CN1058105A - 用准分子激光的光刻作用对光学制品表面进行仿形加工的方法 - Google Patents

Abstract

一种将柱面折光能力引入一光学表面的方法，包 括：将一光学加工表面设置在一台能改变所述加工对 象位置使其对准能对所述加工对象的材料进行光刻 的激光光束路径的仪器上；让所述加工对象沿至少一 条轴通过该激光光束区域，并控制激光的光强与时间 的乘积，以便沿所述加工对象的至少一条轴控制该加 工对象的蚀刻量。

Description

本发明涉及用于改变光学制品表面外形的一种方法。本发明在生产具有比迄今现有的同类制品要高得多的精密度的复曲面光学制品过程中尤为有用。

人们已知多种用于光学制品表面的成形方法。也许，最古老的一种已知方法是利用车床对光学制品表面进行仿形加工。当然这种方法可追溯到第一批透镜，而且一直延用至今。

人们业已开发了多种用于铸造或模制光学表面的方法。然而，尽管有这些方法，要产生待用于模制光学成品的模制坯料还取决于车削技艺。最近，已有人提出利用高能量激光去有选择地蚀刻光学制品表面的概念。

本发明则利用准分子激光去有选择地改变光学制品的表面，并提出一种实现该过程的高度有效而精密的装置。

图1示出一个准分子激光束的横截面的形状及该准分子激光分别在其x和y坐标中的能量分布。

图2为实现本发明方法所用的设备图，其中，激光束横向扫过待加工的接触透镜坯料的表面。

图3为一光学加工对象的示意图，图中示出以扫描方式将其轮廓蚀刻到一定尺寸。

图3a为一光学加工对象的示意图，图中示出以限定的蚀刻作用使加工表面曲率半径上的尺寸和参数达到所限定的大小。

图4表示带有车削过的表面的接触透镜的表面。

图5和6表示用本发明方法所制成的具有复曲面的接触透镜（toric  contact  lens）的干涉图。

图7表示一个市场上可买到的现有复曲面接触透镜的干涉图。

图8表示一透镜的干涉图，该透镜的球形折光面已按本发明作了改变。

本发明涉及一种改善光学表面的新方法，该方法使这些表面的球面或柱面折射能力发生变化。该新方法采用高能量辐射去蚀刻受控状态下的接触透镜坯料，以便产生所需的接触透镜的构形。更具体地说，该方法的优点是利用一准分子激光束的比较固定的脉冲束强度以扫过一光学表面的待加工区域。通过控制光束沿一给定的轴线扫过加工对象的扫描速率，便能控制该轴任意给定点上的蚀刻程度。

来自一准分子激光器的光束，其横截面大致呈矩形，并具有穿过一对称轴的大致均匀的辐射强度。不过，该光束强度也不是绝对均匀的，在加工过程中可测量和估算其分布。上述基本固定的光束的主要特点是脉冲的强度分布廓线。这一特点使得根据本发明能控制一个光学表面的光学蚀刻。

图1示出了一个准分子激光的典型横截面以及该激光沿其x和y坐标的强度分布。可以认为，光束的x轴方向上的强度分布，除边缘外，各处均是基本上均匀的。本发明描述了一种可消除这种光束边缘的方法，从而提供一束以均匀强度射向加工对象的光束。

整个透镜表面的受控制蚀刻过程是通过使该光束沿其y轴扫过待蚀刻的光学表面来完成的。当这种扫描是以某一固定速度进行时，其结果是直接加宽了由待加工光学表面所经受的该光束廓面范围的y轴宽度。

应该注意的是：准分子激光是以大约20毫微秒的短脉冲形式工作的，并且由一脉冲到另一脉冲具有始终如一的总的脉冲能量。为达到所需目的，此处所期待的蚀刻过程需要许多脉冲。在蚀刻过程中（该过程一般持续0.1至30秒），该准分子激光束区域可以沿加工对象的各轴之一按完成线性或非线性的平滑和连续的蚀刻加工形式扫过待加工的光学表面。

准分子激光束的扫描可至少借助两种手段来完成。图2示出的一种方法是使光束1经过一个45度的固定反射镜2而反射90°。然后该光束通过一可扫描镜3再反射90度。反射镜3可以是一个全反射镜或者是一个部分透明的反射镜。在任一反射镜为部分透明的情况下，可设置用于监控准分子激光的光束轮廓的反射镜装置。设置用于使扫描镜4平行于激光束初始路径而移动的装置，从而使该扫描镜将光束偏移其入射路径，然后使激光束区域扫过待加工的光学表面。

实现本发明的另一方法涉及对如下一个反射镜的使用，该反射镜对光束的入射角可以改变，以便使激光束区域可扫过待加工的光学表面。图2所示设备中的固定角度的反射镜3也可用能在被激光扫过加工对象的轴平面中旋转的反射镜代替。虽然可将线性地使反射镜进行扫描同使透镜旋转组合起来使用，但为完成光束扫描，除图中所示的线性伺服机构4之类的装置外，无需其它装置。

假定激光强度及其脉冲重复率大致是恒定的，则光学蚀刻度将与反射镜2沿z轴移动的速度有关，在反射镜速度恒定的情况下，对待加工光学表面的蚀刻度便是均匀的。

由于作为y的一个函数的光学蚀刻度与光束沿y轴的瞬时速度（或反射镜沿Z轴的速度）有关，故人们可通过控制使光束扫过待加入区域的反射镜的速度分布来控制光学蚀刻程度。

图2还示出了该设备具有透镜5，该透镜缩小了投射在加工对象6上的光束尺寸，因而增强了光束强度。人们应该懂得：该元件在实施本发明中是任选的，本发明也可采用不缩小其截面尺寸的光束。

蚀刻度与脉冲光束的扫描之间关系的数学表达式可描述为：

1）T＝K·H·N/V

其中，T是要去掉的材料的厚度;

K是一常数;

H是激光的重复率（脉冲重复率）;

N是扫描次数;和

V是光束的瞬时速度。

在采用连续激光的情况下，该关系可表达为：

2）  T＝K1·N/V

其中K1为常数。K和K1是某给定材料在特定条件下的蚀刻常数。因此，这些常数取决于待加工材料的组分、加工对象周围的大气状况、光束的波长和光束的强度。

在扫描速率为非均匀时，沿待加工轴的蚀刻量被确定为：

3）  △T＝K·H·N（V2-V1）/（V1·V2）

其中V1和V2是加工对象的P1和P2点上的光束的速度，△T是在两点之间所除去的材料之差（见图3）。

为使垂直面上的半径变化△R，除去的材料量△T必须相当于相对一个直面上所有点来说所有距离处的原始半径与新半径之间在弧矢方向上的（saggital）差值△S（见图3a）。由于

4） △S＝△R·Yo²/2R²，

其中Y是从透镜中心到垂直面上的点P的距离，因此，假设P1是在透镜中心处的起始位置，

5） △R＝（2K·H·R²）/Vo

于是柱面折光能力的变化为

K2·H·N

其中K2是一个与加工对象半径无关的常数。这使得人们能对具有不同于y轴方向上曲率半径的x轴方向上曲率半径的透镜进行蚀刻，即对复曲面透镜进行蚀刻。还应该注意：柱面折光能力的变化与加工对象的原始曲率无关。例如，在一球面透镜内引起0.25屈光度（diopter）的折光能力的变化的扫描，将导致光学加工表面曲率的相同程度的变化，而与加工对象的原始曲率半径无关。

当然，蚀刻廓线受包括脉冲重复率函数的光束强度分布函数同扫描速度分布函数之积的控制。在光束脉冲重复率为恒定的情况下，则速度与蚀刻程序有如下关系：

V＝A/Yo²

其中V是光束扫描时的瞬时速度，A是蚀刻常数，Yo是光束离开加工对象中引出的柱面对称轴的距离，其中这种蚀刻作用使得一柱面分量被引至待加工表面。

为完成诸蚀刻廓线的组合，必须将诸速度函数作如此组合，以致使合成的廓线V_r在每点都满足

1/V_r＝（1/V1+1/V2）

很明显，由于光束不能以无限大的速度进行扫描，故必须对具有给定的固定脉冲重复率的扫描中的每一点，考虑某种程度的蚀刻。这样，所有的蚀刻廓线都将具有构成它们的恒定的最大和最小蚀刻分量。

为造成柱面折光能力的变化所需的蚀刻廓线，还可通过控制激光的脉冲重复率来实现。完成一给定的蚀刻廓线取决于对作为时间函数的扫描速度（V）同作为时间函数的激光脉冲重复率的乘积所进行的控制。

另外，蚀刻廓线也可通过控制激光的脉冲重复率而以恒定的扫描速度来加以控制。显然，对于加工表面上的不同点，重复率H可以是与扫描速度一起变化，或者只是单独变化。每一点上除去的材料量正比于重复率，如公式1所示。若保持速度为匀速，则为产生任一给定廓线所需的重复率的变化，可用与公式1导出每点速度廓线的完全相同的方法很容易地导出。

若要以匀速方式完成几种类型的廓线修改，则在每一点都需将各单独廓线的重复率分布加在一起，再由合成的重复率分布产生合成廓线。

若除重复率外，速度也是变化的，则必须利用H对V的比值去确保每一点的蚀刻深度与公式1相一致。若要将多种类型的廓线加在一起，则必须使重复率H或速度V对每一点的每个廓线分布均相同。这是使用公式1的一种微小变通。还有一点也是明显的，即，对于该分布中的所有各点的重复率和速度变化仍可运用叠加方法，因为每一点可分别加以处理。然而，重复率和速度所产生的作用在整个待刻蚀区域应是连续的。

用于控制扫描镜运动的装置可借助由数字电子装置控制的步进电机驱动的伺服机构来提供。这样，速度廓线可借助计算机程序加以控制，而且可以是任一所需形状。

实施本发明的另一方法要求将待加工的光学表面以一种受控方式沿x轴通过激光束区域移动，以实现受控制蚀刻。这与图2所示方法的不同点在于：它移动加工对象，而不是移动光束。

除了专用设备的构型外，固定的加工对象的构型是由加工对象的原始构型和作为横穿加工对象表面的x和y轴函数的蚀刻度来确定的。例如，以一接触透镜钮（实质上是一个接触透镜坯料盘）去做成一个透镜是可能的。为将盘加工成透镜成品，该坯料的主要部分必须经过蚀刻，而这需要相当长时间才可完成。另一方面，接触透镜坯料可大致做成球形接触透镜形状。这样，当要制作一个复合度（toricity）不大的复曲面透镜时，则制造该透镜所需时间将会很短，因为要将球面折光透镜变为复曲面透镜只需沿一条轴进行少量蚀刻即可。可用本发明蚀刻变化的其他表面包括：角膜、隐形眼镜、一般眼镜和其它光学元件。

本发明方法相对于形成具有复曲面折光能力的接触透镜的现有方法而言所具有的一个显著优点在于本方法能更好地生产出复合度不大的透镜，特别是要求沿x轴的曲率半径R_x接近沿y轴的曲率半径R_y的时候。本系统的另一优点是还能生产极高精度的柱形复合度很高的复曲面透镜。换言之，要制成的复曲面透镜的两个半径可被精确确定，其精确度远远高于借助现有车床技术所能达到的程度。

本发明方法既可用于加工前表面复曲面透镜，也可用于形成后表面透镜，这是本领域技术人员应理解的。本方法还可用于生产高质量球面透镜和具有双焦点眼镜的透镜以及其它构型的透镜。例如，可通过遮蔽加工对象的某一部分并使未遮蔽区域上的球面折光度发生变化来生产双焦点透镜，于是所生产出来的透镜具有两个不同折光能力的区域。

本方法可用于生产任何塑性材料的接触透镜，只要所用的辐射源具有足够能量和可进行光刻的合适波长。具体材料包括：非水合式聚甲基丙烯酸-2-羟基乙酯（PHEMA），聚N-乙烯基-2-吡咯烷酮（PNVP），聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和上述材料的共聚物及其它已知的接触透镜材料。还可用于可透气材料以及硅基接触透镜材料，特别是氟硅氧烷基材料。

对任何特定种类的透镜材料所选用的辐射源须考虑以下诸因素：辐射波长、符合光学蚀刻机理所需的阀值强度（比辐射源通常的能量衰变模式（degradation  modality）更主要，这种能量衰变模式在某种程度上取决于波长和材料种类）、以及周围的大气条件（某些蚀刻形态则要求在“惰性”气体中进行）。

现已发现对生物医学塑性材料进行的蚀刻过程常常会在已经蚀刻的材料表面产生局部应力。出乎意外的是这种影响可通过均匀地蚀刻加工对象的整个前面的表面而得以改善。经过剥除材料的这一均匀厚度层，使得下层材料的表面变得均匀一致。

下面列举几个应用本发明的实例。这些实例并不排除应用本发明使光学加工表面成形的其他可能性。虽然用于接触透镜的成形工序一般也可用于眼睛光学表面的成形，但本文未给出角膜成形的实例，在该情况下，角膜可当成是一个光学加工表面。

实例1

一个具有球形后部表面的未水合软性接触透镜坯料作为所述光学加工表面配置于图2所示的仪器中。该透镜由一种广泛用于制造软性接触透镜的polymacon^r材料制成。该透镜的后部表面受到准分子激光束的扫描，其激光器是以非线性方式沿z轴进行扫描，沿一个轴使透镜边缘去掉的材料比其中心去掉的材料要多。图中所示处于被准分子激光扫描以前的透镜是非常接近干涉测量装置测得的一个理想球面。激光蚀刻前，透镜的干涉图示于图4。该图示出透镜的整个后表面是在几条球面的干涉条纹范围内，表明整个透镜面上的偏差小于1微米。按本发明的方法经激光扫描后，该透镜为复曲面的。图5和6表示沿透镜后表面的两条轴的干涉图。正如图中所清楚显示的，透镜沿每条轴均处于若干干涉条级范围内，表明沿一轴有给定的半径，沿另一轴则有另一些半径。这表明该复曲面透镜的两种半径是如人们所期待的那样精确。在所述情况下，两轴的半径被预定为6.996和7.115mm，而实测半径值为6.991和7.108mm。为对照起见，给出现有市场上的复曲面透镜的干涉图图7。此处可见到透镜后表面上至少有20条干涉条纹。

实施2

一个具有球形后表面的透镜坯料安装在图2所示的仪器中。然后该透镜沿一条轴按照须改变该透镜沿该轴的柱面折光能力的一个函数而被扫描。将透镜旋转90度，然后再采用如第一次扫描所用的同一扫描函数来扫描该透镜。然后对该透镜进行干涉测量分析，分析表明：该透镜的球面折光性发生变化，而且虽然折光能力与原始坯料不同但仍具有几乎完美的后部表面。经蚀刻后的透镜干涉图示于图8。由图可见，该透镜的整个后部光学表面上几乎没有干涉条纹。

球面半径改变了的10个透镜的原始半径和最终半径如表1所示方式变化，在最终制成的水合透镜中，相应计算的折光能力以屈光度为单位发生的变化也示于表1中。

表1

原始半径  最终半径  折光能力的变化

（mm）  （mm）  （mm）

7.496  7.581  0.58

7.493  7.569  0.52

7.499  7.586  0.64

7.500  7.587  0.59

7.493  7.569  0.52

7.502  7.586  0.57

7.502  7.586  0.57

7.493  7.583  0.61

7.497  7.589  0.63

7.501  7.593  0.63

平均  7.496  7.583  0.58±0.06

实例3

一个具有球形后部表面的透镜坯料被安装在图2所示的仪器中。该透镜沿一个轴扫描两次，以产生一柱面，然后旋转90度角并以同样参数再扫描一次。这些柱面分量相加以产生球面折光度的变化和合成的柱面折光度的变化。表面的原始半径为7.470mm。经两组扫描后，该表面在垂直子年线方向上具有7.382和7.292两个半径，这表明球面半径变化了0.088mm，同时附加了一个0.090mm的柱面。

Claims (10)

1、一种用于产生复曲面折光能力的接触透镜的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

将一接触透镜坯料设置在一台能改变所述透镜位置使其对准能对所述透镜坯料进行光蚀刻的准分子激光光束路径的仪器上；

使该准分子激光的光束区域沿至少一条轴对所述接触透镜坯料进行扫描，同时控制所述光束强度与时间的乘积，以便控制所述接触透镜坯料沿其至少一条轴的蚀刻量。

2、一种用于处理接触透镜表面的方法，以消除由透镜表面材料的选择性和非均匀蚀刻所引起的所述接触透镜内的应力，其特征在于，该方法包括以下步骤：借助光蚀刻装置均匀地蚀刻整个所述透镜表面。

3、一种光学加工表面的成形方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：用一高能量光束沿一条轴可控制地按一预定扫描速度廓线，并用沿所述轴以预定程式有选择地蚀刻材料的方式，对所述光学加工表面的区域进行扫描。

4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述扫描速度廓线由下列通式限定：

V＝A/Yo²

式中Ⅴ为光束扫描时的瞬时速度，A为蚀刻常数，Yo为光束离开加工对象中引出的柱面对称轴的距离，其中这种蚀刻作用使得一柱面分量被引至待加工表面。

5、一种用于改变光学加工表面的球面曲率半径的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a）用一高能量光束沿一条轴x可控制地按一预定扫描速度廓线，并用沿所述轴以预定程式有选择地蚀刻材料的方式，对所述光学加工表面的区域进行扫描;和

b）沿一条垂直于步骤a中用的所述轴x的轴，重复上述步骤a。

6、如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述扫描速度廓线选择成为使所述光学加工表面上附加有棱镜。

7、如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述扫描速度廓线限定为使所述光学加工表面去除棱镜。

8、如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法是用于将具有球面折光能力的接触透镜制成复曲面接触透镜。

9、如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法是用于隐形镜片再成形的。

10、如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法是用于对角膜表面进行再成形的。

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