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문제 정의
- 개념으로 하여 설계하였다. 현재 주요 렌즈 제조사들에서는 수차를 줄이기 위해 전면 누진설계 이외에 후면누진설계나 양면누진설계가 접목된 다양한 형태의 누진렌즈들이 출시되어 임상에서 적용되고 있으나, 본 연구에서는 수차의 양이 가장 많이 발생하며 제어하기 어려운 전면누진형태에 일반적인 누진대길이와 이보다 짧은 누진대 길이를 가지는 디자인을 적용해 봄으로서 본 연구의 설계 방법에 대한 적합성과 그 임상적 효용성을 예측해 보고자 하였다.
가설 설정
- 10 //m for a 6 mm entrance pupil, at least for emmetropic eyes. 3): The older group means 61-69 years of age. 4): Crystalline lens was divided into anterior and posterior sections with the anterior section having 40% of the central thickness of the lens, as used by Liou δm Brennan (1997).
제안 방법
- 안광학기기에 대한 파면분석 기술의 응용은 초정밀가공기술이 진보함에 따라 점점 더 일반화 되어 가고 있으며, 최근에는 안경렌즈, 콘택트렌즈 또는 안내렌즈와 같은 시력보정용 의료용구의 설계는 물론 가공과 평가에도 접목되고 있다. 본 연구에서는 GRIN 수정체, 편심 동공, 비구면 망막과 같은 해부학적으로 정확한 눈의 특성들을 포함하면서 특히 노안의 안매개변수들을 나타내는 정밀 노안모형 안(finite presbyopic schematic eye)을 형상화하여 개별 노안환자의 파면굴절력을 교정하기 위한 두 가지 서로 다른 설계기준에 의한 자유형상 누진가입도렌즈(PAL; progressive addition lens)를 설계하였다. 설계자료들을 바탕으로 STS (slow tool servo)로 제어되며 자유형상면의 형성이 가능한 초정밀 다이아몬드 터닝 가공기 (DTM) 를 이용하여 직가공방식으로 렌즈를 제작하였으며, 가공된 누진렌즈들에 대해 레이저 광간섭계를 이용하여 파면수차량을 측정하였고, 광학적 성능을 기존의 상용화된 누진렌즈들과 비교 분석하였다.
- 본 연구에서는 GRIN 수정체, 편심 동공, 비구면 망막과 같은 해부학적으로 정확한 눈의 특성들을 포함하면서 특히 노안의 안매개변수들을 나타내는 정밀 노안모형 안(finite presbyopic schematic eye)을 형상화하여 개별 노안환자의 파면굴절력을 교정하기 위한 두 가지 서로 다른 설계기준에 의한 자유형상 누진가입도렌즈(PAL; progressive addition lens)를 설계하였다. 설계자료들을 바탕으로 STS (slow tool servo)로 제어되며 자유형상면의 형성이 가능한 초정밀 다이아몬드 터닝 가공기 (DTM) 를 이용하여 직가공방식으로 렌즈를 제작하였으며, 가공된 누진렌즈들에 대해 레이저 광간섭계를 이용하여 파면수차량을 측정하였고, 광학적 성능을 기존의 상용화된 누진렌즈들과 비교 분석하였다.
- 1은 파면굴절력 교정을 위한 누진가입도렌즈 설계의 전체적인 흐름을 나타낸 것이다. 먼저, 표준적인 연령대별 정밀 노안모형안을 형상화한 후 측정된 환자의 파면 수차를 피팅한다. 그런 다음, 전안부의 생리학적 조건을 고려한 누진렌즈의 환경을 설정하는데 이때 개별 환자의 시 조건 (visual requirements)0]] 맞는 안면각과 경사각, 누진대 길이 등을 적용할 수 있다.
- Example 누진렌즈들은 렌즈 주변부의 비점수차를 줄이고 환자의 적응성을 높이기 위한 소프트디자인과 비대칭의 전면 누진설계에 기반을 두었고, 특히 누진렌즈의 주변부에서 발생하는 흔들림 현상을 최소화하고 선명하게 보이는 근거리부와 중간거리부의 폭을 넓게 하는 와이드 디자인을 기본 개념으로 하여 설계하였다. 현재 주요 렌즈 제조사들에서는 수차를 줄이기 위해 전면 누진설계 이외에 후면누진설계나 양면누진설계가 접목된 다양한 형태의 누진렌즈들이 출시되어 임상에서 적용되고 있으나, 본 연구에서는 수차의 양이 가장 많이 발생하며 제어하기 어려운 전면누진형태에 일반적인 누진대길이와 이보다 짧은 누진대 길이를 가지는 디자인을 적용해 봄으로서 본 연구의 설계 방법에 대한 적합성과 그 임상적 효용성을 예측해 보고자 하였다.
- 최적화 설계의 방법으로는 누진렌즈가 기본적으로 수차량이 큰 광학계이므로 RMS 파면 오차함수와 기하학적 MTF 최적화를 먼저 실시하여 오차함수(Merit function)의 양을 줄인 다음, 다시 회절 MTF 최적화로 설계를 진행하였다. 누진렌즈의 초기 단계에서 제한된 누진대 범위 내에서 다중의 렌즈 굴절력 변화를 만들기 위한 복잡한 환경설정으로 인해 상당한 양의 수차들이 존재하였다.
- 누진렌즈의 초기 단계에서 제한된 누진대 범위 내에서 다중의 렌즈 굴절력 변화를 만들기 위한 복잡한 환경설정으로 인해 상당한 양의 수차들이 존재하였다. 초기 최적화 단계에서는 RMS 파면 오차함수 최적화를 사용하여 실행하였고, 그런 다음 Example 렌즈들에 대해 원거리부에서 근거리부까지의 상하 ±30° 에 해당하는 시야 범위에 대해 기하학적 MTF 최적화와 회절 MTF 최적화를 순차적으로 실시하였다. 감쇠 최 소자승법 의 알고리즘을 이용하였고, 망막상의 평가를 위한 기준 MTF 값은 노안의 생리학적 특성을 고려하여 0.
- 자유형상의 누진면 가공은 먼저 설계 자료들을 바탕으로 CAM 프로그램(Power-MILL, 9.003, USA)을 이용하여 가공을 위한 sag 자료를 계산한 후, 3축 정 밀 수직 고속가공기 (UVM450C, Toshiba, Japan)를 이용하여 기본 곡면(base curve surface)을 형성하기 위해 황삭가공을 실시하였다. 이후 다이아몬드 터닝 2 축(X, z) CNC 초정밀 가공기(Nanoform350A, Precitech, USA), 와 자유형상면 가공을 위한 가공기 제어에 이용되는 STS(slow tool servo)를 이용하여 다시 정밀 황삭 및 정삭가공을 실시하였으며, 직가공의 형태로 제작하였다.
- 003, USA)을 이용하여 가공을 위한 sag 자료를 계산한 후, 3축 정 밀 수직 고속가공기 (UVM450C, Toshiba, Japan)를 이용하여 기본 곡면(base curve surface)을 형성하기 위해 황삭가공을 실시하였다. 이후 다이아몬드 터닝 2 축(X, z) CNC 초정밀 가공기(Nanoform350A, Precitech, USA), 와 자유형상면 가공을 위한 가공기 제어에 이용되는 STS(slow tool servo)를 이용하여 다시 정밀 황삭 및 정삭가공을 실시하였으며, 직가공의 형태로 제작하였다.
- 직가공된 누진 면에 대해 가공상의 툴 마크를 최소화하고 표면조도를 향상시키기 위해 연마액을 이용한 패드방식의 연삭가공을 실시하였다. 폴리싱 재료로는 석질의 크기가 2㎛ 인 Al2O3 을 이용하였고 CMP(chemical mechanical polishing) 패드 (MIPOX, Japan)를 사용하였다.
- 1 을 기준으로 하였다. 연삭된 누진 면의 표면 조도는 바이올렛 레이저를 이용하는 컬러 3차원 공초점 컬러현미경(VK-951Q Keyence, Japan)을 이용하여 평가하였으며, 5θx 배율로 반경 약 280 ㎛ X 280 ㎛ 의 범위에 대해 표면 거칠기(Ra), 10 점 거칠기(Rz)를 측정하였다.
- 자유형상면 누진렌즈의 광학적 성능 분석은 비접촉 방식의 레이저 굉간섭계(KIF-202L, OLYMPUS, Japan)를 이용하였으며, 주요 측정부분들에 대한 파면수차량을 측정한 후 이를 기존의 상용화된 전면 누진으로 설계된 렌즈들과 비교 분석하였다.
- 4 의 형태를 가지면서 3 축(X, y, θx) 스테이지 상에서 example 누진렌즈와 연동하여 즉정하고자 하는 부분을 중심으로 이동시킬 수 있도록 하였다. 참조 오목렌즈는 5 죽(X, y, z, θx, θy) 스테이지에 장착하여 누진렌즈를 통과한 레이저 빛이 반사되어 간섭되도록 하였다. 파면수차의 분석을 위한 프로그램은 Zemike 다항식 기반의 분석 소프트웨어(Inetlliwave, ver.
- 4는 16mm 누진대길이를 가지는 example 1 누진렌즈와 상용 누진렌즈들 사이의 광학적 성능을 비교 평가하기 위해 측정에 사용된 시험 마스크를 나타낸 것으로 마스크 상의 각 구경의 직경은 5mm 이며, 측정후 분석 범위는 직경 4mm 에 대해 실시하였다. example 2 누진렌즈는 보다 더 짧은 12mm 의 누진대를 가지는 마스크를 사용하여 측정하였고, 비교렌즈들은 제조사들 각각의 누진설계 챠트의 위치대로 하였다.
- 누진대 중심위치인 C2 와 근용부의 C3 로부터 좌우로 5 min 떨어진 지점들인 T2, T3, N2 및 N3는 각각 누진대의 중간거리부와 근거리부분의 이행 부에 대한 파면수차량을 확인하는 위치로 설정하였다. Zemike 다항식에서 처음 4개의 항들인 piston, Tilt-x, Tilt-y 및 defocus 수차는 계통오차들이 포함되며 분석대상에서 제외하였고, Z5 부터 5차까지인 Z21 항까지 분석하였다분석항목은 렌즈 가공상태에 대한 Ra, Rz, 및 RMS 와 투과파면수차의 Zemike 각 항들의 계수 값 및 Seidel 수차 중 누진렌즈의 성능과 환자의 적응도를 좌우하는 유발비점수차량의 분포로 하였다.
- 본 연구에서는 50 세와 60 세 노안에 대한 정밀 노안모형안을 모델링하였고, 이를 바탕으로 파면 굴절력을 교정할 수 있는 자유형상의 누진가입도 렌즈를 설계하였으며, 설계자료를 바탕으로 STS 와 연동된 초정밀 DTM .가공기를 이용하여 반가공상태인 두 개의 Example 누진렌즈를 제작하였다.
- 초정밀 DTM .가공기를 이용하여 반가공상태인 두 개의 Example 누진렌즈를 제작하였다. Zemike sag 다항식 면이 자유형상의 누진면을 구현하기 위해 사용되었으며, 가공된 Example 렌즈들에 대해 레이저 광간섭계를 이용하여 파면수차량을 측정하였고 기존의 상용화된 세 가지 서로 다른 제조사들의 누진렌즈들과 비교 분석하였다.
- 가공기를 이용하여 반가공상태인 두 개의 Example 누진렌즈를 제작하였다. Zemike sag 다항식 면이 자유형상의 누진면을 구현하기 위해 사용되었으며, 가공된 Example 렌즈들에 대해 레이저 광간섭계를 이용하여 파면수차량을 측정하였고 기존의 상용화된 세 가지 서로 다른 제조사들의 누진렌즈들과 비교 분석하였다. 또한 폴리카보네이트 렌즈의 직가공에 필요한 최적의 Work rpm 과 x-increments 를 렌즈 소재의 특성과 주요 경선에 따른 PV sag 값을 고려하여 찾을 수 있었다.
- 25 ㎛ 의 형상 정밀도와 5nm 의 표면 조도 구현이 가능하지만 최적의 가공을 위해서는 적합한 work rpm 과 x-increments 설정이 중요하다. 본연구에서 사용한 폴리카보네이트 소재를 이용한 누진렌즈 가공에 적합한 work rpm과 x-increments 값은 렌즈의 수직경선 및 수평 경선의 에지부의 sag 값과 렌즈의 소재를 고려하여 결정하였다.
대상 데이터
- 폴리싱 재료로는 석질의 크기가 2㎛ 인 Al2O3 을 이용하였고 CMP(chemical mechanical polishing) 패드 (MIPOX, Japan)를 사용하였다. 연마 면의 해상도는 가공물의 소재에 따라 그 목표 값이 달라지며, 본 연구에서는 면 거칠기 Ra =0.
- 비교를 위해 선택된 상용렌즈들은 해외의 N (Nikon Presio Classic 1.5HCC) 누진렌즈, CZ(Carl Zeiss CLET GRAD HS HA) 누진렌즈, 그리고 국내의 C(CHEMIPRO 1.50S) 누진렌즈이며, 각각의 렌즈들은 설계 내용에 일정부분 차이가 있으나 누진대길이가 15~18mm 이고, example 1 렌즈와 동일한 처방의 원거리 굴절력과 가입도를 가지는 것으로 선정하였 디 ..
- 3은 측정에 사용된 파면수차 측정 시스템을 나타낸 것이다. 기준파장은 가시광선 레이저 0.6328 ㎛이며, 참조구면은 λ/20, F# 1.0, Φ>50mm 를 이용하였다. PBS(polarized beam splitter)와 참조 렌즈를 통과한 레이저 빛은 즉정 마스크와 example 누진렌즈를 통과한 후 오목면(f=27.
데이터처리
- 초기 최적화 단계에서는 RMS 파면 오차함수 최적화를 사용하여 실행하였고, 그런 다음 Example 렌즈들에 대해 원거리부에서 근거리부까지의 상하 ±30° 에 해당하는 시야 범위에 대해 기하학적 MTF 최적화와 회절 MTF 최적화를 순차적으로 실시하였다. 감쇠 최 소자승법 의 알고리즘을 이용하였고, 망막상의 평가를 위한 기준 MTF 값은 노안의 생리학적 특성을 고려하여 0.22 로 하였다.8
이론/모형
- 3차원 자유형상 면을 형성하기 위한 유용한 형태들에는 X-y 다항식, NURBS, 그리고 Zemike 다항식을 포함한다. 본 논문에서는 파면굴절력 교정을 위한 누진가입도렌즈의 최적 설계를 위해 Zemike 다항식이 사용되었다.
- 있다. 본 연구의 누진가입도렌즈 설계에는 유한 정밀 노안모형안을 사용하였다.7 이 모형안들은 비구면형태의 각막면, 편심 돟공, 알파 각과 비구면 GRIN 수정체, 비구면 망막과 같은 해부학적으로 정확한 눈의 특성을 반영하고 있다.
- 참조 오목렌즈는 5 죽(X, y, z, θx, θy) 스테이지에 장착하여 누진렌즈를 통과한 레이저 빛이 반사되어 간섭되도록 하였다. 파면수차의 분석을 위한 프로그램은 Zemike 다항식 기반의 분석 소프트웨어(Inetlliwave, ver. LE-2, USA)를 이용하였다.
성능/효과
- Zemike sag 다항식 면이 자유형상의 누진면을 구현하기 위해 사용되었으며, 가공된 Example 렌즈들에 대해 레이저 광간섭계를 이용하여 파면수차량을 측정하였고 기존의 상용화된 세 가지 서로 다른 제조사들의 누진렌즈들과 비교 분석하였다. 또한 폴리카보네이트 렌즈의 직가공에 필요한 최적의 Work rpm 과 x-increments 를 렌즈 소재의 특성과 주요 경선에 따른 PV sag 값을 고려하여 찾을 수 있었다.
- 폴리싱 가공 후의 즉정결과 Example 렌즈들은 이측부와 비측부 측정 부위들에서 원주 굴절력의 평균값이 각각 -0.20D 및 -0.28D 로 비교를 위해 측정된 기존 누진렌즈들 보다 각각 약 70%와 58% 적은 량의 유발비점수차량을 가지고 있고, 원용부에서 근용 부에 이르는 누진대내의 각 측정 부위들에서도 유발비점수차량이 무시할 만큼 작은 값을 가지고 있는 것으로 나타났다. 이것은 기존의 상용화된 누진렌즈들에 비해 노안의 시 력교정 효과 및 누진렌즈에 대한 환자 적응도를 크게 향상시킬 수 있을 것으로서 기대된다.
후속연구
- 28D 로 비교를 위해 측정된 기존 누진렌즈들 보다 각각 약 70%와 58% 적은 량의 유발비점수차량을 가지고 있고, 원용부에서 근용 부에 이르는 누진대내의 각 측정 부위들에서도 유발비점수차량이 무시할 만큼 작은 값을 가지고 있는 것으로 나타났다. 이것은 기존의 상용화된 누진렌즈들에 비해 노안의 시 력교정 효과 및 누진렌즈에 대한 환자 적응도를 크게 향상시킬 수 있을 것으로서 기대된다.
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