CN101203193A - 散光人工晶状体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于矫正散光屈光不正的人工晶状体,所述晶状体既包括复曲面折射正面又包括复曲面折射背面。所述人工晶状体还具有复曲面折射透镜表面,其剖面曲线在至少一个主子午线(1,2)上是非球面的。所述人工晶状体还包括具有这样两个主子午线的复曲面折射透镜表面,所述两个主子午线彼此之间的角度不等于90°。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于矫正散光屈光不正的人工晶状体(IOL)。
背景技术
晶状体通常用于将一种光波转换成另一种光波。晶状体光学的基本功能是以下列方式转换来自物点的球面光波:即使得所形成的波也是球面的,并因此使得与物点呈共轭关系的像点位于所形成的球面波前的中心。从物点入射的波总是球面的;如果将物点放置在(几乎)无穷远距离处,则入射波是平的或者是平面的。在下文中,通用术语“入射球面波”也包括入射平面波。
用于在共轭像点处产生物点的像的晶状体系统可以包括不具有旋转对称性的折射表面或者透镜。通过这种透镜或表面入射球面波被转换为其波前不具有旋转对称性的波;波前是“畸变”的。这种波前然后通过继而不具有任何旋转对称性的所谓“散光”透镜或者折射表面而转换成其波前继而具有旋转对称性的波。
将入射球面波转换成其波前不具有旋转对称性的波的折射表面的已知示例是散光角膜或者眼睛中散光晶状体的表面。然后畸变的波前在人工晶状体眼中通过散光晶状体被转换成具有旋转对称性的波前,通常转换成球面波。为了矫正基本上归因于非球面(例如复曲面)形状的角膜和/或其他眼睛异常(诸如眼睛晶状体不具有旋转对称性或者视网膜异常)的角膜或者眼睛的散光,使用了隐形眼镜、人工晶状体还有眼镜片。在本情况下,仅仅考虑人工晶状体。
用于矫正散光屈光不正的已知人工晶状体具有柱面或者复曲面折射边界面和(球面或者非球面)旋转对称折射边界面。
通过使一段圆弧或一个圆围绕不包括该圆的中心点的轴旋转而形成复曲面折射或者复曲面表面。如果圆和旋转轴之间的最大距离小于圆的半径,则所形成的复曲面称为“桶形”,而如果该距离大于圆的半径,则所形成的复曲面包含了“香肠形”复曲面(根据“Handbuch fürAugenoptik′”,编者,Carl Zeiss,第23页(1977))。在语言使用上,“复曲面”和“散光”常常用作同义词。在下文中全部使用了术语“复曲面”,即使以这种方式描述的透镜表面在数学意义上并非复曲面。
复曲面透镜表面提供的是:在一个子午线中的IOL的屈光力与在另一子午线中的屈光力不同。这两个子午线彼此垂直。当这种复曲面IOL的光学效应对应于球面透镜和柱面透镜的组合的光学效应时,两个屈光力的差通常称为透镜柱面度(lens cylinder)。柱面透镜对于包含柱面的轴的光入射平面具有的屈光力为零,而在垂直于该入射平面的平面中,柱面透镜具有基本由柱面的半径和柱面透镜的折射率给定的最大屈光力。柱面透镜的最大屈光力因此简称为“透镜柱面度”(屈光度)。从前面的描述很清楚的是,其中透镜屈光力在一方面具有最大值而在另一方面具有最小值的复曲面透镜的两个子午线相互垂直,并且最大屈光力与最小屈光力之差是复曲面透镜的透镜柱面度,其中该两个子午线被称为主子午线。
换言之,复曲面在主子午线内包括不同的曲率半径。在垂直于透镜轴的每个平面上,(球面或者非球面)旋转对称的折射边界面的剖面线是圆形,而复曲面的剖面线是椭圆的。该椭圆的短轴由相关主子午线中的较短半径来确定,而该椭圆的长轴由另一主子午线中的较大曲率半径来确定。由于椭圆形状,所以当平面对复曲面进行划界时,透镜的两个屈光力中的较大屈光力的光学有效面小于两个屈光力中较小屈光力的光学有效面。
图1a图示出了传统复曲面IOL的复曲面的投影。在该图中,附图标记1是具有两个屈光力中较小屈光力的子午线,而附图标记2是具有两个屈光力中较大屈光力的子午线。子午线1的半径R1大于子午线2的半径R2,即R1>R2。投影到水平表面6上的复曲面折射面5的椭圆7具有短轴3和长轴4。光学有效面被限制在图1a示出的椭圆内部区域。传统复曲面透镜的另一折射面8(即球面)的投影如图1b所示。该具有平面的折射面的剖面线是圆形,通常该圆的“轴长”3′和4′沿两个子午线1′和2′是相同的。
图2示出了这种透镜的图解透视图,该透镜在整个周边上具有恒定的边缘厚度9。
因此,利用给定的恒定边缘厚度,传统的复曲面透镜通常具有降低至椭圆的区域的光学有效面。
此外,传统复曲面透镜具有两个折射面,一个面是球面,而另一面是复曲面;由于复曲面透镜表面的主子午线的旋转对称性,该主子午线的剖面线由圆方程来确定,其中主子午线以互相垂直关系来布置,如上文所述。然而,这种透镜仅仅适合于因在散光折射面(诸如角膜)处的折射而发生的波前转换成球面波的极少情况。
本发明的目标是改善复曲面(或者散光)IOL的光学有效面,以及改善在散光屈光不正情况下的矫正特性。
发明内容
根据本发明,在本说明书的开始部分阐述的那种IOL中,所述目标得以实现的原因在于人工晶状体既具有复曲面折射正面又具有复曲面折射背面。
正如将在下文中更加详细描述的那样,这增加了IOL的光学有效面的尺寸。优选地情况是正面和背面都是凸面形状。在极少的负透镜的情况下,两个面都是凹面的。然而,在任何情况下,如果正面和背面包括相同的弯曲方向并因此其折射具有相同的符号,将是有利的。特别优选的是,柱面效应近似均匀地分布于正面和背面。利用一致的分布,即在IOL的正面和背面上复曲面表面相同——光学有效面处于其最大状态。应当理解的是,本发明的主题还涵盖了不均匀的复曲面分布,其中光学有效面的尺寸的优化没有其他成像特性重要。
根据本发明,在本说明书的开始部分阐述的那种IOL的情况下,所述目标进一步得以实现的原因在于人工晶状体具有以非球面来描述的在子午线内平行于透镜轴的剖面曲线平面的复曲面折射透镜表面。在这种情况下,相对布置的透镜表面也是旋转对称球面复曲面或者旋转对称非球面复曲面。
优选地,在两个主子午线中,关于平行平面的透镜轴的复曲面折射透镜表面的剖面曲线的每个都以非球面来描述。
剖面曲线在主子午线中为非球面的表面也称为复曲面透镜表面。这种表面通过对并非圆弧形式的曲线进行旋转而产生,对于在总是由曲线的旋转而产生的复曲面表面的情况下,两个子午线中至少一个是圆形的。尽管因剖面曲线在两个主子午线上都是非球面的而使得有些面不能用曲线旋转的结果来表示,并且因此在真正的数学意义上所述这些面也并非“复曲面”表面,但是此处,复曲面也将这样的面包括在内。这种散光面的主子午线中平行于透镜轴的平面的剖面线可以通过适用于非球面曲线的方程来确定。在下文中将更加详细地讨论这一方面。
如果IOL的复曲面表面不局限于通过圆弧的旋转而产生的表面,则根据本发明的IOL的成像特性可以更好地适用于入射球面波在眼睛或者晶状体的散光表面处的折射所产生的特定形式的波前。
根据本发明,在本说明书的开始部分所阐述的那种IOL中,所述目标进一步得以实现的原因在于所述人工晶状体包括具有这样两个主子午线的复曲面折射透镜表面,所述两个主子午线包括不等于90°的中角。在这种情况下,相对布置的透镜表面也可以是旋转对称球面复曲面或者旋转对称非球面复曲面。
虽然对于具有最大屈光力的子午线与具有最小屈光力的子午线所包括的角度不等于90°的折射面而言,从数学上严格来讲也不能称为“复曲面”表面,但是此处的术语“复曲面”将这样的折射面包括在内。
穿过主子午线的平面之间的角度不限制为90°值,该角度也用于使根据本发明的IOL的成像特性更好地适合于入射球面波在眼睛或者晶状体的散光表面处的折射所产生的特定形式的波前。
本发明的优势实施例还提供的是,所述人工晶状体将复曲面折射正面和复曲面折射背面的特征与至少以下复曲面折射透镜表面的特征进行组合,所述复曲面折射透镜表面具有由非球面来描述的、在一个或者两个主子午线中分别平行于透镜轴的一个或者两个剖面曲线平面。
在进一步优势的实施例中,本发明还提供的是,所述人工晶状体将复曲面折射正面和复曲面折射背面特征与以下复曲面折射透镜表面的特征进行组合,其中所述复曲面折射透镜表面的两个主子午线包括不等于90°的中间角度。
在优势的实施例中,本发明进一步提供的是,所述人工晶状体将以下两种复曲面折射透镜表面的特征进行组合,其中一种复曲面折射透镜表面具有由非球面来描述的,在一个或者两个主子午线中分别平行于透镜轴的一个或者两个剖面曲线平面,以及另一种复曲面折射透镜表面的两个子午线包括不等于90°的中间角度。
最后,在本发明的优势实施例中还提供的是,所述人工晶状体将复曲面折射正面和复曲面折射背面的特征与至少以下复曲面折射透镜表面的特征进行结合,所述至少一个复曲面折射透镜表面具有由非球面来描述的,在一个或者两个主子午线中分别平行于透镜轴的一个或者两个剖面曲线平面,以及与具有两个主子午线包括不等于90°的中间角度的复曲面折射透镜表面的特征进行结合。
通过以下特定特征,因待治疗的眼睛的散光面而引起的个体屈光不正具有更高的精确度,可以调整根据本发明的复曲面IOL(或者事实上是用于矫正散光屈光不正的IOL),从而使得IOL将光在非球面散光面(角膜、眼睛的晶状体等)处的折射而形成的波前转换成基本上成球面的波前。换言之,根据本发明的IOL提供了:使自物点发出的光束以及通过散光折射表面(角膜、眼睛的晶状体等)而折射的光束在以下方式中折射:物点基本准确地在一个像点处成像。包括根据本发明的IOL和眼睛的散光折射表面的整个系统的成像是共点的。在该接合点处,要指出的是根据本发明的IOL既包括所谓的“晶状体眼(phakic)”又包括所谓的“人工晶状体眼”人工晶状体,也就是说,可以植入这两者来替代眼睛的固有晶状体来实现或者将其附加在眼睛的固有晶状体上。
附图说明
根据本发明的IOL的其他特征和优势在所附的权利要求中阐述。在下文中的描述中,将参考附图来对这些特征和优势进行描述。在附图中:
图1示出了根据现有技术状态的复曲面IOL的复曲面表面的投影图;
图2示出了图1中所示的已知IOL的透视图;
图3示出了根据本发明的IOL实施例的透镜正面(图3a)和透明背面(图3b)在平面上的投影图;
图4示出了根据本发明的IOL实施例的复曲面表面的投影图,所述复曲面表面具有的(中间)子午线是角度α的函数;
图5示出了曲线图,其中绘制了图4实施例的复曲面表面的曲率半径相对于角度α的三个函数;以及
图6示出了根据本发明的IOL实施例的复曲面表面的正面图6a的正视图和相关的背面图6b的正面图,其中具有最低屈光力的主子午线与具有最高屈光力的主子午线包括不等于90°的角度χ。
具体实施方式
在复曲面透镜中,如果复曲面表面(例如正面)与球面表面(例如背面)结合,则该复曲面(正面)表面在平面上的投影是图1a所示具有轴1和轴2的椭圆。椭圆的长轴1的长度用am来标识,而椭圆的短轴2的长度用bm标识。另外,在主子午线1内的复曲面表面的曲率半径用R1m来标识,并且在主子午线2内的曲率半径用R2m来标识。复曲面透镜的球面(背面)表面的半径用Rs来标识。于是,透镜的主子午线1中的屈光力D1由下式给出:
其中:
nL透镜折射率
nimm透镜周围的介质的折射率
t透镜的中心厚度
在等式(1)中,如果对于正在或者将要从外部入射在所述透镜面上的光而言透镜是凸面的,则半径具有正值。因此在双凸透镜的情况下,R1m和Rs都是正的。
同样地,在透镜的主子午线2内的屈光力D2由下式给出:
由于等式(1)和等式(2)的两个第三项之差是极其微小,所以复曲面透镜的柱面度(cylinder)Z由下式非常近似地给出:
由于等式(1)和等式(2)中的第三项(该项仅表示对于透镜中心厚度的修正因子)相对于其他项很小,所以在下文所提出的原理中没有将其纳入考虑范围之内。
相比之下,如果根据本发明的透镜被设计为以正面和背面均为复曲面,则通过关于透镜的相同柱面作用,两个复曲面面的椭圆的轴长度bb大于bm,也就是说与仅具有一个复区面和一个球面折射面的传统复曲面透镜相比,该有效光学面更大。举例来讲,可以假定透镜的柱面作用以等份分布于正面和背面。于是这些面中的每个必须包括柱面度Z/2。具有较低屈光力的主子午线的半径是R1b,在一般来说在没有限制的情况下,将假设R1b=R1m。那么,具有较大屈光力的主子午线内的半径R2b可以通过下列等式非常近似地确定:
将等式(3)和等式(4)结合并解析,据此给出R2b:
因为R2m<R1m
图3a和3b中以图示出了该情形。在这种情况下,图3a是根据本发明的透镜正面在平面上的投影,图3b是根据本发明的透镜背面在平面上的投影。在该附图中,附图标记1是包含较低屈光力的主子午线,附图标记2是复曲面透镜的较高屈光力的主子午线,该较高屈光力的主子午线作为第二折射面具有球面表面,附图标记10是具有两个相似表面的复曲面透镜的主子午线,所述相似表面以镜像相同(mirror-identical)方式的复曲面折射;这两个透镜具有相同的柱面度。在透镜仅具有一个复曲面折射面的情况下,较低屈光力的主子午线1内的椭圆的长轴为am,而在透镜具有两个复曲面折射面的情况下,所述长轴为ab。此处,该椭圆轴在两种情况下是相同的,即ab=am。仅具有一个复曲面表面的透镜的较大屈光力的主子午线2内椭圆的短轴为bm,而具有两个复曲面表面的透镜的具有较大屈光力的主子午线10内椭圆的短轴为bb。应当理解的是,具有两个复曲面表面的透镜的有效光面积大于仅具有一个复曲面表面和一个球面表面的透镜的有效光面积。
对根据本发明透镜的正面和背面的等份柱面度分布是任意的,应当理解的是,对于还可以以不同的方式来分布该柱面度。
将阐述具有10屈光度的较低折射屈光力和+6屈光度的柱面度的透镜的结果,以说明这种情形。将假定透镜由折射率nL=1.49的材料制成,并且处于折射率nimm=1.336的介质中。椭圆的长轴(对于10屈光度的较低屈光力)假定为10mm。然后,对于具有仅一个复曲面和一个球面折射表面的透镜的椭圆的短轴,给出的值为6.03mm;对于具有镜面对称配置的两个复曲面的透镜的椭圆的短轴,给出的值为7.9mm。
前面的考虑适用于具有作为特定情况由圆方程给出主子午线中的剖面曲线的复曲面透镜。
对于平面波在散光或复曲面表面处的折射所产生的波前至球面波的转换,可能需要散光透镜,该散光透镜在主子午线中的剖面曲线由非球面方程给出。因此根据本发明,散光透镜在主子午线中具有由非球面方程给出的曲线。在根据本发明的这种透镜中,一个或多个折射面的主子午线中的曲线的方程通过非球面的顶点方程给出。这种方程的形式如下:
其中:
R透镜顶点处的半径或参数
asp非球面的非球面度
针对接近轴的光束,半径R通过R1m或R2m或R1b或R2b相应地给出,即在高斯光学区域内,相同半径或者参数的球面或者非球面的透镜上的折射定理实际上相同。
在两个主子午线中的非球面度可以是不同的。如果asp1用于标识主子午线1中的非球面度,而asp2用于标识主子午线2中的非球面度,则下列式子任何一个均适用:
asp1=asp2 (7)
或为:
asp1≠asp2 (7′)
用于asp1和asp2的适当值的值取决于在散光折射面处由平面波的折射所产生的波的形式。
对于特定的使用情形,可能有必要在主子午线剖面曲线中提供根据本发明的透镜的折射表面,该折射表面不能用根据等式(6)的简单非球面的顶点方程(即,通过圆锥曲线方程)来表示。于是适当的是针对该剖面曲线采用不同的表示形式,该表示形式通过解析等式(6)以及通过附加幂级数(power series)来获得:
其中cj是多项式系数。
如果选择了根据等式(8)的非球面的表示形式,则除非球面度之外,还将在每个主子午线内确定系数cj的值;通常,由于根据等式(8)的曲线的一般单调性,仅考虑等式(8)中偶数编号的项。
适用于具有根据等式(7)在一个或更多个折射面的主子午线剖面曲线中的非球面方程的根据本发明透镜的一般性考虑,对其加以必要的变更同样也适用于具有根据等式(8)的相应剖面曲线中的非球面等式的根据本发明透镜。
通常,在复曲面透镜的一个或者两个复曲面或散光面或者球面的子午线中各种参数R和asp的选择取决于将通过该透镜转换成球面波的入射波。确定透镜的主子午线中两个半径或参数以及两个非球面度的值的操作可以通过计算机支持的迭代方法来实现,其中所有考虑的光束都在既有表面处被折射。这种方法需要透镜系统中所有折射面的三维解析表示、这些表面上任何位置处的法线向量的计算(梯度形成)以及向量形式的三维折射定理。这种方法对于本领域技术人员是容易理解的;这些方法并不代表本发明的主题。另外,在专利公开说明书中(W Fiala等人的PCT/EP2004/006074),可以找到适当选择这些参数的进一步的一般性指导原则。
因此,根据本发明的透镜在一个或多个折射面的主子午线上具有曲线,所述曲线从分析上来讲可以分别根据方程(6)或者方程(8)通过非球面的顶点方程来表示。换言之,在根据等式(6)表示的情况下,在主子午线中具有轴平行平面的剖面曲线是具有参数或者半径R以及非对称度asp的非球面,在根据等式(8)表示的情况下,另外具有系数cj。
在主子午线之间的子午线中的轴平行平面的剖面曲线可以表示为主子午线中的参数或半径和非球面度以及正考虑的子午线与主子午线之一之间的角度的函数。图4示出了这种情况。具有最低屈光力的主子午线再次由附图标记1来标识,而具有最大屈光力的主子午线由附图标记2来标识。假设子午线14与主子午线1形成了角度为α,并且在该子午线内的半径或者参数由Rα来标识。
下面的式子通常适用于半径或者参数Rα。
Rα=f(α) (9)
其中边界条件为:
f(0)=f(180°)=R1
f(90°)=f(270°)=R2
当0<α<90°和180°<α<270°,f(α)<0
当90°<α<180°和270°<α<360°,f(α)<0(10)换言之,由于R1>R2,所以该函数必须在0°和90°之间以及180°和270°之间单调下降,而在90°和180°之间以及270°和360°单调上升。显然的是,有大量的函数可以用于f(α)的选择。最适合的函数f(α)可以仅仅利用入射在透镜上的波前的知识来确定,该波前通过根据本发明的透镜转换成球面波。通常将检验用于f(α)的数学方法,以确定最佳函数f(α)。
下面的式子是单纯作为函数f(α)的有效方法的示例而提出的:
Rα=f1(α)=R1×cos2α+R2×sin2α (11)
或为:
或为:
图5通过与f(α)相关的有效方法的示例示出了对于值R1=10和R2=6的上述三个函数。不计其数的其他函数形式的f(α)也是可能的。
主子午线1和主子午线2中的非球面度通常不同,但是也可以相同。任何情况下,子午线14内的非球面度aspα的值都可以作为主子午线内的两个非球面度asp1和asp2以及角度α的函数来再次实现。在这方面可以使用与上述fi(α)或者其他函数g(α)类似的函数。
如果通常我们以f(α,R1,R2)来标识参数Rα的函数,并利用g(α,asp1,asp2)来标识散光透镜面的非球面度aspα的函数,则散光面可以如下表示(无需更高次项):
y2+z2=2Rαx-(1+aspα)x2 (14)
等式(14)还可以表示为:
F(x,y,z)=x2+y2+z2-2Rαx+aspαx2=0 (14′)
其中:
Rα=f(α,R1,R2)且
aspα=g(α,asp1,asp2) (15)
如果主子午线布置在x轴作为透镜轴的xy平面内,则α可以表示为:
α=arctan(z/y) (16)
并且通过将等式(16)插入到等式(14’),在笛卡儿坐标系中给出根据本发明的透镜的散光折射面的表示。
作为示例,注意针对散光面的等式,其中参数Rα和非球面度aspα通过f1(α)的函数类型来表示。另外,主子午线1的方向假定为y方向,而主子午线2的方向为z方向。换言之
R1=Rxy和asp1=aspxy以及
R2=Rxz和asp2=aspxz
因此,给出了用于根据本发明的透镜的散光面的下列表达式:
最后,还要考虑散光折射面的主子午线不互相垂直的情况。
图6a示出了散光透镜的散光面的前视图(正视图),而图6b示出了该散光透镜相关背面的正视图。
因此主子午线1和15(分别在别图6a和图6b中)之间的角度并不是以90°给出,而是以角度χ给出。主子午线内的参数再次分别假设为R1和asp1以及R2和asp2。然后,对于非正交主子午线之间的子午线,参数Rα和aspα可以以与上述类似的方式来表示。然而,应当指出的是,在等式(15)中,角度变量α将用α′来代替,其中那些值之间的关系通过以下关系式给出:
当0≤α≤χ,
当χ≤α≤180,
当180≤α≤180+χ, (18)
当180+χ≤α≤360,
图7示出了在角度χ=120°情况下的α′和α之间的关系
根据等式(18)的关系是线性的。应当理解的是,α′和α之间的关系可以通过其他非线性函数α′=h(α)来产生。然而应当指出的是,要求函数h(α)对于上升的α值具有上升单调性。此外,对于α=χ,h(α)必须提供值α′=90°,或者对于角度α,通常提供值α′=0°,90°,180°,270°,360°,这些值与主子午线(0,χ,180°,180°+χ,360°)的角度一致。
根据本发明的具有所述类型的散光折射面的透镜,与具有复曲面和球面折射面的传统复曲面透镜相比,基本上更好地适合于在非旋转对称折射表面处的折射所产生的波前至球面波的转换。
Claims (6)
1.一种用于矫正散光屈光不正的人工晶状体,包括复曲面折射透镜表面,其特征在于,用非球面来描述在平行于所述透镜轴的平面内所述复曲面折射透镜表面的主子午线中的剖面曲线。
2.根据权利要求1所述的人工晶状体,其特征在于所述人工晶状体既包括复曲面折射正面又包括复曲面折射背面。
3.根据权利要求1或2所述的人工晶状体,其特征在于,所述正面和后面是凸面形状。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的人工晶状体,其特征在于,所述柱面作用基本上均匀地分布到所述正面和所述背面。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的人工晶状体,其特征在于,用非球面分别描述在平行于所述透镜轴的平面内在两个主子午线中的所述复曲面折射透镜表面的剖面曲线。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的人工晶状体,其特征在于,所述人工晶状体包括具有这样两个主子午线的复曲面折射透镜表面,所述两个主子午线包括不等于90°的中间角度。
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