專利名稱：激光燒蝕掃描法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過燒蝕靶面進(jìn)行激光修整的領(lǐng)域，還涉及利用激光精修靶面以及由這類燒蝕方法修整過的靶進(jìn)行精加工的方法。
利用激光束修整表面是眾所周知的。八十年代初即已發(fā)現(xiàn)，發(fā)射紫外頻率范圍的脈沖激光，通過燒蝕光致分解(APD)可作用于靶面。后來曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過采用APD，每個脈沖可以除去大約1微米靶材料量級的靶材料層。
另外還曾指出，APD對被燒蝕材料下面新露出的材料特性并無明顯的改變。這種現(xiàn)象被解釋為，紫外激光器在極短時間內(nèi)提供足夠的能量，實(shí)際上能夠破壞聚合物靶材料的共價鍵而不會使基底加熱(參見美國專利NO.4，417，948及NO.4，568，632)。除此之外，美國專利NO.5，061，342中公開了采用APD的掃描方法。
根據(jù)進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，某些材料被燒蝕時能夠產(chǎn)生不等量的燒蝕有機(jī)物殘?jiān)渲杏行匦鲁练e在靶材料的表面上?？梢源_信，這種重新沉積的殘?jiān)鼘⒆柚箤Ρ粺g的靶面的修整作用。
此外，還發(fā)現(xiàn)，某些材料不能象其它材料那樣被干干凈凈地進(jìn)行蝕刻。尚無對靶面進(jìn)行燒蝕，同時還能去掉來自該靶面的重新沉積和粘附的殘?jiān)?，并避免殘?jiān)M(jìn)一步沉積的方法。
現(xiàn)在已制定出一種改進(jìn)的燒蝕表面的方法，按這種方法可同時除去沉積的殘?jiān)帜鼙苊怆S后殘?jiān)e聚。為了在選定的靶上得到所需的最終表面，在繼續(xù)對靶面剩余部分進(jìn)行燒蝕過程之前，必須先從靶面上除去燒蝕過程中形成成為重新沉積并粘附在靶面上的殘?jiān)?br> 按照本發(fā)明公開了一種光致燒蝕靶面的方法，包括步驟α)將脈沖紫外輻射束射在靶面的予定起始掃描區(qū);b)使所述光束沿離開所述予定起始掃描區(qū)朝向靶面第一邊緣的方向掃描;c)以遞進(jìn)方式轉(zhuǎn)動該靶;d)使光束返回靶面所述予定起始掃描區(qū);e)使該光速沿著離開所述予定的起始掃描區(qū)朝向與上述靶面的第一邊緣相反的另一邊緣方向掃描，并按順序重復(fù)上述步驟c)，d)和e)，使整個靶面都能被掃描。
按照本發(fā)明還公開了一種光致燒蝕靶面的方法，包括步驟a)將脈沖紫外輻射束射在靶面上予定的起始掃描區(qū);b)使所述光束沿著離開所述予定起始掃描區(qū)朝向靶面的第一邊緣的方向掃描;c)將靶旋動180°;d)使光束返回靶面上所述予定起始掃描區(qū);e)使該光束沿著離開所述予定起始掃描區(qū)朝向與上述靶面的第一邊緣相反的另一邊緣的方向掃描，使整個靶面都受到掃描。
進(jìn)一步的設(shè)想是，本申請?zhí)岢龅陌l(fā)明特別適用于整形加工交聯(lián)的、熱固性、熱塑性或者其它材料，其中包括適用于作接觸透鏡的光學(xué)透明材料。


圖1表示接觸透鏡坯料的橫截面。圖中虛線為所需的最終復(fù)曲面的放大。
圖2為作比較用的描繪從邊緣至邊緣(或稱EE)的常規(guī)掃描方法示意圖。
圖3為描繪從中心至邊緣(即CE)的改進(jìn)的掃描方法示意圖。
圖4為描繪CE掃描方法提出的典型實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。
圖5為作比較用的表示Ultemtm未被刻蝕的表面照片。
圖6為表示采用EE方法刻蝕Ultemtm(通用電氣公司，pittsfield，Mass。)靶面的照片。
圖7為表示采用CE方法刻蝕的Ultemtm(通用電氣公司，pittsfield，Mass.)靶面的照片。
如圖1所示，通過在光學(xué)區(qū)的周圍除去較多的材料，可以將復(fù)曲面的曲線配置在接觸透鏡坯料靶上。對于本領(lǐng)域技術(shù)熟練的專業(yè)人員應(yīng)當(dāng)理解，使用本發(fā)明能產(chǎn)生隨意形狀的表面，現(xiàn)有的圖形僅只為了說明的目的。
圖2表示將激光器固定，激光束首先射在靶面的一個邊緣上的位置t0，采用從邊緣到邊緣(EE)方法用激光束掃描接觸透鏡表面。隨后的步驟是夾持該靶面橫過激光束光路移動，直至光束到達(dá)其相反邊緣，這個步驟最終止于位置t1，于是整個靶面受到掃描。
按照本發(fā)明的一個實(shí)施例，圖3表示將激光器固定在使光束射在該透鏡平分線的位置。隨后的步驟是夾持該透鏡移動，使激光器能從該平分線向靶面第一邊緣對靶面進(jìn)行掃描。因此該步驟便由起始位置t0移動到位置t1/2。隨后的步驟是使被固定的透鏡返回其起始位置t0。然后再次使激光束作用在透鏡平分線上，并隨之使其從位置t0移動到位置t1，使激光束掃過余下的靶面到達(dá)所述第一邊緣的相反邊緣，從而使整個靶面都得到掃描。
應(yīng)當(dāng)明白，移靶可以夾持臺架使其固定，而使激光束移過靶面。還應(yīng)理解，在優(yōu)選實(shí)施例中，在臺架移動到位置t1/2之后，使該臺架返回到位置t0。臺架轉(zhuǎn)180°后再一次掃描到位置t1/2，于是整個靶面都受到掃描。
圖4表示種采用本發(fā)明的優(yōu)選裝置。自準(zhǔn)分子激光器(2)發(fā)出原始激光束(1)。該原始激光束射向一第一掃描鏡(3)，再射向第二掃描鏡(4)。隨后該原始激光束將射向可動光束變換平臺(5)，該平臺包括可產(chǎn)生高能量密度的聚焦透鏡(6)。光束變換平臺還包括產(chǎn)生低能量密度光束的柱面鏡(7)。變換后的光束將射向靶臺(8)。靶臺包括可旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)(9)，其上固定有安裝機(jī)構(gòu)(10)，用以將靶(11)固定在適當(dāng)位置。
圖5及6中可清楚地看到，常規(guī)的EE掃描在45倍放大倍率時表面上留有可以看到的有機(jī)物殘?jiān)Ｈ欢蓤D7的照片中可以清楚地看到，除了采用從中心到邊緣(CE)的掃描方法而不改變系統(tǒng)中的裝置，使用這種CE方法留下的是不帶澆蝕物殘?jiān)目梢姷那逦砻妗?br> 圖7所示的結(jié)果之所以值得注意，在于試圖燒蝕諸如UItemtm(通用電氣公司，Pittsfield，Mass)和Radeltm(Amoco，Atlanta，Ga)等各種熱塑性化合物時遇到了困難。如這些照片中表示的那樣，使用這里所描述的CE掃描方法，UItemtm的表面被干干凈凈地進(jìn)行燒蝕，在45倍放大倍率下沒有可見的燒蝕物殘?jiān)D6則表示UItemtm的表面被進(jìn)行常規(guī)的EE掃描之后，遺留下顯著的燒蝕物殘?jiān)?br> 本發(fā)明涉及一種修整光學(xué)表面的新方法，以使其產(chǎn)生球面、柱面或不同的折射本領(lǐng)、形狀系數(shù)或者其它的表面幾何形狀方面的變化。這種新方法是對美國專利NO.5，061，342中教導(dǎo)的工藝過程的改進(jìn)，其整個內(nèi)容作為這里的參考。
本發(fā)明的方法在于利用紫外輻射從靶面上燒蝕材料，以便在靶上產(chǎn)生所需要的最終表面。適于進(jìn)行燒蝕的靶面包括接觸透鏡、接觸透鏡坯料、用于制做接觸透鏡的模具、用于制做這種模具的工具，以及任何可在物體，如接觸透鏡上直進(jìn)接或間接給出所需要的可以予測的最終球面、柱面或不同的折射本領(lǐng)、不同形狀因子或其它表面幾何形狀的裝置。
為了得到所需的最終結(jié)果，往往需從靶面上除去不等量的材料。例如為了在接觸透鏡上產(chǎn)生復(fù)曲面，需從光學(xué)區(qū)的邊緣或其周圍除掉比光學(xué)區(qū)中央部位為多的材料(參見圖1)。因此，為了產(chǎn)生這種復(fù)曲面，與光學(xué)區(qū)的中央部位受到掃描，其表面被燒蝕而產(chǎn)生的有機(jī)物殘?jiān)啾?，光學(xué)區(qū)周圍將產(chǎn)生的燒蝕物殘?jiān)恳笮?br> 復(fù)曲面接觸透鏡理解為可校正由象散現(xiàn)象引起的視覺靈敏度不足的鏡頭。這樣的透鏡具有柱面的折射元件，經(jīng)過光軸的各平面的折射本領(lǐng)并非恒量，而是在一個平面內(nèi)具有最大的折射本領(lǐng)，且在垂直此第一平面的另一平面內(nèi)具有最小的折射本領(lǐng)。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光束在透鏡上開始其掃描以產(chǎn)生復(fù)曲面時，則透鏡表面上會隨機(jī)地重新沉積出顯著的被燒蝕物殘?jiān)?。一些殘?jiān)丶す馐鴴呙韫饴分匦鲁练e在透鏡靶上。一旦出現(xiàn)這種情況，則隨著激光的繼續(xù)掃描，激光束首先碰到的材料不再是原來的靶面，而是重新沉積的和周圍新粘附的殘?jiān)?br> 盡管美國專利NO.5，061，342中描述的所謂“從邊緣到邊緣”掃描得出的最終表面通常是對其它公知的表面修整方法(諸如釘板條之類)的改進(jìn)，但應(yīng)相信，有時會產(chǎn)生有機(jī)物殘?jiān)恋K得到最佳結(jié)果的可能性。
因此，正如本發(fā)明所設(shè)想的那樣，最初將光束置于予定的起始掃描區(qū)，譬如處在透鏡的平分線上，再朝著該透鏡的第一邊緣進(jìn)行掃描。在一個最佳實(shí)施例中，當(dāng)光束到達(dá)該第一邊緣時，停止掃描，使光束返回予定的起始掃描位置。隨后最好將固定該透鏡或別的靶子的平臺旋轉(zhuǎn)180°，使得光束象在掃過前面那“一半”靶面那樣沿著同一方向移動。這時，激光束再一次起作用，掃描移向與第一邊緣相反的另一邊緣，從而對靶面的所有剩余部分進(jìn)行掃描。按照這種方式，似乎會有更多的燒蝕物殘?jiān)挥行У厥孪戎饾u“掃除”離開光學(xué)區(qū)，不會出現(xiàn)對所要求的最終表面的干擾。
應(yīng)當(dāng)理解，靶面上的平分線是穿過靶面中心延伸的一條線。(靶面形狀無需是圓形的或者球面的)。
因此，要按照本發(fā)明獲得改進(jìn)的燒蝕結(jié)果，可以沿著“從中心到邊緣”或者“從邊緣到中心”的方向繼續(xù)進(jìn)行光束掃描，這僅取決于基于原始靶面的條件所需要的最后結(jié)果如何。換言之，在任何給定位置須從靶面上除去的材料的多寡，決定了光束掃描在該處開始還是結(jié)束。
因而可以認(rèn)定，為了減少靶面上的殘?jiān)e聚，光束的掃描必須開始于靶面上需去掉的材料量最少并且是形成殘?jiān)孔钚〉奈恢锰?。因而技術(shù)熟練的專業(yè)人員將會理解，可以從任何可能的各種位置開了始掃描和結(jié)束掃描，以便對任何形狀的初始靶在得出所需的一切完美的表面效果。
此外，予定的起始掃描區(qū)可以是靶的平分線，也可以是位于靶面平分線和靶面邊緣之間的一條線或一個區(qū)域。因此可以預(yù)料，本發(fā)明可用于制做球面透鏡及非球面透鏡，其中包括復(fù)曲面、雙焦點(diǎn)和多焦點(diǎn)透鏡，但不局限于此。
舉例來說，可將該臺架旋轉(zhuǎn)任意角度，并按照譬如每次20°的重復(fù)增量進(jìn)行掃描，直至整個靶面完全受到掃描。在修整接觸透鏡表面的情況下，靶面通常為大約象準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生的原始光束一樣寬的光學(xué)區(qū)。
因此，可以通過將臺架旋轉(zhuǎn)180°并進(jìn)行一次穿過光學(xué)區(qū)的掃描(或者兩次CE掃描)，實(shí)現(xiàn)對整個靶面的掃描。然而正如對本領(lǐng)域技術(shù)熟練人員容易看到的那樣，可以將光束變換成象轉(zhuǎn)動靶子所要求的那樣窄，例如按20°增量旋轉(zhuǎn);接下去的每次都從平分線到靶子邊緣進(jìn)行掃描。
應(yīng)當(dāng)理解，在沿著一個方向從中心到一個邊緣進(jìn)行掃描之后，隨之讓不起作用的激光束返回中心，再沿相反方向朝著光束起始掃描所朝向的邊緣相反的邊緣進(jìn)行掃描。按照這種方式，整個靶面都能受到掃描，但夾持靶子的平臺并不旋轉(zhuǎn)，或者全然不動。如果被掃描的靶子不能方便或準(zhǔn)確地旋轉(zhuǎn)，例如仰臥的病人作角膜外科手術(shù)，那么本實(shí)施例就是非常重要的了。
加在每單位面積靶上的激光能量通稱為能量密度，對于紫外輻射來說，常常用每平方厘米毫焦耳(mJ/cm2)來表示。按照本發(fā)明進(jìn)行掃描的激光能量密度范圍最好從大約20至大約5000毫焦耳/厘米2;從約500至約2000毫焦耳/厘米2更好，而從750至約1500毫耳/厘米2為最好。
盡管本發(fā)明的方法可在任何給定的能量等級上操作，然而本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，一定的材料將需要一定的能量密度，以便通過燒蝕而有效地改變表面的特性。
“交聯(lián)”聚合物材料被理解為表示任何具有由元素、基團(tuán)或由通稱為交聯(lián)劑的復(fù)合劑構(gòu)成的橋(bridge)將其聚合物分子的兩個鏈的某種結(jié)合的聚合物材料。
“熱固性”材料一詞是指加熱時不可逆固化或“凝固”的聚合物材料。對比起來，“熱塑性”材料被理解為是指受熱時變軟并能恢復(fù)至其起始狀態(tài)的聚合物。
盡管本發(fā)明非常適于接觸透鏡的修整，但修整接觸透鏡扣狀物(button)、接觸透鏡坯料、模具以及用來制做模具和接觸透鏡的工具，也是本發(fā)明所考慮的。實(shí)際上，任何用以賦予光學(xué)性能或者表面幾何形狀的工具，都可由本發(fā)明加以修整。在同時提出并一起轉(zhuǎn)讓的美國專利申請NO.07/953，425中，公開了通過這種用來制做模具的工具進(jìn)行激光掃描修整表面，繼而再將該模具按澆鑄法制做接觸透鏡。
本發(fā)明被認(rèn)為對于其它的激光掃描應(yīng)用也是有用的，諸如角膜修復(fù)以及其它把燒蝕物殘?jiān)闯煞恋K掃描后得到質(zhì)量更好的靶面的操作過程。
下面的實(shí)例只用來進(jìn)一步說明本發(fā)明的情況，不應(yīng)構(gòu)成對發(fā)明的限定。
實(shí)例1-5在Ultemtm上澆蝕出的復(fù)曲面采用美國專利NO.5，061，342中公開的掃描方法，以每個樣品大約140個脈沖的速率燒蝕Ultemtm燒蝕樣品。使用的標(biāo)準(zhǔn)能量密度約為940毫焦耳/厘米2。
這些樣品予先全部經(jīng)目視進(jìn)行透射檢查和反射檢查。盡管如本領(lǐng)域的熟練人員所了解的那樣，任何適宜的清洗劑都能使用，但各例中的樣品都使用Axareltm(Dupont，Wilmington，Del)清洗劑進(jìn)行清洗。然后對樣品進(jìn)行照相，接著使用ZYGO標(biāo)記Ⅳ的干涉儀進(jìn)行曲線觀察。
進(jìn)而提出以下的定義EE掃描，即“從邊緣到邊緣”的掃描，是指從光學(xué)區(qū)的一個邊緣開始，越過靶子繼續(xù)進(jìn)行到光學(xué)區(qū)的另一邊緣穿越靶面的單次掃描。
CE掃描，即“從中心到邊緣”的掃描，是指從光學(xué)區(qū)的中心開始，并繼續(xù)越過靶到光學(xué)區(qū)的一個邊緣，再將靶旋轉(zhuǎn)180°，使光束返回起始位置并重復(fù)該掃描的單次掃描。
例1邊緣至邊緣掃描采用約140個脈沖的標(biāo)準(zhǔn)掃描分布，對平坦的UItemtm樣品掃描。
圖6示出EE掃描的結(jié)果。在掃描起始處附近存在與掃描垂直的暗帶;從透射光和反射光中都很容易目視觀察到該暗帶。用清洗劑Axarel清洗之后，黑環(huán)完全消失，暗帶減少但仍很明顯。
例2圖7示出CE掃描的結(jié)果。在第一掃描側(cè)存在有細(xì)小的暗帶;從反射光中容易看到這個暗帶。用Axarel清洗后，黑環(huán)消失，僅在透射光中輕微可見暗帶，而從反射光中則完全不可見。
盡管這些實(shí)例用的樣品全是平的，但對凸的和凹的樣品重復(fù)所做的實(shí)驗(yàn)，基本上具有同樣的結(jié)果。
例3不平整度的比較對兩個平的UItem樣品進(jìn)行修整，一個用CE掃描法，另一個用EE掃描法。用Talysurf表面光度儀對所得樣品進(jìn)行分析。
采用了下列定義樣品1-用EE掃描;
樣品2-用CE掃描;
全區(qū)-指整個刻蝕區(qū)域;
1區(qū)-指中心左側(cè)(EE掃描為最后刻蝕);
2區(qū)-指中心右側(cè)(EE掃描為最先刻蝕)。
＊平均表面不平整度是以微米測得的(μm)。該數(shù)據(jù)證實(shí)采用CE法可顯著降低平均表面不平整度。
對于本領(lǐng)域技術(shù)熟練的專業(yè)人員而言，按照這里給出的教導(dǎo)可對于本發(fā)明作出其它許多修改和變化，因而應(yīng)當(dāng)理解，在權(quán)利要求書范圍內(nèi)，可以不同于這里的特定描述去實(shí)施本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種光致燒蝕靶面的方法，包括步驟a)將脈沖紫外幅射光束射在靶面上予定的起始掃描區(qū)；b)使所述光束沿離開所述予定起始掃描區(qū)并朝向靶面第一邊緣的方向掃描；c)以遞進(jìn)的方式旋轉(zhuǎn)靶；d)使光束返回靶面上所述予定起始掃描區(qū)；e)使所述光束沿著離開所述予定起始掃描區(qū)并朝向與所述靶面第一邊緣相反的另一邊緣的方向掃描，并依序重復(fù)上述步驟c)、d)和e)，使整個靶面受到掃描。
2.一種光致燒蝕靶面的方法，包括步驟a)將脈沖紫外幅射光束射在靶面上予定的起始掃描區(qū);b)使所述光束沿離開所述予定起始掃描區(qū)并朝向靶面第一邊緣的方向掃描;c)將靶旋轉(zhuǎn)180°;d)使光束返回靶面上所述予定起始掃描區(qū);e)使光束沿著離開所述予定起始掃描區(qū)并朝向與所述靶面第一邊緣相反的另一邊緣的方向掃描，使整個靶面受到掃描。
3.一種如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述脈沖紫外幅射光束由準(zhǔn)分子激光器發(fā)出。
4.一種如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述靶面由交聯(lián)聚合物材料構(gòu)成。
5.一種如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述靶面為熱固性材料。
6.一種如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述靶面為熱塑性材料。
7.一種如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述脈沖紫外幅射光束的能量密度為約20毫焦耳/厘米2至約5000毫焦耳/厘米2。
8.一種如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述光束的能量密度約為1焦耳/厘米2。
9.一種如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述予定起始掃描區(qū)為平分線。
10.一種如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述靶為接觸透鏡。
11.一種光致燒蝕靶面的方法，包括步驟a)將脈沖紫外幅射光束射在靶面上予定的起始掃描區(qū);b)使所述光束沿離開所述予定起始掃描區(qū)并朝向靶面第一邊緣的方向掃描;c)使所述光束不起作用;d)使該光束返回予定起始掃描區(qū);e)使所述光束重新起作用;f)使所述光束沿著與步驟b)掃描完全相反的方向掃描，使整個靶面受到掃描。
12.一種通過燒蝕光致分解精制的修整靶面，包括步驟a)將脈沖紫外幅射光束射在靶面上予定的起始掃描區(qū);b)使所述光束沿離開所述予定起始掃描區(qū)并朝向靶面邊緣的方向掃描;c)將靶面旋轉(zhuǎn)180°;d)使該光速返回靶面的予定起始掃描區(qū);e)使該光束沿著離開所述予定起始掃描區(qū)并朝向與所述靶面第一邊緣相反的另一邊緣的方向掃描，使整個靶面受到掃描。
13.一種如權(quán)利要求12所述的靶面，其特征在于所述的靶面是能夠?yàn)榈诙€表面賦予光學(xué)性能或者表面幾何形狀特征的工具。
14.一種如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述的靶面為接觸透鏡。
15.一種通過燒蝕光致分解修整的角膜靶面，包括步驟a)將脈沖紫外幅射光束射在靶面予定的起始掃描區(qū);b)使所述光沿離開所述予定起始掃描區(qū)并朝向靶面第一邊緣的方向掃描;c)使所述光束不起作用;d)使該光束返回靶面上的予定起始掃描區(qū);e)使該光束沿著與步驟b)中掃描方向完全相反的方向，自所述予定起始掃描區(qū)到與所述靶面第一邊緣相反的另一邊緣掃描，使整個靶面受到掃描。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改進(jìn)的通過燒蝕修整靶面的方法，能夠減少被燒蝕的有機(jī)物殘?jiān)诎忻嫔系某练e。
文檔編號B23K26/00GK1090803SQ9311961
公開日1994年8月17日 申請日期1993年9月29日 優(yōu)先權(quán)日1992年8月26日
發(fā)明者K·L·奧普戴克 申請人:博士倫有限公司