具有最优化的性能和设计方法的接触镜片背景技术
1.技术领域
本发明涉及眼科镜片，并且更具体地涉及下述接触镜片的设计，所述接触镜片在
将镜片佩戴在眼睛上时利用和定制眼睛-镜片系统所得的应变能以实现改进的向心性、平
移性、旋转/稳定性、舒适度和最终改进的视力。
2.相关领域的描述
接触镜片被视为医疗装置并且可被佩戴以矫正视力和/或用于美容或其他治疗原
因。自20世纪50年代起，接触镜片就已被商业化利用以改善视力。早期的接触镜片由硬性材
料构成或制成，相对较为昂贵并且脆弱。尽管仍在使用这些接触镜片，但它们因其不佳的初
始舒适度而并不适用于所有患者。该领域的后续发展产生了基于水凝胶的软性接触镜片，
所述软性接触镜片在当今极其流行且被广泛应用。所引入的软性接触镜片已经显著地改善
了佩戴者所感受的舒适度。尽管这项成果是由本领域的许多技术人员做出的众多发展和进
步的结果，但是应着重考虑的是，软性接触镜片比先前的接触镜片显著地更欠刚性。如此，
当将接触镜片放置在眼睛上时，它更易受当其变形并且适形于眼睛前表面时施加在其上的
应力和应变的影响。镜片与眼睛形状的这种交互作用本就是主要考虑因素，特别是在技术
人员出于特定目的(诸如视力矫正)而试图设计镜片时，但是出于另外目的的其他考虑因素
同样重要和相关。
尽管眼睛的解剖形状大体相似，但是的确是因人而异，并且还趋于是非对称的。具
体地讲，正常眼睛的非对称性可描述为，相比于颞区中的曲率变化鼻区中具有更大的曲率
变化。换句话讲，在沿横向平面观察眼睛周边区域的曲率的情况下，当一个眼睛从角膜中心
向内朝向鼻部移动时的曲率变化率相比于从角膜中心向外朝向颞部移动而言更大，从而导
致两个不同的曲率并且导致横向平面非对称性。这种非对称性还导致当佩戴接触镜片时被
施加在接触镜片上的非对称的力。具体地，当接触镜片的后表面与眼睛的前表面进行交互
时，特别是在周边区域中，它可导致接触镜片被临时取代从而影响向心性。如果接触镜片不
再居中，则可影响视力矫正。在眼睛的纵分平面中，已知的是，患者眼睛的周边下部分趋于
比周边上部分更陡。利用这种纵分非对称性的尝试，在美国专利No.6,406,145中有所描述，
其中发明者在设计镜片的基弧时考虑了镜片佩戴者眼睛的天然形状。尽管这是沿正确方向
的步骤，但是技术人员可通过考虑眼睛非对称性的多维度方面来认识到另外的改进。这通
过将接触镜片和眼睛分析并且估计成系统来实现，尤其是当它与由于佩戴镜片时镜片几何
结构与眼睛几何结构相互作用所致的应变能和镜片向心性相关时。其他影响因素还包括这
些项的力学性能。
在治疗老花眼患者时，一个创新为使用平移式镜片设计。随着患者年龄增加，晶状
体逐渐变得更硬，并且因此他们的眼睛难以适应。换句话讲，它们改变天然镜片的形状以聚
焦在物体上的能力被减弱。这种病症被称为老花眼。典型的平移式镜片依赖于接触镜片相
对于眼睛(特别是瞳孔)的相对移动。通常，平移式镜片将具有多个光学区，例如近区和远
区，以说明患者适应能力的丢失，并且根据注视角度，技术人员可通过引导注视使其穿过一
个区或另一个区来优化视力。为了实现这种目的，近区和远区通常分别放置在下部和上部，
并且例如当患者向下看时(通常近视者在诸如阅读时需要这样)，他们通过镜片的下部分
(近区)进行观察。这是成功的，因为镜片(通过与下眼睑的交互作用)通常相对于瞳孔朝上
驱动，该瞳孔的注视角被向下导向。当他们的目光返回更水平的位置并且他们看向一定距
离处的物体时，镜片的相对位置使得眼睛的瞳孔现在与镜片的上部分(远区)对齐。因此需
要优化近视和远视两者的聚焦。
平移式镜片的相对移动可受眼睛的非对称性和它与接触镜片交互作用的方式(从
而不允许实现所期望的结果)影响。但是还存在其他考虑因素，例如美国专利No.7,216,978
示出上眼睑和下眼睑在眨眼期间不严格地沿竖直方向移动。相反，上眼睑基本上竖直地移
动，且在眨眼期间具有小的鼻侧分量，下眼睑基本上水平地移动，由此在眨眼期间朝鼻部移
动。此外，上眼睑和下眼睑相对于穿过垂直子午线的平面并不对称。换句话讲，个体并非相
对于在睁开的上眼睑与下眼睑之间绘制出的水平轴线而对称性地眨眼。因此，眨眼自身可
不导致接触镜片最理想的平移，从而提供另一个机会以在设计时进行改进。另一种类型的
平移式镜片具有平截形状。即，不同于呈基本连续圆形或椭圆形的大多数镜片，截头接触镜
片的下部通过使镜片的该部分被切断或缩短而变平。这在镜片的底部处产生基本上平坦
的、较厚的边缘。此种镜片的示例性说明示出于多个专利中，包括美国专利No.7,543,935、
美国专利No.7,430,930、美国专利No.7,052,132、以及美国专利No.4,549,794。然而，接触
镜片诸如此种镜片上的相对平坦的边缘可能往往会降低舒适度。利用最小能量位置的概念
的另选方法为美国专利No.7,810,925中所提供的方法，其中具有两种严谨稳定位置的镜片
设计被建议用于优化近视和远视所需的镜片位置。最小势能位置的概念可用于实现这两种
稳定位置。考虑到需要一定程度的平移力(可能地是在‘925专利案件中的显著水平)以从一
个位置移动到另一个位置，可能的是，就初始稳定位置而言还引入了一定程度的不适，该不
适需要被克服以便移动到第二稳定位置。此外，相比于申请人的发明而言，‘925专利的方法
局限于两个不同位置，所述申请人的发明不仅利用位置的连续统一体和(从而是)相对应变
能(而不是不同情形)，还允许沿这种连续统一体的平滑平移。
在散光患者中，除了向心性之外，镜片的相对旋转取向为重要的以用于矫正患者
视力。散光是由角膜和/或晶状体沿光学区的非旋转对称曲率所致。正常角膜为基本上旋转
对称的，然而在具有散光的个体中却并非如此。换句话讲，眼睛的光学区实际上沿一个方向
比沿另一个方向更弯曲或更陡，从而使得图像被向外拉伸成聚焦线(柱状)而非聚焦成单个
点。复曲面镜片(而非球形/单视觉镜片)可用于处理这种情况。复曲面镜片为如下光学元
件，所述光学元件在彼此垂直的两个取向上具有两种不同的屈光力。实际上，复曲面镜片具
有内置于单个镜片中的用于矫正近视或远视的一种屈光力的球面以及用于矫正散光的一
种屈光力的柱面。利用以不同角度取向的、相对于眼睛优选地保持的曲率来产生这些光焦
度。复曲面镜片的正确旋转取向是正确矫正散光所必需的。然而，复曲面接触镜片可趋于在
眼睛上旋转，从而临时性地提供亚最佳视力矫正。因此，当前利用的复曲面接触镜片还包括
下述机构，所述机构用于在佩戴者眨眼或者环视时将接触镜片相对稳定地保持在眼睛上，
以便保持正确的视力矫正。为了保证正确的镜片取向，已经利用了镜片稳定的各种方法，诸
如压载或优选厚区和薄区。尽管存在实现稳定性的各种方法，但是所有方法最终将受到接
触镜片的后表面与眼睛的前表面的交互作用的不同程度的影响，特别是在周边区域中，这
还可负面地影响视力和/或主观舒适度。目前设计或使用的稳定区的挑战在于接触镜片稳
定性与舒适度以及与增加的厚度相关的物理限制之间的权衡。改变设计以改进旋转速度，
诸如增加稳定区的表面斜率，还可增加接触镜片的厚度并且可负面地影响舒适度。因此，接
触镜片的设计必须实现以下两者：即，旋转至恰当的插入取向，并在整个佩戴期内保持该取
向。常规设计需要在这两种模式之间对性能进行权衡。
在更多最近的尝试中，例如参见美国专利No.8,827,448，使用消除散光的定制镜
片被提议用于屈光矫正，其中第一柱面光焦度位于接触镜片的前表面上并且第二柱面光焦
度位于接触镜片的后表面上。尽管已表明利用这种设计实现了改进的视敏度，但是这些项
不限于镜片的光学区以及其如何与非对称形状的角膜进行交互作用。在其他区域中的设计
变化(最值得注意的是在镜片的周边区域)，仍可产生影响并且将不会负面地影响局限于光
学区的那些，所述光学区用于寻求改进视敏度从而共存并且进一步改进镜片性能)。
在这种领域中的一些发明人已经通过定制的患者特定设计来试图处理镜片/角膜
失配。具体地，他们测量角膜表面并且试图使接触镜片的后表面与角膜的外形配合。例如参
见美国专利No.6,786,603、美国专利No.6,340,229和美国专利No.6,305,802。这种另选的
方法尽管导致近乎完美匹配的适形配合，但是不可充分地处理当前问题，因为它可引入与
镜片移动的缺乏相关的不期望的后果，所述镜片移动的缺乏是由于镜片与角膜精确的适形
匹配所致。它还可导致用于系统的大量存储单元(SKU’s)，该系统对于制造商以及消费者两
者而言均为昂贵的。为了保持健康的眼生理状态，接触镜片的移动是允许适当的眼泪交换
所必需的。人类觉醒状态下平均每分钟眨眼约十二(12)次，每次眨眼可影响镜片的移动，从
而有利于必要的眼泪交换保持健康的泪膜。但是尽管移动对健康目的而言为重要的，但是
接触镜片过多的移动可负面地影响主观舒适度和视力两者。
用于眼睛增强的软性接触镜片(用于定制的患者特定装置、远视、散光、装饰或治
疗目的和/或其他光缺陷或矫正的接触镜片)可通过如本文所述的沿连续统一体引入非光
学特征(该非光学特征利用最优化的系统应变能的原理)来进一步改进，以在位于眼睛上时
实现最优化的镜片定位、移动、取向和/或稳定性，所有这些可对舒适度和视力两者产生积
极影响，并且以高性价比的方式执行这些功能。上文所述的现有技术装置采用导致某些权
衡的特征和设计，所述权衡例如，舒适度和用于视敏度的配合、用于健康和视力的镜片向心
性和移动、或者具有广泛存储单元以适当地处理患者变化的镜片系统。因此，存在对接触镜
片的需要，所述接触镜片具有改进的眼睛佩戴性能，同时保持眼睛健康以及高度的舒适度
和视力。
发明内容
根据本发明的接触镜片通过利用趋于抵消/恢复理想的力均衡的设计元件/特征，
克服了与上文简述的现有技术相关联的缺点，并且具体地优化所得的应变能以便实现接触
镜片的期望的向心性、移动、取向和/或稳定性。具有特定的力学性能的特定的镜片设计，当
放置在具有其特定的力学性能的特定的眼部表面上时，将以这种方式进行交互以产生唯一
的总应变状态。如果将具有相同力学性能的这种相同镜片设计放置在不同的眼部表面几何
形状上，则应变的状态将不同。同样，具有不同力学性能的不同镜片设计当被放置在这种相
同眼部表面上时还将导致不同的总应变状态。重点在于，镜片设计和镜片的力学性能两者
以及眼部形状和眼组织物质的力学性能，不仅导致该两项之间应力和应变的复杂交互，还
提供机会以改进镜片与放置该镜片的眼部表面之间交互的方法。
应变能状态的优化包括但不限于：最小量的应变能的位置；应变能状态的形状或
变化率两者；以及沿不同方向或维度或者在所选区域或表面中改变应变能状态。本发明还
涉及接触镜片设计，其中应变能状态以同心或径向方式进行优化，以允许接触镜片相对于
眼部表面的有限的但是必要的移动，同时保持镜片的所需向心性以确保保持视力质量。通
过以双峰对称形式修改镜片/眼睛系统的应变能状态，可在不需要平移式接触镜片的复杂
设计的前提下处理老花眼。通过沿角膜的纵分平面限定第一最优化的应变状态，并且沿角
膜的多个横向平面限定第二最优化的应变状态，每个应变状态不同，在程度和方向两方面
可实现接触镜片相对于角膜的最优化的移动/平移，而无需可能不舒适的设计特征。通过以
圆周方式或有角方式改变镜片/眼睛系统的应变能状态，可在不需要优选的厚区的前提下
处理散光患者的稳定性需要，所述优选的厚区用于实现传统接触镜片的稳定性并且可导致
不适。通过改变应变能状态的变化率，个人可改变稳定性的变化率并且基本上“拨入”跨部
件的稳定性的期望时间。
可通过下述步骤实现应变能优化并且从而实现镜片相对于放置该镜片的眼睛的
期望移动和定位，所述步骤为：改变接触镜片材料的力学特性；改变接触镜片的厚度、改变
接触镜片的边缘设计；以及选择性地改变任何数量的平面或子午线(特别是在周边区域)的
后曲率。本发明的接触镜片可与任何类型的接触镜片光学器件一起使用而没有附加的成
本，并且被优化以改善临床舒适度和/或生理机能。
附图说明
下文是附图所示的本发明优选实施方案的更为具体的说明，通过这些说明，本发
明的上述及其他特征和优点将显而易见。
图1A和1B分别提供了接触镜片的顶视图和侧视图，其示出了可根据本发明进行优
化的值得关注的代表性区域。
图2A提供了佩戴在眼睛上的镜片的示意图，以及根据本发明处理的选定力(外力
和恢复力)中的一些的示意图。
图2B和2C图示地示出了镜片的移动，更具体地由于典型的眨眼周期内施加在镜片
上的外力和恢复力所得的镜片分别沿X和Y方向的位移。
图3提供了根据本发明采用的设计方法的处于流程图格式的高阶概览。
图4提供了表格并且根据本发明示出了所得的最小应变能的量值对三个示例性条
件下的径向位置之间的理想化关系，以及它可如何影响镜片的移动和向心性。
图5A是根据本发明的典型的所得应变能标测图，其通过镜片位置(所述镜片位置
是优化处理的结果)示出应变能的量值。
图5B是根据本发明的第二示例性所得的应变能标测图，其示出了相对于图5A所示
标测图的应变能的增加的变化率。
图5C是根据本发明的第三示例性所得的应变能标测图，其示出了相对于图5A所示
标测图的应变能的减小的变化率。
图6A根据本发明示出了示例性的双边对称的应变能标测图，其中镜片位置可用于
以期望方式控制镜片的移动。
图6B根据本发明示出了示例性的高阶双边对称的应变能标测图，其中另外的修改
可用于以期望方式进一步控制镜片的移动。
图7A至图7C根据本发明示出了可如何在有角/旋转基础上定制应变能，这可用于
实现有效的旋转稳定性。
图8示出了角膜表面几何结构的典型剖面，其中叠层在剖面上的、理想化的多半径
曲线加强当前曲率半径的差异。
具体实施方式
就本发明的目的而言，如图1A所示的接触镜片10由至少三个不同区域限定。获得
进行视力矫正的内部区域11，接触镜片10的外部周边区域13提供接触镜片10在眼睛上的力
学稳定性，并且位于内部区域11与外部区域13之间的中间区域12可用于以平滑方式混合两
个前述的区域，使得不会发生突然间断。在一些示例性实施方案中，可不需要中间区域12。
内部区域11或光学区提供视力矫正并且被设计用于特定需要，诸如单一的视力矫
正、散光视力矫正、双焦视力矫正、多焦视力矫正、定制矫正或者可提供视力矫正的任何其
他设计。外周边或周边区13为佩戴于眼睛上的接触镜片提供基本配合和稳定性，包括向心
性和取向。当光学区包括非旋转的对称的特征(例如，散光矫正和/或高阶像差矫正)时，取
向稳定性为基本的。任选的中间区域或区12确保光学区和周边区平滑地混合。需着重注意
的是，光学区11和周边区13两者可独立设计，但是当特定需要为必要的时，有时他们的设计
是密切相关的。例如，具有散光光学区的复曲面镜片的设计可需要特定的周边区，以用于以
预定取向将接触镜片保持在眼睛上。
就本发明的目的而言，接触镜片还由如图1B中所示的前表面14、后表面或基弧15、
以及边缘16限定。接触镜片的前表面和后表面由至少三个区域限定，获得视力矫正的内部
区域11、为佩戴在眼睛上的接触镜片提供力学稳定性的外部区域13或接触镜片的周边、以
及位于内部区域11与外部区域13之间用于以连续和/或平滑方式连接和/或混合两个上述
的区域以使得不会发生中断的任选的中间区域12。镜片厚度是可优化的重要变量，并且可
通过在水平定位镜片时简单地测量前表面14与后表面15之间的相对竖直距离在三个区域
中的任一个中确定该镜片厚度，但是优选地在外部或周边区域13中。边缘16为接触镜片10
的边沿并且为优化方案中考虑的另一个有用变量。就本发明的目的而言，边缘16的形状可
为圆形或非圆形的。如果给定平面上的边缘突起部为圆，则边缘16据描述为圆形的，否则边
缘据描述为非圆形的。镜片的这些参数和其他几何结构变量中的每一个可被视为输入，并
且可在企图实现期望的应变能状态时变化。
应变能为一种势能，并且可如此进行测量。当固体承受负载并且由于负载变形时，
应变能可被存储在固体内。因此，处于未变形状态的固体对应于零应变状态。当将镜片放置
在眼睛上时，镜片可弯曲以配合眼部表面的形状。因此，镜片的这种变形可导致存储于镜片
内的应变能增加。放置在镜片上的负载还可导致镜片被相对于眼部表面位移。镜片在被放
置于眼睛上时变形和/或位移的程度将取决于一系列因素，诸如作用在其上的力/负载的量
值、眼部表面几何结构、镜片的几何结构、接触镜片和人眼角膜二者的力学特性(包括诸如
弹性模量的材料特性)、以及这些项的表面之间的相互作用。如图2A所示，在什么是所谓的
外力21与什么是所谓的恢复力22之间加以区别是重要的，因为这些力的量值显著不同。当
镜片10通过上眼睑23和下眼睑24被定位在眼睛上并且趋于比恢复力22的量值显著更高时，
主要的外力21为施加到接触镜片10的那些力。恢复力22可受下述项影响，所述项诸如镜片
与角膜表面之间的摩擦力，以及由于镜片10本身在其与眼部表面的几何结构相互作用时的
变形所致的镜片10的内部应力状态。外力的量值通常趋于比恢复力的量值更大，并且尽管
重力(未示出)将被考虑为另外的外力，但是在多个情况下这些重力的量值将被忽视。另外，
可存在旋转力或扭矩25，所述旋转力或扭矩将旋转移动施加到镜片10，而不是将平移施加
到镜片10。这些类型的恢复力当其涉及到如下项(所述项诸如镜片稳定性、向心性和移动性
特别重要的。因此，在眨眼期间，可存在如图2A所示的由于眼睑将外力21施加到镜片10自身
所致的镜片的大幅度移动。这些移动可被测量；此类测量示于图2B和2C中，该图2B和2C分别
图示地示出镜片的竖直(Y)和水平(X)位移。图2B和图2C两者包括在多个成功眨眼情况下镜
片沿给定方向(Y或X)移动的实际数据，以及理想化曲线，所述曲线示出在单个眨眼情况下
镜片沿Y方向或X方向的移动。在单个眨眼情况下的镜片位移示出于开始眨眼的点(点标记
为“A”)上，通过眨眼结尾(点标记为“B”)至最后静止位置(点标记为“C”)。在点“A”与“B”之
间的镜片位移是将外力21施加到镜片的直接结果。在图2B所示的Y位移的情况下，右侧的图
片，这将主要是通过上眼睑将力施加到镜片，这导致向上(S)移动或向下(I)移动。在如图2C
所示的X位移的情况下，这种位移是由于通过上下眼睑两者将力施加到镜片以导致颞区(T)
或鼻区(N)移动所致。在眨眼和施加外力21之后，恢复力22开始起作用，就是这些恢复力22
作用在镜片上导致点“B”与点“C”之间的镜片位移，最终导致镜片10重新定位到其如图2B和
2C两者所示的其静止位置。就镜片的竖直(Y)和水平(X)位移二者而言，这种过程每次眨眼
之后重复。在如图2B所示的竖直位移的情况下，眨眼的每个顺序之后是镜片10自身的较大
移动(所述移动是由于所施加的外力21所致)，首先示出的是向下移动然后是向上移动。紧
随其后，恢复力22主要施加向下移动，开始时较大，但是位移量值随时间减小，直到镜片10
基本上恢复到其初始或静止位置，最多至紧邻的下一个眨眼，在该下一个眨眼点重复该过
程。类似地参见图2C，其示出了外力和恢复力对镜片沿X方向移动产生的影响，同时这些位
移曲线图示出了由于外力(眼睑)和恢复力(镜片对眼睛)两者所致的镜片在眼睛上的交互
作用。
根据本发明，个人可将佩戴于眼睛上的镜片的最优化的应变能状态用作镜片和眼
睛二者的几何和力学特性输入的函数，可变化，直到实现了期望的能量应变能状态。期望的
应变能状态可根据个人尝试处理的条件(诸如改进的向心性、平移或旋转)而不同。根据本
发明的这种方法的用途及所得的接触镜片还可改进镜片稳定性、光学矫正和舒适度。几何
和力学特性输入可包括但不限于镜片厚度、镜片边缘几何结构、镜片基弧、镜片前曲面和镜
片弹性模量。这可通过给定的公式进行函数表达，所述公式为：
{最优化的应变能状态}条件＝F{LG，EG，LMP，EMP}，
其中，LG＝镜片几何结构，
EG＝眼睛几何结构，
LMP＝镜片力学特性，并且
EMP＝眼睛力学特性。
由于这些材料(水凝胶和生物组织)的性质，这并不是不重要的分析。此外，对上述
公式的条件和计算的评定的复杂性还在于环境、温度以及由于粘性因素所经受负载的时
间。获得对这种能量状态的真实理解并不简单，即使利用良好限定的线性弹性材料，具有复
杂的非对称性几何结构的各向异性粘弹性材料。为了解决这种情况，所使用的有限元分析
(“FEA”)提供分析方法以在给定的负载设置、材料特性和边界条件下估计和计算对象的应
力和应变。迭代地使用FEA可用于估计在给定负载条件下具有相似力学特性的不同几何结
构将如何执行以收敛到最优解。利用最优化技术和临界参数的识别以及他们与其他参数的
关系，可开发最小化关系，然后可利用FEA迭代地求解以显示理想化最优化的几何结构，所
述理想化最优化的几何结构在函数中给定的条件设置下以期望方式表现。眼部表面几何结
构输入可被定制，或者通过代表性群体平均化，与眼部表面的力学特性结合的这些输入然
后可与理想化的初始镜片几何结构一起建模。根据本发明，尽管镜片区域(内部、中间、外部
周边)、或者镜片表面(前或后)或两者之间的厚度、或者镜片边缘设计中的任一项可为最优
化设计的目标，但是优选的实施方案为镜片的外周边区域的后表面的最优化实施方案。具
体地，用于特定目的以实现改进的向心性、平移、旋转和稳定性的所得的最优化的几何结
构，以及确定这些最优化的几何结构的方法，是本发明的焦点。
根据本发明，如图3的流程图所示的方法30的概览被用于得到镜片的改进的应变
能状态。技术人员首先将眼部表面几何结构和初始镜片几何结构输入到FEA模型31内。技术
人员然后获得与输入的眼部表面几何结构进行交互的镜片几何结构的应变能状态，作为运
行FEA模型32时位置的函数。这之后是将步骤二32所得的应变能标测图适配到高阶多项式
函数33。初始的镜片设计然后可被迭代地调整，即优化，使得适配的应变能标测图等效于期
望的应变能状态35。例如，在优化向心性的情况下，这将导致下述镜片设计，所述镜片设计
的最小应变能状态与理想化的向心镜片36一致。如果应变能状态在步骤五34中不一致(即，
不可接受的)，则技术人员可重新迭代直到实现了期望的解36。例如，对镜片设计的任选的
另外次级调整以便优化更高阶项，可导致进一步降低相对于眼部表面的镜片移动，从而获
得不仅在预期位置为向心的还限制移动并且在期望的向心点周围向心的镜片。这导致最优
化的几何结构和定位以及理想化的移动程度和舒适度。向心性可影响光学性能，并且就化
妆品/美容镜片而言还影响当佩戴时镜片看起来的美感。镜片的一些移动是保持眼睛健康
所必需的，然而过量移动是不可取的，因为它可负面地影响视力和舒适度。在上述的示例
中，各个眼部表面几何结构可被输入或者另选地，技术人员可期望利用理想化几何结构以
经由给定群体或群体子集根据技术人员想要实现的目的进行平均化。这种方法对于其他情
况而言可重复，诸如当佩戴在眼睛上用于处理老花眼的需求时实现最优化平移的镜片，或
者实现最优化的稳定性以满足散光患者的需求的镜片。为了处理这些情况，技术人员识别
期望的目标的应变能标测图并且根据本发明利用指示的方法来改变设计/材料输入直到对
于该特定情况而言该分析收敛到目标的应变能标测图。
在本发明的优选方面，制造利用最小化的应变能差来优化佩戴在眼睛上的镜片的
向心性的接触镜片的方法包如下步骤：将眼部表面几何结构和初始接触镜片几何结构输入
到分析模型内，之后是获得与先前输入的眼部表面几何结构交互的接触镜片几何结构的初
始应变能状态，然后之后是将所得的应变能状态适配到参数化多项式函数，然后改变接触
镜片几何结构并且获得接触镜片几何结构的新的应变能状态，直到实现了均衡的(期望的)
应变能标测图。根据本发明，当利用参数化多项式函数使初始应变能状态和新的应变能状
态之间的差最小化时，实现均衡的应变能标测图。
图4示出了就每个通道相对于可期望的镜片的径向位置而言的一系列三个理想化
应变能曲线。因此在每个情况下，竖直轴线代表应变能水平，同时水平轴线代表每个示例中
的径向位置。在第一实施例中，曲线41代表理想化状态，在此处最低的应变能紧紧地居中在
单个点周围以导致最小化移动，并且从而在除了零径向位置之外的任何位置，应变能快速
增加。忽略显著更大的外力，这种情况将相当于由于恢复力而表现出最小移动的镜片，考虑
到将镜片从其中心位置移开所需的能量将需要克服快速增加和高量值的应变能状态。相比
于曲线41，曲线43导致占据径向位置的更大宽度的最小应变能，换句话讲称为向心性波动。
如此，考虑到在这些区域中在更宽的径向区域上应变能的值相当低(或最小化的)，将可能
存在镜片沿这种径向宽度的增加的移动。如上文所述，由于健康问题，不移动是不可取的。
在这种特定情况下，增加的移动在某些情况下可为可取的，正如过量移动可为不可取的，因
为它可对视力产生负面影响。最后，技术人员还可实现由曲线42代表的中间条件，其中镜片
居中在最小的低应变能状态周围，但是镜片/眼睛交互作用允许适度移动处理健康问题和
视力问题两者，同时仍保持向心性。当技术人员从曲线41至42至43进行时，技术人员看到增
加的向心性波动以及如箭头所示的镜片的增加的移动二者。根据对于向心性和/或镜片移
动的期望需要，技术人员可定制几何结构和特性以便实现期望效应。事实上，这三个曲线代
表沿可利用的可能解决方案的连续统一体的状态，并且尽管图中仅表示了三个条件，但是
沿这种连续统一体可存在多个条件。
图5A-5C示出了上文相对于图3描述的先前所述的方法30的所得的应变能轮廓标
测图50。在这种标测图50中，竖直轴线51代表沿下-上轴线的几何结构位置，同时水平轴线
52代表沿鼻-颞轴线的几何结构位置。各种轮廓代表在特定位置处所得的应变能的值。位于
(0，0)的中心区域53代表应变能的最小值，其中当一个径向向外移动到最外周边时值增加。
在这些特定实施方案中，所得的应变能标测图为旋转对称的，是指从(0，0)位置开始沿任何
方向的任何向外的径向移动将导致与还从(0，0)位置开始沿另选方向的等价的径向移动相
似的应变能增加。从而，应变能为旋转均衡的，并且如此在本实施例中镜片将趋于居中在
(0，0)周围。从中心位置的任何移动将导致应变能增加，并且从而镜片将具有自然趋势以返
回到其最小应变能状态(即，由于恢复力而居中)。因为这种示例性实施方案为旋转对称的，
就量值和方向两者而言，镜片应变能增加的程度将导致等价的恢复力，以使镜片返回到最
小能量位置(即，居中位置)。技术人员将会知道，随着设计和最优化参数的变化，技术人员
可改变期望的居中位置相对于眼部表面几何结构的位置。根据另外的示例性实施方案，技
术人员可改变输入参数和所得的镜片设计以实现另选的梯度(在该梯度处应变能发生变
化)。因此，技术人员仍可实现旋转对称的应变能标测图，但是应变能梯度可如在相同径向
距离上更多增量增加所证实的那样而增加(参见图5B)。或者如图5C所示，降低，相比于图5A
所示那样具有更小的增量增加。因此，如果技术人员期望通过几何结构或镜片的力学特性
变化增加或降低恢复力的程度，技术人员可影响镜片如何快速重新居中到最小能量位置以
及其重新居中的阻力。
还在另一个另选示例性实施方案中，技术人员可改变应变能标测图的对称性以实
现可用于期望的方向性移动的期望效应。通过利用这种方法，技术人员可根据本发明获得
图6A所示的应变能标测图。尽管图6A所示的应变能标测图不再为旋转对称的，但是就应变
能量值而言它的确具有双边对称性，其中在垂直子午线的颞侧和鼻侧两者上沿垂直子午线
存在等同的对称性和量值。在这种实施例中，还存在下部和上部两者的对称的应变能，但是
就等价移动而言沿竖直方向(下/上)的应变能变化率显著低于沿颞/鼻方向的变化率。因
此，根据本发明，这种镜片几何结构将具有更大趋势以竖直移动或者沿下-上方向移动，而
不是水平(鼻-颞)移动，因为移动的阻力大于沿水平方向的阻力(考虑到沿这一方向增加的
应变能变化率)。具有特定几何结构(得到如图6A所示的双边对称的应变能标测图)的镜片
设计可用于镜片的优选的下-上平移。可在不使用特定的可能的不舒适特征的前提下实现
这种设计，因为总体几何结构被优化并且被配置成在不存在特定设计特征的前提下实现期
望结果。根据本发明，技术人员可创建具有沿外部周边区域的基弧的背部表面，所述外部周
边区域变化或者沿一个或多个方向不同，这可导致具有双边对称性的应变能状态不同。方
向可为水平的、竖直的或两者的组合。
根据另一个示例性实施方案，接触镜片可被设计成具有另外的高阶变化，同时仍
保持主要的竖直移动，可引入下/鼻移动部件。根据本发明的这种类型的镜片交互作用所得
的应变能标测图示于图6B中。如上文所述，应变能变化程度和变化率可被调节以便获得具
有期望的预期交互作用/移动的镜片设计。
根据另一个示例性实施方案，接触镜片可被设计成实现应变能标测图，所述应变
能标测图允许快速有效的和舒适的稳定性。例如，通过将这种方法应用到复曲面型镜片的
使用，就散光患者而言，技术人员可相对于柱轴和/或径向位置优化应变能。在图7A、7B和7C
的一系列曲线图所示的这种情形中，该图示出了相对于径向位置和柱轴的应变能水平，从
而示出处于每个对应的圆柱角和径向位置处的应变能。如技术人员在这种情况下可见，移
动问题在于控制旋转。通过使得最小应变能位置与期望的有角柱轴一致，如图7A所示，在这
种情况下，为期望的目标柱轴15°，技术人员可就这种特定柱轴角而言实现最优化稳定性。
因此，在期望的柱轴15°之上和之下的柱轴将具有更高水平的应变能，并且超越这些的另外
的柱轴仍具有更高水平的应变能，因此将存在镜片返回到更低应变能的位置的趋势以便在
最小应变能水平(即，至柱轴15°)下使镜片有效地稳定。相比之下，图7B示出了居中在柱轴
25°周围的最小应变能，记录了应变能的总体对称性相比于图7A中的图是如何竖直向上偏
移的，但是总体形状和期望的梯度保持稍微等同。这将导致镜片稳定在柱轴25°处而非图7A
所示的15°处。但是技术人员还可在其他维度中“调谐”应变能。如图7C所示，沿径向方向的
梯度的程度(即距期望的向心性中心的距离)尽管仍有助于移动可较不明显，但是在这种情
况下，可辅助镜片在期望的轴线处和期望的径向位置处均保持居中。如在其他示例性情况
下，梯度在此处还可变化以实现关于镜片如何快速返回到其静止位置的期望效应。对比图
7A与图7C，两者皆示出居中在柱轴15°周围的最小应变能，但是图7C所示的最小应变能位置
和梯度已从图7A所示的期望的向心性中心位置径向地偏移，即使两者皆具有围绕柱轴15°
的期望的最小应变能。通过沿两个维度、柱轴和期望的向心性中心进行定制，技术人员可实
现快速和有效地稳定性两者，同时仍保持舒适度和视力需要两者。根据本发明，技术人员可
利用这种方法产生具有背部表面的接触镜片，所述背部表面的几何结构被配置成与眼睛的
眼部几何结构交互，以产生相对于柱轴的对称的应变能状态。这种镜片在定位在眼睛上时，
在外力和恢复力的作用下，将重新定位，使得镜片的期望向心性和相对旋转两者可由于镜
片在眼睛上的交互作用而实现以返回到最小化的(即，期望的)应变能状态。
图8示出了眼部表面几何结构的剖面，所述眼部表面几何结构已被理想化所得的
曲线80覆盖，所述曲线将为上述的最优化方法的结果。如这种剖面所示，技术人员可看到角
膜81和虹膜83。这种曲线80包括与眼部表面几何结构交互的多个半径。眼部表面或接触镜
片表面的一个或多个半径的变化将导致这种交互作用的变化，从而影响所得的应变能标测
图。
尽管所示出并描述的据信是最为实用和优选的实施例，但显而易见的是，对所述
和所示的具体设计和方法的变更对于本领域中的技术人员来说不言自明，并且在不脱离本
发明的实质和范围的情况下可使用这些变更形式。本发明并不局限于所述和所示的具体构
造，而是应当理解为与可落入所附权利要求书的范围内的全部修改形式相符。