JP2002522191A

JP2002522191A - 表面切除用パルスレーザービームを走査する方法

Info

Publication number: JP2002522191A
Application number: JP2000565421A
Authority: JP
Inventors: ミンライ
Original assignee: ライ、ミン
Priority date: 1998-08-12
Filing date: 1999-08-11
Publication date: 2002-07-23

Abstract

(57)【要約】速くて円滑な走査が、レーザーパルスと走査器ミラー位置との間の同期に依存することなく、均一な切除表面を達成するために記載されている。走査は一連の閉ループを取り、各ループ上の走査速度はループの周囲長に従い微調整される。各ループに沿って均一で密に詰めたパルス配列は、走査の連続パルスが十分に隔たれたまま、ループに沿う複数回の連続走査によって達成され得る。走査パターンは、層数が増えても、エネルギー分布が層毎に均一で、切除面の平滑度が実質的に変化しないままであるように設計される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本出願は、１９９８年８月１２日出願の米国特許仮出願第６０／０９６，２８
２号の特典を主張する。

【０００２】

【発明の分野】

本発明は、表面切除用パルスレーザービームを走査することに関する。詳細に
は、本発明は、高い繰り返しレートであって小スポットサイズのパルスレーザー
ビームを走査して、平滑で均一な切除を達成することに関する。

【０００３】

【発明の背景】

高い繰り返しレートであって小スポットサイズのパルスレーザービームにより
平滑で均一な表面切除を達成するには、速くて滑らかな走査および適切な走査パ
ターンが極めて重要である。強いＵＶレーザーパルスが、例えば、角膜表面に衝
突すると、分解された組織の噴流が表面から放出される。この放出された物質は
、次のパルスのエネルギー配列に影響を及ぼすことがある。その上、パルスレー
ザービームが十分に速く走査されない場合には、切除プロセスで生成された応力
と熱が蓄積されることがある。各パルスは、普通は数分の１ミクロンの深さを有
する切除ピットを創成する。均一な切除プロフィール（ablation profile）は、
これらのピットが適切な配列パターンに編成された場合に限り期待できる。

【０００４】レーザービームの走査に関連して、およそ５００件の米国特許がある。本発明
は、特には、表面切除用パルスレーザービームを走査することに関する。詳細に
は、本発明は、滑らかで均一な表面切除のために高い繰り返しレート（約１キロ
ヘルツ）と小スポットサイズ（数分の１ミリメートル）を伴うパルスレーザービ
ームを走査することに関する。本発明の直接の用途は、視力障害を矯正するため
に、角膜へ施すレーザー屈折矯正手術 (photo-refractive surgery) のためのパ
ルスレーザービームを走査することである。

【０００５】レーザー屈折矯正手術のためにいくつかの走査方法が提案されてきた。米国特
許第４６６５９１３号および第４７１８４１８号で、L’Esperance Jr. は、正
方形断面にわたり均一なパワーを持つレーザーパルスを走査する方法を提示した
。この走査器はパルスに同期されて、パルスの正確な配列を達成する。Lin は、
米国特許第５５２０６７９号で、ビームのスポットサイズを精密に制御し、そし
て単一層にパルスを周到に重ねることによって平滑な切除を達成する方法を実証
してみせた。１００ＨｚのパルスＵＶレーザービームがリニア走査され、望まし
い結果が示された。Simon と Wuang は米国特許第５５９９３４０号で、プログ
ラムされたパターン上にランダムプロセスでレーザーパルスを配列させる方法を
開示した。低い繰り返しレートのパルスレーザーに関しては、このプログラムさ
れたランダムプロセスは、連続走査の結果と同様の結果を出すことができる。

【０００６】しかし、パルス繰り返しレートがキロヘルツレベルまで高められる場合、上記
走査方法は実際的でなくなる。キロヘルツの繰り返しレートでは、パルス間の時
間間隔は１ミリ秒に過ぎない。これは、今日の走査器にとっては速すぎて、走査
器ミラー位置をレーザーパルスと精確に同期させることができない。パルスの均
一配列は、直線走査では、ビームが転向する際に走査の速度が鈍るという理由で
不可能になる。先のパルスからの噴流が次のパルスのエネルギー配列に悪影響を
及ぼすので、パルス間での密な重ねは望ましくない。そのうえ、パルスエネルギ
ーが時間とともに変化する場合、ターゲット上の精確なスポットサイズは、これ
を画成して維持することが実際上不可能である。

【０００７】

【発明の概要】

本発明は、走査の一回毎の通過における連続パルスが十分に隔てられ、かつ均
一に配列されるよう、速くて、しかも滑らかな走査を意図するものである。走査
は、レーザーパルスと走査ミラー位置との間のいずれの同期にも依存しない。そ
の代わりに、走査は一連の閉ループを取り、各ループ上の走査速度はループの周
囲長に従い微調整される。ループに沿う均一で密なパルス配列は、ループに沿う
複数回の連続走査によって達成される。走査パターンは、層数が増加しても、エ
ネルギー分布がいずれの層でも均一であるように、そして切除面の平滑度が容認
レベルに留まるように設計される。

【０００８】好ましい実施の形態では、走査は各層において同心リングのパターンをとる。
レーザービームは、一つのリングから別のリングへ螺旋状に走査される。走査は
略一定速度であり、それは、パルス繰り返しレートと、連続パルス間の所定の配
列間隔とに従って設定される。走査速度は、次に、パルス配列が各リング毎に精
確に、均一に充たされることができるように、リングの周囲長に従い各個々のリ
ング毎に微調整される。各リング上のパルス配列は、そのリングに沿う一回以上
の連続走査で遂行できる。この走査はパルスを一つのリングに沿って一時に配置
してから、リングからリングへ、そして層から層へ滑らかに飛ぶ。

【０００９】走査は、螺旋状に内向きと外向きとの交互に複数の層を生成する。リング直径
は、各層で均一に増やされるか、または減らされ、層から層へ僅かに変化する。
このようにして、層上には調節可能な平均化が得られ、層数が増加してもエネル
ギー配列の粗さが重畳することはない。ＵＶレーザー屈折矯正手術の場合、各層
の切除深さは、普通には数分の１ミクロンであり、表面は、多層切除後も概して
平滑なままであることが期待される。

【００１０】したがって、本発明の目的は、高い繰り返しレートで小スポットサイズのパル
スレーザービームを走査して、滑らかな走査と均一な切除を達成するための新規
かつ改良された方法を提供することである。

【００１１】本発明の他の目的は、高い繰り返しレートのパルスレーザービームのエネルギ
ー配列に及ぼす切除噴流の影響を排除するための新規かつ改良された方法を提供
することである。

【００１２】本発明の更なる目的は、レーザーパルスと走査器ミラー位置との間の同期を用
いることなく、均一切除を達成するための新規かつ改良された方法を提供するこ
とである。

【００１３】本発明の更なる他の目的は、高い繰り返しレートで小スポットサイズの深ＵＶ
レーザービームを用いてレーザー屈折矯正手術を行うための新規かつ改良された
方法を提供することである。

【００１４】本発明のこれらの目的および他の目的と利点は、以下の図面、詳細な説明、お
よび先に記載の特許請求の範囲により、より明白になるであろう。

【００１５】

【好ましい実施の形態の詳細な説明】

図１は、本発明の一つの実施の形態として、切除システム１００を示す概略図
である。切除システム１００は、レーザーソース１０、ビーム成形光学系２０、
走査器４０、およびコンピュータ５０で構成される。システム１００は走査レー
ザービーム１２を生成して、ターゲット３０上に切除を施す。

【００１６】レーザーソース１０はパルスレーザービーム１１を生成する。レーザービーム
１１は、それぞれ所定の波長、パルスエネルギー、パルス持続時間およびパルス
繰り返しレートを持つ。波長は、紫外線から赤外線のスペクトル範囲内であり得
る。レーザー屈折矯正手術の場合、波長は２２０ｎｍから１８０ｎｍの範囲にわ
たる深ＵＶスペクトル、または３ミクロン近傍の赤外線スペクトルであるのがよ
い。パルスエネルギーは１０ｕｊから１０００ｕｊである。パルス持続時間は０
．０１ｎｓから１００ｎｓの範囲である。繰り返しレートは、０．２ｋＨｚから
１０ｋＨｚの範囲である。

【００１７】ビーム成形光学アセンブリ２０は、ターゲット３０上でのレーザービーム１２
のスポットサイズを制御して、適切なエネルギー密度および所望の切除レートを
得る。スポットサイズはパルスエネルギーに依存するが、５０〜１０００ミクロ
ンの範囲にあるのがよい。

【００１８】２次元走査器４０はパルスレーザービーム１１を受取り、それをビーム１２と
してターゲット３０上へ投射する。走査器４０は、入力信号５１への１キロヘル
ツまでの早い応答性を有する。走査器４０は一対のガルバノメータ（検流計）で
あり得る。

【００１９】走査器４０と結合作動するコンピュータ５０は、走査器４０の走査を制御する
プログラム可能信号５１を生成する。コンピュータ５０は、レーザーソース１０
とも結合作動し、レーザービーム１１の繰り返しレートを読込むか、またはそれ
を制御する。コンピュータ５０とレーザーソース１０との間の通信は、ソース信
号１３と制御信号５２により遂行される。

【００２０】パルスレーザービーム１１の繰り返しレートが１キロヘルツまでである場合、
パルス間の時間間隔は１ミリ秒に過ぎない。この時間間隔は、今日の走査器にと
っては短すぎて、走査器ミラー位置をレーザーパルスに同期させることができな
い。レーザーパルスの均一配列を達成するには、連続していて、しかも滑らかな
走査が不可欠である。リニア走査は急停止と端部での転向を伴うので、もはや適
してはいない。好ましい実施の形態として、円形の螺旋状走査が以下の検討で提
示される。

【００２１】図２は、同期が達成されないときに起こり得る従来技術の走査パターンを示し
ている。図２(Ａ)では密に詰めた走査が用いられ、この走査はリングに沿って均
一なパルス配列を生成できるが、接合点で均一性を阻害することがある。図２(
Ａ)に図解するように、最初のパルスのスポットは番号１で標識付けされ、最後
のパルスは番号３５で標識付けされる。この種の走査は遅く、高い繰り返しレー
トでの表面切除にとっては好都合ではない。強いＵＶレーザーパルスが、例えば
、角膜表面に衝突すると、分解された組織の噴流が表面から放出される。この放
出物質は、次のパルスのエネルギー配列に悪影響を及ぼすことがある。切除面上
で連続パルスを隔てる速い走査は、均一で予測可能なエネルギー配列を達成する
ための重要な対策である。

【００２２】図２(Ｂ)は、連続パルス間に大きな隔たりをもち、リングに沿った２回通過走
査を示している。この走査では通常、図２(Ｂ)に示すように、均一配列のパルス
にはならない。１から１８として標識付けされた第１走査のスポットには、１９
から３５として標識付けされた第２走査のスポットが部分的に重なる。多数回の
走査が結果としてランダム平均を与えるとはいえ、パルスはクラスタを形成する
可能性があり、粗い切除面を形成してしまうことがある。

【００２３】図３は、本発明による一つの実施の形態として、２回の連続走査によるリング
に沿ったレーザーパルスの均一配列を示す。ここで、走査速度は、リング周囲長
およびパルス繰り返しレートに従って微調整される。図３に示すように、連続パ
ルス間の隔たりはパルススポットサイズの約２倍であり、リング周囲長は２回の
連続走査で配列されるパルスで均一に、しかも精確に充たされる。接合点での均
一性阻害はない。

【００２４】図３と同様な結果を達成するためには、以下のことを実行するようにコンピュ
ータ５０がプログラムされねばならない。第１に、ターゲット３０上で走査され
るべきリングＲの周囲長Ｐを計算する。第２に、ターゲット３０上の連続パルス
間の予め決められたおおよその隔たりＤでＰを除算する。第３に、Ｐ／Ｄを概数
で表して（四捨五入して）整数ｎを得るが、この値は各単一走査でリング周囲長
に充たされ得るパルスの数に等しい。第４に、リングＲに沿う連続パルス間の精
確な隔たりＤ'を次式で算出する。

【００２５】Ｄ'＝ｍＰ／（ｎｍ＋１）（１）

【００２６】ここでｍは、リングＲを巡る走査の回数に等しい整数である。第５に、隔たり
Ｄ'と繰り返しレートＫとを乗算することによって走査速度Ｖを決定する。すな
わち、次の通りである。

【００２７】Ｖ＝ＫＤ'＝ｍＰＫ／（ｎｍ＋１）（２）

【００２８】次いで、コンピュータ５０は駆動 (driven) 信号５１を走査器４０へ送って、
リングＲに沿い速度Ｖでビーム１２を走査できる。このような走査速度Ｖにより
隔たりＤ'が確保されるので、関係Ｄ'＝ｍＰ／（ｎｍ＋１）は満足される。この
方式で、多数のｎｍ＋１パルスが、ｍ回の連続走査によってリングＲ上に均一か
つ精確に配列されることになる。

【００２９】図３の実施例については、ｍ＝２、ｎ＝１７であり、パルスのスポットサイズ
は約Ｄ／２である。リング上には合計３５のスポットがある。パルス配列は、１
回目の走査に対してスポット１から始まり、スポット２へ行き、スポット１８で
終了する。走査が続いて２回目になると、スポット１９がスポット１とスポット
２との間を充たし、以下同様となる。リングに沿うスポット１の厳密な位置は、
走査ミラー位置とパルスとの間の同期が欠如しているので調整できない。しかし
、パルス配列のパターンは、本発明の走査スキームによりプログラム可能である
とともに均一である。

【００３０】注目すべき重要な点は、走査速度Ｖだけが微調整され、走査器ミラー位置をレ
ーザーパルスに同期させる必要がないことである。また、連続パルス間の隔たり
Ｄ'がリングに沿い配列される実際のパルスよりｍ倍大きくできることも、注目
すべき重要な点である。

【００３１】実際に、Ｄ'はＤから普通には微小量だけ異なるので、走査速度Ｖは、上記式
（２）を満足するようにリングからリングへほんの僅かだけ変化していく。例え
ば、おおよその隔たりＤ＝１ｍｍ、一定のパルス繰り返しレートＫ＝１ｋＨｚと
すると、おおよその走査速度は、ターゲット上で１ｍ／秒である。更に、図３で
２Ｒ＝５．５ｍｍのリングを仮定すると、Ｐ＝２πＲ＝１７．３ｍｍ、ｎ＝１７
を得る。式（２）のｍ＝２を用いて、Ｄ'＝０．９９ｍｍおよびＶ＝０．９９ｍ
／秒を得る。

【００３２】式（２）に従うと、繰り返しレートＫが微調整される場合、走査速度Ｖを一定
に保つことができる。同様な結果を得ることができる。しかし、ミリ秒単位の時
間間隔での繰り返しレートＫの微調整よりも、走査速度Ｖの微調整は容易に成し
得るので、走査速度Ｖの微調整が好ましい。

【００３３】図４は、同心リングの１層上でのレーザーパルスの均一配列を示しており、各
リングは２回の連続走査によって形成される。パルスレーザービームは、各リン
グに沿って２サイクル走査されてから、次のリングへ切替えられる。したがって
、走査は、内向きか外向きのいずれかの螺旋状に見える。

【００３４】図５は、同心リングの２つの重なった層上のレーザーパルスの均一配列を示し
ており、第２層上のリングは、第１層上のリングの上で、しかも第１層上のリン
グの間に配置されている。この配列を形成するために、図４の２つの層が走査さ
れ、一方は内向き螺旋状であり、他方は外向き螺旋状である。この編成において
、第２層の半径方向の谷と山とは、第１層の半径方向の山と谷とに一線上にそろ
えられている。したがって、この２層の切除の半径方向の平滑度は、１層の切除
の平滑度より向上する。

【００３５】更に多くの層を相互に重ねるために、パルスレーザービームは、層毎に、内向
き螺旋状と外向き螺旋状とを交互に走査され得る。異なる層上のリングのサイズ
は、半径方向に沿う全層にわたって平均をとるように、調節され得る。したがっ
て、パルス配列は、各層上では均一であり、全層にわたる半径方向平均は調節可
能である。その結果、切除された表面の粗さは、層数が増えても、有意に蓄積さ
れることはないであろう。ＵＶレーザー屈折矯正手術の場合、各層の切除深さは
、普通には数分の１ミクロンであり、表面は、多層切除後に、概して平滑のまま
であることが期待される。

【００３６】全層にわたる良好な半径方向平均を達成するための一つのスキームは、図５に
示す２層毎にグループとして処理するとともに、グループからグループへリング
のサイズを変えることである。以下は一実施例である。

【００３７】第１層上のリングの半径を、ｒ_１＝ｒ_０＋ｊδとする。ここで、ｒ_０は定数で
あり、δは２つの隣接するリング間の増分であり、ｊは整数である。そして、第
２層上のリングの半径は、ｒ_２＝ｒ_１＋δ／２で与えられる。したがって、漸進
層の半径の１セットは次のように選択され得る。

【００３８】ｒ_１＝ｒ_０＋ｊδ，ｒ_２＝ｒ_１＋δ／２；ｒ_３＝ｒ_１＋δ／４，ｒ_４＝ｒ_２＋δ／４；ｒ_５＝ｒ_１＋δ／８，ｒ_６＝ｒ_２＋δ／８；ｒ_７＝ｒ_１＋３δ／８，ｒ_８＝ｒ_２＋３δ／８；ｒ_９＝ｒ_１＋δ／１６，ｒ_１０＝ｒ_２＋δ／１６；ｒ_１１＝ｒ_１＋３δ／１６，ｒ_１２＝ｒ_２＋３δ／１６；ｒ_１３＝ｒ_１＋５δ／１６，ｒ_１４＝ｒ_２＋５δ／１６；ｒ_１５＝ｒ_１＋７δ／１６，ｒ_１６＝ｒ_２＋７δ／１６；以下同様、または上記サイクルの反復。

【００３９】この方法では、切除された表面の粗さは、どれほど多くの層が走査されようと
も有意に増大することはないであろう。

【００４０】レーザー屈折矯正手術用途において、切除された深さのプロフィールは一定の
曲線であるのがよい。この曲線は、異なる層に対して異なる走査面積と形状をも
たせることによって得られる。コンピュータ５０は、この曲線を生成するように
プログラムされ得る。

【００４１】上記の図および説明は、本発明を例証することを意図するものである。種々の
変形が、付帯する請求項で定義される本発明の範囲から逸脱することなく成され
ることが理解される。

【図面の簡単な説明】

【図１】走査レーザービームによる表面切除のための典型的なレイアウトを示
す概略図である。

【図２】同期が達成できなかったときに起こる可能性のある従来技術の走査パ
ターンを示し、(Ａ)は密に詰めた走査を示し、(Ｂ)は２回通過走査を示す。

【図３】本発明に従った２回の連続走査によるリングに沿ったレーザーパルス
の均一配列を示す。

【図４】各リングが２回連続走査によって形成され、同心リングの１層上のレ
ーザーパルスの均一配列を示す。

【図５】第２層上のリングが、第１層上のリングの上で、しかも第１層上のリ
ングの間に配置されているものであって、同心リングの２つの重なった層上のレ
ーザーパルスの均一配列を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０２Ｂ 26/10 Ａ６１Ｆ 9/00 ５１０１０４５１１５１２Ａ６１Ｂ 17/36 ３５０Ｆターム(参考） 2H045 AB33 AB53 4C026 AA02 FF23 FF33 HH05 HH15 HH24 4C082 RA05 RA08 RE23 RL05 RL15 RL24 4E068 CA02 CA03 CA04 CA11 CB02 CE03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】均一な表面切除のためにパルスレーザービームを走査する方法で
あって、所定のレーザー波長、パルスエネルギー、パルス持続時間および高い繰り返し
レートを有するパルスレーザービームを生成するレーザーソースを提供し、ターゲット面上に前記レーザービームの小スポットサイズを得て制御するため
に前記レーザービームの経路内へ光学アセンブリを挿入し、前記レーザービームを受取って前記ターゲット上へ前記レーザービームを投射
する２次元走査器を提供し、前記レーザービームをプログラム可能な態様で走査するために前記走査器と結
合動作されるコンピュータを提供し、各層上で一連の閉ループから成りかつ層から層へ山と谷をシフトする走査パタ
ーンを選択し、各閉ループに沿う前記レーザービームの走査速度を微調整して、連続レーザー
パルスが前記ターゲット上で十分に隔てられ、前記閉ループが一回以上の連続走
査によって前記レーザーパルスで均一に配列されるように、駆動信号をプログラ
ムし、層数が増えても切除面の平滑度が実質的に変化しないように、前記走査パター
ンに従って、前記レーザービームをループからループへ、次いで層から層へ滑ら
かに走査する各ステップを含むパルスレーザービームを走査する方法。
【請求項２】請求項１の方法において、前記レーザーソースを提供するステップは、０．２ｋＨｚから１０ｋＨｚの範
囲の繰り返しレートで操作されるレーザーソースを提供することを含む。
【請求項３】請求項１の方法において、前記レーザーソースを提供するステップは、紫外線、可視光線、および赤外線
のスペクトル範囲で操作されるレーザーソースを提供することを含む。
【請求項４】請求項１の方法において、前記レーザーソースを提供するステップは、深ＵＶ（２２０ｎｍ〜１８０ｎｍ
）のスペクトルで操作されるレーザーソースを特に提供することを含む。
【請求項５】請求項１の方法において、前記レーザーソースを提供するステップは、約３ミクロンの波長で操作される
レーザーソースを特に提供することを含む。
【請求項６】請求項１の方法において、前記レーザーソースを提供するステップは、２０ｕＪから２０００ｕＪの範囲
、特には１００ｕＪ付近のパルスエネルギーで操作されるレーザーソースを提供
することを含む。
【請求項７】請求項１の方法において、前記レーザーソースを提供するステップは、０．１ｎｓから１００ｎｓの範囲
、特には１ｎｓ付近のパルス持続時間で操作されるレーザーソースを提供するこ
とを含む。
【請求項８】請求項１の方法において、前記光学アセンブリを挿入するステップは、集光レンズを挿入することを含む
。
【請求項９】請求項１の方法において、前記２次元走査器を提供するステップは、一対のガルバノメータを提供するこ
とを含む。
【請求項１０】請求項１の方法において、前記光学アセンブリを挿入するステップは、前記ターゲットの表面上に５０か
ら１０００ミクロンの範囲のスポットサイズを得て制御するために、前記レーザ
ービームの経路内に光学アセンブリを挿入することを含む。
【請求項１１】請求項１の方法において、前記走査パターンを選択するステップは、各層上で一連の同心リングから成る
走査パターンを選択することを含む。
【請求項１２】請求項１の方法において、前記駆動信号をプログラムするステップは、前記走査速度を微調整して、整数
の数のパルスが、整数の数の連続走査によって各閉ループに沿い均一かつ正確に
配列されるように、前記駆動信号をプログラムすることを含む。
【請求項１３】請求項１の方法において、前記駆動信号をプログラムするステップは、前記レーザービームを、ループか
らループへ内向き螺旋状および外向き螺旋状に交互に走査するように、前記駆動
信号をプログラムすることを含む。
【請求項１４】請求項１の方法において、前記駆動信号をプログラムするステップは、前記山と谷が層から層へ僅かに変
位された状態で、前記レーザービームを層毎に走査することにより、全層の半径
方向の平均が調整可能であるように、前記駆動信号をプログラムすることを含む
。
【請求項１５】均一な表面切除のためにパルスレーザービームを走査する装置
であって、所定のレーザー波長、パルスエネルギー、パルス持続時間および高い繰り返し
レートを有するパルスレーザービームを生成するレーザーソースと、前記レーザービームの経路内へ挿入されて、ターゲット面上に前記レーザービ
ームの小スポットサイズを得て制御する光学アセンブリと、前記レーザービームを受取って前記ターゲット上へ前記レーザービームを投射
する２次元走査器と、前記走査器と結合動作されて前記レーザービームをプログラム可能な態様で走
査するコンピュータとを備え、前記コンピュータは駆動信号を生成して、各層上で一連の閉ループから成りか
つ層から層へ山と谷をシフトするパターンで前記レーザービームを走査し、各閉ループに沿う前記レーザービームの走査速度を微調整して、連続レーザー
パルスが前記ターゲット上で十分に隔てられるとともに、前記閉ループが一回以
上の連続走査によって前記レーザーパルスで均一に配列され、前記走査パターンに従ってループからループへ、次いで層から層へ滑らかに前
記レーザービームを走査して、前記全レーザーの半径方向の平均が調整可能であ
るようにした装置。