CN111417364B - 三焦点人造眼镜片及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三焦点人造眼镜片(20)，其包含前侧光学表面(21)、后侧光学表面(22)和光轴(23)，前侧光学表面(21)和后侧光学表面(22)中的至少一个包含具有三个有用焦点并具有至少部分衍射轮廓的光学器件。三个有用焦点对应于属于衍射轮廓的第0和第1衍射级的焦点(31、32)以及属于在第0和第1衍射级之间的增强衍射副最大值的焦点(33)。本发明还涉及一种生产上述三焦点人造眼镜片的方法。
Description
技术领域
本发明的目的涉及一种三焦点人造眼镜片，该人造眼镜片可以是可植入在囊袋、睫状沟或前房中的人造镜片，其可以是隐形镜片，或可以使用镶入或镶上技术植入角膜的人造镜片。本发明的目的还涉及一种用于生产上述三焦点人造眼镜片的方法。
背景技术
人类晶状体透射电磁光谱的可见范围的很大一部分，然而，由于年龄增长、外伤或者UV或X射线辐射剂量过大，人眼可能会逐渐变得浑浊，这种情况称为白内障。此外，还存在先天性白内障，其可在怀孕期间遗传或感染。目前，治疗白内障的唯一有效方法是去除浑浊的晶状体，并用植入的人造眼镜片代替晶状体的折光能力。
对于植入人造眼镜片的另一指示可以是这种程度的折射缺陷，即不能或仅部分地通过眼镜、隐形镜片或角膜激光手术对其矫正。此过程简称为折射镜片更换。
直到十九世纪八十年代后半段，植入的人造眼镜片只有单焦点镜片，它们在给定距离(通常超过4米远)处在物体的视网膜上形成清晰图像。
可从十九世纪九十年代获得的折射多焦点人造眼镜片包含具有不同折射能力的同心或不对称区域。它们的缺点是其光学性能强烈地取决于瞳孔大小，此外，视网膜附近入射光的强度分布不随瞳孔直径而平滑变化。
在2000年代出现的衍射双焦点人造眼镜片还能够在阅读距离(约35至40cm)处在物体的视网膜上产生清晰图像，然而这些人造眼镜片也无法取代天然人眼镜片的适应能力。
由于当今使用屏幕进行的活动越来越广泛，因此在中间距离(约60至80cm)处图像质量的重要性提高了。2010年代广泛使用的衍射三焦点人造眼镜片能够满足这一需求。
随着年龄的增长，由于天然人类晶状体的柔韧性下降和睫状肌的衰弱，眼睛的适应能力下降。这种眼睛老化的情况称为老花眼。由于三焦点和扩展的焦点深度(EDOF)人造眼镜片的可用性，用于白内障手术以外的人造眼镜片植入物不仅代表单纯的折射镜片更换，其目的还可能是为了弥补适应能力。由于出于白内障手术以外的原因而制作的植入物通常涉及较年轻(45至50岁)的活跃年龄组，因此除了远近距离以外，在工作距离(60至80cm)处也要求有清晰的视野。
专利说明书号US5121980(Cohen)描述了，通过相位移区域在垂直于光轴的方向上的移位，可以使落在第0衍射级和第1衍射级之间的副最大值最小化，使得中心相移区域的最大相移为λ/4，其中λ是为衍射光学元件被设计所用于的光的波长。
专利说明书号EP2045648B1(Simpson等人)公开了具有折射中心区域的折射-衍射多焦点镜片。中心区域具有远视(或者近视或中视)所需的焦距。该解决方案的局限在于，如果瞳孔直径等于或小于中心区域的直径，则只能将中心区域视为折射光学元件。
专利申请号US2010/0131060A1(Simpson等人)描述了一种折射-衍射多焦点镜片，该镜片具有折射中心区域，并且在中心区域的焦点(远、近或中间)处的强度增加，并且包含这种中心区域的多焦点镜片的图像创建质量(调制传递函数MTF)针对远焦距进行了优化。解决方案的局限在于，如果瞳孔直径等于或小于中心区域的直径，则只能将中心区域视为折射光学元件。
专利说明书号US5344447A(Swanson)描述了一种衍射二元(Dammann)表面轮廓，其通过放大第-1、第0和第+1衍射级来创建三个焦点。该解决方案的缺点在于，落在第-1和第+1级上的强度比是相同的，并且不能彼此独立地改变。
专利说明书号EP2503962(A1)(Houbrechts等人)提出了一种设计方法，该方法的基础是两个双焦点衍射表面轮廓的组合，其中所谓的第一衍射表面轮廓的第一衍射级和所谓的第二衍射表面轮廓的第二衍射级一致。因此，三个焦点由叠加衍射表面轮廓内的第0、+1和+2衍射级创建。
专利申请号US2011292335(A1)(Schwiegerling)公开了从光轴计算的偶数和奇数编号的相移元件的台阶高度改变的衍射表面轮廓。该解决方案的另一可能实施例是从光轴计数的偶数和奇数编号的相移元件的台阶高度改变且偶数和奇数编号的相移元件的台阶高度由单独变迹函数而单独改变的衍射表面轮廓。随着第0、+1和+2衍射级的放大，这种衍射表面轮廓也实现了三焦点光学性能。
专利申请号US20070182921A1(Zhand等人)描述了同时使用传统的锯齿型双焦点光学衍射表面轮廓(在人造镜片的外部区域)和二元(Dammann)型三焦点光学衍射表面轮廓(在人造镜片的内部区域)。该解决方案的缺点还在于，在小瞳孔尺寸的情况下，第-1和第+1衍射级的强度比是相同的，并且不能彼此独立地改变。
后四个专利说明书中提出的解决方案的共同缺点是，第二衍射级的产生涉及不可避免的光损失和不希望的光散射。
发明内容
本发明的目的是至少部分地克服已知解决方案的缺陷，并创建一种多焦点人造眼镜片，其作为人造眼镜片，除了远视(远视力)之外，还确保中视和近视。
公认的是，通过增强在第0和第1衍射级之间出现的衍射副最大值，可以设计满足上述目的的三焦点镜片，而不会产生进一步的衍射级，换句话说，具有衍射轮廓的人造眼镜片的第0衍射级在视网膜上产生远物体(物体距离大于4m)的清晰图像，具有衍射轮廓的人造眼镜片的第1衍射级在视网膜上产生近物体(物体距离：30至40cm)的清晰图像，并且具有衍射轮廓的人造眼镜片的增强副最大值在视网膜上产生中间物体(物体距离：60-80cm)的清晰图像。
换句话说，本发明的目的涉及一种三焦点(多焦点)人造眼镜片，其包含前侧光学表面、后侧光学表面和光轴，前侧光学表面和后侧光学表面中的至少一个包含具有三个有用焦点并具有至少部分衍射轮廓的光学器件。本发明的特征在于，三个有用焦点通过属于衍射轮廓的第0和第1衍射级的焦点并且通过属于落在属于第0和第1衍射级的焦点之间的增强衍射副最大值的焦点来实现。
本发明的目的还涉及一种可以生产上述人造眼镜片的方法。
附图说明
图1描绘了本发明实施例的示意性侧视图。
图2描绘了根据从光轴测量的距离的由锯齿形未变迹衍射轮廓产生的相移，其中中心区的最大相移为5/8λ。
图3还描绘了根据从光轴测量的距离的由锯齿形未变迹衍射轮廓产生的相移，其中中心区的最大相移为3/4λ。
图4至9示出了在空间频率为50线/mm时但在不同直径的孔径(aperture)即瞳孔大小的情况下根据从焦点测量的距离的包含图2和3中所示的衍射轮廓的人造眼镜片的调制传递函数(MTF)。
由于本发明中描述的人造眼镜片可以是植入在囊袋、睫状沟或前房中的人造镜片，或者可以是隐形镜片，或可以使用镶入或镶上技术植入角膜的人造镜片。因此，可以在任何上述位置使用公开的实施例。
具体实施方式
图1描绘了本发明实施例的示意性侧视图，其中可以看出，人造眼镜片20包含前光学表面21和后光学表面22。前光学表面21和后光学表面22具有共同的光轴23，并且后光学表面22形成为具有衍射轮廓25的多焦点光学器件24。在本实施例中，还设有触觉器26，因为示出了可植入人造镜片。
在优选实施例中，衍射轮廓25的中心区域27的最大相移大于λ/2并且小于3/4λ，其中λ是衍射光学元件的操作被设计成所用于的光的波长。图2描绘了根据从光轴23测量的距离的锯齿形衍射轮廓25，其中中心区域27的最大相移是5/8λ，其中相移意味着相对于由衍射轮廓的基点30a限定的基(base)的相移。示出的衍射轮廓25是未变迹的，换句话说，在中心区域27之外的相移区域28的高度是相同的。图中的虚线显示了原始轮廓，而实线示出了根据本发明的修改。原始轮廓显示了本身已知的常规双焦点镜片的衍射结构，在这种情况下，通过各个区域的最大相移为λ/2来确保双焦点，而在各个区域的区域边界之间的面积29'具有相同的大小，换句话说，原始轮廓27'的中心区域27'之外的相移区域28'的面积29'与由中心区域27'界定的面积29'相同，如本领域技术人员从文献中已知。在根据本发明的衍射轮廓中连接中心区域27的基点30a(仅示出了其中一个基点30a)的弧与连接原始轮廓的中心区域27'的基点30a'的弧平行，并且相移区域28的区域边界之间的面积29具有与原始轮廓的中心区域27'所占据的面积29'相同的大小。
图3示出了根据从光轴23测量的距离的锯齿形、非变迹衍射轮廓25的相移，其中中心区域27的最大相移是3/4λ，其中相移是指相对于由衍射轮廓的基点30a限定的基的相移。图中的虚线示出了原始(常规双焦点)轮廓，而实线示出了根据本发明的修改。
其余附图示出了与常规双焦点轮廓的光学性能相比，属于根据图2和3的实施例的光学性能(调制传递函数MTF)的变化。实线表示属于根据本发明的衍射轮廓25的MTF曲线，而虚线表示属于常规双焦点轮廓的MTF曲线。MTF曲线说明了成像质量如何随物体距离变化而变化。在各种孔径下获得的MTF曲线由取决于孔径直径和强度分布一起的焦点深度确定。
图4示出了包含图2中所示的衍射轮廓25的人造眼镜片的光学性能的变化，其在孔径为3.0mm和空间频率为50线/mm的情况下由根据从焦点测量的距离的调制传递函数(MTF)描述。
图5示出了在孔径为3.0mm和空间频率为50线/mm的情况下根据从焦点测量的距离的包含图3中所示的衍射轮廓25的人造眼镜片的光学性能(MTF)的变化。
图6示出了在孔径为2.5mm和空间频率为50线/mm的情况下根据从焦点测量的距离的包含图2中所示的衍射轮廓25的人造眼镜片的光学性能(MTF)的变化。
图7示出了在孔径为2.5mm和空间频率为50线/mm的情况下根据从焦点测量的距离的包含图3中所示的衍射轮廓25的人造眼镜片的光学性能(MTF)的变化。
图8示出了在孔径为2.0mm和空间频率为50线/mm的情况下根据从焦点测量的距离的包含图2中所示的衍射轮廓25的人造眼镜片的光学性能(MTF)的变化。
图9示出了在孔径为2.0mm和空间频率为50线/mm的情况下根据从焦点测量的距离的包含图3中所示的衍射轮廓25的人造眼镜片的光学性能(MTF)的变化。
在上述图4至9中，可以看出，光学性能曲线在两个主要最大值之间也具有局部副最大值，其可被增强以也产生中间(中间距离)视觉焦点33，从而使得可以生产三焦点光学元件。
增强落在属于包含衍射轮廓的人造眼镜片的第0和第1衍射级的焦点31、32之间的中间视觉焦点33的可能方法是增强第0和第1衍射级的副最大值并且同时确保它们的相长干涉。本发明的实质是产生衍射轮廓25，其增强属于第0衍射级的焦点31的副最大值和属于第1衍射级的焦点32的副最大值，并且通过将中心区域27的最大相移增加到λ/2以上来同时确保它们的相长干涉。
将衍射轮廓25的中心区域27的相移增加到λ/2以上的可能方法是增加衍射轮廓25的中心区域27，使得连接中心区域27的边界的弧保持不变并且中心区域27外部的相移区域28移位，而中心区域27外部的相移区域28的区域边界之间的面积29(即由各个相移区域28的基点30b确定的环的区域)保持不变，换句话说，相移区域28的附加屈光度特性保持不变。换句话说，与其外部的相移区域28的面积29相比，中心区域27的面积增加，相移区域28的面积29保持不变并且保持与常规双焦点轮廓的情况相同。换句话说，中心区域27比各个相移区域28占据更大的面积，然而，中心区域27的弧与理论中心区域27'的弧相同，理论中心区域27'提供了λ/2的相移，并且界定的面积29'与各个相移区域28的面积29相同大小。中心区域27和理论中心区域27'的弧应理解为是指分别沿着中心区域27的表面和沿着理论中心区域27'的表面延伸并且分别与连接通过最短路径落在穿过光轴的直线上的两个基点30a和30a'(位于中心区域27和理论中心区域27'的相对侧)的光轴相交的弧。
根据本发明的衍射轮廓25的设计也可以相应地进行。开始点是具有理论中心区域27'和在其外部的理论相移区域28'的理论常规双焦点衍射轮廓，并且理论相移区域28'的区域边界之间的面积29'的大小与由理论中心区域27'界定的面积29'的大小相同。在理论衍射轮廓的情况下，至少理论中心区域27'的相移是λ/2，但在当前情况下，初始理论衍射轮廓的每个相移区域28'的相移是λ/2。选择理论双焦点衍射轮廓的两个有用焦点，使得属于第0和第1衍射级的两个有用焦点与属于待生产的人造眼镜片的衍射轮廓25的第0和第1衍射级的焦点31、32(在当前情况下，焦点31、32是设定为无限远的远焦点和设定为约30cm的近焦点)基本重合。基于从现有技术文献获得的设计值，可以容易地设计这种常规双焦点衍射轮廓。与理论双焦点衍射轮廓相比，中心区域27的相移增加到λ/2以上，同时保持连接中心区域27的基点30a的弧不变，换句话说，中心区域27在垂直于光轴的方向上增加，使得同时界定中心区域27并连接其基点30a的弧(穿过光轴)保持平行于连接理论中心区域27'的基点30a'(并穿过光轴)的弧。同时，中心区域27外部的相移区域28在垂直于光轴23的方向上移位，使得相移区域28的区域边界之间的面积29保持不变。
将图5、7和9与图4、6和8进行比较，可以确定，在孔径为3.0和2.5mm的情况下，较大的相移增加导致更显著的中间焦点，并且在小瞳孔直径的情况下导致显著扩展的焦点深度，在常规双焦点镜片的情况下根本不会出现这种效果。已经发现，在中心区域27的最大相移为约3/4λ的情况下，在小瞳孔直径的情况下出现的中间距离焦点和扩展的焦点深度特别显著，但是在中心区域27的最大相移大于λ/2且小于λ的情况下，到处都能观察到对常规双焦点轮廓的改进。已经在最大相移值为0.52λ的情况下，该效果的程度使得它提供由用户感觉到的镜片的光学性能的改进。优选地，衍射轮廓25中的中心区域27的最大相移落在0.52λ-0.8λ的范围内，特别优选地在5/8λ和3/4λ的范围内。
本发明的性能不受中心区域27外部的衍射轮廓25的特性限制。中心区域27外部的衍射轮廓25可以是变迹的或不变迹的，外部的纯折射区域也可以附接到衍射轮廓25。如果要对中心区域27外部的衍射轮廓25进行变迹，则在设计阶段，优选从理论双焦点衍射轮廓开始，其中中心区域27'的最大相移继续为λ/2，但在中心区域27'外部的理论相移区域28'被变迹，换言之，它们的最大相移是变化的(增加或减少)。
基于本发明，也可以实现衍射轮廓，其通过增强在任何两个连续的衍射级(比如+1级和+2级)之间出现的副最大值来创建具有三焦点光学性能的镜片。
本发明的另一优点在于，除了三焦点光学性能之外，包括在图中示出的衍射轮廓25的人造眼镜片还确保在光适应条件下出现小瞳孔直径的情况下扩展的焦点深度光学性能(通过焦点曲线是在2.0mm孔径的情况下测量的)，如图8和9所示。
Claims (8)
1.一种三焦点人造眼镜片(20)，其包含前侧光学表面(21)、后侧光学表面(22)和光轴(23)，前侧光学表面(21)和后侧光学表面(22)中的至少一个包含具有三个有用焦点并具有至少部分衍射轮廓的光学器件，其特征在于，衍射轮廓(25)的中心区域(27)的最大相移大于λ/2，其中相移是指相对于由衍射轮廓(25)的中心区域的基点(30a)限定的基的相移，相移区域(28)的区域边界之间的面积(29)的大小相同，并且选择连接衍射轮廓上的中心区域(27)的基点(30a)的第一弧，使得由具有与第一弧平行的第二弧并且具有最大相移为λ/2的理论中心区域(27')界定的面积(29')与由各个移相区域(28)占据的面积(29)相同，由此增强了属于衍射轮廓的第0和第1衍射级的焦点(31，32)之间的衍射副最大值，并且三个有用焦点对应于属于衍射轮廓的第0和第1衍射级的焦点(31、32)以及属于在属于第0和第1衍射级的焦点(31、32)之间的增强衍射副最大值的焦点(33)。
2.根据权利要求1所述的人造眼镜片，其特征在于，所述中心区域(27)的最大相移大于λ/2且小于λ。
3.根据权利要求1所述的人造眼镜片，其特征在于，所述中心区域(27)的最大相移大于λ/2且小于或等于3/4λ。
4.根据权利要求1所述的人造眼镜片，其特征在于，所述中心区域(27)外部的衍射轮廓被变迹。
5.根据权利要求1所述的人造眼镜片，其特征在于，外围的纯折射部分连接至衍射轮廓(25)。
6.一种生产三焦点人造眼镜片(20)的方法，该人造眼镜片(20)包含前侧光学表面(21)、后侧光学表面(22)和光轴(23)，前侧光学表面(21)和后侧光学表面(22)中的至少一个包含具有三个有用焦点(用于远视、中视和近视)并具有至少部分衍射轮廓的光学器件，其特征在于，创建具有最大相移大于λ/2的衍射轮廓的中心区域(27)，其中相移是指相对于由衍射轮廓的基点(30a)限定的基的相移并且因此增强属于衍射轮廓的第0和第1衍射级的焦点(31，32)之间的衍射副最大值，并且设计从双焦点理论衍射轮廓开始的衍射轮廓，该双焦点理论衍射轮廓具有理论中心区域和在其外部的理论相移区域，并且理论相移区域的区域边界之间的面积的大小与由理论中心区域界定的面积的大小相同，并且理论中心区域的最大相移为λ/2，并且属于理论衍射轮廓的第0和第1衍射级的两个有用焦点与要生产的人造眼镜片的衍射轮廓(25)的第0和第1衍射级的焦点(31、32)基本重合，并且该方法还包括与对于中心区域的相移要大于λ/2的理论中心区域相比，增加衍射轮廓(25)的中心区域(27)，使得连接中心区域(27)的边界的第一弧保持平行于理论中心区域的第二弧，并且与理论相移区相比，中心区域外部的相移区域(28)在垂直于光轴(23)的方向上移位，使得相移区域(28)的区域边界之间的面积保持不变，因此形成衍射轮廓，使得远视焦点和近视焦点对应于属于衍射轮廓的第0和第1衍射级的焦点(31、32)，且中视焦点对应于属于在属于第0和第1衍射级的焦点(31、32)之间的增强衍射副最大值的焦点(33)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，使所述中心区域(27)的最大相移大于λ/2且小于λ。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，使所述中心区域(27)的最大相移落入0.52λ至0.8λ的范围内。
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