专利名称：针对眼睛和透镜的波前像差优化眼镜透镜的方法
技术领域：
本发明涉及一种设计眼用透镜(ophthalmic lens)元件的方法,该方法包含以下步骤确定要在参考面中最小化的、眼睛的波前像差(wavefrontaberration ),其中眼睛的波前像差可由高达第一特定级次的升序第一多项式级数和相应第一系数描述；以及确定第二特定级次的第一视觉校正(visioncorrection),以获得适配的眼用透镜元件。
此外，本发明涉及一种制造眼用透镜元件的方法，该方法包含设计眼用透镜元件的方法的步骤。而且，本发明涉及用于实现上述方法的步骤的计算机程序产品。
背景技术：
在几百年的技术发展水平中，用于视力校正的眼用透镜是众所周知的。它们已被眼镜商、验光师和眼科医师用于通过使用凹透镜或凸透镜来分别校正近视和远视，以及也用于使用多焦点透镜来校正老花眼。波前像差是由理想波前和畸变波前之间的光程长度的差别所产生，该理想波前通过光学系统(即眼镜片和眼睛)将导致完美的焦点，畸变波前由实际光学系统产生。波前像差经常通过它们的径向级次(radial order)来分类,其表示像差对光瞳尺寸的依赖性。人眼的光学组件具有“低次(low-order)”和“高次(high-order)”两种波前像差。对视力的校正有影响的低次像差实际上是低次像差的子集，称为“二次(second-order)”波前像差。二次波前像差作为离光瞳或孔径的中心的距离的平方的函数而变化。典型地，使用眼镜片处方(prescription)来校正这些波前像差，该眼镜片处方包括球屈光度分量、柱屈光度分量和轴分量，该轴分量描述柱屈光度的取向。但是，高次像差表示作为离光瞳或孔径的中心的距离的三次函数或更高次函数变化的波如像差。眼睛的闻次像差包括诸如慧差、二叶草像差(trefoil)、和球差的像差。尽管这些像差的幅值通常小于低次像差，但是眼睛的高次像差也能降低视觉质量，并限制视觉性能。通过在低次像差之外校正眼睛的高次像差，可以改进视觉质量。然而，针对传统的眼镜片处方的眼睛检查程序仅产生使眼睛的低次像差最小化的校正。利用眼用透镜校正眼睛的高次像差是不实际的，因为当眼睛在该透镜的后面旋转时，会引入更严重的低次波前像差。此外，具有与理想球面或复曲面背离的折射波前轮廓(wavefrontprofiles)的截面的眼用透镜也产生各种高次像差。在特定情况下，高次像差可由穿过具有球面或复曲面的透镜的某些区域的光的折射产生，包括遭受经典塞德尔球差或慧差的对称光学系统。而且，当透镜的至少一个表面具有非零的三阶偏导数时，透镜可常规地产生高次像差。这包括具有在曲率上平滑变化的表面的任何透镜，包括但不限于单个视觉透镜、球透镜和渐进附加透镜(progressive additional lenses)。特别地,渐进附加透镜在渐进地带(corridor)中以及在透镜的中央观察区域和外围区域之间的边界处，产生严重的慧差和三叶草像差。由于使用了融合(blending)区域，在渐进附加透镜的某些区域中，低和高次像差均是不可避免的，该融合区域提供了附加屈光度的平滑变化，而没有可见的分界线。由眼用透镜产生的波前像差与眼睛的波前像差相互作用。依赖于在眼睛中和通过眼用透镜呈现的低和高次像差，出现的像差结合可提高或降低通过透镜的不同区域的视觉质量。但是，传统上，已经将眼用透镜设计为仅将由眼睛和眼用透镜二者产生的低次像差的幅值最小化。这是因为在商业上可得的波前传感器出现之前，不能测量眼睛的高次波前像差；不能采用眼用透镜校正眼睛的高次像差而不产生更严重的低次波前像差；以及在现代自由形式表面技术出现之前，不能加工具有适当复杂性的眼用透镜表面。尽管眼用透镜不能在不引入附加像差的情况下消除高次波前像差，但是仍然可以在确定低次眼镜片校正时，采用眼用透镜，通过将眼睛的低次和高次波前像差之间的组合光学作用的视觉净效应最小化而改进视觉质量。目前可用的具有低次眼镜片校正的眼用透镜已被操纵用于解决眼睛的高次像差的影响。例如，在美国专利申请2007/0279586A1和美国专利申请2009/0015787A1中公开了类似的方法。这些眼用透镜为佩戴者提供“最优化波前”的视觉校正，其已具有球屈光度分量、柱屈光度分量和柱轴，其被操作来基于来自于波 前传感器的波前像差测量结果改进视觉质量。最近，还提出了如下眼用透镜，其寻求至少在渐进附加表面的数学约束条件(mathematical constraint)内将仅由透镜产生的高次像差最小化,尽管这不会改进佩戴者的最大潜在视觉质量。例如在美国专利No. 7063421中公开了类似方法。人眼的高次波前像差随不同人而明显不同。此外，在屈光度上具有重大变化的眼用透镜(例如渐进附加透镜)上的高次波前像差，也在透镜孔径上具有很大的变化。然而，在使用例如美国专利No. 6089713中提出的自由形状制造方法的制造之前，对于给定眼镜片佩戴者，可以通过合适的数学优化过程来操纵眼用透镜的光学系统。此外，通过评估波前像差，可以评估视觉质量。因此，当眼睛的波前像差和初始眼用透镜的设计都已知时，可以通过眼用透镜的不同区域优化视觉性能。眼用透镜元件的低次折射力通常作为视角的函数而变化，这是由于跨一个或多个透镜表面的变化、以及由于入射光的倾斜折射引起的像散而导致。典型的光学设计过程寻求在佩戴者在透镜孔径上凝视(gaze)时，将用于佩戴者的预期低次眼镜片校正尽可能接近地保持在至少透镜设计的固有数学极限中。特别地，渐进附加透镜元件在透镜孔径上具有不能提供预期的低次眼镜片校正的区域，因为在表面的融合区域中存在严重像差。眼用透镜元件也可在透镜孔径上产生高次像差，其可由宽场角处光的折射导致，或由曲率在一个或多个的透镜表面上的变化而导致。例如，因为为了在透镜孔径上产生平滑的附加屈光度变化，渐进透镜元件依赖于非零的三阶偏导数，所以渐进透镜元件的高次像差作为渐进表面的混合偏导数(mixedpartial derivatives)的函数而变化。此外，由渐进透镜产生的高次像差主要由透镜表面上的屈光度和像散的分布限定，其代表透镜设计的基本特性。在闻次像差的泽尼克表不法中称为“慧差”(Z6和Z9)和“二叶草像差”(27和Z8)的高次像差直接由眼用透镜表面的混合偏导数影响，该眼用透镜表面由表面高度函数Z描述。例如，泽尼克多项式的展开可来自于Gross等的“Handbook of Optical Systems”，Vol. I to 6, WILEY-VCH Publishing, Weinheim,2007，ISBN:978-3-527-40382-0。在眼用透镜设计中，通常指定低次像差的预期或“目标”分布。该分布通常表示针对眼镜片处方的屈光度和适配参数的特定组合的透镜设计的理想光学性能。典型的优化过程通过操纵眼用透镜的一个或更多的连续平滑表面，来寻求尽可能接近地达到期望的屈光度分布。在透镜孔径上的多个点处，针对佩戴的假定位置(其表示佩戴者上的适配透镜的位置)使用计算机光线追迹(ray tracing)评估在模拟的眼用透镜元件和目标分布之间的光学性能差别。在典型的光线追迹过程中，计算来自于指定物点的一些光线通过透镜元件的折射，其足够描述透镜的高达所选择的级次的波前像差的特性。理想地，这些光线应该全部会聚在眼睛的理想焦平面(其与物距相关联)处，尽管在透镜孔径上的所有点处，这在数学上通常是不可能的。典型地，使用数学优化和建模技术(例如有限元分析)，在透镜孔径上的每个指定点处，将表示这些点处的光学像差的 总大小的“优质函数(meritfunction)”或最小二乘法解最小化。此外，也可在透镜孔径上对这些优质函数或这些优质函数的单独项进行不同的加权，以便最大化透镜的某些区域(其中视觉质量最关键)中的视觉性能，或者最小化透镜中由于透镜设计的本性而使某些光学像差不可避免的区域中的优化。通常的优化技术也可来自于上面提及的Gross等人。在当前的技术发展水平中，这些优质函数仅寻求使用单个、低次(二次)视觉校正或眼镜片处方(最初由眼睛护理专业人员指定)，来改进眼用透镜元件的性能。因此，在透镜的关键区域上，与该低次单个视觉校正的差别被最小化。可将附加的优化项并入优质函数，以将屈光度或其他光学特征的梯度(或像散)最小化，以减少图像眩晕(swim)，或改进视觉性能。尽管已经证明了在不引入更大量值的重要低次像差的情况下不能校正眼睛的高次像差，但是当确定传统的低次视觉校正或眼镜片处方时，通过考虑这些像差可以改进视觉性能。此外，当眼用透镜元件引入在透镜孔径上变化的高次像差时，理想的低次视觉校正也作为透镜上的位置的函数变化。
发明内容
因此，本发明的目的是通过考虑眼睛的高次像差(如源自通过像差计或波前传感器的测量)和眼用透镜元件在透镜孔径上的高次像差之间的相互作用，而将由眼睛和眼用透镜元件二者在透镜孔径上产生的组合高次像差的影响最小化。本发明的另一目的是在眼睛的低次像差之外还将眼用透镜元件在透镜孔径的指定区域上的低次波前像差最小化，传统上通过提供期望的球面或球柱形视觉校正的眼用透镜元件来消除眼睛的低次像差。附加地，本发明的一个目的是通过以下方法而在观察条件(包括周围的光亮级或变化的光瞳尺寸)的范围上最大化视觉质量通过修改低次视觉校正，以在眼睛中出现高次像差时进一步改进视觉质量，并且更特别地，通过在透镜孔径上考虑眼睛的高次像差和眼用透镜元件产生的高次像差之间的光学相互作用来改进整个透镜-眼睛光学系统获得的净视觉质量。为了解决上述目的，根据本发明的第一方面，提供了起初指定的方法用于设计眼用透镜元件，该方法还包含以下步骤在适配的眼用透镜元件的孔径上确定至少一个指定点；针对适配的眼用透镜元件的每一个指定点，确定在参考平面中的高次波前像差，其中高次波前像差可由升序的第三多项式级数和相应第三系数描述，第三多项式级数在第二特定级次之上，第二特定级次高达并包括第一特定级次；针对每一个指定点，基于高达并包括第二特定级次的第一视觉校正，并基于高达并包括第一特定级次的、在第二特定级次之上的组合的第一和第三系数，确定第二特定级次的视觉校正，以获得优化的眼用透镜元件。本发明描述了光学优化的方法，其寻求通过在目前由眼用透镜元件校正的低次像差之外还将眼睛的各种高次波前像差和透镜元件的相当高次像差的卷积(convolution)的效应最小化，而进一步改进视觉性能。而且，因为眼用透镜元件的高次像差将典型地在透镜孔径上很大地变化，所以在本发明中，在透镜孔径上的一个或更多的点处计算眼用透镜元件的高次像差，以便为不同的视角提供改进的视觉性能。当结合来自第一低次视觉校正的低次像差多项式的系数使用时，透镜和眼睛的组合高次系数现在提供透镜-眼睛系统在透镜孔径上的每一点处的总波前像差的充分完全的描述，其高达像差多项式的期望总数或第一特定级次。使用视觉质量的度量(metrics)方法(例如如在上面引用的Cross等的文中描述的一样，其可用于基于波前像差预测视觉性能)，于是使用新的组合高次系数和第一视觉校正的初始低次系数，在每一个指定点处确定优化的低次视觉校正。该新的波前优化的低次视觉校正包含球屈光度分量，柱屈光度分量和柱轴，它们被计算来通过将透镜-眼睛系统在透镜孔径上的每一个指定点处的组合波前像差的净效 应最小化而将视觉质量最大化。因此，确定期望的屈光度的新分布，其代表透镜孔径的波前优化的低次视觉校正的理想分布。该分布用作在实际眼用透镜元件的光学优化过程中使用的目标分布。根据本发明的第二方面，提供了起初指定的方法用于制造眼用透镜元件，其包括上述方法步骤，并且还包括生产眼用透镜元件的步骤。根据本发明的第三方面，提供了计算机程序产品，其包含用于执行根据本发明的第一和第二方面的方法的步骤的程序代码单元，特别是当所述计算机程序产品在计算机上执行时。换句话说，在透镜孔径上的一个或更多的指定点处，将眼用透镜元件的波前像差多项式的系数h与眼睛的相当多项式的系数在共同参考平面上的相应X和y坐标处通过简单的加法而数学地结合，以便针对由指数j指定的每一个像差多项式确定透镜-眼睛光学系统的组合像差系数Sj,所述像差多项式高达并包括具有指定的最大指数(index)的像差多项式Sj (X，y) =Lj (x, y) +Ej (x, y), j ^ η其中每个指数j对应于特定多项式函数，其例如来自于使用美国光学学会的标准单一指数标定方案列举的泽尼克多项式的集合，并且最大指数η对应于具有选择用于优化的最高径向级次和角频率的泽尼克多项式。优选地，将最大指数η选择为包括低次像差多项式(j ( 5)和至少一个或更多的高次像差多项式(j ^ 6);理想地，应该将最大指数η选择为使得高达并包括最大指数η的泽尼克多项式函数的指定级数以适当的准确度水平充分描述透镜-眼睛系统的波前像差的特征。此外，如果眼用透镜元件的给定像差系数对于某些眼用透镜元件一般可忽略，或者为了优化效率的原因而被忽视，则透镜-眼系统针对特定像差多项式的组合像差系数Sj简化为Sj (X，y) =Ej (x, y)
因此，完全解决了本发明起初提出的目的。在根据本发明第一方面的方法的优选实施例中，确定第一视觉校正的步骤可包含以下步骤确定眼用透镜元件在参考平面中的波前像差为第一目标分布，以校正眼睛的波前像差，其中眼用透镜元件的波前像差可由高达第二特定级次的升序第二多项式级数和相应的第二系数描述，其中第二特定级次等于或小于第一特定级次；以及适配眼用透镜元件，以尽可能接近地与第一目标分布相匹配。由此，可实现充分的第一视觉校正，其为优化过程形成了基础，该优化过程使用组合的第一和第三系数来描述高次波前像差。在另一优选实施例中，确定第二视觉校正的步骤包含针对每一个指定点确定组合的透镜-眼睛系统在参考平面中的组合高次波前像差的步骤，其中组合高次波前像差可由升序的第四多项式级数和相应的第四系数描述，第四多项式级数在第二特定级次之上，并且高达且包括第一特定级次，其中第四系数等于对应的第一和第三系数的和。 在透镜孔径上的一个或更多的指定点处，可将眼用透镜元件的高次像差多项式的系数Lj和眼睛的相当高次像差多项式的系数Ej在共同的参考平面上的相应X和y坐标处，通过简单的加法而在数学上结合，以针对指数j指定的每一个像差多项式确定透镜-眼睛系统的组合高次像差系数Sj,所述像差多项式高达并包括具有指定的最大指数(或第一特定级次)η的像差多项式Sj (X，y) =Lj (x, y) +Ej (x, y), 6 ^ j ^ η其中假设最前的六个波前像差多项式(O ^ j ^ 5)表示低次像差。然而，可选择任意数目用于η。此外，第二视觉校正优选地包含以下步骤针对每一个指定点，确定组合波前像差，该组合波前像差包含所述组合高次波前像差和组合低次波前像差；针对所述眼用透镜元件的每一个指定点，确定所述参考平面中的最终波前像差为第二目标分布，以校正各个指定点的组合波前像差，其中所述最终波前像差能够由升序的第五多项式级数描述，该第五多项式级数高达所述第二特定级次；以及优化所述眼用透镜元件，以尽可能接近地与所述第二目标分布相匹配。由此，可实现提供第二特定级次的视觉校正的优化眼用透镜元件。当然，在每一个指定点与第二目标分布精确匹配是不可能的。然而，通过使用诸如最小二乘法解的一个现有优化技术，可将实际眼用透镜元件的净像差最小化。此外，例如，最小二乘法解的特定项可以根据它们在透镜孔径上的位置而加权，以考虑自然视场。优选地，对于每一个指定点，组合低次波前像差对应于第一视觉校正的结果。通常，初始的低次视觉校正与相加的透镜-眼睛系统的高次系数结合，提供了透镜孔径上的每一个指定点处的总波前像差的充分的完全描述。优选地,第二特定级次为二次(second order)。特别地，可使用单个二次视觉校正来执行第一视觉校正。由此，可如眼科中公知地执行第一视觉校正。首先，将通常的眼镜片处方应用于眼用透镜元件，然后根据本发明的步骤优化通常的眼镜片处方，以解决高次波前像差。波前像差可由任意适合的数学拟合(fitting)函数描述，其包括但不限于以下构成的组中的一个泽尼克多项式级数、泰勒多项式级数和切比雪夫多项式级数。
通常，眼睛和眼用透镜元件的波前像差可由波前误差的任何任意测量刻画，包括但不限于上述通用拟合函数。确定第二目标分布的步骤可包括任何合适的数学函数，其包括但不限于以下构成的组中的一个光瞳平面度量(metrics)、点扩散函数度量和光学传输度量。通常，光学优化可包括视觉质量的任何任意测量，以达到在每一个指定点处利用的波前优化的低次视觉校正，该测量包括但不限于上述度量。可通过使用波前传感器或像差计(例如Shack-Hartmann传感器)来确定眼睛的波
前像差。可通过光线追迹或波追迹眼睛和眼用透镜元件的模型，针对适配的眼用透镜元件的每一个指定点确定在参考平面中的组合高次波前像差。因为本发明描述的方法寻求将眼睛和眼用透镜元件的低和高次波前像差的组合相互作用的效应最小化，所以必须确定这两种像差。使用波前传感器或像差计来测量眼睛的低和高次波前像差。典型地，通过在透镜孔径上的指定点处光线追迹或波追迹眼睛和在预期的佩戴位置中的透镜元件的模型，以计算穿过眼用透镜元件的入射光的焦点和眼睛的理想焦平面之间的差别，来确定眼用透镜元件的低和高次波前像差。在优化过程期间，对于眼睛的色差和其他的生理因素(例如斯泰尔斯·克劳福德(Stiles Crawford)效应)的补偿也是可能的。可指定和确定任何任意数量的点。例如，指定点的数量可为5、10、25、100、1000或10000。可选地，可由表面位置的一个或多个函数来确定点。本发明的方法可应用于任何眼用透镜形式，包括但不限于单个视觉透镜元件、多焦点透镜元件和渐进透镜元件。此外，同样可以对新的、波前优化的低次视觉校正进行小修改，以解决与已经达到的初始眼镜片处方的差别，从而改进双目视觉性能。对于透镜孔径上与近距离距离视觉相关联的区域，可修改眼睛的非对称的低和高次像差，以解决眼睛的圆周(cyclo)旋转和利斯廷氏(Listing’ s)旋转。根据本发明的第二方面的用于制造眼用透镜元件的方法的特性优选还可以在于使用自由形状表面生产眼用透镜元件。因为优化的表面或多个表面通常会缺少点和轴对称性，所以必须使用自由形状表面或类似生产方法(其允许缺少点或轴对称性的复杂透镜表面的即时生产)来加工和抛光眼用透镜元件。应该理解，上面提及的本发明的特征和下面解释的那些特征不仅可用于指出的各个组合，还可以用于其他的组合或被孤立地使用，而不背离本发明的范围。·
在附图中描述本发明的示例实施例，下面的说明书中将更详细地解释它们。附图中图I为实现本发明的系统的示例；图2为根据在先技术的用于设计和生产透镜元件的方法；图3为光线追迹方法的示例；
图4为根据本发明的第一方面的设计方法和根据本发明的第二方面的用于生产眼用透镜元件的方法；图5为在透镜孔径上的指定点的样本分配。
具体实施例方式参考图1，其示出了用于实现根据本发明的方法的系统10。系统10可用于设计眼用透镜元件或用于设计和生产眼用透镜元件。系统10包含测量装置11，其用于确定人(要为其生产眼睛片)的眼睛的波前像差。测量装置可为公知的波前传感器或像差计，例如根据Shack-Hartmann的波前传感器。
然后，将由测量装置获得的数据传输至数据处理单元13中，其被适配于例如通过使用根据本发明的计算机程序产品来执行根据本发明的用于设计眼用透镜元件的方法。通常，数据处理单元13可为常见的现有计算机系统。可通过缆线连接直接连接测量装置11和数据处理单元13，但是也可使用无线连接。由测量装置11获得的数据可通过网络连接(例如通过因特网)传输至数据处理单元13，或者可通过计算机可读媒介从测量装置传输至数据处理单元，所以在该情况中，在测量装置11和数据处理单元13之间没有物理连接是必须被建立。此外，提供生产线15以生产已被设计的眼用透镜元件。可将数据处理单元13直接连接至生产线15，以控制生产线15，从而根据由数据处理单元13执行的设计过程生产眼用透镜元件。当然，也可无线连接数据处理单元13和生产线15，并且也可将设计的眼用透镜元件的数据(例如存储在计算机可读媒介上)传输至生产线。参考图2，其示出了根据在先技术的制造方法16。制造方法16包含根据在先技术的设计方法18。设计方法18包含按下面的时间顺序执行的三个步骤。首先，在测量步骤19中，确定将被校正的眼睛的波前像差。在在先技术中，仅测量高达第二次的波前像差，即畸变和像散。将波前像差展开为泽尼克多项式级数，仅确定针对像差固定位相、畸变、离焦和像散的最前六个泽尼克系数。然后，执行第一视觉校正20，其中针对整个透镜孔径，确定单个第二次的视觉校正，即所谓的眼镜片处方。该眼镜片处方包含球屈光度分量、柱屈光度分量和柱轴。该眼镜片处方用作将应用于整个透镜孔径上的目标分布。在优化步骤21中，确定实际眼用透镜元件或眼用透镜元件的至少一个表面的形状，以尽可能接近地与目标分布匹配。然而，特别是在透镜的外围区域中，依赖于眼用透镜元件的实际形状，不可能在整个透镜孔径上与目标分布精确地相配。因此，将优质函数或最小二乘函数(least-squarefunction)应用来最小化与目标分布的偏差。此外，可根据视觉特性来加权各个函数的某些项。在步骤21中确定了眼用透镜元件的实际形状之后，执行生产眼用透镜元件的步骤22，在其中制造最终的实际眼用透镜元件。步骤19、20和21形成设计方法18。步骤19、20和21与步骤22 —起形成根据在先技术的制造方法16。参考图3,其示出了光线追迹示例23。
眼用透镜元件24倾斜角度25。此外，将被校正的眼睛26倾斜角度27。在眼睛26中，优选地在眼睛26的焦平面中设置参考平面28。可关于垂直于水平面29的平面、关于水平面本身或以任意形式测量角度25、27。然而，角度25、27应该反映眼睛26和佩戴位置中的透镜元件24的实际位置。针对物点30，计算通过眼用透镜元件24和眼睛26的多个光线31的光路。由此，可针对每一个单独光线测量与参考平面28中的理想像点32的像差。可对多个物点30执行相应的计算。由此，针对眼用透镜元件24上的特定点，可确定不同观察角度的像差。代替光线31，也可计算由多个平行光线31构成的波，以执行所谓的波追迹。然而，通过该技术，可以计算设计的眼用透镜元件24的波前像差。
现在参考图4，其示出了根据本发明的制造方法34和根据本发明的设计方法36的示例实施例。将设计方法36示为流程图，该流程图从测量将被校正的眼睛26的高达第一特定级次的波前像差的步骤38开始。第一特定级次例如可为三次(thirdorder)。确定眼睛26的相应像差，并且可将像差展开为具有对应于像差的对应多项式项的泽尼克多项式级数，其中每一个多项式项包含由测量步骤38确定的各自系数。随后，确定第二特定级次的第一视觉校正40作为第一目标分布。该步骤中应用的方法对应于在先技术的方法，其中确定作为校正在步骤38中确定的高达第二特定级次的波前像差的眼镜片处方的球屈光度分量、柱屈光度分量和柱轴。因此，在示例实施例中，第二特定级次是二次。所以，在步骤40中，确定单个二次眼镜片描述(description)来校正如在步骤38中确定的高达二次的波前像差。然后，在步骤42中，将眼用透镜元件24的形状实质上适配为尽可能接近地与在步骤40中确定的第一目标分布匹配。在步骤44中，确定透镜孔径的多个指定点。依照预定分布，可由光学仪器制造者手动指定这些点，或由数据处理单元13自动设置这些点。现在参考图5，其示出了样本分配46。透镜孔径48可由圆来描述。在透镜孔径48中，指定了多个点50。然而，并不必须在透镜孔径48上将点50均匀地隔开，而是可以基于人的视场特性来设置点50。此外，点50的分布可依赖于透镜的类型，即例如透镜是单个视觉透镜、双焦距透镜还是渐进透镜。返回参考图4，在步骤44中已经确定了指定点50之后，通过应用例如如图3中所示的光线追迹方法而实质上确定步骤42中适配的眼用透镜元件24的波前像差。可将相应的像差展开为具有对应系数的相应泽尼克多项式。现在，在步骤54中将高次系数相加。在本示例中，高次系数为三次多项式的系数。在步骤54中，将在步骤52中和在步骤38中确定的系数相加，以获得组合透镜-眼睛系统的高次系数。从而，现在可确定像差的目标分布，以在考虑这些组合的高次像差的情况下优化眼镜片处方。在步骤55中，针对每一个指定点50，将从步骤54获得的高次系数与通过第一视觉校正获得的低次系数相组合。该系数可为在步骤40中确定为第一目标分布的那些系数。在该情况中，针对每一个指定点的组合低次系数对应于眼镜片处方的那些系数，并且因此在每一个指定点50中是相同的。然而，在替代实施例中，使用通过适配步骤42获得的眼用透镜元件的相应低次系数。在该情况中，因为在步骤42中获得的眼用透镜元件24的表面形状不与第一目标分布精确相配，因此每一个指定点50可具有如在步骤42中所确定的、略微不同的组合低次系数。在这之后，获得了组合透镜眼睛系统的波前像差的充分描述。在步骤56中，在每一个指定点中确定二次的第二视觉校正为第二视觉分布。这意味着在每一个指定点中，优化如在步骤40和42中计算的二次视觉校正，以基于透镜-眼睛系统的组合系数最小化波前像差，根据本示例，该波前像差不仅高达二次，而且高达三次。由此，针对每一个指定点确定了理想二次视觉校正，其包含球屈光度分量、柱屈光度分量和柱轴。换句话说，在指定点50中改变在步骤40、42中获得的视觉校正，以最小化组合透镜-眼睛系统的高次波前像差。然后，在步骤58中，在每一个指定点50中，优化眼用透镜元件24的至少一个表面 的实际形状，以尽可能接近地与步骤56中确定的第二目标分布相匹配。用于设计透镜元件24的方法36现在结束。随后，将执行根据在步骤56中确定的形状生产透镜元件的步骤60，以结束本发明的制造方法34。
权利要求
1.一种用于设计眼用透镜元件(24)的方法(36)，所述方法(36)包含以下步骤 在参考平面(28)中确定(38)眼睛(26)的波前像差，其中所述眼睛(26)的波前像差能够由升序的第一多项式级数和相应第一系数描述，该第一多项式级数高达第一特定级次；和 确定(40 ；42)第二特定级次的第一视觉校正，以获得适配的眼用透镜元件(24)； 所述方法的特点在于以下步骤 在所述适配的眼用透镜元件(24)的孔径(48)上确定(44)至少一个指定点(50)； 针对所述适配的眼用透镜元件(24)的每一个指定点(50)，确定(52)在所述参考平面(28)中的高次波前像差，其中所述高次波前像差能够由升序的第三多项式级数和相应的第三系数描述，该第三多项式级数在所述第二特定级次之上，并且所述第二特定级次高达并包括所述第一特定级次； 针对所述指定点的每一个，基于高达并包括所述第二特定级次的所述第一视觉校正(40)，以及基于在所述第二特定级次之上高达且包括所述第一特定级次的第一系数和第三系数的组合，确定(54 ；56 ；58)所述第二特定级次的第二视觉校正，获得优化的眼用透镜元件(24)。
2.根据权利要求I所述的方法，其中确定第一视觉校正的步骤(40；42)包含以下步骤 确定所述参考平面(28)中的所述眼用透镜元件(24)的波前像差作为第一目标分布，以校正所述眼睛(26)的波前像差，其中所述眼用透镜元件(24)的波前像差由升序的第二多项式级数和相应第二系数描述，该第二多项式级数高达第二特定级次，其中所述第二特定级次等于或低于所述第一特定级次；以及 适配所述眼用透镜元件(24)，以尽可能接近地与所述第一目标分布匹配。
3.根据权利要求I或2中任一项所述的方法，其中确定第二视觉校正的步骤(54；56 ；58)包含以下步骤 针对每一个指定点(50)，在所述参考平面(28)中确定(54)组合的透镜-眼睛(26)系统的组合高次像差，其中所述组合高次像差能够由升序的第四多项式级数和相应的第四系数描述，该第四多项式级数在所述第二特定级次之上，并且高达且包括所述第一特定级次，其中所述第四系数等于对应的第一和第三系数的和。
4.根据权利要求3所述的方法，其中确定第二视觉校正的所述步骤(54；56 ;58)还包含以下步骤 针对每一个指定点，确定(55)组合波前像差，该组合波前像差包含所述组合高次波前像差和组合低次波如像差； 针对所述眼用透镜元件(24)的每一个指定点，确定(56)所述参考平面(28)中的最终波前像差作为第二目标分布，以校正各个指定点(50)的组合波前像差，其中所述最终波前像差能够由升序的第五多项式级数描述，该第五多项式级数高达所述第二特定级次；以及优化(58)所述眼用透镜元件(24)，以尽可能接近地与所述第二目标分布相匹配。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，对于所述指定点(50)中的每一个，所述组合低次波前像差对应于所述第一视觉校正(40)的结果。
6.根据权利要求I至5中任一项所述的方法，其中所述第二特定级次为二次。
7.根据权利要求6所述的方法，其中使用单个二次视觉校正来执行所述第一视觉校正(40)。
8.根据权利要求I至7中任一项所述的方法，其中所述波前像差由下述之一来描述泽尼克多项式级数、泰勒多项式级数和切比雪夫多项式级数。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的方法，其中确定所述第二目标分布的步骤(56)包含下述之一光瞳平面度量、点扩散函数度量和光学传输度量。
10.根据权利要求I至9中任一项所述的方法，其中通过使用波前传感器或像差计来确定(38 )所述眼睛(26 )的波前像差。
11.根据权利要求3至10中任一项所述的方法，其中通过所述眼睛(26)和所述眼用透镜元件(24)的光线追迹(23)或波追迹模型，确定针对所述适配的眼用透镜元件(24)的每一个指定点(50)的、在所述参考平面(28)中的所述组合高次波前像差。
12.一种用于制造眼用透镜元件(24)的方法(34)，其包含以下步骤根据权利要求I至11中的一项，设计(36)所述眼用透镜元件(24);生产(60)所述眼用透镜元件(24)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中使用自由形状表面生产所述眼用透镜元件(24)。
14.一种包括程序代码单元的计算机程序产品，当在计算机上执行所述计算机程序产品时，所述程序代码单元执行根据权利要求I至13中任一项所述的方法的步骤。
全文摘要
本发明涉及一种用于设计眼用透镜元件(24)的方法(36)，所述方法(36)包含以下步骤在参考平面(28)中确定(38)眼睛(26)的波前像差，其中所述眼睛(26)的波前像差能够由升序的第一多项式级数和相应第一系数描述，该第一多项式级数高达第一特定级次；确定(40；42)第二特定级次的第一视觉校正，以获得适配的眼用透镜元件(24)；在所述适配的眼用透镜元件(24)的孔径(48)上确定(44)至少一个指定点(50)；针对所述适配的眼用透镜元件(24)的每一个指定点(50)，确定(52)所述参考平面(28)中的高次波前像差，其中所述高次波前像差能够由升序的第三多项式级数和相应的第三系数描述，该第三多项式级数在所述第二特定级次之上，并且所述第二特定级次高达并包括所述第一特定级次；针对所述指定点的每一个，基于高达并包括所述第二特定级次的所述第一视觉校正(40)，以及基于在所述第二特定级次之上高达且包括所述第一特定级次的组合的第一和第三系数，确定(54；56；58)所述第二特定级次的第二视觉校正，获得优化的眼用透镜元件(24)。此外，本发明涉及用于制造眼用透镜元件的方法、计算机程序产品和用于执行所述方法的系统。
文档编号G02C7/02GK102947747SQ201180030406
公开日2013年2月27日 申请日期2011年4月19日 优先权日2010年4月20日
发明者D.梅斯特, T.克拉策, J-M.卡贝扎-吉伦, R.S.斯普拉特, M.韦尔舍, G.凯尔克, H.韦特肖克 申请人:卡尔蔡司视觉国际有限责任公司, 卡尔蔡司视觉股份有限公司