CN1582408A - 具有感应光圈的多焦点镜片 - Google Patents

Abstract

多焦点镜片由非锥形的非球面光学表面限定。各种可选择的表面形状提供由光阶围绕的中央远视区域。光阶具有在径向方向上快速增长的强度，该强度产生感应光圈，视觉系统的皮层成分通过感应光圈受感应从而聚集。感应光圈导致增加的远视清晰度。限定非锥形的非球面光学表面以产生预期的光强度分布。还可以多项式序列的形式提供这些表面函数以简化用于形成接触镜的计算机驱动打磨机的使用。为了允许对限定函数增加操作，添加了附加元素例如二次项。为了改进某些结构中的近视矫正，环形近视区从光阶径向向外延伸。为了改进低光度远视，强度在过渡瞳孔范围外的镜片区域内下降。在选择实施例中，远视区和光阶由循环函数形成。它们具有易于操作以适应不同使用者的具体几何要求的好处。在一些结构中，在光阶外使用扩展的近视区以提高近视矫正。本发明包括接触镜、巩膜眼镜、人工晶状体、和在角膜组织内施加的或手术成形的镜片以及设计和装配这些眼镜的方法。虽然名义上正强度镜片也在本发明当中，但是负镜片取得了特别的好处，这是因为在镜片外围减少的镜片厚度以及因此减少的球面象差。

Description

具有感应光圈的多焦点镜片

相关申请

本申请要求2000年9月8日提交的美国专利申请No.09/657,562的优先权。

发明背景

本发明涉及一种具有多于一个焦距的镜片。所提供的方法和结构可适用于近镜片和眼镜片以及其他用于矫正人的视力的镜片。

大多数视力矫正镜片都被设计用来仅矫正远视力—即具有唯一焦距。当人观看接近物体时，眼睛适应从该接近物体发出的发散光而不是平行光。人眼的调节作用导致了眼睛里的晶状体在形状上的物理变化，晶状体的弯度使由接近物体发出的入射发散光再会聚并集中到视网膜上。该调节通过使晶状体表面更陡峭地弯曲而增加光波的会聚，这反过来增加了眼睛的光学系统的光焦度。所观看的物体越近，眼睛的调节需求就越大。随着人的晶状体的老化，它会渐渐失去类似凝胶的弹性。虽然这个过程在四十年较好的阶段中是容易被人忽视的，但是晶状体会向周围扩展并且变硬，从而失去改变形状的能力并由此引起调节能力的丧失。这种情况公知为老花眼。一般地，矫正镜片佩戴者在近五十岁时开始感觉到老花眼，然后开始需要不止一对的镜片以便在所有距离清楚有效地观看物体。这种多镜片系统对会聚光焦度的要求则一般在下十五年里会逐渐增加。

用于人眼的多矫正眼镜片系统的早期型式仅仅是在远视镜下添加了附加眼镜片，且指定两镜系统为双焦点透镜。通过这种安排得到的附加光焦度被公知为近视的强度增量(add-power)。最终一第三镜被置于这两个镜片之间以改善中间距离的视力，于是系统变成三焦点透镜。由于近来镜片设计领域内的革新，目前可以得到以光焦度连续阵列制作的多焦点的眼镜。这些眼镜制作得可以使眼睛对从无限远到阅读面的距离进行调节，这些眼镜公知为累加镜。虽然多焦点眼镜片在满足眼镜佩戴者的需求方面已经很成功，但是定位于眼睛上或眼睛内的多焦点镜片(近镜片)，如：接触镜、人工晶状体和可选择的手术给予的角膜镜片却很少成功。近来许多新出现的老花眼者是仅矫正远视力的接触镜的终生佩戴者。随着老花眼的发展，许多患者被迫在其接触镜外再佩戴阅读眼镜或一只眼佩戴远视镜而另一只眼佩戴近视镜(单视)。这两种模式非常不方便，而且有时对佩戴者是很危险的。所谓的单视方式的佩戴者不得不丧失判断深度所需的自然双眼功能。需要多焦点矫正的另一增长人群是白内障手术后人工晶状体患者，这些患者的固有晶状体已经被植入的聚合晶体所替代。这些患者在手术成功后必须佩戴眼镜来阅读，但是如果植入晶体有效地成形为多焦点的，则许多患者可以受益。这种多焦点植入物必须能够代替他们年轻的固有晶状体的可变聚焦能力。眼镜佩戴者的又一大增长人群是刚刚接受了角膜手术的人，他们发现自己在进行了非常昂贵的仅矫正远视力的外科手术之后被迫佩戴阅读眼镜。如果角膜手术可以把多焦点引入合适形状和光焦度分布的角膜基质，则可以减轻手术后的老花眼者对佩戴阅读眼镜的需要。

此前为使用接触镜或其他近镜片(在眼睛上或眼睛内的镜片)的人眼提供多光焦度的努力仅取得了有限的成功。Tsuetaki等人的美国专利No.4693572中所述的装置模仿简单的双焦点眼镜，是分段交替的双焦点接触镜的一种实例。当佩戴者向下凝视时，必须利用来自敏感度较低的睑缘的压力而使这种类型的镜片移至佩戴者的角膜上。尽管睑部压力有些不适，但该设计还是取得了某些成功。这种成功部分地来自于由于光瞳孔径暴露于两个凝视位置上的下(近视)镜或(上)远视镜的很大一部分上，为给佩戴者提供的更宽的视力范围。

还有更新的设计，如Carroll的美国专利5436678所创立的，它依据同时聚焦的现象在远视力矫正的同时获得增加强度。利用这种方法，在瞳孔区内可同时出现多焦距：远、近和中。这些装置根据皮层视觉系统的辨别来选择所观看距离可用的最佳焦点。虽然该方法已经获得了相当大的成功，但是多数设计仅能矫正适量的老花眼，而且通常当硬的透气接触镜的角膜侧进行了表面形状处理时才是最成功的。在这些设计中，极度曲率应用于基础曲线，通常引起角膜的代谢问题。在Martin的美国专利No.5835187中，对Carroll专利的装置进行了修改，修改包括在前表面上的多个球带而保持了后表面上的二次曲线，因此从两面都可获得多焦点增加强度。遗憾的是，这些球带被拼凑在一起且不具有连续一阶和二阶导数的连续阵列或半径，结果衍射将起到降低这些镜片的光学性能的作用。

已经在镜片表面运用了各种形状以改善同时聚焦镜片。已经利用二次曲面表面的多个区域设计出非球面多焦点镜片。在同心的设计例如接触镜或眼内镜片中，不同形状的绕转相邻表面被算术地平滑以形成在镜片表面上径向增加的增加强度。二次曲面展开成眼镜片可用形状主要是因为它们具有可变的形状以及固有的易控性。因此，非球面的接触镜通过这些二次函数展开。虽然产生可变焦距是高效的，但围绕二次曲线形状设计的镜片不总是向眼睛提供可接受的光学系统，而且当使用互连镜片表面时该镜片可能有些使用不便。Roffman的美国专利No.5448312和5929969中讨论了更成功的双焦点(而不是多焦点)镜片的实例。通过交替两种半径的环来产生Roffman的双焦点，这两个环一个用于远距强度而另一个用于近距强度，从而对标准瞳孔尺寸和环境光条件保持很好的近距强度。远视力因衍射效应而变差，衍射效应显然由环绕远距强度区域的最居中的环引起，并由各半径之间的槽所造成的光线和光学透明度的损耗引起。对该设计的改进将寻求仅在外部增加强度区内使用具有交替环的非球面中心区和中间区。

在多数多焦点镜片的相邻强度区域中具有感应衍射及其它降低视觉敏锐度的光学象差的边界。已经开发出各种平滑和转换方法来减少这种问题。Vayntraub的美国专利No.5815236公开了应用对数函数来限定镜片区带曲线之间的更平滑的转换。Volk的美国专利No.4640595中公开了运用可变形状(e值)来平滑二次曲面表面。Ducharme的美国专利No.5452031公开了分段多项式或仿样技术在平滑晶带曲线转换中的运用。遗憾的是，由这些转换占去的光区在视力矫正获益方面被最大地浪费掉，并且通常还会引入降低整体视觉清晰度的未聚焦区域。光学间断和无效转换在用于远视力的镜片范围内或其附近特别成问题，因为这时它们对使用者来说比在近距视觉范围内更明显。清晰的远视力要求清晰的光学系统，且数量占优势的近视人群不愿忍受远距模糊。良好的瞳孔经济对于任何置于眼睛上或眼睛本身内的镜片的成功也是必不可少的。假如给定了光瞳孔径的有限尺寸，则引入眼睛光学系统的一组镜片必须运用得非常精密且没有浪费或不用的光区。

已经研究出用于增进远视力的其他装置。众所周知，当配备了相对固定的小光圈(aperture)时眼睛看远处更清晰。因此，已经提出过利用针孔装置或类似的小孔结构矫正远视力的方法。Wesley的美国专利No.3794414和Kalb的美国专利5192317提供了这种方法的例子。虽然在矫正老花眼上可以得到益处，但这些设计大部分遭受到由暗圈边缘或掩盖区的衍射所引起的缺陷，该衍射是有损于这些小孔结构获得的任何可能的改进的一种现象。另外，用于制作这些装置的周边掩蔽排除了多焦点功能，而这正是矫正老花眼所需要的。

根据上述专利及方法制成的镜片反映出了光学局限，这是由于对全部距离和宽范围光环境下的清晰的人眼视力的大量需求所引起的。如果充分利用眼睛的专用属性和功能并将其经济地运用在有限的瞳孔区内，则可以更容易地遇到这些环境。人的独特的视力系统由相当简单的光学器件组成，由于其微小尺寸和生物变化，这些光学器件通常需要光学矫正。这个基本器件连接到复杂的皮层视觉系统，如果具有精心设计的光学系统则皮层视觉系统可以有利地控制并抑制模糊区域。需要的是一种方法，一种用于形成具有多焦距的眼镜片而没有来自无效转换区(特别是邻近远视力区域)的光效率或光敏度的损耗的方法。优选的，这种镜片还可有效地生成小光圈以增进远距视觉，并且没有典型的小孔装置所固有的问题。

发明内容

本发明定义了具有用于矫正从无限远到近视距的整个连续距离范围内的视力的光强度(optical power)的多焦点目镜。引入了具有从远视区域快速增加的强度的光阶。该光阶通过产生有效光圈来部分地增强远视锐度，视觉系统的皮层部件通过该有效光圈被感应以集中于远视区。从镜片顶点，通过远视区和光阶，到最大镜片强度，来限定具有连续一阶和二阶导数的平滑的强度分布。通过形成具有由含有增长和衰减元素的单方程所限定的光强度的镜表面，来实现组合的远视区域和光阶的连续属性。强度分布的平滑和连续属性确保在远视区域中或附近不存在衍射或其他模糊效应。限定非锥形的非球面光学表面以产生理想的光强度分布。以多项式序列的形式提供这些表面函数从而简化在用于成形接触镜的计算机驱动打磨机中的使用。为了同样的目的，强度和表面函数可被简化为有代表性的列表值。为了增加对定义函数的操作，添加了附加元素例如二次曲线项。为了提高某些构造中的近视矫正，环形近视区域从光阶径向向外延伸。为了改善低光度远视力，减少过渡(mesopic)瞳孔范围外的镜片区域中的强度。

在另外的实施例中，通过循环函数来构成远视区和光阶。这有利于简化操作以适合不同的具体使用者的几何需要。在某些结构中，在光阶外使用延伸的近视区域以提高近视矫正。

该强度分布适用于接触镜、巩膜眼镜、人工晶状体、以及在角膜组织内施加的或手术成形的镜片。提供方程以产生具有所需属性的前部光学表面。但是，从后表面产生所定义的强度分布的光学装置也在考虑之内。虽然名义上正强度镜片也在本发明范围内，但是负镜片获得了特别的益处，这归功于镜片周边镜片厚度的减少以及因此减少的球面象差。眼镜片没有有效光圈的益处，但也可以利用本发明的强度分布来限定。

本发明还包括装配镜片的方法，其中对限定镜片表面形状的方程进行操作以产生适应具体使用者的几何和性能需要的镜片。根据下面的详细实施例和附图，本发明的附加益处和优点将变得明显。

附图说明

图1是本发明的一个实施例中的光强度作为半径的函数的图表。

图2a描绘了根据本发明的一个接触镜。

图2b是图2a的实施例中的光强度作为半径的函数的图表。

图3是对于形状因数具有不同值的可替换的强度分配方程，光强度作为半径的函数的三个图表。

图4是将本发明修改以平衡远视力与近视力的强度分布的图表。

图5是根据本发明一个实施例的接触镜的光学表面的图表。

图6是根据本发明对于各种循环强度分布的增加强度的图表。

图7是用于光阶和用于具有介入近视区域的降低的强度转换区域的循环强度分布的图表。

图8是在本发明的具有多个强度峰值的一个实施例中，强度作为径向尺寸的函数的图表。

图9描绘了根据本发明的轴对称的镜片表面，该镜片表面作为对于具有多峰值强度分布的镜片的前光学表面，弧矢深度作为径向尺寸的函数的图象。

具体实施方式

图1描绘了本发明一个实施例的局部光强度分布20作为离顶点的径向尺寸的函数。垂直轴为光强度P(r)，而水平轴为离顶点的径向尺寸。位于中心的远视区22具有有效逼近顶端强度24的远距矫正强度。远距矫正强度是观看无限远物体时矫正视力所需的强度。所需的远距矫正强度可以根据使用者的具体需要而不同。光焦度在远视区域22中随着半径增加而逐渐增加直到达到设计水平强度28。从顶端强度24(远视强度)到进入瞳孔边缘时引起模糊的强度处所增加的强度增量在这里定义为设计水平28。给多数人造成模糊的强度增量被发现介于+0.50和+1.25屈光度(米^-1)之间，而且设计水平强度在该范围内选择。对于设计水平强度的强度增量的变化，部分地是对认为什么是模糊视觉的有些主观分析的结果。例如，如果镜片设计者挑选的设计水平强度值为+0.50，中心区域内的正常远距强度为+1.00屈光度，则有效光圈就是由+1.50屈光度的强度所包围的区域。强度分布20从设计水平28快速地随半径增长，其间称为光阶26。在光阶26中强度的上升非常高，在远距观看期间，使用者视觉系统的皮层方面不能够解决光阶26周围的模糊。结果，使用者被感应，仅仅通过远视区域22来观看远距离目标。感觉到的效果类似于通过小孔装置例如针孔装置所获得的公知效果。具有由远视区域和周围光阶结合产生的效果的光学装置，在这里称为感应的有效光圈。不同于针孔装置和遮盖光圈，该有效光圈的周围没有减少进入瞳孔的光线的不透明区域。本发明的有效光圈由具有光学作用的区域所包围，该区域根据在接近无限远的距离上试图聚焦来矫正视力。有效光圈的边界和尺寸不能精确地限定因为它部分地由主观皮层反应所确定。但是，有效光圈的边界可以用设计水平28来近似。由于在图中的实施例中该区域的形状是圆形，因此有效光圈可以量化成在设计水平28时的径向尺寸的两倍。为了效果最好，有效光圈的直径应该处于1.0至3.5mm(毫米)的范围内。

光阶包括从设计水平28到最大强度29连续增长的局部强度，其中具有对应于所有距离(从无穷远到近视距离)的矫正强度。在现有技术中一般认为“近视”为距眼睛大约40mm的距离。这里一般把超过顶端强度24的强度称为“增加”强度。根据定义远视区域的增加强度实际上为零。依据佩戴者的年龄和佩戴者所用的特定近视距离，充分矫正近视力所需的增加强度一般在1.0至3.0屈光度的范围内。在光阶外部，在降低强度区域27中强度平滑地下降以接近顶端强度。在中等照明水平下，一般人的过渡视觉的瞳孔直径在3.5至4.0mm(毫米)的范围内。远视区域和光阶在对正常光线水平有效的过渡瞳孔的尺寸内出现。在低光度条件下，瞳孔一般张开为大约6到8mm的直径。在低光度条件下，更需远距矫正而非近视矫正，因为低光度下远距观看对于多数人是支配模式。由于该原因，通常希望在超出瞳孔过渡直径以外的范围内降低镜片强度。在其它实施例中光减少或微光范围内的强度分布采取了不同形式。在一个实施例中，微光区域强度比顶端距离强度更负。这是需要的，因为一般认为对于夜视多数人需要增加负矫正。

为了清晰的远视，强度分布在远视区域边界内或附近必须是连续的。为了获得所需的强度分布，必须形成具有先减少然后增加的曲率半径的镜片表面形状。在本发明中，这通过利用具有结合指数增长和衰减的函数的链式方程来实现。由于半径中心的出现是靠近光轴而不是象在二次函数情况下离轴歪斜，因此基于链式的光学表面在多焦点镜片中具有较高的光学特性。本发明通过使函数的基数不同于自然对数基数来操作链式方程。通过以下方程获得的旋转表面，在镜片前部光学表面上产生图1中的强度分布：

方程1 Z(x)＝c₁·P^k·x+c₁·P-^k·x+c₂

其中：Z(x)  是离公共基准的弧矢深度

      x     是以毫米表示的离顶点的垂直距离

      k     是曲面的顶端半径的倒数；(mm^-1)

      p     是可变指数强度基数

      c₁、c₂是由已知的边界条件决定的系数

方程1具有从顶点到有效镜片范围的极限的连续值。一阶和二阶导数也是连续。曲面的顶端半径根据特定佩戴者的眼睛几何形状、材料属性、以及所需的远视矫正来以典型的方式限定。常数c1和c2由已知的边界条件来确定：

方程2  c₁＝(2·k·(ln P)²)^-1   c₂＝(k·(ln P)²)^-1

强度基数P可以是任何大于1的正数，但对于实际接触镜要小于大约60。P的值依据测量单位而定而且这些值在方程里由毫米表示。通过使用P的不同值，图1中所示的强度分布的形状和最大强度可以改编，用于具体镜片设计。优选地，为了获得有效的近视矫正强度，选择这样的P值即强度分布的值在过渡瞳孔的边界之上或之前达到近视强度。这保证了在正常光线条件下对使用者的近视矫正。为了获得在中等距离—介于近视和无限远之间-对使用者有益的矫正强度，强度分布的一阶导数不应当过大。强度分布的斜率的实际上限是未知的，根据不同的使用者而不同。通过修改或选择强度基数P而对强度分布进行的适当修改或选择，必须由使用者得到的经验反馈来引导。在某些情况下，在一距离处增加的视觉清晰度可能需要牺牲在第二距离处的清晰度。能产生过渡瞳孔内所需的近视强度的P值，其得出的强度分布一般随着半径的增加而典型地上升并大大超过所需的增加强度。根据本发明的样例接触镜设计具有下面表1中的各种参数组合。这些镜片是基于具有1.4的折射率的血基水凝胶。

表1

镜片#	近视增加(屈光度)	远距强度(屈光度)	P	有效光圈直径(mm)	过渡瞳孔直径(mm)	最大增加(屈光度)
							1	2.50	-5	13.9	1.85	3.5	7.66
2	2.50	+5	9.93	1.79	3.5	4.62
							3	2.50	-20	58.9	1.91	3.5	18.02
4	1.25	-5	9.4	2.64	3.5	7.66
							5	1.25	+5	7.8	2.55	3.5	1.87
6	1.25	-20	23.2	2.70	3.5	9.31

假定在每种情况下基础曲线半径为8.5mm而过渡瞳孔直径为3.5mm。设计镜片使其在过渡边界处具有近视增加强度。利用在远距强度之上的+.75屈光度的临界设计强度来计算有效光圈。上面表中及本文其他地方的以屈光度表示的强度值在这里以米-1来为单位。

除了两个之外上述样本镜片全部是负强度镜片(感应增加入射光线的发散)。负接触镜的厚度一般随着距镜片中心的半径的增加而增加。已知镜片的厚度产生球面象差，球面象差能降低镜片的视觉清晰度。在上述每一样本中，镜片的最大增加强度远远大于所需的近视增加强度。在每个负镜片中，最大增加是近视增加强度的至少三倍。在光阶外部产生这一高强度的表面形状也会导致镜片外围变薄。本设计在负镜片方面的优势在于当把方程1限定的表面形状运用于镜片前表面时可引起负镜片的厚度减少。相信该减少的厚度能减少球面象差并为使用者增加清晰度。

位于有效光圈边缘的光阶被这样称呼是因为它的快速强度上升类似于远视区域22和最大强度29之间的“阶”函数。为了确保清晰的视觉，必须生成无间断的光阶，间断可能导致光衍射或入射光的其他未聚焦的变化。该效应出现在远视区域中时是特别有害的，这是因为人眼在远视时对未聚焦的光比在近视时更为敏感。以前形成不同光强度区域的方法包括这种间断性，不能提供最佳视觉。以前由其他人建议的需要光学非函数转换或平滑区域的各种方法遭受到这种毁损。在本发明中如果要获得最佳远视则希望提供光阶作为镜片强度曲线的平滑连续。方程1的各项在镜片表面的整个范围内被定义且连续。通过消除对远视产生离散强度区域的多个间断函数或形状，可以避免随后必要的转换及其结果。

方程1可以由Taylor展开式转换成下面的多项等式

方程3 $Z\left(x\right)=\frac{1}{2}\·k\·x^2+\frac{1}{24}\·k^3{\left(\ln P\right)}^2\·x^4+\frac{1}{720}\·k^5\·{\left(\ln P\right)}^4\·x^6+\·\·\·$

它还可以表示为总和：

方程4 $Z\left(x\right)=\underset{n=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{k^{2n-1}{\left(\ln P\right)}^{2(n-1)}}{(2\·n)!}\·x^{2n}$

其中的各参数根据前面的定义，同时m小于15且为了便于制造最好小于5。该方程便于镜片设计和制造过程。本发明的强度函数的快速收敛要求在许多情况下仅使用上述方程的3项即可。这个表示为多项式的表面方程可容易地运用到用于对镜片表面进行机械加工的计算机打磨系统或用于铸造镜片表面的模型中。类似的，限定本发明镜片的这些方程可以表示为半径的离散值及其对应径向尺寸形成的表格。

旋转表面在数学上必须仅包含以上述形式所示的偶指数；但是，现代计算机镜片打磨系统能够利用那些项的绝对值来产生奇指数的旋转表面。这允许将附加的奇指数项加到上述方程中以操作实现设计效果。其他多项表达式可以表示同样的基本函数，包括具有分指数项的表达式。另外，可以把方程3的第一项从简单的抛物线形式修改为包括其他二次曲线的形状，这可以提供临时好处而不损失强度形式的优势。以下方程是可替换的强度分布的一般表达式，它包括一般二次项：

方程5 $Z\left(x\right)=\frac{{\mathrm{kx}}^2}{2}\·\[1-{(1-S\·k^2\·x^2)}^{1/2}\]\·\[1+{(1-S\·k^2\·x^2)}^{1/2}{\]}^{-1}+$

${(2\·k\·{\left(1\mathrm{nP}\right)}^2)}^{-1}\·P^{k\·x}+{(2\·k\·{\left(1\mathrm{nP}\right)}^2)}^{-1}\·P^{-k\·x}-{(k\·{\left(\ln P\right)}^2)}^{-1}$

其中S是非球面或形状因数。对于S＝0，整个第一项为零以获得方程1的原始指数形式。方程5中的下列二次曲线形状由S值定义：

二次曲线形状	S值
		双曲面	S＜0
抛物面	S＝0
		椭圆面(伸长的)	0＜S＜1
椭圆面(扁圆的)	S＞1
		球面	S＝1

利用该方程和方法制成的镜片具有与前面的样例相似的特性，但是具有所含的形状因数S产生增加的自由度，可以控制S以改变有效光圈的大小和光阶的形状。

图3包含了根据方程5由形状因数S的不同值限定的镜片的增加强度的图表。对于所显示的每种强度分布，P值都被调整成这样，即强度分布在相同的径向尺寸穿过近视强度34。通过这样调整S和P，就可以控制远视区域和近视强度之间的光阶形状和强度分布斜率。对于多数接触镜，形状因数S的值会处于-5到2的范围内。当S值超出该范围时，P值就变得非常小或非常大，这将导致强度分布扭曲。表2提供了根据本发明具有不同S值的样本镜片设计。

表2

镜片#	近视增加(屈光度)	远距强度(屈光度)	S	P	有效光圈直径(mm)	过渡瞳孔直径(mm)	最大增加(屈光度)
								7	2.50	-5	+1	7.17	1.86	3.5	7.32
8	2.50	-5	-1	22.4	1.90	3.5	10.44
								9	2.50	+20	-2	19.5	2.56	3.5	10.67
10	1.25	-5	+1	4.1	2.64	3.5	4.35
								11	1.25	-5	-1	16.3	2.72	3.5	5.55
12	1.25	+20	-2	17.9	3.21	3.5	8.43

在前面的示例一样，假定每种情况下基础曲线半径为8.5mm而过渡瞳孔直径为3.5mm。设计镜片在过渡边界处具有近视增加强度。利用在远距强度之上的+.75屈光度的临界设计强度来计算有效光圈。

由于从上述方程所获得的强度分布在近视强度处一般连续增长，因此提供近视强度的镜片区域一般也较小。对一些使用者可能会引起近视清晰度减少的后果。为了在过渡条件下提供增加的近视矫正，在中心远视区域以外修改上述强度分布以增强近视矫正。图2a描绘了这种根据本发明优选实施例的接触镜。图2b是图2a的镜片的光强度作为离镜片顶点的径向尺寸的函数的图表。镜片30包括中心区域32中心区域32具有与远视区域22和光阶26相对应的强度分布32a，如图1所示。通过交替运用上述方程在各个具体实施例中生成强度分布32a。中心区域的光焦度在光阶26中陡峭地上升从而产生上面所讨论的感应光圈。所达到的最大强度是明确需要的近视强度34。在该强度下，光阶被截断并且近视强度34通过环形近视区域36来维持，近视区域36从中心区域32向外延伸。中心区域32和近视区域36都位于过渡瞳孔范围内。在另外的实施例中，近视区域36具有遵循不同形状的变化的强度分布，从而允许在光阶和转换区38之间进行更平滑的转换。从近视区域36的外围，光强度在转换区38中快速降低到等于顶端强度24的强度。优选的，转换区38的外围接近于过渡瞳孔的外部界限。在该实施例中转换区38中的转换强度分布38a遵循简单的双曲线。转换区要尽可能的平滑是很重要的，这样可以不引入模糊而同时迅速退回强度以利用最小径向范围，这是很重要的。其他曲线也可以达到这些要求，例如可以是由不同多项式表达的曲线。转换区38的径向外部是镜片微光视觉区40，该区具有远视强度—顶端强度24。如上所述，在另外的实施例中微光视觉区具有小于顶端强度的降低的强度。镜片的微光区域外是透镜状凸缘42。凸缘42不提供光学效果，但对镜片提供物理支撑。上述区域之间所需的任何平滑或均匀过渡都应在中心区内的主远视区外部，这很重要。可以用任何种类的已知方法来执行这种平滑。

在另外的实施例中，为了实现近视和远视的平衡，控制强度分布以调节镜片上的各自矫正区域。一般认为近视强度区域至少与远视强度镜片区域一样大时，可以获得近视和远视更有效的结合。也就是说，在垂直于光路的方向上，环形近视区域内的面积等于或大于有效光圈内的面积。需要对P和S都进行控制以根据方程5获得预期结果。这可以通过参照图4所述的迭代处理来进行，图4是强度分布20的图表。假定已经定义了使用者和镜片具体参数并代入了方程5中。根据使用者的要求也确定了所需的近视强度。试验形状因数建议选为：S＝-1。选择小于使用者过渡瞳孔径向尺寸50的近视强度径向尺寸(R_NADD)的第一估算。然后对于各个P值和以R_NADD计算得出的增加强度(ADDP(r))计算方程5。当在R_NADD处的强度分布等于所需的近视强度34时，根据方程和选出的设计水平(见上)来确定有效光圈51。这可以通过迭代试验和误差来进行。然后分别计算出近视区域和有效光圈内的面积。如果近视区域不足-小于有效光圈内的区域-则形状因数减小。如果近视区域太大-大于有效光圈内的区域-则形状因数增大。可以重新利用P的迭代来获得理想的近视强度并检验面积。在通过该方法制成的镜片中，强度分布在近视强度处截断以形成近视区域36，近视区域36延伸至参照图3所述的瞳孔范围50。近视区域36在其范围内具有恒定强度。可以按照图3的所述来设计过渡瞳孔以外的镜片区域。上述迭代过程可以利用计算机方法自动进行。还可以利用通用参数的列表值来简化处理。本领域的技术人员还可以利用其他方法执行这些步骤。

图5是与图2b中所示的强度分布和矫正区域相对应的光学表面。从顶点开始，中心表面区域61沿球形基准线62向内弯曲。球形基准线62对应于单独强度镜片的表面。中心表面区域61与中心视觉区强度分布(图2b中的32a)相对应。中心表面区域61终止于对应近视强度的槽面63。从槽面63延伸出微光表面区域65，微光表面区域65具有与转换和微光区域强度相对应的增长的曲面半径。在表面的外边界是透镜状凸缘表面67。

在一特殊实施例中通过利用循环函数来获得上述强度分布的近似值，循环函数提供额外益处。下面用于镜片增加强度的方程实现了在中等强度和近视强度之间改进的转换，并且还实现了对最大强度及其径向位置的控制。

方程6 $\mathrm{ADD}\left(x\right)=\frac{\mathrm{ADDM}}{2}\·\[1+\cos \[\mathrm{\π}\·\left(\frac{\mathrm{Xc}-x}{\mathrm{Xc}}\right)\]\]$

其中ADD(x)是上述定义的在点x处的增加强度，ADDM是最大强度，ADDM被选择等于所需的近视强度，Xc是最大强度的预期位置。

图6是根据该方程利用上述方程中的不同ADDM和Xc值生成的强度分布69、69’、69”的图表。由这些强度分布构成的镜片显示出了由前述有效光圈和光阶实现的相同的光学益处。由于具有控制最大分布强度的能力，它们特别适于通过引入以前面实施例的形式延伸的近视区域进行修改。图7描绘了通过从最大强度ADDM延伸这种循环强度分布70，在径向方向上具有恒定近视强度的近视区域72而形成的镜片强度分布。循环强度分布70的形状给近视区域提供了平滑转换并提高了光学性能。在近视区域72的外部边界使用循环强度分布70的镜像74以定义一平滑转换，该平滑转换将光强度在径向方向上减少到顶端远距强度。

对方程6可以导出完整的表面函数，但得出的方程不便应用于镜片制造。与方程6的强度分布相关的光学表面的有效近似可以从下面方程求出：

方程7 $Z\left(x\right)=\frac{1}{2}\·k\·x^2+\frac{M\·{10}^{-3}}{2(n-1)}\·\[\frac{1}{2}\·x^2+\left(\frac{T^2}{{\mathrm{\π}}^2}\right)\·(\cos (\frac{\mathrm{\π}}{T}\·x)-1)\]$

其中：M和T是必须确定的变量。

为了获得合适的表面形状，用典型的方式处理方程7以达到以M和T为参数的相应近似强度函数。通过将近似强度函数形状进行迭代和与方程6的预期强度函数进行比较来确定M和T的近似值。当这两个强度函数形状充分相似时，将M和T的相应值应用到方程7。然后运用该表面以生成镜片光学表面，该表面能产生方程6的预期强度函数。

当上述用于光学表面形状的方程应用于接触镜的前部表面时，它会产生预期的光强度分布。虽然可以利用它们来形成正镜片，但是如上所述，当用来形成上述负镜片时可获得额外益处。

由于位于中心的远视区域尺寸很小，因此希望在使用中将镜片的光轴与瞳孔的视轴对齐。目前可用的亲水性柔软接触镜一般可很好地在眼睛上对中，因此比典型的硬镜片更适合实现本发明，硬镜片一般不能很好地对中。但是，在任何可以保持于居中位置的接触镜中，这里的概念同样是适用的。改进晶状体与硬的透气镜片对中的一种方法是利用逆几何基础，它类似于已知的用于角膜塑型术中的角膜模型的原理。该逆几何基础应用于镜片的后表面，形成与角膜顶点对中的相对平直曲线，且以一半径逐渐陡峭的部分包围着该区域，半径逐渐陡峭的部分能产生对角膜的吸附。包围这些区域的是第三区域，第三区域具有与角膜对准的曲率。这些特征的组合效果形成了施加于镜片的中心调整力。由上述方程1和5限定的表面形状也可以应用于硬透气镜片基础曲线，并且利用这些形状固有的平—陡—平特性，产生相同的对中效果。

在上述实施例中，假定瞳孔的光学系统位于瞳孔几何体的中心。这通常与在某些人当中发现的瞳孔自然几何偏移的情况不符。为了将接触镜根据瞳孔几何体偏心定位，在另外的实施例中后表面的周围运用了偏心斜面。类似地，偏心凸缘可以用于达到相同效果。通过根据瞳孔几何体建立等于光学偏心率的镜片偏心率()，镜片可以与光轴中心对准。这些实施例应用于软和硬的透气镜片中最为有效。

根据本发明的接触镜包括硬式镜片、软式镜片，以及由任何一般使用材料形成的硬式透气式镜片。优选镜片是水凝胶或硅水凝胶软式镜片。镜片的光强度是镜片形状和材料性质的函数。这里讨论的镜片形状和函数与使用时镜片的预期条件有关。这意味着，例如被设计具有重要含水量的镜片是充分水合的。当前打磨系统能够在转换输入参数时考虑到材料性能变化，例如使用时具有高含水量的接触镜中出现的材料性质变化。同样地，造型镜片成形时也能将相同的材料转换考虑在内。

虽然上述讨论主要是关于接触镜，但本发明还包括结合这里的新概念的其他镜片，这些镜片包括巩膜镜片、眼内镜片、以及在角膜组织内施加的或手术成形的镜片，但不局限于这些。尤其是，在这些可选择的光学器件中形成了具有光阶的强度分布，光阶产生有效光圈。下面的表格3中给出了根据本发明的用于眼内镜片(IOL)以及成形的角膜表面轮廓的设计参数。

表3

镜片	近视增加(屈光度)	远距强度(屈光度)	S	P	有效光圈直径(mm)	过渡瞳孔直径(mm)
							IOL	2.50	+20	0	18	1.83	3.5
角膜轮廓	2.50	0	0	10.1	1.80	3.5

在IOL设计中镜片和玻璃体的折射率分别假定为1.49和1.34。IOL是中央厚度为0.50mm的“D”形镜片。角膜折射率取为1.376，角膜半径为7.7mm。形成这种具有限定的光学表面的设备的细节对于本领域普通技术人员来说是公知的。

在另外一个实施例中，眼镜片可获得上述可调强度和表面函数的好处。由于它们不够接近瞳孔，因此根据本发明的眼镜片得不到有效光圈的效果。但是，上述强度和表面方程提供了形成改良眼镜片的独特方法，其中第一强度分布限定出沿着镜片一轴的脐状线。正交强度分布是由其与脐状线上的第一强度分布的交点的相应强度值来确定的。

当不需要近视矫正时，根据本发明生成的感应光圈的效果对于矫正远视也是有价值的。本发明包括具有光阶和感应光圈，且对近视矫正没有特殊要求的接触镜。

在本发明的另一选择实施例中，镜片强度分布在递增的径向范围具有许多强度峰值。图8中显示了一种样本实施例，图8提供了该实施例中强度作为径向尺寸的函数的图表。三个光强度峰值80达到最大强度82，最大强度82等于、或大于计划近视强度81。从顶点到第一峰值，强度分布用前述实施例所示的相同方式来限定。在镜片顶点，强度等于预期远视强度84并在径向方向快速上升从而影响感应光圈。但是，强度分布83在最大强度82处不矫直或拉平。然后强度分布被关于峰值对称地反射，这样强度以同样的方式下降到接近于远视强度84。通过在径向范围内重复该强度分布来限定随后的峰值。最内部的峰值的径向位置在过渡瞳孔范围上或其内。虽然图8描绘了三个峰值，但也可能包括两个、或超过三个峰值-最大峰值数量被限制在可将它们全部定位于对视觉有效的设计最大瞳孔范围内。这些具有多个峰值的强度分布实现了改进的距离视力，这是前面所述的感应光圈效果的结果。同时，重复的峰值提供了至少两个额外好处。第一个好处是改善了中等距离视力和近视力，这归功于每个峰值在小于最大强度82的中等和近距强度处提供了强度85的递增的有效区。另外的好处是由于对应镜片表面形状而引起的镜片相应的变薄。

图9描绘了轴对称的镜片表面90，显示为镜片前部光学表面的弧矢深度作为径向尺寸的函数的图象。该表面提供了参照图8所述的强度分布，但它具有两个峰值。每个强度峰值都对应于镜片表面90中的一个槽91。虽然显示出的每个槽都具有间断槽，但实际制造要求这些事实上可以是稍微圆形或平滑过渡。尽管这可能引起某些程度的衍射干扰，但一般相信在多数镜片中只具有最小效应。具有多个强度峰值的本发明的实施例，其部分特征在于多个径向槽(sculpi)。在径向尺寸的外围，可以看到随着镜片表面贴近镜片基础曲线93，槽的变薄效果。产生介于顶点和第一峰值之间的上述强度分布的镜片表面形状在不同实施例中利用上述方程来限定。然后该形状可以被关于峰值对称地反射，并且可利用已知方法将该形状施加于镜片曲线上。利用为此目的设计的现代数控打磨技术可容易地进行这种操作。在另外的实施例中，几个峰值可各具有独特的表面形状。也就是说，定义单独峰值的一个或多个上升面和下降面可以由不同于其他上升面和下降面的表面形状来确定。例如，从镜片顶点到第一峰值的表面形状可以由上述方程5利用第一组参数(也就是P和S的值)来确定，而从第一峰值下降的表面形状和随后的峰值由方程5利用第二组具体参数(每种情况下必须反射)来确定。

仅通过样例提供了前述讨论。而根据权利要求的创造性的概念所做的其他变化对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。适配或结合已知的可替换装置及材料也是目前和将来所期待的。

Claims (21)

1、一种眼镜片，包括：

绕顶点旋转的光学表面，该顶点具有顶端远距强度，该顶点还具有曲面的顶端半径，该表面由下面方程所限定：

Z(x)＝(2·k·(lnP)²)^-1·P^k·x+(2·k·(lnP)²)^-1·P^-k·x+(k·(lnP)²)^-1

其中：x是以毫米表示的距顶点的垂直距离，

Z(x)定义点x的弧矢深度，

k是以毫米表示的曲面的顶端半径的倒数，

P是指数强度基数，

ln是自然对数函数；以及

光学表面形成：

围绕顶点的远视区；

围绕远视区的光阶；

在远视区和光阶中平滑地径向增大到光阶中最大强度的镜片光强度。

2、根据权利要求1的镜片，其中：P具有在1至60的范围内的值。

3、根据权利要求2的镜片，进一步包括：围绕光阶的降低强度区域，该区域具有从最大强度快速径向向外减小到降低强度的光强度，该降低强度不大于远距强度。

4、根据权利要求3的镜片，进一步包括：围绕降低强度区域的微光视觉区域。

5、根据权利要求4的镜片，其中：远距强度是负的，而微光区域具有比远距强度更负的强度。

6、根据权利要求4的镜片，其中：微光区域具有等于远距强度的强度。

7、根据权利要求1的镜片，其中：该镜片是人工晶状体。

8、一种具有改进的远视矫正的镜片，包括：

位于中心的远视区，它具有顶点和顶端强度；和

围绕远视区的光阶；及

至少一个光学表面，该光学表面产生从顶端强度平滑地径向向外增大到更大的最大强度的镜片强度分布，而且该强度分布在光阶中充分快速地增大到最大强度，以感应接收通过镜片传送的远距图象的使用者观看到穿过远视区的图象的部分。

9、根据权利要求8的镜片，其中：强度分布包括一个强度值，该强度值等于在小于预定过渡瞳孔尺寸的径向尺寸处的预定近视强度。

10、根据权利要求9的镜片，进一步包括：

从光阶径向向外延伸的近视区，它具有等于近视强度的强度。

11、根据权利要求10的镜片，进一步包括：

围绕近视区的微光视觉区域，它具有不大于顶端强度的微光强度。

12、根据权利要求11的镜片，其中：微光强度小于顶端强度。

13、根据权利要求8的镜片，其中：该至少一个光学表面是由下面的总和限定的光学表面：

$Z\left(x\right)=\underset{n=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{k^{2n-1}{\left(\ln P\right)}^{2(n-1)}}{(2\·n)!}\·x^{2n}$

其中：x是以毫米表示的距顶点的垂直距离，

Z(x)定义点x的弧矢深度，

k是以毫米表示的曲面的顶端半径的倒数，

P是强度基数，

ln是自然对数函数，

m至少等于3。

14、根据权利要求13的镜片，其中：P具有在1至60范围内的值。

15、根据权利要求8的镜片，其中：

该至少一个光学表面是由下面方程限定的光学表面：

$Z\left(x\right)=\frac{{\mathrm{kx}}^2}{2}[1-{(1-S\·k^2\·x^2)}^{1/2}]\·[1+{(1-S\·k^2\·x^2)}^{1/2}{]}^{-1}+$

(2·k·(lnP)²)^-1·P^k·x+(2·k·(lnP)²)^-1·P^-k·x-(k·(lnP)²)^-1

其中：x是以毫米表示的距顶点的垂直距离，

Z(x)定义点x的弧矢深度，

k是以毫米表示的曲面的顶端半径的倒数，

P是强度基数，

ln是自然对数函数，以及

S是形状因数。

16、根据权利要求15的镜片，其中：P具有在1至60的范围内的值。

17、根据权利要求16的镜片，其中：S具有在-5至2的范围内的值。

18、根据权利要求8的镜片，其中：从顶端强度到最大强度的强度分布由循环函数限定。

19、根据权利要求18的镜片，其中该循环函数为：

$\mathrm{ADD}\left(x\right)=\frac{\mathrm{ADDM}}{2}\·[1+\cos [\mathrm{\π}\·\left(\frac{\mathrm{Xc}-x}{\mathrm{Xc}}\right)\left]\right]$

其中：ADD(x)是在x处顶端强度之上的增加强度，

x是离顶点的垂直距离，

ADDM等于最大强度，

Xc是最大强度的预定位置，以及

π是三角函数值，等于圆的周长与直径的比率。

20、根据权利要求8的镜片，其中：该至少一个光学表面包括人体角膜的表面。

21、根据权利要求8的镜片，进一步包括：限定光峰值强度区域的多个径向槽。

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