JP4219650B2

JP4219650B2 - 眼科用手術装置

Info

Publication number: JP4219650B2
Application number: JP2002304955A
Authority: JP
Inventors: 正幸籾内; 泰造江野; 義明後藤; 秀夫提橋
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2022-10-18
Also published as: US7082151B2; JP2004135971A; US20040078029A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ装置、特に光凝固装置等の眼科用手術装置に用いられるレーザ装置及び該レーザ装置を具備する眼科用手術装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年ではレーザビームの高いエネルギ密度を利用して、非接触で治療部位の光凝固、除去、切開等が行え、出血の防止、細菌の汚染の無い手術装置として眼科用手術装置が普及している。
【０００３】
レーザビームを用いた眼科用手術装置では、人眼の瞳を通してレーザビームを治療部位に照射し、光凝固、除去、切開等を行っている。
【０００４】
図４は光凝固装置の模式図であり、図中１はレーザ装置、２は集光レンズ、３はレーザビームを所要の位置迄導く光ファイバ、４は集光レンズ、５は人眼、６は瞳を示している。
【０００５】
前記レーザ装置１から発せられた開き角θのレーザビーム１０は前記集光レンズ２によって集光され、前記光ファイバ３に入射する。尚、開き角θは開口数ＮＡに近似されるので、以下は開き角を開口数ＮＡとして説明する。前記レーザビーム１０は開口数ＮＡｉで前記光ファイバ３に入射し、該光ファイバ３から開口数ＮＡe で射出し、更に前記集光レンズ４により集光され、前記人眼５に照射される。前記集光レンズ４で集光されたレーザビーム１０のうち、前記瞳６が持つ開口数ＮＡm に相当する部分が前記人眼５の眼底に照射され、患部の光凝固を行う。
【０００６】
図５は前記光ファイバ３に入射するレーザビーム１０の開口数ＮＡi と射出する開口数ＮＡe 及び前記光ファイバ３が持つ開口数ＮＡf との関係を示すものであり、これらの開口数はＮＡi ＜ＮＡe ＜ＮＡf の関係を持っている。
【０００７】
上記光凝固装置に於いて、前記光ファイバ３から射出されるレーザビーム１０をそのまま前記人眼５に照射する場合は、前記瞳６の開口数はＮＡm ≦０．０６であり、又前記レーザビーム１０が射出される光ファイバ３の開口数はＮＡf ＝０．１２である。従って、前記光ファイバ３に入射するレーザビーム１０の開口数が大きい場合は、前記光ファイバ３から射出されるレーザビーム１０の開口数も前記瞳６の開口数ＮＡm に対して大きくなる。
【０００８】
前記光ファイバ３から射出されるレーザビーム１０が等倍若しくは縮小倍率で網膜に光ファイバ像を投影し、光凝固する場合、図４に見られる様に前記レーザビーム１０の周辺部は前記瞳６に遮られ、前記レーザビーム１０の中心部分の光束しか眼底に投影されず、光損失が著しく増加する。前記レーザ装置１から発せられるレーザビーム１０が充分な光量を有している場合は支障ないが、前記レーザ装置１の光源が半導体レーザの様な場合は、眼底に到達するレーザビーム１０の大きな光量を得ることが難しく、治療に充分な光量を得ることが難しくなる。
【０００９】
又、前記光ファイバ３に入射するレーザビーム１０の開口数ＮＡi を小さくすると、射出されるレーザビーム１０の開口数ＮＡe も小さくなり、前記瞳６を通して眼底に照射されるレーザ光線の損失を低減することができる。従って、前記レーザ装置１から射出されるレーザビーム１０の開口数ＮＡi を小さくして前記光ファイバ３に入射させることも行われている。
【００１０】
然し乍ら、前記レーザビーム１０の開口数を小さくして前記光ファイバ３に入射させると、前記レーザビーム１０が前記光ファイバ３内を透過する際に励起される伝播モード間の干渉により、照射点での光強度分布が不均一となる。干渉を起した状態のレーザビーム１０の照射点での状態を図６（Ｃ）、図６（Ｄ）に示し、図６（Ａ）、図６（Ｂ）では前記レーザビーム１０の光強度が均一なトップハット状の光強度分布を示している。両者を比較すると、干渉を起したレーザビーム１０では照射点に斑点が見られ、又光強度分布に大きなバラツキがあることが分る。光凝固の施術を行う場合は、照射点での斑点、レーザビーム１０の光強度分布は治療効果に影響する。
【００１１】
この為、例えば非特許文献１に示されている様に、光ファイバから射出されるレーザビームをマイクロレンズアレイ、アキシコンレンズ等の光学部材を用いて光強度を均一にしている。
【００１２】
又、簡便な方法として網膜上に焦点を結ばず、デフォーカスの状態とし、光強度の不均一を平均化する方法がある。例えば、特許文献１に示される。
【００１３】
【特許文献１】
特開平８−１９６５６１号公報
【００１４】
【非特許文献１】
ＣＬＥＯ２００１，ＳｈｏｒｔＣｏｕｒｓｅＮｏｔｅｓ，ＳＣ１１７，ＬａｓｅｒＢｅａｍＡｎａｌｙｓｉｓ，Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，ａｎｄＳｈａｐｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，著者ＪａｍｅｓＲ．Ｌｅｇｅｒ，２００１年５月７日
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来のマイクロレンズアレイ、アキシコンレンズ等の光学部材を用いて光強度を均一にする方法では、部品点数が多くなると共にコストが増大する。又、デフォーカスの状態とし、光強度の不均一を平均化する方法では、デフォーカスの状態を維持するのが困難である等の問題を有していた。
【００１６】
本発明は斯かる実情に鑑み、簡便な方法で而も光損失が少なく、照射点での光強度分布が均一であるレーザ装置を提供するものである。
【００１７】
【課題を解決する為の手段】
本発明は、レーザビーム発光部が光共振部を具備し、射出されるレーザビームのビーム品質のパラメータＭ²が８≦Ｍ²≦２２となる様に、少なくとも前記光共振部を構成する共振器の共振器長、反射鏡の曲率の１つを決定したレーザ装置に係るものである。但し、Ｍ²＝πＷ・Θ／λ（Ｗ：レーザビームのビームウエスト、Θ：広がり角、λ：レーザビームの波長）
【００１８】
又本発明は、ビーム品質のパラメータＭ²が８≦Ｍ²≦２２であるレーザビームを射出するレーザ装置を具備する眼科用手術装置に係るものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
図１は光凝固装置の概略を示しており、図中、図４中に示したものと同等のものには同符号を付してあり、１はレーザ装置、２は集光レンズ、３は光ファイバ、８はスリットランプを示している。前記光ファイバ３は、該光ファイバ３内を伝播するレーザビーム１０の伝播モードを全て励起し、伝播モード間の干渉を防止し、均一な光強度分布とする為のループ部３ａを具備している。
【００２１】
上記した様に、前記レーザ装置１から発せられるレーザビーム１０が前記光ファイバ３に入射した際の伝播、更に該光ファイバ３から前記スリットランプ８、人眼（図示せず）に効率良く前記レーザビーム１０を伝播する為には、開き角θの小さいビーム品質が良いものでなければならない。然しビーム品質が良すぎると前記光ファイバ３内で励起された伝播モード間で干渉を生じる。この結果、出射される光強度分布に大きな強度ムラ、スペックルノイズが発生してしまい、治療効果を妨げる。
【００２２】
一方、強度ムラを無くし均一にするには、モード競合が起きない多モードで伝播する様なビーム品質の悪いものが必要となる。然しビーム品質が悪いと前記スリットランプ８との光結合が悪く、光損失が増加する。
【００２３】
本発明に係るレーザ装置では、光学系の光学部材間での結合時の光損失（伝送損失）、照射点での光強度分布はいずれもビーム品質に関係していることに着目し、均一な光強度分布を維持し、而も伝送損失を抑制できるビーム品質で前記レーザビーム１０を射出する様にするものである。
【００２４】
先ず、該レーザビーム１０の品質を表すパラメータとして、Ｍ²があり、該Ｍ²は以下の如く定義される。
【００２５】
ビームウエストＷ、広がり角Θとし、

【００２６】
ここでω、θは、前記レーザビーム１０の波長λに於ける基本モード（ガウスビーム）のビームウエスト、及び広がり角であり、前記レーザビーム１０の基本モードからのズレをＭ²（Ｍ）で表し、レンズ光学系の下では保存量となる。
【００２７】
前記光ファイバ３を伝播するレーザビーム１０に対しても同様に定義でき、前記光ファイバ３（コア径φ、開口数ＮＡf ）への集光ビーム径Ｄ、入射ＮＡi とすれば、光ファイバ３ヘの結合結条件（Ｄ≦φ、ＮＡi ≦ＮＡf ）を考慮して次式が求まる。但しＮＡe は光ファイバ３からの出射ＮＡである。
【００２８】

【００２９】
これより次式が求まる。
【００３０】
Ｍ²≦（πφ／２λ）・ＮＡe
【００３１】
一般的に、多モードで前記光ファイバ３に入射したレーザビーム１０のビームプロダクト（Ｗ・Θ）は保存せず、前記光ファイバ３の長さ、ループ部３ａの曲率に依存し、ファイバ特性で決まる値（φ・ＮＡf ／２）迄ビーム品質が劣化する。然し乍ら、前記光ファイバ３の長さを数メートル、前記ループ部３ａを大きな曲率で行う場合、劣化は少なく、前記レーザビーム１０の光ファイバ３入射時の特性をかなり反映する。該光ファイバ３への入射ＮＡの下限値は、射出されるレーザビーム１０の断面強度分布の均一性から判断される。
【００３２】
ＮＡを小さくし、レーザビーム１０の品質を上げ過ぎると、前記光ファイバ３内の伝播モードを励起し、伝播モード間でエネルギのやり取り（干渉）が発生する。この結果、出射光強度分布に大きな強度ムラ、スペックルノイズが発生してしまい、施術した場合に凝固ムラを起こして治療効果を妨げる。ビーム品質が良く、ＮＡm より小さなＮＡで人眼５に入射できても、干渉ノイズが大きければ使えない。
【００３３】
光強度分布の明確な規定は難しいが、前記光ファイバ３の屈折率分布（ステップインデックス）に類似したトップハット状の断面光強度分布が最適とされる。従って、平均値からの偏差をノイズと定義すれば、この偏差Δが許容値以内であることが求められる。レーザビーム１０断面内の任意の点の光強度分布をI（ｘ，ｙ）、断面内の平均値を＜Ｉ＞とすれば、偏差Δは次式で定義できる。
【００３４】
Δ＝∫∫（Ｉ−＜Ｉ＞）²ｄｘｄｙ／＜Ｉ＞²
＠＜Ｉ＞＝∫∫Ｉ（ｘ，ｙ）ｄｘｄｙ
【００３５】
経験的に、前記光ファイバ３への入射ＮＡがＮＡmin 以上の時、低ノイズと思われるΔmax 以下となるから、
【００３６】
ＮＡmin ≦ＮＡ≦ＮＡe
【００３７】
一方、スリットランプ８光学系ではビームプロダクト（Ｗ・Θ）が保存される為、等倍若しくは縮小倍率で網膜に光ファイバ像を投影し光凝固する場合、前記スリットランプ８からの治療光特性は瞳６のＮＡm により制限される。即ちＮＡm より大きな広がり角Θでスリットランプ８に入射しても治療に寄与せず、光損失になるだけである。これより光凝固装置として許容できる光ファイバ３からの最大出射ＮＡmax は、ＮＡm とＮＡf の間になる。
【００３８】
ＮＡm ≦ＮＡmax ≦ＮＡf
【００３９】
従って前記光ファイバ３からの出射ＮＡとして以下の条件が求まる。
【００４０】
ＮＡmin ≦ＮＡe ≦ＮＡmax
【００４１】
これより許容ビーム品質パラメータＭ²は
Ｍ²min ≦Ｍ²≦Ｍ²max である。
【００４２】
図２は典型的な伝播効率及びノイズとＭ²との関係を示しており、図中曲線Ａが伝播効率、曲線Ｂがノイズを示している。
【００４３】
光源から光ファイバ３の伝播効率は７０％以上、光ファイバ３から角膜（眼底）への伝播を７０％以上とすると、総合伝播効率は５０％以上が期待できる。
ηmin ≧５０％・・・（１）
【００４４】
又、ノイズの許容レベルを平均値の±１０％程度とすれば、
【００４５】
Δmax ≦１（a.u.）・・・（２）
【００４６】
式（１）、式（２）を同時に満たす条件として図２より
８≦Ｍ²≦２２
を得る。
【００４７】
この範囲のビーム品質のパラメータを有するレーザビーム１０を用いた場合、スリットランプ８への伝播用の光ファイバとして一般的なコア径φ５０μｍ（ＮＡf ＝０．１２）とφ７５μｍ（ＮＡf ＝０．１２）が使える。前者の光ファイバを使う場合、８≦（πφ／２λ）・ＮＡe ≦２２より０．０６≦ＮＡe ≦ＮＡf の範囲で総合伝播効率５０％以上が期待できる。
【００４８】
又、後者の光ファイバを使う場合、同様に０．０６≦ＮＡe ≦０．１で総合伝播効率５０％以上を期待できる。勿論この範囲で断面光強度分布は均一である。ファイバ仕様が異なれば、光ファイバの出射許容範囲も異なるが、レーザビームのビーム特性の許容範囲は変らない。更にノイズ許容レベルは治療効果との相関が求められるが、明確な実験例は無く、ここでは典型値として求めた。
【００４９】
図３は前記レーザ装置１が具備するＬＤ固体励起レーザの一例を示しており、図３中、１１は発光部、１２は光共振部である。前記発光部１１は励起光としてレーザビーム１０を発するＬＤ発光源（半導体レーザ）１３、集光レンズ１４を具備し、更に前記光共振部１２は誘電体反射膜１５が形成されたレーザ結晶（例えばＮｄ：ＹＶＯ4 ）板１６、誘電体反射膜１７が形成された出力ミラー１８であり、前記光共振部２に於いてレーザビーム１０をポンピングし共振、増幅して出力している。
【００５０】
レーザビーム１０のビーム特性に大きな影響を持つものは、共振器長（Ｌ）、ミラー曲率（Ｒ）、活性媒質中での励起体積と発振モード体積の重なり等である。例えば、平面−凹面共振器に於ける基本モード（TEM₀₀;Ｍ²＝１）のビームウエスト（ω₀）は、発振波長をλとして次式で与えられる。
【００５１】
ω²＝（λ／π）（Ｌ（Ｒ−Ｌ））^1/2
【００５２】
一般的に発振（横）モードは、次式のフレンネル数（Ｆｒｅｓｎｅｌｎｕｍｂｅｒ）による回折損失の影響を受け、低次数の発振モードから発振する。
【００５３】
Ｎ＝ａ²／（λＬ）
【００５４】
ここでａは共振器内の開口である。Ｎが大きい程回折損失が大きく、発振が阻害される。通常はＬを大きくすることで、発振モード次数を下げ基本モードで発振させる。逆にＬを小さくすれば、マルチモード（TEM_mn;Ｍ²＞１）でも発振し易くなる。発振モード体積に対し励起体積が大きいと、マルチモードで発振し易い。通常は基本モードで発振させる為、励起光半径ω_pはω₀に比べて小さめにする（ω_p＜ω₀）が、高出力ＬＤを用いた励起系では（ω_p＞ω₀）とする。この場合、基本モード以外のマルチモード発振体積も励起する為、基本モードばかりでなく、高次モード（Ｍ²＞１）も発振する。
【００５５】
結局、短共振器で且つ基本モードのビームウエストより大きな励起光半径で励起することにより、複数のマルチモードで発振する。実施例ではＬ〜２５mm、Ｒ＝１００mm、ω_p〜０．４mmの条件で、Ｍ²〜１０である。勿論、レーザ媒質の熱レンズ効果、共振器内に挿入される波長変換結晶によっても横モードの発振は影響を受ける。この為、Ｍ²を任意のある値に固定するのは困難であるが、所定の範囲内に制御するのは、それ程困難ではない。
【００５６】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明によれば、レーザビーム発光部が光共振部を具備し、射出されるレーザビームのビーム品質のパラメータＭ²が８≦Ｍ²≦２２となる様に、少なくとも前記光共振部を構成する共振器の共振器長、反射鏡の曲率の１つを決定したので、伝送損失を抑え、特別な光学系を用いなくてもスリットランプからのレーザ出射光強度分布が均一で治療効果の高い治療光を得ることができる。
【００５７】
又、眼科用手術装置、例えば光凝固装置に最適なビ―ムパラメータを持つレーザを搭載することで、伝送損失を抑制してレーザ装置への制限を軽減する。又、簡単に均一な光強度を得ることが出来る為、複雑な光学系が不要となり、装置が簡略化できる。
【００５８】
更に、光強度分布をトップハットにする様な均一なレーザビームが得られ、治療効果を高める等の優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す概略図である。
【図２】典型的な伝播効率及びノイズとＭ²との関係を示す線図である。
【図３】ＬＤ固体励起レーザの一例を示す説明図である。
【図４】従来の光凝固装置の模式図である。
【図５】光ファイバに入射するレーザビームの開口数と光ファイバから射出するレーザビームの開口数との関係を示す説明図である。
【図６】レーザビームの照射点での斑点、光強度分布を示す説明図であり、（Ａ）（Ｂ）はレーザビームの光強度分布が均一な場合、（Ｃ）（Ｄ）は光強度分布が不均一な場合を示している。
【符号の説明】
１レーザ装置
２集光レンズ
３光ファイバ
４集光レンズ
５人眼
６瞳
８スリットランプ
１０レーザビーム

Claims

レーザビーム発光部が光共振部を具備し、該光共振部から発せられるレーザビームを光ファイバを経て射出するレーザ装置と、該レーザ装置から手術対象眼の瞳の開口数ＮＡ m 以上の開口数で射出されたレーザビームを網膜に投影するスリットランプとを有する眼科用手術装置であって、前記光共振部から発せられるレーザビームがマルチモードであり、前記光ファイバから射出されるレーザビームのビーム品質のパラメータＭ²が８≦Ｍ²≦２２となる様に、少なくとも前記光共振部を構成する共振器の共振器長、反射鏡の曲率の１つが決定されることによって、手術対象眼の光学系を介して照射されたレーザビームの照射点での光強度分布がトップハット状であり、伝送損失が抑制される様にしたことを特徴とする眼科用手術装置。
但し、Ｍ²＝πＷ・Θ／λ（Ｗ：レーザビームのビームウエスト、Θ：広がり角、λ：レーザビームの波長）
前記光ファイバからの最大出射開口数ＮＡmax は、手術対象眼の瞳の開口数ＮＡm とレーザビームが射出される前記光ファイバの開口数ＮＡf の間に設定されている請求項１の眼科用手術装置。