高清晰度和扩展景深人工晶状体的制作方法

高清晰度和扩展景深人工晶状体
1.优先权要求
2.本技术要求2019年4月10日提交的题为“高清晰度和扩展景深人工晶状体”的美国专利申请16/380,622的优先权。上述参考申请的内容通过引用整体并入本文。


背景技术：

3.人眼经常遭受诸如散焦和散光之类的像差，必须对其进行校正，以提供可接受的视力以维持高质量的生活。这些散焦和散光像差的校正可以使用镜头来完成。晶状体可以位于眼镜平面、角膜平面(隐形眼镜或角膜植入物)，或作为有晶状体(晶状体完好)或无晶状体(去除晶状体)人工晶状体(iol)置于眼内。
4.人眼除了散焦和散光的基本像差外，还经常具有球面像差等高阶像差。色差，即由于在可见光谱范围内随波长变化而引起的像差，也存在于眼睛中。这些高阶像差和色差会对人的视觉质量产生负面影响。高阶像差和色差的负面影响随着瞳孔尺寸的增加而增加。去除了这些像差的视觉通常被称为高清晰度(hd)视觉。
5.老花眼是眼睛失去聚焦不同距离的物体的能力的情况。无晶状体眼有老花眼。植入无晶状体眼的标准单焦人工晶状体将恢复单个焦距的视力。为了在一定距离范围内提供良好的视力，可以应用多种选择，其中包括使用单焦点人工晶状体与双焦点或渐进附加眼镜相结合。单眼人工晶状体系统是恢复近距和远距视力的另一种选择
‑
一只眼睛与另一只眼睛的焦距设置不同，从而提供两个焦点的双眼总和并提供混合视力。
6.单一视力(monovision)是目前最常用的老花眼矫正方法，通过iol矫正远视的优势眼和近视的非优势眼，试图实现从远到近的无眼镜双眼视觉。此外，iol可以是双焦或多焦的。大多数人工晶状体设计成具有一个或多个分布在附加范围内的焦点区域。然而，使用具有一组离散焦点的元件并不是唯一可能的设计策略：也可以考虑使用具有扩展景深(edof)的元件，即产生跨越所需添加的连续焦段的元件。这些方法并不完全可以接受，因为来自各个焦点区域的杂散光会降低人的视力。
7.本领域需要改进的虚拟光圈iol来克服这些限制。


技术实现要素：

8.本发明公开了一种集成到人工晶状体(iol)中的虚拟光圈。该结构和布置允许与虚拟光圈相交并广泛散射在视网膜上的光线，从而实际上阻止光到达视网膜上的可检测水平。虚拟光圈有助于消除单色和色差，产生高清视网膜图像。对于可接受视力的给定定义，景深在更大直径的光学区iol上增加。患有白内障的眼睛可能会因受伤、先前的眼科手术或正常iol设计无法很好矫正的眼部疾病而出现继发性问题。有并发症的眼睛的例子包括：不对称散光、圆锥角膜、术后角膜移植、不对称瞳孔、非常高的散光等。由于它能够去除不需要的像差，我们的虚拟光圈iol设计将非常有效地提供与正常大光学iol相比的增强视力。
9.本发明的一个目的是教导一种制造更薄iol的方法，因为光学区可以具有更小的直径，这允许更小的角膜切口和更容易的植入手术。患有白内障的眼睛可能会因受伤、先前
的眼科手术或正常iol设计无法很好矫正的眼部疾病而出现继发性问题。有并发症的眼睛的例子包括：不对称散光、圆锥角膜、术后角膜移植、不对称瞳孔、非常高的散光等。由于其去除不需要的像差的能力，所公开的虚拟光圈iol设计与正常的大光学iol相比在提供增强的视觉方面是有效的。
10.本发明的另一个目的是教导一种虚拟光圈iol，其表现出减少的单色像差和色差，以及扩展的景深，同时在选定的距离范围内为图像的分辨率提供足够的对比度。
11.本发明的又一目的是教导一种虚拟光圈iol，其与其他同等倍数的iol相比提供更小的中心厚度。
12.本发明的另一个目的是教导一种虚拟光圈，其可以实现为交替的高倍正负透镜分布。
13.本发明的又一个目的是教导一种可以实现为高倍负透镜表面的虚拟光圈。
14.本发明的另一个目的是教导一种虚拟光圈，其可以结合交替的高倍正和负透镜分布来实现为高倍负透镜表面。
15.本发明的又一个目的是教导一种虚拟光圈，其可以结合交替的高倍正和负透镜分布来实现为棱镜分布。
16.本发明的另一个目的是通过提供一种有晶状体或无晶状体人工晶状体来克服这些限制，其同时：提供散焦和散光的校正，减少高阶和色差，并提供扩展的景深以改善视力质量。
17.本发明的另一个目的是教导一种可用于有晶状体或无晶状体iol、角膜植入物、隐形眼镜或用于角膜激光手术(lasik、prk等)程序的虚拟光圈，以提供扩展的景深和/或提供高清视野。
18.本发明的又一目的是为具有并发症如不对称散光、圆锥角膜、术后角膜移植、不对称瞳孔、非常高散光等的眼睛提供iol。
19.本发明还有一个目的是提供一种能够去除不需要的像差以提供与正常大光学iol相比增强的视力的iol。
20.本发明的另一个目的是教导用实际不透明光圈替换虚拟光圈并实现与虚拟光圈相同的光学益处。
21.与本发明相关联的其他目的和进一步的优点和益处对于本领域技术人员来说将从随后的描述、实施例和权利要求中变得明显。
附图说明
22.图1示出了使用瞳孔大小减小单色像差的基本方法；
23.图2(a&b)示出了使用瞳孔尺寸减小色差的基本方法；
24.图3(a&b)示出了虚拟光圈限制有效瞳孔大小的基本概念；
25.图4示出了作为集成到iol中的高倍透镜部分的虚拟光圈；
26.图5示出了作为负透镜部分的虚拟光圈；
27.图6(a&b)示出了作为结合高倍透镜部分的负透镜(或棱镜)部分的虚拟光圈；
28.图7(a&b)说明使用虚拟光圈来防止小视区的负面影响；
29.图8示出了椭圆形光学区的镜片a示例和圆形光学区的镜片b示例；
30.图9示出了方位角对称的径向分布；
31.图10示出了比较元件a、b、c、d和e的对称径向分布；
32.图11图示了二维透镜区域；和
33.图12图示了二维高倍率透镜之一的几何形状。
具体实施方式
34.本文公开了本发明的详细实施例；然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，其可以以各种形式体现。因此，在此公开的具体功能和结构细节不应被解释为限制，而仅作为权利要求的基础和作为教导本领域技术人员在实际上任何适当详细结构中以各种方式应用本发明的表示基础。
35.图1图示了以光轴2为中心的单个会聚透镜1。入射光线3平行于光轴并且将与透镜的焦点4相交。如果观察平面5位于距焦点更远的距离处，则入射光线将继续直到它与观察平面相交。如果我们用与入射光线3相同的光线高度跟踪所有入射光线，我们将在观察平面上定位一个模糊圆6。光线高度小于入射光线3的其他入射光线将落入该模糊圆6内。其中一种光线是比入射光线3更靠近光轴的入射光线7。入射光线7也与焦点4相交，然后与观察平面5相交。追踪光线高度等于入射光线7的所有入射光线，追踪出比模糊圆6小的模糊圆8。
36.这里表示的光学原理是随着平行入射光线的高度降低，相应的模糊圈也随之降低。这种简单的关系适用于人眼。换句话说，对于眼睛中给定的散焦量(光焦度误差)，随着入射光线的高度降低，视力得到改善。当有人眯着眼睛试图更清楚地看到失焦的物体时，就会使用这个原理。
37.图1中的轨迹是针对单一波长的入射光。对于多色光，在这种情况下为三个波长，我们有图2中的情况。众所周知，眼睛的组成部分和典型的光学材料一样，随着波长的增加，折射率会降低。在图2a中，会聚透镜21具有光轴22。入射光线23由蓝色(450nm)、绿色(550nm)和红色(650nm)光的三个波长组成。由于三个波长的折射率不同，蓝色光线24比绿色光线25折射得更多，绿色光线比红色光线26折射得更多。如果绿色光线聚焦，然后它将在光轴处穿过观察平面27。这三种光线的色散导致观察平面上的色度模糊圈28。在图2b中，入射色线29的光线高度低于2a中的色线23。这导致在观察平面处较小的色度模糊圈33。因此，就像图1的单色一样，随着彩色光线高度的降低，彩色模糊也随之减少。
38.图1和图2说明降低光线高度(降低瞳孔直径)会降低视网膜处的单色像差和色差，从而提高视觉质量。另一种描述方式是，景深随着光线高度的降低而增加。
39.图3a示出了具有光轴2和光圈35的会聚透镜34。入射光线36穿过光圈并因此穿过透镜焦点37并与观察平面38相交，在该处它追踪小的模糊圆39。入射光线40被光圈挡住了，因此不能继续到观察平面形成更大的模糊圈41。限制入射光线高度的光圈减少了观察平面上的模糊。在图3b中，我们说明了我们所描述的“虚拟光圈”。也就是说，它并不是真正阻挡光线的光圈，但光学效果几乎相同。通过虚拟光圈42传播的光线43被广泛地展开，因此在观察平面上的任何一个点处对杂散光(模糊光)的贡献很小。这是iol发明的主要操作机制。偶尔，在白内障手术和人工晶状体植入后的几个月到几年内，一种称为后囊混浊(pco)的疾病会在透明的后囊上发展，并会影响视力质量。据报道，在接受白内障手术和人工晶状体植入术的眼睛中，pco的发生率为5％至50％。去除pco的治疗通常包括使用nd:yag激光进行后囊
切开术。在这种情况下，激光通过iol聚焦以执行囊切开术。如果虚拟光圈是不透明的，例如真实光圈，则该处理将被禁止。所公开的虚拟光圈被有意设计为提供小光圈的好处，同时允许yag囊切开术治疗pco。
40.图4图示了采用虚拟光圈的iol的基本布局。在该图中，中央光学区46提供对散焦、散光和透镜所需的任何其他校正的校正。通常，对于使用虚拟光圈的人工晶状体，其中心光区直径小于传统人工晶状体。这导致更小的中心厚度，这使得人工晶状体更容易植入并且允许在手术期间更小的角膜切口。虚拟光圈48位于更远的外围并且iol触觉元件50位于远外围。虚拟光圈通过过渡区47连接到光学区，触觉元件通过过渡区49连接到虚拟光圈。过渡区47和49被设计成确保表面的零阶和一阶连续性过渡区的一侧。实现这一点的常用方法是多项式函数，例如三次贝塞尔函数。诸如这些的转变方法是本领域技术人员已知的。
41.在优选实施例中，虚拟光圈区48是一系列高倍正和负透镜分布。因此，与该区域相交的光线在iol下游广泛分散。只要整个区域正确地重定向和/或分散折射光线，这些分布就可以实现为连续圆锥曲线、多项式(例如贝塞尔函数)、有理样条、衍射分布或其他类似的分布。首选使用是平滑的高倍分布而不是衍射分布，因为这简化了在高精度车床上或使用模具制造iol。如本领域技术人员所知，触觉元件的后侧应包括方形边缘以抑制导致后囊混浊的细胞生长。
42.图5示出了虚拟光圈区51的另一分布，即发散透镜分布。请注意，这需要比图4中的方法更厚的边缘分布。在图6a中，我们展示了首选的高倍交替正负透镜分布以及入射和透射光线的特写。图6b说明了将6a中的分布与下面的棱镜或负透镜组合的效果。在这种情况下，出射光线不仅被广泛散射，而且它们被引导远离眼睛的黄斑或视网膜的中央视觉部分，同样以更宽的晶状体边缘为代价。
43.图7a示出了高倍iol60，通常具有相对小的光学直径和大的中心厚度。当眼睛的瞳孔大于光学区时，入射光线64可以完全错过光学元件，并且仅在到达视网膜63的途中与触觉元件61相交。这种情况会在眼睛的周边视觉中造成明显的伪影。如预期与视区相交的入射光线62被正确地折射到视网膜的中央视觉。在图7b中，我们图示了相同的光学器件，但现在在光学器件和触觉元件之间具有虚拟光圈65。在这种情况下，在光学区外与晶状体相交的入射光线64分散在视网膜上，不会造成明显的伪影。
44.综合起来，结合了虚拟光圈的iol的这些特性可以准确地描述为高清晰度(hd)和扩展的景深(edof)。
45.虚拟光圈iol的基本布局如图4所示。在优选实施例中，中心光学区46的直径为3.0mm，虚拟光圈48的宽度为1.5mm。因此，中央光学区和虚拟光圈的组合是直径为6.0毫米的光学器件，类似于常见的市售iol。
46.球面、复曲面和零像差视区。很大一部分白内障患者的角膜有散光。去除晶状体后，散光角膜眼的剩余光学系统最好用复曲面或散光镜片矫正。对于这些患者，我们晶状体的中央光学部分被制成复曲面以提供更好的视力矫正。此外，即使光学部分很小，仍有一些球面像差可以校正。因此，最佳矫正光学区将为所有镜片提供球面像差矫正，并为那些患有角膜散光的患者提供复曲面矫正。
47.本领域技术人员通过在与眼睛的角膜散光度数对齐的两个主要方向上提供两个主要度数来容易地进行复曲面校正。
48.通过在透镜的一个或多个表面上采用圆锥分布来校正球面透镜或复曲面透镜的球面像差。据说这样的镜头具有零像差，因为对于同轴的远距离物体，镜头中的单色像差为零。圆锥分布的顶端半径ra像往常一样计算出所需的镜片近轴光焦度。然后根据透镜材料的折射率、透镜中心厚度以及透镜的前表面和后表面的形状来选择圆锥常数k。
49.在校正是散光的情况下，透镜表面形状中的至少一个是双圆锥形的，在两个正交的主方向上具有圆锥形分布。在优选实施例中，复曲面镜片具有相等的双凸面设计，其中每个表面都是双锥面。非复曲面光学元件具有相等的双凸面设计，其中每个表面都是圆锥面。在双圆锥或圆锥表面的情况下，表面的最佳圆锥常数k是使用本领域技术人员已知的光线追踪来确定的。
50.多个焦点。一些患者可能更喜欢多焦点光学器件，为特定距离提供视力矫正。一个例子是双焦光学器件，它通常为近距和远距视觉提供聚焦能力。另一个例子是为近、中和远视力提供聚焦能力的三焦光学器件。在任一情况下，为了实现多焦点iol，光学区域被修改以使用折射或衍射光学区域产生这些焦点区域，并且虚拟光圈保持在最后一个焦点区域之外。
51.在一些应用中，虚拟光圈可以表现为环形区域，在该环形区域的每一侧具有光学区。环形虚拟光圈的形状也可以是自由形式，例如以适应散光光学区或非对称触觉元件区域。这在图8中进行了说明。在该图中，透镜a表示一个椭圆形的光学区域，因此虚拟光圈的内部分布必须适应该形状。内部触觉元件区分布是圆形的，因此外部虚拟光圈分布是圆形的。在此图中，镜头b将光学区域描绘为圆形，因此虚拟光圈内分布是圆形。内部触觉元件分布是椭圆形的，因此外部虚拟光圈分布是椭圆形的。在每种情况下，每个区域之间都有过渡区域以平滑地连接这些区域，从而不会将视觉伪影引入眼睛。或者，过渡区域可以具有可变宽度，使得内部和外部虚拟光圈分布可以是任何期望的形状。
52.这里考虑的iol设计可以由通常用于iol的任何生物相容性光学材料制成，包括硬材料和软材料。它们也可以使用cnc机器或模具或用于制造iol的其他方法制造。虚拟光圈可以实现为在方位角方向对称的一维分布或实现微小透镜区域的二维分布。
53.在图9中，示出了方位角对称的径向分布。分布可以全部相同或在方位角方向上进行调整。这些分布本质上可以是折射的或衍射的。尽管图示了八个不同的径向分布，但径向分布在方位角方向上是连续的。径向分布可以具有交替的正光焦度和负光焦度、全部为正光焦度或全部为负光焦度部分。所有电源区域之间的连接都是平滑的，以防止视觉伪影。
54.在图10中，示出了其他对称径向分布，包括平面、负光焦度和斜坡底部形状的组合，除了或代替图8中所示的高倍曲线。参考图10，元件a描绘了简单的平面底座形状。在图10中，元件b描绘了负光焦度基础形状。这种通常为负的光焦度曲线分布可以由球体、圆锥或更高阶曲线(例如多项式)的一部分来表示。图10，元件c描绘了元件b的分段负光焦度分布，其中曲线已被分段类似于菲涅耳透镜，以保持整体透镜厚度较小。图10，元件d描绘了斜坡底座形状分布，而图10，元件e描绘了斜坡底座形状的分段版本，其中斜坡已被分段类似于菲涅耳透镜，以保持整体透镜厚度较小。尽管元件c和e的分段分布以明显的不连续性进行说明，但实际上，段的边界是使用平滑函数(例如圆角或贝塞尔曲线)来实现的，以防止由尖锐的不连续性引起的可观察到的伪影。此外，如本文中别处所述，平滑过渡区域位于视区和虚拟光圈之间。这些基本形状可以与高倍特征结合使用或代替高倍特征使用，以提高虚
拟光圈的有效性。
55.图11图示了以极坐标采样定向的二维透镜区域。高倍率镜片在径向和方位角方向上以正负光焦度交替。图中显示了两个正光焦度镜片和两个负光焦度镜片。这些二维极光透镜的实际几何形状是径向分布的数量级。
56.或者，二维高倍透镜可以全部为正透镜或全部为负透镜。在这种情况下，高倍镜片由小的平滑过渡区域(例如，连续多项式插值器，如贝塞尔曲线)分隔，以防止视觉伪影。当在方位方向有多个透镜采样率时，这是首选的二维高倍透镜结构。在这种情况下，单个镜片看起来像小枕头，对于正光焦度镜片，枕头位于基面上方，而对于负光焦度镜片则位于基面下方。
57.图12图示了二维高倍透镜之一的几何形状。在图的右上部分，我们显示了高倍镜头的前视图。有一个中央高倍光学区域和一个周围的过渡区域。该区域的径向范围由r给出，过渡区域的宽度由t给出，而方位角由θ给出。在图的左下方，我们显示了镜头分布之一的侧视图。中间部分代表高倍光区，两侧曲线代表过渡区。光学区和过渡区之间的界面具有零阶和一阶连续性。在晶状体边界的边缘，过渡与虚拟光圈基础形状(通常是iol上的垂直线)重合。在透镜边缘，过渡曲线(通常为多项式曲线)和边缘之间也存在零阶和一阶连续性。这个小的高倍透镜区域的形状被设置为使得径向范围r大约等于该区域中心部分的弧长。
58.可以使用标准iol设计概念来设计中央光学区以提供球面、柱面和轴校正，以及诸如球面像差控制的高阶校正。这些设计概念是本领域技术人员已知的。
59.图4所示的优选虚拟光圈分布具有交替的正和负透镜分布，其焦距在+/
‑
1.5mm的数量级。可以使用圆锥曲线、多项式(例如三次贝塞尔样条)、有理样条以及这些曲线和其他曲线的组合来生成这些透镜表面分布。选择晶状体分布的几何形状以充分分散穿过视网膜的透射光线，同时相对容易在高精度车床或模具工艺上制造。还可以在一个分布(例如前表面)上放置光滑的表面，在另一个表面分布(例如后表面)上放置小的高倍透镜分布。
60.使用图4中所示的首选虚拟光圈分布，iol的边缘厚度和中央光学区的中心厚度可以非常小，即使对于高倍iol也是如此。镜片的材料与用于其他软或硬人工晶状体设计的材料相同。
61.人工晶状体的设计提供了非常好的、高清晰度的远视力，并且“清晰视觉”的范围可以通过“清晰视觉”的含义(例如20/40敏锐度)的规范来控制，以及相对大小的“清晰视觉”。中央视区和虚拟光圈宽度。一个简单的方程[smith g，球面光焦不正与视力之间的关系，optometry vis.sci.68,591
‑
8,1991]在等式(1a和1b)中给出了给定瞳孔直径和球面光焦不正的情况下估计视力的方法。
[0062]
a＝k d e
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1a)
[0063][0064]
a＝以弧分为单位的敏锐度(a＝sd/20)，即最小分辨率角
[0065]
k＝由临床研究确定的常数，平均值为0.65
[0066]
d＝瞳孔直径(mm)
[0067]
e＝球面光焦度数
[0068]
sd＝snellen分母
[0069]
假设第二个方程对于低水平的光焦不正更准确，并给出了合理的结果。
[0070]
对于e＝0，a＝1分弧度或20/20。
[0071]
求解e的(1b)产生方程(2)。
[0072][0073]
等式(1b)告诉我们在给定景深范围(ex2)的光焦度和瞳孔直径d下的视力a。
[0074]
等式(2)给出了给定敏锐度a和瞳孔直径d的景深范围(以光焦度为单位)。例如，对于：
[0075]
20/40的敏锐度，a＝40/20＝2分弧度
[0076]
d＝3.0毫米
[0077]
k＝0.65
[0078][0079]
景深＝2e＝1.8d。使用(1b)，
[0080][0081]
虚拟光圈的概念可用于有晶状体或无晶状体iol、角膜植入物、隐形眼镜，或用于角膜激光手术(lasik、prk等)程序以提供扩展的景深和/或提供高清视觉。此外，可以用实际的不透明光圈替换虚拟光圈并实现与虚拟光圈相同的光学优势。
[0082]
应当理解，虽然图示了本发明的某种形式，但并不限于这里描述和示出的特定形式或布置。对本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下可以进行各种改变，并且本发明不应被认为限于说明书和本文包括的任何附图/附图中所示和描述的内容。
[0083]
本领域技术人员将容易理解，本发明很好地适用于实现目标并获得所提及的目的和优点以及其中固有的那些目的和优点。在此描述的实施例、方法、程序和技术目前代表了优选实施例，旨在作为示例而不旨在限制范围。本领域技术人员将想到其中的变化和其他用途，它们包含在本发明的精神内并且由所附权利要求的范围限定。尽管已经结合特定的优选实施例描述了本发明，但是应当理解，所要求保护的本发明不应被过度地限制于这些特定的实施例。实际上，对本领域技术人员来说显而易见的用于实施本发明的所述模式的各种修改都意图在所附权利要求的范围内。