TW201906588A - 具有色差校正作用的多焦點眼科透鏡 - Google Patents

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Abstract

一種眼科透鏡，包括光學元件，所述光學元件包括前表面、後表面以及光軸。所述前表面與後表面中至少一個具有包括基礎曲率、折射區域、以及繞射區域的表面輪廓，所述折射區域具有所述基礎曲率，所述繞射區域包括具有多個繞射階梯的繞射輪廓。所述繞射輪廓的至少一部分構成基礎繞射輪廓與減小縱向色差的消色結構的組合，所述基礎繞射輪廓限定了所述眼科透鏡的多個焦點。

Description

具有色差校正作用的多焦點眼科透鏡
本揭露總體上涉及眼科透鏡(ophthalmic lens)，更具體地涉及具有色差校正作用的眼科透鏡。
人工晶狀體(IOL)在白內障手術過程中常規地植入患者的眼睛內以替換天然晶狀體。IOL可以包括提供單個焦點(例如，視遠)的單焦點IOL以及提供兩個或更多焦點的多焦點IOL(例如，三焦點IOL提供視遠、視中、以及視近)。多焦點IOL可以包括繞射表面輪廓，所述繞射表面輪廓可以包括多個同心環形的小階梯光柵，所述小階梯光柵同時將光繞射向幾個方向。這種繞射表面輪廓可以提供多個繞射級、並且將光聚焦成與透鏡的不同焦距相對應的不同像。
由於透鏡以及眼睛的色散特性，所有IOL(包括多焦點IOL)可能展現出色差，其中藍光在視網膜前聚焦 而紅光在視網膜後聚焦。這種散焦光降低了透鏡將寬波段光能量集中到患者視網膜上的總效率、並且可能阻礙患者的功能性視覺(諸如在遠距離下的明視覺和中間視覺條件下的低對比度視敏度)。這個問題可能特別地對於具有多焦點IOL的患者特別麻煩，其中光在多個焦點之間分開。
因此，需要一種具有提供色差校正的光學設計的多焦點IOL。
本揭露總體上涉及提供色差的校正或減小的多焦點眼科透鏡(例如IOL)。更具體地，本揭露提供了一種消色結構，其中，當被添加至繞射型多焦點IOL表面輪廓時，所述消色結構提高白光性能，尤其是在明視覺和中間視覺條件下的視遠。
在某些實施方式中，一種眼科透鏡包括光學元件，所述光學元件包括前表面、後表面和光軸。所述前表面與後表面中至少一個具有包括基礎曲率、折射區域、以及繞射區域的表面輪廓，所述折射區域具有所述基礎曲率，所述繞射區域包括具有多個繞射階梯的繞射輪廓。所述繞射輪廓的至少一部分構成基礎繞射輪廓與減小縱向色差的消色結構的組合，所述基礎繞射輪廓限定了所述眼科透鏡的多個焦點。
在某些實施方式中，本揭露可以提供一個或多個技術優點。例如，多焦點IOL可能展現出色差，其中藍光在視網膜前聚焦而紅光在視網膜後聚焦。該等色差可能至少部分地是由於IOL自身和/或放置有IOL的眼睛的色散特性引起。色差導致的散焦光會降低IOL將寬波段光能量集中到視網膜上的總效率、並且會阻礙功能性視覺(例如，在遠距離下的中間視覺條件下的低對比度視敏度)。本文中描述的消色結構的添加可以縮短藍光焦點和紅光焦點之間的距離，其進而有效地將寬波段白光壓縮成聚焦在視網膜上。因此，消色結構的添加提高了寬波段白光圖像品質表現。
除了提高了寬波段白光圖像品質表現之外，根據本揭露的某些實施方式的消色結構，當添加至繞射型多焦點IOL表面輪廓時，可以減輕患者對諸如光暈等視覺障礙的感知(即對光源周圍的明亮光環的主觀感知)。特別地，如本文所描述的，將消色結構添加至繞射輪廓可以減小透鏡-眼睛系統的縱向色差(LCA)，並且這種減少可以引起紅光以及藍光散焦模糊大小的減小。由於光暈與散焦模糊相關，這種散焦模糊的減小可以引起光暈減小以及可能更好的視網膜像對比度。
100‧‧‧IOL
102‧‧‧光學元件
104‧‧‧前表面
106‧‧‧後表面
108‧‧‧光軸
110‧‧‧觸覺件
112‧‧‧繞射區域
114‧‧‧折射區域
116‧‧‧繞射結構
118‧‧‧繞射階梯
為了更徹底地理解本揭露及其優點，現在參 考結合附圖進行的以下說明，在該等附圖中相同的附圖標記指示相同的特徵，並且在附圖中：圖1A-1B展示了根據本揭露的某些實施方式的具有色差校正作用的多焦點IOL之示例性實施方式；圖2A-2B展示了具有繞射區域的多焦點IOL的示例性表面輪廓，所述繞射區域不包括附加消色結構；圖3A-3C展示了根據本揭露的某些實施方式的具有色差校正作用的多焦點IOL之示例性表面輪廓；並且圖4A-4D係展示了與不包括本文中描述的用於大孔徑與小孔徑兩者的消色結構的多焦點IOL相比，如在圖1中描繪的示例性IOL(包括本文中描述的消色結構)的白光以及綠光兩者的表現之MTF圖。
熟習該項技術者將理解的是，下述附圖僅出於說明目的。附圖不旨在以任何方式限制申請人的揭露範圍。
本揭露總體上涉及提供色差校正的多焦點眼科透鏡(例如，IOL)。更具體地，本揭露提供一種消色結構，當被添加至繞射型多焦點IOL表面輪廓時，所述消色結構可以尤其針對中間視覺和明視覺條件下的視遠而改善白 光表現。在以下描述中，結合人工晶狀體(IOL)描述了提供多焦點性以及色差校正的透鏡特徵。然而，本揭露設想到那些特徵還可以應用於其他眼科透鏡，如接觸透鏡。如本文中使用的，術語“人工晶狀體”(及其縮寫IOL)用於描述植入眼睛內部來替換眼睛的天然晶狀體或以其他方式增強視力的透鏡，而不管天然晶狀體是否移除。
圖1A-1B展示了根據本揭露的某些實施方式的具有色差校正作用的多焦點IOL 100的示例性實施方式；IOL 100包括光學元件102，所述光學元件具有圍繞光軸108佈置的前表面104和後表面106。IOL 100可以進一步包括多個觸覺件110，該等觸覺件通常可操作用於將IOL 100定位在患者的眼睛的囊袋內並使其穩定。雖然出於實例目的說明了具有特殊結構的觸覺件110，但是本揭露設想了觸覺件110具有用於將IOL 100穩定在眼睛的囊袋、睫狀溝、或者任何其他合適的位置中的任何合適的結構。
在以下描述中，光學元件102的前表面104被描述為具有提供多焦點性以及色差校正的特殊表面輪廓。然而，本揭露設想這種特徵可以此外或可替代地位於光學元件102的後表面106上。
光學元件102的前表面104可以具有與IOL 100的基礎光焦度相對應的基礎曲率。在諸如IOL 100等多焦點IOL中，IOL 100的基礎光焦度通常與患者的視遠相對 應。然而，並非需要一直如此。例如，非主視眼可以具有基礎光焦度稍微小於患者的對應視遠焦度的IOL以改善兩眼的整體雙眼視力。在某些實施方式中，基礎曲率可以是非球面的(如將在下面詳細描述的)。
除了基礎曲率以外，光學元件102的前表面104可以包括多個區域。例如，前表面104可以包括繞射區域112以及折射區域114，所述繞射區域可以從光軸108延伸至第一徑向邊界，所述折射區域可以從第一徑向邊界延伸至第二徑向邊界(例如，光學元件102的邊緣)。在某些實施方式中，繞射區域112的曲率可以相對於基礎曲率進行更改。雖然光學元件102的前表面104被描繪和描述為僅具有兩個區(繞射區域112以及折射區域114)，但是本揭露設想光學元件102的前表面104可以包括具有任何合適數目的區域的表面輪廓。僅作為一個實例，前表面104可以替代地包括具有兩個由繞射區域分隔開的折射區域的表面輪廓。
在某些實施方式中，繞射區域112包括具有多個繞射階梯118(也被稱為繞射區)的繞射結構116。繞射階梯118可以具有特徵徑向間隔以在產生特徵焦點產生相長干涉。原則上，任何藉由干涉區中的相移產生相長干涉的繞射結構116可以適用於繞射區域112以生產多焦點眼科透鏡。雖然繞射區域112的繞射結構116被描繪為具有環形區，但是所述區也可以可想得到地是部分的，諸如半圓區 或者扇形區。雖然下面的描述將涉及包括黃興繞射階梯118的繞射結構116，但本領域技術人員應當理解的是在本文的任何實施方式中可以進行適當的替代。
繞射區域112的繞射結構116的至少一部分可以至少部分地以基礎繞射輪廓(例如下文中方程方程(4)、方程(9)以及方程(11)中的F繞射(r,T))以及消色結構(例如下文中方程(5)以及方程(11)中的g(r))的組合為特徵。如將在以下詳細描述的，消色結構的添加可以提供多焦點IOL，其相比於不包括附加消色結構的多焦點IOL，具有更好白光表現和/或減小光暈。為說明不同點，下面的揭露內容首先描述了不包括附加消色結構的示例性表面輪廓。
在具有不包括如本文所述的附加消色結構的繞射區域112的多焦點IOL中，前表面104的輪廓(包括繞射區域112以及折射區域114兩者)可以被如下限定：
其中：r表示離光軸的徑向距離；Z基礎(r)表示表面的基礎曲率；F繞射(r,T)表示設計中產生多焦點的繞射結構116的輪廓；T表示繞射結構116在r2空間中的週期；r1、r2以及r3表示不同的徑向結點；並且△1以及△2係常數，用以確保IOL的不同部分之間合適的相移。
在繞射區域112從光軸108延伸至第一徑向邊界而折射區域114從第一徑向邊界延伸至光學元件102的邊緣的實施方式中，r1可以等於零，r2可以限定第一邊界，並且r3可以限定光學元件102的邊緣。
在光學元件102的前表面104的基礎曲率為非球面的實施方式中，方程(1)中的Z基礎(r)可以如下限定：
其中， r表示離光軸的徑向距離；c表示表面的基礎曲率；k表示圓錐常數；a2係二階變形常數；a4係四階變形常數；a6係第六階變形常數；並且an係n階變形常數，其中n可以等於任何合適的偶數(例如20)。
雖然上面示出的方程(2)包括一直到n階變形常數，但本揭露設想方程(2)可以局限於任何合適數目的變形常數(例如，僅僅二階、四階、以及六階變形常數)。
關於繞射結構F繞射(r,T)，其將光分割成對應於多個視距(既繞射區域112)的不同階，相鄰階之間的間距可以藉由光柵週期T(在r2空間中，單位為mm2)確定，如下：
其中， 表示設計波長；並且DADD表示焦度空間中相鄰階之間的間距。
本揭露設想了繞射結構F繞射(r,T)可以限定任何合適的繞射輪廓，例如雙焦點繞射輪廓、三焦點繞射輪廓、以及切趾繞射輪廓。作為一個實例，繞射結構F繞射(r,T)可以如下表達：
其中，r表示離所述光軸的徑向距離；r1、r12、以及r2表示不同的徑向結點(其中r1以及r2與上文方程(1)中的相同)；T表示繞射結構116在r2空間中的週期；表示下取整函數，其中係整數集；並且h 繞射 表示多焦點繞射透鏡的階梯高度。
作為另一個實例，多焦點繞射結構F繞射(r,T)可以限定切趾雙焦點繞射結構，諸如在美國專利號5,699,142中描述的，其內容藉由援引併入本文。
作為又一個實例，多焦點繞射結構F繞射(r,T)可以限定三焦點繞射結構，諸如在美國專利號9,335,564中描述的，其內容藉由援引併入本文。
圖2A-2B展示了本文中描述的具有不包括附加消色結構的繞射區域112的多焦點IOL的表面輪廓(根據方程(1)-(3)設計)。特別地，圖2A描繪了垂度(sag)(mm)vs半徑(mm)的圖，包括繞射區域112中的繞射階梯118。為了更好地展示繞射階梯118，圖2B係與圖2A中所描繪的相同的表面輪廓的圖，但僅示出了添加的F繞射(r,T)的影響。在描繪的實例中，F繞射(r,T)限定了切趾雙焦點繞射結構，其中，繞射光柵的階梯高度隨著距光軸108的徑向距離的增加而減小。
至少部分地由於IOL自身和/或放置有IOL的眼睛的色散特性，根據上面的方程(1)-(3)設計的多焦點IOL(在圖2A-2B中描繪的實例)可能展現出色差，其中藍光在視網膜前聚焦而紅光在視網膜後聚焦。這種散焦光會降低IOL將寬波段光能量聚焦到視網膜上的總效率、並且會阻礙功能性視覺(例如，在遠距離下的中間視覺條件下的低對比度視敏度)。
相應地，在某些實施方式中，上述多焦點IOL可以被更改為進一步包括添加至表面輪廓上的消色結構以產生具有色差校正作用的IOL 100。換言之，繞射區域112的繞射結構116的至少一部分可以至少部分地以基礎繞射輪廓與消色結構的組合為特徵，使得光學元件102(包括繞射區域112以及折射區域114)產生多個焦點並且展現出減小的色差。消色結構可以包括任何合適的繞射結構，當被添加至多焦點IOL的繞射區域的基礎繞射結構時，相比於具有僅包括基礎繞射結構的繞射區域的多焦點IOL，所述繞射結構減小縱向色差的量。
示例性消色結構可以如下表達：
其中，r表示離所述光軸的徑向距離；r1'、r2'以及r3表示不同的徑向結點(其中r3與上文中方程(1)中的相同)； T表示添加的消色結構在r2空間中的週期；表示下取整函數，其中係整數集；並且h表示階梯高度。
在某些實施方式中，方程(5)中的r1'可以等於方程(1)中的r1(其可能等於零，如上討論的)，並且方程(5)中的r2'可以等於方程(1)中的r2(其可以限定將繞射區域112與折射區域114分隔開的第一邊界的位置，如上所討論的)。在某些實施方式中，方程(5)中的r1'可以不等於方程(1)中的r1，並且方程(5)中的r2'可以不等於方程(1)中的r2。在該等實施方式中，方程(5)中的r1'可以大於方程(1)中的r1，並且方程(5)中的r2'可以小於方程(1)中的r2。
方程(5)中的階梯高度h可以對應於波長的整數倍，如下：
其中，Nh係積分(在某些實施方式中，對於第1繞射區域，Nh可以為1/2)； 表示設計波長；nIOL表示IOL的折射率；並且n眼介質表示諸如房水或玻璃體等周圍的眼介質的折射率。
在某些實施方式中，方程(5)中的週期Tg可以與方程(1)中的多焦點光柵週期T相同。在某些其他實施方式中，週期Tg可以由以下關係限制：T g =NT方程(7)或T=NT g
其中，N為積分；T表示方程(1)中的多焦點光柵結構在r2空間中的週期；Tg表示附加消色結構在r2空間中的週期。
方程(5)限定的附加消色結構可以相對於方程(1)中包括的標準繞射光柵將光轉移到其他階。這會將多 焦點設計的焦距改變：
其中，表示設計波長；△f表示轉移後的繞射階與原階之間的間距；Nh係與方程(6)中反階梯高度相關的整數；為補償這種散焦轉移，基弧的對應段可以被如下調整： r3
其中：r表示離所述光軸的徑向距離；Z 基礎 (r)表示如在方程(2)中的矯正患者的視遠的基礎曲率；Z' 基礎 (r)表示矯正患者的視遠並且考慮了由方程(5)中的消色結構的添加引起的焦點位移的基礎曲率；F繞射(r,T)表示本設計中提供多焦點的基礎繞射輪廓；T表示基礎繞射輪廓在r2空間中的週期；r1、r2、以及r3表示方程(1)中示出的表面處的結點；r1'以及r2'表示方程(5)中示出的表面處的結點；△1'、△1"、以及△2'係常數，用以確保IOL的不同部分之間合適的相移。
方程(9)中的Z' 基礎 (r)可以被進一步表達為如下的非球面： 方程(10)
其中，r表示離光軸的徑向距離；c'表示所述表面的基礎曲率；k'表示圓錐常數；a2'係二階變形常數；a4'係四階變形常數；a6'係六階變形常數；並且an'係n階變形常數，其中n可以等於任何合適的偶數(例如，20)。
雖然上面示出的方程(10)包括一直到n階變形常數，但本揭露設想方程(10)可以局限於至多20階變形常數。
在某些實施方式中，方程(10)的一個或多個參數(c'.k'，a2'，a4'，a6'，...，an')可以相對於方程(2)的參數(c.k，a2，a4，a6，...，an)進行調整，以便補償方程(8)中概括的散焦位移△f。
具有改善寬波段白光表現的色差校正作用 (由於附加消色結構)的IOL 100的前表面104的表面輪廓可以藉由將方程(5)以及方程(9)(或者，替代地方程(1))組合而實現，如下：Sag 消色_多焦點 =Sag(r)+g(r)方程(11)
圖3A-3C展示了根據本揭露的某些實施方式的具有色差校正作用(根據方程(11)設計)的IOL 100的表面輪廓。特別地，圖3A描繪了示例性消色多焦點IOL 100的垂度(mm)vs半徑(mm)的圖，其包括由上述消色結構的添加而引起的經更改的繞射階梯118。還繪製了不包括消色結構的表面輪廓(與圖2A中描繪的輪廓相同)的圖。藉由對比二者，可以看出消色結構的添加引起更多明顯的繞射階梯118。並且，補償散焦位移(見方程(9)以及以上對應的描述)可以被視為消色多焦點表面輪廓的繞射區域112的垂度的減小。圖3B係僅示出了方程(5)中限定的附加消色結構g(r)的圖，而圖3C係圖3A中描繪的相同消色多焦點表面輪廓的圖，但僅示出了總計的F繞射(r,T)以及g(r)的效果。
如上所討論的，根據方程(1)-(3)設計的多焦點IOL(圖2A-2B描繪了其示例性表面輪廓)可以展現出眼睛以及IOL材料的色散引起的縱向色差(LCA)，換言之，藍光可以在視網膜前聚焦而紅光可以在視網膜後聚焦。這 種多焦點IOL的LCA可以特徵如下：
其中，f 藍表示在藍光波長(例如400nm)下人工晶狀體眼的焦距；並且f 紅表示在紅光波長(例如700nm)下人工晶狀體眼的焦距。
當多焦點設計藉由方程(11)更改以包括本文中所述的消色結構時，附加消色結構將減小LCA，如下：
特別地，由於藍光的波長比紅光的波長小，所以附加結構g(r)始終產生負的△LCA。換言之，附加結構將縮短藍光焦點與紅光焦點之間的距離。這將進而有效地將寬波段白光壓縮為聚焦在視網膜上。因此，消色結構的添加提高了寬波段白光圖像品質表現。
方程(13)也可以如下重寫： 方程(14)
這意味著給定的LCA校正(△LCA)，方程(14)可以表明應如何選擇NhTg。
圖4A-4D係調製傳遞函數(MTF)的圖，展示了與不包括本文中描述的用於大孔徑與小孔徑兩者的消色結構的多焦點IOL相比，示例性IOL 100(包括本文中描述的消色結構)的白光以及綠光兩者的表現。如所示出的，IOL 100為大孔徑以及小孔徑二者提供提高的白光表現，同時基本上維持大孔徑以及小孔徑二者的綠光表現。
將認識到，各種以上揭露的和其他的特徵和功能、及其替代方案可以按期望組合到許多其他不同的系統或應用中。還將認識到，其中的各種目前未預見或未預料到的替代方案、修改、變化或改進可以後續由熟習該項技術者做出，該等替代方案、變化或改進還旨在被所附申請專利範圍所涵蓋。

Claims (15)

  1. 一種眼科透鏡，包括：光學元件，所述光學元件包括前表面、後表面、以及光軸，所述前表面以及具有表面輪廓的後表面中的至少一個包括：基礎曲率；具有所述基礎曲率的折射區域；包括繞射輪廓的繞射區域，所述繞射輪廓包括多個繞射階梯，所述繞射輪廓的至少一部分係以下的組合：限定所述眼科透鏡的多個焦點的基礎繞射輪廓；以及減小縱向色散的消色結構。
  2. 如請求項1所述之眼科透鏡，其中，所述基礎曲率對應於所述眼科透鏡的基礎光焦度。
  3. 如請求項1所述之眼科透鏡，其中：所述繞射區域從所述光軸延伸至第一徑向邊界；並且所述折射區域從所述第一徑向邊界延伸至所述光學元件的邊緣。
  4. 如請求項1所述之眼科透鏡，其中，所述基礎繞射輪廓包括切趾繞射輪廓。
  5. 如請求項1所述之眼科透鏡，其中，所述表面輪廓被如下限定： Sag 消色_多焦點 = Sag( r)+ g( r)；其中，Sag(r)限定了不包括所述消色結構的眼科透鏡的表面輪廓，並且g(r)限定了所述消色結構。
  6. 如請求項5所述之眼科透鏡，其中： Sag( r)= Z 基礎 ( r) 0 r r1； Sag( r)= Z 基礎 ( r)+ F 繞射 ( T)+△ 1 ' r1 r r1 '；Sag( r)= Z' 基礎 ( r)+ F 繞射 ( T)+△ 1 " r1 ' r r2 '； Sag( r)= Z 基礎 ( r)+ F 繞射 ( T)+△ 1 ''' r2 ' r r2； Sag( r)= Z 基礎 ( r)+△ 2 ' r2 r r3；r表示離所述光軸的徑向距離； Z 基礎 ( r)表示基礎曲率； Z' 基礎 ( r)表示考慮了所述消色結構引起的焦點位移的經更改的基礎曲率；F 繞射限定了基礎繞射結構；T表示所述基礎繞射結構在r 2空間中的週期；r 1、r 2、r 3、r 1'以及r 2’表示所述表面輪廓上的結點；並且△ 1'、△ 1"、△ 1'''以及△ 2'係常數。
  7. 如請求項6所述之眼科透鏡，其中，r 1等於零並且r 3限定了所述光學元件的外邊緣。
  8. 如請求項6所述之眼科透鏡，其中： r係距所述光軸的徑向距離；c表示表面的基礎曲率；k係圓錐常數；並且a 2、a 4、a 6以及a n分別是二階、四階、六階、以及n階係數。
  9. 如請求項8所述之眼科透鏡，其中，n=20。
  10. 如請求項8所述之眼科透鏡，其中： r表示離所述光軸的徑向距離；c'表示所述表面的基礎曲率；k'表示圓錐常數；a 2'、a 4'、a 6'以及a n'分別是二階、四階、六階、以及n階係數；並且c≠c'、k≠k'、a 2≠a 2'、a 4≠a 4'、a 6≠a 6'以及a n≠a n'中的至少一個。
  11. 如請求項10所述之眼科透鏡，其中，n=20。
  12. 如請求項6所述之眼科透鏡，其中： g( r)=0 0 r r1 '； r1 ' r r2 '； g( r)=0 r2 ' r r3；r表示離所述光軸的徑向距離；T g表示所述消色結構在r 2空間中的週期；r 1'、r 2'以及r 3表示所述表面輪廓上的結點； 表示下取整函數，其中， 係整數集；並且h表示階梯高度。
  13. 如請求項12所述之眼科透鏡，其中： T g = T。
  14. 如請求項12所述之眼科透鏡，其中： T g = NT；或 T= NT g ；其中，N為積分。
  15. 如請求項12所述之眼科透鏡，其中： h= N h λ/) n IOL - n 眼介質 )；N h為積分；表示設計波長；n IOL表示所述眼科透鏡的折射率；並且n 眼介質表示患者的眼介質的折射率。
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