CN102695474A - 眼内透镜 - Google Patents
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Abstract
描述了一种眼内透镜，所述眼内透镜包括作为它一个面（21，145）的线性菲涅耳棱镜阵列，所述线性菲涅耳棱镜阵列具有相对于透镜的光轴成角度的刻面，从而将入射到其上的光偏移到离轴位置。刻面被修改以减小与菲涅耳棱镜关联的衍射效应和散光中的至少一中。具体地，通过改变跨阵列的棱镜元件的间距(x1，...,xn)（这可以包括改变它们的尺寸），可以减小或消除衍射光栅效应，使得光不被衍射到不期望的级中并且能够避免多重图像。此外，可以减小与衍射光栅效应关联的角色散。间距变化可以是随机的。通过改变跨阵列的刻面的角度，也可以补偿否则将由菲涅耳棱镜的存在而产生的散光。
Description
技术领域
本发明涉及眼内透镜（IOL），尤其涉及具有菲涅耳棱镜的改进型IOL，其能被用于减小与年龄相关的黄斑变性（ARMD）的影响。
背景技术
局灶性黄斑疾病（特别是ARMD）的治疗是一个很大问题。由于完整黄斑提供阅读、驾驶等（但不针对周边视觉）所需的视觉，因此对于黄斑变性没有有效治疗的事实意味着许多人将逐渐仅保留周边视觉。
为了解决该问题，已提出了应当在眼中通过手术重定位视网膜。更可行的解决方案是将凝视点的图像从黄斑光学地偏移到视网膜上存在有健康细胞的的点。尽管这些细胞可能不如黄斑细胞效果好，但是可以保留足够程度的视觉。
该方法尤其在US6197057中被提出。特别地，US6197057的图25、27、31和33各自公开了一种补充透镜，即，除了天然晶状体或双凸IOL以外提供的眼内透镜。所有这些图显示了作为常规棱镜的补充透镜。结果是图像移动远离黄斑。在说明书的其它地方，建议菲涅耳透镜应当用作补充IOL（第9栏第13行），并且也建议透镜应当为“菲涅耳形”（同样在补充透镜的上下文中）。不清楚应当采用什么形式的“菲涅耳形”透镜。
WO03/047466公开了一种包括菲涅耳棱镜的IOL。以该方式，IOL的聚焦能力可以由常规透镜提供，所述常规透镜被修改成使得光聚焦在不是黄斑的视网膜的（健康）部分上。这样的IOL可以用于减轻ARMD的影响。
然而，尽管在WO03/047466中公开的类型的透镜提供了实现光的期望偏移的紧凑手段，但是它导致一些不期望的光学效应，包括光学像差。因此，需要一种具有菲涅耳棱镜型透镜的优点、但是没有所述缺点的改进型IOL。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种具有光轴的眼内透镜，所述透镜包括作为它的一个面的菲涅耳棱镜，所述菲涅耳棱镜包括长形棱镜元件的阵列，所述棱镜元件沿着它们的长度彼此平行，每个棱镜元件具有长形刻面，所述长形刻面被定向成使得所述刻面的垂线与所述光轴成角度，
其中所述棱镜元件的阵列被配置成将入射到其上的光偏移到离轴位置，所述离轴位置位于由任意成角度刻面的垂线和所述光轴限定的平面内，
并且其中所述棱镜元件的间距和尺寸中的一个或多个跨所述阵列是非均匀的并且被选择成减小与所述棱镜元件的阵列关联的衍射光栅效应，由此入射到所述透镜上的光优先地被引导到零级衍射方向并且角色散减小。
本发明的这一方面源自观察到在WO03/047466中公开的类型的透镜具有归因于典型菲涅耳棱镜中的棱镜间隔的周期特性的非期望光学衍射光栅型效应。根据本发明，针对该问题的解决方案是一种眼内透镜，所述眼内透镜包括作为它一个面的线性菲涅耳棱镜，所述线性菲涅耳棱镜的刻面已被修改以减小该衍射效应。特别地，通过改变间距（可以包括改变棱镜元件的尺寸），可以减小或消除衍射光栅效应，使得光不被衍射到非期望的级中并且能够避免多个图像。此外，可以减小与衍射光栅效应关联的角色散。
应当注意本发明的透镜中的菲涅耳棱镜不构成菲涅耳透镜或波带片，并且棱镜元件的阵列本身没有圆形对称，但是透镜的其它方面可以具有圆形对称。本发明中的菲涅耳棱镜是位于透镜一个表面处的长形棱镜元件的线性阵列，这旨在偏移穿过透镜的光。在其它方面透镜可以在构造上更为常规，虽然各种构造都是可能的。
在优选实施例中，所述阵列中棱镜元件的间距和尺寸中的一个或多个已被随机化以减小衍射光栅效应。棱镜尺寸和因此棱镜间距的随机变化能够避免构造干涉效应，该构造干涉效应否则将导致光能被引导到衍射级而不是期望的零级中。
随机化可以是跨阵列类似的或者可以一个区域相比于另一个区域（例如在邻近光轴的阵列的区域中相比于远离光轴的区域）是不同的。在任何情况下，期望的是保证随机化存在于邻近光轴的区域以及遍及整个阵列。
优选地，所述阵列中棱镜元件的间距在50μm至500μm的范围内，棱镜元件的局部间距或间隔的变化或随机化导致间距位于该范围内。
在一些实施例中，优选的是所述阵列中的棱镜元件的间距的差异量在0μm至50μm的范围内。应当注意这是间距的变化，不是间距的绝对值。在其它实施例中，优选的是所述阵列中的棱镜元件的间距的差异量在0μm至130μm的范围内。假如棱镜元件的相应尺寸与给定的应用和制造技术兼容，更大的变化可以更有效地减小衍射光栅效应并且是期望的。
不希望受到理论约束，当棱镜用于会聚光束时，它将光学像差加入光束（散光和彗差）。单棱镜和菲涅耳棱镜阵列同样如此。散光导致会聚光线的径向和切向焦点的分离。所以，偏移平面中的光线现在来到比正交平面中的光线更靠近IOL的焦点。所以也期望补偿该散光。
所以，在本发明的一些实施例中优选的是棱镜元件的刻面角度跨所述阵列是非均匀的并且被选择成补偿否则将由于所述菲涅耳棱镜的存在而产生的散光。棱镜角度可以跨透镜的直径变化，这能防止发生在会聚光中的棱镜聚焦能力增加。改变该角度还能具有附加效应。如果单独的棱镜的每一个具有取决于将射中它的光线的预测角调节的略微不同的角度，则有可能保证离开每个棱镜表面的所有光线会聚在单个点，由此校正散光。
应当注意，尽管已在本发明的第一方面的上下文中论述了棱镜刻面角度的变化或调谐，但是该特征可以在包括菲涅耳棱镜的IOL的上下文中得到独立应用。
根据本发明的第二方面，提供了一种具有光轴的眼内透镜，所述透镜包括作为它一个面的菲涅耳棱镜，所述菲涅耳棱镜包括长形棱镜元件的阵列，所述棱镜元件沿着它们的长度彼此平行，每个棱镜元件具有长形刻面，所述长形刻面被定向成使得所述刻面的垂线与所述光轴成角度，
其中所述棱镜元件的阵列被配置成将入射到其上的光偏移到离轴位置，所述离轴位置位于由任意成角度刻面的垂线和所述光轴限定的平面内，，
并且其中所述棱镜元件刻面的角度跨所述阵列是非均匀的并且被选择成补偿否则将由于所述菲涅耳棱镜的存在而产生的散光。
优选地，所述刻面角度跨所述阵列的至少一部分单调变化以补偿所述散光。
在一个特定实施例中，所述刻面角度在37.5至38.5度的范围内，虽然可以根据具体应用使用任何其它合适的角度或角度范围。平均刻面角度将大体上由当植入患者的眼睛中时需要菲涅耳棱镜提供的角度偏差确定。这又将由对视网膜上存在健康细胞并且凝视点的像将从黄斑偏移到其上的点的选择来确定。包括变化范围的刻面角的变化将在很大程度上由补偿否则将由菲涅耳棱镜的存在而产生的散光的要求确定。
在进一步优选的实施例中，本发明的眼内透镜还包括复曲面透镜表面。这可以校正棱镜能力增加。通过预先计算在一个轴上由后棱镜表面增加的附加聚焦能力，可以使光学前表面在两个轴上具有正确的屈光能力，也就是说复曲面表面在光束偏移轴上具有更小的屈光能力。复曲面透镜表面可以与本发明的第一和第二方面中的任一或两者组合使用。
所述棱镜元件可以形成于平面表面上。作为替换，所述棱镜元件可以形成于非平面或弯曲表面上。
菲涅耳棱镜部件本身可以具有各种合适的设计中的任何一种。这些设计包括平面（平盘）、圆柱形（弯曲盘）和球形（弯月形盘）。
优选地，在本发明的IOL中，当使用时，所述菲涅耳棱镜位于前表面上。在该实施例中，聚焦能力增加不是很大，原因是棱镜表面在较小的会聚光束中。
透镜能以任一定向用于眼内，但是通常优选的是平滑面应当面对后囊。可以通过用半透明材料覆盖透镜具有菲涅耳棱镜的所述面而使其平滑。
在本发明中使用的透镜可以具有常规尺寸并且可以由任何合适的材料制造。这类透镜的一般特性是已知的。透镜可以由刚性或可折叠材料制造。合适的材料是用于眼内透镜的材料并且包括含有丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯（例如聚甲基丙烯酸甲酯）和硅酮弹性体（例如聚二甲基硅氧烷）的疏水性和亲水性聚合物。
必要时或根据需要，本发明的透镜可以包括一个、两个或更多个触件。众所周知，它们可以在透镜的周边附连到透镜的主体，并且可以径向地或切向地延伸。
在本发明中使用的透镜将通常仅仅具有一种能力。可以产生一系列透镜，每个透镜具有不同的能力。作为替换，补充透镜的包括可用于实现每只眼睛的正确屈光能力。
根据本发明的第三方面，提供了根据第一或第二方面的眼内透镜和第二眼内透镜的组合。
优选地，所述第二透镜具有复曲面形状以补偿所述透镜组合中的散光。
根据本发明的第四方面，提供了一种用于治疗需要改变聚焦像位置的黄斑状况的方法，所述方法包括用根据本发明的第一或第二方面的透镜或根据本发明的第三方面的透镜组合代替患者的晶状体。
根据本发明的第五方面，提供了一种用于治疗需要改变聚焦像位置的黄斑状况的方法，所述方法包括将根据本发明的第一或第二方面的透镜或根据本发明的第三方面的透镜组合植入患者眼内以作为患者的晶状体或现有眼内透镜或透镜组合的补充。
本发明的第四和第五方面的方法在所述黄斑状况是与年龄相关的黄斑变性的情况下是尤其适用的。
在摘除晶状体之后，本发明的透镜可以用于治疗需要改变视网膜上的聚焦像位置的任何黄斑状况。该透镜特别有用于ARMD的治疗。通过用这样的透镜代替晶状体/IOL加上US6197057的图25、27、31和33中所示的补充透镜可以发挥它的功能。
本领域的技术人员将领会，本发明提供了基于菲涅耳棱镜的IOL的大幅改进的设计，并且解决了可能在已知菲涅耳棱镜眼内透镜中出现的许多问题。而且，菲涅耳棱镜阵列中的棱镜元件的优化设计与其它透镜表面的精细设计一起允许定制用以植入患者眼内的高性能透镜。
附图说明
现将参考附图详细描述本发明的例子，其中：
图1是包括菲涅耳棱镜的IOL的示意性横截面图；
图2A和2B分别显示了眼内透镜布置的侧视图和俯视图示意图，图中示出了由如图1中所示的IOL导致的光学像差；
图3A和3B分别显示了眼内透镜布置的侧视图和俯视图示意图，所述透镜布置包括根据本发明的菲涅耳棱镜IOL；
图4是用于模拟包含IOL的眼并测试光学透镜性能的光具座系统的示意图；
图5A和5B显示了使用图3中的系统获得的测试目标的CCD图像，其中IOL分别是本发明的PMMA 26.5D标准球面透镜和22D透镜；
图6A和6B显示了例示有使用带通滤光器将穿过透镜的波长范围限制到约10nm的结果的图像。在图6B中除了背景室内照明以外还用激光光斑照明测试目标；
图7A示出了源自两个点源的波阵面之间的干涉，其指示了结构干涉的角度；
图7B显示了图7A的布置中的屏幕上的强度分布图的例子；
图8A显示了假设均匀衍射效率下用于以51微米规则地间隔且波长为546nm的100个发射器的角度空间中的算出的干涉图案；
图8B显示了图8A的算出的干涉图案，其中估计的衍射效率曲线应用于数据；
图9A显示了与图8A算出的干涉图案相对应的算出的干涉强度分布图，但是发射器间隔随机化达到+20微米（即，51至71微米）；
图9B显示了与图8A算出的干涉图案相对应的算出的干涉强度分布图，但是发射器间隔随机化达到+50微米（即，51至101微米）；
图10A和10B分别显示了根据本发明的菲涅耳棱镜透镜的平面图和侧视图；
图10C和10D显示了分别具有均匀的棱镜高度和间距以及具有变化的棱镜高度和间距（如表2中给出的间隔Xn）的图10B的菲涅耳棱镜透镜的放大部分；
图11显示了使用图4中所示的系统的测试目标的CCD图像，其中IOL使用具有如表2中给出的棱镜间隔Xn的随机棱镜间隔22D透镜（图像也包括激光指示器光斑）；
图12A显示了具有在130微米至260微米的范围内随机化间隔的棱镜的任何阵列的算出的干涉强度分布图；
图12B显示了来自图12A的中心3mm，突出显示了最近旁瓣的显著强度（达到~50%）；
图13A和13B显示了类似于图12A和12B的计算的结果，但是具有在中心3mm中的更大随机化并且突显出明显旁瓣结构的相对缺乏；
图14A示出了通过具有根据本发明的21D IOL的模拟眼的光线跟踪，所述IOL具有在根据表3的130μm至260μm的范围内的随机棱镜间隔和前复曲面表面；
图14B显示了通过图14A中所示的系统成像的字母“F”的图像质量；
图14C和14D显示了图14A的光线跟踪系统的点列图；以及
图15A、15B和15C显示了使用图4中所示的系统获得的测试目标的CCD图像，其中所使用的IOL分别是根据本发明的PMMA 26.5D标准球面透镜、具有机械加工规则间隔的21D菲涅耳棱镜透镜和具有机械加工随机间隔和复曲面前表面的21D菲涅耳棱镜透镜。
具体实施方式
现在将仅参考附图通过例子说明本发明。图1包括常规透镜10的基本一半，其具有弯曲表面11和呈菲涅耳棱镜形式的相对表面12。菲涅耳棱镜实质上是在一个方向上具有恒定轮廓并且在正交方向上具有调制轮廓的棱镜元件的线性阵列。如图1中所示，菲涅耳棱镜表面的调制可以采用锯齿的形式，每个棱镜元件具有实质平行于透镜的光轴的一个刻面和相对于光轴成角度的一个刻面。
图2A和2B显示了通过置于示意性眼20内的图1中所示类型的菲涅耳棱镜眼内透镜21跟踪的光线24，并且示出了由棱镜眼内透镜导致的光学像差。所示的IOL包括球面透镜表面（面对眼角膜22的表面）和菲涅耳线性棱镜阵列（面对视网膜23的表面）。阵列中的棱镜元件的成角度刻面被配置成将入射在其上的光偏移到离轴位置，所述离轴位置位于由光轴和垂直于成角度刻面的线限定的平面中。因此，在该平面中入射在透镜上的光线将因此被偏移，而在与此正交的平面中入射在透镜上的光线将不被偏移。
图2A显示了后一种情况，其中光线聚焦到视网膜的未偏移点25并且位于光轴上。相比之下，图2B显示了前一种情况，其中光线朝着视网膜上的离轴点26偏移。而且，由于由菲涅耳棱镜引起的散光，在该平面中的光线实际上会聚到不位于视网膜上的点27。如图2B中所示，光线会聚在视网膜之前，由此导致散光像差和眼感知图像锐度的缺失。这是由于正交方向的不同焦距，在图像偏移平面中具有更短的焦距（更高的屈光能力）。
应当注意如果互换眼内透镜表面，将发生类似的像差。而且，应当注意如果IOL在眼内旋转，则以上限定的两个平面也将旋转相同的量。因此，透镜的定向确定光由菲涅耳棱镜偏移的方向，并且这可以根据视网膜上的离轴点进行选择，所述离轴点已考虑到患者ARMD预先确定为合适。
图3A和3B显示了对应于通过示例眼跟踪的图2A和2B的光线，但是其中散光已被校正或补偿。这可以使用根据本发明（特别是本发明的第二方面）的棱镜眼内透镜实现，由此前光学表面和/或棱镜刻面已被修改以校正散光。图3A实质上直接对应于图2A，而图3B对应于图2B，但其中散光被校正。如图3B中所示，正交平面中的光线现在会聚到视网膜上的单个偏移点26。
除了光学像差的问题以外，还存在由与元件阵列的存在相关联的光学效应，其中该元件阵列的尺寸和间隔与光的波长近似或更小。不希望受到理论约束，图1中所示的透镜具有菲涅耳棱镜表面的棱镜元件的规则间隔。因而，元件的阵列表现得很像高闪耀角传播衍射光栅。
衍射光栅效应对图像有两个主要影响：a）归因于衍射角对波长的敏感性的角色散；以及b）来自不同衍射级的多重图像。每一级的角分离由m.λ＝n.d.sinθ给出，其中m是衍射级，λ是光的波长，n是周围介质折射率，d是光栅间隔，而θ是衍射角。所以本发明的一个目的在于去除或减轻衍射光栅效应，并且由此可以增加图像质量并且多重图像被避免或减小到不可觉察的低强度水平。有多种方式可以实现这一目的。
为了模拟使用本发明的IOL的性能，针对计算预期性能目的必须开发菲涅耳棱镜透镜的模型以及用于模拟IOL在患者眼内性能的光具座系统，由此可以执行典型成像测试。这样的工具将允许常规菲涅耳棱镜IOL的性能被分析作为基线测量并且然后与根据本发明的改进型菲涅耳棱镜IOL的性能比较。
多种实验技术用于研究菲涅耳棱镜IOL。Nickon显微镜用于视觉检查棱镜结构。激光光斑成像（使用532nm激光）允许衍射效应的实验显示以确定菲涅耳棱镜IOL的衍射水平。如下面将描述，具有成像CCD照相机的模型“眼”允许模拟并且质量评估图像形成。最后，带通滤波器（中心在546nm的10nm带通）的使用允许显著地减小进入模拟眼的波长范围，由此允许观察并且分离单色和多色效应。
图4显示了开发用于模拟包含IOL 41的眼40的光具座系统。透镜42被设计成角膜的性态，而CCD照相机43表示视网膜。菲涅耳棱镜透镜41布置在包含盐溶液45的光室44内。使用该系统，可以对意外视觉伪象的可能原因进行测试和实验。还可以获得类似于投射到患者视网膜上的图像。
图5A和5B显示了使用包括具有均匀间距的菲涅耳棱镜的图1中所示类型的IOL记录在处于约10m距离处的CCD照相机上的测试目标（高度大约为250mm的字母“F”）的图像。在研究之后发现图像质量差的原因是双重的，即，由棱镜的色散导致的多色像差和由棱镜刻面的近间隔和角度导致的衍射。通过限制允许通过系统的颜色的范围能够测试由菲涅耳棱镜IOL引起的衍射和多色像差两者。在图6A和6B中显示了结果。使用单色光源（激光）执行附加测试。这证明透镜的成像质量减小了任何多色效应，但是仍然具有任何衍射问题。图6A显示了在各种测试条件下获得的图像。
从图6A清楚看到透镜的成像质量是可接受的，字母“F”和总体背景对象清楚地可见。双图像是由于衍射，并且这在图6B中被确认，其中单照明激光光斑被衍射为在CCD照相机的成像平面（患者视网膜）的多个光斑（在F正下方）。所以，如果可以控制色散和衍射，则透镜的光学性能对于预期目的将是完全可接受的。
实际上，一定水平的衍射可以被容忍，原因是当与视网膜上的图像的剩余部分比较时如果附加图像低于某个强度，实际人眼中的视网膜将简单地忽视该附加图像。而且，在应用于实际患者之前，将需要关于视网膜的视觉灵敏度与离视轴的距离的关系的附加信息。特别地，在黄斑变性的范围和变性是否稳定方面了解患者状况。理想地，菲涅耳棱镜IOL将被设计成用于尽可能小以保证最佳视觉灵敏度的图像偏移。
非常基本的衍射计算（棱镜间隔处的明和暗条）暗示周期性菲涅耳棱镜阵列的衍射效率将很低，例如相比于（零）0级在+1衍射级中能量小106倍，并且因此衍射可能不是显著问题。然而，如上所述，最初实验结果表明衍射发生在常规菲涅耳棱镜IOL中并且在衍射光中存在有显著能量。在这方面，注意到衍射光栅的一个很重要的衍射效率参数是光栅闪耀角。在受测试的菲涅耳棱镜IOL中，棱镜面或等效的光栅刻面被设定成大约40度。该高闪耀角将迫使能量进入更高的衍射级，如上所述。
为了支持该理论，模拟基于在以下文献中公式化的耦合波模型使用衍射计算执行：M.G.Moharam,E.B.Grann,D.A.Pommet和T.K.Gaylord的"Formulation for stable and efficient implementation ofthe rigorous coupled-wave analysis of binary gratings,"J.Opt.Soc.Am.A,vol.12,pp.1068-1076,May 1995,以及M.G.Moharam,E.B.Grann,D.A.Pommet和T.K.Gaylord的"Stable implementation ofthe rigorous coupled-wave analysis of surface-relief gratings:enhanced transmittance matrix approach,"J.Opt.Soc.Am.A,vol.12,pp.1068-1076,May 1995.
在表1中根据衍射到指定级中的光的百分比（衍射效率）示出了计算的结果。如所示，取4度的入射光线角（633nm），衍射效率最高大约为-10级。
表1
| 衍射级 | 效率% |
| -12 | 4 |
| -11 | 45 |
| -10 | 30 |
| -9 | 4 |
还应注意两个衍射级之间的能量的显著分离。如先前所述，每一级的角分离由m.λ＝n.d.sinθ给出，其中m是衍射级，λ是光的波长，n是周围介质折射率，d是光栅间隔，并且θ是衍射角。该计算似乎很好地对应于激光（532nm）光斑图像，如图6B中所示。光斑间隔48像素，这与5.6微米的CCD像素大小一起暗示0.27mm的衍射级间隔。在532nm的波长下，-10级和-11级之间的理论分离为0.82度。基于从透镜的背面至CCD芯片的17mm的大致距离，计算预期间隔为17*Sin0.82=0.24mm，这很接近测得值。
衍射效率也对射中棱镜的光线的入射角敏感。当透镜在囊袋中时，棱镜表面将暴露于由瞳孔尺寸和透镜焦距（即，大致是从棱镜表面至视网膜的距离）确定的角度范围。该角度范围将在一定范围的衍射级上将光散开。衍射角也对波长很敏感。所以，即使入射多色光以单一角度射中棱镜表面，光也将在视网膜多色分离。这导致视网膜上的很模糊图像，如图5B中所示。所以，需要去除或减小衍射效应的棱镜透镜设计。根据本发明，提出了随机棱镜间隔将去除均匀间隔棱镜的组合衍射效应。
该研究需要棱镜表面的若干不同设计以允许对衍射效应进行比较。棱镜透镜通常从PMMA压缩模塑，虽然生产模具的高成本使该工艺对于测试样品量来说是昂贵的。用于在车床上生产线性结构的一种替代方法是使用飞刀配置（其中切割工具安装在车床主轴上并且工件附连到床）。
在棱镜表面处的衍射将产生多个输出光束。在具有零衍射效率的理想情况下将仅有单个输出光束，并且该光束将以由棱镜角度以及光学器件和周围介质的折射率确定的角度偏离输入光束。当衍射效率增加时，在中心非衍射光束的任一侧将有可觉察的附加光束并且当衍射效率继续增加时附加光束中存在的能量将增加。
为了研究菲涅耳棱镜表面的性态，相对简单模型适合于模拟干涉效应，其中棱镜元件的阵列被建模为一组离散球面波发射器或点源，各自位于一个棱镜面的中心。该模型不包含衍射理论，但是被选择作为简单和快速的测试模型以研究随机化棱镜间隔对点源的结构干涉的影响。图7A仅仅在二维中用两个点源或发射器示出了该模型的基本原理。如果屏幕放置在图像的右侧，则将看到一系列光和条纹，如图7B中所示。
使用具有均匀棱镜尺寸和间隔的菲涅耳棱镜阵列的设计作为开始点，并且将点源发射器放置在每个棱镜面的中心处，我们得到6mm的光学器件直径和0.04mm的棱镜深度以及38度的棱镜面角度。这提供从0.04/arctan(38°)算出的0.051mm的棱镜间隔。这对应于从6mm/0.051mm算出的跨光学器件的约118个棱镜。所以，使用在空气中并且以51微米间隔的100个发射器针对546nm的波长执行最初模拟。在相距源平面某一距离处算出的角度强度分布在图8A中显示。在该计算中，不考虑详细衍射理论并且计算完全基于干涉模型。
在图8A中可以看到，存在有规则的明暗条纹图案，每个明亮区域中具有相等的强度。然而，如上所述，该计算不考虑引起变化的衍射效率的衍射效应。对于考虑中的衍射情况，衍射效率将具有钟形曲线，该钟形曲线将限制衍射光束中的能量分布。所以，将此类估计的衍射效率曲线应用于图8A的结果将导致分布更接近地类似于图8B，其中旁瓣的强度逐渐减小。
现在，重新计算图8A的干涉分布图，但是发射器间隔随机化达到+20微米，在图9A中可以清楚地看到旁瓣的强度（0度的任一侧）大大减小。如果该随机化间隔进一步增加，随机化达到+50微米，使得每个棱镜与相邻棱镜的间隔可以取从51微米至101微米的任何值，则在0度的任一侧的侧条纹中的强度几乎减小到零，如图9B中所示。这意味着通过将随机化棱镜间隔应用于IOL中的菲涅耳棱镜，即使不完全消除也可以大大减小衍射效应。
具有类似于图1的表面轮廓的周期性和随机化结构在基本最初测试中被切割成PMMA。用激光照射两个光学器件并且在白色屏幕上成像最后产生的输出光。在两种情况下正如所料观察到两个不同的光斑，但是在两种情况下也有可觉察的散射光。尽管由于激光束所照射的少量槽和相应结构的质量而难以感觉明确差异，但是规则间隔光学器件散射似乎包含更多的结构，这指示干涉和衍射效应。
下一步骤是使用飞刀布置获得在PMMA中机械加工的高质量棱镜表面。制造是两步法工艺。首先机械加工弯曲透镜表面，并且再封闭医用级PMMA部分（在标准填蜡嵌入物中）。然后对第二侧进行造型以留下棱镜结构可以在其中进行机械加工的升高中心直径。然后转移仍然保持在坯件中的PMMA部分以进行棱镜机械加工。
当压缩模塑早期的棱镜透镜时，使用飞刀布置从PMMA机械加工两个透镜设计。一个设计包括规则棱镜间隔，与压缩模塑透镜一样。这样生产允许两个不同制造工艺之间的比较并且保证经机械加工的规则间隔棱镜透镜具有与受测试的模塑透镜相同的光学效应。第二设计包含随机化棱镜间隔，间隔以51μm+(0μm至50μm)的量变化，即，棱镜间隔ΔX在51μm≤ΔX≤101μm的范围内变化。表2A和2B列出了用于阵列中的棱镜X1至X100的实际棱镜间隔Xn。然后使用模型模拟计算间隔和最后产生的干涉图案旁瓣强度。
由于自由度对车床/飞刀上的自动调节可用，因此切割深度保持恒定。所以，当棱镜间隔变化时，棱镜高度因此变化。也就是说，每个棱镜的基部位于相同高度处，并且因此顶点高度随着间距而变化。最后产生的菲涅耳棱镜透镜的例子在图10A至10D中示出。应当注意在这些图中指定的尺寸仅仅是特定配置的举例说明并且可以取其它合适的值。图10A和10B分别显示了所制造的菲涅耳棱镜的平面图和侧视图。图10C显示了来自图10B的细节A的放大形式，示出了具有均匀棱镜元件和间距的棱镜阵列。相比之下，图10D示出了相同棱镜阵列的部分，但是具有根据本发明的实施例的随机化间距。间距Xn以表2A和2B中列出的方式变化，并且棱镜刻面的角度被设定成38.0±0.5°，如所示。
再次地，使用参考图4所述的光具座布置测试透镜。使用测试目标（即，字母F）研究总成像质量并且用单色光研究衍射效应。再次使用限制通过光学器件的波长范围的窄带滤波器研究光学器件的色散。
图11显示了从具有表2中列出的随机化棱镜间隔的菲涅耳棱镜IOL获得的结果图像。尽管得到改善，但是图像质量不如预料中改善得那么大，并且因此回看模型。复查模型显见的是使用所有发射器计算干涉强度。对归因于所有发射器波的效果进行组合的效果可能导致相消干涉，而例如挑选中心的20个发射器可能仍然提供结构干涉，当使用更多的发射器时该结构干涉由增加的总照度掩蔽。所以，使用先前的理论模型，但是考虑在中心3mm直径区域内的棱镜表面并且复查干涉效应，可觉察的结构的确是明显的。所以模型被改进以包含针对在中心3mm直径区域中的发射器的附加计算。
模拟然后重复地进行，同时监测整个表面和仅仅中心3mm直径的干涉。附加要点在于为模型调整棱镜（发射器）的数量，使得由棱镜覆盖的总距离与将在其上机械加工它们的光学器件的区域相匹配。这保证模型的中心3mm匹配‘实际透镜’的中心3mm。图12A和12B以及图13A和13B显示了来自该研究的模拟结果并且证明需要特别关注在中心3mm直径区域上的棱镜间隔。
在图12B中有在大约0.2和0.5度可见的清楚结构干涉峰值，在图12A中所示的总表面绘图中不太明显。所以，如上所指示，使用相同的方法重复计算，但是集中于在中心3mm区域中的随机化。在图13A和13B中显示了结果。从图13B可以看到，相比于图12B中所示的结果，中心3mm区域呈现更大的‘随机化’，这去除了任何可觉察的干涉峰值。
从上述工作可以看出，并且正如所料，观察到的衍射效应对于具有更大关联随机化间隔的更大棱镜来说更低。所以，为了改善本发明的菲涅耳棱镜IOL的性能，下一步是研究具有130微米棱镜间距和达到130微米间距随机化的21D棱镜透镜设计。在表3A-3D中给出了用于相邻棱镜X1-X40的确切棱镜间距。此外，在该改进设计中，复曲面透镜（-5.5D）也被放置在棱镜透镜的正前方以提供附加校正并且去除由在会聚光束中操作的棱镜表面引起的附加聚焦能力的影响。-5.5D被对准以在与棱镜偏移相同的平面中作用。对于最后IOL，复曲面表面将包括在IOL光学器件中，使得前表面将是平行于棱镜划线的21D和垂直于棱镜划线的15.5D。
图14A使用Zemax跟踪软件示出了通过具有以上IOL的完整模拟眼的这一设计的光线跟踪140。在该模拟中，角膜为7.8mm（k=-0.5）前（显示为141）和6.7mm（k=-0.3）后（显示为142）。模拟基于由具有折射率n=1.4915的PMMA材料制造的IOL 143。复曲面前表面（显示为144）具有曲率半径R1=7.4mm和R2=10.0mm，Ct=0.80mm，并且后表面（显示为145）是平的，具有带有表3中详述的间隔的菲涅耳棱镜结构。该设计导致21D透镜，具有平行于偏移平面的有效15.5D（-5.5D），以计及会聚光线中的棱镜表面的额外聚焦能力。
图14B使用Zemax软件显示了通过图14A的系统的字母“F”的光线跟踪图像，而图14C和14D显示了关联的点列图。使用光具座模型眼测试设备观察到的通过改进透镜的字母F的实际图像在图15C中被显示。为了比较，图15A显示了由PMMA 26.5D标准球面透镜产生的图像并且图15B显示了由具有经机械加工的规则间隔的21D菲涅耳棱镜透镜产生的图像。
明显地，尽管由具有复曲面前表面的随机化菲涅耳棱镜阵列IOL产生的图像质量不如由常规球面透镜产生的那么好，但是它远远优于规则间隔的菲涅耳棱镜阵列IOL。而且，通过比较图11可以看到，它优于具有更小棱镜尺寸和间距并且没有复曲面前表面的先前所述的随机化菲涅耳棱镜阵列IOL。尽管图像质量的一些改善归因于复曲面表面，但是大部分改善（优于图11）是由于更大的棱镜间隔和随机化。
因此，已证明在具有随机化棱镜间隔的根据本发明的IOL中，图像质量相比于已知的菲涅耳棱镜IOL设计大为改善。当增加复曲面透镜或透镜表面时，图像质量进一步改善，并且散光像差几乎被消除。在根据本发明的菲涅耳棱镜IOL的一些设计中，这样的复曲面表面可以由阵列中的棱镜的刻面角的适当变化补充或替换，使得否则将由棱镜元件引起的散光被补偿。
根据本发明的菲涅耳棱镜IOL的改善图像质量使这类透镜成为用于手术治疗黄斑变性状况（包括与年龄相关的黄斑变性（ARMD））的很有希望的候选。通过允许图像形成点偏移到视网膜的健康部分，透镜的精细设计允许为具有这类状况的患者的治疗生产定制透镜，同时保持在偏移位置处的高质量图像形成。
表2A 表2B
表2C 表2D
表3A 表3B
Claims (22)
1.一种具有光轴的眼内透镜，所述透镜包括作为它一个面的菲涅耳棱镜，所述菲涅耳棱镜包括长形棱镜元件的阵列，所述棱镜元件沿着它们的长度彼此平行，每个棱镜元件具有长形刻面，所述长形刻面被定向成使得所述刻面的垂线与所述光轴成角度，
其中所述棱镜元件的阵列被配置成将入射到其上的光偏移到离轴位置，所述离轴位置位于由任意成角度刻面的垂线和所述光轴限定的平面内，
并且其中所述棱镜元件的间距和尺寸中的一个或多个跨所述阵列是非均匀的并且被选择成减小与所述棱镜元件的阵列关联的衍射光栅效应，由此入射到所述透镜上的光被优先引导到零级衍射方向并且减小角色散。
2.根据权利要求1所述的透镜，其中所述阵列中的棱镜元件的间距和尺寸中的一个或多个已被随机化以减小衍射光栅效应。
3.根据权利要求2所述的透镜，其中所述随机化在所述阵列的邻近所述光轴的区域中相比于远离所述光轴的区域是不同的。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的透镜，其中所述阵列中的棱镜元件的间距在50μm至500μm的范围内。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的透镜，其中所述阵列中的棱镜元件的间距的差异量在0μm至50μm的范围内。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的透镜，其中所述阵列中的棱镜元件的间距的差异量在0μm至130μm的范围内。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的透镜，其中棱镜元件的刻面角度跨所述阵列是非均匀的并且被选择成补偿否则将由于所述菲涅耳棱镜的存在而产生的散光。
8.根据权利要求7所述的透镜，其中所述刻面角度跨所述阵列的至少一部分单调变化以补偿所述散光。
9.一种具有光轴的眼内透镜，所述透镜包括作为它一个面的菲涅耳棱镜，所述菲涅耳棱镜包括长形棱镜元件的阵列，所述棱镜元件沿着它们的长度彼此平行，每个棱镜元件具有长形刻面，所述长形刻面被定向成使得所述刻面的垂线与所述光轴成角度，
其中所述棱镜元件的阵列被配置成将入射到其上的光偏移到离轴位置，所述离轴位置位于由任意成角度刻面的垂线和所述光轴限定的平面内，
并且其中所述棱镜元件刻面的角跨所述阵列是非均匀的并且被选择成补偿否则将由于所述菲涅耳棱镜的存在而产生的散光。
10.根据权利要求9所述的透镜，其中所述刻面角度跨所述阵列的至少一部分单调变化以补偿所述散光。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的透镜，其中所述刻面角度在37.5至38.5度的范围内。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的透镜，其中所述棱镜元件形成于平面表面上。
13.根据权利要求1至11中的任一项所述的透镜，其中所述棱镜元件形成于非平面表面上。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的透镜，还包括覆盖所述一个面的材料，由此提供平滑表面。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的透镜，其中所述透镜的另一个面包括复曲面形状以补偿由所述菲涅耳棱镜面引起的散光。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的透镜，其中所述透镜被配置成在使用时所述菲涅耳棱镜位于前表面上。
17.根据前述权利要求中的任一项所述的透镜，其中所述透镜还包括在所述透镜的周边附连到所述透镜的一个或多个触件。
18.根据前述权利要求中的任一项所述的眼内透镜和第二眼内透镜的组合。
19.根据权利要求18所述的组合，其中所述第二透镜具有复曲面形状以补偿所述透镜组合中的散光。
20.一种用于治疗需要改变聚焦像位置的黄斑状况的方法，所述方法包括用根据权利要求1至17中的任一项所述的透镜或根据权利要求18或19所述的透镜组合代替患者的晶状体。
21.一种用于治疗需要改变聚焦像位置的黄斑状况的方法，所述方法包括将根据权利要求1至17中的任一项所述的透镜或根据权利要求18或19所述的透镜组合植入患者的眼睛中以作为患者的晶状体或现有眼内透镜或透镜组合的补充。
22.根据权利要求20或权利要求21所述的方法，其中所述黄斑状况是与年龄相关的黄斑变性。
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