CN101568312B - 带有可变修正功能的可调节人工晶状体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有可变光能的可调节人工晶状体，包括至少两个光学元件，其中至少一个光学元件可相对于另一个光学元件沿垂直于光轴方向运动，其中光学元件带有处于不同相对位置可以使人工晶状体产生不同的光能的结构，其中人工晶状体中至少两个光学元件包括至少一个附加光学修正表面，该修正表面适用于同时可变修正一个或多个人眼产生的光学像差，修正程度取决于光学元件的相对位置。这些特征使得本发明可以修正人眼产生的像差和人工晶状体本身产生的像差。

Description

带有可变修正功能的可调节人工晶状体

背景技术

Louis Alvarez在1967年(US-A-3350294)第一次描述了带有可变光能的透镜，所述的可变光能是通过光学元件沿着垂直光轴方向运动来实现的。这种可变光能透镜包括两个可沿着垂直光轴方向相对运动的光学元件，并且其中光学元件具有这样的结构，即该两个光学元件的结合形成一个在光学元件的不同相对位置具有不同光能的透镜。这种光学元件的结构用一个三元函数来描述，由基本公式将其最好地描述，该公式是将在后面将介绍的美国专利US-A-3,350,294的基础。

这个光学原理，随后被扩展到包括旋转设计，半旋转设计和只有一个光学元件必须运动的设计以及用来修正球面像差的附加第五阶表面设计。这些变化在美国专利US-A-3,583,790，US-A-3,350,294和US-A-4,650,292中被披露，请参见参考文献。

到目前为止，大部分被植入眼球内的人工晶状体(IOLs)都是标准单焦人工晶状体，有少量的带有多个固定焦距的多焦晶状体。目前，除固定焦距和多焦晶状体以外，进一步开发研制了几种先进的可以根据自然条件来改变眼睛的聚焦的人工晶状体(叫做AIOLs)。所有这些IOLs和AIOLs都可以应用在置换人体原有晶状体的治疗中，例如，白内障，或用来一般调节和治疗屈光不正。带有移动立体光学元件的AIOLs和基于其上的改变已经在专利WO-A-2005/084587，WO-A-2006/118452中披露，请参见参考文献。

这些带有移动光学元件的人工晶状体，能够产生很多不理想的可变像差，这取决于，例如，光学表面的分布，它们彼此间的运动角度和光学设计的其他方面。例如带有固定屈光度的透镜能够被分布在处于同一个可调节人工晶状体中的两个移动的光学元件上，其结果是在光学元件移动时会产生可变的散光和慧差。这些不理想的产生于透镜本身的像差可以通过本发明中下面将要描述的技术来解决，除此之外，本发明所披露的技术还能够修正多种眼睛自身产生的不理想可变像差。

很明显，现在需要一种带有可变焦距，并且其聚焦可通过自然手段，例如眼睛里的睫状肌控制的透镜，以为病人提供良好的视力。然而，人类眼睛中的睫状肌的收缩和放松并不仅仅用于离焦，在离焦的同时还显示着一些高阶变化的像差。这些像差可以被定义为“可变调节诱导性像差”并且是眼睛固定像差之外的额外像差。

人类眼球不变的和低阶的视觉像差已经能够通过光学镜片来很好地修正，例如，带有圆球柱形光学元件的框架眼镜或隐形眼镜，角膜的激光治疗等。可变调节诱导性像差也已经被深入研究，而且该像差在人类视觉中是很重要的，但是，现有的光学镜片，例如，框架眼镜，隐形眼镜和人工晶状体不能够解决这些可变像差。一种理想状态中的AIOLs，能够在聚焦和离焦过程中修正这些可变调节诱导性像差。在AIOLs中离焦项能够被修正，但是选择修正其它像差是不能够在球形表面沿着光轴移动的过程中被实施的。

因此，本发明提供了一种可能性，来修正自然眼产生的像差和由人工晶状体自身产生的可变像差，或它们自身组合或两者结合产生的像差。

发明内容

在本发明中，我们介绍并描述了一种光学元件，该光学元件可实现与可变焦距结合对高阶像差的可变修正。同时，还能够通过修正立方体元件的形状来实现对不同阶像差的修正。用于AIOLs的可变透镜可包括可变修正元件，该元件可同时作用多种高阶像差。这样，这些AIOLs可以被限定为带有用来修正可变可调节依赖性像差的可变泽尼克(Zernike)修正元件的AIOLs。

角膜被认为是调节依赖像差的主要来源之一。角膜形状的变化主要是由于眼球整体形状的变化，部分是由于调节过程中增加的液压造成的。形状的变化可通过角膜地形学来测量，角膜地形学的多种测量仪器都是可以买到的。角膜地形学可以测量并限定在调节过程中角膜形状的变化。这种测量也可以应用在白内障和老花眼中，因为角膜形状的调节诱导性改变跟自然透镜几何学之间没有关联。角膜表面在调节过程诱发的像差能够从测量角膜形状上推导出来，根据这些数据，可以确定用于修正角膜在离焦过程中产生高阶像差的人工晶状体形状。这种人工晶状体包括至少两个折射元件，折射元件的外形组合了用于变焦效果和提供泽尼克像差项修正的高阶项(泽尼克多项式的原函数)的三次项。

本发明介绍并解释了眼睛像差的可变控制的几种概念，并提供了一个关于透镜设计的实施例，该设计可实现对于调节诱发的半球单色像差的可变修正。

在这里我们将涉及如VSIA任务组(L.N.Thibos等人，and VSIA标准任务组成员，“报告眼睛光像差的标准”(Standards for Reportingthe Optical Aberrations of Eyes)，OSA Trends in Optics andPhotonics 35，Vision Science and its Applications，V.Lakshminarayanan，ed.，[Optical Society of America，Washington，DC，2000]，pp.232-244).建议的单索引图表提供的泽尼克像差。下面的表格简要地介绍了光阶直到n＝4的多项式。

注释：该表格能够被扩展为多个高阶多项式，并且该原理可以概括所有的泽尼克像差。

除了形成二阶像差项即离焦和散光外，人类的眼睛还有很多高阶像差(三叶草像差，慧差，球面像差等)，其中球面像差在实践中是最复杂的，并且该像差随眼睛调节方面的变化已经被很好地记录。用于这种可变调节诱发像差的举例和量化，我们提及到H.Cheng等人.((调节波形像差变化的人口研究(A population study on changes in waveaberrations with accommodation)，J.Vis.3，272-280，2004)。该研究同时提供了下面将要描述的例子中的基础数据。

在调节过程中，眼睛中各种元件的光学参数的变化，与眼睛尺寸和整体形状的变化相关。这些变化能够导致可变像差，该像差在个体的调节过程中增加或减少。例如，球面像差Z₁₂，显示调节过程中振幅的最大变化，即大约为一个5mm大小的眼睛瞳孔的一个屈光度(D)的调节约为0.06波，测量到的波长为0.83μm。高阶视觉贡献(ocularcontributions)能够导致明显的图像质量退化并且被普遍认为具有确定的价值。普通的定制框架眼镜只能弥补两阶项离焦和散光。

可以在离焦同时纠正高阶像差的人工晶状体(IOLs)的内在优势是它们对瞳孔的位置和其尺寸不敏感。在本申请文件中描述的基于立体光学元件的可变人工晶状体，将提供对视觉像差的修正而不用考虑瞳孔的位置和大小，与利用高于两阶泽尼克像差的更高阶折射表面的矫正相板或眼科透镜相反。

在调节角膜形状使其曲率变陡和变平的过程中，眼睛具有确定其光学性能的几个折射表面，在这些表面中最重要的是角膜的前表面和后表面，和晶状体的前表面和后表面。另外，晶状体形状的变化可以有助于视觉像差的变化。在一个关于人工晶状体的例子中，因为在植入人工晶状体之前要将晶状体从眼睛前部取出，所以此时角膜仍是调节诱导像差的主要因素。到目前为止，还没有任何人工晶状体设计带有或可能带有可以实现对可变像差的实际矫正性能。在本发明中描述了如何在一个带有两个移动立方体光学元件的AIOL中不同阶的单色像差能够同时被矫正的技术。所以，带有两个移动光学元件的人工晶状体，所述光学元件的形状如在本发明中描述的那样，不仅能提供可变聚焦/离焦来恢复对眼睛的调节，也可以提供可变的对高阶视觉像差的修正，该像差是由调节过程带来的像差。

应该注意的是，这种带有两个立体光学元件的透镜能够修正散光像差，而不带有额外的表面或对限定立体元件形状的基本公式进行修改和添加。在Y轴方向上移动元件将会出现散光现象。选择沿x轴(聚焦/离焦)方向和y(散光)方向一起正确移动，可同时控制散光像差和聚焦/离焦的程度。人们可以不费力地设计一种带有立体光学元件的AIOL，这些元件组装在它们X轴方向的对称线之间的某个角度的方向上，可以精确地控制随着AIOL调节形态而变化的散光。医生以精确的角度植入在今天已很普通，并且该种植入是为了带有固定散光校正功能的定焦人工晶状体而开发的。

人类眼球的调节形成视觉像差系数的变化，在所有的单独泽尼克参数中，球面像差Z₁₂显示最大的调节变化(Cheng等人，2004).球面像差的变化通常是负的，而其他泽尼克像差系数没有优选的变化方向，并且是以人类眼球的个体特征为条件的。

本发明的目的是提供一种通过使用人工晶状体同时修正调节依赖性角膜像差的方法，所述人工晶状体具有变焦功能和对高阶像差的可变修正功能，并且至少包括两个可移动的光学元件。

本发明提供了一种带有可变光能的可调节人工晶状体，包括至少两个光学元件，至少一个可以相对于另一个沿垂直于光轴方向上运动，其中，所述光学元件具有这样一种结构，即光学元件之间相对位置的不同可导致透镜光能的变化，其中，透镜中的至少两个光学元件包括至少一个附加的光学修正面，该修正面适应于自然眼的一个或多个光学像差的同时可变修正，其修正程度依赖于光学元件的相对位置。

泽尼克修正表面被加在一个AIOL光学元件中的至少一个光学表面上，AIOL带有移动的立体光学元件，用来同时可变修正调节诱导光学像差，其中所述的泽尼克修正程度依赖于两个光学元件的相对位置。

本发明中的特征同样适用于修正不同阶的像差。但是，这种光学设计特别适合应用于可调节人工晶状体AIOL中，该晶状体适用于修正由于与在角膜调节过程中产生的高阶像差相结合的离焦。所以本发明的一个优选实施例提供了一种上面已提及的透镜，该透镜适用于人类眼球的可变聚焦和人类眼球剩余部分的高阶像差的可变修正。

原则上，本发明适于修正一个任一阶的单一像差，但根据优选实施例，修正表面能够适用于同时修正提供眼睛透镜可变焦光能的大于一个阶的多个像差。我们进一步描述了提供不同阶光学像差同步可变修正的附加光学表面，其中修正程度基于光学元件的移动程度。

在这点上重要的文献为US-A-3,583,790，其中仅仅描述了一种球面像差的特例，该像差由使用特殊“五次项”的光学表面来修正。US-A-3,583,790中描述了两个用于可变光能的立体折射盘，根据US-A-3,350,294和下面的表达式中描述的

增加了球面像差的修正。球面偏差项包括一个下面的非零5阶项

$x=\mathrm{ay}+{\mathrm{cy}}^3+3\mathrm{cy}{z}^2+{\mathrm{gy}}^5+\frac{10}{3}{\mathrm{gy}}^3{z}^2+{5\mathrm{gyz}}^4---\left(1\right)$

简而言之，方程1可重写成：x＝S(y，z)，其中x，y，z是Cartesian坐标。

假定折射元件被移动了Δy，光线的光路L与第一元件在{y，z}处交叉，公式变为

L＝nh₁+nS(y-Δy，z)+h₀+nh₂-nS(y+Δy，z)       (2)

其中n是盘体材料的反射指数，h₁和h₂为折射盘的中心厚度；h₀是折射盘之间的中心距离，S引用到公式1。

Δy项保持为线性，公式2导出

L＝(nh₁+h₀+nh₂)-2anΔy-6cn[y²+z²]Δy-10gn{y²+z²}²Δy    (3)

在光路差异项(OPD)中，基于盘之间相对移动距离Δy的光线的OPD得出：

OPD＝(n-1)(h₁+h₂)-2a(n-1)Δy-6c(n-1)[y²+z²]Δy-10g(n-1){y²+z²}²Δy(4)

从公式4可以得出，当本发明光学系统部分在横向移动距离为Δy时，

本发明光学系统产生：

1.第一项(n-1)(h₁+h₂)为常量

2.第二项2a(n-1)Δy是线性偏差相移(见表格泽尼克项Z₀)不能用于除相感应装置例如干涉仪外的光学系统；

3、第三项，

抛物线透镜，Z₄带有可变能量。在本实施例中，透镜的焦距为F＝[12c(n-1)Δy]^-1，并且在A＝3c时与包含在US-A-3,305,294中的一致。

4、第四项10g(n-1){y²+z²}²Δy：为二次项，Z₁₂，三阶球面像差随Δy线性变化。球面像差的振幅为：A₁₂＝10g(n-1)Δ/λ，其中λ为光的波长。

由此可以判断，抛物线的Z₄，和二次项Z₁₂，在式4中随着Δy线性变化。因此，离焦的振幅和球面像差是内在关联的。所以使用了如公式1给出的串联对五次相板的光学元件是两元件变焦阿瓦利兹透镜(Alvarezlenses)狭义子集，如在US-A-3,350,294中描述的那样，且该光学系统为变焦透镜，其附加产生的球面像差随Δy线性变化。这样一种光学元件带有非常特别的适用范围--离焦和球面像差应该同时变化。

在本发明中，描述了给定像差的可变修正或指定权重(specifiedweight)的多个像差的同时修正。像差的振幅随着横向位移Δx变化，并且它们相对权重在需要的时候可以被调整。

下面是一个可变修正球面像差的例子。

实验性研究显示，人类眼球的调节和球面像差振幅之间接近线性关系。球面像差的变化在调节中往往是负的，并且当发生了1-D眼调节时平均会减少～0.06波，这可以导致在4-D调节时～0.3波的球面像差，其严重扭曲近距视觉效果。然而，这种调节诱导的球面像差很可能由眼睛中的视觉器官例如角膜产生，透镜和玻璃体带有一个未知的元件，该元件依赖眼睛调节过程中产生的机械变形。如果调节诱导的球面像差能够随着离焦被修正，则近距视觉有望能够被显著改善，该离焦在近距视觉的锐化中是需要的。

另一个优选实施例的主要特点为透镜用来修正人眼由于调节造成的角膜形状的改变所引起的可变光学像差。

应该注意的是高阶像差，例如彗差，三叶草像差等，也能够取决于眼球的调节程度。球面像差的可变修正为本发明的主题，其被用来说明所研究的光学和数学原理，但是相似的光学原理能够被应用在基本上所有的高阶像差中，并且本领域内的技术人员可以由此得出，在本发明中列举的使用球面像差作为例子的光学和数学原理也能够被同样应用于修正增加的高阶调节诱导光学像差。首先像差可以用一种预先成型的两元件变焦透镜以固定的模式修正。并且我们将使用AIOL作为该固定修正的例子

调节光学元件的表面通常根据Alvarez变焦透镜原理(US-A-330594)定型，可具体表示为

其中常量A被调整来使用AIOL透镜。固定抛物线透镜被添加到这个修正表面用来修正人类眼球基本的折射。例如这种AIOL在实际中可被设计为提供例如固定值+22D的折射能，从而，0-4D的调节能量能够被加上用来修正。眼球的基本折射能够被带有一个凹陷的固定光能抛物线透镜修正，该凹陷由公式给出。附加抛物线透镜的焦度为2C(n-1)，其中n为材料的折射指数。在通常状况下，眼睛的角膜像差能够通过可变IOL的折射表面修正，该表面的形状根据公式(5)确定。

$z=S(x,y)=S_A(x,y)+\frac{r^2}{R\{1+\sqrt{1-(1+k)\×{(r/R)}^2}\}}+a_1{r}^4+a_2{r}^6+...+a_n{r}^{(2n+2)}---\left(5\right)$

这里，

R为曲率半径，k为指定二次曲面的圆锥参量；a_n为(2n+2)阶多项式系数，在大多数情况下n≤2。在该公式中，同时使用圆锥常量和多项式系列在某种程度上是多余的，但是没有对透镜工作造成影响。这种附加表面提供了对固定值的修正，并且该修正独立于透镜的可变离焦。该方法扩展了在US-A-6,609,793and US-A-6,705,729中描述的用来在(标准或固定焦距)IOLs像差的固定修正的原理。这些文献描述了这种固定修正的多个方面，特别是a1r4+a2r6项用来修正单个单焦点IOLs。在本发明中，我们描述了带有附加可变泽尼克项的变焦透镜，其修正程度随着离焦变化。对于被表示为泽尼克多项式中项的补充结构中，可变三阶和高阶像差，以及它们的线性组合，产生随着横向位移Δx线性改变的振幅。下面的基础凹陷(sag)函数S(x，y)应该为：

$z=S(x,y)=\frac{A}{2}(\frac{x^3}{3}+{\mathrm{xy}}^2)+\frac{1}{2}\∫\underset{q}{\mathrm{\Σ}}{C}_q{Z}_q(x,y)\mathrm{dx}---\left(6\right)$

其中P为常量(在本例中为1/2)，C_q是与第q泽尼克像差项一致的模态系数。假定元件材料的折射系数为n，在上面提到的两元件补充几何学中的光路L被给定为

L＝nh₁+nS(x-Δx，y)+h₀+nh₂-nS(x+Δx，y)(7)

在该公式中常量h₁，h₂确定各折射元件的中心厚度，h₀是两个相应元件之间的中心距离。简化后，L等式为：

$L=({\mathrm{nh}}_1+h_0+{\mathrm{nh}}_2)-\mathrm{An}(y^2+z^2)\mathrm{\Δx}-\mathrm{n\Δx}\underset{q}{\mathrm{\Σ}}{C}_q{Z}_q(x,y)+\mathrm{nR}(x,y,\mathrm{\Δx})---\left(8\right)$

并且相关的光程差(OPD)变为：

$\mathrm{OPD}=(n-1)(h_1+h_2)-A(n-1)(y^2+z^2)\mathrm{\Δx}-(n-1)\mathrm{\Δx}\underset{q}{\mathrm{\Σ}}{C}_q{Z}_q(x,y)+(n-1)R(x,y,\mathrm{\Δx})$

               (9)

所以从该派生的表达式中可见，当两元件系统中的光学元件均横向移动Δx时，该系统产生：

1.第一项(n-1)(h₁+h₂)：常量piston，Z₀；

2.第二项A(n-1)(y²+z²)Δx：变焦抛物线透镜Z₄，透镜的焦距为F＝[2A(n-1)Δx]^-1

3.第三项

所有像差项Z_n包括离焦或项之间的线性组合，它们的振幅随着Δx线性改变，即像差新振幅对应(n-1)ΔxC_q。附加光能由离焦项C₄产生为

该项被表达在屈光镜中。

4.最后一项，(n-1)R(x，y，Δx)：为高阶移动依赖贡献Δx³，Δx⁵等的贡献，当Δx＜＜1时，这些贡献小到可以被忽略，并且能够在实验中被忽略。

所以，一对反射元件，其形状依据上面给出的基本函数S(x，y)确定，提供随着用于AIOLs中的离焦/调节的特殊光学像差的线性变化，该AIOLs通常用于治疗白内障、老花眼和近视眼。当应用在AIOLs时，我们假设被表示为泽尼克多项式中项的视觉像差是调节依赖性的，并且主要是与角膜的形状变化相关的，接下来，通过使用例如带有特定的上述由函数S(x，y)确定表面形状的附加折射表面的两元件调节IOL，它们能够与离焦同时被调节。该AIOLs提供了可变的离焦，其中焦距随着横向移动量Δx线性变化。具有外形S(x，y)的两个折射元件沿着垂直于光轴方向在相反方向上的相对移动Δx，形成聚焦能(F^-1)的线性变化，其表达式为：

$F^{-1}=2A(n-1)\mathrm{\Δx}+2\sqrt{3}{C}_4(n-1)\mathrm{\Δx}---\left(10\right)$

其中A为Alvarez项的振幅，C₄为附加离焦数。

典型的像差项振幅随着位移Δx线性改变。两个形状由函数S(x，y)确定的折射元件之间的相对位移为Δx，该位移为沿垂直于光轴的相反方向上的位移，产生q阶泽尼克像差项(不包括离焦，即q≠4)线性变化。新典型振幅C′_q变为：

C′_q＝(n-1)ΔxC_q             (11)

离焦修正产生了像差线性组合的同步变化。两个形状由上述函数S(x，y)确定的折射元件之间的相对位移为Δx，该位移沿垂直于光轴方向的相反方向移动，产生泽尼克像差项组合的线性变化。

$Z=\underset{q}{\mathrm{\Σ}}{C}_q^{\′}{Z}_q(x,y)---\left(12\right)$

其中新典型振幅为C′_q＝(n-1)ΔxC_q。单色像差的相对权重能够根据选择的相关系数C_q被调整。

例如，通过使用两元件可变透镜的符合上述原理的离焦和球面像差的同时修正，如在WO-A-2005/084587中描述的和上面相关专利提到的，可以被以如下方式实现：

仅保留离焦和球面像差项，上面指定的sag函数S(x，y)，采用形式为：

$z=S(x,y)=\frac{A}{2}(\frac{x^3}{3}+{\mathrm{xy}}^2)+\frac{B}{2}\∫Z_{12}(x,y)\mathrm{dx}=$

(13)

$=\frac{A}{2}(\frac{x^3}{3}+{\mathrm{xy}}^2)+\frac{B}{2}\sqrt{5}\{x-2x^3-{6y}^{2}x+\frac{6}{5}{x}^5+4y^2{x}^3+{6y}^{4}x\}$

这里，B为球面像差Z₁₂的系数。光程差变为：

OPD＝(n-1)(h₁+h₂)-A(n-1)(y²+z²)Δx-B(n-1)ΔxZ₁₂(x，y)+(n-1)R(x，y，Δx)

(14)

这里剩余的移动依赖项R表示为：

$R(x,y,\mathrm{\Δx})=-\{A/3+4B\sqrt{5}{y}^2-2B\sqrt{5}+12B\sqrt{5}{x}^2\}\mathrm{\Δ}{x}^3-6B\sqrt{5}\mathrm{\Δ}{x}^5/5---\left(15\right)$

公式15的第一部分是分别带有振幅和

的离焦(Z₄)和散光(Z₅)的单独组合；最后项为piston(Z₀)。

陈(Cheng)等人获得的试验结果证明了平均为+1-D的眼球调节量会产生负的～0.06波球面像差，每一元件由sag函数S(x，y)确定的上述两元件调节透镜，均能来修正球面像差。一个+1-D大小的调节量需要的正横向位移为Δx₀＝[2A(n-1)]^-1。在该移动中球面像差改变～0.06波，换句话说：

Δx₀＝[2A(n-1)]^-1并且最后

(16)

其中λ为光的波长。

在该形状的折射元件的最后的表达式中，可为离焦和球面像差提供可变修正的公式为：

$z=S(x,y)=\frac{A}{2}(\frac{x^3}{3}+{\mathrm{xy}}^2)+W2\mathrm{A\λ}\sqrt{5}\{x-2x^3-6y^{2}x+\frac{6}{5}{x}^5+4y^2{x}^3+{6y}^{4}x\}---\left(17\right)$

W表示在上面例子中波长单元(波)调节量为1-D或

波的球面像差程度。

本发明中所有的实施例中除带有传统透镜设计外还能够带有GRIN和菲涅尔透镜设计。GRIN和菲涅尔透镜设计允许制造的透镜明显薄于传统透镜，并且色差程度也能够被GRIN和菲涅尔透镜设计提供的关于光学质量在光学元件上的可选分布所减低。

同样地，这种可变修正的进一步例子，能够为离焦和散光提供可变修正的折射元件形状最终的表达式为

$z=S(x,y)=\frac{A}{2}(\frac{x^3}{3}+{\mathrm{xy}}^2)+B\{\frac{x^3}{3}-\mathrm{xy}\}$

并且能够为离焦和慧差提供可变修正的折射元件形状的最终表达式为

$z=S(x,y)=\frac{A}{2}(\frac{x^3}{3}+{\mathrm{xy}}^2)+C\{\frac{3}{4}{x}^4+\frac{3}{2}{x}^2{y}^2-x^2\}$

注意：在实践中，像差离焦，球面像差，散光和慧差的修正，将为眼睛提供几乎没有任何像差的视觉。然而，如需要的话，所有可变修正的修正公式能够从上述介绍的结构中派生出来。

本发明不仅仅是提供了上述的IOL’s，同时还提供了一种该透镜的应用方法。在这方面应注意到提供适合于病人眼睛的修正面需要测量眼睛的像差。在测量了像差后，修正面必须被计算出来，并且随后就必须制造出光学元件，优选通过机械方式，比如精密机床制作。

附图说明

图1中显示的是，为植入本发明中所描述两元件透镜的由Pomerantzeff研制的宽角模式眼球(人眼宽角度光模型(Wide angle optical model ofthe human eye，)Ann.Ophthalmol.3，815-819，1971；Wide-angleoptical model of the eye，in Advances in Diagnostic Visual Optics，Breinin and Siegel，eds.，Springer-Verlag，Berlin，1983)元件的示意图，这种Pomerantzeff眼球模型用来计算产生本实施例。

图2为AIOL的示意图，其带有用于调节(聚焦/离焦)的位于两个光学元件上的两个立体表面，一个仅位于前面提到的一个元件上的用于固定基本聚焦的抛物线透镜，和在两个元件上均有的附加五阶表面，其用来修正在焦距发生变化时增加的球面像差

图3为单色(λ＝0.543μm)，模型眼球的矢状量和同轴MTFs切线的平均值，模型眼球带有3mm瞳孔和具有下列参数的两元件变焦透镜：A₁＝0.0124mm-2，R＝7.0181mm，h₁＝1.0316mm，A₂＝0.0153mm^-2，h₂＝0.358mm，Q₁＝Q₂＝0mm^-4。模拟的用于眼球的MTFs被调节到～6m(与敏锐测试边界相同)和25cm(在4D调节)，在图中分别用实心圆和开放三角形描述。包括两个立体光学元件的AIOL提供缺少诱发球面像差调节的情况下眼睛的近衍射限性能。

图4为对缺少这种球面像差的修正的情况下，眼睛工作时诱发的球面像差调节的影响。在这个例子中，每1D调节会产生-0.03波的球面像差。为植入带有两个立体元件透镜的AIOL的模型眼提供相应的同轴单色差MTFs，所述透镜在25cm，50cm，1m和近距离视觉的距离时调节，显示了退化导致的锐度、对比度与细节的损失。

图5显示当诱发球面像差的调节是通过附加的5阶表面修正时的结果，所述5阶表面用于可变化地修正三阶光学元件的球面像差。在这个例子中，五阶修正参数为Q₁＝Q₂＝1.313×10^-4mm_-4。带有两元件的光学透镜的模型眼睛上的单色同轴MTF表明光学透镜能在将眼睛适应性设置为25cm，50cm和1m远时均能同时适应性修正球面像差。

图6为AIOL调节状态、球面像差的可变修正和球面像差的修正量之间的关系示意图，该AIOL带有移动的可变聚焦/离焦立体元件。需要注意的是，在实践中，角膜的球面像差能够通过多种角膜地形学测量工具来测量，AIOL设计适于并且能够被精密机床技术制造。图中所示光学元件每移动0.18mm就会产生～1D的调节量，与之结合的球面像差项就会减少～0.03waves。该透镜为眼球提供聚焦/离焦功能，同时完全修正了调节诱发球面像差。

具体实施方式

在该例子中，透镜(如图1中所示在眼睛中，和图2中单独图示的)包括两个相隔距离为d(在本实施例中为0.5mm)的折射部分和前面部分(带有光轴Z₁)，其形状基于公式：

$z_1=S_1(x_1,y_1)=h_1-\frac{r^2}{R}\frac{1}{1+\sqrt{1-\frac{r^2}{R^2}}}-A_1\{x_1{y}_1^2+\frac{x_1^3}{3}\}-\frac{Q_1}{2}\stackrel{x_1}{\∫}{Z}_{12}(x^{\′},y_1){\mathrm{dx}}^{\′}---\left(18\right)$

这里

R为曲面半径，A₁是Alvarez项的振幅，Q₁是x项的5阶振幅，h₁是元件的中心厚度。在本实施例中，A₁＝0.012mm-2，R＝6.866mm，h₁＝1mm.前面元件的后(内)侧为平面，本发明前面的内容有对这个公式中各项的解释。

第二个，后面的折射元件的轮廓由下述公式确定：

$z_2=S_2(x_2,y_2)=h_2+A_2\{x_2{y}_2^2+\frac{x_2^3}{3}\}+\frac{Q_2}{2}\stackrel{x_1}{\∫}{Z}_{12}(x^{\′},y_1){\mathrm{dx}}^{\′}---\left(19\right),$

其中A₂为Alvarez项的振幅，Q₂为x项中五阶项的振幅；h2为元件的中心厚度，参数为A₂＝0.014308mm-2，h₂＝0.35mm.里侧是平面。两个元件Q₁＝Q₂＝-7.1x10^-5mm^-4。本发明前面的内容有对这个公式中各项的解释。所述的透镜的材料的折射指数为n＝1.46，并且提供了未发生调节时即Δx＝0时在水溶液中(折射指数为n＝1.337)的焦点能量约为+18D，并且允许改变离焦和球面像差。

单个泽尼克项或项之间的结合后的修正产生了剩余项(大多数为三次项或更复杂项)。报道的设计和光学原理的缺点为：使用两个元件系统的下述基本功能，同时修正很多像差或修正一个阶数大于2的像差，例如：三叶像差，慧差和球面像差等。

$z=S(x,y)=\frac{A}{2}(\frac{x^3}{3}+{\mathrm{xy}}^2)+\frac{1}{2}\∫\underset{q}{\mathrm{\Σ}}{C}_q{Z}_q(x,y)\mathrm{dx}---\left(18\right)$

剩余项非线性贡献的增长由下式给出：

$R(x,y,\mathrm{\Δx})=\underset{p=1}{\mathrm{\Σ}}\frac{\mathrm{\Δ}{x}^{2p+1}}{(2p+1)!}\underset{q}{\mathrm{\Σ}}{C}_q\frac{{\∂}^{(2p+1)}{Z}_q(x,y)}{\∂x^{(2p+1)}}---\left(19\right)$

根据公式，修正的局限性能够被确定与合成图像的退化有联系，例如人眼中的视网膜。这些局限是否已经接近取决于带有可变像差修正功能AIOL的用途和需求。

具有上面描述过轮廓S(x，y)的两折射元件垂直于光轴沿相反方向相对移动Δx，除单色像差Z_q外，泽尼克多项式中的项随着Δx线性变化，产生了所述的非线性变化剩余项，其由R＝0的二阶像差(即离焦Z₄和散光Z₃，Z₅)和R≠0的高阶像差的公式19确定。在大多数情况下，相对于系统光圈来说(假定上述公式中为一定的)横向位移是很小的，所以，Δx＜＜1和剩余项R～O(Δx³)就小得可以被忽略。在实践中，这个剩余项能够降低AIOL中的整体光学性能，人们应该能够找到在泽尼克修正和剩余项之间的合理的折中办法，以便当降低剩余项并没有降低AIOL的整体光学性能时，来将泽尼克像差修正最大化。这个平衡的细节依赖于手头AIOL的设计。

本说明书和权利要求书中通篇使用的一个光学元件的“光学表面”项，指的是实际的表面形状，除了传统对光表面的定义外，也包括它的“光学性能”和作为结果的“光学效应”。通常透镜表面被假定具有光滑均质的形状，其表面根据模型的功能和使用的制造方法决定，例如现代高级的精密车床技术，其可以制作种多样的IOLs和隐形眼镜，并可经常定制。

根据当前技术，通过使用例如梯度指数(GRIN)光学元件或具有“平坦”性质的菲涅尔(Fresnel)光学设计，可以达到相似的光学性能。其他光学技术能够实现这种AIOL的光学性质，可看作为本专利中所描述的光学模型给出的启示，应被看作为本发明的一部分。

Claims (11)

1.一种带有可变光能的可调节人工晶状体，包括至少两个光学元件，至少其中一个光学元件相对另一个光学元件在垂直于光轴的方向上运动，其中，带有该种结构的光学元件，能够在光学元件处于不同的相对位置时使可调节人工晶状体产生不同的光能，其特征在于：可调节人工晶状体中的光学元件中的至少两个光学元件包括至少一个附加光学修正表面，该修正表面适用于一个或多个光学像差的同时可变修正，其修正程度取决于光学元件的相对位置。

2.根据权利要求1中所述可调节人工晶状体，其特征在于修正表面适用于修正自然眼球的可变像差。

3.根据权利要求1或2中所述可调节人工晶状体，其特征在于可调节人工晶状体适用于可变聚焦和人类眼球内剩余光学表面的可变高阶像差的修正。

4.根据权利要求1或2中所述可调节人工晶状体，其特征在于可调节人工晶状体适用于人眼中调节过程中发生的可变像差的修正。

5.根据权利要求1或2中所述可调节人工晶状体，其特征在于修正表面适用于同时修正大于一阶的像差。

6.根据权利要求1或2中所述可调节人工晶状体，所述人工晶状体带有两个光学元件，每个光学元件带有至少一个包含依据公式确定的三阶项的表面，其特征在于每个光学元件带有至少一个依据公式

的附加修正表面。

7.根据权利要求1或2中所述可调节人工晶状体，其特征在于光学元件的光学表面可由精密机床制作。

8.根据权利要求1或2中所述可调节人工晶状体，其特征在于光学元件具有GRIN式光学设计。

9.根据权利要求1或2中所述可调节人工晶状体，其特征在手光学元件包括菲涅尔式表面。

10.一种用于准备植入可调节人工晶状体的系统，包括至少两个光学元件，其中所述至少一个可以相对另一个沿垂直光轴的方向运动，带有该种结构的光学元件，能够在光学元件处于不同的相对位置时使人工晶状体产生不同的光能，并且其中人工晶状体中至少两个光学元件包括至少一个附加光学修正表面，其中修正表面适用于同时可变修正一个或多个光学像差，修正程度取决于光学元件的相对位置，其特征在于：该系统包括：

测量眼睛可变像差的装置，

依据测量的像差计算修正表面的装置和

准备包括计算的修正表面的光学元件表面的装置。

11.根据权利要求10中所述的系统，其特征在于，准备光学元件的装置中包括精密车床。

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