KR101624091B1 - 렌즈 형성 및 변경을 위한 시스템 그리고 그에 따라 형성된 렌즈 - Google Patents

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Abstract

안구내 렌즈와 같이 인간의 눈에 배치하기 위한 렌즈의 광학적 특성들 중 일부가 레이저로 형성된다. 레이저가 렌즈 내에 변경된 로커스를 형성함으로써, 변경된 로커스는 변경 전의 물질과 상이한 굴절률을 가진다. 여러 가지 변경된 로커스의 패턴이 선택된 디옵터 파워, 토릭 조정, 및/또는 비구면 조정을 제공할 수 있다. 바람직하게, 인간의 눈에 용이하게 배치할 수 있도록, 렌즈의 전방 표면 및 후방 표면이 평면형이 된다.

Description

렌즈 형성 및 변경을 위한 시스템 그리고 그에 따라 형성된 렌즈{SYSTEM FOR FORMING AND MODIFYING LENSES AND LENSES FORMED THEREBY}
교차 참조
본원은 미국 가명세서 특허출원으로서 2009년 3월 4일자로 출원된 제 61/209,362 호; 2009년 3월 4일자로 출원된 제 61/209,363 호; 2009년 5월 27일자로 출원된 제 61/181,420 호; 2009년 5월 27일자로 출원된 제 61/181,519 호; 그리고 2009년 5월 27일자로 출원된 제 61/181,525 호를 기초로 우선권을 주장한다. 이러한 미국 가명세서 특허출원들은 본원에서 참조로 포함된다. 본원의 이하의 기재 내용이 상기 가명세서 특허출원의 기재 내용과 일치하지 않는 경우에는, 이하의 기재 내용이 우선한다.
시력 개선을 위해서 렌즈가 안구 내로 이식된다. 일반적으로, 2가지 타입의 안구내(intraocular) 렌즈가 있다. 하나의 타입은 안구의 원래 렌즈를 대체하는 것으로서, 일반적으로 수정체 렌즈를 대체한다. 다른 타입은 현존하는 렌즈를 보완하기 위해서 이용되고 그리고 영구적인 교정 렌즈로서의 기능을 한다. 교체 타입의 렌즈들은 후안방(posterior chamber) 내로 이식된다. 패킥(phakic) IOL ( intraocular lens; 안구내 렌즈)로 지칭되는 보완 타입의 렌즈는 전안방 또는 후안방 내로 이식되어 눈의 굴절 오류를 교정한다.
안구내 렌즈를 형성하기 위해서 이용되는 2가지의 일반적인 기술이 있다. 하나의 기술은 몰딩하는 것으로서, 광학적 폴리머(polymeric) 물질이 소정(所定) 디옵틱(시력 보정) 파워를 가지는 희망하는 형상으로 성형된다. 이들 렌즈는, 통상적으로 약 0.5 디옵터 파워씩 변화되는, 표준 디옵터 파워들의 상태로 이용가능하다. 몰딩 기술과 관련한 문제점은, 맞춤형(customized) 렌즈를 제조하는 것이 매우 고가이고, 그에 따라 대부분의 환자들이 선명한 시야에 근접하는 정도로만 효과를 볼 수 있다는 것이다. 일부 환자들의 경우에, 디옵터 파워가 0.25 또는 그 이상 만큼 틀릴 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로, 그러한 렌즈는, 일부 라식 수술과 같은 각막 시술을 받은 경우를 포함하여 비정상적인 형상의 각막(cornea)을 가지는 환자들에 대해서는 효과적이지 못하다.
이용되는 다른 기술로서 래씽 및 밀링(lathing and milling)이 있으며, 여기에서 디스크 형상의 렌즈 브랭크(blank)가 원하는 형상으로 연마된다. 안구내 렌즈를 위해서 사용되는 물질의 특성으로 인해서, -10 ℉와 같은 낮은 오도에서 렌즈를 가공하는 것이 바람직하다. 래씽 및 밀링과 관련한 문제점은, -10 ℉에서 렌즈의 광학적 특성이 신체 온도에서의 렌즈의 광학적 특성과 상이할 것이며, 그에 따라 그러한 렌즈는 단지 최적 시력에 근접하는데 불과할 수 있다는 것이다. 또한, 렌즈가 가열됨에 따라, 수분을 흡수하고 그리고 렌즈의 치수가 변화될 수 있으며, 그에 따라 렌즈의 디옵터 파워가 변화될 수 있다.
일부 환자의 경우에, 각막의 구면 수차(aberration)를 교정하기 위해서 렌즈가 비구면(aspheric)인 것이 바람직하고, 또는 디옵터 범위에 걸쳐 각막 난시를 교정 또는 완화시키기 위해서 렌즈가 토릭(toric)인 것이 바람직하다. 상업적으로 이용가능한 안구내 렌즈는 일반적으로 이러한 결함들을 균일하게 교정할 수가 없는데, 이는 디옵틱 파워, 그리고 비구면 및 토릭 모두가 상이한 수백, 또는 수천의 서로 상이한 타입의 렌즈를 개발하여야 하기 때문이다.
통상적인 제조 기술과 관련한 다른 문제점은, 라식(laser assisted in situ keratomileusis) 수술을 받은 환자의 요구를 종종 수용할 수 없다는 것이다. 라식 수술은 근시(myopia), 원시 및/또는 난시를 교정할 수 있다. 그러나, 라식 시술중에 발생되는 각막의 변형으로 인해서 비구면성이 적절하게 조정된 안구내 렌즈를 찾기가 매우 어렵게 된다. 통상적인 안구내 렌즈는 일반적으로 라식 시술을 받은 환자 또는 비정상적인 각막을 가지는 사람에 대해서는 만족스럽지 못한데, 이는 그러한 환자에 맞는 안구내 렌즈를 개발하는데 어려움이 있기 때문이다.
안구내 렌즈와 같은 광학적 폴리머 물질의 굴절률을 변화시키는 기술이 Knox 등에게 허여된 미국 특허 공개 제 2008/0001320 호에 기재되어 있다. 이러한 기술은 광학적 물질의 작은 면적의 굴절률을 변화시키기 위해서 레이저를 이용하며, 결과적으로 약 0.06 까지의 굴절률 변화를 초래하고, 이는 대부분의 용도에서 불적절한 디옵터 파워의 변화가 된다.
따라서, 종래 기술의 제조 기술의 단점을 극복하고, 그리고 라식 시술을 받은 환자를 포함한 사람들에게 최적 시력에 접근하기 위한 복수의 교정 특징부(features)를 제공하는 렌즈 맞춤을 가능하게 하는 안구내 렌즈 형성 시스템이 요구되고 있다 할 것이다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 극복하기 위한 것이다.
본원 발명은 이러한 요구를 충족시키는 시스템을 제공하고, 그리고 또한 이러한 시스템에 의해서 형성되고 변경된 렌즈를 제공한다. 이러한 시스템에 의해서 형성된 렌즈는 특유의 특성을 가진다. 그러한 렌즈는 통상적으로 안구내 렌즈이나, 이하에서 설명하는 바와 같이, 본원 발명은 다른 용도도 가진다. 본원 발명에 따른 렌즈는 굴절률을 가지는 광학적 물질로 형성된 본체를 포함한다. 본체는 서로 대향된 전방 표면 및 후방 표면, 그리고 광학적 축선을 가진다. 본체는 변경된 로커스(modified loci)를 포함한다. 변경된 로커스는 레이저 비임에 의해서 형성되고 그리고 변경 전의 물질과 상이한 굴절률을 가진다. 렌즈는 많은 특유의 특징들을 가지며, 그리고 이하의 특징들, 이하의 특징들 모두 또는 이하의 특징들의 조합 중 하나 이상을 가진다:
(ⅰ) 본체의 굴절률이 충분히 변경되어 본체의 디옵터 파워를 적어도 플러스 또는 마이너스 0.5 만큼(즉, 적어도 0.5의 양의 디옵터 파워 또는 -0.5 또는 그 이상, 예를 들어 -10의 음의 디옵터 파워) 변화시킬 수 있도록 하는 본체 내의 충분히 변경된 로커스;
(ⅱ) 비-변경 렌즈의 광학적 경로 길이 보다 0.1 내지 약 1 파동(wave) 만큼 더 긴 광학적 경로 길이를 가지는 적어도 일부의 변경된 로커스로서, 이때 파장은 555 nm의 파장의 빛에 대한 것이며;
(ⅲ) 변경된 로커스의 적어도 일부가 광학적 축선 주위의 실질적으로 원형인 패턴이 되고;
(ⅳ) 광학적 축선에 대해서 전체적으로 평행한 방향을 따라 전방 표면 상으로 투사되는 빛의 90% 이상이 적어도 하나의 변경된 로커스를 통과할 정도의 충분한 변경 로커스;
(ⅴ) 변경된 로커스의 적어도 일부가 적어도 5 ㎛의 높이 및 광학적 축선에 실질적으로 평행한 축선을 가지는 완전한(right) 원통형 형상이며;
(ⅵ) 전방 표면 및 후방 표면 모두가 실질적으로 평면적이고; 그리고
(ⅶ) 각각의 변경된 로커스가 5 내지 50 ㎛의 깊이를 가진다.
통상적으로, 본체의 제 1 층 내에는 1,000,000 또는 그 이상의 변경된 로커스가 존재하고, 그러한 제 1 층은 전방 표면에 대해서 실질적으로 평행하고, 상기 층의 두께는 약 50 ㎛이다. 환형 링 패턴이라고 지칭되는 변경된 로커스의 원형 패턴이 이용될 수 있다.
변경된 로커스가 희망하는 광학적 효과의 달성을 위해서 사용될 때, 그리고 보다 통상적인 구성이 사용되지 않을 때, 바람직하게 광학적 축선에 대해서 전체적으로 평행한 방향을 따라 본체의 전방 표면 상으로 투사되는 빛의 99% 이상이 적어도 하나의 변경된 로커스를 통과하도록 하는 충분한 로커스가 존재한다. 그에 따라, 렌즈에 의해서 제공되는 실질적으로 모든 광학적 효과가 변경된 로커스에 의해서 제공될 수 있다.
렌즈는 디옵틱 파워 조정을 제공할 수 있고, 그리고 또한 토릭 조정 및/또는 비구면 조정을 제공하기 위해서도 이용될 수 있다.
본원 발명의 이점은 렌즈의 본체가 약 50 내지 약 400 ㎛의 최대 두께 정도로 매우 얇게 제조될 수 있다는 것이고, 이는 안구내 렌즈의 경우에 안구의 후안방으로 용이하게 삽입될 수 있게 허용한다. 또한, 이는 종래의 안구내 렌즈를 설치할 때의 경우 보다 시술자가 눈을 보다 적게 절개할 수 있게 허용한다. 바람직하게, 본체의 최대 두께는 약 250 ㎛이다.
전방 표면 및 후방 표면 모두가 실질적으로 평면형인 본원 발명의 버전(version)의 이점은, 눈의 후안방 내에 안구내 렌즈를 배치할 때 간섭을 일으킬 수 있는 본체 상의 특징부들이 없다는 것이다.
통상적으로, 변경된 로커스는 약 5 내지 약 50 ㎛의 깊이를 가진다. 각각의 변경된 로커스는 1 내지 10 사이트(sites)를 가질 수 있고, 각각의 사이트는 통상적으로 단일 스폿(spot) 즉, 사이트에서의 단일 버스트 포커스(single burst focused)에서 약 100 적외선 레이저 펄스의 시퀀스에 의해서 형성된다. 변경된 로커스의 적어도 일부가 서로 접할 수 있다(contiguous).
변경된 로커스의 복수의 층이 존재할 수 있으며, 이때 각 층이 약 50 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 통상적으로, 층들은 서로 약 5 ㎛ 만큼 이격된다.
렌즈의 복수 층 버전에서, 제 1 층 내의 변경된 로커스의 적어도 일부가 비-변경 로커스의 광학적 경로 길이 보다 적어도 0.1 파장 만큼 더 긴 광학적 경로 길이를 가질 수 있으며, 이때 파장은 제 1 파장의 빛에 대한 것이다. 제 2 층은 비-변경 로커스의 광학적 경로 길이 보다 적어도 0.1 파장 만큼 더 긴 광학적 경로 길이를 가지는 변경된 로커스를 가질 수 있으며, 이때 파장은 제 1 파장과 적어도 50 nm 만큼 상이한 제 2 파장의 빛에 대한 것이다. 또한, 제 3 층이 존재할 수 있으며, 여기에서 광학적 경로의 편차는 제 3 파장의 빛에 대해서 적어도 0.1 파장이 되며, 여기에서 제 3 파장은 제 1 및 제 2 파장 모두에 대해서 적어도 50 nm 만큼 상이하다. 예를 들어, 제 1 층이 녹색광에 대한 것일 수 있고, 제 2 층이 적색광에 대한 것일 수 있으며, 제 3 층이 청색광에 대한 것일 수 있다.
본원 발명의 복수의 층의 버전에서, 제 1 층이 제 1 포커스 스폿에서 빛을 포커싱할 수 있다. 제 2 층은 제 1 포커스 스폿과 이격된 제 2 포커스 스폿에서 빛을 포커싱할 수 있으며, 그리고 추가적인 층들은 추가적인 부가의 스폿에서 빛을 포커싱할 수 있다.
통상적으로, 렌즈용 물질은 폴리머 매트릭스를 포함한다. 선택적으로, 바람직하게 물질의 적어도 0.01 중량%에 해당하는 양의 흡수재가 이용될 수 있고, 이때 그러한 흡수재는 레이저 비임의 파장의 빛에 대한 흡수재이다.
또한, 시스템은 렌즈를 형성하기 위해서 폴리머 디스크의 광학적 특성을 변경하는 장치를 포함한다. 그러한 장치는 펄스형(pilsed) 비임을 방출하는 레이저, 비임의 펄스 비율(rate)을 제어하기 위한 변조기, 비임을 디스크의 제 1 영역으로 포커싱하기 위한 포커싱 렌즈, 그리고 포커싱된 비임을 영역내의 복수의 로커스로 분배하기 위한 스캐너를 포함한다. 또한, 렌즈를 위한 홀더, 및 디스크를 이동시키기 위한 수단이 존재하며, 그에 따라 디스크의 복수 영역들이 변경될 수 있다. 바람직하게, 변조기는 반복 비율이 50 내지 100 MHz인 펄스를 생성한다. 레이저에 의해서 방출되는 펄스는 약 50 내지 약 100 펨토초의 지속시간을 가질 수 있고 그리고 약 0.2 nJ의 에너지 레벨을 가질 수 있다. 포커싱 렌즈는 5 ㎛ 미만의 스폿 크기로 포커싱하는 현미경 대물렌즈일 수 있다.
스캐너는 래스터(raster) 스캐너 또는 플라잉 스폿(flying spot) 스캐너일 수 있고, 그리고 래스터 스캐너의 경우에, 약 500 ㎛의 시계(field of view)를 커버한다.
또한, 시스템은 이들 렌즈를 형성하는 방법을 제공한다. 렌즈를 형성할 때, 광학 물질로 형성된 디스크가 유지되고, 그리고 레이저 비임을 이용하여 변경된 로커스를 유지 디스크 내에 형성한다.
그러한 방법은 레이저로부터 펄스형 비임을 방출하는 단계, 변조기를 이용하여 비임의 펄스 비율을 제어하는 단계, 렌즈의 제 1 영역에서 비임을 포커싱하는 단계, 상기 영역에서 포커싱된 비임을 복수의 로커스로 분배하는 단계, 그리고 디스크의 복수 영역에서 로커스를 변경하기 위해서 렌즈를 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.
그러한 방법 및 시스템은 또한 후안방 또는 전안방 내에 위치된 안구내 렌즈, 콘택트 렌즈, 또는 자연 수정체와 같은 렌즈의 광학적 특성을 변경하기 위해서 이용될 수 있다. 이는, 렌즈가 이식되기 전에 이용되는 변경 렌즈 형성을 위한 것과 동일한 과정을 이용하여, 렌즈에서 변경된 로커스를 형성함으로써 이루어질 수 있을 것이다. 하나의 차이점은, 신체내(in situ; 이식된) 렌즈는 여러 영역들을 변경하기 위해서 이동되지 못하고, 그 대신에 신체내 렌즈의 여러 영역들을 비추기 위한 장치의 포커싱 시스템이 사용된다는 것이다. 현장에서의 프로세싱 동안에, 안과 수술 중에 이용되는 통상적인 기술에 따라서 환자의 눈이 안정화될 수 있을 것이다.
본원 발명의 이러한 그리고 기타의 특성, 측면 및 이점들은 이하의 상세한 설명, 특허청구범위 및 첨부 도면으로부터 보다 잘 이해될 수 있을 것이다.
도 1a는 본원 발명의 특징들을 가지는 안구내 렌즈를 도시한 정면도이다.
도 1b는 도 1a의 평면도이다.
도 2는 변경된 로커스로 이루어진 2개 층을 가지는 안구내 렌즈의 본체의 일부를 도시한 도면이다.
도 3은 안구 내에 렌즈를 위치시킨 후에 층들의 일부가 형성되는 것을 도시한 것으로서, 변경된 로커스로 이루어진 복수 층을 구비하는 렌즈 본체를 도시한 도면이다.
도 4a는 구면 포커싱 효과를 생성하기 위해서 변경된 도 1의 렌즈의 하나의 층을 도시한 도면이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 층을 도시한 평면도이다.
도 4c는 구면 포커싱 효과를 생성하기 위해서 변경된 도 1의 렌즈의 층을 도시한 도면이다.
도 4d는 난시를 위한 디포커싱 자오선(meridian)을 제시하는 도 1의 렌즈의 층을 도시한 도면이다.
도 4e는 수평 자오선에서 도 4d의 렌즈의 층을 도시한 평면도이다.
도 5 및 도 6은 변경된 로커스를 형성하기 위해서 이용되는 원리를 도시한 도면이다.
도 7은 전술한 렌즈를 형성하기 위한 본원 발명에 따른 장치의 배치를 도시한 도면이다.
도 8은 도 7의 장치에서 유용한 알고리즘을 도시한 흐름도이다.
도 9는 렌즈를 형성하기 위해서 이용되는 물질 내에 포함되는 UV 흡수재의 영향을 나타낸 그래프이다.
도 10a는 변경된 로커스의 굴절률의 변화를 레이저 펄스 에너지의 함수로서 나타낸 그래프이다.
도 10b는 일정 펄스 에너지에서 레이저 비임 펄스의 수의 함수로서, 변경된 렌즈의 굴절률의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 11은 층형(layered) 래스터-스캔 방법을 이용하여 본원 발명에 따른 렌즈를 형성하는 것을 도시한 도면이다.
도 12는 층형 플라잉 스폿 스캐닝 방법을 이용하여 본원 발명에 따른 렌즈를 형성하는 것을 도시한 도면이다.
도 13은 굴절률 변화의 포인트 방식(point wise) 변경에 의해서 굴절 층 구조를 생성하기 위한 프로세스를 도시한 도면이다.
도 14는 자연 수정체가 현장에서 어떻게 변경되는지를 도시한 도면이다.
본원 발명에 따라서, 펄스형 레이저 비임을 생성하는 레이저 유닛을 이용하여 C-IPSM(Customized Intraocular Phase Shifting Membrane)라고 지칭되는 맞춤형 안구내 렌즈가 제조된다. 보다 구체적으로, 레이저 유닛은 50 MHz의 레이저 비임 펄스를 선택적으로 생성할 수 있고, 이때 각 펄스는 약 100 펨토초의 지속시간과 약 0.2 내지 약 1 나노주울의 에너지 레벨을 가질 수 있다. 본원 발명에서 구현된 바와 같이, 레이저 비임의 포커싱 스폿은 굴절률("n0")을 가지는 플라스틱 물질의 표면에 걸쳐서 이동한다. 이는 물질의 굴절률(Δn)의 변화 패턴을 생성함으로써 하위-표면(sub-surface) 층을 변경한다.
바람직하게 맞춤형 안구내 렌즈(C-IPSM)는 제 1 측면 및 제 2 측면을 가지고 상기 두 측면들 사이의 두께가 약 50 내지 400 mm인 플라스틱으로 이루어진 편평한 시트로부터 제조된다. 맞춤형 안구내 렌즈(C-IPSM)를 제조하는 동안에, 레이저 유닛이 단지 약 50 미크론 깊이의 하위-표면 층을 변경한다. 층 내의 변경된 물질의 층의 목적은 C-IPSM를 수용하는 환자의 광학적 수차를 보상하기 위한 것이다. 구체적으로, 이는 광학적 시스템(예를 들어, 눈)에 의해서 광선(light beam)으로 도입되는 광학적 수차를 보상한다.
플라스틱 시트 내에서 생성된 굴절률 변화의 패턴은 플라스틱 물질을 소정 방식으로 레이저에 의해서 생성된 전자적 붕괴(electronic disruption) 및 열에 노출시킴으로써 얻어진다. 특히, 이러한 굴절률의 변화는 레이저 비임을 물질 내의 연속적인 로커스들의 과잉부(plethora)에 연속적으로 포커싱함으로써 달성된다. 각 로커스에서의 결과는 스폿을 통과하는 빛에 대한 광학적 경로차(Optical Path Difference ;OPD)가 될 것이다. 주어진 물질(예를 들어, 플라스틱)의 경우에, 굴절률 변화(Δn) (예를 들어, Δn = 0.01)가 주어지고, 그리고 물질을 통한 거리(예를 들어 5 미크론)가 주어진다면, 파장(λ)의 빛에 대한 OPD(즉, 상 변화)가 얻어질 수 있을 것이다. 특히, λ/10의 OPD 가 각각의 5 미크론의 로커스 깊이에 대해서 설정될 수 있을 것이다. 그에 따라, 각 스폿에 대한 필요 굴절에 따라서, 스폿의 깊이가 5 내지 50 미크론이 될 것이다.
굴절률의 변화(Δn)의 양이 서로 다른 로커스 위치에서 달라질 수 있을 것이고, 예를 들어 가장 낮은 Δn = 0.001 로부터 가장 높은 Δn = 0.01이 될 수 있을 것이다. 필요한 굴절에 따라서, Δn = 0.001과 Δn = 0.01 사이의 값이 이용될 수 있을 것이고, 모듈로 2π 페이즈 래핑(phase wrapping) 기술을 이용할 수 있을 것이다.
소정 수의 레이저 버스트(bursts)(즉, 버스트의 수("i"))를 이용하여 레이저 유닛으로 각 로커스를 생성한다. 바람직하게, 각 버스트는 약 50 펄스를 포함하고 그리고 지속시간은 약 1 마이크로초가 된다. 각 버스트 중에, 물질의 실질적으로 원통형인 부피의 변화가 약 5 미크론의 깊이와 약 1 미크론의 직경을 통해서 발생된다. 그에 따라, 로커스는 하나 이상의 사이트, 통상적으로는 10 사이트를 포함한다. 일반적으로, 각 버스트는 파장의 약 1/10(λ/10)의 OPD를 초래한다. "i" 버스트의 경우에: OPD = i(x(λ/10))가 된다. 바람직하게, 본원 발명의 경우에, 로커스 깊이의 매 5 미크론에 대해서 약 λ/10의 변화가 있게 된다(즉, "i" 는 1 내지 10이 된다). 예를 들어, 0.3λ의 OPD를 생성하기를 원하는 상황이 있을 수 있을 것이다. 이러한 경우에, 레이저 유닛은 초기 버스트 동안에 20 미크론의 깊이에서 포커싱된다(즉, i = 3). 그 후에, 레이저 유닛은 2 차례 더 로커스에 재포커싱되며, 이때 레이저 비임의 포커싱 포인트는 각각의 후속 버스트에 대해서 5 미크론의 거리를 통해서 매번 후퇴된다. 수("i")는 로커스에서 요구되는 굴절의 양에 따라서 선택된다(예를 들어, i = 2에 대해서 0.2λ; 그리고 i = 7에 대해서 0.7λ). 로커스는 레이저 비임의 포커싱 포인트를 후퇴(withdrawing) 대신에 전진(advancing)시킴으로써 생성될 수 있다.
본원 발명의 다른 버전에 따라서, Δn의 변경을 채용할 때, 다양한 레이저 버스트 당(per) 펄스의 수를 이용하여 레이저 유닛으로 각 로커스를 생성한다. 각 레이저 버스트는 사이트를 생성하고, 로커스당 1 내지 10개의 사이트가 존재할 것이다. 바람직하게, 각 버스트가 5 내지 50 펄스를 포함하고 그리고 약 100 나노초 내지 1 마이크로초의 지속시간을 가진다. 각 버스트 중에, 물질의 실질적으로 원통형인 부피의 변화가 약 5 미크론의 깊이와 약 1 미크론의 직경을 통해서 발생된다. 일반적으로, 전술한 바와 같이, 각 버스트는 파장의 약 1/100(λ/100) 내지 파장의 1/10(λ/10)의 OPD를 초래한다. 그에 따라, 스폿마다 버스트 당 특정 수의 펄스를 유지함으로써, 예를 들어 하나의 특정 스폿에 대한 각각의 후속 위치에서 5 펄스를 유지함으로써, 소정 OPD, 본 예에서 10 X(λ/100)으로부터 초래되는, 파장의 1/10(λ/10)이 얻어진다. 펨토초 레이저 비임이 횡방향으로, 즉 플라스틱 박막의 표면에 평행하게 이동할 때, OPD의 변화는 로커스로부터 로커스까지(로커스 마다) Δn의 변화를 통해서 유발된다.
맞춤형 안구내 렌즈(C-IPSM)에 대한 희망하는 굴절 특성이 결정되면, 안구내 렌즈의 전방 표면의 형판(template)이 계산된다. 이어서, 이러한 정보가 제조 스테이션으로 전송되고 그리고 안구내 렌즈의 층들의 각 픽셀을 프로그램하는데 이용된다. 후속하여, 이러한 맞춤형 안구내 렌즈의 이식 후에, 입사 광이 의사패킥(pseudophakic) 안구 내의 광학적 성분에 의해서 굴절되어 눈의 망막에서 보다 개선된 이미지를 형성한다.
맞춤형 안구내 렌즈(C-IPSM)에 의한 입사 광의 굴절은 입사 비임 내의 개별적인 비임들의 광학적 경로 거리들이 서로 실질적으로 같은 것 처럼 보이게 한다. 이러한 방식에서, 적절한 측정 데이터로 확인된 의사패킥 눈의 굴절 수차를 해소하기 위해서, 이미지 정보를 전달하는 입사 비임이 맞춤형 안구내 렌즈(C-IPSM)에 의해서 보상된다.
맞춤형 안구내 렌즈(C-IPSM)의 마이크로-구조 표면 층의 광학적 기능과 관련하여, 맞춤형 안구내 렌즈(C-IPSM)의 기능의 다양한 변경을 위해서 몇 가지 굴절성 및 회절성 광학적 원리가 채용될 수 있을 것이다. 그러한 디자인들은 페이즈 래핑이 있거나 또는 없는 상태에서의 굴절, 그리고 회절성 페이즈("GRIN") 구조를 포함한다. 구면, 비구면, 수색성(achromatic), 바이포커싱(bifocal) 및 다중 포커싱 실시예들이 가능할 것이다.
렌즈
본원 발명의 특징들을 가지는 렌즈는 눈으로 이식되는 모든 타입의 렌즈가 될 수 있을 것이고, 예를 들어 콘택트 렌즈, 전안방 또는 후안방에 위치되는 안구내 렌즈, 및 각막 렌즈가 포함될 수 있을 것이다. 후안방에 배치된 IOLs는 종종 자연 수정체가 존재할 때 패킥이 될 수 있고 그리고 백내장 수술 등에 의해서 자연 수정체가 제거된 경우에 의사패킥이 될 수 있을 것이다. 본원 발명은 또한 현장에서 렌즈들을 변경하는데 유용할 수 있으며, 그러한 렌즈에는 전안방 내의 콘택트 렌즈, 후안방 또는 전안방 내의 IOLs, 자연 각막 및 자연 수정체와 같은 렌즈가 포함될 것이다.
도 1a 및 도 1b와 관련하여, 본원 발명의 특징들을 가지는 안구내 렌즈(10)가 전방 표면(14) 및 후방 표면(16)을 가지는 중심 디스크 형상의 본체(12)를 포함한다. 바람직하게, 전방 표면(14) 및 후방 표면(16) 모두가 실질적으로 평면형이고, 즉 그 표면들은 오목 또는 볼록 곡률과 같은 곡률을 가지지 않거나 또는 거의 가지지 않는다. 본원 발명의 기술을 이용함으로써, 평면형-평면형(plano-plano) 안구내 렌즈가 형성될 수 있다. 많은 통상적인 안구내 렌즈에서와 같이, 후안방 내에서 렌즈를 유지하기 위한 촉각부(haptics; 18)의 쌍이 제공될 수 있다.
"전방" 및 "후방"이라는 용어는 렌즈가 인간의 눈에 정상적으로 배치되었을 때의 렌즈의 표면을 지칭하며, 이때 전방 표면(14)은 외측을 향하고, 그리고 후방 표면(16)은 내측의 망막을 향할 것이다. 렌즈(10)는 광학적 축선(19)을 가지며, 그러한 광학적 축선은 빛이 렌즈(10)를 통해서 전파될 때 따르게 되는 경로를 규정하는 가상선이다. 도 1a 및 1b에 도시된 본원 발명의 버전에서, 광학적 축선(19)은 렌즈의 기계적인 축선과 일치하나, 이는 필수적인 것이 아니다.
이하에서 설명하는 바와 같이, 렌즈의 모든 광학적 효과가 본체(12) 내의 변경된 로커스에 의해서 제공되는 것이 바람직하지만, 종래의 방식으로, 예를 들어, 전방 표면, 후방 표면, 또는 양자 모두가 오목, 볼록 또는 복합 곡률과 같이 곡선화되게 함으로써, 교정 광학 효과를 얻을 수도 있을 것이다. 모든 광학적 교정이 본원 발명에 따른 변경된 로커스에 의해서 제공되는 것이 바람직하겠지만, 반드시 그러할 필요는 없을 것이다.
본원 발명의 특징들을 가지는 시력 교정을 위해서, 예를 들어, 근시(근거리-식별), 원시(원거리-식별), 및 난시에 대해서 사용될 수 있을 것이다. 렌즈는 비구면 또는 토릭일 수 있다.
렌즈(10)의 본체(12)는 광학적 물질로 제조되고, 그러한 광학적 물질은 눈에 이식하기 위한 렌즈를 제조하는데 적합한 현존 또는 미래에 개발될 모든 물질이 될 수 있을 것이다. 통상적으로, 그러한 물질은 폴리머이다. 본체(12)를 위해서 사용되는 물질은, 이하에서 설명하는 바와 같이, 레이저로 처리되었을 때 굴절률의 변화를 나타낸다.
그러한 물질의 비-제한적인 예에는 콘택트 렌즈 및 IOLs과 같은 안과용 기구의 제조에 이용되는 물질이 포함될 것이다. 예를 들어, 본원 발명은 실록시-함유 폴리머, 아크릴계 폴리머, 기타 소수성 또는 친수성 폴리머, 그들의 코폴리머, 및 그들의 혼합물에 적용될 수 있을 것이다.
광학적 물질로서 이용될 수 있는 실록시-함유 폴리머의 비-제한적인 예가 미국 특허 6,762,271; 6,770,728; 6,777,522; 6,849,671; 6,858,218; 6,881,809; 6,908,978; 6,951,914; 7,005,494; 7,022,749; 7,033,391; 및 7,037,954에 기재되어 있다.
친수성 폴리머의 비-제한적인 예에는 N-비닐필로리돈(vinilpyrrolidone), 2-히드로제실(hydroxy에틸) 메타크릴레이트, N,N-디메틸아크릴아미드, 메타크릴산, 폴리 폴리(에틸렌 글리콜 모노메타크릴레이트), 1,4-부탄에디올(butanediol) 모노비닐 에테르, 2-아미노에틸 비닐 에테르, 디(에틸렌 글리콜) 모노비닐 에테르, 에틸렌 글리콜 부틸 비닐 에테르, 에틸렌 글리콜 모노비닐 에테르, 글리시딜 비닐 에테르, 글리세릴 비닐 에테르, 비닐 카보네이트, 및 비닐 카바메이트(carbamate)의 유닛을 포함하는 폴리머가 포함된다.
소수성 폴리머의 비-제한적인 예에는 C.sub.l-C.sub.lO 알킬 메타크릴레이트 (예를 들어, 기계적 성질을 제어하기 위한 메틸 메타크릴레이트, 에틸 메타크릴레이트, 프로필 메타크릴레이트, 부틸 메타크릴레이트, 옥틸 메타크릴레이트, 또는 2-에틸헥실 메타크릴레이트; 바람직하게, 메틸 메타크릴레이트), C.sub.l-C.sub.lO 알킬 아크릴레이트 (예를 들어, 기계적 성질을 제어하기 위한 메틸 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, 프로필 아크릴레이트, 또는 헥실 아크릴레이트; 바람직하게, 부틸 아크릴레이트), C.sub.6-C.sub.4O 아릴알킬 아크릴레이트 (예를 들어, 굴절률을 높이기 위한 2-페닐에틸 아크릴레이트, 벤질 아크릴레이트, 3-페닐프로필 아크릴레이트, 4-페닐부틸 아크릴레이트, 5-페닐펜틸 아크릴레이트, 8-페닐옥틸 아크릴레이트, 또는 2-페닐에톡시 아크릴레이트; 바람직하게, 2-페닐에틸 아크릴레이트), 그리고 C.sub.6-C.sub.4O 아릴알킬 메타크릴레이트 (예를 들어, 굴절률을 높이기 위한 2-페닐에틸 메타크릴레이트, 3-페닐프로필 메타크릴레이트, 4-페닐부틸 메타크릴레이트, 5-페닐펜틸 메타크릴레이트, 8-페닐옥틸 메타크릴레이트, 2-페녹시에틸 메타크릴레이트, 3,3-디페닐프로필 메타크릴레이트, 2-(l-나프틸에틸)메타크릴레이트, 벤질 메타크릴레이트, 또는 2-(2-나프틸에틸)메타크릴레이트; 바람직하게, 2-페닐에틸 메타크릴레이트)의 유닛을 포함하는 폴리머가 포함된다.
바람직한 물질은 N-벤질-N-이소프로필아크릴아미드, 에틸 메타크릴레이트, 및 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트에 의해서 교차결합된 부틸 아크릴레이트로부터 제조된 친수성 아크릴계 폴리머이다.
물질은 벤조트리오졸의 아크릴계 유도체와 같은 자외선 차단재를 선택적으로 포함할 수 있다.
통상적인 IOL의 경우에, 본체(12)는 약 6 mm의 직경을 가지고 바람직하게 약 50 ㎛ 내지 약 400 ㎛, 보다 바람직하게 약 250 ㎛의 두께(20)를 가진다. 이러한 두께는 통상적인 IOL 보다 얇다. 후안방에 배치하기 위해서 렌즈(10)가 접혔을 때, 비교적 얇은 두께로 인해서, 시술자는 통상적인 렌즈 보다 적게 절개할 수 있을 것이다. 이는 환자의 안전성을 높여줄 수 있고, 그리고 수술후 회복시간을 줄일 수 있는 것으로 믿어지며, 그리고 수술에 의해서 유발되는 난시를 줄일 수 있을 것으로 믿어진다. 또한, 전방 표면 및 후방 표면이 평면형인 본원 발명의 버전에서, 렌즈를 삽입하기가 용이할 것이고, 그에 따라 일부 백내장 수술의 경우에 트라우마를 줄일 수 있을 것이다.
렌즈(10)에 의해서 제공되는 광학적 효과는 본체(12) 내의 변경된 로커스의 존재로 인한 것이며, 이때 변경된 로커스는 레이저에 의해서 형성되며, 그러한 레이저는 변경된 로커스가 변경 전의 렌즈 물질과 상이한 굴절률을 가지게 한다.
도 2는 렌즈 본체(12)의 전방 표면(14)에 전체적으로 평행한 2개의 이격된 평면형 층, 즉 상부 층(22) 및 하부 층(23)을 가지는 예시적인 렌즈 본체(12)의 일부를 도시한다. 층(22 및 23)은 바람직하게 50 ㎛의 두께를 갖는다. 각 층의 일부만이 도시되어 있으며, 그리고 예시적인 변경된 로커스는 상부 층(22)에 대해서만 도시되어 있다. 층(22)은 예시적인 연속적인 변경된 로커스(24a-24j)를 포함한다. 각 로커스(24)는 직경이 약 1 ㎛이고 축선이 렌즈의 광학적 축선(19)과 전체적으로 평행한 원통형 형상을 가진다. 각 로커스(24a-24j)는 레이저로부터의 단일 펄스에 의해서 형성된 하나 또는 둘 이상의 사이트(26)를 포함한다. 통상적으로, 각 사이트는 5 ㎛의 높이를 가지고, 그에 따라 변경된 로커스의 높이가 약 5 내지 50 ㎛가 된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 로커스(24a)는 10개의 사이트(26)를 포함하고, 로커스(24b)는 9개의 사이트를 포함하며, 이러한 것이 하나의 사이트를 포함하는 로커스(24j)까지 계속된다.
변경된 로커스 내에 존재하는 물질의 굴절률의 변화는 광학적 경로 길이의 변화를 초래한다. 특히, 각각의 변경된 로커스의 광학적 길이는 비-변경된 로커스의 광학적 경로 길이에 비교할 때, 선택된 파장의 빛에 대해서, 약 0.1 파동 만큼 증대된다. 일반적으로, 파장이 약 555 nm인 녹색광이 변경의 기초가 되는데, 이는 그러한 파장의 빛이 통상적으로 인간의 눈에 의해서 최적으로 수용되기 때문이다. 그에 따라, 각각의 변경된 로커스는 비-변경된 로커스의 광학적 경로 길이 보다 약 0.1 내지 약 1 파동 만큼 더 긴 광학적 경로 길이를 가지며, 이때 파장은 555 nm 파장의 빛과 관련된 것이다.
바람직하게, 광학적 축선(19)에 대해서 전체적으로 평행한 방향을 따라 렌즈(10)의 전방 표면(14) 상으로 투사되는 빛의 90% 이상이, 바람직하게는 99% 이상이 적어도 하나의 변경된 로커스를 통과하도록 충분한 변경 로커스가 존재한다.
도 3은 디스크와 유사한 평면형 외형을 나타내고 직경(62)이 약 6 mm이고 폭(64)이 약 500 ㎛인 박막-형상의 다층형의 마이크로-구조의 맞춤형 안구내 렌즈(10)를 도시한 도면이다. 마이크로-구조의 맞춤형 안구내 렌즈의 굴절 특성이 얇은 층(66 내지 88)들 내에 제공되고(inscribe), 그러한 얇은 층들의 두께는 통상적으로 50 ㎛가 된다. 초기에, 예를 들어, 깊이(65)에서, 후방 표면(16)과 평면(69) 사이의 후방 층이 생성된다. 그에 따라, 층(72, 74, 76, 78, 80, 82, 84, 86 및 88)이 마이크로-구조가 된다. 이식된 맞춤형 안구내 렌즈의 굴절 특성에 대한 생체내 미세-조정(tuning) 과정 중에 추가적인 층(66, 68 및 70)이 미세-구조화될 수 있고, 두께(67)를 가지는 평면(69)과 평면(71) 사이의 안구내 페이즈-시프팅 박막(phase-shifting membrane)을 커버링한다.
각 층(66-88)은 변경된 로커스를 포함하고, 그리고 통상적으로 1,000,000개 보다 많은 변경된 로커스를 포함하고 그리고 약 30,000,000 개 이하의 로커스를 포함하며, 그리고 통상적으로 각각의 층은 렌즈 본체(12)의 전방 표면(14)에 대해서 실질적으로 평행한 평면 내에 위치된다.
도 4는 다양한 광학적 효과를 달성하기 위해서 이용되는 변경된 로커스의 패턴을 도시한다. 도 4a 및 4b에 도시된 층은 약 +0.4 디옵터의 구면(spherical) 조정을 제공한다. 이러한 층은 광학적 축선(19)과 동심적이고 그리고 중심 영역(408)을 둘러싸는 3개의 환형 링(402, 404 및 406)을 포함한다. 그에 따라, 변경된 로커스는 광학적 축선에 대해서 동심적인 원형 패턴이 된다. 방사상으로 가장 바깥쪽의 링(402)의 외측 엣지는 광학적 축선(19)으로부터 3 mm 거리에 있는 r4 에 위치하고, 즉 본체(12)의 둘레 엣지에 위치한다. 제 2 링(404)의 외측 엣지는 광학적 축선(19)으로부터 2.5 mm 거리에 있는 r3 에 위치한다. 제 3 링(406)의 외측 엣지는 광학적 축선(19)으로부터 2 mm 거리에 있는 r2 에 위치한다. 외측 엣지(r1)의 중심 영역(408)은 1.4 mm가 된다. 각 링은 복수의 연속적인 변경된 로커스들로 이루어지고, 이때 각 로커스 내의 사이트의 수는 로커스가 광학적 축선(19)에 근접할수록 많아진다. 그에 따라, 제 1 링(402)의 외측 엣지에 위치하는 변경된 로커스는 하나의 사이트를 가지고, 그에 따라 높이가 약 5 ㎛가 되는 한편, 광학적 축선(19)에 가장 근접한 변경된 로커스는 10개의 사이트를 가지고, 그에 따라 높이가 약 50 ㎛이 된다.
도 4c에 도시된 층을 패턴닝하여 구면 포커싱 효과를 제공한다. 도 4a에서 볼 때, 이러한 층에서, 가장 내측의 링(406') 및 중심 영역(408')은 링(406) 및 중심 영역(408)과 각각 동일한 패턴을 가진다. 그러나, 방사상 내측에 위치한 변경된 로커스의 경우 보다 광학적 축선(19)으로부터 멀어질수록 로커스 내의 사이트가 더 많아진다는 점에서 반대되는 변경된 로커스들을 외측 링(402' 및 404')이 포함한다. 도 4c에 도시된 버전에서 r1, r2, 및 r3 가 도 4A에서와 동일하기 때문에, 도 4b의 평면도 역시 도 4c에 도시된 레이아웃에 적용될 수 있을 것이다.
도 4d는 렌즈의 수평 자오선에서 취해진 토릭시티(toricity) 및/또는 난시를 위한 변경된 로커스의 패턴을 도시한다. 이러한 버전에서, 모든 링(402", 404", 및 406"), 그리고 중심 영역(408")에서, 각각의 하나의 링 내의 변경된 로커스가 광학적 축선(19)에 근접할 수록 높이가 낮아지며, 그에 따라 수평 자오선에서 디포커싱 효과를 나타낸다.
도 4d의 층의 평면도가 도 4e에 도시되어 있으며, 도 4e에서는 도 4d에 도시된 층이 수평으로 배치되어 있다. 도 4d의 난시 연결 층(astigmatic connecting layer)의 수직 자오선은 도 4a에 도시된 것과 동일하다. 수평 자오선은 -0.4 디옵터 파워를 제공하고 수직 자오선은 +0.4 디옵터 파워를 제공한다. 45°의 대각선에서는, 굴절 효과가 제공되지 않는다.
도시된 층들의 여러 영역들 사이에는 매끄러운 전이부가 존재한다.
각각의 로커스는 약 1 ㎛ 단위의(in the order of) 매우 적은 직경을 가진다. 링의 외측부로부터 링의 내측부로의 전이부는 사이트들의 수에 따라 일정하게 계단식으로 감소될 필요는 없는데, 이는 서로 인접한 동일한 수의 사이트들을 가지는 복수의 변경된 로커스가 있을 수 있기 때문이다.
렌즈(10)에 의해서 제공되는 광학적 효과는 링들의 수를 변화시킴으로써 용이하게 증가 또는 감소될 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 4a에 도시된 렌즈들의 경우에, 각 링은 0.1 디옵터 파워를 제공하고, 그에 따라 도 4a에 도시된 렌즈는 0.4 디옵터 파워를 제공한다. 렌즈가 10의 디옵터 파워를 가지도록 하기 위해서, 각 링이 0.1 디옵터 만큼 기여하는 경우에, 렌즈는 약 100 개의 링으로 제조되어야 하고, 이때 링의 99개는 도 4a의 링(402, 404, 및 406)과 전체적으로 동일한 구성을 가질 것이며, 중심 링이 도 4a에 도시된 중심 링(408)의 구성을 가질 것이다. 그러나, 동일한 표면적 내에 보다 많은 링들이 있기 때문에, 각 링은 도 4a에 도시된 링들 보다 훨씬 좁은 폭을 가질 것이다.
도 5 및 도 6은 본원 발명의 특징을 위해서 사용될 수 있는 모듈로-2π 페이즈 래핑 기술의 원리를 도시한다. 구체적으로, 형성된 미세구조는 이웃하는 광선(ray)들의 어레이, 예를 들어 광선(542, 544 및 546)에서의 광학적 경로 길이의 편차를 보상하기 위해서 생성되며, 그에 따라 모든 연속적인 각각의 광선(542, 544 및 546)이 서로 동일 페이즈(동일 위상)에 있게 된다. 설명을 위해서, 각각의 연속적인 광선(542, 544 및 546)을 예로 간주한다.
도 5에서, 제 1 광선(542) 및 제 2 광선(544)의 사인파형 특성이 시간의 함수로서 도시되어 있다. 만약 광선(542 및 544)이 서로 동일 페이즈라면(도 5에 도시되지 않음), 제 2 광선(544)이 제 1 광선(542)의 상부에 중첩되는 것으로 도시될 것이다. 그러나, 도시된 바와 같이, 광선(542 및 544)은 서로에 대해서 위상을 벗어나고, 그리고 이러한 위상 편차가 페이즈 시프트(위상 천이; 590)로 도시되어 있다. 개념적으로, 페이즈 시프트(590)는 시간 상의 차이 또는 이동 거리의 차이로서 생각될 수 있을 것이다. 예를 들어, 시간의 특정 지점(592)에서, 제 1 광선(542)이 자유 공간 내에서 특정 위치에 있을 것이다. 그러나, 페이즈 시프트(590)로 인해서, 제 2 광선(544)은 시간의 후속 지점(594)에 도달할 때까지 동일한 위치에 있지 않게 된다. 도 5에 도시된 상황의 경우에, 그리고 제 1 광선(542)이 시간의 지점(592)으로부터 시간의 지점(596)까지 이동함에 따라 완전한 주기 또는 360°(2π 라디안)를 통과할 것이라고 가정할 때, 제 1 광선(542)과 제 2 광선(544) 사이의 페이즈 시프트(590)의 크기는 2π 보다 작을 것이다.
도 6에 도시된 제 1 광선(542) 및 제 3 광선(546)과 관련하여, 제 1 광선(542)에 대한 시간의 지점(592)은 제 3 광선(546)에 대한 시간의 지점(598)에 상응한다. 그에 따라, 제 1 광선(542)과 제 3 광선(546) 사이에 존재하는 전체적인 페이즈 시프트(604)는 2π 보다 크게 된다. 이해될 수 있는 바와 같이, 본원 발명의 경우에, 전체 페이즈 시프트(604)는 2π에 상당하는 모듈형 페이즈 시프트(500), 및 2π 보다 적은 개별적인 페이즈 시프트(502)를 실질적으로 포함한다. 이러한 표기법(notation)을 이용하여, 임의의 2개의 광선 사이의 전체 페이즈 시프트(604)가 2π에 상당하는 모듈형 페이즈 시프트(500) 및 2π 보다 적은 개별적인 페이즈 시프트(502), 소위 모듈로-2π 페이즈 시프트의 합으로서 표현될 수 있으며, 이때 상기 "n"은 정수이다. 그에 따라, 정수 "n"은 여러 값들(예를 들어, 0, 1, 2, 3, ...)을 가질 수 있고, 구체적으로 광선(544)(도 3a)의 경우에 n=0인 한편, 광선(546)(도 3b)의 경우에 n= 1 이다. 모든 경우에, 각 광선(544, 546)에 대한 전체 페이즈 시프트(604)는 기준으로서의 대응 광선(542)과 비교함으로써 결정된다. 이어서, 모듈형 페이즈 시프트(500)를 전체 페이즈 시프트(604)로부터 차감하여 특정 광선(544, 546)에 대한 개별적인 페이즈 시프트(502)를 획득할 수 있을 것이다. 그러나, 첫번째로, 전체 페이즈 시프트(604)가 결정된다.
도 4a를 참조하면, 각각의 로커스에서 모듈형 페이즈 시프트(500)(= nx2π)가 전체 페이즈 시프트(604)로부터 차감되어, 예를 들어 도 4a의 개별적인 페이즈 시프트(502)를 획득하고, 그러한 모듈형 페이즈 시프트(500)는 중심 구역에서 0 x 2π= 0 에 상당하고, 제 2 구역(r1 에서 r2)에서 1 x 2π에 상당하고, 제 3 구역(r2 에서 r3)에서 2 x 2π = 4π에 상당하며 그리고 제 4 구역(r3 에서 r4)에서 3 x 2π = 6π에 상당하게 된다. 개별적인 페이즈 시프트(502)(0 내지 2π, 0.1 내지 1.0 파동에 상응)가 로커스 내로 제공되고, 5 ㎛ 내지 50 ㎛ 깊이에 상당하게 된다(amounting).
그에 따라, 동공 축선으로부터의 거리에 따른 국부적인(local) 페이즈-시프트가 도시된 도 4a를 추가로 참조하면, 미세-구조의 맞춤형 안구내 렌즈에 의해서 부과된 바에 따라, 광학적 축선(19)에서, 1.0 파동과 동일한, 2π의 페이즈-시프트로부터의 변화가 방사상 위치(r1)에서 영(zero)이 된다. 미세-구조의 맞춤형 안구내 렌즈와 충돌하는 초기의 광선이 시준되어(collimated), 동일한 광학적 경로 길이를 가지는 개별적인 광선들을 나타내고, 평면형(planar)의 광학적 파동을 성형한다. 미세-구조의 맞춤형 안구내 렌즈를 통한 개별적인 광선들의 이동의 결과로서, 포커싱된 광학적 파동이 생성된다. 광학적 비임의 중심 부분에서, 반경(r1)에 의해서 제한된 면적 내부에서, 광학적 페이즈 시프트가 광학적 축선으로부터의 거리에 대해서 2차 방정식적으로(quadratically) 변화된다. 위치(r1)에서, 0.0 파동과 균등한 영의 페이즈-시프트가 실현된다. 반경(r1)으로부터 측방향으로 인접한 광선에는 1.0 파동과 균등한 2π의 페이즈-시프트가 적용되며, 그에 따라 모듈로 2π 페이즈 래핑 기술의 구역 경계부에서, 1.0 파동과 균등한 특징적인 2π의 페이즈-점프를 초래한다. 도 5와 관련하여, 그러한 2π 양 만큼의 페이즈 점프, 즉 각각의 2π의 배수는, 인접 광선과 관련하여, 하나의 전체 사이클 2π가 지연된 "다음 파동과의 중첩(catching the next wave)"으로서 가시화될 수 있을 것이다. 일반적으로, 방사상 위치(r1, r2, r3)의 각각에서, 국부적인 페이즈-시프트는 1.0 파동에 상응하는 2π 만큼 점프하는 반면, 이들 점프들 사이에서는 페이즈가 1.0 파동과 균등한 2π의 값으로부터 0.0 파동과 균등한 영으로 2차 방정식적으로 변화된다.
일반적으로, 본체의 디옵터 파워를 적어도 +0.5(+0.5 내지 +X) 또는 적어도 -0.5(-0.5 내지 -Y) 만큼 변화시킬 만큼 본체의 굴절률이 충분히 변경되도록 충분한 변경된 로커스가 존재하며, 이때 X 는 약 48이 될 수 있고 Y 는 약 15가 될 수 있다.
본원 발명의 다층 버전에서, 통상적으로 층들이 적어도 1 미크론, 바람직하게는 적어도 5 ㎛ 만큼 이격된다.
다층 버전에서, 여러 층들을 선택된 빛의 파장에 맞춰 최적화할 수 있을 것이다. 예를 들어, 제 1 층은 녹색과 같은 제 1 파장의 빛에 대해서 최적화될 수 있고, 제 2 층은 제 1 파장과 적어도 50 nm 만큼 상이한 적색광과 같은 제 2 파장에 대해서 최적화될 수 있으며, 그리고 제 3 층은 제 1 및 제 2 파장과 적어도 50 nm 만큼 상이한 청색광과 같은 제 3 파장의 빛에 대해서 최적화될 수 있다.
또한, 다양한 초점 스폿에서 포커싱하기 위해서 서로 다른 층들이 형성될 수 있을 것이다.
다수 층의 다른 용도는 단일 층에서 모든 시력 교정을 실행하는 대신에 하나의 층이 다수의 광학적 교정을 수행하도록 하는 것이다. 그에 따라, 제 1 층이 디옵터 조정을 제공하게 할 수 있고, 그리고 다른 층들은 토릭 조정 또는 비구면 조정과 같은 다른 광학적 교정을 제공하게 할 수 있을 것이다. 그에 따라, 제 1 층이 디옵터 조정을 제공할 수 있고, 제 2 층 로커스가 토릭 조정을 제공할 수 있고, 그리고 제 3 층이 비구면 조정을 제공할 수 있다.
렌즈 제조 및 변경을 위한 시스템
본원 발명은 광학적인 폴리머 물질상에 정확하게(tightly) 포커싱된 충분한 에너지의 매우 짧은 레이저 펄스를 이용하여 렌즈를 형성한다. 포커스 지점에서의 빛의 높은 강도는 광자의 비-선형 흡수(통상적으로, 다수-광자 흡수)를 초래하고 그리고 포커싱 지점에서의 물질의 굴절률의 변화를 유도한다. 포커싱 영역 바로 외측의 물질의 영역은 레이저 빛에 의해서 최소한으로 영향을 받는다. 따라서, 광학적인 폴리머 물질의 선택된 영역들이 레이저로 변경되고, 그에 따라 이들 영역 내에서 굴절률의 긍정적인 변화를 초래한다.
따라서, 광학적인 폴리머 물질의 선택된 영역들을 펄스 에너지가 0.005 nJ 내지 1000 nJ인 포커싱된 가시광선 또는 근적외선 레이저로 조사(照射)함으로써 렌즈들이 형성될 수 있다. 조사된 영역들은 산란 손실을 거의 또는 전혀 나타내지 않으며, 이는 조사된 영역 내에서 형성되는 구조들이 콘트라스트 보강이 없는 적절한 배율 배율하에서는 선명하게 보이지 않는다는 것을 의미한다.
이러한 방법에서 사용된 포커싱 레이저의 펄스 에너지는 조사되는 광학적 물질의 타입에, 얼마나 큰 굴절률 변화를 원하는지에, 그리고 물질 내에 인각(imprint)하길 원하는 구조의 타입에 부분적으로 의존한다. 또한, 선택되는 펄스 에너지는 구조가 광학적 물질 내로 라이팅되는(written) 스캔 비율(rate)에 의존한다. 통상적으로, 스캔 비율이 높을수록 보다 큰 펄스 에너지가 요구된다. 예를 들어, 일부 물질은 0.2 nJ 내지 100 nJ의 펄스 에너지를 필요로 하는 반면, 다른 광학적 물질은 0.5 nJ 내지 10 nJ의 펄스 에너지를 필요로 한다.
펄스 폭이 보존되며, 그에 따라 펄스 피크 파워가 광학적 물질의 비-선형 흡수 한계치(threshold; 역치)를 초과할 수 있을 정도로 충분히 강하게 된다. 그러나, 사용되는 포커싱 대물렌즈의 유리가 유리의 포지티브 분산(positive dispersion)으로 인해서 펄스 폭을 상당히 넓힐 수 있다. 보상 과정을 이용하여, 포커싱 대물렌즈(들)에 의해서 유도되는 포지티브 분산을 보상할 수 있는 대응하는 네거티브 분산을 제공한다. 따라서, 본원에서 "포커싱된"이라는 용어는 포커싱 대물렌즈(들)에 의해서 도입되는 포지티브 분산을 교정하기 위한 보상 과정을 이용하여 광학적인 폴리머 물질 내에서 레이저로부터의 빛을 포커싱하는 것을 지칭한다. 보상 과정은 둘 이상의 프리즘 및 하나 이상의 거울, 둘 이상의 회절 격자, 첩(chirped) 거울 그리고 포커싱 대물렌즈에 의해서 도입되는 포지티브 분산에 대한 보상을 위한 분산 보상 거울로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 광학적 배열체를 포함할 수 있다.
포커싱 대물렌즈를 포함하는 보상 과정을 이용하는 것은, 0.01 nJ 내지 100 nJ, 또는 0.01 nJ 내지 50 nJ의 펄스 에너지, 그리고 4 fs 내지 200 fs의 펄스 폭을 가지는 펄스를 생성할 수 있다. 때때로, 0.2 nJ 내지 20 nJ의 에너지 및 4 fs 내지 100 fs의 펄스 폭을 가지는 레이저 펄스를 생성하는 것이 유리할 수 있다. 그 대신에, 0.2 nJ 내지 10 nJ의 에너지 및 5 fs 내지 50 fs의 펄스 폭을 가지는 레이저 펄스를 생성하는 것이 유리할 수 있다.
레이저는 자외선으로부터 근적외선 복사선 범위의 파장을 가지는 빛을 생성할 수 있다. 여러 실시예들에서, 레이저의 파장은 400 nm 내지 1500 nm, 400 nm 내지 1200 nm 또는 600 nm 내지 900 nm 범위이다.
도 7은 변경된 로커스를 형성하기 위한 바람직한 장치(702)를 개략적으로 도시한다. 장치(702)는 레이저(704), 바람직하게는 2-양자 현미경에서 사용되는 것과 같은 펨토초 레이저, 제어 유닛(704), 스캐닝 유닛(708), 렌즈 디스크(12)용 홀더, 및 디스크(12)를 이동시키기 위한 이동 수단(712)을 포함하며, 그러한 장치 내에서 변경된 로커스가 형성된다. 적합한 레이저가 미국 캘리포니아 서니베일에 소재하는 Calmar Laser, Inc. 로부터 이용될 수 있다. 레이저에 의해서 방출되는 각각의 펄스는 약 50 내지 100 펨토초의 지속시간 및 약 0.2 nJ의 에너지 레벨을 가질 수 있다. 바람직하게, 레이저(704)는 780 nm의 파장에서 초당 약 5천만의 펄스 즉, 약 50 fs의 펄스 길이를 생성하고, 각 펄스는 약 10 nJ의 펄스 에너지를 가지며, 레이저는 500 mW 레이저이다. 방출된 레이저 비임(721)은 전환 거울(722)에 의해서 펄스의 주파수를 통상적으로 약 50 MHz 내지 100 MHz의 반복 비율로 제어하는 초음파광학(acustooptic) 변조기(724)를 통해서 지향된다. 통상적으로, 레이저 비임(721)은 레이저에 의해서 방출되었을 때 2 mm 의 직경을 가진다. 이어서, 레이저 비임(721)은 스캐닝 유닛(708)을 통해서 이동하고, 그러한 스캐닝 유닛은 펄스들을 복수의 비임들로 공간적으로 분포시킨다. 패턴은 래스터-스캔 패턴 또는 플라잉 스폿 패턴이 될 수 있다. 스캐닝 유닛(708)이 컴퓨터 제어 시스템(726)에 의해서 제어되어, 디스크(12) 내에서 원하는 형태의 변경된 로커스를 제공한다.
레이저로부터 방출된 비임(721)은 약 2 내지 2.5 nm의 직경을 가진다. 비임(721)은, 스캐너(708)로부터 빠져나온 후에, 변경된 로커스를 형성하기에 적합한 크기로, 통상적으로 직경이 약 1 내지 3 ㎛인 로커스를 형성하기에 적합한 크기로, 포커싱된다. 포커싱은 망원경식 렌즈 쌍(742 및 744), 및 현미경식 대물렌즈(746)로 이루어질 수 있으며, 이때 다른 전환 거울(748)이 비임을 렌즈 쌍으로부터 현미경식 대물렌즈로 지향시킨다. 포커싱 현미경식 대물렌즈는 작동 거리가 3.3 mm인 40 x/0.8 대물렌즈일 수 있다. 바람직하게 스캐닝 및 제어 유닛은 독일, 하이델베르그에 소재하는 Heidelberg Engineering으로부터 획득할 수 있는 Heidelberg Spectralis HRA 스캐닝 유닛이 될 수 있을 것이다.
스캐닝 유닛 내의 광학장치들은, 디스크(12) 또는 광학장치를 이동시킬 필요가 없이, 직경이 약 150 내지 약 450 ㎛인 영역이 변경될 수 있게 한다. 통상적으로, 50 ㎛ 두께의 단일 층이 약 1 분 이내에 영역 내에서 미세-구조화될 수 있다.
디스크(12)의 다른 영역을 변경하기 위해서, 이동 수단(712)을 이용하여 홀더(710)를 이동시킬 필요가 있다. 이동 수단(712)은 다양한 층들 내에서 변경된 로커스를 제공하기 위한 "z" 방향을 따른 이동, 그리고 동일한 깊이에서 다른 영역들을 처리하기 위한 "x" 및 "y" 방향을 따른 이동을 가능하게 한다. 이동 수단(712)은 통상적으로 직경이 6 mm인 안구내 디스크의 전체 직경을 커버하기 위한 정밀한 위치결정 시스템으로서 기능한다.
홀더(710)는 브라켓, 렌즈에 맞는 크기의 리세스들을 가지는 컨베이어 벨트, 렌즈를 위한 리세스들을 가지는 트레이, 및 원하는 굴절 패턴을 형성할 수 있을 정도로 안정적으로 렌즈를 홀딩할 수 있는 기타 구조물일 수 있다.
이동 수단은 x, y 및 z 방향을 따른 이동 즉, 3차원 이동을 제공하고, 통상적으로 모터에 의해서 구동되는, 모든 기계적인 구조물일 수 있다. 모터는 스텝퍼 모터일 수 있다. 통상적으로, 이동은 약 10 mm/초 이하로 이루어진다.
렌즈 제조 과정은 2-광자 현미경(래스터-스캔 또는 플라잉 스폿 스캔)의 하나의 스캔-필드(통상적으로, 450 ㎛ 직경)로부터 다음 스캔-필드까지 xyz-포지셔닝을 통한 스텝핑(stepping)을 이용한다. 2-광자 현미경은 깊이-스캔(depth-scan)을 제공한다. 통상적으로, 하나의 굴절층이 2-광자 현미경의 범위 내에서 완료될 수 있다. 그 대신에, 디스크(12) 내에서 보다 깊은 층까지의 연장된 도달거리(reach)를 제공하기 위해서, z-포지셔닝이 기계적인 z-포지셔닝에 의해서 제공된다.
제어 유닛(706)은 저장 메모리, 프로세서, 디스플레이, 및 마우스 및/또는 키보드와 같은 입력 수단을 포함하는 모든 컴퓨터도 될 수 있을 것이다. 제어 유닛은, 스캐닝 유닛(708)으로 그리고 필요한 경우에 이동 수단(712)으로 제어 명령을 제공함으로써, 디스크(12) 내에 변경된 로커스의 희망 패턴을 제공하도록 프로그램된다.
디스크를 형성하기 위한 예시적인 프로그램이 도 8에 도시되어 있으며, 이때 비임은 정지상태로 유지되고(즉, 스캐너가 이용되지 않는다) 그리고 타겟 디스크가 기계적으로 이동된다. 프로그램이 시작될 때, 단계(801)에서 사용자가 희망 렌즈를 선택하도록 제시된다(prompted). 다음에, 단계(802)에서, 사용자는 레이저 펄싱 동안에 디스크(12)를 스캐닝하기 위한 희망 속도를 제공한다. 이러한 속도가 안전한 속도라고, 즉 통상적으로 초당 4 mm 이하의 이동 속도라고 컴퓨터가 결정하였을 때에만, 프로그램이 단계(803)에서 입력을 수용한다. 다음에, 단계(804)에서, 프로그램은 최대 파워를 이용하도록 레이저를 셋팅하고, 그리고 계속할 것인지를 사용자가 확인할 수 있게 제시한다. 이러한 단계에서, 프로그램은 단계(805) 이전에 렌즈 기록(writing; 이하 '라이팅' 이라고도 함)을 피할 수 있는 마지막 기회를 사용자에게 제공한다. 만약 사용자가 기록 중단을 선택한다면, 프로그램이 종료된다. 그렇지 않다면, 프로그램은 단계(806)에서 로그 파일을 변경하여 레코드 유지 및 진행을 위한 적절한 변수들을 리코딩한다(record).
레이저는 x 및 y 방향 중 하나의 극단 위치에서 시작하고, 그러한 극단 위치는 홈(home) 위치를 구성한다. 변경된 렌즈 내의 각 층이 사이트의 두께와 동일한 깊이의 미니층(minilayers)의 스택으로서 생각될 수 있을 것이다. 주어진 미니층에서, 레이저는 하나의 차원(예를 들어, x)을 가로질러 전진하고, 이때 다른 2개(예를 들어, y 및 z)는 일정하게 홀딩하며, 그에 따라 일련의(시리즈의) 사이트를 라이팅한다. 단계(807)에서 현재의 시리즈의 시작 지점을 구성하는 격자 위치를 탐지함으로써, 프로그램이 각 시리즈를 시작한다. 다음에, 프로그램은 단계(808)에서 적절할 때 해당 시리즈를 라이팅한다. 프로그램이 주어진 시리즈의 외측 범위까지 레이저를 스캐닝하였을 때, 단계(809)에서, 시리즈가 완료되었다는 것을 반영하기 위해서 로그 파일을 수정한다. 이어서, 단계(810)에서, 프로그램은 후속 시리즈에 형성 작업을 하여야 하는지를 결정하기 위해서 명령어 입력을 요청한다. 이러한 프로세스는 주어진 미니층 내의 모든 변경된 로커스의 시리즈가 형성될 때까지 계속된다. 새로운 시리즈가 준비될 필요가 있을 때는, 새로운 시리즈(807)를 시작하기 위해서 프로그램이 제 2 변수(예를 들어, y)를 진행시키고 그리고 제 1 차원(예를 들어, x)을 리셋한다. 레이저가 미니층의 모든 격자 위치를 가로질러 스캐닝하는 것이 종료되고, 각각에 대해 연속적으로 이루어진 것으로 간주되며, 그리고 시리즈들이 라이팅되면, 적절한 때에, 프로그램은 해당 미니층에 대한 라이팅을 완료한다. 이어서, 스캐너는 단계(811)에서 제 1 및 제 2 차원을 최초 위치로 리셋하고, 그에 따라 레이저를 홈 위치로 복귀시킨다. 단계(812)에서, 프로그램은 로그 파일을 업데이트하여 층이 완료되었다는 것을 보여준다.
이어서, 단계(813)에서, 프로그램은 사용자가 희망하는 렌즈를 획득하기 위해서 다른 미니층들이 필요한지의 여부를 결정하기 위한 문의를 한다. 만약, 다른 미니층들이 필요하다면, 프로그램은 제 3 차원(예를 들어, z)을 진행하고 그리고 전술한 프로세스를 반복하여, 새로운 층(817)의 제 1 라인에 대한 제 1 격자 위치를 탐지하는 것으로 작업을 시작한다. 만약 더 이상의 미니층이 필요하지 않다면, 프로그램은 단계(814)에서 총 3개의 차원에 대한 최초의 홈 위치로 레이저를 복귀시킬 것이고, 단계(815)에서 라이팅이 완료되었다는 것 그리고 시스템 타임 모두를 반영하는 로그 파일을 변경하며, 실행을 종료한다. 통상적으로 1 내지 10개의 미니층을 가지는 층이 완료되면, 작업이 필요한 임의의 부가적인 층이 동일한 프로세스를 이용하여 작업될 수 있을 것이다. 운영 프로그램에서, 스캐너(708)의 포커싱 지점이 z 방향(깊이)으로 이동되어 보다 깊은 사이트를 형성할 수 있을 것이다. 일반적으로, 동일한 깊이에서 모든 사이트들이 형성되고, 그리고 이어서 층 내의 다음 깊이에서 모든 사이트들이 형성되며, 이는 층 내의 모든 사이트들이 완료될 때까지 계속된다.
저장 메모리는 리드-온리 메모리(ROM), 랜덤 억세스 메모리(RAM), 자기 디스크 저장 매체, 광학적 저장 매체, 플래시 메모리 소자 및/또는 기타 정보 저장을 위한 기계-판독형 매체를 포함하는 데이터 저장을 위한 하나 또는 둘 이상의 장치일 수 있다.
제어는 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 미들웨어, 마이크로코드, 또는 이들의 조합에 의해서 실행될 수 있을 것이다. 소프트웨어, 펌웨어, 미들웨어 또는 마이크로코드에서 실행될 때, 필요 작업을 수행하기 위한 프로그램 코드 또는 코드 세그먼트가 저장 매체 또는 기타 저장부(들)과 같은 기계-판독형 매체 내에 저장될 수 있다. 프로세서는 필요 작업을 수행할 것이다. 코드 세그먼트는 과정, 기능, 서브프로그램, 프로그램, 루틴, 서브루틴, 모듈, 소프트웨어 패키지, 클래스(class), 또는 명령들이 조합, 데이터 스트럭쳐 또는 프로그램 스테이트먼트(statements)를 나타낼 수 있다. 코드 세그먼트는 정보, 데이터, 아규먼트(argument), 파라미터, 또는 메모리 컨텐츠를 통과 및/또는 수신함으로써 다른 코드 세그먼트 또는 하드웨어 회로에 커플링될 수 있을 것이다. 정보, 아규먼트, 파라미터, 데이터 등이 메모리 공유, 메시지 통과(passing), 토큰(token) 통과, 네트워크 전달 등을 포함하는 적절한 수단을 통해서 통과되거나, 진행되거나, 또는 전달될 수 있을 것이다.
선택적으로, 어댑티브-옵틱 모듈(AO-모듈)을 이용하여, 이미지 선명도 및 포커싱 깊이와 관련하여, 굴절 교정의 효과를 시뮬레이팅할 수 있을 것이다. 어댑티브-옵틱 모듈은 페이즈-포인트 보상기, 및 레이저(704)에 의해서 생성된 개별적인 광선들을 미리-보상하기 위한 목적의 능동(active) 거울로 구성될 수 있다. 광선에서의 비대칭적인 수차를 보상하기 위한 어댑티브-옵틱 장치가 본 출원인 명의의 미국 특허 7,611,244 에 기재된 발명에 대해서 이용될 수 있을 것이다. 어댑티브-옵틱 피드백 제어를 이용하여 인간의 굴절 특성을 미리-보상하기 위한 장치 및 방법이 본 출원인 명의의 미국 특허 6,155,684 에 기재되어 있다. 능동 거울의 이용은 본 출원인 명의의 미국 특허 6,220,707 에 기재되어 있다.
2-광자 신호에 대한 광학적 해상도(Δxy, Δz)는: 2 Δxy=2x(0.325λ)/(NA0.91)=622nm(l/e2 직경), Δz=2x0.532λxl/(n-√n2-NA2)=3102nm (NA=개구수(Numerical Aperture), 예를 들어, 0.8)에 상당한다. 이는 사이트 크기를 산출한다.
래스터-스캔 모드에서의 통상적인 스캔-필드는: 150㎛ 시계(field of view): 5 Hz에서 1536x1536 픽셀 또는 10 Hz에서 786x786 픽셀; 300㎛ 시계: 5 Hz에서 1536x1536 픽셀 또는 9 Hz에서 786x786 픽셀; 450㎛ 시계: 5 Hz에서 1536x1536 픽셀 또는 9 Hz에서 786x786 픽셀에 상당한다.
변경된 로커스를 형성하는 동안의 품질 제어를 위해서, 레이저를 이용하여 렌즈 물질의 자연형광(autofluorescence)으로부터 빛을 생성할 수 있을 것이다. 변경된 로커스는 비-변경 물질 보다 더 많은 형광을 생성한다. 방출된 형광 빛의 적절한 증가가 탐지되지 않는다면, 이는 변경된 로커스를 형성하기 위한 프로세스가 적절하게 진행되지 않는다는 것을 나타낸다. 자체형광을 탐지하기 위한 적합한 시스템이 본원과 동일자로 출원된 본 출원인 명의의 계류중인 "System for Characterizing A Cornea And Obtaining An Ophthalmic Lens", (attorney docket 19330-1)라는 명칭의 미국 특허출원 12/717,866의 도 7에 도시되어 있다. 또한, 탐지된 자체형광은, 변경된 로커스가 기준 위치를 가진다는 것을 이용하여, 추가적인 로커스 형성을 위해서 현미경식 대물렌즈(746)로부터 레이저 비임의 시스템의 포커싱 지점을 위치결정하는데 이용될 수 있을 것이다.
렌즈 디자인을 위한 통상적인 기술을 이용하여, 임의의 특정 환자를 위해서 렌즈(10)에 의해서 제공되는 광학적 효과를 결정할 수 있을 것이다. 그러한 기술의 예가 미국 특허 5,050,981 (Roffman); 5,589,982 (Faklis); 6,626,535 (Altman); 6,413,276 (Werblin); 6,511,180 (Guirao 등); 그리고 7,241,311 (Norrby 등)에 기재되어 있다.
선택적으로, 레이저 비임 파장의 빛에 대한 흡수재를 디스크에 포함시켜 변경된 로커스를 형성하는데 필요한 에너지의 양을 감소시킬 수 있다. 이러한 목적을 위해서 이용되는 에너지가 적을수록 바람직할 것인데, 이는 과다 에너지에 노출되면 본체(12) 내에서 균열이나 기타 바람직하지 못한 기계적인 변화가 발생될 수 있기 때문이다. 레이저(704)와 함께 사용될 수 있는 예시적인 UV 흡수재로는 2-(5-클로로-2-H-벤조트리아졸-2-일)-6-(l,l-디메틸-에틸)-4-(프로피에닐옥시프로필)페놀과 같은 벤조트리오졸의 유도체, 그리고 3-비닐-4-페닐아조페닐아민과 같은 벤조페놀 유도체가 있으며, 이는 390 nm 파장을 흡수하는 황색 염료(dye)이다.
바람직하게, 제공되는 UV 흡수재의 양은 렌즈 본체(12)를 형성하기 위해서 이용되는 물질의 0.01 중량% 이상, 그리고 약 1 중량% 이하이다.
도 9에서, 방향족 UV-흡수재의 농도(5)에 따른, 플라스틱 물질에서 영구적인 구조적 변화를 획득하기 위한 한계 에너지(I)(nJ)가 도시되어 있다. 통상적인 특성은 한계 에너지가 UV-흡수재에 크게 의존한다는 것을 보여주고, UV-흡수재의 농도로 국부적인 영구적 변화를 개선한 것을 보여주는데, 이는 780 nm인 기준 입사 펨토초 레이저 펄스 파장의 절반인 390 nm에서의 2-광자 흡수 프로세스의 증대된 실현성(probability) 때문이다. 플라스틱 호스트(host)의 분자들의 국부적인 상호작용은 플라스틱 물질의 국부적이고 부분적인 마이크로-결정화를 초래하여, 굴절률(n)의 증가(Δn)를 제공한다. 상업적인 안구내 렌즈 물질로서 이용될 때, 0.8% 의 UV-흡수재의 농도에서, 약 0.1 nJ의 한계 에너지가 필요하다. 대조적으로, 도핑되지 않은(undoped) 벌크 플라스틱 물질에서는, 약 1 nJ의 한계 에너지가 필요하다. 이렇게 기술된 한계 에너지들은 약 1 ㎛ 직경의 스폿크기를 기초로 한 것이며, 각각 약 0.01 J/cm2 및 0.1 J/cm2 의 한계 레이저 플루언스(fluence)를 제공한다.
도 10은 펨토초 레이저 펄스를 이용하여 플라스틱 물질의 굴절률을 변화시키기 위한 레이저-물질 상호작용 프로세스를 도시한다. 도 10a에서, 굴절률의 변화(Δn)가 펄스 에너지의 함수로서 도시되어 있고; 도 10b에서, 굴절률의 변화(Δn)가 일정 펄스 에너지(예를 들어, 0.2 nJ)에서 포커싱 면적 내의 펄스의 수를 함수로 하여 도시되어 있다. 도 10a에서의 곡선(1050)은 펄스 에너지가 0.1 nJ으로부터 8nJ으로 증가함에 따라, 굴절률(n)의 변화(Δn)가 약 0.1%로부터 약 1.0%로 증대되는 것을 나타낸다. 굴절률(n)의 측정가능한 변화(Δn)의 초기 발생에 대한 한계치(역치)는 곡선(1050)의 위치(1052)에 표시되어 있으며; 약 0.8 J/cm2 의 레이저 플럭스에 상응하는 약 8 nJ의 펄스 에너지 레벨에서, 플라스틱 물질의 포토(photo) 붕괴에 대한 한계에 도달하고, 결과적으로 부수적인 물질의 손상 및 불투명화(opacification)를 초래하여, 플라스틱 물질을 통해서 전달되는 빛이 바람직하지 못하게 산란되어 손실되기 쉽게 된다. 곡선(1050)에서 볼 수 있는 바와 같이, 가능한 펄스 레이저 에너지의 범위는 0.05 nJ로부터 8 nJ까지 두 자릿수(two order of magnitude)에 걸쳐 펼쳐지고, 그에 따라 상기 범위의 아래쪽 끝에서 즉, 약 0.2 nJ의 펄스 에너지에서 이루어지는 제조 프로세스의 안전 작업이 가능해진다. 도핑되지 않은 플라스틱 물질에서, 대응 제조 프로세스에 대한 안전 범위는 대략적으로 한 자릿수에 걸쳐서만 펼쳐진다. 또한, UV-흡수재의 함입에 의해서 가능해진 낮은 펄스 에너지는 물질 성질의 특히 매끄러운(smooth) 변경을 가능하게 하고, 이는 매우 낮은 빛 산란 손실을 안구내 페이즈-시프팅 박막에 제공한다. 도 10b에서, 곡선(1060)으로부터, 포커스 부피 내에서의 약 50 레이저 펄스의 누적 효과가 1% 차수(order)의 굴절률 변화(Δn)를 초래한다는 것을 확인할 수 있으며, 그러한 변화는 50 ㎛ 두께의 플라스틱 물질 층에서 1.0 파동의 광학적 경로 길이 편차(OPD=(Δn) x 두께)를 달성하기에 충분하며, 따라서 0.2 nJ의 낮은 펄스 에너지를 선택할 수 있다.
도 11에는, 스캐닝 유닛(708)이 래스터-스캔 패턴을 제공하는 안구내 페이즈-시프팅 렌즈의 제조 프로세스가 예시적으로 도시되어 있다. 프로세스는 10개의 인접한 미니층들의 연속적인 배치를 나타내고, 조밀하게 이격된 래스터-스캔 패턴을 포함하는 각각의 필드가 도시되어 있다. 래스터-스캔 미니층(1176, 1178, 1180, 1182, 1184, 1186, 1188, 1190, 1192, 및 1194)이 x-(l172) 및 y-(l174) 좌표 시스템에 도시되어 있고 그리고 약 50 ㎛의 두께(1202)에 걸쳐 연장하며, 이때 각 미니층은 약 5 ㎛에 상응한다. 개별적인 미니층들의 측방향 크기는 통상적으로 x(1198) 및 y (1199) 차원에 대해서 150 ㎛ 내지 450 ㎛ 사이에서 변화되고, 그에 따라 스폿마다 1 ㎛ 직경의 포커싱 부피에서 레이저 펄스의 오버레이(overlay)의 10의 인자 만큼의 변화를 허용한다. 표면(1996)은 층의 단부이다.
도 12에는, 스캐닝 유닛(708)이 층형 플라잉 스폿 패턴을 제공하는 안구내 페이즈-시프팅 렌즈의 제조 방법이 도시되어 있다. 예로서, 10개의 정확하게(tightly) 이격된 원형 스캔의 연속적인 배치가 도시되어 있다. 원형 스캔(1216, 1218, 1220, 1222, 1224, 1226, 1228, 1230, 1232, 및 1234)의 스택(1210)이 x(1212) 및 y(1214) 좌표 시스템에 도시되어 있고 그리고, 약 50 ㎛의 두께(1238)에 걸쳐 연장하며, 이때 개별적인 원형 스캔들 또는 미니층들 사이의 거리는 약 5 ㎛에 상당하게 된다. 원형 스캔의 직경(1236)이 몇 미크론 내지 약 450 ㎛으로 적게 형성될 수 있고, 그에 따라 분해가능(resolvable) 스폿 마다의 레이저 펄스의 오버레이의 양이 넓은 범위에 걸쳐 변화될 수 있다. 스캔 라인의 길이를 변하시킴으로써, 라인 마다의 스폿의 시퀀스의 속도가 필요에 따라서 선택될 수 있다. 개별적인 스캔 라인이 다양한 형상을 나타낼 수 있다. 가장 작은 스캔 디테일(detail)의 해상도(resolution)가 약 1 ㎛ 직경의 2-광자 현미경의 해상도 한계와 일치할 수 있는 반면, 래스터-스캔 과정은, 도 11과 관련하여 설명된 바와 같이, 2-광자 현미경의 가장 작은 래스터 스캔 필드에 의해서 주어지는 약 150 ㎛의 해상도로 제한된다. 실제 용도에서, 안구내 페이즈-시프팅 박막의 제조 프로세스는 우호적인(complimentary) 방식의 듀얼 스캔-시스템에 의해서 달성된다: 프로세스의 벌크 부분이 시간-최적화 래스터 스캔 방법으로 실시되는 한편, 필요한 굴절 특성을 가지는 미세한 디테일들은 고유의 높은 공간 해상도를 가지는 플라잉 스폿 스캐너로 실시된다.
도 13에서, 포인트 방식으로 변동하는 굴절률 변화(Δn)에 의해서 굴절 층을 생성하는 것이 도시되어 있다. 일반적으로, 굴절 구조물이 안구내 페이즈-시프팅 렌즈 본체(12) 내의 직사각형 형상의 층 내에 포함된다. 도 13에서, 안구내 페이즈-시프팅 격막 장치의 일부가 도시되어 있으며, 이는, 예를 들어, 폭이 각각 150 ㎛, 300 ㎛, 및 450 ㎛인 3개의 이웃하는 스트라이프(stripes)(1344, 1348, 1350, 및 1384)로 구성된다. 본체(14)의 영역의 전체적인 치수들은 900 ㎛의 폭(1340) 및 50 ㎛의 두께(1342)에 상당한다. x-방향 및 y-방향을 다른 스캔 라인 당 표준 픽셀 수가 1536 X 1536 픽셀로 선택되고, 스캔-라인(1346, 1350, 및 1354) 당 펄스의 밀도는 미크론 당 10 펄스, 미크론 당 5 펄스, 그리고 미크론 당 3 펄스에 각각 상당하며, 그에 따라 스폿 당 100 펄스, 스폿 당 25 펄스 및 스폿 당 9 펄스의 2-차원적인 오버레이 인자를 각각 제공한다.
현장 변경
전술한 것과 실질적으로 동일한 방법 및 장치를 이용하여 이식된 현장에서 렌즈를 변경할 수 있다. 이는 안구내 렌즈, 각막 렌즈 각막 콘택트 렌즈, 및 자연 수정체를 포함한다. 대부분의 경우에, 렌즈는 이미 광학적 특성, 예를 들어, 디옵틱 파워, 토릭시티 및/또는 비구면도를 가진다. 이러한 방법은 렌즈를 미세 조정하는데 유용하고, 그리고 라식 수술에 대한 대안을 제시한다.
현장 변경을 위해서, 렌즈 홀더(710) 또는 렌즈 이동 수단(712)을 제외하고, 도 7의 장치가 사용된다. 포커싱 시스템에 의해서 제공되는 변경 범위(field of modification)가 변경되는 렌즈의 일부만을 커버하는 범위 내에서, 포커싱 시스템은 부가적인 영역들에서 포커싱하도록 변화될 수 있다. 도 14를 참조하면, 자연적인 렌즈의 직경이 약 6 mm인 층(1410)이 도 7의 장치를 이용하여 변경될 수 있을 것이다. 층(1410)은 변경된 로커스를 포함하고, 각각의 변경된 로커스는 1 내지 10 개의 사이트를 가진다. 통상적으로, 직경이 약 2 mm인 영역들이 하나의 스캔 필드로서 변경된다. 이어서, 추가적인 영역을 변경하기 위해서, 도 7의 장치의 렌즈 시스템이 후속하여 이동된다. 각 영역은 하나 또는 둘 이상의 변경된 로커스의 평면들을 가질 수 있다.
예를 들어, 각막을 변경함으로써, 살아 있는 사람의 눈에서 맞춤형 굴절 교정을 달성하기 위해서 맞춤형 렌즈 디자인 및 현장형 변경의 개념을 이용할 수 있다. 본원 명세서에 기재된 방법을 이용하여 인간의 각막 내에서 굴절층을 생성하는 것이 정립될 수 있을 것이다. 예를 들어, 콜라겐 조직 내의 1%의 굴절률 변경을 가정할 때, 각막의 전방 기질(stroma) 내부의 50 ㎛ 두께의 층만 노출시키면 +/- 20 디옵터까지의 굴절 교정을 충분히 할 수 있을 것이다. 바람직하게, 변경된 로커스 층의 시리즈가 각막 표면 아래쪽으로 100 ㎛ 내지 150 ㎛에 위치된다. 토릭 및/또는 비구면 굴절 오류의 교정, 및 보다 큰 차수의 광학적 수차에 대한 교정이 달성될 수 있다. 필요한 교정을 계산하는 것이, 소위 당업계에 공지된 기술에 의해서, 또는 전술한 본 출원인의 계류중인 미국 특허출원 12/717,866(Attorney Docket 19330-1)에 기재된 기술에 의해서, 맞춤형 IOL-디자인의 경우와 유사하게 이루어질 수 있다. 현장형 조직 변경 프로세스는 2-광자 현미경(704)에 의해서 도움을 받을 수 있고, 그에 따라 여러 가지 각막 조직들의 자체형광 이미징을 기초로 온라인 절차 제어를 제공할 수 있다.
폴리머 렌즈 물질과 대조적으로, 각막 조직은 균일하지 않다. 각막의 구조는 2-광자 현미경에 의해서 육안으로 확인될 수 있으며, 형광 및 제 2 하모닉 제너레이션(second harmonic generation ;SHG) 이미징 모드를 이용할 수 있을 것이다.
도 14에서, 인간의 수정체의 전방부 내부에 굴절 층을 형성하는 것이 도시되어 있다. 바람직하게, 전방 렌즈 캡슐 아래쪽으로 약 10 ㎛에 위치하는 층(1410)이 선택된다. 렌즈 조직을 변경하기 위한 적용(application)은, 특히 근거리 시력을 보강하기 위해서 또는 근시(근거리 식별) 또는 원시(원거리 식별) 및 난시(토릭시티)를 교정하기 위해서, 노안인 사람 눈에서의 다중 포커싱(multifocalities)에 적합하다.
각막 및 렌즈 조직의 현장 변경은 결국 라식-수술, 굴절 렌즈 교환(refractive lens exchange ;RLE) 시술 및 패킥 렌즈 시술을 대체할 것으로 믿어지며, 그에 따라 비-절개형, 친환자적인 대안을 제공할 것으로 믿어진다.
본원 발명의 바람직한 버전을 참조하여 본원 발명을 구체적으로 설명하였지만, 다른 버전도 가능할 것이다. 그에 따라, 특허청구범위는 본원 명세서에 포함된 바람직한 버전의 설명으로 제한되지 않아야 할 것이다.

Claims (16)

  1. 인간의 눈에 배치하도록 된 크기의 렌즈의 광학 특성을 변경하는 방법으로서,
    a) 상기 렌즈가 눈에 이식되기 전에 눈의 외측에 렌즈를 유지하는 단계로서, 상기 렌즈는 전방 표면과 후방 표면과 광학적 축선을 갖고, 제1 굴절률을 갖는 광학 물질로 형성되는 것인, 유지 단계; 및
    b)복수의 인접한 로커스의 각 로커스 상에 포커싱된 펄스형 레이저 비임을 광학적으로 분배함으로써 렌즈의 층에서 복수의 인접한 로커스를 변경하여 렌즈의 층 내에 인접한 3차원 패턴형 미세 구조를 형성하는 단계로서, 각각의 변경된 로커스의 광학 물질에 의해 광자의 비선형 흡수를 유발시켜 상기 변경된 로커스의 광학 물질이 변경 전의 광학 물질과 상이한 제2 굴절률을 갖게 하는 것인, 형성 단계
    를 포함하고, 상기 인접한 3차원 패턴형 미세 구조는 렌즈의 광학 특성을 변경시키는 페이즈 시프팅 광학 구조(phase shifting optical structure)를 포함하고, 상기 페이즈 시프팅 광학 구조는 인접한 광선들의 어레이 내에 광학 경로 길이차를 보상하는 복수의 풀-파동 페이즈 래핑 영역을 포함하는 것인 렌즈의 광학 특성 변경 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    a)상기 형성 단계에서 형성된 인접한 3차원 패턴형 미세 구조가 굴절 구조를 포함하는 것;
    b)인접한 3차원 패턴형 미세 구조가 평면형 층으로 구성되는 것;
    c)인접한 3차원 패턴형 미세 구조가 광학적 축선에 수직인 평면형 층으로 구성되는 것;
    d)각각의 변경된 로커스가 완전한 원통형 형상이고 광학적 축선에 평행한 축선과 적어도 5 ㎛의 축방향 깊이를 갖는 것;
    e)상기 형성 단계에 형성된 인접한 3차원 패턴형 미세 구조가 환형 링 패턴을 포함하는 것;
    f)변경된 광학 특성이 적어도 플러스 또는 마이너스 0.5 만큼 렌즈의 디옵터 파워를 조정하는 것을 포함하는 것;
    g)상기 형성 단계 중에 변경된 로커스의 적어도 일부가 비-변경된 로커스의 광학 경로 길이보다 0.1 내지 1 파장 긴 광학 경로 길이를 갖되, 상기 파장은 555 nm의 파장의 광에 대한 것;
    h)상기 형성 단계 중에 변경된 로커스의 적어도 일부가 렌즈의 광학적 축선 둘레에서 원형 패턴으로 구성되는 것;
    i)상기 형성 단계 중에 로커스가 인접한 3차원 패턴형 미세 구조로 변경되어, 광학적 축선에 대해 평행한 방향으로 전방 표면 상에 투사되는 광의 적어도 90%가 적어도 하나의 변경된 로커스를 통과하는 것;
    j)상기 형성 단계 중에 변경된 각 로커스가 5 내지 50 ㎛의 축방향 깊이를 갖는 것;
    k)상기 형성 단계 중에 변경된 로커스가 5 ㎛로부터 50 ㎛까지 변하는 축방향 깊이를 갖는 것;
    l)상기 형성 단계 중에 변경된 각 로커스는 1 내지 10개의 사이트를 갖고, 사이트는 축방향으로 배치되며, 각각의 사이트는 포커싱된 레이저 비임의 단일 버스트(single burst)에 의해 형성되는 것
    중 적어도 하나가 발생하는 것인 렌즈의 광학 특성 변경 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 렌즈의 후방 표면과 전방 표면 모두는 평면형인 것인 렌즈의 광학 특성 변경 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 페이즈 시프팅 광학 구조는 비구면 포커싱 효과를 발생시키는 것인 렌즈의 광학 특성 변경 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 페이즈 시프팅 광학 구조는 구면 포커싱 효과를 발생시키는 것인 렌즈의 광학 특성 변경 방법.
  6. 인간의 눈에 사용하도록 된 크기의 디스크의 광학 특성을 변경하는 방법으로서, 상기 디스크는 전방 표면, 후방 표면 및 광학적 축선을 갖고, 굴절률을 갖는 광학 물질로 형성되며, 상기 방법은,
    복수의 인접한 로커스의 각 로커스 상에 포커싱된 펄스형 레이저 비임을 광학적으로 분배함으로써, 상기 디스크가 눈에 이식되기 전에 눈 외측에 있는 동안에 디스크의 층에서 복수의 인접한 로커스의 굴절률을 변경하여 디스크의 층 내에 인접한 3차원 패턴형 미세 구조를 형성하는 단계로서, 각각의 변경된 로커스의 광학 물질에 의해 광자의 비선형 흡수를 유발시키는 것인, 형성 단계
    를 포함하고, 상기 인접한 3차원 패턴형 미세 구조는 디스크의 광학 특성을 변경시키는 페이즈 시프팅 광학 구조를 포함하고, 상기 페이즈 시프팅 광학 구조는 인접한 광선들의 어레이 내에 광학 경로 길이차를 보상하는 복수의 풀-파동 페이즈 래핑 영역을 포함하는 것인 디스크의 광학 특성 변경 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    a)상기 형성 단계에서 형성된 인접한 3차원 패턴형 미세 구조가 굴절 구조를 포함하는 것;
    b)상기 형성 단계에서 형성된 복수의 인접한 로커스가 층에 적어도 1,000,000개의 변경된 로커스를 포함하는 것;
    c)층이 광학 축선에 대해 수직인 것;
    d)각각의 변경된 로커스가 완전한 원통형 형상이고 광학적 축선에 평행한 축선 및 적어도 5 ㎛의 축방향 깊이를 갖는 것;
    e)상기 형성 단계에 형성된 인접한 3차원 패턴형 미세 구조가 환형 링 패턴을 포함하는 것;
    f)디스크의 후방 표면 및 전방 표면 모두가 평면형이고 층이 후방 표면에 대해 평행한 것; 또는
    g)층이 후방 표면보다 전방 표면에 더 가까운 것
    중 적어도 하나가 발생하는 것인 디스크의 광학 특성 변경 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 레이저 비임이 파장을 갖고, 상기 디스크는 레이저 비임 파장의 광을 위한 흡수재를 포함하는 폴리머 매트릭스를 포함하는 것인 디스크의 광학 특성 변경 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 디스크는 적어도 0.01 중량%의 흡수재를 포함하는 것인 디스크의 광학 특성 변경 방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 레이저 비임은 파장을 갖고, 상기 방법은 레이저 비임의 파장의 광을 위한 흡수재가 도핑된 폴리머 매트릭스로 형성되는 디스크를 선택하는 단계를 더 포함하는 것인 디스크의 광학 특성 변경 방법.
  11. 폴리머 광학 물질로 이루어지고 서로 대향되는 전방 표면과 후방 표면을 가지며 인간의 눈에서 사용하기 위한 크기를 갖는 디스크의 광학 특성을 조정하는 방법으로서,
    a)레이저로부터 펄스형 비임을 방출하는 방출 단계;
    b)비임의 펄스 비율을 제어하는 단계;
    c)상기 펄스형 비임을 디스크의 제1 영역으로 포커싱하는 포커싱 단계;
    d)포커싱된 비임을 제1 영역에서 복수 개의 인접한 로커스로 분배하고 포커싱된 비임의 적어도 하나의 펄스에 대한 각각의 변경된 로커스의 노출로부터 생기는 변화된 굴절률을 갖는 변경된 로커스의 인접한 3차원 패턴형 미세 구조의 제1 부분을 형성함으로써 각각의 변경된 로커스의 광학 물질에서 광자의 비선형 흡수를 유발시키는 단계로서, 상기 인접한 3차원 패턴형 미세 구조는 디스크의 광학 특성을 조정하는 페이즈 시프팅 광학 구조를 포함하고, 상기 페이즈 시프팅 광학 구조는 인접한 광선들의 어레이 내에 광학 경로 길이차를 보상하는 복수의 풀-파동 페이즈 래핑 영역을 포함하는 것인 단계; 및
    e)비임을 디스크의 제2 영역으로 포커싱하도록 디스크를 포커싱 렌즈에 대해 재배치하는 단계
    를 포함하는 디스크의 광학 특성 조정 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    f)포커싱된 비임을 제2 영역에서 복수 개의 인접한 로커스로 분배하고 포커싱된 비임의 적어도 하나의 펄스에 대한 각각의 변경된 로커스의 노출로부터 생기는 변화된 굴절률을 갖는 변경된 로커스의 인접한 3차원 패턴형 미세 구조의 제2 부분을 형성함으로써 각각의 변경된 로커스의 광학 물질에서 광자의 비선형 흡수를 유발시키는 단계
    를 더 포함하는 디스크의 광학 특성 조정 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 인접한 3차원 패턴형 미세 구조는 디스크에서 평면형 층으로 구성되고, 상기 평면형 층은 50 ㎛의 두께를 갖는 것인 디스크의 광학 특성 조정 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 디스크는 안구내 렌즈인 것인 디스크의 광학 특성 조정 방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 포커싱 단계는 펄스형 비임을 대향된 표면들 사이에 구성된 층으로 포커싱하는 것을 포함하는 것인 디스크의 광학 특성 조정 방법.
  16. 제11항에 있어서, 상기 디스크는 방출 단계 전에 광학 교정을 제공하는 것인 디스크의 광학 특성 조정 방법.
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