CN108938144B - 一种平滑位相的衍射多焦点人工晶状体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平滑位相衍射多焦点人工晶状体，所述人工晶状体包括光学主体(1)、第一支撑襻(2)和第二支撑襻(3)，所述光学主体(1)具有平滑位相分布。本发明光学主体为具有平滑位相的衍射结构光学区，实现远、中、近三个视距连续清晰成像，没有视觉断点，实现全程视力；可以提升光能利用率；减少眩光。

Description

一种平滑位相的衍射多焦点人工晶状体

技术领域

本发明涉及人工晶状体技术领域，尤其是涉及一种通过改变光学区光学表面衍射微结构制备的连续多焦点人工晶状体。

背景技术

人眼内的天然晶状体在刚出生的婴儿时是无色透明且非常软的晶状体，随着年龄的增加，外在条件的改变，如紫外线的辐射等要素的影响下，该天然晶状体将会变得越来越硬和变成有色晶状体，当人们活到五十至六十岁以上时，有百分之三十左右的天然晶状体将会变成棕黄色和浑浊，并且变硬，不但失去了可调焦的功能，以至于完全看不见，当这种情况发生时，这种天然晶状体(即白内障晶状体)将不得不用一个人造的晶状体去置换，使之其恢复白内障病人的眼睛视力。

一个典型的人工晶状体由于光学的晶体和支撑的手臂构成，其中光学晶状体聚焦光线到视觉神经上使之能看见物体而手臂的作用在于支撑其光学区，使之光学区位于眼内的中心能够有效的聚焦。常规的单聚焦人工晶状体能够提供一个常规距离的视觉矫正，但常规单聚焦人工晶状体不能提供一个有效可调焦的视觉矫正，并且设计波长往往是检测波长，不能在可见光范围内校正色差。也就是说，它不能提供一个看远和看近都能提供其视觉矫正的作用。唯一能使单聚焦人工晶状体达到看远看近都能使起作用，就得在看近距物体时候再带上一副眼镜。多焦点人工晶状体尤为衍射三焦点人工晶状体，可以满足患者看近、看中、看远的视力需求，还可以消色差。常规衍射多焦点结构，采用锯齿状(阶梯型)位相分布，造成植入眼夜间的眩光。一部分原因是每个衍射级次之间的光能不能平滑过渡；其次是衍射效率低，约有20％的光能不能用于成像。阶梯型微结构也不便于机械加工，对刀具的要求更高；结果的预测也往往偏离理想设计。

因此，人们开始设计新型的可调节人工晶状体，如专利US4409691、US5674282、US5496366、US6197059、US6387126、US6178878和US6406494等。所有这些可调节IOL设计均使用机械结构来实现IOL在人眼中的位移实现无极变焦。光学主体都是由材料较软、折射率较低的硅胶材料制作而成。由于硅胶材料的折射率较低，制成的晶状体较厚，其晶状体在眼内囊袋中移动的距离有限，使之可调焦的光学强度变化有限。复杂的机械结构在人眼内并不稳定，易诱发二级白内障。综上，由硅胶制成的机械式可调焦晶状体，只有部分人能具有可调焦的功能，且不安全。此类产品在市场上也鲜有报道。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明申请人提供了一种平滑位相的衍射多焦点人工晶状体。本发明光学主体为具有平滑位相微结构的光学区，平滑位相分布曲线可以是余弦、正弦、抛物线、二次曲面、双曲面、圆弧等，或者这些曲线的任意拼接组合。该设计可以实现连续的全程视力；方便加工，减少机械加工带来的衍射微结构损失；有效的校正色差；提高光能利用率(衍射效率)；减少术后眩光。

本发明的技术方案如下：

一种平滑位相衍射多焦点人工晶状体，所述人工晶状体包括光学主体(1)、第一支撑襻(2)和第二支撑襻(3)，所述光学主体(1)具有平滑位相分布。所述光学主体(1)、第一支撑襻(2)和第二支撑襻(3)为一体式结构，采用同一种材料，整体成型。

所述第一支撑襻(2)、第二支撑襻(3)表面均设有斜锯齿凹槽或凸起磨砂；所述磨砂的粗糙度或斜锯齿的高度大于40μm。

所述光学主体(1)由两个光学表面组成，可以是球面也可以是非球面，其中一个光学表面上另外具有衍射环带结构；

光学主体(1)的上两个光学表面的确定方法:

以光学表面的顶点为原点O，以光轴为Z轴，建立任意的空间直角坐标系，所述坐标系的横坐标轴X轴以及坐标轴Y轴与所述光学表面相切，所述非球面的面形在X-Z平面上满足非球面方程：

其中Z(x)为所述非球面在二维坐标系平面X-Z上的曲线表达式，c为所述非球面的基础球面曲率半径的倒数，x为所述曲线上任何一点距横坐标轴Z的垂直距离，A_2i为非球面高次项系数，m、n均为不小于1的整数且n>m，Q为非球面系数；当Q和A_2i为0时，Z(x)即为球面方程；

衍射环带结构的设计公式为：

c(x)＝exp[jφ(x)]

其中φ(x)是表征衍射结构的位相函数；c(x)是衍射结构的复透过率函数；A是与三个焦点的能量占比有关的常数，2≤A≤3，A可以是整数，也可以是小数；D是衍射结构的周期，单位是弧度；x表示纵向坐标，单位是毫米；

将c(x)展开为傅里叶系数c_m

η_m＝|C_m|²

其中m为衍射级次，η_m为第m个衍射级次对应的衍射效率。

所述光学主体(1)的有效光学区的直径为5.5～6.5mm，中心厚度0.65～1.25mm的双凸/凹凸透镜片；所述第一支撑襻(2)、第二支撑襻(3)的厚度均为0.15～0.35mm。

所述光学主体(1)的附加光焦度的范围为+2D～+5D。

所述第一支撑襻(2)、第二支撑襻(3)的表面设有斜锯齿凹槽或凸起磨砂，且斜锯齿凹槽或凸起磨砂的宽度为0.2～1.0mm、斜锯齿的斜边缘与支撑襻所属平面的夹角α在-20～20°之间。

制备本发明平滑位相衍射多焦点人工晶状体，经过如下的设计步骤：

A光学设计：先通过拟定的连续多焦点的焦距范围，在Zemax中构建初始模型，继而优化得到最佳的预期效果，得到衍射基础参数，确定φ(x)平滑位相函数表达式；同时确定光学主体(1)的两个光学面的表面轮廓，用Z_非球面A和Z_非球面B表示。通过分析各个衍射级次的位置和衍射效率，理论确定附加光焦度和像质情况，从而确定衍射微结构的合理性；再根据位相分布，得到每个径向位置x对应的高度h_整合，将衍射环带结构叠加在光学区某一个光学面上，得到整合后实际面形Z_整合＝Z_非球面A+h_衍射。

B车加工基底折射透镜：按照光学设计的前后光学面的加工参数，编写车床程序；利用金刚石单点切削技术，车加工出光学主体(1)；编写铣床程序，铣削出光学区的外形以及带有磨砂/锯齿状的襻脚。

C抛光处理。

补充：所述平滑位相衍射多焦点人工晶状体可先用车床加工出含有平滑位相的人工晶状体圆片，经机械雕刻制成晶状体光学主体(1)，两个襻经机械切割制成。

本发明有益的技术效果在于：

本发明光学主体的光学区有球面/非球面光学表面与平滑位相衍射微结构的组合，实现了在可见光范围内消除色差，具有更大的焦深，更好的像质。

本发明光学主体的光学区连续多焦点的光学区，结合技术设计方案，得到以下结论：平滑位相使得衍射级次的能量利用率大于81％，减少眩光的影响；实现远、中、近三个视距上的全程视力，没有视觉间断点，避免机械加工带来的微结构损失。

一件式连续多焦点人工晶状体，相比复杂的机械可调节人工晶状体结构简单的多，使得晶体可以适用于复杂的眼液环境，稳定性好，不易诱发二级白内障；最后支撑襻的磨砂/锯齿面的设计，增加了襻移动的阻力，避免晶状体在囊袋内旋转，进一步增加了术后的稳定性。

常规的衍射微结构位相函数呈阶梯状，但是车加工的刀具是圆形或者半圆形的，阶梯之间锐利的折角不能够完美加工，造成了衍射结构的损失，那么加工结果将于设计背道而驰。而平滑位相的结构，衍射结构没有台阶，峰值之间都是平滑过渡，圆形刀具可以完美加工出设计值。同时常规阶梯状的衍射结构投影下是环带之间有锐利的亮光，造成了眩光，平滑过渡的位相将避免这一问题。

本发明光学主体在成像后，三个焦点的总能量利用率在90％以上，提升了光能利用率，人工晶状体植入后，能够较少眩光，给患者带来更好的视觉体验。

附图说明

图1为本发明实施例1结构示意图；

图2为本发明实施例2结构示意图；

图3为本发明实施例3结构示意图；

图4为本发明实施例1的位相分布函数；

图5为本发明实施例2的位相分布函数；

图6为本发明实施例3的位相分布函数；

图7为本发明实施例1的离焦MTF曲线分布图；

图8为本发明实施例2的离焦MTF曲线分布图；

图9为本发明实施例3的离焦MTF曲线分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。

实施例1

如图1所示，一种连续多焦点人工晶状体，所述人工晶状体包括光学主体1、第一支撑襻2和第二支撑襻3，所述光学主体1由两个光学面A、B和衍射结构组成，衍射结构在光学面A上。

所述光学主体1与第一支撑襻2、第二支撑襻3为一体式结构，采用同一种材料，整体成型；

所述衍射环带结构通过车加工的方式，叠加浮雕于光学主体1的一个光学表面上，这里选择让衍射结构叠加在光学面A上；

所述第一支撑襻2、第二支撑襻3表面均设有斜锯齿凹槽；斜锯齿的高度大于40μm。

所述光学主体1的有效光学区的直径为6.0mm，中心厚度0.67mm的双凸透镜片；所述第一支撑襻2、第二支撑襻3的厚度均为0.15mm；

所述光学主体1由折射率为1.544、色散系数为45～55的疏水性聚丙烯酸酯制成。

所述第一支撑襻2、第二支撑襻3的表面设有若干斜锯齿凹槽，且斜锯齿凹槽宽度为0.2mm、斜锯齿的斜边缘和所述支撑襻所属平面的夹角角度α为20°。

所述人工晶状体的制备方法为：

(1)设计方案：设计从21.5D到25.5D内多焦点分布；

(2)光学设计：通过拟定的多焦点的各个焦距，45.98mm(21.75D)，43.48mm(23D)，40.4mm(24.75D)，在Zemax中构建初始模型，优化得到光学主体1两个光学面A,B的参数，其中基底半径为18.72mm，K＝-12.15。根据位相系数和环带半径确定平滑曲线的位相函数，

D＝50um，在r²空间内的，位相函数分布图，如图4所示。

(3)车加工基底折射透镜：按照设计的光学区的参数，编写车床程序；利用金刚石单点切削技术，车加工出圆片人工晶状体；编写铣床程序，铣削出光学区的外形以及带有磨砂状的襻脚。

(4)最后抛光处理，得到光学表面合格的人工晶状体。

(5)在眼模型中分析测试

结果分析与讨论：

基于平滑位相设计，运用标量衍射理论对平滑位相衍射结构进一步分析，

c(x)＝exp[jφ(x)]

c(x)是衍射结构的复透过率函数，x表示纵向和横向坐标，单位是毫米mm。衍射结构xyz空间内是旋转对称的，r为径向位置，可以与x等效。

将c(x)展开为傅里叶系数c_m

η_m＝|C_m|²

其中m为衍射级次，η_m为第m个衍射级次对应的衍射效率。

由上述计算可以得到各个级次的衍射效率，其中+1级次的衍射效率为10％(远焦点)，0级次的衍射效率为46％(中焦点)，-1级次的衍射效率为39％(近焦点)，总的衍射效率约为95％，相较于传统的锯齿状的位相分布(衍射效率81％)显著提升。我们认为能量利用率低的锯齿状衍射结构，是产生眩光的主要原因。平滑位相的衍射结构产生的眩光少；对入射角敏感度低。

图7中的离焦MTF曲线是将实施例1中的IOL导入ISO11979-2中要求的眼模型中，借助光学设备测试得到。从图7中可以看出，从22.25D到25.25D区间内，在空间频率50lp/mm下分别的MTF均大于0.1，实现了全程视力，没有视觉断点。附加光焦度分别为1.25D和3D。

实施例2

如图2所示，一种连续多焦点人工晶状体，所述人工晶状体包括光学主体1、第一支撑襻2和第二支撑襻3，所述光学主体1由两个光学面A、B和衍射结构组成。

所述光学主体1与第一支撑襻2、第二支撑襻3为一体式结构，采用同一种材料，整体成型；

所述衍射环带结构通过车加工的方式，叠加浮雕于光学主体1的一个光学表面上，这里选择让衍射结构叠加在光学表面A上；

所述第一支撑襻2、第二支撑襻3表面均设有斜锯齿凹槽；斜锯齿的高度大于40μm。

所述光学主体1的有效光学区的直径为5.5mm，中心厚度0.77mm的双凸透镜片；所述第一支撑襻2、第二支撑襻3的厚度均为0.15mm；

所述光学主体1由折射率为1.544、色散系数为45～55的疏水性聚丙烯酸酯制成。

所述第一支撑襻2、第二支撑襻3的表面设有若干斜锯齿凹槽，且斜锯齿凹槽宽度为0.2mm、斜锯齿的斜边缘和所述支撑襻所属平面的夹角角度α为20°。

所述人工晶状体的制备方法为：

(1)设计方案：设计从20D到23.5D内多焦点分布；

(2)光学设计：通过拟定的多焦点的各个焦距，50mm(20D)，45.98mm(21.75D)，42.55mm(23.5D)，在Zemax中构建初始模型，优化得到光学主体1两个光学面A,B的参数，其中基底半径为20.36mm,K＝-13.45。根据位相系数和环带半径确定平滑曲线的位相函数，

D＝50um,在r²空间内的，位相函数分布图，如图5所示。

(3)车加工基底折射透镜：按照设计的光学区的参数，编写车床程序；利用金刚石单点切削技术，车加工出圆片人工晶状体；编写铣床程序，铣削出光学区的外形以及带有磨砂状的襻脚。

(4)最后抛光处理，得到光学表面合格的人工晶状体。

(5)在眼模型中分析测试

结果分析与讨论：

基于平滑位相设计，运用标量衍射理论对平滑位相衍射结构进一步分析，

c(x)＝exp[jφ(x)]

c(x)是衍射结构的复透过率函数，x表示纵向和横向坐标，单位是毫米mm。衍射结构xyz空间内是旋转对称的，r为径向位置，可以与x等效。

将c(x)展开为傅里叶系数c_m

η_m＝|C_m|²

其中m为衍射级次，η_m为第m个衍射级次对应的衍射效率。

由上述计算可以得到各个级次的衍射效率，其中+1级次的衍射效率为28.5％(远焦点)，0级次的衍射效率为28.5％(中焦点)，-1级次的衍射效率为40％(近焦点)，总的衍射效率约为97％，相较于传统的锯齿状的位相分布(衍射效率81％)显著提升。我们认为能量利用率低的锯齿状衍射结构，是产生眩光的主要原因。平滑位相的衍射结构产生的眩光少；对入射角敏感度低。

图8中的离焦MTF曲线是将实施例2中的IOL导入ISO11979-2中要求的眼模型中，借助光学设备测试得到。从图8中可以看出，远、中、近三个焦点在空间频率50lp/mm下分别的MTF为0.21、0.21、0.31。附加光焦度分别为1.75D和3.5D。

实施例3

如图3所示，一种连续多焦点人工晶状体，所述人工晶状体包括光学主体1、第一支撑襻2和第二支撑襻3，所述光学主体1由两个光学面A、B和衍射结构组成。

所述光学主体1与第一支撑襻2、第二支撑襻3为一体式结构，采用同一种材料，整体成型；

所述衍射环带结构通过车加工的方式，叠加浮雕于光学主体1的一个光学表面上，这里选择让衍射结构叠加在光学表面A上；

所述第一支撑襻2、第二支撑襻3表面均设有斜锯齿凹槽；斜锯齿的高度大于40μm。

所述光学主体1的有效光学区的直径为5.5mm，中心厚度0.67mm的双凸透镜片；所述第一支撑襻2、第二支撑襻3的厚度均为0.15mm；

所述光学主体1由折射率为1.544、色散系数为45～55的疏水性聚丙烯酸酯制成。

所述第一支撑襻2、第二支撑襻3的表面设有若干斜锯齿凹槽，且斜锯齿凹槽宽度为0.2mm、斜锯齿的斜边缘和所述支撑襻所属平面的夹角角度α为20°。

所述人工晶状体的制备方法为：

(1)设计方案：设计从21.75D到22.75D内多焦点分布；

(2)光学设计：通过拟定的多焦点的各个焦距，45.97mm(21.75D)，43.96mm(22.75D)，41.24mm(24.25D)，在Zemax中构建初始模型，优化得到光学主体1两个光学面A,B的参数，其中基底半径为18.72mm,K＝-12.15。根据位相系数和环带半径确定平滑曲线的位相函数，

D＝50um,在r²空间内的，位相函数分布图，如图6所示。

(3)车加工基底折射透镜：按照设计的光学区的参数，编写车床程序；利用金刚石单点切削技术，车加工出圆片人工晶状体；编写铣床程序，铣削出光学区的外形以及带有磨砂状的襻脚。

(4)最后抛光处理，得到光学表面合格的人工晶状体。

(5)在眼模型中分析测试

结果分析与讨论：

基于平滑位相设计，运用标量衍射理论对平滑位相衍射结构进一步分析，

c(x)是衍射结构的复透过率函数，x表示纵向和横向坐标，单位是毫米mm。衍射结构xyz空间内是旋转对称的，r为径向位置，可以与x等效。

将c(x)展开为傅里叶系数c_m

η_m＝|C_m|²

其中m为衍射级次，η_m为第m个衍射级次对应的衍射效率。

由上述计算可以得到各个级次的衍射效率，其中+1级次的衍射效率为10％(远焦点)，0级次的衍射效率为45％(中焦点)，-1级次的衍射效率为35％(近焦点)，总的衍射效率约为90％，相较于传统的锯齿状的位相分布(衍射效率81％)显著提升。我们认为能量利用率低的锯齿状衍射结构，是产生眩光的主要原因。平滑位相的衍射结构产生的眩光少；对入射角敏感度低。

图9中的离焦MTF曲线是将实施例3中的IOL导入ISO11979-2中要求的眼模型中，借助光学设备测试得到。从图9中可以看出，在22.25D到25.25D区间内，空间频率50lp/mm下的MTF均大于0.1。附加光焦度分别为1D和2.5D。

Claims (6)

1.一种平滑位相衍射多焦点人工晶状体，所述人工晶状体包括光学主体(1)、第一支撑襻(2)和第二支撑襻(3)，其特征在于所述光学主体(1)具有平滑位相分布；

所述光学主体(1)由两个光学表面组成，可以是球面也可以是非球面，其中一个光学表面上另外具有衍射环带结构；

光学主体(1)的上两个光学表面的确定方法:

以光学表面的顶点为原点O，以光轴为Z轴，建立任意的空间直角坐标系，所述坐标系的横坐标轴X轴以及坐标轴Y轴与所述光学表面相切，所述非球面的面形在X-Z平面上满足非球面方程：

其中Z(x)为所述非球面在二维坐标系平面X-Z上的曲线表达式，c为所述非球面的基础球面曲率半径的倒数，x为所述曲线上任何一点距横坐标轴Z的垂直距离，A_2i为非球面高次项系数，m、n均为不小于1的整数且n>m，Q为非球面系数；当Q和A_2i为0时，Z(x)即为球面方程；

衍射环带结构的设计公式为：

c(x)＝exp[jφ(x)]

其中φ(x)是表征衍射结构的位相函数；c(x)是衍射结构的复透过率函数；A是与三个焦点的能量占比有关的常数，2≤A≤3，A可以是整数，也可以是小数；D是衍射结构的周期，单位是弧度；x表示纵向坐标，单位是毫米；

将c(x)展开为傅里叶系数c_m

η_m＝|C_m|²

其中m为衍射级次，η_m为第m个衍射级次对应的衍射效率。

2.根据权利要求1所述的平滑位相衍射多焦点人工晶状体，其特征在于所述光学主体(1)、第一支撑襻(2)和第二支撑襻(3)为一体式结构，采用同一种材料，整体成型。

3.根据权利要求1所述的平滑位相衍射多焦点人工晶状体，其特征在于所述第一支撑襻(2)、第二支撑襻(3)表面均设有斜锯齿凹槽或凸起磨砂；所述磨砂的粗糙度或斜锯齿的高度大于40μm。

4.根据权利要求1所述的平滑位相衍射多焦点人工晶状体，其特征在于所述光学主体(1)的有效光学区的直径为5.5～6.5mm，中心厚度0.65～1.25mm的双凸/凹凸透镜片；所述第一支撑襻(2)、第二支撑襻(3)的厚度均为0.15～0.35mm。

5.根据权利要求1所述的平滑位相衍射多焦点人工晶状体，其特征在于所述光学主体(1)的附加光焦度的范围为+2D～+5D。

6.根据权利要求1所述的平滑位相衍射多焦点人工晶状体，其特征在于所述第一支撑襻(2)、第二支撑襻(3)的表面设有斜锯齿凹槽或凸起磨砂，且斜锯齿凹槽或凸起磨砂的宽度为0.2～1.0mm、斜锯齿的斜边缘与支撑襻所属平面的夹角α在-20～20°之间。

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