CN102436075A - 一种大视区小像散的渐进多焦点镜片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大视区小像散的渐进多焦点镜片，该镜片表面的两个像散区设置有微自由曲面层，所述微自由曲面层是由众多不同曲率的微小柱面组成，各个微小柱面的方向与该点的最小曲率方向一致。这种大视区小像散的渐进多焦点镜片比初始渐进多焦点镜片的最大像散减小了14.3％。所以本发明的渐进多焦点镜片能有效减小镜片表面的最大像散，而且扩大视远区清晰范围，提高配戴者的有效视区的屈光能力。

Description

一种大视区小像散的渐进多焦点镜片

技术领域

本发明涉及一种渐进多焦点镜片，尤其涉及一种大视区小像散的渐进多焦点镜片。

背景技术

渐进多焦点镜片也称为渐进片，顾名思义一只镜片上有多个焦点。1907年Owen Aves首次提出了渐进多焦点镜片的构思，标志着一种全新的视力矫正概念的诞生。这种特殊镜片的设计灵感来源于象鼻子的形状。人们使镜片前表面曲率从顶部到底部连续地增加，可以使其屈光力相应变化，即屈光力从位于镜片上部的远用区，逐渐、连续地增加，直至在镜片底部的近用区达到所需近用屈光度数。

随着计算机的发展，先进设计软件和仪器应用于眼镜片的设计和发展，使渐进镜设计取得巨大的发展，总的趋势是：由单一、硬式、对称、球面视远区设计向多样、软式、非对称、非球面视远区设计发展。在最初的渐进镜设计上，人们考虑的主要是数学、机械、光学上的问题，随着对视觉系统更加全面地了解，现代和未来的渐进镜的设计将日益关注渐进镜与生理光学、人体工程学、美学、心理物理学之间的联系。

近几年，渐进多焦点镜片在国内呈现极快的发展和普及状态。现今科学家根据不同年龄人群的用眼方式、生理特点，对多焦点镜片做出相对应的研究，并最后分为三大类镜片：1、青少年近视控制镜片——用于减缓视疲劳，控制近视发展速度。2、成年人抗疲劳镜片——用于教师、医生、近距离和电脑使用过多人群，以减少工作中带来的视觉疲劳。3、中老年渐进片——用于中老年一副眼镜轻松视远视近。

目前渐进多焦点镜片的应用日渐广泛。参见附图1，渐进多焦点镜片表面分为视远区1、中间过渡区2、视近区3、和像散区4。

但是，现有技术中不能使像散分布达到非常理想的状态，也没有很好的提高有效视区，因此仍然存在诸多缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种大视区小像散的渐进多焦点镜片，其能够使像散分布能更趋满足配戴者需求，且有效提高有效视觉区的屈光能力，并且成本较低，便于工业推广应用。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案是：一种大视区小像散的渐进多焦点镜片，镜片表面分为一个视远区、一个中间过渡区、一个视近区和两个像散区，其中：所述镜片表面的两个像散区设置有微自由曲面层，所述微自由曲面层是由众多不同曲率的微小柱面组成，各个微小柱面的曲率为：C(x，y)＝δ₀(x，y)/M，其中δ₀(x，y)为优化前各点的主曲率差，M为20-35的常数；所述微自由曲面层的矢高分布为：

其中θ_t取镜片各点的最小曲率方向θ_min(x，y)。

作为本发明所述的大视区小像散的渐进多焦点镜片的一种优选方案，其中：根据待加工镜片的设计要求和镜片参数计算出镜片的初始矢高分布数据z₀(x，y)，镜片上各点在各方向上的曲率公式如下，其中方向角度为θ：

$k(x,y,\mathrm{\θ})=\frac{\frac{{\∂}^{2}z}{{\∂x}^2}{\cos }^2\mathrm{\θ}+2\frac{{\∂}^{2}z}{\∂x\∂y}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}+\frac{{\∂}^{2}z}{{\∂y}^2}{\sin }^2\mathrm{\θ}}{{[1+{(\frac{\∂z}{\∂x}\cos \mathrm{\θ}+\frac{\∂x}{\∂y}\sin \mathrm{\θ})}^2]}^{\frac{3}{2}}};$

将z₀(x，y)带入该公式计算出优化前镜片上各点最大曲率k_max(x，y)和最大曲率的方向θ_max(x，y)；并计算出优化前镜片上各点最小曲率k_min(x，y)和最小曲率的方向θ_min(x，y)；所述镜片优化前各点的平均主曲率为：

所述镜片优化前各点的主曲率差为：δ₀(x，y)＝k_max(x，y)-k_min(x，y)。

作为本发明所述的大视区小像散的渐进多焦点镜片的一种优选方案，其中：所述镜片优化后的镜片面形矢高分布数据z₁(x，y)等于镜片面形优化前的初始矢高分布数据z₀(x，y)加上微自由曲面层矢高分布数据z_t(x，y)。

作为本发明所述的大视区小像散的渐进多焦点镜片的一种优选方案，其中：所述镜片的视远区、中间过渡区、视近区的表面设置有微自由曲面层，所述微自由曲面层是由众多不同曲率的微小柱面组成，各个微小柱面的曲率为：C(x，y)＝δ₀(x，y)/M，其中δ₀(x，y)为优化前各点的主曲率差，M为20-35的常数；所述微自由曲面层的矢高分布为：其中θ_t取镜片各点的最小曲率方向θ_min(x，y)。

采用本发明所述技术方案后，其明显的优点是镜片的最大像散减小了14.3％，视远区有效可视区域明显增大。由于该方法是对整个镜片进行全部优化，所以优化效果更加均匀。同时，该方法是根据微分几何中曲率的定义，为减小各点像散，在各点加上一个与该点最小曲率大小相关的微小柱面组成的自由曲面，各个微小柱面的方向与该点的最小曲率方向一致。因此，通过本发明所述步骤处理后，不仅减小了像散，而且提高了有效视区，镜片的重要光学参数不变。

附图说明

图1为渐进多焦点镜片的分区示意图；图中，1、视远区；2、中间过渡区；3、视近区；4、像散区。

图2为按现有技术得到的渐进多焦点镜片的矢高分布图，视角为(90°，0°)。

图3为按现有技术得到的渐进多焦点镜片的矢高分布图，视角为(10°，60°)。

图4为按现有技术得到的渐进多焦点镜片的矢高分布图，视角为(80°，80°)。

图5为本发明实施例提供的微自由曲面层的矢高分布图，视角为(90°，0°)。

图6为本发明实施例提供的微自由曲面层的矢高分布图，视角为(10°，60°)。

图7为本发明实施例提供的微自由曲面层的矢高分布图，视角为(80°，80°)。

图8为按现有技术得到的渐进多焦点镜片的等光焦度轮廓线图。

图9为经本发明实施例提供的像散优化方法处理后的渐进多焦点镜片的等光焦度轮廓线图。

图10为按现有技术得到的渐进多焦点镜片的等像散轮廓线图。

图11为经本发明实施例提供的像散优化方法处理后的渐进多焦点镜片的等像散轮廓线图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：

在本实施例中，待加工镜片的设计要求参数是：视远点镜片度数为2屈光度，视远与视近点之间加光量为1.8屈光度，镜片通道长度h＝14毫米。

待加工镜片的镜片参数是：直径66mm，折射率1.523。

参见附图1，它是渐进多焦点镜片的分区示意图，镜片表面分为视远区1、中间过渡区2、视近区3和像散区4。

本实施例提供的一种对渐进多焦点镜片的像散进行优化处理的具体的步骤是：

1、初始镜片面形矢高分布

本实施例中，先按美国专利US 4861153公开的方法，得到优化前的渐进多焦点镜片面形的初始矢高分布数据z₀(x，y)；参见附图2，它为按现有技术得到的渐进多焦点镜片的矢高分布图，视角为(90°，0°)；参见附图3，它为按现有技术得到的渐进多焦点镜片的矢高分布图，视角为(10°，60°)；参见附图4，它为按现有技术得到的渐进多焦点镜片的矢高分布图，视角为(80°，80°)。

2、计算优化前镜片上各点的最大曲率和最大曲率方向，最小曲率和最小曲率方向

按文献《微分几何》中公开的方法，平面曲线的曲率公式为：

$k_r=\frac{\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dx}}^2}}{{[1+{\left(\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}\right)}^2]}^{\frac{3}{2}}};$

又已知微分方程 $\frac{\mathrm{dz}}{{\mathrm{dr}}_{\mathrm{\θ}}}=\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dx}}\cos \mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dy}}\sin \mathrm{\θ};$

推导出各点在各方向上的曲率公式如下，其中方向角度为θ：

$k(x,y,\mathrm{\θ})=\frac{\frac{{\∂}^{2}z}{{\∂x}^2}{\cos }^2\mathrm{\θ}+2\frac{{\∂}^{2}z}{\∂x\∂y}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}+\frac{{\∂}^{2}z}{{\∂y}^2}{\sin }^2\mathrm{\θ}}{{[1+{(\frac{\∂z}{\∂x}\cos \mathrm{\θ}+\frac{\∂x}{\∂y}\sin \mathrm{\θ})}^2]}^{\frac{3}{2}}};$

θ每隔7.5°取一个值，利用该计算公式根据优化前初始矢高分布数据z₀(x，y)求得每个对应的k(x，y，θ)值，并比较求出各点最大曲率k_max(x，y)和最小曲率k_min(x，y)，以及对应的最大曲率的方向θ_max(x，y)和最小曲率的方向θ_min(x，y)。

3、计算镜片光焦度分布和像散分布

优化前镜片上各点的平均主曲率为：优化前镜片上各点的主曲率差为：δ₀(x，y)＝k_max(x，y)-k_min(x，y)；根据优化前镜片上各点的平均主曲率μ₀(x，y)计算优化前该镜片上各点的光焦度Φ₀(x，y)＝1000(n-1)μ₀(x，y)屈光度；根据优化前镜片上各点的主曲率差δ₀(x，y)计算优化前该镜片上各点的像散ast₀(x，y)＝1000(n-1)δ₀(x，y)屈光度，其中n为镜片的材料折射率，1屈光度＝1m^-1；

4、计算一个新的微自由曲面层的矢高分布数据z_t(x，y)

所述微自由曲面层是由众多不同曲率的微小柱面组成，各个微小柱面的曲率为：

C(x，y)＝δ₀(x，y)/M；

式中，δ₀(x，y)为优化前各点的主曲率差，M取25；

根据坐标转换公式：

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=x\cos {\mathrm{\θ}}_t-y\sin {\mathrm{\θ}}_t\\ y^{\′}=x\cos {\mathrm{\θ}}_t+y\sin {\mathrm{\θ}}_t\end{array}\right.$ 计算出x′，y′，

新的微自由曲面层矢高分布为

$z_t(x,y)=\frac{C(x,y)x^{\′}}{1+\sqrt{C^2(x,y)x^{{\′}^2}}}=\frac{C(x,y){(x\cos {\mathrm{\θ}}_t-{y\sin \mathrm{\θ}}_t)}^2}{1+\sqrt{1-C^2(x,y){({x\cos \mathrm{\θ}}_t-{y\sin \mathrm{\θ}}_t)}^2}};$

式中，θ_t取步骤(2)求得的各点的最小曲率方向θ_min(x，y)；参见附图5，它为本发明实施例提供的微自由曲面层的矢高分布图，视角为(90°，0°)；参见附图6，它为本发明实施例提供的微自由曲面层的矢高分布图，视角为(10°，60°)；参见附图7，它为本发明实施例提供的微自由曲面层的矢高分布图，视角为(80°，80°)。

5、镜片面形矢高分布优化处理及镜片加工

将镜片面形优化前的初始矢高分布数据z₀(x，y)与微自由曲面层的矢高分布数据z_t(x，y)相加，得到像散优化后的镜片面形矢高分布数据z₁(x，y)；根据z₁(x，y)加工镜片，得到一种大视区小像散的渐进多焦点镜片。

按本实施例的技术方案处理得到的像散优化后的镜片面形矢高数据分布z₁(x，y)按步骤2和步骤3的方法计算镜片的平均主曲率分布u₁(x，y)和主曲率差分布δ₁(x，y)，其中z₀(x，y)由z₁(x，y)代替，由此获得镜片的光焦度分布Φ₁(x，y)和像散分布ast₁(x，y)。经测试，镜片优化后，最大像散减小了14.3％，视远区清晰范围明显扩大，有效提高了所对应的有效视区的屈光能力。

参见附图8，它为按现有技术得到的渐进多焦点镜片的等光焦度轮廓线图；参见附图9，它为本发明实施例一提供的像散优化方法处理后的渐进多焦点镜片的等光焦度轮廓线图。对比图8和图9可以看出，采用本发明技术方案后，光焦度为2屈光度的等轮廓线更趋平坦，表明视远区清晰范围明显扩大，提高了配戴者的有效视区。

参见附图10，它为按现有技术得到的渐进多焦点镜片的等像散轮廓线图；参见附图11，它为经本发明实施例一提供的像散优化方法处理后的渐进多焦点镜片的等像散轮廓线图；对比图10和图11可以看到，采用本发明技术方案后，镜片表面左侧像散区最大像散从2.25屈光度降为2屈光度，使最大像散值下降了12.5％；右侧像散区最大像散从2屈光度降为1.75屈光度，使最大像散值下降了14.3％。

本发明以渐进多焦点镜片设计与优化为目标，在现有技术得到的渐进多焦点镜片的基础上，提出一种大视区小像散的渐进多焦点镜片，即将镜片现有技术得到的渐进多焦点镜片的初始矢高分布数据与一个新的微自由曲面层的矢高分布数据相加，得到像散优化后的镜片面形矢高分布数据，加工得到大视区小像散的渐进多焦点镜片。这种大视区小像散的渐进多焦点镜片的最大像散比初始渐进多焦点镜片减小了14.3％。该方法是根据微分几何中曲率的定义，为减小各点像散，在各点加上一个与该点最小曲率大小相关的微小柱面组成的微自由曲面层，各个微小柱面的方向与该点的最小曲率方向一致，所以本发明的渐进多焦点镜片能够有效减小镜片表面的最大像散，而且扩大视远区清晰范围，提高配戴者的有效视区。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种大视区小像散的渐进多焦点镜片，镜片表面分为一个视远区、一个中间过渡区、一个视近区和两个像散区，其特征在于：所述镜片表面的两个像散区设置有微自由曲面层，所述微自由曲面层是由众多不同曲率的微小柱面组成，各个微小柱面的曲率为：C(x，y)＝δ₀(x，y)/M，其中δ₀(x，y)为优化前各点的主曲率差，M为20-35的常数；所述微自由曲面层的矢高分布为：

其中θ_t取镜片各点的最小曲率方向θ_min(x，y)。

2.根据权利要求1所述的大视区小像散的渐进多焦点镜片，其特征在于：根据待加工镜片的设计要求和镜片参数计算出镜片的初始矢高分布数据z₀(x，y)，镜片上各点在各方向上的曲率公式如下，其中方向角度为θ：

$k(x,y,\mathrm{\θ})=\frac{\frac{{\∂}^{2}z}{{\∂x}^2}{\cos }^2\mathrm{\θ}+2\frac{{\∂}^{2}z}{\∂x\∂y}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}+\frac{{\∂}^{2}z}{{\∂y}^2}{\sin }^2\mathrm{\θ}}{{[1+{(\frac{\∂z}{\∂x}\cos \mathrm{\θ}+\frac{\∂x}{\∂y}\sin \mathrm{\θ})}^2]}^{\frac{3}{2}}};$

将z₀(x，y)代入该公式计算出优化前镜片上各点最大曲率k_max(x，y)和最大曲率的方向θ_max(x，y)；并计算出优化前镜片上各点最小曲率k_min(x，y)和最小曲率的方向θ_min(x，y)；所述镜片优化前各点的平均主曲率为：

所述镜片优化前各点的主曲率差为：δ₀(x，y)＝k_max(x，y)-k_min(x，y)。

3.根据权利要求1所述的大视区小像散的渐进多焦点镜片，其特征在于：所述镜片优化后的镜片面形矢高分布数据z₁(x，y)等于镜片面形优化前的初始矢高分布数据z₀(x，y)加上微自由曲面层矢高分布数据z_t(x，y)。

4.根据权利要求1所述的大视区小像散的渐进多焦点镜片，其特征在于：所述镜片的视远区、中间过渡区、视近区的表面设置有微自由曲面层，所述微自由曲面层是由众多不同曲率的微小柱面组成，各个微小柱面的曲率为：C(x，y)＝δ₀(x，y)/M，其中δ₀(x，y)为优化前各点的主曲率差，M为20-35的常数；所述微自由曲面层的矢高分布为：

其中θ_t取镜片各点的最小曲率方向θ_min(x，y)。

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