CN114326149A - 一种眼镜片结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种眼镜片结构及其设计方法，镜片结构设计方法包括：S1、获取平面波经过人眼后产生的波前像差，并将其定义为矫正波前W_correct；S2、根据人眼角膜或眼轴的状态，构建用于令人眼主动调节角膜和眼轴的治疗波前W_heal；S3、将W_correct与W_heal叠加形成调制波前W_glass；S4、设计相应的解析表达式拟合波前W_glass；S5、对W_glass进行分解，分为经过前表面的变量W_fl和经过后表面的变量W_bl，即W_glass＝W_fl+W_bl；S6、计算经过前表面的变量W_fl的曲率w_fl和经过后表面的变量W_bl的曲率w_bl；S7、依据S6的结果计算眼镜片的屈光度P和镜片参数。本发明的镜片能够产生除了矫正视力的波前外，还能够产生抑制眼镜屈光度发展的治疗波前，从而预防眼睛近视恶化的趋势。

Description

一种眼镜片结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及镜片技术领域，具体为一种眼镜片结构及其设计方法。

背景技术

正常视力的眼睛看到的物体成像正好落在视网膜上，近视眼看到的物体成像落在视网膜前方，远视眼看到的物体成像落在视网膜后方。从成像本质而言，将人眼看做光学系统，则不同视力是指对平面波前的调制能力不同。

人的视网膜为弧面，因此对中心区域的矫正和周边区域的矫正不同，例如，采用凹镜片矫正近视时，凹镜片周边区域矫正要小于中心区域的矫正。但因配镜精度原因和佩戴原因，周边区域矫正后的物体成像往往会落在视网膜后方，而这将刺激眼轴增长，进一步加深近视度数，尤其在发育期的儿童，这一现象更易发生。

为了更加迎合近视人群对眼镜的需求，目前所用的技术主要聚焦在三个方面：一是佩戴角膜塑形镜，通过睡眠时眼睑的压迫来进一步促进塑形效果，角膜塑形镜是一种硬性高透氧隐形眼镜，通过改变角膜的几何形态来消除眼睛屈光不正，并能提高裸眼视力的一种非手术方法，其主要机制是通过物理方法，改变角膜形状，从而调节眼轴，改善屈光度，然而角膜塑形镜佩戴困难，并且佩戴要求严苛，容易加重病变；二是构建多焦(离焦)镜片，屈光度从在子区域不同，改善眼轴增长趋势，即在镜片周边区域设置光学元件，使经过周边区域光学元件所成的像落在视网膜前，以抑制眼轴的拉长，抑制或减缓近视发展,如专利CN113608362A，CN103097940B，CN104678752B，CN113406812A等，这种方法均需要在眼镜片上构建微结构，这类预防近视的镜片结构复杂，加工制造过程困难，生产成本较高；三是使用渐进镜，渐进式镜片是在双焦距镜片的基础上发展而来的。结合人眼使用时在观察远/近物体的习惯，在上下焦距之间移动视线也是渐进式的，在不同区域具有不同的屈光度，也没有在不同焦距之间明显的分界线，然而缺点是渐进片两边存在不同程度的干扰区，会使周边视野产生泳动感，并且该途径仅仅从人眼使用习惯上抑制病变，并没有治疗效果。

从现有技术上看，亟需一种眼镜片及其设计方法，该镜片形状易于制造，并且在矫正视力的同时抑制人眼病变发展，达到治疗的效果。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种眼镜片结构及其设计方法，使得镜片形状易于制造，并且在矫正视力的同时抑制人眼病变发展，达到治疗的效果。

为了解决上述技术问题，本申请的技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种眼镜片结构，包括前表面和后表面，所述前表面和后表面中至少一个面的面型结构采用自由曲面，平面波前通过所述前表面和后表面后形成波前W_glass，所述波前W_glass包括用于矫正人眼波前像差的矫正波前W_correct和用于改善人眼屈光度的治疗波前W_heal。

该镜片能够产生除了矫正视力的波前外，还能够产生抑制眼镜屈光度发展的治疗波前，从而预防眼睛近视恶化的趋势。

优选地，所述治疗波前Wheal为包含像差的自由曲面波前。

优选地，所述波前W_glass在笛卡尔坐标系下的拟合表达式为：

其中c_x和c_y分别是波前曲面顶点沿着X轴和Y轴的曲率，k_x和k_y波前曲面沿着X轴和Y轴的圆锥系数，A_ij为xⁱy^j项的系数(i,j＝0,1,2,…)。

x,y分别为拟合曲面上点到光轴的距离坐标。

优选地，所述其中一个面的面型结构采用自由曲面，另一个面的面型结构采用旋转对称表面。

第二方面，本发明提供了一种眼镜片结构设计方法，所述设计方法包括如下步骤：

S1、获取平面波经过人眼后产生的波前像差，并将其定义为矫正波前W_correct；

S2、根据人眼角膜或眼轴的状态，构建用于令人眼主动调节角膜和眼轴的治疗波前W_heal；

S3、将W_correct与W_heal叠加形成调制波前W_glass；

S4、设计相应的解析表达式拟合波前W_glass；

S4、对W_glass进行分解，分为经过前表面的变量W_fl和经过后表面的变量W_bl，即W_glass＝W_fl+W_bl；

S5、计算经过前表面的变量W_fl的曲率w_fl和经过后表面的变量W_bl的曲率w_bl；

S6、依据S5的结果计算眼镜片的屈光度P和镜片参数。

优选地，所述S1包括利用人眼验光装置测量波前像差。

优选地，所述S4中，拟合波前W_glass的解析表达式为

其中

是Zernike多项式的第i项表达式，A_i是第i项的系数，ρ是波前像差极坐标下的归一化半径，

是波前像差极坐标下的角坐标，

与笛卡尔坐标(x,y)的变换关系为

其中R_w为眼镜片的半口径，故ρ的取值范围是[0,1]，

的取值范围是[–π，π]。

优选地，在所述S5中，前表面为非球面，其波前变量是旋转对称的，将W_glass进一步分解为旋转对称的分量W_r与非旋转对称分量W_n，则有

W_glass(x,y)＝W_r(x,y)+W_n(x,y)

W_fl(x,y)＝(1-σ)W_r(x,y),W_bl(x,y)＝σW_r(x,y)+W_n(x,y)

将屈光度分配给前表面和后表面曲率分布，其中σ是权重系数，0≤σ≤1，取σ＝0，则

W_fl(x,y)＝W_r(x,y),W_bl(x,y)＝W_n(x,y)

眼镜片的屈光度P＝w_glass，w_glass为波前W_glass的曲率。

优选地，在所述S6中，眼镜片屈光度与眼镜前表面和后表面的曲率关系为

其中，k_b(x,y)是后表面(x,y)处的曲率，k_f(x,y)是前表面(x,y)处的曲率，d是眼镜片的厚度，n是眼镜片的折射率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的镜片前表面和后表面中至少一个面的面型结构采用自由曲面，并且平面波前通过所述前表面和后表面后形成波前W_glass，所述波前W_glass包括用于矫正人眼波前像差的矫正波前W_correct和抑制人眼病变发展的治疗波前W_heal，由此本发明的镜片能够产生除了矫正视力的波前外，还能够产生抑制眼镜屈光度发展的治疗波前，从而预防眼睛近视恶化的趋势。

本发明的眼镜片结构设计方法通过测得的人眼波前像差以及根据人眼角膜或眼轴的状态构建的治疗波前进行叠加形成调制波前W_glass，并设计相应的解析表达式拟合波前W_glass；按照前表面和后表面的面型特征对调制波前W_glass进行分解，并依据光线追迹原理计算眼镜片法矢与表面坐标值，从而获得眼镜片的形状。

附图说明

图1为本发明一种眼镜片结构设计方法的流程图；

图2为本发明一种眼镜片结构中平面波前经过眼镜片的波形变化示意图；

图3为本发明一种眼镜片结构中矫正波前和治疗波前经过眼镜片和人眼后的成像示意图；

图4为本发明一种眼镜片结构中平面波前经过前表面和后表面的波形变化示意图。

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。

本发明提供的第一种实施例，一种眼镜片结构，包括前表面和后表面，所述前表面和后表面中至少一个面的面型结构采用自由曲面，平面波前通过所述前表面和后表面后形成波前W_glass，所述波前W_glass包括用于矫正人眼波前像差的矫正波前W_correct和抑制人眼病变发展的治疗波前W_heal。

该镜片能够产生除了矫正视力的波前外，还能够产生抑制眼镜屈光度发展的治疗波前，从而预防眼睛近视恶化的趋势。

优选地，所述波前W_glass在笛卡尔坐标系下的拟合表达式为：

其中，c_x和c_y分别是波前曲面顶点沿着X轴和Y轴的曲率，k_x和k_y波前曲面沿着X轴和Y轴的圆锥系数，x和y为笛卡尔的坐标，m和n取整数，A_ij为xⁱy^j项的系数(i,j＝0,1,2,…)。

x,y分别为拟合曲面上点到光轴的距离坐标。

其表达式包括但不限于XY多项式，Zernike多项式，高斯径向基函数，NURB曲面等方式。波前W_glass采用Zernike多项式在笛卡尔坐标系下的表达式为

其中，c_x和c_y分别是波前曲面顶点沿着X轴和Y轴的曲率，k_x和k_y波前曲面沿着X轴和Y轴的圆锥系数，A_i为Zernike多项式第i项的系数(i,j＝0,1,2,…)，而

为Zernike多项式的第i项的表达式。ρ是波前像差极坐标下的归一化半径，

是波前像差极坐标下的角坐标，

与笛卡尔坐标(x,y)的变换关系为

其中R_w为眼镜片的半口径，故ρ的取值范围是[0,1]，

的取值范围是[–π，π]。

优选地，所述其中一个面的面型结构采用自由曲面，另一个面的面型结构采用旋转对称表面。

如图1所示，为第一种实施例下眼镜片结构设计方法的流程图，所述设计方法包括如下步骤：

S1、获取平面波经过人眼后产生的波前像差(利用人眼验光装置等用于测量人眼屈光度或波前相差的装置获得人眼所需要的矫正的波前相差，从而反向补偿至理想物面发出的平面波)，并将其定义为矫正波前W_correct；

S2、根据人眼角膜或眼轴的状态，构建用于令人眼主动调节角膜和眼轴的治疗波前W_heal；

S3、将W_correct与W_heal叠加形成调制波前W_glass；

S4、设计相应的解析表达式拟合波前W_glass；

S4、对W_glass进行分解，分为经过前表面的变量W_fl和经过后表面的变量W_bl，即W_glass＝W_fl+W_bl；

S5、计算经过前表面的变量W_fl的曲率w_fl和经过后表面的变量W_bl的曲率w_bl；

S6、依据S5的结果计算眼镜片的屈光度P和镜片参数。

其中，眼镜片的屈光度P(包括球镜度和柱镜度的配方)与波前W_glass具有关联性，即

P＝w_glass

其中，w_glass为W_glass的曲率，对于眼镜片的屈光度而言，其球镜度S＝(k_max+k_min)/2时，其柱镜度C＝|k_max–k_min|，其中k_max和k_min是W_glass的主曲率，主曲率的定义为：过曲面上某个点上的无穷个正交曲率中，存在一条曲线使得该曲线的曲率为极大，这个曲率为极大值k_max，垂直于极大曲率面的曲率为极小值k_min。

计算W_glass在笛卡尔坐标系下的球镜度k_S和柱镜度k_C，即

k_C＝|k_max-k_min|

此时，获得设计的眼镜片在笛卡尔坐标系下的坐标(x,y)的球屈光度S(x,y)和柱屈光度C(x,y)，屈光度可由波前在笛卡尔坐标系下的坐标(x,y)的曲率k_L(x,y)表示，即

S(x,y)＝k_S(x,y)，C(x,y)＝k_C(x,y)

通过这样的分布可以获得眼镜片的模型。

步骤S4还包括根据光线追迹原理，镜片表面引起的波前该变量的斜率为入射光与出射光的夹角，当光轴沿着直角坐标系的Z轴方向时，有

其中α_x和α_y分别是入射光线从空气进入眼镜片前表面前后入射光线与出射光线与X轴方向和Y轴方向的夹角，而β_x和β_y分别是入射光线从眼镜片从眼镜片中射出后表面前后的入射光线与出射光线与X轴方向和Y轴方向的夹角。通过计算tanα_x和tanα_y，可以获得光线偏折的角度，从而确定眼镜片法矢与表面坐标值，从而获得眼镜片的表面形状表达式方程。

步骤S6中计算眼镜片屈光度分布，对于眼镜片而言，眼镜片屈光度与眼镜前后表面的曲率关系为

其中，k_b(x,y)是后表面(x,y)处的曲率，k_f(x,y)是前表面(x,y)处的曲率，d是眼镜片的厚度，n是眼镜片的折射率。按照这样的方式，配置满足方程的k_f(x,y)，k_b(x,y)，d，n，即可获得眼镜的形状。

可先选定眼镜材质，则折射率n确定，此时，根据需要可以将眼镜设置为薄透镜(即d<<1)，这时，屈光度与眼镜片前后表面曲率的关系为

P(x,y)＝(n-1)[k_f(x,y)-k_b(x,y)]＝(n-1)Δk

计算k_f(x,y)和k_b(x,y)，满足上述表达式即可完成眼镜屈光度的矫正配方设计。

优选地，所述S1包括利用人眼验光装置测量波前像差，从而获得人眼所需要的矫正的波前像差，从而反向补偿至理想物面发出的平面波，形成矫正波前W_correct。

优选地，在所述S5中，前表面为非球面，其波前变量是旋转对称的，将W_glass进一步分解为旋转对称的分量W_r与非旋转对称分量W_n，则有

W_glass(x,y)＝W_r(x,y)+W_n(x,y)

W_fl(x,y)＝(1-σ)W_r(x,y),W_bl(x,y)＝σW_r(x,y)+W_n(x,y)

将屈光度分配给前表面和后表面曲率分布，其中σ是权重系数，0≤σ≤1，取σ＝0，则

W_fl(x,y)＝W_r(x,y),W_bl(x,y)＝W_n(x,y)

眼镜片的屈光度P＝w_glass，w_glass为波前W_glass的曲率。

如图2所示，对于该眼镜片而言平面波前W₀＝0通过该眼镜片后的波前为W_glass，而W_glass由两部分组成，视为是两个波前的叠加，一部分与人眼的波前像差一致，该波前可以用于矫正人眼的波前像差，记为W_correct，一部分经过人眼后，会诱发角膜进行调整，从而改善人眼的屈光度，被称为治疗波前W_heal。

如图3所示，W_correct经过人眼后将会在人眼视网膜上形成球面波聚焦在人眼视网膜，图3(b)所示，波前W_heal经过人眼后在人眼视网膜并不形成球面波，而是一个自由曲面波前，该自由曲面波前包含复杂像差，其治疗机制是，人眼视网膜接收到W_heal后，会进行主动调节，向恢复正常方向发展，从而达到治疗近视的效果。W_heal经过人眼后，会在虚拟视网膜这个面成一个具有一定微弱像差的聚焦像，那么W_heal可以表征为人眼视网膜的波前相差中提取出离焦分量与一个微弱的高阶像散的叠加。具体可表征为：

人眼的波前相差即W_correct，提取其中的球差分量W_sc，高阶像散W_hc可根据Zernike表达式中的第5项至第8项表示，但考虑到该部分不能影响正常成像，因此其强度应小于W_correct至少10倍，其值可根据人眼调节强度与治疗策略选择。

因此W_heal的计算公式：

W_heal＝p₁W_sc+p₂W_hc

其中p₁和p₂是强度系数，且p₂<<p₁<<1。

优选的，p₂的范围为0.0005～0.001，p1的范围是0.005至0.02，通常来讲，该范围下，调节效果最佳。

如图4所示，W_glass是平面波W₀＝0经过眼镜片的前后表面后所获得的波前，也就是总的波前该变量是W_glass，该波前该变量除了可分解为矫正波前W_correct与治疗波前W_heal的叠加以外，还应分解为眼镜片前表面的波前该变量W_fl和和眼镜片后表面的波前该变量W_bl。

综上，本发明的镜片前表面和后表面中至少一个面的面型结构采用自由曲面，并且平面波前通过所述前表面和后表面后形成波前W_glass，所述波前W_glass包括用于矫正人眼波前像差的矫正波前W_correct和抑制人眼病变发展的治疗波前W_heal，由此本发明的镜片能够产生除了矫正视力的波前外，还能够产生抑制眼镜屈光度发展的治疗波前，从而预防眼睛近视恶化的趋势。

本发明的眼镜片结构设计方法通过测得的人眼波前像差以及根据人眼角膜或眼轴的状态构建的治疗波前进行叠加形成调制波前W_glass，并设计相应的解析表达式拟合波前W_glass；按照前表面和后表面的面型特征对调制波前W_glass进行分解，并依据光线追迹原理计算眼镜片法矢与表面坐标值，从而获得眼镜片的形状，使镜片形状易于制造。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (9)

1.一种眼镜片结构，包括前表面和后表面，其特征在于，所述前表面和后表面中至少一个面的面型结构采用自由曲面，平面波前通过所述前表面和后表面后形成波前W_glass，所述波前W_glass包括用于矫正人眼波前像差的矫正波前W_correct和用于改善人眼屈光度的治疗波前W_heal。

2.根据权利要求1所述的眼镜片结构，其特征在于，所述治疗波前W_heal为包含像差的自由曲面波前。

3.根据权利要求2所述的眼镜片结构，其特征在于，所述波前W_glass在笛卡尔坐标系下的拟合表达式为：

其中c_x和c_y分别是波前曲面顶点沿着X轴和Y轴的曲率，k_x和k_y波前曲面沿着X轴和Y轴的圆锥系数，A_ij为xⁱy^j项的系数(i,j＝0,1,2,…)。x,y分别为拟合曲面上点到光轴的距离坐标。

4.根据权利要求3所述的眼镜片结构，其特征在于，所述其中一个面的面型结构采用自由曲面，另一个面的面型结构采用旋转对称表面。

5.一种眼镜片结构设计方法，其特征在于，所述设计方法包括如下步骤：

S1、获取平面波经过人眼后产生的波前像差，并将其定义为矫正波前W_correct；

S2、根据人眼角膜或眼轴的状态，构建用于令人眼主动调节角膜和眼轴的治疗波前W_heal；

S3、将W_correct与W_heal叠加形成调制波前W_glass；

S4、设计相应的解析表达式拟合波前W_glass；

S5、对W_glass进行分解，分为经过前表面的变量W_fl和经过后表面的变量W_bl，即W_glass＝W_fl+W_bl；

S6、计算经过前表面的变量W_fl的曲率w_fl和经过后表面的变量W_bl的曲率w_bl；

S7、依据S6的结果计算眼镜片的屈光度P和镜片参数。

6.根据权利要求5所述的眼镜片结构设计方法，其特征在于，所述S1包括利用人眼验光装置测量波前像差。

7.根据权利要求6所述的眼镜片结构设计方法，其特征在于，所述S4中，拟合波前W_glass的解析表达式为

其中

是Zernike多项式的第i项表达式，A_i是第i项的系数，ρ是波前像差极坐标下的归一化半径，

是波前像差极坐标下的角坐标，

与笛卡尔坐标(x,y)的变换关系为

其中R_w为眼镜片的半口径，故ρ的取值范围是[0,1]，

的取值范围是[–π，π]。

8.根据权利要求7所述的眼镜片结构设计方法，其特征在于，在所述S6中，前表面为非球面，其波前变量是旋转对称的，将W_glass进一步分解为旋转对称的分量W_r与非旋转对称分量W_n，则有

W_glass(x,y)＝W_r(x,y)+W_n(x,y)

W_fl(x,y)＝(1-σ)W_r(x,y),W_bl(x,y)＝σW_r(x,y)+W_n(x,y)

将屈光度分配给前表面和后表面曲率分布，其中σ是权重系数，0≤σ≤1，取σ＝0，则

W_fl(x,y)＝W_r(x,y),W_bl(x,y)＝W_n(x,y)

眼镜片的屈光度P＝w_glass，w_glass为波前W_glass的曲率。

9.根据权利要求8所述的眼镜片结构设计方法，其特征在于，在所述S7中，眼镜片屈光度与眼镜前表面和后表面的曲率关系为

其中，k_b(x,y)是后表面(x,y)处的曲率，k_f(x,y)是前表面(x,y)处的曲率，d是眼镜片的厚度，n是眼镜片的折射率。

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