CN119908876B - 一种波前调控的连续视程人工晶状体 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种波前调控的连续视程人工晶状体，通过Zernike多项式来深度调节该人工晶状体的波前像差，通过对人工晶状体光学表面的不同区域的像差进行控制，调控波前的分布，使得焦点不再集中的聚焦于某一点上，而是连续的分布在一定焦深（1.5D至3.5D）范围内，使得延长景深，提供从远到近的连续、无缝切换的视力，无需在不同距离之间切换焦点。通过Zernike波前调控，使得焦点与焦点之间的衔接更加平滑，无固定焦点，提供全连续的视程同时光能利用率高，因此患者在术后可以获得较高的暗视力。

Description

一种波前调控的连续视程人工晶状体

技术领域

本申请涉及医疗器械领域中的人工晶状体，具体涉及一种波前调控的连续视程人工晶状体。

背景技术

人工晶状体是一种由高分子材料制成的植入性医疗器械，用于取代老化的人眼自然晶体，放置于人眼前房或者后房之中，来治疗白内障或者屈光不正。

多焦点人工晶状体的光学设计一般分为衍射型和折射型，其通过不同的方式将光学分为多个集中的焦点聚焦，在一定程度上能够增加患者的能够看清的距离。但是由于不同焦点处的光线集中度比较高，因此在夜间或暗光环境下出现眩光、光晕或星芒现象，影响视觉舒适度。同时，由于多焦点人工晶状体提供至少两个或以上的焦点，可能导致大脑难以适应焦点切换，出现视觉混淆或模糊。例如公开号CN110062899A名称为具有逐区阶梯高度控制的眼内透镜的专利公开通过在透镜的前表面或者后表面制造锯齿状光学台阶结构来构造菲涅尔带，平行光入射到人眼在通过菲涅尔带时，经过衍射聚焦到几个不同的衍射级次上，不同的衍射级次拥有不同的屈光力且有不同的光能分配比例。同时会有一大部分光衍射到无用焦点处，形成杂散光，造成视觉影响，因此光能利用率低也是衍射型人工晶状体的一大问题。

以上种种原因都使得多焦点人工晶状体在临床使用时造成多种困难，因此景深延长型的人工晶状体孕育而生。但是现有的景深延长型的人工晶状体也存在几个普遍的问题。例如公开号CN104755012A名称为用于扩展焦深的多环晶状体、系统和方法的专利公开采用Echelette衍射光栅技术，通过特殊的衍射光栅设计，将光线分散到不同的焦距点，延长景深，使患者在不同距离上都能获得清晰的视力，其采用两种小阶梯的衍射台阶设计出小附加光焦度衍射晶体，加上人眼的自带景深可以实现景深延迟的效果，但是其还是基于衍射技术，杂散光的问题无法避免，光能利用率低于85%。例如公开号CN115778631A名称为眼科透镜专利公开通过调节非球面的高次项系数，来调节主焦点的集中度，使其光斑扩散，达到景深延长的效果，但是仅调节非球面系数而得到的景深十分有限，其焦深的范围比较小，难以达到连续视程的效果。公开号CN 110711050 A名称为一种人工晶状体专利公开采用Zernike多项式表征光学表面改进传统的非球面人工晶状体和散光人工晶状体的技术，将其中一个表面作为非对称结构，可以减少部分角膜造成的像差，可以一定程度上实现远视力的更佳效果，但是无法实现连续的视程，在中近距离上无法得到良好的视力，同时也失去视程的连续性。

发明内容

本发明针对现有技术人工晶状体视程不连续的问题，提供一种人工晶状体，通过分区域单独使用Zernike多项式深度调节人工晶状体的波前像差，通过对人工晶状体光学表面的不同区域的像差进行控制，调控波前的分布，使得焦点不再集中的聚焦于某一点上，而是连续的分布在一定焦深（1.5D至3.5D）范围内，使得延长景深，提供从远到近的连续、无缝切换的视力，无需在不同距离之间切换焦点。具体技术方案如下：

一种通过波前调控实现景深延长的人工晶状体，所述人工晶状体包含光学部分和机械部分，所述光学部分的其中一个表面设置为Zernike波前调控形成的自由曲面，对应的另一个面为球面或非球面；所述机械部分为支撑襻；

所述自由曲面从中心向外逐次划分为连续的2个以上区域，根据Zernike多项式选择设置各个区域的像差类型，确定像差值，相邻区域设置为不同类型的像差；自由曲面的面型曲线极坐标下关系式如下：

（1）

其中，为工作波长，n2为人工晶状体的折射率，n1为房水的折射率，为人工晶状体曲面的波阵面函数的极坐标形式，通过式（2）-（4）调整并推导确认，

（2）

（3）

(4)

其中：n是径向阶数（n≥0），m是角频率（∣m∣≤n，且n−∣m∣为偶数），ρ是归一化径向坐标（0≤ρ≤1），θ是角度坐标（0≤θ<2π）；是调整系数，表示对应像差的权重，取值-5~10；k是求和公式中的整数索引变量，从0开始逐步递增直达到上限。

本发明的极坐标关系式（1）可通过r=r₀ , Zf(r)= r₀ , 转化为自由曲面矢高Zf(r)与径向坐标r在光轴上距透镜中心点的距离的笛卡尔坐标系关系式。

进一步的，所述支撑襻为L型、C型或板状襻。

进一步的，所述自由曲面直径范围为5.5mm~7.5mm，从中心向外逐次划分为2-5个区域，每个区域直径递增1-1.5mm。

进一步的，Zernike多项式可选0-多阶，各个区域的像差类型为平移、离焦、像散、球差、倾斜或慧差等。

进一步的，所述非球面的光学面面型表达式采用如下：

（5）

其中，Z(r)为非球面面型函数，r为径向坐标，在光轴上距透镜中心点的距离，R为基础球面的曲率半径，K为二次曲面系数，为非球面高次项系数，i=1,2,…,n, n为不小于1的自然数；当K=0，且非球面高次项系数都为0时，该面型为球面。

其中，本发明中可以使用0-多阶Zernike多项式，下表一象征性的列出前4阶，对应的集中像差模式的波前图如图1所示。

表一

本发明通过调节不同像差的对应权重，根据式（2）-（4）获得调整后的光学曲面，具体调整确认时通过计算机演算，参考光线追迹之后的焦点聚焦情况确认不同类型的像差权重设置比例，将镜片放置于理论眼模型之中，修改其不同区域的像差权重之后，实时进行优化调整，直至取出最优解，是的焦点延长又不产生断点的最佳权重值。

本发明通过分区域的Zernike多项式进行波前调控的人工晶状体，其优势在于：能够实现无杂散光，光能利用率100%，所有入射的光线都会成为有效焦点中的一部分从而避免出现眩光等现象；Zernike多项式对于波前的调节度高，避免区域之间的限制，对于不同区域的像差进行自由的控制，直接控制成像的结果，然后转化为自由曲面的矢高加工面型，能够实现在人工晶状体光学表面形成高度自由化的自由曲面，相比高次非球面，能到实现更高的景深范围；Zernike波前调控，通过对不同区域的调整系数的控制，使得焦点与焦点之间的衔接更加平滑，无固定焦点，相比衍射形成的焦点，不会集中且具有无用衍射级次，避免形成杂散光，从而减小视觉干扰；由于提供全连续的视程同时光能利用率高，因此患者在术后可以获得较高的暗视力。

附图说明

图1为集中像差模式的波前图；

图2为人工晶状体结构示意图；

图3为实施例1中自由曲面的波前曲线；

图4为实施例1中矢高分布示意图；

图5为实施例1人工晶状体与现有技术单焦点和多焦点人工晶状体对比图；

图6为实施例2中自由曲面的波前曲线；

图7为实施例2中矢高分布示意图；

图8为实施例2人工晶状体与现有技术单焦点和多焦点人工晶状体对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

在本实施例中，人工晶状体结构如图2所示，其自由曲面的光学部直径为6mm，将自由曲面划分为4个区域，其中第一区域，通过Zernike多项式调整为零像差，实现良好的远视力；其第二区域，通过Zernike多项式对该表面范围调整为正球差，其权重设置为0.42，实现远视力向中距离偏移，但通过对像差系数的设置，避免形成视觉断点，使焦深连续；其第三区域通过增加离焦像差的同时增加负球差，其权重分布设置为0.27与-0.09，使得视力向近距离偏移的同时与中视力连续上，如此可以形成远中近三个视距上的连续视程；第四区域，设置为零像差区域，为增强暗环境下的视力；通过这种方式设置的自由曲面的波前曲线如图3所示，带入基础光焦度后，将波前转化矢高分布加入笛卡尔坐标系，则该实施例的矢高分布如图4所示。

本实施例中的另一个面设置为高次非球面，两个不同的光学面的详细设置参数如下表二和表三所示。如此使得植入该人工晶状体的患者可以同时看清远中近，而且极大的减小视觉干扰；将本实施例放入《ISO 11979-2:2024第5版 眼科植入物 - 人工晶状体》要求的模型眼中测试其调制传递函数（MTF）随离焦的响应曲线，与现有技术的单焦点和多焦点人工晶状体对比，其结果如图5所示，在其MTF随离焦的响应曲线当中，MTF的值不会持续低于0.1，且MTF大于0.1以上的焦深范围大于2.5D，视程连续型良好，其视程的连续性远好于现有技术。

表二：

表三：

实施例2

在本施例中，其自由曲面的光学部直径为6.5mm，将自由曲面划分为3个区域，其中第一区域，通过Zernike多项式调整为正球差，直接将远焦点往中距离位移，其权重分布设置为0.33；其第二区域，通过Zernike多项式对该表面设置离焦像差的同时增加负球差，设置近距离焦点，其权重分布设置为0.56与-0.12；第三区域，设置为随径向距离的球差逐渐增大的区域，其权重值为0.11r（r为曲面到中心的径向距离），在增强暗环境下的视力的同时加大近视力与中间视力之间的连续性。通过这种方式设置的自由曲面的波前曲线如图6所示，带入基础光焦度后，将波前转化矢高分布加入几滴，则该实施例的矢高分布如图7所示。

本实施例中的另一个面设置为高次非球面，两个不同的光学面的详细设置参数如下表所示。此时得到本发明实施例人工晶状体的前后表面的面型，将本实施例放入《ISO11979-2:2024第5版 眼科植入物 - 人工晶状体》要求的模型眼中测试其调制传递函数（MTF）随离焦的响应曲线，与现有技术的单焦点和多焦点人工晶状体对比，其结果如图8所示，其MTF随离焦的响应曲线当中，MTF的值不会持续低于0.1，且MTF大于0.1以上的焦深范围大于3D，视程连续型良好。可以看出其视程的连续性远好于现有技术，同时拥有良好的各个视距上的视力，实现全视程连续的效果。

表四：

表五：

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.一种波前调控的连续视程人工晶状体，其特征在于：所述人工晶状体包含光学部分和机械部分，所述光学部分的其中一个表面设置为Zernike波前调控形成的自由曲面，对应的另一个面为球面或非球面；所述机械部分为支撑襻；

所述自由曲面直径范围为5.5mm～7.5mm，从中心向外逐次划分为2-5个区域，每个区域直径递增1-1.5mm，根据Zernike多项式选择设置各个区域的像差类型，确定像差值W(ρ,θ)，相邻区域设置为不同类型的像差；Zf(ρ,θ)为自由曲面的面型曲线极坐标函数，其与人工晶状体曲面的波阵面极坐标函数的关系式如下：

其中，λ为工作波长，n2为人工晶状体的折射率，n1为房水的折射率，通过式(2)-(4)调整并推导确认：

其中：n是径向阶数，n≥0；m是角频率，∣m∣≤n，且n-∣m∣为偶数；为Zernike多项式的径向函数；ρ是归一化径向坐标，0≤ρ≤1；θ是角度坐标，0≤θ<2π；

是调整系数，表示对应像差的权重，取值-5～10；k是求和公式中的整数索引变量，从0开始逐步递增直达到上限

2.根据权利要求1所述一种波前调控的连续视程人工晶状体，其特征在于：所述支撑襻为L型、C型或板状襻。

3.根据权利要求1所述一种波前调控的连续视程人工晶状体，其特征在于：Zernike多项式采用0-多阶，各个区域的像差类型为平移、离焦、像散、球差、倾斜或慧差。

4.根据权利要求1所述一种波前调控的连续视程人工晶状体，其特征在于：所述非球面的光学面面型表达式采用如下：

其中，Z(r)为非球面面型函数，r为径向坐标，在光轴上距透镜中心点的距离，R为基础球面的曲率半径，K为二次曲面系数，αi为非球面高次项系数，i＝1,2,…,n,n为不小于1的自然数；当K＝0，且非球面高次项系数αi都为0时，该面型为球面。