CN108445559A - 一种镜像设计的双面变焦镜片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镜像设计的双面变焦镜片，所述镜片的变焦曲面为自由曲面，自由曲面包括两个光学顶点，其中，有一个顶点为自由曲面最高点，另外一个顶点为自由曲面最低点；两个变焦曲面的设计完全一致，并且一个面的自由曲面最高点与另一个面的自由曲面最高点位置对应，一个面的自由曲面最低点与另一个面的自由曲面最低点位置对应。

Description

一种镜像设计的双面变焦镜片

技术领域

本发明属于光学透镜技术领域，尤其涉及一种镜像设计的双面变焦镜片。

背景技术

中国专利201710727180.7《用于视力矫正双镜片组中的等距离变焦点透镜直纹单片》设计了在一块透镜上呈现多个焦点区域、每个焦点区域焦点值的变化成依次排列的渐变焦点透镜。该种镜片设计在波纹与波纹过渡区间会出现屈光度跳跃现象，导致屈光度不连续变化，从而影响视觉训练的效果。并且，相邻条形曲面的透镜屈光度数值极差N为10度至100度之间的某一个值，具体极差值未做详细说明。人眼耐受的屈光度极差超过50度时，则可能出现视觉眩晕等情况。该种镜片设计无法真正实现连续动态变焦。所以该技术方案无法实现视觉训练的功效。

中国专利201520246792.0《一种可任意变焦镜片组》提供了一种：每片镜片的一个表面为水平面，镜片的另一个表面为符合数学变化规律高低起伏的非水平曲面；所述的镜片非水平曲面上均设置有一个最高点和一个最低点；所述的镜片非水平曲面的最高点与最低点之间、沿镜片非水平曲面均匀分布有连续变化的多个光学中心；所述的多个光学中心的屈光度数依次递减或递增。该种变焦镜片组的变焦范围为+3.00D～-8.00D。对于中高度近视人群的负透镜训练区间有限，无法达到整体视功能训练的作用。

随着社会的发展与科技的进步，受到电子产品以及学业任务加重的影响，大量青少年儿童形成了近视、远视、散光、弱视等屈光不正问题，因而大量的视保健产品应运而生。同时，随着国家人口年龄结构的变化，中老年群里的比例在逐步扩大，老花现象将给广大中老年人群带来极大的视觉不便。市面上绝大多数的视力康复机构或视保健产品需要青少年儿童前往专业机构进行长期的视觉训练服务，耗费大量青少年学习和生活时间，给青少年儿童日常生活带来极大的不便。

老花镜和普通的渐变多焦点镜片在解决老花问题也同样面临较多局限，比如携带不便，变焦量小等特点。这类镜片可变焦量小、变焦光学区域(即变焦可视区)非常窄，周边像差区域畸变较大，佩戴使用舒适度不够。

发明内容

本发明的目的是提供一种镜像设计的双面变焦镜片，包括两个对称的镜像设计的变焦曲面。

所述变焦曲面为自由曲面，自由曲面包括两个光学顶点，分别为自由曲面的最高点和最低点，最高点到最低点通过特定数学模型设计的波浪式变化。相对于镜片的剖面，自由曲面水平方向(X轴)含有一个最高点和一个最低点，最高点和最低点之间呈现波浪式高低起伏变化规律。自由曲面竖直方向(Y轴)含有一个山峰结构和一个山谷结构，山峰最高点即为自由曲面最高点，山谷最低点即为自由曲面最低点。且山峰和山谷关于X轴对称。

所述两个自由曲面的表面结构相同，并且一个自由曲面的最高点与另一个自由曲面的最高点相对于镜片的剖面对称，一个自由曲面的最低点与另一个自由曲面的最低点相对于镜片的剖面对称。

所述两个对称的镜像设计的变焦曲面组成的双面变焦镜片包括P点、N点、C区和A区，其中P点为最大正度数对应的光学中心点，即自由曲面最高点对应位置。N点为最大负度数对应的光学中心点，即自由曲面最低点对应位置。C区为连续变焦通道，是从P点最大正度数到N点最大负度数的过渡区域，即最高点到最低点之间连线的过渡区域。A区为周边像差区域，即镜片最高点、最低点以及最高点和最低点之间过渡区域之外的区域。

所述C区的屈光度变化率δ计算公式如下：

δ＝2*(D_P-D_N)/L，

其中，D_P代表最高点的屈光度，D_N代表最低点的屈光度。L代表最高点到最低点的距离。

所述自由曲面最高点的厚度、自由曲面最低点的厚度、自由曲面最高点与最低点的距离三者的比值范围在10:0.5:50～20:1.8:120之间。

所述自由曲面最高点屈光度范围为+5.00D～+10.00D，所述自由曲面最低点屈光度范围为-10.00D～-20.00D。

所述两个对称的镜像设计的变焦曲面组成的双面变焦镜片屈光度范围为+20.00D～-40.00D线性变焦。

有益效果：本发明通过颠覆传统镜片加工设计思路，进行双面镜像自由曲面变焦设计，实现了大范围的连续变焦，突破现有技术中像跳现象、变焦范围不足等技术缺陷。通过自由曲面镜片的交错运动带来的自由变焦，能有规律的为各种非病理性、非器质性屈光不正人群和某些屈光性质的弱视人群进行科学有效的视觉训练。从而达到改善其视功能、提升视觉能力、缓解眼疲劳等问题。

本发明方法区别于普通的变焦镜片，本发明双面变焦镜片可实现单片镜片变焦范围{+20.00D～-40.00D}的线性变焦。为视力低常人群视功能训练提供有效的解决方案。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1a为本发明镜片主视图。

图1b为本发明镜片俯视图。

图2a为本发明实施例中的镜片的参数示意图。

图2b为本发明镜片剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本发明提供的用于视觉训练的双镜片组中的镜像设计双面变焦透镜包括两个对称的变焦曲面。该种变焦曲面是根据特定数学模型设计的自由曲面，所述的自由曲面含有两个光学顶点，一个顶点为自由曲面最高点，屈光度为+8.00D，另外一个顶点为自由曲面最低点，屈光度为-13.00D。最高点到最低点之间通过特定数学模型设计而成。另一个面的设计与上述自由曲面完全一致。且一个面的自由曲面最高点与另一个面的自由曲面最高点位置对应。一个面的自由曲面最低点与另一个面的自由曲面最低点位置对应。双面设计的变焦透镜屈光度范围为+16.00D～-26.00D线性变焦。

如图2a和图2b所示，相对于镜片的剖面3，自由曲面水平方向(X轴)含有一个最高点和一个最低点，最高点和最低点之间呈现波浪式高低起伏变化规律。自由曲面竖直方向(Y轴)含有一个山峰结构和一个山谷结构，山峰最高点即为自由曲面最高点，山谷最低点即为自由曲面最低点。且山峰和山谷关于X轴对称。

所述自由曲面是一种在X轴方向不具备旋转对称轴的复杂曲面，在Y轴具备轴对称关系。该复杂曲面本质上为特殊优化设计的渐进多焦点镜片。传统渐进多焦镜片为纵向放置于人眼表前，设计有视远区、中间过渡区、视近区域，视远区与视近区，视远区和视近区的屈光度差异称为ADD，视远区经过中间过渡区到达近区域的屈光度连续变化，不产生像跳现象，过渡区两侧为像差区，也叫周边区，人眼无法再周边区视物。

本发明的双自由曲面变焦镜为横向放置于人眼表前，不再设计有视远区、中间过渡区和视近区域。而是横向设计正屈光度最大位置、负屈光度最大位置以及正负最大位置中间的连续变焦通道，该通道的长度达到50mm以上。同时，该自由曲面打破传统渐进多焦点单面设计的局限，实现双面对称变焦，从而大大增加屈光度变化范围，实现大范围连续变焦，且不产生像跳现象。

透镜对光线的聚散程度称为屈光力，单位为屈光度(Diopter,国际简称D),镜片顶焦度的定义：一个镜片含有两个顶焦度，前顶焦度和后顶焦度。其中后顶焦度指以米为单位测得的近轴后顶点焦距的倒数，即φ_v＝1/I_f,其中，φ_v表示了该镜片的后顶焦度，单位m^-1。符号D,正透镜后顶点度数为正，负透镜后顶点焦度为负。

对于自由曲面镜片而言后顶焦度不能作为镜片屈光度参数的唯一指标，还应分析表面光焦度的分布。具体如下：

本发明的双面自由曲面变焦镜片将镜片设计为P点(正度数最高点，Positivepoint)、C区(连续变焦通道，Continuous zooming)、N点(负度数最低点,Negative point)和A区(周边像差区域，Aberration Astigmation)。详见图1a和图1b。

本发明的双面自由曲面变焦镜片C区的屈光度变化率公式为：δ＝2*(D_P-D_N)/L，单位为D/mm，代表本双面自由曲面变焦镜片的连续变焦区屈光度变化程度。详细变焦数据见表1。

表1

本发明的双面自由曲面变焦镜片同普通的球面镜与非球面镜片最大的差别是镜片有无数个屈光度，并且屈光度是连续变化。戴用者感觉不到像跳现象，能实现屈光度平稳过渡。球面屈光度计算方式为：当一束光束从一种介质通过单球面界面进入另一种介质时，不同介质之间光线的聚散度将发生改变，假设光束从折射率为n₁的介质，通过曲率K(等于曲率半径倒数，即1/r)的球面，进入折射率为n₂的介质，则此球面的屈光度为：

就本发明的双面自由曲面变焦镜片而言，其屈光度由前后表面形态决定,镜片的设计主要是表面形态的设计，其屈光度的连续变化就是局部表面曲率半径连续变化的结果。根据球面透镜屈光度计算公式，推算出本发明的双面自由曲面变焦镜片C区表面任意点屈光度为：

上述公式中，K_前是自由曲面该点处的前表面曲率(具体数值为曲率半径的倒数)，K_后是该点处后表面曲率(曲率半径的倒数)，n是该镜片介质的折射率，d为该点处镜片的厚度。通常认为，当镜片厚度小于一个厘米时，镜片为薄透镜，可忽略镜片厚度导致的屈光度变化。由上述公式可知，镜片点屈光度只与前后表面的曲率半径及镜片本身的折射率相关；

本发明的双面自由曲面变焦镜片的点屈光度可以简化为：

通过d趋近零的极限计算得出：

D_thin＝(n-1)(K_前-K_后)……………………………………………………………(004)

同时，由于本发明的双面自由曲面变焦镜片采用双面镜像对称设计，曲率半径大小相等，方向相反。则该点的屈光度值D_thin计算公式为：

D_thin＝2(n-1)K………………………………………………………………(005)

对于自由曲面数学函数设计如下：

假设一条光线，通过该双面自由曲面镜片上的某点时，由于该面为非平面，会出现无数条法线平面，这些法线平面会与自由曲面相交后重叠出无数条截交曲线。在这些截交曲线中，会有两条截交曲线最为特殊：一条截交线的曲率半径最大，曲率记为K₁，另外一条截交线的曲率半径最小，曲率记为K₂。同时，两条截交曲线互相垂直。

根据高斯曲率计算公式和平均曲率计算公式得出：

以高斯曲率K和平均曲率H分别为此矩阵行列式：

通过双面自由曲面镜片各点屈光度分布，可对整个曲面镜片的表面进行数学模型拟合。镜片表面屈光度连续变化，适合用B样条函数拟合和径向基函数拟合。由于B样条函数拟合曲线在所有节点内部都是无限可微的。本发明的双面自由曲面变焦镜片单面采用内B样条函数拟合，B样条曲线描述双自由曲面镜片为：

N_i,k(u)，N_i,k(v)分别为B样条曲面拟合数学模型中x，y方向上的基函数，d_i,j为自由曲面的控制顶点。

通过以上B样条曲面拟合数学模型，计算机模拟出设定的屈光度变化的自由曲面模型。通过模具打样加工造模，模具生产后的浇筑数控切削。制备出双面自由曲面连续变焦镜片。单面变焦量可做到{+8.00D～-13.00D}的连续变焦，双面变焦量为{+16.00D～-26.00D}，镜片模式图见图2a；镜片检测数据见表1。

所述镜片长度为56mm，高度为25mm。单片镜片最高点厚度为6.5mm，单片镜片最低点厚度为0.5mm,最高点与最低点之间的间距为43mm。本发明变焦镜片的核心比值，最高点厚度：最低点厚度：最高点与最低点距离＝13:1:108。

详细物理参数见图2a和图2b。

所述图2a中，镜片长为56mm，高度为25mm，最高点与最低点均位于镜片的水平中线上，最高点距镜片水平边缘分别为6.5mm，最低点距镜片水平边缘分别为6.5mm，最高点和最低点距镜片的上下边缘均为12.5mm，最高点屈光度为+16.00D，最低点屈光度为-26.00D。

所述图2b中，镜片最高点厚度为6.5mm，最低点厚度为0.5mm，镜片边缘厚度分别为4.0mm和1.0mm。

本发明共检测14片镜片，每片镜片从最高点到最低点进行逐一屈光度检测，每隔1mm进行检测，共检测43个点屈光度。14组镜片每个点位的屈光度变化差异控制在0.1D范围内。最高点屈光度为1号点，屈光度为+16.00D。最低点屈光度为43号点，屈光度为-26.00D。最高点至最低点的距离为43mm，屈光度变化率为-1.00D/mm。

本发明的镜像设计的双面变焦镜片在连续变焦区域上下2mm范围内连续变焦，散光控制在0.50D以内，此种大范围变焦适用于大多数屈光不正人群的视觉训练，包括近视、远视、散光、老花、屈光性质的弱视以及大多数视疲劳人群。通过近点训练和远点训练，逐步提升眼球的调节能力和大脑皮层的视觉功能。

实施例

本实施例提供一种镜像设计的双面变焦镜片，包括两个对称的镜像设计的变焦曲面，图1b所示，一面记为A1面，另一面记为A2面，如图1b所示，图1b中，1即为A1面，2即为A2面。

所述变焦曲面为自由曲面。自由曲面包括一个最高点和一个最低点。最高点到最低点通过特定数学模型设计的波浪式变化。

所述两个自由曲面的表面结构相同，并且一个自由曲面的最高点与另一个自由曲面的最高点相对于镜片的剖面3对称，如图2b所示，一个自由曲面的最低点与另一个自由曲面的最低点相对于镜片的剖面3对称。

所述两个对称的镜像设计的变焦曲面组成的双面变焦镜片包括P点、C区、N点和A区，其中P点为最大正度数对应的光学中心点，即自由曲面最高点对应位置。N点为最大负度数对应的光学中心点，即自由曲面最低点对应位置。C区为连续变焦通道，从P点最大正度数到N点最大负度数连线的过渡区域，即最高点到最低点之间连线的过渡区域。A区为周边像差区域，即镜片最高点、最低点以及最高点和最低点之间过渡区域之外的区域。

所述C区的屈光度变化率δ计算公式如下：

δ＝2*(D_P-D_N)/L，

其中，D_P代表最高点的屈光度，D_N代表最低点的屈光度。L代表最高点到最低点的距离。本实施例中屈光度变化率δ为-1.00D/mm

所述自由曲面最高点的厚度、自由曲面最低点的厚度、自由曲面最高点与最低点的距离三者的比值为13:1:108。

所述自由曲面最高点屈光度为+8.00D，所述自由曲面最低点屈光度为-13.00D。

所述两个对称的镜像设计的变焦曲面组成的双面变焦镜片屈光度范围为+16.00D～-26.00D线性变焦。

本发明的双面自由曲面连续变焦通过特定的数学模型获得，所述的自由曲面含有两个光学顶点，一个顶点为自由曲面最高点，屈光度为+8.00D，另外一个顶点为自由曲面最低点，屈光度为-13.00D。另一个面的设计与上述自由曲面完全一致。且一个面的自由曲面最高点与另一个面的自由曲面最高点位置对应。一个面的自由曲面最低点与另一个面的自由曲面最低点位置对应。双面设计的变焦透镜屈光度范围为+16.00D～-26.00D。

本发明的双面自由曲面变焦镜片将镜片设计为P点(正度数最高点，Positivepoint)、C区(连续变焦通道，Continuous zooming)、N点(负度数最低点,Negative point)和A区(周边像差区域，Aberration astigmation)。见图1a和图1b。

本发明的双面自由曲面变焦镜片C区的屈光度变化率公式为：δ＝2*(D_P-D_N)/L，单位为D/mm，代表本双面自由曲面变焦镜片的连续变焦区屈光度变化程度。本实施例中屈光度变化率δ为-1.00D/mm

通过双面自由曲面镜片各点屈光度分布，可对整个曲面镜片的表面进行数学模型拟合。镜片表面屈光度连续变化，适合用B样条函数拟合和径向基函数拟合。由于B样条函数拟合曲线在所有节点内部都是无限可微的。本发明的双面自由曲面变焦镜片单面采用内B样条函数拟合，B样条曲线描述双自由曲面镜片为：

N_i,k(u)，N_i,k(v)为B样条曲面拟合数学模型中x，y方向上的基函数，d_i,j为自由曲面的控制顶点。

通过以上B样条曲面拟合数学模型，计算机模拟出设定的屈光度变化的自由曲面模型。通过模具打样加工造模，模具生产后的浇筑数控切削。双面自由曲面连续变焦镜片。单面变焦量可做到{+8.00D～-13.00D}的连续变焦，双面变焦量为{+16.00D～-26.00D}。

如图2a和图2b所示，所述镜片长度为56mm，高度为25mm，镜片重约12g，两镜像最高点厚度为6.5mm，两镜像最低点厚度为0.5mm，镜片采用1.59折射率的PC材质浇筑后数控加工得成。

本发明通过颠覆传统镜片加工设计思路，进行双面镜像自由曲面变焦设计，实现了大范围的连续变焦，突破现有技术中像跳现象、变焦范围不足等技术缺陷。同时，通过计算机模拟软件的函数模拟能快速简便的得到所需的变焦区间、顶点高度的自由曲面变焦镜片。真正实现大范围自由变焦，为广大青少年屈光不正问题导致的视功能损伤、视力不良、视觉疲劳等问题带来了全新的解决途径和工具。

本发明提供了一种镜像设计的双面变焦镜片，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种镜像设计的双面变焦镜片，其特征在于，包括两个对称的镜像设计的变焦曲面。

2.根据权利要求1所述的一种镜像设计的双面变焦镜片，其特征在于，所述变焦曲面为自由曲面，自由曲面包括两个光学顶点，分别为自由曲面的最高点和最低点。

3.根据权利要求2所述的一种镜像设计的双面变焦镜片，其特征在于，所述两个自由曲面的表面结构相同，并且一个自由曲面的最高点与另一个自由曲面的最高点相对于镜片的剖面(3)对称，一个自由曲面的最低点与另一个自由曲面的最低点相对于镜片的剖面(3)对称。

4.根据权利要求3所述的一种镜像设计的双面变焦镜片，其特征在于，所述两个对称的镜像设计的变焦曲面组成的双面变焦镜片包括P点、N点、C区和A区，其中P点为最大正度数对应的光学中心点，即自由曲面最高点对应位置；N点为最大负度数对应的光学中心点，即自由曲面最低点对应位置；C区为连续变焦通道，是从P点最大正度数到N点最大负度数连线的过渡区域，即最高点到最低点之间连线的过渡区域；A区为周边像差区域，即镜片最高点、最低点以及最高点和最低点之间过渡区域之外的区域。

5.根据权利要求4所述的一种镜像设计的双面变焦镜片，其特征在于，所述C区的屈光度变化率δ计算公式如下：

δ＝2*(D_P-D_N)/L，

其中，D_P代表最高点的屈光度，D_N代表最低点的屈光度，L代表最高点到最低点的距离。

6.根据权利要求2所述的一种镜像设计的双面变焦镜片，其特征在于，所述自由曲面最高点的厚度、自由曲面最低点的厚度、自由曲面最高点与最低点的距离三者的比值范围在10:0.5:50～20:1.8:120之间。

7.根据权利要求2所述的一种镜像设计的双面变焦镜片，其特征在于，所述自由曲面最高点屈光度范围为+5.00D～+10.00D，所述自由曲面最低点屈光度范围为-10.00D～-20.00D。

8.根据权利要求7所述的一种镜像设计的双面变焦镜片，其特征在于，所述两个对称的镜像设计的变焦曲面组成的双面变焦镜片屈光度在+20.00D～-40.00D范围线性变焦。