專利名稱：可修正透鏡的光焦度修正的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總地涉及光學裝置特性的制造后(post-manufacture)變化，并更具體的說，涉及光可修正透鏡的照射。
背景技術：
白內障外科手術程序包括在晶狀體囊前部內切口，以除去白內障的晶狀體，并將人工晶狀體(IOL)植入該位置處。通常，存在兩種人工晶狀體。一種類型更換眼睛的天然晶狀體，通常更換白內障的晶狀體。另一種類型用于現(xiàn)存晶狀體的補充，并作用為永久矯正透鏡。這種類型的透鏡(稱為phakic IOL)植入前房或后房內，以矯正眼睛的屈光不正。在原理上，正常眼所需的每種IOL的光焦度(源于無限遠的光在視網(wǎng)膜上的焦點)可以精確計算。植入透鏡的光焦度是基于手術前的眼睛長度和角膜球面變曲率來選取的，以使得病人能夠在沒有附加矯正措施(例如眼鏡或隱形眼鏡)的情況下看見。不幸的是，由于測量中的誤差和/或可變的透鏡定位和傷口愈合，進行這種手術的病人中的大約一半術后在不矯正情況下不能享受最佳視力(Brandser等人Acta Opthalmol Scand 75162-165(1997)；Oshika等人J Cataract Refract Surg 24509-514(1998))。由于這種IOL的光焦度在它們一經(jīng)植入后就一般不能修正，因此，病人一般必須求助于使用額外的矯正透鏡，如眼鏡或隱形眼鏡。植入的透鏡很少更換透鏡光焦度更不合適的一個。
上述問題的一個解決方案是光可修正透鏡，這是一種在制造和插入人眼之后其折射特性可以改變的光學器件。這種透鏡在國際申請PCT/US99/41650中詳細描述，該申請是在1999年10月13日提交并在2000年7月20日公開，其公開內容合并于此作為參考。光可修正透鏡具有設置在聚合物基質(matrix)內的折射調制組合物。在透鏡植入眼鏡中一到四周且已經(jīng)發(fā)生折射率穩(wěn)定之后，測量預先存在的光學像差或由外科手術導致的像差。為了矯正這些光學像差(例如，球差、象散、prism等)，相應的照射量施加到光可修正透鏡上，該透鏡通過改變其形狀、其折射率、或二者來改變其光學特性。在透鏡各部分曝光于一次或多次照射而選擇性并空間上修正其折射能力之后，照射整個透鏡，從而將其固定成(lock in)修正的透鏡。
具有現(xiàn)場修正植入的可修正人造晶狀體的折射特性的足夠強度的照射源或是相干光源，如激光器，它會通過產(chǎn)生聚焦到視網(wǎng)膜上一點的高強度而潛在地對視網(wǎng)膜造成永久損害；或是大功率非相干光源，它必須以1/1000量級被衰減，以避免對眼鏡的損害。于是，存在對例如在透鏡植入眼睛中之后現(xiàn)場改變人造晶狀體的輻射源的需求。
也需要更精確地改變透鏡，以便更準確補償剩余像差，并需要確保固定照射將在病人的虹膜之后照射透鏡，在該處虹膜未完全張開。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種方法和器械，以便用適宜的輻射量和空間上限定的強度模式照射人眼內側的光可修正透鏡。與在此描述的結構相類似的實施例也可以用在其他用途中照射光可修正透鏡材料。例如，本發(fā)明可以在矯正其他類型的光學系統(tǒng)(例如顯微鏡、望遠鏡、攝像機鏡頭、體內的、顧客定制的人造晶狀體、以及顧客定制的隱形眼鏡等)中用作像差共軛器(conjugator)。植入后通過精確照射光可修正透鏡來矯正病人的視力，病人在術后不必佩戴眼鏡。當然，喪失適應能力的年老病人會期望佩戴某種用于近視的矯正眼鏡。根據(jù)本發(fā)明的實施例，在植入并且為了發(fā)生折射穩(wěn)定而等待所需的時間(1到4周)之后，在照射之前、照射過程中以及在照射之后測量眼睛的象差。照射源精確地對準眼睛的視線(LOS)軸，精確控制照射的強度和持續(xù)時間，并且控制和監(jiān)測照射強度的模式。在此提供了一種對醫(yī)生來說便于使用且對病人較友好的方法和器械。
可能需要各種形式的矯正，如球差、象散和高階像差(例如，彗差、trefoil、三階球差等)。將需要不同的照射量和模式來矯正病人的視力。從而，在以透鏡修正輻射來照射光學系統(tǒng)中的光可修正透鏡的方法和器械中，本發(fā)明提供了一種改進，其包括測量包含透鏡的光學系統(tǒng)(例如眼睛)的像差(包括預先存在的像差和由外科手術和傷口愈合造成的像差)并對準改良輻射源，以便將照射以空間上限定的強度模式撞擊到透鏡上，該空間上限定的強度模式將使像差消除。對照射的強度和持續(xù)時間的控制就控制了照射的大小。在透鏡受照射的同時控制并檢測模式。
本發(fā)明的特定實施例提供了用于照射光可修正人造晶狀體的能量源。用于修正光可修正透鏡的有用的照射源是脈沖UV激光器和弧光燈；以及連續(xù)波(CW)UV源，如弧光放電燈、CW激光器或CW LED。在本發(fā)明一個實施例中，提供了用于照射透鏡的擴展的紫外(UV)光源，例如UV發(fā)光二極管(LED)。UV LED的輸出特性使得這個光源對本用途來說是有吸引力的，這是因為它們不能聚焦成一個光點，并且在總的強度輸出上可得以控制。這些特征都對眼睛結構提供了較小的潛在風險。
根據(jù)本發(fā)明另一實施例，產(chǎn)生修正光，并以補償像差的模式投影到光可修正透鏡上，該模式例如為相位與所測得的像差相反的那種。在這個實施例的特定形式中，UV垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)陣列用來產(chǎn)生UV強度模式，并將其投影到光可修正透鏡的表面上。這種結構提供了如下優(yōu)點，即光學系統(tǒng)較小、較輕、在產(chǎn)生不同的照射強度模式方面更通用、并且比其他UV光柵(patterning)系統(tǒng)更簡單；光學效率高于其他系統(tǒng)，產(chǎn)生較少熱量；且照射源的工作壽命較長。
根據(jù)本發(fā)明另一實施例，修正光的模式是利用具有預定強度分布的apodizing濾光器實現(xiàn)的，在再一實施例中，可以使用空間光調制器(SLM)或數(shù)字反射鏡器件(DMD)。這種器件已經(jīng)用在LASIX工藝中，以修正原始的透鏡，但是它們用在為光可修正透鏡的折射調制組合物提供修正光的圖案中是獨特的。在任何情況下，用于矯正測得的光學像差而產(chǎn)生的所需光模式可以利用例如來自于Shack-Hartmann傳感器的波振面?zhèn)鞲衅鞣答伓@得。這種與可變形反射鏡(DM)一同使用的傳感器已經(jīng)廣泛用于校正天文望遠鏡的像差，其在本發(fā)明中使用是獨特的。
一旦光可修正透鏡被修正到理想程度，透鏡的光學特性通過用適當波長的光照射整個透鏡來光固定(photolock)，以便平均并完整地光聚合化光可修正透鏡中剩余的折射調制組分，即，有效地去除改變折射的驅動力。
另外，在光可修正人造晶狀體的固定照射中的其他特定方面是在病人的虹膜之后照射晶狀體的能力，在該處虹膜沒有完全張開。根據(jù)本發(fā)明另一實施例，角度(gonio)透鏡用于克服這個問題。角度透鏡最初開發(fā)來在虹膜之前或之后以非常大的角度觀察。它也用于觀察視網(wǎng)膜的否則會被眼睛結構遮擋的各部分。它用在本發(fā)明中以固定光可修正透鏡的折射修正是獨特的。
上面已經(jīng)非常廣泛地概括了本發(fā)明的特征和技術優(yōu)點，以便可以更好地理解隨后的詳細描述。上面、以及下面將描述的本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點構成本發(fā)明權利要求的主題。本領域技術人員應理解到所公開的概念和特定實施例可以輕易用作修正或設計其他用于實現(xiàn)本發(fā)明相同目的的結構，本領域技術人員也應認識到這種等價結構并不背離如所附權利要求書中描述的本發(fā)明的精髓和范圍。在參照附圖考慮時，被認為是本發(fā)明的特性的新穎特征，不論是其結構還是其操縱方法，與其他的目的和優(yōu)點一同將會從下面描述中得以更好理解。然而，應清楚地理解到每一附圖是為了圖示說明和描述的目的而提供，并不意在作為本發(fā)明界限的定義。


圖1是本發(fā)明透鏡的示意圖，該透鏡在中心處被照射，隨后整個透鏡被照射，從而固定成修整的光焦度；圖2是不帶內部對準元件的照射系統(tǒng)的一個示例的示意圖；圖3是為外科顯微鏡構型的照射系統(tǒng)的一個示例的示意圖；圖4是為狹縫燈構型的照射系統(tǒng)的一個示例的示意圖；圖5是用于通過掩膜在光可修正透鏡上成像的光學結構的一個示例的示意圖；圖6是Shack-Hartmann波陣面?zhèn)鞲衅鞯膶嵤├氖疽鈭D；圖7a和7b分別是Shack-Hartmann波振面?zhèn)鞲衅鞯膫纫晥D和俯視圖；圖8示出UV發(fā)光二極管的光譜輸出；以及圖9a和9b示出UV發(fā)光二極管的機械描述和照射模式；圖10a和10b是用于矯正光可修正透鏡的光焦度的照射分布曲線的示例；圖11是可用在本發(fā)明中的垂直腔表面發(fā)射激光器的示意圖；圖12是可用在本發(fā)明中的角度透鏡；圖13是可用在本發(fā)明中的諾模圖，其具有“禮帽”形強度分布曲線；圖14是用在本發(fā)明中的另一諾模圖；以及圖15是用在本發(fā)明中的另一諾模圖，其具有“禮帽”形強度分布曲線。
具體實施例方式
通常，光可修正透鏡包括第一聚合物基質和其中設置的折射調制組合物。第一聚合物基質形成光學元件框架，并一般是造成其多種材料特性的原因。折射調制組合物可以是單個化合物或各化合物的組合，其能夠刺激誘發(fā)聚合，優(yōu)選地是光聚合。如在此所用的，術語“聚合”指一種反應，其中折射調制組合物的各組分中的至少一種起反應而形成與類似組分或不同組分共價或物理鍵合中至少一種。第一聚合物基質和折射調制組合物的特性(identity)取決于光學元件的最終用途。然而，作為普通規(guī)則，第一聚合物基質和折射調制組合物選擇成使得構成折射調制組合物的組分能夠在第一聚合物基質內擴散。換句話說，松散的第一聚合物基質趨于與較大的折射調制組合物組分配對，而緊密的第一聚合物基質趨于與較小的折射調制組合物組分配對。
在曝光于適當?shù)哪茉?例如熱或光)時，折射調制組合物一般在光學元件的曝光區(qū)域內形成第二聚合物基質。第二聚合物基質的存在改變了光學元件這個部分的材料特性，從而調制其折射能力。在曝光之后，未曝光區(qū)域內的折射調制組合物經(jīng)過一定時間后遷移到曝光的區(qū)域中，導致膨脹反應或變形。折射調制組合物遷移到曝光區(qū)域中的量與時間有關并可以精確控制。如果容許足夠長時間，折射調制組合物將再次均衡，并再次遍布光學元件(即，包括曝光區(qū)域的第一聚合物基質)中。當該區(qū)域再次暴露于能量源時，已經(jīng)遷移到該區(qū)域(如果允許折射調制組合物再次均衡的話，其可能較小)內的折射調制組合物聚合，而進一步增多第二聚合物基質的形成。這個過程(曝光，隨后以適當?shù)臅r間間隔以允許擴散)可以重復，直到光學元件的曝光區(qū)域達到理想的特性(例如，光焦度、折射率或形狀)為止。此時，整個光學元件暴露于能量源，以便通過聚合剩余的折射調制組合物來“固定”成所需的透鏡特性，其中剩余的組合物是在該組合物遷移到曝光區(qū)域之前處于曝光區(qū)域之外的組合物。換句話說，由于可自由擴散的折射調制組合物不再存在，隨后的光學元件暴露于能量源不能夠進一步改變其光焦度。上面的取自國際申請PCT/US99/41650的圖1示出折射調制(由此透鏡光焦度調制)，隨后固定。
示例性實施例的照射系統(tǒng)包括若干主要部分1)照射源；2)射束強度成形器；3)射束傳導系統(tǒng)；4)對準方法；5)標定元件；6)診斷元件；以及7)固定元件。下面將詳細描述每一個。
照射源照射源必須與被照射材料的感光性兼容。在這個示例中，光聚合物/光引發(fā)劑系統(tǒng)對波長在325nm和380nm之間的UV照射敏感，因此照射源是UV源。UV源可以是激光器、發(fā)光二極管、或各種具有UV光譜的燈。照射源可以是連續(xù)波的(CW)或脈沖的。在這個示例中照射源是CW水銀弧光燈，其配備有干涉濾光片，以產(chǎn)生以365nm±10nm為中心的光束(全寬全極值(FWFM))。其他適用于本系統(tǒng)的方法在“用于照射可修正的可植入透鏡的方法”的標題下進行更全面描述。
射束強度成形器射束強度成形器的特性取決于所用照射的類型，如電子束、微波、射頻、聲、或光。由于照射源是弧光燈，因此在這個示例中將使用光學透鏡和變跡(apodizing)濾光片。本方法可以提供可定制模式的照射，從而在光可修正透鏡中產(chǎn)生定制的折射變化。變跡的(Apodized)圖案可以利用若干方法產(chǎn)生，并采取不同形式。例如，所需的透射圖案可以是在照相軟片上成像的或利用圖案生成機器光化學蝕刻到襯底上的靜態(tài)掩膜圖案，或者利用化學氣相淀積(CVD)施加到適當襯底上的鉻。這種類型的靜態(tài)圖案或是連續(xù)的或是階(half tone)結構。另外，所需的圖案可以是動態(tài)的，如通過適當?shù)目臻g光調制器(SLM；例如液晶顯示器(LCD)或數(shù)字反射鏡器件(DMD))產(chǎn)生的那種、旋轉或平移的圖案；或任何其他方法，以動態(tài)改變曝光照射的強度分布曲線或積分時間。一些激光器本身是apodize的，并可以不需進一步強度調制，以用來校正光可修正透鏡的光焦度或象散。如在一個實施例中描述的，使用照相軟片掩膜。照相軟片放置在兩個載玻片之間，以在UV投影系統(tǒng)中產(chǎn)生與傳統(tǒng)幻燈機類似的3-D強度分布曲線。主要部件是UV光源、聚光光學器件、象場透鏡、apodizing濾光片、以及投影光學器件。用來產(chǎn)生照射分布曲線的方法在“用于產(chǎn)生輻射強度分布曲線的方法“標題下進行更全面描述。
用于產(chǎn)生空間上限定的、可變的強度圖案的另一種潛在照射源是UV垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)。與使用靜態(tài)掩膜或動態(tài)光調制器(例如LCD或DMD)相反，VCSEL陣列只需要激光器陣列、透鏡矩陣、和投影光學器件。從而，優(yōu)點為成本低和簡單。受控的VCSEL激光器2-D陣列取代掩膜或SLM，以及光源及其相關的聚光光學器件，以便照射光可修正透鏡或薄膜。使用UV垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)構成本發(fā)明的一個實施例，并且在UV-VCSEL圖案發(fā)生器標題下進行更全面描述。
射束傳導系統(tǒng)射束傳導系統(tǒng)取決于所傳導的射束類型。在這個示例中，UV束被傳導，從而使用UV可透射的光學器件。圖2、3和5所示的示例共同稱為臨界照明系統(tǒng)。在這些示例中，聚光透鏡將積分器(例如光導)的輸出在apodizing濾光片上成像。干涉濾光片放置在光學系統(tǒng)中，以將光過濾成所需波長。場透鏡用于重定向光學系統(tǒng)的主光束，以使自積分器的光損失最小。物鏡將apodizing濾光片(強度圖案)成像到光可修正透鏡上。另一種形式的照明被稱為Kohler照明，在此照射源(光導的輸出孔)成像到物鏡，且不存在場透鏡。可以使用任一種類型的照明結構。在投影系統(tǒng)的另一實施例中，可以從光學配置中去除聚光透鏡，并將適當?shù)纳⑸湓?例如全息散射元件)放置到apodizing濾光片附近，以提供入射到掩膜上的均勻場(例如平頂?shù)纳涫鴱姸确植记€)。然后，利用上述投影系統(tǒng)，投影光學器件將apodizing濾光片成像到光可修正透鏡上。
對準方法沒有內部對準元件的照射系統(tǒng)的示例在圖2中示為用在兔子10的眼睛上。從弧光燈12輸出的光通過球形反射鏡16發(fā)射到積分器(在這種情況下，為中空液體填充波導形式的光纖14)。積分器的輸出產(chǎn)生均勻的場(即，平頂?shù)膹姸确植记€)。光導的平頂輸出聚焦到管18中包含的光掩膜發(fā)生器上，以產(chǎn)生所需的照射圖案。在這個圖示中，兔子的頭部固定到具有支架22的平臺20上。光學器件鏡筒18借助于微調夾具26連接到支臂24上，支臂24從支架22伸出，并通過粗調夾具28固定到支架22上。所需的照明/掩膜圖案取決于光可修正透鏡中所需的折射變化以及材料與照射的相互作用。這個關系將是我們稱為諾模圖的數(shù)學描述。
對準方法包括照射圖案在光可修正透鏡上的精確設置。在這種情況下，光可修正透鏡為植入眼鏡中的人造晶狀體。人類病人或其他對象的兩個最合適的姿態(tài)是躺在桌子上，如圖3中躺著的兔子10所示，和坐在椅子上，如圖4中病人30所示。參照圖3，通過光掩膜發(fā)生器管18引導的來自光源光纖14的UV光由反射鏡32轉向到分束器34，并從分束器到達兔子的眼睛。分束器34使得可以對兔子所植入的光可修正透鏡進行觀察，并可以通過與分束器34垂直對齊的外科顯微鏡36進行手術。
參照圖4，如果病人坐在椅子上，他或她的頭放置在頭靠38上，該頭靠38支撐下巴和前額。通過光掩膜發(fā)生器管18導引的來自光源光纖14的UV光由分束器40轉向，并從該處到達病人的眼睛。分束器40與眼科狹縫燈42一同工作，后者具有其自身的觀察用光學器件(未示出)，并可以使照射源與病人對準。
狹縫燈可以為多種結構中的任一種，包括手持式、便攜式和桌面安裝式。在一定程度上所有都可應用。如果病人躺在桌子上，與圖3中外科顯微鏡36類似的結構是適當?shù)呐渲谩?br> 一旦頭部穩(wěn)定固定，與照射源的光軸共同對準并等焦面的視頻攝像機或可視顯微鏡用來將投影的掩膜/強度圖案與光可修正透鏡對準。自角膜或光可修正透鏡反射的內部或外部光源可以用作角對準輔助措施，以將照射源與光可修正透鏡對準。反射可以是用視頻攝像機、可視顯微鏡、或其他傳感器可檢測到的。
為了補償病人眼睛在照射治療過程中的任何移動，提供了700～800nm范圍內的激光點光源形式的固定光，以供病人注視。這將確保治療之前的象差或傳導到光可修正透鏡上的光量(dose)沿著病人的視軸或視線軸(LOS)。
標定元件標定元件是監(jiān)測照射光束的功率和/或強度分布曲線的傳感器。分束器用于提供測量光束的樣本。對于簡單的象差，諸如光焦度或象散，可以用給定的掩膜/圖案發(fā)生器來固定強度分布曲線，而不需要測量總的功率或曝光時間。為了定制強度分布曲線，需要監(jiān)控投射的強度分布曲線或曝光時間。對于UV照射，UV CCD攝像機可以用來監(jiān)控強度。
圖2到4中管18內的用來將掩膜成像到光可修正透鏡上的光學器件的示例是圖5的照明光學結構。來自光源46，例如液體填充的光學波導的UV光44通過硅石光學器件引導，后者由PLCX-25.4-38.6-UV透鏡48構成，而該透鏡48與PLCX-25.4-30.9-UV透鏡50分隔開1mm，而PLCX-25.4-30.9-UV透鏡50在這個示例中與組合PLCX-25.4-46.4-UV透鏡組52間隔開215mm。UV光44穿過掩膜54，然后在可變空間56之后穿過光路gradiumCPX-25-60透鏡58，越過可變空間62而到達光可修正透鏡60。
診斷元件在此描述的診斷元件用于測量照射之前、過程中和/或之后的光可修正透鏡的象差。很多器械都可以用來測量眼睛中的象差。用于確定病人眼鏡處方的同樣器械可以用來測量光可修正透鏡中的光焦度或象散偏差。存在多種用來測量眼睛的光焦度或象散以及高階象差的器械?，F(xiàn)在使用的三種最普通的波陣面?zhèn)鞲衅魇且許chemer盤，Shack Hartmann波陣面?zhèn)鞲衅?、和Talbot干涉儀為基礎的。下面在“波陣面?zhèn)鞲衅髟谀軌蛑圃旌笮拚饨苟鹊耐哥R中的應用”的標題下將更全面討論波陣面?zhèn)鞲衅髟诠饪尚拚哥R中的應用。診斷元件可以為孤立的器械，或者它可以內置于照射系統(tǒng)中。在診斷元件內置于照明系統(tǒng)中的情況下，診斷可以在照射期間更容易地進行。
在特定實施過程中a)Shack Hartmann波陣面?zhèn)鞲衅饔糜跍y量眼睛中的象差；b)然后參考光可修正透鏡對照射響應的諾模圖來確定矯正所測量到的象差所需的強度分布曲線；c)所需的強度分布曲線反映到可編程掩膜發(fā)生器(諸如數(shù)字反射鏡裝置)上；d)標定攝像機用于閉環(huán)操作中，來校正數(shù)字反射鏡裝置，以便補償投射光學器件中的象差或光源內的不均勻性；e)光可修正透鏡被照射規(guī)定的時間段；以及f)在特定時間后，再次測量眼睛中的象差，以確保進行了正確的矯正。如果需要的話，重復該過程，直到矯正處于可接受的屈光界限內。
利用Shack-Hartmann波陣面?zhèn)鞲衅鞯氖纠詫嵤├趫D6中示意性示出。對于波陣面?zhèn)鞲衅鞯钠渌毠?jié)在圖7a或8b的側視圖和俯視圖中示出。這對圖給出這個示例性實施例的一些尺寸，如從Shack-Hartmann波陣面?zhèn)鞲衅鞯膫纫晥D和俯視圖所示。
在圖6的視圖中，為了說明的方便，CCD成像路徑繪在系統(tǒng)的一側。實際上，CCD攝像機64安裝到系統(tǒng)的頂部。準直的波長780nm的激光束66聚焦到視網(wǎng)膜上。CCD攝像機64或紅色固定光68為醫(yī)生提供了將Shack-Hartmann波陣面?zhèn)鞲衅?0與病人的LOS對準的能力。圖象可以通過相對于眼睛前后移動傳感器來得以聚焦，這確保波陣面?zhèn)鞲衅髟诓∪搜劬Φ某錾渫滋幊上?。激?6自視網(wǎng)膜反射，而離開的波陣面包含與眼睛的象差相關的信息。利用Shack-Hartmann波陣面?zhèn)鞲衅鳒y量人眼的象差的原理在文獻中得以清楚的記載，因此，在此僅僅給出簡要描述。小透鏡(Lenslet)陣列72將自視網(wǎng)膜反射的波陣面分成多個子孔徑，并然后測量波陣面相對于理想的無象差波陣面的傾斜。然后，所測量的斜度用于重新構建帶象差的波陣面，由此它適于一組Zernike多項式，該多項式的各階標示特定的光學象差，而它相應的系數(shù)代表在屈光偏差中的象差大小。然后，可以分析這些分量中每一個的嚴重性，并通過本發(fā)明的技術加以矯正。
固定元件一旦校正了象差，就施加固定照射。固定照射可以或不可以用相同的照射系統(tǒng)施加。在虹膜未完全張開的那些情況中，可能需要在虹膜之后照射光可修正透鏡。根據(jù)本發(fā)明另一實施例，角度透鏡用于此目的，如在標題“固定光可修正透鏡的測量透鏡”下將更全面描述的。
下面將提供各種實施例的其他細節(jié)。
用于照射可修正的可植入透鏡的方法用于照射光學元件，例如光可修正透鏡的能量的一種形式是在320nm～400nm范圍內的UV輻射。例如，在325nm工作的氦鎘(HeCd)激光器或為在334和365nm處的放射譜線而光譜過濾的汞(Hg)弧光燈已經(jīng)用在本發(fā)明中。這些UV源，包括在355nm工作的三倍頻率激光二極管激勵的固態(tài)YAG激光器、在350～360nm范圍內工作的氬離子激光器、氘放電燈，和與任意窄帶光譜濾波器一同工作的寬帶氙汞燈可以用作對光可修正材料和透鏡進行UV照射測試的光源。
存在與這些光源中每一個相關的潛在的安全問題，當使用諸如激光器的相干光源時，存在如下的可能，即，光源會聚焦到視網(wǎng)膜上的一點處，并產(chǎn)生可以導致永久傷害的強度。從其不會聚焦到一個微小點(tight point)上的角度來說，寬譜非相干光源例如弧光燈是引人注意的，但是，這些光源確實具有足夠的輸出照射，以至于他們必須衰減1/1000那么大，來用于照射光可修正透鏡。從而，燈的不適當使用、機械或電氣故障會導致將高強度施加到眼睛結構上并隨之造成損害。
更安全的光源將是不會聚焦到一點上并且僅具有足以曝光/照射人造晶狀體材料的功率的那種。雖然在其更寬的方面，可以使用產(chǎn)生0.1到100mW/cm2的照射，根據(jù)本發(fā)明實施例，在350到380nm波長范圍內，總UV功率為0.6到0.8微瓦(mW)就足以產(chǎn)生所需的光焦度變化。考慮到光學器件和角膜傳輸損失，在這個實施例中UV源總的所需功率大約為2.5到3.5mW。對于6.0mm直徑的透鏡，功率源將在9.75到12.25mW/cm2的強度下照射。
根據(jù)本發(fā)明，UV LED可以是適當?shù)挠糜谡丈涔饪尚拚哥R的能量源。例如，可以使用市場上可購買到的UV LED，其具有以370nm為中心的0.75到1mW的輸出功率，同時全寬度半光譜帶寬為±10nm。商業(yè)上可獲得的UVLED是擴展源，它可以聚焦到足夠小的尺寸上，以耦合到液體填充的光學濾波器中。光譜輸出如圖8所示。對機械封裝和來自UV LED的照射分布曲線的描述在圖9a和9b中示出。從賣主(Sander電器公司)規(guī)格說明書中獲得的UV LED的光學和電氣特性在表1中給出。
表1絕對最大定額(Ta＝25℃)

1)脈沖寬度最大值10毫秒，最大負荷率1/10HR370A光電特性(Ta＝25℃)

HR370B光電特性(Ta＝25℃)

在一個實施例中，2到10個UV LED耦合到5mm直徑光纖中。在另一實施例中，4到8個UV LED耦合到5mm直徑光纖中。UV LED可以按需要添加或減少，以在植入眼睛的光可修正透鏡中產(chǎn)生安全并足夠的功率水平。
在特定示例中，光可修正透鏡植入病人眼睛中，并且使得眼睛的折射可以后處理，以固定化。利用標準的折射技術和/或波陣面?zhèn)鞲衅鲗Σ∪搜劬M行象差分析。利用眼睛測得的象差的知識以及先前導出的諾模圖可以計算利用UV LED作為光源校正光可修正透鏡以校正病人的視力所需的照射分布曲線和劑量。
UV LED是合適的安全光源，以用于照射系統(tǒng)，用來修正病人內的光可修正透鏡的光學特性。它具有有限的亮度和有限的大小。最大可能的輻射將保持低于美國國家標準化組織(ANSI)指南，并且光可修正透鏡上的光點的最大尺寸將是光纖輸出的圖象。
用于產(chǎn)生光照射強度分布曲線的方法取決于光可修正透鏡的配方，暴露于適當頻率的光將導致折射調制組分擴散到被照射的部分中，在透鏡折射率中產(chǎn)生相應的變化(圖1)。光可修正透鏡的光焦度的主要變化是由于受影響區(qū)域內的膨脹或收縮而造成的。雖然，由于封閉的熱動力系統(tǒng)，如光可修正透鏡的折射率正比于單位容積的顆粒數(shù)量，而也可能發(fā)生折射率的一些局部變化。例如，如果透鏡以如圖14所示的分布曲線照射，那么在照射區(qū)域內的分子將聚合，而在照射的和未照射的區(qū)域之間產(chǎn)生化學潛能的差異，在照射的和未照射的區(qū)域之間有效地建立擴散梯度。為了再次建立熱動力平衡，未曝光區(qū)域內地折射調制組分朝向產(chǎn)生局部化膨脹的中心擴散，且透鏡光焦度增大。如果透鏡用如圖15所示的圖案照射，那么，分子將從透鏡的中心部分擴散出去，在透鏡中心內的光焦度中有效地產(chǎn)生降低。由于透鏡邊緣的邊界條件、橫跨透鏡的厚度不均勻性、以及有可能的透鏡材料對照射的非線性響應，膨脹不必要是照射的線性函數(shù)。對每個病人，照射分布曲線、振幅和暴露時間必須定制，以在IOL中產(chǎn)生正確量的變化。這包括IOL光焦度變化、象散、球差和其他不規(guī)則性。這稱作定制照射。
根據(jù)本發(fā)明實施例，空間光調制器可以用于為包括折射調制組合物在內的組合物產(chǎn)生定制的照射強度分布曲線，其中照射調制組合物散布在，例如IOL的聚合物基質中形成透鏡?？臻g光調制器可以是本領域技術人員所公知的任一種。在一個實施例中，空間光調制器是液晶顯示器或數(shù)字光處理器。
例如，在光譜的UV、可見、近紅外部分內的電磁輻射可以利用與商業(yè)視頻/計算機投影系統(tǒng)中相類似的投影系統(tǒng)輕易地投影到透鏡上。然而，這些投影儀利用液晶顯示器或數(shù)字光處理器，來取代投影儀中使用的薄膜。液晶顯示器可以以透射或反射模式工作。由于它們旋轉光的偏振平面，必須在光學系統(tǒng)中包括有偏振的光和分析器。
數(shù)字光處理器一列微小的矩形反射鏡構成，一般是一側為17微米。它們不調制光束強度，而是調制光束落在屏幕上的時間。微小反射鏡以60kHz的速率傾斜±10度。如果反射鏡致動為開位置，那么撞擊到反射鏡上的光被反射到投影透鏡上。如果反射鏡未處于開位置，光反射到光束收集器，而不會使其到達屏幕。對于60kHz幀中每一幀，每個反射鏡或開或關，從而反射鏡致動是二元的。為了均勻照射到數(shù)字光處理器上，施加到透鏡上的能量強度分布曲線正比于每個反射鏡致動的次數(shù)，而不正比于光束的強度。
利用恒定入射強度和空間改變曝光時間的方法具有若干優(yōu)點a)它避免了產(chǎn)生強度閾值水平(產(chǎn)生任何效果的最小照射水平)之下的曝光水平；b)它避免了必須補償相對強度水平的材料效能；以及c)它使得更容易產(chǎn)生諾模圖(描繪IOL相對于光強度、分布曲線和持續(xù)時間響應的曲線)。
在另一實施例中，感光板或膠片用于傳統(tǒng)投影型系統(tǒng)中，以將照射圖案投射到IOL上。作為示例，圖10b示出來自水銀燈的365nm光線在通過apodizing掩膜(圖10a)投射光纖輸出之后的光束分布曲線，其具有1-r2rmax2]]>光強度分布曲線。根據(jù)這個實施例，這種強度分布曲線用于光可修正透鏡的照射，并在透鏡中產(chǎn)生理想的光焦度變化。每個不同的強度分布曲線需要新的、單獨掩膜放置在投影系統(tǒng)中。
通過利用液晶顯示器或數(shù)字光處理器產(chǎn)生定制的照射強度分布曲線，可以消除制造定制的照相掩膜的時間和成本。每種定制的照射強度分布曲線可以在計算機屏幕上產(chǎn)生，并然后傳遞到液晶顯示器或數(shù)字光處理器投影儀中。計算機屏幕上的可變圖案可以用表示三維強度分布曲線圖的公式產(chǎn)生。公式的參數(shù)可以由用戶或醫(yī)生利用病人的屈光或諾模圖加以改變。醫(yī)生也可以基于自身的經(jīng)驗對圖案/公式加以調整。在一個實施例中，可以利用病人的屈光加上波陣面分析系統(tǒng)來計算照射強度分布曲線的形狀，以用于定制IOL的照射。
作為示例，這個實施例中的過程通常包括在前晶狀體囊中形成一個切口，以去除白內障的晶狀體，并在該位置處植入光可修正透鏡。在傷口愈合且隨后折射穩(wěn)定化之后，眼睛的像差或是通過傳統(tǒng)折射技術(散焦和象散)測量，或是通過波振面分析(散焦、象散、彗差、球差和其他高階像差)和/或角膜地形圖(對于高階像差)。在外科手術后的愈合以及折射穩(wěn)定之后，像差及其在眼睛中的空間分布的知識使得病人的視力可以通過代表光可修正透鏡對特定波長、強度分布曲線和周期的光的響應的諾模圖來加以矯正。在眼睛中像差的類型、大小、和空間分布確定之后，這個信息送入到計算機程序中，該信息與輸出光的矯正強度分布曲線以及光的周期的諾模圖一同工作。然后，所需的強度分布曲線的信息送入到數(shù)字光處理器，以控制各個反射鏡，后者最終確定數(shù)字光處理器/投影系統(tǒng)的輸出，并且圖案投影到光可修正透鏡上。一旦光可修正透鏡被照射，就發(fā)生折射調制組分向曝光區(qū)域擴散，眼睛再次曲折。如果需要進一步修正光可修正透鏡，則重復使用諾模圖和數(shù)字光處理器圖案發(fā)生器的過程。一旦所需的像差已經(jīng)得以矯正，則整個透鏡被照射，以便光固定透鏡，有效地阻止光可修正透鏡中進一步擴散和由此而產(chǎn)生的折射變化。
在另一實施例中，數(shù)字光處理器用于為光可修正透鏡的UV照射產(chǎn)生照射圖案/掩膜的目的。商用數(shù)字光處理器投影儀(如infocus公司銷售的、可以購買到的那種)，光學器件和光源可以去除，并且代之以UV光源和透鏡系統(tǒng)?？梢愿鼡Q光學器件和光源，以照射測試IOL。為MatLab(用于解決數(shù)學問題并產(chǎn)生曲線圖象的商用計算機程序)或其他曲線程序產(chǎn)生腳本，以觀察三維強度分布曲線和這些分布曲線的二維強度投影。然后，計算機可以連接到改進的商用投影儀上，并可以用計算出的分布曲線照射測試IOL。平面盤片和透鏡可以由光可修正透鏡材料制成，并以各種圖案、強度等級、和曝光時間照射，以產(chǎn)生一個或多個照射諾模圖。典型的強度圖案可以類似于(1-r2rmax2]]>)或高斯分布(其中，r是IOL上視力區(qū)的半徑)。典型的強度等級的范圍從2到10mW/cm2，而典型的曝光時間的范圍從10到60秒。病人的折射數(shù)據(jù)可以與諾模圖一同使用，來校正IOL內的光焦度和象散。對于高階像差，如球面像差和彗差，需要波陣面?zhèn)鞲衅?，盡管消耗更多時間，但是可以使用標準的折射技術來測量球差。
諾模圖的示例這個固定照射的示例為禮帽形強度分布曲線(圖13)。這種類型的分布曲線的顯著特征是平均量的強度施加到透鏡上。作為另一示例，光固定強度(I)分布曲線可以是與方程I=I0(1-r2rmax2),]]>如圖14所示，其中I0是光束的峰值強度，r是橫跨透鏡的半徑，而rmax是透鏡上象束的半徑。這種分布曲線可用于UV吸收添加劑設置在光可修正透鏡中以保護視網(wǎng)膜的情況。由于光可修正透鏡橫跨其直徑具有可變化的厚度，因此，UV吸收物質添加到光可修正透鏡中可以防止固定照射到達透鏡的后部。這種情況會導致折射調制組分從光可修正透鏡的后部向光可修正透鏡的前部擴散。這種行為具有平整化后表面的效果，有效地改變透鏡的光焦度。通過將I=I0(1-r2rmax2)]]>分布曲線以足夠的強度施加到光可修正透鏡上，來完全穿透光可修正透鏡的中間最厚部分和較薄的邊緣，可以實現(xiàn)光固定。
治療諾模圖其最簡單的形式代表一xy圖，該圖是相對于照射劑量繪出的屈光能力變化。為滿足這些需求而形成的響應表為諾模圖。對于簡單的光焦度校正，諾模圖僅為xy圖上的曲線。作為治療諾模圖的示例，24個光可修正透鏡(名義光焦度為+20D)由重量上70％的交聯(lián)硅樹脂襯底、重量上30％的甲基丙烯酸酯封端的聚二甲基硅氧烷(methacrylate endcappeddimethylsiloxane)的折射調制組分以及重量上1％的光引發(fā)劑(關于光可修正透鏡組分的進一步細節(jié)參照PCT/US99/41650)。第一組8個透鏡用圖5中所示的投影系統(tǒng)以及圖15所示的光束強度分布曲線以10mW/cm2每個照射30秒，第二和第三組8個光可修正透鏡利用與第一組8個相同的投影系統(tǒng)、強度分布曲線、以及強度條件照射，而第二組以間隔5秒的兩個30秒曝光照射，第三組以間隔5秒的三個30秒曝光照射。照射后24小時，光可修正透鏡系統(tǒng)達到熱動力學平衡，這可以依據(jù)光可修正透鏡的光焦度變化穩(wěn)定確認。這些實驗的結果示于表1中。
表1

作為正光焦度變化的示例，8個光可修正透鏡(名義光焦度+20D)用與上述透鏡相同的組分制造。這8個光可修正透鏡利用個間隔開5秒的2個30秒的劑量和圖14所示的強度圖案暴露于5mW/cm2，這些實驗的結構和24小時后最終光焦度變化列于表1中。
UV-VCSEL圖案發(fā)生器VCSEL可以是單元件激光器、一維陣列或二維陣列。每個激光器元件從頂面以狹窄的錐形光束發(fā)射幾乎為正方形的激光束。對這些裝置的大部分研究在于通信用途的近紅外光。為了掃描和探測圖象，研制了一些可見光陣列。用于二維陣列的占空因數(shù)由于導引所需的空間而一般較小。透鏡陣列可以放置在VCSEL陣列的頂部，以獲得大于90％的占空因數(shù)。這些激光器具有非常高的調制頻率。如果控制激光器的強度過于困難，則曝光中的能量可以通過脈寬調制或其他調制方法加以控制。通過空間上控制每個激光器中的強度或平均能量，可以產(chǎn)生有效的光束強度分布曲線。然后，這個圖案/分布曲線成像到光可修正透鏡或薄膜上，以產(chǎn)生所需的折射圖案。優(yōu)點在于直接和瞬時或幾乎瞬時控制照射圖案以及增強圖案二者的結合。
由于相同的光束分布曲線變化可以用多種類型的可能空間光調制器和標準的顯示或投影光學器件來實現(xiàn)，因此當照射系統(tǒng)與波陣面?zhèn)鞲衅饕约耙恍╊愋偷挠^察和視頻能力相結合時，這個實施例的UV-VCSEL的衍生物在封裝的簡單性和尺寸方面是更重要的。
VCSEL已經(jīng)在(其他波長的)成像和掃描用途中得以應用，但是未用于照射光可修正透鏡或薄膜。這種UV-VCSEL陣列在2001年3月的photomiss Spectra第30頁中有所描述，在此引入作為參考。
參照圖11，在VCSEL中，光垂直傳播，而不是橫向通過結構。通過這種取向，激光器腔室可以生長以匹配激光的波長。通過這種小腔室，裝置的增益帶寬可以僅支持單縱向模式。在這個特定的VCSEL中，氧化物層直接在激光器腔室之上和之下生長，從而提供增益和導向該裝置的指向(index)。
固定光可修正透鏡的角度透鏡根據(jù)本發(fā)明的實施例，角度透鏡用于通過照射光可修正透鏡中的由虹膜遮擋的部分來固定光可修正透鏡。這個實施例的優(yōu)點在于它可以輕易將照射以較大的角度發(fā)出，以達到透鏡中遮擋在虹膜后面的部分。
角度透鏡一般為一塊玻璃，其在一端具有精密匹配眼睛的曲率半徑的半徑。凝膠或粘彈性材料用作指標匹配流體，以消除或極大減小角膜的光焦度。在另一端透鏡允許直接觀察視網(wǎng)膜。有刻面的(faceted)反射鏡在該塊玻璃的一側上拋光，這使得可以觀察眼睛的各側，或是虹膜之上或是虹膜之下。單獨的透鏡放置在刻面之上，用于將激光聚焦到眼睛內側，或輔助其他光學器械的聚焦。由于眼睛的區(qū)域在刻面和刻面形成到一起的地方之間錯過，角度透鏡旋轉以提供完整的覆蓋范圍。在角度透鏡的這項用途中出現(xiàn)同樣的錯過。從而，角度透鏡必須旋轉，以提供虹膜之后的固定照射的完整覆蓋范圍。
角度透鏡與1到4個刻面一同提供。在這個實施例中，選擇4-反射鏡角度透鏡，這是由于它給出最好的光覆蓋范圍，并且需要最少量的照射來獲得完整的覆蓋范圍。圖12示出4-反射鏡的角度透鏡，每個反射鏡處于62°。四個62°反射鏡給出360°視界，由此僅通過透鏡稍微轉動，得到360°的前房投影角。這種角度透鏡可以從Opt電子器件S.A.醫(yī)療分部獲得、型號為04GFA，或者為Thorpe 4反射鏡角度激光透鏡，型號為OT4Mga?？梢允褂闷渌膫€反射鏡構型，如Ritch Trabeculopasty激光器透鏡，型號為ORTA，以及單個反射鏡或兩個反射鏡透鏡。示例為Magic View角度激光透鏡，型號為OmVGL，和單反射鏡角度激光透鏡，型號為OSNGA，二者具有單個62°反射鏡；以及兩個反射鏡的角度激光透鏡，型號為02MA，其具有兩個相對的62°反射鏡。角度透鏡使得來自照射源的均勻光線到達眼睛中虹膜之下，而到達光可修正透鏡的邊緣，實現(xiàn)透鏡的整個固定。
概述雖然本發(fā)明及其優(yōu)點已經(jīng)詳細得以描述，應理解的是在不背離所附權利要求書限定的本發(fā)明精髓和范圍前提下可以對其作出各種變化、替換和變型。此外，意圖并不在于本申請的范圍限定在說明書中所描述的過程、機器、制造、物質組分、裝置、方法和/或步驟的具體實施例中。如本領域技術人員可以從本申請的公開內容中輕易理解到的，根據(jù)本發(fā)明可以利用與在此描述的進行基本相同功能或實現(xiàn)基本相同結果的目前存在或以后開發(fā)的各種過程、機器、制造、物質組分、裝置、方法或步驟。于是，所附權利要求書在其范圍內包括這種過程、機器、制造、物質組分、裝置、方法或步驟。
權利要求
1.在一種用透鏡修正照射修正光學系統(tǒng)中光可修正透鏡的折射率的方法中，所述方法改進之處包括測量包含透鏡的系統(tǒng)中的至少一個光學像差；對準修正照射的光源，以便將照射以對應于像差校正的圖案入射到透鏡上；以及控制入射的照射量，由此校正像差。
2.如權利要求1所述的方法，其中，入射的照射量通過控制照射的強度和持續(xù)時間來加以控制。
3.如權利要求1所述的方法，其中，在透鏡被照射的同時控制并監(jiān)測入射的照射圖案。
4.如權利要求1所述的方法，包括照射整個透鏡以固定經(jīng)修正的折射率的步驟。
5.如權利要求1所述的方法，其中，光學系統(tǒng)包括植入到眼睛中的光可修正透鏡，作為人造晶狀體。
6.如權利要求1所述的方法，其中，光學系統(tǒng)包括光可修正透鏡，作為要植入眼睛中的體外定制的人造晶狀體(phakic或aphakic)。
7.如權利要求1所述的方法，其中，光學系統(tǒng)包括光可修正透鏡，作為定制的隱形眼鏡，以用于眼系統(tǒng)(例如，眼睛)和眼的用途中。
8.如權利要求1所述的方法，其中，光學系統(tǒng)(例如，顯微鏡、望遠鏡、攝像機鏡頭、機器視覺系統(tǒng)、視頻監(jiān)視設備、衛(wèi)星成像系統(tǒng)等)具有至少一個光可修正折射元件，該元件可用于消除系統(tǒng)中存在的像差，以改善成像質量。
9.如權利要求1所述的方法，其中，入射的照射是從照射源獲得的紫外光。
10.如權利要求7所述的方法，其中，紫外光源包括多個發(fā)光二極管，它們的輸出被引導到光導管的接收端，而光導管將紫外光引導到透鏡上。
11.如權利要求10所述的方法，其中，光導管是光纖。
12.如權利要求9所述的方法，其中，紫外光源包括脈沖的紫外光激光器的輸出。
13.如權利要求1所述的方法，其中，紫外光來自脈沖的紫外光激光器。
14.如權利要求9所述的方法，其中，紫外光源產(chǎn)生連續(xù)波紫外光。
15.如權利要求14所述的方法，其中，連續(xù)波紫外光從弧光燈獲得。
16.如權利要求14所述的方法，其中，連續(xù)波紫外光從氘放電燈獲得。
17.如權利要求14所述的方法，其中，連續(xù)波紫外光從連續(xù)波激光器獲得。
18.如權利要求14所述的方法，其中，連續(xù)波紫外光從連續(xù)波發(fā)光二極管獲得。
19.如權利要求1所述的方法，其中，對應于像差的圖案相位與所測得的像差相反。
20.如權利要求17所述的方法，其中，紫外垂直腔表面發(fā)射激光器陣列用于產(chǎn)生所述圖案，并將該圖案投影到光可修正透鏡表面上。
21.如權利要求17所述的方法，其中，該圖案由通過具有預定強度分布曲線的變跡(apodizing)濾波器投影紫外光而獲得。
22.如權利要求17所述的方法，其中，該圖案由通過空間光調制器投影紫外光而獲得。
23.如權利要求17所述的方法，其中，該圖案通過從數(shù)字光處理器反射紫外光而獲得。
24.如權利要求17所述的方法，其中，該圖案由光反饋獲得。
25.如權利要求22所述的方法，其中，光反饋從Shack-Hartmann傳感器獲得。
26.如權利要求23所述的方法，其中，光反饋從Shack-Hartmann傳感器獲得。
27.如權利要求9所述的方法，其中，紫外光波長在350到380nm范圍內，并以9.75到12.25mW/cm2的強度施加。
28.如權利要求4所述的方法，其中，光可修正透鏡的修正的折射率由構圖的(patterned)照射固定。
29.如權利要求24所述的方法，其中，未構圖的照射具有禮帽形強度分布曲線。
30.如權利要求24所述的方法，其中，未構圖的照射的強度分布曲線隨著半徑增大而減小。
31.如權利要求27所述的方法，其中，半徑(r)根據(jù)方程1-(r2rmax2)]]>增大。
32.如權利要求24所述的方法，其中，光學系統(tǒng)包括光可修正透鏡，作為植入眼睛中的人造晶狀體，在眼睛中虹膜未完全張開，且未構圖的照射通過角度透鏡投影。
全文摘要
一種用適當量的照射以合適的強度圖案照射例如人眼(30)內側的光可修正透鏡的方法和器械，該方法通過如下步驟進行，首先測量包含透鏡的光學系統(tǒng)中的像差；對準修正照射的照射源(12)，以便將照射以抵消像差的圖案入射到透鏡上。入射的照射量通過控制照射的強度和持續(xù)時間來加以控制。在透鏡被照射的同時該圖案受控制和監(jiān)測。
文檔編號A61B3/10GK1474666SQ01818750
公開日2004年2月11日 申請日期2001年9月26日 優(yōu)先權日2000年9月26日
發(fā)明者本·C·普拉特, 克里斯琴·A·桑德斯蒂特, 詹姆斯·A·埃貝爾, A 埃貝爾, 本 C 普拉特, 琴 A 桑德斯蒂特 申請人:卡爾豪恩視覺公司