CN104755012B - 用于扩展焦深的多环晶状体、系统和方法 - Google Patents

用于扩展焦深的多环晶状体、系统和方法 Download PDF

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Abstract

用于提供在宽的和扩展的聚焦范围内提高图像质量的系统和方法，其包含视力治疗技术和诸如隐形眼镜和人工晶状体(IOL)的眼科晶状体。示例性IOL光学元件可包括施加于第一或第二晶状体表面上的非球面折射剖面，以及施加于第一或第二晶状体表面上的衍射剖面。该非球面折射剖面可将光向远焦点聚焦。衍射剖面可包括向远焦点分配光的第一百分比以及向中间焦点分配光的第二百分比的中心区。衍射剖面还可包括环绕该中心区的外围区，该外围区向远焦点分配光的第三百分比以及向中间焦点分配光的第四百分比。

Description

用于扩展焦深的多环晶状体、系统和方法
相关申请的引用
本申请根据35U.S.C§119(e)要求在2012年8月31日以相同标题提交的美国临时申请号61/695,806的优先权。本申请与2010年12月17提交的美国专利申请号12/971,607、现在是2013年7月9日颁布的美国专利号8,480,228相关，该专利要求2009年12月18日提交的美国临时专利申请号61/288,255的优先权权益。此外，本申请与2010年12月7日提交的下列申请相关：Single Microstructure Lens,Systems And Methods，美国专利申请号12/971,506、现为2013年4月30颁布的美国专利号8,430,508；Ophthalmic Lens,Systems AndMethods With Angular Varying Phase Delay,美国专利申请号：12/971,889、现为2013年5月21日颁布的美国专利号8,444,267；以及Ophthalmic Lens,Systems And MethodsHaving At Least One Rotationally Asymmetric Diffractive Structure，美国专利申请号61/424,433。本申请也与2008年4月24日提交的下列相关：美国专利申请号61/047,699和12/109251，现为2011年1月18日颁布的美国专利号7,871,162；2009年4月23日提交的12/429,155，现为2012年7月31日颁布的美国专利号8,231,219；2009年2月17日提交现放弃的12/372,573；2008年8月23日提交的12/197,249；2008年4月13日提交的12/120,201，以及2010年4月30日提交的12/771,550。而且，本申请与美国专利号6,830,332和7,896,916相关。上述文献中每个文献的全部公开被并入本文，仅供参考。全巴黎公约优先权特此被明确保留。
技术领域
本发明的实施方式涉及视力治疗技术，以及具体地，涉及眼用晶状体(眼用透镜，ophthalmic lens)诸如，例如隐形眼镜、角膜嵌体或高嵌体或人工晶状体(IOL)，IOL包括例如有晶体眼的IOL和背驮IOL(即，在已经有IOL的眼睛中植入的IOL)。
背景技术
老花眼(老视眼，远视眼，Presbyopia)是影响眼睛的适应特性的状况。在物体向年轻的功能正常的眼睛靠拢时，睫状肌收缩和悬韧带松弛的效应允许眼睛的晶状体改变形状，并从而增加其光焦度和聚焦近距离的能力。这种适应允许眼睛在近处物体与远处物体之间聚焦和再次聚焦。
老花眼一般随着一个人的年龄发展，并与适应的自然逐渐丧失有关。老花眼睛往往失去在不同的距离快速并轻松再次聚焦物体的能力。老花眼的效应通常在45岁以后变得明显。到65岁的年龄时，晶状体往往失去了几乎所有的弹性并只限于改变形状的能力。
随着眼睛适应性的下降，年龄也可能由于白内障的形成诱发晶状体混浊。白内障可在晶状体的硬中心核中、在晶状体的柔软外围皮质部中或者在晶状体的背面形成。白内障可通过用人造晶状体更换混浊自然晶状体来治疗。人造晶状体更换眼睛中的自然晶状体，人造晶状体往往被称为人工晶状体或“IOL”。
单焦点IOL旨在仅在通常是远焦点的一个距离提供视力矫正。预测用于植入的最合适IOL焦度的精确度有限，并且不适当的IOL焦度会给患者留下残余的屈光手术。因此，已接收IOL植入的患者可能有必要也佩戴眼镜，以达到良好的远距视力。最起码，因为单焦点IOL提供仅在一个距离的视力治疗并且因为典型矫正用于远距离，眼镜对良好的近视力和有时候中间视力通常是需要的。术语“近视力”通常对应于当物体在距离对象眼睛为约1到2英尺的距离并且基本上被聚焦在眼睛的视网膜上所提供的视力。术语“远视力”通常对应于当物体在至少约6英尺或更大的距离并且基本上被聚焦在眼睛的视网膜上所提供的视力。术语“中间视力”对应于当物体在距离对象眼镜为约2英尺到约5英尺的距离并且基本上被聚焦在眼睛的视网膜上所提供的视力。
已经出现解决与单焦点IOL相关联的局限性的多种尝试。例如，多焦点IOL已被提出，多焦点IOL原则上提供一个近焦点和一个远焦点的两个焦点，可选具有某种程度的中间焦点。此类多焦点或双焦点IOL旨在提供在两个距离的良好视力，并包括折射和衍射多焦点IOL两者。在某些实例中，旨在矫正在两个距离的视力的多焦点IOL可以提供约3.0或4.0屈光度的近添加焦度(power)。
多焦点IOL可以例如依赖衍射光学面以将光能的部分引向不同的焦点距离，由此允许病人看清远近物体。多焦点眼用晶状体(包括隐形眼镜等)也被建议用于不除去自然晶状体来治疗老花眼。衍射光学面，无论是单焦点还是多焦点，也可以经配置提供减少的色差。
衍射单焦点和多焦点晶状体可以使用具有给定折射率和提供屈光力的表面曲率的材料。衍射晶状体具有衍射剖面，其赋予晶状体有助于晶状体的总体光焦度的衍射焦度。衍射剖面通常通过若干衍射区来表征。当用于眼用晶状体时，这些区域一般是环形晶状体区，或围绕晶状体的光轴隔开的小阶梯光栅(echelette)。每个小阶梯光栅可以由光学区、在该光学区与相邻小阶梯光栅的光学区之间的过渡区以及小阶梯光栅几何形状限定。小阶梯光栅几何形状包括光学区的内径和外径以及形状或斜度、过渡区的高度或阶梯高度和形状。小阶梯光栅的表面积的或直径在很大程度上确定晶状体的衍射焦度(S)以及小阶梯光栅之间的过渡的阶梯高度在很大程度上确定在不同添加焦度之间的光分配。总之，这些小阶梯光栅形成衍射剖面。
晶状体的多焦点衍射剖面可以通过提供两个或更多的光焦度被用来减轻老花眼；例如，一个光焦度用于近视力，一个光焦度用于远视力。晶状体也可以采取更换原始晶状体被置于眼睛囊袋内或被置于自然晶状体前面的人工晶状体的形式。晶状体可以是隐形眼镜的形式，最常见的是双焦点隐形眼镜，或在本文中提及的任何其它形式。
虽然多焦点眼用晶状体导致许多患者视力质量提高，但是更多的改进将是有益的。例如，某些人工晶状体的(假晶状体，pseudophakic)患者经历不良的视觉效果(眩光幻影)，例如眩光或光晕。当来自未用的焦图像的光形成叠加在用过的焦图像上的失焦图像时，可能产生光晕。例如，如果来自遥远点源的光通过双焦点IOL的远焦点被成像在视网膜上，那么，IOL的近焦点将同时在由远焦点形成的图像顶部叠加散焦图像。这个散焦图像可能以围绕在焦图像的光环的形式表现自己，并且被称为光晕。另一改善区域围绕多焦点晶状体的典型双焦点。因为多焦点眼用晶状体通常提供远近视力，中间视力可能会受到影响。
具有扩展焦深的晶状体可以为特定患者提供在一定距离范围内良好视力同时具有减少或没有眩光幻影(dysphtopsia)的好处。用于扩展IOL焦深的各种技术已被提出。例如，某些方法基于一个靶心折射原理，并包含具有稍微增加的焦度的中心区。其他技术包括非球面或包括具有不同折射区焦度的各折射区。
虽然某些建议的治疗可以向患者提供一些他们需要的好处，但是更进一步的进展是可取的。例如，提供在焦距的宽和扩展范围赋予增强的图像质量而没有眩光幻影的改进IOL系统和方法将是可取的。本发明的实施方式提供了解决上述问题并因此向至少某些这些未解决需求提供答案的解决方案。
发明内容
本发明的实施方式主要提供改进的晶状体和成像技术。示例性实施方式提供改进的眼用晶状体(例如像隐形眼镜、角膜嵌体或高嵌体或人工晶状体(IOL)，IOL包括例如有晶体眼的IOL和背驮IOL)以及用于该晶状体的设计和使用的关联方法。
本发明的实施方式包含具有圆形表面结构的IOL光学元件，该IOL光学元件带有环绕该表面结构的一至四个小阶梯光栅。在眼睛的自然晶状体用人造晶状体替代的情况下，该剖面被设计使得其增加人工晶状体眼(假晶状体眼，pseudophakic eye)的焦深。此类受限的环IOL技术抑制与具有许多衍射环的传统多焦点IOL相关联的不同双焦点。因此，与传统多焦点IOL相关联的眩光幻影(例如，光晕效应)可通过根据本发明实施方式的晶状体减轻。
示例性受限环IOL包括前面和后面。可在前后表面或前后面上施加剖面。该剖面可以具有内部和外部。该内部通常呈现抛物线弯曲形状。该内部也可以被称为微结构或中心或内部小阶梯光栅。在该内部与外部之间，可以有连接该内部和外部的过渡区。该外部可以包括四个或更少的小阶梯光栅。
除了抛物线形状以外，中心/内部小阶梯光栅可以具有包括双曲线、球面、非球面和正弦曲线的各种形状中的任何一种形状。在中心/内部小阶梯光栅的内部与外部之间的过渡可以是明显过渡(sharp transition)或它可以是平滑过渡。
该外部在该微结构外面的表面可具有任何球面或非球面形状，并包括有限数量的小阶梯光栅(优选少于4个)。外部的形状可针对一定范围的瞳孔尺寸进行优化，使其具有所需的光学性能。所需的光学性能可基于要素，诸如焦深、在远焦点的光学质量以及作为瞳孔尺寸的函数在最佳聚焦(或远焦点)位置的变化。如果形状是折射单焦点IOL或具有扩展焦深的折射IOL或矫正或减轻眼球面像差的折射设计，则优化规则可以被应用。可以进行将在中心小阶梯光栅与外区之间的相互作用并入设计或优化中的具体设计。本文描述的技术非常适合用各种眼用晶状体中的任何一种来实施，各种眼用晶状体包括IOL、角膜嵌体或高嵌体和/或隐形眼镜。
在一个方面，本发明的实施方式包含眼用晶状体系统和用于治疗患者眼睛的方法。示例性晶状体可以包括具有前折射剖面的前面和具有后折射剖面的后面。这些面可以围绕光轴设置。晶状体还可以包括施加于前折射剖面或后折射剖面的衍射剖面。在某些情况下，该衍射剖面可以包括不超过5个小阶梯光栅。可选地，中心小阶梯光栅可被设置在晶状体的中心区内。相关地，中心小阶梯光栅可被设置在环绕晶状体的中心折射区的圆环内。在某些情况下，晶状体包括具有有限数量的小阶梯光栅的外围区，该有限数量的小阶梯光栅环绕中心小阶梯光栅或圆环。该有限数量的小阶梯光栅可以通过恒定相移来表征。
根据某些实施方式，眼用晶状体可包括通过抛物曲线来表征的有限数量的小阶梯光栅。中心小阶梯光栅可具有在从约1mm到约4mm范围内的直径。例如，中心小阶梯光栅可以具有约1.5mm的直径。在某些情况下，中心小阶梯光栅可具有范围在从约1.0mm到约5.0mm内的直径。晶状体实施方式可以包括包含有限数量的小阶梯光栅的外围部和折射部。中心和外围小阶梯光栅可具有在1与7mm2之间的表面积。例如，小阶梯光栅可以具有2.3mm2的表面积。在某些情况下，晶状体可以包括环绕小阶梯光栅的外围部。晶状体可以包括具有在从约4mm到约6mm范围内的外径的外围部。在某些情况下，外围部可以具有在从约1mm到约7mm范围内的外径。例如，晶状体可以包括具有约5mm的外径的外围部。
小阶梯光栅可以通过具有范围在从约0.5μm和约4μm内的值的阶梯高度来表征。根据某些实施方式，过渡可通过具有范围在从约1.5μm和约2.5μm内的值的阶梯高度来表征。根据某些实施方式，过渡可通过具有约1.7μm的值的阶梯高度来表征。在其他实施方式中，该阶梯高度可以具有约2.0μm的值。
可选地，衍射剖面可通过设计波长来表征，并且晶状体可包括通过阶梯高度来表征的过渡，该阶梯高度产生在该设计波长约0.25倍与约1倍之间的相移。在某些情况下，衍射剖面可通过设计波长来表征，并且晶状体可包括通过阶梯高度来表征的过渡，该阶梯高度产生在该设计波长约0.15倍与约2倍之间的相移。
在某些方面，本发明的实施方式包含涉及眼用晶状体的系统和方法，该眼用晶状体包括具有前折射剖面的前面和具有后折射剖面的后面，使得各面围绕光轴设置，并且衍射剖面施加于前折射剖面或后折射剖面上，使得该衍射剖面包括内部小阶梯光栅和四个或更少的外部小阶梯光栅。根据某些实施方式，内部小阶梯光栅可被设置在晶状体的中心区内。在某些情况下，内部小阶梯光栅可被设置在环绕晶状体的中心区的圆环内。可选地，内部小阶梯光栅和外部小阶梯光栅可通过抛物曲线来表征。在某些情况下，内部小阶梯光栅和外部小阶梯光栅可通过恒定相移来表征。根据某些实施方式，眼用晶状体可以包括可调节晶状体和/或多焦点晶状体。
在一个方面，本发明的实施方式包含眼用晶状体，以及用于该眼用晶状体设计和制造的系统和方法。示例性眼用晶状体可以包括第一表面和第二表面，其中，第一和第二表面围绕光轴设置，非球面折射剖面被施加于第一或第二表面上，并且衍射剖面被施加于第一或第二表面上。非球面折射剖面可将光引向远焦点或聚焦于远焦点。衍射剖面可以包括向远焦点分配第一百分比的光以及向中间焦点分配第二百分比的光的中心区，以及环绕该中心区的外围区，其向远焦点分配第三百分比的光以及向中间焦点分配第四百分比的光。在某些实例中，中间焦点对应于范围在1屈光度与2.5屈光度内的眼内添加焦度(intraocular add power)。在某些实例中，中间焦点对应于眼镜平面内在0.75与2屈光度之间的添加焦度。在某些实例中，中间焦点对应于1.75屈光度的眼内添加焦度。根据某些实施方式，远焦点对应于衍射剖面的第一衍射阶。在某些情况下，远焦点对应于衍射剖面的第二衍射阶。在某些情况下，远焦点对应于衍射剖面的第三衍射阶。在某些情况下，中间焦点与远场焦点之间的差对应于范围在从约1屈光度到约2.5屈光度内的焦度值。可选地，中间焦点与远场焦点之间的差可以对应于约1.75屈光度的焦度。根据某些实施方式，中心区具有范围在从约1mm到约3mm内的外径。根据某些实施方式，中心区具有约2.2mm的外径。在某些实例中，由中心区向远焦点分配的光的百分比在41％与63％之间的范围内，并且由中心区向中间焦点分配的光的百分比在21％与41％的范围内。在某些实例中，由中心区向远焦点分配的光的百分比是41％，并且由中心区向中间焦点分配的光的百分比是41％。在某些实例中，由外围区向远焦点分配的光的百分比在41％与100％的范围内，并且由外围区向中间焦点分配的光的百分比在0％至41％的范围内。在某些实例中，由外围区向远焦点分配的光的百分比是63％，并且由外围区向中间焦点分配的光的百分比是21％。可选地，中心区可以包括一个或多个小阶梯光栅，每个小阶梯光栅具有阶梯高度，并且外围区可以包括多个小阶梯光栅，每个小阶梯光栅具有小于每个中心区小阶梯光栅的阶梯高度的阶梯高度。在某些实例中，中心区包括两个或更多个小阶梯光栅。可选地，中心区可以包括三个或更多个小阶梯光栅。在某些实例中，中心区包括两个、三个、四个小阶梯光栅。根据某些实施方式，中心区包括至少一个小阶梯光栅，其具有约0.006毫米的阶梯高度，并且外围区包括至少一个小阶梯光栅，其具有约0.0055毫米的阶梯高度。在某些实例中，中心区包括至少一个小阶梯光栅，其具有1.5倍波长的光程差，并且外围区包括至少一个小阶梯光栅，其具有1.366倍波长的光程差。在某些实例中，中心区包括两个各自具有阶梯高度的小阶梯光栅，并且外围区包括七个小阶梯光栅，该七个小阶梯光栅中的每个具有小于中心区小阶梯光栅的阶梯高度的阶梯高度。在某些实例中，中心区包括具有1.6mm外径的内部小阶梯光栅和具有2.2mm外径的外部小阶梯光栅，其中，中心区的内部小阶梯光栅和外部小阶梯光栅各自具有阶梯高度，并且外围区包括七个小阶梯光栅，该七个小阶梯光栅中的每个具有小于中心区小阶梯光栅的阶梯高度的阶梯高度。对于范围在1.0-2.5屈光度的添加焦度，中心区可以具有一至五个小阶梯光栅并且外围区具有三个至二十四个小阶梯光栅。对于范围在0.75-2.0屈光度的添加焦度，中心区可以具有一至四个小阶梯光栅并且外围区具有三个至十九个小阶梯光栅。在某些情况下，外围区可以具有范围为五至十二的小阶梯光栅。可选地，晶状体可以在中间焦点提供在50c/mm为24的MTF并且在远焦点提供在50c/mm为44的MTF。
在另一方面，本发明的实施方式包含眼用晶状体，该晶状体包括用于补偿眼球面像差(ocular spherical aberration)的装置、用于补偿眼色差(ocular chromaticaberration)的装置和用于提供扩展焦深的装置。在某些实例中，用于提供扩展焦深的装置包括具有衍射剖面的晶状体表面。在某些实例中，用于提供扩展焦深的装置包括具有折射剖面的晶状体表面。在某些实例中，用于提供扩展焦深的装置包括具有衍射和折射剖面的晶状体表面。在某些实例中，用于提供扩展焦深的装置包括具有既不是衍射剖面又不是折射剖面的晶状体表面。
在另一方面，本发明的实施方式包含眼用晶状体，该晶状体包括用于补偿眼球面像差的装置和用于补偿眼色差的装置。用于补偿眼色差的装置和用于补偿眼球面像差的装置在组合时，可提供对应于基本焦度的远焦点和对应于添加焦度的中间焦点，并且该基本焦度与添加焦度之间的差可限定用于晶状体的扩展焦深。在某些实例中，基本焦度在从5至34屈光度的范围内，并且添加焦度在从1至2.5屈光度的范围内。在某些实例中，用于补偿眼球面像差的装置包括具有非球面剖面的晶状体表面。在某些实例中，用于补偿眼色差的装置包括具有衍射剖面的晶状体表面。在某些实例中，用于补偿眼色差的装置包括晶状体材料构造(结构，construction)，该构造具有提供第一光色散的第一材料和提供不同于第一光色散的第二光色散的第二材料。
在另一方面，本发明的实施方式包含眼用晶状体，该晶状体包括用于补偿角膜球面像差的装置、用于补偿眼色差的装置和用于提供扩展焦深的装置。在某些实例中，用于提供扩展焦深的装置包括具有衍射剖面的晶状体表面。在某些实例中，用于提供扩展焦深的装置包括具有折射剖面的晶状体表面。在某些实例中，用于提供扩展焦深的装置包括具有衍射和折射剖面的晶状体表面。在某些实例中，用于提供扩展焦深的装置包括具有既不是衍射剖面又不是折射剖面的晶状体表面。
在另一方面，本发明的实施方式包含眼用晶状体，该晶状体包括用于补偿角膜球面像差的装置和用于补偿眼色差的装置。用于补偿眼色差的装置和用于补偿眼球面像差的装置在组合时，对于中间焦点，在3和5mm瞳孔直径，可提供在50个环/毫米下至少为10的调制传递函数值。在某些实例中，用于补偿角膜球面像差的装置包括具有非球面剖面的晶状体表面。在某些实例中，用于补偿眼色差的装置包括具有衍射剖面的晶状体表面。在某些情况下，衍射剖面包括向远焦点分配光的第一百分比以及向中间焦点分配光的第二百分比的中心区，以及环绕该中心区的外围区，其向远焦点分配光的第三百分比以及向中间焦点分配光的第四百分比。在某些实例中，用于补偿眼色差的装置包括晶状体材料构造，该构造具有提供第一光色散的第一材料和提供不同于第一光色散的第二光色散的第二材料。
在另一方面，本发明的实施方式包含根据患者处方用于生成眼用晶状体的方法。示例性方法可以包括输入特定用于患者的患者参数数据分布图(分布，profile)，其中，该患者参数数据分布图包括对应于已测出的患者球面像差的患者球面像差参数和对应于已测出的患者色差的患者色差参数。方法还可以包括生成用于患者的眼用晶状体处方。眼用晶状体处方可经配置补偿已测出的患者球面像差和已测出的患者色差，并提供对应于基本焦度的远焦点和对应于添加焦度的中间焦点，其中，该基本焦度与添加焦度之间的差限定用于眼用晶状体的扩展焦深。在某些实例中，眼用晶状体处方可以包括隐形眼镜处方、有晶体眼人工晶状体处方、假晶体眼人工晶状体处方(人工晶状体眼内晶状体处方，pseudophakic intraocular lens prescription)或角膜嵌体处方。在某些实例中，患者球面像差参数包括眼球面像差参数。在某些实例中，患者球面像差参数包括角膜球面像差参数。在某些实例中，患者色差参数包括眼色差参数。在某些实例中，患者球面像差参数包括角膜色差参数。
在另一方面，本发明的实施方式包含根据患者处方用于制造眼用晶状体的方法。示例性方法可以包括输入用于患者的眼用晶状体处方，并基于该处方制造眼用晶状体。在某些情况下，眼用晶状体经配置补偿患者球面像差和患者色差，并且晶状体经配置提供对应于基本焦度的远焦点和对应于添加焦度的中间焦点，其中，该基本焦度与添加焦度之间的差限定用于眼用晶状体的扩展焦深。在某些情况下，眼用晶状体是隐形眼镜、有晶体眼的人工晶状体、假晶体眼人工晶状体(人工晶状体眼内晶状体，pseudophakic intraocularlens)或角膜嵌体。
在另一方面，本发明的实施方式包含根据患者眼睛的处方用于生成眼用晶状体的系统。示例性系统可以包括接收特定用于患者眼睛的患者参数数据分布图的输入端，其中，该患者参数数据分布图包括对应于已测出的患者眼睛球面像差的患者球面像差参数和对应于已测出的患者眼睛色差的患者色差参数。系统还可以包括具有有形介质的模块，该有形介质体现生成用于眼睛的眼用晶状体处方的机器可读代码。眼用晶状体处方可经配置补偿已测出的球面像差和色差，并提供对应于基本焦度的远焦点和对应于添加焦度的中间焦点，其中，该基本焦度与添加焦度之间的差限定用于眼用晶状体的扩展焦深。
在一方面，本发明的实施方式包含用于患者眼睛制造眼用晶状体的系统。示例性系统可以包括接收用于患者眼睛的眼用晶状体处方，其中该眼用晶状体处方经配置补偿患者眼睛的已测出患者球面像差和已测出患者色差，并提供对应于基本焦度的远焦点和对应于添加焦度的中间焦点。基本焦度与添加焦度之间的差可限定用于眼用晶状体处方的扩展焦深。系统还可以包括基于晶状体处方制造眼用晶状体的制造组件。
为了更全面理解本发明的性质和优点，应参考结合附图的具体实施方式。
附图说明
图1A是带有多焦点屈光人工晶状体的眼睛的横截面图。
图1B是具有植入的多焦点衍射人工晶状体的眼睛的横截面图。
图2A是衍射多焦点眼用晶状体的前视图。
图2B是图2A的晶状体的横截面图。
图3A-图3B是常规衍射多焦点晶状体的衍射剖面的一部分的图形表示。
图4示出根据本发明的实施方式的晶状体的中心小阶梯光栅的各方面。
图4A-图4E示出根据本发明的实施方式的晶状体剖面的各方面。
图5示出根据中心小阶梯光栅实施方式的计算散焦曲线的各方面。
图6示出根据本发明的实施方式的计算散焦曲线的各方面。
图7和图7-1示出根据本发明的实施方式的眼用晶状体的各方面。
图8、图8-1和图8A至图8E示出根据本发明的实施方式的眼用晶状体的各方面。
图9A和图9B示出根据本发明的实施方式的眼用晶状体的各方面。
图10A和图10B示出根据本发明的实施方式的眼用晶状体的各方面。
图11A和图11B示出根据本发明的实施方式的眼用晶状体的各方面。
图12A和图12B示出根据本发明的实施方式的眼用晶状体的各方面。
图13示出根据本发明的实施方式的眼用晶状体处方生成方法的各方面。
图14示出根据本发明的实施方式的眼用晶状体制造方法的各方面。
图15示出根据本发明的实施方式的眼用晶状体处方生成系统的各方面。
图16示出根据本发明的实施方式的眼用晶状体制造系统的各方面。
为图示目的，在前述附图中示出的剖面几何形状不一定按比例绘制。在某些附图中示出的剖面高度通常在约0.1μm至约8.0μm的量级，不过，高度可以根据因素诸如患者需要矫正量、晶状体材料和周围介质的折射率以及光在希望衍射级之间的期望分配来改变。
具体实施方式
应当理解，本发明的附图和描述已被简化，以举例说明与清楚理解本发明有关的元件，为清楚和简洁起见，已删除在典型眼用晶状体、可植入光学设备、系统和方法中可见的许多其他元件。因此，本领域中的普通技术人员应当明白，其他元件和/或步骤在实施本发明中是可取和/或需要的。不过，因为此类元件和步骤在本领域是众所周知的，并且因为它们不利于本发明的更好理解，此类元件和步骤的讨论未在本文提供。本公开针对的是本领域技术人员已知的已公开元件和方法的所有此类变更和更改。
本发明的实施方式包含在扩展的焦点或焦点范围提供改善图像质量的系统和方法。本文公开的系统和方法可包含各种眼用晶状体诸如，例如隐形眼镜、人工晶状体、眼镜片和角膜嵌体或高嵌体。示例性实施方式包括与常规单焦点晶状体相比具有扩展焦深的眼用晶状体和与常规的多焦点眼用晶状体相比具有减少的眩光幻影。在某些情况下，此类技术涉及包括有限数量环或小阶梯光栅的IOL方法，并且通常涉及扩展焦深。有利地，此类方法可为患者提供良好的远视力，以及在中间和/或近距离没有眩光幻影的良好视力。
本发明的实施方式通常提供改善的晶状体和成像系统，并且可以被并入具有扩展焦深的晶状体是有利的任何系统中，诸如相机/摄像镜头(包括用于监测或用于外科手术的那些镜头)以及用于移动电话或其他相关装置中的摄像机。本发明的实施方式可以发现它们以改善的眼用装置、系统和方法形式的最直接使用。本发明的示例性实施方式提供改善的眼用晶状体(包括，例如隐形眼镜、人工晶状体(IOL)、角膜植入体等)以及用于该晶状体的设计和使用的关联方法。本发明的实施方式可以和单焦点衍射或折射晶状体、双焦点衍射或折射晶状体以及多焦点衍射或折射晶状体一起使用，例如，本发明的实施方式可被添加到多焦点IOL的对立面。换句话说，扩展焦深特征可以添加到例如衍射或折射多焦点实施方式的对立面。
此外，扩展焦深特征可以添加到例如曲面IOL、更改眼球面像差和/或色差的IOL和/或可调节IOL。一般来说，扩展焦深特征可以添加到更改眼像差的IOL中。
阅读往往在明亮的光线条件下进行，在此条件下，瞳孔是小的。相反，夜间驾驶在低光线条件下进行，在此条件下，瞳孔是大的。本发明的实施方式包含相对加强小瞳孔尺寸的中间视力或近视力同时也相对加强大瞳孔尺寸的远视力的晶状体。在某些此类眼用晶状体中，更大比例光能可以从晶状体的外围部被传输到远焦点以适应弱光，用于远距离观看条件诸如夜间驾驶，近或中间观看从衍射剖面的中心部分接收相对更多的光-用于例如阅读或计算机工作，和/或在弱光条件下，例如在阅读餐厅菜单时，提供焦深以及中间或近观看。
图1A是配有多焦点IOL11的眼睛E的横截面图。如图所示，多焦点IOL 11可以例如包括双焦点IOL。多焦点IOL 11从在眼睛E前面的角膜12的至少一部分接收光并通常围绕眼睛E的光轴居中。为便于参考和清晰度，图1A和1B未公开眼睛其他部件诸如角膜表面的屈光特性。只有多焦点IOL的折射和/或衍射特性被示出。
晶状体11的每个主要面(包括前表面和后表面)通常具有折射剖面，例如双凸、平凸、平凹、弯月面等等。相对于整个光学系统的周围房水、角膜和其他光学部件的特性，两个表面一起限定由晶状体11对眼睛E的成像性能的影响。常规的、单焦点IOL具有基于制造晶状体所用材料折射率的屈光力，并且也基于晶状体的所述面的前面和后面的曲率或形状。
在年轻、健康的眼睛中，环绕囊袋14的睫状肌17收缩和舒张有助于眼睛的适应，通过该过程，眼增增加光焦度，使得在物体靠拢时保持对它们的聚焦。随着人年龄增长，适应程度下降，并且由于聚焦近处物体的能力减弱，往往产生老花。因此，患者照惯例使用具有两个光焦度的矫正光学装置，一个用于近视力并且另一个用于远视力，如多焦点IOL 11所提供。
多焦点晶状体可以任选地特别使用晶状体的屈光特性。此类晶状体通常包括在晶状体不同区域的不同焦度，以便减轻老花眼的影响。例如，如图1A所示，折射多焦点晶状体11的外围区域可以具有适合在远观看距离观看的焦度。相同的折射多焦点晶状体11还可以包括具有较高表面曲率的内部区域和适合在近距离观看的一般是更高的总焦度(有时候被称为正添加焦度)。
与完全依赖晶状体的屈光特性不同，多焦点IOL或隐形眼镜还可以具有衍射焦度，如在图1B中示出的IOL 18所示。衍射焦度可例如包括正或负添加焦度，并且该添加焦度可以是晶状体的总光焦度的重要(或甚至主要)组成部分。衍射焦度由多个同心衍射区赋予，多个同心衍射区形成衍射剖面。衍射剖面可以被施加于前面或后面或者前面和后面两者上。
衍射多焦点晶状体的衍射剖面将入射光引入为若干衍射级。在光13从眼睛前面进入时，多焦点晶状体18引导光13以在视网膜16上形成观看远处物体的远场焦点15a和用于观看靠近眼睛的近场焦点15b。根据到光源13的距离，在视网膜16上的焦点可以用近场焦点15b来代替。通常，远场焦点15a与第0衍射级相关联，以及近场焦点15b与第1衍射级相关联，不过，其他级次也可以被使用。
多焦点眼用晶状体18通常将大多数光能分配为两个观看级，往往具有均匀分割成像光能量的目的，一个观看级对应于远视力并且另一个观看级对应于近视力，不过，通常某些分数进入非观看级。
在某些实施方式中，矫正光学元件可以由有晶体眼IOL提供，有晶体眼IOL可被用于治疗将自然晶状体留在原处的患者。有晶体眼IOL可以是角支撑、膜片支撑或沟支撑的。有晶体眼IOL可被放置在自然晶状体上面或背驮在另一IOL上面。还可以预想到，本发明还可以应用于嵌体、高嵌体、适应IOL、眼镜和甚至机构视力矫正。
图2A和图2B示出标准衍射多焦点晶状体20的各方面。多焦点晶状体20可以具有通常类似于上面所述的多焦点IOL 11、18的特定光学特性。多焦点晶状体20具有围绕光轴24设置的前晶状体面21和后晶状体面22。晶状体20的面21、22通常限定通光孔径25。如本文所使用的，术语“通光孔径”意指晶状体的开口或光学元件，其限制可被晶状体或光学元件成像或聚焦的来自远源的光线束的范围。通光孔径通常是圆形的并且由其直径指定，并且有时候等于光学元件的全直径。
当被装配在受试者或患者的眼镜上时，晶状体20的光轴通常与眼睛E的光轴对准。晶状体20的曲率为晶状体20给出前折射剖面和后折射剖面。虽然衍射剖面可以被施加于前面21和后面22上或两者上，但是图2B示出带有衍射剖面的后面22。衍射剖面通过多个环形光学区或围绕光轴24隔开的小阶梯光栅23来表征。虽然分析光学理论通常假设无限数量的小阶梯光栅，但是标准的多焦点衍射IOL通常具有至少9个小阶梯光栅，并且可以具有30个以上的小阶梯光栅。为清楚起见，图2B仅示出4个小阶梯光栅。通常，IOL是双凸(biconvex)，或可能是平凸(plano-convex)或凸凹的(convex-concave)，虽然IOL可以是平光或其他折射面组合。
图3A和图3B是多焦点晶状体的典型衍射剖面的一部分的图形表示。虽然图形仅示出3个全小阶梯光栅，典型的衍射晶状体扩展到至少9个小阶梯光栅至32个小阶梯光栅以上。在图3A中，在小阶梯光栅表面上每个点的表面起伏剖面的高度(从垂直于光线的平面)抵靠到晶状体光轴的径向距离的平方(r2或ρ)来标绘。在多焦点晶状体中，每个小阶梯光栅23可以具有到光轴的直径或距离，其与Vn成正比，n是从光轴24计数的小阶梯光栅23的数量。每个小阶梯光栅具有特征光学区30和过渡区31。当抵靠ρ绘制时，光学区30具有可以是线性的形状或向下坡度，如图3A所示。当抵靠半径r标绘时，光学区30具有是抛物线的形状或向下坡度，如图3B所示。至于典型的衍射多焦点晶状体，如这里所示，所有小阶梯光栅具有相同的表面积。小阶梯光栅23的面积确定晶状体20的添加焦度，并且在面积和半径相关时，添加焦度也与小阶梯光栅的半径相关。
如图3A和图3B所示，在毗连小阶梯光栅之间的过渡区31是尖锐和不连续的。晶状体面的高度从稳定向下倾斜急剧过渡到垂直向上步进，并且该过渡再次突然回到稳定向下的倾斜。在这样做时，小阶梯光栅23也具有由小阶梯光栅的最低点与高点之间的距离限定的特征阶梯高度32。因此，衍射表面的斜率(或一阶导数)和/或曲率(二阶导数)在毗连过渡是不连续的。
中心小阶梯光栅的结构
图4提供示例性晶状体的一部分的横截面的图形表示，其示出中心小阶梯光栅结构。晶状体剖面200具有1.21mm的环径和在220为2.05μm的阶梯高度，这对应于0.5λ(参见表2)的相位延迟。在这个示例中，环径通过比例因子V2从1.5mm(其是2.0屈光度的常规IOL衍射晶状体的环内径)减少到1.21mm，如在专利US 5,121,980(Cohen)中所述。虽然仅示出晶状体一半的内部和外部的一部分，但是由于晶状体是旋转对称的，另一半是镜像。
在外部的一个或多个毗连小阶梯光栅(未示出)在下面详细描述。剖面200包括内部210或单环、阶梯或过渡220以及外部230。外部230延伸超过(在图4F中公开)2.5mm并包括有限的额外小阶梯光栅。内部210在剖面200的中心位置210与过渡220之间延伸。外部230在过渡220与外围位置(未示出)之间延伸。在某些情况下，过渡220可被设置在距离光轴的一定距离并在从约0.5mm至约2.0mm的范围内，以及外围位置可被设置在距离光轴的一定距离并在从约2.0至约3.5mm的范围内，或更大(例如，对于隐形眼镜，该范围可以大约15％，由于与IOL相比，隐形眼镜具有更有力的光学位置；本领域的技术人员可以根据应用适当缩放特定尺寸)。
内部或小阶梯光栅210包括中心210a和周缘210b。在半径距离为零的内部210的中心或中心截面210a，内部的下陷(d)在衍射基准曲线240的下陷(d)与在外围曲线260的1.03μm处的外围曲线260的下陷(d)之间，这对应于0.25λ的相位延迟(参见表2)。在周缘210b，内部210的下陷(d)基本等同于在13.8μm处的衍射基准曲线240的下陷(d)。径向距离为零与在周缘210b的径向距离为0.61mm之间的下陷(d)值从1.03μm(在r＝0时)逐渐平滑改变到基准曲线240的值(在r＝0.61mm时)，该基准曲线的值是13.8μm。这种变化以抛物线方式出现。如这里所示出的，内部可呈现抛物线形状，例如《应用光学》31：19期，第3750-3754(1992)页，由科恩方程式4a所描述的，该文献通过引用被并入本文。
在径向距离(r)为0.61mm情况下的周缘210b，下陷(d)的值从衍射基准曲线240的值步进或改变到外围曲线260的值。在径向距离(r)对应于过渡220的情况下，内部的下陷(d)等同于衍射基准曲线240的值。相关地，在径向距离从零的值增加到约0.61mm的值时，剖面的位移趋向于衍射基准曲线的位移。2.5μm的阶梯高度导致0.5的相位延迟。
外部230包括内部或中心边缘230a以及周缘(未示出)。在内部边缘230a，外部的下陷(d)基本等同于外围曲线260的下陷(d)。在周缘，外部边缘的下陷(d)保持基本等同于外围曲线260的下陷(d)。如下面所详述，有限数量的小阶梯光栅可以被定位在内部边缘230a与周缘之间。
图4A提供根据本发明的实施方式，带有中心小阶梯光栅和一个外围毗连小阶梯光栅的晶状体衍射剖面的一部分的图形表示。在图4A中，在小阶梯光栅表面上每个点的表面起伏剖面的高度(从垂直于光线的平面)抵靠到晶状体光轴的距离来标绘。小阶梯光栅可具有特征光学区930和过渡区931。当抵靠ρ绘制时，光学区930可具有可以是线性的形状或向下坡度，如图4A所示。当抵靠半径r标绘时，光学区930可具有是抛物线的形状或向下坡度。中心和外围小阶梯光栅可具有在1与7mm2之间的表面积。例如，小阶梯光栅可以具有2.3mm2的表面积。外部(折射)区可遵循具有固定偏移的基圆半径。
如图4A所示，在光学区930与毗连光学区之间的过渡区931可以是明显(陡峭，sharp)和不连续的。同样，在毗连小阶梯光栅与外围区或折射区之间的垂直过渡可以是明显和不连续的。晶状体的高度可以从稳定向下倾斜(例如，跨光学区930)急剧过渡到向上垂直步进(例如，在过渡区931)，并且突然过渡回到稳定向下倾斜或基本在外部折射区水平。在这样做时，小阶梯光栅930也具有由小阶梯光栅的最低点与最高点之间的距离限定的特征阶梯高度932。因此，衍射表面的斜率(或一阶导数)和/或曲率(二阶导数)在毗连过渡是不连续的。一阶导数可通过线的方向来指示，以及二阶导数可通过线的曲线来指示。
根据某些实施方式，光来自下面，在由箭头A指示的方向，并且仅击中剖面的小阶梯光栅930。根据某些实施方式，在理论方面，光不击中光学区的垂直连接，因此可以说剖面没有过渡区。根据某些实施方式，在实践中，当试图例如通过车床切割产生此类剖面时，重现尖角可能是困难的(例如，在光学区连接毗连光学区的地方)，并由于有限的凿半径，因此该拐角某种程度是圆形的。此类圆对光学性能具有可忽略不计的影响。根据相关实施方式，过渡区931可被称为从小阶梯光栅到毗连区或各区的过渡，过渡区931的形状可以以具体方法设定，以便优化光学性能，例如将来自明显过渡的散射减到最小。
剖面参数
剖面设计可以一组参数的方式来表征。例如，受限的小阶梯光栅可被描述为具有带有直径和表面积的中心小阶梯光栅，带有相同表面积的一个或多个毗连小阶梯光栅，以及在每个过渡的关联阶梯高度，所述过渡产生相位延迟。中心小阶梯光栅可以具有范围在从约1mm至约5mm内的直径。例如，中心小阶梯光栅可以具有约1.5mm的直径。中心小阶梯光栅可以具有在1与7mm2之间的表面积。例如，中心小阶梯光栅可以具有2.3mm2的表面积。一个活多个外围小阶梯光栅可以具有等于中心小阶梯光栅的表面积。具体地，表1公开了中心小阶梯光栅的半径和直径的尺寸，以及中心和外围小阶梯光栅的表面积。
R(mm) De(mm) 面积(mm2)
1.48 3 6.9
1.05 2.1 3.5
0.86 1.7 2.3
0.74 1.5 1.7
0.66 1.3 1.4
0.61 1.2 1.2
阶梯高度或剖面高度可确定相位延迟或相移分布图。越大的阶梯高度可对应于越大的相移。根据某些实施方式，晶状体可包括通过阶梯高度来表征的过渡，该阶梯高度产生在该设计波长的约0.25倍与约1倍之间的相移。在某些情况下，衍射剖面可通过设计波长来表征，并且晶状体可包括通过阶梯高度来表征的过渡，该阶梯高度产生在该设计波长的约0.15倍与约2倍之间的相移。根据某些实施方式，晶状体可包括通过阶梯高度来表征的过渡，该阶梯高度产生约0.5的相移。在其他实施方式中，晶状体可包括通过约0.4的阶梯高度来表征的过渡。
表2提供针对有效的示例IOL材料，公开相位延迟(以波长为单位)与阶梯高度(以μm为单位)之间关系的各样品的尺寸。
表2
相位延迟 阶梯高度
0.896 3.68
0.700 2.87
0.590 2.42
0.509 2.09
0.500 2.05
0.423 1.74
0.366 1.50
0.350 1.44
0.250 1.03
0.150 0.62
图4B提供根据本发明的实施方式，带有中心小阶梯光栅和两个外围小阶梯光栅的晶状体衍射剖面的一部分的图形表示。在小阶梯光栅表面上每个点的表面起伏剖面的高度(从垂直于光线的平面)抵靠到晶状体光轴的距离来标绘。根据某些实施方式，如图4A所公开的带有中心和外围毗连小阶梯光栅的晶状体也可以包括额外的外围小阶梯光栅，该额外的外围小阶梯光栅带有在最外面小阶梯光栅与内部小阶梯光栅之间的折射区域。
图4C也详细示出带有中心小阶梯光栅和两个外围小阶梯光栅的晶状体衍射剖面的一部分。不过，在这个实施方式中，折射区直接毗连于中心小阶梯光栅并使中心小阶梯光栅与三个外围和毗邻小阶梯光栅隔开。
虽然上面优选实施方式公开了带有具有相等阶梯高度的小阶梯光栅的晶状体，但是，本文的优选实施方式也包括带有具有不同阶梯高度的小阶梯光栅的晶状体，如在图4D所详细示出。图4D公开了四个小阶梯光栅的实施方式，其中，折射区域将中心和毗连的小阶梯光栅与外围毗连小阶梯光栅隔开。如在图4D所看到的，三个外部小阶梯光栅的阶梯高度(由小阶梯光栅的最低点与最高点之间的距离限定)小于内部小阶梯光栅的阶梯高度。当然，除了覆盖外部小阶梯光栅的阶梯高度小于内部小阶梯光栅阶梯高度的实施方式以外，内部小阶梯光栅的阶梯高度可以小于外部小阶梯光栅的阶梯高度。此外，对于带有多个中心环的实施方式，中心环可以具有逐步改变的阶梯高度。还可设想在外围的环也可以具有逐步改变的阶梯高度。也可以预见到阶梯高度可以增加、减少或交替改变。
图4E提供带有中心小阶梯光栅和不与该中心小阶梯光栅毗连的外围小阶梯光栅的晶状体衍射剖面的一部分的图形表示。中心小阶梯光栅可以具有是抛物线的形状或向下坡度。折射区域可随后将中心小阶梯光栅与外围小阶梯光栅隔开。外围小阶梯光栅可随后通过紧跟在向下坡度后面的明显和不连续阶梯高度来表征。如在上面的实施方式，外围折射区域可以环绕最外面的小阶梯光栅。此外，其他示例性实施方式包括类似于图4A-图4D的非毗连小阶梯光栅变型。借助非限制性示例，未被折射区域隔开的两个小阶梯光栅也可以是非毗连的。
瞳孔相关性
人瞳孔的尺寸随光照度改变。在光线明亮时，瞳孔是小的，以及在昏暗或低光条件下瞳孔是大的。此外，人瞳孔的尺寸随适应努力改变。未经过适应努力的瞳孔大于经过适应努力的瞳孔。因此，对于更小瞳孔，提供相对重视中间视力或近视力的设计是可取的。对于更大瞳孔，提供相对重视远视力的设计是可取的。
在光线明亮的典型阅读或近视力情况下，瞳孔的尺寸是小的，例如直径在约1mm与2mm之间，并且眼睛具有大的焦深(例如，来自针孔效应)，几乎不考虑IOL的光学元件。当瞳孔的尺寸是大的，例如直径大于约4-5mm时，该状况通常应用于低光条件，并且往往与建立典型IOL焦度的远视力相关联。因此，许多患者将最大程度受益于增加焦深的IOL，以便观看中间距离。带有受限毗连小阶梯光栅具有中心小阶梯光栅的IOL可以有效增加用于中等瞳孔尺寸的焦深，同时保持小瞳孔尺寸的大体增加的焦深，并且也保持对用于大瞳孔尺寸的远视力的重视。
同时，因为光学元件的受限小阶梯光栅和剩余表面积或剩余晶状体部分(“非小阶梯光栅”)对于几乎所有的瞳孔尺寸具有不等的表面积，焦点之间有不完全的分割。可以观察到，在多焦点晶状体中存在的眩光幻影(例如，光晕)的情况受两个焦点的分隔和瞳孔尺寸效应支配。因此，根据本发明的示例性实施方式，晶状体可以只包括有限数量的小阶梯光栅，以便与标准衍射多焦点IOL相比，不同焦点之间的光分隔是不完全的。因为光分割是不完全的，焦点的分隔是不完全的。焦点的不完全分隔有助于扩展焦深和眩光幻影(例如，光晕)的衰减。
在示例性实施方式中，受限的小阶梯光栅设计具有取决于瞳孔尺寸的光学性能。对于瞳孔小于中心和一个或多个毗连小阶梯光栅的尺寸的非常小的瞳孔，小阶梯光栅将充当由于针孔效应具有非常大焦深的折射晶状体。对于瞳孔覆盖中心小阶梯光栅和毗连小阶梯光栅的中等或更大的瞳孔尺寸，晶状体将充当将光引导到若干焦点的衍射/折射晶状体。对于更大的瞳孔尺寸，更多光被直接引导至较低阶焦点。中心和毗连小阶梯光栅的尺寸影响依赖于晶状体的瞳孔。因此，中心和毗连小阶梯光栅的尺寸可根据特定患者的瞳孔尺寸来选择。例如，患者的瞳孔尺寸可以在明亮光线下、在昏暗光线下、在远视力和在近视力以及在不同光线水平和适应努力的组合中来测量。不同瞳孔尺寸(其可以被定义为瞳孔动态特性)可被用作受限小阶梯光栅设计的最佳设计的输入参数。
例如，如果患者在近视力期间具有小于2mm的瞳孔直径(例如，近距离观看目标，通过高适应努力)，在明亮和昏暗光线下均具有这个瞳孔尺寸，那么，中心和一个或多个毗连小阶梯光栅的尺寸可以被选择为小于2mm(例如，图4A的毗连小阶梯光栅的外径)，以提供足够的近场和中场视力。相关地，如果患者在近视力期间具有大于2mm的瞳孔直径，在明亮和昏暗光线下均具有这个瞳孔尺寸，那么，中心和一个或多个毗连小阶梯光栅的尺寸可以是2mm或更大，以提供足够的近场和中场视力。一般来说，在任何条件下(例如，明亮/昏暗光线；近/远视力)，中心和一个或多个毗连小阶梯光栅的直径可以小于患者具有的最小瞳孔尺寸。为满足任何类型的瞳孔动态特性，尺寸、剖面以及补偿可以被选择，使晶状体性能达到最大值，用于特定患者或患者群。一般来说，这是在测量患者瞳孔的不同视力环境(光线水平和适应努力的组合)之间的折衷。因此，示例性实施方式包括设计眼用晶状体的方法，其包括：利用瞳孔尺寸测量，并基于该测量确定隔离小阶梯光栅的尺寸以施加于晶状体的表面上。瞳孔尺寸测量可以基于一组患者。
特定实施例变型的评估
图5和图6示出在实施方式的ACE眼睛模型中的计算散焦曲线，该眼睛模型具有直径为1.48mm的中心环，1.7mm2的小阶梯光栅表面积，以及0.4倍波长的相位延迟。水平轴以毫米为单位表示在图像平面中的散焦值。负散焦值表示近视眼，并且因此，模拟在中等距离和近距离的视力。垂直轴表示在每毫米50个环的模数(MTF)。用于5mm瞳孔直径的数据被包括在内。图5示出用于仅具有单个中心小阶梯光栅的实施方式的散焦曲线。图6示出如在截面4E中公开的实施例性实施方式，其除了具有中心小阶梯光栅以外还具有外围小阶梯光栅。外围小阶梯光栅具有3.5mm2的表面积以及0.82倍波长的相位延迟。如图6所示，具有约-0.2mm至-0.3mm散焦值的在中等视力距离的MTF高于在图5中对应散焦值的MTF。如图所示，与只具有中心小阶梯光栅相比，中心加外围小阶梯光栅增加焦深。
本发明的实施方式可以与多焦点晶状体设计组合，并且可以与扩展多焦点晶状体的每个焦点的焦深的多焦点晶状体组合。同样，本发明的实施方式可以与可调节晶状体设计组合，通过此方式，可调节晶状体的适应范围可以被扩展。此外，本发明的实施方式可以与矫正眼像差的晶状体(像曲面晶状体、非球面晶状体)、矫正色差的晶状体等组合。
本发明的实施方式可以与矫正色差的晶状体设计组合。在一个实施方式中，在前述实施例中的小阶梯光栅的相位延迟增加了波长的离散倍数，以便矫正色差。例如，如果对应于2.05μm的阶梯高度的0.5倍的相位延迟被使用，则替代实施方式将具有对应于6.15μm的阶梯高度1.5倍的相位延迟。这个实施方式将一阶衍射引导至远焦点，并且二阶衍射建立在中等和近距离范围的焦深。
用于扩展焦深的多环晶状体的其他方面
本发明的实施方式包含具有非球面前表面和衍射后表面的眼用晶状体，其提供扩展焦深并补偿由眼睛产生的自然色差和球面像差。虽然本文所提供的许多实施例描述设置在眼用晶状体后面的衍射剖面，但是应当理解，衍射剖面也可被设置在前晶状体表面，或在某些情况下，被设置在前表面和后表面，使其具有类似的效果。同样，虽然本文所提供的许多实施例描述非球前表面，但是应当理解，非球面剖面也可被设置在后晶状体表面，或在某些情况下，被设置在前表面和后表面，使其具有类似的效果。示例性眼用晶状体包括隐形眼镜、有晶体眼晶状体、人工晶状体、角膜嵌体等。
图7描绘具有前表面710和后表面720的示例性眼用晶状体700。前表面和后表面中的每个围绕光轴715设置。前表面可并入非球面形状，以及后表面可并入衍射形状。在某些实例中，在前表面和后表面中的每个通常存在凸面形状或剖面的情况下，晶状体700可以具有双凸面配置(例如，图7-1)。前表面710可包括跨晶状体的整个前面延伸的非球面形状。因此，非球面前表面710可以包括是折射的前表面。同样，后表面720可包括跨晶状体的整个后面延伸的衍射剖面。因此，后光学表面720可以包括跨整个后表面延伸的衍射剖面。前表面710运行以将光向远场焦点730折射引导。因此，远焦点730可以对应于晶状体700的折射方面。后表面运行以将光向远场焦点730和中间焦点740衍射引导。因此，远焦点730和中间焦点740中的每个可以对应于晶状体的衍射方面。非球面形状可提供用于全部或至少部分补偿或治疗可能由眼睛产生的自然球面像差(例如，眼球面像差或角膜球面像差)的装置。衍射剖面可提供用于全部或至少部分补偿或治疗可能由眼睛产生的自然色差(例如，眼色差)的装置。在某些实例中，用于补偿眼色差的装置和用于补偿眼球面像差的装置在组合时，提供对应于基本焦度的远焦点和对应于添加焦度的中间焦点。基本焦度与添加焦度之间的差可限定用于晶状体的扩展焦深。
远场焦点730可以对应于晶状体的基本焦度，并且中间焦点740可以对应于晶状体的添加焦度。在某些情况下，远焦点730对应于衍射剖面的第一衍射阶。可选地，远焦点730可以对应于衍射剖面的第二衍射阶。同样，远焦点730可以对应于衍射剖面的第三衍射阶。中间焦点740往往对应于衍射剖面的衍射阶(例如，第二)，其高于对应于远焦点730的衍射阶(例如，第一)。用于晶状体的基本焦度值可以取决于晶状体的类型。同样，晶状体的添加焦度可以根据晶状体的类型而改变。对于人工晶状体，基本焦度值可以在5至34屈光度的范围或甚至更宽的范围内。对于隐形眼镜，基本焦度值可以在-10至+5屈光度的范围或甚至更宽的范围内。对于示例性人工晶状体，基本焦度可以是20屈光度，并且添加焦度可以是1.75屈光度。应当理解，可以使用对应于中间焦点的其他类似添加焦度。此类添加焦度基本小于许多当前多焦点人工晶状体，许多当前人工晶状体往往提供范围从3.0至4.0屈光度的添加焦度。对于示例性隐形眼镜，添加焦度可以是1.3屈光度。
如这里示出的，衍射剖面包括中心衍射区750以及外部或外围衍射区760。中心区750包含分别具有1.6mm和2.2的两个内部小阶梯光栅或环。中心区750运行以将入射或引入光的41％引导至远场焦点730，以及入射或引入光的41％引导至中间焦点740。在这个意义上说，中心区750可以说提供在远焦点与中间焦点之间为50:50％的光分配。就是说，被引导至远焦点和中间焦点中的每个的百分比是在源焦点与中间焦点之间分配光总和的50％(即，41/(41+41)＝50％)。应当理解，提供不同光分配的其他衍射剖面中心区可以被使用。
外围区760运行以将入射或引入光的63％引导至远场焦点730，以及入射或引入光的21％引导至中间焦点740。在这个意义上说，外围区760可以说提供在远焦点与中间焦点之间为75:25％的光分配。就是说，被引导至远焦点的光的百分比是分配至远焦点和中间焦点的光的总和的75％(即，63/(63+21)＝75％)，并且被引导至中间焦点的光的百分比是分配至远焦点和中间焦点的光的总和的25％(即，21/(63+21)＝25％)。应当理解，提供不同光分配的其他衍射剖面外围区可以被使用。
因此，衍射光学元件包括多个区，其中每个区起根据指定衍射阶在指定方向聚集或引导入射光的作用。在某些实例中，约光的16％大至18％以假衍射阶(spuriousdiffractive order)丢失。根据某些实施方式，第0阶未被用于视力治疗目的。
晶状体700向患者的眼睛提供扩展焦深。例如，晶状体可为患者将遥远物体和在中间距离的物体同时聚焦。当透镜被施用于患者时，患者不会察觉到两个不同焦图像(例如，分别对应于远焦点和中间焦点的两个图像)，而是当物体更靠拢眼睛时，将体验真实的扩展焦深，并且具有恒定或逐渐减少的视觉质量。如在本文其他地方所讨论的，图12A、图12B和图13证明示例性晶状体设计如何能改善在整个焦深上的光学质量。
通过组合矫正球面像差的非球面前表面和矫正色差的后衍射表面，如本文所公开的晶状体除了提供扩展焦深以外还提供优异的对比特性。例如，与非球面表面组合的衍射表面可矫正或减少由在不同焦点的眼睛产生的色彩。
应当理解，在某些实施方式中，色差的矫正或治疗也可以通过提供例如如Bradley等人在Optom.Vis.Sci.68,08-16(1991)的“Achromatizing the human eye”所述，含有具有不同色散特性的两种材料的组合的晶状体来实现，该文献的内容以引用方式并入本文。例如，晶状体设计可使用在某些中间波长(例如，588nm)具有相同折射率但是具有不同色散量的材料配对，以便形成在588nm具有零焦度但是在波长588nm以上和以下的波长具有相对焦度的晶状体。本发明的替代实施方式涉及使用具有不同色散特性的两种材料、组合非球面折射表面和衍射环以扩展焦深的色差矫正。
本发明的实施方式涉及眼用晶状体和晶状体处方，以及用于产生此类晶状体和处方的系统和方法。示例性晶状体包括围绕光轴设置的晶状体表面，其提供非球面和衍射剖面。非球面剖面可将光向远焦点引导，并且衍射剖面包括(i)中心区，其向在远焦点的衍射阶分配光的第一百分比和向在设置在远焦点前面的中间焦点的另一衍射阶分配光的第二百分比，以及(ii)环绕中心区的外围区，其向在远焦点的衍射阶分配光的第一百分比和向在中间焦点的另一衍射阶分配光的第二百分比。在某些实例中，非球面剖面由晶状体的前面提供。在某些情况下，衍射剖面由晶状体的后面提供。
如在本文其他地方所指出的，不同衍射区可向不同焦点(例如，在远焦点与中间焦点之间)提供不同的光分配。表3提供说明性实例。
如在本文其他地方所指出的，中间焦点对应于添加焦度。因此，诸如由表3表示的那些晶状体设计不同于晶状体整体将光的50％引向添加焦度的目前已知的晶状体设计。此类已知的晶状体设计可能不足以矫正或治疗在远焦点的色差。另外，此类已知的晶状体设计具有基本大于由本发明的实施方式所提供的添加焦度。在本发明的某些实例中，示例性晶状体设计包括外围区，其将分配光的25％向添加焦度引导。更重要的是，根据本发明的实施方式的晶状体设计可以在整个晶状体上或其相当部分上提供衍射剖面，此类晶状体不同于不提供在大瞳孔尺寸的衍射剖面或衍射效果的当前已知的晶状体设计。
图8示出根据本发明的实施方式的眼用晶状体的衍射剖面800的各方面。如在这里所示，衍射剖面的中心部分或(第一)小阶梯光栅802具有相对于该剖面的基座形状或曲率804的高度(h1)。第二小阶梯光栅810毗连于第一小阶梯光栅802周向设置，其具有设置在第二小阶梯光栅与第一小阶梯光栅之间的第一过渡区811。过渡区811可通过阶梯高度(h2)来表征。因此，每个小阶梯光栅可具有特征高度或阶梯高度，例如，其由小阶梯光栅的内部(或中心)、最高点(例如，相对于基座形状来测量)与该小阶梯光栅的外部(或外围)、最低点(例如，相对于基座形状来测量)之间的距离限定。如这里所示，小阶梯光栅的最低点可对应于基座形状的位置。在这个实施例中，中心或第一小阶梯光栅802的阶梯高度是(h1)，第二外围小阶梯光栅810的阶梯高度是(h2)，第三外围小阶梯光栅820的阶梯高度是(h3)，第四外围小阶梯光栅830的阶梯高度是(h4)，以及第五外围小阶梯光栅840的阶梯高度是(h5)。图8-1示出相关的衍射剖面实施方式，在这里，其相对于凸后基座描绘。
在某些实例中，衍射剖面包括在5mm直径的光学表面上的9个环。衍射剖面可包括两个中心环，每个环具有大于其他七个外围环阶梯高度的阶梯高度。衍射剖面可提供单焦衍射表面，其至少部分矫正或补偿由患者眼睛产生的自然色差。眼用晶状体的非球面前表面可运行以矫正或治疗眼睛的球面像差。在某些实例中，本发明的晶状体系统和方法实施方式可以并入在美国专利号6,830,332中公开的晶状体特征和治疗，该专利讨论具有非球面前表面和衍射后表面两者的晶状体。在某些情况下，晶状体色剂可以并入衍射表面，例如，该衍射表面将总光的63％引导至远焦点和总光的21％引导至近焦点或中间焦点。在某些实例中，衍射表面可提供1.75D的添加焦度，以及直径为2.2mm的中心区，其将总光的41％引导至远焦点和41％引导至中间焦点，该中心区被外区环绕，外区将总光的63％引导至远焦点和总光的21％引导至之间焦点。示例性衍射表面可以是不受瞳孔约束的，具有1.75屈光度的添加焦度，并提供在远焦点与中间焦点之间分配光的50％：50％的中心区，以及外围区，其在远焦点与中间焦点之间分配光的75％：25％。在光学方面，衍射剖面提供多个焦点。
在某些实施方式中，衍射剖面800可被表示为两个衍射小阶梯光栅802和810在基本眼用晶状体构造顶部上的合并。图8A提供此类构造的示意图。在这里，上面的图形810a对应于在整个光学表面上具有相等阶梯高度的第一或基本衍射剖面，以及中间图形820a对应于具有两个中心小阶梯光栅或环的第二衍射剖面(其也可以具有相等的阶梯高度)。类似的第二衍射剖面在图8B中绘出(基座被示出具有凸形，并且中心小阶梯光栅低于基座半径)。下面的图形830a对应于基于第一和第二衍射剖面的组合的第三衍射剖面。相关地，图8C提供组合两个衍射剖面的最终衍射剖面的示意图。图8D和图8E也示出根据本发明的实施方式的示例性衍射剖面的各方面。在图8D中，中心区的小阶梯光栅可以延伸到凸面基座中或在凸面基座前面。第一(中心)小阶梯光栅和第二小阶梯光栅均可从后面基座延伸相似或相等距离。或，第一小阶梯光栅可以后向延伸至第二小阶梯光栅。或，第二小阶梯光栅可以后向延伸至第一小阶梯光栅。如图8E所看到的，第一小阶梯光栅以相对于第二或其他外围小阶梯光栅的各个距离后向延伸至后基座。还可以设想，某些或全部小阶梯光栅将延伸到凸面基座(或在凸面基座前面)。
基座眼用晶状体构造可以包括诸如在美国专利No.6830332中描述的衍射表面剖面，该美国专利通过引用被并入本文。例如，基座晶状体构造可以包括具有等于一个波长的消色差设计，如'332专利的列4、行42-43所讨论的。本发明的实施方式包含包括扩展焦深(EDOF)阶梯高度的设计，该阶梯高度被放置在此类消色差设计的顶部。
在某些实例中，基本眼用晶状体构造可以在整个光学元件上并入不受瞳孔约束的衍射剖面。因此，在瞳孔在低光线条件下变宽时，晶状体可继续提供优异的中间视力的特性。这种不受瞳孔约束的衍射剖面可以具有与两个小阶梯光栅相同的环结构(添加焦度)。结果，两个小阶梯光栅如具有更高剖面高度(阶梯高度)的两个中心小阶梯光栅一样在原本恒定高度的衍射剖面上露出。
在某些实例中，每个小阶梯光栅或环具有大于一个波长的阶梯高度或剖面高度。例如，波长可以是550nm，如在美国专利号6,830,332中所描述的，该美国专利通过引用被并入本文。因此，衍射剖面可运行，将入射或引入光基本或主要分配至第一和第二衍射阶，例如分别分配至图7的远焦点730和中间焦点740。
在某些实例中，眼用晶状体的衍射剖面在被引导至第一和第二衍射阶的光中产生色差，其与由自然眼睛产生的色差符号相反(例如，最终置入人工晶状体的自然的有晶状体眼或无晶状体眼的眼睛)。因此，衍射剖面可运行，以至少部分矫正、补偿或以其他方式治疗眼睛的自然色差。例如，患者的无晶状体眼900的光学部件可以通过将不同波长的光(例如，蓝光902，绿光904，以及红光906)分别聚焦在不同焦位置，引入如图9A所描绘的色差。因此，可以看到，在由眼睛产生的色差导致不同波长的光具有不同焦距的情况下，患者自身的眼睛可产生色差。
如这里所绘出的，图9A和图9B是示意图，并且为了清晰起见，焦点或区域(例如，分别是920a、920b)被示出在眼睛的中心。正常情况下，焦点或面积在眼后的视网膜或接近眼后的视网膜。
通过引入如图9B所绘出的眼用晶状体910，可以抵消眼睛的自然色差，并因此，将可见光谱的多个波长带至单焦点(例如，920b)。因此，图9B的人工眼睛提供患者看到的图像质量的改进。与图9A相比，在不同波长的光现在对准或更多对准。因此，眼用晶状体910运行以补偿由眼睛产生的色差(例如，眼色差)。应当理解，如本文所讨论的眼用晶状体可矫正或治疗在一个或一个以上衍射阶或焦点的色差。
在某些实例中，在患者眼睛外围(例如，角膜)的光线可能被过度折射，例如由于球面像差，从而产生减少图像质量的散焦光区域。在某些情况下，可选地与眼睛的其他光学部件组合，角膜可产生球面像差。因此，球面像差在各个实例中可以被称为角膜球面像差或眼球面像差。通过减少外围光线被折射的量，眼用晶状体的非球面表面可补偿此类球面像差。例如，如图9B所示，晶状体910的非球面光学表面可补偿散焦光的区域，并由此形成由箭头A所指示，光朝向眼睛的视网膜或后面的正确或改进的聚焦点。如这里所示，除了补偿眼色差以外，眼用晶状体也运行以补偿眼球面像差，并向眼睛的后面更精确输送聚焦光。
根据某些实施方式，眼用晶状体900可运行以治疗或矫正一定聚焦范围内或扩展焦深上的色差。例如，眼用晶状体可提供在远焦点(例如，图7的焦点730)的色差的部分矫正或治疗，以及在中间焦点(例如，图7的焦点740)的色差的相当大或完全矫正或治疗。此类色差治疗可使用特定衍射焦度来实现。
例如，让第n衍射阶与眼用晶状体的远焦点相关联，并且第j衍射阶与眼用晶状体的中间焦点(聚焦范围)相关联。各阶之间的差异是j-n。至于晶状体的扩展焦深，在中间视力与远视力之间的晶状体焦度(例如，以屈光度为单位)的差异表示扩展焦深的范围。
相关地，让眼用晶状体在第n衍射阶或远焦点的色差用下列方程式表征为LCAf：
LCAf＝LCAr+n*LCAd
在这里，LCAr指的是折射基本晶状体的纵向色差，以及LCAd指的是衍射剖面的纵向色差。需要指出的是，上述方程式包括“+”符号，不过，LCAd在方程式中的值是负的。
类似地，用于衍射阶或中间视力的衍射焦点的色差可以用下列方程式表征为LCAi：
LCAi＝LCAr+j*LCAd。
至于具有眼色差矫正的设计，LCAf和LCAi应当具有负值。
让无晶状体眼的色差为LCAae。如果下列方程式满足，则获得没有过分矫正的眼色差的矫正：
-LCAf≤LCAae
以及
-LCAi≤LCAae
或：
n≤(LCAae+LCAr)/(-LCAd)
j≤(LCAae+LCAr)/(-LCAd)
例如，利用具有正衍射阶的衍射剖面，LCAae＝2D，LCAr＝1.5D以及LCAd＝-1.75D。全色差在用于衍射阶为j＝(2+1.5)/l.75＝2的中间视力中获得。在此类情况下，第一衍射阶给眼睛留下(2+1.5-1*1.75)＝1.75D的LCA，并为人工晶状体眼(例如，植入的人工晶状体)给出1.75D的LCA减少，以及无晶状体眼(例如，被移除的自然晶状体)0.25D的减少。
表4根据本发明的实施方式，提供用于示例性衍射剖面的阶梯高度、直径、光程差(以波长λ为单位的OPD)和光分配值。
根据某些实施方式，阶梯高度经配置，使得晶状体一般使用第一和第二衍射阶起作用。所使用的指定阶梯高度可以取决于在晶状体中存在的材料折射率和/或所考虑的波长。通常，每个阶梯高度在光程长度形成差异。因此，假设眼睛水溶液的折射率是1.336，并且考虑眼用晶状体材料具有1.47的折射率，大约四微米的阶梯高度引入一个波长的光程差。在某些实例中，本发明的实施方式包含阶梯高度值大于四微米的晶状体设计。在某些实例中，本发明的实施方式包含阶梯高度值在范围为四微米与8微米内的晶状体设计。在某些实例中，本发明的实施方式包含具有小阶梯光栅阶梯高度的晶状体设计，该小阶梯光栅阶梯高度引入大于1的光程差值。
如表4所指示，示例性眼用晶状体可包括具有两个小阶梯光栅的中心区，该两个小阶梯光栅运行，为了在小和中等瞳孔尺寸下的EDOF效果，将远焦点与中间焦点之间的光引导在50:50的相对比率。结合另外的外围小阶梯光栅运行，将远焦点与中等焦点之间的光引导在75:25的相对比率，这可保持用于较大瞳孔尺寸下的EDOF效果。
图10A和图10B示出与其他单环人工晶状体设计(即，1R001和1R002)以及标准多焦点人工晶状体设计对比的，根据本发明的实施方式的用于眼用晶状体的调制传递函数(MTF)曲线(即，Xring 313、Xring 329和Xring 305)。示例性单环设计在先前并入的2009年12月18日提交的美国专利申请号61/288,255中描述。因此，各自设计在白光中的对焦性能可进行比较。这些图形基于被置于眼睛模型中的原型晶状体的测量，该眼睛模型类似于改良的ISO模型，如Norrby等人在Appl.Opt.46(26)：6595-605(2007)中公布的Model eyesfor evaluation of intraocular lenses，其内容通过引用并入本文。图10A示出晶状体在瞳孔直径为3mm(例如，中等瞳孔尺寸)的对焦性能，以及图10B示出晶状体在瞳孔直径为5mm(例如，大瞳孔尺寸)的对焦性能。大瞳孔尺寸表示在低光线条件下的瞳孔尺寸。垂直轴表示在每毫米50个环的调制(MTF)。水平轴表示在眼镜平面中的散焦。在眼镜平面中的散焦可被粗略转换为由等式(以厘米为单位的观看距离)＝100/(眼镜平面中的散焦)表示的观看距离。例如，在眼镜平面中1.33屈光度的散焦对应于100/1.33＝75cm的观看距离。
如这里所示出的，通过改变眼用晶状体的衍射添加焦度，在中间焦点的峰值1010(在眼镜平面中约1.3屈光度)可在水平位置改变。例如，调整中心和外衍射区的小阶梯光栅的直径(例如，如图7所示)可运行以改变衍射添加焦度。通过改变眼用晶状体的光分配，在中间焦点的峰值1010还可以在垂直位置改变。例如，调整中心和外衍射区的阶梯高度(例如，如图7所示)可运行以改变在中间焦点的光分配百分比。
相关地，通过改变眼用晶状体的光分配，在远焦点(0屈光度)的峰值1020可以在垂直位置改变。例如，调整中心和外衍射区的阶梯高度(例如，如图7所示)可运行以改变在远焦点的光分配百分比。就是说，将更高百分比的光引向远焦点将增加向上峰值1020的高度，并且将更低百分比的光引向远焦点将减小峰值1020的高度。
因此，根据某些实施方式，晶状体阶梯高度的变化可运行，以改变晶状体的光分配特性，并藉此改变1010和1020的垂直位置。另外，环直径的变化可运行，以改变晶状体的添加焦度特性，并藉此改变1010的水平位置。
这些变化的结果在图10A和图10B中示出，该图示出根据本发明具有不同添加焦度和光分配的晶状体设计实施方式(被标注为“Xring”)。对应于用“Xring 313”标记的线的晶状体具有2.5屈光度的添加焦度，对应于用“Xring 329”标记的线的晶状体具有1.75屈光度的添加焦度，并且对应于用“Xring 305”标记的线的晶状体具有1.5屈光度的添加焦度。如这里所描绘的，在水平轴表示在眼镜平面中的散焦时，Xring 329晶状体的1.75屈光度设计具有在约1.3屈光度的中间峰值。照例，在眼镜平面中的散焦是在人工晶状体平面中的散焦的约3/4(例如，3/4*1.75≈1.3)。在这个意义上说，1.75屈光度的人工晶状体添加焦度可与1.3D的眼镜平面散焦区分开来。
关于使用调制传递函数(MTF)评估可视系统的性能(例如，眼用晶状体和/或眼睛的其他光学部件)的另外细节在美国专利公开号2009/0210054中描述，该美国专利通过引用被并入本文。
图11A和图11B示出与两个常规多焦点人工晶状体设计相比，根据本发明实施方式用于各种眼用晶状体构造的调制传递函数(MTF)数据(例如，Xring设计302对311、314和329的对比)。如这里所示，根据本发明的实施方式(例如，Xring设计)用于眼用晶状体在远焦点的MTF值好于用于这些多焦点人工晶状体设计在远焦点的MTF值。对于3mm瞳孔，本发明的实施方式的MTF比当前常规多焦点晶状体的MTF高18％至83％。对于5mm瞳孔，本发明的实施方式的MTF比当前常规多焦点晶状体的MTF高39％至173％。
图12A提供对于各种晶状体设计构造，用于3-mm瞳孔直径的美国空军图像散焦图示。在眼镜平面中，散焦值以屈光度提供。如这里所示出的，Xring设计(307，311，314，以及329)比多焦点人工晶状体设计、单焦点晶状体设计和两个单环设计(1R001和1R002)提供更好的结果。在这里描绘的四个不同Xring设计中的每个具有不同的添加焦度和光分配。Xring 307具有1.5屈光度的添加焦度，Xring 311具有2.0屈光度的添加焦度，Xring 314具有2.5屈光度的添加焦度，以及Xring 329具有1.75屈光度的添加焦度。
模型眼睛数据证明单环眼用晶状体设计可提供在先前被并入本文的，在2009年12月18日提交的美国专利申请号61/288,255中提供的扩展视场效果。图12A提供美国空军目标的散焦图像，其对应于根据US61/288,255的两个人工晶状体设计(例如，1R001和1R002)和改良的ISO眼睛模型中的常规单焦点非球面人工晶状体设计(图12中的“单焦点”)，如在先前并入的，由Norrby等人在Appl.Opt.46(26)：6595-605(2007)中公开的Model eyes forevaluation of intraocular lenses。如在这里所描绘的，在散焦下，与单焦晶状体设计相比，对应于1R001和1R002IOL设计的图像在当眼睛散焦时较少模糊。高达至少-2.00屈光度的散焦，某些水平和垂直线仍可用1R001和1R002设计来区分。相反，对于常规的单焦IOL设计，水平和垂直线可通过仅高达至少-1.00屈光度来区分。这些图片在白光下拍摄。就EDOF的尺寸的效果而言，评估和参考临床结果是有帮助的。Xring设计旨在提供增强的EDOF效果。图12B示出当本发明的实施例性晶状体在这个相同改良ISO眼睛模型中测量时，高达25c/mm在MTF曲线下的面积。在图12B中的实施例性晶状体具有基本晶状体构造，其带有在晶状体后侧的消色差设计。消色差设计具有等于一个波长的剖面高度。EDOF设计被置于消色差设计的顶部。图12B的EDOF设计可见于表4。最终，在晶状体前侧的非球面形状减少球面像差。在MTF曲线中的组合结果可见于图12B。图12B也示出常规多焦点晶状体的测量结果。与具有表示两个不同焦点的两个不同峰值在两个峰值之间带有凹部的常规多焦点晶状体相比，本设计具有在扩展视力范围内表示在扩展范围内的图像质量渐变的一个宽峰值。这示出与常规多焦点晶状体相比，根据本发明的IOL以明确定义的不同方式来表现。
图12的图像仅示出根据本发明的实施方式的示例性晶状体的范围的一部分。在某些情况下，多焦点晶状体具有在约-3屈光度散焦的第二鲜明图像。在最佳焦点(0屈光度)与在-3屈光度的第二焦点之间，多焦点晶状体会显示高度模糊的图像。不过，应当认识到，对于多焦点晶状体，在中间距离的视觉功能仍然在视力往往好于20/40的功能等级。根据本发明的实施方式，当评估图像时，这种观察以及表示图案的那些观察可被记住。
例如，通过Xring 311设计，在-1.50屈光度散焦的USAF图像比在-1.0屈光度散焦的图像更鲜明。这种特征的幅度大大小于多焦点晶状体所观察到的幅度。就是说，在-1.50屈光度与-1.00屈光度之间的清晰度小于Xring设计并大于多焦点设计。而且，与多焦点设计相比，Xring设计在这整个范围内的清晰度更高。因此，可以预计在临床期内，通过约20/20的视力，在整个中间范围内的功能性视力可与在最佳焦点的视力媲美。例如，对于Xring311，据估算中间范围在从0到至少-1.75屈光度的范围运行。
用于评估可视系统中的焦深的各种技术(例如，眼用晶状体和/或眼睛的其他光学部件)在美国专利公开号2009/0210054中描述，该美国专利通过引用被并入本文。
本发明的眼用晶状体实施方式可经配置补偿由患者眼睛产生的各种像差，诸如球面像差和色差，各种像差可从患者眼睛的角膜和/或其他光学部件取得。因此，设计和/或制造此类晶状体的方法可包含获得或使用与患者眼睛像差相关的数据。包括波前测量系统的各种像差计中的任一种可被用于获得此类像差数据。用于测量眼睛和像差的示例性波前测量系统的组件可以包括可购自加利福尼亚米尔皮塔斯AMO MANUFACTURING USA公司的系统的元件。一个实施方式包括带有可变形反射镜的WaveScan系统。波前测量系统的替代实施方式在美国专利号6,271,915中描述，该专利的全部公开通过引用被并入本文。应当明白，任何波前像差计可以被采用与本发明的实施方式一起使用。相关地，本发明的实施方式包含由AMO WAVEFRONT SCIENCES公司提供的各种光学仪器中的任一种的实施，其包括COAS波前像差计，ClearWave隐形眼镜像差计、CrystalWave IOL像差计等。
在某些情况下，本发明的实施方式包含用于制备或制造如本文所公开的眼用晶状体的系统、配套元件和计算机程序产品。眼用晶状体可使用激光烧蚀工艺来制造，和/或可以并入用于制造人工晶状体的标准技术，上述的各方面在美国专利号4,856,234、5,322,649和5,888,122以及美国专利公开号2002/0082690中描述。这些专利公开中的任一个的内容通过引用被并入本文。相关地，在某些实例中，制备或制造工艺可以包括成型、抛光、焦度测量、质量控制、建模等各方面。
图13示出根据本发明的实施方式用于生成眼用晶状体处方的实施例性方法1300的各方面。在某些情况下，该方法可以包括测量患者眼睛的球面和/或像差。如这里所示出的，该方法可以包括如步骤1330所指示输入患者参数数据分布图。数据分布图可以包括(a)对应于测量出的患者球面像差1310的患者球面像差参数以及(b)对应于测量出的患者色差1320的患者色差参数。另外，该方法可以包括如步骤1340所指示，生成用于患者的眼用晶状体处方。眼用晶状体处方可以经配置补偿所测量的患者球面像差和色差并提供扩展焦深。在某些情况下，为了提供扩展焦深，该处方可提供对应于基本焦度的远焦点和对应于添加焦度的中间焦点，其中，该基本焦度与添加焦度之间的差值限定用于眼用晶状体处方的扩展焦深。在某些情况下，为了提供扩展焦深，该处方可以提供在每毫米50个环为至少10的调制传递函数值用于在3mm和5mm瞳孔直径的中间焦点。
图14示出根据本发明的实施方式用于制造眼用晶状体的示例性方法1400的各方面。如这里所示出的，该方法包括如步骤1410所指示输入用于患者的眼用晶状体处方，和如步骤1420所指示基于处方制造眼用晶状体。眼用晶状体处方可以经配置补偿所测量的患者球面像差、补偿所测量的患者色差并提供扩展焦深。相关地，晶状体可以经配置补偿患者球面像差和色差并提供扩展焦深。在某些情况下，为了提供扩展焦深，该晶状体可提供对应于基本焦度的远焦点和对应于添加焦度的中间焦点，其中，该基本焦度与添加焦度之间的差值限定用于眼用晶状体处方的扩展焦深。在某些情况下，为了提供扩展焦深，该晶状体可以提供在每毫米50个环为至少10的调制传递函数值用于在3mm和5mm瞳孔直径的中间焦点。
图15示出根据本发明的实施方式，用于生成用于患者眼睛的眼用晶状体处方的示例性系统1500。该系统包括输入端1510，其接收特定用于患者眼睛的患者参数数据分布图。患者参数数据分布图可以包括对应于已测出的患者眼睛的球面像差的患者球面像差参数，以及对应于已测出的患者眼睛的色差的患者色差参数。该系统还包括具有有形介质的模块，该有形介质体现生成用于眼睛的眼用晶状体处方的机器可读代码。如这里所示出的，该处方用于补偿已测出的球面像差和色差并提供扩展焦深的晶状体。在某些情况下，为了提供扩展焦深，该晶状体可提供对应于基本焦度的远焦点和对应于添加焦度的中间焦点，其中，该基本焦度与添加焦度之间的差值限定用于眼用晶状体处方的扩展焦深。在某些情况下，为了提供扩展焦深，该晶状体可以提供在每毫米50个环为至少10的调制传递函数值用于在3mm和5mm瞳孔直径的中间焦点。
图16绘出用于制造用于患者眼睛的眼用晶状体的示例性系统1600。该系统包括输入端1610，其接收用于患者眼睛的眼用晶状体处方。该处方用于补偿已测出的患者眼睛的球面像差和色差，并向患者眼睛提供扩展焦深的晶状体。该系统还包括根据晶状体处方与制造眼用晶状体的输入端连接的制造组件1620。
本文所述的计算、操作、方法和工艺中的每一项可以使用计算机或具有硬件、软件和/或固件的其他处理器来执行。各个方法步骤可以通过模块来执行，并且该模块可以包括被安排执行本文所述的方法步骤的各种各样数字和/或模拟数据处理硬件和/或软件中的任一种。该模块任选地包括适于执行这些步骤中的一个或多个步骤的数据处理硬件，其具有与执行所述步骤相关联的适当机器编程代码，用于两个或更多个步骤(或两个或更多个步骤中的部分)的模块被集成到单个处理器板中或以各种各样集成式和/或分布式处理架构中的任一种被分割成不同的处理器板。这些方法和系统往往采用有形介质，其用执行上述方法步骤的指令实施机器可读代码。合适的有形介质可以包括存储器(包括易失性存储器和/或非易失性存储器)、存储介质(诸如在软盘、硬盘、带等上；在光存储器诸如CD、CD-R/W、CD-ROM、DVD等上的磁记录；或任何其他数字或模拟存储介质)，等等。
上述包括附图、数字、函数和表格的实施方式用于解释本发明的各方面的说明目的。因此，虽然示例性实施方式已在某种程度上详细描述，但是借助实施例和透彻理解，本领域中的技术人员应当认识到可以进行各种更改、改进和变化。因此，权利要求的范围不应当局限于本文所列出的优选方式的描述。

Claims (62)

1.一种眼用晶状体，包括第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面围绕光轴设置；施加于所述第一表面或所述第二表面上的非球面折射剖面；以及施加于所述第一表面或所述第二表面上的衍射剖面，其中所述非球面折射剖面将光向远焦点聚焦，其特征在于：
所述衍射剖面包括向远焦点分配光的不为零的第一百分比以及向中间焦点分配光的不为零的第二百分比的中心区，以及环绕所述中心区的外围区，所述外围区向所述远焦点分配光的不为零的第三百分比以及向所述中间焦点分配光的不为零的第四百分比，其中由所述外围区向所述远焦点分配的光的百分比是63％，并且由所述外围区向所述中间焦点分配的光的百分比是21％。
2.根据权利要求1所述的眼用晶状体，其中所述中间焦点对应于范围在1屈光度与2.5屈光度之间的添加焦度。
3.根据权利要求1所述的眼用晶状体，其中所述中间焦点对应于在0.75与2屈光度之间的添加焦度。
4.根据权利要求1所述的眼用晶状体，其中所述中间焦点对应于1.75屈光度的添加焦度。
5.根据权利要求1所述的眼用晶状体，其中所述远焦点对应于所述衍射剖面的第一衍射阶。
6.根据权利要求1所述的眼用晶状体，其中所述远焦点对应于所述衍射剖面的第二衍射阶。
7.根据权利要求1所述的眼用晶状体，其中所述远焦点对应于所述衍射剖面的第三衍射阶。
8.根据权利要求1所述的眼用晶状体，其中所述中间焦点与所述远焦点之间的差对应于范围在1屈光度到2.5屈光度内的焦度值。
9.根据权利要求1所述的眼用晶状体，其中所述中间焦点与所述远焦点之间的差对应于1.75屈光度的焦度。
10.根据权利要求1所述的眼用晶状体，其中由所述中心区向所述远焦点分配的光的百分比在41％与63％的范围内，并且由所述中心区向所述中间焦点分配的光的百分比在21％至41％的范围内。
11.根据权利要求1所述的眼用晶状体，其中由所述中心区向所述远焦点分配的光的百分比是41％，并且由所述中心区向所述中间焦点分配的光的百分比是41％。
12.根据权利要求1所述的眼用晶状体，其中所述中心区包括一个或多个小阶梯光栅，每个小阶梯光栅具有阶梯高度，并且其中所述外围区包括多个小阶梯光栅，每个小阶梯光栅具有的阶梯高度小于每个中心区小阶梯光栅的所述阶梯高度。
13.根据权利要求12所述的眼用晶状体，其中所述中心区包括两个或更多个小阶梯光栅。
14.根据权利要求12所述的眼用晶状体，其中所述中心区包括两个、三个或四个小阶梯光栅。
15.一种眼用晶状体，包括第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面围绕光轴设置；施加于所述第一表面或所述第二表面上的非球面折射剖面；以及施加于所述第一表面或所述第二表面上的衍射剖面，其中所述非球面折射剖面将光向远焦点聚焦，其特征在于：
所述衍射剖面包括向远焦点分配光的不为零的第一百分比以及向中间焦点分配光的不为零的第二百分比的中心区，以及环绕所述中心区的外围区，所述外围区向所述远焦点分配光的不为零的第三百分比以及向所述中间焦点分配光的不为零的第四百分比，其中所述中心区包括至少一个具有0.006毫米的阶梯高度的小阶梯光栅，并且其中所述外围区包括至少一个具有0.0055毫米的阶梯高度的小阶梯光栅。
16.一种眼用晶状体，包括第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面围绕光轴设置；施加于所述第一表面或所述第二表面上的非球面折射剖面；以及施加于所述第一表面或所述第二表面上的衍射剖面，其中所述非球面折射剖面将光向远焦点聚焦，其特征在于：
所述衍射剖面包括向远焦点分配光的不为零的第一百分比以及向中间焦点分配光的不为零的第二百分比的中心区，以及环绕所述中心区的外围区，所述外围区向所述远焦点分配光的不为零的第三百分比以及向所述中间焦点分配光的不为零的第四百分比，其中所述中心区包括至少一个具有1.5倍波长的光程差的小阶梯光栅，并且其中所述外围区包括至少一个具有1.366倍波长的光程差的小阶梯光栅。
17.根据权利要求1所述的眼用晶状体，其中所述中心区包括两个小阶梯光栅，每个小阶梯光栅具有阶梯高度，并且所述外围区包括七个小阶梯光栅，每个小阶梯光栅具有的阶梯高度小于所述中心区小阶梯光栅的所述阶梯高度。
18.一种眼用晶状体，包括第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面围绕光轴设置；施加于所述第一表面或所述第二表面上的非球面折射剖面；以及施加于所述第一表面或所述第二表面上的衍射剖面，其中所述非球面折射剖面将光向远焦点聚焦，其特征在于：
所述衍射剖面包括向远焦点分配光的不为零的第一百分比以及向中间焦点分配光的不为零的第二百分比的中心区，以及环绕所述中心区的外围区，所述外围区向所述远焦点分配光的不为零的第三百分比以及向所述中间焦点分配光的不为零的第四百分比，其中所述中心区包括具有1.6mm外径的内部小阶梯光栅和具有2.2mm外径的外部小阶梯光栅，其中，所述中心区的所述内部小阶梯光栅和所述外部小阶梯光栅各自具有阶梯高度，并且其中所述外围区包括七个小阶梯光栅，每个小阶梯光栅具有的阶梯高度小于所述中心区小阶梯光栅的所述阶梯高度。
19.一种眼用晶状体，包括第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面围绕光轴设置；施加于所述第一表面或所述第二表面上的非球面折射剖面；以及施加于所述第一表面或所述第二表面上的衍射剖面，其中所述非球面折射剖面将光向远焦点聚焦，其特征在于
所述衍射剖面包括向远焦点分配光的不为零的第一百分比以及向中间焦点分配光的不为零的第二百分比的中心区，以及环绕所述中心区的外围区，所述外围区向所述远焦点分配光的不为零的第三百分比以及向所述中间焦点分配光的不为零的第四百分比，其中所述晶状体在所述中间焦点提供在50c/mm为24的MTF并且在所述远焦点提供在50c/mm为44的MTF。
20.根据权利要求15所述的眼用晶状体，其中所述中间焦点对应于范围在1屈光度与2.5屈光度之间的添加焦度。
21.根据权利要求15所述的眼用晶状体，其中所述中间焦点对应于在0.75与2屈光度之间的添加焦度。
22.根据权利要求15所述的眼用晶状体，其中所述中间焦点对应于1.75屈光度的添加焦度。
23.根据权利要求15所述的眼用晶状体，其中所述远焦点对应于所述衍射剖面的第一衍射阶。
24.根据权利要求15所述的眼用晶状体，其中所述远焦点对应于所述衍射剖面的第二衍射阶。
25.根据权利要求15所述的眼用晶状体，其中所述远焦点对应于所述衍射剖面的第三衍射阶。
26.根据权利要求15所述的眼用晶状体，其中所述中间焦点与所述远焦点之间的差对应于范围在1屈光度到2.5屈光度内的焦度值。
27.根据权利要求15所述的眼用晶状体，其中所述中间焦点与所述远焦点之间的差对应于1.75屈光度的焦度。
28.根据权利要求15所述的眼用晶状体，其中所述中心区包括两个或更多个小阶梯光栅。
29.根据权利要求15所述的眼用晶状体，其中所述中心区包括两个、三个或四个小阶梯光栅。
30.根据权利要求16所述的眼用晶状体，其中所述中间焦点对应于范围在1屈光度与2.5屈光度之间的添加焦度。
31.根据权利要求16所述的眼用晶状体，其中所述中间焦点对应于在0.75与2屈光度之间的添加焦度。
32.根据权利要求16所述的眼用晶状体，其中所述中间焦点对应于1.75屈光度的添加焦度。
33.根据权利要求16所述的眼用晶状体，其中所述远焦点对应于所述衍射剖面的第一衍射阶。
34.根据权利要求16所述的眼用晶状体，其中所述远焦点对应于所述衍射剖面的第二衍射阶。
35.根据权利要求16所述的眼用晶状体，其中所述远焦点对应于所述衍射剖面的第三衍射阶。
36.根据权利要求16所述的眼用晶状体，其中所述中间焦点与所述远焦点之间的差对应于范围在1屈光度到2.5屈光度内的焦度值。
37.根据权利要求16所述的眼用晶状体，其中所述中间焦点与所述远焦点之间的差对应于1.75屈光度的焦度。
38.根据权利要求16所述的眼用晶状体，其中所述中心区包括两个或更多个小阶梯光栅。
39.根据权利要求16所述的眼用晶状体，其中所述中心区包括两个、三个或四个小阶梯光栅。
40.根据权利要求18所述的眼用晶状体，其中所述远焦点对应于所述衍射剖面的第一衍射阶。
41.根据权利要求18所述的眼用晶状体，其中所述远焦点对应于所述衍射剖面的第二衍射阶。
42.根据权利要求18所述的眼用晶状体，其中所述远焦点对应于所述衍射剖面的第三衍射阶。
43.根据权利要求18所述的眼用晶状体，其中由所述中心区向所述远焦点分配的光的百分比在41％与63％的范围内，并且由所述中心区向所述中间焦点分配的光的百分比在21％至41％的范围内。
44.根据权利要求18所述的眼用晶状体，其中由所述中心区向所述远焦点分配的光的百分比是41％，并且由所述中心区向所述中间焦点分配的光的百分比是41％。
45.根据权利要求18所述的眼用晶状体，其中由所述外围区向所述远焦点分配的光的百分比是41％或更多，并且由所述外围区向所述中间焦点分配的光的百分比是41％或更少。
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47.根据权利要求18所述的眼用晶状体，其中所述中心区包括两个或更多个小阶梯光栅。
48.根据权利要求18所述的眼用晶状体，其中所述中心区包括两个、三个或四个小阶梯光栅。
49.根据权利要求19所述的眼用晶状体，其中所述中间焦点对应于范围在1屈光度与2.5屈光度之间的添加焦度。
50.根据权利要求19所述的眼用晶状体，其中所述中间焦点对应于在0.75与2屈光度之间的添加焦度。
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52.根据权利要求19所述的眼用晶状体，其中所述远焦点对应于所述衍射剖面的第一衍射阶。
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55.根据权利要求19所述的眼用晶状体，其中所述中间焦点与所述远焦点之间的差对应于范围在1屈光度到2.5屈光度内的焦度值。
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