KR20010033704A - 프로그래밍 가능한 교정 렌즈 - Google Patents

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KR20010033704A
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장샤오샤오
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한스 루돌프 하우스
노파르티스 아게
헨리테 브룬너
베아트리체 귄터
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Abstract

본 발명은 광학 배율을 제공하는 체적 HOE를 사용하는 안구용 렌즈를 제공한다. 안구용 렌즈는 다수의 상이한 굴절이상 상태를 조정할 수 있도록 매우 융통성 있는 공정에 의해 제조한다.

Description

프로그래밍 가능한 교정 렌즈{Programmable corrective lens}
본 발명은 체적 홀로그래피 소자(volume holographic element)를 함유하는 시력 교정 렌즈(corrective optic lens)에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 본 발명은 광학 배율을 제공하는 홀로그래피 소자를 갖는 시력 교정 렌즈에 관한 것이다.
광학적으로 투명한 중합체의 굴절 배율을 사용하여 굴절이상 및 기타 불리한 시력 상태를 교정하기 위한 광학 렌즈는 널리 이용 가능하다. 굴절이상은 근시, 원시, 노안 및 난시를 포함하는 눈의 굴절성 시력 손상의 상태를 나타내는 용어이다. 일반적으로 사용되는 시력 교정 렌즈는 안경용 렌즈(spectacle lens)와 안구용 렌즈(ophthalmic lens)를 포함한다.
굴절이상을 교정하기 위한 안구용 렌즈는 콘택트 렌즈와 의안 렌즈(intraocular lens)를 포함한다. 각각의 굴절이상 상태는 특정한 교정 배율을 필요로 하기 때문에, 눈의 다수의 상이한 시력 결함을 조정하는 안구용 렌즈에 대한 다수의 상이한 디자인이 존재할 필요가 있다. 예를 들면, 상이한 수준의 근시 상태를 콘택트 렌즈로 조정하기 위하여, 상이한 구면 배율 범위가 통상적으로 1/4디옵터(diopter)씩 증가하여 0 내지 10디옵터 또는 더 낮은 콘택트 렌즈가 제조된다. 난시 상태는 배율 조절 뿐만 아니라 원주 축 조절을 필요로 하기 때문에 굴절이상 상태를 교정하는 데 있어서 조정하는 어려움이 특히 심해진다. 또한, 굴절이상용 교정 렌즈는 안정화 메카니즘, 예를 들면, 눈에 대한 렌즈의 축을 적합하게 배향시키 위하여 프리즘 밸러스트(prism ballast) 또는 슬랩 오프(slab-off)를 가져야 한다. 결과적으로, 다수의 상이한 디자인 기준은 굴절이상 상태를 적합하게 조정하고 착용하기에 편리한 토릭 렌즈를 제조하도록 고려되어야 한다.
디자인하기에 간단하고 통상적인 안구용 렌즈 제조공정보다 더욱 간단한 제조 공정에 의해 제조되는 교정 렌즈에 대한 요구가 잔존한다.
본 발명은 투과 체적 홀로그래피 소자를 갖는 안구용 렌즈를 제공하며, 당해 체적 홀로그래피 소자는 광학 배율을 제공하는 격자 구조(grating structure)를 갖는다. 또한, 난시 교정용 안구용 렌즈가 제공된다. 난시 교정 렌즈는 원주 교정 배율을 제공하는 체적 홀로그래피 소자를 갖는다. 체적 홀로그래피 소자를 갖는 적합한 안구용 렌즈에는 콘택트 렌즈 및 의안 렌즈가 포함된다.
당해 안구용 렌즈는, 렌즈의 치수를 변화시킬 필요 없이, 렌즈로 적합한 배율을 프로그래밍함으로써 렌즈의 교정 배율 또는 배율들이 제공되기 때문에 매우 융통성있는 제조방법으로 제조된다. 따라서, 광범위한 다양한 교정 배율이 제공될 수 있으며, 안구용 렌즈는 선행 기술분야의 렌즈 디자인의 광학적 제약 없이 렌즈 착용자의 편의를 도모하도록 디자인될 수 있다.
도 1은 본 발명의 교정 안구용 렌즈를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 체적 홀로그래피 광학 소자의 제조방법을 나타낸다.
도 3은 토릭 HOE 안구용 렌즈의 제조방법을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 안구용 렌즈를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 안구용 렌즈를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 안구용 렌즈를 나타낸다.
도 7 내지 7b는 복합 홀로그래피 광학 소자를 나타낸다.
본 발명의 안구용 렌즈는 매우 광범위한 다양한 광학 배율 및 형태를 제공하도록 프로그래밍될 수 있으므로, 다양한 굴절이상 상태를 교정하는 데 매우 적합하다. 본 발명으로 교정될 수 있는 굴절이상 상태의 예는 근시, 원시, 노안, 규칙적 난시 및 불규칙적 난시, 및 이들의 조합을 포함한다.
안구용 렌즈는 홀로그래피 광학 소자(HOE), 더욱 특히 투과 체적 HOE의 회절 특성을 이용하여 광학 배율을 제공한다. 본 발명의 체적 HOE는 광학 물질의 굴절률의 주기적인 변동으로서 프로그래밍되거나 기록되는, 간섭 프린지 패턴(interference fringe pattern), 즉 체적 격자 구조를 함유한다. 체적 격자 구조는 HOE로 입사하는 광을 회절시키고, 광의 경로가 변경되어 목적하는 방향으로 방향전환된다. 도 1은 본 발명에 적합한 HOE(10)의 예를 나타내며, 이는 수렴 또는 플러스 광학 배율을 갖는다. HOE 렌즈(10)는 체적 격자 구조(12)를 갖고, 격자 구조(12)는 광(14)의 방향을 결정하고, 당해 광은 한 면으로부터 렌즈(10)로 입사되어 렌즈(10)의 또 다른 면에 위치한 초점(16)에 집중된다. 바람직하게는, 입사광(14)은 하나 이상의 간섭 프린지(12)에 의해 회절되어 높은 회절 효율이 달성되도록 초점(16)으로 방향전환된다.
도 2는 수렴 배율을 제공하는 체적 HOE를 제조하거나 프로그래밍하기 위한 방법을 나타낸다. 본 발명에 적합한 HOE는, 예를 들면, 중합성 또는 가교결합성 광학 물질 및 사진 홀로그램 기록 매체로부터 제조할 수 있다. 적합한 광학 물질은 추가로 하기에서 논의한다. 이후에, 본 발명을 설명하기 위하여, 용어 "중합성 물질"은 달리 지시하지 않는 한, 중합성 물질과 가교결합성 물질을 둘 다 나타내는 데 사용한다. 점 광원(point-source light)(제1 광)(20) 및 시준 광(제2 광)(24)을 제1 광(20)과 제2 광(24)의 전자기 파가 간섭 프린지 패턴을 형성하여 광학 물질이 중합되면서 중합성 광학 물질에 기록되도록 광중합성 광학 물질(즉, 광중합성 HOE)(22)로 동시에 투사한다. 광중합성 HOE(22)는 제1 광과 제2 광 둘 다에 의해 중합되는 광중합성 물질이다. 바람직하게는, 제1 광과 제2 광은, 제1 광과 제2 광이 간섭성이도록 빔 분할기를 사용하여 하나의 수렴 광원으로부터 생성된다. 광의 두 개의 분할 부분이 HOE(22)를 향하여 투사됨에 따라, 분할 광의 제1 부분의 경로는 변경되어 점 광원(20)을 형성한다. 제1 점 광원(20)은, 예를 들면, 분할 광의 한 부분이 HOE(22)로부터 바람직하게 떨어진 거리, 즉 도 2의 점 광원 위치(20)에 집중되도록, 광중합성 HOE(22)로부터 얼마간 떨어진 거리에 통상적인 볼록 광학 렌즈를 위치시킴으로써 제공된다. 제1 광 및 제2 광은 HOE(22)로 간섭적으로 입사되어 간섭 프린지 패턴[즉, 체적 회절 격자 구조(26)]을 기록한다. 완전히 기록되어 중합된 HOE(22)는 초점을 가지며, 당해 초점은 빛이 초점의 반대 면으로부터 HOE로 입사되는 경우, 점 광원(20)의 원래의 위치에 상응한다. 본 발명에 따라, 안구용 렌즈의 배율은, 예를 들면, 제1 광(20)의 거리 및 위치를 변화시킴으로써 변화시킬 수 있다. 본 발명에 따라, 제1 및 제2 광에 대한 바람직한 광원은 레이저 광원, 더욱 바람직하게는 UV 레이저 광원이다. 광원의 적합한 파장은 사용되는 HOE의 유형에 좌우되지만, 바람직한 파장 범위는 300 내지 600nm이다.
인지할 수 있는 바와 같이, 수렴 교정 배율을 갖는 HOE는 위에서 기술한 HOE의 제조를 일부 변경하여 제조할 수도 있다. 예를 들면, 광원으로부터 떨어진 HOE의 다른 면 위에 초점을 형성하는 수렴 제1 광원은 제1 점 광원 대신 사용되어 네가티브 교정 배율을 갖는 HOE를 생성할 수 있다.
도 3으로 전환하면, 난시 시각 상태를 교정하는 데 적합한 원주 배율을 프로그래밍하기 위한 방법의 예가 제공되어 있다. 제1 점 광원이 제1 선 광원으로 대체되는 것을 제외하고, 수렴 교정 배율을 갖는 HOE를 제조하기 위한 위에서 논의된 방법과 유사한 격자 구조 프로그래밍이 사용될 수 있다. 제1 선 광원은 중합성 광학 물질(38)로부터 어느 정도 떨어진 거리에 수직으로 위치한 원주 광학 렌즈(34)로 시준 광(32)을 변경시킴으로써 제공된다. 원주 렌즈(34)는 원주 렌즈(34)에 대하여 수직 방향(즉, 축 경선)으로 광(32)의 경로를 변경시키지 않는 반면, 수평 방향(즉, 배율 경선)의 광(32)의 경로를 현저히 변경시켜 광을 초점에 집중시킨다. 역시, 제1 광(32)과 제2 광(36)은 중합성 광학 물질(38)로 동시에 향하여 체적 회절 격자 구조를 기록함으로써, 원주 또는 토릭 광학 배율을 갖는 HOE 렌즈를 형성한다. 초점의 위치는, 원주 렌즈(34)에 의해 제공되는데, 상이한 수렴 및 발산 광학 배율을 제공하도록 변화시킬 수 있다. 예를 들면, 프로그래밍된 HOE 렌즈를 프로그래밍 광원의 반대 면으로부터 가시광을 수용하도록 디자인하고 배율 경선에서 수렴 배율을 제공하도록 디자인하는 경우, 제1 광의 경로는 프로그래밍 공정 동안에 중합성 광학 물질(38)의 앞에 위치한 점에 집중하도록 변경시켜야 한다. 또한, 중합성 광학 물질(38)에 대한 원주 렌즈(34)의 회전 배향은 매우 다양한 원주 배율 배향을 제공하도록 변화시킬 수 있다. 따라서, 토릭 HOE 렌즈를 제조하는 제조방법은 매우 다양한 토릭 렌즈를 제조할 수 있는 매우 융통성있는 방법이다.
도 3은 규칙적 난시 토릭 HOE 렌즈의 제조방법을 나타내지만, 당해 방법은 불규칙적 난시 교정 렌즈를 제조하도록 쉽게 변경시킬 수 있다. 불규칙적 난시 교정 렌즈는 규칙적 원주 렌즈(34) 대신, 제1 광의 경로를 변경시키는 불규칙적 원주 렌즈를 사용함으로서 제조할 수 있다. 예를 들면, 배율 경선의 축과 축 경선의 축 사이의 예각 및 둔각을 제공하는 원주 렌즈는 불규칙적 난시용 토릭 HOE 렌즈를 제조한다.
토릭 HOE 렌즈는 통상적인 토릭 안구용 렌즈, 예를 들면, 토릭 콘택트 렌즈보다 훨씬 유리하다. 통상적인 토릭 콘택트 렌즈와는 달리, HOE 렌즈는 상이한 난시 상태의 상이한 교정 필요성, 예를 들면, 원주 배향, 배율 요건 및 안정화 메카니즘의 위치를 조정하기 위해 이의 치수를 변경시킬 필요가 없다. 토릭 HOE 렌즈는 렌즈의 교정 배율이 렌즈로 융통성 있게 프로그래밍되고 렌즈의 기하학적 형상에 의해 제조되지 않으므로 착용자의 편의를 최적화시키도록 디자인할 수 있다. HOE 렌즈의 교정 배율은 렌즈의 기하학적 형상에 좌우되지 않지만, 렌즈의 기하학적 형상은 추가의 광학 배율을 제공하거나 프로그래밍된 광학 배율을 보완하도록 이용할 수 있다. 예를 들면, 렌즈의 형상은 추가의 굴절 배율, 예를 들면, 플러스 또는 마이너스 구면 배율을 제공하도록 디자인될 수 있다.
도 4는 본 발명의 예시적인 HOE 렌즈 디자인의 예를 나타낸다. 이러한 양태에서, HOE 2초점 활성 렌즈(40)는 HOE를 형성하는 광학 물질로부터 제조한다. HOE 렌즈의 프로그래밍된 체적 격자 구조는 광학 배율을 제공하고, 위에서 논의된 바와 같이, HOE 렌즈의 형상과 HOE 물질의 굴절률의 조합은 보완적인 또는 추가의 광학 배율을 제공할 수 있다. HOE 렌즈 양태는 사용된 HOE 물질이 생체적합성 물질이어서, 신체 조직과 불리한 상호작용을 일으키지 않는 경우에 특히 적합하다. 본원에서 사용된 용어 "생체적합성 물질"은 주체의 생물 조직에 이식하거나 근접하게 위치시키는 경우, 규정 시간 동안 적합하게 악화되지 않고 면역성 반응 또는 유해한 조직 반응, 예를 들면, 독성 반응 또는 현저한 자극을 유발하지 않는 중합체성 물질을 나타낸다. 바람직하게는, 생체적합성 물질은 6개월 이상, 더욱 바람직하게는 1년 이상, 가장 바람직하게는 10년 이상에 걸쳐 악화되지 않고 면역성 반응 또는 유해한 조직 반응을 일으키지 않는다. 적합한 생체적합성 광학 물질은 매우 광가교결합성 또는 광중합성인 광학 물질이다. 적합한 생체적합성 물질은 폴리비닐 알콜, 폴리에틸렌이민 또는 폴리비닐아민의 유도체 및 공중합체를 포함한다. 본 발명의 HOE를 생성하는데 특히 적합한 생체적합성 물질의 예는 뮐러(Muller)에 허여된 미국 특허 제5,508,317호 및 뮐레바하(Muhlebach)에 허여된 국제 특허원 제PCT/EP96/00246호에 기재되어 있으며, 당해 특허 및 특허원은 본원에 참조로 인용되었으며, 추가로 하기에 논의된다.
HOE 안구용 렌즈(40)는 특히 렌즈(40)가 난시 교정용 콘택트 렌즈로서 디자인되는 경우 안정화 메카니즘(나타내지 않음)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 프리즘 밸러스트를 렌즈의 기저에 추가할 수 있거나, 슬랩-오프를 렌즈의 상부에 제공하거나, 상부 및 기저 이중 슬랩-오프 디자인을 눈의 굴절이상 상태를 매칭시키는 토릭 렌즈의 원주 축을 적합하고 안정하게 배향시키는 데 사용한다. 또한, 위에서 논의한 바와 같이, 렌즈(40)의 형상 및 HOE 물질의 고유한 굴절률은 추가의 광학 배율을 제공할 수 있다.
또 다른 렌즈 디자인 양태를 도 5에 나타내었다. 복합 렌즈(50)는 제1 광학 물질(54), 바람직하게는 생체적합성 광학 물질에 매봉되거나 봉입된 HOE(52)를 갖는다. 이러한 복합 렌즈 양태는 HOE(52)가 적합하게 생체적합성이지 않은 광학 물질로부터 생성되는 경우 특히 적합하다. 그러나 또 다른 양태가 도 6에 나타나 있다. 복합 HOE 렌즈(60)는 제1 광학 렌즈(62) 및 HOE 렌즈(64)를 갖고, 렌즈(64)는 제1 광학 렌즈(62)에 걸쳐 근접하게 위치한다. 또 다른 방법으로, HOE 렌즈(64)는 눈의 동공만을 덮는 크기일 수 있고, 제1 광학 렌즈(62)와 HOE 렌즈(64)의 배치는 상호변경될 수 있다. 제1 광학 물질로부터의 제1 광학 렌즈(62) 및 HOE 물질로부터의 HOE 렌즈(64)는 개별적으로 가공하거나, 예를 들면, 접착적으로 또는 열적으로 접합시킬 수 있다. 또 다른 방법으로, 제1 광학 렌즈(62) 및 HOE 렌즈(64)는 복합 렌즈가 제조되도록 한 렌즈가 다른 렌즈 위로 오도록 하여 연속 또는 동시 가공될 수 있다. 연속 또는 동시 방법은 하나의 기본 물질 또는 두 개의 화학적으로 혼화성인 물질로부터 제1 광학 렌즈 및 HOE 렌즈가 제조되는 경우 특히 적합하다.
본 발명에 따라, 적합한 HOE는 비교적 신속하게 광중합되거나 광가교결합되는, 특히 유동성 광학 물질일 수 있는 광가교결합성 및 가교결합성 광학 물질로부터 제조할 수 있다. 설명을 위하여, 이후에, 용어 "가교결합성 물질"은 달리 지시하지 않는 한, 중합성 물질과 가교결합성 물질을 둘 다 나타내도록 사용된다. 신속하게 중합할 수 있는 광학 물질은 광학 물질 내에서 생성될 수 있는 굴절률의 주기적인 변동을 허용함으로써, 광학 물질이 중합하여 고체 광학 물질을 형성하는 동안 체적 격자 구조를 형성한다. 유동 중합성 광학 물질이 HOE를 제조하는 데 사용되는 경우, 광원은 체적 격자 구조를 형성하면서 유동 광학 물질을 비유동 또는 고체 HOE로 변환시킨다. 용어 "유체"는 본원에서 물질이 액체처럼 유동할 수 있음을 나타낸다. 바람직하게는, 적합한 중합성 및 가교결합성 광학 물질은 생체적합성 광학 물질로부터 선택되고, 바람직하게는, 적합한 광학 물질은 가교결합되거나 중합되어 5분 이하, 더욱 바람직하게는 3분 이하, 더더욱 바람직하게는 1분 이하, 가장 바람직하게는 30초 이하, 예를 들면, 5 내지 30초 후에 규정된 형상을 갖는 비유동, 응고된 광학 소자를 형성하는 유동 생체적합성 광학 물질로부터 선택된다. 가교결합 또는 중합의 지속성은 현미경 슬라이드의 치수를 갖고 100mm 간격으로 분리된 두 개의 석영 슬라이드 사이에 가교결합성 또는 중합성 광학 물질을 위치시킴으로써 측정한다. 충분한 양의 광학 물질을 제1 석영 슬라이드에 도포하여 직경 약 14mm의 원형 액적을 형성하고, 제2 슬라이드를 광학 물질 위에 위치시킨다. 또 다른 방법으로, 광학 물질에 대한 슬라이드 사이에 원주 공간을 제공하는 데 스페이서를 사용할 수 있다. 슬라이드 사이의 광학 물질은 상부 석영 슬라이드 위로 18cm에 위치한 20watt 중간 압력 수은 아크 등으로 조사시킨다.
본 발명에 적합한 생체적합성 중합성 광학 물질의 그룹의 예는 뮐러에 허여된 미국 특허 제5,508,317호에 기재되어 있다. 미국 특허 제5,508,317호에 기재되어 있는 중합성 광학 물질의 바람직한 그룹은 특정 비율의 1,3-디올 단위가 중합성이지만 중합되지 않은 라디칼을 2-위치에 갖는 1,3-디옥산으로 개질된 1,3-디올 염기 구조를 갖는 것이다. 중합성 광학 물질은 바람직하게는, 중량 평균 분자량(Mw)이, 폴리비닐 알콜의 하이드록시 그룹의 수를 기준으로 하여, 약 2,000 이상인 폴리비닐 알콜의 유도체이며, 화학식 I의 단위를 약 0.5 내지 약 80% 포함한다.
위의 화학식 I에서,
R은 탄소수 8 이하의 저급 알킬렌이고,
R1은 수소 또는 저급 알킬이고,
R2는 바람직하게는 탄소수 25 이하의 올레핀계 불포화 전자 구인성 공중합체성 라디칼이다.
R2는, 예를 들면, 화학식 R3-CO-의 올레핀계 불포화 아크릴 라디칼(여기서, R3은 탄소수 2 내지 24, 바람직하게는 2 내지 8, 특히 바람직하게는 2 내지 4의 올레핀계 불포화 공중합체성 라디칼이다)이다. 올레핀계 불포화 공중합성 라디칼은 에테닐, 2-프로페닐, 3-프로페닐, 2-부테닐, 헥세닐, 옥테닐 및 도데카닐을 포함한다.
또 다른 양태에 있어서, 라디칼 R2는 화학식 II의 라디칼이다.
[-CO-NH-(R4-NH-CO-O)q-R5-O]p-CO-R3
위의 화학식 II에서,
p는 0 또는 1, 바람직하게는 0이고,
q는 o 또는 1, 바람직하게는 0이고,
R4및 R5는 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 8의 저급 알킬렌, 탄소수 6 내지 12의 아릴렌, 탄소수 6 내지 10의 포화 2가 지환족 그룹, 탄소수 7 내지 14의 아릴렌알킬렌 또는 알킬렌아릴렌, 또는 탄소수 13 내지 16의 아릴렌알킬렌아릴렌이며,
R3은 위에서 정의한 바와 같다.
저급 알킬렌 R은 탄소수 8 이하가 바람직하고, 직쇄 또는 측쇄일 수 있다. 적합한 예로 옥틸렌, 헥실렌, 펜틸렌, 부틸렌, 프로필렌, 에틸렌, 메틸렌, 2-프로필렌, 2-부틸렌 및 3-펜틸렌을 포함한다. 바람직하게는, 저급 알킬렌 R은 탄소수 6 이하이고, 특히 바람직하게는 탄소수 4 이하이다. 메틸렌과 부틸렌이 특히 바람직하다. R1은 바람직하게는 수소 또는 탄소수 7 이하, 특히 4 이하의 저급 알킬, 특히 수소이다.
R4및 R5에 있어서, 저급 알킬렌 R4또는 R5는 바람직하게는 탄소수 2 내지 6이고, 특히 직쇄이다. 적합한 예로는 프로필렌, 부틸렌, 헥실렌, 디메틸에틸렌이 포함되고, 특히 바람직하게는 에틸렌이다. 아릴렌 R4또는 R5는 바람직하게는 치환되지 않거나, 저급 알킬 또는 저급 알콕시에 의해 치환된 페닐렌이고, 특히 1,3-페닐렌 또는 1,4-페닐렌 또는 메틸-1,4-페닐렌이다. 포화 2가 지환족 그룹 R4또는 R5는 바람직하게는 사이클로헥실렌 또는 사이클로헥실렌 저급 알킬렌, 예를 들면, 치환되지 않거나 메틸 그룹 하나 이상으로 치환된 사이클로헥실렌메틸렌, 예를 들면, 트리메틸사이클로헥실렌메틸렌, 예를 들면, 2가 이소포론 라디칼이다. 알킬렌아릴렌 또는 아릴렌알킬렌의 아릴렌 단위 R4또는 R5는 바람직하게는 치환되지 않거나 저급 알킬 또는 저급 알콕시로 치환된 페닐렌이고, 이의 알킬렌 단위는 바람직하게는 저급 알킬렌(예: 메틸렌 또는 에틸렌), 특히 메틸렌이다. 따라서, 이러한 라디칼 R4또는 R5는 바람직하게는 페닐렌메틸렌 또는 메틸렌페닐렌이다. 아릴렌알킬렌아릴렌 R4또는 R5는 바람직하게는 알킬렌 단위의 탄소수가 4 이하인 페닐렌-저급 알킬렌-페닐렌, 예를 들면, 페닐렌에틸렌페닐렌이다. 라디칼 R4및 R5는 각각 독립적으로 바람직하게는 탄소수 2 내지 6의 저급 알킬렌, 치환되지 않거나 저급 알킬로 치환된 페닐렌, 치환되지 않거나 저급 알킬로 치환된 사이클로헥실렌 또는 사이클로헥실렌-저급 알킬렌, 페닐렌-저급 알킬렌, 저급 알킬렌-페닐렌 또는 페닐렌-저급 알킬렌-페닐렌이 바람직하다.
화학식 I의 중합성 광학 물질은, 예를 들면, 폴리비닐알콜을 화학식 III의 화합물과 반응시켜 제조한다.
위의 화학식 III에서,
R, R1및 R2는 위에서 정의한 바와 같고,
R' 및 R"은 각각 독립적으로 수소, 저급 알킬 또는 저급 알카노일(예: 아세틸 또는 프로피오닐)이다.
바람직하게는, 생성된 중합체성 광학 물질 중의 하이드록실 그룹의 0.5 내지 약 80%, 더욱 바람직하게는 약 1 내지 약 50%, 가장 바람직하게는 약 2 내지 약 15%가 화학식 III의 화합물로 대체된다.
본 발명의 유도된 폴리비닐 알콜에 적합한 폴리비닐알콜은 중량 평균 분자량이 약 2,000 내지 약 1,000,000, 바람직하게는 10,000 내지 300,000, 더욱 바람직하게는 10,000 내지 100,000, 가장 바람직하게는 10,000 내지 50,000이다. 폴리비닐알콜은 가수분해되지 않은 비닐아세테이트 단위를 약 50% 미만, 바람직하게는 약 20% 미만 포함한다. 또한, 폴리비닐 알콜은 에틸렌, 프로필렌, 아크릴아미드, 메타크릴아미드, 디메타크릴아미드, 하이드록시에틸 메타크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트, 메틸 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, 비닐피롤리돈, 하이드록시에틸 아크릴레이트, 알릴 알콜 및 스티렌과 같은 하나 이상의 공중합체 단위를 약 20% 이하, 바람직하게는 약 5% 이하 함유할 수 있다.
폴리비닐알콜 유도체는, 예를 들면, UV 레이저를 사용하여 광가교결합 가공하여 HOE를 생성함으로써 용매 중에서 중합시킨다. 적합한 용매는 폴리비닐 알콜과 비닐 공단량체를 용해시키는 어떠한 용매라도 된다. 용매의 예로는 물, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 디메틸포름아미드, 디메틸설폭사이드 및 이들의 혼합물이 포함된다. 광가교결합 중합 공정을 촉진하기 위하여, 라디칼 가교결합을 개시할 수 있는 광개시제를 첨가하는 것이 바람직하다. 본 발명에 적합한 예시적인 광개시제로는 벤조인 메틸 에테르, 1-하이드록시사이클로헥실페닐 케톤, 듀로큐어(Durocure)1173 및 이르거큐어(Irgacure)광개시제가 포함된다. 바람직하게는, 중합성 제형의 총 중량을 기준으로 하여, 광개시제 약 0.3 내지 약 2.0%가 사용된다. 본 발명에 따라, HOE를 제조하기 위한 용매 중의 폴리비닐알콜 유도체의 적합한 농도는, 특히 HOE가 안구용 렌즈로서 사용되도록 디자인된 경우, 바람직하게는 약 3 내지 약 90중량%, 더욱 바람직하게는 약 5 내지 60중량%, 가장 바람직하게는 약 10 내지 약 50중량%이다.
본 발명에 적합한 생체적합성 중합성 광학 물질의 또 다른 그룹의 예는 미국 특허원 제08/875,340호(뮐레바하에 허여된 국제 특허원 제PCT/EP96/00246호)에 기재되어 있다. 미국 특허원의 중합성 광학 물질의 기재사항은 본원에서 참조로 인용된다. 적합한 광학 물질은 폴리비닐 알콜 중의 하이드록실 그룹의 수 또는 폴리에틸렌이민 또는 폴리비닐아민 중의 이민 또는 아민 그룹의 수를 기준으로 하여, 화학식 IV 및 V의 단위를 약 0.5 내지 약 80% 함유하는 폴리비닐 알콜, 폴리에틸렌이민 또는 폴리비닐아민의 유도체를 함유하는 아자락톤-잔기를 포함한다.
위의 화학식 IV 및 V에서,
R1및 R2는 서로 독립적으로 수소, C1-C8알킬 그룹, 아릴 그룹 또는 사이클로헥실 그룹이고, 이들 그룹은 치환되지 않거나 치환되고,
R3은 수소 또는 C1-C8알킬 그룹, 바람직하게는 메틸이며,
R4는 -O- 또는 -NH- 브릿지, 바람직하게는 -O-이다.
본 발명에 적합한 폴리비닐 알콜, 폴리에틸렌이민 및 폴리비닐아민은 수평균분자량이 약 2,000 내지 1,000,000, 바람직하게는 10,000 내지 300,000, 보다 바람직하게는 10,000 내지 100,000, 가장 바람직하게는 10,000 내지 50,000이다. 특히 적합한 중합체성 광학 물질은, 폴리비닐 알콜 중의 하이드록실 그룹의 수를 기준으로 하여, R1및 R2가 메틸 그룹이고 R3이 수소이고 R4가 -O-(즉, 에스테르 결합)인 화학식 IV의 화합물을 약 0.5 내지 약 80중량%, 바람직하게는 약 1 내지 약 25중량%, 보다 바람직하게는 약 1.5 내지 약 12중량% 포함하는 폴리비닐 알콜의 수용성 유도체이다.
화학식 IV 및 V의 중합성 광학 물질은, 예를 들면, 화학식 VI의 아자락톤을 적합한 용기 용매 속에서, 임의로 적합한 촉매의 존재하에 약 55 내지 75℃의 승온에서 폴리비닐 알콜, 폴리에틸렌이민 또는 폴리비닐아민과 반응시킴으로써 제조할 수 있다.
위의 화학식 VI에서,
R1, R2및 R3은 위에서 정의한 바와 같다.
적합한 용매는 중합체 주쇄를 용해시키는 용매이고, 비양성자성 극성 용매, 예를 들면, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 헥사메틸포스포릭 트리아미드, 디메틸 설폭사이드, 피리딘, 니트로메탄, 아세토니트릴, 니트로벤젠, 디클로로벤젠, 트리클로로메탄 및 디옥산을 포함한다. 적합한 촉매로는 3급 아민(예: 트리에틸아민) 및 유기주석 염(예: 디부틸주석 디라우레이트)이 포함된다.
아자락톤 잔기 외에, 아자락톤-잔기 함유 광학 물질은 중합된 HOE의 목적하는 물리적 특성에 따라 기타 소수성 및 친수성 비닐 공단량체를 포함할 수 있다. 적합한 소수성 공단량체의 예는 C1-C18알킬 아크릴레이트 및 메타크릴레이트, C3-C18알킬아크릴아미드 및 메타크릴아미드, 아크릴로니트릴, 메타크릴로니트릴, 비닐 C1-C18-알카노에이트, C2-C18알켄, 스티렌, 비닐 알킬 에테르, C2-C10퍼플루오로알킬 아크릴레이트 및 메타크릴레이트, C3-C12퍼플루오로알킬 에틸티오카보닐 아크릴레이트 및 메타크릴레이트, 아크릴옥시- 및 메타크릴옥시-알킬실록산, N-비닐카바졸, 말레산의 C1-C12-알킬 에스테르, 푸마르산, 이타콘산 등을 포함한다. 적합한 친수성 공단량체의 예는 하이드록시알킬 아크릴레이트 및 메타크릴레이트, 아크릴아미드, 메타크릴아미드, 메톡시화 아크릴레이트 및 메타크릴레이트, 하이드록시알킬 아미드 및 메타크릴아미드, N-비닐피롤, N-비닐석신이미드, N-비닐피롤리돈, 비닐피리딘, 아크릴산, 메타크릴산 등을 포함한다.
광학 물질을 함유하는 아자락톤-잔기는, 예를 들면, UV 레이저를 사용하여 광가교결합 가공하여 HOE를 생성함으로써 용매 중에서 중합시킨다. 적합한 용매는 광학 물질의 중합체 주쇄를 용해시키는 어떠한 용매도 된다. 용매의 예는 위에서 기재된 비양자성 용매와 함께 아즈락톤 개질물, 물, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 글리콜, 글리세롤, 디메틸포름아미드, 디메틸설폭사이드 및 이들의 혼합물을 포함한다. 광가교결합 중합 공정을 촉진하기 위하여, 라디칼 가교결합을 개시할 수 있는 광개시제를 첨가하는 것이 바람직하다. 본 발명에 적합한 광개시제의 예는 벤조인 메틸 에테르, 1-하이드록시사이클로헥실페닐 케톤, 듀로큐어1173 및 이르거큐어광개시제를 포함한다. 중합성 제형의 총 중량을 기준으로 하여, 약 0.3 내지 약 2.0%의 광개시제가 사용된다. 본 발명에 따라, 용매 중에 광학 물질을 함유하는 아자락톤-잔기의 HOE를 제조하기에 적합한 농도는 특히 HOE가 안구용 렌즈로서 사용되도록 디자인되는 경우, 바람직하게는 약 3 내지 약 90중량%, 더욱 바람직하게는 약 5 내지 60중량%, 가장 바람직하게는 약 10 내지 약 50중량%이다.
본 발명에 적합한 생체적합성 중합성 광학 물질의 또 다른 그룹은 비닐 락탐과, 하나 이상의 추가의 비닐 단량체인, 제2 비닐 단량체와의 관능화 공중합체이다. 당해 공중합체는 반응성 비닐 단량체로 관능화된다. 본 발명의 비닐 락탐은 화학식 VII의 5원 내지 7원 락탐이다.
위의 화학식 VII에서,
Ra는 탄소수 2 내지 8의 알킬렌 브릿지이고,
Rb는 수소, 알킬, 아릴, 아르알킬 또는 알크아릴, 바람직하게는 수소, 탄소수 7 이하의 저급 알킬, 탄소수 10 이하의 아릴, 또는 탄소수 14 이하의 아르알킬 또는 알크아릴이며,
Rc는 수소 또는 탄소수 7 이하의 저급 알킬, 바람직하게는 메틸, 에틸 또는 프로필이다.
본 발명에 적합한 비닐 락탐의 예는 N-비닐-2-피롤리돈, N-비닐-2-카프로락탐, N-비닐-3-메틸-2-피롤리돈, N-비닐-3-메틸-2-피페리돈, N-비닐-3-메틸-2-카프로락탐, N-비닐-4-메틸-2-피롤리돈, N-비닐-4-메틸-2-카프로락탐, N-비닐-5-메틸-2-피롤리돈, N-비닐-5-메틸-2-피페리돈, N-비닐-5,5-디메틸-2-피롤리돈, N-비닐-3,3,5-트리메틸-2-피롤리돈, N-비닐-5-메틸-5-에틸-2-피롤리돈, N-비닐-3,4,5-트리메틸-3-에틸-2-피롤리돈, N-비닐-6-메틸-2-피페리돈, N-비닐-6-에틸-2-피페리돈, N-비닐-3,5-디메틸-2-피페리돈, N-비닐-4,4-디메틸-2-피페리돈, N-비닐-7-메틸-2-카프로락탐, N-비닐-7-에틸-2-카프로락탐, N-비닐-3,5-디메틸-2-카프로락탐, N-비닐-4,6-디메틸-2-카프로락탐, N-비닐-3,5,7-트리메틸-2-카프로락탐 및 이들의 혼합물을 포함한다. 바람직한 비닐 락탐은 헤테로사이클릭 환에 탄소수가 4 내지 6인 화학식 VII의 헤테로사이클릭 단량체이다. 더욱 바람직한 비닐 락탐은 헤테로사이클릭 환의 탄소수가 4이고, Rb및 Rc가 독립적으로 수소 및 저급 알킬 잔기로부터 선택되는, 화학식 VII의 헤테로사이클릭 단량체를 갖는다. 매우 적합한 비닐 락탐은 N-비닐-2-피롤리돈이다.
적합한 제2 비닐 단량체는 비닐 그룹 외에 관능 그룹, 예를 들면, 하이드록시, 아미노, 저급 알킬 치환된 아미노, 카복실, 에스테르화 카복실, 알콕시카보닐, 에폭시 또는 설포(-SO3H)를 갖는 관능성 비닐 단량체를 포함한다. 관능 그룹은 제2 비닐 단량체의 비닐 그룹이 비닐 락탐과 반응하여 중합체 쇄를 생성하는 경우에 보유되고, 중합체를 개질시키거나 관능화시키는 데 사용될 수 있다.
적합한 관능성 비닐 단량체는 하이드록시-치환된 저급 알킬 아크릴레이트 및 메타크릴레이트, 에톡시화 아크릴레이트 및 메타크릴레이트, 에폭시-저급 알킬 아크릴레이트 및 메타크릴레이트, 에폭시사이클로알킬-저급 알킬 아크릴레이트 및 메타크릴레이트, 하이드록시-치환된 저급 알킬 아크릴아미드 및 메타크릴아미드, 하이드록시-치환된 저급 알킬 비닐 에테르, 아미노- 또는 하이드록시-치환된 스티렌, 나트륨 에틸렌설포네이트, 나트륨 스티렌설포네이트, 2-아크릴아미도-2-메틸프로판설폰산, 아크릴산, 메타크릴산, 아미노-저급 알킬 및 알킬아미노-저급 알킬 아크릴레이트 및 메타크릴레이트, 아크릴옥시- 및 메타크릴옥시-저급 알킬말레이미드 및 알릴 알콜을 포함한다. 본원에서 사용된 용어 "저급 알킬"은 탄소수 7 이하, 바람직하게는 4 이하의 알킬 라디칼을 나타낸다. 특히 적합한 관능성 비닐 단량체는 2-하이드록시에틸 메타크릴레이트, 3-하이드록시프로필 메타크릴레이트, 아크릴산, 메타크릴산, 4-아미노스티렌, 3-메타크릴옥시메틸-7-옥사-비사이클로[4.1.0] 헵탄, N-메타크릴옥시에틸-말레이미드, 글리시딜 메타크릴레이트, 암모늄 에틸 메타크릴레이트 하이드로클로라이드 및 암모늄 프로필 메타크릴레이트 하이드로클로라이드를 포함한다.
비닐 락탐과 제2 비닐 단량체와의 공중합체는 용매의 존재 또는 부재하에 공지된 방법으로 제조한다. 공중합체는 또한 통계학적 중합체일 수 있다. 통계학적 중합체의 제조방법은, 예를 들면, 미국 특허 제5,712,356호에 기재되어 있다. 적합한 용매는 용해되어 단량체 및 단량체로부터 생성된 중합체에 대하여 사실상 불활성이다. 적합한 용매의 예는 물, 알콜(예: 메탄올, 에탄올 및 프로판올), 카복실산 아미드(예: 디메틸포름아미드 및 디메틸 설폭사이드), 에테르(예: 디에틸 에테르, THF 및 디글라임), 및 이들의 혼합물을 포함한다. 적합한 공중합체의 중량 평균 분자량은 약 2,000 내지 약 1,000,000, 바람직하게는 10,000 내지 300,000, 더욱 바람직하게는 10,000 내지 100,000, 가장 바람직하게는 10,000 내지 50,000이다.
당해 공중합체는 반응성 비닐 단량체로 추가로 개질되어 신속하게 가교결합할 수 있는 중합체를 제조한다. 적합한 반응성 비닐 단량체는 비닐 그룹 외에 반응성 잔기를 가지며, 당해 잔기는 단량체의 비닐 그룹을 보유하면서 공중합체에 존재하는 관능 그룹과 반응하여 공유 결합을 형성한다. 적합한 반응성 비닐 단량체의 예는 하이드록시 치환된 저급 알킬 아크릴레이트 및 메타크릴레이트, 하이드록시-치환된 저급 알킬 아크릴아미드 및 메타크릴아미드, 하이드록시-치환된 저급 알킬 비닐 에테르, 2-아크릴아미도-2-메틸프로판설폰산, 아미노-저급 알킬 및 모노-저급 알킬아미노-저급 알킬 아크릴레이트 및 메타크릴레이트, 알릴 알콜, 에폭시-저급 알킬 아크릴레이트 및 메타크릴레이트, 이소시아네이토-저급 알킬 아크릴레이트 및 메타크릴레이트, 탄소수 3 내지 7의 비닐 불포화 카복실산 및 산 클로라이드 및 이들의 무수물, 아미노-, 하이드록시- 또는 이소시아네이트-치환된 스티렌, 및 에폭시사이클로알킬-저급 알킬 아크릴레이트 및 메타크릴레이트를 포함한다. 바람직한 반응성 비닐 단량체는 하이드록시에틸 아크릴레이트 및 메타크릴레이트, 하이드록시프로필 아크릴레이트 및 메타크릴레이트, 이소시아네이토에틸 아크릴레이트 및 메타크릴레이트, 아크릴 및 메타크릴산 클로라이드, 암모늄 에틸 메타크릴레이트 하이드로클로라이드 및 암모늄 프로필 메타크릴레이트 하이드로클로라이드를 포함한다.
관능화 공중합체는 용매의 부재하에서 가교결합되거나 중합될 수 있지만, 전형적으로, 예를 들면, UV 레이저를 사용하여 광가교결합 공정에 의해 용매 속에서 가교결합되거나 중합되어 HOE를 생성시킨다. 적합한 용매는 중합체의 중합체 주쇄를 용해시키는 어떠한 용매라도 된다. 용매의 예로는 물, 알콜(예: 메탄올 및 에탄올), 카복실산 아미드(예: 디메틸포름아미드 및 디메틸 설폭사이드) 및 이들의 혼합물이 포함된다. 광가교결합 공정은 라디칼 가교결합을 개시할 수 있는 광개시제에 의해 촉진될 수 있다. 본 발명에 적합한 광개시제의 예에는 벤조인 메틸 에테르, 1-하이드록시하이클로헥실페닐 케톤, 듀로큐어1173 및 이르거큐어2959가 포함된다. 바람직하게는, 중합성 제형의 총 중량을 기준으로 하여, 약 0.3 내지 약 2.0%의 광개시제가 사용된다. 본 발명에 따라, HOE를 생성하는 용매 중에서의 관능화 비닐 락탐 공중합체의 적합한 농도는 특히 HOE가 안구용 렌즈로서 사용되도록 디자인되는 경우, 바람직하게는 약 3 내지 약 90중량%, 더욱 바람직하게는 약 5 내지 60중량%, 가장 바람직하게는 약 10 내지 약 50중량%이다.
본 발명에 적합한 HOE의 또 다른 그룹은 통상적인 체적 투과 홀로그래피 광학 소자 기록 매체 및 기타의 매체로부터 생성할 수 있다. 위에서 기재한 HOE용의 중합성 물질을 사용하면, 제1 광 및 시준된 기준 광은 물체의 전자기 파와 기준 광이 간섭 프린지 패턴을 형성하도록 HOE 기록 매체로 동시에 투사된다. 간섭 프린지 패턴, 즉 체적 회절 격자 구조는 HOE 매체에 기록된다. HOE 기록 매체가 완전히 노출되는 경우, 기록된 HOE 매체는 공지된 HOE 전개 방법에 따라 전개된다. 적합한 체적 투과 홀로그래피 광학 소자 기록 매체는 2색성 젤라틴과 같은 시판중인 홀로그래피 사진술 기록 재료 또는 판을 포함한다. 홀로그래피 사진술 기록 재료는 폴라로이드 코포레이션(Polaroid Corp.)을 포함한 다양한 제조업자로부터 입수 가능하다. 본 발명에 적합한 기타 홀로그래피 매체는, 예를 들면, 폴라로이드에 허여된 국제 특허원 제PCT/US96/15600 및 니폰 페인트(Nippon Paint)에 허여된 미국 특허 제5,453,340호에 기재되어 있다. 그러나, 사진 기록 재료가 HOE로서 사용되는 경우, 의안 환경에 대한 재료의 유해한 영향을 고려해야 한다. 따라서, 통상적인 사진술 HOE 물질이 사용되는 경우, HOE는 생체적합성 광학 물질에 봉입되는 것이 바람직하다.
안구용 렌즈의 제1 광학 물질에 대하여, 하드 렌즈, 기체 투과성 렌즈 또는 하이드로겔 렌즈에 적합한 광학 물질이 사용될 수 있다. 제1 광학 물질에 적합한 중합체성 물질은 하이드로겔 물질, 경질 기체 투과성 물질 및 안구용 렌즈, 예를 들면, 콘택트 렌즈를 제조하기에 유용한 것으로 공지되어 있는 경질 물질을 포함한다. 적합한 하이드로겔 물질은 전형적으로 가교결합된 친수성 네트워크를 갖고, 하이드로겔 물질의 총 중량을 기준으로 하여, 물을 약 35 내지 약 75% 유지한다. 적합한 하이드로겔 물질의 예는 2-하이드록시에틸 메타크릴레이트와 하나 이상의 공단량체, 예를 들면, 2-하이드록시아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트, 비닐 피롤리돈, N-비닐 아크릴아미드, 하이드록시프로필 메타크릴레이트, 이소부틸 메타크릴레이트, 스티렌, 에톡시에틸 메타크릴레이트, 메톡시 트리에틸렌글리콜 메타크릴레이트, 글리시딜 메타크릴레이트, 디아세톤 아크릴아미드, 비닐 아세테이트, 아크릴아미드, 하이드록시메틸렌 아크릴레이트, 메톡시 메틸 메타크릴레이트, 아크릴산, 메타크릴산, 글리세릴 에타크릴레이트 및 디메틸아미노 에틸 아크릴레이트를 갖는 공중합체를 포함한다. 기타 적합한 하이드로겔 물질은 메틸 비닐 카바졸 또는 디메틸아미노 에틸 메타크릴레이트를 갖는 공중합체를 포함한다. 적합한 하이드로겔 물질의 또 다른 그룹은, 예를 들면, 뮐러에 허여된 미국 특허 제5,508,317호 및 국제 특허원 제PCT/EP96/01265호에 기재되어 있는 개질된 폴리비닐 알콜, 폴리에틸렌이민 및 폴리비닐아민과 같은 중합성 물질을 포함한다. 매우 적합한 하이드로겔 물질의 또 다른 그룹은 국제 특허원 제PCT/EP96/01265호에 기재되어 있는 실리콘 공중합체를 포함한다. 본 발명에 적합한 경질 기체 투과 물질은 가교결합된 실록산 중합체를 포함한다. 이러한 중합체의 네트워크는 적합한 가교결합제, 예를 들면, N,N'-디메틸 비스아크릴아미드, 에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 트리하이드록시 프로판 트리아크릴레이트, 펜타에리트리톨 테트라아크릴레이트 및 기타 유사한 다관능가 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트, 또는 비닐 화합물(예: N-m,에틸아미노 디비닐 카바졸)를 혼입한다. 적합한 경질 물질은 아크릴레이트(예: 메타크릴레이트, 디아크릴레이트 및 디메타크릴레이트), 피롤리돈, 스티렌, 아미드, 아크릴아미드, 카보네이트, 비닐, 아크릴로니트릴, 니트릴, 설폰 등을 포함한다. 적합한 물질 중에서, 하이드로겔 물질이 본 발명에 특히 적합하다.
본 발명에 따라, 본 발명의 HOE는 바람직하게는 가시광 스펙트럼 내의 전체 파장 또는 실질적으로 전체 파장에 걸쳐, 회절 효율이 약 70% 이상, 더욱 바람직하게는 약 80% 이상, 가장 바람직하게는 95% 이상이다. 본 발명에 특히 적합한 HOE는 브래그(Bragg) 조건을 충족시키는 경우 회절 효율이 가시광 스펙트럼의 전체 파장에 걸쳐 100%이다. 따라서, 체적 HOE는 본 발명에 특히 적합하다. 그러나, 위에서 명시된 것보다 낮은 회절 효율을 갖는 HOE 또한 본 발명에 이용될 수 있다. 브래그 조건은 광학 기술분야에 익히 공지되어 있으며, 예를 들면, 문헌[참조: Coupled Wave Theory for Thick Hologram Gratings, by H. Kogelnik, The Bell System Technical Journal, Vol. 48, No. 9, p 2909-2947 (Nov. 1969)]에 정의되어 있다. 당해 문헌에 기재된 브래그 조건의 내용은 참조로 인용된다. 브래그 조건은 다음 수학식 1로 나타낼 수 있다.
위의 수학식 1에서,
Κ는 2π/Λ(여기서, Λ는 간섭 프린지의 격자 주기이다)이고,
θ는 입사광의 입사각이고,
φ는 격자의 경사각이며,
Β는 2πn/λ(여기서, n은 평균 굴절률이고, λ는 광의 파장이다)이다.
브래그 조건이 충족되는 경우, 입사광의 100% 이하가 간섭 회절될 수 있다.
겹쳐진 얇은 HOE는 회절 효율 및 HOE의 광학 품질을 개선시키고 HOE의 두께가 감소되도록 할 수 있으므로, 본 발명에 적합한 HOE는 바람직하게는 HOE 2층 이상을 갖는 다층 복합 HOE이다. 안과에 공지되어 있는 바와 같이, 안구용 렌즈는 렌즈 착용자의 편의를 도모하도록 두께가 얇아야 한다. 따라서, 치수적으로 얇은 HOE가 본 발명에 바람직하다. 그러나, 높은 회절 효율을 갖는 HOE를 제공하기 위하여, HOE는 광학적으로 두꺼워야 하며, 즉 광이 간섭 프린지 패턴의 한 평면 이상에서 회절된다. 광학적으로 두껍고 치수적으로 얇은 HOE를 제공하는 한가지 방법은 HOE의 길이를 향하여 경사진 방향으로 간섭 프린지 패턴을 프로그래밍하는 것이다. 이러한 경사진 체적 격자 구조는 HOE가 입사광의 입사각과 방사광의 방사각 사이에 큰 편향각을 갖도록 한다. 그러나, 큰 편향각을 갖는 HOE는 안구용 렌즈에 특히 적합할 수 없다. 예를 들면, 이러한 HOE를 눈에 위치시키는 경우, 시선은 눈의 정상 시선으로부터 현저히 구부러진다. 본 발명의 바람직한 양태로서, HOE를 디자인하는 데 있어서의 이러한 각의 제한은 다층 복합 HOE, 특히 2층 HOE를 이용함으로써 처리된다. 도 7은 본 발명의 복합 HOE(70)의 예를 나타낸다. 큰 편향각을 갖는 두 개의 얇은 HOE를 각의 작은 편향각을 갖는 얇은 HOE를 제공하도록 복합 HOE로 가공한다. 다층 HOE(70)은 얇은 제1 HOE(72)와 얇은 제2 HOE(74)를 갖는다. 도 7a에 나타내는 바와 같이, 제1 HOE(72)는 광이 HOE에 각 α로 입사하는 경우, HOE(72)에서 방사하는 광은 입사각 α보다는 큰 방사 예각 β를 형성하도록 입사 광을 회절시키도록 프로그래밍된다. 바람직하게는, 제1 HOE의 두께는 약 10 내지 약 100㎛, 더욱 바람직하게는 약 20 내지 약 90㎛, 가장 바람직하게는 약 30 내지 약 50㎛이다. 도 7b의 제2 HOE(74)는, 제1 HOE(72)의 방사 각 β를 매칭시키는 활성화 입사 각 β를 갖도록 프로그래밍된다. 또한, 제2 HOE(74)는 광이 활성화 각 β 내에 입사하는 경우 초점(76)으로 입사 광을 집중시키도록 프로그래밍된다. 바람직하게는, 제2 HOE의 두께는 약 10 내지 약 100㎛, 더욱 바람직하게는 약 20 내지 약 90㎛, 가장 바람직하게는 약 30 내지 약 50㎛이다.
제1 HOE(72)를 제2 HOE(74) 다음에 위치시키고 입사 광이 각 α에 상응하는 각도로 제1 HOE(72)로 입사하는 경우, 복합 HOE(70)에서 방사되는 광 경로는 변경되고 광은 초점(76)으로 집중된다. 다층 복합 HOE를 이용함으로써, 회절 효율이 높고 각 편향이 작은 얇은 HOE가 생성될 수 있다. 높은 회절 효율 및 작은 각 편향 이점 외에도, 다층 HOE를 이용하면 분산 수차 및 2색성 수차의 교정을 포함한 기타 추가의 이점을 제공한다. 가시광은 상이한 파장을 갖는 전자기 파의 스펙트럼으로 이루어지고 파장 차이는 전자기 파가 HOE에 의해 상이하게 회절되도록 할 수 있으므로, 단일 HOE는 분산 및 2색성 수차를 갖는 상을 생성할 수 있다. 다층, 특히 2층 HOE는 상호 작용하여 단층 HOE에 의해 생성될 수 있는 이러한 수차를 교정할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 따라서, 다층 복합 HOE가 바람직하다.
본 발명의 안구용 렌즈의 제조방법은 교정 배율이 광범위한 안구용 렌즈를 제조할 수 있고 렌즈 착용자의 편의를 도모하도록 디자인된 안구용 렌즈를 제조하는 매우 융통성 있는 방법이다. 통상적인 안구용 렌즈와는 달리, 본 발명의 안구용 렌즈의 교정 배율 또는 배율들은 렌즈의 치수를 변경시킬 필요 없이, 렌즈로 적합한 배율을 프로그래밍함으로써 교정 배율 또는 배율들을 제공한다. 위에서 논의된 바와 같이, 상이한 교정 배율은, 예를 들면, 물체 광 및 기준 광의 거리, 패턴 및/또는 형태를 변경시킴으로써 안구용 렌즈로 프로그래밍할 수 있다. 따라서, 렌즈 제조공정이 매우 단순화된다. 추가의 이점은 안구용 렌즈 제조업자가 상이한 렌즈 제조 장치 및 교정 배율이 상이한 광범위한 상이한 렌즈를 제조하는 방법을 필요로 하지 않아도 된다는 사실을 포함한다. 본 발명을 안구용 렌즈에 관하여 설명하였지만, 체적 HOE를 갖는 교정 안경 렌즈를 본 발명에 따라 제조할 수 있다는 것이 주목된다. 예를 들면, 교정 배율을 제공하도록 프로그래밍된 얇은 HOE 필름을 평면 안경 렌즈 위에 적층시킬 수 있다. 이러한 안경 렌즈, 즉 대안 렌즈는, 위에서 논의된 바와 같이, 교정 HOE 렌즈가 교정 배율을 제공하는 렌즈의 두께에 좌우되지 않으므로, 렌즈의 교정 효능을 희생시키지 않고 착용자의 편의를 도모하도록 디자인할 수 있다.
본 발명을 다음 실시예로 추가로 설명한다. 그러나, 당해 실시예는 본 발명을 이로써 제한하려는 것으로 해석하지 않는다.
실시예 1
넬필콘(Nelfilcon) A 렌즈 단량체 조성물 약 0.06㎖을 자형 금형(female mold) 반의 중앙부에 침착시키고 매칭하는 웅형 금형(male mold) 반을 자형 금형 반 위에 위치시켜 렌즈 금형 어셈블리를 형성한다. 웅형 금형 반을 자형 금형 반과 접촉시키지 않고, 이들을 약 0.1mm 분리시킨다. 렌즈 금형 반은 석영으로 제조하고, 직경 약 15mm의 중앙 환형 렌즈 부위를 제외하고는 크롬으로 마스킹한다. 간략하게는, 넬필콘 A는 약 0.48mmol/g의 아크릴아미드 가교결합제를 함유하는 가교결합성 개질된 폴리비닐 알콜의 산물이다. 폴리비닐 알콜은 아세테이트 함량이 약 7.5mol%이다. 넬필콘 A는 고형분이 약 31%이고 광개시제인 듀로큐어1173을 약 0.1% 함유한다. 폐쇄시킨 렌즈 금형 어셈블리를 레이저 장치하에 둔다. 레이저 장치는 파장이 351nm인 2개의 간섭성 시준된 UV 레이저 빔을 제공하고, 이때 하나의 빔은 광학 볼록 렌즈를 통해 통과하여, 초점이 렌즈 금형 어셈블리로부터 500mm 떨어진 지점에 형성되도록 한다. 집중된 광은 점 광원으로서 작용한다. 제1 광과 기준 광의 경로간에 형성된 각도는 약 7。이다. 장치는 2디옵터의 부가의 교정 배율을 갖는 HOE를 제공한다. 렌즈 단량체 조성물을 약 2분 동안 약 0.2watt를 갖는 레이저 빔에 노출시켜 조성물을 완전히 중합시키고 체적 격자 구조를 형성한다. 렌즈 금형은 중앙 부분을 제외하고는 마스킹되기 때문에 금형의 원형 중앙 부분에 노광된 렌즈 단량체를 제1 광과 기준 광에 노출시켜 중합시킨다.
금형 어셈블리를 개방하고 웅형 금형 반쪽에 부착된 렌즈를 남겨둔다. 넬필콘 A 렌즈 단량체 조성물 약 0.06㎖를 다시 자형 금형 반의 중앙 부분에 침착시키고, 형성된 렌즈가 부착된 웅형 금형 반을 자형 금형 반 위에 위치시킨다. 자형 금형 및 웅형 금형 반을 약 0.2mm 분리시킨다. 광학 볼록 렌즈가 제1 광 장치로부터 제거되는 것을 제외하고는, 폐쇄된 금형 어셈블리를 레이저 장치하에 다시 노출시킨다. 단량체 조성물을 레이저 빔에 약 2분 동안 다시 노출시켜, 조성물을 완전히 중합시킨다.
수득한 복합 렌즈는 렌즈의 형태 및 렌즈 물질의 굴절률을 기준으로 한 광학 배율 및 +2디옵터의 활성화될 수 있는 부가 교정 배율을 갖는다.
실시예 2
제1 광에 대한 광학 볼록 렌즈를 원주 렌즈로 대체시킨다는 것을 제외하고는, 실시예 1을 반복한다. 원주 렌즈는 수직 배향된 선 광원을 제공한다. 수득한 복합 렌즈는 렌즈의 형상 및 랜즈 물질의 굴절률을 기본으로 한 광학 배율, 및 90°의 원주 축에서의 +2디옵터의 부가 원주 배율을 갖는다. 복합 렌즈는 난시 상태를 교정하는 데 적합하다.

Claims (20)

  1. 원주 배율을 포함하는 하나 이상의 교정 배율을 제공하는 체적 격자 구조(volume grating structure)를 갖는 체적 홀로그래피 소자(volume holographic element)를 포함하는, 난시 교정용 안구용 렌즈.
  2. 제1항에 있어서, 구면 배율을 추가로 제공하는 안구용 렌즈.
  3. 제2항에 있어서, 구면 배율이 체적 격자 구조에 의해 제공되는 안구용 렌즈.
  4. 제2항에 있어서, 구면 배율이 안구용 렌즈의 윤곽에 의해 제공되는 굴절 배율인 안구용 렌즈.
  5. 제1항에 있어서, 안정화 메카니즘을 갖는 안구용 렌즈.
  6. 제1항에 있어서, 콘택트 렌즈인 안구용 렌즈.
  7. 제1항에 있어서, 의안 렌즈인 안구용 렌즈.
  8. 제1항에 있어서, 홀로그래피 소자가 생체적합성 광학 물질을 포함하는 안구용 렌즈.
  9. 제8항에 있어서, 복합 렌즈인 안구용 렌즈.
  10. 광학 배율을 제공하는 체적 격자 구조를 갖는 투과 체적 홀로그래피 소자를 포함하는 안구용 렌즈.
  11. 제10항에 있어서, 홀로그래피 소자가 생체적합성 광학 소자인 안구용 렌즈.
  12. 제10항에 있어서, 복합 렌즈인 안구용 렌즈.
  13. 제10항에 있어서, 콘택트 렌즈인 안구용 렌즈.
  14. 제10항에 있어서, 의안 렌즈인 안구용 렌즈.
  15. 원주 배율을 제공하도록 프로그래밍된 체적 격자 구조를 갖는 체적 홀로그래피 소자를 포함하는 난시 교정용 콘택트 렌즈.
  16. 제15항에 있어서, 안정화 메카니즘을 갖는 콘택트 렌즈.
  17. 제15항에 있어서, 홀로그래피 소자가 생체적합성 광학 소자를 포함하는 콘택트 렌즈.
  18. 제15항에 있어서, 구면 배율을 추가로 제공하는 콘택트 렌즈.
  19. 제18항에 있어서, 구면 배율이 마이너스 배율인 콘택트 렌즈.
  20. 제18항에 있어서, 구면 배율이 플러스 배율인 콘택트 렌즈.
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