JP3308281B2 - エクシマレーザ光アブレーションを用いた光学部材表面の領域整形法 - Google Patents

エクシマレーザ光アブレーションを用いた光学部材表面の領域整形法

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    • B29D11/00009—Production of simple or compound lenses
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  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はエクシマレーザアブレー
ションを用いて光学部材の表面を領域整形する方法に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】光学部材表面を整形する方法は種々知ら
れている。最も古い公知の方法は光学部材の表面を研磨
するために旋盤を用いるものである。この方法はもちろ
ん初期のレンズの製造にまでさかのぼるが現在において
さえも用いられている。
【０００３】また鋳造や成形によって光学部材表面を形
成する方法も種々提案されている。しかしながらこれら
の方法においても仕上げ光学部材を成形するのに用いら
れる成形型を製作するために旋盤技術に依存せざるを得
ない。さらに最近では高エネルギーレーザを用いて光学
部材の表面を選択的にアブレーションするアイデアが提
案されている。
【０００４】本発明はエクシマレーザを用いることによ
って光学部材表面を選択的に整形しかつそのための効率
的で精密な手段を提供することを目的としている。
【０００５】本発明は光学部材の表面の再整形のための
方法を含む。本発明は円環状の表面を有する光学部材を
以前には到底得ることのできなかったより高い精度と寸
法で製作するのにとりわけ有効である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は倍率を変化させ
るために球面状もしくは円筒状の光学部材の表面を修正
する新規な方法に関するものである。この新規な方法で
は、所望のコンタクトレンズ形状を得るために所定の様
式でコンタクトレンズ素材の表面をアブレーションする
ために高エネルギー照射を用いる。とりわけこの方法
は、光学部材の表面領域を横切るように相対的に一定の
パルスビーム強度のエクシマレーザビームを有利に用い
ることができる。ある与えられた軸に沿ってビームが光
学部材表面を走行する速度を制御することによって上記
軸に沿った任意の点におけるアブレーションの度合を制
御することができる。
【０００７】エクシマレーザからのビームは断面略四角
形でありある対称軸を横切ってほぼ均一な照射強度を有
している。ビーム強度は完全には均一ではないがそのビ
ームプロフィールは測定可能であって制御のプロセスに
おいて測定データが考慮される。実質的に定められるビ
ームの主な形態はパルス強度プロフィールである。この
特性は本発明に従えば光学部材表面の光アブレーション
を制御することを可能とする。
【０００８】
【実施例】図１はｘｙ座標系におけるレーザの強度分布
を持ったエクシマレーザの典型的な断面を示している。
図１からわかるようにビームのｘ軸方向の強度は端部を
除きほぼ均一である。本発明はビームの端部を除去する
方法をも開示しており、そのことによって均一な強度分
布をもったビームを得ることができる。完全なレンズ表
面のアブレーション制御は修正されるべき光学部材表面
を横切るｙ軸に沿ってビームを走査させることによって
達成される。この走査が一定の速度で行われるとその効
果は、光学部材表面がそうであるようにｙ軸方向のビー
ムプロフィールを単に広げることとなる。
【０００９】エクシマレーザは約２０ナノ秒の短いパル
スであってパルスからパルスまでの極めて一定したパル
スエネルギーを有するものである。この実施例において
採用されるアブレーション工程では所定の整形を達成す
るために極めて多くのパルスが必要となる。この典型的
には０．１秒から３０秒程度続けられるアブレーション
工程において、エクシマレーザビームの領域は線形もし
くは非線形の滑らかでかつ連続した一軸方向に沿ったア
ブレーションプロフィールに従って光学部材表面を横切
るように走査される。
【００１０】エクシマレーザビームの走査は少なくとも
２つの手段によって達成される。図２はビーム１が４５
度に傾いて固定された反射ミラー２によって９０度偏向
する方法が示されている。このビームは走査可能な全反
射又はハーフミラーの形態のミラー３によって更に９０
度偏向される。上記のミラーのうちのいずれかが部分的
に透過性のものであればエクシマレーザのビームプロフ
ィールをモニターするためのミラー手段を構成すること
ができる。初期のビーム経路に平行に走査ミラー４を移
動するための手段が設けられそれによってミラーはその
入射経路からビームをずらせるとともにビーム領域をタ
ーゲット部材表面を横切って走査させることができる。
【００１１】本発明を実施するためのいま一つの方法に
おいては光学部材の表面を横切ってビーム領域を移動さ
せるようにビームの入射角を変化させるミラーが用いら
れる。図２に示した装置において角度が固定されたミラ
ー３の代わりに上記ミラーはレーザが走査される軸の面
を光学部材を介して揺動させることを可能とする。ミラ
ーを線形走査させることとレンズを揺動させるという組
み合わせを用いることはできるけれども、図面に示すよ
うな線形サーボ機構４のごとき他の手段はビーム走査を
行わせるために必ずしも必要ではない。
【００１２】レーザの強度とレーザのパルスの割合が実
質的に一致していると仮定すると光アブレーションの度
合いはミラーがｚ軸に沿って動くときのミラー２の速度
に関係し、そのアブレーションはミラー速度が一定であ
るかぎり光学部材の表面に渡って均一になるであろう。
【００１３】変数ｙの関数である光アブレーションはｙ
軸に沿ったビームの瞬間速度もしくはｚ軸に沿ったミラ
ーの速度に関係するので光アブレーションの度合いは部
材表面領域を横切ってビームを走査させるミラーの速度
プロフィールを制御することによって制御することがで
きる。
【００１４】図２は光学部材に入射するビーム径を減少
させそれによってビームの強度を増大させるレンズを含
む装置を示している。このレンズ要素は本発明の実施に
あたって必要に応じて備えればよくビームはそのビーム
径を減少させることなしに用いることができる。パルス
状ビームの走査とアブレーションの関係は数学的には以
下のごとく表される。
【００１５】１） Ｔ＝Ｋ・Ｈ・Ｎ／Ｖ ここで、Ｔは除去されるべき物質の厚み、Ｋはある定
数、Ｈはレーザの繰り返し割合（パルスレート）、Ｎは
走査回数、Ｖはビームの瞬間速度である。
【００１６】連続的なレーザが用いられる場合上記の関
係は以下の式で表される。 ２） Ｔ＝Ｋ１・Ｎ／Ｖ ここで、Ｋ１はある定数である。
【００１７】これらＫおよびＫ１は特定の状況下におい
てある物質のアブレーションに対して与えられる定数で
ある。従ってこれらの定数は光学部材の物質組成、光学
物質周囲の環境条件、ビームの波長、さらにはビーム強
度などに依存して定められる。
【００１８】走査速度が不均一である場合、光学部材の
軸に沿ったアブレーションは以下のごとき式で表され
る。 ３） デルタＴ＝Ｋ・Ｈ・Ｎ（Ｖ２−Ｖ１）／（Ｖ
１・Ｖ２） ここで、Ｖ１とＶ２は光学部材上の点Ｐ１とＰ２におけ
るビーム速度であり、デルタＴは２つの点間における物
質の除去量の差である（図３参照）。
【００１９】鉛直面内の曲率をデルタｒだけ変化させる
ためには、除去量デルタＴは、図４に示すように、鉛直
面内のすべての点に対する全ての距離における元の半径
と新しい半径との間の後面深さの差デルタＳに対応すべ
きである。
【００２０】次式が成立するので、 ４） デルタＳ＝デルタＲ・Ｙｏ2／２Ｒ2 ここで、Ｙはレンズ中心から鉛直面内の点Ｐ
までの距離である；
【００２１】いま、Ｐ１がレンズ中心における初期位置
であるとすると、 ５） デルタＳ＝（２Ｋ・Ｈ・Ｒ2）／Ｖｏ と表される。
【００２２】従って、円筒形状における変化は、Ｋ２・
Ｈ・Ｎとなる（ここで、Ｋ２は光学部材の径とは独立の
定数である。）。このことによって、円環体レンズであ
るため、ｙ軸における曲率半径とは異なるｘ軸における
曲率半径をもったレンズのアブレーションをおこなうこ
とができる。円筒形状における変化は、光学部材の初期
曲率に依存しないことに注意すべきである。
【００２３】例えば、球面レンズにおいて０．２５ジオ
プトリの倍率変化をもたらすような走査は、光学部材の
初期の曲率半径に無関係に同じ倍率変化をもたらす。
【００２４】アブレーションプロフィールは、勿論、パ
ルスレート関数を含むビーム強度プロフィール関数と走
査速度プロフィール関数との積によって制御される。ビ
ームパルスレートが一定である場合、速度はアブレーシ
ョンと以下のように関係する。 Ｖ＋Ａ／Ｙｏ2
【００２５】ここで、Ｖは走査されるビームの瞬間的な
速度、Ａはアブレーション定数、Ｙｏは、アブレーショ
ンによって光学部材表面に惹起すべき円筒成分を形成す
る場合、光学部材の形成された円筒の対称軸からのビー
ムの距離である。
【００２６】複数のアブレーションプロフィールの組み
合わせを達成するためには、速度関数は結果のプロフィ
ールが各点において以下の式を満足するように組み合わ
せられるべきである。 １／Ｖｒ＝（１／Ｖ1＋１／Ｖ2）
【００２７】ビームを無限大の速度で走査することはで
きないので、アブレーションの度合は、ある固定したパ
ルスレートの走査における各点において考慮されるべき
である。
【００２８】このようにして、全てのアブレーションプ
ロフィールは、それらに固有の一定な最大及び最小アブ
レーション成分を有する。円筒形状における変化を惹起
することが要求される所望のアブレーションプロフィー
ルは、レーザのパルスレートを制御することによっても
達成できる。ある与えられたアブレーションプロフィー
ルを達成することは、時間の関数としての走査速度
（Ｖ）と時間の関数としてのレーザのパルスレートの積
を制御することに存在する。
【００２９】あるいは、アブレーションプロフィール
は、一定の走査速度でレーザのパルスレートを制御する
ことによって制御することができる。光学部材表面上の
異なる点において、繰り返しレートＨを走査速度に代え
て、あるいはそれとともに変化させるようにしてもよ
い。各点において除去される物質量は式１に示したよう
に、繰り返しレートに比例する。もしも、速度が一定に
維持される場合、あるプロフィールを形成するのに必要
な繰り返しレートの変化は、各点において式１を用いて
速度プロフィールを得るのと全く同様の方法で容易に与
えられる。プロフィール修正の幾つかのタイプを、均一
な速度で達成する必要がある場合、個々のプロフィール
に対する繰り返しレート分布を各点において互いに加算
する必要があり、その結果としての繰り返しレート分布
は相補的なプロフィールを生成する。速度が繰り返しレ
ートとともに変化される場合、ＨのＶに対する比は、各
点におけるエッチ（ｅｔｃｈ）深さが式１に一致するこ
とを保証するように制御される。もしも、多重のプロフ
ィールを互いに加算する必要がある場合、繰り返しレー
トＨか速度Ｖのいずれか一方が、各点に対する各プロフ
ィール分布に対して同じでなければならない。これは、
式１を用いた簡単な変換で得られる。各点は互いに分離
して取り扱うことができるので、繰り返しレートと速度
の両方が分布の全ての点で変化する場合にも、上記の加
算処理は依然として用いることができる。繰り返しレー
トと速度のために生成される関数は、しかしながら、エ
ッチングされる領域上で連続でなければならない。走査
ミラーの移動を制御するのに使用される手段はデジタル
電子回路手段によって制御されるステップモータによっ
て駆動されるサーボ機構によって与えられる。従って、
速度プロフィールはコンピュータ・プログラムによって
いかなる所望の形状にも制御できる。この発明を実施す
るための他の方法として、所定のアブレーションを得る
ために、光学部材表面をレーザビームに対し、ｘ軸に沿
って制御された方式で移動させることが考えられる。こ
の場合には、図２で示した方式からは、ビームでなく光
学部材を移動させることができる点において相違する。
【００３０】特殊な装置形状の場合は別として、最終的
な光学部材の形状は、最初の光学部材の形状及び光学部
材表面を横切るｘ，ｙの関数としてのアブレーションの
度合によって決定される。例えば、ボタン形状のコンタ
クトレンズ素材（実質的にはコンタクトレンズ用物質か
らなる円盤状のもの）からレンズを形成することができ
る。上記円盤状のレンズ素材から仕上げられたレンズを
形成するためには、相当な物質量のアブレーションが必
要となり、そのことは相当な時間を要することとなる。
一方、コンタクトレンズ素材は実質的に球面状コンタク
トレンズ形状とすることができる。従って、比較的低い
円環率（ｔｏｒｉｃｉｔｙ）有する円環体レンズを製作
する場合には、球面状のレンズを円環体レンズに合成す
るために、一軸に沿った少量のアブレーションを行なう
だけでよいのでレンズ整形に要する時間は極めて短くで
きる。調製できる他の曲面としては、角膜、義眼レン
ズ、内視鏡や顕微鏡用のレンズ等々の光学部材がある。
【００３１】従来の円環体コンタクトレンズの形成法と
比較して本発明方法の重要な利点の一つは、本発明方法
が比較的低い円環率を有する円環体レンズすなわちｘ軸
方向の曲率半径がｙ軸方向の曲率半径にほぼ等しいよう
なレンズを製作するのに有利であることである。本発明
のいま一つの利点は、円筒円環体レンズを極めて高精度
に製作できることである。逆言すれば、円環体レンズに
おいて製作されるべき２つの曲率半径は、従来の旋盤技
術を用いて得られるものよりはるかに高い精度で設定で
きる。本発明方法は、当業者にとってあきらかなよう
に、表面円環体レンズにも裏面円環体レンズにも適用で
きる。た、本発明方法は、高精度の球面レンズや２焦点
レンズや他のレンズ形状のものにも有効に適用できる。
例えば、２焦点レンズは、光学部材の一部の領域をマス
クし、マスクされていない部分における領域の球面曲率
を変化させ、これによって異なる倍率を有する２つの領
域を有する一つのレンズを形成することによって得るこ
とができる。
【００３２】本発明方法は使用される照射源が光アブレ
ーションを惹起するために充分なエネルギーと適当な波
長を有する限りプラスチックコンタクトレンズ材にも適
応し得る。例えばこの種のプラスチック材として、ポリ
２−ヒドロキシエチルメタクリレート（ｐＨＥＭ
Ａ）、ポリ Ｎ−ビニル−２−ピロリドン（ｐＮＶ
Ｐ）、ポリメチルメタクリレート（ｐＭＭＡ）、および
これらのコポリマーの非水和物や当業者にとって知られ
ている他のコンタクトレンズ用物質を用いることができ
さらにガス透過性物質やシリコン基コンタクトレンズ用
物質とりわけフルオロシリコン基物質等を用いることが
できる。
【００３３】レンズ用物質の種類に応じて使用する照射
源を選択するためには種々の要因例えば照射波の波長、
ある程度波長や物質の種類に依存する通常の劣化状態を
もたらすことなしに光アブレーションを惹起するのに必
要な強度のしきい値やさらには周囲の雰囲気条件（アブ
レーション能は反応性ガスの存在によって最適化される
場合もあり、あるいは逆に不活性ガス雰囲気の方が好ま
しい場合もある。）などに依存している。弾性を有する
生体物質のアブレーシヨン工程ではアブレーシヨンされ
た物質の表面において異なったストレスが発生されると
いうことが見いだされている。この効果は光学部材の全
正面を均一にアブレーションすることによって緩和され
る。すなわち物質を均一な厚みだけ除去することによっ
て下層の物質はその表面において均一化される。
【００３４】以下の例は本発明のいくつかの応用例を示
すものである。光学部材表面の整形を行なうための本発
明のすべての可能性がこれら実施例によってつくされて
いるというわけではない。角膜整形に関する例は示され
ていないがコンタクトレンズを形成するために使用され
る方法と同じ方法が眼の光学表面の整形にも使用し得る
ことは言うまでもない。このような場合には角膜が光学
部材の表面と考えることができる。
【００３５】例１ 光学部材の表面として図２の装置において球面状の後面
を有する非水和性ソフトコンタクトレンズ素材を配置し
た。このレンズはポリマコン（Ｐｏｌｙｍａｃｏｎ：登
録商標）よりなる。レンズの後面はスキャナがｚ軸に沿
ってレンズの端部ではその軸上の中心部より多くの物質
を取り除くような線形な方式で走査されるのに従ってエ
クシマビームによって走査される。エクシマビームによ
って走査される前のレンズ面は干渉手段によって確認さ
れているように完全な球面に極めて近いものとして図示
されている。レーザーアブレーションに先立ったレンズ
の干渉パターンは図５に示されている。図５はレンズの
全後面が球面である時の２，３個の干渉縞内にあること
を示しており、そのことはレンズの面に対して１ミクロ
ン以下の偏差しかないことを示している。本発明方法に
従ってレーザーで走査すると、円環体レンズが得られ
る。図６と図７はレンズ後面の２軸に沿った干渉パター
ンをそれぞれ示している。各軸にそって明りょうに示さ
れているように、レンズは当該軸に沿っては所定の半径
を有し他の軸に沿っては異なる半径を有する数個の干渉
縞内に存在する。このことは円環体レンズの２つの半径
が予想されたごとく精密であることを示している。この
場合２つの軸についての半径は６．９９６と７．１１５
ｍｍとなるように設定するように実際に観察された半径
は６．９９１と７．１０８ｍｍであった。比較のため図
８には市販されている円環体レンズの干渉パターンが示
されている。この場合にはレンズの後面において少なく
とも２０の干渉縞が示されている。
【００３６】例２ 図２の装置に球面状の後面を有するレンズ素材を装着す
る。このレンズ素材はある軸に沿ってレンズの円筒率を
変化させるようにあらかじめ設定した関数に従ってその
軸に沿って走査される。その後レンズ素材は９０度だけ
回動され上記と同じ走査関数を用いて再び走査される。
このようにして製作したレンズは干渉パターンについて
分析されその結果レンズの球面度が変化され、かつもと
の素材とは異なる度数を有するほぼ完全な後面を依然と
して有していることが判明した。アブレーションを施し
たレンズの干渉パターンは図９に示されている。図９に
明らかなようにレンズの全後面内には２，３の干渉縞が
存在するだけである。表１は９個のレンズ素材について
その初期半径と最終半径とを、計算された度数変化（ジ
オプトリー単位で示す）とともに示している。
【００３７】
【表１】 初期半径（ｍｍ） 最終半径（ｍｍ） 度数変化量（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
【００３８】例３ 図２の装置に球面状の後面を有するレンズ素材を装着し
た。その上でレンズは円筒面を形成するように１つの軸
に沿って２回走査され、その後９０度だけ回動させ同じ
パラメータを用いて１回だけ走査した。これらの円筒成
分は球面における度数変化並びにその結果としての円筒
面における度数変化を与えるために加えられる。前面の
初期半径は７．４７０ｍｍであった。両方の走査の後に
おいて、前面は互いに直交する方向において７．３８２
と７．２９２の２つの半径を有し、そのことは球面半径
において０．０８８ｍｍ、円筒半径において０．９０ｍ
ｍの付加的な変化を示している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 エクシマレーザービームの断面を図式的に示
しエクシマレーザーのｘ，ｙ座標でのエネルギー分布を
示す。
【図２】 コンタクトレンズ部材の表面をレーザービー
ムで走査するための本発明に係る装置の要部は斜視図で
ある。
【図３】 アブレーションプロフィールと走査方式との
関係を示すのに必要な各種寸法を示す光学部材の図式的
な説明図である。
【図４】 光学部材表面の曲率半径に関してアブレーシ
ョンの効果を示すために用いられる各種寸法とパラメー
タを示す光学部材の図式的な説明図である。
【図５】 旋盤で研磨されたコンタクトレンズの表面を
示す干渉パターンである。
【図６】 本発明に従って製作された円環体コンタクト
レンズの干渉パターンを示す図である。
【図７】 本発明に従って製作された円環体コンタクト
レンズの干渉パターンを示す図である。
【図８】 市販されている円環体コンタクトレンズの干
渉パターンを示す図である。
【図９】 本発明によって調製された球面度数を有する
レンズの干渉パターンを示す図である。
【符号の説明】
１ レーザービーム ２ 反射ミラー ３ 走査可能なミラー ４ 走査用ミラー ５ レンズ ６ 光学部材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−121015（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−13520（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−249631（ＪＰ，Ａ) 国際公開89／12525（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02C 7/02 G02C 7/04 G02C 13/00

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 以下のステップを含む円環状の曲率を有
    するコンタクトレンズの製造方法；コンタクトレンズ素
    材を構成する物質を光アブレーションすることのできる
    エクシマレーザのビーム経路上に上記コンタクトレンズ
    素材を位置決めすることのできる装置にコンタクトレン
    ズ素材を設置するステップと、少なくとも一軸に沿って
    コンタクトレンズ素材を横切ってエクシマレーザを走査
    させるとともに上記コンタクトレンズ素材の少なくとも
    一軸に沿ったアブレーション量を制御するため上記ビー
    ム強度と時間の積を制御するステップ。
  2. 【請求項２】 レンズ表面を横切って選択的かつ不均一
    な物質のアブレーションに基づいて該コンタクトレンズ
    内に惹起されるストレスを除去するコンタクトレンズの
    表面の処理方法であって、該方法は光アブレーション手
    段によって該レンズの全正面を均一にアブレーションす
    るステップを含むことを特徴とする光学部材の表面整形
    法。
  3. 【請求項３】 高エネルギービームを光学部材表面の領
    域をある一軸に沿って所定の走行速度プロフィールに従
    って走査させ、上記軸に沿って所定の様式で選択的に物
    質をアブレーションするステップを含む光学部材の表面
    整形方法であって、ここで該光学部材が、コンタクトレ
    ンズ、円環体レンズ、球面レンズ、２焦点レンズ、およ
    び義眼レンズから選択される、表面整形方法。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載の方法であって、上記走
    行速度プロフィールは以下の一般式で規定され、Ｖ＝Ａ
    ／ＹO 2 ここでＶは走査されるビームの瞬間的な速度、
    Ａはアブレーション定数、 ＹOは光学部材における生
    成された円筒の対称軸からのビームの距離；上記のアブ
    レーションはターゲット表面に生成されるべき円筒成分
    を形成する。
  5. 【請求項５】 光学部材表面の曲率半径を変化させる方
    法であって、該方法は以下； ａ）高エネルギービームを所定の走行速度プロフィール
    に従って光学部材の表面領域をある軸Ｘに沿って制御し
    ながら走行させ上記軸に沿って所定の様式で物質を選択
    的にアブレーションするステップ； ｂ）上記ステップａ）の軸Ｘに直行する軸に沿って上記
    ステップａ）を繰り返すステップ、 を包含し、ここで該光学部材が、コンタクトレンズ、円
    環体レンズ、球面レンズ、２焦点レンズ、および義眼レ
    ンズから選択される、方法。
  6. 【請求項６】 請求項３に記載の方法であって、上記走
    行速度プロフィールは上記光学部材表面に対してジオプ
    トリを加えるように選ばれているもの。
  7. 【請求項７】 請求項３に記載の方法であって、上記走
    行速度プロフィールは上記光学部材表面からジオプトリ
    を除去するように規定されているもの。
  8. 【請求項８】 請求項３記載の方法であって、光学部材
    が、コンタクトレンズ素材であり、所定の走行速度プロ
    フィールによりトーリックコンタクトレンズが製造され
    るもの。
  9. 【請求項９】 請求項３記載の方法であって、前記光学
    部材が、義眼レンズであるもの。
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