本发明涉及一种包括一个衍射部分的眼镜片，还涉及一种用于设计上述眼镜片的方法。
发明背景通过眼睛的波前将这样受眼睛光学部分的影响，以致例如：将一种色差提供到波前上，原因是在眼睛的各光学部分中材料的折射率对不同的波长不同。这样，具有不同波长的光将被折射不同的量，并且它们将落在视网膜上的不同地方，亦即不同颜色不能聚焦到同一点上。这叫做色差。
最近在校正眼睛的单色像差方面已有了很多研究。已经揭示了当在人的视觉系统中校正了所有的单色像差时，就暴露了眼睛的色差。因此，为了优化眼睛的光学质量，必须将单色像差和色差结合进行校正。可以将衍射图形构造成能提供一种通过波前，上述波前具有与眼睛的色差符号相反的色差。因此，可以用一种衍射图形对从眼的各光学部分加到波前上的色差进行校正。色差的某种背景理论可以在，例如：由DavidA.Atchison和Geoyge Smith所著的“Optics of the Human Eyes”的第17章中找到。衍射图形的理论背景可以在Allen L.Cohen的“Practical design of a bifocalhologram contact lens or intraocular lens”，Applied Optics 31(19)(1992)中找到。从例如美国专利5,895,422，5,117,306和5,895,422中可知一些眼镜片，这些眼镜片在至少一个表面上包括一个用于校正色差的衍射图形。然而，这些镜片不能补偿由眼表面所提供的其它色差。在SE 0000614-4中，设计了一些非球面透镜来补偿球面像差。在某些应用中，这些透镜将使眼睛的色差增加。因此，需要一种用于校正折射误差，同时也可以校正单色差和色差的镜片。
发明概述本发明的目的是改善患者的视觉质量。
本发明的另一个目的是提供一种眼镜片，它能校正色差和至少一种类型单色差。
本发明的另一个目的是提供一种眼镜片，它能校正色差和球面像差二者。
本发明还有另一个目的是校正如第11归一化的Zernike项所表示的球面像差。
本发明还有另一个目的是提供一种能校正球面像差的非球面透镜，上述非球面透镜具有一个衍射部分，所述衍射部分将折射率加到透镜上并对由眼的光学表面和由非球面透镜表面所引起的色差提供补偿。在本文中，术语非球面的将指旋转式对称，不对称和/或不规则的表面，亦即所有与球面不同的表面。
这些目的通过一种如开始在“技术领域”部分中所述的镜片达到，根据本发明，上述镜片还包括一个折射部分，该折射部分包括至少一个表面，该镜片被构造成对于至少一种类型的由眼的光学部分至少其中之一所引起的单色差，至少部分地补偿一个通过的波前。根据本发明，衍射部分能至少部分地补偿一个通过波前的由眼的光学部分至少其中之一所引起的色差。上述折射和衍射部分在一起提供所需的透镜光学本领。在本文中，“眼的光学部分”指对进入光的折射有贡献的眼睛的部分。眼的角膜及天然或植入的透镜都是眼的光学部分。而且一些不均匀性，比如在玻璃体中的不均匀性也认为是眼的光学部分。把衍射光学和折射光学结合起来的一种镜片叫做混合元件。单色像差可以是，例如：像散，慧形像差，球面像差，三叶形，四叶形或更高的像差项。
因而实现了一种眼镜片，它能补偿至少一种类型单色像差和补偿由眼的各光学部分对一种通过的波前所引起的色差。
优选的是，对于由透镜折射部分所引起的色差，衍射部分也能至少部分地补偿一种通过的波前。
在本发明的一个实施例中，所校正的单色像差是球面像差。
人们已经很充分地了解了眼的纵向色差并且业已证明对不同物体具有很类似的值(Thibos等，“The chromatic eye：a new reduced eye model ofocular chromatic aberration in humans”，Applied optic，31，3594-3600，(1992))。也已证明它随着年龄增长而稳定(Mordi等，“Influnce of ageon chromatic aberration of human eye”，Amer.J.Optom.Physiol.Opt.62，864-869(1985))。因而可以设计出一种校正眼的平均色差的眼镜片。
衍射表面可以用它们所为的相位函数表征。这种相位函数描述当一种射线通过衍射表面时加到所述射线上的附加相位。这种附加相位与射线撞击表面处透镜的半径有关。对于径向上对称的衍射表面来说，这种函数可以用方程式1描述。
φ(r)=2πλ(DFO+DF1r+DF2r2+DF3r3+DF4r4+···)---(1)]]>式中r是径向坐标，λ是波长，及DFO，DF1等是多项式系数。
透镜的衍射部分也可以将某种球面像差引入到一个通过的波前上。优选的是，根据本发明，使衍射部分能补偿一个通过波前的由透镜衍射部分所引起的球面像差。因而，在波前通过眼的光学部分和上述透镜之后，球面像差可以减少到最小。
为了补偿球面像差，可以将一个具有方程2所描述的侧向高度的非球面加到透镜的衍射部分上。非球面可以构造成能抵消由眼的光学部分和透镜的衍射部分所引起的球面像差。眼的所有光学部分不一定都必需考虑。在一个实施例中，测量由眼角膜所引起的球面像差并且只补偿由角膜所提供的球面像差和任选地还补偿由透镜衍射部分所引起的球面像差就足够了。例如Zernike项可以用来描述眼的光学表面，并因此也可用来构造透镜的非球形表面，上述透镜的非球形表面适合于补偿球面像差。表1示出前15个归一化的Zernike项和各项所表示的像差。球面像差是第11归一化的Zernike项。适合于补偿如在Zernike项中所表示的像差的透镜的设计在瑞典专利申请SE0000614-4中更详细地进行了说明，此处作为参考。
z=(1R)*r21+1-(1R)2(cc+1)r2+ADr4+AEr6---(2)]]>式中R是透镜的径向坐标，CC是锥形常数，AD和AE是多项式扩张系数。
表1透镜的球面像差受透镜的形状因子影响。用一种平凸透镜可以使球面折射透镜的球面像差减至最小(Atchison D.A.，“Optical Design ofIntraocular lenses.I：On-axis Performance”，Optometry and VisionScience，66(8)，492-506(1989))。在本发明中，球面像差的校正量取决于透镜的形状因子。它也可以用一种能校正球面像差及色差的衍射图形。这可以通过修改衍射轮廓相位函数较高阶做到(较低阶，或者关于r2的各项(方程1)，描述透镜的近轴特性)。
非球形折射表面也可以校正另一些类型的单色像差。待校正的像差阶越高，表面的形状就变得越复杂。为了用一种非球形表面补偿一般的像差，侧向高度可以用方程式3描述，尽管也另可以用其它描述。
Z=Σi=1nzi]]>Zi＝(asi)xjyki＝1/2[(j+k)2+j+3k]式中asi是多项式的系数。
优选的是眼镜片与眼一起提供一种多色像质，上述镜片当表示成MTF(50)(在每毫米50周下的调制传递函数)时，至少比一种非球面透镜高约40％，该非球面透镜补偿与本发明透镜相同的球面像差而不补偿色差。高的多色像质值表明色差的量小，并且也表明单色像差的量小。
透镜可以校正如在一种模型眼中所定义的球面像差和色差。眼的球面像差可以在零和1.5屈光度之间移动，而色差通常高达2.5屈光度(David A.Atchison和George Smith所著“Optics of the Human Eye”)。
合适地，衍射部分是一种衍射表面轮廓。这种衍射表面轮廓由许多同心的环组成。各环之间的距离从透镜的中心向外逐渐减小。两个环之间的距离叫做环带。第一环带的宽度是一个限定所有其它环带的常数。有关更多的背景技术，参见本申请第一页所提到的Allen L.Cohen的文章。
在一个实施例中，轮廓高度等于一个设计波长。常常用550nm作为设计波长，因为这是视网膜灵敏度最大的波长。当轮廓高度等于一个设计波长时，透镜在其第一阶中将具最大效果。在另一个实施例中，轮廓高度等于两个设计波长，则透镜将在其第二级中具有最大效果。见上述由Allen L.Cohen所写的文章和美国专利5,895,422，5,117,306，5,895,422。轮廓高度可以是设计波长的任何整数倍。
在本发明的一个实施例中，透镜的前表面是一非球面，其上叠加一个衍射轮廓。在本发明的另一个实施例中，透镜的前表面是一非球面，而透镜的后表面是平的并具有一衍射轮廓。其它一些组合也是可能的。例如，可以在前表面和后表面二者上设置一种衍射轮廓。前表面和后表面二者也可以是非球面的。技术人员可以很容易识别可供选择的透镜构形，上述可供选择的透镜构形将适合于设计本发明减少色差和单色像差的透镜。
通过用如本文开始说明的方法也可以达到上述目的。该方法包括将透镜的一个折射部分和一个衍射部分这样组合，以便它们一起至少部分地补偿一个通过波前的由眼的光学部分至少其中之一所引起的至少一种类型的单色像差和色差，同时确定上述折射和衍射部分的尺寸，以提供具有所需光学能力的透镜。
在一个实施例中，方法还包括测量至少一种类型从眼的光学部分至少其中之一提供到波前上的单色像差，并将透镜的折射和衍射部分这样组合，以便它们至少部分地补偿测得的单色像差。在本发明的一个实施例中，测得的单色像差是球面像差。
整个眼的球面像差可以用一种波前传感器测量。如果只考虑角膜，则可以采用众所周知的地形测量法。这种地形测量法在例如“Corneal waveaberration from videokeratography：accuracy and limitations of theprocedure”，Antonio Guirao和Palbo Artal，J，Opt.Soc.Am.Opt.ImageSci.Vis.，Jun，17(6)，955-965(2000)中公开了。美国专利5,777,719(Williams等)中作了介绍了一种波前传感器。
合适地，该方法还包括测量从眼的光学部分的至少其中之一提供到一个波前上的色差，并将透镜的折射和衍射部分这样组合，以便它们在一起至少部分地补偿测一个通过波前的由眼的各光学部分至少其中之一所引起的色差。眼的色差可以用各种游标法测量，例如与在Thibos等的“Theoryand measurement of ocular chromatic aberration”，Vision Rev.，30，33-49(1990)和Marcos等的Vision Research，39，4309-4323(1999)中所概述的方法类似的那些方法。一些可供选择的用于测量色差的方法在由DavidA.Atchison和George Smith所著的教科书“Optics of the Human Eye”，中作了介绍，上述教科书由Butterworth-Heinemann出版，ISBN0-7506-3775-7。
优选的是，该方法还包括测量眼的折射误差并这样给透镜的折射和衍射部分定尺寸，以便它们在一起至少部分地补偿眼的折射误差。
利用这种设计眼镜片的方法，则可以考虑并补偿眼的色差，球面像差和折射误差。将透镜设计成具有一个折射部分和一个衍射部分，并将它们组合在一起，以便它们一起补偿一个通过波前的由眼的各光学部分所引起的这些像差。
各种像差校正全都可以是全校正或部分校正。而且所有校正都可以基于眼的一个或多个部分的像差。校正也可以基于一定人群的平均值或是基于单个患者的测量值或是基于一个平均值和单个测量结果的组合。一定人群可以是特定年龄段的一群人或是，例如已有眼疾或做过角膜手术的一群人。对于色差，所有人的数值几乎相同，因此，可以取所有种类人的平均值并校正透镜中的这种色差。当然，可以这样校正球面像差，但在这种情况下，最好是选定一组人或甚至测量每个人的球面像差，因为球面像差与色差相比，不同眼之间有很大不同。
可以将眼镜片构造成一种有晶状体或人工晶状体的眼内透镜(IOL)，一种护目镜或一种隐形眼镜。在下面所所述的例子中，透镜是人工晶状体IOLS。下述示例透镜中所用的材料是在美国专利5,444,106中所介绍的一种可折叠硅树脂高折射率材料。然而，其它材料也可以用于这些透镜。例如：PMMAC(聚甲基丙烯酸甲酯)和水凝胶都是合适的材料。示例透镜具有20D的光学能力。然而，透镜可以设计成具有任何合适的其它光学能力。另外负透镜也是可能的。
设计上述镜片的方法包括以下步骤：i)选择一种眼模型，所述眼模型具有一预定光学能力和一个预定量的至少一种单色像差的折射非球面镜片；ii)估计上述模型在不同波长下的光学能力，以便确定眼模型的色差；iii)估计光学能力如何随波长而变的校正函数，以便是对上述眼模型色差是一种理想的补偿；iv)求出一个光学能力如何随波长而变的线性函数，上述线性函数合适近似上述校正函数；v)计算相应于该线性函数的衍射轮廓的临时环带宽度，并计算该衍射轮廓的衍射能力；vi)将折射镜片的折射率减少对衍射轮廓计算得的衍射能力的量。
vii)估计步骤iii)的一个新校正函数，求出步骤iv)的一个新线性函数，并对应于该新线性函数的新衍射轮廓计算一个新的临时环带宽度；viii)这样调节折射镜片的折射率，以便一种混合透镜的总光学能力等于预定的光学能力，上述混合透镜包括折射眼镜片和衍射轮廓二者，并适合于代替眼模型中的折射眼镜片；ix)重复步骤vii)-viii)，直至找到混合镜片折射和衍射部分合适组合时为止，该镜片的折射和衍射部分二者为眼模型提供预定的光学能力和色差的合适减少。
合适的是，作为最后一个步骤，该方法包括测量眼和上述方法的混合镜相结合的单色像差，并根据测量结果这样校正镜片的折射部分，以使单色像差对于眼和镜片的结合充分减少。
可以使用的眼模型的实例之一是Navarro眼模型，但其它模型也可以。眼模型也可以是单个患者的单只眼睛。
在一个实施例中，折射镜片中至少一种单色像差是球面像差。
根据本发明，可以有不同的透镜设计的可能性。一种可能性是为每个人设计每个透镜。这样，测量患者眼的色差，球面像差和折射误差，并根据上述方法，根据这些测量值设计透镜。另一种可能性是利用从选定种类的人所得到的平均值来设计适合于几乎所有属于这类人的镜片。这样，可以为这些人群内的患者设计具有不同光学能力但提供相同的球面像差和色差减少的透镜。人群可以是，例如不同年龄的人群，或是已患有特定眼疾的人群，或是已经进行过角膜手术的人群。此外，可以提供一套透镜，该套透镜对每种光学能力都具有一个色差平均值并具有一个不同球面像差值范围。由于在大多数的人眼中，色差都是大致相同，这可能是最好的。因而，有必要测量每只眼的折射误差和球面像差，然后从这套透镜中选定一个透镜，以便遵守这些测量结果。
下面的实例只是作为例子给出，并且不打算用任何方式来限制本发明。
附图说明
图1是用于一个眼模型和一衍射透镜的折射率和波长之间的关系；图2示出了一种混合折射/衍射透镜和两种其它透镜的多色调制转移函数；图3示出了具有两个设计波长的轮廓高度的衍射透镜的不同的衍射阶之间的光分布，还示出了眼的光谱灵敏度。
图4示出了用于图3透镜和两种其它非衍射透镜的包括第一和第三阶级的多色调制转移函数。
实施例的详细说明下面说明一种眼内透镜(IOL)的两个例子，上述眼内透镜(IOL)对球面像差和人工晶状体眼的色差进行校正。上述两个例子采用一种非球面透镜表面来校正球面像差，用一种衍射表面轮廓来校正色差。非球面透镜表面校正眼表面的球面像差，以及由衍射透镜轮廓所诱生的球面像差。
例2具有一个延伸的衍射表面轮廓。这类透镜常常叫做超级环带衍射透镜，这类透镜在J.C.Marron等的“Higher-Order Kinoforms”，Computerand optically formed holographic optics，I.Cindrich等编辑，proc.SPIE1211，62-66(1990)之中作了介绍。
下面根据取自文献(Navarro等的“Accommodation dependent modelof the human eye with aspherics”JOSA A，2(8)，1273-1281(1985))及硅树脂材料的数据，对该示例IOLs的构形进行充分说明。光学评价采用OSLO光学设计软件(Lambda Research Corporation，Littleton，MA，USA)通过射线跟踪进行。
例1背景理论：角膜和折射眼内透镜(IOL)二者都具有一个正色差，这意味着焦距随波长而增加。衍射轮廓具有一个负色差。轮廓由多个环(带)组成。对在第一衍射阶中工作的衍射透镜，透镜光学能力可以用下式定义：P=2*λw2]]>式中P是透镜光学能力，λ是设计波长(m)和w是第一环带的半宽(半径)。
色差(CA)可以描述成：CA=-∂P∂λ=-2W2]]>衍射透镜光学能力与波长有线性关系。在折射系统中，折射透镜光学能力和波长之间的关系一般不是线性。这在图1中示出，图1中示出了对一种眼模型和一种衍射透镜，折射率和波长之间的关系。眼模型具有一非线性关系，衍射透镜具有一线性关系。还示出了一条代表理想校正的曲线。因此，用衍射透镜不能进行完善的校正。不过，若用线性校正，则光学性能可以大为改善。
当与一20屈光度的硅树脂折射眼内透镜一起而不是与天然透镜一起采用Navarro(1985)眼模型时，色差可以通过计算不同波长下眼模型的光学能力进行估计。结果得到与图1类似的曲线。为了确定衍射透镜必须如何作用，通过理想校正曲线进行线性拟合。结果是：P＝-1.68107*λ+69.6P＝光学能力[1/m]λ＝波长[m]这给出了用于一色差校正透镜的反射和衍射的IOL光学能力之间的一个比值：
对具有折射IOL的眼模型：A=-∂P∂λ=1.68·107]]>因此：(这里，λ是设计波长550nm)Pd＝IOL衍射光学能力由于衍射IOL光学能力是9.24屈光度，所以折射IOL光学能力必须减少相同的量。减少折射IOL光学能力将也减少眼模型的色差。实际上，通过一种迭代设计法必须在折射和衍射IOL光学能力之间找到平衡，其中衍射IOL光学能力将在0和9.24屈光度之间的某处。
透镜说明该示例透镜由硅树脂材料制造。它的形状是同等两面凸的。透镜的前表面包括一个非球面的折射透镜，其上叠加一个衍射轮廓。衍射轮廓控制透镜光学能力的41％(8.25D)，而非球面折射透镜控制其余的59％(11.75D)。第一环带的宽度是0.365mm，并且需要有67个环充满6.0mmIOL镜片。在透镜的周边，各衍射环带彼此相距22微米。
将IOL对于Navarro(1985)眼模型进行优化。Navarro眼模型具有一非球面的角膜，并包括用于目眼介质的色散。眼模型和透镜的表面信息在表2中给出。所设计的透镜与所选定的眼模型有关。必须注意，能够用来自患者实际生理数据的其它眼模型设计透镜。
*透镜表面数据-具有一个IOL的Navarro1985
锥形和多项式非球面数据
*衍射表面数据(对称衍射表面)
*波长
*折射率
表2透镜的性能利用四个不连续的波长来评价包括折射/衍射IOL的眼模型。焦点定义为多色MTF(调制传递函数)在50周/mm处具有最大值的那点。多色MTF由所用的四个波长处的四个MTF的加权平均值确定。波长加权用在适光条件下，眼的标准亮度进行，它代表视网膜对不同波长的相对灵敏度。
用于四个不同波长的实际后焦距(ABFL)表示在各焦点中存在色差，并通过定义表示纵向色差的量。计算是在5.0mm孔径下进行，以便使差别最大。从表3所示的这些数字，已经可以得出结论，球面像差实际上被消除了，这由接近衍射限定的性能表示。对于色差来说，IOL被优化了，但仍有一点遗留，如理论上已经预期的那样。
表3
对于一相应的非球面折射设计，在没有校正情况下，表4中的数字表明，在每个波长处，相对于球面折射IOL的MTF(50)，球面像差实际上得到了充分校正，并且MTF达到衍射极限。不同波长的焦点在一起不能很好地工作，因此，多色MTF比对衍射/折射IOL求得的MTF低。
表4
现在流行的球面透镜给出低得多的值。相应于这些透镜的数字在表5中示出表5
这三种透镜的多色调制转移函数与衍射限一起在图2中示出。
例2背景理论：如果，例如由于制造的原因，而优选一种具有较少的环且各环之间具有较大的距离的透镜，则可以采用不同的梯级高度用于衍射轮廓。市场上可得到一种Pharmacia的衍射透镜CeeOnTM811E，该透镜具有一个4D衍射部分，环带宽度为0.5mm，有32个环。
通过使各环的梯级高度加倍，以来实现一种各环之间具有与现有的811E相同间距的8.25D衍射透镜。在梯级高度加倍的情况下，衍射透镜将具有一个2λ的相突变，并因此在其第二阶具有最大效率。对于一种8.25D透镜，环带宽度将是0.516mm，而对一个6mm的镜片将需要33个环。各环(周边)之间的最小距离是45微米。
示例透镜由硅树脂材料制造。它的形状是平凸的。透镜的前表面是非球面的。平的后表面具有一带有相突变为二的衍射轮廓。各不同衍射阶之间的光分布在图3中给出。从这个曲线图我们可以看出，只有阶1至3在可见光范围内有关。我们还可以看出，在475nm处有某种双焦点性能，但眼睛对这个波长处的光很不敏感(正如由眼睛的光谱灵敏度表示的，也在图3中示出)。
透镜说明如在例1中那样，衍射轮廓控制透镜光学能力的41％(8.25D)，而非球面透镜控制其余的59％(11.75D)。
对于Navarro(1985)眼模型，优化了IOL。Navarro眼模型具有一非球面角膜并包括镜片介质的色散。眼模型和透镜的表面信息在表6中给出。
表6*透镜数据-具有-IOL的Navarro1985
*锥形和多项式非球面数据
*衍射表面数据
*波长
*折射率
透镜性能：采用与例1相同的波长并忽略衍射透镜效率上的变化，则在50C/mm处的多色调制是0.81(极限＝0.90)，与例1中的透镜相同。如果在计算中也包括衍射透镜的第一和第三阶，同时参考它们相应的效率，则在50C/mm处的多色调制是0.79。
用于不同透镜的包括第一和第三阶的多色MTF在图4中示出。