專利名稱：漸變附加鏡片的制作方法
技術領域：
本發明涉及眼科鏡片。具體地說，本發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域遠視區，其折射光焦度(power)適于遠視；近視區或附加光焦度區，其折射光焦度適于近視；以及在遠視區和近視區之間的中間區域，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計通常由于需要形成遠視區和由中間區連接的具有最大寬度的附加區而受到限制，該中間區服從如下的條件f(x，y，z)是連續的f(x，y，z)/(x，y)是連續的；以及2f(x，y，z)/(x2，y2，xy)在所有的x，y，z的范圍內是連續的。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曲面，意在與前表面相結合以便保證戴鏡者所需的配鏡處方。
已經嘗試很多鏡片設計方案來降低鏡片像散。然而，雖然已知的一些設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域仍未能利用。
圖1是本發明的鏡片的前表面的示意圖。
圖2是本發明的鏡片的補償表面的平面圖。
圖3是本發明的鏡片的一個實施方案的側視圖。
圖4表示本發明的鏡片的前表面的整個光學區域光焦度的徑向分布。
圖5是本發明的鏡片的補償表面的平面圖。
圖6是本發明的鏡片的補償表面的平面圖。
本發明提供鏡片，及其設計和制造方法，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)、眼內鏡片等。本發明優選的鏡片是眼鏡鏡片，更為優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視、近視和中間距離觀看的區域。
在本發明的鏡片中，是通過利用補償表面實現降低鏡片像散的，該表面對由一個或多個其它鏡片表面引起的像散進行補償。“補償”是指鏡片像散的降低量為鏡片的標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行補償的補償表面組成。
本發明的鏡片可由任何公知的適用于其結構的材料構成。如果鏡片由均質的成分構成，意味著鏡片材料具有均勻的折射系數，補償表面可以是鏡片的后表面。例如，鏡片可以具有復曲面的、非球面的補償表面，經設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行補償的補償表面。后表面可以具有任何所需的形狀，例如球面的、非球面的、圓柱面的或者復曲面的形狀。
本發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段，該若干區段中的每一區段其尺寸適合于具有Zernike系數的10階x、y多項式，以便確定每一區段的幾何形狀；b)形成一個補償表面，該補償表面被分成第二組若干區段，其尺寸適用于具有Zernike系數的10階x、y多項式以便確定每一區段的幾何形狀以及c)對補償表面進行最優化以降低鏡片像散。
雖然，用于設計和制造鏡片的方法可以用于設計任何鏡片，但將會發現本發明特別實用于例如PAL的具有產生像差表面的鏡片。通常，在PAL中，這一表面是前表面，不過也可以是后表面。
本發明的設計方法開始于利用本技術領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，并分成遠視、近視和中視區，中視區沿遠視區到近視區的眼光路有漸變的折射光焦度。
在本發明中，前表面被分成或被分割為許多區段，如在圖1中如101至125所示。每個區段的幾何形狀是根據具有Zernike系數的10階x、y多項式確定。該區域或區段的數目是以每個區段可覆蓋的最大面積來將總的表面面積進行分割確定的。本技術領域的普通技術人員將會認識到，這一最大面積或區段大小將取決于所涉及的表面部分以及考慮到可適當地利用具有Zernike系數的10階x、y多項式模型化的最大面積。因此，該區段的最大面積，例如從遠光焦度區到中間區可以是變化的。
計算每個多項式的系數，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設計軟件可以計算這些系數。
參閱圖1，前表面的X和Y座標軸是彼此正交的，在原點與鏡片表面相切。表面的下垂度Z垂直于x、y平面。利用任何公知的優選法例如市售的優選軟件可以得到10階多項式。準確的多項式將取決于施于對限定每一優選任務的邊界條件的各種規定參數的權重。這些邊界包含但不局限于下垂度和與相鄰區域的斜率連續性、Zernike系數的最小值、光焦度的變化等。通過將較大的權重施于任一指定的規定參數，對該目標實現最優化。例如，如果下垂度連續性限制降低，可以得到具有降低的像散的區段。
關于本發明的鏡片的前表面的各區段之間的下垂度不一致或不連續性最好在約從0至0.01微米范圍內。如在圖1中所示采用總共25個區域，覆蓋半徑為23毫米的圓形區域。
通常，前表面是根據一具有足夠光焦度的基本球形表面來定義的，以便提供所需的遠視校正。將與在每點上所需的附加的光焦度相對應的下垂度附加于基準球面上。本發明發現，使用階數低于10的多項式會使各區段銜接不良。此外發現，階數高于10的多項式帶來的問題是難于實現最優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段，如圖2中所示。按照前表面一樣確定各區段的數目和幾何形狀。
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。補償表面是根據基準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系數的10階x、y多項式以及利用一種優選法確定的，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，以及然后對在優化開始之前構成的圖像表面上的圖像的尺寸和形狀進行測量。然后將補償表面優化，以便降低鏡片像散。本技術領域的技術人員將會認識到，在本技術領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“普通光學和光學設計”(1997)中所介紹的，引此供參考。
例如，可以將各測試函數與前表面幾何形狀相結合并進行優化，以便將控制像散的Zernike系數最小化。可以利用任何公知的方法，例如使用光學設計軟件和將適當的權重施加到控制像散的Zernike系數來實行優化。另外，該優化是通過利用標準函數使每一補償表面區段優化，而在眼部旋轉點建立一圖像表面來實現的，該優化包含在該圖像平面處的圖像質量或光點尺寸以及最直接控制像散的Zernike系數。
也可以對結構方案例如作為x、y座標的函數的光焦度，以及棱鏡加以附加限制。在每一區段的邊界處的每一多項式的下垂度可以是使連續補償表面形成不連續。術語不連續意味著在各區段之間的下垂度的不一致約為2微米或者更大。術語連續表面意味著不一致小于約2微米。最好采用連續表面。可以提出其它限制參數，以保證光焦度的斜率、像散和棱鏡是連續橫區段邊界。
設計補償表面以便對前和/或后表面上的徑向對稱和徑向不對稱的像差提供非球面徑向對稱的校正或徑向不對稱的校正或兩者的校正。另外，設計補償表面，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對稱的校正。
在本發明的鏡片中，如果除了多焦點附加光焦度，以外還需要復曲面校正，則鏡片的后表面必須設置對控制經線以特定角取向的復曲面軸。在這種情況下，補償表面不能構成為鏡面的后表面，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。
在本發明的一個實施方案中，倘若無需復曲面校正，在涂覆任何涂層之前，補償表面可以構成后鏡片表面。補償表面也可以提供徑向對稱非球面校正，以便使球面畸變降到最少，以及進一步提高圖像質量。本技術領域的普通技術人員將會認識到，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。
本發明的鏡片的后表面是通過根據兩個曲率半徑限定該表面提供的，該半徑對應于基準曲線和復曲面曲線以及根據錐形截面限定的徑向非球面組成部分。利用具有Zernike系數的10階x，y多項式確定的各區段來設計后表面，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系數的較高階的校正，例如對于彗形像差的三階校正，或對于球面像差的四階校正。本技術領域的普通技術人員都知道，視網膜上的圖像的質量明顯受到由于較高階Zernike系數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影響。
本發明的鏡片可以由任何常規的方法制造。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。用于構成本發明的鏡片的光學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曲面模具相鄰接，該模具的模壓表面設計成提供所需的后表面幾何形狀，例如復曲表面、非球表面。在該預成形片和模具之間的空間填充一種可聚合的樹脂，然后進行聚合以便形成一種永久附著到該預成形片上的剛性附著層。在開始聚合之前可以調節在前表面上的主經線和模具的復曲面軸線之間的角度取向，以使形成的復曲面軸呈所需取向。在一優選實施方案中，后表面僅提供復曲面校正，雖然本技術領域的普通技術人員會認識到，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(意指折射系數至少1.57)的光學材料形成的。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曲面光焦度。最好所采用的折射系數的差為最大值，考慮所選擇的材料及需將界面反射降到最少就可達到。
按照本發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至少為1.57的材料形成使得在兩層之間的折射系數差值降低得較少。
這種鏡片可通過模壓、澆注，或者對光學預成形片的前表面進行研磨形成，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。預成形片材料的折射系數至少1.57。利用任何便利的方法在預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所需的差值。
在本發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提供復曲面校正。用于第二補償層33的材料可以進行選擇，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納米范圍內呈現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，為了進一步降低在各區段中的像散，可以選擇性地去掉在補償表面的各相鄰區段之間提供下垂度連續性的限制。重要的是保證所形成的下垂度不連續不會引起棱鏡跳躍達到不可容許的程度，這是在優化過程中調節附加到棱鏡不連續性的最小化上的權重，直到該不連續性等于或者小于約0.5屈光率單位實現的。
在另一個實施方案中，采用一個或多個補償表面，所有的表面是連續的、不連續的、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的和不連續的部分組成。
通過分析如下的非限定性實例，可以進一步闡明本發明。
實例實例1設計本發明的鏡片的前表面，通過將23毫米直徑的表面如圖1所示分成25個區段101～125。每個區段是根據如在表1中所示的10階、Zernike系數限定的。調節附加到在各區段邊界的下垂度不連續性的最小化的權重，直到使下垂度不連續性為0.01微米。在表1列出了適用于區段101的10階多項式的系數。在圖4中表示在前表面的光學區域的整個范圍內的半徑分布。使用一種市售光學設計軟件Code V，其可由Optical Research Associates(光學研究協會)，Pasadena California購得，以便使這種鏡片的光學性能參數模型化以及按照需要標定該下垂度值，從而將附加光焦度的數值由2.00改變到1.75屈光率單位。
表1
圖5表示構成本發明的補償表面的各區段的x，y座標。區段51包含鏡片的光學中心，是通往球面部分的具有混合區的通道。區段52是遠視區，為左部球面。區段51是利用在表2中所示的10階多項式描繪的，而表2是通過對這些區段優化而得到的，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量。該優化方案對在頂點y＝10.0的直線處的下垂度限制系數給以特定權重，即利用在表1中所示的連續性條件的二階導數、Zernike系數和在圖像表面形成的圖像的光點尺寸。具有通道區段602的下垂度連續性維持在0.01微米。表2列舉了該描述區段53的多項式的系數。各側翼、區段54和55是利用下垂度、斜率、Zernike系數以及在圖像表面上的光點尺寸優選的10階多項式。
表2
實例3在圖6中表示本發明的不連續的補償表面，或者具有的下垂度不連續超過約2微米的表面。用區段601和通道602表示球面區，其具有一上混合區。區段601呈球面狀，而區段602是由10階多項式描述的，該多項式是通過對這區段優化以便使像散最小和在圖像表面處圖像質量最佳從而得到的。該優化方案對在頂點y＝10.0的直線處的下垂度限制參數給以特定權重，即利用在表1所示的連續性條件的二階導數、Zernike系數，在圖像表面形成的圖像的光點尺寸。與之相似，附加光焦度區區段603是由維持通道區段602的下垂度不連續低于0.01微米的10階多項式描述的，各側翼、604和613是利用根據下垂度限制參數的權重優化的水平條，使得下垂度不連續能提高到為15微米的最大規定值，同時限制一階導數以及二階導數以及Zernike系數，放松關于棱鏡連續性的權重，以便使棱鏡不連續能高達為0.25屈光率單位的最大值。
權利要求
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.如權利要求1所述的鏡片，其中該補償表面是連續的表面。
3.如權利要求1所述的鏡片，其中該補償表面是不連續的表面。
4.如權利要求1所述的鏡片，其中的補償表面包含若干區段。
5.如權利要求6所述的鏡片，其中若干區段的每個區段是由具有Zernike系數的10階x，y多項式限定的。
6.如權利要求1所述的鏡片，還包含至少一個附加的補償表面。
7.如權利要求8所述的鏡片，其中至少一個補償表面是不連續的表面。
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段的不連續表面，其中每個區段是由具有Zernike系數的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段的連續補償表面，其中每個區段是由具有Zernike系數的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段，該若干區段中的每個區段的尺寸適合于具有Zernike系數的10階x，y多項式，以便限定關于每個區段的幾何形狀；b)形成一個補償表面，該補償表面分成為第二組若干區段，各區段的尺寸適合于具有Zernike系數的10階x，y多項式，以便限定關于每個區段的幾何形狀；以及c)對補償表面進行優化，以便降低鏡片的鏡片像散。
全文摘要
本發明涉及眼科鏡片,具體地說,本發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系數的10階x,y多項式限定的各區段確定的。
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 優先權日1998年7月30日
發明者R·A·奇普曼, P·J·里爾登 申請人:莊臣及莊臣視力產品有限公司