CN112891023A - 一种具有二元相位分布的多焦点人工晶状体 - Google Patents

一种具有二元相位分布的多焦点人工晶状体 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有二元相位分布的多焦点人工晶状体，所述人工晶状体包括光学部，所述光学部包括主体和两个表面，其中一个面为非球面，另一个面为衍射面；所述衍射面由呈二元相位分布的多个深度一致的圆环组成。本发明能提高焦点的能量利用率，提高衍射效率，继而提高成像质量。

Description

一种具有二元相位分布的多焦点人工晶状体
技术领域
本发明涉及人工晶状体技术领域，特别是涉及一种具有二元相位分布的多焦点人工晶状体。
背景技术
白内障作为导致人致盲的主要原因，已经引起越来越多人的重视，随着人年龄的增长，人眼天然晶状体会逐渐变得模糊，甚至失去透光能力，最终导致人眼完全失去视觉功能；幸运地是，在很多情况下，眼睛晶状体可以通过手术移除或是植入人工晶状体，从而恢复眼睛的视力。
摘除不透光的人眼晶状体，植入人工晶状体是恢复人眼视觉的最佳选择，自1949年英国首次使用硬聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，简称PMMA)材料制成的人工晶状体，成功的实现了晶状体置换手术，人工晶状体以及相应的手术技术得到了迅猛的发展，迄今为止，已经可以采用软性材料实现衍射多焦点甚至变焦，并在临床得到了成功的应用。
人工晶状体可以针对一个或多个特定物距来成像，从而使位于特定物距上的物体能够出现在视网膜上，而远离特定物距的物体变得越来越模糊。这个可接受的模糊范围就是焦深；人们不断努力提高人工晶状体的焦深，从而减少对眼镜、隐形眼镜或其他矫正光学器件的依赖。
目前单焦点人工晶状体，对于远视或近视问题，并不能做到有效的解决。
对于现有的多焦点的人工晶状体，它可以同时把远处和近处的图像呈现在视网膜上；植入这种晶体以后，病人的大脑学会集中于一副图像而忽略其它；这种透镜可以产生两个焦点，每一个焦点都有它的焦深，病人能够看清近处和远处的物体，但是仍旧需要眼镜来提供中间视力。相对于单焦点晶体，是一种提高，也对病人没那么繁重负担，现在仍在持续努力提高单焦距和多焦距人工晶状体的焦深，使病人进一步减少对眼镜的依赖。
现有技术中多焦点人工晶状体包括双焦、三焦和无焦衍射型人工晶状体，就焦点位置的能量集中度而言，双焦的高于三焦，三焦的高于无焦衍射型，因此，双焦的成像质量是最高的，无焦衍射型的成像质量最低，一个主要的原因是，对于衍射型的人工晶状体，只有大约81％的能量集中到成像的焦点位置，其余大约19％的能量，分散在其它高级次上，损耗掉了，例如，双焦点人工晶状体，每个焦点的能量约为40.5％，对于三焦点晶体，每个焦点的能量就更少了，因此，焦点的能量利用率较低，继而降低了衍射效率，最终导致成像质量较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有二元相位分布的多焦点人工晶状体，以提高焦点的能量利用率，提高衍射效率，继而提高成像质量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种具有二元相位分布的多焦点人工晶状体，所述人工晶状体包括光学部，所述光学部包括主体和两个表面，其中一个面为非球面，另一个面为衍射面；
所述衍射面由呈二元相位分布的多个深度一致的圆环组成。
优选地，所述非球面上的曲线在二维坐标系下满足以下条件：
Figure BDA0002897645990000021
式中：Z(y)为非球面在YZ平面上的曲线表达式，c为非球面曲率半径的倒数，Q为非球面的二次曲面常数，y为曲线上任何一点距Z轴的垂直距离，Ai为非球面高次项系数。
优选地，所述衍射面中各圆环的半径的计算公式如下：
rq＝sqrt(2qλd)；
式中：rq为第q个圆环的半径，λ为给定波长，d为衍射元件的焦距长度；
所述衍射面的阶梯最大高度的计算公式如下：
Figure BDA0002897645990000022
式中：h为衍射面的阶梯最大高度，n2为人工晶状体的折射率，n1为人工晶状体周围介质的折射率，λ为设计波长。
优选地，所述人工晶状体的材料为35°下折射率为1.46-1.55的疏水性丙烯酸酯、亲水性丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯中任意一者。
优选地，所述多焦点人工晶状体的屈光度为-10D-35D。
优选地，计算所述衍射面的二元相位分布的方法如下：
给出一个随机的具有对称分布的二元相位分布；
对二元相位分布进行傅里叶变换，进而得到各个衍射级次的能量；
基于评价函数和各个衍射级次的能量，采用全局优化算法进行优化，得到最终的二元相位分布。
优选地，所述评价函数的计算公式如下：
Figure BDA0002897645990000031
式中：MF为评价函数，d为衍射级次，ηd为第d个衍射级次的衍射能量，ηa为各衍射级次的衍射能量的平均值，
Figure BDA0002897645990000032
优选地，所述衍射面的光焦度为1-6D。
本发明还提供了一种具有二元相位分布的多焦点人工晶状体，所述人工晶状体包括光学部，所述光学部包括主体和两个表面，两个表面均为衍射面；
所述衍射面由呈二元相位分布的多个深度一致的圆环组成。
优选地，所述人工晶状体为三焦点。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明涉及一种具有二元相位分布的多焦点人工晶状体，所述人工晶状体包括光学部，所述光学部包括主体和两个表面，其中一个面为非球面，另一个面为衍射面；所述衍射面由呈二元相位分布的多个深度一致的圆环组成。本发明能提高焦点的能量利用率，提高衍射效率，继而提高成像质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具有二元相位分布的多焦点人工晶状体；
图2为传统衍射相位分布的人工晶状体；
图3为本发明具有屈光度和衍射附加光焦度的多焦点人工晶状体衍射能量级示意图；
图4为本发明人工晶状体一个周期内二元相位径向分布图；
图5为传统人工晶状体和二元相位人工晶状体的50毫米线对MTF离焦曲线图；
图6为传统人工晶状体和二元相位人工晶状体的100毫米线对MTF离焦曲线图；
图7为传统人工晶状体和二元相位人工晶状体中间位置视力调制传递函数比较图；
图8为本申请二元相位人工晶状体远焦和近焦调制传递函数比较图。
符号说明：1-衍射面，2-非球面，3-主体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种具有二元相位分布的多焦点人工晶状体，以提高焦点的能量利用率，提高衍射效率，继而提高成像质量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明具有二元相位分布的多焦点人工晶状体结构图，如图1所示，本发明提供了一种具有二元相位分布的多焦点人工晶状体，所述人工晶状体包括光学部，所述光学部包括主体3和两个表面，其中一个面为非球面2，另一个面为衍射面1；所述衍射面1由呈二元相位分布的多个深度一致的圆环组成。本实施例中，所述人工晶状体为三焦点。
具体地，所述非球面2上的曲线在二维坐标系下满足以下条件：
Figure BDA0002897645990000051
式中：Z(y)为非球面2在YZ平面上的曲线的表达式，c为光学部球面曲率半径的倒数，Q为非球面2的二次曲面常数，y为曲线上任何一点距Z轴的垂直距离，Ai为非球面2高次项系数。
对于所述衍射面1，其中各圆环的半径的计算公式如下：
rq＝sqrt(2qλd)；
式中：rq为第q个圆环的半径，λ为给定波长，d为衍射元件的焦距长度。
进一步地，所述衍射面1的阶梯最大高度的计算公式如下：
Figure BDA0002897645990000052
式中：h为衍射面1的阶梯最大高度，n2为人工晶状体的折射率，n1为人工晶状体周围介质的折射率，λ为设计波长。
作为一种可选的实施方式，本发明所述人工晶状体的材料为疏水性丙烯酸酯、亲水性丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯中任意一者。具体地，所述人工晶状体的材料的折射率在35°时为1.46-1.54。
对于衍射面1的二元相位分布，其具体计算方法如下：
给出一个随机的二元相位分布；为了方便计算，以及获得更好的衍射效率，给出具有对称分布的二元相位分布。
对初始的二元相位分布进行傅里叶变换，进而得到各个衍射级次的能量。
基于评价函数和各个衍射级次的能量，采用全局优化算法进行优化，得到最终的二元相位分布。具体地，基于各个衍射级次的能量，采用全局优化算法得到评价函数的最优解，此最优解对应的二元相位分布为最终的二元相位分布。所述最优解对应的是评价函数的最小值。本实施例中，所述全局优化算法为模拟退火法。
具体地，所述评价函数的计算公式如下：
Figure BDA0002897645990000053
式中：MF为评价函数，d为衍射级次，ηd为第d个衍射级次的衍射能量，ηa为各衍射级次的衍射能量的平均值，
Figure BDA0002897645990000061
通过上述方法得到的具有二元相位分布的衍射面1的光焦度为1-6D。
本发明还提供了一种具有二元相位分布的多焦点人工晶状体，所述人工晶状体的光学部分包括两个面，两个面均为衍射面；所述衍射面由呈二元相位分布的多个深度一致的圆环组成。
以一个面为衍射面为例，图2为现有的闪耀形衍射结构，图4为本申请具有二元相位分布结构一个周期内，相位径向分布图，相位分布呈二元分布，可以是多个二元相位的叠加和组合，这与现有的闪耀形衍射结构有很大的不同，从整体而言，相位分布呈对称形式，最高点对应PI的相位，从两侧变为0，这种相位分布，可以将更多的入射能量集中在需要的衍射级次上，进而提高各个衍射级次所对应的成像质量，其衍射能量等级如图3所示，对比传统的人工晶状体和本申请具有二元相位分布结构的晶状体，其50毫米线对MTF离焦曲线图如图5所示，其采用的图4的二元相位分布结构，因为本申请选取的是三焦点，对应的三个衍射级次的衍射效率为：0级，37％，1级，29％，-1级，29％，总的衍射效率：95％；传统相位结构三个衍射级次的衍射效率为：0级，25％，1级，28％，2级，28％，总的衍射效率：81％。-1级负责视远，对应于无穷远物体成像，+1级负责视近，对应于人眼读书和看报的位置，0级负责人眼的中间视力，对应于用电脑，近距离与人交流等位置，整个晶体提供像空间4D的附加光焦度，对应物空间3.3D的附加光焦度。二元相位结构的晶体，在保证视远和视近的情况下，大幅度地提高了中间位置的视力。
对比传统的人工晶状体和本申请具有二元相位分布结构的晶状体，其100毫米线对MTF离焦曲线图如图6所示，其采用的图4的二元相位分布结构，100毫米线对，对应于20/20的视力水平，也即1.0的视力，50mm线对，对应于20/40的视力水平，也即0.5的视力。晶体提供像空间4D的附加光焦度，对应物空间3.3D的附加光焦度。由图6可知，二元相位结构的晶体，在保证视远和视近的情况下，同时大幅度地提高了中间距离的视力。
图7为人眼模型中，传统闪耀衍射结构和二元相位衍射结构的中间距离调制传递函数(MTF)比较图，采用基础光焦度20D的亲水性丙烯酸酯材料人工晶状体，得到的人眼的光学性能，由图7可以看出，传统闪耀相位型多焦人工晶状体，其中间位置的MTF值较低，100mm线对不到0.2，而二元相位结构的人工晶状体，MTF在整个中频和高频位置都有了大幅度地提高，100mm线对大于0.2，因此，二元相位结构的人工晶状体，明显地提升了中间距离的视力水平。
图8为二元相位结构多焦点人工晶状体，远焦和近焦调制传递函数比较图，采用基础光焦度20D的亲水性丙烯酸酯材料人工晶状体，得到的人眼的光学性能，由于相位结构的对称性，正负一级的衍射能量相等，同时，其能量与二元结构的衍射能量相当，因此，近焦和远焦的成像质量与二元相位型晶体的成像质量接近，这一点从图5和图6的离焦曲线中也可以看出，总的来讲，MTF值，在低频部分剧烈下降之后，中频和高频部分缓慢下降，100mm线对MTF接近0.2。
本发明提供的人工晶状体能将几乎全部所有的入射能量(接近95％)集中到对成像有贡献的焦点上，对于三焦点晶体，主要的衍射能量集中在0级和±1级上，大幅度地降低了其它无用衍射级次对成像的干扰，提高了多焦人工晶状体的成像质量，每一个焦点的所对应的成像质量，较传统的多焦衍射晶体，有很大的提高。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种具有二元相位分布的多焦点人工晶状体，其特征在于，所述人工晶状体包括光学部，所述光学部包括主体和两个表面，其中一个面为非球面，另一个面为衍射面；
所述衍射面由呈二元相位分布的多个深度一致的圆环组成。
2.根据权利要求1所述的一种具有二元相位分布的多焦点人工晶状体，其特征在于，所述非球面上的曲线在二维坐标系下满足以下条件：
Figure FDA0002897645980000011
式中：Z(y)为非球面在YZ平面上的曲线表达式，c为非球面曲率半径的倒数，Q为非球面的二次曲面常数，y为曲线上任何一点距Z轴的垂直距离，Ai为非球面高次项系数。
3.根据权利要求1所述的一种具有二元相位分布的多焦点人工晶状体，其特征在于，所述衍射面中各圆环的半径的计算公式如下：
rq＝sqrt(2qλd)；
式中：rq为第q个圆环的半径，λ为给定波长，d为衍射元件的焦距长度；
所述衍射面的阶梯最大高度的计算公式如下：
Figure FDA0002897645980000012
式中：h为衍射面的阶梯最大高度，n2为人工晶状体的折射率，n1为人工晶状体周围介质的折射率，λ为设计波长。
4.根据权利要求1所述的一种具有二元相位分布的多焦点人工晶状体，其特征在于，所述人工晶状体的材料为35°下折射率为1.46-1.55的疏水性丙烯酸酯、亲水性丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯中任意一者。
5.根据权利要求1所述的一种具有二元相位分布的多焦点人工晶状体，其特征在于，所述多焦点人工晶状体的屈光度为-10D-35D。
6.根据权利要求1所述的一种具有二元相位分布的多焦点人工晶状体，其特征在于，计算所述衍射面的二元相位分布的方法如下：
给出一个随机的具有对称分布的二元相位分布；
对二元相位分布进行傅里叶变换，进而得到各个衍射级次的能量；
基于评价函数和各个衍射级次的能量，采用全局优化算法进行优化，得到最终的二元相位分布。
7.根据权利要求6所述的一种具有二元相位分布的多焦点人工晶状体，其特征在于，所述评价函数的计算公式如下：
Figure FDA0002897645980000021
式中：MF为评价函数，d为衍射级次，ηd为第d个衍射级次的衍射能量，ηa为各衍射级次的衍射能量的平均值，
Figure FDA0002897645980000022
8.根据权利要求1所述的一种具有二元相位分布的多焦点人工晶状体，其特征在于，所述衍射面的光焦度为1-6D。
9.一种具有二元相位分布的多焦点人工晶状体，其特征在于，所述人工晶状体包括光学部，所述光学部包括主体和两个表面，两个表面均为衍射面；
所述衍射面由呈二元相位分布的多个深度一致的圆环组成。
10.根据权利要求9所述的一种具有二元相位分布的多焦点人工晶状体，其特征在于，所述人工晶状体为三焦点。
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