具有组合的衍射部分、复曲面部分和非球面部分的晶状体表面
技术领域
本发明主要涉及眼科晶状体，并且更具体地涉及对多种像差提供补偿的衍射型眼科晶状体。
背景技术
在白内障手术过程中，通常将人工晶状体(IOL)植入患者眼内来代替天然晶状体。在一些情况下，IOL可以包括衍射结构，从而不仅具有远焦点屈光力，而且具有近焦点屈光力，由此提供一定程度的拟调节性(pseudoaccommodation)。各种像差(诸如球面像差和像散像差)可能对这种晶状体的光学性能产生不利的影响。例如，球面像差尤其是对于大尺寸的瞳孔来说可以使视觉对比度下降。
已知对多种像差提供补偿的衍射型IOL。然而，制造这种IOL可能是耗时的和昂贵的。
因此，需要一种改进的眼科晶状体，尤其是一种能够更容易地制造的改进的衍射型IOL。
发明内容
本发明主要涉及对非球面像差和像散像差提供补偿的衍射型眼科晶状体，诸如人工晶状体(IOL)。在一些实施例中，所述晶状体的单个表面成形为不仅包括多个衍射结构，而且包括呈现非球面和复曲面的组合的基本轮廓。
在一个方面，公开了一种人工晶状体(IOL)，这种人工晶状体包括具有前表面和后表面的光学部以及设置在所述前表面和后表面之一(例如前表面)上的多个衍射区域。具有所述多个衍射区域的所述表面所呈现的基本轮廓的特征在于非球面和复曲面的组合。
在一个相关方面，所述光学部提供了范围例如在约16到约32屈光度(D)的远焦点屈光力以及特征例如在于范围在约1D到约6D的附加屈光力的近焦点屈光力。
在另一方面，具有所述多个衍射区域的所述表面的轮廓可以根据如下关系式限定：
sag(Ravrg，r，θ)＝diffractive(Ravrg，r)+toric(Ravrg，r，θ)+asph(Ravrg，r)
其中，sag表示所述表面沿光轴(例如z轴)在距离该表面的中心(光轴与该表面的交点)为半径距离r并且在子午角θ位置处的弧高，其中Ravrg表示平均子午线(即45°)的基本曲率半径，而diffractive(Ravrg，r)、toric(Ravrg，r，θ)和asph(Ravrg，r)分别表示表面轮廓的衍射部分、复曲面部分和非球面部分。
在一个相关方面，表面轮廓的衍射部分，即diffractive(Ravrg，r)可以根据如下关系式限定：
diffractive(Ravrg,r)=z=zrad-Rrad2-r2]]>
其中Ravrg和r如上限定，而Rrad和Zrad分别表示延伸通过半径距离r的衍射区域的曲率半径和该衍射区域的曲率中心的轴向位置(即沿z轴)。作为实例，Zrad和Ravrg可以根据如下关系式限定：
zrad=xin2+zin2-xout2-zout22(zin-zout)]]>
Rrad=(zin-zrad)2+xin2,]]>
其中xin和zin分别表示衍射区域的内边界(较靠近光轴)的x和z坐标值，而xout和zout分别表示衍射区域的外边界的x和z坐标值。
在另一方面，表面轮廓的复曲面非球面部分可以根据如下关系式限定：
toric(Ravrg,r,θ)=(cxcos2θ+cysin2θ)r21+1-(1+kx)cx2r2cos2θ-(1+ky)cyr2sin2θ]]>
其中Ravrg、r和θ如上限定，cx和cy表示沿两条主要子午线的复曲面曲率，并且kx和ky表示沿两条主要子午线的复曲面圆锥常数。
在另一方面，表面轮廓的非球面部分可以根据如下关系式限定：
asph(Ravrg,r)=cr21+1-(1+k)c2r2,]]>
其中![]()
其中Ravrg和r如上限定，而k表示球面圆锥常数。
在一个相关方面，在上述IOL中，Ravrg的量值在约12mm到约120mm的范围内(对于Ravrg而言，符号可正可负)。在一些实施例中，cx的量值可以在约0.008mm-1到约0.08mm-1的范围内(对于cx而言，符号可正可负)，cy的量值可以在约0.008mm-1到约0.08mm-1的范围内(对于cy而言，符号可正可负)，kx可以在约-3000(负3000)到约-12(负12)的范围内，而ky可以在约-3000(负3000)到约-12(负12)的范围内。此外，在一些实施例中，非球面圆锥常数(k)可以在约-3000(负3000)到约-12(负12)的范围内。
在另一方面，衍射区域由多个衍射结构(例如小阶梯光栅)形成，所述多个衍射结构通过多个阶梯高度彼此隔开。在许多实施例中，对于不同的子午线，每个阶梯高度是常数。
在另一方面，在上述IOL中，沿特征在于角度θ的衍射区域的曲率半径![]()
和与该衍射区域相关的基本轮廓的曲率半径![]()
根据如下关系式关联：
(n1-n2)(1Rdθ-1Rbθ)=Constant]]>
其中n1表示形成光学部的材料的折射率，n2表示围绕该光学部的介质的折射率，而Constant表示常数值。作为实例，所述Constant可以在约0(零)屈光度到约4屈光度(例如+2D)的范围内。
在又一方面，光学部可以由生物相容材料形成。一些合适的材料包括但不限于：软丙烯酸聚合物、水凝胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚砜、聚苯乙烯、纤维素、乙酸丁酸类酯或其它生物相容材料。作为实例，在一个实施例中，光学部由通常称为Acrysof的软丙烯酸聚合物(2-苯乙基丙烯酸酯和2-苯乙基甲基丙烯酸酯的交联共聚物)形成。
在另一方面，公开了一种衍射型眼科晶状体，这种衍射型眼科晶状体包括具有前表面和后表面的光学部。这些表面中至少之一所呈现的表面轮廓的特征在于衍射部分、非球面部分和复曲面部分的组合。
通过参考下面结合附图的详细描述可以获得对本发明的进一步理解。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的IOL的剖视图，
图2是图1的IOL的前表面的俯视图，
图3示意性地示出了前表面的横截面轮廓，和
图4示意性地示出了FTS系统的金刚石刀片正在基底(例如光学坯件)上切割前表面所需的轮廓。
具体实施方式
本发明主要涉及衍射型眼科晶状体，这种衍射型眼科晶状体可以提供对球面像差和像散像差的补偿，同时可以提供远焦点和近焦点屈光力。在下面的实施例中，将结合人工晶状体(IOL)讨论本发明的各个方面。然而，应该理解的是，本发明的教导还可应用于其它眼科晶状体，诸如隐形眼镜。此外，术语“人工晶状体”及其缩写“IOL”在本文中交替地用于描述能够植入眼内以替换眼睛的天然晶状体的晶状体或者在不论是否摘除天然晶状体的情况下增进视力的晶状体。
参考图1，根据本发明一个实施例的IOL10包括光学部12，该光学部12具有前光学表面14和后光学表面16。IOL还包括多个固定部件或襻18，这些固定部件或襻18便于将IOL放置在患者眼内。表面14和16围绕光轴20(光轴20在本文也称为z轴)设置。虽然后表面关于光轴对称设置，但是前表面以下述方式呈现围绕该轴的非对称性。
光学部12可以由各种生物相容材料形成。这种材料的一些实例包括但不限于：软丙烯酸聚合物、水凝胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚砜、聚苯乙烯、纤维素、乙酸丁酸类酯(acetate butyrate)或其它生物相容材料。作为实例，在一个实施例中，光学部由通常称为Acrysof的软丙烯酸材料(2-苯乙基丙烯酸酯和2-苯乙基甲基丙烯酸酯的交联共聚物)形成。
在许多实施例中，前表面和后表面的曲率以及形成光学部的材料的折射率选择成使得光学部能够提供范围在约-5D到约40D并且优选在约16D到约32D的远焦点屈光力。前表面14还包括多个衍射区域22，多个衍射区域22设置在前表面的一部分上以用于提供近焦点屈光力。衍射区域22的第零衍射级将入射光主要导向光学部的远焦点，而衍射区域的第一衍射级将入射光主要导向光学部的近焦点。近焦点的特征可以例如在于范围在约ID到约6D，并且优选在约3D到约4D的附加屈光力。作为进一步的图示，图2表示前表面的俯视图并示出了衍射区域形成为通过多个阶梯彼此隔开的环形衍射结构。
参考图1以及图3，前表面14包括基本轮廓(base profile)，该基本轮廓偏离假想球面轮廓，尤其以大半径距离远离光学部的光轴(z轴)，从而呈现组合的球面和复曲面。此外，如上面所指出的，多个衍射区域设置在该基本轮廓上。这样，前表面14的轮廓可以限定为由以下三个部分形成：衍射部分、非球面部分和复曲面部分。例如，在该实施例中，前表面可以根据下列关系式限定：
sag(Ravrg，r，θ)＝diffractive(Ravrg，r)+toric(Ravrg，r，θ)+asph(Ravrg，r)等式(1)，
其中sag表示所述表面沿z轴(距离z轴原点)在距离该表面的中心(光轴与该表面的交点)为半径距离r并且在子午角θ位置处的弧高，其中Ravrg表示平均子午线(即45°)的基本曲率半径，并且
其中![]()
等式(2)，
期中Ravrg和r如上限定，而Rrad表示延伸通过半径距离r的衍射区域的曲率半径，而Zrad表示该衍射区域的曲率中心的轴向位置(即沿z轴)。更特别地，Zrad和Ravrg可以根据如下关系式限定：
zrad=xin2+zin2-xout2-zout22(zin-zout)]]>等式(3)，
Rrad=(zin-zrad)2+xin2]]>等式(4)，
其中xin和zin分别表示衍射区域的内边界(较靠近光轴)的x和z坐标值，而xout和zout分别表示衍射区域的外边界的x和z坐标值。此外，表面轮廓的复曲面部分和非球面部分可以根据如下关系式限定：
toric(Ravrg,r,θ)=(cxcos2θ+cysin2θ)r21+1-(1+kx)cx2r2cos2θ-(1+ky)cyr2sin2θ]]>等式(5)，
asph(Ravrg,r)=cr21+1-(1+k)c2r2]]>等式(6)，
c=1Ravrg]]>等式(7)，
其中c和k分别表示球面曲率和圆锥常数，cx和cy表示沿两条主要子午线的复曲面曲率，而kx和ky表示沿两条主要子午线的复曲面圆锥常数。
如上述等式所限定的，当入射光线平行于前表面14时，与前表面的不同部分相关的物理路程差等于不同瞳孔位置处的弧高值。通过晶状体的一部分的光线的相应光程差可以按照沿光线方向的物理路程差与晶状体材料和周围介质之间的折射率差的乘积计算。此外，在入射在IOL上的光线不平行的许多情况中，上述等式仍然提供了对应于不同瞳孔位置的物理路程差的良好的近似值。例如，IOL通常位于角膜焦平面前面约27-28mm处，而瞳孔白处光线相对于光轴呈约6°的角，由于假设光线平行于光轴，这引入了仅仅0.6％的计算误差。
由上述等式(1)-(7)对前表面轮廓的描述有利地保持了光学精度。再参考图3，以第一衍射区域作为实例，在任何给定的子午线(θ)处，第一衍射区域的曲率半径![]()
和相应的基本曲率的曲率半径![]()
与第一阶梯高度(第一和第二衍射区域之间的阶梯高度)根据如下关系式关联：
![]()
等式(8)，
其中r0是第一衍射区域的半径，如图3中所示。
在一些实施例中，前表面可以例如以上面讨论的方式在屈光力范围上分段，从而表面轮廓被固定在各个段内。与平均子午线相关的屈光力调制的特征可以例如在于在屈光度方面的恒定的幅值。当对于不同的子午线来说阶梯高度可以相同，并且屈光度差被固定(例如+2D)在平均子午线上时，衍射区域的曲率半径和相应的基本曲率半径可以设计成对任何角度θ形成恒定的屈光度差，如下列关系式所表示：
![]()
等式(9)
再参考图1，在该典型实施例中，前表面16是球面的并且所具有的曲率半径选择成使得晶状体能够提供所需的远焦点屈光力(例如范围在约0到约84D，并且优选在约0到约4D的远焦点屈光力)。
可以采用各种制造技术来形成IOL10。例如，在一些实施例中，可以采用称为Fast Tool Servo(FTS)的方法来给例如由合适的生物相容材料形成的光学坯件的表面提供所需的轮廓(诸如由上面的等式(1)所限定的轮廓)。如图4中示意性地示出的，FTS加工方法使用了可以沿三个轴(例如X轴、Y轴以及与X-Y平面正交的“W”轴)运动的金刚石刀片24。更特别地，金刚石刀片可以在切割程序的控制下以受控的方式并且通常快速地沿W方向运动，同时在垂直于W方向的平面中(沿X轴和Y轴)进行双轴运动。刀片的组合运动可以导致在光学坯件的表面上切割出所需的轮廓。在可供选择的实施例中，可以采用FTS方法来形成光销(optical pin)，然后可以应用所述光销由所需的材料形成IOL。
在另一制造技术中，回转对称部分(即衍射部分和非球面部分)的加工可以由常规的高精度车床(例如由美国新罕布什尔州基涅市的Precitech公司销售的车床)控制，而FTS控制非回转对称部件(即复曲面部分)的加工。两个模块可以独立地操作而互不干扰，并且两个模块的输入可以组合以确定金刚石切割头的位置。例如，Precitech车床可以根据diffractive(Ravrg，r)+asph(Ravrg，r)而生成金刚石的切割位置，这是回转对称的，而FTS可以生成位置坐标值toric(Ravrg，r，θ)，这是非回转对称的。
作为实例，在一个实施例中，FTS系统可以进行编程以将复曲面几何构造预切割成光销表面。随后，Precitech车床控制器可以控制将衍射部分和非球面部分切割成复曲面销表面。随后，如果需要，可以采用更小的金刚石切割工具来提供精加工的光销表面。
在IOL的单个表面(例如前表面)上组合衍射部分、非球面部分和复曲面部分提供了多个优点。例如，这便于晶状体的制造，因为可以对其它表面(例如后表面)进行改变以获得不同的屈光力。这又可以例如通过大量减少所需光销的数量而使得对于各个患者进行依客户定制这种IOL成为经济可行的。
本领域普通技术人员应该理解的是可以在不脱离本发明的范围的情况下对上述实施例进行各种改变。