CN113693780B - 具有扩展景深的眼用透镜 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种具有扩展景深的眼用透镜,包括光学单元,所述光学单元包括以光轴为中心且彼此相对的第一表面和第二表面,其中所述第一表面和所述第二表面中的至少一个表面由基础矢高轮廓和特征矢高轮廓的叠加限定且沿着远离所述光轴的径向方向依次包括第一区、第二区以及第三区,其中所述第一区设计成自由曲面区,且所述第二区设计成相位渐变区。本公开的眼用透镜能够使得患者获得连续的从中距离到远距离的视力矫正,同时使得其远视力得到优化,无视觉干扰,从而使其远视力矫正等效于现有的单焦点眼用透镜。
Description
技术领域
本公开涉及视力矫正技术,更具体地涉及具有扩展景深的眼用透镜。
背景技术
老花眼(老视眼,远视眼,Presbyopia)是一种影响眼睛的调节特性的疾病。在物体靠近年轻的、功能正常的眼睛时,睫状肌收缩和小带松弛的效应允许眼睛的晶状体改变形状,并从而增加其光焦度和近距离聚焦能力。这种调节允许眼睛在近处物体与远处物体之间聚焦和重新聚焦。
老花眼一般随着一个人的年龄增长而出现,并与调节的自然渐进性丧失有关。老花眼通常无法快速轻松地重新聚焦在不同距离的物体。老花眼的现象通常在45岁以后变得明显。到65岁时,晶状体往往失去了几乎所有的弹性并且改变形状的能力也很有限。
随着眼睛调节能力的下降,年龄还可能引起晶状体混浊,从而导致白内障的形成。白内障可在晶状体的坚硬中心核中、在晶状体的柔软周边皮质部分中或者在晶状体的后部形成。白内障可通过用人工晶状体(IOL)更换混浊的天然晶状体来治疗。
单焦点IOL旨在仅提供对通常是远焦点的一个距离的视力矫正。最合适的IOL植入光焦度的精确性可能有限,并且不合适的IOL光焦度在手术后给患者留下屈光残差。因此,接受IOL植入的患者可能还需要佩戴眼镜,以实现良好的远视力。至少,由于单焦点IOL仅提供对一个距离的视力治疗并且由于通常用于矫正远视力,因此通常需要眼镜以获得良好的近视力(有时候中间视力)。术语“近视力”通常是指针对与眼睛相距约1到2英尺的距离的视力。术语“远视力”通常是指针对与眼睛相距至少约6英尺或更大的距离的视力。术语“中间视力”通常是指针对与眼睛相距约2英尺至约5英尺的距离的视力。
已经有解决与单焦点IOL相关联的局限性的多种尝试。例如,已提出多焦点IOL,其原则上提供两个焦点,即一个近焦点和一个远焦点,可选地还提供某种程度的中间焦点。此类多焦点或双焦点IOL旨在提供对两个距离的良好视力,并包括折射型和衍射型多焦点IOL两者。在某些实例中,旨在矫正对两个距离的视力的多焦点IOL可以提供约3.0或4.0屈光度的近添加光焦度。
例如,多焦点IOL可以依靠衍射光学面来将部分光能引向不同的焦点距离,由此允许患者看清远处和近处的物体。多焦点眼用透镜(包括隐形眼镜等)还已被建议用于治疗老花眼而无需移除天然晶状体。
尽管多焦点眼用透镜改善了许多患者的视力质量,但是仍然有待进一步改进。例如,某些植入有IOL的患者会出现不良的视觉效果(眩光幻影),例如眩光或光晕。例如,如果来自远点光源的光通过双焦点IOL的远焦点在视网膜上成像,则IOL的近焦点将同时在由远焦点形成的图像上叠加散焦图像。这个散焦图像可能以围绕对焦图像的光环的形式表现,其称为光晕。
具有扩展景深的眼用透镜可以为特定患者提供对一定距离范围的良好视力的同时减少或消除视觉障碍。例如,扩展景深(EDOF)IOL通过采用不同的光学技术(例如相偏或者衍射)来达到给患者扩展光学景深的效果。然而,现有的EDOF IOL与单焦点IOL相比,对远视力的矫正,特别是在视觉干扰方面仍然有待提高。
发明内容
本公开旨在提供改进的具有扩展景深的眼用透镜,例如隐形眼镜、角膜嵌体或覆盖体、或人工晶状体(IOL),包括例如有晶状体眼(phakic)IOL和背负式(piggyback)IOL(即在已有IOL的眼睛中植入的IOL),以至少解决现有技术中存在的上述和其它技术问题。
本公开的一方面提供一种具有扩展景深的眼用透镜,包括光学单元,所述光学单元包括以光轴为中心且彼此相对的第一表面和第二表面,其中所述第一表面和所述第二表面中的至少一个表面由基础矢高轮廓和特征矢高轮廓的叠加限定且包括从所述光轴延伸到第一径向边界的第一区、从所述第一径向边界延伸至第二径向边界的第二区以及从所述第二径向边界延伸至所述光学单元的边缘的第三区,其中所述第一区设计成自由曲面区,且所述第二区设计成相位渐变区。
应当理解,上述说明仅是对本申请的概述,以便能够更清楚地了解本申请的技术方案,从而可依照说明书的内容予以实施。为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂,以下详细说明本申请的具体实施方式。
附图说明
为了更加完整地理解本公开及其优点,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,其中:
图1A是示意性示出根据本公开的一些实施方式的眼用透镜的截面图;
图1B是示意性示出根据本公开的一些实施方式的眼用透镜的平面图;
图2是示意性示出根据本公开的一些实施方式的眼用透镜的光学单元中的第一区的特征矢高轮廓的曲线图;
图3是示意性示出根据本公开的一些实施方式的眼用透镜的光学单元中的第二区的特征矢高轮廓的曲线图;
图4是示意性示出根据本公开的一些实施方式的眼用透镜的光学单元中的第三区的特征矢高轮廓的曲线图;
图5是示意性示出根据本公开的一些实施方式的眼用透镜的光学单元的第一表面的波前像差分布的曲线图;
图6A是示出根据本公开的实施例的眼用透镜和作为比较例的常规眼用透镜各自的MTF(调制传递函数)测量曲线图;
图6B示出根据本公开的实施例的眼用透镜和作为比较例的常规眼用透镜在基于图6A的实验过程中截取的实际成像图。
本领域的技术人员将理解的是,下述附图仅出于说明目的。这些附图不旨在以任何方式限制本公开的范围。
具体实施方式
应当理解,本公开简化了附图和描述以举例说明有助于清楚地理解本公开的组成部分,且为清楚和简洁起见,未示出在典型眼用透镜中可见的其他组成部分。因此,本领域中的普通技术人员应当明白,其他组成部分在实施本公开中是可取和/或需要的。由于此类组成部分在本领域是众所周知的并且它们可能不利于对本公开的更好理解,因此本公开未提供对此类组成部分的说明。本公开旨在涵盖基于本领域技术人员已知的组成部分的所有变更和更改。
现有的扩展景深技术(例如前述的EDOF IOL)创建与远视力到中间视力的范围对应的连续且细长的焦点,无明显类似于多焦点IOL的分级现象,由此给患者提供对远距离至中距离的连续视力矫正。已知的扩展景深技术可分为两类技术,一类与多焦点技术类似地采用衍射技术,其原理和不足也类似于多焦矫正技术;另一类则采用相偏(Phase Shift)技术,该技术也具有两个不足之处:1)其虽然利用了相偏技术,但是其至少有两个明显分区,分别具有两个完全不同的基础轮廓(例如矢高轮廓),能量分布虽然连续,但是仍然有待优化,且在通过小孔径看远处时,患者视力矫正仍不尽如人意,与单焦点IOL远视力矫正效果相比还是有一定差距;2)由于相偏区靠近光学中心,因此在大孔径的情况下,基于该技术的IOL更加像单焦点IOL,其对中间视力的矫正能力下降,无法达到扩展景深的效果。
与现有的扩展景深设计(例如,EDOF IOL)相比,本公开的改进的具有扩展景深的眼用透镜利用独特的自由曲面(freeform)结合相位渐变(phase transition)技术创建与远视力到中间视力的范围对应的连续且细长的焦点,通过合理设置自由曲面的参数来克服了现有技术中两个分区基础轮廓不同的问题,且通过相较于相移技术自由度更高的相位渐变的相对位置和幅度设置,在保证不同孔径下的患者中远距离视力的矫正的同时,能够优化用于患者远视力的光线能量分配。因此,本公开的眼用透镜能够使得患者获得连续的从中距离到远距离的视力矫正,同时使得其远视力得到优化,无视觉干扰,从而使其远视力矫正等效于现有的单焦点眼用透镜(例如IOL)。本公开的实施方式在不同光学孔径下,对于与远距离到中距离范围对应的光线能量做了更合理的分配,在保持能量分布连续性的情况下,对远距离关键频率波段的能量分布做出了优化和加强。
本公开的实施方式可以有利地提供具有扩展的景深和增强的视力的用于视力矫正(包括但不限于近视、远视、散光、白内障和/或老花眼)的眼用透镜。在一些实施方式中,眼用透镜可包括隐形眼镜、角膜嵌体或覆盖体、或人工晶状体(IOL),包括例如有晶状体眼(phakic)IOL和背负式(piggyback)IOL(即在已有IOL的眼睛中植入的IOL)。本公开的眼用透镜对于治疗中年人群的老花眼和白内障特别有用。
图1A是示意性示出根据本公开的一些实施方式的眼用透镜100的截面图,图1B是示意性示出根据本公开的一些实施方式的眼用透镜100的平面图。眼用透镜100可以包括光学单元102。光学单元102透射(例如折射)和聚焦由眼用透镜100接收到的光线。如在下文中将更详细描述,光学单元102可以包括被设计成对入射光线进行折射和聚焦以增加景深和改善视力的一个或多个表面的表面轮廓。例如,在一些实施方式中,光学单元102的表面轮廓可以被设计成使得光学单元102能够进行入射光线的连续聚焦以增加景深,从而实现对于宽物距范围内的物体聚散度(例如,在至少约0至约1.35屈光度的范围内的聚散度)的较高的视觉敏锐度(例如20/25视力)。此外,在一些实施方式中,光学单元102的表面轮廓可以被设计成使得成像基本上是同轴的并且具有基本相似的大小以减少重影图像的存在。
如图1A和图1B中示出,示例性眼用透镜100还可以包括触觉件110。在一些实施方式中,可以包括一个或多个触觉件110,以将眼用透镜100稳定在眼睛中并将其附接到眼睛。例如,多个触觉件110设置成围绕光学单元102,以在植入眼睛时将光学单元102固定在其中。在某些实施方式中,触觉件110设置为使光学单元102在眼睛中稳定,使得光学单元102的光轴沿着眼睛的中心光轴布置。在这样的实施方式中,眼睛中的光学单元102的波前的稳定性可以由触觉件110来提供。在一些实施方式中,眼用透镜100并且特别是触觉件110设置成植入囊袋外,例如,对于有晶状体眼IOL设计植入天然晶状体前方。例如,有晶状体眼IOL可设置成植入虹膜和天然晶状体之间。虽然在图中示出包括呈翼状的两个触觉件110,但是对触觉件110的形状、尺寸和数量没有特别限制。在一些实施方式中,眼用透镜设置成用于在移除天然晶状体之后植入囊袋内。这种眼用透镜可以具有形状、尺寸和/或数量适合于在植入后在囊袋内提供安全放置和定向的触觉件110。
如图1B中示出,光学单元102包括彼此相对的第一表面106和第二表面108。例如,第一表面106和第二表面108以光轴104为中心,且第一表面106和第二表面108中的一者为前表面,另一者为后表面。
在一些实施方式中,第一表面106包括:从光轴104延伸到第一径向边界的第一区112;从第一径向边界延伸至第二径向边界的第二区114;以及从第二径向边界延伸至光学单元102的边缘的第三区116。第一区112设计成自由曲面区,第二区114设计成相位渐变区,第三区116设计成外围光学区。第一表面106的表面轮廓由基础矢高轮廓和特征矢高轮廓的叠加限定。例如,基础矢高轮廓可以为球面或非球面。
尽管上述第一区112、第二区114和第三区116被图示和描述成位于光学单元102的第一表面106上,但本公开设想到第一区112、第二区114和第三区116可以附加地或替代性地位于光学单元102的第二表面108上而使得产生相似的光波相位调制作用。另外,光学单元102确定眼用透镜的基准焦度,基准焦度通常需要对应于患者的远视力。然而,可视情况,例如根据主视眼和非主视眼情况,可相对于基准焦度限定眼用透镜的附加焦度,以便提高两眼的总体视力。
作为特定实施方式,第一表面106的表面轮廓可以描述为以下方程(1):
Z(r)=Z基础(r)+Z特征(r) (1)
其中,Z(r)表示第一表面106的矢高轮廓,Z基础(r)表示基础矢高轮廓,Z特征(r)表示特征矢高轮廓,r表示距离光轴104的径向距离;
Z基础(r)和Z特征(r)可分别描述为以下方程(2)和方程(3):
其中,c表示第一表面106的基础曲率,k表示圆锥常数,a4和a6分别表示第四阶系数和第六阶系数,Z112(r)、Z114(r)和Z116(r)分别表示分别限定第一区112、第二区114和第三区116的特征矢高轮廓,r112、r114和roz分别表示第一径向边界、第二径向边界和光学单元102的边缘距离光轴104的径向距离。
尽管方程(2)总体描述了非球面的基础矢高轮廓,但是可通过选择k、a4和a6均为零,使得方程(2)描述为球面。
在一些实施方式中,作为自由曲面区的第一区112可沿着远离光轴104的径向方向依次包括内区域120、中区域122和外区域124,其中在第一区112的特征矢高轮廓中(即除去基础矢高轮廓的贡献后),内区域120的矢高恒定,中区域122的矢高沿着远离内区域120的径向方向呈幂级增加,外区域124的矢高线性增加。
作为特定实施方式,与第一区112的特征矢高轮廓对应的Z112(r)可以呈连续曲线,且可表示为以下方程(4a):
其中,r120和r122分别表示内区域120和中区域122的外周边界分别距离光轴104的径向距离,k122_4、k122_3、k122_2、k122_1和k122_0分别表示限定中区域122的特征矢高轮廓的多项式系数,k124_1和k124_0分别表示限定外区域124的特征矢高轮廓的线性系数,其中k122_0和k124_0的取值使得保持Z112(r)的函数连续性。
图2是示意性示出根据本公开的一些实施方式的眼用透镜的光学单元中的第一区112的特征矢高轮廓的曲线图,其中横轴表示距离光轴104的径向距离,纵轴表示该径向距离处的特征矢高(即除去基础矢高轮廓的贡献后的矢高)。
优选地,内区域120的外周边界距离光轴104的径向距离r120(例如边界半径)在0.15mm至0.35mm的范围内。优选地,中区域122的特征矢高的幂级增加产生的光焦度大于0D(屈光度)且小于1D,且中区域122的外周边界距离光轴104的径向距离r122在0.85mm至1.15mm的范围内。优选地,外区域124的特征矢高的线性增加产生的光焦度大于-0.5D且小于+0.5D,且外区域124的外周边界距离光轴104的径向距离r112在1.2mm至1.5mm的范围内。
作为替代性或可选实施方式,第一区112的特征矢高轮廓不按分区(例如前述的内、中、外区域)设置,而是在基本满足前述特征的情况下,通过整体进行多项式拟合或者通过固定关键节点以样条曲线的形式来定义。
作为特定实施方式,与第一区112的特征矢高轮廓对应的Z112(r)可整体上表示为以下方程(4b):
其中,k112_n表示限定第一区112的特征矢高轮廓的多项式系数,N表示实现限定第一区112的特征矢高轮廓所需的多项式项数。
在一些实施方式中,作为相位渐变区的第二区114可包括至少一个阶状部,其中在第二区114的特征矢高轮廓中(即除去基础矢高轮廓的贡献后),每个阶状部的矢高沿着远离光轴104的径向方向变高。
作为特定实施方式,与第二区114的特征矢高轮廓对应的Z114(r)可表示为以下方程(5):
其中,Z114_i(r)表示限定第i个阶状部的特征矢高轮廓,hi表示第i个阶状部的外周边界与内周边界的特征矢高差,ri表示第i个阶状部的内周边界距离光轴104的径向距离,zi表示第i个阶状部的内周边界的特征矢高。需要说明的是,r1等于r112,且对于最后一个阶状部(即i最大的最外围阶状部)而言,ri+1等于r114。优选地,为了保证第二区114的第一阶状部(即i为1的最内侧阶状部)的内周边界与第一区112之间的连续性,z1可和第一区112在第一径向边界(即与光轴104相距r112)处的特征矢高基本相同。
图3是示意性示出根据本公开的一些实施方式的眼用透镜的光学单元中的第二区114的特征矢高轮廓的曲线图,其中横轴表示距离光轴104的径向距离,纵轴表示该径向距离处的特征矢高(即除去基础矢高轮廓的贡献后的矢高)。
优选地,第二区114的阶状部数量在1至4的范围内。优选地,阶状部的径向宽度(即ri+1-ri)在0.1mm至0.3mm的范围内,阶状部的高度(即hi)在0.1波长至0.5波长的范围内。优选地,第二径向边界距离光轴104的径向距离r114在1.5mm至2.0mm的范围内。
在一些实施方式中,作为外围光学区的第三区116的特征矢高轮廓基本恒定。
作为特定实施方式,与第三区116的特征矢高轮廓对应的Z116(r)可表示为以下方程(6):
Z116(r)=C,r114<r≤roz (6)
其中,C表示常数。
作为一例,C可以为0。作为另一例,为了保证第三区116和第二区114之间的连续性,C可和第二区114在第二径向边界(即与光轴104相距r114)处的特征矢高基本相同。
图4是示意性示出根据本公开的一些实施方式的眼用透镜的光学单元中的第三区116的特征矢高轮廓的曲线图,其中横轴表示距离光轴104的径向距离,纵轴表示该径向距离处的特征矢高(即除去基础矢高轮廓的贡献后的矢高)。
优选地,第三区116的外周边界,即光学单元102的边缘距离光轴104的径向距离roz在2.5mm至4.0mm的范围内。
本公开的经改善的具有扩展景深的眼用透镜通过具有至少部分前述特征的光学单元,对光波在空间中的相位分布产生延迟,使得分布在空间中的光波中的不同相位的各子波产生干涉,从而达到对与远距离至中间距离范围对应的光线能量进行合理分配以扩展景深的效果。
以下结合对本公开的具体实施例和比较例进行性能对比的实验例进行更详细的说明。
基于以下表1中示出的参数设计准备了本公开的改进的具有扩展景深的眼用透镜的一实施例,其中仅一个表面基于以下表1中的参数采用了基础矢高轮廓和特征矢高轮廓的叠加。
[表1]
图5是示意性示出上述实施例的眼用透镜在眼球入瞳平面的波前像差矢径图。
作为比较例准备的现有的单焦点眼用透镜与上述实施例的眼用透镜基本相同,区别仅在于相应的一个表面仅采用与实施例相同的基础矢高轮廓(即透镜材料折射率、roz、c、k、a4、a6等参数相同),而未采用特征矢高轮廓。
为了确认本公开实施例的具有扩展景深的眼用透镜相对于作为比较例的现有的单焦点眼用透镜带来的性能改进,分别按不同的物体聚散度进行了MTF(调制传递函数)测试且获得了成像图,其结果如图6A和图6B所示。
图6A的横轴表示以屈光度为单位的物体聚散度,即物距的倒数。例如,0屈光度对应于无穷远的物距,1屈光度对应于1米物距,1.5屈光度对应于约0.67米物距。图6A的纵轴表示对相应的物体聚散度测得的MTF值,该值越高则表示成像质量越高。由图6A可见,在给定的MTF阈值下,利用本公开实施例的眼用透镜获得了长达1.35D的景深,而利用比较例的现有眼用透镜仅获得了约0.85D的景深,由此与比较例的现有眼用透镜相比,本公开实施例的眼用透镜的景深显著增长了约58%。图6B中利用了具有与视力表中20/32(~0.6)对应的大小的字母E(左向开口)。由图6B可见,在利用本公开实施例的眼用透镜获得的成像图中,甚至在1.35D的物体聚散度下也能够分辨识别出字母E的开口方向,而利用比较例的现有眼用透镜获得的成像图中,在0.75D以上的物体聚散度下无法分辨识别出字母E的开口方向,因此与比较例的眼用透镜相比,本公开实施例的眼用透镜不仅显著扩展了患者的景深,而且在看远距离(例如0D)时的成像质量,特别是清晰程度和对比度并无明显区别。
如本文使用的术语“约”和“基本上”表示等于或接近所述量的量(例如,仍然执行期望功能或达到期望结果的量)。例如,除非另有说明,否则术语“约”和“基本上”可以指在所述量的10%之内(例如,高于或低于)、5%之内(例如,高于或低于)、1%之内(例如,高于或低于)、0.1%之内(例如,高于或低于)或0.01%之内(例如,高于或低于)。
本文已经描述了本公开的各种实施方式。虽然已经参考具体实施例描述了本公开,但是本说明书仅旨在说明本公开,而不是旨在限制。在不脱离本公开的基本构思和范围的情况下,本领域普通技术人员可以想到各种修改和应用。
Claims (15)
1.一种具有扩展景深的眼用透镜,包括光学单元,所述光学单元包括以光轴为中心且彼此相对的第一表面和第二表面,其中所述第一表面和所述第二表面中的至少一个表面由基础矢高轮廓和特征矢高轮廓的叠加限定且包括:
从所述光轴延伸到第一径向边界的第一区;
从所述第一径向边界延伸至第二径向边界的第二区;以及
从所述第二径向边界延伸至所述光学单元的边缘的第三区,
其中所述第一区设计成自由曲面区,且所述第二区设计成相位渐变区,其中所述第一区沿着远离所述光轴的径向方向依次包括内区域、中区域和外区域,其中在与所述第一区对应的所述特征矢高轮廓中,所述内区域的特征矢高恒定,所述中区域的特征矢高沿着远离所述内区域的径向方向呈幂级增加,所述外区域的特征矢高呈线性增加。
4.根据权利要求3所述的眼用透镜,其中r120在0.15mm至0.35mm的范围内,r122在0.85mm至1.15mm的范围内,且r112在1.2mm至1.5mm的范围内。
5.根据权利要求1或3所述的眼用透镜,其中所述中区域产生的光焦度大于0D且小于1D,且所述外区域产生的光焦度大于-0.5D且小于+0.5D。
7.根据权利要求1所述的眼用透镜,其中所述第二区包括至少一个阶状部,其中在与所述第二区对应的所述特征矢高轮廓中,每个阶状部的矢高沿着远离所述光轴的径向方向变高。
9.根据权利要求8所述的眼用透镜,其中z1和所述第一区在所述第一径向边界处的特征矢高相同。
10.根据权利要求7或8所述的眼用透镜,其中所述第二区包括1至4个阶状部。
11.根据权利要求7或8所述的眼用透镜,其中所述至少一个阶状部分别具有在0.1mm至0.3mm的范围内的径向宽度以及在0.1波长至0.5波长的范围内的高度,且所述第二径向边界距离所述光轴的径向距离在1.5mm至2.0mm的范围内。
12.根据权利要求1所述的眼用透镜,其中与所述第三区对应的所述特征矢高轮廓恒定。
13.根据权利要求2所述的眼用透镜,其中
Z116(r)=C,r114<r≤roz,
其中,C表示常数。
14.根据权利要求13所述的眼用透镜,其中C和所述第二区在所述第二径向边界处的特征矢高相同。
15.根据权利要求1所述的眼用透镜,其中所述光学单元的边缘距离所述光轴的径向距离在2.5mm至4.0mm的范围内。
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