CN1227560C - 定制的渐变附加镜片 - Google Patents

Abstract

本发明提供设计用于需要大中间反射能力区的渐变附加镜片。提供扩大的中间区而没有部分或完全减小远视力区。

Description

定制的渐变附加镜片

发明领域

本发明涉及多焦点眼科镜片。更具体的是，本发明提供设计用于需要大中间折射光焦度区域的渐变附加镜片。

发明背景

眼科镜片用来校正屈光异常是公知的。例如，多焦点镜片，如渐变附加镜片(“PAL”)，被用来治疗远视眼。PAL的表面以从镜片的远焦到近焦或者从顶部到底部逐渐连续渐变垂直附加的屈光光焦度来提供远的、中间的、以及近的视力区。PAL对佩带者是具有吸引力的，因为PAL在不同屈光光焦度区之间没有其它多焦点镜片，如双焦点镜片和三焦点镜片中含有的可视边缘。

许多活动需要一个特别大的中间折射光焦度区，一般PAL不包含这个区。例如，浏览图像屏幕如计算机显示屏，一个扩大的中间视力区是可取的以避免镜片佩带者必须将头部从一侧移向另一侧来观看显示屏。几种定制的、提供了一个扩大的中间视力区的多焦点镜片设计是公知的。但是，这些设计完全或者部分牺牲了远视力区以便提供扩大的中间视力区。此外，这些设计的中间视力区至少部分在镜片的0-180度轴之上，导致镜片佩带者必须向前倾斜头部以便在观看图像显示屏时利用该区域。

其它设计，如在美国专利号4762408中公开的设计，提供了一个较宽的中间视力区，但仅仅是通过将通道长度增加到20毫米或更长，并将近视力区光学中心置于不费劲和移动头部就不允许镜片佩带者瞳孔接近的一点。因此，有必要存在一种克服这些公知设计中的一些问题的PAL。

附图简述

图1是镜片表面的一个示意性图解。

图2是实例1中的镜片的等柱面图。

图3是实例1中镜片的等高线图。

图4是实例2中的镜片的等柱面图。

图5是实例2中镜片的等高线图。

图6是实例3中的镜片的等柱面图。

图7是实例3中镜片的等高线图。

图8是实例4中的镜片的等柱面图。

图9是实例4中镜片的等高线图。

本发明及其优选实施例描述

本发明提供渐变附加镜片，以及用于设计和制造这些镜片的方法，其中提供了一个展宽的中间视力区，或者通道。提供这种扩大的区域既没有部分也没有完全减小远视力区。此外，本发明的镜片的通道长度维持在大约19毫米或更短，并且镜片的最大不希望散光小于镜片的屈光附加光焦度的约80％，优选约40％至约80％，更优选地约为50％至约50％。

为了本发明的目的，“镜片”或“多个镜片”意思是指任何眼科镜片，包括但不限于眼镜镜片(spectacle lens)、接触镜片、眼内镜片等等。优选地，本发明的镜片是眼镜镜片。“中间视力区”或“通道”意思是指增加屈光光焦度的区域，其免于大约0.75屈光度或更大的有害散光并且它连接了远视力区和近视力区。“有害散光”意思是指由镜片表面中的一个或多个表面引入或导致的散光。“屈光附加光焦度”意思是指渐变附加表面的近视力区和远视力区之间的屈光光焦度差的量。

本发明的一个发现是可提供一个展宽的通道，同时通过某种镜片设计方法和通道光焦度梯度的选择维持了远视力区和近视力区不动。特别地，将整个镜片表面作为一个整体进行优化的镜片设计方法与小于或等于约每毫米0.12屈光度的通道光焦度梯度一起被使用。为了本发明公开的目的，包括球面光焦度和散光的光学参数通过眼点分析协议进行测量，该协议将顶点放置在光学部件前表面后的27毫米处并用一个下垂点文件表示光学部件的每个表面几何形状。然后整个镜片光学部件的眼点分析可通过光线跟踪进行。

在一个实施例中，本发明提供了一种渐变附加镜片，该镜片包括，实质上包括，和包括至少一个表面，该表面包括，实质上包括，且包括一个远视力区、一个近视力区和一个通道，该通道具有约19毫米或更短的长度，其中远视力区在宽度上约等于或大于中间区域的宽度，并且中间视力区的宽度约等于或大于近视力区的宽度，并且其中镜片具有最大不希望散光，其小于屈光附加光焦度约80％，优选约40％至约80％，更优选地为约50％至约60％。本发明的镜片可具有一个或多于一个的渐变表面。

在另一个实施例中，本发明提供了一种方法，该方法包括，实质上包括，并且包括设计具有至少一个渐变表面的镜片的步骤，且其中整个渐变表面作为一个整体进行优化并且大约每毫米0.12屈光度或更小的通道光焦度梯度被使用。

镜片表面作为一个整体进行优化的任何设计方法都可被用在设计本发明的镜片中。待利用的通道梯度在优化过程开始之前被规定。一种其中渐变表面作为一个整体进行优化的合适的镜片设计方法的一个实例被公开在美国专利号5886766中。参考图1，一种所使用的替代和优选的方法是其中镜片被看成具有表面g和未知表面f。镜片表面f被看成是在(x，y)平面内区域D之上，该区域被划分为多边形的汇集，优选为三角形τ_i，i＝1，...，N，其中N是三角形的总数目。多边形或三角形的数目不受限制并且它们相互不必等同。

表面f是多个小镜片l_i，每个小镜片l被限定在一个多边形或三角形之上。表面f在多边形中的点(x，y)上的高度由l_i(x，y)给出，表示为：

f(x，y)＝l_i(x，y)，(x，y)∈τ_i

每个小镜片的表面都用一个五阶多项式表示，即一个包括所有xⁱy^m形式组合的x和y多项式，其中j+m小于或等于5。一个小镜片表面在多边形中(x，y)点上的高度通过方程中的l_i(x，y)给出：

$l_i(x,y)=\underset{j+m\≤S}{\underset{j,m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i^{\mathrm{jm}}{x}^j{y}^m,(x,y)\∈{\mathrm{\τ}}_i,---\left(A\right)$

其中a_i ^jm是第i个小镜片l_i的系数。因此表面f完全由局部多边形组的系数决定。

在该优选的方法中，特别需要将小镜片表面拼凑在一起以便最终的表面是连续的并且沿多边形的边界微分连续，通过如下方程表示：

l_i(x，y)＝l_j(x，y)   (x，y)∈τ_i∩τ_j        (B)

$\frac{{\∂l}_i(x,y)}{\∂x}=\frac{{\∂l}_j(x,y)}{\∂x},(x,y){\∈\mathrm{\τ}}_i\∩{\mathrm{\τ}}_j---\left(C\right)$

$\frac{{\∂l}_i(x,y)}{\∂y}=\frac{{\∂l}_j(x,y)}{\∂y},(x,y)\∈{\mathrm{\τ}}_i{\∩\mathrm{\τ}}_j---\left(D\right)$

其中多边形τ_i和τ_j的交界是二者的公共边界。另外，小镜片表面可被拼凑在一起以便最终的表面在三角形τi的顶点二次微分连续，用如下方程表示：

$\frac{{{\∂}^{2}l}_i(x,y)}{\∂x^2}=\frac{{{\∂}^{2}l}_j(x,y)}{\∂x^2}=\frac{{{\∂}^{2}l}_k(x,y)}{\∂x^2},(x,y)\∈{\mathrm{\τ}}_i{\∩\mathrm{\τ}}_j\∩{\mathrm{\τ}}_k,---\left(E\right)$

$\frac{{{\∂}^{2}l}_i(x,y)}{\∂x\∂y}=\frac{{{\∂}^{2}l}_j(x,y)}{\∂x\∂y}=\frac{{{\∂}^{2}l}_k(x,y)}{\∂x\∂y},(x,y)\∈{\mathrm{\τ}}_i{\∩\mathrm{\τ}}_j\∩{\mathrm{\τ}}_k,---\left(F\right)$

$\frac{{{\∂}^{2}l}_i(x,y)}{\∂y^2}=\frac{{{\∂}^{2}l}_j(x,y)}{\∂y^2}=\frac{{{\∂}^{2}l}_k(x,y)}{\∂y^2},(x,y)\∈{\mathrm{\τ}}_i{\∩\mathrm{\τ}}_j\∩{\mathrm{\τ}}_k,---\left(G\right)$

其中三角形τ_i，τ_j和τ_k的交点是三角形的公共顶点。

优选地，镜片表面的特定面积通过选择权重系数w_i，1和w_j，2来强调，其表征了每个小镜片的相对强度以及每个小镜片的散光和光学光焦度的相对重要性。因此，受方程B至G的制约，代表表面的系数必须要使由下面的方程给出的代价函数E最小：

$E=\underset{i=j}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_i{w}_{i,1}({\mathrm{\κ}}_1(x,y)-{\mathrm{\κ}}_2(x,y){)}^2+w_{i,2}{(\frac{{\mathrm{\κ}}_1(x,y)+{\mathrm{\κ}}_2(x,y)}{2}-P(x,y))}^2\mathrm{dxdy},---\left(H\right)$

其中k₁(x，y)和k₂(x，y)是表面f在(x，y)处的主曲率以及dxdy是τ_j的表面面积元。预定的加权系数w_i，1和w_j，2依赖于x和y以及可能f和f的一阶导数。

使代价函数最小的表面在点(x，y)将不必具有光焦度P(x，y)并且设计者可使镜片具有特定的形状、光学行为，或二者曲线C_m(m＝1，...N_c，其中N_c是曲线的总数)的一个沿τ_j边界的子集的有限集合。指定曲线条件以控制顶点V_c处和曲线C_mI附近的形状以及光学特性。

表面可表示为，并优选地表示为限定三角形τ_j的一片(patch)五阶多项式，这样表面将满足根据Argyis，J.H.等人在《航空学杂志》第732卷，701-709页“用于矩阵位移法的板元TUBA系”(The TUBAFamily of Plate Elements for the Matrix Displacement Method，Aeronautical J.，Vol.732，701-709)中描述的技术的方程(B)至(G)的连续性限制，在此结合它的全部内容作为参照。构造出满足方程(B)至(G)连续性限制的N_s个五阶多项式S_k(x，y)。表面被表示成下面方程给出的形状多项式的线性组合：

$f(x,y)=\underset{k=1}{\overset{\mathrm{Ns}}{\mathrm{\Σ}}}{d}_k{s}_k(x,y)---\left(I\right)$

其中d_k是线性组合中的未知系数。通过构造，该表面满足方程(B)至(G)的连续性限制。当方程(I)的表面被代入方程(H)的代价函数时，结果是一个根据系数d_k的代价函数表达式。此时可以不考虑方程(B)至(G)的连续性限制和曲线限制进行代价函数的最小化以确定剩余其它的未知系数。

如在Argyis等人的文章中所公开的，方程(B)至(G)的连续性限制等价于满足三角形τ_j顶点处的f、它的一阶导数和它的二阶导数的连续性，以及f相对于三角形边的中点法线的导数的连续性。对于整个三角形集合，方程(B)至(G)的连续性限制等价于在每个顶点的(H)连续性限制以及对每个中点的1连续性限制。在顶点的f、它的一阶导数和它的二阶导数的精确值连同相对于每个中点法线的f的精确值是自由参数，或者自由度。

为每个自由度构造形状多项式S_k(x，y)。例如，对三角形τ₁，有顶点V1，V2和V3以及中点M1，M2和M3。第二个三角形τ₂有顶点V1，V2和V4以及中点M1，M4和M5。顶点V1对六个三角形τ₁-τ₆是公共的，中点M1对τ₁和τ₂是公共的，中点M2对τ₁和τ₇是公共的，以及M3对τ₁和τ₆是公共的。

自由度中的一个与顶点V1处表面f的值有关。构造形状多项式以便它在顶点V1的值是1而在三角形集合中的其它每个顶点是0，它在每个顶点的一阶和二阶导数是0，并且相对于每个中点的法线导数是0。这通过确定每个三角形的一个五阶多项式以及将形状多项式设置为这些五阶多项式的分段集合(piece-wise collection)来实现。用于三角形τ₁和τ₂的五阶多项式满足方程(B)至(G)的连续性限制。对集合中剩余其它的三角形，类似的x和y的五阶多项式被确定并且形状多项式被定义为这些五阶多项式的分段集合。

第二个形状多项式被构造以便它在每个顶点的值均为0，它在顶点V1的一阶导数为1并且在其它每个顶点为0，它在其它每个顶点的二阶导数为0，以及它相对于每个中点法线的导数为0。应当理解形状多项式中的每一个通过构造都满足方程(B)至(G)的连续性限制，因此方程(I)中给出的线性组合也满足它们。也应当理解五阶形状多项式中的每一个仅仅在那些在顶点或该三角形的中点自由度为1的三角形中为非零。

设计者规定的曲线限制是用于f以及可能一些在曲线C_m的顶点V_c处的一阶导数和二阶导数的指定值。曲线限制中的每一限制固定f的值或者它在三角形集合中一个特定顶点的一阶导数或二阶导数中的一个，因此完全确定了出现在方程(I)的线性组合中的特定未知系数的值。仍为未知数的系数的数目通过表达式N_s-曲线限制的数目给出。

用于构造满足方程(B)至(G)的连续性限制的五阶形状多项式的其它技术从板块力学技术可知道。如果是多边形而不是三角形被用于区域D的一部分，则与多边形有关的自由度数目将大于21，因此多项式将具有比五阶更高的阶以便解决所有的自由度。

方程(I)的线性组合被代入到方程6的代价函数中，其结果是代价函数按照系数的一个表达式，其中一些系数是未知的。此时不用考虑方程(B)至(G)的连续性限制和曲线限制进行代价函数的最小化以便确定剩余其它的未知系数。从微积分变分可知对未知表面f的最小化问题等价于解一个特定的方程，即尤拉-拉格朗日(Euler-Lagrange)方程。

对方程(H)给出的代价函数，尤拉-拉格朗日方程是非线性的。此外，三角形τ_i上的积分在未知系数中包含了一个非线性表达式，因此很难计算。因此，对未知系数，任何合适的迭代法均可用来解尤拉-拉格朗日方程。优选地，使用牛顿法。

迭代法产生表面的一个数列以便该数列收敛到所要求的解f。有多种办法选择用于迭代的初始表面，例如在x和y的一个平面可被选作初始表面。数列中的每一个表面都解答了一个线性代数方程系，该系由矩阵来表征。在公知的有限元文献中描述了出现在迭代法中的矩阵的构造。

由于迭代过程有无穷多的步骤，因此有必要确定一个标准用于将迭代过程中止在一个特定的点。例如，可将表面f_m比较前面的表面f_m-1。这种比较的一个实例是取表面f_m和f_m-1的线性组合系数的差。如果该差的平方和小于一个预定的阈值，则数列被说成是已经收敛到表面f_m。在本发明的镜片中，终止标准源于设计，其中希望远视力区宽度约等于或大于中间区域的宽度并且中间区域的宽度约等于或大于近视力区的宽度。

如果收敛到一个解太慢，根据优选实施例，表面数列的收敛在回到初始问题之前，迭代中对一步或多步可用一个变型代价函数来代替方程(H)中给出的代价函数进行改善。变型代价函数是具有主曲率k₁’和k₂’的方程(H)的代价函数，由式给出：

$H^{\′}\left(\mathrm{\β}\right)=\frac{1}{2}\frac{(1+\mathrm{\β}{\left(\frac{\∂f}{\∂x}\right)}^2)\left(\frac{{\∂}^{2}f}{{\∂y}^2}\right)-2\mathrm{\β}\left(\frac{\∂f}{\∂x}\right)\left(\frac{{\∂}^{2}f}{\∂y}\right)\left(\frac{{\∂}^{2}f}{\∂x\∂y}\right)+(1+{\mathrm{\β}\left(\frac{\∂f}{\∂y}\right)}^2)\left(\frac{{\∂}^{2}f}{{\∂x}^2}\right)}{{(1+{\mathrm{\β}\left(\frac{\∂f}{\∂x}\right)}^2+{\mathrm{\β}\left(\frac{\∂f}{\∂y}\right)}^2)}^{3/2}},$

$G^{\′}\left(\mathrm{\β}\right)=\frac{1}{2}\frac{\left(\frac{{\∂}^{2}f}{\∂x^2}\right)\left(\frac{{\∂}^{2}f}{\∂y^2}\right)-{\left(\frac{{\∂}^{2}f}{\∂x\∂y}\right)}^2}{{(1+\mathrm{\β}{\left(\frac{\∂f}{\∂x}\right)}^2+{\mathrm{\β}\left(\frac{\∂f}{\∂y}\right)}^2)}^2},$

${\mathrm{\κ}}_1^{\′}\left(\mathrm{\β}\right)=H^{\′}\left(\mathrm{\β}\right)+\sqrt{H^{\′}{\left(\mathrm{\β}\right)}^2-G^{\′}\left(\mathrm{\β}\right)},$

${\mathrm{\κ}}_2^{\′}\left(\mathrm{\β}\right)=H^{\′}\left(\mathrm{\β}\right)-\sqrt{H^{\′}{\left(\mathrm{\β}\right)}^2-G^{\′}\left(\mathrm{\β}\right).}$

在β具有值1的情况中，变型代价函数等同于方程(H)的代价函数。当β为0时，变型代价函数是方程(H)中给出的代价函数的一个线性化。在β为0到1之间包括0但不包括1的情况中，在回到初始问题之前对迭代中的一个或多个步骤，表面数列的收敛可通过使用变型代价函数进行改善。被计算表面的表面特性用任何公知的方法通过仿真进行校验，镜片的光学特性如同肉眼看到的一样。

在本发明的镜片中，本发明的镜片的远视力屈光光焦度约为-6.00屈光度至约+6.00屈光度，远视力区的宽度是沿通过装配点画出的水平轴测量的约5毫米至约30毫米。“装配点”是指镜片上的一个点，该点当佩带者直线向前看时与远的观察位置的佩带者瞳孔对准，在该点镜片的校正需要校正佩带者的远视力分辨能力。屈光附加光焦度约为+1.00屈光度至约+3.50屈光度，优选约+1.00屈光度至约+3.00屈光度，近视力区宽度约5毫米至约15毫米。镜片表面的一个或多个中，每一个可包含球面光焦度、柱面光焦度和轴，或者它们的组合。优选地，远视力区、近视力区和中间视力区的宽度大约相等或者远视力区的宽度大于中间区的宽度，中间区的宽度大于近视力区的宽度。在优化总的散光时，这些宽度可通过对观察区边界的特定单元规定权重得以保证。

本发明的镜片可用任何传统的方法进行制备以及用任何公知的适合眼科镜片生产的材料构造。适合的材料包括但不限于聚碳酸酯、烯丙基二甘醇(allyl diglycol)、聚甲基丙烯酸酯(polymethacrylate)等等。这些材料既可从商业上得到，生产它们的方法也是公知的。此外，镜片可用任何传统的镜片制备工艺进行生产，这些工艺包括但不限于抛光、整个镜片的铸造、成型、热压成形、层压、表面铸造、或者它们之中的组合。铸造可用任何方法实现，但优选是通过表面铸造进行，其包括但不限于美国专利号5147585、5178800、5219497、5316702、5358672、5480600、5512371、5531940、5702819和5793465中所公开的，在此结合它的全部内容作为参照。优选的方法被公开在美国应用序列号09/178471和09/315477中，在此结合它的全部内容作为参照。

本发明将进一步通过如下的、非限制性的实例进行阐明。

                        实例

                        实例1

本发明的镜片被提供了示于表1中的特征并且镜片的等柱面和光焦度图分别显示在图2和图3中。镜片提供的额定增加的光焦度为2.00屈光度。可以看出，较低的通道屈光光焦度，0至1.25屈光度，在镜片中占有一个宽大的区域，从y＝0到约y＝-12毫米。镜片对40厘米至80厘米的工作距离进行优化，该距离对计算机显示屏浏览者而言是典型的。使用算法特别是在上文公开的算法完成镜片的设计。通道长度通过提供通道光焦度梯度作为算法的一个附加输入进行调整，并且被规定为每毫米0.11屈光度。通道长度被规定为18毫米，远视力区宽度为20毫米，而近视力区宽度为14毫米。

                        实例2

本发明的镜片通过实例1的步骤被提供，特性示于表1，并且镜片的等柱面和光焦度图分别显示在图4和图5中。镜片提供的额定增加的光焦度是2.00屈光度。可以看出，镜片没有大于0.85屈光度的有害散光。镜片的通道被延长，符合了对一个宽而长的中间光焦度区的需要。远视力区的宽度横跨整个光学部件。镜片对40厘米至80厘米的工作距离进行优化，该距离对计算机显示屏浏览者而言是典型的。用在算法中的权重参数着重于通道边界处散光的减小而不着重于近视力区宽度。通道光焦度梯度为每毫米0.08屈光度。

表1

实例	通道长度(毫米)	通道宽度(毫米)	最大有害散光(米)	近视力区宽度(毫米)	远视力区宽度
						1	18	12.5	0.85D	14.5	20
2	26	24.0	0.82D	16.0	整个镜片宽度

                        实例3

本发明的镜片通过实例1的步骤被提供，特性示于表1，并且镜片的等柱面和光焦度图分别显示在图6和图7中。镜片提供的额定增加的光焦度为2.00屈光度。镜片的通道被延长，符合了对一个宽而长的中间光焦度区的需要。远视力区的宽度横跨54毫米。镜片对40厘米至80厘米的工作距离进行优化，该距离对计算机显示屏浏览者而言是典型的。用在算法中的权重参数着重于通道边界处散光的减小而不着重于近视力区宽度。通道光焦度梯度为每毫米0.094屈光度。

                        实例4

本发明的镜片通过实例1的步骤被提供，特性示于表2，并且镜片的等柱面和光焦度图分别显示在图8和图9中。镜片提供的额定增加的光焦度为2.00屈光度。镜片的通道被延长，符合对一个宽而长的中间光焦度区的需要。远视力区的宽度横跨整个光学部件。镜片按40厘米至80厘米的工作距离进行优化，该距离对计算机显示屏浏览者而言是典型的。用在算法中的权重参数着重于通道边界处散光的减小而不着重于近视力区宽度。通道光焦度梯度为每毫米0.095屈光度。

表2

实例	通道长度(毫米)	通道宽度(毫米)	最大有害散光(米)	近视力区宽度(毫米)	远视力区宽度
						3	26.6	21.1	1.69D	18.1	54.7
4	25.7	19.7	1.58D	18.6	55.9

Claims (8)

1.一种包括至少一个表面的渐变附加镜片，其包括一个远视力区、一个近视力区和一个具有19mm或更小的长度的通道，其中远视力区的宽度等于或大于通道的宽度并且通道的宽度等于或大于近视力区的宽度，其中镜片具有小于屈光附加光焦度的80％的最大有害散光。

2.权利要求1中的镜片，其中镜片是一种眼镜镜片。

3.权利要求1中的镜片，其中有害散光为40％至80％。

4.权利要求1中的镜片，其中远视力区的宽度等于所述通道的宽度并且所述通道的宽度等于或大于近视力区的宽度。

5.权利要求1中的镜片，其中远视力区的宽度等于所述通道的宽度并且所述通道的宽度等于近视力区的宽度。

6.权利要求1中的镜片，其中远视力区的宽度大于所述通道的宽度并且所述通道的宽度等于或大于近视力区的宽度。

7.权利要求1中的镜片，其中远视力区的宽度大于所述通道的宽度并且所述通道的宽度大于近视力区的宽度。

8.一种设计镜片的方法，包括设计具有至少一个渐变表面的镜片的步骤，并且其中整个渐变表面作为一个整体进行优化以及每毫米0.12屈光度或更小的通道光焦度梯度被使用，并且所述通道的长度是19mm或更小，其中，所述镜片是一种包括至少一个表面的渐变附加镜片，所述表面包括一个远视力区、一个近视力区和一个通道，其中所述远视力区的宽度等于或大于所述通道的宽度并且所述通道的宽度等于或大于所述近视力区的宽度，以及其中所述镜片具有小于屈光附加光焦度的80％的最大有害散光。

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