CN117572666A - 一种自由环曲镜片的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自由环曲镜片的制作方法,通过对整个面内多个不同角度的子午线逐点优化来提升自由度,本制作方法包括以下步骤:S1、构建简化的镜眼模型;S2、确定顶点的光焦度F2以及曲率半径r20。本发明求出垂直和水平子午线的自由环曲系数,然后再由于镜片的旋转对称性,仅考虑在曲面的第一象限内,将第一象限每间隔某一固定角度划分一个区域,每个区域取一条子午线,除水平和垂直方向外的子午线都使用关于取出子午线的角度的公式求出自由环曲系数,再将求得的自由环曲系数代入以双曲率二次曲面公式为基底,最后再根据取出的子午线上的各个点的矢高数据确定自由环曲面的曲面形状,制作的镜片会更薄、成像会更加清晰、佩戴舒适度高。
Description
技术领域
本发明涉及镜片技术领域,具体为一种自由环曲镜片的制作方法。
背景技术
眼睛是人们获取信息的重要器官,为了清晰准确地获取外部信息,青少年近视患者就必须通过矫正屈光不正来改善其视光系统,通常采用两种方法,一种是佩戴光学镜片,包括框架眼镜和隐形眼镜等;另一种就是使人眼的某一屈光元件发生改变,如采用准分子激光矫正手术等。
而且随着时代发展,人们对于镜片设计的要求也不仅仅停留在能够看清东西,更要求能够更加个性化、更加新颖和舒适。普通的内非和双非镜片仅是对两条子午线上的优化,自由度不高,无法更好地控制像差,影响视觉体验;而且对于具有复杂的视力矫正需求的人,传统镜片可能无法提供最佳的视力矫正;传统镜片的可视区域通常相对较小,这意味着边缘部分的视野可能受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自由环曲镜片的制作方法,以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种自由环曲镜片的制作方法,通过对整个面内多个不同角度的子午线逐点优化来提升自由度,本制作方法包括以下步骤:
S1、构建简化的镜眼模型;
S2、确定顶点的光焦度F2以及曲率半径r20;
S3、计算出影响成像质量的主要像差:斜轴像散、场曲和畸变;
S4、采用递归算法进行逐点优化:由于斜轴像散对成像的清晰度影响最大,所以将斜轴像散作为设计镜片时所需矫正的首要像差,进行斜轴像散补偿,对两条子午线上的点重复上述操作,采用递归算法进行逐点优化,其中:
其中,y2和x2为光线与镜片表面水平和垂直子午线的交点高度,即出射光线距离光轴的高度,T为垂直和水平两条子午线方向上的切向光焦度误差;
S5、求出自由环曲面系数:由于镜片的旋转对称性,考虑在曲面的第一象限内,将第一象限每间隔10°划分一个区域,每个区域取一条子午线,一共10条子午线,求得除水平和垂直以外的自由环曲面系数,公式如下:
其中,θ表示取出子午线相对于水平方向上的旋转角度;
S6、修正场曲和畸变:将以上得到的每条子午线的曲面系数代入以双曲率二次曲面公式为基底,并用多个高阶项进行矫正的矢高公式,得到离散的数据点,最终用最小二乘法重建出自由环曲后表面,公式如下:
其中,cx和cy分别表示x和y方向的曲率,cx=cy=1/r20,r表示入射光线在曲面上的高度,B、C、D、E为自由环曲面高阶系数,x、y表示曲面上某点沿z轴方向在xoy平面上的投影的坐标。
作为本发明的进一步改进,所述步骤S1具体步骤如下:
以镜片前表面顶点为原点,建立一个三维直角坐标系,使镜片的中心落在z轴上,并且镜片的垂直子午线与y轴平行,镜片的水平子午线与x轴平行。
作为本发明的进一步改进,所述步骤S2中具体步骤如下:
将镜片的前后表面均设定为球面,并根据给定的基弯F1,曲率半径r10,中心厚度d和折射率n来确定后表面顶点的光焦度F2以及曲率半径r20,由于所设计的镜片不带散光,前后表面水平和垂直方向上的光焦度均相等。
作为本发明的进一步改进,所述r10=1000(n-1)/F1
r20=1000(1-n)/F2
其中,n为该镜片介质的折射率。
作为本发明的进一步改进,所述步骤S4中PB和PC分别为垂直和水平方向上的子午线的自由环曲系数。
作为本发明的进一步改进,所述步骤S3中计算斜轴像散、场曲和畸变的方式为在30°视场角下,从眼睛旋转中心出发,先对垂直和水平两条子午线进行反向追迹,算出光线与后表面垂直子午线的交点y2,光线与水平子午线的交点x2,再通过正向光线追迹求出镜片的切向斜顶点球面焦距fT和矢向斜顶点球面焦距fS,进而求出切向光焦度FT和矢向光焦度FS,再和F2相减即可求出切向误差T和弧矢误差S,进而计算出影响成像质量的主要像差:斜轴像散(OAE)、场曲(MOE)和畸变。
作为本发明的进一步改进,所述步骤S4中重复操作除去30°视场角以外的点。
作为本发明的进一步改进,所述B、C、D、E可以使用zemax软件进行求解。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明中首先构建简化的镜-眼模型,以镜片前表面顶点为原点,建立一个三维直角坐标系,然后利用光线追迹对水平和垂直方向的两条子午线进行逐点优化,求出垂直和水平子午线的自由环曲系数,然后再由于镜片的旋转对称性,仅考虑在曲面的第一象限内,将第一象限每间隔某一固定角度划分一个区域,每个区域取一条子午线,除水平和垂直方向外的子午线都使用关于取出子午线的角度的公式求出自由环曲系数,再将求得的自由环曲系数代入以双曲率二次曲面公式为基底,并使用高阶系数进行修正的公式来确定矢高,最后再根据取出的子午线上的各个点的矢高数据确定自由环曲面的曲面形状,制作的镜片会更薄、成像会更加清晰、佩戴舒适度高。
图1为本发明镜片优化原理A示意图;
图2为本发明镜片优化原理B示意图;
图3为本发明自由环曲镜片与同规格球面镜片的畸变对比图;
图4为本发明自由环曲镜片与相同规格球面镜片的OAE对比图;
图5为本发明自由环曲镜片与相同规格球面镜片的MOE对比图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
需要说明的是,当元件被称为“固定”、“安装”、“连接”或“设置”有另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上的。需要理解的是,术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有说明书特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
作为本发明的进一步改进,术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
实施例1
请参阅1-5,本发明提供一种技术方案:一种自由环曲镜片的制作方法,通过对整个面内多个不同角度的子午线逐点优化来提升自由度,本制作方法包括以下步骤:
S1、以镜片前表面顶点为原点,建立一个三维直角坐标系,使镜片的中心落在z轴上,并且镜片的垂直子午线与y轴平行,镜片的水平子午线与x轴平行;
S2、将镜片的前后表面均设定为球面,并根据给定的基弯F1,曲率半径r10,中心厚度d和折射率n来确定后表面顶点的光焦度F2以及曲率半径r20,由于所设计的镜片不带散光,前后表面水平和垂直方向上的光焦度均相等;
S3、计算出影响成像质量的主要像差:斜轴像散、场曲和畸变,通过几何光线追迹算法,如图2所示,入射光线以u'=30°斜向入射,穿过旋转中心与顶点球交于K,与镜片内外表面分别交于B2、B1点,入射光线在各表面的入射角i和出射角i'的大小可采用光路计算标准方程计算,以下方程对前后表面均适用;
其中,n和n'分别为入射和出射介质的折射率,i和i'分别为光线在表面上的入射角和出射角,u和u’分别为入射光线和出射光线与光轴的夹角,l和l’分别为入射光线、出射光线与光轴的交点和入射光线、出射光线与镜片表面交点的水平距离,r0为镜片表面的曲率半径;
再通过正向光线追迹得到光线与各表面的交点坐标位置,并采用Coddington方程推算出子午像和弧矢像的位置,进而计算出影响成像质量的主要像差:斜轴像散(OAE)、场曲(MOE)和畸变;
其中,s和s'分别为弧矢物距和像距,t和t'分别为子午物距和像距,rS和rT分别为弧矢和子午面的曲率半径;
具体地,切向误差是由于光线入射在非球面镜片或曲面光学元件的不同点上,导致实际出射光线的位置和方向与理想的出射光线有差距,例如图2所示的切向平面中,假设所示的透镜为+8.00D,且其前表面光焦度为+3.00D,光线穿过透镜到达K点时聚散度为+7.75D,此时便意味着存在-0.25D的切向光焦度误差,为消除切向光焦度误差,可通过几何光线追迹算法在30°视场角下,从眼睛旋转中心出发,先对垂直和水平两条子午线进行反向追迹,算出光线与后表面垂直子午线的交点高度y1,光线与水平子午线的交点高度x1,在图2中,入射光线在折射后受到像散的影响,在QT处形成切向图像,在QS处形成矢状图像,距离KQT为切向斜顶点球面焦距,记为fT,距离KQS为矢向斜顶点球面焦距,记为fS,当fT和fS用米作单位时,切向光焦度FT=1/fT,矢向光焦度FS=1/fS,通过正向光线追迹可以求出切向光焦度FT和矢向光焦度FS,则切向误差T=FT-F2,矢向误差S=FS-F2,进而可以计算出影响成像质量的主要像差:斜轴像散(OAE)、场曲(MOE)和畸变
S4、采用递归算法进行逐点优化:由于斜轴像散对成像的清晰度影响最大,所以将斜轴像散作为设计镜片时所需矫正的首要像差,进行斜轴像散补偿,对两条子午线上的点重复上述操作(除去30°视场角以外的点),采用递归算法进行逐点优化,其中:
其中,y2和x2为光线与镜片表面水平和垂直子午线的交点高度,即出射光线距离光轴的高度,T为垂直和水平两条子午线方向上的切向光焦度误差,PB和PC分别为垂直和水平方向上的子午线的自由环曲系数;
S5、求出自由环曲面系数:由于镜片的旋转对称性,考虑在曲面的第一象限内,将第一象限每间隔10°划分一个区域,如图1中θ1、θ2和θ3以此类推一直到图中的θ8一共8个θ角,每个区域取一条子午线,一共10条子午线,求得除水平和垂直以外的自由环曲面系数,公式如下:
其中,θ表示取出子午线相对于水平方向上的旋转角度;
S6、修正场曲和畸变:将以上得到的每条子午线的曲面系数代入以双曲率二次曲面公式为基底,并用多个高阶项进行矫正的矢高公式,得到离散的数据点,最终用最小二乘法重建出自由环曲后表面,公式如下:
其中,cx和cy分别表示x和y方向的曲率,cx=cy=1/r20,r表示入射光线在曲面上的高度,x、y表示曲面上某点沿z轴方向在xoy平面上的投影的坐标,B、C、D、E为自由环曲面高阶系数(B、C、D、E可以使用zemax软件进行求解),首先,在zemax中创建或导入双曲率二次曲面,再选择要用于校正的高阶系数,使用所选的高阶系数,建立一个校正模型,该模型将高阶系数与曲面形状关联起来,在zemax中使用优化工具来运行校正,在优化过程中,zemax将自动调整所选的高阶系数,以最小化OAE、MOE和畸变,使模拟结果与所需的光学性能相匹配,即可求解出高阶系数的值,r表示入射光线在曲面上的高度,x、y表示曲面上某点沿z轴方向在xoy平面上的投影的坐标,z表示曲面沿z轴方向与xoy平面的距离,即曲面的矢高。
作为本发明的进一步改进,所述r10=1000(n-1)/F1
r20=1000(1-n)/F2
其中,n为该镜片介质的折射率。
作为本发明的进一步改进,步骤S3中计算斜轴像散、场曲和畸变的方式为在30°视场角下,从眼睛旋转中心出发,先对垂直和水平两条子午线进行反向追迹,算出光线与后表面垂直子午线的交点y2,光线与水平子午线的交点x2,再通过正向光线追迹求出镜片的切向斜顶点球面焦距fT和矢向斜顶点球面焦距fS,进而求出切向光焦度FT和矢向光焦度FS,再和F2相减即可求出切向误差T和弧矢误差S,进而计算出影响成像质量的主要像差:斜轴像散(OAE)、场曲(MOE)和畸变。
在本发明中,对镜片折射率为1.74,光度为-8.00D的眼镜片经过上述实施方式进行优化处理,再使用同规格的球面镜与上述优化后的镜片的对比结果如表1所示,对于斜轴像散而言,两个方向所成像不在同一点,对像的清晰度影响最大,故本发明优先考虑牺牲掉部分的场曲值来优化斜轴像散,将其优化至最小,与球面相比优化了0.64D,提供了从中心到周边优异的清晰度。场曲值虽然比球面略大,但是也在眼镜片佩戴的可接受范围内。畸变不会改变像的清晰度,会影响像的形状,自由环曲镜片比球面镜片畸变优化在1.1%,矫正了像的形状。优化原理如图2所示,畸变、OAE和MOE的对比图如图3、图4和图5所示
表一
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性地包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种自由环曲镜片的制作方法,通过对整个面内多个不同角度的子午线逐点优化来提升自由度,其特征在于:本制作方法包括以下步骤:
S1、构建简化的镜眼模型;
S2、确定顶点的光焦度F2以及曲率半径r20;
S3、计算出影响成像质量的主要像差:斜轴像散、场曲和畸变;
S4、采用递归算法进行逐点优化:由于斜轴像散对成像的清晰度影响最大,所以将斜轴像散作为设计镜片时所需矫正的首要像差,进行斜轴像散补偿,对两条子午线上的点重复上述操作,采用递归算法进行逐点优化,其中:
其中,y2和x2为光线与镜片表面水平和垂直子午线的交点高度,即出射光线距离光轴的高度,T为垂直和水平两条子午线方向上的切向光焦度误差;
S5、求出自由环曲面系数:由于镜片的旋转对称性,考虑在曲面的第一象限内,将第一象限每间隔10°划分一个区域,每个区域取一条子午线,一共10条子午线,求得除水平和垂直以外的自由环曲面系数,公式如下:
其中,θ表示取出子午线相对于水平方向上的旋转角度;
S6、修正场曲和畸变:将以上得到的每条子午线的曲面系数代入以双曲率二次曲面公式为基底,并用多个高阶项进行矫正的矢高公式,得到离散的数据点,最终用最小二乘法重建出自由环曲后表面,公式如下:
其中,cx和cy分别表示x和y方向的曲率,cx=cy=1/r20,r表示入射光线在曲面上的高度,B、C、D、E为自由环曲面高阶系数,x、y表示曲面上某点沿z轴方向在xoy平面上的投影的坐标。
2.根据权利要求1所述的自由环曲镜片的制作方法,其特征在于:所述步骤S1具体步骤如下:
以镜片前表面顶点为原点,建立一个三维直角坐标系,使镜片的中心落在z轴上,并且镜片的垂直子午线与y轴平行,镜片的水平子午线与x轴平行。
3.根据权利要求1所述的自由环曲镜片的制作方法,其特征在于:所述步骤S2中具体步骤如下:
将镜片的前后表面均设定为球面,并根据给定的基弯F1,曲率半径r10,中心厚度d和折射率n来确定后表面顶点的光焦度F2以及曲率半径r20,由于所设计的镜片不带散光,前后表面水平和垂直方向上的光焦度均相等。
4.根据权利要求3所述的自由环曲镜片的制作方法,其特征在于:所述
r10=1000(n-1)/F1
r20=1000(1-n)/F2
其中,n为该镜片介质的折射率。
5.根据权利要求1所述的自由环曲镜片的制作方法,其特征在于:所述步骤S4中PB和PC分别为垂直和水平方向上的子午线的自由环曲系数。
6.根据权利要求1所述的自由环曲镜片的制作方法,其特征在于:所述步骤S3中计算斜轴像散、场曲和畸变的方式为在30°视场角下,从眼睛旋转中心出发,先对垂直和水平两条子午线进行反向追迹,算出光线与后表面垂直子午线的交点y2,光线与水平子午线的交点x2,再通过正向光线追迹求出镜片的切向斜顶点球面焦距fT和矢向斜顶点球面焦距fS,进而求出切向光焦度FT和矢向光焦度FS,再和F2相减即可求出切向误差T和弧矢误差S,进而计算出影响成像质量的主要像差:斜轴像散(OAE)、场曲(MOE)和畸变。
7.根据权利要求1所述的自由环曲镜片的制作方法,其特征在于:所述步骤S4中重复操作除去30°视场角以外的点。
8.根据权利要求1所述的自由环曲镜片的制作方法,其特征在于:所述B、C、D、E可以使用zemax软件进行求解。
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