CN101517458A - 隐形眼镜及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种设计隐形眼镜的方法，在该方法中，考虑了透镜弯曲。本发明的方法对于透镜后表面的设计不敏感，并且不需要复杂的后表面设计。此外，透镜的设计实际上可以做到最优化，消除了对于眼睛再设计过程的反复的设计－测试的需要。

Description

隐形眼镜及其设计方法

技术领域

本发明涉及用于眼睛的透镜的设计与制造。特别地，本发明提供一种隐形眼镜，在设计中考虑了透镜的弯曲。

背景技术

已知使用具有一个或多个曲率的隐形眼镜用于校正个体的视觉灵敏度。一部分传统的可获得隐形眼镜都是使用软性的透镜材料制造的。当软性的隐形眼镜被放置到眼睛上的时候，由于软性的透镜会在一定程度上披盖在角膜上，所以会导致透镜的曲率发生改变。这种情况在透镜包覆或弯曲的时候就会发生。弯曲会影响透镜的不同参数，比如直径，径向深度，前表面以及后表面的曲率，都会在一定程度上发生改变。例如，径向深度可能会减少20％，而曲率半径会改变5％。由于包覆而发生的透镜曲率改变的程度依赖于透镜的设计，透镜材料的机械特性，眼睛上的环境，像几何形状，pH，温度等。

一些已知的透镜设计方法尝试去考虑透镜的变形。例如，已知的方法有设计透镜的后表面，以使得透镜的后表面基本上是穿戴者角膜外形的复制或者非常贴合角膜的外形。但是，这种方法存在很大缺点，因为人与人角膜表面不一样，所以这种方法要求透镜的后表面设计为每个人进行“量身定做”。此外，这种方法要求为每个透镜设计与制造复杂的后表面。最后，这些透镜必须在眼睛上保持完美的平移以及旋转对准以保持有效。

另外一种已知的透镜设计方法是这样的，提供透镜设计，测试在眼睛上的设计，基于测试的结果改变设计，重复这些步骤的每个直到设计达到最优化。这种方法昂贵而又繁琐。

附图简述

图1a是透镜处于中心的透镜-眼睛系统的多色MTF图。

图1b是透镜不处于中心的透镜-眼睛系统的多色MTF图。

图2a是图1a的透镜-眼睛系统的多色MTF图，其中透镜在包覆上做到最优化。

图2b是图1b的透镜-眼睛系统的多色MTF图，其中透镜在包覆上做到最优化。

发明描述及其优选实施方案

本发明提供设计隐形眼镜的方法以及通过这些方法制造的透镜，在这些方法中考虑了透镜的弯曲。该方法的一个优点它对于透镜后表面的设计不敏感，这样就不需要复杂的后表面设计。并且，透镜的设计实际上可以达到最优化，消除了对于眼睛再设计过程的反复的设计-测试的需要。

在一个实施方案中，本发明提供一种设计隐形眼睛的方法，该方法包括(基本上包括或者包括)：a)选择眼睛模型；b)利用眼睛模型为戴在眼睛上的透镜选择光学性能度量标准(metrics)；c)提供具有第一设计的第一透镜，该设计包括至少第一光学区域；d)模拟第一透镜戴在眼睛上的弯曲以为戴在眼睛上的第一透镜确定形状以及性能度量标准(measurements)；e)对在步骤b)中选择的性能度量标准与步骤d)的性能度量标准进行比较以确定度量标准上的差异。

在本发明方法中的第一步，选择一个眼睛模型以确定期望的透镜-眼睛系统的光学性能。眼睛模型可以任意合适的，已知的模型中例如一个基于人口平均的眼睛模型，或者是基于对于一个个人眼睛的测量。在该方法中能够使用的眼睛模型必须包括角膜前表面的外形描述和适合进行光学分析的眼球光学特性的表示。眼睛模型可以使用多种多样的形状，包括但不限于基于解剖学的或者用波前表示的。眼睛模型不管是怎样的形状，眼睛模型必须允许对视网膜或像平面上像的光学特性进行计算，以此能够进行性能度量标准的比较。举例来说，合适的眼睛模型包括但不限于Liou-Brennan模型，此模型的描述可特别参见Liou，H和N.A.Brennan，“Anatomically Accurate，Finite Model Eye for OpticalModeling″，J.Opt，Soc.Am.A，14(8)，pp 1684-1695(1997)”，以及Navarro模型，此模型的描述可特别参见Navarro，R.，Santamaria J.和J.Bescos，“Accommodation-Dependent Model of the Human Eye With Aspherics″，J.Opt，Soc.Am.A，2(8)，pp1273-1281(1985)”。

在本发明方法的第二步骤中，选择光学性能度量标准。度量标准的选择要考虑到戴在眼睛模型上的透镜。性能度量标准可以是任意已知的度量标准，包括但不限于调制传递函数(Modulation Transfer Function)(MTF)曲线，视觉Strehl(Visual Strehl)等。

在本发明的第三步骤中，提供第一透镜设计，第一透镜设计至少由所期望的透镜的一个表面光学区域所组成。更优选地，该设计由具有全部受限的几何结构地透镜组成，也就是说透镜的几何结构被完整的描述并且所有的自由度都被约束了。第一设计可以使用许多商业上可以获得的光学设计软件来提供，这些软件包括但不限于CODE V^TM、ZEMAX^TM、OSLO^TM等。透镜的设计是基于使用调制传递函数(Modulation Transfer Function)(MTF)曲线，、视觉Strehl(Visual Strehl)等度量的所选期望的性能度量标准。本发明的透镜可以在前后表面结合任意的矫正光学特征。例如，透镜可以具有一个或多个球面的，非球面的，双焦点的，多焦点的，棱镜的或者圆柱形的矫正。

透镜戴在眼睛上以及包覆所引起的理论上的变形被模拟。该模拟考虑了在透镜-眼睛系统上所呈现的各种力，包括但不限于重力，泪滴膜压力，眼睑压力，角膜与透镜后表面之间的摩擦，由于机械压力所导致的透镜内的尖端位移，以及由于透镜脱水导致的透镜应变。并且，透镜材料的特性可以，并且最好是包括在模拟的输入当中。更优选的，这些输入包括杨氏模量(Young’s modulus)，泊松比(Poisson’s ratio)，压变-应变曲线(stress-strain curve)，材料密度，以及各种各样的作为眼睛环境特性函数的输入，这些环境包括但不限于温度，PH值，湿度等。本领域技术人员可以确认对于材料所选择的输入依赖于所使用的材料。

透镜的包覆使用商业上可获得的软件进行模拟，这些软件能够模拟透镜戴在眼睛上所发生的变形。合适的商业上可获得软件包括但不限于MSC.MARC^TM，ABAQUS^TM等。该软件必须允许使用者表示透镜的有限元网格(Finite Elementmesh)，表示一系列节点和元件，以及对于节点和元件施加当透镜戴到眼睛上的时候透镜所承受的各种力中的一个负荷(load-case)或者一系列负荷的模拟。典型的透镜对于负荷的反应是发生变形以及包覆到眼睛上直到透镜达到稳定的形状。

一旦稳定的形状的达到，描述透镜前表面与后表面变形的节点被提取出来并拟合成曲线图，对于一个二维的模拟，或者称为一个面，一个三维的模拟，使用的格式要能够输入到所使用的分析软件中。本领域技术人员可以认识到，使用二维还是三维的模拟依赖于眼睛或透镜的形状。例如，一个非旋转对称的透镜，比如复曲面透镜，就要使用三维的模型。任何合适的数值方法来将一系列的点拟合成曲线或面都可以使用，例如，最小平方拟合方法。还可以使用合适的商业上可获得的软件来达到此目的，这些软件包括但不限于MATHMATICA^TM、MATLAB^TM、MATHCAD^TM等。

然后将所期望的性能度量标准与在眼睛上模拟的性能进行比较。透镜前后表面的包覆形状被输入到合适的商业生可获得的软件内，例如但不限于ZFMAX^TM、OSLO^TM、CODE V^TM等。如果在眼睛上的模拟性能符合或超过了期望的度量标准，则透镜设计就是可接受的。如果期望的度量标准没有达到或超越，则第一设计就被修改以提供具有第二设计的第二透镜，该第二设计补偿所选择的度量标准与从第一透镜设计所获得的性能之间的差距，并且本方法的最后两个步骤可以重复。这个重复被执行直到获得一个可接受的结果。本领域技术人员可以认识到，设计的改变可能涉及到一次或多次的改变曲率半径，透镜厚度以及透镜材料特性中一个或多个参数。做为选择，可以使用一个优化程序来自动的优化透镜的设计，而非人工来进行这些反复设计。作为一个例子，遗传算法可以被使用以同时优化多个变量，例如曲率半径和二次曲线常数。本领域可获得的合适的遗传算法包括但不限于Colin R.Reeves和Jonathan E.Rowe，″“Genetic-Algorithms-Principles and Perspectives：A Guide to Ga Theory”(2004)”。

本发明方法所设计的透镜是隐形眼镜，可以使用任意已知的材料和传统的制造软性隐形眼镜的方法来制造。使用本发明方法形成软性隐形眼镜的合适的优选材料包括但不限于弹性硅氧烷，含硅氧烷的大分子单体，该含硅氧烷大分子单体包括但不限于在美国专利No.5,371,147，5,314,960，以及5,057,578所揭示的水凝胶，含硅氧烷水凝胶等，和它们组合物，在此将这些文献全部引用作为参考。更优选的，透镜材料包括硅氧烷官能性，包括但不限于聚二甲基硅氧烷大分子单体，甲基丙烯酰氧基丙基聚烷基硅氧烷(methacryloxypropyl polyalkylsiloxanes)以及它们的混合物，硅氧烷水凝胶，或者由含有羟基，羧基以及它们组合的单体制造的水凝胶。制造软性隐形眼睛的材料是大家熟知的并且可以从商业上获得。优选的，材料是acquafilcon、聚异丁烯酸乙脂聚合物(etafilcon)、genfilcon、enefilcon、balafilcon、lotraf[iota]lcon或者galyfilcon。

借助下面的实施例本发明将被阐述的更加清楚，但是本发明并不限于此实例。

实施例

实施例1

本发明的方法用于设计由etafilcon A制造的-3.00屈光度的轴对称球面透镜。选择基于解剖学的的模型眼睛，其具有为7.84mm/-0.26二次曲面的前角膜表面。所选择的性能度量标准是多色MTF。

一个标称的，单视觉透镜在空气中设计。该透镜具有1.4的折射率，基线半径是8.3mm，中心厚度是0.084mm，球面前半径是8.87mm。该透镜被划分为有限元模型，并将超弹性材料特性应到透镜元上。所使用的边界条件是透镜基线背向压力以此来强迫背面光学区域变形到与角膜一致。在这个模拟当中，假设眼睑是睁开的，也就是说它们不介入包覆的过程，由于环境变化以及脱水所导致的溶胀效应被忽略。包覆模拟被执行直到透镜达到稳定，该稳定由记录沿着透镜前表面的一些节点的位移来判断，当所有节点在它们位置上的位移在时间步上是常数时即可判定达到稳定。

使用最小平方法将变形的前后表面的节点拟合为一个扩展的奇数球面曲面，所使用的扩展的奇数球面方程是

$Z=\frac{\mathrm{Cv}.r^2}{1+\sqrt{1-C{v}^2}(\mathrm{Cc}+1).r^2}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\α}{\mathrm{\ρ}}^i$

其中：

ρ是规一化的半径坐标；

α_i是多项式常数；

Cv是曲率；并且

Cc是二次曲线常数。

然后对于包覆的透镜-眼镜系统产生多色MTF曲线。图1a是中心的，标称的透镜性能的MTF曲线图，它的性能是可接受的。图1b是非中心的，标称的透镜性能图，它的性能是不可接受的。

改变设计使得前表面的具有半径为8.35mm的二次曲线，其具有-0.13的二次曲线常数。有限元分析，包覆模拟，以及曲线被重复执行。中心的和非中心的透镜性能的多色MTF曲线分别在图2a和2b中示出，它们都是可接受的。

Claims (13)

1.一种设计隐形眼镜的方法，所述方法包括以下步骤：a)选择眼睛模型；b)利用眼睛模型为戴在眼睛上的透镜选择光学性能度量标准；c)提供具有第一设计的第一透镜，该设计包括至少第一光学区域；d)模拟第一透镜在眼睛上的弯曲以确定第一透镜在眼睛上的形状和性能度量标准；以及，e)将在步骤b)中选择的性能度量标准与步骤d)的性能度量标准进行比较。

2.权利要求1的方法，所述方法还包括步骤f)，提供用于补偿度量标准差异的具有第二设计的第二透镜；g)模拟第二透镜在眼睛上的弯曲以确定第二透镜在眼睛上的形状和性能度量标准；以及h)将在步骤b)中选择的性能度量标准与步骤g)的性能度量标准进行比较。

3.权利要求1的方法，其中光学性能度量标准包括调制传递函数曲线和视觉Strehl中的一个或两个。

4.权利要求2的方法，其中光学性能度量标准包括调制传递函数曲线和视觉Strehl中的一个或两个。

5.权利要求1的方法，其中第一透镜设计包括至少第一透镜一个表面上的光学区域。

6.权利要求2的方法，其中第一透镜设计包括至少第一透镜一个表面上的光学区域。

7.权利要求1的方法，其中第一透镜设计包括第一透镜的全部受限的几何结构。

8.权利要求2的方法，其中第一透镜设计包括第一透镜的全部受限的几何结构。

9.权利要求1的方法，其中模拟考虑了(i)选自以下的力：重力、泪滴膜压力、眼睑压力、眼睑移动、角膜与透镜后表面之间的摩擦、由于机械压力导致的透镜体内的点的位移以及由于透镜脱水导致的透镜应变，和(ii)选自杨氏模量、泊松比、压变-应变曲线和材料密度的特性。

10.权利要求2的方法，其中模拟考虑了(i)选自以下的力：重力、泪滴膜压力、眼睑压力、眼睑移动、角膜与透镜后表面之间的摩擦、由于机械压力导致的透镜体内的点的位移以及由于透镜脱水导致的透镜应变，和(ii)选自杨氏模量、泊松比、压变-应变曲线和材料密度的特性。

11.一种根据权利要求1的方法提供的透镜。

12.一种根据权利要求10的方法提供的透镜。

13.一种根据权利要求1的方法提供的透镜。

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