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TW202132823A - 用於治療近視之衍射與折射混合式接觸透鏡 - Google Patents

用於治療近視之衍射與折射混合式接觸透鏡 Download PDF

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TW202132823A
TW202132823A TW109144731A TW109144731A TW202132823A TW 202132823 A TW202132823 A TW 202132823A TW 109144731 A TW109144731 A TW 109144731A TW 109144731 A TW109144731 A TW 109144731A TW 202132823 A TW202132823 A TW 202132823A
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optical
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TW109144731A
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大衛 伯傑
喬瑟夫 麥可 林達雀
皮穎
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瑞士商愛爾康公司
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Abstract

揭露了一種衍射與折射混合式接觸透鏡以及使用這種透鏡來治療光學狀況之方法。第一透鏡部分由具有第一折射率的第一透鏡材料形成，並且包括至少一個衍射光學元件。第二透鏡部分由具有不同於第一折射率的第二折射率的第二透鏡材料形成。衍射光學元件可以嵌入在第二透鏡部分內，以提供舒適性、淚膜穩定性和光學性能。

Description

用於治療近視之衍射與折射混合式接觸透鏡
本發明總體上關於視力矯正領域，更具體地關於一種具有嵌入式衍射光學元件之軟性接觸透鏡。衍射光學元件的嵌入確保了透鏡的衍射性質不受比如淚膜等暫態因素的影響。
老花眼由人眼的視覺系統的調節逐漸喪失而引起。這是因為眼睛的位於虹膜和瞳孔正後方的晶狀體之彈性模量增大和生長。眼睛中的被稱為睫狀肌的微小肌肉拉動或釋放晶狀體，從而調整晶狀體的曲率。對晶狀體之曲率的這種調整引起眼睛焦度的調整，從而使近處物體聚焦。隨著個體變老，眼睛的晶狀體之柔性和彈性變差，並且在較小的程度上，睫狀肌強度減小。該等改變導致調節幅度的減小（即，調節喪失），這會導致靠近眼睛的物體看起來模糊。老花眼的症狀導致不能聚焦眼前的物體。隨著晶狀體之模量增大，它不能夠在視網膜上形成中近距離物體之圖像。有症狀的人閱讀比如在電腦顯示器上、在餐廳功能表和報紙廣告上的小的字體通常有困難，並可能需要將閱讀材料保持在手臂長度處。目前用於治療老花眼有各種非手術矯正系統，包括雙焦眼鏡、漸進式（非線雙焦點）眼鏡、閱讀用眼鏡、雙焦點或多焦點接觸透鏡以及單光接觸透鏡。手術矯正系統包括例如多焦點人工晶狀體（IOL）、插入眼睛中的調節IOL以及藉由角膜切削技術改變的視覺系統。
近視眼（近視）係眼睛的另一種疾病，其中遠處物體由於焦點位置在視網膜之前而模糊。近視眼睛在近點（例如，對於2.00 D近視者，50 cm）處具有未經調節的最佳焦點。50 cm以內而不是更遠的物體經由晶狀體的調節而聚焦在視網膜上。這種狀況藉由使用具有負中心屈光力的透鏡來矯正。
遠視眼（遠視）係一種疾病，其中只有當晶狀體處於經調節狀態下時，遠處物體才可以聚焦在視網膜上。這種狀況藉由使用正焦度透鏡來矯正。
本發明主要關於視力矯正措施領域之持續改進。
在示例性實施方式中，本發明提供了一種衍射/折射混合式多焦點接觸透鏡。 一些特定實施方式包括兩種軟性接觸透鏡形成材料（例如，矽水凝膠、水凝膠、矽彈性體、凝膠或封裝液體），這兩種材料之間具有始終如一且明確定義的折射率差（ΔRI）。藉由將衍射光學元件嵌入在透鏡基底內，可以實現理想的或改進的光學性能。平滑、可潤濕的光學表面針對視覺和透鏡舒適性而提供最佳或改進的淚膜穩定性。
根據示例性實施方式之接觸透鏡利用塊體基底與嵌入式衍射元件之間的折射率差（ΔRI）來實現老花眼、近視或影響被治療的人或動物受試者之視力的其他狀況的治療和矯正的多焦點性。 接觸透鏡和衍射光學元件的表面性質的分離提供了始終如一的可預測的高效率衍射光學性能，同時維持了接觸透鏡所需的表面特徵。此外，表面折射光學特性和嵌入式衍射光學特性的分離可以允許矯正和/或操縱色差、球面像差和/或更高階像差，以用於治療近視發展。
在示例性實施方式中，塊體基底材料特性單獨地或與塗層組合提供了與眼表面接觸的可潤濕的平滑連續光學表面、以及接觸透鏡系統的適當舒適性和配合所需的氧滲透性（Dk）和離子滲透性。附加地，塗層可以視需要塗覆在基底之最外層上，以藉由光滑且可潤濕的表面來進一步提高淚膜穩定性。
本發明之示例性應用包括用於視力矯正之系統，該系統包括透鏡和透鏡系列，例如為特定範圍或類型的視力矯正配置之接觸透鏡，或者為多個範圍或類型的視力矯正配置之具有相似配置和/或光學特徵的相關接觸透鏡系列。本發明之其他示例性方面包括利用這樣的透鏡和/或透鏡系列之視力矯正方法。本發明之其他方面還包括例如藉由白內障和屈光外科醫生而提供和使用這樣的接觸透鏡和/或接觸透鏡系列，作為用於篩選潛在的多焦點人工晶狀體患者或其他潛在的視力矯正手術的替代裝置。
在一個方面中，本發明關於一種衍射與折射混合式接觸透鏡。該透鏡較佳的是包括第一透鏡部分，該第一透鏡部分包括具有第一折射率的第一透鏡材料，該第一透鏡部分具有至少一個衍射光學元件。該透鏡較佳的是還包括第二透鏡部分，該第二透鏡部分包括具有不同於該第一折射率的第二折射率的第二透鏡材料。
在另一方面中，本發明關於一種用於治療老花眼之衍射與折射混合式接觸透鏡。該透鏡較佳的是包括第一透鏡部分，該第一透鏡部分包括具有第一折射率的第一透鏡材料，該第一透鏡部分具有至少一個衍射光學元件。該透鏡較佳的是還包括第二透鏡部分，該第二透鏡部分包括具有不同於該第一折射率的第二折射率的第二透鏡材料。該透鏡較佳的是提供介於-15D到+8D之間的光學屈光力（屈光度），並且該至少一個衍射光學元件之光學下加光介於+1D到+8D之間。
在另一方面中，本發明關於治療老花眼之方法。該方法較佳的是包括向使用者提供衍射與折射混合式接觸透鏡。該透鏡較佳的是包括第一透鏡部分，該第一透鏡部分包括具有第一折射率的第一透鏡材料。第一透鏡部分較佳的是包括至少一個衍射光學元件。該透鏡較佳的是還包括第二透鏡部分，該第二透鏡部分包括具有不同於該第一折射率的第二折射率的第二透鏡材料。該透鏡較佳的是提供被指定用於治療使用者的老花眼光學狀況之光學矯正。該光學矯正較佳的是包括介於-15D到+8D之間的光學屈光力以及介於+1D到+8D之間的光學下加光。
在另一方面中，本發明關於一種拱形鞏膜衍射接觸透鏡。該透鏡較佳的是包括透鏡體，該透鏡體包括折射率至少約1.5的剛性透氣透鏡材料。該透鏡體較佳的是限定包括至少一個衍射光學元件之基彎。該基彎較佳的是被配置為在使用時在該至少一個衍射元件與佩戴者之角膜之間限定拱形空間，因而在使用時封裝在該拱形空間內的淚膜形成淚液透鏡。
在又一方面中，本發明關於一種用於治療近視之衍射與折射混合式接觸透鏡。該透鏡較佳的是包括第一透鏡部分，該第一透鏡部分包括具有第一折射率的第一透鏡材料。第一透鏡部分較佳的是包括至少一個衍射光學元件。該透鏡較佳的是還包括第二透鏡部分，該第二透鏡部分包括具有不同於該第一折射率的第二折射率的第二透鏡材料。該透鏡較佳的是在中心光學區中提供介於-10D到0D之間的光學屈光力，並且在圍繞該中心光學區的周邊光學區中提供介於+1D到+8D之間的衍射光學下加光。
在另一方面中，本發明關於一種用於控制近視發展之多焦點衍射-折射接觸透鏡。該透鏡較佳的是包括第一透鏡部分，該第一透鏡部分包括具有第一折射率的第一透鏡材料。第一透鏡部分較佳的是包括至少一個衍射光學元件。該透鏡較佳的是還包括第二透鏡部分，該第二透鏡部分包括具有不同於該第一折射率的第二折射率的第二透鏡材料。該透鏡較佳的是還包括提供光學屈光力的中心光學區以及圍繞該中心光學區的周邊光學區。該至少一個衍射光學元件較佳的是在該周邊光學區中提供介於+1D到+8D之間的衍射下加光。
在另一方面中，本發明關於一種治療近視之方法。該方法較佳的是包括向使用者提供衍射與折射混合式接觸透鏡。該接觸透鏡較佳的是包括第一透鏡部分，該第一透鏡部分包括具有第一折射率的第一透鏡材料。第一透鏡部分較佳的是包括至少一個衍射光學元件。該透鏡較佳的是還包括第二透鏡部分，該第二透鏡部分包括具有不同於該第一折射率的第二折射率的第二透鏡材料。該接觸透鏡較佳的是提供被指定用於治療使用者的近視光學狀況之光學矯正。該光學矯正較佳的是在中心光學區中包括介於-10D到0D之間的光學屈光力，並且在圍繞該中心光學區的周邊光學區中包括介於+1D到+8D之間的衍射光學下加光。
本發明之該等和其他方面、特徵和優勢將參考本文之附圖和詳細描述來理解，並且將藉由所附請求項中具體指出的各個要素和組合來實現。應當理解，前面的總體描述和下面對附圖之簡要說明以及對示例性實施方式之詳細說明都是對本發明之示例性實施方式的解釋，而不是對所請求保護的本發明之限制。
本發明可以藉由結合附圖參考示例性實施方式的以下詳細描述更容易地理解，這些附圖形成本揭露的一部分。應當理解，本發明不限於在此描述和/或示出之具體裝置、方法、條件或參數，並且在此使用的術語僅用於藉由舉例的方式來描述具體實施方式之目的，並且不旨在限制所要求保護的發明。在本說明書中標識的任何及所有專利和其他出版物藉由引用就像在此完全陳述一樣結合。
此外，除非上下文另外明確指明，否則如在本說明書（包括所附請求項）中使用的單數形式「一個/一種」和「該」包括複數，並且對特定數值的提及至少包括該特定值。在此的範圍可表達為從「約」或「大約」一個具體值和/或至「約」或「大約」另一具體值。當表達這種範圍時，另一實施方式包括從該一個具體值和/或至另一個具體值。類似地，當值係藉由使用先行詞「約」表達為近似值時，應當理解，該具體值形成了另一實施方式。
現在參考附圖，其中在幾個圖中相似的附圖標記表示相應的部分，圖1示出了根據本發明之示例性實施方式之衍射-折射混合式軟性接觸透鏡10。透鏡10包括由至少兩種材料形成的包覆模制嵌體或層壓結構，其中內部衍射光學元件20嵌入在外部透鏡基底40內。衍射光學元件20的嵌入將透鏡基底40之表面、折射和生物力學性質與衍射光學性質分離。在示例性實施方式中，衍射光學元件20和透鏡基底40被共同模制、包覆模制或以其他方式製造。衍射光學元件20包含中心光學區22和圍繞中心光學區的周邊光學區24。在所描繪的實施方式中，中心光學區22之平面輪廓（即，從上方或下方觀察）係大體上圓形的，並且周邊光學區24具有大體上環形的輪廓。周邊光學區24限定了不規則或不連續的截面輪廓，該截面輪廓例如包括一系列峰和穀或鋸齒形輪廓，從而在平面輪廓中形成同心圓的環形圖案或衍射元件的螺旋圖案，以產生衍射光學效應，並視需要還輔助將衍射光學元件20附接到透鏡基底40。在示例性實施方式中，衍射光學元件之直徑係約為3 mm到6 mm。衍射階梯/環之高度和間距取決於兩種材料之折射率和光學設計，包含多個焦點之間的下加光和能量分佈。典型地，衍射階梯的高度係約0.5微米到20微米，例如，約3微米到約5微米，由折射率的差確定。衍射階梯高度可以對於每個環係恒定的，或者可以隨著每個環而變化，以產生具有不同下加光的多個焦點，或者調節不同焦點之間的能量平衡。環的間距將產生面積相等的區。典型地，光學設計將在中心3 mm到6 mm的光學區直徑上包括1到25個環/區，例如，約6到18個環或區。環的尺寸取決於光學設計，尤其是下加光。較高的下加光將在相同的給定區域中需要更多的環[等式036]。
圖2A示出了根據本發明之衍射-折射混合式軟性接觸透鏡110的另一個示例性實施方式。透鏡110包括部分嵌入在透鏡基底140內的衍射光學元件120。衍射光學元件120包含中心光學區122和圍繞中心光學區的周邊光學區124。中心光學區122之平面輪廓（即，從上方或下方觀察）係大體上圓形的，並且周邊光學區124具有大體上環形的輪廓。周邊光學區124限定了不規則或不連續的截面輪廓，例如，鋸齒形截面結構，該截面輪廓包括一系列峰和谷，從而形成同心圓的環形圖案或衍射元件的螺旋圖案。在此實施方式中，衍射光學元件120可以與透鏡基底140共同模制或包覆模制，或者替代性地，限定衍射元件的凹陷部分可以形成在透鏡基底內，並且衍射光學元件作為塗層塗覆在凹陷部分上。衍射元件模制到120的背面中或140的正面上。在衍射元件被模制到140的正面的情況下，120可以是1) 塗布層，該塗布層被塗覆在140的頂部上，或者2) 第二模制臺階，該第二模制臺階部分地將140用作元件120的模具。在衍射元件被模制到120的背面中的情況下，120的正面模具可以被再次用作140的正面模具，而不需要從正面模具移除元件120。在這種情況下，元件120將從如圖2A所示的中間直徑延伸，或者替代性地可以延伸到透鏡之邊緣。例如，圖2B和2C示出了透鏡的替代性實施方式，其中衍射光學元件120’和透鏡基底元件或塗布層140’延伸到或基本上延伸到透鏡邊緣。
在所描繪的實施方式中，衍射光學元件120、120’被包覆模制或塗覆在透鏡110、110’之前曲面上，但是在替代性實施方式中，它可以被塗覆到基彎上或嵌入在透鏡基底140、140’內。在衍射光學元件120沒有嵌入在透鏡基底140內的實施方式中，透鏡110較佳的是在衍射光學元件與透鏡基底之間的過渡處包含平滑且連續的表面。
在本文所揭露之各種實施方式中，接觸透鏡10、110包括至少兩個透鏡部分，其中第一部分包括具有第一折射率（n1 ）的第一透鏡材料，並且第二部分包括具有第二折射率（n2 ）的第二透鏡材料，第二折射率與第一折射率顯著不同，即，n1 ≠ n2 。在進一步的實施方式中，可以提供不同材料和折射率的三個或更多個透鏡部分。透鏡材料較佳的是都具有用於光學光和圖像傳輸之高透明度。例如，透鏡基底40、140或透鏡的其他第一部分或第一層可以由具有第一折射率的第一材料（M1 ）形成，並且透鏡的衍射元件20、120或其他第二部分或第二層可以由具有不同於第一折射率的第二折射率的第二材料（M2 ）形成。以這種方式，在第一材料與第二材料之間以及對應地在第一透鏡部分和第二透鏡部分之間，限定了始終如一且明確定義的折射率差（ΔRI），從而當光穿過兩種材料之間的邊界時，為透鏡提供折射光學特徵或矯正。附加地，光學區內的透鏡幾何形狀被配置成當光遇到透鏡之衍射元件的中斷點時提供衍射光學特徵或矯正。因此，提供了具有折射和衍射特性或矯正特徵兩者的混合式接觸透鏡。此透鏡之中心總厚度將為50微米到350微米厚，這在大多數可購買到的軟性矽水凝膠接觸透鏡的範圍中。含有衍射光學器件的層之最小厚度將是最大衍射臺階高度的至少2（兩）倍，以避免影響衍射光。
在示例性實施方式中，在第一透鏡材料與第二透鏡材料之間提供了0.03到0.5的折射率差（ΔRI）範圍。更較佳的是，在第一透鏡材料與第二透鏡材料之間提供了至少約0.1的折射率差（ΔRI）。例如，第一透鏡部分可以包括具有約1.40至1.42的第一折射率（n1 ）的水凝膠或矽水凝膠第一透鏡材料（M1 ），並且第二透鏡部分可以包括具有約1.50至1.55的第二折射率（n2 ）的矽彈性體第二透鏡材料（M2 ），從而產生例如至少約0.08到0.15、例如約0.10的ΔRI。以相對術語定義，在示例性實施方式中，第一透鏡材料與第二透鏡材料之間的折射率差（ΔRI = n2 - n1 ）可以是第一折射率和第二折射率的平均值（n1 + n2 / 2）的至少約3%至4%、例如約5%、更較佳的是至少約6%至7%。示例性第一透鏡材料（M1 ）包括但不限於：verofilcon A （RI=1.417）、lotrafilcon B （RI=1.42）、delefilcon A （RI =1.4225）、verofilcon A （RI=1.407）、serafilcon A （RI = 1.4013）、lehfilcon A （RI=1.4013）、nelfilcon A （RI=1.383）。示例性第二透鏡材料（M2 ）包括但不限於：矽彈性體（RI=1.40到1.60）、丙烯酸酯PMMA （RI =1.491）、氟矽彈性體（RI 1.46到1.60）。視需要，第一透鏡材料與第二透鏡材料在透鏡的形成期間在不同溫度下膠化。
在較佳的是實施方式中，第一透鏡材料與第二透鏡材料被選擇成具有高光學透明度以獲得合適的光學性能，並且具有相容的材料特性（例如，相似的熱膨脹係數、水合特徵或親水性、彈性模量和材料結合特性），以在透鏡產品的預期使用壽命期間抵抗第一透鏡部分和第二透鏡部分的脫層或脫離。附加地，第一透鏡部分和第二透鏡部分的材料較佳的是被選擇成提供短互穿網路或結合深度，從而在共同模制或以其他方式製造透鏡產品時，在第一材料與第二材料之間提供急劇折射率過渡，而不是在第一透鏡部分與第二透鏡部分的過渡處更逐漸地混合材料。在示例性實施方式中，第一透鏡材料M1 和第二透鏡材料M2 都包含具有相對低的彈性模量的軟性接觸透鏡材料。在替代性實施方式中，較高模量或較硬的材料（比如，剛性透氣透鏡材料）可以嵌入在較低模量或較軟的材料中，反之亦然。例如，低RI材料比如是nelfilcon A （RI=1.383）、lotrafilcon B（RI=1.42）或delefilcon A（RI=1.4225），並且高RI材料比如是氟矽丙烯酸酯或矽彈性體（RI 1.51至1.54），
在實施根據本發明之示例性形式之多層式折射-衍射接觸透鏡之光學設計時，由n個層構成的多層式折射接觸透鏡之近軸光焦度由下式給出：
Figure 02_image001
其中dn 係每層的厚度，並且Pn 係具有曲率半徑Rn 和厚度以及折射率Nn 的層之近軸光焦度，由下式給出：
Figure 02_image003
在作為三層式折射接觸透鏡的圖3A中的三層式透鏡310a（具有層半徑R和折射率n）的情況下：
Figure 02_image005
、
Figure 02_image007
以及
Figure 02_image009
開諾全息照片係一種衍射光學元件，可以被描述為折射凹陷輪廓和衍射凹陷輪廓的組合。在具有嵌入式開諾全息照片衍射光學元件的三層式接觸透鏡的情況下，表面凹陷輪廓由下式給出：
Figure 02_image011
Figure 02_image013
其中c係表面的頂點處的暫態曲率半徑之倒數（c=1/R2 ），k係圓錐常數，x係表面上的徑向位置，並且an 係非球面性係數。
衍射表面輪廓由下式給出：
Figure 02_image015
其中m為衍射級，λ為設計波長，並且φ(x) 為徑向x方向上的相函數。這種方法之穩健性在於，可以在此系統中使用各種相函數，包括將充當菲涅耳透鏡的模2pi開諾全息照片設計、類似於ReSTOR™的變跡雙焦點透鏡設計或類似於PanOptix™的四焦點設計，這將產生三焦點透鏡。此外，這種方法將實現整個衍射光學元件上的表面之間的不同折射率過渡。例如，圖3B示出了具有模2pi開諾全息照片的三層式衍射透鏡310b，其中n3 ＞ n2 。而圖3C示出了透鏡310c的類似設計，其中n3 ＜ n2 。附加地，衍射結構可以被設計成矯正接觸透鏡或一般眼睛的折射結構的色差。
衍射過渡之徑向位置x係將添加到系統的衍射光焦度或下加光和波長之函數，其中針對示例性雙焦點實施方式而指示了區Z：
Figure 02_image017
並且衍射過渡之高度H由下式給出：
Figure 02_image019
在多層式折射-衍射接觸透鏡之機械設計和製造中，在第一層的折射率具有比第二層的折射率低（n3 ＞ n2 ）的雙層嵌入式衍射接觸透鏡410a的情況下，將在介面處產生類似於圖4A和圖4B的衍射表面輪廓。可以使用比如nelfilcon A（n ~ 1.38）以及lotrafilcon B（n3 ~ 1.42）等材料。在相反情況（n3 ＜ n2 ）下，將產生類似於圖4C和圖4D所示的透鏡410c之表面輪廓。衍射元件422a、422c之鋸齒形結構可以在使用期間在製造過程期間説明機械地結合這兩種材料。此外，如圖4A和圖4C所示，機械結合區域432a、432c可以被設計到前部或後部塊體材料中。
在圖4C和圖4D所展示之設計實施方式中，衍射結構420c可以凹陷到裝置的透鏡基底440c之塊體中，並且接著由裝置的最前側層塗布。這種設計將產生與眼瞼接觸的平滑外表面。在圖4A和圖4B所示之設計實施方式中，衍射結構420a可以凹陷到接著被塗覆上第二層的透鏡基底440a的塊體材料之基彎中。在衍射結構上設置相對厚的塗層（即，衍射元件的高度的至少約兩倍）可以有助於舒適性，並防止角膜造型和衍射結構對角膜和淚膜的過大壓力。透鏡形成的序列以及在基彎的凹陷部分內於第二透鏡材料的衍射元件上塗覆塗布層示出在圖5A（未塗覆）和圖5D至圖5E（塗覆）中。衍射結構522之設計還可以視需要結合圓化特徵，這將進一步減小可能與角膜或眼瞼發生的任何接觸壓力。圖5B示出了製造可能需要的衍射結構522b的少量圓化（約25 μm），而圖5C示出了衍射結構522c的附加圓化（圖5B的約10倍）。
圖6A展示了根據本發明之另一個示例性實施方式之接觸透鏡610a的三層式設計，該接觸透鏡具有發生折射的四個表面（即，在內表面和外表面處，以及在層之間的介面處），其中兩個最外層可以是相同或不同的材料。圖6B所展示的設計示出了具有一個衍射表面、一個折射表面和不同於第一層和第三層的折射率的嵌入式元件620b。該元件可以在單獨模制過程中被製造，接著在塊體材料的模制期間組裝。圖6C和圖6D所展示的設計具有帶有嵌入式元件620c、620d的透鏡610c、610d，該等嵌入式元件具有不同衍射表面。在替代性實施方式中，嵌入式元件可以在其正面和背面上都具有衍射表面，因而兩個衍射表面可以一起工作以添加多個焦點，最小化色差，並且在比單一衍射表面更大的波長頻寬上提高衍射效率。如圖6E所示，機械結合特徵650e可以放置在透鏡的周邊，以在整個光學區上實現優異光學性能，同時防止多個層的脫層。
圖7A和圖7B示出了老花眼矯正接觸透鏡系統710，該老花眼矯正接觸透鏡系統利用與拱形鞏膜接觸透鏡720組合的衍射基彎光學機構。透鏡720之拱形或凸起配置在透鏡之基彎或背彎與佩戴者的角膜C之間維持拱形空間。在示例性實施方式中，透鏡與角膜之間的拱形空間之高度可以是約100微米到200微米，例如，約150微米。通常，拱形空間填充有淚液或人工淚液。在示例性實施方式中，透鏡720包含剛性透氣（RGP）透鏡材料，以在使用中保持透鏡拱頂。透鏡720包括衍射基彎或背彎，該衍射基彎或背彎包含一個或多個衍射光學元件722（比如，平面輪廓中的同心圓的環形圖案或衍射元件的螺旋圖案），並在截面中限定一系列峰和穀或鋸齒形輪廓，以提供衍射光學矯正或效應。透鏡720之背彎或基彎與角膜C之間的拱形空間產生由拱形空間內的淚液形成的始終如一的可預測的淚液透鏡740。淚液（n眼淚 ≈ 1.33）與透鏡720的材料（RI ~ 1.51 ~ 1.54）之間的折射率差（ΔRI）和透鏡幾何形狀在淚膜/接觸透鏡介面處產生折射光學矯正或效應。
此拱形實施方式克服了舒適性、角膜造型、淚膜穩定性（淚膜穩定性會影響衍射性能）、對準和配準的限制，這些限制原本可能由透鏡720之基彎上的衍射元件722引起。拱形基彎衍射結構722還可以提供始終如一的光學性能，而獨立於角膜C的現有病理性質（即，散光、圓錐角膜、角膜和眼表疾病，比如，乾眼症），並且克服了當前多焦點接觸透鏡無法與散光矯正或高像差眼睛組合的局限性。與外科老花眼治療（比如，PresbyLasik、Kamra角膜嵌體、多焦點IOL）相比，這種拱形鞏膜衍射接觸透鏡720將具有較低風險輪廓，這是因為如果患者無法忍受衍射作用機構，那麼它可以藉由非外科手術方式來移除。並且可以藉由更換透鏡基於患者回饋來優化光學性能。
拱形鞏膜接觸透鏡720對眼睛之折射效應取決於接觸透鏡之焦度（如在空氣中測量）以及由角膜C與拱形接觸透鏡之基彎之間的淚膜形成的淚液透鏡740之焦度（如在空氣中測量），這是由拱頂以及鞏膜透鏡基彎之曲率半徑與角膜C之前曲率的不匹配產生的。在此實施方式的情況下，鞏膜接觸透鏡720之基彎上的衍射光學元件722進一步與接觸的總焦度組合，以取決於衍射光學設計而提供多個「下加光」。
三個部件（即，透鏡、衍射元件和淚液透鏡）之總焦度由下式給出：
Figure 02_image021
衍射元件可以包括多個焦點。鞏膜透鏡在空氣中的光焦度由下式給出：
Figure 02_image023
其中，厚度透鏡 係透鏡的厚度，R前 和R後 係接觸透鏡的前表面和後表面之曲率半徑，並且N透鏡 和N空氣 係透鏡和空氣之折射率。
Figure 02_image025
在此實施方式中，可以基於產品之目標要求來調整衍射元件之焦度。例如，+3D或+2.5D焦度可以用於提供老花眼治療。而零焦度衍射可以用於矯正色差。
Figure 02_image027
在此實施方式中，拱形背彎和淚液透鏡為將成為拱形基彎表面輪廓的一部分的開諾全息照片衍射光學元件的設計提供了始終如一的折射率值。
Figure 02_image029
以及
Figure 02_image013
其中c係表面的頂點處的暫態曲率半徑之倒數（c=1/R後 ），k係圓錐常數，x係表面上的徑向位置，並且an 係非球面性係數。
衍射表面輪廓由下式給出：
Figure 02_image032
其中m為衍射級，λ為設計波長，並且φ(x) 為徑向x方向上的相函數。這種方法之穩健性在於，可以在此系統中使用各種相函數以提供多個焦點來滿足產品之設計意圖的要求。例如，將充當菲涅耳透鏡的模2pi開諾全息照片設計將在眼睛上提供雙焦點老花眼矯正性能。附加地，相函數可以被設定為類似於ReSTOR™的變跡雙焦點透鏡設計或類似於PanOptix™的四焦點設計，這將產生三焦點透鏡。附加地，衍射結構可以被設計成矯正接觸透鏡或一般眼睛的折射結構的色差。
衍射過渡的徑向位置x係將添加到系統的衍射光焦度或下加光和波長之函數：
Figure 02_image034
並且衍射過渡之高度由下式給出：
Figure 02_image036
在示例性實施方式中，拱形鞏膜衍射接觸透鏡720之機械設計將具有三個區域，如圖7A所示： (1) 拱形中心光學區域760。 (2) 拱形角膜緣過渡區域770。 (3) 鞏膜袢或著陸區域780。
在示例性實施方式中，鞏膜袢區域780與鞏膜之表面曲率緊密匹配，以最大化接觸面積，最小化支承壓力，並為角膜緣區域770和中心光學區域760提供拱頂。鞏膜區域的三維非接觸生物統計學可以用於提供鞏膜袢設計的起點並最小化配合複雜性。角膜緣過渡區域770較佳的是拱形，以維持角膜緣的健康。角膜緣區域770利用反向半徑或樣條表面以在鞏膜袢區域780與中心光學區域760之間混合。在示例性實施方式中，拱形衍射中心光學區域760將較佳的是利用50微米到200微米的拱頂以維持始終如一的淚液透鏡740，獲得全天舒適性和光學性能。
在示例性實施方式中，透鏡720被用作為視遠、視中（60 cm）和視近（40 cm）提供高品質視覺的多焦點老花眼矯正接觸透鏡。在替代性實施方式中，透鏡720被用作用於篩選視覺障礙和衍射多焦點人工晶狀體（IOL，例如，PanOptix™或ReSTOR™）的受試者選擇的預測性替代透鏡。經由預測性接觸透鏡篩選來選擇患者可以改進臨床結果（即，減少對視覺障礙的抱怨和手術透鏡外植），並增加白內障和屈光外科醫生對多焦點IOL裝置性能的信心。
在不同實施方式中，本發明提供了一種衍射和折射混合式多焦點接觸透鏡或透鏡系統。該透鏡或透鏡系統包括兩個或更多個透鏡部分、層或具有不同折射率的至少兩種材料的部件，例如，兩種不同軟性透鏡材料（例如，水凝膠和/或矽水凝膠）、硬性透鏡材料和軟性透鏡材料、或硬性透鏡材料或軟性透鏡材料和由淚膜形成的淚液透鏡部分。透鏡部分中的至少一個包括一個或多個衍射光學元件。視需要，多層式接觸透鏡之最外表面可以進一步塗布有親水性塗布材料（比如包裝內塗層（IPC）），以改進表面潤濕性。本發明還可以採取一系列這種透鏡的形式，該系列包括多個如本文所揭露之接觸透鏡，該系列中的透鏡具有一個或多個相關特徵，並提供一系列不同程度和/或類型的視力矯正。根據示例性實施方式之接觸透鏡之光學屈光力將介於-15D（屈光度）到+8D之間，並且將矯正球面屈光不正。每個過渡區之基彎、凹陷和直徑將會變化，以使組合的淚液透鏡焦度和接觸透鏡光焦度與所需球面矯正焦度匹配。接觸透鏡的示例性實施方式之衍射部件之光焦度（下加光）將是大約+1到+8D，但是典型地，對於視近來說是約+2.5D，並且對於視中來說係約1.6D。
本發明進一步包括治療或矯正人類或動物受試者之視力之方法。例如，如本文所揭露之接觸透鏡可以被指定並佩戴在受試者的眼睛上，以用於矯正老花眼，提供遠距離（約6 m處的物體）、中距離（80 cm到60 cm處的物體）和近距離（40 cm處或更近的物體）的高品質視覺。本發明還包括使用如本文所揭露之接觸透鏡作為替代裝置以探索對潛在的多焦點人工晶狀體（IOL）患者進行患者篩選之方法。在這種情況下，該裝置可以作為篩選工具出售給白內障和屈光外科醫生。接觸透鏡可以用作用於視覺障礙和衍射多焦點IOL（例如，PanOptix™或ReSTOR™）的受試者選擇的預測性替代透鏡。經由預測性接觸透鏡篩選來選擇患者可以改進臨床結果（即，減少對視覺障礙的抱怨和手術透鏡外植），並增加外科醫生對多焦點IOL裝置性能的信心。
藉由將接觸透鏡之衍射光學元件嵌入在透鏡基底或塗層中，或者藉由在透鏡與受試者角膜之間的拱形空間中設置淚液（淚膜）透鏡，可以獲得始終如一的光學性能，同時由於表面和生物力學性質與嵌入式元件之衍射光學性質的分離而維持舒適、平滑的光學表面。衍射光學元件利用基底與嵌入式元件之間的折射率差（ΔRI）以實現老花眼的治療和矯正的多焦點性。根據示例性實施方式之接觸透鏡之光學屈光力將是大約-15D到+8D，並且將矯正屈光不正。接觸透鏡的屈光力還可以包括例如介於-0.5D到-2.75D之間的柱境度，以矯正散光。根據示例性實施方式之接觸透鏡的衍射部件之光焦度（下加光）將是大約+1D到+8.0D，但是典型地，對於視近矯正來說係約+2.5D，並且對於視中來說係約1.6D。接觸透鏡和衍射光學元件之表面性質的分離提供了始終如一的可預測的高效率衍射光學性能，同時維持了接觸透鏡所需的表面特徵。此外，表面折射光學性質和嵌入式衍射光學性質的分離可以允許矯正和/或操縱色差和或球面像差和/或更高階像差，以用於治療近視發展。塊體基底材料性質單獨地或與塗層組合提供了與眼表面接觸的可潤濕光學表面，以及接觸透鏡系統的適當舒適性和配合所需的氧滲透性（Dk）和離子滲透性。附加地，塗層可以塗覆在基底的最外層上，以優化淚膜穩定性。
在示例性實施方式中，接觸透鏡可以在相對大的矯正區上為較大瞳孔（例如，直徑高達約4 mm或更大）提供矯正焦度，可以提供球面像差和/或色差的矯正、改進的圖像品質和/或散光矯正，並且可以為老花眼的治療提供比純折射多焦點透鏡所提供的更高的下加光（例如，+2到+8或更高）。在進一步的實施方式中，接觸透鏡提供獨立光學特性（折射和衍射）、生物力學特性（模量、厚度、曲率和輪廓等）以及基底和嵌入式元件之表面特性質，這允許在不影響表面或生物力學性質的情況下獨立定制多焦點光學特性。在示例性實施方式中，由於折射和衍射的相反材料顏色色散效應（即，在折射中，藍光將聚焦在紅光之前聚焦（正色散），而在衍射中，紅光將在藍光之前聚焦（負色散）），由本發明之接觸透鏡之衍射元件產生的色差也可以用於抵消或消除眼睛的自然折射色差。
本發明之接觸透鏡之衍射技術以受控的方式將光分成多個衍射級。因此，對於距離單一衍射區的多個聚散距離（即，遠距離、中距離、近距離），可以獲得清晰銳度。焦點之間以及整個區域（變跡）的能量分佈可以針對視覺和功效要求來調整。圖8A至圖8I示出了能量平衡圖，這些能量平衡圖具有由根據本發明之示例性實施方式之不同衍射或衍射-折射混合式接觸透鏡產生的不同區或焦距範圍之光（圖像）相對能量強度。藉由將光（圖像）分成兩個或更多個衍射級，透鏡產生具有不一樣和不同焦距（例如，視近、視中和/或視遠）的多個不同清晰焦點，而不是如同在純折射多焦點透鏡中那樣模糊焦點（焦散）。並且藉由對透鏡的衍射和折射光學元件的適當選擇和控制，一系列透鏡可以被製造並指定以用於各種視力矯正應用，比如，老花眼或近視的矯正。根據示例性實施方式之接觸透鏡之光學屈光力將是大約-12D至+8D，並且將矯正屈光不正。接觸透鏡之屈光力還可以包括例如介於-0.50D到-2.75D之間的柱境度，以矯正散光。根據示例性實施方式之接觸透鏡的衍射部件之光焦度（下加光）將對於視近矯正來說是約2.5 D，並且對於視中矯正來說係約1.6 D。
在另一個示例性應用或使用方法中，根據本發明之示例性實施方式之衍射-折射混合式接觸透鏡可以結合尋求控制兒童的近視發展的治療方案來使用。通常認為漸進近視係藉由逐漸增加眼睛長度而非晶狀體光焦度引起的，可能是儘管使用持續增強的矯正透鏡但仍然導致視覺損害逐漸增加的嚴重狀況。兒童期的漸進近視也與晚年視網膜脫落有關。一些亞洲國家報導，17歲的青年超過80%患有近視並且許多人很可能具有或者形成漸進的狀況。一般認為，正常眼睛發展（稱為正視化）受到控制眼睛長度以藉由在動物生長期間既在遠距又在近距調節而允許良好中心聚焦（稱為正視眼）的回饋機構的調節。因此，假定在漸進近視中，這種回饋機構出了差錯，並且儘管採用了良好的矯正透鏡其仍然使得眼睛持續過度變長。關於回饋機構的性質出現了許多衝突的理論，因此提出了許多不同的治療漸進近視的方案。
用於藉由光學干預來控制近視發展的已知接觸透鏡技術係基於折射技術來產生正屈光度的區。然而，每個區只可以用於視遠、視近或該等預期焦度之間的漸進（或急劇）過渡。因此，性能受到限制，並且對於區之間有急劇和逐漸過渡的設計，視力會受到損害。遠距光學區與近距光學區之間的急劇過渡（例如，0.0 D到2.5 D）將導致視覺障礙（閃光幻視）。具有平滑過渡的設計將導致模糊和將受試者過於差減的風險（即，指定接觸透鏡的負屈光度比要求的更大）。同樣，圖像性降低可能影響對光學干預治療之依從性。
本發明之示例性實施方式在光學區的所有或選定區域上利用離散的衍射多焦點性，以降低對中距離和近距離工作的調節需求，同時維持高品質視遠。本發明可以與整個光學區的像差控制組合，並且可以包括利用衍射或折射技術的不同分區組合的周邊近視正屈光度。如本文所揭露之接觸透鏡之衍射效應以受控的方式將光分成多個衍射級或能量通道。因此，對於距離單一衍射區之多個聚散距離（即，遠距離、中距離、近距離），可以獲得清晰銳度。焦點之間以及整個區域（變跡）之能量分佈可以針對視覺和功效要求來調整。一些人認為，將離軸光線（例如，20°視場角）聚焦在周邊視網膜之前的周邊折射正屈光度會影響視網膜之軸向伸長。因此，設想了具有周邊（5 mm到8 mm直徑光學區）正（例如，與標籤焦度相比+2.5 D）的實施方式。接觸透鏡之光學屈光力將介於-10D到0D之間，並且將矯正球面屈光不正。接觸透鏡之屈光力還可以包括例如介於-.50D到-2.75D之間的柱鏡度，以矯正散光。根據示例性實施方式之接觸透鏡之衍射光焦度（下加光）分量介於在+1D到+8D之間（典型地，是約+2.5D），以用於在中心2 mm到4 mm的光學區直徑上矯正近視。藉由例如在周邊視場中將光能聚焦在視網膜之前的焦點，眼睛可能傾向於向此焦點生長，以對抗兒童的近視發展。利用周邊正與衍射光焦度的組合，可以調整接觸透鏡以控制透鏡的整個周邊區域上的球面像差（例如，周邊正、中心正）。折射（周邊正）和衍射焦度的這種組合可以在周邊在視網膜之前形成圖像，同時在中心視網膜維持聚焦圖像。
根據本發明之示例性實施方式之接觸透鏡之衍射或混合式設計實施方式包括： 1.  跨越整個光學區的全衍射。 2.  中心衍射（D）和同心周邊折射（R）以及多個實施方式（例如，D；D，R；D，R，D；D，R，D，R……）。 3.  中心折射（R）和同心周邊衍射（D）以及多個實施方式（例如，R，D；R，D，R；R，D，R，D……）。 如圖8A至圖8I所示，在示例性實施方式中，同心區之寬度可以相等也可以不相等；同心區之面積可以相等也可以不相等。雙焦點區之遠距離/近距離能量平衡可以在85%/15%到20%/80%（較佳的是65%/35%）的範圍內，其中下加光介於2 D與6 D之間（較佳的是2.5D到3.5D）。衍射區可以利用與瞳孔無關的設計，或者可以變跡。三焦點區設計的遠距離/中距離/近距離能量平衡可以在80%/10%/10%到30%/30%/30%（較佳的是60%/20%/20%）的範圍內，其中近距離下加光介於2 D與6 D之間（較佳的是2.5D到3.5D），並且中距離下加光介於0.75 D到1.75 D之間（較佳的是1.00 D到1.75 D）。衍射區可以利用與瞳孔無關的設計，或者可以變跡。雙焦點和三焦點設計也都可以變跡，以修改近距離能量和中距離能量，例如，以針對較大瞳孔直徑而改進遠距離圖像品質。
廣義地分類，本發明之示例性實施方式包括： 1.  前或後表面衍射結構。 a. 較佳的是正弦衍射或圓形衍射結構。 b. 具有或不具有一致的表面塗層。 c. 具有帶有折射率差和適當設計的臺階高度之表面塗層，該表面塗層薄（即，約10 μm）並維持平滑的表面形貌（半嵌入式）。 2.  具有或不具有被設計成在中心從角膜拱出的塗層之衍射基彎表面。該間隙可以填充有厚的淚膜層或厚的低模量塗層。 3.  折射率差ΔRI介於0.03與0.3之間（較佳的是0.1）的軟性或硬性嵌入式光學元件。衍射結構可以包括開諾全息照片、三焦點形式、消色差衍射設計等。 4.  不透明或強度變跡虹膜圖案，針對大於5 mm（較佳的是大於6 mm）的直徑印刷在中心光學區外部，以減少當被大瞳孔和離軸光線對著時由於衍射光學元件引起的雜散光和光暈效應。
儘管已經參考示例性實施方式描述了本發明，但是熟悉該項技術者將理解的是，各種修改、增加和刪除都是在如由以下請求項所限定的本發明之範圍內。
10:衍射-折射混合式軟性接觸透鏡 20:內部衍射光學元件 40:透鏡基底 22:中心光學區 24:周邊光學區 110:衍射-折射混合式軟性接觸透鏡 120:衍射光學元件 140:透鏡基底 122:中心光學區 124:周邊光學區 10,110:接觸透鏡 40,140:透鏡基底 20,120:衍射元件 310a:三層式透鏡 310b:三層式衍射透鏡 310c:透鏡 410a:雙層嵌入式衍射接觸透鏡 410c:透鏡 422a,422c:衍射元件 432a,432c:機械結合區域 420c:衍射結構 440c:透鏡基底 420a:衍射結構 440a:透鏡基底 522:衍射結構 522b:衍射結構 522c:衍射結構 610a:接觸透鏡 620b:嵌入式元件 650e:機械結合特徵 710:老花眼矯正接觸透鏡系統 720:拱形鞏膜接觸透鏡 722:衍射元件 740:淚液透鏡 722:衍射光學元件 760:拱形中心光學區域 770:拱形角膜緣過渡區域 780:鞏膜袢區域 770:角膜緣區域
[圖1]係根據本發明之示例性實施方式之衍射-折射混合式接觸透鏡之立體圖。
[圖2A]係根據本發明之另一個示例性實施方式之衍射-折射混合式接觸透鏡之分解或組裝立體圖。
[圖2B]係根據本發明之另一個示例性實施方式之衍射-折射混合式接觸透鏡之分解或組裝立體圖。
[圖2C]係圖2B之衍射-折射混合式接觸透鏡的邊緣部分之截面圖。
[圖3A]係具有不同折射率的層的多層式接觸透鏡之部分截面示意圖。
[圖3B]係根據本發明之示例性實施方式之具有嵌入式衍射光學元件的衍射-折射混合式接觸透鏡之部分截面示意圖。
[圖3C]係根據本發明之另一個示例性實施方式之具有嵌入式衍射光學元件的衍射-折射混合式接觸透鏡之部分截面示意圖。
[圖4A]係根據本發明之示例性實施方式之具有嵌入式衍射光學元件的雙層式接觸透鏡之截面圖。
[圖4B]係圖4A的雙層式接觸透鏡之部分截面細節。
[圖4C]係根據本發明之另一個示例性實施方式之具有嵌入式衍射光學元件的雙層式接觸透鏡之截面圖。
[圖4D]係圖4C的雙層式接觸透鏡之部分截面細節。
[圖5A至圖5E]示出了根據本發明之示例性實施方式之、在製造期間的透鏡的層構造以及嵌入在雙層式接觸透鏡中的衍射結構的視需要的圓化之進一步細節。
[圖6A至圖6E]係根據本發明之多層式衍射-折射接觸透鏡的示例性實施方式之截面圖和細節圖。
[圖7A和圖7B]示出了根據本發明之另一個示例性實施方式之拱形鞏膜衍射接觸透鏡。
[圖8A至圖8I]係能量平衡圖，示出了由根據本發明之示例性實施方式之衍射-折射混合式接觸透鏡產生的不同區或焦距範圍之光（圖像）相對強度。
無
10:衍射-折射混合式軟性接觸透鏡
20:內部衍射光學元件
22:中心光學區
24:周邊光學區
40:透鏡基底

Claims (15)

  1. 一種用於治療近視之衍射與折射混合式接觸透鏡，包括： 第一透鏡部分，該第一透鏡部分包括具有第一折射率的第一透鏡材料，該第一透鏡部分包括至少一個衍射光學元件；以及 第二透鏡部分，該第二透鏡部分包括具有不同於該第一折射率的第二折射率的第二透鏡材料； 其中，該接觸透鏡在中心光學區中提供介於-10D到0D之間的光學屈光力，並且在圍繞該中心光學區的周邊光學區中提供介於+1D到+8D之間的衍射光學下加光；並且 其中，該第一折射率與該第二折射率之間的折射率差（ΔRI）係至少0.03。
  2. 如請求項1所述之接觸透鏡，其中，該接觸透鏡進一步提供介於-.50D到-2.75D之間的柱鏡度。
  3. 如請求項1所述之接觸透鏡，其中，該第一透鏡部分之至少一個衍射光學元件至少部分地嵌入該第二透鏡部分內。
  4. 如請求項1所述之接觸透鏡，其中，該第一折射率與該第二折射率之間的折射率差（ΔRI）係至少0.08。
  5. 如請求項1所述之接觸透鏡，其中，該第一折射率與該第二折射率之間的折射率差（ΔRI）係該第一折射率和該第二折射率的平均值的至少3%。
  6. 如請求項1所述之接觸透鏡，其中，該至少一個衍射光學元件包括圍繞中心光學區以環形圖案佈置的一系列峰和穀。
  7. 如請求項1所述之接觸透鏡，其中，該周邊區的衍射光學下加光係約+2.5D。
  8. 一種用於控制近視發展之多焦點衍射-折射接觸透鏡，該透鏡包括： 第一透鏡部分，該第一透鏡部分包括具有第一折射率的第一透鏡材料，該第一透鏡部分包括至少一個衍射光學元件； 第二透鏡部分，該第二透鏡部分包括具有不同於該第一折射率的第二折射率的第二透鏡材料； 中心光學區，該中心光學區提供光學屈光力；以及 周邊光學區，該周邊光學區圍繞該中心光學區，其中，該至少一個衍射光學元件在該周邊光學區中提供介於+1D到+8D之間的衍射下加光， 其中，該第一折射率與該第二折射率之間的折射率差（ΔRI）係至少0.03。
  9. 如請求項8所述之接觸透鏡，其中，其中，該光學屈光力介於-10D到0D之間。
  10. 如請求項8所述之接觸透鏡，其中，該衍射下加光係約+2.5D。
  11. 如請求項8所述之接觸透鏡，其中，該接觸透鏡進一步提供介於-.50D到-2.75D之間的柱鏡度。
  12. 如請求項8所述之接觸透鏡，其中，該第一透鏡部分之至少一個衍射光學元件至少部分地嵌入該第二透鏡部分內。
  13. 如請求項8所述之接觸透鏡，其中，該第一折射率與該第二折射率之間的折射率差（ΔRI）係至少0.08。
  14. 如請求項8所述之接觸透鏡，其中，該至少一個衍射光學元件包括圍繞中心光學區以環形圖案佈置的一系列峰和穀。
  15. 一種矯正近視的方法，包括 向使用者提供衍射與折射混合式接觸透鏡，該接觸透鏡包括：第一透鏡部分，該第一透鏡部分包括具有第一折射率的第一透鏡材料並包括至少一個衍射光學元件；以及第二透鏡部分，該第二透鏡部分包括具有不同於該第一折射率的第二折射率的第二透鏡材料； 其中，該接觸透鏡提供被指定用於治療該使用者的近視光學狀況之光學矯正，該光學矯正在中心光學區中包括介於-10D到0D之間的光學屈光力，並且在圍繞該中心光學區的周邊光學區中包括介於+1D到+8D之間的衍射光學下加光；並且 其中，該第一折射率與該第二折射率之間的折射率差（ΔRI）係至少0.03。
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