自由曲面光学镜片的设计说明书

1、.wd.wd.wd.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progressive addition lenses 简称PAL是针对老视病症的一种有效的解决手段，与各类传统老视镜片相比拟具有许多优点，本文对这种镜片的设计和评价进展研究。首先，介绍渐变镜片的渐变构造特征和矫正原理，比拟分析软设计和硬设计之间的区别。其次，介绍渐进

2、多焦点眼用镜片的 基本构造。应用基于狄利克雷原那么的软设计方法，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。在子午线设计的根基上，设计渐进多焦点眼用镜片等屈光度轮廓线，在此根基上设计镜片矢高，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Design of free-form surface optical lensesAbstractFree-form lens has asymmetric surface shape, flexible space la

3、yout, extensive design freedom and other characteristics. Free surface is one of the curved shapes which are most widely applied. For instance, the progressive addition lensesPAL) which can improve the quality of human vision are a successful example that the free-form technology is applied to optic

4、al lenses. In this paper, the design of the progressive addition lenses is introduced, and the nature and characteristics of the optical lenses will be researched through it.The progressive addition lenses is a new kind of effective solution to presbyopia, it has many advantages over other lenses de

5、aling with presbyopia. Investigation of its design and evaluation method is shown in this paper.Various kinds of presbyopia lens is reviewed and compared. The basic feature and principle of the PAL are introduced and the difference between the characteristics of hard design and soft design is descri

6、bed as well. The structure of progressive addition lenses is introduced, and the soft method based on Dirichlet principle is given in detail. The principle of designing meridional power laws for progressive addition lenses is expounded based on polynomial, and the criterion of designing meridional p

7、ower laws is given out. On the basis of designing meridional power laws, the vector height and the isopower contours are designed in order to determine the surfaces of progressive addition lenses. According to the differential geometry theory of curving surfaces, PALs performances are evaluated, and

8、 the mean surface power and the constant surface astigmatism are calculated.Keywords progressive addition lenses, presbyopia, soft design,meridian line 目 录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc28103 第1章 绪论 PAGEREF _Toc28103 1 HYPERLINK l _Toc11035 1.1 引言 PAGEREF _Toc11035 1 HYPERLINK l _Toc12065 1.2 渐进多焦点眼用

9、镜片开展情况 PAGEREF _Toc12065 1 HYPERLINK l _Toc7738 1.3 课题研究的意义 PAGEREF _Toc7738 3 HYPERLINK l _Toc4578 1.4 论文主要研究内容 PAGEREF _Toc4578 4 HYPERLINK l _Toc7363 第2章 渐进多焦点眼用镜片 基本原理和概念 PAGEREF _Toc7363 5 HYPERLINK l _Toc4229 2.1 渐进多焦点眼用镜片原理 PAGEREF _Toc4229 5 HYPERLINK l _Toc26175 2.2 镜片特征性设计 PAGEREF _Toc2617

10、5 6 HYPERLINK l _Toc18309 2.2.1 渐进多焦点眼镜片的设计分类 PAGEREF _Toc18309 6 HYPERLINK l _Toc23557 2.2.2 当前渐进多焦点眼用镜片的一些主要设计方法 PAGEREF _Toc23557 7 HYPERLINK l _Toc5756 第3章 渐进多焦点眼用镜片的设计 PAGEREF _Toc5756 10 HYPERLINK l _Toc23654 3.1 子午线设计 PAGEREF _Toc23654 10 HYPERLINK l _Toc21289 3.1.1 设计思路 PAGEREF _Toc21289 10

11、HYPERLINK l _Toc23564 3.1.2 设计流程 PAGEREF _Toc23564 10 HYPERLINK l _Toc26068 3.2 外外表形构造 PAGEREF _Toc26068 13 HYPERLINK l _Toc22359 3.2.1 设计思路 PAGEREF _Toc22359 13 HYPERLINK l _Toc8618 3.2.2 设计流程 PAGEREF _Toc8618 13 HYPERLINK l _Toc17357 3.3 本章小结 PAGEREF _Toc17357 17 HYPERLINK l _Toc253 第4章 渐进多焦点眼用镜片的

12、评价方法 PAGEREF _Toc253 18 HYPERLINK l _Toc10707 4.1 评价方法 PAGEREF _Toc10707 18 HYPERLINK l _Toc27795 4.2 设计举例 PAGEREF _Toc27795 19 HYPERLINK l _Toc4413 4.3 本章小结 PAGEREF _Toc4413 22 HYPERLINK l _Toc11883 结 论 PAGEREF _Toc11883 23 HYPERLINK l _Toc32652 参考文献 PAGEREF _Toc32652 24 HYPERLINK l _Toc29596 致 谢 P

13、AGEREF _Toc29596 25 HYPERLINK l _Toc31938 附录A 译文 PAGEREF _Toc31938 26 HYPERLINK l _Toc7740 渐变镜片 PAGEREF _Toc7740 26 HYPERLINK l _Toc31802 附录B 外文原文 PAGEREF _Toc31802 31 HYPERLINK l _Toc28529 附 件 PAGEREF _Toc28529 37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

14、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。理想的解决方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开展情况1785年，Benjamin Franklin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

15、起，以抑制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，但此举却开场了老视矫正历史的新纪元，即双光镜开展的历史。图1-1Benjamin Franklin 双光镜 后人在Franklin镜的原理根基上，对双光镜进展了改进和开展，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，为广阔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

16、一代设计 最早的渐进多焦点镜片设计构思由英国视光师Owen Aves提出并发表专利于1907年。Henry Orford Gowlland 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Bernard Maiternaz 于1951年获得突破性开展，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开展，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承受。2000年现代

17、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，那么看不清楚。镜片上可观察到不同光焦度区域分界限；(3)三焦点眼镜，在双焦点眼镜的根基上增加了

18、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限。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一样；(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

19、.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，而进展视近和观察近处物体时眼睛能够自己调节看清物体，不需要眼镜片进展附加调节。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，

20、眼的调节减少。研究说明：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场需要老视镜的辅助，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

21、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。在子午线设计的根基上，设计渐进多焦点眼用镜片等屈光度轮廓线，在此根基上设计镜片的矢高，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

22、 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，上方的视远区和下方的视近区屈光力固定， 基本无明显像差存在，渐变区域连接了上下两局部。渐变区域的中间局部称为“渐变槽通道，为视觉的可用局部，渐变槽从视远局部逐渐增加屈光力至视近局部，由于它们之间从外观和构造上均无明显分界限，因此不存在“跳跃现象，如图2-2

23、。图2-1 渐进多焦点镜片构造 图2-2 渐变多焦眼用镜片的外表分区 图2-3 渐进多焦点镜片区域与对应视距 渐变多焦点镜片的一些主要特征和参数是相互关联、相互影响的，包括：1视远区和视近区的面积大小；2像差的类型和密度；3渐变槽的长度和视觉可用宽度。变形散光：变形散光是渐进多焦点眼用镜片很难抑制的关键问题，虽然验配得当的渐变区域能给予佩戴者清晰的视力，但在渐变槽两侧将产生一定程度的成像变形，其变形程度和变形方向取决于镜片设计的不同和附加度数的深浅，当眼睛离开渐变槽中心区域越远，像质变形就越明显。由于视近区为球形设计，所以视近区越宽，其周边诱发出来的散光就越大。相反，视近区域越窄，其诱发性变形

24、散光的问题就越小。诱发性周边变形散光同样随附加度数的变化而改变，近视近附加度数越大，周边变形问题就越明显。 2.2 镜片特征性设计2.2.1 渐进多焦点眼镜片的设计分类合理的镜片设计是渐进多焦点眼用镜片成功与否的关键，虽然由无数个曲率结合而形成的渐变多焦点为其 基本设计根基，但在渐变多焦眼用镜片的设计中仍存在多种不同设计；主要有：1镜片上局部屈光度数保持不变，但有些镜片在远视区度数也有变化；2设计较长的渐变区域，使渐变速度变化缓慢的称为“软性设计。而设计较短的渐变区域，使渐变速度变化较快的那么称为“硬性设计； 3在整个附加区域，其基弯均一样的设计称为“单纯设计；而随每一附加度数变化而变化的设计

25、称为“多样设计；4镜片可任意用于左眼或右眼的称为“对称设计，而左右眼镜片不同的设计称为“非对称设计。而渐进镜片的设计方法主要用硬性设计方法和软性设计方法。硬设计方法得到的镜片渐变面视近区和视远区是单光焦度的球面，中央过渡区短而窄，并且光焦度变化率较快。尽管这种镜片具有很宽的视远区和视近区，但过渡区和视远、视近区交界处存在严重的散光突变，另外，对中央过渡区宽度缺乏考虑，像差集中到边缘过渡区内，严重影响视觉效果。软设计允许视远区和视近区存在一定的光焦度变化，使镜片的渐变区域较长，光焦度渐变速率缓慢，中央过渡区和视近区两侧边缘局部的像差变化比拟缓慢，像差在较宽的区域上平缓柔和地分配，边缘过渡区内的像

26、差大大减小，临床说明佩戴者比拟容易适应。2.2.2 当前渐进多焦点眼用镜片的一些主要设计方法当前主要的渐进多焦点眼用镜片的设计方法：1Maitenaz的方法：该方法在镜片设计时，首先确定视远和视近区的中心，两个中心的连线为镜片的子午线，子午线上的光焦度从视远区至视近区逐渐增大。用平面在垂直方向与镜片相截，在镜面上得到与子午线相正交的曲线，曲线的曲率半径一样，沿子午线方向，与子午线相正交的曲线的半径依次变化，因此，可以满足光焦度的变化。镜片的平面区域分布如图2-4所示。 2Steele方法:首先确定视远区和视近区中心以及两中心连接点之间曲率变化曲线，并规定镜面上平均曲率 分布的轮廓线簇和分别为镜

27、片上某点的最大和最小的曲率半径)和轮廓线上的平均曲率变化曲线，由此确定整个xy平面上各点的平均光焦度，然后规定镜片四周的矢高随角度变化函数，此两规定由设计者任意选择。比拟简易的方法是每一轮廓线上具有一样的平均曲率，函数在视远区和视近区分别具有一样的值，由过渡区光滑连接。在规定了和后，采用松驰迭代法确定镜片的矢高，迭代公式由确定任意曲面的平均曲率公式给出，迭代准那么为规定区域的像散柱面度)小于，和分别为视近区和视远区的平均光焦度。迭代过程中要求能修改平面上的平均光焦度分布、视近区和视远区中心连接线上曲率变化。Steele方法具有较大的灵活性，但同时也对设计者提出较高的要求。 (3) Winthr

28、op的方法:首先确定视远区和视近区中心点，随之确定子午线上各点曲率半径变化的方程。曲线方程以高次多项式表示，各项系数由线性方程组解出，要求沿子午线曲率半径变化曲线光滑，在视远和视近区中心附近曲率变化缓慢。然后。由拉普拉斯方程和边界条件，解出柱面簇与xy平面相交的曲线簇方程。每条曲线都与子午线相交于一点。而该曲线上的任一点的曲率半径都等于相交点的半径值，xy平面示意如图2-6。最后，根据微分几何的原理，由各点的曲率半径值计算出整个xy平面上各点的曲率中心，通过球面方程计算各点的矢高。图2-4Maitenaz方法xy平面示意图 图2-5Steele方法xy平面示意图 图2-6Winthrop方法x

29、y平面示意图(4)比拟三种方法的特点:Maitenaz的方法在子午线正交方向上的曲率半径相等，设计方便，但其光焦度变化时产生的棱镜度、像散和畸变较大。该镜片在设计中，对远用和近用的配用效果给予了足够的重视，但对镜片周边区考虑不周到，采用镜片自身对称性设计方式，其特点为：正视中央区域宽阔。镜度渐进多焦点区域狭窄。单个镜片的镜度水平区域对称分布。Steele方法视远、视近区中心及两中心连线曲率变化曲线都由设计者确定。xy平面上的平均光焦度及矢高变化函数也由设计者给定，然后通过松驰迭代确定镜片的矢高，该方法中设计者的意志可以决定设计的效果，设计较灵活。Winthrop方法首先确定子午线曲率变化方程，

30、再求出xy平面曲率中心，然后求出镜片矢高，该方法子午线曲线变化方程中参数的选取组合非常多，参数的选择会影响光焦度变化速率、像散、视远、视近区域大小以及通道长度、镜面像散分布等。第3章 渐进多焦点眼用镜片的设计渐进多焦点眼用镜片现有Maitenaz方法、Steele方法和Winthrop方法。各种渐进多焦点镜片设计方法具有各自的特点，Maitenaz的方法设计方便，但使用效果相对差，后两种设计方法效果较理想，自行采用Winthrop方法设计的镜片能满足设计要求和使用效果。综上所述，本文采用Winthrop的方法进展渐进多焦点眼用镜片的设计。 3.1 子午线设计3.1.1 设计思路 在了解渐进镜片

31、原理的根基上，用软设计的方法进展渐进镜片子午线的设计，通过公式推出系数，再应用Matlab软件设计出渐进镜片子午线光焦度变化曲线图。3.1.2 设计流程由上可知子午线是设计整个镜片中最为重要的根基，它会直接影响整个镜片的实际性能。镜片子午线在数学上即是镜片的焦点随镜片的物理位置变化而变化的函数，为了在Matlab中模拟出子午线，必须寻找一个函数关系。由高等数学可知，高次方程 能较好地表达出这种关系。根据镜片配戴者个性化设计要求。确定镜片视远点和视近点位置、视远点屈光度、镜片加光度等参数，首先设计沿渐进多焦点镜片子午线的屈光度分布。渐进多焦点镜片xy平面示意图如图3-1所示，MM为镜片的子午线，

32、为视远点，为视近点。处的曲率半径，视近点处的曲率半径，子午线MM上距中心点距离处的曲率半径,按下式计算子午线。 3.1.1图3-1 渐进多焦点镜片xy平面示意图 其中为点处第一个非零的的阶数，为点处第一个非零的的阶数。子午线设计时需要满足的准那么为：1在视远点和视近点两处曲率变化缓慢，即出现第一个非零的高阶微分 导数的阶数需要高；2变化曲线需光滑。 由边界条件： 可得为多项式3.1.1的最低阶数。由点为处第一个非零的的阶数可得 式中n=1,2,，3.1.2根据3.1.2式可得线性方程组增广矩阵3.1.3根据矩阵3.1.3可以解出多项式3.1.1的系数，由3.1.1式得出沿渐进多焦点眼用镜片子午

33、线光焦度变化曲线图。用Matlab编程见附件程序1求取子午线，如以以下图所示： 图3-2 子午线光焦度变化曲线图从子午线屈光度变化曲线图可以直观地发现，在视远区和视近区光焦度很稳定、几乎不变的，而在中央过渡区光焦度是缓慢变化的。这样佩戴者就很容易适应从视远区到视近区光焦度的变化。 子午线确定后，再构建镜片的整个外外表形。多项式在点处第一个高阶微分导数非零阶数和在点处第一个高阶非零阶数决定了子午线屈光度变化形态。3.2 外外表形构造3.2.1 设计思路 设计镜片上与子午线正交的等屈光度轮廓线，根据3.1节设计的子午线屈光度变化曲线，初步规定镜片上每一点的屈光度。然后根据微分几何的 基本规那么求出

34、各点矢高，即确定镜片外外表形。首先选择与子午线正交的轮廓线曲线形式，轮廓线上曲率与正交点处曲率相等。轮廓线曲线可以是直线、抛物线或双曲线。也可以是分别以视远点和视近点为中心的圆或椭圆。轮廓线曲线形式的选择必须与镜片配戴者个性化设计要求相匹配。本文采用双曲线簇作为轮廓线。然后根据微分几何 基本规那么计算出镜片上各点矢高。3.2.2 设计流程图3-3 渐变镜片渐变子午线构造原理图如图3-3，设为球面每个位置中心坐标。其中：3.2.1每一球面与子午线切点x坐标值都不同，所以每一个值对应一个球面，这一系列球面方程可表示为： 3.2.2通过3.2.2式确定子午线的密切圆方程。进一步，需要确定整个渐变外表

35、的形式。设在坐标面xoy中定义一个函数w(x,y)，它满足以下边界条件： 在A点处， 在B点处， 在无穷远处。 (3.2.3)由于函数渐变的判据是其偏导数和的模的平均值为最小，或者狄利克雷积分 3.2.4的值最小。由欧拉-拉格朗日变分知识，当函数w(x,y)满足 (3.2.5 时，3.2.4式取最小值，这就称作狄利克雷定那么。如果通过镜面上任意点(x,y)总存在一个圆柱面和子午线相交，交点x坐标值为，并且沿着此柱面和坐标面xoy的交线，函数w(x,y)的值就恒等于，那么满足条件3.2.3式和方程3.2.5式的值为3.2.6按以上公式用Matlab编程设计出轮廓线程序见附件程序2。设计出的轮廓线

36、如以以下图所示：图3-4 轮廓线二维模拟图图3-5 轮廓线三维模拟图圆柱面系列和坐标面交线如上图所示。对于与间的任一值，总是存在相交的球面和柱面，因此当从变化到时，可以得到一系列的交线，由这些球面和柱面的交线构成整个渐变外表。将方程(3.2.6)式代入(3.2.2)式，可得镜片外表上任意点的矢高表达式：3.2.7 根据以上公式，用Matlab编程得到矢高程序见附件程序3。由此得到矢高的模拟图： 图3-6 矢高示意图3.3 本章小结本章首先根据两个准那么以及边界条件得出系数，再由3.1.1式得出沿渐进多焦点眼用镜片子午线屈光度变化曲线图。接着，根据设计出的子午线屈光度变化曲线，初步规定镜片上每一

37、点的屈光度，并根据狄利克雷原那么，设计镜片上与子午线正交的等屈光度轮廓线。最后，根据矢高表达式把各变量代入得到矢高示意图。整个设计过程都是围绕Winthrop的设计方法进展的。第4章 渐进多焦点眼用镜片的评价方法 眼镜和人眼组成的光学系统属于小孔径大视场的系统，球差和彗差较小。由于像散影响视觉锐度，因此像散是主要考虑的像差。渐进镜片可以实现光焦度从视远至视近区的连续变化，渐进镜片的评价主要是分析它的球面度和柱面度。4.1 评价方法使用渐变镜片渐变面的外表参数平均球面度D和柱面度C，来定量评价其特性： (4.1.1a)(4.1.1b) 其中和为外表上某点处的最大和最小曲率半径；n为镜片材料的折射

38、率。平均球面度D和光焦度相当，而柱面度C是决定渐变镜片像散的主要因素。根据式，曲面z = z(x，y)上处的任一点最大曲率和最小曲率满足二次方程：(4.1.2)其中 ， ， (4.1.3a) ，(4.1.3b) (4.1.3c)而4.1.4 将上文推导得到的矢高表达式(3.2.7)依次代入式(4.1.4)、式(4.1.3)、式(4.1.2)，求解得两个根和，即得到最大曲率和最小曲率，将它们代入(4.1.1)式，可算出此点处的球面度和柱面度值。根据对不同使用要求设计获得的具体参数，对镜面等间隔0.001m点处计算镜面在此点处的球面度和柱面度值，并将得到的数据矩阵绘成等球面度和等柱面度曲线图，据此

39、分析镜片的性能特点。4.2 设计举例 由设计的镜片，用Matlab编程程序见附件程序4得到镜片的等球面度及等柱面度图：图4-1 等球面度曲线图图4-2 等柱面度曲线图 通过改变子午线设计时的参数,可以得到如下的子午线光焦度变化曲线图及等球面度、等柱面度图。把优化后的图像与之前的图放在一起比拟：图4-3 初始设计左图优化后右图子午线光焦度变化曲线图图4-5 初始设计左图优化后右图的等球面度曲线图 图4-6 初始设计左图优化后右图的等柱面度曲线图 结合图4-4、图4-5和图4-6，发现参数改变之后，子午线光焦度在视远区和视近区更加稳定。从球面度和柱面度曲线图可以看出，优化之后视远区和视近区的面积更

40、大，像散区更小，中间过渡区更长，视觉清晰范围都明显增大，使得镜片的视觉效果更加理想。 图4-7 子午线光焦度理想曲线图 图4-8 子午线光焦度实际曲线图 从图4-7和图4-8可以看出，理想的子午线光焦度的变化曲线图与实际得到的曲线图之间存在着一定的误差，理想的子午线光焦度在4.25-6.00D之间，而实际的子午线光焦度分布在大约4.15-6.25D之间。4.3 本章小结本章首先给出镜片的评价方法，即通过所给的公式计算镜片的球面度和柱面度，并用Matlab编程得到渐进镜片的等球面度和等柱面度曲线图。然后，通过改变子午线设计时的参数，得到优化后渐进镜片的子午线光焦度变化曲线图、等球面度曲线图和等柱

41、面度曲线图。通过比照优化前后的三种曲线图，可以发现，优化后镜片的视远区和视近区的面积更大，像散区更小，中间过渡区更长，视觉清晰范围都明显增大，使得镜片的视觉效果更加理想。结 论 本文概述了渐变镜片的开展历史和现状，指出渐变镜片具有单焦、普通多焦镜片不可比拟的独特优越性和巨大的开展潜力。介绍了渐变镜片的 基本原理和构造，给出了渐变镜片不同类型的设计方法Maitenaz方法、Steele方法和Winthrop方法及比拟，指出Winthrop方法的优越性，本文的设计即采用了这种方法。接着，采用了对软、硬两种设计进展了比照，指出软设计的优点。通过应用基于狄利克雷原那么的软设计方法，重点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。在子午线设计的根基上，设计渐进多焦点眼用镜片等屈光度轮廓线。然后，根据微分几何的原理，由各点的曲率半径值计算出整个xy平面上各点的曲率中心，通过球面方程计算各点的矢高。其中子午线的设计是关键，矢高的设计是难点，特别是微积分公式。最后根据微分几何曲面理论，对渐进镜片的性能进展了评价。然后，根据所设计的镜片