CH699972A2 - Lentilles ophtalmiques multizones à focalisation invariante et profondeur de champ variable. - Google Patents

Abstract

L’invention couvre une nouvelle lentille ophtalmique multizone, composée d’une partie diffractive et d’une partie réfractive. La partie diffractive de la première surface est constituée de plusieurs structures diffractives, gravées sur la surface antérieure ou postérieure de la lentille. Ces structure appelées «Diffractive Phase Elément», DPE, génèrent des profondeurs de focalisation à choix pour former un ou plusieurs segments de profondeur de focalisation PDF. Ces structures peuvent être remplacées par une surface asphérique, équivalente, qui fournira des performances similaires sur certains points ou proches. La seconde surface réfractive de la lentille est en général asphérique. Ainsi la lentille peut être considérée comme formée de deux surfaces asphériques ou alternativement d’une surface asphérique et d’une structure diffractive. Cette lentille fournit un ou plusieurs segments avec des PDF étendues, à choix, appelée: invariant de focalisation. Sur chaque segment, une résolution approximativement constante est obtenue. Les profondeurs de focalisation et donc de champ sont calculées en recherchant des distributions de phases adaptées. Un cas particulier intéressant est de créer un segment PDF pour la vision proche qui sera ajouté à la PDF de la vision lointaine obtenue par les aberrations sphériques du système complet de vision par exemple cornée et lentille IOL pseudo-phakic. Les résolutions des segments du système de vision constitué de la lentille et de l’œil sont déterminées par les choix des surfaces asphériques réfractives qui compensent complètement ou partiellement ou pas les aberrations de la cornée ou oculaires; la MTF est recherchée pour être élevée aux basses et moyennes fréquences. La méthode est applicable à toutes les lentilles ophtalmiques telles que: Toutes les lentilles intraoculaires positives et négatives ou nulles: pseudo-phakic IOL, phakic IOL pour chambres antérieure et postérieure ainsi que les versions toriques. Toutes lentilles de contact positives et négatives et toriques. Tous les verres de lunettes positifs et négatifs et toriques.

Description

  1.0 Etat de la technique

  

[0001]    La profondeur de champ, PDC, est liée à la profondeur de focalisation, PDF, dans tous les systèmes optiques. La PDC n'est pas symétrique par rapport au plan de focalisation et dépend de divers paramètres dont la distance entre l'objet et le système optique. Pour les distances importantes la PDC est plus grande que pour les distances faibles. Il apparaît donc que si l'on recherche une extension de la PDC du système oeil-lentille ophtalmique, une solution est de conserver la vision lointaine avec sa PDC et d'augmenter la PDC de la vision proche. Ceci sera particulièrement intéressant pour les lentilles ophtalmiques telles que:
Lentilles intraoculaires phakic, pseudo-phakic et intra-cornée
Lentilles de contact 
Verres de lunettes
Et autres types d'aide à la vision

  

[0002]    Ceci doit évidemment être le cas pour les lentilles positives, négatives et les lentilles complexes comme des lentilles toriques ou des lentilles pour corriger l'astigmatisme, la myopie, l'hyperopie, la presbytie.

  

[0003]    Ainsi une lentille ophtalmique pourra avoir, sur une surface, antérieure ou postérieure, que nous appellerons ici A, une structure pour augmenter la PDC proche. La seconde surface de la lentille ophtalmique, antérieure ou postérieure, que nous appellerons ici surface B, sera sphérique, asphérique, torique, etc. et pourra par exemple être utilisée pour compenser partiellement ou complètement les aberrations sphériques, SA, de la cornée ou de l'oeil.

  

[0004]    Il est également envisageable de créer sur cette seconde surface B, diverses asphéricités o pour que les différentes zones de la lentille et/ou du système oeil+ lentille, présentent des corrections de SA différentes ou des corrections différentes de SA et d'aberrations d'ordre supérieures HOE ("Higher Order Aberrations").

  

[0005]    La surface A de la lentille est utilisée pour augmenter la PDF/PDC. Elle peut être diffractive ou asphérique; le choix des structures est déterminée par la PDF choisie: 1 D, 2 D, 3 D ou plus... ou des valeurs équivalentes en mm représentant les profondeurs focales. La conversion de puissance en longueur focales et vice-versa est bien connue t dépend en particulier des différences d'indices de réfraction lentille-milieu environnant et puissance. Les PDF peuvent être crées sur des zones différentes de la lentille avec une ou plusieurs zones; par exemple la partie centrale de la lentille peut être utilisée pour créer des structures augmentant la PDF de vision proche et la partie périphérique de la lentille pour créer des structures de contrôle de la vision lointaine ou inversement (voir dépôts de brevets CH no. 0161/08 et 0255/08).

   Le nombre de zone n'est pas limité. Chaque zone est appelée dans la suite de ce texte: fenêtre ou segment.

  

[0006]    La lentille de l'invention présente peut être construite avec une profondeur de focalisation, PDF, étendue, plus importante que la profondeur de focalisation d'une lentille "classique" qui elle peut être limitée par la diffraction, ou pas. Cette nouvelle lentille avec PDF étendue, que nous appellerons INFO (Invariant de Focalisation) dans la suite de texte peut avoir pratiquement une profondeur de focalisation, PDF, et donc de champ, PDC, à choix, continue ou sur une ou plusieurs fenêtres.

  

[0007]    En résumé, une lentille INFO peut être construite avec:
Une surface piano, sphérique ou asphérique B qui permet de neutraliser partiellement ou complètement ou pas du tout les aberrations sphériques, SA, de la cornée (pour une lentille intra-oculaire) de façon à obtenir un système visuel avec une résolution/MTF élevée. De même pour une lentille de contact ou des verres de lunettes, la SA de l'oeil sera compensée partiellement ou complètement ou pas. Cette surface asphérique permet de compenser les aberrations sphériques ou les aberrations d'ordres supérieures de la cornée, respectivement de l'oeil, en fonction des besoins. La PDC est déterminée par l'autre surface de la lentille et ne sera pas affectée, au moins de manière approximative, par le choix de cette correction des aberrations; ceci contrairement aux lentilles usuelles classiques.

   En effet, pour celles-ci la PDC et la résolution sont étroitement liées et l'amélioration de l'un de ces paramètres entraine la dégradation de l'autre. Nous notons que les éventuelles aberrations chromatiques peuvent aussi être corrigées avec une structure diffractive adéquate gravée sur cette surface, on obtient ainsi une surface réfractive-asphérique/diffractive qui corrige diverses aberrations.
Une seconde surface, A, piano, convexe ou concave avec différents rayons de courbure qui permettra d'augmenter la PDC/DPF. Cette surface est caractérisée par:
- Soit une structure diffractive appelée DPE, "Diffractive Phase Elément", apportée sur la surface et qui fournit une PDF aussi importante que requise par le spécialiste traitant.

   Cette surface réfractive-diffractive peut être remplacée par une surface asphérique, voir ci-dessous, qui fournira une approximation du DPE parfois plus simple à fabriquer. Cette surface asphérique peut être calculée à partir du DPE par un dépliage des phases ("Phase Unwraping") et/ou d'un polynôme (pair, impair ou autre) qui décrit la distribution de phases ou des distances sagittales correspondantes du DPE.
- Soit à partir d'une distribution de phase représentant des profils connus pour créer des profondeurs de champ, par exemple la distribution de phase d'un axicon, d'un axicon logarithmique, de distribution de phase quartique, etc. Cette méthode est équivalente à la précédente puisqu'elle crée une distribution des phases requise pour augmenter la PDF.

   Le processus est expliqué ci-dessous.
La PDF obtenue par le calcul puis réalisée, peut être modeste ou grande en fonction des besoins et/ou du problème considéré. Avec une surface diffractive, une PDF importante pourra introduire des aberrations chromatiques qui peuvent être excessive et même perturbatrices suivant les cas. Ces aberrations chromatiques peuvent être corrigés ou au moins réduites. Aussi la correction des SA peut être faite pour une vision proche ou pour une vision lointaine ou pour une vision intermédiaire si une seule lentille est utilisée avec un seul matériau.

   Il est donc judicieux de n'utiliser que la PDF nécessaire.
Dans tous les cas considérées ici:
- Une surface de la lentille, A, est: soit diffractive soit asphérique, et crée la profondeur de champ par le traitement adéquat, sur trois dimensions, des phases. 
- L'autre surface asphérique de la lentille, B, définit la résolution et la MTF obtenue pour la lentille et/ou pour le système oeil-lentille et/ou toute autre combinaison possible.
- La résolution/MTF d'une part et la PDF/PDC d'autre part sont relativement indépendants l'une de l'autre, surtout après implantation lorsque la lentille est combinée avec l'oeil. Cette indépendance n'est pas complète mais permet un meilleur contrôle de ces paramètres indépendamment l'un de l'autre.
- La résolution est approximativement constante sur chaque segment PDF.

   La résolution peut varier par exemple d'environ un facteur de deux sur un segment PDF mais pas par des ordres de grandeurs. Cette variation par exemple d'un facteur de l'ordre de 2 est faible si l'on considère que les variations d'intensité lumineuse dues à la variation de distance des objets est, d'après les lois de la photométrie, bien plus importante (en distance d<4>). 
- La méthode considérée permet donc de créer des lentilles à PDF et MTF satisfaisantes avec des combinaisons relativement à choix. Par exemple, la profondeur de champ PDC, de vision proche qui est normalement faible, pourra être augmenté de façon appréciable et la PDC de vision lointaine qui est normalement importante pourra être conservée.

   La PDC de vision proche pourra être étendue soit en conservant la SA de la cornée, ou de la cornée "moyenne" d'un groupe de population soit en améliorant la SA résultante après implantation.

  

[0008]    Les lentilles intraoculaires, IOL ("Intra-Ocular Lenses") sont traitées ci-dessus et ci-dessous; toute personne familière avec les domaines ophtalmiques pourra sans autre étendre les résultats aux autres lentilles ophtalmiques telles que lentilles de contact et verres de lunettes.

  

[0009]    La lentille IOL considérée, soit avec deux surfaces asphériques soit avec une surface diffractive et une surface asphérique, découple donc la résolution/MTF et la PDF/PDC du système visuel après implantation grâce aux choix des surfaces asphériques ou de façon alternative par les choix d'une part de la surface réfractive et d'autre part de la fonction de distribution des phases choisie: DPE, axicon, axicon logarithmique, etc.

  

[0010]    La résolution/MTF est déterminée, au moins en partie, par la surface réfractive, asphérique B, comme mentionnée précédemment. La PDF est déterminé par les distributions de phases choisies (fig. 1) et réalisées à partir de la surface A.

Profondeur de champ (PDC) et profondeur de focalisation (PDF).

  

[0011]    Les deux termes ne doivent pas être confondus. Ils sont définis de la manière suivante:

  

[0012]    Une lentille sans aberrations permet de définir un plan spécifique de l'espace objet qui est précisément conjugué du plan récepteur dans le plan image (film, caméra, rétine, capteur,..). Il s'agit, dans le plan objet, du plan de focalisation objet. Il y aura une tolérance sur la position du plan image, lorsqu'il est déplacé, qui permettra à un observateur moyen de reconnaître que l'image est toujours bien focalisée jusqu'à une position appelée limite de focalisation. La profondeur de focalisation est par définition la distance sur l'axe de la lentille du côté image ou la dimension de l'image devient égale au cercle de moindre confusion, CMC, c'est à dire ou l'observateur reconnaît une perte de résolution et donc que la dé-focalisation devienne clairement perceptible.

   La profondeur de champ est la distance correspondante du point objet, du côté objet, avant que l'image atteigne la dimension du cercle de moindre confusion (voir référence 1 par exemple).

  

[0013]    La fig. 2 donne une représentation des tracés de rayons optique dans les plans focaux resp. paraxial et marginal.

  

[0014]    La PDF est le produit du diamètre C du cercle de moindre confusion autorisé (sur le film, la caméra, la rétine, etc.) par l'ouverture numérique N de la lentille (fig. 3).

  

[0015]    Avec la géométrie de la fig. 3on obtient:
C/A = D1/(S + D1) = D2/(S-D2) (1)

  

[0016]    C est le diamètre du cercle de moindre confusion dans le plan objet (conjugué de C défini dans le plan image).

  

[0017]    D1 et D2 sont les distances lointaine et proche de focalisation acceptable A est le diamètre de la lentille, ou plutôt de la pupille d'entrée S est la distance entre le plan de focalisation et la lentille.

  

[0018]    On obtient ainsi:
D1 = CS/(A-C) (2) 
D2= CS/(A+C) (3)

  

[0019]    D1 est plus grand que D2 et sera infini si A = C. Quand C croit, par exemple en augmentant les aberrations sphériques de la lentille, D1 croit et D2décroit. Une situation intéressante puisque les SA sont pratiquement toujours présentes dans le système oeil-lentille surtout lorsque la pupille croit au delà de 3 mm.

  

[0020]    Et les distances sont:
L1 = S + D1= AS/(A-C) (4)
L2 = S-D2=AS/(A+C) (5)

  

[0021]    Ceci est défini du côté objet. Les notations primes ' s'appliquent du côté image avec des relations adaptées en conséquence.

  

[0022]    Le cercle de moindre confusion C d'une lentille parfaite, limitée par la diffraction est généralement considéré comme donné par le critère de Rayleigh par lequel une déformation du front d'onde de A/4 est acceptable; pratiquement C sera déterminé à partir de la dimension du pixel d'une caméra ou de la résolution de la rétine, de la résolution d'un film, etc. Pour augmenter C'on introduit souvent une SA qui peut être importante; ceci augmentera la PDF et en conséquence la PDC directement au dépend de la résolution.

  

[0023]    Dans nos considérations sur une profondeur de focalisation, PDF, étendue, C est donné par la résolution du système visuel. La profondeur de champ correspondante est donnée par les formules ci-dessus. Les distances L1 et L2peuvent, par exemple, être pour L1 la distance de lecture et pour L2 une distance lointaine.

  

[0024]    Nous notons que C peut varier sur les différents segments PDF. En effet la zone périphérique de la lentille donne une valeur de C plus grande que la zone centrale ("marginal focus" sur la fig. 2). La résolution de cette zone externe sera donc plus faible, en fonction des aberrations résiduelles du système de vision: oeil avec lentille. La situation peut être délicate si les aberrations sphériques résiduelles du système oeil-lentille sont importantes. La fig. 2montre la situation, par l'optique géométrique, avec le cercle de moindre confusion, dans le plan de focalisation, que l'on voit plus petit pour les rayons paraxiaux que pour les rayons marginaux pour une illumination monochromatique ("marginal focus" et "paraxial focus").

   La situation se dégrade pour une illumination poly-chromatique pour donner des valeurs de C qui peuvent devenir importantes si aucune correction chromatique n'est apportée. Bien que l'oeil humain soit tolérant et la vision adaptative, il peut être judicieux d'apporter des corrections chromatiques pour des PDF importantes et aussi pour les domaines de puissances élevées. Les aberrations résiduelles créent des profondeurs de focalisation, souvent faibles en regard des PDF crées par les DPE ou par les surfaces asphériques considérées.

  

[0025]    La distance hyperfocale d'un système optique est la distance à laquelle le système doit être focalisé pour que la PDC s'étende à l'infinie. La fig. 3donne les notations considérées. Une augmentation de la PDC entrainera une distance hyperfocale plus courte de façon a avoir une image de vision proche, de lecture si possible, et une image de vision lointaine à l'infinie. Les lentilles usuelles, après implantation, ont une PDC limitée crée par le CMC due à la SA résultante du système. Les valeurs typiques de PDC des lentilles usuelles actuelles, monofocales, sont de l'ordre de:
Environ 2 m à l'infinie (par exemple lentille Technis d'AMO);
Environ 10 m à l'infinie (par exemple lentille Sofport de Bausch & Lomb).

  

[0026]    Ces valeurs dépendent des SA résiduels du système de vision qui seront différents pour chaque personne mais peuvent être évaluées pour un "oeil standard".

  

[0027]    De façon classique, le critère de Rayleigh donne une profondeur de focalisation de:
[Delta]F= +- 2*[lambda]*N<2>
[lambda] est la longueur d'onde
N est l'ouverture relative: longueur focale/diamètre effectif de la pupille.

  

[0028]    La valeur typique totale de la PDF d'une lentille monofocale est de l'ordre de 100 à 200 microns. Avec des aberrations sphériques importantes, qui peuvent dégrader sérieusement l'acuité, les lentilles mono-focales mentionnées ci-dessus donnent des PDF inférieures à 0.2 D. Une PDF de 0.135mm correspond à une vision distinct de l'infinie à environ 2 mètres. Toutes les lentilles multifocales donnent des PDC importants de l'ordre de 30 à 50 cm jusqu'à l'infinie. Toutefois les méthodes pour obtenir cette PDC sont bien différentes, allant des solutions réfractives aux solutions diffractives et hybrides réfractive-diffractive, chacune avec ses avantages et ses inconvénients. Toutes présentent des halos, "glare" et images parasites dans certaines situations en particulier lors de vision nocturne.

   Les solutions proposées ici et dans les dépôts précédents correspondants évitent ces effets par la création d'un tube lumineux dans le plan image (CH- 0161/08 et CH-0255/08, voir réf 2 et 3).

  

[0029]    Nous établissons ici une lentille avec PDC d'environ 0.3 m ou 0.4 m jusqu' à l'infinie et une PDF de plusieurs mm. Les lentilles multifocales actuelles donnent cette même profondeur de champ mais avec un design bien différent: multizones réfractives, lentilles diffractives, etc. La lentille considérée dans cette invention peut également, comme nous l'avons décrit, produire des fenêtres à largeurs variables; par exemple une fenêtre de vision proche à 0.4 m de largeur PDF choisie et une fenêtre de vision lointaine de largeur PDF choisie. Les deux largeurs peuvent être différentes.

  

[0030]    Il est avantageux dans le contexte de cette invention d'élargir la fenêtre de vision proche (PDF et PDC) car elle est plus faible en général que celle de la vision lointaine.

2.0 Description de l'invention Surfaces asphériques

  

[0031]    De nombreuses IOL sont produites aujourd'hui avec une correction de SA de façon à conserver une valeur non négligeable de SA pour l'ensemble IOL- oeil et obtenir ainsi un accroissement, de la PDF quoique modeste; les patients semblent satisfaits de cet accroissement. Ces lentilles donnent une PDF, et donc une PDC, plus importante que celle ou la SA de la cornée est complètement neutralisée par le choix d'une surface asphérique adaptée pour PIOL; ces lentilles seront également moins sensibles à la décentration, le tilt et la position. Malgré la satisfaction des patients dans le cas mentionné, la PDF est toujours faible, typiquement quelques centaines de microns (ou des dixièmes de dioptries) et est obtenue au dépend de la résolution.

   En effet, dans ces cas ou l'on conserve une valeur relativement élevée de SA du système visuel, les défauts de la cornée ne sont pas corrigés, respectivement compensés.

  

[0032]    Les objectifs recherchés pour améliorer la situation sont:
de séparer dans une certaine mesure la détermination de la PDF et celle de la résolution/MTF
de conserver cette dernière approximativement constante sur chaque segment de PDF.

  

[0033]    L'invention présentée ici on permettra de produire une lentille avec PDF et résolution relativement indépendantes l'une de l'autre dans une certaine mesure. On aura ainsi des valeurs choisies sur les paramètres essentiels de la lentille tels que la résolution et la PDF. Ces valeurs pourront couvrir, entre autres, les effets de vieillissement, de tolérance des mesures, d'erreurs de calcul, de position et autres qui rendent l'intervention du spécialiste contraignante. La lentille devrait fournir une PDF suffisante dans tous les cas ainsi qu'une résolution/MTF satisfaisante.

   La MTF est ici d'un intérêt particulier car la perception des très hautes fréquences est souvent peu critique dans les activités les plus courantes des patients et parce que le système oculaire, particulièrement la rétine, a une résolution limitée; ainsi même une résolution réduite peut être acceptable si la MTF reste élevée aux basses et moyennes fréquences.

  

[0034]    Une PDF typique pour fournir une tolérance satisfaisante au spécialiste et au patient est de 1D à 2 D mais peut être plus importante suivant les cas.

Caractéristiques de l'invention

  

[0035]    Les caractéristiques essentielles de l'invention sont les suivantes:
Elle sépare les déterminations de la résolution/MTF d'une part et de la PDF/PDC d'autre part avec l'introduction d'un élément spécifique pour créer la PDF/PDC recherchée. Dans ce but on utilisera:
- Soit une structure diffractive qui peut souvent être remplacée, par une surface asphérique produisant la même distribution de phases.
- Soit une surface réfractive qui produit une distribution de phase adaptée à la création de PDF étendue.

   Cette extension de PDF s'effectuera, en général, avec la résolution/MTF approximativement constante sur la fenêtre considérée; en général, la variation de résolution sur la PDF pourra être environ d'un facteur deux ou trois mais pas d'un ordre de grandeur.
- Les structures diffractives DPE ou les surfaces réfractives adaptées créent un front d'onde particulier. Le faisceau de lumière ainsi crée a des caractéristiques qui sont utilisées ici pour les applications à des lentilles ophtalmiques et peut être considéré comme une apodisation en trois dimensions de l'image pour obtenir une extension sur l'axe longitudinal sans perte importante sur les axes transversaux.

   Comme mentionné ci-dessus, le DPE peut parfois être remplacé par une surface asphérique calculée soit par dépliage ("unwraping"), soit à partir de polynômes représentant la phase (ou des distributions équivalentes), soit ou à partir de distribution de phases permettant d'obtenir des résultats équivalents: surface quartique, axicon, logarithmique, axicon, etc.
Les DPEs sont crées par le calcul comme suit (voir dépôts de brevets précédents mentionnés ci-dessus): 
- Calcul des distributions de phase pour créer les PDF requises, nommés ici segments de focalisation (côté image) ou tout simplement segments.
- Calcul d'une surface asphérique adaptée, si désirée, équivalente, avec uneapproximation qui dépend du polynôme utilisée (pair, impair, ordre du polynôme).
- Association à une surface réfractive.

   Cet élément réfractif fournira essentiellement la puissance recherchée et comprend une deuxième surface sphérique ou asphérique qui peut être utilisée pour le contrôle de SA de la cornée (ou de l'oeil).
- La résolution sera approximativement constante sur le segment PDF considéré.
- La structure est calculée pour un matériau et une puissance. Le calcul sera repris en cas de modification de ces paramètres.
Le polynôme représentant les phases ou des paramètres similaires (par exemple les distances sagittales) est calculé à partir du DPE ou à partir de simulation optique (Zemax ou autres) ou à partir de calcul numérique itératif de distribution de phases.

   Ces diverses méthodes permettent le calcul de distribution de phases et ainsi de calculer la distribution recherchée des phases et des intensités sur les axes x, y (transversaux) et sur l'axe z (longitudinal) qui est l'axe de propagation du signal. La structure diffractive peut aussi parfois être dépliée ("unwrap") par diverses méthodes numériques pour donner une distribution de phase similaire, continue; les polynômes mentionnés peuvent aider au calcul de ces distributions de phase et de surface correspondantes.
Les DPE sont fabriquées sur une des surfaces de l'élément réfractif, par exemple sur la surface antérieure qui peut être piano (fig. 1) ou avoir d'autres formes: convexe ou concave ou asphérique.
Les DPE peuvent être fabriquée comme élément diffractif ou comme surface asphérique.

   Celle-ci peut être plus moins sensible aux tolérances lors de l'implantation (aux erreurs de tilt, et/ou de position) en fonction de sa forme et de ses caractéristiques.
On peut ainsi obtenir une lentille avec 2 surfaces asphériques, l'une représentant le DPE et l'autre la correction de SA recherchée. Les DPEs peuvent être conçu comme surfaces asphériques souvent sans perte de performance et en simplifiant la méthode de production mais parfois avec des approximations. Comme expliqué ci-dessus la PDF peut être obtenue directement à partir d'une surface asphérique calculée à partir de distribution de phases ou à partir de polynômes adaptés. Nous notons toutefois que les surfaces asphériques et diffractive donneront des caractéristiques optiques différentes sur certains points, par exemple sur les aberrations chromatiques.

   La dispersion introduite par une surface diffractive est bien plus importante que celle introduite par une surface réfractive, asphérique ou pas.
It faut noter que la correction de la SA de la cornée n'est pas toujours recherchée et que d'autres caractéristiques peuvent être importantes par exemple le contrôle ou la réduction de la croissance des cellules épithéliales par la forme de la surface.
Les DPE/surfaces asphériques peuvent être crées sur diverses régions de la surface de la lentille pour produire des segmentations recherchées du côté image.

   Les fronts d'onde résultants des diverses régions peuvent être contigus ou pas et peuvent être construit en un front d'onde qui est assimilé à une surface asphérique avec une approximation variable en fonction du nombre et de la complexité des fronts d'ondes constitutifs.
Elle permet le choix d'une résolution du système oeil-lentille par le choix de l'asphéricité de la seconde surface de la lentille avec ou sans compensation de SA et/ou des HOE de la cornée.
En conséquence, la lentille ophtalmique considérée (IOL, CL..) peut avoir deux surfaces asphériques et peut être calculée par un programme de tracé de rayons optiques (Zemax, Oslo, Code V, ASAP,..). Le DPE/surface asphérique peut être porté sur la face antérieure et la correction d'aberrations sur la face postérieure (voir fig. 1). L'ordre inverse est également acceptable.

   Les faces antérieure et postérieure de la lentille sont définies dans l'ordre ou la lumière est incidente. Inverser les faces changera en général le calcul et les résultats sauf si la lentille est symétrique.
La segmentation des PDF permet de créer une lentille bifocale ou trifocale et en général multifocale; chaque segment est contrôlable indépendamment sur sa profondeur de focalisation et sur son intensité. La structure diffractive/asphérique de la zone considérée permet de contrôler la profondeur recherchée pour le segment considéré.
Une DPE/surface asphérique peut être construite sur une portion de la lentille par exemple sur la partie centrale pour fournir une PDF choisie des rayons lumineux de cette région.

   Le DPE/surface asphérique peut également être construit sur la partie périphérique de la lentille et fournir une PDF choisie des rayons lumineux de cette région; cette PDF peut être d'une fraction de dioptrie, de 1 D, ou plus. Ces choix déterminent les longueurs focales paraxiale fp et marginale fm qui peuvent donc être obtenues comme suit:
 fp< fm ou 
fp>fm
Les puissances paraxiales et marginales sont, bien sûr dans un rapport inverse.
Le segment de vision proche peut être crée avec une PDF importante; la vision lointaine a une PDF relativement large.

   Une telle combinaison permettra une PDF importante avec une seule fenêtre significative.
Les intensités dans les diverses fenêtres sont dépendantes des surfaces des zones considérées et peuvent être choisies; par exemple l'intensité dans la zone de vision proche peut être augmentée au dépend de la vision lointaine. La collection de lumière de la lentille dépend de son ouverture relative (longueur focale/diamètre effectif); en choisissant les zones d'illumination des diverses fenêtres, la luminosité des segments est définie. L'une pourra être augmentée au dépend des autres en fonction des besoins.

  

[0036]    En fait, diverses DPE/surfaces asphériques peuvent être construit sur diverses régions de la lentille pour fournir diverses PDF de mêmes profondeurs ou de profondeurs différentes. La partie centrale peut être utilisée pour fournir une PDF des images de l'espace proche ou de l'espace lointain ou inversement la partie périphérique peut être utilisée pour créer une PDF des images de l'espace proche ou de l'espace lointain. Toutes les combinaisons sont possibles. Les diverses régions de la face considérée de la lentille peuvent aussi être crées glissantes, c'est-à-dire que partant du centre ou de la périphérie on peut créer des PDF pour les régions de l'espace de plus en plus lointaines. Les diverses PDF sont modulables pour obtenir des intensités variables par exemple 40 % pour une image proche et 60 % pour une image lointaine ou l'inverse.

   Toute répartition des intensités est concevable. La PDF permettra de contrôler séparément les répartitions des intensités de chaque région focale. La largeur de chaque segment est donc choisie en fonction du problème considéré. Par exemple:
Pour corriger la vue d'une personne âgée qui ne conduit pas, ou plus, de véhicule, on pourra favoriser la vision proche au dépend de la vision lointaine avec disons 65 % de la lumière dans le segment proche, une bonne résolution/MTF dans ce segment de champ proche qui s'étend de 30 cm à 1 m environ.

   La vision intermédiaire et lointaine sera plus faible mais encore appréciable.
Pour corriger une presbytie d'une personne jeune on fournira une répartition de lumière de 50/50 avec une PDF proche importante au centre de la lentille et éventuellement pas de PDF lointaine, ou même une puissance nulle à la périphérie puisque la vision presbyte est satisfaisante à distance intermédiaire et lointaine.

  

[0037]    Notons également que de nombreuses lentilles multifocales réfractives, diffractives ou hybrides sont disponibles aujourd'hui dans le commerce. La profondeur de focalisation résultante est importante mais elle est produite par diverses zones, chacune étant soumise aux règles de l'image "classique", c'est-à-dire limitée par la diffraction et les aberrations du système. Ces lentilles multifocales disponibles, offrent des performances parfois intéressantes comparées aux lentilles mono-focales mais produisent des halos et autres effets parasites qui disparaissent avec la solution décrite dans cette invention et les précédentes mentionnées ci-dessus.

Les surfaces asphériques

  

[0038]    Le choix de l'élément asphérique-réfractif sur la surface B détermine essentiellement la résolution de la lentille et du système visuel après implantation. Cet élément peut être choisi, entre autres, sur les critères suivants:
Neutraliser la SA de la lentille IOL. Une lentille sans SA permettra d'obtenir, après implantation, un système oculaire avec la SA due à la cornée et avec des PDF étendues (dues à la surface asphérique et surtout au DPE). La résolution résultante du système oculaire avec la lentille sera réduite, dépendante de la SA et des autres aberrations HOE.
Création de SA négative pour la lentille IOL. La valeur de SA sera choisie pour compenser entièrement ou partiellement la SA positive de la cornée, mesurée sur le patient ou pour des valeurs moyennes sélectionnées sur un groupe de population.

   Les PDF sont déterminées par la surface asphérique (pour des dixièmes de dioptries) et surtout par la DPE (pour des dioptries). La résolution sera optimum si la SA du système oculaire avec la lentille IOL est nulle.
Les SA considérées dans les lentilles intraoculaires sont en général celles de la vision lointaine avec un front d'onde parallèle incident sur la cornée. Dans ce cas on corrigera plus ou moins la vision lointaine et l'on acceptera les défauts de vision proche. L'inverse est évidemment possible ou une situation intermédiaire est envisageable. En général on recherche la qualité de vision lointaine car la vision proche est souvent plus lumineuse.

   Pour obtenir une correction des SA de vision proche et de vision lointaine avec une seule lentille, deux zones indépendantes DOF sont nécessaires comme décrit ci-dessus et deux zones correspondantes sur la surface réfractive-asphérique B avec différentes asphéricités.
Pour annuler toute valeur choisie de HO A, combinée ou pas avec SA.
L'équation de la distance sagittale d'une surface asphérique est donnée par:

 <EMI ID=2.1> 


  

[0039]    Ou encore la distribution de phase, pour une surface diffractive, peut être calculée à partir de la formule suivante, avec un polynôme pair (ou évidemment la formule correspondante pour un polynôme impair).

 <EMI ID=3.1> 
Avec
Aiest le coefficient de la 2ieme puissance de ??
N est le nombre de coefficient du polynôme 
M est l'ordre de diffraction
Z est la distance sagittale
C est la courbure au centre de la surface
k est la conicité
Les coefficients a donnent les coefficients du polynôme décrivant la distance sagittale de la surface asphérique.

  

[0040]    La réalisation de la surface asphérique est alors connue. Des SA, positives ou négatives peuvent être réalisées ou elles peuvent être neutralisées; de même les HO A, peuvent être neutralisés ou être choisis positifs ou négatifs. Les profils des surfaces ainsi que les MTF correspondantes et les résolutions sont calculables sous diverses formes par exemple avec un programme de tracé de rayons optique tels que Zemax qui fournira également les dimensions des images, les divers coefficients de Zernike ou de Seidel, les éventuelles aberrations chromatiques, etc.

Eléments diffraetifs et surface asphcriques pour générer les PDF.

  

[0041]    Les méthodes suivantes peuvent être appliquées au calcul de la surface diffractive-asphérique de la lentille:
Définir les PDF recherchées. Les distributions de phase du front d'onde sont calculées. La distribution de phase du front d'onde continu est ensuite déterminée ("unwrap"). Les PDF sont représentées par des "tubes de lumière" (voir fig. 1 et dépôts de brevets précédents).
La distribution de phase ainsi obtenue est utilisée pour obtenir les coefficients a de l'équation (1) d'un front d'onde avec un profil continu. Le nombre de coefficients a pourra être choisi, si nécessaire, avec des compromis sur le profil du front d'onde. La réduction du nombre de coefficients donnera un front d'onde approximatif mais parfois satisfaisant dépendant du nombre de coefficients et de l'approximation introduite.

   Un DPE peut donc être remplacé par une surface asphérique. Cette surface est calculée par l'intermédiaire d'un polynôme représentant la distribution de phase du front d'onde. Ce polynôme peut être calculé à partir de l'équation (1) donnant une fonction de l'épaisseur (paire si possible mais aussi impaire ou combinée) pour une longueur d'onde définie ou à partir d'une équation donnant directement la distribution de phase du front d'onde, comme présentée ci-dessous.
Des distributions de phase spécifiques peuvent être recherchées: axicon, axicon logarithmique, etc.

   Quelques exemples de distribution de phase de surfaces optiques intéressantes:
- ([phi](r) = (-2[pi]/([lambda]*a))log(1+a*(r<2>-r1<2>)/d1avec a = (d2-d1/(R<2>-r1<2>)
- (??(r) = (r/b*R)<p>
- r1 est le rayon considéré de la surface optique, d1 et d2 sont les longueurs focales avant et arrière.
- L'axicon linéaire crée la distribution de phase suivante:
- [phi]> (r) = a*r
La distribution de phase [phi] requise pour créer la PDF, peut être obtenue pliées ou dépliées ("wrap/unwrap") pour fournir une surface diffractive ou réfractive-asphérique, parfois complexe.

  

[0042]    Les DPE pourront être réalisés, en fait, soit par des structures diffractives soit par une surface asphérique équivalente, éventuellement approximative. Le choix de la méthode: diffractive ou asphérique est lié aux coûts de production et à d'autres paramètres tels que les aberrations chromatiques, importantes avec les surfaces diffractives; celles-ci peuvent être corrigées ou minimisées.
Les DPE/surfaces asphériques permettront d'obtenir les profondeurs de focalisation recherchées. Le faisceau lumineux, côté image sera pratiquement un faisceau de lumière de section constante sur un segment. La longueur de ce faisceau de lumière dans chaque segment correspond à une profondeur de focalisation, et donc aussi de champ, choisie.

   Les choix de ces profondeurs de focalisation et de champ permettent par exemple d'éviter le port de lunettes après implantation d'une IOL, ou d'assurer que le patient pourra voir correctement sans aide de lunettes ou de lentilles de contact, CL, même après une dégradation supplémentaire de l'accommodation de son cristallin, par exemple dans le cas de presbytie.

3.0 Liste des dessins

  

[0043]    Les dessins ci-joints sont les suivants:
<tb>Fig. 1<sep>Lentille à profondeur de focalisation. La surface réfractive est sphérique ou asphérique; la surface diffractive est représentée ici piano mais peut avoir toute forme, concave, convexe ou autres.


  <tb>Fig. 2<sep>Caustique et définition du cercle de moindre confusion, CMC, ainsi que du plan optimum de focalisation pour une lentille. Le CMC de la lentille est le plan de focalisation optimum ("best focus"). Le CMC des rayons paraxiaux seuls est le plan de focalisation paraxiale. Le CMC des rayons marginaux seuls est le plan de focalisation marginal.


  <tb>Fig. 3<sep>Exemple de la profondeur de champ D1 + D2d'une lentille.


  <tb>Fig. 4<sep>Profondeur de champ, PDC, monofocale et multifocale, exemples. Les PDC sont obtenues par des méthodes différentes: diffractive ou réfractive ou hybride. Les formes des faisceaux sont différentes dans la région "image" et les caractéristiques de l'image sont particulières à chaque méthode. La méthode INFO donne une distribution d'intensité image représentée sur la fig. 1, et développée dans les références 2 et 3.

4.0 Réalisation

Calcul optique de la lentille et des segments.

  

[0044]    Le calcul de la lentille sera fait selon la méthode suivante, parmi les nombreuses possibilités:
Définir et calculer sur chaque segment, les DPE ou les surfaces asphériques pour obtenir les PDF recherchées; typique sera une fraction de dioptrie ou 1 D ou plus pour chaque segment. Le nombre de segment est de 1, 2 ou plus. Pour une lentille pseudo-phakic mono-focale, 1.5 D ou 2 D pourrait être utilisée pour créer des tolérances à disposition du spécialiste. Plus de 2 D peut être choisie pour une lentille multifocale. Toutefois il ne sera pas recherché une valeur plus grande que nécessaire pour éviter les aberrations chromatiques et autres aberrations dans la zone de focalisation; celles-ci augmentent en général avec la PDF. Même si l'oeil est relativement peu sensible aux aberrations chromatiques, les limites doivent être évitées.

   Les DPE/surface asphériques seront réalisés comme structures PDF; les calculs correspondants de géométries et/ou de surface seront réalisés. Les DPEs sont gravées sur la surface piano (ou courbe) par exemple avec un tour et un outil en diamant et la seconde surface asphérique est taillée avec ce même type de machine après centrage. D'autres méthodes de production sont également adaptées (moulage par exemple). Les méthodes de calcul des DPE et des surfaces asphériques sont décrites ailleurs (réf. 2 et 3).

   Une solution intéressante est de créer un segment PDF de vision proche puisque les visions intermédiaire et lointaine ont une PDF assez large avec la SA de la cornée (fig. 5).
Définir la puissance nominale de la lentille et des diverses zones i ainsi que leur profondeur; choisir les indices de réfraction (en fonction du ou des matériaux), le rayon de courbure de la surface, le diamètre de pupille, et les autres paramètres habituels de la construction de lentilles.
Définir la surface asphérique- réfractive antérieure ou postérieure en fonction des choix de valeur et de signe recherchée pour la SA d'une part et de la méthode de production d'autre part.

   Le calcul peut être fait par tracé de rayons optiques sur Zemax ou autres programmes de même type, Code V, ASAP, Oslo...
La résolution et la MTF (monochromatique) du système visuel résultant sont déterminées par l'ensemble lentille hybride et oeil. Ces paramètres sont relativement constants sur chaque PDF, sauf éventuellement aux extrémités du segment.

  

[0045]    Les DPE et ou les surfaces asphériques seront calculés selon la procédure décrite ci-dessus en combinaison avec l'élément réfractif. Les longueurs focales des DPE sont bien plus grandes que celle de l'élément réfractif, typiquement par un facteur 10x ou même plus.
Les puissances de l'élément diffractif et de l'élément réfractif s'additionnent du fait de leur proximité immédiate.
Avec des surfaces asphériques, les puissances sont calculées soit par tracé de rayons optiques soit par les formules des lentilles minces ou épaisses.

  

[0046]    La puissance de l'élément réfractif est le plus souvent, bien plus grande que celle de l'élément diffractif et détermine alors pratiquement la puissance d'une lentille hybride. Les DPE déterminent les PDF, que nous appelons invariant de focalisation (INFO) car le faisceau du côté image à une section approximativement constante dans chaque segment de focalisation. Un segment d'invariance de focalisation peut atteindre des valeurs de profondeur importantes avec une perte de résolution relativement peu significative sur ce segment si l'on maintient des PDF relativement modestes. Cette région invariante permet d'obtenir une section relativement constante sur le PDF sans image parasite et sans halos et glare.

  

[0047]    Toutefois les PDF étendues introduisent un étalement des intensités collectées par la lentille avec une pupille d'entrée définie et peuvent réduire la densité d'énergie dans l'image qui est formée sur la rétine. Ceci pourra provoquer une compensation par l'ouverture de la pupille oculaire et par un processus d'apprentissage inconscient à l'observation d'image de faible intensité. Le choix des PDF prendra donc en considération les distributions des luminosités dans les diverses images, en évitant les pertes excessives. Ce phénomène est connu et existe pour toutes les lentilles multifocales en fonction des constructions et PDF.

  

[0048]    La résolution de l'oeil pseudo-phakic dépend de la définition de la surface asphérique pour obtenir une SA négative qui compensera la SA, en générale, positive de la cornée. Dans ce cas, le système cornée-IOL aura une bonne résolution/MTF, limitée essentiellement par les éléments autres que 1TOL. A l'extérieur de l'oeil, la lentille hybride donne une résolution médiocre, qui est améliorée après implantation respectivement après combinaison avec le système visuel. Les DPE peuvent être calculés dans l'oeil avec un oeil modèle par exemple définit dans la norme ISO correspondante ou des fonctions de transfert adéquates peuvent être définies.

  

[0049]    La correction de SA est faite en général pour la vision lointaine souvent moins lumineuse à cause des effets de photométrie (réduction de la luminosité en fonction de la distance et de l'angle). La méthode permet de corriger les SA de vision proche et lointaine sur les différents segments de la lentille avec un segment PDF large pour la vision proche et un segment PDF étroit ou même nul pour la vision lointaine. On pourra ainsi réduire la distance hyperfocale et/ou augmenter la PDF.

Calcul et réalisation des DPE.

  

[0050]    Les PDF sont caractérisés par une distribution d'intensité dans la direction axiale sur une région déterminée et par une forme de faisceaux dans la direction transversale. Les segments ont des caractéristiques uniques telles que: intensité axiale relativement reproductible, propagation étendue sur l'axe optique, faisceau qui peut être étroit.

  

[0051]    La définition et le calcul des DPE pour les lentilles ophtalmiques a été analysé dans un document précédent. Les DPE ont chacun une PDF avec intensité et résolution qui peut être différentes sur chaque segment. Créer un faisceau avec des éléments diffractifs peut introduire des aberrations chromatiques et les tolérances de production peuvent être critiques aussi pour d'autres paramètres tels que les distributions d'intensité; le choix d'utiliser une surface asphérique même approximative peut alors se révéler judicieux.

  

[0052]    Un DPE peut être crée par- diverses méthodes, par exemple par un calcul inverse en définissant le segment de longueurs focales (ou de puissance) recherché et ensuite en calculant la distribution de phase requise pour obtenir la distribution d'intensité sur l'axe longitudinale Z.

  

[0053]    La lentille hybride résultante est présentée sur la fig. 1.

  

[0054]    Sur un segment, les caractéristiques de la lentille hybride DPE-élément réfractif peuvent être calculées et optimisées. Un programme de tracés de rayons tels que Zemax (ou autres) peut servir d'appoint car il fournira des informations telles que: MTF, dimensions de l'image d'un point, Point-Spread Fonction PSF, Aberrations avec coefficients de Zernike ou de Seidel, etc. aussi en considérant deux surfaces asphériques. Chacune de ces surfaces asphériques peut être positive ou négative. L'élément réfractif peut être piano, convexe ou concave et aussi asphérique ou pas. D'autres combinaisons telles que: convexe-concave, convexe-convexe, concave-concave sont similaires et peuvent également être calculées par itération; le tracés de rayons optiques tel que Zemax sert d'appoint, en général.

   La lentille hybride peut être positive, négative ou avoir des formes complexes par exemple toriques. Elle peut être phakic ou pseudo-phakic.

5.0 Résumé

  

[0055]    La méthode décrite dans ce brevet peimet d'obtenir une lentille ophtalmique; cette lentille inclut deux surfaces:
Une surface, antérieure ou postérieure, pour neutraliser ou étendre les aberrations (sphériques et d'ordres plus élevées) du système de vision oeil-lentille. Cette surface est en général, asphérique.
L'autre surface, antérieure ou postérieure, est formée d'une ou plusieurs zones qui peuvent être réalisées comme structures diffractives DPE ("Diffractive Phase Elément") ou qui peuvent être identifiés, calculés, juxtaposés puis fabriqués comme surfaces asphériques. Ces structures diffractive ou asphérique, produisent des profondeurs de focalisation, PDF, donc de champ, PDC, variables et contrôlables.

   Un cas particulier intéressant est une zone PDF importante pour la vision proche et une zone PDF faible ou nulle pour la vision lointaine; cette PDF liée à la vision intermédiaire et lointaine peut être large grâce aux SA du système.
L'épaisseur centrale de la lentille sera choisie en fonction des besoins: faibles pour obtenir une incision réduite ou plus grande si une lentille plus épaisse est recherchée pour mieux remplir le sac capsulaire. Les caractéristiques PDF et résolution sont obtenues dans des plages relativement importantes de variations de cette épaisseur.

  

[0056]    La méthode est applicable aux lentilles phakic et pseudo-phakic et également aux autres lentilles ophtalmiques: lentilles de contact et verres de lunettes. La lentille ophtalmique de cette invention peut être positive, négative, de puissance nulle ou torique; elle peut être fabriqué à partir de tous types de matériaux plastique hydrophobe et hydrophile, silicone, toute sorte de verre, et autres.

Références

  

[0057]    (1). R. Kingslake. Optical System Design. Académie Press. 1983. Page 265.
(2) Dépôt de brevet CH 0161/08
(3) Dépôt de brevet CH 0255/08

Claims (12)

1. Une lentille optique, avec deux surfaces A et B, de puissance nominale variable: positive négative ou nulle, caractérisée par:

- une surface B, antérieure ou postérieure, calculée avec l'oeil considéré ou avec des valeurs moyennes considérées, pour que la résolution/MTF et donc l'acuité visuelle donne la valeur recherchée par exemple conforme à la norme ISO 11979-2 ou meilleure.

- une surface A, postérieure ou antérieure, diffractive ou asphérique ou hybride pour créer des segments de profondeur de focalisation étendue à choix (PDF) et donc des profondeurs de champ étendue (PDC); chaque PDF peut avoir des valeurs élevées d'une fraction de dioptrie, de 1 D ou 2 D, 3 D ou plus; la structure diffractive ou asphérique ou hybride sur la surface est la résultante des structures correspondantes à chaque segment de profondeur de focalisation et le nombre de segment est de un, deux ou plus; avec un seul segment on recherchera le segment de vision proche large pour réduire la distance hyperfocale et ainsi augmenter la profondeur de champ en vision proche.

- des valeurs de résolution/MTF approximativement constantes sur chaque segment de focalisation.

- Une épaisseur centrale choisie dans une plage relativement large; cette épaisseur sera choisie faible pour que la lentille soit légère, pour nécessiter une incision minimale de la cornée mais toutefois donner une rigidité suffisante pour une tenue constante et reproductible de la lentille à long-terme.

2. Les éléments diffractif sur la surface peuvent être remplacés localement par une surface asphérique auquel ils sont assimilé et obtenir des performances similaires par dépliage ("unwrap") et/ou des approximations de la distribution des phases à l'aide de polynômes et/ou des surfaces produisant des distributions de phase de type axicon.

3. La surface A peut être la surface antérieure ou la surface postérieure de la lentille hybride, la surface B sera alors l'autre surface.

4. Les aberrations sphériques et les HOA ("Higher Order aberrations") résiduelles du système visuel résultant, sont définies par les choix de A et de B et par les caractéristiques du système visuel considéré.

5. La lentille hybride peut être fabriquée en plastique, hydrogels, verre, silicone, et tous autres matériaux

6. Les surfaces asphériques B sont choisies pour permettre les corrections totales ou partielles des aberrations sphériques monochromatiques SA de la cornée et/ou de l'oeil; de façon alternative, la surface peut être choisie pour être neutre et ne pas modifier la SA de l'oeil.

7. Toute combinaison de SA et HOA peuvent être configurées; les aberrations chromatiques peuvent être minimalisées respectivement neutralisées par intégration des corrections adéquates dans le design de la lentille hybride, surtout dans le cas ou une structure diffractive est choisie pour la surface A.

8. La résolution/MTF est plus faible pour les zones externes de la lentille et une compensation lumineuse peut être apportée en augmentant la surface utile de cette zone; la PDF est indépendante de la position de la zone.

9. Les intensités des diverses fenêtres sont dépendantes des surfaces des zones considérées et peuvent être choisies; par exemple l'intensité dans la zone de vision proche peut être augmentée au dépend de la vision lointaine ou vice-versa.

10. La méthode est applicable aux lentilles ophtalmiques de toutes sortes telles que les lentilles phakic, pseudo-phakic, les lentilles toriques, les lentilles de contact et les verres de lunettes et autres aides à la vision, quelque soit les puissances: positives, négatives, nulles.

11. Les divers défauts de vision peuvent être corrigés et la profondeur de champ maintenue à la valeur requise pour compenser des défauts futurs, éventuellement prévisibles, telles que la presbytie.

12. La région utilisée sur surface A pour créer les PDF (resp. les PDC) peut être plus faible que la surface utile de la lentille par exemple si un seul segment est recherché pour réduire la distance hyperfocale; une telle solution permettra d'augmenter la PDC proche et ainsi augmenter la PDC totale.