CN102099730B - 具有复曲面光学器件与延长焦深的调节iol - Google Patents

Abstract

在一方面中，本发明提供了眼内透镜(IOL)，该IOL包括沿光轴一前一后放置的至少两个光学器件，及耦接到至少一个光学器件的调节机构，该调节机构适于响应于植入有该光学器件的眼睛的天然调节力而调节光学器件的组合光焦度，从而提供调节。至少一个光学器件具有由第一折射区域、第二折射区域和位于第一折射区域与第二折射区域之间的过渡区域表征的表面，其中具有设计波长(例如，550nm)的入射光跨该过渡区域的光学相移对应于该波长的非整数分数。

Description

具有复曲面光学器件与延长焦深的调节IOL

相关申请

本申请与题为“An Extended Depth Of Focus(EDOF)Lens ToIncrease Pseudo-Accommodation By Utilizing Pupil Dynamics”的美国专利申请相关，该美国专利申请与本申请一并提交并且通过引用并入于此。

技术领域

本发明总体上涉及眼科透镜，更特别地，涉及通过跨在至少一个透镜表面上提供的过渡区域的相移的受控变化来提供增强视力的调节眼内透镜(IOL)。

背景技术

眼睛的光焦度是由角膜的光焦度和晶状体的光焦度确定的，其中晶状体提供眼睛的总光焦度的大约三分之一。晶状体是透明的双凸结构，其曲率可以由睫状肌来改变，用以调节其光焦度，从而允许眼睛聚焦到变化距离的物体上。

然而，对于例如由于年龄和/或疾病而患白内障的人，天然的晶状体变得不太透明，因此减少了到达视网膜的光量。一种已知的对白内障的治疗涉及除去变得不透明的天然晶状体而用人造的眼内透镜(IOL)来替代。通常称为单焦点IOL的许多IOL提供单一的光焦度，因此不允许调节。主要提供两个光焦度的多焦点IOL也是已知的，这两个光焦度一般是远光焦度和近光焦度。另一类通常称为调节IOL的IOL可以响应于眼睛天然的调节力而提供某种程度的调节。然而，例如，由于眼睛解剖学施加的空间约束，由这种调节IOL提供的调节范围可能是有限的。

因此，需要改进的调节IOL。

发明内容

在一个方面中，本发明提供了一种眼内透镜(IOL)，该IOL包括：沿光轴一前一后放置的至少两个光学器件；及调节机构，该调节机构耦合到所述光学器件中的至少一个，并适于响应于植入有光学器件的眼睛的天然调节力而调整光学器件的组合光焦度，从而提供调节。光学器件中的至少一个具有由第一折射区域、第二折射区域以及第一折射区域与第二折射区域之间的过渡区域表征的表面，其中具有设计波长(例如，550nm)的入射光跨该过渡区域的光学相移对应于该波长的非整数分数。通常，在设计IOL和透镜时，光学性能可以通过利用所谓的“模型眼”的测量或者通过计算(例如，预测性光线跟踪)来确定。一般来说，这种测量与计算是基于来自可见光谱的所选窄区域的光执行的，以便最小化色差。这种窄区域称为“设计波长”。

在以上的调节IOL中，至少一个光学器件可以提供正光焦度(例如，大约+20D至大约+60D范围内的光焦度)，而至少另一个光学器件可以提供负光焦度(例如，大约-26D至-2D范围内的光焦度)。在有些情况下，调节机构适于响应于眼睛的天然调节力而沿光轴移动至少一个光学器件，从而提供调节。

在相关的一个方面中，在以上的IOL中，具有过渡区域的表面呈现出由以下关系式定义的轮廓(Z_sag)：

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、该表面关于所述轴的凹陷(sag)，Z_base表示该表面的基本轮廓，而且其中

$Z_{\mathrm{aux}}=\left\{\begin{array}{cc}0,& 0\&le;r<r_1\\ \frac{\mathrm{\&Delta;}}{(r_2-r_1)}(r-r_1),& r_1\&le;r<r_2\\ \mathrm{\&Delta;},& r_2<r\end{array}\right.$

其中，

r₁表示过渡区域的内径向边界，

r₂表示过渡区域的外径向边界，而且

其中，

Δ是由以下关系式定义的：

$\mathrm{\&Delta;}=\frac{\mathrm{\&alpha;\&lambda;}}{(n_2-n_1)}$

其中，

n₁表示形成光学器件的材料的折射率，

n₂表示围绕该光学器件的介质的折射率，

λ表示设计波长，及

α表示非整数分数。

在相关的一个方面中，以上具有过渡区域的表面的基本轮廓(Z_base)可以由以下关系式定义：

$Z_{\mathrm{base}}=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_2{r}^2+a_4{r}^4+a_6{r}^6+......$

其中，

r表示距光轴的径向距离，

c表示表面的基本曲率，

k表示圆锥常量，

a₂是二阶变形常量，

a₄是四阶变形常量，

a₆是六阶变形常量。

在另一个实施例中，具有过渡区域的IOL表面具有由以下关系式定义的表面轮廓(Z_sag)：

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、该表面关于所述轴的凹陷，而且其中，

$Z_{\mathrm{base}}=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_2{r}^2+a_4{r}^4+a_6{r}^6+......$

其中，

r表示距光轴的径向距离，

c表示表面的基本曲率，

k表示圆锥常量，

a₂是二阶变形常量，

a₄是四阶变形常量，

a₆是六阶变形常量，而且

其中，

$Z_{\mathrm{aux}}=\left\{\begin{array}{cc}0,& 0\&le;r{<r}_{1a}\\ \frac{{\mathrm{\&Delta;}}_1}{(r_{1b}-r_{1a})}(r-r_{1a}),& r_{1a}\&le;r<r_{1b}\\ {\mathrm{\&Delta;}}_1,& r_{1b}\&le;r<r_{2a}\\ {\mathrm{\&Delta;}}_1+\frac{({\mathrm{\&Delta;}}_2-{\mathrm{\&Delta;}}_1)}{(r_{2b}-r_{2a})}(r-r_{2a}),& r_{2a}\&le;r<r_{2b}\\ {\mathrm{\&Delta;}}_2& r_{2b}<r\end{array}\right.$

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表示该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，

r_2b表示该第二线性部分的外半径，而且

其中，

Δ₁和Δ₂中的每一个都是根据以下关系式定义的：

${\mathrm{\&Delta;}}_1=\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_1\mathrm{\&lambda;}}{(n_2-n_1)},$

${\mathrm{\&Delta;}}_2=\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_2\mathrm{\&lambda;}}{(n_2-n_1)},$ 而且

其中，

n₁表示形成光学器件的材料的折射率，

n₂表示围绕该光学器件的介质的折射率，

λ表示设计波长(例如，550nm)，

α₁表示非整数分数(例如，1/2，3/2，...)，而且

α₂表示非整数分数(例如，1/2，3/2，...)。

作为例子，在以上关系式中，基本曲率c可以在大约0.0152mm^-1至大约0.0659mm^-1的范围内，而圆锥常量k可以在大约-1162至-19的范围内，a₂可以在大约-0-00032mm^-1至大约0-0mm^-1范围内，a₄可以在大约0-0mm^-3至大约-0.000053(负5.3×10^-5)mm^-3范围内，而a₆可以在大约0.0mm^-5至大约0.000153(1.53×10^-4)mm^-5范围内。

在另一方面中，在以上的调节IOL中，调节机构可以包括用于放在囊袋中的环和将该环耦接到至少一个光学器件的多个柔性元件。该环适于响应于由囊袋施加到环上的天然调节力而使柔性元件移动与该柔性元件耦接的光学器件，从而提供调节。在有些情况下，调节机构可以提供大约0.5D至大约2.5D范围内的动态调节，而例如，对于在大约2.5mm至大约3.5mm范围内的光瞳大小，以上提到的过渡区域可以将IOL的焦深延长至少大约0.5D(例如，在大约0.5D至大约1.25D的范围内)，以便提供一定程度的伪调节。

在另一方面中，公开了一种眼内透镜系统，该系统包括适于放到病人眼睛的囊袋中的光学系统，其中该光学系统包括多个透镜。该透镜系统还包括耦接到光学系统的调节机构，用以响应于眼睛的天然调节力而造成其光焦度的改变，从而提供调节。该光学系统具有至少一个复曲面及至少一个具有第一折射区域、第二折射区域和第一折射区域与第二折射区域之间的过渡区域的表面，使得具有设计波长(例如，550nm)的入射光跨过渡区域的光学相移对应于该波长的非整数分数。

通过参考以下具体描述并联系以下简单描述的相关附图，可以获得对本发明各方面的进一步理解。

附图说明

图1A是根据本发明实施例的IOL的示意性截面图。

图1B是图1A所示IOL的前表面的示意性顶视图。

图2A示意性地绘出了根据本发明实施例的一种实现的通过根据本发明教习在透镜的表面上提供的过渡区域，入射到该表面上的波前中引起的相位超前。

图2B示意性地绘出了根据本发明实施例的另一种实现的通过根据本发明教习在透镜的表面上提供的过渡区域，入射到该表面上的波前中引起的相位滞后。

图3示意性地绘出根据本发明实施例的透镜的至少一个表面的轮廓可以通过基本轮廓和辅助轮廓的叠加来表征。

图4A-4C提供了根据本发明实施例的假想透镜的针对不同光瞳尺寸的计算的离焦(through-focus)MTF曲线图。

图5A-5F提供了根据本发明有些实施例的假想透镜的计算的离焦MTF曲线图，其中每个透镜都具有由基本轮廓和辅助轮廓表征的表面，其中，相对于其它透镜中相应的光程差(OPD)，该辅助轮廓定义了在辅助轮廓的内区域与外区域之间提供不同的OPD的过渡区域，

图6是根据本发明另一个实施例的IOL的示意性截面图。

图7示意性地绘出前表面的轮廓可以表征为基本轮廓和包括两阶过渡区域的辅助轮廓的叠加。

图8给出了根据本发明实施例的具有两阶过渡区域的假想透镜的计算的离焦单色MTF曲线图。

图9A是根据本发明一个实施例的调节眼内透镜(IOL)的示意性截面图。

图9B是图10A中的调节IOL的示意性立体图。

图10A示意性地绘出了图10A-10B中的IOL的耦接到透镜调节机构的前光学器件。

图10B是图11A中所示的前光学器件的示意性侧视图。

图10C是图11B中所示的前光学器件的示意性顶视图。

图11示意性地给出了由沿表面的两个正交方向的不同曲率半径表征的复曲面。

图12A是根据本发明另一个实施例的调节IOL的示意性顶视图，以及

图12B是图13A的调节IOL中所采用的光学器件的示意性侧视图。

具体实施方式

本发明总体上针对眼科透镜(例如，IOL)和用于校正采用这种透镜的视力的方法。在以下的实施例中，关于眼内透镜(IOL)讨论本发明各方面的突出特征。本发明的教习还可以应用到其它眼科透镜，例如接触式透镜。术语“眼内透镜”及其缩写“IOL”在这里可以互换使用，用以描述植入到眼睛内部以替代眼睛的天然晶状体或者不管天然晶状体是否移除而只是增加视力的透镜。角膜内透镜和有晶体状眼眼内透镜(phakic intraocular lenses)是可以植入到眼睛内而不需要移除天然晶状体的透镜的例子。在许多实施例中，透镜可以包括受控模式的表面调制，其有选择地给予透镜光学器件的内部部分和外部部分之间的光程差，使得透镜对小和大的光瞳直径都提供清晰的图像，并为利用中等光瞳直径观看物体提供伪调节。

图1A和1B示意性地绘出了根据本发明实施例的眼内透镜(IOL)10，该IOL包括关于光轴OA放置的、具有前表面14和后表面16的光学器件12。如图1B所示，前表面14包括内折射区域18、外环形折射区域20以及在内和外折射区域之间延伸的环形过渡区域22。与之相反的是，后表面16是平滑凸表面的形式。在有些实施例中，光学器件12可以具有在大约1mm至大约5mm范围内的直径D，但是也可以使用其它直径。

示例IOL 10还包括一个或多个便于放到眼睛中的固定元件1和2(例如，触觉装置(haptics))。

在本实施例中，前表面和后表面中的每一个都包括凸的基本轮廓，但是在其它实施例中也可以采用凹或平的基本轮廓。后表面的轮廓仅仅是由基本轮廓定义的，而前表面的轮廓是通过将辅助轮廓加到其基本轮廓来定义的，从而产生以上提到的内、外和过渡区域，如以下进一步所讨论的。两个表面的基本轮廓结合形成光学器件的材料的折射率可以提供具有标称光焦度的光学器件。标称光焦度可以定义为由与光学器件12相同的材料形成的假定光学器件的单焦点屈光力，其中该假定光学器件的前表面和后表面具有相同的基本轮廓，但没有以上提到的前表面的辅助轮廓。对于直径小于前表面的中心区域的直径的小孔径，光学器件的标称光焦度还可以看作光学器件12的单焦点屈光力。

前表面的辅助轮廓可以调节这种标称光焦度，使得光学器件的实际光焦度(如例如由与在设计波长(例如，550nm)下针对光学器件计算或测量的离焦调制传输函数的峰值的轴向位置相对应的焦距所表征的)将偏离透镜的标称光焦度，特别是对于中等范围内的孔径(光瞳)尺寸，如以下进一步所讨论的。在许多实施例中，光焦度的这种偏移被设计成改进用于中等光瞳大小的近距视力。在有些情况下，光学器件的标称光焦度可以在大约-15D至大约+50D的范围内，而且优选地是在大约6D至大约34D的范围内。此外，在有些情况下，由前表面的辅助轮廓对光学器件的标称光焦度造成的漂移可以在大约0.25D至大约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，该区域从内径向边界(IB)(在这个例子中，IB对应于内折射区域18的外径向边界)径向延伸到外径向边界(OB)(在这个例子中，OB对应于外折射区域的内径向边界)。尽管在有些情况下，一个或两个边界可以在前表面轮廓中包括不连续性(例如，台阶)，但是，在许多实施例中，前表面轮廓在边界上是连续的，尽管轮廓的径向导数(即，作为距光轴的径向距离的函数的表面凹陷的变化率)可以在每个边界处呈现出不连续性。在有些情况下，过渡区域的环形宽度可以在大约0.75mm至大约2.5mm的范围内。在有些情况下，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大约0至大约0.2的范围内。

在许多实施例中，前表面14的过渡区域22可以成形为使得入射到其上的射线的相位从其内边界(IB)到其外边界(OB)单调变化。即，外区域和内区域之间的非零相位差将通过跨过渡区域相位随距光轴的径向距离的增加而渐进增加或者渐进减少来实现。在有些实施例中，过渡区域可以包括散布在相位渐进增加或减少的部分之间的平台部分，在该部分中相位可以保持基本恒定。

在许多实施例中，过渡区域配置成使得两条平行光线之间的相移可以是设计波长(例如，550nm的设计波长)的非整数有理分数，其中两条平行光线中的一条入射到过渡区域的外边界上，而另一条入射到过渡区域的内边界上。作为例子，这种相移可以根据以下关系式定义：

等式(1A)

OPD＝(A+B)λ    等式(1B)

其中，

A表示整数，

B表示非整数的有理分数，而且

λ表示设计波长(例如，550nm)。

作为例子，跨过渡区域的整个相移可以是λ/2、λ/3等，其中λ代表设计波长，例如550nm。在许多实施例中，相移可以是入射射线波长的周期性函数，其周期对应于一个波长。

在许多实施例中，过渡区域可以造成响应于入射射线而从光学器件出射的波前(即，从光学器件的后表面出射的波前)中的变形，这会导致透镜的有效聚焦度相对于其标称光焦度的偏移。此外，对于涵盖过渡区域的孔径直径，波前的变形可以增强光学器件的焦深，尤其是对于中等直径的孔径，如以下进一步所讨论的。例如，过渡区域可以造成从光学器件的外部部分出射的波前和从其内部部分出射的波前之间的相移。在从光学器件的内部部分出射的射线将聚焦的位置处，这种相移可以使从光学器件的外部部分出射的射线干扰从光学器件的内部部分出射的射线，从而导致增强的焦深，如由称为峰值MTF(调制传输函数)的不对称MTF轮廓表征的。当指物空间和像空间中可以分辨出可接受的像的距离时，术语“焦深”和“景深”可以互换使用，而且是本领域技术人员已知并且容易理解的。就可能需要的任何进一步解释来说，焦深可以指相对于利用3mm孔径和绿光(例如，具有大约550nm波长的光)测量的透镜的离焦调制传输函数(MTF)的峰值的散焦量，其中在上述波长处MTF在大约50lp/mm的空间频率下呈现出至少大约15％的对比度级。也可以应用其它定义，而且显然景深可以受许多因素影响，这些因素包括例如孔径尺寸、成像的光的色度含量和透镜本身的基本光焦度。

作为进一步的说明，图2A示意性地示出了由根据本发明实施例的IOL(其中IOL在前表面的内部部分和外部部分之间具有过渡区域)的前表面产生的波前的片段，入射到该表面上的波前的片段，以及(由虚线绘出的)最小化实际波前的RMS(均方根)误差的参考球面波前。过渡区域引起波前的相位超前(相对于与无过渡区域的假定类似表面的波前相对应的相位)，这导致波前会聚在视网膜平面前面(在不存在过渡区域的情况下，在IOL的标称焦平面的前面)的焦平面处。图2B示意性地示出了另一种情况，其中过渡区域引起入射波前的相位滞后，这导致波前会聚在超出视网膜平面(在不存在过渡区域的情况下，在超出IOL的标称焦平面)的焦平面处。

作为例示，在这种实现中，前表面和/或后表面的基本轮廓可以由以下关系式来定义：

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

其中，

c表示轮廓的曲率，

k表示圆锥常量，而且

其中，

f(r²，r⁴，r⁶，......)表示包含基本轮廓的更高阶分量的函数。作为例子，函数f可以由以下关系式定义：

f(r²，r⁴，r⁶，......)＝a₂r²+a₄r⁴+a₆r⁶+......等式(3)

其中，

a₂是二阶变形常量，

a₄是四阶变形常量，及

a₆是六阶变形常量。也可以包括附加的更高阶项。

作为例子，在有些实施例中，参数c可以在大约0.0152mm^-1至大约0.0659mm^-1的范围内，参数k可以在大约-1162至大约-19的范围内，a₂可以在大约-0.00032mm^-1至大约0.0mm^-1范围内，a₄可以在大约0.0mm^-3至大约-0.000053(负5.3×10^-5)mm^-3范围内，而a₆可以在大约0.0mm^-5至大约-0.000153(1.53×10^-4)mm^-5范围内。

如由圆锥常量k表征的前表面和/或后表面基本轮廓中某种程度非球面性的使用可以改善针对大的孔径尺寸球面像差效果。对于大的孔径尺寸，这种非球面性可以在某种程度上抵消过渡区域的光学效果，由此导致更陡的MTF。在有些其它实施例中，这一个或两个表面的基本轮廓可以是复曲面(即，沿表面的两个正交方向，它可以呈现出不同的曲率半径)，以便改善像散像差。

如上面所指出的，在这种示例实施例中，前表面14的轮廓可以由基本轮廓和辅助轮廓的叠加来定义，其中基本轮廓例如是由以上等式(1)定义的轮廓。在这种实现中，辅助轮廓(Z_aux)可以由以下关系式来定义：

$Z_{\mathrm{aux}}=\left\{\begin{array}{cc}0,& 0\&le;r<r_1\\ \frac{\mathrm{\&Delta;}}{(r_2-r_1)}(r-r_1),& r_1\&le;r<r_2\\ \mathrm{\&Delta;},& r_2<r\end{array}\right.$ 等式(4)

其中，

r₁表示过渡区域的内径向边界，

r₂表示过渡区域的外径向边界，而且

其中，

Δ是由以下关系式定义的：

$\mathrm{\&Delta;}=\frac{\mathrm{\&alpha;\&lambda;}}{(n_2-n_1)}$ 等式(5)

其中，

n₁表示形成光学器件的材料的折射率，

n₂表示围绕该光学器件的介质的折射率，

λ表示设计波长，及

α表示非整数分数，例如1/2。

换句话说，在本实施例中，前表面的轮廓(Z_sag)是由基本轮廓(Z_base)和辅助轮廓(Z_aux)的叠加定义的，如以下所定义并且在图3中示意性示出的：

Z_sag＝Z_base+Z_aux    等式(6)

在本实施例中，由以上关系式(4)和(5)定义的辅助轮廓是由跨过渡区域的基本上线性的相移表征的。更具体而言，该辅助轮廓提供了从过渡区域的内边界向其外边界线性增加的相移，其中内边界和外边界之间的光程差对应于设计波长的非整数分数。

在许多实施例中，对于落在透镜的中心区域的直径之内的小光瞳直径(例如，对于2mm的光瞳直径)，通过有效地用作单焦点透镜起作用而没有由相移造成的光学效果，根据本发明教习的透镜(例如，以上的透镜10)可以提供良好的远距视力性能。对于中等光瞳直径(例如，对于在大约2mm至大约4mm范围内的光瞳直径(例如，大约3mm的光瞳直径))，由相移造成的光学效果(例如，离开透镜的波前中的变化)会导致增强的功能性近距和中距视力。对于大光瞳直径(例如，对于在大约4mm至大约5mm范围内的光瞳直径)，透镜同样会提供良好的远距视力性能，因为相移将仅仅影响暴露给入射光的前表面部分的一小部分。

作为例示，图4A-4C示出了根据本发明实施例的针对不同光瞳尺寸的假想透镜的光学性能。假设透镜具有由以上关系式(6)定义的前表面和由平滑的凸形基本轮廓表征的后表面(例如，由以上关系式(2)定义的后表面)。此外，假设透镜具有6mm的直径，过渡区域在直径大约为2.2mm的内边界和直径大约为2.6mm的外边界之间延伸。前和后表面的基本曲率被选择成使得光学器件将提供21D的标称光焦度。此外，假设围绕透镜的介质具有大约1.336的折射率。下表1A-1C列出了透镜的光学器件的各种参数及其前和后表面的各种参数：

表1A

表1B

表1C

更具体而言，在图4A-4C的每一个中，提供了对应于以下调制频率的离焦调制传输(MTF)图：25lp/mm、50lp/mm、75lp/mm和100lp/mm。图4A所示用于大约2mm光瞳直径的MTF指示透镜提供良好的光学性能，例如对于室外活动，具有大约0.7D的焦深，这关于焦平面是对称的。对于3mm的光瞳直径，图4B中所示的每个MTF都关于透镜的焦平面(即，关于零散焦)不对称，峰值沿负散焦方向有偏移。这种偏移可以提供一定程度的伪调节，以方便近距视力(例如，用于阅读)。此外，这些MTF具有比针对2mm光瞳直径计算的MTF所示出的那些更大的宽度，这转化为用于中距视力的更好性能。相对于为3mm直径计算的那些参数，对于4mm的更大光瞳直径(图4C)，MTF的不对称性和宽度减小。这又指示在低光照条件下的良好远距视力，例如用于夜间驾驶。

相移的光学效果可以通过改变与该区域相关联的各种参数(例如，径向范围和其将相移作用于入射光的速率)来调制。作为例子，由以上等式(3)定义的过渡区域呈现出由

定义的斜率，这个斜率可以改变，从而调节表面上具有这种过渡区域的光学器件的性能，尤其是对于中等光瞳尺寸。

作为例示，对于具有呈现出图3所示的表面轮廓(该轮廓是由关系式(2)定义的基本轮廓和由关系式(4)和(5)定义的辅助轮廓的叠加)的前表面的假想透镜，图5A-5F示出了对3mm的光瞳尺寸和对50lp/mm的调制频率计算出的离焦调制传输函数(MTF)。假设光学器件是由折射率为1.554的材料形成的。此外，前表面的基本曲率和后表面的基本曲率被选择成使得光学器件将具有大约21D的标称光焦度。

通过提供可以更容易地理解过渡区域的光学效果的参考，图5A示出了用于具有为零的Δz的光学器件的MTF，即，该光学器件缺少根据本发明教习的相移。这种具有平滑的前和后表面的传统光学器件呈现出关于光学器件的焦平面对称布置的MTF曲线，并且呈现出大约0.4D的焦深。相对而言，图5B示出了用于根据本发明实施例的光学器件的MTF，在该光学器件中，前表面包括由大约0.01mm的径向范围和Δz＝1微米表征的过渡区域。图5B中所示的MTF曲线图呈现出大约1D的更大焦深，从而指示该光学器件提供增强的景深。此外，它关于光学器件的焦平面是不对称的。事实上，这个MTF曲线图的峰值比光学器件的焦平面更接近该光学器件。这提供了便于近距阅读的有效的光焦度增加。

当过渡区域变陡(其径向范围保持固定在0.01mm)从而提供ΔZ＝1.5微米(图5C)时，MTF进一步变宽(即，光学器件提供更大的景深)而且其峰值偏移得比光学器件的焦平面更远离该光学器件。如图5D所示，用于具有由ΔZ＝2.5微米表征的过渡区域的光学器件的MTF与图5A所示用于具有ΔZ＝0的光学器件的完全相同。

事实上，MTF图案对每个设计波长重复。作为例子，在其中设计波长为550nm且光学器件由Acrysof材料(2-苯乙基丙烯酸(2-phenylethyl acrylate)与2-苯乙基异丁烯酸(2-phenylethylmethacrylate)的交叉链接的共聚物)形成的实施例中，ΔZ＝2.5微米。例如，图5E所示的对应于ΔZ＝3.5微米的MTF曲线与图5B所示的用于ΔZ＝1.5的MTF曲线相同，而图5F所示的对应于ΔZ＝4微米的MTF曲线与图5C所示的对应于ΔZ＝1.5微米的MTF曲线相同。对于由以上关系式(3)定义的Z_aux，对应于ΔZ的光程差(OPD)可以由以下关系式定义：

光程差(OPD)＝(n₂-n₁)ΔZ    等式(7)

其中，

n₁代表形成光学器件的材料的折射率，且

n₂代表围绕光学器件的材料的折射率。因此，对于n₂＝1.552和n₁＝1.336及2.5微米的ΔZ，针对大约550nm的设计波长实现了对应于1λ的OPD。换句话说，图5A-5F中所示的示例MTF曲线图对与1λOPD相对应的ΔZ变化重复。

根据本发明教习的过渡区域可以按多种方式实现，而且不限于以上由关系式(4)定义的示例区域。此外，尽管在有些情况下过渡区域包括平滑变化的表面部分，但是在其它情况下它可以由彼此被一个或多个台阶隔开的多个表面片段形成。

图6示意性地绘出了根据本发明另一个实施例的IOL 24，该IOL24包括具有前表面28和后表面30的光学器件26。类似于前面的实施例，前表面的轮廓可以表征为基本轮廓和辅助轮廓的叠加，只是其中辅助轮廓与以上联系前面实施例所述的辅助轮廓不同。

如图7中示意性示出的，以上IOL 24的前表面28的轮廓(Z_sag)是由基本轮廓(Z_base)和辅助轮廓(Z_aux)的叠加形成的。更具体而言，在这种实现中，前表面28的轮廓可以由以上的关系式(6)定义，该关系式重写如下：

Z_sag＝Z_base+Z_aux

其中基本轮廓(Z_base)可以根据以上关系式(2)定义。然而，辅助轮廓(Z_aux)是由以下关系式定义的：

$Z_{\mathrm{aux}}=\left\{\begin{array}{cc}0,& 0\&le;r{<r}_{1a}\\ \frac{{\mathrm{\&Delta;}}_1}{(r_{1b}-r_{1a})}(r-r_{1a}),& r_{1a}\&le;r<r_{1b}\\ {\mathrm{\&Delta;}}_1,& r_{1b}\&le;r<r_{2a}\\ {\mathrm{\&Delta;}}_1+\frac{({\mathrm{\&Delta;}}_2-{\mathrm{\&Delta;}}_1)}{(r_{2b}-r_{2a})}(r-r_{2a}),& r_{2a}\&le;r<r_{2b}\\ {\mathrm{\&Delta;}}_2& r_{2b}<r\end{array}\right.$ 等式(8)

其中r表示距透镜光轴的径向距离，而参数r_1a、r_1b、r_2a和r_2b在图7中进行了描述，并且定义如下：

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表示该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，且

r_2b表示该第二线性部分的外半径，而且其中Δ₁和Δ₂中的每一个都可以根据以上的关系式(8)定义。

继续参考图7，在本实施例中，辅助轮廓Z_aux包括平的中心区域32和外区域34及连接该中心区域和外区域的两阶过渡部36。更具体而言，过渡区域36包括线性变化的部分36a，该部分从中心区域32的外径向边界延伸到平台区域36b(该部分从径向位置r_1a延伸到另一个径向位置r_1b)。平台区域36b又从径向位置r_1b延伸到径向位置r_2a，在径向位置r_2a处平台区域36b连接到另一个线性变化的部分36c，该部分36c在径向位置r_2b处向外径向延伸到外区域34。过渡区域的线性变化部分36a和36c可以具有类似或不同的斜率。在许多实现中，跨两个过渡区域提供的总相移是设计波长(例如，550nm)的非整数分数。

在适当选择包括曲率半径c的各个参数的情况下，后表面30的轮廓可以由以上用于Z_base的关系式(2)来定义。前表面的基本轮廓的曲率半径和后表面的曲率及形成透镜的材料的折射率一起为透镜提供了标称的折射光焦度，例如在大约-15D至大约+50D范围内的光焦度，或者在大约6D至大约34D范围内，或者在大约16D至大约25D范围内。

示例IOL 24可以提供多个优点。例如，利用对功能性近距和中距视力的增强有贡献的两阶过渡区域的光学效果，示例IOL 24可以为小光瞳尺寸提供清晰的远距视力。此外，在许多实现中，该IOL为大光瞳尺寸提供良好的远距视力性能。作为例示，图8示出了针对根据本发明实施例的假想光学器件在不同光瞳尺寸下计算的离焦MTF曲线图，其中假想光学器件具有前表面和平滑的凸形后表面，其中前表面的轮廓由以上关系式(2)定义并且其辅助轮廓由以上关系式(8)定义。该MTF曲线图是针对具有550nm波长的单色入射射线计算的。下表2A-2C提供了光学器件的前表面和后表面的参数。

表2A

表2B

表2C

该MTF曲线图显示，对于大约2mm的光瞳直径(其等于前表面的中心部分的直径)，光学器件提供了单焦点屈光力并呈现出大约0.5D的相对小的焦深(其定义为全宽度半最大值)。换句话说，它提供了良好的远距视力性能。当光瞳尺寸增加到大约3mm，过渡区域的光学效果在离焦MTF中变得明显。特别地，3-mm MTF比2-mm MTF明显地宽，从而指示景深的增强。

继续参考图8，当光瞳直径进一步增加到甚至大约4mm时，入射光线不仅入射到中心区域和过渡区域，还入射到前表面的外区域的一部分。

可以采用多种技术和材料来制造本发明的IOL。例如，本发明的IOL的光学器件可以由多种生物相容的聚合材料形成。有些合适的生物相容材料包括但不限于软丙烯酸系聚合物、水凝胶、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethymethacrylate)、聚砜、聚苯乙烯、纤维素、醋酸丁酸盐(acetate butyrate)或者其它生物相容的材料。作为例子，在一个实施例中，光学器件是由通常称为Acrysof的软丙烯酸系聚合物(2-苯乙基丙烯酸与2-苯乙基异丁烯酸的交叉链接的共聚物)形成的。IOL的固定元件(触觉装置)也可以由合适的生物相容材料形成，例如以上讨论过的那些。尽管在有些情况下，IOL的光学器件和固定元件可以作为整体单元来制造，但是在其它情况下它们可以单独形成并利用本领域中已知的技术连接到一起。

可以采用本领域中已知的多种制造技术(例如铸造)来制造IOL。在有些情况下，可以采用于2007年12月21日提交的、题为“LensSurface With Combined Diffractive，Toric and Aspheric Components”的、序列号为11/963,098的未决专利申请中所公开的制造技术来给予IOL的前和后表面期望的轮廓。

在其它方面中，本发明提供了调节眼内透镜与透镜系统，其采用调节机构来响应于眼睛的天然调节力而提供动态调节，并且包括根据以上教习的至少一个光学表面，该光学表面具有可以提供一定程度伪调节的过渡区域。此外，在有些情况下，这种调节透镜(或者透镜系统)的至少一个表面可以呈现出用于改善并且优选地校正像散像差的复曲面轮廓。术语“动态调节”在这里用来指由植入患者眼中的透镜或者透镜系统通过至少一个透镜的移位和/或变形而提供的调节，而“伪调节”用来指由至少一个透镜通过作为该透镜呈现的光瞳尺寸的函数的焦深和/或有效光焦度的偏移(例如，由于该透镜的一个或多个表面的光学轮廓产生的延伸的焦深)而提供的有效调节。

作为例子，图9A和9B示意性地绘出了根据本发明实施例的示例性双光学器件调节IOL 38，该IOL 38包括沿光轴OA一前一后放置的前光学器件40和后光学器件42。在本实施例中，前光学器件40提供正光焦度，而后光学器件提供负光焦度。如以下进一步讨论的，当IOL植入到患者眼中时，这两个光学器件之间的轴向距离(沿光轴OA的距离)可以响应于眼睛的天然调节力而变化，从而改变光学器件的组合光焦度，以便提供调节。

在有些情况下，两个光学器件的表面的基本曲率与形成光学器件的材料的折射率一起被选择成使得前光学器件将提供在大约+20D至大约+60D范围内的标称光焦度，而后光学器件将提供在大约-26D至大约-2D范围内的光焦度。作为例子，每个光学器件的光焦度可以被选择成使得IOL用于观看远处物体(例如，离眼睛距离超过大约200cm处的物体)的组合标称光焦度在大约6D至大约34D的范围内。这种远距视力光焦度可以在两个光学器件的最小轴向分离处实现。当光学器件之间的轴向距离由于眼睛的天然调节力而增加时，IOL 38用于观看更近距离处的物体的光焦度增加，直到获得IOL的最大光焦度变化。在有些情况下，这种对应于两个光学器件的最大轴向分离的最大光焦度变化可以在大约0.5D至大约2.5D的范围内。

在本实施例中，IOL 38可以包括调节机构44，该调节机构44包括柔性环46和多个径向延伸的柔性元件48。尽管后光学器件42固定地耦接到该环，但前光学器件是通过柔性元件48耦接到该环的，以便允许其关于后光学器件的轴向移动，以便提供调节，如以下进一步所讨论的。

前和后光学器件及调节机构可以由任何合适的生物相容材料形成。这种材料的有些例子包括但不限于水凝胶、硅树脂、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)及称为Acrysof的聚合材料(2-苯乙基丙烯酸与2-苯乙基异丁烯酸的交叉链接的共聚物)。在有些情况下，光学器件和调节机构是由相同的材料形成的，而在其它情况下它们可以由不同的材料形成。此外，可以采用本领域中已知的多种技术来制造调节IOL。

在使用中，IOL 38可以通过在角膜中形成的小切口而植入患者的囊袋中，使得环将与囊袋接合。环将由囊袋施加到其上的径向调节力转送到柔性元件，该柔性元件又使得前光学器件相对于后光学器件轴向移动，由此调节IOL的光焦度。

更具体而言，为了观看远处的物体(例如，当眼睛处于观看离眼睛的距离大于大约200cm的物体的非调节(dis-accommodative)状态时)，眼睛的睫状肌放松，以便放大纤毛环直径。纤毛环的放大又造成小带向外移动，由此使囊袋变平。囊袋的变平对柔性元件施加拉伸力，使前光学器件移动得更靠近后光学器件，由此降低IOL的光焦度。相对而言，为了观看更近的物体(即，当眼睛处于调节状态时)，睫状肌收缩，造成纤毛环直径的减小。这种直径减小松弛了对小带的向外径向力，从而取消囊袋的变平。这又造成调节机构将前光学器件移动离开后光学器件，由此产生IOL系统的光焦度的增加。

参考图10A、10B和10C，前光学器件40包括前表面40a和后表面40b。前表面40a包括第一折射区域(在此也称为内折射区域)IR、第二折射区域(在此也称为外折射区域)OR和它们之间的过渡区域TR。如以下进一步讨论的，类似于以上讨论的非调节实施例，过渡区域被配置成针对设计波长(例如，550nm)提供离散的相移，从而针对某些光瞳尺寸延伸前光学器件的景深(并相应地延伸IOL 38的景深)并偏移其光焦度。这种景深的延伸可以提供一定程度的伪调节，该伪调节可以增大由调节机构44提供的动态调节。

作为例子，在本实施例中，前光学器件40的前表面40a呈现出由基本轮廓(Z_base)和辅助轮廓(Z_aux)的叠加而表征的轮廓(Z_sag)：Z_sag＝Z_base+Z_aux。

在有些实施例中，基本轮廓可以根据以上关系式(2)和(3)定义，各个参数的值在以上提到的范围内。

此外，在有些情况下，辅助轮廓又可以由以上关系式(4)和(5)定义，以便包括通过基本线性变化的过渡区域连接的内折射区域和外折射区域。可选地，辅助轮廓可以由以上的关系式(8)定义，以便包括由两个线性变化部分表征的过渡区域，在两个线性变化部分之间延伸有平台区域。应当理解，辅助轮廓可以采取其它形状，只要给予跨其过渡区域的入射光的相移提供必需的相移就可以，例如对应于设计波长(例如，550nm)的非整数分数的相移。

与前表面的轮廓相关联的光学效果(例如，由辅助轮廓的过渡区域造成的入射光波前中的变化)可以导致延伸的焦深，如以上具体讨论的。这种延伸的焦深可以提供一定程度的伪调节，这种伪调节可以补充由调节机构44提供的动态调节，来增强IOL的调节能力。作为例子，调节机构44可以提供在大约0.5D至大约2.5D范围内的动态调节，而由前表面的轮廓提供的伪调节可以在大约+0.5D至大约+1.5D的范围内。例如，在其中调节IOL 38植入到伪有晶体状眼眼睛中的有些情况下，IOL可以呈现出大约0.75D的动态调节和大约0.75D的伪调节。动态调节和伪调节的组合与由天然眼睛本身展现出的散焦一起可以产生例如2.5D(0.75D+0.75D+1D)的视力或者40cm的物体距离。这种视力可以确保成功地进行最日常的视觉任务。

再次参考图10A-10C，在有些实施例中，前透镜40的后表面40b呈现出复曲面轮廓。如图11中示意性地示出的，这种复曲面42的轮廓可以由与沿表面的两个正交方向(例如，方向A和B)相对应的不同曲率半径来表征。复曲面轮廓可以改善而且优选地是消除植入有IOL的眼睛的像散像差。在有些情况下，与后表面关联的复曲面性可以是在大约0.75D至大约6D的关联柱镜度数(cylindrical power)范围内。

不象例如以上IOL 38的双光学器件调节IOL，有些实施例包括单个调节IOL，其中光学器件的表面包括过渡区域，该过渡区域给予入射光离散相移，从而延伸IOL的焦深并补充动态调节。此外，在有些情况下，该光学器件的另一个表面可以呈现出复曲面轮廓。作为例子，图12A和12B示意性地绘出了根据这种实施例的示例调节IOL 44，该IOL 44包括光学器件46和耦接到该光学器件的调节机构48，其中光学器件46包括前表面46a和后表面46b，而调节机构48可以响应于眼睛的天然调节力而使得光学器件沿视轴移动。关于调节机构48和其耦接到光学器件46的方式的进一步细节可以在题为“Accommodative Intraocular Lens”的美国专利No.7,029,497中找到，该专利通过引用并入于此。

继续参考图12A和12B，前表面46a可以具有可以由基本轮廓和辅助轮廓的叠加定义的轮廓，其中基本轮廓例如是由以上关系式(2)和(3)定义的基本轮廓，而辅助轮廓例如是由以上关系式(4)和(5)或者以上关系式(8)定义的辅助轮廓。跨前表面的过渡区域的离散相移可以延长光学器件的焦深，从而补充由调节机构48提供的动态调节。

本领域普通技术人员将理解，在不背离本发明范围的情况下，可以对以上实施例进行各种变化。例如，透镜的一个或多个表面可以包括平的而不是弯曲的基本轮廓。

Claims (17)

1.一种眼科透镜，包括：

沿光轴一前一后放置的至少两个光学器件，

调节机构，其耦接到至少一个所述光学器件，并适于响应于植入了光学器件的眼睛的调节力而调节所述光学器件的组合光焦度，从而提供调节，

至少一个所述光学器件具有由第一折射区域、第二折射区域和位于第一折射区域与第二折射区域之间的过渡区域表征的表面，

其中跨所述过渡区域的光学相移是设计波长的非整数分数，

其中具有过渡区域的所述表面具有由以下关系式定义的轮廓Z_sag：

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、该表面关于所述轴的凹陷，Z_base表示该表面的基本轮廓，并且其中

$Z_{\mathrm{aux}}=\left\{\begin{array}{cc}0,& 0\&le;r<r_1\\ \frac{\mathrm{\&Delta;}}{(r_2-r_1)}(r-r_1),& r_1\&le;r<r_2\\ \mathrm{\&Delta;},& r_2<r\end{array}\right.$

其中，

r₁表示过渡区域的内径向边界，

r₂表示过渡区域的外径向边界，并且

其中，

Δ是由以下关系式定义的：

$\mathrm{\&Delta;}=\frac{\mathrm{\&alpha;\&lambda;}}{(n_2-n_1)}$

其中，

n₁表示形成光学器件的材料的折射率，

n₂表示围绕光学器件的介质的折射率，

λ表示设计波长，并且

α表示非整数分数。

2.如权利要求1所述的眼科透镜，其中所述调节机构适于响应于眼睛的调节力而沿所述光轴移动至少一个所述光学器件，从而提供调节。

3.如权利要求1所述的眼科透镜，其中一个所述光学器件提供正光焦度，而另一个提供负光焦度。

4.如权利要求3所述的眼科透镜，其中所述正光焦度在+20D至+60D的范围内，而所述负光焦度在-26D至-2D的范围内。

5.如权利要求1所述的眼科透镜，其中至少一个所述光学器件包括复曲面。

6.如权利要求1所述的眼科透镜，其中

$Z_{\mathrm{base}}=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_2{r}^2+a_4{r}^4+a_6{r}^6+......$

其中，

r表示距光轴的径向距离，

c表示表面的基本曲率，

k表示圆锥常量，

a₂是二阶变形常量，

a₄是四阶变形常量，且

a⁶是六阶变形常量。

7.如权利要求6所述的眼科透镜，其中所述基本曲率c在0.0152mm^-1至0.0659mm^-1的范围内，所述圆锥常量k在-1162至-19的范围内，a₂在-0.00032mm^-1至0.0mm^-1的范围内，a₄在0.0mm^-3至-0.000053（负5.3×10^-5）mm^-3的范围内，而a₆在0.0mm^-5至0.000153（1.53×10^-4）mm^-5的范围内。

8.如权利要求1所述的眼科透镜，其中所述调节机构包括：

用于放在囊袋中的环，及

多个柔性元件，用于将所述环耦接到至少一个所述光学器件，

其中所述环适于响应于由囊袋施加到环的调节力而使柔性元件沿光轴移动所述至少一个光学器件。

9.如权利要求1所述的眼科透镜，其中所述调节机构适于提供在0.5D至2.5D范围内的动态调节。

10.如权利要求9所述的眼科透镜，其中所述过渡区域适于将所述透镜的焦深延长至少0.5D。

11.一种眼内透镜系统，包括：

适于放在患者眼睛的囊袋中的光学系统，所述光学系统包括多个透镜，

耦接到所述光学系统的调节机构，用以响应于眼睛的天然调节力而造成所述光学系统的光焦度的变化，从而提供调节，

所述光学系统具有至少一个复曲面和至少一个如下表面，该表面具有第一折射区域、第二折射区域以及位于第一折射区域与第二折射区域之间的过渡区域，

其中所述过渡区域被配置成使得入射光跨所述过渡区域的光学相移是设计波长的非整数分数，

其中具有过渡区域的所述表面具有由以下关系式定义的轮廓Z_sag：

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、该表面关于所述轴的凹陷，Z_base表示该表面的基本轮廓，并且其中

$Z_{\mathrm{aux}}=\left\{\begin{array}{cc}0,& 0\&le;r<r_1\\ \frac{\mathrm{\&Delta;}}{(r_2-r_1)}(r-r_1),& r_1\&le;r<r_2\\ \mathrm{\&Delta;},& r_2<r\end{array}\right.$

其中，

r₁表示过渡区域的内径向边界，

r₂表示过渡区域的外径向边界，并且

其中，

Δ是由以下关系式定义的：

$\mathrm{\&Delta;}=\frac{\mathrm{\&alpha;\&lambda;}}{(n_2-n_1)}$

其中，

n₁表示形成光学器件的材料的折射率，

n₂表示围绕光学器件的介质的折射率，

λ表示设计波长，并且

α表示非整数分数。

12.如权利要求11所述的眼内透镜系统，其中所述设计波长是大约550nm。

13.如权利要求11所述的眼内透镜系统，其中至少一个所述透镜提供正光焦度，而至少另一个所述透镜提供负光焦度。

14.如权利要求11所述的眼内透镜系统，其中所述调节机构适于提供在0.5D至2.5D范围内的动态调节。

15.如权利要求14所述的眼内透镜系统，其中，对于在2.5mm至3.5mm范围内的光瞳尺寸，所述过渡区域将所述透镜系统的景深延长在0.5D至1.25D范围内的值。

16.如权利要求11所述的眼内透镜系统，其中所述调节机构造成所述光学系统的两个透镜的相对轴向移动，从而提供调节。

17.一种眼内透镜，包括：

具有前表面和后表面的光学器件，

耦接到所述光学器件的调节机构，用以响应于植入有透镜的眼睛的天然调节力而使得所述光学器件沿视轴移动，从而提供调节，

其中至少一个所述表面包括第一折射区域、第二折射区域和位于第一折射区域与第二折射区域之间的过渡区域，

其中具有设计波长的入射光跨所述过渡区域的光学相移是所述设计波长的非整数分数，

其中具有过渡区域的所述表面具有由以下关系式定义的轮廓Z_sag：

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、该表面关于所述轴的凹陷，Z_base表示该表面的基本轮廓，并且其中

$Z_{\mathrm{aux}}=\left\{\begin{array}{cc}0,& 0\&le;r<r_1\\ \frac{\mathrm{\&Delta;}}{(r_2-r_1)}(r-r_1),& r_1\&le;r<r_2\\ \mathrm{\&Delta;},& r_2<r\end{array}\right.$

其中，

r₁表示过渡区域的内径向边界，

r₂表示过渡区域的外径向边界，并且

其中，

Δ是由以下关系式定义的：

$\mathrm{\&Delta;}=\frac{\mathrm{\&alpha;\&lambda;}}{(n_2-n_1)}$

其中，

n₁表示形成光学器件的材料的折射率，

n₂表示围绕光学器件的介质的折射率，

λ表示设计波长，并且

α表示非整数分数。

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