KR20120095452A - 안과 조명기용 단섬유 다초점 레이저 탐침 - Google Patents

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KR20120095452A
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Abstract

안과 조명기가 제공된다. 안과 조명기는 광원, 제 1 광학 조립체, 광학 커플링 요소, 및 그 말단에 위치되는 광학 격자를 갖는 광섬유를 포함하며, 상기 광섬유는 광학 커플링 요소에 광학적으로 커플링된다. 제 1 광학 조립체는 백색광을 수용하여 실질적으로 시준한다. 광학 커플링 요소는 제 1 광학 조립체로부터 실질적으로 시준된 백색광을 수용하여 그 광을 광섬유로 지향시킨다. 광학 격자는 광섬유의 말단부에, 표면 요철 격자를 갖는 광학 격자 및 상기 표면 요철 격자에 광학적으로 커플링되는 덧층을 커플링한다. 광학 격자는 입사광을 N 회절 차수들로 실질적으로 회절시키도록 작동할 수 있으며, N 회절 차수들은 실질적으로 균일한 세기를 가진다.

Description

안과 조명기용 단섬유 다초점 레이저 탐침 {SINGLE-FIBER MULTI-SPOT LASER PROBE FOR OPHTHALMIC ENDOILLUMINATION}
본 발명은 안과 수술에 사용하기 위한 조명기, 특히 눈의 내부를 조명하는데 적합한 광을 생성하기 위한 안과 조명기에 관한 것이다.
해부학적으로, 눈은 두 개의 상이한 부분들-전안부(anterior segment) 및 후안부(posterior segment)-로 나누어진다. 전안부는 수정체를 포함하며 각막의 최외층(각막의 내피)으로부터 수정체 낭의 앞쪽으로 연장한다. 후안부는 수정체 낭 뒤쪽의 눈의 부위를 포함한다. 후안부는 앞유리체 전면으로부터 망막으로 연장하며, 그 망막에 유리체의 앞유리체 전면이 직접적으로 접촉한다. 후안부는 전안부보다 훨씬 더 크다.
후안부는 유리체-투명, 무색 겔-형태의 물질-를 포함한다. 후안부는 눈의 체적의 대략 2/3를 형성하며 출생 이전에 형태와 형상을 부여 받는다. 후안부는 1%의 콜라겐과 히알우론산나트륨(sodium hyaluronate) 및 99%의 물로 구성된다. 유리체의 앞쪽 경계는 수정체의 후낭과 접촉하는 앞유리체 전면인 반면에, 후유리체 전면은 뒷쪽 경계를 형성하며 망막과 접촉한다. 유리체는 수양액(aqueous humor)처럼 자유롭게 유동할 수 없으며 정상적인 해부학적 부착 지점을 가진다. 이들 위치들 중의 하나는 거상연(ora serrata) 위에 놓이는 3 내지 4 mm의 넓은 띠인 유리체 베이스이다. 시신경 헤드, 황반, 및 혈관 복개통로(vascular arcade)들 또한, 부착 지점들이다. 유리체의 주요 기능은 망막을 제위치에 유지시키고, 구형의 형상 및 일체성을 유지시키고, 이동으로 인한 충격을 흡수하고, 그리고 수정체에 대한 후면 지지를 제공하는 것이다. 수양액과는 대조적으로, 유리체는 연속적으로 변위되지 않는다. 유리체는 이액현상(syneresis)으로 공지된 프로세스에서 나이를 먹어감에 따라 더욱 유동적으로 된다. 이액현상은 유리체의 수축을 초래하여, 이는 유리체의 정상 부착 지점에 압력 또는 견인력을 가할 수 있다. 충분한 견인력이 가해지면, 유리체는 망막 부착지점으로부터 자체적으로 당겨져서 망막 파열 또는 구멍을 초래할 수 있다.
유리체-망막 수술과 같은 다수의 외과 수술들이 일반적으로 눈의 후안부에서 수행된다. 유리체-망막 수술은 후안부의 매우 심각한 병태를 치료하는데 적합하다. 유리체-망막 수술은 연령과 관련된 황반 퇴화(AMD), 당뇨병성 망막변증(diabetic retinopathy) 및 유리체 출혈, 황반 원공(macular hole), 망막 박리(retinal detachment), 망막 전막(epiretinal membrane), CMV 망막염(CMV retinitis), 및 다수의 상이한 안과 병태(ophthalmic conditions)와 같은 병태를 치료한다.
외과의사는 현미경과 후안부에 대한 깨끗한 이미지를 제공하도록 설계된 특수 렌즈들을 이용하여 유리체-망막 수술을 수행한다. 여러 미세 절개들은 모양체평면부(pars plana)에 있는 공막(sclera)에서 이루어진다. 외과의사들은 눈의 내부를 조명하기 위한 광섬유 광원, 수술 중에 눈의 형상을 유지하기 위한 주입선, 및 유리체를 절단 및 제거하기 위한 기구들과 같은 미세 수술 기구들을 절개부위를 통해 삽입한다.
그와 같은 외과 수술들 중에, 눈의 내부에 대한 적절한 조명이 중요하다. 통상적으로, 그러한 조명을 제공하기 위해 얇은 광섬유가 눈의 내측으로 삽입된다. 금속 할라이드 램프, 할로겐 램프, 제논 램프, 또는 수은 증기 램프와 같은 광원이 광섬유에 의해 눈의 내부로 운반되는 광을 생성하는데 종종 사용된다. 광은 여러 광학 요소(통상적으로 렌즈들, 미러, 및 감쇄기)를 통과하며 눈 내부로 광을 운반하는 광섬유에 도달한다. 이러한 광의 양은 선택된 광학 요소들의 유형을 포함한 여러 요인들에 의존한다.
눈의 내부를 조명하는데 일반적으로 사용되는 기술들은 브라이트필드(brightfield) 이미지, 다크필드(darkfield) 이미지, 및 그래디언트필드(gradientfield) 이미지이다. 그래디언트필드 이미지는 피쳐(feature)의 부분들이 직접 조명에 의해 잘 비춰지고 피쳐의 부분들이 산란광에 의해 어둠거나 역광으로 비춰지도록 조명 초점을 부분적으로 중복시켜 피쳐를 조명함으로써, 또는 망막 피쳐 위로 조명 빔을 이동시킴으로써 최대 콘트라스트에 의해 형성된다. 미세 절개부위를 통해 탐침 선단부를 삽입함으로써 내시경 조명이 제공되기 때문에, 탐침이 절개 지점을 통해 관절식으로 이어질 수 있다는 사실 및 조명 탐침이 관찰 현미경에 대해 한정된 입사각을 이룬다는 사실은 실제 외과적 세팅에 있어서 바람직한 콘트라스트를 실현하는 것을 어렵게 한다.
외과의사들이 망막 조직과 같은 눈의 조직을 볼 수 있을 정도의 콘트라스트를 제공하기 위해 패턴화된(조직화된) 조명이 사용될 수 있다. 바람직한 콘트라스트 조명을 얻기 위해, 규칙 패턴의 조명을 형성하는 것이 바람직하다(나선형 링 패턴 또는 도우넛 패턴과 같은 불규칙 패턴 조명은 선호하는 콘트라스트를 제공하지 못한다). 그러나, 안과 수술의 사용에 안전한 조직화된 조명을 효율적으로 제공할 수 있는 조명기 탐침들은 공지되어 있지 않다.
본 발명의 설명은 이전에 발전된 시스템들과 연관된 단점들 및 문제점들을 실질적으로 제거 또는 감소시키는 안과 조명기를 제공한다. 특히, 본 발명의 설명은 눈의 내부 영역들을 조명하기 위해 안과 조명기 섬유에 섬유-커플링되는 안과 조명기 광원을 제공한다. 일 실시예에서, 안과 조명기는 광원, 제 1 광학 조립체, 광학 커플링 요소, 및 그 말단에 위치되는 광학 격자를 갖는 광섬유를 포함하며, 상기 광섬유는 광학 커플링 요소에 광학적으로 커플링된다. 제 1 광학 조립체는 백색광을 수용하여 실질적으로 시준한다. 그 후 광학 커플링 요소는 제 1 광학 조립체로부터 실질적으로 시준된 백색광을 수용하여 그 광을 광섬유로 지향시킨다. 광학 격자는 광섬유의 말단부에, 표면 요철 격자(surface relief grating)를 갖는 광학 격자 및 상기 표면 요철 격자에 광학적으로 커플링되는 덧층을 커플링한다. 광학 격자는 입사광을 N 회절 차수들로 실질적으로 회절시키도록 작동할 수 있으며, N 회절 차수들은 실질적으로 균일한 세기를 가진다.
본 발명의 설명 및 본 발명의 장점들에 대한 보다 더 완전한 이해를 위해서, 이후 동일한 도면 부호가 동일한 구성 요소를 지칭하는 첨부 도면들과 관련하여 설명되는 다음의 설명이 참조되었다.
도 1은 본 발명의 설명의 실시예들에 따른 안과 조명기가 놓일 수 있는 눈의 해부도를 도시하는 도면이며,
도 2는 본 발명의 설명의 실시예들에 따라 눈의 내부를 조명하는 안과 조명기를 도시하는 도면이며,
도 3은 본 발명의 설명의 실시예들에 따른 LED 안과 조명기(300)의 횡단면도이며,
도 4a 및 도 4b는 공기 및 염류 용액 내의 표준 회절 빔 스플리터 격자를 도시하는 도면이며,
도 5a 및 도 5b는 공기 및 염류 용액 내의, 본 발명의 설명의 실시예들에 따른 회절 빔 스플리터 격자를 도시하는 도면이며,
도 6은 종래의 단-섬유 다-초점 레이저 탐침을 도시하는 도면이며,
도 7a은 망막 쪽으로 말단으로 향하는 회절 빔 스플리터 기판의 회절 표면을 갖는 회절 빔 스플리터를 도시하는 도면이며,
도 7b는 빔 광원 쪽으로 기단으로 향하는 회절 빔 스플리터 기판의 회절 표면을 갖는 회절 빔 스플리터를 도시하는 도면이며,
도 8은 초박막 회절 격자 기판을 갖는 것과 연관된 문제점들을 도시하는 도면이며,
도 9 및 도 10은 본 발명의 설명의 실시예에 따라 도 11의 격자 구조를 형성하도록 조합될 수 있는 방법을 도시하는 도면이며,
도 11은 본 발명의 설명의 실시예에 따라 저굴절 지수의 UV-경화 접착제로 제조된 유전체 덧층을 갖는 고굴절 지수의 UV-경화 접착제로 제조된 격자를 도시하는 도면이며,
도 12는 본 발명의 설명의 실시예에 따라 GRIN 렌즈의 말단 표면 상의 두 개의 접착제 층 격자를 도시하는 도면이며,
도 13은 본 발명의 설명의 실시예에 따라 광학 조명기를 사용하여 눈의 내부 유리체 영역을 조명하는 방법과 연관된 논리 흐름도이다.
본 발명의 설명의 바람직한 실시예들은, 동일한 도면 부호가 다수의 도면의 동일한 그리고 대응하는 부분들을 지칭하는데 사용된 도면들에 도시되어 있다.
본 발명의 설명의 실시예들은 실질적으로, 눈의 내부를 조명하는 것과 관련된 문제점들을 다룬다. 특히, 광원, 제 1 광학 조립체, 광학 커플링 요소, 및 그 말단에 위치되는 광학 격자를 가지며 상기 광학 커플링 요소에 결합되는 광학 섬유를 포함하는 안과 조명기가 제공된다. 제 1 광학 조립체는 백색광을 수용하고 실질적으로 시준한다(collimate). 그 후 광학 커플링 요소는 제 1 광학 조립체로부터 실질적으로 시준된 백색광을 수용하여 백색광을 광학 섬유로 지향시킨다. 광학 격자는 광학 섬유의 말단부에 커플링되며 표면 요철 격자 및 그 표면 요철 격자에 광학적으로 커플링되는 덧층을 가진다. 광학 격자는 입사 광을 N 회절 정도로 실질적으로 회절시키도록 작동할 수 있으며, 여기서 N 회절 정도는 실질적으로 균일한 세기를 가진다. 광학 섬유/광학 격자는 백색광을 눈의 내부 영역으로 안내한다.
도 1은 본 발명의 설명에 의해 제공되는 수정체 이식을 위한 개선된 디자인이 내측에 놓일 수 있는 눈의 해부 구조를 도시한다. 눈(100)은 각막(102), 홍채(104), 동공(106), 수정체(108), 수정체 낭(110), 수정체 소대(124), 섬모체(122), 공막(112), 유리체 겔(114), 망막(116), 황반(120), 및 시신경(118)을 포함한다. 각막(102)은 창으로서 작용하는, 눈의 표면에 있는 투명한 돔형상의 구조이며 눈의 내측을 비추게 한다. 홍채(104)는 눈의 색깔을 띤 부분이며, 눈으로 들어가는 빛의 양을 제어하기 위해 이완 및 수축하는, 동공(106)을 둘러싸고 있는 근육이다. 동공(106)은 홍채(104)의 둥근 중앙 개구이다. 수정체(108)는 주로 망막(116) 상에 집광을 돕는 눈 내측의 구조이다. 수정체 낭(110)은 수정체(108)를 동봉하는 탄성 백이며, 눈이 상이한 거리에 있는 물체들에 초점을 맞출 때 수정체 형상을 제어하는 것을 돕는다. 수정체 소대(124)는 수정체 낭(110)을 눈의 내측에 부착시키는 가는 인대들이며, 수정체(108)를 제위치에 유지시킨다. 섬모체(122)는 포커싱을 위해 수정체(108)의 크기를 제어하기 위해 수축 및 이완하는 수정체(108)에 부착되는 근육 부위이다. 공막(112)은 눈의 형상을 유지하는 눈의 질긴 최외층이다. 유리체 겔(114)은 안구의 후면 쪽에 위치된 눈의 커다란 부분을 채우고 있으며 눈의 곡율을 유지하는데 도움을 준다. 망막(116)은 빛을 수용하여 이를 뇌로 보내기 위한 신호들로 전환시키는, 눈의 후면에 있는 감광 신경 층이다. 황반(120)은 미세한 디테일을 보기 위한 기능들을 포함하는, 눈의 후면에 있는 부위이다. 시신경(118)은 눈으로부터 뇌로 신호들을 연결 및 전달한다.
섬모체(122)는 홍채(104) 바로 뒤에 놓인다. 섬모체(122)에 부착된 것은 수정체 소대(124)라 지칭되는 작은 섬유인 “가이드 와이어(guide wire)"이다. 수정체(108)는 수정체 소대(124)에 의해 눈의 내측에 현수된다. 섬모체(122)용 영양분은 홍채(104)에도 공급되는 혈관으로부터 온다. 섬모체(122)의 하나의 기능은 수정체(108)의 형상을 변경함으로써 (수정체 모양의)조절을 제어하기 위한 것이다. 섬모체(122)가 수축할 때, 수정체 소대(124)는 이완한다. 이는 수정체(108)가 두꺼워 질 수 있게 하여, 눈의 클로즈 업 포커싱 능력을 증가시킨다. 먼 물체를 볼 때, 섬모체(122)는 이완되어 수정체 소대(124)가 수축되게 한다. 그 후 수정체(108)는 더 두꺼워져서 원시를 위한 눈의 포커싱을 조절한다.
안과 조명기(ophthalmic endoilluminator)는 예전에는 할로겐 텅스텐 램프 또는 고압 아크 램프(메탈-할라이드, Xe)를 기초로 했다. 아크 램프의 장점들은 작은 발광 면적(<1 mm), 주광에 가까운 색 온도, 및 할로겐 램프보다 긴 수명, 예를 들어 약 400 시간 대 약 50 시간이다. 아크 램프의 단점은 고가이며, 파워의 급격한 하락, 시스템의 복잡성 및 시스템 수명에 걸쳐서 여러번의 램프 교체 필요성이다.
본 발명의 설명의 실시예들에 의해 제공되는 LED 기반 조명기는 상당히 낮은 비용과 복잡성, 그리고 50,000 내지 100,000 시간의 특징적인 수명을 제공할 수 있으며, 이러한 수명은 출력의 매우 작은 급격한 하락 특성을 갖는 동시에 LEDs의 교체 필요성없이도 기구의 전체 수명 동안 안과 섬유 조명기가 작동할 수 있게 한다.
통상적인 백색 LED로부터의 광은 백색광을 방출하는 백색 형광체 캡을 여기시키기 위해 자외선(UV)/보라색/청색 광을 사용하여 생성된다. 현재의 모든 백색 LEDs는 높은 수치의 구경을 갖는 공간적으로 확장된 조명원(3 mm 직경 가량의 형상체 영역)으로 고려될 수 있다. 따라서, 현재의 백색 LEDs는 단일 광섬유를 커플링하는데 아주 적합하지 않다. 백색 LEDs에 기초한 이용가능한 돼지 꼬리형 섬유 조명기는 LED 형광체에 맞닿은 섬유를 사용한다. 이들 조명기에 있어서, 단지 작은 부분의 방출된 광이 낮은 수치의 구경 및 소경의 광섬유에 커플링될 수 있다. 그러므로, 이용가능한 돼지 꼬리형 백색 LED 광원은 낮은 레벨의 광을 전달한다. 본 발명의 설명의 실시예들은 UV/보라색/청색 광에 의해 백색 LED의 형광 층의 외측면을 조명함으로써 LED를 증속 구동(overdrive)시킬 필요 없이 추가의 백색광 광학 신호를 생성한다.
도 2는 본 발명의 설명의 실시예에 따라 눈 내부에 위치되는 안과 조명기(160)의 횡단면도이다. 도 2는 사용 중인 핸드 피스(164) 및 탐침(162)을 도시한다. 탐침(162)은 유리체 절제 영역 내의 절개를 통해 눈(100)의 내측으로 삽입된다. 탐침(162)은 눈(100)의 내측 또는 유리체 겔(114) 영역을 조명한다. 이러한 구성에서, 탐침(162)은 유리체-망막 외과 수술 중에 내측 또는 유리체 겔(114) 영역을 조명하는데 사용될 수 있다.
조명기에 커플링된 섬유의 출력은 광원의 휘도 및 광섬유 내측으로의 광의 커플링 효율에 의존한다. 광섬유의 물리적 크기 및/또는 구경 수치가 감소함에 따라, 보다 작은 섬유를 통한 바람직한 출력을 유지하기 위해서 광원의 휘도 레벨은 비례적으로 증가되어야 한다. 이는 LED보다 높은 광원 휘도 레벨이 제공될 수 있길 요구한다. 따라서, 과거의 광섬유 외과수술용 조명기는 외과수술용 섬유 탐침의 출력에서 충분한 광을 달성하기 위해 (제논 아크 램프, 수은 증기 램프, 또는 금속 할로겐 램프와 같은)높은 휘도의 광원에 의존했다. 백색 LEDs는 섬유 커플링된 외과수술용 조명 분야에 여러 장점들을 가진다. 그러나, 현재의 최첨단 셀프형 LEDs는 휘도 향상기구의 사용 없이 이들 램프 광원과 경쟁하기에 충분히 높은 휘도 레벨을 제공하지 못한다. 본 발명의 설명의 실시예들은 안과 조명 분야용 램프 광원과 경쟁하기 위해 현재의 높은 파워의 백색 LEDs에 요구되는 임계값을 초과하는 LED 휘도를 향상시킬 수 있는 광학적 휘도 향상 방법을 설명한다.
백색광을 위한 가장 간단하고 가장 직시적인 개선 방법은 가장 높은 휘도를 달성하기 위해 정격 구동 전류를 초과하는, LED 접합부에 대한 구동 전류를 증가시킴으로써 LED를 증속 구동시키는 것이다. LED의 수명은 두 개의 주요 작동 변수, 즉 작동 온도 및 전류 밀도에 (주로)의존하며, 어느 하나의 변수 또는 두 개의 변수를 증가시키는 것은 LED 수명의 감소를 초래한다. 여기서, 높은 휘도 레벨을 달성하기 위해 적절한 냉각과 함께 LED를 증속 구동시키는 것에 의해 LED 수명에 있어서의 균형(tradeoff)을 만족시킨다.
형광체 변환 백색 LED는 형광 층으로 청색 LED 다이를 코팅함으로써 백색광을 형성한다. 청색광의 일부는 색에 있어서 황색이 두드러진 광대역 발광을 제공하는 형광체를 펌핑한다. 형광 층의 두께는 청색광의 일부가 형광 층을 통해 전달되어 백색광을 형성하도록 조율된다. LED 형광체는 불포화 상태에서 작동하며, 따라서 하부 LED 또는 다른 광원으로부터 더많은 청색광이 형광체로 제공되면 LED의 휘도가 증가될 것이다. 정면으로부터 LED 상에 포커싱되는 제 2 펌프 소오스를 사용함으로써 LED의 휘도를 증가시켜 원판 LED가 낮은 구동 전류에서 작동될 수 있게 하며, 그에 따라 LED 수명의 연장을 초래하는 동시에, 단일 증속 구동형 백색 LED와 동일한 휘도 레벨를 달성할 수 있게 한다.
일 예에서, 도 3을 참조하여 설명되는 바와 같이, 백색 LED의 출력은 광학적으로 부스트되고(boosted) 실질적으로 시준되어서 집광 장치에 의해 광섬유로 지향된다. 백색 LED의 출력은 (1) 형광체의 형광체 재료의 흡수 대역 내에서 형광 층의 내측 표면을 조명하는 LED 다이 및 (2) 형광체의 형광체 재료의 흡수 대역 내에서 백색 LED의 형광 층의 외측 표면을 조명하는 외부 광원으로부터 생성된다. 그 결과는 LED 다이를 증속 구동시킬 필요 없이 형광체로부터의 광 출력을 증가시킨다. 그 후 광 출력은 볼 렌즈 또는 광학 기구를 통해 표준 안과 조명기의 광섬유 내측에 쉽게 커플링된다. 코어 직경 및 구경 수치는 조명기 섬유의 직경 및 구경 수치와 동일하거나 작게 선택될 수 있음을 주목해야 한다.
도 3은 본 발명의 설명의 실시예들에 따른 LED 안과 조명기(300)의 횡단면도이다. 안과 조명기(300)는 LED(302), 형광체 캡(304), 2차 펌프 소오스(306)(즉, 청색 또는 UV LED 또는 레이저, 기타 LED, 램프 소오스 등), 시준 광학기구(308), 집광 광학기구(310) 및 광섬유(312)를 포함한다. 2차 펌프 소오스(306)는 형광체 재료의 흡수 대역 내의 광으로 백색 LED(302)의 형광 층(304)을 조사한다. 형광 층의 보조 펌핑은 백색 LED 소오스의 휘도를 증가시킨다. 또한, 광섬유(312)는 내부의 클래딩 및/또는 코어가 발광성인 섬광체 섬유일 수 있다. 그와 같은 섬유는 UV/자외선/청색광 조명(펌프)을 발광을 통해 광대역 또는 백색광으로 변환시키는데 사용될 수 있다. 재방출된 백색광의 일부는 섬광체 섬유를 통해 전파되며 정규 광섬유에 커플링되거나 조명 장치로 직접 전달된다.
광섬유(312)는 볼 렌즈(316) 또는 다른 유사한 광학 시스템을 통해 안과 조명기의 섬유(314)에 광학적으로 커플링된다. 광섬유(312)의 코어 직경 및 구경 수치는 안과 조명기의 탐침(324) 내의 광섬유(314)의 직경과 구경 수치보다 작거나 동일하게 선택될 수 있다. 백색 광 출력(322)은 광학 요소(316) 및 광섬유(314)를 통해 눈(100)의 내부를 조명하는, 예를 들어 탐침(324/162)으로 지향된다. 본 발명의 설명의 실시예들은 일정하고 안정한 출력(322)을 생성하기 위해 하나 또는 그보다 많은 LED를 사용할 수 있다. 공지된 바와 같이, 소오스(302)로서 선택될 수 있는 상이한 파워 정격 및 광 출력을 갖는 다수 형태의 LED들이 있다.
가시 파장 광선을 반사시켜 단지 적외선과 자외선만을 전달함으로써 유해한 적외선 및 자외선 광선이 여과된 빔을 생성하는 2색성 반사기로서 임의의 미러가 사용될 수 있다. 그와 같은 미러는 가시 광선을 전달하는 동시에, 장파장 적외선 및 단파장 자외선을 반사시킨다. 눈의 천연 수정체(natural lens)는 눈으로 들어오는 광을 여과시킨다. 특히, 천연 수정체는 망막을 손상시킬 수 있는 청색광 및 자외선을 흡수한다. 유해한 단파장 및 장파장 광선을 여과해낸 적절한 범위의 가시광선 파장의 광을 제공하는 것에 의해 무수정체 위해(aphakic hazard)를 통한 망막 손상, 청색광 광학적 망막 손상 및 적외선 열 손상, 그리고 유사한 광 독성 위해(light toxicity hazard)를 통한 망막 손상 위험을 현저히 감소시킬 수 있다. 통상적으로, 이들 위해의 위험들을 감소시키기 위해서는 430 내지 700 nm 범위 내의 광이 바람직하다. 적합한 파장의 광이 눈의 내측으로 방출될 수 있게 하기 위해 임의의 미러들이 선택될 수 있다. 다른 필터 및/또는 2색성 빔 스플리터가 또한, 적합한 파장 범위 내의 광을 생성하는데 사용될 수 있다.
안과 수술의사에 의해 처리되는 조명기 탐침(324)은 광학 커플링(316), 광섬유(314), 핸드피스(326) 및 탐침 선단부(328)을 포함한다. 광학 커플링(316)은 광원(300)을 포함하는 주 콘솔(도시 않음)에 광섬유(314)를 연결하도록 설계된다. 광학 커플링(316)은 눈으로 전달될 광 빔에 광섬유(314)를 적절히 정렬시킨다. 광섬유(314)는 통상적으로, 테이퍼질 수도 그렇지 않을 수도 있는 소경의 섬유이다. 핸드피스(326)는 수술의사에 의해 잡혀지며 눈 내부로의 탐침 선단부(328)의 조정이 가능하다. 탐침 선단부(328)은 눈의 내측으로 삽입되며 탐침 선단부(328)의 단부에서 종료될 수 있는 광섬유(314)를 운반한다. 따라서 탐침(328)은 눈의 내부에 광섬유(314)로부터의 조명을 제공한다.
본 발명의 설명의 실시예들은 또한, 적색, 녹색 및 청색(RGB) 오리지날 염료로 도핑된 하나 또는 그보다 많은 발광 섬유를 사용할 수 있다. 이러한 오리지날 염료 및 UV LED 펌핑 방법은 본 기술 분야의 당업자들에게 이미 공지되어 있다. 통합 구체(integrating sphere) 내에 놓이고 UV LED에 의해 조명되는 그와 같은 RGB 섬유의 예를 들어 3 개의 코일이 강력한 RGB 출력을 형성할 것이다. 그 후 RGB 출력은 단일 섬유 상에서 조합될 것이다. 이는 이에 한정되지 않지만, RGB X 프리즘, 분산 프리즘, 또는 회절 격자와 같은 다양한 방식으로 수행될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 공기 및 식염수에서의 표준 회전 빔 스플리터 격자를 도시한다. 표준 단섬유 다초점 레이저 탐침에 사용되는 회절 빔 스플리터는 도 4a 및 도 4b에 도시된 것과 같은 표면 요철 격자(surface relief grating)이다. 상기 격자는 N 회절차수로 입사광을 강력히 회절시키도록 설계되며, 여기서 N 차수 사이의 파워 분포는 매우 균일하다. 이러한 특징은 표면 요철 격자가 공기 중에 잠겨있다는(도 4a 참조) 사실에 의존한다. 그러나, 유리체 망막 수술 중에 눈은 통상적으로, 공기가 아닌 식염수나 오일로 채워진다. 격자가 격자 기판의 말단 측에 있으면, 유리체 망막 수술 중에 액체 내에 담가질 수 있을 것이다. 그 결과 도 4b에 도시되어 있는 바와 같이, 0 이외의 회절 차수들로 격자의 회절 효율을 심각하게 약화시킬 것이다.
도 5a 및 도 5b는 공기 및 식염수에서의 본 발명의 설명의 실시예에 따른 회전 빔 스플리터 격자를 도시한다. 표면 요철 구조물을 두껍게(도 5a 및 도 5b 참조) 함으로써 그리고 표면 요철 구조물을 유전체 재료 층으로 충전함으로써, 결과적인 격자는 격자를 공기 또는 식염수 내에 담가 놓은 것과 무관하게 강하고 균일한 N 회절차수를 갖게 한다.
종래의 단섬유 다초점 레이저 탐침이 도 6에 도시되어 있다. 도 6의 회전 빔 스플리터는 공기 중에 잠겨지도록 설계된 표면 요철 격자이다. 도 7a에 도시된 표준 구성은 망막의 먼 쪽으로 향하는 굴절 빔 스플리터 기판의 굴절 표면을 갖도록 한 것이다. 이런 구성은 안과 수술 중에 식염수 쉽게 담가질 수 있어, 이는 굴절 빔 스플리터의 바람직한 성능을 파괴할 것이다. 도 7b에 도시된, 이와는 다른 접근법은 빔 소오스의 가까운 쪽으로 향하는 굴절 빔 스플리터 기판의 굴절 표면을 갖도록 한 것이다. 이런 구성은 식염수에의 노출로부터 격자가 보호됨으로써 바람직한 굴절 효율 특성들을 유지할 것이다. 그러나, 도 7b에서 볼수 있는 바와 같이, 축외(off-axis) 굴절 빔이 캐뉼러에 의해 부분적으로 비네팅(vignetted)된다. 이는 여러 이유로 문제점이 된다.
● 굴절 빔과 제로 차수 빔 사이의 굴절 빔 파워에서의 10% < 불균일성 목표가 만족되지 않으며,
● 축외 굴절 빔은 바람직한 파워보다 작은 파워를 가짐으로써 망막 상에 바람직한 레이저 번 패턴(laser burn pattern)을 형성하기 위해 보다 긴 노출 시간을 필요로 할 것이다.
도 8은 극히 얇은 굴절 격자 기판을 갖는 것과 연관된 문제점들을 도시한다. 이러한 비네팅 효과를 최소화하기 위해, 굴절 격자 기판은 가능한 한 얇게 만들어질 필요가 있다. 그러나, 그와 같이 얇은 기판은 작은 구조적 통합성을 가질 것이며 GRIN 렌즈에 광학적으로 결합될 필요가 있을 것이다. 그러나, 결합 접착제가 GRIN 렌즈와 굴절 빔 스플리터 기판의 굴절 지수와 본질적으로 인덱스 매칭(index match)되기 때문에 기판 도출 격자를 GRIN 렌즈에 결합하는 것은 바람직하지 않으며, 격자 효율 특징들이 파괴될 것이다. 대신에 격자 기판은 빔 스플리터 기판의 원통형 측벽을 캐뉼러에 접합시킴으로써 고정될 필요가 있다. 이러한 접착제 접합은 캐뉼러에 대해 격자 기판의 주변을 밀봉하여 격자 기판 뒤쪽의 공기 공간으로의 식염수의 침입을 방지하는 것이 필요하다. 그러나, 도 8에 도시한 바와 같이 접착제가 굴절 격자 표면으로 뻗어나가는 것을 회피하는 것이 매우 어렵다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 변형 굴절 빔 스플리터는 단섬유, 다초점 레이저 탐침에 사용된 종래 기술의 회절 빔 스플리터에 대해 다음과 같은 장점들을 가진다. 표면 요철 격자는 격자 기판의 말단 측상에 있을 수 있음으로써, 격자가 격자 표면의 기단 측상에 있을 때 빔의 비네팅( 및 그에 의해 유발되는 결과적인 문제점들)을 회피할 수 있다. 격자가 격자 표면의 기단 측 상에 있기 때문에 격자 기판은 필요하지 않다. 이는 얇은 기판이 사용되었을 때 발생할 수 있는 격자 기판의 후면 측으로의 접착제 침입 및 식염수 침입과 같은 문제점들을 회피할 수 있다. 격자가 공기 또는 식염수 또는 오일과 같은 액체 내부에의 담겨짐과 무관하게 각각의 N 회절 차수들로의 강하고 균일한 회절을 가진다.
도 4a 및 도 4b의 표준 격자로부터의 효과적인 회절은 격자 기판 재료(통상적으로 -1.45 내지 1.55)와 주변 공기(지수 = 1) 사이의 커다란 굴절 지수 불일치(Δn)에 의존한다. 효과적인 회절은 또한, 격자 구조의 깊이에 의존한다. 1차수로의 격자의 회절 효율은 Δn*d의 결과에 의존한다.
유사하게, 도 5a 및 도 5b의 변형 격자는 격자 기판 재료와 격자 표면이 내측에 담겨지는 유전체 재료 사이에 상당한 굴절 지수 불일치(Δnmod)를 필요로 한다. 이는 또한, 격자 구조의 깊이에 의존한다. 1차수로의 격자의 회절 효율은 Δnmod*d의 결과에 의존한다. 지수 변조(Δnmod)는 통상적으로 Δn보다 훨씬 작은데, 이는 침지된 유전체 재료의 굴절 지수가 공기의 지수(~1.0)보다 훨씬 더 높고 격자 기판의 지수에 훨씬 가까울 수 있기 때문이다. 상쇄하기 위해, 격자 피쳐의 깊이는 다음 공식에 따라 비례해서 증가되어야 한다.
Figure pct00001

예를 들어, Δnmod =1/3Δn 이면, 거의 동일한 높은 효율을 달성하기 위해서 dmod는 d보다 3배 더 깊어야 한다. 변형 격자에 있어서, 침지된 유전체 재료의 굴절 지수가 대략 1.5이면, 상당한 Δnmod를 달성하기 위해서 격자 기판은 1.5보다 훨씬 더 높은 굴절 지수를 갖는 고지수의 글라스로 만들어져야 한다.
도 5a 및 도 5b의 침지 유전체 층은, 이들이 망막 쪽으로 유전체 층으로부터 주위 매체 및 머리의 내측으로 나올 때 회절 비임의 왜곡이나 수차를 피하기 위해서 평탄한 반사 말단 표면을 가져야 한다. 광 접착제를 경화시키는 청색 광 또는 UV 광을 사용하여 이러한 유전체 층을 형성하는 실제적인 방법이 도 9에 도시되어 있다.
본 설명의 실시예에 대한 표준 실행 방법은 말단으로 향하는 회절면이 도 5a 및 도 5b의 격자 구조인 도 6의 구성과 유사할 것이다. 이러한 격자는 통상적으로, 표준 리소그래픽 공정을 사용하여 유리 격자 기판 내측에 후속적으로 에칭되는 격자 패턴을 포토레지스트 층 상에 직접적인 레이저 기록(writing) 또는 e-비임 기록함으로써 격자 기판 내에 형성된다.
대안적인 접근 방법은 도 10에 도시된 바와 같이, 복사될 격자의 정확한 역 상인 격자 마스터를 형성한 후에 광 접착제의 층 내에 격자 복사물를 형성하는 것일 것이다.
도 9 및 도 10에 도시된 방법들은 고 굴절 지수의 UV-경화 접착제로 형성된 격자를 저 굴절 지수의 UV-경화 접착제와 결합시킨 도 11의 격자 구조를 형성하도록 결합될 수 있다.
도 12는 본 설명의 실시예들에 따른 GRIN 렌즈의 말단면 상에 있는 두 개의 접착 층 격자를 도시한다. 이는 또한, (도 12에 도시된 바와 같이)원통형 GRIN 렌즈의 말단 단부면 상에 형성될 2 층 접착제 격자 구조에도 가능하며, 이에 따라 격자를 위한 별도 유리 층에 대한 요구를 무시할 수 있다.
도 13은 본 설명의 실시예에 따라 안과 조명기를 사용하여 눈의 내부 유리질 영역을 조명하는 방법과 연관된 논리 흐름도를 제공한다. 수술(900)은 적어도 하나의 백색 LED에 의해 광이 발생되는 블록(902)에서 시작한다. 블록(904)에서 추가의 광이 발생될 수 있다. 상기 광은 블록(906)에서 실질적으로 시준된다. 블록(908)은, 블록(910)에서 눈의 내부 영역을 조명하는데 사용될 수 있는 안과 조명기에 이러한 백색 광을 광학적으로 커플링시킨다. 이는 안과 조명기의 광 섬유가 블록(910)에서 눈의 내부 영역들을 조명하기 위한 광을 안내할 수 있게 한다.
요약하면, 실시예들은 안과 조명기를 제공한다. 위에서, 본 설명은 눈의 내부를 조명하기 위한 개선된 시스템을 제공하는 것으로 이해될 수 있다. 안과 조명기는 광원, 제 1 광학 조립체, 광학 커플링 요소, 및 광섬유 상의 말단부에 위치되는 광학 격자를 갖는 광섬유를 포함하며, 상기 광섬유는 광학 커플링 요소에 광학적으로 커플링된다. 제 1 광학 조립체는 백색 광을 수용하며 실질적으로 시준한다. 광학 커플링 요소는 제 1 광학 조립체로부터 실질적으로 시준된 백색 광을 수용하며 이 광을 광섬유로 지향시킨다. 광학 격자는 광섬유의 말단부, 표면 요철 격자를 갖는 광학 격자, 및 표면 요철 격자에 광학적으로 커플링되는 상부층에 커플링된다. 광학 격자는 N 회절 차수로 입사 광을 실질적으로 회절시키도록 작동할 수 있으며, 상기 N 회절 차수는 실질적으로 균일한 세기를 가진다. 따라서 광섬유/광학 격자는 백색 광을 눈의 내측으로 안내하는데 사용된다.
본 설명은 예로서 본 발명에 설명되었으며, 다수의 변경예들이 본 기술분야의 당업자에 의해 만들어질 수 있다. 본 설명이 상세히 설명되었지만, 다수의 변경, 치환 및 개조가 전술한 바와 같은 설명의 사상 및 범주로부터 이탈함이 없이 본 발명에서 만들어질 수 있다고 이해해야 한다.

Claims (20)

  1. 안과 조명기로서,
    광을 생성하도록 작동가능한 광원과,
    상기 광원에 커플링되고 상기 광원으로부터 광을 수용하고 실질적으로 시준하도록 작동가능한 제 1 광학 조립체와,
    상기 제 1 광학 조립체로부터 실질적으로 시준된 백색광을 수용하도록 작동가능한 광학 커플링 요소와,
    상기 광학 커플링 요소에 광학적으로 커플링되고 눈의 내측으로 상기 백색광을 안내하도록 작동가능한 광섬유, 및
    상기 광섬유의 말단부에 커플링되는 광학 격자를 포함하며,
    상기 광학 격자가 표면 요철 격자, 및 상기 표면 요철 격자에 광학적으로 커플링되는 덧층(overlayer)를 포함하며,
    상기 광학 격자가 입사광을 N 회절 차수들로 실질적으로 회절시키도록 작동할 수 있으며, 상기 N 회절 차수가 실질적으로 균일한 세기를 가지는,
    안과 조명기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 덧층은 유전체 재료 층을 포함하는,
    안과 조명기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 격자가 공기 또는 염류 용액 내에 침지될 때 상기 광학 격자는 실질적으로 균일한 세기를 갖는 N 회절 차수들로 광을 회절시키는,
    안과 조명기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면 요철 격자의 굴절 지수와 상기 덧층의 굴절 지수 사이에는 굴절 지수 불일치가 존재하는,
    안과 조명기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면 요철 격자의 굴절 지수는 상기 덧층의 굴절 지수보다 큰,
    안과 조명기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 덧층은 빔들이 상기 덧층로부터 주변 매체로 나올 때 N 회절 차수 빔들의 왜곡이나 수차를 피하도록 작동가능한 평탄한 반사 말단 표면을 포함하는,
    안과 조명기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 격자의 깊이는
    Figure pct00002
    에 따라 결정되는,
    안과 조명기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 덧층은 광학 접착제의 경화로부터 형성되는,
    안과 조명기.
  9. 안과 조명기로서,
    광을 생성하도록 작동가능한 광원과,
    상기 광원에 커플링되고 상기 광원으로부터 광을 수용하고 실질적으로 시준하도록 작동가능한 제 1 광학 조립체와,
    상기 제 1 광학 조립체로부터 실질적으로 시준된 백색광을 수용하도록 작동가능한 광학 커플링 요소와,
    상기 광학 커플링 요소에 광학적으로 커플링되고 눈의 내측으로 상기 백색광을 안내하도록 작동가능한 광섬유, 및
    상기 광섬유의 말단부에 커플링되는 광학 격자를 포함하며,
    상기 광학 격자가 표면 요철 격자, 및 상기 표면 요철 격자에 광학적으로 커플링되는 덧층(overlayer)를 포함하며,
    상기 표면 요철 격자의 굴절 지수와 상기 덧층의 굴절 지수 사이에는 굴절 지수 불일치가 존재하며,
    상기 광학 격자가 입사광을 N 회절 차수들로 실질적으로 회절시키도록 작동할 수 있으며,
    상기 광학 격자가 공기 또는 염류 용액 내에 침지될 때 상기 N 회절 차수들이 실질적으로 균일한 세기를 가지는,
    안과 조명기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 덧층은 유전체 재료 층을 포함하는,
    안과 조명기.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 표면 요철 격자의 굴절 지수는 상기 덧층의 굴절 지수보다 큰,
    안과 조명기.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 덧층은 빔들이 상기 덧층로부터 주변 매체로 나올 때 N 회절 차수 빔들의 왜곡이나 수차를 피하도록 작동가능한 평탄한 반사 말단 표면을 포함하는,
    안과 조명기.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 광학 격자의 깊이는
    Figure pct00003
    에 따라 결정되는,
    안과 조명기.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 덧층은 광학 접착제의 경화로부터 형성되는,
    안과 조명기.
  15. 광원에 의해 광을 생성하는 단계와,
    상기 광을 실질적으로 시준하는 단계와,
    하나 이상의 광 출력을 생성하도록 하나 이상의 광섬유에 백색광을 광학적으로 커플링하는 단계와,
    광학 커플링 요소에 의해 상기 하나 이상의 광 출력을 안과 조명기 섬유에 광학적으로 커플링하는 단계, 및
    눈의 내부 영역을 조명하기 위해 상기 안과 조명기 섬유에 의해 상기 광 출력을 안내하는 단계를 포함하며,
    상기 안과 조명기 섬유가 안과 조명기 섬유의 말단부에 커플링되는 광학 격자를 가지며, 상기 광학 격자가 입사광을 N 회절 차수들로 실질적으로 회절시키도록 작동할 수 있으며, 상기 광학 격자가 공기 또는 염류 용액 내에 침지될 때 상기 N 회절 차수들이 실질적으로 균일한 세기를 가지는,
    방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 광학 격자가 표면 요철 격자, 및 상기 표면 요철 격자에 광학적으로 커플링되는 덧층을 포함하는,
    방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 표면 요철 격자의 굴절 지수와 상기 덧층의 굴절 지수 사이에는 굴절 지수 불일치가 존재하는,
    방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 덧층은 빔들이 상기 덧층로부터 주변 매체로 나올 때 N 회절 차수 빔들의 왜곡이나 수차를 피하도록 작동가능한 평탄한 반사 말단 표면을 포함하는,
    방법.
  19. 제 16항에 있어서,
    상기 광학 격자의 깊이는
    Figure pct00004
    에 따라 결정되는,
    방법.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 덧층은 유전체 재료 층을 포함하는,
    방법.
KR1020127016162A 2009-11-24 2010-11-02 안과 조명기용 단섬유 다초점 레이저 탐침 KR101610840B1 (ko)

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