JP2023079665A - コンタクトレンズ、およびコンタクトレンズの設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装用者の角膜形状等に起因する収差の矯正を行うことを可能にする。【解決手段】本発明のコンタクトレンズは、装用者の角膜後面から所望の距離にある光軸上の基準点から射出され、角膜を介して所望のレンズ領域内に入射した光線が光軸に対して平行に射出されることとなるような形状とされたレンズ前面、を備える。【選択図】図１２

Description

特許法第３０条第２項適用申請有り 令和３年８月中旬に第５７回日本眼光学学会総会・抄録集第７８頁に掲載 〔刊行物等〕 令和３年８月１２日にウェブサイト（ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ．ｊｔｂｃｏｍ．ｃｏ．ｊｐ／５７ｊｓｏｏ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ）に掲載 〔刊行物等〕 令和３年９月５日に第５７回日本眼光学学会の総会にて発表 〔刊行物等〕 令和３年５月２４日に千葉大学の予備審査にて発表

本発明は、コンタクトレンズ、およびコンタクトレンズの設計方法に関する。

角膜形状の異常に起因する収差を矯正するためのコンタクトレンズの設計手法が種々、開発されている（例えば特許文献１，２参照）。

特表２００８－５４２８３１号公報 特表２００３－５０６１７５号公報

特許文献１，２に記載の設計手法では、収差の矯正が十分ではない。

装用者ごとの角膜形状等に起因する収差の矯正を行うことを可能にするコンタクトレンズ、およびコンタクトレンズの設計方法を提供することが望ましい。

本発明の一実施の形態に係るコンタクトレンズは、装用者の角膜後面から所望の距離にある光軸上の基準点から仮想的に射出され、角膜を介して所望のレンズ領域内に入射した仮想的な光線が光軸に対して平行に射出されることとなるような形状とされたレンズ前面、を備える。

本発明の一実施の形態に係るコンタクトレンズの設計方法は、レンズ前面を、装用者の角膜後面から所望の距離にある光軸上の基準点から仮想的に射出され、角膜を介して所望のレンズ領域内に入射した仮想的な光線が光軸に対して平行に射出されることとなるような形状にすることを含む。

本発明の一実施の形態に係るコンタクトレンズ、およびコンタクトレンズの設計方法では、装用者の角膜後面から所望の距離にある光軸上の基準点から仮想的に射出され、角膜を介して所望のレンズ領域内に入射した仮想的な光線が、レンズ前面から、光軸に対して平行に射出される。

本発明の一実施の形態に係るコンタクトレンズ、またはコンタクトレンズの設計方法によれば、装用者の角膜後面から所望の距離にある光軸上の基準点から仮想的に射出され、角膜を介して所望のレンズ領域内に入射した仮想的な光線が、レンズ前面から、光軸に対して平行に射出される。これにより、装用者の角膜形状等に起因する収差の矯正を行うことが可能となる。

眼の見え方の矯正の概要を示す説明図である。 正乱視における光線の結像状態を模式的に示す説明図である。 不正乱視における光線の結像状態を模式的に示す説明図である。 正常な角膜と円錐角膜の概要を示す説明図である。 不正乱視の矯正手法の概要を示す説明図である。 不正乱視の矯正手法の概要を示す説明図である。 Ｓｔａｇｅ１の円錐角膜の初期段階がみられる乱視眼（左眼）の角膜前面（左図）および角膜後面（右図）の屈折力分布の一例を示す図である。 Ｓｔａｇｅ１の円錐角膜眼（右眼）の角膜前面（左図）および角膜後面（右図）の屈折力分布の一例を示す図である。 Ｓｔａｇｅ４の円錐角膜眼（左眼）の角膜前面（左図）および角膜後面（右図）の屈折力分布の一例を示す図である。 Ｓｔａｇｅ４の円錐角膜眼の断面の一例を示す角膜断面図である。 スネルの法則の概要を示す説明図である。 光路長の概要を示す説明図である。 一実施の形態に係るコンタクトレンズの設計方法による２次元光線追跡の概要を示す説明図である。 一実施の形態に係るコンタクトレンズの設計方法による２次元光線追跡の概要を示す説明図である。 一実施の形態に係るコンタクトレンズの設計方法による２次元光線追跡に用いたパラメータの一例を示す説明図である。 Ｓｔａｇｅ４の円錐角膜眼の突出部の断面形状の解析結果および解析結果に基づいて設計したレンズ形状（上段）と、その曲面近似のイメージ（下段）を示す説明図である。 Ｓｔａｇｅ１の円錐角膜の初期段階がみられる乱視眼（図７）のレンズ装用前後の収差量を示す図である。 Ｓｔａｇｅ１の円錐角膜眼（図８）のレンズ装用前後の収差量を示す図である。 Ｓｔａｇｅ４の円錐角膜眼（図９）のレンズ装用前後の収差量を示す図である。 Ｓｔａｇｅ１の円錐角膜の初期段階がみられる乱視眼（図７）のレンズ装用前後のＭＴＦを示す図である。 Ｓｔａｇｅ１の円錐角膜眼（図８）のレンズ装用前後のＭＴＦを示す図である。 Ｓｔａｇｅ４の円錐角膜眼（図９）のレンズ装用前後のＭＴＦを示す図である。 角膜モデルレンズ単体での屈折力分布の測定結果の一例を示す図である。 補正用レンズ単体での屈折力分布の測定結果の一例を示す図である。 角膜モデルレンズと補正用レンズとを２枚重ねた場合の屈折力分布の測定結果の一例を示す図である。 ２重焦点のコンタクトレンズの設計方法の一例を概略的に示す断面図である。 一実施の形態に係るコンタクトレンズの設計方法の応用例を示す説明図である。 一実施の形態に係るコンタクトレンズの設計方法の応用例を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
０．比較例および背景技術（図１～図６）
１．一実施の形態
１．１ コンタクトレンズの設計方法（図７～図２５）
１．２ 変形例・応用例（図２６～図２８）
１．３ 効果

＜０．比較例および背景技術＞
眼の屈折異常に対しては、使用者の眼の光学特性に応じて処方される、眼鏡レンズやコンタクトレンズなどの眼用レンズを用いて、眼球光学特性である収差を矯正することにより、良好な見え方が提供されている。

ところが、一般的に用いられる眼鏡レンズやコンタクトレンズは、近視、遠視、老視、および、乱視の原因となる収差の矯正に対しては適するものの、角膜前面形状、あるいは、角膜後面形状の異常による不規則な屈折面に起因する収差を矯正するためには不十分であった。

さらに、角膜前面形状および角膜後面形状は収差の矯正を必要とする被験者固有のものであることから、より高度なＱＯＶ（Quolity of View：見え方の質）を提供するためには、被験者の一人ひとりに対して、角膜形状に合わせた矯正効果を有する眼用レンズを提供することが求められている。

そこで、角膜形状の異常に起因する収差を矯正するための眼用レンズの提供について、種々の研究が行われており、例えば、角膜トポグラフィーを用いて測定された角膜前面形状から角膜後面形状を推定することにより角膜全体の収差を補正する方法が提案されている（特許文献１参照）。また、波面センサと角膜トポグラフィーを用いることで測定された眼球光学系全体の収差と角膜前面の収差とから、眼球光学系全体の収差を補正することにより、収差を矯正するコンタクトレンズの設計方法が提案されている（特許文献２参照）。

ところが、特許文献１で提案されている方法は、角膜前面形状と角膜後面形状との相関性は限られた場合にのみ適応できるものであって、全ての場合に適応できるものでないことから、汎用性に対して課題を有する。また、特許文献２で提案されている方法において、波面センサにより測定できる収差は光軸上の収差のみであることから、提案されている方法に基づきコンタクトレンズを形成した場合であっても、当該コンタクトレンズにより補正ができるのは光軸上の収差のみである。このため、光軸以外の角度からの光線に基づく収差に対する補正効果が十分ではないため、良好な像を得ることが難しいばかりか、当該コンタクトレンズの装用時における回転運動や並進運動に対する、位置安定性の考慮も求められる。

図１に、眼の見え方の矯正の概要を示す。図２に、正乱視において眼球１０に入射する光線の結像状態を模式的に示す。図３には、不正乱視において眼球１０に入射する光線の結像状態を模式的に示す。

図１に示したように、近視、遠視等は既存の一般的な眼用レンズで矯正可能である。正乱視は、既存の一般的な乱視用レンズで矯正可能である。不正乱視は、不正乱視用レンズで矯正することが求められる。

図４に、正常な角膜（Ａ）と円錐角膜（Ｂ）の概要を示す。図５に、不正乱視の矯正手法の概要を示す。
不正乱視は、例えば円錐角膜眼のような眼疾患や眼損傷により発生する。円錐角膜眼は、角膜１１の中心付近の厚みが薄くなり、円錐状に前方に突出する眼疾患である。不正乱視用レンズとしては、球面ハードコンタクトレンズ、波面収差を利用したコンタクトレンズ、およびスクレラルレンズなどがある。球面ハードコンタクトレンズは、角膜前面に対してレンズ後面が２点接触や３点接触となり、装用感が悪い。波面収差を利用したコンタクトレンズは、測定された波面収差に対して、収差を打ち消すように設計される。スクレラルレンズは、レンズ後面と角膜前面との間を人工涙液で満たすことで涙液レンズと同様の効果が得られる。しかしながら、これまでに開発されている波面収差を利用したコンタクトレンズ、およびスクレラルレンズでは、視力の矯正の点で不十分である。波面収差を利用したコンタクトレンズは、波面収差として使用する項の選択が曖昧であることや測定環境にとても敏感であり、特に角膜形状の変化が大きい眼に対しては適用が困難である。また、スクレラルレンズに関しては、素材によっては角膜が極度の低酸素状態にさらされることや人工涙液の交換を装用中に複数回行う必要がある。波面収差を利用したコンタクトレンズ、およびスクレラルレンズは、高次収差は効果的に補正されるものの、良好な視力が得られないという報告もある。

そこで、角膜前面形状あるいは角膜後面形状の異常に起因する収差の矯正をも可能にすると共に、被験者一人ひとりの角膜形状に適した収差の矯正を、より簡便に行うことができるコンタクトレンズの開発が望まれる。また、そのようなコンタクトレンズを設計する方法の開発が望まれる。

＜１．一実施の形態＞
［１．１ コンタクトレンズの設計方法］
本発明の一実施の形態は、コンタクトレンズ、および、当該コンタクトレンズの設計方法に関する。詳しくは、角膜収差を軽減することで見え方の質（ＱＯＶ）が改善されたコンタクトレンズ、および、当該コンタクトレンズを設計する方法に関する。

図６に、不正乱視の矯正手法の概要を示す。
本願発明者は、上記したような課題を解決するために、不正乱視による収差をゼロにする方法について検討を行う中で、レンズ前面およびレンズ後面を各々個別に設計し形成したコンタクトレンズ１が、角膜形状の異常に起因する収差を、被験者一人ひとりの角膜形状に適する形で簡便に補正することができることを確認した。

（設計方法の概要）
レンズ設計の手法として、光路長を一定にし、３次元光線追跡により球面収差と非点収差を失くす数学モデルが報告されている（Rafael G. Gonzalez-Acuna, Hector A. Chaparro-Romo et al: General formula to design a freeform singlet free of spherical aberration and astigmatism. Applied Optics 58(4): 1010-1015, 2019）。報告では、光線追跡をする際に全ての光線の光路長を同一にする条件を用いて、様々な自由曲面形状に対して３次元光線追跡を行ったシミュレーション結果が記載されている。光路長を一定にすることで、各光線の焦点を結ぶ位置を理論的に一点にすることができる。つまり、収差のないレンズ設計が可能である。しかしながら、報告では球面収差および非点収差のみに注目しており、コンタクトレンズ設計の観点からは一般的に球面収差はコーニック定数により非球面性を持たせること、非点収差は乱視用レンズで矯正することが可能であるが、球面収差および非点収差以外の収差の矯正に関しては不十分である。

そこで、本実施の形態では、角膜形状解析装置であるＯＣＴ（Optical Coherence Tomography）による角膜前後面形状データを用いた角膜収差を軽減する新しいコンタクトレンズ設計手法の提案を行う。コンタクトレンズ設計に際して、前眼部ＯＣＴのＣＡＳＩＡ（登録商標）による角膜前後面形状データを用いた。また、光線追跡に関しては、ＯＣＴが断層測定であることを考慮し、２次元光線追跡による手法を考案した。

図７～図１０にＯＣＴによる解析対象の角膜１１の例を示す。解析対象としたのは、Ｓｔａｇｅ１の円錐角膜の初期段階がみられる乱視眼（左眼）、Ｓｔａｇｅ１の円錐角膜眼（右眼）、およびＳｔａｇｅ４の円錐角膜眼（左眼）である。後述するように、解析した角膜１１およびコンタクトレンズ１の前後面形状の結果は、光学シミュレーションソフトであるOpticStudio Zemax（登録商標）にグリッドデータとして入力し、本実施の形態に係るコンタクトレンズ１の設計方法の有効性を評価した。

図７に、Ｓｔａｇｅ１の円錐角膜の初期段階がみられる乱視眼（左眼）の角膜前面（左図）および角膜後面（右図）の屈折力分布の一例を示す。図８に、Ｓｔａｇｅ１の円錐角膜眼（右眼）の角膜前面（左図）および角膜後面（右図）の屈折力分布の一例を示す。図９に、Ｓｔａｇｅ４の円錐角膜眼（左眼）の角膜前面（左図）および角膜後面（右図）の屈折力分布の一例を示す。図１０は、Ｓｔａｇｅ４の円錐角膜眼の断面の一例を示す角膜断面図である。

本実施の形態では、レンズ設計に際し、波面センサでは収差測定ができない場合でも角膜形状測定が可能であるＯＣＴによる出力データの角膜前後面のＨｅｉｇｈｔ ｄａｔａを使用した。前眼部ＯＣＴを選択した理由として、角膜前面形状のみならず角膜後面形状が測定可能であるため、より実用的なレンズ設計が可能であると判断したからである。

測定データは、角度が１１．２５°ごとの３２方向（１６スライス分の角膜断面情報）、半径が５．１ｍｍの形式である。図７～図９には、直径１０ｍｍのデータを示す。図７～図９における数値の単位は、Ｄｉｏｐｔｅｒ（以下Ｄ）である。乱視眼における角膜前面の最大屈折力が４４．９Ｄに対して、Ｓｔａｇｅ１およびＳｔａｇｅ４の円錐角膜眼の最大屈折力はそれぞれ４９．４Ｄ、７１．７Ｄであった。また、角膜後面の最大屈折力は、乱視眼で－６．４Ｄに対して、Ｓｔａｇｅ１およびＳｔａｇｅ４の円錐角膜眼の最大屈折力はそれぞれ－８．２Ｄ、－１３．３Ｄであった。図１０には、Ｓｔａｇｅ４の円錐突出を認めた方向の角膜断面図を示す。図１０から、特に角膜後面の左右の曲率が違うこと、中心付近の角膜厚が菲薄化していることが読み取れ、同時に角膜後面形状を考慮した設計が必要であることが分かる。

（設計方法の詳細）
次に、図１１ないし図１５を参照して、本実施の形態に係るコンタクトレンズ１の設計方法の具体例を説明する。図１１には、スネルの法則の概要を示す。図１２には、光路長の概要を示す。図１３および図１４には、本設計方法による２次元光線追跡の概要を示す。図１５には、本設計方法による２次元光線追跡に用いたパラメータの一例を示す。

本実施の形態に係るコンタクトレンズ１の設計方法は、以下の特徴を有する。
（１）レンズ前面ＣＬｆは、装用者の角膜後面Ｃｒから所望の距離にある光軸Ｚａ上の基準点Ｚ_Cから仮想的に射出され、角膜１１を介して所望のレンズ領域内に入射した仮想的な光線が光軸Ｚａに対して平行に射出されることとなるような形状とする（図１３および図１４参照）。ここで、基準点Ｚ_Cは例えば、網膜上の点であってもよい。なお、所望のレンズ領域とは、例えばレンズの有効径（直径）内の領域である。
（２）レンズ後面ＣＬｒは、装用者の角膜前面Ｃｆの形状と同一形状とする。なお、レンズ後面ＣＬｒは、完全に同一形状にせず、装用者の角膜前面Ｃｆの形状に近似された形状にしてもよい。
（３）レンズ前面ＣＬｆの形状は、スネルの法則（図１１参照）による光線追跡によって、基準点Ｚ_Cから射出された仮想的な光線が角膜後面Ｃｒ、角膜前面Ｃｆ、涙液層１２、および、レンズ後面ＣＬｒを通過する際のそれぞれの座標位置および角度の情報に基づいて算出する（図１３および図１４参照）。
（４）装用者の眼球１０に装着された状態において、基準点Ｚ_Cから仮想的に射出され所望のレンズ領域内に入射した仮想的な全ての光線について、基準点Ｚ_Cからレンズ前面ＣＬｆの頂点Ｐ１に直交する面までの光路長（図１３におけるＯＰ１～ＯＰ５）が、光軸Ｚａ上における基準点Ｚ_Cからレンズ前面ＣＬｆの頂点Ｐ１までの光路長Ｌ_C（図１４参照）と同一となるようにする。なお、光路長は、光がある媒質中を進むときと同時間内に真空中を進む距離であり、媒質の屈折率をｎ、距離（経路）をｄとすると、それらの積ｎｄで表される（図１２参照）。

本設計方法では、より実用的なレンズ形状の算出を行うために、光線の光路長を同一にするだけではなく、従来考慮していない角膜後面Ｃｒおよび涙液層１２を解析に使用し、かつ従来の球面ハードコンタクトレンズのような点接触ではなく、面接触になるようにレンズ後面ＣＬｒの形状を角膜前面Ｃｆの形状と同様の形状で設計することで装用感に対しても配慮した。さらに、レンズ後面ＣＬｒの形状と角膜前面Ｃｆの形状とを同一形状にすることで、瞬目等でレンズが動いても元の位置に戻ることが報告されているため、軸安定性の設計工夫とし、最適な位置におけるレンズ前面ＣＬｆの形状を算出した。

図１３に示した２次元光線追跡手法の模式図において、ｎ₁は房水屈折率（例えば１．３３６）、ｎ₂は角膜屈折率（例えば１．３７６）、ｎ₃は涙液屈折率（例えば１．３３６）、ｎ₄はレンズ屈折率（例えば１．４５５）である（図１５参照）。涙液層１２の厚みに関しては症例によりレンズ下での厚みは変わるが、本実施の形態では光学面のみ形状算出を行っている点や角膜前面Ｃｆとレンズ後面ＣＬｒとを同一形状にしていることから厚み変化は少ないものとみなし、涙液層１２の厚みを０．０１ｍｍと一定にした（図１５参照）。また、レンズの種類としてハードコンタクトレンズを想定し、レンズ中心厚み０．２ｍｍを使用した（図１５参照）。光線追跡に関しては、網膜位置を基準点Ｚ_Cとしてスタートし、レンズ前面ＣＬｆから平行光が出射するよう計算した。ただし、本設計方法は、平行光として出射させる場合に限らず、ある位置に焦点を持つように光線を出射させる設計にすることも可能である。

図１３において、初めに光線は、光軸Ｚａ上の基準点Ｚ_Cから発散光として出射し、ＯＣＴによって測定された各角膜後面座標へと入射する。光線が角膜後面Ｃｒに到達後、その入射位置での法線ベクトルを算出するために、３次曲線による近似を行う。この近似曲線を微分することで法線ベクトルを算出し、入射光の単位ベクトルとの内積計算をすることで、入射角θを決定した。それからスネルの法則に従い、屈折角θ’を算出する。同様の方法を用いて角膜後面Ｃｒ～角膜前面Ｃｆ、角膜前面Ｃｆ～レンズ後面ＣＬｒ（涙液層１２）の光線追跡を行った。

ここで、レンズ前面ＣＬｆの形状座標の計算方法を示す。本設計方法では、前述した通り光軸Ｚａ上の光路長の総和（基準点Ｚ_Cからレンズ前面ＣＬｆの頂点Ｐ１までの光路長）を算出し、他の光線の光路長も同様とした。光軸Ｚａ上の光路長の総和は、基準点Ｚ_C（網膜位置）～角膜後面Ｃｒ（ＯＰ１）、角膜後面Ｃｒ～角膜前面Ｃｆ（角膜厚み）（ＯＰ２）、角膜前面Ｃｆ～レンズ後面ＣＬｒ（涙液層１２）（ＯＰ３）、レンズ後面ＣＬｒ～レンズ前面ＣＬｆ（レンズ中心厚み）（ＯＰ４）にそれぞれの屈折率を掛け合わし、足し合わせることで算出した。光線追跡により、基準点Ｚ_C（網膜位置）～レンズ後面ＣＬｒまでの光路長（ＯＰ１～ＯＰ３）が算出可能であるため、光路長の総和からの差分計算をすることで、ＯＰ４およびＯＰ５の光路長が算出できる。この光路長とスネルの法則によって算出したレンズ後面ＣＬｒの屈折光線の傾きｍ_hおよびレンズ後面ＣＬｒの座標（ｘ１，ｚ１）からレンズ前面ＣＬｆの座標（ｘ２，ｚ２）が算出できる（図１４参照）。

レンズ前面ＣＬｆの座標（ｘ２，ｚ２）は、以下のように算出できる。
Ｌ_C＝Ｌ₁＋ｄ₁ｎ₄＋ｄ₂
Ｌ_C＝Ｌ₁＋ｄ₁ｎ₄＋（Ｌ₂－ｄ₁ｃｏｓθ_a）
ｄ₁＝（Ｌ_C－Ｌ₁－Ｌ₂）／（ｎ₄－ｃｏｓθ_a）
ｘ₂＝ｘ₁＋ｄ₁／（１＋ｍ_h ²）^1/2
ｚ₂＝ｍ_h（ｘ₂－ｘ₁）＋ｚ₁
ここで、
Ｌ_C：網膜位置からレンズ頂点Ｐ１までの光路長
Ｌ₁：網膜位置からレンズ後面ＣＬｒまでの光路長
Ｌ₂：レンズ後面ＣＬｒからレンズ頂点Ｐ１までの光路長
ｍ_h：レンズ後面ＣＬｒからの屈折光線の傾き
ｎ₄：レンズの屈折率
とする。

（レンズ性能評価）
図１６に、Ｓｔａｇｅ４の円錐角膜眼の突出部の断面形状（６８°、－２４８°方向の断面形状）の解析結果および解析結果に基づいて設計したレンズ形状（上段）と、その曲面近似のイメージ（下段）を示す。

図１６の上段に示した断面方向におけるレンズ形状をみると、Ｓｔａｇｅ４の円錐突出を認めた位置においても波状のような自由曲面形状でないことが分かる。これは、たとえ角膜後面Ｃｒの突出部の急峻な位置であっても、角膜１１と房水の屈折率差がほとんどないために光路長に差がなく単純なカーブで形成されたことによる。

角膜前後面の座標およびレンズ前後面の座標は、光学シミュレーションソフトであるOpticStudio Zemaxに入力できる形式にするために、図１６の下段に示したように、３２方向のデータを用いて３次元曲面近似を行い、グリッドデータ化した。ＯＣＴの測定データは半径５．１ｍｍであるが、周辺部はノイズを多く含み、また本実施の形態では近似曲線および近似曲面を使用することを考慮すると、周辺部の精度が悪くなることが予想される。そのため、グリッドデータは一辺４ｍｍに制限し、グリッドステップを０．０１ｍｍとした。本実施の形態では、レンズ中心と角膜中心とが一致する最適な位置関係でのレンズ装用前後での収差量、およびModulation Transfer Function（ＭＴＦ）を用いてレンズの性能評価をした。

図１７に、Ｓｔａｇｅ１の円錐角膜の初期段階がみられる乱視眼（図７）のレンズ装用前後の収差量を示す。図１８に、Ｓｔａｇｅ１の円錐角膜眼（図８）のレンズ装用前後の収差量を示す。図１９に、Ｓｔａｇｅ４の円錐角膜眼（図９）のレンズ装用前後の収差量を示す。図２０に、Ｓｔａｇｅ１の円錐角膜の初期段階がみられる乱視眼（図７）のレンズ装用前後のＭＴＦを示す。図２１に、Ｓｔａｇｅ１の円錐角膜眼（図８）のレンズ装用前後のＭＴＦを示す。図２２に、Ｓｔａｇｅ４の円錐角膜眼（図９）のレンズ装用前後のＭＴＦを示す。

図１７～図１９、および図２０～図２２には、波長０．５４６μｍ、瞳孔径４ｍｍで算出した各眼のレンズ装用前後の収差量およびＭＴＦを示す。図１７～図１９において、ゼルニケ係数は、Zernike Standard Polynomialにより算出し、Optical Society of America（ＯＳＡ）のスケールに準拠し、Ｚ３～Ｚ１４までを示す。図１７～図１９、および図２０～図２２の結果は、レンズ中心と角膜中心とが一致する最適な位置関係でのレンズ結像位置における収差量およびＭＴＦである。

（収差量）
図１７に示す乱視眼の収差量は、レンズ装用前は乱視成分を示すＺ３が最大で－０．６４４μｍであったが、レンズ装用後は０．００１μｍと大きく改善した。他の項に関しても、Ｚ４～Ｚ７において約±０．１μｍ程度の収差を持っていたが、レンズ装用後にはそれぞれ改善を示した。ここで、３次から５次までの収差量をまとめてＲＭＳ値（ＲＭＳ＝√（Ｚ１²＋・・・＋Ｚｎ²））で示すと、レンズ装用前が０．６８９μｍに対して、レンズ装用後は０．０２５μｍとなった。

図１８に示すＳｔａｇｅ１の円錐角膜眼の収差量は、レンズ装用前はＺ５が最大で－０．９２８μｍであったが、レンズ装用後は－０．０５７μｍと改善した。他の項は、乱視眼と比較すると大きく、Ｚ３が－０．５４１μｍ、Ｚ４が０．４５８μｍ、Ｚ６が－０．３３２μｍであったが、いずれもＺ３が－０．０１０μｍ、Ｚ４が－０．０６２μｍ、Ｚ６が－０．０３７μｍと改善した。３次から５次までの収差量のＲＭＳ値は、レンズ装用前が１．２２９μｍに対して、レンズ装用後は０．１０２μｍとなった。

図１９に示すＳｔａｇｅ４の円錐角膜眼の収差量に関しては、乱視眼およびＳｔａｇｅ１の円錐角膜眼に比べて角膜形状変化が大きいため、全体的な収差量のスケールが大きい。レンズ装用前は、Ｚ４が最大であり４．２９９μｍ、Ｚ３が－２．９９２μｍ、Ｚ５が１．１５１μｍでありデフォーカス成分および乱視成分が大きかった。また、円錐角膜眼において特徴的な収差であるコマ収差成分のＺ７、Ｚ８はそれぞれ－１．０５９μｍ、０．２６９μｍであった。レンズ装用後は、Ｚ４が０．１９５μｍ、Ｚ３が－１．０６８μｍ、Ｚ５が－０．２０８μｍとなり改善した。また、Ｚ６およびＺ１０において収差量が増えたが、円錐角膜眼において特徴的に発生するコマ収差に関しては、Ｚ７が－０．３８１μｍ、Ｚ８が－０．０４６μｍと改善した。ＲＭＳ値に関しては、レンズ装用前は５．４８３μｍであったが、レンズ装用後は１．２７３μｍとなった。

（ＭＴＦ）
図２０～図２２において、破線はレンズ装用なし、実線は本設計方法によるレンズ装用時のＭＴＦの結果を示す。また、図２２には、さらに一点鎖線で、球面のハードコンタクトレンズ（ＨＣＬ）を装用した場合のＭＴＦの結果を示す。＊はタンジェンシャル方向、＋はサジタル方向のＭＴＦを示す。

本実施の形態では水晶体を考慮していないが、無収差の理想レンズとして仮定すると、一般に、空間周波数が１００ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍのときにＭＴＦが０．１であれば、視力が１．０であると推定されている。ここでは、その指標を評価に使用する。

図２０に示す乱視眼では、レンズ装用前は、空間周波数が１００ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍのときにタンジェンシャル方向のＭＴＦが０．００９、サジタル方向が０．０１６であるのに対して、レンズ装用をすることで、タンジェンシャル方向のＭＴＦが０．３０４、サジタル方向が０．２８０と改善した。これより、水晶体に収差がないと仮定すると、視力が１．０以上であることが予想される。また、両方向のＭＴＦが同じ傾向を持つため、同じコントラストおよび視力が得られると考えられる。

図２１に示すＳｔａｇｅ１の円錐角膜眼では、レンズ装用前は、空間周波数が１００ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍのときにタンジェンシャル方向のＭＴＦが０．０３７、サジタル方向が０．００１であるのに対して、レンズ装用をすることで、タンジェンシャル方向のＭＴＦが０．１１７、サジタル方向が０．２１２と改善した。両方向で差があるものの、水晶体に収差がないと仮定すると、視力は１．０以上であることが予想される。

図２２に示すＳｔａｇｅ４の円錐角膜眼では、レンズ装用前は空間周波数が１００ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍのときにタンジェンシャル方向のＭＴＦが０．００１、サジタル方向が０．００３であり、両方向のＭＴＦが０．０１以下と小さく、コントラストおよび視力が出ないことが明白である。それに対して、レンズ装用することで、タンジェンシャル方向のＭＴＦが０．０７５、サジタル方向が０．０３８と改善した。レンズ装用時では、空間周波数が５０ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍのＭＴＦの値から、視力換算すると０．４～０．５程度であると予想される。さらに、球面のハードコンタクトレンズの場合と比較すると、低周波域は球面のハードコンタクトレンズの方がやや優位であるが、高周波域は本設計方法によるレンズ装用をした場合が優位であった。

以上のように、本実施の形態に係るコンタクトレンズ１の設計方法は、収差の補正に対して有効性を示した。またＭＴＦに関してもレンズ装用前後で改善を示し、たとえ角膜形状変化が大きい眼に対しても視力の改善が示唆された。

（実施例）
角膜形状測定装置で測定し、その実測値から作製したレンズ（角膜モデルレンズ）および本設計方法で解析した座標データから作製したコンタクトレンズ１（補正用レンズ）をパワーマッピング装置で測定した。

図２３に、角膜モデルレンズ単体での屈折力分布の測定結果の一例を示す。図２４に、補正用レンズ単体での屈折力分布の測定結果の一例を示す。図２５に、角膜モデルレンズと補正用レンズとを２枚重ねた場合の屈折力分布の測定結果の一例を示す。図２５から分かるように、角膜モデルレンズ単体での屈折力分布が本設計方法に基づいて作製した補正用レンズによって矯正されることが確認できた。

（まとめ）
以上のように、本実施の形態に係るコンタクトレンズ１の設計方法では、たとえ複雑な角膜形状であっても収差の補正がなされ、ＭＴＦからもその有効性が認められた。従来の不正乱視を補正する手法として、波面収差を用いたコンタクトレンズ設計がある。波面収差は、使用する項の選択が曖昧であることや測定環境にとても敏感であり、シャック・ハルトマンの原理を用いて波面収差を測定する波面センサは、Ｓｔａｇｅ４の円錐角膜眼のような角膜形状変化が大きい眼に対しては適用が困難である。これは、眼損傷のある角膜１１に対しても同様である。本設計方法では、そのような眼に対しても有効なＯＣＴを用いて角膜前後面形状を取得しているため、形状を選ばずに適用できる点が利点である。また不正乱視矯正としては、ハードコンタクトレンズあるいはカスタムメイドタイプが望ましい。ハードコンタクトレンズの場合は、涙液レンズの効果を利用し矯正されるが、カスタムメイドタイプの場合は個人の角膜形状が異なるため、角膜前後面形状や眼軸長を正確に測定することが望ましい。本設計方法は、角膜前面Ｃｆのみならず角膜後面Ｃｒや涙液層１２を考慮したコンタクトレンズ設計であり、収差量やＭＴＦの結果から有効である。また円錐角膜眼のような眼疾患で発生する角膜突出部とレンズとの点接触による従来の課題である装用時の不快感を解消するよう、本設計方法ではレンズ後面ＣＬｒの形状を角膜前面Ｃｆの形状と同様の形状として設計している。これにより、点接触から面接触となり、装用感の向上が見込まれる。

本設計方法では、光路長を一定という条件を設定しコンタクトレンズ１の形状を算出することで理論的に焦点が一点に集まり収差がゼロになるはずであるが、特に角膜形状変化の大きい対象において収差が一部残っている。これは、前眼部ＯＣＴ ＣＡＳＩＡで測定していない部分は曲面近似を行い算出しているため、角膜形状変化の大きい対象において、補完位置が急峻な曲面になり結果に影響を及ぼした可能性がある。本設計方法では、２つのＳｔａｇｅの円錐角膜眼を例にしたが、角膜突出の具合が大きくなるにつれて角膜１１の円周方向にあたる回転方向の形状変化が大きくなる。ＯＣＴの断層測定に対応して２次元光線追跡での解析を行ったが、光学シミュレーションソフトに入力する際に、３２方向の断層データから３次元曲面近似を行い、グリッドデータを作成した。使用したデータが１１．２５°ごとであるため、グリッドデータを作成時に３次元曲面近似式により測定していない位置はデータ補完をしている。円錐角膜眼のように回転方向の角膜形状変化が大きい眼に対しては、補完位置が急峻な曲面となり、そのことが結果に影響を及ぼしたと考えられる。特に、波面形状および収差量よりＳｔａｇｅ４の円錐角膜眼に対しては、デフォーカス成分は改善したが、トレフォイル成分においては一部収差量が大きくなっている。そのため、眼疾患のような形状変化が大きい眼に適用する際には、最適な補完方法の検討およびＯＣＴ測定での回転角度を小さくすることが望ましい。また、本設計方法ではＯＣＴの３次元形状データに対して、断層ごとの２次元光線追跡を行ったが３次元光線追跡での解析も行うことが望ましい。

［１．２ 変形例・応用例］
以上で説明した設計方法では、コンタクトレンズ１の有効径（所望のレンズ領域）に対して焦点位置（基準点Ｚ_C）を１つとしたが、有効径に対して２以上の焦点を持つような多重焦点レンズの設計も可能である。この場合、光線追跡の開始位置となる基準点Ｚ_Cを複数設定することで実現できる。

図２６に、多重焦点レンズの設計方法の一例として、２重焦点のコンタクトレンズ１Ａの設計方法の一例を概略的に示す。なお、所望のレンズ領域として、３つ以上のレンズ領域を含み、基準点として、３つ以上のレンズ領域のそれぞれに対応する３つ以上の基準点を含む設定にすることで、３以上の焦点を持つような多重焦点レンズの設計も可能である。

２重焦点のコンタクトレンズ１Ａは、所望のレンズ領域として、例えば有効径内において、第１のレンズ領域１０１と第２のレンズ領域１０２とを含む。この設計方法では、基準点Ｚ_Cとして、第１のレンズ領域１０１に対応する光軸Ｚａ上の第１の基準点Ｚ_C１と第２のレンズ領域１０２に対応する光軸Ｚａ上の第２の基準点Ｚ_C２とを設定する。

各領域内のレンズ設計方法は、上述のレンズ設計方法と同様である。第１のレンズ領域１０１に対応するレンズ前面ＣＬｆの形状は、第１の基準点Ｚ_C１から射出され、角膜１１を介して第１のレンズ領域１０１内に入射した光線（第１の光線領域１１１の光線）が光軸Ｚａに対して平行に射出されることとなるような形状とする。第２のレンズ領域に対応するレンズ前面ＣＬｆの形状は、第２の基準点Ｚ_C２から射出され、角膜１１を介して第２のレンズ領域内に入射した光線（第２の光線領域１１２の光線）が光軸Ｚａに対して平行に射出されることとなるような形状とする。レンズ後面ＣＬｒは、第１のレンズ領域１０１および第２のレンズ領域１０２の双方において。装用者の角膜前面Ｃｆの形状と同一形状とする。

図２７および図２８に、本実施の形態に係るコンタクトレンズ１の設計方法の応用例を示す。

本実施の形態に係るコンタクトレンズ１の設計方法によれば、図２７に示したように、装用者ごとの実際の角膜形状データ２０、涙液層データ２１、およびその他データ２２を設計に反映することで、各個人の眼の収差および視力の矯正力を持つ、各個人にカスタマイズされたコンタクトレンズ１を作製することが可能である。

さらに、このように各個人にカスタマイズされたコンタクトレンズ１の設計データ２０を、図２８に示したように、データベース３１に蓄積することで、疾患別または重症度別による特徴や傾向の究明が可能となる。カスタムメイドタイプのレンズに関しては、設計されたレンズ形状をデータベース化することで設計側からも眼疾患別や重症度別の傾向の究明が行え、新しいレンズ設計の思想に繋がると考えられる。本設計方法は、主要な角膜疾患として、例えば、水疱性角膜症、角膜ヘルペス、角膜潰瘍後、Ｓｔｅｖｅｎｓ－Ｊｏｈｎｓｏｎ症候群、角膜移植後、外傷後角膜瘢痕、角膜ジストロフィ、円錐角膜、角膜フリクテン等の光学解析にも適用可能性がある。本設計方法を各個人のコンタクトレンズ作製に適応する場合は、中心部の平均角膜度数を求め、その度数になるよう光線追跡の開始位置を定めることが望ましい。本設計方法では水晶体の収差のことは考慮していないが、もし水晶体に乱視がある場合にはその乱視補正も設計の中に取り入れることが可能である。その場合は、光線追跡の開始位置を水晶体のパワー分布を考慮して、角度ごとに異なる位置にすればよい。さらに、本設計方法では、上述したように、多重重焦点のコンタクトレンズ１Ａを作成することも可能である。本設計方法は、設計に自由度がある点が基礎研究をする上では利点になり得る。

［１．３ 効果］
以上説明したように、本実施の形態に係るコンタクトレンズ１、およびコンタクトレンズ１の設計方法によれば、装用者の角膜後面Ｃｒから所望の距離にある光軸上の基準点Ｚ_Cから射出され、角膜１１を介して所望のレンズ領域内に入射した光線が、レンズ前面から、光軸に対して平行に射出される。これにより、装用者の角膜形状等に起因する収差の矯正を行うことが可能となる。

１，１Ａ…コンタクトレンズ、１０…眼球、１１…角膜、１２…涙液層、２０…角膜形状データ、２１…涙液層データ、２２…その他データ、３０…設計データ、３１…データベース、１０１…第１のレンズ領域、１０２…第２のレンズ領域、１１１…第１の光線領域、１１２…第２の光線領域、ＣＬｆ…レンズ前面、ＣＬｒ…レンズ後面、Ｃｒ…角膜後面、Ｃｆ…角膜前面、Ｌ_C…基準点Ｚ_Cからレンズ前面ＣＬｆの頂点Ｐ１までの光路長、Ｐ１…レンズ前面ＣＬｆの頂点Ｐ１（レンズ頂点）、Ｚ_C…基準点、Ｚ_C１…第１の基準点、Ｚ_C２…第２の基準点、Ｚａ…光軸。

Claims (6)

1. 装用者の角膜後面から所望の距離にある光軸上の基準点から仮想的に射出され、角膜を介して所望のレンズ領域内に入射した仮想的な光線が前記光軸に対して平行に射出されることとなるような形状とされたレンズ前面、を備える
   コンタクトレンズ。
2. 前記装用者の角膜前面形状と同一形状または近似された形状とされたレンズ後面、をさらに備える
   請求項１に記載のコンタクトレンズ。
3. 前記レンズ前面の形状は、スネルの法則による光線追跡によって、前記基準点から射出された仮想的な光線が角膜後面、角膜前面、涙液層、および、レンズ後面を通過する際のそれぞれの座標位置および角度の情報に基づいて算出されたものである
   請求項１または２に記載のコンタクトレンズ。
4. 前記装用者の眼球に装着された状態において、前記基準点から仮想的に射出され前記所望のレンズ領域内に入射した仮想的な全ての光線について、前記基準点から前記レンズ前面の頂点に直交する面までの光路長が、前記光軸上における前記基準点から前記レンズ前面の頂点までの光路長と同一となるように構成されている
   請求項１ないし３のいずれか１項に記載のコンタクトレンズ。
5. 前記所望のレンズ領域として、少なくとも第１のレンズ領域と第２のレンズ領域とを含み、
   前記基準点として、少なくとも、前記第１のレンズ領域に対応する光軸上の第１の基準点と前記第２のレンズ領域に対応する光軸上の第２の基準点とを含み、
   前記第１のレンズ領域に対応する前記レンズ前面の形状が、前記第１の基準点から仮想的に射出され、角膜を介して前記第１のレンズ領域内に入射した仮想的な光線が前記光軸に対して平行に射出されることとなるような形状とされ、
   前記第２のレンズ領域に対応する前記レンズ前面の形状が、前記第２の基準点から仮想的に射出され、角膜を介して前記第２のレンズ領域内に入射した仮想的な光線が前記光軸に対して平行に射出されることとなるような形状とされている
   請求項１ないし４のいずれか１項に記載のコンタクトレンズ。
6. レンズ前面を、装用者の角膜後面から所望の距離にある光軸上の基準点から仮想的に射出され、角膜を介して所望のレンズ領域内に入射した仮想的な光線が前記光軸に対して平行に射出されることとなるような形状にすることを含む
   コンタクトレンズの設計方法。

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