專利名稱：用于形成和修改透鏡的系統(tǒng)及由此形成的透鏡的制作方法
用于形成和修改透鏡的系統(tǒng)及由此形成的透鏡交叉引用本申請要求下列優(yōu)先權2010年3月4日提交的序列號為12/717886的美國專利申請、2010年3月4日提交的申請?zhí)枮镻CT/US10/26280的PCT專利申請、2010年3月4日提交的序列號為12/717,866的美國專利申請，以及2010年3月4日提交的申請?zhí)枮镻CT/US10/26281的PCT專利申請。這些申請通過參考合并于此。當以下描述與上述那些申請的公開內(nèi)容不一致時，以下面的說明為準。
背景技術：
透鏡被植入到眼睛中以改善視力。通常，存在兩種類型的人工晶狀體。一種類型替代眼睛自然晶狀體，通常來替代白內(nèi)障晶狀體。另一種類型用來輔助已有晶狀體，并充當永久性校正透鏡。替代類型的透鏡被植入到眼后房中。輔助類型的透鏡，稱為有晶狀體眼人工晶狀體IOL (intraocular lens)，被植入到眼前房或眼后房，以校正眼睛的屈光不正。 用于形成人工晶狀體的常用技術有兩種。一種技術是模制(molding)，其中光學聚合物材料形成具有預定的屈光能力的所需形狀。這些透鏡可獲得標準的屈光力(diopterpowers),典型地相差大約O. 5屈光力。該模制技術的問題是，制作定制透鏡(customizedlens)是非常昂貴的，因此，對于大多數(shù)病人來說，只能獲得一種相近的方法以使視力清晰。對于一些病人來說，屈光力可差0. 25或更大。而且，對于具有異常形狀的角膜的病人(包括一些經(jīng)歷了諸如LASIK手術等角膜手術的病人)來說，這種透鏡一般不是那么有效。使用的其它技術是車和統(tǒng)(lathing and milling),其中圓盤狀透鏡毛還被磨成所需形狀。由于用于人工晶狀體的材料的特性，優(yōu)選的是，在例如在-10° F的低溫下加工透鏡。車和銑的問題是，處于-10° F的透鏡的光學特性與處于體溫下的透鏡的光學特性不同，因此，這種透鏡只能是接近最佳視力。此外，隨著透鏡變暖，其會吸收水分并且透鏡的尺寸會改變，因此改變透鏡的屈光力。對于一些病人來說，需要的是，透鏡是非球面的以校正角膜的球面像差，或者是復曲面以在屈光度的范圍內(nèi)校正或減輕角膜散光。市場上可買到的IOLs—般不能統(tǒng)一校正這些光學缺陷，因為，即使不是上千種，也需要盤存上百種不同類型的透鏡(所有的這些透鏡在屈光力、非球面特征以及復曲面特征方面存在差異)。與現(xiàn)有制造技術相關的另一個問題是透鏡經(jīng)常不能滿足經(jīng)歷了 LASIK (激光輔助原位角膜磨鑲術)手術的病人的需求。LASIK手術能夠校正近視、遠視和/或散光。然而，在LASIK手術中產(chǎn)生的角膜變化使得難以找到一種適應于非球面性調(diào)節(jié)的I0L。因為庫存適用這種病人的IOL存在挑戰(zhàn)，所以現(xiàn)有IOL —般不能使經(jīng)歷了 LASIK手術或具有異常角膜的病人所滿意。在Knox等人的美國公開號2008/0001320文件中對一種用于修改光學聚合物材料(如IOL中的)的折射率的技術進行了討論。該技術使用了用于改變光學材料的小面積的折射率的激光，導致了高達大約0. 06的折射率的改變，而對于大多數(shù)應用情況來說，這在屈光力方面改變得不充分。
因此，需要一種用于形成人工晶狀體的系統(tǒng)，該系統(tǒng)克服現(xiàn)有制造技術的缺點并且還為進行了 LASIK手術的病人考慮了透鏡的定制以提供多校正特征，從而接近最佳視力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種滿足該需要的系統(tǒng)，并且還提供了通過該系統(tǒng)形成和修改的透鏡。通過該系統(tǒng)形成的透鏡具有獨特特性。這些透鏡通常地為I0LS，但是本發(fā)明具有其它應用，如下文所討論的。根據(jù)本發(fā)明的透鏡包括由具有折射率的光學材料形成的透鏡體。該透鏡體具有相對的前表面和后表面以及光軸。該透鏡體包含修改軌跡(loci)。該修改軌跡由激光束形成，并且具有與修改之前的材料不同的折射率。為放置到人眼中而定制的聚合物透鏡的光學特性通過用激光束修改透鏡的軌跡來修改，因此該修改軌跡具有與修改之前的材料不同的折射率。優(yōu)選地，該激光束以至少每秒50mm的速率移動，但典型地以不超過大約每秒200mm的速率移動。為了達到如此快的修改速率，理想的是，為透鏡摻雜足夠的UV吸收劑和/或黃色染料。因此，透鏡可以包含按重量計算至少5%的UV吸收劑以及具有按重量計算至少150ppm的黃色染料。黃色染料的量優(yōu)選地為按重量計算至少大約500ppm，并且按重量計算可以高達大約lOOOppm。理想的是，透鏡具有等于或小于37°C (更為優(yōu)選的是小于大約20°C )的玻璃化溫度，使得其可以被折疊以插入到人眼中。該激光系統(tǒng)也可以通過用激光束修改角膜中的軌跡以在人眼中原位修改角膜的至少一種光學特性，該修改軌跡具有與修改之前不同的折射率。該修改軌跡處于大體上平行于角膜的前表面的平面層中。該層的上表面位于角膜的前表面下方大約100微米處。該層典型地為大約50微米厚。


通過下面的描述、所附權利要求以及附圖，本發(fā)明的這些及其它特征、方面以及優(yōu)
點將變得更好理解，其中圖IA為具有本發(fā)明的特征的人工晶狀體的正視圖；圖IB為圖IA的透鏡的俯視圖；圖2示意性地示出具有兩層修改軌跡的人工晶狀體的透鏡體的一部分；圖3示意性地示出具有多層修改軌跡的透鏡體，其中一些層在眼中放置該透鏡之后形成；圖4A為圖I的透鏡的一層的示意圖，所述層被修改以產(chǎn)生球面聚焦效應；圖4B為圖4A所示的層的俯視圖；圖4C為圖I的透鏡的一層的示意圖，所述層被修改以產(chǎn)生非球面聚焦效應；圖4D為圖I的透鏡的一層的示意圖，所述層提供了散焦子午線(defocusingmeridian)以調(diào)節(jié)散光；圖4E為圖4D的透鏡層在水平子午線的示意性俯視圖；圖5和圖6示意性地示出了用于形成修改軌跡所使用的原理；圖7示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的用于形成上面提及的透鏡的設備的布局；
圖8示出了在圖7的設備中用到的算法的流程圖；圖9圖形化地示出了用于形成透鏡的材料中的包括UV吸收劑的效果；圖IOA圖形化地示出了修改軌跡的折射率的變化與激光脈沖能量之間的關系函數(shù)；圖IOB圖形化地示出了修改的透鏡的折射率的變化與固定脈沖能量的激光束脈沖的數(shù)量之間的關系函數(shù)；圖11示意性地表示了使用分層光柵掃描(layered raster-scan)方法形成根據(jù)本發(fā)明的透鏡；圖12示意性地表示了使用分層飛點掃描(layered flying spot scanning)方法形成根據(jù)本發(fā)明的透鏡；
圖13示意性地示出了通過逐點改變以改變折射率來產(chǎn)生折射層結(jié)構的過程；圖14示意性地示出了如何在原位修改自然晶狀體；圖15示意性地示出了人類角膜中的修改層；以及圖16和圖17圖形化地示出了實驗的結(jié)果。
具體實施例方式概要定制人工晶狀體，稱為定制眼內(nèi)相移膜(Customized Intraocular PhaseShifting Membrane)(C-IPSM),是使用產(chǎn)生脈沖激光束的激光單元制造的。更具體地，激光單元可以選擇性地產(chǎn)生處于50MHz的激光束脈沖，每一個脈沖具有大約100飛秒的持續(xù)時間以及大約O. 2納焦至大約I納焦的能級。如本發(fā)明所設想的，激光束的焦點在具有折射率的塑料的表面移動。這通過建立材料的折射率的變化模式(Λη)改變了次表面層。優(yōu)選地，定制的人工晶狀體(C-IPSM)由具有第一側(cè)面和第二側(cè)面的塑料板制作而成，其中在兩個側(cè)面之間的厚度為大約50mm至大約400mm。在定制的人工晶狀體(C-IPSM)的制造期間，該激光單元改變了具有僅大約50微米深度的次表面層。在該層中材料改變的層的目的是補償佩帶C-IPSM的病人的光學像差。具體地，這補償了通過光學系統(tǒng)(例如，眼睛)引入的光束中的光學像差。在塑料板中產(chǎn)生的折射率變化的模式是由將塑料材料暴露于由層以預定方式產(chǎn)生的電子干擾和熱量中而產(chǎn)生的。特別地，這種折射率的變化是通過依次將激光束聚焦到材料中的大量的連續(xù)位點上來實現(xiàn)的。在每一軌跡(locus)處的結(jié)果是光通過該點的光程差(0PD)。對于具有給定的折射率變化(Λη)(例如，Λη=0.01)的給定材料(例如，塑料)，并且對于穿過該材料的給定距離(例如，5微米)，可以確定波長(λ )的光的OPD (B卩，相變)。具體地，每5微米的軌跡深度可以確定λ/10的0PD。因而，依據(jù)每一個光點所需的折射，光點深度處于5微米與50微米之間。對于不同的軌跡位置，折射率的變化量(Δη)可有所改變，例如，位于最低值Λη=0. 001至最高值Λη=0. 01之間。因而，采用2 π模相位回卷技術，可依據(jù)所需的折射使用Λη=0·001與Λη=(Χ01之間的值?？梢岳眉す鈫卧褂妙A定數(shù)量的激光脈沖串(laser burst)(即，“i”個脈沖)來產(chǎn)生每一軌跡。優(yōu)選地，每一個脈沖串包括大概50個脈沖，并且具有近似I微秒的持續(xù)時間。在每一個脈沖串期間，產(chǎn)生深度為大約五微米、直徑為大約一微米的大體圓柱形體積的材料變化。因而，軌跡包含至少一個點(site)，并且典型地高達10個點。一般來說，每一個脈沖會造成大約1/10波長(λ/10) m OPD0對于“i”個脈沖0PD=i(X (λ/10))。優(yōu)選地，對于本發(fā)明，每5微米的軌跡深度具有近似λ/10的變化(即，“i”處于I至10的范圍)。例如，考慮這樣的情況，其中需要產(chǎn)生O. 3 λ的0PD。這種情況下，激光單元的最初脈沖串聚焦的深度為二十微米(即，i=3)。之后，該激光單元在該軌跡上又再重新聚焦兩次，為了每一個隨后的脈沖串，激光束的焦點每次都后退五微米的距離。依據(jù)該軌跡處所需要的折射量來選擇數(shù)量“i”(例如，O. 2λ時，i=2;而O. 7λ時i=7)。也可以通過使激光束的焦點向前而不是后退來產(chǎn)生軌跡。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，采用An的變化，利用激光單元使用每激光脈沖串中具有不同數(shù)量的脈沖來產(chǎn)生每一軌跡。每一個激光脈沖串均產(chǎn)生一個點，每一軌跡存在I至10個點。優(yōu)選地，每一個脈沖串包括5個脈沖至50個脈沖之間的脈沖，并且具有近似100納秒至I微秒的持續(xù)時間。在每一個脈沖串期間，產(chǎn)生深度為近似五微米、直徑為大約一微米的大體圓柱形體積的材料變化。一般來說，如上文提到的，每一個脈沖串造成大約 1/100波長(λ/100)至1/10波長(λ/ιο)的0PD。因而，通過保持每一點處每一脈沖串的特定的脈沖數(shù)量(例如，5個脈沖)，在一個特定點的每一個隨后的位置上使用預定的0PD，在該實例中，為(10Χ(λ/100))，即1/10波長(λ/ ο)。當飛秒激光束沿橫向方向(B卩，平行于塑料薄膜的表面)移動時，由于各個軌跡的Λ η的變化引起了 OPD的變化。一旦確定了定制人工晶狀體(C-IPSM)期望的折射特性，則可計算出人工晶狀體的前表面層的模板(template)。然后，該信息被發(fā)送到制造臺，并用于編程人工晶狀體的這些層的各個像素。隨后，在植入該定制人工晶狀體之后，入射光被人工晶狀體眼中的光學部件折射，以在眼睛的視網(wǎng)膜上形成經(jīng)改善的圖像。由定制人工晶狀體(C-IPSM)導致的入射光束的折射使任何入射光束中的各個光束的光程長度彼此基本相等。以這種方式，攜帶圖像信息的入射光束由定制人工晶狀體(C-IPSM)來進行補償，以解釋人工晶狀體眼的折射像差，這已由適當?shù)臏y量數(shù)據(jù)證明了。對于定制人工晶狀體(C-IPSM)的微結(jié)構表面層的光學性能，可采用幾種折射和衍射光學原理來對定制人工晶狀體(C-IPSM)的性能進行不同的修改。這些設計包括折射相位結(jié)構(具有或不具有相位回卷)和衍射相位(“GRIN”)結(jié)構。球面的、非球面的、消色差的、雙焦點的以及多焦的實施例都是可行的。透鏡具有本發(fā)明特征的透鏡可以是植入到眼睛中的任何類型的透鏡，包括隱形眼鏡、放置到眼前房或眼后房中的人工晶狀體以及角膜鏡。當自然晶狀體存在且是人工晶狀體眼時，其中該自然晶狀體已通過例如白內(nèi)障手術去除，放置在眼后房中的IOLs經(jīng)常是有晶狀體眼(phakic)。本發(fā)明還用于在原位修改透鏡，包括諸如眼前房中的接觸鏡、眼后房或眼前房中的IOLs、自然角膜鏡以及自然晶狀體等透鏡。對于圖IA和圖1B,具有本發(fā)明特征的人工晶狀體10包括具有如表面14和后表面16的中央圓盤狀透鏡體12。優(yōu)選地，前表面14和后表面16兩者基本上都是平坦的，SP，它們具有的曲率小或不具有曲率(如凹面曲率或凸面曲率)。使用本發(fā)明的技術可以形成平-平人工晶狀體。如許多現(xiàn)有的人工晶狀體那樣，可有一對用于將透鏡固定在眼后房中的觸角(haptics) 18。術語“前面”和“后面”指的是當通常放置到人眼中時透鏡的表面，前表面14面朝夕卜，后表面16向內(nèi)面向視網(wǎng)膜。透鏡10具有光軸19，該光軸19為限定路徑(光沿其在透鏡10中傳播)的假想線。在圖IA和圖IB所示的本發(fā)明的實施例中，光軸19與透鏡的機械軸一致，但這不是必需的。雖然，優(yōu)選的是，通過透鏡體12中的修改軌跡來設置透鏡的所有光學效果，然而，如下文所描述的，也可以以現(xiàn)有方式來設置校正的光學效果，例如，使前表面、后表面，或者兩個表面均是彎曲的，比如凸面的、凹面的或復雜的彎曲。雖然是優(yōu)選的，然而，并不需要所有的光學校正都通過根據(jù)本發(fā)明的修改軌跡來進行設置。具有本發(fā)明特征的透鏡可以用于校正諸如近視(近視的)、遠視(遠視的)以及散光等視覺誤差。這些透鏡可以是非球面的和/或復曲面的。 透鏡10的透鏡體12由光學材料制成，該光學材料是目前存在的或?qū)泶嬖诘倪m用于制作用于植入到眼中的透鏡的任何材料。該材料典型地為聚合物。如下文詳細描述的，當利用激光進行處理時，用于透鏡體12的材料顯示出了折射率的變化。這種材料的非限制性實例包括在諸如接觸鏡和IOLs等眼科設備的制造中使用的那些材料。例如，本發(fā)明可以應用含硅氧基的聚合物、丙烯酸聚合物、其它親水性或疏水性聚合物、其共聚物及其混合物?？梢杂米鞴鈱W材料的含硅氧基聚合物的非限制性實例在美國專利6762271、6770728、6777522、6849671、6858218、6881809、6908978、6951914、7005494、7022749、7033391以及7037954中有描述。親水性聚合物的非限制性實例包括由N-乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酸羥乙酯、N，N-二甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸、聚(乙二醇單甲基丙烯酸酯)、4_羥丁基乙烯基醚(I, 4-butanediol mono vinyl ether )、2_氨乙基乙烯醚、二乙二醇單乙烯基醚、乙烯二醇丁基乙烯基醚、乙二醇單乙烯基醚、環(huán)氧丙基乙烯醚(glycidyl vinyl ether)、丙三基乙烯醚、碳酸乙烯酯以及乙烯基氨基甲酸酯的單元組成的聚合物。疏水性聚合物的非限制性實例包括由Ci-Cio甲基丙烯酸烷基酯(例如，甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丙酯、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸辛酯或甲基丙烯酸-2-乙基己酯，優(yōu)選為甲基丙烯酸甲酯以控制機械性能)、Ci-Cio烷基丙烯酸酯(例如，丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸羥丙酯或正己基丙烯酸酯，優(yōu)選為丙烯酸丁酯以控制機械性能)、C6-C40芳基燒基丙烯酸酯(例如,2-苯乙基丙烯酸酯(2-phenylethyl acrylate)、丙烯酸芐酯、3-苯丙基丙烯酸酯、4-苯丁基丙烯酸酯、5-苯乙基丙烯酸酯、8-苯辛基丙烯酸酯或2-苯基乙氧基丙烯酸酯，優(yōu)選為2-苯乙基丙烯酸酯以提高折射率)以及C6-C4tl芳基烷基甲基丙烯酸酯(例如，2-苯乙基甲基丙烯酸酯、3-苯丙基甲基丙烯酸酯、4-苯丁基甲基丙烯酸酯、5-苯戊基甲基丙烯酸酯、8-苯辛基甲基丙烯酸酯、2-苯氧基乙基甲基丙烯酸酯、3，3-二苯丙基甲基丙烯酸酯、2- (I-萘乙基)甲基丙烯酸酯、苯甲基甲基丙烯酸酯或2- (2-萘乙基)甲基丙烯酸酯，優(yōu)選為2苯乙基甲基丙烯酸酯以提高折射率)的單元組成的聚合物。優(yōu)選的材料為由N-苯甲基N-異丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸乙酯以及由乙二醇二甲基丙烯酸酯交聯(lián)的丙烯酸丁酯制成的疏水性丙烯酸聚合物。對于典型IOL來說，透鏡體12具有大約6mm的直徑，并且優(yōu)選具有大約50 μ m至大約1000 μ m的厚度20，典型為大約200 μ m至大約400 μ m,最優(yōu)選為大約250 μ m。這是比傳統(tǒng)IOL小的厚度。當透鏡10被折疊以放置到眼后房中時，因為其相對薄，外科醫(yī)生可以制作一個比傳統(tǒng)透鏡小的切口。這可以為病人提高安全性，并且認為能夠減少手術后恢復時間，以及減少手術引起的散光。而且，在本發(fā)明的實施例中，其中前表面和后表面是平坦的，易于插入透鏡，從而使白內(nèi)障手術的一些案例的創(chuàng)傷更小。典型屈光度處于-10至+40的范圍中。由透鏡10提供的光學效果是由于透鏡體12中的修改軌跡的存在，其中通過激光束形成修改軌跡，該激光束使修改軌跡具有與修改之前的透鏡材料不同的折射率。圖2示出的示例性透鏡體12的一部分，其中透鏡體12具有通常平行于透鏡體12的前表面14的兩個間隔開的平面層，上層22和下層23。層22和23的厚度優(yōu)選為50 μ m。只示出了每層的一部分，只示例性出示了上層22的修改軌跡。層22包含示例性的連續(xù)修 改的軌跡24a-24j。每一個軌跡24是直徑為大約I μ m的圓柱形，其軸通常平行于透鏡的光軸19。每一個軌跡24a-j包含由來自激光器的單一脈沖形成的一個或多個點26。每一個點的高度典型為大約5 μ m,因此，修改軌跡的高度的范圍為大約5 μ m至大約50 μ m。如圖2所示，軌跡24a包含10個點26，軌跡24b包含9個點，一直到包含一個點的軌跡24j。修改軌跡中呈現(xiàn)的材料結(jié)果是光程長度變化了。尤其是，相對于選定波長的光，每一個修改軌跡的光程長度與未修改軌跡的光程長度相比增大了大約O. I個波。通常，波長具有大約555nm的綠光是用于修改的基礎，因為典型地，該波長的光能被人眼最佳地接收。因此，每一個修改軌跡比未修改軌跡的光程長度的大于大約O. I個波至大約I個波的光程長度，其中該波長是相對于波長555nm的光來講。優(yōu)選地，存在充足的修改軌跡，使得通常沿平行于光軸19方向投射到透鏡10的前表面14上的光的至少90%，以及更優(yōu)選的至少99%通過至少一個修改軌跡24。圖3示出定制人工晶狀體10的多層微結(jié)構示意圖，該人工晶狀體10是膜狀的，展現(xiàn)出盤狀平面的外觀，并具有大約6mm的直徑62和大約500 μ m的寬度64。微結(jié)構的定制人工晶狀體的折射特性是寫入(inscribed)在表示為66至88的薄層(其典型地為50 μ m厚)中的。首先，例如在后表面16與平面69之間，在深度65處生成后層。因此，層72、74、76、78、80、82、84、86以及88是微結(jié)構的。附加層66、68以及70在所植入的定制人工晶狀體折射特性的活體內(nèi)微調(diào)(in-vivo fine-tuning)過程期間可以是微結(jié)構的,覆蓋了位于平面69與平面71之間的眼內(nèi)相移膜的前部，具有厚度67。每一個層66-88包含修改軌跡，典型地包含多于1000000的修改軌跡，并且可高達大約30000000的軌跡，并且每一個層典型地處于大體平行于透鏡體14的前表面14的平面中。圖4示出用于實現(xiàn)不同的光學效果的修改軌跡的模式。圖4A和圖4B所示的層提供了總計大約+0. 4屈光度的球面調(diào)節(jié)。其包含三個與光軸19同心且圍繞中心區(qū)域408的圓形環(huán)402、404以及406。因而,修改軌跡為與光軸同心的圓形組合(circular pattern)。最外面圓環(huán)402的外緣處于離光軸19為3mm的r4處，即，其處于透鏡體12的外圍邊緣處。第二環(huán)404的外緣處于離光軸19為2. 5mm的r3處。第三環(huán)406的外緣處于離光軸19為2mm的r2處。中心部分408的外緣rl處于I. 4mm處。每一個環(huán)由多個連續(xù)修改軌跡制成，其中每一個軌跡中的點的數(shù)量隨著該軌跡靠近光軸19而增加。因而，在第一環(huán)402的外緣處的修改軌跡具有一個點，并因而具有大約5μπι的高度，同時離光軸19最近的修改軌跡具有10個點，并因而具有大約50 μ m的高度。圖4C所示的層是圖案化的提供非球面聚焦效應。在該層中，最內(nèi)環(huán)406’和中心區(qū)域408’具有分別與圖4A中的環(huán)406和中心區(qū)域408相同的模式。然而，外環(huán)402’和404’具有翻轉(zhuǎn)的修改軌跡，使得在離光軸19更遠的修改軌跡中比徑向向內(nèi)的修改軌跡有更多點。因為rl、r2以及r3在圖4C所示的實施例中與在圖4A中相同，圖4B的俯視示意圖也適用于圖4C所不的布局。圖4D示出一種修改軌跡的圖案，以適應在透鏡的水平子午線上的散光和/或復曲面(toricitytaken)。在該實施例中，對于所有的環(huán)402〃、404〃和406〃以及中心區(qū)域408〃，在任何單個環(huán)中的修改軌跡的高度在接近光軸19的方向上逐漸降低，展現(xiàn)出了水平子午線上的散焦效果。圖4D的層的俯視圖在圖4E中示出，其中圖4D所示的層是水平地放置的。圖4D的散光連接層(astigmatic connecting layer)的垂直子午線與圖4A所示的相同。水平 子午線提供-O. 4屈光力，而垂直子午線提供+0.4屈光力。在45°對角線處，不存在折射效果O在所描繪的層的不同區(qū)域之間存在平滑過渡。每一個軌跡具有非常小的直徑，大約Iym數(shù)量級。因為存在具有相同數(shù)量的彼此相鄰的點的多個軌跡，所以從環(huán)的外側(cè)到環(huán)的內(nèi)側(cè)的過渡不需要點的數(shù)量穩(wěn)定逐步地降低。通過改變環(huán)的數(shù)量可以容易地提高或降低由透鏡10提供的光學效果。例如，利用在圖4A中示意性地示出的透鏡，每一個環(huán)提供O. I屈光力，因而，圖4A所示的透鏡提供O. 4屈光力。為了制作具有10屈光力的透鏡，其中每一個環(huán)貢獻O. I屈光度，該透鏡由大約100個環(huán)制作而成，其中99個環(huán)具有與圖4A中的環(huán)402、404以及406相同的一般構造，而中心環(huán)具有圖4A所示的中心環(huán)408的構造。然而，由于在相同的表面面積中存在更多的環(huán)，每一個環(huán)具有比圖4A中的環(huán)小得多的寬度。圖5和圖6展示了可以用來表征本發(fā)明的2JI模相位回卷技術的原理。具體而言，產(chǎn)生所形成的微結(jié)構，以補償相鄰光線(例如，光線542、光線544以及光線546)的陣列內(nèi)的光程長度差，使得所有連續(xù)的各個光束542、544以及546彼此同相。為了在此進行討論，各個連續(xù)的光束542、544以及546考慮為示例性的。在圖5中，第一光束542和第二光束544的正弦特性被示為時間的函數(shù)。如果光束542和544彼此同相(在圖5中它們不同)，則第二光束544將示出疊加在第一光束542上。然而，如圖所示，光束542和544彼此不同相，并且該相位中的差被示為相移590。概念性地，該相移590可以被認為是時間差或傳播的距離差。例如，在特定時間點592處，第一光束542處于自由空間的某一位置處。然而，由于相移590,直到隨后的時間點594第二光束544才處于該相同位置處。對于圖5所不的情況，當考慮到第一光束542從時間點592到時間點596而傳播360° (2 弧度)的完整周期或循環(huán)時，第一光束542與第二光束544之間的相移590的幅度小于2 31。對于圖6中描述的第一光束542和第三光束546,第一光束542的時間點592對應于第三光束546的時間點598。因此,存在于第一光束542與第三光束546之間的總相移604大于2π。如所預期的，對于本發(fā)明，總相移604實際上包括等于2π的模塊相移(modularphase shift)500和小于2 Ji的單個相移502。使用該記法，在任何兩個光束之間的總相移604可以表示為等于n2 的模塊相移500與小于2 π的單個相移502的總和，其中，“η”是整數(shù)，單個相移502是所謂的模2 π相移。因而，該整數(shù)“η”可以取不同的值(例如，0、1、2、
3......)，具體而言，對于光束544 (圖3Α)，η=0，而對于光束546 (圖3Β), η=1。在所有情
況下，通過與相應的作為參考的光束542比較來確定每一個光束544和546的總相移604。然后，可以從總相移604減去模塊相移500，以獲得特定光束544和546的單個相移502。然而，首先，確定總相移604。參考圖4Α，在每一個軌跡處，從總相移604減去模塊相移500 (=ηΧ2 π )，以得到單個相移502，例如，在圖4Α中，在中心區(qū)域中的模塊相移500總計為0X2 31=0，在第二區(qū)域(rl至r2)中為1Χ2π ,在第三區(qū)域(r2至r3)中為2Χ2π=4π，以及在第四區(qū)域(r3至r4)中為3Χ2π=6 Ji。單個相移502 CO Ji至2 π，對應于O. O至I. O個波)被刻入到相當 于5μηι至50μηι深的軌跡中。因此，進一步參考圖4Α，繪制了當放置微結(jié)構的定制人工晶狀體時局部相移(local phase-shift)對離瞳孔軸的距離的相關性，在徑向位置rl上，相移從光軸19處的2π (相當于I. O個波)變?yōu)榱恪＜僭O，撞擊在微結(jié)構的定制人工晶狀體上的最初光束是校準了的，展現(xiàn)了各個光線具有相同的光程長度，形成平坦的光波。各個光線在微結(jié)構的定制人工晶狀體中移動的結(jié)果是，產(chǎn)生了聚焦的光波。在光束的中心部位，在由半徑rl限定的面積內(nèi)，光學相移相對于離光軸的距離呈二次方變化。在位置rl處，執(zhí)行零移相，相當于
O.O個波。側(cè)向鄰近半徑rl的相鄰光線經(jīng)受了相當于I. O個波的2 相移，在2 π模相位回卷技術的區(qū)域邊界處，導致了相當于I. O個波的2 31的特性相位跳躍(phase-jumps)。參考圖5，該相位跳躍了 2π的量，多個2π (“相移500”)可分別視為“趕上下一個波”，其與相鄰的光束的關系是延遲了一個全周期2 π。一般來說，在徑向位置rl、r3以及r4的每一個處，局部相移跳躍了 2 (對應于I. O個波)，然而，在這些跳躍之間，相位從相當于I. O個波的2 呈二次方變化為相當于O. O個波的零。通常，存在充足的修改軌跡，使得透鏡體的折射率已被充分修改，以將透鏡體的屈光力改變?yōu)橹辽?0. 5 (+0. 5至+X)或至少(-0. 5至-Y)，其中X可以為大約48，Y可以為大約15。在本發(fā)明的多層實施例中，典型地這些層間隔至少一微米，優(yōu)選地間隔至少5 μ m。在該多層實施例中，可以為特定選擇光的波長優(yōu)化不同的層。例如，可以為第一波長的光(如綠色)優(yōu)化第一層，為與第一波長相差至少50nm的第二波長的光(如紅光)優(yōu)化第二層，以及可以為與第一波長和第二波長兩者均相差至少50nm的第三波長的光(如藍光)
優(yōu)化第三層。而且，可以形成不同的層以將光聚焦在不同的焦點。多層的另一種使用是使單層實現(xiàn)多個光學校正，而不是將所有視力校正都在單個層中實現(xiàn)。因而，可以是第一層提供屈光度調(diào)節(jié)，而其它層以提供諸如復曲面調(diào)節(jié)或非球面調(diào)節(jié)等其它光學校正。因而，第一層可以提供屈光度調(diào)節(jié)，第二層軌跡可以提供復曲面調(diào)節(jié)，以及第三層可以提供非球面調(diào)節(jié)。用于制作和修改誘鏡的系統(tǒng)
本發(fā)明使用緊密聚焦在光學聚合物材料上的足夠能量的短激光脈沖，以形成透鏡。焦點處的高密度光引起光子的非線性吸收(典型的多光子吸收)并造成在該焦點處的材料的折射率的變化。只要在聚集區(qū)外側(cè)的材料區(qū)域受到激光的影響最小。因此，利用激光來修改光學聚合物材料的選擇區(qū)域?qū)е铝嗽谶@些區(qū)域的折射率的正向改變。因而，可以通過利用具有O. 05nJ至IOOOnJ脈沖能量的聚焦的可見或近紅外激光照射光學聚合物材料的選擇區(qū)來形成透鏡。所照射的區(qū)域展現(xiàn)了小的或沒有散射損失，這表示在所照射的區(qū)域中形成的結(jié)構在適當放大無對比增強(contrast enhancement)的情況下不清晰可見。該方法中使用的聚焦激光的脈沖能量部分地取決于被照射的光學材料的類型、所期望的折射率的變化是多少以及想要在材料內(nèi)刻入的結(jié)構類型。所選擇的脈沖能量也取決于將這些結(jié)構寫入光學材料中的掃描速率。典型地，掃描速率越大需要的脈沖能量越大。例如，一些材料需要O. 2nJ至IOOnJ的脈沖能量，然而，其它光學材料需要O. 5nJ至IOnJ的脈沖能量。 保持脈沖寬度，以使得脈沖峰功率足夠強以超過光學材料的非線性吸收的閾值。然而，由于玻璃的正色散，使用的聚焦物鏡的玻璃能夠顯著地提高脈沖寬度。補償方案用來提供的相應的負色散，其能夠補償由聚焦物鏡引入的正色散。因此，在該申請中的術語“聚焦的”指的是使用補償方案校正由聚焦物鏡引入的正色散，來自激光器的光在光學聚合物材料內(nèi)的光的聚焦。該補償方案可以包括從由至少兩個棱鏡和至少一個反射鏡、至少兩個衍射光柵、一啁啾反射鏡和色散補償鏡組成的組中選擇的光學裝置，以補償由聚焦物鏡引入的正色散。具有聚焦物鏡的補償方案的使用能夠產(chǎn)生具有O. OlnJ至IOOnJ或O. OlnJ至50nJ的脈沖能量以及4fs至200fs的脈沖寬度的脈沖。有時，產(chǎn)生具有O. 2nJ至20nJ的能量以及4fs至IOOfs的脈沖寬度的激光脈沖是有利的。可替代地，產(chǎn)生具有O. 2nJ至IOnJ的能量以及5fs至50fs的脈沖寬度的激光脈沖也是有利的。該激光器能夠產(chǎn)生波長處于紫輻射到近紅外輻射范圍的光。在不同的實施例中，激光的波長處于400nm至1500nm、400nm至1200nm或600nm至900nm的范圍。圖7示意性地示出用于形成修改軌跡的優(yōu)選設備702。設備702包括激光器704(優(yōu)選地如在雙光子顯微鏡中使用的飛秒激光器)、控制單元706、掃描單元708、用于透鏡盤12的支架710以及用于移動在其中正形成修改軌跡的透鏡盤12的裝置712。從加利福尼亞森尼維耳市 Calmar Laser 有限公司(Calmar Laser, Inc, Sunnyvale, California)可獲得適合的激光器。由激光器發(fā)射的每一個脈沖可以具有大約50飛秒至大約100飛秒的持續(xù)時間以及至少大約O. 2nJ的能級。優(yōu)選地，激光器704每秒產(chǎn)生波長為780nm且脈沖寬度為大約50fs的大約5千萬個脈沖，其中每一個脈沖具有大約IOnJ的脈沖能量，該激光器為500mW激光器。發(fā)射的激光束721經(jīng)由控制脈沖頻率(典型地大約50MHz至IOOMHz的重復率)的聲光調(diào)制器724由轉(zhuǎn)鏡722進行定向。當由激光器發(fā)射時，激光束721典型地具有2mm的直徑。然后，激光束721在將脈沖空間地分成多種光束的掃描單元708中傳播。該模式可以是光柵掃描模式或飛點模式。通過計算機控制系統(tǒng)726來控制掃描單元708以在透鏡盤12中提供修改軌跡的所需構造。從激光器發(fā)射的光束721具有大約2nm至大約2. 5nm的直徑。光束721在射出掃描器708之后聚焦成適用形成修改軌跡的大小，典型地形成直徑為大約I μ m至大約3 μ m的軌跡?？梢岳蒙炜s鏡對(telescopic lens pair) 742和744以及顯微物鏡746來進行聚焦，其中另一個轉(zhuǎn)鏡748將光束從透鏡對指向到顯微物鏡。聚焦顯微物鏡可以是具有3. 3mm焦距的40X/0. 8物鏡。掃描和控制單元優(yōu)選為從位于德國海德堡的海德堡工程(Heidelberg Engineering)獲得的海德堡光譜(Heidelberg Spectralis) HRA 掃描單兀。掃描單元中的光學器件允許直徑為大約150 μ m至大約450 μ m的區(qū)域被修改，而無需移動透鏡盤12或者光學器件。典型地，厚度為50 μ m的單層可以在大約一分鐘內(nèi)在一個區(qū)域中被微結(jié)構化。為了修改透鏡盤12的其它區(qū)域，有必要利用移動裝置712移動支架710。移動裝置712允許沿“z”方向移動，以在不同的層中提供修改軌跡，并且允許沿“X”方向和“y”方向移動，以處理處于相同深度的不同區(qū)域。移動裝置712用作精確定位系統(tǒng)，以涵蓋眼內(nèi)圓盤(intraocular disk)的外徑,典型地其具有6mm的直徑。
支架710可以是托架、具有透鏡大小的凹槽的傳送帶、具有透鏡大小的凹槽的托盤，以及能夠足夠穩(wěn)定地支撐透鏡以形成期望的折射模式的任何其它結(jié)構。移動裝置可以是典型地由電機驅(qū)動的任何機械結(jié)構，提供沿X方向、y方向以及Z方向的移動(即，三維移動)。這些電機可以是步進電機。典型地,移動高達大約IOmm/秒。透鏡制造過程使用步進通過xyz定位從雙光子顯微鏡的一個掃描區(qū)段(直徑典型的為450 μ m)到下一個掃描區(qū)段(光柵掃描或飛點掃描)。雙光子顯微鏡提供深度掃描。典型地，在雙光子顯微鏡的范圍內(nèi)可以完成一個折射層?？商娲?，由機械z定位來提供z定位，以便延伸抵達至盤14中更深的層?？刂茊卧?06可以是包括存儲器、處理器、顯示器以及輸入裝置(如鼠標和/或鍵盤)的任何計算機。當對移動裝置712來說必要時，控制單元被編程為通過將控制指令提供給掃描單元708而在盤12中提供修改軌跡所期望的模式。形成圓盤的示例性過程在圖8中示出，其中光束保持靜止(即，不使用掃描器)，并且機械地移動目標圓盤。當該過程開始時，提示用戶在步驟801中選擇所需的透鏡。接下來，用戶在步驟802中提供用于在激光脈沖期間掃描圓盤14的所需速度。只有當該計算機確定這個速度為安全速度(典型地，每秒移動4mm或更少)時，程序在步驟803中接收輸入。該程序接下來將激光器設定為使用最大功率，并在步驟804中提示用戶確認以繼續(xù)進行。在這一階段，程序為用戶提供在步驟805之前避免透鏡寫入的最后機會。如果用戶已選擇放棄寫入，該程序終止。否則的話，該程序在步驟806中修改記錄文件，以記錄適合于記錄保持和前進的變量。該激光沿X方向和y方向兩者的一個極點位置(其構成原點位置)開始。修改透鏡中的每一個層可以被認為是深度等于點的厚度的小層的堆疊。在一給定小層上，激光跨越一個維度(例如，X)，同時保持其它兩個(例如，y和Z)不變，從而寫入一系列的點。該程序在步驟807中通過找出構成當前系列的起點的柵格位置來啟動每個系列。接下來，在步驟808中，該程序在適當?shù)奈恢脤懭朐撓盗小．敵绦蛞褜⒓す鈷呙璧浇o定系列的外邊界時，其在步驟809中修改記錄文件以反映完成了該系列。然后，該程序在步驟810中查詢輸入指令以確定是否存在待形成的后續(xù)系列。繼續(xù)該過程直到給定小層中的所有系列的修改軌跡都形成了。每當需要準備新系列時，該程序進展到第二變量(例如，y)，并且重設第一維(例如，X)以開始新系列807。一旦激光在小層的所有柵格位置中完成了掃描，相繼考慮了每一個且在適當時寫入了該系列，則該程序完成了該小層的寫入。然后，在步驟811中掃描器將第一維和第二維重設為最初位置，從而激光返回到其原點位置。程序在步驟812中更新記錄文件以顯示完成該層。該程序然后在步驟81 3中查詢以確定是否需要更多的小層來實現(xiàn)用戶期望的透鏡。如果需要更多的小層，則該程序前進到第三維(例如，z)，并且重復上述過程，以為新層817的第一條線找出第一柵格位置開始。如果不需要更多的小層，則該程序在步驟814中將激光返回到全部三維的最初的原點位置，在步驟815中修改記錄文件以反映完成寫入以及系統(tǒng)時間，并終止執(zhí)行。典型地，一旦完成具有I至10個小層的層，則需要制備的任何其它層可以使用相同的過程進行制備。在一可選的程序中，掃描器708的焦點可以沿z方向(深度)移動，以形成更深的點。通常，形成處于相同深度的全部點，然后形成處于該層中下一個深度的全部點，直到形成該層中的全部點。存儲器可以是用于存儲數(shù)據(jù)的一個或多個設備包括只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)、磁盤存儲介質(zhì)、光存儲介質(zhì)、閃存設備和/或其它用于存儲信息的機器可讀介質(zhì)。可以通過硬件、軟件、固件、中間件、微碼或其組合來實現(xiàn)該控制。當在軟件、固件、中間件或微碼中實現(xiàn)時，用來執(zhí)行必需任務的程序代碼或代碼段可以被存儲在諸如存儲介質(zhì)或其它存儲器等機器可讀介質(zhì)中。處理器可以執(zhí)行該必需任務。代碼段可以表示流程、函數(shù)、子程序、程序、例程、子例程、模塊、軟件包、類，或者是指令、數(shù)據(jù)結(jié)構或程序語句的組合。通過傳遞和/或接收信息、數(shù)據(jù)、命令行參數(shù)(arguments)、參數(shù)或存儲內(nèi)容，代碼段可以耦合到另一個代碼段或硬件電路?？梢越?jīng)由包括內(nèi)存共享、消息傳遞、令牌傳遞、網(wǎng)絡傳輸?shù)群线m途徑來傳遞、轉(zhuǎn)發(fā)或發(fā)送信息、命令行參數(shù)、參數(shù)、數(shù)據(jù)等。任選地，對于圖像清晰度和焦深，自適應光學模塊(AO-module)可以用來模擬折射校正的效果。AO模塊可以由相點補償器和用于預補償由激光器704產(chǎn)生的單個光束的主動鏡組成。用來補償光束中的非對稱像差的適應性光學器件用于申請?zhí)枮?611244的美國專利中描述的發(fā)明。利用自適應光反饋控制來預補償人眼的折射特性的方法和設備在專利號為6155684的美國專利中得到了描述。主動鏡的使用在美國專利號6220707中得到了描述。用于雙光子信號的光學分辨率(Axy，Λζ)總計為2Axy=2X (O. 325 λ ) /(ΝΑΟ. 91)=622nm (l/e2 直徑)，Λ z=2X0· 532X I/ (η- V n2_NA2)=3102nm (NA=數(shù)值孔徑，例如,0.8)。這得出了點的大小。光柵掃描方式中典型的掃描區(qū)域總計為150 μ m視場(field of view) :5Hz的1536X 1536 像素或 IOHz 的 786 X 786 像素；300μπι 視場5Hz 的 1536 X 1536 像素或 9Hz 的786X 786 像素；450μπι 視場5Hz 的 1536X 1536 像素或 9Hz 的 786X786 像素。對于形成修改軌跡時的質(zhì)量控制，激光器可以用來從透鏡材料的自發(fā)熒光產(chǎn)生光。修改軌跡比未經(jīng)修改的材料產(chǎn)生更多的熒光。如果在發(fā)射的熒光中未檢測到適當增加，則表示沒有恰當?shù)匦纬尚薷能壽E。用于檢測自發(fā)熒光的合適的系統(tǒng)在2010年3月4日提交的同時待審的(copending)美國專利，其申請序列號12/717866 (律師檔案號19330-1)題目為“System for Characterizing A Cornea And Obtaining An Ophthalmic Lens”的圖7中示出。而且，檢測的自發(fā)熒光可以用于定位來自顯微鏡物鏡746的激光束的系統(tǒng)焦點，以使用所檢測的修改軌跡作為參考位置來形成額外的軌跡。針對任何特定病人，使用常規(guī)的設計透鏡的技術可確定由透鏡10提供的光學效果。參見例如在專利號為 5050981 (Roffman)、5589982 (Faklis),6626535 (Altman)、6413276 (fferblin),6511180 (Guirao 等人)以及 7241311 (Norrby 等人)的美國專利中描述的技術。合適的技術在上文提及的同時待審的美國專利申請中得到了描述，其申請序列號 12/717866 (檔案號 19330-1)。任選地，在圓盤中可包含激光束波長范圍的光吸收劑，以降低用于形成修改軌跡所需的能量。可取的是，為此目的使用盡可能少的能量，這是因為，曝光于過多能量可導致透鏡體12的破裂或其它不良的機械變化?？膳c激光器704 —起使用的UV吸收劑的實例是苯并三唑(benzotriozoles)的衍生物(如2- (5-氯-2-H-苯并三唑-2-基)-6- (I, I-二甲基乙基)-4-(丙烯基氧丙基(propyenyloxypropyl))苯酹以及作為吸收390nm波長的黃 色染料的苯酮(benzophenol)衍生物,如3_乙烯基_4_苯偶氮苯胺(3-vinyl_4-phenylazophenylamine)。優(yōu)選地，提供的UV吸收劑的量是按用于形成透鏡體12的材料的重量計算，至少O. 01%，和高達按重量計算的大約1%。在圖9中，示出了在塑料材料中實現(xiàn)永久性結(jié)構變化的閾值能量(I) (nj)與芳烴UV吸收劑濃度(％)的關系。典型的特性展現(xiàn)了閾能對UV吸收劑濃度的強依賴性，表示了隨著UV吸收劑的濃度局部永久性結(jié)構變化的增強，這是由于處于390nm波長(半個參考入射飛秒激光脈沖的波長780nm)的雙光子吸收過程的概率增大。塑料主體分子的局部相互作用導致局部的塑料材料的部分微晶化，使得折射率η增大Λη。如在商用人工晶狀體材料中使用的處于O. 8%濃度的UV吸收劑需要大約O. InJ的閾能。相反，在非摻雜塊狀塑料中需要大約InJ的閾能。基于直徑大約為Iym的光點大小,來規(guī)定閾能,分別產(chǎn)生大約O. OlJ/cm2和O. lj/cm2的閾值激光能量密度。圖10示出利用飛秒激光脈沖改變塑料折射率的激光-材料相互作用過程。在圖10A中，折射率的變化Λ η被繪制為脈沖能量的函數(shù)；在圖10Β中，折射率的變化Λ η被繪制為聚焦面積中在固定的脈沖能量下(例如，0. 2nJ)的脈沖數(shù)量的函數(shù)。圖10Α中的曲線1050展示出隨著脈沖能量從0. InJ上升至8nJ，折射率η的變化Λ η從大約0. 1%增強為大約I. 0%。在曲線1050的位置1052處表示最初出現(xiàn)的可測量的折射率η的變化An的閾值；在近似8nJ的脈沖能級處，與近似0. 8J/cm2的激光通量對應，達到了塑料光分裂的閾值，導致材料的附帶損壞和渾濁化，使得更容易引起塑料中傳播的光的不良散射損失。如從曲線1050可看出，可行的脈沖激光能量范圍跨越兩個數(shù)量級,從0. 05nJ至8nJ,在近似0. 2nJ的脈沖能量處，允許在該范圍的較低端發(fā)生的制造過程安全運行。在非摻雜塑料中，相應的制造過程安全范圍只跨越接近一個數(shù)量級。此外，由于摻入UV吸收劑而導致的低脈沖能量允許特別光滑地修改材料的特性，以提供眼內(nèi)相移膜具有極低的光散射損失。在圖10B中，曲線1060表示在聚焦體積中大約50個激光脈沖的累積效應產(chǎn)生了大約1%的折射率變化Δη，足以在厚度為50 μ m的塑料層中實現(xiàn)I. O個波的光程長度差(OPD= (An)X厚度)，選擇0. 2nJ的低脈沖能量。在圖11中，示例性地顯示了眼內(nèi)相移透鏡的制造過程，其中掃描單元708提供一光柵掃描模式。展示了十個相鄰小層的連續(xù)定位的流程，其中每一個區(qū)域包括密集地隔開的光柵掃描模式。光柵掃描小層1176、1178、1180、1182、1184、1186、1188、1190、1192以及1194的堆疊1170在X- (1172)和y- (1174)坐標系中示出，并延伸為近似50 μ m的厚度1202，S卩，每一個小層相當于近似5 μ m。對于x (1198)和y (1199)的尺度，各個小層的橫向尺寸典型地在150 μ m至450 μ m之間變化，允許在每點直徑為I μ m的焦點體積內(nèi)激光脈沖的疊加變化具有因子10。該表面1996是層的端部。在圖12中，呈現(xiàn)了眼內(nèi)相移透鏡的制造過程，其中掃描單元708提供分層飛點模式。例如，示出了十個緊密隔開的圓形掃描(circular scans)的連續(xù)定位。圓形掃描1216、1218、1220、1222、1224、1226、1228、1230、1232 以及 1234 的堆疊 1210 在 x (1212)和
I(1214)坐標系中示出，并延伸到近似50 μ m的厚度1238，即，在各個圓形掃描或小層之間的距離相當于近似5 μ m。圓形掃描的直徑1236可從幾微米小至大約450 μ m,使得對于每一可分辨點激光脈沖的疊加的量可在較大的范圍內(nèi)改變。通過改變掃描線的長度，可以根據(jù)需求選擇每一線的序列點(sequence of spots)的速度。各個掃描線可展現(xiàn)出不同的形狀。最小的掃描細節(jié)的分辨率符合直徑為近似I μ m的雙光子顯微鏡的分辨率限制，其中， 如參考圖11描述的，當由雙光子顯微鏡給定最小光柵掃描區(qū)域時，光柵掃描過程限制在近似150 μ m的分辨率。為了實際應用，眼內(nèi)相移薄膜的制造過程由雙掃描系統(tǒng)以互補方式來完成利用時間最優(yōu)的光柵掃描方法來執(zhí)行該過程的大部分，而通過具有固有的高空間分辨率的飛點掃描器來提供所需折射特性的細節(jié)。在圖13中，展示出了通過逐點改變折射率變化Λη而產(chǎn)生的折射分層結(jié)構。一般來說，折射結(jié)構集合在眼內(nèi)相移透鏡體12中的矩形層中。在圖13中，示出了眼內(nèi)相移薄膜器件的一部分，包括例如寬度分別為150 μ m、300 μ m和450 μ m的三個相鄰條紋1344、1348、1350和1384。透鏡體14的區(qū)域的總尺寸為900 μ m的寬度1340和50 μ m的厚度1342。由于沿X方向和Y方向的每一掃描線的標準像素數(shù)量被選擇為1536X 1536像素，因而每一掃描線1346、1350和1354的脈沖密度分別相當于每微米10個脈沖、每微米5個脈沖和每微米3個脈沖，產(chǎn)生的二維疊加因子為每光點100個脈沖、每光點25個脈沖和每光點9個脈沖。這種用于形成透鏡的方法被我們稱為“折射率成形(Refractive IndexShaping)”(RIS),其中使用紅外飛秒激光脈沖貓準在圓盤內(nèi)的預定三維空間，其中圓盤位于IOL的前表面和后表面之間，直徑高達大約6mm且高度為50-100 μ m的。具有的折射率(RI)高于周圍IOL透鏡材料的層或區(qū)域限定了最終的透鏡。這種由激光制造的“透鏡”的屈光力由其幾何形狀和Λ (RI)來確定，其中，Λ (RI)=(修改區(qū)域的RI)- (I0L材料的RD0 “透鏡”的幾何形狀由沖擊圓盤內(nèi)目標位置的激光束的模式來確定，這個過程被我們稱為“寫入透鏡”的過程。術語“RIS速度”被定義為這樣一種速度，μ m/秒，激光束以這種速度在透鏡中移動，以改變處理區(qū)域的折射率。通常，存在RIS速度范圍。如果激光束移動太慢(慢于該RIS速度)，則激光束會在一個位置處停留過長，而這會燒傷透鏡聚合物材料。如果激光束移動太快(快于該RIS速度)，則不能改變所處理的區(qū)域的折射率。許多因素會影響該RIS速度，例如，激光功率以及黃色染料和UV吸收劑作為摻雜劑的使用。通過增加UV吸收劑和/或黃色染料，可提高RIS速度?，F(xiàn)有IOL包含1%或更少的UV吸收劑，典型地所提供的量足以在大約385nm處提供90%的截止，即，處于200_380nm范圍中的90%或更多UV光線被UV吸收劑吸收或吸入。通常使用的UV吸收劑是取代苯并三唑(benzotrazoles)和取代苯麗(benzophenoes)。UV吸收劑可以是苯并喔唑(benzotriozoles)的丙烯酸衍生物，并且最優(yōu)選的是按重量計算至少大約15%的UV吸收齊U。優(yōu)選地，為了提高RIS，聚合物透鏡體包含按重量計算至少5%的UV吸收劑，更優(yōu)選的是按重量計算至少10%。而且，該材料可以提供有黃色染料。一些IOL的制造使用了黃色染料以阻擋有害藍光進入眼睛而抵達視網(wǎng)膜。常規(guī)黃色染料通常具有芳族偶氮結(jié)構，并且其在IOL中的濃度按重量計算通常低于0.5%。優(yōu)選的量是按重量計算至少大約IOOppm (百萬分之)，以加快RIS。優(yōu)選地，黃色染料濃度為至少大約150ppm，更優(yōu)選的為至少大約500ppm，并通常高達大約lOOOppm。合適的黃色染料是3VPADPA (N-苯基-4- (3-乙烯基苯基偶氮)-苯胺)(N-PhenyI-4- (3_Vinylphenylazo)-Aniline)。它可以以大約 4000ppm 的濃度溶解在乙二
醇二甲基丙烯酸酯中且被添加到用于形成透鏡的單體。利用這些量的黃色染料和UV吸收劑，使用40mW (毫瓦)的激光器，可以實現(xiàn)至少每秒400 μ m (典型地為每秒大約100 μ m至大約200 μ m)的RIS速度。優(yōu)選地，500mW激光器使用至少每秒50mm的RIS速度。通常，通過將人工晶狀體折疊并經(jīng)由縫隙引入眼中而將其插入人眼中。優(yōu)選地使用更高等級的染料和UV吸收劑來增加最終透鏡的硬度。這需要通過單體的恰當選擇來適應，以維持透鏡可折疊，并且具有體溫(即，37°C或更小)或更小的玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)，更優(yōu)選地為小于室溫(即，等于或小于20°C)。為了實現(xiàn)該結(jié)果，修改單體以及在形成透鏡過程中使用的單體濃度的相對量都在該技術領域的技巧內(nèi)。原位修改大體上，可以使用上文討論的相同的方法和設備用于原位修改透鏡。這包括人工晶狀體、角膜鏡、角膜接觸鏡以及自然晶狀體。在大多數(shù)例子中，透鏡已具有諸如屈光力、復曲面和/或非球面性等光學特征。該方法用于微調(diào)透鏡，并為LASIK手術提供選擇。對于原位修改，使用了圖7的設備，除了不需要透鏡架710或用于移動透鏡的裝置712之外。更確切地說，由聚焦系統(tǒng)提供的修改的領域范圍只涵蓋正被修改的透鏡的部分，可以改變該聚焦系統(tǒng)聚焦到其它區(qū)域。參考圖14，使用圖7的設備可以修改自然晶狀體的直徑大約6mm的層1410。該層1410包含修改軌跡，每一個修改軌跡具有I到10個點。典型地，作為一個掃描區(qū)域，直徑大約2mm的區(qū)域被修改。圖7的設備的透鏡系統(tǒng)依次移動以修改其它區(qū)域。每一個區(qū)域可以具有一個或多個修改軌跡平面。利用定制透鏡設計和原位修改的概念，可以通過例如修改角膜，在人眼中實現(xiàn)定制化的屈光矯正。可選用本文描述的方法以在人類角膜中產(chǎn)生折射層。例如，假設在膠原組織中有1%的折射率改變，則暴露角膜前面的基質(zhì)在厚度50 μ m的層中就足以促成高達+/-20屈光度的折射校正。一系列的修改軌跡層優(yōu)選地被放置位于角膜表面下方100 μ m至150μπι處。也可實現(xiàn)校正復曲面和非球面屈光不正以及高階光學像差。與定制IOL-設計的情況類似，通過在該領域中熟知的技術或者通過上述序列號為12/717866的同時待審申請(代理人檔案號19330-1)中描述的技術可以計算出所需的校正?；诟鞣N角膜組織的自體熒光成像，并提供在線過程控制，通過雙光子顯微鏡704可促成原位組織替換過程。與聚合物透鏡材料相反，角膜組織是不均勻的。利用熒光和二次諧波發(fā)生(SHG)成像方式，通過雙光子顯微鏡可以看到角膜的結(jié)構。在圖14中，描述了人類晶狀體的前面部分內(nèi)側(cè)的折射層的產(chǎn)生。優(yōu)選地，選擇位于晶狀體前囊下方大約100 μ m的層1410。修改晶狀體組織的應用方法尤其適合于產(chǎn)生多焦點的老花眼中，以有助于近視力(near vision)或校正近視癥(近視眼)或遠視癥(遠視目艮)以及散光癥(復曲面(toricity))。參考圖15，人眼中的角膜2000從其前表面到其后表面包括以下部分S卩，扁平上皮2002、前彈性層2004、基質(zhì)2006、后彈性層2008以及內(nèi)皮層2010。修改層2012處于基質(zhì)中，并且其上表面2014位于角膜2000的前表面2016下方大約100微米處。優(yōu)選地，該層的厚度為大約50微米。為了有效修改角膜，需要精確了解角膜的前表面所在位置。確定角膜的前表面的位置的優(yōu)選技術是根據(jù)于2010年3月4日提交的序列號為12/717866的共同待審申請中所描述的。具體地，一波長的紅外光照明角膜的前表面，當照明時，所述波長為能夠從角膜的前表面產(chǎn)生的熒光的波長，并能檢測到所產(chǎn)生的熒光。典型地，紅外光具 有大約780nm的波長。用激光修改角膜的效果取決于所處理角膜部分的密度。用于確定角膜前表面位置的技術可以用于確定角膜的不同部分的密度。一旦確定，可改變由激光器提供的功率，其中，當激光束修改角膜的具有更高密度的部分時所提供的能量比當修改具有較低密度的部分時的能量多。例如，大約多3%的能量用于更高的密度區(qū)域。實例I (標準誘鏡)微分干涉差(DIC)顯微鏡用來確定有效的RIS速度范圍。使用40mW激光器，對于標準的Aaren疏水性丙烯酸IOUAaren科技有限公司，150ppm黃色染料),有效RIS速度處于5 μ m/秒至75 μ m/秒的范圍內(nèi)。當經(jīng)由DIC顯微鏡進行觀察時，如果RIS速度慢于5 μ m/秒，則激光束會過長地停留在同一光點處，結(jié)果會燒壞材料。如果RIS速度大于75 μ m/秒，激光在改變材料的折射率方面是無效的。實例2 (變化激光功率、黃色染料以及UV吸收劑的效果)重復實例I的方案，不同的是激光能量從IOmW變化為20mW、從IOmW變化為40mW ；黃色染料的量從按重量計算從150ppm改變?yōu)?00ppm、從150ppm改變?yōu)镮OOOppm ;而UV吸收劑的量從按重量計算從O. 8%改變?yōu)?%。在圖16和圖17中示出其結(jié)果。如圖16所示，當激光能量從20mW加倍到40mW時，對于全部三個測試材料，高RIS速度極限增大了將近8倍。當黃色染料濃度從150ppm增大到500ppm以及從150ppm增大IOOOppm時,RIS速度增大，如圖16所示。圖16中的全部材料包含相同量的UV吸收劑(O. 8%)。如圖17所示，IOL中UV吸收劑百分比的增加會增加RIS速度，甚至比黃色染料更加有效。實例3 (利用額外的UV吸收劑形成聚合物誘鏡體)成功制備具有8%的UV吸收劑量的聚合物材料，如下在配備有磁性攪拌棒的圓底燒瓶中加入20. 15克的BPA (N-芐基N-異丙基丙烯酰胺)、11. 4克的UV吸收劑UVAM(2- (5-氯-2H-苯并三唑-2-基)-6- (I, I- 二甲基乙基)-4-乙烯苯酚)(2- (S-ChloroJH-benzotriazoH-yDU I, 1-dimethylethyl )-4_ethenylphenol )、0· 18 克的 ΑΙΒΝ(2, 2_偶氮二異丁腈)、30. 88克的EMA (甲基丙烯酸乙酯)、5. 20克的黃色染料溶液(不純的黃色染料)、2. 18克的交鏈劑-EDGMA (乙二醇二甲基丙烯酸酯)、以及73. 75克的BA (丙烯酸丁酯)。EGDMA (乙二醇二甲基丙烯酸酯)中由具有4000ppm濃度的3VPADPA (N-苯基-4- (3-乙烯基苯基偶氮)-苯胺(N-Pheny 1-4- (3_Vinylphenylazo)-Aniline))組成的黃色染料溶液。在該圓底燒瓶被放置在磁攪拌板上并攪動了 60至90分鐘之后，混合溶液被轉(zhuǎn)移到玻璃板模具中。該模具被放置到預加熱的處于65°C的對流烘箱中用于固化過程。溫度在8小時內(nèi)被提高到140°C，然后冷卻到30°C。在將該片材從玻璃模具移開之后，其被沖壓成直徑為16mm的圓鈕。在被加工成IOL之前，在酒精中提取該圓鈕，然后在真空中將其干燥。用如下不同濃度的UV吸收劑重復該過程對于具有4%的UV吸收劑，加入了 5. 7克的UVAM ;對于具有16%的UV吸收劑，加入了 22. 8克的UVAM。在硬度計上測量硬度特性，由DSC來測量玻璃轉(zhuǎn)化溫度。結(jié)果呈現(xiàn)在表I中。 表I透鏡材料硬度和玻璃轉(zhuǎn)化溫度
權利要求
1.一種聚合物透鏡體，其特征在于被設計為可植入到人眼中的人工晶狀體，并且按重量計算包含至少5%的UV吸收劑。
2.根據(jù)權利要求I所述的透鏡體，其按重量計算包含至少10%的UV吸收劑。
3.根據(jù)權利要求2所述的透鏡體，其按重量計算包括高達大約15%的UV吸收劑。
4.根據(jù)權利要求I所述的透鏡體，其可充分折疊用于植入到人眼中。
5.根據(jù)權利要求I所述的透鏡體，其中所述透鏡體具有至少一個觸角。
6.根據(jù)權利要求I所述的透鏡體，其具有相對的前表面和后表面，其中，所述表面的至少一個大體是凸的或大體是凹的。
7.根據(jù)權利要求I所述的透鏡體，其具有等于或小于37°C的玻璃轉(zhuǎn)化溫度。
8.根據(jù)權利要求7所述的透鏡體，其具有小于20°C的玻璃轉(zhuǎn)化溫度。
9.根據(jù)權利要求I所述的透鏡體，其按重量計算包括至少大約150ppm的黃色染料。
10.根據(jù)權利要求9所述的透鏡體，其按重量計算包括至少大約500ppm的黃色染料。
11.根據(jù)權利要求9所述的透鏡體，其按重量計算包括高達大約IOOOppm的黃色染料。
12.一種用于修改被設計為放置到人眼中的聚合物透鏡的光學特性的方法，所述透鏡具有前表面和后表面，所述方法包括利用激光束在所述透鏡修改軌跡的步驟，所述修改軌跡具有與修改之前的材料不同的折射率，其中，所述激光束以至少每秒40 μ m的速率移動。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中所述激光束以至少每秒50毫米的速率移動。
14.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中所述透鏡按重量計算包含至少5%的UV吸收劑。
15.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中所述透鏡具有等于或小于37°C的玻璃轉(zhuǎn)化溫度。
16.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中所述透鏡具有等于或小于20°C的玻璃轉(zhuǎn)化溫度。
17.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中所述透鏡按重量計算包含至少150ppm的UV吸收劑。
18.一種用于在人眼中原位修改角膜的至少一個光學特性的方法，所述角膜具有前表面，所述方法包括利用激光束在所述角膜中修改軌跡的步驟，所述修改軌跡具有與其修改之前的折射率不同的折射率，所述修改軌跡處于大體平行于所述角膜的所述前表面的平面層中，所述層的上表面位于所述角膜的所述前表面下方大約100微米處。
19.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中，所述層為大約50微米厚。
20.根據(jù)權利要求18所述的方法，包括，在所述修改步驟之前，進行如下附加步驟通過用一波長的紅外光照明所述前表面來確定所述角膜的所述前表面的位置，當照明時，所述波長能夠從所述角膜的所述前表面產(chǎn)生熒光，并且檢測所產(chǎn)生的熒光。
21.根據(jù)權利要求20所述的方法，其中，所述紅外光具有大約780nm的波長。
22.根據(jù)權利要求18所述的方法，在修改步驟之前，確定所述層的至少一部分的密度。
23.根據(jù)權利要求22所述的方法，其中，所述確定所述層的至少一部分的密度的步驟包括利用一波長紅外光照明所述層的一部分，所述波長能夠從所述層產(chǎn)生熒光，并且檢測所產(chǎn)生的突光。
24.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中，所述層的第一部分具有第一密度，所述層的第二部分具有第二密度，所述第一密度大于所述第二密度，并且其中所述修改步驟包括使所述激光束修改所述第一部分時具有的能量高于用于修改所述第二部分具有的能量。
25.一種交聯(lián)聚合物透鏡體，其特征在于被設計為植入到人眼中的人工晶狀體，其中，所述透鏡體 a)包含充足的UV吸收劑，使得當利用飛秒紅外激光以40mW的功率進行處理時，所述透鏡體具有至少400 μ m/秒的RIS速度，并且所述UV吸收劑阻截波長處于200nm至400nm范圍內(nèi)的90%或更多的UV光；以及 b)具有等于或小于37°C的玻璃轉(zhuǎn)化溫度。
26.根據(jù)權利要求25所述的透鏡體，其包含充足的黃色染料，以阻截波長處于400nm-480nm范圍內(nèi)的至少50%的可見光。
27.根據(jù)權利要求26所述的透鏡體，其按重量計算包括至少150ppm的黃色染料。
28.根據(jù)權利要求25所述的透鏡體，其按重量計算包括至少5%的UV吸收劑。
29.一種交聯(lián)聚合物透鏡體，其特征在于被定制為植入到人眼中的人工晶狀體，其中，所述透鏡體 a)包含充足的UV吸收劑和充足的黃色染料，使得當利用飛秒紅外激光以40mW的功率進行處理時，所述透鏡體具有至少400 μ m/秒的RIS速度，其中，所述UV吸收劑阻截波長處于200nm至400nm范圍內(nèi)的90%或更多的UV光，而所述黃色染料阻截波長處于400nm-480nm范圍的至少50%的可見光；以及 b)具有等于或小于37°C的玻璃轉(zhuǎn)化溫度。
30.根據(jù)權利要求29所述的透鏡體，其按重量計算包括至少150ppm的黃色染料。
31.根據(jù)權利要求30所述的透鏡體，其按重量計算包括至少5%的UV吸收劑。
32.根據(jù)權利要求29所述的透鏡體，其按重量計算包括至少5%的UV吸收劑。
全文摘要
用于放置到人眼中的透鏡，如人工晶狀體，所具有的至少一些光學特性利用激光進行修改。該透鏡優(yōu)選地包含按重量計算至少5%的UV吸收劑，因此可以實現(xiàn)商業(yè)上可行的產(chǎn)出率。激光在透鏡中形成修改軌跡，其中該修改軌跡具有與修改之前的材料的折射率不同的折射率。使用相同的激光修改技術可原位修改角膜。
文檔編號A61F2/16GK102883681SQ201080066621
公開日2013年1月16日 申請日期2010年9月8日 優(yōu)先權日2010年3月4日
發(fā)明者J·F·比勒, S·Q·周 申請人:安倫科技股份有限公司