DE69205004T2

DE69205004T2 - Verfahren zum bearbeiten von kontakt linsen oberfläche.

Info

Publication number: DE69205004T2
Application number: DE69205004T
Authority: DE
Inventors: Kevin Mcintyre
Original assignee: Bausch and Lomb Inc
Current assignee: Bausch and Lomb Inc
Priority date: 1991-07-31
Filing date: 1992-07-21
Publication date: 1996-05-15
Anticipated expiration: 2012-07-22
Also published as: DE69205004D1; EP0597000A1; US5256853A; EP0597000B1; ATE128055T1; WO1993002830A1

Description

Die Anwendung von Laserbestrahlung zum Formen optischer Oberflächen ist in der Technik gut bekannt. Zum Beispiel unterrichtet das U.S. Patent Nr. 4.194.814 über eine Methode zur Bildung charakteristischer Merkmale auf einer Kontaktlinse unter Verwendung eines Lasers. Insbesondere unterrichtet dieses Patent darüber, daß bestimmte kritische Merkmale, d.h. Wellenlänge und Intensität, die Oberfläche einer Kontaktlinse sublimieren können, um glatte charakteristische Merkmale zu bilden.
Das U.S. Patent Nr. 4.219.721 beschreibt eine Methode zur Anwendung eines Lasers, um charakteristische Merkmale auf durchsichtigen, intraokularen Polymethacrylal-Linsen zu markieren. Insbesondere unterrichtet dieses Patent über ein Gerät zum Ausführen hochwertiger charakteristischer Merkmale.
Das U.S. Patent Nr. 4.307.046 unterrichtet über die Verwendung eines CO&sub2;-Lasers zur Behandlung der Oberfläche eines Kontaktlinsenrohlings mit Dampf und zur Gestaltung des Rohlings zu einer Linse. Im wesentlichen unterrichtet dieses Patent über die Verwendung eines Laserstrahls als ein Schneidwerkzeug, sehr ähnlich einem auf einer Drehbank verwendeten Schneidwerkzeug, die zur Herstellung von Kontaktlinsen angepaßt wurde. So hängt diese patentierte Methode von den gleichen Techniken ab wie die in der früheren Herstellungstechnik für Kontaktlinsen bekannten.
Das Patent Nr. 4.563.565 unterrichtet über eine Methode zum Formen der Kanten von Kontaktlinsen. Bei dieser Verfahrenstechnik ist wiederum die Fluenzfähigkeit des Lasers kritisch, die durch Maximierung des Verhältnisses der Verdampfungshitze zur durch die Polymermasse absorbierten Hitze optimiert wird. Außerdem erfordert das Verfahren, daß die Kontaktlinsenkante auf den Laserstrahl ausgerichtet wird, so daß die Linse gedreht werden kann und dadurch die Linsenkante effektiv definiert wird. Die Grundtechnik ist ähnlich der des U.S. Patentes Nr. 4.307.046 mit der Ausnahme, daß sie speziell auf die Gestaltung der Linsenkante ausgerichtet ist anstatt auf die Linsenoberfläche.
Das U.S. Patent Nr. 4.642.439 unterrichtet über eine Methode zum Formen der Kante einer Kontaktlinse, die aus Silikon-Elastomer hergestellt ist, bei der ein Laserstrahlungsring mit demselben Radius wie für die Abmessung der Kontaktlinse gewünscht angewendet wird. Der Radius besagter Linse ist festgesetzt, und der Ring wird nur zum Formen der Linsenkante angewandt. Bei der Methode werden zwei Laserringe angewendet, um die abgerundete Kante einer Kontaktlinse zu gestalten. Über die Verwendung eines Laserstrahlungsringes zum Formen der optischen Oberfläche oder Trägeroberfläche einer Linse wird nicht unterrichtet. Das U.S. Patent Nr. 4.838.266 unterrichtet über eine Verfahrenstechnik, die nützlich ist bei der Modifizierung der Oberfläche optischer Geräte. Die Technik stützt sich auf die Benutzung eines Dämpfers, der die Energieverteilung des Laserstrahles über der Oberfläche des zu formenden optischen Geräts verändert. Die Technik hängt davon ab, daß der Laserstrahl, der optische Artikel und der Dämpfer alle relativ zueinander eingestellt sind.
Das U.S. Patent Nr. 4.842.782 unterrichtet über eine Verfahrenstechnik, bei der ein Laser verwendet wird, um die Oberfläche eines optischen Geräts zu verändern unter Anwendung einer beweglichen Maske, um die Energieverteilung über der optischen Oberfläche zu variieren.
Die EP 0.005.460 offenbart eine Methode zum Bohren oder Schweißen von Gegenständen unter Verwendung eines Laserstrahles, der so modifiziert wird, daß dem Werkstück ein zu einem Ring geformter Strahl zugeführt wird, um das Heraus schneiden vorbestimmter geformter Artikel aus einem Werkstück zu erleichtern.
Mit keiner der Methoden der früheren Technik werden axial symmetrische Linsen erzeugt, und viele Methoden erfordern die spezifische Ausrichtung des Targets auf den Laserstrahl, um eine Axialsymmetrie in irgendeinem hohen Grad zu erzeugen.

ÜBERSICHT ÜBER DIE ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Methode und ein Gerät zur Oberflächengestaltung eines optischen Targets. Spezieller befaßt sich die Erfindung mit der steuerbaren Veränderung der Oberfläche eines optischen Geräts, indem eine Laserbestrahlungsquelle verwendet wird, um besagte Oberfläche selektiv einer Photoablation zu unterwerfen. Spezifisch werden hierin nachfolgend eine Methode und ein Gerät beschrieben, die die vorliegende Erfindung verkörpern, bei der ein Laserbestrahlungsring zur Ablation einer optischen Targetoberfläche verwendet wird, um so die Oberfläche in einer vorbestimmten Art zu verändern. Die Gesamtoberfläche des optischen Targets wird so steuerbar verändert durch Wechseln des Wirkungsradius des Laserringes, wenn er auf besagte Oberfläche des optischen Targets auftrifft. Durch Steuerung des Wirkungsradius des Ringes auf dem Target kann man den Ring abtasten und so im Effekt einen Photoablationsgradienten über der Targetfläche erzeugen. Dieser Photoablationsgradient wird rotierend symmetrisch sein. Die Bildung des Laserringes kann mit Hilfe von mindestens einer Axicon-Linse erfolgen.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Methode und ein Gerät zur Gestaltung der Oberfläche eines optischen Targets zur Verfügung, wie in den Patentansprüchen 1 bzw. 3 dargelegt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN

Die Abbildung 1 stellt schematisch ein zur Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendetes Gerät dar, das eine Axicon-Linse, ein Plus-Linsenelement, eine Befestigung zum Festhalten des Targets, Mittel zum Wechseln des relativen Abstandes zwischen der Plus-Linse und der Axicon-Linse sowie eine Laserstrahlungsquelle umfaßt.
Die Abbildung 2 stellt ein zweites Gerät zur Ausführung der Erfindung dar, das eine erste Axicon-Linse, eine zweite Axicon-Linse, eine Befestigung zum Festhalten des Targets, Mittel zum Wechseln des relativen Abstandes zwischen den zwei Axicon-Linsen und eine Laserstrahlungsquelle umfaßt.
Die Abbildung 3 stellt eine drittes Gerät zur Ausführung der Erfindung dar, das eine Axicon-Linse, ein Plus-Linsenelement, ein Minus-Linsenelement, eine Befestigung zum Festhalten des Targets, Mittel zum Wechseln des relativen Abstandes zwischen der Plus-Linse und der Minus-Linse sowie eine Laserstrahlungsquelle umfaßt.
Die Abbildung 4 stellt ein viertes Gerät dar, das eine erste Axicon-Linse, eine zweite Axicon-Linse, ein Plus- Linsenelement, ausgerichtet entlang der Bestrahlungsachse einer Laserquelle, sowie Mittel zum Festhalten eines optischen Targets umfaßt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Methode, die die vorliegende, zu beschreibende Erfindung verkörpert, ist bei der Gestaltung optischer Linsen und anderer lichtbrechender optischer Elemente anwendbar. Das zu beschreibende Gerät für die Ausführung der Methode benutzt die Eigenschaften von mindestens einer Axicon-Linse, um eine axial symmetrische Linse zu erzeugen, indem besagte Axicon-Linse zur Bildung eines Laserstrahlungsringes verwendet wird, dessen Radius steuerbar verändert werden kann. So kann die Laserstrahlung über die optische Targetoberfläche geschwenkt werden und in einer vorbestimmten Art die besagte Oberfläche einer Photoablation unterwerfen, um sie wie gewünscht zu modifizieren.
Die Methode der vorliegenden Erfindung ist allgemein in der Herstellung optischer Elemente anwendbar und speziell auf die präzise und genaue Modifikaten von Oberflächen ausgerichtet, die optische Elemente formen. Insbesondere kann die Methode so durchgeführt werden, daß ein Laserstrahlungsring zur Abtastung des Oberflächenbereichs eines optischen Elements verwendet wird, um den Oberflächenbereich steuerbar einer Photoablation zu unterwerfen und ihn so in einer vorbestimmten und gewünschten Art zu modifizieren. So kann man durch Steuerung der augenblicklichen Fluenzfähigkeit des Laserringradius ein Ablationsprofil bewirken, was als Funktion eines Abstands vom Mittelpunkt des Targetbereichs eine gesteuerte Photoablation, wie gewünscht, definiert. So könnte man ohne weiteres eine kugelförmige Oberfläche in eine nichtkugelförmige Oberfläche umwandeln.
Um diese Wirkungen zu erzielen, stellen die Anmelder einige Geräte zur Verfügung, die Laserringe liefern und mit denen man den Ringradius steuerbar verändern kann. Eine dieser Formen, dargestellt in Abbildung 3, umfaßt eine Laserstrahlungsquelle (1), ein Axicon-Linsenelement (2), das einen spezifizierten Strahlungswinkel U&sub0; hat, der den Winkel für einen von einer Normalen abgeleiteten Strahl definiert, ein Plus-Linsenelement (3) mit einer vorgegebenen Leistungsfähigkeit u&sub1;, ein Minus-Linsenelement (4) mit einer vorgegebenen Leistungsfähigkeit u&sub2;, eine Befestigung zum Festhalten des optischen Targetelements (5) und ein optisches Targetelement-Mittel zur Steuerung der Abstands t&sub1; zwischen den Plus-Linsen- und den Minus- Linsenelementen t&sub1;, Mittel zur Steuerung des Abstands zwischen der Axicon- und der Plus-Linse (t&sub0;) und Mittel zur Steuerung des Abstands zwischen der Minus-Linse und dem Target (t&sub2;).
Bei Verwendung des in Abbildung 3 dargestellten Geräts hängt der Radius des auf das Target auftreffenden Laserrings von der durch die Axicon-Linse erzeugten Abweichung, der Leistungsfähigkeit des Plus-Linsenelements, der Leistungsfähigkeit des Minus-Linsenelements und den relativen Abständen zwischen der Axicon-Linse und der ersten Linse (entweder Plus oder Minus), dem relativen Abstand zwischen den Plus- und Minus-Linsen und dem relativen Abstand zwischen dem optischen Target und dem Linsenelement ab. So kann der Ringradius durch folgende Formel ausgedrückt werden:
Y&sub3; = Ay&sub1; + BU&sub0;
wobei Y&sub3; der Ringradius,
Y&sub1; die Strahlhöhe an der Plus-Linse,
A 1-(t&sub1;+t&sub2;) &sub1;-t&sub2; &sub2; + t&sub1; t&sub2; &sub1; &sub2;,
B ((t&sub1;+t&sub2;)-t&sub1; t&sub2; &sub2; und
a der Aperturdurchmesser des Strahls ist.
Der rückwärtige Brennpunktabstand (BFD) für dieses Gerät wird wie folgt definiert:
BFD = t&sub2; = (1-t&sub1; &sub1;)/( &sub1;+ &sub2;-t&sub1; &sub1; &sub2;)
Die Bildhöhe ist
Yimage = U&sub0;/ total,
wobei total = &sub1; + &sub2; - t&sub1; &sub1; &sub2; ist. Die Ringbreite ist
D = (1-(t&sub1;+t&sub2;)u&sub1; - t&sub2;u&sub2; + t&sub1; t&sub2; u&sub1; u&sub2;) a/2).
Als Analyse erster Ordnung werden so der Ringradius und das Profil gut festgelegt und können als eine Funktion von t&sub1; gesteuert werden.
Natürlich ist der Laserring kein fokussierter Ring: Es wird eine Intensitätsverteilung über dem radialen Ringquerschnitt geben, die sich mit der Veränderung des Ringradius ändert. Die radiale Intensitätsverteilung des Laserrings wird von dem Grad abhängen, bis zu dem der Ring fokussiert ist, sowie von der Qualität oder Stärke der in dieser Erfindung verwendeten Linsenelemente. Optische Aberrationen werden sowohl das Profil als auch die Eigenschaften der Strahlungsquelle beeinflussen. Diese Merkmale können analytisch bestimmt werden. Jedoch kann das Intensitätsprofil theoretisch auch experimentell bestimmt werden. Auf jeden Fall wird die Intensitätsverteilung des Laserringprofils radikal als eine Funktion von r über der Oberfläche des optischen Targets variieren. So kann man durch experimentelle Festlegung dieser Funktion über die Strahlbreite den Ring eine kontrollierte Zeit lang mit variierenden Radien steuern, um ein Bestrahlungsprofil zu erzeugen, das ein gewünschtes Ablationsprofil bewirkt.
Die Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung eines anderen Geräts, das zur Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Bei diesem Gerät werden eine Axicon-Linse (6) und eine Plus-Linse (7) verwendet, um ein Auftreffen des Laserrings auf das optische Target zu bewirken. Der Ringradius kann durch den Abstand zwischen der Plus-Linse und der Axicon-Linse und/oder den Abstand zwischen dem optischen Target (8) und der Plus-Linse (7), als t&sub1; bezeichnet, gesteuert werden. Praktisch ist jedoch, daß der Abstand zwischen dem Target und der Linse am leichtesten gesteuert werden kann.
Noch einmal, das radiale Laserprofil hängt von dem Grad ab, bis zu dem die Plus-Linse den Ring auf dem optischen Target fokussiert.
Das Profil wird hinsichtlich der Intensität mit der Veränderung des Wirkungsradius des Rings variieren. Diese Intensitätsverteilung kann gemessen und mengenmäßig bestimmt werden, um eine Funktion als eine Variable von r zu beschreiben, und wiederum kann ein Abtastprofil berechnet werden, um ein gewünschtes Ablationsprofil zu beschreiben.
Ein anderes Gerät, das zur Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, wird schematisch in Abbildung 2 beschrieben. Bei diesem Schema werden zwei Axicon-Linsen (9) und (10) zur Bildung des Laserrings verwendet. Der Abstand zwischen den zwei Axicon-Linsen (t&sub0;) bestimmt den Radius des Laserrings. Der durch soich ein Gerät erzeugte Ring erfordert kein Fokussieren, da der den Ring definierende Zylinder parallel entlang der gemeinsamen Achse der zwei Axicon-Linsen verläuft. Der äußere Ringdurchmesser wird wie folgt definiert:
Y&sub1; = U&sub0; t&sub0;
wobei Y&sub1; der äußere Ringdurchmesser,
U&sub0; der Axicon-Winkel und
t&sub0; der Abstand zwischen den Axicon-Linsen ist.
Der innere Ringradius ist
Y'&sub1; = Y&sub1; - a/2,
wobei Y'&sub1; der Innendurchmesser,
Y&sub1; der Außendurchmesser und
a die Strahlapertur ist.
So wird die effektive Ringstruktur weitgehend eine Funktion der Strahlapertur, des Axicon-Winkels und des Abstands zwischen den Axicon-Linsen (t&sub0;) und nicht empfindlich sein in bezug auf den Abstand zwischen der Axicon-Linse und dem Target (11).
Ein anderes Gerät, das bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann, ist in Abbildung 4 dargestellt und umfaßt folgendes:
eine erste Axicon-Linse (12),
eine zweite Axicon-Linse (13),
eine Plus-Linse (14),
eine Strahlungsquelle (15) und Mittel zum Festhalten eines optischen Targetsubstrats (16),
wobei a = Aperturdurchmesser,
U&sub0; = Strahlwinkel hinter der ersten Axicon- Linse,
U&sub1; = Strahlwinkel hinter der zweiten Axicon- Linse,
U&sub2; = Strahlwinkel hinter der Plus-Linse,
Y&sub1; = Strahlhöhe an der ersten Axicon-Linse,
Y&sub2; = Strahlhöhe an der zweiten Axicon-Linse,
Y&sub3; = Strahlhöhe bei einem Abstand t&sub2; von der Plus-Linse,
t&sub0; = Abstand zwischen der ersten und der zweiten Axicon-Linse,
t&sub1; = Abstand zwischen der zweiten Axicon- Linse und der Plus-Linse,
t&sub2; = Abstand zwischen der Plus-Linse und dem Target, und
f = Brennpunktabstand der Plus-Linse bezeichnen.
Dann wird die Ringbreite Δ folgendermaßen sein:
Δ = (1-t&sub2; &sub1;)a/2
und der äußere Ringradius (Y&sub3;) außerhalb der Plus-Linse wird wie folgt sein:
Y&sub3; = Y&sub2; (1-t&sub2; &sub1;) = Y&sub1; (1-t&sub2; &sub1;) = Y&sub2; - t&sub2; Y&sub2;/f
Deswegen kann der Ringradius durch Abändern von t&sub2; gesteuert werden.
Die vorliegende Methode ist besonders geeignet zur Herstellung nichtkugelförmiger Linsen, die von besonderem Nutzen im Bereich starrer, gasdurchlässiger Linsen sind. Da starre, gasdurchlässige Linsen per Definition weit weniger elastisch sind als weiche Linsen, müssen sie spezifiziert werden, um sich bequem dem Auge anzupassen. Daher schließen starre, gasdurchlässige Linsen oft nichtkugelförmige Ausführungen ein. Solche Ausführungen sind beispielhaft in dem U.S. Patent Nr. 4.765.728 und dem U.S. Patent Nr. 4.883.350 dargestellt.
Die vorliegende Methode ist besonders geeignet zur Herstellung solcher Ausführungen dadurch, daß mit ihr die Oberfläche eines kugelförmigen Linsenrohlings präzise in eine bestimmte nichtkugelförmige Oberfläche umgeformt werden kann. Außerdem erfordert die so erzeugte Oberfläche kein weiteres Polieren. Bei den Herstellungsmethoden gemäß dem Stand der Technik, die ein Polieren erforderlich machen, neigen die sich ergebenden fabrizierten Oberflächen dazu, nach dem Polieren kugelförmiger zu sein, als man von der auf der Drehbank geschnittenen Ausführung erwarten würde. So ermöglicht die vorliegende Erfindung eine gewünschtere Korrelation zwischen der entworfenen Form und der tatsächlichen Form, als früher möglich war.
Die vorliegende Methode kann auch angewandt werden, um Unterbrechungsdesigns herzustellen, wie zum Beispiel die im U.S. Patent Nr. 4.642.112, im U.S. Patent Nr. 4.340.283 oder im U.S. Patent Nr. 4.162.122 gelehrten. Solche Diskontinuitäten können hergestellt werden, indem dem Abtastprofil des Laserrings Diskontinuitäten zugeführt werden mittels des Arbeitsablaufs während des Schwenkens oder durch abrupte Beschleunigungen. Es wurde festgestellt, daß das vorliegende Verfahren effektiv bei Kontaktlinsenmaterialien mit relativ niedriegen Vernetzungsgraden funktioniert, wie zum Beispiel Polyhydroxyethyl-Methacrylat, Polyvinyl-Pyrrolidinon, Polymethyl-Methacrylat.
Die optischen Bestandteile der zur Ausführung der Erfindung verwendeten Geräte müssen die Wellenlänge der angewandten Laserstrahlung übertragen. Alle optischen Bestandteile sind im allgemeinen über handelsübliche Quellen verfügbar. Zum Beispiel können aus geschmolzener Silika vom UV-Grad hergestellte Axicon-Linsen von Tucson Optical Research, ansässig in Tucson, Arizona, U.S.A., bezogen werden. Geeignete Plus- und Minus-Linsen sind ebenfalls über handelsübliche Quellen erhältlich.

Claims

1. Eine Methode zur Oberflächengestaltung eines optischen Targets, wobei die besagte Methode folgende Schritte umfaßt:

a) das Richten eines Laserstrahlungsringes auf die besagte Oberfläche des optischen Targets, wobei die besagte Laserstrahlung ausreichende Fluenzfähigkeit und Energie aufweist, um durch Photoablation Material von der Oberfläche des besagten optischen Targets abzutragen;

b) das Schwenken des Laserstrahles über das optische Target, so daß die Oberfläche des besagten optischen Targets abgetastet wird und wie vorbestimmt durch steuerbares Wechseln des Wirkungsradius des besagten Ringes auf eine vorgeschriebenen Weise innerhalb des Bereiches des Radius des optischen Targets und Null verändert wird.

2. Die Methode nach Anspruch 1, in der der Laserstrahlungsring durch die Verwendung von mindestens einer Axicon-Linse (6) gebildet wird.

3. Ein Gerät zur Gestaltung der Oberfläche eines optischen Targets (15), umfassend:

(a) ein Mittel zum Festhalten des besagten optischen Targets (15) in einer vorbestimmten Position;

(b) ein Laserbestrahlungsmittel, das durch Photoablation das Material abtragen kann, aus dem das besagte optische Target geformt ist (15), und

(c) ein Mittel zur Bildung eines Laserbestrahlungsringes, das eine steuerbare Photoablation der Oberfläche des besagten optischen Targets (15) ermöglicht, umfassend ein erstes Axicon- Linsenelement (12), ein zweites Axicon- Linsenelement (13) und ein Plus-Linsenelement (14), wobei das besagte Mittel den Radius des besagten Laserringes ändern kann und das besagte Mittel zwischen dem besagten Bestrahlungsmittel und dem Haltemittel für das optische Target angeordnet ist, wobei das besagte erste Axicon- Linsenelement (12), das besagte zweite Axicon- Linsenelement (13) und das besagte Plus- Linsenelement (14) sowie das besagte Haltemittel für die optische Targetfläche in Serie ausgerichtet sind entlang der Achse die durch von besagten Laserbestrahlungsmittel erzeugten Laserstrahl festgelegt ist.