CN119343108A - 具有微波前扰动的单焦点增强型眼科透镜 - Google Patents

Abstract

公开了一种单焦点眼科透镜，其性能被增强以用于老花眼矫正，其波前利用在其中心近轴区域处的扰动来修改。扰动可以通过对其前表面或后表面进行表面浮雕或者通过透镜材料的折射率修改来实现。扰动采用关于波前孔径的半径的偶函数的形式，例如但不限于余弦、傅里叶调和、泽尼克多项式或泰勒级数。

Description

具有微波前扰动的单焦点增强型眼科透镜

相关申请的交叉引用

本申请要求于2022年12月2日提交的第63/385800号美国临时专利申请的优先权。该在先申请的全部公开内容被认为是所附申请的公开内容的一部分并且通过引用并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及眼科透镜，并且更具体地涉及在其中心近轴区域上具有波前扰动(wavefront perturbation)的单焦点眼科透镜。

背景技术

在老年人中，眼病的常见形式是白内障。白内障是眼睛的晶状体中的混浊区域，其导致视力下降。白内障通常发展缓慢，并且会影响一只或两只眼睛，从而常常导致难以进行日常任务，诸如驾驶、阅读或识别面部。如果不治疗，则白内障可能导致失明。一种常见的治疗形式是去除被称为水晶体的天然晶状体，并且将其替换为被称为人工透镜(IOL)的人造透镜。IOL可以被设计成为单个焦点或为若干个焦点提供优异的视力。前者被称为单焦点IOL并且通常使用非球面。相比之下，后者被称为多焦点IOL并且使用衍射面。

具有多于一个焦点的多焦点IOL通常相对于单焦点IOL是优选的，因为这样的透镜通常消除了对眼镜的需要。然而，多焦点透镜由于其衍射设计而比单焦点透镜更昂贵，并且使用多焦点透镜的患者对其视觉体验的满意度比使用单焦点透镜的患者低许多倍。因此，许多IOL单焦点设计试图通过修改其非球面来改善在透镜的单焦点处的焦深。

一个示例是Myoung-Taek Choi等人的题为“Extended depth of focusintraocular lens”的美国公布20200121448，其公开了一种包括视区和形成在视区中并且被配置为将入射光聚焦在多个焦点处的调制面轮廓的IOL，其中，调制面轮廓与视区的基面轮廓相结合。调制面可以具有正弦曲线、三角形或其某种形式的轮廓，其目的是为了扩展焦深。另一示例是Xin Hong等人的题为“Ophthalmic lens having an extended depth offocus”的美国专利11083566。这里，Hong公开了一种眼科透镜，其包括具有前表面、后表面和光轴的光学部件。前表面和后表面中的至少一个包括从光轴延伸到第一径向边界的第一区和从第一径向边界延伸到光学部件的边缘的第二区。第一区包括由相移特征分开的内部区域和外部区域，相移包括从内部区域和外部区域向外延伸的脊。第二区和第一区的内部区域、相移特征和外部区域的光学组合扩展了透镜的焦深。

尽管增加单焦点透镜的焦深的以上途径是可以接受的，但是本领域对可以有助于扩展焦深同时还简化透镜的制造的其他途径持开放态度，从而降低了佩戴这样的透镜的成本。

发明内容

在本文中公开了诸如眼镜、隐形眼镜或人工透镜的眼科透镜，其具有大体上单焦点的光学部件，但具有围绕其中已经添加了波前扰动的中心近轴区域的区。波前扰动可以通过对透镜的前表面或后表面进行表面浮雕(relieving)或者通过在光学部件内部的某一深度处对透镜材料的折射率进行修改来实现。波前扰动的目的是扩展焦深，这可以矫正佩戴者在所有距离的明视条件下的老花眼。在中间视觉下，透镜变成单焦点状。

对于某一背景，图2示出了单焦点眼科透镜10，从透镜出现的波前主要是会聚到单个焦点(如图2中的14所示)的球形。透镜10的离焦调制传递函数(MTF)被示为16。在焦点14处会聚的光可以说是正视视觉。对于佩戴透镜10的老花眼或假晶状体患者而言期望的是，具有更宽的单焦点离焦MTF 16，从而表示从正视焦点朝向近视方向延伸的更大的焦深。

图3示出了本公开的具有中心近轴区域26的单焦点增强型眼科透镜20。近轴区域26包含波前扰动，该波前扰动使从透镜20出现的波前衍射并且将其分成许多子波前，从而允许入射光能量在近视方向上从焦点14分布到焦深。因此，离焦MTF 16的宽度增加，从而其焦深增加。这样的波前扰动的眼科透镜可以让老花眼或假晶状体佩戴者获得伪调节功能并且在明视条件下在透镜的焦深范围内看得清楚。

在本文中公开了在近轴区域22内具有扰动的单焦点眼科透镜20。扰动是近轴区域22的半径的连续偶函数并且关于透镜20的光轴旋转地对称。

本发明的各种实施例的其他特征和优点根据以下描述对于本领域技术人员来说将是明显的。

附图说明

根据详细描述和附图，将更充分地理解本发明。基于研究以下附图和详细描述，本发明的其他系统、方法、特征和优点对于本领域技术人员将是清楚的或将变得清楚。所有这些另外的系统、方法、特征和优点都旨在包括在本描述内、在本发明的范围内并且受到所附权利要求保护。附图中所示的组成部件不一定按比例绘制并且可能被放大以更好地示出本发明的重要特征。所公开或示出的尺寸仅是示例性的。在附图中，同样的附图标记可以在不同的视图中指示同样的部件，其中：

图1示出了本公开的具有包含微波前扰动的中心近轴区域的单焦点增强型眼科透镜；

图2示出了现有技术的单焦点眼科透镜如何工作；

图3示出了本公开的单焦点增强型眼科透镜如何工作；

图4示出了其中扰动被表示为余弦级数的第一实施例的表面轮廓；

图5示出了其中扰动被表示为余弦级数的第一实施例的离焦MTF。

图6示出了其中扰动被表示为余弦级数的第二实施例的表面轮廓；

图7示出了其中扰动被表示为余弦级数的第二实施例的离焦MTF。

图8示出了其中扰动被表示为傅里叶调和级数的第三实施例的表面轮廓；

图9示出了其中扰动被表示为傅里叶调和级数的第三实施例的离焦MTF。

图10示出了其中扰动被表示为傅里叶调和级数的第四实施例的表面轮廓；

图11示出了其中扰动被表示为傅里叶调和级数的第四实施例的离焦MTF。

图12示出了其中扰动被表示为傅里叶调和级数的第五实施例的表面轮廓；

图13示出了其中扰动被表示为傅里叶调和级数的第五实施例的离焦MTF。

具体实施方式

示例性实施例涉及诸如眼镜、IOL和隐形眼镜的眼科器件。以下描述被提出以使本领域普通技术人员能够制造和使用本发明，并且在专利申请及其要求的上下文中提供。对在本文中描述的示例性实施例以及一般原理和特征的修改将是显而易见的。示例性实施例主要根据特定实施方案中提供的特定方法和系统来描述。然而，该方法和系统将在其他实施方案中有效地运行。例如，该方法和系统主要根据IOL来描述。然而，该方法和系统可以与隐形眼镜和眼镜一起使用。

在本文中公开了诸如眼镜、隐形眼镜或IOL的单焦点增强型眼科透镜。图1示出了作为IOL的透镜20，即本公开的单焦点增强型透镜，其包括光学部件22和襻24，并且还包括围绕光轴的近轴区域26和从近轴区域26延伸到光学部件22的边缘的单焦点区域28。近轴区域26的半径R₀在图1中被示为虚线。在近轴区域26内，已经添加了波前扰动。波前扰动可以利用对光学部件22的前表面和后表面进行表面浮雕或者利用光学部件22内的材料的折射率修改来实现。波前扰动的目的是扩展焦深，这可以矫正佩戴者在从远到近的连续的所有距离的明视条件下的老花眼。光学部件的前表面和后表面处的波前扰动或者利用光学部件内部的某一深度处的透镜材料的折射率修改的波前扰动是波前的孔径半径的连续偶函数。因此，其也是绕着光轴可旋转对称的，并且在近轴区域26内连续地可微。单焦点增强型透镜的波前W(r)由两部分组成，一者是基础单焦点波前W_a(r)；另一者是W_p(r)，即扰动波前。这在式(1)中表示。

W(r)＝W_a(r)+W_a(r) 式(1)

基础单焦点波前W_a(r)通常是标准非球面波前，如在式(2)中所示。

波前的扰动部分被限制在具有半径为R₀的近轴区域26内。超出近轴区域26从R₀到半径R的透镜孔径的边缘，缓区(probation)为常数C，如在式(3)中所示。

此外，扰动波前的一阶导数也是：

其中：

R是透镜孔径的半径；

R₀是扰动的孔径的半径，如图1中所示；

r是距光轴的距离；以及

f(r)是r的连续偶函数。

在为了期望性能的波前扰动的工程设计中，必须将f(r)参数化。下面是用于将f(r)参数化的至少三种方式。

f(r)可以使用余弦级数进行参数化，如在下面的式(4)中所示：

其中：

ω＝2π/D 式(5)

r是距光轴的距离；以及

D是近轴区域26的直径，或者简称为2R₀。

在波前扰动的设计中，余弦级数的阶数N连同a_n(其中(n＝0、1、2、…、N))将针对波前扰动来优化，以实现透镜20的期望性能。表示为余弦级数的最佳波前扰动将具有在3≤N≤10的范围内的N、在0.5mm≤R₀≤2mm的范围内的R₀和在-0.5≤a_n≤0.5的范围内的a_n。以下段落公开了表示为余弦级数的波前扰动的两个实施例。

表示为余弦级数的波前扰动的第一实施例具有在表1中所示的参数。

表1：表示为余弦级数的波前扰动的第二实施例的参数。R₀是以毫米测量的，余弦级数的系数以波测量的。

图4示出了第一实施例的在光学部件22的表面上所得到的波前扰动矢高，其中x轴是光学部件22的表面并且y轴是弧矢的高度。光学部件22的光轴在x轴上处于0.0mm处。扰动的波前弧矢为R₀的水平外部，其中R₀是近轴区域26的半径，如图1所示。在图5中，在3mm孔径或眼睛的瞳孔尺寸处对于第一实施例的扰动波前示出了离焦MTF。实线显示了在25周期/毫米(CPMM)下的离焦MTF，而虚线显示了在50CPMM下的离焦MTF。将图5的离焦MTF与图2中的单焦点离焦MTF 16进行比较，可以看出，与图2所示的现有技术单焦点透镜相比，第一实施例的波前扰动具有扩展的焦深。

也表示为余弦级数的波前扰动的第二实施例具有表2中所示的参数。

表2：表示为余弦级数的波前扰动的第二实施例的参数。R₀是以毫米测量的，余弦级数的系数以波测量的。

图6示出了第二实施例的在光学部件22的表面上所得到的波前扰动弧矢，其中x轴是光学部件22的表面并且y轴是弧矢的高度。光学部件22的光轴在x轴上处于0.0mm处。扰动的波前弧矢为R₀的水平外部，其中R₀是近轴区域26的半径，如图1所示。在图7中，在3mm孔径处对于第二实施例的扰动波前示出了离焦MTF。实线显示了在25周期/毫米(CPMM)下的离焦MTF，而虚线显示了在50CPMM下的离焦MTF。将图7的离焦MTF与图2中的单焦点离焦MTF 16进行比较，可以看出，与图2所示的现有技术单焦点透镜相比，第二实施例的波前扰动具有扩展的焦深。

波前扰动函数f(r)也可以表示为傅里叶调和级数，如在式(6)中所示。

等价地，式(6)可以以式(7)的形式表示：

其中，

ω＝πP/λ 式(8)

M是表示第一多项式的阶数的整数。

N是表示傅里叶调和级数的阶数的整数；

λ是入射光的波长；以及

r是距光轴的距离。

在波前扰动的工程设计中，M、α_i(i＝1,2，...M)和N连同P、A_n、φ_n(n＝0，1，2，...，N)将被决定用于波前扰动f(r)，以实现期望的透镜性能。

正如余弦波前扰动一样，对于傅里叶级数波前扰动的每个设计参数都存在一个值范围。通常，R₀在0.5mm≤R₀≤2.5mm的范围内；M在1≤M≤3的范围内，N在5≤N≤15的范围内，A_n在-0.5≤A_n≤0.5的范围内，并且φ_n在-π≤φ_n≤π的范围内。尽管可以使用更高阶的M和N，但相应系数的值最小。

表示为傅里叶调和级数的波前扰动的第三实施例具有以下参数：P＝0.56(m^-1)，R₀＝1.083(mm)，而表3包含傅里叶调和参数。本实施例中的非球面参数为α₁＝-1.02564。

表3：波前扰动的第三实施例的傅里叶调和参数。

图8示出了第三实施例的在光学部件22的表面上所得到的波前扰动弧矢，其中x轴是光学部件22的表面并且y轴是弧矢的高度。光学部件22的光轴在x轴上处于0.0mm处。扰动的波前弧矢为R₀的水平外部，其中R₀是近轴区域26的半径，如图1所示。在图9中，在3mm孔径处对于第三实施例的扰动波前示出了离焦MTF。实线显示了在25周期/毫米(CPMM)下的离焦MTF，而虚线显示了在50CPMM下的离焦MTF。将图9的离焦MTF与图2中的单焦点离焦MTF 16进行比较，可以看出，与图2所示的现有技术单焦点透镜相比，第三实施例的波前扰动具有扩展的焦深。

表示为傅里叶调和级数的波前扰动的第四实施例具有以下参数：P＝0.5(m^-1)，λ＝0.546(μm)，R₀＝1.32(mm)，而表4包含傅里叶调和参数。本实施例中的非球面参数为α₁＝-1.37363。

表4：波前扰动的第四实施例的傅里叶调和参数。

图10示出了第四实施例的在光学部件22的表面上所得到的波前扰动弧矢，其中x轴是光学部件22的表面并且y轴是弧矢的高度。光学部件22的光轴在x轴上处于0.0mm处。扰动的波前弧矢为R₀的水平外部，其中R₀是近轴区域26的半径，如图1所示。在图11中，在3mm孔径处对于第四实施例的扰动波前示出了离焦MTF。实线显示了在25周期/毫米(CPMM)下的离焦MTF，而虚线显示了在50CPMM下的离焦MTF。将图11的离焦MTF与图2中的单焦点离焦MTF16进行比较，可以看出，与图2所示的现有技术单焦点透镜相比，第四实施例的波前扰动具有扩展的焦深。

表示为傅里叶调和级数的波前扰动的第五实施例具有以下参数：P＝0.5(m^-1)，λ＝0.546(μm)，R₀＝1.45(mm)，而表5包含傅里叶调和参数。本实施例中的非球面参数为α₁＝-1.37363。

表5：波前扰动的第五实施例的傅里叶调和参数。

图12示出了第五实施例的在光学部件22的表面上所得到的波前扰动弧矢，其中x轴是光学部件22的表面并且y轴是弧矢的高度。光学部件22的光轴在x轴上处于0.0mm处。扰动的波前弧矢为R₀的水平外部，其中R₀是近轴区域26的半径，如图1所示。在图13中，在3mm孔径处对于第五实施例的扰动波前示出了离焦MTF。实线显示了在25周期/毫米(CPMM)下的离焦MTF，而虚线显示了在50CPMM下的离焦MTF。将图13的离焦MTF与图2中的单焦点离焦MTF16进行比较，可以看出，与图2所示的现有技术单焦点透镜相比，第五实施例的波前扰动具有扩展的焦深。

波前扰动函数f(r)也可以表示为偶泰勒级数，如式(9)中所示。其在r＝0的透镜孔径的中心处无限可微。

其中：

pn是泰勒级数的系数；和

r是距光学部件的光轴的距离。

在波前扰动的工程设计中，泰勒级数的阶数N连同p_n(n＝0、1、2、…、N)将针对波前扰动进行优化，以实现眼科透镜的期望性能。

波前扰动函数f(r)也可以表示为偶泽尼克(Zernike)多项式，如式(10)中所示。

其中：

r和θ是透镜孔径上的径向和方位极坐标；

r是透镜孔径的半径；

n和m是指示多项式的径向和方位阶数的整数变量；

是相应的系数；以及

是所谓的泽尼克多项式。

因为f(r)是旋转对称的，所以式(10)中的非零方位阶数的系数必须全为零。换言之，泽尼克多项式应仅由m＝0项组成。

因为f(r)是旋转对称的，所以式(11)中的非零方位阶数的系数必须全为零。换言之，泽尼克多项式应仅由m＝0项组成。然后，波前扰动的期望的泽尼克多项式形式可以用式(13)表示。

以下是旋转对称的泽尼克多项式的前20项的显式表达式。

更高阶的泽尼克多项式形式可以用式(12)生成，并且业界已经提供了光学设计软件，诸如Zemax软件。

在波前扰动的工程设计中，泽尼克多项式的阶数N连同z_n(n＝0、1、2、…、N)将针对波前扰动进行优化，以实现眼科透镜的期望性能。

式(13)中的旋转泽尼克多项式波前扰动实际上与式(9)中的泰勒级数相同。然而，用式(13)表示的波前扰动可以使工程设计更快地收敛到最佳波前扰动，以获得期望的IOL性能。

基于泰勒级数的数学原理，波前扰动的余弦级数和傅里叶调和级数类型也可以用泰勒级数的形式表示，并且因此也可以用泽尼克多项式的形式表示。然而，等同的泰勒级数的阶数将远高于余弦和傅里叶调和级数的阶数。

已经以示例性的方式公开了本发明的示例性实施例。因此，通篇所采用的术语应当以非限制性方式来解读。尽管本领域技术人员可以对本文的教导进行微小修改，但是应当理解，所有这样的实施例旨在限制在本文所保证的专利的范围内，所以这样的实施例合理地落在由此贡献的进步的范围内，并且该范围不应受到限制，除非考虑到所附权利要求及其等同物。

Claims (10)

1.一种眼科透镜，包括：

光学部件，所述光学部件包括：

前表面，

后表面，

位于其外围的边缘，

以及光轴，

其中，所述前表面和所述后表面中的至少一个包括：

从所述光轴延伸到径向边界的第一区，所述第一区具有非球面波前和扰动波前，所述扰动波前被表示为连续偶函数，以及

从所述径向边界延伸到所述边缘的第二区，所述第二区具有非球面波前。

2.根据权利要求1所述的眼科透镜，其中，所述扰动波前关于所述光轴是旋转对称的。

3.根据权利要求1所述的眼科透镜，其中，所述扰动波前是利用对所述光学部件的所述前表面和所述后表面进行表面浮雕来实现的。

4.根据权利要求1所述的眼科透镜，其中，所述扰动波前是利用所述光学部件内的材料的折射率修改来实现的。

5.根据权利要求1所述的眼科透镜，其中，所述扰动波前的所述连续偶函数表示为如下形式的余弦级数：

其中：ω＝2π/D

r是距所述光轴的距离；以及

D是所述第一区的直径。

6.根据权利要求5所述的眼科透镜，其中，所述余弦级数具有在3≤N≤10的范围内的N、在0.5mm≤R₀≤2mm的范围内的R₀和在-0.5≤a_n≤0.5的范围内的a_n。

7.根据权利要求1所述的眼科透镜，其中，所述扰动波前的所述连续偶函数表示为如下形式的傅里叶调和级数：

其中：ω＝πP/λ

M是表示第一多项式的阶数的整数；

N是表示所述傅里叶调和级数的阶数的整数；

λ是入射光的波长；以及

r是距光轴的距离。

8.根据权利要求7所述的眼科透镜，其中，所述傅里叶调和级数具有在0.5mm≤R₀≤2.5mm的范围内的R₀、在1≤M≤3的范围内的M、在5≤N≤15的范围内的N、在-0.5≤A_n≤0.5的范围内的A_n和在-π≤φ_n≤π的范围内的φ_n。

9.根据权利要求1所述的眼科透镜，其中，所述扰动波前的所述连续偶函数表示为如下形式的偶泰勒级数：

其中：

P_n是泰勒级数的系数；以及

r是距所述光学部件的所述光轴的距离。

10.根据权利要求1所述的眼科透镜，其中，所述扰动波前的所述连续偶函数表示为如下形式的偶泽尼克多项式：

其中：

r和θ是透镜孔径上的径向和方位极坐标；

r是所述透镜孔径的半径；

n和m是指示所述多项式的径向和方位阶数的整数变量；

是相应的系数；以及

是所谓的泽尼克多项式。