt des dritten Laserimpulses abgegeben, so daß die Laserimpulse jeweils bei jedem m-ten Impuls des Ausgangssignals des Lagedetektors 18 emittiert werden. Durch die Wiederholung dieser Laserimpulse wird eine gleichmäßige Abtragung durch Laserbestrahlung erzielt. Es ist zweckmäßig, den Laser bei etwa 20-50 Hz zu betreiben, so daß die Behandlungszeit verkürzt und die Belastung des Lasers reduziert wird.

Die Worte, mit denen die Richtungen in obiger Beschreibung erläu­ tert werden, stellen nur eine Beschreibung einer möglichen Ener­ gieverteilung des Lasers dar, andere Richtungen können verwendet werden.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Materialabtragung von der Oberfläche eines Objektes, insbesondere von der Hornhaut eines Auges, durch einen Laserstrahl, der eine ungleichmäßige Intensitäts­ verteilung mit Gaußscher oder ähnlicher Verteilung in einer Richtung und eine gleichmäßige Intensitätsverteilung in einer anderen Richtung aufweist, enthaltend:
eine Laserquelle (10) zum Aussenden eines Laserstrahls (L_B), Abtastmittel (12) zur Abtastung des Laserstrahlquerschnittes in Richtung der ungleichmäßigen Intensitätsverteilung des La­ serstrahls,
eine im optischen Strahlengang für den Laserstrahl angeord­ nete Öffnung (13) mit variablem Durchmesser und
ein Projektionsobjektiv (14) zum Erzeugen eines Bildes der Öffnung (13) auf der Oberfläche des Objektes zum Definieren des abzutragenden Bereiches.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei als Laser ein Eximer­ laser verwendet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abtastmittel (12) reflektierende optische Elemente enthalten, um die Laser­ strahlung zu reflektieren, und Bewegungsmittel (17), um die Reflexionsmittel in Richtung der ungleichmäßigen Intensitäts­ verteilung des Laserstrahls zu bewegen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Reflexionsmittel einen reflektierenden Spiegel enthalten.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Bewegungsmittel einen Antriebsmotor (17) enthalten.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei Positionsdetektormit­ tel (18) vorgesehen sind, um die Lage des reflektierenden op­ tischen Elements zu erfassen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Positionsdetek­ tormittel (18) einen rotierenden Encoder enthalten.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei Steuermittel (19) zur Steuerung der Abstrahlung der Laserimpulse durch die Laser­ quelle vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Projektionsobjek­ tiv (14) mit der Öffnung (13) und der Oberfläche des abzutra­ genden Objekts konjugiert ist, um ein Bild der Öffnung auf die Oberfläche des Objekts zu projizieren, und so die abzu­ tragende Fläche zu definieren.

10. Verfahren zur Materialabtragung von der Oberfläche eines Objekts, insbesondere von der Hornhaut eines Auges, durch einen Laserstrahl, der eine ungleichmäßige Intensitätsvertei­ lung von Gaußscher Form in einer Richtung und eine gleichmä­ ßige Intensitätsverteilung in der dazu senkrechten Richtung aufweist, wobei der Laserstrahl in Richtung der ungleichmäßi­ gen Intensitätsverteilung des Laserstrahls abgetastet und ein Bild einer Öffnung (13) auf die Objektoberfläche zum Definie­ ren des abzutragenden Bereiches abgebildet wird.