一种具有平滑相位分布的扩展焦深人工晶状体

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扩展焦深人工晶状体。

背景技术

实现类似于年轻人的连续清晰视物，且成像性能不受某些因素影响，是人工晶状体植入手术治疗白内障患者的目的。三焦点人工晶体是新一代的人工晶体之一，在早期已被广泛使用。三焦点人工晶体在三个距离(近距离、中距离和远距离)提供三个不同的焦点，具有功能性视力。它提供了眼镜的独立性，但明显损害了视觉的光学质量。最近，更多的设计选择了在高对比度敏感性和眼镜独立性之间权衡的设计。这种想法导致了EDOF(Extended depth of focus)人工晶体的推出。EDOF人工晶体的目的是创造一个拉长的焦点线，在提高中间视觉效果的同时，尽量减少对远、近距离的影响。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，在整体视觉体验上较为优秀。

实现EDOF的常见设计方法，包括使用复杂面型，在人工晶状体中引入环形分区设计或是使用折衍射混合设计。用于扩展焦深的多环晶状体、系统和方法(专利CN 104755012B)中给出了一种分区衍射设计的扩展焦深IOL，通过改变不同分区的面积百分比，实现目标的拓展焦深性能。一种焦深扩展型人工晶状体及其制备方法(专利CN113180888A)公开了一种焦深扩展型人工晶状体，通过将光学主体的光学区有自由曲面与非球面或球面组合，实现了在可见光范围内消除色差，具有更大的焦深，更好的像质。J&J Vision公司推出的TECNIS Symfony IOLs系列大焦深人工晶状体，旨在减轻老花眼的影响，让患者能够清晰地看到整个视力范围。Symfony IOLs不是将光线分成不同的焦点，而是延长焦点，从而增加景深。这能够提供全方位的连续视觉，同时保持高图像对比度。主要的设计原理是通过引入独特梯形的衍射结构专利技术，并结合消色差技术。这些设计均引入了较为复杂的光学设计面型，一方面在分区、不连续的衍射轮廓带来了更为明显的光学污染现象(眩光、杂散光等)，降低了光能利用率；另一方面也提高了对加工工艺的要求。

平滑相位分布的衍射轮廓具有连续平滑、无断点的特点，并具有较多的设计参数以提供设计自由度，满足设计扩展焦深人工晶状体的需求。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扩展焦深人工晶状体。这类人工晶状体使用连续平滑的衍射轮廓，光线污染现象小，光能利用率高，同时满足扩展焦深人工晶状体的性能要求。

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扩展焦深人工晶状体，根据设计要求，基于相位模型的调控特性，将包括附加光焦度在内的多个参数进行优化设计相位函数，并得到相应的衍射轮廓，叠加在一定基础光焦度的透镜上，得到扩展焦深性能的人工晶状体。

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扩展焦深人工晶状体，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-2.0D～+2.0D,所述人工晶状体基础焦度的范围为+10D～+30D。所述的扩展焦深性能是指人工晶状体能够对远、近两个焦点的焦深进行拓展，在提供良好的远、近距离视力的基础上，在两个距离之间的过渡视距保留一定的连续视力。

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扩展焦深人工晶状体，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。该相位函数包括附加光焦度在内的多个参数，具有较大的调控范围和灵活度，能够根据性能需求进行优化设计，结合基础透镜，得到扩展焦深性能的人工晶状体。

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，提供连续的视觉能力，同时改变各个焦点的能量分配，在获得一个较高的远，距离视性能的基础上，保证远、近距离中的过渡距离保留一定的视觉能力，得到所定义的扩展焦深性能

3.本发明所述扩展焦深人工晶状体衍射轮廓连续平滑，降低了加工过程难度，减小了精密加工过程中造成的误差，减小了理论设计性能与实际性能的差距。连续的轮廓降低了杂散光等光学污染现象，提高了光束的能量效率；在设计结果上提升了MTF测量数值，有着更加优秀的成像质量。

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扩展焦深人工晶状体示意图；

图2为本发明实施例提供的通过改变能量分布和衍射附加光焦度实现扩展焦深性能分布示意图；

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；

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扩展焦深人工晶状体的设计和结果。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，得到扩展焦深人工晶状体。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，改变附加光焦度及能量分布，得到对应衍射轮廓，设计得到扩展焦深性能的人工晶状体。所得到设计结果加工难度低，避免了非连续轮廓在精密加工易性能下降的问题；减轻了光学负面现象，提高光能利用率；能够在植入人眼后提供较好的远、近视性能及连续的中间视距性能，为患者术后提供较大焦深的视觉质量。

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扩展焦深人工晶状体，如图1所示，连续相位分布的扩展焦深人工晶状体的侧视图，为表现其衍射轮廓特征，对局部的轮廓矢高放大图进行了绘制。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，通过将附加光焦度数值限定在较小的范围，使得各个衍射级次产生的焦点在轴向上靠近，各个焦点的焦深上有所重合，由此产生连续的视觉性能。再通过性能调控将大部分光束集中在远焦点11及近焦点9，剩余分配在中间焦点10以保证视距连续，最终得到扩展焦深性能人工晶状体。

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

Z

达式：

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Bo,Co是范围在-0.4至0.4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扩展焦深人工晶状体，其特征在于，所述人工晶状体的附加光焦度的范围是：-2.0D～+2.0D,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扩展焦深人工晶状体，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1.457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。

设计扩展焦深人工晶状体的基础光焦度为+20D、附加光焦度-1.16D、+1.16D。

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12.000mm，K＝-11.801。后光学表面3的曲率半径为-12.126mm，K＝0。

所述扩展焦深人工晶状体设计的各焦点位置性能之比设定为0.5：0.15：0.35(远：中：近)，附加光焦度为1.16D，即T＝0.9483mm

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扩展焦深人工晶状体。

进一步研究并分析所设计扩展焦深人工晶状体的性能，具体如下：

将所设计扩展焦深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瞳孔大小，50lp/mm)，结果如图4所示，可以看到该人工晶状体体现出预期扩展焦深性能特点，远、近焦点体现出较高的MTF值，类似双焦点的性能水平，在两个焦点之间的MTF水平保持在0.095以上，整体体现出良好的扩展焦深性能，符合植入后提供优秀远、近距视觉及大范围视距的设计要求。

本发明提供设计的具有平滑相位分布的扩展焦深人工晶状体，使用平滑连续的相位函数设计衍射轮廓，改变能量分布和附加光焦度提供了扩展焦深性能。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，有利于保证最终成品的性能，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。