自由曲面光学镜片的设计 1.docx

自由曲面光学镜片的设计 1.docx

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自由曲面光学镜片的设计1

自由曲面光学镜面的设计

摘要

光学自由曲面具有非对称面形、灵活的空间布局、丰富的设计自由度等特性。

自由曲面是应用最广泛的曲面形状之一，如能改善人类视觉质量的渐进多焦点眼用镜片，就是自由曲面技术在眼用光学镜片中的成功应用。

本文通过设计渐进多焦点眼用镜片，并以之为例研究自由曲面光学镜片的性质及特点。

渐进镜片（英文progressiveadditionlenses简称PAL）是针对老视症状的一种有效的解决手段，与各类传统老视镜片相比较具有许多优点，本文对这种镜片的设计和评价进行研究。

首先，介绍渐变镜片的渐变结构特征和矫正原理，比较分析软设计和硬设计之间的区别。

其次，介绍渐进多焦点眼用镜片的基本结构。

应用基于狄利克雷原则的软设计方法，阐述渐进多焦点眼用镜片子午线设计的基本原理，构建子午线多项式，给出子午线设计需满足的条件。

在子午线设计的基础上，设计渐进多焦点眼用镜片等屈光度轮廓线，在此基础上设计镜片矢高，确定镜片面形。

然后，根据曲面的微分几何理论，给出渐变镜片的性能评价方法，即计算镜片的球面度及柱面度。

关键词渐进镜片；老视；软设计；子午线

Designoffree-formsurfaceopticallenses

Abstract

Free-formlenshasasymmetricsurfaceshape,flexiblespacelayout,extensivedesignfreedomandothercharacteristics.Freesurfaceisoneofthecurvedshapeswhicharemostwidelyapplied.Forinstance,theprogressiveadditionlenses（PAL）whichcanimprovethequalityofhumanvisionareasuccessfulexamplethatthefree-formtechnologyisappliedtoopticallenses.Inthispaper,thedesignoftheprogressiveadditionlensesisintroduced,andthenatureandcharacteristicsoftheopticallenseswillberesearchedthroughit.

Theprogressiveadditionlensesisanewkindofeffectivesolutiontopresbyopia,ithasmanyadvantagesoverotherlensesdealingwithpresbyopia.Investigationofitsdesignandevaluationmethodisshowninthispaper.

Variouskindsofpresbyopialensisreviewedandcompared.ThebasicfeatureandprincipleofthePALareintroducedandthedifferencebetweenthecharacteristicsofharddesignandsoftdesignisdescribedaswell.Thestructureofprogressiveadditionlensesisintroduced,andthesoftmethodbasedonDirichletprincipleisgivenindetail.Theprincipleofdesigningmeridionalpowerlawsforprogressiveadditionlensesisexpoundedbasedonpolynomial,andthecriterionofdesigningmeridionalpowerlawsisgivenout.Onthebasisofdesigningmeridionalpowerlaws,thevectorheightandtheisopowercontoursaredesignedinordertodeterminethesurfacesofprogressiveadditionlenses.

Accordingtothedifferentialgeometrytheoryofcurvingsurfaces,PAL’sperformancesareevaluated,andthemeansurfacepowerandtheconstantsurfaceastigmatismarecalculated.

Keywordsprogressiveadditionlenses,presbyopia,softdesign,meridianline

第1章绪论

1.1引言

本文通过设计渐进多焦点眼用镜片，并以之为例研究自由曲面光学镜片的性质及特点。

目前导致人眼屈光不正的原因很多，人们通常使用角膜接触镜、单光眼镜片、双光眼镜片和渐进多焦点眼用镜片（也称渐进镜片）等矫正视力。

人们随着年龄的增长，眼睛的调焦能力逐渐衰弱，即老视眼或老花眼，难以看清近处的物体。

理想的解决办法应配戴具有变焦能力的镜片，使得看近处时，镜片具有高的正光焦度；看远处时，具有低的、甚至负的光焦度。

渐进多焦点眼用镜片的镜度随着人眼范围由远及近、视线由上到下的移动逐渐增加，它能够提供一个连续的从远用到近用都清晰的视力。

渐进多焦点眼用镜片的镜度变化平滑，佩戴方便，更符合人们的生理和心理需求，所以越来越受到消费者的青睐。

1.2渐进多焦点眼用镜片发展情况

1785年，BenjaminFranklin将自己屈光矫正镜片的一半和老视视近镜片的一半粘合在一起，以克服视远和视近时不停地轮换戴镜和摘镜的麻烦（见图1-1），虽然当时的Franklin镜片并没有成为产品，但此举却开始了老视矫正历史的新纪元，即双光镜发展的历史。

图1-1BenjaminFranklin双光镜

后人在Franklin镜的原理基础上，对双光镜进行了改进和发展，经过一百多年的努力，双光镜片从设计、工艺和材料都日趋成熟，为广大老视者带来了诸多方便。

但是，双光镜存在着较多缺点，主要有：

在视远区和视近区之间对中间距离视物不清：

在视远区和视近区之间有“跳跃”现象，会造成行动不便：

视远区和视近区有明显的可见分界，影响自然外观。

由此，渐变多焦点镜片应运而生。

图1-2渐进多焦点镜片的第一代设计

最早的渐进多焦点镜片设计构思由英国视光师OwenAves提出并发表专利于1907年。

HenryOrfordGowlland于1910年在加拿大设计制作类似镜片，但由于当时技术限制，并没有获得实践上的成功。

法国光学师兼工程师BernardMaiternaz于1951年获得突破性发展，研制出真正适合临床佩戴的第一副现代概念的渐进多焦点镜片。

1959年欧洲第一个渐变镜Varilux眼镜片投放市场；1961年渐变镜Omnifocal眼镜片在美国发行。

到了20世纪70年代中，随着视觉生理的研究与发展，第2代软式设计的渐变镜应运而生，渐变镜片越来越广泛地为市场所接受。

2000年现代软式设计的第5代渐变镜强调运动视觉的需要，渐变通道短而窄，像差得到有效控制，有效视野更大。

到2003年末，渐变镜的设计已经把个体眼球运动参数结合到镜片设计上，做到了“个体化设计”。

框架眼镜一般有：

（1）单光焦度眼镜，即普通的近视眼镜或者远视眼镜。

这种眼镜片只能提供一种屈光力，适合近视，远视和轻度的老视患者；

（2）双焦点眼镜，这种眼镜片上方用于看远处物体，下部用于视近书刊及近距离工作。

随着年龄增长，人眼的调节力逐渐减弱。

佩戴双焦点眼镜后通过主片只能看清远物，通过视近附片只能看清近物，位于中间距离的物体，则看不清楚。

镜片上可观察到不同光焦度区域分界线；

（3）三焦点眼镜，在双焦点眼镜的基础上增加了中间距附片，使老视眼能看清中间距离的物体，但是镜片上仍可观察到不同光焦度区域分界线。

通过双焦点或三焦点眼镜片上不同光焦度分界处观察物体时会看到物体的形状突然变化，即像跳；

（4）渐进多焦点眼镜，消除了双焦点眼镜和三焦点眼镜的像跳现象。

远用区与近用区域之间光焦度平滑过渡，镜片外观与单焦眼镜片相同；

（5）液晶衍射镜片，这种眼镜的重量还未能有效减轻，目前还处于研究阶段。

上述眼镜片都可以添加一定的散光屈光力来矫正散光。

1.3课题研究的意义

我国大量儿童需要佩戴眼镜：

当前学龄前儿童视力低常率为12.64%，随着年龄增长，视力低常率增高，5岁最高，6岁又稍有下降。

视力低常眼中近视（3.18%）、中度远视（4.49%）、大于1.50D的散光（22.47%）和混合散光（11.05%）所占的比例增多。

我国学生近视率居高不下，令人忧虑。

小学生的近视率为20.23%，初中生的近视率为48.18%，高中生的近视率为71.29%，大学生的近视率为73.01%。

环境因素导致的青少年近视多伴有调节痉挛，如何控制视疲劳，减轻调节痉挛，是控制近视的研究热点。

青少年近视患者往往是看不清楚远处物体，需要佩戴眼镜，而进行视近和观察近处物体时眼睛能够自己调节看清物体，不需要眼镜片进行附加调节。

渐进多焦点眼镜可以在眼镜片的上部提供远用光焦度，而在镜片下部采用屈光力为零的镜片。

相比单光眼镜片，佩戴渐进多焦点眼镜片看近物时，眼的调节减少。

研究表明：

配戴渐进多焦点眼镜能起到防止近视加深作用，特别适用于近视伴有调节痉挛的青少年患者。

渐进多焦点镜片能够延缓青少年近视进展。

老年人随年龄增长视力逐渐下降，平均每增长10岁视力下降约0.2左右。

其中93.37%为屈光不正，远视性屈光不正占54.90%，近视性屈光不正占39.76%，5.02%为混合散光”。

渐进多焦点眼镜最初就是为了改善老年人视力而设计。

“未来几年，60年代出生的人群随着年龄增长，不少人在工作和生活中开始需要老视镜的辅助，一个庞大的老视镜需求市场在逐渐形成”。

因此，渐进多焦点眼镜片在我国具有极大的市场潜力。

自九十年代末以来，美国苏拿、日本豪雅、法国依视路等公司在中国设厂，渐变镜片逐渐被国内人们了解，但是价格因素仍是进一步推广应用的制约因素。

国内目前这方面的工作刚起步，设计与研制报道非常少见。

因此，开展有关渐变镜片的研究工作，无论是在工程上，还是在社会效应上都具有重大意义。

1.4论文主要研究内容

本文介绍渐进多焦点眼用镜片的构造，论述镜片的设计思想及常用的设计方法，阐述渐进多焦点眼用镜片子午线设计的基本原理，构建子午线多项式，给出子午线设计需要满足的条件。

在子午线设计的基础上，设计渐进多焦点眼用镜片等屈光度轮廓线，在此基础上设计镜片的矢高，再确定镜片面形，并求出镜片平均球面度与像散。

第2章渐进多焦点眼用镜片基本原理和概念

渐进多焦点眼用镜片的基本设计原理是：

在单一镜片上方固定的远用光区和镜片下方固定的近用光区之间，有一段屈光力连续变化的过渡区域（又称渐变区、过渡槽）。

渐变区是将镜片曲率半径循序渐进地变小而使镜片的屈光力逐渐增大，从而将镜片的远用光区和近用光区有机地连接在一起。

如图2-1所示。

2.1渐进多焦点眼用镜片原理

渐进多焦点眼用镜片如图2-1所示，渐进多焦点眼用镜片为单片镜