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1907年Owen Aves首次提出了渐变多焦点镜片(简称渐变镜或PAL)的构思，标志着一个全新的老视矫正概念的诞生。
渐变镜的设计灵感来源于象鼻的形状(图11—8)
即镜片前表面的曲率从镜片上部到底部连续增加，从而使镜片屈光力从位于镜片上部的远用区开始连续增加，直至在镜片底部的近用区达到所需的近用屈光矫正度数。
1959年法国人Bernard Maitenaz经过多年的研制，设计出了第一代可应用于临床配戴使用的渐变镜，从而使渐变镜——这种全新的视觉矫正方式赢得了世人的关注，不久就在许多国家得到了广泛的推广。
由于当时工艺局限和临床应用研究的缺乏，第一代渐变镜未能取得期望的临床配戴效果。随着计算机的发展，先进设计软件和仪器应用于眼镜片的设计和开发，使渐变镜设计取得了巨大的进步，总的趋势是：由单一、硬式、对称、球面视远区设计向多样、软式、非对称、非球面视远区设计发展。最初的渐变镜设计，主要关注的是数学、机械、光学上的问题，随着对视觉系统更加全面地了解，现代和未来的渐变镜设计将日益关注渐变镜与生理光学、人体行为学、美学、心理物理学等的联系。
一、渐变镜的定义
(一)什么是渐变镜
渐变镜是专为老视人群设计的镜片，从镜片远用区开始，经中间的渐变走廊(或称渐变区)到近用区，屈光力逐渐变化。(图11—9)
(二)为什么使用渐变镜
1.渐变镜的优点
(1)改善外观：其他多焦点镜片在镜片表面都有明显的分界线或者可察觉的不同屈光力的区域。例如老视者往往会对双光镜的外观产生反感，因为双光镜是反映老年化的一种标志，而渐变镜有如同单光镜的理想外观。
(2)完整的工作距离范围：双光镜的两个屈光力的设计限制了戴镜者的工作距离。对于配戴双光镜的高度老视者，会损失中距离的视力，虽然三光镜可以填补中距离视力的矫正，但其无法像渐变镜一样，提供全程的视力范围。
(3)无像跳：渐变镜不像其他多焦点镜一样会产生像跳现象。渐变镜的度数是渐变而不是突变的，所以不引起棱镜效应。例如，+2.00 D加光，40 mm的圆顶双光镜，眼睛通过子片顶部时会产生4△底向下的棱镜影响，因此产生像跳现象。
(4)方便：渐变镜显然对远、近需要不同矫正的戴镜者更为方便，因为戴镜者不需要更换眼镜。
2.渐变镜为戴镜者提供的好处
(1)镜片外观如同单光镜，镜片上不存在分界线；
(2)舒适的中距离视力：渐变镜是唯一在任一近用附加度的情况下，提供清晰和舒适中距离视力的矫正镜片。屈光力的渐变为中距离视力矫正设计了特定的视力区域。
在老视初期，使用单光或双光镜的老视者，通过自身的调节和自我头位姿势的调整，仍然能获得清晰的中距离视力；但对于高度老视者，因为不能继续通过调节来补偿丧失的中距离视力，所以双光或单光矫正镜片无法像渐变镜一样在中距离提供清晰的视力矫正。尽管三光镜片有清晰的中距离视野，但并不理想，因为戴镜者必须承受两个子片分界线的像跳。
(3)连续的清晰视野：渐变镜提供了从远到近的连续的清晰视力。单光阅读镜片仅提供了近用区域的清晰视野，而双光镜片突然的屈光力改变完全分离了远用和近用的视野。
(4)更加自然的眼调节：对于单光阅读镜，眼睛调节仅支持近用视力。对于双光镜片，当眼睛从远用通过分界线到近用时，调节突然变化。对于渐变镜的子午线的每一点，屈光力正好符合眼睛的聚焦距离，改变视线时，眼调节无需变化。调节需求基本上和老视发生前的状态一致。
(5)连续的空间感知：渐变镜提供了整体的空间感知，屈光力在所有方向连续渐变。单光阅读镜只提供了近用视力矫正，而没有提供真实的空间感知；双光镜片分离的两部分改变了空间关系，产生的像跳也影响了戴镜者的视力和舒适性。
(6)只需要一副眼镜。
3.渐变镜的缺点
(1)中、近距离视野相对狭小：中、近视野宽度比其他多焦点镜的子片要狭窄，因此对于有些渐变镜配戴者，其眼睛横向扫视幅度受限，需相应增加水平头位运动。
(2)周边像差：中距离渐变走廊和近用区的周边区存在不期望的散光，尽管不会影响戴镜者的行动，但是不能获得清晰的中心视力。
(3)适应问题：镜片周边区的变形等问题会使一些戴镜者的适应存在困难。与以往戴镜使用习惯的改变也会增加戴镜者的适应期，例如眼位、头位运动相对增加，但这些可以通过正确的验配，以及给予配镜者在配适期间的合理指导和建议，帮助配镜者更快地适应。
二、渐变镜的生理学因素
渐变镜的设计不仅帮助老视者在所有距离重新获得了清晰视力，而且也符合生理学视功能。主要体现在如下方面：
1.中心视力 视网膜中心视力是在眼睛转动的小范围内(通常在30°范围内)的所有距离，获得清晰视力。为满足这一效果，用于获得中心视力的镜片区域必须提供最佳的视网膜像。
(1)调节、体位和头位、垂直眼位运动：戴镜者自然的体位和头位决定了近用时眼睛的垂直转动以及远用视力，决定了镜片的最佳渐变长度。相对于所视物体的位置，体位、头位和眼动的相互协调决定了渐变区每一点所需的屈光力。
(2)水平眼位和头位的运动：同样，水平眼位和头位移动的自然协调决定了视生理的注视范围，并且提供了中心视力的镜片宽度(通常小于15°范围)。
(3)视敏度：最大化戴镜者获得最佳视敏度的镜片中心区域，必须将不期望的像差最小化，并且尽可能使像差靠向镜片的周边区域。
2.旁中心视力 视网膜周边提供的视觉感知。通过旁中心视力，戴镜者无法获得物体的清晰影像，但能判断出物体所处的空间位置，能感知物体的形状以及察觉物体的状态(静止或者运动)。
(1)空间和形状感知：由旁中心视力提供的空间和形状感知会受到渐变镜表面产生的棱镜的影响。根据这些棱镜效应的方位和大小，渐变的屈光力会使水平和垂直线产生轻微的变形 (图11—10)，从而会改变戴镜者的舒适度。
(2)运动感知：棱镜效应的变化对戴镜者的舒适度产生影响，因此必须使镜片的棱镜效应减慢和平稳变化，以确保舒适的动态视力。
3.双眼视觉 双眼的同时感知。为了获得最佳融像效果，左右镜片产生的像必须在视网膜上获得对应点以及相似像。
(1)视网膜对应点：戴镜者视近时，双眼自然集合。屈光力渐变通道在镜片上必须逐渐向鼻侧位变化，产生集合。为了更易于融像，在所有的注视方向上，左右镜片的屈光力渐变路径上必须提供基本相等的垂直棱镜，以达到平衡。
(2)相似像：为了确保感觉融像，双眼形成的视网膜像必须在所有注视方向上类似。为获得该目的，通过左右镜片视物时，左右镜片上相应点的屈光力和散光必须基本等同。
三、渐变镜的设计
(一)单光、双光、三光及渐变镜的基本设计区别(图11—11)
1.单光阅读镜片 单一屈光力，仅用于矫正近用视力。通过该镜片，视远是模糊的，而且也没有中距离视力的矫正。
2.双光镜片 镜片上部是远用矫正区域，下部是近用矫正区域，之间由一个“阶梯”的子片分界线连接。
3.三光镜片 在远用和近用矫正区域之间增加了第三个矫正区域，即中距离的视力矫正区域。在镜片表面形成了两条子片分界线。
4.渐变多焦点镜片(PAL，以下简称渐变镜) 远用视力、中距离视力和近用视力由一系列连续的水平曲线连接，不存在视觉分离。从镜片顶部的远用视力矫正区域开始，经过镜片中部的中距离视力矫正区域，到镜片底部的近用视力矫正区域，镜片的屈光力逐渐增加。
双光、三光和渐变镜在设计上分别采用了不同的连接方法，将远用和近用的视力矫正区域结合在同一片镜片上。
(二)渐变镜设计的光学问题
1.圆锥曲线
(1)从远用到近用逐渐增加的屈光力
(2)圆锥部分：抛物线、双曲线、椭圆曲线
显然，从远用到近用的垂直主子午线上可以获得逐渐增加的屈光力，而曲率半径相应减少。设计时采用诸如抛物线、双曲线、椭圆曲线这样的圆锥曲线可以满足该设计要求，使镜片的曲率半径沿着垂直子午线递减(图11—12)。
例如，最初设计的渐变镜，具有稳定的非球面远用区和近用区，其渐变走廊由一系列递减的水平圆(扁椭球)混合而成；而后设计的渐变镜，非球面的远用和近用区不变，而渐变走廊则采用了其他圆锥曲线，例如抛物线和双曲线。当然，在设计渐变镜时，圆锥曲线的重用也需要考虑某些折中和补偿。例如，抛物线是有散光的，也就是说，切线面增加的屈光力不能和弧矢面的屈光力相匹配，所以制造商必须在设计时补偿这种影响。
2.制造方法 大部分制造商在设计渐变镜时，在电脑程序中采用所谓的优化函数。也就是除了所必须考虑的各种因素外，他们还要考虑其他因素，例如不期望的散光、斜散像差、色差、渐变走廊的长度以及各区域的宽度等。设计时根据诸如上述的因素寻找最佳的折中方案。也有一些制造商采用光路追踪法来设计通过镜片各部分的光线路径。
一旦设计方案确定，根据配镜者处方，选择相应的模具，将半成品的镜片进行二次加工，即研磨镜片的后表面。模具通常是由数控程序制备，也可以直接加工镜片坯料，但这需要更为复杂的精磨和抛光技术。
等厚棱镜(也称减薄棱镜)是应用于镜片表面加工时的一项技术，目的是为了获得尽可能薄的镜片。镜片底部因圆锥曲线而产生的渐增的曲率意味着在远用处方为远视时，镜片的底部较薄而顶部较厚。为了抵消这种效果，生产商研磨时形成一个底向下的棱镜，用于减少镜片顶部的厚度，使镜片的底部和顶部获得等同的边缘厚度(图11-13)。
(三)渐变镜的设计发展
1.20世纪50年代：硬式、对称设计
渐变镜的最初设计是硬式、对称设计，加工是左、右镜片通过顺、逆时针的旋转来获得近用时的集合需求，是一种较难适应的设计。
2.20世纪70年代：硬式、非对称设计
非对称设计解决了对称设计产生的光学问题。
3.20世纪80年代：硬式、软式或软硬折衷设计
根据不同配镜者的类型及其使用目的设计的渐变镜。在这一时期，制造商已经为不同的配镜者提供了不同的渐变镜设计。例如，硬式设计提供给那些主要用于阅读的配镜者，而软式设计提供给那些动态较多的配镜者，软硬折衷设计提供给那些静态及动态较平均的配镜者。
4.20世纪90年代：多设计，根据使用和适应设计的渐变镜
到90年代，技术已经达到让渐变镜融合硬式和软式的优点。尽管大部分制造商为配镜者提供不止一种的设计，但他们已开始将自己最新的设计应用于所有的配镜使用目的。
新型软式设计的渐变镜有比以前软式设计更短的渐变走廊，也有相对宽的近用和远用区。这种设计虽然有宽的中距离区，但渐变走廊的两边仍然存在不期望的散光。
多设计是指渐变镜的设计根据不同的近附加度，以及不同的屈光力而改变。例如，两个近用加光度数相同，但远用屈光度数不同的老视者，他们可以获得根据他们视觉生理设计的不同的渐变镜。因此，渐变镜的设计根据处方的不同而变化。
5.21世纪：个体化的渐变镜设计
进入新世纪后，渐变镜的设计越来越趋于针对每个个体的设计。例如，两个用眼行为不同的老视者，注视同一周边物体，一个头位转动的角度更大，一个眼位转动的角度更大，提供不同的渐变镜设计，使他们都能获得较快的适应。
(四)硬式和软式设计
1.硬式设计 当配戴者视线从渐变镜视近区移开向周边看时，屈光力开始变化，散光像差开始增加。有些渐变镜设计，屈光力和散光像差的变化突然，增加迅速。戴镜者甚至可以明确感知视近区的范围。这种视物区分界明确的渐变镜，我们称为硬式设计(图11—14)。
(1)硬式设计的优点
①视远区和视近区较大，屈光力稳定不变；
②散光像差集中于某一区域；
③渐变走廊短，屈光力增加较为迅速，配戴者看近时达到全部的附加度较快。
(2)硬式设计的缺点
①由于周边像差增加较快、较密集，其适应更困难、适应时间更长；
②镜片周边视物偏移、变形比较明显；
③中距离视野非常局限。
(3)合适的使用人群举例
①硬式设计成功配戴经验者；
②需要大量阅读的配镜者。
2.软式设计 镜片视近区到周边区的屈光力变化比硬式设计缓和，当视线从视近区向旁边移行时，散光像差也增加得比较缓慢。戴镜者很难明确断定视近区的范围(图1 1—15)。
软式设计的镜片屈光力变化比硬式设计要慢，即渐变走廊更长、通常也更宽。这样为达到全部加光度数，眼睛所要移动的距离更大。
(1)软式设计的优点
①比较容易适应、周边散光像差轻微、伴随头位移动而出现的“漂浮感”较少；
②周边像差分布范围较大，因此散光像差变化梯度会减少；
(2)软式设计的缺点：镜片视远区周边的视力效果略差、视近时眼睛转动较多、视近区较“小”。
软式、硬式设计只是相对而言，并没有绝对的量值上的界限，这种分类方法只是反映渐变度变化快慢和对像差处理的方式不同。
(3)合适的使用人群举例
①新型的软式设计应用于大部分的老视者
②老视初期者
③户外活动者
3.软式设计和硬式设计的比较表11—1简要概括了这两种设计的差异。
表11-1 硬式和软式渐变镜的比较
硬式设计软式设计
视近区、视远区的无像差区部分较宽渐变走廊边界不明显
视近区位置较高视近区位置较低
渐变走廊较窄渐变走廊较宽
配戴适应期较长配戴适应期较短
周边视物偏移、变形明显周边视物偏移、变形不明显
周边区像差峰值较高周边区像差峰值较低
(五)对称设计和非对称设计
1.对称设计 镜片无左、右眼别之分，视近时眼睛因集合而需要内转，因此镜片加工时，分别顺时针和逆时针旋转镜片，一般要将渐变走廊平均向鼻侧内转10°左右。
2.非对称设计 镜片有左右眼别之分，渐变走廊适度向鼻侧倾斜，但是左、右眼镜片的渐变走廊两侧相应位置的镜度、散光像差和垂直棱镜基本等同。非对称设计的镜片考虑到双眼视觉(调节-集合系统)眼动参数特征，在两眼镜片相应位置对像差进行了适度处理而达到平衡，改善视觉效果(图11—16)。
(六)单一和多样设计
1.单一设计 属于早期的渐变镜，设计时同一系列渐变镜选用一种基本设计(渐变度)，适合所有的近附加。设计者理应针对配戴人群的个性化需要来进行设计，因此渐变镜应当有许多种不同的设计方法。
2.多样设计 以近附加度数的不同为主要依据，针对不同的近附加度数采用不同的渐变度设计。老视初发者调节储备还比较大，所需近附加度数较低。但是随着年龄的增加，调节力日益减退，同时所需近附加逐渐增加。因此设计者开始考虑是否需要根据不同的近附加度数而进行不同的设计。尽管这样设计出来的镜片从理论上来讲各不相同，但是某一具体设计样式在随近附加而进行调整时，使同一样式系列的镜片仍具有许多共同特征。
四、渐变镜的评估比较
1.柱镜图 将柱镜度数相等的区域相连接的镜度图(如图11—17)
用于描述散光像差以及镜片表面柱镜变化速率。(图11—18为三维柱镜图。)
软式和硬式柱镜图(图11—19)
软式设计镜片线线之间的间距比硬式设计的镜片要宽，由此，可以为定义偏向哪种设计起到提示的作用。图11—19也明确显示了硬式和软式设计的基本区别：硬式设计的等柱镜线间距紧密，有宽的远用和近用区；软式设计有宽的渐变走廊，远用和近用区较窄，等柱镜线间距较宽。
2.球镜图
(1)定义渐变走廊的宽度
(2)显示等球镜区域
(3)镜片前表面的屈光力
球镜图类似于柱镜图，也称气象图。球镜图连接了等球性屈光力，也显示了渐变走廊屈光力的变化(如图11—20)。(图11—21为三维球镜图。)
线线越接近表明屈光力变化越快。因此，一系列紧密的等球镜线也显示了更短的渐变走廊和/或者更高的加光。
3.等视敏度图
(1)定义镜片的有效区域
(2)显示等视敏度区域
等视敏度图接近于等柱镜图，可能会被误视为柱镜图。然而，不同于等柱镜图仅描绘了前表面的形状，等视敏度图描绘了戴镜者配戴该镜片期望获得的视力。线线越接近表明视敏度降低越快。正因如此，一些制造商倾向于使用等视敏度图(如图11—22)。
4.光度渐变图(如图11—23)
(1)曲线：表示光度是如何沿着镜片的子午线变化的
(2)了解镜片的光度渐变速率和渐变走廊长度
(3)对镜片整体设计的初步了解
上述这些用于说明和评估渐变镜的二维或者三维的模拟图通称为镜度图，是将镜片上屈光力相等的各点连接起来，显示出渐变镜的表面特征，类似于地图等高线。
镜度图的用途：通过镜度图可以基本了解渐变镜的某些共性和特点，如：
①渐变走廊的相对宽度；
②镜片偏硬式设计还是软式设计；
③镜片上半部的散光像差大小和视力模糊区的分布。
镜度图存在的问题是不能够说明某一镜片的配戴效果，临床研究也表明，即使两片镜度图相似的镜片，其配戴效果并不相同。镜度图仅反映出镜片前表面的光学性能、提示设计是偏硬式还是偏软式，不显示其他像差，如棱镜像差等参数情况不能预见临床表现，最可靠的评价途径是临床配戴研究。
关于老视矫正和多焦镜(包括双光镜、三光镜、渐变镜)有关的专业术语及其同义词的基本定义详见附录三。
思考题
1.单光、双光、三光及渐变镜的基本设计区别是什么？
2.试述“22diam×17high×2 1/2in，cut5”的含义。
3.试述渐变镜的定义及其优缺点。
4.试比较硬式和软式渐变镜的优缺点。
5.双光镜的像跳计算：如果近阅读附加为+2.00D子片为圆形，直径为28mm，则像跳效应是多少？
6.双光镜视近点的棱镜效应计算：主片屈光力-3.00D，近用区的光学中心OS位于NVP下方0.8mm，求主片在NVP的棱镜效应。子片近附加+2.50D，如子片直径为28mm，从分界线到子片几何中心(亦即光学中心)的距离为19mm，NVP在子片顶下方5mm，求子片在NVP产生的棱镜效应及NVP的总棱镜效应为多少？ |
