CN115024859B - 一种具有平滑相位分布的多焦点人工晶状体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有平滑相位分布的多焦点人工晶状体，包括，透镜主体、支撑袢；其中透镜主体包括基础光学表面，其中基础光学表面包括第一光学表面、第二光学表面；所述第一光学表面或第二光学表面上设置有衍射轮廓，所述衍射轮廓包括若干个环形区，所述衍射轮廓满足平滑相位分布。通过上述技术方案，本发明可以得到的人工晶状体衍射效率高，在多个视距具有较高光学性能，满足多焦点人工晶状体的基本性能，同时表面轮廓连续平滑，有效降低光、杂散光等光学污染现象，加工难度也较低。
Description
技术领域
本发明涉及人工晶状体技术领域，特别涉及一种具有平滑相位分布的连续轮廓多焦点人工晶状体。
背景技术
为了寻求更加接近健康的天然晶状体的视觉效果，近年来，多焦点人工晶状体被相继研发上市，其主要结合利用了衍射和折射的光学原理，为患者提供两个及以上的可视距离。多焦点人工晶状体目前主要通过先设计一个基础光焦度的非球面人工晶状体提供折射焦点，再在其中一个表面上叠加衍射轮廓来提供附加衍射焦点，以此扩展视觉范围。目前常见的多焦点人工晶状体通常为双焦点或三焦点，三焦点人工晶状体在双焦点的基础上增加了一个中间视距来补充原有视觉范围的缺憾，满足患者看近、看中、看远的实例需求，同时由于衍射结构的存在，色差上也能得到一定的矫正。为了在非球面基底上实现衍射轮廓的叠加，切趾轮廓是一种实用的设计方法。
通过切趾轮廓实现双焦点后，还能进一步交替叠加两个不同光焦度的切趾轮廓得到三焦点人工晶状体。PhysIOL SA公司推出的FineVision Micro F系列多焦点人工晶状体，就是基于该思路设计轮廓，提供了良好的三焦点性能，但由于切趾轮廓的性质，导致性能受瞳孔孔径影响大；同时，由于切趾轮廓本身是以周期性圆环阶梯分布，存在轮廓上的断点，在理论设计上会存在一定的能量无法汇聚到设计衍射级次，产生“旁瓣”；不连续性也使得设计过程中对于性能的优化更加复杂，对于参数的调整计算量大。在加工上，容易由于加工精度或误差的原因，产生性能上的下降。平滑位相的衍射多焦点人工晶状体(专利CN108938144A)，使用了基于最佳三分束器的相位函数设计人工晶状体，提供了平滑连续的衍射结构，提高了衍射效率，简化了设计过程。但由于可调控参数少，且调节参数为三分束器核心参数，导致衍射效率无法维持在最高点，调控范围也受到了限制。
基于在设计和加工方面所遇到的问题，需要设计具有平滑相位分布的多焦点人工晶状体。这类人工晶状体不仅需要满足多焦点人工晶状体的基本性能，还需要具备轮廓连续平滑、衍射效率高、相位函数设计参数多，调控范围大等特性。
发明内容
为解决上述现有技术中所存在的问题，本发明提供一种具有平滑相位分布多焦点人工晶状体，能够通过多个参数调控相位函数，具有较大的调控范围和灵活度，能够快速设计目标性能比例的人工晶状体。
为了实现上述技术目的，本发明提供了如下技术方案：
一种具有平滑相位分布的多焦点人工晶状体，包括：
透镜主体、支撑袢；其中透镜主体包括基础光学表面，其中基础光学表面包括第一光学表面、第二光学表面；所述第一光学表面或第二光学表面上设置有衍射轮廓，其中所述衍射轮廓包括若干个环形区，其中所述衍射轮廓满足平滑相位分布，透镜主体采用双凸或凹凸结构。
可选的，所述设置有衍射轮廓的基础光学表面的总表面轮廓高度满足以下公式：
Ztotol＝Z(r)+h(r)
其中，Ztotol附加衍射轮廓的基础光学表面的总表面轮廓高度；Z(r)为偶次非球面的轮廓高度；h(r)为衍射轮廓高度；r为光轴向面上一点的径向距离。
可选的，所述基础光学表面均为偶次非球面，其中所述偶次非球面的轮廓高度函数满足以下公式：
式中：z(r)为偶次非球面在半径r方向上的曲线表达式，c为偶次非球面曲率半径的倒数，k为偶次非球面的圆锥系数，r为偶次非球面中心向面上一点的径向距离，αi为非球面高次项系数
可选的，所述衍射轮廓满足以下公式：
式中：h(r)为衍射轮廓(4)的表达式，λ为设计波长，n2为人工晶状体材料的折射率，n1人工晶状体周围介质的折射率，为衍射轮廓对应的相位函数。
可选的，所述相位函数满足以下公式：
式中：为衍射轮廓对应的相位函数；r为光轴向面上一点的径向距离；Po是在所述相位函数用于调控参数；tan-1是反正切函数；sin是正弦函数；α为正弦幅值调控参数；So是反正切函数的幅角调制参数；T是所述相位函数关于r2的周期。
可选的所述相位函数还包括使用余弦函数、抛物线、二次曲线函数或双曲线函数其中一种或这多种以实现平滑相位分布，在平滑相位分布基础上得到的衍射轮廓还包括进行分段或变迹处理。
可选的，所述透镜主体采用疏水性丙烯酸酯、亲水性丙烯酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯，其中所述透镜主体的设计波长为550nm。
可选的，所述透镜主体的厚度为0.6mm-1.2mm，所述透镜主体的直径为5-6mm，所述衍射轮廓的直径为4.5-6mm。
可选的所述人工晶状体的附加屈光度的范围为-2.5D～+2.5D,所述人工晶状体基础焦度的范围为+10D～+30D。
本发明具有如下技术效果：
1.本发明提供了一种具有平滑相位分布的多焦点人工晶状体，使用连续的周期函数代替传统的非连续函数来设计相位函数。该函数由多个参数调控，降低优化设计难度，具有较大的调控范围和灵活度，能够设计不同性能倾向的人工晶状体。
2.本发明将设计的平滑衍射轮廓叠加在基础光学透镜上，能在提供基础光焦度的前提下，将光束汇聚到额外的两个焦点位置；能够有效降低光、杂散光等光学污染现象，同时提高焦点处的能量效率，稳定在90％以上；提升MTF测量数值，进一步改善植入后的成像质量。
3.本发明所述多焦点人工晶状体轮廓连续且平滑，降低了加工过程中易造成误差的问题，减小了理论设计性能与实际性能的差距。
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为本发明实施例提供的具有平滑相位分布的多焦点人工晶状体示意图；
图2为本发明实施例提供的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3为本发明实施例提供的相位函数曲线图；
图4为本发明实施例提供的轴向PSF曲线图；
图5为本发明实施例提供的焦面MTF曲线图；
图6为本发明实施例提供的离焦MTF曲线图；
其中，1-透镜主体、2-前光学表面、3-后光学表面、4-衍射轮廓、5-支撑袢、6-低衍射级、7-中衍射级、8-高衍射级、9-近焦点、10-中间焦点、11-远焦点。
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。
针对背景技术中提到的问题，本发明提供了一种具有平滑相位分布多焦点人工晶状体的设计和优化方法。在使用平滑相位函数的基础上，设计衍射轮廓，叠加最佳非球面透镜主体，得到多焦点人工晶状体。所用相位函数由多个参数调控，具有较大的调控范围和灵活度，能够快速设计目标性能比例的人工晶状体。所得到设计结果降低了后续加工的难度，减少了由于加工导致结构变化所带来的性能下降；减小了光学负面现象，如眩光、杂散光等；提高了植入人工晶体眼的光学性能，改善了患者术后视觉质量。
为了实现上述内容，本发明提供了以下技术方案：
一种具有平滑相位分布的多焦点人工晶状体，如图1所示，所述人工晶状体包括一个透明透镜主体1，所述透明透镜主体1包括两个基础光学表面及至少两个与该有效光学部连接的支撑袢5所述基础光学表面分别为前光学表面2和后光学表面3，所述基础光学表面中的其中任意一个基础光学表面包括附加一个衍射轮廓4。所述衍射轮廓4包括多个环形区。所述透明透镜主体1提供折射焦点，如图2所示，所述附加衍射轮廓4提供三个连续衍射级包括低衍射级6、中衍射级7和高衍射级8，其中：
所述高衍射级8与用于近视觉的近焦点9相对应，所述中衍射级7与中间焦点10相对应，所述低衍射级6与用于远视觉的远焦点11相对应。
所述基础光学表面均为偶次非球面，所述偶次非球面的轮廓高度函数在径向坐标系下满足以下表达式：
式中：z(r)为偶次非球面在半径r方向上的曲线表达式,c为偶次非球面曲率半径的倒数,k为偶次非球面的圆锥系数,r为偶次非球面中心向面上一点的径向距离,αi为非球面高次项系数。
所述衍射轮廓(4)满足以下表达式：
式中：h(r)为衍射轮廓4的表达式，λ为设计波长，n2为人工晶状体材料的折射率，n1人工晶状体周围介质的折射率，为衍射轮廓4对应的相位函数。
所述衍射轮廓对应的相位函数满足以下表达式：
式中：为衍射轮廓4对应的相位函数；r为光轴向面上一点的径向距离；Po是在所述相位函数用于调控参数；tan-1是反正切函数；sin是正弦函数；α为正弦幅值调控参数；So是反正切函数的幅角调制参数，单位为mm2；T是所述相位函数关于r2的周期，单位为mm2。
优选的，附加衍射轮廓的偶次非球面的总表面轮廓，满足以下表达式：
Ztotol＝Z(r)+h(r)；
式中：Ztotol附加衍射轮廓的偶次非球面的总表面轮廓高度；Z(r)为偶次非球面的轮廓高度；h(r)为衍射轮廓高度；r为光轴向面上一点的径向距离。
优选的，相位函数中的参数Po是范围在0.7至1.3之间的恒定常数，参数So是范围在0至T之间的恒定常数，参数Co是范围在-0.3至0.3之间的恒定常数，α是范围在2.65至2.66之间的恒定常数，T由所设计的附加光焦度决定。
一些实施例中，相位函数中的正弦函数可以替换为余弦函数、抛物线、二次曲线、双曲线等连续平滑函数，或者将这些函数任意拼接组合。
一些实施例中，所述人工晶状体的材料可以为疏水性丙烯酸酯、亲水性丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯等材料，所述材料折射率在1.46-1.55之间。所述人工晶状体的设计波长为550nm。
一些实施例中，所述光学主体厚度为0.8mm-1.2mm，所述光学主体直径为6mm，所述衍射轮廓4直径为5mm。
一些实施例中，所述的平滑相位分布的多焦点人工晶状体，其特征在于，所述人工晶状体的附加屈光度的范围是：-2.5D～+2.5D,基础焦度的范围是+10D～+30D。
一些实施例中，所述最终设计结果的衍射轮廓4，在所述连续衍射级上的总衍射效率大于90％。
本发明提出一种具有平滑相位分布的多焦点人工晶状体，通过以下实施例从提出设计要求参数开始到给出最终设计结果的过程进行描述：
如图1所示，连续相位分布的多焦点人工晶状体的侧视图，为表现其衍射轮廓特征，对轮廓矢高进行了倍率放大。附加衍射轮廓4后人工晶状体对入射光束产生衍射效应，实现三焦点汇聚，对应示意图如图2所示。其附加的衍射轮廓4对应的相位函数如图3所示。
人工晶状体的材料选择折射率为1.462的PMMA材料，与有效光学部连接的支撑袢5材料相同，人工晶状体的设计波长为550nm，衍射轮廓4叠加在后光学表面3。
设计多焦点人工晶状体的基础光焦度为+20D、附加光焦度-1.5D、+1.5D。
在光学设计软件Zemax中优化得到对应基础光焦度为+20D的所述偶次非球面透镜主体1。优化得到的偶次非球面透镜为直径为6mm，有效光学区为5mm，中心厚度为0.9mm的双凸透镜。其中，前光学表面2的曲率半径为12.530mm，K＝16.446，后光学表面3的曲率半径为-12.592mm，K＝0。
所述多焦点人工晶状体设计的各焦点位置性能之比设定为0.5：0.2：0.3(远：中：近)，将设定比及相位函数代入全局优化算法，迭代计算，得到的设计结果为Po＝1.1910,So＝0.3906,Co＝-0.0948。参数组合代入相位函数后的函数曲线如图4所示。
对所述设计衍射轮廓结果进行轴向PSF计算验证其性能，模拟计算衍射轮廓4在半径尺寸为3mm时的结果如图4所示，实际附加光焦度为±1.5D，三个设计焦点距离的PSF之和大于0.9。
输入上述优化得到的参数Po、So、Co结果及附加光焦度等参数，得到一个平滑相位分布的多焦点人工晶状体。
进一步研究并分析所设计多焦点人工晶状体的性能，具体如下：
根据所设计的焦点距离及性能比例，绘制远8、中9、近10三个焦面的MTF曲线。如图5所示，所设计多焦点人工晶状体在3mm瞳孔孔径的情况下，三个焦面的MTF曲线均较为平缓，无零点产生，50lp/mm处的MTF模拟值分别为0.399、0.165、0.244(远、中、近)。计算可得最终设计结果焦点性能比例为0.494：0.204：0.302(远：中：近)，与所设计目标性能比例想接近，且总体性能较为优秀。再将所设计多焦点人工晶状体放入人工晶状体处于ISO-11979模拟测量模型中中进行离焦分析，模拟绘制其离焦曲线，结果如图6所示，可以看到该人工晶状体体现出良好的三焦点性能特点，具有较大焦深且MTF值与在眼模型中的比例情况近似，且数值上有所提升，符合植入后提供多个距离良好视觉的设计要求。
本发明提供设计的具有平滑相位分布的多焦点人工晶状体，通过使用平滑连续的相位函数设计衍射轮廓，在提供三焦点性能的基础上，提供了更加优秀的能量汇聚效率、较大的可设计范围及低设计难度。除此之外，根据平滑相位分布设计的多焦点人工晶状体相较于传统的切趾轮廓，加工难度低，不易因加工问题造成性能的下降，有利于减小加工成本，保证最终成品的性能。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种具有平滑相位分布的多焦点人工晶状体，其特征在于，包括：
透镜主体、支撑袢；
其中透镜主体包括基础光学表面，其中基础光学表面包括第一光学表面、第二光学表面；透镜主体采用双凸或凹凸结构；所述第一光学表面或第二光学表面上设置有衍射轮廓，其中所述衍射轮廓包括若干个环形区，其中所述衍射轮廓满足平滑相位分布；
所述衍射轮廓满足以下公式：
式中：h(r)为衍射轮廓的表达式，λ为设计波长，n2为人工晶状体材料的折射率，n1人工晶状体周围介质的折射率，为衍射轮廓对应的相位函数；
所述相位函数满足以下公式：
式中：为衍射轮廓对应的相位函数；r为光轴向面上一点的径向距离；Po是在所述相位函数用于调控参数；tan-1是反正切函数；sin是正弦函数；α为正弦幅值调控参数；So是反正切函数的幅角调控参数；Co是所述相位函数用于焦面间性能比例的调控参数；T是所述相位函数关于r2的周期。
2.根据权利要求1所述具有平滑相位分布的多焦点人工晶状体，其特征在于：
所述设置有衍射轮廓的基础光学表面的总表面轮廓高度满足以下公式：
Ztotol＝Z(r)+h(r)
其中，Ztotol附加衍射轮廓的基础光学表面的总表面轮廓高度；Z(r)为偶次非球面的轮廓高度；h(r)为衍射轮廓高度；r为光轴向面上一点的径向距离。
3.根据权利要求2所述具有平滑相位分布的多焦点人工晶状体，其特征在于：
所述基础光学表面均为偶次非球面，其中所述偶次非球面的轮廓高度函数满足以下公式：
式中：z(r)为偶次非球面在半径r方向上的曲线表达式，c为偶次非球面曲率半径的倒数，k为偶次非球面的圆锥系数，r为偶次非球面中心向面上一点的径向距离，αi为非球面高次项系数。
4.根据权利要求1所述具有平滑相位分布的多焦点人工晶状体，其特征在于：
所述相位函数还包括使用余弦函数、抛物线、二次曲线函数或双曲线函数其中一种或这多种以实现平滑相位分布，在平滑相位分布基础上得到的衍射轮廓还包括进行分段或变迹处理。
5.根据权利要求1所述具有平滑相位分布的多焦点人工晶状体，其特征在于：
所述透镜主体采用疏水性丙烯酸酯、亲水性丙烯酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯。
6.根据权利要求1所述具有平滑相位分布的多焦点人工晶状体，其特征在于：
所述透镜主体的厚度为0.6mm-1.2mm，所述透镜主体的直径为5-6mm，所述衍射轮廓的直径为4.5-6mm。
7.根据权利要求1所述具有平滑相位分布的多焦点人工晶状体，其特征在于：
所述人工晶状体的附加屈光度的范围为-2.5D～+2.5D,所述人工晶状体基础焦度的范围为+10D～+30D。
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