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非球面眼镜片设计与加工中文提要 非球面眼镜片设计与加工 中文提要 传统球面眼镜片，边缘视觉效果差，并且镜片厚重，给佩戴者带来诸多不便。为 此，眼视工作者提出用非球面镜片替代球面镜片，从而帮助屈光不正患者得到较好的 视觉效果。 非球面眼镜片能很好地减小球面镜片固有象差，较之与传统的球面眼镜片，非球 面镜片有离轴等效焦度几乎不变、象散小、视觉畸变小等优点；而且更轻便、外形更 美观。 本文首先分析了人眼屈光系统，并且介绍了市场对非球面镜片的要求。根据这些 要求选择光焦度、散光、减薄量、相对畸变组成优化函数。选择以抛物面为基底面形 的高次非球面方程描述面形。用该设计方法设计出的非球面镜片，表面屈光度、散光 分布均匀；场曲和相对畸变均减小到人眼可以接受的范围内；减薄量大。并且提出表 面光顺设计的要求，表面光顺的高次非球面更加适合批量生产。 然后，介绍了两种非球面玻璃模具生产工艺方式：传统冷加工法和热成型法。传 统冷加工法加工玻璃模具片灵活机动，但是表面光洁度得不到保证。热成型法通过球 面变形的方法来生产玻璃模具片，该方法机动性不足，但是其表面光洁度好，并且通 过该方法生产出的模具片寿命长于传统冷加工法生产出来的模具片。 最后，本文还介绍了非球面玻璃模具的一些检验要求。 用本文介绍的设计，加工方法生产出来的模具片已经被市场接受，并且得到用户 的认可。 关键词：非球面眼镜片屈光度散光热成型 作者：任建锋 指导老师：余景池 非球面眼镜片设计与加工 a b s t r a c t d e sig na n dm a n u f a c t u r et h ea s p h e ric ai s p e c t a c ie l e n s a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a ls p h e r i c a ls p e c t a c l el e n sm a k ew e a r e r sf e e lu n c o m f o r t a b l e ，b e c a u s et h e w e a r e r sh a v eb a dv i s i o no nt h ee d g ea n dt h el e n si st o ot h i c ka n dw e i g h t t h ed e s i g n e r s m e n t i o nt h a tt h ea s p h e r i c a ll e n sw h i c hw i l ls t a n df o rs p h e r i c a ll e n sc a r lh e l pt h em a no f b a d v i s i o nt og e tc l e a rv i s i o n c o m p a r e dw i t ht h es p h e r i c a ll e n so fs a m ed i o p t e r , t h ea s p h e r i c a ll e n sc a nr e d u c et h e a b e r r a t i o n s t h ea s p h e r i c a ll e n si sm o r el i g h ta n dt h i nb e c a u s eo ft h en e e dt oa d d r e s st h e c o m f o r ta n dc o s m e t i c i na d d i t i o n ，t h ea s p h e r i c a ll e n sm a k e st h eo f f - a x i se f f e c t i v ed i o p t e r s t a b l e ，m i n i m i z et h eo f f - a x i sa b e r r a t i o na n dd i s t o r t i o n f i r s t ，w ea n a l y z et h ee y e sa n di n t r o d u c et h er e q u i r e m e n t so ft h em a r k e t ，a n dt h e n b u i l dt h es u r f a c ew i t ht h em e r i tf u n c t i o nc o m p o s i n gd i o p t e r , a s t i g m a t i s m ，t h i c k n e s s ， d i s t o r t i o n ，a n df i e l dc u r v a t u r e ，i n a d d i t i o n ，t h es u r f a c ei sd e s c r i b e dw i t hh i g ho r d e r a s p h e r i c a le q u a t i o nb a s e do np a r a b o l a w i t ht h i sm e t h o d w ec a ng e tt h es u r f a c ew i t i l p r o p o r t i o n a ld i o p t e ra n da s t i g m a t i s m ，a n dt h ed i s t o r t i o na n dt h ef i e l dc u r v a t u r ec a nf i tt h e t o l e r a n c eo f t h ee y e s i na d d i t i o n ，w ea d v a n c e dt h a tt h es u r f a c eo f g o o ds m o o t h n e s si se a s y f o rm a s sm a n u f a c t u r e t h e n ，g l a s sm o u l dc a nb ep r o d u c e dw i t ht w od i f f e r e n tp r o c e s s e sl i k ec l a s s i c a lp r o c e s s a n dh e a t i n gm o l d i n g t h ec l a s s i c a lp o l i s h i n gm e t h o dc a nm a k ep r e c i s i o ns u r f a c eb u tc a n t g e tg o o ds u r f a c eq u a l i t yw h i l et h eh e a t i n gm o l d i n gm e t h o dc a ng e tg o o ds u r f a c eq u a l i t y b u tc a n tg e th i g hp r e c i s i o ns u r f a c e t h em o u l dm a d eb yh e a t i n gm o l dc a nu s ef o ral o n g t i m e a tl a s t ，t h ei n s p e c t i o nm e t h o do f t h ea s p h e r i c a ll e n sw a si n t r o d u c e d t h ea s p h e r i c a ll e n sh a sb e e nt a k e nb yt h em a r k e ta n d a c c e p t e db yt h eu s e r s h o w e v e r , t h ew e a r e ri sa l w a y sf i g h t k e yw o r d s ：a s p h e r i c a ll e n s ，d i o p t e r , a s t i g m a t i s m ，h e a t i n gm o l d i n g w r i t t e nb yj i a n f e n gr e n s u p e r v i s e db yj i n g c h iy u y9 5 6 6 2 5 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 学位论文使用授权声明 苏卅f 大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： 日期：矽西亏。巧 日期：矽昭厂 非球面眼镜片设计与加工 第一章：眼镜光学 1 1 引言 第一章：眼镜光学 随着社会的发展，电视等现代媒体充斥人们的生活，其直接结果导致屈光不正患 者增多。现代眼视光学就是将眼睛作为工作对象，将恢复或提高视力和视觉功能作为 目的，通过各种方法、器具达到最佳视力、最舒适用眼和最持久阅读的理想视觉状态。 在现实生活中，人人都需要矫正视觉。美国1 9 9 8 年统计资料显示，总人口的5 5 佩 戴框架眼镜，1 0 佩戴角膜接触镜，余下的3 5 至中年后亦需要对老视进行矫正。在 所有与眼睛有关的首次就诊病例中，视光学方面的问题约占7 0 ，眼病约占4 5 ， 其他部分亦与视力检测或矫正有关。许多眼病如白内障、青光眼、眼底病等治疗后， 仍然需要考虑做视力和视功能的矫正处理。因此在人的一生中，对视力和视功能进行 矫正是不可避免的。在过去几十年来，对屈光不正进行矫治的工作一直是国际眼视光 学领域的热门课题【】。 中国是一个近视大国，据不完全统计，仅大陆就有超过2 亿人佩戴眼镜，而且多 数人拥有眼镜2 副以上。眼睛是获得信息的最重要器官，为了矫正屈光不正，就必然 需要改善眼视光学系统。现在一般来说有这么两个办法，一个是对人眼的某个屈光元 件进行修正，比如激光对角膜进行手术治疗近视。还有一个办法就是佩戴一个附加光 学系统进行屈光能力调整，就是眼镜。手术治疗眼睛屈光不正费用高昂，并且其长期 效用不明晰，所以人们矫正屈光不正还是以佩戴眼镜为主。 本文通篇讨论通过眼镜来矫正人眼屈光不正。眼镜光学是应用光学的一个分支， 也是现在使用最广泛的光学系统。其不但包含最基础的球面镜片，还包含旋转对称的 非球面镜片，甚至还包含非旋转对称的散光镜片、双光镜片、三光镜片和渐进多焦点 镜片。现在甚至出现了自适应镜片，该镜片可以随时调节其屈光能力以适应人眼在不 同情况下不同的需求。 非球面眼镜片设计与加工第一章：眼镜光学 1 2 眼镜分类 到现在为止，眼睛屈光不正的矫正仍然以佩戴眼镜为主。一般而言，眼镜是用于 矫正眼屈光不正和一些视觉功能异常( 调节障碍和双眼视觉功能不齐全等) 的透镜。 随着科学的日趋发达，人类生活环境和需求在不断改变，眼镜的应用范围也越来 越广泛。根据功效不同，眼镜分为以下几类： ( 1 ) 矫正眼镜：用于矫正眼屈光不正或者眼屈光功能某些缺陷的眼镜。如 远视眼矫正眼镜、近视眼矫正眼镜等。 ( 2 ) 治疗眼镜：用于治疗某些眼病的眼镜。如斜视眼镜等。 ( 3 ) 防护眼镜：防护有害光线损伤眼的眼镜，如太阳镜等。 ( 4 ) 美容眼镜：无医疗作用，只起到美容效果的眼镜。 ( 5 ) 低视力眼镜：用以帮助低视力患者使之能较清楚地看见所要看的物体。 所有这些眼镜中间，最主要的是矫正眼镜，这也是下文要讨论的重点。按照佩戴 眼镜的目的，可以归纳为如下3 点【l 】： ( 1 ) 病人眼有屈光不正，裸眼视力不佳，带上矫正眼镜可使其看清楚外界物 体，增加视力者。 ( 2 ) 屈光异常者，每有不适感，戴上矫正眼镜，可使患者的不适应感觉消失 或者减轻。 ( 3 ) 佩戴矫正眼镜，可使得视觉效能加强，能较长时间从事阅读以及其它工 作者。 佩戴眼镜是一个综合效应，佩戴眼镜必须三者兼顾，否则可能会给患者带来困扰。 矫正镜片之所以能矫正人眼屈光不正，概括起来有如下几点： ( 1 ) 矫正镜片与屈光不正眼的屈光系统形成一个新的屈光组合，它可以使 得远方物体所发出的光恰好在该眼的视网膜感光细胞层成清晰像。 ( 2 ) 矫正眼镜的作用是利用适当度数的透镜放置在眼前改变进入眼内光 束的聚集发散度，使之恰好在视网膜上成像。 ( 3 ) 矫正眼镜的作用，是利用眼镜的折光能力，使位于无限远的物体成像 于非正视眼的远点球面上。屈光不正眼看到的是物体通过矫正眼镜成 的像。 非球面眼镜片设计与加工第一章：眼镜光学 1 3 人眼生理结构 人的眼睛近似球形，正常成年人其前后径平均为2 4 m m ，垂直径平均2 3 m m 。最 前端突出于眶外1 2 1 4 r a m ，受眼睑保护。眼球包括眼球壁、眼内腔和内容物、神经、 血管等组织。 图1 1 眼睛生理结构 1 眼球壁主要分为外、中、内三层。 外层由角膜、巩膜组成。前1 6 为透明的角膜，其余5 6 为白色的巩膜，俗称“眼 白”。眼球外层起维持眼球形状和保护眼内组织的作用。角膜是接受信息的最前哨入 口。角膜是眼球前部的透明部分，光线经此射入眼球。角膜稍呈椭圆形，略向前突。 横径为1 1 5 一1 2 衄，垂直径约l o 5 1i m m 。周边厚约l m m ，中央为0 6 r a m 。角膜 前的一层泪液膜有防止角膜干燥、保持角膜平滑和光学特性的作用。角膜含丰富的神 经，感觉敏锐。因此角膜除了是光线进入眼内和折射成像的主要结构外，也起保护作 用，并是测定人体知觉的重要部位。 巩膜为致密的胶原纤维结构，不透明，呈乳白色，质地坚韧。 中层又称葡萄膜，色素膜，具有丰富的色素和血管，包括虹膜、睫状体和脉络膜 三部分。 虹膜：呈环圆形，在葡萄膜的最前部分，位于晶体前，有辐射状皱褶称纹理，表 非球面眼镜片设计与加工第一章：眼镜光学 面含不平的隐窝。不同种族人的虹膜颜色不同。中央有一2 5 4 m m 的圆孔，称瞳孔。 睫状体前接虹膜根部，后接脉络膜，外侧为巩膜，内侧则通过悬韧带与晶体赤道 部相连。 脉络膜位于巩膜和视网膜之间。脉络膜的血循环营养视网膜外层，其含有的丰富 色素起遮光暗房作用。 内层为视网膜，是一层透明的膜，也是视觉形成的神经信息传递的第一站。具有 很精细的网络结构及丰富的代谢和生理功能。视网膜的视轴正对终点为黄斑中心凹。 黄斑区是视网膜上视觉最敏锐的特殊区域，直径约1 - 3 r a m ，其中央为一小凹，即中 心凹。黄斑鼻侧约3 m m 处有一直径为1 5 m m 的淡红色区，为视盘，亦称视乳头，是 视网膜上视觉纤维汇集向视觉中枢传递的出眼球部位，无感光细胞，故视野上呈现为 固有的暗区，称生理盲点。 2 眼内腔和内容物 眼内腔包括前房、后房和玻璃体腔。 眼内容物包括房水、晶体和玻璃体。三者均透明，与角膜一起共称为屈光介质。 房水由睫状突产生，有营养角膜、晶体及玻璃体，维持眼压的作用。晶体为富 有弹性的透明体，形如双凸透镜，位于虹膜、瞳孔之后、玻璃体之前。 玻璃体为透明的胶质体，充满眼球后4 5 的空腔内。主要成分为水。玻璃体有屈 光作用，也起支撑视网膜的作用。 3 视神经、视路 视神经是中枢神经系统的一部分。视网膜所得到的视觉信息，经视神经传送到大 脑。 视路是指从视网膜接受视信息到大脑视皮层形成视觉的整个神经冲动传递的径 路。 4 眼附属器 眼附属器包括眼睑、结膜、泪器、眼外肌和眼眶。 眼睑分上睑和下睑，居眼眶前1 2 1 ，覆盖眼球前面。上睑以眉为界，下睑与颜面皮 肤相连。上下睑间的裂隙称睑裂。两睑相联接处，分别称为内眦及外眦。内眦处有肉 状隆起称为泪阜。上下睑缘的内侧各有一有孔的乳头状突起，称泪点，为泪小管的开 口。生理功能：主要功能是保护眼球，由于经常瞬目，故可使泪液润湿眼球表面，使 4 非球面眼镜片设计与加工第一章：眼镜光学 角膜保持光泽，并可清洁结膜囊内灰尘及细菌。 结膜是一层薄而透明的粘膜，覆盖在眼睑后面和眼球前面。按解剖部位可分为睑 结膜、球结膜和穹隆结膜三部分。由结膜形成的囊状间隙称为结膜囊。 泪器包括分泌泪液的泪腺和排泄泪液的泪道。 眼外肌共有6 条，负责眼球的运动。4 条直肌是：上直肌、下直肌、内直肌和外 直肌。2 条斜肌是：上斜肌和下斜肌。 眼眶是由额骨、蝶骨、筛骨、腭骨、泪骨、上颌骨和颧骨7 块颅骨构成，呈稍向 内，向上倾斜，四边锥形的骨窝，其口向前，尖朝后，有上下内外四壁。成人眶深 4 - 5 c m 。眶内除眼球、眼外肌、血管、神经、泪腺和筋膜外，各组织之间充满脂肪， 起软垫作用。 表1 1g u l l s t r a n d 标准眼的光学参数 眼睛参数 光学参数 静止时调节时注 角膜前面 7 77 7 角膜后面 曲率半径 6 86 8 晶状体前面 c r a m ) 1 05 3 3 晶状体后面 65 3 3 角膜 1 3 7 61 3 7 6 + 表层 1 3 6 8 房水 1 3 3 6 1 3 3 6 核 1 4 0 6 折射率 等效值 1 4 0 8 5 晶状体变化 玻璃体 1 3 3 61 3 3 6 角膜前点到角膜顶点 00 角膜后点的距离( m m ) 0 6 0 6 晶状体前面 3 63 2 晶状体后面 7 27 2 物方主点 1 3 4 81 7 7 2 调节时前房变短 晶状体变厚 像方主点 1 6 0 22 0 8 6 位于前房内 物方焦点 - 1 5 7 0 7- 1 2 3 9 7 像方焦点 2 4 3 8 72 1 0 1 6 物方节点 7 0 7 86 5 3 3 位于晶状体后表面附近 像方节点 7 3 3 26 8 4 7 非球面眼镜片设计与加工 第一章：眼镜光学 入瞳位置 30 4 72 6 8 8 出瞳位置 3 6 6 73 2 1 2 物方焦距焦距( m m ) 1 7 0 5 5 - 1 4 1 6 9 像方焦距 ( 到主点的 2 2 7 8 51 6 9 3 0 距离) 角膜光角度( d ) 4 3 0 54 3 0 5 晶状体 1 9 1 l3 3 0 6 全眼 5 8 6 4 7 0 5 7 从上面可以看出来人眼是一个非常复杂的光学系统，眼睛的各项光学参数，包括 角膜、房水、玻璃体的折射率，表面曲率半径以及相关距离都可以用专门的仪器测出， 但各项参数因人而异，不尽相同。根据大量数据统计得出比较有代表性的标准数值， 能满足这些标准数值的眼睛称为标准眼，目前比较通用的是g u l l s t a n d 标准眼【5 1 ，见 表1 1 。 为了近视计算方便，可以把标准眼简化为一个折射球面，称为简约眼。g u l l s t a n d 简约眼的具体参数如下： 折射面曲率半径r 5 7 m m 像方介质折射率i t 1 3 3 3 视网膜曲率半径 9 7 m m 可以计算出该简约眼的物方焦距为1 7 1 m m ，像方焦距为2 2 8 m m ，焦度为5 8 4 8 d 1 4 眼镜矫正屈光不正 光学系统对光线的折射作用叫做屈光，一般以光焦度表征其屈光能力。 远点：眼在完全没有调节状态下( 睫状肌完全松弛) ，所能看清楚的最远距离的 点( 通常以r 表示) ，即原点与视轴和视网膜的交点共轭。通过原点垂直于视轴的平 面称为原点平面，或者通过远点、曲率中心在眼球转动中心的球面称为远点球面。 近点：眼在使用最大调节时，所能看清楚的最近距离的点( 通常以p 表示) ，眼 物方主点到近点间的距离( b ) 称为近点距离，其倒数( b ) 称为动态光焦度或者近 点光焦度。 非球面眼镜片设计与加工 第一章：眼镜光学 远点到近点之间的距离称为调节距离( d ) ： d = a - - b 眼从注视远点到注视近点所用的调节量为a c ： a c 。a b 对于正视眼，远点在无限远，即远处( 5 m 外) 的平行光能正确会聚于视网膜上 ( 图l 一2 一a ) 。如果不能会聚于视网膜上，就是屈光不正，主要分为近视眼( 图l 一2 一b ) 和远视眼( 图1 2 - - c ) 。 近视眼的远点在眼前有限远，远处的平行光或者比远点远的物点成像于视网膜 前，在视网膜上成一个弥散斑，造成视物不清。 远视眼的远点在角膜后面，远处的平行光或者比远点远的物点成像于视网膜后， 在视网膜上也成一个弥散斑，造成视物不清。 人眠 ( a ) 正视眼 人眠 ( b ) 近视日 人眠 视网膜 ( c ) 远视眼 图1 2 眼成像示意图 视网膜 视网膜 非球面眼镜片设计与加工第一章：眼镜光学 人眠 、 ( a ) 正视 人眼 ( b ) 近视 人眼 视网膜 视网膜 视网膜 ( c ) 远视 图1 3 屈光矫正 为了矫正近视眼，就要在人眼光学镜组前面加一个发散元件，使得平行光入射能 会聚到视网膜上( 图1 3 - - b ) ；同时，为了矫正远视眼，就要在人眼光学镜组前面 加入一个会聚元件( 图1 3 一c ) 。 除了近视和远视以外，还有很多种类屈光不正。比如散光，散光眼是在正交方向 上具有屈光差异，需要使用轮胎面镜片来矫正其屈光不正，其基本原理遵循上述屈光 矫正原理，即在各个方向上使得镜片的像方焦点和屈光不正眼的远点相符，从而使得 远处平行光经过镜片后会聚或者延长于远点。人眼所看到的是镜片所成的像，即好像 物体在远点处，再通过眼球的屈光系统，可以无调节地在视网膜上成清晰像。 一般情况下，在矫正屈光情况下，还有几种镜片发挥着很大作用，如棱镜，双光， 渐进多焦点镜片，散光，接触镜等。这些镜片针对不同的屈光不正眼有不同的作用。 非球面眼镜片设计与加工 第一章：眼镜光学 1 5 屈光不正现状和发展 矫治屈光不正的方法可基本分为两大类，即非手术矫正和手术矫正。 1 5 1 屈光不正的非手术矫正方法 框架眼镜一直是矫正屈光不正的主要方式，盛而不衰。近年来在镜片的材料方面 有了较大发展，主要表现在树脂镜片的普及，高折射率的树脂镜片材料、镀膜工艺的 发展，以及三维割边系统的科学应用等。这些发展和改进，提高了眼镜的安全性、光 学性能以及美观性。1 9 9 9 年的统计资料表明，全球有机镜片使用率为4 5 ：其中树 脂镜片占4 0 ，与1 9 9 3 年相比，增长了3 0 。树脂镜片的使用率在欧洲为5 5 ，在 美国为8 8 ，而在我国却非常低，虽然正在逐步普及和提高，但其使用区域主要局限 于沿海发达地区和中心城市，树脂镜片在我国尚有待于进一步开发。特殊框架眼镜的 发展主要体现在目前渐变多焦点镜片的出现和普及，从最初无法佩戴的“象鼻式”设 计至目前的更加符合眼球正常生理的新一代“软性”设计，这一进步使老视者对镜 片的接受程度明显提高。1 9 9 7 年的统计数字表明，欧洲老视验配人群中使用渐变多 焦点镜片者为5 6 ，双光镜片者为1 7 ，单光镜片者为2 7 ；日本分别为5 7 、9 和3 3 ；美国分别为1 4 、5 5 和3 1 ，说明使用渐变多焦点镜片人群正逐步取代佩 戴双光镜片人群，由此可以看出老视验配的发展趋势。在我国，老视渐变镜验配工作 正处于起步阶段，由于其验配过程需要较高的老视验配技能和有关的眼球生理知识， 并且需要佩戴者的理解和配合，因此目前该镜的验配对象主要局限于高知识人群。 鉴于渐变多焦点镜片设计和应用的成功，人们开始考虑是否可以将其应用于治疗 儿童近视。根据近视发生的“调节理论”机制，减少近距阅读时的调节，即可能阻止 近视的进展。8 0 年代后期及9 0 年代初，美国德州和我国香港等地区开展了儿童验配 渐变多焦点镜片的临床研究，取得了一定进展，但由于该研究在设计和纵向随访过程 中的欠缺，目前尚未得到确切的令人信服的资料。自1 9 9 6 年开始，美国4 所视光学 院联合着手该项研究工作；我国温州和上海地区也同时开始，他们在横向匹配和纵向 调查方面作了周密而统一的设计，选择对象为9 1 3 岁初发近视的少年儿童，目前研 究正在进行中。 非球面眼镜片设计与加工 第一章：眼镜光学 角膜接触镜作为矫正屈光不正安全有效的方法，已经被人们所认知。我国目前主 要以软镜为主，约占总佩戴人数的9 9 ；以传统型或频繁更换型为主要佩戴方式，近 年来出现逐步向更短时间更换即抛弃型过渡的趋势；与此同时，随着人们对角膜的认 知和镜片材料的改进，长戴软镜亦开始出现。软镜的佩戴方式向两个“极端”发展， 即“日抛弃型”，为每天更换1 副镜片；“月长戴型”，连续戴镜时间超过1 个月。 “日抛弃型”镜片于1 9 9 5 年在美国正式上市，1 9 9 9 年在中国开始临床测试。在中国 “日抛弃型”镜片年综合消费水平能否被佩戴者所承受，是我们关心的主要问题，预 计其将以选择性的形式出现，即在某些特别日子使用。在过去的2 年中，世界各地均 开展了“月长戴型”镜片的l 临床测试工作，我国目前也正在进行中。眼科医师们仍在 为少数佩戴者戴镜后发生角膜损伤而担忧。此外，软镜的特殊镜片也在不断发展和更 新，主要为软性散光镜片和软性老视镜片，特别是双光软镜，在临床应用中已有了长 足的进步。 硬性透氧性角膜接触镜( r i g i dg a sp e r m e a b l el e n s ，r g p ) 具有软镜无法比拟的优 点，如对角膜安全的保障、护理的简便、矫正散光及圆锥角膜的特殊效果等，倍受眼 科医生的推崇。在一些发达国家r g p 的验配比率相对较高，如日本，该镜佩戴者约 占角膜接触镜佩戴人群的4 0 ，美国约占1 5 ：由于r g p 的验配需要相关的系列检 测，佩戴者需要一定时间的适应，验配医师需要相当的技巧，同时镜片的定制需要特 殊实验室的配合，因此在一定程度上限制了r g p 的快速发展，特别是在我国，高素 质的验配人员数量较少等问题，在过去的几年里，一直制约着该领域的发展，r g p 佩戴者仅占所有佩戴隐形眼镜人群的极少数。随着r g p 的高安全性和特殊矫正效果 逐步被我国佩戴者和验配者所认识，预计在今后的一段时间里，r g p 在我国将有较 大发展。由于r g p 的安全性和优良的光学特性，它亦可以应用于对儿童近视的矫正。 在对儿童进行验配的过程中发现，r g p 具有抑制或减缓儿童近视进展的临床现象， 尽管从6 0 年代开始就有相关研究报道出现，但直至9 0 年代初才开始该项工作的系统 研究，新加坡以及我国温州等地相继开展了设计完善的纵向性研究，到目前为止已初 步获得比较积极的结果。 角膜塑型镜是一种设计特殊的硬镜，通过镜片的“逆转几何”设计，即镜片曲率 中央平坦周边陡的特殊设计，以机械压迫或按摩的方式，使角膜中央曲率半径变大， 从而达到减少角膜屈光力的目的。该方法早在4 0 年前就已开始应用于临床，但一直 非球面眼镜片设计与加工第一章：眼镜光学 存在许多问题。近几年，由于r g p 材料的改进、电脑设计的应用和角膜地形图仪的 出现，使得角膜塑型镜在镜片设计、矫正效果和预后方面均有了很大进步。由于该方 法矫治效果和范围的局限性以及仍存在的一些问题，在许多国家其一直作为选择性方 法之一，接受矫治者及从事该工作者人数均少，社会反应比较冷淡。但是在我国，由 于一些特殊的社会和文化现象，如儿童近视发生年龄提前、近视进展快速、某些职业 对裸眼视力的苛刻要求、某些大学专业对矫正度数的限考等，再加上某些宣传媒体的 推动，使我国出现了角膜塑型镜“过热”的现象。从科学角度讲，角膜塑型镜是一 种可行而有效的矫治近视方法之一，但它不能从根本上解决近视问题或治愈近视，而 且矫治的度数也有一定限度，其效果也因人而异；同时，由于角膜特殊的生理功能， 即具有记忆和恢复功能，因此，即使角膜塑型镜矫治近视获得一定疗效，也需要终生 戴镜来保持疗效；角膜塑型镜通过其机械作用将角膜变平坦，在整个矫治过程中，角 膜处于受压或碾磨状态，随时可能出现角膜损伤等问题，因此，角膜塑型镜的应用必 须在医疗单位具有专业培训经验的眼科专业人员指导下进行。 由于我国传统和文化等因素影响，低视力者及其家庭寻求视力帮助的期望低于发 达国家，再加上经济等问题，低视力学科研究的发展相对比较缓慢。根据有关数字统 计，目前全世界盲人为45 0 0 万，低视力患者约为盲人的3 倍，高达1 亿35 0 0 万。 全世界每年有21 0 0 万人成为低视力者，而且约9 0 的低视力患者生活在发展中国家， 这不得不引起我们的重视。我国北京、天津的低视力工作者提出了低视力患者“不是 看不见，而是看不清”的问题，力图提请低视力患者及社会对此加以重视和关怀。低 视力患者可以通过各种助视器获得有用的视觉，保持独立生活能力。低视力助视器除 保持传统的光学特性外，也正逐步转向智能型和影像型，由此可初步满足低视力患者 的选择，但是发展低视力康复工作的关键还在于社会的理解和个人独立生活意识的提 高。 1 5 2 屈光不正的手术治疗 准分子激光屈光性角膜手术是近几年来发展最快的矫治屈光不正的方法，在我国 普及尤其迅速，目前全国各地已有上百家单位开展该项手术，并取得了较好的临床效 果。但是随着基础和临床研究的深入，特别是分子生物学研究的开展，对准分子激光 非球面眼镜片设计与加工第一章：眼镜光学 手术有了许多新的认识，如准分子激光角膜切削术( p h o t o r e f r a c t i v ek e r a t e c t a m y , p r k ) 后患者，尤其是高度近视患者，角膜浅层混浊( h a z e ) 的发生率相对较高，因此准分 子激光原位角膜磨镶术( e x c i m e r l a s e r i ns i t u k e r a t o m i l e u s i s ，l a s i k ) 多用于治疗高度 近视患者。目前，l a s i k 的手术适应证已增宽。准分子激光手术治疗远视和中高度 散光，手术中心偏位造成术后斜向散光，以及近视回退等问题，仍然是该领域研究的 焦点，角膜屈光手术使用的激光机也正在改进之中。 通过白内障摘除人工晶状体植入手术改变眼屈光状况的方法，比较适用于治疗高 度近视患者。该项工作已开展并取得良好的临床效果。目前临床研究的焦点是有关有 晶状体眼前、后房型人工晶状体的植入( 眼内隐形眼镜) 问题，相关研究在国外已进 入临床试验的后期，并有不少积极的报道。对人工晶状体矫治屈光不正手术以及白内 障人工晶状体手术研究的焦点，将继续停留在解决调节问题方面，预计今后几年，开 展利用注入式物质填充晶状体囊袋并保持弹性的技术研究，将是解决这一焦点问题的 突破点。新的屈光手术还包括角膜基质环植入术等，目前亦已进入l | 缶床研究阶段。 对老视的矫正研究除在渐变多焦点镜片设计方面有突破性进展外，随着对其发生 机理的逐步了解，已开始从手术角度新辟途径。主要的思路和突破点 ( 1 ) 晶状体填充物的改变。如上所述，在晶状体囊内注入液态物质，经固化形 成一定形状，并保留其调节所需的弹性。 ( 2 ) 动物模型研究发现，老视发生的原因可能不是传统认识中的晶状体硬化， 而是睫状肌收缩的空间受到了限制，通过几种在巩膜上行手术的方法改善其收缩环 境，睫状肌可重新获得一定的调节力。 屈光不正矫治方面的研究发展，促使从事该领域工作的医务人员，必须更加深入 了解人眼作为光学器具的特性，以及相关的光学、物理及视觉神经生理等学科的发展。 眼视光学人才的发展和交叉学科的融合，将进一步拓展新的视光学临床研究领域。在 今后的工作中，低视力的矫治、视功能的康复，以及环境和视觉健康关系等问题将进 步得到解决。 总之，人们为了能有更加清晰的视觉能力，会制造出更加适合自己的镜片来辅助 视觉不正。 非球面眼镜片设计与加工 第一章；眼镜光学 1 6 课题研究意义 眼镜主要供给屈光不正患者使用。只有佩戴者说好，那么眼镜才好。为了能让屈 光不正患者获得较好的视觉效果，需要对人眼屈光系统进行很好的分析。 中国是世界上最早制造眼镜的国家之一，并且现在中国是世界上最大的眼镜片制 造国。但是可以看到，虽然中国制造的镜片在国际市场上占领份额比较大，但是经济 效益却远远低于国际平均水平。中国的眼镜行业处于国际眼镜行业的底层。 首先对人眼屈光系统进行分析，然后设计非球面镜片。通过本文介绍的方法设计 出来的镜片，光学性能甚至优于某些国外名牌镜片。该类镜片投入市场后，受到了欢 迎。 本设计以眼镜佩戴者的需求为主导，立足于屈光理论，兼顾到加工，同时注意满 足市场要求。只有这样，才能将理论很好地转化为实际，并且使得屈光不正患者能获 得舒适视觉。 加工检验方面，本课题既有传统光学冷加工，也有现代热成型加工。既有传统光 学瑕疵检验，也有现代非球面表面轮廓仪进行非球面检验。只有各个方面进行优化， 才能将好的设计转化为产品。这些加工检验方法，反过来推动非球面镜片的设计。 本文介绍的设计加工方法，为今后的镜片设计加工做了必要的准备。该设计加工 方法的应用，将使得非球面镜片设计制造得到进一步的发展，使得屈光不正患者得到 较好的视觉效果。 非球面眼镜片设计与加工第二章：非球面眼镜片的性能要求 第二章：非球面眼镜片的性能要求 上文提到，人眼屈光不正主要有近视和远视两种，本章在不考虑散光等因素的情 况下对旋转对称镜片进行分析。 由于本文主要基于市场要求进行讨论，所以不考虑镜片选形的问题，一切按照厂 家要求的配伍表进行主要参数的确定。即镜片的基本形状即镜片的材料、中心厚度、 中心曲率半径已经确定。 本章简单介绍球面镜片的缺点，主要分析非球面镜片的光学性能要求。 2 1 球面镜片的缺点。一 在第一章中提到眼镜能矫正人眼屈光不正的基本原理。矫正眼镜的作用，是利用 眼镜的折光能力，使位于无限远的物体成像于非正视眼远点球面上。屈光不正眼看到 的是矫正眼镜成的像，而不是原始物体。 眼镜片口径比较大，而人眼瞳孔比较小。通过镜片光学中心和球面中心的直线称 为镜片光轴。此时，对于轴外点而言，其在子午方向和弧矢方向成像点不重合，该现 象称为斜射像散。如图2 1 。 e 卜 卜i ( 、 歹 图2 2 边缘视物模糊示意图 图2 1 斜射像散 斜射像散使得镜片边缘视物模糊，如图2 2 所示 通过计算，可以得出眼镜片的成像效果图。图2 3 是6 0 0 d 镜片光学性能z e m a x 计算结果图。图中，t 代表子午方向弧矢场曲，s 代表弧矢方向场曲。在该图中还显 示出镜片成像畸变情况。图2 4 是z e m a x 计算的网格畸变图。 型重堕里苎堡生兰垫三 苎三兰! 斐蔓耍里塑苎塑竺墼塞茎 图2 3 场曲和畸变 图2 4 网格畸变图 注：图中，t 代表子午方向弧矢场曲 不同色光 g 1 r r 歹 图2 5 不同色光场曲 s 代表弧矢方向场曲。t s 处的多线条代表 从图2 5 中可以看出来由于色差造成的子午弧矢方向的差异。单片式镜片不可 能消除色差。所以佩戴高度镜片的时，屈光不正患者视物体为各种不同颜色的像的组 合，这将导致视物不适。 除了这些缺点，传统球面眼镜片还具有质量重，缺乏美感等缺点。 为了减小球面镜片的这些缺点，视光学设计人员开发出非球面镜片。图2 - - 3 ，4 是球面镜片场曲和畸变分布图，图2 6 是同等光焦度下非球面镜片场曲和畸变分布 图。从两个图形对比中明显可以看出非球面镜片比球面镜片象差数值小，即光学效果 优于传统球面镜片。由于非球面镜片可以很好地平衡球面镜片的这些缺陷，所以这些 非球面眼镜片设计与加工第二章：非球砸眼镜片的性能要求 年来，非球面镜片越来越受到欢迎，并且随着成本的降低，其有取代球面镜片的趋势。 图2 6 某材料6 d 非球面镜片场曲畸变分布图 2 2 非球面镜片要求 2 2 1 人眼的生理性缺陷 第一章中介绍了人眼的主要结构，人眼的众多部件组成了一个智能化的变焦系 统，眼睛+ 眼镜可以看成是一个更复杂的变焦光学系统。人眼的特殊结构，可以在视 觉过程中由生理和心理机理机构进行自我调节，使得一些纯物理性缺陷所造成的影响 减到最低。另外，眼的远近距离的自动调节，光的明暗适应，视网膜的影象分辨能力 和视中枢的综合分析能力，都具有补偿物理性缺陷的作用，因而更加减低了眼光学缺 陷对成像的影响程度 6 1 0 , t 5 l 。其主要象差有这么几种： 1 ：色象差 由于可见光波长范围比较大，不同波长焦距不一致导致的其焦点分离，这种现象 称为色象差，可以轻微地降低视网膜像的清晰度，这种效应随着瞳孔的增大而增加。 光学仪器中，可以使用两种不同折射率和色散性能的玻璃胶合来中和色象差，而 人眼主要依靠生理调节来完成。从物理学的角度讲，色差的扩大只会给视觉带来不良 影响，实际上，人眼已经有了一些生理调节，将眼球折光系统带来的物理缺陷予以弥 补。比如中心凹生理性地偏离光轴。 非球面眼镜片设计与加工第二章：非球面眼镜片的性能要求 2 ：球面象差 球面象差是同一波长光线透过折光系统后不能完全聚焦。一般情况下，人眼的 瞳孔不是很大，周边光线大部分被遮拦，所以球差影响不是很明显。晶状体中央密度 和弯曲度比较大，可以将球差进行一些矫正：甚至当人眼瞳孔放大，人眼的角膜边缘 比较薄，相应折光能力差一点，也可以对球差作一些矫正。 总体来说，球差对成像的影响与色差相比，要轻得多。 3 ：周边象差 由于眼受到一些光学因素的影响，使得视网膜周边部的成像不如中心凹处成像清 晰，这种现象称为周边象差。其主要原因有彗差，像散和畸变。眼的特殊结构使得周 边象差引起的视觉干扰大部分可以矫正，并且视网膜的表面弯曲对于提高周边视觉有 重要作用 4 ：瞳孔大小 从几何光学理论可以知道，瞳孑l 大小限制了入射光斑大小，入射光斑越小，成像 象差影响越小，所以小瞳孔有利于成清晰像。因此，远视眼者喜欢在强光下阅读，使 得瞳孔收缩到最小；而近视眼者看物体时习惯性半闭着眼。 但是瞳孔越小，进入光学系统的能量越少，同时，瞳孔小，衍射效应强，如果瞳 孔过小，反而起到视力下降效果。 一般情况下，最佳的瞳孑l 直径在2 m m 左右。 2 2 2 镜片的光学性能要求 眼镜，就是简单的一块透镜，是一个最简单的光学元件。经过分析可以知道，眼 镜片是一个小相对孔径，大视场透镜，由于各种象差原因，普遍选取弯月型结构【1 0 。 对于这种系统，要消除各种象差是不可能的。但是，一旦眼镜和眼睛系统组合起来， 整个系统的就更加复杂。人眼只有在光轴周围6 8 度可以形成清晰视像，这个时候 可以将眼镜+ 眼睛系统看成是一个小相对孔径小视场系统，其余视场作为辅助区域存 在，也能够给人以信息量。所以在设计上，在6 8 度范围内严格要求，而在周边视 场，要求畸变，散光尽量小以达到生理舒适。 前面介绍了人眼的固有生理性光学缺陷，眼镜结构简单。由于是小相对孔径，球 非球面眼镜片设计与加工第二章：非球面眼镜片的性能要求 差一般不考虑：色差由于人眼对黄光特别敏感也可以不考虑；对人眼影响主要是像散， 它直接影响视觉锐度；彗差影响也比较大，使得成像弥散斑变形；畸变，应该是人眼 光学系统难以解决的问题，尽管畸变不影响成像，脑的神经处理系统可以将畸变校正， 但是如果畸变厉害，或者在某一个带区域内畸变严重，散光大，人眼的舒适度会大大 降低，特别对于长时间佩戴眼镜的人和人眼调节功能低的人是一个灾难。所以畸变， 像散应该是眼镜设计要求中的重点评价点【6 1 0 , 1 5 。 2 2 3 眼镜片设计的公差 由于镜片可控变量少，不可能设计出理想镜片，但是人眼系统是一个高度智能系 统，其具有使得设计简单的条件，所以其不需要有象光学显微镜那样的紧配合公差。 使其设计简单条件如下： 1 ：其本身是一个可调配系统。人眼可以自动调节眼睛的状况来适应不同目标物 体，适应不同的视觉环境。这种人眼的调节能力在到了4 5 岁就开始显著减低。另外 如上分析的人眼的生理特征可以自动纠正轻微的象差也给设计带来了不少的简便。 2 ：一般验光，主观性比较大，特别是在低度数的时候，没有一个固定标准说眼 睛就需要多少度的眼镜才能达到视觉舒适。有时候在验光的时候眼睛稍微闭一点就可 以看清楚视力表了，这个就是利用瞳孔口径变化影响视力的原理。佩戴眼镜，一般主 观性也比较大，有时候要轮换好几次光焦度相近的镜片才能找到合适的镜片。 3 ：眼镜的制造本身度数误差比较大，也就是同一个品种的眼镜片度数允差比较 大。国内一般眼镜相邻品种度数间隔是o 2 5 度 1 3 , 1 4 】，而对于眼镜镜片的国标f 1 3 1 允差 是4 - 0 1 2 ( 2 0 0 d ) 。比如眼睛要求4 8 0 4 - o 0 5 d 的眼镜来配合自己达到舒适视觉，那么他可以在4 7 5 什0 1 2 ) 和5 0 ( 0 1 2 ) 之间选取合 适自己的镜片。 4 ：眼镜度数微小变化可以通过眼镜到角膜的距离微调来调节。在各个位置上的 等效镜片所具有的焦度则称为“等效焦度” 5 1 。比如某人试配时候镜片的后顶点到角 膜的距离是1 0 r a m ，当试镜片的后顶焦度为1 0 0 0 d 时候恰好能矫正视力，如果最后 佩镜时候镜片到后顶点到角膜距离为1 4 m m ，那么他配镜的后顶焦度为9 6 2 d 就可以 达到要求【4 】。从理论上来说，这个距离越小越好，隐形眼镜就是利用这个原理。在眼 非球面眼镜片设计与加工第二章：非球面眼镜片的性能要求 镜的佩戴上，由于人的眼睫毛普遍在8 r a m 左右，眼镜到角膜的距离肯定要大于这个 距离。为了美观，一般取眼睫距离1 2 m m 左右。所以佩戴镜片的时候恰当选取眼镜到 角膜的距离可以增大配镜的可调性。该理论在后面章节详细介绍。 正是有了这些条件，使得设计镜片时可以固化设计一类镜片，然后针对不同的人， 选择不同光焦度镜片。 2 2 4 市场对非球面镜片性能要求 由于镜片口径非常大，非球面眼镜能很好矫正边缘象差，非球面眼镜应市场和佩 戴者的需求而开始批量生产。 眼镜行业对非球面镜片的评价不同