CN102902078B

CN102902078B - 一种自由曲面渐进多焦点镜片及其设计方法

Info

Publication number: CN102902078B
Application number: CN201210363751.0A
Authority: CN
Inventors: 厉以宇; 陈浩; 瞿佳; 余景池; 冯海华; 毛欣杰
Original assignee: WENZHOU EXVISION TECHNOLOGY Inc; INST OF EYE LIGHT VISION WENZHOU MEDICAL COLLEGE
Current assignee: Ophthalmology And Optometry Institute Wenzhou Medical University; WENZHOU EXVISION TECHNOLOGY Inc
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2032-09-26
Also published as: WO2014048081A1; CN102902078A

Abstract

本发明涉及一种镜片及其设计方法，特别涉及一种自由曲面的渐进多焦点镜片及其设计方法。本发明提供的自由曲面渐进多焦点镜片采用扩展的轴对称二次曲面公式构建初始面型，通过对表面各点的二次曲线系数和曲率参数的迭代优化，得到最终镜片面型和光学特性。本发明对像散区域进行了大幅度压缩，降低了最大像散值，像散分布更加柔和，通道宽度得以增大，镜片的有效视觉区域明显增加，可以有效提高配戴者的舒适度，加光度数可以到+3.00D以上。该镜片尤其适合对像差较为敏感的老视屈光不正患者。

Description

一种自由曲面渐进多焦点镜片及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种镜片及其设计方法，具体涉及一种自由曲面渐进多焦点镜片及其设计方法。

背景技术

老视是老年人群的主要视力缺陷。老视配戴者需要远、中、近等不同距离的视觉矫正，因此要求将不同的屈光矫正功能集成到同一片镜片上，形成多个焦点的眼镜。传统的双光镜和三光镜只能在几个离散的视觉区域内对几个离散的距离实现视觉矫正，无法获得全程的连续视觉，并且在不同视觉区域的分界线处存在明显的像跳，影响配戴的舒适度。

基于自由曲面技术的渐进多焦点镜片克服了上述问题，为佩戴者提供自远点到近点全程、连续的清晰视觉。与双光镜不同的是，渐进多焦点镜片的后表面曲率半径从视远点开始至视近点按一定的变化规律逐渐、连续地增加至一固定值，佩戴者只需以接近自然生理状态的眼球垂直转动即可使任意距离的视力都达到清晰。

渐进多焦点镜片表面分为四个区域：视远区、视近区、中间过渡区和像差区。视远区位于镜片上半部分的宽阔区域，含有矫正视远屈光不正的处方，提供清晰、宽阔的视野。视近区位于视远参考圈中心下方约10～18 mm，鼻侧约2～3 mm，具体数值视近附加量和制备样式而异。中间过渡区也叫渐变通道，其长度可根据实际需要进行设定，其宽度则取决于度数变化速率和像差区域的大小等因素。中间过渡区的长度、宽度和加光量限定了配戴者眼睛的活动范围，直接决定了人眼对渐进多焦点镜片的适应性。像差区是除了视远区、视近区和中间过渡区之外，像差无法满足人眼正常视觉要求的镜片周边区域，主要为像散像差和棱镜像差，影响佩戴者对镜片的适应。

通常把实际可用的视远区、视近区和中间过渡区统称为渐进多焦点镜片的有效视觉区域或有效视野。它实际上包括无像差的区域和像差在个体可耐受范围内的区域。客观上，影响中/近视野范围的主要因素是像散像差的分布与变化情况。

理想的渐进多焦点镜片是没有像差的，但是这种制备目前还无法实现。面型优化制备的目的只是将像差在镜片表面进行合理分布，而无法完全消除像差。渐进多焦点镜片需要满足的基本要求包括拥有尽可能大的有效视觉区域、较短的渐变通道和较小的像差变化梯度。制备者往往根据佩戴者的具体需求，设定各个制备参数的权重因子，通过制备参数的平衡和折中，来对渐进多焦点镜片进行面型和功能的优化。

通常情况下，渐进多焦点镜片在中间过渡区的球径度沿渐变通道递增，同时在中间过渡区附近的像散区内，沿垂直于渐变通道方向，像散像差也是逐渐递增，且像散像差的递增速度是球径度递增速度的2倍左右。这就意味着较短的渐变通道将会产生更大的像散像差同时会缩小镜片的有效视觉区域。由此产生了高渐变度、高像散像差、短通道的硬性制备和低渐变度、低像散像差、长通道的软性制备两类制备模式。

发明内容

本发明的目的是提供一种自由曲面渐进多焦点镜片及其设计方法。本发明设计的镜片短通道、低像散像差，且相差区域内像散值的渐变度小于中间过渡区域内表面球径度的渐变度，有效提高了配戴者的舒适度。

本发明一种自由曲面渐进多焦点镜片的设计方法，包括以下步骤：

（a）初始面型构造：

自由曲面渐进多焦点镜片的面型构造，采用扩展的轴对称二次曲面公式进行构造，公式为：

其中，为各点的空间坐标，

为各点的曲率张量，

为二次曲线系数张量；

构造子午脐线：先后连接视远点、适配点、视近点得到子午脐线，当视近点与视远点存在侧向位移时，子午脐线为曲线；当视近点与视远点不存在侧向位移时，子午脐线即为镜片的纵向中心线；

构造初始面型：设定镜片视远点与视近点的球径度，利用高阶的非线性插值方法计算子午脐线上各点的球径度，同时已知镜片折射率，即可计算子午脐线上每一点沿x方向和y方向的初始曲率和，而曲率均设为零；同时将各点的二次曲线系数张量也设为零，由扩展的轴对称二次曲面公式计算得到镜片上各点的初始矢高。此时，扩展的轴对称二次曲面公式就退化为普通的二次曲面公式，得到的就是传统渐进多焦点镜片的面型。

（b）表面光学特性计算

然后利用微分几何的基本公式计算出相应点的最大和最小曲率半径和，从而获得镜片表面光学特性，即各点的表面球径度和像散值：

表面球径度，像散值

n为镜片材料的折射率；

（c）面型优化：

面型优化分两个阶段，第一阶段选取步骤（a）中得到的像散值大于0.05D的各个点进行面型优化：将步骤（a）中二次曲线系数的和设为变量，和的变化范围为-0.5～+0.5，离散化取值，其余参数保持不变，对、取值组合进行遍历，每选择一组数据，就用步骤（b）的方程计算出该点的像散值，最后找出拥有最小像散值的、取值，并保留；第二阶段在第一阶段优化的基础上，保持和不变，将各点曲率张量中的设为变量，的变化范围为-0.01～+0.01，离散化取值，其余参数保持不变，对取值进行遍历，每选择一个数据，就用步骤（b）的方程计算出该点的像散值，最后找出拥有最小像散值的取值，得到最终的自由曲面渐进多焦点镜片的表面面型。

一种按照上述的镜片的设计方法设计的自由曲面渐进多焦点镜片，镜片包含前后两个工作面，其特征在于：镜片的前后两个工作面中至少有一个为复杂的非回转对称的自由曲面，镜片可以提供包括视远、视中和视近在内的全程清晰视觉。

所述镜片的上半部分为有效视觉区域，其中包括位于中间的远用区和两侧的旁视加光区。

所述远用区工作范围能够达到130度，像散值小于0.05D。

所述旁视加光区的加光度数能够到达镜片整体加光度数的50%，该区域像散值小于0.25D。

所述镜片水平中心轴附近的狭长区域为像散区，等像散曲线近似呈水平方向分布，该水平位置恰好是镜片沿子午脐线加光的起始位置。

所述镜片下半部分靠近子午脐线左右两侧为像散区，等像散曲线近似呈垂直方向分布，当表面球径度加光2.00D时，像散值≦1.30D。

所述沿子午脐线从镜片光学中心到85%表面球径度加光位置的通道长度≦11 mm。

所述表面球径度加光2.00D时，中间过渡区的渐变通道宽度能够达到8 mm，加光度越小，通道越宽。

所述像差区域内像散值的渐变度小于中间过渡区域内表面球径度的渐变度。

本发明有益效果是：本发明提供的自由曲面渐进多焦点镜片采用扩展的轴对称二次曲面公式构建初始面型，通过对表面各点的二次曲线系数和曲率参数的迭代优化，得到优化后的自由曲面渐进多焦点镜片。本发明中的自由曲面渐进多焦点镜片较普通的渐进多焦点镜片具有更加清晰和开阔的远用区域，在远用区域的两侧还可以提供理想的旁周边视力。本发明中的自由曲面渐进多焦点镜片具有较宽的渐变通道，可以让佩戴者清晰地看到70 cm～90 cm的中距离物体，镜片同时还拥有一定范围的近用区域。本发明的自由曲面渐进多焦点镜片具有像散分布柔和、像散值小、通道短、有效视觉区域大的优点。

附图说明

附图1为本发明实施例一自由曲面渐进多焦点镜片沿子午脐线的表面球径度变化曲线。

附图2为本发明实施例一自由曲面渐进多焦点镜片内表面的等高线轮廓图。

附图3为本发明实施例一自由曲面渐进多焦点镜片的表面像散分布图。

附图4为本发明实施例一自由曲面渐进多焦点镜片的表面球径度分布图。

具体实施方式

实施例一

一种自由曲面渐进多焦点镜片，镜片包含前后两个工作面，镜片内表面为复杂的非回转对称的自由曲面，外表面为球面，镜片直径为60 mm。镜片可以提供包括视远、视中和视近在内的全程清晰视觉。

下面结合附图对本实施例作进一步说明。

附图1是自由曲面渐进多焦点镜片内表面沿子午脐线的表面球径度的变化曲线，在远用区表面球径度基本保持-6.50D不变，从远用区到镜片光学中心，表面球径度的变化范围小于0.05D。在远用区内，表面球径度的变化小于0.02D。也就是说自由曲面渐进多焦点镜片的上半部分功能与单光镜片相近，加光作用主要是由镜片的下半部分来实现。

镜片的中距离视觉功能区域起始于镜片几何中心上方4 mm处，也就是加光起始位置，称为适配点。从4 mm到-15 mm范围内，表面球径度逐渐增大到-4.50D，并在-15 mm到-20 mm的近用区范围内保持稳定，变化幅度小于0.02D，由此产生镜片的度数渐变效果。自由曲面渐进多焦点镜片的加光度数定义为近用参考点和远用参考点的表面球径度之差，或者是近用区和远用区的最大表面球径度之差，因此，图1中所示镜片具有2.00D的加光。

沿子午脐线从镜片光学中心到85%表面球径度加光位置定义为通道长度。在图1中，85%加光度数为1.70D，对应的通道长度为10 mm。普通渐进多焦点镜片的通道长度一般在13 mm或以上，很难达到本实施例中的通道长度要求。

图2为自由曲面渐进多焦点镜片内表面的等高线轮廓图，包含了1 mm、2 mm、3 mm、4 mm和5 mm共5条等高线。由于是自由曲面，等高线都是非规则的封闭曲线，并且镜片上半区域的矢高要大于镜片下半区域的矢高，镜片上边缘的矢高与下边缘矢高像差1 mm，左右边缘矢高相差不大。

图3为自由曲面渐进多焦点镜片的表面球径度分布图，曲线是由相同表面球径度的各点连接形成，包括-4.50D、-4.75D、-5.00D、-5.25D、-5.50D、-5.75D、-6.00D、-6.25D、-6.50D共9个等球径度分布曲线。视近区内等球径度闭合曲线的中心与视远区内等球径度闭合曲线的中心不在同一条垂直直线上。原因是视近参考点相对于视远参考点在水平方向上往右侧有2 mm的平移量，即所设定的子午脐线为弯曲的三段线段，线段的两个连接点分别设在镜片的光学中心和近用参考点位置。子午脐线也可以是连贯的弯曲曲线。因此，自由曲面渐进多焦点镜片的表面球径度分布不具有左右对称性。根据视近点的偏移方向可以判断本例所示镜片是针对左眼设计。

图4为自由曲面渐进多焦点镜片的表面像散分布图，曲线是由相同像散值的各点连接形成，包括0.25D、0.50D、0.75D、1.00D和1.25D、共5个等像散值分布曲线，由于视近参考点的侧向偏移，等像散值曲线在镜片左右两侧也是非对称分布。镜片的上半部分为有效视觉区域，包括位于中间的远用区和两侧的旁视加光区。远用区工作范围为130度，像散值小于0.05D。旁视加光区的加光度数到达镜片整体加光度数的50%，该区域像散值也小于0.05D，有利于在视远时增进周边视力与动态视觉。

镜片水平中心轴附近的狭长区域为像散区，等像散曲线近似呈水平方向分布，该水平位置恰好是镜片沿子午脐线加光的起始位置。镜片下半部分靠近子午脐线左右两侧同为像散区，等像散曲线近似呈垂直方向分布，平行于子午脐线，两条0.25D像散值曲线形成的中间过渡区的渐变通道宽度为10mm。垂直分布的像散曲线区域的最大像散值为1.25D，渐变通道下方近用区域内的像散值均小于0.05D。

从图3和图4，可以看出像差区域内像散值的渐变度小于中间过渡区域内表面球径度的渐变度。

实施例一所设计的自由曲面渐进多焦点镜片是通过镜片的内表面面型优化得到的。自由曲面渐进多焦点镜片内表面的面型构造，采用扩展的轴对称二次曲面公式进行构造，公式为：

其中，代表各点的空间坐标，

为各点的曲率张量，

为二次曲线系数张量；

首先构造子午脐线：先后连接视远点、适配点、视近点便得到子午脐线，视近点与视远点存在侧向位移，子午脐线为曲线。

再构造初始面型：设定镜片视远点与视近点的球径度，利用高阶的非线性插值方法计算子午脐线上各点的球径度，同时已知镜片折射率，计算出子午脐线上每一点沿x方向和y方向的初始曲率和，而曲率均设为零；同时将各点的二次曲线系数张量也设为零，由扩展的轴对称二次曲面公式计算得到镜片上各点的初始矢高。

表面球径度，像散值

n为镜片材料的折射率；

在该面型基础上进行优化，面型优化分两个阶段，第一阶段选取步骤（a）中得到的像散值大于0.05D的各个点进行面型优化：将步骤（a）中二次曲线系数的和设为变量，和的变化范围为-0.5～+0.5，离散化取值，其余参数保持不变，对、取值组合进行遍历，每选择一组数据，就重新计算该点的像散值，最后找出拥有最小像散值的、取值，并保留；第二阶段在第一阶段优化的基础上，保持和不变，将各点曲率张量中的设为变量，的变化范围为-0.01～+0.01，离散化取值，其余参数保持不变，对取值进行遍历，每选择一个数据，就重新计算该点的像散值，最后找出拥有最小像散值的取值；经过2轮的迭代优化，得到最终的自由曲面渐进多焦点镜片的表面面型。

本发明不受自由曲面渐进多焦点镜片加光度数要求的限制，相对而言，加光度数越低则优化后的镜片光学特性越好。本发明同样适用于面型左右对称型的渐进多焦点镜片。

本发明不限于所示的示例。如镜片的外表面不仅限于球面，还可以是非球面或者环曲面。而且同样可以对对渐进多焦点镜片的外表面进行优化使其成为自由曲面，而内表面为球面、非球面或者环曲面。当然，内表面和外表面也可以同时为自由曲面。

Claims

1.一种自由曲面渐进多焦点镜片的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

（a）初始面型构造：

自由曲面渐进多焦点镜片内表面的面型构造，采用扩展的轴对称二次曲面公式进行构造，公式为：

z_{p} = \frac{k_{u} {x_{p}}^{2} + 2 d_{u} x_{p} y_{p} + h_{u} {y_{p}}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + Q_{x}) {k_{u}}^{2} {x_{p}}^{2} - 2 (1 + Q_{d}) {d_{u}}^{2} x_{p} y_{p} - (1 + Q_{y}) {h_{u}}^{2} {y_{p}}^{2}}}

其中，(x_p,y_p,z_p)代表各点的空间坐标，

(k_u,d_u,h_u)为各点的曲率张量，

(Q_x,Q_d,Q_y)为二次曲线系数张量；

构造子午脐线：先后连接视远点、适配点、视近点得到子午脐线，当所述视近点与所述视远点存在侧向位移时，所述子午脐线为曲线；当所述视近点与所述视远点不存在侧向位移时，所述子午脐线即为镜片的纵向中心线；

构造初始面型：设定镜片视远点与视近点的球径度，利用高阶的非线性插值方法计算子午脐线上各点的球径度，同时已知镜片折射率，即可计算子午脐线上每一点沿x方向和y方向的初始曲率k_u和h_u，而曲率d_u均设为零；同时将各点的二次曲线系数张量(Q_x,Q_d,Q_y)也设为零，由所述扩展的轴对称二次曲面公式计算得到镜片上各点的初始矢高；

（b）表面光学特性计算

然后利用微分几何的基本公式计算出相应点的最大和最小曲率半径R₁和R₂，从而获得镜片表面光学特性，即各点的表面球径度和像散值：

表面球径度

D = \frac{n - 1}{2} (\frac{1}{R_{1}} + \frac{1}{R_{2}}),

像散值

C = (n - 1) (\frac{1}{R_{1}} - \frac{1}{R_{2}})

n为镜片材料的折射率；

（c）面型优化：

面型优化分两个阶段，第一阶段选取步骤（a）中得到的像散值大于0.05D的各个点进行面型优化，所述的像散值由步骤（b）的方程计算得出：将步骤（a）中二次曲线系数的Q_x和Q_y设为变量，Q_x和Q_y的变化范围为-0.5～+0.5，离散化取值，其余参数保持不变，对Q_x、Q_y取值组合进行遍历，每选择一组数据，就用步骤（b）的方程计算出该点的像散值，最后找出拥有最小像散值的Q_x、Q_y取值，并保留；第二阶段在第一阶段优化的基础上，保持Q_x和Q_y不变，将各点曲率张量中的d_u设为变量，d_u的变化范围为-0.01～+0.01，离散化取值，其余参数保持不变，对d_u取值进行遍历，每选择一个数据，就用步骤（b）的方程计算出该点的像散值，最后找出拥有最小像散值的d_u取值，得到最终的自由曲面渐进多焦点镜片的表面面型。

2.一种按照权利要求1的镜片的设计方法设计的自由曲面渐进多焦点镜片，镜片包含前后两个工作面，其特征在于：镜片的前后两个工作面中至少有一个为非回转对称的自由曲面，镜片能够提供包括视远、视中和视近在内的全程清晰视觉。

3.根据权利要求2所述的自由曲面渐进多焦点镜片，其特征是，所述镜片的上半部分为有效视觉区域，其中包括位于中间的远用区和两侧的旁视加光区。

4.根据权利要求3所述的自由曲面渐进多焦点镜片，其特征是，所述远用区工作范围达到130度，像散值小于0.05D。

5.根据权利要求3所述的自由曲面渐进多焦点镜片，其特征是，所述旁视加光区的加光度数到达镜片整体加光度数的50%，该区域像散值小于0.25D。

6.根据权利要求2所述的自由曲面渐进多焦点镜片，其特征是，所述镜片的水平中心轴附近的狭长区域为像散区，等像散曲线近似呈水平方向分布，该等像散曲线的水平位置恰好是镜片沿子午脐线加光的起始位置。

7.根据权利要求2所述的自由曲面渐进多焦点镜片，其特征是，所述镜片下半部分靠近子午脐线左右两侧为像散区，等像散曲线近似呈垂直方向分布，当表面球径度加光2.00D时，像散值≦1.30D。

8.根据权利要求2所述的自由曲面渐进多焦点镜片，其特征是，沿子午脐线从镜片光学中心到85%表面球径度加光位置的通道长度≦11mm。

9.根据权利要求2所述的自由曲面渐进多焦点镜片，其特征是，所述镜片表面球径度加光2.00D时，中间过渡区的渐变通道宽度达到8mm，加光度越小，通道越宽。

10.根据权利要求2所述的自由曲面渐进多焦点镜片，其特征是，所述镜片的像差区域内像散值的渐变度小于中间过渡区域内表面球径度的渐变度。