WO2005011545A1 - Verfahren und vorrichtung zum ausbilden gekrümmter schnittflächen in einem transparenten material - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum ausbilden gekrümmter schnittflächen in einem transparenten material Download PDF

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deflection
laser radiation
optical
cut surface
along
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PCT/EP2004/007734
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Dirk MÜHLHOFF
Mario Gerlach
Markus Sticker
Carsten Lang
Mark Bischoff
Michael Bergt
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Carl Zeiss Meditec Ag
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Publication date
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    • A61F2009/00861—Methods or devices for eye surgery using laser adapted for treatment at a particular location
    • A61F2009/00872—Cornea

Definitions

  • the invention relates to a method for forming curved cut surfaces in a transparent material, in particular in the cornea, by creating optical breakthroughs at different locations in the material by means of pulsed laser radiation focused in the material, the laser radiation being deflected two-dimensionally around the cut surface by stringing together to form the optical breakthroughs.
  • the invention further relates to a device for forming curved cut surfaces in a transparent material, in particular in the cornea, with a pulsed laser radiation source which focuses laser radiation into the material and brings about optical breakthroughs there, a deflection device which deflects the laser radiation two-dimensionally and one Control devices are provided which control the deflection device in order to form the cut surface by lining up the optical openings in the material,
  • Curved cut surfaces within a transparent material are produced in particular in laser surgical methods and there in particular in ophthalmic surgery. Thereby treatment laser radiation within the tissue i.e. focused below the tissue surface in such a way that optical breakthroughs occur in the tissue.
  • the quality of the cut surface depends on the uniformity of the arrangement of the optical openings. This applies in particular to the eye surgery operations mentioned, which carry out a refractive correction, since there the quality of the cut surface is inextricably linked to the optical quality of the result obtained.
  • the invention is therefore based on the object of developing a method and a device for forming curved cutting surfaces of the type mentioned at the outset in such a way that a good quality of the optical cutting surface is possible while the cutting surface is formed as quickly as possible.
  • This object is achieved according to the invention by a method of the type mentioned in the introduction, in which the two-dimensional deflection takes place in such a way that the locations of optical breakthroughs along a curve on which the optical breakthroughs are strung together are spaced apart according to an angular function related to the deflection, which are non-linear and is adapted to the curvature of the cut surface in such a way that the locations along the curve of adjacent optical breakthroughs are evenly spaced within a certain tolerance.
  • the object is further achieved with a device of the type mentioned at the outset, in which the control device controls the deflection device two-dimensionally in accordance with a deflection function in such a way that the locations of optical breakthroughs along a curve on which the optical breakthroughs are strung together in accordance with an angular function related to the deflection are spaced apart, which is non-linear and is adapted to the curvature of the cutting surface in such a way that the locations along the curve of adjacent optical openings are evenly spaced within a certain tolerance.
  • the invention is based on a projection geometry in which equidistant angular distances of the deflection in a plane perpendicular to the main axis of incidence result in points lying equidistant.
  • non-equidistant angular distances ensure that that the point distances in the plane vary perpendicular to the main axis of incidence so that the curved cut surface again provides equidistant locations of the optical breakthroughs.
  • the invention achieves that in the curved cutting surface along a curve adjacent optical breakthroughs lie equidistant within precisely defined limits.
  • the distance between such adjacent optical openings can now be set so that the smallest possible number of optical openings is sufficient to produce a desired curved cutting surface.
  • the distance can be set reliably so that the optical breakthroughs can be joined together at the highest possible frequency without the risk of wanting to generate an optical breakthrough in vain in the not yet collapsed plasma bubble of the neighboring optical breakthrough.
  • the invention leaves a great deal of freedom, it is only essential for the approach according to the invention that the breakthroughs lined up adjacent along a curve meet the geometric conditions mentioned above, the curve with the chronological order in which the breakthroughs were produced, can be linked and in particular can correspond to it.
  • the concept according to the invention achieves that it is possible to work with a usually very simple two-axis deflection for the laser radiation producing the optical breakthroughs.
  • any deflection that deflects the laser radiation in two directions can be considered as a two-dimensional deflection in the sense of the invention.
  • a tilting mirror is usually used to deflect around two orthogonal axes.
  • the axes are naturally somewhat spaced and perpendicular to the main axis of incidence of the radiation onto the object (e.g. eye).
  • the object e.g. eye
  • a basis of the two-dimensional deflection is obtained.
  • the axes do not have to intersect; they do not have to be orthogonal in the projection mentioned; e.g. a deflection according to circular coordinates is also possible, as can be achieved using a wobble mirror or a rotating prism scanner.
  • two bases to which the angular function is based can always be specified spanning a plane perpendicular to the main axis of incidence.
  • the angle function is naturally adapted to the curvature of the cutting function. It is related to the two-dimensional deflection, indicates the location of an optical breakthrough with respect to the deflection (deflection point, bases of the deflection) and is therefore generally also two-dimensional. Depending on the type of deflection, this angular function can be separated into two one-dimensional angular functions.
  • a separate angular function can be specified for each axis, which defines the angle between the deflection axis and a straight line from the intersection point of the center axis of the deflection axis to the location of the optical breakthrough.
  • the crossing point can be understood as a deflection point for the deflection around the relevant deflection axis.
  • a person skilled in the art can therefore obtain a specification for the angle function to be used, for example, by connecting locations lying equidistantly in the curved cutting surface to the deflection point.
  • the invention allows the locations of the optical breakthroughs adjacent along a curve to be set at a precisely determined distance from one another by the deflection of the laser beam. Since the cut surface is generated by a two-dimensional deflection and usually the optical breakthroughs produce plasma bubbles with mostly spherical volumes, the distance between any adjacent locations of the optical breakthroughs in the cut surface depends on the arrangement of the optical breakthroughs in the cut surface, which can be understood as a flat lattice structure from. The distance of a certain optical breakthrough to its neighbors fluctuates more or less depending on the lattice structure. Due to this fluctuation, it is sometimes not absolutely necessary to set the exact same distance between the locations along the curve. Rather, it is sufficient to keep the distance constant within certain tolerance limits.
  • the tolerance limits are advantageously chosen to be lower than the geometrically caused variation of the distances between the locations of immediately adjacent optical breakthroughs. A tolerance of 20% has proven to be favorable.
  • the optical breakthroughs are generated by using pulsed laser radiation.
  • the deflection results in the optical breakthroughs spaced apart by certain increments.
  • the deflection function, according to which the deflection takes place, and the time interval between two successive pulses, ie the pulse frequency, also have an effect on the step width, ie the angular spacing of the optical breakthroughs. Both variables are thus equally suitable for setting the angular function according to the invention, keeping one constant while varying the others is also possible, such as a simultaneous variation of pulse repetition frequency and deflection function.
  • a constant pulse repetition frequency proves to be technically particularly easy to implement when the laser radiation is provided. It is therefore preferable as a further development to provide the laser radiation in a uniformly pulsed manner and to carry out the deflection according to a deflection function which is non-linear in at least one direction, i.e. to be designed in such a way that the adjustment speed of the two-dimensional deflection depends on the deflection angle just present in order to implement the angle function according to the invention. This applies in particular to the case of deflection about two axes lying perpendicular to one another, which can be realized with particularly simple means.
  • the laser beam is ideally deflected back and forth in parallel lines, and perpendicular to this, at the end of each line, the deflection changes around the other axis in order to achieve a line feed.
  • the lines are of course not the same length. They lie further in order to take into account the curvature of the cut surface and to achieve the nonlinear angular function according to the invention, generally also not equidistant from one another; their spacing varies depending on the position of the line on the cut surface.
  • the deflection for shifting the lines has to be adjusted as the progression on a line in order to obtain the angular function adapted to the curved cutting surface.
  • a deflection is advantageous in particular for such cutting surfaces in the case of uniformly pulsed laser radiation, in which the deflection speed at the edge of the region of the cutting surface is lower than in the center, around that increasing at the edge of the region Inclination of the curved cutting surface to take into account the plane of the two-dimensional deflection.
  • the step size occurring in a plane parallel to the two-dimensional deflection between adjacent openings can be set particularly easily in a particularly simple manner.
  • cut surfaces curved with radius R in which the laser radiation is incident on the main axis of incidence in the material and is deflected biaxially along an x and a y axis in a plane perpendicular to this main axis of incidence, the plane in x-direction a step size dx is set between locations on the curve of adjacent optical breakthroughs, for which the following applies:
  • the pulse frequency of the laser radiation at the edge of the area of the cut surface can be chosen higher than in the center.
  • the meandering pattern described is a special case of a two-dimensional deflection with two deflection functions assigned to the coordinates of the two-dimensional deflection, one of the two deflection functions being parameterized with the coordinate with which the other of the two deflection functions is assigned.
  • the device according to the invention is used to implement the method according to the invention and has a control device designed in this regard, which can be implemented, for example, with a suitably programmed computer and which controls the deflection device and further components of the device (eg focus adjustment).
  • a particularly expedient implementation for the projection of the laser radiation into the material is a corrected F-theta optic which, when deflected out of a deflection point and linearly controlling the deflection, leads to a uniform course of the deflection parallel to the plane of the two-dimensional deflection.
  • FIG. 1 is a perspective view of a patient during a laser surgical treatment with a laser surgical instrument
  • FIG. 2 is the focusing of a beam onto the patient's eye with the instrument of FIG. 1
  • FIG. 3 is a schematic illustration for explaining a during the laser surgical treatment with the 1 cut surface generated instrument
  • FIG. 4 shows a deflection device of the laser surgical instrument of FIG. 1
  • FIG. 5 shows the arrangement of optical breakthroughs for producing an intersection with the laser surgical instrument of FIG. 1
  • FIG. 6 shows a curve to illustrate the line deflection in the deflection function of FIG. 4,
  • Fig. 7 further curves for controlling the deflection device of Figures 4 and
  • FIG. 8 shows two time series for controlling the biaxial deflection according to FIG. 4.
  • the laser-surgical instrument 2 for treating an eye 1 of a patient, the laser-surgical instrument 2 being used to carry out a refractive correction.
  • the instrument 2 emits a treatment laser beam 3 onto the eye of the patient 1, the head of which is fixed in a head holder 4.
  • the laser surgical instrument 2 is able to generate a pulsed laser beam 2 so that the method described in US 6,110,166 can be carried out.
  • the laser-surgical instrument 2 has a beam source S, the radiation of which is focused into the cornea 5 of the eye 1.
  • a defective vision of the patient's eye 1 is remedied by means of the laser-surgical instrument 2 by removing material from the cornea 5 in such a way that the refractive properties of the cornea change by a desired amount.
  • the material is taken from the stroma of the cornea, which lies below the epithelium and Bowman's membrane, above the Decemet's membrane and the endothelium.
  • the material is removed by separating tissue layers in the cornea by focusing the high-energy pulsed laser beam 3 by means of focusing optics 6 in a focus 7 located in the cornea 5.
  • Each pulse of the pulsed laser radiation 3 creates an optical breakthrough in the tissue, which initiates a plasma bubble 8.
  • the tissue layer separation covers a larger area than the focus 7 of FIG Laser radiation 3.
  • many plasma bubbles 8 are now strung together during the treatment.
  • the adjacent plasma bubbles 8 then form a cut surface 9 which circumscribes a partial volume T of the stroma, namely the material to be removed from the cornea 5.
  • the laser-surgical instrument 2 acts like a surgical knife which, without damaging the surface of the cornea 5, directly separates material layers inside the cornea 5. If the cut is made by further generating plasma bubbles 8 up to the surface of the cornea 5, a material of the cornea 5 isolated by the cut surface 9 can be pulled out laterally and thus removed.
  • the generation of the cut surface 9 by means of the laser-surgical instrument 2 is shown schematically in FIG. 3.
  • the cutting surface 9 is formed by lining up the plasma bubbles 8 as a result of the continuous deflection of the pulsed focused laser beam 3 and suitable focus adjustment.
  • the deflection takes place by means of the deflection unit 10 shown schematically in FIG. 4, which deflects the laser beam 3 incident on the eye 1 on a main axis of incidence H about two axes lying perpendicular to one another.
  • the deflection unit 10 uses a line mirror 11 and an image mirror 12, which leads to two spatial deflection axes lying one behind the other. The point of intersection of the main beam axis with the deflection axis is then the respective deflection point.
  • the two deflection points for the two deflection axes are very closely spaced in relation to the distance between the deflection unit 10 and the cornea 5, the deflection axes can be regarded approximately as intersecting in a single deflection point.
  • FIG. 5 shows a top view of the cutting area 13 of a cut to be made in the cornea 5, which is spherically curved. The projection of the two deflection axes, which intersect in the center 14 of the cutting area and are designated by x or y, is drawn on the cutting area 13.
  • the deflection by the line mirror 11 causes a displacement of the laser beam along the x-axis (ie a deflection around the y-axis), whereas the actuation of the image mirror 12 causes a displacement along the y-axis (ie a deflection around the x-axis) has the consequence.
  • the edges I, r are entered again in FIG. 3 for clarification.
  • FIG. 3 In addition to the top view of the cutting area 13, FIG.
  • the cut surface 9 in the cornea 5 is produced by lining up plasma bubbles 8 which are spaced equidistantly along the cut surface 9 at a distance d.
  • the distance d is dependent on the diameter of the plasma bubble 8 generated with an optical breakthrough and is, for example, 3 ⁇ m.
  • the series of plasma bubbles 8 is shown in the form of a line 15 in a plane perpendicular to the main axis of incidence of the deflection axes.
  • the main axis of incidence is defined by the beam falling on the center 14.
  • the decrease in the distance d ' is brought about by a non-linear actuation of the line mirror 11 and is selected such that the uniform distance d between the plasma bubbles 8 is established in the cut surface 9 of the cornea 5.
  • the locations of the disruption bubbles are consequently arranged according to a non-linear angular function.
  • the angular function in the x direction is selected such that, despite the curvature of the cut surface 9, the plasma bubbles 8 are equidistant in the cut surface 9.
  • the spacing d 'along the (straight) line 15 which varies as a result of the angular function thus causes a predistortion of the spacings which, together with the curvature of the cut surface 9, achieve the constant spacing d between the locations of the plasma bubbles 8 which were written along the line.
  • FIG. 6 shows the control of the line mirror 11 required for line 15 as a time series.
  • FIG. 6 shows the line deflection angle ⁇ , which is identical to the line coordinate x due to the uniformly pulsed radiation source S and the F-theta correction of the optics. In the case of uneven pulsed laser radiation, this assignment no longer applies, which is why the ultimately decisive line deflection angle ⁇ is plotted for the generality of the illustration in FIG. 6.
  • the linear course 17 is also plotted in FIG. 6, but this is not used in the control of the line level 11.
  • the line mirror 11 is activated between two times t0 and t1 according to a line function 16 which is symmetrical about an average value ⁇ O and deviates from a linear function 17.
  • the line mirror 11 is positioned so that the laser beam 3 falls on the left edge I.
  • the deflected laser beam 3 is on the right edge r.
  • Due to the line function 16 flattening towards the edge the line mirror 11 moves at a lower speed at the edge of the cutting area 13, as a result of which the plasma bubbles 8 move closer together, i.e. the distance d 'decreases towards the edges l and r. Because of the curvature of the cut surface 9, the overall result is that the distance d between the plasma bubbles 8 in the cornea 5 is constant.
  • the line 15 of FIG. 5 and the line function 16 are shown in FIG. 6 for the simplified case of a deflection running through the center 14.
  • the maximum deflection of the line mirror 11 must of course be adapted to the current position of the image mirror 12.
  • the line function 16 here with the y value, i.e. is parameterized with the position of the image mirror 12.
  • Figure 7 shows an example of a corresponding family of curves on line functions 16.
  • the slope of the line function 16 decreases with increasing y-value, at the same time the line opening angle, i.e. the difference between the maximum and minimum line deflection angle ⁇ .
  • the design of course depends in individual cases on the cut surface 9 and the correction of the optics.
  • the line mirror 11 is thus controlled by a control function, the course of which depends on the position of the image mirror 12.
  • FIG. 8 shows the course of the line deflection angle ⁇ in two time series (in the exemplary embodiment identical to or proportional to the x-coordinate) and an image deflection angle ⁇ , which in the described embodiment with a constant pulsed beam source S is identical to or proportional to the y-coordinate.
  • the cutting area 13 is scanned from top to bottom.
  • the image mirror 13 is constantly set to a deflection at the upper edge of the cutting area 1 " 3, as the image function 18 shows.
  • the line mirror 11 is non-linearly adjusted over a small area.
  • the time course of the control function and thus the deflection angle depends the curvature of the cut surface.
  • the image mirror 12 moves to the next line according to the image function 18, and the line mirror again performs a non-linear line movement, whereby it was first returned to the left edge of the cutting area 13.
  • the deflection now effected by means of the line mirror 18 is likewise non-linear, but via a line opening angle that is larger than that of the previous deflection.
  • the image mirror is placed in the third line at time t2, the change in angle caused thereby being greater than in the previous lines, since adjacent lines are not equidistant from the angle. This procedure is shown in FIG. 8 up to line 15 of FIG. 5, with only 5 lines in FIG. 8 being included for the sake of simplicity.
  • the lines can also be strung together in a meandering fashion, the line function 16 is then inverted between the sections t1 and t2 as well as t3 and t4.

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Abstract

Es wird beschrieben ein Verfahren zum Ausbilden gekrümmter Schnittflächen (9) in einem transparenten Material, insbesondere in der Augenhornhaut (5), durch Erzeugen optischer Durchbrüche (8) an verschiedenen Orten im Material (5) mittels gepulster, ins Material (5) fokussierter Laserstrahlung (3), wobei die Laserstrahlung (3) aus einem Ablenkpunkt heraus zweidimensional abgelenkt wird, um die Schnittfläche (9) durch Aneinanderreihung der optischen Durchbrüche (8) zu bilden, bei dem die zweidimensionale Ablenkung so erfolgt, dass die Orte optischer Durchbrüche (8) entlang einer Kurve, an der die optischen Durchbrüche (8) aneinandergereiht sind, gemäss einer auf den Ablenkpunkt bezogenen Winkelfunktion beabstandet sind, die nichtlinear und so an die Krümmung der Schnittfläche (9) angepasst ist, dass die Orte entlang der Kurve benachbarter optischer Durchbrüche (8) innerhalb einer bestimmten Toleranz in gleichmässiger Distanz (d) beabstandet sind.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Ausbilden gekrümmter Schnittflächen in einem transparenten Material
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ausbilden gekrümmter Schnittflächen in einem transparenten Material, insbesondere in der Augenhornhaut, durch Erzeugen optischer Durchbrüche an verschiedenen Orten im Material mittels gepulster, ins Material fokussierter Laserstrahlung, wobei die Laserstrahlung zweidimensional abgelenkt wird, um die Schnittfläche durch Aneinanderreihung der optischen Durchbrüche zu bilden. Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung zum Ausbilden gekrümmter Schnittflächen in einem transparenten Material, insbesondere in der Augenhornhaut, mit einer gepulsten Laserstrahlungsquelle, die Laserstrahlung in das Material fokussiert und dort optische Durchbrüche bewirkt, wobei eine Ablenkeinrichtung, die die Laserstrahlung zweidimensional ablenkt und eine Steuereinrichtung vorgesehen sind, die die Ablenkeinrichtung ansteuert, um die Schnittfläche durch Aneinanderreihen der optischen Durchbrüche im Material zu bilden,
Gekrümmte Schnittflächen innerhalb eines transparentes Materials werden insbesondere bei laserchirurgischen Verfahren und dort insbesondere bei augenchirurgischen Eingriffen erzeugt. Dabei wird Behandlungs-Laserstrahlung innerhalb des Gewebes d.h. unterhalb der Gewebeoberfläche derart fokussiert, daß optische Durchbrüche im Gewebe entstehen.
Im Gewebe laufen dabei zeitlich hintereinander mehrere Prozesse ab, die durch die Laserstrahlung initiiert werden. Überschreitet die Leitungsdichte der Strahlung einen Schwellwert, kommt es zu einem optischen Durchbruch, der im Material eine Plasmablase erzeugt. Diese Plasmablase wächst nach Entstehen des optischen Durchbruches durch sich ausdehnende Gase. Wird der optische Durchbruch nicht aufrechterhalten, so wird das in der Plasmablase erzeugte Gas vom umliegenden Material aufgenommen, und die Blase verschwindet wieder. Dieser Vorgang dauert allerdings sehr viel länger, als die Entstehung der Blase selbst. Wird ein Plasma an einer Materialgrenzfläche erzeugt, die durchaus auch- innerhalb einer Materialstruktur liegen kann, so erfolgt ein Materialabtrag von der Grenzfläche. Man spricht dann von Photoablation. Bei einer Piasmablase, die vorher verbundene Materialschichten trennt, ist üblicherweise von Photodisruption die Rede. Der Einfachheit halber werden all solche Prozesse hier unter dem Begriff optischer Durchbruch zusammengefaßt, d.h. dieser Begriff schließt nicht nur den eigentlichen optischen Durchbruch sondern auch die daraus resultierenden Wirkungen im Material ein.
Für eine hohe Genauigkeit eines laserchirurgischen Verfahrens ist es unumgänglich, eine hohe Lokalisierung der Wirkung der Laserstrahlen zu gewährleisten und Kolateralschäden in benachbartem Gewebe möglichst zu vermeiden. Es ist deshalb im Stand der Technik üblich, die Laserstrahlung gepulst anzuwenden, so daß der zur Auslösung eines optischen Durchbruchs nötige Schwellwert für die Leistungsdichte nur in den einzelnen Pulsen überschritten wird. Die US 5.984.916 zeigt diesbezüglich deutlich, daß der räumliche Bereich des optischen Durchbruchs (in diesem Fall der erzeugten Wechselwirkung) stark von der Pulsdauer abhängt. Eine hohe Fokussierung des Laserstrahls in Kombination mit sehr kurzen Pulsen erlaubt es damit, den optischen Durchbruch sehr punktgenau in einem Material einzusetzen.
Der Einsatz von gepulster Laserstrahlung hat sich in der letzten Zeit besonders zur laserchirurgischen Fehlsichtigkeitskorrektur in der Ophthalmologie durchgesetzt. Fehlsichtigkeiten des Auges rühren oftmals daher, daß die Brechungseigenschaften von Hornhaut und Linse keine ordnungsgemäße Fokussierung auf der Netzhaut bewirken.
Die erwähnte US 5.984.916 sowie die US 6.110.166 beschreiben gattungsgemäße Verfahren zur Schnitterzeugung mittels geeigneter Erzeugung optischer Durchbrüche, so daß im Endeffekt die Brechungseigenschaften der Hornhaut gezielt beeinflußt werden. Eine Vielzahl von optischen Durchbrüchen wird so aneinander gesetzt, daß innerhalb der Hornhaut des Auges ein linsenförmiges Teilvolumen isoliert wird. Das vom übrigen Hornhautgewebe getrennte linsenförmige Teilvolumen wird dann über einen seitlich öffnenden Schnitt aus der Hornhaut herausgenommen. Die Gestalt des Teilvolumens ist so gewählt, daß nach Entnahme die Brechungseigenschaften der Hornhaut so geändert sind, daß die erwünschte Fehlsichtigkeitskorrektur bewirkt ist. Die dabei geforderten Schnittflächen sind gekrümmt, was eine dreidimensionale Verstellung des Fokus nötig macht. Es wird deshalb üblicherweise eine zweidimensionale Ablenkung der Laserstrahlung mit gleichzeitiger Fokusverstellung kombiniert.
Zur Isolierung des Teilvolumens ist es natürlich unumgänglich, die optischen Durchbrüche an vorbestimmten Stellen zu erzeugen. Dabei hängt die Qualität der erzeugten Schnittfläche von der Gleichmäßigkeit der Anordnung der optischen Durchbrüche ab. Dies gilt insbesondere für die erwähnten augenchirurgischen, eine refraktive Korrektur vornehmenden Eingriffe, da dort die Qualität der Schnittfläche untrennbar mit der optischen Qualität des erzielten Ergebnisses verbunden ist.
Um die gekrümmten Schnittflächen mit hoher Qualität zu erzeugen, ist es deshalb unerläßlich, die optischen Durchbrüche mit hoher Dichte aneinanderzureihen. Die's ist jedoch einer schnellen Schnitterzeugung aus zwei Gründen hinderlich: Zum einen steigt die Dauer für die Erzeugung der Schnittfläche mit der erforderlichen Anzahl an optischen Durchbrüchen. Zum anderen muß bei einer engen Aneinanderreihung von optischen Durchbrüchen nach einem jeden Durchbruch abgewartet werden, bis die in der Plasmablase erzeugte Gasmenge wieder vom umliegenden Gewebe aufgenommen wurde, bevor unmittelbar benachbart der nächste optische Durchbruch erzeugt werden kann. Ansonsten könnte der optische Durchbruch nicht mit ausreichender Sicherheit erzeugt werden, da womöglich die Laserstrahlung in eine noch bestehende Plasmablase fokussiert würde und dort keinen optischen Durchbruch bewirkte.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Ausbilden gekrümmter Schnittflächen der eingangs genannten Art so fortzubilden, daß eine gute Qualität der optischen Schnittfläche bei gleichzeitig möglichst schneller Ausbildung der Schnittfläche möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die zweidimensionale Ablenkung so erfolgt, daß die Orte optischer Durchbrüche entlang einer Kurve, an der die optischen Durchbrüche aneinandergereiht sind, gemäß einer auf die Ablenkung bezogenen Winkelfunktion beabstandet sind, die nichtlinear und so an die Krümmung der Schnittfläche angepaßt ist, daß die Orte entlang der Kurve benachbarter optischer Durchbrüche innerhalb einer bestimmten Toleranz in gleichmäßiger Distanz beabstandet sind.
Die Aufgabe wird weiter gelöst mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, bei der die Steuereinrichtung die Ablenkeinrichtung zweidimensional gemäß einer Ablenkfunktion so ansteuert, daß die Orte optischer Durchbrüche entlang einer Kurve, auf der die optischen Durchbrüche aneinandergereiht sind, gemäß einer auf die Ablenkung bezogenen Winkelfunktion beabstandet sind, die nichtlinear und so an die Krümmung der Schnittfläche angepaßt ist, daß die Orte entlang der Kurve benachbarter optischer Durchbrüche innerhalb einer bestimmten Toleranz in gleichmäßiger Distanz beabstandet sind.
Die Erfindung geht von einer Projektionsgeometrie aus, bei der äquidistante Winkelabstände der Ablenkung in einer Ebene senkrecht zur Haupteinfallsachse äquidistant liegende Punkte zur Folge haben. Erfindungsgemäß wird durch nichtäquidistante Winkelabstände dafür gesorgt, daß die Punktabstände in der Ebene senkrecht zur Haupteinfallsachse so variieren, daß durch die gekrümmte Schnittfläche wieder äquidistante Orte der optischen Durchbrüche vorliegen.
Die Erfindung erreicht, daß in der gekrümmten Schnittfläche entlang einer Kurve benachbart gelegene optische Durchbrüche innerhalb genau bestimmter Grenzen äqüidistant liegen. Der Abstand derart benachbarter optischer Durchbrüche kann nun so eingestellt werden, daß zum Erzeugen einer gewünschten gekrümmten Schnittfläche eine möglichst geringe Anzahl an optischen Durchbrüchen ausreicht. Weiter kann der Abstand zuverlässig so eingestellt werden, daß die optischen Durchbrüche mit möglichst hoher Frequenz aneinandergefügt werden können, ohne das die Gefahr besteht, einen optischen Durchbruch vergeblich in der noch nicht kollabierten Plasmablase des benachbarten optischen Durchbruches generieren zu wollen.
Bezüglich der Aneinanderreihung der Durchbrüche läßt die Erfindung großen Freiraum, wesentlich für den erfindungsgemäßen Ansatz ist es lediglich, daß die entlang einer Kurve benachbart aufgereihten Durchbrüche den oben erwähnten geometrischen Bedingungen genügen, wobei die Kurve mit der zeitlichen Reihenfolge, mit der die Durchbrüche erzeugt wurden, verknüpft sein kann und ihr insbesondere entsprechen kann.
Gleichzeitig erreicht das erfindungsgemäße Konzept, daß mit einer üblicherweise sehr einfach vorzunehmenden zweiachsigen Ablenkung für die die optischen Durchbrüche erzeugenden Laserstrahlung bearbeitet werden kann. Eine aufwendige zweidimensionale Verschiebung, bei der keine Ablenkung um feststehende Achsen erfolgt, wie es beispielsweise durch zweidimensionale Verschiebung eines Endes eines Lichtleiters erreicht werden könnte, ist mit dem erfindungsgemäßen Ansatz nicht erforderlich.
Als zweidimensionale Ablenkung im Sinne der Erfindung kommt jede Ablenkung in Frage, die die Laserstrahlung in zwei Richtungen ablenkt. Üblicherweise nimmt man mittels Kippspiegeln eine Ablenkung um zwei orthogonale Achsen vor. Die Achsen liegen dabei naturgemäß etwas beabstandet und senkrecht zur Haupteinfallsachse der Strahlung auf das Objekt (z.B. Auge). Durch Projektion der Achse der zuerst erfolgten Ablenkung entlang der Haupteinfallsachse auf die Achse der nachfolgenden Ablenkung erhält man eine Basis der zweidimensionalen Ablenkung. Generell müssen sich die Achsen also nicht schneiden; sie müssen in der erwähnten Projektion auch nicht orthogonal sein; z.B. kommt auch eine Ablenkung gemäß Kreiskoordinaten in Frage, wie sie unter Verwendung eines Taumelspiegels oder eines Drehprismenscanners realisiert werden kann.
In jedem Fall können immer zwei eine Ebene senkrecht zur Haupteinfallsachse aufspannende Basen angegeben werden, auf die die Winkelfunktion bezogen wird. Die Winkelfunktion ist natürlich an die Krümmung der Schnittfunktion angepaßt. Sie ist auf die zweidimensionale Ablenkung bezogen, gibt den Ort eines optischen Durchbruchs bezüglich der Ablenkung (Ablenkpunkt, Basen der Ablenkung) an und ist deshalb im allgemeinen auch zweidimensional. Je nach Art der Ablenkung kann diese Winkelfunktion in zwei eindimensionale Winkelfunktionen separierbar sein. Bei einer zweiachsigen Ablenkung läßt sich beispielsweise für jede Achse eine eigene Winkelfunktion angeben, die den Winkel zwischen der Ablenkachse und einer Geraden vom Kreuzungspunkt Strahlmittelachse-Ablenkachse zum Ort des optischen Durchbruches definiert. Der Kreuzungspunkt kann dabei als Ablenkpunkt für die Ablenkung um die betreffende Ablenkachse aufgefaßt werden. Ein Fachmann kann eine Vorgabe für die zu verwendende Winkelfunktion also z.B. dadurch erhalten, indem er äquidistant in der gekrümmten Schnittfläche liegende Orte mit dem Ablenkpunkt verbindet.
Die Erfindung erlaubt es, die Orte der entlang einer Kurve benachbarten optischen Durchbrüche mit genau bestimmtem Abstand zueinander durch die Ablenkung des Laserstrahls einzustellen. Da die Schnittfläche durch eine zweidimensionale Ablenkung erzeugt wird und üblicherweise die optischen Durchbrüche Plasmablasen mit meist kugelförmigen Volumen erzeugen, hängt der Abstand zwischen beliebig benachbarten Orten der optischen Durchbrüche in der Schnittfläche von der in einfacher Näherung als ebene Gitterstruktur auffaßbaren Anordnung der optischen Durchbrüche in der Schnittfläche ab. Der Abstand eines bestimmten optischen Durchbruches zu seinen Nachbarn schwankt je nach Gitterstruktur mehr oder weniger stark. Aufgrund dieser Schwankung ist es mitunter nicht immer zwingend erforderlich, entlang der Kurve sehr exakt ein und denselben Abstand zwischen den Orten einzustellen. Vielmehr genügt es, den Abstand innerhalb bestimmter Toleranzgrenzen konstant zu halten.
Um die Schnittfläche vollständig durch die kugelförmigen Plasmablasen zu füllen, wird man zweckmäßigerweise einen Abstand der Orte der optischen Durchbrüche in der Schnittfläche wählen, der über dem minimalen Abstand in der Gitterstruktur liegt. Vorteilhafterweise wird man die Toleranzgrenzen geringer wählen, als die geometrisch bedingte Variation der Abstände zwischen den Orten unmittelbar benachbarter optischer Durchbrüche. Als günstig hat sich eine Toleranz von 20% herausgestellt.
Die optischen Durchbrüche werden, wie eingangs bereits erwähnt, durch die Verwendung gepulster Laserstrahlung erzeugt. Durch die Ablenkung entstehen dabei um gewisse Schrittweiten beabstandet die optischen Durchbrüche. Auf die Schrittweite, d.h. Winkelabstände der optischen Durchbrüche, wirken sich gleichermaßen die Ablenkfunktion, gemäß der die Ablenkung erfolgt, und der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen, d.h. die Pulsfrequenz, aus. Beide Größen sind somit zur Einstellung der erfindungsgemäßen Winkelfunktion gleichermaßen tauglich, wobei ein Konstanthalten der einen unter Variation der anderen ebenso möglich ist, wie eine gleichzeitige Variation von Pulswiederholfrequenz- und Ablenkfunktion.
Als technisch besonders einfach zu realisieren erweist sich eine konstante Pulswiederholfrequenz bei der Bereitstellung der Laserstrahlung. Es ist deshalb als Weiterbildung zu bevorzugen, die Laserstrahlung gleichmäßig gepulst bereitzustellen und die Ablenkung gemäß einer mindestens in einer Richtung nichtlinearen Ablenkfunktion vorzunehmen, d.h. so zu gestalten, daß die Verstellgeschwindigkeit der zweidimensionalen Ablenkung vom gerade vorliegenden Ablenkwinkel abhängt, um die erfindungsgemäße Winkelfunktion zu realisieren. Dies gilt insbesondere für den mit besonders einfachen Mitteln zu realisierenden Fall einer Ablenkung um zwei senkrecht zueinanderliegender Achsen.
Mit einer solchen Ablenkung ist es insbesondere möglich, die Laserstrahlung in einem mäanderförmigen Muster über den Bereich, in dem die Schnittfläche erzeugt werden soll, zu führen. Der Laserstrahl wird dabei idealerweise in parallel liegenden Zeilen hin und her abgelenkt, und senkrecht dazu erfolgt am Ende einer jeweiligen Zeile eine Veränderung der Ablenkung um die andere Achse, um einen Zeilenvorschub zu erreichen. Je nach Ausbildung der Schnittfläche sind die Zeilen natürlich nicht gleich lang. Sie liegen weiter, um der Krümmung der Schnittfläche Rechnung zu tragen und die erfindungsgemäße nichtlineare Winkelfunktion zu erreichen, in der Regel auch nicht äquidistant zueinander; ihr Abstand variiert je nach Lage der Zeile auf der Schnittfläche. Bei bestimmten Schnittflächenformen kann es auch auftreten, daß die Ablenkung zur Verschiebung der Zeilen während des Fortschreitens auf einer Zeile verstellt werden muß, um die an die gekrümmte Schnittfläche angepaßte Winkelfunktion zu erhalten.
Um die gewünschte Krümmung der Schnittfläche zu erreichen, muß natürlich für eine entsprechende Verstellung der Fokussierung während der zweidimensionalen Ablenkung gesorgt werden. Das dazu erforderliche Vorgehen sowie die dazu erforderlichen Mittel sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik jedoch bekannt, so daß hier nicht weiter darauf eingegangen werden muß. Es genügt hier der Hinweis, daß die Verstellung des Fokuspunktes gemäß der zu erreichenden gekrümmten Schnittfläche mit der zweidimensionalen Ablenkung geeignet synchronisiert wird, so daß jeder Ablenkung eine Fokuslage zugeordnet ist.
Bei augenchirurgischen Eingriffen werden, da die Augenhornhaut sphärisch gekrümmt ist, meist annähernd sphärisch oder sphärisch mit einem zylindrischen Anteil gekrümmte Schnittflächen gefordert. Insbesondere für solche Schnittflächen ist bei gleichmäßig gepulster Laserstrahlung eine Ablenkung vorteilhaft, bei der die Ablenkgeschwindigkeit am Rand des Bereiches der Schnittfläche geringer ist, als im Zentrum, um der am Rand des Bereiches zunehmenden Neigung der gekrümmten Schnittfläche gegenüber der Ebene der zweidimensionalen Ablenkung Rechnung zu tragen.
Bei sphärisch gekrümmten Schnittflächen läßt sich die in einer Ebene parallel zur zweidimensionalen Ablenkung auftretende Schrittweite zwischen benachbarten Durchbrüchen besonders einfach exakt einstellen. Es ist für mit Radius R gekrümmte Schnittflächen diesbezüglich eine Weiterbildung bevorzugt, bei der die Laserstrahlung auf eine Haupteinfallsachse in das Material einfällt und in einer Ebene senkrecht zu dieser Haupteinfallsachse zweiachsig entlang einer x- und einer y-Achse abgelenkt wird, wobei in der Ebene in x-Richtung eine Schrittweite dx zwischen Orten auf der Kurve benachbarter optischer Durchbrüche eingestellt wird, für die gilt:
Figure imgf000009_0001
wobei D die Distanz der optischen Durchbrüche (8) bezeichnet und
Rl = R • cos(arctan— ) ist.
Analog kann die Pulsfrequenz der Laserstrahlung am Rand des Bereiches der Schnittfläche höher gewählt werden, als im Zentrum.
Das geschilderte mäanderförmige Muster ist ein Spezialfall einer zweidimensionalen Ablenkung mit zweier den Koordinaten der zweidimensionalen Ablenkung zugeordneten Ablenkfunktionen, wobei eine der zwei Ablenkfunktionen mit der Koordinate, mit der die andere der zwei Ablenkfunktionen zugeordnet ist parametrisiert ist. Eine solche Weiterbildung der Erfindung ermöglicht die Verwendung weitgehend separierter Ablenkfunktionen und vermeidet den Aufwand von an und für sich natürlich möglichen zweidimensionalen Ablenkfunktionen, die datentechnisch sehr viel schwerer zugänglich sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens und weist eine diesbezüglich ausgebildete Steuereinrichtung auf, die beispielsweise mit einem geeignet programmierter Computer verwirklicht werden kann und die die Ablenkeinrichtung sowie weitere Komponenten der Vorrichtung (z.B. Fokusverstellung) steuert. Eine besonders zweckmäßige Realisierung für die Projektion der Laserstrahlung in das Material ist eine korrigierte F-Theta-Optik, die bei der Ablenkung aus einem Ablenkpunkt heraus bei einer linearen Ansteuerung der Ablenkung zu einem gleichmäßigen Verlauf der Ablenkung parallel zur Ebene der zweidimensionalen Ablenkung führt. Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielhalber noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Patienten während einer laserchirurgischen Behandlung mit einem laserchirurgischen Instrument, Fig. 2 die Fokussierung eines Strahlenbündels auf das Auge des Patienten beim Instrument der Figur 1 , Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer während der laserchirurgischen Behandlung mit dem Instrument der Figur 1 erzeugten Schnittfläche,
Fig. 4 eine Ablenkvorrichtung des laserchirurgischen Instruments der Figur 1 , Fig. 5 die Anordnung von optischen Durchbrüchen zur Erzeugung einer Schnittfläche mit dem laserchirurgischen Instrument der Figur 1, Fig. 6 eine Kurve zur Veranschaulichung der Zeilenablenkung bei der Ablenkfunktion der Figur 4,
Fig. 7 weitere Kurven zur Ansteuerung der Ablenkvorrichtung der Figur 4 und
Fig. 8 zwei Zeitreihen zur Ansteuerung der zweiachsigen Ablenkung gemäß Figur 4.
In Figur 1 ist ein laserchirurgisches Instrument zur Behandlung eines Auges 1 eines Patienten gezeigt, wobei das laserchirurgische Instrument 2 zur Ausführung einer refraktiven Korrektur dient. Das Instrument 2 gibt dazu einen Behandlungs-Laserstrahl 3 auf das Auge des Patienten 1 ab, dessen Kopf in einen Kopfhalter 4 fixiert ist. Das laserchirurgische Instrument 2 ist in der Lage, einen gepulsten Laserstrahl 2 zu erzeugen, so daß das in US 6.110.166 beschriebene Verfahren ausgeführt werden kann.
Das laserchirurgische Instrument 2 weist dazu, wie in Figur 2 schematisch dargestellt ist, eine Strahlquelle S auf, deren Strahlung in die Hornhaut 5 des Auges 1 fokussiert wird. Mittels des laserchirurgischen Instrumentes 2 wird eine Fehlsichtigkeit des Auges 1 des Patienten dadurch behoben, daß aus der Hornhaut 5 Material so entfernt wird, daß sich die Brechungseigenschaften der Hornhaut um ein gewünschtes Maß ändern. Das Material wird dabei dem Stroma der Hornhaut entnommen, das unterhalb von Epithel und Bowmanscher Membran oberhalb der Decemetschen Membran und des Endothels liegt.
Die Materialentfernung erfolgt, indem durch Fokussierung des hochenergetischen gepulsten Laserstrahls 3 mittels einer Fokussieroptik 6 in einem in der Hornhaut 5 liegenden Fokus 7 in der Hornhaut Gewebeschichten getrennt werden. Jeder Puls der gepulsten Laserstrahlung 3 erzeugt dabei einen optischen Durchbruch im Gewebe, welcher eine Plasmablase 8 initiiert. Dadurch umfaßt die Gewebeschichttrennung ein größeres Gebiet, als der Fokus 7 der Laserstrahlung 3. Durch geeignete Ablenkung des Laserstrahls 3 werden nun während der Behandlung viele Plasmablasen 8 aneinandergereiht. Die aneinanderliegenden Plasmablasen 8 bilden dann eine Schnittfläche 9, die ein Teilvolumen T des Stromas, nämlich das zu entfernende Material der Hornhaut 5 umschreiben.
Das laserchirurgische Instrument 2 wirkt durch die Laserstrahlung 3 wie ein chirurgisches Messer, das, ohne die Oberfläche der Hornhaut 5 zu verletzen, direkt Materialschichten im Inneren der Hornhaut 5 trennt. Führt man den Schnitt durch weitere Erzeugung von Plasmablasen 8 bis an die Oberfläche der Hornhaut 5, kann ein durch die Schnittfläche 9 isoliertes Material der Hornhaut 5 seitlich herausgezogen und somit entfernt werden.
Die Erzeugung der Schnittfläche 9 mittels des laserchirurgischen Instrumentes 2 ist in Figur 3 schematisch dargestellt. Durch Aneinanderreihung der Plasmablasen 8 in Folge stetiger Ablenkung des gepulsten fokussierten Laserstrahls 3 und geeigneter Fokusverstellung wird die Schnittfläche 9 gebildet.
Die Ablenkung erfolgt dabei in einer Ausführungsform mittels der in Figur 4 schematisch dargestellten Ablenkeinheit 10, die den auf einer Haupteinfallsachse H auf das Auge 1 einfallenden Laserstrahls 3 um zwei senkrecht zueinander liegenden Achsen ablenkt. Die Ablenkeinheit 10 verwendet dafür einen Zeilenspiegel 11 sowie einen Bildspiegel 12, was zu zwei hintereinander liegenden räumlichen Ablenkachsen führt. Der Kreuzungspunkt der Hauptstrahlachse mit der Ablenkachse ist dann der jeweilige Ablenkpunkt. Da die beiden Ablenkpunkte für die zwei Ablenkachsen jedoch bezogen auf den Abstand zwischen Ablenkeinheit 10 und Hornhaut 5 sehr nahe beabstandet sind, können die Ablenkachsen näherungsweise als sich in einem einzigen Ablenkpunkt kreuzend angesehen werden. In der Näherung kann also davon ausgegangen werden, daß die beiden Ablenkachsen sich im Ablenkpunkt schneiden und so eine Ebene aufspannen, zu der die Haupteinfallsachse H senkrecht liegt. Sollte diese Näherung nicht möglich sein, sind die Ablenkachsen in eine Ebene senkrecht zur Haupteinfallsachse des Strahls auf die Hornhaut zu projizieren, um den Bezug für die noch zu erläuternde Winkelfunktion zu halten. Figur 5 zeigt in einer Draufsicht den Schnittbereich 13 eines in der Hornhaut 5 auszuführenden Schnittes, der sphärisch gekrümmt ist. Auf den Schnittbereich 13 ist die Projektion der beiden Ablenkachsen eingezeichnet, die sich im Zentrum 14 des Schnittbereiches schneiden und mit x bzw. mit y bezeichnet sind. Die Ablenkung durch den Zeilenspiegel 11 bewirkt dabei eine Verschiebung des Laserstrahls entlang der x-Achse (d.h. eine Ablenkung um die y-Achse) wohingegen die Betätigung des Bildspiegels 12 eine Verschiebung entlang der y-Achse (d.h. eine Ablenkung um die x-Achse) zur Folge hat. Der Schnittbereich verläuft dabei von einem linken Rand I mit den Koordinaten x=- xmin, y=0, bis zu einem rechten Rand r mit den Koordinaten x=Xmax, y=0. Die Ränder I, r sind zur Verdeutlichung in Figur 3 noch einmal eingetragen. Neben der Draufsicht des Schnittbereiches 13 zeigt Figur 5 unten eine Schnittdarstellung der Hornhaut 5 mit dem Schnittbereich 13, wobei der Schnitt entlang der x-Achse eingezeichnet ist. Wie zu sehen ist, wird die Schnittfläche 9 in der Hornhaut 5 durch Aneinanderreihung von Plasmablasen 8 erzeugt, die entlang der Schnittfläche 9 äquidistant mit Abstand d beabstandet sind. Der Abstand d ist abhängig vom Durchmesser der mit einem optischen Durchbruch erzeugten Plasmablase 8 und beträgt beispielsweise 3μm.
Zwischen der Schnittdarstellung unten in Figur 5 und der Draufsicht auf den Schnittbereich 13 Figur 5 oben ist die Aneinanderreihung der Plasmablasen 8 in Form einer Zeile 15 in einer Ebene senkrecht zur Haupteinfallsachse der Ablenkachsen dargestellt. Die Haupteinfallsachse ist dabei durch den auf das Zentrum 14 fallenden Strahl definiert. Wie zu sehen ist, schwankt der Abstand d' der einzelnen Plasmablasen 8 in dieser Ebene; der Abstand d' sinkt zu den Rändern I und r hin und ist im Zentrum, d.h. auf der Haupteinfallsachse bei y=0 maximal. Die Abnahme des Abstandes d' ist durch eine nichtlineare Ansteuerung des Zeilenspiegels 11 bewirkt und so gewählt, daß sich in der Schnittfläche 9 der Hornhaut 5 der gleichmäßige Abstand d zwischen den Plasmablasen 8 einstellt.
Bezogen auf den Ablenkpunkt sind die Orte der Disruptionsblasen folglich gemäß einer nichtlinearen Winkelfunktion angeordnet. Die Winkelfunktion in x-Richtung ist so gewählt, daß trotz Krümmung der Schnittfläche 9 die Plasmablasen 8 in der Schnittfläche 9 äquidistant liegen. Der infolge der Winkelfunktion variierende Abstand d' entlang der (geraden) Zeile 15 bewirkt also quasi eine Vorverzerrung der Abstände, die zusammen mit der Krümmung der Schnittfläche 9 den konstanten Abstand d der Orte der Plasmablasen 8, die entlang der Zeile geschrieben wurden, erreicht.
Die Orte in der linearen Zeile sind dabei x-abhängig zur Ausführung eines sphärisch gekrümmten Schnittes, mit Radius R wie folgt um d'=dx beabstandet:
Figure imgf000012_0001
wobei D die Distanz der optischen Durchbrüche (8) bezeichnet und
Rl = R • cos(arctan— ) ist. Die für die Zeile 15 erforderliche Ansteuerung des Zeilenspiegeis 11 ist in Figur 6 als Zeitreihe eingetragen. Die Zeitreihe der Figur 6 zeigt den Verlauf des Ablenkwinkels als zeitenabhängige Zeilenfunktion 16 beim Schreiben der Zeile 15, d.h. beim Erzeugen der Plasmablasen 8 zur Koordinate y=0. Figur 6 zeigt dabei den Zeilen-Äblenkwinkel α, der aufgrund der gleichmäßig gepulst abgebende Strahlquelle S und der F-Theta-Korrektur der Optik identisch ist mit der Zeilenkoordinate x. Bei ungleichmäßiger gepulster Laserstrahlung gilt diese Zuordnung nicht mehr, weshalb zur Allgemeinheit der Darstellung in Figur 6 der letztlich ausschlaggebende Zeilen-Ablenkwinkel α aufgetragen ist. Um zu verdeutlichen, daß die Zeilenfunktion 16 nichtlinear ist, ist in Figur 6 zusätzlich der lineare Verlauf 17 aufgetragen, der aber bei der Ansteuerung des Zeilenspiegels 11 nicht verwendet wird.
Wie Figur 6 zeigt, wird der Zeilenspiegel 11 zwischen zwei Zeitpunkten tO und t1 gemäß einer Zeilenfunktion 16 angesteuert, die symmetrisch um einen Mittelwert αO liegt und von einer linearen Funktion 17 abweicht. Zum Zeitpunkt tO steht der Zeilenspiegel 11 dabei so, daß der Laserstrahl 3 auf den linken Rand I fällt. Zum Zeitpunkt t1 befindet sich der abgelenkte Laserstrahl 3 am rechten Rand r. Der Wert αO entspricht dem Zentrum des Schnittbereiches 13, d.h. der Koordinate x=0. Durch die zum Rand hin abflachende Zeilenfunktion 16 bewegt sich der Zeilenspiegel 11 am Rand des Schnittbereiches 13 mit geringerer Geschwindigkeit, wodurch die Plasmablasen 8 näher aneinander rücken, d.h. der Abstand d' sinkt zu den Rändern l und r hin. Aufgrund der Krümmung der Schnittfläche 9 ist damit insgesamt erreicht, daß der Abstand d der Plasmablasen 8 in der Hornhaut 5 konstant ist.
Die Zeile 15 der Figur 5 sowie die Zeilenfunktion 16 sind in Figur 6 für den vereinfachten Fall einer durch das Zentrum 14 laufenden Ablenkung dargestellt. Um die sphärische Schnittfläche, die in der Darstellung der Figur 5 in der Draufsicht einen kreisförmigen Schnittbereich 13 zur Folge hat, durch Zeilenverschiebung zu erreichen, muß natürlich die maximale Auslenkung des Zeilenspiegels 11 an die aktuelle Stellung des Bildspiegels 12 angepaßt werden. Dies hat zur Folge, daß die Zeilenfunktion 16 hier mit dem y-Wert, d.h. mit der Stellung des Bildspiegels 12, parametrisiert ist. Figur 7 zeigt ein Beispiel für eine entsprechende Kurvenschar an Zeilenfunktionen 16. Die Steigung der Zeilenfunktion 16 nimmt mit zunehmendem y-Wert ab, gleichzeitig nimmt der Zeilenöffnungswinkel, d.h. die Differenz zwischen maximalem und minimalem Zeilenablenkwinkel α ab. Die Gestaltung hängt im Einzelfall natürlich von der Schnittfläche 9 und der Korrektur der Optik ab.
Der Zeilenspiegel 11 wird also mit einer Ansteuerfunktion angesteuert, deren Verlauf von der Stellung des Bildspiegels 12 abhängt. Dies ist in Figur 8 noch einmal verdeutlicht, die in zwei Zeitreihen den Verlauf des Zeilen-Ablenkwinkels α (im Ausführungsbeispiel identisch mit oder proportional zur der x-Koordinate) und eines Bild-Ablenkwinkels ß wiedergibt, der bei der beschriebenen Ausführungsform mit konstant gepulster Strahlquelle S identisch mit der oder proportional zur y-Koordinate ist. In den in Figur 8 dargestellten Zeitreihen wird der Schnittbereich 13 von oben nach unten abgerastert. Zum Zeitpunkt tO ist der Bildspiegel 13 konstant auf eine Ablenkung am oberen Rand des Schnittbereichs 1"3 gestellt, wie die Bildfunktion 18 zeigt. Der Zeilenspiegel 11 wird dagegen über einen kleinen Bereich nichtlinear verstellt. Der zeitliche Verlauf der Ansteuerfunktion und damit des Ablenkwinkels hängt von der Krümmung der Schnittfläche ab.
Ist die Verstellung zum Zeitpunkt t1 abgeschlossen, rückt der Bildspiegel 12 gemäß der Bildfunktion 18 in die nächste Zeile, und der Zeilenspiegel führt wiederum eine nichtlineare Zeilenbewegung aus, wobei er zuerst wieder an den linken Rand des Schnittbereichs 13 zurückgeführt wurde. Die nun bewirkte Ablenkung mittels des Zeilenspiegels 18 erfolgt ebenfalls nichtlinear, jedoch über einen gegenüber der vorherigen Ablenkung vergrößerten Zeilenöffnungswinkel. Ist die Ablenkung entlang der zweiten Zeile abgeschlossen, wird der Bildspiegel zum Zeitpunkt t2 in die dritte Zeile gestellt, wobei die dabei bewirkte Winkeländerung größer ist, als bei den vorherigen Zeilen, da benachbarte Zeilen nicht winkeläquidistant liegen. Dieses Vorgehen ist in Fig. 8 bis zu der Zeile 15 der Fig. 5 dargestellt, wobei zur starken Vereinfachung lediglich 5 Zeilen in Fig. 8 enthalten sind.
Anstelle des Rücksprungs des Zeilenspiegels 11 können die Zeilen auch mäanderförmig aneinandergereiht werden, die Zeilenfunktion 16 ist dann zwischen den Abschnitten t1 und t2 sowie t3 und t4 invertiert.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Ausbilden gekrümmter Schnittflächen (9) in einem transparenten Material, insbesondere in der Augenhornhaut (5), durch Erzeugen optischer Durchbrüche (8) an verschiedenen Orten im Material (5) mittels gepulster, ins Material (5) fokussierter Laserstrahlung (3), wobei die Laserstrahlung (3) zweidimensional abgelenkt wird, um die Schnittfläche (9) durch Aneinanderreihung der optischen Durchbrüche (8) zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die zweidimensionale Ablenkung so erfolgt, daß die Orte optischer Durchbrüche (8) entlang einer Kurve, an der die optischen Durchbrüche (8) aneinandergereiht sind, gemäß einer auf die Ablenkung bezogenen Winkelfunktion beabstandet sind, die nichtlinear und so an die Krümmung der Schnittfläche (9) angepaßt ist, daß die Orte entlang der Kurve benachbarter optischer Durchbrüche (8) innerhalb einer bestimmten Toleranz in gleichmäßiger Distanz (D) beabstandet sind.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Toleranz 20% beträgt.
3. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung (3) gleichmäßig gepulst wird und die Ablenkung in beiden Dimensionen (x, y) nichtlinear erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkung um zwei senkrecht zueinanderliegende Achsen (x, y) erfolgt, wobei die Laserstrahlung (3) entlang eines mäanderförmigen Musters geführt wird.
5. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Rande eines Bereiches (13), in dem die Schnittfläche (9) ausgebildet wird, in einer Dimension (x) die Ablenkung mit geringerer Geschwindigkeit erfolgt als im Zentrum (14) des Bereiches (13).
6. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittfläche (9) sphärisch mit Radius R gekrümmt ist, die Laserstrahlung (3) auf eine Haupteinfallsachse (H) in das Material (5) einfällt und in einer Ebene senkrecht zu dieser Haupteinfallsachse (H) zweiachsig entlang einer x- und einer y-Achse abgelenkt wird, wobei in der Ebene in x-Richtung eine Schrittweite dx zwischen Orten auf der Kurve benachbarter optischer Durchbrüche (8) eingestellt wird, für die gilt:
Figure imgf000016_0001
wobei D die Distanz der optischen Durchbrüche (8) bezeichnet und
Rl = R • cos(arctan— ) ist.
7. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Rande eines Bereiches (13), in dem die Schnittfläche (9) ausgebildet wird, die Pulsfrequenz der Laserstrahlung (3) verschieden ist von der im Zentrum (14) der Schnittfläche, insbesondere höher ist.
8. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweidimensionale Ablenkung gemäß zweier den Koordinaten der zweidimensionalen Ablenkung zugeordneten Ablenkfunktionen (16, 17) erfolgt, wobei eine der zwei Ablenkfunktionen (16) mit der Koordinate, der die andere der zwei Ablenkfunktionen (17) zugeordnet ist, parameterisiert ist.
9. Vorrichtung zum Ausbilden gekrümmter Schnittflächen (9) in einem transparenten Material, insbesondere in der Augenhornhaut (5), mit einer gepulsten Laserstrahlungsquelle (S), die Laserstrahlung (3) in das Material (5) fokussiert und dort optische Durchbrüche (8) bewirkt, wobei eine Ablenkeinrichtung (10), die die Laserstrahlung (3) zweidimensional ablenkt, und eine Steuereinrichtung (2) vorgesehen sind, die die Ablenkeinrichtung (10) ansteuert, um die Schnittfläche (9) durch Aneinanderreihen der optischen Durchbrüche (8) im Material (5) zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (2) die Ablenkeinrichtung (10) zweidimensional gemäß einer Ablenkfunktion (16, 17) so ansteuert, daß die Orte optischer Durchbrüche (8) entlang einer Kurve, auf der die optischen Durchbrüche (8) aneinandergereiht sind, gemäß einer auf die Ablenkung bezogenen Winkelfunktion beabstandet sind, die nichtlinear und so an die Krümmung der Schnittfläche (9) angepaßt ist, daß die Orte entlang der Kurve benachbarter optischer Durchbrüche (8) innerhalb einer bestimmten Toleranz in gleichmäßiger Distanz (D) beabstandet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Toleranz 20% beträgt.
11. Vorrichtung nach einem der obigen Vorrichtungsansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlungsquelle (S) gleichmäßig gepulste Laserstrahlung (3) abgibt und die Steuereinrichtung (2) die Ablenkeinrichtung (10) in beiden Dimensionen (x, y) gemäß einer nichtlinearen Ablenkfunktion (16, 17) ansteuert.
12. Vorrichtung nach einem der obigen Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkung um zwei senkrecht zueinanderliegende Achsen (x, y) erfolgt, wobei die Steuereinrichtung (2) die Laserstrahlung (3) entlang eines mäanderförmigen Musters führt.
13. Vorrichtung nach einem der obigen Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Rande eines Bereiches (13), in dem die Schnittfläche (9) ausgebildet wird, in einer Dimension (x) die Ablenkung mit geringerer Geschwindigkeit erfolgt als im Zentrum (14) des Bereiches (13).
14. Vorrichtung nach einem der obigen Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittfläche (9) sphärisch mit Radius R gekrümmt ist, die Laserstrahlung (3) auf eine Haupteinfallsachse (H) in das Material (5) einfällt und die Ablenkungseinrichtung (10) die Laserstrahlung (3) in einer Ebene senkrecht zu dieser Haupteinfallsachse (H) zweiachsig entlang einer x- und einer y-Achse ablenkt, wobei die Steuereinrichtung (2) in der Ebene in x- Richtung eine Schrittweite dx zwischen Orten auf der Kurve benachbarter optischer Durchbrüche (8) einstellt, für die gilt:
A n R1 VRl2 - χ2 wobei D die Distanz der optischen Durchbrüche (8) bezeichnet und Rl = R « cos(arctan— y ) ist.
15. Vorrichtung nach einem der obigen Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (2) am Rande eines Bereiches (13), in dem die Schnittfläche (9) ausgebildet wird, die Pulsfrequenz der Laserstrahlung (3) verschieden von der im Zentrum (14) der Schnittfläche, insbesondere höher, steuert.
16. Vorrichtung nach einem der obigen Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweidimensionale Ablenkung gemäß zweier den Koordinaten der zweidimensionalen Ablenkung zugeordneten Ablenkfunktionen (16, 17) erfolgt, wobei eine der zwei Ablenkfunktionen (16) mit der Koordinate, der die andere der zwei Ablenkfunktionen (17) zugeordnet ist, parameterisiert ist.
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