CN102171599A - 具有选定的球面像差特征的复曲面眼用镜片 - Google Patents

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Abstract

一种复曲面眼用镜片，其具有对于第一直径的第一圆形孔径的零球面像差并且对于第二直径的第二圆形孔径的零球面像差，第一直径至少4mm，第二直径为至少3mm，第一直径比第二直径大至少0.5mm。一种眼用镜片系列，每个镜片包括跟系列中其他镜片相同的球面光焦度，以及不同的柱面光焦度；系列中的每个镜片包括(i)第一复曲面表面，以及(ii)第二表面；第一表面和第二表面中的至少一个在子午线处为非球面，镜片具有对于所有直径小于4mm的圆形光学区域而言的大致零球面像差。

Description

具有选定的球面像差特征的复曲面眼用镜片
技术领域
本发明涉及复曲面眼用镜片，尤其涉及具有选定的球面像差特征的复曲面眼用镜片。
背景技术
在光学区域中具有复曲面表面的眼用镜片(通常称作“复曲面眼用镜片”)被用于校正与散光相关的眼睛折射异常。例如，这种复曲面镜片可以被构造为眼镜、隐形镜片、眼内镜片(IOLs)、角膜嵌体(corneal inlays)或者角膜覆体(corneal onlays)。
在这种镜片中，光学区域提供柱面校正以补偿在角膜和/或晶状体中的散光。镜片的光学区域将具有最高屈光光焦度(dioptric power)的子午线以及最低屈光光焦度的子午线。因为需要校正的散光通常伴随其他折射异常，例如近视或者远视，所以复曲面眼用镜片通常规定有球面光焦度(spherical power)以校正近视散光或者远视散光。复曲面光学区域可以形成在后透镜表面上(以形成“后表面复曲面镜片”)或者前表面上(以形成“前表面复曲面镜片”)。
复曲面眼用镜片被制造成具有由对应的稳定结构(例如，眼镜框架，隐形镜片的压载(ballast)或者眼内镜片的触体(haptics))所决定的选定复曲面表面柱面轴线方位。所述的方位在此被称作偏移量。例如，这种关系可以表达为柱面轴线从镜片竖直轴线成角度偏移若干度。复曲面眼用镜片的规定明确指明复曲面镜片的偏移量通常从0度至180度范围内以5度或10度增加。
综合而言，为了定义光学校正，复曲面眼用镜片的规定典型地明确指明球面光焦度，柱面校正以及偏移量。另外，眼用镜片的规定可以明确指明总镜片直径以及各种其它配合参数。例如，对于隐形镜片，基弧(base curve)也可以被指明。
发明内容
类似于所有眼用镜片的复曲面眼用镜片可以通过球面像差的量来作为其特征。不同于球面对称镜片，复曲面眼用镜片可以具有与沿第二子午线的球面像差特征不同的沿第一子午线球面像差特征。
如同在普通指定的由Altmann于2005年2月11日提出申请的美国专利申请11/057,278中所宣称的，一种没有固有的球面像差的球面对称(例如，非复曲面)镜片是期望的。换句话说，(例如，来自于光学无限远距离处的物体的)平面波阵面将被镜片折射到像平面中的强焦点(sharp focal point)。没有球面像差的镜片具有这样的优点：镜片与视轴产生一定量的不对齐或者偏离中心，这通常发生于目镜系统的镜片，将不会产生不对称像差，例如彗形像差(coma)或者散光。
本发明的某些方面在于在复曲面(即为旋转非对称)眼用镜片中获得零球面像差。本发明的其他方面应用了申请人的发现：即使对于给定孔径(例如5mm直径的圆形孔径)的复曲面眼用透镜球面像差为零或者大致为零，对于同一镜片的更小孔径(例如3mm直径的圆形孔径)的球面像差可能不为零。因此，根据本发明某些方面的复曲面眼用镜片对于相对较大的第一孔径具有零球面像差并且对于相对较小的第二孔径具有零球面像差。
本发明的第一方面在于一种复曲面眼用镜片，其对于第一直径的圆形第一孔径具有大致零球面像差以及对于第二直径的圆形第二孔径具有大致零球面像差，第一直径为至少4mm，第二直径为至少3mm，第一直径比第二直径大至少0.5mm。
在一些实施方式中，对于第一孔径和第二孔径的大致零球面像差是对于546nm的光获得。在一些实施方式中，第一直径为至少4.5mm，第二直径为至少3.5mm。在一些实施方式中，第一孔径和第二孔径都具有幅度小于波的1/10(即，在波的正1/10至波的负1/10的范围内)的球面像差。
在一些实施方式中，镜片具有后光学区域和前光学区域，后光学区域和前光学区域的至少其中之一是复曲面的，所述复曲面光学区域是双非球面的。在一些实施方式中，复曲面光学区域的至少一个子午线包括偶次幂的非球面项。复曲面光学区域的至少一个子午线仅包括偶次幂的非球面项。
在一些实施方式中，镜片为眼内镜片。在一些实施方式中，镜片为隐形镜片。
本发明的另一方面在于一种眼用镜片，包括：第一复曲面表面；以及第二表面，第一表面和第二表面中的至少一个在一个子午线处为非球面的，对于所有直径小于4mm的圆形光学区域，镜片具有大致零球面像差。
在一些实施方式中，大致零球面像差是对于546nm的光获得。在一些实施方式中，所述镜片对于所有直径小于4.5mm的圆形光学区域具有大致零球面像差。在一些实施方式中，所述镜片对于所有直径小于5.0mm的圆形光学区域具有大致零球面像差。在一些实施方式中，对于所有直径小于4mm的圆形光学区域，所述球面像差具有小于波的1/20的幅度。
在一些实施方式中，非球面子午线为复曲面表面的子午线。在一些实施方式中，非球面子午线是圆对称表面的子午线。
在一些实施方式中，复曲面表面是双非球面的。
在一些实施方式中，复曲面表面的至少一个子午线包括偶次幂的非球面项。在一些实施方式中，复曲面表面仅包括偶次幂的非球面项。
在一些实施方式中，镜片为眼内镜片。在一些实施方式中，镜片为隐形镜片。
本发明的另外方面在于一系列眼用镜片，每个镜片包括与该组中其他镜片相同的球面光焦度以及独有的柱面光焦度。系列中的每个镜片包括(i)第一复曲面表面；以及(ii)第二表面。第一表面和第二表面中的至少一个在子午线中为非球面的，使得镜片对于所有直径小于4mm的圆形光学区域具有大致零球面像差。系列中的镜片可以被构造成如同前述的任何镜片一样。
此处所描述的尺寸适用于精加工镜片(finished lens)的尺寸。例如，镜片是全固化的和/或全水化的。
在隐形镜片的实施方式中，术语“有效基部曲率”此处被定义为在透镜镜片的整个后表面上(包括周边)算出的后表面平均曲率半径。
此处所用的术语“大致零球面像差”意思为在可见波段中处于波的正1/10和波长的负1/10(即波的1/10幅度)之间的范围内。应当理解，典型地对于546nm的光发生大致零像差为有益的，在此近似波长处人眼具有最高的敏感度。但是，也可以对于可见波段(400-700nm)内的任何波长或者对于整个可见波段获得大致零球面像差。
附图说明
本发明阐释性而非限定性的实施方式将通过参考附图以实施例的方式描述，其中相同的附图标记被用于在不同的图中表示相同或者相似的部件，其中，
图1A是根据本发明某些方面的镜片的平面图；
图1B是图1A中镜片沿1B-1B线的剖视示意图；
图1C是图1A中镜片沿1C-1C线的第二个剖视示意图；并且
图2是根据本发明某些方面镜片的隐形镜片实施方式示例的剖视示意图。
具体实施方式
如上所述，本发明的某些方面应用了申请人的发现：即使对于给定的孔径(例如5mm的圆形孔径)的复曲面眼用镜片来说，球面像差可以等于零或者大致为零，但是对于更小孔径(例如3mm的圆形孔径)的相同镜片来说，球面像差可能不是零。这种不希望的现象是由于复曲面镜片的相对复杂形状而出现。根据本发明的某些方面的复曲面眼用镜片具有选定的非球面表面以对相对大的第一孔径产生零球面像差以及对于相对小的孔径也产生零球面像差。
图1A-C是根据本发明某些方面的复曲面眼用镜片1的示例性实施方式的示意性阐释。在阐释的实施方式中，后表面3的后中央区域11(此处也称为后光学区域)是复曲面的。后中央区域是被光学校正后的一部分后表面。后表面3包括包围中央区域11的周边区域12。在一些实施方式中，过渡区域2存在于中央区域11和周边区域12之间。过渡区域是非光学校正区，与如果中央区域与周边区域12直接相邻相比，其提供了从中央区域11到周边区域12更为平缓的过渡。
如图1B所示，复曲面眼用镜片1的前表面4的中央区域21具有球面光焦度。前表面4包括包围中央区域21的至少一个周边弧22。中央区域21与中央区域11相结合产生被适当校正以适于目视的图像。
在所阐释的实施方式中，复曲面眼用镜片1的后表面3的中央区域11是双非球面的。那就是说，表面被构造成使得非球面项存在于复曲面表面的每个最高屈光光焦度的子午线以及每个最低屈光光焦度的子午线中。使用现有技术，非球面项在子午线之间的区域中被混合在一起以形成光滑表面。根据本发明的一些方面，对于所有直径小于4mm的光学区域，镜片具有大致零球面像差。这种光学区域典型地，但是不是必需地，以光轴OA为中心。
在一些情况下，可以通过测量对于圆形孔径(以镜片的光轴为中心)的球面像差而确信已经获得对于所有直径的合适的球面像差，所述孔径的直径在最大直径和最小直径之间。例如，对于具有5mm最大直径的镜片而言，可以通过测量对于5mm直径圆形孔径，4mm直径圆形孔径以及3mm直径圆形孔径的球面像差来确信对于所有直径已经获得合适的球面像差，并且可以确信，对于每个而言都获得了大致零球面像差。在使用设计软件设计镜片的过程中和/或在制造之后使用计量技术，可以确信合适的球面像差性能。在一些例子中，对于这种镜片，通过测量对于5mm直径圆形孔径，4.5mm直径的圆形孔径，4mm直径的圆形孔径，3.5mm直径的圆形孔径，以及3mm直径的圆形孔径的球面像差，可以确信对于所有直径都已获得合适的球面像差，并且可以确信，对于每个孔径而言都获得了大致零球面像差。在典型环境之下，对于直径小于3mm的孔径而言，镜片实际上是在一种旁轴(paraxial)状态下操作，球面像差可以忽略。
典型地，镜片对于546纳米(nm)(即近似为对于光适应条件下最大敏感度的波长)的光而言具有大致零球面像差。然而，镜片可以被设计用于在可见光波段(即为近似400-800nm)内的任何合适波长处的波长或者波宽。典型地，球面像差在(选定波长的)波的正1/10和波的负1/10之间的范围内。在一些实施方式中，球面像差在波的正1/15和负1/15之间范围内，或者在波的正1/25和负1/25之间范围内。
例如，双非球面表面可以选定为双锥型(即为，在方程1中所示的圆锥项被选为用于每个最高屈光光焦度以及最低屈光光焦度的子午线)。可选地，双非球面表面可以被选为包括圆锥项和偶数个非球面项，如方程2中所示，或者任何其它合适的非球面构造(例如，仅仅偶数个非球面项)。
z conic ( r ) = cr 2 1 + 1 - ( 1 + k ) c 2 r 2 方程1
其中，zconic是圆锥型表面的垂度；c是所述表面的曲率；k是圆锥常数；r是径向坐标。如果k＝0，那么表面应该为球面。
z(r)＝zconic(r)+α1r2+α2r4+α3r6+α4r8+α5r10...    方程2
其中每个αn是对应于给定多项式项的系数项。
应当理解方程2包括圆锥项和偶次幂多项式项。还应当理解，在每个方程1和2中的z(r)(即为垂度)将作为复曲面表面的x和y的函数而变化。在包括了偶数个非球面项的本发明实施方式中，至少一个αn项为非零。应当理解，典型地期望选为非零的αn项的数目为能获得所选性能所必需的最小数目，并且每个αn的幅值为尽可能的小。通过这样控制所述项的数目以及数值，偏心的敏感度可被降低，并且镜片的制造和测试被简化。
应当理解，在一些实施方式中，镜片包括仅具有偶次幂非球面项的表面。还应当理解，虽然对于镜片来说要达到所选像差性能只需要偶次幂多项式项即可，但是，在一些实施方式中，可以增加奇次幂的多项式项。例如，奇次幂的非球面项可以适当地用于隐形镜片的实施方式，其中可能发生偏心。
在所阐释的实施方式中，后表面3是双非球面的，复曲面表面结合有下球面形状以使得该表面提供适当的球面光焦度。前中央区域21的曲率被选成使得与后中央区域11结合的前中央区域21提供期望的镜片球面光焦度。
在所阐释的实施方式中，镜片被构造为在后表面上(即为在复曲面表面上)具有双非球面表面以对于所有直径小于5mm的光学区域而言获得大致零球面像差；并且前表面为球面。在复曲面表面位于后表面上的其它实施方式中，双非球面表面可以仅仅位于前表面上。应当理解，如果双非球面表面仅位于与复曲面表面对置的表面上，镜片将具有两个非球面表面。在一些实施方式中，这种构造是不期望的，例如，这是由于具有两个复杂表面而带来制造的复杂性。
应当理解，虽然所阐述的镜片具有复曲面的后表面，但是根据本发明的某些方面，前和/或后表面都可以为复曲面。
在一些实施方式中，复曲面表面和非复曲面表面都具有非球面分量。在一些实施方式中，可以选择非复曲面表面在一个子午线中提供大致零球面像差，并且可以在复曲面表面的另一子午线上设置非球面项，使得结合有最高屈光光焦度子午线和最低屈光光焦度子午线的表面获得大致零球面像差。在一些实施方式中，非球面分量仅被提供在非复曲面表面的第一子午线上并且复曲面表面的第二子午线是球面的。在这种实施方式中，非球面和球面表面的曲率结合对于在第一子午线中合适的光学区域直径获得大致零球面像差；并且在复曲面表面的第二子午线中的球面曲率和第二子午线中的球面表面的曲率的结合对于第二子午线中所有合适的光学区域直径获得大致零球面像差。
根据本发明某些方面的镜片的另外方面在于对于具有第一直径的第一孔径具有大致零球面像差以及对于具有第二直径的第二孔径具有大致零球面像差特征的复曲面眼用镜片。还根据这些方面，第一直径为至少4mm，第二直径为至少3mm。也根据这些方面，第一直径比第二直径大至少0.5mm。在一些实施方式中，第一直径为至少4.5mm，第二直径为至少3.5mm。在这些实施方式中，第一直径比第二直径大至少0.5mm。在一些实施方式中，第一直径为至少5mm，并且第二直径为至少4mm。在这种实施方式中，第一直径比第二直径大至少0.5mm。
图2示意性地阐释了根据本发明某些方面的复曲面隐形镜片200实施方式的一个实施例。在该所阐释的实施方式中，后表面203的中央区域211(此处也称为后光学区域)是复曲面的，即为，该区域具有提供了期望的柱面校正的表面，以及可以包括球面光焦度。后表面203包括包围中央复曲面区域211的周边区域212。
在隐形镜片的实施方式中，周边表面，包括周边区域，被构造以跟眼睛的表面配合。过渡区域213可以设置在周边区域212和中央复曲面区域211之间。过渡区域是一种非光学校正区，与如果中央复曲面区域与周边区域212直接相邻可能发生的情况相比，其提供了从中央复曲面区域11到周边区域212更为平缓的过渡。这种过渡区域可以被添加以改善佩带者的舒适度。
镜片200前表面204的中央区域221是球面的。中央区域221的曲率被选择以使得与中央区域211相结合的中央区域221提供期望的镜片球面光焦度。前表面204包括包围中央区域221的至少一个周边曲线222。应当理解，虽然所阐述的镜片具有复曲面的后表面，但是，如上所述，根据本发明的某些方面，前和/或后表面都可以为复曲面。仍为如上所述，一个或多个非球面项可以添加到前和/或后表面以获得适当的球面像差校正。
仍为如上所述，复曲面隐形镜片设置有稳定结构以使得镜片在眼睛上维持期望的旋转方位。例如，镜片200可以包括棱镜压载225，其中周边部分224具有与包括了棱镜周边的压载225的对置周边部分相比不同的厚度。(压载225是位于镜片的“底部”部分，因为这种类型的复曲面镜片放置在眼睛上时，棱镜压载被向下放置。)压载大致绕轴线定向，此处称为“压载轴”。如上所述，复曲面眼用镜片规定限定了压载轴以选定的角度与复曲面区域的柱面轴线具有偏移量。术语“偏移量”包括0度或者180度的角度，其描述了柱面轴线与压载轴线一致的镜片。
根据本发明某些方面的具有球面像差校正的一组镜片是有用的。例如，这样的组可以包括一系列眼用镜片，每个镜片包括与该系列中其他镜片相同的球面光焦度，以及独有的柱面光焦度(cylindricalpower)。在这样的组中的每个镜片可以包括：(i)第一复曲面表面，以及(ii)第二表面；第一表面和第二表面中的至少一个在子午线中是非球面的。在一些这种实施方式中，这种镜片被构造成对于所有直径小于4mm的圆形光学区域而言具有大致零球面像差。
在这种透镜组的其他实施方式中，这种镜片被构造以对于具有第一直径的圆形第一孔径具有大致零球面像差，并且对于具有第二直径的圆形第二孔径而言具有大致零球面像差。在这种实施方式中，第一直径为至少4mm，第二直径为至少3mm，第一直径比第二直径大至少0.5mm。
如下的光学规定提供了根据本发明某些方面的镜片的一些实施例。为了阐释的目的，在下面是实施例中使用20屈光度镜片；任何合适的屈光光焦度都可以被使用。所有结果都是使用2007年1月22日版本的Zemax光学设计软件由电脑计算得出。Zemax设计软件可以从Zemax Development Corporation of Bellevue WA得到。
实施例1
表1阐释了根据本发明某些方面的一系列镜片的实施例，其中，每个镜片具有20屈光度的球面光焦度并且每个镜片具有独有的柱面光焦度。镜片的柱面光焦度被提供在后表面上。镜片的每个表面具有用于最高屈光光焦度的子午线的合适圆锥常数以及用于最低屈光光焦度的子午线的合适圆锥常数。如表2所示，对于每个镜片，分别对于具有3mm，4mm，5mm直径的孔径而言，在546纳米时球面像差大致等于零。
Figure BPA00001342891300091
Figure BPA00001342891300101
表1
Figure BPA00001342891300102
表2
实施例2
表3阐释了根据本发明某些方面的镜片的实施例，其中，镜片具有20屈光度的球面光焦度并且具有2.00屈光度的柱面光焦度。柱面光焦度被提供在后表面上。镜片的前表面具有偶数个非球面项(α)以及用于最高屈光光焦度子午线和最低屈光光焦度子午线的合适的圆锥常数项(k)。如表4中所示，分别对于具有3mm，4mm，5mm直径的孔径而言，在546纳米时球面像差大致等于零。
Figure BPA00001342891300103
Figure BPA00001342891300111
表3
Figure BPA00001342891300112
表4
实施例3
表5阐释了根据本发明某些方面的一系列镜片的实施例，其中，每个镜片具有20屈光度的球面光焦度并且具有2屈光度的柱面光焦度。如表6所示，对于每个镜片而言，分别对于具有3mm，4mm，5mm直径的孔径而言，在546纳米时球面像差大致等于零。表5和6显示，通过为一个或多个(i)圆对称(即为非复曲面)表面，(ii)复曲面表面的最高光焦度子午线，以及(iii)复曲面表面的最低光焦度子午线选择非球面项(例如圆锥项)，镜片可以被设计具有合适的球面像差性能。在表5的第一个镜片中，除了在非复曲面表面中的圆锥项外，复曲面表面的一个子午线具有复曲面项。在表5的第二镜片中，只有非复曲面表面具有圆锥项。在表5的第三镜片中，没有圆锥项存在于非复曲面表面中，并且复曲面表面的两个子午线具有复曲面项。虽然表5中的镜片显示有如上所述的圆锥项，但是如果实施偶次和/或非球面项，这些镜片可以获得相似的球面像差性能。
Figure BPA00001342891300113
Figure BPA00001342891300121
表5
Figure BPA00001342891300122
表6
具有了所描述的本发明的理念以及多个可效仿的实施方式，显然对于本领域的技术人员来说，本发明可以通过各种方式来实施，并且那些改进和改善对于本领域的技术人员来说也是容易发生的。因此，这些实施方式不是意图限定且仅仅以实施例的方式存在。本发明仅由下面权利要求以及由此的等同中的要求来限定。

Claims (23)

1.一种复曲面眼用镜片，其对于第一直径的圆形第一孔径具有大致零球面像差以及对于第二直径的圆形第二孔径具有大致零球面像差，第一直径为至少4mm，第二直径为至少3mm，第一直径比第二直径大至少0.5mm。
2.如权利要求1的镜片，其中，对于第一孔径和第二孔径的大致零球面像差是对于546nm的光获得。
3.如权利要求1的镜片，其中，第一直径为至少4.5mm，第二直径为至少3.5mm。
4.如权利要求1的镜片，其中，第一孔径和第二孔径都具有幅度小于波的1/10的球面像差。
5.如权利要求1的镜片，其中，镜片具有后光学区域和前光学区域，后光学区域和前光学区域的至少其中之一是复曲面的，所述复曲面光学区域是双非球面的。
6.如权利要求1的镜片，其中，镜片具有后光学区域和前光学区域，后光学区域和前光学区域的至少其中之一是复曲面的，所述复曲面光学区域的至少一个子午线包括偶次幂的非球面项。
7.如权利要求6的镜片，其中，所述复曲面光学区域的至少一个子午线仅包括偶次幂的非球面项。
8.如权利要求1的镜片，其中，所述镜片为眼内镜片。
9.如权利要求1的镜片，其中，所述镜片为隐形镜片。
10.一种眼用镜片，包括：
第一复曲面表面；以及
第二表面，第一表面和第二表面中的至少一个在子午线处为非球面的，对于所有直径小于4mm的圆形光学区域，镜片具有大致零球面像差。
11.如权利要求10的镜片，其中，所述大致零球面像差是对于546nm的光获得。
12.如权利要求10的镜片，其中，对于所有直径小于4.5mm的圆形光学区域，所述镜片具有大致零球面像差。
13.如权利要求10的镜片，其中，对于所有直径小于5.0mm的圆形光学区域，所述镜片具有大致零球面像差。
14.如权利要求10的镜片，其中，对于所有直径小于4mm的圆形光学区域，所述球面像差具有小于波的1/20的幅度。
15.如权利要求10的镜片，其中，所述子午线为复曲面表面的子午线。
16.如权利要求10的镜片，其中，所述子午线是圆对称表面的子午线。
17.如权利要求10的镜片，其中，复曲面表面是双非球面的。
18.如权利要求10的镜片，其中，复曲面表面的至少一个子午线包括偶次幂的非球面项。
19.如权利要求18的镜片，其中，复曲面表面仅包括偶次幂的非球面项。
20.如权利要求10的镜片，其中，复曲面表面的至少一个子午线仅包括奇次幂的非球面项。
21.如权利要求10的镜片，其中，所述镜片为眼内镜片。
22.如权利要求10的镜片，其中，所述镜片为隐形镜片。
23.一系列眼用镜片，每个镜片包括与该系列中其他镜片相同的球面光焦度以及独有的柱面光焦度；每个镜片包括(i)第一复曲面表面；以及(ii)第二表面，第一表面和第二表面中的至少一个在子午线中为非球面的，镜片对于所有直径小于4mm的圆形光学区域具有大致零球面像差。
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