KR101629404B1 - 집속 전자기 방사선으로 재료를 가공하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

집속 전자기 방사선으로 재료를 가공하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 집속 전자기 방사선으로 재료(M)를 가공하기 위한 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는 전자기 방사선(12)을 방출하는 방사선원(10), 재료(M)에 방사선을 인도하기 위한 수단(14, 16, 18, 22, 26), 재료(M) 위에 또는 재료에 방사선을 집속하기 위한 수단(28), 전자기 방사선의 빔 경로에서 패턴을 생성하기 위한 수단(20), 집속 방사선의 초점(F) 이전의 빔 경로에서 적어도 일부 반사성의 반사면(30), 상기 패턴(32)은 방사선의 인도 수단 및 상기 집속 수단의 적어도 일부에 의해 상기 적어도 일부 반사성의 반사면(30)에 결상됨, 패턴(32)의 영상이 상기 반사면(30)에 의해 반사되어 보내지며 상기 영상에 상응하는 전기 신호를 발생시키는 적어도 하나의 검출기(D1, D2), 상기 영상은 초점(F)의 위치에 대한 정보를 포함함, 상기 전기 신호를 수신하며 초점 위치에 의존하는 전기 신호(34)를 발생시키기 위해 상기 영상을 처리하도록 프로그램된 컴퓨터(C), 상기 빔 경로에 배열되며 상기 신호에 의존하여 전자기 방사선의 발산을 변경하기 위해 컴퓨터의 상기 전기 신호(34)를 수신하도록 형성된 발산 조정 요소(18)를 포함한다.

Description

집속 전자기 방사선으로 재료를 가공하기 위한 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR PROCESSING MATERIAL BY MEANS OF FOCUSED ELECTROMAGNETIC RADIATION}
본 발명은 집속 전자기 방사선으로 재료를 가공하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명과 관련한 장치들은 특히, 예를 들어 방사선원으로서 레이저 또는 LED들에 의해 발생되는 전자기 방사선을 가공할 재료에 또는 가공할 재료 내에 보내고 상기 전자기 방사선을 형성하며 집속하는 광학 시스템이다. 여기에서 재료 가공은 예를 들어 반도체 또는 금속 재료에서 실행되는 마이크로 범위에서 재료의 패턴화가 될 수 있다. 본 발명은 안과 광학 시스템, 특히 LASIK과 같은 각막 굴절 수술에 사용될 수 있다.
재료가 집속 전자기 방사선에 의해 가공될 때, 특히 전자기 방사선의 방향(일반적으로 "z 방향"이라 함)에서 초점을 정확히 위치시키는 것이 일반적으로 매우 중요하다. 초점의 위치는 일반적으로 "초점 위치"라 한다. 이러한 용어는 전술한 방사선의 방향에서의 초점의 위치(소위, 초점 깊이) 뿐만 아니라 집속 방사선의 위치 및 방위, 즉 예를 들어 시스템의 광축에 대한 방사선의 변위 또는 광축에 대한 각도 위치를 모두 포함하는 것을 의미한다.
미국 공개특허공보 US 2002/0171028호는 반사광이 광학 영상 경로를 통해 제2 빔과 간섭하게 되고 간섭 측정 및 제어가 실행되는 초점 제어를 위한 장치를 개시하고 있다.
또한 미국특허공보 US6,666,857 B2호에서 초점 제어는 간섭 파면(wavefront) 제어에 의해 실행된다. 인간의 눈에 대한 광박리(photoablation) 동안에 활성 파면 제어는 조절 미러들의 조합에 의해 달성된다.
미국 공개특허공보 US 2004/0021851호에서 레이저 및 후속 빔 성형 광학 기구로 구성된 광학 어레이가 알려지지 않은 렌즈의 초점 길이를 측정하기 위해 사용된다. 초점 길이의 측정은 기준면 상에 상이한 거리에서 초점을 맞춤으로써 실행된다. 다시 반사되는 방사선이 검출된다. 그 다음에 스폿 직경이 개별적인 거리와 함께 평가된다. 초점 길이는 "뉴톤" 관계식 Z Z' = f2에 의해 결정된다. 상세하게 설명하지 않은 회절 격자가 다시 반사되는 방사선을 추출하기 위해 사용된다. 또한 초점 길이를 연산하기 위해 존스 행렬 형식이 사용된다. 이 방법은 1%의 정확성을 나타낸다.
국제특허 공개공보 WO 2007/096136 A1호는 측정할 초점에 대한 부분적인 반사면, 상기 반사면에 의해 반사된 영상을 기록하기 위한 카메라 및 카메라에 의해 기록된 영상을 평가하기 위한 컴퓨터를 구비한, 광학 시스템의 초점 위치를 검출하기 위한 장치를 개시하고 있다. 광학 요소는 집속 영상 시스템 이전의 광학 시스템의 광학 경로에 배열되고, 상기 광학 요소는 초점 위치에 따라 상기 영상에 영향을 미친다. 초점 위치는 집속 광학 요소들을 통해 제어된다.
이하에서, 특별히 본 발명은 소위 fs-LASIK(펨토초 라식)과 관련하여 서술되고 설명될 것이며, 초점 위치의 정밀한 제어가 바람직한 경우에 다른 종류의 재료 가공과 관련하여 본 발명을 이용하면 유사한 결과가 나타난다.
본 발명의 목적은 집속 전자기 방사선으로 재료의 가공시에 간단하고 신뢰할 수 있는 방식으로 초점의 제어, 특히 폐쇄 루프 제어를 할 수 있도록 하는 것이다.
실시예에서, 집속 전자기 방사선으로 재료를 가공하기 위한 장치가 제공되는데, 상기 장치는:
- 전자기 방사선의 방사선원(source),
- 재료 위에 또는 재료에 방사선을 인도하고 집속하기 위해 상기 전자기 방사선의 광학 경로에 형성되는 광학 부품들 ― 상기 광학 부품들은 발산 조정 요소 및 빔 스플리터를 포함함 ― ,
- 패턴을 형성하기 위해 상기 발산 조정 요소와 상기 빔 스플리터 사이의 전자기 방사선의 광학 경로에 형성되는 패턴 발생기,
- 상기 광학 부품들 이후 및 집속 방사선의 초점 이전의 광학 경로 상에 형성되는 일부 반사성의 표면 ― 상기 패턴은 상기 빔 스플리터 이후의 전자기 방사선의 광학 경로 상에 형성되는 상기 광학 부품들 중 적어도 하나 이상의 광학 부품을 통해서 상기 일부 반사성의 표면에 결상됨 ― ,
- 패턴의 영상을 수신하고 상기 영상에 상응하는 전기 신호들을 발생시키는 적어도 하나의 검출기 ― 상기 영상은 초점의 위치에 대한 정보를 포함함 ― , 및
- 상기 전기 신호들을 수신하고, 상기 초점 위치에 의존하는 전기 신호를 발생시키기 위해 상기 영상을 처리하도록 프로그램된 컴퓨터를 포함하되,
상기 발산 조정 요소는 상기 전자기 방사선의 방사선원과 상기 패턴 발생기사이의 상기 광학 경로 상에 배열되며 상기 전기 신호에 의존하는 전자기 방사선의 발산을 변경하기 위해 컴퓨터의 상기 전기 신호를 수신하도록 형성되며,
상기 컴퓨터는 상기 방사선의 발산에서 변화들의 함수로서 상기 영상의 영상 크기의 변화들을 알아내고, 그로부터 상기 초점 위치에 의존하는 상기 전기 신호를 발생하도록 형성된다.
이러한 장치를 사용함으로써, 만약 실제 초점 위치가 바람직한 공칭 초점 위치와 일치하지 않으면 실제 초점 위치가 공칭 초점 위치와 일치하도록 발산 조정 요소가 빔 발산을 변경하게 하는 신호를 발생시키기 위하여 컴퓨터가 영상 처리 중에 초점 위치에 대한 정보를 얻는 발산 조정 요소를 통한 초점 위치의 제어 또는 폐쇄 루프 제어하는 것이 가능하다. 빔 발산에서의 변화는 집속 수단(좁은 의미에서 집속 광학 기구)을 작동시킬 필요없이 초점 위치가 바뀌는 효과를 나타낸다. 만약 빔 발산이 증가하면 초점은 빔의 방향으로 이동할 것이며, 만약 빔 발산이 감소하면 초점은 빔 방향과 반대 방향으로 이동할 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 상기 반사면은 또한 전자기 방사선이 가공할 재료의 방향으로 장치를 빠져나가는 장치의 위치에 배열된다.
가공할 재료가 눈 조직, 바람직하게는 각막인 본 발명의 다른 바람직한 실시예를 생각할 수 있다. 이러한 방식에 본 발명이 적용될 때, 본 발명의 장치는 예를 들어, 특히 펨토초 레이저를 사용하여 소위 "플랩"을 만들기 위해 사용된다. fs-LASIK 수술에서 플랩을 만들기 위해 각막이 절단될 때, 매우 정밀한 방식과 가급적이면 평면에서 초점을 제어함으로써 절단이 이루어진다. 즉, 절단은 초점 깊이를 따르게 된다. 여기에서 눈을 고정하고 각막의 기질(stroma)에서 플랩을 절단하기 위한 기준면을 얻기 위하여 일반적으로 유리판이 소위 압평면(applanation surface)으로 각막에 대해 눌려진다. 그 다음에 집속 레이저 펄스가 압평면에 대해 일반적으로 대략 100 ㎛ 깊이에서 각막의 평면 절단부를 절단한다. 절단부의 가장자리에서, "힌지" 부분을 제외하고 플랩이 옆으로 젖혀질 수 있게 플랩의 가장자리가 분리될 수 있도록 절단 깊이가 감소한다.
전술한 본 발명은 절단 깊이의 정확하며 불변하는 일정한 조정을 할 수 있고, 따라서 종래 기술에서 때때로 일어나고 관련 수술 중에 발생하는 초점 위치의 변화로 인한 절단 깊이의 바람직하지 않은 변경으로부터 초래될 수 있고 문제들을 해결한다. 본 발명에 의해, 절단 깊이의 변화는 수 ㎛ 수준으로 감소될 수 있다.
fs-LASIK 수술을 위해 요즈음에 사용되는 보편적인 시스템에서 소위 압평면, 즉 전술한 유리판이 각막을 규정된 평면 내로 누르는 표면에 대한 절단 깊이는 시험편에 대한 절단을 실행함으로써 일반적으로 치료 이전에 조정된다.
본 발명은 시험편에 대한 절단 깊이가 정해짐에도 불구하고, 미리 정해진 절단 깊이의 바람직하지 않은 변화가 발생할 수 있다는 것을 감안하여 이루어진 것이다. 절단 깊이의 바람직하지 않은 변화는 시험편에 대한 절단 깊이의 결정하는 사이의 기간뿐만 아니라 수술하는 동안(즉, 절단을 실행하는 동안)에 발생할 수 있다. 이와 같이 바람직하지 않은 변화는:
- 특히 레이저 부품들 또는 다른 광학 부품들의 열적 변화, 및 레이저 빔 방향의 드리프트에 기인한, 레이저 빔의 발산에서의 변화,
- 특히 열적 변화에 기인한, 집속을 위해 사용되는 광학 부품들의 변화, 및
- 압평면을 형성하도록 눈에 대해 눌려지는 유리판 표면의 제조상의 부정확함에 의해서 나타나게 된다.
예를 들어 전술한 시험편을 사용하여 일단 절단 깊이가 미리 정해졌다면, 초점 위치에 영향을 미치는 그 이후에 부품들에서의 변화는 종래 기술에서 더 이상 인식할 수 없으며 특히 더 이상 교정되지 않는다. 본 발명은 이러한 단점을 해결하며 선택적으로,
- 특히 열적 영향에 의해 야기되는 레이저 빔 발산에서의 변화를 인식;
- 특히 열적 영향에 의해 야기되는 집속 광학 기구의 집속 특성에서의 변화를 인식;
- 레이저 빔의 형상에서의 변화를 인식;
- 빔 방향에서의 변화를 인식;
- 전술한 압평면 및 압평면의 측정에 대한 제조상의 부정확함을 인식;
- 재료 가공 위치, 즉 특히 fs-LASIK 수술에서 절단부 바로 직전의 지점까지 광학 경로의 검사; 및
- 특히 수술 중에 레이저에서 또는 광학 경로에서 시스템 이상의 인식이 가능하다.
본 발명의 더욱더 바람직한 실시예들은 종속항들에 서술되어 있다.
이하에서, 본 발명의 실시예들은 도면을 참조하여 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 집속 전자기 방사선으로 재료를 가공하기 위한 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 전자기 방사선의 광학 경로에서 마스크에 대한 실시예를 도시한 도면이다.
도 3은 빔 발산의 변화가 하나의 패턴에서 나타나는 영향을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 집속 전자기 방사선으로 재료를 가공하기 위한 장치는 펨토초 라식 수술에서 소위 플랩의 절단, 즉 도면에서 재료(M)를 나타내는 눈의 각막에 절단부를 생성하는 것에 관한 것이다.
이러한 용도를 위해 공지된 종류의 펨토초 레이저는 방사선원(10)의 역할을 한다. 펨토초 레이저에 의해 방출되는 방사선(12)은 두 개의 굴절 미러(14)들을 경유하여 빔 직경을 확장시키는 빔 확장기(16)에 공급된다. 확장된 레이저 빔은, 레이저 빔의 발산이 증가 또는 감소될 수 있는 유닛 즉, 발산 조정 요소(18) 내로 인도된다. 발산 조정 요소로서 사용될 수 있는 부품들은 조정가능한 렌즈들, 변형가능한 미러들 또는 변형가능한 렌즈들의 시스템을 구비한 텔레스코프(telescope)이다. 그 다음에, 레이저 빔은 패턴 발생기(20), 예를 들어 이하에 상세하게 설명되는 타입의 섀도우 마스크(shadow mask)를 통과한다. 패턴 발생기(20)는 빔의 단면을 가로질러 빔 강도의 불균일한 분포를 생성한다. 도 2는 사각형의 모서리에 4 개의 점(dot)들을 갖는 패턴을 형성하기 위해 사용된 섀도우 마스크를 예시적으로 도시한다. 상기 패턴은 매트릭스(matrix) 형태로 배열된 점들을 포함할 수 있다. 또한, 도시된 구멍들과 상이한 구조들이 패턴 형성을 위해 적합할 수 있다. 발산 조정 요소(18)에 의한 레이저 빔의 발산 변화는 마스크 영상의 치수에 변화를 야기한다. 즉, 마스크 뒤에 빔에 의해서 만들어지는 패턴에 변화를 야기한다. 바람직하게는, 패턴 발생기는 광학 경로의 안과 밖으로 선회하도록 구성된다.
마스크를 통과한 후에, 발산이 조정된 확장된 레이저 빔은 빔 스플리터(beam splitter)(22)에 부딪친다. 도 1에서 빔 스플리터(22)에 의해 굴절되는 빔의 일부가 제1 검출기(D1) 상의 렌즈(L1)를 통하여 아래로 향한다. 레이저 빔의 다른 일부는 빔 스플리터(22)를 직선으로 통과한다. 이러한 서브 빔은 셔터(24)에 부딪히고 상기 셔터(24) 개방되면 빔을 눈(M)에 대해 안내하여 위치시키는 굴절 유닛(26)에 부딪힌다. 집속 광학 기구는 렌즈(28)로 개략적으로 표시되어 있다. fs-LASIK 수술에서 플랩을 절단하기 위한 일반적인 절차로서, 유리판이 (하부) 압평면(30)으로 눈(M)의 각막에 대해 눌려진다. 레이저 빔의 초점(F)은 집속 광학 기구(렌즈(28))에 의해 조정되고, 플랩의 절단 동안에 초점은 빔 방향에 대해 실질적으로 직각인 평면에서 각막에 예를 들어 각막 표면에 대해 100 ㎛의 깊이에 위치된다.
레이저 빔의 발산이 발산 조정 요소(18)에 의해 변경될 때, 광학 부품들의 다른 조정이 변경되지 않고 유지되더라도 초점(F)의 위치는 도 1에 양쪽 화살표로 상징적으로 나타낸 바와 같이 바뀔 것이다.
유리판의 압평면(30)은 부분적으로 반사성이므로 압평면(30)에 패턴 발생기(20)에 의해 형성된 패턴의 영상이 다시 반사되고 빔 스플리터(22)와 렌즈(L2)를 경유하여 제2 검출기(D2)로 전송된다. 반사성의 압평면은 가공할 재료가 허용하는 한 가급적이면 초점(F)에 가까이 위치한다.
두 개의 검출기(D1, D2)는 고해상 전자 카메라이며 패턴 발생기(20)에 의해 만들어진 기록되었던 패턴의 영상들로부터 전기 신호들을 생성하고, 상기 전기 신호들은 영상 처리를 위해 컴퓨터(C)로 전송된다.
빔 스플리터(22)의 기능의 결과로서, 제1 검출기(D1)는 일부 반사성의 반사면(30)에서 반사되지 않았던 방사선원(10)으로부터 제1 검출기(D1)로 전송되는 패턴 영상을 수신한다. 제2 검출기(D2)는 일부 반사성의 반사면으로부터 다시 반사되는 패턴 영상을 수신한다. 렌즈(L1, L2)들은 최대 해상도를 달성하기 위하여 검출기들에 영상을 형성시킨다.
검출기(D1, D2)들에 대한 광학 부품들의 전술한 배열로 인해, 상기 빔이 패턴 발생기(20)를 통과할 때 검출기들에 의해 수신된 패턴 영상들은 장치의 모든 광학 부품들의 광학 조건에 대한 정보, 특히 빔의 발산에 대한 정보를 포함한다. 제1 검출기(D1)는 빔 스플리터(22) 이전의 광학 경로에 대한 이러한 정보를 검출하고, 제2 검출기(D2)는 방사선원(10)으로부터 압평면(30)까지의 광학 경로에서 모든 부품들에 대한 이러한 정보를 검출한다.
패턴 발생기(20)는 광학 경로에 삽입하기 적합하게 형성된 예를 들어 구멍들을 구비한 플레이트(섀도우 마스크)로 형성될 수 있다. 섀도우 마스크가 전치할 수 있다는 사실은 양쪽 화살표로 도 1에 표시되어 있고 섀도우 마스크가 광학 경로로부터 이동된 위치는 도면 부호 20'으로 지정되어 있다.
섀도우 마스크 대신에, 광학 경로에 유지되고 빔의 자유로운 통과를 선택적으로 허용하거나 광학 경로에서 마스크의 형성을 허용하도록 제어될 수 있는 전자 광학 수단이 또한 제공될 수 있으며, 상기 마스크는 패턴을 발생시키기 위해 사용된다.
초점(F) 위치의 제어 또는 폐쇄 루프 제어를 실행하기 위한 도 1에 따른 장치의 기능은 다음과 같다.
서두에 설명한 바와 같이, 방사선원(10)에 의해 방출된 방사선의 광학 경로에서 부품들의 광학 특성의 변화로 인하여 초점 위치의 바람직하지 않은 변위가 장치에서 발생할 수 있는데, 상기 변화는 특히 열적 영향에 야기된다. 초점 위치의 변화는 특히 빔 발산이 변화할 때 일어난다. 레이저 빔의 발산이 변할 때, 검출기(D1, D2)들에서 마스크의 영상(즉, 마스크에 의해 만들어진 패턴의 영상)들은 발산이 증가하거나 감소함에 따라 커지거나 작아질 것이다. 영상의 특성, 특히 압평면(30)에 형성되는 마스크 영상의 크기는 또한 초점 위치의 측정, 즉 압평면에 형성되는 방사선 패턴 영상은 초점(F)의 위치에 대한 정보를 포함하며, 방사선 패턴은 패턴 발생기(20)에 의해 발생한다. 컴퓨터(C)에서 영상 처리 수단은 발산 조정 요소(18)를 위한 제어 신호들을 산출하기 위해 이러한 정보를 사용할 수 있는데, 제어 신호들은 초점(F)이 바람직한 위치를 갖게 되도록 빔의 발산을 제어하기 위해 사용된다.
도 2는 4개의 점(P)을 갖는 섀도우 마스크의 예를 도시한다. 도 3은 압평면(30) 위에 이러한 섀도우 마스크의 영상이 어떻게 방사선의 발산이 변함에 따라 독립적으로 바뀔 수 있는지를 도시한다. 이러한 변화들은 예를 들어 도 3에 양쪽 화살표로 표시되어 있다. 예를 들어, 발산이 대칭으로 변할 때, 점(P1, P2, P3, P4)들의 원래 위치들은 각각의 위치(P1', P2', P3', P4')로 안쪽으로 이동할 수 있는데, 이것은 초점(F)이 압평면(30)에 접근하게 되는 것을 의미한다. 만약 바람직한 초점 위치가 점(P1, P2, P3, P4)들의 원래 위치에 상응한다면, 이러한 원래 위치는 발산을 변화시킴으로써(예를 들어 광학 부품들의 특성에 따라 발산을 증가시킴으로써) 재설정될 수 있다. 사전 수술 조치 예를 들어 시스템의 광학 교정과 수술 종료 사이의 기간에서 바람직한 초점 깊이가 높은 정밀도로 항상 유지되도록 폐쇄 루프의 방식 이후에 이것이 실행될 수 있다.
전술한 설명으로부터 압평면(30) 위에 마스크의 영상은 초점(F)의 위치에 대한 정보를 포함한다는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 압평면 위에 패턴의 영상은 발산 조정 요소(18)에 의한 발산을 조정함으로써 변화될 수 있다는 것을 알 수 있다.
이러한 함수 관계(functional dependencies)를 이용함으로써 초점 위치에 대해 도 1에 따른 광학 장치를 교정하는 것, 즉 시험용 눈 또는 유사한 것을 사용하여 예상되는 변화 범위에서 압평면(30) 상의 영상을 각각의 초점 위치에 실험적으로 배정하는 것이 가능하다. 그 다음에 이러한 영상은 검출기(D2)에 의해 기록되고 데이터 예를 들어 초점 위치를 특징짓는 초점 깊이와 함께 컴퓨터(C)에 저장된다. 영상 처리를 위해, 컴퓨터(C)는 특정한 초점 위치들이 개별적인 패턴 영상들로 배정된 실험적으로(경험적으로) 획득되는 데이터를 컴퓨터에 저장할 수 있다. 이러한 함수 할당은 예를 들어 표 형태나 경험적으로 얻어진 수학적인 함수에 의해 실행될 수 있다. 장치의 광학 시스템에 있어서, 패턴의 영상 크기의 변화는 방사선의 발산에 대한 명백한 변화의 함수이고 또한 초점 위치의 변화도 영상 크기의 명백한 변화의 함수이며, 따라서 발산의 명백한 변화의 함수이다. 이러한 함수 관계는 광학 시스템, 즉 도 1에 따라 장치에 대해 사전에 경험적으로 알아낼 수 있으며 설명한 방식으로 컴퓨터(C)에 저장될 수 있다.
폐쇄 루프에서, 발산 조정 요소(18)는 조정 요소로서 작동한다. 폐쇄 루프의 교란 변수는 검출기 영상에 기초하여 결정된다. 예를 들어, 길이 정보(치수) 예컨대 도 3에 도시된 점들 사이의 거리는 마스크의 영상으로부터 얻어질 수 있다. 내삽법(interpolation)을 통해서 분석을 위한 기초로서 사용되는 크기들은 검출기(D1, D2)들의 픽셀 치수보다 정확할 수 있다.
도 3에 따라 예를 들어, 검은 점(solid dots)들과 흰 점(empty dots)들 사이의 거리는 영상 처리에 의해 컴퓨터(C)에서 획득될 수 있고, 초점 위치의 변화에 따른 거리들의 변화를 포함하는 경험적으로 얻어진 함수는 발산 조정 요소(18)에 의해 야기되는 발산의 변화를 통해서 저장된 함수들로부터 계산되는 점들의 위치, 결과적으로 바람직한 초점 위치를 재설정하기 위해 사용될 수 있다. 이것은 처음에 실험적으로(경험적으로) 획득된 기준 상태를 참고하여 상대적으로 이루어지는데, 여기에서 초점 위치는 예를 들어 시험용 눈 또는 유사한 것을 토대로 측정되고 이러한 초점 위치는 예를 들어 fs-LASIK 수술에서 플랩을 절단하기 위한 바람직한 절단 깊이를 정확하게 나타낸다. 그 다음에 바람직한 기준 깊이는 도 2 및 도 3에 따른 패턴 영상에서 점들의 매우 특별한 치수와 결부되며, 컴퓨터(C)는 바람직한 초점 위치에 해당하는 점들 거리가 수술 전 및 수술 중에 유지되도록 발산 조정 요소(18)를 제어한다.
교란 변수들은 특히 방사선원(10)으로부터 빔 스플리터(22)까지 방사선의 경로 상의 광 파장에서의 열적 변화, 이 경로를 따라 발산의 변화 또는 광학 부품들의 다른 변화이다. 이러한 변화는 검출기(D1, D2)에서의 영상들의 변화를 초래하고, 검출기(D1)에서의 변화는 이러한 교란 변수들에 대한 모든 정보를 이미 포함한다.
빔 스프리터(22)로부터 압평면(30)까지의 경로를 따라 발생하는 광학 부품들의 변화, 특히 열적 조건 변화 또는 압평면(30)의 부정확한 위치는 검출기(D1)에 의해 기록되는 영상에는 영향을 주지 않고 검출기(D2)에 대한 영상에 변화를 초래한다.
이것은 컴퓨터가 교란 변수를 평가하기 위해 또한 사용될 수 있으며 교란은 국부적인 것, 즉 특정한 광학 부품들과 관련될 것이 될 수 있다는 것을 의미한다.
전술한 시스템은 앞서 설명한 초점 위치의 제어 이외에 향상된 작동 신뢰성의 관점하에서의 다른 필수적인 양태에서 시스템을 또한 모니터링 할 수 있다. 예를 들어, 모니터링 기능은 빔 중단, 빔 타원 모양(beam ellipticity)의 변화, 오염, 광학 시스템의 결함 등을 검출하기 위해 컴퓨터에 의해 실현될 수 있다. 이러한 모든 것들이 두 개의 검출기(D1, D2) 중의 하나에 나타나는 패턴 영상에 영향을 주며 예를 들면, 전술한 파라미터들이 미리 정해진 공칭 값으로부터 벗어나기 때문에 수술이 중단되어야 할 경우에 환자에 대한 위험을 배제하도록 평가될 수 있다.
컴퓨터(C)에서 영상 처리를 위해 요구되는 계산적인 부담을 가능한 한 제한하기 위하여, 패턴 발생기(20)에 의해 생성되는 패턴의 가장 단순한 형태를 선택하는 것이 바람직할 것이다. 이것은 도 2에 도시된 비교적 간단한 마스크를 사용함으로써 달성될 수 있다. 도시된 점들의 배열에 기초하여, 각각 두 개의 피크를 갖는 개별적인 일차원적인 분포가 행과 열을 합산함으로써 산출될 수 있다. 피크들 간의 거리는 중요한 계산적인 노력을 하지 않고(내삽법에 의해) 픽셀 거리보다 양호한 국부적인 해상도로 결정될 수 있다.
섀도우 마스크들은 예를 들어 금속 플레이트, 흑화 필름, 홀로그래픽 소자, 렌즈 어레이에 구멍을 형성함으로써 실현될 수 있다. 단순한 마스크들은 중요한 계산적인 노력을 하지 않고 거의 실시간으로 영상 처리에 의해서 처리될 수 있는 반면에, 복잡한 마스크들은 다수의 제어 기능 및 에러 분석을 필요로 한다.
앞서 도 1에 대해 설명한 실시예의 변형예로서, 검출기(D1) 및 관련 렌즈(L1)를 생략하거나 미러로 대체하는 것이 가능하다. 검출기(D1)가 미러로 대체되는 경우, 빔이 초점(F)을 통과하거나 미러를 향하는 빔을 차단할 수 있는 빔 굴절이 추가될 수 있다.
도 1에 따른 실시예의 다른 변형예로서 검출기(D2) 및 관련 렌즈(L2)를 생략하거나 미러로 대체하는 것을 생각할 수 있다. 만약 셔터(24)가 폐쇄되면, 이것은 빠져나오는 빔의 빔 분포의 측정을 허용한다. 만약 셔터(24)가 개방되면, 검출기(D1)에 이미 존재하는 영상 분포는 제2 빔(압평면(30)에 의해 반사되는) 분포에 의해 중첩될 것이다. 두 개의 영상은 서로에 대해 처리, 예를 들어 다른 것으로부터 제감될 수 있다. 이렇게 처리하면, 두 개의 영상은 공간적으로 서로 분리될 수 있고 이에 의해 영상 처리가 단순화될 것이다.
만약 검출기(D1) 및 관련 렌즈(L1)가 생략되면, 셔터(24)는 타임 시프트 및 미러의 각도 조건에 의존하여 오직 하나의 검출기(카메라(D2))로 관심 있는 영상을 기록하기 위하여 선회 미러로 대체될 수 있다.
검출기로서 이차원적인 카메라를 사용하는 대신에, 라인 패턴이 패턴 발생기에 대해 사전에 결정되는 경우 이러한 목적을 위해 라인 스캔 카메라를 사용할 수도 있다.
마찬가지로, 초점 위치는 굴절 미러(14)의 구성에 의해 그 위치와 각도가 제어될 수 있다. 또한 초점 위치, 즉 빔 방향과 수직으로 연장된 평면에서 초점의 위치는 압평면(30) 상의 패턴의 영상에 영향을 받으며 컴퓨터(C)에 의해 제어가능한 모터 조정 요소로 실현되는 굴절 미러를 사용함으로써 컴퓨터(C)에서의 영상 처리에 의해 초점 위치를 제어하도록 사용될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 발산과 관련하여 초점 깊이를 토대로 하여 앞서 설명한 것과 유사하게 초점 위치가 컴퓨터에 의해 사전에 결정된 바람직한 값으로 빔 방향에 직각으로 조정되는 방식으로 굴절 미러(14)를 제어하도록 컴퓨터(C)는 또한 경험적으로(실험적으로) 프로그램될 수 있다. 일정한 초점 깊이에 의해서 규정되는 평면에서 플랩의 절단 동안에 초점의 바람직한 위치가 유지된다.
상응하는 방식으로 초점(F)의 위치에서 방사선의 방향에도 적용할 수도 있으며, 또한 압평면(30) 위의 패턴의 영상에서 나타나는 것을 찾을 수 있고 따라서 컴퓨터(C)를 사용하여 굴절 미러(14)를 제어함으로써 초점 깊이와 발산 간의 관계와 관련하여 앞서 설명한 내용과 유사하게 제어 및 폐쇄 루프 제어할 수 있다.
10 방사선원
12 방사선
14 미러
16 빔 확장기
18 발산 조정 요소
20 패턴 발생기
22 빔 스플리터
24 셔터
26 빔 가이드
28 집속
30 압평면
F 초점
L1 렌즈
L2 렌즈
D1 검출기
D2 검출기
C 컴퓨터
32 패턴
P 점
34 신호

Claims (15)

  1. 집속 전자기 방사선으로 재료를 가공하기 위한 장치로서,
    - 전자기 방사선의 방사선원,
    - 재료 위 또는 재료 내의 초점에 방사선을 인도하고 집속하기 위해 상기 전자기 방사선의 광학 경로에 형성된 복수의 광학 부품들 ― 상기 광학 부품들은 적어도 발산 조정 요소 및 빔 스플리터를 포함함 ― ,
    - 상기 발산 조정 요소 및 상기 빔 스플리터 사이의 전자기 방사선의 광학 경로 내의 패턴 발생기,
    - 상기 광학 경로 내에서 상기 광학 부품들 이후 및 상기 집속 방사선의 초점 이전에 위치한 적어도 부분적으로 반사성을 띄는 표면 ― 패턴은 상기 빔 스플리터 이후의 전자기 방사선의 광학 경로에 형성된 상기 광학 부품들의 적어도 하나의 광학 부품을 통해 상기 적어도 부분적으로 반사성을 띄는 표면 상에 결상됨 ― ,
    - 상기 패턴의 영상을 수신하고, 상기 영상에 대응하는 전기 신호들을 발생시키는 제1 및 제2 검출기 ― 상기 영상은 초점의 위치에 대한 정보를 포함하며, 상기 제1 검출기는 상기 적어도 부분적으로 반사성을 띄는 표면 상에서 반사되지 않고 상기 방사선원으로부터 상기 제1 검출기로 전송되는 영상들을 수신하고, 상기 제2 검출기는 상기 적어도 부분적으로 반사성을 띄는 표면으로부터 반사되는 영상들을 수신함 ― , 및
    - 상기 전기 신호들을 수신하며, 만약 상기 패턴에서의 변화가 있다면 원래 위치로 재설정하기 위해 상기 제1 검출기 및 상기 제2 검출기로부터의 전기 신호들에 의존하여 상기 전자기 방사선의 발산을 변화시키도록 제어 신호를 생성하도록 상기 원래 위치로부터 초점에서의 변화를 나타내는 상기 패턴에서의 변화가 있는지 여부를 상기 영상으로부터 결정하도록 프로그램된 컴퓨터를 포함하고,
    상기 발산 조정 요소는 상기 전자기 방사선의 방사선원 및 상기 패턴 발생기 사이의 광학 경로에 정렬되고, 상기 원래 위치로 재설정하도록 상기 전자기 방사선의 발산을 변화시키는 상기 제어 신호를 수신하도록 적응되는,
    집속 전자기 방사선으로 재료를 가공하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 표면은 상기 전자기 방사선이 상기 장치를 빠져나가는 위치에 배열되는,
    집속 전자기 방사선으로 재료를 가공하기 위한 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 재료는 눈의 각막인,
    집속 전자기 방사선으로 재료를 가공하기 위한 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방사선원은 펨토초(femtosecond) 레이저인,
    집속 전자기 방사선으로 재료를 가공하기 위한 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 표면은 각막에 대하여 눌려지도록 적응된 압평면인,
    집속 전자기 방사선으로 재료를 가공하기 위한 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 패턴은 두 개 또는 그 초과의 점들을 포함하는,
    집속 전자기 방사선으로 재료를 가공하기 위한 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 발산 조정 요소는 텔레스코프, 변형가능한 미러 및 변형가능한 렌즈 중의 하나를 포함하는,
    집속 전자기 방사선으로 재료를 가공하기 위한 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 검출기는 적어도 두개의 검출기들을 포함하고, 상기 검출기들 중 하나는 상기 방사선원으로부터 방출된 방사선을 검출하고, 상기 검출기들 중 다른 검출기는 상기 표면으로부터 반사된 방사선을 검출하는,
    집속 전자기 방사선으로 재료를 가공하기 위한 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 패턴 발생기는 상기 발산 조정 요소 이후의 상기 전자기 방사선의 광학 경로에 배치되는,
    집속 전자기 방사선으로 재료를 가공하기 위한 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 패턴은 매트릭스(matrix)의 형태로 배열된 복수의 점들을 포함하는,
    집속 전자기 방사선으로 재료를 가공하기 위한 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 패턴에서의 변화는 패턴의 크기에서의 변화인,
    집속 전자기 방사선으로 재료를 가공하기 위한 장치.
  12. 집속 전자기 방사선으로 재료를 가공하기 위한 방법으로서,
    - 방사선원에 의해 상기 전자기 방사선을 생성하는 단계,
    - 가공될 재료에 방사선을 인도하는 단계 ― 상기 방사선을 인도하는 단계는 집속 방사선의 초점 이전의 상기 전자기 방사선의 광학 경로에 적어도 부분적으로 반사성을 띄는 표면을 제공하는 단계, 상기 전자기 방사선의 광학 경로 내에 패턴을 생성하는 단계, 상기 적어도 부분적으로 반사성을 띄는 표면 상에 상기 패턴을 결상하는 단계, 및 상기 재료 위 또는 상기 재료의 안의 초점에 상기 방사선을 집속하는 단계를 포함함 ― ,
    - 제1 및 제2 검출기들을 통해, 상기 패턴의 영상들을 가지는 방사선을 검출하는 단계 ― 상기 검출된 영상들은 초점의 위치에 대한 정보를 포함하고, 상기 제1 검출기는 상기 부분적으로 반사성을 띄는 표면 상에서 반사되지 않고 상기 방사선원으로부터 상기 제1 검출기로 전송되는 영상들을 수신하고, 상기 제2 검출기는 상기 부분적으로 반사성을 띄는 표면으로부터 반사되는 영상들을 수신함 ― ,
    - 상기 영상들을 검출하는 것에 상응하여 하나 또는 그 초과의 전기 신호들을 생성하는 단계,
    - 원래 위치로부터 초점에서의 변화를 나타내는 패턴에서의 변화가 있는지 상기 영상으로부터 결정하고, 만약 패턴에서의 변화가 있다면 상기 원래 위치로 재설정하기 위해 상기 전자기 방사선의 발산을 변화시키도록 제어 신호를 생성하도록 컴퓨터에서 상기 전기 신호들을 처리하는 단계, 및
    - 상기 원래 위치로 재설정하도록 상기 제어 신호에 의존하여 상기 전자기 방사선의 발산을 조정하는 단계를 포함하는,
    집속 전자기 방사선으로 재료를 가공하기 위한 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 표면은 각막에 대하여 눌려지도록 적응된 압평면인,
    집속 전자기 방사선으로 재료를 가공하기 위한 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 패턴은 매트릭스의 형태로 배열된 복수의 점들을 포함하는,
    집속 전자기 방사선으로 재료를 가공하기 위한 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 패턴에서의 변화는 패턴의 크기에서의 변화인,
    집속 전자기 방사선으로 재료를 가공하기 위한 방법.
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