北京白癜风中医医院 http://pf.39.net/bdfyy/M.H.弗里曼和J.斯通33年前发表在英国隐形眼镜协会杂志的一份文献介绍了一种采用对入射光分光设计的远近同时视觉原理的双焦隐形眼镜的光学原理和视觉特性。
介绍
利用衍射来偏离光线并不是什么新鲜事。最早的衍射光栅可以追溯到年左右，使用全息技术的新制造方法已经制造出了更便宜的光栅，具有更少的*像。尽管这种光栅的主要目的是根据其波长分散光，但在这种情况下，将透射衍射光栅视为类似于眼科棱镜的光束偏移装置是有用的。
在图1a（见上图）中，我们可以看到，眼镜棱镜将大部分光偏离到新的方向，并有少量的色散，其中蓝光的偏离大于红光。但是，由于表面的反射，会产生杂散光束。该图按1.5折射率玻璃的比例绘制，以便显示该偏离角所需的棱镜底座厚度。对于较大的偏角，需要一个具有较大顶角的棱镜，因此需要较厚的底座。对于图1b中的衍射光栅（见上图），可以看到大部分光与棱镜的偏移量相似，但色散更大且相反；红光的偏移量大于蓝光。其他偏离光束的存在加上一些光是未经转移。现代衍射光栅设计和制造的一个特点是，这些其他光束被减少到入射光束的百分之几，与未镀膜眼科棱镜的杂散光束的大小大致相同。衍射比折射有相当大的优势，因为它不需要明显的厚度。就棱镜而言，这相当于具有非常高的折射率。然而，分散度相当于-3.4的阿贝值，这与59的冕牌玻璃和29的聚碳酸酯相比有些不利。
衍射使光偏离的机制要求表面有一个与入射光波长相互作用的精细结构。结构越细，偏差越大。这就是为什么红光会偏离得更多，因为它的波长越长，就会感觉到给定的结构越细。对于简单的棱柱偏差，精细结构是一系列类似于耕地的平行规则。但是，若要使绿光（纳米）偏离20°，则需要1.5微米的犁沟宽度，若偏离30°，则犁沟宽度为1微米。
衍射透镜
为了制造衍射透镜，沟槽采用圆形的形式，并且在透镜外围所需的较大的偏斜角意味着，圆形之间的间隔距离轴越远越小。上世纪初，奥古斯丁·菲涅尔（AugustinFresnel）提出了这一基本理论。他通过处理1/2周期区域混淆了几代光学物理学家（例如，参见Jenkins＆White）。雷利勋爵（LordRayleigh）显然是在年发明了第一个波带板，方法是挡住交替的1/2周期区域，得到如图2a所示的振幅防区板（参见上图）。如图2b所示，通过使交替区域与其他区域异相，可以使用更多的光（参见上图）。这两种方法都存在多个图像。这一事实促使Forst（）得出结论，这种方法对视觉应用没有任何价值。
但是如果将每对交替区域都视为一个完整区域，并且如图2c所示，对相位进行非对称控制（Freeman）（参见上图），则可以将光主要控制为两个图像，并同时创建双焦点视觉。隐形眼镜。最简单的方法是将光集中在远距视觉的零级（无偏移）图像和近距视觉的第一级（由每个区域边界处的单个波长相位差偏移）图像之间。
对于+1屈光度的下加值，在5毫米的孔径上大约需要6个完整区域。添加+2屈光度时，需要12个区域，而添加+3屈光度时，则需要18个区域，如图3所示。孔径较大时，由于外围区域逐渐变窄，因此数量迅速增加。
图3：屈光度所需的衍射区域数表示在5毫米的光学直径上。
图1A
图1B
眼科棱镜和衍射光栅的比较。对于10°的偏差，棱镜的顶角需要约为20度，在40毫米的直径上，基础厚度约为14毫米。相反对于任何孔径上的任何角度，衍射光栅都需要几微米厚度（加上支撑）。
图2：波前组成与波带片。
全孔径双焦点光路示意图：
瞳孔反应的影响
瞳孔尺寸从左到右：2.6毫米；2.9毫米；3.3毫米；4.1毫米；5.2毫米；
强度比：近比远1：1
图5A：光路示意图显示了从整个光圈到每个图像的光线。对于衍射设计的所有瞳孔尺寸，强度比保持为1:1。
近用分段同心光路示意图，最大外径：7.5毫米，最小圈直径：2.35毫米
瞳孔反应的影响
瞳孔尺寸从左到右：2.6毫米；2.9毫米；3.3毫米；4.1毫米；5.2毫米；
强度比：瞳孔2.6毫米时近比远4：1；瞳孔2.9毫米时近比远2：1；瞳孔3.3毫米时近比远1：1；瞳孔4.1毫米时近比远1：2；瞳孔5.2毫米时近比远1：4；
图5B：光路示意图仅显示从每个指定区域到达每个图像的光线。强度比随瞳孔大小和节段设计而显著变化。
这些镜片表面的尺寸精度必须精确到光波长的一小部分。在隐形眼镜表面制造如此精细的结构并不是一件简单的事情。虽然表面上的台阶形状是需要的，但它们之间的间距必须和抛光后的透镜一样具有良好的光学性能。显然，不可能用正常的方法抛光这样的表面。从电成型模具从光加工的母盘制成的模塑已经被使用，以及单点金刚石车削技术。这两种方法都能生产出合格的镜片，但制造成本很高。
所需的台阶高度与透镜材料和周围介质之间的折射率差有关。如果衍射表面是隐形眼镜的前表面，则指示不同的台阶高度，以确定表面是湿的还是干的。当衍射面置于后表面时，得到了更为一致的光学情况。
衍射与拟合技术
由于该表面与眼睛接触，角膜擦伤的可能性极小，原因有很多。首先台阶的高度只有几微米。当放大以显示与分区大小相关的台阶高度时，光学剖面如图4所示。
虽然从光学角度来看，最佳的台阶形状是表面的瞬时变化，但相对容易形成不超过30°的短坡度。需要注意的是，目前关于隐形眼镜缺陷的国际标准化组织标准提到了9微米的缺陷！很多刮痕都是这种大小的。
此外，对良好的定心度的要求（适用于所有同时视觉双焦点隐形眼镜）是通过比曲率更陡峭的配合来实现的，从而提供了一些“数十微米”的阶梯间隙。在约名患者的验光中，角膜擦伤的发生率与硬性角膜接触镜一样低。
该表面的独特特性是将入射光大致分为两个图像。这种分割发生在表面的每个点上，并且可以控制为+1阶（阅读影像：看近）和零阶（远用视觉）之间的均匀分割。因此，它不再需要有一个特定的部分或部分的镜头分别保留看近视力和另一个远用视觉。比较描述见查曼（）。
因此衍射透镜的作用不能简单地显示出来。对于衍射双焦点透镜，入射光在表面的每一点上被分成两个像。图5a试图说明这一点。这两幅图都用红色表示近视力图像，用蓝色表示远视力图像，但在这两种情况下，这两幅图像都是多色的，尽管衍射透镜可能显示出轻微的偏移。
图5b显示了传统的中央近段双焦隐形眼镜，伴随着瞳孔大小的变化。由于透光量取决于每个透镜区域的瞳孔可用面积，因此随瞳孔大小的比率变化非常显著。对于衍射透镜，瞳孔大小在衍射区域内时没有影响。虽然普遍接受的最佳比率是1:1，但通过重新设计衍射表面，可以选择任何比率并控制其对瞳孔大小的依赖性（如果有的话）。
衍射透镜的近视力
因为阅读影像是由入射光与带状结构的衍射相互作用引起的，所以它会遭遇相当大的纵向色差影响干扰。当有效阿贝值为-3.4时，像差的屈光度范围由下加屈光度除以阿贝值得出。分别对+1、+2、+3下加屈光度，可见色差为-0.3、-0.6、-1.0屈光度。因此，该特征倾向于校正眼睛的固有色差，该色差总体约为+1屈光度，但在更重要的红-绿范围内有效地小于该色差。
仅通过眼睛的瞳孔限制的整个光圈可用于两个图像的事实有两个重要的结果，并提出了全光圈双焦点隐形眼镜的名称。首先，这意味着双焦点视觉的可用性会在很宽的照明水平范围内扩展，因为在所有正常瞳孔尺寸下均会保持均匀的分裂。第二个效果与普通镜片的衍射效果有关。众所周知，对于小孔径尺寸，衍射受限的图像会退化。对于同心双焦点镜片，该片段必须小于最小的瞳孔尺寸，并且由于该片段的外部区域实际上在图像形成中不起作用，因此该片段的受衍射限制的图像因此而劣化。此外，当通过狭窄的环形孔形成图像时，该效果也适用，并且该图像又比眼睛的最佳瞳孔尺寸差。
图4：衍射接触镜后表面轮廓。
三个区域边界以x放大率显示。实际透镜直径约为此处所示截面的20倍。
全孔径双焦光斑图
图6a：全光圈双焦点的光斑图显示了一个平滑的、不显眼的离焦图像，即使在镜头偏心的情况下也是如此。
近用分段光斑图
图6b：一段双焦点的点状图显示了离焦图像的分散形状。
图7a：MTF曲线显示，对于全孔径双焦点的近距离和远距离视觉，都有良好的组合响应（绿色虚线）。
图7b：调制传递函数曲线显示只有近区同心双焦点的近视力有良好的综合反应（绿色虚线）。
图8：全孔径双焦透镜的组合调制传递函数曲线与0.25屈光度的离焦和3毫米有效孔径时的调制传递函数曲线不同，但相似。当双焦时，在较低的空间频率有一些不可避免的对比度损失时，在较高频率的响应允许获得良好的视觉敏锐度。
对于两个图像都使用全光圈会产生另一个优点，这是因为对于较大的光圈，离焦图像会更加模糊。这意味着与焦点对准的图像相比，它更加醒目。与此相反，在常规分段透镜中有效孔径较小的情况下，离焦图像具有较大的聚焦深度，因此更引人注目并且易于产生双重成像效果。这在图6中进行了图示说明，并经许可进行了修改。对于同心双焦点镜片，一个点对象的离焦图像可以看作是环形的，或者在偏心的情况下是新月形的。对于全光圈镜头，即使在偏心情况下，两个图像都是圆盘，因为在衍射区域内，眼睛的瞳孔是两个光束的限制孔径。因此，不需要的图像具有较低的强度并且不太可能被看到。
光学质量
尽管这些计算机生成的光斑图显示了点对象的基本光学效果，但它们不能完全显示明亮的聚焦图像和离焦模糊之间的较大强度差异。光学系统中的像质通常用调制传递函数来表示。
这是一个从对象到对象的调制对比度内容的图像传输图。为了使眼睛获得最佳的对比敏感度，接触镜以及角膜和晶状体必须将物体对比度转移到视网膜上，且损失尽可能小。但光路实际传递时总有一些损失，图形显示的传输值小于1，对于包含在对象精细细节中的高空间频率，传输值向零递减。图像的一般形状称为调制传递函数。当两幅图像以纵向焦点差叠加时，可以表明，在根据每个图像中的光量对它们进行加权之后，通过取它们各自的调制传递函数曲线的平均值，可以找到所得到的调制传递函数。在全孔径情况下，光具有独立于瞳孔大小的均匀分裂，2.7毫米瞳孔的效果如图7a所示，其中整体调制传递函数由绿色虚线给出。可以看出，虽然与单独的对焦图像相比存在对比度损失（蓝色表示远视力图像，红色表示近视力图像），但是组合图像的质量在-2.0屈光度物体距离处与在0屈光度处相同。在这些位置之间，低空间频率保持不变，但高空间频率降低，这就是典型的双焦点隐形眼镜。
中央看近用双焦如图7b所示，小瞳孔允许看近图像占主导地位，并在毫米（-2屈光度）物距提供良好的视觉效果。
然而，问题出现在无限远的物距上，整体响应（绿色虚线）比全孔径情况差得多。对于大瞳孔来说，同心段双焦点的问题恰恰相反——远视力好，但近视力差。只有在中等瞳孔尺寸时，双焦点才在两个视距上都有接近全光圈设计的性能。
视觉质量
当配戴衍射透镜时，通常在看远处提供6/6到6/5的视力值，在看近处提供N6到N5的视力值。由于瞳孔的独立性，这些数字通常保持在试戴室外。对于所有的同时视觉镜片，双焦动作的代价是失去一些对比敏感度。
由于调制传递函数是前面描述的平均值，因此在图像之间均匀分割的情况下，最佳理论对比度灵敏度为单视觉的50%。对看近图像的色差进行校正可以提高近视力的对比度灵敏度，但是，在达到制造公差和衍射效率的情况下，测量的灵敏度通常在单幅图像的40%到50%之间。值得注意的是，许多对比度灵敏度测量系统的步长都在x2和x之间。采用这种测试方法，在测量这种量级的对比度灵敏度损失之前，需要进行多次实验。
然而，这种对比度损失的视觉效果对大多数患者来说是明显的，必须与双焦眼镜的直线跳跃和渐进式眼镜镜片的畸变和散光进行比较。双焦隐形眼镜使用同时视觉，当然，允许近距离和看远在各个方向的凝视。所有的老花眼矫正都是一种折衷，分割图像的质量无法优于单光镜片的视觉图像。
一种更为常见的比较方式可以是眼科专业的常规做法，即“欠矫”，并在眼镜佩戴者的远用矫正上增加+0.25屈光度，以推迟额外的看近距离矫正的需要。0.25屈光度离焦和3毫米瞳孔的眼睛的远用调制传递函数曲线如图8所示。为了进行比较，在同一张图上绘制了用全孔径同时视觉双焦点完全校正的同一只眼睛的远用调制传递函数，可以看出，虽然在较低的频率下有一些对比度损失，但在较高的频率下，双焦点实际上更好。从而得到6/6的视力值。当然，这种比较不是精确的，因为对于4米及以下的物体，过矫的老花眼将得到完全校正，而带有衍射隐形眼镜的老花眼将不会显示任何更好的值。
镜片验配
这类镜片的验配不打算在本白皮书中讨论，但与单光镜片相似。镜片的基本参数与其他当前装配的单光硬性透氧性角膜接触镜的基本参数相似。这些镜片的临床试验已经在英国城市大学，医院以及北威尔士的皮尔金顿视力诊所进行了试验。现有的佩戴硬性或透气性镜片的佩戴者的成功率令人欣喜地高。考虑到先前指出的对比敏感度降低，建议对所有同时使用的视力镜片禁用“正常”对比敏感度较低四分位数的患者。经认可，在实践中越来越多地使用对比敏感度测量。在远距离和近距离阅读时使用低对比度测试类型的更简单方法可能被证明是筛查这些患者并向他们提供对该功能的有见地了解的最佳方法。第二个禁忌症是无论出于何种原因都无法实现优于1毫米-1.5毫米的对中偏心。这就是为什么现有的配戴硬性或透氧性镜片的人比起以前的非配戴者，其镜片性能更佳的开始，因为后者往往会遭受初期的额外流泪，因此定心效果较差。近视眼的镜片倾向于高基弧可能需要更陡峭的适配，或者可能更厚的镜片才能获得良好的对中度。除此之外，正常的适应症和禁忌症适用于硬性透氧性角膜接触镜的日常佩戴，并且像所有硬性透氧性角膜接触镜一样，对镜片卫生的高标准至关重要。特别是间隙可能会在复曲面角膜上产生更多的挠曲，从而可能以较低的角膜散光值存在禁忌症。预计这些新的双焦点镜片将在今年下半年面市，当前使用的材料包括Polycon和Optacryl，但概念不限于任何特定的材料，进一步的发展包括软透镜，无晶状体人工晶体以及持续改进产品的正常策略。
衍射双焦隐形眼镜
衍射技术允许制造全孔径同时视觉双焦点接触镜。到目前为止，临床试验显示成功率高，并发症少。验配技术简单明了，适应快，仅比同等年龄患者的可比单光镜片长20%至25%。所有的双焦镜片都是折衷的，但衍射法提供了一致的光学性能，这使得医生可以根据患者的视觉要求轻松评估视觉性能。
声明：本文并非医学诊断建议也非眼部健康信息建议
攘攘皆为利
