JP2010057894A - カスタム位相板 - Google Patents

Abstract

【課題】光線から収差を除去する装置及び方法を提供すること。
【解決手段】波長「λ」の光線のためのカスタム位相板は基本の屈折率「ｎ_０」を有するプラスチックの板材を含む。この板材の表面には異なる屈折率を有する隣接した複数のスポットが形成されている。そして、このスポットは、光線から光学収差を除去する回折パターンを確立する。具体的には、各スポットは、ｋλ／１０（ここでｋ＝１〜１０）に等しい、基本の屈折率（ｎ_０）に対する選択された光路差（ＯＰＤ）を有する。更に、パターン内の各スポットについてのＯＰＤは、プラスチック材料を超短パルスのレーザ光で加熱することによって個別に確立される。
【選択図】図３

Description

本発明は、広く言えば、眼科の診断システムに使用するための装置及び方法に関するものである。より詳細には、本発明は、光線から光学収差を取り除き、それによって本質的に収差のない、光線の収束を確立するための装置及び方法に関するものである。本発明は、とりわけ、光線に回折状態を生成して光線から光学収差を除去する、異なる屈折率パターンが形成されたカスタム位相板として有用であるが、それに限定されるものではない。

眼科用レーザ走査イメージング・システムの有効性は、レーザ光の効果的なスポット・サイズを確立するレーザ・システムの能力にきわめて大きく依存する。効果的なスポット・サイズを確立するためには、システムのレーザ光が回折限界焦点（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｌｉｍｉｔｅｄ ｆｏｃａｌ ｐｏｉｎｔ）（即ち、回折限界点広がり関数（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｐｏｉｎｔ Ｓｐｒｅａｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）：ＤＬ−ＰＳＦ）に収束することがきわめて望ましい。この望ましい結果を達成するためには、レーザ光が実質的に平坦な波面を有することが重要な側面となる。しかし、レーザ光の波面を歪める収差がレーザ光には頻繁に（ほとんど常に）導入される。この結果として、歪められた波面がレーザ光に導入され、このレーザ光は、補正されなければ、ＤＬ−ＰＳＦを最適化するのに不利となる。

眼科イメージングの過程においては、眼球自体が重大な光学収差及び位相収差を導入することがしばしば起こる。具体的には、眼球の角膜、水晶体及び網膜が、それぞれ導入される収差の一因になり得る。前述のとおり、最善のＤＬ−ＰＳＦのためには、これらの収差は除去されるか、又は、少なくとも最小化される必要がある。

波面アナライザ（例えば、シャック−ハルトマン（Ｈａｒｔｍａｎｎ−Ｓｈａｃｋ）センサ）を使用して、光線に導入される収差の全体効果を測定できる。次いで、測定結果を使用して、導入された収差を補正する装置を、生成する、又はプログラムすることができる。いずれの場合にも、目的は、実質的に平坦な波面を有する光線（例えば、走査レーザ検眼鏡の診断用光線）を再構成することである。言い換えれば、外的影響（即ち、眼球）に起因する波面の歪みは、歪み対抗策（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）によって除去される必要がある。前述のとおり、この目的（即ち、結果として平坦な波面を得ること）は、走査レーザ検眼鏡の解像度とコントラストの全体的な有効性を向上させるＤＬ−ＰＳＦを確立するために重要である。

光波がその位相速度の異なる２つの媒質間の境界を横切る際に、光が屈折することはよく知られた物理的現象である。この結果、位相変化に相当する光路差（ＯＰＤ）が光線に生じる。更に、この位相変化の程度は光が媒質を通って進行する距離に依存する。例えば、０．０１に等しい屈折率の変化（即ち、Δｎ＝０．０１）を有する材料（例えばプラスチック）においては、この材料の中を光が５ミクロン進行するとＯＰＤはその光の波長の略十分の一である（ＯＰＤ＝λ／１０）。しかし、全効果は距離に依存する。例えば、２０ミクロンの材料の中を進行すると光には０．４λのＯＰＤが生じる。したがって、５０ミクロン毎にλずつの完全な３６０°の位相のずれが起こることになる。

また、プラスチック材料はフェムト秒レーザ光からの放射によって光学的に変質させることができ、その結果として上述のようなＯＰＤを生じさせることができることもよく知られている。具体的には、プラスチック材料のスポットに収束したフェムト秒レーザ光の１回の照射（例えば、５０ＭＨｚで発生させた１００フェムト秒にわたるパルス）が、約５ミクロンの深さにわたって材料を変質させることが知られている。そして、この変質によって、約λ／１０のＯＰＤが生じる。更に、位置合わせをして照射を「ｋ」回おこなえば、ＯＰＤは略ｋλ／１０に等しくなる。スポットをどのように配列するかによって、様々なＯＰＤを組み合わせて光線の波面に所定の方法で影響を与えることができる。したがって、上記から分かるとおり、歪められた波面を有する光線に屈折変化を選択して導入すると、結果的に、波面を「平坦」又は「平面」の構成へ戻すことが可能となる。

上述内容に鑑みて、本発明の目的は、光線から収差を除去するシステム及び方法を提供し、収束を改善し、回折限界点広がり関数を改善することである。本発明の別の目的は、網膜イメージング・システムに使用するために特定の患者に対してカスタマイズされた位相板を提供することである。本発明のさらに別の目的は、患者の眼球によって光線に導入された静的な収差を効果的に補正するカスタマイズされた位相板を提供することである。本発明のさらに別の目的は、使用が容易で、簡単に製造され、そして比較的費用効率の高い、眼科用レーザ・システムで使用するためのカスタマイズされた位相板を提供することである。

本発明によれば、カスタム位相板は、パルス状レーザ光を発生させるレーザ・ユニットを使用して製造される。より具体的に言えば、レーザ・ユニットは５０ＭＨｚでレーザ光パルスを発生させ、各パルスは約１００フェムト秒の持続期間と約１ナノジュールのエネルギレベルとを有する。本発明では、屈折率「ｎ_０」のプラスチック材料の表面上をレーザ光の焦点が移動させられる。これにより、表面を変質させて、プラスチック材料の屈折率の変化（Δｎ）のパターンを生成する。

本発明カスタム位相板は、第１側面と第２側面とを有する平坦なプラスチックの板材で作製され、２つの側面間の厚さは約１ｍｍであることが好ましい。ただし、位相板の製造において、レーザ・ユニットは深さ約５０ミクロンのみ表面層を変質させる。光学的には、位相板の変質された材料層の目的は光学収差を予め補正することである。具体的には、光学システム（例えば眼球）によって後に光線に導入されることになる光学収差を除去するためにこの補正がなされる。結局のところ、ここでの目的は、光学システムを通過した後の光波が収差のない収束を確立することである。

本発明を眼科用に適用するためには、まず最初に眼球の波面測定が行なわれる。よく知られているとおり、そのような波面測定によって、光が眼球を通過する際に光線に導入される光学収差を表す、眼球の光学特性が特定される。これらの波面測定を使用して、光線から光学収差を除去するために必要な屈折率のパターンを決定することができるのは重要なことである。結果として、収差が除去されることにより、眼球を通過する光線は、回折限界焦点（即ち、回折限界点広がり関数ＤＬ−ＰＳＦ）に収束することになる。更に、これらの波面測定は、眼球によって導入される全ての次数の収差を含むことがある。それに対しては、入力光線が単一波長（例えば赤色光、λ_ｉ＝７８０ｎｍ）である場合には、１枚のカスタム回折板で、導入される全ての光学収差を効果的に補正できる。

本発明では、プラスチック板材の表面に生成された屈折率変化のパターンは、プラスチック材料を所定の方法で加熱することによって生じさせる。とりわけ、この加熱は、材料内の隣接する多数のスポットにレーザ光を順次収束させることによっておこなわれる。結果として、各スポット位置において、それぞれスポットを通過する光に光路差（ＯＰＤ）を生じさせる。具体的には、本発明では、所定の屈折率の変化（Δｎ）（例えばΔｎ＝０．０１）を与えた所定の材料（例えばプラスチック）に対して、その材料を通過する距離を所定の距離（例えば５ミクロン）とすれば、波長（λ）の光について、あるＯＰＤ（即ち位相変化）を確立することができる。とりわけ、５ミクロンのスポットの深さ毎にλ／１０のＯＰＤを確立することができる。したがって、各スポットについて必要な回折に応じて、スポット深さは５〜５０ミクロンになる。

本発明によれば、各スポットはレーザ・ユニットを用いて所定回数のレーザ照射（即ち「ｋ」回の照射）を使用して生成される。１回の照射は、略５０パルスを含み、略１マイクロ秒の持続期間であることが好ましい。１回の照射中に、実質的に円筒形状の体積の材料の変質が、深さ約５ミクロン、直径約１ミクロンにわたって生じる。一般に、上述のとおり、１回の照射によって波長の約十分の一（λ／１０）のＯＰＤが生じる。「ｋ」回の照射については、ＯＰＤはｋλ／１０に等しくなる。本発明では、５ミクロンのスポット深さ毎に略λ／１０の変化が生じることが好ましい（即ち、「ｋ」は１〜１０の範囲である）。例えば０．４λのＯＰＤを生成することが必要とされる状況を想定されたい。この場合に、最初の照射について、レーザ・ユニットの焦点を２０ミクロン（即ちｋ＝４）の深さに合わせる。その後、更に３回、レーザ・ユニットの焦点を再びスポットに合わせるが、引き続く各回の照射についてはレーザ光の焦点を毎回５ミクロンの距離ずつ引き戻すようにする。上記から分かるとおり、回数「ｋ」は、そのスポットの位置で必要な回折の量に応じて選択される（例えば０．２λが必要であればｋは２となり、０．７λが必要であればｋは７となる）。当業者であれば理解されるとおり、スポットは、レーザ光の焦点を引き戻すのではなく前進させることによっても生成できる。

本発明の別の態様では、カスタム位相板によって光線に回折の変化を与えることに加えて、必要であれば、屈折補正（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）のための局所領域も生成することができる。具体的には、波面測定によって、屈折技術（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）によってより効果的に補正できる特定の領域が、眼の視覚面（ｖｉｓｉｏｎ ｐｌａｎｅ）に確認されることがある。その場合には、回折技術（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）に基づいて予め決定された屈折率変化のパターンに対して、適切な局所領域の屈折補正（即ち、付加的な屈折率変化）を重畳させることによって、カスタム位相板を生成し、この要求に応えることが可能である。

更に、上述の波面解析を使用して眼底部の構成を決定するために、合焦／脱焦補正（ｆｏｃｕｓ／ｄｅｆｏｃｕｓ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）をカスタム位相板に加えることができる。具体的には、これにより近視／遠視収差を考慮することができる。いずれにしても、眼球によって導入された光学収差を補正するために必要な回折の要件（屈折率の変化の要件）は、付加される（ａｄｄｉｔｉｖｅ）ものである。したがって、上述のとおり、イメージングのために単一波長の入射光が使用される場合はいつも、カスタム位相板が１枚必要とされるだけである。また、これは、眼底部から放射される戻りの光線の波長に関わらず成り立つ。

本発明の新規の特徴、さらに本発明自身は、その構造および動作の両方について、添付図面を添付の説明と組み合わせることによって最もよく理解され、図面では、同様の参照文字は同様の部品を示す。

本発明カスタム位相板の斜視図である。 本発明位相板の図１の２−２線断面図である。 本発明位相板の製造に使用される構成要素の概略図である。 本発明位相板の図２断面の４−４線の領域に一般的に見られる拡大図である。 眼科用レーザ・システムで使用するために配置された本発明位相板の概略図である。

最初に図１を参照すると、本発明のカスタマイズされた位相板が示され、全体として番号１０が付されている。図示のとおり、位相板１０は厚さ１２及び実質的に平坦な表面１４を有する。位相板１０は基本の屈折率（ｂａｓｅ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）「ｎ_０」の明澄透明なプラスチック材料で作られ、位相板１０の厚さ１２は略１ミリメートルであることが好ましい。図２を参照して最もよく理解されるとおり、表面１４は深さ１８の層１６で形成される。以下の開示に鑑みて、層１６の深さ１８は略５０ミクロンである。

位相板１０の層１６の製造は図３を参照して最もよく説明される。ここで、波面アナライザ２０が、患者（図示せず）の眼球２４内部から反射された光２２を受光するように配置されていることが分かる。本発明では、波面アナライザ２０はシャック−ハルトマンタイプの波面センサであることが好ましい。いずれにしても、反射光２２は、波面アナライザ２０で受光される前に眼球２４の角膜２６、水晶体２８及び網膜３０の部分を通過してくる。波面アナライザ２０では、反射光２２が評価され、眼球２４の解剖学上の要素（即ち、角膜２６、水晶体２８及び網膜３０）によって光線２２に導入された収差（光学収差及び位相収差）が測定される。次いで、この情報は、カスタマイズされた位相板１０を作製するために使用される製造ビーム３４を制御するためにレーザ・ユニット３２に送られる。

本発明では、製造ビーム３４はパルス状のフェムト秒レーザ光であることが好ましい。製造ビーム３４は、１パルス当たり約１ｎＪのエネルギレベルを有する約５０ＭＨｚで発生させたパルスを含むことが好ましい。次いで、これらのパルスの照射を使用して、位相板１０の層１６に特定のスポットを生成する。図４に示されたスポット３６は代表的なものであるが、単なる例示である。

詳細には、各スポット（例えばスポット３６）は、レーザ・ユニット３２からのレーザ・パルスの一連の照射によって作製される。位相板１０に関しては、スポットは、そのような照射を少なければゼロ回、多ければ１０回行うことによって生成可能である。各場合において、パルスの１回の照射は、層１６の内部で直径約１ミクロン、深さ５ミクロンの体積部分の材料（即ちスポット・セグメント３８）を変質させる。例えば、スポット３６は２回の照射で作製され、したがって、スポット・セグメント３８ａ及びスポット・セグメント３８ｂを含む。同時に、スポット・セグメント３８ａ及び３８ｂによって、スポット３６の全体深さ４０は約１０ミクロンに等しくなる。図４に示すとおり、さらなるスポット（例えばスポット４２及びスポット４４）が位相板１０の表面１４にわたって作製される。これらのスポットはおおむね隣接しており、波面アナライザ２０からの入力に従って配列され、各患者に特有の回折パターン４６（図２参照）を生成する。

光学的には、回折パターン４６内の各スポット（例えばスポット３６）は所定の光路差（ＯＰＤ）を有するように作製される。より具体的には、各スポット・セグメント３８（例えば、スポット３６内のスポット・セグメント３８ａ）は、製造されるスポット（例えばスポット３６）にλ／１０のＯＰＤをもたらす。言い換えると、ある特定の屈折率変化（Δｎ）をもたらす照射を「ｋ」回（ｋ＝１〜１０）おこなえば、ＯＰＤはｋλ／１０に等しくなる。したがって、スポット内のスポット・セグメント３８の数（即ち、その製造に使用される照射回数）に応じて、各スポットは所定のＯＰＤを有する（例えば、３回の照射は３λ／１０に等しいＯＰＤを生じさせる）。上述のとおり、結果として生じる回折パターン４６は波面アナライザ２０からの入力に依存する。更に、非対称収差を調節するために局所領域４８を回折パターン４６の中に含めることができる。これを行なうために、必要に応じて追加のスポット・セグメント３８を付加することができる。

図５は、カスタマイズされた位相板１０を含む走査イメージング・システムを例示しており、全体として番号５０が付されている。具体的には、システム５０はレーザ光５４を発生させるためのレーザ５２を含む。また、システム５０は、位相板１０と共に使用して、レーザ光５４から収差を除去することができる合焦／脱焦ユニット５６も含む。より具体的には、図示のとおり、コンピュータ５８を組み込んで、合焦／脱焦ユニット５６及び位相板１０の動作に対するフィードバック制御を行なうことができる。また、システム１０の別の実施例では、アクティブ・ミラー（ａｃｔｉｖｅ ｍｉｒｒｏｒ）６０を合焦／脱焦ユニット５６及び位相板１０と共に使用して、レーザ光５４から収差を除去できる。この場合は、アクティブ・ミラー６０を図５の破線で示すとおり含めることができる。

本明細書で詳細に図示し、開示した特定のカスタム位相板は、目的を十分に達成し、前述した利点を提供することができるが、これは本発明の現在好ましい実施形態の例示に過ぎず、添付された特許請求の範囲の記述以外は、本明細書で示された構成又は設計の詳細に制限されるものではないことを理解されたい。

１０ 位相板
１２ 厚さ
１４ 表面
１６ 層
１８ 深さ
２０ 波面アナライザ
２２ 反射光
２４ 眼球
２６ 角膜
２８ 水晶体
３０ 網膜
３２ レーザ・ユニット
３４ 製造ビーム
３６ スポット
３８ａ、ｂ スポット・セグメント
４０ 深さ
４２ スポット
４４ スポット
４６ 回折パターン
４８ 局所領域
５０ システム
５２ レーザ
５４ ビーム
５６ 合焦／脱焦ユニット
５８ コンピュータ
６０ アクティブ・ミラー

Claims (3)

1. 波長「λ」を有する光線から、光学収差を除去するためのカスタム位相板であって、
   前記カスタム位相板は、
   表面を有する透明な板材と、
   回折パターンを確立するために前記板材の前記表面に形成された複数の隣接するスポットとを備え、
   前記板材の基本の屈折率は「ｎ_０」であり、
   各スポットは、前記基本の屈折率「ｎ_０」に対して選択された光路差「ＯＰＤ」を有し、ＯＰＤ＝ｋΔｎ＝ｋλ／１０であり、ここでｋ＝１〜１０であり、
   前記回折パターンは、前記カスタム位相板を通過する前記光線が実質的に収差のない収束をつくるために、所定の光学収差を前記光線から除去するようになっているカスタム位相板。
2. 各スポットの屈折率の変化「Δｎ」は、前記スポットをレーザ光で加熱することによりつくられた請求項１に記載されたカスタム位相板。
3. 前記カスタム位相板が、前記表面に形成された局所的な屈折領域を更に備え、
   前記局所的な屈折領域は、付加的に屈折率を変化させることを特徴とし、前記回折パターンに付加される請求項１に記載されたカスタム位相板。

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