CN102576159A - 提供改进的视觉质量的多焦点矫正 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了用于改进老花眼和人工晶状体眼患者的视觉经历同时扩展其景深的策略和设备。本发明描述了用于通过采用同时视觉双焦点、三焦点或者多焦点矫正或者单视觉，提供改进的图像质量和改进的患者视觉质量的策略和设备。本发明描述了用于减小由同时视觉双焦点和多焦点眼科矫正和单视觉生成的视网膜图像散焦部分的可见性的策略和设备。本发明描述了采用对球面像差或其它类似非球面性的控制来减小散焦鬼影图像的可见性的策略和设备。本发明描述了确保负散焦总是与负球面像差(或者类似的非球面性)耦合而正散焦总是与正SA(或者类似的非球面性)耦合的策略和设备，作为减小散焦鬼影图像的可见性的手段。

Description

提供改进的视觉质量的多焦点矫正
对相关申请的交叉引用
本专利申请请求于2009年9月1日提交的美国临时专利申请第61/238,774号的利益，该美国临时专利申请的全部内容通过引用并入于此。
技术领域
本发明总体上涉及眼科光学和手术视力矫正领域，尤其提供了用于治疗老花眼和其它视觉状况及用于为老花眼和其它视觉状况的治疗制定处置等等的方法、设备与系统。
背景技术
随着人眼的老化，其改变人眼的光焦度以便对处于不同距离的目标成像的能力衰退。这种下降称为“老花眼”而且它影响所有的人。一种类似的不能调节眼睛晶状体的光焦度的情况出现在其天然晶状体用人工晶状体代替(例如，在白内障手术之后)的病人当中。因而，老花眼患者所面临的能在多个距离看到的挑战也是人工晶状体眼患者所共有的。目前，老花眼并不能治愈，而且没有理想的光学治疗将恢复这种全程视觉，本领域及实践的技术人员称其为“适应(accommodation)”。已经开发出了设计成增加可以看到的距离范围(景深)的替代性光学设备与策略。这种设备产生所谓的“伪适应”。即，它们增加景深，但不改变眼睛本身的光焦度。所有这些设备和策略都不如正常适应，而且全都需要老花眼患者的折中。很显然，需要开发改进的设备与策略来增强老花眼患者的视觉质量。
存在几种行之有效的用于增加老花眼患者景深的策略。最简单的一种涉及实现某种形式的小(“针孔”)光瞳，这增加景深而不改变底层光学器件的光学特性。这种策略在低亮度级时失败而且会严重地限制视野的大小。更一般的策略是主动实现把光从位于不同距离的目标聚焦到视网膜上的某种光学镜片或设备的策略。一种这样的策略在两只眼睛中采用不同光焦度的标准单焦点镜片，称为“单视觉”。但是，大部分策略采用包含多于一个光焦度的镜片，即双焦点、三焦点或者多焦点镜片。
当实现为眼镜镜片时，在双焦点、三焦点或者多焦点中存在的不同光焦度跨眼镜镜片分布，而且通过组合头与眼睛的运动，对于不同距离的目标，患者可以选择眼镜镜片中在视网膜上提供聚焦图像(并由此提供高质量视觉)的区域。这种通过眼睛与头的运动来选择不同光焦度的方法对于软性隐形眼镜(CL)或者经屈光手术在角膜中或角膜上建立的眼内透镜(IOL)或矫正将不起作用，因为眼镜或者角膜矫正随眼睛移动。因此，不管凝视的方向如何，患者总是透过相同的光学器件在看。
因此，用于老花眼患者的随眼睛移动的双焦点、三焦点或者多焦点光学矫正(在角膜中或角膜上的矫正(角膜嵌入(inlay)或者覆盖(onlay)，其它的屈光手术)、CL和IOL)必须在光学设备或策略的相同或相邻区域中包含都对视网膜图像起作用的多个光焦度。即，不像老花眼眼镜镜片矫正(其中患者顺序地选择最适当光焦度的物理镜片位置)那样，在CL、IOL或者屈光手术中具有老花眼矫正的患者同时采用不同的光焦度，而且因此这些设备与策略被称为“同时视觉”镜片或者矫正。
在这里展开CL、IOL和屈光手术矫正所面临的核心问题，即致力于为老花眼患者提供增加的景深。除了通过由一个光焦度很好地聚焦到视网膜上的光，同时还存在离焦的光，其在同时视觉矫正中被其它光焦度成像。因此，视网膜图像的质量(及因此患者的视觉)是由聚焦光和散焦光的这种组合来确定的。眼科界为老花眼患者提供改进的光学矫正的大部分努力集中在操纵并增强这种光的聚焦部分。本专利中所描述的发明设计成通过减少光的散焦部分的影响来改善老花眼患者的视觉。
用于老花眼的所有同时视觉矫正的核心光学特性都是所提供的增加的景深。增加的景深的主要决定因素是光学设备或者屈光手术中光焦度的范围。用于老花眼患者的众多老花眼矫正都已经市场化，而且仍然有其它的利用广泛的策略分布镜片(或者屈光手术)中的光焦度被发明出来。非常简单，这种光学矫正可以设计成具有2个光焦度(双焦点)、3个光焦度(三焦点)或者多个光焦度(多焦点)。一种用于创建多焦点镜片的策略是从中心朝着边缘逐步改变镜片的光焦度。这可以通过把大量球面像差(SA)引入镜片来获得，这会使镜片外围不如镜片中心屈光力大(负SA，见2007年8月28日的美国专利第7,261,412 B2号和2009年的美国专利申请第0051876 A1号)。这种镜片在其中心具有最大的光焦度，因此将被称为“中心-近(center-near)”设计，其中聚焦近处的目标需要增加的光焦度。另选地，一种类似的策略通过向镜片添加正SA而产生“中心-远(center-distance)”设计(见1992年2月18日的美国专利第5,089,024号)。对于这两种策略，都在镜片设计中控制SA，以便增加给出的光焦度范围并由此增加景深。
存在采用离散光焦度的不同的通用策略，例如，具有两个光焦度的双焦点或者具有三个光焦度的三焦点，而不是光焦度跨镜片逐步改变。在这种设计中，当一个光学器件聚焦时所产生的视网膜图像的光学质量可以通过在每个区内包括对人眼中存在的球面像差(SA)的完整的(例如，1993年6月15日的美国专利第5,220,359号和世界专利申请第WO 2005/019906 A1号)或部分的(例如，2006年10月10日的美国专利第7,118,214号)矫正来增强。因为人眼一般具有正SA，所以这些镜片通过引入负SA来进行矫正。但是，也存在一些具有负SA的眼睛，因此这些镜片将引入正SA来进行矫正。在许多此类的发明中，SA是首先利用某种形式的像差计来测量的。
当受控的SA等级引入镜片时，这种镜片常常被描述为“非球面的”。在用于同时视觉老花眼矫正的第三种通用设计策略中，采用SA和/或其它的径向对称非球面性来控制不同光焦度区之间的过渡。即，代替空间上离散的过渡，光焦度跨镜片的过渡区域逐步变化。这种光焦度的逐步变化有时候称为非球面性，或者SA。有几个发明采用这种非球面性(例如，美国专利第6,457,826 B1号、世界专利申请第WO2007/015001 A1号、世界专利申请第WO 0221194 A2号)。
已经实现了两种其它采用SA或其它径向对称非球面性作为老花眼或人工晶状体眼矫正的一部分的策略。首先，与在不同的光学区内采用SA矫正来改进聚焦图像质量的设计相反，可以在不同的区中引入SA，其目的是增加景深(例如，2006年的美国专利第0176572 A1号)。而且，增加的景深可以通过对光学器件添加小的非球面性而引入到设计成单焦点矫正的策略中(2004年的美国专利第0230299 A1号)。
以上采用SA或类似非球面性的所有设计都设计成改进同时视觉矫正中聚焦图像的质量或者增加同一类型矫正中的景深。一个发明寻求在同时视觉镜片中采用SA控制，来减小散焦图像的可见性(专利申请WO 2010/014767)。这种策略很简单：把特定的SA引入到将矫正眼睛SA的双焦点矫正，并由此最大化光的聚焦部分的质量。当光的聚焦部分真正很好地聚焦时，这种发明声称(没有证据支持)非聚焦图像(常常称为“鬼影”图像)的可见性将减小。当然，已经授权的众多在先专利已经在双焦点中采用SA矫正(见上)。我们发明了一种采用受控的SA(或者类似的非球面性)来最小化由于双焦点、三焦点或多焦点老花眼矫正而产生的离焦“鬼影”图像的可见性的新策略(见以下的具体描述)。
发明内容
总体上来说，在本发明的一方面中，提供了通过球面像差或其它非球面性符号的特定于区域的控制来消除或最小化在老花眼矫正中存在的鬼影图像的可见性的镜片、设计策略、装置、方法与系统。在先技术具有矫正的球面像差或者不加区分地感应出的球面像差，而不考虑镜片光焦度与SA符号之间的关系(见上)。尽管这类方法对于增加老花眼或人工晶状体眼的景深可以广泛地成功，但是它们产生高度可见和视觉上不可接受的散焦鬼影图像。这种鬼影图像降低了老花眼矫正的整体成功性。当前技术与所有在先技术的区别在于，它致力于特定地把正SA与双焦点的最大正光焦度的(或者最小负光焦度的)区域耦合，并且把负SA引入具有最小正光焦度(或者最大负光焦度)的单个光学区中，以便在最小化鬼影图像的可见性的同时最大化景深。用另一种方式来说，我们的发明致力于把正SA引入双焦点、三焦点或多焦点CL、IOL或屈光手术的近距离光学器件(near optic)并把负SA引入其远距离光学器件(distance optic)。尤其需要远距离矫正和近距离矫正包含彼此相反符号的SA：远距离矫正中是负SA，而近距离矫正中是正SA。
附图说明
图1a-1c是一系列光线图，绘出了由具有零(a)、正(b)和负(c)球面像差(C4 0分别＝0、＞0或者＜0)的镜片对来自远处物体的光线的聚焦。在每种情况下，垂直点线都代表最佳聚焦平面(最小RMS，最小模糊圆)。最左边的垂直虚线表示更靠近镜片的需要比所述镜片所具有的更多聚焦度并因此产生负散焦或者负C2 0的平面。最右边的垂直虚线表示更远离镜片的需要比所述镜片所具有的更少聚焦度并因此产生正散焦或者正C2 0的平面。
图2a-c是一系列光线图，绘出了光通过包含零(a)、正(b)和负(c)球面像差的镜片的路径。在(b)中，物体在远处，而在(c)中，物体在近处。因此，在2(b)中，C4 0为正，而且在视网膜平面，散焦为正。在2(c)中，C4 0为负，而且在视网膜平面，散焦为负。
图3例示了高对比度字母D的模拟视网膜图像。图像是针对一定范围的散焦等级计算的，右边表示正散焦而左边表示负散焦。建模了三种类型的SA：零SA、+0.21Deq的SA和+0.50Deq的SA。
图4例示了利用相同符号的散焦与球面像差产生的双焦点矫正眼睛的模拟视网膜图像。
图5例示了利用相反符号的散焦与球面像差产生的双焦点矫正眼睛的模拟视网膜图像。
具体实施方式
为了清楚、简要和精确地描述本发明的示例性实施方式、制造和使用其的方式与处理，并使得能够实践、制造和使用其，现在参考附图中所例示的示例性实施方式，并将使用特定的语言来描述其。但是，将理解，并不由此对本发明的范围进行限制，而且本发明包括并保护对所例示实施方式的此类变更与修改，而且在此所例示和描述的实施方式的此类更多应用是与本发明相关的领域中技术人员能够想到的。
有些示例性实施方式包括用于同时视觉隐形眼镜、IOL、角膜嵌入物、角膜覆盖物、诸如LASIK矫正的眼科手术处置及其它镜片或矫正性处置等的镜片、设计策略、装置、系统与方法，它们组合地采用远距离和近距离矫正，包括所有形式的单视觉或者有时候称为修改后的单视觉的单视觉的变体。应当理解，对同时视觉镜片的引用包括以上和其它的矫正性处置。同时视觉镜片包括双焦点、三焦点、其它多焦点镜片和在单视觉处置中采用的单焦点镜片。某些示例性实施方式消除或最小化了在这些和其它同时视觉镜片中的误差。
示例性实施方式包括像差控制，用以控制同时视觉镜片和单视觉矫正中所存在的图像散焦部分的可见性。在示例性同时和单视觉镜片策略中，图像的散焦部分是不可避免的，而且图像中的散焦光的可见性降低了光学质量和由这种镜片策略提供的视觉经历。图像中可见的光的散焦部分常常被患者和临床医生称为鬼影图像或者幻影。在此所述的实施方式包括用于消除或最小化这种鬼影可见性的镜片、设计策略、装置、方法与系统。现在将联系图1a、1b、1c、2a、2b和2c描述关于这种鬼影的光学原理和对这种鬼影的减少或消除。
图1a绘出了由具有正光焦度和零球面像差(即，Zernike系数C4 0＝0)的镜片对来自远处物体的光线的聚焦。在图1a中，光线在远视散焦(C2 0＜0)和近视散焦(C2 0＞0)的平面内均匀地隔开，这意味着在这些平面内形成的模糊圆是被均匀照亮的光线盘。图1b绘出了正球面像差的效果，其边缘光线被折射得更多，而中央光线被折射得比上面的图中少。其结果是在远视散焦平面内光被压缩进一对小的高亮度模糊圆中，而在近视散焦平面内光扩展进一个具有不清晰边缘的较大低亮度更均匀的模糊圆中。图1c绘出了负球面像差的效果，其边缘光线被折射得少，而中央光线被折射得比上面的图中多。其结果是在近视散焦平面内光被压缩进一对小的高亮度模糊圆中，而在远视散焦平面内光被展开进一个较大低亮度均匀的模糊圆中。较大较低亮度均匀模糊圆的优点是由双焦点隐形眼镜产生的不想要的散焦图像的对比度的更大衰减。一对小的高亮度模糊圆的缺点是复视或者环形光环，在视网膜上形成高对比度的干扰鬼影图像或者光环。
图2a、2b和2c例示了作为在此所公开的示例性实施方式的基础的光学机制。双焦点隐形眼镜形成每个物体的两个视网膜图像。这些图像中的一个将比另一个更散焦，而本发明的意图是通过减小其对比度与整体可见性来减少具有更大散焦的图像的突出性。该光线图只绘出了点源的图像的散焦部分(例如，当物体在远处时用于较高屈光的近距离添加光学器件的光线，及当物体在近处时来自较低屈光的远距离光学器件的光线)。图2a绘出了，对于零球面像差的情况，由双焦点实现近距离处置的那部分形成的远处物体的散焦图像。在这种情况下，眼睛过度屈光，因此，散焦系数C2 0＞0。视网膜上的模糊圆被均匀地照亮。图2b绘出了相同的条件，但是是对于具有正球面像差的镜片(C4 0＞0)。其结果是放大的、更低亮度、更均匀照亮的模糊圆，通过减小其对比度降低模糊图像的突出性。图2c绘出了由处置的远距离部件对来自近处物体的光的成像。由于散焦系数C2 0在这个例子中是负的，因此球面像差系数C4 0的符号需要是负的，以便获得期望的又大又低亮度均匀照亮的模糊圆的结果。应当指出，基本原理是相同的，不管是双焦点隐形眼镜的中心部分提供远距离处置而镜片的外围部分提供近距离处置，或者反之亦然。正散焦应当与正SA耦合，反之亦然。
某些示例性实施方式适用于所有双焦点、多焦点和单视觉矫正，可以容易地利用一个采用双焦点同时视觉镜片的患者的例子来理解。这种镜片中的远距离矫正聚焦远处的物体，但是在看近处的物体时将产生散焦。相反，镜片的近距离添加光焦度将聚焦近处的物体，但是在看远处的物体时将产生散焦图像。在此所公开的某些示例性实施方式消除或最小化了这些散焦图像(鬼影)的可见性。
利用双焦点镜片的患者可能经历正的或者负的球面像差(“SA”)(患者常常经历正SA，但是有些眼睛和具有高光焦度负镜片的有些患者可能具有负SA)。某些示例性实施方式确保(由镜片的远距离光焦度生成的)近处物体的散焦图像或者(由镜片的添加光焦度生成的)远处物体的散焦图像将与SA以相同的符号出现。某些实施方式提供了对远距离和近距离光学器件中球面像差的独立控制，以便最小化远处和近处物体的散焦图像的非期望效果。有些实施方式包括最小化离焦鬼影的可见性的同时视觉镜片。已经示出了这些和其它实施方式，以便提供患者所经历的视觉矫正中的改善。
某些示例性实施方式包括在远距离和近距离光学器件中采用相反符号SA的双焦点或单视觉类型的镜片或者屈光手术。具体而言，近距离添加将包括正SA，而远距离光学器件将包括负SA，因为由近距离添加造成的散焦是由于在看远处物体时的正散焦(过多的光焦度)而出现的。相反，远距离矫正将包括负SA，因为由远距离矫正造成的散焦将在物体在近处时为负(不足的光焦度)。这不像当前技术，其中当前技术产生对整个矫正具有正或者负SA的镜片和光学器件，或者在过渡区域有非球面性，某些示例性实施方式确保对于近距离和远距离矫正有相反符号的SA。
有些示例性镜片设计采用对患者球面像差的了解来创建双焦点/多焦点隐形眼镜、眼内透镜(IOL)和其它镜片设计，其中离焦鬼影图像的可见性被最小化。利用同时视觉双焦点矫正后的眼睛中的图像质量可以通过同时存在的聚焦图像的质量和散焦图像的特性来建模。视觉的SA可以包括到对这种相反符号SA发明的设计或实现中。
有些实施方式通过作为HOA等级与类型的函数改进散焦图像来改善同时视觉。在图3中，可以看到具有正SA的眼睛，具有正散焦(过多的光功率)的眼睛的视网膜图像与利用负散焦(不足的光功率)生成的图像大不一样。前者具有低对比度和模糊边缘，因而具有差的可见性，而后者会具有高对比度而且会由于图像中的相变而空间变形。用于同时视觉双焦点的一个示例性设计目标是使散焦图像具有低可见性。因而，对于具有典型等级的正SA的眼睛，新型镜片设计将确保当其在眼睛上时近距离光学区(当看远处物体时由于过多光焦度而散焦的区域)将具有正SA。而且，当镜片在眼睛上时，当镜片的远距离部分散焦(由于看近处物体时不足的光焦度)时，它将具有负SA。眼睛+镜片组合中SA的等级是眼睛和镜片所起作用之和。
利用计算光学工具，发明人利用示例性双焦点光学器件生成了眼睛的模拟视网膜图像。图4和图5中所示两个例子的比较显示了当散焦和SA的符号相同(图4)和相反(图5)时双焦点图像质量的差别。
图4例示了利用相同符号的散焦与球面像差生成的双焦点眼睛的模拟视网膜图像。散焦鬼影已经最小化而且几乎看不到。图5例示了利用相反符号的散焦与球面像差生成的双焦点眼睛的模拟视网膜图像。注意，散焦鬼影可以清楚地看到。随着CL、IOL或屈光手术或移植关于光瞳偏离中心，图5中所示鬼影的可见性将进一步增加。
通过控制远距离和近距离光学区中的SA，某些示例性实施方式将确保散焦和SA(或者其它类似的径向对称非球面性)总是具有相同的符号，并且因此鬼影将比利用相反符号的散焦与SA所获得的不可见(或者至少显著地不太明显)。这是通过把足够多的负SA引入远距离矫正并确保在近距离矫正中有足够的正SA来获得的。远距离和近距离处矫正中各自的负和正SA是当其在眼睛上时获得的，而且因此在需要时可以把眼睛固有的SA结合到设计中。结果产生的正和负SA的等级可以跨6mm直径的光瞳从小(例如，0.1微米)到大(例如，0.4微米)变化，但是可以缩放到任何光瞳大小并调整其等级，以便获得鬼影图像所需的可见性。在本文档中，我们使用术语SA来描述跨镜片或光瞳的光焦度中的径向对称变化。SA的例子可以是Seidel SA、Zernike SA或者任何其它作为与镜片或光瞳中心的距离的函数的光焦度逐步变化。这种变化可以通过构形光学表面、操纵折射率和操纵衍射双焦点中区分离与轮廓来产生。在一种实施方式中，如果光焦度随着与中心的距离而变得越来越正，则这种SA的符号定义为正，而如果光焦度随着与中心的距离而变得越来越负，则这种SA的符号定义为负。
某些示例性实施方式包括多焦点镜片设计，包括减少或最小化的幻影。有些实施方式包括隐形眼镜。有些实施方式包括IOL。有些实施方式包括眼科手术处置，而不是单独的矫正镜片。有些实施方式包括屈光手术矫正，例如LASIK矫正。有些实施方式包括单视觉矫正，而且这种形式的处置的变体常常称为修改后的单视觉。
某些示例性实施方式包括确定包括减少或最小化的幻影的多焦点处置的方法。有些实施方式包括眼镜镜片。有些实施方式包括隐形眼镜。有些实施方式包括IOL。有些实施方式包括眼科手术处置而不是单独的矫正镜片。有些实施方式包括LASIK处置。
附图和以上描述中具体例示和描述的本发明的实施方式是例示性的而不是限制性或约束性的。只是示出和描述了目前优选的实施方式，而且所有属于本发明范围的变化和修改都要受到保护。应当理解，以上所述实施方式的各个特征和方面可能不是必需的，而且缺少这些特征和方面的实施方式也是受保护的。在阅读权利要求的时候，当使用例如“一个”、“至少一个”或者“至少一部分”的词时，除非在所述权利要求中相反地特别声明，否则就不是要把所述权利要求限制到只有一个项。当使用语言“至少一部分”和/或“一部分”时，除非相反地特别声明，否则该项可以包括其一部分或者整个项。
本发明与所有在先发明的区别在于通过跨整个光瞳或单独的光学区引入正的或者负的SA来增加SA或者减小SA。具体而言，它需要远距离矫正和近距离矫正包含彼此相反符号的SA：在远距离矫正中使用负SA，在近距离矫正中使用正SA。
尽管已经参考优选和示例实施方式对本发明进行了描述，但是，本领域技术人员将理解，各种修改、添加和删除都在本发明的范围的之内，如以下权利要求所定义的。

Claims (16)

1.一种设计成针对老花眼和/或人工晶状体眼患者提供增加景深的眼科矫正，这种矫正包含设计成在视网膜上聚焦处于不同距离的物体的光焦度，以便最小化光的散焦部分的可见性。
2.一种方法，用于设计如权利要求1所述的眼科矫正。
3.如权利要求1所述的矫正，其中所述矫正是眼内透镜(IOL)。
4.如权利要求1所述的矫正，其中所述矫正是隐形眼镜(CL)。
5.如权利要求1所述的矫正，该矫正实现为屈光手术的一部分。
6.如权利要求1所述的矫正，该矫正实现为角膜移植(例如，角膜嵌入或者覆盖)的一部分。
7.如权利要求1所述的矫正，其中所述矫正是单视觉的形式。
8.一种眼科矫正，其在远距离和近距离矫正中采用相反符号的受控等级的SA或者其它径向对称光焦度变化。
9.如权利要求8所述的矫正，其中SA(或者其它径向对称光焦度变化)的符号对于近距离矫正为正，而对于远距离矫正为负。
10.如权利要求8所述的矫正，当与眼睛结合时，在远距离矫正中产生负SA，而在近距离矫正中产生正SA。
11.一种双焦点、三焦点或者多焦点眼科矫正，其通过结合负散焦和负SA及正散焦和正SA来减小散焦光的可见性。
12.如权利要求11所述的矫正，其中SA能被描述为Zernike SA、Seidel SA或者某种其它形式的径向对称光焦度变化。
13.如权利要求11所述的矫正，该矫正能包括非径向对称光焦度变化。
14.如权利要求11所述的矫正，该矫正能应用到双焦点、三焦点或者多焦点眼镜镜片或者屈光手术。
15.如权利要求11所述的矫正，该矫正能包括引入能跨6mm的光瞳由0.1微米至0.4微米的波前RMS幅度定义的SA的光焦度变化。
16.如权利要求15所述的矫正，该矫正能缩放到任何光瞳大小，而且采用所需的不同等级的SA来减小鬼影图像的可见性。
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