DE19619481C1 - Method and device for removing material with a laser beam - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abtragen von Material von der Oberfläche eines Objektes, insbe sondere zum ophthalmologischen Formen von Linsen, mittels eines auf das Objekt gerichteten gepulsten Laserstrahles, der einen Querschnitt mit einer längeren Achse und einer kürzeren Achse hat und des sen Intensitätsprofil in Richtung der langen Achse verschieden ist von seinem zumindest annähernd gaußförmigen In tensitätsprofil in Richtung der kurzen Achse, und dessen Quer schnitt deutlich kleiner ist als die abzutragende Oberfläche, wobei der Laserstrahl in Richtung der kurzen Querschnittsachse unter Beibehaltung des gaußförmigen Intensitätsprofils in Rich tung der kurzen Querschnittsachse so sukzessive über die abzu tragende Oberfläche geführt wird, daß aufeinanderfolgende Laser pulse einander überlappend und zueinander versetzt sind. Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus der DE 41 41 890 A1 bekannt.The invention relates to a method and an apparatus for Removing material from the surface of an object, especially especially for ophthalmic shaping of lenses, by means of a pulsed laser beam directed at the object, the one Cross section with a longer axis and a shorter axis has and its intensity profile in the direction of the long axis is different from its at least approximately Gaussian In intensity profile in the direction of the short axis, and its cross cut is significantly smaller than the surface to be removed, the laser beam in the direction of the short cross-sectional axis while maintaining the Gaussian intensity profile in Rich the short cross-sectional axis so successively over the bearing surface is guided that successive laser pulses are overlapping and offset from one another. On such a method and such an apparatus are known from the DE 41 41 890 A1 known.
Excimerlaser emittieren kohärente UV-Strahlung hoher Intensität und werden insbesondere in der industriellen Fertigung, der Me dizin und in der Forschung eingesetzt. Eine besondere Anwendung der vorliegenden Erfindung ist die ophthalmologische Formkorrek tur von Linsen mittels Ablation durch Excimer-Laserstrahlung.Excimer lasers emit high intensity coherent UV radiation and are used especially in industrial manufacturing, the Me medicine and used in research. A special application of the present invention is the ophthalmic shape correction structure of lenses by ablation using excimer laser radiation.
Der vom Excimerlaser (im wesentlichen unverarbeitet) emittierte Laserstrahl hat in der Regel keine gleichförmige Intensitätsver teilung über seinen Querschnitt. Der vom Excimerlaser abgegebene Laserstrahl hat typischerweise Abmessungen von etwa 10×30 mm. Entsprechend diesem rechteckförmigen Querschnitt des Laser strahls spricht man von einer langen und einer kurzen Achse. In Richtung der langen Achse ist das Intensitätsprofil des Laser strahls etwa trapezförmig mit Intensitätsschwankungen (sogenann tes "flat top"). In Richtung der kurzen Achse hat der Excimer- Laserstrahl ein Intensitätsprofil, das etwa einer Gauß-Kurve entspricht.The one emitted by the excimer laser (essentially unprocessed) Laser beam usually has no uniform intensity ver division across its cross-section. The one emitted by the excimer laser Laser beam typically has dimensions of approximately 10 × 30 mm. According to this rectangular cross section of the laser one speaks of a long and a short axis. In The direction of the long axis is the intensity profile of the laser beam trapezoidal with fluctuations in intensity (so-called tes "flat top"). In the direction of the short axis, the excimer Laser beam has an intensity profile that is roughly a Gaussian curve corresponds.
Der Stand der Technik kennt eine Reihe von optischen Vorrichtun gen zum Homogenisieren von insbesondere Excimer-Laserstrahlen, so die DE-A-42 20 705 (entsprechend US-Patent 5,414,559). Homo genisieroptiken dienen dazu, die Intensität eines Laserstrahls über seinen Querschnitt möglichst gleichförmig zu verteilen, also Intensitätsunterschiede auszugleichen. Auch die JP 07027993 A, die EP 0 232 037 und die EP 0 100 242 A2 zeigen Homogenisieroptiken, teilweise mit anamorphotischen Anordnungen. Eine anamorphotische Abbildung ist eine optische Abbildung, bei der der Abbildungsmaßstab bzw. die Bildgröße in zwei senkrecht zueinander stehenden Schnitten (Richtungen) unterschiedlich ist. Bei den vorstehend erläuterten Excimerlaserstrahlen sind die genannten senkrecht zueinander stehenden Schnitte in der Regel in Richtung der langen und kurzen Achsen.The prior art knows a number of optical devices gene for homogenizing excimer laser beams in particular, so DE-A-42 20 705 (corresponding to US Patent 5,414,559). Homo Genetic optics are used to measure the intensity of a laser beam to distribute as evenly as possible over its cross-section, so to compensate for differences in intensity. Also the JP 07027993 A, EP 0 232 037 and EP 0 100 242 A2 show Homogenizing optics, some with anamorphic arrangements. An anamorphic image is an optical image, at the the image scale or the image size in two perpendicular cuts (directions) that are related to each other are different. In the excimer laser beams explained above, the mentioned perpendicular cuts as a rule in the direction of the long and short axes.
Bei der eingangs genannten DE 41 41 890 A1, von der die vorlie gende Erfindung ausgeht, sollen Homogenisieroptiken vermieden werden. Um auch in Richtung der kurzen Querschnittsachse des Excimerlaserstrahls eine weitgehende Homogenisierung der auf die abzutragende Oberfläche aufgebrachten Strahlungsenergie zu er reichen, wird bei diesem Stand der Technik der Laserstrahl suk zessive mittels eines Abtasters so in Richtung der kurzen Quer schnittsachse über die abzutragende Oberfläche bewegt, daß auf einanderfolgende Laserpulse einander überlappend zueinander ver setzt sind. Die Überlappung zweier benachbarter versetzter La serpulse ist so, daß die Überlagerung der gaußförmigen Intensi tätsprofile in der Summe eine gleichmäßigere Intensitätsvertei lung ergibt.In the aforementioned DE 41 41 890 A1, of which the The present invention is based, homogenizing optics should be avoided will. In order also in the direction of the short cross-sectional axis of the Excimer laser beam is largely homogenized on the radiated energy to be removed are sufficient, the laser beam is successive with this prior art cessive in the direction of the short cross using a scanner cutting axis moves over the surface to be removed, that on successive laser pulses overlap each other sets are. The overlap of two adjacent offset La serpulse is such that the superposition of the Gaussian intensi overall, a more even distribution of intensity lung results.
Die DE 42 32 690 C1 beschreibt ebenfalls eine Vorrichtung und ein Verfahren zur ophthalmologischen Formkorrektur einer Linse unter Verwendung von Excimerlaserstrahlen, bei denen die Strah lung in einem Strahlenbündel konzentriert wird, dessen Quer schnitt bei Auftreffen auf die Linsenoberfläche kleiner ist als die von einer Blende freigegebene Linsenoberfläche. Dabei wird das Strahlenbündel so bewegt, daß durch nacheinander auf die Linsenoberfläche auftreffende Strahlungspulse die gesamte von der Blende freigegebene Linsenoberfläche bestrahlt wird. Das Strahlenbündel wird zwischen aufeinanderfolgenden Strahlungspul sen nur so weit bewegt, daß sich die von nacheinander auf der Linsenoberfläche auftreffenden Strahlungspulsen getroffenen Be reiche der Linsenoberfläche teilweise überlappen.DE 42 32 690 C1 also describes a device and a method for ophthalmological shape correction of a lens using excimer laser beams in which the beam is concentrated in a beam, the cross of which cut is less than when it hits the lens surface the lens surface released by an aperture. Doing so the beam moves so that by successively on the Radiation pulses impinging on the lens surface cover the entire of the exposed lens surface is irradiated. The Beam is between successive radiation pulses only moved so far that the one after the other on the Radiation pulses striking the lens surface partially overlap the lens surface.
Auch die Veröffentlichungen R.J. Bruno, K.C. Liu, "Laserbeam Shaping for Maximum Uniformity and Minimum Loss" in: Lasers & Applications, 1987, H. 4, S. 91-94; die US-Patentschrift 5 414 559 und die europäische Patentanmeldung EP 0 232 037 A2 beschreiben Homogenisieroptiken für Laserstrahlen.The publications R.J. Bruno, K.C. Liu, "laser beam Shaping for Maximum Uniformity and Minimum Loss "in: Lasers & Applications, 1987, H. 4, pp. 91-94; the U.S. patent 5,414,559 and European patent application EP 0 232 037 A2 describe homogenizing optics for laser beams.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die mit möglichst geringem Aufwand bezüglich der Ablation verbesserte Ergebnisse liefern und eine möglichst vielseitige Anwendung er möglichen.The invention is based, a method and a task To provide device of the type mentioned, which with improved the least possible effort with regard to ablation Deliver results and the most versatile application possible possible.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 beschrieben und die erfindungsgemäße Vorrich tung im Patentanspruch 4. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfin dungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.The inventive method for solving this problem is in Described claim 1 and the Vorrich invention tion in claim 4. Preferred refinements of the invention are described in the dependent claims.
Es hat sich gezeigt, daß beste ophthalmologische Ablationsergeb nisse besonders dann erreicht werden, wenn die genannte Homoge nisierung so eingestellt wird, daß das Intensitätsprofil des Laserstrahls in Richtung der langen Querschnittsachse möglichst annähernd Rechteckform hat mit Intensitätsschwankungen, die kleiner sind als ± 10%.It has been shown that the best ophthalmic ablation results nisse can be achieved especially if the homoge nization is set so that the intensity profile of the Laser beam in the direction of the long cross-sectional axis if possible has approximately rectangular shape with intensity fluctuations that are smaller are as ± 10%.
Die Erfindung sieht vor, daß der Laserstrahl mittels einer Abbil dungsoptik in eine Ebene abgebildet wird, in der die Strahleigen schaften (Parameter) des abgebildeten Laserstrahls eingestellt werden, und daß der Strahl aus dieser Ebene mittels einer weite ren Abbildungsoptik auf die abzutragende Oberfläche abgebildet wird. In dieser genannten Ebene, die auch als "fiktive Masken ebene" bezeichnet werden kann, können die Parameter des Laser strahls, nämlich insbesondere seine Abmessungen in Richtung der langen und kurzen Achsen und seine Homogenität, für beide Achs richtungen unabhängig voneinander eingestellt werden und der Strahl wird dann mit diesen eingestellten Parametern auf die Arbeitsebene (also die abzutragende Oberfläche) abgebildet. Da bei braucht in der "fiktiven Maskenebene" keine Maske angeordnet zu werden. Eine Maske wird unmittelbar vor dem Auge angeordnet und mittels eines Abtasters (Scanners) wird der Strahlungsfleck über die Maske geführt, wie es in DE 42 32 690 C1 beschrieben ist. Die Maske kann in ihren Abmessungen verändert werden, um an der Hornhaut des Auges eine bestimmte Ablation zu bewirken. Der Abtaster (Scanner) bewegt den Strahlungsfleck in Richtung der kurzen Querschnittsachse über die Öffnung der vor dem Auge ange ordneten Maske.The invention provides that the laser beam by means of an image optics is mapped onto a plane in which the beam lies properties (parameters) of the laser beam shown and that the beam from this plane by means of a wide ren imaging optics mapped on the surface to be removed becomes. At this level, also called "fictional masks plane ", the parameters of the laser beam, namely in particular its dimensions in the direction of long and short axes and its homogeneity, for both axes directions can be set independently of each other and the The beam is then set to the parameters with these parameters Working level (i.e. the surface to be removed). There in case no need is arranged in the "fictitious mask level" to become. A mask is placed directly in front of the eye and by means of a scanner, the radiation spot passed over the mask, as described in DE 42 32 690 C1 is. The mask can be changed in size to suit to cause a certain ablation in the cornea of the eye. Of the Scanner moves the radiation spot in the direction of the short cross-sectional axis about the opening of the front of the eye ordered mask.
In Abwandlung des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels kann eine Maske, statt vor dem Auge, in der "fiktiven Masken ebene" angeordnet werden. Die Öffnung dieser Maske wird dann mit dem Laserstrahl homogen ausgeleuchtet, d. h. die Maske wird so in den Strahlengang gestellt, daß ein besonders homogener Bereich des Laserstrahls durchgelassen wird. Der bei diesem Ausführungs beispiel zwischen Maske und Auge angeordnete Scanner bewegt dann den Strahlungsfleck über die abzutragende Hornhaut.In a modification of the embodiment described above can be a mask, instead of in front of the eye, in the "fictional masks level ". The opening of this mask is then with homogeneously illuminated the laser beam, d. H. the mask is so in put the beam path that a particularly homogeneous area of the laser beam is transmitted. The one in this execution Example between the mask and eye scanner then moves the radiation spot over the cornea to be removed.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die in Richtung der kurzen Achse wirksamen Abbildungsoptiken und die in Richtung der langen Achse wirksamen Abbildungs- und Homogenisier optiken anamorphotisch, so daß die gewünschten Parameter des Laserstrahls in beiden Achsrichtungen unabhängig voneinander einstellbar sind.According to a preferred embodiment of the invention, the in Effective imaging optics and the direction in the short axis Effective imaging and homogenization in the direction of the long axis optics anamorphic, so that the desired parameters of the Laser beam in both axis directions independently of each other are adjustable.
Bevorzugt wird der Strahlungsfleck auf der Hornhaut auf Ab messungen von 1 bis 2 mm reduziert (durch Zusammenwirken der Maske und der optischen Abbildungsmittel).The radiation spot on the cornea is preferred to Ab measurements reduced by 1 to 2 mm (through the interaction of the Mask and the optical imaging means).
Unabhängig von der Justierung des Laserresonators kann mit der Erfindung erreicht werden, daß der Strahl in der Ebene der abzu tragenden Oberfläche immer die gleichen Strahlparameter (insbe sondere seine Abmessungen und seine Homogenität) aufweist.Regardless of the adjustment of the laser resonator, the Invention achieved that the beam in the plane of the ab bearing surface always the same beam parameters (esp its dimensions and homogeneity).
Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem Verfahren wird erreicht, daß die Homogenisieroptik die Parameter des Laser strahls in der Ebene der abzutragenden Oberfläche weitgehend unabhängig macht von der Qualität des vom Laser emittierten Strahls. Auch kann die gesamte vom Laser abgestrahlte Energie auf der zu bearbeitenden Oberfläche gebündelt werden.With a device according to the invention or the method achieved that the homogenizing optics the parameters of the laser largely in the plane of the surface to be removed independent of the quality of the laser emitted Beam. All of the energy emitted by the laser can also be used be bundled on the surface to be processed.
Mit der Vorrichtung und dem Verfahren wird erreicht, daß insge samt die vom Objekt pro Flächeneinheit empfangene Strahlenin tensität bis auf Schwankungen von höchstens 10% (in beiden Rich tungen) homogen ist.With the device and the method it is achieved that in total including the radiation received by the object per unit area intensity except for fluctuations of at most 10% (in both Rich tions) is homogeneous.
Die Erfindung erlaubt es auch, in einfacher Weise mittels Ab schwächern die Energie der Laserpulse in der gewünschten Weise einzustellen, ohne daß dabei die Abmessungen des Strahls beein flußt werden.The invention also makes it possible to use Ab weaken the energy of the laser pulses in the desired manner adjust without affecting the dimensions of the beam to be flowed.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.An exemplary embodiment of the invention is described below the drawing explained in more detail.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Abbildungsoptik, die in Richtung der kurzen Querschnittsachse eines Excimer laserstrahls wirksam ist und Fig. 1 shows schematically an imaging optics, which is effective in the direction of the short cross-sectional axis of an excimer laser beam and
Fig. 2 zeigt eine Abbildungs- und Homogenisieroptik, die in Richtung der langen Achse desselben Excimerlaser strahls wirksam ist. Fig. 2 shows an imaging and homogenizing optics, which is effective in the direction of the long axis of the same excimer laser.
Die Fig. 1 und 2 zeigen dieselbe Abbildungs- und Homogeni sieroptik in zwei Ansichten, die zueinander im rechten Winkel stehen. Figs. 1 and 2 show the same imaging and homogenisation sieroptik in two views are mutually at right angles.
Wie oben bereits ausgeführt ist, bewirkt die Optik in Richtung der kurzen Achse keine Homogenisierung, vielmehr wird das Inten sitätsprofil, wie es vom Laser (nicht gezeigt) abgegeben wird, beibehalten, also zum Beispiel ein Gaußprofil. In Richtung der langen Achse erfolgt hingegen eine Homogenisierung.As already explained above, the optics have a direction the short axis does not homogenize, but rather the Inten intensity profile as it is emitted by the laser (not shown), maintained, for example a Gaussian profile. Towards the long axis, on the other hand, is homogenized.
Der vom Excimerlaser emittierte Laserstrahl 10 tritt gemäß den Fig. 1 und 2 zunächst in eine Homogenisieroptik aus den Ele menten 12 und 14 ein. Die Homogenisieroptik besteht auch zwei Reihen von Zylinderlinsen (vgl. Fig. 2) und ist als solche be kannt (US-PS 5,414,559). Grundsätzlich können auch andere als solche bekannte Homogenisieroptiken verwendet werden, vgl. zum Beispiel DE-OS 42 20 705, DE 38 29 728 und DE 38 41 045.The laser beam 10 emitted by the excimer laser first appears in FIGS . 1 and 2 in a homogenizing optics from the elements 12 and 14 . The homogenizing optics also consists of two rows of cylindrical lenses (see FIG. 2) and is known as such (US Pat. No. 5,414,559). In principle, other homogenizing optics known as such can also be used, cf. for example DE-OS 42 20 705, DE 38 29 728 and DE 38 41 045.
Wie die schematische Darstellung in den Fig. 1 und 2 zeigt, sind die zwei parallelen Reihen 12, 14 von Zylinderlinsen so ausgerichtet, daß sie nur in Richtung der langen Achse eine Ho mogenisierung bewirken, während der Strahl in Richtung der kur zen Achse (Fig. 1) keine Homogenisierung erfährt.As the schematic representation in Figs. 1 and 2, the two parallel rows 12, 14 are aligned of cylindrical lenses so as to cause only in the direction of the long axis a Ho mogenisierung while the beam (in the direction of health zen axis Fig . 1) does not undergo homogenization.
Wie ein Vergleich der Fig. 1 und 2 ebenfalls ergibt, ist im Strahlengang hinter der Homogenisieroptik 12, 14 eine Sammellin se 16 angeordnet, die nur in Richtung der langen Achse eine Sam melwirkung hat. Eine weitere Sammellinse 18 im Strahlengang hat nur in Bezug auf die kurze Achse eine Sammelwirkung. Eine im Strahlengang dahinter angeordnete Sammellinse 20 hingegen wirkt wiederum nur in Richtung der langen Achse. As a comparison of FIGS. 1 and 2 also shows, a Sammellin se 16 is arranged in the beam path behind the homogenizing optics 12 , 14 , which only has a Sam effect in the direction of the long axis. Another collecting lens 18 in the beam path has a collecting effect only with respect to the short axis. A converging lens 20 arranged behind it in the beam path, on the other hand, only acts in the direction of the long axis.
Die genannten optischen Elemente mit den Bezugszeichen 12, 14 und 16 bilden insgesamt eine Homogenisieroptik bezüglich der langen Achse des Laserstrahlprofils.The above-mentioned optical elements with the reference numerals 12 , 14 and 16 form an overall homogenizing optical system with respect to the long axis of the laser beam profile.
Die Sammellinse 18 wirkt nur in Bezug auf die kurze Achse, ist also als Zylinderlinse (Zylinderform senkrecht zur Zeichnungs ebene) ausgebildet und dient zur Einstellung der Strahlabmessung in Richtung der kurzen Achse, wobei das gaußähnliche Strahlpro fil erhalten bleibt.The converging lens 18 acts only in relation to the short axis, that is to say it is designed as a cylindrical lens (cylindrical shape perpendicular to the drawing plane) and is used to adjust the beam dimension in the direction of the short axis, the Gaussian-like beam profile being retained.
Die bezüglich der langen Achse bündelnde Sammellinse 20 ist eben falls als Zylinderlinse ausgebildet. Der Abtaster 26 ist insbe sondere in Richtung der kurzen Achse bewegbar, so daß keine wei tere Homogenisieroptik, die in Richtung dieser Achse wirksam wäre, erforderlich ist. Der Strahl wird überlappend sukzessive über die zu bearbeitende Oberfläche 30 bewegt, wobei die Über lappung so gewählt wird, daß auch in dieser Richtung eine weit gehende Homogenisierung der Intensität mit Intensitätsschwan kungen kleiner als 10% gegeben ist.The converging lens 20 bundling with respect to the long axis is also formed as a cylindrical lens. The scanner 26 is movable in particular in the direction of the short axis, so that no further homogenizing optics which would be effective in the direction of this axis are required. The beam is successively overlapping over the surface 30 to be machined, the overlap is chosen so that in this direction there is extensive homogenization of the intensity with intensity fluctuations less than 10%.
Mit dem Bezugszeichen 22 ist in den Fig. 1 und 2 eine Ebene gekennzeichnet, in der mittels der im Strahlengang davor ange ordneten optischen Elemente die Parameter des Laserstrahls, näm lich insbesondere seine Abmessungen in beiden Achsrichtungen und seine Homogenität, eingestellt werden. Diese Einstellung ist mit den beschriebenen optischen Elementen in beiden Achsrichtungen unabhängig voneinander möglich, d. h. für ein gegebenes System können die optischen Elemente so ausgewählt werden, daß für bei de Achsrichtungen gewünschte Strahlparameter in der Ebene 22 vorliegen. Diese Ebene 22 ist oben als "fiktive Maskenebene" bezeichnet.With the reference numeral 22 in Figs. 1 and 2 in a plane in which the optical means in the beam path in front of arranged elements, the parameters of the laser beam, in particular its dimensions NaEM Lich in both axial directions and its homogeneity can be adjusted. This setting is possible with the optical elements described in both axial directions independently of one another, ie for a given system the optical elements can be selected such that the beam parameters desired in the axial directions are present in plane 22 . This level 22 is referred to above as the "fictitious mask level".
Die mit dem Bauelement 24 schematisch angedeutete sphärische Abbildungsoptik bildet den Strahl mit den genannten eingestell ten Parametern aus der Ebene 22 in die Ebene der zu bearbeiten den Oberfläche 30 ab. Dabei kann auf eine Maske verzichtet wer den. The spherical imaging optics indicated schematically by the component 24 images the beam with the above set parameters from the plane 22 into the plane of the surface 30 to be machined. You can do without a mask.
Mit dem Abtastkopf 26 (Scanner) wird der Strahl auf der abzutra genden Oberfläche 30 in der gewünschten Weise (siehe oben) be wegt.With the scanning head 26 (scanner), the beam is moved on the surface 30 to be removed in the desired manner (see above).
In Abwandlung des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels kann in der Ebene 22 auch eine Maske angeordnet werden, deren Öffnung schematisch durch das Bezugszeichen 28 gekennzeichnet ist. Diese Maske kann einen bestimmten Abschnitt des Laser strahls durchlassen, der zum Beispiel unter dem Gesichtspunkt optimaler Homogenität ausgewählt wird. Dann wird mit der be schriebenen Optik der Öffnungsbereich der Maske auf die zu be arbeitende Oberfläche 30 abgebildet.In a modification of the exemplary embodiment described above, a mask can also be arranged in plane 22 , the opening of which is schematically identified by reference numeral 28 . This mask can pass a certain section of the laser beam, which is selected, for example, from the point of view of optimal homogeneity. Then the opening area of the mask is imaged on the surface 30 to be processed with the described optics.
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