一种焦深扩展型人工晶状体及其制备方法与流程

本发明涉及人工晶状体技术领域，具体为一种焦深扩展型人工晶状体及其制备方法。

背景技术：

人眼内的天然晶状体在刚出生的婴儿时是无色透明且非常软的晶状体，随着年龄的增长，外界环境的改变，如紫外线的辐射等要素的影响下，该天然晶状体将会变得越来越硬和变成有色晶状体。当人们活到五十至六十岁以上时，有百分之三十左右的天然晶状体将会变成棕黄色和浑浊，并且变硬，不仅仅失去了可调焦的功能，甚至完全看不见，当这种情况发生时，这种天然晶状体(即白内障晶状体)将不得不用一个人工晶状体去置换，使之其恢复白内障病人的眼睛视力。

人工晶状体(iol)已成为一种常见的医疗器件，用于置换病变浑浊的自然晶状体，从而帮助白内障患者获得术后视力。一个典型的人工晶状体由于光学的晶体和支撑的手臂构成，其中光学晶状体聚焦光线到视觉神经上使之能看见物体而手臂的作用在于支撑其光学区，使之光学区位于眼内的中心能够有效的聚焦。常规的单聚焦人工晶状体能够提供一个常规距离的视觉矫正，但常规单聚焦人工晶状体不能提供一个“可调焦”的视觉矫正。也就是说，它不能提供一个看远和看近都能提供其视觉矫正的作用。唯一能使单聚焦人工晶状体达到看远看近都能使起作用，就得在看近距物体时候再带上一副眼镜。多焦点人工晶状体尤为衍射三焦点人工晶状体，可以满足患者看近、看中、看远的视力需求，常规衍射多焦点结构，采用锯齿状(阶梯型)位相分布，造成植入眼夜间的眩光。一部分原因是每个衍射级次之间的光能不能平滑过渡；其次是衍射效率低，约有20％的光能不能用于成像。阶梯型微结构也不便于机械加工，对刀具的要求更高；结果的预测也往往偏离理想设计。

现有技术的缺陷和不足：

1.常规的单焦点iol只有一个像点，其植入人眼后只能满足远视距(远物距)下的清晰成像，术后病人在许多重要日常任务所需要的中间视力无法满足，对眼镜有依赖，十分不便；

2.多焦点iol避免了视距不足的问题，提供多个视距下的清晰成像，但是由于总光能不变，每个像点光能占较低，总体成像不清晰，视程不连续；

3.可调节人工晶状体，如专利us4409691、us5674282、us5496366、us6197059、us6387126、us6178878和us6406494等。所有这些可调节iol设计均使用机械结构来实现iol在人眼中的位移实现无极变焦。光学主体都是由材料较软、折射率较低的硅胶材料制作而成。由于硅胶材料的折射率较低，制成的晶状体较厚，其晶状体在眼内囊袋中移动的距离有限，使之可调焦的光学强度变化有限。复杂的机械结构在人眼内并不稳定，易诱发二级白内障。综上，由硅胶制成的机械式可调焦晶状体，只有部分人能具有可调焦的功能，且不安全。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种焦深扩展型人工晶状体及其制备方法，本发明光学主体为具有自由曲面光学区，具有媲美常规单焦点iol的术前预测远视力，和可预见的中视力以及中、远距离之间的连续视力；提供了高度的视觉独立性，以及较少的视觉副作用(眩光和光晕)，使人们在大范围的焦深下拥有出色的视觉效果。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种焦深扩展型人工晶状体，所述人工晶状体包括光学主体、第一支撑襻和第二支撑襻，所述光学主体具有平滑位相分布；

所述光学主体、第一支撑襻和第二支撑襻为一体式结构，采用同一种材料，整体成型；

所述第一支撑襻、第二支撑襻表面均设有斜锯齿凹槽或凸起磨砂；

所述光学主体由两个光学表面组成，其中一个光学表面上另外具有环带结构。

优选的，所述磨砂的粗糙度或斜锯齿的高度大于40μm。

优选的，所述光学表面可以是球面或非球面。

优选的，所述光学主体的上其中一个光学表面，满足自由曲面设计原理，其确定方法如下：以所述光学表面的顶点为原点o，以光轴为z轴，建立任意的空间直角坐标系，所述坐标系的横坐标轴x轴以及坐标轴y轴与所述光学表面相切。

优选的，计算所述自由曲面的方程为：

当光线经过透镜的前表面上的an-1点入射到bn-1点，入射光线的单位方向矢量如下，式(1)：

in＝[0,j]，

光线an-1bn-1在bn-1点折射后，出射到了焦点fn-1上，坐标是(0,yn-1)，经过自由曲面上bn-1点所出射的光线的单位矢量out如下，式(2)：

其中i，j分别为x轴和y轴的单位方向矢量，根据折射定律的矢量形式如下，式(3)：

可以求得过bn-1点的单位法向矢量，ns为菲涅尔自由曲面透镜周围介质的折射率，niol是材料的折射率，kn-1是过bn-1点的单位法向矢量，求得kn-1，于是过bn-1点的切线斜率如下，式(4)：

过bn-1点的切线与ln条采样光线交于bn点，因为采样光线是平行等间隔分布的，bn-1点在x轴方向的坐标在初始条件中就可以得到为xn，因此接下来主要是求bn点在y轴方向的坐标yn，过点bn-1的切线，与过an的直线相交于bn(xn,yn)，其中yn是待求的量，其中，过点bn-1的切线斜率又可以表示为，式(5)：

联立式(4)和式(5)可以得到菲涅尔面上相邻点之间的迭代关系如下，式(6)：

从方程式(6)可以知道曲面相邻两个采样点之间的迭代关系，一旦bn-1知道就可以求出其相邻的采样点bn，环带上的第一个点是由边界条件给出的，利用这种迭代关系可以求出剖视图中的一条母线，经旋转对称之后可以得到整个曲面。

优选的，所述光学主体的有效光学区的直径为5.5～6.5mm，中心厚度0.65～1.25mm的双凸/凹凸透镜片，所述第一支撑襻、第二支撑襻的厚度均为0.15～0.35mm，所述光学主体的焦深范围为+0.5d～+2.5d。

优选的，所述第一支撑襻、第二支撑襻的表面设有斜锯齿凹槽或凸起磨砂，且斜锯齿凹槽或凸起磨砂的宽度为0.2～1.0mm、斜锯齿的斜边缘与支撑襻所属平面的夹角α在-20～20°之间。

一种焦深扩展型人工晶状体的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，光学设计：先通过拟定的焦深扩展人工晶状体的焦距范围，按照上述自由曲面的确定方法，确定焦深扩展自由曲面的点坐标分布，用过多项式拟合的方法在zemax中构建初始模型，继而优化得到最佳的预期效果，根据优化结果导出得到整合后实际面形；

步骤二，车加工基底折射透镜：按照光学设计的前后光学面的加工参数，编写车床程序；利用金刚石单点切削技术，车加工出光学主体，编写铣床程序，铣削出光学区的外形以及带有磨砂/锯齿状的襻脚。

步骤三，抛光处理。

优选的，所述焦深扩展型人工晶状体可先用车床加工出含有平滑位相的人工晶状体圆片，经机械雕刻制成晶状体光学主体，两个襻经机械切割制成。

本发明提出的一种焦深扩展型人工晶状体及其制备方法，有益效果在于：

1、本发明通过将光学主体的光学区有自由曲面与非球面或球面组合，实现了在可见光范围内消除色差，具有更大的焦深，更好的像质；

2、本发明通过将光学主体的光学区焦深扩展型的光学区，结合技术设计方案，实现媲美常规单焦点iol的术前预测远视力，和可预见的中视力以及中、远距离之间的连续视力；提供了高度的视觉独立性，以及较少的视觉副作用(眩光和光晕)，使人们在大范围的焦深下拥有出色的视觉效果；

3、本发明一件式焦深扩展型人工晶状体，相比复杂的机械可调节人工晶状体结构简单，使得晶体可以适用于复杂的眼液环境，稳定性好，不易诱发二级白内障；最后支撑襻的磨砂/锯齿面的设计，增加了襻移动的阻力，避免晶状体在囊袋内旋转，进一步增加了术后的稳定性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的平凸自由曲面透镜成像概述示意图；

图3为本发明的平凸自由曲面透镜计算原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种焦深扩展型人工晶状体，所述人工晶状体包括光学主体1、第一支撑襻2和第二支撑襻3，所述光学主体1具有平滑位相分布；

所述光学主体1、第一支撑襻2和第二支撑襻3为一体式结构，采用同一种材料，整体成型；

所述第一支撑襻2、第二支撑襻3表面均设有斜锯齿凹槽或凸起磨砂，所述磨砂的粗糙度或斜锯齿的高度大于40μm；

所述光学主体1由两个光学表面组成，所述光学表面可以是球面或非球面，其中一个光学表面上另外具有环带结构。

所述光学主体1的上其中一个光学表面，满足自由曲面设计原理，其确定方法如下：以所述光学表面的顶点为原点o，以光轴为z轴，建立任意的空间直角坐标系，所述坐标系的横坐标轴x轴以及坐标轴y轴与所述光学表面相切；

计算所述自由曲面的方程为：

当光线经过透镜的前表面上的an-1点入射到bn-1点，入射光线的单位方向矢量如下，式(1)：

in＝[0,j]，

光线an-1bn-1在bn-1点折射后，出射到了焦点fn-1上，坐标是(0,yn-1)，经过自由曲面上bn-1点所出射的光线的单位矢量out如下，式(2)：

其中i，j分别为x轴和y轴的单位方向矢量，根据折射定律的矢量形式如下，式(3)：

可以求得过bn-1点的单位法向矢量，ns为菲涅尔自由曲面透镜周围介质的折射率，niol是材料的折射率，kn-1是过bn-1点的单位法向矢量，求得kn-1，于是过bn-1点的切线斜率如下，式(4)：

过bn-1点的切线与ln条采样光线交于bn点，因为采样光线是平行等间隔分布的，bn-1点在x轴方向的坐标在初始条件中就可以得到为xn，因此接下来主要是求bn点在y轴方向的坐标yn，过点bn-1的切线，与过an的直线相交于bn(xn,yn)，其中yn是待求的量，其中，过点bn-1的切线斜率又可以表示为，式(5)：

联立式(4)和式(5)可以得到菲涅尔面上相邻点之间的迭代关系如下，式(6)：

从方程式(6)可以知道曲面相邻两个采样点之间的迭代关系，一旦bn-1知道就可以求出其相邻的采样点bn，环带上的第一个点是由边界条件给出的，利用这种迭代关系可以求出剖视图中的一条母线，经旋转对称之后可以得到整个曲面。

所述光学主体1的有效光学区的直径为5.5～6.5mm，中心厚度0.65～1.25mm的双凸/凹凸透镜片，所述第一支撑襻2、第二支撑襻3的厚度均为0.15～0.35mm，所述光学主体1的焦深范围为+0.5d～+2.5d。

所述第一支撑襻2、第二支撑襻3的表面设有斜锯齿凹槽或凸起磨砂，且斜锯齿凹槽或凸起磨砂的宽度为0.2～1.0mm、斜锯齿的斜边缘与支撑襻所属平面的夹角α在-20～20°之间。

一种焦深扩展型人工晶状体的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，光学设计：先通过拟定的焦深扩展人工晶状体的焦距范围，按照上述自由曲面的确定方法，确定焦深扩展自由曲面的点坐标分布，用过多项式拟合的方法在zemax中构建初始模型，继而优化得到最佳的预期效果，根据优化结果导出得到整合后实际面形；

步骤二，车加工基底折射透镜：按照光学设计的前后光学面的加工参数，编写车床程序；利用金刚石单点切削技术，车加工出光学主体(1)，编写铣床程序，铣削出光学区的外形以及带有磨砂/锯齿状的襻脚。

步骤三，抛光处理。

所述焦深扩展型人工晶状体可先用车床加工出含有平滑位相的人工晶状体圆片，经机械雕刻制成晶状体光学主体1，两个襻经机械切割制成。

实施例：自由曲面由多个曲面片组成，以平-凸透镜设计为例，第一面为平面，第二面是自由曲面(光线先经过的光学面是第一面，光线后经过的光学面是第一面)，沿着径向指向透镜中心(光线垂直入射，径向为入射光线的垂直方向)，将平凸透镜分为n个区域，分别是p1、p2、p3、…pn，n为正整数且100≤n≤10000；在每个区域内，入射光线等间距分布，每条光线对应编号l1、l2、l3、…ln,n为正整数且100≤n≤10000；在目标焦深范围内设定n个等分点，分别对应各个焦点的位置f1、f2、f3、…、fn-1、fn；目标焦深范围是0.5d～2.5d，即f1到fn之间的距离；(如图1所示)在p1区域内光线p1-l1垂直入射经过平面，此时不发生折射，达到第二面后经折射聚焦到f1的位置；p1-l2经折射聚焦到f2的位置；p1-l3经折射聚焦到f3的位置；p1-l4经折射聚焦到f4的位置…p1-ln经折射聚焦到fn的位置；从而在每个区域内都可以达到焦深扩展的目的，最终的成像效果是通光孔径内各个区域成像的集合，该设计的焦深效果不受光栏大小的约束。

以区域pm内的自由曲面设计为例，(如图2所示)在该面片区域内以一系列的等间距平行光线为采样光线pm-l1、pm-l2、pm-l3、pm-l4…pm-ln-1、pm-ln，每条采样光线与自由曲面的交点x方向的坐标都是已知的，假设知晓该面片自由曲面上的任意一点bn-1(xn-1,yn-1)，计算出与其相邻的bn，构建了自由曲面局部面片上bn-1与bn的迭代关系，就可以计算出该曲面片内所有采样点。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。