CN110637251B - 具有色差校正作用的多焦点眼科透镜 - Google Patents

Abstract

一种眼科透镜，包括光学器件，所述光学器件包括前表面、后表面以及光轴。所述前表面与后表面中至少一个具有包括基础曲率、折射区域、以及衍射区域的表面轮廓，所述折射区域具有所述基础曲率，所述衍射区域包括具有多个衍射阶梯的衍射轮廓。所述衍射轮廓的至少一部分构成基础衍射轮廓与减小纵向色差的消色结构的组合，所述基础衍射轮廓限定了所述眼科透镜的多个焦点。

Description

具有色差校正作用的多焦点眼科透镜

技术领域

本披露总体上涉及眼科透镜，更具体地涉及具有色差校正作用的眼科透镜。

背景技术

人工晶状体(IOL)在白内障手术过程中常规地植入患者的眼睛内以替换天然晶状体。IOL可以包括提供单个焦点(例如，视远)的单焦点IOL以及提供两个或更多焦点的多焦点IOL(例如，三焦点IOL提供视远、视中、以及视近)。多焦点IOL可以包括衍射表面轮廓，所述衍射表面轮廓可以包括多个同心环形的小阶梯光栅，所述小阶梯光栅同时将光衍射向几个方向。这种衍射表面轮廓可以提供多个衍射级、并且将光聚焦成与透镜的不同焦距相对应的不同像。

由于透镜以及眼睛的色散特性，所有IOL(包括多焦点IOL)可能展现出色差，其中蓝光在视网膜前聚焦而红光在视网膜后聚焦。这种散焦光降低了透镜将宽波段光能量集中到患者视网膜上的总效率、并且可能阻碍患者的功能性视觉(诸如在远距离下的明视觉和中间视觉条件下的低对比度视敏度)。这个问题可能特别地对于具有多焦点IOL的患者特别麻烦，其中光分开在多个焦点之间。

因此，需要一种具有提供色差校正作用的光学设计的多焦点IOL。

发明内容

本披露总体上涉及提供色差的校正或减小的多焦点眼科透镜(例如IOL)。更具体地，本披露提供了一种消色结构，其中，当被添加至衍射型多焦点IOL表面轮廓时，所述消色结构提高白光性能，尤其是在明视觉和中间视觉条件下的视远。

在某些实施例中，一种眼科透镜包括光学器件，所述光学器件包括前表面、后表面和光轴。所述前表面与后表面中至少一个具有包括基础曲率、折射区域、以及衍射区域的表面轮廓，所述折射区域具有所述基础曲率，所述衍射区域包括具有多个衍射阶梯的衍射轮廓。所述衍射轮廓的至少一部分构成基础衍射轮廓与减小纵向色差的消色结构的组合，所述基础衍射轮廓限定了所述眼科透镜的多个焦点。

在某些实施例中，本披露可以提供一个或多个技术优点。例如，多焦点IOL可能展现出色差，其中蓝光在视网膜前聚焦而红光在视网膜后聚焦。这些色差可能至少部分地是由于IOL自身和/或放置有IOL的眼睛的色散特性引起。色差导致的散焦光会降低IOL将宽波段光能量集中到视网膜上的总效率、并且会阻碍功能性视觉(例如，在远距离下的中间视觉条件下的低对比度视敏度)。本文中描述的消色结构的添加可以缩短蓝光焦点和红光焦点之间的距离，其进而有效地将宽波段白光压缩成聚焦在视网膜上。因此，消色结构的添加提高了宽波段白光图像质量表现。

除了提高了宽波段白光图像质量表现之外，根据本披露的某些实施例的消色结构，当添加至衍射型多焦点IOL表面轮廓时，可以减轻患者对诸如光晕等视觉障碍的感知(即对光源周围的明亮光环的主观感知)。特别地，如本文所描述的，将消色结构添加至衍射轮廓可以减小透镜-眼睛系统的纵向色差(LCA)，并且这种减少可以引起红光以及蓝光散焦模糊大小的减小。由于光晕与散焦模糊相关，这种散焦模糊的减小可以引起光晕减小以及可能更好的视网膜像对比度。

附图说明

为了更彻底地理解本披露及其优点，现在参考结合附图进行的以下说明，在这些附图中相同的附图标记指示相同的特征，并且在附图中：

图1A-1B展示了根据本披露的某些实施例的具有色差校正作用的多焦点IOL的示例性实施例；

图2A-2B展示了具有衍射区域的多焦点IOL的示例性表面轮廓，所述衍射区域不包括附加消色结构；

图3A-3C展示了根据本披露的某些实施例的具有色差校正作用的多焦点IOL的示例性表面轮廓；并且

图4A-4D是展示了与不包括本文中描述的用于大孔径与小孔径两者的消色结构的多焦点IOL相比，如在图1中描绘的示例性IOL(包括本文中描述的消色结构)的白光以及绿光两者的表现的MTF图。

本领域的技术人员将理解的是，下述附图仅出于说明目的。附图不旨在以任何方式限制申请人的披露范围。

具体实施方式

本披露总体上涉及提供色差校正的多焦点眼科透镜(例如，IOL)。更具体地，本披露提供一种消色结构，当被添加至衍射型多焦点IOL表面轮廓时，所述消色结构可以尤其针对中间视觉和明视觉条件下的视远而改善白光表现。在以下描述中，结合人工晶状体(IOL)描述了提供多焦点性以及色差校正的透镜特征。然而，本披露设想到那些特征还可以应用于其他眼科透镜，比如接触透镜。如本文中使用的，术语“人工晶状体”(及其缩写IOL)用于描述植入眼睛内部来替换眼睛的天然晶状体或以其他方式增强视力的透镜，而不管天然晶状体是否移除。

图1A-1B展示了根据本披露的某些实施例的具有色差校正作用的多焦点IOL 100的示例性实施例。IOL 100包括光学器件102，所述光学器件具有围绕光轴108布置的前表面104和后表面106。IOL 100可以进一步包括多个袢110，这些袢通常能操作用于将IOL 100定位在患者的眼睛的囊袋内并使其稳定。虽然出于实例目的说明了具有特殊结构的袢110，但是本披露设想了袢110具有用于将IOL 100稳定在眼睛的囊袋、睫状沟、或者任何其他合适的位置中的任何合适的结构。

在以下描述中，光学器件102的前表面104被描述为具有提供多焦点性以及色差校正的特殊表面轮廓。然而，本披露设想这种特征可以此外或可替代地位于光学器件102的后表面106上。

光学器件102的前表面104可以具有与IOL 100的基础光焦度相对应的基础曲率。在诸如IOL 100等多焦点IOL中，IOL 100的基础光焦度通常与患者的视远相对应。然而，并非需要一直如此。例如，非主视眼可以具有基础光焦度稍微小于患者的对应视远焦度的IOL以改善两眼的整体双眼视力。在某些实施例中，基础曲率可以是非球面的(如将在下面详细描述的)。

除了基础曲率以外，光学器件102的前表面104可以包括多个区域。例如，前表面104可以包括衍射区域112以及折射区域114，所述衍射区域可以从光轴108延伸至第一径向边界，所述折射区域可以从第一径向边界延伸至第二径向边界(例如，光学器件102的边缘)。在某些实施例中，衍射区域112的曲率可以相对于基础曲率进行更改。虽然光学器件102的前表面104被描绘和描述为仅具有两个区(衍射区域112以及折射区域114)，但是本披露设想光学器件102的前表面104可以包括具有任何合适数目的区域的表面轮廓。仅作为一个实例，前表面104可以替代地包括具有两个由衍射区域分隔开的折射区域的表面轮廓。

在某些实施例中，衍射区域112包括具有多个衍射阶梯118(也被称为衍射区)的衍射结构116。衍射阶梯118可以具有特有的径向间隔以在特有焦点产生相长干涉。原则上，任何通过干涉区中的相移产生相长干涉的衍射结构116可以适用于衍射区域112以生产多焦点眼科透镜。虽然衍射区域112的衍射结构116被描绘为具有环形区，但是所述区也可以可想得到地是部分的，诸如半圆区或者扇形区。虽然下面的描述将涉及包括环形衍射阶梯118的衍射结构116，但本领域技术人员应当理解的是在本文的任何实施例中可以进行适当的替代。

衍射区域112的衍射结构116的至少一部分可以至少部分地以基础衍射轮廓(例如下文中方程(4)、方程(9)以及方程(11)中的F_衍射(r,T))以及消色结构(例如下文中方程(5)以及方程(11)中的g(r))的组合为特征。如将在以下详细描述的，消色结构的添加可以提供多焦点IOL，其相比于不包括附加消色结构的多焦点IOL，具有更好白光表现和/或减小光晕。为说明不同点，下面的披露内容首先描述了不包括附加消色结构的示例性表面轮廓。

在具有不包括如本文所述的附加消色结构的衍射区域112的多焦点IOL中，前表面104的轮廓(包括衍射区域112以及折射区域114两者)可以被如下限定：

其中：

r表示离光轴的径向距离；

Z_基础(r)表示表面的基础曲率；

F_衍射(r,T)表示设计中产生多焦点的衍射结构116的轮廓；

T表示衍射结构116在r²空间中的周期；

r₁、r₂以及r₃表示不同的径向结点；并且

Δ₁以及Δ₂是常数，用以确保IOL的不同部分之间合适的相移。

在衍射区域112从光轴108延伸至第一径向边界而折射区域114从第一径向边界延伸至光学器件102的边缘的实施例中，r₁可以等于零，r₂可以限定第一边界，并且r₃可以限定光学器件102的边缘。

在光学器件102的前表面104的基础曲率为非球面的实施例中，方程(1)中的Z_基础(r)可以如下限定：

其中，

r表示离光轴的径向距离；

c表示表面的基础曲率；

k表示圆锥常数；

a₂是二阶变形常数；

a₄是四阶变形常数；

a₆是第六阶变形常数；并且

a_n是n阶变形常数，其中n可以等于任何合适的偶数(例如20)。

虽然上面示出的方程(2)包括一直到n阶变形常数，但本披露设想方程(2)可以局限于任何合适数目的变形常数(例如，仅仅二阶、四阶、以及六阶变形常数)。

关于衍射结构F_衍射(r,T)，其将光分割成对应于多个视距(既衍射区域112)的不同阶，相邻阶之间的间距可以通过光栅周期T(在r²空间中，单位为mm²)确定，如下：

其中，

λ表示设计波长；并且

D_ADD表示焦度空间中相邻阶之间的间距。

本披露设想了衍射结构F_衍射(r,T)可以限定任何合适的衍射轮廓，例如双焦点衍射轮廓、三焦点衍射轮廓、以及切趾衍射轮廓。作为一个实例，衍射结构F_衍射(r,T)可以如下表达：

其中，

r表示离所述光轴的径向距离；

r₁、r₁₂、以及r₂表示不同的径向结点(其中r₁以及r₂与上文方程(1)中的相同)；

T表示衍射结构116在r²空间中的周期；

表示下取整函数，其中

是整数集；并且

h_衍射表示多焦点衍射透镜的阶梯高度。

作为另一个实例，多焦点衍射结构F_衍射(r,T)可以限定切趾双焦点衍射结构，诸如在美国专利号5,699,142中描述的，其内容通过援引并入本文。

作为又一个实例，多焦点衍射结构F_衍射(r,T)可以限定三焦点衍射结构，诸如在美国专利号9,335,564中描述的，其内容通过援引并入本文。

图2A-2B展示了本文中描述的具有不包括附加消色结构的衍射区域112的多焦点IOL的表面轮廓(根据方程(1)-(3)设计)。特别地，图2A描绘了矢高(sag)(mm)vs半径(mm)的图，包括衍射区域112中的衍射阶梯118。为了更好地展示衍射阶梯118，图2B是与图2A中所描绘的相同的表面轮廓的图，但仅示出了添加的F_衍射(r,T)的影响。在描绘的实例中，F_衍射(r,T)限定了切趾双焦点衍射结构，其中，衍射光栅的阶梯高度随着距光轴108的径向距离的增加而减小。

至少部分地由于IOL自身和/或放置有IOL的眼睛的色散特性，根据上面的方程(1)-(3)设计的多焦点IOL(在图2A-2B中描绘的实例)可能展现出色差，其中蓝光在视网膜前聚焦而红光在视网膜后聚焦。这种散焦光会降低IOL将宽波段光能量聚焦到视网膜上的总效率、并且会阻碍功能性视觉(例如，在远距离下的中间视觉条件下的低对比度视敏度)。

相应地，在某些实施例中，上述多焦点IOL可以被更改为进一步包括添加至表面轮廓上的消色结构以产生具有色差校正作用的IOL100。换言之，衍射区域112的衍射结构116的至少一部分可以至少部分地以基础衍射轮廓与消色结构的组合为特征，使得光学器件102(包括衍射区域112以及折射区域114)产生多个焦点并且展现出减小的色差。消色结构可以包括任何合适的衍射结构，当被添加至多焦点IOL的衍射区域的基础衍射结构时，相比于具有仅包括基础衍射结构的衍射区域的多焦点IOL，所述衍射结构减小纵向色差的量。

示例性消色结构可以如下表达：

其中，

r表示离所述光轴的径向距离；

r₁'、r₂'以及r₃表示不同的径向结点(其中r₃与上文中方程(1)中的相同)；

T表示添加的消色结构在r²空间中的周期；

表示下取整函数，其中

是整数集；并且

h表示阶梯高度。

在某些实施例中，方程(5)中的r₁'可以等于方程(1)中的r₁(其可能等于零，如上讨论的)，并且方程(5)中的r₂'可以等于方程(1)中的r₂(其可以限定将衍射区域112与折射区域114分隔开的第一边界的位置，如上所讨论的)。在某些实施例中，方程(5)中的r₁'可以不等于方程(1)中的r₁，并且方程(5)中的r₂'可以不等于方程(1)中的r₂。在这些实施例中，方程(5)中的r₁'可以大于方程(1)中的r₁，并且方程(5)中的r₂'可以小于方程(1)中的r₂。

方程(5)中的阶梯高度h可以对应于波长的整数倍，如下：

其中，

N_h是积分(在某些实施例中，对于第1衍射区域，N_h可以为1/2)；

λ表示设计波长；

n_IOL表示IOL的折射率；并且

n_眼介质表示诸如房水或玻璃体等周围的眼介质的折射率。

在某些实施例中，方程(5)中的周期T_g可以与方程(1)中的多焦点光栅周期T相同。在某些其他实施例中，周期T_g可以由以下关系限制：

其中，

N为积分；

T表示方程(1)中的多焦点光栅结构在r²空间中的周期；

T_g表示附加消色结构在r²空间中的周期。

方程(5)限定的附加消色结构可以相对于方程(1)中包括的标准衍射光栅将光转移到其他阶。这会将多焦点设计的焦距改变：

其中，

λ表示设计波长；

Δf表示转移后的衍射阶与原阶之间的间距；

N_h是与方程(6)中反阶梯高度相关的整数；

为补偿这种散焦转移，基弧的对应段可以被如下调整：

其中：

r表示离所述光轴的径向距离；

Z_基础(r)表示如在方程(2)中的矫正患者的视远的基础曲率；

Z′_基础(r)表示矫正患者的视远并且考虑了由方程(5)中的消色结构的添加引起的焦点位移的基础曲率；

F_衍射(r,T)表示本设计中提供多焦点的基础衍射轮廓；

T表示基础衍射轮廓在r²空间中的周期；

r₁、r₂、以及r₃表示方程(1)中示出的表面处的结点；

r₁'以及r₂'表示方程(5)中示出的表面处的结点；

Δ₁'、Δ₁”、Δ₁”'、以及Δ₂'是常数，用以确保IOL的不同部分之间合适的相移。

方程(9)中的Z′_基础(r)可以被进一步表达为如下的非球面：

其中，

r表示离光轴的径向距离；

c'表示所述表面的基础曲率；

k'表示圆锥常数；

a₂'是二阶变形常数；

a₄'是四阶变形常数；

a₆'是六阶变形常数；并且

a_n'是n阶变形常数，其中n可以等于任何合适的偶数(例如，20)。

虽然上面示出的方程(10)包括一直到n阶变形常数，但本披露设想方程(10)可以局限于至多20阶变形常数。

在某些实施例中，方程(10)的一个或多个参数(c'.k'，a₂'，a₄'，a₆'，…，a_n')可以相对于方程(2)的参数(c.k，a₂，a₄，a₆，…，a_n)进行调整，以便补偿方程(8)中概括的散焦位移Δf。

具有改善宽波段白光表现的色差校正作用(由于附加消色结构)的IOL 100的前表面104的表面轮廓可以通过将方程(5)以及方程(9)(或者，替代地方程(1))组合而实现，如下：

Sag_消色__多焦点＝Sag(r)+g(r) 方程(11)

图3A-3C展示了根据本披露的某些实施例的具有色差校正作用(根据方程(11)设计)的IOL 100的表面轮廓。特别地，图3A描绘了示例性消色多焦点IOL 100的矢高(mm)vs半径(mm)的图，其包括由上述消色结构的添加而引起的经更改的衍射阶梯118。还绘制了不包括消色结构的表面轮廓(与图2A中描绘的轮廓相同)的图。通过对比二者，可以看出消色结构的添加引起更多明显的衍射阶梯118。并且，补偿散焦位移(见方程(9)以及以上对应的描述)可以被视为消色多焦点表面轮廓的衍射区域112的矢高的减小。图3B是仅示出了方程(5)中限定的附加消色结构g(r)的图，而图3C是图3A中描绘的相同消色多焦点表面轮廓的图，但仅示出了总计的F_衍射(r,T)以及g(r)的效果。

如上所讨论的，根据方程(1)-(3)设计的多焦点IOL(图2A-2B描绘了其示例性表面轮廓)可以展现出眼睛以及IOL材料的色散引起的纵向色差(LCA)，换言之，蓝光可能在视网膜前聚焦而红光可能在视网膜后聚焦。这种多焦点IOL的LCA可以被如下表征：

其中，

f_蓝表示在蓝光波长(例如400nm)下人工晶状体眼的焦距；并且

f_红表示在红光波长(例如700nm)下人工晶状体眼的焦距。

当多焦点设计通过方程(11)更改为包括本文中所述的消色结构时，附加消色结构将减小LCA，如下：

特别地，由于蓝光的波长比红光的波长小，所以附加结构g(r)始终产生负的ΔLCA。换言之，附加结构将缩短蓝光焦点与红光焦点之间的距离。这将进而有效地将宽波段白光压缩为聚焦在视网膜上。因此，消色结构的添加提高了宽波段白光图像质量表现。

方程(13)也可以如下重写：

这意味着给定的LCA校正(ΔLCA)，方程(14)可以表明应如何选择N_hT_g。

图4A-4D是调制传递函数(MTF)的图，展示了与不包括本文中描述的用于大孔径与小孔径两者的消色结构的多焦点IOL相比，示例性IOL 100(包括本文中描述的消色结构)的白光以及绿光两者的表现。如所示出的，IOL 100为大孔径以及小孔径二者提供提高的白光表现，同时基本上维持大孔径以及小孔径二者的绿光表现。

将认识到，各种以上披露的和其他的特征和功能、及其替代方案可以按期望组合到许多其他不同的系统或应用中。还将认识到，其中的各种目前未预见或未预料到的替代方案、修改、变化或改进可以后续由本领域的技术人员做出，这些替代方案、变化或改进还旨在被所附权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种眼科透镜，包括

光学器件，所述光学器件包括前表面、后表面以及光轴，所述前表面以及后表面中的至少一个具有表面轮廓，该表面轮廓包括：

基础曲率；

具有所述基础曲率的折射区域；

包括衍射轮廓的衍射区域，所述衍射轮廓包括多个衍射阶梯，所述衍射轮廓的至少一部分是以下的组合：

限定所述眼科透镜的多个焦点的基础衍射轮廓；

减小纵向色散的消色结构；以及

所述表面轮廓被如下限定：

Sag_{消色_多焦点}＝Sag(r)+g(r)；

Sag(r)＝Z_基础(r) 0≤r≤r₁；

Sag(r)＝Z_基础(r)+F_衍射(T)+Δ₁′ r₁≤r≤r₁′；

Sag(r)＝Z′_基础(r)+F_衍射(T)+Δ₁″ r₁′≤r≤r₂′；

Sag(r)＝Z_基础(r)+F_衍射(T)+Δ₁″′ r₂′≤r≤r₂；

Sag(r)＝Z_基础(r)+Δ₂′ r₂≤r≤r₃；

g(r)＝0 0≤r≤r₁′；

r₁′≤r≤r₂′；

g(r)＝0 r₂′≤r≤r₃；

其中：

Sag(r)限定了眼科透镜的除所述消色结构之外的表面轮廓；

g(r)限定了所述消色结构；

r表示离所述光轴的径向距离；

Z_基础(r)表示基础曲率；

Z′_基础(r)表示考虑了所述消色结构引起的焦点位移的经更改的基础曲率；

F_衍射限定了基础衍射结构；

T表示所述基础衍射结构在r²空间中的周期；

r₁、r₂、r₃、r₁′以及r₂’表示所述表面轮廓上的结点；并且

Δ₁′、Δ₁″、Δ₁″′以及Δ₂′是常数；

T_g表示所述消色结构在r²空间中的周期；

表示下取整函数，其中，

是整数集；并且

h表示阶梯高度。

2.如权利要求1所述的眼科透镜，其中，所述基础曲率对应于所述眼科透镜的基础光焦度。

3.如权利要求1所述的眼科透镜，其中：

所述衍射区域从所述光轴延伸至第一径向边界；并且

所述折射区域从所述第一径向边界延伸至所述光学器件的边缘。

4.如权利要求1所述的眼科透镜，其中，所述基础衍射轮廓包括切趾衍射轮廓。

5.如权利要求1所述的眼科透镜，其中，r₁等于零并且r₃限定了所述光学器件的外边缘。

6.如权利要求1所述的眼科透镜，其中：

r是距所述光轴的径向距离；

c表示表面的基础曲率；

k是圆锥常数；并且

a₂、a₄、a₆以及a_n分别是二阶系数、四阶系数、六阶系数以及n 阶系数。

7.如权利要求6所述的眼科透镜，其中，n＝20。

8.如权利要求6所述的眼科透镜，其中：

r表示离所述光轴的径向距离；

c′表示所述表面的基础曲率；

k′表示圆锥常数；

a₂′、a₄′、a₆′以及a_n′分别是二阶系数、四阶系数、六阶系数以及n阶系数；并且

c≠c′、k≠k′、a₂≠a₂′、a₄≠a₄′、a₆≠a₆′以及a_n≠a_n′中的至少一个。

9.如权利要求8所述的眼科透镜，其中，n＝20。

10.如权利要求1所述的眼科透镜，其中：

T_g＝T。

11.如权利要求1所述的眼科透镜，其中：

T_g＝NT；或

T＝NT_g；

其中，N为积分。

12.如权利要求1所述的眼科透镜，其中：

h＝N_hλ/(n_IOL-n_眼介质)；

N_h为积分；

λ表示设计波长；

n_IOL表示所述眼科透镜的折射率；并且

n_眼介质表示患者的眼介质的折射率。

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