第11章第5节渐变多焦点镜片的屈光循环设计 - 眼镜学

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第11章第5节渐变多焦点镜片的屈光循环设计

2009-11-27 15:56:51 来源:网络作者:苏拿海昌【大中小】浏览:93954次评论:0条

眼睛以镜片进行视力矫正时，必须使镜片的后焦点与眼的远点相重合，由于远点与视网膜黄斑中心凹为共轭关系，进入瞳孔的光束必须聚焦于黄斑中心凹。正常情况下，瞳孔的直径约3~4mm，故镜片每次被用到的仅为极小部分。所以讨论镜片时，可以近轴光线为主。当眼睛向前正视时所处的位置为原始位置，如图11-1所示，通过瞳孔中心P以及中心凹（FC）的直线称为眼的主线。

图11-1所示为远视眼在原始位置配戴矫正镜片的情况。要使镜片在此位置不产生棱镜效果，镜片的光轴应与眼的主线重合。镜片的后焦点F′应与眼的远点（FP）相重合。当我们转动眼睛注视不在主线上的远处物体时，与中心凹保持共轭的远点也随之转动，如图11-2所示。由于眼睛能绕着中心R转至无数不同的方向，其远点也有无数不同的位置，但所有位置均与眼转动中心保持不变距离。由此可以想象，远点的移动构成了一个球面，以眼的转动中心为球心，此球面称为远点球面。

对远视者而言，远点球面在眼的后方；对近视者而言，远点球面则在眼的前方。
由于连接瞳孔中心和中心凹的直线通常通过R，不会因视线方向的改变而改变，可假设有一固定光阑置于R，眼镜片设计的目的使得镜片能将近轴光线折射通过R而聚集于远点球面上。光束无论平行于透镜的光轴，还是斜射，都能在远点球面上成像。

渐变多焦点镜片的设计理念遵循了一个独创的步骤，称之为“屈光循环设计”。“屈光循环设计”可以分为五个步骤，即生理需求数据采集、光学计算、镜片制造、镜片测量及临床测试。这是一个不断重复进行的循环过程，直至在临床测试中获得戴镜者满意的反馈。

在整个设计的过程中，始终贯穿着两个基本前提。首先，眼镜片是光学器具，如同照相机的成像原理，而且从物理学的角度不可能获得一个完美的像，因此设计中必须进行折中处理。第二，设计出来的镜片不可能在临床测试中很快就获得令人满意的效果。

（一）从生理学到光学

在本阶段，我们主要来理解生理学测量和光学计算之间的有趣关系，这些用于计算的数字可以大致分为三类：重量（或重量系数）、测量对象以及阈值。

首先，将镜片上某一点注视所需的时间测定后转换成三维曲线表示。在设计过程中，设计者需要考虑镜片上每一相关点的重量，通常用密度表示。所以，设计者必须将生理测量数据转换为重量系数。此外，通过在镜片垂直主平面上所视物体的空间观察和测量，设计者能够较容易地推导出镜片上主要注视点的轨迹，从而形成了渐变多焦点镜片的结构图。这种生理测量可以固定为由点组成的子午线及其相应的屈光力。现在主流渐变多焦点镜片设计过程中通常采用这种固定模式。其次，像的阈值常稍稍偏离垂直子午面。允许像差存在的主要条件是在没有降低视敏度的条件下。例如，根据镜片设计来考虑戴镜者可接受的视敏度阈值。这些测量可以用图形表示，但数值不允许超过阈值。

上述也反映出一些在设计过程中的约束条件，而且总是转换为重量、测量对象和临界值。当然，还有许多其他的制约：几何变化速度、棱镜偏差等等。

实际上，镜片的各项特性是相互关联的，为了确保一项常需修改其他方面。同样，太致力于减少一个方面的不足，往往会在其他方面形成更多的不利因素。因此，解决的办法就是设计中采用折中处理原则。

（二）优化功能和最优化程序

“优化功能”是管理的一项基本手段。事实上，它关系到真实镜片和设计镜片之间在测量上的差异，从中能够进行改良，使其差异趋向零。如果设定的目标与临界值的绘制图采用权重来表示设计成分，那么优化功能可以采用以下的数字公式表示：

公式看上去很复杂，实际上很容易进行分析。Tj是设计镜片的像差j（例如，远用区视点的像差值为零），Aj是参照镜片上同一点的值。为了把功能最小化的查找更简单化，以相同的方法来处理正负偏离，即取两个值差（Tj－Aj）的平方，获得的结果，即权重系数Wj明确了在该点上的像差。这些权重偏离之和Σj即权重系数Pi
，是对每一点i的定义。因此优化功能MF是镜片所有点权重值之和Σi 。可以采用累积地图表示这一概念。

由于所能考虑到的特性是不确定的，而且系数是任意的，所以只能从长期积累的经验知识中获得。此外，戴镜者可接受的评估级别不再以等高图为基础，而以大量的定量分析为基础。因此，折中管理将根据目标、临界值和权重的选择，以及戴镜者自己通过所有这些关键点调整的表达进行处理。在折中管理的操作中，依旧缺乏适用的数学工具：最优化程序。以经典系统解决方法的形式来处理镜片的直接方法并不存在，所以必须寻找一种间接的“最优化”方法。镜片的优化功能已经开始进行实验，并且受到公认，其主要得益于反复测试，有系统地寻找每个自由度变化的方向，使设计者通过折中处理所得到的镜片有可能是最好的。当然，解决有方案不是惟一的。这些程序通常是数学软件库的一部分，他们的性能与这些特殊需要是相符的，当然，这些由设计者控制支配。

为了使整个镜片系统获得良好的性能，往往需要牺牲一个关键要素。事实上，在评估镜片优化程序中，考虑了与光学相关的目标或临界值的屈光力、偏离和像差，而且采用的是以应用了数千次甚至数百万次的镜片折射理论为出发点的计算程序，称为“光路追踪”。程序的输出内容包括屈光力、偏离、细微目标点以及差异等等。显而易见，任何透镜表面的变化都将改变光学特征。基本上，渐进表面特性的设计程序是一项具有许多开发工作的经典程序。

（三）设计镜片的测量
现在我们已经完成了以权重、对象和临界值的形式表达的阶段，以及最优化镜片的光学计算。在制造了设计镜片之后，我们采用数控设备进行测量。要使该阶段获得成功，就要求使用的测量方法有可能确保这些设计镜片符合设计者的期望。但是长期以来存在的一些较快速的光学测量方法都是针对球面镜片，而可以测量非球面的测量方法操作较慢，为此，业内的一些优秀的镜片设计者研发了一个以独创理论为基础的设备：偏光测量法。偏光测量法不同于干涉测量法，是测量光线的方向。
测量模具表面的每个点的角度偏差，然后电码化。由一个优化光学程序构成软件程序，然后系统地寻找引起偏差的表面因素。仅三分钟，该设备就能够提供整个模具表面几何特性的成分，当然有可能符合名义值的偏离，但可能不符合从生理学角度确立的允差。为了对这些测量进行评估，我们应该采用在临床测试中的镜片法，对制造的模具进行监控，它所涉及的测量可以达到十分之一微米，但如果反映出的偏离超过几微米将被否定。

（四）临床测试
尽管我们对生理学数据进行了采集记录，并将其转换为数字形式，综合考虑了优点，但毕竟所设计出的镜片可能会与戴镜者实际期望不相符，所以在整个重复循环中，临床测试是一个关键步骤，它是鉴别理论与实际是否一致的惟一标准。临床测试通常是在严格的条件控制下，采用双盲法。试戴镜者要在排除任何偏见的条件下接受询问，同时还要接受主客观测量。如果一切顺利，所设计的镜片将能够继续被采用：上市或者保留；否则，带着这个假设失败的经验进入下一个循环。
不论使用了多少技术方法，这个设计过程完全取决于戴镜者最后的正确判断。从设计者的角度，这样的设计过程能使他们在接近成功中获得有利条件，能使他们经常改良折中管理。设计者们认为这种类似开放的、有条理、尊重事实的循环设计步骤将可以不断完善镜片的设计性能，满足配镜者的需求。

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责任编辑：peijingshi

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