JP5379945B2 - 誘起絞りを備えた多焦点眼用レンズ - Google Patents

Description

本出願は、２０００年９月８日に出願された、米国特許出願シリアル番号０９／６５７，５６２の優先権を主張する。

本発明は、一つより多くの焦点距離を有する眼用レンズに関する。提供される方法及び構造は、近接レンズ、メガネレンズ及び人間の視力を矯正する他のレンズに適用可能である。

従来技術

視力矯正レンズの大多数は、単一の焦点距離で、距離に関する眺めのためだけに視力を矯正するように設計されている。人間が近傍の物体を眺めるとき、目は、その近傍物体から到達した、平行というよりも発散的な光に対して調整を行う。人間の目による調整の行為は、目内部の結晶レンズの形状に物理的な変化をもたらし、このレンズの屈曲は、近傍物体により放射されて入射してきた発散光を再収束させて網膜上に合焦させる。調整は、レンズ表面をより急傾斜に湾曲させることにより光波の収束を増大させ、目の光学系に合焦パワーを追加する。より近くで物体が眺められるほど、より多くの調整作用が目に要求される。人間の結晶レンズは、歳月を経るにつれて、そのゲル状の可撓性をゆっくりと失っていく。当該プロセスは、４０年間のより良好な状態の期間では気づかれないまま進行するが、レンズボディは、周囲の寸法及び硬度が拡大していき、形状を変化させる能力を失い、その結果、調整能力を損失する。この状態は、老眼として知られている。典型的には、矯正レンズの着用者は、４０年間の終わり付近で老眼に気づき始め、全ての距離で明瞭に効率的に見るため、１つより多くのレンズを必要とし始める。この複数のレンズシステムの収束合焦パワーへの要求は、次の１５年に亘って次第に増大していく。

人間の目のための複数の矯正メガネレンズシステムの初期バージョンは、単に、遠視レンズの下方に追加のメガネレンズを追加したに過ぎず、２つのレンズシステムを遠近両用として指定するだけであった。この構成によりもたらされた追加の合焦パワーは、近眼用の追加パワーとして知られていた。結局は、第３のレンズが、中間の距離での視力を改善するためこれらの２つのレンズの間に配置され、当該システムは、３焦点となった。眼鏡レンズ設計の分野における近年の革新の故に、めがねは、今や連続列の合焦パワーで作られ、多焦点において利用可能である。これらのめがねは、無限遠から読平面までの距離に対して目を適合させるように作られており、漸進追加（progressive-addition）レンズとして知られている。多焦点のメガネレンズは、めがね着用者の必要性を満足させることに大いに成功したが、目に接して又は目内に位置する多焦点レンズ（近接レンズ）、即ちコンタクトレンズ、目内部レンズ及び外科的に分与された代替の角膜は、大して成功してこなかった。近年現れた多数の老眼者は、距離視力のみを修正するコンタクトレンズの長期間着用者である。老眼が進行するにつれて、これらの患者の大多数は、かれらのコンタクトレンズの上に更に読視のためのガラスを着用するか、或いは、一方の目に遠距離用レンズ、他方の目に近距離用レンズ（単一視力）を着用することを余儀なくされた。これらの２つのモードは、非常に不都合で、時折、着用者に危険ですらあった。所謂、単一視力様式の着用者は、必然的に、深さを判断するのに必要とされる自然の両眼機能を喪失せざるを得ない。多焦点矯正を必要とする別の増えつつある人口は、擬似無水晶体白内障外科患者であり、かれらの生来のレンズは、植え込まれたポリマーレンズで置換された。これらの患者は、成功した手術の後、読視用のめがねを着用しなければならないが、かれらの多くは、植え込まれたレンズが効率的に成形された多焦点である場合には利益を被ることができる。そのような多焦点のインプラントは、かれらの若い時のレンズの可変合焦能力を代替することができるものでなければならない。更に別の大きく増えつつあるグループのレンズ着用者は隔膜手術の近年の受容者であり、かれらは遠距離視力のみを矯正する非常に高価な外科手続きの後に読視用のガラスを着用することを余儀なくされることを見出した。隔膜手術が適切な形状及び合焦パワー分布の隔膜基質に多焦点を導入することができる場合には、手術後の老眼に読視用のめがねを着用する必要性を軽減させる。

コンタクトレンズ又は他の近接レンズ（目に接した又は目の内部にある）を使用して人間の目に多焦点パワーを提供するための以前の試みは、成功内容を限定されていた。ツエタキらに付与された米国特許番号４，６９３，５７２号に記載された、単一の遠近両用のめがねを模倣する装置は、区分交互式遠近両用コンタクトレンズの一例である。この型式のレンズは、着用者が下方を見つめるとき、敏感な下側縁のマージンからの圧力により着用者の隔膜上を並進させられるものでなければならない。縁圧力の不快さにも係わらず、この設計は、つぼにはまる成功をもたらした。その成功は、瞳孔絞りが、２つの凝視点において下側（近距離用）レンズ又は（上側の）遠距離レンズのいずれかの非常に大きい構成要素にさらされるとき、広い視野が着用者に提供されることから部分的に起因する。

キャロルに付与された米国特許番号５，４３６，６７８で見出されるようなより最近の設計は、距離視力矯正と共に追加のパワーを得るため、同時焦点の現象に依存している。この方法を使用したとき、瞳孔領域内に、多数の焦点、即ち、遠位置、近位置及び中間位置の焦点が同時に与えられる。これらの装置は、眺められた距離で利用可能なベストの焦点を選択するため、大脳皮質性視力システムによる識別に依存している。このアプローチはかなりの成功を収めたが、ほとんどの設計は、適量の遠視のみしか矯正することができず、通常は、表面形状処理が剛性のガス透過性コンタクトレンズの角膜側に適用されるとき、非常に成功する。これらの設計では、非常に大きな曲率がベースカーブに適用され、しばしば角膜に対して新陳代謝の問題を引き起こしていた。キャロル特許の装置は、後表面上に円錐湾曲を維持する一方で前表面上に複数の球状領域を備え、これにより、多焦点の追加パワーが両方の表面から得られるようにするため、マルチンらに付与された米国特許番号５，８３５，１８７号で修正された。残念ながら、球状領域は一緒に継ぎ合わせて作られており、連続的な１階及び２階の微分係数に関して連続的な列即ち半径ではなく、回折がこれらのレンズの光学性能を劣化する役割を果たす結果となる。

同時焦点レンズを改善するためレンズ表面に様々な形状が適用されてきた。非球面多焦点レンズが、多数の２次曲面表面領域を使用して設計されてきた。例えばコンタクトレンズ又は目内部レンズ等の同心設計では、異なる形状の隣接した回転表面は、レンズ表面上で径方向に増大する追加のパワーを発展させるため、数学的に滑らかである。眼用レンズのため使用可能な形状として２次曲面形が発展された。これは、主要には、それらの可変の形状及び操作の生来の容易さの故である。その結果、非球面コンタクトレンズは、これらの２次曲面関数から発展してきた。２次曲面形状付近に設計されたレンズは、可変焦点距離を発生させる際に非常に効率的であったが、目のため受容可能な光学系を必ずしも提供せず、相互接続されたレンズ表面を用いて使用されるとき幾分扱いにくいおそれがあった。より成功した遠近両用（多焦点ではない）のレンズの例が、ロフマンに付与された、米国特許番号５，４４８，３１２号及び５，９２９，９６９号で説明されている。ロフマンの遠近両用レンズは、２つの半径のリングを交互に変えることにより形成された。一方のリングは遠距離パワーのため、他方は、典型的な瞳孔サイズ及び周囲の光条件に対して優れた近距離パワーを維持する仕方における近距離パワーのためのものである。遠距離視力は、明らかに、遠距離パワー領域を取り囲む中央付近のリングにより、及び、半径範囲の間の溝により形成される光及び光学的透明度の損失により、引き起こされる分散効果を被る。この設計に関する改善策では、外側追加パワー領域のみでリングを交互に配置した状態で非球面中央及び中間領域を使用する方法が探し求められた。

ほとんどの多焦点レンズでは、隣接したパワー領域は、視力を悪化させる、回折及び他の光学収差を誘起する境界を持っている。滑らかに遷移させる様々な方法が、この問題を軽減させるため開発されてきた。ベイントラウブに付与された米国特許番号５，８１５，２３６号は、レンズの帯状曲面の間でより滑らかな遷移を画成する対数関数の使用を開示している。フォルクに付与された米国特許番号４，６４０，５９５号は、２次曲面表面を滑らかにする際に可変形状（ｅ値）を使用する工程を開示している。ドュチャームに付与された米国特許番号５，４５２，０３１号は、帯状曲面遷移を滑らかにするため、区分的多項式又はスプライン補間法の使用を開示している。残念ながら、これらの遷移がもたらされた光学領域は、高々視力矯正効果のために浪費され、典型的には、全体的な視力の明瞭さを減少させる非合焦領域をなおも導入する。光学的不連続性及び無効遷移は、それらが視野領域近傍内よりもユーザーにより敏感に感じ取られる、遠距離視力のため使用されるレンズ領域内部又は該レンズ領域に隣接したところで特に問題となる。クリアな遠距離視力は、クリアな光学系を必要とし、優勢の近視人口は遠距離によるぼけに耐え得ないであろう。良好な瞳孔経済は、目それ自体又は目自体の内部に配置された任意のレンズの好結果にとっても必要不可欠である。限定されたサイズの瞳孔絞りが与えられると、目の光学系に導入されるレンズアレイは、高い精度で、且つ、光学領域の浪費も未使用もいずれも無しに適用されなければならない。

他の装置が、距離視力の改善のため研究されてきた。比較的固定された小さい絞りでより明瞭に遠距離を見る目の能力は、周知されている。その結果、ピンホール装置又は類似の小絞りの設計を使用した、距離視力を矯正する方法が提案された。ウェスレイに付与された米国特許番号３，７９４，４１４号及びカルブに付与された５，１９２，３１７号は、このアプローチの例を提供している。遠視を矯正するための効果が得られたが、これらの設計のほとんどは、ダークリング又はマスクされた領域のエッジにおける回折により引き起こされた欠陥や、可能な任意の改善からの逸脱がこれら小さい絞り設計から生じるという現象を被る。加えて、これらの装置を形成するため使用された視野マスクは、遠視を矯正するため望ましい多焦点機能を排除する。

発明が解決しようとする課題

上述した特許及び方法に従って作られたレンズは、光学的制限を反映し、全ての距離で、及び、幅広い光条件の下で、クリアな人間の視力のための多数の要求を生じさせる。これらの条件は、目の特別な属性及び能力が十分に利用され、限定された瞳孔領域内部で経済的に適用される場合には、より近い条件に合致させることができる。独自に、人間の視力システムは、小型サイズ及び有機的変化に起因して光学的矯正をしばしば必要とする単一の光学的装置から構成される。この未発達の装置は、注意深く設計された光学系が与えられた場合、ぼんやりとした領域を有利に制御し抑制することができる複雑な大脳皮質性視力システムと結合される。必要とされるものは、無効の遷移領域、特に隣接する距離視力領域からの光学的効率及び鋭敏さのいずれも損失することなく、多焦点距離を提供する眼レンズを形成する方法である。好ましくは、そのようなレンズは、典型的な小型絞り装置にとって固有の問題無しに、遠距離での眺めを改善するため小型の絞りを効果的に形成する。

課題を解決するための手段

本発明は、無限遠から近視界距離までの連続的な距離範囲に亘って視力を矯正するための光学パワーを提供する多焦点眼用レンズを画成する。遠視野領域からパワーを急激に増大させる光学的ステップが導入される。この光学的ステップは、有効絞りを発生させることにより部分的に遠視力を増大させる。該有効絞りを通して、視覚システムの大脳皮質性要素が、遠視野領域で集中するように誘起される。連続的な１階及び２階の微分係数を有する滑らかなパワー分布が、レンズ先端から、遠視野領域及び光学的ステップを通って最大レンズパワーへと画定されている。遠視野領域と光学的ステップとを結合したものの連続的な性質は、増加及び減少の要素を有する単一の方程式により定義された光学パワーを有するレンズ表面を形成することにより達成される。パワー分布の滑らかで連続的な性質は、遠視野領域で又はその近傍で回折効果や他のボケ効果が存在しないことを確実にする。所望の光学パワー分布を生成するため、非２次曲面の非球面の光学表面が画定される。これらの表面関数は、コンタクトレンズを形成するためのコンピュータ駆動式旋盤システムで使用する上で簡単にするために多項式級数の形態で提供される。同じ目的のため、パワー及び表面関数は、代表的なテーブル値に縮約されてもよい。定義する関数の操作性を向上することを可能にするため、例えば、円錐項等の追加の要素が追加される。幾つかの形態で近視界矯正を改善するため、環状近視野領域は光学的ステップから径方向外側に延在する。低光度の遠視野を改善するため、パワーは、薄明視瞳孔寸法の外側のレンズ領域で減少される。

代替の実施形態では、遠視野領域及び光学的ステップは周期関数により形成される。これらは、様々な特定の使用者による形状要求に適合するため、操作が容易であるといった利点を有する。形態の中には、拡大された近視野領域が、近視矯正を改善するため光学的ステップの外側で使用される形態もある。

本パワー分布は、コンタクトレンズ、強膜レンズ、眼内レンズ、及び、角膜組織内部に押し込められ又は外科的に形成されたレンズに適合可能である。所望の特性を有する前面光学表面を形成するための方程式が提供される。しかし、後表面からの定義されたパワー分布を発生する光学装置も考えられる。公称正のパワーのレンズも本発明の範囲内にあるが、負のレンズは、レンズ周辺部でのレンズ厚の減少及びその結果として減少した球面収差に起因して特別の利点を得ることができる。メガネレンズも、有効絞りの利点が無いものの、本発明のパワー分布を使用して画定することができる。

本発明は、レンズを適合させる方法も含んでおり、該方法では、レンズ表面形状を画定する方程式が、特定の使用者の形状及び性能の必要性に合致させるようにレンズを形成するため巧みに操作される、本発明の追加の利点及び効果は、次の詳細な例及びこれらに連係した図面から明らかとなるであろう。

図１は、本発明の一実施形態の先端からの径方向の関数として局所光学パワー分布２０のプロットを表している。垂直軸は光学パワーＰ（ｒ）であり、水平軸は先端からの径方向寸法である。中央に配置された距離視力領域２２は、頂点のパワー２４により効果的に概算された距離矯正パワーを有する。距離矯正パワーは、無限遠距離の物体の眺めのために視力を矯正するために必要とされるパワーである。要求される距離矯正パワーは、ユーザーの特別の要求と共に変動し得る。焦点パワーは、設計レベルのパワー２８が達成されるまで距離視力領域２２の半径の増大と共に次第に増加する。頂点パワー２４（距離視力パワー）から入口瞳孔マージンにおいてぼけを引き起こすパワー追加までの増分パワー追加は、設計レベル２８として本明細書で定義されている。ほとんどの人にぼけを引き起こす増分パワーは、＋０．５０及び＋１．２５ジオプトリー（ｍ^-1）の間であることが見出されており、設計レベルパワーは、この範囲であるように選択されている。設計レベルパワーのためのパワー追加のばらつきは、部分的に曇らされた視力と考えられるものの幾分客観的な分析の結果である。例えば、レンズ設計者により選択された設計レベルパワーの値は、＋０．５０であり、中央領域における公称上の距離パワーは、＋１．００ジオプトリーであり、有効絞り径は、パワーの＋１．５０ジオプトリーで画成された領域である。設計レベル２８から、パワー分布２０は、所謂光学的ステップ２６において半径と共に急激に増大する。光学的ステップ２６におけるパワーの上昇は、遠距離の眺めの間に、ユーザーの視力システムの大脳皮質性機能は、光学的ステップ２６の周囲のぼけにより解像することができなくなる。その結果、ユーザーは、距離視力領域２２を通してのみ遠距離物体を眺めることを誘起させられる。この感知効果は、例えばピンホール装置等の小型の絞り装置により達成されることが知られているものに類似している。距離視力領域及び周囲の光学的ステップの組み合わせから生じる、この効果を有する光学装置は、本明細書では、誘起有効絞りと称される。ピンホール装置及びマスクされた絞りとは異なり、本有効絞りは、瞳孔に入ってきた光を減少させる不透明領域によっては画成されていない。本発明の有効絞りは、無限遠より近い距離で合焦しようと試みるときに視力矯正のため光学的に機能する領域によって取り囲まれている。有効絞りの境界及び寸法は、物体の大脳皮質性の応答により部分的に決定されるので、正確に定義可能ではない。しかし、有効絞りの境界は、設計レベル２８により概算することができる。この領域が、図面の実施形態で円形形状であるので、有効絞りは、設計レベル２８に対する径方向寸法の２倍であると定量化することができる。最大の効果のため、有効絞りの直径は、１．０乃至３．５ｍｍ（ミリメートル）の範囲にあるべきである。

光学的ステップは、設計レベル２８から最大パワー２９まで局所的パワーを連続的に増大させ、無限延長部から近傍の視覚距離の全ての距離に連係された矯正パワーを提供する工程を含んでいる。「近距離視力」とは、当該技術分野で、一般に、眼から約４０ｍｍの距離にあるものと考えられている。頂点のパワー２４より上のパワーは、一般に、追加パワーとして本明細書では言及されている。遠距離視覚領域の追加パワーは、定義によって有効ゼロである。遠距離視覚領域のため完全に矯正するため必要とされる追加パワーは、通常、着用者の年齢及び着用者により使用される特有の近傍視覚距離に依存して、１．０乃至３．０ジオプターの範囲にある。光学的ステップの外側で、パワーは、頂点のパワーに接近するため減少したパワー領域２７において滑らかに低下する。薄明視のための瞳孔径は、適正な光度レベルの間に、平均的な人間に対して３．５乃至４．０ｍｍ（ミリメートル）の範囲にある。距離視野領域及び光学的ステップは、薄明視瞳孔の寸法内で、通常の光レベルにおいて有効であるように発生する。低レベルの光度条件では、瞳孔は、典型的には、約６乃至８ｍｍの直径にまで開放される。低レベルの光度条件では、近距離視力矯正というよりも遠距離矯正が望ましい。低レベルの光度では、遠距離視覚がほとんどの人間に対して支配的なモードであるからである。この理由のため、レンズパワーが瞳孔の薄明視直径を超えた領域で減少されることが望ましいことがしばしばである。減じられた光又は暗順応領域が、代替実施形態では様々な形態を取る。一実施形態では、暗順応領域のパワーは、頂点遠距離パワーよりも更に負である。これは、夜間視覚に対してほとんどの人間により要求される略増大したものと認められる負の矯正に起因して望ましい。

クリアな遠距離視覚のために、パワー分布は、遠距離視野領域の境界の内部及び基端部で連続的でなければならない。要求されたパワー分布を得るために、最初に減少し、次に増大する曲率半径を有する、レンズ表面形状を形成することが必要となる。本発明では、これは、指数関数的な増大及び減少関数を結合したものを有する、懸垂線状方程式を使用することにより得られる。懸垂線に基づく光学表面は、２次曲面関数の場合におけるように、軸線から非対称というよりも光軸近傍での半径中心の出現に起因して、多焦点レンズのための優れた光学特性を有する。本発明は、関数のベースが基礎である自然対数関数から変形されることを可能にすることによって、懸垂線状方程式を巧みに操作する。図１のパワー分布は、次式から得られた回転表面によりレンズ前方光学表面上に生成される。

ここで、Ｚ（ｘ）は、共通データからのサジタル深さ、ｘは、先端からのミリメートル単位の垂直距離、ｋは、頂点曲率半径の逆数（ｍｍ^-1）、Ｐは、可変の指数関数パワーベース、ｃ₁、ｃ₂は、既知の境界条件により決定された係数である。

（１）式は、先端から有効レンズ領域の限界まで連続的な値を持っている。１階及び２階の導関数も連続的である。頂点曲率半径は、特定の着用者の目の形状、材料特性及び要求された距離視野矯正により、典型的な態様で画成される。定数ｃ₁及びｃ₂は、既知の境界条件から次式のように決定される。

パワーベースＰは、１より大きい正の数であるが、実用的なコンタクトレンズのためには、約６０より小さい。Ｐの値は、測定の単位に依存しており、これらの値では、本明細書においてミリメートル単位で表された式に関している。Ｐの異なる値を使用することによって、図１に示されたパワー分布の形状及び最大パワーは、特定のレンズ設計に関して変更される。好ましくは、有用な近視矯正パワーを得るために、パワー分布の値が、薄明視瞳孔境界で又は該境界前で近視パワーに達するように、Ｐ値が選択される。これは、近視矯正が、通常の光条件でユーザーに利用可能であることを確保する。近視界及び無限遠の間の中間距離に関してユーザーに利益のある矯正パワーを得るために、パワー分布の１階微分が過度であるべきではない。パワー分布のスロープに関して実用的な限界は知られておらず、ユーザーに依存し得る。パワー分布の適切な修正又は選択は、パワーベースＰの修正又は選択によって、ユーザーから得られる経験的なフィードバッグにより必然的に案内され得る。幾つかの場合には、一つの距離における視界の明瞭さを向上させることは、第２の距離において明瞭さの犠牲を要求し得る。薄明視瞳孔内で要求された近視パワーを生成するＰ値において、結果として生じたパワー分布は、典型的には、増大した半径において、要求される追加パワーを十分に超える。本発明に係るコンタクトレンズの設計例は、様々なパラメータの組み合わせに対して以下の表のように提供される。これらのレンズは、１．４の屈折率を有するＨＥＭＡベースのヒドロゲルに基づいている。

各々の場合において８．５ｍｍのベース曲率半径及び３．５ｍｍの薄明視瞳孔径が仮定された。これらのレンズは、この薄明視境界において近視追加パワーを持つように設計された。有効絞りは、遠視パワーを超えた＋０．７５ジオプターの臨界設計パワーから計算されている。上記表及び本明細書の他の箇所においてジオプター単位のパワー値は、メートル^-1の単位である。

上記例のレンズのうち２つを除く全ては、負のパワーレンズである（入射光線の増大した発散を誘起する）。負のコンタクトレンズは、一般にレンズ中心からの半径が大きくなるほど厚さが増大する。レンズの厚さは、レンズを用いて可能となる視界の明瞭さを劣化させる球面収差を発生させることが知られている。上記した各々の場合では、レンズの最大追加パワーは、要求された近視追加パワーよりかなり大きくなる。負のレンズの各々では、最大追加パワーは、近視追加パワーの少なくとも３倍である。この高いパワーを光学的ステップの外部で発生させる表面形状は、周辺部でレンズを薄くさせる結果を生じさせる。負のレンズにおける現在の設計の利点は、（１）式により定義された表面形状がレンズ前表面に適用されたとき生じる厚さの減少である。この減少した厚さは、球面収差を減少させ、ユーザーのため明瞭さを向上させると考えられる。

有効絞りのエッジにおける「光学的ステップ」は、その急速パワー上昇が、遠視領域２２と最大パワー２９との間の「階段」関数に類似しているので、そのように称されている。明瞭な視界を確保するため、光回折又は入射光線の他の非合焦修正を誘起し得る不連続性無しに光学的ステップを形成することが必要である。そのような効果は、遠視野領域で生じるとき特に有害である。人間の眼は、近視野よりも遠視野において、合焦していない光により敏感だからである。そのような不連続性を含む異なる光学パワーの領域を形成する従来の方法は、最適な視界を提供しない。光学的に機能しない遷移即ち滑らかな領域を必要とする他者により以前に示唆された様々な方法は、この欠点を被る。本発明では、最適な遠視野が得られるべき場合にレンズパワー曲線の滑らかな連続体として光学的ステップを提供することが望ましい。（１）式の項は、レンズ表面の全範囲に亘って、定義され連続的である。遠視野のための離散的なパワー領域を形成する、多数の不連続な関数即ち形状を避けることによって、その結果として必要な遷移及びそれらの効果が回避される。

（１）式は、テイラー展開により、次の多項式に変換することができる。

この式は、以下のように加法表記で表すことができる。

ここで、各項は前述定義された通りであり、製造上の利便性のため、ｍは１５より小さく、好ましくは５より小さい。この式は、レンズ設計及び製作作業にとって便利である。本発明のパワー関数の急速な収束は、多くの場合において上記式の３程度の項を使用することを必要とする。多項式として現されたそのような表面式は、レンズ表面を機械加工するためのコンピュータ研磨システム又はレンズ表面を成形するための鋳型に容易に適用される。同様に、本発明によるレンズを定義するこれらの式は、半径の離散値とこれに連係したサジタル寸法の表で表すことができる。

数学的には、回転表面は、上記形態に示されたように、偶数のべき指数のみを含まなければならない。しかし、現代のコンピュータ化されたレンズ研磨システムは、これらの項の絶対値を利用することによって、奇数のべき指数のための回転表面を発生させることができる。これは、追加の奇数のべき指数項を、設計効果のための結果を巧みに操作するため上式に追加することを可能にする。他の多項式表現は、分数べき指数項を含む表現を始めとする同じ基礎関数を表すことを可能にする。加えて、（３）式の第１項は、累乗形態の利点を損なうこと無しに、臨時の利点を提供する他の２次曲面形状を含むように、その単純なパラボラ形態から変形することができる。次式は、略２次曲面項を含む、代替のパワー分布の一般的表現である。

ここで、Ｓは非球面即ち形状因子である。Ｓ＝０に対して、第１項全体は、（１）式の元々の指数関数的形態を得るため消失する。次の２次曲面形状は、適用されたＳの値毎に、（５）式において画定されている。

当該式及び方法を使用して形成されたレンズは、前述の例と類似した特徴を持っているが、有効絞りのサイズ及び光学的ステップの形状を変化させるため巧みに操作されることができる形状因子Ｓを含むことにより提供される追加の自由度を備えている。

図３は、形状因子Ｓの様々な値を備えた、（５）式により定義されたレンズの追加パワーのグラフを含んでいる。図示のパワー分布の各々に対して、Ｐ値は、パワー分布が同じ径方向寸法で近視野パワー３４を通過するように調整された。この態様でＳ及びＰを調整することによって、光学的ステップの形状及び遠視野領域及び近視野領域の間のパワー分布のスロープを巧みに操作することができる。ほとんどのコンタクトレンズに対しては、形状因子Ｓは、−５乃至２の範囲にある値を持っている。この範囲を超えたＳ値では、Ｐ値は、過度に小さくなったり大きくなったりし、その結果、歪められたパワー分布を生じさせる。表３は、Ｓの様々な値を備えた、本発明によるレンズ設計例を示している。

前述の例のように、各々の場合において８．５ｍｍのベース曲率半径及び３．５ｍｍの薄明視瞳孔径が仮定された。これらのレンズは、この薄明視境界において近視追加パワーを持つように設計された。有効絞りは、遠視パワーを超えた＋０．７５ジオプターの臨界設計パワーから計算されている。

上式から得られたパワー分布は、典型的には、近視野パワーで連続的に増加するので、典型的には近視野パワーを提供するレンズ面積も小さくなる。ユーザーによっては、近視野の明瞭さが減じられる結果となり得る。薄明視条件で近視野矯正を向上させるために、上記したパワー分布は、近視野矯正を強化するため中央の遠視野領域の外側で修正される。図２ａは、本発明の好ましい実施形態に係るそのようなコンタクトレンズを表している。図２ｂは、レンズ先端からの径方向寸法の関数としての図２ａのレンズの光学パワーのプロットである。レンズ３０は、図１に示されたように、遠距離視野領域２２に対応するパワー分布３２ａを備えた中央領域３２と、光学的ステップ２６と、を備えている。パワー分布３２ａは、上式の代替応用により様々に異なる実施形態で生成される。中央領域における合焦パワーは、上述したように、誘起された絞りを形成するため光学的ステップ２６において急勾配で上昇する。達せられる最大パワーは、特に要求される近視野パワー３４である。このパワーでは、光学的ステップは、先端が切形され、近視野パワー３４は、中央領域３２から外側に延在する、環状の近視野領域３６を通して維持される。中央領域３２及び近視野領域３６は両方とも薄明視瞳孔寸法内にある。代替の実施形態では、近視野領域は、光学的ステップ及び遷移領域３８の間をより滑らかに遷移させることを可能にするため様々な形状に従って変形するパワー分布を有する。光学的パワーは、近視野領域３６の外側周辺部から、遷移領域３８において、頂点パワー２４に等しいパワーに急勾配で減少する。好ましくは、遷移領域３８の外側周辺部は、おおよそ薄明視瞳孔の外側限界にある。この例では、遷移領域３８の遷移パワー分布３８ａは、単純な双曲面に従う。当該遷移領域は、ボケを導入しないように可能な限り滑らかであるべきであり、これと同時に、最小の径方向範囲が使用されるように急勾配でパワーを再トレースすることが重要である。例えば、様々な多項式により表され得るような、他の曲面もこれらの要求を達成することができる。遷移領域の径方向外側は、遠視野パワー即ち頂点パワー２４を有する、レンズ暗順応領域４０である。上述されたように、代替の実施形態では、暗順応視野領域は、頂点パワーより小さい減少したパワーを有する。レンズの暗順応領域の外側は、レンズ状フランジ４２である。フランジ４２は、光学的効果を提供しないが、レンズを物理的に支持している。上記領域の間で要求される、滑らかさ又は調和混合の形成領域は、中央領域内にある主要な遠視野領域の外部にあることが重要である。そのような滑らかさの形成は、様々な既知の任意方法で実行することができる。

代替の実施形態では、近視野と遠視野とのバランスを提供するため、パワー分布は、レンズ上の夫々の強制領域を調整するように巧みに操作される。近視野及び遠視野のより有効な組み合わせは、近視野パワーの領域を少なくとも遠視野パワーの面積程度に大きくすることによって得ることができると考えられている。即ち、光学的経路に垂直な領域を使用したとき、環状近視野領域内の面積が有効絞り内の面積以上となる。Ｐ及びＳの両方の巧みな操作は、（５）式から所望の結果を得るため要求される。これは、パワー分布２０のグラフである、図４に関して記載されたように、対話式プロセスにより実行することができる。ユーザー及びレンズの特定パラメータが定義され、（５）式に挿入されると推定される。要求された近視野パワーもユーザーの要求から決定される。試験的な形状因子が選択される。Ｓ＝−１が提案される。近視野パワー径方向寸法の第１の推定値（Ｒ_NADD）は、ユーザーの薄明視瞳孔径方向寸法５０より小さく選択される。（５）式は、様々なＰ値及びＲ_NADDにおいて計算された、その結果としての追加パワー（ＡＤＤＰ（ｒ））に対して推定される。Ｒ_NADDにおけるパワー分布は、要求された近視パワー３４と等しいとき、有効絞り５１は、当該式及び選択された設計レベル（上記を参照せよ）から決定される。これは、対話式の試行錯誤によりなすことができる。次に近視野領域及び有効絞り内の夫々の面積が計算される。近視野領域が不十分である場合、即ち夫々の絞り内より少ない場合又は有効絞り内より大きい場合、形状因子が減少される。近視野領域が大き過ぎる場合、即ち有効絞り内より大きい場合、形状因子が増加される。Ｐに関する繰り返し反復を、所望の近視野パワーを得、面積を確認するため再び使用してもよい。この方法から形成されたレンズでは、当該パワー分布は、図３に関して説明されたように瞳孔寸法５０へと延在する近視野領域３６を形成するため、近視野パワーにおいて切頭されている。近視野領域３６は、その領域に亘って一定パワーを有する。薄明視瞳孔外部のレンズ領域は、図３に関して説明されたように設計することができる。上記対話式プロセスは、コンピュータ法によって自動化することができる。共通のパラメータのための表で表された値は、当該プロセスを簡単にするためにも使用することができる。これらのステップを実行する他の方法は、当該技術分野でも利用可能である。

図５は、図２ｂで表された、パワー分布及び矯正領域に対応する光学表面のグラフである。先端から、中央表面領域６１は、球面参照ライン６２から内側に湾曲している。球面参照ライン６２は、単一のパワーレンズの表面に対応している。中央表面領域６１は、中央視野領域パワー分布（図２ｂの３２ａ）に対応している。中央表面領域６１は、近視パワーに対応する溝表面（sulcus）６３で終わっている。溝表面６３から、遷移及び暗順応領域パワーに対応して増大する曲率半径を持つ、暗順応表面領域６５が延在している。表面の外側エッジでは、レンズ状フランジ表面６７が存在する。

上記パワー分布に近似したものは、追加の利点を提供する周期関数の使用により別個の実施形態で得られる。レンズ追加パワーのための次式は、中間パワーと、近視野パワーとの間の遷移を改善し、これと共に最大パワー及びその径方向位置の制御も提供する。

ここで、ＡＤＤ（ｘ）は、上記したようにポイントｘにおける追加パワーであり、ＡＤＤＭは要求された近視野パワーに等しくなるように選択された最大パワーであり、Ｘｃは最大パワーの所望位置である。

図６は、上式におけるＡＤＤＭ及びＸｃの様々な値に対して、この式により発生されたパワー分布６９、６９’、６９”のグラフである。これらのパワー分布で形成されたレンズは、有効絞り及び前述された光学的ステップにより提供されたのと同じ光学的利点を表している。当該分布の最大パワーを制御するための能力に起因して、それらは、前述の実施形態の態様で拡大された近視野領域の導入による修正に特に良く適している。図７は、近視野領域７２が径方向に一定した近視野パワーを持っている状態で、最大パワーＡＤＤＭから、そのような周期的なパワー分布７０を延在させることにより形成されたレンズパワー分布を表している。周期的パワー分布７０の形状は、近視野領域への滑らかな遷移を提供し、光学的品質を改善する。周期的パワー分布７０の鏡像７４は、径方向の光学パワーを頂点の遠視パワーに減少させる滑らかな遷移を画成するため、近視野領域７２の外側境界で使用される。

完全な表面関数は（６）式に対して導出することができるが、レンズの製造に適用するには扱いにくい式を生じさせる。（６）式のパワー分布に連係された光学表面の有効近似は、次式から展開することができる。

ここで、Ｍ及びＴは、決定されなければならない変数である。適切な表面形状に到達するために、（７）式は、Ｍ及びＴの項で対応する近似パワー関数に到達するような典型的な態様で操作される。Ｍ及びＴの適切な値は、繰り返し反復と、近似パワー関数形状と（６）式の所望のパワー関数との比較と、により決定される。２つのパワー関数形状が十分に類似しているとき、Ｍ及びＴの対応する値は、（７）式に適用される。次に、この表面は、（６）式の所望パワー関数を生成するレンズ光学表面を形成するため適用される。

光学表面形状のための上記式は、コンタクトレンズの前方に適用されるとき所望の光学パワー分布を発生させる。それらは、正のレンズを形成するように使用され得るが、上述されたように負のレンズを形成するため使用されるとき、追加の利点が得られる。

中央に位置する遠視野領域の小さいサイズに起因して、使用時に、レンズ光軸の中心を瞳孔の視界軸に関して整列させることが望ましい。現在のところ利用可能な対物ソフトコンタクトレンズは、一般に、眼に中心を良く合わせられており、このため、一般には良く中心に合わせられていない典型的な剛性レンズを超えて、本発明を実行する上では好ましい。しかし、中心に合わせられた位置に維持することができる任意のコンタクトレンズにおいて、本明細書のコンセプトを等しく応用することができる。剛性ガス透過性レンズでレンズ中心合わせを改善する一つの方法は、既知のコンセプトに類似し、且つ、角膜矯正術で角膜成形のために使用される、反転形状ベースを使用する。反転形状ベースは、角膜先端に中心合わせされた比較的平坦な曲面をレンズの後端部に適用し、角膜への吸入を形成する急勾配半径部分で当該領域を取り囲む。これらの領域を取り囲む部分は、角膜と整列した曲面を有する第３の領域である。これらの特徴を組み合わせた効果は、レンズに適用された中心合わせ力である。上記（１）及び（５）式により画定された表面形状は、剛性ガス透過性レンズベース曲面にも適用することができ、これらの形状の自然な平坦−急勾配−平坦特性を利用することは、同じ中心合わせ効果を提供する。

上記例において、瞳孔の光学系は、瞳孔ボディ形状に関して中心合わせされている。このことは、人によっては瞳孔の自然な形状オフセットが見出されるため、しばしば、このケースに当てはまらないことがある。コンタクトレンズを、瞳孔ボディ形状に関して偏心して配置させるために、代替実施形態では、偏心された斜線が、後端表面の周辺部に適用されている。同様に、偏心したフランジを、同じ効果のために使用することができる。光学的な偏心に等しい、瞳孔形状に関するレンズの偏心を確立することによって、当該レンズは、光軸に関して中心合わせされ得る。これらの実施形態は、柔らかいガス透過レンズ及び剛性のガス透過レンズにおいて、最も効果的に使用される。

本発明に係るコンタクトレンズは、ハードレンズ、ソフトレンズ、及び、典型的に使用される任意材料から形成された剛性のガス透過レンズを含んでいる。好ましいレンズは、ヒドロゲル又はシリコンベースのヒドロゲルのソフトレンズである。レンズの光学パワーは、レンズ形状及び材料特性の両方の関数である。本明細書で論じられる、レンズの形状及び機能は、使用中のレンズの意図された条件に関している。これは、例えば、かなりの水の含有量で設計されたレンズは、完全に水化されていることを意味している。現在の旋盤システムは、使用時に高い水含有量を有するコンタクトレンズで発生するような材料特性変化に対応するため入力パラメータを変換することができる。同様に、鋳造レンズは、同じ材料変換を考慮に入れて成形することができる。

上記議論は主要にはコンタクトレンズに関するが、本発明は、強膜レンズ、眼内レンズ、角膜組織内部に押し付けられるか又は外科的に形成されたレンズを始めとする、本明細書の新規なコンセプトを組み込んだ、他のレンズを包含しているが、これらの例に限定されるものではない。特に、有効絞りを形成する光学的ステップを有するパワー分布は、これらの代替光学的装置に形成されている。以下の表４では、設計パラメータは、ＩＯＬと、本発明に係る成形角膜表面プロフィールと、に対して与えられる。

ＩＯＬ設計では、レンズ及びガラス質の屈折率は、夫々、１．４９及び１．３４であると推定される。ＩＯＬは、中央部の厚さが０．５０ｍｍのＤ形状のレンズである。角膜の屈折率は、７．７ｍｍの角膜半径で１．３７６であると解釈される。本明細書の画成された光学表面を備えたそのような装置を形成することの詳細事項は、当業者には知られている。

代替の実施形態では、上記適切なパワー及び表面の関数の利点は、メガネレンズで達成される。そえらが瞳孔と近接していないことに起因して、有効絞りの効果は、本発明に係るメガネレンズでは見られない。しかし、上記パワー及び表面の式は、第１のパワー分布がレンズの一つの軸に沿って緊密なラインを画成するところの進歩的なメガネレンズを形成する独自の方法を提供する。直交パワー分布は、緊密なライン上の第１のパワー分布との交差点で一致するパワー値で画成される。

本発明により生成された誘起絞りの効果は、近視野矯正が要求されないとき遠視野を矯正するための値も持っている。本発明は、近視矯正のための特有の必要性無しに、光学的ステップと誘起された絞りとを有するコンタクトレンズを備えている。

本発明の更なる代替の実施形態では、レンズパワー分布は、増分した径方向寸法で、複数のパワーピークを有する。一例としての実施形態は、そのような実施形態のための径方向寸法の関数としてパワープロットを提供する図８で示されている。３つの光学的パワーピーク８０は、近視パワー８１の設計値以上の最大パワー８２に到達する。先端から第１のポークまで、パワー分布は、前記実施形態で表されたものと同じ態様で画成される。レンズ先端では、パワーは、所望された遠視パワー８４に等しく、誘起された絞り影響を及ぼすため径方向に急激に上昇する。しかし、パワー分布８３は、最大パワー８２で水平即ち平坦にならない。パワー分布は、パワーが遠視パワー８４の近傍と類似した態様で降下するように、該ピークの回りで対称的に反射される。引き続くピークは、このパワー分布を径方向寸法で繰り返すことにより画成される。内側最大ピークの径方向位置は、薄明視瞳孔寸法で又はその内部にある。図８は３つのピークを表しているが、２又は３より多いピークを含んでいてもよく、その最大数は、視覚に関して有効であるべき設計最大瞳孔寸法内に全てそれらを配置する必要性により制限される。これらのパワー分布は、多数のピークを有し、前述された誘起絞り降下の結果として改善された遠視野を提供する。同様に、繰り返されたピークは、少なくとも２つの追加利点を提供する。第１の利点は、各ピークは、最大パワー８２より少ない中間距離及び近視パワーにおいてパワー８５の増分有効領域を提供するという事実に起因して、中間距離視界及び近視界を改善するということである。追加の利点は、連係されたレンズ表面形状から、レンズが薄くなるということである。

図９は、レンズの前方光学表面に対して、径方向寸法の関数としてサジタル深さをプロットすることにより示された反対称レンズ表面９０を表している。この表面は、図８に関して表されたようなパワー分布を提供するが、２つのピークを持っている。各パワーピークは、レンズ表面９０において溝（sulcus）９１と連係されている。各溝は、不連続トラフを持つものとして示されているが、製造の実用性は、実際には、これらが、幾分丸みを帯び即ちブレンドされていることを要求する。これらは、あるレベルの回折干渉を誘起する可能性があるが、ほとんどのレンズで最小の効果を持つものと考えられている。多数のパワーピークを有する本発明の実施形態は、複数の径方向溝（radial sulci）により部分的に特徴付けられている。外側径方向寸法では、レンズ表面がレンズベース曲面ライン９３に密接して従うとき溝の薄くされた効果を見ることができる。先端と第１のピークとの間の上述されたパワー分布を形成するためレンズ表面形状は、上記した式により様々な実施形態で画成される。この形状は、ピークの回りに対称的に反射されてもよく、既知の方法を使用してレンズ曲面に亘って課されてもよい。そのような作業は、当該目的のため設計された現代数値制御旋盤技術を使用して容易に実行することができる。代替の実施形態では、幾つかのピークが、別個の表面形状を持っていてもよい。即ち、１つ以上の表面の上昇部分及び下降部分が、個々のピークを画成しつつ、他の上昇部分及び下降部分から区別される表面形状によって特定化することができる。例えば、レンズ先端から第１のピークまでの表面形状は、第１の組のパラメータ（即ち、Ｐ及びＳの値）を用いて上記（５）式により特定することができると共に、該第１のピークから下方に傾斜する表面形状及び引き続くピークは、第２の区別された組のパラメータを用いて（５）式により画成される（各々の場合に必要なものとして反映されている）。

先行する議論は、例としてのみ与えられた。本発明で請求された発明概念の他の変形は、当業者には明らかであろう。現在及び将来において知られる代替の装置及び材料の適合若しくは組み込みも考えられる。本発明の意図された範囲は請求の範囲によって画定される。

図１は、本発明の一実施形態のための半径の関数としての光学的パワーのグラフである。 図２ａは、本発明に係るコンタクトレンズを表す。図２ｂは、図２ａの実施形態のための半径の関数として光学的パワーのグラフである。 図３は、形状因子のための様々な値を有する、代替のパワー分布式に対する半径の関数としての光学的パワーの３つのグラフである。 図４は、遠視力を近視力とバランスさせるため修正された、本発明のパワー分布のグラフである。 図５は、本発明の一実施形態に係るコンタクトレンズの光学表面のグラフである。 図６は、本発明に係る様々な周期的パワー分布のための追加パワーのグラフである。 図７は、光学的ステップ、及び、近視野領域が割り込まれた減少したパワー遷移領域で使用される周期パワー分布のグラフである。 図８は、多数のパワーピークを有する、本発明の実施形態における径方向寸法の関数としてのパワーのグラフである。 図９は、本発明に係る多数ピークパワー分布を有するレンズの前面光学表面のための半径方向寸法の関数としてのサジタル深さのプロットとしての軸対称レンズ表面を表している。

Claims (13)

1. 遠視野矯正機能を改善したレンズであって、
   先端を有する、中央に配置された遠視野領域と、
   前記先端における頂点パワーからより大きい最大パワーまで径方向外側に連続的な１階及び２階の微分係数を有するように滑らかに増大するレンズパワー分布を形成する少なくとも１つの光学表面とを備え、
   前記パワー分布は、前記遠視野領域を取り囲む光学的ステップであって、前記パワー分布は、前記先端から０．５ｍｍ乃至１．７５ｍｍの範囲の半径で、前記頂点パワーよりも＋０．７５ジオプター大きく、そこからより大きい前記最大パワーまで増大する、光学的ステップを含む、レンズ。
   
2. 前記パワー分布は、薄明視瞳孔径方向寸法より小さい径方向寸法における近視野パワーと等しいパワー値を備える、請求項１に記載のレンズ。
   
3. 前記光学的ステップから径方向外側に延在し、且つ、前記近視野パワーと等しいパワーを有する、近視野領域を更に備える、請求項２に記載のレンズ。
   
4. 前記近視野領域を取り囲み、且つ、前記頂点パワーより大きくない暗順応パワーを有する暗順応視野領域を更に備える、請求項３に記載のレンズ。
   
5. 前記暗順応パワーは、前記頂点パワーより小さい、請求項４に記載のレンズ。
   
6. 前記少なくとも１つの光学表面は、次式の加法表記により画定される光学表面であり、
   【数２】
   
   
   ここで、ｘはミリメートル単位の前記先端からの垂直距離であり、Ｚ（ｘ）は点ｘにおけるサジタル深さを定義し、ｋはミリメートル単位の頂点曲率半径の逆数であり、Ｐは１より大きな正の数であり、ｌｎは自然対数関数であり、ｍは最小でも３に等しい、請求項１に記載のレンズ。
   
7. Ｐは１よりも大きな値乃至６０の範囲にある値を有する、請求項６に記載のレンズ。
   
8. 前記少なくとも１つの光学表面は、次式により画定される光学表面であり、
   【数３】
   
   
   ここで、ｘはミリメートル単位の前記先端からの垂直距離であり、Ｚ（ｘ）は点ｘにおけるサジタル深さを定義し、ｋはミリメートル単位の頂点曲率半径の逆数であり、Ｐは１より大きな正の数であり、ｌｎは自然対数関数であり、Ｓは形状因子である、請求項１に記載のレンズ。
   
9. Ｐは１よりも大きな値乃至６０の範囲にある値を有する、請求項８に記載のレンズ。
   
10. Ｓは、−５乃至２の範囲にある値を有する。請求項９に記載のレンズ。
    
11. 前記頂点パワーから前記最大パワーまでのパワー分布は、周期関数により定義されている、請求項１に記載のレンズ。
    
12. 前記周期関数は、
    【数４】
    
    
    であり、ここで、ＡＤＤ（ｘ）は、ｘにおける前記頂点パワーを超えた分の追加パワーであり、ｘは前記先端からの垂直距離であり、ＡＤＤＭは前記最大パワーに等しく、Ｘｃは前記最大パワーの所定の位置であり、πは直径に対する円周の比率と等しい、円周率パイである、請求項１１に記載のレンズ。
    
13. 前記レンズの中心から径方向に延びて光学ピークパワーの領域を画定する、複数の溝を更に備える、請求項１に記載のレンズ。