JP4302885B2

JP4302885B2 - 回折性の光学的ビーム積分によるレーザー伝送システムおよび方法

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Publication number: JP4302885B2
Application number: JP2000529773A
Authority: JP
Inventors: ジョージカウドル，; ブラディミアレンバーグ，
Original assignee: ビジックス，インコーポレイテッド
Priority date: 1998-01-29
Filing date: 1999-01-20
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2019-01-20
Also published as: CA2319122A1; DE69924358D1; WO1999039410A1; CA2319122C; EP1051781A1; EP1051781A4; EP1051781B1; AU2560499A; JP2002502062A; ATE291787T1; DE69924358T2

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は概して、ビームの空間的強度分布を変更するための光ビームシステムに関し、より詳細には、エキシマレーザービームの空間的および／または時間的強度分布を変更し、それにより組織の切除に対して実質的に均一な強度のビームを生成する、光ビームシステムに関する。
【０００２】
（発明の背景）
エキシマレーザーは、例えば角膜切除および他の外科的処置のような組織切除を含む、様々な用途に使用されてきた。典型的なエキシマレーザービームの強度プロファイルの断面は、典型的に空間的均一性がない。一般に、ビームは、ほぼ矩形の断面を有する。その矩形のビーム長軸に沿う強度は、ビームの中心部分に渡って実質的に一定である。ビームの短軸に沿う強度は、実質的にガウス分布である。従って、エキシマレーザービームの発散は、２つの軸に沿って異なる。その結果、ビームは、放射されたときの形状を変化させ、エキシマレーザーから離れて進行する。
【０００３】
実質的に均一な強度の、レーザービームを生成することは、組織切除のような多くの外科的処置において、特に屈折率補正または治療目的のための角膜切除において、重要である。さらに、レーザービームは、切除処置中に切除アルゴリズムによって必要とされる形状を維持するべきである。
【０００４】
様々な方法が、レーザービームの空間的照射あるいは強度分布を修正するために、使用されてきた。切除を行う平面で、ビームの断面に渡ってより均一な強度のビームを生成するために、研究者らは、ビームの均一性を増し、ビームの発散を減少させるためにレーザー発射容量および共振器オプティクスを変更した。マスクの開口は、ビームの残りの部分を切り捨てることによって、ビームのほぼ均一な部分を選択する。開口は、角膜面のような切除面で結像される。あるいは、ビーム発散が十分弱い場合、開口によって選択されたビームは、角膜面に対して直接投射され得る。
【０００５】
ビーム強度を改善する別の方法は、ビームを一連のビームレット（ｂｅａｍｌｅｔ）に分解するために複雑な光学システム（例えば、ミラー、プリズム、またはレンズのセット）を用いる。ビームレットは、マスクの開口によって均一な強度を生成する様式で、重ね合わされる。その開口は角膜面上に結像される。
【０００６】
さらに別の方法は、幾何学的な螺旋形状を有する１つ以上の開口で形成される回転可能なマスクを用い、それによりビームの空間的強度分布を変更する。それは、Ｋｌｏｐｏｔｅｋに対して発行された、米国特許第５，６５１，７８４号に、「ＲＯＴＡＴＡＢＬＥＡＰＥＲＴＵＲＥＡＰＰＡＲＡＴＵＳＡＮＤＭＥＴＨＯＤＦＯＲＳＥＬＥＣＴＩＶＥＰＨＯＴＯＡＢＬＡＴＩＯＮＯＦＳＵＲＦＡＣＥ」と題して開示される。回転ダブプリズムまたはｋ−ミラーのような時間的ビーム積分器は、レーザービームを修正するために使用され、ある時間間隔におけるいくつかのレーザーパルスの平均的な不均一性を改善する。
【０００７】
Ｇｌｏｃｋｌｅｒによる、「ＭＥＴＨＯＤＡＮＤＡＰＰＡＲＡＴＵＳＦＯＲＴＥＭＰＯＲＡＬＡＮＤＳＰＡＴＩＡＬＢＥＡＭＩＮＴＥＧＲＡＴＩＯＮ」と題する、米国特許第５，６４６，７９１号は、本明細書中全体にわたって参考として援用され、空間的ビーム積分器を用いて、レーザビーム強度のプロファイルの空間的均一性を改善し、さらに別個の回転時間的ビーム積分器を用いて、レーザーパルス時間間隔のレーザービーム強度の均一性を維持する。空間的ビーム積分器は、ホロー中心の周りに分布した複数のプリズムを含む。各プリズムの射出面は、空間的ビーム積分器の本体軸に関して、正確に角度をなしており、それにより中心方向へビームを反射する。空間的ビーム積分器は、空間的ビーム積分器に関して、定常のビームを生成するように定常状態であり得るか、あるいは回転ビームを生成するように回転され得る。時間的ビーム積分器は、両方のレンズの焦点距離の合計とほぼ等しい距離だけ、ビーム軸に沿って間隔を空けられた、一対の回転円柱状レンズを含む。
【０００８】
「ＢＥＡＭ−ＨＯＭＯＧＥＮＩＺＥＲ」と題する、Ｆｅｌｄｍａｎの米国特許第５，６１０，７３３号、および「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣＭＥＴＨＯＤＦＯＲＰＲＯＤＵＣＩＮＧＤＥＳＩＲＥＤＷＡＶＥＦＲＯＮＴＴＲＡＮＳＦＯＲＭＡＴＩＯＮ」と題する、Ｃａｓｅの米国特許第４，５４７，０３７号は、本明細書全体にわたって参考として援用され、レーザービームのエネルギー分布を変化させるために回折性のオプティクスを用いている。回折光学素子は、第１平面のレーザービーム路に配置される。第１平面で、複数の格子パターンを適切に構成することにより、望ましい出力エネルギーが第２平面で生成される。
【０００９】
（発明の要旨）
組織を切除する従来の方法は、複雑で高価な装置を使用して、レーザービームの均一性を改善する。パルスレーザーから放出された不均一な強度のビームを、ビームの断面の大部分にわたって実質的に均一な強度のレーザービームへ変換することができる、単純かつ安価な装置が求められる。さらに、本発明の実施形態は、レーザーパルス間でビーム変換装置を移動するための手段を提供することにより、レーザービームの時間的積分を提供する。
【００１０】
本発明の一局面に従って、組織切除のためのエキシマレーザーシステムは、フッ化アルゴンエキシマレーザーを備え、パルス化されたレーザーエネルギーの不均一なビームを光路に沿って生成する。その不均一なビームは、不均一な空間的強度分布を有する。回折性の光学的ディフューザーは、レーザーから間隔が空いており、ビームの光路に沿って配置された透明なエッチングされたパターンを含み、それにより不均一なビームを、実質的に均一な空間的強度分布を有する空間的積分ビーム（ｓｐａｔｉａｌｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｂｅａｍ）に変換する。正のレンズは、回折性の光学的ディフューザーの周りに配置され、空間的積分ビームの焦点を、空間的積分平面（ｓｐａｔｉａｌｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｐｌａｎｅ）で望ましい空間的強度分布に合わせる。
【００１１】
本発明は、回折格子の技術を用いて、エキシマレーザービームの空間的強度分布を変更する。従来の回折格子は、開口あるいは障壁を備え、回折要素の繰り返し配列を含む。その回折要素は、位相、振幅、あるいはレーザービームのような突発的な波の両方において周期的な交互変化を生成する効果を有する。一つの単純な配列は、互いに一様な間隔を置かれた一連のスリットを備える障壁である。より一般的な回折格子装置は、透明なガラスプレートであり、整然としたあるいは無作為的な平行な切り目が、平らなガラスプレートの表面に引っ掻かれあるいは引かれている。切り目はそれぞれ散乱光源として働き、組み合わさって平行ライン光源の規則的な配列を形成する。格子が、無視できる振幅変調に関して全体として透明である場合、格子を横切る光学的厚さの規則的変化は、位相の変調を生じる。この場合、回折格子装置は伝達位相格子として働く。本発明において、透明な媒体にエッチングされた回折格子パターンは、エキシマレーザービームをほぼ均一な空間的強度分布を有する出力ビームに変換する。
【００１２】
本発明の別の局面は、ビーム軸に沿って投射されパルス化されたレーザーエネルギーの不均一なフッ化アルゴンエキシマレーザービームを空間的に積分するための装置であり、組織切除のための光学的切除の実施が可能である。装置は、ビーム軸に対して整列された不均一なエキシマビームの光路に配置された手段を備え、不均一なエキシマビームを回折的に発散させ、空間的に積分されたビームを発生する。空間的に積分されたビームは、ビームの断面全体にわたって、実質的に均一な強度分布を有する。収束レンズは、発散手段の周りに位置し、ビーム軸に対して整列された発散手段から出るレーザービームの光路に配置される。収束レンズは、空間的に積分されたビームの焦点を、空間的積分平面で望ましい大きさおよび空間的強度分布に合わせる。
【００１３】
本発明の別の局面は、組織を切除するために光学的切除の実施が可能な不均一なフッ化アルゴンエキシマレーザービームの不均一な空間的強度分布を空間的に積分する方法である。この方法は、不均一なビームを回折的に発散し、実質的に均一な空間的強度分布を有する発散ビームを得る工程を含む。分散されたビームは、空間的積分平面上で収束する。収束されたビームは、空間的積分平面から組織の周りの平面に対して結像する。
【００１４】
本発明の更なる局面は、組織を切除するために光学的切除の実施が可能な、不均一なフッ化アルゴンエキシマレーザービームの不均一な空間的強度分布を空間的に積分する方法である。この方法は、不均一なビームを回折的に発散し、それにより実質的に均一な空間的強度分布を有する発散されたビームを得る工程を含む。発散されたビームは、空間的積分平面上で収束される。空間的積分平面の周りに配置された可変開口は、選択的にビームを通過させる。通過したビームは、空間的積分平面から組織の周りの平面に対して結像する。
【００１５】
本発明のさらなる局面は、組織を切除するために光学的切除の実施が可能な、不均一なフッ化アルゴンエキシマレーザービームの不均一な空間的強度分布を、空間的および時間的に積分する方法である。この方法は、不均一なビームを回折的に発散し、それによりほぼ均一な空間的強度分布を有する発散ビームを得る工程を含む。発散されたビームは、空間的積分平面上で収束される。空間的積分平面の周りに配置された可変開口は、選択的にビームを通過させる。通過したビームは、空間的積分平面から組織の周りの平面まで結像される。レーザーパルスの間で、移動工程は、回折要素を移動させ、後のレーザーパルスの時間的積分を提供する。
【００１６】
本発明の別の局面に従って、不均一なフッ化アルゴンエキシマレーザービームを使用する、手術面での組織切除の方法は、不均一ビームを回折し、それにより、実質的に最上層の空間的強度分布を均一部分とともに有する空間的に積分されたビームを得る工程を含む。空間的に積分されたビームは、空間的に積分されたビームの光路に配置された、空間的に積分された平面上に焦点が合わせられる。空間的に積分されたビームの均一部分の大きさおよび形状は、空間的積分平面の周りに位置する開口によって調節される。空間的に積分されたビームの、調節された均一部分は、手術面の周りの平面上で結像する。
【００１７】
本発明のさらなる別の局面は、組織を切除するための光学的切除の実施が可能な、不均一なフッ化アルゴンエキシマレーザービームの不均一な強度分布を空間的に積分する方法である。その方法は、不均一なビームを回折的に発散させ、それにより、実質的に上部が丸い空間的強度分布を有する発散されたビームを得る工程を含む。発散されたビームは、空間的積分平面上に収束される。その収束されたビームは、空間的積分平面から組織の周りの平面に対して結像する。
【００１８】
（好ましい実施態様の説明）
図１および２を参照すると、ほぼ矩形のエキシマレーザービーム１０がビーム軸１１に沿って回折要素１２の方へ投射される。ビーム１０の長軸（ｘ−軸）に沿った強度は、ほぼ均一である。一方、短軸（ｙ−軸）に沿った強度は、実質的にガウス分布である。回折要素１２は、ほぼ平面の本体１６を有し、これはレーザービーム１０を受容し、そして回折的に変換する透明部分１８を備える。回折要素１２から出る回折したビーム２０は、ビーム軸１１沿いに正または収束レンズ２２（これは回折したビーム２０を収束する）を通って進行する。収束したビーム３０は光軸１１沿いに進行し、そして空間的積分面３２でパターンを形成する。
【００１９】
（回折光学的装置）
図１を参照すると、透明部分１８は、全体の矩形ビーム１０を受容するような大きさにされたほぼ矩形の形状を有する。しかし、矩形ではないビームに関しては、透明部分１８は円形、四角形またはビーム１０に適合する他の適切な形状であることが望ましくあり得る。回折要素１２の透明部分１８は、透明媒体にエッチングされた回折パターンを有する。この透明媒体はガラス様シリカ物質であり得る。この透明媒体は、エキシマレーザービーム１０に対して実質的に非吸収性および非反射性であることが望ましい。例えば、透明媒体には石英ガラス、水晶、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化リチウムまたはサファイアが挙げられ得る。
【００２０】
透明媒体上の回折パターンは回折格子を形成し、これは不均一のエキシマレーザービーム１０を空間的な強度分布（これはビームの断面に渡って実質的に均一である）を有する空間的に積分したエキシマビーム２０に変換するように構成される。収束したビーム３０の断面形状は、円形または矩形であり得る。眼科手術（例えば、角膜切除）に関して、空間的な強度分布は有利には、円形の中心領域を有するシルクハット（ｔｏｐ−ｈａｔ）形状を有し、これは実質的に均一であり、そして収束したビーム３０の断面の大部分をカバーする（図１の空間的積分面３２において示された空間的な強度分布を参照のこと）。他の空間的な強度分布は、異なる回折格子使用することで可能である。
【００２１】
回折パターンの構成は、所望の収束したビーム３０の形状および空間的な強度分布に大きく依存する。そしてまた、入射ビーム１０の特性（例えば、その波長および空間的な強度分布）にも依存する。回折パターンは、複数の適切に間隔を空けてエッチングされた領域（例えば、線、スポットなど）を含み得る。約１９３ナノメートル（ｎｍ）付近に短波長を有するエキシマレーザーに関して、回折パターン中のエッチングされた領域の間隔は有利には、小さくかつ正確である。公知のエッチング技術（例えば、ドライエッチング）が、透明部分１８上で回折パターンをエッチングするために使用され得る。
【００２２】
図１および図２に示したように、収束レンズ２２は、収束したビーム３０として回折したビーム２０を空間的積分面３２へ収束または集光する。空間積分面３２での収束したビーム３０の断面は実質的に円形であり、そしてシルクハットプロファイルを有する空間的な強度分布を有する。強度分布の均一な中心領域３６は、ビーム３０の断面の少なくとも約７０％をカバーするのが望ましく、より望ましくは、ほぼ８５％をカバーする。空間的積分面３２でのビーム３０の断面のサイズは有利には、単一のレーザーパルスで除去された最大領域に相当する様な大きさにされる。例えば、空間的積分面３２でのビーム３０の断面に渡る寸法は、典型的には３〜１２ｍｍの範囲であり得る。図１および図２は、平坦な凸レンズを示すが、他のタイプの収束レンズ２２が、収差を最小化する焦点距離に基づいて選択され得る。抗−反射性コーティングが、収束レンズ２２からのビーム２０の反射を防止または最小化するために適用され得る。
【００２３】
操作時に、レーザービーム１０は、ビーム軸１１に沿いに回折要素１２の透明部分１８（これはレーザービーム１０と整列される）を通って、全体のレーザービーム１０を受容するように指向される。透明部分１８のエッチングされた回折パターンは、レーザービーム１０の空間的な強度分布を変更するための回折制御角度ディフューザーとして役立つ。透明部分１８は、ほぼ矩形のガウスのビーム１０を、実質的に均一な強度分布を有するほぼ円形のビーム２０へ変換する。収束レンズ２２はビーム軸１１と整列し、そして空間的に積分したビーム２０を所望の大きさに収束する。空間的積分面３２での収束したビーム３０の断面は、実質的に円形であり、そして空間的な強度の点で均一であり、これは手術手順（例えば、角膜切除）に望ましい。
【００２４】
回折要素１２および収束レンズ２２は矩形ビーム１０を空間的に積分し、空間的積分面で実質的に均一な強度プロファイルを有するビーム３０を形成する。ビーム３０の断面は円形または矩形であっても良く、あるいは他の形状であっても良い。角膜切除に関して、ビーム３０は、均一強度中心領域３６を有するのが望ましく、これはビーム３０の断面の領域の少なくとも約８５％をカバーする。均一強度中心領域３６は、矩形ビーム１０の総エネルギーの顕著な部分を含む。なぜなら、回折光学的装置を通る顕著なエネルギーの損失は無いからである。これは装置に高い効率を与える。
【００２５】
１９３ｎｍのエキシマレーザーを使用する良好な結果とともに、実施態様が実験的に試験された。２５０ｍｍの焦点距離の収束レンズ２２から約１５ｍｍのところに配置された二値（ｂｉｎａｒｙ）回折性のオプティクス１２が、空間的積分面３２で約１２ｍｍの均一な円形ビームを生成する。使用される二値オプティクスは、ＤｉｇｉｔａｌＯｐｔｉｃｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎｏｆＣｈａｒｌｏｔｔｅ（ＮｏｒｔｈＣａｒｏｌｉｎａ）によって設計された。回折性のオプティクス設計の業界の他の会社は、同様の格子を製造することが可能である。空間的積分面で空間的に積分したビームの大きさは、レンズ２２の焦点距離を変えることで変更され得る。
【００２６】
レンズ２２の使用を必要としない回折要素１２の代替の実施態様が用いられ得る。例えば、回折レンズは、回折要素１２の回折格子上に重ね合わせられ得る。このような回折要素は、空間的積分面３２で、空間的に積分した変換したビームを生成する。あるいは、収束レンズ２２は図８に示すように、回折要素１２の１つの表面上で研削され得る。例示の実施態様において、回折要素１２はパルス間で回転されて、ビームの時間的積分を提供し得る。
【００２７】
（眼科レーザー手術における適用）
図３は、眼科レーザー手術光学システム１００に対する本発明の適用、およびシステム１００における構成要素の相対的な指向を示す。以下に記載される特定の構成要素および構成は、単に例示の目的に過ぎない。上記のように、回折性のオプティクス装置は、種々の異なるエキシマレーザーシステムとともに使用され得る。
【００２８】
図３に見られるように、ビーム１０２は適切なレーザー源１０４（例えば、約１９３ｎｍの波長を有する遠紫外線領域におけるレーザービームを発生するためのフッ化アルゴン（ＡｒＦ）エキシマレーザービーム源）から発生する。この波長は典型的には、約１９２．５〜約１９４ｎｍの範囲である。レーザービーム１０２は、ビームスプリッター１０６へ指向される。ビーム１０２の一部が、エネルギー検出器１０８上へと反射される。一方、残りの部分は、ビームスプリッター１０６を通って進行し、鏡１１０によって回転式時間的ビーム積分器（ｒｏｔａｔｉｎｇｔｅｍｐｏｒａｌｂｅａｍｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ）１１２上へ反射される。別のタイプの時間的ビーム積分器が使用され得る。時間的積分器１１２から出る回転したビームは、回折性のオプティクス装置へと指向される。好ましい実施態様において、回折要素１２はビーム１０２とともに回転される。例示の実施態様において、回折要素１２はビーム１０２と実質的に同じ速度で回転される。ビームは回折要素１２および収束レンズ２２を通過し、そして収束したビーム３０として出射する。収束したビーム３０は空間的積分面３２へと進行し、ここには種々の開口１１６が配置される。空間的積分面３２は、正レンズ２２の焦点付近に配置される。種々の開口１１６から、開口ビーム１２０が出射する。種々の開口１１６は、種々の直径のアイリスであることが望ましく、これは種々の幅のスリット（示されず）と組み合わせられ、このスリットは特定の眼科手術手順（例えば、光学的角膜屈折矯正手術（ＰＲＫ）および光学的角膜治療手術（ＰＴＫ））に対してビーム３０の大きさおよびプロファイルを合わせるために使用される。
【００２９】
開口ビーム１２０は、結像レンズ１２２上へと指向され、これは、約１２５ｍｍの焦点距離を有する両凸単一レンズであり得る。結像レンズ１２２から出る結像したビーム１２６は、鏡／ビームスプリッター１３０によって、手術面１３２上へと反射される。患者の角膜の頂部は、典型的には手術面１３２に位置付けられる。結像レンズ１２２は、手術面１３２の周辺で結像したビームを走査するために、結像したビームをオフセットするビームへ横方向に移動され得る。処置エネルギー検出器１３６は、鏡／ビームスプリッター１３０においてビームエネルギーの透過した部分を感知する。ビームスプリッター１３８および顕微鏡対物レンズ１４０は、観測オプティクスの一部を形成する。所望であれば、ビームスプリッターは、顕微鏡対物レンズから出るビーム１３４の光路中に組み込まれ得る。ビームスプリッターは必要に応じてビデオカメラに連結され、手術手順の観察または記録を補助する。同様に、ヘッド−アップ（ｈｅａｄｓ−ｕｐ）ディスプレイがまた、顕微鏡対物レンズ１４０の光路中に組み込まれ得、さらなる観察性能を提供する。レーザー光学システム１００の他の付属の構成要素（これは、本発明の理解には必ずしも必要ではなく、例えば、非点収差モータおよび非点収差角モータによって駆動される移動可能な機械的構成要素である）は、簡潔のために省略される。
【００３０】
回折要素１２および正レンズ２２を備える回折光学的装置は、種々のレーザーシステムのために使用され得、これには走査型レーザー切除システムおよび広域レーザー切除システムが挙げられる。例として、「ＶＩＳＸＳＴＡＲＥｘｃｉｍｅｒＬａｓｅｒＳｙｓｔｅｍ」があり、これは、ＳａｎｔａＣｌａｒａ（Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）のＶＩＳＸ，Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄから市販されている。このシステムは、１９３．０ｎｍの出力を発生し、６．０Ｈｚの周波数で作動し、直径６．０ｍｍの切除領域で１６０．０ミリジュール／ｃｍ²の均一な流量を伝送するように調節される。他のレーザーシステムには、Ｔ−ＰＲＫ^R走査型および追跡型レーザー（ＡｕｔｏｎｏｍｏｕｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製）、ＳＶＳＡｐｅｘレーザー（ＳｕｍｍｉｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＩｎｃ．製）、Ｋｅｒａｃｏｒ”１１７走査型レーザーシステム（ＣｈｉｒｏｎＶｉｓｉｏｎ製）などが挙げられる。
【００３１】
代替の実施態様において、収束ビーム３０は、図７に示されるように、空間的積分面３２で先の丸い空間的強度分布３７を有する中央領域を生成し得る。この先端が丸い分布３７は、収束レンズ２２、回析要素１２、および空間的積分面３２の間の分離を変化させることによって、作製され得る。あるいは、回析要素１２での異なる回析パターンが使用され得る。
【００３２】
空間的積分ビーム３０は、望ましくは、例外的に、ビーム３０のレーザーパルス時間間隔の間、ビーム３０の断面積のほぼ８５％に渡って均一であり得る。このような空間的積分ビーム３０に関して、時間的ビーム積分器１１２は、ビーム３０の特徴およびレーザーシステム１００の操作における逆効果なしに、排除され得る。その場合において、回析要素１２および正のレンズ２２を備える回析光学的装置は、空間的ビーム積分器として役立ち、そして時間的ビーム積分器を必要としない。図４は、図３の回転時間的ビーム積分器１１２なしの、レーザー光学システム１００の実施態様を例示する。
【００３３】
回析光学的装置は単純かつ安価であり、そしてモータのような機器による回転を必要としない。回析要素１２および正のレンズ２２は、ビーム軸１１で容易に整列され得る。単純な回析光学的装置は、使用および維持が容易である。しかし、例示的実施態様において、回析光学的装置は、回転され、空間的および時間的ビーム積分器の両方を提供し得る。回析光学的装置は、異なるエキシマレーザーシステムに対して適合され得る。
【００３４】
眼科レーザー手術光学システム１００は、角膜切除手順において紫外線レーザービームを使用し得、光分解において角膜組織を切除し、これは隣接および内在の組織を熱損傷することがない。照射される表面での分子は、残存する基質を加熱することなく、より小さな揮発性のフラグメントへと分解され得る；切除の機構は、光化学（すなわち、分子内結合の直接破壊）である。切除は、間質層を除去し、種々の目的（例えば、近視、遠視、および乱視の矯正）に対してそのプロファイルを変化させる。このようなシステムおよび方法は、以下の米国特許および特許公開において開示され、その開示内容はすべての目的でその全体として本明細書中で参照することによって援用される：米国特許第４，６６５，９１３号（「ＭＥＴＨＯＤＦＯＲＯＰＨＴＨＡＬＭＯＬＯＧＩＣＡＬＳＵＲＧＥＲＹ」で１９８７年５月１９日発行）；米国特許第４，６６９，４６６号（「ＭＥＴＨＯＤＡＮＤＡＰＰＡＲＡＴＵＳＦＯＲＡＮＡＬＹＳＩＳＡＮＤＣＯＲＲＥＣＴＩＯＮＯＦＡＢＮＯＲＭＡＬＲＥＦＲＡＣＴＩＶＥＥＲＲＯＲＳＯＦＴＨＥＥＹＥ」で１９８７年６月２日発行）；米国特許第４，７３２，１４８号（「ＭＥＴＨＯＤＦＯＲＰＥＲＦＯＲＭＩＮＧＯＰＨＴＨＡＬＭＩＣＬＡＳＥＲＳＵＲＧＥＲＹ」で１９８８年３月２２日発行）；米国特許第４，７７０，１７２号（「ＭＥＴＨＯＤＯＦＬＡＳＥＲ−ＳＣＵＬＰＴＵＲＥＯＦＴＨＥＯＰＴＩＣＡＬＬＹＵＳＥＤＰＯＲＴＩＯＮＯＦＴＨＥＣＯＲＮＥＡ」で１９８８年９月１３日発行）；米国特許第４，７７３，４１４号（「ＭＥＴＨＯＤＯＦＬＡＳＥＲ−ＳＣＵＬＰＴＵＲＥＯＦＴＨＥＯＰＴＩＣＡＬＬＹＵＳＥＤＰＯＲＴＩＯＮＯＦＴＨＥＣＯＲＮＥＡ」で１９８８年９月２７日発行）；米国特許出願番号第１０９，８１２号（「ＬＡＳＥＲＳＵＲＧＥＲＹＭＥＴＨＯＤＡＮＤＡＰＰＡＲＡＴＵＳ」で１９８７年１０月１６日出願）；米国特許第５，１６３，９３４号（「ＰＨＯＴＯＲＥＦＲＡＣＴＩＶＥＫＥＲＡＴＥＣＴＯＭＹ」で１９９２年１１月１７日発行）；米国特許第５，５５６，３９５号（「ＭＥＴＨＯＤＡＮＤＳＹＳＴＥＭＦＯＲＬＡＳＥＲＴＲＥＡＴＭＥＮＴＯＦＲＥＦＲＡＣＴＩＶＥＥＲＲＯＲＵＳＩＮＧＡＮＯＦＦＳＥＴＩＭＡＧＥＯＦＡＲＯＴＡＴＡＢＬＥＭＡＳＫ」で１９９６年９月１７日発行）；米国特許出願番号第０８／３６８，７９９号（「ＭＥＴＨＯＤＡＮＤＡＰＰＡＲＡＴＵＳＦＯＲＴＥＭＰＯＲＡＬＡＮＤＳＰＡＴＩＡＬＢＥＡＭＩＮＴＥＧＲＡＴＩＯＮ」で１９９５年１月４日出願）；米国特許出願番号第０８／１３８，５５２号（「ＭＥＴＨＯＤＡＮＤＡＰＰＡＲＡＴＵＳＦＯＲＣＯＭＢＩＮＥＤＣＹＬＩＮＤＲＩＣＡＬＡＮＤＳＰＨＥＲＩＣＡＬＥＹＥＣＯＲＲＥＣＴＩＯＮＳ」で１９９３年１０月１５日出願）；および米国特許出願番号第０８／０５８，５９９号（「ＭＥＴＨＯＤＡＮＤＳＹＳＴＥＭＦＯＲＬＡＳＥＲＴＲＥＡＴＭＥＮＴＯＦＲＥＦＲＡＣＴＩＶＥＥＲＲＯＲＳＵＳＩＮＧＯＦＦＳＥＴＩＭＡＧＩＮＧ」で１９９３年５月７日出願）。
【００３５】
図５のブロックダイアグラムは、第１のバス接続２０８によってレーザー手術システム２００のシングルボードコンピュータ２０４に連結されるパーソナルコンピュータ（ＰＣ）ワークステーション２０２を包含する本発明を組み込むための、眼科手術システム２００を例示する。ＰＣワークステーション２０２およびレーザー手術ユニット２００のサブコンポーネントは、公知の構成要素であり、そしてＶＩＳＸＴＷＥＮＴＹ／ＴＷＥＮＴＹＥＸＣＩＭＥＲＬＡＳＥＲＳＹＳＴＥＭまたはＶＩＳＸＳＴＡＲエキシマレーザーシステムの要素を含み得、これらは、ＳａｎｔａＣｌａｒａ，ＣａｌｉｆｏｒｎｉａのＶｉｓｘ，Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄから入手可能である。レーザー手術システム２００は、一般に参照番号２１０で設計される複数のセンサを備え、このセンサは、図３または図４の眼科レーザー手術光学システム１００における移動可能機構および光学構成要素からのフィードバックシグナルを生成する。この移動可能機構および光学構成要素は、例えば、虹彩モータ２１６、イメージローテータ２１８、および乱視幅モータ２２０、ならびに乱視角モータ２２２によって駆動される要素を含む。走査処置（ここで、個々のレーザーパルスからの切除が処置中央から可変的にオフセットされる）のために、走査モータ１（２１２）および走査モータ２（２１４）が提供される。移動レンズ１２２のビーム１２０への横断（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ）は、このような可変的オフセットを提供する。センサ２１０からのフィードバックシグナルは、適切なシグナルコンダクタを介してシングルボードコンピュータ２０４に提供され、このシングルボードコンピュータ２０４は、望ましくは、８０３１タイプのマイクロプロセッサを用いるＳＴＤバス適合可能なシングルボードコンピュータである。シングルボードコンピュータ２０４は、要素２１６、２１８、２２０および２２２を操作するための参照番号２２６で一般に設計されるモータ駆動の操作を制御する。さらに、シングルボードコンピュータ２０４は、エキシマレーザー１０４の操作を制御し、このエキシマレーザー１０４は、望ましくは、図３または図４の伝送システムオプティクス１００を介して患者の眼２３０の角膜で１６０ミリジュール／ｃｍ²のフィードバック安定化流量（ｆｌｕｅｎｃｅ）を提供するように設計される、１９３ナノメータ波長の出力を備えるＡｒＦレーザーである。レーザー手術システム２００の他の付属構成要素（これは、本発明を理解するのに必要ではない）（例えば、高解像度顕微鏡、顕微鏡用のビデオモニタ、患者の眼を保持するシステム、および切除廃液吸引器／フィルタ、ならびにガス伝送システム）は、冗長を避けるために省略されている。同様に、キーボード、ディスプレイ、および従来のＰＣサブシステム構成要素（例えば、可撓性で硬いディスクドライブ、メモリボードなど）は、ＰＣワークステーション２０２の描写から省略されている。
【００３６】
レーザー手術システム２００は、光学的角膜屈折矯正手術（ＰＲＫ）およびビーム療法角膜切除術（ＰＴＫ）のような手順のために使用され得る。ＰＣワークステーション２０２を用いて、操作者は、少なくとも１つの患者の処置パラメータ（例えば、患者の屈折の所望の変化）を入力する。上記の処置パラメータは、改良された変化の角膜形状に対応する。次いで、ＰＣワークステーション２０２は、レーザー処置の間のレーザー要素の位置付けを含む処置テーブル２６０を計算し得る。典型的に処置の間、変えられる、レーザー要素は、可変開口１１６およびレンズ１１２の位置を含む。ＰＲＫにおいて、例えば、レーザー手術システム２００は、上皮の除去後、角膜の組織を切除するために使用される。近視の矯正のために、環状レーザービーム３０は、調整可能開口１１６を用いて角膜の処置領域で記録（ｒｅｇｉｓｔｅｒ）される環状スポットに調節される。この環状スポットは、典型的に、０．５〜６ｍｍの環である。近視の矯正によって、角膜の半径の湾曲を減少させる。これは、末梢処置領域へ向かう角膜の中央のより多い組織（ｍｏｒｅｔｉｓｓｕｅ）およびより少ない組織（ｌｅｓｓｔｉｓｓｕｅ）の除去を必要とする。開口を通過したビーム１２０の第１パルスは、全体的処置領域から組織を切除して取り除き得るが、連続パルスは、可変開口１１６によって直径を減少され、これによって、パルスは連続的により小さくなる。別の実施態様において、連続パルスは、処置領域を覆う直径を小さなものから大きなものへと、徐々に増大され得る。これは、中央領域からより組織を除去し、そして角膜を減少された湾曲を有する所望のプロファイルにする。光学的角膜屈折矯正手術手順後、上皮は、成形領域からすばやく再成長し、角膜の新規の前部表面を生成する。あるいは、上皮は除去されないが、部分的に切断され、そして手術のために側に移動され、そしてＰＲＫ後にその元の位置に戻される。
【００３７】
図６に示される代替の実施態様において、角膜の処置領域３００は、オフセットイメージ開口ビーム（ｏｆｆｓｅｔｉｍａｇｅｄａｐｅｒｔｕｒｅｄｂｅａｍ）１２６のような、個々のレーザーパルスで切除される複数のより小さな領域を含む。より小さな切除領域の位置およびサイズは、処置テーブル２６０で計算される値に対応する。湾曲の減少は、角膜について走査ビーム１２６によって達成される。図６に示されるように、レンズ１２２のオフセット位置３１２は、中央位置３１０について変えられる。この走査は、外部位置３０８でオフセットイメージ開口ビーム１２６を生成する。望ましくは、ビーム１２６は、走査処置の位置付けの間、処置領域３００の中央３０２を覆う。必要に応じて、可変開口１１６の寸法は、走査の間、変えられ、ビーム１２６のサイズを変化させ得る。好ましい実施態様において、回析オプティクス１２は、パルスの間で回転するように移動される。例示的実施態様において、ビームローテータ１１２および回析オプティクス１２は、パルスの間で回転される。走査ビームの連続パルスは、処置テーブル２６０に従って所望の減少される湾曲に輪郭付けされる。
【００３８】
遠視の矯正のために、図３または図４の開口ビーム１２０は、角膜の処置領域を走査する。図６に示されるように、角膜の処置領域３００は、オフセットイメージ開口ビーム１２６のような、個々のレーザーパルスで切除される複数のより小さな領域を含む。より小さな切除領域の位置およびサイズは、処置テーブル２６０で計算される値に対応する。より多い組織は、中央からよりも複数の処置領域から除去されるべきである。これは、角膜のプロファイルの半径を増大させる。プロファイルの増大は、角膜についてビーム１２６を走査することによって達成される。図６に示されるように、レンズ１２２のオフセット位置３１２は、中央位置３１０について変えられる。この走査によって、外部位置３０８でオフセットイメージ開口ビーム１２６が生成される。望ましくは、ビーム１２６は、一部の走査処置の間、処置領域３００の中央３０２を覆わない。必要に応じて、可変開口１１６の寸法は、走査の間、変えられ、ビーム１２６のサイズを変え得る。好ましい実施態様において、回析オプティクス１２は、パルスの間で回転するように移動される。例示的実施態様において、ビームローテータ１１２および回析オプティクス１２は、パルスの間で回転される。走査ビームの連続パルスは、角膜を、処置テーブル２６０に従って所望の増大される湾曲に輪郭付ける。
【００３９】
角膜の乱視特性の矯正のために、可変幅スリット（示されず）は、一般に長方形である角膜の処置領域を反対に測る。イメージ開口ビーム１２６の第１パルスは、角膜組織の一般に長方形の領域を切除し、取り除く。連続パルスは、光学中心に対して対称的に位置されるイメージ開口ビーム１２６の一般に長方形のスポットの幅を変えることによって方向付けられる。乱視矯正変化は、角膜組織の容積的除去によって行われる。
【００４０】
上記のことは、本発明の好ましい実施態様の全体および完全な開示を提供するが、種々の改変、代替の構成、および等価物は、所望である場合に使用され得る。例えば、可変開口１１６を通過するビームは、好ましい実施態様においてイメージングレンズ１２２の横断運動によってオフセットされるが、回転ミラーおよびプリズムのような他の走査要素は、所望ならば使用され得る。さらに、レーザー１０４以外の適切な波長のレーザーは、所望でありそして効果的である場合、使用され得る。また、電磁スペクトルの赤外部にある波長を有するレーザーのような熱切除の原理で操作するレーザービームシステムは、本発明を実行するために使用され得る。従って、上記記載および例示は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の限定としてみなされるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施態様に従う回折光学的装置を概略的に示す斜視図である。
【図２】図２は、図１の回折光学的装置を概略的に示す正面立面図である。
【図３】図３は、図１の回折光学的装置を組み込むレーザービーム光学伝送系の実施態様を概略的に示す斜視図である。
【図４】図４は、図１の回折光学的装置を組み込むレーザービーム光学伝送系の別の実施態様を概略的に示す斜視図である。
【図５】図５は、本発明を組み込むための眼科手術システムのブロック図である。
【図６】図６は、本発明の走査中の実施態様を示す平面図である。
【図７】図７は、回折光学的装置によって発生したラウンド−トップ空間的強度分布を有するビームプロファイルの別の実施態様を示す斜視図である。
【図８】図８は、回折要素の１つの表面上で研削したレンズを有する実施態様の平面図である。

Claims

経路に沿ってパルスレーザーエネルギーの不均一なビーム（１０２）を発生させるためのエキシマレーザー（１０４）であって、該不均一なビームが不均一な空間的強度分布およびほぼ矩形の断面を有する、エキシマレーザー（１０４）と、
該不均一なビームの該経路に配置された光学的ディフューザー（１２）であって、該不均一なビームを、実質的に均一な空間的強度分布および実質的に円形の断面を有する空間的に積分したビームに変換する、光学的ディフューザー（１２）と、
収束レンズ（２２）であって、回折性の光学的ディフューザー（１２）からの該ビームを空間的積分表面上に収束するように配置された、収束レンズ（２２）と
を備える、組織切除のためのエキシマレーザーシステムであって、
該回折性の光学的ディフューザー（１２）は、該レーザー（１０４）から間隔を空けて配置されており、該ビームの該経路にわたって配置された回折パターンを有し、ここで、該回折パターンは、該ほぼ矩形の不均一なビームを実質的に円形の空間的に積分したビームに変換するように配置されていることを特徴とする、エキシマレーザーシステム。
前記レーザー（１０４）が約１９３ｎｍの波長を有するＡｒＦレーザーである、請求項１に記載のエキシマレーザーシステム。
前記不均一なビーム（１０２）が、一軸に沿って実質的にガウス分布に従う空間的強度分布を有する、請求項１または２に記載のエキシマレーザーシステム。
前記実質的に均一な空間的強度分布が、均一な中心領域を有するシルクハット型のプロファイルを有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のエキシマレーザーシステム。
前記均一な中心領域が、前記空間的に積分したビームの断面の約７０％〜８５％を覆う、請求項４に記載のエキシマレーザーシステム。
前記ディフューザー（１２）が、前記回折パターンを有する透明部分（１８）を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のエキシマレーザーシステム。
前記回折パターンが、複数の間隔を空けられたエッチングされた線を含む、請求項６に記載のエキシマレーザーシステム。
前記透明部分（１８）がほぼ矩形である、請求項６または７に記載のエキシマレーザーシステム。
前記透明部分（１８）が、石英、または溶融シリカ、またはフッ化マグネシウム、またはフッ化カルシウム、またはフッ化リチウム、またはサファイアを含む透明な材料を含む、請求項６〜８のいずれか一項に記載のエキシマレーザーシステム。
前記収束レンズ（２２）が、前記回折性の光学的ディフューザー（１２）の一表面上で研削される、請求項１〜９のいずれか一項に記載のエキシマレーザーシステム。
前記空間的積分平面が、前記収束レンズ（２２）の焦点の周りに配置されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のエキシマレーザーシステム。
眼の角膜を形付けるための請求項１〜１１のいずれか一項に記載のエキシマレーザーシステムであって、
前記空間的に積分したビームの領域を通過するために、前記空間的積分平面の周りの前記回折性の光学的ディフューザー（１２）から間隔を置かれた開口（１１６）と、
通過されたビームを第２の平面（１３２）に向けるための該開口（１１６）から間隔を置かれた収束レンズ（１２２）と
を備える、エキシマレーザーシステム。
前記開口（１１６）の寸法を調節するための手段（２１６）を備える、請求項１２に記載のエキシマレーザーシステム。
前記通過されるビームの像を変位させるための走査手段（２１２、２１４）をさらに備える、請求項１２または１３に記載のエキシマレーザーシステム。
処置テーブル（２６０）に従って前記像を変位させるように構成された前記走査手段（２１２、２１４）用の制御手段（２０４）をさらに備える、請求項１４に記載のエキシマレーザーシステム。
前記回折性の光学的ディフューザー（１２）を移動させるための手段（２１８）をさらに備える、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のエキシマレーザーシステム。
前記移動させるための手段（２１８）が、前記回折性の光学的ディフューザー（１２）の回転をもたらすように構成されている、請求項１６に記載のエキシマレーザーシステム。