JP5031035B2 - 眼の収差を測定するための回転可能な二重ゼルニケ・プレート補償器 - Google Patents

Description

本出願は、現在係属中の２００３年１１月２０日に出願した米国特許出願第１０／７１８４０６号の一部継続出願である。米国特許出願第１０／７１８４０６号の内容を、参照として本明細書に組み込む。

本発明は、一般に、光イメージング（画像化）を補正するためのシステムに関する。より詳細には、本発明は、ヒトの眼によって光収差が光ビームに導入されたときに光収差を補償するシステムに関する。本発明は、特に、しかし排他的にではなく、非点収差（すなわち乱視）、コマ収差および矢状収差（トレフォイル）など、眼の低次非対称収差を補償するシステムおよびデバイスとして有用である。

視覚科学では、波面収差として眼の誤差を表すことが一般的である。これを行うとき、使用することができる様々な種類の数学的表現が存在する。特に、ゼルニケ多項式などの多項式が、この目的によく適しており、頻繁に使用される。一般に、ゼルニケ多項式は、完全な像からの逸脱である欠陥を記述する。より具体的には、ゼルニケ多項式は、収差のある波面の特性を記述し、波面を生じるシステムの対称特性に関係なくそれを記述する。

数学的には、ゼルニケ多項式は通常、極座標Ｚ（ρ，θ）で定義され、ここで、ρは、０〜１の範囲の半径方向座標であり、θは、０〜２πの範囲の方位角成分である。典型的には、各ゼルニケ多項式は、３つの成分からなる。それらの成分は、正規化係数と、半径依存成分と、方位角依存成分とである。この文脈で、半径成分は多項式であり、方位角成分は正弦曲線である。

上のことを念頭において、ゼルニケ多項式を使用する波面の記述は、以下のような一般的な形で与えられる。
Ｗ（ρ，θ）＝Σｃ_ｎｍＺ_ｎｍ（ρ，θ，α_ｎｍ）

上の式で、「ｎ」は、多項式の次数（すなわち、２次または３次収差）に関し、「ｍ」は、周波数（すなわち、θ、２θ、および３θ）に関する。さらに、ｃ_ｎｍは、大きさに関する係数であり、Ｚ_ｎｍ（ρ，θ，α_ｎｍ）は、特定の軸線（α_ｎｍ）に関係する半径および方位角の考慮事項に依存する。

ヒトの眼を純粋な光学系とみなすと、一般に、収差は、眼の光軸に関して対称のものと、非対称のものとに分類することができる。この分類に関して、対称収差は、光軸に関して半径方向で対称的であり、非対称収差はそうでない。ゼルニケ多項式によって示されるとき、それらの対称性または対称性の欠如に加えて、眼の様々な光収差を、それらの次数によって分類することができる。イメージング（画像化）に関する限り、いわゆる低次収差（すなわち、２次、３次、および４次）がかなり悪影響を及ぼす。これらの低次収差は、対称収差と非対称収差との両方を含む。

おそらく、ヒトの眼の最もよく知られている収差は、近視、遠視、および非点収差（乱視）である。これらは全て、ゼルニケ多項式によれば２次収差であり、しかしそのうち、非点収差のみが非対称収差である。従来、これらの収差は、他の収差の影響を直接には考慮せずに、眼鏡、コンタクト・レンズ、またはエキシマレーザ手術によって補正されている。しかし、今述べた２次収差に加えて、３次および４次のさらなる非対称収差も、ヒトの視覚にかなり悪影響を及ぼすことがある。これは特に、比較的弱い照光条件の下で当てはまる。実際、近視および遠視によって引き起こされる影響を除いて、視覚に対する残りの悪影響のうち、８５％が、２次および３次非対称収差（すなわち、非点収差、コマ収差、および矢状収差）によって引き起こされ、１０％が、対称的な４次球面収差によって引き起こされ、約５％のみが、残りのより高次の収差によるものであると推定される。いずれにせよ、視力矯正が行われるとき、できるだけ多くの収差の補償が有益であることは明らかである。

上のことを念頭において、ここで対象となる収差は、非点収差（Ｚ_３およびＺ_５；２次）と、コマ収差（Ｚ_７およびＺ_８；３次）と、矢状収差（Ｚ_６およびＺ_９；３次）とを含む非対称収差である。ゼルニケ多項式を使用して、各非対称収差を、各患者ごとに個別にモデル化することができる。重要なことに、このモデル化は、同じパターンの対として行うことができる。さらに、特定の非対称収差（例えばコマ収差）に関するパターンの対は、患者に特有のものである。各場合において、特定の非対称収差に関するそれらパターンは共通の直交軸線を有している。しかし、各パターンが、この共通の軸線の周りで異なる回転位置合わせを有している。言い換えると、非対称収差のパターンの間に回転角「α」が存在する。角度「α」もやはり患者に特有のものであり、収差の大きさを決定する。したがって、各患者ごとに、各非対称収差（例えば非点収差、コマ収差、および矢状収差）に関するモデルが、それぞれのパターンを有し、パターン間でそれぞれの角度「α」を有している。

上のことに照らして、本発明の目的は、イメージング（画像化）プロセスでヒトの眼によって導入される非対称収差を補償するために、適切なゼルニケ多項式に従って眼の非対称収差をモデル化する補償光学系を提供することである。本発明のさらに別の目的は、ヒトの眼によって引き起こされる非対称収差によってもたらされる視覚に対する悪影響を最小にする助けとなる光学デバイスを提供することである。本発明のさらに別の目的は、簡単に使用でき、組立てが単純であり、費用対効果が比較的高い補償光学系を提供することによって、非対称収差を補償することである。

本発明によれば、光のビームの非対称収差を補償するために、補償光学系ユニットとしてのデバイスが提供される。この目的でデバイスの構成要素を動作可能に方向付けるために、光ビームは、ビーム経路軸線に沿って向けられるように考慮される。ビーム経路軸線を基準として使用して、複数の二重補償器（ｄｕａｌ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）が、ビーム経路に沿って順次に位置決めされ、ビーム経路上で実質的に中心合わせされる。さらに、デバイスは、各二重補償器をビーム経路軸線の周りでそれぞれの角度βにわたって個別に回転させるための機械的な装置を含む。これを行うと、それによって、各二重補償器が光ビームの特定の非対称収差を補償することができる。

詳細には、各二重補償器は、円板として形作られた２つのフラット・プレートを有する。好ましくは、各プレートがガラスからなり、約１ミリメートルの厚さと、約１０ミリメートルの直径とを有する。各プレートが、同じパターンを付与された実質的に平坦な表面を有する。本発明に関して意図されるとき、これらのパターンは、当技術分野でよく知られているナトリウム・イオン衝撃プロセスによってプレートの表面上に形成される。重要なことに、二重補償器でのパターンは、二重補償器によって補償すべき非対称収差のゼルニケ多項式（例えばコマ収差に関してＺ_７およびＺ_８）に対応している。さらに、各パターンは、中心点を有し、各パターンが、プレートの表面上でパターン軸線を定義している。

二重補償器のプレートは、それらの組立てに関して、並置され、それぞれの中心点が、ビーム経路軸線上に位置決めされる。さらに、それぞれのパターン軸線が、ビーム経路軸線に実質的に垂直に方向付けられる。患者から得られた診断データに従って、二重補償器でのそれぞれのパターン軸線は、互いに関して角度「α」にわたって回転される。角度「α」が確立されると、次いで、二重補償器のプレートが、一体に組み合わさった状態で、ビーム経路軸線の周りで回転する。角度「β」にわたるこの回転は、非対称収差を補償するために行われる。この組立てに関して、角度「α」と角度「β」とは共に、患者に特有のものである。

本発明のデバイスに関して、上に示したように、各非対称収差ごとに別個の二重補償器が提供される。例えば非点収差、コマ収差、および矢状収差を補償するために、３つの異なる二重補償器が必要とされる。１つの二重補償器が、非点収差を補償するように特に構成され、別の二重補償器が、コマ収差を補償するように構成され、さらに別の二重補償器が、矢状収差を補償するように構成される。具体的には、非点収差のための二重補償器は、非点収差を補償するために、それぞれのパターン軸線の間で角度α_１を有する患者特有の非点収差パターン（Ｚ_３およびＺ_５）を有する。同様に、コマ収差のための二重補償器は、コマ収差を補償するために、それぞれのパターン軸線の間で角度α_２を有する患者特有のコマ収差パターン（Ｚ_７およびＺ_８）を有する。さらに、矢状収差のための二重補償器は、矢状収差を補償するために、パターン軸線の間で角度α_３を有する患者特有の矢状収差パターン（Ｚ_６およびＺ_９）を有する。上述したように、次いで、各二重補償器を、ビーム経路軸線の周りで個別に回転させる必要がある。具体的には、これらの回転は、それぞれ角度β_１、β_２、およびβ_３にわたるものである。

本発明に関して、上述した非点収差、コマ収差、および矢状収差以外の非対称収差も補正することができると考えられる。具体的には、４次以上の非対称収差に関する二重補償器を、上述したのと同じ様式で組み立てて使用することができる。

本発明のデバイスに関して意図される用途は、眼科レーザ手術のために使用すべきイメージング（画像化）システムでの収差補償器としてである。典型的には、そのようなシステムは、より高次の収差と、近視、遠視、および球面収差に関連付けられる対称収差とを補償するために、ＭＥＭＳミラーを組み込んでいる。そのようなシステムで使用されるとき、ＭＥＭＳミラーと組み合わせて、本発明は、通常であれば単独で作用するＭＥＭＳミラーに求められる補償負担を軽減することができる。特に、これは、非対称収差に関する補償が望まれるときに当てはまる。

本発明の構造と動作との両方に関して、本発明の新規な特徴、および本発明自体が、付随する説明に関連付けて添付図面から最良に理解されよう。図面中、同様の参照符号は、同様の部分を指す。

本発明による非対称収差を補償するためのユニットを組み込んだイメージング・システムの概略図である。 本発明による非対称収差を補償するためにビーム経路軸線に沿って位置合わせされた二重補償器の分解図である。 本発明と共に使用するためのゼルニケ多項式によるパターンを示す図である。

始めに図１を参照すると、本発明を組み込むための光学システムが図示され、全体を参照番号１０で示される。図示されるように、システム１０は、レーザ・ビーム１４を発生するためのレーザ源１２を含む。電子接続（図１には図示せず）を介して、このレーザ・ビーム１４が、次いでセンサ１６（好ましくは、ハルトマン・シャック型センサ）によって監視され、レーザ・ビーム１４はまた、レーザ・ビーム１４からいくらかの収差を除去するＭＥＭＳミラー１８によってリファインされ、さらに走査器２０によって制御される。より具体的には、走査器２０は、様々な目的のために眼２２にレーザ・ビーム１４を向けるように事前設定することができる。特に、眼２２は、角膜２４と、水晶体２６と、網膜２８とを有し、これらを手術レーザ・ビーム１４によって画像化または処置することができる。また、図１は、補償デバイス３０が、走査器２０と眼２２との間に位置決めされること、およびレーザ・ビーム１４が、ビーム経路軸線３２に沿って補償デバイス３０を通過することを示す。

次に図２を参照すると、デバイス３０が、２つの円板状プレート、すなわちプレート３６とプレート３８とを有する二重補償器３４を含むことが分かる。本発明に関して想定するとき、プレート３６および３８はそれぞれ、ガラスからなり、約１ミリメートルの厚さを有し、約１０ミリメートルの直径を有する。さらに、各プレート３６および３８は、それぞれ、その表面の一方に提供される同じパターン４０を有する。プレート３６上のパターン４０は、中心点４２を有し、プレート３８上のパターン４０は、中心点４４を有する。また、プレート３６上のパターンは、パターン軸線４６を定義し、プレート３８上のパターン４０は、同様のパターン軸線４８を定義する。好ましくは、パターン４０は、当技術分野でよく知られている様式でナトリウム・イオン衝撃によって形成される。どのような場合であれ、プレート３６および３８の表面上に形成されるパターン４０は、適切なゼルニケ多項式をモデル化している。例えば、二重補償器３４に関して図示されるパターン４０は、図３に提供される非点収差に関するゼルニケ多項式Ｚ_３およびＺ_５をモデル化するように意図されている。非点収差については、以下の通りである。

二重補償器３４の組立ては、プレート３６および３８を並置することによって達成される。この並置に関して、プレート３６が、プレート３８に対して角度「α_１」にわたって回転されることが重要である。この角度「α_１」は、患者に特有のものであり、診断データから決定される。これはまた、関連する非点収差の量の大きさの尺度でもある。角度「α_１」が決定されると、次いで、並置されたプレート３６および３８が、ビーム経路軸線３２上に位置決めされ、それぞれの中心点４２および４４がビーム経路軸線３２上に位置される。次いで、ここで組み立てられ、適切に位置決めされた二重補償器３４を、必要に応じて、ビーム経路軸線３２の周りで角度「β_１」にわたって後で回転させることができる。本開示の目的では、角度「β_１」は、ビーム経路軸線３２に垂直なベース・ライン５０から測定される。特に、角度「β_１」にわたるこの回転は、特定の患者に関して二重補償器３４を適切に方向付けるために行われる。角度「α_１」および「β_１」が適切に確立された状態で、二重補償器３４は、レーザ・ビーム１４が患者の眼２２から反射された後にレーザ・ビーム１４に存在することがある非点収差の任意の非対称収差を補償する。

二重補償器３４に加えて、デバイス３０は、コマ収差を補償するための二重補償器５２と、矢状収差を補償するための二重補償器５４とを含むこともある。二重補償器３４と同様に、二重補償器５２は、２つのプレート、すなわちプレート５６とプレート５８とを含む。これらのプレート５６および５８は、それぞれパターン６０を提供し、パターン６０は、非対称コマ収差に関して図３に表されるゼルニケ多項式Ｚ_７およびＺ_８に対応する。コマ収差については、以下の通りである。

並置されて組み立てられたとき、プレート５６および５８は、それぞれのパターン軸線６２および６４を定義しており、これらは、互いから角度「α_２」だけオフセットされている。図示されるように、次いで、組み立てられた二重補償器５２を、コマ収差を補償するためにベース・ライン６６に対して角度「β_２」にわたって回転させることができる。この場合、ベース・ライン６６は、二重補償器３４の回転を測定するために使用されるベース・ライン５０に平行である。

補償器３４および５２と同様に、二重補償器５４は、２つのプレート、すなわちプレート６８とプレート７０とを含む。これらのプレート６８および７０は、それぞれパターン７２を提供し、パターン７２は、非対称矢状収差に関して図３に表されるゼルニケ多項式Ｚ_６およびＺ_９に対応する。矢状収差については、以下の通りである。

並置されて組み立てられたとき、プレート６８および７０は、それぞれのパターン軸線７４および７６を定義しており、これらは、互いから角度「α_３」だけオフセットされている。図示されるように、次いで、組み立てられた二重補償器５４を、矢状収差を補償するためにベース・ライン７８に対して角度「β_３」にわたって回転させることができる。この場合、ベース・ライン７８は、二重補償器３４および５２の回転を測定するために使用されるベース・ライン６６および５０に平行である。

本明細書に示されて詳細に開示された特定の「イメージング・プロセスにおける光収差を補償するための補償光学系」は、本明細書にて前述した目的を十分に達成して利点を提供することができるが、本発明の現在好ましい実施例の単なる例示に過ぎず、添付の特許請求の範囲に記載されるもの以外の本明細書に示される構成または設計の詳細への限定は意図されていないことを理解されたい。

Claims (3)

1. 光のビームの非対称収差を補償するために光学系で使用するためのデバイスであって、前記光ビームがビーム経路に沿って向けられており、前記ビーム経路が軸線を定義しているデバイスにおいて、前記光学系が、
   前記ビーム経路上に位置決めされ、且つ前記ビーム経路上に実質的に中心を合わせられた少なくとも１つの二重補償器であって、
   パターンを付与された実質的に平坦な表面を有する第１のプレートであって、前記パターンは中心点を有しており且つ該プレートの前記表面内にパターン軸線を定義している第１のプレートと、
   同じパターンを付与された実質的に平坦な表面を有する第２のプレートとであって、前記第１のプレートの中心点と前記第２のプレートの中心点とが前記ビーム経路軸線上に位置付けられ、それぞれのパターン軸線が前記ビーム経路軸線に実質的に垂直であり、さらに、前記第１のプレートのパターン軸線が、前記第２のプレートの前記パターン軸線に対して角度αにわたって回転される第２のプレートと
   を有している二重補償器と、
   前記光ビームの非対称収差を補償するために、前記二重補償器を前記ビーム経路の軸線の周りで角度βにわたって回転させるための手段と
   を有しているデバイス。
2. 前記第１のプレートと前記第２のプレートとが、約１ミリメートルの厚さと、約１０ミリメートルの直径とを有する円板として形作られている請求項１に記載のデバイス。
3. 前記光学系が複数の二重補償器を含み、該二重補償器が、
   非点収差を補償するために第１のパターンを有する第１の二重補償器と、
   コマ収差を補償するために第２のパターンを有する第２の二重補償器と、
   矢状収差を補償するために第３のパターンを有する第３の二重補償器と
   を有している請求項１に記載のデバイス。

Images