CN116688370B - 一种基于光波能量控制的激光近视治疗光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及近视治疗用光学系统技术领域，具体涉及一种基于光波能量控制的激光近视治疗光学系统，包括沿光路投射方向依次设置的聚光镜组及投射镜组，用于将发射光源折射呈均匀平行光，并满足：0.097≤1/m≤0.148，0.8≤TOTR/EFFL≤1.1，3.05≤EFFL/φ≤3.42，其中，m为放大倍率；TOTR为光学总长；EFFL为有效焦距；φ为入瞳直径；本发明通过增加用于实现激光近视治疗的光学系统来优化激光，保持功率不变，改变光束中心强度最大的高斯光束，使光线经过光学系统后均匀化，进而实现入瞳能量分布均匀，没有功率很高的突出点，辐照度降低，不会出现光聚焦的风险；同时治疗面积充分，由于扩大了作用于脉络膜的面积从而使得疗效大幅提高。
Description
技术领域
本发明涉及近视治疗用光学系统技术领域，特别涉及一种基于光波能量控制的激光近视治疗光学系统。
背景技术
随着电子产品的普及，学生学习压力的增加，以及存在的各种光污染，导致青少年近视也愈发普遍。随着时代的进步、社会活动的信息化和虚拟技术的不断普及应用，人类对视觉的依赖程度越来越大，如何科学用眼、健康用眼成为这个时代人类的最大需求。随着国家对眼病防治重视程度的加大，学生及家长仍缺乏健康用眼意识，导致功能性眼部问题不断发生，眼健康管理作为刚需，其市场前景非常广阔。
为了近视预防和治疗，视力矫正仪器的种类和数量不断增多，视力提升领域通常有三类方法：机械运动原理、光学原理和中医原理；现阶段，通常能做到的主要为以下三点：
第一，减少近距离用眼，增加户外活动；
第二，采用低浓度阿托品，角膜塑形镜，功能镜片；
第三，采用哺光仪或者近视激光治疗仪等产品，目前已经定义其属于一种眼科仪器设备，主要是依靠红光照射，改善使用者的眼底微循环，促进多巴胺的分泌。同时，红光照射还能缩小瞳孔，加深景深，减少模糊。进而实现防控近视，提升裸眼视力。具体地说，哺光仪是把波长介于 630-650 纳米的红光集成起来，代替自然光，在功率安全和时间限定的条件下，照射视网膜，促进多巴胺分泌，抑制眼轴增长。
但是使用“哺光仪”和“近视激光治疗仪”类似产品有安全隐患，有很大可能发生眼底损伤的概率，主要原因为：第一，如图1、图2所示，现有哺光仪的光照不均匀，几乎所有能量集中在黄斑中心；第二，现有哺光仪的光功率偏大；第三，产生杂散光。基于存在的安全隐患，现有产品在设计中被极大忽视的重要指标——视网膜辐照度，不能仅仅以入眼率(即进入瞳孔的光功率）不高于0.39mW-Ⅰ类激光产品，就定义为安全的激光产品，而忽略了眼底实际上接受的功率密度，即视网膜“辐照度”这个概念！由于激光波长单一，发射集中，它在极小的范围内可以得到极高的亮度，波长在可见光和近红外光的激光，眼屈光介质的吸收率较低，透射率高，而屈光介质的聚焦能力（即聚光力）极强。“强度不高”的可见或近红外光进入眼睛时可以透过人眼屈光介质，聚焦光于视网膜上。
《视网膜光损伤分子机理的研究进展》和《激光致视网膜损伤机制和治疗的研究进展》两篇文献均曾评述：由于眼的屈光介质有很强的聚焦作用，可将入射光束会聚成很小的光斑，从而使视网膜单位面积上接受的光能比入射到角膜的光强约10n倍（10万倍）。相关研究表明，当瞳孔直径为7mm 时，对应于此瞳孔的视网膜图像的直径可能在10μm～20μm之间，考虑到眼内散射和角膜像差，在角膜和视网膜之间的辐照度增加量大约为 2×10n倍，即20万倍。早在17 世纪瑞士医生Bonetus就描述了日光引起的视力损害，一定量的光，即使低于热损伤的阈值，也可引起受试小鼠的视网膜损伤。
因此，某种情况下，入眼功率不高于0.39mW，所谓的Ⅰ类激光产品，是安全的激光产品；如果视网膜上的激光功率密度在高度聚焦情况下，有可能提高10～20万倍，此时，大量的光能在瞬间聚焦于视网膜“某一处”，致视网膜的“某一处”感光细胞层温度迅速升高，就完全可能使“某一处”感光细胞凝固变性坏死而失去感光的作用；功率密度越大、照射时间越长，则此温度的升高也越大。当大到一定程度时，例如高于正常眼睛温度10～20℃时，就会引起视网膜的伤害。通过分析问题所在，“入眼功率”不是主要风险，主要风险是光聚焦进入眼底，增高了“眼底功率密度”。因此，本发明研制了一种基于光波能量控制的激光近视治疗光学系统，以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明目的是：提供一种基于光波能量控制的激光近视治疗光学系统，以解决现有技术中光聚焦增高眼底功率密度，而使得视网膜受损的问题。
本发明的技术方案是：一种基于光波能量控制的激光近视治疗光学系统，所述光学系统包括沿光路投射方向依次设置的聚光镜组及投射镜组，用于将发射光源折射呈均匀平行光；所述聚光镜组及所述投射镜组满足以下：
0.097≤1/m≤0.148，
0.8≤TOTR/EFFL≤1.1，
3.05≤EFFL/φ≤3.42，
其中，m为所述光学系统的放大倍率；
TOTR为所述光学系统的光学总长；
EFFL为所述光学系统的有效焦距；
φ为投射光源的入瞳直径。
优选的，设所述聚光镜组的焦距为f1，所述投射镜组的焦距为f2，并满足：
0.81≤-f1/EFFL≤0.89；
0.62≤f2/EFFL≤0.73。
优选的，所述光学系统用于透射640～650nm波段的激光；
所述聚光镜组及所述投射镜组采用镀膜处理，且在640～650nm波段内的平均反射比不大于0.5%。
优选的，所述光学系统具有分设于两侧的激光发射端及入瞳成像端；
设所述激光发射端与所述聚光镜组物侧端中心之间的距离为u，所述聚光镜组物侧端中心与所述投射镜组像侧端中心之间的距离为D，并满足：
0.42＜D/u＜0.51。
优选的，所述聚光镜组包括第一透镜及第二透镜，所述投射镜组包括第三透镜；其中，所述第一透镜与所述第三透镜采用冕牌玻璃；所述第二透镜采用重火石玻璃。
优选的，所述第一透镜、第二透镜及第三透镜的折射率与色散系数满足的关系为：
nd1=nd3＜nd2，且0.9＜nd1/nd2＜1；
Vd1=Vd3＞Vd2，且1.5＜Vd1/Vd2＜2；
其中，nd1，nd2，nd3分别为第一透镜、第二透镜及第三透镜的折射率；
Vd1，Vd2，Vd3分别为第一透镜、第二透镜及第三透镜的色散系数。
优选的，所述第一透镜的物侧面为凹面型，曲率半径的绝对值R1为10.83～13.55mm；所述第一透镜的像侧面为平面型；
所述第二透镜的物侧面为凹面型，设定曲率半径的绝对值为R2；像侧面为凸面型，设定曲率半径为R2’；并满足：
3.1＜（R2+R2’）/|R2-R2’|＜3.5；
所述第三透镜的物侧面为凸面型，设定曲率半径为R3；像侧面为凸面型，设定曲率半径为R3’；并满足：
1.35＜（R3+R3’）/|R3-R3’|＜1.57。
优选的，所述第一透镜的中心厚度为3.5～5.5mm；
所述第二透镜的中心厚度为4.6～5.5mm；
所述第三透镜的中心厚度为5.1～5.9mm。
优选的，所述第一透镜与所述第二透镜之间的空气间隔为1.0～1.7mm；
所述第二透镜与所述第三透镜之间的空气间隔为0.4～1.5mm。
与现有技术相比，本发明的优点是：
（1）本发明通过增加用于实现激光近视治疗的光学系统来优化激光，保持功率不变，改变光束中心强度最大的高斯光束，将发射光源折射呈均匀的平行光，使光线经过光学系统后均匀化，进而实现入瞳能量分布均匀，没有功率很高的突出点，辐照度降低，不会出现光聚焦的风险；同时治疗面积充分，由于扩大了作用于脉络膜的面积从而使得疗效大幅提高。
（2）配合光学系统用于进行近视治疗的激光具有650nm左右的主波长，用以模拟太阳光的有益光，光路经过光学系统发生改变，其中聚光镜组将光源汇聚收集，并结合投射镜组实现光源平行、均匀且安全的投射至人眼，“刺眼”比例下降，患者依从性更好。
（3）基于特定窄带光波的选择，以及聚光镜组与投射镜组的镀膜技术，减少投射至人眼的杂散光，光的单一性好，安全性能大幅提高。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为现有技术中激光近视治疗的工作原理图；
图2为采用现有技术中激光近视治疗方法在入瞳端对应的照射光斑图；
图3为本发明所述的一种基于光波能量控制的激光近视治疗光学系统的工作原理图；
图4为本发明所述的一种基于光波能量控制的激光近视治疗光学系统的示意图；
图5为本发明所述的一种基于光波能量控制的激光近视治疗光学系统在入瞳端对应的照射光斑图；
图6为本发明所述的一种基于光波能量控制的激光近视治疗光学系统的点列图；
图7为本发明所述的一种基于光波能量控制的激光近视治疗光学系统的相对照度图；
图8为本发明所述的一种基于光波能量控制的激光近视治疗光学系统的横向像差图。
其中：01、聚光镜组，02、投射镜组；
1、第一透镜，2、第二透镜，3、第三透镜。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明的内容做进一步的详细说明：
为了更方便的理解本申请中涉及的基于光波能量控制的激光近视治疗光学系统，首先说明其应用场景，主要针对儿童、青少年近视和弱视的激光治疗，激光治疗的目的是增加脉络膜厚度和改善脉络膜的血液循环，现有激光治疗手段采用世界公认的人体黄金波段（650nm）直接射入眼睛进入视网膜，能给人体细胞充能加电（通常叫光生物效应或光生化效应），650nm激光能量虽低，但起到“触发器”的作用，它能调动细胞组织的构象改交和功能变化，会对机体血液、细胞、组织产生一系列光化反应和生物效应，实现“激光照射”治疗多种疾病的目的，医学上称之为“依轻度激光照射光血疗法”，但其不利点在于激光的能量几乎全部集中在光束中心，进而存在安全隐患，本申请则用于解决激光能量集中的问题。
如图3所示，一种基于光波能量控制的激光近视治疗光学系统，包括沿光路投射方向依次设置的聚光镜组01及投射镜组02；在应用场景下，光学系统两侧分别为激光发射端及入瞳成像端，激光发射端设置有激光发射器，用于射出650nm波长的光源，光源经光学系统折射呈均匀平行光，并射入至人眼；本实施例中，定义激光发射端为物侧端，定义入瞳成像端为像侧端；针对聚光镜组01及投射镜组02，其设计参数满足以下：
光学系统放大倍率m满足0.097≤1/m≤0.148，该放大倍率即为像高与物高的比值，在激光近视治疗领域中，定义像高为光线的入瞳直径，物高为激光发射端的光源高度；
光学系统的光学总长TOTR与光学系统的有效焦距EFFL满足0.8≤TOTR/EFFL≤1.1，光学总长TOTR为激光发射端与人眼前端的距离，有效焦距为聚光镜组01及投射镜组02的组合焦距；
光学系统的有效焦距EFFL与投射光源的入瞳直径φ满足3.05≤EFFL/φ≤3.42，该有效焦距与入瞳直径的比值即为F数；
聚光镜组的焦距f1与光学系统的有效焦距EFFL满足0.81≤-f1/EFFL≤0.89；本实施例中，聚光镜组01的焦距为负值，由于在光学系统中光焦度为透镜焦距的倒数，因此聚光镜组01具有负光焦度；
投射镜组的焦距f2与光学系统的有效焦距EFFL满足0.62≤f2/EFFL≤0.73；本实施例中，投射镜组02的焦距为正值，因此投射镜组02具有正光焦度；
激光发射端和聚光镜组物侧端中心之间的距离u（物距）与聚光镜组物侧端中心和投射镜组像侧端中心之间的距离D（光学厚度）满足0.42＜D/u＜0.51。
本实施例中，聚光镜组采用两个透镜组成，投射镜组采用一个透镜；进而光学系统由激光发射端至入瞳成像端包括依次设置的第一透镜1、第二透镜2及第三透镜3；第一透镜1、第二透镜2及第三透镜3中至少一个采用镀膜处理，更优选的是均采用镀膜处理，其镀膜标准为JB/T 8226.1-1999/3.3，在640～650nm波段内的平均反射比不大于0.5%，激光透过后减少投射至人眼的杂散光，安全性能大幅提高。
从材料规格出发，光学系统重要的参数条件包括折射率与色散系数，本实施例中，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3的折射率与色散系数满足的关系主要如下：
nd1=nd3＜nd2，且0.9＜nd1/nd2＜1；
Vd1=Vd3＞Vd2，且1.5＜Vd1/Vd2＜2；
关于折射率与色散系数的具体参数范围为：
从生产规格出发，光学系统重要的参数条件包括物侧面/像侧面曲率半径、中心厚度及空气间隔；
关于曲率半径：定义各透镜偏向激光发射端的一面为物侧面，各透镜偏向入瞳成像端的一面为像侧面；
第一透镜的物侧面为凹面型，曲率半径的绝对值R1为10.83～13.55mm；第一透镜的像侧面为平面型；
第二透镜的物侧面为凹面型，设定曲率半径的绝对值为R2；像侧面为凸面型，设定曲率半径为R2’，并满足：3.1＜（R2+R2’）/|R2-R2’|＜3.5；
第三透镜的物侧面为凸面型，设定曲率半径为R3；像侧面为凸面型，设定曲率半径为R3’，并满足：1.35＜（R3+R3’）/|R3-R3’|＜1.57。
关于中心厚度：
设定第一透镜的中心厚度为h1，第二透镜的中心厚度为h2，第三透镜的中心厚度为h3，并满足h1＜h2＜h3；
进一步的，第一透镜的中心厚度为3.5～5.5mm；第二透镜的中心厚度为4.6～5.5mm；第三透镜的中心厚度为5.1～5.9mm。
关于空气间隔：
设定第一透镜与第二透镜之间的空气间隔为K12，范围为1.0～1.7mm；设定第二透镜与第三透镜之间的空气间隔为K23，范围为0.4～1.5mm。
上述第一透镜、第二透镜及第三透镜的中心厚度与相邻透镜之间的空气间隔之和即为整个光学系统聚光镜组物侧端中心和投射镜组像侧端中心之间的距离D。
其参数范围主要如下：
需要注意的是，上述物侧面曲率半径与像侧面曲率半径均指代的是绝对值，在实际光学系统中，凹面的曲率半径为负值，凸面的曲率半径为正值；进而第一透镜物侧面的曲率半径与第二透镜物侧面的曲率半径均为负值。
在实际实施过程中，定义如下参数，具体为：
光学系统的光学总长TOTR：62.058mm
物高（投射光源直径）：2.5mm
像高φ（投射光源的入瞳直径）：20mm
物距u：35.48mm
有效焦距EFFL：66.55mm
基于上述应用场景下的参数确定，为保证最终由光学系统射出的光线能够均匀的射入人眼，本实施例中，第一透镜采用冕牌玻璃，第二透镜采用重火石玻璃，第三透镜也采用冕牌玻璃。
关于生产规格参数，第一透镜、第二透镜及第三透镜选取的最优参数值如下：
在第一透镜中，各参数为：
物侧面曲率半径：11.47mm
中心厚度：4.3mm
在第二透镜中，各参数为：
物侧面曲率半径：36.67mm
像侧面曲率半径：19.84mm
中心厚度：4.8mm
在第三透镜中，各参数为：
物侧面曲率半径：145.52mm
像侧面曲率半径：28.916mm
中心厚度：5.6mm
再者，第一透镜与第二透镜之间的空气间隔为1.4mm，第二透镜与第三透镜之间的空气间隔为1.1mm。
根据激光的特点进行上述特定的光学系统设计后，从多个方面对光学设计进行评估，如图4所示，基于模拟的光路可知，由激光发射端射出的激光经过光学系统后，能够顺利被折射并呈现平行光射出；并结合图5所示的照射光斑图，可以明显的看出能量分布非常均匀，相较于图2所示的传统激光照射光斑图，本实施方案中，没有功率很高的突出点，辐照度降低，不会出现光聚焦的风险；同时治疗面积充分，由于扩大了作用于脉络膜的面积从而使得疗效大幅提高。
还需注意的是，从实际角度出发，本申请中定义激光发射端为物侧端，定义入瞳成像端为像侧端；但在对光学系统进行仿真分析时，一般以平行光所在一端为物侧端，光源汇聚一端为像侧端；进而得到的点列图、相对照度图、横向像差图，均以投射光源为成像端进行分析。
如图6所示，根据在ZEMAX软件中模拟的点列图，表明光经过光学系统后在三个主要位置（像高依次为0、0.88、1.244）的光线是比较均匀的，且没有杂散光，进而光的单一性好，安全性能大幅提高。
如图7所示，为光学系统的相对照度图像，其中横轴以激光发射器端的投射光源高度为参照，纵轴表示中心光亮为100%时周边的明亮度，根据图示可表明任意位置的投射光源经过光学系统后的能量是一致的，也就是说光源入瞳位置处由中间位置到边缘位置的光能量是一致的，没有功率很高的突出点，进而也不会出现光聚焦的风险。
如图8所示，为光学系统的横向像差图，横向像差是站在成像端整体光谱的角度，所有物点不同光谱对应透镜折射率有差异，导致不同光谱物体的放大倍率是不一样的，本申请中基于图示表明光经过光学系统后能够实现完全消色差，光的单一性比较好。
综合上述，本申请中采用650nm波段的激光，用以模拟太阳光中的有益光，透过由聚光镜组与投射镜组组合而成的光学系统，使光路发生改变，平行且均匀的投射至人眼，降低刺眼比例，患者适用性更好，安全性强；同时治疗面积充分，由于扩大了作用于脉络膜的面积从而使得疗效大幅提高。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。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。
Claims (6)
1.一种基于光波能量控制的激光近视治疗光学系统，其特征在于，所述光学系统包括沿光路投射方向依次设置的聚光镜组及投射镜组，用于将发射光源折射呈均匀平行光；所述聚光镜组及所述投射镜组满足以下：
0.097≤1/m≤0.148，
0.8≤TOTR/EFFL≤1.1，
3.05≤EFFL/φ≤3.42，
其中，m为所述光学系统的放大倍率；
TOTR为所述光学系统的光学总长；
EFFL为所述光学系统的有效焦距；
φ为投射光源的入瞳直径；
设所述聚光镜组的焦距为f1，所述投射镜组的焦距为f2，并满足：
0.81≤-f1/EFFL≤0.89；
0.62≤f2/EFFL≤0.73；
所述光学系统具有分设于两侧的激光发射端及入瞳成像端；
设所述激光发射端与所述聚光镜组物侧端中心之间的距离为u，所述聚光镜组物侧端中心与所述投射镜组像侧端中心之间的距离为D，并满足：
0.42＜D/u＜0.51；
所述光学系统用于透射640～650nm波段的激光；
所述聚光镜组及所述投射镜组采用镀膜处理，且在640～650nm波段内的平均反射比不大于0.5%。
2.根据权利要求1所述的一种基于光波能量控制的激光近视治疗光学系统，其特征在于：所述聚光镜组包括第一透镜及第二透镜，所述投射镜组包括第三透镜；其中，所述第一透镜与所述第三透镜采用冕牌玻璃；所述第二透镜采用重火石玻璃。
3.根据权利要求2所述的一种基于光波能量控制的激光近视治疗光学系统，其特征在于：所述第一透镜、第二透镜及第三透镜的折射率与色散系数满足的关系为：
nd1=nd3＜nd2，且0.9＜nd1/nd2＜1；
Vd1=Vd3＞Vd2，且1.5＜Vd1/Vd2＜2；
其中，nd1，nd2，nd3分别为第一透镜、第二透镜及第三透镜的折射率；
Vd1，Vd2，Vd3分别为第一透镜、第二透镜及第三透镜的色散系数。
4.根据权利要求3所述的一种基于光波能量控制的激光近视治疗光学系统，其特征在于：所述第一透镜的物侧面为凹面型，曲率半径的绝对值R1为10.83～13.55mm；所述第一透镜的像侧面为平面型；
所述第二透镜的物侧面为凹面型，设定曲率半径的绝对值为R2；像侧面为凸面型，设定曲率半径为R2’；并满足：
3.1＜（R2+R2’）/|R2-R2’|＜3.5；
所述第三透镜的物侧面为凸面型，设定曲率半径为R3；像侧面为凸面型，设定曲率半径为R3’；并满足：
1.35＜（R3+R3’）/|R3-R3’|＜1.57。
5.根据权利要求4所述的一种基于光波能量控制的激光近视治疗光学系统，其特征在于：所述第一透镜的中心厚度为3.5～5.5mm；
所述第二透镜的中心厚度为4.6～5.5mm；
所述第三透镜的中心厚度为5.1～5.9mm。
6.根据权利要求5所述的一种基于光波能量控制的激光近视治疗光学系统，其特征在于：所述第一透镜与所述第二透镜之间的空气间隔为1.0～1.7mm；
所述第二透镜与所述第三透镜之间的空气间隔为0.4～1.5mm。
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2023
- 2023-07-27 CN CN202310931510.XA patent/CN116688370B/zh active Active
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