專利名稱：針對(duì)眼睛和透鏡的波前像差優(yōu)化眼鏡透鏡的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種設(shè)計(jì)眼用透鏡(ophthalmic lens)元件的方法,該方法包含以下步驟確定要在參考面中最小化的、眼睛的波前像差(wavefrontaberration ),其中眼睛的波前像差可由高達(dá)第一特定級(jí)次的升序第一多項(xiàng)式級(jí)數(shù)和相應(yīng)第一系數(shù)描述；以及確定第二特定級(jí)次的第一視覺校正(visioncorrection),以獲得適配的眼用透鏡元件。
此外，本發(fā)明涉及一種制造眼用透鏡元件的方法，該方法包含設(shè)計(jì)眼用透鏡元件的方法的步驟。而且，本發(fā)明涉及用于實(shí)現(xiàn)上述方法的步驟的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
在幾百年的技術(shù)發(fā)展水平中，用于視力校正的眼用透鏡是眾所周知的。它們已被眼鏡商、驗(yàn)光師和眼科醫(yī)師用于通過使用凹透鏡或凸透鏡來分別校正近視和遠(yuǎn)視，以及也用于使用多焦點(diǎn)透鏡來校正老花眼。波前像差是由理想波前和畸變波前之間的光程長(zhǎng)度的差別所產(chǎn)生，該理想波前通過光學(xué)系統(tǒng)(即眼鏡片和眼睛)將導(dǎo)致完美的焦點(diǎn)，畸變波前由實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生。波前像差經(jīng)常通過它們的徑向級(jí)次(radial order)來分類,其表示像差對(duì)光瞳尺寸的依賴性。人眼的光學(xué)組件具有“低次(low-order)”和“高次(high-order)”兩種波前像差。對(duì)視力的校正有影響的低次像差實(shí)際上是低次像差的子集，稱為“二次(second-order)”波前像差。二次波前像差作為離光瞳或孔徑的中心的距離的平方的函數(shù)而變化。典型地，使用眼鏡片處方(prescription)來校正這些波前像差，該眼鏡片處方包括球屈光度分量、柱屈光度分量和軸分量，該軸分量描述柱屈光度的取向。但是，高次像差表示作為離光瞳或孔徑的中心的距離的三次函數(shù)或更高次函數(shù)變化的波如像差。眼睛的聞次像差包括諸如慧差、二葉草像差(trefoil)、和球差的像差。盡管這些像差的幅值通常小于低次像差，但是眼睛的高次像差也能降低視覺質(zhì)量，并限制視覺性能。通過在低次像差之外校正眼睛的高次像差，可以改進(jìn)視覺質(zhì)量。然而，針對(duì)傳統(tǒng)的眼鏡片處方的眼睛檢查程序僅產(chǎn)生使眼睛的低次像差最小化的校正。利用眼用透鏡校正眼睛的高次像差是不實(shí)際的，因?yàn)楫?dāng)眼睛在該透鏡的后面旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)引入更嚴(yán)重的低次波前像差。此外，具有與理想球面或復(fù)曲面背離的折射波前輪廓(wavefrontprofiles)的截面的眼用透鏡也產(chǎn)生各種高次像差。在特定情況下，高次像差可由穿過具有球面或復(fù)曲面的透鏡的某些區(qū)域的光的折射產(chǎn)生，包括遭受經(jīng)典塞德爾球差或慧差的對(duì)稱光學(xué)系統(tǒng)。而且，當(dāng)透鏡的至少一個(gè)表面具有非零的三階偏導(dǎo)數(shù)時(shí)，透鏡可常規(guī)地產(chǎn)生高次像差。這包括具有在曲率上平滑變化的表面的任何透鏡，包括但不限于單個(gè)視覺透鏡、球透鏡和漸進(jìn)附加透鏡(progressive additional lenses)。特別地,漸進(jìn)附加透鏡在漸進(jìn)地帶(corridor)中以及在透鏡的中央觀察區(qū)域和外圍區(qū)域之間的邊界處，產(chǎn)生嚴(yán)重的慧差和三葉草像差。由于使用了融合(blending)區(qū)域，在漸進(jìn)附加透鏡的某些區(qū)域中，低和高次像差均是不可避免的，該融合區(qū)域提供了附加屈光度的平滑變化，而沒有可見的分界線。由眼用透鏡產(chǎn)生的波前像差與眼睛的波前像差相互作用。依賴于在眼睛中和通過眼用透鏡呈現(xiàn)的低和高次像差，出現(xiàn)的像差結(jié)合可提高或降低通過透鏡的不同區(qū)域的視覺質(zhì)量。但是，傳統(tǒng)上，已經(jīng)將眼用透鏡設(shè)計(jì)為僅將由眼睛和眼用透鏡二者產(chǎn)生的低次像差的幅值最小化。這是因?yàn)樵谏虡I(yè)上可得的波前傳感器出現(xiàn)之前，不能測(cè)量眼睛的高次波前像差；不能采用眼用透鏡校正眼睛的高次像差而不產(chǎn)生更嚴(yán)重的低次波前像差；以及在現(xiàn)代自由形式表面技術(shù)出現(xiàn)之前，不能加工具有適當(dāng)復(fù)雜性的眼用透鏡表面。盡管眼用透鏡不能在不引入附加像差的情況下消除高次波前像差，但是仍然可以在確定低次眼鏡片校正時(shí)，采用眼用透鏡，通過將眼睛的低次和高次波前像差之間的組合光學(xué)作用的視覺凈效應(yīng)最小化而改進(jìn)視覺質(zhì)量。目前可用的具有低次眼鏡片校正的眼用透鏡已被操縱用于解決眼睛的高次像差的影響。例如，在美國專利申請(qǐng)2007/0279586A1和美國專利申請(qǐng)2009/0015787A1中公開了類似的方法。這些眼用透鏡為佩戴者提供“最優(yōu)化波前”的視覺校正，其已具有球屈光度分量、柱屈光度分量和柱軸，其被操作來基于來自于波 前傳感器的波前像差測(cè)量結(jié)果改進(jìn)視覺質(zhì)量。最近，還提出了如下眼用透鏡，其尋求至少在漸進(jìn)附加表面的數(shù)學(xué)約束條件(mathematical constraint)內(nèi)將僅由透鏡產(chǎn)生的高次像差最小化,盡管這不會(huì)改進(jìn)佩戴者的最大潛在視覺質(zhì)量。例如在美國專利No. 7063421中公開了類似方法。人眼的高次波前像差隨不同人而明顯不同。此外，在屈光度上具有重大變化的眼用透鏡(例如漸進(jìn)附加透鏡)上的高次波前像差，也在透鏡孔徑上具有很大的變化。然而，在使用例如美國專利No. 6089713中提出的自由形狀制造方法的制造之前，對(duì)于給定眼鏡片佩戴者，可以通過合適的數(shù)學(xué)優(yōu)化過程來操縱眼用透鏡的光學(xué)系統(tǒng)。此外，通過評(píng)估波前像差，可以評(píng)估視覺質(zhì)量。因此，當(dāng)眼睛的波前像差和初始眼用透鏡的設(shè)計(jì)都已知時(shí)，可以通過眼用透鏡的不同區(qū)域優(yōu)化視覺性能。眼用透鏡元件的低次折射力通常作為視角的函數(shù)而變化，這是由于跨一個(gè)或多個(gè)透鏡表面的變化、以及由于入射光的傾斜折射引起的像散而導(dǎo)致。典型的光學(xué)設(shè)計(jì)過程尋求在佩戴者在透鏡孔徑上凝視(gaze)時(shí)，將用于佩戴者的預(yù)期低次眼鏡片校正盡可能接近地保持在至少透鏡設(shè)計(jì)的固有數(shù)學(xué)極限中。特別地，漸進(jìn)附加透鏡元件在透鏡孔徑上具有不能提供預(yù)期的低次眼鏡片校正的區(qū)域，因?yàn)樵诒砻娴娜诤蠀^(qū)域中存在嚴(yán)重像差。眼用透鏡元件也可在透鏡孔徑上產(chǎn)生高次像差，其可由寬場(chǎng)角處光的折射導(dǎo)致，或由曲率在一個(gè)或多個(gè)的透鏡表面上的變化而導(dǎo)致。例如，因?yàn)闉榱嗽谕哥R孔徑上產(chǎn)生平滑的附加屈光度變化，漸進(jìn)透鏡元件依賴于非零的三階偏導(dǎo)數(shù)，所以漸進(jìn)透鏡元件的高次像差作為漸進(jìn)表面的混合偏導(dǎo)數(shù)(mixedpartial derivatives)的函數(shù)而變化。此外，由漸進(jìn)透鏡產(chǎn)生的高次像差主要由透鏡表面上的屈光度和像散的分布限定，其代表透鏡設(shè)計(jì)的基本特性。在聞次像差的澤尼克表不法中稱為“慧差”(Z6和Z9)和“二葉草像差”(27和Z8)的高次像差直接由眼用透鏡表面的混合偏導(dǎo)數(shù)影響，該眼用透鏡表面由表面高度函數(shù)Z描述。例如，澤尼克多項(xiàng)式的展開可來自于Gross等的“Handbook of Optical Systems”，Vol. I to 6, WILEY-VCH Publishing, Weinheim,2007，ISBN:978-3-527-40382-0。在眼用透鏡設(shè)計(jì)中，通常指定低次像差的預(yù)期或“目標(biāo)”分布。該分布通常表示針對(duì)眼鏡片處方的屈光度和適配參數(shù)的特定組合的透鏡設(shè)計(jì)的理想光學(xué)性能。典型的優(yōu)化過程通過操縱眼用透鏡的一個(gè)或更多的連續(xù)平滑表面，來尋求盡可能接近地達(dá)到期望的屈光度分布。在透鏡孔徑上的多個(gè)點(diǎn)處，針對(duì)佩戴的假定位置(其表示佩戴者上的適配透鏡的位置)使用計(jì)算機(jī)光線追跡(ray tracing)評(píng)估在模擬的眼用透鏡元件和目標(biāo)分布之間的光學(xué)性能差別。在典型的光線追跡過程中，計(jì)算來自于指定物點(diǎn)的一些光線通過透鏡元件的折射，其足夠描述透鏡的高達(dá)所選擇的級(jí)次的波前像差的特性。理想地，這些光線應(yīng)該全部會(huì)聚在眼睛的理想焦平面(其與物距相關(guān)聯(lián))處，盡管在透鏡孔徑上的所有點(diǎn)處，這在數(shù)學(xué)上通常是不可能的。典型地，使用數(shù)學(xué)優(yōu)化和建模技術(shù)(例如有限元分析)，在透鏡孔徑上的每個(gè)指定點(diǎn)處，將表示這些點(diǎn)處的光學(xué)像差的 總大小的“優(yōu)質(zhì)函數(shù)(meritfunction)”或最小二乘法解最小化。此外，也可在透鏡孔徑上對(duì)這些優(yōu)質(zhì)函數(shù)或這些優(yōu)質(zhì)函數(shù)的單獨(dú)項(xiàng)進(jìn)行不同的加權(quán)，以便最大化透鏡的某些區(qū)域(其中視覺質(zhì)量最關(guān)鍵)中的視覺性能，或者最小化透鏡中由于透鏡設(shè)計(jì)的本性而使某些光學(xué)像差不可避免的區(qū)域中的優(yōu)化。通常的優(yōu)化技術(shù)也可來自于上面提及的Gross等人。在當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展水平中，這些優(yōu)質(zhì)函數(shù)僅尋求使用單個(gè)、低次(二次)視覺校正或眼鏡片處方(最初由眼睛護(hù)理專業(yè)人員指定)，來改進(jìn)眼用透鏡元件的性能。因此，在透鏡的關(guān)鍵區(qū)域上，與該低次單個(gè)視覺校正的差別被最小化?？蓪⒏郊拥膬?yōu)化項(xiàng)并入優(yōu)質(zhì)函數(shù)，以將屈光度或其他光學(xué)特征的梯度(或像散)最小化，以減少圖像眩暈(swim)，或改進(jìn)視覺性能。盡管已經(jīng)證明了在不引入更大量值的重要低次像差的情況下不能校正眼睛的高次像差，但是當(dāng)確定傳統(tǒng)的低次視覺校正或眼鏡片處方時(shí)，通過考慮這些像差可以改進(jìn)視覺性能。此外，當(dāng)眼用透鏡元件引入在透鏡孔徑上變化的高次像差時(shí)，理想的低次視覺校正也作為透鏡上的位置的函數(shù)變化。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是通過考慮眼睛的高次像差(如源自通過像差計(jì)或波前傳感器的測(cè)量)和眼用透鏡元件在透鏡孔徑上的高次像差之間的相互作用，而將由眼睛和眼用透鏡元件二者在透鏡孔徑上產(chǎn)生的組合高次像差的影響最小化。本發(fā)明的另一目的是在眼睛的低次像差之外還將眼用透鏡元件在透鏡孔徑的指定區(qū)域上的低次波前像差最小化，傳統(tǒng)上通過提供期望的球面或球柱形視覺校正的眼用透鏡元件來消除眼睛的低次像差。附加地，本發(fā)明的一個(gè)目的是通過以下方法而在觀察條件(包括周圍的光亮級(jí)或變化的光瞳尺寸)的范圍上最大化視覺質(zhì)量通過修改低次視覺校正，以在眼睛中出現(xiàn)高次像差時(shí)進(jìn)一步改進(jìn)視覺質(zhì)量，并且更特別地，通過在透鏡孔徑上考慮眼睛的高次像差和眼用透鏡元件產(chǎn)生的高次像差之間的光學(xué)相互作用來改進(jìn)整個(gè)透鏡-眼睛光學(xué)系統(tǒng)獲得的凈視覺質(zhì)量。為了解決上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了起初指定的方法用于設(shè)計(jì)眼用透鏡元件，該方法還包含以下步驟在適配的眼用透鏡元件的孔徑上確定至少一個(gè)指定點(diǎn)；針對(duì)適配的眼用透鏡元件的每一個(gè)指定點(diǎn)，確定在參考平面中的高次波前像差，其中高次波前像差可由升序的第三多項(xiàng)式級(jí)數(shù)和相應(yīng)第三系數(shù)描述，第三多項(xiàng)式級(jí)數(shù)在第二特定級(jí)次之上，第二特定級(jí)次高達(dá)并包括第一特定級(jí)次；針對(duì)每一個(gè)指定點(diǎn)，基于高達(dá)并包括第二特定級(jí)次的第一視覺校正，并基于高達(dá)并包括第一特定級(jí)次的、在第二特定級(jí)次之上的組合的第一和第三系數(shù)，確定第二特定級(jí)次的視覺校正，以獲得優(yōu)化的眼用透鏡元件。本發(fā)明描述了光學(xué)優(yōu)化的方法，其尋求通過在目前由眼用透鏡元件校正的低次像差之外還將眼睛的各種高次波前像差和透鏡元件的相當(dāng)高次像差的卷積(convolution)的效應(yīng)最小化，而進(jìn)一步改進(jìn)視覺性能。而且，因?yàn)檠塾猛哥R元件的高次像差將典型地在透鏡孔徑上很大地變化，所以在本發(fā)明中，在透鏡孔徑上的一個(gè)或更多的點(diǎn)處計(jì)算眼用透鏡元件的高次像差，以便為不同的視角提供改進(jìn)的視覺性能。當(dāng)結(jié)合來自第一低次視覺校正的低次像差多項(xiàng)式的系數(shù)使用時(shí)，透鏡和眼睛的組合高次系數(shù)現(xiàn)在提供透鏡-眼睛系統(tǒng)在透鏡孔徑上的每一點(diǎn)處的總波前像差的充分完全的描述，其高達(dá)像差多項(xiàng)式的期望總數(shù)或第一特定級(jí)次。使用視覺質(zhì)量的度量(metrics)方法(例如如在上面引用的Cross等的文中描述的一樣，其可用于基于波前像差預(yù)測(cè)視覺性能)，于是使用新的組合高次系數(shù)和第一視覺校正的初始低次系數(shù)，在每一個(gè)指定點(diǎn)處確定優(yōu)化的低次視覺校正。該新的波前優(yōu)化的低次視覺校正包含球屈光度分量，柱屈光度分量和柱軸，它們被計(jì)算來通過將透鏡-眼睛系統(tǒng)在透鏡孔徑上的每一個(gè)指定點(diǎn)處的組合波前像差的凈效 應(yīng)最小化而將視覺質(zhì)量最大化。因此，確定期望的屈光度的新分布，其代表透鏡孔徑的波前優(yōu)化的低次視覺校正的理想分布。該分布用作在實(shí)際眼用透鏡元件的光學(xué)優(yōu)化過程中使用的目標(biāo)分布。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了起初指定的方法用于制造眼用透鏡元件，其包括上述方法步驟，并且還包括生產(chǎn)眼用透鏡元件的步驟。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其包含用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的第一和第二方面的方法的步驟的程序代碼單元，特別是當(dāng)所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行時(shí)。換句話說，在透鏡孔徑上的一個(gè)或更多的指定點(diǎn)處，將眼用透鏡元件的波前像差多項(xiàng)式的系數(shù)h與眼睛的相當(dāng)多項(xiàng)式的系數(shù)在共同參考平面上的相應(yīng)X和y坐標(biāo)處通過簡(jiǎn)單的加法而數(shù)學(xué)地結(jié)合，以便針對(duì)由指數(shù)j指定的每一個(gè)像差多項(xiàng)式確定透鏡-眼睛光學(xué)系統(tǒng)的組合像差系數(shù)Sj,所述像差多項(xiàng)式高達(dá)并包括具有指定的最大指數(shù)(index)的像差多項(xiàng)式Sj (X，y) =Lj (x, y) +Ej (x, y), j ^ η其中每個(gè)指數(shù)j對(duì)應(yīng)于特定多項(xiàng)式函數(shù)，其例如來自于使用美國光學(xué)學(xué)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)單一指數(shù)標(biāo)定方案列舉的澤尼克多項(xiàng)式的集合，并且最大指數(shù)η對(duì)應(yīng)于具有選擇用于優(yōu)化的最高徑向級(jí)次和角頻率的澤尼克多項(xiàng)式。優(yōu)選地，將最大指數(shù)η選擇為包括低次像差多項(xiàng)式(j ( 5)和至少一個(gè)或更多的高次像差多項(xiàng)式(j ^ 6);理想地，應(yīng)該將最大指數(shù)η選擇為使得高達(dá)并包括最大指數(shù)η的澤尼克多項(xiàng)式函數(shù)的指定級(jí)數(shù)以適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確度水平充分描述透鏡-眼睛系統(tǒng)的波前像差的特征。此外，如果眼用透鏡元件的給定像差系數(shù)對(duì)于某些眼用透鏡元件一般可忽略，或者為了優(yōu)化效率的原因而被忽視，則透鏡-眼系統(tǒng)針對(duì)特定像差多項(xiàng)式的組合像差系數(shù)Sj簡(jiǎn)化為Sj (X，y) =Ej (x, y)
因此，完全解決了本發(fā)明起初提出的目的。在根據(jù)本發(fā)明第一方面的方法的優(yōu)選實(shí)施例中，確定第一視覺校正的步驟可包含以下步驟確定眼用透鏡元件在參考平面中的波前像差為第一目標(biāo)分布，以校正眼睛的波前像差，其中眼用透鏡元件的波前像差可由高達(dá)第二特定級(jí)次的升序第二多項(xiàng)式級(jí)數(shù)和相應(yīng)的第二系數(shù)描述，其中第二特定級(jí)次等于或小于第一特定級(jí)次；以及適配眼用透鏡元件，以盡可能接近地與第一目標(biāo)分布相匹配。由此，可實(shí)現(xiàn)充分的第一視覺校正，其為優(yōu)化過程形成了基礎(chǔ)，該優(yōu)化過程使用組合的第一和第三系數(shù)來描述高次波前像差。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，確定第二視覺校正的步驟包含針對(duì)每一個(gè)指定點(diǎn)確定組合的透鏡-眼睛系統(tǒng)在參考平面中的組合高次波前像差的步驟，其中組合高次波前像差可由升序的第四多項(xiàng)式級(jí)數(shù)和相應(yīng)的第四系數(shù)描述，第四多項(xiàng)式級(jí)數(shù)在第二特定級(jí)次之上，并且高達(dá)且包括第一特定級(jí)次，其中第四系數(shù)等于對(duì)應(yīng)的第一和第三系數(shù)的和。 在透鏡孔徑上的一個(gè)或更多的指定點(diǎn)處，可將眼用透鏡元件的高次像差多項(xiàng)式的系數(shù)Lj和眼睛的相當(dāng)高次像差多項(xiàng)式的系數(shù)Ej在共同的參考平面上的相應(yīng)X和y坐標(biāo)處，通過簡(jiǎn)單的加法而在數(shù)學(xué)上結(jié)合，以針對(duì)指數(shù)j指定的每一個(gè)像差多項(xiàng)式確定透鏡-眼睛系統(tǒng)的組合高次像差系數(shù)Sj,所述像差多項(xiàng)式高達(dá)并包括具有指定的最大指數(shù)(或第一特定級(jí)次)η的像差多項(xiàng)式Sj (X，y) =Lj (x, y) +Ej (x, y), 6 ^ j ^ η其中假設(shè)最前的六個(gè)波前像差多項(xiàng)式(O ^ j ^ 5)表示低次像差。然而，可選擇任意數(shù)目用于η。此外，第二視覺校正優(yōu)選地包含以下步驟針對(duì)每一個(gè)指定點(diǎn)，確定組合波前像差，該組合波前像差包含所述組合高次波前像差和組合低次波前像差；針對(duì)所述眼用透鏡元件的每一個(gè)指定點(diǎn)，確定所述參考平面中的最終波前像差為第二目標(biāo)分布，以校正各個(gè)指定點(diǎn)的組合波前像差，其中所述最終波前像差能夠由升序的第五多項(xiàng)式級(jí)數(shù)描述，該第五多項(xiàng)式級(jí)數(shù)高達(dá)所述第二特定級(jí)次；以及優(yōu)化所述眼用透鏡元件，以盡可能接近地與所述第二目標(biāo)分布相匹配。由此，可實(shí)現(xiàn)提供第二特定級(jí)次的視覺校正的優(yōu)化眼用透鏡元件。當(dāng)然，在每一個(gè)指定點(diǎn)與第二目標(biāo)分布精確匹配是不可能的。然而，通過使用諸如最小二乘法解的一個(gè)現(xiàn)有優(yōu)化技術(shù)，可將實(shí)際眼用透鏡元件的凈像差最小化。此外，例如，最小二乘法解的特定項(xiàng)可以根據(jù)它們?cè)谕哥R孔徑上的位置而加權(quán)，以考慮自然視場(chǎng)。優(yōu)選地，對(duì)于每一個(gè)指定點(diǎn)，組合低次波前像差對(duì)應(yīng)于第一視覺校正的結(jié)果。通常，初始的低次視覺校正與相加的透鏡-眼睛系統(tǒng)的高次系數(shù)結(jié)合，提供了透鏡孔徑上的每一個(gè)指定點(diǎn)處的總波前像差的充分的完全描述。優(yōu)選地,第二特定級(jí)次為二次(second order)。特別地，可使用單個(gè)二次視覺校正來執(zhí)行第一視覺校正。由此，可如眼科中公知地執(zhí)行第一視覺校正。首先，將通常的眼鏡片處方應(yīng)用于眼用透鏡元件，然后根據(jù)本發(fā)明的步驟優(yōu)化通常的眼鏡片處方，以解決高次波前像差。波前像差可由任意適合的數(shù)學(xué)擬合(fitting)函數(shù)描述，其包括但不限于以下構(gòu)成的組中的一個(gè)澤尼克多項(xiàng)式級(jí)數(shù)、泰勒多項(xiàng)式級(jí)數(shù)和切比雪夫多項(xiàng)式級(jí)數(shù)。
通常，眼睛和眼用透鏡元件的波前像差可由波前誤差的任何任意測(cè)量刻畫，包括但不限于上述通用擬合函數(shù)。確定第二目標(biāo)分布的步驟可包括任何合適的數(shù)學(xué)函數(shù)，其包括但不限于以下構(gòu)成的組中的一個(gè)光瞳平面度量(metrics)、點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)度量和光學(xué)傳輸度量。通常，光學(xué)優(yōu)化可包括視覺質(zhì)量的任何任意測(cè)量，以達(dá)到在每一個(gè)指定點(diǎn)處利用的波前優(yōu)化的低次視覺校正，該測(cè)量包括但不限于上述度量。可通過使用波前傳感器或像差計(jì)(例如Shack-Hartmann傳感器)來確定眼睛的波
前像差。可通過光線追跡或波追跡眼睛和眼用透鏡元件的模型，針對(duì)適配的眼用透鏡元件的每一個(gè)指定點(diǎn)確定在參考平面中的組合高次波前像差。因?yàn)楸景l(fā)明描述的方法尋求將眼睛和眼用透鏡元件的低和高次波前像差的組合相互作用的效應(yīng)最小化，所以必須確定這兩種像差。使用波前傳感器或像差計(jì)來測(cè)量眼睛的低和高次波前像差。典型地，通過在透鏡孔徑上的指定點(diǎn)處光線追跡或波追跡眼睛和在預(yù)期的佩戴位置中的透鏡元件的模型，以計(jì)算穿過眼用透鏡元件的入射光的焦點(diǎn)和眼睛的理想焦平面之間的差別，來確定眼用透鏡元件的低和高次波前像差。在優(yōu)化過程期間，對(duì)于眼睛的色差和其他的生理因素(例如斯泰爾斯·克勞福德(Stiles Crawford)效應(yīng))的補(bǔ)償也是可能的。可指定和確定任何任意數(shù)量的點(diǎn)。例如，指定點(diǎn)的數(shù)量可為5、10、25、100、1000或10000?？蛇x地，可由表面位置的一個(gè)或多個(gè)函數(shù)來確定點(diǎn)。本發(fā)明的方法可應(yīng)用于任何眼用透鏡形式，包括但不限于單個(gè)視覺透鏡元件、多焦點(diǎn)透鏡元件和漸進(jìn)透鏡元件。此外，同樣可以對(duì)新的、波前優(yōu)化的低次視覺校正進(jìn)行小修改，以解決與已經(jīng)達(dá)到的初始眼鏡片處方的差別，從而改進(jìn)雙目視覺性能。對(duì)于透鏡孔徑上與近距離距離視覺相關(guān)聯(lián)的區(qū)域，可修改眼睛的非對(duì)稱的低和高次像差，以解決眼睛的圓周(cyclo)旋轉(zhuǎn)和利斯廷氏(Listing’ s)旋轉(zhuǎn)。根據(jù)本發(fā)明的第二方面的用于制造眼用透鏡元件的方法的特性優(yōu)選還可以在于使用自由形狀表面生產(chǎn)眼用透鏡元件。因?yàn)閮?yōu)化的表面或多個(gè)表面通常會(huì)缺少點(diǎn)和軸對(duì)稱性，所以必須使用自由形狀表面或類似生產(chǎn)方法(其允許缺少點(diǎn)或軸對(duì)稱性的復(fù)雜透鏡表面的即時(shí)生產(chǎn))來加工和拋光眼用透鏡元件。應(yīng)該理解，上面提及的本發(fā)明的特征和下面解釋的那些特征不僅可用于指出的各個(gè)組合，還可以用于其他的組合或被孤立地使用，而不背離本發(fā)明的范圍?！?br>

在附圖中描述本發(fā)明的示例實(shí)施例，下面的說明書中將更詳細(xì)地解釋它們。附圖中圖I為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的系統(tǒng)的示例；圖2為根據(jù)在先技術(shù)的用于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)透鏡元件的方法；圖3為光線追跡方法的示例；
圖4為根據(jù)本發(fā)明的第一方面的設(shè)計(jì)方法和根據(jù)本發(fā)明的第二方面的用于生產(chǎn)眼用透鏡元件的方法；圖5為在透鏡孔徑上的指定點(diǎn)的樣本分配。
具體實(shí)施例方式參考圖1，其示出了用于實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法的系統(tǒng)10。系統(tǒng)10可用于設(shè)計(jì)眼用透鏡元件或用于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)眼用透鏡元件。系統(tǒng)10包含測(cè)量裝置11，其用于確定人(要為其生產(chǎn)眼睛片)的眼睛的波前像差。測(cè)量裝置可為公知的波前傳感器或像差計(jì)，例如根據(jù)Shack-Hartmann的波前傳感器。
然后，將由測(cè)量裝置獲得的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理單元13中，其被適配于例如通過使用根據(jù)本發(fā)明的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品來執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的用于設(shè)計(jì)眼用透鏡元件的方法。通常，數(shù)據(jù)處理單元13可為常見的現(xiàn)有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。可通過纜線連接直接連接測(cè)量裝置11和數(shù)據(jù)處理單元13，但是也可使用無線連接。由測(cè)量裝置11獲得的數(shù)據(jù)可通過網(wǎng)絡(luò)連接(例如通過因特網(wǎng))傳輸至數(shù)據(jù)處理單元13，或者可通過計(jì)算機(jī)可讀媒介從測(cè)量裝置傳輸至數(shù)據(jù)處理單元，所以在該情況中，在測(cè)量裝置11和數(shù)據(jù)處理單元13之間沒有物理連接是必須被建立。此外，提供生產(chǎn)線15以生產(chǎn)已被設(shè)計(jì)的眼用透鏡元件?？蓪?shù)據(jù)處理單元13直接連接至生產(chǎn)線15，以控制生產(chǎn)線15，從而根據(jù)由數(shù)據(jù)處理單元13執(zhí)行的設(shè)計(jì)過程生產(chǎn)眼用透鏡元件。當(dāng)然，也可無線連接數(shù)據(jù)處理單元13和生產(chǎn)線15，并且也可將設(shè)計(jì)的眼用透鏡元件的數(shù)據(jù)(例如存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀媒介上)傳輸至生產(chǎn)線。參考圖2，其示出了根據(jù)在先技術(shù)的制造方法16。制造方法16包含根據(jù)在先技術(shù)的設(shè)計(jì)方法18。設(shè)計(jì)方法18包含按下面的時(shí)間順序執(zhí)行的三個(gè)步驟。首先，在測(cè)量步驟19中，確定將被校正的眼睛的波前像差。在在先技術(shù)中，僅測(cè)量高達(dá)第二次的波前像差，即畸變和像散。將波前像差展開為澤尼克多項(xiàng)式級(jí)數(shù)，僅確定針對(duì)像差固定位相、畸變、離焦和像散的最前六個(gè)澤尼克系數(shù)。然后，執(zhí)行第一視覺校正20，其中針對(duì)整個(gè)透鏡孔徑，確定單個(gè)第二次的視覺校正，即所謂的眼鏡片處方。該眼鏡片處方包含球屈光度分量、柱屈光度分量和柱軸。該眼鏡片處方用作將應(yīng)用于整個(gè)透鏡孔徑上的目標(biāo)分布。在優(yōu)化步驟21中，確定實(shí)際眼用透鏡元件或眼用透鏡元件的至少一個(gè)表面的形狀，以盡可能接近地與目標(biāo)分布匹配。然而，特別是在透鏡的外圍區(qū)域中，依賴于眼用透鏡元件的實(shí)際形狀，不可能在整個(gè)透鏡孔徑上與目標(biāo)分布精確地相配。因此，將優(yōu)質(zhì)函數(shù)或最小二乘函數(shù)(least-squarefunction)應(yīng)用來最小化與目標(biāo)分布的偏差。此外，可根據(jù)視覺特性來加權(quán)各個(gè)函數(shù)的某些項(xiàng)。在步驟21中確定了眼用透鏡元件的實(shí)際形狀之后，執(zhí)行生產(chǎn)眼用透鏡元件的步驟22，在其中制造最終的實(shí)際眼用透鏡元件。步驟19、20和21形成設(shè)計(jì)方法18。步驟19、20和21與步驟22 —起形成根據(jù)在先技術(shù)的制造方法16。參考圖3,其示出了光線追跡示例23。
眼用透鏡元件24傾斜角度25。此外，將被校正的眼睛26傾斜角度27。在眼睛26中，優(yōu)選地在眼睛26的焦平面中設(shè)置參考平面28?？申P(guān)于垂直于水平面29的平面、關(guān)于水平面本身或以任意形式測(cè)量角度25、27。然而，角度25、27應(yīng)該反映眼睛26和佩戴位置中的透鏡元件24的實(shí)際位置。針對(duì)物點(diǎn)30，計(jì)算通過眼用透鏡元件24和眼睛26的多個(gè)光線31的光路。由此，可針對(duì)每一個(gè)單獨(dú)光線測(cè)量與參考平面28中的理想像點(diǎn)32的像差。可對(duì)多個(gè)物點(diǎn)30執(zhí)行相應(yīng)的計(jì)算。由此，針對(duì)眼用透鏡元件24上的特定點(diǎn)，可確定不同觀察角度的像差。代替光線31，也可計(jì)算由多個(gè)平行光線31構(gòu)成的波，以執(zhí)行所謂的波追跡。然而，通過該技術(shù)，可以計(jì)算設(shè)計(jì)的眼用透鏡元件24的波前像差。
現(xiàn)在參考圖4，其示出了根據(jù)本發(fā)明的制造方法34和根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法36的示例實(shí)施例。將設(shè)計(jì)方法36示為流程圖，該流程圖從測(cè)量將被校正的眼睛26的高達(dá)第一特定級(jí)次的波前像差的步驟38開始。第一特定級(jí)次例如可為三次(thirdorder)。確定眼睛26的相應(yīng)像差，并且可將像差展開為具有對(duì)應(yīng)于像差的對(duì)應(yīng)多項(xiàng)式項(xiàng)的澤尼克多項(xiàng)式級(jí)數(shù)，其中每一個(gè)多項(xiàng)式項(xiàng)包含由測(cè)量步驟38確定的各自系數(shù)。隨后，確定第二特定級(jí)次的第一視覺校正40作為第一目標(biāo)分布。該步驟中應(yīng)用的方法對(duì)應(yīng)于在先技術(shù)的方法，其中確定作為校正在步驟38中確定的高達(dá)第二特定級(jí)次的波前像差的眼鏡片處方的球屈光度分量、柱屈光度分量和柱軸。因此，在示例實(shí)施例中，第二特定級(jí)次是二次。所以，在步驟40中，確定單個(gè)二次眼鏡片描述(description)來校正如在步驟38中確定的高達(dá)二次的波前像差。然后，在步驟42中，將眼用透鏡元件24的形狀實(shí)質(zhì)上適配為盡可能接近地與在步驟40中確定的第一目標(biāo)分布匹配。在步驟44中，確定透鏡孔徑的多個(gè)指定點(diǎn)。依照預(yù)定分布，可由光學(xué)儀器制造者手動(dòng)指定這些點(diǎn)，或由數(shù)據(jù)處理單元13自動(dòng)設(shè)置這些點(diǎn)?，F(xiàn)在參考圖5，其示出了樣本分配46。透鏡孔徑48可由圓來描述。在透鏡孔徑48中，指定了多個(gè)點(diǎn)50。然而，并不必須在透鏡孔徑48上將點(diǎn)50均勻地隔開，而是可以基于人的視場(chǎng)特性來設(shè)置點(diǎn)50。此外，點(diǎn)50的分布可依賴于透鏡的類型，即例如透鏡是單個(gè)視覺透鏡、雙焦距透鏡還是漸進(jìn)透鏡。返回參考圖4，在步驟44中已經(jīng)確定了指定點(diǎn)50之后，通過應(yīng)用例如如圖3中所示的光線追跡方法而實(shí)質(zhì)上確定步驟42中適配的眼用透鏡元件24的波前像差。可將相應(yīng)的像差展開為具有對(duì)應(yīng)系數(shù)的相應(yīng)澤尼克多項(xiàng)式?，F(xiàn)在，在步驟54中將高次系數(shù)相加。在本示例中，高次系數(shù)為三次多項(xiàng)式的系數(shù)。在步驟54中，將在步驟52中和在步驟38中確定的系數(shù)相加，以獲得組合透鏡-眼睛系統(tǒng)的高次系數(shù)。從而，現(xiàn)在可確定像差的目標(biāo)分布，以在考慮這些組合的高次像差的情況下優(yōu)化眼鏡片處方。在步驟55中，針對(duì)每一個(gè)指定點(diǎn)50，將從步驟54獲得的高次系數(shù)與通過第一視覺校正獲得的低次系數(shù)相組合。該系數(shù)可為在步驟40中確定為第一目標(biāo)分布的那些系數(shù)。在該情況中，針對(duì)每一個(gè)指定點(diǎn)的組合低次系數(shù)對(duì)應(yīng)于眼鏡片處方的那些系數(shù)，并且因此在每一個(gè)指定點(diǎn)50中是相同的。然而，在替代實(shí)施例中，使用通過適配步驟42獲得的眼用透鏡元件的相應(yīng)低次系數(shù)。在該情況中，因?yàn)樵诓襟E42中獲得的眼用透鏡元件24的表面形狀不與第一目標(biāo)分布精確相配，因此每一個(gè)指定點(diǎn)50可具有如在步驟42中所確定的、略微不同的組合低次系數(shù)。在這之后，獲得了組合透鏡眼睛系統(tǒng)的波前像差的充分描述。在步驟56中，在每一個(gè)指定點(diǎn)中確定二次的第二視覺校正為第二視覺分布。這意味著在每一個(gè)指定點(diǎn)中，優(yōu)化如在步驟40和42中計(jì)算的二次視覺校正，以基于透鏡-眼睛系統(tǒng)的組合系數(shù)最小化波前像差，根據(jù)本示例，該波前像差不僅高達(dá)二次，而且高達(dá)三次。由此，針對(duì)每一個(gè)指定點(diǎn)確定了理想二次視覺校正，其包含球屈光度分量、柱屈光度分量和柱軸。換句話說，在指定點(diǎn)50中改變?cè)诓襟E40、42中獲得的視覺校正，以最小化組合透鏡-眼睛系統(tǒng)的高次波前像差。然后，在步驟58中，在每一個(gè)指定點(diǎn)50中，優(yōu)化眼用透鏡元件24的至少一個(gè)表面 的實(shí)際形狀，以盡可能接近地與步驟56中確定的第二目標(biāo)分布相匹配。用于設(shè)計(jì)透鏡元件24的方法36現(xiàn)在結(jié)束。隨后，將執(zhí)行根據(jù)在步驟56中確定的形狀生產(chǎn)透鏡元件的步驟60，以結(jié)束本發(fā)明的制造方法34。
權(quán)利要求
1.一種用于設(shè)計(jì)眼用透鏡元件(24)的方法(36)，所述方法(36)包含以下步驟 在參考平面(28)中確定(38)眼睛(26)的波前像差，其中所述眼睛(26)的波前像差能夠由升序的第一多項(xiàng)式級(jí)數(shù)和相應(yīng)第一系數(shù)描述，該第一多項(xiàng)式級(jí)數(shù)高達(dá)第一特定級(jí)次；和 確定(40 ；42)第二特定級(jí)次的第一視覺校正，以獲得適配的眼用透鏡元件(24)； 所述方法的特點(diǎn)在于以下步驟 在所述適配的眼用透鏡元件(24)的孔徑(48)上確定(44)至少一個(gè)指定點(diǎn)(50)； 針對(duì)所述適配的眼用透鏡元件(24)的每一個(gè)指定點(diǎn)(50)，確定(52)在所述參考平面(28)中的高次波前像差，其中所述高次波前像差能夠由升序的第三多項(xiàng)式級(jí)數(shù)和相應(yīng)的第三系數(shù)描述，該第三多項(xiàng)式級(jí)數(shù)在所述第二特定級(jí)次之上，并且所述第二特定級(jí)次高達(dá)并包括所述第一特定級(jí)次； 針對(duì)所述指定點(diǎn)的每一個(gè)，基于高達(dá)并包括所述第二特定級(jí)次的所述第一視覺校正(40)，以及基于在所述第二特定級(jí)次之上高達(dá)且包括所述第一特定級(jí)次的第一系數(shù)和第三系數(shù)的組合，確定(54 ；56 ；58)所述第二特定級(jí)次的第二視覺校正，獲得優(yōu)化的眼用透鏡元件(24)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中確定第一視覺校正的步驟(40；42)包含以下步驟 確定所述參考平面(28)中的所述眼用透鏡元件(24)的波前像差作為第一目標(biāo)分布，以校正所述眼睛(26)的波前像差，其中所述眼用透鏡元件(24)的波前像差由升序的第二多項(xiàng)式級(jí)數(shù)和相應(yīng)第二系數(shù)描述，該第二多項(xiàng)式級(jí)數(shù)高達(dá)第二特定級(jí)次，其中所述第二特定級(jí)次等于或低于所述第一特定級(jí)次；以及 適配所述眼用透鏡元件(24)，以盡可能接近地與所述第一目標(biāo)分布匹配。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2中任一項(xiàng)所述的方法，其中確定第二視覺校正的步驟(54；56 ；58)包含以下步驟 針對(duì)每一個(gè)指定點(diǎn)(50)，在所述參考平面(28)中確定(54)組合的透鏡-眼睛(26)系統(tǒng)的組合高次像差，其中所述組合高次像差能夠由升序的第四多項(xiàng)式級(jí)數(shù)和相應(yīng)的第四系數(shù)描述，該第四多項(xiàng)式級(jí)數(shù)在所述第二特定級(jí)次之上，并且高達(dá)且包括所述第一特定級(jí)次，其中所述第四系數(shù)等于對(duì)應(yīng)的第一和第三系數(shù)的和。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中確定第二視覺校正的所述步驟(54；56 ;58)還包含以下步驟 針對(duì)每一個(gè)指定點(diǎn)，確定(55)組合波前像差，該組合波前像差包含所述組合高次波前像差和組合低次波如像差； 針對(duì)所述眼用透鏡元件(24)的每一個(gè)指定點(diǎn)，確定(56)所述參考平面(28)中的最終波前像差作為第二目標(biāo)分布，以校正各個(gè)指定點(diǎn)(50)的組合波前像差，其中所述最終波前像差能夠由升序的第五多項(xiàng)式級(jí)數(shù)描述，該第五多項(xiàng)式級(jí)數(shù)高達(dá)所述第二特定級(jí)次；以及優(yōu)化(58)所述眼用透鏡元件(24)，以盡可能接近地與所述第二目標(biāo)分布相匹配。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，對(duì)于所述指定點(diǎn)(50)中的每一個(gè)，所述組合低次波前像差對(duì)應(yīng)于所述第一視覺校正(40)的結(jié)果。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述第二特定級(jí)次為二次。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中使用單個(gè)二次視覺校正來執(zhí)行所述第一視覺校正(40)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述波前像差由下述之一來描述澤尼克多項(xiàng)式級(jí)數(shù)、泰勒多項(xiàng)式級(jí)數(shù)和切比雪夫多項(xiàng)式級(jí)數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中確定所述第二目標(biāo)分布的步驟(56)包含下述之一光瞳平面度量、點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)度量和光學(xué)傳輸度量。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至9中任一項(xiàng)所述的方法，其中通過使用波前傳感器或像差計(jì)來確定(38 )所述眼睛(26 )的波前像差。
11.根據(jù)權(quán)利要求3至10中任一項(xiàng)所述的方法，其中通過所述眼睛(26)和所述眼用透鏡元件(24)的光線追跡(23)或波追跡模型，確定針對(duì)所述適配的眼用透鏡元件(24)的每一個(gè)指定點(diǎn)(50)的、在所述參考平面(28)中的所述組合高次波前像差。
12.一種用于制造眼用透鏡元件(24)的方法(34)，其包含以下步驟根據(jù)權(quán)利要求I至11中的一項(xiàng)，設(shè)計(jì)(36)所述眼用透鏡元件(24);生產(chǎn)(60)所述眼用透鏡元件(24)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中使用自由形狀表面生產(chǎn)所述眼用透鏡元件(24)。
14.一種包括程序代碼單元的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，當(dāng)在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品時(shí)，所述程序代碼單元執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求I至13中任一項(xiàng)所述的方法的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于設(shè)計(jì)眼用透鏡元件(24)的方法(36)，所述方法(36)包含以下步驟在參考平面(28)中確定(38)眼睛(26)的波前像差，其中所述眼睛(26)的波前像差能夠由升序的第一多項(xiàng)式級(jí)數(shù)和相應(yīng)第一系數(shù)描述，該第一多項(xiàng)式級(jí)數(shù)高達(dá)第一特定級(jí)次；確定(40；42)第二特定級(jí)次的第一視覺校正，以獲得適配的眼用透鏡元件(24)；在所述適配的眼用透鏡元件(24)的孔徑(48)上確定(44)至少一個(gè)指定點(diǎn)(50)；針對(duì)所述適配的眼用透鏡元件(24)的每一個(gè)指定點(diǎn)(50)，確定(52)所述參考平面(28)中的高次波前像差，其中所述高次波前像差能夠由升序的第三多項(xiàng)式級(jí)數(shù)和相應(yīng)的第三系數(shù)描述，該第三多項(xiàng)式級(jí)數(shù)在所述第二特定級(jí)次之上，并且所述第二特定級(jí)次高達(dá)并包括所述第一特定級(jí)次；針對(duì)所述指定點(diǎn)的每一個(gè)，基于高達(dá)并包括所述第二特定級(jí)次的所述第一視覺校正(40)，以及基于在所述第二特定級(jí)次之上高達(dá)且包括所述第一特定級(jí)次的組合的第一和第三系數(shù)，確定(54；56；58)所述第二特定級(jí)次的第二視覺校正，獲得優(yōu)化的眼用透鏡元件(24)。此外，本發(fā)明涉及用于制造眼用透鏡元件的方法、計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品和用于執(zhí)行所述方法的系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G02C7/02GK102947747SQ201180030406
公開日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2011年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月20日
發(fā)明者D.梅斯特, T.克拉策, J-M.卡貝扎-吉倫, R.S.斯普拉特, M.韋爾舍, G.凱爾克, H.韋特肖克 申請(qǐng)人:卡爾蔡司視覺國際有限責(zé)任公司, 卡爾蔡司視覺股份有限公司