KR101729665B1 - 안과용 수술 레이저를 위한 가변성 스테이지 광학 시스템 - Google Patents

안과용 수술 레이저를 위한 가변성 스테이지 광학 시스템 Download PDF

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Abstract

수술 타겟으로 레이저 펄스의 레이저 빔을 전달 시에 가변성 스캐닝 제어를 제공하기 위한 시스템 및 기술이 제공된다. 상술된 시스템 및 기술은 펨토초 레이저로부터의 레이저 펄스에 의해 야기된 광파괴에 의한 안구 및 수정체의 앞부분 내에서의 레이저 수술을 위해 사용될 수 있다.

Description

안과용 수술 레이저를 위한 가변성 스테이지 광학 시스템{VARIABLE STAGE OPTICAL SYSTEM FOR OPHTHALMIC SURGICAL LASER}
본 특허문헌은 안구의 전방 세그먼트(anterior segment) 상에서 레이저 수술을 수행하기 위한 시스템 및 기술에 관한 것이다.
레이저 펄스에 의해 야기되는 광파괴(photodisruption)에 의한 레이저 수술을 시행 시에, 다양한 렌즈 수술 절차(lens surgical procedure)가 수정체(crystalline lens)를 제거하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 절차는 상기 수정체를 작은 단편으로 부수고 상기 단편들을 작은 절개부를 통해 안구로부터 제거할 수 있다. 수동 기구, 초음파, 가열된 유체 또는 레이저가 이러한 절차에서 이용될 수 있다.
본 특허문헌은 수술 타겟으로 레이저 펄스의 레이저 빔을 전달 시에 가변성 스캐닝 제어(variable scanning control)를 제공하기 위한 시스템 및 기술의 예 및 실행예를 기술한 것이다. 기술된 시스템 및 기술은 펨토초 레이저(femtosecond laser)로부터의 레이저 펄스에 의해 야기된 광파괴에 의한 수정체 및 안구의 전방 세그먼트 내에서의 레이저 수술을 위해 사용될 수 있다. 상술된 시스템 및 기술은 안구로의 레이저 빔의 스캐닝 및 포커싱 동안에 레이저 빔의 광학적 왜곡(optical distortion)을 감소시키거나 최소화시키기 위해 레이저 빔의 광학적 스캐닝을 제공하는 방식으로 실행될 수 있다.
예를 들어, 안과용 레이저 시스템은 레이저 펄스의 레이저 빔을 발생시키는 레이저 공급원; 레이저 빔을 Z축에 대해 횡방향으로 스캔하는 XY 스캐너; 레이저 빔을 Z축을 따라 스캔하는 Z 스캐너로서 Z축을 따라 레이저 빔의 연속 스캐닝(continuous scanning)을 제공하는 연속 Z 스캐너(continuous Z scanner) 및 Z축을 따라 레이저 빔의 점증 스캐닝(incremental scanning)을 제공하는 점증 Z 스캐너(incremental Z scanner)를 포함하는 Z 스캐너를 포함하도록 실행될 수 있다.
구체예에서, 점증 Z 스캐너는 안과용 레이저 시스템의 초점 심도(focus depth)를 Z 스텝(Z step)까지 점증 방식으로 Z-스캔하도록 구성되며, 연속 Z 스캐너는 안과용 레이저 시스템의 초점 심도를 Z 스텝에 상응하는 연속 스캐닝 범위에서 연속 방식으로 Z-스캔하도록 구성된다.
구체예에서, Z 스캐너는, 연속 스캐닝 범위가 하나 이상의 Z 스텝 보다 크도록 구성되며, 이에 의해 초점 심도가 이웃하는 Z 스텝에서 연속 Z 스캐너로 Z-스캔될 수 있는 연속 스캐닝 범위가 중첩되며, 안과용 레이저 시스템의 조작자(operator)는 초점 심도를 준-연속 Z 스캐닝 범위에서 Z-스캔할 수 있다.
구체예에서, 전체 Z 스캐닝 범위는 0 내지 5 mm, 5 내지 10 mm, 10 내지 30 mm 및 0 내지 15 mm의 범위들 중 한 범위 내의 길이를 갖는다.
구체예에서, 점증 Z 스캐너는, 수술의가 각막 Z 수준(corneal Z level) 주변의 연속 스캐닝 범위에서 각막 안과 수술(corneal ophthalmic procedure)을 수행할 수 있게, 초점 심도를 각막 Z 수준으로 셋팅할 수 있고, 수술의가 하나 이상의 렌즈 Z 수준 주변의 연속 스캐닝 범위에서 렌즈 안과 수술(lens ophthalmic procedure)을 수행할 수 있게, 초점 심도를 하나 이상의 렌즈 Z 수준으로 셋팅할 수 있다.
구체예에서, Z 스캐너는 레이저 빔의 수차(aberration)를 타겟 영역에서의 한계값(threshold value) 보다 양호하게 유지하도록 구성된다.
구체예에서, 안과용 레이저 시스템의 수차는 스트렐 비(Strehl ratio) S에 의해 특징될 수 있으며, 스트렐 비 S는 타겟 영역에서의 한계값 S(한계) 보다 크며, S(한계)는 0.6, 0.7, 0.8, 및 0.9의 값들 중 하나이다.
구체예에서, 스트렐 비 S는 0.4 마이크론 내지 1.1 마이크론 범위의 파장을 갖는 레이저 빔에 상응한다.
구체예에서, 스트렐 비 S는 타겟 영역에서의 5개의 기준점 중 하나 이상에서 S(한계) 보다 높으며, 5개의 기준점은, 타겟 영역에서의 이의 원통 좌표(z, r)에 의해, 타겟 영역의 전면 및 중심인 (0, 0)에 대해, 임의의 방위각(φ)에서 모두 밀리미터로, P1=(0,0), P2=(2,6), P3=(5,0), P4=(8,0), P5=(8,3)으로서 결정된다.
구체예에서, 안과용 레이저 시스템의 수차는 초점 반경(focal spot radius, rf)에 의해 특징될 수 있으며, 초점 반경(rf)이 타겟 영역에서의 한계값 rf(한계) 보다 작으며, rf(한계)가 2, 3, 4, 5 및 6 마이크로미터 중 하나이다.
구체예에서, 초점 반경(rf)은 타겟 영역에서의 5개의 기준점들 중 하나 이상에서 rf(한계) 보다 작으며, 5개의 기준점이, 타겟 영역에서의 이의 원통 좌표(z, r)에 의해, 타겟 영역의 전면 및 중심인 (0, 0)에 대해, 임의의 방위각(φ)에서 모두 밀리미터로, P1=(0,0), P2=(2,6), P3=(5,0), P4=(8,0), P5=(8,3)으로서 결정된다.
구체예에서, 수차는 구면 수차, 코마(coma), 비점수차(astigmatism) 및 색 수차 중 하나이다.
구체예에서, Z 스캐너는 타겟 영역에서 안과용 시스템의 초점 심도를 Z-스캔하는 Z 스캐너에 의해 야기되는 수차를 일부 또는 전부 보정하도록 구성된다.
구체예에서, 점증 Z 스캐너는 하나 이상의 가변성 스테이지(variable stage)를 가지며, 가변성 스테이지가 레이저 빔의 경로 내에 및 경로 밖에 정위될 수 있다.
구체예에서, 가변성 스테이지는 사전결정된 Z 스텝에서 레이저 빔의 초점 심도를 이동시키는 구성의 시퀀스(sequence of configuration)에 정위될 수 있다.
구체예에서, 상이한 가변성 스테이지는 2의 상이한 거듭제곱(different powers of 2)을 곱한 기본 Z-스텝 길이에 비례하게 초점 심도를 이동시키도록 구성된다.
구체예에서, 가변성 스테이지의 수는 1, 2, 3 및 4개이다.
구체예에서, 가변성 스테이지에 의해 야기된 수차는 기능적 멀티플렛 렌즈(functional multiplet lens)를 포함하는 가변성 스테이지에 의해 일부 또는 전부 보정된다.
구체예에서, 가변성 스테이지에 의해 야기되는 수차는 0이 아닌 굽힘 파라미터(bending parameter)를 갖는 싱글렛 렌즈(singlet lens)를 포함하는 가변성 스테이지에 의해 일부 또는 전부 보정된다.
구체예에서, 가변성 스테이지는 기계 슬라이더, 기계 구동기, 회전 암(rotating arm), 및 전기기계 장치에 의해 레이저 빔의 경로로 이동될 수 있다.
구체예에서, 연속 Z 스캐너는, 상이한 가변성 스테이지가 레이저 빔의 경로에 정위될 때 사전결정된 연속 스캐닝 범위에서 레이저 빔의 초점 심도를 스캔하도록 구성되며, 사전결정된 연속 범위는 상이한 가변성 스테이지에 대해 상이한 범위 및 상이한 가변성 스테이지에 대해 동일한 범위 중 하나이다.
구체예에서, 연속 Z 스캐너는 레이저 공급원과 XY 스캐너 사이에 정위되어 있으며, 점증 Z 스캐너가 레이저 범위의 경로에서 XY 스캐너 이후에 정위되어 있다.
구체예에서, 연속 Z 스캐너는 레이저 빔의 경로에서 XY 스캐너 이후에 정위되어 있다.
구체예에서, 연속 Z 스캐너는 레이저 공급원과 XY 스캐너 사이에 정위된 제 1 블록, 및 레이저 빔의 경로에서 XY 스캐너 이후에 정위된 제 2 블록을 포함한다.
구체예에서, Z 스캐너는 레이저 빔의 Z 초점 심도 및 개구수(numerical aperture)를 필수적으로 서로 독립적으로 변경시키도록 구성된다.
구체예에서, Z 스캐너가 대물렌즈(objective)로부터 별도의 하우징에 및 레이저 빔의 경로에서 대물렌즈 앞에 정위되어 있다.
구체예에서, 방법은 레이저 공급원에 의해 레이저 빔을 발생시키는 단계; 연속 Z 스캐너에 의해 레이저 빔의 초점 심도를 Z-스캔하는 단계; 및 점증 Z 스캐너에 의해 레이저 빔의 초점 심도를 Z-스캔하는 단계를 포함한다.
구체예에서, 점증 Z 스캐너에 의한 Z-스캐닝은 점증 Z-스텝에서 초점 심도를 Z-스캐닝함을 포함하며, 연속 Z 스캐너에 의한 Z 스캐닝은 점증 Z 스텝에 상응하는 연속 스케닝 범위에서 초점 심도를 Z-스캐닝함을 포함한다.
구체예에서, 연속 스캐닝 범위 중 하나 이상은 Z 스텝 보다 크며, 이에 의해 초점 심도가 이웃하는 Z 스텝에서 연속 Z 스캐너로 Z-스캔될 수 있는 연속 스캐닝 범위는 중첩되며, 안과용 레이저 시스템의 조작자는 초점 심도를 준-연속 Z 스캐닝 범위에서 Z-스캔할 수 있다.
일부 구체예는 점증 Z 스캐너를 각막 Z 수준으로 셋팅하는 단계, 연속 Z 스캐너로 초점 심도를 Z 스캐닝함으로써 각막 수술 절차를 수행하는 단계, 점증 Z 스캐너를 하나 이상의 렌즈 수준으로 셋팅하는 단계, 및 연속 Z 스캐너로 초점 심도를 Z 스캐닝함으로써 수정체 수술 절차(lens surgical procedure)를 수행하는 단계를 포함한다.
구체예에서, 본 방법은 수차를 타겟 영역에서의 한계값 보다 양호하게 유지함을 포함하며, 수차는 구면 수차, 코마, 비점수차 및 색 수차 중 하나이다.
구체예에서, 점증 Z 스캐너에 의해 Z-스캔하는 단계는 레이저 빔의 경로에 점증 Z 스캐너의 하나 이상의 가변성 스테이지를 정위시킴을 포함한다.
구체예에서, 점증 Z 스캐너에 의해 Z-스캔하는 단계는 가변성 스테이지를 사전결정된 Z-증점에서 초점 심도를 Z-스캔하는 구성의 시퀀스에 정위시킴을 포함한다.
구체예에서, 점증 Z 스캐너에 의해 Z-스캔하는 단계는 레이저 빔의 내부 및 외부에 상이한 가변성 스테이지를 이동시킴으로써 2의 상이한 제곱(different powers of 2)을 곱한 기본 Z-스텝 길이에 비례하게 초점 심도를 이동시킴을 포함한다.
구체예에서, 초점 심도를 Z-스캔하는 것은, 연속 Z 스캐너로 초점 심도를 제 1 연속 스캐닝 범위의 최대치 부근까지 Z-스캔하고, 점증 Z 스캐너에 의해 점증 Z 스텝에서 초점 심도를 증가시키고, 연속 Z 스캐너를 제 2 연속 스캐닝 범위의 최소치 부근으로 재셋팅하고, 초점 심도를 제 2 연속 스캐닝 범위 내에서 Z-스캔함을 포함한다.
구체예에서, 제 1 연속 스캐닝 범위 및 제 2 연속 스캐닝 범위는 필수적으로 동일하다.
구체예에서, 초점 심도를 Z-스캔하는 단계는, 레이저 빔의 개구수를 조정하는 것과 필수적으로 독립적으로 초점 심도를 Z-스캔함을 포함한다.
일부 구체예는 펄스화된 레이저 빔을 발생시키기 위한 레이저 공급원, Z축에 대해 횡방향으로 레이저 빔을 스캔하기 위한 XY 스캐너, 연속 Z 스캐너, 및 Z축을 따라 레이저 빔을 스캔하기 위한 가변성 스테이지 Z 스캐너를 포함한다.
구체예에서, 가변성 스테이지 Z 스캐너는 레이저 빔의 경로 내에 및 경로 밖에 정위되도록 구성된 가변성 스테이지를 포함한다.
도 1은 수술 레이저 전달 시스템의 일 예를 도시한 것이다.
도 2는 가우스 파면(G) 및 벗어난 파면(aberrated wavefront, W)을 도시한 것이다.
도 3a 및 3b는 최적 및 스캔된 초점면에서의 광선을 도시한 것이다.
도 3c는 초점 반경의 일 예를 도시한 것이다.
도 4는 스트렐 비(S)와 RMS 파면 오차(ω) 간의 관계의 일 예를 도시한 것이다.
도 5는 안구 수술을 위한 기준점을 도시한 것이다.
도 6a 및 6b는 도 1의 시스템에서 선보정기(precompensator)의 예시적 작동을 도시한 것이다.
도 7a 및 7b는 효율적인 Z 스캐닝 기능의 다양한 사용을 도시한 것이다.
도 8a 내지 8d는 도 1의 시스템에서 선보정기의 대표적인 실행예를 도시한 것이다.
도 9는 2 개의 Z 스캐너를 구비한 도 1의 레이저 전달 시스템의 대표적인 실행예를 도시한 것이다.
도 10은 0, 1, 또는 2개의 Z 심도 스캐너 및 0, 1, 또는 2개의 NA 조절장치(modifier)를 함유한 구성의 표를 도시한 것이다.
도 11a 내지 11c는 도 9의 시스템에서 XY 스캐너의 대표적인 실행예를 도시한 것이다.
도 12a 내지 12d는 개구수에 따른 수차 및 Z 초점 심도에 따른 상응하는 광학적 개구수 NAopt(z)를 도시한 것이다.
도 13a 및 13b는 제 1 빔 익스펜더 블록(Beam Expander block) 및 이동성 빔 익스펜더 블록(Movable Beam Expander block)의 2개의 대표적인 셋팅을 도시한 것이다.
도 14는 중간 초점면의 일 예를 도시한 것이다.
도 15는 점증 Z 스캐너를 구비한 레이저 전달 시스템의 일 예를 도시한 것이다.
도 16a 및 16b는 도 15의 시스템에서 점증 Z 스캐너에 대한 타겟 영역에서의 z 수준, 스텝 및 범위를 도시한 것이다.
도 17a 및 17b는 도 15의 시스템에서 점증 Z 스캐너에 대한 가변성 스테이지 Z 스캐너의 작동을 도시한 것이다.
도 18은 도 15의 시스템에서 점증 Z 스캐너의 실행예를 도시한 것이다.
도 19는 도 15의 시스템에 대한 대물렌즈의 실행예를 도시한 것이다.
도 20은 타겟 영역에서 구부러진 초점면을 도시한 것이다.
도 21은 XY 스캐너 경사각도의 노모그램을 도시한 것이다.
도 22는 이동성 빔 익스펜더 위치의 노모그램을 도시한 것이다.
도 23은 빔 스캐닝 제어 방법의 일 예의 단계들을 도시한 것이다.
본 명세서에 기술된 시스템 및 기술의 예 및 실행예는 펨토초 펄스화된 레이저로부터의 레이저 펄스의 레이저 빔을 수술 타겟에 전달 시에 가변성 스캐닝 제어를 제공한다. 본 명세서에 기술된 시스템 및 기술의 실행예는 각막 및 수정체 수술절차 모두를 수행하기 위해 사용될 수 있다. 안구의 수정체에서 안구 수술을 수행하는 것은 각막 수술절차 보다 질적으로 상이한 요건과 관련이 있다. 이와 같이, 예를 들어 수동 기구, 초음파 및 가열된 유체를 포함하는 통상적인 기술은 수정체 수술절차에서 사용될 때 상당한 단점을 갖는 경향이 있다. 이러한 단점들의 예에는 단편화를 달성하기 위해 안구에 프로브를 진입시킬 필요, 및 제한된 정확성을 포함한다.
본 명세서에 기술된 시스템 및 기술의 예 및 실행예는 레이저 펄스를 수정체에 전달하여 프로브의 삽입 없이 수정체를 광학적으로 단편화하는 광파괴 레이저 기술(photodisruptive laser technology)을 이용하고, 이에 따라 개선된 수정체 제거를 위한 가능성을 제공할 수 있다. 레이저-유도된 광파괴는 레이저 안구 수술에서 널리 사용되고 있으며, Nd:YAG 레이저는 흔히 레이저 유도된 광파괴를 통한 수정체 단편화를 위한 레이저 공급원으로서 사용되고 있다. 몇몇 존재하는 시스템은 수 mJ의 펄스 에너지를 갖는 나노초 펄스[E. H. Ryan et al. American Journal of Ophthalmology 104: 382-386, October 1987; R. R. Kruger et al. Ophthalmology 108: 2122-2129, 2001], 및 펄스 당 수십 μJ을 갖는 피코초 펄스[A. Gwon et al. J. 백내장 Refract Surg. 21, 282-286, 1995]를 갖는 레이저 빔을 이용한다. 이러한 비교적 긴 펄스는 수술 지점(spot)에 비교적 큰 양의 에너지를 가하여, 비교적 높은 수준의 원치않는 결과의 위험을 형성시키면서 절차의 정확성 및 제어에 있어 상당한 제한을 초래한다. 동시에, 각막 수술의 관련 분야에서, 보다 짧은 펄스 지속시간(pulse duration) 및 보다 양호한 포커싱(focusing)이 나노초 및 피코초 펄스 대신에 수백의 펨토초 시간의 펼스를 사용함으로써 달성될 수 있다는 것이 인지되었다. 펨토초 펄스는 펄스 당 매우 작은 에너지를 가하여, 절차의 정확성 및 안전성을 크게 증가시킨다. 다양한 펨토초 레이저 시스템은 각막 수술의 요건을 충족시키도록 디자인되고, 각막의 두께인 약 1 mm 미만의 레이저 초점의 심도 범위를 갖는 경향이 있다. 수정체가 통상적으로 3 내지 10 mm의 심도에 정위되어 있기 때문에, 각막 수술절차를 위해 디자인된 레이저 시스템은 안구의 수정체 상에서 수술을 수행하는 것에 대한 상당한 문제점에 대한 해법을 제공하지 못한다.
본 명세서에 기술된 안과용 레이저 시스템의 일 예는 레이저 펄스의 레이저 빔을 발생시키는 레이저 공급원; Z축에 대해 횡방향으로 레이저 빔을 스캔하는 XY 스캐너; Z축을 따라 레이저 빔을 스캔하는 Z 스캐너로서, Z축을 따라 레이저 빔의 연속 스캐닝을 제공하는 연속 Z 스캐너를 포함하는 Z 스캐너; 및 Z축을 따라 레이저 빔의 점증 스캐닝을 제공하는 점증 Z 스캐너를 포함한다. 이러한 시스템은 수정체 수술(lens surgery) 및 각막 수술(corneal surgery)을 위해 실행되고 개조될 수 있다. 본 시스템을 실행하는데 있어 일부 상세한 설명은 하기에 제공된다.
1. 펨토초 레이저 펄스는 확실하게 발생되는 것이다. 높은 반복률 펨토초 펄스는 펄스 당 매우 작은 에너지의 사용을 허용하여, 시스템의 조작자를 위한 매우 높은 제어 및 정확성을 제공한다. 그러나, 확실하게 펨토초 펄스를 발생시키는 것은 현존하는 몇몇 시스템에 의해 사용되는, 나노초 또는 피코초 펄스를 발생시키는 것 보다 상당히 큰 시도이다.
2. 수술 레이저 빔은 바로 수술 타겟, 수정체에 도달하기 위해 각막 및 전안방(anterior aqueous chamber)을 포함하는 최대 5 밀리미터의 굴절 매체를 통해 전파할 때 크게 굴절된다. 반면, 각막 수술을 위해 사용되는 레이저 빔은 밀리미터분의 일의 심도에서 포커싱되고 이에 따라 레이저 시스템으로부터 각막 타겟에 들어감에 따라 반드시 굴절되지 않는다.
3. 수술 레이저 전달 시스템은 전체 수술 영역을, 예를 들어 5 mm의 통상적인 심도에서의 수정체의 전측/전방으로부터 10 mm의 통상적인 심도에서의 수정체의 후측/후방으로 스캔하도록 구성된다. 이러한 5 mm 또는 그 초과의 심도-스캐닝 범위, 또는 "Z 스캐닝 범위"는 각막 상에서의 수술을 위해 사용되는 1 mm 심도-스캐닝 범위 보다 상당히 광범위하다. 통상적으로, 외과용 옵틱(surgical optic), 특히 본원에서 사용되는 큰 개구수의 옵틱은 레이저 빔을 특정 작동 심도로 포커싱하기 위해 최적화된다. 각막 수술절차 동안에 1 mm 심도-스캐닝은 최적화된 작동 심도로부터 단지 중간 정도의 이탈을 야기시킨다. 반면, 수정체 수술 동안 5 내지 10 mm의 스캔 동안에, 시스템은 고정된 최적화된 작동 심도로부터 떨어져서 구동된다. 이에 따라, 수정체-수술 레이저 전달 시스템은 수정체 수술에 의해 요구되는 광범위한 심도-스캐닝 범위를 스캐닝할 수 있게 하기 위해 매우 개선된 조정된 옵틱을 이용한다.
4. 일부 구체예는 이러한 것들이 각막 및 수정체 둘 모두에 대한 외과술을 수행하도록 구성된다는 측면에서 통합된다. 이러한 통합된 구체예에서, 심도-스캐닝 범위는 5 mm 대신에 최대 10 mm일 수 있으며, 심지어 보다 어려운 시도를 취할 수 있다.
5. 각막 수술 절차, 예를 들어 LASIK의 여러 변형예 동안에, 레이저 빔은 광학축에 대해 수직으로("XY 면") 스캐닝된다. 통상적인 절차에서, XY 스캐닝 범위는 단지 10 mm의 직경을 갖는 각막의 중심부를 포함한다. 그러나, 통합된 수술 시스템에서, 추가 컷(cut)이 형성될 수 있다. 한 타입의 컷은 엔트리 컷(entry cut)으로서, 이는 흡인 니들 및 통상적인 수술 툴을 안구의 내측에 접근시킨다. 다른 타입의 컷은 각막윤부절개술(limbal relaxing incision; LRI)로서, 이는 혈관 아케이드(vascular arcade)에 대한 바로 전방 각막 윤부에서 한 쌍의 절개부를 형성시키는 것을 포함한다. 이러한 아치형 절개부의 길이, 깊이 및 위치를 조정함으로써, 하나는 각막 난시에서의 변화를 유도할 수 있다. 엔트리 컷 및 LRI는 통상적으로 12 mm의 직경의 각막의 주변부에 배치될 수 있다. 10 mm에서 12 mm 직경의 XY 스캐닝 직경의 증가가 LASIK 플랩(flap)의 일정한 직경과 비교하여 단지 20% 증가이지만, 이러한 직경에서의 제어 하에서 레이저 전달 시스템의 축외(off-axis) 수차를 유지하는 것이 중요한 시도인데, 왜냐하면 축외 수차는 초점면에서 필드 직경의 보다 높은 배율(power)에 비례하여 성장하기 때문이다.
6. 수정체 레이저 수술 절차는 복잡한 이미징 시스템으로부터의 유도(guidance)를 요구할 수 있다. 일부 이미징 시스템에서, 윤부 혈관은 식별되어 안구 상에 기준 마크로서 제공되고, 안구의 수술전 진단 동안에 식별된 기준 좌표에 대해 몇몇 경우에, 수술 시간 동안에 안구의 시클로-회전 정렬을 조정한다. 수술 영역의 주변에 선택된 혈관은 수술에 의해 가장 방해되지 않을 수 있고 이에 따라 가장 신뢰성이 있다. 그러나, 이러한 주변 혈관에 관한 이미징 시스템은 10 mm 보다 큰 반경, 예를 들어 12 mm의 반경을 갖는 영역을 이미지화하기 위해 이미징 옵틱을 요구한다.
7. 레이저 빔은 안구 내에서 광학적 경로를 따라 전파하면서 다양한 수차를 발달시킨다. 레이저 전달 시스템은 이러한 수차를 보정함으로써 정확성을 개선시킬 수 있다. 이러한 수차의 추가 양태는, 이러한 것들이 "색 수차"로서 언급되는, 광의 주파수에 의존적이라는 것이다. 이러한 주파수 의존 수차를 보정하는 것은 시스템에 대한 문제를 증가시킨다. 이러한 색 수차를 보정하는데 어려움은 레이저 빔의 대역폭과 함께 증가한다. 빔의 스펙트럼 대역폭은 펄스 길이에 반비례한다는 것이 상기된다. 이에 따라, 펨토초 펄스의 대역폭은 흔히 피코초 펄스의 대역폭 보다 10배 이상 만큼 커서, 펨토초 레이저 시스템에서 매우 양호한 색 보정을 필요로 하게 한다.
8. 높은 반복률 펨토초 레이저 수술 시스템을 이용한 수술 절차는 타겟 조직에서 타겟 위치에 대해 절대적으로 및 앞선 펄스에 대해 상대적으로 둘 모두에서 각각의 펄스를 정위시키는데에 높은 정확성을 요구한다. 예를 들어, 레이저 시스템은 펄스들 사이의 시간 내에 수 마이크론 만큼만 빔을 재배향하도록 요구될 수 있고, 이는 약 마이크로초일 수 있다. 2개의 연속적인 펄스 간의 시간이 짧고 펄스 배치를 위한 정확한 요건이 높기 때문에, 현존하는 낮은 반복률 수정체 수술 시스템에 사용된 바와 같은 수동 타겟팅은 더 이상 적절하거나 실현 가능하지 않다.
9. 레이저 전달 시스템은 보존되는 일시적인, 스펙트럼 및 공간 무결성(integrity)을 갖는, 굴절 매체를 통해 펨토초 레이저 펄스를 안구의 수정체의 전체 수술 불륨(volume)으로 전달하도록 구성된다.
10. 단지 수술 영역에서의 조직이 수술 효과, 예를 들어 조직 절개를 야기하기에 충분하게 높은 에너지 밀도를 갖는 레이저 빔을 수용하는 것을 보장하기 위하여, 레이저 전달 시스템은 대단히 높은 개구수(NA)를 갖는다. 이러한 높은 NA는 작은 스폿 크기를 형성하고 수술 절차에 대한 필수적인 제어 및 정확성을 제공한다. 개구수에 대한 통상적인 범위는 3 마이크론 또는 그 미만의 스폿 크기를 형성하는 0.3 보다 큰 NA 값을 포함할 수 있다.
11. 수정체 수술을 위한 레이저의 광학적 경로의 복잡성이 제공되는 경우에, 레이저 전달 시스템은 고성능 컴퓨터-관리 이미징 시스템을 포함함으로써 높은 정확성 및 제어를 달성하는 반면, 각막 수술 시스템은 이러한 이미징 시스템 없이 또는 낮은 수준의 이미징으로 만족스러운 제어를 달성할 수 있다. 특히, 통상적인 관찰 빔 뿐만 아니라, 시스템의 수술 및 이미징 기능은 모두 상이한 스펙트럼 대역에서 작동한다. 예로서, 수술 레이저는 1.0 내지 1.1 마이크론의 대역에서의 파장에서 작동할 수 있고, 관찰 빔은 0.4 내지 0.7 마이크론의 가시 대역에서 작동할 수 있으며, 이미징 빔은 0.8 내지 0.9 마이크론의 대역에서 작동할 수 있다. 일반적이거나 공유된, 광학적 구성요소에서 빔 경로를 조합하는 것은 레이저 수술 시스템의 옵틱에 색 요건을 요구하는 것을 정위시킨다.
상기 실행 세부항목은 수정체(ii) 상에 펨토초 펄스로의 안구용 레이저 수술(i)이 단지 나노초 또는 피코초 레이저 펄스를 이용하여 각막 수술 및 심지어 수정체 수술과 질적으로 상이한 요건을 도입하는 몇몇 예를 통해 예시한다.
도 1은 레이저 전달 시스템(1)을 도시한 것이다. 이를 상세하게 기술하기 전에, 본 발명자는 일부 구체예가 도 1의 레이저 전달 시스템을 이미징 또는 관찰 시스템과 조합한다는 것을 언급한다. LASIK 처리에서와 같은 일부 각막 절차에서, 안구 추적장치(eye tracker)는 통상적으로 안구의 표면 상에 이미징 및 이미지 가공 알고리즘에 의해 홍체의 중심의 식별과 같은 시각적 단서에 의해 안구의 위치 기준을 설정한다. 그러나, 현존하는 안구 추적장치는 심도 정보 없는 2차원 공간에서의 특성을 인지하고 분석하는데, 왜냐하면 수술 절차가 안구의 최외층인 각막 상에서 수행되기 때문이다. 흔히, 각막은 고르게 납작하게 되어 표면을 2차원으로 만든다.
안구 내측에 깊게, 렌즈에서의 레이저 빔을 포커싱할 때 이러한 상황은 상당히 상이하다. 수정체는 수용 동안, 이전 측정과 수술 사이 뿐만 아니라 수술 동안에 수용 동안 이의 위치, 모양, 두께 및 직경을 변화시킬 수 있다. 기계적 수단에 의해 안구를 수술 기구에 부착시키는 것은 또한 불명확한 방식으로 안구의 외형을 변화시킬 수 있다. 이러한 부착 디바이스는 안구를 흡입 고리에 고정시키거나 안구를 평평하거나 구부러진 렌즈로 수차제거(aplanat)함을 포함할 수 있다. 또한, 수술 동안 환자의 움직임은 추가적인 변화를 일으킬 수 있다. 이러한 변화는 안구 내에 시각적 단서의 수 밀리미터의 변위 만큼까지 추가될 수 있다. 이에 따라, 수정체 또는 안구의 다른 내부에 대한 정확한 레이저 수술을 수행할 때 각막 또는 윤부의 전방 표면과 같은 안구의 표면을 기계적으로 기준 표시하고 고정하는 것은 만족스럽지 못하다.
이러한 문제를 다루기 위하여, 레이저 전달 시스템(1)은 동시 계류중인 출원번호 미국특허출원 12/205,844 (R.M. Kurtz, F. Raksi 및 M. Karavitis)에 기술된 바와 같이 이미징 시스템과 조합될 수 있으며, 이러한 문헌은 전문이 본원에 참고로 포함된다. 이미징 시스템은 안구의 내부 특성을 기초로 하여 3차원 위치 기준을 설정하기 위해 수술 영역의 부분을 이미지화하도록 구성된다. 이러한 이미지는 수술 전에 생성될 수 있고 동시에 수술 절차를 업데이트하여 개별적인 변형 및 변화를 처리한다. 이미지는 레이저 빔을 높은 정확성 및 제어로 요망되는 위치로 안전하게 유도하기 위해 사용될 수 있다.
일부 실행예에서, 이미징 시스템은 광 간섭 단층촬영(Optical Coherence Tomography; OCT) 시스템일 수 있다. 이미징 시스템의 이미징 빔은 별도의 이미징 광학 경로, 또는 수술 빔과 일부 또는 전부 공유된 광학 경로를 가질 수 있다. 일부 또는 전부 공유된 광학 경로를 갖는 이미징 시스템은 이미징 및 수술 시스템의 비용을 감소시키고 보정을 단순화시킨다. 이미징 시스템은 또한 레이저 전달 시스템(1)의 레이저와 동일하거나 상이한 광원을 사용할 수 있다. 이미징 시스템은 또한 자체적인 빔 스캐닝 서브시스템을 가질 수 있거나, 레이저 전달 시스템(1)의 스캐닝 서브시스템을 사용할 수 있다. 이러한 OCT 시스템의 여러 상이한 구조는 언급된 동시 계류 중인 출원에 기술되어 있다.
레이저 전달 시스템(1)은 또한 시각적 관찰 옵틱과 조합하여 실행될 수 있다. 관찰 옵틱은 수술 레이저 빔의 효과를 관찰하고 관찰에 응하여 빔을 제어하기 위해 수술 레이저의 조작자를 도울 수 있다.
결국, 적외선 및 이에 따른 비가시(invisible) 수술 레이저 빔을 사용하는 일부 실행예에서, 추가적인 추적 레이저는 가시 주파수에서 작동하게 이용될 수 있다. 가시 추적 레이저는 적외선 수술 레이저의 경로를 추적하도록 실행될 수 있다. 추적 레이저는 타겟 조직의 어떠한 파괴도 초래하지 않기 위해 충분히 낮은 에너지로 작동될 수 있다. 관찰 옵틱은 타겟 조직으로부터 반사된 추적 레이저를레이저 전달 시스템(1)의 조작자에게 유도하도록 구성될 수 있다.
도 1에서, 이미징 시스템 및 가시 관찰 옵틱과 관련된 빔은 예를 들어 빔 스플리터/색선별 거울(dichroic mirror)(600)을 통해 레이저 전달 시스템(1)에 커플링될 수 있다. 본 발명은 레이저 전달 시스템(1)과 이미징, 관찰 및 추적 시스템의 다양한 조합을 광범위하게 논의하지 않을 것이다. 포함된 미국특허출원 제12/205,844호에서 광범위하게 논의된 다수의 이러한 조합은 모두 본 발명의 전체 범위 내에 속한다.
도 1의 레이저 전달 시스템(1)은 레이저 엔진(100), 선보정기(200), XY 스캐너(300), 제 1 빔 익스펜더 블록(400), 이동성 빔 익스펜더 블록(500), 빔 스플리터/색선별 거울(600), 대물렌즈(700) 및 환자 인터페이스(800)를 포함하며, 여기서 제 1 빔 익스펜더 블록(400) 및 이동성 빔 익스펜더 블록(500)은 연결하여 Z 스캐너(450)로서 언급될 것이다.
하기 여러 실행예에서, 일반적으로 Z 방향은 필수적으로 레이저 빔의 광학 경로를 따르는, 또는 광학 엘리먼트(optical element) 또는 수술 타겟의 광학축을 따르는 방향인 것으로 사용된다. Z 방향에 대한 횡방향은 XY 방향으로서 언급된다. 용어 횡방향은 넓은 의미에서 일부 실행예에서, 횡방향 및 Z 방향이 서로 엄격하게 수직이 아닐 수 있다는 것으로 포함하도록 사용된다. 일부 실행예에서, 횡방향은 방사방향 좌표의 측면으로 더 잘 기술될 수 있다. 이에 따라, 용어 횡방향, XY 또는 방사 방향은 기술된 실행예에서 유사한 방향을 의미하며, 이들 모두는 대략 (그러나 반드시 정확하지는 않음) Z 방향에 대해 수직이다.
1. 레이저 엔진(100)
레이저 엔진(100)은 사전결정된 레이저 파라미터를 갖는 레이저 펄스를 방출하기 위한 레이저를 포함할 수 있다. 이러한 레이저 파라미터는 1 펨토초 내지 100 피코초 범위, 또는 10 펨토초 내지 10 피코초 범위, 또는 일부 구체예에서 100 펨토초 내지 1 피코초 범위의 펄스 시간을 포함할 수 있다. 레이저 펄스는 펄스 당 0.1 마이크로줄(microJoule) 내지 1000 마이크로줄 범위, 다른 구체예에서 1 마이크로줄 내지 100 마이크로줄 범위의 에너지를 가질 수 있다. 펄스는 10 kHz 내지 100 MHz 범위, 다른 구체예에서 100 kHz 내지 1 MHz 범위의 반복 주파수를 가질 수 있다. 다른 구체예는 1 내지 1000 펨토초의 펄스 시간의 범위와 같은, 이러한 범위 한계의 조합 내에 속하는 레이저 파라미터를 가질 수 있다. 특정 절차를 위한 레이저 파라미터는 예를 들어, 수술전 절차 동안에 이러한 광범위한 범위 내에 선택될 수 있거나, 환자의 나이와 같은 환자의 특정 데이타를 기초로 한 계산을 기초로 하여 선택될 수 있다.
레이저 엔진(100)의 예는 Nd:유리 및 Nd:Yag 레이저 및 그밖의 다양한 레이저를 포함할 수 있다. 레이저 엔진의 작동 파장은 적외선 또는 가시광 범위일 수 있다. 일부 구체예에서, 작동 파장은 700 nm 내지 2 마이크론 범위일 수 있다. 일부 경우에서, 작동 파장은 예를 들어 Yb 또는 Nd를 기초로 한 적외선 레이저에서 1.0 내지 1.1 마이크론 범위일 수 있다.
일부 실행예에서, 레이저 펄스의 레이저 파라미터는 조정 가능하고 변경 가능할 수 있다. 레이저 파라미터는 짧은 스위치 타임으로 조정 가능할 수 있으며, 이에 따라 수술 레이저 전달 시스템(1)의 조작자가 복잡한 수술 동안에 레이저 파라미터를 변화시킬 수 있다. 이러한 파라미터의 변화는 레이저 전달 시스템(1)의 감지 또는 이미징 서브시스템에 의한 판독에 대하여 개시될 수 있다.
다른 파라미터 변화는 다단계 절차의 일부로서 수행될 수 있으며, 그 동안에 레이저 전달 시스템은 먼저 제 1 수술 절차를 위해 사용될 수 있으며, 그 후에 제 2의 다른 수술 절차를 위해 사용될 수 있다. 예는 먼저 안구의 수정체의 영역에서 하나 이상의 수술 단계를 수행하는 단계, 예를 들어 수정체낭절개 단계 이후에 안구의 각막 영역에서 제 2의 수술 절차를 수행하는 단계를 포함한다. 이러한 절차들은 다양한 순서로 수행될 수 있다.
펄스 당 비교적 낮은 에너지를 갖는 초당 수십 내지 수십만의 샷(shot)의 펄스 반복률에서 작동하는 높은 반복률 펄스 레이저는 수술 적용에 대해 사용되어 특정 장점들을 달성할 수 있다. 이러한 레이저는 레이저-유도 광파괴에 의해 야기된 조직 효과를 국소화시키기 위해 펄스 당 비교적 낮은 에너지를 사용한다. 일부 실행예에서, 예를 들어, 파괴된 조직의 범위는 수 마이크론 또는 수십 마이크론으로 제한될 수 있다. 이러한 국소화된 조직 효과는 레이저 수술의 정확성을 개선시킬 수 있고 특정 수술 절차에서 요망될 수 있다. 이러한 수술의 다양한 실행예에서, 수백, 수천, 또는 수백만 펄스가 전달되어 인접하거나, 거의 인접하거나 제어된 거리로 분리된 스폿의 시퀀스로 전달될 수 있다. 이러한 실행예는 특정의 요망되는 수술 효과, 예를 들어 조직 절개, 분리 또는 단편화를 달성할 수 있다.
펄스 및 스캔 패턴의 파라미터는 다양한 방법에 의해 선택될 수 있다. 예를 들어, 이러한 것들은 수정체의 광학적 또는 구조적 성질의 수술전 측정을 기초로 할 수 있다. 레이저 에너지 및 스폿 분리는 또한 수정체의 광학적 또는 구조적 성질의 수술전 측정 또는 나이-의존적 알고리즘을 기초로 하여 선택될 수 있다.
2. 선보정기 ( precompensator )(200)
도 2는 레이저 빔의 파면이 여러 상이한 방식으로 및 여러 상이한 이유로 이상적인 거동으로부터 벗어날 수 있음을 도시한 것이다. 큰 그룹의 이러한 이탈은 수차(aberration)라고 불린다. 수차(및 다른 파면 왜곡)는 이상적인 근축 가우시안 이미지 포인트로부터 실제 이미지 포인트를 대신한다. 도 2는 출사 동공(ExP)을 통해 방출되는 광의 파면을 도시한 것이다. 비왜곡된 구형의 파면(G)은 동공으로부터 나오고 파면(G)의 곡률의 중심에서 포인트 P1으로 수렴된다. G는 또한 가우시안 기준 구체(Gaussian reference sphere)라 불린다. 벗어난 파면(W)은 G로부터 벗어나고 상이한 포인트 P2로 수렴한다. 포인트 Q1에서 벗어난 파면(W)의 수차(ΔW)는 비왜곡된 기준 구체(G)에 대한 경로의 광학 길이에 의해 특징될 수 있다:
Figure 112012047910266-pct00001
. 여기서, ni는 이미지 공간에서 매체의 굴절률이며,
Figure 112012047910266-pct00002
는 포인트 Q1 및 Q2의 거리이다.
일반적으로, 수차(ΔW)는 출사 동공 뿐만 아니라 초점면 둘 모두에서의 좌표에 의존적이다. 이에 따라, 이러한 수차(ΔW)는 또한 상호관계 함수로서 고려될 수 있다: r' 만큼 광학축 상에서 P1으로부터 제거되고 이미지가 P2로 수렴되는 포인트들의 세트는 표면(W) 상에 정위되고, 이는 출사 동공(ExP)에서 방사방향 거리(r)로 ΔW의 양만큼 기준 구체(G)로부터 벗어나는 것으로 나타난다. 회전 대칭 시스템을 위하여, ΔW는 하기와 같이 r 및 r'에서 이중 멱급수 확장(double power series expansion)의 항으로 기술될 수 있다:
Figure 112012047910266-pct00003
여기서, r'는 초점면에서 이미지 포인트 P2의 방사방향 좌표이며, r은 동공에서 포인트 Q1의 방사방향 좌표이다. 각도 의존성은 구면각 Θ에 의해 표시된다. n = 2p + m은 양의 정수이며,
Figure 112012047910266-pct00004
은 벗어난 파면(W)의 팽창 계수이다 [문헌[Optical Imaging and Aberrations, Part I. Ray Geometrical Optics by Virendra N. Mahajan, SPIE Optical Engineering Press] 참조]. 수차 항 중 차수 i는 i = 2l + m +n로 제공된다.
최대 i=4인 항은 1차 수차와 관련이 있다: 구형, 코마, 비점수차, 시야 곡률 및 왜곡. 이러한 1차 수차 및
Figure 112012047910266-pct00005
수차 계수 간의 실제 관계는 문헌에 기술되어 있다. 포인트 대상을 이미징하는 시스템을 위하여, 이미지 반경 r'에 대한 수차 항의 명확한 의존성은 무차원 변수
Figure 112012047910266-pct00006
를 도입함으로써 억제될 수 있으며, 여기서 a는 출사 동공의 횡방향 선형 범위, 예를 들어 이의 반경이다:
Figure 112012047910266-pct00007
여기서,
Figure 112012047910266-pct00008
이다.
이러한 표기법의 이점은 수차 계수(anm) 모두가 길이의 치수를 가지고, 출사 동공에서 상응하는 수차의 최대값을 갖는다. 이러한 표기법에서, 예를 들면 구면 수차는 수차 계수(a40)에 의해 특징된다.
수차 계수(anm) 에 대한 수차의 설명이 수학적으로 잘 정의되어 있지만, 이는 항상 실험적으로 가장 접근가능한 방법은 아니다. 이에 따라, 3개의 대안적인 수차 척도는 하기에 설명된다.
동일한 정맥의 실험 접근성 및 시험 가능성에서, 생물학적 조직, 예를 들어 안구에서 빔의 거동은 측정하기 쉽지 않을 수 있다는 것이 주지된다. 도움이 되도록, 연구에 따르면 안구에서의 광선은 물리적으로 적절한 염분 농도를 갖는 염수 중에서의 광선과 꽤 유사하게 거동할 수 있고, 질적으로 측정되고 설명될 수 있는 것이 명시된다. 이에 따라, 본 발명 전반에 걸쳐 안구에서의 레이저 전달 시스템의 거동이 기술될 때, 이러한 설명은 기술된 안구 조직에서, 또는 상응하는 염수에서의 거동을 칭하는 것으로 이해된다.
도 3a 내지 도 3c에서는 수차의 제 2 척도를 도시한 것이다. 깊이(A)에서의 초점면(210)에서 빔을 포커싱하도록 구성된 레이저 전달 시스템(1)은 대신에 깊이(B)에서의 작동 초점면(211)에서 빔을 포커싱하도록 작동되는 경우에 구면 수차를 야기할 수 있다. 레이저 빔의 초점이 초점면(210)으로부터 초점면(211)으로 이동될 때, 이러한 상황이 예를 들어 3차원 스캐닝 절차 동안에 일어날 수 있다.
도 3a는 레이저 전달 시스템(1)이 광선을 이들의 최적의 초점면(210)에 포커싱할 때의 경우를 도시한 것이다. 광선은 상당히 좁은 방사방향 범위, 또는 반경(rf(A))의 최적의 초점면(210)에서의 스폿("초점(focal spot)")을 통과한다. 이러한 방사방향 범위(rf(A))는 다양한 이유, 예를 들어 광빔의 회절로 0 보다 클 수 있다. 초점의 반경은 1개 초과의 방식으로 규정될 수 있다. rf(A)의 일반적인 정의는 스크린 위치가 축 또는 Z 방향을 따라 변하게 됨에 따르는 스크린 상의 광 스폿의 최소 간격이다. 이러한 Z 깊이는 흔히 "최소 착각점(point of least confusion)"이라 불린다. 이러한 정의는 도 3c와 관련하여 추가로 개선된다.
도 3b에서는 레이저 전달 시스템(1)이 최적 초점면(210)을 벗어나 작동 초점면(211)으로 약간의 거리, 예를 들어 수 밀리미터 만큼 초점을 스캔할 때의 경우를 도시한 것이다. 가시적으로, 광선은 구면 수차를 야기시키는 rf(A) 보다 큰 반경 rf(B)의 초점을 통과한다. 다양한 정확도의 수학식은 수차 계수(anm) 및 초점 반경(rf)을 연결하여 개발되었다. 일부 경우에서, 초점 반경(rf)은 anm 수차 계수보다 수차를 정량화하는데에 실험적으로 더욱 접근 가능하다.
도 3c는 초점 반경(rf)의 보다 정량적 정의를 도시한 것이다. 도 3c는 빔의 중심으로부터 측정된 반경(r)의 스폿에 포함된 에너지를 도시한 것이다. 초점 반경(rf)의 광범위하게 받아들여지는 정의는 빔의 에너지의 50%가 내부에 포함되는 반경이다. "A"로 표기된 곡선은 회절 제한 된 빔에서, 도 3a에서와 같이, 빔이 최적 초점면(210)에 포커싱될 때, 빔의 에너지의 50%는 rf(A)의 유용한 정의를 제공하면서, 반경 r=0.8 마이크론의 스폿에서, 포함되거나 둘러싸일 수 있다.
레이저 빔의 에너지가 제대로 또는 분명하게 규정된 초점에 놓여지는 경우에, 레이저 유도 광학적 파괴(laser induced optical breakdown; LIOB)를 기초로 한 수술 절차는 더 높은 정확성 및 효율성, 및 보다 작은 원치 않는 효과를 가질 수 있다. LIOB는 강도(플라즈마-) 한계를 갖는 고도의 비선형 공정이며, 통상적으로 플라즈마 한계 보다 높은 세기를 갖는 빔에 노출된 조직은 플라즈마로 변화되며, 플라즈마 한계 보다 낮은 세기를 갖는 빔에 노출된 조직은 플라즈마 전이를 일으키지 않는다. 이에 따라, 수차에 의해 초점의 넓어짐(broadening)은 플라즈마 한계 보다 높은 초점에서의 강도를 달성하는 빔의 일부를 감소시키고 강도가 한계값 보다 낮게 유지되는 빔의 일부를 증가시킨다. 후자의 이러한 빔의 일부는 타겟 조직에 의해 효율적으로 흡수되지 않고 안구 조직을 통해 대부분의 경우에 망막으로 전파되어 잠재적으로 원치않는 각막 노출을 야기시킨다.
각막을 보정하는 것을 목표로 하는 수술 절차를 위하여, 각막의 두께가 실질적으로 0.6 mm이거나 거의 드문 경우에 보다 두껍지만 여전히 1 mm를 초과하지 않기 때문에, 초점면은 일반적으로 최적 또는 공칭 깊이로부터 약 0.6 mm만큼만 (광학축을 따르는) Z 방향으로 스캔되거나 이동된다. "B"로 표기된 곡선은 빔의 초점면이 최적 초점면(210)으로부터 약 1 mm(각막 절차를 위한 상한 추정치)만큼 작동 초점면(211)으로 이동될 때, 빔의 에너지의 50%는 rf(B)=1.8 마이크론의 초점 반경 내에 포함된다는 것을 도시한다. 이러한 이동이 수차를 도입하는 반면, 척도가 제한된다. 따라서, 일부 현존하는 각막 레이저 시스템은 전혀 수차를 보정하지 않으며, 다른 것들은 약간 제한된 수준의 보정만을 도입한다.
수차 계수(amn) 및 초점 반경(rf) 이외에, 수차의 제 3 척도는 소위 스트렐 비(S)이다. 시스템의 스트렐 비(S)는 동일하고 완벽한 이미징 시스템의 이론적인 최대 피크 강도에 의해 나누어진 시스템의 초점면에서 빔의 피크 강도로서, 점원으로부터 빠져나가는 빔을 기준으로 정의될 수 있고, 이는 회절 한계에서 작용한다. 동등한 정의는 또한 문헌에 공지되어 있고 스트렐 비(S)의 정의의 범위 내에 존재한다.
이러한 정의에 상응하게, S의 값이 작을수록, 수차는 커진다. 벗어나지 않는 빔은 S=1을 가지고, 통상적으로 S > 0.8일 때, 이미징 시스템은 회절 제한되어 있다고 한다.
수차의 제 4 정의는 출사 동공(ExP)에서 전체 파면에 걸쳐 평균을 낸, 도 2의 비왜곡된 파면(G)으로부터 벗어난 파면(W)의 편차(ΔW)를 표시하는 ω, 평균 제곱근 또는 RMS, 파면 오차이다. ω는 무차원 양을 만드는 빔의 파장의 단위로 표시된다.
도 4는 상대적으로 작은 수차에 대하여 ω 및 S는 하기 식에 의해 관련된다는 것을 도시한 것이다:
Figure 112012047910266-pct00009
상기 식에서, e는 자연 로그의 밑이다.
상기의 수차의 척도 4개 모두는 문제점을 진단하고 레이저 전달 시스템(1)의 디자인을 최적화하는데 유용하다. 이에 따라, 하기의 일반적인 용어 "수차 척도(aberration measure)"는 이런 척도들 또는 이들의 등가물 중 임의의 하나를 나타낼 수 있다. 특히, 수차를 증가시키는 것은 수차 계수(amn), 초점 반경(rf) 및 RMS 파면 오차(ω)의 증가에 의해 획득되나, 스트렐 비(S)의 감소에 의해 획득된다.
이러한 수차 척도들 간의 관계는 특정 예에서 구면 수차 계수(a40) 및 상응하는 스트렐 비(S)를 나타냄으로써 설명된다. 이러한 예에서, 수술 레이저 시스템은 표면 아래의 상이한 깊이에서 안구 조직에 레이저 빔을 포커싱한다. 레이저 빔은 1 마이크로미터 파장 및 NA=0.3 개구수로, 회절 제한되고, 입사의 표준각도로 조직의 표면에 포커싱된다. 이러한 예의 개수는 시스템의 초점면 부근에서 스캔된 깊이와 동일한 두께의 평면 평행 플레이트(plan parallel plate)를 추가하고 염수를 위한 계산을 수행하는 효과와 유사할 수 있다.
조직의 표면은 식(2) 및 (3)으로 특징되는, 빔에 수차를 도입한다. 수차 계수(a40)에 의해 특징되는 구면 수차는 표면에서 0이고, 상당한 구조에 의한 스트렐 비는 S=1이다.
LASIK 수술은 통상적으로 0.1 mm의 깊이로 플랩(flap)을 형성한다. 이러한 깊이에서, 스트렐 비(S)는 약 0.996으로 감소되고 단지 약간 감소한다. 0.6 mm 깊이에서도, 대략 각막의 후방 표면에서 S는 약 0.85이다. 이는 피크 강도의 무시할 수 없는 감소인 반면에, 여전히 레이저 빔 강도를 조정함으로써 보정될 수 있다.
다른 한편으로, 안구에서 수정체의 전방 표면을 특징짓는, 5 mm 깊이에서, 스트렐 비는 S=0.054로 감소될 수 있다. 이러한 깊이 및 스트렐 비에서, 빔 강도는 플라즈마-한계(plasma-threshold) 미만으로 상당히 감소되며, 이에 따라 빔은 LIOB를 발생시킬 수 없다. 피크 강도의 이러한 급격한 손실은 원치않는 효과, 예를 들어 망막의 과다 노출 또는 과도하게 증가된 버블 크기 없이 레이저 파워를 증가시킴으로써 보정될 수 없다.
표 1은 직전에 기술된 스트렐 비에 상응하는 구면 수차(a40)를 기술한 것이다. 가시적으로, 구면 수차는 조직-깊이에 따라 대략 선형으로 증가하는 반면 스트렐 비(S)는 비선형 방식으로 거동한다:
표 1
Figure 112012047910266-pct00010
수정체 상에 렌즈 용해(lens lysis), 수정체낭절개 또는 다른 수술 절차를 수행하는 것을 목표로 하는 수술 절차에서, 초점면은 종종 렌즈의 전체 깊이에 걸쳐 스캔되고, 이는 5 mm 만큼일 수 있다. 또한, 통합된 각막-렌즈 시스템에서, 총 스캐닝 깊이는 각막으로부터 렌즈의 후방 표면까지, 약 10 mm 연장될 수 있다. 도 3c에서는 "C"로 표기된 곡선이 이러한 경우에 초점 반경이 rf(C)=18 마이크론까지 성장하고, 이러한 값은 너무 커서 rf(A) 및 rf(B)와 동일한 구성 상에 고르게 나타나지 않는다는 것이 나타난다. 일부 구체예에서, 최적 초점면이 선택되어 깊이-스캐닝 범위에서 중간쯤 놓일 수 있으며, 레이저 빔은 플러스/마이너스 5 mm 깊이 범위로 스캔될 수 있다. 이러한 경우에, rf(C)는 10 마이크론으로 감소될 수 있다.
이러한 큰 rf(C) 값은 다른 3개의 수차 척도들(a40, S 및 ω)에서 큰 양의 수차로 바뀌게 된다. 명확하게, 수십 밀리미터만을 스캔하는 각막 절차에 대하여, 수정체 수술의 이러한 큰 수차는 레이저 전달 시스템(1)의 디자인을 위한 많은 시도를 취하여 원치않는 결과를 보정하거나 관리한다.
수정체 수술과 관련된, 큰 수차 척도의 문제점을 다루기 위해, 일부 구체예는 구면 수차를 사전보정하고 수차 척도를 개선시키기 위한 선보정기(200)를 포함한다. 이러한 수차는 타겟 조직에서 또는 레이저 전달 시스템(1) 내의 광학 경로의 일부를 따르거나, 전체 광학 경로를 따라 발달될 수 있다.
도 5는 수차 척도가 값을 추정한다고 기술할 때 이어지는 경우에, 수차 척도(rf(C), a40, S 및 ω)가 광학 축으로부터 방사방향 거리(r) 및 초점 심도(z)에 의존적이기 때문에, 이는 몇몇 선택된 기준점들에서 기술된 값을 추정하는 수차 척도를 언급할 것이라는 것을 (눈금없이) 도시한 것이다. 관련된 기준점들의 세트는 원통 좌표(z,r)에 의해 설명될 수 있다: 모두 밀리미터로, P1=(0,0), P2=(2,6), P3=(5,0), P4=(8,0), P5=(8,3). 안구의 주요 구조는 대략 실린더 대칭을 나타내기 때문에, 이러한 P 기준점들은 어떤 방위각(φ)에서도 정위될 수 있다. 이에 따라, 이러한 P 포인트는 단지 3개의 원통 좌표들 중 2개에 의해 언급될 것이고,방위각(φ)은 기술되지 않는다. P1은 중심에 정위된 각막 절ㅊ를 위한 일반적인 포인트이며, P2는 주변 각막 절차를 위하여 일반적이며, P3은 수정체의 전방 영역과 관련이 있으며, P4는 수정체의 후반과 관련이 있으며, P5는 주변 렌즈 기준점이다. 다른 기준점들은 또한 채택될 수 있어 레이저 전달 시스템의 수차를 특징짓는다. 일부 경우에서, 수차 척도는 작동 파면 또는 조사된 영역에 걸쳐 평균을 낸 수차 척도를 언급할 수 있다.
수차 척도는 몇몇 상이한 방법으로 결정될 수 있다. 레이저 빔의 파면은 광학 경로의 선택된 부분, 예를 들어 타겟 조직의 모델 또는 레이저 전달 시스템(1)의 부분을 통해 컴퓨터 지원 디자인(CAD)으로 추적될 수 있다. 또한, 레이저 빔의 수차는 실제 레이저 전달 시스템 또는 이러한 2개의 절차의 조합으로부터 측정될 수 있다.
이에 따라, 일부 실행예에서, 선보정기(200)에 의해 도입된 선보정은 광학 경로의 선택된 일부를 따르는 수차 척도를 결정하거나, 계산하거나, 측정함으로써 선택될 수 있으며, 이는 타겟 조직 그 자체를 포함하며, 이어서 결정된/계산된/측정된 수차의 사전선택된 부분을 보정하도록 필요하게 된 선보정의 양을 결정한다.
구면 수차는 지배적으로 축 광선에 영향을 미치기 때문에, 선보정기(200)는 효율적으로 구면 수차를 보정하거나 선보정할 수 있다. 다른 형태의 수차, 예를 들어 횡방향 수차, 비점수차 및 코마는 광학축으로부터 오프셋된(offset) 광선을 포함하는, 필드 광선 뿐만 아니라 0이 아닌 각도 광선에 영향을 미친다. 레이저 엔진(100)에 의해 발생된, 레이저 빔이 실질적으로 축 빔이지만, 광학 경로에서의 다양한 블록들, 가장 분명한 XY 스캐너(300)는 축 빔을 필드 광선을 갖는, 0이 아닌 각도 빔으로 변형시킨다.
이에 따라, 선보정기가 XY 스캐너(300) 이후에 배치된 디자인에서, 빔 필드 광선은 몇몇 상이한 수차를 성장시킬 수 있다. (i) 빔의 최적화는 몇몇의 수차를 보정하는 것을 요구할 수 있고, (ii) 수차의 상이한 형태는 상호 간에 독립적이지 않기 때문에, 이러한 상이한 수차들의 발생은 상당한 디자인 시도를 취한다. 이에 따라, 수차의 하나의 타입을 보정하는 것은 일반적으로 원치 않는 다른 타입의 수차를 유도한다.
이에 따라, 보정기(compensator)가 XY 스캐너 이후에 배치된 구조에서, 구면 수차는 통상적으로 다른 형태의 원치 않는 수차를 도입하는 것의 대가로 제한된 정도로 보정된다.
반면에, 본 레이저 전달 시스템(1)의 구체예는 XY 스캐너(300) 앞에 선보정기(200)를 가질 수 있다. 이러한 디자인은 선보정기(200)가 다른 타입의 원치않는 수차를 도입하지 않고 구면 수차를 보정하도록 한다.
일부 실행예는 심지어 선보정기(200)에 의한 축상(on-axis) 선보정을 도입함으로써 상기에 언급된 축상 수차 및 축외 수차의 상호의존성을 활용하여, 타겟 조직 또는 레이저 시스템의 연속 세그먼트에 의해 야기된, 축외 수차를 선보정한다.
도 6a 및 도 6b는 선보정기(200)의 이상화된 작동을 개략적으로 도시한 것이다.
도 6a는 선보정기 없는 레이저 전달 시스템(1)을 도시한 것이다. 일반적으로, 광학 경로 세그먼트(301)는 약간의 수준의 구면 수차를 도입할 수 있다. 이는 광학 경로 세그먼트(301)를 떠나는 수차를 갖는 파면 및 광학 경로 세그먼트(301)에 들어가는 비왜곡된 파면에 의해 도시된다. 이러한 세그먼트는 광학 경로의 임의의 세그먼트, 예를 들어 타겟 조직의 일부 또는 전체 타겟 조직 또는 레이저 전달 시스템(1) 내의 경로의 일부일 수 있다.
도 6b는 선보정기(200)가 파면의 보정하는 (또는 보완적인) 왜곡을 도입할 수 있다는 것을 도시한 것이다. 이러한 선보정된 파면은 이후에 감소된 왜곡을 갖거나 심지어 왜곡되지 않은 파면을 출사하도록 하는, 광학 경로 세그먼트(301)에 들어간다.
일부 현존하는 시스템은 전용 보정기를 전혀 갖지 않는다. 다른 시스템은 또한 다른 기능을 갖고 XY 스캐너 이후에 정위된 렌즈 그룹들의 렌즈들에 의해 분포된 방식만으로 구면 수차를 보정할 수 있다. 이러한 현존하는 시스템에서, 렌즈들의 파라미터는 성능상 제한적으로 유도하는, 상이한 기능들 사이의 절충안을 만드는 결과로서 선택된다.
반면에, 레이저 전달 시스템(1)의 구체예는 XY 스캐너(300) 앞에 정위된 전용 선보정기(200)를 가질 수 있다. 일부 구체예에서, 선보정기(200)는 제 1 광학 유닛, 또는 렌즈 그룹이며, 이는 레이저 엔진(100)으로부터 레이저 빔을 수용한다. 이의 위치 때문에, 레이저 빔이 (XY 스캐너(300)에 의해 야기될 수 있는) 필드 광선 또는 0이 아닌 각도 광선을 발생시키지 않으면서 선보정기(200)에 도달하기 때문에, 이러한 구체예들은 높은 수준의 선보정을 달성할 수 있다. 이러한 선보정은 선보정기(200)의 주요 기능이며, 이에 따라 디자인 절충안이 현존하는 시스템과는 대조적으로, 상당히 제한되도록 유지될 수 있기 때문에 또한 효율적이고, 이는 추가적인 기능을 제공하는 렌즈들로 보정한다.
이러한 이유로, 이러한 구체예에서, 다른 타입의 수차에 영향을 미치지 않거나 도입하지 않으면서 높은 정도로 구면 수차를 보정하는 것이 가능하다.
수차의 이론에서, 복합 렌즈 시스템의 구면 수차가 대략적으로 개개의 구성요소의 구면 수차의 합이라는 것이 알려져 있다. 이에 따라, 레이저 전달 시스템(1)의 일부 실행예에서, 구면 수차의 원치않는 양은 선보정기(200)를 디자인함으로써 선보정될 수 있어, 반대 부호를 갖는 동일한 양의 수차를 도입한다.
일 예로서, 안구 조직 내측의 초점 심도가 최적 초점면을 벗어나 5 mm 만큼 이동될 때, (표 1에 따라) 구면 수차(a40)는 -2.0 마이크로미터이다. 이에 따라, 일부 실행예에서, 선보정기(200)는 a40=+2.0 마이크로미터의 수차 척도를 도입할 수 있다. 제 1 근사치에서, 이러한 선보정은 실질적으로 초점의 5mm 이동에 의해 야기된 구면 수차를 제거하고, 이에 따라 S=0.054로부터 다시 S=1까지 스트렐 비를 증가시킨다(이러한 단순한 예는 수차의 다른 원인을 무시한 것이다).
하기 일부 실행예는 "선보정되지 않는(non-precompensated)" 레이저 전달 시스템(1), 즉 선보정기(200)가 제거된 레이저 전달 시스템의 수차 척도를 "선보정된(precompensated)" 레이저 전달 시스템, 즉 선보정기(200)가 제거되지 않은 시스템과 비교함으로써 특징지어질 것이다.
일부 실행예에서, 선보정기(200)를 설치하는 것은 선보정되지 않은 레이저 전달 시스템(10)의 값 S<S(precomp)로부터 선보정된 레이저 전달 시스템(1)을 위한 S>S(precomp)로 스트렐 비를 증가시킬 수 있다. 일부 실행예에서, S(precomp)는 예를 들어 0.6, 0.7, 0.8 또는 0.9일 수 있다.
상술된 바와 같이, 이러한 스트렐 비(S)는 상기의 5개의 기준점들(P1 내지 P5)에서의 스트렐 비(S(P1)...S(P2)) 중 어느 하나, 또는 일부 다른 사전결정된 기준점들에서 스트렐 비, 또는 5개의 기준점에 걸친 스트렐 비의 평균 또는 작동 파면에 걸친 평균을 칭할 수 있다.
또한, 스트렐 비는 레이저 엔진(100)으로부터 레이저 빔을 수용하고 대물렌즈(700)로 끝나고 안구용 타겟 조직에서 초점을 형성시키는, 전체 레이저 전달 시스템(1)을 칭할 수 있다. 일부 다른 경우에서, 상기 용어는 공기를 포함하는 다른 타겟을 칭할 수 있다. 일부 실행예에서, 상기 용어는 레이저 전달 시스템(1)의 서브 시스템을 칭할 수 있다.
일부 실행예에서, 선보정되지 않은 레이저 전달 시스템(1)에 선보정기(200)의 추가는 피코초 이상의 시간으로 레이저 펄스의 제한된 대역폭보다 적어도 10배 큰 연관된 대역폭을 갖는 펄스를 위한 S=S(precomp) 미만의 선보정되지 않은 값에서 S(precomp) 초과의 선보정된 값으로 스트렐 비를 증가시킬 수 있다. 상기와 같이, S(precomp)는 예를 들어 0.6, 0.7, 0.8, 또는 0.9일 수 있다.
일부 실행예에서, 레이저 전달 시스템(1)에 선보정기(200)의 추가는 0.4 마이크론 내지 1.1 마이크론의 파장 범위에 걸쳐 S=S(precomp) 미만의 선보정되지 않은 값에서 S(precomp) 초과의 선보정된 값으로 증가할 수 있다. 상기와 같이, S(precomp)는 예를 들어 0.6, 0.7, 0.8, 또는 0.9일 수 있다.
일부 실행예에서, 선보정기(200)의 추가는 선보정기(200)가 없는 레이저 전달 시스템(10)에 상응하는, NA=NA(precomp) 미만의 선보정되지 않은 값으로부터 선보정기(200)를 갖는 NA=NA(precomp) 초과의 선보정된 값으로 시스템 개구수를 증가시킬 수 있다. 일부 실행예에서, NA(precomp)의 값은 예를 들어 0.2, 0.25, 0.3 또는 0.35일 수 있다.
일부 실행예에서, 선보정기를 갖지 않는 레이저 전달 시스템(1)에 선보정기(200)의 추가는 rf(precomp) 초과의 선보정되지 않은 값으로부터 선보정기(200)을 갖는 레이저 전달 시스템(1)에 상응하는, rf(precomp) 미만의 전보정된 값으로 타겟 조직에서의 초점 반경(rf)을 감소시킬 수 있다. 일부 실행예에서, rf(precomp)는 2, 3, 또는 4 마이크론일 수 있다.
일부 실행예에서, 선보정기(200)를 설치하는 것은 선보정되지 않은 레이저 전달 시스템(1)의 값 ω>ω(precomp)로부터 선보정된 레이저 전달 시스템(1)에 대한 ω<ω(precomp)로 RMS 파면 오차를 증가시킬 수 있다. 일부 실행예에서, ω(precomp)는 예를 들어, 모든 레이저 빔의 파장의 단위로서, 0.06, 0.07, 0.08 또는 0.09일 수 있다.
일부 실행예에서, 선보정기(200)를 설치하는 것은 선보정되지 않은 레이저 전달 시스템(1)의 값 a40>a40(precomp)로부터 선보정된 레이저 전달 시스템(1)에 대한 a40<a40(precomp)으로 구면 수차 계수를 증가시킬 수 있다. 일부 실행예에서, a40(precomp)은 예를 들어 2, 3, 또는 4 마이크로미터일 수 있다.
일부 실행예에서, 선보정되지 않은 레이저 전달 시스템(1)에 선보정기(200)를 설치하는 것은 적어도 선보정 백분율(P(precomp))만큼 보정되지 않는 값으로부터 하기의 수차 척도들 중 적어도 하나를 감소시킬 수 있거나, 적어도 선보정 백분율(P(precomp))만큼 스트렐 비(S)를 증가시킬 수 있다: RMS 파면 오차(ω), 구면 수차 척도(a40), 및 초점 반경(rf). 일부 실행예에서, P(precomp)는 예를 들어 10%, 또는 20%, 또는 30%, 또는 40%일 수 있다.
상술된 바와 같이, 이러한 수차 척도 중 임의의 하나는 기준점 P1,....P5 중 임의의 하나 또는 몇몇 다른 사전결정된 기준점, 또는 기준점에서 값들의 평균에 속할 수 있거나, 파면에 걸친 평균일 수 있다.
일부 구체예에서, 선보정기(200)는 또한 비구면 수차, 예를 들어, 제 1 또는 그 이상의 차수의 수차를 보정할 수 있다. 일부 경우에서, 또한 축외 광선의 선보정을 수행할 수 있다.
일부 실행예에서, 0.075 이상 만큼 RMS 파면 오차를 증가시키지 않으면서, 또는 예를 들어 0.8의 값을 갖는, S(precomp) 보다 높은 스트렐 비를 유지함으로써, 선보정기(200)는 다른 타입의 수차를 선보정한다.
일부 실행예에서, 선보정기(200)는 rb=rb(precomp) 보다 높은 값으로 선보정기(200)를 빠져나가는 빔의 반경(rb)을 증가시킬 수 있으며, 여기서, rb(precomp)는 예를 들어 5 mm 또는 8 mm일 수 있다.
이러한 기능성들 중 일부는 하나 이상의 이동가능한 렌즈를 선보정기(200)에 포함시킴으로써 도달될 수 있다. 위치 구동기는 이동가능한 렌즈 또는 렌즈들을 이동시킬 수 있어, 선보정기(200)의 렌즈들 중 일부 간의 거리를 변경시킬 수 있다.
하나의 이동가능한 렌즈와의 실행예에서, 선보정기(200)의 이동가능한 렌즈는 0.3 내지 4.0 mm 만큼 광학축을 따라 레이저 전달 시스템(1)의 초점면 또는 스폿을 이동시킬 수 있다. 일부 다른 실행예에서, 0.5 내지 2.0 mm 만큼 광학축을 따라 레이저 전달 시스템(1)의 초점면 또는 스폿을 이동시킬 수 있다.
일부 실행예에서, 이동가능한 렌즈가 중간 위치에 존재할 때에 상술된 5개의 기준점 P1, ... P5에서 적어도 하나의 스트렐 비 S(low)가 S=S(이동가능) 미만인 경우에, 이동가능한 렌즈는 스트렐 비 S(low)를 S=S(이동가능) 보다 높은 값으로 증가시키도록 이동될 수 있다. S(이동가능)은 0.6, 0.7, 0.8 또는 0.9일 수 있다.
일부 실행예에서, 이동가능한 렌즈는 스트렐 비 S를 0.6 내지 0.9의 범위로 변경하도록 이동될 수 있다. 다른 실행예에서, 0.70 내지 0.85의 범위이다.
선보정기(200)가 XY 스캐너(300) 또는 다른 빔 익스펜더 앞에 정위되기 때문에, 빔 반경이 여전히 작다. 이에 따라, 이동가능한 렌즈는 작을 수 있다. 그리고, 이동가능한 렌즈가 작기 때문에, 위치 구동기는 이를 매우 빠르게 이동시켜, 초점 심도를 매우 빠르게 변화시킬 수 있다. 이러한 특성은 심도 스캐닝, 또는 이러한 구체예에서 Z 스캐닝을 가속시키고, 통상적으로 보다 빠른 XY 스캐닝 속도와 유사한 Z 스캐닝 속도를 형성시킬 수 있다.
일부 통상적인 존재하는 시스템에서, 수차는 광학 수단 예를 들어, 렌즈들에 의해 지배적으로 보정된다. 현재 설명된 이동가능한 렌즈 선보정기(200)는 빨리 이동가능한 렌즈 또는 렌즈들을 사용할 수 있어 이런 기능을 잘 수행한다. 특히, 레이저 빔이 XY 스캐너(300)로 스캔될 때, 이동가능한 렌즈 또는 렌즈들은 현저하게 높은 속도로 이동될 수 있어 XY 스캐닝과 관련된 수차는 원하는 수준으로 보정된다.
도 7a는 횡방향 수술 컷(206)이 실질적으로 평평하거나 구부러진 환자 인터페이스(208)의 접촉 표면을 추적하면서 수행될 때, 이런 양태가 유용할 수 있다는 것을 도시한다. 작은 이동가능한 렌즈의 속도는 Z 스캐닝이 원하는 구부러진 컷을 형성하면서, XY 스캐닝에 의해 요구된 속도로 수행되는 것을 가능하게 한다.
일부 실행예에서, 구부러진 목표 라인 또는 구부러진 컷의 곡률 또는 반경은 1㎜, 10㎜ 및 100㎜보다 작을 수 있다.
도 7b는 높은 Z 스캐닝 속도의 또다른 유용한 양태를 도시한다. 대부분 광학 시스템의 초점면은 다소 구부러진다. 실질적으로 직선 횡단 컷(straight transversal cut)을 생성하는 것이 바람직하고, 이에 따라 이는 초점면의 곡률을 추적하지 않는다면, 초점 심도는 빠른 횡방향 XY 스캐닝으로 동시에, 연속적으로 재조정되어 초점면의 곡률에 대하여 보정하는 것을 필요로 한다. 예를 들어, 래스터 스캔 패턴(raster scan pattern)을 갖는 평평한 컷 또는 방사방향 컷을 위하여, 방사방향 또는 XY 좌표의 변화는 꽤 빠를 수 있다. 이런 절차에서 빠른 Z 스캐닝 속도는 원하는 직선 컷을 형성하는 것을 도울 수 있다.
결국, 높은 Z 스캐닝 속도는 또한 몇몇 수술 절차, 예를 들어 각막 수술절차를 빠르게 수행하는데 유용할 수 있다.
일부 실행예에서, 이동가능한 렌즈 선보정기(200)는 초점의 최대 횡단 스캐닝 속도의 적어도 5%로 축 속도를 갖는 레이저 전달 시스템의 초점의 깊이를 변하게 할 수 있다. 축 속도를 갖는 몇몇 실시에서는 초점의 최대 횡단 스캐닝 속도의 적어도 10%이다. 축 속도를 갖는 다른 실시에서는 초점의 최대 횡단 스캐닝 속도의 적어도 20%이다.
일부 실행예에서, 이동가능한 렌즈 선보정기(200)는 Z 스캐닝 시간에서 0.5 내지 1밀리미터만큼 초점의 Z 좌표를 변하게 할 수 있다.
일부 실행예에서, 이러한 Z 스캐닝 시간은 10 내지 100 나노초, 100 나노초 내지 1 밀리초, 1 밀리초 내지 10 밀리초 및 10 밀리초 내지 100 밀리초의 범위에 존재할 수 있다.
일부 실행예에서, 렌즈 그룹의 이동가능한 렌즈는 Z 이동 범위에서 이동가능하여, 적어도 이동가능한 백분율(P(movable))만큼 제1 수차 척도를 감소시킨다. 여기서, 제1 수차 척도는 구면 수차 계수(a40), RMS 파면 오차(ω) 및 초점 반경(rf)일 수 있고, 이동가능한 백분율(P(movable))은 10%, 20%, 30% 및 40%일 수 있다.
일부 실행예에서, 렌즈 그룹의 이동가능한 렌즈는 Z 이동 범위에서 이동가능하여 적어도 이동가능한 백분율(P(movable))만큼 스트렐 비(S)를 증가시키고, 이동가능한 백분율(P(movable))은 10%, 20%, 30% 및 40%일 수 있다.
일부 실행예에서, 이동가능한 렌즈 선보정기(200)은 레이저 전달 시스템(1)의 개구수(NA), 초점의 Z 깊이, 수차 척도들 중 어느 하나 및 이동가능한 렌즈를 이동시킴으로써 실질적으로 독립적인 빔 직경을 변하게 할 수 있다. 다시 말해서, 이동가능한 렌즈를 이동시키는 것은 다른 2개의 특징을 변화시키지 않고 레이저 전달 시스템(1)의 4개의 이러한 특징들 중 어느 하나를 변경시킬 수 있다. 이러한 구체예들은 구체예의 조작자를 위하여 고려할만한 제어를 제공한다.
선보정기(200)의 기능들 중 몇몇은 빔 조절 또는 빔 확장이라 불린다. 따라서, 몇몇 현존하는 시스템에서 유사한 기능을 갖는 블록들이 빔 컨디셔너(beam conditioner) 또는 빔 익스팬더라 불린다.
일부 구체예에서 선보정기(200)는 단지 1개의 렌즈를 포함하여 상기의 기능을 달성한다.
일부 구체예에서 선보정기(200)는 2개 내지 5개의 렌즈들을 포함하여 상기의 기능을 달성한다.
도 8a는 렌즈(221), 렌즈(222) 및 렌즈(223)를 포함하는, 선보정기(200)의 3개 렌즈 구체예를 도시한다.
도 8b는 렌즈(221'), 이동가능한 렌즈(222') 및 렌즈(223')를 포함하는, 이동가능한 렌즈 선보정기(200')의 3개 렌즈 구체예를 도시한다.
도 8c는 렌즈들(231 내지 234)을 포함하는 선보정기(200'')의 4개 렌즈 구체예를 도시한다.
도 8d는 렌즈(231'), 이동가능한 렌즈(232'), 렌즈(233') 및 렌즈(234')를 포함하는, 이동가능한 렌즈 선보정기(200"')의 4개 렌즈 구체예를 도시한다.
표 2 내지 표 4는 도 8a와 도 8b의 선보정기들(200, 200')의 다양한 3개 렌즈 실시를 도시한다. 선보정기(200)의 구체예들은 얇은 렌즈들을 사용하여 실행될 수 있다. 따라서, 렌즈들은 다음 렌즈로부터 거리 및 개별적인 렌즈들의 굴절력에 대하여 설명될 수 있다.
표 2는 또한 도 8a에 도시된 선보정기(200)의 3개의 고정된 렌즈 구체예를 도시한다. 표 2에서 행 1은 렌즈 번호를 도시하고, 행 2는 디옵터(diopter; (Di(i=1,2,3))로 측정된 굴절력을 도시하며, 행 3은 렌즈들(i 및 i+1) 사이의 거리(di(i=1,2))를 도시한다.
[도 8a에 대한 표 2]
Figure 112012047910266-pct00011
표 3은 도 8b에서와 같이, 행 3 및 행 4에서 2 개의 구성(A, B)들에서의 렌즈 간격들(diA, diB)를 도시하면서, 2개의 이동가능한 렌즈들(222', 223')을 갖는 선보정기(200')의 가능한 실행을 도시한다. 렌즈 간격(di)은 diA와 diB 사이에서 연속적으로 변할 수 있다.
[도 8b에 대한 표 3]
Figure 112012047910266-pct00012
표 4는 다양한 실행예에서, 상기의 파라미터들(Di, di)은 많은 디자인 고려사항, 예를 들어 상이한 빔 크기 및 이용가능한 공간에 따른, 넓은 간격에서 값을 추정할 수 있다는 것을 도시한다. 이러한 실행예의 파라미터들 중 일부는 스케일링 인자(a; scaling factor)를 갖는 굴절력 및 상응하는 스케일링 인자를 갖는 거리(1/a)를 크기 조정함으로써 표 2 및 표 3의 구체예에 연결될 수 있다. 또한, 굴절력은 공차 인자들(t1 내지 t3)만큼 추가적으로 변경될 수 있어 공차 및 디자인 실행에서 차이를 허용한다. 이러한 관계는 표 4에서 요약된다:
[도 8a 및 도 8b에 대한 표 4]
Figure 112012047910266-pct00013
일부 실행예에서, 스케일링 인자(a)는 0.3 내지 3의 범위에 존재할 수 있고, 공차 인자들(t1, t2, t3)은 0.8 내지 1.2의 범위에서 존재할 수 있다.
유사하게, 표 5는 선보정기(200")의 다양한 4개 렌즈 실횅예를 도시하고, 여기서 렌즈들(231, 232, 233, 234)은 도 8c에 도시된 바와 같이, 고정된다.
[도 8c에 대한 표 5]
Figure 112012047910266-pct00014
표 6은 1개의 이동가능한 렌즈(232')를 갖는, 도 8d의 선보정기(200"')의 4개 렌즈 실행예를 도시한다.
[도 8d에 대한 표 6]
Figure 112012047910266-pct00015
3개 렌즈 실행예에서와 같이, 4개 렌즈 선보정기들(200", 200"')의 파라미터들은 넓은 범위에서 값을 추정할 수 있다. 다시 이러한 실행예의 일부 파라미터는 표 4와 유사하게, 각각, 스케일링 인자들(a, 1/a, t1, t2, t3 및 t4)에 의해 상호 간에 관련될 수 있다. 스케일링 인자(a)는 0.2 내지 5의 범위에 존재할 수 있고, 공차 인자들(t1, ... t4)은 0.7 내지 1.3의 범위에 존재할 수 있다.
다른 구체예에서, 다른 조합 및 범위가 이용될 수 있다. 이러한 범위 내에서, 시스템이 상이한 선택을 초래하면서 많은 상이한 기능들에 대하여 최적화될 수 있기에, 레이저 전달 시스템(1)의 많은 구체예들이 가능하다. 디자인 절충안 및 최적화 제약이 각각 장점을 갖는 많은 실행예들에 유도될 수 있다. 많은 가능성들이 상기의 표 2 내지 표 6에서 파라미터들의 범위에 의해 예시된다.
선보정기(200')의 1개의 이동가능한 렌즈 실행예에서, 이동하는 렌즈는 실질적으로 독립적으로 레이저 시스템의 특징 중 하나를 변하게 할 수 있다. 이러한 파라미터들은 Z 초점 심도, 개구수(NA), 수차 척도들 중 어느 하나, 및 출사 빔의 직경을 포함한다. 예를 들어, 이러한 실행예들은 조작자가 예를 들어, Z 초점 심도를 변하게 하지 않고, 예를 들어 레이저 전달 시스템(1)의 개구수를 변하게 하도록 한다.
일부 실행예에서, 선보정기(200)는 2개의 독립적으로 이동하는 엘리먼트들을 갖는다. 이러한 실행예는 조작자가 고정된 수차를 유지하는 동시에, 예를 들어, 개구수(NA) 및 빔 직경과 같은 레이저 빔의 2개의 특징들을 독립적으로 제어하도록 한다.
도 9는 레이저 전달 시스템(1')의 구체예를 도시한 것으로서, 다양한 광학 블록들의 Z 스캐닝 기능이 강조된 것이다. 특히, 레이저 엔진(100)은 레이저 빔을 발생시키고, 이는 제 1의 Z 스캐너(250)에 의해 받아들여진다. 제 1의 Z 스캐너(250)는 레이저 엔진(100)으로부터 레이저 빔을 받아들이고 레이저 전달 시스템(1')의 광학축을 따라 제 1 Z 간격에 걸쳐 레이저 전달 시스템(1')의 초점을 스캔한다. 제 1의 Z 스캐너(250)에 의해 출사된, 빔은 XY 스캐너(300)에 의해 받아들여지고, 이는 레이저 시스템의 광학축에 대하여 실질적으로 횡방향으로 레이저 빔을 스캔한다. 이어서 출사된 XY 스캔된 레이저 빔은 제 2의 Z 스캐너(450)에 의해 받아들여지고, 이는 레이저 시스템의 광학축을 따라 제 2 Z 간격에 걸쳐 레이저 시스템의 초점을 스캔한다.
일부 구체예에서, 제 1의 Z 스캐너(250)는 제 1 Z 간격이 각막 수술 절차에 적합하도록 구성되고, 제 2의 Z 스캐너(450)는 제 2 Z 간격이 전방 세그먼트 수술 절차에 적합하도록 구성된다.
일부 구체예에서, 제 1 Z 간격은 0.05 내지 1㎜의 범위 내에 존재하고, 제 2 Z 간격은 1 내지 5㎜의 범위 내에 존재한다.
일부 구체예에서, 제 1 Z 간격은 1 내지 5㎜의 범위 내에 존재하고, 제 2 Z 간격은 5 내지 10㎜의 범위 내에 존재한다.
일부 구체예에서, 제 1의 Z 스캐너(250)는 제 1 스캐닝 시간에 0.05㎜ 내지 1㎜의 제 1 Z 간격에 걸쳐 초점을 스캔하도록 구성된다. 제 1 Z 스캐닝 시간은 10 내지 100 나노초, 100 나노초 내지 1밀리초, 1 밀리초 내지 10 밀리초 및 10 밀리초 내지 100 밀리초의 범위 중 하나에서 존재할 수 있다.
일부 구체예에서, 제 2의 Z 스캐너(450)는 제 2 스캐닝 시간에 1㎜ 내지 5㎜의 제 2 Z 간격에 걸쳐 초점을 스캔하도록 구성된다. 제 2 Z 스캐닝 시간은 10 밀리초 내지 100 밀리초 및 100밀리초 내지 1초의 범위 중 하나에서 존재할 수 있다.
일부 구체예에서, 제 1의 Z 스캐너(250)는 10%이상 만큼 레이저 빔의 개구수를 변하게 하도록 구성된다.
일부 구체예에서, 제 2의 Z 스캐너(450)는 10%이상 만큼 레이저 빔의 개구수를 변하게 하도록 구성된다.
일부 구체예에서, 제 1의 Z 스캐너(250)는 25%이상 만큼 레이저 빔의 개구수를 변하게 하도록 구성된다.
일부 구체예에서, 제 2의 Z 스캐너(450)는 25%이상 만큼 레이저 빔의 개구수를 변하게 하도록 구성된다.
도 10은 상기에 설명된 엘리먼트들의 많은 변경의 요약표를 도시한다. 도시된 바와 같이, 몇몇 실행예들은 0개의 Z 깊이 스캐너, XY 스캐너(300) 앞에 1개의 Z 깊이 스캐너, XY 스캐너(300) 뒤에 1개의 Z 깊이 스캐너, 및 XY 스캐너(300) 앞에 1개 및 뒤에 1개, 2개의 Z 깊이 스캐너들을 가질 수 있다.
또한, 몇몇 실행예들은 0개의 NA 컨트롤러, XY 스캐너(300) 앞에 1개의 NA 컨트롤러, XY 스캐너(300) 뒤에 1개의 NA 컨트롤러 및 XY 스캐너(300) 앞에 1개 및 뒤에 1개, 2개의 NA 컨트롤러들을 가질 수 있다.
여기서, Z 스캐너들 및 NA 컨트롤러들은 꽤 일반적으로 단일 렌즈 또는 렌즈 그룹을 언급하고, 이는 각각 Z 깊이 및 개구수(NA)를 변경할 수 있다. 몇몇의 경우에, 이러한 조절장치(modifier)는 단일 전기 구동기에 의해 활성화되거나 제어될 수 있고, 이는 조절장치의 렌즈들이 동시에 이동하도록 하여 빔의 Z 깊이 및 NA를 변경한다.
Z 스캐너 및 NA 컨트롤러 모두는 도 9의 제 1의 Z 스캐너(250) 및 제 2의 Z 스캐너(450)에 수용될 수 있다. 몇몇 경우에 상응하는 광학 요소들은 별개이고, 다른 실시에서 동일한 Z 스캐너 블록(250 또는 450)에 수용된 Z 스캐너 및 NA 컨트롤러는 하나 이상의 렌즈, 이동가능한 렌즈 또는 전기 구동기를 공유할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 0개의 Z 스캐너 및 1개 또는 2개의 NA 컨트롤러는 고정된 Z 깊이에서 작동하나, XY 스캐닝 동안에 NA를 제어할 수 있다.
1개의 Z 스캐너 및 0개의 NA 컨트롤러는 Z 스캐닝을 수행할 수 있다.
1개의 Z 스캐너 및 1개 또는 2개의 NA 컨트롤러는 Z 스캐닝 이외에, NA의 제어를 수행할 수 있다.
1개 또는 2개의 NA 컨트롤러와 조합될 때, 2개의 Z 스캐너들은 2개의 속도로 Z 스캐닝을 수행할 수 있고, 또한 NA를 제어할 수 있다.
또한, 렌즈없는 광학 요소들은 몇몇 실시, 예를 들어 가변적인 개구 및 동공에 사용될 수 있다.
또한, 대부분의 도시된 16개의 조합들은 선택된 수차, 예를 들어 구면 수차를 선보정하도록 추가로 구성될 수 있다.
도 10은 스트렐 비(S)와 같은 수차 척도에 의해 나타난, 빔의 Z 깊이, 개구수(NA) 및 수차와 같은 다양한 시스템 특징이 상호 간에 독립적으로 제어되거나 조정될 수 있다는 것을 도시한다. 이러한 구체예들은 레이저 전달 시스템(1)의 조작자에게 큰 제어 및 정확성을 제공한다.
유사한 구체예들에서, 이러한 이중 빔 조절은 빔 특성의 다른 페어링(pairing)을 위하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 4×4=16 페어링을 갖는 유사한 표는 빔 직경 컨트롤러 및 수차 컨트롤러에 대하여 생성될 수 있다. 여기서, 0개, 1개 또는 2개의 수차 컨트롤러는 0개, 1개 또는 2개의 빔 직경 컨트롤러와 모든 가능한 조합으로 짝지어질 수 있다.
빔 특징의 목록은 초점의 Z 깊이, 개구수(NA), 빔 반경 및 임의의 수차 척도, 예를 들어, 스트렐 비(S), 초점 반경(rf), RMS 파면 오차(ω) 및 구면 수차 척도(a40)를 포함한다.
3. XY 스캐너(300)
XY 스캐너(300)는 직접 또는 간접적으로, 몇몇 중간 광학 요소들을 통과하여 온, 선보정기(200)로부터 선보정된 빔을 받아들일 수 있다. XY 스캐너(300)의 기능은 실질적으로 레이저 전달 시스템(1)의 광학축에 대하여 횡방향으로 선보정기(200)로부터 받아들여진 빔을 스캔하는 것이다. 다양한 구체예에서, "횡"방향은 필수적으로 광학축에 대하여 수직하지 않고, 광학축을 갖는 실제 각도를 만드는 임의의 방향을 포함할 수 있다.
일부 구체예에서, XY 스캐너(300)는 스캐닝 레이저 빔을 출사하고, 레이저 전달 시스템(1)을 통해 전파되어 오고 수술 영역에 도달되어 온 스캐닝 레이저 빔은 영부터 5 내지 14㎜의 XY 스캐닝 범의 최대치까지 횡방향으로 스캔한다. 일부 실행예에서, XY 스캐닝 범위의 최대치는 8과 12㎜ 사이에서 존재한다.
도 11a는 XY 스캐너(300)는 X 스캐너 및 Y 스캐너를 포함할 수 있다는 것을 도시한다. 몇몇 현존하는 디자인에서, X 스캐너 및 Y 스캐너 각각은 1개의 거울을 포함한다: 단일 X 스캐닝 거울(310) 및 단일 Y 스캐닝 거울(320). 이러한 디자인에서 X 스캐닝 거울(310)에 의해 편향된 빔은 X 스캐닝 거울(310)의 배향에 따른 상이한 포인트들에서 Y 스캐닝 거울(320)을 타격한다. 특히, X 스캐닝 거울(310)이 위치(310a)에 존재할 때, 입사빔(331)은 빔(332a)으로서 반사되는 반면에, X 스캐닝 거울이 위치(310b)로 회전될 때 입사빔은 빔(332b)으로서 반사된다.
이러한 2개의 빔들(332a, 332b)은 상이한 위치에서 Y 스캐닝 거울(320)을 타격하고 이에 따라서 심지어 위치(320a)에서 고정된 Y 스캐닝 거울(320)을 위하여 각각 2개의 상이한 빔들(333aa, 333ba)이 생기게 할 것이다. 또한 더 좋지않게, X 스캐닝 거울(320) 그 자체가 위치(320a)로부터 위치(320b)로 회전될 때, 2개의 입사빔들(332a, 332b)은 2개의 추가적인 반사된 빔들(333ab, 333bb)이 생기게 하고, 모든 4개의 빔들(333aa, 333ab, 333ba, 333bb)은 상이한 방향으로 전파된다.
문제점은 피봇점의 개념에 대하여 특징지어질 수 있다. 스캐닝 광학 요소의 피봇점의 일 개념은 광학 스캐닝 엘리먼트로부터 빠져나온 모든 광선들이 실질적으로 통과하는 점일 수 있다. 이러한 개념은 이동하는 광학 요소, 예를 들어 스캐너들에 적용된 바와 같이, 이동하지 않는 굴절 요소들의 초점의 유사체이다.
이러한 용어를 사용하여, 상기의 문제점은 도 11a에서 X 스캐닝 거울(310) 그 자체에 고정된 X 스캐너 피봇점(315X)으로 다시 추적될 수 있다. 출사된 스캔된 빔은 X 스캐닝 거울(310) 상의 단일 피봇점(315X)으로부터 나오고 이에 따라 넓은 범위 각도로 전파되는 바와 같이 연속적인 광학 요소들을 위하여 나타날 것이다. 2개의 거울 디자인의 이러한 발산은 몇몇 상이한 형태의 원치않는 수차로 유도될 수 있다.
도 11b는 현존하는 3개 거울 XY 스캐너(300')를 도시하고, X 스캐너(310)는 2 개의 거울들(311, 312)을 포함하고 이러한 문제점을 다룬다. 명확성을 위하여, 거울들은 측으로부터 도시된다. 이러한 디자인에서, X 스캐닝 거울들(311, 312)은 동시작용하는 방식으로 X 스캐닝 기능을 수행한다. 도 11b에 도시된 바와 같이, 제 1 X 스캐닝 거울(311)이 311a로부터 311b로 배향을 변하게 함에 따라, 제 2 X 스캐닝 거울(312)은 312a로부터 312b로 공동 작용하는 방식으로 회전될 수 있다. 이러한 동시작용하는 스캐닝 회전은 2개의 회전 단계에서 편향된 빔들(332a, 332b)이 피봇점(315X)을 통과하는 것을 가능하게 하고, 이는 X 스캐닝 거울들을 벗어나 상승된다.
X 스캐너 피봇점(315X)이 X 스캐닝 거울 그 자체로부터 상승되어 왔기에, 위치는 조정될 수 있다. 도 11b의 디자인에서, X 스캐닝 거울들이 디자인되어 피봇점(315X)을 실질적으로 Y 스캐닝 거울(320)에 배치시킨다. 이러한 디자인에서 도 11a에서 X 스캐너(310)의 문제점이 실질적으로 해결되고 상응하는 수차들이 많이 감소된다.
그러나, 심지어 이러한 디자인은 단지 Y 스캐닝 거울(320)을 고려하여 도 11a의 것과 유사한 문제점을 갖는다. 도 11b의 디자인에서, Y 스캐너 피봇점(315Y)은 여전히 Y 스캐닝 거울에 고정된다.
광학 시스템의 입사 동공은 시스템의 전측으로부터 관찰될 때 구경 조리개(aperture stop)의 이미지이다. 출사 동공은 이미지 공간에서 구경 조리개의 이미지이다. 렌즈들의 다중 그룹을 갖는 광학 시스템에서 입사 동공 및 출사 동공의 위치는 종종 주의깊게 조정된다. 많은 디자인에서, 하나의 렌즈 그룹의 출사 동공은 다음의 렌즈 그룹의 입사 동공을 일치시킨다.
XY 스캐너(310)를 위하여, 피봇점은 출사 동공으로 여겨질 수 있다. 일부 구체예에서, 이러한 출사 동공은 Z 스캐너(450)와 같은, 다음 렌즈 그룹의 입사 동공을 일치시킨다. 그러나, 렌즈 그룹의 입사 동공은 렌즈 그룹의 물리적 경계 내부에 존재할 수 있고, 스캐너 블록이 배치되지 않을 수 있다. 이러한 경우에 스캐너 블록은 피봇점이 독단적으로 선택될 수 있는 위치에서, 스캐너 블록의 물리적 경계 외부에 존재하도록 하기 위하여 바람직하다.
도 11c는 이러한 문제점을 다루는 4개의 거울 디자인을 도시한다. XY 스캐너(300")에서 X 스캐너(310)은 다시 X 스캐닝 거울들(311, 312)을 포함한다. 하지만, Y 스캐너는 또한 2 개의 Y 스캐닝 거울들(321, 322)을 포함한다.
XY 스캐너(300")는 Y 스캐닝 거울로부터 Y 스캐너 피봇점(315Y)을 제거한다. 따라서, XY 스캐너(300")는 Y 스캐너를 제어할 수 있거나, 사전결정된 위치로 피봇점(315Y)을 출사할 수 있다. 실행예는 Y 스캐닝 출사 피봇점(315Y)을 연속적인 렌즈 그룹의 입사 동공(350)으로 이동시키는 것이다. 일부 실행예에서, X 피봇점(315X)은 또한 동일한 위치로 이동될 수 있다.
이러한 디자인의 다른 양태는 실질적으로 독립적으로 (ⅰ) 레이저 전달 시스템(1)의 광학축과 출사되고 스캔된 빔 사이의 각도(α) 및 (ⅱ) 스캐닝 빔이 광학축으로부터의 거리(d)에 의해 특징지어진, 연속적인 광학 요소의 입사 동공에 충격을 가하는 위치를 제어할 수 있다는 것을 포함한다. 이러한 제어의 대략적인 독립성 때문에, XY 스캐너(300")는 수술 영역의 주변 영역을 포함하면서, 주변 영역에서 난시 및 코마를 제어할 수 있을 뿐 아니라, 최소화된 수차를 갖는 스캐닝 빔을 제공할 수 있다.
XY 스캐너(300"')의 몇몇 실시는 단지 1개의 X 스캐닝 거울(310) 및 1개의 Y 스캐닝 거울(320)을 포함하고, 이들 각각은 "패스트 스티어링(fast steering)" 형태이다. 개별적인 패스트 스티어링 거울은 2개의 회전축 주위에서 각도 운동일 수 있다. 한 쌍의 이러한 패스트 스티어링 거울들은 또한 광학축에 대해 가로지르는 평면에서 빔 위치 및 빔 각도를 제어할 수 있다.
일부 실행예에서, XY 스캐너(300"')는 레이저 시스템의 초점면에서 최대치가 5밀리미터보다 길고 15밀리미터 짧은 XY 스캐닝 범위에 걸쳐 레이저 빔을 스캔하도록 구성된다.
일부 실행예에서, 제 1 및 제 2 XY 패스트 스티어링 거울들에 의해 발생된 X 피봇점 및 제 1 및 제 2 XY 패스트 스티어링 거울들에 의해 발생된 Y 피봇점은 일치한다.
4. Z 스캐너(450)
상기에 설명된 바와 같이, 안과 수술 시스템은 각막 절차에서 스캔된 간격보다 훨씬 큰 간격에 걸쳐 초점을 스캔하는 것을 허용하는 디자인을 가짐으로써 렌즈 수술 또는 전방 세그먼트 수술을 수행하도록 구성된다. 일부 실행예에서, Z 스캐닝은 5㎜ 내지 10㎜ 또는 0㎜ 내지 15㎜의 Z 스캐닝 범위 내에서 Z 스캐닝 경로에 걸쳐 수행된다. (본 출원에 걸쳐, 용어 "x ㎜ 내지 y ㎜의 범위 내의 스캐닝(scanning within a range of x ㎜ to y㎜)"은 전체 스캐닝 범위에 걸쳐 연장되지 않는 모든 스캐닝 경로를 포함하는, 초기값이 x ㎜이상이고 최종값이 y ㎜이하인 스캐닝 경로를 언급한다.)
여기서, "X, Y, Z" 배치는 넓은 의미에서 실시에 걸쳐 의미한다는 것이 상기된다. Z는 일반적으로 광학축을 나타내고, 이는 기하축에 근접하게 존재할 수 있다. 그러나 타겟 조직, 예를 들어 눈 내부의 Z 방향은 레이저 전달 시스템(1)의 광학축에 완전히 평행하지 않을 수 있다. 이러한 2개 사이의 어떤 절충축(compromise axis)은 또한 Z 방향으로 불릴 수 있다. 또한, X, Y방향은 필수적으로 Z축에 대해 수직하지 않는다. 이들은 Z 방향을 갖는 실제 각도를 만드는 어떤 방향을 나타낼 수 있다. 또한, 일부 실행예에서, 방사방향 좌표 시스템은 레이저 전달 시스템(1)의 스캐닝을 설명하는 데에 더 적절할 수 있다. 이러한 실행예에서, XY 스캐닝은 적절한 방사방향 좌표에 의해 파라미터로 나타난, Z축에 평행하지 않는 임의의 스캐닝을 나타낸다.
도 1은 레이저 전달 시스템(1)의 몇몇 실행예가 Z 스캐너(450)에서 제 1 빔 익스팬더 블록(400) 및 이동가능한 빔 익스팬더 블록(500)을 포함함으로써 이러한 도전적인 Z 스캐닝 범위를 달성한다는 것을 도시한다. 다양한 실행예에서, 제 1 빔 익스팬더 블록(400)은 이동가능한 블록 또는 고정된 블록일 수 있다. 제 1 빔 익스팬더 블록(400)과 이동가능한 빔 익스팬더 블록(500) 사이의 거리는 예를 들어, 위치 구동기에 의해 조정될 수 있다.
이미 도 2a와 도 2b에 도시되었던 바와 같이, 초점이 타겟 조직에서 최적 위치로부터 이격되어 이동됨에 따라, 수차는 증가한다. 이러한 수차들은 기하학적 투사선으로부터 이해될 수 있고 렌즈들의 유한한 한도로부터 배향할 수 있기에, 일반적으로 "기하학적 수차(geometric aberration)"라 불린다. 이러한 기하학적 수차들은 Z 스캐너(450)의 개구수를 작게 함으로써 제한될 수 있다. 이러한 바와 같이, 기하학적 수차는 개구수(NA) 및 Z 초점 심도 모두에 따른다.
또한, 개구수(NA)를 감소시킴에 따라, 수차의 제 2 소스(source)는 광의 파동성이 원인이 된다. 이러한 수차는 소위 "회절 수차(diffraction aberration)"가 생기게 된다. 이러한 제 2 형태의 수차는 개구수를 감소시킴에 따라 초점 반경을 증가시킨다.
도 12a와 도 12b는 상기의 수차 척도들 중 하나인, 초점 반경(rf)에 의해 특징지어진, Z 스캐너(450)의 개구 크기의 함수로서 눈의 전방 세그먼트에서 기하학적 수차 및 회절 수차를 도시한다. 회절 수차가 감소하는 반면에 기하학적 수차는 개구 크기에 따라 증가하기 때문에, 이러한 2개의 수차들의 합으로서 정의된, 총 수차는 최적 수차 및 상응하는 최적 개구수(NAopt)에서 최적 최소값을 나타낸다.
여기서, 유용한 정의는 개구수(NA) 및 개구 크기를 연결한다: NA = n * SinArTan(개구 크기/(2*초점 길이)), 여기서 n은 이미지가 형성되는 재료의 굴절률이다.
이러한 곡선들은 특정한 Z 초점 심도, 도 12a에서의 1㎜ Z 초점 심도 및 도 12b에서의 8㎜ 초점 심도에 대한 것이다. 기하학적 수차가 상이한 Z 초점 심도에서 상이하기에, 총 수차 곡선의 최소값 및 이에 따른 전체 시스템의 최적 개구 크기 및 최적 개구수(NAopt)는 Z 초점 심도에 따른다: NAopt = NAopt(z). 특히, 최적 개구 크기 및 NAopt는 증가하는 Z 초점 심도에 대하여, Z 초점 심도가 1㎜로부터 8㎜로 증가하는 바와 같은 이러한 특정한 경우에 32㎜로부터 25㎜로 감소한다. 따라서, 각막 및 렌즈 수술 모두에 사용되도록 의도된 레이저 전달 시스템은 개구의 넓은 범위 및 상응하는 NA 범위를 덮는 것을 필요로 한다. 이러한 요구조건은 현저한 디자인 시도를 취한다.
하기에서 더 설명되는 바와 같이, 도 12a와 도 12b는 수차가 렌즈 수술을 위한 Z 초점 심도에 대한 더 좁고 분명한 최소치를 나타내는 반면에, 1㎜의 일반적으로 각막 Z 초점 심도에 대하여 넓고 평평한 최적치를 나타내는 것을 또한 도시한다.
수차는 또한 다른 3 개의 수차 척도들(S, ω, 또는 a40)에 의해 특징지어질 수 있고, 모든 항복 곡선(yielding curve)들은 최적치를 나타낸다. 상기의 4개의 수차 척도들 중 어떠한 것은, 상기에 설명된 5개의 기준점들(P(1), ...P(5)) 중 어떠한 것에 상응할 수 있거나, 이러한 기준점들 중 일부 또는 모두에 걸쳐 취해진 평균일수 있거나, 다른 기준점들에 상응할 수 있다.
일부 실행예에서, Z 초점 심도의 넓은 범위에서, 개구 크기 및 상응하는 NA는 수차 척도에 의해 측정된, 총 수차를 최소화하면서, 실질적으로 최적 개구수(NAopt(z))로 조정될 수 있다. 이러한 기능은 총 수차의 강한 감소를 허용한다. 여기서, 앞에서와 같이, 수차는 상기의 5개의 기준점들(P1, ...P5) 중 어느 하나에서, 4개의 수차 척도들 중 하나(rf, S, ω, 또는 a40)에 의해 측정될 수 있다. 최적 수차는 스트렐 비(S)의 최대치 또는 수차 척도들((rf, ω, 또는 a40)의 최소치에 상응한다.
최적 수차가 도달할 수 없거나, 디자인 고려사항이 최적값으로부터 이격된 수차가 사용되어야만 한다는 것을 나타내는, 몇몇 다른 실행예에서, Z 스캐너(450)의 제 2 블록이 이동가능하지 않고 이에 따라 개구수가 조정가능하지 않는 실질적으로 동일한 레이저 시스템의 수차 척도에 비해서, 이동가능한 빔 익스팬더 블록(500)은 여전히 적어도 P(MovableExpander) 백분율만큼 수차 척도들(rf, ω, 또는 a40)의 값을 감소시킬 수 있거나, 상응하게 적어도 P(MovableExpander) 백분율만큼 스트렐 비(S)의 값을 증가시킬 수 있다. 일부 실행예에서, P(MovableExpander)는 20%, 30%, 40% 또는 50%일 수 있다. 여기서, 앞에서와 같이, 수차 척도들(rf, S, ω, 또는 a40)은 5개의 기준점들(P1, ... P5) 중 어느 하나에서 측정될 수 있다.
일부 실행예에서, 조정가능한 개구수(NA)를 갖는 Z 스캐너(450)를 갖는 레이저 시스템은 Z 스캐너가 0.8 미만의 스트렐 비(S)를 갖는, 조정가능한 개구수를 갖지 않는 실질적으로 동일한 레이저 시스템에 대하여, 0.8 초과의 스트렐 비를 증가시킬 수 있다.
추가적인 디자인 시도는 최적 개구 크기 및 상응하는 개구수(NAopt(z))로 레이저 전달 시스템을 조정함으로써 고정된 Z 초점 심도에서 총 수차를 최소화할 뿐만 아니라, Z 초점 심도가 스캔됨에 따라 적어도 Z 의존 최적 개구수(NAopt(z))에 근접하게 시스템을 유지하는 것이다. 통상적인 실행예에서, 최적 개구수는 초점 심도가 증가함에 따라 감소한다.
Z 초점 심도가 Z 스캐닝 범위 내에서 스캔됨에 따라 최적 개구의 변경을 다루기 위하여, 레이저 전달 시스템(1)의 실행은 실질적으로 독립적으로 Z 초점 심도 자체를 변경하는 것으로부터, Z 스캐너(450)의 분리된 파라미터로서, 개구수(NA(z))를 변경하는 능력을 갖는다.
현재 Z 초점 심도 및 개구수(NA)로서, 2 개의 양이 실질적으로 독립적으로 제어될 수 있는 실행은, 일반적으로 한 쌍의 제어 파라미터들을 갖고 이러한 형식을 달성한다. 실행예는 제 1 빔 익스팬더 블록(400)과 이동가능한 빔 익스팬더 블록(500) 사이의 제어가능한 거리 및 이러한 블록들 중 어느 하나에서 이동가능한 렌즈의 위치의 페어링을 포함하고, 이는 이차적인 광학 컨트롤러에 의해 조정될 수 있다. 다른 실시예는 Z 스캐너(450)의 2개의 블록들에서 임의의 조합으로 2 개의 이동가능한 렌즈들을 포함한다. 제 1 빔 익스팬더 블럭(400)은 고정된 블록 또는 이동가능한 블록으로서 실시될 수 있다는 것이 상기된다.
일부 실행예에서, 개구수(NA)는 Z 초점 심도가 스캔됨에 따라 Z 초점 심도의 순서에서 최적의 총 수차 값의 순서를 산출하면서, 최적 개구수값(NAopt(z))의 순서로 조정될 수 있다.
앞에서와 같이, 최적의 총 수차는 스트렐 비(S)의 최대치 또는 상기 수차 척도들(rf, ω, 또는 a40) 중 어떠한 것의 최소치에 의해 획득될 수 있다. Z 스캐닝 범위는 예를 들어, 5 내지 10㎜ 또는 0 내지 15㎜일 수 있다. Z 초점 심도는 반경 r1 = 0㎜ 또는 r2 = 3㎜에서, 또는 몇몇 다른 반경(r)에서, 또는 예를 들어, r<3㎜에 의해 경계된, 가변식 반경(r(z))에서 스캔될 수 있다.
표 7은 제 2 행이 눈 타겟 조직에서 (-0.14㎜, 11.65㎜)의 Z 스캐닝 범위 내의 Z 초점 심도의 스캐닝을 설명하고 제3 행이 상응하는 NAopt(z)의 값을 도시하는 실시예를 도시한다. Z 스캐너(450)의 실행은 이러한 범위에서 Z 초점 심도를 조정가능할 수 있고 이러한 초점 심도에서 최적값(NAopt(z))으로 개구수(NA)를 조정할 수 있다.
[표 7]
Figure 112012047910266-pct00016
일부 다른 구체예에서, Z 초점 심도는 0㎜ 내지 10㎜의 Z 스캐닝 범위 내에서 스캔될 수 있다. 스캔하는 동안 개구수는 0.4 내지 0.1의 범위 내에서 변경될 수 있고, 몇몇 다른 구체예에서는 0.35 내지 0.15일 수 있다.
도 12c는 상응하는 최적 개구수(NAopt(z))의 순서를 나타내면서, 8㎜, 4㎜, 2㎜ 및 0㎜의 Z 초점 심도의 순서에 상응하는 수차 곡선들의 유사한 순서를 도시한다.
도 12d는 상응하는 Z 초점 심도의 함수로서 최적 개구수(NAopt(z))를 명확하게 도시한다.
상기에 설명된 바와 같이, 개구수(NA) 및 Z 초점 심도의 분리된 조정가능성은 일반적으로 2개의 독립적으로 조정가능한 제어 파라미터들을 요구한다. 하지만, 몇몇 실시는 Z 및 NA의 분리되고 독립적인 조정가능성을 제공할 수 없다. 대신에, 모든 Z 초점 심도에 대하여, 이러한 실시들은 조작자에 의한 분리된 NA 조정 단계없이, 개구수를 최적값(NAopt(z)) 또는 적어도 NAopt(z)의 부근으로 자동적으로 조정한다. 예를 들어, NA는 P(track) 백분율 내의 NAopt(z)을 추적하고, 여기서 P(track)은 10%, 20% 또는 30%일 수 있다.
이러한 실행예는 단지 단일, 일체화된 조정가능한 컨트롤러를 가질 수 있다. 기술된 실행예에서, 이러한 일체화된 컨트롤러는 목표 영역에서 Z 초점 심도를 제어하는 시스템의 사용자에게 표시할 수 있다. 하지만, 컨트롤러는 결합된 개구 조절장치를 포함할 수 있고, 이는 동시에 레이저 전달 시스템(1)의 사용자에 의해 수행된 분리 세부 조정(tuning) 단계 없이 개구수(NA)를 조정하여 NAopt(z)를 추적한다.
일부 실행예에서, 제 1 빔 익스팬더(400)와 이동가능한 빔 익스팬더(500) 사이의 거리를 조정하는 것은 적절하게 이러한 기능을 수행할 수 있다. 다른 실행예에서, 단일 이동가능한 렌즈는 이러한 형식을 제공할 수 있다. 또다른 실행예에서, 2개의 조절장치들의 조합이 채택될 수 있다.
이러한 실행예들은 레이저 전달 시스템(1)의 조작자를 위한 단순화된 제어 기능을 제공한다. 이러한 단일 일체화된 제어 기능을 달성하는 것이 디자인 시도이기 때문에, 몇몇 실시는 다른 블록들, 예를 들어, 선보정기(200), XY 스캐너(300) 및 대물렌즈(700)와의 조합으로 이러한 일체화된 제어 기능을 수행한다.
최적 총 수차 값들이 다양한 디자인 고려사항에 대하여 달성될 수 없거나 달성되지 않는 일부 실행예에서, 개구수(NA)는 Z 스캐닝 범위 내의 Z 스캐닝 경로를 따라 Z 초점 심도의 순서에서 개구수 값의 순서로 조정될 수 있어 Z 스캐너(450)가 조정가능한 개구수(NA)를 갖지 않는 레이저 시스템에 대한 적어도 P(scan) 백분율만큼 총 수차를 감소시킨다. 일부 실행예에서, P(scan)은 20, 30, 40, 또는 50퍼센트일 수 있다.
앞에서와 같이, 총 수차는 이전에 도입된 수차 척도들 중 어느 하나(rf, ω, 또는 a40)에 의해 특징지어질 수 있다. 동등하게, 수차의 감소는 상응하는 스트렐 비(S)의 증가에 의해 특징지어질 수 있다. Z 스캐닝 경로는 레이저 시스템의 광학축 또는 Z 축으로부터 반경(R)에서 Z축에 대해 평행한 경로일 수 있다. 일부 실행예에서, Z 스캐닝 경로는 광학 Z축으로부터 반경 r1=0㎜와 r2=3㎜ 사이에 정위될 수 있다.
총 수차는 몇몇 상이한 방법으로 측정될 수 있다. 총 수차는 Z 스캐닝 경로에 걸쳐 평균을 낸 총 수차 또는 스캐닝 경로를 따르는 총 수차의 최대값 또는 최소값을 나타낼 수 있다. 총 수차의 감소는 이러한 가능성들 중 어느 하나를 나타낸다.
일부 실행예에서, 개구수(NA)는 전방 세그먼트 절차가 수행될 때 제 2 값으로 각막 절차가 수행될 때 제 1 값으로부터 조정될 수 있다. 일부 실행예에서, 제 1 값은 0.2 내지 0.5의 범위에 존재하고 제 2 값은 0.1 내지 0.3의 범위에 존재한다. 일부 다른 실행예에서 제 1 값은 0.25 내지 0.35의 범위에 존재할 수 있고, 제 2 값은 0.15 내지 0.25의 범위에 존재할 수 있다.
Z 스캐너(450)의 본 실행은 하기를 포함하는, 몇몇 다른 방법으로 현존하는 각막 레이저 전달 시스템과 상이하다.
1. 각막 레이저 전달 시스템에서 일반적으로 개구수는 초점 심도의 Z-스캔 동안에 변하지 않아 디자인의 단순성을 보장하는 것이 요구된다. 이러한 디자인은 일반적인 1㎜ Z-스캔에 의해 유도된 총 수차가 각막 레이저 전달 시스템의 정확성의 심각한 제한 인자가 아니기에 각막 수술에 대하여 만족스럽다. 반면에, 레이저 전달 시스템(1)의 실행은 가변적인 개구수(NA)를 가져 예를 들어 5 내지 10㎜의 광범위한 수술 Z 간격에 걸쳐 최적의 개구로 개구를 조정하는 것을 유지한다. 물론, 이는 Z 초점 심도로부터 실질적으로 독립적으로 조정가능한 개구수(NA)의 형식에 의해 달성된다.
2. 또한, 일반적인 현존하는 각막 시스템은 대물렌즈(700)의 복합 실시의 일부로서, 또는 대물렌즈(700)에서 Z 스캐너를 갖는 반면에, 현재의 Z 스캐너(450)는 대물렌즈(700) 앞에 정위된다. 여기서 대물렌즈(700)는 Z 스캐너 및 XY 스캐너의 기능적이고 기계적인 하우징(functional mechanical housing)으로부터 분리된 기능적이고 기계적인 하우징에 정위되는 레이저 전달 시스템(1)의 최종 렌즈 그룹을 나타낸다. 용어 기능적이고 기계적인 하우징은 전달 시스템의 전체 하우징을 나타내지 않고, 이의 디자인은 인체공학 또는 외관 고려사항에 의해 지시될 수 있으나, 렌즈들을 함께 고정하는 하우징을 의미하여 실제 광학 기능을 수행한다. 본 실행예의 대물렌즈(700)는 일반적으로 Z 스캐너(450)에 의해 출사된 XYZ 스캐닝 빔이 거울(600)에 의해 편향된 이후에 광학 경로에 정위된다.
3. 도 12a 및 도 12b는 렌즈 수술 광학 시스템의 디자인에서 추가적인 시도를 도시한다. 가시적으로, 총 수차는 1㎜의 일반적인 각막 Z 초점 심도에 대한 넓고 평평한 최적 영역을 나타내고, 이에 따라 모두 초점 크기의 큰 저하없이, (ⅰ) 시스템 파라미터는 다른 고려사항에 대하여 최적화될 수 있고, (ⅱ) 광범위한 Z 스캐닝 범위가 사용될 수 있으며, (ⅲ) 시스템 파라미터의 덜 정확한 세부 조정이 요구된다. 반면에, 렌즈 수술 시스템을 위하여, 초점 크기는 (ⅰ) 시스템 파라미터가 다른 고려사항에 대하여 최적화되고 (ⅱ) 광범위한 Z 스캐닝 범위가 실시되며, (ⅲ) 시스템 파라미터가 덜 정확하게 세부 조정될 때, 재빨리 저하된다.
Z 스캐너(450)의 구체예의 추가적인 양태에서, 가시적인 관찰 광학 서브-시스템 또는 이미징 서브 시스템을 포함하는 레이저 전달 시스템이 거울(600)을 통해 레이저 전달 시스템으로 결합된 이러한 서브 시스템들 중 어느 하나에 연관된 빔을 갖는다는 것이 상기된다. 거울(600)은 예를 들어, 색선별 거울일 수 있다. 일반적인 수술 시스템에서, 대물렌즈(700)는 광학 경로에서 거울(600) 뒤에 정위된 렌즈 그룹을 의미한다.
대물렌즈(700)가 실질적으로 타겟 조직, 예를 들어 환자의 안구와 직접 접촉하기에, 또한 대물렌즈(700)의 중량이 임계적인 인자이기 때문에 대물렌즈(700)로부터 분리되고 거울(600) 앞의 Z 스캐너(450)를 실시하는 것이 중요한 디자인 고려사항이다. 따라서, 대물렌즈(700)의 중량 또는 질량을 최소화하는 것이 레이저 전달 시스템(1)의 실행이 안구 상에 감소된 압력을 제공하게 한다. 이러한 압력은 안구 자체를 변형시키고 이에 따라 수술 절차의 정확성을 감소시키기에, 안구 상의 압력을 감소시키는 디자인이 현저하게 안과 수술의 정확성을 증가시킨다.
표 8과 표 9는 제 1 빔 익스팬더 블록(400)과 이동가능한 빔 익스팬더 블록(500)의 다양한 구체예들을 위한 일부 관련된 파라미터의 범위를 도시한다. 빔 익스팬더 블록들은 각각 2개 내지 10개의 렌즈들을 가질 수 있고, 일부 구체예에서는 3개 내지 5개를 가지며, 이는 상기의 기능을 수행하도록 구성된다.
표 8은 개별적인 표면에 대하여 두꺼운 렌즈들의 그룹을 설명하면서, 산업 표준 관례를 사용하여 제 1 빔 익스팬더 블록(400)의 5개 렌즈 구체예를 도시한다. 제 1 빔 익스팬더 블록(400)은 (괄호들에 의해 표시된) 다음의 범위들에서 파라미터들을 갖는 렌즈들(411, 412, 413, 414, 415)을 포함할 수 있다.
[표 8]
Figure 112012047910266-pct00017
일부 구체예에서, 제 1 빔 익스팬더 블록(400)은 XY 스캐너(300)와 마주하는 입사측으로부터 연속적으로, 양의 굴절력을 갖는 제 1 렌즈 그룹, 입사측과 마주하는 블록 표면을 갖는 메니스커스 렌즈 및 입사측과 마주하는 오목 표면을 갖는 제 2 렌즈를 포함한다.
다른 실행예는 스케일 인자(a), 5개의 스케일링된 렌즈들을 갖는 것, a만큼 곱해진 제 2 행의 곡률, 1/a만큼 곱해진 제3 행의 거리, 및 변치않는 굴절률(n)을 갖는 것에 의해 표 8의 실시에 관련된다. 스케일 인자는 0.3과 3 사이의 값을 추정할 수 있다.
표 9는 다음의 범위에서 파라미터를 갖는, 렌즈들(511, 512, 513, 514)을 포함하는, 이동하는 빔 익스팬더 블록(500)의 4개 렌즈 구체예를 도시한다:
[표 9]
Figure 112012047910266-pct00018
이동가능한 빔 익스팬더 블록(500)의 일부 실행예는 제 1 빔 익스팬더 블록(400)과 마주하는 입사측으로부터 연속적으로: 입사측과 마주하는 블록 표면을 갖는 메니스커스 렌즈, 음의 굴절력을 갖는 음의 렌즈 및 양의 굴절력을 갖는 양의 렌즈 그룹을 포함한다.
다른 실행예들은 스케일 인자(a), 4개의 스케일링된 렌즈들을 갖는 것, a만큼 곱해진 제 2 행의 곡률, 1/a만큼 곱해진 제3 행의 거리, 및 변치않는 굴절률(n)을 갖는 것에 의해 표 9의 실시에 관련된다. 스케일 인자는 0.3과 3 사이의 값을 추정할 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 제 1 빔 익스팬더 블록(400)과 이동하는 빔 익스팬더 블록(500) 사이의 상이한 거리를 갖는 2개의 구성으로 표 8과 표 9의 구체예들을 도시한다. 일부 실행예에서, 이동하는 빔 익스팬더 블록(500)은 d = 5 내지 50㎜의 범위에서 거리만큼 제 1 빔 익스팬더 블록(400)에 대하여 이동될 수 있다.
이러한 도면들은 작업에서 Z 스캐너(450)의 디자인 고려사항을 도시한다.
도 13a는 이동가능한 빔 익스팬더 블록(500)이 제 1 빔 익스팬더 블록(400)으로부터 상대적으로 먼 위치에 존재할 때의 경우를 도시한다. 이러한 경우에 조합된 어셈블리를 빠져나가는 빔은 (ⅰ) 수렴광선, (ⅱ) 출사 동공(ExP)에서 상대적으로 큰 직경, (ⅲ) 고정된 초점 길이 대물렌즈가 Z 스캐너(450)의 출사 동공 근처에 정위될 때 초점의 더 얕은 Z 깊이, 및 이에 따른 (ⅳ) 더 높은 개구수(NA)를 갖는 빔에 의해 형성된 초점을 갖는다.
도 13b는 이동가능한 빔 익스팬더 블록(500)이 도 13a의 경우에서보다 제 1 빔 익스팬더(400)에 더 근접할 때의 경우를 도시한다. 여기서, 빔은 (ⅰ) 수렴광선, (ⅱ) 출사 동공(ExP)에서 더 작은 직경, (ⅲ) 고정된 초점 길이 대물렌즈가 Z 스캐너(450)의 출사 동공에 정위될 때 초점의 더 깊은 Z 깊이, 및 이에 따른 (ⅳ) 더 작은 개구수(NA)를 갖는 빔에 의해 형성된 초점을 갖는다.
요약하면, 더 얕은 Z 초점 심도에서, 초점은 큰 NA 빔에 의해 생성되는 반면에, Z 초점 심도를 증가하는 것에 대하여, 개구수(NA)는 감소한다. 개구수(NA)에서 상대적인 변화는 초점을 맞추는 대물렌즈(700)의 입사 동공의 위치 및 빔 익스팬더 블록들(400, 500)의 출사 동공(ExP)의 위치를 최적화함으로써 최적화될 수 있다. 이러한 실행예는 선보정기(200)의 기능의 사용 없이 고르게 상이한 초점 심도에서 개구수를 최적화하기 위한 대안적인 방법이다.
상기에 설명된 바와 같이, 개구수(NA)는 선보정기(200)를 갖거나 갖지 않고 광범위하게 조정될 수 있다. 전체 레이저 전달 시스템(1)에서, 개구수(NA)는 선보정기(200), 제 1 빔 익스팬더 블록(400) 또는 이동가능한 빔 익스팬더 블록(500)을 제어함으로써 또는 조합으로 이러한 블록들을 제어함으로써 조정될 수 있다. 실제로 실시의 실제 선택은 다른 더 높은 수준 시스템 수준 요구조건, 예를 들어 스캐닝 범위, 스캐닝 속도 및 복잡성에 따른다. 다른 수치적 범위를 갖는 실시들은 또한 상기의 설명된 기능들 중 몇몇 또는 모두를 수행하도록 구성될 수 있다.
도 14는 Z 스캐너(450)의 추가적인 양태를 도시한다. XY 스캐너(300)의 출사 피봇점(PP(XY))으로부터 빠져나가는 3개의 상이한 특징 빔들이 도시된다. 현저하게, 3개의 특징 빔들 모두는 Z 스캐너(450)에 의해 대물렌즈(700)의 입사 피봇점(PP(O))으로 포커싱된다. PP(O)의 위치는 예를 들어, 이동가능한 빔 익스팬더(500)를 이동시킴으로써 조정될 수 있다.
아래에 설명된 바와 같이, XY 스캐너(300)의 거울들을 벗어나 정위된 피봇점(PP(O))을 발생시키는 레이저 전달 시스템은 예를 들어, 피봇점(PP(O))이 대물렌즈(700) 내부로 떨어지는 구체예에서, 유용한 구조체를 갖는다.
다른 구체예에서, XY 스캐너(300)는 Z 스캐너(450)에 대한 거리보다 먼 출사 피봇점(PP(XY))을 갖는다. 이러한 구체예에서, Z 스캐너(450)은 단지 XY 스캐너(300)의 출사 피봇점(PP(XY))을 대물렌즈(700)의 입사 피봇점(PP(O))으로 변경한다.
어느 하나의 경우에, 이러한 실시는 제 1 빔 익스팬더 블록(400)과 이동가능한 빔 익스팬더 블록(500) 사이에 정위된, 중간 초점면(451)의 존재의 사용이 이루어지게 한다. 중간 초점면(451)의 존재는 실질적으로 동일한 Z 좌표를 갖는 좌우로 이루어진 3개의 특징 빔의 초점에 의해 표시된다. 역으로, 이러한 중간 초점면을 취하지 않는 실시는 조정가능한 피봇점(PP(O))을 갖는 데에 꽤 적절하지 않다.
도 15는 레이저 엔진(100), XY 스캐너(300), 빔 스플리터(600), 대물렌즈(700) 및 환자 인터페이스(800)를 포함하는, 도 1 및 도 9의 시스템과 유사한 블록을 포함한 안과용 레이저 시스템(1")의 일 예를 도시한 것이다. 또한, 레이저 시스템(1")은 Z축을 따라 레이저 빔을 스캔하기 위한 Z 스캐너를 포함할 수 있으며, 여기서 Z 스캐너는 연속 Z 스캐너(250b) 및 점증 Z 스캐너(450b)를 포함할 수 있다.
유사한 구체예에서, 2개의 Z 스캐너(250b 및 450b)는 단일 하우징에 통합될 수 있다. 다른 구체예에서, 2개의 Z 스캐너의 순서는 교체될 수 있으며, 점증 Z 스캐너(450b)가 XY 스캐너(300) 앞에 존재하며 연속 Z 스캐너(250b)가 XY 스캐너(300) 뒤에 존재할 수 있다. 또다른 실행예에서, 대물렌즈(700)는 인접한 스캐너(450b 또는 250b 중 어느 하나)와 일부 또는 완전히 통합될 수 있다. 일부 실행예에서, 대물렌즈는 반드시 고정된 대물렌즈일 필요는 없다.
도 16a는 점증 Z 스캐너(450b)가 Z 스텝(463(i))에 의해 점증 방식으로 타겟 영역(461) 내측으로 안과용 레이저 시스템(1")의 초점 심도를 Z-스캔하도록 구성될 수 있고 연속 Z 스캐너(250b)가 Z 스텝(463(i))에 상응하는 연속 스캐닝 범위(464(i))에서 연속 방식으로 안과용 레이저 시스템(1")의 초점 심도를 Z-스캔하도록 구성될 수 있다. 여러 상이한 구체예들은 하기에 논의되는 바와 같이, 이들의 작용성을 수행하는 것을 가능하게 한다.
일부 구체예에서, 점증 Z 스캐너(450b)는 레이저 시스템(1")의 Z 초점 심도를 Z 수준(465(i))으로 이동시킬 수 있다. 연속 Z 스캐너(250b)는 연속 범위(464(i))에서 대략 이러한 Z 수준(465(i))을 스캔할 수 있다. 연속 범위(464(i))는 대략 Z 수준(465(i))에 중심을 가질 수 있거나, 이러한 것들은 Z 수준(465(i))에서 근거로 하여 Z 수준(465(i))에서의 스캐닝을 개시하거나, 임의의 중간 솔류션이 실행될 수 있다. 구체예에서, 연속 범위(464(i))가 대략 Z 수준(465(i))에 중심을 갖는 경우에, 연속 스캐너(250b)는 값 Z(i)-Δ(i)에서 Z(i)+Δ(i)로 스캔할 수 있으며, 여기서 Z(i)는 Z 수준(465(i))에서의 초점 심도이며, 연속 범위(464(i))는 2Δ(i)이다. 구체예에서, 연속 스캐너(250b)가 Z 수준(465(i))에서 기초로 하는 경우에, 연속 스캐닝은 Z(i)에서 Δ(i)의 연속 스캐닝 범위로 Z(i)+Δ(i)로 일어날 수 있다.
일부 실행예에서, 연속 범위(464(i))는 상이한 Z 수준(465(i)) 또는 Z 스텝(463(i))에 대해 상이할 수 있으며, 다시 말해서 이러한 것들은 동일할 수 있다. 연속 범위(464(i))는 대략 상응하는 Z 수준(465(i))의 타겟 영역(461)의 굴절률, 또는 초점 심도(Z(i))에서 레이저 시스템(1")의 광학축으로부터의 초점의 방사방향 거리에 의존적일 수 있다.
일부 실행예에서, Z 수준(465(i))로의 Z 스캐닝이 상응하는 연속 스캐닝 범위(464(i))의 최대에 도달하거나 이 부근에 이르는 경우에, 점증 Z 스캐너(450b)의 셋팅은 Z 스텝(463(i+1))에 의해 또는 다음 Z 수준(465(i+1))으로 이동될 수 있다. 대응되게, 연속 Z 스캐너(250b)는 연속 스캐닝 범위(464(i))의 거의 최대에서 스캐닝 범위(464(i+1))의 거의 최소로 재셋팅될 수 있다.
상응하게, 연속 스캐닝이 대략 Z 수준에 중심을 잡는 경우에, 연속 스캐닝은 Z(i)+Δ(i)의 초점 심도에 도달한 후에, 점증 스캐닝 단계가 점증 Z 스캐너(450b)를 Z 수준(Z(i+1))로 셋팅하고 연속 스캐너를 -Δ(i+1)로 재셋팅하며, 즉 재셋팅 단계는
Figure 112012047910266-pct00019
로서 이동되는 초점 심도로서 개략될 수 있다.
이러한 구체예들에서, 연속 스캐닝이 Z 수준(465(i))에서 기초로 하는 경우에, 이러한 재셋팅 단계는
Figure 112012047910266-pct00020
로서 이동되는 초점 심도에 의해 캡쳐된다.
마지막으로, 스텝-타입 구체예에서, 점증 Z 스캐너(450b)가 Z 단계에서 이미 수행되는 동안에 연속 Z 스캐너(250b)가 i차 연속 스캐닝 범위(Δ(i))의 거의 최대에 도달할 때, 점증 스캐너(450b)는 Z 스텝(463(i+1))에 의해 초점 심도를 증가시킬 수 있고, 이후에 연속 Z 스캐너(250b)는 연속 스캐닝 범위 Δ(i+1)의 거의 최소로 재셋팅된다. 상기 모든 실행예에서, 스캐닝 범위 Δ(i)는 초점 심도(Z(i)), Z 수준(465(i)), 및 Z 스텝(463(i))에 의존적일 수 있다. 다른 구체예에서, Δ(i)는 i에 독립적일 수 있다: Δ(i)=Δ.
일부 실행예에서, 연속 스캐닝 범위(464(i))의 일부 또는 전부는 상응하는 Z 스텝(463(i)), 또는 Z 수준의 차이(465(i+1)-465(i)) 보다 클 수 있다. 이러한 실행예와 함께, 타겟 영역(461) 내의 모든 Z 깊이는 레이저 시스템(1")의 조작자에 의해 도달될 수 있는데, 왜냐하면 Z 스텝(463(i)) 이후의 연속 스캐닝 범위(464(i+1))가 Z 스텝(463(i)) 이후의 연속 스캐닝 범위(464(i))와 중첩되기 때문이다. 일부 실행예에서, 연속 Z 스캐닝 범위는 중첩 대신에 단지 접한다.
상기 예에서, 연속 스캐닝 범위[-Δ(i), ...Δ(i)]가 Z 수준(Z(i)) 주변에 중심을 갖는 경우에, 중첩을 위한 조건은 하기 식으로 해석된다:
Figure 112012047910266-pct00021
상기 예에서, 연속 스캐닝 범위(Δ(i))가 Z 수준(Z(i))에서 기초로 하는 경우에, 이러한 조건은 하기 식으로 해석된다:
Figure 112012047910266-pct00022
마지막으로, Z 스텝 예에서, 이러한 조건은 Z 스텝(463(i)) 이후에 연속 스캐닝 범위(464(i+1))의 최소치로 바뀌어서, Z 스텝(463(i)) 이전에 연속 스캐너(250b)에 의해 도달된, 연속 스캐닝 범위(464(i))의 최대치와 중첩된다.
이러한 중첩 범위를 갖는 레이저 시스템은 타겟 영역(461)의 준-연속 Z 스캐닝을 가능하게 할 수 있다. 이는 예를 들어 중첩을 최소화하거나 또는 심지어 제거하기 위하여, 레이저 시스템(1")를 미세 조정하거나 조정하기 위한 소프트웨어 솔루션을 이용함으로써 달성될 수 있다. 이러한 예에서, 수술의는 점증 Z 스캐너(450b) 및 연속 Z 스캐너(250b)를 동시에 변화시키면서 Z 초점 심도(Z(i))를 준-연속적으로 변화시킬 수 있다.
절차의 타입에 따라, 전체 Z 스캐닝 범위는 0 내지 5 mm, 5 내지 10 mm, 10 내지 30 mm 및 0 내지 15 mm 범위들 중 하나의 범위 내의 길이를 가질 수 있다. 이러한 범위 각각은 질적으로 상이한 수술 목표를 제공하고, 이들의 독특한 기술적 시도를 제기할 수 있다. 예를 들어, 1 mm와 같은, 0 내지 5 mm 내의 Z 스캐닝 범위는 주로 각막 절차를 위해 유용할 수 있는데, 왜냐하면 각막의 두께가 1 mm 부근일 수 있으며 이에 따라 0.5 mm의 대략 Z 수준(465)의 (-0.5 mm ... 0.5 mm)의 1 mm 연속 스캐닝 범위(464)에서의 스캐닝이 타겟화된 각막 수술 영역을 포함할 수 있기 때문이다. 7 mm와 같은 5 내지 10 mm 범위 내의 Z 스캐닝 범위는 백내장 수술절차를 위해 유용할 수 있는데, 왜냐하면 인간 안구에서의 렌즈가 통상적으로 Z 방향으로 3 mm 내지 10 mm 연장하기 때문이다. 이에 따라, 6.5 mm의 대략 Z 수준의 (-3.5 mm ... 3.5 mm)의 7 mm 연속 스캐닝 범위에서의 스캐닝은 렌즈의 전체 타겟화된 수술 영역을 포함할 수 있다.
11 mm와 같은 0 내지 15 mm 범위의 Z 스캐닝 범위는 통합된 절차를 위해 유용할 수 있는데, 왜냐하면 각막 수술절차 뿐만 아니라 백내장 수술절차 둘 모두가 동일한 전체 수술 프로그램 내에서 수행될 수 있기 때문이다. 이러한 실행예에서, 점증 Z 스캐너(450b)는 초점 심도를, 수술의가 대략 각막 Z 수준(465(c))의 연속 스캐닝 범위(464(c))에서 각막 안과 수술을 수행할 수 있는 각막 Z 수준(465(c))으로, 및 수술의가 대략 렌즈 Z 수준(465(i))의 연속 스캐닝 범위(464(i))에서 추가적인 수정체 안과 수술을 수행할 수 있는 하나 이상의 렌즈 Z 수준(465(i))으로 제 1 셋팅을 가질 수 있다.
도 16b는 안과 수술과 관련된 특정 구체예를 도시한 것이다. 이러한 백내장-맞춤 구체예에서, 수술 영역(461)은 수정체(470) 내에서 핵의 경화 부분일 수 있다. 연속 Z 스캐닝 범위(464(i))의 중첩 또는 접촉(touching)은 이러한 수술 영역(461) 내에서 일어날 수 있다. 문맥을 제공하기 위해 도 16b에서 스케칭된 바와 같이, 수정체(470)는 안구 내에 위치되며, 이는 또한 각막(472), 전안방(474), 및 홍채(476)를 포함하며, 홍채는 흔히 정확성 및 접근을 개선시키기 위해 확장된다. 레이저 시스템(1, 1' 또는 1")은 통상적으로 환자 인터페이스(800)를 통해 안구와 접촉한다.
레이저 시스템(1")의 실행은 Z 초점 심도를 조절할 뿐만 아니라 레이저 빔의 하나 이상의 수차를 타겟 영역(461)에서 한계값 보다 양호하게 유지시킬 수 있다. 본원에서, 용어 "보다 양호한(better)"은 수차가 상이한 척도에 의해 특징될 수 있으며, 이러한 척도들 중 일부에 대하여, 척도가 한계값 미만으로 유지되는 경우에 수차가 낮아지는 반면 일부 다른 척도에 대하여 척도가 한계값 보다 높게 유지되는 경우에 수차가 낮아진다는 사실을 반영한다.
상기에서 논의된 바와 같이, 수차는 예를 들어 스트렐 비(S), 초점의 반경(rf), RMS 파면 오차(ω), 및 구면 수차 확장 계수(a40)의 항으로 캡쳐될 수 있다. 하기 설명이 스트렐 비(S) 및 초점 반경(rf)에 초점을 두지만, a40 및 ω 항의 유사한 설명은 동일하게 기술된다.
S의 최적 값은 1이라는 것이 상기된다. 연속 Z 스캐너(250b) 및 점증 Z 스캐너(450b)의 구조와 관련하여, 레이저 시스템(1")의 실행은 스트렐 비(S)를 타겟 영역(461)에서 한계값 S(한계) 보다 높게 유지시킬 수 있으며, 여기서 S(한계)는 0.6, 0.7, 0.8, 및 0.9일 수 있다.
스트렐 S 비가 파장에 의존적일 수 있기 때문에, 스트렐 비 한계값은 0.4 마이크론 내지 1.1 마이크론 범위의 파장을 갖는 레이저 빔에 대해 특정될 수 있다.
또한, 수차가 수술 타겟 영역(461) 내에서 상당히 변경될 수 있다는 것이 상기된다. 이러한 연장된 타겟 볼륨에 걸쳐 수차의 제어는 상당히 어렵다. 연장된 수술 타겟 영역(461) 내에서 수차를 제어하기 위하여, 실행예는 타겟 영역에서의 이의 원통 좌표(z, r)에 의해, 타겟 영역의 전면 및 중심인 (0, 0)에 대해, 임의의 방위각(φ)에서 모두 밀리미터로, P1=(0,0), P2=(2,6), P3=(5,0), P4=(8,0), P5=(8,3)으로서 결정되는, 상기 규정된 5개의 기준점 중 하나 이상에서 S(한계) 보다 높게 스트렐 비(S)를 유지시킬 수 있다.
유사하게, 레이저 시스템(1")의 구체예는 초점 반경을 타겟 영역에서의 한계값 rf(한계) 보다 작게 유지시킴으로써 수차를 제어할 수 있으며, 여기서 rf(한계)는 2, 3, 4, 5 및 6 마이크로미터일 수 있다.
앞에서와 같이, 이러한 초점 반경 rf 값은 타겟 영역에서의 이의 원통 좌표(z, r)에 의해, 타겟 영역의 전면 및 중심인 (0, 0)에 대해, 임의의 방위각(φ)에서 모두 밀리미터로, P1=(0,0), P2=(2,6), P3=(5,0), P4=(8,0), P5=(8,3)의 타겟 영역에서의 5개의 기준점 중 하나 이상에세 rf(한계) 보다 작을 수 있다.
단지 두 개의 특정 수차 척도가 상세하게 논의되었지만, 레이저 시스템(1")은 구면 수차, 코마, 비점수차 및 색 수차를 포함하는 매우 다양한 수차를 제어할 수 있다.
레이저 시스템(1")의 실행은 또한 타겟 영역(461)에서 레이저 시스템(1")의 초점 심도를 Z-스캔하는 Z 스캐너(250b 및 450b)에 의해 야기되는 수차를 적어도 일부 보정할 수 있다.
도 17a 및 도 17b는 점증 Z 스캐너(450b)의 일부 실행예에서, 이러한 목표 및 다른 목표가 가변성 스테이지 또는 초점 익스팬더 스테이지(481(i))를 사용함으로써 달성된다는 것을 도시한 것으로서, 이는 레이저 빔의 경로 내에 또는 밖에 정위될 수 있다. 이러한 가변성 스테이지는 사전결정된 Z-점증으로 초점 심도를 Z-스캔하도록 구성될 수 있다.
가변성 스테이지(481(i))는 기계 슬라이더, 기계 구동기, 회전 암 및 전기기계 장치 상에 마운팅된 상응하는 렌즈(491(i))를 함유할 수 있는데, 이러한 장치는 렌즈(491(i))를 레이저 빔의 광학 경로 내에 및 밖으로 이동시킬 수 있다. 얘를 들어, 이러한 일부 실행예의 슬라이딩 트랙은 광학축에 대해 횡방향으로 존재할 수 있다.
도 17a 및 도 17b는 3 스테이지 실행예를 도시한 것이다. 다른 실행예에서, 스테이지의 개수는 1, 2, 4개 또는 초과일 수 있다. 초점 익스팬더 렌즈(491(i))를갖는 다중 가변성 스테이지를 이용한 연속 Z 스캐너(250b) 및 점증 Z 스캐너(450b)의 조합은 상술된 바와 유사하게 준-연속 방식으로 초점의 Z 스캐닝을 변경시킬 수 있다. 가변성 스테이지(481(i))의 개수를 최소화하기 위하여, 렌즈(491(i))의 초점 이동(492(i))은 2의 정수 제곱에 비례할 수 있다. 이러한 구체예에서, 초점 익스팬더 렌즈(491(i))의 초점 이동(492(i))은 기본 초점 이동과 값 20, 21, …2n 곱으로 추정할 수 있다. 모든 가능한 조합에서 n 초점 익스팬더 렌즈(491(i))를 삽입하는 것은 2n 렌즈-인(lens-in)/렌즈-아웃(lens-out) 구성을 생성시킨다. 이러한 구성은 레이저 시스템(1")의 조작자가 타겟 영역을 2n씩 필수적으로 동일하게 이격된 Z 수준(465(i))에서 스캔하도록 하게 한다.
이러한 실행예의 개념은 3-스테이지 점증 Z 스캐너(450b)에 대해 설명될 것이다. 3개의 초점 익스팬더 렌즈(491(1), 491(2), 491(3))의 초점 이동(492(1), 492(2), 및 492(3))은 표 10에 기술된 바와 같이 20=1, 21=2 및 22=4의 제곱이 굡해진 예를 들어 1 mm의 기본 초점 이동과 대략적으로 동일하다:
[표 10]
Figure 112012047910266-pct00023
이러한 3개의 스테이지(481(1), 481(2), 481(3))의 23=8 인/아웃(in/out) 조합은 하기 구성의 시퀀스로 실행되는 경우에, 각각 1 mm의 고른 Z 스텝(463)에 의해 분리된, 8개의 동일하게 이격된 Z 수준(465(1), …465(8))을 제공한다:
[표 11]
Figure 112012047910266-pct00024
표 11의 인/아웃 구성은 상응하는 초점 이동의 이진법 표시에 대한 일-대-일 대응을 갖는다는 것에 주목할 만한데, 여기서 "인(in)"은 1에 대응하며, "아웃(out)"은 0에 대응한다. 예를 들어, 도 17b에 도시된 구성(5)은 정확하게 번호 5:101의 이진법 표시인 가변성 스테이지 1, 2 및 3의 (인, 아웃, 인) 구성이다.
일부 구체예는 중첩하는 스캐닝 범위를 형성시키는, 적은 양으로 1 mm 초과하는 연속 Z 스캐닝 범위(464(i))를 갖는다. 이러한 시스템은 인접한 Z 스캐닝 범위들 사이에 갭을 갖는 것을 방지하기 위해 레이저 시스템(1")을 보정할 가능성을 제공하며, 이는 물리적 시스템에서의 범위 및 경계 위치의 부정확성을 포함하는 여러 이유로 일어날 수 있다. 이러한 실행은 레이저 시스템(1")의 조작자가 임의의 초점 심도를 배제하지 않으면서, 필수적으로 8 mm 전체 Z 스캐닝을 준-연속적으로 Z 스캔하게 할 수 있다. 이에 따라, 이러한 실행은 수술의가 백내장 수술절차, 또는 심지어 높은 정확성을 갖는 통합된 수정체 및 각막 수술절차를 수행하게 할 수 있다.
개개 초점 익스팩던 렌즈(491(i))의 삽입으로 인해 초점 이동이 레이저 시스템(1")의 초점 길이와 비교하여 작을 때, 전체 초점 이동은 개개의 초점 익스팬더 구성요소들로부터의 초점 이동의 총합일 것이다. 또한, 알디스 정리(ldis Theorem [Handbook of Optical Systems, Volume 3: Aberration Theory ad Correction of Optical Systems, Ed: Herbert Gross, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2007])에 따르면, 광학 시스템의 수차는 여러 광학적 엘리먼트의 표면에 대응하는 수차의 총합으로서 표현될 수 있다.
알디스 정리를 고려하면, 전체 가변성 스테이지 Z 스캐너(450b)의 수차는 개개의 가변성 스테이지(481(i)) 및 이들의 초점 익스팬더 렌즈(491(i))의 보정의 총합으로서 보정될 수 있다. 렌즈(491(i)) 각각이 이의 수차를 적어도 일부 보정하는 실행예에서, 레이저 시스템(1")의 전체 수차는 전체 Z 스캐닝 동안 또는 이러한 스캐닝의 적어도 상당한 부분 동안에 반드시 보정될 수 있다.
가변성 스테이지(481(i))는 가변성 스테이지 내에서 하나 이상의 적절하게 선택된 멀티플렛 렌즈를 사용함으로써 가변성 스테이지(481(i))의 Z-스캔에 의해 야기된 수차를 적어도 일부 보정할 수 있다.
멀티플렛 렌즈의 예는 작용성 멀티플렛, 즉 굴절률, 두께 또는 반경의 상이한 지수를 갖는 여러 렌즈를 함유한 광학적 엘리먼트를 포함한다. 단순 실행예에서, 이러한 렌즈는 함께 단단히 고정되어 있으며, 다른 실행예에서, 이러한 것들은 직접 접촉되어 있지 않다. 일반적으로, 이러한 작용성 멀티플렛의 렌즈는 때때로 전용 렌즈 하우징에서 함께 이동한다.
멀티플렛 렌즈는 싱글렛 렌즈(singlet lens)와 동일한 빔의 전체 광학적 포커싱을 달성할 수 있다. 이의 상단에, 이러한 것들이 추가의 조정 가능한 파라미터(예를 들어, 각 렌즈의 반경, 곡률 및 굴절률)를 갖기 때문에, 비점수차, 코마, 보다 높은 차수의 구면 수차 또는 색 오차를 포함하는 보다 많은 타입의 수차는 이러한 추가 파라미터를 조정함으로써 보정될 수 있다.
자가-보정 렌즈의 다른 구체예는 적절한 형태 인자를 가짐으로써, 또는 렌즈-벤딩에 의해 수차를 보정한다. 렌즈 밴딩은 구면 수차를 제어하는데 효과적인 툴이다. 벤딩의 양은 굽힘 파라미터 X = (c1 + c2) / (c1 - c2)에 의해 특징되는데, 여기서 c1 및 c2는 렌즈의 표면의 곡률이다. 구면 수차는 굽힘 파라미터 X에 이차식으로 의존적이며, 코마는 X에 선형적으로 의존적이다[Handbook of Optical Systems, Volume 3: 수차 Theory ad Correction of Optical Systems, Ed: Herbert Gross, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2007]. 적절하게 선택된 렌즈 밴딩은 상이한 깊이, 및 렌즈가 정위에 삽입되지 않은 때 존재하는 다른 수차에서 레이저 빔의 포커싱 결과로서 도입된 구면 수차 또는 코마를 보정할 수 있다.
도 18은 점증 Z 스캐너(450b)의 일 구체예를 도시한 것이다. 이러한 3개의 스테이지 실행예는 싱글렛 렌즈(491a(1)), 제 1 멀티플렛 렌즈(491a(2)) 및 제 2 멀티플렛 렌즈(491a(3))를 포함한다. 이러한 491a 렌즈는 별개의 Z 스캐너(450b)에 존재할 수 있거나 대물렌즈(700)과 통합될 수 있다. 추가 렌즈 그룹은 대물렌즈(700)와 점증 Z 스캐너(450b) 사이에 배치될 수 있다. 대물렌즈(700)는 서로 상대적으로 고정되거나 이동 가능한, 점증 Z 스캐너(450b)로부터의 별도의 하우징에 배치될 수 있다.
점증 Z 스캐너(450b)의 특정 구체예의 파라미터 범위는 레이저 빔에 의해 교차되는 표면에 관하여 표 12.1 내지 12.3에 기술된다:
[표 12.1 싱글렛 렌즈(491a(1)]
Figure 112012047910266-pct00025
[표 12.2 멀티플렛 렌즈(491a(2)]
Figure 112012047910266-pct00026
[표 12.3 멀티플렛 렌즈(491a(3)]
Figure 112012047910266-pct00027
상이한 실행예는 레이저 시스템(1")내에서 상이하게 배치된 Z 스캐너를 가질 수 있다. 일부 경우에서, 연속 Z 스캐너(250b)는 레이저 공급원(100)과 XY 스캐너(300) 사이에 정위될 수 있으며, 점증 Z 스캐너(450b)는 레이저 빔의 경로에서 XY 스캐너(300) 이후에 정위될 수 있다.
다른 구체예에서, 연속 Z 스캐너(250b)는 레이저 빔의 경로에서 XY 스캐너(300) 이후에 정위될 수 있다. 또다른 실행예에서, 연속 Z 스캐너(250b)는 레이저 공급원(100)과 XY 스캐너(300) 사이에 정위된 제 1 블록, 및 레이저 빔의 경로에서 XY 스캐너(300) 이후에 정위된 제 2 블록을 포함할 수 있다.
레이저 시스템(1")의 구체예는 레이저 빔의 개구수(NA) 및 Z 초점 심도를 필수적으로 서로 독립적으로 변경하도록 구성될 수 있다.
일부 구체예는 별도의 하우징에서, 레이저 빔의 경로에서 대물렌즈(700) 이전에 정위된 점증 Z 스캐너(450b)를 갖는다.
레이저 시스템(1")의 일부 실행예는 하기 단계의 방법(493)에 의해 작동될 수 있다:
493(a) - 레이저 공급원(100)에 의해 레이저 빔을 발생시키는 단계,
493(b) - 점증 Z 스캐너(450b)에 의해 레이저 빔의 초점 심도를 Z-스캔하는 단계, 및
493(c) - 연속 Z 스캐너(250b)에 의해 레이저 빔의 초점 심도를 Z-스캔하는 단계.
점증 Z 스캐너(450b)에 의해 Z-스캔하는 493(b) 단계는 점증 Z-스텝(463(i))에서 초점 심도를 Z-스캔함을 포함할 수 있다. 연속 Z 스캐너(250b)에 의해 Z-스캔하는 493(c) 단계는 Z 스텝(463(i))에 상응하는 연속 스캐닝 범위(464(i))에서 초점 심도를 Z-스캔함을 포함할 수 있다.
일부 실행예에서, 하나 이상의 연속 스캐닝 범위(464(i))는 Z 스텝(463(i)) 보다 클 수 있다. 이러한 실행예에서, 초점 심도가 Z 스텝(463(i)) 이전 및 이후에 연속 Z 스캐너(250b))로 Z-스캔되거나 또는 이웃하는 Z 수준(465(i) 및 465(i+1)) 주변에 중심을 가질 수 있는 연속 스캐닝 범위(464(i) 및 464(i+1))는 중첩되어, 안과용 레이저 시스템(1")의 조작자가 준-연속 Z 스캐닝 범위에서 초점 심도를 Z-스캔하게 할 수 있다.
방법(493)의 일부 구체예는, 점증 Z 스캐너(450b)를 각막 Z 수준(465(c))으로 셋팅하고, 연속 Z 스캐너(250b)로 초점 심도를 대략 각막 Z 수준(465(c))으로 Z-스캔함으로써 각막 수술 절차를 수행하고, 점증 Z 스캐너(450b)를 하나 이상의 렌즈 수준(465(i))로 셋팅하고, 연속 Z 스캐너(250b)로 초점 심도를 대략 렌즈 Z 수준(465(i))으로 Z-스캔함으로써 렌즈 수술 절차를 수행함을 포함할 수 있다.
방법(493)은 수차를 타겟 영역(461)에서 한계값 보다 양호하게 유지시킬 수 있다. 여기서, 수차는 구면 수차, 코마, 비점수자, 및 색 수차, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다.
점증 Z 스캐너에 의한 Z-스캐닝의 단계(493(b))는 레이저 빔의 경로 내 및 밖에 점증 Z 스캐너(450b)의 가변성 스테이지(481(i))를 정위시킴을 포함할 수 있다.
이러한 실행예에서, 단계 493(b)는 사전결정된 Z-점증으로 초점 심도를 Z-스캔하는 구성의 순서로 가변성 스테이지(481(i))를 정위시킴을 추가로 포함할 수 있다. 일부 경우에서, 초점 심도는 레이저 빔의 경로로 상이한 가변성 스테이지(481(i))를 이동시킴으로써 2의 상이한 거듭제곱이 곱해진 기본 Z-점증에 비례하여 이동된다.
초점 심도의 Z-스캐닝은 또한 (a) 초점 심도를 연속 Z 스캐너로 제 1 연속 스캐닝 범위의 최대치 부근의 초점 심도까지 Z-스캔하고, (b) 초점 심도를 점증 Z 스캐너를 이용하여 점증 Z 스텝에서 증가시키고, (c) 연속 Z 스캐너를 제 2 연속 스캐닝 범위의 최소치 부근까지 재셋팅하고, (d) 초점 심도를 제 2 연속 스캐닝 범위 내에서 Z-스캔함을 포함할 수 있다.
방법(493)은 레이저 빔의 개구수를 조정하는 것과는 반드시 독립적으로 초점 심도를 Z-스캔할 수 있다.
5. 대물렌즈( Objective , 700)
일부 실행예에서, Z 스캐너(450)에 의해 출사된 레이저 빔은 빔 스플리터/색선별 거울(600)에 의해 대물렌즈(700)로 편향된다. 이러한 거울(600)을 통해 다양한 보조 광들이 또한 레이저 전달 시스템(1)으로 결합될 수 있다. 보조 광원들은 광 간섭 단층촬영 이미징(OCT) 시스템, 조사 시스템 및 가시적인 관찰 블록과 연관된 광을 포함할 수 있다.
대물렌즈(700)는 수술 목표 영역으로의 보조광, 및 XY 스캐너(300) 및 Z 스캐너(450)를 통해 레이저 엔진(100)으로부터 전파되는, XYZ-스캔된 레이저 빔에 대하여 공유된 광학 경로를 제공할 수 있다. 다양한 실행예에서, 대물렌즈(700)는 대물 렌즈 그룹일 수 있다. 일부 실행예에서, 대물 렌즈 그룹의 렌즈들은 서로 상대적으로 이동하지 않는다. 이러한 바와 같이, 대물렌즈(700)는 Z 스캐닝 기능의 일체화된 부분인 반면에, 가변적이거나 동적인 방식으로 Z 스캐닝에 기여하지 않는다. 이러한 실시들에서 그 어떤 렌즈 위치도 대물렌즈(700)에서 조정되어 초점의 Z 초점 심도를 이동시키지 않는다.
대물렌즈(700)의 실시들은 구면 수차, 코마 및 수술 펄스 레이저 빔의 고차 수차 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.
대물렌즈(700)가 상이한 파장의 광을 유도하고 있기에, 대물렌즈(700)의 실시는 색지움 렌즈 그룹을 사용한다. 보조광의 파장은 예를 들어, 0.4 마이크론 내지 0.9 마이크론의 범위에 존재할 수 있고, 수술광의 파장은 1.0 내지 1.1 마이크론 범위에서 존재할 수 있다. 대물렌즈(700)의 실행은 사용된 광의 파장의 범위, 예를 들어, 상기의 실행예에서 0.4 마이크론 내지 1.1 마이크론에 걸쳐 사전결정된 값 아래로 색 수차를 유지한다.
대물렌즈(700)의 중량 또는 질량은 중요한 고려사항이다. 일부 실행예에서, 대물렌즈는 환자의 안구에 기계적으로 접촉한다. 이러한 바와 같이, 이는 안구 상에 압력을 가한다. 압력은 정확하게 목표를 선택하고 수술 레이저 빔을 배향하는 것을 어렵게 하면서, 이완된 구성으로부터 안구를 왜곡시킬 수 있다.
또한, 환자가 수술 절차 동안에 이동하면, 대물렌즈가 환자의 이동에 대하여 가장 작은 저항성을 갖고 이동할 수 있다는 것이 바람직할 수 있다. 비록 대물렌즈의 중량이 스프링 시스템 또는 평행추로 정적으로 균형 맞춰질 수 있더라도, 이러한 척도는 동적힘 또는 관성력을 감소시킬 수 없다. 사실상 이러한 힘은 이러한 척도에 의해 증가될 수 있다. 이러한 고려사항들 모두는 대물렌즈(700)의 중량 또는 질량을 감소시키는 것의 유용성에 대하여 가리킨다.
안과 수술 절차에 대하여 임계력 및 상응하는 대물렌즈 질량을 확인하는 수많은 방법들이 존재한다. 안구에 대한 다양한 영향의 보고서가 예를 들어, 문헌[Determination of Significant Parameters for Eye Injury Risk from Projectiles; Duma SM, Ng TP, Kennedy EA, Stitzel JD, Herring IP, Kuhn F. J Trauma 2005년 10월; 59(4):960-4]에 공개되었다. 이러한 논문은 (ⅰ) 각막 찰과상과 같은 경미한 손상, 수정체탈구와 같은 중간 손상 및 망막 훼손과 같은 심각한 손상을 포함하는, 안구에 대한 훼손의 상이한 형태에 상응하는, 안그에 충격을 가하는 몰체를 보고하였고 충격 물체의 임계 에너지 값을 제공하였다. 또한 논문은 또한, (ⅱ) 몇 퍼센트의 가능성을 나타내는, 낮은 확률로부터, 약 50% 가능성을 나타내는 중간 확률로, 거의 확실한 손상을 나타내는 높은 확률로 손상의 확률을 부여하였다. 또한 논문은 (ⅲ) 충격 물체의 형상에 따른 충격 시나리오, 총 충격 에너지에 따른 분류 및 충격 영역에 의해 정규화된 충격 에너지를 분류하였다.
이러한 결과는 대물렌즈(700)의 기계적인 지지 시스템의 모든 고장에 의해 야기된, 아마 가장 높은 충격 손상을 살핌으로써 안구 수술의 특정한 경우에 적용될 수 있다. 이러한 고장은 안구 자체에 대한 대물렌즈의 에너지 모두를 이송하면서, 20 내지 25㎜의 일반적인 수직 경로에 걸쳐 전체 대물렌즈(700)의 자유낙하를 초래한다. 임계 질량은 공지된 물리적 원리에 따른 대물렌즈의 자유낙하를 모델링하는 공개된 임계 에너지 값으로부터 산출될 수 있다.
이러한 길이의 수직 경로는 다음의 디자인 원리로부터 나올 수 있다. 대물렌즈(700)는 수직 슬라이딩 스테이지(sliding stage) 상에 장착될 수 있어 안구에 대한 갠트리(gantry)에 의해 레이저 전달 시스템(1)의 안전하고 신뢰할만한 도킹(docking)을 제공한다. 수직 갠트리가 대물렌즈(700)를 수용하고 수직 이동 범위 내에 정위되기 때문에, 이러한 디자인은 갠트리 상의 정확성 및 힘 요구조건을 용이하게 한다. 또한, 일단 안구가 도킹되면(docked), 이러한 디자인은 안구가 레이저 전달 시스템(1)에 대한 안구의 부착을 중단하지 않고 레이저원(100)에 대하여 수직으로 이동하도록 한다. 이러한 이동은 수술 침대의 이동 또는 환자의 이동으로 인해 발생할 수 있다. 대물렌즈(700)의 20 내지 25㎜의 수직 이동 범위는 이러한 범위 내에서 환자 운동 및 갠트리력에 대하여 효율적이고 안정하게 완화시킨다.
결국, (ⅳ) 대물렌즈의 제어 시스템 및 하우징의 질량을 감소시키는 수많은 방법이 존재함에 따라, 디자인 고려사항은 대물렌즈(700)의 광학 요소들, 예를 들어, 대물렌즈 그룹에서 단독으로 유리렌즈의 ("광학") 질량이 전체 대물렌즈의 질량에 대하여 더 낮은 경계를 정의한다는 의미에서 임계 질량에 영향을 미치는 반면에, 훨씬 더 단단하여 렌즈의 질량을 감소시킨다. 본 시스템에서 대물렌즈의 총 질량은 단독으로 2배 내지 3배의 렌즈들의 "광학" 질량일 수 있다.
몇몇의 이러한 기준은 임계 질량의 더 분명한 정의를 산출하고, 다른 것들은 단지 분명한 정의로 그 자체를 부여하지 않으면서, 매끄러운 교차 상관성을 산출한다.
상기의 (ⅰ) 내지 (ⅳ) 분류의 가능한 모든 조합으로부터, 임계 질량(MC)의 4개의 상대적으로 분명하고 중요한 정의가 다음과 같이 확인될 수 있다:
(1) MC1 ~ 400 그램: 질량 M < MC1을 갖는 대물렌즈는 실질적으로 최악의 경우 고장 시나리오에서조차 환자에 대한 손상의 위험을 취하지 않는다;
(2) MC2 ~ 750 그램: MC1 < M < MC2 체제에서 질량은 총 충격 에너지를 통해 약간의 각막 찰과상을 야기하는 10%보다 큰 가능성을 가질 수 있다;
(3) MC3 ~ 1,300 내지 1,400 그램: MC2 < M < MC3 체제에서 질량은 어떤 충격 시나리오에서 각막 찰과상을 야기하는 50%의 가능성을 가질 수 있다;
(4) MC4 ~ 3,300 그램: 몇몇 충격 시나리오에서 MC3 < M < MC4 범위에서 질량은 거의 확실한 각막 찰과상을 야기할 수 있고, 영이 아닌 중간 강도의 손상 이상의 가능성을 성장시킬 수 있다.
물론, 이러한 확률 모두는 실제로 발생하는 대물렌즈의 기계적 지지 시스템의 총 고장의 작은 확률로 곱해지는 것이다. 하지만, 안과 적용에서 극한의 척도는 상상할 수 있는 손상 시나리오 모두에 대하여 안내되도록 취해지는 것을 필요로 하지만, 예상 밖에 관련된 상기의 임계 질량을 만든다.
따라서, 상기의 고려사항은 대물렌즈(700)의 총 질량 및 광학 질량에 대하여, 명확한 기준에 따라 4개의 임계 질량을 확인한다. 따라서, 디자인 공정이 상기의 임계 질량들(MC4,..., MC1) 중 어느 하나 아래로 대물렌즈 질량을 감소시키도록 관리하는 대물렌즈(700)의 구체예가 안전한 수술 절차를 위한 질적으로 더 양호한 가능성을 제공한다.
펨토초 안과 레이저를 현존하는 대물렌즈는 현저하게 이러한 4개의 임계 질량들 중 가장 큰, 5000그램 위의 질량을 갖는다. 예외는 Manzi에 의한 미국특허 출원 20030053219호이고, 이는 아마 2,000 내지 3,000 그램의 총 질량으로 유도하는, 단독으로 렌즈들의 광학 질량이 약 1000그램인 렌즈 시스템을 설명한다. Manzi의 디자인은 다른 현존하는 대물렌즈보다 가벼운 반면에, 여전히 꽤 거대하다. 이는 주로 대물렌즈 내부의 렌즈 요소들이 Z 초점 제어에 사용되기에, 대물렌즈의 일체화된 부분인 Z 스캐너로 인한 것이다. 추가적인 질량은 모두 총 질량을 다시 5000그램 위의 값으로 증가시키는, 정밀 기계가공된 하우징, 렌즈를 위한 정밀 선형 가이드 및 서보 모터를 위하여 Manzi에 의해 요구된다.
반면에, 대물렌즈(700)의 다양한 구체예들의 질량은 상기의 4개의 질량 범위들: 0 내지 400 그램, 400 내지 750 그램, 750 내지 1,350그램 및 1,350 내지 3,300 그램의 어떠한 것으로 떨어질 수 있다. 중량은 광학 질량 또는 총 질량 중 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 대물렌즈(700)의 실시에서 렌즈들은 130그램보다 적은 질량을 가질 수 있다. 400그램의 총 어셈블리 질량을 위한 정밀 금속 하우징에서 이러한 렌즈들을 장착하는 것이 실현가능하다.
대물렌즈(700)의 구체예들은 Z 스캐닝 기능을 분리 Z 스캐너(450)로 제거하고, 분리된 기능적 또는 기계적 하우징에 수용함으로써 400그램, 750그램, 1,350그램 및 3,300그램 아래로 이러한 주목할만한 질량 감소를 달성한다. 여기서 용어 "기능적 또는 기계적 하우징(funtional or mechanical housing)"은 전체적으로, 비 기능적 디자인 고려사항은 대물렌즈(700)와 동일한 일반적인 컨테이너로 분리 Z 스캐너(450)를 위치시키는 것을 초래할 수 있으나, 이러한 일반적인 컨테이너는 광학 기능 또는 기계적 목적을 제공하지 않는다는 사실을 언급한다.
일부 구체예에서, 대물렌즈(700)의 질량은 유사한 대물렌즈에 비해서 P(mass) 백분율만큼 감소될 수 있고, 이는 대물렌즈(700)의 광학 특징을 조정함으로써 동적 Z 스캐닝 기능의 적어도 일부를 수행한다. 이러한 특징은 대물렌즈(700)로 일체화되는 전체 Z 스캐너(450) 또는 대물렌즈(700)로 일체화되는 이동 가능한 빔 익스팬더 블록(500) 또는 대물렌즈(700)로 일체화되는 하나 이상의 이동가능한 스캐닝 렌즈일 수 있다. P(mass)는 10%, 50% 또는 100%일 수 있다.
대물렌즈(700)의 또다른 관련된 양태 및 수술 레이저 시스템(1)의 상응하는 디자인은 도 14에 관련되어 설명되었고, 여기서 Z 스캐너(450)의 구체예들이 XYZ-스캔된 레이저 빔을 대물렌즈의 입사 피봇점(PP(O))으로 초점 맞출 수 있다는 것이 도시된다. 빔이 이러한 내부 피봇점(PP(O))을 향하여 수렴함에 따라, 대물렌즈((700) 내부의 입사 피봇점(PP(O))을 갖는 구체예들은 광학 경로의 큰 일부에 걸쳐 훨씬 감소된 빔 반경(rb)을 갖는다. 결국, 감소된 빔 반경(rb)을 갖는 빔은 대물렌즈(700)의 전체 질량의 현저한 감소를 초래하면서, 더 작은 렌즈들에 의해 제어될 수 있다.
상기의 디자인 관점에 따른 대물렌즈(700)의 실시는 표 13에 요약되고 도 19에 도시된다. 대물렌즈(700)의 실행은 Z 스캐너(450)로부터 수술 펄스 레이저 빔을 받아들이는 제 1 렌즈 그룹 및 제 1 렌즈 그룹으로부터 수술 펄스 레이저 빔을 받아들이고 수술 레이저 빔을 목표 영역으로 초점 맞추는 제 2 렌즈 그룹을 포함한다.
표 13은 표면 1 내지 16을 통하여 더 상세하게 도 19의 대물렌즈(700)를 도시한다. 대물렌즈(700)는 9개의 렌즈들(L1 내지 L9)을 갖고 표면(17)을 통하여 환자 인터페이스(800)와 상호작용한다. 앞에서와 같이, 괄호들은 범위를 나타내고 상응하는 파라미터는 추정될 수 있다. (표면 1 및 표면 2는 렌즈들(L1/L2)의 더블릿(doublet)을 정의하고, 표면 8 및 표면 9는 렌즈들(L5/L6)의 더블릿(doublet)을 정의하며, 이에 18 대신에 16이다.)
[표 13]
Figure 112012047910266-pct00028
다른 실행예에서, 상이한 수의 렌즈들은 상이한 파라미터 범위와 사용될 수 있고, 이는 상기의 디자인 고려사항을 비교적 꽤 만족시킨다.
일부 실행예에서, 대물렌즈(700)는 렌즈 그룹에 대하여 설명될 수 있다. 예를 들어, 대물렌즈(700)는 XYZ-스캔된 레이저 빔을 Z 스캐너(450)로부터 받아들이는 제 1 렌즈 그룹, 및 레이저 빔을 제 1 렌즈 그룹으로부터 받아들이는 제 2 렌즈 그룹을 포함한다. 제 2 렌즈 그룹은 1.54 내지 1.72의 범위에서 굴절률을 갖는 제 1 렌즈, 37.9 내지 65 1/m의 범위에서 곡률을 갖는 입사 표면 및 -15.4 내지 5.2 1/m의 범위에서 곡률을 갖는 출사 표면을 포함할 수 있다. 또한, 제 2 렌즈 그룹은 또한 1.56 내지 1.85의 범위에서 굴절률을 갖는, 0 내지 6.5㎜의 범위에서의 거리만큼 제 1 렌즈로부터 분리된 제 2 렌즈, -55.1 내지 -21.8 1/m의 범위에서 곡률을 갖는 입사 표면 및 11.4 내지 26.8 1/m의 범위에서 곡률을 갖는 출사 표면을 포함할 수 있다. 대물렌즈(700)는 레이저 빔을 제 2 렌즈를 통해 환자 인터페이스(800)로 출사할 수 있다.
일부 실행예에서, 대물렌즈(700)의 효율적인 초점 길이는 70㎜보다 적다.
일부 구체예에서, 대물렌즈(700)로부터 환자 인터페이스(800)까지의 거리는 20㎜보다 적다.
몇몇 디자인에서 레이저 전달 시스템(1)의 초점면의 곡률은 20 1/m보다 크다.
전체적인 수술 레이저 시스템(1) 및 대물렌즈(700)의 수많은 다른 실행은 또한 상업적으로 이용가능한 광학 디자인 소프트웨어 패키지 예를 들어 Zemax Development Corporation의 Zemax 또는 Optical Research Associates의 Code V를 사용함으로써 본 적용에 걸쳐 표현된 디자인 원리에 부착되도록 생성될 수 있다.
6. 전체적인 시스템 광학 성능
다양한 실행예에서, 서브시스템들, 선보정기(200), XY 스캐너(300), Z 스캐너(450) 및 대물렌즈(700)의 파라미터들은 상호의존적인 방식으로 최적화될 수 있어, 전체 레이저 전달 시스템(1)의 광학 성능은 예를 들어, 안과 수술 적용에 특별하게 유용한 성질을 나타낼 수 있다.
표 14a와 표 14b는 스트렐 비(S) 및 개구수(NA)에 대하여 제 1 및 제 2 실행예에서 전체적인 레이저 전달 시스템(1)의 광학 성능을 요약한다. 다시 광학 성능은 상기의 기준점들(P1, ...P5)과 유사한 기준점들에서 특징지어진다. 표 14a와 표 14b는 레이저 빔을 각각 각막의 중심(A), 각막의 주변(B), 렌즈의 중심(C) 및 렌즈의 주변(D)으로 전달하는, 구성들(A, B, C, D)에서 구성요소들을 갖는 레이저 전달 시스템(1)의 광학 성능을 도시한다. 이러한 기준점들은 수정체 상의 안과 수술을 수행하는 시도와 관련된, 수술 볼륨을 나타낸다.
표 14a와 표 14b는 특정한 값을 갖는 기준점들의 방사방향 좌표를 도시한다. 하지만, 다른 구체예에서 NA 및 S는 특정한 방사방향 좌표 "주위의(around)" 동일한 각각의 범위에서 값을 추정한다. 몇몇 경우에, 용어 "주위의(around)"는 도시된 방사방향 좌표값의 P(radial) 백분율 내의 방사방향 좌표의 범위를 나타내고, 여기서, P(radial)은 10%, 20% 및 30% 중 하나일 수 있다. 예를 들어, 7.2㎜와 8.8㎜의 범위에서 z 방사방향 좌표를 갖는 점들은 "렌즈(lens), 중심(center)" 기준점의 z= 8.0㎜ 방사방향 좌표의 P(radial) = 10% 근방 내에 존재한다.
또한, 일부 구체예에서, NA 및 S는 B, C, D 구성에 대하여 나열된 3개의 개별적인 범위 중 1개에서만 떨어진다. 몇몇 다른 구체예에서, NA 및 S는 표 11a와 표 11b에서 B, C, D 구성에 대하여 나열된 3개의 개별적인 범위 중 2개로 떨어진다.
가시적으로, 설명된 레이저 전달 시스템은 전체적인 렌즈 수술 볼륨에 걸쳐 실질적으로 회절 제한된 광학 성능으로 꽤 보정된다.
[표 14a]
Figure 112012047910266-pct00029
[표 14b]
Figure 112012047910266-pct00030
이러한 디자인들 모두가 회절 제한된 시스템으로 고려되기에, 0.8보다 높은 스트렐 비(S)를 갖는 유사한 디자인은 상기의 나열된 디자인에 동등하게 고려될 수 있다.
다른 수차 척도들, 예를 들어 초점 반경(rf)은 또한 스트렐 비(S) 이외에 사용될 수 있어 레이저 전달 시스템(1)의 전체적인 광학 성능을 특징짓는다. 큰 개구수(NA)들과 조합된 큰 스트렐 비가 구성들(A 내지 D)에 걸쳐 작은 초점 반경(rf)들로 옮겨지기에, 초점 반경(rf)은 안구 목표 영역에서 몇몇의 실행예에서는 2 마이크론 아래로, 다른 실행예에서는 4 마이크론 아래로, 또 다른 실행예에서는 10 마이크론 아래로 위치할 수 있다.
더 정확하게 레이저 전달 시스템의 성능을 특징짓고 빔 전파에서 렌즈 및 각막의 실질적인 영향을 나타내기 위하여, 표 14a와 표 14b의 NA 및 S값은 광학 디자인의 일체화된 부분으로서 눈을 포함하는 시스템을 디자인함으로써 파생되어 왔다. 몇몇 디자인에서, 안구는 자연형으로 모델링된다. 다른 디자인에서는 안구의 압평(applanation)의 정도가 실제 수술 조건을 나타내도록 의도된다.
표 15는 도 19에서 모델 인간 안구(850)에 의해 도시된 바와 같이, 관련된 안구 조직의 단순한 모델을 요약한다. (표면의 번호 붙이기는 환자 인터페이스(800)를 각막 조직에 연결하는 표면, 표면 18로 시작하여, 표 13의 번호 붙이기를 계속하도록 선택되었다.) 안구 조직은 (공유된 표면(18)을 통해 환자 인터페이스로부터 들어가는) 0.6㎜ 두께 각막, (표면(19)을 통해 각막으로부터 들어가는) 안방수 및 (표면(20)을 통해 안방수로부터 들어가는) 수정체에 의해 모델링될 수 있다. 안구 표면의 분리는 렌즈 표면들(1 내지 16)의 분리와 유사하게 처리된다.
[표 15]
Figure 112012047910266-pct00031
표 14a와 표 14b의 NA 및 S 값들은 안구 조직의 이러한 모델을 사용하여 계산되었다. 안구의 관련된 모델들은 비교할만한 수차 척도들을 초래한다.
추가적인 분리 양태에서, 일부 실행예에서, 전체 레이저 전달 시스템(1)의 광학 디자인은 광학 수단에 의해 보정되지 않는 필드 곡률 및 약간의 왜곡을 벗어남으로써 단순화될 수 있다.
도 20은 몇몇 시스템에서 이러한 디자인 원리가 수술 시스템의 위치 정확성을 덜 바람직하게 할 것이라는 것을 도시한다. XY 스캐너(300)의 거울이 1도 단계로 스캔하고 Z 스캐너(450)는 5도 단계로 이동가능한 빔 익스팬더(500)를 이동시킴으로써 Z 초점 심도를 스캔함에 따라 모점(square dot)들은 초점의 위치를 나타낸다. 가시적으로, Z 초점 심도를 일정하게 유지하는 동시에 초점의 XY 스캔된 위치로서 정의된 "초점면(focal plane)"은 구부러진다. 좌우 주변에서 커팅 깊이는 더 얕고 보정되지 않는 필드 곡률을 갖는 렌즈의 공지된 거동과 일치한다.
마찬가지로, XY 스캐너(300)의 거울들이 고정되도록 유지되고 Z 스캐너(450)가 Z 초점 심도를 스캔하면, 초점의 좌우 위치가 변한다. 디자인을 더 복잡하게 하면, 방사방향 좌우 XY 위치도 Z 초점 심도도 개별적인 스캐너 위치에 대하여 선형 의존성을 나타내지 않는다. XY 평면에서 이러한 왜곡은 배럴(barrel) 왜곡 또는 핀쿠션(pincushion) 왜곡이라 불린다. (많은 실행예에서, 제3 좌표, XY 스캐너(300)의 방위각은 초점 위치의 방위각으로 변하지 않게 이송되고, 이에 따라 억제될 것이다.)
도 21은 레이저 전달 시스템(1)의 몇몇 실시가 어떻게 설명된 시도에 대하여 신규하고 컴퓨터를 이용한 해결안을 제공하는지를 도시한다. 스캐너 좌표는 공간 좌표
Figure 112012047910266-pct00032
로 주어지고, 여기서
Figure 112012047910266-pct00033
은 Z 스캐너(450)의 위치이고,
Figure 112012047910266-pct00034
은 광학축으로부터 XY 스캐너(300)의 경사각이며,
Figure 112012047910266-pct00035
은 방위각이다. 초점 위치는 실린더 초점 좌표
Figure 112012047910266-pct00036
에 의해 주어지고, z는 Z 초점 심도이고, r은 광학축으로부터 방사방향 거리이며,
Figure 112012047910266-pct00037
는 방위각이다.
초점 위치의 방위각은 실질적으로 스캐너의 방위각과 동일할 수 있고 이에 따라 도시되지 않는다. 남은 XY 및 Z 스캐너 좌표
Figure 112012047910266-pct00038
는
Figure 112012047910266-pct00039
으로서 정의된, 스캐닝 그리드 및 상응하는 스캐너 매트릭스(Cij)를 정의하는, 개별적인 스캐닝 간격 내에서 구분된다. 실제 스캐너 좌표가 값
Figure 112012047910266-pct00040
을 추정한다면, 이어서 스캐닝 매트릭스(Cij)는 이러한 특정한(i0, j0) 쌍에서 1이고, 모든 다른(i,j) 쌍에 대하여 영이다.
유사하게는, 초점 위치는 2차원 초점 매트릭스(Skl)에 의해 특징지어질 수 있고, 여기서 Skl은 구분된 방사방향 및 Z 깊이 초점 좌표(zk, rl)에 관련된다. 스캐너 매트릭스(Cij) 및 초점 매트릭스(Skl)에 대하여, 레이저 전달 시스템(1)의 광학 성능은 4차원 트랜스퍼 매트릭스(Tijkl)로 특징지어질 수 있고, 이는 일반적으로 어떻게 스캐너 좌표 가 초점 좌표(Zk, rl)로 변환하는지를 표시한다: 일반적으로 S = TC 또는 상세하게:
Figure 112012047910266-pct00041
트랜스퍼 매트릭스(Tijkl)가 스캐너 매트릭스(Cij)와 초점 매트릭스(Skl) 사이의 선형 연결을 표시하는 반면에, 몇몇 다른 실행예에서 비선형 관계가 스캐너 매트릭스(Cij)와 초점 매트릭스(Skl) 사이에서 존재할 수 있다. 이러한 실행예에서 수학식(5)는 비선형 연결에 의해 대체된다.
레이저 전달 시스템(1)은 컴퓨터를 이용한 광선 추적, 물리적 보정 또는 이 모두의 조합에 의해 트랜스퍼 매트릭스(T)의 요소를 최적화하도록 디자인될 수 있다. 물리적 보정 방법의 실행은 미국 특허출원 US20090131921호에 설명되고, 이는 이러한 목적에 사용될 수 있다.
일반적으로, 트랜스퍼 매트릭스(T)는 역으로 될 수 있고 역 트랜스퍼 매트릭스(T1)를 생성하는 데에 사용될 수 있고, 이는 초점 매트릭스(Skl)의 요소를 스캐너 매트릭스(Cij)에 연결한다.
대안적으로, 일부 구체예에서, 역 트랜스퍼 매트릭스(T1)는 목표 영역에서 원하는 초점 매트릭스(Skl)로 컴퓨터를 이용한 디자인 공정을 시작함으로써 직접 결정될 수 있고, 예를 들어 광선 추적을 사용하여 상응하는 스캐너 매트릭스(Cij)를 재구성한다.
도 21과 도 22는 이러한 관계를 도시한다. 이러한 도면들은 z축 및 r축에 도시된, 빔을 (zk, rl) 초점 좌표에 초점 맞추기 위하여 XY 스캐너(300) 또는 Z 스캐너(450)이 세부 조정될 수 있는
Figure 112012047910266-pct00042
스캐너 좌표를 도시하는, 노모그램(nomogram)이다.
도 21은 (z, r) 초점 좌표에 상응하는, XY 스캐너(300)의 경사 각도를 도시한다. 실시예로서, z = 6㎜의 Z 깊이 및 r = 4㎜의 방사방향 위치를 달성하기 위하여, 사선들은
Figure 112012047910266-pct00043
=6.4도의 XY 스캐너 경사 각도가 사용될 수 있다는 것을 나타낸다.
도 22는 동일한 (z,r) = (4,6) 초점 좌표를 달성하기 위하여, Z 스캐너 위치
Figure 112012047910266-pct00044
=15.5㎜가 사용될 수 있다는 것을 도시한다. 컴퓨터를 사용하여, 노모그램은 룩-업 테이블(look-up table)과 같이 컴퓨터 메모리에 저장될 수 있다. 저장된 룩-업 좌표들 사이에서 값들은 2차원 선형 또는 이차 보간법에 의해 신속하게 결정될 수 있다.
트랜스퍼 매트릭스(T) 및 이의 역(T1)의 정보는 레이저 전달 시스템(1)의 구체예가 광학 방법 대신에 컴퓨터를 이용한 방법에 의해 도 20의 수차를 보정하도록 한다. 이러한 구체예들은 컴퓨터를 이용한 컨트롤러를 포함할 수 있고, 이는 Z 스캐너(450) 및 XY 스캐너(300) 중 적어도 하나를 제어하여 레이저 전달 시스템(1)의 광학 왜곡을 제어할 수 있다.
도 23은 예를 들어, 감소된 광학 왜곡을 갖는 스캐닝 패턴, 예를 들어 사전결정된 Z 초점 심도(z)에서 평평한 초점면을 따르는 스캐닝이 목표 영역에서 원한다면, 컴퓨터를 이용한 컨트롤러는 다음의 컴퓨터를 이용한 제어 방법(900)의 단계들을 수행할 수 있다.
(910): 목표 영역에서 감소된 광학 왜곡을 갖는 스캐닝 패턴에 상응하는 초점 매트릭스(Skl)의 입사(zk, rl) 초점 좌표 및 요소 중 적어도 하나를 받아들이는 단계;
(920): 사전결정된 역 트랜스퍼 매트릭스(T1)ijkl를 이용하여, 초점 매트릭스(Skl)의 입사(zk, rl) 초점 좌표 또는 요소에 상응하는 스캐너 매트릭스(Cij)의 스캐너 좌표 및 요소 중 적어도 하나를 저장된 메모리로부터 산출하거나 호출하는 단계; 및
(930): 산출된 스캐너 좌표에 상응하는 XY 스캐너(300) 및 Z 스캐저(450) 중 적어도 하나를 제어하고 초점 매트릭스(Skl)의 입사(zk, rl) 초점 좌표 또는 요소에 상응하는 초점을 스캔하는 단계.
이러한 컴퓨터를 이용한 컨트롤러를 갖는 레이저 전달 시스템은 이러한 컨트롤러 없이 동일하거나 유사한 레이저 시스템에 대한 광학 왜곡을 감소시킬 수 있다. 감소의 정도는 일부 구체예에서, 10%만큼일 수 있고, 다른 구체예에서는 30%만큼일 수 있다.
감소된 광학 왜곡은 Z 축에 대하여 평행하도록 의도된, 수차, 시야 곡률, 배럴 왜곡, 핀쿠션 왜곡, 구부러진 초점면, 및 휜 스캐닝 라인 중 어느 하나일 수 있다.
일부 실행예에서, 컴퓨터를 이용한 컨트롤러는 아마도, 상기에 설명된 특성들 중 어떤 것을 사용하여, 선보정기(200), XY 스캐너(300), Z 스캐너(450) 및 대물렌즈(700)를 포함하는, 레이저 전달 시스템의 다른 블록들과 함께 이러한 기능들을 수행한다.
가능하고 유사한 실시의 수는 광학 수차를 감소시키는 컴퓨터를 이용한 제어의 원리에 따라, 꽤 크다. 예를 들어, 일부 구체예들에서 컴퓨터를 이용한 컨트롤러는 임계 곡률 값 아래로 곡률을 갖는 초점면에 걸쳐 초점을 스캔할 수 있다. 몇몇 다른 실행예에서 사전결정된 형상을 갖는 표면은 컴퓨터를 이용한 컨트롤러의 적절한 작동으로 스캔될 수 있다.
이러한 문헌은 많은 세부사항을 포함하는 반면에, 이는 발명 또는 청구될 수 있는 것의 범위에 대한 제한이기 보다는 본 발명의 특정한 구체예에 대한 특정한 특징의 설명으로서 구성되어야 한다. 분리된 구체예들의 문맥에서 본 문헌에서 설명된 특정한 특성은 또한 단일 구체예에서 조합으로 실시될 수 있다. 역으로, 단일 구체예의 문맥에서 설명된 다양한 특성들이 또한 어떤 보조조합 또는 분리된 다중의 구체예들에서 실시될 수 있다. 또한, 특징들이 특정한 조합으로 작용하고 심지어 이러한 바와 같이 초기에 청구된 바와 같이 상기에 설명되더라도, 청구된 조합으로부터 하나 이상의 특성이 몇몇 경우에 조합으로부터 삭제될 수 있고, 청구된 조합은 보조 조합의 변형 또는 보조 조합으로 지시될 수 있다.
많은 이미징 가이드된 레이저 수술 기술, 장치 및 시스템의 실시가 개시된다. 하지만, 설명된 실시의 변형 및 향상, 및 다른 실시가 설명된 것을 기초로 하여 구성될 수 있다.

Claims (39)

  1. 레이저 펄스의 레이저 빔을 발생시키는 레이저 공급원;
    레이저 빔을 Z축에 대해 횡방향으로 스캔하는 XY 스캐너;
    레이저 빔을 Z축을 따라 스캔하는 Z 스캐너로서, Z축을 따라 레이저 빔의 연속 스캐닝(continuous scanning)을 제공하는 연속 Z 스캐너(continuous Z scanner) 및 Z축을 따라 레이저 빔의 점증 스캐닝(incremental scanning)을 제공하는 점증 Z 스캐너(incremental Z scanner)를 포함하는 Z 스캐너를 포함하고, 상기 점증 Z 스캐너가, 레이저 빔의 경로 내에 및 경로 밖에 정위될 수 있는 하나 이상의 가변성 스테이지(variable stage)를 갖는, 안과용 레이저 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    점증 Z 스캐너가 안과용 레이저 시스템의 초점 심도(focus depth)를 Z 스텝(Z step)까지 점증 방식으로 Z-스캔하도록 구성되며,
    연속 Z 스캐너가 안과용 레이저 시스템의 초점 심도를 Z 스텝에 상응하는 연속 스캐닝 범위에서 연속 방식으로 Z-스캔하도록 구성되는, 안과용 레이저 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    Z 스캐너가, 연속 스캐닝 범위가 하나 이상의 Z 스텝 보다 크도록 구성되며,
    이에 의해 초점 심도가 이웃하는 Z 스텝에서 연속 Z 스캐너로 Z-스캔될 수 있는 연속 스캐닝 범위가 중첩되며,
    안과용 레이저 시스템의 조작자(operator)가 초점 심도를 준-연속 Z 스캐닝 범위에서 Z-스캔할 수 있는, 안과용 레이저 시스템.
  4. 제 3항에 있어서, 전체 Z 스캐닝 범위가 0 내지 5 mm, 5 내지 10 mm, 10 내지 30 mm 및 0 내지 15 mm의 범위들 중 한 범위 내의 길이를 갖는, 안과용 레이저 시스템.
  5. 제 2항에 있어서, 점증 Z 스캐너가, 수술의가 각막 Z 수준(corneal Z level) 주변의 연속 스캐닝 범위에서 각막 안과 수술(corneal ophthalmic procedure)을 수행할 수 있게, 초점 심도를 각막 Z 수준으로 셋팅할 수 있고, 수술의가 하나 이상의 렌즈 Z 수준 주변의 연속 스캐닝 범위에서 렌즈 안과 수술(lens ophthalmic procedure)을 수행할 수 있게, 초점 심도를 하나 이상의 렌즈 Z 수준(lens Z level)으로 셋팅할 수 있는, 안과용 레이저 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, Z 스캐너가 레이저 빔의 수차(aberration)를 타겟 영역에서의 한계값(threshold value)보다 높거나 낮게 유지하도록 구성된, 안과용 레이저 시스템.
  7. 제 6항에 있어서, 안과용 레이저 시스템의 수차가 스트렐 비(Strehl ratio) S에 의해 특징될 수 있으며, 스트렐 비 S가 타겟 영역에서의 한계값 S(한계) 보다 크며, S(한계)는 0.6, 0.7, 0.8, 및 0.9의 값들 중 하나인, 안과용 레이저 시스템.
  8. 제 7항에 있어서, 스트렐 비 S가 0.4 마이크론 내지 1.1 마이크론 범위의 파장을 갖는 레이저 빔에 상응하는, 안과용 레이저 시스템.
  9. 제 7항에 있어서, 스트렐 비 S가 타겟 영역에서의 5개의 기준점 중 하나 이상에서 S(한계) 보다 높으며,
    5개의 기준점이, 타겟 영역에서의 이의 원통 좌표(z, r)에 의해, 타겟 영역의 전면 및 중심인 (0, 0)에 대해, 임의의 방위각(φ)에서 모두 밀리미터로, P1=(0,0), P2=(2,6), P3=(5,0), P4=(8,0), P5=(8,3)으로서 결정되는, 안과용 레이저 시스템.
  10. 제 6항에 있어서, 안과용 레이저 시스템의 수차가 초점 반경(rf)에 의해 특징될 수 있으며, 초점 반경(rf)이 타겟 영역에서의 한계값 rf(한계) 보다 작으며, rf(한계)가 2, 3, 4, 5 및 6 마이크로미터 중 하나인, 안과용 레이저 시스템.
  11. 제 10항에 있어서, 초점 반경(rf)가 타겟 영역에서의 5개의 기준점들 중 하나 이상에서 rf(한계) 보다 작으며, 5개의 기준점이, 타겟 영역에서의 이의 원통 좌표(z, r)에 의해, 타겟 영역의 전면 및 중심인 (0, 0)에 대해, 임의의 방위각(φ)에서 모두 밀리미터로, P1=(0,0), P2=(2,6), P3=(5,0), P4=(8,0), P5=(8,3)으로서 결정되는, 안과용 레이저 시스템.
  12. 제 6항에 있어서, 수차가 구면 수차, 코마(coma), 비점수차(astigmatism) 및 색 수차 중 하나인, 안과용 레이저 시스템.
  13. 제 6항에 있어서, Z 스캐너가 타겟 영역에서 안과용 시스템의 초점 심도를 Z-스캔하는 Z 스캐너에 의해 야기되는 수차를 일부 또는 전부 보정하도록 구성되는, 안과용 레이저 시스템.
  14. 제 1항에 있어서, 가변성 스테이지가 사전결정된 Z 스텝에서 레이저 빔의 초점 심도를 이동시키는 구성의 시퀀스(sequence of configuration)에 정위될 수 있는, 안과용 레이저 시스템.
  15. 제 1항에 있어서, 상이한 가변성 스테이지가 2의 상이한 거듭제곱(different powers of 2)을 곱한 기본 Z-스텝 길이에 비례하게 초점 심도를 이동시키도록 구성되는, 안과용 레이저 시스템.
  16. 제 15항에 있어서, 가변성 스테이지의 수가 1, 2, 3 및 4개 중 하나인, 안과용 레이저 시스템.
  17. 제 1항에 있어서, 가변성 스테이지에 의해 야기된 수차가 기능적 멀티플렛 렌즈(functional multiplet lens)를 포함하는 가변성 스테이지에 의해 일부 또는 전부 보정되는, 안과용 레이저 시스템.
  18. 제 1항에 있어서, 가변성 스테이지에 의해 야기되는 수차가 0이 아닌 굽힘 파라미터(bending parameter)를 갖는 싱글렛 렌즈(singlet lens)를 포함하는 가변성 스테이지에 의해 일부 또는 전부 보정되는, 안과용 레이저 시스템.
  19. 제 1항에 있어서, 가변성 스테이지가 기계 슬라이더, 기계 구동기, 회전 암(rotating arm), 및 전기기계 장치 중 하나 이상에 의해 레이저 빔의 경로로 이동될 수 있는, 안과용 레이저 시스템.
  20. 제 1항에 있어서, 연속 Z 스캐너가, 상이한 가변성 스테이지가 레이저 빔의 경로에 정위될 때 사전결정된 연속 스캐닝 범위에서 레이저 빔의 초점 심도를 스캔하도록 구성되며, 사전결정된 연속 범위가 상이한 가변성 스테이지에 대해 상이한 범위 및 상이한 가변성 스테이지에 대해 동일한 범위 중 하나인, 안과용 레이저 시스템.
  21. 제 1항에 있어서, 연속 Z 스캐너가 레이저 공급원과 XY 스캐너 사이에 정위되어 있으며, 점증 Z 스캐너가 레이저 빔의 경로에서 XY 스캐너 이후에 정위되어 있는, 안과용 레이저 시스템.
  22. 제 1항에 있어서, 연속 Z 스캐너가 레이저 빔의 경로에서 XY 스캐너 이후에 정위되어 있는 안과용 레이저 시스템.
  23. 제 1항에 있어서, 연속 Z 스캐너가 레이저 공급원과 XY 스캐너 사이에 정위된 제 1 블록, 및 레이저 빔의 경로에서 XY 스캐너 이후에 정위된 제 2 블록을 포함하는, 안과용 레이저 시스템.
  24. 제 1항에 있어서, Z 스캐너가 레이저 빔의 Z 초점 심도 및 개구수(numerical aperture)를 서로 독립적으로 변경시키도록 구성되는, 안과용 레이저 시스템.
  25. 제 1항에 있어서, Z 스캐너가 대물렌즈(objective)로부터 별도의 하우징에 및 레이저 빔의 경로에서 대물렌즈 앞에 정위되어 있는, 안과용 레이저 시스템.
  26. 삭제
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  36. 펄스화된 레이저 빔을 발생시키기 위한 레이저 공급원;
    Z축에 대해 횡방향으로 레이저 빔을 스캔하기 위한 XY 스캐너,
    연속 Z 스캐너, 및
    레이저 빔의 경로 내에 및 경로 밖에 정위되도록 구성된 가변성 스테이지를 포함하는, Z축을 따라 레이저 빔을 스캔하기 위한 가변성 스테이지 Z 스캐너를 포함하는, 스캐닝 레이저 시스템.
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