JPH08500500A

JPH08500500A - 面の非点収差的なレーザ切除

Info

Publication number: JPH08500500A
Application number: JP6506187A
Authority: JP
Inventors: ザイラー，テオ; ジェイ．クロポテク，ピーター
Original assignee: サミットテクノロジーインコーポレイテッド
Priority date: 1992-08-14
Filing date: 1992-08-14
Publication date: 1996-01-23
Anticipated expiration: 2017-08-12
Also published as: EP0654984A1; EP0654984B1; WO1994004107A1; DE69227528T2; AU2493192A; DE69227528D1; JP3313368B2

Abstract

(57)【要約】面を非点収差的に再輪郭形成するレーザ面切除方法および装置が開示される。光学系（１０）が標的面でのだ円レーザ照射パターン（３０）の形成のため、円柱屈折形光学系（１８）を含む。だ円照射の領域の連続的な変化により、非点収差的な複式屈折型の切除プロフィルが実現される。本発明は、エキシマーレーザ角膜形成、角膜曲率形成または他の切除眼科手術のためにエキシマーレーザと一緒に使用されることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】面の非点収差的なレーザ切除発明の背景本発明は一般的にはレーザにより面を侵食または切除するための方法および装置に関するものである。詳述すると、本発明はレーザ角膜形成または角膜曲率形成術を介して面を非点収差補正的ないし非点収差的に侵食しそして近視性乱視の修正を行うための方法および装置に関するものである。レーザは制御された態様で面を侵食する。これらの技術は知られておりそして既知の波長およびエネルギ密度を有するレーザ放射と面構造体との間の相互作用に依存する。さらに、レーザ放射による面切除は典型的には時間−速度依存性であるが、この時間依存性は熱の蓄積および他の人工的産物により侵食深さに応じて通常非直線的である。それゆえ、切除正確さはパルス作動レーザ放射の使用を介して得られることが多い。短パルスが適用領域に制御された深さの侵食を提供する。この制御は目の角膜が切除され近視などの一定の視覚欠陥を修正する角膜形成または角膜曲率形成処置において特に重要である。角膜への注意深いレーザ放射の適用により、医者は正確にそして露光過度による組織損傷なく患者の視覚を手術的に改善できる。面へのレーザパルスの連続的な適用によりそして照射を受ける領域の大きさの変更により、湾曲ないし曲率が面上に発生されあるいは変化される。たとえば、切除技術が大円形領域の照射により開始しそして露呈領域の半径を漸進的に減少するとき、中央帯域は最も深い切除深さを有する。なぜならそこは最も長く照射されるからである。これとは反対に、最も外側の領域は最小の切除深さを有する。もし面が最初平坦であれば、結果的に生ずるプロフィルまたは輪郭は凹状であろう。もし面が最初凸状であれば、切除の程度に依存して面は平坦となされまたは曲率が低減される。角膜形成術または角膜曲率形成術において、角膜上の曲率、換言すれば、角膜の理想曲率と患者の実際の角膜形状との間の差は修正される。非点収差的な形状の発生または除去のための面侵食技術は上首尾とはいえない。非点収差的な面が複式屈折型（すなわち面を創成する２つの自然湾曲と直交湾曲とがある）と定義される。変化する円形照射パターンが面上に単一の屈折力を発生または除去するのみである。非点収差的な形状を侵食する既存の方法は実施するのが複雑かつ困難である。たとえば、“Method For Ophtalmological Surgery（眼科手術方法）”という表題の付された米国特許第4,665,913号が、レーザ走査の使用を介して種々の非点収差的な形状を提供する方法を開示する。ところが、この方法は制御するのがとりわけ困難である。走査レーザを使用する、面（たとえば角膜）上の再輪郭形成（reprofiling）操作の精密な制御は、レーザスポットがほぼ一定の空間的強度を維持することをそして別途複雑な侵食パターンが注意深く追従されることを必要とする。ところが、レーザスポットの強度はたいていガウス型でありそして本来的に非均質性である。この非均質性および詳細な侵食パターンは誤差の非常な余地を残しそれゆえ手術応用のため高価な保護手段を要求する。さらに、これら方法は本来的に時間がかかる。なぜなら面の小部分だけがある時点に侵食されるからである。非点収差的な面を侵食するための別の方法が“SurfaceErosion Using Lasers （レーザを使用する面侵食）”という表題の付された米国特許第4,941,093号に教示されている。その教示するところによれば、特定的に構成された光学要素またはスリットが、一軸線内での切除を提供する、換言すれば、侵食が点のまわりでなく線に関し選択的に進行するよう使用される。典型的には、この方法は適当な全体湾曲が実現されるよう球面修正を行うために別の段階を要求する。さらに別の方法が、標的面へのレーザ透過を変化させそれにより面に変化可能な切除深さを誘導する強度勾配型のまたは光分解可能なマスク部材の使用を含む。たとえば、“Laser Reprofiling Systems And Methods（レーザ再輪郭形成装置および方法）”という表題の付された米国特許第4,856,513号は侵食可能なマスク部材の使用を介して角膜を選択的に侵食するための方法を教示する。マスク部材は、所望される面プロフィルの提供のため角膜面の横断方向に変化する量にて面レーザ放射を吸収する。しかしながら、この技術は相補の物体、すなわち侵食可能なマスク部材の製造を要求しさらに標的面にわたる正確な相関的位置決めをも要求する。それゆえ、本発明の目的は、新しい形状、好ましくは球面形状、を実現するために最初の複屈折型非点収差的な形状をもつ面を非点収差的に再輪郭形成を行うためのより簡単な方法および装置を提供することである。本発明の他の目的は、増大された制御である面形状に適用される非点収差的な比を方向づけそしてこれを調整するための方法および装置を提供することである。本発明のさらに別の目的はレーザ角膜曲率形成処置において角膜切除を通じ近視性乱視を修正するための方法および装置を提供することである。本発明のこれらおよび他の目的は以下の説明で明瞭となろう。発明の要約面に新しいプロフィルおよび曲率を付与するためにかかる面を非点収差的に切除するための装置および方法が開示される。たとえば、迅速にパルス作動されるレーザ放射源などのレーザ手段が面の標的帯域へ向う光路に沿って光侵食エネルギパルスを提供するため面と整列される。調整可能なアイリスまたは輪郭形成された（profiled）マスク部材などの光制限手段が、標的面を照射するレーザ放射の範囲を空間的に制御するために光路内に配置される。光路内には円柱光学系もまた配置され、標的面への伝達のため対称レーザビームをだ円形状に修正するために調整される。本発明の別の様相によれば、円柱屈折形光学系はレーザビーム軸線のまわりに回転可能である。回転手段がだ円形状を標的面上で選択軸線に対して配向するために提供される。本発明のさらに別の目的によれば、円柱屈折形光学系が、異なる非点収差的な比の提供のため、標的面に適用されるだ円の一軸線の修正のためにレーザビーム軸線方向に移動可能である。本発明の別の様相が、円柱屈折形光学系の焦点距離を選択し、それにより標的面へ適用されるとき変化する非点収差的な比の選択を許容する別途の段階を提供する。本発明のさらに別途の様相が、角膜曲率形成処置において角膜の非点収差を修正するための方法を提供する。レーザ手段、好ましくはエキシマーレーザが整列され、患者の角膜に向う光路に沿って光切除エネルギパルスを提供する。レーザビームおよび光路内に整列される調整可能なアイリスがレーザビームのための開口絞りとして振舞い、角膜に照射するレーザ放射の物理的な範囲を空間的に制御する。角膜への伝達のため対称レーザビームをだ円形状に修正するために、光路内には円柱光学系が整列されそして調整される。角膜面へ適用されるときの非点収差比の変化のための種々の方法および手段が開示される。一つの方法において、円柱屈折形光学系は非点収差比の変化のためレーザビームの光路方向に移動可能である。代替例として、種々のレンズまたは他の光学要素（たとえば円柱ミラー）が互いに置換でき角膜面に適用されるときに非点収差比を変化する。この様相において、円柱屈折形光学系の焦点距離は、角膜に伝達される照射だ円の一つのディメンションを変化するために選択される。さらに別の様相において、本発明は、照射だ円軸線を患者の乱視ないし非点収差軸線と逆方向の態様で一致するよう配向するために円柱屈折形光学系の回転方法および手段を提供する。本発明の別の様相によれば、面を非点収差的に侵食するためのレーザシステムにおいて光切除エネルギの連続レーザ放射またはパルスレーザ放射発生のためのレーザ手段が提供される。このレーザ放射は光切除のため標的面への伝達のため光学的に整列される。ビーム制御機構が、コンピュータ手段により駆動されるのが好ましいアイリス絞りまたは同様物を通じてレーザ放射の空間的なディメンションを調整する。レーザエネルギは、レーザ放射の一軸線におけるビームディメンションを調整しそれにより標的面上にだ円形状を形成するため、円柱光学手段を通じて別途整列される。別の様相において、円柱光学手段は、非点収差的な侵食軸線の選択および配向のため、標的面でのレーザエネルギのだ円パターン回転のため転回できる。さらに別の様相において、円柱光学手段は標的面でのレーザエネルギのだ円パターンの大きさを変化し、標的面での非点収差的な侵食比の選択のために軸線方向に移動できる。本発明の特徴および様相により提供される利益はいくつかある。詳述すると、本発明は標的面にだ円照射パターンを提供し、同時的なそして複式屈折型の非点収差的な侵食を可能にする。レーザ伝達系内の円柱屈折形光学系の包含は容易な極配向および標的面での非点収差的な切除の選択を許容する。エキシマーレーザ角膜曲率形成術などの応用は近視性角膜に適用される非点収差的な修正の適当な軸線配向の保証により、本発明の十分な利益を受けられる。配向の正確さは、円柱屈折形光学系が転回される正確さに対応する。さらにその上、種々の非点収差比が円柱屈折形光学系の焦点距離の選択を通じて実現でき、変化可能なそして連続する非点収差比がレーザビーム軸線方向の円柱光学系の軸線運動を通じて達成できる。通常の角膜曲率形成処置は、所望される光学的修正を角膜上で達成するために引き続きアイリス径の調整が続く。（本明細書で使用される「調整可能なアイリス」という用語は、たとえば調整可能な絞り、アパーチャホイール、可動絞りおよび他の光制限機構ならびにビームの均質性維持のためにこれらに関連付けられる光学要素を含む、レーザビームの大きさを修正するための種々の系を包含する。）本発明を一定の好ましい実施例との関連で述べるが、当業者であれば、本発明の技術思想から逸脱することなく種々の付加、削除および改変が可能であることが明らかであろう。たとえば、本発明は先天的乱視または他の手術後（たとえば白内障または侵入角膜形成術）の乱視との関連で使用できる。図面の簡単な説明本発明のより完全な理解が図面の参照により得られる。第１図は、本発明により標的面を非点収差的に侵食する方法を実施するための装置の模式図である。第２図は、面を非点収差的に侵食するのに使用されるだ円形のレーザビーム照射を図示する。第３Ａ図〜第３Ｆ図は、だ円形照射で標的面を非点収差的に侵食するのに必要とされる連続段階を模式的に図示する。第４Ａ図および第４Ｂ図はだ円形レーザ照射による面侵食を通じて直交軸線に発生される湾曲ないし曲率を図示する。第５Ａ図および第５Ｂ図はそれぞれ再輪郭形成の前および後の乱視性近視角膜面の斜視図である。第６図は、本発明によるレーザ切除システムのより詳細な模式図である。詳細な説明第１図は、標的面へだ円形切除レーザエネルギビームを伝達するための本発明によるシステム１０を図示する。第１図において、レーザ手段１１が、レーザビーム１６の形状および寸法を修正するビーム制御光学系１４へ放射出力１２を伝達する。このビームは、標的面２２への伝達のためレーザビームの大きさおよび形状の一軸線修正のために円柱屈折形光学系１８と整列される。第１図は、レーザビームがその種々の形状１２、１６、２０へ変換されるときのレーザビームの断面図２４をも図示している。レーザ手段１１から出たビーム１２は典型的には円形のビーム形状２６を有する。ビーム制御光学系１４から出たビーム１６は典型的には円形のビーム形状２８を有する。円柱屈折形光学系１８から出たビーム２０はその断面図３２において図示されているように標的面２２でだ円パターン３０を形成する。光学系１４および１８は標的面２２へ最適かつ無収差のスループットを提供するようレーザビーム１１と同軸整列されている。ミラー１５、１７、１９はシステムが折り畳まれた構成で動作するのを可能にする。レーザ手段１１はビーム制御光学系１４に連続またはパルス作動レーザ放射出力１２を提供できる。制御可能な開口絞りを有するエイフォーカルまたは無限遠ビームエキスパンダ（expander）が、レーザビーム１２断面径をより大きなまたは小さな大きさ（たとえば、図示の２８はより小さな大きさを示す）に変化しそして円柱屈折形光学系１８のために高度にコリメートないし平行化された出力の提供のためビーム制御光学系１４を包含できる。この円柱光学系１８は一軸線でのみ光学屈折力を提供し、そしてレーザビーム１６を円形のプロフィル２８からだ円形のプロフィル３０へ修正する。系１４および１８は両方とも標的面２２へ伝達されるビームのディメンションを調整するために制御可能な開口絞りを有することができる。各系は一つのディメンションを制御する。２つの開口絞りの調整によってだ円ビーム３０の長および短軸線のディメンションが調整できそれにより標的面２２の非点収差ディメンションと適合する。第１図に図示されるシステムの構成はいくつかの方法で行われる。光学系１４および１８は両方とも簡単な部材から作られる。たとえば、ビーム制御光学系は対称的なビーム形状２８を制御するよう配置される調整可能なアイリスを具備する簡単なレンズを具備できる。代替例として、ビーム制御系１４はさらにビームクリッピング機構、光均質化手段および／またはビームエキスパンダをも包含できあるいはこれらの機能は、所望されれば、光学系１４におけるビーム賦形前に個別の光学要素により遂行できる。同様に、円柱光学系１８はミラーのかわりに円柱レンズのような簡単なレンズから作られ、あるいは上と同様に追加のビーム条件設定要素を包含できる。この系１８は標的面２２でだ円形レーザプロフィル３０の一つのディメンションを調整するのに使用できる。円柱屈折形光学系１８は一軸線にのみ光学的屈折力を提供するので、だ円のディメンションを調整するという一つの方法が系１８を軸線方向に移動することである。系１８は、もし系１８に負方向屈折力が付与されれば、ビーム１６をして発散せしめる。こうして、軸線方向の系１８の移動はだ円３０の一つのディメンションをして標的面２２で変化させる。なぜならビーム２０はある距離にわたり発散または収束し、面２２に到達するからである。軸線方向の運動の正確な制御で、だ円形状３０の正確なサイジングないし寸法設定が実現できる。だ円形状は面を非点収差的に侵食するための手段を提供する。だ円３０の定置ないし配向もまた本発明により提供される方法により制御可能である。第１図に図示されるごとく、だ円３０の長軸は水平である。図面において、かかるパターンは負方向の屈折力付与円柱光学系１８を通じて水平軸線内にあるいは正方向の屈折力付与円柱光学系１８を通じて垂直軸線内に発生できる。いずれの場合でも、系１８がレーザビーム１６および２０の光学軸線の周囲に転回されるとき、だ円の配向もまた変化する。この技術により、だ円は標的面２２上で所望される非点収差軸線と適合するよう配向できる。系１４および１８はいくつかの実施で結合されることに注意されたい。結合光学系は、少くとも一つの光学要素が非点収差的な屈折力を有することを単に要求するであろう。結合系は同様の態様で軸線方向に移動されそして単一の開口絞りと一緒に配置され制御された態様でだ円３０を発生する。代替例として、結合系は静止状態でそしてたとえばホイールまたは同様物の上の一連の開口と組み合わせて使用される。さらに結合系の回転が標的面２２上のだ円配向をも調整する。好ましい実施例において、第１図のシステム全体はエキシマーレーザ角膜曲率形成術で使用できる。この好ましい実施例によれば、レーザ手段は迅速にパルス作動される紫外レーザ源であり、標的面はレーザ手段と光学整列された人間の角膜である。レーザ手段は、たとえばエキシマーレーザとし得そしてある好ましい実施例において約１９３ｎｍの特性放射波長を有するアルゴン−フッ化物レーザである。他のパルス作動紫外レーザが、約１５７ｎｍまでのより短い波長（たとえばフッ化物レーザ）そして約３００ｎｍまでのより長い波長を有する。たとえば、（ArF エキシマーレーザから得られる波長である）波長１９３ｎｍのエネルギにより角膜のボーマン氏膜または基質部分のいずれかを侵食する場合、スレッショルド値は１パルス当たり約５０ｍＪ／ｃｍ²でありそして限度値が１パルス当たり約２５０ｍＪ／ｃｍ²である。角膜面での適当なエネルギ密度が、１９３ｎｍの波長について１パルス当たり５０ｍＪ／ｃｍ² 〜１Ｊ／ｃｍ²である。スレッショルド値は波長と共に変化しそしてＦ₂レーザから得られる波長である１５７ｎｍでスレッショルド値は１パルス当たり約５ｍＪ／ｃｍ²である。この波長で、角膜面における適当なエネルギ密度が１パルス当たり５ｍＪ／ｃｍ² 〜１Ｊ／ｃｍ²である。最も好ましくは、レーザシステムは、限界値よりもわずかに低い、侵食面でのエネルギ密度を提供するのに使用される。かくして、１９３ｎｍの波長（これよりも低い条件で限界値は１パルス当たり２５０ｍＪ／ｃｍ²である）で角膜を侵食するとき、１パルス当たり１００〜１５０ｍＪ／ｃｍ²のエネルギ密度の角膜パルスを提供するのが好ましい。典型的には、単一のパルスが角膜から０．１〜１μmの範囲の深さの組織を侵食する。レーザのためのパルス繰返し頻度は各所定の応用の必要性を満足するよう選択可能である。通常、頻度は１秒当り１〜５００パルス数であり、好ましくは１秒当り１〜１００パルス数である。ビームの大きさの変化が所望されるとき、レーザパルスは停止可能である。代替例として、ビームの大きさはパルスを継続している間に変化可能である。もし測定装置が侵食の進行監視および自動的なレーザ装置制御に使用されれば、ビームの大きさはパルスを中断することなく制御された割合で連続的に変化可能である。適当な照射強度がレーザ波長および照射される対象物の性質に依存して変化する。所与の材料に適用される所与の波長のレーザエネルギについて、一般的には、それ以下では意味のある侵食が生じないエネルギ密度のスレッショルド値がある。スレッショルド密度以上では、限界値に到達するまでに、それにわたって増大エネルギ密度が増大する侵食深さを与えるところのエネルギ密度範囲がある。限界値以上のエネルギ密度の増大について、意味のある侵食増大は生じない。スレッショルド値および限界値はレーザエネルギの波長ごとにそして侵食面の材料ごとに容易には予測できない態様で変化する。ところが、どの特定のレーザおよびどの特定の材料についても値は実験により容易に見出される。再び第１図を参照すると、患者の非点収差軸線は円柱光学系１８の回転を通じてだ円形のビームプロフィル３０と適合される。光学系１４内に配置される開口絞りが角膜標的面２２でのだ円３０の一つのディメンションを制御できる。円柱光学系１８の軸線方向の位置決めがだ円３０の他のディメンションを別途制御できる。システム１０は、出力ビームの変化する大きさに拘らず単位面積当り実質的に一定のエネルギを有する出力ビーム２０を発生することもまた好ましい。基本的なレーザ角膜曲率形成装置および方法ならびに実質的に一定のエネルギ密度の保証のための技術についての別途詳細に関しては、参考のため米国特許第4,941,093号および米国特許第4,856,516号を参照されたい。円柱屈折力を有する軸線に沿ってのだ円のディメンション制御は系１８で特定光学要素の選択および／または置換を介することによっても実現される。この実施例によれば、第１図に図示のシステム内での置換のため異なる光屈折力（換言すれば異なる焦点距離）を有する円柱要素の選択により、変化可能なだ円ディメンションが実現できる。この方法は系１８の軸線配置の調整と等価である。第２図は標的面３４に当るレーザエネルギのだ円形３２を図示する。だ円３２の長軸線３６および短軸線３８間の差は面を非点収差的に侵食するための手段を提供する。所望される面侵食の発生のために、面３４は切除性質を有するレーザで照射されそしてだ円のディメンションが変化される。長軸線および短軸線間の比は一定に維持されそしてだ円３２の面積全体が変化される。第３Ａ図〜第３Ｆ図がだ円パターンがどのようにして面を非点収差的に侵食できるかを図示する。標的面４０はだ円レーザビーム４２により照射される。ビームの主軸線４４は、標的面４０で従軸線４６が照射するよりも広いディメンションを照射する。所定の時間期間後、レーザビームは、照射を受けた標的面４０の部分４８を侵食する。順次、だ円の面積は主軸線４４および従軸線４６の寸法を低減するとともに同時に２つの定数間の比を維持することにより修正される。典型的には、レーザビーム４２はシャッターにより休止または阻止されそして露呈面積が調整される。別の時間期間の後、標的面の別の部分５０がレーザ侵食を通じて除去される。だ円の面積は、標的面４０から別の部分５２を侵食するために、第１図で叙述したごとく再び調整される。第３Ａ図〜第３Ｃ図はだ円ビームの一方の軸線方向の累積的効果をそして第３Ｄ図〜第３Ｆ図は他方の軸線方向の累積的効果を図示する。第４Ａ図および第４Ｂ図は、平坦標的面５４での連続的なだ円形照射をもつ第３Ａ図〜第３Ｆ図に叙述のプロセスの最終結果を図示する。標的面は標的面はだ円の長軸線により照射される軸線方向でより長い径５６の侵食パターンをそしてだ円の短軸線上のより短い径５８の侵食パターンを有する。制御された態様でだ円面積を制御することによりそして長軸線および短軸線間の比を固定状態に維持することにより、２つの明瞭な光学屈折力が標的面５４上に発生される。第４Ａ図に図示されるごとく、長軸線はより長い曲率半径６０を有しそして第４Ｂ図に図示されるごとく、短軸線はより短い曲率半径６２を有する。２つの半径間の差６４は、レーザ侵食を通じて面５４に発生される非点収差的な屈折力のほぼ線形関数である。第５Ａ図および第５Ｂ図は、所望される光学屈折力および球面屈折の達成のためどのようにして乱視性近視眼の角膜が再輪郭形成されるかを図示する。各層はレーザおよび物質に依存して一つまたはそれ以上のレーザパルスで除去される。ある層の除去後、引き続く照射において異なる寸法の層の除去のため照射面積が変化される。逐次の層侵食を通じての角膜面でのレーザ照射の大きさの制御が第５Ｂ図に図示されるごとく所望されるプロフィル７４を発生する。第５Ａ図および第５Ｂ図の両方に図示の輪郭線はそれぞれ処置前および処置後の角膜面での等地形高さの線を表わす。連続レーザ照射の変化する開口プロフィルは幾何学的である。一つの軸線についてｔ＝Ｒ−√Ｒ²−（Ｄ²／４）（１）ここで、ｔは（直径Ｄで眼を横切るベース面から測定される）眼表面の高さであり、Ｄは切除される面領域の外径であり、そしてＲは面６６の結果的に得られる一次元的な半径である。関心のある面６６の唯一の部分がディメンションＤであり、これは最初にレーザ照射を受ける。ｔが決定されると、各層を除去するためのだ円の連続的な寸法が決定される。たとえば、一つのレーザパルスが標的面６６から厚さΔｔを侵食できるとき、ｔをｔ−Δｔで置換することにより、より小さな直線的なディメンションＤが決定される。だ円形の露呈領域の寸法の変化割合は面侵食のための選択される曲率半径７６に依存する。一つのディメンションについて、面屈折力は、視力修正のための典型用語であるディオプトリー（１／メートル単位）によって記述される。ディオプトリーは、として定義される。ここで、ｎおよびｎ’は、それぞれ標的面６６の前方および標的面６６内部の波長依存性光学屈折率である。Ｒは面半径である。エキシマーレーザ角膜形成または角膜曲率形成処置において、入射媒体屈折率ｎは約１の屈折率を持つ空気である。平均的な人間の角膜の屈折率、すなわちｎ’、は可視光について約１．３７６である。もし患者が−３．０ディオプトリーの修正を必要とすれば、面侵食半径は約１２５．３３ｍｍである。それゆえ、角膜での連続照射は面侵食のため寸法が先の半径に調整される。もし患者が近視性単乱視、またはより普通には乱視性近眼と呼ばれる、を有するのであれば、角膜の両方の軸線が複式屈折形侵食を行うために同時侵食される。たとえば、もし−３．０ディオプトリーの修正が一方の軸線で必要とされそして−３．９ディオプトリーの修正が角膜の直交軸線で必要とされれば、だ円形エキシマーレーザビームの対応する照射寸法はそれぞれ約４．６ｍｍおよび約４．１ｍｍである。切除中に除去される角膜の厚さｔは再輪郭形成される光学帯域の寸法に依存して変化する。処置は、所望されれば、再輪郭形成のため小さな光学帯域の選択により、角膜のボーマン氏層の侵食に主として限定できる。代替例として、大きな光学帯域が所望されてもよく、かかる場合に、角膜の基質帯域への侵入が典型的に生ずる。一般に、いずれにしても１００〜２００ミクロン以上の角膜の切除を避けることが好ましい。第６図は、本発明の一実施例の詳細図である。レーザビーム７８が、ビーム７８と光学整列されるビーム制御光学系８０に入る。ビーム制御光学系８０は無限遠系であり、ビーム寸法に拘らず実質的に一定のエネルギ密度を維持しながら、入力と異なる半径のコリメート放射を発生する。正のレンズ８２および負のレンズ８４それぞれの焦点距離の相に等しい距離で配置される正レンズ８２および負レンズ８４がかかる系を作ることができる。開口８６がビーム制御光学系８０を通じて伝達されるレーザビーム７８の径の大きさ８８を制限する。円柱屈折形光学系９０に入射するレーザビーム７８はコリメートされそして円形であり、ここでそれは標的面９２への伝達のため一軸線にて修正される。開口絞り８６はいくつかの方法でレーザビーム７８の径を変化できる。たとえば、コンピュータ駆動機構を介して、開口径は、たとえば調整可能なアイリス絞りまたは同様物により変化される。あるいは等価的に、開口８６の軸方向運動はビーム制御光学系８０を退出するビーム７８の径を変化させる。第６図はさらに円柱屈折形光学系９０の構成を図示する。一方の軸線９６はレーザビーム７８の大きさまたは形状を変化しない。他方の軸線９８は円柱状修正屈折要素を包含する。変化する非点収差比は軸線方向に要素９０の位置を調整することにより達成される。眼におけるだ円の極配向は、面の非点収差軸線との適合のためまたはたとえば角膜形成または角膜曲率形成手術において近視患者の非点収差軸線との適合のため、レーザビーム７８の軸線のまわりでの円柱屈折形光学系９０の回転を通じて調整できる。第７図は、本発明の別の実施例であり、システム１００は標的面１０２へのだ円形切除レーザ放射ビームを伝達するだけでなく、像平面が（円柱レンズ１１０および１１２の配向によって画定されるごとき）両方の光学軸線について変化されないことも保証する。レーザビーム１０４がビーム制御光学系８０（これは開口８７を有する調整可能なアイリス８６として簡単に図示されているけれども、それは第６図に図示されるごとき整合された正および負のレンズなどの追加の要素またはレンズおよび調整可能な絞りの組合せを包含してもよい）に入射し、ビームの大きさに拘らず実質的に一定のエネルギ密度を維持しつつ入力と異なる半径のコリメートされた放射出力を発生する。第７図において、円柱屈折形光学系１２０が開口面と実質的に平行（たとえばビーム軸線に対して垂直）な面内にビーム制御系８０の開口の像を結ぶために使用される。図示されるごとく、円柱屈折形光学系１２０は、球面レンズ１０８、負の焦点屈折力１１０を持つ円柱レンズ１１０および正の焦点屈折力を持つ相補円柱レンズ１１２を包含する。（レンズ１０８および１１０は、もちろん、一つの面が球面でそして他方が円柱状である単一のレンズとして設計できる。この簡略化は構成部品数を低減しそしてより少ないビームエネルギの損失をもたらす。しかし、基礎をなす原理の図解および説明の目的のため、レンズ１０８および１１０は２つの個別の要素として図示されている。）説明の便宜のため、レンズ１０８および１１０は、単一のユニットとして形成されるかまたは無視できる距離だけ離間されていると仮定する。円柱レンズ１１０および１１２により影響されないＸ軸上の倍率Ｍ_xは以下の式により画定される。好ましい実施例において、球面レンズ１０８および円柱レンズ１１０が、それらの組み合わされたＹ軸上の焦点屈折力がＬ₁に等しいよう選択される。もしレンズ１０８および１１０が互いに近接していれば、（負である）円柱レンズ１１０の焦点距離は以下の式により画定される。これは、第１の（負の）円柱レンズ１１０および第２の（正の）円柱レンズ１１２との間の帯域でＹ軸線方向の「平行ビーム処理動作」を生ずる。レンズ１１０および１１２間の距離ΔＬはレンズ１１２と標的間の最終的なスパン距離Ｌ_2Y が選択されるよう順次選択される。レンズ１１０および１１２間の距離ΔＬは、レンズ１１２と標的間の残された距離Ｌ_2Yが以下のごとく画定されるよう選択され、そしてＹ軸線方向の倍率Ｍ_xはであり、常にＭ_xよりも小さい。球面レンズ１０８および２つの円柱レンズ１１０および１１２の使用は、臨床医が、開口８７の面と実質的に平行な面における開口の像を維持しつつＺ軸の回りに円柱軸線を回転するのを可能にする。一般に、反対方向の屈折力の２つの円柱レンズの使用は両方の円柱レンズが互いに十分離間されるあいだこの無限遠拡大効果を許容する。像スポット１２２は、Ｙ軸線における像寸法がＸ軸線における寸法よりも小さいことを示す。全組立体１２０の回転により、非対称性はいずれの特定の非点収差軸にも適合され、角膜を選択的に切除しそして特定の非点収差の問題を修正する。像の倍率Ｍ_yの変化が、上述の条件を満足すべく、一つまたはそれ以上のレンズ要素の軸線方向の運動または一方の円柱レンズ（たとえばレンズ１１２）と異なる焦点屈折力を有する別のものとの交換およびレンズの位置決めにより達成されることも明らかであろう。本質において、レンズ１１０とレンズ１１２との間の空間はＹ軸倍率の変化に適合するための緩衝手段である。レンズ要素１１２と別の分離したレンズ要素との交換は実施が困難であるかまたは時間がかかるかもしれないので、Ｍ_yの連続変化は簡単なレンズ１１２を変化可能な円柱ズームレンズで置換することにより達成できる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者クロポテク，ピータージェイ. アメリカ合衆国 01701 マサチューセッツ，フラミンガム，ベイベリーレイン２

Claims

【特許請求の範囲】（１）レーザエネルギにより面を非点収差的に切除するための方法において、当面へ向うパスに沿って光切除性レーザエネルギパルスからなるビームを伝達するよう動作可能であるレーザ手段と前記面とを整列させ、ビームの大きさを変化させ、円柱屈折力をビームに適用し、上記領域に時間変化型のだ円形エネルギ分布を形成する諸段階を具備する方法。（２）円柱屈折形光学系を回転し、非点収差的な侵食のため前記面で直交軸線配向を選択する段階を含む請求項１の方法。（３）前記円柱屈折力を適用する段階は、ビームに沿って円柱光学系を位置決めし、非点収差的な切除のため前記面での非点収差比を選択する段階を含む請求項１の方法。（４）円柱屈折形光学系の焦点距離を調整し、非点収差的な侵食のため前記面での非点収差比を選択する段階を別途含む請求項３の方法。（５）近視性乱視の修正のため眼の角膜領域へ非点収差的な切除を提供する方法において、角膜へ向うパスに沿って光切除性レーザエネルギパルスからなるビームを伝達するよう動作可能なレーザ手段に関して眼を固定し、ビームの大きさを変化させ、円柱屈折力をビームに適用し、前記角膜に時間変化型のだ円形エネルギ分布を形成する諸段階を具備する方法。（６）円柱屈折形光学系を回転し、前記近視性乱視の角膜軸線と適合させることを含む請求項５の方法。（７）前記円柱屈折力を適用する段階が、ビームに沿って円柱屈折形光学系を位置決めし、角膜での光切除非点収差比を選択する段階を含む請求項５の方法。（８）前記円柱屈折形光学系の焦点距離を調整し、前記角膜での非点収差比を選択する段階を別途含む請求項７の方法。（９）前記レーザ手段がエキシマーレーザを使用する請求項５の方法。（１０）前記円柱屈折形光学系が円柱レンズである請求項５の方法。（１１）面を非点収差的に再輪郭形成するためのレーザシステムにおいて、レーザ光のパルスが面に吸収され光切除を誘導するよう、あるエネルギレベルでビーム路に沿ってレーザ光パルスを発生するためのレーザ手段と、前記面でビームのディメンションを制御するためのビム制御手段と、前記面に非点収差的な照射パターンを発生するために一軸線におけるビームディメンションを調整するための円柱屈折形光学手段とを具備するレーザシステム。（１２）ビーム制御手段が前記レーザビーム径の制御のため調整可能なアイリスを含む請求項１１のレーザシステム。（１３）円柱屈折形光学手段が、少くとも一つの円柱屈折形光学要素を回転し、前記面で非点収差軸線を配向するための手段を別途具備する請求項１１のレーザシステム。（１４）円柱屈折形光学手段が、前記面に適用される非点収差比の選択のため、少くとも一つの円柱屈折形光学要素を軸線方向に移動するための手段を別途具備する請求項１１のレーザシステム。（１５）前記ビーム制御手段は無限遠に像点があり（ａｆｏｃａｌ）、前記面に適用されるレーザビーム径の制御のためレーザビーム軸線に沿って移動可能であるビーム絞りを別途含む請求項１１のレーザシステム。（１６）前記レーザ手段がエキシマーレーザである請求項１１のレーザシステム。（１７）前記エキシマーレーザがアルゴンフッ化物レーザである請求項１６のレーザシステム。