KR20070108957A

KR20070108957A - 애포다이즈드 비구면 회절 렌즈

Info

Publication number: KR20070108957A
Application number: KR1020077015199A
Authority: KR
Inventors: 마이클 심프슨
Original assignee: 알콘, 인코퍼레이티드
Priority date: 2004-12-01
Filing date: 2005-12-01
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2025-12-01
Also published as: CA2590085A1; SI1838246T1; KR101248488B1; EP1838246B1; ES2339269T3; AU2005311949B2; WO2006060480A2; RU2383312C2; MX2007007065A; US20100087921A1; AU2005311949A1; US20060116764A1; WO2006060480A3; PT1838246E; DK1838246T3; DE602005019471D1; EP1838246A2; RU2007124577A; CY1110627T1; CA2590085C

Abstract

본원 발명은 안과용 비구면 회절 렌즈(10)를 개시한다. 예를 들어, 본원발명은 전방 표면(14) 및 후방 표면(16)을 가지는 옵틱(12)을 포함하며, 상기 표면들 중 적어도 하나는 원초점 및 근초점을 생성하기 위해서 복수의 회절 구역(22a)이 베이스 프로파일 상의 소정 부분에 배치된 비구면 베이스 프로파일(30)을 포함하는 다초점 인공수정체(multifocal intraocular lens, IOLs)를 개시한다. 상기 비구면 베이스 프로파일은 각각의 베이스 프로파일이 구면인 실질적으로 동일한 IOL에 의해 획득되는 이미지 콘트라스트와 대비하여 렌즈의 원초점에서의 이미지 콘트라스트를 향상시킨다.

인공수정체, 베이스 프로파일, 콘트라스트

Description

애포다이즈드 비구면 회절 렌즈{APODIZED ASPHERIC DIFFRACTIVE LENSES}

본원은 2004년 12월 1일 미국 특허법 35 U.S.C. §120에 근거하여 동시-출원(co-pending)된 미국 특허출원 제 11/000,770호에 대한 우선권 주장 출원으로써, 상기 미국 출원의 모든 내용이 본원의 참고로서 여기에 포함된다.

발명의 기술분야

본원 발명은 일반적으로 다초점 회절 안과용 렌즈와 관련되어 있으며, 보다 구체적으로 향상된 이미지 콘트라스트(contrast)를 제공할 수 있는 애포다이즈드 회절 인공수정체(apodized diffractive intraocular lenses)와 관련되어 있다.

주기회절구조(Periodic diffractive structure)는 빛을 동시에 여러 방향으로 회절시킬 수 있으며, 이는 일반적으로 회절차수(diffraction orders)로 알려져 있다. 다초점 인공수정체에서, 제 2차 회절차수는 환자에게 2개의 옵티컬 파워(optical power)를 제공하며, 하나는 원시(distance vision)를 위한 것이고 나머지 다른 하나는 근시(near vision)를 위한 것이다. 이러한 회절인공수정체는 일반적으로 원초점과 근초점 간의 분리를 제공하는 "보조(add)" 파워를 가지도록 디자인되며, 이러한 면에서, 회절인공수정체는 렌즈를 이식받은 환자에게 물체거리(object distance) 영역을 넘어서는 시력을 제공한다. 예를 들어, 회절 IOL은 환자의 원 수정체를 대체하여 필수 옵티컬 파워(optical power)뿐만 아니라 일정 수준의 위조절(pesudoaccommodation)을 제공할 수 있다. 또 다른 응용으로서, 회절 IOL 또는 그외의 다른 안과용 렌즈는 노안-천연 수정체의 적응 상실-으로 고통받고 있는 환자의 눈에 위조절 능력을 제공할 수 있다.

그러나, 일반적으로 사용되는 다초점 회절 렌즈는 통합된 렌즈와 환자의 눈에 향상된 이미지 콘트라스트를 제공하기 위해 원안의 수차(abberations)를 조절 또는 조정가능하도록 디자인되고 있지는 않다. 더 나아가, 개선된 이미지 콘트라스트를 제공하기 위한 애포다이즈드 회절 렌즈는 이들의 렌즈 전역에 걸쳐 다른 방사 위치(radial locations)에서 다양한 회절 현상을 나타내기 때문에 디자인하는 것이 어렵다.

발명의 간단한 요약

본원 발명은 일반적으로 렌즈, 특히 렌즈의 원초점에서의 이미지 콘트라스트를 향상시키는 비구면 프로파일(aspherical surface profiles)이 채택된, 예를 들어 인공수정체 및 콘택트 렌즈와 같은 다초점 안과용 렌즈를 제공한다. 다수의 구체예에서, 본원발명은 이미지 콘트라스트 향상용 비구면 표면을 적어도 하나 갖는 위조절형 렌즈(pseudoaccommodative lenses)를 제공한다.

일 측면에서, 본원발명은 회절렌즈, 예를 들어 위조절형 인공수정체(pseudoaccommodative intraocular lens, IOL)를 제공하며, 상기 렌즈는 비구면 베이스 커브(base curve)를 가진 옵틱(optic), 및 원초점(far focus) 및 근초점(near focus)을 생성하기 위해 상기 베이스 커브의 일부분 상에 구비되는 복수의 환상 회절 구역(annular diffractive zones)을 포함한다. 상기 비구면 베이스 커 브는 베이스 커브 각각이 구면인 실질적으로 동일한 IOL에 의해 획득되는 이미지 콘트라스트와 대비하여 옵틱의 원초점에서의 이미지 콘트라스트를 향상시킨다.

비구면 베이스 커브에 의해 제공되는 이미지 개선은 통합된 IOL 및 상기 IOL이 이식된 환자의 눈에 의해 나타나는 변조전달함수(변조전달함수, MTF)에 의해 특징이 부여된다. 예를 들어, 모델눈(model eye)에서 약 550nm의 파장, 약 4mm 내지 약 5mm의 동공 크기, 및 밀리미터(millimeter)당 약 50 라인쌍(line pairs)의 공간 주파수(spatial frequency)(50 lp/mm)로 계산했을 때, 원초점에서의 MTF는 대략 0.2 이상이거나(예컨대, 약 0.2 내지 약 0.5의 범위 이내임), 약 100 lp/mm 의 공간 주파수에서는 대략 0.1 이상일 수 있다(예컨대, 약 0.1 내지 약 0.4의 범위이내임). 보다 바람직하게는, 상기 MTF는 0.3 이상이거나, 0.4일 수 있다. 예를 들어, 상기 MTF는 약 0.2 내지 약 0.5 범위 이내일 수 있다. 예를 들어, 약 50 lp/mm의 공간 주파수, 약 550nm의 파장, 및 약 4.5mm의 동공 크기에서 계산된 상기 MTF는 약 0.2 이상일 수 있다.

또 다른 측면에서, 상기 비구면 프로파일은 이미지 콘트라스트의 향상 및 유용한 필드심도(depth of field)의 제공 사이에서 조화를 이루도록 선택된다. 상기 렌즈는 모든 수차의 교정보다, 통합된 IOL 및 상기 IOL이 이식된 환자의 눈이 유용한 필드심도(특히, 원초점에서)를 나타내기 위해 배열될 수 있다. 본원에서 호환적으로 사용되는, 상기 용어 "필드심도(depth of field)" 및 "초점심도(depth of focus)"는 종래 기술분야의 통상의 기술자에게 렌즈와 관련하여 잘 알려져 있으며 용이하게 이해되어 있다. 정량적인 측정이 요구되는 한, 본원에서 사용된 상기 용 어 "필드심도" 또는 "초점심도"는 광학 시스템(optical system)과 연관된 오초점(defocus)의 정도에 의해 결정될 수 있으며, 상기 광학시스템은 예를 들어, 약 4mm 내지 약 5mm의 동공 크기(예컨대, 약 4.5 mm의 동공크기) 및 예를 들어, 약 550nm의 파장을 가진 빛과 같은 녹색 단색광(monochromatic green light)으로 계산 또는 측정된 상기 시스템의 전-초점 변조전달함수(through-focus modulation transfer function)가 약 50 lp/mm의 공간 주파수에서 적어도 약 0.3의 콘트라스트 또는 약 100 lp/mm의 공간 주파수에서 약 0.2의 콘트라스트를 나타낸다. 원초점에서 필드심도는 원초점 및 근초점 사이의 분리거리보다 더 적은 오초점 거리와 관련되어 있으며 즉, 환자가 원거리 물체를 볼 때의 필드심도와 관련이 있음을 이해하여야 한다.

관련 측면에서, 본원에서 애포다이제이션 구역(apodization zone)으로 설명되는, 상기 회절구역은 렌즈 표면의 일부분 내에 배치될 수 있으며, 실질적으로 회절 구조가 없는 표면의 주변부분(peripheral portion)에 의해 에워 쌓여 있다. 상기 회절 구역은 구역 경계에 위치한 실질적으로 균일한 높이를 갖는 복수의 스텝들(steps)에 의해 서로 분리될 수 있다. 다른 대안으로, 상기 스텝 높이는 비균일(non-uniform)할 수 있다. 예를 들어, 상기 스텝 높이는 렌즈의 광축(optical axis)으로부터 거리 함수가 증가함에 따라 점차 감소할 수 있다.

일부 구체예에서, 상기 렌즈는 비구면 프로파일을 갖는 전방 표면(anterior surface) 및 구형인 후방 표면(posterior surface)을 포함한다. 다른 대안으로, 상기 후방 표면은 비구면일 수 있으며 상기 전방표면은 구면일 수 있다. 다른 구 체예에서, 상기 전방 표면 및 후방 표면은 둘 모두가 비구면일 수 있으며, 즉, 바람직한 총 비구면도(degree of asphericity)는 전방 표면과 후방 표면 사이에 분할될 수 있다.

관련 측면에서, 상기 IOL의 하나 이상의 표면의 비구면도(asphericity)는 하기 관계식(relation)에 따르는 것을 특징으로 한다:

여기서

z는 표면에 평행한, 축(Z)(예컨대, 광축)에 평행한 표면의 새그(sag)로 정의되며,

c는 표면의 최고점에서의 곡률로 정의되며,

cc는 비구면계수(conic coefficient)로 정의되며,

R은 표면상의 방사 거리(radial position)로 정의되며

ad는 4차 변형상수(fourth order deformation coefficient)로 정의되며

ae는 6차 변형 상수로 정의된다.

여기서 거리는 밀리미터 단위로 주어진다. 예를 들어, 곡률상수는 밀리미터의 역수 단위로 주어지는 반면, ad는

단위로, ae는

로 주어진다.

상기 관계식에서 파라미터들은 예를 들어, 렌즈의 바람직한 옵티컬 파워, 렌즈의 제조 물질, 및 프로파일의 비구면도로부터 예상되는 이미지 향상도에 근거하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 렌즈 옵틱(lens optic)이 평균 파워(예컨대, 21 디옵터(Diopters)의 파워)의 아크릴성 고분자 재료(acrylic polymeric material)의 양면볼록렌즈로 제조되는 일부 구체예에서, 전방 표면의 비구면계수(cc)는 약 0(zero) 내지 약 -50(마이너스 50)의 범위 이내 또는 약 -10 (마이너스 10) 내지 약 -30(마이너스 30)의 범위 이내 또는 약 -15(마이너스 15) 내지 약 -25(마이너스 25)의 범위 이내일 수 있으며, 변형상수 (ad) 및 변형상수 (ae)는 각각 약 0 내지 약 -1x1O^-3 (마이너스 0.001) 범위 및 약 0 내지 약 -1x1O^-4 (마이너스 0.0001)의 범위 이내 일 수 있다.

또 다른 측면에서, 본원 발명은 위조절형 애포다이즈드 회절 IOL을 제공하며, 상기 IOL은 전방 표면 및 후방 표면을 갖는 옵틱을 포함하며, 여기서 상기 표면들 중 적어도 하나는 비구면 베이스 프로파일 및 상기 베이스 프로파일의 일부분상에 구비되는 복수의 회절 구역을 포함하며, 상기 각각의 구역은 상기 옵틱의 광축으로부터 소정의 반경(radius)에 배열되며, 스텝에 의해 인접 구역과 분리된다. 이러한 렌즈 표면은 추가로 회절 구역으로 에워싸인 주변 지역(peripheral region)을 포함한다. 상기 회절 구역은 원초점 및 근초점을 생성하며, 비구면 프로파일은 구면 프로파일을 갖는 실질적으로 동일한 렌즈에 의해 획득되는 이미지 콘트라스트에 비해 원초점에서 향상된 이미지 콘트라스트를 제공한다.

다른 측면에서, 본원 발명은 생적합성 고분자 물질(biocompatible polymeric material)로 제조된 옵틱을 포함하며 전방 표면 및 후방 표면을 갖는 위조절형 회절 IOL(pseudoaccommodative, diffractive IOL)을 제공하며, 여기서 상기 옵틱은 근초점 및 원초점을 제공한다. 상기 전방 표면 또는 후방 표면 중 적어도 하나는 베이스 커브 및 광축 주위에 환상 동심 회절 엘리먼트들(annular concentric diffractive elements)로써 배열된 복수의 회절 구역을 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 각각은 베이스 커브와 비교하여 광축으로부터 상기 회절 엘리먼트의 거리가 증가함에 따라 점차적으로 감소하는 높이를 갖는다. 베이스 커브가 구면인 실질적으로 동일한 IOL과 비교하여, 상기 베이스 커브는 직경 약 4 내지 약 5 밀리미터 범위인 동공의 원초점에서 이미지 콘트라스트가 향상되는 비구면 프로파일을 보여줄 수 있다.

다른 측면에서, 본원 발명은 전방 표면 및 후방 표면을 갖는 옵틱을 포함하는 애포다이즈드 회절 안과용 렌즈를 제공하며, 상기 표면들 중 적어도 하나는 비구면 베이스 프로파일 및 근초점 및 원초점 생성하는 상기 베이스 프로파일 상에 배열된 복수의 환상 회절 구역을 갖는다. 비구면 프로파일은 각각의 베이스 프로파일이 구면인 실질적으로 동일한 렌즈에 의해 획득된 이미지 콘트라스트에 비해 원초점에서의 이미지 콘트라스트가 향상된다. 상기 안과용 렌즈는, 특별한 제한없이, 인공수정체(intraocular lens) 또는 콘택트 렌즈(contact lens)일 수 있다.

또 다른 측면에서, 본원 발명은 애포다이즈드 회절 렌즈, 바람직하게는 적어도 하나의 비구면을 갖는 애포다이즈드 회절 렌즈의 광학 특성을 계산하기 위한 방 법을 제공한다. 애포다이즈드 회절 렌즈는 회절 및 애포디제이션(apodization) 두 가지 측면을 모두 통합시킨다. 따라서, 렌즈 디자인에 있어서 상기 두 가지 측면이 모두 포함될 필요가 있다. 바람직하게는, 애포다이즈드 회절 렌즈는 렌즈 전역에 걸쳐 다른 방사 위치에서 회절 효과의 편차를 나타내며, 이는 이미지 콘트라스트에 영향을 줄 수 있다. 눈의 각막 형태로 인해서 야기되는 예컨대, 구면수차와 같은 일반적인 수차는 일반적으로 광투과(light transmission)가 렌즈 표면 전역에 걸쳐 일정하다는 가정하에 계산된다. 예를 들어, 표준 광선추적(raytrace) 프로그램에서 광학 시스템을 통과하여 추적되는 모든 광선은 동일한 양(weight)으로 주어진다. 그러나, 이러한 일반적인 접근은 렌즈의 다른 지역에서 광 투과율이 달라질 수 있는 애포다이즈드 회절 렌즈에는 적합하지 않다. 이보다는, 물리광학의 원리가 애포다이즈드 렌즈의 광학 계산을 수행하는데 적용될 필요가 있다. 예를 들어, 하기에 더 상세히 논의된 바와 같이, 본 발명에 따른 방법에서 애포다이제이션은 렌즈의 다른 지역을 투과하는 광의 투과율 감소로 모델화될 수 있다.

관련 측면에서, 본원 발명은 빛을 선택된 회절 차수의 렌즈에 유도하기 위하여 광축으로부터 복수의 방사 위치(radial locations)에서의 회절 효율을 나타내는 애포다이제이션 함수를 측정함으로써 렌즈의 광축으로부터 소정의 방사 거리에 배열된 복수의 환상 회절 구조를 갖는 애포다이즈드 회절 렌즈의 변조전달함수(MTF)를 계산하는 방법을 제공한다. 상기 애포다이제이션 함수는 상기 회절 차수로 회절된 빛 에너지 부분을 계산하기 위해 소정의 조리개에 통합될 수 있다. 예비 MTF(예들 들어, 상기 IOL이 회절 구조가 없는 것으로 가정하여 계산된 MTF)는 상기 통합된 애포다이제이션 함수에 따라 요망되는 MTF가 생성되도록 조정(scale)될 수 있다.

본원 발명의 교시에 따른 위조절형, 회절 IOL은 다양하게 응용될 수 있다. 예를 들어, 상기 IOL은 위안내(pseudphakic) 및 안내(phakic) 환자 둘 모두의 경우 이용될 수 있다. 예를 들어, 낮은 베이스 파워(또는 제로 베이스 파워)를 갖는 이러한 IOL은 안내 환자에 있어서 전방 수정체(anterior chamber lens)로 이용될 수 있다.

하기에 간략하게 기술된 관련 도면들과 하기의 상세한 설명을 조합하여 참조함으로써 본원 발명을 더 잘 이해할 수 있다.

본원 발명에 대한 보다 완전한 이해와 이로 인한 이점은 하기 상세한 설명과 도면 부호들과 함께 특징들과 같이 표시된 도면들을 함께 고려함으로써 획득될 것이며, 본원에서:

도 1A는 본원 발명의 일 구체예에 따른 비구면 전방 표면을 갖는 애포다이즈드 회절 렌즈를 도시한 정면도이며;

도 1B는 상기 정면 표면의 비구면 베이스 프로파일 상에 겹쳐 놓여진(superimposed) 복수의 회절 구조를 도시하고 있는 도 1A의 회절 렌즈의 옵틱의 도식적인 사시도이며;

도 1C는 추정 구면 프로파일(putative spherical propile)에 관하여 도 1A 및 도 1B의 렌즈 전방 표면의 비구면 베이스 프로파일을 도식적으로 도시하고 있으 며;

도 2는 복수의 회절 구조 높이가 렌즈의 광축으로부터 거리 함수가 증가함에 따라 감소하는 본원 발명의 또 다른 구체예에 따른 애포다이즈드 회절 렌즈에 대한 사시도이며;

도 2B는 추정되는 구면 프로파일과 비교하여 도 2의 렌즈 표면의 비구면 프로파일을 도식적으로 도시하고 있으며;

도 3A는 본원 발명의 일 구체예에 따른 비구면 애포다이즈드 회절 렌즈에 관한 모델눈에서 계산된 정초점(in-focus) 변조전달함수를 도시한 그래프이고;

도 3B는 도 3A의 렌즈와 실질적으로 동일하나 구면 프로파일을 갖는 애포다이즈드 회절 렌즈에 관한 모델눈에서 계산된 정초점 변조전달함수를 나타내는 그래프이며;

도 4A는 구면 프로파일을 갖는 실질적으로 동일한 렌즈의 부합되는 MTF를 나타내는 대조 그래프와 더불어, 소정 범위의 비구면도(asphericity)를 나타내는 각막과 통합된 일부 예시적인 비구면 애포다이즈드 회절 렌즈들 각각에 있어서, 50 lp/mm 및 동공 크기 4.5 mm 인 모델눈에서 계산된 변조전달함수를 나타내는 다수의 그래프를 보여주며;

도 4B는 구면 프로파일을 갖는 실질적으로 동일한 렌즈의 부합되는 MTF를 나타내는 대조 그래프와 더불어, 소정 범위의 비구면도(asphericity)를 나타내는 각막과 통합된 일부 예시적인 비구면 애포다이즈드 회절 렌즈들 각각에 있어서, 100 lp/mm 및 4.5 mm의 동공 크기인 모델눈에서 계산된 변조전달함수를 도시한 다수의 그래프를 보여주며;

도 5는 광축으로부터의 거리 함수가 증가함에 따라 점차적으로 높이가 감소하는 본원 발명의 일 구체예에 따른 IOL의 회절 구조를 도식적으로 도시하며(베이스 커브는 미도시);

도 6A는 도 5에 도식적으로 도시된 렌즈의 제 0차 및 제 1차 회절 차수의 경우에 계산된 부분 회절 효율(fractional diffraction efficiency)에 대응되는 그래프를 도시하며;

도 6B는 도 6A에 제시된 회절 효율 데이타를 통합함으로써 얻어진 도 5의 제 0차 및 제 1차 초점들로 유도된 빛 에너지에 대응되는 그래프를 도시하며;

도 7A는 본원 발명의 일 구체예에 따른 IOL의 원환면(toric surface)의 일 표면 방향에 따라 확장된 비구면 프로파일을 도식적으로 도시하며;

도 7B는 도 7A에 도시된 프로파일과 관련하여 원환면의 또 다른 표면 방향을 따라 확장된 비구면 프로파일을 도식적으로 도시한 것이다.

본원 발명은 렌즈내의 각각의 표면이 구면인 실질적으로 동일한 렌즈에 의해 제공되는 이미지 콘트라스트에 비해 상기 이미지 콘트라스트가 개선되도록 선택된 비구면도를 가지는 하나 이상의 비구면 렌즈 표면을 포함하는 다초점 안과용 렌즈를 제공한다. 하기 구체예에서, 본원 발명의 교시는 주로 인공수정체와 연관되어 도시된다. 그러나, 이러한 교시가 콘택트 렌즈와 같은 다양한 그외의 다른 안과용 렌즈에도 동일하게 적용될 수 있음을 이해하여야만 한다.

도 1A 및 1B는 전방 표면(14) 및 후방 표면(16)을 포함하는 옵틱(12)을 가지는 본원 발명의 일 구체예에 따른 다초점 회절 인공수정체(10)를 도식적으로 도시하고 있다. 상기 구체예에 있어서, 비록 비대칭 표면이 채택될 수도 있지만, 상기 전방 표면 및 후방 표면은 렌즈의 광축(18)에 대하여 대칭이다. 상기 렌즈는 환자의 안구내에서의 이의 배치를 위한 방사상으로 뻗은 고정 부재(fixation members) 또는 지지부(haptics)(20)를 추가로 포함한다. 상기 옵틱(12)은 예를 들어, 연질 아크릴, 실리콘 또는 하이드로겔 소재와 같은 생체적합성 고분자 물질로 제조될 수 있다. 사실상, 렌즈의 바람직한 응용을 위한 필수적인 굴절 지수를 나타내는 임의의 생체적합성-바람직하게는 연질인-물질이 모두 이용될 수 있다. 더 나아가, 상기 고정부재(20)는 또한 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 폴리프로필렌 등과 같은 적절한 고분자 물질로 제조될 수 있다. 비록 상기 표면들(14 및 16)이 일반적인 볼록형(convex)으로 도시되어 있을지라도, 두 표면 중 어느 하나는 오목형(concave shape)일 수 있다. 또 다른 대안으로, 상기 표면들(14 및 16)은 평볼록(plano-convex) 또는 평오목(plano-concave) 렌즈를 제공하도록 선택될 수 있다. "인공수정제(intraocular lens)" 및 이의 수차 IOL 이라는 용어는 본원에서 천연 수정체를 대체하거나 이와는 달리 상기 천연 수정체의 제거 여부에 관계없이 시력을 증대시키기 위해 눈의 내부에 이식되는 렌즈들을 기술하기 위해 호환적으로 사용된다.

도시된 IOL의 전방 표면은 여러 방향으로 동시에 빛을 회절시키는 거의 동일한 주기 미세 구조들(periodic microscopic structures)(22b)을 제공하는 복수의 환상 회절 구역(22a)을 포함한다(상기 회절 구조의 크기는 명확성을 기하기 위해 다소 과장되어 있다). 비록 일반적으로는, 상기 회절 구조가 빛을 둘 이상의 방향으로 전환시킬 수 있도록 디자인될 수 있을 지라도, 본원의 예시적인 구체예에서, 상기 회절 구역은 도 1B에 도시된 바와 같이, 주로 두 방향, 즉 근초점(24)에 집광되는 한 방향 및 원초점(26)에 집광되는 다른 한 방향으로 서로 공조하여 빛을 유도한다. 본원에서 제한된 수의 회절 구역이 도시되어 있을 지라도, 상기 구역의 개수는 일반적으로 특별한 응용을 위해 적합하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 회절 구역의 개수는 약 5 내지 약 30의 범위 이내일 수 있다. 다수의 구체예에서, 상기 원초점과 관련된 옵티컬 파워는 약 4 디옵터(Diopters)의 보조 옵티컬 파워(add opitcal power)를 제공하는 근초점과 함께 약 18 내지 26 디옵터 범위내일 수 있다. 비록 상기 도시된 구체예에서, IOL(10)이 포지티브 옵티컬 파워를 가지더라도, 일부 다른 구체예에서, 상기 IOL은 상기 원초점으로부터 상기 근초점을 분리시키는 포지티브 보조 옵티컬 파워와 함께 네거티브 옵티컬 파워를 가질 수 있다. 상기 회절 구역들은 본원에서 애포다이제이션 구역으로 지칭되는, 표면의 일부분에 한정되며, 회절 구조들이 없는 전방 표면의 주변 부분(peripheral portion)에 의해 에워싸여 있다. 달리 말해서, 상기 IOL(10)은 "애포다이즈드 회절 렌즈"이다. 즉, 상기 IOL(10)은 하기에 보다 상세히 논의되어 있는 바와 같이, 전방 렌즈 표면(14) 전역에 걸쳐 비-규일한 회절 효율을 나타낸다. 애포다이제이션은 이러한 회절 구조들이 없는 주변 표면 부분에 의해 에워싸인 렌즈 표면(본원에서 애포다이제이션 구역으로 언급됨)의 소정 지역내에 회절 구조들을 제공함으로써 획득될 수 있다. 따라서, 애포다이제이션은 상기 애포다이제이션 구역 및 주변/외부 렌즈 지역으로 언급된 렌즈 지역 둘 모두를 포함한다.

도 1C에 도식적으로 제시된 바와 같이, 상기 전방 표면(14)은, 광축으로부터 방사 거리(radial distance)(r)의 함수에 따른 표면의 프로파일을 나타내는, 베이스 커브(30)를 가짐을 특징으로 할 수 있으며, 상기 전방 표면은 상기 회절 구역(22)의 소정 부분과 겹쳐진다. 각 회절 구역은 하기 관계식에 따라 렌즈의 설계 파장(design wavelength)와 관련된 높이를 가진 스텝(step)에 의해 인접 구역들과 분리된다:

여기서 λ는 설계 파장(예를 들어, 550nm),

n₂는 옵틱의 굴절 지수(refractive index)이고,

n1은 렌즈들을 에워싼 주변 매체(surrounding medium)의 굴절 지수이다.

상기 주변 매체가 1.336의 굴절 지수를 갖는 수성액(acqueous humor)인 일 구체예에서, 옵틱의 굴절지수(n₂)는 1.55로 선택된다. 상기 방정식에 의해 제공되는 균일한 스텝 높이는 일 예에 해당한다. 그외 다른 균일한 스텝 높이가 또한 채택될 수 있다(이는 가까운 이미지와 먼 이미지 사이의 에너지 균형을 변화시킬 수 있다).

이러한 구체예에서, IOL(10)의 다른 회절 구역들 사이의 스텝들의 높이는 실질적으로 균일하기 때문에, 이로 인하여 렌즈의 애디포다이제이션 구역으로부터 바깥쪽 부분까지 급작스런 전이(abrupt transition)가 일어나게 된다. 다른 구체예에서, 하기에 보다 상세히 논의된 바와 같이, 상기 스텝들의 높이는 비균일할 수 있으며, 예를 들어, 광축으로부터 이들의 거리가 증가함에 따라 이들의 높이는 점차적으로 감소한다.

상기 광축에 대한 각각의 환상 구역 경계(예를 들어, 제 i차 구역의 반지름 r_i)은 본원발명이 속하는 안과용 렌즈 기술분야의 통상의 기술자에게 알려진 다양한 방식으로 선택될 수 있다.

도 1C를 참조하여, 전방 표면의 베이스 프로파일(30)은 단(短) 방사 거리(즉, 광축에 근접한 위치)에서의 비구면 프로파일과 실질적으로 일치하는 추정 구면 프로파일(32)로부터 소정의 편차를 가지는 비구면이다. 이러한 예시적인 구체예에서, 후방 표면은 구면 프로파일을 갖는다. 다른 구체예에서, 상기 전방 표면은 구면인 한편, 상기 후방 표면은 비구면일 수 있다. 대안으로, 상기 전방 표면 및 후방 표면 둘 모두는 요망되는 총 비구면도를 가지는 렌즈를 제공하기 위해 비구면일 수 있다. 이러한 구체예에서, 상기 전방 표면(3)의 프로파일은 일반적으로 광축으로부터 거리가 증가함에 따라 더 두드러지는 구면 프로파일로부터 편차를 갖는 추정 구면 프로파일 보다 더 평평해진다. 하기에 보다 더 상세히 논의된 바와 같이, 렌즈의 주변 지역 내에서 더 두드러지는 비구면도는 원초점에서의 이미지 콘트라스트 향상에 있어서 특히 유익할 수 있으며, 이는 상기 지역이 빛을 원초점에 유도하는데 특히 효율적이기 때문이다. 다른 구체예에서, 비구면 전방 표면은 추정 구면 프로파일 보다 경사가 더 급할 수 있다.

용어 '비구면 베이스 커브" 및 "비구면 프로파일"은 본원에서 상호 호환적으로 사용되며, 이들 용어들은 통상의 기술자에게 잘 알려져 있다. 임의의 추가 설명이 요청된다고 한다면, 상기 용어들은 본원에서 구면 표면으로부터 편차를 나타내는 표면의 방사 프로파일을 의미하는 것으로서 사용되고 있다. 이러한 편차들은 예를 들어, 상기 프로파일의 최고점(apex)로부터 단(短) 방사 거리에서의 비구면 프로파일과 실질적으로 일치하는 추정 구면 프로파일 및 비구면 프로파일 사이의 완만하게 변하는 차이로서 특징이 부여될 수 있다. 추가로, 본원에서 사용된, 용어 "실질적으로 동일한 IOL" 또는 "실질적으로 동일한 렌즈"는 이것과 비교되는 본원 발명에 따른 비구면 IOL의 제조 물질과 동일한 물질로 만들어진 IOL을 의미한다. 상기 "실질적으로 동일한 IOL"의 각각의 표면은 비구면 IOL의 대응 표면의 중심 반경과 동일한 중심 반경을 가진다(즉, 상기 표면과 광축의 교점에 부합되는 표면의 최고점에서의 반경). 게다가, 상기 "실질적으로 동일한 IOL"은 이와 비교되는 상기 비구면 IOL과 동일한 중심 두께(central thickness)를 갖는다. 그러나, "실질적으로 동일한 IOL"은 구면 표면 프로파일을 가지며, 즉 상기 IOL은 비구면 IOL에 의해 나타나는 비구면도가 결여되어 있다.

다수의 구체예에서, 상기 표면의 비구면도는 전방 표면이 상기 비구면 프로파일(30) 보다 상기 추정 구면 프로파일(32)을 갖는 실질적으로 동일한 IOL에 의해 제공되는 이미지 콘트라스트와 대비하여 상기 IOL이 이식된 환자에게서 이미지 콘트라스트가 향상되도록 선택되며, 일부 경우에는 이를 최소화하도록 선택된다. 예를 들면, 상기 비구면 프로파일은 환자에게 만곡율(예를 들어, 약 4.5mm의 동공 크기) 및 밀리미터 당 100 라인쌍의 공간 주파수(20/20 시력에 일치함)에서 약 550nm의 파장을 갖는 단색광으로 계산 또는 측정된 원초점에서 적어도 약 0.2의 변조전달함수(MTF)에 의해 특징화되는 이미지 콘트라스트를 제공하도록 디자인될 수 있다. 상기 MTF는, 예를 들면, 약 0.2 내지 약 0.5의 범위이내에 존재할 수 있다. 환자의 눈에서 직접적으로 MTF를 측정하는 것은 복잡할 수 있으므로, 다수의 구체예에서 본원 발명의 교시에 따른 비구면 애포다이즈드 회절 IOL에 의해 제공되는 상기 이미지 향상은 환자 개개인의 눈 또는 선택된 환자군의 눈들에 대응되는 선별된 각막 및/또는 천연 수정체 수차를 나타내는 모델눈에서 이론적으로 MTF를 계산함으로써 평가될 수 있다. 환자의 각막 및/또는 천연 수정체를 모델화하는데 필요한 정보는 공지의 국소해부 방법을 이용하여 안구의 파형 수차 측정을 수행함으로써 획득될 수 있다.

본원 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 이미 인지되어 있는 바와 같이, 렌즈와 관련된 측정 또는 계산된 변조전달함수(MTF)는 이러한 렌즈에 의해 제공되는 이미지 콘트라스트의 정량적인 측정을 제공할 수 있다. 일반적으로, 광신호와 관련된 콘트라스트 또는 변조, 예컨대, 이미지화 되어지는 물체로부터 발산되거나 이에 의해 반사되거나 그러한 물체의 이미지와 관련된 광 강도 분배의 2차원 패턴은 하기 관계식에 따라 정의될 수 있다:

상기 식에서 Ⅰ _max 및 Ⅰ _min 은 각각 상기 신호와 관련된 최대 또는 최소 강도로 정의된다. 이러한 콘트라스트는 상기 광신호내에 존재하는 각각의 공간주파수를 대상으로 계산되거나 측정될 수 있다. 그래서 복합 IOL 및 각막과 같은 미지화 광시스템의 MTF는 물체와 관련된 콘트라스트와 대비하여 상기 광 시스템(optical system)에 의해 형성되는 물체의 이미지와 관련된 콘트라스트의 비율로서 정의될 수 있다. 공지된 바와 같이, 광 시스템과 관련된 MTF는 상기 시스템에 비추어지는 빛의 분배 강도인 공간 주파수에 의존하며, 아울러 상기 비추어지는 빛의 파장에 의해서뿐만 아니라, 예컨대, 조명 조리개의 크기와 같은 다른 인자에 의해서도 또한 영향을 받을 수 있다.

일부 구체예에 있어서, 적절한 범위 이내에서 필드심도(depth of field)를 유지하면서, 전방표면(14)의 비구면도는 IOL이 이식된 환자에서 약 0.2를 초과하는 변조전달함수(MTF)에 의해 특징이 부여되는 이미지 콘트라스트를 제공하기 위해서 선택되어 진다. 상기 MTF 및 심도 둘 모두는 모델눈에서 계산될 수 있다.

일부 구체예에 있어서, 상기 IOL(10)의 전방 표면(14)의 비구면 프로파일은 광축(18)으로부터 방사 거리(R)의 함수로써, 또는 다른 구체예에 있어서는 후방 표면 또는 둘 모두에 대한 함수로써, 하기 관계식을 따르는 것을 특징으로 할 수 있다:

상기 식에서

z는 표면에 대하여 수직인 축(z), 예컨대, 광축에 평행한 표면의 새그로 정의되며,

c는 표면의 최고점에서의 곡률로 정의되고,

cc는 비구면 상수로 정의되며,

R은 표면상의 일 방사 위치로 정의되고,

ad는 제 4차 변형 계수로 정의되며

ae는 제 6차 변형 계수로 정의된다.

비록 일부 구체예에서, 상기 비구면 상수(cc)가 단독으로 구면도로부터 요망되는 편차를 획득하기 위해 조정될지라도, 그 밖의 다른 구체예에서는, 상기 비구면 상수(cc) 이외에, 상기 표면의 외각 부분의 프로파일에 보다 중대한 영향을 미치는 더 높은 차수의 상수 ad 및 ae 중 하나 또는 둘 모두(및 바람직하게는 ae)가 IOL의 한 표면 또는 두 표면을 위해 선택된 비구면 프로파일을 제공하기 위해 조정된다. 더 높은 차수의 비구면 상수(ad 및 ae)는 렌즈 표면의 주변 영역, 즉 광축으로부터 멀리 떨어져 있는 영역을 재단(tailoring)하는데 특히 유용할 수 있다.

상기 방정식에서 요망되는 구면 프로파일을 생성하기 위한 비구면 상수의 선택은 예를 들면, IOL이 이식된 눈의 수차, IOL의 제조 물질, 및 IOL에 의해 제공되는 옵티컬 파워에 의존할 수 있다. 일반적으로, 이러한 상수들은 통합된 IOL 및 각막, 또는 통합된 IOL, 각막 및 천연 수정체가 MTF, 예를 들어 약 100 lp/mm의 공간 주파수, 약 550 nm의 파장, 및 약 4.5 mm의 동공크기인 모델눈에서 계산된 수치가 약 0.2를 초과하는 MTF에 의해 특징이 부여되는 이미지 콘트라스트를 제공하도록 선택되는 그러한 상수들이다. 예를 들어, 일부 구체예에서, 0(극심한 구면 수차와 연관됨) 내지 약 -0.5(높은 수준의 비구면 플랫트닝과 연관됨)의 범위 이내의 비구면 상수에 의해 특징이 부여되는 각막 비구면도를 나타내는 안구내에 이식을 위해 아크릴성 고분자 물질(예를 들어, 아크릴레이트 및 메타아크릴레이트 공중합체)로 제조된 IOL에서, 상기 파라미터들에 대한 관계식에서 상기 IOL에 대한 비구면 상수(cc)는 약 0 내지 약 -50(마이너스 50)의 범위, 또는 약 -10(마이너스 10) 내지 약 -30(마이너스 30)의 범위, 또는 약 -15(마이너스 15) 내지 약 -25(마이너스 25)의 범위 이내일 수 있으며, 한편 변형 계수 ad 및 ae 는 각각 약 0 내지 약 ±lxlO^-3 의 범위내 및 약 0 내지 약 ±lx10^-4 범위이내 일 수 있다. 일부 구체예에서는 상기 비구면 상수만 단독으로 0 이 아니며, 한편 다른 구체예에서는 상기 비구면 상수는 0으로 설정되면서 상기 변형 계수 ad 및 ae 는 0이 아니다. 보다 일반적으로, 세 가지 비구면 계수 cc, ad, 및 ae 와 아마도 더 높은 차수의 상수들이 요망되는 프로파일을 특정하기 위해 0 이외의 값으로 설정된다. 추가로, 곡률 계수(c)는 종래 기술분야에 알려진 바와 같이 렌즈의 옵티컬 파워, 렌즈의 제조 물질 및 렌즈의 다른 표면의 곡률에 근거하여 선택될 수 있다.

도 2A 및 2B와 관련하여, 본원 발명의 또 다른 구체예에 따라, 회절 인공수정체(34)는 렌즈를 통해 투과되는 빛에 대한 원초점 및 근초점을 제공하기 위해, 표면의 베이스 프로파일(44)에 겹쳐지는 환상 회절 구역의 형태로 복수의 회절 구조(42)와 함께 후방 표면(38) 및 전방 표면(40)을 갖는 옵틱(36)을 포함하며, 여기서 상기 환상 회절 구역은 회절 구조가 없는 주변 부분(45)에 의해 에워싸여 있다. 앞서 기술한 구체예와 유사하게, 상기 베이스 프로파일(44)은, 도 2B에 도식적으로 도시한 바와 같이, 렌즈의 광축(48)과 전방 표면(40)의 교점으로부터 짧은 방사 거리에서의 비구면 베이스 프로파일과 일치하는 추정 구면 프로파일(46)로부터 소정의 편차도를 가지는 비구면이다. 도 2B에 도시된 평면 직각좌표계(Cartesian coordinate system)는 전방 표면상의 일 지점(point)의 위치를 광축과 전방 표면의 교점으로부터 상기 지점까지의 방사 거리(즉, 계수 r) 및 상기 광축에 수직하며 이의 최고점(즉, 광축과 상기 점의 교점)에서의 프로파일에 대한 접평면(plane tangent)에 관하여 이의 새그(z)로 나타냄으로써 설명될 수 있다.

환상 회절 구역 각각은 광축으로부터 상기 구역의 거리가 증가함에 따라 높이가 감소하는 소정의 스텝(예를 들어, 스텝(50)이 제 2 구역과 제 3 구역을 분리시킴)에 의해 인접 구역과 이격되며, 이로 인하여 렌즈의 근초점 및 원초점 사이에 전달된 빛 에너지(transmitted optical energy)의 분배(division)로 점진적인 이동(gradual shift)이 제공된다. 이러한 상기 스텝 높이의 감소는 원거리의, 분산된 광원 주위에서 빛 무리 또는 고리처럼 감지되는 원치않는 번쩍임 효과를 경감시키는데 유리하다. 상기 스텝들은 상기 구역들의 방사 경계에 위치하게 된다. 이러한 예시적인 구체예에서, 구역 경계의 방사 위치는 하기 방정식에 따라서 결정될 수 있다:

상기 식에서

i는 구역 개수(i = 0 은 중심 구역)이며,

λ는 설계 파장이고

f는 근초점의 초점거리이다.

일부 구체예에서, 설계 파장 λ는 가시광선 영역 중심에서의 550 nm 녹색광으로 선택된다.

인접 구역들 사이의 스텝 높이, 또는 일 구역 경계에서의 각 회절 엘리먼트의 수직 높이는, 하기 방정식에 따라 정의될 수 있다:

상기 식에서

λ 는 설계 파장(예컨대, 550 nm)으로 정의되며

n₂ 는 렌즈 제조용 물질의 굴절 지수로 정의되고,

n₁ 은 렌즈가 놓이는 매체의 굴절 지수로 정의되며,

f_apodize 는 렌즈 전방표면과 광축의 교점으로부터 방사 거리 함수가 증가함에 따라 수치가 감소하는 스케일링 함수로 정의된다.

예를 들면, 상기 스케일링 함수는 하기 방정식으로 정의될 수 있다:

상기 식에서

r_i 는 i번째(제 i차) 구역의 방사 거리로 정의되며,

r_in 은 도 2A에 도식적으로 도시된 것과 같이 애포다이제이션 구역의 안쪽 경계로 정의되고,

r_out 은 도 2A에 도식적으로 도시된 것과 같이 애포다이제이션 구역의 바깥쪽 경계로 정의되며,

exp 는 애포다이제이션 구역의 상대 위치 및 회절 엘리먼트 스텝 높이의 요망되는 감소에 근거하여 선택되는 값으로 정의된다.

지수 exp 는 렌즈 표면 전역에 걸친 회절 효율에서의 요망되는 변화도에 근거하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 exp 는 약 2 내지 약 6 범위 이내에 있는 값을 취할 수 있다.

또 다른 예로서, 상기 스케일링 함수는 하기 관계식에 의해 정의될 수 있다:

상기 식에서

r_i 는 i번째(제 i차) 구역의 방사 거리로 정의되며,

r_out 은 애포다이제이션 구역의 반지름으로 정의된다.

이러한 예시적인 구체예에서, 도 2A를 재차 참조하여, 구역 경계에서 각 스텝은 베이스 프로파일(44)을 중심으로 상기 베이스 프로파일의 상부에 상기 스텝 높이의 절반을 그리고 상기 프로파일의 하부에 나머지 높이의 절반을 차지하게 된다. 비록 이러한 예시적인 구체예에서, 상기 스텝의 높이들이 광축으로부터 거리 함수가 증가함에 따라 연속하여 점진적 감소를 나타내지만, 다른 구체예에서는 소단위(subset)의 구역들이 이들 각각의 경계에서 동일한 스텝 높이를 나타낼 수 있으며 상기 스텝 높이들은 다른 구역 경계에서의 높이들과는 상이할 수 있다. 상기 스텝 높이의 선택에 관한 보다 자세한 내용은 본원의 참고로서 여기에 통합된 미국 특허 제 5,699,142호에서 찾아볼 수 있다.

이전의 구체예에서와 마찬가지로, IOL(34)의 전방 표면(40)의 베이스 프로파일(44)의 비구면도는 상기 방정식(3)에 따라 정의될 수 있다. 상기에 기술된 것과 유사한 수치들이 비구면 상수 및 더 높은 차수의 변형 계수로서 채택될 수 있다. 바람직하게는, 0이 아닌 비구면 상수(cc) 및 제 6차 변형 계수(ae)를 선택하는 것이 일반적인 경우보다 더 구면인 각막을 위한 이미지 콘트라스트 향상에 특히 유익할 수 있다.

본원 발명의 교시에 따른 비구면 회절 인공수정체의 효율를 설명하기 위해, 도 3A는 550nm의 파장 및 4.5mm의 동공 직경(상기 모델눈의 입구(entrance)에서는 5.1mm)에서 21D의 옵티컬 파워 및 -5의 비구면 상수(cc)와 -0.000005의 제 6차 변형 계수(ae)에 의해 특징이 부여되는 비구면 전방 표면을 가지는, 상기 도 2A에 도시된 IOL과 유사한 비구면렌즈를 위한 모델눈에서 계산된 정초점(in-focus) 변조전달함수(MTF)를 보여주는 그래프(52)를 도시하고 있으며, 한편 도 3B는 비구면 프로파일 보다는 다소 구면 프로파일을 갖는 실질적으로 동일한 렌즈와 부합하는 렌즈에 대하여 계산된 MTF를 보여주는 그래프(54)를 도시하고 있다. 상기 두 그래프 즉, 그래프(52)와 그래프(54)를 비교하여 전방 표면의 비구면도가 상당히 개선된 MTF를 제공하며, 결과적으로 이미지 콘트라스트의 개선을 가져오며, 심지어 20/20 시력에 일치하는 밀리미터 당 100 라인 쌍의 높은 공간 주파수에서 조차 이러한 개선을 가져옴을 알 수 있다.

또 다른 세트의 계산에서, 20/40 시력에 일치하는 50 lp/mm에서 뿐만 아니라, 20/20 시력에 일치하는 100 lp/mm에서의 변조전달함수들(MTFs)이 렌즈 파워 수치의 일정 범위에 걸쳐서 상이한 각막 형태 인자들을 대상으로 하기 5개의 이론적으로 모델화된 애포다이즈드 회절 인공수정체를 위해 계산되었다. 옵티컬 파워(근초점에서) D, 구면 후방 표면의 곡률 반지름(r₁), 렌즈의 최고점에서의 전방 표면의 곡률반지름(r₂), 렌즈의 중심 두께(Q)뿐만 아니라 비구면 상수(cc)의 값 및 이러한 이론적으로 모델화된 렌즈를 위한 변형계수(ae)가 하기 표에 제시되어 있다:

도 4A는 소정범위의 비구면도를 나타내는 각막-각막 비구면 상수 0인 구면 각막으로부터 각막 비구면 상수 -0.52(마이너스 0.52)인 극심한 플랫트닝을 갖는 각막까지-과 통합된, 상기 표 1에 나열된 애포다이즈드 비구면 인공수정체 각각에 대하여 50 lp/mm 및 4.5mm의 동공 크기에서 계산된 변조전달함수를 보여주는 다수의 그래프와, 구면 각막과 통합된 표면이 비구면이라기 보다는 다소 구면인 것을 제외하고 실질적으로 동일한 렌즈에서의 대응되는 MTF를 보여주는 콘트롤 그래프도 또한 도시하고 있다.

보다 구체적으로, 그래프(56)은 구면 각막과 통합되는 그러한 콘트롤 구면렌즈에 대하여 획득된 MTF 값을 도시하며, 한편 또 다른 그래프(58)은 구면 각막과 통합된 A 내지 E의 구면렌즈 각각에 대하여 획득된 MTF를 도시하고 있다.

그래프(56)과 그래프(58)의 비교는 실질적으로 동일한 구면렌즈와 대비하여 비구면렌즈 A 내지 E가 훨신 향상된 이미지 콘트라스트를 제공하는 것을 보여준다(상기 비구면 렌즈에서의 대응되는 MTF 값은 비구면 렌즈에 대응되는 구면 렌즈에서의 값보다 적어도 지수(factor) 2를 초과한다).

그래프(60) 및 그래프(62)는 비구면 상수가 약 -0.26(마이너스 0.26)인 것이 특징인 비구면도 - 평균적인 눈의 경우에 종종 보고되는 수준의 비구면도 - 를 나타내는 각막 및 비구면 상수가 약 -0.52(마이너스 0.52)인 것이 특징인 비구면도 - 구면수차를 최소화시키는 수준의 각막 플랫트닝 - 을 나타내는 각막과 각각 통합되는 렌즈 A 내지 E 각각에 대한 MTF 값을 보여준다. 이러한 예시적인 데이타는 구면렌즈가 더 광범위한 형태의 각막에 대하여 최상의 이미지 콘트라스트를 제공할 수 있음을 보여준다.

100 lp/mm의 더 높은 공간 주파수, 550nm의 파장 및 4.5mm의 동공 크기 에서 계산된 이론적인 MTF 값은 도 4B에 추가로 제시되어 있다. 구면 각막과 통합된 구면 프로파일을 갖는 것을 제외하고는 상기 렌즈 A 내지 E와 실질적으로 동일한 렌즈들에서의 MTF 값을 제시하는 그래프(64)와, 구면 각막과 통합된 비구면 렌즈 A 내지 E에서의 MTF 값을 제시하는 그래프(66)의 비교는, 비구면 렌즈가 20/20 시력에 일치하는, 100 lp/mm의 훨씬 더 높은 공간 주파수에서 조차도 훨씬 더 향상된 이미지 콘트라스트를 제공함을 보여준다. 비구면 상수가 -0.26(마이너스 0.26)인 것을 특징으로 하는 비구면도를 나타내는 각막 및 비구면 상수가 -0.52(마이너스 0.52)인 것을 특징으로 하는 각막과 통합된 렌즈 A 내지 E의 경우에도 또한 유사한 데이타가 제시되며[그래프(68) 및 그래프(70)], 상기 그래프들은 비구면 렌즈 A 내지 E가 높은 공간 주파수에서조차 소정범위의 각막 상태를 초과하여 이미지 콘트라스트의 향상을 제공한다는 것을 설명한다.

상기 예시적인 데이터에서는, 애포다이즈드 회절 렌즈를 위한 계산된 변조전달함수(MTF)가 제시되었다. 상기 MTF는 하기에 더 상세히 기술된 방식으로 회절 구역 전역에 걸친 회절 효율 변동이 통합된 광선 추적절차(ray tracing procedure)를 이용하여 계산되었다. 일반적으로, 애포다이즈드 회절 렌즈, 예컨대, 표면 전역에 걸쳐 다양한 회절 스텝 높이를 갖는 렌즈를 위한 MTF 계산은, 렌즈 전 표면에 걸쳐 균일한 스텝 크기를 가지는 회절 렌즈를 위한 MTF 계산보다 더 복잡하다. 후자의 경우에 있어서, 상기 MTF는 일반적인 방법으로 계산될 수 있으며, 이후에 원하는 초점에 유도되지 아니한 빛이 이미지 콘트라스트를 감소시키는 역할을 한다고 가정함으로써 재조정(rescale)된다. 유니티(unity)를 위해 설정된 공간 주파수 0인 지점을 제외하고는, 회절 효율을 상기 MTF 콘트라스트 값에 곱할 수 있다. 이는 동일하게 나타낸 비집속된 빛(defocused light)의 모든 공간 주파수와 함께, 이미지 평면이 비집속된 빛 에너지에 의해 균등하게 비춰지는 것으로 가정하는 것과 등가의 것이다. 비록 실제적으로, 비집속된 빛이 상기 이미지 평면에서 공간 구조를 가질지라도, 상기 빛은 매우 비집속되어 있어서 MTF의 전반적인 형태에 미치는 영향은 그리 크지 않다. 이전의 경우에 있어서, 위에서 강조한 바와 같이, 물리 광학의 원리가 애포다이즈드 회절 렌즈의 광학적 특정을 계산하기 위해 고려되어야 한다. 본원 발명에 따른 애포다이즈드 회절 렌즈의 광학적 특성을 계산하기 위한 한 가지 방법은 애포다이제이션을 렌즈의 다른 지역을 지나가는 광 투과(optical transmission)에서의 상이한 수준의 감소로 모델화하는 것이다.

일 예로서, 점차적으로 감소하는 스텝 높이들을 갖는 애포다이즈드 회절 렌즈(예를 들어, 상기 도 2A에 도식적으로 도시된 렌즈들)를 위한 MTF를 계산하기 위한 본 발명에 따른 한 가지 예시적인 방법에서, 상기 스텝 높이들은 상기 각각의 렌즈 표면을 각 회절 스텝에서 적절한 광로 길이(path length)를 갖는 회절 격자로 가정함으로써 국소 회절 효율에 일치하도록 모델화된다. 예를 들어, 회절 스텝 높이들이 상기 방정식 (5) 및 방정식 (7)을 따름을 특징으로 하는 비구면 전방 표면을 갖는 렌즈의 국소 회절 효율을 계산하기 위하여, 설계 파장(λ)에서 회절 차수(p)로 빛을 유도하기 위한 회절 효율(DE)은 하기 방정식 (8) 및 방정식 (9)로 주어지며(상기 방정식에서 α는 스텝 높이(h)를 갖는 한 스텝에 도입된 2π 상 지연 분율(fraction)로 정의되며, n₁ 및 n₂ 는 각각 렌즈 물질 및 주변 매체의 굴절 지수로 정의된다):

여기서

로 정의된다. 그러므로, 상기 회절 효율은 방정식 (5) 및 방정식 (7)에서 제공되는 국소 스텝 높이를 이용함으로써 표면상의 임의의 일 지점에서 결정될 수 있다.

일 예로서, 도 5에 도식적으로 도시된 점차적으로 감소하는 스텝 높이들을 가지는 예시적인 애포다이즈드 회절 렌즈의 회절 효율(명확히 하기 위해 기준선을 나누어 도시하였다)이 상기 접근방법을 이용하여 계산되었다. 도 6A는 렌즈들의 광축으로부터의 방사거리 함수로서, 제 0차 및 제 1차(각각 원초점 및 근초점에 일치함)의 경우에 계산된 부분 회절 효율(fractional diffraction efficiency)에 대응되는 그래프를 도시한다. 상기에 기술한 바와 같이, 상기 국소 회절 효율은 렌즈의 애포다이제이션 함수로 정의된다. 그러나, 적절하게 MTF를 리스케일하기 위해서는 한 초점에 모아진 총 에너지가 요구된다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 회절 효율은 각각의 초점에 모아지는 총 에너지를 제공하기 위해 예컨대 동공 지역과 같은, 소정의 조리개(aperture) 상에 통합될 수 있다. 일예로서, 도 6B는 도 6A에 도시된 회절 효율의 통합에 의해 얻어진, 동공 반지름의 함수로서 예시적인 렌즈의 제 0차 및 제 1차 초점들에 모아진 총 에너지에 부합하는 그래프를 나타낸다.

애포다이즈드 회절 렌즈의 MTF 계산을 위한 상기 방법은 다른 차수들의 초점에 모아진 에너지를 설명하기 위해 원하는 초점에 모아진 에너지 프랙션(fraction)에 의해 일반적으로-계산된 MTF의 지점들(유니티를 위해 설정된 공간 주파수 0에서의 지점으로부터 떨어진)을 리스케일하기 위해 예컨대, 미국, 메사츄세스주, 리틀톤 소재의 람다 리서치 코오포레이션에 의해 판매되는 OSLO 프리미엄 광선-추적 프로그램과 같은, 상용 광선추적 프로그램에 통합될 수 있다.

일부 구체예에서, 회절 구조를 가지는 표면은 구면 베이스 커브를 가질 수 있고, 나머지 다른 표면(즉, 회절 구조가 없는 표면)은, 상기에 기술된 그러한 것들과 마찬가지로, 본원 발명의 교시에 근거하여 선택되는 비구면도를 가질 수 있다.

또 다른 구체예에서, 본원 발명의 애포다이즈드 회절 인공 수정체(IOL)는 두 직교 표면(orthogonal surface) 방향을 따라 2개의 상이한 옵티컬 파워를 나타내는 하나 또는 두개의 원환면(toric surface)을 가질 수 있다. 이러한 원환체 IOL은 예를 들어, 난시교정을 위해 사용될 수 있다. 적어도 하나의 원환면은 상기 두 직교 방향들 중 하나 또는 둘 모두를 따라서 비구면도를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 도 7A에 도시된 바와 같이, 상기 두 방향들 중 한 방향(여기에서 좌표 x로 표기됨)의 원환면은 프로파일의 최고점(즉, 렌즈의 광축과 상기 표면의 교점)에서의 중심곡률(R₁) 및 단(短) 방사 거리에서의 비구면 프로파일과 실질적으로 일치하는 추정 구면 프로파일(74B)로부터 소정의 편차를 가지는 비구면 프로파일(72A)인 것을 특징으로 할 수 있다. 도 7B에 도시된 바와 같이, 다른 한 방향(여기에서 좌표 y로 표기됨)을 따라서, 상기 원환면의 프로파일(74A)은 상기 R₁ 보다 상이한 중심곡률(R₂), 및 단(短) 방사 거리에서의 비구면 프로파일과 실질적으로 일치하는 추정 구면 프로파일(72B)로부터의 소정 편차를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. 직교 표면의 한쪽 또는 양쪽 방향을 따라서 비구면도를 갖는 원환면은, 이전의 구체예들에서 도시된 구조들과 같이, 애포다이제이션 구역내에 균일 또는 비균일 회절 구조들을 또한 포함할 수 있다. 대안으로, 비구면도를 나타내는 원환면은 회절 구조들이 없는 렌즈 표면일 수 있다. 일부 구체예에서, 원환체 렌즈의 두 렌즈 표면들(즉, 회절 구조를 가지는 한 표면과 이러한 구조가 없는 다른 한 표면)은 직교 표면의 한쪽 또는 양쪽 방향에서 소정의 비구면도를 나타낼 수 있다.

비록 상기 구체예들은 인공수정체와 관련된 것이지만, 이미지 콘트라스트를 향상시키기 위한 비구면 표면 프로파일의 사용을 포함하는, 본원 발명의 교시는 예컨대, 콘택트 렌즈와 같은 그외의 다른 안과용 애포다이즈드 회절 렌즈들에도 적용될 수 있음이 이해되어야만 한다.

본원 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본원 발명의 영역을 벗어 나지 않는 범위에서 상기 구체예들에 대한 다양한 변형이 시도될 수 있음을 인식할 것이다.

Claims

비구면 베이스 커브(aspherical base curve)를 갖는 옵틱(optic), 및

원초점 및 근초점을 생성하기 위해 상기 베이스 커브의 적어도 일부분 위에 겹쳐 놓여진 다수의 환상 회절 구역(annular diffractive zones)을 포함하며,

베이스 커브가 구면인 실질적으로 동일한 인공수정체와 대비하여 상기 비구면 베이스 커브는 상기 옵틱의 원초점에서의 이미지 콘트라스트를 향상시키는 애포다이즈드(apodized) 회절 인공수정체(IOL).
제 1항에 있어서, 약 50 lp/mm 의 공간 주파수, 약 550 nm 의 파장 및 약 4.5 mm 의 동공크기의 모델눈에서 변조전달함수(modulation transfer function, MTF)를 계산할 때, 상기 IOL 및 상기 IOL이 이식된 환자의 눈을 포함하는 광학 시스템이 약 0.2를 초과하는 변조전달함수를 나타내는 인공수정체.
제 2항에 있어서, 상기 변조전달함수(MTF)는 약 0.2 내지 약 0.5의 범위인 인공수정체.
제 1항에 있어서, 약 100 lp/mm의 공간 주파수, 약 550 nm의 파장 및 약 4.5 mm의 동공크기의 모델눈에서 변조전달함수(modulation transfer function, MTF)를 계산할 때, 상기 IOL 및 상기 IOL이 이식된 환자의 눈을 포함하는 광학 시 스템이 약 0.1을 초과하는 변조전달함수를 나타내는 인공수정체.
제 1항에 있어서, 상기 회절 구역이 실질적으로 회절 구조가 없는 렌즈 표면의 일부분에 의해 에워싸인 애포디제이션 구역(apodization zone)내에 배열되어 있는 인공수정제.
제 5항에 있어서, 상기 회절 구역이 구역 경계에 위치한 다수의 스텝들에 의해 서로 분리되어 있으며 실질적으로 균일한 높이를 갖는 인공수정체.
제 5항에 있어서, 각 회절 구역이 상기 옵틱의 중심축으로부터 거리 함수에 따라 점차적으로 높이가 감소되는 스텝에 의해 인접 구역과 분리되는 인공수정체.
제 1항에 있어서, 상기 비구면 베이스 커브가 하기 방정식을 따름을 특징으로 하는 인공수정체:

여기서 z 는 예를 들어, 광축(optical axis)과 같이 표면에 수직인, 축(Z)에 평행한 표면의 새그(sag)로 정의되며,

c 는 표면의 최고점(vertex)에서의 곡률로 정의되고,

cc 는 비구면 계수(conic coefficient)로 정의되며,

R 은 표면상의 방사위치(radial position)로 정의되며,

ad 는 4차 변형 상수(fourth order deformation coefficient)로 정의되고,

ae 는 6차 변형 상수로 정의된다.
제 1항에 있어서, 상기 옵틱이 아크릴(acrylic), 실리콘(silicone) 또는 수화겔 중합성 물질(hydrogel polymeric material) 중 어느 한 물질로 제조된 인공수정체.
전방 표면(anterior surface) 및 후방 표면(posterior surface)을 갖는 옵틱을 포함하는 회절 인공수정체로서,

상기 표면 중 적어도 하나는

비구면 베이스 프로파일,

상기 베이스 프로파일의 일부분 위에 겹쳐 놓여진 다수의 회절 구역,

상기 회절 구역을 에워싸는 주변 지역(peripheral region)을 포함하며,

상기 회절 구역 각각은 상기 옵틱의 광축으로부터 소정 반경에 배치되고 스텝에 의해 인접 구역과 이격되며,

상기 회절 구역은 원초점 및 근초점을 생성하며 상기 비구면 프로파일은 상기 옵틱의 일 초점에서 이미지 콘트라스트를 향상시키는 인공수정체.
제 10항에 있어서, 상기 회절 구역을 분리시키는 스텝들은 실질적으로 균일한 높이를 갖는 인공수정체.
제 10항에 있어서, 상기 회절 구역을 분리시키는 스텝들은 비균일한 높이를 갖는 인공수정체.
제 10항에 있어서, 상기 비균일한 높이는 광축으로부터 스텝의 거리가 증가함에 따라 점차적인 감소를 나타내는 것을 특징으로 하는 인공수정체.
제 10항에 있어서, 상기 회절 구역은 광축 주위에 배치된 동심 환상 회절 엘리먼트(concentric annular diffractive elements)를 포함하는 인공수정체.
제 10항에 있어서, 약 100 lp/mm 의 공간 주파수, 약 550 nm 의 파장 및 약 4 mm 의 동공크기의 모델눈에서 변조전달함수(modulation transfer function, MTF)를 계산할 때, 상기 IOL 및 상기 IOL이 이식된 환자의 눈을 포함하는 광학 시스템이 약 0.2를 초과하는 변조전달함수를 나타내는 인공수정체
제 15항에 있어서, 상기 변조전달함수(MTF)가 약 0.3를 초과하는 인공수정체.
제 15항에 있어서, 상기 변조전달함수(MTF)가 약 0.4를 초과하는 인공수정체
제 15항에 있어서, 상기 변조 전달함수(MTF)가 약 0.2 내지 약 0.5의 범위인 인공수정체.
생체적합성 고분자 물질(Biocompatible polymeric material)로 제조되며, 전방 표면(anterior surface) 및 후방 표면(posterior surface)을 갖는 옵틱(optic)를 포함하는 회절 인공수정체(IOL)로서,

상기 옵틱은 근초점(near focus) 및 원초점(far focus)을 제공하며,

상기 표면들 중 적어도 하나는 베이스 커브 및 광축 주위에 환상 동심 회절 엘리먼트(annular concentric diffractive elements)로써 배치된 다수의 회절 구역을 갖는 것을 특징으로 하며,

상기 회절 엘리먼트 각각은 상기 광축으로부터 회절 엘리먼트의 거리가 증가함에 따라 베이스 커브에 대한 상대 높이가 점차적으로 감소하는 높이를 가지며,

상기 베이스 커브는 동공 직경이 약 4 내지 약 5mm 인 범위에서, 상기 베이스 커브가 구면인 실질적으로 동일한 인공수정체와 비교하여 상기 원초점에서의 이미지 콘트라스트를 향상시키기 위한 비구면 프로파일을 나타내는 인공수정체.
제 19항에 있어서, 상기 비구면 베이스 커브의 비구면 계수(conic constant) 가 약 -0.2 내지 약 -50 범위 이내인 것을 특징으로 하는 인공수정체.
전방 표면 및 후방 표면을 갖는 옵틱(optic)을 포함하는 애포다이즈드(apodized) 회절 안과용 렌즈로서,

상기 표면들 중 적어도 하나는 비구면 베이스 프로파일을 가지며, 다수의 동심 회절 구역은 근초점 및 원초점을 생성시키기 위해 상기 베이스 프로파일 상에 배치되며,

상기 비구면 프로파일은 각각의 베이스 프로파일이 구면인 실질적으로 동일한 렌즈들에 의해 획득된 이미지 콘트라스트와 비교하여 상기 원초점에서 이미지 콘트라스트를 향상시키는 안과용 렌즈.
제 21항에 있어서, 상기 렌즈는 인공수정체(intraocular lens, IOL)를 포함하는 안과용 렌즈.
제 21항에 있어서, 상기 렌즈는 콘텍트 렌즈를 포함하는 안과용 렌즈.
광축으로부터 소정의 방사 거리(radial distances)에 배치된 복수의 환상 회절 구조를 가지는 애포다이즈드 회절 렌즈를 위한 변조전달함수(MTF)를 계산하기 위한 방법으로서,

소정 회절 차수의 렌즈로 빛을 유도하기 위하여 광축으로부터 복수의 방사 위치에서의 회절 효율을 나타내는 애포다이제이션 함수를 계산하는 단계,

상기 회절 차수로 회절된 빛 에너지의 프랙션(fraction)을 계산하기 위해 소정의 조리개(aperture)에 상기 애포다이제이션 함수를 통합하는 단계, 및

요망되는 MTF를 생성시키기 위해 상기 IOL은 회절 구조가 없는 것으로 가정함으로써 계산된 예비 MTF를 상기 통합된 애포다이제이션 함수에 따라서 조정(scaling)하는 단계를 포함하는 방법.
전방 표면 및 후방 표면을 가지는 옵틱을 포함하는 애포다이즈드 회절 렌즈로서,

상기 전방 표면은 이의 애포다이제이션 구역내에 복수의 회절 구조를 가지며,

상기 전방 표면 또는 후방 표면들 중 적어도 하나는 표면을 따라 지나는 두 직교 방향(orthogonal directions)을 따라서 2개의 상이한 옵티컬 파워를 갖는 원환체 형상(toric shape)을 가지며,

비구면 프로파일이 상기 표면 방향들 중 적어도 어느 한 방향을 따라서 나타나는 애포다이즈드 회절 렌즈.