专利名称：基于波前技术的自由曲面眼镜的设计方法
技术领域：
本发明属于视觉矫正技术领域，尤其是一种基于波前技术的自由曲面眼镜的设计方法。
背景技术：
由于人眼具有复杂的屈光系统，除了存在离焦和像散这样的低阶像差外，还存在各种非规则的高阶像差，如球差，慧差，三叶草差等，它们同样影响人眼的视觉质量。研究表明，仅靠球-柱镜是无法有效矫正高阶像差的。此外，虽然非球面镜片已经走向市场，但是已有的非球面镜主要用作改变眼镜的物理形貌，并无矫正人眼高阶像差的能力。我们也曾提出可以矫正球差，像散的非球面眼镜(中国科学技术科学，2012，42 (5) : 537-547)。但是 发现，非球面镜仅仅能够对高阶像差中的球差项进行矫正，对于其他项的高阶像差矫正无效。其次，人眼视物时，必须要保证眼睛在一定的视场内能够清晰视物，一般情况下要求总视场角为±7° ;同时，人的眼球是转动的，转动角度一般可以达到(20°，但是眼镜是相对静止的，导致人眼的光轴与镜片的光轴偏离。那么如何才能保证眼镜适合眼球的不同角度旋转，同时又能够在视物时具有一定的清晰成像视场范围。针对以上问题，美国专利US2002/0196412A1提出了两种矫正人眼高阶像差的框架眼镜方案，第一种方案将镜片分为两个不连续区域，中央I (视场小范围内为自由曲面，用于矫正高阶像差，周围区域为基弧球面；第二方案是把O(视场的眼波前像差数据，通过眼球旋转应用于其它视场角，而后进行加权优化。该专利并没有解决上述问题直视时仅在1°视场角内可以清晰视物，偏离此区域便无矫正效果；同样，当眼球旋转一定角度时也只能保证在1°视场内清晰视物，因此，该专利未能给出任何镜片验配结果，而被搁置至今。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于波前技术的自由曲面眼镜的设计方法，该方法不仅能矫正人眼的低价像差，而且能够最优化矫正人眼高阶像差。本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的—种基于波前技术的自由曲面眼镜的设计方法，包括以下步骤步骤I :将眼轴各部分的长度数据代入Gull strand-Le Grand眼光学模型；步骤2 :使用角膜表面曲率及角膜地形图数据替换上述眼模型以模拟真实人眼的角膜面型，并转化为Zernike Fringe Sag形式；步骤3 :将实际人眼的波前像差数据转化为明视觉下的对应值；步骤4:以明视觉条件下的波前像差数据为目标值，以晶状体前表面曲率及其面型参数作为变量，对眼模型进行优化，建立起符合实际人眼视物特性的个性化眼模型；步骤5 :在个性化眼模型前设置镜片，将镜片和个性化眼模型视为统一的镜-眼光学系统，针对人眼的视物特征为系统设置一定的视场角；
步骤6 :针对视物时眼球的转动规律为镜-眼光学系统设置不同角度的多重结构；步骤7 :将镜片的后表面设置为环曲面，将镜片的前表面设置为自由曲面，通过优化环曲面的两个曲率半径以及环曲面绕光轴旋转的角度来矫正人眼的离焦与像散，优化自由曲面的Zernike多项式系数来矫正人眼的高阶像差，最终计算得到符合个体眼视物特征的自由曲面波前眼镜以及其屈光度数和结构参数。而且,所述步骤2中的Zernike Fringe Sag形式的数学模型为
权利要求
1.一种基于波前技术的自由曲面眼镜的设计方法，其特征在于包括以下步骤 步骤I :将眼轴各部分的长度数据代入Gull Strand-Le Grand眼光学模型； 步骤2 :使用角膜表面曲率及角膜地形图数据替换上述眼模型以模拟真实人眼的角膜面型，并转化为Zernike Fringe Sag形式； 步骤3 :将实际人眼的波前像差数据转化为明视觉下的对应值； 步骤4:以明视觉条件下的波前像差数据为目标值，以晶状体前表面曲率及其面型参数作为变量，对眼模型进行优化，建立起符合实际人眼视物特性的个性化眼模型； 步骤5 :在个性化眼模型前设置镜片，将镜片和个性化眼模型视为统一的镜-眼光学系统，针对人眼的视物特征为系统设置一定的视场角； 步骤6 :针对视物时眼球的转动规律为镜-眼光学系统设置不同角度的多重结构； 步骤7 :将镜片的后表面设置为环曲面，将镜片的前表面设置为自由曲面，通过优化环曲面的两个曲率半径以及环曲面绕光轴旋转的角度来矫正人眼的离焦与像散，优化自由曲面的Zernike多项式系数来矫正人眼的高阶像差，最终计算得到符合个体眼视物特征的自由曲面波前眼镜以及其屈光度数和结构参数。
2.根据权利要求I所述的基于波前技术的自由曲面眼镜的设计方法，其特征在于所述步骤2中的Zernike Fringe Sag形式的数学模型为
3.根据权利要求I所述的基于波前技术的自由曲面眼镜的设计方法，其特征在于所述步骤5中视场角为O。和±7°视场。
4.根据权利要求I所述的基于波前技术的自由曲面眼镜的设计方法，其特征在于所述步骤6中多重结构包括9种不同旋转角度的子结构，分别对应0°、眼球水平转动±10°、土20°，垂直转动 ±10°、土20°。
5.根据权利要求I所述的基于波前技术的自由曲面眼镜的设计方法，其特征在于所述步骤7中环曲面面型的表达式为
6.根据权利要求5所述的基于波前技术的自由曲面眼镜的设计方法，其特征在于所述的 kx=0, ky=0。
7.根据权利要求I所述的基于波前技术的自由曲面眼镜的设计方法，其特征在于所述步骤7计算屈光度的方法为
8.根据权利要求I所述的基于波前技术的自由曲面眼镜的设计方法，其特征在于所述步骤7中眼镜的前表面设置为自由曲面，使用Zernike Fringe Sag高次多项式来进行构造，其表达式为
全文摘要
本发明涉及一种基于波前技术的自由曲面眼镜的设计方法，其技术特点是将眼轴各部分的长度数据代入眼光学模型；使用角膜表面曲率及角膜地形图数据替换上述眼模型；将实际人眼的波前像差数据转化为明视觉下的对应值；建立起符合实际人眼视物特性的个性化眼模型；在个性化眼模型前设置镜片，将镜片和个性化眼模型视为统一的镜-眼光学系统，为系统设置一定的视场角；为镜-眼光学系统设置不同角度的多重结构；计算得到符合个体眼视物特征的自由曲面波前眼镜以及其屈光度数和结构参数。通过本发明获得的自由曲面镜片不仅能矫正眼睛的低阶像差，而且对于高阶像差也起到了良好的矫正作用，具有设计简便、客观准确、精度高的优点。
文档编号G02C7/02GK102914879SQ20121044271
公开日2013年2月6日 申请日期2012年11月6日 优先权日2012年11月6日
发明者王肇圻, 孔强, 李蕊, 何远清, 刘永基, 孔祥鸣 申请人:天津宇光光学公司