專利名稱：漸變附加鏡片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及眼科鏡片。具體地說，本發(fā)明提供降低像散的眼鏡鏡片。
使用眼鏡來校正屈光不正是公知的。例如使用漸變附加鏡片(progresive addition lenses)(PAL)來治療屈光不正。在PAL的前表面或凸表面上形成三個區(qū)域遠(yuǎn)視區(qū)，其折射光焦度(power)適于遠(yuǎn)視；近視區(qū)或附加光焦度區(qū)，其折射光焦度適于近視；以及在遠(yuǎn)視區(qū)和近視區(qū)之間的中間區(qū)域，其折射光焦度適于觀看中間距離。
在例如PAL的眼科鏡片中固有的一種像差是由一個或多個鏡片表面所引起的像散，或鏡片像散。在PAL中，例如鏡片前表面的設(shè)計通常由于需要形成遠(yuǎn)視區(qū)和由中間區(qū)連接的具有最大寬度的附加區(qū)而受到限制，該中間區(qū)服從如下的條件f(x，y，z)是連續(xù)的f(x，y，z)/(x，y)是連續(xù)的；以及2f(x，y，z)/(x2，y2，xy)在所有的x，y，z的范圍內(nèi)是連續(xù)的。這種表面不可避免地將像散帶入鏡片中。通常，鏡片的后表面或凹表面并未用于對由前表面引起的像散進(jìn)行補償，而實際上，這也成為鏡片像散的原因。相反，后表面通常是球面或復(fù)曲面，意在與前表面相結(jié)合以便保證戴鏡者所需的配鏡處方。
已經(jīng)嘗試很多鏡片設(shè)計方案來降低鏡片像散。然而，雖然已知的一些設(shè)計方案使像散有一些輕微降低，但由于像散使在鏡片周邊的很大的區(qū)域仍未能利用。


圖1是本發(fā)明的鏡片的前表面的示意圖。
圖2是本發(fā)明的鏡片的補償表面的平面圖。
圖3是本發(fā)明的鏡片的一個實施方案的側(cè)視圖。
圖4表示本發(fā)明的鏡片的前表面的整個光學(xué)區(qū)域光焦度的徑向分布。
圖5是本發(fā)明的鏡片的補償表面的平面圖。
圖6是本發(fā)明的鏡片的補償表面的平面圖。
本發(fā)明提供鏡片，及其設(shè)計和制造方法，其中降低了鏡片像散，即由一個或多個鏡片表面引起的像散。對本發(fā)明，“鏡片”是指任何眼科鏡片，包含但不局限于眼鏡鏡片、接觸鏡片(無形眼鏡)、眼內(nèi)鏡片等。本發(fā)明優(yōu)選的鏡片是眼鏡鏡片，更為優(yōu)選的是該眼鏡鏡片是漸變附加鏡片，或者是這樣一種鏡片其中的一個或多個表面形成其折射光焦度適于遠(yuǎn)視、近視和中間距離觀看的區(qū)域。
在本發(fā)明的鏡片中，是通過利用補償表面實現(xiàn)降低鏡片像散的，該表面對由一個或多個其它鏡片表面引起的像散進(jìn)行補償?！把a償”是指鏡片像散的降低量為鏡片的標(biāo)稱附加光焦度或者所需附加光焦度的約15％或者更大；約25％或者更大更好，約35％或者更大最好。在一個實施方案中，本發(fā)明包含和基本上由和由這樣一種鏡片組成，該鏡片具有由至少鏡片的一個表面所引起的像差，該鏡片包含和基本上由和由前表面和對鏡片像散進(jìn)行補償?shù)难a償表面組成。
本發(fā)明的鏡片可由任何公知的適用于其結(jié)構(gòu)的材料構(gòu)成。如果鏡片由均質(zhì)的成分構(gòu)成，意味著鏡片材料具有均勻的折射系數(shù)，補償表面可以是鏡片的后表面。例如，鏡片可以具有復(fù)曲面的、非球面的補償表面，經(jīng)設(shè)計以補償由前鏡片表面引起的像散。
另外，鏡片可以是多層的，補償表面在前后鏡片表面之間。因此，在另一實施方案中，本發(fā)明包含和基本由和由這樣一種鏡片組成，該鏡片具有由至少一個鏡片表面所引起的像散，該鏡片包含前表面，后表面和用于對鏡片像散進(jìn)行補償?shù)难a償表面。后表面可以具有任何所需的形狀，例如球面的、非球面的、圓柱面的或者復(fù)曲面的形狀。
本發(fā)明的鏡片由這樣一種方法制造，該方法包含和基本由和由如下步驟組成；a)將鏡片前表面分成第一組若干區(qū)段，該若干區(qū)段中的每一區(qū)段其尺寸適合于具有Zernike系數(shù)的10階x、y多項式，以便確定每一區(qū)段的幾何形狀；b)形成一個補償表面，該補償表面被分成第二組若干區(qū)段，其尺寸適用于具有Zernike系數(shù)的10階x、y多項式以便確定每一區(qū)段的幾何形狀以及c)對補償表面進(jìn)行最優(yōu)化以降低鏡片像散。
雖然，用于設(shè)計和制造鏡片的方法可以用于設(shè)計任何鏡片，但將會發(fā)現(xiàn)本發(fā)明特別實用于例如PAL的具有產(chǎn)生像差表面的鏡片。通常，在PAL中，這一表面是前表面，不過也可以是后表面。
本發(fā)明的設(shè)計方法開始于利用本技術(shù)領(lǐng)域中的任何一種公知的方法對前表面的三維描述。前表面可以包含PAL所需的曲率，并分成遠(yuǎn)視、近視和中視區(qū)，中視區(qū)沿遠(yuǎn)視區(qū)到近視區(qū)的眼光路有漸變的折射光焦度。
在本發(fā)明中，前表面被分成或被分割為許多區(qū)段，如在圖1中如101至125所示。每個區(qū)段的幾何形狀是根據(jù)具有Zernike系數(shù)的10階x、y多項式確定。該區(qū)域或區(qū)段的數(shù)目是以每個區(qū)段可覆蓋的最大面積來將總的表面面積進(jìn)行分割確定的。本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會認(rèn)識到，這一最大面積或區(qū)段大小將取決于所涉及的表面部分以及考慮到可適當(dāng)?shù)乩镁哂衂ernike系數(shù)的10階x、y多項式模型化的最大面積。因此，該區(qū)段的最大面積，例如從遠(yuǎn)光焦度區(qū)到中間區(qū)可以是變化的。
計算每個多項式的系數(shù)，以便提供所需的光焦度分布，并使像散降到最小，還提供橫向區(qū)段邊界的下垂度或深度等。利用任何一種公知的方法。例如利用市售的光學(xué)設(shè)計軟件可以計算這些系數(shù)。
參閱圖1，前表面的X和Y座標(biāo)軸是彼此正交的，在原點與鏡片表面相切。表面的下垂度Z垂直于x、y平面。利用任何公知的優(yōu)選法例如市售的優(yōu)選軟件可以得到10階多項式。準(zhǔn)確的多項式將取決于施于對限定每一優(yōu)選任務(wù)的邊界條件的各種規(guī)定參數(shù)的權(quán)重。這些邊界包含但不局限于下垂度和與相鄰區(qū)域的斜率連續(xù)性、Zernike系數(shù)的最小值、光焦度的變化等。通過將較大的權(quán)重施于任一指定的規(guī)定參數(shù)，對該目標(biāo)實現(xiàn)最優(yōu)化。例如，如果下垂度連續(xù)性限制降低，可以得到具有降低的像散的區(qū)段。
關(guān)于本發(fā)明的鏡片的前表面的各區(qū)段之間的下垂度不一致或不連續(xù)性最好在約從0至0.01微米范圍內(nèi)。如在圖1中所示采用總共25個區(qū)域，覆蓋半徑為23毫米的圓形區(qū)域。
通常，前表面是根據(jù)一具有足夠光焦度的基本球形表面來定義的，以便提供所需的遠(yuǎn)視校正。將與在每點上所需的附加的光焦度相對應(yīng)的下垂度附加于基準(zhǔn)球面上。本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，使用階數(shù)低于10的多項式會使各區(qū)段銜接不良。此外發(fā)現(xiàn)，階數(shù)高于10的多項式帶來的問題是難于實現(xiàn)最優(yōu)化和需要大量的計算。
于是提供一補償表面。將補償表面分成為很多區(qū)段，如圖2中所示。按照前表面一樣確定各區(qū)段的數(shù)目和幾何形狀。
補償表面的目的是鏡片像散的降低量為鏡片標(biāo)稱附加光焦度的約15％或其以上，約25％或其以上更好，35％或其以上最好。補償表面是根據(jù)基準(zhǔn)球面和按照所需的補償距球形度的偏移逐點地確定的。補償表面中的每個區(qū)段的幾何形狀是利用按對于前表面所介紹確定的具有Zernike系數(shù)的10階x、y多項式以及利用一種優(yōu)選法確定的，例如一種方法，它包含通過選擇一定瞳孔直徑的光線跟蹤操作，以及然后對在優(yōu)化開始之前構(gòu)成的圖像表面上的圖像的尺寸和形狀進(jìn)行測量。然后將補償表面優(yōu)化，以便降低鏡片像散。本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員將會認(rèn)識到，在本技術(shù)領(lǐng)域中很多公知的方法都可以采用，例如在由P.Pouroulis和J.MacDonald所著由Oxferd Univ.Press出版的“普通光學(xué)和光學(xué)設(shè)計”(1997)中所介紹的，引此供參考。
例如，可以將各測試函數(shù)與前表面幾何形狀相結(jié)合并進(jìn)行優(yōu)化，以便將控制像散的Zernike系數(shù)最小化?？梢岳萌魏喂姆椒?，例如使用光學(xué)設(shè)計軟件和將適當(dāng)?shù)臋?quán)重施加到控制像散的Zernike系數(shù)來實行優(yōu)化。另外，該優(yōu)化是通過利用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)使每一補償表面區(qū)段優(yōu)化，而在眼部旋轉(zhuǎn)點建立一圖像表面來實現(xiàn)的，該優(yōu)化包含在該圖像平面處的圖像質(zhì)量或光點尺寸以及最直接控制像散的Zernike系數(shù)。
也可以對結(jié)構(gòu)方案例如作為x、y座標(biāo)的函數(shù)的光焦度，以及棱鏡加以附加限制。在每一區(qū)段的邊界處的每一多項式的下垂度可以是使連續(xù)補償表面形成不連續(xù)。術(shù)語不連續(xù)意味著在各區(qū)段之間的下垂度的不一致約為2微米或者更大。術(shù)語連續(xù)表面意味著不一致小于約2微米。最好采用連續(xù)表面?？梢蕴岢銎渌拗茀?shù)，以保證光焦度的斜率、像散和棱鏡是連續(xù)橫區(qū)段邊界。
設(shè)計補償表面以便對前和/或后表面上的徑向?qū)ΨQ和徑向不對稱的像差提供非球面徑向?qū)ΨQ的校正或徑向不對稱的校正或兩者的校正。另外，設(shè)計補償表面，以便提供非球面徑向不對稱校正，同時使用后表面以便提供徑向?qū)ΨQ的校正。
在本發(fā)明的鏡片中，如果除了多焦點附加光焦度，以外還需要復(fù)曲面校正，則鏡片的后表面必須設(shè)置對控制經(jīng)線以特定角取向的復(fù)曲面軸。在這種情況下，補償表面不能構(gòu)成為鏡面的后表面，因為后表面不能對鏡片像差提供補償。因此，在這些情況下，在前后表面之間的一個或多個補償表面提供對所有的鏡片像差的補償。
在本發(fā)明的一個實施方案中，倘若無需復(fù)曲面校正，在涂覆任何涂層之前，補償表面可以構(gòu)成后鏡片表面。補償表面也可以提供徑向?qū)ΨQ非球面校正，以便使球面畸變降到最少，以及進(jìn)一步提高圖像質(zhì)量。本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會認(rèn)識到，補償表面的形狀或者由用作鏡片后表面的表面或者由在前后表面中間的一個表面確定的。
本發(fā)明的鏡片的后表面是通過根據(jù)兩個曲率半徑限定該表面提供的，該半徑對應(yīng)于基準(zhǔn)曲線和復(fù)曲面曲線以及根據(jù)錐形截面限定的徑向非球面組成部分。利用具有Zernike系數(shù)的10階x，y多項式確定的各區(qū)段來設(shè)計后表面，正如前表面和補償表面的情況下一樣。選擇后表面的基準(zhǔn)曲線，以便提供按照配鏡處方所需的球面校正，除了提供校正球面和復(fù)曲面光焦度以外，后表面可以是非球面的，以便提供對Zernike系數(shù)的較高階的校正，例如對于彗形像差的三階校正，或?qū)τ谇蛎嫦癫畹乃碾A校正。本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員都知道，視網(wǎng)膜上的圖像的質(zhì)量明顯受到由于較高階Zernike系數(shù)所引起的像差的畸變的影響，此外還受控制散焦和像散的較低階系數(shù)影響。
本發(fā)明的鏡片可以由任何常規(guī)的方法制造。最好，鏡片是通過加工具有特定幾何形狀的前表面和具有所需幾何形狀的補償表面來制造。用于構(gòu)成本發(fā)明的鏡片的光學(xué)材料可以是任何可熔化處理的熱塑性樹脂，包含但不局限于雙酚-A的聚碳酸酯，或者是一種熱固性樹脂，包含但不局限于二甘醇雙烯丙碳酸酯。利用任何公知的方法，例如注入、壓制、或者澆注模壓或其結(jié)合，并利用任何方便的聚合方式使該材料形成為鏡片。
在除了補償表面以外還形成后表面的情況下，可以利用任何已知的方法制成鏡片。最好，將一種預(yù)成形片(即具有所需幾何形狀的前表面和補償表面)，以其凹形表面與一復(fù)曲面模具相鄰接，該模具的模壓表面設(shè)計成提供所需的后表面幾何形狀，例如復(fù)曲表面、非球表面。在該預(yù)成形片和模具之間的空間填充一種可聚合的樹脂，然后進(jìn)行聚合以便形成一種永久附著到該預(yù)成形片上的剛性附著層。在開始聚合之前可以調(diào)節(jié)在前表面上的主經(jīng)線和模具的復(fù)曲面軸線之間的角度取向，以使形成的復(fù)曲面軸呈所需取向。在一優(yōu)選實施方案中，后表面僅提供復(fù)曲面校正，雖然本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會認(rèn)識到，通過對后表面附加表面注模，可以附加所需的幾何特性。
在本發(fā)明的另外一個實施方案中，形成一由前表面和補償表面界定的層，其是利用高折射系數(shù)(意指折射系數(shù)至少1.57)的光學(xué)材料形成的。適宜的材料包含但不局限于聚碳酸酯、摻有高折射系數(shù)單體的熱固性材料，例如苯乙烯、4乙烯基苯甲醚、二乙烯基苯、丙烯酸酯以及含芳香族部分的異丁酸酯分端的單體例如烷氧基化的雙酚A單-和雙丙烯酸酯丙烯酸酯分端的芳族聚氨酯、芳族環(huán)氧化物、或者熱固性材料，例如芳族聚醚、多硫化物，以及聚醚酰亞胺。形成以補償表面和后鏡片表面界定的第二層，其是由折射系數(shù)約小于1.57的材料形成的。由補償表面提供的補償效果將取決于這兩層的折射系數(shù)之差。按由補償所需的下垂度測量的與球面的偏差隨各層的折射系數(shù)的差而增加。在該實施方案中，利用前表面和補償表面的層邊界，可以提供某些或者全部所需的球面光焦度，以及利用補償表面和后表面的層邊界可以提供復(fù)曲面光焦度。最好所采用的折射系數(shù)的差為最大值，考慮所選擇的材料及需將界面反射降到最少就可達(dá)到。
按照本發(fā)明的另一個實施方案，用于補償表面所需的某些或全部補償作用可以包含在前表面中。后表面由其折射系數(shù)至少為1.57的材料形成使得在兩層之間的折射系數(shù)差值降低得較少。
這種鏡片可通過模壓、澆注，或者對光學(xué)預(yù)成形片的前表面進(jìn)行研磨形成，它的幾何形狀提供某些或者全部所需的球面光焦度及附加光焦度。預(yù)成形片的凹形表面形成補償表面，該表面是通過模壓、澆注、或者研磨以形成所需的補償幾何形狀。預(yù)成形片材料的折射系數(shù)至少1.57。利用任何便利的方法在預(yù)成形片上形成后鏡片表面，最好是提供一個模具以及通過位于在凹形預(yù)成形片表面和模具表面之間的樹脂層聚合形成該表面。樹脂的折射系數(shù)的選擇以提供由前表面和補償表面的層邊界和由鏡片的補償表面和后表面的邊界之間的折射系數(shù)所需的差值。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，利用一個或多個補償表面來降低該表面的反射，并提供對色差的校正，如圖3中所示。參閱圖3，形成前表面31，第一補償表面32和第二補償表面33。后表面34提供復(fù)曲面校正。用于第二補償層33的材料可以進(jìn)行選擇，以使具有的色散與用于第一補償層32的材料的色散相反。適用于校正色散的材料是這樣一些材料，即其包含在近紅外波長下具有強吸收性的載色體，而在可見光波長范圍內(nèi)則幾乎沒有或無光吸收，這些材料的實例包含但不局限于在900到1000納米范圍內(nèi)呈現(xiàn)強配體場吸收特性的萘菁類(naphthalocyanins)以及具有近紅外配體場吸收特性的d2到d4金屬配合物，例如Fe2+，Co2+，Ni2+螯合物等。最好利用一個以上的補償表面來校正色差。
在另一個實施方案中，為了進(jìn)一步降低在各區(qū)段中的像散，可以選擇性地去掉在補償表面的各相鄰區(qū)段之間提供下垂度連續(xù)性的限制。重要的是保證所形成的下垂度不連續(xù)不會引起棱鏡跳躍達(dá)到不可容許的程度，這是在優(yōu)化過程中調(diào)節(jié)附加到棱鏡不連續(xù)性的最小化上的權(quán)重，直到該不連續(xù)性等于或者小于約0.5屈光率單位實現(xiàn)的。
在另一個實施方案中，采用一個或多個補償表面，所有的表面是連續(xù)的、不連續(xù)的、或者是其組合的。在另一個實施方案中，每個補償表面由連續(xù)的和不連續(xù)的部分組成。
通過分析如下的非限定性實例，可以進(jìn)一步闡明本發(fā)明。
實例實例1設(shè)計本發(fā)明的鏡片的前表面，通過將23毫米直徑的表面如圖1所示分成25個區(qū)段101～125。每個區(qū)段是根據(jù)如在表1中所示的10階、Zernike系數(shù)限定的。調(diào)節(jié)附加到在各區(qū)段邊界的下垂度不連續(xù)性的最小化的權(quán)重，直到使下垂度不連續(xù)性為0.01微米。在表1列出了適用于區(qū)段101的10階多項式的系數(shù)。在圖4中表示在前表面的光學(xué)區(qū)域的整個范圍內(nèi)的半徑分布。使用一種市售光學(xué)設(shè)計軟件Code V，其可由Optical Research Associates(光學(xué)研究協(xié)會)，Pasadena California購得，以便使這種鏡片的光學(xué)性能參數(shù)模型化以及按照需要標(biāo)定該下垂度值，從而將附加光焦度的數(shù)值由2.00改變到1.75屈光率單位。
表1
圖5表示構(gòu)成本發(fā)明的補償表面的各區(qū)段的x，y座標(biāo)。區(qū)段51包含鏡片的光學(xué)中心，是通往球面部分的具有混合區(qū)的通道。區(qū)段52是遠(yuǎn)視區(qū)，為左部球面。區(qū)段51是利用在表2中所示的10階多項式描繪的，而表2是通過對這些區(qū)段優(yōu)化而得到的，以便形成最小像散，以及如上所述在圖像表面得到最佳圖像質(zhì)量。該優(yōu)化方案對在頂點y＝10.0的直線處的下垂度限制系數(shù)給以特定權(quán)重，即利用在表1中所示的連續(xù)性條件的二階導(dǎo)數(shù)、Zernike系數(shù)和在圖像表面形成的圖像的光點尺寸。具有通道區(qū)段602的下垂度連續(xù)性維持在0.01微米。表2列舉了該描述區(qū)段53的多項式的系數(shù)。各側(cè)翼、區(qū)段54和55是利用下垂度、斜率、Zernike系數(shù)以及在圖像表面上的光點尺寸優(yōu)選的10階多項式。
表2
實例3在圖6中表示本發(fā)明的不連續(xù)的補償表面，或者具有的下垂度不連續(xù)超過約2微米的表面。用區(qū)段601和通道602表示球面區(qū)，其具有一上混合區(qū)。區(qū)段601呈球面狀，而區(qū)段602是由10階多項式描述的，該多項式是通過對這區(qū)段優(yōu)化以便使像散最小和在圖像表面處圖像質(zhì)量最佳從而得到的。該優(yōu)化方案對在頂點y＝10.0的直線處的下垂度限制參數(shù)給以特定權(quán)重，即利用在表1所示的連續(xù)性條件的二階導(dǎo)數(shù)、Zernike系數(shù)，在圖像表面形成的圖像的光點尺寸。與之相似，附加光焦度區(qū)區(qū)段603是由維持通道區(qū)段602的下垂度不連續(xù)低于0.01微米的10階多項式描述的，各側(cè)翼、604和613是利用根據(jù)下垂度限制參數(shù)的權(quán)重優(yōu)化的水平條，使得下垂度不連續(xù)能提高到為15微米的最大規(guī)定值，同時限制一階導(dǎo)數(shù)以及二階導(dǎo)數(shù)以及Zernike系數(shù)，放松關(guān)于棱鏡連續(xù)性的權(quán)重，以便使棱鏡不連續(xù)能高達(dá)為0.25屈光率單位的最大值。
權(quán)利要求
1.一種鏡片，其具有由鏡片的至少一個表面所引起的像散，該鏡片包含前表面和補償表面，其中補償表面補償該鏡片像散。
2.如權(quán)利要求1所述的鏡片，其中該補償表面是連續(xù)的表面。
3.如權(quán)利要求1所述的鏡片，其中該補償表面是不連續(xù)的表面。
4.如權(quán)利要求1所述的鏡片，其中的補償表面包含若干區(qū)段。
5.如權(quán)利要求6所述的鏡片，其中若干區(qū)段的每個區(qū)段是由具有Zernike系數(shù)的10階x，y多項式限定的。
6.如權(quán)利要求1所述的鏡片，還包含至少一個附加的補償表面。
7.如權(quán)利要求8所述的鏡片，其中至少一個補償表面是不連續(xù)的表面。
8.一種漸變附加軟焦點鏡片，具有由至少一個鏡片表面引起的像散，該鏡片包含前表面和包含若干區(qū)段的不連續(xù)表面，其中每個區(qū)段是由具有Zernike系數(shù)的10階多項式限定的。
9.一種漸變附加軟焦點鏡片，具有由至少一個鏡片表面所引起的像散，該鏡片包含前表面和包含若干區(qū)段的連續(xù)補償表面，其中每個區(qū)段是由具有Zernike系數(shù)的10階x，y多項式確定的。
10.一種用于形成鏡片的方法，包含的步驟有a)將鏡片的前表面分成為第一組若干區(qū)段，該若干區(qū)段中的每個區(qū)段的尺寸適合于具有Zernike系數(shù)的10階x，y多項式，以便限定關(guān)于每個區(qū)段的幾何形狀；b)形成一個補償表面，該補償表面分成為第二組若干區(qū)段，各區(qū)段的尺寸適合于具有Zernike系數(shù)的10階x，y多項式，以便限定關(guān)于每個區(qū)段的幾何形狀；以及c)對補償表面進(jìn)行優(yōu)化，以便降低鏡片的鏡片像散。
全文摘要
本發(fā)明涉及眼科鏡片,具體地說,本發(fā)明提供降低像散的眼用鏡片。該鏡片包含表面和補償表面,其表面幾何形狀是由其尺寸適合于由具有Zernike系數(shù)的10階x,y多項式限定的各區(qū)段確定的。
文檔編號G02B3/00GK1246323SQ9911183
公開日2000年3月8日 申請日期1999年7月30日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月30日
發(fā)明者R·A·奇普曼, P·J·里爾登 申請人:莊臣及莊臣視力產(chǎn)品有限公司