JP3199124B2 - レーザアブレーション装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はビーム断面の一方向が均
一でそれと直交する方向がガウス分布等の不均一な強度
分布を持ったレーザビーム（代表的にはエキシマレー
ザ）により対象物の特定面積をアブレーションする装置
に係り、殊に角膜の曲率を矯正するのに好適なレーザビ
ームによるアブレーション装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、レーザビームで角膜の表面をアブ
レーションしその曲率を変化させることによって眼球の
屈折異常を矯正しようとする手法が注目されている。ア
ブレーションにより角膜を所望の曲率に変化させるに
は、アブレーションする領域が均一な深さになるように
制御できることが必要である。そこで、従来はこの均一
な深さのアブレーションを行うために、アブレーション
に使用するレーザビームの強度分布を均一にする方法が
とられてきた。特開昭63−150069号（USP 4,911,711 "
Sculpturte apparatus for correcting curvature of t
he cornea "L'Esperance Francis A Jr.出願）には、特
殊な透過率分布をもったフィルタを使って均一化する方
法やレ−ザビ−ムを折り曲げることにより均一化する方
法が示されている。前者の特殊な透過率分布をもったフ
ィルタを使う方法は、レーザビームの強度分布と反対の
透過率分布のフィルタを通すことにより、強度の高い部
分を低下させ、レーザビーム強度の均一化を図るという
ものである。つまり、図１の（ｂ），（ｃ）の強度分布
をもち、その光断面が図１の（ａ）のレーザビームが、
図２の（ｂ），（ｃ）の透過率分布をもつ図２の（ａ）
のフィルタを通ると、レーザビームの強度が高い部分
（図１の（ｃ）中央）がフィルタの透過率の低い部分
（図２の（ｃ）中央）によりその強度が低下する。これ
に対して、レーザビームの強度が低い部分（図１の
（ｃ）の端部）はフィルタの透過率が高い部分（図２の
（ｃ）端部）を通るため、その強度はほとんど低下しな
い。これにより、レーザビームの強度が低い部分と中央
の部分とは強度がほぼ同じになり、均一化が達成され
る。また、後者のレーザビームを折り曲げる方法は、レ
ーザビームを複数の部分に分割し、均一化されるように
それらを再び重ね合わせるというものである。この均一
化装置の実施例が図３に示されている。均一化装置は、
中央の三角プリズム２ａと、２つの外側の小さい三角プ
リズム２ｂ，２ｃと、三角プリズムの間の第１及び第２
のビームスプリッタ面３ａ，３ｂと、レーザビーム１を
分割するために間隔を置いたミラー４ａ，４ｂと、外側
の一対のミラー５ａ，５ｂ、及び６ａ，６ｂから構成さ
れる。寸法Ｈの幅のレーザビーム１はミラー４ａ，４ｂ
により３つの部分に分割される。ミラー４ａ，４ｂの間
を通過した中央の１／３部分はそのまま真直ぐに進み、
三角プリズム２ｂへ入射する。そして、ミラー４ａで反
射されミラー５ａ，５ｂを経て三角プリズム２ａに入射
してきた上側の１／３部分とビームスピリッタ面３ａで
重ね合わされる。この重ね合わされたレーザビームは三
角プリズム２ａ中を右方向へと進み、ビームスプリッタ
面３ｂでミラー４ｂにより反射され、ミラー６ａ，６ｂ
を経てきた下側の１／３部分と重ね合わされる。図４は
レーザビームの重ね合わせの強度分布を描いたものであ
り、分割前のレーザビームの強度分布がＰで、ミラー４
ａ，５ａ，５ｂを伝送してきた上側の１／３部分の強度
分布がＰ' ，ミラー４ｂ，６ａ，６ｂを伝送してきた下
側の１／３部分の強度分布がＰ''である。この均一化装
置を通ったレーザビームは、Ｈ／３の寸法をもち、実線
Ｐ_R によって示されるような強度分布をもつことにな
る。また、特開昭63-289519 号（「照射装置」キャノン
株式会社出願）には、小さな円柱レンズを密に並列した
円柱レンズアレイを使った方法が開示されている。図５
はその例であり、レーザビームはトーリックレンズ７、
円柱レンズアレイ８を通って被照射面Ｓに達する。レー
ザビームは、ｙ方向には強い集光性を有するがｘ方向に
対しては弱い集光性しか示さないトーリックレンズ７で
集光された後、多数の小円柱レンズをｙ方向に密に並列
した円柱レンズアレイ８に入射する。円柱レンズアレイ
８によるｙ方向の屈折はランダム化されるので、被照射
面Ｓ上でのレーザビームの強度分布は一様に平均化され
ることになる。

【０００３】

【発明が解決すべき課題】上記のようなレーザビームの
均一化装置は以下のような問題点がある。第１の特殊な
透過率分布のフィルタを使う方法には、フィルタの製作
上の困難の割りには、フィルタの透過率分布が不正確な
ので実際にレーザビームを通してみても均一な強度分布
が得られないことが多い。また、レーザビームの強度分
布が変化したり、光軸がずれたりしてすると、フィルタ
の透過率分布でレーザビームの強度分布を打消すことが
できなくなるという欠点がある。さらに、強度の低い部
分に合わせるために高い部分を下げるので、エネルギー
の損失が大きいという欠点もあった。

【０００４】次に、第２のレーザビームを折り曲げる方
法では、多数のミラーを使用する複雑な構造なので、調
整に時間がかかる。また、レーザビームの強度分布が変
化したり、光軸がずれたりしたときに、均一な強度分布
が得られなくなる。さらに、ビームスプリッタで分割さ
れたビームを再び重ね合わせるときに大きくエネルギー
を損失するという欠点もある。第３の円柱レンズアレイ
による方法では、第１の方法のフィルタと同様に円柱レ
ンズアレイの製作が複雑で時間がかかるという欠点があ
る。

【０００５】本発明の目的は、上記問題点に鑑み、製作
の難しい光学素子や複雑な光学系も使用せずに、簡単な
構成で均一な深さのアブレーションを行うことができる
装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のレーザアブレーション装置は次のような特
徴を有している。 （１） ビ−ム断面の一方向でほぼ均一な強度分布を持
ち、それと直交する方向でガウス分布を持つレ−ザ光に
より角膜の面積領域をアブレ−ションするレ−ザアブレ
−ション装置において、開口径が可変で照射領域を制限
するアパ−チャと、ガウス分布を持つ方向に前記レ−ザ
光を平行にスキャンさせるスキャンミラ−と、アパ−チ
ャ−と角膜表面を共役としアパ−チャの像を角膜に投影
する投影レンズを持ち、所定の前記レ−ザ光を角膜に導
光する導光光学系と、前記アパ−チャの開口全体をカバ
−するように前記スキャンミラ−を移動させレ−ザ光を
照射し、アパ−チャによって制限された角膜の照射領域
内をほぼ均一な深さにアブレ−ションするスキャン制御
手段と、前記アパ−チャの開口径を変えて前記スキャン
制御手段によるスキャンを繰り返すことにより角膜の表
面の曲率を変えるアパ−チャ制御手段と、を有すること
を特徴としている。

【０００７】（２） （１）のレーザ光はエキシマレー
ザであり、前記レーザアブレーション装置は角膜の曲率
を矯正するものであることを特徴としている。

【０００８】（３） （１）のレ−ザアブレ−ション装
置において、前記導光光学系は複数のレ−ザ光を反射す
るミラ−を持ち、前記スキャンミラ−はレ−ザ光の入射
軸に沿って移動することを特徴としている。

【０００９】（４） ビ−ム断面の一方向でほぼ均一な
強度分布を持ち、それと直交する方向でガウス分布を持
つレ−ザ光により対象物の面積領域をアブレ−ションす
るレ−ザアブレ−ション装置において、開口径が可変で
照射領域を制限するアパ−チャと、ガウス分布を持つ方
向に前記レ−ザ光を平行にスキャンさせるスキャンミラ
−と、アパ−チャ−と対象物表面を共役としアパ−チャ
の像を対象物に投影する投影レンズを持ち、所定の前記
レ−ザ光を対象物に導光する導光光学系と、前記アパ−
チャの開口全体をカバ−するように前記スキャンミラ−
を移動させレ−ザ光を照射し、アパ−チャによって制限
された対象物の照射領域内をほぼ均一な深さにアブレ−
ションするスキャン制御手段と、を有することを特徴と
している。

【００１０】

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面に基づい
て説明する。図６は１実施例の光学系の配置図である。
１０はエキシマレーザ光源であり、そのレーザ光源から
出射されるレーザビームの断面形状は、図７に示すよう
に、ビームの水平方向（ｘ軸方向）の強度分布がほぼ均
一な分布Ｆ（Ｗ）で、垂直方向（ｙ軸方向）の強度分布
がガウシアン分布（ガウス分布）Ｆ（Ｈ）となってい
る。１１，１２，１５は平面ミラーでレーザビームを９
０°偏向するためのものであり、レーザ光源１０より水
平方向に出射されたレーザビームは、平面ミラー１１に
より上方へ９０°偏向され、平面ミラー１２で再び平行
方向に偏向される。平面ミラー１２はｚ軸方向に平行移
動できるようになっている（移動については後述す
る）。

【００１２】１３はアブレーション領域を限定するアパ
ーチャで、開口の径を変えることができる。１４はアパ
ーチャ１２を眼球角膜１６の上に投影する投影レンズで
ある。投影レンズ１４に対してアパーチャ１３と眼球角
膜１６は共役な位置関係になっており、投影レンズ１４
によりアパーチャ１３で限定した領域が眼球角膜１６の
上に結像し、アブレーション領域を限定することになっ
ている。投影レンズ１４を通ったレーザビームは平面ミ
ラー１５で下方へ偏向されて、眼球角膜１６へ到達す
る。眼球角膜１６は装置に対して所定の位置関係にくる
ように予め位置決めされている（位置決め手段について
は図示せず）。

【００１３】以上のような構成の装置であるが、次に、
平面ミラ−１２の移動制御について説明する。前記のよ
うに、平面ミラー１２はｚ軸方向に平行移動し、ビ−ム
をガウシアン分布方向に平行移動する。平面ミラー１２
はレーザパルスに同期して移動させるが、ある位置で１
パルス又は数パルス照射後に平面ミラー１２を次の位置
に移動させ、再び１パルス又は数パルス照射後ミラー１
２を移動させる。この動作をアパーチャ１３の開口の１
端から他端まで繰返す。これは、アブレーション領域に
所定の間隔で１パルス又は数パルスの照射を繰り返し、
そのパルスを重ね合わせることにより、均一な深さのア
ブレーションを行おうというのである。

【００１４】平面ミラー１２の移動量は、アブレーショ
ンの深さ及び要求される均一性の程度やビ−ムの強度・
強度分布等の各要素の相関関係で決まる。レ−ザビ−ム
の強度や１パルス当たりのアブレーションの深さの調整
は、一定の範囲内ではレ−ザ光源の出力を調整すること
によっても可能である。説明の便宜上、仮に１パルスご
とに平面ミラー１２を移動させたとする。図８はこのと
きのアパーチャ１３上のレーザビームのｙ軸方向の強度
分布の変化を示したものであり、図９は角膜１６上での
ｙ軸方向の強度分布の変化を示している。図１０は図９
のアブレーションの過程を示す。

【００１５】１パルス目、アパーチャ１３上で図８の
（ａ）の強度分布をもつレーザビームが投影レンズ１３
によって投影されると、角膜１６上では図９の（ａ）の
ような強度分布になる。このレーザビームの照射により
角膜１６は図１０の（ａ）の斜線部がアブレーションさ
れる。２パルス目は、平面ミラー１２がｚ軸方向に移動
するので、アパーチャ１３上の強度分布は図８の（ｂ）
のように変わる。従って、投影レンズ１４により投影さ
れる角膜１６上での強度分布は図９の（ｂ）になり、図
１０の（ｂ）の斜線部がアブレーションされることにな
る。３パルス目ではアパーチャ１３上で図８の（ｃ）、
角膜１６上で図９の（ｃ）の強度分布となり、図１０の
（ｃ）の斜線部がアブレーションされ、４パルス目以降
も同様であり、ｎパルス目ではアパーチャ１３上が図８
の（ｄ）、角膜１６上が図９の（ｄ）の強度分布で、図
１０の（ｄ）の斜線部がアブレーションされる。以上の
ように、レーザパルスに同期してミラー１２を平行移動
させ、レーザビームを不均一な強度分布方向にスキャン
しながら照射すると、図１０の（ｅ）のような結果とな
り、ほぼ均一な深さのアブレーションが行える。

【００１６】図１１は平面ミラー１２をレーザパルスと
同期して移動する制御機構を説明すタイミングチャ−ト
図であり、（ａ）はレ−ザの光出力を、（ｂ）は平面ミ
ラ−１２の位置を検出する検出器の出力信号を示してい
る。ここで、均一な深さのアブレ−ションを行うのに必
要な平面ミラ−１２の移動量は位置検出器（例えばミラ
−を駆動するモ−タの駆動軸に取り付けられたロ−タリ
エンコ−ダ）の出力信号でｍパルス分に相当するものと
する。１パルス目のレ−ザ照射時の平面ミラ−１２の位
置検出器の出力信号を１パルス目とすると、２パルス目
のレ−ザ照射時にｍ＋１番目の出力信号、３パルス目の
レ−ザ照射時に２ｍ＋１番目の出力信号というように、
平面ミラ−１２の位置検出器の出力信号のｍパルスごと
にレ−ザパルスが照射されるべく、平面ミラ−１２を移
動させる。このようなレ−ザ照射を繰り返すことによ
り、レ−ザ照射による均一なアブレ−ションが達成され
る。なお、手術時間の短縮、レ−ザの負担の軽減や手術
眼への影響等の事由を考慮すると、レ−ザは５０Hz前後
で使用するのが適当である。

【００１７】なお、本実施例の説明中の方向を示す語
は、レ−ザのエネルギ−分布方向との関係を特定するた
めに使用したもので、それ以上の意味はない。また、本
装置の動作はマイクロコンピュ−タにより制御される。
以上の実施例では、角膜のいわゆるラ−ジアブレ−ショ
ンを念頭に置いた説明を行ったが、本発明の技術思想を
越えることなく、他の加工に利用できることは明かであ
る。

【００１８】

【発明の効果】本発明によれば、複雑な光学系や光学素
子を用いることなく、簡単な機構により、均一でない強
度分布を持つレーザビームによる、均一な深さのアブレ
ーションが可能となる。

【００１９】さらに、本発明では、従来の均一化のため
の光学部品によるレーザビームの光量ロスが防止でき、
効率の良いアブレーションができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】レ−ザのエネルギ−分布の例を説明する図であ
る。

【図２】従来技術の１つを説明する図である。

【図３】第２の従来技術を説明する図である。

【図４】第２の従来技術により得られる強度分布を説明
する図である。

【図５】第３の従来技術を説明する図である。

【図６】本発明の１実施例の光学系の配置図である。

【図７】エキシマレ−ザのエネルギ−分布の例を説明す
る図である。

【図８】アパ−チャ上でのレ−ザビ−ムのｙ軸方向の強
度分布を示した図である。

【図９】角膜上でのレ−ザビ−ムのｙ軸方向の強度分布
を示した図である。

【図１０】図９の時のアブレ−ションの過程を説明する
図である。

【図１１】図１１は平面ミラーをレーザパルスと同期し
て移動する制御機構を説明すタイミングチャ−ト図であ
る。

【符号の説明】

１０ エキシマレ−ザ光源 １２ 平面ミラ− １３ アパ−チャ １４ 投影レンズ

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) A61F 9/01 G02B 26/02 G02B 26/10 101 B23K 26/00 B23K 26/06

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ビ−ム断面の一方向でほぼ均一な強度分
   布を持ち、それと直交する方向でガウス分布を持つレ−
   ザ光により角膜の面積領域をアブレ−ションするレ−ザ
   アブレ−ション装置において、開口径が可変で照射領域
   を制限するアパ−チャと、ガウス分布を持つ方向に前記
   レ−ザ光を平行にスキャンさせるスキャンミラ−と、ア
   パ−チャ−と角膜表面を共役としアパ−チャの像を角膜
   に投影する投影レンズを持ち、所定の前記レ−ザ光を角
   膜に導光する導光光学系と、前記アパ−チャの開口全体
   をカバ−するように前記スキャンミラ−を移動させレ−
   ザ光を照射し、アパ−チャによって制限された角膜の照
   射領域内をほぼ均一な深さにアブレ−ションするスキャ
   ン制御手段と、前記アパ−チャの開口径を変えて前記ス
   キャン制御手段によるスキャンを繰り返すことにより角
   膜の表面の曲率を変えるアパ−チャ制御手段と、を有す
   ることを特徴とするレ−ザアブレ−ション装置。
2. 【請求項２】 請求項１のレーザ光はエキシマレーザで
   あり、前記レーザアブレーション装置は角膜の曲率を矯
   正するものであることを特徴とするレーザアブレーショ
   ン装置。
3. 【請求項３】 請求項１のレ−ザアブレ−ション装置に
   おいて、前記導光光学系は複数のレ−ザ光を反射するミ
   ラ−を持ち、前記スキャンミラ−はレ−ザ光の入射軸に
   沿って移動することを特徴とするレ−ザアブレ−ション
   装置。
4. 【請求項４】 ビ−ム断面の一方向でほぼ均一な強度分
   布を持ち、それと直交する方向でガウス分布を持つレ−
   ザ光により対象物の面積領域をアブレ−ションするレ−
   ザアブレ−ション装置において、開口径が可変で照射領
   域を制限するアパ−チャと、ガウス分布を持つ方向に前
   記レ−ザ光を平行にスキャンさせるスキャンミラ−と、
   アパ−チャ−と対象物表面を共役としアパ−チャの像を
   対象物に投影する投影レンズを持ち、所定の前記レ−ザ
   光を対象物に導光する導光光学系と、前記アパ−チャの
   開口全体をカバ−するように前記スキャンミラ−を移動
   させレ−ザ光を照射し、アパ−チャによって制限された
   対象物の照射領域内をほぼ均一な深さにアブレ−ション
   するスキャン制御手段と、を有することを特徴とするレ
   −ザアブレ−ション装置。