一种具有平滑相位分布的单焦增强人工晶状体

技术领域

本发明涉及人工晶状体技术领域，特别涉及一种具有平滑相位分布的连续轮廓单焦增强人工晶状体。

背景技术

通过手术植入人工晶状体替换人眼的天然晶状体，是目前白内障复明手术的核心手段。当今最为先进的IOL设计思路趋于拓展焦深或多焦点，相继产生了多焦点、EDOF人工晶状体，为患者提供多个距离或连续大范围的清晰视力，以满足日常生活的需求，并提供很好的眼镜独立性。三焦点人工晶状体在双焦点的基础上增加了一个中间视距来补充原有视觉范围的缺憾，满足患者看近、看中、看远的实例需求，符合实际，但会产生一定的光晕、眩光等光学现象。而EDOF人工晶体虽然在光学性能上相较于三焦点人工晶状体较为连续，没有断点，但实际植入的感受来说并没有比三焦点人工晶状体带来更好的中近距离视力。

实现大焦深设计的主要方法，是在人工晶状体中引入环形分区设计及折衍射混合设计。J&J Vision公司推出的TECNIS SymfonyTM IOLs系列大焦深人工晶状体，通过引入独特的衍射结构专利技术，并结合消色差技术，获得了较为连续的光学性能，但表现取决于瞳孔大小；由于使用了衍射结构，存在切趾轮廓，本身是以周期性圆环阶梯分布，轮廓断点的出现让一定的能量无法汇聚到设计衍射级次；在加工上，产品对于抛光的要求更高，容易由于加工精度或误差的原因，产生性能上的下降。具有扩展景深的眼用透镜(专利CN113693780 A)，进行了分段设计，在内环区域使用了自由曲面设计，外环区域使用了传统衍射设计。这样的设计组合带来了较为优秀的大焦深性能，并能够有着近似单焦人工晶状体的视觉抗干扰能力。但自由曲面和不连续衍射轮廓这些复杂设计的引入带来的是加工上的难度和成本的提升。

单焦增强人工晶状体从患者的需求出发，来进行目标性能的设定。单焦点人工晶状体仅提供对一个距离的视力治疗并且由于通常用于矫正远视力，这样提供的远视力是清晰、低光学污染现象的，但患者通常需要一定的中近视力方便日常生活的需求。根据这一思路，可以在保留单焦性能特性的基础上，作一定的大焦深设计，使得一定的性能倾向于中近视距，由此满足绝大部分的日常需求。

平滑相位分布的衍射轮廓具有连续平滑，调控灵活的特点，能够满足设计和加工的需求。基于在设计和加工方面所遇到的问题，需要设计具有平滑相位分布的单焦增强人工晶状体。这类人工晶状体需要在满足单焦增强人工晶状体的性能要求的同时，衍射轮廓还需具有连续平滑、衍射效率高、相位函数设计参数多等特性。

发明内容

为解决上述现有技术中所存在的问题，本发明提供一种具有平滑相位分布单焦增强人工晶状体，根据相位模型的灵活调控特性，能够通过多个参数调控相位函数，并将附加光焦度作为一个优化变量，根据性能需求进行设计，得到单焦增强性能的人工晶状体。

为了实现上述技术目的，本发明提供了如下技术方案：

一种具有平滑相位分布的单焦增强人工晶状体，包括：

透镜主体、支撑袢；其中透镜主体包括光学表面，其中光学表面包括第一光学表面、第二光学表面；所述第一光学表面或第二光学表面上设置有衍射轮廓，其中所述衍射轮廓包括若干个环形区，其中所述衍射轮廓满足平滑相位分布。

可选的，所述设置有衍射轮廓的光学表面的总表面轮廓高度满足以下公式：

Z

其中，Z

可选的，所述光学表面均为偶次非球面，其中所述偶次非球面的轮廓高度函数满足以下公式：

式中：z(r)为偶次非球面在半径r方向上的曲线表达式，c为偶次非球面曲率半径的倒数，k为偶次非球面的圆锥系数，r为偶次非球面中心向面上一点的径向距离，α

可选的，所述衍射轮廓满足以下公式：

式中：h(r)为衍射轮廓(4)的表达式，λ为设计波长，n

可选的，所述相位函数满足以下公式：

式中：φ(r)为衍射轮廓对应的相位函数；r为光轴向面上一点的径向距离；Po是在所述相位函数用于调控参数；tan

可选的所述相位函数还包括使用余弦函数、抛物线、二次曲线函数或双曲线函数其中一种或这多种以实现平滑相位分布，在平滑相位分布基础上得到的衍射轮廓还包括进行分段或变迹处理。

可选的，所述透镜主体采用疏水性丙烯酸酯、亲水性丙烯酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯，其中所述透镜主体的设计波长为550nm。

可选的，所述透镜主体的厚度为0.6mm-1.2mm，所述透镜主体的直径为6mm，所述衍射轮廓的直径为5mm。

可选的所述人工晶状体的附加光焦度的范围为-1.0D～+1.0D，所述人工晶状体基础焦度的范围为+10D～+30D。所述的单焦增强性能是指能够在拥有近似远视单焦人工晶状体性能的基础上有一定中间视距焦深的拓展。

可选的所述人工晶状体基础光焦度由基础面型决定，所述人工晶状体的附加光焦度由衍射相位函数中的参数T来决定，其中，参数T和附加光焦度P

本发明具有如下技术效果：

1.本发明提供了一种具有平滑相位分布的单焦增强人工晶状体，使用连续的周期函数代替传统的非连续函数来设计相位函数。该函数由多个参数调控，具有较大的调控范围和灵活度，在将附加光焦度作为一个变量，根据性能需求进行设计，能够得到单焦增强性能的人工晶状体。

2.本发明将设计的平滑衍射轮廓叠加在基础光学透镜上，能在提供基础光焦度的前提下，将光束汇聚到额外的两个焦点位置，通过减小附加光焦度，调控能力比例，在获得一个较高的单焦点远视性能的基础上，进行一定的焦深拓展，得到所定义的单焦增强性能

3.本发明所述单焦增强人工晶状体轮廓连续且平滑，降低了加工过程中易造成误差的问题，减小了理论设计性能与实际性能的差距。同时能够降低光、杂散光等光学污染现象，总能量效率稳定在90％以上；由此提升MTF测量数值，进一步改善植入后的成像质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的具有平滑相位分布的单焦增强人工晶状体示意图；

图2为本发明实施例提供的通过基础光焦度和衍射附加光焦度实现单焦增强性能分布示意图；

图3为本发明实施例1提供的衍射轮廓曲线图；

图4为本发明实施例1提供的离焦MTF曲线图；

图5为本发明实施例2提供的衍射轮廓曲线图；

图6为本发明实施例2提供的离焦MTF曲线图；

其中，1-透镜主体、2-前光学表面、3-后光学表面、4-衍射轮廓、5-支撑袢、6-低衍射级、7-中衍射级、8-高衍射级、9-近焦点、10-中间焦点、11-远焦点。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对背景技术中提到的问题，本发明提供了一种具有平滑相位分布单焦增强人工晶状体的设计方法和结果。在使用平滑相位函数的基础上，设计衍射轮廓，叠加最佳非球面透镜主体，得到单焦增强人工晶状体。所用相位函数含有包括附加光焦度(由参数T调控)在内的多个参数，利用较大的调控范围和灵活度，设计得到单焦增强性能的人工晶状体。所得到设计结果加工难度低，减少了由于加工导致结构变化所带来的性能下降；减小了光学负面现象，如眩光、杂散光等；能够在植入人眼后提供较好的远视性能及较大范围的中间视距性能，改善了患者术后的视觉质量。

为了实现上述内容，本发明提供了以下技术方案：

一种具有平滑相位分布的单焦增强人工晶状体，如图1所示，连续相位分布的单焦增强人工晶状体的侧视图，为表现其衍射轮廓特征，对轮廓矢高进行了倍率放大。所述人工晶状体包括一个透明透镜主体1，所述透明透镜主体1包括两个光学表面及至少两个与该有效光学部连接的支撑袢5所述光学表面分别为前光学表面2和后光学表面3，所述光学表面中的其中任意一个光学表面包括附加一个衍射轮廓4。所述衍射轮廓4包括多个环形区。所述透明透镜主体1提供折射焦点，如图2所示，所述附加衍射轮廓4提供三个连续衍射级包括低衍射级6、中衍射级7和高衍射级8，其中：

所述高衍射级8与用于近视觉的近焦点9相对应，所述中衍射级7与中间焦点10相对应，所述低衍射级6与用于远视觉的远焦点11相对应。

附加衍射轮廓4对入射光束产生衍射效应，产生三个焦点汇聚，由于设置的附加光焦度数值限定在较小的范围，各个衍射级次产生的焦点在轴向上靠近，在光轴方向的焦深上有所重合，由此产生连续的拓展焦深性能，再通过性能调控将能量集中在远视点11，最终得到单焦增强性能人工晶状体。

所述光学表面均为偶次非球面，所述偶次非球面的轮廓高度函数在径向坐标系下满足以下表达式：

式中：z(r)为偶次非球面在半径r方向上的曲线表达式，c为偶次非球面曲率半径的倒数，k为偶次非球面的圆锥系数，r为偶次非球面中心向面上一点的径向距离，α

所述衍射轮廓(4)满足以下表达式：

式中：h(r)为衍射轮廓4的表达式，λ为设计波长，n

所述衍射轮廓对应的相位函数满足以下表达式：

式中：

优选的，附加衍射轮廓的偶次非球面的总表面轮廓，满足以下表达式：

Z

式中：Z

优选的，相位函数中的参数Po是范围在0.7至1.3之间的恒定常数，参数So是范围在0至T之间的恒定常数，参数Co是范围在-0.3至0.3之间的恒定常数，α是范围在2.65至2.66之间的恒定常数，T由所设计的附加光焦度P

一些实施例中，相位函数中的正弦函数可以替换为余弦函数、抛物线、二次曲线、双曲线等连续平滑函数，或者将这些函数任意拼接组合。

一些实施例中，所述人工晶状体的材料可以为疏水性丙烯酸酯、亲水性丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯等材料，所述材料折射率在1.46-1.55之间。所述人工晶状体的设计波长为550nm。

一些实施例中，所述光学主体厚度为0.8mm-1.2mm，所述光学主体直径为6mm，所述衍射轮廓4直径为5mm。

一些实施例中，所述的平滑相位分布的单焦增强人工晶状体，其特征在于，所述人工晶状体的附加光焦度的范围是：-1.0D～+1.0D，基础焦度的范围是+10D～+30D。

一些实施例中，所述人工晶状体基础光焦度由基础面型决定，所述人工晶状体的附加光焦度由衍射相位函数中的参数T来决定，其中，参数T和附加光焦度P

本发明提出一种具有平滑相位分布的单焦增强人工晶状体，通过以下实施例结合附图从提出设计要求参数开始到给出最终设计结果的过程进行描述：

实施例1

人工晶状体的材料选择折射率为1.482的PMMA材料，与有效光学部连接的支撑袢5材料相同，人工晶状体的设计波长为550nm，衍射轮廓4叠加在后光学表面3。

设计单焦增强人工晶状体的基础光焦度为+20D、附加光焦度-0.5D、+0.5D。

在光学设计软件Zemax中优化得到对应基础光焦度为+20D的所述偶次非球面透镜主体1。优化得到的偶次非球面透镜为直径为6mm，有效光学区为5mm，中心厚度为0.9mm的双凸透镜。其中，前光学表面2的曲率半径为14.550mm，K＝-18.808，2阶偶次非球面系数α

所述单焦增强人工晶状体设计的各焦点位置性能之比设定为0.6：0.2：0.2(远：中：近)，附加光焦度为0.5D，即T＝2.2mm

输入上述优化得到的参数Po、So、Co结果及附加光焦度等参数，得到一个平滑相位分布的单焦增强人工晶状体。

进一步研究并分析所设计单焦增强人工晶状体的性能，具体如下：

将所设计单焦增强人工晶状体放入眼模型中进行离焦分析，绘制其MTF离焦曲线(3mm瞳孔，50lp/mm)，结果如图4所示，可以看到该人工晶状体体现出良好的单焦增强性能特点，远焦点体现出较高的MTF值，接近单焦人工晶状体数值，同时在中间视距上有一定的焦深拓展，整体体现出良好的单焦增强性能，符合植入后提供优秀远距视觉及大范围视距的设计要求。

实施例2

人工晶状体的材料选择折射率为1.482的PMMA材料，与有效光学部连接的支撑袢5材料相同，人工晶状体的设计波长为550nm，衍射轮廓4叠加在后光学表面3。

设计单焦增强人工晶状体的基础光焦度为+20D、附加光焦度-0.55D、+0.55D。

在光学设计软件Zemax中优化得到对应基础光焦度为+20D的所述偶次非球面透镜主体1。优化得到的偶次非球面透镜为直径为6mm，有效光学区为5mm，中心厚度为0.9mm的双凸透镜。其中，前光学表面2的曲率半径为13.430mm，K＝-18.808，2阶偶次非球面系数α

所述单焦增强人工晶状体设计的各焦点位置性能之比设定为0.5：0.25：0.25(远：中：近)，附加光焦度为0.50D，即T＝2.2mm

输入上述优化得到的参数Po、So、Co结果及附加光焦度等参数，得到一个平滑相位分布的单焦增强人工晶状体。

进一步研究并分析所设计单焦增强人工晶状体的性能，具体如下：

将所设计单焦增强人工晶状体放入眼模型中进行离焦分析，绘制其MTF离焦曲线(3mm瞳孔，50lp/mm)，结果如图6所示，可以看到该人工晶状体体现出虽然在远距视距上的性能有所下降，但在后续的拓展焦深范围内，性能变化过渡区域更加平滑，同样达到了远视距性能优秀，中间视距上有一定的焦深拓展的要求，整体体现出良好的单焦增强性能。

本发明提供设计的具有平滑相位分布的单焦增强人工晶状体，通过使用平滑连续的相位函数设计衍射轮廓，提供了单焦增强性能的基础上，衍射轮廓平滑连续，加工难度低，不易因加工问题造成性能的下降，减小了抛光工序对衍射轮廓面型的影响，保证最终成品的性能，有利于减小加工成本。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。