CN102099729B

CN102099729B - 使用瞳孔动力学增加假性调节的扩展焦深(edof)透镜

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Publication number: CN102099729B
Application number: CN200980127357.3A
Authority: CN
Inventors: 洪昕; M·卡拉克雷; 张晓啸; 崔明; 张艳; M·辛普森
Original assignee: Alcon Universal Ltd
Current assignee: Novartis AG; Alcon Inc
Priority date: 2008-07-15
Filing date: 2009-07-15
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2029-07-15
Also published as: AU2009270860B2; WO2010009254A1; ES2917881T3; IL210288A0; RU2011105415A; BRPI0916248A2; MX2011000076A; SG2014008072A; US8241354B2; RU2508565C2; US20100016961A1; EP2993514A1; KR20110028397A; CA2729175C; JP2011528451A; CA2729175A1; CN102099729A; ZA201009080B; JP5453419B2; USRE45969E1

Abstract

一方面，本发明提供一种眼用透镜(例如，IOL)，其包括具有围绕光轴布置的前表面和后表面的光学部件。至少一个表面(例如前表面)具有以基础轮廓和辅助轮廓的叠加为特征的轮廓。辅助轮廓能够包括内部区域和外部区域以及在内部区域和外部区域之间的过渡区域，其中跨过渡区域的光程差(即，过渡区域的内径边界和外径边界之间的光程差)相当于设计波长(例如，约550nm的波长)的非整数分式(例如，1/2)。

Description

使用瞳孔动力学增加假性调节的扩展焦深(EDOF)透镜

相关申请

本发明涉及一道提交的题为“Accommodative IOL with ToricOptic and Extended Depth of Focus”的美国专利申请。该申请结合在此作为参考。

技术领域

本发明通常涉及眼用透镜(ophthalmic lenses)，尤其涉及通过控制在至少一个透镜表面上设置的过渡区域的相移变化来提供增强的视力的人工晶体(intraocular lenses，IOL)。

背景技术

在白内障手术期间通常将人工晶体(IOL)植入患者眼内以代替天然晶状体。天然晶状体的屈光能力(optical power)可以在睫状肌的影响下改变以提供用来观察离眼睛不同距离的物体的适应性调节。然而，许多IOL仅提供不具备适应性调节的单焦点能力。还已知提供远距屈光能力以及近距屈光能力(例如，通过使用衍射结构)从而提供一定程度假性调节的多焦点IOL。

然而，仍然需要改进IOL令其能够在提供跨大范围瞳孔尺寸的清晰光学图像的同时提供假性调节屈光能力。在设计IOL和透镜时，通常能够通过使用所谓的“模型眼”的测量值或通过诸如预测光线追踪的计算值确定光学性能。通常，基于来自可见光谱的狭窄选定区域的光来执行这种测量和计算以将色差减到最小。该狭窄区域被称为“设计波长”。

发明内容

一方面，本发明提供一种眼用透镜(例如，IOL)，包括具有围绕光轴布置的前表面和后表面的光学部件。所述表面中的至少一个(例如，前表面)具有以基础轮廓和辅助轮廓的叠加为特征的轮廓。辅助轮廓可以包括至少两个区域(例如，内部区域和外部区域)以及一个或多个在上述区域之间的过渡区域，其中跨过渡区域的光程差(即，过渡区域的内径边界和外径边界之间的光程差)对应于设计波长(例如，约550nm的波长)的非整数分式(例如，1/2)。

辅助轮廓的过渡区域能够从内径边界延伸到外径边界。在许多实施例中，辅助轮廓的过渡区域的内径边界对应于内部区域的外径边界，而过渡区域的外径边界则对应于外部区域的内径边界。在许多实施例中，过渡区域能够适于提供相对于其内径边界作为距光轴增加的径向距离的函数的光程差的单调变化。光程差的单调变化能够以作为径向距离的函数的连续增加或减少为特征，在某些情况下，这一单调变化内间插有无变化的区域(平台区域)。举例而言，所述单调变化能够以线性变化为特征，或以由一个或多个平台分隔开的连续线性变化为特征。

在一些实施例中，表面的轮廓(Z_sag(Z_下陷))被形成为能够由以下关系式限定的基础轮廓(Z_base(Z_基础))和辅助轮廓(Z_aux(Z_辅助))的叠加：

Z_sag＝Z_base+Z_aux，

其中，

Z_sag表示作为距光轴的径向距离的函数的表面相对于光轴的下陷，并且其中，

Z_{base} = \frac{{cr}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}} + a_{2} r^{2} + a_{4} r^{4} + a_{6} r^{6} + . . .,

其中，

r表示距光轴的径向距离，

c表示该表面的基础曲率，

k表示二次曲面常数，

a₂是二阶形变常数，

a₄是四阶形变常数，

a₆是六阶形变常数，并且其中，

Z_{aux} = \{\begin{matrix} 0, & 0 \leq r < r_{1} \\ \frac{Δ}{(r_{2} - r_{1})} ({r - r}_{1}), & r_{1} \leq r < r_{2} \\ Δ, & r_{2} < r \end{matrix}

其中，

r₁表示过渡区域的内径边界，

r₂表示过渡区域的外径边界，并且其中，

Δ由以下的关系来限定：

Δ = \frac{αλ}{(n_{2} - n_{1})},

其中，

n₁表示形成光学部件的材料的折射指数，

n₂表示围绕光学部件的介质的折射指数，

λ表示设计波长(例如，550nm)，并且

α表示非整数分式(例如，1/2)。

在一些实施例中，具有辅助轮廓的透镜表面的轮廓(Z_sag)能够由以下关系式限定：

Z_sag＝Z_base+Z_aux，

其中，

Z_{base} = \frac{{cr}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}} + a_{2} r^{2} + a_{4} r^{4} + a_{6} r^{6} + . . .,

其中，

r表示距光轴的径向距离，

c表示该表面的基础曲率，

k表示二次曲面常数，

a₂是二阶形变常数，

a₄是四阶形变常数，

a₆是六阶形变常数，并且其中，

Z_{aux} = \{\begin{matrix} 0, & 0 \leq r < r_{1 a} \\ \frac{Δ_{1}}{(r_{1 b} - r_{1 a})} ({r - r}_{1 a}), & r_{1 a} \leq r < r_{1 b} \\ Δ_{1}, & r_{1 b} \leq r < r_{2 a} \\ Δ_{1} + \frac{(Δ_{2} - Δ_{1})}{(r_{2 b} - r_{2 a})} (r - r_{2 a}), & r_{2 a} \leq r < r_{2 b} \\ Δ_{2}, & r_{2 b} < r \end{matrix}

其中，

r表示距透镜光轴的径向距离，

r_1a表示辅助轮廓的过渡区域的第一基本线性部分的内半径，

r_1b表示第一线性部分的外半径，

r_2a表示辅助轮廓的过渡区域的第二基本线性部分的内半径，以及

r_2b表示第二线性部分的外半径，并且其中

Δ₁和Δ₂的每一个都能够根据以下的关系式限定：

Δ_{1} = \frac{α_{1} λ}{(n_{2} - n_{1})},

并且

Δ_{2} = \frac{α_{2} λ}{(n_{2} - n_{1})},

并且

其中，

n₁表示形成光学部件的材料的折射指数，

n₂表示围绕光学部件的介质的折射指数，

λ表示设计波长(例如，550nm)，

α₁表示非整数分式(例如，1/2)，并且

α₂表示非整数分式(例如，1/2)。

作为示例，在上述的关系式中，基础曲率c可以在约0.0152mm^-1到约0.0659mm^-1的范围内，并且二次曲面常数k可以在约-1162到约-19的范围内，a₂可以在约-0.00032mm^-1到约0.0mm^-1的范围内，a₄可以在约0.0mm^-3到约-0.000053(负5.3×10^-5)mm^-3的范围内，并且a₆可以在约0.0mm^-5到约0.000153(1.53×10^-4)mm^-5的范围内。

在另一方面，公开了一种眼用透镜(例如，IOL)，包括具有围绕光轴布置的前表面和后表面的光学部件。所述表面的至少一个包括至少一个内部折射区域、至少一个外部折射区域、以及从内部区域的外径边界延伸到外部区域的内径边界的折射过渡区域。该过渡区域适于使得以设计波长(例如，550nm)入射到其上的射的相位从所述内径边界到所述外径边界单调地变化，由此在两个所述边界之间产生以该设计波长的非整数分式为特征的相移。虽然在某些情况下该非整数分式小于1，但在其它情况下它大于1。

在一些实施例中，前表面和后表面呈现出适于给予标称折射屈光能力的基础轮廓，例如对于透镜约-15到约+50屈光度范围内的能力。

在一个相关方面，具有过渡区域的表面可具有在约1mm到约5mm范围内的径向直径，并且过渡区域可以是具有在约0到约1mm范围内的径向宽度的环形区域的形式。

在另一方面，在上述眼用透镜中，对于在约1.5mm到约6mm范围内的孔径尺寸，光学部件呈现出相对于光学部件的焦平面不对称的离焦调制传递函数(through-focus modulation transfer function)。

在另一方面，公开了一种眼用透镜(例如，IOL)，包括具有围绕光轴布置的前表面和后表面的光学部件，其中每个表面包括基础表面轮廓。在所述表面的至少一个的基础表面轮廓上叠加表面变化的模式，由此产生在内部和外部表面区域之间延伸的过渡区域。该过渡区域使得光学部件对于通过具有直径在约1.5mm到约6mm范围内的孔径入射到光学部件上的光(例如，具有设计波长(例如，550nm)的光)呈现出不对称的离焦调制传递函数。

在一些实施例中，上述透镜对于通过具有在约1.5mm到约6mm范围内直径的孔径以设计波长入射到其上的光能够呈现出在约0.25屈光度到约1.75屈光度范围内的景深。

在一些实施例中，上述透镜对于通过具有小于约2mm直径的孔径以设计波长入射到光学部件上的光能够呈现出基本对称的离焦调制传递函数，而对更大的孔径则呈现出不对称的离焦调制传递函数。在某些情况下，透镜对于通过具有在约1.5mm到约6mm范围内直径的孔径以设计波长入射到其上的光呈现出在约0.25D到约1.75D范围内的景深。

在另一方面，本发明提供一种眼用透镜(例如，IOL)，包括具有前表面和后表面的光学部件，其中每个表面具有基础轮廓使得各轮廓协同给予光学部件标称的屈光能力。所述表面的至少一个表面具有通过添加辅助表面轮廓到其标称表面轮廓而限定的轮廓，其中所述辅助轮廓以中心区域、外部区域以及在所述内部和外部区域之间延伸的过渡区域为特征。对于具有设计波长并通过具有在选定范围内的尺寸的孔径入射到光学部件上的光，所述辅助轮廓适于引起有效屈光能力和所述标称屈光能力之间的移位，例如在约0.25D到约1.75D之间的移位。有效屈光能力能够以在所述设计波长和所述孔径下光学部件的离焦调制传递函数的波峰为特征。

在一个相关的方面，在上述透镜中，所述辅助轮廓适于增强光学部件的景深。

在另一方面，公开的眼用透镜(例如，IOL)包括具有围绕光轴布置的前表面和后表面的光学部件。所述表面的至少一个表面包括至少一个内部折射区域和至少一个外部折射区域，其中该表面的轮廓被配置成给予入射辐射(例如，设计波长的入射辐射)从内部区域的外部边界到外部区域的内部边界单调变化的相移，以提供在两边界之间设计波长(例如，550nm)的非整数分式相移。在某些情况下，表面轮廓被配置成使得相移发生在径向距离在约0.75mm到约2.5mm的范围内。此外，在某些情况下，相移能够实现值在约0.25D到约1.75D范围内的由光学部件呈现出的景深的延伸。

在一个相关方面，该表面轮廓的径向导数在内部区域的外部边界处呈现出不连续性。

通过参考以下的详细说明和如下简述的附图能够获得对本发明的进一步理解。

附图说明

图1A是根据本发明一个实施例的IOL的示意性横截面视图，

图1B是图1A中所示的IOL的前表面的示意性顶视图，

图2A示意性地描述了在根据本发明的一个实现入射到透镜表面上的波阵面中由根据本发明的教导在该表面上设置的过渡区域引起的相位超前，

图2B示意性地描述了在根据本发明的另一实现入射到透镜表面上的波阵面中由根据本发明的教导在该表面上设置的过渡区域引起的相位延迟，

图3示意性地描述了根据本发明一个实施例的透镜的至少一个表面的轮廓，该轮廓能够以基础轮廓和辅助轮廓的叠加为特征，

图4A-4C提供了根据本发明一个实施例的针对不同瞳孔尺寸算出的假设透镜的离焦MTF绘图，

图5A-5F提供了根据本发明一些实施例关于的假设透镜的算出的离焦MTF绘图，其中每个透镜具有以基础轮廓和限定了过渡区域的辅助轮廓为特征的表面，并且其中所述过渡区域相对于其它透镜各自的OPD提供在辅助轮廓的内部和外部区域之间不同的光程差(OPD)，

图6是根据本发明另一实施例的IOL的示意性横截面视图，并且

图7示意性地描绘了能够以基础轮廓和包括两级过渡区域的辅助轮廓的叠加为特征的前表面的轮廓，并且

图8示出了根据本发明一个实施例的对于具有两级过渡区域的假设透镜算出的离焦MTF绘图。

具体实施方式

本发明通常是针对眼用透镜(诸如IOL)以及使用这种透镜来修正视力的方法。在以下的实施例中，结合人工晶体(IOL)讨论本发明各个方面的显著特征。本发明的教导还能够应用于其它的眼用透镜，诸如隐形眼镜。术语“人工晶体”以及它的缩写“IOL”在本文中可交换使用来描述植入到眼内代替眼睛的天然晶状体或以其它方式增加视力的透镜，而不管天然晶状体是否被去除。角膜内透镜和有晶状体(phakic)眼内透镜是可以植入到眼内而不去除天然晶状体的透镜示例。在许多实施例中，该透镜能够包括选择性地给予透镜的光学部件内部和外部部分之间光程差的受控的表面调制模式，使得该透镜可以为较小和较大的瞳孔直径提供清晰的图像并且为用中等的瞳孔直径观看物体提供假性调节。

图1A和图1B示意性地描述了根据本发明一个实施例的人工晶体(IOL)10，其包括具有围绕光轴OA布置的前表面14和后表面16的光学部件12。如图1B所示，前表面14包括内部折射区域18、外部环形折射区域20、以及在内部和外部折射区域之间延伸的环形过渡区域22。相反地，后表面16为光滑凸表面的形式。在一些实施例中，光学部件12可具有在约1mm到约5mm范围内的直径D，虽然也可以使用其它的直径。

示例性的IOL 10还包括一个或多个能够帮助它在眼内放置的固定件1和2(例如，襻(haptics))。

在该实施例中，前表面和后表面各自包括凸面基础轮廓，虽然在其它的实施例中可以使用凹面或平面基础轮廓。后表面的轮廓仅由基础轮廓限定，而前表面的轮廓除其基础轮廓之外还由辅助轮廓限定，由此产生上述内部、外部和过渡区域，如下将进一步讨论。两个表面的基础轮廓与形成光学部件的材料的折射指数相结合，由此能够提供具有标称屈光能力的光学部件。标称屈光能力可以被限定为推定光学部件的单焦点折射力，其中该推定光学部件由与光学部件12相同的材料形成，具有相同的前表面和后表面基础轮廓，但不具有前述的前表面辅助轮廓。该光学部件的标称屈光能力还可被视为该光学部件12针对直径小于前表面中心区域直径的小孔径的单焦点折射力。

如下将进一步讨论的，前表面的辅助轮廓能够调节该标称屈光能力使得该光学部件的实际屈光能力将偏离透镜的标称屈光能力，尤其针对孔径(瞳孔)尺寸在中等范围内的情况，其中所述实际屈光能力例如由焦距表征，所述焦距则对应于计算或测量得到的关于该光学部件在设计波长(例如，550nm)下离焦调制传递函数的波峰的轴向位置。在许多实施例中，屈光能力的这类移位被设计用于改善关于中等瞳孔尺寸的近距视力。在某些情形下，该光学部件的标称屈光能力可以在约-15D到约+50D的范围内，并且优选地在约6D到约34D的范围内。此外，在某些情形下，由前表面的辅助轮廓引起的对光学部件标称能力的移位可以在约0.25D到约2.5D的范围内。

继续参考图1A和1B，过渡区域22是环形区域的形式，其从内径边界(IB)(在此情况下其对应于内部折射区域18的外径边界)径向延伸到外径边界(OB)(在此情况下其对应于外部折射区域的内径边界)。虽然在某些情况下，一个或两个边界都包括在前表面轮廓中的不连续(例如，梯级)，在许多实施例中前表面轮廓在边界处是连续的，虽然轮廓的径向导数(即，表面下陷的变化率，其作为距光轴的径向距离的函数)能够在每个边界上呈现出不连续性。在某些情形下，过渡区域的环形宽度相对于前表面的径向直径的比率可以在约0到约0.2的范围内。

在许多实施例中，前表面14的过渡区域22能够被成形为使得入射在其上的辐射相位从其内部边界(IB)到其外部边界(OB)单调变化。即，将通过相位跨过渡区域的渐进增加或渐进减少实现外部区域和内部区域之间的非零相位差，其中所述相位是距光轴的增加的径向距离的函数。在一些实施例中，过渡区域可包括散布在相位的渐进增加或减少的部分之间的平台部分，其中相位能够保持基本不变。

在许多实施例中，过渡区域被配置成使得两平行光之间的相移可以是设计波长(例如，550nm的设计波长)的非整数有理分式，所述两平行光之一入射在过渡区域的外部边界上且另一个入射在过渡区域的内部边界上。作为示例，这种相移能够根据以下的关系限定：

方程(1A)

OPD＝(A+B)λ 方程(1B)

其中，

A指定为整数，

B指定为非整数有理分式，

λ指定为设计波长(例如，550nm)。

作为示例，跨过渡区域的总相移可以是

等，其中λ代表设计波长，例如，550nm。在许多实施例中，相移可以是入射辐射波长的周期函数，其中周期性对应一个波长。

在许多实施例中，过渡区域可引起响应于入射辐射的自光学部件出现的波阵面(即，自光学部件的后表面出现的波阵面)的变形，其能够导致透镜的有效聚焦能力相对于其标称能力的移位。此外，波阵面的变形能够为包围过渡区域的孔径直径(特别是对于如下将进一步讨论的中等直径孔径)提高光学部件的焦深。例如，过渡区域能够引起自光学部件的外部部分出现的波阵面和自其内部部分出现的波阵面之间的相移。这种相移能够引起自光学部件的外部部分出现的辐射在自光学部件的内部部分出现的辐射聚焦的位置处干扰自光学部件的内部部分出现的辐射，从而导致改善的焦深，例如，以参照波峰MTF(调制传递函数)的不对称MTF轮廓为特征。术语“焦深”和“景深”可以交替使用并且本领域技术人员已知并容易理解为指代在物空间和图像空间中可接受图像能够被分辨的距离。就可能需要进一步解释而言，焦深可指代相对于在3mm孔径和例如具有约550nm波长的绿光下测量的透镜离焦调制传递函数(MTF)的波峰的散焦量，其中该MTF在约50lp/mm的空间频率下呈现出至少约15％的对比度级别。还能够应用其它的定义并且应当清楚景深可以被许多因素影响，例如包括孔径尺寸、形成图像的光的色彩成分以及透镜本身的基础能力。

作为进一步说明，图2A示意性示出了根据本发明一个实施例的IOL的前表面产生的波阵面片段，以及将实际波阵面的RMS(均方根)误差减到最小的参考球面波阵面(以虚线描述)，其中所述前表面具有在该表面的内部部分和外部部分之间的过渡区域，并且波阵面片段入射在该表面上。过渡区域引起波阵面的相位超前(相对于对应不具有过渡区域的假定类似表面)，导致在焦平面处波阵面的收敛在视网膜平面的前面(在不具有过渡区域的IOL的标称焦平面的前面)。图2B示意性地显示了另一种情况，其中过渡区域引起入射波阵面的相位延迟，导致在焦平面处波阵面的收敛在视网膜平面之后(在不具有过渡区域的IOL的标称焦平面之后)。

作为例示，在该实施中，前表面和/或后表面的基础轮廓(Z_base)可以由以下的关系限定：

Z_{base} = \frac{{cr}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}} + f (r^{2}, r^{4}, r^{6}, . . .)

方程(2)

其中，

c表示轮廓的曲率，

k表示二次曲面常数，并且

其中，

f(r²，r⁴，r⁶，...)表示包含对基础轮廓更高阶贡献的函数。作为示例，函数f可由下列关系限定：

f(r²，r⁴，r⁶...)＝a₂r²+a₄r⁴+a₆r⁶+… 方程(3)

其中，

a₂是二阶形变常数，

a₄是四阶形变常数，并且

a₆是六阶形变常数。还可以包括额外的更高阶的项。

作为示例，在一些实施例中，参数c能够在约0.0152mm^-1到约0.0659mm^-1的范围内，参数k能够在约-1162到约-19的范围内，a₂能够在约-0.00032mm^-1到约0.0mm^-1的范围内，a₄能够在约0.0mm^-3到约-0.000053(负5.3×10^-5)mm^-3的范围内，并且a₆能够在约0.0mm^-5到约0.000153(1.53×10^-4)mm^-5的范围内。

在前基础轮廓和/或后基础轮廓中使用一定程度的例如由二次曲面常数k表征的非球面性能够改善针对大孔径尺寸的球面差效应。对于大孔径尺寸，这种非球面性能够多少抵消过渡区域的光学效用，从而导致更加锐利的MTF。在一些其它的实施例中，两表面之一或两者的基础轮廓可以是环面的(即它能够沿着表面的两个正交方向呈现出不同的曲率半径)以改善像散像差。

如上所述，在该示例性实施例中，前表面14的轮廓能够由叠加基础轮廓(诸如由上文的方程(1)限定的轮廓)以及辅助轮廓来限定。在该具体应用中，辅助轮廓(Z_aux)能够由以下的关系来限定：

Z_{aux} = \{\begin{matrix} 0, & 0 \leq r < r_{1} \\ \frac{Δ}{(r_{2} - r_{1})} ({r - r}_{1}), & r_{1} \leq r < r_{2} \\ Δ, & r_{2} < r \end{matrix}

方程(4)

其中，

r₁表示过渡区域的内径边界，

r₂表示过渡区域的外径边界，并且其中，

Δ由以下的关系来限定：

Δ = \frac{αλ}{(n_{2} - n_{1})},

方程(5)

其中，

n₁表示形成光学部件的材料的折射指数，

n₂表示围绕光学部件的介质的折射指数，

λ表示设计波长，并且

α表示为非整数分式，例如1/2。

换言之，在该实施例中，前表面的轮廓(Z_sag)如下文所限定并且如图3示意性地示出的由基础轮廓(Z_base)和辅助轮廓(Z_aux)的叠加限定：

Z_sag＝Z_base+Z_aux，方程(6)

在该实施例中，由上述关系式(4)和(5)限定的辅助轮廓以在过渡区域上基本呈线性的相移为特征。更具体地，辅助轮廓提供从过渡区域的内部边界到它的外部边界线性增加的相移并具有与设计波长的非整数分式相对应的在内部和外部边界之间的光程差。

在许多实施例中，对于落在透镜中心区域的直径范围内的小瞳孔直径(例如，关于2mm的瞳孔直径)，根据本发明教导的透镜(诸如上文的透镜10)通过有效地当作单焦点透镜能够提供良好远距视力性能，而没有由相移引起的光学效应。对于中等瞳孔直径(例如，对于在约2mm到约4mm范围内的瞳孔直径(例如，约3mm的瞳孔直径))，由相移引起的光学作用能够导致增强的近距视力和中距视力。对于大瞳孔直径(例如，对于在约4mm到约5mm范围内的瞳孔直径)来说，该透镜又能够提供好的远距视力性能，因为相移将只是占暴露于入射光的前表面部分的一小部分。

作为说明，图4A-4C显示了根据本发明的实施例假设透镜关于不同瞳孔尺寸的光学性能。假定该透镜具有由上述关系式(6)限定的前表面，以及由光滑凸面基础轮廓(例如，由上述关系式(2)所限定的轮廓)表征的后表面。此外，假定该透镜具有6mm的直径，并具有在约2.2mm直径的内部边界和约2.6mm直径的外部边界之间延伸的过渡区域。选择前后表面的基础曲率使得该光学部件将提供21D的标称屈光能力。此外，假定围绕该透镜的介质具有约1.336的折射指数。下表1A-1C列出了透镜光学部件及其前表面和后表面的各种参数：

表1A

表1B

表1C

更具体地，在图4A-4C的每幅图中，提供对应于以下调制频率的离焦调制传递函数(MTF)的绘图：25lp/mm、50lp/mm、75lp/mm以及100lp/mm。图4A中显示的关于约2mm瞳孔直径的MTF表明该透镜例如对于户外活动提供良好的光学性能，并且具有关于焦平面是对称的约0.7D的焦深。对于3mm的瞳孔直径，图4B中所示的每个MTF相对于透镜的焦平面(即，相对于零散焦)是不对称的，在负散焦方向上其波峰有移位。这种移位能够提供一定程度的假性调节以有助于近距视力(例如，用于阅读)。此外，这些MTF比通过针对2-mm瞳孔直径计算显示的那些MTF具有更大的宽度，其转换成对于中距视力具有更好的性能。对于更大的4mm的瞳孔直径(图4C)，相对于针对3-mm直径计算的那些MTF的不对称性和宽度降低。这又表明在光照条件低(例如对于夜间行驶)时有良好远距视力性能。

通过改变与该区域关联的各种参数(例如它的径向范围以及它给予入射光的相移的速度)能够调制相移的光学效果。作为示例，由上述关系式(3)限定的过渡区域呈现出由限定的斜度，其能够变化使得调整在表面上具有这种过渡区域的光学部件的性能，对于中等瞳孔尺寸来说尤为如此。

作为说明，图5A-5F示出了在3mm的瞳孔尺寸并且针对假设透镜调制频率为50lp/mm算出的离焦调制传递函数(MTF)，其中该假设透镜具有呈现出图3所示的表面轮廓的前表面，该表面轮廓为关系式(2)限定的基础轮廓和关系式(4)和(5)限定的辅助轮廓的叠加。假定该光学部件由具有1.554折射指数的材料形成。此外，选择前表面和后表面的基础曲率使得该光学部件将具有约21D的标称屈光能力。

通过提供从中能够更加容易地理解过渡区域的光学效果的参考，图5A示出了对于具有等于零的Δz的光学部件(即，没有根据本发明教导的相移的光学部件)的MTF。这种具有光滑前后表面的常规光学部件呈现出关于光学部件的焦平面对称布置的MTF曲线并且呈现出约0.4D的焦深。相反地，图5B显示了根据本发明实施例的光学部件的MTF，该光学部件的前表面包括以约0.01mm的径向范围和Δz＝1微米为特征的过渡区域。图5B中示出的MTF绘图呈现出更大的约1D的焦深，表明该光学部件提供增强的景深。此外，该MTF相对于光学部件的焦平面是不对称的。事实上，该MTF绘图的波峰比它的焦平面更接近光学部件。这提供了有效的屈光能力增加以有助于近距离阅读。

由于过渡区域变得更陡峭(其径向范围保持固定在0.01mm)使得提供ΔZ＝1.5微米(图5C)，MTF进一步加宽(即，光学部件提供更大的景深)并且它的峰值移位比光学部件的焦平面更加远离该光学部件。如图5D所示，用于具有以ΔZ＝2.5微米为特征的过渡区域的光学部件的MTF等同于图5A所示的用于具有ΔZ＝0的光学部件的MTF。

事实上，对每个设计波长重复MTF模式。作为示例，在设计波长为550nm并且光学部件由Acrysof(2-苯乙基丙烯酸酯和2-苯乙基丙烯酸甲酯的交联共聚物)材料构成的实施例中，ΔZ＝2.5微米。例如图5E中所示的对应于ΔZ＝3.5微米的MTF曲线等同于图5B中所示的ΔZ＝1.5的曲线，而图5F中所示的对应于ΔZ＝4微米的MTF曲线则等同于图5C中所示的对应于ΔZ＝1.5微米的MTF曲线。对于以上述关系式(3)限定的Z_aux来说对应于ΔZ的光程差(OPD)可以由以下关系限定：

光程差(OPD)＝(n₂-n₁)ΔZ 方程(7)

其中

n₁代表形成光学部件的材料的折射指数，并且

n₂代表围绕光学部件的材料的折射指数。从而，对于n₂＝1.552、n₁＝1.336且ΔZ为2.5微米，针对约550nm的设计波长实现对应1λ的OPD。换言之，对于对应于1λOPD的ΔZ变化，重复图5A-5F中所示的示例性MTF绘图。

根据本发明的教导的过渡区域能够以多种方式实现，而且并非限制为上述由关系式(4)所限定的示例性区域。此外，虽然在某些情形下过渡区域包括平滑变化的表面部分，但在其它情形下过渡区域可由通过一个或多个梯级彼此分隔开的多个表面片段形成。

图6示意性地描绘了根据本发明的另一实施例的IOL 24，其包括具有前表面28和后表面30的光学部件26。类似于在前的实施例，前表面的轮廓被表征为基础轮廓和辅助轮廓的叠加，虽然该辅助轮廓不同于结合在前实施例如上描述的辅助轮廓。

如图7示意性地示出的，上述IOL 24的前表面28的轮廓(Z_sag)通过叠加基础轮廓(Z_base)和辅助轮廓(Z_aux)形成。更具体地，在该实现中，前表面28的轮廓可由上述关系式(6)限定，其如下重现：

Z_sag＝Z_base+Z_aux，

其中基础轮廓(Z_base)能够根据上述的关系式(2)限定。而辅助轮廓(Z_aux)则由以下关系式限定：

Z_{aux} = \{\begin{matrix} 0, & 0 \leq r < r_{1 a} \\ \frac{Δ_{1}}{(r_{1 b} - r_{1 a})} ({r - r}_{1 a}), & r_{1 a} \leq r < r_{1 b} \\ Δ_{1}, & r_{1 b} \leq r < r_{2 a} \\ Δ_{1} + \frac{(Δ_{2} - Δ_{1})}{(r_{2 b} - r_{2 a})} (r - r_{2 a}), & r_{2 a} \leq r < r_{2 b} \\ Δ_{2}, & r_{2 b} < r \end{matrix}

方程(8)

其中r表示距透镜光轴的径向距离，且在图7中描绘了参数r_1a、r_1b、r_2a和r_2b，并且如以下所限定：

r_1a表示辅助轮廓的过渡区域的第一基本线性部分的内半径，

r_1b表示第一线性部分的外半径，

r_2b表示第二线性部分的外半径，并且其中Δ₁和Δ₂的每一个都能够根据上述关系式(8)来限定。

继续参考图7，在该实施例中，辅助轮廓Z_aux包括平坦中心区域32、外部区域34以及连接中心和外部区域的两级过渡36。更具体地，过渡区域36包括线性变化部分36a，其从中心区域32的外径边界延伸到平台区域36b(它从径向位置r_1a延伸到另一径向位置r_1b)。平台区域36b则从径向位置r_1b延伸到径向位置r_2a，在径向位置r_2a处它连接另一线性变化部分36c，后者径向向外延伸到外部区域34径向位置r_2b处。过渡区域的线性变化部分36a和36c可具有类似或不同的斜度。在许多实现中，提供跨越两个过渡区域的整个相移是设计波长(例如，550nm)的非整数分式。

后表面30的轮廓可以由上述关于Z_base的关系式(2)限定，其中选择各种合适的参数，包括曲率半径c。前表面的基础轮廓的曲率半径和后表面的曲率，以及形成透镜的材料的折射指数一起，提供透镜的标称光学性能，例如在约-15D到约+50D的范围内或在约6D到约34D的范围内或在约16D到约25D的范围内的屈光能力。

示例性IOL 24能够提供许多的优点。例如，它能够提供对于小瞳孔尺寸的清晰远距视力，并且带有对功能性近距视力和中间视力的增强做出贡献的两级过渡区域的光学效果。此外，在许多实际实现中，该IOL对于大瞳孔尺寸提供良好的远距视力性能。作为说明，图8显示了在不同的瞳孔尺寸下算出的关于根据本发明实施例的假设光学部件的离焦MTF绘图，其中该假设光学部件具有前表面以及光滑凸后表面，前表面的轮廓由上述的关系式(2)限定且前表面的辅助轮廓由上述的关系式(8)限定。MTF绘图是关于具有550nm波长的单色入射辐射算出的。下表2A-2C提供该光学部件的前表面和后表面的参数：

表2A

表2B

表2C

MTF绘图示出了对于等于前表面中心部分直径的约2mm的瞳孔直径，该光学部件提供单焦折射力并且呈现出相对较小的约为0.5D的焦深(限定为半极大处全宽度)。换言之，它提供好的远距视力性能。随着瞳孔尺寸增加到约3mm，过渡区域的光学效果在离焦MTF中变得明显。特别是，3-mm MTF比2-mm MTF显著地要更宽，表明景深的增强。

继续参考图8，随着瞳孔直径增加甚至到约4mm，入射光线不但射到前表面的中心和过渡区域而且还射到前表面的部分外部区域上。

可以使用各种技术和材料来制作本发明的IOL。例如，本发明的IOL的光学部件可以由生物相容聚合材料形成。一些适合的生物相容材料包括但不限于柔软的丙烯酸聚合体、水凝胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚砜、聚苯乙烯、纤维素、醋酸丁酸盐或其它的生物相容材料。作为示例，在一个实施例中，光学部件由一般已知为Acrysof的柔软丙烯酸聚合体(2-苯乙基丙烯酸酯和2-苯乙基丙烯酸甲酯的交联共聚物)形成。该IOL的固定件(襻)也能够由诸如上述讨论的那些适合的生物相容材料形成。虽然在某些情况下，IOL的光学部件和固定件可以制作成整体单元，但在其它的情况下，它们能够单独地形成并且使用本领域已知的技术结合到一起。

能够利用本领域已知的各种制作技术(诸如铸造)来制作IOL。在某些情况下，可以使用2007年12月21日提交的序列号11/963,098且题为“Lens Surface With Combined Diffractive，Toric and AsphericComponents”的待决专利申请中公开的制作技术来给予IOL前后表面期望的轮廓。

本领域普通技术人员将领会理解对上述实施例作出的各种变化而不脱离本发明的范围。

Claims

1.一种单焦点人工晶体，包括：

具有围绕光轴布置的前表面和后表面的光学部件，

所述表面的至少一个表面包括：

具有标称屈光能力的至少一个内部折射区域，

具有所述标称屈光能力的至少一个外部折射区域，以及

布置在所述内部区域和外部区域之间的折射过渡区域，所述过渡区域从其内径边界延伸到其外径边界，

其中所述过渡区域适于使得入射到其上的辐射的相位从所述内径边界到所述外径边界单调地变化，由此在所述外径边界和所述内径边界之间产生以可见光谱内的设计波长的所选非整数分式为特征的相移，从而自所述外部折射区域出现的波阵面和自所述内部折射区域出现的波阵面之间的相移导致不同于所述标称屈光能力的有效屈光能力，以创建焦深。

2.如权利要求1所述的人工晶体，其中所述过渡区域适于相对于内部区域的外径边界提供光程差的单调变化，所述光程差是距光轴的增加的径向距离的函数。

3.如权利要求2所述的人工晶体，其中所述表面中的至少一个具有通过添加辅助轮廓Z_aux到基础轮廓而限定的轮廓，从而给予所述标称屈光能力，并且其中：

Z_{aux} = \{\begin{matrix} 0, & 0 \leq r < r_{1} \\ \frac{Δ}{(r_{2} - r_{1})} (r - r_{1}), & r_{1} \leq r < r_{2} \\ Δ, & r_{2} < r \end{matrix}

其中，

r₁表示过渡区域的内径边界，

r₂表示过渡区域的外径边界，并且其中，

Δ由以下的关系来限定：

Δ = \frac{αλ}{(n_{2} - n_{1})},

其中，

n₁表示形成光学部件的材料的折射指数，

n₂表示当被定位在眼内或眼上使用时围绕光学部件的介质的折射指数，

λ表示设计波长，并且

α表示所选非整数分式。

4.如权利要求2所述的人工晶体，其中所述表面中的至少一个具有通过添加辅助轮廓Z_aux到基础轮廓而限定的轮廓，从而给予所述标称屈光能力，并且其中所述单调变化以由一个或多个平台分开的连续线性变化为特征，并且其中：

Z_{aux} = \{\begin{matrix} 0, & 0 \leq r < r_{1 a} \\ \frac{Δ_{1}}{(r_{1 b} - r_{1 a})} (r - r_{1 a}), & r_{1 a} \leq r < r_{1 b} \\ Δ_{1}, & r_{1 b} \leq r < r_{2 a} \\ Δ_{1} + \frac{(Δ_{2} - Δ_{1})}{(r_{2 b} - r_{2 a})} (r - r_{2 a}), & r_{2 a} \leq r < r_{2 b} \\ Δ_{2}, & r_{2 b} < r \end{matrix}

其中，

r表示距透镜光轴的径向距离，

r_1a表示过渡区域的第一基本线性部分的内半径，

r_1b表示第一基本线性部分的外半径，

r_2a表示过渡区域的第二基本线性部分的内半径，以及

r_2b表示第二基本线性部分的外半径，并且

其中

Δ₁和Δ₂的每一个都能够根据以下的关系限定：

Δ_{1} = \frac{α_{1} λ}{(n_{2} - n_{1})},

以及

Δ_{2} = \frac{α_{2} λ}{(n_{2} - n_{1})}

其中，

n₁表示形成光学部件的材料的折射指数，

n₂表示围绕光学部件的介质的折射指数，

λ表示设计波长，

α₁表示第一非整数分式，并且

α₂表示第二非整数分式，所述第一非整数分式和所述第二非整数分式之和是所选非整数分式。

5.如权利要求1所述的人工晶体，其中所选非整数分式小于1。

6.如权利要求1所述的人工晶体，其中所选非整数分式大于1。

7.如权利要求1所述的人工晶体，其中所述过渡区域包括环形区域。

8.如权利要求7所述的人工晶体，其中所述环形区域具有小于约1mm的径向宽度。

9.如权利要求1所述的人工晶体，其中所述至少一个表面中的至少一个具有在约1mm到约5mm范围内的径向直径。

10.如权利要求1所述的人工晶体，其中所述设计波长是约550nm。

11.如权利要求1所述的人工晶体，其中对于在约1.5mm到约6mm范围内的孔径尺寸，所述光学部件呈现出相对于所述光学部件的焦平面不对称的离焦调制传递函数。

12.如权利要求1所述的人工晶体，其中所述有效屈光能力以在所述设计波长对于在约1.5mm到约6mm范围内的孔径尺寸下光学部件的离焦调制传递函数的波峰为特征。

13.如权利要求12所述的人工晶体，其中所述焦深被表征为在所述离焦调制传递函数中15％对比度级别处的全宽。

14.如权利要求1所述的人工晶体，其中所述有效屈光能力与所述标称屈光能力的差异在约0.25D到约1.75D的范围内。

15.如权利要求1所述的人工晶体，其中所述人工晶体的至少一个表面是环面的。