采用区域构图屏板的激光整形的制作方法

专利名称：采用区域构图屏板的激光整形的制作方法
技术领域：
本发明涉及工件激光整形的领域，特别是与利用屏板来控制工件曝光的工件激光整形的领域有关。
利用紫外线激光切除人的角膜，对角膜进行整形，以便校正例如近视、远视和散光等视力问题，在目前引起人们相当大的兴趣。这样的激光雕刻是通过将角膜暴露在紫外光脉冲之下，切除角膜的一薄层来完成的。紫外光的波长最好小于200毫微米。在脉冲积分通量为200毫焦耳/每平方厘米(nJ/cm)的情况，每一脉冲可切除约为0.1至0.2微米厚的一层角膜物质。迄今已经提出了许多控制激光切除的技术，用来保证角膜的形状按要求进行改变。这些技术包括使用有中心孔或隙缝的屏板，该中心孔或隙缝形成一定的形状以限制每一激光光束的脉冲，使其只照射到一小部分角膜表面上，从而围绕角膜对屏板进行扫描时能按所规定的要求切除角膜物质。另一技术是利用小直径圆点，用多个脉冲横贯角膜对该小圆点进行扫描，以按规定要求逐步切除角膜物质。
所有这些技术均有若干缺点。它们是对角膜的局部区域持续进行手术的，因而它们很花费时间，其原因在于必须应用大量的脉冲来完成角膜的整形。许多这样的手术过程需要几分钟或更长时间，以完成对角膜的反复雕刻。这样长的时间有许多缺点。病人的头和眼睛必须在整个雕刻时间内保持在一个固定位置，以便进行精确雕刻。这使病人和眼外科医生很紧张。手术过程愈长，手术费用愈高。这些技术的每一技术需要大量的激光脉冲来完成所要求的整形。利用有隙缝的屏板来控制曝光区域，其固有的缺点是激光能量的利用率低，这是由于大部分激光能量被屏板挡住的缘故。对扫描圆点型切除控制而言，在角膜的每一个小区域内均需要较长的时间来精确切除所要求数量的物质。
对这些技术的每一个技术来说，角膜表面的整形精度直接依赖于将屏板和/或激光束横贯角膜进行扫描的精度以及每一个脉冲的激光能量被控制的精度。人们需要有一种只化费几秒钟就可雕刻一个角膜或小透镜(lenticule)的激光雕刻技术以及一种其精度不依赖于激光光束或屏板中的孔横贯角膜表面进行精确扫描的技术。
这些技术的设备，每一个设备有安全风险问题，即在角膜的切除雕刻过程中，设备故障能导致角膜的不正确雕刻，包括切除的物质多于规定的要求。由于几方面的原因，这样的风险在直接雕刻角膜时特别令人担心。人所皆知，人的眼睛，特别是其角膜，不会很快再生的，如果能够完全再生的话，也会留下影响良好视力的伤疤。因此，不按规定切除角膜物质是不可挽救的手术过程，它会永久地破坏病人的视力。进一步说，因为每个人只有一双眼睛以及考虑到可视信息在我们现代信息非常多的社会中的巨大重要性，因而每个人都特别注意保护自己的眼睛。
即使最可靠的电子设备，也会产生偶然的事故。万一在雕刻过程中产生事故可能会造成对眼睛的永久性破坏。
人们非常希望有一个能确保不致无意切除有用的组织的雕刻技术供雕刻人的角膜之用。
因此，本发明的主要目的是提供一种激光整形技术，这种技术既不依赖于激光光束的扫描，也不依赖于屏板中的孔的扫描。
本发明的另一个目的是提供一种激光整形方法，在这种方法中，待整形的整个部位可作为一个整体来处理。
本发明的另一个目的是精确地予先控制工件的整形模式图。
本发明还有一个目是提供一种激光整形控制屏板，该屏板具有与所要求整形的区域模式图相对应的区域构图。
由说明书，作为一个整体，包括附图，将会明了这些目的及其它目的。根据本发明，利用整形激光光束通过经过一块精确控制模式图的区域构图屏板的方法来达到所述的目的，在所述的方法中，每一个激光脉冲按所述的模式图将工件整形。
作为本发明的主要内容如下1、一种把工件进行激光加工成形的方法，该方法包括提供具有构图的屏板，其构图由可透光的光化象素及不透光的光化象素组成，所述可透光象素的位置对应于在所述激光加工成形期间要求改变工件形状的位置;
提供光化性光的源，该源提供光束，其大小足以笼罩所述屏板构图;
将所述屏板置于由所述源至所述工件的光通路中;
使所述光化学光通过所述屏板对准到所述工件，以按照由所述屏板确定的构图对所述工件的表面加工成形。
2、上述1中所述的方法，其特征在于所述光化性光源提供能量实质上预定的脉冲。
3、上述2中所述的方法，其特征在于所述的对准步骤包括使来自所述光源的多个脉冲透过所述屏板的，以在所述工件的被曝光位置产生所要求的形状变化。
4、上述1中所述的方法，其特征在于所述屏板的已构图区域包围所述工件的整个加工区域。
5、上述1中所述的方法，其特征在于所述屏板的构图取在所述加工成形期间相对所述工件为本质上维持静止的状态的形式。
6、上述5中所述的方法，其特征在于对通过所述光化学光的多脉冲的屏板来说，所述本质上静止的定位包括在所选的脉冲之后将所述罩板偏移在内，所述偏移小于一个象素宽度。
7、上述1中所述的方法，其特征在于所述的工件是附在眼睛角膜上的小透镜。
8、上述1中所述的方法，其特征在于所述的工件是用于附到眼睛角膜上的小透镜。
9、上述1中所述的方法，其特征在于所述的工件是角膜。
10、一种将工件进行激光雕刻的方法，本发明的特征在于该方法包括提供一组经加权的屏板构图，其中每一个包括由透光和不透光的象素组成的特殊构图，所述透光象素对应于要求除去物质的位置，除去物质的量与该罩板构图的加权成正比;
提供切除用的光源，该光源提供大小足以逐一笼罩每一个所述屏板的构图的光束。
用于每一个所述屏板构图的步骤包括将所述屏板构图置于由所述源至所述工件的光通路中，以及将适量的所述切除用的光对准到所述的工件，以从所述工件的曝光部分有效的除去与所述屏板构图的加权正比的一定量的物质。
11、上述10中所述的方法，其特征在于所述屏板组有二进制的加权，其中第一屏板构图具有的加权为1，第二屏板构图具有的加权为2以及第三屏板构图具有的加权为3。
12、上述11中所述的方法，其特征在于所述切除用的光是按能量实际上相等的脉冲的形式提供的，所述加权为1的屏板用K个脉冲曝光，所述加权为2的屏板用2K个脉冲曝光，所述加权为4的屏板则用4K个脉冲曝光，其中K为整数常数。
13、上述12中所述的方法，其特征在于常数K等于1。
14、上述12中所述的方法，其特征在于在至少一个屏板构图要透过一个以上的脉冲的情况下，在对准透过那个屏板构图的所述脉冲的至少一个脉冲之后，将所述屏板构图偏移，所述偏移小于一个象素宽度。
15、上述14中所述的方法，其特征在于所述至少一个屏板构图按照对准通过其中的每个脉冲偏移。
16、上述10中所述的方法，其特征在于所述工件是附在眼睛角膜上的小透镜。
17、上述10中所述的方法，其特征在于所述工件是用于附加到眼睛角膜上的小透镜。
18、上述10中所述的方法，其特征在于所述工件是角膜。
19、用于用激光切除的方法在一个予定三维图中除去物质的一组屏板，本发明的特征在于包括多块屏板，其每一块屏板需按照指定的加权依次进行曝光，以利用这组屏板来除去实质上的所述予定三维图内的所述物质。
20、上述19中所述的屏板组，其特征在于所述屏板中的每一块屏板包括一予定数目的象素，每一屏板中的每一象素或是不透光的或是透光的，由不透光的和透光的象素所组成的构图是依照予定的要去除的物质三维图来确定的。
21、上述20中所述的屏板组，其特征在于所述屏板组包括加权为1的第一屏板，加权为2的第二屏板和加权为4的第三屏板。
22、上述21中所述的屏板组，其特征在于还包括加权为8的屏板。
23、上述22中所述的屏板组，其特征在于还包括加权为16的屏板。
24、上述23中所述的屏板组，其特征在于还包括加权为32的屏板。
25、上述19中所述的屏板组，其特征在于所述屏板的每一块屏板存在于单块基体上。
26、上述25中所述的屏板组，其特征在于每一个所述屏板构图的中心在所述基体上有一个予定的位置。
27、上述26中所述的屏板组，其特征在于该屏板组包括一个调节键，该调节键有一个相对于所述屏板构图的确定的位置。
28、上述27中所述的屏板组，其特征在于所述的键是所述基体的实际结构的一部分。
29、上述27中所述的屏板组，其特征在于所述的键是所述基体上构图的一部分。
30、上述27中所述的屏板组，其特征在于所述键是所述基体的实际结构和所述基体上的构图的组合。
31、生产激光成形屏板的系统，本发明的特征在于包括用于存储屏板坯件的装置;
用于将屏板坯件装入曝光位置的装置;
用于将屏板坯件曝光，使所要求的屏板构图处于受照射状态的装置。
用于将被曝光屏板坯件显影并且按照由所述曝光和显影所确定的构图将不透光涂层从所述坯件中除去。
32、上述31中所述的系统，其特征在于它还包括用于在所述屏板上提供有希望可以治好的病人的标记，作为对所述屏板进行曝光和显影的一部分的装置。
33、上述31中所述的系统，其特征在于包括用于存储屏板设计数据的装置。
34、上述31中所述的系统，其特征在于还包括用于接收屏板数据以便按所述所要求的屏板构图来控制所述屏板的曝光的装置。
35、上述31中所述的系统，其特征在于所述用于曝光的装置包括一台激光打印机，该打印机是为对所述屏板坯件进行曝光而配置的。
根据本发明的一个实施例，使用一组经加权的屏板来控制用激光雕塑法切除物质所依照的模式图。这些屏板最好能取二进制加权，其中加权1的第一屏板用于控制K个激光脉冲的曝光模式图，加权2的屏板用于控制2K个脉冲的激光曝光的模式图，加权4的屏板用于控制4K个激光脉冲的曝光区域等等。如果需要的话也可用非二进制加权。
根据本发明的一个实施例，一组二进制屏板中的每一块屏板包含一个阵列的象素，其中每一象素或是透光的，或是不透光的，因而分别可以或阻止对与该屏板的那个象素对准了的区域进行激光整形。
对于本发明，就实际结构和方法，以及其进一步的目的与优点来说，参考下面结合附图所作的说明即可很好地理解。


图1是一张表，该表涉及所要求的相对切除度(the relative degreeof ablation)与一组加权屏板中每一块屏板内的对应象素的透光度(1)或不透光度(0)的关系;
图2和3各说明所要求的相对切除度的四个象素构图以及四块屏板中每一块屏板内的相应不透光或透光状态;
图4说明八个加权屏板构图A-H，这些构图合起来在扁平的工件上形成一个凸圆球表面;
图5是由图4屏板组所雕刻的工件的部分剖开透视图;
图6说明八个加权屏板构图A-H，这些构图合起来在扁平的工件上形成一个双曲线抛物面的表面;
图7表示由图6屏板组所产生的双曲线抛物面表面的图解说明;
图8是用曲线图说明激光切除的分辨率作为加权屏板数及象素尺寸的函数;
图9是沿曲率半径为R1的球面的一部分的直径剖开的截面;
图10是沿曲率半径为R2(R2＞R1)的第二个球表面的一部分的直径剖开的载面;
图11是沿图9球表面的直径剖开的截面，该图表示为把图9的球面改为图10的球表面应切除的物质;
图12是表示沿图11的截面直径方向应除去的物质的深度与位置的函数;
图13表示一个八屏板组，该屏板组来切除图11或12所指定的物质;
图14表示一个八屏板组，该屏板组用来减小球面的曲率半径;
图15表示一个任意表面到另一个任意表面的变换。
根据本发明给出的屏板，不是用于直接雕刻象人的角膜(或附加到人的角膜的小透镜)这样的工件，而是用于控制每个激光脉冲透射到工件整个工作区域的激光能量，利用屏板控制的情况下，由每个脉冲对工件和那些工作区域进行整形或切除。这样做的好处是切除的模式图是用屏板控制的，而不是用激光光束进行扫描，或对小孔进行扫描来控制激光光束的扫描。这样，切除的模式图是用予制的屏板控制的，屏板的构图能在用于激光整形之前进行检查，以便保证实际出现在屏板上的构图将会产生所要求的整形模式图。
根据本发明的屏板的一个优选实施例，切除模式图是用一组加权屏板控制的，其中与屏板的光透射部分相一致的被除去物质的量是与那块屏板的指定加权成正比，一个特别优选的加权屏板组的实施例包含一组二进制加权屏板，其中各毗邻的屏板加权为1，2，4，8，16，32，……屏板的数目以及最大的加权依赖于切除物质时所要求的分辨率。
现参考图1所示的表，该表涉及给定象素所要求的切除度与加权组内每一屏板中那个象素的遮光状态。在这个表的左边一行中，所要求的相对切除度从0增加至255，其中17之后有间隙。在这个表的中间行中有一系列二进制数字。这些数字上面的项目的最高行是屏板的字母符号，它们从右边最低的加权屏板A开始并按字母次序增加到左边的最高加权屏板H。这些屏板符号的正下方是诸屏板相应的加权，它们按2次乘方从右边的1增加到左边的128。在它们的正下方是要获取相等能量的激光脉冲时通过每一屏板应透射激光脉冲数，该脉冲数从右边的1增加到左边的128。在表的右边的一行中是一列诸屏板的屏板的字母符号，在这些屏板中，相应的象素对该表同一排上所指定的相对切除度来说是透光的。该表的上面部分(其中所要求的相对切除度在排与排间增加1)仅包括五块不同的屏板A-E。在该表的低下部分给出了需要附加屏板时的相对切除度，这部分中有一些间隙，这是为了使得该表能制到一张纸上。本专业的技术人员会认识到所省略的相对切除度受屏板的象素的状态的控制情况类似于表先前的数据(较小的相对切除度)受控制的情况。
图2中，相对切除度为7、8、9和10的以四个象素组成的一组表示于图的左边。这四个象素在加权为1，2，4和8的屏板A，B，C和D中的相应状态分别例示于图的整个中间部分。撞击到工件有关部分的脉冲总数表示于图的最右端。在图2中间部分的屏板中，填满的象素对激光脉冲是不透光的，而空白的象素对激光脉冲是透光的。通过每一屏板透射的相等能量脉冲的数目直接表示于图的中间部分的那块屏板下方。
图3与图2的布置是类似的，但是此图说明相对切除度为3，6，11和15的四个不同象素的情况。
可以理解下面的情况当整形度正比于激光脉冲的能量强度时，屏板加权每一次增加，每个脉冲的能量就增加一倍，而不是固定能量的脉冲数增加一倍。这就是说，当整形是与累积能量成线性关系时，关键在于受屏板控制的累积能量。当物质整形成与脉冲能量不成线性关系时，最好取适当的能量固定的脉冲，脉冲数随屏板加权而增加。但是，如果需要的话，可选择和利用脉冲能量和脉冲数的适当组合。
图4说明八个二进制加权屏板，这些屏板在利用于加权组合的情况下将按照在工件的曝光面上留下一个凸球表面部分这样一个形状从平的工件除去物质。屏板A加权最小，只有单个脉冲从中透过。屏B的加权为2，有2个脉冲从中透过。屏板C的加权为4，有4个脉冲从中透过。按照同样的方式，屏D的加权为8，屏板E的加权为16，屏板F的加权为32，屏板G的加权为64以及屏板H的加权为128。可以看到，这些屏板的构图的每一个构图几何中心是不透光的，因而在工件的中心没有物质被除去，而在超出构图A中细致构图的外限之外所有的屏板是透光的，因此，由这组屏板所控制的激光切除过程其所除去的一些物质的数量等于所有屏板的加权和乘以由每一个脉冲所除去的物质的厚度。在这种情况下，在该工件的这个外围部分除去的总深度为255乘以由1个脉冲所除去的深度。
如果想在工件周围、表面为球面的一部分的圆顶区外除去更多的物质以便使圆顶形成圆柱体在工作背景部分上方延伸的顶部，则可以增设一个构图A中细致构图区不透光、在圆形区透光的屏板“I”，并将屏板“I”按对应于所想切除的深度的加权进行曝光。作为另外一种方法，也可以要工件边缘区内除去多一倍的物质，与其同时，材料表面的光洁度下降，这种方法是将透过八块屏板的每一块屏板的脉冲数加倍，从而使工作区内每个位置上除去的物质量加倍。但是，这样形成的表面是非球面的一部分椭面，而不是球面的一部分椭面。
最好将屏板A-H的每一块屏板配置于单一的屏板衬底上，诸屏板的每一个构图的中心位置在相对于一个已知的参考位置，而该参考位置可以在各屏板或各屏板构图的一个屏板或一个屏板构图内(如在它的中心)内，也可以在所有的构图之外。
在图4的用于将平的工件雕刻为具有球面的屏板组中可以看到的一个特性是出现在屏板中的细线随着屏板加权的增加而减少。用来切除具有光滑对称边缘的大量物质而设计的许多屏板组都有这个特点。
图5是利用图4的屏板组进行雕刻而成的工件的局部剖示图，所述的屏板组将扁平的上表面雕刻成具有球面断面的表面。
图6表示用于形成一个双曲线抛物面的表面的一个八屏板组。在图7中表示结果形成的表面，但是相对于图7中的屏板组来说，已相对于屏板组转了90°，该表面的左边和右边是由图6中屏板构图的上部和下部形成的。
图7中(X2)/(a2) - (Y2)/(b2) =CZ对于象小透镜的或人或动物的角膜的表面这样的光学表面整形来说，令人感兴趣的一件事情是用本发明二进制屏板组进行激光切除所产生的最终表面的圆滑程度。虽然许多规范可用于度量那个圆滑度，但我们选择一个标准，用来比较由给定数目的屏板所得的分辨率，并且该分辨率作为象素尺寸的函数。在将一扁平的工件雕刻成一个凸出球面的情况，我们选择的标准是由激光切除方法实际除去的物质的体积与要制造一个球面而应该除去的物质的体积之比，这个要制造的球面是最大的球面，该表面完全位于工件之内或在它的表面处。这个标准用曲线图形式说明于图8，其中雕刻范围的直径为5000微米并被雕刻成为球面的一部分表面以及在该范围的中心处比它的边缘处高25微米，如图8顶部的截面图所示。圆滑度为100%时表示该表面处处与理想的球面表面一致。可以看出，不依赖于所用屏板的数目的象素数较少的情况来说，圆滑度百分率是低的。这是因为象素数目小会导致大的、扁平的成顶区域，这些区域与“理想”球面表面之间空出较大的部分，这种情况是与垂直(深度)控制的精度无关的。应该指出，圆滑度随着屏板组中屏板数目因而随着所用的不同去除深度以及垂直分辨率的精度而增加并随着象素数目因而也随水平分辨度的精度的增加而增加。还应该认识到的是被每一激光脉冲除去的物质层愈薄，最后形成曲线的圆滑度愈好，但由给定数目的脉冲能除去的物质的最大数量将会减少。
图8说明一种特殊雕刻状况的圆滑度。其它的情况有其它情况的圆滑度。当工件是光学元件时，所需圆滑度的等级将与该特殊光学元件以及所使用的整个系统有关。
通常，对于雕刻人的角膜或依附在角膜上的小透镜来说，所面对的问题不是一个把平的工件机械加工成球面形表面的问题，而是一个把现有的弯曲表面雕刻变换为改善视力的不同的弯曲表面的问题。在图9中，要加以整形的初始弯曲表面10用一个截面表示，该截面是沿着那个球形表面的直径来截取的。图10示出了所要求的最后的弯曲表面110，连同用虚线轮廓线表示的现有的初始表面10。
在图11中示出了初始弯曲表面10，所要求的曲面110配置在表面10内(因为目前这个方法仅仅适用于将物质除去)，为清楚起见，要除去的物质120用斜阴影线表示。
在图12中，要除去物质120用要除去的厚度表示，该厚度为沿表面10直径的位置的数。这个厚度在该表面的边缘处为零并且向该表面的中心单调地增加。
图13中说明了用于除去物质120的一个八屏板组。
角膜完全是球面形的人不多。完全球面形的角膜表面只会给极少数人带来最佳的视力。人的角膜形状是不规则的以及人的总的视觉系统是这样的一般说来，不规则的形状会给人带来最佳的视力。因此，本发明用于眼科上的最佳方式是将一个不规则的曲面弯换成另一种不同的不规则曲面。
图14是一个八块屏板组，用于减少球面形表面的曲率半径(增加曲率)。这个屏板组按照与图10-13所示方法的相反方法来改变曲率。
本发明的二进制加权区域构图屏板实施例，其优点之一在于在每一象素中可除去的物质的数量可从零一直到(2N-1)倍由一个脉冲所除去的物质的深度。这样，可以将任一个任意表面通过确定在每一象素中待除去物质的数量这样的方法变换成任一个其它任意包含的表面。图15给出了这个通过物质本体的截面的粗略实例。在每个象素之上的数字对应于那个象素中要除去的厚度。
本发明提供了用于雕刻角膜，小透镜和其它工件以及用于将一个不规则表面变换成一个不同的不规则表面时优于先有技术的许多优点。尤为特别的是，物质除去的程度是在屏板改进工艺过程中受加权控制的，其效果是不必再仔细小心控制圆点激光束或孔屏板的运动来实现光束细微运动和达到除去物质的不规则性的剖面。因此，与先有技术的方法相比，本发明提供了对实际要除去物质剖面的更可靠的控制。此外，既然整个雕刻过程是由一个激光束来执行，该激光束大得足以笼罩整个已构图的屏板区域，那么只需用很少数的脉冲就可以产生所需的剖面。尤其是在最大除去深度为255倍由单脉冲移去的深度时，仅仅需要255个激光脉冲用于整个的雕刻过程，而不是小的扫描圆点在每一个要求那个除去物质深度的点上所需的255个激光脉冲。因此，这个屏板组大大地减少了雕刻一个角膜，小透镜或其它工件所需要的激光脉冲数目。这有许多好处，首先，该加工过程比先有技术的加工过程快很多。第二，眼睛受激光脉冲曝光的数目大大减少，因此由那个激光曝光所产生的付作用的危险性减到最小。在脉冲重复频率可高达每秒100个脉冲的准分子激光器应用于这个激光雕刻加工并且在255范围内分辨率为1时，仅仅需要255个脉冲，这对应于2.5秒多一点的光激射时间。因为对那个分辨率来讲需要八块不同的屏板，所以将八块不同的屏板转换到相对于角膜或小透镜的适当的调节位置所需的时间必须加到这个实际的激光器时间上。但是，用现代化的定位和调节设备，对每一次屏板转换来说，这样的屏板转换和调节应在1秒钟之内完成，其最终结果是整个雕刻过程可以用约10秒钟来完成。采用适当的设备，比1/2秒要短得多的屏板转换时间是可能实现的。这样，整个加工过程可以在10秒钟内很好地进行。这大大地简化了病人在激光切除过程中一直固定住他或她的眼睛的问题，因为对一个病人来说，把一个眼睛持续10秒固定于某一位置要比几分钟容易得多。而且，正确的切除模式图是由正确制造的屏板加以保证的，正确地调节这些屏板，只要必要数目的固定能量脉冲透过每一个屏板构图即可。
为了使操作差错的危险或对本发明的激光切除加工的正确完成的其它干扰减少到最小的程度，使用于一个给定激光切除雕刻的所有被确定于一层掩膜层内的屏板构图在单一基片上，所用的基片上有一个调节键，该键完全保证屏板正确地插入在雕刻设备中。这个调节键可以是基片实际结构的一部分，如图6右下边所示的基片上构图的一部分，或两者兼之。在基片角上的类似切口可作为调节键。也可用其它的调节键。每一片这样的屏板基片也应该包括正确识别予定的病人和眼睛。这可以是文字的形式，例如，病人的姓名和“左眼”或“右眼”，或者是数字或其它符号。最好使该雕刻设备包括自动联锁，该自动联锁依照每个屏板的加权来限制透过该屏板组的脉冲数目。也希望在各屏板上有正确的调节标记，它保证多屏板正确地被调向小透镜或角膜。
提供这样的正确调节的一个技术是在角膜或小透镜的视觉上有效的部分之外雕刻四个调节标记。采用这种技术，各屏板的每一块屏板中的各调节标记在切除用的激光脉冲透过该屏板之前先被调节。这样的调节参考(点)可以雕刻在角膜或小透镜中，或者可以是加到角膜或色斑点上小的反射性圆点，或者是由位置参考光束照明的点，这些被照明的点由调节系统通过该屏板加以观察。
虽然本发明已按照二进制加权的屏板进行了说明，但是由相同的概念也可使用其它的屏板加权。二进制加权屏板的主要优点是用最少的屏板数就可除去分辨率给定的物质。
带有象素为3至6平方微米的屏板能够用扫描激光束将光刻胶图形曝光或者直接从屏板基片上切除掩膜层等方法加以制造。
作为一种替代的屏板制备技术，屏板构图可用激光打印机按每英寸300个点进行打印并且按四比一进行缩小，以致产生每英寸1200个点的图形或20.8微米宽的象素。
这些屏板能够用作近接触屏板，在平行光束的激光器光作为“接触”屏的情况下，接触屏板对工件模形构图的尺寸为1∶1的遮挡关系。为了除去切除物，在屏板和工件之间必须留出足够的空间。这些屏板也可用作投影屏板，此时屏板和工件之间的尺寸减小。用投影屏板时，工件表面处的激光光线最好是平行光线，以避免工件加工表面尺寸极小时为非平面所引起的失真。
对于某些用足够小的象素进行激光成形加工的情况，屏板透光区域边缘处的激光光束散射现象会对物质去除情况产生影响。对高加权的屏板来说，可以用在每一激光脉冲之后或在一予定数目的激光脉冲之后略微移动这些屏板的方法使这样的影响减到最小。这个“略微”运动应小于一个象素宽度，最好是小于一个象素宽度的二分之一。
通常，如果屏板基片有平的表面的话，屏板的加工是最简单的。但是，最好在一个成形的表面上形成屏板，以便控制散射现象的影响或用于其它目的。这样的成形表面包括那些具有象角膜一样的曲率的表面，这使屏板遮挡层(the making layer)位于离角膜表面大致不变的距离。
该屏板遮挡层可配置在透光屏板基片的表面上，该表面是朝向工件或背离工件的。
为了简化制造这种形式的屏板的过程，最好用自动机构来存储屏板坯件，运载屏板坯件到曝光位置以及在屏板坯件确定屏板构图。确定屏板构图的工艺过程是包括对屏板坯件的光刻胶进行曝光胶进行曝光和显影并且然后按照由光刻胶限定的图形将不透光的涂层从屏板基片的表面除去。用于处理和加工半导体芯片的一般型式的设备能够用于这个场合。配套的打印机能用来作为曝光机。
这里所述的屏板已假定屏板构图是二进制的，其中每一象素或是100%透光的或是0%透光的。当然，可以用99%透光的屏板基片而不致与所要求的雕刻图有很大的偏差。下述的屏板比较难以制造，但也是能够制造的，即根据本发明，由100%透光的各部分，50%透光的各部分以及0%透光的各部分所组成的屏板构图是能够制造和加以利用的，其方法是给出一个屏板坯件，该坯件上有50%透光的初始掩膜层以及该层上的为0%透光的第二屏板层。这样的屏板能这样来构图首先确定一个光刻胶构图，该图使除了需要保留0%透光的部分以外，其它所有0%透光层都被除去。此后，对第二光刻胶层构图，在要求100%透光的各处，将50%透光层除去。按这种方法，能够产生一种多重屏板(a multilevel mask)，这种屏板可以减少所需屏板数。按照类似的方法，如果需要的话，可以提供具有0%、25%、50%、75%以及100%透光区域的屏板。这种型式用于产生任意的和圆滑的雕刻表面的理想化的屏板，其透光范围根据所要求的衬底物质的切除等级，在0与100之间。这样的屏板是在本发明的概念之内的，其原因在于它是确定整个雕刻区域上的切除模式构图的一块区域屏板。
制造这样一种模拟区域屏板的一种方法是利用全息光照相图，以将均匀的入射激光脉冲转换成光线图，根据所要求的切除等级，该光线在强度方面随位置而变化。这样一种全息光照相的屏板可用作为控制切除的一块单一的屏板，或者，经加权的各全息光照相屏板可应用于要求较高分辨率的场合。
为了正确的加权除去物质，激光光束应该笼罩整个的屏板构图并且在横贯屏板构图范围内具有恒定的积分通量。但是，如果该光束在光束范围内的积分通量具有已知的变化，那么在屏板设计过程中是能够对此进行补偿的，其方法是确定每个象素要去除物质的深度，那样的去除所需的总的积分通量以及在那个象素位置上激光光束的积分通量。然后将所需的总积分通量用局部的光束积分通量除，以确定所需的脉冲数。随后在屏板构图的每一构图中将那个脉冲数利用那个象素的状态设置到屏板中去。
就本发明在雕刻小透镜或角膜方面的应用，已经对本发明进行了许多讨论。但是，本发明能够用于任何可用激光成形的工件，将其成形，这些工件包括塑料、金属体等等。
要去除的物质的最大深度(D)，所需要的脉冲数目(n)以及单个脉冲去除的深度(T)有下列关系D/N＝T这样，D＝NTT＝D/N 和N＝D/T虽然本发明已根据它的优先实施例在此作了详尽的叙述。但是其中许多改进和改变均可由本专业的技术人员可以实现。因此，意欲用权利要求书来复盖这样的落入在本发明实际精神与范围之内的改进与改变。
权利要求
1.一种把工件进行激光加工成形的方法，该方法包括提供具有构图的屏板，其构图由可透光的光化象素及不透光的光化象素组成，所述可透光象素的位置对应于在所述激光加工成形期间要求改变工件形状的位置；提供光化性光的源，该源提供光束，其大小足以笼罩所述屏板构图；将所述屏板置于由所述源至所述工件的光通路中；使所述光化学光通过所述屏板对准到所述工件，以按照由所述屏板确定的构图对所述工件的表面加工成形。
2.权利要求1中所述的方法，其特征在于所述光化性光源提供能量实质上预定的脉冲。
3.权利要求2中所述的方法，其特征在于所述的对准步骤包括使来自所述光源的多个脉冲透过所述屏板的，以在所述工件的被曝光位置产生所要求的形状变化。
4.权利要求1中所述的方法，其特征在于所述屏板的已构图区域包围所述工件的整个加工区域。
5.权利要求1中所述的方法，其特征在于所述屏板的构图取在所述加工成形期间相对所述工件为本质上维持静止的状态的形式。
6.权利要求5中所述的方法，其特征在于对通过所述光化学光的多脉冲的屏板来说，所述本质上静止的定位包括在所选的脉冲之后将所述罩板偏移在内，所述偏移小于一个象素宽度。
7.权利要求1中所述的方法，其特征在于所述的工件是附在眼睛角膜上的小透镜。
8.权利要求1中所述的方法，其特征在于所述的工件是用于附到眼睛角膜上的小透镜。
9.权利要求1中所述的方法，其特征在于所述的工件是角膜。
10.一种将工件进行激光雕刻的方法，本发明的特征在于该方法包括提供一组经加权的屏板构图，其中每一个包括由透光和不透光的象素组成的特殊构图，所述透光象素对应于要求除去物质的位置，除去物质的量与该罩板构图的加权成正比;提供切除用的光源，该光源提供大小足以逐一笼罩每一个所述屏板的构图的光束。用于每一个所述屏板构图的步骤包括将所述屏板构图置于由所述源至所述工件的光通路中，以及将适量的所述切除用的光对准到所述的工件，以从所述工件的曝光部分有效的除去与所述屏板构图的加权正比的一定量的物质。
11.权利要求10中所述的方法，其特征在于所述屏板组有二进制的加权，其中第一屏板构图具有的加权为1，第二屏板构图具有的加权为2以及第三屏板构图具有的加权为3。
12.权利要求11中所述的方法，其特征在于所述切除用的光是按能量实际上相等的脉冲的形式提供的，所述加权为1的屏板用K个脉冲曝光，所述加权为2的屏板用2K个脉冲曝光，所述加权为4的屏板则用4K个脉冲曝光，其中K为整数常数。
13.权利要求12中所述的方法，其特征在于常数K等于1。
14.权利要求12中所述的方法，其特征在于在至少一个屏板构图要透过一个以上的脉冲的情况下，在对准透过那个屏板构图的所述脉冲的至少一个脉冲之后，将所述屏板构图偏移，所述偏移小于一个象素宽度。
15.权利要求14中所述的方法，其特征在于所述至少一个屏板构图按照对准通过其中的每个脉冲偏移。
16.权利要求10中所述的方法，其特征在于所述工件是附在眼睛角膜上的小透镜。
17.权利要求10中所述的方法，其特征在于所述工件是用于附加到眼睛角膜上的小透镜。
18.权利要求10中所述的方法，其特征在于所述工件是角膜。
19.用于用激光切除的方法在一个予定三维图中除去物质的一组屏板，本发明的特征在于包括多块屏板，其每一块屏板需按照指定的加权依次进行曝光，以利用这组屏板来除去实质上的所述予定三维图内的所述物质。
20.权利要求19中所述的屏板组，其特征在于所述屏板中的每一块屏板包括一予定数目的象素，每一屏板中的每一象素或是不透光的或是透光的，由不透光的和透光的象素所组成的构图是依照予定的要去除的物质三维图来确定的。
21.权利要求20中所述的屏板组，其特征在于所述屏板组包括加权为1的第一屏板，加权为2的第二屏板和加权为4的第三屏板。
22.权利要求21中所述的屏板组，其特征在于还包括加权为8的屏板。
23.权利要求22中所述的屏板组，其特征在于还包括加权为16的屏板。
24.权利要求23中所述的屏板组，其特征在于还包括加权为32的屏板。
25.权利要求19中所述的屏板组，其特征在于所述屏板的每一块屏板存在于单块基体上。
26.权利要求25中所述的屏板组，其特征在于每一个所述屏板构图的中心在所述基体上有一个予定的位置。
27.权利要求26中所述的屏板组，其特征在于该屏板组包括一个调节键，该调节键有一个相对于所述屏板构图的确定的位置。
28.权利要求27中所述的屏板组，其特征在于所述的键是所述基体的实际结构的一部分。
29.权利要求27中所述的屏板组，其特征在于所述的键是所述基体上构图的一部分。
30.权利要求27中所述的屏板组，其特征在于所述键是所述基体的实际结构和所述基体上的构图的组合。
31.生产激光成形屏板的系统，本发明的的特征在于包括用于存储屏板坯件的装置;用于将屏板坯件装入曝光位置的装置;用于将屏板坯件曝光，使所要求的屏板构图处于受照射状态的装置。用于将被曝光屏板坯件显影并且按照由所述曝光和显影所确定的构图将不透光涂层从所述坯件中除去。
32.权利要求31中所述的系统，其特征在于它还包括用于在所述屏板上提供有希望可以治好的病人的标记，作为对所述屏板进行曝光和显影的一部分的装置。
33.权利要求31中所述的系统，其特征在于包括用于存储屏板设计数据的装置。
34.权利要求31中所述的系统，其特征在于还包括用于接收屏板数据以便按所述所要求的屏板构图来控制所述屏板的曝光的装置。
35.权利要求31中所述的系统，其特征在于所述用于曝光的装置包括一台激光打印机，该打印机是为对所述屏板坯件进行曝光而配置的。
全文摘要
切除手术时进行的激光雕刻借助于屏板区域构图进行控制，由该屏板构图根据作为位置的函数的所要求切除程度确定光的透光情况。在一个实施例中，一组二进制加权的屏板被用来使要雕刻的工件的表面构形产生任意的变化。
文档编号A61F9/008GK1049966SQ9010751
公开日1991年3月20日 申请日期1990年9月3日 优先权日1989年9月5日
发明者詹姆斯·威尔逊·罗斯, 朗伦·M·莱文森, 刘容生 申请人:通用电气公司