KR102675398B1 - 굴절률 쉐이핑 레이저 기입 프로세스 제어 - Google Patents

Abstract

굴절률 기입 시스템 및 방법은 제1 파장의 펄스 레이저 출력을 제공하기 위한 펄스 레이저 소스; 펄스 레이저 출력을 광학 재료 내의 초점 스폿에 포커싱하기 위한 대물 렌즈; 굴절률의 변화에 의해 규정되는 하나 이상의 트레이스를 광학 재료에 기입하기 위해 초점 스폿을 주사 영역을 따라 상대 속도 및 방향으로 광학 재료에 대해 상대적으로 이동시키기 위한 스캐너; 및 광학 재료에서 원하는 굴절률 프로파일을 달성하기 위해서 광학 재료에 대한 캘리브레이션 함수에 따라 하나 이상의 트레이스를 따라 레이저 노광을 제어하기 위한 제어기를 채용한다. 굴절률 기입 시스템은 생체 내 광학 조직에 트레이스를 기입하기 위한 것일 수 있으며, 제어기는 적출된 안구 눈알에서 유도되는 굴절률 변화를 캘리브레이팅함으로써 획득되는 캘리브레이션 함수에 의해 규정될 수 있다. 하나 이상의 트레이스를 기입하는 동안, 대물 렌즈를 통해 전송된 광학 재료로부터의 제2 파장의 방출물을 검출하기 위해 실시간 프로세스 제어 모니터가 채용될 수 있다.

Description

굴절률 쉐이핑 레이저 기입 프로세스 제어

본 출원은 광학 매체의 굴절률을 변경하기 위해 펄스 레이저를 사용하는 것에 관한 것이며, 특히 환자의 시각 성능을 변경 또는 개선하기 위해 굴절률 변화부를 안구 조직 또는 광학 폴리머 재료로 구성된 대체 또는 보완 구조에 레이저 기입하는 제어 모니터링 시스템, 및 펨토초 레이저 기입에 의해 안구 조직에서 유도된 굴절률 변화를 레이저 노광의 함수로서 캘리브레이팅(calibrating)하는 방법에 관한 것이다.

광학 재료를 목표로 하도록 특별히 조정된 특정 체제 내에서 작동하는 펄스 레이저는 시력을 손상시키는 방식으로 재료를 달리 손상시키는 일 없이 광학 재료에서 국소화된 굴절률 변화를 생성하는 것으로 입증되었다. 에너지 체제는, 비선형 흡수 임계값을 초과하지만, 상당한 광 산란 또는 흡수가 의도된 성능을 저하시키는 광학 재료의 브레이크다운 임계값(breakdown threshold) 아래에 유지된다. 이러한 조정된 에너지 체제의 고려사항은 펄스 파장, 펄스 에너지, 펄스 지속 시간, 펄스가 광학 재료에 포커싱되는 크기 및 형상, 및 펄스의 시간적 및 물리적 간격을 포함한다. 이러한 프로세스는 안구내 렌즈, 콘택트 렌즈 또는 각막 인레이(corneal inlay)와 같은 생물학적 조직에서의 조직내 굴절률 쉐이핑(Intra-tissue Refractive Index Shaping)(IRIS) 또는 광학 폴리머에서의 폴리머내 굴절률 쉐이핑(Intra-Polymer Refractive Index Shaping)(IRIS)으로 지칭될 수 있다.

예는 발명의 명칭이 Method for Modifying the Refractive Index of Ocular Tissues인 미국 특허 출원 공보 제2013/0226162호를 포함하며, 이 출원은 브래그 격자, 마이크로렌즈 어레이, 존 플레이트(zone plate), 프레넬 렌즈, 및 이들의 조합을 포함하는 광학 요소를 형성 또는 변경하기 위해 생체 눈(living eye)에서 각막 조직의 굴절률을 변화시키기 위한 레이저 시스템을 개시한다. 발명의 명칭이 Optical Hydrogel Material with Photosensitizer and Method for Modifying the Refractive Index인 미국 특허 출원 공보 제2013/0268072호는 특히 비선형 흡수의 효율을 개선하고 굴절 구조가 형성될 수 있는 주사 속도를 증가시키기 위해 감광제로 조제된 광학, 히드로겔 폴리머 재료의 굴절률을 변경하는 방법을 개시한다. 발명의 명칭이 Method for Modifying the Refractive Index of an Optical Material인 미국 특허 출원 공보 제2015/0126979호는 환자의 눈에 친수성 모노머로 조제된 광학 히드로겔 재료를 이식한 후에 조제된 재료의 선택된 영역을 기입하는 것을 개시한다. 미국 공보 제2012/0310340호는 광학 폴리머 재료의 영역을 따라 가시광 또는 근적외 레이저로부터의 광 펄스로 주사함으로써 디바이스의 전방 표면과 후방 표면 사이에 배치된 적어도 하나의 레이저-변경된 구배 인덱스(GRIN) 층을 형성함으로써 광학 폴리머 재료로 구성된 광학 디바이스의 굴절력의 변화를 제공하는 방법을 개시하고 있다. 적어도 하나의 레이저-변경된 GRIN 층은, 복수의 인접한 굴절 세그먼트를 포함하고, (i) 주사되는 방향에 대해 횡방향의 인접하는 굴절 세그먼트의 일부, 및 (ii) 주사되는 방향을 따른 굴절 세그먼트의 일부 중 적어도 하나의 굴절률의 변화에 의해 더 특징지어 진다. 미국 공보 2012/0310223은 안구 조직에서 굴절률을 변경하는 방법을 개시하며, 레이저-변경된 구배 인덱스(GRIN) 층이 각막 기질 및 수정체 중 적어도 하나에 직접 형성된다. 이들 참조된 특허 출원은, 특히 광학 재료에 굴절 구조를 기입하기 위한 예로서, 그리고 본원에 기재된 개선의 대상인 대표적인 배경 기술로서 본원에 참고로 포함된다.

이러한 프로세스들에서, 광학 조직 또는 광학 폴리머 재료의 조사된 영역은 굴절 구조가 채워진 2차원 또는 3차원 영역 또는 부피의 형태를 취할 수 있다. 굴절 구조는 광학 조직 또는 폴리머 재료의 선택 영역에 걸쳐 레이저를 주사함으로써 형성되어 광학 조직 또는 폴리머 렌즈에 구면, 비구면, 환상, 또는 실린드리칼 보정부(cylindrical correction)를 제공할 수 있는 굴절 광학 구조를 초래한다. 실제로, 양 또는 음의 굴절력 보정을 산출하도록 어떠한 광학 구조도 형성될 수 있다. 또한, 광학 구조는 단일 렌즈 요소로서 작용하도록 광학 조직 또는 폴리머 재료에 수직으로 적층될 수 있거나 또는 별개의 평면들에 기입될 수 있다.

재료에 대한 손상을 회피하면서 광학 재료에 굴절률 변화부를 기입할 수 있는 이러한 레이저 기입 프로세스의 제어는, 광학 재료가 생체 기원 또는 인공이든 아니든 그리고 광학 재료가 생체 내에 또는 생체 외에 위치설정되든 아니든 중요하지만, 특히 생체 내 프로세스에 대해 중요성을 갖는다. 원하는 광학 성능이 저하되는 손상 임계값을 초과하는 일 없이 광학 재료에 원하는 굴절률 변화를 달성하는 형태의 레이저 빔의 밀집된 펄스 에너지의 전달을 모니터링하기 위한 개선된 프로세스 및 시스템이 요망된다.

개시된 실시예는, 굴절률 기입 시스템으로서, 제1 파장의 펄스 레이저 출력을 제공하기 위한 펄스 레이저 소스; 펄스 레이저 출력을 광학 재료 내의 초점 스폿에 포커싱하기 위한 대물 렌즈; 굴절률의 변화에 의해 규정되는 하나 이상의 트레이스(trace)를 광학 재료에 기입하기 위해 초점 스폿을 주사 영역을 따라 상대 속도 및 방향으로 광학 재료에 대해 상대적으로 이동시키기 위한 스캐너; 및 주사 영역을 따른 광학 재료 내의 에너지 프로파일을 광학 재료의 비선형 흡수 임계값 위로 그리고 상당한 광 산란 또는 흡수가 광학 재료의 의도된 성능을 저하시키는 광학 재료의 브레이크다운 임계값 아래로 유지하기 위해서 레이저 전력 및/또는 상대 주사 속도를 변화시킴으로써 광학 재료에서 원하는 굴절률 프로파일을 달성하도록 광학 재료에 대한 캘리브레이션 함수(calibration function)에 따라 하나 이상의 트레이스를 따라 레이저 노광을 제어하는 제어기를 포함하며; 굴절률 기입 시스템은 생체 내 광학 조직에 트레이스를 기입하기 위한 것이고, 제어기는, 테스트 패턴의 상이한 섹션에 대해 상이한 레이저 노광에서 펨토초 레이저로 하나 이상의 적출된 안구 눈알의 섹션에 테스트 패턴을 기입하고; 자연스러운 곡선형 배향의 기입 패턴 및 주변 영역에서 취해진 인터페로그램(interferogram)으로부터, 기입된 패턴을 둘러싸는 영역의 미변경 조직에 대한 기입 패턴에서의 유도된 굴절률 변화를 레이저 노광의 함수로서 결정함으로써, 펨토초 레이저 기입에 의해 테스트 안구 조직에서 유도되는 굴절률 변화를 레이저 노광의 함수로서 캘리브레이팅함으로써 획득되는 캘리브레이션 함수에 의해 구성되는 기입 시스템에 관한 것이다.

개시된 추가의 실시예는, 광학 재료의 비선형 흡수 임계값 위의 그리고 상당한 광 산란 또는 흡수가 의도된 성능을 저하시키는 광학 재료의 브레이크다운 임계값 아래의 에너지 체제 내에서 제1 파장의 펄스 레이저 출력을 제공하는 펄스 레이저 소스에 의해 국소 굴절률 변화를 광학 재료에 기입하는 방법으로서, 0.01 nJ 내지 10 nJ의 펄스 에너지, 8 fs 내지 500 fs의 펄스 지속 시간, 및 10 MHz 내지 500 MHz의 반복률을 갖는 펄스의 연속으로 구성되는 시준된 출력 빔을 생성하는 단계; 빔을 대물 렌즈에 의해 광학 재료 내의 초점 스폿에 포커싱하는 단계; 광학 재료의 굴절률의 변화에 의해 규정되는 하나 이상의 트레이스를 기입하기 위해 대물 렌즈를 상대 속도 및 상대 방향으로 광학 재료에 대해 상대적으로 이동시키는 단계; 및 주사 영역을 따른 광학 재료 내의 에너지 프로파일을 광학 재료의 비선형 흡수 임계값 위로 그리고 상당한 광 산란 또는 흡수가 광학 재료의 의도된 성능을 저하시키는 광학 재료의 브레이크다운 임계값 아래로 유지하기 위해서 레이저 전력 및/또는 상대 주사 속도를 변화시킴으로써 광학 재료에서 원하는 굴절률 프로파일을 달성하도록 광학 재료에 대한 캘리브레이션 함수에 따라 하나 이상의 트레이스를 따라 레이저 노광을 제어하는 단계를 포함하며; 광학 재료는 생체 내 광학 조직이고, 추가로 광학 재료에 대한 캘리브레이션 함수는, 테스트 패턴의 상이한 섹션에 대해 상이한 레이저 노광에서 펨토초 레이저로 하나 이상의 적출된 안구 눈알의 섹션에 테스트 패턴을 기입하고; 자연스러운 곡선형 배향의 기입 패턴 및 주변 영역에서 취해진 인터페로그램으로부터, 기입 패턴을 둘러싸는 영역의 미변경 조직에 대한 기입 패턴에서의 유도된 굴절률 변화를 레이저 노광의 함수로서 결정함으로써, 펨토초 레이저 기입에 의해 테스트 안구 조직에서 유도된 굴절률 변화를 레이저 노광의 함수로서 캘리브레이팅함으로써 획득되는 방법에 관한 것이다.

개시된 추가의 실시예는, 굴절률 기입 시스템으로서, 제1 파장의 펄스 레이저 출력을 제공하기 위한 펄스 레이저 소스; 펄스 레이저 출력을 광학 재료 내의 초점 스폿에 포커싱하기 위한 대물 렌즈; 굴절률의 변화에 의해 규정되는 하나 이상의 트레이스를 광학 재료에 기입하기 위해 초점 스폿을 주사 영역을 따라 상대 속도 및 방향으로 광학 재료에 대해 상대적으로 이동시키기 위한 스캐너; 하나 이상의 트레이스를 기입하는 동안 대물 렌즈를 통해 전송된 광학 재료로부터의 제2 파장의 방출물을 검출하며, 광검출기, 대물 렌즈를 통해 전송된 방출물을 광검출기 상으로 포커싱하기 위한 렌즈, 및 제2 파장의 방출물을 검출기에 통과시키고 광검출기로부터의 제1 파장의 후방-반사 펄스 레이저 광을 차단하기 위한 필터를 포함하는, 실시간 프로세스 제어 모니터; 및 주사 영역을 따른 광학 재료 내의 에너지 프로파일을 광학 재료의 비선형 흡수 임계값 위로 그리고 상당한 광 산란 또는 흡수가 광학 재료의 의도된 성능을 저하시키는 광학 재료의 브레이크다운 임계값 아래로 유지하기 위해서 레이저 전력 및/또는 상대 주사 속도를 변화시킴으로써 광학 재료에서 원하는 굴절률 프로파일을 달성하도록 광학 재료에 대한 캘리브레이션 함수에 따라 하나 이상의 트레이스를 따라 레이저 노광을 제어하고, 실시간 프로세스 제어 모니터에 의해 검출된 광학 재료로부터의 제2 파장의 방출물에 응답하여 레이저 노광을 더 제어하기 위한 제어기를 포함하는 굴절률 기입 시스템에 관한 것이다.

개시된 추가의 실시예는, 광학 재료의 비선형 흡수 임계값 위의 그리고 상당한 광 산란 또는 흡수가 의도된 성능을 저하시키는 광학 재료의 브레이크다운 임계값 아래의 에너지 체제 내에서 제1 파장의 펄스 레이저 출력을 제공하는 펄스 레이저 소스에 의해 국소 굴절률 변화를 광학 재료에 기입하는 방법으로서, 0.01 nJ 내지 10 nJ의 펄스 에너지, 8 fs 내지 500 fs의 펄스 지속 시간, 및 10 MHz 내지 500 MHz의 반복률을 갖는 펄스의 연속으로 구성되는 시준된 출력 빔을 생성하는 단계; 빔을 대물 렌즈에 의해 광학 재료 내의 초점 스폿에 포커싱하는 단계; 광학 재료의 굴절률의 변화에 의해 규정되는 하나 이상의 트레이스를 기입하기 위해 대물 렌즈를 상대 속도 및 상대 방향으로 광학 재료에 대해 상대적으로 이동시키는 단계; 대물 렌즈를 통해 전송된 방출물을 광검출기 상에 포커싱함으로써 하나 이상의 트레이스를 기입하는 동안 대물 렌즈를 통해 전송된 광학 재료로부터의 제2 파장의 방출물을 검출하고, 광검출기로부터의 제1 파장의 후방-반사 펄스 레이저 광을 차단하는 단계; 및 주사 영역을 따른 광학 재료 내의 에너지 프로파일을 광학 재료의 비선형 흡수 임계값 위로 그리고 상당한 광 산란 또는 흡수가 광학 재료의 의도된 성능을 저하시키는 광학 재료의 브레이크다운 임계값 아래로 유지하기 위해서 레이저 전력 및/또는 상대 주사 속도를 변화시킴으로써 광학 재료에서 원하는 굴절률 프로파일을 달성하도록 광학 재료에 대한 캘리브레이션 함수에 따라 하나 이상의 트레이스를 따라 레이저 노광을 제어하고, 광학 재료로부터의 제2 파장의 검출된 방출물에 응답하여 레이저 노광을 더 제어하는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.

개시된 추가의 실시예는, 펨토초 레이저 기입에 의해 안구 조직에서 유도되는 굴절률 변화를 레이저 노광의 함수로서 캘리브레이팅하는 방법으로서, 테스트 패턴의 상이한 섹션에 대해 상이한 레이저 노광에서 펨토초 레이저로 하나 이상의 적출된 안구 눈알의 섹션에 테스트 패턴을 기입하는 단계; 테스트 패턴이 기입된 섹션 및 주변 영역을 적출된 눈알로부터 절개하는 단계; 절개된 부분을 웨트셀에 자연스러운 곡선형 배향으로 배치하는 상태로 웨트셀에 장착하는 단계; 및 간섭계에 의해 장착 절개 부분에서 취해진 인터페로그램으로부터, 그 부분의 미변경 조직에 대한 기입 패턴에서의 유도된 굴절률 변화를 레이저 노광의 함수로서 결정하는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다. 이러한 실시예에서 테스트 패턴은 레이저 전력 및/또는 레이저 주사 속도를 변화시킴으로써, 예를 들어 테스트 패턴의 상이한 섹션에 대해 상이한 레이저 전력 및 일정한 주사 속도로 및/또는 테스트 패턴의 상이한 섹션에 대해 상이한 레이저 주사 속도 및 일정한 전력으로, 테스트 패턴의 상이한 섹션에 대해 상이한 레이저 노광에서 펨토초 레이저에 의해 기입될 수 있다.

개시내용의 추가의 특정 실시예는 첨부된 청구범위에서 설명되며 명세서에서 설명되는 바와 같은 것을 포함한다.

다양한 실시예에서, 기입 시스템 및 방법은 굴절률 구조를 광학 폴리머 재료 또는 안구 조직에 기입하기 위한 것일 수 있다. 특정 실시예에서, 기입 시스템 및 방법은 굴절률 구조를 각막 광학 조직에 기입하기 위한 것일 수 있다. 광학 재료에 기입된 굴절률 변화는 전달된 펄스에 대한 광학 재료의 국소적인 반응에 따라 광학 재료의 주사 영역의 굴절률을 상대적으로 증가 또는 감소시키는 것을 포함한다.

개시내용의 다양한 실시예에서, 다음의 특징 중 하나 이상의 단독으로 또는 조합되어 채용될 수 있다: 포커싱된 펄스 레이저 출력은 0.01 nJ 내지 10 nJ의 펄스 에너지를 가질 수 있고; 펄스 레이저 출력은 가시광 또는 근적외 스펙트럼일 수 있고; 다중-광자-흡수 발색단이 광학 폴리머 재료 또는 안구 조직의 굴절률을 변경하기 전에 광학 폴리머 재료 또는 안구 조직에 적용될 수 있고; 다중-광자-흡수 발색단은 2-광자-흡수 발색단을 포함하고, 안구 조직은 수정체의 조직을 포함하고; 안구 조직은 각막의 조직을 포함하고; 초점 스폿에 의해 규정되는 위치는 브래그 격자, 임의의 파면, 마이크로렌즈 어레이, 존 플레이트, 및 프레넬 렌즈로 구성되는 군으로부터 선택되는 구조를 형성하도록 선택되고; 레이저 펄스는 1 MHz 내지 10 GHz의 주파수에서 방출되고; 레이저 펄스 주파수는 10 MHz 내지 500 MHz이고; 펄스 폭은 8 fs 내지 1000 fs이고; 펄스 폭은 10 fs 내지 500 fs이고; 펄스 폭은 10 fs 내지 100 fs이고; 레이저 펄스는 1 mW 내지 20W의 평균 전력을 갖고; 레이저 펄스는 1 mW 내지 1,000 mW의 평균 전력을 갖고; 레이저 펄스는 0.01 nJ 내지 10 nJ의 펄스 에너지를 갖고; 레이저 펄스는 0.1 내지 2 nJ의 펄스 에너지를 갖고; 초점 스폿의 크기는 0.5 마이크로미터 내지 2 마이크로미터이고; 초점 스폿은 0.1 마이크로미터/s 내지 10 m/s의 주사 속도에서 주사되고; 초점 스폿은 적어도 1 mm/s의 주사 속도에서 주사되고; 초점 스폿은 적어도 100 mm/s의 주사 속도에서 주사되고; 초점 스폿은 적어도 1 m/s의 주사 속도에서 주사되고; 레이저 펄스는 350 내지 1,300 nm의 파장을 갖고; 레이저 펄스는 400 내지 1,100 nm의 파장을 갖고; 레이저 펄스는 600 내지 1,000 nm의 파장을 갖고; 레이저 펄스는 700 내지 900 nm의 파장을 갖고; 레이저 펄스는 1,000 내지 1,300 nm의 파장을 갖고; 레이저 펄스는 350 내지 600 nm의 파장을 갖고; 레이저 펄스는 400 내지 600 nm의 파장을 갖고; 대물 렌즈는 0.28 내지 1.0의 개구수를 갖는다.

도 1은 광학 재료에 굴절률 구조를 기입하기 위해 본 개시내용에서 사용될 수 있는 레이저 시스템의 도면이다.
도 2는 광학 재료에 굴절률 구조를 기입하기 위해 3개의 직교 축을 따라 초점 스폿을 병진시키는 특정 광기계 스캐너를 포함하는 본 개시내용에서 사용될 수 있는 레이저 시스템의 도면이다.
도 3은 본 개시내용에 사용될 수 있는 실시간 프로세스 제어 모니터를 포함하는 레이저 시스템의 일부의 도면이다.
도 4는 본 개시내용의 다양한 실시예에서 사용하기 위한 후방-반사 레이저 광 및 광학 재료 방출물 파장 대 강도, 및 필터의 예시이다.
도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른 각막 조직에 대한 레이저 노광 강도 대 SHG 강도의 그래프이다.
도 6은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 곡선형 눈알 인터페이스, 커버슬립을 위한 나사산형 링 클램프, 및 테이블에 장착하기 위한 강성 알루미늄 바아(bar)를 포함하는 편평기(applanator)의 CAD 도면이다.
도 7은 본 개시내용의 실시예에 따라 기입된 캘리브레이션 바아 기하구조의 도면을 도시한다.
도 8은 본 개시내용의 실시예에 따른 캘리브레이션 바아 기입 직후의 눈알의 사진을 도시한다.
도 9는 본 개시내용의 실시예에 따른 적출된 눈알의 해부 및 웨트셀(wetcell) 장착의 밑그림뿐만 아니라 실제 웨트셀 설계의 분해도를 도시한다.
도 10a 및 10b는 본 개시내용의 실시예에 따라 MZI에 의해 취해진 웨트셀에 장착된 예시적인 각막의 명시야(10a) 및 인터페로그램(10b) 이미지이다.
도 11a 및 도 11b는 본 개시내용의 실시예에 따른 상응하는 인터페로그램(도 11a)으로부터 처리된 예시적인 위상 맵(도 11b)의 이미지이다.
도 12는 본 개시내용의 실시예에 따른 전달된 레이저 전력의 함수로서의 적출된 고양이 눈에서의 유도된 벌크 위상 변화의 플롯이다.
도 13은 표준 위상 프로파일(S) 및 프레넬 렌즈 타입 위상 프로파일(F)을 갖는 6 mm 직경 영역에 걸친 -1.5D 렌즈에 대한 요구 누적 위상의 단면의 비교를 도시한다.
도 14는 본 개시내용의 실시예에 따라 IRIS에 의해 생체 고양이에 기입된 실린드리칼 프레넬 렌즈(cylindrical Fresnel lens)의 사진이다.
도 15는 본 개시내용의 실시예에 따라 IRIS에 의해 생체 고양이에 기입된 실린드리칼 프레넬 렌즈의 디포커스(상부) 및 난시(cylinder)(저부) 굴절력(power)에 대한 수술전 파면으로부터의 변화의 플롯을 도시한다.

배경기술 섹션에서 인용된 참고문헌에 기재된 바와 같은 IRIS 굴절률 기입 시스템에서, 펄스 레이저 소스는 제1 파장에서 펄스 레이저 출력을 제공하고, 대물 렌즈는 펄스 레이저 출력을 광학 재료의 초점 스폿에 포커싱하기 위해서 사용된다. 스캐너가 굴절률의 변화에 의해 규정되는 하나 이상의 트레이스를 광학 재료에 기입하기 위해 초점 스폿을 주사 영역을 따라 상대 속도 및 방향으로 광학 재료에 대해 상대적으로 이동시키기 위해 사용된다. 제어기가, 주사 영역을 따른 광학 재료 내의 에너지 프로파일을 광학 재료의 비선형 흡수 임계값 위로 그리고 상당한 광 산란 또는 흡수가 광학 재료에서 광학 재료의 의도된 성능을 손상 또는 저하시키는 결과를 가져올 것으로 예상되는 광학 재료의 브레이크다운 임계값 아래로 유지시키기 위해서 레이저 전력 및/또는 상대 주사 속도를 변화시킴으로써 광학 재료에서 기대되는 원하는 굴절률 프로파일을 달성하도록 특정 광학 재료에 대한 캘리브레이션 함수에 따라 하나 이상의 트레이스를 따라 레이저 노광을 제어하기 위해 채용될 수 있다.

본 개시내용의 실시예에 사용될 수 있는 예시적인 기입 시스템이 도 1에 도시된다. 405 nm의 파장을 벌크 광학 위상 변화를 생성하도록 동작시키는 주파수 배가 810 nm Ti:사파이어 레이저(112)가 프로세스에서 고속 레이저 전력 제어를 가능하게 하기 위해서 음향-광학 변조기(acousto-optic modulator)(AOM)(114)를 통해 지향된다. AOM은 레이저 광의 일부를 음향파의 진폭에 의존하는 회절광량을 갖는 1차 회절 차수로 회절시키기 위해서 음향파를 사용한다. 0차의 미회절 광은 조리개(116)에 의해 차단되며 1차의 차수는 시스템의 나머지를 위한 빔으로서 사용된다. 이어서, 광은 한 쌍의 프리즘(118)을 통과하여 분산을 보상하며, 165 fs의 최종 펄스 폭을 생성한다. 이어서, 빔은 NA를 확대하기 위해서 빔 확대기(120)를 통해 지향된다. 구성요소(112 내지 120)는 함께, 제1 파장의 펄스 레이저 출력(122)을 대물 렌즈(130)에 제공하는 펄스 레이저 소스(100)를 구성하며, 대물 렌즈는 펄스 레이저 출력을 광학 재료 내의 초점 스폿에 포커싱하기 위해서 사용된다. 프리즘에서의 열적 블룸(thermal bloom)으로 인해, NA는 레이저 전력 의존적이며 최고 전력에서 0.55 내지 최저 전력에서 0.7의 범위이다. 빔은, 예를 들어 Brooks, D.R. 등의 Precision large field scanning system for high numerical aperture lenses and application to femtosecond micromachining of ophthalmic materials. Review of Scientific Instruments, 2014. 85(6): p. 065107에 기재된 맞춤형 굴곡-기반 주사 헤드 주위에 설계된 주사 시스템(140)을 통해 조향될 수 있고, 대물부(130)는, 각막 또는 폴리머 재료 렌즈와 같은 기입되고 있는 광학 재료를 통해 대물부의 초점 영역을 주사하는 부착형 수침 대물부이다. 참조된 주사 시스템을 위한 굴곡 스테이지는 4개의 보이스 코일(VC) 모터를 사용하여 구동되고, 제1 주사축을 따라 8 mm 초과의 스트로크 길이를 가능하게 하고, 각막 또는 안과용 렌즈에 기입된 패턴에 대해 바람직한 8 mm 초과의 직경으로 패턴이 기입될 수 있게 한다. 굴곡 주사 스테이지 방향 주사축에 수직인 제2 및 제3 축을 따른 주사 방향을 위한 추가의 주사 스테이지는 z, y, z 축 주사 제어를 가능하게 하는 도 2의 스캐너 실시예에 관해서 이하에서 설명되는 것과 유사할 수 있다. 다양한 축을 따른 운동은 도 2의 실시예에서 설명되는 것과 유사하게 원하는 기입 패턴의 형태의 입력(144)을 다양한 축을 따른 운동으로 변환하는 제어기(142)에 의해 제어될 수 있다.

제어기(142)는 또한 스캐너(140) 운동축 중 하나 이상을 따른 운동과 관련하여 펄스 레이저 출력(122)의 강도를 조절하기 위해 AOM(114)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 초점 스폿에서의 빔 강도는 제1 주사축을 따른 주사 동안 변화될 수 있거나, 또는 초점 스폿에서의 빔 강도는 도 2의 실시예에서 설명된 것과 유사하게 제1 주사축을 따라 각각의 새로운 트레이스가 기입되기 전에 새로운 고정값으로 리셋될 수 있다.

예를 들어 광학 수술에 통상적으로 채용될 수 있는 진공 흡입 링(133)을 포함하는 안구 환자 인터페이스(132)가 기입 시스템을 환자의 각막에 결합시키기 위해 추가로 채용될 수 있다.

도 2는 광학 재료에 대해 3개의 좌표 축을 따라 포커싱 시스템을 상대적으로 이동시키기 위해 적층된 스테이지를 갖는 광학 재료에 굴절 구조(152)를 기입하기 위한 개시내용의 실시예에 유용한 광기계 스캐너(150)의 추가적인 특정 유형의 개략도이다. 광기계 스캐너(150)는 제1 주사 운동축(158)을 따라 광학 조립체(156)를 급속히 병진시키는 고속 축 스캐너(154)로서 왕복 셰이커(reciprocal shaker)(예를 들어, 급속 셰이킹 임펠러(rapidly shaking impeller))를 포함한다. 광학 조립체(156)는 작업 빔을 광학 재료로 포커싱하기 위한 대물 렌즈를 포함한다. 고속 깊이 제어 스테이지 및 구면 수차 보정 스테이지가 또한 광학 조립체(156)에 포함될 수 있다. 고속 깊이 제어는 각도 운동 오차의 보정을 보장할 수 있고, 구면 수차 스테이지는 초점 스폿 품질을 개선하기 위해 구면 수차를 보정하기 위해 사용될 수 있다. 작업 빔의 초점 스폿(151)은 광기계 스캐너(150)에 의해 부여되는 바와 같이 광학 재료의 주사 경로를 따라 지향된다.

광기계 스캐너(150)는 또한 제1 주사 운동축(158)에 직교하여 배향되는 제2 주사 운동축(162)을 따라 광학 조립체(156) 및 고속 축 스캐너(154) 모두를 병진시키기 위한 운동 스테이지(160)를 포함한다. 운동 스테이지(160)는 고속 축 스캐너(154)에 의해 부여되는 운동과 동기하여 연속적 또는 단계적 운동을 제공하도록 배치될 수 있다. 정밀 높이 스테이지(164)가 초점 스폿(151)이 광학 재료에 기입되는 깊이를 제어하는 목적으로 고속 축 스캐너를 제3 주사 운동축(166)을 따라 상승 및 하강시키기 위해서 운동 스테이지(160)와 고속 축 스캐너(154) 사이에 개재된다.

광기계 스캐너(150)는 특히 광학 조립체(156)를 광학 재료에 대해 이동시키기 위해 배치되는 데, 이는 광학 재료가 쉽게 이동될 수 없는 생체 내 용례에서 특히 유용할 수 있다. 그러나, 다른 용례 또는 고려사항을 위해, 운동축들은 임의의 조합으로 광학 조립체(156)와 광학 재료 사이에 분배될 수 있으며, 회전 축을 포함하는 하나 이상의 추가적인 운동축이 필요에 따라 추가될 수 있다.

고속 축 스캐너(154)는 고속 왕복 운동을 제공하는 상업적인 진동 가진기일 수 있다. 이러한 상업적인 진동 가진기의 일례는, 덴마크 Nærum의 Br

el & Kjær Sound & Vibration Measurement A/S에서 판매되는 Br

el and Kjær Measurement Exciter Type 4810이다. 운동 스테이지(160 및 164)는, 캘리포니아주 어바인 소재의 Newport Corporation에서 판매되며 운동축을 적층하기 위해 적절한 인터페이스 플레이트(170 및 172)를 통해 조정되는 Newport GTS Series로부터의 측방향 운동을 위한 모델 GTS70 및 수직 운동을 위한 모델 GTS20V 같은 고정밀 선형 스테이지일 수 있다.

다양한 축(158, 162, 및 164)을 따른 운동은 원하는 기입 패턴 형태의 입력(176)을 다양한 축(158, 162, 및 164)을 따른 운동으로 변환하는 제어기 및 증폭기(174)의 배치에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 고속 축 스캐너(154)는 임의의 파형 발생기에 의해 제어될 수 있다. 이러한 파형 발생기는 캘리포니아주 산타 클라라 소재의 Agilent Technologies, Inc.에서 판매된다. 제1 주사 운동축(158)을 따른 운동을 위한 파형은, 예를 들어 제1 주사 운동축(158)을 따라 원하는 굴절률 패턴을 초래하도록 배열된다. 임의의 파형을 고속 축 스캐너(154)에 전송하는 대신에, 성능을 최대화하기 위해 특별히 조정된 사인파가 전송될 수 있다. 예를 들어, 구동 주파수는 하부 운동 스테이지(160 및 166)를 포함하는 지지 구조 내에 최소의 교란을 유도하면서 고속 운동을 가능하게 하기 위해 고속 축 스캐너(154)의 공진 주파수로 조정될 수 있다.

작업 빔(180)은 광학 조립체(156)와의 작업 빔(180)의 적절한 정렬을 보장하기 위해서 각각의 운동축을 따라 정렬되고 조향된다. 예를 들어, 인터페이스 플레이트(172) 상에 장착된 반사기(182)가 운동축(162)과 정렬된 배향의 작업 빔(180)을 수용하고, 작업 빔(180)을 고속 축 스캐너(154)와 함께 인터페이스 플레이트(170) 상에 장착된 반사기(186)까지 인터페이스 플레이트(170) 내의 개구(184)를 통해 운동축(166)의 방향으로 재지향시킨다. 반사기(186)는 고속 축 스캐너(154) 위에서 운동축(158)의 방향으로 작업 빔(180)을 재지향시킨다. 또한 바람직하게는 인터페이스 플레이트(170)로부터 장착되는 반사기(188 및 190)는 작업 빔(180)을 광학 조립체(156)의 광축(194)과 정렬시키는 폴드 프리즘(fold prism)과 같은 반사기(192)까지 동일 평면 내에서 작업 빔(180)을 재지향시킨다.

광학 재료 내에 굴절 구조(152)를 기입하기 위해 적절한 경로에 걸쳐 작업 빔(180)을 지향시키기 위해 이미지 중계 시스템을 갖는 각도 주사 회전 다각형 미러 또는 각도 주사 갈바노미터-제어형 미러를 사용하는 스캐너 같은 다른 유형의 단축 또는 다축 스캐너가 채용될 수 있다.

또한 제어기 및 증폭기(174)는, 운동축(158, 162, 및 166) 중 하나 이상을 따른 운동에 관하여 작업 빔(180)의 강도를 조절하기 위해, 전기-광학 변조기 또는 음향-광학 변조기와 같은 변조기(196)를 제어하기 위한 제2 동기화 임의적 파형 발생기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 초점(151)에서의 빔 강도는 운동축(158)을 따른 주사 동안 변화될 수 있거나, 또는 초점에서의 빔 강도는 각각의 새로운 트레이스가 기입되기 전에 새로운 고정값으로 리셋될 수 있다.

대물 렌즈(130, 156)는 바람직하게는 적어도 0.28의 개구수를 갖는 현미경 대물부의 형태를 취할 수 있지만, 충분한 작동 거리가 존재하는 경우 0.7 내지 1.0의 더 높은 개구수가 종종 바람직하다. 처리 구역으로서, 초점 스폿은 작업 빔의 전력 밀도가 손상을 유도하는 일 없이 광학 재료의 굴절률을 변화시키기에 충분한 공간의 부피를 점유한다. 굴절률의 양 또는 음의 변화는 빔에 의해 전달되는 펄스에 대한 광학 재료의 반응에 따라 작업 빔에 의해 부여될 수 있다.

다양한 실시예에서, 채용된 레이저 소스는 더 구체적으로는 주파수-배가 Nd:YVO4 레이저에 의해 펌핑되는 모드-잠금 Ti:사파이어 레이저(예를 들어, 캘리포니아주 산타 클라라 소재의 Newport company, Spectra-Physics로부터 입수가능한 MaiTai-HP 같은 Spectra-Physics Ti:Sapphire 발진기)로서 형성될 수 있다. 레이저는, 예를 들어 최대 3 W 평균 전력, 110 fs 펄스 폭, 및 80 MHz 반복률 또는 최대 1 W 평균 전력, 160 fs 펄스 폭 및 약 400 nm 주파수-배가 파장에서의 80 MHz 반복률의 펄스의 연속을 생성할 수 있다. 물론, 다른 레이저가 의도된 성능을 저하시키는 상당한 광 산란 또는 흡수 같은 광학적으로 유도되는 손상을 겪지 않으면서도 국소 굴절률 변화를 겪는 재료의 한계 임계값에 따라 상이한 광학 재료에 굴절률 변화를 기입하는 데 사용되거나 거기에서의 사용을 위해 최적화될 수 있다. 광학 재료는 안과용 히드로겔 폴리머(콘택트 렌즈 및 안구내 렌즈에 사용됨) 및 각막 조직(절개 및 생체 내 모두에서)뿐만 아니라 자연 발생 또는 합성 생성되는 다른 안과용 재료를 포함한다.

140 및 150과 같은 스캐너는, 100 mm/초를 초과하는 속도로 광학 재료 내에 밀리미터-스케일 디바이스(바람직하게는 적어도 약 8 mm 폭까지)를 기입하기 위해 레이저 전력, 파장, 및 주사 속도를 위한 원하는 파라미터들과 함께 배열될 수 있다. 주사 동작은, 주사 영역을 따라 레이저 전력 및/또는 상대 주사 속도를 변화시킴으로써, 광학 재료에서 원하는 굴절률 프로파일을 획득하기 위해 주사 트레이스를 따라 레이저 노광을 제어하기 위한 특정 광학 재료에 대한 캘리브레이션 함수에 기초하여, 기입될 원하는 굴절률 구조에 따른 입력에 기초하여 제어기(142, 174)의 제어 하에 있을 수 있다. 특정 유형의 광학 재료에 대한 캘리브레이션 함수는, 예를 들어 Gandara-Montano 등의 "Femtosecond laser writing of freeform gradient index microlenses in hydrogel-based contact lenses", 2015년 10월 1일자 OPTICAL MATERIALS EXPRESS, Vol. 5, No. 10, pp. 2257-71에 기재된 바와 같이 공지된 레이저 노광으로 테스트 패턴을 기입하고 결과적인 굴절률 변화를 측정함으로써 획득될 수 있다. 측방향 구배 인덱스 마이크로렌즈가 각각의 트레이스가 기입된 후 주사 속도를 변화시킴으로써 및/또는 다음 트레이스가 기입되기 전에 레이저 강도를 변화시킴으로써 캘리브레이션 함수에 따라 기입될 수 있다. 또한, 굴절률은 트레이스의 길이를 따라 빔 강도 또는 주사 속도를 변화시킴으로써 또는 2개의 어떤 조합에 의해 변화된다. 포지티브 렌즈 및 네거티브 렌즈(실린드리칼 렌즈와 대비됨) 모두가 중첩 렌즈 및 동기 강도 제어의 조합을 사용하여 기입될 수 있다. 전체적인 굴절력은 이들 파라미터뿐만 아니라 글로벌 포지셔닝 및 레이저 변조기를 사용하여 원하는 형상으로 맞추어질 수 있다.

생체 내 안구 조직에 굴절 보정부를 기입하는 데 유용한 특정 실시예에서, 생체 안구 조직에 이러한 굴절 보정부를 레이저 기입하기 위한 캘리브레이션 함수는 먼저 적출된 안구 눈알 같은 테스트 안구 조직의 섹션에 테스트 패턴을 기입하고, 간섭계에 의해 미변경 부분에 대한 기입된 패턴의 유도된 굴절률을 결정함으로써 획득될 수 있다. 더 구체적으로, 테스트 패턴은 테스트 패턴의 상이한 섹션에 대해 상이한 레이저 노광들로 펨토초 레이저에 의해 하나 이상의 적출된 안구 눈알의 섹션에 기입될 수 있으며, 테스트 패턴이 기입된 부분 및 주변 영역은 적출된 눈알로부터 절개될 수 있다. 이어서, 절개된 부분은 그 부분이 그 자연스러운 곡선형 배향으로 웨트셀에 배치되는 상태로 웨트셀에 장착될 수 있고, 그 부분의 미변경 조직에 대한 기입 패턴에서의 유도된 굴절률 변화는 간섭계에 의해 장착된 절개 부분으로부터 취해진 인터페로그램으로부터 레이저 노광의 함수로서 결정될 수 있다.

이러한 캘리브레이션 절차에서, 테스트 패턴은 레이저 전력 및/또는 레이저 주사 속도를 변화시킴으로써 테스트 패턴의 상이한 섹션에 대해 상이한 레이저 노광들로 펨토초 레이저에 의해 기입될 수 있다. 테스트 패턴은, 예를 들어 테스트 패턴의 상이한 섹션에 대해 상이한 레이저 전력 및 일정한 주사 속도에서, 그리고/또는 테스트 패턴의 상이한 섹션에 대해 상이한 레이저 주사 속도 및 일정한 전력에서 펨토초 레이저에 의해 기입될 수 있다.

각막 조직 또는 히드로겔과 같은 광학 재료에서 임의의 1회분의 화학 방사선에 의해 달성될 수 있는 굴절률의 변화는 재료의 손상 임계값에 의해 제한된다. 일반적으로, 펄스 레이저 소스에 의해 이러한 광학 재료에 굴절률 구조를 기입하기 위해, 펄스의 연속은 바람직하게는 8 fs 내지 500 fs의 펄스 폭, 0.01 nJ 내지 10 nJ의 펄스 에너지, 10 MHz 내지 500 MHz의 반복률, 및 400 nm 내지 1100 nm의 공칭 파장을 갖는다. 이들 파라미터는 또한 초점 스폿 크기 및 초점 스폿이 광학 재료에 대해 이동되는 주사 속도에 연관된다. 굴절률 변화를 더 큰 부피에 걸쳐서 기입하기 위해서, 초점 스폿 크기 및 주사 속도 모두는, 재료의 손상 임계값 바로 아래의 에너지 체제에서 동작하도록 설정되는 다른 파라미터와 협력하여 실제로 가능한 한 많이 증가된다. 최대 10 m/s의 주사 속도가 고려된다.

또한, 본 개시내용의 실시예에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 파장의 펄스 레이저 출력으로 하나 이상의 트레이스를 기입하는 동안 대물 렌즈(130, 156)를 통해 후방으로 전송되는 광학 재료(220)로부터의 제2 파장의 방출물을 검출하기 위해 실시간 프로세스 제어 모니터(200)가 채용된다. 실시간 프로세스 제어 모니터(200)는 광검출기(210), 대물 렌즈를 통해 전달된 방출물을 광검출기에 포커싱하기 위한 렌즈(212), 및 제2 파장의 방출물을 검출기에 통과시키고 광검출기로부터의 제1 파장의 후방-반사 펄스 레이저 광을 차단하기 위한 필터(214)를 포함한다. 실시간 프로세스 제어 모니터(200)는 광학 재료로부터의 방출물을 렌즈(212) 및 광검출기(210)를 향해 지향시키기 위해서 레이저 광 및 방출물의 경로에 위치설정된 다이크로익 미러 또는 다른 빔 스플리터와 같은 반사기(216)를 더 포함할 수 있다. 실시간 프로세스 제어 모니터(200)는 필터(214)를 제거하거나 이러한 필터를 제1 파장의 후방-반사 레이저 광을 통과시키는 필터로 대체함으로써 레이저 초점 스폿의 깊이를 제어하기 위해 광학 재료의 인터페이스를 검출하기 위한 후방-반사 모니터로서 추가로 채용될 수 있다.

광검출기(210)의 출력(218)은, 실시간 프로세스 제어 모니터에 의해 검출된 제2 파장의 광학 재료로부터의 방출물에 응답하여 레이저 노광을 추가로 제어하기 위한 추가 입력을 제공하기 위해 도 1 및 도 2에 도시되는 바와 같이 제어기(142, 176)에 전송될 수 있다. 이러한 추가 제어는 특정 유형의 광학 재료에 대해 획득된 미리규정된 캘리브레이션 함수에 따른 레이저 노광의 제어 외에 증가된 안전도를 가능하게 한다. 예를 들어, 특정 실시예에서, 제어기는 미리결정된 검출된 방출물 강도 범위 밖에 있는 제2 파장의 검출된 방출물에 응답하여 하나 이상의 트레이스를 따른 레이저 노광을 감소시키거나 정지시키도록 구성될 수 있다. 이러한 방출물이 광학 재료에 대한 손상의 개시와 관련되는 것으로 공지되어 있거나 또는 광학 재료에 대한 손상 직전에 발생하는 것으로 공지되어 있는 경우, 이러한 방출물을 검출하기 위해 프로세스를 모니터링하는 것은 광학 재료에 대한 후속 손상을 방지하는 데 사용될 수 있다.

예를 들어, 플라즈마 발광(예를 들어, 넓은 파장 대역 백색 스파크)이 일부 광학 재료에서 손상 직전에 발생하는 것으로 관찰되었다. 이러한 경우에, 실시간 프로세스 제어 모니터(200)의 필터(214)는 제1 파장(예를 들어, 대략 800 nm)의 레이저 광을 차단하는 한편, 도 4에 도시된 바와 같은 플라즈마 발광 방출 스펙트럼의 일부인 제1 파장과 상이한 제2 파장(예를 들어, 대략 950 nm)의 방출 광을 통과시키는 필터의 형태일 수 있다. 실시간 프로세스 제어 모니터(200)는 광학 재료에 대한 손상 전 또는 그 개시 시에 신호(218)를 제공하기 위해서 본 발명에 따른 굴절률 구조의 기입 동안 이러한 플라즈마 일루미네스센스(illuminescence)를 모니터링하고, 또한 (임계값 레벨 위의 플라즈마 발광이 검출되는 경우 레이저 강도를 즉시 감소시킴으로써) 추가적인 손상을 방지하기 위해 이러한 기입 방법을 제어하기 위해 채용될 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예에서, 광검출기 신호에 기초하는 D/A 출력 및 사전설정된 출력이 이러한 신호에 기초하여 가능한 한 빨리 레이저 전력 변조기(예를 들어, AOM)를 저감시키기 위해서 채용될 수 있다.

추가의 실시예에서, 각막 기질이 제1 파장의 레이저 광에 노광될 때, 각막 기질의 콜라겐 원섬유의 거의 육각형 나노구조에 의해 제2 고조파 발생(SHG)이 제2 파장(즉, 제1 파장의 1/2)에서 발생되는 것이 관찰되었다. 예를 들어, V. Nuzzo 등("In situ monitoring of second-harmonic generation in human corneas to compensate for femtosecond laser pulse attenuation in keratoplasty", 2007년 11월/12월의 Journal of Biomedical Optics, Vol. 12(6), 064032)은 이러한 조직의 비선형 광학 특성과 연관된 후방-산란 제2 고조파 방출물을 평가함으로써 레이저의 침투 깊이를 결정하는 것을 제안한다. 이제, IRIS 펨토초 레이저 노광이 콜라겐 원섬유의 파열을 포함하는 전형적인 각막 초미세구조의 고도로 국소화된 손실을 가져오는 것으로 추가로 판정되었다. SHG는 초기에 도 5에 도시된 바와 같이 일러한 전형적인 각막 초미세구조의 손실 전에는 레이저 노광이 증가함에 따라 증가하는 것으로 관찰되었지만, 이후 SHG는 각막 초미세구조의 손실로 인해 레이저 노광이 높아짐에 따라 감소하며, SHG는 결국 손상된 각막 영역에서 0이 된다. 실시간 프로세스 제어 모니터(200)는, 조직 손상에 접근함에 따라 SHG의 이러한 증가 및 감소를 모니터링하기 위해서 본 발명에 따른 굴절률 구조의 기입 동안 이러한 SHG를 모니터링하고, 추가로 (예를 들어, 이러한 모니터링된 SHG에 기초하여 예상된 조직 손상의 조건이 도달되는 경우 레이저 강도를 즉시 감소시킴으로써) 조직 손상을 방지하기 위해 이러한 기입 방법을 제어하기 위해서 채용될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시되는 바와 같이, 대략 800 nm의 후방-반사 레이저 광을 차단하면서 대략 400 nm의 SHG 광을 통과시키는 필터가 이러한 실시예에서 채용될 수 있다.

추가적인 실시예에서, 실시간 프로세스 제어 모니터(200)는, 도 4에 추가로 도시되는 바와 같이, 대물 렌즈를 통해 전달된 광학 재료로부터의 2-광자 형광 방출물을 검출기에 선택적으로 통과시키기 위한 추가 필터와 같은 하나 이상의 추가 필터 요소를 더 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 모니터(200)는 레이저 기입 프로세스의 실행 전에 형광 요소의 농도를 모니터링하기 위해서, 예를 들어 L. Cui 등에 의해 "High Resolution, Noninvasive, Two-Photon Fluorescence measurement of Molecular Concentrations in Corneal Tissue", 2011년 4월의 IOVS, Vol. 52, No. 5, pp2556-64에 의해 설명되는 것과 유사하게 레이저 에너지 흡수를 위해 재료의 감도를 증가시키기 위해서 광학 재료에 추가되는 NaFl 또는 리보플라빈(riboflavin) 같은 2-광자 흡수 재료의 농도를 모니터링하기 위해서 더 사용될 수 있다.

실시간 프로세스 제어 모니터(200)가 다양한 파장의 후방 반사 광 또는 방출물을 광검출기에 선택적으로 통과시키기 위해서 다수의 필터 요소를 포함하는 실시예에서, 이러한 필터는 원하는 필터를 광학 재료로부터 광검출기까지의 후방 반사 또는 방출된 광의 경로에 선택적으로 배치하기 위해서 예를 들어 동력식 스테이지 상에 위치설정될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 광검출기까지의 광의 경로는 다수의 광검출기로 스펙트럼으로 분할되거나 또는 단일 검출기로 스펙트럼으로 분할될 수 있다. 다수의 필터 요소를 채용하면서 다수의 광검출기까지의 광의 경로를 분할하는 것은 여러 방출물 및/또는 광의 후방-반사 파장을 동시에 모니터링하는 데 특히 유용할 수 있다. 각각의 이러한 실시예에서, 광검출기는 각각의 별개의 포토다이오드이다.

예 1. 생체 내 안구 조직에서의 기입을 위한 위상 캘리브레이션 IRIS 절차

생체 내의 안구 조직에서 결정론적 굴절 구조를 기입하는 제1 단계는 대표적인 안구 조직에 대한 전달된 레이저 전력에 관한 벌크 광학 위상 변화의 메트롤로지이다. 이는, 일 실시예에 따라, 적출된 안구 눈알 전체에서 각각의 개별 바아에 걸쳐 일정한 레이저 전력으로 각각의 상이한 레이저 전력에서 위상 바아의 세트를 기입함으로써 행해질 수 있다. 일례로서, 적출된 고양이 눈알들이 Liberty Research, Inc.로부터 획득되었다. 이들은 야간에 운반되었고, 다음 날 위상 바아가 기입되었다. 동물로부터의 눈알의 제거와 위상 바아의 기입 사이에서, 눈은 Optisol-GS(Bausch & Lomb, Inc.)에 저장되었고 냉각 상태 또는 얼음 상에서 유지되었다.

도 1에 도시되는 바와 같은 기입 시스템에 의해 위상 바아를 기입하기 위한 준비에서, 눈은 각막이 위를 향하도록 배향된 상태에서 Optisol-GS에 부분적으로 매몰된 플라스틱 블록 내의 원추형 함몰부 내에 배치되었다. 도 6에 도시되는 편평기(601)가 나사산형 링(602)과 함께 눈 상에 배치되었고, 진공이 스프링 부하식 시린지(도시되지 않음)에 의해 진공 포트(603)를 통해 흡입되었다. 도 6은 곡선형 눈알 인터페이스, 편평기 커버슬립을 위한 나사산형 링 클램프(602), 및 테이블에 장착하기 위한 강성 알루미늄 바아(604)를 포함하는 편평기의 CAD 도면이다. 각막이 편평기로 흡입되면, 커버슬립의 표면이 발견된다. 이는 초점 평면에 위치된 CCD 카메라를 갖는 단일 렌즈로 구성된 후방-반사 모니터(BRM)를 사용하여 수행되었다. 단일 렌즈는 대물부를 통해 후방으로 반사된 소량의 레이저 광을 모으고 이를 CCD 상에 이미징한다. 대물부의 초점이 표면에 가까우면, 이러한 반사 이미지는 CCD 상의 작은 도트에 접근한다. 표면은 커버슬립-각막 인터페이스로부터의 반사 이미지의 크기가 최소화될 때까지 대물부와 편평기 사이의 거리를 조정하기 위해서 대물부를 수직으로 이동시킴으로써 발견된다. 표면은 편평화된 구역의 양쪽의 2개의 점에서 발견되었다. 이들 점이 서로 대략 50 μm 내에 있는 한, 대물부 운동 평면 및 커버슬립은 꽤 평행한 것을 의미하고, 이후 위치가 평균화되고 평균이 각막 표면 위치로서 사용된다.

각막의 표면이 발견된 상태에서, 대물부는 위상 바아의 세트의 일 단부의 시작 위치로 이동되고, 바아가 기입된다. 캘리브레이션 위상 바아에 사용되는 파라미터는 표 1에 주어진다. 도 7은 캘리브레이션 바아 기하구조의 도형을 도시하며, 도 8은 기입 직후의 눈알의 사진을 도시한다. 일정하게 유지된 표 1의 파라미터들 이외에, 레이저 전력은 전달된 레이저 전력에 관한 위상 변화 캘리브레이션을 생성하도록 바아마다 달라지고, 이후 캘리브레이션은 최종 굴절 구조를 기입하기 전에 AOM 전압에 관한 캘리브레이션으로 변환될 수 있다.

기입 직후, 더 높은 레이저 전력 캘리브레이션 바아의 대부분은 눈 및 광 간섭 단층촬영(OCT) 이미저 모두에 의해 볼 수 있는 미세 기포를 나타냈다. 일단 캘리브레이션 기입이 종료되면, 눈알은 Optisol-GS에 완전히 침지되었고 대략 1시간 동안 냉각기에 배치되었다. 이는 기포가 소산되게 하였고, 이 시점에서 바아는 완전히 투명하였다. 기포가 소산된 후, 눈알을 절개하였다. 이는 각막과 시신경 사이의 대략 중간에서 눈알을 이분함으로써 수행되었다. 망막, 유리액, 안방수, 수정체 및 홍채를 제거하고, 각막 및 각막을 둘러싸는 대략 4 내지 8 mm의 공막만을 남겼다. 이어서, 각막 및 주변 공막을 맞춤형 웨트셀 내에 장착하였다. 웨트셀은 각막을 유체 Optisol-GS 또는 염수 용액 중 어느 하나에 완전히 침지시키도록 설계되었으며, 주변 공막은 각막을 제자리에 유지시키도록 클램핑되었다. 이어서, 안압(IOP)를 모방하기 위해서 시린지에 연결된 튜브를 통해 또는 간단히 유체의 기둥을 생성하기 위해 튜브를 상승시킴으로써 유발되는 정수압에 의해 각막의 후방 표면에 압력을 인가하였다. 이는 각막을 눈에서와 같이 그 자연스러운 위치로 이동시키고, 압력이 인가되지 않는 경우에 초래되는 주름을 평활화한다. Mach-Zehnder 간섭계(MZI)에 의한 투과성 측정을 허용하기 위해 전방 및 후방에 윈도우가 배치되었다. 절개 및 웨트셀 장착의 밑그림뿐만 아니라 SolidWorks로부터의 실제 웨트셀 설계의 분해도가 도 9에 도시되어 있다. 도 9의 좌측에는 눈알이 양분되고 수정체가 제거된 눈의 절개를 나타내는 밑그림이 도시되어 있다. 이어서, 나머지 각막 및 공막이 웨트셀에 장착되며, 이것의 단면이 좌측 하부에 도시되어 있다. 도 9의 우측에는, 실제 웨트셀이 어떻게 조립되는지를 나타내는 SolidWorks로부터 취해진 실제 웨트셀 설계의 분해도가 도시되어 있다. 각막이 웨트셀에 장착된 상태에서, 유도된 벌크 광학 위상 변화의 투과성 측정이 MZI(Mach-Zehnder Interferometer)를 사용하여 측정될 수 있다. MZI 측정에 사용된 레이저 소스는 632.8 nm에서 동작하는 헬륨-네온(HeNe) 레이저였다. 웨트셀 장착 각막은 MZI의 측정 아암 내의 수동 XYZ 병진 스테이지에 부착된 플랫폼 상에 배치되었다. 다양한 바아 세트로부터 다수의 인터페로그램 및 수집된 명시야 이미지가 취해졌다. MZI에 의해 취해진 웨트셀에 장착된 예시적인 각막의 예시적인 상응하는 명시야(도 10a) 및 인터페로그램(도 10b) 이미지를 도 10a 및 10b에서 볼 수 있다. 각각의 바아에 대해 전달된 레이저 전력이 주어진다. 명시야 이미지는 단순히 기준 아암을 차단함으로써 취해졌다. 검은색 스폿은 주변 유체에 부유하는 절개로부터 잔해 및 기포이다.

일단 인터페로그램이 취해지고 나면, 이들은 Gandara-Montano, G.A. 등의 Femtosecond laser writing of freeform gradient index microlenses in hydrogel-based contact lenses. Optical Materials Express, 2015. 5(10): p. 2257-2271에 의해 이전에 기술된 푸리에 변환 기반 알고리즘을 사용하여 위상 맵으로 처리되었으며, 그 예가 도 11a 및 도 11b에 도시되어 있고, 여기서 예시적인 위상 맵(도 11b)은 상응하는 인터페로그램(도 11a)으로부터 처리된다. 각각의 바아에서의 위상 변화를 계산하기 위해, 작은 이웃 영역들, 즉 바아 내측의 하나 및 바아 외측의 하나가 평균화되었고, 이들 사이의 차이가 계산되었다. 취해진 영역은 각막의 잔존 수차 및 주름에 의해 야기되는 인터페로그램에 걸친 위상의 저-주파수 변동으로 인해 작아야 하고 서로 가까워야 한다. 주어진 레이저 전력에서 유도된 위상 변화의 정확한 평가를 얻기 위해, 도 11b에 도시되는 바와 같이 작은 이웃 영역들의 다수의 쌍이 취해졌다. 결과적인 위상 변화를 계산하기 위해 취해질 수 있는 이웃 영역들의 쌍의 세트의 예가 위상 맵 상에 타원들로 도시된다. 각각의 영역은 그것이 속하는 쌍이 어느 것인지를 나타내는 숫자를 갖는다. 영역들은 계산된 위상 차에 그러한 변동이 들어가는 것을 방지하기 위해서 주름 또는 다른 저주파수 변동을 따라 취해진다.

이웃 영역들의 다수의 쌍 사이의 차이를 발견한 후에, 각각의 개별적인 바아로부터의 결과를 평균하여 그 전력에서의 실제 유도된 위상 변화를 발견하였다. 이는 2개의 상이한 고양이로부터 2개의 눈에 의해 수행되었다. 다른 눈은 IRIS 기입 프로세스에서 또는 웨트셀 장착 프로세스에서 실패하였다. 성공적인 눈으로부터의 최종 통합 데이터는 도 12에 도시된다. 그 플롯 내의 각각의 점은 단일 바아로부터의 영역들의 대략 10개의 상이한 쌍의 평균에 상응하고, 표준 편차는 그 평균의 표준 편차로부터 발견되었다. 데이터는 160 mW로 전달된 레이저 전력에서 잘렸다. 160 mW 위에서는 측정된 데이터의 포화가 있는 것으로 보인다. 각각의 점은 유도된 위상 변화의 3개의 층에 상응한다. 잘린 데이터에 대해 선형 피트(linear fit)가 발견되었고, 고양이에서의 굴절 구조의 생체 내 생성을 위한 처방의 설계를 위한 캘리브레이션 곡선으로서 사용되었다.

예 2. 굴절 보정부의 설계

캘리브레이션 곡선이 발견된 후에, 고양이의 생체 내의 전체 구조의 기입을 향한 다음 단계는 기입될 렌즈를 설계하는 것이었다. 렌즈를 기술하는 가장 기본적인 방식은 파면의 누적된 광학 위상을 통한 것이다. IRIS 프로세스의 비선형 특성은 RI 변화 두께의 영역이 10 μm 미만이었음을 암시한다. 이는, IRIS 구조가 아래에 의해 표현되는 위상 변환으로서 처리될 수 있는 얇은 렌즈로서 합리적으로 처리될 수 있을 만큼 충분이 얇은 것이고,

(1)

여기서 k는 자유공간 내의 파수이고, r은 렌즈 내의 반경방향 위치이며, f는 렌즈의 초점 길이이다. 따라서, 이전 섹션으로부터의 캘리브레이션을 이용하여 렌즈를 생성하기 위한 위상 변화 프로파일은 다음과 같다.

(2)

이 위상은 라디안 단위이다. 안과 분야에서 더 널리 인식가능한 변수로 변환하고 단위를 설계 파장에서의 파동으로 변환함으로써, 우리는 다음을 발견하고,

(3)

여기서 D는 디옵터에서의 렌즈의 광 굴절력이고, λ는 설계 파장이다. 임상적인 적절성을 위해, 렌즈의 광 굴절력은 적어도 1.5D(f = 666.7 mm)의 크기를 가져야 한다. 633 nm의 설계 파장을 갖는 식 (3)을 사용하면, 6.0 mm의 임상적으로 적절한 광학 구역에 걸친 1.5 D 렌즈는 633 nm에서 10.66 파동의 최대 위상 변화를 산출한다. 이것은 IRIS 프로세스가 각막에서 달성할 수 있는 것보다 상당히 더 높다.

전체 구조에 걸친 위상차의 총 크기가 IRIS에 대해 매우 과도하게 크지만, 1 파동 간격으로 위상을 랩핑(wraping)하는 것이 가능하다. 이것은 동일한 광 굴절력을 유지하면서 구조에 걸쳐 1 파동 최대 위상차를 갖는 구조를 생성할 것이다. 이러한 유형의 구조는 키노폼 렌즈로도 알려진 프레넬 렌즈라고 불린다. 이러한 방식으로 위상을 쇠퇴시킴으로써, 0과 1 파동 사이의 위상 랩핑을 갖는 일련의 구역을 갖는 구조가 나오게 된다. 표준 위상 프로파일(S)과 프레넬 렌즈 타입 위상 프로파일(F)을 갖는 6 mm 직경 영역에 걸친 -1.5 D 렌즈에 대한 요구 누적 위상의 단면의 비교를 도 13에서 볼 수 있다.

위상 프레넬 렌즈는 회절 광학 요소(DOE)로서 작용한다. DOE에서, 초점은 구역들의 수에 의존하고, 더 밀접하게 이격된 구역들은 더 강력한 렌즈를 가져온다. 이것은 IRIS를 사용하여 렌즈를 기입하는 데 유리한데, 그 이유는 유도되는 광학 위상 변화를 특징이로 했지만, 캘리브레이션 불확실성이 비교적 컸기 때문이다. 그러나, 피크 위상 변화가 정수의 파동과 동일하지 않은 경우, 회절은 완벽하게 매칭되지 않고 광은 광축을 따른 상이한 초점에 상응하는 상이한 회절 차수로 지향될 것이다. 이들 초점은 1차 초점 위치의 정수배에 위치된다. 이는 노안을 갖는 사람들을 위한 IOL을 설계하는 데 활용되어 온 다초점 광학부라 지칭되는 것을 생성한다. 상이한 차수로 보내지는 광의 양 또는 회절 효율은 다음을 사용하여 계산될 수 있고,

(4)

여기서 m은 관심 회절 차수이고, m ₀ 는 설계 차수이며, μ은 설계 구역 높이로부터의 이탈에 의해 결정되는 파라미터이다. 이러한 설계에서 사용되는 구조의 경우에, μ는 다음에 의해 계산될 수 있고,

(5)

여기서 h는 구조의 피크-대-밸리 위상 높이이고, h ₀ 는 모든 것을 설계 차수로 보내기 위한 설계 위상 높이이고, λ ₀ 는 설계 파장이며, λ는 측정 또는 관찰 파장이다. μ = 1에서, η는 설계 차수에 대해 1이고 모든 다른 차수에 대해 0이다.

도 13에 도시되는 프레넬 위상 프로파일은 도 12으로부터의 피트 식을 사용하여 입사 레이저 전력으로 변환되었다. 이것은 IRIS 구조의 설계를 위한 하나의 차원에서 레이저 전력 처방으로서 사용되었다. 구조는 x-(선형 스테이지-)축을 따라 전달되는 레이저 전력 및 y-(굴곡 스테이지-)축을 따라 일정하게 유지되는 레이저 전력을 지배하는 처방에 의해 실린드리칼 프레넬 렌즈로서 설계되었다. 소프트웨어는 AOM 전압 대 레이저 전력 캘리브레이션이 기입일에 컴퓨터에 로딩될 수 있도록 개발되었고, 소프트웨어는 소정 위치의 레이저 전력을 실시간으로 AOM 전압으로 변환할 것이다.

예 3. 생체 내 IRIS 절차

2개의 상이한 청소년기 도메스틱 숏 헤어 고양이(domestic short hair cat)들로부터의 각각의 하나의 눈을 생체 내 IRIS 실험을 위해 사용했다. 고양이는 이전에 설명된 맞춤형 Shack-Hartmann 파면 센서(SHWS)를 응시하도록 IRIS 절차까지의 수개월 동안 행동 훈련되었다(Huxlin, K.R. 등의 Monochromatic ocular wavefront aberrations in the awake-behaving cat. Vision Research, 2004. 44(18): p. 2159-2169, 및 Nagy, L.J. 등의 Photorefractive keratectomy in the cat eye: Biological and optical outcomes. Journal of Cataract & Refractive Surgery, 2007. 33(6): p. 1051-1064). IRIS 절차 전에, IRIS 이후의 파면을 비교할 수 있는 고양이에 대한 베이스라인 파면을 구축하기 위해서 SHWS를 사용하여 여러 상이한 파면을 모았다. IRIS의 적어도 1주 전에, 각각의 눈의 OCT 이미지를 획득하였다.

IRIS 절차를 위해, 고양이를 수술(케타민, 5 mg/kg, 덱스메데토미딘 히드로클로라이드 0.04 mg/kg) 및 국소 마취(프로파라카인 0.5%; 팔콘) 하에 두었다. 이어서, 고양이는 고양이의 두개골에 부착된 티타늄 헤드포스트를 사용하여 대물부 아래에 고정되었다. 헤드포스트는 다우얼 핀(dowel pin)에 의해 부착점 자체가 헤드포스트의 축을 중심으로 한 회전을 제공하도록 설계된 3축 수동 스테이지에 부착되었다. 도 6에 나타낸 편평기를 사용하여 각막을 편평화하였다. IRIS 프레넬 구조를 기입하기 위한 파라미터는 적용될 수 없는 바아 크기 파라미터를 제외하고 표 1에 열거된 것들과 동일하였다. 프레넬 렌즈는 직경이 5.9 mm가 되도록 설계되었다. 굴곡 기반 주사 시스템은 6.5 mm × 6.0 mm 영역에 걸쳐 동작하며, 5.9 mm 원형 프레넬 렌즈 외부의 모든 점은 AOM을 통해 0 레이저 전력으로 설정된다. 고양이를 장착하기 전에, AOM 전압 대 전달된 레이저 전력 캘리브레이션 곡선이 측정되었다. 이 곡선은 도 13에 도시되는 프레넬 구조에 상응하는 AOM 전압 처방을 생성하는 데 사용되었다. 고양이가 장착되고 처방이 계산된 상태에서, 3개의 층 모두에 대해 30분의 총 런타임으로 IRIS 절차를 수행하였다.

일단 IRIS 절차가 완료되면, 편평기는 눈으로부터 제거되었고 고양이는 시스템으로부터 장착해제되었다. 이어서, 눈은 OCT 이미저에 의해 즉시 이미지화되었다. 일단 고양이가 마취로부터 충분히 회복되어 파면 측정에 협력하면, 각각의 눈은 SHWS를 사용하여 측정되었다. 이러한 회복은 통상적으로 1 내지 2일이 걸렸다. 이어서, 파면은 다음 6개월에 걸쳐 주기적으로 측정되었다.

안과 수차를 보고하기 위한 표준에 따라, 제르니케 다항식을 사용하여 재구성된 파면을 기술하였다. 제르니케 계수들은 C _j 라고 지칭될 것이며, 여기서 j는 특정 제르니케 계수의 인덱스를 나타낸다. 안과 수차에 대한 가장 중요한 제르니케 항은 디포커스를 나타내는 C ₄ 이고, C ₃ 및 C ₅ 는 2개의 비점수차 항을 나타낸다. 이들 제르니케 계수로부터 상응하는 광 굴절력으로의 변환을 지배하는 관계는 다음과 같고,

, (6)

, (7)

및

(8)

여기서 DEF는 근축 파면의 디포커스이고, CYL은 근축 파면 난시이고, φ는 난시축(cylinder axis)의 각도이며, r은 측정 구역의 반경이다. 이들 식은, 그것이 안경 보정이 아닌 관심을 갖는 2차 광 굴절력이기 때문에 전통적인 안과 표현과 반대의 굴절력이다. 광 굴절력 이외에, 종종 전체적인 고차 수차들을 정량화하는 것에 관심이 있다. 이것은 종종 다음에 의해 주어지는 근평균 제곱(RMS)으로 표현된다.

(9)

고차 수차들을 정량화하기 위해, 식 9의 합계는 j=6 내지 65로부터 취해지고, 고차 근평균 제곱(HORMS)이라 지칭된다.

IRIS 절차가 수행된 직후에, 눈의 사진이 촬상되었고, 그 중 하나를 도 14에서 볼 수 있다. 절차가 행해진 직후에 각막에서 미세기포를 볼 수 있었다. 그러나, 이들 기포는 다음 30 내지 60분에 걸쳐 소산되었고, 각막은 완전히 투명한 상태가 되었다. 프레넬 렌즈의 경우에, 이들 기포는, 기포가 단지 더 높은 위상 변화 영역(가장 큰 레이저 전력이 전달된 곳)에 형성되기 때문에, 바로 식별될 수 있는 위상-랩핑 구조를 구성했다.

다음의 6개월에 걸쳐, SHWS 파면 데이터로부터 계산된 난시 굴절력은 양쪽 눈에 대해 안정적으로 유지되었지만; 유도된 난시의 크기에 있어서는 2개의 눈 사이에서 작은 차이가 측정되었다. 베이스라인 파면으로부터의 평균 난시 굴절력 차이는 하나의 고양이에 대해 -1.40 ± 0.17 D이고 제2 고양이에 대해 -0.96 ± 0.10 D였다. 이 값은 6개월 측정 시간 프레임에 걸쳐 안정되었다. 디포커스는 가변적이었지만 양쪽 눈에 대해 대략 -0.25 D 부근에 중중되었다. 데이터는 표 2에 요약되어 있고, 디포커스 및 난시 모두에 대한 데이터 세트의 플롯이 도 15에 도시되어 있다.

생체 내 굴절 보정부를 생성하기 위한 전체 프로세스가, 시스템 캘리브레이션 내지 구조 설계로부터 최종적인 생체 내 절차 및 메트롤로지까지 제시되었다. MZI를 갖는 습윤 셀에서 측정된 적출된 눈을 사용하여 위상 변화와 전달된 레이저 전력 사이의 캘리브레이션을 발견하였다. 이러한 캘리브레이션은 유도된 위상 변화의 0.6 내지 0.8 파동의 포화점까지 거의 선형 경향을 나타내었다. 이러한 캘리브레이션은 프레넬 렌즈 타입 구조 형태의 -1.5 D 굴절 보정기를 설계하는 데 사용되었다. 마지막으로, IRIS 프로세스를 사용하여, 설계된 프레넬 렌즈를 2개의 생체 고양이의 눈에 구성하여, 매우 작은 유도 디포커스를 갖는 -1.40 ± 0.17 D 및 -0.96 ± 0.10 D의 최종 굴절 보정부를 생성하였다. 이들 보정부는 SHWS에 의해 6개월의 과정에 걸쳐 측정되었고 그 시간에 걸쳐 안정되었다. 설명된 실험이 고양이들에서 수행되었지만, 유사한 굴절률 변화가 인간에서 가능하다.

생체 내 레이저 기입 시스템을 위한 캘리브레이션 함수를 공식화하는 설명된 적출 눈알 캘리브레이션 방법은 역시 본원에 설명된 추가적인 실시간 프로세스 제어 실시예가 있거나 없는 상태에서 사용될 수 있다.

본 개시내용에 유용한 주사 시스템의 추가적인 세부사항은, 본원에 참조로 포함되는, 발명의 명칭이 "High numerical aperture optomechanical scanner for layered gradient index microlenses, methods, and applications"인 미국 특허 출원 공보 제20160144580 A1호에 기술되어 있다. 광학 재료에서의 굴절률 기입을 위한 추가의 예시적인 적합한 방법 및 기술이, 예를 들어 Knox 등에게 허여된 미국 특허 제7,789,910 B2호, OPTICAL MATERIAL AND METHOD FOR MODIFYING THE REFRACTIVE INDEX; Knox 등에게 허여된 미국 특허 제8,337,553 B2호, OPTICAL MATERIAL AND METHOD FOR MODIFYING THE REFRACTIVE INDEX; Knox 등에게 허여된 미국 특허 제8,486,055 B2호, METHOD FOR MODIFYING THE REFRACTIVE INDEX OF OCULAR TISSUES; Knox 등에게 허여된 미국 특허 제8,512,320 B1호, METHOD FOR MODIFYING THE REFRACTIVE INDEX OF OCULAR TISSUES; 및 Knox 등에게 허여된 미국 특허 제8,617,147 B2호, METHOD FOR MODIFYING THE REFRACTIVE INDEX OF OCULAR TISSUES에 기술되어 있다. '910, '553, '055, '320, 및 '147 특허를 포함하는 위에 언급된 특허는 모두 모든 목적을 위해 그 전체가 본원에 참조로 포함된다.

위에 개시된 및 다른 특징과 기능의 변형 또는 그 대안이 많은 다른 상이한 시스템 또는 용례에 조합될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이하의 청구범위에 포함되도록 또한 의도된, 이제까지 예상 또는 예측하지 못한 여러 가지 대안, 수정예, 변경예, 또는 개선예가 통상의 기술자에 의해서 후속하여 이루어질 수 있을 것이다.

Claims (37)

1. 굴절률 기입 시스템이며,
   제1 파장의 펄스 레이저 출력(122,180)을 제공하기 위한 펄스 레이저 소스(100);
   펄스 레이저 출력을 광학 재료 내의 초점 스폿에 포커싱하기 위한 대물 렌즈(130,156);
   굴절률의 변화에 의해 규정되는 하나 이상의 트레이스를 광학 재료에 기입하기 위해 초점 스폿을 주사 영역을 따라 상대 속도 및 방향으로 광학 재료에 대해 상대적으로 이동시키기 위한 스캐너(140,150); 및
   주사 영역을 따른 광학 재료 내의 에너지 프로파일을 광학 재료의 비선형 흡수 임계값 위로 그리고 상당한 광 산란 또는 흡수가 광학 재료의 의도된 성능을 저하시키는 광학 재료의 브레이크다운 임계값 아래로 유지하기 위해서 레이저 전력 및/또는 상대 주사 속도를 변화시킴으로써 광학 재료에서 원하는 굴절률 프로파일을 달성하도록 광학 재료에 대한 캘리브레이션 함수에 따라 하나 이상의 트레이스를 따라 레이저 노광을 제어하는 제어기(142,174)를 포함하며;
   굴절률 기입 시스템은 생체 내 광학 조직에 트레이스를 기입하기 위한 것이고, 제어기는, 테스트 패턴의 상이한 섹션에 대해 상이한 레이저 노광에서 펨토초 레이저로 하나 이상의 적출된 안구 눈알의 섹션에 테스트 패턴을 기입하고; 자연스러운 곡선형 배향의 기입 패턴 및 주변 영역에서 취해진 인터페로그램으로부터, 기입 패턴을 둘러싸는 영역의 미변경 조직에 대한 기입 패턴에서의 유도된 굴절률 변화를 레이저 노광의 함수로서 결정함으로써, 펨토초 레이저 기입에 의해 테스트 안구 조직에서 유도되는 굴절률 변화를 레이저 노광의 함수로서 캘리브레이팅함으로써 획득되는 캘리브레이션 함수에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 기입 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   제어기(142,174)는,
   테스트 패턴의 상이한 섹션에 대해 상이한 레이저 노광에서 펨토초 레이저로 하나 이상의 적출된 안구 눈알의 섹션에 테스트 패턴을 기입하고;
   테스트 패턴이 기입된 섹션 및 주변 영역을 적출된 눈알로부터 절개하고;
   절개된 부분을 웨트셀에 자연스러운 곡선형 배향으로 배치하는 상태로 웨트셀에 장착하며;
   간섭계에 의해 장착 절개 부분에서 취해진 인터페로그램으로부터, 절개된 부분의 미변경 조직에 대한 기입 패턴에서의 유도된 굴절률 변화를 레이저 노광의 함수로서 결정함으로써,
   펨토초 레이저 기입에 의해 테스트 안구 조직에서 유도되는 굴절률 변화를 레이저 노광의 함수로서 캘리브레이팅함으로써 획득되는 캘리브레이션 함수에 의해 구성되는 기입 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   펄스 레이저 소스(100)는 0.01 nJ 내지 10 nJ의 펄스 에너지, 8 fs 내지 500 fs의 펄스 지속 시간, 및 10 MHz 내지 500 MHz의 반복률을 갖는 펄스의 연속으로 구성되는 시준된 출력 빔을 생성하도록 배열되는 기입 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   하나 이상의 트레이스를 기입하는 동안 대물 렌즈(130,156)를 통해 전송된 광학 재료로부터의 제2 파장의 방출물을 검출하기 위한 실시간 프로세스 제어 모니터(200)를 더 포함하고, 광검출기(210), 대물 렌즈를 통해 전송된 방출물을 광검출기에 포커싱하기 위한 렌즈(212), 및 제2 파장의 방출물을 검출기에 통과시키고 광검출기로부터의 제1 파장의 후방-반사 펄스 레이저 광을 차단하기 위한 필터(214)를 포함하며; 제어기(142,174)는 추가로 실시간 프로세스 제어 모니터에 의해 검출된 광학 재료로부터의 제2 파장의 방출물에 응답하여 레이저 노광을 더 제어하도록 구성되는 기입 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   제어기(142,174)는 미리결정된 검출된 방출물 강도 범위 밖의 제2 파장의 검출된 방출물에 응답하여 하나 이상의 트레이스를 따른 레이저 노광을 감소시키거나 정지시키도록 구성되는 기입 시스템.
6. 제5항에 있어서,
   프로세스 제어 모니터(200)는 제2 파장의 플라즈마 발광 방출물을 검출하도록 구성되는 기입 시스템.
7. 제5항에 있어서,
   프로세스 제어 모니터(200)는 제2 파장의 후방 산란 제2 고조파 발생을 검출하도록 구성되는 기입 시스템.
8. 제1항에 있어서,
   제어기(142,174)는 주사 트레이스를 따라 레이저 노광을 조정하기 위해 레이저 전력을 조절하도록 구성되는 기입 시스템.
9. 제1항에 있어서,
   제어기(142,174)는 주사 트레이스를 따라 레이저 노광을 조정하기 위해 상대 주사 속도를 조절하도록 구성되는 기입 시스템.
10. 제4항에 있어서,
    실시간 프로세스 제어 모니터(200)는 상이한 파장의 후방 반사 광 또는 방출물을 광검출기(210)에 선택적으로 통과시키기 위해서 다수의 필터 요소(214)를 포함하는 기입 시스템.
11. 제4항에 있어서,
    실시간 프로세스 제어 모니터(200)는 상이한 파장의 후방 반사 광 또는 방출물을 동시에 검출하기 위해서 다수의 필터 요소(214) 및 다수의 광검출기(210)를 포함하는 기입 시스템.
12. 제11항에 있어서,
    광검출기(210)는 각각의 포토다이오드인 기입 시스템.
13. 제4항에 있어서,
    광검출기(210)는 포토다이오드인 기입 시스템.
14. 제4항에 있어서,
    실시간 프로세스 제어 모니터(200)는 대물 렌즈를 통해 전송된 광학 재료로부터의 2-광자 형광 방출물을 검출기에 선택적으로 통과시키기 위해서 추가적인 필터를 더 포함하는 기입 시스템.
15. 제1항에 있어서,
    기입 시스템을 환자의 각막에 결합하기 위한 진공 흡입 링(133)을 포함하는 안구 환자 인터페이스(132)를 더 포함하는 기입 시스템.
16. 펨토초 레이저 기입에 의해 안구 조직에서 유도되는 굴절률 변화를 레이저 노광의 함수로서 캘리브레이션하는 방법이며, 상기 방법은, 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 굴절률 기입 시스템에 있어서, 제어기에 캘리브레이션 함수를 형성하는 용도인 것을 특징으로 하고,
    테스트 패턴의 상이한 섹션에 대해 상이한 레이저 노광에서 펨토초 레이저로 하나 이상의 적출된 안구 눈알의 섹션에 테스트 패턴을 기입하는 단계;
    테스트 패턴이 기입된 섹션 및 주변 영역을 적출된 눈알로부터 절개하는 단계;
    절개된 부분을 웨트셀에 자연스러운 곡선형 배향으로 배치하는 상태로 웨트셀에 장착하는 단계;
    간섭계에 의해 장착 절개 부분에서 자연스러운 곡선형 배향으로 취해진 인터페로그램으로부터, 절개된 부분의 미변경 조직에 대한 기입 패턴에서의 유도된 굴절률 변화를 레이저 노광의 함수로서 결정하는 단계를 포함하는 방법.
17. 제16항에 있어서,
    테스트 패턴은 레이저 전력 및/또는 레이저 주사 속도를 변화시킴으로써 테스트 패턴의 상이한 섹션에 대해 상이한 레이저 노광에서 펨토초 레이저에 의해 기입되는 방법.
18. 제16항에 있어서,
    테스트 패턴은 테스트 패턴의 상이한 섹션에 대해 상이한 레이저 전력 및 일정한 주사 속도에서 펨토초 레이저에 의해 기입되는 방법.
19. 제16항에 있어서,
    테스트 패턴은 테스트 패턴의 상이한 섹션에 대해 상이한 레이저 주사 속도 및 일정한 전력에서 펨토초 레이저에 의해 기입되는 방법.
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