CN111971613A - 远距主导的人工晶状体 - Google Patents

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Abstract

人工晶状体包括：具有前表面和后表面的基本折射结构，前表面和后表面被成形以产生第一屈光力；以及形成在该基本折射结构的一个表面中的衍射结构，该衍射结构包括在公共孔径上重叠的第一和第二衍射图案，以产生第二和第三屈光力。第二屈光力是第三屈光力的不均匀分配。第一衍射图案和第二衍射图案具有相应的阶梯高度，相应的阶梯高度根据在公共孔径上距光轴的径向距离而变化。

Description

远距主导的人工晶状体
技术领域
本发明总体上涉及多焦点人工晶状体，且尤其涉及在具有非球状表面的折射基底上具有复合衍射光栅的这种多焦点人工晶状体。
背景技术
人眼中的天然晶状体可适应通过改变形状来支持从近到远(远距)视力的焦距范围所需的屈光力变化。长期以来，例如在白内障手术期间，用制造的人工晶状体(IOL)代替晶状体一直导致失去用于支持聚焦选择的范围的这种适应性。单眼IOL要求患者选择给定的光焦度，例如用于支持近视力或远视力，并使用眼镜聚焦在其他某个距离。
通常将多焦点IOL设计为提供两个或更多环形区域，这些环形区域通常使用折射和/或衍射聚焦机构来提供不同的屈光力。每个环形区域具有不同的孔径，外部区域可基于瞳孔大小的改变而被截断。其他多焦点IOL在整个晶状体上形成衍射结构，并使用不同的衍射级将光能分成不同的光焦度。例如，可以将成形为支持远视力的基本折射晶状体与一个或多个衍射结构组合，以提供中间视力和近视力。具有谐波相关特征的复合衍射光栅也已经被用于将光能分成不同的屈光力，其中，二级的较低功率光栅与一级的较高功率光栅匹配，以更高效的利用衍射光。
发明内容
根据本公开的一个方面，设想了三焦点IOL在弱光条件下具有远距视力主导的能量分布，同时在强光条件下仍提供良好的近视力和中间视力。支持近视力和中间视力的衍射轮廓可以根据径向距离进行变迹，以便用户的瞳孔在中间视觉条件下张开时，引向支持近视力和中间视力的屈光力的光的比例减少，从而有更多的光被引过支持远距视力的屈光力。预期在中间视觉条件下远距能量的增加和近/中间能量的减少将不必要地最小化视觉效果。随着瞳孔扩大，支持远距视力的光分布的增加主要来自减少用于近视力的能量，从而使用于中间视力的能量在所考虑的瞳孔扩大范围内提供远距视力和近视力之间的过渡区域。
优选地，衍射轮廓在基本折射表面上叠加，基本折射表面例如是IOL的前表面，与衍射轮廓共享共同的中心轴。相反侧的折射表面，例如后表面，优选地类似地居中。相反侧的表面成形为折射曲线，以提供支持远距视力所需的屈光力，还可以成形为非球面轮廓，以补偿眼睛的整个光学系统中预期的球面像差。衍射轮廓将光能分成附加光焦度。
可以通过叠加不同的衍射图案来形成衍射轮廓，以通过一和二级衍射来支持近视力和中间视力，同时通过零级衍射来保持远距视力。通过较细节距衍射图案的一级衍射支持近视力的增加聚焦力，而通过较粗节距衍射图案的一级衍射支持中间视力的较小聚焦力。然而，作为将两个衍射图案谐波相关以使两个图案的特征周期性地重叠的替代，将两个图案的渐进周期性偏离这种规律性，从而由二级的较粗节距图案形成的屈光力略微偏离于由一级的较细节距衍射图案形成的屈光力，以扩展与近视力相关的焦点深度。因此，作为使用二级的较粗节距衍射图案以形成近屈光力(否则将由较细节距衍射图案提供)的代替，二级的较粗节距衍射图案增加了与近屈光力相关的焦点深度。
两个叠加的衍射图案中的每一个的衍射特征优选地限定由垂直阶梯隔开的环形区域，该垂直阶梯具有抛物线轮廓或其在阶梯之间延伸的近似圆形。当将两个衍射图案叠加以产生复合衍射轮廓时，可以根据两个图案的衍射效率分别调整两个衍射图案的阶梯高度，以在近、中间和远聚焦选项之间分配所需量的屈光力。另外，阶梯高度还优选地根据距光轴的径向距离而变化，以随着瞳孔尺寸的增大而改变近、中间和远聚焦选项之间的光能分布。优选地，在距光轴的不同径向距离上应用两个不同的变迹函数。
根据本公开的人工晶状体包括：具有前表面和后表面的基本折射结构，前表面和后表面被成形以产生第一屈光力；以及形成在基本折射结构的一个表面中的衍射结构，衍射结构包括在公共孔径上重叠的第一和第二衍射图案，以产生第二和第三屈光力。第二屈光力优选地是第三屈光力的不均匀分配。
优选地，通过第一和第二衍射图案的零级衍射来传递第一屈光力，以形成远距焦点。优选地，通过第一和第二衍射图案的一级衍射来传递第二和第三屈光力，以与第一屈光力结合地形成相应的中间焦点和近焦点。优选地，第一和第二衍射图案具有非谐波周期性，从而通过第一衍射图案的二级衍射产生的焦点与近焦点略有偏移，以扩展近焦点的有效深度。
优选地，第一和第二衍射图案以基本折射结构的光轴为中心并具有相应的阶梯高度，相应的阶梯高度根据在公共孔径上距光轴的径向距离而分别变化。第二衍射图案的阶梯高度比第一衍射图案的阶梯高度根据距光轴的径向距离而更大地变化，至少一个衍射图案的阶梯高度优选地以非渐进方式变化。
远距焦点优选地被布置为接收通过公共孔径传输的光能根据距光轴的径向距离的增加部分。相比于由中间焦点接收的光能的对应减少，增加部分更多地源自于由近焦点接收的光能的对应减少。
根据本公开的人工晶状体也可以被描述为包括：具有前表面和后表面的基本折射结构，前表面和后表面被成形以产生第一屈光力，该第一屈光力将入射光引过远距焦点；以及形成在基本折射结构的一个表面中的衍射结构，衍射结构在公共孔径上用于产生第二和第三屈光力，该第二和第三屈光力与第一屈光力相结合地将入射光分别引过中间焦点和近焦点。衍射结构包括：第一衍射图案，用于通过一级衍射产生第二屈光力；以及第二衍射图案，用于通过一级衍射产生第三屈光力。第一和第二衍射图案被叠加在公共孔径上并具有非谐波周期性，使得二级衍射通过第一衍射图案扩展近焦点的焦点深度。
远距焦点优选地被布置为接收通过公共孔径传输的光能根据距光轴的径向距离的增加部分。相比于由中间焦点接收的光能的对应减少，光能的增加部分更多地源自于由近焦点接收的光能的对应减少。优选地，第二衍射图案的阶梯高度比第一衍射图案的阶梯高度根据距光轴的径向距离更大地变化。用于限定阶梯高度的函数关系可以在径向距离的不同范围内不同，从而至少一个衍射图案的阶梯高度随径向距离以非渐进方式变化。
附图说明
图1是在前表面上具有衍射轮廓的人工晶状体(IOL)的示意性横截面。
图2A绘制了用于产生近焦点的两个重叠衍射图案之一的轮廓。
图2B绘制了用于产生中间焦点的两个重叠衍射图案中另一个的轮廓。
图2C绘制了两个重叠衍射图案的组合轮廓。
图3绘制了IOL前表面的轮廓，其中衍射轮廓被叠加在基本折射表面的折射轮廓上。
图4A包含表B1，该表列出了用于产生近焦点的衍射图案中的每个区域的径向位置和变迹的阶梯高度。
图4B包含表B2，该表列出了用于产生中间焦点的衍射图案中每个区域的径向位置和变迹的阶梯高度。
图5绘制了在瞳孔尺寸范围内近、中间和远(远距)聚焦区域之间的光能分布。
图6A绘制了在3mm孔径处的散焦距离范围内的离焦MTF值。
图6B绘制了在4.5mm孔径处的散焦距离范围内的离焦MTF值。
图7A绘制了在3mm孔径的远焦点处的具有代表性的理论通频MTF曲线。
图7B绘制了在3mm孔径的中间焦点处的具有代表性的理论通频MTF曲线。
图7C绘制了在3mm孔径的近焦点处的具有代表性的理论通频MTF曲线。
图7D绘制了在4.5mm孔径的远焦点处的具有代表性的理论通频MTF曲线。
具体实施方式
图1所示的人工晶状体(IOL)10具有广义晶状体形式的基本折射结构12，该基本折射结构包括凸前表面14和凸后表面16，但旨在代表各种已知形式的IOL，包括具有凹面、凸面和平面的各种组合的折射结构。另外，虽然前表面14和后表面16呈现为球形表面，但是两个表面14和16优选地是以公共光轴18为中心的非球形表面。旨在根据本公开的各种实施例构造的衍射结构20被叠加在IOL 10的前表面14上，并且被并入前表面14的形状中。
由基本折射结构12形成的折射轮廓和由前表面14中的衍射结构20形成的衍射轮廓都是轴向对称的，因此，基本折射曲线B(r)与衍射曲线D(r)的重叠(其中“r”是距光学中心轴的径向距离)可以定义前表面14的整个光学区域。可以根据IOL 10的其他折射参数来改变基本折射曲线B(r)，包括后表面16的形状和基本折射结构12的厚度，以支持旨在用于远距视力的基本屈光力的范围，同时还结合适当的二次曲线常数以调整球差。
然而，出于制造目的，优选地，前表面的基本折射轮廓在屈光力的有限范围内保持恒定，并且后表面的基本折射轮廓变化，以在有限范围内调节屈光力。后二次曲线被生成为在屈光力的整体范围内实现近似相等的负球差。在此引入标题为“Aspheric Lenses andLens Family”的美国专利No.8,535,376，作为成形具有所需球差量的IOL家族的参考。
衍射结构20将穿过IOL 10的光能分成多个衍射级，从而产生多个聚焦区域。第零衍射级传递用于远距焦点的基本折射结构12的屈光力。由第一和第二衍射级提供中间焦点和近焦点，其形成除基本折射结构12的屈光力之外的附加量的屈光力。衍射表面曲线D(r)是从诸如图2A-2C所示的两个衍射图案的叠加得出的。在距光轴18的径向距离的范围内(以毫米为单位)以阶梯高度绘制图案。图2A的衍射图案通过用于产生近焦点的第一衍射级形成3.1D(屈光度)的附加屈光力，图2B的衍射图案通过用于产生近焦点的第一衍射级形成1.6D(屈光度)的附加屈光力。图2B的衍射图案的第二级形成3.2D(屈光度)的附加屈光力，其提供紧密间隔的近焦点，以增加与近屈光力相关的焦点深度。因此，由图2B的较粗节距衍射图案形成的屈光力是由图2A的较细节距衍射图案形成的屈光力的不均匀分配。当衍射图案被绘制为径向距离平方的函数从而使得每个衍射图案有恒定的节距时，与图2A和2B中所示的两个衍射图案之间的谐波关系的偏离甚至更加明显。
用于形成3.1D和1.6D的附加屈光力的每个衍射图案均包括由垂直阶梯分隔的区域，每个区域的起点和终点之间具有抛物线轮廓。区域端点的径向位置由下式给出：
Figure BDA0002719385350000061
其中，“p”是区域数量，“f”是衍射添加屈光力的焦距，“γ”是设计波长。
如图2C所示，最终复合衍射轮廓D(r)在基本折射曲线B(r)上的叠加得到图3所示类型的轮廓。根据距光轴18的径向距离的范围内的阶梯高度来绘制所述轮廓。在图2C中明显的衍射轮廓阶梯比折射表面下陷小约两个数量级。
为了在弱光条件下获得远距视力主导的能量分布，并在强光条件下提供良好的近视力和功能性中间视力，可通过修改3.1D和1.6D图案的衍射阶梯高度来变迹衍射轮廓。
衍射阶梯高度由下式给出：
Figure BDA0002719385350000062
其中，“h”是衍射阶梯高度(未变迹)；“ε”是衍射效率；“γ”是设计波长；“nl”是晶状体材料的折射率，以及“na”是水性折射率。
半径范围0≤r≤3mm的变迹函数示例为：
Figure BDA0002719385350000063
径向范围r>3mm的变迹函数示例为：
Figure BDA0002719385350000064
在图4A和4B的各个表B1和B2中列出了图2A和2B的衍射图案的所得的每个区域边缘的衍射轮廓径向位置和变迹阶梯高度。由于不同的功能跨越径向距离的不同范围，两个衍射轮廓图案的变迹阶梯高度以非渐进方式变化，高度不连续出现在3.1D轮廓的第六和第七区域之间以及1.6D轮廓的第三和第四区域之间。
图5示出了使用数值模拟开发的能量平衡图。三条线30、32和34中的每条线绘制了在从2mm到4.5mm的瞳孔直径的范围内的各个远(远距)、中间和近焦点区域之间分布的光能的相应部分。从大约2mm的瞳孔直径开始，传递到近焦点区域的光能部分约等于传递到远焦点区域的光能部分，但是对于从大约2.5mm到4.5mm的瞳孔直径，传递到远焦点区域的光能部分增加，而传递到近焦点区域的光能部分减少。从大约为2mm的瞳孔直径开始，传递到中间焦点区域的光能部分的水平比传递到近和远焦点区域的光能部分的水平低，但是在从大约2.5mm到4.5mm的瞳孔直径的范围内，传递到中间焦点区域的光能部分的下降更缓和于在相同范围内传递到近焦点区域的能量下降。因此，在从大约2.5mm到4.5mm的瞳孔直径范围内，由远焦点区域获得的光能的大部分增加是由于传递到近焦点区域的光能部分的减少。中间焦点区域在向近和远焦点区域的变化的能量传递之间提供稳定的过渡。
图6A和6B中绘出了在3mm和4.5mm孔径处的20D基本屈光力IOL的具有代表性的理论离焦MTF曲线。在沿着光轴的正负散焦距离的范围内绘制MTF值。该图考虑了50lp/mm，ISO模型眼0.15μm SA和IOL在ISO模型眼1中的-0.15μm SA。
在图7A、7B和7C中分别绘制了在3mm孔径处的远(远距)、中间和近焦点处的20DIOL的具有代表性的理论通频MTF曲线。图7D类似地在空间频率的扩展范围内绘制了在4.5mm孔径处的远焦点。

Claims (13)

1.一种人工晶状体，包括：
具有前表面和后表面的基本折射结构，前表面和后表面被成形以产生第一屈光力；
形成在基本折射结构的一个表面中的衍射结构，衍射结构包括在公共孔径上重叠的第一和第二衍射图案，以产生第二和第三屈光力；以及
第二屈光力是第三屈光力的不均匀分配。
2.根据权利要求1所述的人工晶状体，其中：
(a)第一和第二衍射图案通过零级衍射传递第一屈光力，以形成远距焦点，
(b)第一和第二衍射图案用于通过一级衍射产生第二和第三屈光力，以与第一屈光力结合地形成相应的中间焦点和近焦点，以及
(b)第一和第二衍射图案具有非谐波周期性，使得通过第一衍射图案的二级衍射产生的焦点与所述近焦点略有偏移，以扩展所述近焦点的有效深度。
3.根据权利要求2所述的人工晶状体，其中：
(a)第一和第二衍射图案以基本折射结构的光轴为中心，以及
(b)第一和第二衍射图案具有相应的阶梯高度，相应的阶梯高度根据在公共孔径上距光轴的径向距离而分别变化。
4.根据权利要求3所述的人工晶状体，其中，第二衍射图案的阶梯高度比第一衍射图案的阶梯高度根据距光轴的径向距离而更大地变化。
5.根据权利要求4所述的人工晶状体，其中，远距焦点被布置为接收通过公共孔径传输的光能根据距光轴的径向距离的增加部分，且相比于由所述中间焦点接收的光能的对应减少，所述增加部分更多地源自于由所述近焦点接收的光能的对应减少。
6.根据权利要求3所述的人工晶状体，其中，阶梯高度根据其与距光轴的径向距离的关系而变化，并且所述关系在径向距离的不同范围内不同。
7.根据权利要求6所述的人工晶状体，其中，至少一个衍射图案的阶梯高度随径向距离以非渐进方式变化。
8.一种人工晶状体，包括：
具有前表面和后表面的基本折射结构，前表面和后表面被成形以产生第一屈光力，第一屈光力将入射光引过远距焦点；
形成在基本折射结构的一个表面中的衍射结构，衍射结构在公共孔径上用于产生第二和第三屈光力，第二和第三屈光力与第一屈光力相结合地将入射光引过相应的中间焦点和近焦点；
衍射结构包括第一衍射图案，第一衍射图案用于通过一级衍射产生第二屈光力；
衍射结构包括第二衍射图案，第二衍射图案用于通过一级衍射产生第三屈光力；以及
第一和第二衍射图案被叠加在公共孔径上并具有非谐波周期性，使得通过第一衍射图案的二级衍射扩展所述近焦点的焦点深度。
9.根据权利要求8所述的人工晶状体，其中，
(a)衍射结构以基本折射结构的光轴为中心，
(b)所述远距焦点被布置为接收通过公共孔径传输的光能根据距光轴的径向距离的增加部分，以及
(c)相比于由所述中间焦点接收的光能的对应减少，光能的增加部分更多地源自于由所述近焦点接收的光能的对应减少。
10.根据权利要求9所述的人工晶状体，其中：
(a)第一和第二衍射图案具有阶梯高度，以及
(b)第二衍射图案的阶梯高度比第一衍射图案的阶梯高度根据距光轴的径向距离而更大地变化。
11.根据权利要求10所述的人工晶状体，其中，阶梯高度根据其与距光轴的径向距离的关系而变化，并且所述关系在径向距离的不同范围内不同。
12.根据权利要求11所述的人工晶状体，其中，至少一个衍射图案的阶梯高度随径向距离以非渐进方式变化。
13.根据权利要求8所述的人工晶状体，其中，由第一衍射图案形成的第二屈光力约为1.6屈光度，而由第二衍射图案形成的第三屈光力约为3.1屈光度。
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