JPH03155491A - パターン形成用の領域マスクを用いたレーザ成形方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 〔発明の分野〕 本発明は加工物のレーザ成形技術に関するものであって
、更に詳しく言えば、加工物の露光量を制御するための
マスクを用いた加工物のレーザ成形技術に関する。

〔先行技術の説明〕

現在、近視、遠視および乱視のごとき視覚異常を矯正す
るたガ、紫外線レーザ切除術の使用によって人間の角膜
の形状を修正することに大きな関心が寄せられている。

かかるレーザ切除術は、紫外線パルスを照射して角膜組
織の薄層を除去することによって達成される。好適な紫
外線は２００ナノメートル未満の波長を有するものであ
る。２００１Ｊ／ｃｍ”のパルスフルエンスについて述
べれば、各パルスによって厚さ約０．１〜０．２ミクロ
ンの角膜組織層が除去される。角膜表面の形状に所望の
変化をもたらすようにレーザ切除操作を制御するため、
各種の方法が提唱されている。かかる方法の１９は、レ
ーザビームの各パルスを制限して角膜表面の小部分のみ
を照射するように形成された中心開口または細隙を有す
るマスクを使用し、そして該マスクを角膜に沿って走査
しながら所望の形状が得られるように角膜組織を除去す
るというものである。もう１９の方法は、小径のスポッ
トを角膜に沿って走査しながら多数のパルスを照射する
ことにより、所望の形状が得られるように角膜組織を累
積的に除去するというものである。

これらの方法はいずれも幾つかの欠点を有している。そ
れらは角膜の局限された領域に対して順次に作用を及ぼ
すものである結果、極めて長い時間がかかる。なぜなら
、角膜の形状修正を達成するためには多数のパルスを使
用しなければならないからである。これらの方法の多く
は、角膜の成形を完了するまでに数分以上の時間を必要
とする。

このように長い時間は様々な欠点を伴う、すなわち、正
確な成形を行うためには、全成形時間にわたって患者の
頭部および眼を固定状態に保持しなければならない、こ
れは患者および眼科医に緊張を強いることになる。また
、処置が長くかかるほど経費も高くなる。これらの方法
の各々は、所望の形状修正を達成するために多数のレー
ザパルスを必要とする。しかるに、照射領域を規定する
ための細隙を持ったマスクの使用はレーザエネルギーの
使用効率を本質的に低下させる・なぜなら・レーザエネ
ルギーの大部分がマスクによって遮断されるからである
。他方、スポット走査方式の方法においては、角膜の小
領域から所望量の組織を正確に除去するために一層長い
時間がかかるのである。

上記のごとき方法を用いた場合における角膜表面の成形
精度は、角膜に沿ってマスクおよび（または）レーザビ
ームを走査する際の正確さ、並びに１パルス当りのレー
ザエネルギーを制御する際の正確さに直接に依存する。

このようなわけで、傷か数秒の時間で角膜またはレンズ
を成形し得るレーザ成形方法が要望されていると共に、
成形精度が角膜表面に沿ってレーザビームまたはマスク
開口を正確に走査することに依存しないようなレーザ成
形方法が要望されているのである。

上記のごとき方法はまた、安全性の点でも問題がある。

すなわち、角膜の成形時に装置の故障が起こると、必要
以上の組織除去をはじめとする角膜の不適正な切除が生
じることがある。特に角膜を直接に成形する場合には、
このような危険は幾つかの理由から大きな問題となる。

公知の通り、人間の眼、とりわけそれの角膜は急速に再
生し得ないものである。また、たとえ再生が起こっても
、痩痕の形成によって明澄な視覚が妨げられることが多
い、このように、不必要な組織の除去は不可逆過程であ
って、患者の視力を永久的に損なうことがある。その上
、人間はただ１対の眼しか有しておらず、しかも情報に
満ち溢れた現代社会においては視覚情報は極めて重要で
あるから、誰もが眼を非常に大切にするように警告を受
けているのである。

最も信頼度の高い電子装置でさえ、時には故障を起こす
ことがある。成形操作中に故障が起これば、眼に永久的
な損傷を及ぼすこともあり得る。

このようなわけで、人間の角膜を成形する目的で使用す
るためには、偶発的な組織の除去を防止し得るような成
形方法が極めて望ましいのである。

発明の目的 本発明の主たる目的は、レーザビームまたはマスク開口
の走査に依存しないようなレーザ成形方法を提供するこ
とにある。

また、成形すべき領域全体を１９の単位として処理し得
るようなレーザ成形方法を提供することも本発明の目的
の１９である。

更にまた、加工物の成形パターンを予め正確に規定する
ことも本発明の目的の１９である。

更にまた、所望の形状修正をもたらす切除パターンに対
応した領域パターンを有するレーザ成形制御用のマスク
を提供することも本発明の目的の１９である。

本発明のその他の目的は、添付の図面を含めた本明細書
を参照することによって自ら明らかとなろう。

発明の要約 上記およびその他の目的は、本発明に従えば、各々のレ
ーザパルスによって加工物を成形する際のパターンを正
確に規定する領域マスクを通して成形用のレーザビーム
を照射することによって達成される。

本発明の実施の一態様に従って述べれば、レーザ成形操
作によって材料を除去する際のパターンを規定するため
に１組の重み付きマスクが使用される。これらのマスク
は二進法に基づく重みを有することが好ましい、すなわ
ち、Ｋ個のレーザパルスを用いた照射パターンを規定す
るためには重み１のマスクが使用され、２Ｋ個のレーザ
パルスを用いた照射パターンを規定するためには重み２
のマスクが使用され、４Ｋ個のレーザパルスを用いた照
射パターンを規定するなめには重み４のマスクが使用さ
れ、以下同様である。なお、所望ならば、二進法に基づ
かない重みを有するマスクを使用することもできる。

実施の一態様に従えば、二進法に基づくマスクセット中
に含まれる各々のマスクは一定の配列状態の画素から成
っていて、各々の画素は透明または不透明である。その
結果、画素が透明または不透明のいずれであるかに応じ
、該画素と整列した部位におけるレーザ成形が実行もし
くは阻止されることになる。

本発明の内容は、前記特許請求の範囲中に詳細に記載さ
れかつ明確に規定されている。とは言え、本発明の構成
や実施方法並びにそれの目的や利点は、添付の図面を参
照しながら以下の説明を読むことによって最も良く理解
されよう。

発明の詳細な説明 本発明に従えば、人間の角膜（または人間の角膜に付着
させるべきレンズ）などのごとき加工物に沿って成形用
のレーザビームを走査することによって該加工物を成形
するのとは異なり、各々のレーザパルスについて加工物
の加工領域全体に対するレーザエネルギーの照射パター
ンを規定する領域マスクが使用される。かかるマスクは
、各々のレーザパルスによって加工物のどの部位が切除
されるかを規定するものである。このように本発明は、
レーザビームを走査したり、あるいはレーザビームの照
射を制御するための開口を走査したりするのとは異なり
、切除パターンをマスクによって規定するという利点を
有している。このようにすれば、予め作製されたマスク
によって切除パターンが規定されるから、レーザ成形用
として該マスクを使用するのに先立ってそれのパターン
を検査し、それによって該マスク上に実際に存在するパ
ターンが所望の成形パターンを生み出すかどうかを確認
することができる。

本発明の好適な実施の態様に従えば、１組の重み付きマ
スクによって切除パターンが規定される。

この場合、各マスクの透過性部分と整列した部位におけ
る材料の除去量は該マスクに割当てられた重みに比例す
る。特に好適な実施の態様に基づく重み付きマスクセッ
トは、二進法に基づく重み（すなわち、１．２．４．８
．１６．３２などの重み）を有する１組のマスクから成
っている。この場合、マスクの数および最大重みは材料
の除去に際して所望される分解能に依存する。

先ず第１図を見ると、特定の画素について所望される相
対切除量と１組の重み付きマスクの各々における該画素
の状態とを関係づける表が示されている。この表の最も
左側の欄には、所望される相対切除量が０から２５５　
（２７−１）にまでわたって示されている。なお、１７
以降においては表の一部が省略されている。この表の中
央の欄には、一連の二進数が示されている。これらの二
進数の上方に示された見出しの最上列には、右から左に
向かうアルファベットで表わされたマスク符号が示され
ている。すなわち、右端には最小の重みを有するマスク
Ａが示されており、また左端には最大の重みを有するマ
スクＨが示されている。

これらのマスク符号の直下には、それぞれのマスクに対
応する重みが示されている。かかる重みは２の累乗の形
で表わされるものであって、右端の１から左端の１２８
にまでわたっている。この表の最も右側の欄には、同じ
列中に記載された相対切除量を得ようとする場合、対応
する画素が透明であるようなマスクの符号が列挙されて
いる。この表の上方の部分（すなわち、所望の相対切除
量が１ずつ増加している部分）においては、５個のマス
クＡ−Ｅのみが関与している。それよりも下方において
は、追加のマスクを必要とするような相対切除量が部分
的に示されている。なお、コノ表を１枚の図面に収める
ために中間の部分が省略されている。当業者にとっては
自明の通り、省略された相対切除量はやはりマスク中の
画素の状態によって規定されているが、その方法は表の
上方に示された値（すなわち、より小さい相対切除量）
の場合と同様である。

次の第２図には、７．８．９および１０の相対切除量を
有する４個の画素が左端に示されている。

この図の中央部分には、重み１．２．４および８をそれ
ぞれに有するマスクＡ、Ｂ、ＣおよびＤ中における４個
の画素の状態が示されている。この図の右端には、加工
物の該当部分を照射するレーザパルスの総数が示されて
いる。第２図の中央部分に示されたマスク中においては
、点を打った画素はレーザパルスに対して不透明である
のに対し、空白の画素はレーザパルスに対して透明であ
る。

各々のマスクを通して照射される等エネルギーパルスの
数は該マスクの直下に示されている。

次の第３図は第２図と同様な構成を有しているが、この
場合には３．６．１１および１５の相対切除量に関する
４個の画素の状態が示されている。

切除量がレーザパルスのエネルギー密度に比例する場合
には、マスクの重みが１段階ずつ増加するのに伴って等
エネルギーパルスの数を２倍にする代りに、１パルス当
りのエネルギーを２倍にすることもできる。すなわち、
切除量が累積エネルギーに対して直線性を示す場合には
、マスクによって決定される累積エネルギーが重要なの
である。

材料の切除量がパルスエネルギーに対して直線性を示さ
ない場合には、マスクの重みに件って増加する適当な数
の等エネルギーパルスを使用することが好ましい、とは
言え、所望ならば、パルスエネルギーとパルス数とを適
当に組合わせて使用することもできる。

次の第４図には、二進法に基づく重みを有する８個のマ
スクが示されている。これらのマスクをそれぞれの重み
に従って使用することにより、平坦な加工物から材料を
除去した場合、加工物の照射面上には凸状の球面の一部
分が形成される。マスフＡは最小の重みを有していて、
それを通してただ１９のパルスが照射される。マスクＢ
は２の重みを有していて、それを通して２つのパルスが
照射される。マスクＣは４の重みを有していて、それを
通して４つのパルスが照射される。同様にして、マスク
Ｄは８の重みを有し、マスクＥは１６の重みを有し、マ
スクＦは３２の重みを有し、マスクＧは６４の重みを有
し、またマスクＨは１２８の重みを有する。これらのマ
スクが有するパターンの幾何学的中心はいずれも不透明
である結果、加工物の中心部からは材料が全く除去され
ないことが認められよう、マスクＡが有する細密パター
ンの外側においては、全てのマスクが透明であるから、
このマスクセットを用いなレーザ成形操作によって一定
量の材料が除去されることになる。かかる除去量は、全
てのマスクが有する重みの和と、各パルスによって除去
される材料の厚さとの積に等しい０図示の場合において
は、単一のパルスによって除去される厚さの２５５倍に
等しい厚さの材料が加工物の周辺部分から除去されるこ
とになる。

球面の一部分を成すドームの外側に位置する加工物の周
辺部分から一層多くの材料を除去することにより、加工
物の基部がら上方に伸びた円柱の頂上に該ドームを形成
することが所望される場合には、マスクＡが有する細密
パターンの領域内においては不透明でありかつそれの外
側においては透明であるようなマスクエを追加し、そし
て所望の除去量に対応した重みを使用しながらこのマス
クを通して照射を行えばよい、あるいはまた、８個のマ
スクの各々を通して照射されるパルスの数を２倍にし、
それによって加工領域内の各々の部位における材料の除
去量を２倍にすれば、材料表面の平滑性は低下するもの
の、加工物の周辺部分から２倍の材料を除去することが
できる。しがしながら、このようにして得られる表面は
球面の一部分ではなく非球面の一部分となる。

マスクＡ〜Ｈの各々は、それぞれのマスクパターンの中
心が規準点に対して既知の位置に存在するようにして単
一のマスク基板上に配置されることが好ましい、なお、
上記の規準点はマスクまたはマスクパターンの内部（た
とえば、それの中心部）に存在していてもよいし、ある
いはマスクパターンの外側に存在していてもよい。

平坦な加工物の成形によって球面を形成するために役立
つ第４図のマスクセットにおいて認められる特徴の１９
は、それぞれのマスクパターンの精細度が重みの増加に
伴って減少していることである。このような特徴は、平
滑な対称的境界面を持った構造を得るように設計された
多くのマスクセットに共通するものである。

次の第５図は、第４図のマスクセットを使用しながら成
形することによって平坦な上面から球面の一部分を形成
した加工物の部分切欠き斜視図である。

次の第６図には、双曲放物面を形成するために役立つ８
個のマスクセットが示されている０次の第７図には、そ
れを用いて形成された表面が示されているが、この表面
はマスクセットに対して９０°だけ回転した状態にある
。すなわち、第７図に示された表面の左方および右方の
部分は、第６図に示されたマスクパターンの上方および
下方の部分によって形成されたものである。

レンズの表面あるいは大関や動物の角膜の表面のごとき
光学面を成形する際に重要な因子は、本発明に従って作
製されたような二進法に基づくマスクセットを用いたレ
ーザ成形繰作によって得られる最終表面の平滑度である
。かかる平滑度を評価するためには様々な規準を使用す
ることができるが、本発明者等は所定数のマスクによっ
て得られる分解能を画素の大きさの関数として比較する
ために役立つ１９の基準を採用した。平坦な加工物を成
形して凸状の球面を形成する場合について本発明者等が
採用した基準は、レーザ成形操作（こよって実際に除去
される材料の量と、加工物の内部またはそれの表面に位
置する最大の球面から成る完全な球面を形成するなめに
除去すべき材料の量との比である。かかる基準は第８図
のグラフに図示されている。この場合、第８図の上部に
断面図として示されているごとく、球面の一部分を成す
ように成形される領域の直径が５０００ミクロンであり
、また該領域の中心部はそれの縁端部よりも２５ミクロ
ンだけ高くなっているものとする。

１００％の平滑度を有する表面とは、全ての部分におい
て完全な球面に合致するような表面を意味する６図から
れかる通り、使用するマスクの数には関係なく、画素の
数が小さければ平滑度は低くなる。なぜなら、画素の数
が小さい場合には平坦な上面を持った大きな区画が形成
されるが、垂直寸法（厚さ）の制御の精細度にかかわり
なく、かかる区画はその大部分において理想球面から逸
脱しているからである。平滑度はマスクセット中のマス
クの数（従って材料除去の段階数、すなわち垂直分解能
の精細度）と共に増大し、また画素の数（従って水平分
解能の精細度）と共に増大することが認められよう、ま
た、各々のレーザパルスによって除去される材料層が薄
くなるほど、一定数のパルスによって除去し得る材料の
最大量は減少するものの、得られる曲面の平滑度は向上
することも認められよう。

第８図には、特定の成形条件に関する平滑度が示されて
いる。成形条件が変化すれば、平滑度も変化することに
なる。加工物が光学部品である場合には、所要の平滑度
は個々の光学部品およびそれを使用する光学系に依存す
る。

一般に、人間の角膜または角膜に付着させたレンズを成
形する場合に直面する課題は、平坦な加工物を成形して
球面を形成するのではなく、現存する曲面を成形して（
視力の向上をもたらす）別の曲面を形成することである
０次の第９図には、成形を施すべき初期曲面１０が該曲
面の一直径に沿った断面図によって示されている０次の
第１０図には、所望の最終曲面１１０が示されていると
共に、現存の初期曲面１０が破線によって示されている
。

次の第１１図には、初期曲面１０が所望の最終曲面１１
０と共に示されている０本発明の方法によれば材料の除
去のみが可能であるから、最終曲面１１０は初期曲面１
０の内側に位置している。

なお、除去すべき材料１２０を明確に示すため、それに
はハツチングが施されている。

次の第１２図には、除去すべき材料１２０の厚さが初期
曲面１０の直径に沿った位置の関数として示されている
。かかる厚さは初期曲面１０の縁端において０であると
共に、初期曲面１０の中心に向かって単調に増加してい
ることが認められよう。

次の第１３図には、材料１２０を除去するために役立つ
８個のマスクセットが示されている。

人間の角膜が完全な球面を成していることは稀である。

また、完全な球面を成す角膜表面によって最適の視力が
得られるような人も稀である０人間の角膜は不規則な形
状を有しており、そして人間の眼の光学系は不規則な形
状が最適の視力をもたらすようになっているのが通例で
ある。その結果、眼科領域における本発明の最適用途は
、不規則な曲面を別の不規則な曲面に変形させることに
ある。

次の第１４図は、球面の曲率半径を減少させるため（す
なわち、球面の曲率を増大させるため）に役立つ８個の
マスクセットが示されている。このマスクセットは、第
１０〜１３図に示された場合とは逆の仕方で曲率を変化
させるものである。

二進法に基づく重みを有する本発明の領域マスクの利点
の１９は、各々の画素について、単一のパルスによって
除去される材料の厚さの０倍から（２Ｎ−１）倍までの
範囲内にある量の材料を除去し得ることである。それ故
、各々の画素について除去すべき材料の量を規定するこ
とにより、任意の表面を（それの内部に包含される）別
の任意の表面に変形することができる０次の第１５図に
は、かかる変形の実例が材料本体を横切る断面図によっ
て示されている。各々の画素の上方に示された数字は、
該画素について除去すべき材料の厚さを表わしている。

本発明のレーザ成形方法は、角膜、レンズおよびその他
の加工物を成形することによって１９の不規則な表面を
別の不規則な表面に変形させるための従来の方法に比べ
て多くの利点を有している。

詳しく述べれば、材料の除去量がマスク作製段階におい
て設定される結果、不規則な材料除去パターンを生み出
すためにレーザビームスポットマタはマスク開口の運動
を詳細かつ綿密に制御する必要がなくなる。その結果、
本発明の方法によれば、従来の方法を使用した場合より
も一層高い信頼度をもって実際の材料除去パターンを制
御することができる。更にまた、本発明のレーザ成形方
法はマスクパターン全域を照射するのに十分な寸法を持
ったレーザビームによって実施されるから、所望のパタ
ーンを生み出すために必要なパルスの数は遥かに少なく
て済む、詳しく述べれば、単一のパルスによって除去さ
れる厚さの２５５倍に等しい最大厚さを除去することが
所望される場合、小さいスポットを走査する従来の方法
においては上記厚さの材料の除去が所望される各々の部
位について２５５のレーザパルスが必要とされるのに対
し、本発明のレーザ成形方法において必要とされるレー
ザパルスの数は全部で２５５に過ぎないのである。この
ように、本発明のマスクセットは角膜、レンズまたはそ
の他の加工物を成形するためニ必要とされるレーザパル
スの数を劇的に減少させるのである。このことは多くの
利点をもたらす。

第一に、本発明の方法は従来の方法よりも遥かに速い、
第二に、眼に照射されるレーザパルスの数が劇的に減少
する結果、かかるレーザ照射に原因する予期せぬ副作用
の危険が最小、限に抑えられることになる。１／２５５
の分解能の下で本発明のレーザ成形方法を実施する場合
、毎秒１００パルスの最大パルス繰返数を有するエキシ
マレーザを使用すれば、２５５のレーザパルスを照射す
るために要する時間は２％秒を僅かに越える程度に過ぎ
ない、上記の分解能を得るためには８個のマスクが必要
であるから、それらのマスクを切換えかつ角膜またはレ
ンズに対して正しく位置合せするための時間を上記のレ
ーザ照射時間に加えなければならない、とは言え、最新
の位置決め装置を用いれば、各々のマスクの切換えおよ
び位置合せは１秒未満で達成されるはずであるから、レ
ーザ成形操作全体は約１０秒で実施することができる。

なお、適当な装置を用いれば１／２秒よりもかなり短い
マスク切換え時間が可能となる。それ故、レーザ成形操
作全体を１０秒よりもかなり短い時間で実施することも
できる。その結果、レーザ成形操作中に患者が眼を固定
状態に保つことが非常に容易になる。なぜなら、患者が
眼を１０秒間にわたって固定状態に保つことは数分間に
わたって固定状態に保つことよりも遥かに容易だからで
ある。更にまた、正確に作製されかつ正しく位置合せさ
れた各々のマスクを通して所要の数の等エネルギーパル
スを照射しさえすれば、正確な切除パターンを確実に得
ることができるのである。

本発明に基づくレーザ成形操作を適正に実施することに
よって操作者の過失またはその他の障害が起こる危険を
最小限に抑えるため、所定のレーザ成形操作のために使
用される全てのマスクパターンは位置合せキーを有する
単一の基板上に配置されたマスキング層中に形成される
ことが好ましい、かかる位置合せキーにより、各々のマ
スクは成形装置内に正しく配置されることが保証される
わけである。かかる位置合せキーは基板の物理的形状の
一部であってもよいし、第６図の右下隅に示されたよう
な基板上のパターンの一部テアってもよいし、あるいは
それらの組合せであってもよい、マスク基板の隅に設け
られた同様な切込みを位置合せキーとして使用すること
もできるし、あるいはその他の位置合せキーを使用する
こともできる。かかるマスク基板の各々にはまた、対象
となる患者および眼を明確に識別するための符号を付加
することが必要である。かかる符号は、患者の名前およ
び「左眼」または「右眼」のごとき単語から成っていて
もよいし、あるいは数字やその他の記号から成っていて
もよい、かかる成形装置はまた、各々のマスクの重みに
従って照射されるレーザパルスの数を制限する連動機構
を具備していることが好ましい、更にまた、マスクを角
膜またはレンズに対して正しく位置合せするため、確実
な位置合せ用のＩｌｌ識をマスク上に設けることも望ま
しい。

かかる確実な位置合せを達成するための方法の１９は、
角膜またはレンズの視覚的に有効な部分の外側に４つの
基準点を刻印し、そして各マスクを通して切除用のレー
ザパルスを照射する前に該マスク中の位置合せ標識を上
記の基準点と整列させるというものである。かかる基準
点は角膜またはレンズ中に刻印されたマークから成って
いてもよいし、あるいは角膜もしくはレンズに付加され
た小さな反射スポット、または位置合せ装置がマスクを
通して監視することのできる基準ビームによって照明さ
れた点から成っていてもよい。

以上、二進法に基づく重みを有するマスクに関連して本
発明を説明したが、その他の重みを有するマスクも同等
な原理に従って使用することができる。二進法に基づく
重みを有するマスクの主たる利点は、所定の分解能をも
って材料を除去するために必要なマスクの数を最小にす
ることができるという点である。

３〜６ミクロン平方の画素を有するマスクは、走査レー
ザビームを用いてホトレジストパターンを形成したり、
あるいは走査レーザビームを用いてマスク基板からマス
キング層を直接に切除することによって作製することが
できる。

別のマスク作製方法としては、３００ドツト／インチの
密度を有するレーザプリンタを用いてマスクパターンを
形成し、次いでそれを１／４Ｋ縮小することにより、１
２００ドツト／インチの密度または幅２０．８ミクロン
の画素を有するパターンを得ることもできる。

これらのマスクは、マスクパターンと加工物パターンと
の寸法比が１＝１であるような「密着Ｊマスクと同じく
、レーザ光の平行ビームと共に近接マスクとして使用す
ることができる。なお、切除時の生成物を除去するため
、マスクと加工物との間には十分な空隙を残しておかな
ければならない、あるいはまた、かかるマスクはマスク
と加工物との間で寸法の縮小を伴うような投影マスクと
して使用することもできる。投影マスクとして使用する
場合には、加工物の表面が微視的には平坦でないことに
原因するゆがみを回避するため、レーザ光は加工物の表
面において平行光線を成していることが好ましい。

十分に小さな画素を有するある稲のレーザ成形操作の場
合には、マスクの透明な区画のへり番こおいてレーザビ
ームが示すフリンジ効果が材料の除去パターンに影響を
及ぼすことがある。大き（１重みを有するマスクについ
てかかるフリンジ効果を抑制するためには、各々のレー
ザノ（ルスの照射後または特定数のレーザパルスの照射
後にお６ｔでマスクを僅かだけ移動させればより）、か
かる「偏力）な」移動距離は画素の幅よりも小さいこと
が必要であり、また画素の幅の１／２よりも小さ１１）
ことが好ましい。

一般に、マスク基板が平坦な表面を有する場合にはマス
クの作製が最も簡単となる。しかじな力（ら、フリンジ
効果の抑制やその他の目的のため、異形面上にマスクを
形成することが望ましνＡ場合もある。かかる異形面の
実例としては、マスキング層を角膜表面からほぼ一定の
距離に配置するために役立つような、角膜類似の曲率を
有する曲面が挙げられる。

マスキング層は透明なマスク基板の表面上（こ配置され
るが、かかる表面は加工物に近い側に位置するものであ
ってもよいし、あるいは加工物から遠い側に位置するも
のであってもよい。

この種のマスクの作製方法を簡略化するため、マスク素
材板を保管し、マスク素材板を照射位置に装填し、次い
でその上にマスクパターンを形成するための自動機構を
採用することが好ましい。

マスクパターンを形成する工程としては、マスク素材板
上のホトレジスト層に照射および現像を施し、次いで該
ホトレジスト層によって規定されたパターンに従ってマ
スク基板の表面から不透明被膜を除去することが好まし
い、このような目的のためには、半導体ウェーハの取扱
いおよび加工のために使用されている汎用型の装置を使
用することができる。また、照射機構としては、レーザ
プリンタを改造したものを使用することができる。

上記に記載されたマスクにおいては、マスクパターンが
二元状態にあるーという仮定が設けられていた。すなわ
ち、各々の画素は１００％または０％の透過率を有して
いたのである。言うまでもないが、９９％の透過率を有
するマスク基板を使用しても、所望の成形パターンが顕
著に損なわれることはない０本発明に従えばまた、マス
クの作製はより困難になるにせよ、透過率１００％の部
分、透過率う０％の部分、および透過率０％の部分から
成るパターンを有するマスクを使用することもできる。

かかるマスクを作製する際には、５０％の透過率を有す
る第１のマスク層およびその上に配置されかつ０％の透
過率を有する第２のマスク層を具備したマスク素材板が
用意される０次いで、第１のホトレジスト層にパターン
形成を施すことにより、０％の透過率が所望される部分
以外の部分から透過率Ｏ％のマスク層が除去される。そ
の後、第２のホトレジスト層にパターン形成を施すこと
により、１００％の透過率が所望される部分から透過率
５０％のマスク層が除去される。このようにして多重レ
ベルのマスクを作製すれば、所要のマスク数を減少させ
ることができる。所望ならば、０％、２５％、５０％、
７５％および１００％の透過率を有する部分から成るマ
スクを同様にして作製することもできる。平滑に成形さ
れた任意の表面を形成するために役立つこの種の理想的
なマスクとしては、所望の材料切除量に応じて０〜１０
０％の範囲内の任意の透過率を有するマスクが考えられ
る。かかるマスクもまた、成形領域全体にわたる切除パ
ターンを規定する領域マスクであり、従って本発明の範
囲内に含まれる。

上記のごときアナログ型の領域マスクを作製するための
方法の１９は、ホログラフィ−パターンを用いて−様な
入射レーザパルスを処理することによって得られた光パ
ターンを使用するというものである。かかる光パターン
は、各々の部位における所望の切除量に応じて強度が変
化するようなものである。こうして得られたホログラフ
ィ−マスクは、成形操作を制御するため・の単一のマス
クとして使用することもできるし、あるいはくより小さ
い分解能が所望される場合には）重み付きのホログラフ
ィ−マスクの１９として使用することもできる。

適正な材料の除去を達成するためには、レーザビームは
マスクパターン全域を照射すると共に、マスクパターン
全域にわたって一定のフルエンスを有することが必要で
ある。とは言え、レーザビームのフルエンスが該ビーム
中において既知の変動を示す場合には、マスク設計段階
においてそれを補償することができる。すなわち、各々
の画素について除去すべき材料の厚さ、かかる除去を達
成するために必要な全フルエンス、および該画素の位置
におけるレーザビームの局部フルエンスが求められる０
次いで、所要の全フルエンスをレーザビームの局部フル
エンスで割ることにより、必要なパルス数が求められる
。その後、各々のマスクパターン中における該画素の状
態を設定することによって所要のパルス数をマスク中に
書き込めばよい。

本発明に関する説明の多くは、角膜およびレンズを成形
するための用途に関連して述べられている。しかしなが
ら、本発明はレーザによって成形し得る任意の加工物（
たとえば、プラスチックや金属から成る物体）に対して
も適用することができる。

除去すべき材料の最大深さ（Ｄ）、所要のノ（ルＸ数（
Ｎ）、および１９のパルスによって除去される厚さ（Ｔ
）の間には、次のような関係がある。

Ｄ／Ｎ　＝Ｔ 従って、下記の関係式が得られる。

Ｄ＝ＮＴ Ｔ＝Ｄ／Ｎ Ｎ＝Ｄ／Ｔ 以上、好適な実施の態様に関連して本発明の詳細な説明
したが、それ以外にも数多くの変更態様が可能であるこ
とは当業者にとって自明であろう。

それ故、本発明の精神および範囲から逸脱しない限り、
かかる変更態様の全てが前記特許請求の範囲中に包括さ
れるものと解すべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は特定の画素について所望される相対切除量と１
組の重み付きマスクの各々における対応した画素の状態
［すなわち、透明（１）または不１コ 透明（０）］とを関係づける表、第２および３図八 のそれぞれは所望の相対切除量を有する４種の画素パタ
ーンおよび４個のマスク中における対応した画素の状態
を示す図、第４図は平坦な加工物上に凸状の球面を形成
するために役立つ８個の重み付きマスクＡ〜Ｈを示す図
、第５図は第４図のマスクセットを用いて成形された加
工物の部分切欠き斜視図、第６図は平坦な加工物上に双
曲放物面を形成するために役立つ８個の重み付きマスク
Ａ〜Ｈを示す図、第７図は第６図のマスクセットを用い
て形成された双曲放物面の略図、第８図はレーザ成形操
作の分解能を重み付きマスクの数および画素の寸法の関
数として示したグラフ、第９図は曲率半径Ｒ１を有する
球面の一部分を示す、該球面の一直径に沿った断面図、
第１０図は曲率半径Ｒ２（Ｒ２＞Ｒ□）を有する第２の
球面の一部分を示す、該球面の一直径に沿った断面図、
第１１図は第９図の球面を第１０図の球面に変形させる
ために除去すべき材料を示す、第９図の球面の一直径に
沿った断面図、第１２図は第１１図の断面中において除
去すべき材料の厚さを位置の間数として示す略図、第１
３図は第１１または１２図に示された材料の除去を達成
するために役立つ８個のマスクセットを示す図、第１４
図は球面の曲率半径を減少させるために役立つ８個のマ
スクセットを示す図、そして第１５図はある任意の表面
を別の任意の表面に変形させる操作を例示する図である
。 待肝出願人ゼネラル懐エレクトリックーカンパニイ間人
　（７６３０）生沼徳ニ トロＣＦＩＱ ｎ　ロ　−　０ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ Ｆｉｇ、ｌ Ｆｔ’ｇ、　５ Ｆｉｇ・ Ｆｉｇ。 θ

Claims (35)

【特許請求の範囲】
1. １．（ａ）レーザ成形操作に際して加工物の形状を変化
   させることが所望される部位に対応した位置に存在する
   化学線透過性の画素と化学線不透過性の画素とから成る
   パターンを有するマスクを用意し、（ｂ）前記マスクの
   パターン全域を照射するのに十分な寸法を持ったビーム
   を供給する化学線源を用意し、（ｃ）前記化学線源から
   前記加工物に至るまでの光路中に前記マスクを配置し、
   次いで（ｄ）前記マスクを通して前記加工物上に化学線
   を照射することにより、前記マスクによって規定される
   パターンに従って前記加工物の表面を成形する諸工程か
   ら成ることを特徴とする加工物のレーザ成形方法。
2. ２．前記化学線源が実質的に一定のエネルギーを持った
   パルスを供給する請求項１記載の方法。
3. ３．前記照射工程が、前記化学線源から前記マスクを通
   して一定数のパルスを照射することによって前記加工物
   の露光部分に所望の形状変化をもたらすことから成る請
   求項２記載の方法。
4. ４．前記マスクのパターン形成領域が前記加工物の加工
   領域全体を覆う請求項１記載の方法。
5. ５．前記マスクのパターンがレーザ成形操作時に前記加
   工物に対して実質的に静止状態に保たれるように形成さ
   れている請求項１記載の方法。
6. ６．前記化学線の複数のパルスが通過するマスクについ
   て、特定数のパルスの通過後に前記マスクが画素の幅よ
   りも小さい距離だけ移動させられる請求項５記載の方法
   。
7. ７．前記加工物が眼の角膜に付着させたレンズである請
   求項１記載の方法。
8. ８．前記加工物が眼の角膜に付着させるべきレンズであ
   る請求項１記載の方法。
9. ９．前記加工物が角膜である請求項１記載の方法。
10. １０．（ａ）該当するマスクの重みに比例した量の材料
    を除去することが所望される部位に対応した位置に存在
    する透過性の画素と不透過性の画素とから成る個別のパ
    ターンをそれぞれに有する１組の重み付きマスクを用意
    し、（ｂ）個々の前記マスクのパターン全域を照射する
    のに十分な寸法を持ったビームを供給する切除光源を用
    意し、次いで（ｃ）前記マスクの各々について、前記切
    除光源から加工物に至るまでの光路中に該マスクを配置
    し、かつ該マスクを通して前記加工物上に一定量の切除
    光を照射することにより、該マスクの重みに比例した量
    の材料を前記加工物の露光部分から除去する諸工程から
    成ることを特徴とする加工物のレーザ成形方法。
11. １１．前記１組のマスクが二進法に基づく重みを有する
    結果、第１のマスクは重み１を有し、第２のマスクは重
    み２を有し、かつ第３のマスクは重み４を有する請求項
    １０記載の方法。
12. １２．前記切除光が実質的に等しいエネルギーを持った
    パルスとして供給される場合において、Ｋを一定の整数
    として、重み１のマスクにはＫ個のパルスが照射され、
    重み２のマスクには２Ｋ個のパルスが照射され、かつ重
    み４のマスクには４Ｋ個のパルスが照射される請求項１
    １記載の方法。
13. １３．Ｋが１に等しい請求項１２記載の方法。
14. １４．２つ以上のパルスが通過する少なくとも１個のマ
    スクについて、該マスクを通して少なくとも１つのパル
    スが照射された後に該マスクが画素の幅よりも小さい距
    離だけ移動させられる請求項１２記載の方法。
15. １５．該マスクを通して各々のパルスが照射された後に
    該マスクが移動させられる請求項１４記載の方法。
16. １６．前記加工物が眼の角膜に付着させたレンズである
    請求項１０記載の方法。
17. １７．前記加工物が眼の角膜に付着させるべきレンズで
    ある請求項１０記載の方法。
18. １８．前記加工物が角膜である請求項１０記載の方法。
19. １９．実質的に所定の三次元パターンに従って材料を除
    去するため、それぞれに割当てられた重みに応じた露光
    量を要求する複数のマスクから成るとを特徴とする、レ
    ーザ切除操作により所定の三次元パターンに従つて材料
    を除去するために使用されるマスクセット。
20. ２０．各々のマスクが所定数の画素から成っていて、各
    々の画素は不透明または透明であり、かっ不透明な画素
    および透明な画素から成るパターンは材料除去のための
    前記所定の三次元パターンに従って決定されている請求
    項１９記載のマスクセット。
21. ２１．重み１を有する第１のマスク、重み２を有する第
    ２のマスク、および重み４を有する第３のマスクを包含
    する請求項２０記載のマスクセット。
22. ２２．重み８を有するマスクを追加包含する請求項２１
    記載のマスクセット。
23. ２３．重み１６を有するマスクを追加包含する請求項２
    ２記載のマスクセット。
24. ２４．重み３２を有するマスクを追加包含する請求項２
    ３記載のマスクセット。
25. ２５．各々のマスクが単一の基板上に存在してぃる請求
    項１９記載のマスクセット。
26. ２６．前記マスクのパターンの中心が前記基板上の特定
    の位置を占める請求項２５記載のマスクセット。
27. ２７．前記基板が前記マスクのパターンに対して特定の
    位置を占める位置合せキーを有する請求項２６記載のマ
    スクセット。
28. ２８．前記キーが前記基板の物理的形状の一部である請
    求項２７記載のマスクセット。
29. ２９．前記キーが前記基板上のパターンの一部である請
    求項２７記載のマスクセット。
30. ３０．前記キーが前記基板の物理的形状と前記基板上の
    パターンとの組合せである請求項２７記載のマスクセッ
    ト。
31. ３１．（ａ）マスク素材板を保管するための手段、（ｂ
    ）マスク素材板を照射位置に装填するための手段、（ｃ
    ）所望のマスクパターンに従つて前記マスク素材板に活
    性化放射線を照射するための手段、並びに（ｄ）照射済
    みの前記マスク素材板を現像した後、前記照射および現
    像操作により規定されたパターンに従つて前記マスク素
    材板から不透明被膜を除去するための手段の諸要素から
    成ることを特徴とするレーザ成形用マスクの製造装置。
32. ３２．前記照射および現像の一部として前記マスク素材
    板上に明確な患者識別符号を付加するための手段を追加
    包含する請求項３１記載の装置。
33. ３３．マスク設計データを記憶するための手段を追加包
    含する請求項３１記載の装置。
34. ３４．マスク設計データを受信することにより、前記所
    望のマスクパターンに従って前記マスク素材板の照射操
    作を制御するための手段を追加包含する請求項３１記載
    の装置。
35. ３５．前記照射手段が前記マスク素材板を照射するよう
    に設計されたレーザプリンタから成る請求項３１記載の
    装置。