CN101005942B - 利用高阶数学函数形成非对称性模制后片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及利用高阶数学函数，如非均匀性有理b样条函数(NURB)，以形成不接触流体光学材料的表面，如模制后片，而形成用于眼用透镜的模具。特别是，本发明使模制材料的流动得到优化。另外，利用本发明，能够形成大致均匀的模具厚度，并使光学失真最小化。
Description
技术领域
本发明涉及利用高阶数学函数，如非均匀性有理b样条(NURB)，形成用于眼用透镜的模具，以形成不接触流体光学材料的表面，诸如模制后片。尤其是，本发明使模制材料的流动性得到优化。另外，利用本发明，模具能够得到大致均匀的厚度，并使光学失真最小化。
背景技术
接触透镜广泛用于矫正各种不同类型的视觉缺陷。目前接触透镜表面设计相对简单，通常采用旋转对称或复曲面，并且能够矫正人眼的低阶像差，诸如散焦及散光。更复杂的接触透镜可用于矫正人眼的高阶单色像差，如非标准量球差、彗差、及其他不规则高阶像差。这些高阶像差使得视网膜上形成的图像变模糊，其对视觉造成损害。这些高阶像差对视网膜上成像质量的影响在一些情况下可变得显著，例如，老花眼、大瞳孔的正常眼、及一些人的眼睛所具有的不规则散光、角膜锥症、角膜营养不良、快速穿透角膜成形术后遗症、溃疡性角膜炎形成瘢痕、带及不带外科修复的角膜创伤、进行了非最理想外科屈光手术的眼睛。对于这些人，通过佩戴定制接触透镜或者能够矫正人眼高阶单色像差的接触透镜可获得20/20或更好的视敏度。为了制造这些类型的镜片，需要高精度镜片设计及制造技术。
透镜可通过模制、浇铸或车床切割而制作。例如，大规模化制造的接触透镜通常通过双面模制工艺制造。在这些工艺中，在两个模具之间制造透镜，而无需对表面或边缘进行后续加工。这些模制工艺例如在美国专利No.4,347,198；6,113,817；6,149,842；及5,894,002中描述。因此，透镜几何结构取决于模具的几何结构。在典型的模制系统中，透镜在半连续基底的一系列站点中循环。
透镜制造的循环作业通常包括将液体可交联和/或可聚合材料配送入阴半模之中，给该阴半模配合阳半模，照射以交联和/或聚合，将该两半模分离并移去透镜，包装该透镜。然而，双面模制工艺效率往往需要提高。因此，需要对模制工艺进行包括形成并使用更好的模具在内的改进。
发明内容
本发明的这些及其他方面通过参照下列附图对下面的优选实施例的描述将变得清楚。本领域技术人员显然理解，可以对本发明进行多种改变及修改，而不脱离本发明新颖构思的精神和范围。
本发明涉及一种光学模具，包括：
具有前表面和后表面的阳半模，其中所述前表面接触流体光学材料；以及
具有前表面和后表面的阴半模，其中所述前表面接触流体光学材料；
其中所述阴半模的后表面还由高阶数学函数限定，所述高阶数学函数是非均匀有理b-样条函数，所述阴半模的所述前表面还由作为非均匀有理b-样条函数的高阶数学函数限定，以及其中所述模具在所述模具的透镜部分形成均匀厚度。
在上述模具中，所述阳半模的所述前表面由高阶数学函数限定。
在上述模具中，所述阳半模的所述后表面由高阶数学函数限定。
本发明还涉及一种形成眼用透镜的方法，包括
提供流体光学材料；
提供阳半模和阴半模，其中所述阴半模具有前表面和后表面，其中所述前表面接触流体光学材料；
将所述流体光学材料配送入所述模具中；以及
将所述模具和流体光学材料曝光于能量源下，
其中，所述阴半模的所述后表面由高阶数学函数限定，所述高阶数学函数是非均匀有理b-样条函数，所述阴半模的所述前表面还由作为非均匀有理b-样条函数的高阶数学函数限定，以及其中所述模具在所述模具的透镜部分形成均匀厚度。
本发明的一个实施例为具有阳半模的光学模具，所述阳半模具有前后表面，其中，前表面接触流体光学材料。该实施例还包括具有前后表面的阴半模，其中该前表面接触流体光学材料。在该实施例中，所述阴半模的后表面还优选由高阶数学函数限定。
在另一个实施例中，阴半模的前表面还由高阶数学函数限定。在另一个实施例中，该阳半模的前表面也可由高阶数学函数定义。在一个相关实施例中，该阳半模的后表面也可由高阶数学函数限定。
在某些实施例中，该高阶数学函数可为非均匀有理b-样条函数。在可选实施例中，该模具可在模具的透镜部分形成均匀的厚度。在另一个实施例中，阴半模的非接触模表面从阴半模接触性表面垂直偏移。在优选实施例中，本发明的模具改善了模制材料的流动。
本发明还包括形成眼用透镜的方法。该方法优选包括提供流体光学材料；提供阴阳半模，该阴半模优选具有前表面和后表面，其中前表面接触流体光学材料；将流体光学材料配送入模具中；匹配阳半模；将模具与流体光学材料曝光于能量源下。在该实施例中，阴半模的后表面优选由高阶数学函数限定。在一个相关实施例中，该高阶数学函数可为非均匀有理b-样条函数。
在可选实施例中，该模具可在模具的透镜部分形成均匀的厚度。在相关实施例中，阴半模的后表面改善了模制材料的流动。
附图说明
图1为典型模具组件的截面图；
图2A为在模具的接触部分采用NURB面时半模的透镜限定部分的闭合截面图；
图2B为在模具的接触部分及非接触部分采用NURB面时半模的透镜限定部分的闭合截面图；
图3示出根据本发明的用于测量模具厚度的方法。
具体实施方式
下面将对本发明实施例详细地作出参考性描述。对于本领域技术人员来说显然的是，对本发明可作出不脱离本发明范围或精神的各种修改及修正。例如，作为某个实施例一部分而阐述或描述的特征可结合用于另一个实施例中以获得新的实施例。因此，本发明应覆盖在所附权利要求及其等价物的范围内的修改及改变。本发明另外的目的、特征及方面将在下面详细说明中披露或由此而显而易见。本领域普通技术人员可以理解，本文仅为示例性实施例的说明，其不应该作为对本发明更宽泛方面的限定。
相关定义
除非另外限定，文中所有技术及科学术语具有作为本发明所属领域普通技术人员公知的相同的含义。通常，文中所用术语及制造过程在本领域均为公知公用。这些制造过程均采用常规方法，如在本领域专属方法及各种常规手段。其中，术语被提供为单数形式，但发明者们也可以想到所述术语的复数形式。
文中术语“眼用装置”指接触透镜(软性或硬性)，角膜覆盖体，用于眼中、眼上、眼周或眼睛附近的可植入眼用装置。文中术语“接触透镜”为广泛意义上的接触透镜，应包括任何用于眼上或眼睛附近进行视力矫正、诊断、标本采集、麻醉给药、伤口愈合、化妆美观性(例如眼睛的色彩修饰)、或其他眼科应用的硬性或软性透镜。
“水凝胶材料”指当其完全水合时可吸收至少10重量％的水的聚合材料。通常，水凝胶材料通过在具有或不具有另外的单体和/或大分子单体的条件下聚合或共聚合至少一个亲水单体而获得。例如，水凝胶包括但不限于聚(乙烯醇)(PVA)、改性聚乙烯醇(例如，nelfilcon A)、聚(甲基丙烯酸羟乙酯)、聚(乙烯基吡咯烷酮)、带聚羧酸的PVA(例如carbopol)、聚乙二醇、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酰胺、含硅水凝胶、聚氨基甲酸酯、聚脲等等。水凝胶可通过任何本领域技术人员所熟知的方法提供。
“可交联和/或可聚合材料”指其可通过光化辐射而被交联和/或聚合以获得交联和/或聚合的可生物相容的材料。光化辐射例如为UV辐射、离子辐射(例如γ射线或X射线辐射)、微波辐射、热辐射等等。
“聚合物”指通过聚合一个或多个单体而形成的材料。
“预聚物”指起始聚合物，其可在光化辐射条件下被聚合和/或交联以获得分子量大大高于起始聚合物的交联聚合物。
文中术语“流体光学材料”包括任何能够像液体一样流动的预聚物、聚合物、可交联和/或可聚合材料、或水凝胶材料。
概述
本发明总体涉及用于形成眼用透镜的模具的设计。一方面，本发明提供一种通过采用非均匀有理b-样条函数(NURB)或其他高阶数学函数(如三次多项式)制作阴阳半后模制表面的方法。典型的模具具有阴半模，所述阴半模包含限定模制接触透镜的前表面(即凸曲率)的前模制表面、和不与流体光学材料接触的后表面。阳半模优选具有限定模制接触透镜的后表面(即凹曲率)后模制表面和不与流体光学材料接触的前表面。阴阳半模可构成为彼此相互接受的结构，以至于在前后模表面之间形成接触透镜形成腔。模具的后表面优选在垂直于前表面的方向偏移，其也采用高阶数学函数实现。这种对称性改善模制材料向模基体的流动并且因此通过降低光学失真而提高眼用透镜的质量。
本领域技术人员可以理解，很多不同种类模具及透镜可用于本发明。本发明模具既可用于制作硬性透镜也可用于制作软性透镜。本发明模具可用于形成复曲面、多焦、复曲面多焦眼用透镜，定制眼用透镜等等。本发明模具还可形成被设计成用于矫正一种以上像差例如老视及像散的种种透镜。
透镜制作
眼用透镜可采用双面模制(DSM)工艺制作。这些工艺通常包括将液体预聚物配送入阴半模中，对阴半模匹配阳半模，施加紫外辐射以聚合该预聚物。该阴半模可具有限定接触透镜前(前方)表面的模制表面。该阳半模可具有限定该透镜后(后方)表面的模制表面。对在DSM工艺中从模具中移除的聚合透镜可能需随后的处理，如表面处理和/或提取(extraction)工艺。
DSM工艺，如美国专利4,347,198所描述，利用了与凸形(也已知为“阳”或“后表面”)的半模配对的凹形(也已知为“阴”或“前表面”)半模。在DSM工艺中，将液体单体或聚合物前体配送入阴半模中，将阳半模附于阴半模之上，并且施加光(例如紫外光)以引发聚合或交联并形成固体透镜。然后打开模具以取出透镜。通常，该模具在打开之后不能再使用。
透镜设计
透镜设计包括在位于透镜几何结构的材料体中形成一个或多个区。通常，大部分透镜具有大致均匀的折射率。该折射率，与表面几何光学设计结合或将其替代，优选形成该透镜的光焦度。这些区域的位置由所希望的透镜光学设计确定。
本领域技术人员熟知，眼用透镜的透镜设计可通过光学计算机辅助设计(CAD)系统及机械CAD系统而实施。光学CAD系统用于设计光学模型透镜。“光学模型透镜”指在计算机系统中设计的眼用透镜，并且通常不包含作为眼用透镜部分的其他非光学系统。例如，接触透镜的非光学系统包括但不限于斜面、晶状体部分、及连接接触透镜的前后表面的边缘。
“斜面”指位于接触透镜后表面边缘的非光学表面区域。通常，斜面具有足够平坦的曲率并通常与接触透镜的基准曲率(光学后表面)混合，且向上呈阶梯状靠近边缘。这防止浸润器基曲率半径上吸住眼睛并使得边缘稍微抬升一些。边缘抬升对于泪液穿过角膜的适当流动是很重要的并且使透镜佩带更舒适。
“晶状体部分”指在光学区和边缘之间接触透镜的前表面的非光学表面区。晶状体部分的一个功能是控制透镜边缘的厚度，另一个功能是控制透镜对于平动或转动的稳定性。
众所周知，合适的光学计算机辅助设计(CAD)系统可用于设计光学模型透镜。优选，将能够精确地数学地表达高阶表面的机械CAD系统用于设计眼用透镜及相关模具。作为这样的机械CAD系统的一个例子如Pro/Engineer。
示例性光学计算机辅助设计系统包括但不限于ZEMAX(FocusSoftware，Inc.)和Breault Research Organization的高级系统分析程序(ASAP)。优选，光学设计通过采用具有ZEMAX(Focus Software，Inc。)的输入的Breault Research Organization的高级系统分析程序(ASAP)完成。然后将光学模具透镜传送至机械CAD系统，例如Pro/Engineer。相关模具及加工设计均产生于该机械CAD系统。
可通过例如机械CAD系统将光学模具透镜的设计及后续相关模具转换至一组机械透镜设计，其包括光学区、非光学区、及非光学特征。示例性模具的非光学区及特征包括但不限于形成斜面、晶状体部分、连接接触透镜前后面的边缘的特征，取向特征等等。示例性的取向特征包括但不限于：适于形成棱镜平衡的特征或类似的采用不同厚度轮廓以控制透镜取向的特征；多面表面(例如去脊区)，其中部分透镜几何结构被去除以控制透镜取向；通过与眼睑相互作用而定向透镜的脊部。优选，当将优化光学模具透镜以及相关模具的设计改为机械上的透镜及相关模具设计时，则可以结合接触透镜系列的一些共用特征。
优选，可以通过使用允许接收用于形成希望设计的NURB或Bezier面的光学CAD或机械CAD系统的转换格式，将眼用透镜及相关模具的设计在光学CAD和机械CAD系统之间来回转换。示例性的转换格式包括但不限于VDA(verband der automobilindustrie)和IGES(Initial GraphicsExchange Specification)。通过使用这些转换格式，透镜或模具的整个表面能够以连续的形式制造，其有利于制造具有径向非对称形状的透镜或模具。NURB或Bezier面对老花眼和散光眼设计尤其有用，因为多个区可被混合、分析及优化。
计算机辅助设计(CAD)技术的进展可允许设计定制接触透镜，例如，采用多项式和/或基于样条的数学函数，然后构建希望设计的数学高阶面，诸如NURB或Bezier面。该希望设计的数学高阶面接着需要被转换至控制信号，其控制计算机可控制造设备(例如车床、磨床、铣床、模制设备或激光器)以直接制作接触透镜或用于制作接触透镜的模制工具。
模具设计
在完成透镜设计之后，其模具优选被扩展以形成模型光学模具。在一些情况下，例如，透镜模型必须变成，能够计算模具及透镜的不同特征，如收缩量。这种转变可包括增厚的中心厚度或其他透镜参数的设计。
图1图示说明用于本发明方法和装置的模具100。该模具100包括具有限定模制接触透镜的前表面(即具有凸曲率)的前模制表面12和不接触流体光学材料的后表面14的阴半模10。非接触性后表面14也可称为模具的后片。阳半模20优选具有限定模制接触透镜后表面(即具有凹曲率)的后模制面23和不接触流体光学材料的前表面25。阴半模10和阳半模20构成彼此相互接受的结构，以至于在前后模制表面之间形成接触透镜成形腔120。
阴半模10可包含附于其上或优选成为阴半模10的固有的一部分的轴环(或上凸法兰)40。在带有轴环的实施例中，轴环40环绕阳半模20的部分以在模具闭合时在阴阳半模之间提供密封50。能够理解，该轴环可形成于阴阳半模的任何一个之上。文中术语“轴环”指的是位于两配对半模的其中一个上的突起的外周圆环部分，其能够附于所述半模上或成为半模的固有的一部分，并且其可环绕另一个半模以在两半模之间提供密封。
通常，接触流体光学材料的表面(“接触面”)的设计的规格非常精细，并可采用高阶数学方程设计，诸如NURB，Bezier面等等，如图2A所示。本发明对不与流体光学材料接触的表面提供类似设计，以提高流体光学材料的流动性并在贯穿整个模制区得到均匀的厚度。例如，如果接触面采用NURB等式设计，则本发明对在垂直于接触面上增加一个偏移值的非接触面采用相同的方程，如图2B所示。尽管本发明透镜模具可设计成在整个模制区实现均匀的厚度，但该厚度会偏离大概10微米左右。该均匀厚度使流体沿着直线而非绕透镜区的曲线向前流动。另外，在本发明的一些实施例中，特定的模具设计可用于制作不同光焦度的透镜，例如-2.00后片设计可覆盖-1.50到-2.25的光焦度。在该实施例中，该-2.00模具可具有更均匀厚度，且该模具厚度可对剩余的光焦度进行稍微的改变，因此可能会有10微米的偏离。图3详细描述根据本发明测量模具厚度的方法。在一个优选实施例中，采用测微计和测微计探针垂直于凹状模具表面进行测量。
如本领域技术人员所公知，半模10和20可首先通过在注塑装置中从塑性树脂注塑成形。为了制作希望的透镜，通过配送装置将特定数量的可聚合透镜成形材料配送入阴半模10中，然后在其上放置阳半模20并闭合模具。当模具闭合，将所有过量未聚合的透镜成形材料压入阴半模10的溢流口。该模制材料可例如为下列材料的一种或多种：聚丙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乙烯、或聚烯烃。
然后，至少在透镜成形腔120的区域中，对装有可聚合透镜成形材料的闭合模具100进行光化辐射(例如UV辐射)。为此，至少一个半模需透明，以在至少模制表面的区域中光化辐射(例如UV线)。因此，至少聚合透镜成形腔120中的可聚合透镜成形材料。溢流口110中的所有可聚合透镜成形材料也可能被聚合。这样有利的是，当打开模具，过量的聚合的透镜成形材料则保持在阴半模10的溢流口110中，而可以将附着于阴/阳半模20的接触透镜与阳/阴半模20一起移除并进一步处理。
为了使读者无需额外实验即可实践本发明，已经参照特定优选实施例详细描述了本发明。本领域普通技术人员容易认识到，可以在一定程度下改变或修改很多前述组成、组分、和/或参数，而不脱离本发明范围和精神。而且，名称、标题、示例材料等是为了增强对本文的理解，其不应该理解为对本发明范围的限定。因此，本发明由以下权利要求、其合理的延伸范围及等同物限定。
Claims (4)
1.一种光学模具，包括：
具有前表面和后表面的阳半模，其中所述前表面接触流体光学材料；以及
具有前表面和后表面的阴半模，其中所述前表面接触流体光学材料；
其中所述阴半模的后表面还由高阶数学函数限定，所述高阶数学函数是非均匀有理b-样条函数，所述阴半模的所述前表面还由作为非均匀有理b-样条函数的高阶数学函数限定，以及其中所述模具在所述模具的透镜部分形成均匀厚度。
2.如权利要求1所述的模具，其中所述阳半模的所述前表面由高阶数学函数限定。
3.如权利要求1所述的模具，其中所述阳半模的所述后表面由高阶数学函数限定。
4.一种形成眼用透镜的方法，包括
提供流体光学材料；
提供阳半模和阴半模，其中所述阴半模具有前表面和后表面，其中所述前表面接触流体光学材料；
将所述流体光学材料配送入所述模具中；以及
将所述模具和流体光学材料曝光于能量源下，
其中，所述阴半模的所述后表面由高阶数学函数限定，所述高阶数学函数是非均匀有理b-样条函数，所述阴半模的所述前表面还由作为非均匀有理b-样条函数的高阶数学函数限定，以及其中所述模具在所述模具的透镜部分形成均匀厚度。
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