一种轴向球差渐进调制型非球面人工晶状体

摘要

本发明公开了一种轴向球差渐进调制型非球面人工晶状体，所述人工晶状体包括光学主体(1)、第一支撑襻(2)和第二支撑襻(3)，所述光学主体(1)具有非恒定表征方程的非球面。本发明光学主体为具有轴向球差渐进调制的光学区，在不同瞳孔尺寸下都能保留一定的正球差(焦深)，提升视觉质量；同时可以兼顾高阶像差，更好地适应了轻度人工晶状体偏位，降低了光焦度和像质对植入位置的敏感度，减少手术复位。

说明书

技术领域

本发明涉及人工晶状体技术领域，尤其是涉及一种通过非恒定表征方程设计的轴向球差渐进调制型非球面人工晶状体。

背景技术

人眼内的天然晶状体在刚出生的婴儿时是无色透明且非常软的晶状体，随着年龄的增加，外在条件的改变，如紫外线的辐射等要素的影响下，该天然晶状体将会变得越来越硬和变成有色晶状体，当人们活到五十至六十岁以上时，有百分之三十左右的天然晶状体将会变成棕黄色和浑浊，并且变硬，不仅仅失去了可调焦的功能，甚至完全看不见，当这种情况发生时，这种天然晶状体(即白内障晶状体)将不得不用一个人造的晶状体去置换，使之其恢复白内障病人的眼睛视力。

一个典型的人工晶状体由于光学的晶体和支撑的手臂构成，其中光学晶状体聚焦光线到视觉神经上使之能看见物体而手臂的作用在于支撑其光学区，使之光学区位于眼内的中心能够有效的聚焦。早期的人工晶状体植入术，第一要义是帮助白内障患者复明，以球面人工晶状体为主。随着科学技术的不断发展和人类日常生活中对视力需求的不断提升，患者对人工晶状体植入术的要求不仅在于“看得见”，还要“看得清”。“看得清”在光学中，可以理解为光学系统的分辨率高，像质好，波前像差较小(实际波前和理想的无偏差状态的波前之间的偏差较小)。通常研究者用Zernike多项式来定量描述人眼光学波前像差，其中球差是影响植入眼像质最主要的因素。

球面透镜边缘光线通过正球面透镜时，被折射的程度要比中心光线厉害得多，即边缘光焦度大，中心光焦度小，整体呈现正球差并且难以控制。非球面给光学设计带了更多的自由度(包括曲率半径，圆锥系数，和高次项等)，通过改变透镜边缘的形状，重新排布中心区域和边缘区域对光线的会聚能力，使得透镜可以呈现负球差分布。我们知道人眼角膜是带正球差的，而负球差的非球面人工晶状体平衡了人眼固有的正球差，这样可以获得最佳成像点。球面人工晶状体则无法实现。

由于人眼角膜球差的分布存在差异性，符合正态分布规律，绝大多数人眼角膜球差值为+0.27μm左右(在6mm瞳孔大小情况下测量得到)。研究人员开始设计不同球差的非球面人工晶状体球差值大致在-0.27um～0um之间，如专利US4504982、US5050981、AU2007247491、EP2189134、CA2590166等。所有这些负球差分布的人工晶状体，只能保证在6mm瞳孔位置达到预期的保留一定正球差的目的，在中小瞳孔位置，保留的剩余正球差不能满足要求。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明申请人提供了一种轴向球差渐进调制型非球面人工晶状体的设计。本发明光学主体具有非恒定表征方程的非球面。该设计在不同瞳孔尺寸下都能保留一定的正球差(焦深)，提升视觉质量；同时可以兼顾高阶像差，更好地适应了轻度人工晶状体偏位，降低了光焦度和像质对于植入位置的敏感度，减少手术复位。

本发明的技术方案如下：

一种轴向球差渐进调制型非球面人工晶状体，包括光学主体(1)、第一支撑襻(2)和第二支撑襻(3)，所述光学主体(1)、第一支撑襻(2)和第二支撑襻(3)为一体式结构，采用同一种材料，整体成型，所述光学主体(1)由两个光学表面组成，一个光学表面是球面，另一面是具有非恒定表征方程的非球面；

所述非球面的确定方法：以光学表面的顶点为原点O，以光轴为坐标Z轴，建立任意的空间直角坐标系，所述坐标系的横坐标X轴和坐标Y轴与所述光学表面相切，所述非球面的在上述Y-Z平面上的投影曲线具有非恒定的表征方程，具体如下：

其中，z_n(y_n)为所述非球面在二维坐标系平面Y-Z上的投影曲线表达式，c为所述非球面的基础球面曲率半径的倒数，y_n为所述曲线上任何一点距离坐标Z轴的垂直距离，A_i为非球面高次项系数，Q_n为非球面的二次曲面常数；

曲线a、曲线b、曲线c…曲线n表示已知的不同球差分布的曲线族，球差分布从到0um～-0.2um，其中每一条曲线对应一个确定的Q值并且互不相同，分别为Q_a、Q_b、Q_c…Q_n，系列Q值可以从球差包络线归结为关于y的函数：

α、β、χ、δ为常数，Q_n的限定由球差包络线限定，由任意的四个已知点(y_a,Q_a)、(y_b,Q_b)、(y_c,Q_c)、(y_d,Q_d)带入求解方程组，得到α、β、χ、δ，方程组如下：

轴向渐进球差包络线与曲线族分别交于点A、B、C…N，这些点的横坐标即对应不同的瞳孔直径2y_a、2y_b、2y_c…2y_n，n为从1到正无穷大的整数。

根据以上非球面方程族，可以求得数组(y_a，z_a)、(y_b，z_b)、(y_c，z_c)、…(y_n，z_n)，即可以得到整个非恒定的非球面在三维空间内的所有数据点。

所述光学主体(1)的有效光学区的直径为5.5～6.5mm，中心厚度0.65～1.25mm的双凸/凹凸透镜片；所述第一支撑襻(2)、第二支撑襻(3)的厚度均为0.15～0.35mm。

所述第一支撑襻(2)、第二支撑襻(3)表面均设有斜锯齿凹槽或凸起磨砂；所述磨砂的粗糙度或斜锯齿的高度大于40μm。

所述第一支撑襻(2)、第二支撑襻(3)的表面设有斜锯齿凹槽或凸起磨砂，且斜锯齿凹槽或凸起磨砂的宽度为0.2～1.0mm、斜锯齿的斜边缘与支撑襻所属平面的夹角α在-20～20°之间。

所述光学主体(1)由折射率为1.48～1.55、色散系数为40～55的疏水性聚丙烯酸酯制成。

所述光学主体(1)、第一支撑襻(2)、第二支撑襻(3)三者共同作用才能达到人工晶状体在植入眼位置稳定的作用，更好地发挥轴向球差渐进调制的作用。

本发明还提供了一种轴向球差渐进调制型非球面人工晶状体的制备方法，包括如下步骤：

(1)光学设计：首先，确定轴向渐进球差分布包络线。根据人眼角膜球差分布曲线以及在不同瞳孔直径下的预留剩余球差值，拟合出一条轴向球差渐进调制的球差分布曲线。如图4所示，在0～3mm瞳孔直径，剩余球差为0um；在3.5mm瞳孔直径，剩余球差为+0.02um；下在4mm瞳孔直径下，剩余球差为+0.035um；在4.5mm瞳孔直径下，剩余球差为+0.07um、在5mm、5.5mm、6mm瞳孔直径下，剩余球差均为+0.07um。这样保证了不同瞳孔直径下，光学主体(1)自适应人眼角膜球差分布，植入眼保留一定量的剩余正球差。其次，要将渐进球差调制非球面球差分布转换为三维空间内的曲线方程和坐标点。如图5所示，拟合得到的轴向球差渐进调制的球差分布曲线以包络线的形式标出(在几何学，某个曲线族的包络线(Envelope)，是跟该曲线族的每条线都有至少一点相切的一条曲线)。曲线a、曲线b、曲线c…曲线n表示不同球差分布的曲线族，球差分布从到0um～-0.2um。其中每一条曲线对应一个确定的Q值并且互不相同，分别为Q_a、Q_b、Q_c…Q_n，系列Q值可以从球差包络线归结为关于y的函数:

α、β、χ、δ为常数，Q_n的限定由球差包络线限定，由任意的四个已知点(y_a,Q_a)、(y_b,Q_b)、(y_c,Q_c)、(y_d,Q_d)、带入求解方程组，得到α、β、χ、δ，方程组如下：

轴向渐进球差包络线与曲线族分别交于点A、B、C…N，这些点的横坐标即对应不同的瞳孔直径2y_a、2y_b、2y_c…2y_n。n为从1到正无穷大的整数，瞳孔直径0mm～6mm范围内非球面投影曲线被无限细微化，宏观上不具有恒定的表征方程。在瞳孔直径2y_n处非曲面局部表征方程为：

根据以上非球面方程族，可以求得y-z平面上非球面投影曲线上的坐标点(y_a，z_a)、(y_b，z_b)、(y_c，z_c)、…(y_n，z_n),投影曲线经旋转对称得到整个轴向球差渐进调制的非球面分布。最后，在Zemax中构建初始模型，继而优化得到最佳的预期效果。

(2)车铣加工：车加工基底折射透镜：按照光学设计的前后光学面的加工参数，编写车床程序；利用金刚石单点切削技术，车加工出光学主体(1)；编写铣床程序，铣削出光学区的外形以及带有磨砂/锯齿状的襻脚。

(3)抛光处理：采用低温滚筒抛光的办法。

(4)测试验证：在模拟眼系统中，不同光栏下测试MTF像质，以及分析偏心0.5mm对像质的影响。

本发明有益的技术效果在于：

本发明光学主体(1)的光学区非球面具有非恒定表征方程，光学主体(1)在植入眼中成像，随着瞳孔尺寸的变化(主要是3mm过渡到6mm，一般认为3mm瞳孔直径内人眼球差为零，故不考虑)，区别于传统设计的是，在3mm瞳孔以上，始终保留一定的正球差。

本发明光学主体(1)的光学区不仅轴向调制了球差，而且兼顾消除了部分高阶像差，如三叶草像差、纵向彗差、水平彗差等。

本发明光学主体(1)的光学区在植入眼中成像，在3mm～6mm瞳孔直径下始终保持一定的焦深，视觉质量较好。

本发明光学主体(1)在植入眼中成像，光焦度和像质对植入位置的敏感度较低，更好地适应了轻度人工晶状体偏位，

本发明在植入人眼后，术后复位减少，拓宽了复杂白内障手术人工晶状体适应症。

本发明相较于常规的非球面设计，适用于宽泛角膜非球面度Q。

附图说明

图1为本发明实施例1结构示意图；

图2为本发明实施例2结构示意图；

图3为本发明实施例3结构示意图；

图4为本发明实施例1轴向球差渐进调制型非球面设计原理图；

图5为本发明实施例1轴向球差渐进调制型非球面球差分布曲线；

图6为本发明实施例1光焦度随瞳孔分布曲线；

图7为本发明实施例1在3mm光栏&偏心0.5mm下光学调制传递函数(MTF)曲线；

图8为本发明实施例1在5mm光栏&偏心0.5mm下光学调制传递函数(MTF)曲线；

图9为本发明实施例1在5mm光栏&偏心0.5mm下对比敏感度(CSF)曲线；

图10为本发明实施例1、实施例2、实施例3的球差分布曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。

实施例1

如图1所示，一种轴向球差渐进调制型非球面人工晶状体，所述人工晶状体包括光学主体(1)、第一支撑襻(2)和第二支撑襻(3)，所述光学主体1具有非恒定表征方程的非球面，在瞳孔直径2y_n处非球面局部表征方程为：

在瞳孔直径2y_a＝3mm、2y_b＝3.5mm、2y_c＝4mm、2y_n＝6mm处，非球面Q_a、Q_b、Q_c、Q_n分别为-3.3、-6.2、-9.5、-13.5，

所述光学主体1与第一支撑襻2、第二支撑襻3为一体式结构，采用同一种材料，整体成型；

所述第一支撑襻2、第二支撑襻3表面均设有斜锯齿凹槽；斜锯齿的高度大于40μm。

所述光学主体1的有效光学区的直径为6.0mm，中心厚度0.67mm的双凸透镜片；所述第一支撑襻2、第二支撑襻3的厚度均为0.15mm；

所述光学主体1由折射率为1.544、色散系数为42的疏水性聚丙烯酸酯制成。

所述第一支撑襻2、第二支撑襻3的表面设有若干斜锯齿凹槽，且斜锯齿凹槽宽度为0.2mm、斜锯齿的斜边缘和所述支撑襻所属平面的夹角角度α为20°。

所述人工晶状体的设计思路以及制备方法为：

(1)设计方案：轴向球差渐进调制型非球面人工晶状体，在瞳孔直径在2mm～6mm变化范围内，植入眼剩余球差维持在+0.07um；

(2)光学设计：首先，确定轴向渐进球差分布包络线。根据人眼角膜球差分布曲线以及在不同瞳孔直径下的预留剩余球差值，拟合出一条轴向球差渐进调制的球差分布曲线。如图4所示，在0～3mm瞳孔直径，剩余球差为0um；在3.5mm瞳孔直径，剩余球差为+0.02um；在4mm瞳孔直径下，剩余球差为+0.035um；在4.5mm瞳孔直径下，剩余球差为+0.07um；在5mm、5.5mm、6mm瞳孔直径下，剩余球差均为+0.07um。这样保证了不同瞳孔直径下，光学主体(1)自适应人眼角膜球差分布，植入眼保留一定量的剩余正球差。其次，要将渐进球差调制非球面球差分布转换为三维空间内的曲线方程和坐标点。如图5所示，拟合得到的轴向球差渐进调制的球差分布曲线以包络线的形式标出(在几何学，某个曲线族的包络线(Envelope)，是跟该曲线族的每条线都有至少一点相切的一条曲线)。曲线a、曲线b、曲线c…曲线n表示不同球差分布的曲线族，球差分布从到0um～-0.2um。其中每一条曲线对应一个确定的Q值并且互不相同，分别为Q_a、Q_b、Q_c…Q_n，系列Q值可以从球差包络线归结为关于y的方程:

轴向渐进球差包络线与曲线族分别交于点A、B、C…N，这些点的横坐标即对应不同的瞳孔直径2y_a、2y_b、2y_c…2y_n。n为从1到正无穷大的整数，瞳孔直径0mm～6mm范围内非球面投影曲线被无限细微化，宏观上不具有恒定的表征方程。在瞳孔直径2y_a、2y_b、2y_c…2y_n处非曲面局部表征方程分别为：

根据以上非球面方程族，可以求得y-z平面上非球面投影曲线上的坐标点(y_a，z_a)、(y_b，z_b)、(y_c，z_c)、…(y_n，z_n),投影曲线经旋转对称得到整个轴向球差渐进调制的非球面分布。最后，在Zemax中构建初始模型，继而优化得到最佳的预期效果。

(3)车加工基底折射透镜：按照设计的光学区的参数，编写车床程序；利用金刚石单点切削技术，车加工出圆片人工晶状体；编写铣床程序，铣削出光学区的外形以及带有磨砂状的襻脚。

(4)最后抛光处理，得到光学表面合格的人工晶状体。

(5)在眼模型中分析测试

结果分析与讨论：

轴向渐进调制型非球面人工晶状体的恒定球差设计，有效提升了人工晶状体光焦度对植入位置的耐受性。从图6中可以看出，在瞳孔半径在瞳孔半径0～1.5mm范围内，不同设计光焦度的变化均比较缓慢，但是轴向渐进调制型非球面人工晶状体光焦度曲线更加平缓；在瞳孔半径1.5～3mm范围内，轴向渐进调制型非球面人工晶状体光焦度先平缓一段然后骤变，而SN60WF设计和ZCB00设计光焦度曲线全程陡峭明显。可以得出结论，人工晶状体植入偏心对轴向渐进调制型非球面人工晶状体光焦度影响较小，在相同的偏心情况下，轴向渐进调制型非球面人工晶状体光焦度的变化最小，这有助于患者达到最佳矫正视力。

轴向渐进调制型非球面人工晶状体的轴向球差渐进设计，有效提升了人工晶状体视网膜成像质量对植入位置的耐受性。如图7，在3mm光栏&偏心0.5mm状态下，轴向渐进调制型非球面人工晶状体的调制传递函数(MTF)曲线大幅度优于SN60WF设计和ZCB00设计。同时在如图8中，5mm光栏&偏心0.5mm状态下轴向渐进调制型非球面人工晶状体的调制传递函数(MTF)曲线优于SN60WF设计和ZCB00设计；对比敏感度函数(CSF)曲线中(如图9)轴向渐进调制型非球面人工晶状体预计植入眼视力在0.98，也优于SN60WF设计的预计视力0.85和ZCB00设计的预计视力0.76。

因此轴向渐进调制型非球面人工晶状体克服了Alcon公司和AMO公司设计的不足，在大瞳孔(3～6mm)范围内，保留恒定的正球差。该设计有效地提升了植入眼视觉质量，降低了光焦度和像质对于植入位置的敏感度。

实施例2

如图2所示，一种轴向球差渐进调制型非球面人工晶状体，所述人工晶状体包括光学主体(1)、第一支撑襻(2)和第二支撑襻(3)，所述光学主体1具有非恒定表征方程的非球面，在瞳孔直径2y_n处非曲面局部表征方程为：

在瞳孔直径2y_a＝3mm、2y_b＝3.5mm、2y_c＝4mm、2y_n＝6mm处，非球面Q_a、Q_b、Q_c、Q_n分别为-10.6、-20.2、-28.4、-39.7

所述光学主体1与第一支撑襻2、第二支撑襻3为一体式结构，采用同一种材料，整体成型；

所述第一支撑襻2、第二支撑襻3表面均设有斜锯齿凹槽；斜锯齿的高度大于40μm。

所述光学主体1的有效光学区的直径为6.0mm，中心厚度0.67mm的双凸透镜片；所述第一支撑襻2、第二支撑襻3的厚度均为0.15mm；

所述光学主体1由折射率为1.544、色散系数为45的疏水性聚丙烯酸酯制成。

所述第一支撑襻2、第二支撑襻3的表面设有若干斜锯齿凹槽，且斜锯齿凹槽宽度为0.2mm、斜锯齿的斜边缘和所述支撑襻所属平面的夹角角度α为20°。

所述人工晶状体的制备方法为：

(1)设计方案：轴向球差渐进调制型非球面人工晶状体，在瞳孔直径在2mm～6mm变化范围内，植入眼剩余球差维持在+0.1um；

(2)光学设计：首先，确定轴向渐进球差分布包络线。根据人眼角膜球差分布曲线以及在不同瞳孔直径下的预留剩余球差值，拟合出一条轴向球差渐进调制的球差分布曲线。如图10所示，在0～3mm瞳孔直径，剩余球差为0um；在3.5mm瞳孔直径，剩余球差为+0.025um；在4mm瞳孔直径下，剩余球差为+0.04um；在4.5mm瞳孔直径下，剩余球差为+0.1um、在5mm、5.5mm、6mm瞳孔直径下，剩余球差均为+0.1um。这样保证了不同瞳孔直径下，光学主体(1)自适应人眼角膜球差分布，植入眼保留一定量的剩余正球差。其次，要将渐进球差调制非球面球差分布转换为三维空间内的曲线方程和坐标点。如图5所示，拟合得到的轴向球差渐进调制的球差分布曲线以包络线的形式标出(在几何学，某个曲线族的包络线(Envelope)，是跟该曲线族的每条线都有至少一点相切的一条曲线)。曲线a、曲线b、曲线c…曲线n表示不同球差分布的曲线族，球差分布从到0um～-0.2um。其中每一条曲线对应一个确定的Q值并且互不相同，分别为Q_a、Q_b、Q_c…Q_n，系列Q值可以从球差包络线归结为关于y的方程:

轴向渐进球差包络线与曲线族分别交于点A、B、C…N，这些点的横坐标即对应不同的瞳孔直径2y_a、2y_b、2y_c…2y_n。n为从1到正无穷大的整数，瞳孔直径0mm～6mm范围内非球面投影曲线被无限细微化，宏观上不具有恒定的表征方程。在瞳孔直2y_n处非曲面局部表征方程为：

根据以上非球面方程族，可以求得y-z平面上非球面投影曲线上的坐标点(y_a，z_a)、(y_b，z_b)、(y_c，z_c)、…(y_n，z_n),投影曲线经旋转对称得到整个轴向球差渐进调制的非球面分布。最后，在Zemax中构建初始模型，继而优化得到最佳的预期效果。

(3)车加工基底折射透镜：按照设计的光学区的参数，编写车床程序；利用金刚石单点切削技术，车加工出圆片人工晶状体；编写铣床程序，铣削出光学区的外形以及带有磨砂状的襻脚。

(4)最后抛光处理，得到光学表面合格的人工晶状体。

(5)在眼模型中分析测试

实施例3

如图3所示，一种轴向球差渐进调制型非球面人工晶状体，所述人工晶状体包括光学主体(1)、第一支撑襻(2)和第二支撑襻(3)，所述光学主体1具有非恒定表征方程的非球面，在瞳孔直径2y_n处非曲面局部表征方程为：

在瞳孔直径2y_a＝3.5mm、2y_b＝4mm、2y_c＝4.5mm、2y_n＝6mm处非球面Q_a、Q_b、Q_c、Q_n分别为-12.3、-21.3、-33.4、-52.5。

所述光学主体1与第一支撑襻2、第二支撑襻3为一体式结构，采用同一种材料，整体成型；

所述第一支撑襻2、第二支撑襻3表面均设有斜锯齿凹槽；斜锯齿的高度大于40μm。

所述光学主体1的有效光学区的直径为6.0mm，中心厚度0.67mm的双凸透镜片；所述第一支撑襻2、第二支撑襻3的厚度均为0.15mm；

所述光学主体1由折射率为1.544、色散系数为45～55的疏水性聚丙烯酸酯制成。

所述第一支撑襻2、第二支撑襻3的表面设有若干斜锯齿凹槽，且斜锯齿凹槽宽度为0.2mm、斜锯齿的斜边缘和所述支撑襻所属平面的夹角角度α为20°。

所述人工晶状体的制备方法为：

(1)设计方案：轴向球差渐进调制型非球面人工晶状体，在瞳孔直径在3mm～6mm变化范围内，植入眼剩余球差维持在+0.05um；

(2)光学设计：首先，确定轴向渐进球差分布包络线。根据人眼角膜球差分布曲线以及在不同瞳孔直径下的预留剩余球差值，拟合出一条轴向球差渐进调制的球差分布曲线。如图10所示，在0～3mm瞳孔直径，剩余球差为0um；在3.5mm瞳孔直径，剩余球差为+0.0125um；下在4mm瞳孔直径下，剩余球差为+0.025um；在4.5mm瞳孔直径下，剩余球差为+0.05um、在5mm、5.5mm、6mm瞳孔直径下，剩余球差均为+0.05um。这样保证了不同瞳孔直径下，光学主体(1)自适应人眼角膜球差分布，植入眼保留一定量的剩余正球差。其次，要将渐进球差调制非球面球差分布转换为三维空间内的曲线方程和坐标点。如图5所示，拟合得到的轴向球差渐进调制的球差分布曲线以包络线的形式标出(在几何学，某个曲线族的包络线(Envelope)，是跟该曲线族的每条线都有至少一点相切的一条曲线)。曲线a、曲线b、曲线c…曲线n表示不同球差分布的曲线族，球差分布从到0um～-0.2um。其中每一条曲线对应一个确定的Q值并且互不相同，分别为Q_a、Q_b、Q_c…Q_n，系列Q值可以从球差包络线归结为关于y的方程:

轴向渐进球差包络线与曲线族分别交于点A、B、C…N，这些点的横坐标即对应不同的瞳孔直径2y_a、2y_b、2y_c…2y_n。n为从1到正无穷大的整数，瞳孔直径0mm～6mm范围内非球面投影曲线被无限细微化，宏观上不具有恒定的表征方程。在瞳孔直2y_n处非曲面局部表征方程为：

根据以上非球面方程族，可以求得y-z平面上非球面投影曲线上的坐标点(y_a，z_a)、(y_b，z_b)、(y_c，z_c)、…(y_n，z_n)，投影曲线经旋转对称得到整个轴向球差渐进调制的非球面分布。最后，在Zemax中构建初始模型，继而优化得到最佳的预期效果。

(3)车加工基底折射透镜：按照设计的光学区的参数，编写车床程序；利用金刚石单点切削技术，车加工出圆片人工晶状体；编写铣床程序，铣削出光学区的外形以及带有磨砂状的襻脚。

(4)最后抛光处理，得到光学表面合格的人工晶状体。

(5)在眼模型中分析测试。