渐变附加镜片的制作方法

专利名称：渐变附加镜片的制作方法
技术领域：
本发明涉及眼科镜片。具体地说，本发明提供降低像散的眼镜镜片。
使用眼镜来校正屈光不正是公知的。例如使用渐变附加镜片(progresive addition lenses)(PAL)来治疗屈光不正。在PAL的前表面或凸表面上形成三个区域远视区，其折射光焦度(power)适于远视；近视区或附加光焦度区，其折射光焦度适于近视；以及在远视区和近视区之间的中间区域，其折射光焦度适于观看中间距离。
在例如PAL的眼科镜片中固有的一种像差是由一个或多个镜片表面所引起的像散，或镜片像散。在PAL中，例如镜片前表面的设计通常由于需要形成远视区和由中间区连接的具有最大宽度的附加区而受到限制，该中间区服从如下的条件f(x，y，z)是连续的f(x，y，z)/(x，y)是连续的；以及2f(x，y，z)/(x2，y2，xy)在所有的x，y，z的范围内是连续的。这种表面不可避免地将像散带入镜片中。通常，镜片的后表面或凹表面并未用于对由前表面引起的像散进行补偿，而实际上，这也成为镜片像散的原因。相反，后表面通常是球面或复曲面，意在与前表面相结合以便保证戴镜者所需的配镜处方。
已经尝试很多镜片设计方案来降低镜片像散。然而，虽然已知的一些设计方案使像散有一些轻微降低，但由于像散使在镜片周边的很大的区域仍未能利用。


图1是本发明的镜片的前表面的示意图。
图2是本发明的镜片的补偿表面的平面图。
图3是本发明的镜片的一个实施方案的侧视图。
图4表示本发明的镜片的前表面的整个光学区域光焦度的径向分布。
图5是本发明的镜片的补偿表面的平面图。
图6是本发明的镜片的补偿表面的平面图。
本发明提供镜片，及其设计和制造方法，其中降低了镜片像散，即由一个或多个镜片表面引起的像散。对本发明，“镜片”是指任何眼科镜片，包含但不局限于眼镜镜片、接触镜片(无形眼镜)、眼内镜片等。本发明优选的镜片是眼镜镜片，更为优选的是该眼镜镜片是渐变附加镜片，或者是这样一种镜片其中的一个或多个表面形成其折射光焦度适于远视、近视和中间距离观看的区域。
在本发明的镜片中，是通过利用补偿表面实现降低镜片像散的，该表面对由一个或多个其它镜片表面引起的像散进行补偿。“补偿”是指镜片像散的降低量为镜片的标称附加光焦度或者所需附加光焦度的约15％或者更大；约25％或者更大更好，约35％或者更大最好。在一个实施方案中，本发明包含和基本上由和由这样一种镜片组成，该镜片具有由至少镜片的一个表面所引起的像差，该镜片包含和基本上由和由前表面和对镜片像散进行补偿的补偿表面组成。
本发明的镜片可由任何公知的适用于其结构的材料构成。如果镜片由均质的成分构成，意味着镜片材料具有均匀的折射系数，补偿表面可以是镜片的后表面。例如，镜片可以具有复曲面的、非球面的补偿表面，经设计以补偿由前镜片表面引起的像散。
另外，镜片可以是多层的，补偿表面在前后镜片表面之间。因此，在另一实施方案中，本发明包含和基本由和由这样一种镜片组成，该镜片具有由至少一个镜片表面所引起的像散，该镜片包含前表面，后表面和用于对镜片像散进行补偿的补偿表面。后表面可以具有任何所需的形状，例如球面的、非球面的、圆柱面的或者复曲面的形状。
本发明的镜片由这样一种方法制造，该方法包含和基本由和由如下步骤组成；a)将镜片前表面分成第一组若干区段，该若干区段中的每一区段其尺寸适合于具有Zernike系数的10阶x、y多项式，以便确定每一区段的几何形状；b)形成一个补偿表面，该补偿表面被分成第二组若干区段，其尺寸适用于具有Zernike系数的10阶x、y多项式以便确定每一区段的几何形状以及c)对补偿表面进行最优化以降低镜片像散。
虽然，用于设计和制造镜片的方法可以用于设计任何镜片，但将会发现本发明特别实用于例如PAL的具有产生像差表面的镜片。通常，在PAL中，这一表面是前表面，不过也可以是后表面。
本发明的设计方法开始于利用本技术领域中的任何一种公知的方法对前表面的三维描述。前表面可以包含PAL所需的曲率，并分成远视、近视和中视区，中视区沿远视区到近视区的眼光路有渐变的折射光焦度。
在本发明中，前表面被分成或被分割为许多区段，如在图1中如101至125所示。每个区段的几何形状是根据具有Zernike系数的10阶x、y多项式确定。该区域或区段的数目是以每个区段可覆盖的最大面积来将总的表面面积进行分割确定的。本技术领域的普通技术人员将会认识到，这一最大面积或区段大小将取决于所涉及的表面部分以及考虑到可适当地利用具有Zernike系数的10阶x、y多项式模型化的最大面积。因此，该区段的最大面积，例如从远光焦度区到中间区可以是变化的。
计算每个多项式的系数，以便提供所需的光焦度分布，并使像散降到最小，还提供横向区段边界的下垂度或深度等。利用任何一种公知的方法。例如利用市售的光学设计软件可以计算这些系数。
参阅图1，前表面的X和Y座标轴是彼此正交的，在原点与镜片表面相切。表面的下垂度Z垂直于x、y平面。利用任何公知的优选法例如市售的优选软件可以得到10阶多项式。准确的多项式将取决于施于对限定每一优选任务的边界条件的各种规定参数的权重。这些边界包含但不局限于下垂度和与相邻区域的斜率连续性、Zernike系数的最小值、光焦度的变化等。通过将较大的权重施于任一指定的规定参数，对该目标实现最优化。例如，如果下垂度连续性限制降低，可以得到具有降低的像散的区段。
关于本发明的镜片的前表面的各区段之间的下垂度不一致或不连续性最好在约从0至0.01微米范围内。如在图1中所示采用总共25个区域，覆盖半径为23毫米的圆形区域。
通常，前表面是根据一具有足够光焦度的基本球形表面来定义的，以便提供所需的远视校正。将与在每点上所需的附加的光焦度相对应的下垂度附加于基准球面上。本发明发现，使用阶数低于10的多项式会使各区段衔接不良。此外发现，阶数高于10的多项式带来的问题是难于实现最优化和需要大量的计算。
于是提供一补偿表面。将补偿表面分成为很多区段，如图2中所示。按照前表面一样确定各区段的数目和几何形状。
补偿表面的目的是镜片像散的降低量为镜片标称附加光焦度的约15％或其以上，约25％或其以上更好，35％或其以上最好。补偿表面是根据基准球面和按照所需的补偿距球形度的偏移逐点地确定的。补偿表面中的每个区段的几何形状是利用按对于前表面所介绍确定的具有Zernike系数的10阶x、y多项式以及利用一种优选法确定的，例如一种方法，它包含通过选择一定瞳孔直径的光线跟踪操作，以及然后对在优化开始之前构成的图像表面上的图像的尺寸和形状进行测量。然后将补偿表面优化，以便降低镜片像散。本技术领域的技术人员将会认识到，在本技术领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“普通光学和光学设计”(1997)中所介绍的，引此供参考。
例如，可以将各测试函数与前表面几何形状相结合并进行优化，以便将控制像散的Zernike系数最小化。可以利用任何公知的方法，例如使用光学设计软件和将适当的权重施加到控制像散的Zernike系数来实行优化。另外，该优化是通过利用标准函数使每一补偿表面区段优化，而在眼部旋转点建立一图像表面来实现的，该优化包含在该图像平面处的图像质量或光点尺寸以及最直接控制像散的Zernike系数。
也可以对结构方案例如作为x、y座标的函数的光焦度，以及棱镜加以附加限制。在每一区段的边界处的每一多项式的下垂度可以是使连续补偿表面形成不连续。术语不连续意味着在各区段之间的下垂度的不一致约为2微米或者更大。术语连续表面意味着不一致小于约2微米。最好采用连续表面。可以提出其它限制参数，以保证光焦度的斜率、像散和棱镜是连续横区段边界。
设计补偿表面以便对前和/或后表面上的径向对称和径向不对称的像差提供非球面径向对称的校正或径向不对称的校正或两者的校正。另外，设计补偿表面，以便提供非球面径向不对称校正，同时使用后表面以便提供径向对称的校正。
在本发明的镜片中，如果除了多焦点附加光焦度，以外还需要复曲面校正，则镜片的后表面必须设置对控制经线以特定角取向的复曲面轴。在这种情况下，补偿表面不能构成为镜面的后表面，因为后表面不能对镜片像差提供补偿。因此，在这些情况下，在前后表面之间的一个或多个补偿表面提供对所有的镜片像差的补偿。
在本发明的一个实施方案中，倘若无需复曲面校正，在涂覆任何涂层之前，补偿表面可以构成后镜片表面。补偿表面也可以提供径向对称非球面校正，以便使球面畸变降到最少，以及进一步提高图像质量。本技术领域的普通技术人员将会认识到，补偿表面的形状或者由用作镜片后表面的表面或者由在前后表面中间的一个表面确定的。
本发明的镜片的后表面是通过根据两个曲率半径限定该表面提供的，该半径对应于基准曲线和复曲面曲线以及根据锥形截面限定的径向非球面组成部分。利用具有Zernike系数的10阶x，y多项式确定的各区段来设计后表面，正如前表面和补偿表面的情况下一样。选择后表面的基准曲线，以便提供按照配镜处方所需的球面校正，除了提供校正球面和复曲面光焦度以外，后表面可以是非球面的，以便提供对Zernike系数的较高阶的校正，例如对于彗形像差的三阶校正，或对于球面像差的四阶校正。本技术领域的普通技术人员都知道，视网膜上的图像的质量明显受到由于较高阶Zernike系数所引起的像差的畸变的影响，此外还受控制散焦和像散的较低阶系数影响。
本发明的镜片可以由任何常规的方法制造。最好，镜片是通过加工具有特定几何形状的前表面和具有所需几何形状的补偿表面来制造。用于构成本发明的镜片的光学材料可以是任何可熔化处理的热塑性树脂，包含但不局限于双酚-A的聚碳酸酯，或者是一种热固性树脂，包含但不局限于二甘醇双烯丙碳酸酯。利用任何公知的方法，例如注入、压制、或者浇注模压或其结合，并利用任何方便的聚合方式使该材料形成为镜片。
在除了补偿表面以外还形成后表面的情况下，可以利用任何已知的方法制成镜片。最好，将一种预成形片(即具有所需几何形状的前表面和补偿表面)，以其凹形表面与一复曲面模具相邻接，该模具的模压表面设计成提供所需的后表面几何形状，例如复曲表面、非球表面。在该预成形片和模具之间的空间填充一种可聚合的树脂，然后进行聚合以便形成一种永久附着到该预成形片上的刚性附着层。在开始聚合之前可以调节在前表面上的主经线和模具的复曲面轴线之间的角度取向，以使形成的复曲面轴呈所需取向。在一优选实施方案中，后表面仅提供复曲面校正，虽然本技术领域的普通技术人员会认识到，通过对后表面附加表面注模，可以附加所需的几何特性。
在本发明的另外一个实施方案中，形成一由前表面和补偿表面界定的层，其是利用高折射系数(意指折射系数至少1.57)的光学材料形成的。适宜的材料包含但不局限于聚碳酸酯、掺有高折射系数单体的热固性材料，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异丁酸酯分端的单体例如烷氧基化的双酚A单-和双丙烯酸酯丙烯酸酯分端的芳族聚氨酯、芳族环氧化物、或者热固性材料，例如芳族聚醚、多硫化物，以及聚醚酰亚胺。形成以补偿表面和后镜片表面界定的第二层，其是由折射系数约小于1.57的材料形成的。由补偿表面提供的补偿效果将取决于这两层的折射系数之差。按由补偿所需的下垂度测量的与球面的偏差随各层的折射系数的差而增加。在该实施方案中，利用前表面和补偿表面的层边界，可以提供某些或者全部所需的球面光焦度，以及利用补偿表面和后表面的层边界可以提供复曲面光焦度。最好所采用的折射系数的差为最大值，考虑所选择的材料及需将界面反射降到最少就可达到。
按照本发明的另一个实施方案，用于补偿表面所需的某些或全部补偿作用可以包含在前表面中。后表面由其折射系数至少为1.57的材料形成使得在两层之间的折射系数差值降低得较少。
这种镜片可通过模压、浇注，或者对光学预成形片的前表面进行研磨形成，它的几何形状提供某些或者全部所需的球面光焦度及附加光焦度。预成形片的凹形表面形成补偿表面，该表面是通过模压、浇注、或者研磨以形成所需的补偿几何形状。预成形片材料的折射系数至少1.57。利用任何便利的方法在预成形片上形成后镜片表面，最好是提供一个模具以及通过位于在凹形预成形片表面和模具表面之间的树脂层聚合形成该表面。树脂的折射系数的选择以提供由前表面和补偿表面的层边界和由镜片的补偿表面和后表面的边界之间的折射系数所需的差值。
在本发明的另一个实施方案中，利用一个或多个补偿表面来降低该表面的反射，并提供对色差的校正，如图3中所示。参阅图3，形成前表面31，第一补偿表面32和第二补偿表面33。后表面34提供复曲面校正。用于第二补偿层33的材料可以进行选择，以使具有的色散与用于第一补偿层32的材料的色散相反。适用于校正色散的材料是这样一些材料，即其包含在近红外波长下具有强吸收性的载色体，而在可见光波长范围内则几乎没有或无光吸收，这些材料的实例包含但不局限于在900到1000纳米范围内呈现强配体场吸收特性的萘菁类(naphthalocyanins)以及具有近红外配体场吸收特性的d2到d4金属配合物，例如Fe2+，Co2+，Ni2+螯合物等。最好利用一个以上的补偿表面来校正色差。
在另一个实施方案中，为了进一步降低在各区段中的像散，可以选择性地去掉在补偿表面的各相邻区段之间提供下垂度连续性的限制。重要的是保证所形成的下垂度不连续不会引起棱镜跳跃达到不可容许的程度，这是在优化过程中调节附加到棱镜不连续性的最小化上的权重，直到该不连续性等于或者小于约0.5屈光率单位实现的。
在另一个实施方案中，采用一个或多个补偿表面，所有的表面是连续的、不连续的、或者是其组合的。在另一个实施方案中，每个补偿表面由连续的和不连续的部分组成。
通过分析如下的非限定性实例，可以进一步阐明本发明。
实例实例1设计本发明的镜片的前表面，通过将23毫米直径的表面如图1所示分成25个区段101～125。每个区段是根据如在表1中所示的10阶、Zernike系数限定的。调节附加到在各区段边界的下垂度不连续性的最小化的权重，直到使下垂度不连续性为0.01微米。在表1列出了适用于区段101的10阶多项式的系数。在图4中表示在前表面的光学区域的整个范围内的半径分布。使用一种市售光学设计软件Code V，其可由Optical Research Associates(光学研究协会)，Pasadena California购得，以便使这种镜片的光学性能参数模型化以及按照需要标定该下垂度值，从而将附加光焦度的数值由2.00改变到1.75屈光率单位。
表1
图5表示构成本发明的补偿表面的各区段的x，y座标。区段51包含镜片的光学中心，是通往球面部分的具有混合区的通道。区段52是远视区，为左部球面。区段51是利用在表2中所示的10阶多项式描绘的，而表2是通过对这些区段优化而得到的，以便形成最小像散，以及如上所述在图像表面得到最佳图像质量。该优化方案对在顶点y＝10.0的直线处的下垂度限制系数给以特定权重，即利用在表1中所示的连续性条件的二阶导数、Zernike系数和在图像表面形成的图像的光点尺寸。具有通道区段602的下垂度连续性维持在0.01微米。表2列举了该描述区段53的多项式的系数。各侧翼、区段54和55是利用下垂度、斜率、Zernike系数以及在图像表面上的光点尺寸优选的10阶多项式。
表2
实例3在图6中表示本发明的不连续的补偿表面，或者具有的下垂度不连续超过约2微米的表面。用区段601和通道602表示球面区，其具有一上混合区。区段601呈球面状，而区段602是由10阶多项式描述的，该多项式是通过对这区段优化以便使像散最小和在图像表面处图像质量最佳从而得到的。该优化方案对在顶点y＝10.0的直线处的下垂度限制参数给以特定权重，即利用在表1所示的连续性条件的二阶导数、Zernike系数，在图像表面形成的图像的光点尺寸。与之相似，附加光焦度区区段603是由维持通道区段602的下垂度不连续低于0.01微米的10阶多项式描述的，各侧翼、604和613是利用根据下垂度限制参数的权重优化的水平条，使得下垂度不连续能提高到为15微米的最大规定值，同时限制一阶导数以及二阶导数以及Zernike系数，放松关于棱镜连续性的权重，以便使棱镜不连续能高达为0.25屈光率单位的最大值。
权利要求
1.一种镜片，其具有由镜片的至少一个表面所引起的像散，该镜片包含前表面和补偿表面，其中补偿表面补偿该镜片像散。
2.如权利要求1所述的镜片，其中该补偿表面是连续的表面。
3.如权利要求1所述的镜片，其中该补偿表面是不连续的表面。
4.如权利要求1所述的镜片，其中的补偿表面包含若干区段。
5.如权利要求6所述的镜片，其中若干区段的每个区段是由具有Zernike系数的10阶x，y多项式限定的。
6.如权利要求1所述的镜片，还包含至少一个附加的补偿表面。
7.如权利要求8所述的镜片，其中至少一个补偿表面是不连续的表面。
8.一种渐变附加软焦点镜片，具有由至少一个镜片表面引起的像散，该镜片包含前表面和包含若干区段的不连续表面，其中每个区段是由具有Zernike系数的10阶多项式限定的。
9.一种渐变附加软焦点镜片，具有由至少一个镜片表面所引起的像散，该镜片包含前表面和包含若干区段的连续补偿表面，其中每个区段是由具有Zernike系数的10阶x，y多项式确定的。
10.一种用于形成镜片的方法，包含的步骤有a)将镜片的前表面分成为第一组若干区段，该若干区段中的每个区段的尺寸适合于具有Zernike系数的10阶x，y多项式，以便限定关于每个区段的几何形状；b)形成一个补偿表面，该补偿表面分成为第二组若干区段，各区段的尺寸适合于具有Zernike系数的10阶x，y多项式，以便限定关于每个区段的几何形状；以及c)对补偿表面进行优化，以便降低镜片的镜片像散。
全文摘要
本发明涉及眼科镜片,具体地说,本发明提供降低像散的眼用镜片。该镜片包含表面和补偿表面,其表面几何形状是由其尺寸适合于由具有Zernike系数的10阶x,y多项式限定的各区段确定的。
文档编号G02B3/00GK1246323SQ9911183
公开日2000年3月8日 申请日期1999年7月30日 优先权日1998年7月30日
发明者R·A·奇普曼, P·J·里尔登 申请人:庄臣及庄臣视力产品有限公司