KR20150038719A - 안과 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예는 눈의 광학적 특성을 계측하는 안과 장치로서, 상기 안과 장치는, 원래 대물 렌즈를 구비하거나 구비하지 않는 안과 기구, 및 상기 안과 기구에 장착되거나 통합되도록 된 소형 파면 센서를 포함하며, 상기 파면 센서는, 파면 릴레이의 제 1 렌즈가 되며 파면 센서 모듈의 광 입력 포트에 배치되는 전방 렌즈; 및 상기 안과 기구에 대한 대부분의 조명 수단이 통과하도록 하고 눈으로부터 상기 파면 릴레이의 경로를 향하여 근적외선 파면 비임을 전형적으로 반사하도록 된 비임 스플리터를 구비하며, 상기 전방 렌즈는 상기 파면 센서 모듈 및 상기 안과 기구에 의해 공유되는 것을 특징으로 하는 안과 장치.

Description

안과 장치{An Ophthalmic Instrument}

본 발명의 실시예들은 안과 파면 센서와 관련된 것이고, 보다 상세하게는 시력 교정 수술을 위한 파면 센서 모듈과 이를 구비한 안과 장치에 관한 것이다.

배경기술에 논의되는 주제는 공지기술로 간주되어서는 안되며, 단지 배경기술에 기재된 결과일 뿐이다. 비슷하게, 배경기술에 언급된 문제점이나 배경기술의 주제와 관련된 사항들은 공지기술로 간주되어서는 안된다. 배경기술에 기재된 내용은 단지 발명이 될 수도 있는 그것들 자체로 다른 접근방식에 따른 결과들일 뿐이다.

안과 적용을 위한 파면 센서는 일반적으로 부피가 크고 독립된 데스크탑 기구이다. 비록 라식 시스템(US6685319), 안저카메라(fundus camera) (US6572230), 공초점 스캐닝 레이저 검안경(US7057806)와 같은 파면 센서를 안과 기구와 통합시키려는 시도들이 있었으나, 이들의 통합 시스템은 일반적으로 사이즈는 고려대상이 아니었다. 따라서 종래에는 파면 센서 모듈을 매우 소형으로 만들 필요가 없었다.

본 발명의 실시예들은 파면 센서 모듈과 이를 구비한 안과 장치에 관한 것이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있다. 본 발명의 실시예들은 첨부된 도면에 의해 설명될 수 있다. 본 발명의 실시예들은 구성들의 결합에 의해 설명될 것이며, 본 발명의 실시예들은 어떠한 구성에 한정되지는 않는다. 또한, 본 발명의 실시예들의 등가치환 등의 여러가지 변형된 형태는 청구항에 의해 정의되는 발명의 범위에 포함될 수 있다. 하기 설명에서, 다양한 특정 세부 사항들이 다양한 실시예들의 이해를 위해 설정된다. 그러나 본 발명은 몇몇의 세부 사항들 없이 수행될 수 있다. 다른 예시들에서, 잘 알려진 작동 과정들은 본 발명을 불필요하게 이해하기 힘들게 하지 않기 위해 설명되지 않았다. 나아가, 명세서의 여러 부분에서 "예시적인 실시예"의 의미는 동일한 예시적인 실시예를 의미하지 않을 수 있다.

본 발명의 일실시예는 검안 및/또는 시력 보정 과정을 위한 수술용 현미경과 같은 안과 장비에 장착되거나 이에 통합되는 소형 파면 센서 모듈로서, 상기 파면 센서 모듈은, 파면 릴레이의 제1 렌즈가 되며 파면 센서 모듈의 광학적 입력 포트에 배치되는 전방 렌즈; 안과 장비를 위한 대부분의 광원 수단이 통과하게 되고 눈으로부터 파면 릴레이 경로로 근적외선 파면 비임을 반사시키도록 되는 다이크로익 비임 스플리터/컴바이너 또는 짧은 경로 비임 스플리터/컴바이너; 및 안과 장비용 광원 수단의 스펙트럼을 전달 및/또는 안과 장비의 광학적 시각에 대한 영향을 보상 및/또는 상기 전방 렌즈에 의해 도입되는 비임을 보상하도록 된 보상 렌즈를 구비하되, 상기 전방 렌즈는 파면 센서 모듈 및 안과 장비에 의해 공유된다.

본 발명의 다른 실시예는 눈의 광학적 특성을 측정하는 안과 장치에 대한 것으로서, 상기 안과 장치는 원 대물렌즈,(original objective lens)를 구비하거나 구비하지 않은 안과 장비, 및 상기 안과 장비에 설치되거나 통합되는 소형 파면 센서를 포함하되, 상기 파면 센서는 파면 릴레이의 제 1 렌즈가 되며 파면 센서 모듈의 광학적 입력 포트에 배치되는 전방 렌즈; 상기 안과 장비용 광원 수단의 대부분이 통과하게 되고 눈으로부터 파면 릴레이 경로로 근적외선 파면 비임을 반사하도록 된 비임 스플리터를 포함하되, 상기 전방 렌즈는 상기 파면 센서 모듈 및 안과 장비에 의해 공유된다.

본 발명의 목적은 파면 센서 모듈을 기존의 설계에 비교하여 보다 소형으로 만드는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 백내장 시력 교정과 같이 안과 수술에 필요한 넓은 파면 디옵터(diopter) 측정 범위를 가지도록 하는 것이다. 양 목적들은 파면 센서의 제1 릴레이 렌즈를 물리적으로 실현 가능한 범위에서 환자의 눈에 가깝게 하는 동시에 의사가 시력 교정 또는 굴절 수술과 같이 인체공학의 변경 없이 안과 수술을 수행할 수 있도록 함으로써 달성될 수 있다.

본 발명의 다른 측면들과 이점들은 첨부한 도면을 참고하여 바람직한 실시예에 대하여 다음의 상세한 설명에 의해 통상의 기술자에게 보다 더 명백해질 것이다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 파면 센서 모듈의 소형화가 가능하다.

도 1은 전형적인 4-F 광학 파면 릴레이 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 종래에 수술용 현미경의 대물 렌즈 아래에 배치되는 파면 센서 모듈의 광학 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 4-F 파면 릴레이의 제1 렌즈가 파면 센서 모듈의 광학 입력 포트에서 전방 렌즈가 되도록 배치되고 현미경과 공유되는 구성의 개략적인 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 현미경의 대물 렌즈가 제거되고 그것의 포커싱(focusing) 기능은 공유된 파면 센서 모듈의 광학 입력 포트에 배치된 전방 렌즈에 의해 부분적으로 또는 전체적으로 수행될 수 있는 구성의 개략적인 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 파면 센서 모듈이 현미경 본체에 포함되고 현미경의 가시 경로가 수정된 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 예시적 실시예에 대한 솔리드 워크 도면이다.

하나 이상의 실시예들에 따르면, 환자의 눈으로부터 파면 샘플링(sampling) 면에 파면을 전달하기 위한 제1 렌즈는 파면 센서 모듈 또는 안과 기구의 광학 입력 포트에 놓인 공유된 전방 렌즈로서 배치된다. 이러한 구성은 눈으로부터 파면 샘플링 면까지 파면을 전달하기 위한 총 광 경로 길이를 상대적으로 줄여주며 원하는 파면 디옵터 측정 범위를 만족하기 위한 파면 빔 폭 변화 범위 또한 상대적으로 작아지게 한다. 따라서 원하는 파면 측정 디옵터 범위가 만족되면서도 파면 센서 모듈의 물리적인 크기 또는 폼 팩터가 매우 작아질 수 있다.

최근에는 LRI/AK 개선, 레이저 개선, 백내장 및 굴절 수술과 같이 다양한 시력 교정 수술을 위해 생생한 피드백을 제공하기 위해 실시간 파면 센서를 필요로 하게 되었다. 수술용 현미경과 같은 기존의 안과 기구에 파면 센서를 통합시키는 간단한 방법은 파면 센서 모듈을 안과 기구의 대물 렌즈 옆에 장착하거나 파면 센서를 광학 기구 안에 포함시키는 것이다. 일반적으로, 안과 기구의 광경로에 대한 파면 센서 모듈의 영향을 최소화하고 그 장착/통합에 따른 복잡성을 최소하기 위해, 그러한 파면 센서 모듈은 파면 센서와 안과 기구 사이에 렌즈를 공유하지 않도록 설계된다.(참조예, US7883505)

그러나, 그러한 파면 센서는 제한된 디옵터 측정 범위, 광 에너지 손실 또는 낮은 신호대비잡음비율 성능이 문제될 수 있다. 또한, 만약 파면 센서 모듈의 물리적인 크기가 너무 크다면, 파면 센서 모듈은 시력 교정 수술에서 보통의 수술법을 시행하는 것을 방해할 수 있다.

위에 비추어, 수술용 현미경과 같은 안과 기구에 결합 또는 통합될 때 의사의 보통의 시력 교정 수술법 또는 인체공학적 특징을 방해하지 않으면서도 수술 또는 검안 시에 발생할 수 있는 시력 교정 절차를 위해 요구되는 수준을 만족시키기 위한 충분히 큰 디옵터 측정 범위를 제공할 수 있는 소형의 파면 센서 모듈이 필요하다.

제1 파면 릴레이 렌즈를 물리적으로 가능한 범위에서 환자 눈에 가깝게 하는 것의 이점을 알아보기 위해, 도 1에 도시된 예시적으로 파면 빔 경로가 겹쳐지지 않은 4-F 광학 파면 릴레이 구성을 살펴보기로 한다.

사람 눈의 파면 수차 측정을 위한 전형적인 파면 센서에서, 일반적으로 눈 동공 또는 각막면으로부터의 파면은 잘 알려진 4-F 릴레이 원리를 한번 이상 사용하여 파면 센싱 또는 샘플링 면에 전달된다(참조, J. Liang, et al. (1994) "Objective measurement of the wave aberrations of the human eye with the use of a Hartmann-Shack wave-front sensor," J. Opt. Soc. Am. A 11, 1949-1957; J. J. Widiker, et al. (2006) "High-speed Shack-Hartmann wavefront sensor design with commercial off-the-shelf optics",Applied Optics, 45(2), 383-395; US7654672). 이와 같은 4-F 릴레이 시스템은 입사 파면이 해로운 전달 영향 없이 전달되는 동안에 입사 파면의 위상 정보를 보존할 것이다. 덧붙여, 4-F 릴레이를 실현하기 위해 다른 초점 길이의 두개의 렌즈를 사용하여 무한 초점의 이미징 시스템을 설정함으로써, 릴레이는 입사 파면의 수렴 또는 발산의 관련된 축소 또는 확대와 함께 입사 파면의 확대 또는 축소를 가능하게 할 수 있다(참조, J. W. Goodman, Introduction to Fourier Optics, 2nd ed. McGraw-Hill, 1996)

도 1을 참조하면, 4-F 릴레이의 제1 렌즈는 40mm의 직경과 200mm의 유효 초점 거리를 가진다. 이것은 표준적인 안과 수술용 현미경의 전형적인 초점 거리 또는 작동 거리이다. 눈은 4-F 파면 릴레이의 제1 렌즈의 전방 초점면에 또는 그 근방에 위치한다. 4-F 파면 릴레이의 푸리에 변환면A는 대문자 A에 의해 수직 파선으로 도시된 바와 같이, 4-F 파면 릴레이의 제2 렌즈의 전방 초점면과 제1 렌즈의 후방 초점면에 위치한다. 본 실시예에서, 4-F 파면 릴레이의 제2 렌즈는 30mm의 직경과 80mm의 유효 초점 거리를 가진다. 4-F 파면 릴레이의 전달되는 파면 이미지 면은 대문자 B에 의해 수직 파선으로 도시된 바와 같이, 제2 렌즈의 후방 초점면에 위치한다. 4-F 파면 릴레이 구성에서 두개의 렌즈들의 유효 초점 거리의 차이로 인해, 이 기술분야에서 잘 알려진 바와 같이, 눈으로부터의 입사 파면의 복제 또는 상은 광학적으로 200/80 = 2.5배 크기로 횡방향 치수가 축소된다.

도1을 참조하면, 눈이 정시안이고 따라서 눈으로부터의 파면이 평면에 가까울 때, 눈으로부터의 광선은 솔리드 광선처럼 상대적으로 폭이 좁고 평행하다. 만약 눈의 동공이 5mm의 직경을 가진다면, 예를들어, 빔은 약 5mm의 직경을 가질 것이다. 정확한 빔 형상은 또한 망막의 빛 산란 스팟 사이즈에 의해 결정된다. 망막의 빛 산란 스팟 사이즈는 파면을 생성하기 위해 눈에 전달되는 광선(전형적으로 초발광 다이오드 빔임(SLD), 도 1에 미도시)의 함수이다. 4-F 파면 릴레이의 제1 렌즈를 통과한 후, 눈으로부터의 파면 빔은 광축에서 수렴 빔에서 발산 빔으로 변환되는 제1 푸리에 변환면 A에 초점이 맺힐 것이다. 빔은 4-F 파면 릴레이의 제2 렌즈에 의해 다시 평행해지고, 4-F 파면 릴레이에서 사용된 두개의 렌즈들의 다른 유효 초점 거리 차이로 인해 빔 직경은 2mm로 감소된다.

만약 눈이 무수정체이거나 심한 원시 또는 심한 근시인 경우에는, 눈으로부터의 파면은 더 이상 평면이 아니며 현저하게 발산하거나 수렴할 것이다. 다시 말해서, 눈으로부터의 파면은 더 이상 상대적으로 평행한 빔이 아니다; 대신에, 그것은 현저하게 발산하거나 현저하게 수렴하는 원뿔 모양의 빔일 것이다. 전형적인 백내장 굴절 수술의 경우에, 수술중 파면 센서에 의해 커버되어야 하는 바람직한 디옵터 범위는 원시 +30D에서 근시 -20D까지이다(본 명세서에서 눈으로부터의 발산 파면을 양의 디옵터 값을 가지는 것으로 정의하고, 눈으로부터의 수렴 파면을 음의 디옵터 값을 가지는 것으로 정의한다).

도1에 도시된 보다 짧은 파선 광선은 +30D의 디옵터 값을 가지는 발산 파면을 나타낸다. +30D의 디옵터 값을 가지는 발산 파면은 보통의 무수정체(+20D의 전형적인 원시 디옵터 값)에 +10D의 각막 유도 원시를 더한 값이다. 도시된 바와 같이, 짧은 파선으로 도시된 눈으로부터의 발산하는 원뿔 모양의 빔이 제1 렌즈로 진행할 때, 그것은 제1 렌즈에 의해 포섭되어(intercepted) 현저하게 발산하는 빔으로부터 약간 수렴하는 빔으로 변화하게 된다. 사실, 만약 눈의 동공이 5mm의 직경을 가지고 눈으로부터의 파면이 +30D의 원시 디옵터 값을 가지는 경우에, 이것은 눈의 동공면 뒤로 33.3mm 거리 또는 4-F 파면 릴레이의 제1 렌즈로부터 233.3mm만큼 떨어진 거리에 위치하는 점 광원에서 자유공간으로 오는 발산 빔과 동등하다. 이러한 현저하게 발산하는 원뿔 모양의 빔은 4-F 파면 릴레이의 제1 렌즈에 도달했을 때 35mm의 직경을 가지게 되는 현저하게 수렴하는 원뿔 모양 빔을 형성하도록, 점 광원 위치로부터 33.3mm 거리에 5mm의 동공을 가지는 것으로 제한된다. 빔이 푸리에 변환면 A에 도달했을 때, 빔 폭은 30 mm의 직경을 가질 것이다. 빔이 제2 렌즈에 도달했을 때, 빔 폭은 28mm가 될 것이다.

도 1에 도시된 보다 긴 파선의 광선은 -20D의 매우 근시인 파면 빔을 나타낸다. 즉, 보다 긴 파선으로 도시된 바와 같이, 눈으로부터의 매우 수렴하는 원뿔 모양의 빔은 눈을 떠난 후 50mm거리에서 수렴할 것이고 긴 파선으로 도시된 바와 같이 현저하게 발산하는 원뿔 모양의 빔으로 변환될 것이다. 파면 샘플링 면의 끝 근처를 제외한 대부분의 파면 릴레이에서 -20D의 파면 빔은 +30D 빔보다 폭이 좁아지기 때문에, 빛의 전체 콘을 취하는데 필요한 렌즈 직경은 +30D 빔에 의해 결정된다.

구형의 굴절이상 또는 초점흐림에 추가적으로 난시, 코마, 트레포일과 같은 눈에 대한 다른 광학 수차가 눈으로부터 나오는 빔을 더 이상 원뿔 모양이 아니게 할 수 있으나, 최대 빔 폭은 여전히 눈의 동공 사이즈와 임의의 메르디안(merdian) 면에서의 극한 또는 누적 디옵터 값에 의해 결정될 것임에 주의해야한다.

상기 논의에서, 눈의 동공 크기와 커버되야 하는 디옵터 범위가 정해지면, 빔 원뿔각 변화 범위가 결정될 수 있다는 것을 알 수 있다. 고해상도 측정을 위해 제1 렌즈로써 눈에서 되돌아 오는 모든 파면 광을 캡쳐하는 것이 바람직하다. 따라서, 눈으로부터 제1 렌즈가 얼마나 떨어져 있는지에 따라, 빔 원뿔각 변화 범위가 제1 렌즈의 직경을 결정할 것이다. 게다가, 눈과 제1 렌즈 사이의 거리는 또한 4-F 파면 릴레이의 조건에 따른 제1 렌즈의 초점 거리를 결정할 것이고, 따라서, 결국, 4-F 파면 릴레이의 전체 광학 경로 길이에 영향을 미친다.

도 2는 수술용 현미경에 결합된 파면 센서 모듈의 광학 구성의 예를 나타낸 도면이다(참조, US7883505). 수술용 현미경과 관련된 가시 광원은 환자 눈을 비추는 가시적인 광을 발하고 현미경 가시 빔은 환자의 눈에서 수술용 현미경의 대물렌즈로 되돌아온다. SLD 빔은 또한 근적외선(NIR) 광으로 환자 눈을 비추고, 파면 센싱 빔은 환자 눈에서 파면 센서의 디텍터로 되돌아온다.

이러한 구성에서, 파면 빔을 전달하는 제1 렌즈는 입력 광학 윈도우와 현미경 가시 빔을 통과시키고 파면 센싱 빔을 옆으로 편향시키는 빔 스플리터/컴파이너와 s-편광 초발광 다이오드(superluminescent diode, SLD) 빔을 눈으로 반사시키고 눈으로부터의 p-편광 파면 빔을 파면 센서의 나머지 부분으로 통과시키는 편광 빔 스플리터(polarization beam splitter, PBS) 다음에 배치된다. 4-F 릴레이의 제1 렌즈는 파면 센서 하우징의 안쪽에 수직한 방향으로 배치된다. 제1 렌즈의 방향은 파면 센서 하우징의 높이(두께)가 제1 렌즈의 직경보다 큰 것을 요구한다.

만약 안과 수술용 현미경의 작동 거리가 현미경의 대물 렌즈의 초점 거리와 같고 도 1에서 언급했듯이 약 200mm라면, 그러면 제1 렌즈는 PBS의 존재를 고려하여 눈으로부터 약 250mm 떨어져 있을 것이다(눈과 빔 스플리터/컴바이너 사이의 거리에 빔 스플리터/컴바이너와 제1 렌즈 사이의 거리를 더함). 4-F 파면 릴레이의 제1 렌즈의 초점거리와 제2 렌즈의 초점거리 사이에서2.5의 같은 비율이 유지된다고 가정하면, 제2 렌즈는 100mm의 초점거리를 가지는 것을 필요로 한다. 따라서, 총 파면 릴레이 경로 길이는 (250x2 + 100x2) = 700 mm가 될 것이다.

추가적으로, 5mm 눈 동공에서의 +30D 원시 파면 빔이 제1 렌즈에 도달할 때, 눈으로부터의 증가된 거리(200 mm 대신 250 mm)로 인해 빔 폭은 42.5mm가 될 것이고, 따라서 눈에서 방출되는 광의 전체 콘을 취하기 위해서는 렌즈가 최소 42.5mm의 직경을 가지는 것이 요구된다. 제1 렌즈가 수직하게 위치한다는 사실은 이 렌즈를 설치하기 위해서는 여분의 수직 공간이 필요하다는 것과 50mm 직경 렌즈가 85%의 선명한 조리개와 규격 렌즈들의 상업적 유용성을 고려했을 때 가장 많이 사용될 것이라는 것을 의미하며, 이때 수직한 제1 파면 릴레이 렌즈 위치에서 파면 센서의 높이는 50mm 이상일 것이다.

이러한 광학 구성은 파면 빔 경로와 현미경 가시 빔 사이에 렌즈를 공유하지 않고, 따라서 현미경 가시 광학 빔이 파면 센서 모듈에 의해 최소한 영향을 받는 장점이 있다. 게다가, 4-F 파면 릴레이의 제1 렌즈를 SLD 빔을 눈을 향하도록 안내하는 PBS 다음에 배치함으로써, SLD 빔은 또한 제1 렌즈에 의해 영향받지 않는다. 그러나, 이러한 이점들은 파면 센서 모듈의 물리적 사이즈를 증가시킴으로서 얻어질 수 있다. 나아가, 만약 작은 직경의 제1 렌즈가 파면 센서 모듈의 높이/두께를 줄이기 위해 사용된다면 디옵터 측정 범위 또는 신호 대 잡음비가 감소될 것이다.

대부분의 백내장 수술 의사들은 수술용 현미경의 대물 렌즈와 환자의 눈 사이의 작동 거리가 큰 것을 선호하고, 이것에 익숙하며, 이에 대하여 훈련받기 때문에, 충분한 파면 측정 디옵터 범위를 커버하고 의사의 움직임을 방해하지 않음과 동시에 파면 센서 모듈의 높이를 가능한 작게 하는 것이 바람직하다.

도 3은 소형화되고 또한 눈으로부터의 파면 빔 광학 에너지의 손실을 최소화하면서 큰 역동 범위를 가지는 파면 센서 모듈의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 파면 센서 모듈은 상면 32, 하면 34과 4-F 릴레이의 제1 렌즈 38과 제2 렌즈 40가 배치되는 내부 36를 가지는 하우징 30, 다이크로익 또는 단경로 빔 스플리터 42, 편광 빔 스플리터 43 및 디텍터 44를 포함한다. 하우징 30은 하면 34에 제1 광학 윈도우 46를 포함하고 상면 32에 제2 광학 윈도우 48을 포함한다. 제1 광학 윈도우와 제2 광학 윈도우는 정렬되고 이에 따라 제1 광학 윈도우 46과 제2 광학 윈도우 48 사이에 제1 광경로50가 형성되어, 광이 환자 눈에서 하우징 30을 지나 수술용 현미경의 대물 렌즈로 되돌아 오게 된다. 보상 렌즈 52는 제2 광학 윈도우 48에 배치되고, 다이크로익 또는 단경로 빔 스필리터 42는 제1 광경로 50에 위치한다.

도 3에 도시된 실시예의 예로서, 다이크로익 또는 단경로 빔 스플리터 42는 근적외선 파면 빔을 반사하고 마찬가지로 소정의 이미징 광을 제2 광경로 54를 따라 반사시킨다. 4-F 릴레이는 대상 눈에서 파면 샘플링 면 56으로 파면을 전달한다. 디텍터 44(도시되지는 않았으나, lenslet 또는 lenslet 배열 또는 격자와 같은 다른 광학 구성들과 함께) 는 파면 샘플링 면 56에 전달된 파면을 샘플링하고 감지한다.

이러한 예시적인 실시예에서, 이미징 빔 스플리터 60는 제2 광경로 54 상에 배치될 수 있다. 이미징 빔 스플리터 60는 다이크로익 또는 단경로 빔 스플리터 42에서 렌즈 또는 렌즈 세트 66을 거쳐 CCD/CMOS 카메라 등의 이미지 센서 64로 반사된 이미징 광의 최소한 일부를 안내할 수 있다. 이미지 센서 64는 대상 눈의 공면 영상 또는 정적 이미지를 제공한다. 나아가, 고정 빔 스플리터 68은 렌즈 또는 렌즈세트 72에 의해 형성된 고정 타겟 70의 이미지를 대상 눈을 향해 반대 경로를 따라 안내한다.

예시적인 실시예에서, 현미경 대물 렌즈는 현미경 하우징 내에 배치되고, 4-F 파면 릴레이의 제1 렌즈는 파면 센서 모듈의 제1 광학 입력 포트에 위치한다. 제1 렌즈는 수술용 현미경과 파면 센서 모듈에 의해 공유된다.

*4-F 파면 릴레이의 제1 렌즈를 환자의 눈에 최대한 가깝게 함으로써 다음과 같은 이점이 있다. (1) 4-F 파면 릴레이의 제1(전방) 렌즈는 4-F 파면 릴레이의 요구조건을 충족시키는 가장 짧은 초점 거리를 가지며, (2) 파면 모듈 안의 파면 빔 경로의 총 길이가 짧아진다.

덧붙여, 특정 눈 동공 사이즈를 커버하기 위한 특정 눈 디옵터 측정 범위에 대해서는, 4-F 릴레이의 제1(전방) 렌즈가 눈에 보다 더 가깝고 따라서 파면 모듈의 높이가 감소하기 때문에, 이 전방 렌즈에 도달할 때 파면 빔 콘의 직경 범위는 감소한다. 이러한 파면 빔 경로의 변경과 결합된 물리적인 감소된 치수는 파면 센서 모듈을 매우 소형으로 만들 수 있다. 나아가, 항상 파면 센서 모듈이 이 위치에 광학 윈도우를 가질 필요가 있기 때문에, 몇몇의 예시적인 실시예에서 공유된 전방 렌즈는 4-F 파면 릴레이의 윈도우와 제1 렌즈의 이중 목적을 달성시킬 수 있다.

도 3에 도시된 파면 센서 모듈과 도 2에 도시된 종래의 파면 센서 모듈의 물리적 치수가 대략적으로 비교될 수 있다. 도 3의 실시예를 참조하면, 만약 안과 수술용 현미경의 작동 거리가 현미경의 대물 렌즈의 초점 거리와 여전히 같고 그 값이 도 1에서 논의한 바와 같이 약 200mm라면, 제1 렌즈는 눈에서 약 170mm만큼 떨어질 수 있다. 다시 2.5인 동일한 비율이 제1 렌즈 초점 거리와 제2 렌즈 초점 거리 사이에 유지된다고 가정해보자. 도 2에서 제1 렌즈의 초점 거리가 250mm가 아닌 겨우 170mm이므로, 도 2에서 제2 렌즈는 100mm가 아닌 68mm의 초점 거리를 필요로 한다. 따라서, 총 파면 릴레이 경로 길이는 도2에서의 700mm가 아닌 이제 (170x2 + 68x2) = 476 mm가 되어, 도2의 실시예보다 도 3의 실시예의 4-F 파면 릴레이의 (700-476)/700 = 32%만큼의 물리적 길이가 감소하게 된다.

파면 센서 모듈의 높이와 관련하여, 5mm 눈 동공에서의 동일한 +30D 원시 빔이 제1 렌즈에 도달한다고 하면, 도 3의 실시예에 도시된 제1 렌즈의 빔 폭은 도2의 예에서의 42.5mm가 아닌 30mm가 될 것이다. 이것은 현저하게 발산하는 파면 빔이 공유된 전방 렌즈에 의해 약간 수렴하는 형태로 초점이 맺히고 측면으로 반사되며, 직경은 30mm보다 작을 것이다. 도 3의 실시예에서, 제1 렌즈가 수평으로 배치되기 때문에, 그것의 직경은 파면 센서 모듈의 높이에 영향을 미치지 않는다는 것에 주목해야 한다. 공유된 전방 렌즈와 보상 렌즈가 소정 두께를 가진다고 가정하는 경우, 이 두께는 도2에서의 구성과 상당히 다르지는 않을 것이다. 만약 우리가 도2에서의 입력 광학 윈도우와 비교하여 공유된 렌즈와 상측의 보상 렌즈의 두께가 5mm 증가한다고 가정하면, 도 3 파면 센서 모듈 높이는 도2에서의 경우처럼 50mm가 아닌 약 35mm가 될 것이다. 따라서 파면 센서 모듈의 높이는 (50-35)/50 = 30% 감소될 수 있다.

도 2의 예에서와 같이, 도 3에 도시된 다이크로익 또는 단경로 빔 스플리터는 대부분의 가시광선을 수술용 현미경으로 통과시키면서, 높은 효율로 SLD 유도된 근적외선 파면 빔을 파면 센서 모듈의 나머지 구성으로 반사시킨다. 도 3에 도시된 파면 센서 모듈의 나머지 부분은 사용될 수 있는 잠재적인 다양한 광학적 구성 중 하나를 나타내는 것임을 주의해야 한다. 따라서 파면 센서 모듈의 해석은 예를 들어 Hartmann-Shack, Talbot-Moire, Hartmann-Moire, Phase-diversity 그리고 레이저레이 트레이싱을 포함하는 모든 가능한 파면 센서 구성들을 포함해야 한다. 디텍터는 디텍터가 효율적으로 전달된 파면 이미지 면에서 파면 기울기를 감지하는 한 모든 가능한 파면 샘플링과 감지 수단들을 포함한다고 넓게 이해되어야 한다. 예로서, 디텍터는 US7445335와 US7815310에 공개된 바와 같이, 단일 측방향 효과 디텍터, 쿼드런트 디텍터(quadrant detector) 또는 가변적인 조리개 뒤에 배치되는 CCD/CMOS 센서/카메라일 수 있다.

다이크로익 또는 단경로 스플리터/컴바이너 위의 보상 렌즈는 몇몇의 기능을 충족하기 위해 이용된다. 첫째로, 공유된 전방 렌즈의 사용 때문에 수술용 현미경에 의해 형성되고 의사에게 제공되는 시야가 최소한으로 영향받게 하기 위해, 이 보상 렌즈는 공유된 전방 렌즈(4-F 파면 릴레이의 제1 렌즈)의 영향을 보상하도록 설계될 수 있고, 따라서 상당히 동등한 세밀한 수술 장면이 의사에게 제공될 수 있다. 둘째로, 보상 렌즈는 또한 물리적으로 파면 센서 모듈을 실링하기 위해 상부 광학 윈도우로서 기능할 수 있다. 나아가, 보상 렌즈는 또한 오직 가시 광선 스펙트럼 영역만을 통과시키기 위해 광학적으로 코팅되거나 처리될 수 있다. 이런 식으로, 현미경에서의 조명광의 근적외선과 UV 스펙트럼 부분은 환자의 눈에 닿지 않게 되어, 파면 센서 디텍터의 동적 범위를 포화시키거나 감소시키도록 파면 센서 모듈에 진입하는 눈으로 돌아오는 근적외선 배경 광 노이즈를 생성하거나 배경 광 노이즈를 생성하게 된다. 게다가, 보상 렌즈는 또한 의사와 환자에게 잠재적으로 해가 될 수 있는 스펙트럼 성분의 노출을 감소시킨다. 나아가, 만약 조명 빔 경로가 공유된 전방 렌즈에 의해 영향을 받는 경우 보상 렌즈 또는 광학 윈도우는 수술용 현미경 내부로부터 대상 눈으로의 조명 광을 안내하는 기능을 할 수 있다.

도 3의 실시예에서, 수술용 현미경의 원래의 대물 렌즈는 현미경 하우징에서 유지되며 제거되지 않는다는 것에 주목해야 한다. 대안으로서, 수술용 현미경의 대물 렌즈는 제거될 수 있고 그것의 포커싱 기능은 전체적으로 또는 부분적으로 도 4에 도시된 파면 센서 모듈의 입력 포트에 있는 공유된 전방 렌즈에 의해 수행될 수 있다. 도 4에 도시된 보상 렌즈 52는 의사에게 상당히 동일한 세밀한 수술 장면을 제공하기 위해 원하는 수준으로 보상하게 되며, 추가적으로 위에서 논의한 것처럼 다른 기능들을 할 수 있다. 보다 구체적으로, 보상 렌즈는 윈도우의 일부분이 광 벤딩 특성을 가지는 윈도우의 일부분만을 구비한 광학 윈도우가 될 수 있고, 따라서 만약 현미경의 원래의 대물 렌즈가 제거되고 파면 센서 모듈의 입력 포트에 공유된 전방 렌즈가 배치됨에 따라 조명 광 경로가 변하는 경우에 안과 기구의 조명 광은 대상 눈을 향해 재안내 될 수 있다.

현미경 아래에 파면 센서 모듈을 장착하는 것에 추가하여, 렌즈 공유로 인한 결과로서 현미경의 가시 경로에 대한 영향을 보상하기 위해 보상 렌즈를 사용하는 것과 동일한 개념은 비록 현미경의 가시 경로를 수정하거나 변화시킬 필요가 있더라도 파면 센서가 현미경에 장착되는 경우까지 확장될 수 있다. 도 5는 현미경의 원래의 대물 렌즈가 유지되고 공유 전방 렌즈로서 사용되는 수정된 수술용 현미경의 선택적인 실시예를 보여준다.

시력 교정 수술은 매우 정밀하고 시력 교정 수술의 의사는 미세한 눈 수술을 수행하기 위해 손과 눈의 동작을 일치시키도록 훈련하는데 수년의 시간을 보낸다. 이러한 개발 과정 동안 의사의 눈에 대한 의사의 손 위치는 전형적으로 선호되는 범위 안에서 고정되거나 유지된다. 수술용 현미경 설계의 중요한 요소는 현미경의 물리적 치수를 받아들이도록 하기 위해 의사가 손의 위치를 변화시킬 필요가 없도록 하는 것이다.

전형적인 수술용 입체 현미경에서, 대물 렌즈 38 이후에, 두개의 입체적 가시 포트들/경로들이 그들의 관련된 광학 구성들과 함께 있다. 표준적인 수술용 입체 현미경에서 이러한 시각적 부품들은 대물 렌즈에 뒤에서 인접하게 위치된다. 도 5에 도시된 실시예에서, 기존의 표준적인 수술용 현미경의 설계는 하나의 하우징 안에 수술용 현미경과 파면 센서를 장착하도록 수정된다. 아래의 설명과 같이, 도 5에 도시된 실시예는 대물 렌즈와 입체적 가시 포트들 그리고 그들의 관련 광학 요소들과 같은 수술용 현미경의 이전에 설계된 구성요소들을 그대로 유지할 수 있도록 해주고 따라서 이러한 구성 요소들이 파면 센서가 수술용 입체 현미경에 포함될 때 재설계될 필요가 없다.

도 5에 도시된 실시예에서 파면 센서는 수술용 입체 현미경의 하우징에 포함되고 수술용 입체 현미경의 높이는 증가되지 않고 따라서 의사의 손 위치는 파면 센서의 포함하는 것에 영향을 받지 않는다. 수술용 입체 현미경의 높이가 증가되지 않기 때문에, 작동 거리, 예를 들어 200mm는 영향받지 않게 되고 수술용 입체 현미경의 원래의 대물 렌즈는 4-F 릴레이의 전방 렌즈로 사용될 수 있다. 왜냐하면, 본 실시예에서, 4-F 릴레이의 제1 렌즈의 초점 거리는 200mm이며, 4-F 릴레이는 도1에 도시된 대로 구성되기 때문이다.

도 5를 참조하면, 파면 센서는 4-F 릴레이의 제1 렌즈 38와 제2 렌즈 40, 다이크로익 또는 단경로 빔 스플리터 42, 편광 빔 스플리터 43 및 디텍터 44를 포함한다. 수술용 입체 현미경의 하우징은 입력 광학 윈도우 461과 대물 렌즈를 포함하며, 대물 렌즈는 또한 4-F 릴레이의 제1 렌즈 38로서 기능하고, 입력 윈도우 461에 위치한다. 보상 렌즈 52는, 보상 렌즈 52, 다이크로익 또는 단경로 빔 스플리터 42 및 제1 렌즈 38이 그들 사이에 광경로 50을 형성하기 위해 정렬되도록 배치된다. 꺽여진 광경로 53는 상기 대물 렌즈 뒤의 위치로부터 한쌍의 입체 접안부에 대하여 보상 렌즈 뒤의 위치로 오프셋되는 한 쌍의 입체 가시 포트(531)로부터 연장된다. 꺽여진 광경로 53은 표준적인 변형되지 않은 수술용 입체 현미경의 원래의 광경로 안에 포함된 광학 요소들을 포함하고, 같은 광학 길이를 가져서, 원래의 광학 요소들은 유지될 수 있다.

도 5에 도시된 실시예에서, 다이크로익 또는 단경로 빔 스플리터 42는 제2 광경로 54를 따라 파면 빔을 반사시킨다. 4-F 릴레이는 눈 파면을 파면 샘플링 면 56으로 전달한다. 디텍터 44(도시되지는 않았으나, 렌슬릿 또는 렌슬릿 배열 또는 g격자와 같은 다른 광학 구성들과 함께할 수 있음) 는 파면 샘플링 면 56에 전달된 파면을 샘플링하고 감지한다.

도 5에 도시된 실시예에서, 입체적 가시 포트들은 대물 렌즈로부터 약 제1 광경로 50의 길이의 거리만큼 오프셋된다. 보상 렌즈 52는 이러한 오프셋에 의한 영향을 보상하는 기능을 하고, 따라서 의사에게 보여지는 현미경 시야는 마치 입체적 가시 포트들이 대물 렌즈 뒤에 원래의 위치에 있는 것처럼 상당히 같다.

대안으로서, 포함된 파면 센서와 함께 수술용 현미경은 보상 렌즈와 다른 광학 구성들이 현재의 설계에 기초하지 않은 꺽여진 광경로를 가지는 새로운 설계로 될 수 있다.

도 5는 대략적인 도면이고, 크기에 맞추어 그려진 것이 아니며, 실시예의 동작을 설명하기 위한 것이다. 도 6은 도 5에 기초하여 위에서 설명된 특징들을 활용하는 통합된 수술용 현미경/파면 센서의 실시예의 보다 솔리드워크 도면이다.

도 3, 도 4 및 도 5의 실시예에서, 전방 렌즈가 공유되기 때문에, 전방 렌즈는 일반적으로 가시광선과 근적외선 스펙트럼을 모두 통과시킬 필요가 있었다. 전방 렌즈는 파면 빔에 추가적인 광학 수차를 제공하지 않는 것이 바람직하다. 이러한 렌즈에 대한 좋은 선택은 가시광과 근적외선광 스펙트럼에 걸쳐 작동하도록 설계된 무색 렌즈이다. 대안으로서, 원하는 파장 범위를 가지는 비구면 무색 렌즈가 사용될 수 있다.

좁은 밴드 패스 필터가 SLD 스펙트럼 밖의 원하지 않는 광을 걸러내기 위해 4-F 파면 릴레이의 제2 렌즈 앞에 사용될 수 있고, 제2 렌즈는 SLD 근적외선 스펙트럼 범위에 걸쳐 기능하도록 설계될 수 있고, 제2 렌즈는 또한 비구면 렌즈일 수 있다.

*공유된 전방 렌즈는 파면 센서 모듈 또는 현미경 하우징에 수평하게 놓여있기 때문에, 공유된 전방 렌즈가 작은 직경을 가질 절대적 필요성은 없다. 전방 렌즈의 직경은 커질 수 있고, 따라서 바깥쪽부분이 적절하게 안과 현미경 내부로부터 대상 눈으로 조명 빔을 안내하기 위해 사용되는 동안 오직 렌즈의 중심 부분이 가시 빔 경로와 파면 빔 경로에 사용될 수 있다. 추가적으로, 비록 SLD 빔을 형성할 필요가 있더라도, SLD 빔을 눈으로 안내하기 위한 PBS는 다이크로익 또는 단경로 빔 스플리터/컴바이너 후방의 어디든지 배치될 수 있다. SLD는 근적외선 범위에서 동작할 필요가 없고 따라서 빔 스플리터/컴바이너는 다이크로익 또는 단경로의 빔 스플리터/컴바이너일 필요가 없고, 선택적으로 상기 빔 스플리터/컴바이터는 노치 필터 타입 빔 스플리터/컴바이너 또는 다른 타입일 수 있다.

4-F 파면 릴레이는 단지 다양한 가능한 광학 파면 릴레이 구성들의 하나의 예인 것에 주의해야 한다. 두 개의 볼록 렌즈들 사이에 오목 렌즈를 배치한 세 개의 렌즈로 구성하는 US 20100208203에 공개된 것과 같은 다른 구성들이 사용될 수 있다. 나아가, 전달된 파면 샘플링 면과 샘플 파면 경사 또는 세기와 같은 다른 특성들을 감지하는 디텍터 사이에 다양한 방법이 사용될 수 있다. 예를들어, 렌슬릿, 렌슬릿 배열체, 격자, 이미징 릴레이 등이 사용될 수 있다. 디텍터는 CCD/CMOS 이미지 센서, 측?향 효과 위치 센싱 디텍터, 쿼드런트 디텍터 등의 일차원 또는 이차원의 디텍터 어레이를 포함하며, 어떠한 타입도 될 수 있다.

파면 센서 모듈의 현재 공개된 실시예들 다양한 범위의 적용으로 다양한 안과 현미경에 결합되거나 포함되거나 통합될 수 있다. 예를들어, 파면 센서 모듈은 슬릿 램프 계열의 눈 검사에 추가하여 눈 파면을 측정하기 위해 파면 센서 모듈이 슬릿 램프 생체 현미경에 장착될 수 있다. 그것은 또한 눈 수술을 위한 라식(LASIK) 시스템과 같은 시력 교정을 위한 다른 현미경에 통합될 수 있다.

비록 본 발명의 교시를 포함하는 다양한 구성이 보여지고 설명되었으나, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 이러한 교시에 포함되어 있는 다른 다양한 구성들을 쉽게 고안할 것이다. 따라서, 청구항에 의해 제공된 것을 제외하고 그것은 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다.

38: 제1 렌즈 40: 제2 렌즈
30: 하우징 42: 다이크로익 또는 단경로 빔 스플리터
43: 편광 빔 스플리터 44: 디텍터

Claims (1)

1. 눈의 광학적 특성을 계측하는 안과 장치로서,
   상기 안과 장치는,
   원래 대물 렌즈를 구비하거나 구비하지 않는 안과 기구, 및 상기 안과 기구에 장착되거나 통합되도록 된 소형 파면 센서를 포함하며,
   상기 파면 센서는,
   파면 릴레이의 제 1 렌즈가 되며 파면 센서 모듈의 광 입력 포트에 배치되는 전방 렌즈; 및
   상기 안과 기구에 대한 대부분의 조명 수단이 통과하도록 하고 눈으로부터 상기 파면 릴레이의 경로를 향하여 근적외선 파면 비임을 전형적으로 반사하도록 된 비임 스플리터를 구비하며,
   상기 전방 렌즈는 상기 파면 센서 모듈 및 상기 안과 기구에 의해 공유되는 것을 특징으로 하는 안과 장치.

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