CN111766719A

CN111766719A - 一种近视控制光学透镜及其制造方法

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Publication number: CN111766719A
Application number: CN202010693646.8A
Authority: CN
Inventors: 宋久德
Original assignee: Jingmou Biotechnology Shanghai Co ltd
Current assignee: Jingmou Biotechnology Shanghai Co ltd
Priority date: 2020-07-17
Filing date: 2020-07-17
Publication date: 2020-10-13

Abstract

本发明公开了一种近视控制光学透镜及其制造方法，涉及光学透镜的技术领域，根据角膜地形径向屈光力图轮廓写在kinoform高效衍射及多重分形菲涅尔波带片透镜上或之中的衍射光栅，衍射光栅效率则决定了引导到视网膜周围上的外围光的强度，以达到最佳近视离焦及增加角膜正球像差的目的。有效同时增强远距离和近距离视力，改善目前包括双焦，多焦，离焦控制近视，框架眼镜及软硬隐形眼镜不同设计的共同问题，在不同距离视力的模糊不稳定和最佳控制近视癹展的有效性。本发明在日常生活视觉上，将允许一个人在明亮的灯光条件下驾驶，看电脑显示器和阅读，而在黑暗的环境下不需要阅读时，它将允许该人驾驶和看仪表板更加清晰，并可有效控制近视发展。

Description

一种近视控制光学透镜及其制造方法

技术领域

本发明涉及光学透镜的技术领域，更具体地说，它涉及一种近视控制光学透镜及其制造方法。

背景技术

目前市场中，包括有双焦、多焦、离焦等用于控制近视的框架眼镜产品，但是多年临床验证近视控制的效果不佳，主要原因归咎于视轴和光轴难以保持恒定,偏轴所引起的不同像差改变了也难以计算掌握。

多焦软硬隐形眼镜(MFCL)光学理论虽然类似Ortho-K镜，但是目前并未证实多焦软硬隐形眼镜(MFCL)的周边屈光近视偏移与Ortho-k的屈光度相近。而且，由于多焦软硬隐形眼镜(MFCL)的材质及制作工艺精密度及客制化设计的特性，尚需更多的研发及早临床实证，另外在不同距离视力的模糊也是一个尚待克服的问题。

Ortho-k相关的角膜形状变化在视网膜外围形成远视离焦,也会增加眼像差。其成像位置及强度在控制近视的有效性上都对相对的光学设计至关重要。周围的像差出现在视网膜的周围，分辨小物体的成像能力会随著离心率而严重降低。主要原因可能由光学和神经分布因素所致：离心角引起光学像差，从而降低了视网膜图像的对比度，视锥细胞和神经节细胞的密度也随频率的下降而下降，从而导致视神经的稀疏采样。虽然在中央视觉中，眼睛的光学(如屈光不正)可能是主要的限制因素，但在周边视觉中，它是神经空间功能的降低。中央凹以外，在周围视网膜的主要光学退化是由于斜像散和场曲引起的。

发明内容

针对实际运用中这一问题，本发明目的在于提出一种近视控制光学透镜及其制造方法，具体方案如下：

一种近视控制光学透镜及其制造方法，包括以下加工工序：

步骤1、采集患者角膜塑形术的术后角膜像差值及径向屈光数据；

步骤2、使用步骤1所采集的术后角膜像差值及径向屈光数据建立广义二元菲涅尔波带片，并使用广义二元菲涅尔波带片相同近似值理想连续相移曲线建立理想建立理想kinoform高效衍射透镜轮廓，在轮廓中为每个区域创建一个逐步函数；

步骤3、利用步骤1及步骤2中的术后角膜像差值、径向屈光数据及kinoform高效衍射透镜轮廓每个区域的逐步函数进行多重分形波带片设计；

步骤4、將步骤3中设计完成的多重分形菲涅耳波带片粗化為針孔以建造光子筛，从光源经过针孔的中心到焦点的光程长度是波长的整数2。

进一步的，所述步骤2中广义二元菲涅尔波带片的效率ηm为：ηm＝A²/C²，A为观察到的振幅，C为入射场的强度。

进一步的，所述步骤2中广义二元菲涅尔波带片的效率ηm为：ηm＝2[1-cos(2πm/L)](L/m)²，L是不同阶跃轮廓下计算出的衍射效率，衍射效率由衍射光束的功率与光束的入射功率之比确定。

进一步的，所述步骤3中多重分形波带片设计基于康托尔三分集进行设计：M＝{S1，S2}，其中S2＝S1-1，中央FZP的主焦距为f＝a²/λ3^S1，FZP的三阶焦距可由相同表达式给出。

进一步的，所述步骤4中光源经过针孔的中心到焦点的光程长度是波长的整数2采用r_n ²+p²+r_n ²+q²＝p+q+nλ公式表达，p是光源与光子筛之间的距离，q是光子筛与焦点之间的距离，r是光点中心之间的距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)镜片整体厚度变薄，应用于隐形眼镜上有效提高镜片透氧度，避免干眼症，确保角膜健康及舒适状态；

(2)本发明光子筛无连接区域，制造无需任何支撑件；

(3)通过设计建立多重分形菲涅耳波带片轮廓及光子筛的针孔大小和分布方式可调节光学特性，本发明仅通过修改光子筛每个区域的孔数,大小和分布方式，即可将涅菲尔波带片区域板轮廓整合于光子筛中。

附图说明

图1.1为狭缝中的光的衍射系统图(折射为主)；

图1.2为狭缝中的光的衍射系统图；

图1.3为狭缝中的光的衍射系统图(衍射为主)；

图2为在狭缝处具有高斯强度分布图的平面波阵面的衍射；

图3为菲涅尔波带片通过将传统镜片分为三个水平部分支撑的示意图；

图4为kinoform轮廓呈抛物线形来自每个区域的所有波都同相到达P值的示意图；

图5为瑞利准则示意图；

图6为角膜地形方向屈光力图；

图7为分形三重会康托尔集示意图；

图8为展示M＝{3，2}的MFZPS的示例；

图9为展示具有相同焦距和分辨率的等效CZP；

图10为光子筛进行点对点成像的示意图；

图11为kinoform(相息图)高效衍射透鏡的正面剖视图；

图12为多重分形波带片及光子筛的光学透鏡正面剖视图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

波前像差是表征任何光学系统的成像特性的功能，它定义为瞳孔上方每个点的理想球面和实际波前之间的差异。例：没有像差的眼睛具有恒定或零像差，并形成点源的理想视网膜成像；有像差的眼睛会产生更扩展的，通常不对称的视网膜像成像图像。点源的成像图像称为点扩展函数(PSF)，尽管波前像差可能是一个非常复杂的二维函数，但可通过多项式以纯像差模式的总和将其分解。

从PSF中，有用的单一图像成像质量参数斯特列尔比-定义为眼睛PSF的峰值强度与无像差(衍射极限)PSF的峰值强度之间的比率。另外通过对物体和眼睛的PSF进行运算，可预测任何场景的视网膜成像图像。

造成视网膜成像图像退化的因素有很多，例如：眼睛瞳孔中的光的衍射，光学像差和眼内散射。由于光的波特性，衍射会通过小于孔径极限的仪器形成成像图像。眼睛中的衍射效应一般影响很小，实际上仅在小瞳孔中才明显。对于多数人平均较大的瞳孔直径，眼像差对视网膜成像图像质量的影响更为显著。

光波存在光波衍射性质，但衍射它不一定总是占主导地位。如同前述的眼睛光学系统，假设透镜没有像差，则在焦平面上获得的最小光斑尺寸称为衍射极限光斑，这是因为使用传统方法不可能将光聚焦到小于衍射极限的光斑，由于折射在透镜的边缘会产生斑点，因此对于折射透镜，图像参数是根据几何定律而不是衍射原理来计算的，因为大多数入射光都会发生折射，而只有一小部分输入光会发生衍射。狭缝的尺寸远大于入射波长时也是如此，当狭缝开口较大时，它是折射主导的系统，而当狭缝开口时，它是较小的折射系统。

折射和衍射不同控制为主的系统如图1.1、图1.2、图1.3所示。不同宽度的狭缝中的光的衍射：图1.1、图1.2、图1.3狭缝宽度依次减小，表示衍射的主导作用增加。图1.1为折射为主的系统，图1.3为衍射为主的系统。其中，次级波阵面初级波阵面，输入强度分布图平面波阵面如图2所示，在单缝隙孔径处具有高斯强度分布图的平面波阵面的衍射。但是，当波前的一部分被狭缝挡住时，波前会在边缘处弯曲。在折射中可以将光视为在恒定折射率的介质中沿直线传播。斯涅尔定律适用于界面(折射率变化的表面)，并可用于确定新方向。通常折射元件由单个体单元组成，其形状和折射率决定其成像特性。与折射元件不同，衍射元件由许多不同的区域组成。最终的图像是从各个区域衍射的光的相干叠加。孔上的每个点都会对输出的一个位置的强度产生影响。当然折射也会发生，因此最终的行为将是两种影响的组合。

如图3所示，上部分为传统镜片，下部分为菲涅尔波带片，菲涅尔波带片通过将传统镜片分成三个水平部分制成的，除了附加的衍射效果外，其性能几乎与传统镜片相似。重要的是，菲涅尔波带片仍然是折射光学元件，其尺寸t和d远大于入射光的波长。

常规的菲涅尔波带片由具有相同面积的交替的透明和不透明的圆环组成，因此菲涅尔波带片的透射率沿径向坐标的平方是周期性的。这些设备可以实现的空间分辨率约为最外面区域的宽度，因此受到制造的最小结构的限制。由于其低效率和多焦点特性，通常不将菲涅尔波带片用作成像系统。

为优化成像特性，提高菲涅尔波带片的分辨率，本发明研究一种仅在一个或两个焦点上具有高聚焦效率，而在其他焦点上却保持低效率的波带片kinoform(相息图)高效衍射透镜。可以改善分辨率并增加聚焦能量。与其他光学成像设备一样，也可以通过称为透射函数的数学函数来描述波带片。传输功能描述了入射光通过设备时如何改变(振幅和相位)。如图4所示，kinoform轮廓呈抛物线形来自每个区域的所有波都同相到达P，因此引入了所需的相位调制在每个区域板点。具体的，所有进入一个区域的光线都遵循相同的光程长度，直到点P。kinoform区域板的主要特征是在区域引入弧度的渐进式相移，可通过更改的区域板部分的厚度来实现。

一般图像系统和区板的分辨率是两个可以区分的物体之间的最小距离。考虑到两个相等遥远的点源通过光学系统的一个光圈，由这两个点源形成的艾里图案要么重叠要么清晰地分辨。如图5所示，以图案重叠的程度可以应用为两个分辨率极限，即瑞利准则。

当一个艾里圆盘的中心图像落在另一个点图像的艾里圆盘的第一个最小值上时，将应用瑞利准则。基于瑞利准则的空间分辨率δm可写为：δm＝1.22fλ/D其(f是焦距，2是光的波长，D是直径)。

对于分形波带片(FZP)，分辨率由最外面的区域宽度控制。区板的光学分辨率可写为δm＝1.2△rN/m(N是最外面的区域索引，△rN是最外面的区域宽度，m是衍射级)

光子筛是另一种衍射光学元件，专为聚焦和成像具有高分辨率功能的软X射线而开发。光子筛本质上是菲涅尔波带片，其中透明区域是径向坐标的正方形。当由平行波阵面照射时，FZP会产生多个焦点，其主瓣与相关的传统波带片的波瓣重合，但每个焦点的内部结构都呈现出特征性的分形结构，从而再现了原始FZP的自相似性。光子筛使用针孔阵列通过衍射和干涉来聚焦光的设备，通过减小微孔的直径并将其随机分布在光盘上来使微孔的衍射效果最小化。光子筛的另一个好处是可以通过改变针孔的大小和分布方式来调节其光学特性，这表明基于光子筛概念的设备可以针对各种特定应用进行定制。

如图6所示，采集Ortho-k术后相关角膜形状变化表征的角膜地形数据转换为像差及径向屈光力图，该区域被外围区域包围，该外围区域进一步被边缘区域和凹面所包围，该中央光学区域包含一个内盘和多个瓣膜环。通过从角膜塑形术治疗前的屈光力中减去角膜塑形术治疗后的眼的像差及屈光变化来描述。

根据Ortho-k术后径向屈光力图及所需波前像差建立广义二元菲涅尔波带片，然后使用相同近似值理想连续相移曲线，构建理想的kinoform(相息图)高效衍射透镜轮廓，在轮廓中为每个区域创建了一个逐步函数。

菲涅尔波带片(为“m^th的衍射阶数”)的效率ηm显示由公式表示为：ηm＝A²/C²(A为观察到的振幅，C为入射场的强度)

该公式可以进一步表示为：ηm＝2[1-cos(2□m/L)](L/m)²(L是轮廓台阶数下表中显示了在不同阶跃轮廓下计算出的衍射效率，衍射效率由衍射光束的功率与光束的入射功率之比来确定)

如图7所示，进行多重分形波带片(MFZPS)设计须基于图7上部所示的分形三重会康托尔集。构造过程的第一步包括定义单位长度的直线段，称为初使器(阶段S＝0)。接下来在阶段S＝1，通过将分段分为长度为1/3的三个相等部分并除去中心部分，来构造该集合后续的生成器。在随后的阶段S＝2，3，...中遵循此过程。通常在阶段S中，有2S个段(个段长度为3-S)由2S-1间隙分开。在设定阶段S上设置的康托尔集由前一个S-1的两个重覆构成，缩放比例为1/3，并位于其两端。例如康托尔集S＝4呈现了集S＝3的两个缩放重覆。综述：将“多阶”M＝{S1，S2}的康托尔集多重分形定义为两个不同阶S分形的合成，并且S2缩放为1/3，位于分形的第一和第三部分结构。这样传统的分数S＝4可被视为分形复合M＝{3，3}。假设康托尔集多重分形可以用区间[0，1]中定义的一维二元函数q(δ)进行数学表示，则可以通过更改坐标s＝(r/a)²和通过围绕一个极端旋转旋转后的一维函数，结果是形成了具有测度坐标r和最外层半径为a的环的区域板。

图8显示了M＝{3，2}的MFZPS的示例，图9显示了具有相同焦距和分辨率的等效CZP。为了提高透镜的分辨率，考虑MFZPS，M＝{S1，S2}，其中S2＝S1-1。构造了一个MFZPS，其中央FZP的主焦距为f＝a2/λ3S¹，而FZP的三阶焦距可由相同表达式给出。通过这种配置，外部FZP的较小区域可比中央FZP的较小区域大73。2％。

分析FZP构造限制和不同参数之间的相互关系，表明腔隙度对具有相同分形维数的不同FZP提供的轴向辐照度有显着影响，但基本方面是自相似性的。可変腔隙度与FZP给出的轴向辐照度，以及不同的焦点相关联，并具有分形的性质。透过不同设定的腔隙度参数，可通过调整不同焦点的强度来优化最初衍射光栅设定的位置及视网膜成像图像质量和分辨率。

次要最大值一直是菲涅尔波带片的缺点，如上所述，从衍射的圆孔观察到艾里图案。当光通过圆形光圈时，强度会按照第一种贝塞尔函数所预测的那样衰减，在该光圈中，透射率在光圈边缘突然变为零。对于菲涅尔波带片，每个环的振幅贡献在焦点处相等。当该贡献突然超出最外环降到零时，就会发生光强度的振荡。

次要最大值是由FZP的许多同心圆形区域的衍射所导致的，在艾里图案模式中收集的第一、第二和更高阶的明亮环。次要最大值将导致图像模糊。它还会增加背景噪音水平并降低图像的对比度。此外菲涅尔波带片的分辨率由最外面区域的宽度控制。接近高分辨率波带片时可能存在处理限制。光子筛为抑制如上所述菲涅尔波带片的次要最大值现象提供了一个机会，可以使图像更清晰地聚焦，并且还克服了菲涅尔波带片分辨率的工艺限制。

然后将多重分形菲涅尔波带片粗化为针孔，以创建易于制造的光子筛。光子筛与菲涅尔波带片的概念类似，针孔的位置必须正确，以符合相长干涉的标准。这就要求从光源经过孔的中心到焦点的光程长度(OPL)必须是波长的整数2。该标准可以表示为下面的公式：rn2+P2+rn2+q2＝p+q+n(p是光源与光子筛之间的距离，q是光子筛与焦点之间的距离，r是光点中心之间的距离)。如图10所示，孔和光源，光子筛和焦平面之间关系，光子筛进行点对点成像的示意图。

光子筛相比菲涅耳区域板虽然有其多个优点。然而较低的透射率是光子筛的非常关键的限制。振幅波带片的透射率通常为50％，而光子筛的透射率仅为15％至20％。菲涅耳区域板和光子筛之间的透射差与区域和针孔的开口面积成正比。低透射率不会阻止光子筛使用高强度光源的应用，例如用于X射线显微镜的同步加速器。对于光源强度较低的常见应用，低透射率可能会限制光子筛的应用。低透射率会降低信号强度以及信号与背景之间的对比度，从而导致较差的图像质量。图像的对比度定义为：

对比度＝(Imax-Imin)/(Imax+Imin)

其中，Imax和Imin分别是图像的最大和最小强度。

光子筛子由涂覆的透明基材组成，使用具有针孔的不透明涂覆，光线可以穿过这些孔并衍射形成图像，本实施例中透明基材为石英。玻璃基板两面的抗反射涂层最多只能将光子筛的透射率提高约8％(每面4％)在相移光子筛中，整个光子筛对光源是透明的，并且针孔相对于其余光子筛具有t的相移，因此可以显着提高透射率。

结合图11和图12所示，本发明具体包括写入到kinoform(相息图)高效衍射或多重分形菲涅尔波带片透镜中的衍射光栅。通过衍射透镜的光能通常会集中到一个、两个或更高的衍射级。对于衍射矫正镜片，零级的高衍射效率意味著在远距离处的可见度有了更大的提高。一级或二级或以上的衍射效率则可以根据离焦位置的设计定向，每个衍射级的光能量由分区多重分形步高决定。来自周围光源的周围光被衍射光栅衍射，从而与来自周围的光大致在中心视场方向上出现在相同的位置。外围光和来自周围场景的光至少部分地彼此重叠。根据角膜地形径向屈光力图(图6)轮廓写在kinoform(相息图)高效衍射及多重分形菲涅尔波带片透镜上或之中的衍射光栅，衍射光栅效率则决定了引导到视网膜周围上的外围光的强度，以达到最佳近视离焦及增加角膜正球像差的目的。结果远距离和近距离视力同时得到增强。改善目前包括双焦，多焦，离焦控制近视，框架眼镜及软硬隐形眼镜不同设计的共同问题-在不同距离视力的模糊不稳定和最佳控制近视癹展的有效性。本发明在日常生活视觉上，将允许一个人在明亮的灯光条件下驾驶，看电脑显示器和阅读，而在黑暗的环境下不需要阅读时，它将允许该人驾驶和看仪表板更加清晰，并可有效控制近视发展。

如图3所示，制成后的新型控制近视离焦多重分形菲涅尔波带片因光学器件

射菲涅尔波带片的特性，整体镜片厚度也会变薄，尤其如果应用在隐形眼镜上可以大幅度增加镜片透氧量(Dk/t)对于角膜长期的健康及舒适都有极大的改善。

同时公开基于传统菲涅尔波带片(FZP)的光子筛衍射，干涉技术在此新型应用，与菲涅尔波带片不同，该光子筛没有连接区域，因此可以制造不需要任何支撑杆的表面。此外仅通过修改每个区域的孔数，即可轻松将菲涅尔波带片区域板轮廓整合到光子筛中。光子筛实质上是一种菲涅尔波带片，其中的环被分解成独立的圆形孔。光子筛的另一个好处是可以通过改变针孔的大小和分布方式来调节其光学特性-这表明基于光子筛概念的设备可以针对各种特定应用进行定制，而且易于制造。满足控制近视对于个性化像差及离焦校正的要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种近视控制光学透镜及其制造方法，其特征在于，包括以下加工工序：

2.根据权利要求1所述的近视控制光学透镜及其制造方法，其特征在于，所述步骤2中广义二元菲涅尔波带片的效率ηm为：ηm＝A²/C²，A为观察到的振幅，C为入射场的强度。

3.根据权利要求2所述的近视控制光学透镜及其制造方法，其特征在于，所述步骤2中广义二元菲涅尔波带片的效率ηm为：ηm＝2[1-cos(2πm/L)](L/m)²，L是不同阶跃轮廓下计算出的衍射效率，衍射效率由衍射光束的功率与光束的入射功率之比确定。

4.根据权利要求1所述的近视控制光学透镜及其制造方法，其特征在于，所述步骤3中多重分形波带片设计基于康托尔三分集进行设计：M＝{S1，S2}，其中S2＝S1-1，中央FZP的主焦距为f＝a²/λ3^S1，FZP的三阶焦距可由相同表达式给出。

5.根据权利要求1所述的近视控制光学透镜及其制造方法，其特征在于，所述步骤4中光源经过针孔的中心到焦点的光程长度是波长的整数2采用r_n ²+p²+r_n ²+q²＝p+q+nλ公式表达，p是光源与光子筛之间的距离，q是光子筛与焦点之间的距离，r是光点中心之间的距离。