CN116747048A - 一种人工晶状体 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种人工晶状体，包括透镜主体，所述透镜主体上具有不同高度的衍射光栅，不同高度的所述衍射光栅构成衍射结构；当光穿过所述透镜主体后，所述衍射结构可将光可分布在不同的衍射焦点上，形成至少三个有效焦点。本发明提供的人工晶状体通过构建多种不同高度的衍射光栅，可以使得光通过衍射光栅之后，分布在不同的衍射焦点之上，形成至少3个有效焦点。然后将该衍射结构中光能重分配区域的光重新分配到远焦点之上，减少无用衍射级上的光，减少杂散光。然后将分光区域通过衍射分光至两个主要焦点，分别是中焦点和近焦点，可提高人工晶状体的光能利用率，从而提高了人工晶状体的成像质量，使患者手术后的视觉康复效果大大提高。

Description

一种人工晶状体

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种人工晶状体。

背景技术

人工晶状体是一种三类植入性的医疗器械，用于取代老化的人眼自然晶体，放置于人眼前房或者后房之中，来治疗白内障或者屈光不正。世界上第一个人工晶状体置换术有Harold Ridley医生发明，他首次将由硬质的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料制备而成透明镜片植入患者眼内，取代了浑浊的自然晶体，为失明的患者提供了部分视力。之后随着白内障手术的发展，人工晶状体也越来越多元化，功能也更加多样化。

目前大部分人工晶状体都为软性可折叠的材料，借助超声乳化手术，软性人工晶状体可以从微小的切口进行植入，避免术后散光的产生。根据光学性能对人工晶状体可分类为：单焦点人工晶状体、散光型人工晶状体、双焦点人工晶状体、三焦点人工晶状体，景深延长型人工晶状体，可调焦人工晶状体等等。随着人们对生活品质的需求越来越高，同时白内障发病也愈发年轻化，白内障手术进入屈光性人工晶体手术时代。因为患者在植入单焦点只有视远能力，在视近时需要佩戴老花镜，为同时解决老花和白内障的问题，目前最主流的方法是植入多焦点人工晶状体，但目前市面上流通的多焦点人工晶状体都存在一定缺陷和问题。

实现多焦点人工晶状体的方式一般分为两种衍射型和折射型，其中折射型多焦点人工晶状体极少使用，因为一般的环状折射型人工晶状体都是瞳孔取决型，其不同焦点处的视觉质量取决于瞳孔的大小，限值了患者的使用环境，同时由于折射造成的不同区域聚焦的光集中度比较高，术后眩光情况会比较严重。而另一种衍射型多焦点人工晶状体，主要通过在透镜的前表面或者后表面制造锯齿状光学台阶结构来构造菲涅尔带，平行光在通过菲涅尔带时，经过衍射聚焦到几个不同的衍射级次上，不同的衍射级次拥有不同的屈光力且有不同的光能分配比例。通过菲涅尔环带设计而成的多焦点人工晶状体可以实现非瞳孔取决，但是最主要的问题是会有一大部分光衍射到无用焦点处形成杂散光，导致光能利用率较低，影响多焦点人工晶状体的成像质量，使得术后患者的视觉对比度难以提升。

发明内容

本发明的目的在于提供一种人工晶状体，提高了光能利用率，使患者手术后的视觉康复效果大大提高。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种人工晶状体，包括透镜主体，所述透镜主体上具有不同高度的衍射光栅，不同高度的所述衍射光栅构成衍射结构；

当光穿过所述透镜主体后，所述衍射结构可将光可分布在不同的衍射焦点上，形成至少三个有效焦点。

在一些实施例中，所述衍射结构包括光能重分配区域和分光区域；

所述光能重分配区域用于将光重新分配到远焦点；

所述分光区域用于衍射分光，将光分配至中焦点和近焦点；

其中，所述中焦点和所述近焦点的光能的比率范围在1/2-2.5/1；

所述光能重分配区域占所述透镜主体的总光学面的50%至75%，所述分光区域占所述透镜主体的总光学面的25%至50%。

在一些实施例中，所述衍射结构包括j个衍射台阶；

第2j+1个或第2j个所述衍射台阶上的光程差设为波长的整数倍，将第2j+1个或第2j个所述衍射台阶所在的区域作为所述光能重分配区域，以使所述光能重分配区域的光都聚焦在远焦点。

在一些实施例中，将其余的所述衍射台阶所在的区域作为所述分光区域，所述分光区域根据光能分配系数α将光分配到中焦点和近焦点。

在一些实施例中，所述透镜主体的具有相对设置的第一光学面和第二光学面，所述衍射光栅设于所述第一光学面和/或第二光学面。

在一些实施例中，所述第一光学面和所述第二光学面为非球面或球面，非球面的面型Z(r)满足如下公式：

=/>+/>+/>+......+/>；

其中，r为径向坐标，R为基础球面的曲率半径，k为二次曲面系数，α为非球面高次项系数，n为不小于1的自然数，当k=0，且α=0时，Z(r)为球面。

在一些实施例中，所述衍射台阶的高度h满足公式：h=；

其中，是所述衍射台阶对入射光造成的相位差。

在一些实施例中，所述衍射结构中不同级次的衍射效率满足公式如下：

；

其中，m为衍射级次，α为光能分配系数。

在一些实施例中，所述衍射结构中的光能分配系数α满足公式如下：

；

其中，为人工晶体材料对应于波长为/>的光波的折射率，/>为人工晶体周围环境对应于波长为/>的光波的折射率，/>为波长，h为衍射台阶的高度。

本发明提供的一种人工晶状体的有益效果在于：通过构建多种不同高度的衍射光栅，可以使得光通过衍射光栅之后，分布在不同的衍射焦点之上，形成至少3个有效焦点。然后将该衍射结构中光能重分配区域的光重新分配到远焦点之上，减少无用衍射级上的光，减少杂散光。然后将分光区域通过衍射分光至两个主要焦点，分别是中焦点和近焦点，可提高人工晶状体的光能利用率，从而提高了人工晶状体的成像质量，使患者手术后的视觉康复效果大大提高。

附图说明

图1为本发明提供的人工晶状体的正视图和侧视图；

图2为本发明提供的实施例人工晶状体的衍射面型的示意图；

图3为本发明提供的又一个实施例人工晶状体的衍射面型的示意图；

图4为现有技术中公开的人工晶状体的衍射面型的示意图；

图5为本发明提供的实施例不同衍射级次下的光能分配图。

附图标记：

透镜主体1、第一光学面11、第二光学面12、衍射光栅13、光能重分配区域14、分光区域15。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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作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。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

图1为本发明提供的人工晶状体的正视图和侧视图。

参考图1所示，本发明实施例提供了一种人工晶状体，包括透镜主体1，所述透镜主体1的具有相对设置的第一光学面11和第二光学面12，至少在所述第一光学面11和所述第二光学面12的其中一个上设置衍射光栅，所述衍射光栅具有不同高度。不同高度的所述衍射光栅13构成衍射结构。其中，当光穿过所述透镜主体1后，所述衍射结构可将光可分布在不同的衍射焦点上，形成至少三个有效焦点，所述有效焦点可以包括远焦点、中焦点和近焦点。

具体的，所述衍射结构包括光能重分配区域和分光区域，所述光能重分配区域用于将光重新分配到远焦点，减少无用衍射级上的光，并且减少了杂散光。所述分光区域用于衍射分光，将光分配至中焦点和近焦点。其中，所述中焦点和所述近焦点的光能的比率范围在1/2-2.5/1。

需要说明的是，所述光能重分配区域可以将接收到的所有的光都集中在远焦点，避免杂散光的产生，因此光能重分配区域的光能利用率为100%。而针对所述分光区域，由于只有很少一部光会聚焦在无用衍射级次形成杂散光，因此所述分光区域的光能利用率为81.056%~87.218%。所以，本实施例提供的人工晶状体的光能利用率综合起来远大于现有的衍射晶体的光能利用率，其光能利用率范围随两个区域（所述光能重分配区域和所述分光区域）的面积浮动，在90.5%-96.8%。

在一些实施例中，所述光能重分配区域占所述透镜主体1的总光学面的50%至75%，所述分光区域占所述透镜主体1的总光学面的25%至50%。

图2为本发明提供的实施例人工晶状体的衍射面型的示意图。

参考图2所示，在一些实施例中，所述衍射结构包括j个衍射台阶，j表示各个所述衍射台阶的序号。可将第2j+1个所述衍射台阶上的光程差设为波长的整数倍，将第2j+1个所述衍射台阶所在的区域作为所述光能重分配区域14，以使所述光能重分配区域14的光都聚焦在远焦点。同时将剩余的所述衍射台阶所在的区域根据光能分配系数α将光分配在正第一衍射级以上比远焦点的衍射级次更高的级次上，以减少光能的损失。

图3为本发明提供的又一个实施例人工晶状体的衍射面型的示意图。

参考图3所示，在另一个实施例中，可将第2j个所述衍射台阶上的光程差设为波长的整数倍，将第2j个所述衍射台阶所在的区域作为所述光能重分配区域14，以使所述光能重分配区域14的光都聚焦在远焦点，将其余的所述衍射台阶所在的区域作为所述分光区域15，所述分光区域15根据光能分配系数α将光分配到中焦点和近焦点。

图4为现有技术中公开的人工晶状体的衍射面型的示意图。

通过对比图3和图4，或通过对比图2或图4，可知本实施例将第2j+1个或第2j个所述衍射台阶上的光程差设为波长的整数倍，将第2j+1个或第2j个所述衍射台阶所在的区域作为所述光能重分配区域14，该光能重分配区域14相比于现有技术为趋于水平的区域，入射光在通过该区域时光程差为波长的整数倍，相位差也相应变为2π的整数倍，因此不会有衍射分光效果，所有通过该区域的如何光都能聚焦在一个焦点上，以使所述光能重分配区域的光都聚焦在远焦点。

在一些实施例中，所述第一光学面11和所述第二光学面12为非球面或球面，非球面的面型Z(r)满足如下公式：

其中，Z(r)为非球面面型函数，r为径向坐标（在光轴上距所述透镜主体1的中心点的距离），R为基础球面的曲率半径，k为二次曲面系数，α为非球面高次项系数，n为不小于1的自然数。当k=0，且α=0时，Z(r)为球面，否者为非球面。

至少在所述第一光学面11和所述第二光学面12的其中一个上设置所述衍射光栅13形成所述衍射结构，所述衍射结构包含衍射台阶，所述衍射结构的设计基于菲涅尔透镜的理论基础，光线在通过菲涅尔透镜时会在镜片后方形成多个衍射焦点，每个所述衍射焦点相对应会有不同的光能分配。其中，对于一个连续型光学面型，其连续位相函数如下：

其中，r为径向坐标，为设计波长，/>为人工晶体材料对应于波长为/>的光波的折射率，/>为人工晶体周围环境（例如为人眼的房水）对应于波长为/>的光波的折射率，Z(r)为非球面的面型函数。

需要说明的是，对于一个给定的连续相位函数，制作衍射部分需要对其进行相位压缩和分层，压缩的相位值决定所述衍射台阶的高度。所述衍射台阶的高度满足以下计算公式：

其中，是所述衍射台阶对入射光造成的相位差。

由于所述衍射结构具有多个衍射台阶，所述衍射台阶的圆环半径满足以下计算公式：

其中，j为所述衍射台阶序号，f为正第一衍射级的衍射焦距。另外，所述衍射结构中不同级次的衍射效率满足公式如下：

其中，m为衍射级次，α为光能分配系数。

光能分配系数α的计算方式如下：

图5为本发明提供的实施例不同衍射级次下的光能分配图。

需要说明的是，所述中焦点和所述近焦点的光能比例与光能分配系数α相关，参考图5所示，当所述中焦点和所述近焦点的光能的比率为1：1时，大部分能量分配在第0衍射级以及第一衍射级，两个衍射级次获得的光能都占总光能的约40.5%。

可以理解的是，在本实施例中，为了提高多焦点人工晶状体的光能利用率，提高多焦点人工晶状体在植入之后的视觉效果，本实施例在基于上述菲涅尔透镜的理论基础，将第2j+1个或第2j个所述衍射台阶上的光程差设置为波长的整数倍，将第2j+1个或第2j个所述衍射台阶所在的区域作为所述光能重分配区域14，以使所述光能重分配区域14的光都聚焦在远焦点，将其余的所述衍射台阶所在的区域作为所述分光区域15，所述分光区域15根据光能分配系数α将光分配到中焦点和近焦点，以使本实施例提供的人工晶状体的光能利用率综合起来远大于现有的衍射晶体的光能利用率。

虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。

Claims (9)

1.一种人工晶状体，其特征在于，包括透镜主体，所述透镜主体上具有不同高度的衍射光栅，不同高度的所述衍射光栅构成衍射结构；

当光穿过所述透镜主体后，所述衍射结构可将光可分布在不同的衍射焦点上，形成至少三个有效焦点；

所述衍射结构包括光能重分配区域和分光区域；

所述光能重分配区域用于将光重新分配到远焦点；

所述分光区域用于衍射分光，将光分配至中焦点和近焦点；

其中，所述中焦点和所述近焦点的光能的比率范围在1/2-2.5/1。

2.根据权利要求1所述的人工晶状体，其特征在于，所述光能重分配区域占所述透镜主体的总光学面的50%至75%，所述分光区域占所述透镜主体的总光学面的25%至50%。

3.根据权利要求1所述的人工晶状体，其特征在于，所述衍射结构包括j个衍射台阶；

第2j+1个或第2j个所述衍射台阶上的光程差设为波长的整数倍，将第2j+1个或第2j个所述衍射台阶所在的区域作为所述光能重分配区域，以使所述光能重分配区域的光都聚焦在远焦点。

4.根据权利要求3所述的人工晶状体，其特征在于，将其余的所述衍射台阶所在的区域作为所述分光区域，所述分光区域根据光能分配系数α将光分配到中焦点和近焦点。

5.根据权利要求1所述的人工晶状体，其特征在于，所述透镜主体的具有相对设置的第一光学面和第二光学面，所述衍射光栅设于所述第一光学面和/或第二光学面。

6.根据权利要求5所述的人工晶状体，其特征在于，所述第一光学面和所述第二光学面为非球面或球面，非球面的面型Z(r)满足如下公式：

=/>+/>+/>+......+/>；

其中，r为径向坐标，R为基础球面的曲率半径，k为二次曲面系数，α为非球面高次项系数，n为不小于1的自然数，当k=0，且α=0时，Z(r)为球面。

7.根据权利要求3所述的人工晶状体，其特征在于，所述衍射台阶的高度h满足公式：h=；

其中，是所述衍射台阶对入射光造成的相位差。

8.根据权利要求7所述的人工晶状体，其特征在于，所述衍射结构中不同级次的衍射效率满足公式如下：

；

其中，m为衍射级次，α为光能分配系数。

9.根据权利要求8所述的人工晶状体，其特征在于，所述衍射结构中的光能分配系数α满足公式如下：

；

其中，为人工晶体材料对应于波长为/>的光波的折射率，/>为人工晶体周围环境对应于波长为/>的光波的折射率，/>为波长，h为衍射台阶的高度。