KR102436749B1 - 시각적 성능 개선을 위한 구면수차 제어 설계가 적용된 콘택트 렌즈 - Google Patents

Abstract

시각적 성능 개선을 위한 구면수차 제어 설계가 적용된 콘택트 렌즈를 개시한다. 본 발명에 따른 시각적 성능 개선을 위한 구면수차 제어 설계가 적용된 콘택트 렌즈는 구면설계 방식에 의해서 설계된 기 결정된 내측 곡률을 갖는 렌즈의 내측면 및 비구면 설계 방식에 의해서 설계된 기 결정된 외측 곡률을 갖는 렌즈의 외측면으로 구성된다.

Description

시각적 성능 개선을 위한 구면수차 제어 설계가 적용된 콘택트 렌즈{Contact Lenses with Spherical Aberration Control Design for Improved Visual Performance}

본 발명은 콘택트 렌즈에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 시각적 성능 개선을 위한 구면수차 제어 설계가 적용된 콘택트 렌즈에 관한 것이다.

근시 또는 근시안은 이미지로부터의 광선이 망막에 도달하기 전의 점에 초점이 맞춰지는 눈의 광학 또는 굴절 결함이다. 근시는 일반적으로 물체의 초점 위치보다 안구가 길거나 각막이 너무 가파르기(steep) 때문에 발생한다. 마이너스 또는 음 도수 렌즈 (minus or negative powered lens)가 근시를 교정하는 데 이용될 수 있다.

또한 원시 또는 원시안은 이미지로부터의 광선이 망막에 도달한 후의 또는 망막 후방의 점에 초점이 맞춰지는 눈의 광학 또는 굴절 결함이다. 원시는 일반적으로 물체의 초점 위치보다 안구가 짧거나 각막이 너무 편평하기(flat) 때문에 발생한다. 플러스 또는 양 도수 렌즈 (plus or positive powered lens)가 원시를 교정하는데 이용될 수 있다.

일반적으로 콘택트 렌즈에서는 근시와 원시 교정을 제공하는 중앙 광학부를 갖추고 있다. "구면 콘택트 렌즈(spherical contact lense)＂라는 용어는 구형 또는 거의 구형의 표면을 갖는 근시 또는 원시 교정용 콘택트 렌즈를 지칭하는 데 종종 이용된다.

선행기술 1은 "동공 아포다이제이션을 이용한 개선된 시각적 성능 및 최소화된 헤일로를 갖는 콘택트 렌즈"를 개시한다. 선행기술 1에는 감소된 동공 에지 파면 수차, 감소된 헤일로(halo) 및 감소된 광 산란을 갖는, 시각적 성능을 개선하도록 설계된 소프트 콘택트 렌즈를 개시된다. 선행기술 1에는 소프트 콘택트 렌즈는 렌즈 진폭 투과 프로파일을 변조하기 위해 동공 아포다이제이션(pupil apodization)을 이용하여 설계된다는 내용이 개시되어 있다.

선행기술 2는 "선택된 구면 수차 특성을 갖는 원환체 안과용 렌즈"를 개시한다. 선행기술 2에는 제1 직경을 갖는 제1 원형 개구에 대해 실질적으로 0인 구면 수차와 제2 직경을 갖는 제2 원형 개구에 대해 실질적으로 0인 구면 수차를 갖고, 상기 제1 직경은 4mm 이상이고 상기 제2 직경은 3mm 이상이며, 상기 제1 직경은 상기 제2 직경보다 0.5mm 이상 더 큰 원환체 안과용 렌즈에 대한 내용이 개시되어 있다.

하지만, 선행기술 1에서 제시하는 방식에 따르면 기존의 구면설계 기반의 콘택트 렌즈로 렌즈 도수(power)가 설정되어 있는 상황에서 자연로그(exp)함수로 대체하려고 한다면, 도수(power) 매칭의 문제로 인해 소비자 및 검안사들에게 큰 혼란을 가중할 수 있다. 또한, 단일 도수에 대해서는 복잡한 설계를 적용하여 만들 수 있으나, 여러 도수에 대하여 도수 확장시에는 설계가 어려우며, 이러한 제품의 측정, 검증 하기도 어려움으로 대량 생산에 큰 어려움을 가지고 있다.

또한, 선행기술 2에서 제시하는 방식에 따르면 구면수차를 0 으로 설계한 비구면 렌즈는 실제 사람의 눈에는 맞지 않아서 상이 잘 맺히지 않으며, 도수(power) 매칭에 큰 문제를 가지고 있다. 그리고, 단일 도수에 대해서는 복잡한 설계를 적용하여 만들 수 있으나, 여러 도수에 대하여 도수 확장시에는 설계가 어려우며, 이러한 제품의 측정, 검증 하기도 어려움으로 대량 생산에 큰 어려움을 가지고 있다.

상술한 종래 기술에서 알 수 있는 바와 같이, 구형의 전면 또는 후면이 만족할 만한 시력을 제공하는 경우에도, 렌즈의 기하형상에 기인하여 렌즈에 구면 수차(spherical aberration)가 발생될 수 있다. 이러한 구면 수차는 망막에 정상적인 초점외의 노이즈를 발생시켜 상흐림 및 빛 번짐등을 발생하게 되어 렌즈 착용자에게 피로감이나 어지러움을 야기하게 된다.

이를 해결하기 위해 비구면설계만을 적용할 경우 시력 매칭의 문제가 발생하여 근시 또는 원시 환자에게 적절한 도수의 렌즈를 찾기 어려운 문제가 발생하기도 한다.

특히 대량 생산에 의해 불특정 다수에게 제공되는 소프트콘택트렌즈의 특성으로 개개인의 안구에 항상 적당한 성능을 보증하기 어려운 상황에 있다. 이로 인해 소프트콘택트렌즈의 성능이 맞지 않는 사람들에게서는 상흐림 또는 빛 번짐 등의 부작용이 발생하여 이로 인해 피로감이나 어지러움을 호소하는 상황이 종종 발생하는 문제점이 지적되고 있다.

특허문헌 1 : 공개특허 제10-2018-0020909호 (2018.02.28) 특허문헌 2 : 공개특허 제10-2011-0067142호 (2011.06.21)

상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 구면 수차를 보상하는 비구면 설계 방법을 제공하되, 적절한 파워 매칭을 위하여 비구면 설계 기법을 구면 설계 기반으로 제공하고자 한다.

즉, 본 발명은 보편적으로 상흐림과 빛 번짐을 감소 또는 개선 할 수 있는 시각적 성능 개선을 위한 구면수차 제어 설계가 적용된 콘택트 렌즈를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 시각적 성능 개선을 위한 구면수차 제어 설계가 적용된 콘택트 렌즈는 구면설계 방식에 의해서 설계된 기 결정된 내측 곡률을 갖는 렌즈의 내측면; 및 비구면 설계 방식에 의해서 설계된 기 결정된 외측 곡률을 갖는 렌즈의 외측면;으로 구성된다.

이 경우에, 상기 렌즈의 외측면은, 하기 수학식에 따라 외측 곡률이 결정되는 것을 특징으로 하는 콘택트 렌즈.

(여기서, r는 정점으로부터의 반경 방향 거리, C는 1/R이며, R은 구면 설계의 곡률 반경, k는 형상 계수(또는 -e² 이며, 여기서 e는 편심률)).

이 경우에, -5.00 내지 -10.00 디옵터의 제1 도수 범위에서 렌즈 도수와 구면 수차 사이의 제1 기울기 변화값을 갖는다.

이 경우에, -10.00 디옵터 이상의 제2 도수 범위에서 렌즈 도수와 구면 수차 사이의 제2 기울기 변화값은, 상기 제1 기울기 변화값보다 작게 설계한다.

한편, 상기 콘택트 렌즈의 동공 영역내의 파워 편차는 구면 설계된 콘택트 렌즈의 파워 편차보다 감소시켜서 설계한다.

한편, 모든 도수의 렌즈에서 구면수차량이 0.25이하의 값을 갖는다.

본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 구면 수차를 보상하는 비구면 설계 방법을 채택하되, 적절한 파워 매칭을 위하여 비구면 설계 기법을 구면 설계 기반으로 제공함으로써 상흐림과 빛 번짐을 감소 또는 개선 할 수 있는 효과를 발휘한다.

도 1은 -7.5 디옵터 근시 렌즈에 대한 도수 측정 결과 화면,
도 2는 구면 렌즈에서 발생하는 구면 수차를 예시적으로 설명하는 도면,
도 3은 근시 렌즈의 구면 수차 그래프를 나타내는 도면,
도 4는 -7.5 디옵터 근시 렌즈에서 상흐림과 빛 번짐의 원인을 설명하기 위한 도수 측정 결과 화면,
도 5는 -7.5 디옵터 렌즈의 구면 수차가 제거된 도수 측정 결과 화면,
도 6은 렌즈 설계를 위한 내측 곡률과 외측 곡률을 예시적으로 설명하는 도면,
도 7은 코닉 상수(k)에 따른 곡선 형상 그래프,
도 8은 본 발명에 따른 콘택트 렌즈(HD 렌즈)와 구면 렌즈에 대한 렌즈 도수와 구면 수차와의 관계를 비교한 도면,
도 9는 -7.5 디옵터 근시 렌즈의 도수 측정 화면, 그리고,
도 10은 본 발명에 따른 콘택트 렌즈의 -7.5 디옵터 근시 렌즈의 도수 측정 결과 화면.

이하에서 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 설명한다. 이하에서 설명하는 바람직한 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 범위에서 다양하게 설계 변경될 수 있다.

구면 렌즈와 구면 수차

도 1은 -7.5 디옵터 근시 렌즈에 대한 도수 측정 결과 화면이다. 도 1을 참고하면, 구면 렌즈 설계에 따른 렌즈의 도수(power)는 중심에서 -6.50디옵터이고, 중심에서 가장자리로 갈수록 점차적으로 도수가 증가한다.

도 2는 구면 렌즈에서 발생하는 구면 수차를 예시적으로 설명하는 도면이다. 도 2를 참고하면, 구면 렌즈를 통과한 광은 한 점에 맺히지 않고 광측에서 멀어질수록 근축 광선의 초점과 멀어지게 된다. 도 2(a)를 참고하면, 십자 형태의 슬릿에서 광이 또렷하게 보이지 않고, 뿌옇게 보이는 것이 구면 수차에 기인한 현상이다. 도 2(b)를 참고하면, 광축에서 멀어질 수록 근축 광선의 초점(P_1)에서 멀어지는 지점(P_2)에 초점이 맺히게 된다. 이러한 구면 수차는 렌즈 도수가 높아질 수록 심하게 되며, 이에 대해서는 이하의 도면을 참고하여 설명한다.

도 3은 근시 렌즈의 구면 수차 그래프를 나타내는 도면이다. 도 3을 참고하면, 0.00디옵터에서 0.5 디옵터 씩 증가하여 측면하면 근시 렌즈의 도수와 구면 수차의 기울기는 우상향하는 것을 확인할 수 있다. 렌즈 도수가 -1.5 디옵터에서 구면수차가 0이고, -11.5 디옵터에서 구면수차가 0.5이므로 추세선의 기울기는 0.05임을 알 수 있다. 이처럼 렌즈 도수와 구면 수차는 양의 상관관계에 있다. 따라서, 도수가 높아질수록 구면 수차가 심각하게 발생하게 된다.

상흐림 및 빛 번짐 현상

이처럼 렌즈의 도수가 높아질수록 구면 수차가 크게 발생하게 되므로 도수가 급격하게 상승하는 구간에서는 상흐림 및 빛 번짐 현상이 발생하게 된다. 이에 대해서는 도면을 참고하여 구체적으로 설명한다.

도 4는 -7.5 디옵터 근시 렌즈에서 상흐림과 빛 번짐의 원인을 설명하기 위한 도수 측정 결과 화면이다. 도 4를 참고하면, -7.5 디옵터의 근시 렌즈의 도수는 중심에서 -6.5 수준이고, 렌즈의 가장 자리로 갈수록 점차적으로 도수가 올라가게 된다. 중심에서 약 2.5mm 떨어진 지점에서 렌즈의 도수가 급격하게 증가하게 되며 약 3.0mm 떨어진 지점에서는 -8.2 디옵터까지 높아지게 된다. 즉, ±2.5 ~ ±3.0mm 구간에서 상흐림 또는 빛 번짐의 원인이 된다.

구면 설계 근시 렌즈는 파워가 -7.5도 근시 렌즈임에도 정 가운데의 도수는 -6.5도이고, 동공사이즈 끝부분에서는 -8.2도 수준으로 급격한 도수(power)의 변화가 발생하며, 이는 환자에게 상흐림과 빛 번짐 등의 문제점을 야기하게 된다.

기존의 근시 렌즈에 대해서는 구면 제작 방식으로 렌즈를 제작하게 되므로 도수가 높아지는 구간에서 구면 수차가 더 커지게 되므로 상흐림 또는 빛 번짐의 현상이 두드러지게 된다.

도 5는 -7.5 디옵터 렌즈의 구면 수차가 제거된 도수 측정 결과 화면이다. 도 5를 참고하면, 이러한 구면 수차를 개선하기 위하여 비구면으로 설계하여 구면수차를 '0'으로 만들거나 '0'에 가까운 렌즈가 되도록 하면, 안구에 파워 매칭을 하기 어려운 문제가 발생하게 된다.

사람의 눈은 선택적으로 잘 보이는 시야에 근육을 조절하여 맞추는 구조로 되어 있음으로 인해 과거 구면설계 렌즈에서는 주변부에 약간의 상흐림 및 빛 번짐이 있더라도 양호하게 물체를 확인할 수 있었던 환자가 구면수차가 '0'이 되거나, '0'에 가까운 렌즈에서는 전혀 시야가 맞지 않는 문제가 발생하게 된다.

본 발명에 따른 콘택트 렌즈

도 6은 렌즈 설계를 위한 내측 곡률과 외측 곡률을 예시적으로 설명하는 도면이다. 도 6을 참고하면, 렌즈의 도수는 렌즈 내측 곡률(Base curve) 및 외측 곡률(Front curve)에 따라 결정된다. 이러한 구면 설계에서의 외측 곡률에 대한 결정은 하기 수학식 1와 같은 렌즈 제작자 공식을 기반으로 한다.

여기서, 1/f = D (도수, power), n은 공기중 굴절률, n1 은 렌즈 재질의 굴절률, R1, R2는 각각 렌즈면의 곡률(R1은 외측 곡률, R2는 내측 곡률을 의미함).

본 발명은 상흐림과 빛번짐을 개선하기 위해서, 비구면 설계를 기존의 구면 설계의 외측 곡률(Front curve)에 기반한 하기 수학식 2와 같은 비구면 방정식을 이용하여 설계한다.

상기 수학식 2에서 r는 정점으로부터의 반경 방향 거리를 의미하고, C는 1/R이며, R은 구면 설계의 곡률 반경을 나타낸다. k는 형상 계수(또는 -e² 이며, 여기서 e는 편심률)이고, k가 0인 경우, 원추부는 구이다. -1<k<0 인 경우, 원추부 타원이다. ∂>0인 경우, 원추부는 네거티브 편심률에 기인하여 가파른 표면을 가지는 타원이다. 이러한 코닉 상수(k)에 따른 곡선의 형태 변화는 다음의 도면을 참고하여 설명한다.

본 발명에 따른 콘택트 렌즈는 다음의 표 1에서와 같이 렌즈 도수 범위에서 일련의 렌즈 각각에 대한 수차값을 갖게 된다.

상기 표 1을 참고하면, 0.00 ~ -19.5 디옵터의 범위에 걸쳐 도수 보정된 일련의 렌즈 각각에 대한 수차값을 표시한다. 표 1의 좌측 칼럼에 기록된 바와 같이 전면에 타원형 커브로 형성되는 경우, 구면 수차(Spherical aberration)는 기존 구면 설계대비 상당히 줄어들게 됨을 확인할 수 있다(단, 0.00 ~ -2.00 디옵터의 부근에서는 큰 차이를 보이지 않는다.) 상기 표 1의 하위 도표는 일련의 콘택트 렌즈의 각각의 도수에 최적의 시력을 제공하는 관련 광학영역의 형상 계수와 수차값을 나타낸다.

도 7은 코닉 상수(k)에 따른 곡선 형상 그래프이다. 도 7을 참고하면, 코닉 상수(k)는 -e² 이며, 여기서 e는 편심률을 의미한다. k가 0인 경우 원추부는 구(sphere)이다. -1 < k < 0 인 경우 원추부는 타원(ellipse)이다. ∂>0인 경우, 원추부는 네거티브 편심률에 기인하여 가파른 표면을 가지는 타원이다.

본 발명에 따른 콘택트 렌즈와 구면 렌즈의 비교

도 8은 본 발명에 따른 콘택트 렌즈(HD 렌즈)와 구면 렌즈에 대한 렌즈 도수와 구면 수차와의 관계를 비교한 도면이다. 본 발명에 따른 콘택트 렌즈(이하, HD 렌즈라 함)는 구면 설계 방식에 의해서 설계된 기 결정된 내측 곡률을 갖는 렌즈의 내측면과 비구면 설계 방식에 의해서 설계된 기 결정된 외측 곡률을 갖는 렌즈의 외측면으로 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다. 이러한 외측 곡률을 비구면 설계 방식으로 함으로써 상흐림과 빛 번짐 현상을 감소시킨다.

도 8(a)을 참고하면, 0.00 ~ -2.00 디옵터 구간(제1 구간)에서는 구면 설계와 비교하여 큰 차이가 없다. 낮은 도수에서는 구면 수차가 크게 발생하지 않으므로 큰 차이가 나지 않더라도 효과상의 차이가 없다. -2.00 ~ -8.00 디옵터 구간(제2 구간)에서 본 발명에 따른 렌즈는 제1 구간에서의 구면 수차량 감소량과 비슷한 기울기를 나타냄을 확인할 수 있다. -8.00 디옵터 이상의 높은 도수(high power)에서는 제2 구간에서의 기울기와 유사한 구면 수차량 변화를 보이므로, 구면 렌즈와 대비하여 구면 수차가 현저하게 감소함을 이해할 수 있다.

도 8(b)를 참고하면, 구면 렌즈에서의 상흐림 또는 빛번짐은 나타나고 있음을 확인할 수 있고, HD 렌즈의 경우에는 상이 또렷하고 빛 번짐의 문제도 나타나고 있지 않음을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 HD 렌즈는 구면 렌즈에 대비하여 구면 수차를 25 내지 77% 감소시키는 현저한 효과를 발휘한다.

도 9는 -7.5 디옵터 근시 렌즈의 도수 측정 화면이다. 도 9를 참고하면, -7.5 디옵터의 근시 렌즈의 경우에는 -7.5 디옵터 이하에서 급격한 도수 증가가 이루어지므로 구면 수차로 인한 상흐림 또는 빛 번짐 현상이 나타나게 된다.

이에 비하여 본 발명에 따른 콘택트 렌즈는 -7.5 디옵터 근시 렌즈에 적용할 경우에도 구면수차가 상당히 감소하는 특징을 나타낸다. 보다 구체적인 내용은 이하에서 별도의 도면을 참고하여 설명한다.

도 10은 본 발명에 따른 콘택트 렌즈의 -7.5 디옵터 근시 렌즈의 도수 측정 결과 화면이다. 도 10을 참고하면, 중심에서 가장자리로 갈수록 도수의 증가율이 구면 렌즈에 비하여 급격하게 변경하는 지점이 나타나지 않는다.

즉, 도 10을 참고하면, -7.75 디옵터에서 구면 수차가 거의 제거된 결과를 확인할 수 있다. 이러한 본 발명에 따른 콘택트 렌즈는 1) 안구에서 잘 보이는 상으로 조절해 줄수 있는 영역을 가지고 있고(완전 비구면 설계 대비 파워 매칭이 용이하다), 2) 구면 설계 대비 동공내의 도수 영역이 감소하며(상흐림 개선), 3) 동공 끝부분에 급격한 도수 변화가 약하다(빛 번짐 개선).

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 콘택트 렌즈는 구면 설계 및 비구면 설계의 단점을 상호보완하는 설계 방식을 채택함으로써 구면 수차를 감소시키고 빛 번짐 또는 상흐림을 개선하는 현저한 효과를 발휘한다.

Claims (6)

1. 시각적 성능 개선을 위한 구면수차 제어 설계가 적용된 콘택트 렌즈에 있어서,
   구면설계 방식에 의해서 설계된 기 결정된 내측 곡률을 갖는 렌즈의 내측면; 및
   비구면 설계 방식에 의해서 설계된 기 결정된 외측 곡률을 갖는 렌즈의 외측면;으로 구성되고,
   상기 콘택트 렌즈는,
   -5.00 내지 -10.00 디옵터의 제1 도수 범위에서 렌즈 도수의 변화량에 대한 구면 수차의 변화량의 비율이 제1 기울기 변화값을 갖고,
   -10.00 디옵터 이상의 제2 도수 범위에서 렌즈 도수의 변화량에 대한 구면 수차의 변화량의 비율이 제2 기울기 변화값을 갖으며,
   상기 제2 기울기 변화값은 상기 제1 기울기 변화값보다 작은 것을 특징으로 하는 콘택트 렌즈.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 렌즈의 외측면은, 하기 수학식에 따라 외측 곡률이 결정되는 것을 특징으로 하는 콘택트 렌즈.
   

   

   
   (여기서, r는 정점으로부터의 반경 방향 거리, C는 1/R이며, R은 구면 설계의 곡률 반경, k는 형상 계수(또는 -e² 이며, 여기서 e는 편심률)).
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1 항에 있어서,
   상기 콘택트 렌즈의 동공 영역내의 파워 편차는 구면 설계된 콘택트 렌즈의 파워 편차보다 감소시켜서 설계하는 것을 특징으로 하는 콘택트 렌즈.
   
6. 제1 항에 있어서,
   모든 도수의 렌즈에서 구면수차량이 0.25이하의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 콘택트 렌즈.

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