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CN111407465A - 高清和景深扩展人工晶状体 - Google Patents

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CN111407465A
CN111407465A CN202010149440.9A CN202010149440A CN111407465A CN 111407465 A CN111407465 A CN 111407465A CN 202010149440 A CN202010149440 A CN 202010149440A CN 111407465 A CN111407465 A CN 111407465A
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Abstract

本发明公开了一种整合到人工晶状体中的虚拟光圈。与虚拟光圈相交的光学射线广泛地分散在视网膜上，导致几乎被阻止达到可检测水平的光线落在视网膜上。虚拟光圈的使用有助于移除单色像差和色像差，产生高清视网膜图像。对于可接受视力的给定清晰度，更大直径的光学区增加了景深。另外，由于光学区可以具有更小的直径，所以可以生产更薄的人工晶状体。这转而允许更小的角膜切口和更容易的植入手术。

Description

高清和景深扩展人工晶状体
本发明是申请日为2016年11月3日、申请号201680034211.4的中国专利申请的分案申请。
背景技术
人眼常常遭受诸如散焦和散光之类的像差，必须矫正这些像差，以为维持高质量的生活提供可接受的视力。这些散焦和散光像差的矫正可以使用透镜来完成。透镜可以位于眼镜面上、角膜面(隐形眼镜或角膜植入物)上，或者位于眼内作为无晶状体(晶状体完整)或无晶状体(晶状体移除)的人工晶状体(IOL)。
除了散焦和散光的基本像差之外，眼睛常常具有高阶像差，诸如球面像差和其它像差。由于可见光谱上波长的不同聚焦引起的像差，眼睛中也存在色像差。这些高阶像差和色像差对人的视觉质量有负面影响。随着瞳孔尺寸的增加，高阶像差和色像差的负面影响也会增加。移除了这些像差的视力通常被称为高清(HD)视力。
老花眼是眼睛失去对不同距离的物体聚焦能力的状态。无晶状体眼睛具有老花眼。植入在无晶状体眼中的标准单焦点IOL将在单焦距处恢复视力。为了在一系列距离上提供良好的视力，可以实施多种选择，其中，使用单焦点IOL与双焦点或渐进式眼镜相结合。单眼视(Monovision，MV)IOL系统是恢复近视力和远视力的另一种选择-一只眼睛的焦距设置与另一只眼睛的焦距不同，从而提供了两个焦点的双目总和，并提供了混合的视力。
单眼视(Monovision，MV)是目前矫正老花眼最常见的方法，通过使用IOL矫正远视力的主眼和近视力的非主眼，试图从远至近实现无眼镜的双眼视觉。此外，IOL可以是双焦点或多焦点的。大多数IOL被设计成具有分布在附加范围内的一个或多个聚焦区域。然而，使用具有一组离散焦点的元件(elements)不是唯一可能的设计策略：也可以考虑使用具有景深扩展(EDOF)的元件，即产生跨越所需附加(范围)的连续焦点段的元件。这些方法并不是完全可以接受的，因为来自各个焦点区域的杂散光会降低人的视力。
本领域所需要的是改进的虚拟光圈IOL，以克服这些限制。
发明内容
本发明公开了一种整合到人工晶状体(IOL)中的虚拟光圈。该结构和布置允许光学射线与虚拟光圈相交并在整个视网膜上广泛分散，导致几乎被阻止达到可检测水平的光线落在视网膜上。虚拟光圈有助于移除单色像差和色像差，产生高清视网膜图像。对于可接受视力的给定清晰度，更大直径的光学区IOL增加了景深。
本发明的一个目的在于教导一种制造更薄的IOL的方法，因为光学区可以具有更小的直径，其允许更小的角膜切口以及更容易的植入手术。
本发明的另一个目的在于教导一种虚拟光圈IOL，该虚拟光圈IOL能够表现出降低的单色像差和色像差以及景深扩展，同时在选定的距离范围内提供足够的对比度来分辨图像。
在本发明的另一个目的在于教导一种虚拟光圈IOL，该虚拟光圈IOL与其它等光焦度IOL相比，提供了更小的中心厚度。
本发明的另一个目的在于教导一种虚拟光圈，该虚拟光圈可以实现为交替的高光焦度正透镜分布和负透镜分布。
本发明的又另一个目的在于教导一种拟孔径，该虚拟光圈可以实现为高光焦度负透镜表面。
本发明的另一个目的在于教导一种虚拟光圈，该虚拟光圈可以实现为高光焦度负透镜表面结合交替的高光焦度正透镜分布和负透镜分布。
本发明的又另一个目的在于教导一种虚拟光圈，该虚拟光圈可以实现为棱镜分布结合交替的高光焦度正透镜分布和负透镜分布。
本发明的一个目的在于通过提供有晶状体或无晶状体IOL来克服这些限制，其同时：提供散焦和散光的矫正、降低高阶和色像差以及提供景深扩展，以改善视力质量。
本发明的另一个目的在于教导一种虚拟光圈，该虚拟光圈可用于有晶状体或无晶状体IOL、角膜植入物、隐形眼镜中或用于角膜激光手术(LASIK,PRK等)过程中，以提供景深扩展和/或提供高清视力。
本发明的另一个目的在于教导用实际不透明光圈替代虚拟光圈并实现与虚拟光圈相同的光学益处。
根据如下说明书、实施例和权利要求，与本发明相关的其它目的和进一步的优点和益处对于本领域技术人员来说将是显而易见的。
附图说明
图1示出了使用瞳孔尺寸降低单色像差的基本方法；
图2(A&B)示出了使用瞳孔尺寸降低色像差的基本方法；
图3(A&B)示出了限制有效瞳孔尺寸的虚拟光圈的基本概念；
图4示出了虚拟光圈作为高光焦度透镜部分整合到IOL中；
图5示出了虚拟光圈作为负透镜部分；
图6(A&B)示出了虚拟光圈作为负透镜(或棱镜)部分结合高光焦度透镜部分；以及
图7(A&B)示出了使用虚拟光圈来防止小光学区的负面影响。
具体实施方式
本文公开了本发明的详细实施例；然而，应当理解的是，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，其可以以各种形式实施。因此，本文所公开的具体功能和结构细节不应被解释为限制性的，而仅仅作为权利要求的基础和作为用于教导本领域技术人员以实际上任何适当的详细结构不同地应用本发明的表示基础。
图1示出了以光轴2为中心的单个凸透镜1。入射线3平行于该光轴并且将与透镜的焦点4相交。如果观察平面5位于离焦点更远距离处，则入射线将一直延续直到它与观察平面相交。如果我们追迹与入射线3具有相同射线高度的所有入射线，我们将在观察平面上定位一模糊圈6。射线高度低于入射线3的其它入射线将落入该模糊圈6内。一种这样的射线是入射线7，其比入射线3更靠近光轴。入射线7也与焦点4相交，然后也与观察平面5相交。追迹射线高度等于入射线7的所有入射线，追迹出比模糊圈6小的模糊圈8。
在此所表示的光学原理是，随着平行入射线的高度的降低，相应的模糊圈也减小。这种简单的关系适用于人眼。换言之，对于眼睛中的给定量的散焦(屈光不正)，视力随着入射线的高度降低而得到改善。当有人斜视并试图更清楚地看到失焦的对象时，使用该原理。
图1中的追迹是针对单个波长的入射光。对于多色光，此情况下的三种波长，我们有图2中的情况。众所周知，眼睛的成分和典型的光学材料随着波长的增加，折射率降低。在图2A中，凸透镜21具有光轴22。入射线23由蓝色(450nm)、绿色(550nm)和红色(650nm)光三种波长组成。由于三种波长的折射率不同，蓝光光线24比绿光光线25折射的更多，而绿光光线比红光光线26折射的更多。如果绿光光线聚焦，那么它将在光轴上穿过观察平面27。这三条光线的色散在观察平面上造成彩色模糊圈28。在图2B中，彩色入射线29具有比图2A中的彩色线23低的射线高度。这在观察平面处造成更小的彩色模糊圈33。因此，就像图1的单色一样，彩色模糊圈随着彩色线高度的降低而减小。
图1和图2示出了降低射线高度(减小瞳孔直径)同时减少了视网膜上的单色像差和色像差，从而提高了视力质量。描述这种情况的另一种方式是，景深随着射线高度的降低而增加。
图3A示出了带有光轴2和光圈35的凸透镜34。入射线36通过该光圈并因此穿过透镜焦点37，并且与观察平面38相交，其在观察平面38处追迹出小模糊圈39。入射线40被光圈阻挡，从而其不能延续到观察平面以产生更大的模糊圈41。限制入射线高度的光圈减少了观察平面上的模糊。在图3B中，我们将示出我们所描述的“虚拟光圈”。即，它实际上并不是一个能阻挡射线的光圈，但其光学效应几乎是相同的。通过虚拟光圈42传播的光线43被广泛地分散开，因此在观察平面上的任何一个点对杂散光(模糊光)的贡献很小。这是IOL发明的主要操作机制。
图4示出了采用虚拟光圈的IOL的基本布局。在该图中，中心光学区46提供对散焦、散光的矫正，以及透镜的任何其它的矫正要求。通常，对于使用虚拟光圈的IOL，其中心光学区直径比传统的IOL小。这造成了更小的中心厚度，使得IOL更容易植入并允许手术过程中更小的角膜切口。虚拟光圈48被定位在外周处并且IOL触觉件50位于远外周处。虚拟光圈通过过渡区47连接到光学区并且触觉件通过过渡区49连接到虚拟光圈。设计过渡区47和49，以保证在过渡区的任一侧上的表面的零阶和一阶连续性。实现这一点的常用方法是多项式函数，诸如三次贝塞尔(Bezier)函数。诸如这些的转换方法是本领域技术人员所熟知的。
在优选实施例中，虚拟光圈区48是一系列高光焦度正透镜分布和负透镜分布。因此，与该区域相交的光线广泛地分散在IOL下游。只要整个区域适当地重定向和/或分散折射线，这些分布就可以实现为连续的二阶曲线、多项式(诸如Bezier函数)、有理样条、衍射谱或其它类似的分布。优选的用途是衍射谱上光滑的高光焦度分布，因为这简化了在高精度车床或模具上制造IOL。如本领域技术人员所知，触觉件(haptic)的后侧应当包括矩形边缘，以抑制导致后发性白内障的细胞的生长。
图5示出了虚拟光圈区51的另一种分布，即凹透镜分布。注意，这需要比图4中的方法更厚的边缘分布。在图6A中，我们示出了具有入射线和透射线的优选的高光焦度交替的正透镜分布和负透镜分布的特写。图6B示出了将6A中的分布与底层棱镜或负透镜组合的效果。在这种情况下，不仅出射线广泛地散射，而且以更宽的透镜边缘为代价，它们又被引导离开眼睛的黄斑或视网膜的中心视力部分。
图7A示出了高光焦度IOL60，其通常具有相对小的光学直径和大的中心厚度。当眼睛的瞳孔大于光学区时，入射线64可能完全错过光学件(optic)，并且在到达视网膜63的途中仅与触觉件61相交。这种情况会在眼睛的周边视觉中引起明显的伪像。预期与光学区相交的入射线62正确地折射到视网膜的中心视力。在图7B中，我们示出了相同的光学件，但是现在在光学件和触觉件之间具有虚拟光圈65。在这种情况下，与透镜在光学区以外相交的入射线64分散在视网膜上，没有引起明显的伪像。
综合来说，包含虚拟光圈的IOL的这些特征可以精确地描述为高清(HD)和景深扩展(EDOF)。
图4中示出了虚拟光圈IOL的基本布局。在优选实施例中，中心光学区46的直径是3.0mm并且虚拟光圈48的宽度是1.5mm。因此，中心光学区和虚拟光圈的组合是直径为6.0mm的光学件，类似于市场上常见的IOL。
中心光学区可以使用标准IOL设计概念来设计，以提供球面、柱面和轴线矫正，以及诸如球面像差控制的高阶矫正。这些设计概念是本领域技术人员已知的。
图4中示出了优选的虚拟光圈分布具有交替的正透镜分布和负透镜分布，焦距大约为+/-1.5mm。这些透镜表面分布可以使用二阶曲线、多项式(诸如三次贝塞尔样条)、有理样条以及这些和其它曲线的组合来产生。选择透镜分布的几何形状，以充分地分散穿过视网膜的透射光线，并且同时相对容易的在高精度车床上或通过模具加工制造。也可以在一种分布(例如前表面)上设置光滑表面，在另一种表面分布(例如后表面)上设置小的高光焦度透镜分布。
使用图4中示出的优选的虚拟光圈分布，即使对于高光焦度IOL，IOL的边缘厚度和中心光学区的中心厚度也可以非常小。透镜的材料与用于其它软或硬的IOL设计的材料相同。
IOL设计提供了非常好的高清远视力，并且“清晰视力”的范围可以通过意为“清晰视力”(例如20/40锐度)的指定来控制，以及中心光学区的相对尺寸和虚拟光圈宽度。用于估算锐度的一次方程[Smith G,Relation between spherical refractive error andvisual acuity,Optometry Vis.Sci.68,591-8,1991]给出了瞳孔直径并且方程(1a和1b)中给出了球面屈光不正。
A＝kDE (la)
Figure BDA0002401888980000071
A＝弧锐度(A＝Sd/20)，以分钟计量，即，分辨率的最小角度
k＝由临床研究确定的常数，平均值为0.65
D＝瞳孔直径，以毫米计量
E＝球面屈光不正，以屈光度计量
Sd＝斯内伦分母(Snellen denominator)
第二个方程式被假定为对低水平屈光不正更精确，并且给出了合理的结果。
对于E＝0，A＝一分钟的弧度或20/20
对E求解(1b)得到方程(2)
Figure BDA0002401888980000072
方程式(1b)告诉我们锐度A给出了以屈光度计量的景深(E×2)的范围和瞳孔直径D。
方程式(2)告诉我们以屈光度计量的景深的范围给出了锐度A和瞳孔直径D。
例如，对于：
20/40的锐度，A＝40/20＝2分钟弧度
D＝3.0mm
k＝0.65
Figure BDA0002401888980000073
景深＝2E＝1.8D。使用(1b)
Figure BDA0002401888980000074
可以将虚拟孔径的概念应用在有晶状体或无晶状体IOL、角膜植入物、隐形眼镜中，或者用于角膜激光手术(LASIK,PRK等)过程中，以提供景深扩展和/或提供高清视力。而且，有可能用实际不透明光圈代替虚拟光圈，并实现与虚拟光圈相同的光学益处。
应该理解的是，尽管示出了本发明的某种形式，但是本发明并不局限于本文所描述和示出的具体形式或布置。对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下可以进行各种改变，并且本发明不被认为局限于本文所包括的说明书和任何附图/图中所示出和描述的内容。
本领域技术人员将容易理解，本发明非常适合于实现本文的目的并获得所提及的结果和优点以及其中固有的那些。本文描述的实施例、方法、过程和技术目前是优选实施例的代表，旨在是示例性的，而不是作为对范围的限制。本领域技术人员将会想到其中的改变和其它用途，这些改变和其它用途被包含在本发明的精神内，并由所附权利要求的范围限定。尽管已经结合具体的优选实施例描述了本发明，但是应当理解的是，所要求保护的本发明不应当不适当地限于这些具体实施例。实际上，所描述的用于实施本发明的方式的各种修改对于本领域技术人员而言是显而易见的，都旨在落入以下权利要求的范围内。

Claims (34)

1.一种用于提供扩大的景深的人工晶状体，所述人工晶状体包括：
中央光学区，包括前光学表面；
围绕所述中心光学区的虚拟孔，所述虚拟孔包括前虚拟孔表面；和
用于将眼内晶状体定位在眼睛内的触觉件，其中所述触觉件通过至少虚拟孔径与所述中央光学区分开；
其中入射在所述前光学表面上的第一多条光线穿过所述中央光学区域以在视网膜上形成图像；和
其中入射在所述前虚拟孔表面上的第二多个光线在所述人工晶状体的下游朝向并穿过所述视网膜广泛地分散，使得所述图像包括所述扩展的景深，并且其中所述虚拟孔减少了单色和彩色所述图像中的像差。
2.根据权利要求1所述的人工晶状体，其中，所述虚拟光圈通过第一过渡区域连接到所述中央光学区域。
3.根据权利要求2所述的人工晶状体，其中，所述第一过渡区域包括第一前过渡表面，并且其中，所述第一前过渡表面包括与前光学表面和前虚拟孔径表面两者的零阶和一阶连续性。。
4.根据权利要求3所述的人工晶状体，其中，所述第一过渡区域包括第一后过渡表面，并且其中，所述第一后过渡表面包括与所述中央光学区域的后光学表面和第二光学表面两者的零阶和一阶连续性。所述虚拟孔的后虚拟孔表面。
5.根据权利要求1所述的人工晶状体，其中，所述部通过第二过渡区域连接到所述虚拟孔径。
6.根据权利要求5所述的人工晶状体，其中，所述第二过渡区域包括第二前过渡表面，并且其中，所述第二前过渡表面包括与所述前虚拟孔表面的零阶和一阶连续性。
7.根据权利要求6所述的人工晶状体，其中，所述第二前过渡表面还包括与所述的前表面的零阶和一阶连续性。
8.根据权利要求5所述的人工晶状体，其中，所述第二过渡区域包括第二后过渡表面，并且其中，所述第二后过渡表面包括与所述虚拟孔的后虚拟孔表面的零阶和一阶连续性。
9.根据权利要求8所述的人工晶状体，其中，所述第二后过渡表面还包括与所述with的后表面的零阶和一阶连续性。
10.如权利要求1所述的人工晶状体，其特征在于，还包括在所述中心光学区域和所述虚拟孔径之间的第一过渡区域，其中所述第一过渡区域包括第一过渡区域前表面，所述前过渡表面与每个相邻的前眼具有零阶和一阶连续性。所述人工晶状体在所述第一过渡区域的任一侧上的表面。
11.如权利要求10所述的人工晶状体，其特征在于，还包括在所述虚拟孔和所述触觉件之间的第二过渡区域，所述第二过渡区域包括第二过渡区域前表面，所述第二过渡区域前表面与所述虚拟孔表面具有零阶和一阶连续性。
12.根据权利要求1所述的人工晶状体，其中，所述中央光学区包括单焦点或双焦点或多焦点的透镜部分。
13.根据权利要求1所述的人工晶状体，其中，所述人工晶状体用于晶状体眼。
14.根据权利要求1所述的人工晶状体，其中所述人工晶状体用于无晶状体眼。
15.根据权利要求1所述的人工晶状体，其中，所述中央光学区域的厚度小于缺少所述虚拟孔径的类似倍率IOL的中央厚度。
16.根据权利要求1所述的人工晶状体，其中，所述前虚拟孔表面和后虚拟孔表面中的至少一个包括高倍率正透镜轮廓和高倍率负透镜轮廓中的至少一个。
17.根据权利要求16所述的人工晶状体，其中，所述前虚拟孔眼表面和所述后虚拟孔眼表面中的每个包括高倍率正透镜轮廓和高倍率负透镜轮廓中的至少一个。
18.根据权利要求17所述的人工晶状体，其中，所述前虚拟孔眼表面和所述后虚拟孔眼表面均包括所述高倍率正透镜轮廓和所述高倍率负透镜轮廓。
19.如权利要求1所述的人工晶状体，其特征在于，所述前虚拟孔表面和后虚拟孔表面中的至少一个包括一系列高倍率正负透镜轮廓。
20.根据权利要求19所述的人工晶状体，其中，所述顺序是交替的。
21.根据权利要求19所述的人工晶状体，其中，所述镜片轮廓的焦距为+/-1.5mm。
22.根据权利要求1所述的人工晶状体，其中，所述前虚拟孔表面和后虚拟孔表面中的至少一个包括圆锥形，多项式，有理样条或衍射轮廓中的一个或多个以广泛分散所述第二多个眼内晶状体下游朝向并穿过所述视网膜的光线的数量。
23.根据权利要求22所述的人工晶状体，其中，所述前虚拟孔表面和所述后虚拟孔表面中的每一个包括圆锥形，多项式，有理样条或衍射轮廓中的一个或多个，以广泛分散所述第二多个光射线从眼内晶状体向着并穿过所述视网膜的下游。
24.根据权利要求16或19所述的人工晶状体，其中，所述高倍透镜轮廓是光滑的。
25.根据权利要求1所述的人工晶状体，其中，所述前虚拟孔表面和后虚拟孔表面中的一个包括光滑表面，并且其中所述前虚拟孔表面和所述后虚拟孔表面中的另一个包括一个或多个高光孔。电动镜头配置文件。
26.根据权利要求25所述的人工晶状体，其中，所述前虚拟孔表面包括光滑表面，并且所述后虚拟孔表面包括一个或多个高屈光力镜片轮廓。
27.根据权利要求1所述的人工晶状体，其中，所述前虚拟孔表面和后虚拟孔表面中的至少一个包括棱镜轮廓或负透镜轮廓之一。
28.根据权利要求27所述的人工晶状体，其中，所述前虚拟孔表面和所述后虚拟孔表面中的每一个包括棱镜轮廓或负透镜轮廓之一。
29.根据权利要求1所述的人工晶状体，其中，所述前虚拟孔表面和后虚拟孔表面中的至少一个包括棱镜轮廓或负透镜轮廓中的至少一个。
30.根据权利要求29所述的人工晶状体，其中，所述前虚拟孔表面和所述后虚拟孔表面中的每一个包括棱镜轮廓或负透镜轮廓中的至少一个。
31.根据权利要求1所述的人工晶状体，其中，所述中央光学区域在所述视网膜的中央部分上形成所述图像。
32.根据权利要求1所述的人工晶状体，其中，所述中央光学区的直径是3mm，并且所述虚拟孔的宽度是1.5mm。
33.根据权利要求1所述的人工晶状体，其中，所述人工晶状体的直径为6mm。
34.根据权利要求1所述的人工晶状体，其中，所述的后表面包括正方形边缘以抑制细胞生长。
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