CN114127621A

CN114127621A - 人眼散光、慧差、老视的波前治疗方法和器件

Info

Publication number: CN114127621A
Application number: CN202080052420.8A
Authority: CN
Inventors: 梁俊忠; 于�玲
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-05-20
Filing date: 2020-04-09
Publication date: 2022-03-01
Also published as: US20220211489A1; JP2022539295A; WO2020236330A1; EP3973353A4; EP3973353A1

Abstract

本发明提供了一种用于人眼散光、彗差、和老视的波前治疗方法和装置。波前设计的单焦透镜，通过把球差引入人眼的中央瞳孔，提供超过20/20的视力矫正，并通过消除未被矫正的人眼散光和彗差引起的畸变来提高视觉质量。公开了一种新的老视矫正透镜包括焦深扩展双焦镜片、焦深扩展(EDOF)三焦镜片、和准调节镜片，老视矫正范围在+0.75D至+3.25D之间，通过在一个单焦透镜之内的中央区域引入正球差和小于3D的正聚焦偏离、并在中央区域外的一个环形区中引入负球差来实现的。这些波前镜片适用于隐形接触镜、植入式隐形眼镜、人工晶状体(IOL)、有晶体眼人工晶状、可调节人工晶状、角膜镶嵌镜、以及用于虚拟现实(VR)显示器、游戏护目镜、显微镜、望远镜等的目镜。

Description

人眼散光、慧差、老视的波前治疗方法和器件

相关申请数据

本申请要求如下美国临时申请优先权：1)#62/920,859在2019年5月20日由Junzhong Liang(梁俊忠)和Ling Yu(于玲)提交，标题为“波前单焦点透镜、波前双焦点透镜、波前三焦点透镜，以及用球差来缓解人睛散光、聚焦不正的方法和装置”，2)#62/974,317在2019年11月26日由Junzhong Liang(梁俊忠)和Ling Yu(于玲)提交，标题为“人眼散光、慧差、老视的波前矫正的方法和器件”，3)#62/995/872在2020年2月18日由JunzhongLiang(梁俊忠)和Ling Yu(于玲)提交，标题为“波前单焦、焦深扩展双焦、焦深扩展三焦、连续聚焦透镜，和人眼散光、慧差、老花的波前矫正”。相关的这些专利申请的内容包括通过引用并入本文。

技术领域

此申请是关于人眼的屈光矫正，包括近视、远视、散光、慧差、老视，涉及的方式包括设备，方法及应用。

背景技术

直到今天，人眼常规屈光矫正的设计是矫正人眼的特定屈光不正：聚焦偏差(近视和远视)，散光(柱镜差)，和某些情况下的球差。这样的屈光矫正的不完善有几个原因：1)矫正器件对散光选择的限制，2)主观验光测量人眼屈光不正的限制和误差，3)眼科透镜制造的误差，4)一些人眼的慧差和其他高级像差。

老视是另一个让人眼视觉变差的因素。多数人40岁后的某个时候开始会注意到老视的影响、开始难以看清小字印刷。老视矫正器件包括阅读眼镜，双焦/三焦/渐进框架眼镜，多焦点隐性接触镜，和衍射双焦/三焦人工晶体。

双焦眼镜由本杰明-弗兰克林(BenjaminFranklin)发明于1824，眼镜有两个不同屈光度数，除了用于远距离视觉缺陷的基准线线度数之外，双焦眼镜在基本度数之上有一个添加度数(add-on power)来做老视矫正。双焦眼镜的两个不同度数被放在透镜分开的物理位置上，比如在眼镜的上部用于远距离和下部用于近距离。当然眼上下翻动时，视觉矫正的远距离和近距离不用同一个透镜的光学部位。这种分光设计不能被用于隐形接触镜、人工晶体、可植入隐形眼镜、角膜镶嵌镜，以及眼科手术，因为人眼必须用同一个光学系统看远处和近处的物体，这样就失去了通过上下转动眼睛来获得两个不同光学度数的自由。

衍射光学通过在单焦透镜之上使用沟状基诺结构(Kinoform)来产生1)第一个焦点来自非偏离“0”级衍射用于一个远距离，2)另一个焦点来自偏离“1”级衍射，对于同一个进入人眼的光会产生同时的多个焦点。衍射光学已报道用于双焦点人工晶体(见美国专利#5,116,111)和三焦点人工晶体(见美国专利#8,636,796,#9,320,594)。

衍射双焦/三焦人工晶体的优点包括：1)解决了分区光学设计来制造双焦镜或者三焦镜的问题，2)让术后的白内障病人不带眼镜看见远距离和近距离。但是，衍射透镜(双焦/三焦人工晶体)不被大多数的白内障病人忍受，因为它很严重降低了视觉质量。首先，衍射透双焦/三焦人工晶体会导致夜间症状、如光晕、星芒，是由远距离的亮物体的多个像产生。第二，由于衍射环的投影在视网膜上，蜘蛛网症夜间症状经常会看见。

衍射光学是不能在用在隐形接触镜的，因为衍射表面的不连续和尖锐边缘(见图1)会引起角膜表面软组织损伤或破坏角膜上眼泪正常流动。由于双焦框架眼镜的分光区设计的和人工晶体的衍射光学的都不适合用于隐形接触镜，市场上虽有多焦隐形接触镜，现在还没有可靠的双焦隐形接触镜。报道的多焦隐形接触镜依赖分瞳孔来矫正老视(见美国专利#6,808,262,#4,704,016,#4,898,461,#4,704,016,#6,808,262)，如果考虑物理光学、如人眼瞳孔上光的衍射和干涉，远距离和近距离视网膜上的成像都不确定。

解决人类老视的终极方案是恢复老年人眼晶体的自动调节功能，或者把人眼的光学置换为可调节人工晶体。经过过去20年来对可调节人工晶体的不断努力和开发，液体人工晶体(见图2)实现了调节的进展。但是，对可调节人工晶体的数据分析表明，至少三个问题临床上非常重要。第一，聚焦的度数大幅波动、大到+/-0.5D，涉及调节状态的远距离目标0D附近和近距离目标3D附近，见人眼E13-401(图2右上)和人眼E15-301(图2右下)。第二，对于远距离调节状态的平均聚焦误差大到-1.0D，见E13-401(图2右上)在0到5秒时间范围，和眼睛E02-411(图2左下)在15到25秒时间范围。如此大的聚焦误差会为不时看清远处带来困难。第三，图二的人眼的调节范围会因人眼而异，对同一个眼因时间而异。

美国专利#8,529,559B2和美国专利申请#2011/0029073A1公布了在瞳孔中央区域引入球差来治疗老视的方法和装置。在给眼科透镜提供焦深扩展的益处的同时，引入球差的矫正眼镜被相信会显著地降低视网膜上的对比度。在瞳孔中央间域引入正/负相反的球差也被建议来把焦点深度延伸到3.5D。不幸的是，原创设计造成了对远距离成像对比度显著降低。

因此，尽管用于视力矫正的许多配置和方法在本领域中是已知的，这些常规的方法和系统有以上讨论中一个或者更多的缺点。

总结

在一个非限制性实施方案中,配置为可植入或可穿戴透镜的用于人眼的波前设计的单焦透镜，包括：a)一个基准屈光度数覆盖一个直径在5毫米和8毫米之间的光学区间，用于球柱矫正；b)至少一个非球面区、其在单焦透镜的中心至少有一个非球表面，其直径介于2.5毫米和4.5毫米之间，其中的非球面区在人眼中央瞳孔引入球差，并且在透镜中央引入的球差或波前像差用于治疗球柱矫正之外未能矫正的在人眼里剩余屈光不正，其中剩余和未能矫正的屈光不正包括散光、聚焦误差、彗差、和其他在人眼中央瞳孔内有重要性的高级像差。在一个非限制性实施例中,一个被设置成可植入或可穿戴透镜的用于人眼的双焦透镜，包括：一个覆盖一个直径介于5毫米和8毫米之间的光学区的基准屈光度，用于球柱矫正；一个直径小于2.5毫米和大于1.8毫米的中心区的正聚焦偏移φ₁，该正聚焦偏移量小于+2.0光焦度大于+0.25光焦度；两个非球面区至少在中央，它的外半径小于4.5毫米和大于2.5毫米，其中的非球面区包括有至少一个非球表面，用于在第一个区引入正球差、在第二个区引入负球差，其中的第一和第二区是同心。在一个非限制性实施例中,一个被设置成可植入透镜或可穿戴透镜的用于人眼的三焦透镜，包括：一个覆盖直径介于5毫米和8毫米之间的光学区的基准屈光度，用于球柱矫正；在一个直径小于2.1毫米大于1.65毫米的中心区的正聚焦偏移φ₁，该正聚焦偏移量小于+3.0光焦度和大于+1.0光焦度；位于外半径小于4.5毫米大于2.5毫米的中央的至少两个非球面区，其中的中央非球面区包括至少一个非球表面用于在第一个区引入正球差，在第二个区引入负球差，其中的第一和第二区是同心；在中央非球面区引入的波前相位差包括聚焦偏移φ₁和引入的球差，产生一个三焦透镜：第一个“远”焦点，第二个添加“中”光焦度的焦点，和第三个添加“近”光焦度的焦点，其中的中心区的正聚焦偏移φ₁要小于三焦透镜的总焦度范围。

在一个非限制性实施方案中,一个用于人眼的连续聚焦透镜(CIF)，该透镜有一个直径小于8毫米的光学区、包括一个多焦结构，用于在视觉矫正的聚焦范围大于1.0光焦度范围内提供一个连续聚焦，其中的多焦结构有多个彼此紧邻的焦点，以提供基本上连续的焦点；其中多个焦点的实现是通过非球面在透镜直径小于4毫米的中央区引入球差，或者用衍射光学来产生同时的多个焦点。

在一个非限制性实施例中,一个用于人眼的波前可植入隐性眼镜(ICL)，包括：一个安置部，用于把可植入隐性眼镜在人眼的前房固定于虹膜或者把可植入隐性眼镜固定在人眼的后房；一个光学透镜部分包括i)一个基准屈光度覆盖一个直径介于5毫米和8毫米之间的光学区，用于球柱矫正；ii)一个直径介于1.65mm和2.5mm之间的中央部分，引入一个正球差加上一个小于+3.0光焦度+0.5光焦度正聚焦偏移φ₁，，iii)在一个外半径小于4.5毫米和大于2.5毫米的环形区引入一个负球差；其中在中央以及环形区因引入的球差和聚焦偏离而产生的波前像差使该光学透镜成为如下之一i)一个准调节连续聚焦的透镜，ii)一个波前双焦透镜，iii)一个波前三焦透镜。

在一个非限制性实施例中,一个矫正人眼屈光的方法，包括的步骤为：确定一个用于远处视觉矫正的屈光不正，该屈光不正至少包括一个球镜度数SPH；进行一个介于第一个聚焦度数φ₁和第二聚焦度数φ₂之间的扩展焦深屈光手术，目标球镜度数SPH被设置在第一个聚焦度数φ₁和第二聚焦度数φ₂之间，以便即使术后眼睛出现近视加深，仍能够保持在远处距离的良好视觉。

附图说明

图1显示现有技术的衍射双焦点IOL(上部)和屈光三焦点IOL(下部)的截面图。

图2显示对现有技术的可调节人工晶体在人眼中调节的客观测量。

图3显示现有技术的复曲面隐形接触镜的参数。

图4显示现有技术的复曲面人工晶体的规格参数

图5A显示一个假想眼的点扩散函数，瞳孔的直径为3.5mm，常规单焦隐形接触镜或常规单焦人工晶体对人眼的矫正剩余未被矫正的散光(CYL)介于在0D和5/8D之间、离焦偏差(SPH)介于-0.5D和+0.5D之间。

图5B显示假想眼的计算出的视网膜上的成像，瞳孔的直径为3.5mm，常规单焦隐形接触镜或常规单焦人工晶体对人眼的矫正剩余未被矫正的散光(CYL)介于在0D和5/8D之间、离焦偏差(SPH)介于-0.5D和+0.5D之间。翻滚E是按视力校准为20/16(最小字母)、20/20、20/25、20/30、和20/40(最大字母)。

图6A显示瞳孔直径为3.5mm的一个假想眼的点扩散函数，假想眼的常规单焦隐形接触镜或常规单焦人工晶体对人眼矫正的误差为散光(CYL)5/8D，离焦偏差(SPH)介于-0.5D和+0.5D之间。此外，矫正后人眼的球差有六种可能，包括：1)S1＝0，自然人眼的球差被完全矫正，2)S1＝-0.26，意味着自然人眼的球差没有变化，3)S1＝-0.52,-0.78,-1.04,-1.3,表示在眼内引入更多球差。

图6B显示根据图6A情形的点扩散函数计算出的视网膜上的成像。

图6C显示瞳孔直径为3.5mm的一个假想眼的点扩散函数，假想眼的常规单焦隐形接触镜或常规单焦人工晶体对人眼矫正的误差为散光(CYL)5/8D，离焦偏差(SPH)介于-0.5D和+0.5D之间。此外，矫正后眼的球差有六种可能，包括1)S₁＝0，自然人眼的球差完全被矫正，2)S₁＝0.26，和3)S₁＝0.52,0.78,1.04,1.3,意味着在眼内引入更多球差。

图6D显示根据图6C情形的点扩散函数计算出的视网膜上的成像。

图6E显示瞳孔直径为3.5mm的一个假想眼的点扩散函数，假想眼的常规单焦隐形接触镜或常规单焦人工晶体对人眼矫正的误差为散光(CYL)3/8D，离焦偏差(SPH)介于-0.5D和+0.5D之间。此外，矫正后眼的球差为六种可能，包括1)S₁＝0，2)S₁＝-0.26，3)S₁＝-0.52,-0.78,-1.04,-1.3,意味着在眼内引入更多球差。

图6F显示根据图6E情形的点扩散函数计算出的视网膜上的成像。

图6G显示瞳孔直径为3.5mm的一个假想眼的点扩散函数，假想眼的常规单焦隐形接触镜或常规单焦人工晶体对人眼矫正的误差为散光完全矫正(CYL＝OD)，离焦偏差(SPH)介于-0.5D和+0.5D之间。此外，矫正后眼的球差为六种可能，包括1)S₁＝0，2)S₁＝-0.26，3)S₁＝-0.52,-0.78,-1.04,-1.3,意指在眼内引入更多球差。

图6H显示根据图6G情形的点扩散函数计算出的视网膜上的成像。

图6I显示瞳孔直径为3.5mm的一个假想眼的视网膜上视力表成像，假想眼的像差仅有彗差没被矫正，矫正透镜为一个传统单焦透镜(左列)和一个波前设计的单焦透镜(右列)。人眼的彗差通过Zenike多项式来表示，对一个6mm瞳孔系数为1.0微米，考虑了三种不同方向的彗差。

图6J显示瞳孔直径为3.5mm的一个假想眼的视网膜上视力表成像，假想眼的像差仅有彗差没被矫正，矫正的透透镜为一个传统单焦透镜(左列)和一个波前设计的单焦透镜(右列)。人眼的彗差通过Zenike多项式来表示，对一个6mm瞳孔系数为1.5微米，考虑了三种不同方向的彗差。

图7显示本发明一方面的一个波前设计的单焦透镜的的示意图。

图8A显示3.5mm瞳孔直径的一个假想眼的点扩散函数，常规的单焦点透镜(左列)与本发明示范性的波前设计单焦镜(右列)相比。假想眼的散光为零，完全被矫正(CYL＝0)，离焦偏差(SPH)介于-0.5D和+0.5D之间。

图8B显示根据图8A的点扩散函数计算出的视力表在视网膜上的成像，常规的单焦点透镜(左列)与本发明的示范性的波前设计单焦透镜(左列)对比。

图8C显示根据图8A的点扩散函数计算出的调制传递函数，常规的单焦点透镜(上)与本发明的示范性的波前设计单焦镜(下)对比。

图9A显示本发明的示范的波前设计单焦透镜对瞳孔直径为3.5mm的一个假想眼的点扩散函数，波前设计的单焦透镜对假想眼的矫正剩下的未被矫正的散光(CYL)介于在0D和5/8D之间、离焦偏差(SPH)介于-0.5D和+0.5D之间。

图9B显示瞳孔直径为3.5mm(室内视力测试)的一个假想眼的视网膜上的成像，涉及表-2A的示范的波前设计单焦透镜。

图9C显示瞳孔直径为2.5mm(室外和白天视觉)的一个假想眼计算出的视网膜三焦上的成像，涉及表2A的示范的波前设计单焦透镜。

图9D显示瞳孔直径为5mm(夜视觉)的一个假想眼计算出的视网膜上的成像，波前设计的单焦透镜在表2A。

图9E显示传统单焦镜的瞳孔直径为5mm(夜视觉)的一个假想眼的视网膜成像。

图9F显示本发明的另一个示范的波前设计单焦镜(表2B)对瞳孔直径为3.5mm的一个假想眼的点扩散函数，波前设计的单焦镜对假想眼的未被矫正的散光(CYL)介于在0D和5/8D之间和离焦偏差(SPH)介于-0.5D和+0.5D之间。

图9G显示根据图9F的点扩散函数计算出的视网膜上成像。

图10A显示博士伦(Bausch&Lomb)"PureVision-low"多焦镜的假想眼计算出的计算点扩散函数，瞳孔直径为3.0mm，3.5mm，4.5mm和5mm，为简单起见，我们仅考虑柱镜CYL为0D。

图10B显示博士伦(Bausch&Lomb)"PureVisionlow"多焦镜的假想眼的视网膜上成像。

图10C显示爱尔康(Alcon)“Air Optix-med”多焦镜的假想眼计算出的计算点扩散函数，瞳孔直径为3.0mm，3.5mm，4.5mm和5mm，为简单起见，我们仅考虑柱镜CYL为0D。

图10D显示爱尔康(Alcon)“Air Optix-med”多焦镜的假想眼计算出的视网膜上的成像。

图11显示本发明一方面的波前双焦，三焦，连续聚焦透镜一个示意图。

图12A显示本发明的一个示范的波前双焦(WFBifocal1 D)对假想眼计算出的计算点扩散函数，瞳孔直径为3.0mm，3.5mm，4.5mm和5mm，为简单起见，我们仅考虑柱镜CYL为0D。

图12B为我们的波前双焦透镜(WFBifocal1 D)根据图10A的点扩散函数计算出的视网膜上成像。

图12C显示计算出的视网膜上的对比度与穿过聚焦的变化曲线，透镜为波前双焦透镜(WFBifocal1 D)，涉及瞳孔尺寸为3.5mm,以及20/20视力线和20/40视力线瞳孔直经在3mm至5mm之间。

图12D显示对正常人眼在明视觉条件下(A)和暗视觉条件下(B)计算出的视网膜上的对比度为20/25，20/30，20/40，20/60，这通过研究美国海军飞行员的250多只眼睛，用5％低对比度的视力表测量明视觉(photopicvision)，用25％低对比度至的视力表测量暗视觉(mesopicvision)

图12E显示波前双焦1D计算出的调制传递函数，考虑无穷远处(-0.25D)、四米(0D)、和聚焦偏差+0.25D，瞳孔尺寸为3mm、3.5mm、和5mm。

图13A显示以瞳孔直径为3.0mm，3.5mm，4.5mm和5mm的波前景深扩展双焦3D设计的一个假想眼的点扩散函数，为简单起见，我们仅考虑柱镜CYL为0D。

图13B显示根据图13A的点扩散函数计算出的视网膜上成像，考虑我们的波前焦深扩展双焦3D透镜。

图13C显示计算出的视网膜像的对比度与穿透聚焦的变化曲线，考虑波前焦深扩展双焦3D和瞳孔尺寸3毫米，以及20/20视力线和20/40视力线与瞳孔直经在3mm至5mm之间。

图13D显示波前焦深扩展双焦3D透镜计算出的调制传递函数，考虑无穷远处(-0.25D)、四米处(0D)、和聚焦偏差+0.25D，瞳孔尺寸为3毫米，3.5毫米,和5毫米。

图13E显示了与现有技术中的波前设计相比，我们的焦深扩展双焦3D的(A)计算出的远距离成像的视网膜上的对比度以及(B)20/20视力的穿透聚焦的曲线。

图14A显示波前焦深扩展三焦2.75D设计的一个假想眼的点扩散函数，瞳孔直径为3.0mm，3.5mm，4.5mm和5mm，为简单起见，我们仅考虑柱镜CYL为0D。

图14B显示根据图14A点扩散函数，计算出焦深扩展三焦2.75D透镜的视网膜上成像。

图14C显示计算出的视网膜成像对比度与离焦的曲线，透镜为波前焦深扩展三焦2.75D，涉及瞳孔尺寸3mm时,以及对应20/20线和20/40线的瞳孔尺寸3mm至5mm之间。

图14D显示波前EDOF Trifocal 2.75D透镜计算出的调制传递函数曲线，考虑无穷远处(-0.25D)、四米(0D)、和聚焦偏差+0.25D，瞳孔的尺寸为3mm，3.5mm,和5mm。

图15A显示波前准调节-连续聚焦“QACIF2D”设计的一个假想眼的点扩散函数，瞳孔直径为3.0mm，3.5mm，4.5mm和5mm，为简单起见，我们仅考虑柱镜CYL为0D。

图15B显示根据图15A中的点扩散函数计算出的视网膜上成像，透镜为波前QACIF2D设计。

图15C显示计算出QACIF2D的视网膜上成像的对比度“穿过聚焦”的图，考虑瞳孔3.5毫米，以及20/20线和20/40线对应瞳孔直经3mm至5mm之间。

图15D显示QACIF2D的计算出的调制传递函数图(MTF)，考虑无穷远处(-0.25D)、四米(0D)、和聚焦偏差+0.25D，瞳孔的尺寸为3mm，3.5mm,和5mm。

图15E显示计算出的QACIF2A的“穿过聚焦”视网膜像的对比度图，考虑3.5毫米瞳孔，和20/20线与20/40线在瞳孔大小3毫米和5毫米之间。

图15F显示波前QACIF2D透镜的计算出的视网膜上成像，条件是柱镜等于1/2光焦度。

图15G显示波前QACIF2D透镜的计算出的视网膜上成像，条件是柱镜等于3/4光焦度。

图16提供了本发明的波前单焦/多焦透镜与常规的单焦点透镜和衍射单焦/多焦透镜的对比，考虑夜视觉以及这些透镜对散光、聚焦误差的不完善矫正的对视觉质量的影响。

图17A显示计算的视网膜上的成像，考虑夜间瞳孔大小5毫米，把常规折射单焦点透镜与本发明中的几个波前多焦点透镜的示范设计相比较，考虑无限远处(-0.25D)，4米(0D)时，和聚焦误差为+0.25D。

图17B显示衍射双焦点透镜的成像原理(A)以及衍射双焦透镜之计算出的远距离视网膜上的成像元素，双焦的添加度数分别为+1.75D(B)和3.5D(C)。

图17C显示计算出的单焦透镜视网膜上成像，考虑穿透聚焦范围在-0.75D和+0.75D之间、未校正的散光为3/8D。

图18显示本发明之一的液体眼科透镜。

具体实施方式

1、波前设计的单焦/复曲面透镜

聚焦偏差(SPH)和散光(CYL)是人眼中的屈光不正，会导致图像模糊并降低视力和视觉质量。

单焦透镜也称为单视透镜，是框架眼镜、隐形接触镜、可植入隐形眼镜、和人工晶体的最常见形式。单焦透镜的类型包括球面单焦透镜，非球面单焦透镜、和复曲面单焦透镜。

球面单焦透镜的前表面和后表面均使用球面，用于矫正人眼的聚焦不正、例如近视和远视。

复曲面单焦透镜使用至少一个复曲面，它们所提供的视觉矫正有聚焦偏差以及人眼的散光。

1A.在单焦/复曲面眼科镜中无法矫正的散光

用复曲面的角膜接触镜来矫正散光通常从从0.75D开始，间隔增量为0.5D。图3是来自视康公司(Ciba Vision)和爱尔康公司(Alcon Laboratories，Inc.)的Air Optix复曲面隐形接触镜的在线订购表。人工晶体的散光校正也大约从0.75D开始，图4显示

IQ复曲面人工晶体的规格、以及使用这些爱尔康公司(Alcon Laboratories，Inc.)复曲面人工晶体的指南，该建议表明复曲面单焦人工晶体之剩余没有矫正的散光在0.75D到1.0D之间。

隐形接触镜、可植入隐形眼镜、人工晶体对散光矫正的误差来源包括：1)当人眼验光的散光小于0.75D时，散光就不被包括在矫正的处方中，2)复曲面透镜的散光度数选择有限、并以0.5D的以增量，3)复曲面散轴(AXIS)的选择限于每10度增度间隔，4)角膜上复曲面隐形接触镜的旋转、或复曲面可植入隐形眼镜(ICL)和人工晶体(IOL)手术后的的旋转。

因此，人眼中的散光用单焦或复曲面透镜都没能很好地矫正，这包括隐形接触镜、人工晶体(IOL)、可植入隐形眼镜(ICL)。剩余未经校正的散光可能高达5/8D。

为了研究常规单焦透镜剩余未矫正散光的影响，我们提供模拟的人眼点扩散函数(图5A)以及模拟的视力表的在视网膜上的成像(图5B)。

我们在模拟中考虑散光被完全矫正(CYL＝0)，和散光为3/8D和5/8D两个未被矫正的情形。我们还考虑未校正的聚焦偏差(SPH)为-0.5D，-0.25D，0D，+0.25D和+0.5D，因为未校正的聚焦偏差对人工晶体(IOL)，可植入角膜接触镜(ICL)和隐形角膜接触镜也很常见。误差源包括1)无穷远处视觉与在4米处的视觉测量产生-0.25D的近视，2)人工晶体(IOL)，可植入角膜接触镜(ICL)之屈光度(SPH)的有限选择；3)订购的透镜之实际屈光度(SPH)误差，4)人眼验光的误差。

图5A显示出了假想眼的点光源的视网膜像(又叫点扩散函数)，考虑瞳孔的直径为3.5毫米。明显的，图5A中除了完美校正的情况(球镜SPH为0并且柱镜CYL也为0)以外，看到的图像模糊。根据图5A中计算的点扩散函数，通过把图5A中计算的点扩散函数与翻滚E(tumbling E)的视力表进行卷积，我们计算出了图5B中人眼的视力表的视网膜上成像。视力表由不同大小的E字母组成，字母大小的校准对应20/16视力(图5B中位于图像的底部行的最小字母)，20/20，20/25，20/30，和20/40(图5B中位于的顶部行的最大字母)。

必须指出，图5A中的点扩散函数的总体尺寸只是图5B中的视网膜图像的总体尺寸的1/8，为了显示出点扩散函数的精细细节。

本申请书的所有模拟点扩散函数都有相同的尺寸比例，所有模拟视网膜上成像也都有相同的尺寸比例，点扩散函数的尺寸比例为视网膜图像的1/8。在整个申请书中我们使用同一个视力表来模拟，该视力表由不同大小的字母E组成，校准视力为20/16(最小的字母，在图5B中的每个图像的最底行)，20/20，20/25，20/30，和20/40(图5B中每个图像中的最大字母和顶行)。

从图5A和图5B中的模拟结果可以看出，传统的单焦隐形接触镜，可植入隐形眼镜(ICL)，人工晶体IOL是远远不够的；要有好的视觉质量，只有将球镜(SPH)和柱镜(CYL)都近乎完美的矫正。几个问题被注意到。

第一，当散光不能被适当的矫正时候、比如CYL＝5/8D(图5A和5B中的第3列)，由散光引起的成像模糊让完整的20/20字母视力表的无法被识别(图表中的第二最小字母)，这涉及所有的五个球镜(SPH)的任何一个情形。因此，人眼的视力很可能不好，最佳矫正视力范围是20/40或20/30(图表中的最大或第二个字母)，而不是正常的视力20/20。

第二，即使在散光被完全校正的情况下(CYL＝0，图5A和5B中的第一列)，如果聚焦误差为+/-0.25D，视觉模糊到不能分辨20/16中的字母(图中的最小字母)。如果聚焦误差为+/-0.5D，视力表中20/40到20/16的所有字母完全模糊。这非常重要，因为视力是在室内4米处测试，对室外无限远处会发生-0.25D的近视(SPH)偏差。

第三，图像畸变(物体和它的成像之间的结构变化)可以清楚地观察到，如果未校正的散光与未校正的聚焦误差+/-0.25D耦合起来，或者未矫正的聚焦误差自身达到0.5D的水平。

最后，复曲面透镜将有相同的问题，如图3和图4所示，它们的散光矫正是受到限制的。

1B.正常人眼的球差

球差让穿过正透镜中心区域的平行光线比穿过透镜边缘的光线聚焦得更远。人眼的光学是一个正透镜，球差在瞳孔的外围明显。根据对214只眼的研究，泽尼克球差(2.236*(6r ⁴-6r ²+1))为+0.138±0.103微米，考虑5.7毫米瞳孔、其中r为归一化瞳孔半径(r＝ρ/2.85)，ρ是眼睛的瞳孔半径(J.Porter等人，＂大量人眼测量出的单色像差＂《美国光学学会会报A》，第18卷，第8期，1793-1803页(2001)。

从Porter的平均泽尼克球差W₁₂(ρ)＝0.138*2.236*6*(r⁴-r²+1)，我们将获得其对应的赛德尔球差W(ρ)＝1.85*r⁴＝1.85*(ρ/2.85)⁴,或

W(ρ)＝0.028Dρ⁴

屈光度分布φ(p)可以从赛德尔球差W(ρ)导出为

φ(ρ)＝-(dW(ρ)/dρ)/ρ＝-0.11*ρ²

其中ρ是以毫米为单位的极半径。我们相信Porter等人的泽尼克球差系数是对泽尼克球差的校正，而不是Zernike球差本身，因为1)众所周知，人眼在瞳孔周围的屈光力比人眼在瞳孔中心的屈光度高，2)屈光度-0.11±0.08D/mm²与S.Plainis,DA Atchison和WNCharman在视光和视觉科学中的"多焦点隐形眼镜的功率分布及其解释"，第90卷，第10期，pp1066-1077中提供的0.10±0.06D/mm²的屈光度分布接近、而带有相反的符号。

因此，我们将正常眼睛的负赛德尔球差为

W(ρ)＝-1.85*(ρ/2.85)⁴

＝-0.0280ρ⁴,

并且整个瞳孔半径上的相应聚焦点曲线是

φ(ρ)＝0.11*ρ².

还必须提到的是S.Plainis,DA Atchison，WN Charman将眼睛的赛德尔球差定义为“正”，这与光学的经典定义相矛盾(请参阅Warren J.Smith所著的《现代光学工程》第三版的第65页)。正球差称作过度矫正，通常与发散元素(负透镜)相关联，而负球面像差称为欠矫正，通常与会聚(正透镜)相关联。

人眼有负球差，人眼的负球差而引起的波前相位差也可以表示为

W(ρ)＝S₁*(ρ/r₀)⁴

其中r₀＝0.5*D₀是瞳孔半径，ρ是瞳孔平面中的极半径，其值介于0和r₀之间，负球差时S₁为负系数(S₁＜0)。表1列出人眼的球差，单位为微米(μm)和波长(λ＝0.55mm)，考虑四个瞳孔大小(5.7mm，3.5mm，3mm和2mm)。对于3.5mm瞳孔，人眼的平均球差为-0.26mm。

表1不同瞳孔大小的人眼球差

瞳孔直径(毫米)	D	5.7	3.5	3	2
						瞳孔半径(毫米)	r<sub>0</sub>	2.85	1.75	1.5	1
平均球差(微米),-1.85(ρ/r<sub>0</sub>)<sup>4</sup>	S<sub>1</sub>	-1.85	-0.26	-0.14	-0.03
						平均球差(波长为0.55微米)	S<sub>1</sub>	-3.336	-0.479	-0.258	-0.051

从表1可以清楚地看到，在瞳孔中央区域人眼的球差可忽略不计，分别为瞳孔中2毫米内仅约波长/20，瞳孔内3毫米仅约λ/4。一个光学元件通常被认为是衍射限制和完美的，如果波前相位差低于λ/4。另一方面，对于晚间人眼直径为5.7毫米的大瞳孔，正常人眼的平均球差达到3.4λ，因此对夜间视力的降低很重要。

非球面单焦透镜至少用一个非球面用于前表面或背表面，可以在隐形接触镜和人工晶体中发现。这样的非球面有两个用途：1)用于矫正瞳孔周边、很显著的人眼的球差，2)消除高屈光度人工晶体的球差。在这两种情况下，非球面单焦镜与球面单焦点透镜的差别仅在于直径大约为3mm的透镜外围，因为人眼的球差和矫正透镜的球差在中央光学区都不重要。

1C.在人眼瞳孔中央通过引入球差来减轻散光的影系

在本发明的一方面，我们描述一个根本性发现：在人眼的中央瞳孔中引入更多球差的好处，用来改善眼科透镜的质量。

图6A显示瞳孔直径为3.5mm的一个假想眼的点扩散函数，考虑未矫正的散光为CYL＝5/8D，人眼的球差有六个情形：1)S1＝0(左数第一列)，用传统的非球面透镜完全矫正了眼睛的球差，2)S1＝-0.26(左数第二列)，一个球面透镜让人眼的球差保持不变，3)S1＝-0.52，-0.78，-1.04和-1.34，将额外的球差通过波前设计的透镜引入到人眼里。本发明中的波前设计的单焦点透镜包括：1)直径在5mm至8mm之间的光学部分上有一个标准球柱矫正；2)在直径在2.5mm至4.5mm之间的透镜中心区域引入球差。模拟人眼的视觉质量用直径为3.5毫米瞳孔，是因为它是视力临床视力测试时正常人眼的平均瞳孔大小。在模拟中，我们还考虑了不同量的聚焦偏差(SPH)：-0.5D，-0.25D，0D，0.25D，0.5D。

可以清楚地看到，如果人眼通过单焦隐形接触镜、植入隐性眼镜、人工晶体留有5/8D散光未被矫正。当人眼球差完全被矫正S₁为0，或者人眼球差保持不变S1为-0.26时，图6A中的眼睛的点扩散函数尺寸较大。而当在中央瞳孔区域引入更多的球差时，如S1＝-0.52到S1＝-1.3之间，人眼的点扩散函数将更加紧凑并且它的尺寸被减小。

根据图6A中的点散布函数，我们计算了如图6B所示的视力表在视网膜上的成像，对于直径为3.5mm的瞳孔，未矫正的散光为柱镜(CYL)5/8D，对于不同球差情形最佳视力质量的图像被确定并划框，考虑球差S1为0，-0.26，-0.78，-1.04，-1.30。

根据图6B中的模拟视网膜上成像，我们有一些发现。第一，对于矫正眼睛球差的常规非球面透镜(S1＝0，图6B中的第一列)，成像的模糊使得无法完整识别出视力表20/20行的字母(图中的第二最小字母，从上数第四排)，甚至于20/25行。当未矫正的CYL＝5/8D与±0.25D和±0.5D的SPH误差混合时，只能看清视力表20/40行或更差、并伴有图像畸变。第二，对于球镜让球差未做校正(S1＝-0.26，图6A中的第二列)，图像畸变在所有五个焦点设置均会看到。最佳的视力是在离焦偏差为+0.25D时，视力表中(较小的)20/16到20/30之间的字母伴都有图像畸变。当离焦偏差为±0.25D和±0.5D的所有成像均模糊不清，20/40行的字母难以识别或更差。预计最佳矫正视力会比20/20差，并且由于相转移函数中的相移导致图像畸变，矫正之视觉质量很差。第三，对于新的波前非球面透镜，该透镜可将更多的球差引入眼睛的中央瞳孔(S1的幅度大于0.52微米，S1＝-0.78，-1.04和-1.30)，在三个方面我们看到了对视觉的改善：1)将最佳矫正视力提高到20/20甚至20/16，2)通过消除畸变,提高视觉质量，3)对矫正的聚焦偏差宽容度更高。

图6C和图6D对波前非球面透镜有类似的发现，如果人眼还有5/8D未矫正的散光，在直径3.5毫米的瞳孔引入正球差S1＝0.78、1.04和1.30微米，也提高了视力、视觉质量、聚焦宽容度。

与人们普遍认为的“在人眼引入球差会降低最佳矫正视觉”完全相反，我们第一次发现，如果眼科透镜(隐形接触镜/可植入隐性眼镜/人工晶体)未被矫正的散光为5/8D，在中央瞳孔中引入球差可以改善视力、视力质量，并将最佳矫正视力从20/40和20/30提高到20/20或更高。

已经证明，通过波前单焦透镜在人眼的中央瞳孔引入球差可以减轻5/8D的未校正散光，从而提高最佳矫正视力，我们要看一下在人眼中央瞳孔引入球差对未校正的散光较小时的影响，比如未矫正的散光为柱镜(CYL)3/8D，甚至于散光被完全矫正柱镜(CYL)为0D。

图6E显示一个假想眼的瞳孔直径为3.5mm和柱镜3/8D的点扩散函数，同样考虑人眼球差的六个情形：1)S1＝0(从左数第一列)，如果用传统的非球面透镜完全矫正了眼睛的球差，2)S1＝-0.26(从左数第二列)，如果用一个传统球面透镜让人眼的球差保持不变，3)S1＝-0.52，-0.78，-1.04和-1.34，如果将额外的球差由波前设计的透镜引入到人眼里。我们也考虑不同量的聚焦偏差(SPH)：-0.5D，-0.25D，0D，0.25D，0.5D。

与图6A和图6C的结果相似，从图6E可以观察到当柱镜(CYL)3/8D时，引入的球差有减轻散光的相同效果：1)当完全矫正了人睛的球差(左数起的第一列中的S1为0)或人眼球差不变(左数第2列中的S1为-0.26)时，眼睛的点扩散函数的空间较大。而当S1为-0.78，-1.04和-1.3时，引入更多的球差时让人眼的点扩散函数的空间被减小。

根据图6E中的点散布函数，我们计算了假象眼的视力表在视网膜上的成像，如图6F所示，考虑直径为3.5mm的瞳孔，对于不同球差情形最佳视力质量的成像被确定并划框，球差S₁为0，-0.26，-0.78，-1.04，-1.30。

对于单焦透镜有未矫正的3/8D散光我们得到类似的发现，把图6F(柱镜CYL为3/8D)与图6B(柱镜CYL为5/8D)和图6D(柱镜CYL为5/8D)相比：一种新的波前非球面透镜通过将更多的球差引入眼的中央瞳孔(S₁为-0.78，-1.04和-1.30)与传统非球面透镜(S₁为0)和传统的球面透镜(S₁为-0.26)相比，会改善视觉质量包括三个方面：1)改善最佳矫正视力超过20/16，2)消除了由于位相传递函数中的相位移动引起的畸变，3)对聚焦误差宽容度更大。

对于没有散光或散光完全矫正的假想眼，图6G显示了直径为3.5毫米的瞳孔的人眼的点扩散函数。人眼具有最紧凑的点扩散函数为：1)对S₁为0，一个焦点下SPH＝0的，2)对S₁为-0.26,两个焦点位置SPH＝0，0.25D，3)对S₁为-0.52和S₁为-1.04，两个焦点位置SPH＝0.25D,0.50D，4)对S₁为-0.78和S₁为-1.3，三个焦点位置SPH＝0,0.25D,0.50D的下。

观察图6H中的模拟视力表我们可以得出结论，在极少数情况下(约1/20)，即使人眼通过单焦/复合透镜对散光进行了完美矫正(CYL＝0)，新型波前非球面透镜通过将更多的球差引入人眼的中央瞳孔(S1＝-0.78，-1.04和-1.30)，其视觉矫正效果仍优于传统的非球面透镜(S1＝0)和传统的球面透镜(S1＝-0.26)，体现在1)增加对聚焦偏差的宽容度，同时获得等同于20/16或更佳视力度，同时对比度几乎没有降低；2)消除了由于少量聚焦矫正偏差造成、相位传递函数中的相位偏移引起的畸变。

同时还注意到，在中央瞳孔引入球差之外，添加聚焦偏移将获得最佳视觉质量。

除了用于球面矫正的常规基准线屈光度数之外，根据常规定义，波前设计的单焦透镜有意使透镜不完美，在波前设计的单焦透镜的中央光学部分引入的波前位相差可以表示为：

其中r₀＝0.5*D₀是中心非球面截面的半径，ρ是瞳孔平面中的极半径、其值在0到r₀之间，φ是屈光度的焦距偏移，S₁是引入的波前设计的单焦镜总球差。

1D.通过在人眼瞳孔中央引入球差来减轻治疗彗差

人眼中的彗差将会降低视觉质量，使用自适应光学J Liang，Williams博士和DTMiller演示了彗差和高阶像差的波前矫正，发表在“通过自适应光学器件实现超常视和高分辨率视网膜成像”《美国光学学会报A》14卷，第11期，第2884-2892页(1997)。美国专利第5,777,719号中也提出了对高阶像差的波前矫正。

由于多种原因，用眼镜、隐形接触镜、人工晶体来有效地矫正人眼的彗差尚未有效地被证明。首先，个体人眼的彗差必须单独测量。其次，必须定制矫正彗差的透镜(眼镜，隐形接触镜，人工晶体)。第三，矫正彗差的透镜(框架眼镜，隐形接触镜，人工晶体都一样)位置、方向必须与人眼的彗差精确对准。

在本发明的一方面，我们在图6I和图6J中显示在人眼中央瞳孔引入更多的球差来治疗彗差。

图6I显示视力表在一个假想眼计算出的视网膜成像，左列为通过一个常规单焦透镜、仅剩余没被矫正彗差，右列为通过一个波前设计的单焦透镜、在人眼3.5毫米瞳孔内引入-0.78微米的球差S₁。模拟的眼中彗差用泽尼克多项式定量，对于6毫米的瞳孔泽尼克系数为1.0微米。由人眼彗差引起的烦人的图像模糊和图像畸变(左列)被右列的波前透镜有效消除。

图6J显示的模拟结果是把6毫米瞳孔的彗差的泽尼克系数从1.0微米增加到1.5微米，用波前透镜来缓解严重彗差的效果仍然明显。

1E.由波前设计的单焦/复曲面角膜接触镜、可植入隐形眼镜、人工晶体

美国专利#8,529,559B2和美国专利申请#2011/0029073A1公开了将球差引入人眼中央瞳孔以矫正老花眼的方法和装置。在本发明的新发现之前，用矫正透镜来在人眼中引入更多球差被普遍认为会对成像对比度有负面影响。在本发明我们已经证明，除了增加焦深之外，在人眼的中央瞳孔引入球差也可以有效改善视觉矫正的质量：提高最佳矫正视力(BCVA)并能减轻传统球柱矫正之未矫正的散光、彗差、聚焦偏差。

图7我们公示一种用于人眼的波前设计的单焦透镜。透镜70适用于人工晶体(75,76)或隐形接触镜(73,74)或可植入隐形眼镜，它包括：1)一个基准线屈光度延伸到透镜(71+72)的光学区域，用来矫正远距离视觉缺陷，该光学区域的直径D₁在5mm至8mm之间，用于矫正远距离视觉缺陷包括至少聚焦偏离和/或柱镜偏差，2)在透镜中心(72)的至少一个非球面区域，其使用至少一个非球面表面(73或74、75或76)引入球差到人眼的中央瞳孔，中央非球面区域的直径D₀介于2.5mm至4.5mm之间。该基准线屈光度通常为球柱矫正。非球面区域内引入的波前相位差可为远距离视觉缺陷的基准线屈光度矫正的残留在人眼中的屈光不正的治疗(或缓解)，残留在人眼中的屈光不正包括散光、聚焦偏差(近视或远视度数)、彗差以及高级像差，它们至少在人眼中央瞳孔中对视觉下降有显著影响。未矫正的(残余)屈光不正还可能包括小于+1.0D的老视度数。如果老视度数大于1.0D，如美国专利#8,529,559B2和美国专利申请#2011/0029073A1中的2D，矫正的视觉对瞳孔大小约为3.5mm的情况下，远距离视觉成像对比度将有显著下降、导致远距离视力低于20/20。波前设计的单焦透镜可适用于隐形接触镜，人工晶体(IOL)或可调节人工晶状体(AIOL)，可植入隐形眼镜(ICL)，有晶状体眼的人工晶体。

在一个实施例中，中心非球面区域在基准线屈光度之上进一步引入-0.75D和+1.25D之间的附加聚焦偏移。

在另一个实施例中，在中央非球面部分中引入的球差可以表示为S₁*(ρ/ρ₀)⁴的波相差，并且ρ₀＝0.5*D₀是中央非球面区的半径，ρ是瞳孔平面中的极半径、其值在0到ρ₀之间；ρ₀介于1.25mm和2.25mm之间。

在又一个实施例中，S₁为正数且其数值大于0.78*(D₀/3.5)⁴，或者为负数且其数值大于0.26*(D₀/3.5)⁴，D0是非球面区域的直径。矫正后的人眼和波前设计的单焦透镜的总球差是正常人眼中球差的统计平均值的两倍以上。

除了常规球柱矫正的基准线屈光度之外，我们发明的波前设计的单焦透镜有意使单焦透镜与传统定义相比不完美，在波前设计的单焦透镜的中央光学区域引入的波像差可以表示为：

其中r₀＝0.5*D₀是中央非球面的半径；ρ是瞳孔平面中的极半径，其数值介于0到r₀之间，φ是屈光度的焦距偏移，S₁是引入的波前设计的单焦镜的总球差。

表2A.示范的波前设计单焦点透镜的参数

在一个示例性实施例中，为进一步提高对未被校正的散光的宽容度以及扩展焦深，表2A列出一个示范的波前设计单焦点透镜的参数。

图8A显示瞳孔直径3.5mm的假想眼点扩散函数，把传统的单焦镜(左列)与引入球差和聚焦偏移量列于表2A的示范的波前设计的单焦透镜(右列)比较。假想眼被认为没有散光(CYL＝0)，和未被矫正的单焦镜离焦偏差(SPH)介于-0.5D和+0.5D之间。可以看出，除了在SPH＝0时的完美的球面矫正外，在SPH＝-0.5D，-0.25D，0.25D和0.5D所有情况下，波前设计的单焦透镜(右列)的点扩散函数都比常规的单焦透镜(左列)更紧凑。

根据图8A情况的点扩散函数，图8B显示计算出的视网膜上的成像，涉及传统的单焦点透镜(左列)与波前设计的单焦透镜(右列)的对比。此外，根据图8A情形的点扩散函数，我们给出计算出图8C调制传递函数(MTF)，考虑了常规单焦透镜(顶部)和示范的波前设计单焦透镜(底部)。

对于完美的矫正，球镜(SPH)为0和柱镜(CYL)为0的情况极为罕见(比如每20个眼有少于1个眼)，如我们所预期一样，波前透镜所引入的球差导致所有频率的对比度明显降低，显示在视网膜上的像(图8B中的中间行)以及图8C的调制传递函数。波前透镜的对比度对20/20对应的30c/deg从68％降低到16％，对20/16对应的37.5c/deg从59％降低到12％，对20/12对应的48c/deg时从47％降低到5％。必须提到的是，球镜(SPH)为0和柱镜(CYL)为0这样的理想情形对实际影响很小或根本没有，因为对球镜(SPH)和柱镜(CYL)的完美矫正极为罕见，而且实际人眼的视网膜上对比度会进一步被三阶泽尼克像差(如彗差)降低，参见JLiang和DR Williams在《美国光学学会会报A》，第14期，第11期，第2873-2883页(1997年)上发表的“正常人眼的像差和视网膜成像质量”。AB Watson在《视觉杂志》13(6)：18，第1-11页(2013)中发布了平均光调制传递函数与瞳孔大小的函数关系的公式。

球镜(SPH)通常也没有得到完美校正，因为1)4米处测量远处视力时，无穷远处的会导致远距离视觉的-0.25D的近视，2)透镜实际制造的误差以及验光的误差。如果考虑球镜(SPH)为-0.25D和0.25D，假想眼用传统单焦透镜无法识别视力表中20/16或更小的字母的，即使对SPH和CYL都进行了完美矫正；如图8B所示，视网膜上对比度在空间频率为37.5周期/度和20/16视力时仅为约1.2％，而对于20/12.5视力的48周期/度仅为约2.1％。从36周期/度到48周期/度，常规单焦透镜的调制传递函数的整个空间频率范围内小于2.5％，这将导致将最佳矫正视力限制在20/16之下。

这对于我们的波前设计的单焦透镜完全不同。波前设计将SPH＝-0.25D时的视网膜上对比度从不足1.2％提高到14％，将SPH＝0.25D时的视网膜对比度从37.5周期/度提高到5％，在的20/16视力；对于SPH＝-0.25D，在48个周期/度数下，20/12.5的视力，视网膜对比度从2.1％提高到11％。因此，波前设计的单焦透镜能使假想眼实现最佳矫正视力20/16，如图8B所示，对于SPH＝-0.25D，甚至为20/12.5；还可以观察到，与传统的单焦透镜相比，我们的波前设计的单焦点透镜付出小的代价只是低频视网膜上对比度稍有降低，比如15个周期/度对应20/40视力，和20个周期/度对应20/30视力；但会获得更好的视力，对于24个周期/度(20/25视力)以上的空间频率能够获得更好视觉、改善成像对比度和清晰度。

对于球镜(SPH)为-0.5D和0.5D，如图8B所示，假想眼用常规单焦透镜无法看见20/40和20/20字母，因为视网膜上的对比度在15个周期/度和30个周期/度时(图8C)几乎为零。同时也注意到，图8B中的20/30和20/25字母有畸变，原因是从在15个周期/度到31周期/度之间的相位传递函数(PTF)有位相反转，相位传递函数(PTF)的位相反转会导致对应空间频率在位置上偏移半个周期。相反，如图8B所示，波前设计的单焦透镜使假想眼能够看到20/40到20/16之间的视力表的所有字母，而且没有任何畸变。对于SPH＝-0.5D，波前设计的单焦透镜甚至可以让人眼在48周期/度视网膜上的对比度为11％，能够看到20/12个字母。波前设计的单焦透镜能够对传统单焦透镜的视网膜上像消模糊，是通过：1)消除了人眼的调制传递函数在15周期/度和40周期/度处的视网膜上对比度100％损失。2)消除了传统透镜对人眼的相位传递函数(PTF)之位相反转。

为了研究表2A示例的波前设计的单焦透镜用来矫正剩余散光、聚焦误差、以及它对瞳孔大小依赖，我们提供图9A至9D的光学模拟。

图9A显示表2A示例的波前设计单焦透镜、直径为3.5mm的瞳孔大小的假想眼的计算的点扩散函数，我们也计算了翻滚E视力表在不同瞳孔大小人眼的视网膜上成像，图9B是3.5mm瞳孔的情形(室内视力测试)。

对相同的3.5mm瞳孔大小，对比图5B的常规单焦透镜和图9B的波前透镜的视网膜上成像，我们观察到三个方面的显著差异。

第一，与图5B的传统单焦透镜不同，从图9B的波前设计的单焦点透透镜可以看到消散光。对不同的散光值(CYL)和相同的聚焦误差(SPH)，图9B中计算出的视网膜上的成像几乎没有差异。

第二，波前设计的单焦点透镜提供超出寻常的视力：1)对于聚焦偏差+0.25D,可获得20/16视力，而且与眼睛中的剩余余散光无关，2)对于聚焦偏差+0.5D和剩余散光5/8D，视力20/20仍可实现。

第三，波前设计的单焦透镜能改善视觉质量，因为它消除了常规透镜之如5B所示的由剩余聚焦偏差或/和剩余柱镜误差引起的图像畸变。在傅立叶光学中，光学系统造成的成像模糊的特征为：1)成像物体的在不同空间频率的成像对比度损失，由调制传递函数(MTF)描述；2)成像物体的不同空间频率之间的相位偏移或相位反转，由相位传递函数(PTF)来量化。当成像在一个给定空间频率的相位反转时，视网膜上的成像的位置移动半个周期。如果把物体的移动半个周期的空间频率与没有位移空间频率叠加起来，最终的视网膜成像不仅模糊而且出现畸变，字母会畸变并看上去不舒服。

我们可以得出结论，波前设计的单焦透镜镜将让大多数正常眼改善视觉矫正，但是也可能造成非常少的人(比如二十分之一)视力或对比度下降，这些人的单焦最佳矫正视力为20/10。

现代照相机使用自动聚焦来动态矫正聚焦偏差，并且采用非球面透镜以及多个透镜元件来矫正球差、像散和彗差。球差从其定义来看就会降低一个光学系统的成像质量，这对于照相机镜头、同样对于人眼夜间瞳孔较大情形是正确的，用球差来提高视力和视觉质量好像有违常理。但是，当我们考虑到即使最先进的人工晶体和隐形接触镜的眼科矫正都会不完善时，这就变得非常有意义，如图5A和图5B所示。

用于人眼透镜的质量必须考虑不同瞳孔直径下的视觉：如2.5毫米在白天户外和5毫米的夜视觉。图9C和图9D分别显示同一个假想眼对于瞳孔直径减小到2.5mm或增加到5mm情形、计算出的视网膜上的成像。

与图9B的3.5毫米瞳孔计算出的视网膜上成像相比，图9C的2.5mm瞳孔视网膜上之成像对比度以及视力表的可读性都更好，涉及到的所有剩余散光和聚焦偏差的每种组合都一样。

模拟夜视觉的视网膜上的点扩散函数和视网膜上的成像是困难的，因为我们需要考虑夜间人眼的高级像差，而且人与人是不同的。为简单起见，我们假设单焦透镜留下未校正的散光和聚焦误差仍然比眼睛的高级像差更为重要，这是合理的如果考虑散光3/8D和5/8D，和/或聚焦误差为+/-0.25D和+/-0.5D。

对于直径为5毫米的瞳孔，图9D和图9E分别示意了假想人眼有示范的波前设计的单焦透镜(图9D)和常规的单焦透镜(图9E)的计算出的视网膜成像。波前设计的单焦透镜的波前误差不扩展到超过4mm的瞳孔直径，但未经校正的散光和聚焦误差会扩展到整个5mm瞳孔。显然，除了极少数情况球镜(SPH)为0和柱镜(CYL)为0之外，对5毫米瞳孔示范的波前设计的单焦透镜的视觉质量和视力明显优于传统的单焦透镜。图9D(波前单焦)和图9E(常规单焦)与瞳孔3.5mm直径的图9D(波前单焦)和图9E(常规单焦)相比，夜晚的效果更显著。

因此，我们可以得出结论，当考虑到人眼的常规单焦透镜所留下的未矫正的散光、彗差和聚焦偏差时，在中央瞳孔的球差不再是设计眼科透镜以及视觉仪器之目镜的负面因素。

在波前设计的单焦透镜的另一个示范实施例中，在非球面部分引入的波前相位差是负球差(S1<0)和负聚焦偏移。表2B列出了第二示范的波前设计单焦透镜的参数。

对于第二个示范的波前设计的单焦透镜，图9F显示计算出假想眼的点源的视网膜上的成像(点扩散函数)，瞳孔直径为3.5mm。根据图9F计算出的点扩散函数，我们还计算出了翻滚E图的视网膜上的成像，如图9G所示。

表2B.示范的波前设计单焦透镜镜的参数

表2B中的第二个示范的波前设计单焦透镜中使用负球差(S1<0)和负聚焦偏移，它与表2A中的第一示范的波前设计单焦透镜(使用正球差S1>0和正焦点偏移)具有类似的优点。我们也注意到它们之间一个明显的区别：第二个示范的波前设计的单焦透镜(表2B)对于正聚焦误差SPH＝0.25D和0.50D具有更好的视觉质量，而第一个示范的波前设计的单焦透镜(表2A)对于正聚焦误差SPH＝0.25D和0.50D具有更好的视觉质量。

波前设计的单焦透镜的一个案例引入的总球差为负(S₁<0)、引入聚焦偏移Δp为负，数值小于0.75D(Δp>-0.75D)。中心非球面区域引入的负球差(S₁)介于-0.71微米和-7.51微米之间，其大小根据瞳孔直径2.5mm至4.5mm来改变，表2C显示在非球面区域r₀在1.25mm和2.25mm之间不同半径的光瞳孔球面引入的球差(S₁)。

在另一个实施例中，引入的总球差为正(S₁＞0)，引入的聚焦偏移φ为正数值小于0.75D(φ＜0.75D)。在中央非球面区域引入的正球差(S₁)在0.71微米至7.51微米之间，其大小根据瞳孔直径2.5mm至4.5mm改变，表2C显示在非球面区域r₀在1.25mm和2.25mm之间不同半径的光瞳孔球面引入的球差(S₁)。

表2C用于波前设计的单焦透镜的参数

非球面半径	po(毫米)	1.25	1.75	2.25
					球差＝-2.75*(ρ<sub>0</sub>/1.75)<sup>4</sup>	S1(微米)	-0.71	-2.75	-7.51
球差＝4.69*(ρ<sub>0</sub>/2)<sup>4</sup>	S1(微米)	0.71	2.75	7.51

在又一个实施例中，引入的球差还包括一个广义的球差，由波像差多项式ρⁿ表示，且n是等于或大于3的整数。广义的球差引起的波前相位差可以用广义多项式来表示φ(ρ)＝c₃ρ³+c₄ρ⁴+c₅ρ⁵+c₆ρ⁶。在一种情况下，引入球差还包括高阶球差，其特征是波前误差为ρⁿ，其中n为偶数整数且大于4。

表2D波前设计单焦透镜的示例性设计

表2D中提供了更多的波前设计单焦透镜的实施例。WFM-CL1和WFM-CL2针对非老视眼的患者的波前隐形接触镜进行了优化。WF-EDOF M1和WF-EDOF M2针对老视眼患者的波前EDOF单焦透镜进行了优化，它们可适用于隐形眼接触镜，人工晶体，可调节性人工晶体。

表2E中心区域的正球差

所有这些设计(WFM-CL1,WFM-CL2,WF-EDOF M1,WF-EDOF M1)以及表2A和表2B中设计均可用于可植入隐形眼镜。可植入隐形眼镜存在内似的问题，包括透镜的选择是有限的(球镜或柱镜)，柱镜轴的误差，透镜的制造误差，处方屈光度的误差，老视眼。因为它们需要进行外科手术，可植入隐形眼镜比隐形接触镜宽容度更低。

在一些实施例中，波前设计的单焦透镜被配置为隐形接触镜，直径在9mm至16mm之间，它包括一个前表面和后表面，前表面和后表面中的至少一个是非球面的，用于在中央非球面区域中引入球差。

在一个实施案例中，波前隐形接触镜的聚焦偏移被配置在+0.12D和+1.2D之间，在中央非球面区域的中心瞳孔引入球差为0.31微米至7.51微米之间,对应中央非球面区域直径在2.5毫米至4.5毫米之间，。

在另一个实施例中，波前隐形接触镜被配置在中央瞳孔引入球差-0.31微米至-7.51微米之间，中央非球面区域直径为2.5mm至4.5mm之间，并且引入聚焦偏移量大小小于0.5D。

在又一个实施例中，波前隐形眼接触镜在中央非球面部分中的引入球差(S₁)为个体化定制，根据每个眼中测量的球差和其他高级像差来确定。

在又一个实施例中，波前隐形眼接触镜进一步包括对人眼高阶像差的矫正和治疗，人眼的高级像差是散光和聚焦误差之外的像差。

在又一个实施例中，波前单焦隐形接触镜还被配置为复曲面隐形接触镜。

在又一实施例中，隐形接触镜的后表面的外围还被配置为非球面，还用于防止复曲面透镜在眼睛上旋转。

在一些实施例中，波前设计的单焦透镜为波前单焦人工晶体，直径约为6mm(比如在5mm与7mm之间)，它包括前表面和后表面，前表面和后表面中的至少一个是非球面用于在非球面区域中引入球差。波前单焦人工晶体人工晶体进一步还包括触觉部分。

在一个实施案例中，波前单焦人工晶体配置为具有小于0.75D的负聚焦偏移量，在直径2.5mm至4.5mm之间中央非球面区域中引入的球差在-0.31微米至-7.5微米之间。

在另一个实施案例中，波前单焦人工晶体被配置为在直径在2.5毫米至4.5毫米之间中央非球面区域中具有在+0.25D和+1.20D之间的聚焦偏移，引入的球差在0.31微米和7.5微米之间。

在又一个实施例中，波前单焦人工晶体还被配置为复曲面人工晶体。

在另外一个实施例中，波前单焦人工晶体还被配置为可调节人工晶体

在一些实施例中，波前设计的单焦透镜(隐形接触镜，人工晶体和可调节人工晶体，可植入隐形眼镜)在中央非球面部分之外还被配置包含一个非球面区域，用于a)校正正常人眼在瞳孔周围的球差，b)改变人眼在瞳孔周围的球差。

S.Planis，DA Atchison和WN Charman研究了四个主要品牌的多焦隐形接触镜，于2013年第90卷，第10号，pp1066-1077在《光学与视觉科学》发表了题为“多焦隐形接触镜的屈光度曲线及其解释”的结果，发现有五种隐形接触镜放在人眼上时用非球面改变球差：Alcon的Air Optix-low，-med，-high，以及Bausch&Lomb的PureVision-Low，-High。

博士伦公司的PureVision和爱尔康公司的Air Optix“低”下加透镜的屈光度曲线分别为φ(ρ)＝0.67-0.18ρ²和φ(ρ)＝0.54-0.15ρ²，考虑的直径约6毫米。它们本质上就是非球面透镜用于矫正正常人群眼睛的平均球差(0.112ρ²)，同时在基准线矫正之上分别添加0.67D和0.54D的正焦点偏移，来矫正低度老视。消费者付出了更高的价钱来获得这些所谓的多焦隐形接触镜，实际上可以购买价格更便宜的传统单焦点透镜，只要把处方上球镜(SPH)外加为+0.50D或+0.75D聚焦偏移。图10A和图10B显示出了博士伦公司PureVision-low透镜的计算出的点扩散函数和计算出的视力表的视网膜上成像。我们可得出两个结论，首先，如预期的那样，整个透镜对人眼的最佳焦点从基准线校正球镜(SPH)为0转移外加的球镜(SPH)为+0.67D，来矫正低度老视+0.5D到+1.0D。同时，对远距离处-0.08D和+0.17D的视力变得非常模糊。第二，这种所谓的多焦点隐形接触镜在矫正眼睛的球差之外，不能用作本发明所述的波前设计单焦眼镜，原因包括：1)对远距离它们视觉是可怕的、如图10A和图10B所示，2)它们无法缓解入眼的未矫正散光、如图6A至图6H中S₁＝0的情况所示。

“中度”添加的Air Optix多焦点隐形接触镜在中央瞳孔直径为2.8mm中的屈光度分布为φ(ρ)＝1.14–0.44ρ²，在校正了正常人群的眼睛平均球差(0.112ρ²)和个体人眼的基准线聚焦误差后，该透镜的屈光度为φ’(ρ)＝1.14–0.33ρ²。图10C和图10D分别示出了针对“Air Optix-med”透镜计算出的点扩散函数和视力表视网膜上成像。对于室内瞳孔大小为3mm和3.5mm，最佳视力在+0.5D左右，可接受的视力在+0.5D和+1.25D之间。但是，“AirOptix-med”透镜的老视眼矫正是牺牲了在0.25D至+0.25D的远距离视觉。另外，“Air Optixmed”透镜不能用于本发明中所述的波前设计的单焦点透透镜，因为0D和-0.25D时的远距离视觉很糟糕、如图10C/图10D所示。根据模拟结果判断，大多数佩戴Air Optix med透镜的人将无法通过驾驶测试，以在6米左右的距离看到20/40。即使这些透镜被规定可用于非标签的用途，Air Optix med的焦点偏移和引入的负球差也是错误的组合。

“高”添加的PureVision多焦隐形接触镜(博士伦公司)和Air Optix多焦隐形接触镜(爱尔康公司)在中心瞳孔中屈光度分布为φ(ρ)＝1.93-0.50ρ²和φ(ρ)＝1.58-0.69ρ²的，其直径分别为2.4mm和2.8mm。校正正常人群人眼的平均球差(0.1122ρ²)和个体人眼的基准线聚焦误差后，这些透镜的屈光度分别为φ’(ρ)＝1.93-0.39ρ²andφ’(ρ)＝1.58-0.58ρ²。“高”添加的PureVision和AirOptix多焦透镜的结构无法适应本发明中描述的波前单焦透镜，因为它们比Air Optix med透镜的远距离处的视觉下降更为严重。即使这些透镜被规定用于标签外使用，它们的聚焦偏移和所引入的负球差也是错误的组合。

2.波前焦深扩展(EDOF)双焦透镜

双焦透镜有两个不同的光焦度，它们通常为远距离视觉提供第一焦点、为老视矫正提供第二焦点。

衍射双焦透镜有了人工晶体产品，两个焦点之间的屈光度间隔范围在+1.75D到4.0D之间。如前所述，衍射多焦人工晶体的问题包括1)夜视觉出现的光晕和星暴形症状，它产生于同时的双焦点成像，2)蜘蛛网状的夜间症状，它与衍射结构相关联，3)远处大物体的鬼像，它由近焦点的离焦像导致，4)不同焦点之间的视觉很差和像的畸变，是由于聚焦误差或人眼散光产生。

因为隐形接触镜不能用框架眼镜的分光设计或者人工晶体的衍射设计(由于尖状衍射表面)，迄今为止尚无双焦隐形眼接触镜能够提供老视矫正而不会严重降低远距离视力。我们证明了所谓的多焦隐形接触镜，如爱尔康的Air Optix和博士伦的PureVision，其实就是单焦透镜，由于图10A至图10D中患者的远视力受到严重损害，因此它们不能被称为双焦透镜。

美国专利#8,529,559B2和美国专利申请#2011/0029073A1中提议在中央瞳孔中引入相反符号的球差的概念，为了获得人工晶体用于老视眼矫正的3D所需的聚焦深度(DoF)，要在中央非球面区域引入了+4.0D的聚焦偏移(比所需的+3.0D的DOF多出+1D)，对于人工晶体测试的标准的3mm或3.5mm的瞳孔直径(室内视力测试)，该设计对远距离视网膜像的对比度降低太大。

Sifi公司(Sifi S.p.A)的Mini Well Ready人工晶体的设计将相反符号的球差引入中央瞳孔，是通过一个特殊的设计方案解决了远距离的低对比度问题，它提供了一个焦深扩展双焦点透镜：第一个焦点用于远距离有高对比度，加上第二个焦点是焦深扩展+1.0D到+2.5D。但是，Mini Well Ready人工晶体至少还存在一个缺点，聚焦深度为2.5D，比在33mm的近距离阅读所需的3D小得多。

在本发明的一方面，我们描述在表3A中的两个焦深扩展的双焦透镜：一个被标记为EDOF Bifocal(焦深扩展双焦)3D，用于大约3D的高度数老视眼矫正，另一个标记为EDOFBifocal1 D，用于低度数老视眼的矫正(+1.0D)。不同于Mini Well Ready人工晶体它的焦深扩展用于近距离(参见J Refract Surg，2017；33(6)：389-394，Bellucci和MC Curatolo的“基于球差的新的扩展景深人工晶状体”)，而我们的EDOF双焦透镜的焦深扩展用于远距离，用于提高人工晶体/可植入隐形眼镜手术后在远距离处能实现最佳矫正视力20/20的机会。

表3A示范的EDOF双焦透镜在两个非球面区域的设计

在一个非限制性实施例中，图11中人眼EDOF双焦透镜(110)适用于可植入或可佩戴的透镜，并且包括：1)有一个基准线屈光度涵盖整个光学区域(111，112，113)用于矫正远距离视觉缺陷，它包含中心部分(111)，中间环形部分(112)和外部环形部分(113)，和总直径D₂介于5毫米至8毫米之间；2)在中心区(111)有一个正聚焦偏移cp1小于2.0D大于+0.5D，中心区域的中心区直径小于2.5mm且大于1.8mm；3)两个非球面区域(111和112)，其外径小于4.5毫米且大于2.5毫米，至少覆盖眼睛的中央瞳孔，该非球面部分的特征在于至少一个表面是非球面的，用于在第一区域(111)中引入正球差，并且在第二区域(112)中引入负球差。第一和第二区域是同心的。在一些实施例中，第二区域可以进一步被配置为具有小于1.5D的正聚焦偏移。波前EDOF双焦透镜适用于角膜接触镜、人工晶体、可调节人工晶状体(AIOL)、可植入隐形眼镜和可植入Collmer透镜(ICL)、有晶体眼人工晶体(Phakic IOL)与人眼角膜、晶状体一起来成像。

在第一示例性设计中，我们提供的EDOF双焦透镜在两个焦点之间有1.0D+/-0.25D的添加度数。该示例性波前双焦点透镜(标记为“EDOF Bifocal1 D”)的参数列于表3A。

我们假设EDOF双焦透镜具有直径在5mm与8mm之间的光学区域。该透镜具有基准线屈光度，延伸到整个透镜的光学区域以用于远视缺陷矫正，起到与单焦透镜相同的作用。

双焦镜也有两个非球面区域覆盖眼睛的中央瞳孔，其外径D₀为3.5mm(半径为1.875)。非球面区域的特征在于，透镜的至少一个表面是非球面，以用于在第一区域中引入正球差并且在第二区域中引入负球差。非球面部分中引入的球差表示在眼瞳孔上的波前相差(OPD)，即：

OPD(ρ)＝0.7*(ρ/r₀)⁴当ρ<＝1.15

＝-1.11*(ρ/r₁)⁴当1.15<ρ<＝1.75

其中ρ是瞳孔平面的极半径。在第一区域中的正球差的峰值0.70微米，在其边界ρ＝r₀＝1.15处，在第二区域中的负球差的峰值-1.11微米，在其边界ρ＝r₁＝1.75mm处。非球面区域的直径为3.5mm，覆盖眼睛的中央瞳孔。

除了基准线屈光度和非球面部分中引入的球差之外，在中心(第一)区域有1.0D的正聚焦偏移，而在环形(第二)区域中有0.37D的正聚焦偏移。

波前双焦透镜性能被模拟出显示在图12A的计算的点扩散函数(PSF)，SPH值从-0.25D到+1.5D之间，图12A显示计算出的的视力表的在视网膜上的像。球镜参数(SPH)用来表示一个穿过聚焦(through focus)的人眼聚焦偏差。SPH＝0D对应于最佳视觉矫正在4米处，这是美国测试视力的典型距离。SPH＝-0.25D对应无穷远处的视觉矫正(如果常规视力测试的远距离为4米，那么近视为-0.25D)。球镜+1.0D标示+1.0D的老视矫正。我们考虑了四种瞳孔大小，视力测试时的直径为3.0mm和3.5mm，夜视觉的直径为4.5mm和5.0mm。

与图10A和图10C中的点扩散函数不同，观察到图12A中的波前双焦1D透镜的计算出的PSF具有覆盖至少在-0.25D和+0.25D之间的焦点范围的第一焦点，并且第二个聚焦范围在+0.75D到+1.5D之间。

图12C显示出计算出的“穿过聚焦”(through focus)波前双焦1D的视网膜对比度，考虑3.5mm瞳孔情形，以及对应20/20视力线和20/40视力线瞳孔在3mm和5mm之间。我们的焦深扩展双焦1D与传统双焦在两个方面略有不同。首先，对于3.0mm和3.5mm瞳孔视力测试情形，远距离的第一个焦点是焦深扩展在-3/8D和+3/8D之间。第二，第二个焦点的老视矫正范围在+0.75D和+1.5D之间，但在+1.25D处有20/20的视力差距。图12B中计算出的视网膜上成像证实了波前双焦特征，在+1.25D视力和视觉略有下降。

根据图12C的穿过聚焦的调制传递函数来评估最佳矫正需要知道每个视力线的对比度阈值。图12D分别显示在明视条件(A)和暗视条件(B)下正常眼睛的20/25、20/30、20/40、20/60视力的计算出的视网膜上对比度。这些是未公布的数据，由J Liang，D Tanzer和TBrunstetter研究了250多个美国海军飞行员眼取得，他们通常裸眼未经矫正视力度在20/20至20/10之间。上面(A)的明视曲线来自1)每个测量眼在明视条件下阅读5％低对比度视力表的最佳主观视力，2)计算出的每个测量眼在阅读5％低对比度视力表的瞳孔下调制传递函数。根据图12D中的(A)，我们估计出对20/25(24个循环/度)，20/30(20个循环/度)和20/40(15个循环/度)明视觉的平均对比度阈值小于2％。暗视曲线(B)来自1)每个测量眼在暗视条件下阅读25％对比度视力表的最佳主观视力，2)计算出的每个测量眼在阅读25％对比度视力表的瞳孔下的调制传递函数。根据图12D中的(B)，我们估计出对20/25(24个循环/度)，20/30(20个循环/度)和20/40(15个循环/度)暗视觉的平均对比度阈值大约为5％至6％。

图12E显示了波前双焦1D的调制传递函数，在无穷远(-0.25D)，4米(0D)和+0.25D离焦处，对应3mm，3.5mm和5mm的瞳孔。在图12E中，我们还显示正常人眼的平均调制传递函数，标示为“正常眼”是从AB Watson在Journal of Vision，13(6)：18，pp。1-11(2013)中提供的公式计算得出的；以及人眼对于衍射双焦透镜调制传递函数的估算，标记为“DiffBifocal 40％”；计算是依据具有同等双焦50％的正常人眼的平均调制传递函数，衍射双焦透镜通常约有20％能量损失，对“0”级或“1”级的衍射成像没有影响。我们的波前双焦1D的对比度比衍射多焦50％透镜在远距离更好，而且跟正常人眼相比，对于空间频率大于20周期/度(20/30或更精细的特征)不会有对比度损失，对于空间频率小于20c/deg会产生轻微的对比度损失。对于实际人眼更是如此，因为未矫正的散光和彗差会被我们的波前双焦1D透镜减轻，而它们会降低传统单焦透镜和衍射多焦透镜的视觉质量。

根据图12C和图12E的数据，我们对焦深扩展双焦1D有一些发现：首先，我们预计焦深扩展双焦能够为患者提供20/16或更佳的视力，和相对较高的对比度。第二，4.5mm和5mm的夜视觉将会例外的好。因此，发明了一种用于1D的老视矫正的双焦透镜，它对远距离时视网膜上对比度几乎没有或没有损失，另一个优点是波前双焦点透镜的其对未矫正散光的容忍(约0.5D)。

在表3A中的“焦深扩展双焦3D”示例性设计中，双焦透镜也有非球面区域覆盖在人眼中央瞳孔。非球面区域内引入的球差表示为瞳孔上的波前相位差(OPD)，或者

OPD(ρ)＝1.0*(ρ/r₀)⁴当ρ<r₀＝1.1

＝-2.22*(ρ/r₁)⁴当1.1<ρ<＝r₁＝1.75

其中ρ是瞳孔平面的极半径。在第一区域中的正球差的峰值1.0微米、在其边界ρ＝r₀＝1.1；在第二区域中的负球差的峰值-2.22微米、在其边界ρ＝r₁＝1.75mm。

除基准线屈光度和非球面部分中引入的球差之外，在中心(第一)区域有1.65D的正聚焦偏移，和在环形(第二)区域中有1.15D的正聚焦偏移。

波前焦深扩展双焦3D透镜被模拟了，性能显示在图13A的计算的点扩散函数(PSF)，球镜SPH值从-0.25D到+3.25D之间，图13A显示计算出的的视力表在视网膜上的成像。SPH＝0D对应于最佳矫正视觉在4米处，这是美国视力测试的典型距离。SPH＝-0.25D对应无穷远处的视觉矫正，如果常规视力测试的远距离为4米，那么无穷远处有近视-0.25D。SPH＝+3.0D标示+3.0D的老视矫正。我们考虑了四个瞳孔大小，视力测试时的直径为3.0mm和3.5mm，夜视觉的直径为4.5mm和5.0mm。

从图13A我们可以看到，焦深扩展双焦3D透镜的计算出的点扩散函数有第一个焦深扩展的焦点在0D和+1.25D之间，和第二焦点覆盖从+2.75D和3.25D之间。在+2.25D处的一个焦点因为聚焦范围太窄和太弱，无法视为一个聚焦区域。

图13C显示出计算出的“穿过聚焦”焦深扩展双焦3D的视网膜上的对比度，涉及3.5mm瞳孔，和对应20/20视力线和20/40视力线和瞳孔在3mm和5mm之间。我们的焦深扩展双焦3D与传统双焦在两个方面略有不同。首先，对于3.0mm和3.5mm瞳孔视力测试情形，远距离的第一个焦点是焦深扩展在0D和+1.25D之间。其次，第二个焦点的老视矫正范围在+2.75D和+3.25D之间，图13B中计算出的视网膜上的成像证实了波前焦深扩展的双焦特征。

图13D示显出了在无穷远(-0.25D)，4米(0D)和+0.25D离焦处，对应3mm，3.5mm和5mm的瞳孔的波前双焦1D的调制传递函数。在图13D中，我们也显示正常人眼的平均调制传递函数，以及人眼对于衍射双焦透镜调制传递函数的估算、标记为“Diff Bifocal40％”。对于远距离，我们的波前双焦3D的对比度与衍射多焦透镜等同或更好，而且跟正常人眼相比，对于空间频率大于30周期/度(20/20或更精细的特征)不会有对比度的损失，对于空间频率小于30周期/度会产生轻微的对比度损失。这对于实际人眼更是如此，因为未矫正的散光和彗差会被我们的波前双焦1D透镜减轻，他们会降低传统单焦透镜和衍射多焦透镜的视觉质量。

从图13C和图12D，我们对焦深扩展双焦3D有一些发现：首先，我们预计焦深扩展双焦通过高对比度和焦深扩展能够为患者提供20/16或更佳的视力。其次，4.5mm和5mm的瞳孔时的夜视觉对远距离和近距离都会非常出色。另一个优点是波前双焦点透镜对未矫正散光的宽容度可高达0.5D。

解决现有技术的波前设计在远距离上对比度差的问题(美国专利#8,529,559B2和美国专利申请#2011/0029073A1)成为可能是发现一个优化设计，焦深扩展双焦3D在非球面中心区域的聚焦偏移降低到+1.65D,比波前双焦透镜的总聚焦深度3D要小1.35D。相反，现有技术的波前设计在中心非球面区域的聚焦偏移为+4.0D，比总聚焦深度的3D要大1.0D。本发明的焦深扩展双焦3D在对比度的显著改善见图13E，显示的远距离的视网膜像对比度于(A)和20/20视力的穿过聚焦对比度于(B)，通过对比我们的新焦深扩展双焦3D与现有技术的波前设计(美国专利#8,529,559B2和美国专利申请#2011/0029073A1)。取得的图13E数据对应直径为3mm的透镜，也是测试多焦透镜的工业标准的尺寸。

在一个实施例中，在非球面区域中引入的球差被表示为瞳孔上的波前相位差或光程差(OPD)，或者

OPD(ρ)＝S₁*(ρ/r₀)⁴当ρ<＝r₀

＝(-S₂)*(ρ/r₁)⁴当r₀<ρ<＝r₁

其中ρ是瞳孔平面的极半径，S₁为正数、并表示在第一区域(111)的正球差，r₀＝0.5*D₀为第一区域的半径，大于0.87mm且小于1.25mm。(-S2为)为负数、表示在第二区域的负球差，r₁是第二区域(112)的外半径，大于1.20mm且小于2.25mm。第二区域的非球面部分可以进一步被配置增加一个聚焦偏移量φ₂，其中的聚焦偏移量在-1.0D和+1.0D之间。正球差S₁在一实施案例中大于0.20微米和小于1.50微米。表3B列出计算出的正球差，要是波前双焦透镜的中心非球面区域直径在1.75mm和2.4mm之间。负球差(-S₂)在一个实施案例中的数值大于0.25和小于6微米。表3C列出了环形非球面区域的外直径在2.5mm和4.4mm之间的波前双焦透镜的计算出的负球差。

在又一个实施例中，非球面区域进一步引入的一个广义球差，由波像差多项式ρⁿ表征，其中n是等于或大于3的整数。

在一些实施例中，波前双焦透镜被配置为双焦隐形接触镜，直径在9mm至16mm之间，波前双焦隐形接触镜有一个前表面和一个后表面，前表面和后表面中的至少一个在透镜中央区是非球面。

在又一实施例中，波前双焦隐形接触镜的后表面的外围还被配置为非球面，用于防止复曲面透镜在眼睛上旋转。

表3B在波前双焦中心区域的正球差

	中心非球面直径	D<sub>1(mm)</sub>	1.75	2.1	2.4
						EDOF Bifocal 1D	中央区域球差＝0.70*(D<sub>1</sub>/2.3)<sup>4</sup>	S<sub>1</sub>(μm)	0.23	0.48	0.83
EDOF Bifocal3D	中央区域球差＝1.0*(D<sub>1</sub>/2.2)<sup>4</sup>	S<sub>1</sub>(μm)	0.40	0.83	1.42

表3C波前双焦的环形截面中的负球差

	环形非球面截面外径	D<sub>2(mm)</sub>	2.5	3.5	4.4
						EDOF Bifocal 1D	环形截面球差＝-1.11*(D<sub>2</sub>/3.5)<sup>4</sup>	S<sub>2</sub>(μm)	-0.29	-1.11	-2.78
EDOF Bifocal3D	环形截面球差＝-2.22*(D<sub>2</sub>/3.5)<sup>4</sup>	S<sub>2</sub>(μm)	-0.57	-2.22	-5.55

在一些实施例中，波前双焦透镜为波前双焦人工晶体，直径在5mm与7mm之间，非球面是人工晶体的前表面或后表面。在一个实施方案中，波前双焦透镜进一步配置成可调节人工晶体。

在另一个实施例中，波前双焦透镜为波前角膜镶嵌镜，直径为大约6mm或在5mm至7mm之间，并且非球面表面为角膜镶嵌镜的前表面或后表面。

3.波前EDOF三焦透镜

衍射三焦人工晶体不仅让人工晶体手术的脱镜高，但也让手术后的眼看到由衍射光学衍生而出、实际上不存在的东西：1)光晕和星暴的等夜间症状，由同时出现的多重像产生，2)蜘蛛网夜间症状，与衍射结构相关，3)远处大物体的重影，由中焦点和近焦点的散焦导致。

美国专利#8,529,559B2和美国专利申请#2011/0029073A1中提出了在中央瞳孔中引入相反符号的球差，用于矫正+3D老视人的工晶体眼校正。为了获得所需的3D焦深(DoF)，在中心非球面区域引入了+4.0D的焦点偏移、大于所需的焦深。

表4A非球面波前三焦点透镜的示例性设计

美国专利#8,529,559B2和美国专利申请#2011/0029073A1中的设计存在至少三个问题。首先，该设计的痛点是在远距离的对比度低，这一点在设计Mini Well Ready人工晶体时被认识到和解决了。其次，初始设计以及Mini Well Ready人工晶体都不是三焦透镜、不能满足患者的全方位生活方式，患者要非常好的远距离视觉如驾车和看电视，中间距离(约0.6米)用于计算机工作，以及近距离(约0.3米)阅读书籍或看小字。第三，缺少三焦眼科透镜有聚焦范围在2.0D到2.5D之间，用于隐形接触镜、可植入式隐形眼镜、和角膜镶嵌镜，因为这些透镜要和人眼的晶状体结合一起来成像。

在本发明的一个方面，我们在表4A提供新型的波前EDOF三焦透镜来解决这些问题。首先，我们能够创造出有三个焦点的波前三焦点透镜：第一个“远”焦点，第二个“中”焦点有较小的老视加度数，和第三个“近”焦点有较大的老视加度数。这些三焦透镜为“远”距离，“中”距离和“近”距离提供功能性视觉。其次，三焦透镜透镜覆盖的老视眼范围从2.25D到3.25D，不仅适用于人工晶体，而且还适用于隐形接触镜、可植入隐形眼镜、角膜镶嵌镜。第三，解决了为实现3D的老视校正的远距离对比度差的问题，这成为可能是发现了最优化的设计，用的聚焦偏离cp1比总老视矫正范围从基准线屈光度数到“近”距离老视度数要更小。第四，三焦点透镜的远距离自身是焦深扩展。

在表4A的“EDOF Trifocal 2.75D”的一种示例性设计中，该透镜有两个非球面区域、覆盖了眼睛的中央瞳孔，它的外径为3.0毫米。非球面区域的特征在于，透镜的至少一个表面是非球面的，在第一区域中引入正球差，在第二区域中引入负球差，第一和第二区域是同心的。非球面区域中引入的球差表示为瞳孔上的波前相位差(OPD)，或者

OPD(ρ)＝0.80*(ρ/r₀)⁴当ρ<r₀＝0.92

＝-2.2*(ρ/r₁)⁴当0.92<ρ<＝r₁＝1.5

其中ρ是瞳孔平面中的极半径，第一区域中的正球差在其边界ρ＝r₀＝0.92处为0.80微米的峰值。第二区域中的负球差在其边界ρ＝r₁＝1.5处为-2.2微米的峰值。

除了基准线屈光度和非球面区域的引入球差之外，在中心(第一个)区域中有一个正焦距偏移为+2.0D，直径为1.75毫米(半径为0.875毫米)。

焦深扩展三焦2.75D性能被模拟出来，显示在图14A计算出的从-0.25D到+3.25D之间点扩散函数(PSF)，图14B显示计算出的视力表在视网膜上的成像。球镜参数被用来量化人眼的穿过聚焦的聚焦偏差，0D对应于最佳视觉矫正的4米处，球镜-0.25D对应于无穷远处的视觉矫正(要是常规视力测试的远距离为4米)。球镜+3.0D标示+3.0D的老视矫正。我们考虑了四个瞳孔大小，视力测试时的直径为3.0mm和3.5mm，夜视觉的直径为4.5mm和5.0mm。

图14C显示出计算出的“穿过聚焦”焦深扩展三焦2.75D的视网膜上的对比度，涉及3.5mm瞳孔，和对应20/20视力线和20/40视力线和瞳孔在3mm和5mm之间。

从图14A计算出的PSF和图14C中的“穿过聚焦”曲线可以看出，焦深扩展三焦2.75D具有三个不同的焦点：第一个焦点覆盖了扩展焦深远在-0.25D到+0.75D之间，用于远距离视觉；第二个焦点覆盖+1.25D和+2.0D的聚焦范围，用于中间距离；第三个焦点覆盖2.25D和3.0D之间，用于近距离。

图14D示显出了焦深扩展三焦2.75D计算出的调制传递函数曲线，在无穷远(-0.25D)，4米(0D)，和+0.25D离焦处，对应3mm，3.5mm，和5mm的瞳孔。在图14D中，我们也显示正常人眼的平均调制传递函数、标记为"Normal Eyes"，以及人眼对于衍射双焦透镜调制传递函数的估算、标记为“Diff Bifocal 40％”。对于远距离，我们的波前三焦2.75D的对比度与衍射多焦透镜等同或更好，而且跟正常人眼相比，对于空间频率大于30周期/度(20/20或更精细的特征)不会有对比度损失，对于空间频率小于30c/deg会产生轻微的对比度损失。对于实际人眼更是如此，因为未矫正的散光和彗差会被我们的焦深扩展双焦2.75D透镜减轻，他们会降低传统单焦透镜和衍射多焦透镜的视觉质量。

从图14C和图14D我们对焦深扩展三焦2.75D透镜有一些发现。首先，我们预期焦深扩展双焦有相对较高的对比度以及扩张的聚焦深度可以提供20/16或更佳的视力。其次，对于远距离和近距离而言，瞳孔大小为4.5mm和5mm的夜视都将会非常好。波前双焦透镜的另一个优势是它对未经校正的散光的容忍性高达0.5D。

表4A还提供了焦深扩展三焦透镜的其他三个实施例，它们解决了存在于美国专利#8,529,559B2和美国专利申请#2011/0029073A1中的方案对远距离对比度低的问题，附加以下特征：1)扩展的远距离的聚焦深度，2)第二个焦点老花眼校正在+1.25D和+1.75D之间，3)第三个聚焦将总聚焦范围扩展到2.25D和3.25D之间。

表4B焦深扩展三焦透镜中央区域的正球差

表4C三焦镜的环形非球面区域的负球差

通过在中央非球面区域中用较小的+1.62D和+2.7D聚焦偏移，找到最优化解决方案，可以实现在远距离有高的视网像对比度之波前三焦透镜发明。这些焦深扩展三焦设计适用于隐形接触镜，IOL，可调节IOL，有眼晶体IOL，ICL，和角膜嵌体镜。

在一些实施方案中，图11中的波前EDOF三焦点透镜被配置为可植入或可佩的透镜，它包括：1)基准线屈光度数延伸于整个透镜(111、112、113)的光学部分，用于矫正远距离视觉缺陷，光学部分的直径D2在5毫米至8毫米之间，远距离视觉缺陷的校正包括聚焦差和/或柱镜差，2)在直径D₀小于2.1mm大于1.65mm的中心部分(111)内，有一个正聚焦偏移量cp1小于+3.0D大于+1.0D，3)两个中央非球面区域(111,112)位于透镜的中心，它的外直径小于4mm且大于2.5mm覆盖眼睛的中央瞳孔，所述中心非球面区域的特征包括：透镜的至少一个表面是非球面的，在第一区域(111)中引入正球差，并在第二区域(112)中引入负球差，第一区域和第二区域是同心的。超出基准线屈光度的波前相位差把单焦透镜转换为三焦透镜：第一“远”焦点，第二焦点有“中”添加度数，和第三焦点有“近”添加度数，中心部分的正焦点偏移cp1小于三焦透透镜的总聚焦范围。

在波前焦深扩展三焦点透镜的一个实施例中，非球面区域中引入的球差用光程差(OPD)表示，或者将跨瞳孔的波前相位差表示为

OPD(ρ)＝S₁*(ρ/r₀)⁴当ρ<＝r₀

＝(-S₂)*(ρ/r₁)⁴当r₀<ρ<＝r₁

其中ρ是瞳孔平面的极半径，S₁为正数、并表示在第一区域的正球差，峰值在边界p＝r_o处为S₁，r_o是第一区的半径，大于0.82mm和小于1.1mm。(-S₂)为负数、并表示在第二区域的负球差，峰值在边界p＝r₁处为(-S₂),r₁是第二区域的外半径，大于1.20mm和小于2mm。

在另一实施例中，第一区域的正球差S₁大于0.30微米且小于2微米。

在又一个实施例中，负球差(-S2)的在数值上大小大于0.50且小于8.5微米

在又一个实施例中，非球面区域进一步引入的一个广义球差，由光程差表述并包括多项式ρⁿ，其中n是等于或大于3的整数。

在又一个实施例中，波前三焦点透镜还进一步被配置为在非球面截面的第二区域添加一个聚焦偏差φ₂，数值在-1.0D至+1.0D之间。

在一些实施例中，波前三焦透镜被应用于波前三焦隐形接触镜，直径在9mm至16mm之间，非球面为隐形接触镜的前表面或后表面。三焦隐形接触镜的后表面的外围还被配置非球面，如果隐形接触镜为复曲面透镜时防止透镜在眼球上旋转。

在其他实施例中，波前三焦透镜为波前三焦人工晶体，直径约为6mm，在5mm与7mm之间，波前三焦人工晶体具有前表面或后表面，至少前表面或后表面其中之一的中央区为非球面。在一个实施方案中，波前双焦透镜进一步配置成可调节人工晶体。

4.准调节透镜

目前可调节IOL存在以下一个或多个缺点：1)较低的调节范围，不足以有效地矫正老视；2)对人为调节的控制差，无法按需求来实现随意的调节状态；3)人为调节的波动大，导致视觉的不稳定；4)未被矫正的散光导致视力低下。

在本发明的一个方面，我们公布了一种用于眼睛的新型波前透镜：准调节和连续焦点(QACIF)透镜。QACIF透镜的光学部分的直径小于8毫米，并可在大于1.0D且达到2D的焦距范围内提供近乎连续的聚焦。尽管在白内障手术中使用的IOL的2D聚焦范围小于3D聚焦范围，但具有2D聚焦深度的QACIF晶状体对于所有使用ICL、有晶体眼IOL、或者隐形接触镜的老花眼患者来说都足够好。QACIF透镜可以通过特殊的多焦点结构实现，该结构具有足够近的多个焦点，以产生近乎连续的聚焦。多焦点透镜的实现包括：1)用非球面在透镜中央区引入球差，直径小于4mm，或2)使用衍射光学产生同时多个焦点。

在表5A的“QACIF2D”的一个示例性设计中，该透镜有两个非球面区域覆盖了眼睛的中央瞳孔，它的外径为3.5毫米。非球面区域的特征在于，透镜的至少一个表面是非球面的，在第一区域中引入正球差，在第二区域中引入负球差，第一和第二区域是同心的。非球面区域中引入的球差表示为瞳孔上的波相差(OPD)，或者

OPD(ρ)＝1.0*(ρ/r_o)⁴如果ρ<r_o＝l.25

＝-1.11*(ρ/r₁)⁴如果1.25<ρ<＝r_i＝l.75

其中ρ是瞳孔平面中的极半径，第一区域中的正球差在其边界ρ＝r₀＝1.25毫米处具有1.0微米的峰值。第二区域中的负球差在其边界ρ＝r₁＝1.75处具有-1.1微米的峰值。

除了基准线屈光度和在两个非球面区域的引入球差之外，在中心(第一)区域中具有一个正焦距偏移为+1.25D，直径为2.5毫米(半径为1.25毫米)；以及在环形(第二)区域中具有一个正焦距偏移为+0.75D，直径为3.5毫米(半径为1.75毫米)。

模拟波前QACIF2D性能，在图15A中显示计算出的点扩散函数(PSF)和图15B显示计算出的视力表在视网膜上的像。参数用于量化人眼的穿透的聚焦偏差，SPH＝0D对应于最佳视觉矫正在4米处，SPH＝-0.25D对应无穷远处的视觉矫正(要是常规视力测试的远距离为4米)。SPH＝+2.0D标示+2.0D的老视矫正。我们考虑了四个瞳孔大小，视力测试时的直径为3.0mm和3.5mm，夜视觉的直径为4.5mm和5.0mm。

根据图15A从SPH＝-0.25D到SPH＝+2.0D之间的计算出的点扩散函数，透镜提供了三个焦点区，它们的中心分别是0D，+0.75D，和最后一个大约为+1.75D。对于视力测试中瞳孔为3mm和3.5mm时，这些焦点是非常近、并形成扩展的焦深从而让透镜在SPH＝-0.25D到2.0D的范围内接近于都能聚焦，除了SPH＝+1.25D时有相对较弱的焦点。

图15C显示了3.5mm瞳孔、20/20视力线和20/40视力线(瞳孔在3mm和5mm之间)计算出的“穿过聚焦”QACIF2D的视网膜上的对比度。QACIF透镜在第一焦点有扩展的焦深0.25D到1.00之间，能够提供20/20或更好视觉，在+1.50D和+1.75D之间能提供20/20或20/25，通过聚焦-0.25D到+2.0D之间，预期视力为20/30或更好。这些发现可以在图15B中所计算出的视网膜成像中得到证实。因此，我们看到一个几乎连续聚焦的透镜，在所有瞳孔尺寸下的视力略微下降为+1.25D，在3mm瞳孔下的视力下降为+2.0D。

图15D示显出了在无限远(-0.25D)、4米(OD)和+0.25D(瞳孔大小为3mm、3.5mm和5mm)的情况下，QACIF2D的计算调制传递函数(MTF)的曲线图。在图15D中，我们也显示正常人眼的平均调制传递函数、标记为"Normal Eyes"，以及人眼对于衍射双焦透镜调制传递函数的估算、标记为“Diff Bifocal 40％”。对于远距离，我们的QACIF2D的对比度与衍射多焦透镜等同或更好，和正常人眼相比，对于空间频率大于30周期/度(20/20或更精细的特征)不会有对比度损失，对于空间频率小于30c/deg会产生轻微的对比度损失。对于实际人眼更是如此，因为我们的QACIF2D可以减轻未矫正的散光和彗差，并且它们会降低传统单焦透镜和衍射多焦透镜的视觉质量。

我们预期QACIF2D透镜能够为患者提供20/16或更佳的视力，并有相对较高的对比度，和夜间瞳孔4.5mm和5mm的夜视觉将会极好。

图15E和图15F显示出了当眼睛的未经校正的散光为1/2D和3/4D时使用QACIF2D透镜计算出的视网膜成像。可以清楚地看到，未校正散光为0.5D的图15E中的成像与散光为0的图15B中的成像几乎相同。即使对于图15F所示的未校正的散光为0.75D，在+0.25D至+1.25D之间的视觉仍然良好。

除了消散光之外，QACIF2D同时与瞳孔大小在3mm和5mm之间无关，这可以通过图15A/15E/15F中的视网膜上的成像，以及图15c中的(B)和(C)焦点穿透的曲线得到验证。传统透镜完全不同，图5B和图10B显示对大的瞳孔，人眼对聚焦偏差和散光更加敏感。

即使没有可调节人工晶体的人为调节，根据示例性透镜的两个基本特征：1)从SPH＝-0.25D到+2.0D有出色20/20或20/25视力，2)瞳孔尺寸在3mm至5mm之间几乎与瞳孔无关，我们将这种类型的透镜归类为准调节和连续聚焦(QACIF)镜。

一个可植入隐形眼镜或有晶体眼人工晶体有了QACIF2D作为光学透镜，可以治疗没有白内障情况下45岁及以上的每个人的近视/远视、散光和老视，使他们摘除眼镜，而且不需要老视阅读眼镜。

图15G示出另一准调节且连续聚焦透镜“QACIF2A”设计。它提供了一个与瞳孔大小无关的焦深扩展三焦透镜，其第一焦点的焦深在-0.25D和+0.5D之间，第二焦点以+1.25D为中心，第三焦点为+1.75D。QACIF2A可用于补充QACIF2D。如果QACIF2A和QACIF2D分别用于一个病人的两个眼，则患者在-0.25D至+2.0D的整个聚焦范围内，以及在3mm至5mm的所有瞳孔尺寸下均可以期望获得20/20或更佳的视力。

表5A中还列出了另外两个QACIF透镜设计。它们具有2.0D聚焦范围内几乎连续聚焦的相似特征、并且对未矫正散光有高宽容度。

在一些实施例中，波前准调节且连续聚焦(QACIF)透镜被配置为可植入或可佩戴的透镜。波前QACIF透镜包括：1)一个基准线屈光度数延伸到透镜的光学部分，用于矫正远距离视觉缺陷，该光学部分的直径在5毫米至8毫米之间，远距离视觉缺陷包括聚焦偏差和/或柱差，2)中心非球面区域有正一个焦距偏移φ₁和一个正的球差S₁，其中正焦距偏移φ₁小于2.0D和大于0.75D，球差大于S₁大于0.25微米和小于2.75微米，中央非球面的直径小于2.75mm和大于1.9mm，3)在中心非球面区域外部的环形非球面区域引入一个负球差，并且该环形非球面区域的外径小于4.5mm和大于2.5mm。表5B中列出QACIF透镜中央非球面区域的正球差的计算值，直径分别为1.9mm，2.2mm和2.75mm。

波前QACIF透镜可用于隐形接触镜、人工晶状体(IOL)、可调节人工晶状体(AIOL)、有晶状体眼人工晶状体、可植入ICL(可植入隐形眼镜或可植入Collamer透镜)或角膜镶嵌镜。

在一个实施例中，环形非球面区域(中心非球面区域之外)还被配置一个正的聚焦偏移，大于0和小于1.5D。

表5A非球面QACIF透镜的示例性设计

表5B QACIF在中央非球面区域的正球差

	中心非球面直径	D<sub>1</sub>(毫米)	1.9	2.2	2.75
						QACIF2A	中央区域球差＝0.85<sub>*</sub>(D<sub>1</sub>/2.1)<sup>4</sup>	S<sub>1</sub>(微米)	0.57	1.02	2.50
QACIF2B	中央区域球差＝0.80<sub>*</sub>(D<sub>1</sub>/2.4)<sup>4</sup>	S<sub>1</sub>(微米)	0.31	0.56	1.38
						QACIF2C	中央区域球差＝0.80<sub>*</sub>(D<sub>0</sub>/2.4)<sup>4</sup>	S<sub>1</sub>(微米)	0.31	0.56	1.38
QACIF2D	中央区域球差＝1.0<sub>*</sub>(D<sub>1</sub>/2.5)<sup>4</sup>	S<sub>1</sub>(微米)	0.33	0.60	1.46

在另一个实施例中，非球面区域中引入的球差用光程差(OPD)表示，或者将瞳孔上的波前相位差表示为

OPD(ρ)＝S₁*(ρ/r₀)⁴当ρ<＝r₀

＝(-S₂)*(ρ/r₁)⁴当r₀<ρ<＝r₁

其中ρ是瞳孔平面的极半径，S₁为正数并表示在第一区域的正球差，峰值在边界ρ＝r₀处为S₁，r₀是第一区的半径，大于0.9mm和小于1.4mm。(-S₂)为负数、表示在第二区域的负球差，峰值在边界ρ＝r₁处为(-S₂),r₁是第二区域的外半径大于1.25mm和小于2.25mm。

在又一个实施例中，对于外径小于4.5mm和大于2.5mm的环形非球面区域的负球差(-S2)的数值是大于0.15微米和小于4.75微米。计算直径为2.5mm，3.0mm和3.75mm环形非球面区域的负球差，在表5C中列出。

在另一实施例中，非球面区域进一步引入的一个广义的球差，由光程差表述并包括多项式ρⁿ，其中n是等于或大于3的整数。

In one embodiment,the wavefront QACIF lens is configured as awavefrontcontact lenshavingadiameterbetween 9mmand16mm,andtheasphericsurfaceis either a front surface or a back surface of thecontact lens.The back surface ofthe contact lens is further configured tohave an aspheric shape at a lens peripheryforpreventinglensrotationonaneyeifthecontactlensisalsoatoriclens.

在一个实施例中，波前QACIF透镜被应用于波前隐形接触镜，直径在9mm至16mm之间，非球面为隐形接触镜具有前表面或后表面。如果隐形接触镜为复曲面透镜时，隐形接触镜的后表面的外围进一步被配置非球面，以防止透镜在眼球上旋转。

表5C环形非球面区域的负球差

在另一实施例中，波前QACIF透镜被配置为波前人工晶体，它的光学区直径约为6mm，在5mm至7mm之间。波前人工晶体具有一个前表面和一个后表面，并且前表面和后表面中至少一个在透镜中央处是非球面的。

在又一实施例中，QACIF IOL进一步被配置为可调节人工晶体。

In still another embodiment,the wavefront QACIF lens is configured asawavefrontICLtobeimplantedbetweenirisandnaturallensofaneye,whereintheasphericsurf aceisafrontsurfaceorabacksurfaceofthewavefrontICLlens.

在另一个实施例中，波前QACIF透镜被配置为将波前可植入隐形眼镜，植入在虹膜和眼睛的自然晶状体之间，其中的非球面是波前可植入隐形眼镜的前表面或后表面。

In another embodiment,the QACIF ICL is achieved through a thicknessvariationintheopticsifthebaselinepowerislessthan1.0D inmagnitude.

在另一个实施例中，QACIF可植入隐形眼镜是通过光学透镜的厚度变化来实现，如果基准线屈光度的数值小于1.0D。

在又一个实施例中，波前QACIF透镜被配置为波前角膜嵌体，植入于角膜内进行视力矫正，其中的非球面表面是波前角膜嵌体的前表面或后表面。

在另一方面，我们公开了一种用于眼睛的波前可植入隐形眼镜(ICL)，它包括：a)一安置部，用于将ICL固定在眼睛的前房中的虹膜上(例如，WO1999062434A1中的示例)或将ICL固定在眼睛的后房内部的位置中(以美国专利#6,106,553中的示例为例)，b)波前透镜，包括b1)一个基准线屈光度数延伸至直径为5mm至8mm的光学区域，以进行球柱校正，b2)在直径在1.65毫米至2.5毫米之间的中心区域引入正球差，加上小于+3.0D且大于+0.5D的正聚焦偏移φ1，b3)在外径小于4.5mm的环形区域引入负球差。中心和环形区域引入的球差和聚焦偏移之波前误差产生了：1)准调节和连续聚焦透镜，2)波前双焦透镜，3)波前三焦透镜。

在一个实施例中，波前ICL有一个中心非球面区域和一个环形非球面区域，用于引入所需的球差。

在另一方面，我们公布了一种用于眼睛的屈光矫正的方法，该方法包括以下步骤：a)确定用于远距离视觉矫正的人眼的屈光不正，屈光不正至少包括球镜度数SPH，b)进行屈光手术，使手术后的眼睛的有从第一焦度φ₁到第二焦度φ₂的焦深扩展，球镜度数SPH的目标定在以φ₁和φ₂之间，即使术后的近视度数在-0.5D到-1.25D之间，这样手术后的眼睛仍可保证在远距离优良的视觉。在一个实施例中，具有扩展聚焦深度的屈光手术涉及植入具有扩展聚深的波前ICL。例如，将具有QACIF2D光学元件ICL植入人眼，远距离的目标设为SPH＝+0.75D而不是SPH＝0D，则眼睛不仅具有术后20/20的视力，而且在聚焦范围从-0.25D到+1.0D的视力均具有出色的视力，如图15B/15C所示。这有优势因为1)对于年轻人它可以减轻术后的近视加深至1D。2)任何小于1D的术后近视加深对后术的人眼发展为老视眼的40岁开始有益。

5.波前单焦，双焦，三焦和QACIF透镜的优势

根据光学设计和实验室中的测试结果，传统的单焦和衍射多焦透镜可能非常出色，但是当将它们实际放入人眼后或放在人眼上面时，它们的性能会遇到许多问题。

本发明公开的波前透镜(单焦和多焦)解决了已有技术的单焦/多焦透镜的几个基本问题：1)消除了衍射多焦透镜相关的光环和星暴，2)消除多焦点透镜焦点之间的模糊区域，3)提高患者的视力质量，消除传统的单焦透镜和衍射多焦透镜的图像畸变，4)通过扩展20/20焦深并增加对未矫正散光的宽容度，提高达到20/20最佳矫正视力的可能性，这些都在图9B/9G，图12C，图13C，图14C中，图15C中显示。

图16A提供了本发明的波前单/多焦透镜与常规折射单焦透镜以及衍射单焦/多焦透镜的比较。

图17A显示出了计算出的夜间对于5mm的瞳孔尺寸的视网膜上的成像，考虑常规单焦透镜与本发明示例设计的波前多焦透镜的比较。我们考虑三种聚焦情形：-0.25D代表无限远的远视觉，0D代表目标视力表4米处，+0.25D代表+0.25D的老视。图16B中的每个正方形的角度尺寸是0.25弧度，与天空中的太阳的角度大小(大约0.5弧度)相比，三个远距离点扩散函数的图案非常小：1)对于传统的单焦点透镜，大约是12分之一，2)对于我们的波前EDOF双焦、EDOF三焦和QACIF透镜是六分之一到14分之一。

衍射多焦透镜的构造为单焦透镜外加Kinoform衍射表面(参见图17B的(A))。衍射多焦透镜的视网膜上的成像的组成有非偏转的“0”级衍射,被用于远距离的视觉矫正；被偏离的衍射“1”级有添加度数,和其他偏离的“更高”级衍射成像。因此，除了会聚成像的“0”级衍射会受到人眼波前像差的影响外，还有一个离焦的衍射级为“1”的成像和离焦“添加度数”，如图17B和(C)中的分别为+1.75D和+3.5D的添加度数。所以，由于近焦点的离焦成像，光晕和星暴不可避免与衍射多焦透镜相关联。另外，衍射透镜产生的夜间症状也可能因为：1)涉及尖锐边缘的光散射和光阴影；2)Kinoform中每个不连续相位的衍射图形。

因此，我们可以得出结论，我们的波前多焦透镜与单焦透镜拥有相似的夜视觉性能，对聚焦偏差进行了完美的校正。有效地消除了衍射多焦透镜的夜间光晕和星暴。此外我们的波前多焦透镜将会比单焦人工晶状体更好，单焦人工晶状的目标远距离视觉设为1米左右，以缓解老视而不是4米以获得最佳远距离视觉。

传统多焦透镜的另外两个基本问题是：1)多焦点之间的模糊视觉，2)图像畸变造成的视觉质量差。我们从图10B单焦晶状体计算出的穿过聚焦的视网膜上成像看到，可接受的视觉约有+/-0.25D的短焦深，以实现散光的完美矫正(CYL＝0)。但是，如果人眼的散光度未得到校正，则聚焦深度将进一步减小。图17C显示了通过焦点-0.75D和+0.75D的单焦透镜的计算出的视网膜上成像，未校正的散光为3/8D。我们的结论是：1)一旦聚焦偏差达到0.25D，视网膜上成像会有畸变，2)20/20的焦深远要小于+/-0.25D。对于远焦点衍射效率40％的衍射双焦IOL，视网膜上的成像与图10B的CYL＝0和图17C的CYL＝3/8D中的成像相似，但是对所有空间频率的对比度降低了(1-40％)。所以，对于老视度数大于1.5D的多焦透镜，一旦与任一个焦点的聚焦偏差达到0.25D，我们可以预计在焦点之间会有模糊或者畸变的视觉。

我们的波前双焦/三焦和QACIF透镜镜有效解决了焦点之间的完全模糊的视觉和畸变的视觉，如图9B/9D/9G，图15B/15E，图12B，图13B，图14B所示。我们的用于老视眼的波前透镜，在每种设计都在整个聚焦范围内提供20/40或更好的连续视力。

6.液体眼科透镜

在本发明的一个方面，我们公开了的一种液体眼科透镜(180)如图18所示，它包括：1)一个液体透镜部分，有一个由前光学元件(181)和后光学元件(182)形成的柔性袋，和液体(183)填充于由前后光学元件形成的柔性袋中，2)一个浸在液体透镜的液体中的固体光学元件(184)，用来改变液体透镜的折射特性，3)一个安装机构(185)，用于将固体光学元件(184)固定到柔性袋上的。

在一个实施例中，液体透镜部分被配置成可在一个有设定屈光度的非调节状态和有不同的屈光度的调节状态之间变形。固体光学元件(184)具有前表面和后表面，它的折射率n ₁和液体的折射率n₂不同。

现有技术中有许多结构把液体透镜附接到被手术的人眼，用于液体透镜的调节控制。在一个实施例中，液体眼科透镜进一步包括一个触件部分，眼睛的睫状肌的运动来施加的力让它变形，触件部分内部有液体体积，与液体透镜部分的液体连通。

在又一实施例中，浸入液体部分的固体光学元件在光学上配置为能改变组合液体透镜的球面度数的球面镜。这种设计使其适用于具有不同IOL度数要求的大量人群，使用同样前后元件结构的液体透镜。液体透镜在没有浸入式固体光学元件时IOL度数为29D，具有前表面(101)和后表面(102)和液体的一种结构设计。它的形状改变可以实现高达4.0D的固定调节范围。如果浸入的固体光学元件可以选择一个在+11.0D到-11.0D之间的光焦度，那么用相同结构的液体透镜结合浸入的透镜将实现的焦距范围在+18D到+40D之间。使用同一个结构来实现可变形液体透镜的一个优点是减少由于不同结构的可变形液体透镜的潜在调节控制的潜在差异。

在又一实施例中，浸入液体透镜部分的固体光学元件在光学上是复曲面透镜，用以加上液体透镜的柱光焦度。这使得在液体透镜的前、后元件上使用相同的可调节人工晶体结构，能够适合调节复曲面人工晶体。

在另一个实施例中，浸入液体透镜中的固体光学元件在直径约为3.5mm的液体透镜的中心区域引入球差和焦点偏移，比如介于2.2毫米和4.5毫米之间，而且引入的球像和焦距偏移可减轻液体人工晶状体植入人眼后留下的未矫正散光、彗差、聚焦误差、老视。

7.用于老花眼矫正的波前角膜可植入镜

在一个方面，我们公开了一种被适用于人眼的老视矫正的波前角膜可植入镜。波前角膜可植入镜包括一个直径D₁在2.0mm和4.5mm之间的光学元件。该光学元件有一个厚度均匀的基部，和一个添加部分、用于屈光矫正，整体总厚度在10微米到50微米之间。添加部分对人眼引入波前偏差，包括：1)一个正的聚焦度数f介于1.0D和2.5D之间，在直径D₀为1.5mm至2.5mm的中心区域，2)在中心区域的一个正球差，3)在中心区域以外的环形区域中的一个负球差，。

在一个实施例中，环形区域可以进一步引入一个介于-1.0D和+1.0D之间的聚焦偏差。

与美国专利#8,057,541B2和#8,900,296B中常规角膜镶嵌用的正透镜形式不同，波前镶嵌镜用的波前双焦、波前三焦和QACIF设计之一，使用+1.0D和+2.5D之间附加度数，提供出色的视力，远距离视力为20/20或更好，近距离视力为20/20或更好。

均匀厚度的基部可被配置为平行的板块，或者它有曲率半径约7.8mm，就像正常角膜的曲率半径。在一个实施例中，添加部分被配置仅为角膜植入镜上的厚度变化。

在另一个实施例中，角膜植入镜由生物相容性材料制成，制造工业为模成型或机械加工。

另一个实施例中，角膜植入镜由来自供人体的人角膜组织制成，并且制造过程是通过用UV光和/或短脉冲激光的激光切削。

在又一个实施例中，角膜植入镜的老视光学部分包括厚度变化、以及折射率的变化，折射率的变化可通过短脉冲激光实现。采用折射率变化的角膜植入镜优点在于它允许对波前图进行微调，因为折射率的变化非常小，在0.001和0.03之间的范围内。

在又一个实施例中，波前角膜植入镜由来自供体的人角膜组织，产生过程为激光消融/切割、以及使用短脉冲激光来改变角膜组织的折射率。

在一个实施例中，附加部分还包括一个基准线屈光度、延伸覆盖角膜植入镜，用于1)常规球镜矫正，或者2)远距离视觉缺陷的球柱矫正。

在另一个实施例中，角膜植入镜的附加部分还引入一个广义的球差，其特征为波前像差的多项式ρⁿ，其中n是等于或大于3的整数。

8.人眼老视矫正波前手术

在本发明的一个方面，我们公开了一种用于人眼老视矫正的外科手术的波前方法。波前手术包括：1)利用第一个激光在中心瞳孔中产生一个直径D₁在2.0mm到4.5mm之间的中心岛，中心岛的光学性质用波前相位差W₁(r)表示；2)使用第二个激光改变角膜组织的折射率，在中央瞳孔区角膜组织的深度分布d(r)。把第一个激光中央岛效应W₁(r)与角膜中使用第二激光进行激光写入而产生的角膜梯度折射率(GRIN)光学结合起来，来产生合成的波前误差，包括：a)直径D₀为1.5mm至2.5mm的中心区域的正聚焦度数φ_o，正聚焦度数在1.0D至2.50D之间，b)中心区域的正球差，c)中心区域外的环形部分中的负球差，d)环形区域的聚焦偏差，在-1.0D和+1.0D之间。

在一个实施例中，波前手术还包括在必要时使用第一激光产生用于远距离视觉缺陷的常规球镜矫正或球柱校正的基准线屈光矫正，并且基准线屈光矫正可通过紫外光切割或使用短脉冲激光进行组织去除。

9.用于隐形接触镜试戴的波前透镜

在本发明的一个方面，我们公开了一个用于测量人眼的波前隐形接触镜。测试用的接触镜包括：1)一个假想基准线屈光度，延伸覆盖一个直径在5毫米和9毫米之间的光学区域，假想基准线屈光度是理论值而不针对特定人眼，b)至少在透镜中心的一个非球面区域，其直径在2.2毫米和4.5毫米之间，用至少一个非球面表面在眼睛的中央瞳孔处引入更多的球差。

在一些实施例中，基准线假想屈光度数包括以下至少一项：a)没有屈光度数的光学元件，b)人眼散光的矫正，c)假想的球柱矫正。

在一个实施例中，测试隐形接触镜还包括在中心非球面部分中的聚焦偏移。

在另一个实施例中，中央非球面区域被配置为有至少一个非球面，用于在第一区中引入正球差和在第二区中引入负球差，其中第一区和第二区是同心的。

在另一方面，我们公开了一种隐形接触镜处方的验光方法。该方法包括以下步骤：1)确定隐形接触镜的球柱矫正，包括球镜度数SPH和/或由柱镜度数CYL和柱镜轴AXIS的散光，2)将一个波前隐形接触镜放置于被测的人眼上，该测试隐形接触镜包括：2a)一个假想基准线屈光度，延伸和覆盖5到9毫米的直径的光学区域，2b)位于透镜中心的至少一个非球面区域，直径在2.2毫米和4.5毫米之间，用至少一个非球面表面在眼睛的中央瞳孔处引入更多的球差，3)使用验光仪主观验光来更新、确定的隐形接触镜的球柱校正，4)给出隐形接触镜处方，根据更新的球柱校正以及被放置在测量人眼上的波前隐形接触镜光学特性。

在又一方面，我们描述了一个用于隐形接触镜出处方的系统。该系统包括：1)一个波前模块测量人眼像差，2)一个处理器模块，用于2a)以确定隐形接触镜的球柱矫正，球柱校正由聚焦偏误SPH和/或由柱镜度数CYL和柱镜轴AXIS的散光。2b)确定至少一个在透镜中央区域直径在2.2毫米和4.5毫米之间的非球面成分，透镜的非球面成分将引入球差到被矫正的人眼用来减轻、治疗常规球柱矫正剩下估计的人眼屈光不正。3)一个验光仪模块，用于主观更新球柱度数，并至少保持或改变球镜度数，4)一个输出模块，用于根据更新的球柱矫正和透镜中央区域的非球面成分给出隐形接触镜的处方。

在一个实施例中，常规球柱矫正的人眼剩余屈光不正包括散光、彗差、聚焦误差和老视。

在另一个实施例中，主观地更新隐形接触镜的球柱校正还包括将一个波前隐形接触镜放置在测试人眼上，波前隐形接触镜在透镜中央至少有一个直径为2.2mm至4.5mm的非球面成分，该非球面成分对矫正的人眼引入球差。该系统还可以用来抉择传统隐形接触镜和波前隐形接触镜。

在又一个实施例中，确定透镜中央区域中的至少一个非球面成分用于优化视觉，目的为：1)提高调制传递函数中高于30周期/度高空间频率的对比度，并将最佳矫正视力提高到20/20以上，2)消除图像畸变，特别是消除对低空间频率小于30周期/度的相位传递函数(PTF)的相位反转。

10.人眼高级像差的治疗

在眼睛的中央瞳孔引入球差以进行视力矫正是强有力的，可以减轻未矫正的散光、聚焦偏差、彗差和老视。我们的波前射击的透镜也将能有效地改善对眼睛高级像差的治疗。

在一个方面，我们公开了一个用于治疗人眼的隐形接触镜，包括：a)一个用于矫正远距离视觉缺陷的基准线波前屈光矫正的光学区域，该光学区域直径在5毫米到8毫米之间，基准线波前屈光矫正包括聚焦偏差、散光、和高级泽尼克像差，例如彗差，球差，b)至少在透镜中心有一个非球面区域，在人眼中央瞳孔引入球差来减轻远距离视觉缺陷矫正的不完美。

在一个实施例中，对远距离视觉矫正的缺陷包括以下一种或多种：1)基准线的波前校正与人眼的波前误差之间的对准误差，2)基准线波前屈光矫正对若干像差之矫正的局限，和3)测量远距离视觉缺陷的基准线波前校正测量的缺陷。

在一个实施例中，治疗隐形接触镜还包括一个直径在6.0和13mm之间且光学透明的外区域。

在另一个实施例中，治疗隐形接触镜被配置为EDOF单焦、EDOF双焦、EDOF三焦、和QACIF透镜。

11.改善含有人眼的视觉器件和方法

人们发现，在人眼中央瞳孔引入球差以进行视觉矫正对于矫正剩下的传统矫正透镜没能矫正的散光、彗差、聚焦偏差、和老视非常有效。它还可以应用于含有人眼作为图像传感器的视觉器件的改善。

在本发明的一个方面中，我们公开一个改善以人眼作为图像传感器的视觉器件。该视觉器件包括：1)一个光学图像模块，2)一个目镜模块，为在人眼位置附近的透镜或透镜组，该目镜模块或该光学图像模块对人眼的直径D₀在2.2mm和4.5mm之间的中央瞳孔引入球差。

在一个实施例中，该视觉器件为以下之一：虚拟现实(VR)器件、包括立体显微镜和手术显微镜的显微镜、包括单目或双目望远镜的望远镜、包括夜视镜和游戏镜的目镜。

在另一个实施例中，光学图像模块提供以下之一：a)一个近物体的显微视图；b)一个远物体的望远镜视图；c)一个电子显示器的视图。

在又一个实施例中，该目镜具有一个在光轴附近的小数值孔径内引入球差的中心非球面区域，并覆盖人眼瞳孔直径达4.5毫米。

在又一个实施例中，目镜的该中央非球面区域在引入的球差外还包括一个聚焦偏移量。

在一个实施例中，该目镜在中央具有非球面区域，用于引入的波前相位差，包括：a)在1.5mm至2.5mm直径D₀的中心区域，引入+1.0D和+2.5D之间的正聚焦光焦度；b)在中心区域一附加正球差；c)在中心部分外的外径在2.5mm和4.5mm之间的环形区域的负球差。

在又一个实施例中，如果该视觉装置使用人眼的瞳孔直径超过4.5mm，目镜进一步校正人眼在瞳孔周边的球差。

在一个实施方案中，该目镜将符号相反的球差引入观察者的眼，至少于中央瞳孔中，直径D₀介于3.0mm和4.5mm之间。

在另一个实施例中，通过把一个相位板添加到常规目镜来实现将球差引入至少在观察人眼的中央瞳孔。该目镜还能进一步为了不同程度近视或远视的人眼提供焦距调节；以及一个瞳孔跟踪装置，用以帮助目镜的光轴与人眼瞳孔中心的对准。

在又一个实施例中，该视觉器件进一步被与一个手术设备或一个头部固定装置集成。

在本发明的另一方面，我们公开一个目镜，它为与人眼靠得很近的一个透镜或一个透镜组，构造包括一个非球面用来至少在中央区直径在2.2毫米4.5毫米之间的光学区引入球差。在一个实施例中，如果该视觉装置使用人眼的瞳孔直径超过4.5mm，则该目镜进一步矫正在人眼瞳孔边缘的球差。

自从19世纪球差被发现以来，球差一直被认为是光学缺陷，会导致散光，彗差这样的成像模糊。但是我们在本发明中发现，与一些有害物质及药剂一样，当它们以受控的方式以足够小的量被送达人体中时，它们是有效的，该球差也可以被有意地、以受控制的方式通过透镜引入人眼的中央瞳孔，来治疗那些眼科透镜矫正未能矫正的屈光不正，包括散光、彗差、聚焦偏差、和老视，这些未被矫正的常见的屈光不正降低矫正的视觉质量，几乎涉及每个人眼，导致视力差、视觉畸变、和夜间症状。

当这些引入球差的透镜被放在人眼内或人眼上时，透镜可能偏离眼镜的视觉轴。我们对透镜偏心与光学质量进行了模拟，得出结论，透镜偏心在0.5毫米之内，对透镜性能的影响没有或者可以忽略不计。

我们也必须指出，在人眼瞳孔外围过量的球差仍能让夜视觉变差。在人眼瞳孔外围的球差可以像传统非球面透镜一样处理。我们的波前透镜(单焦、双焦、三焦，QACIF透镜)在中央非球区域之外的瞳孔边缘的有多种光学性质选择。这些波前透镜可以配置来包括：1)一个在中央非球面外围球面区域，2)一个在整个复曲面透镜上的复曲面，3)一个在中央非球面的外围的非球面，用于改变高屈光度透镜的球差或/和矫正正常人眼在瞳孔外围的一个平均球差。

发明详细参考了所公开的实施例，其一个或多个示例已经在附图中示出。每个示例都是通过解释现有技术而不是作为对现有技术的限制而提供的。事实上，本发明的特定实施例的说明书已有详细描述，但是应当理解，本领域技术人员在获得对前述内容的理解后，可以容易地想到对本发明的修改、变化、和等同的这些实施方案。例如，作为一个实施例的一部分或描述的特征，也可以与另一实施例一起使用，以产生更进一步的实施例。因此，本发明旨在涵盖所附权利要求及其等同范围内的修改和变化。本领域普通技术人员可以在不脱离本发明的情况下实施对本发明的这些和其他修改和变化，本发明的范围在所附权利要求中更具体地阐述。此外，本领域普通技术人员将理解上述描述仅作为示例，并不是旨在限制本发明。

Claims

1.一种用于人眼的波前单焦透镜，该单焦透镜可被设置为可植入或可穿戴透镜，其特征在于，包括：

a)一个基准屈光度，覆盖直径在5毫米和8毫米之间的光学区，用于球柱矫正；

b)至少一个非球面区，在所述单焦透镜的中央至少有一个直径介于2.5毫米和4.5毫米之间的非球面区，所述非球面区在人眼中央瞳孔引入球差，在透镜中央引入的球差(波前像差)用于治疗未能被所述球柱矫正的人眼里的剩余屈光不正，其中剩余的未能矫正的屈光不正包括散光、聚焦偏差、彗差和其他在人眼中央瞳孔内重要的高级像差。

2.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述剩余的未能矫正的屈光不正还包括老视，度数低于1个光焦度。

3.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述单焦透镜被设置成隐性接触镜、人工晶体、调节性人工晶体、可植入隐性眼镜或有晶体眼人工晶体。

4.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述中央非球面区，在球柱矫正之外，还包括一个附加的聚焦偏移，介于-0.75和+1.2光焦度之间。

5.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述中央非球面区引入的球差被表示为波前像差S_1*(ρ/r₀)⁴，其中的r₀＝0.5*D₀是中央非球面区的半径、在1.25毫米和2.25毫米之间，ρ是瞳孔面的极坐标半径，它的数值在0和r₀之间。

6.根据权利要求5所述的透镜，其特征在于，S₁为正且数值大于0.78*(D₀/3.5)⁴，或S₁为负且数值大于0.26*(D₀/3.5)⁴，从而让被矫正的人眼与波前单焦透镜合在一起后的球差量大于正常人眼球差的统计平均数的两倍。

7.根据权利要求4所述的透镜，其特征在于，在所述中央非球面区内引入的球差和聚焦偏移被表示为：

W(ρ，θ)＝S₁*(ρ/r₀)⁴–0.5*φ*ρ²,

其中的r₀＝0.5*D₀是中央非球面区的半径，ρ是瞳孔面的极坐标半径、它的数值在0和r₀之间，φ是聚焦偏移量，S₁为引入波前单焦透镜的总球差。

8.根据权利要求7所述的透镜，其特征在于，所述引入的聚焦偏移φ为负，且其数值小于0.75光焦度((φ>-0.75D)，在中央非球面区的总球差S₁为负，且其数值在-0.71微米和-7.51微米之间。

9.根据权利要求7所述的透镜，其特征在于，所述引入的聚焦偏移φ为正，且其数值小于0.75光焦度((φ<0.75D)，在中央非球面区的总球差S₁为正，且其数值在0.71微米和7.51微米之间。

10.根据权利要求5所述的透镜，其特征在于，所述中央非球面区还引入一个广义球差，其特征为多项ρⁿ之和，其中n为等于或大于3的整数。

11.根据权利要求4所述的透镜，其特征在于，所述单焦透镜被设置成波前单焦隐性接触镜，直径为9毫米到16毫米，所述非球面区为隐性接触镜的前表面或后表面。

12.根据权利要求11所述的透镜，其特征在于，所述聚焦偏移φ为正，其数值大于0并小于1.2光焦度，在直径介于2.5毫米和4.5毫米之间的所述中央非球面区，所述中央瞳孔中引入的球差介于0.31微米和7.51微米之间。

13.根据权利要求11所述的透镜，其特征在于，所述直径介于2.5毫米和4.5毫米之间的中央非球面区引入的所述球差为负且介于-0.31微米和-7.51微米之间，且所述聚焦偏移小于0.5光焦度。

14.根据权利要求12或13所述的透镜，其特征在于，所述S₁根据个体人眼测量出的球差来个体化确定。

15.根据权利要求11所述的透镜，其特征在于，还包括通过矫正来治疗人眼的高级像差，其中所述人眼的高级像差是除散光和聚焦偏差外的像差。

16.根据权利要求11所述的透镜，其特征在于，所述隐性接触镜被进一步设置为波前复曲面隐性接触镜。

17.根据权利要求16所述的透镜，其特征在于，所述隐性接触镜的所述后表面进一步被设置为在透镜外围的非球面状，用于防止透镜在眼上的转动。

18.根据权利要求4所述的透镜，其特征在于，所述单焦透镜被设置成波前单焦人工晶体，其直径介于5毫米和7毫米之间；所述非球面区为人工晶体的前表面或后表面。

19.根据权利要求18所述的透镜，其特征在于，所述聚焦偏移φ为负，且其数值大于0而且小于0.75光焦度，所述直径介于2.5毫米和4.5毫米的中央非球面区引入的球差介于-0.31微米和-7.51微米之间。

20.根据权利要求18所述的透镜，其特征在于，所述聚焦偏移φ为正，且其数值在+0.25和1.2光焦度之间，所述直径介于2.5毫米和4.5毫米的中央非球面区总球差介于0.31微米和7.51微米之间。

21.根据权利要求18所述的透镜，其特征在于，所述单焦透镜被设置成复曲面人工晶体。

22.根据权利要求18的透镜，其特征在于，所述人工晶体被设置成可调节的人工晶体。

23.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，还包括一个位于所述中央非球面区之外的非球面区，用于a)矫正正常人眼在瞳孔外围的球差,b)改变人眼在瞳孔外围的球差。

24.一个用于人眼的波前双焦透镜，被设置成可植入或可穿戴透镜，其特征在于，包括：

一个基准屈光度，覆盖直径介于5毫米和8毫米之间的光学区，用于球柱矫正；

一个正聚焦偏移φ₁，在中心区，直径小于2.5毫米和大于1.8毫米，该正聚焦偏移量小于+2.0光焦度大于+0.25光焦度；

至少两个中央非球面区，外径小于4.5毫米且大于2.5毫米，位于所述双焦透镜的中央，所述中央非球面区包括至少一个非球面，用于在第一区引入正球差、在第二区引入负球差，所述第一区和所述第二区同心。

25.根据权利要求24所述的透镜，其特征在于，所述第二区还具有小于1.5光焦度的正聚焦偏移。

26.根据权利要求24所述的透镜，其特征在于，所述双焦透镜被设置成隐性接触镜、人工晶体、调节性人工晶体、可植入隐性眼镜、可植入晶体或有晶体眼人工晶体。

27.根据权利要求24所述的透镜，其特征在于，所述引入的正球差和负球差被表示为在瞳孔上光程差(OPD)或波前相位差，

OPD(ρ)＝S₁*(ρ/r₀)⁴ 当ρ<＝r₀

＝(-S₂)*(ρ/r₁)⁴ 当r₀<r<＝r₁

其中ρ是瞳孔面的极坐标半径，S₁为正并测量在第一区的正球差，r₀＝0.5*D₀是第一区的半径，r₀大于0.87毫米且小于1.25毫米，(-S₂)为负并测量在第二区的负球差，r₁是第二区的外半径，r₁小于2.25毫米且大于1.25毫米。

28.根据权利要求27所述的透镜，其特征在于，所述中心区的最大正球差大于0.20微米且小于1.50微米。

29.根据权利要求27所述的透镜，其特征在于，在环形区的最大负球差的数值大于0.25微米和小于6微米。

30.根据权利要求27所述的透镜，其特征在于，所述非球面区还引入一个广义球差，其特征是为多项ρⁿ之和，其中n为等于或大于3的整数。

31.根据权利要求26所述的透镜，其特征在于，所述双焦隐性接触镜的直径在9毫米到16毫米之间，所述非球面为双焦隐性接触镜的前表面或后表面。

32.根据权利要求31所述的透镜，其特征在于，所述双焦隐性接触镜的后表面进一步被设置为在透镜外围的非球面状，当该透镜为复曲面双焦隐性接触镜时，用于防止透镜在眼上的转动。

33.根据权利要求26所述的透镜，其特征在于，所述双焦透镜被设置成波前双焦点人工晶体，其直径介于5毫米和7毫米之间；所述非球面为人工晶体的前表面或后表面。

34.根据权利要求33所述的透镜，其特征在于，所述人工晶体被设置成调节性人工晶体。

35.根据权利要求24所述的透镜，其特征在于，所述双焦透镜被设置为波前角膜镶嵌物，它被植入人眼的角膜内用于视觉矫正，所述非球表面为波前角膜镶嵌物的前表面或者后表面。

36.一种用于人眼的波前三焦透镜，被设置成可植入透镜或可穿戴透镜，其特征在于，包括：

一个正聚焦偏移φ₁，在中心区，直径小于2.1毫米且大于1.65毫米，该正聚焦偏移量小于+3.0光焦度且大于+1.0光焦度；

至少两个中央非球面区，位于所述三焦透镜的中央，外径小于4.5毫米大于2.5毫米，所述中央非球面区包括至少一个非球表面，用于在第一区引入正球差，在第二区引入负球差，所述第一区和第二区同心；

所述波前相位差来自引入的聚焦偏移φ₁和在中央非球面区引入的球差，产生一个三焦透镜：第一“远”焦点，第二“中”焦点有添加光焦度，和第三“近”焦点有添加光焦度，所述中心区的正聚焦偏移φ₁要小于三焦透镜的总焦度范围。

37.根据权利36的透镜，其特征在于，所述三焦透镜被设置成隐性接触镜、人工晶体、调节性人工晶体、可植入隐性眼镜、有晶体眼人工晶体或者角膜镶嵌物。

38.根据权利要求36所述的透镜，其特征在于，所述引入的正球差和负球差被表示为在瞳孔上光程差(OPD)或波前位相差，

OPD(ρ)＝S₁*(ρ/r₀)⁴ 当ρ<＝r₀

＝(-S₂)*(ρ/r₁)⁴ 当r₀<r<＝r₁

其中ρ是瞳孔面的极坐标半径，内半径r₀大于082毫米且小于1.1毫米，S₁为在所述中心区的最大正球差，外半径r₁大于1.20毫米且小于2毫米，(-S₂)为在所述环形区的的最大负球差。

39.根据权利要求38所述的透镜，其特征在于，在所述中心区的最大正球差大于0.3微米且小于2微米。

40.根据权利要求38所述的透镜，其特征在于，在所述环形区的最大负球差大于0.5微米和小于8.5微米。

41.根据权利要求38所述的透镜，其特征在于，所述非球面区还引入一个广义球差，其特征是为多项ρⁿ之和，其中n为等于或大于3的整数。

42.根据权利要求37所述的透镜，其特征在于，所述三焦透镜被设置成波前三焦隐性接触镜，直径为9毫米到16毫米，所述非球面为隐性接触镜的前表面或后表面。

43.根据权利要求42所述的透镜，其特征在于，所述三焦隐性接触镜的后表面进一步被设置为在透镜外围的非球面状，当该隐性接触镜为复曲面三焦隐性接触镜时，用于防止透镜在眼上的转动。

44.根据权利要求37所述的透镜，其特征在于，所述三焦透镜被设置成波前三焦点人工晶体，其直径介于5毫米和7毫米之间；所述非球面为人工晶体的前表面或后表面。

45.一种用于人眼的连续聚焦透镜，该透镜具有一个直径小于8毫米的光学区，包括提供连续焦点的多焦结构，用于在大于1.0光焦度的聚焦范围内进行视觉矫正，其特征在于，所述多焦结构具有多个焦点，它们之间彼此紧邻来提供基本上连续的焦点；所述多个焦点的实现是通过非球面在透镜直径小于4毫米的中央区引入球差，或者用衍射光学来产生同时的多个焦点。

46.根据权利要求45所述的透镜，其特征在于，所述透镜设置成准调节和连续聚集透镜，包括：

一个中心非球面区，含有一个正聚焦偏移φ₁和一个正球差S₁，所述正聚焦偏移量φ₁小于2.0光焦度且大于+0.75光焦度，所述正球差S₁的数值大于0.25微米且小于2.75微米，所述中心非球面区的半径小于2.75毫米且大于1.9毫米；

一个环形非球面区，在所述中心非球面区之外，具有一个负球差，所述环形非球面区的外径小于4.5毫米且大于2.5毫米；

由基准屈光度之外的波前相位差让透镜实现近似于连续聚焦，范围大于1光焦度小于2光焦度。

47.根据权利要求46所述的透镜，其特征在于，所述透镜被设置成隐性接触镜、人工晶体、调节人工晶体、可植入隐性眼镜或有人眼的人工晶体。

48.根据权利要求46所述的透镜，其特征在于，所述中心非球面区之外的环形非球面区，进一步设置有大于0光焦度且小于1.5光焦度的正聚焦偏移。

49.根据权利要求46所述的透镜，其特征在于，所述引入的正球差和负球差被表示为在瞳孔上光程差(OPD)或波前位相差，

OPD(ρ)＝S₁*(ρ/r₀)⁴ 当ρ<＝r₀

＝(-S₂)*(ρ/r₁)⁴ 当r₀<r<＝r₁

其中ρ是瞳孔面的极坐标半径，S₁为正并测量中心非球面区的正球差，r₀＝0.5*D₀是中心非球面区的半径、小于1.4毫米且大于0.9毫米，(-S₂)为负且测量在环形非球面区的负球差，r₁是环形非球面区的外半径，它小于2.25毫米且大于1.25毫米。

50.根据权利要求49所述的透镜，其特征在于，对于外径小于4.5毫米且大于2.5毫米的环形非球面区，其负球差(-S₂)的数值大于0.15微米和小于4.75微米。

51.根据权利要求49所述的透镜，其特征在于，在非球面区进一步设置引入一个广义球差，其特征是为多项ρⁿ之和，其中n为等于或大于3的整数。

52.根据权利要求47所述的透镜，其特征在于，所述隐性接触镜的直径介于直径9毫米到16毫米之间，所述非球面为隐性接触镜的前表面或后表面。

53.根据权利要求52所述的透镜，其特征在于，所述隐性接触镜的后表面进一步被设置为在透镜外围的非球面状，当该隐性接触镜为复曲面时，用于防止透镜在眼上的转动。

54.根据权利要求47所述的透镜，其特征在于，所述人工晶体直径介于5毫米和7毫米之间；所述非球面为人工晶体的前表面或后表面。

55.一种用于人眼的波前可植入隐性眼镜，其特征在于，包括：

一个安置部，用于把可植入隐性眼镜在人眼的前房固定于虹膜或者把可植入隐性眼镜固定在人眼的后房；

一个光学透镜部，包括i)一个基准屈光度，覆盖直径介于5毫米和8毫米之间的光学区，用于球柱矫正；ii)中央区，直径介于1.65毫米和2.5毫米之间，引入一个正球差加上一个正聚焦偏移φ₁，小于+3.0光焦度大于+0.5光焦度，iii)一个环形区，外径小于4.5毫米，引入一个负球差；

其中的基准屈光度之外的波前相位差让光学透镜实现如下之一i)一个准调节并且连续焦距的透镜，ii)一个波前双焦透镜，iii)一个波前三焦透镜。

56.根据权利要求55所述的波前可植入隐性眼镜，其特征在于，所述中央区和所述环形区是非球面，用于引入球差。

57.一种矫正人眼屈光的方法，其特征在于，包括的步骤为：

确定一只眼的用于远处视觉矫正的屈光不正，该屈光不正至少包括一个球镜度数SPH；

进行一个介于第一个聚焦度数φ₁和第二聚焦度数φ₂之间的扩展焦深屈光手术，目标球镜度数SPH被设置在第一个聚焦度数φ₁和第二聚焦度数φ₂之间，所以手术后人眼即使未来发展为近视，仍能够在远处距离保持良好视觉。

58.根据权利要求57所述的方法，其特征在于，该屈光手术涉及植入扩展焦深的波前ICL。

59.一种液体眼科透镜，其特征在于，包括一个液体透镜部，具有由前光学元件和后光学元件形成的软包，液体装在前后光学元件形成的软包内；

一个固体光学元件，浸泡在所述液体透镜部的液体内，被设置用来改变液体透镜的光折射性质；

一个安装装置，把所述固体光学元件和所述软包固定起来。

60.根据权利要求59所述的液体眼科透镜，其特征在于，所述透镜部被设置成可在标称屈光度的非调节状态和不同屈光度的调节状态之间变化，所述固体元件进一步有一个前表面和一个后表面，它的折射率(n₁)和所述液体不同(n₂)。

61.根据权利要求59所述的液体眼科透镜，其特征在于，被浸泡在所述液体透镜部的所述固体光学元件是光学球面透镜，被设置来改变合成液体透镜的球面屈光度。

62.根据权利要求59所述的液体眼科透镜，其特征在于，被浸泡在液体透镜部分的所述固体光学元件是光学复曲面透镜，被设置来对液体透镜添加柱镜屈光度。

63.根据权利要求59所述的液体眼科透镜，其特征在于，被浸泡在液体透镜部分的固体光学元件在液体透镜的外径在2.2毫米和4.5毫米之间的中央区引入球差和聚焦偏移，该引入的球差和聚焦偏移对液体眼科透镜剩下的未被矫正的散光和聚焦偏差有缓解功能。