CN102499792A - 高阶波前像差修正人工晶体高效制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学器件超精密加工技术领域，涉及一种高阶波前像差修正人工晶体高效制造方法，包括：(1)采用超精密车削或磨削技术加工人工晶体非球面基底模具；(2)采用微注塑成型加工的方法，利用模具批量加工非球面人工晶体基底；(3)制作适应人工晶体基底的固定夹具；(4)采用像差仪进行特定病人波前像差测量，得到病人的波前像差的Zernike多项式描述；(5)根据病人的波前像差的Zernike多项式描述，设计修正曲面部分的超精密加工路径；(6)将人工晶体基底通过夹具固定于超精密车床上，采用慢刀或快刀伺服驱动实现修正曲面部分超精密车削加工，最终得到适应该病人的带有波前像差的人工晶体。本发明具有低成本和高加工效率的优点。

Description

高阶波前像差修正人工晶体高效制造方法

技术领域

本发明属于光学器件超精密加工技术领域，具体涉及一种植入式人工晶体的超精密加工方法。

背景技术

正常眼睛中的晶状体是透光的，外界光线经过晶状体汇聚在视网膜上成像。而白内障患者晶状体的透光度和光吸收度大大降低，导致晶状体混浊，甚至完全不透光。提高视觉质量，改善白内障术后视功能是当前眼部医学研究的重点之一。目前治疗白内障最有效的方法是人工晶体植入术。

人工晶体是一种眼内人工装置，用于白内障手术后的晶体置换，一般采用微注塑技术进行批量生产，受模具加工技术的限制，一般仅能加工球面或平面形状。已有研究表明，白内障摘除人工晶状体植入术后出现的视觉症状可能与人眼的像差特性发生改变有关，术后有可能引起人眼的像差较大变化。因此，修正人工晶体的像差、加工与人眼相符的人工晶体在现代光学应用中具有重要意义。

近几年，很多与人眼功能更符合的人工晶体被设计加工，如修正像差的非球面人工晶体、多焦点的菲涅耳表面人工晶体和提高景深的Cubic surface人工晶体等。波前像差是由实际的波前和理想的无偏差的波前之间的差值来定义的。实际的人眼光学系统并不完美，导致出射波面发生变形，不再是理想的球波面。因此，在进行人工晶体设计时，需要考虑波前像差的修正，一般采用Zernike多项式描述波前像差，并且所需多项式的项数也较多，因此，具有高阶波前像差修正的人工晶体形状较复杂。波前像差目前主要采用Hartmann-Shack原理为基础的像差仪进行测量，且都已有成熟的商业化设备，如Visx公司的Wavescan等，一般可都能提供波前像差的Zernike多项式描述。同时，每个人的波前像差是存在差别的，因此，该人工晶体也不适合借助微注塑技术实现批量化。适应人工晶体植入术需求的增加，实现波前像差修正人工晶体的高效加工具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提出一种高阶波前像差修正人工晶体的高效加工方法，借助微注塑技术实现普通非球面人工晶体的大批量加工，针对不同人所需的波前像差采用复杂曲面超精密车削技术对基底非球面进行面形修正加工，实现波前像差修正人工晶体的高效加工。本发明采用如下的技术方案。

一种高阶波前像差修正人工晶体高效制造方法，包括下列步骤：

(1)采用超精密车削或磨削技术加工人工晶体非球面基底模具；

(2)采用微注塑成型加工的方法，利用模具批量加工非球面人工晶体基底；

(3)制作适应人工晶体基底的固定夹具；

(4)采用像差仪进行特定病人波前像差测量，得到病人的波前像差的Zernike多项式描述；

(5)根据病人的波前像差的Zernike多项式描述，设计修正曲面部分的超精密加工路径；

(6)将人工晶体基底通过夹具固定于超精密车床上，采用慢刀或快刀伺服驱动实现修正曲面部分超精密车削加工，最终得到适应该病人的带有波前像差的人工晶体。

作为优选实施方式，本发明的高阶波前像差修正人工晶体高效制造方法，采用的固定夹具设置有与人工晶体基底尺寸相匹配的中心圆形凹槽，在中心圆形凹槽内部开设有通孔，所述固定夹具的背面的中心圆形凹槽的旁边加工有用于在加工时候形成真空负压的周边凹槽，在所述固定夹具的正面的中心圆形凹槽周围突起的台状结构上开设有两个沟槽，使中心圆形圆槽就与靠近其的周边凹槽相连接，用于容纳人工晶体基底的两个小支撑脚。

本发明的波前像差修正人工晶体加工方法具有低成本和搞加工效率的优点，具体可以从以下几个方面进行说明和描述：(1)基底采用高效批量加工方式，极大降低了加工成本，提高了粗加工效率；(2)基底人工晶体的加工为超精密车削提供了很好的粗加工，极大地缩减了切削去除量；(3)若整个表面从最初的平面进行完全切削加工，其去除量将极大地增大，相比较将增大加工成本和时间。本发明提出的波前像差修正面形的加工处理不局限于采用超精密切削的加工方法，还可以采用其他超精密加工方法，如超精密磨削、铣削等，也可以采用其他特种加工方法，如光刻法、激光直写等方法。

附图说明

图1波前像差修正人工晶体加工路线。

图2人工晶体超精密切削加工示意图。

图3人工晶体常见结构。

图4夹具反面。

图5夹具正面。

具体实施方式案

本发明的高阶波前像差修正人工晶体高效加工方法的技术路线如图1所示。整个加工过程分为两步实现：(1)利用模具对医用PMMA材料(聚甲基丙烯酸甲酯)4进行微注塑成型，加工成基底2表面，即非球面部分；(2)采用复杂曲面超精密车削加工，在基底表面基础上添加Zernike多项式的形状偏差，最终形成波前像差修正人工晶体3，以实现视觉清晰。

1.基底微注塑加工

微注塑技术是一种可以进行重复的批量生产复杂而有精密微细结构塑件的制造技术。应用微型注塑模具成型构件，具有制造成本低，生产周期短，成型工艺简单等优点。一般采用微注塑技术进行生产，受模具加工技术的限制，一般只能加工回转对称面形。首先，采用超精密车削或磨削技术进行人工晶体非球面基底模具的加工；然后采用满足一定洁净度的微注塑设备，对医用PMMA材料(聚甲基丙烯酸甲酯)进行注塑成型，实现非球面人工晶体的批量加工，为下一步的超精密车削加工提供高效粗加工。

2.波前像差超精密加工

采用慢刀或快刀伺服驱动实现复杂曲面超精密车削加工，如图2所示，待加工非球面人工晶体2通过固定夹具5利用真空吸附力固定于主轴7上，并随主轴7按照一定转速旋转，刀具6在x方向匀速进给，当主轴7旋转于特定角度φ₀时，切削刀具6依照所需波前像差修正Zernike多项式进行z方向振荡进给，实现波前像差修正人工晶体加工。其中最主要的是对加工刀具进行刀具半径补偿，实现较高形状精度晶体的加工，具体加工步骤可参照专利200710058343.3，这里仅将该申请专利具体应用。具有波前像差修正人工晶体的表面结构可以采用数学式描述，

$Z(x,y)=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{r}^{2i}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{E}_i(x,y)---\left(1\right)$

其中前两项为基底非球面公式，最后一部分为Zernike多项式，一般采用极坐标形式描述，

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{E}_i(x,y)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i{F}_i(\mathrm{\ρ},\mathrm{\φ})---\left(2\right)$

其中B_i为Zernike多项式系数，对于不同人具有不同的系数，需要通过基于干涉技术的特定光学测试提前进行确定。对于需要加工点p₀，则刀具中心位置为o_t，

$o_t=p_0+r_0{\stackrel{\mathrm{\ρ}}{h}}_p---\left(3\right)$

其中r₀为刀具半径，

${\stackrel{\mathrm{\ρ}}{h}}_p=\stackrel{\mathrm{\ρ}}{h}-(\stackrel{\mathrm{\ρ}}{h}\·{\stackrel{\mathrm{\ρ}}{h}}_{t0}){\stackrel{\mathrm{\ρ}}{h}}_{t0}---\left(4\right)$

其中 ${\stackrel{\mathrm{\ρ}}{h}}_{t0}=(-\sin {\mathrm{\φ}}_0,\cos {\mathrm{\φ}}_0,0)$ 为特定转角φ₀时切削面法向矢量， $\stackrel{\mathrm{\ρ}}{h}=(-\frac{\∂Z(\mathrm{\ρ},\mathrm{\φ})}{\∂x},-\frac{\∂Z(\mathrm{\ρ},\mathrm{\φ})}{\∂y},1)$ 为所需加工表面当前点法向矢量，

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂Z(\mathrm{\ρ},\mathrm{\φ})}{\∂x}=Z_{\mathrm{\ρ}}^{\′}(\mathrm{\ρ},\mathrm{\φ})\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂x}+Z_{\mathrm{\φ}}^{\′}(\mathrm{\ρ},\mathrm{\φ})\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂x}=\cos {\mathrm{\φZ}}_{\mathrm{\ρ}}^{\′}(\mathrm{\ρ},\mathrm{\φ})-\frac{\sin \mathrm{\φ}}{\mathrm{\ρ}}{Z}_{\mathrm{\φ}}^{\′}(\mathrm{\ρ},\mathrm{\φ})\\ \frac{\∂Z(\mathrm{\ρ},\mathrm{\φ})}{\∂y}=Z_{\mathrm{\ρ}}^{\′}(\mathrm{\ρ},\mathrm{\φ})\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂y}+Z_{\mathrm{\φ}}^{\′}(\mathrm{\ρ},\mathrm{\φ})\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂y}=\sin {\mathrm{\φZ}}_{\mathrm{\ρ}}^{\′}(\mathrm{\ρ},\mathrm{\φ})+\frac{\cos \mathrm{\φ}}{\mathrm{\ρ}}{Z}_{\mathrm{\φ}}^{\′}(\mathrm{\ρ},\mathrm{\φ})\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中Z′_ρ(ρ，φ)和Z′_φ(ρ，φ)为前像差修正人工晶体的表面结构极坐标描述时的偏微分数值。

3.超精密加工夹具设计

超精密金刚石车床自带真空吸盘，但由于工件直径小(直径在5.5mm至6mm)，真空吸力不能很好的紧固工件，另外，人工晶体一般具有支撑脚8，如图3所示，需设计特定夹具实现人工晶体基底的固定。

夹具的直径比人工晶体的直径大很多，图4是夹具的背面结构，在背面加工出几个周边圆形凹槽11，负责在接触车床主轴端面的真空吸盘时，在凹槽11处形成真空负压，受外界大气压强将其固定于车床主轴端面。另外，夹具中心有一个和人工晶体尺寸基本一致中心圆形凹槽9，且在其内部设计几个通孔10。由于通孔10的作用，当夹具置于真空吸盘上，并将工件放置于夹具中央处时，其工件背面受到的压强小于其正面受到的大气压强，利用这个压强差，将工件固定在夹具的中央。为了增大对人工晶体的吸力，保证加工中工件受力也能稳定地固定于夹具上，在中心圆槽周围突起的台状结构上打开两个沟槽12，使中心圆槽9就与靠近其的周边圆槽11相连接。图5是夹具的正面结构，其在中心处做出直径为人工晶体直径的圆槽，周围为凸起的环形台，可将工件放入圆槽处，实现了工件的对心定位。为了保证带有支撑脚8的人工晶体可以放置于圆槽中，对圆形凸台设计为开环结构，足可以将小支撑脚8部分露出，不被破坏。在中心圆槽的底部，在通孔上对应地制作凹槽，提高人工晶体和真空区域的接触面积，同时保证人工晶体的吸力均匀，不易变形。

加工步骤如下：(1)采用超精密车削或磨削技术进行人工晶体非球面基底模具的加工；(2)将医用PMMA材料(聚甲基丙烯酸甲酯)热熔，经过微注塑成型加工，依靠设计好的模具，加工大量非球面人工晶体基底；(3)制作适应人工晶体基底的固定夹具；(4)采用像差仪进行特定病人波前像差测量，得到病人的波前像差的Zernike多项式描述；(5)针对特定病人波前像差修正所需，设计超精密加工路径；(6)将人工晶体基底通过夹具固定于超精密车床上，采用慢刀或快刀伺服驱动实现修正曲面部分超精密车削加工，最终得到所需的带有波前像差的人工晶体；(7)针对不同病人的波前像差，重复(4)～(6)步实现所需带波前像差人工晶体的加工。

实施例：针对常见直径为6mm，曲率为0.141mm^-1的球面基底人工晶体进行波前像差修正加工，所需的特定修正量由中国科学院光电技术研究所自行研制的Hartmann-Shack型像差仪测定相应的Zernike多项式系数，项数为前35项。经过微注塑成型加工，得到表面为Ra＝18nm，Rt＝99nm的人工晶体基底，材料为医用PMMA材料(聚甲基丙烯酸甲酯)。将该基底通过设计夹具固定于旋转主轴上，采用半径为0.2mm的金刚石刀具进行切削加工，加工程序按照刀具补偿方法进行设计，具体加工参数为主轴转速72rpm，粗加工x方向进给为3.0mm/分钟，每次切削深度为2um，切削加工2次，精加工x方向进给为1.0mm/分钟，切削深度为1um，加工1次。最终得到Ra＝11.87nm的切削表面，可以看出后期的金刚石切削过程不仅为人工晶体附加了波前像差，还从一定程度上提高了人工晶体表面的粗糙度，有利于应用中人工晶体的清晰度。通过应用实验发现，采用以上方法加工的波前像差修正人工晶体可以很好地满足了人体视觉需要。

Claims (2)

1.一种高阶波前像差修正人工晶体高效制造方法，包括下列步骤：

(1)采用超精密车削或磨削技术加工人工晶体非球面基底模具；

(2)采用微注塑成型加工的方法，利用模具批量加工非球面人工晶体基底；

(3)制作适应人工晶体基底的固定夹具；

(4)采用像差仪进行特定病人波前像差测量，得到病人的波前像差的Zernike多项式描述；

(5)根据病人的波前像差的Zernike多项式描述，设计修正曲面部分的超精密加工路径；

(6)将人工晶体基底通过夹具固定于超精密车床上，采用慢刀或快刀伺服驱动实现修正曲面部分超精密车削加工，最终得到适应该病人的带有波前像差的人工晶体。

2.根据权利要求1所述的高阶波前像差修正人工晶体高效制造方法，其特征在于，所述的固定夹具设置有与人工晶体基底尺寸相匹配的中心圆形凹槽，在中心圆形凹槽内部开设有通孔，所述固定夹具的背面的中心圆形凹槽的旁边加工有用于在加工时候形成真空负压的周边凹槽，在所述固定夹具的正面的中心圆形凹槽周围突起的台状结构上开设有两个沟槽，使中心圆形圆槽就与靠近其的周边凹槽相连接，用于容纳人工晶体基底的两个小支撑脚。

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