本发明涉及通过控制离轴(外围)象差以延缓或消除个人近视(短视力)发展的方法和设备，从而控制可视图像的场曲，与此同时提供清晰的中心成像。

近视(短视力)的流行正在快速地增加。例如，研究表明台湾7岁儿童的近视(-0.25D或更高)发生率有了急剧的增长，从1986年的4％增长到2000年的16％，而16岁至18岁台湾学生的近视(-0.25D或更高)已高达84％。在中国大陆的人口基研究报告，15岁少年中的55％女孩和37％男孩有严重的近视(-1.00D或更高)。
研究表明高度近视(超过-6.00D)人口中的50％有某种形式的视网膜病状。近视可以大大增加视网膜脱离(取决于近视程度)，后白内障和青光眼的风险。近视的光学，视觉和潜在病理效应以及给个人和社会带来的不方便和费用要求我们采取有效的措施以延缓近视的发展，或防止和延迟近视的发生，或在儿童和年轻成人中限制发生近视的数量。
因此，世界高百分比人口有这样程度的近视，它需要某种形式的光学校正以便有清晰的视力。众所周知，与年龄无关的近视需要越来越强的校正。这些校正是借助于包括眼镜，接触镜片(contact lens)和屈光外科的各种装置。然而，这些校正对于延缓或停止近视的发展没有多大好处，而且有争议的是，按照一些研究发现，这些校正实际上是促进近视的发展。
一种形式的近视(通常称之为“先天性近视”)发生在出生时，它通常是高度近视，并且可能逐渐变得更严重。第二种类型近视(有时称之为“少年近视”或“学龄近视”)是在5至10岁的儿童中开始，并逐渐发展到成年或老年。第三种类型近视(它可以称之为“成年近视”)是在年轻成年或青年(16至19岁年龄)时开始并在成年期继续增长，有时很稳定而在其他时间继续增长。
人们提出一些防止或延缓近视的策略，它涉及利用抗毒蕈硷药物的药理干预，例如，阿托品(通常用于麻痹调节)或哌仑西平。然而，与长期使用这种药理物质相关的潜在害处可能使这种模式出现问题。
众所周知，在早期发展时，两个眼睛通常是以高度协调的方式成长到理想的光学状态，这个过程称之为“正视化”。从光学干预以防止近视开始或延缓近视发展的观点考虑，在从鸟类到高级灵张目的各种脊椎动物中我们做了三种基本的观察，这些观察确信无疑地说明，正视化过程是由视觉反馈主动调整的。
第一，防止形成清晰视网膜图像的条件或实验操作使眼睛生长的异常长(称之为“轴向伸长”)并变成近视或短视力，这种现象称之为“形觉剥夺性近视”。
第二，若随后允许有形觉剥夺性近视的眼睛有不受限制的视力，则该眼睛按照这样的方式生长，它消除现有的屈光误差。这种恢复需要与眼睛有效屈光误差有关的视觉反馈，因为利用眼镜镜片进行光学校正近视误差可以防止恢复。
第三，利用眼镜镜片对正常眼睛(或“正视”眼，一种既不近视也不远视的眼睛)施加屈光误差产生补偿的眼睛生长，它消除通过镜片观看产生的屈光误差，这种现象称之为“镜片补偿”。在包括高级灵长目的各种动物模型中可以诱发近视或远视(长视力)，给它们分别佩戴负屈光率或正屈光率眼镜镜片。例如，若利用负屈光率镜片使图像定位到视网膜之后的位置，则可以诱发近视。这种近视的发展是通过轴向伸长激励的(生长导致眼球的“拉长”)。
因此，负责正视化过程的机构监测视网膜图像并调整轴向生长速率以消除屈光误差。即，眼睛利用光学散焦以引导眼睛生长到理想的光学状态。
由一些于不完全明白的原因，正视化过程在某些人中出现差错，从而产生诸如近视的普通屈光误差。利用动物模型的研究明确地说明，光学散焦可以在这个正视化过程中起作用。但是，当前治疗近视的策略可以有效聚焦中心视觉的眼睛(例如，双焦点镜片)，它对于防止近视或延缓近视的发展仅取得有限的成功。
例如，双焦点镜片或渐进式眼睛镜片或双焦点接触镜片一直被认为是延缓近视发展的潜在策略。然而，研究它们的效率说明仅有有限的效率。在双焦点镜片的情况下，不能确保眼镜佩戴者在近处工作时总是看到近处的附加部分。当今使用的双焦点接触镜片同时是双焦点视觉。这种双焦点视觉可以降低整体的视网膜图像质量，并能产生这样一些视觉问题，例如，晕圈，闪光和幻影，这对于佩戴者是不需要的。
其他的研究还说明，即使相对短时间的中断近视诱发刺激可以减小或甚至消除这种刺激的近视诱发效应。其含义是‘每天佩戴’方法不是有效的，并可能降低它的效率，其中近视者在一天的某个时间内(例如，在工作之后和睡眠之前)停止使用近视减小装置。
另一种光学方法是试图延缓个人近视的发展，该方法是“欠矫正”方法。在欠矫正方法中，给佩戴者提供的矫正(例如，眼镜或接触镜片)低于清晰视觉所要求的完全屈光规定的量。例如，可以给-4.00D近视者提供一付-3.50D的眼镜，从而使该近视者仍然有-0.50D的相对近视。所以，这种方法意味着要求视网膜中心可视图像(临界视觉的最重要区，例如，视觉分辨率)有一定的模糊或退化。当佩戴者的视觉性能不断地减小时，这就大大降低该装置的实用性(例如，由于法定的视觉要求，不允许该佩戴者驾车)。此外。有证据表明，欠矫正方法甚至可以加速某些人的近视发展。
一种减轻，延缓和最终使近视逆向发展的装置可以给千百万遭受近视的人们带来巨大的益处，它可以减小与近视相关的个人，保健工作者和供应商以及政府部门的费用。

至今，治疗近视的策略是利用有效聚焦中心视觉的眼睛(例如，双焦点)，但是它在防止近视或延缓近视发展方面仅取得有限的成功。这些防止近视和近视发展的努力假设眼睛的生长主要是受与中心视觉相关的视觉反馈控制，还假设位于视网膜中心(即，眼睛的中央凹)的视觉相关机构控制屈光的发展。
本发明提供一种通过控制离轴象差用于减轻，延迟或消除个人近视或远视的方法，其中按照预定的方式操作可视图像的场曲并最终改变，减小或消除眼睛的轴向伸长。
本发明是基于我们根据实验获得的新知识，它说明外围视网膜图像(即，外围视觉)在确定眼睛总长度方面起主要的作用，并且它是促进外围和全部眼睛生长的有效刺激，从而导致轴向伸长，眼睛大小和近视的整体增长。
本发明还涉及一种利用新颖光学装置可以延缓(以及在许多情况下是停止或逆向)近视发展的方法，该装置有用于减轻，延缓或消除眼睛生长的预定离轴象差可控设计。
此外，按照本发明，通过精确的预定控制离轴光学校正因子，或校正装置的象差，或眼睛和校正装置的组合离轴光学象差，可以改变近视的发展，因此，可视图像有这样的外围视场图像位置，相对于未校正的状态或利用传统的校正装置或策略，它的位置是在外围视网膜之前(即，朝向视网膜或眼睛之前)，而中心视场图像位置接近中心视网膜(即，中央凹)。这种装置可以减小或消除导致近视的眼睛轴向伸长刺激。此外，由于该装置没有引入中心视场散焦(例如，欠矫正方法，或双焦点或渐进式光学装置引入的中心视场散焦)，本发明的装置给佩戴者提供良好的视觉分辨率。因此，本发明具有延缓屈光误差发展的优点，与此同时给佩戴者保持清晰的可用临界视觉。
为了清楚起见，按照本发明，术语“之前”反映这样的概念，在从角膜到视网膜测量的方向上，某点相对于它的比较点有较短的距离；术语“之后”反映这样的概念，在从角膜到视网膜测量的方向上，某点相对于它的比较点有较长的距离。
可以实现用于治疗近视的本发明象差控制方法，例如，利用眼镜，接触镜片，角膜植入(例如，on-lays或in-lays)，前房镜片，和眼内镜片(IOL)，以及任何角膜或上皮雕刻或重新塑造过程，其中包括角膜曲率矫正(它是一种采用接触镜片的专用方法，可以暂时改变眼睛的屈光状态，其中借助于短期佩戴特殊设计的接触镜片重新塑造角膜或上皮)，以及任何屈光外科过程(例如，表层角膜镜片术，热角膜成形术，LASIK，PRK，LASEK)，可以单独或组合使用。
最好是，本发明的方法和装置是在这样的模式下实施的，它可以与眼睛基本保持同轴(即，与眼睛轴向对准或与眼睛保持“同中心”)，且与眼睛的凝视方向无关，例如，角膜曲率矫正，角膜屈光外科，角膜植入，接触镜片，和眼内镜片。按照这种方法，能够可预测地保持精确控制外围象差，从而导致精确的预定操作场曲，而与眼睛的运动无关。
最好是，本发明的装置放置成远离眼睛的会聚点，为的是可以控制外围象差，它适合于近视的控制，并有较高的自由度和有效性。这种装置包括：眼镜，接触镜片，它包括角膜曲率矫正模式和角膜植入中使用的镜片。
最好是，本发明的装置放置在远离眼睛的结点，为的是便于操作外围象差，适合于控制近视，具有较大的自由度和有效性。这种装置包括：眼镜，接触镜片，它包括角膜曲率矫正模式和角膜植入中使用的镜片。
最好是，本发明的装置和方法是在这样的模式下实现的，它可以给眼睛呈现相对连续的方式，因此，它可以用在所有张开眼睛场合，例如，连续佩戴接触镜片(例如，软，RGP，巩膜触觉)，角膜曲率矫正，角膜屈光外科，角膜植入，前房镜片和眼内镜片。通过提供基本连续的视觉刺激，可以实现没有中断的近视治疗最大有效性。
最好是，本发明是在以下方式中实现的：眼镜，接触镜片(软，RGP，巩膜触觉)，角膜曲率矫正或角膜嵌体模式，因为可以容易地改变屈光率和外围象差外形(在改变佩戴者近视量时所要求的)，而不需要重复的侵入式眼内外科。
在眼镜，接触镜片或角膜曲率矫正的情况下，可以容易地配制新的镜片。
在嵌体(on-lay)的情况下，刮去角膜上皮，去掉现有的嵌体和新的嵌体与上皮粘连，允许在该装置上重新生长。
本发明特别适用于长期佩戴或连续佩戴接触镜片模式，角膜曲率矫正模式或角膜嵌体模式，因此，本发明可以对近视延缓提供基本连续的刺激。
通常，长期佩戴或连续佩戴接触镜片可以是软或RGP镜片，这些镜片有足够的氧渗透性和其他的性质，从而允许镜片在睡眠时留在眼睛内，但仍然能从睑板部结膜转移足够的氧气到角膜以保持眼睛健康，尽管由于闭合的眼睑没有大气中的氧气。
在角膜曲率矫正中，接触镜片(它也可以是高氧渗透性类型，适合于长期或过夜佩戴)在短时期内可以佩戴(例如，在睡眠时)，重新塑造上皮和角膜，在此之后可以去掉接触镜片，从而使病人处在所需的折光和象差状态，因此，按照本发明，在角膜曲率矫正有效期内没有接触镜片。
可以按照延缓或消除近视的各种方法实现本发明。重要的是，设计有所需折光率以矫正中心视觉的光学视觉校正装置，其中包含规定的合适离轴或外围象差量，特别是相对场曲。可以精确地操作这个离轴外围象差或相对场曲以及合适的屈光率，因此，与现有眼睛象差进行组合，使外围场上的图像位置是在外围视网膜对应的位置之前，而中心图像是在中央凹上或其附近。典型的是，由于存在径向象散(外围离轴象差类型)，两个线状焦点是与外围图像相关(两个线状焦点之间的间隔称之为“Sturm间隔”，它还包含“最小混淆圆”，这是一个沿Sturm间隔的位置，它产生最小焦点直径并通常考虑成最佳的等同焦点)。在存在径向象散的情况下，可以操作按照本发明引入的场曲(以及合适的屈光率)，因此，与眼睛象差进行组合，使与径向象散相关的至少较前线状焦点是在外围视网膜之前，所以，部分的或在某些情况下全部的Sturm间隔是在外围视网膜之前，而中心图像是在中央凹上或其附近。
在操作场曲时可以实现特别有利的装置，因此，与径向象散相关的较后线状焦点被聚焦到视网膜上或其附近。在这个特别的装置中，外围视网膜图像也是聚焦的。
这些装置提供连续的清晰中心视觉，具体地说，给佩戴者提供良好的中心视觉分辨率，与此同时，可以延缓或消除近视者的近视发展，或者在有近视倾向(即，有发展近视诱因的个人)的非近视者中(正视者或远视者)可以防止近视的发生。
附图说明
图1a至1c是光路图，用于解释一般光学系统中场曲的离轴外围象差。
图2a至2h是眼睛的光路图和相对场曲曲线图，用于解释眼睛及其各种类型的相对场曲。
图3a至3d是眼睛的光路图和相对场曲曲线图，用于解释相对场曲如何可以使近视眼在外围场中相对地局部远视和使远视眼在外围场中相对地局部近视。
图4a至4l是眼睛的光路图，实验结果曲线图和相对场曲曲线图，可以详细地说明本发明的原理。图4a和4b说明近视治疗的常规方法，具体地说是欠矫正方法，仅涉及同轴或中心象场折射状态。图4c和4d描述我们的实验，它说明外围场在近视控制，生长，发展和回归中的重要作用。图4e和4f详细描述本发明的原理和相对场曲在控制近视回归中的效应。图4g和4h是在本发明的原理下解释欠矫正方法相对低效率的基础。图4i至4l详细描述本发明原理应用于有正相对场曲眼睛的情况。
图5a至5c是相对场曲曲线图和光射线踪迹图，它说明本发明一个实施例的原理，作为采用圆锥截面描述镜片表面的眼镜镜片设计。该例子眼镜镜片设计适合于延缓，停止或逆向-3D近视者的近视发展。
图6a至6d说明本发明的另一个实施例，它利用圆锥截面与多项式方程表面描述组合实现眼镜镜片设计。该例子设计适合于延缓，停止或逆向-3D近视者的近视发展。图6a和6b说明显著改变相对场曲的设计，其中重新定位与径向象散相关的弧矢和切向线状焦点到外围视网膜之前。图6c和6d说明更精细改变相对场曲的设计，其中重新定位与径向象散相关的弧矢线状焦点到外围视网膜上或略微之前。
图7a和7b表示本发明另一个实施例的接触镜片。图7a是接触镜片设计图，它说明沿半子午线的前表面和后表面轮廓以及厚度轮廓，而图7b是计算机辅助光射线踪迹程序输出，其形式是相对场曲曲线图，它说明本发明软接触镜片的设计和相对场曲性能，适合于延缓，停止或逆向-3D近视者的近视发展。
图8a和8b表示本发明另一个实施例的接触镜片。图8a是接触镜片设计图，而图8b计算的相对场曲曲线图，它说明本发明软接触镜片的设计和相对场曲性能，适合于延缓，停止或逆向-10D近视者的近视发展。
图9a至9c是在本发明的原理下解释同心双焦点接触镜片和类似常规方法相对低效率的基础，这些方法试图防止近视的发展。
图10a和10b表示本发明的另一个实施例，用于控制相对场曲的软接触镜片设计有平的屈光率，适合于防止有近视倾向非近视者的近视发展。
图11a和11b表示本发明的另一个实施例，本发明的软接触镜片设计控制相对场曲以刺激轴向伸长和眼睛生长，为的是减小使眼睛到正视眼之后的远视眼。
图12a至12i表示本发明的另一个实施例，它应用软接触镜片设计以控制相对场曲，与此同时可以部分地矫正眼睛的高级象差。

在早期发展期间，两个眼睛通常是以高度协调方式生长到理想的光学状态，这个过程称之为“正视化”。在从鸟类到高级灵长目的各种脊椎动物中做了三种基本的观察，这些观察确切地说明，正视化过程是由视觉反馈主动调整的。第一，防止形成合适清晰视网膜图像的条件或实验操作使眼睛生长的异常长并变成近视或短视力，这种现象称之为“形觉剥夺性”近视。第二，若随后允许有形觉剥夺性近视的眼睛有不受限制的视力，则该眼睛按照这样的方式生长，它消除现有的屈光误差。这种恢复需要与眼睛有效屈光误差有关的视觉反馈，因为利用眼镜镜片进行光学校正近视误差可以防止恢复。第三，利用眼镜镜片对正常眼睛施加屈光误差产生补偿的眼睛生长，它消除镜片产生的屈光误差，这种现象有时称之为“镜片补偿”。
因此，负责正视化过程的机构监测视网膜图像并调整轴向生长速率以消除屈光误差。即，眼睛利用光学散焦以引导眼睛生长到理想的光学状态。
由一些于不完全明白的原因，正视化过程在某些人中出现差错，从而产生诸如近视的普通屈光误差。研究明确地说明，光学散焦可以在这个正视化过程中起作用，其方式类似于镜片补偿。当前治疗近视的策略可以有效聚焦眼睛(例如，双焦点镜片和欠矫正)，但是，它对于防止近视或延缓近视的发展仅取得有限的成功。的确，有一些证据说明，欠矫正可以使某些人诱发近视的发展。如我们在以下各节中所解释的，这些防止近视和近视发展的努力假设眼睛的生长主要是受与中心视觉相关的视觉反馈控制，还假设位于视网膜中心(即，眼睛的中央凹区)的视觉相关机构控制屈光的发展。
本发明是基于我们根据实验获得的新发现和新知识，它说明外围视网膜可以有效改变或控制近视的生长，发展和回归。我们的发现说明，视网膜外围中的图像质量(即，外围视觉，或与离轴可视物体相关的视觉，且有时称之为“外围视场”)在确定整个眼睛长度方面可以起主要的作用，而来自外围视场的刺激促进眼睛的生长，从而导致眼睛大小和近视的整体增长。根据我们实验的以下观察支持这样的主张，外围视觉对控制眼睛的生长是有效和充分的。
观察1-外围形觉剥夺产生的轴向近视：非人类婴儿灵长目在两个眼睛之前佩戴环形漫射镜片可以降低外围视觉，而不改变中心视觉。具体地说，3周的弥猴佩戴环形漫射镜片，该镜片有4mm或8mm的清晰孔径，孔径的中心是在每个眼睛的瞳孔之前。在通过该孔径观看时，很大部分的中心视网膜(4mm和8mm的孔径分别是22.5°和45°)接收不受阻挡的清晰视网膜图像。由于存在环形漫射片，视网膜的其余外围区丢失清晰的视网膜图像。
若眼睛的生长仅由中心视觉控制，则有清晰中心视觉的这些环形漫射镜片对屈光的发展应当没有影响。但是，与这个常规的理论相反，施加的外围形觉剥夺影响中心屈光发展。大多数治疗的猴子产生严重的近视屈光误差，这些屈光误差是在正常猴子的屈光误差范围之外。这些实验诱发的近视误差是由于眼睛生长时玻璃体腔深度增大产生的，它导致大于正常眼睛的轴向长度(即，轴向伸长)。
这些结果清楚地说明，外围视网膜图像质量的变化对于改变整体轴向生长和屈光发展是有效和充分的。
观察2-从轴向近视的恢复不要求中心视觉：婴儿猴子具有从形觉剥夺性近视恢复的非凡能力。例如，我们在一个实验中发现，在18个有形觉剥夺性近视(其范围是从-1.0D至-10.5D)婴儿猴子中，当形觉剥夺性近视停止时，这18个猴子清楚地说明可以从近视中恢复，并允许这些动物有不受限制的视觉。
其他物种的研究清楚地说明，这种恢复是由视觉经验调节的。在另一个实验中，我们测试外围视觉足以驱动这个视觉有关恢复的假设。如以上所测试所描述的，由于佩戴环形漫射镜片，5个猴子已产生近视或远视。在约4个月的猴子中，去除环形漫射镜片，并利用氩光致凝结(蓝绿光)激光器烧蚀2mm至3mm圆形截面视网膜，其中心是在一个眼睛的中央凹(大约相当于中心5°至7°)。我们不处理另一个眼睛，并随后允许这些动物有不受限制的视觉。
若从实验诱发屈光误差的恢复与中心视觉有关，则激光处理的眼睛应当不能恢复。然而，我们发现，在所有5个猴子中，可以观察到处理和未处理眼睛都恢复的清楚证明。此外，更重要的是，眼睛的生长和烧蚀和未烧蚀眼睛之间屈光误差的恢复没有系统的差别。
这些结果令人信服地说明，中心视觉对于从实验诱发屈光误差的恢复是不重要的，而外围视觉对于调节正常正视化过程是有效和充分的。更重要的是，这些发现引发导致本发明的思想，外围视觉对于普通屈光误差的成因可以起关键的作用，例如，近视，而操作外围视网膜图像可以预测地调整眼睛生长和屈光发展。
其他的研究说明，中断近视诱发刺激，例如，形觉剥夺或镜片补偿刺激，甚至是相对短的时间周期，可以减小或消除这种刺激的近视诱发效应。这意味着，‘每天佩戴’方法，其中近视者在一天的某个时间内(例如，工作之后或睡眠之前去掉眼镜)停止使用近视减小装置，这种方法可能不是有效的，并可能大大降低它的效率。整天连续地对眼睛使用近视减小方法和装置，可以实现最大的效率。
本发明提供一种用于延缓或消除近视生长或防止个人近视发展的方法，其中借助于操作给眼睛的离轴外围象差，具体地说，操作相对的场曲，从而减小或消除眼睛轴向伸长的外围视网膜刺激。
此外，为了最佳和持续地控制离轴外围象差，该方法必须提供这样一种与眼睛光路持续保持基本同轴(有基本同轴对准或同心)的装置。
此外，为了使这个方法有最大的效率，最好是，给眼睛提供基本连续的预定屈光矫正和离轴外围象差控制设计，可以覆盖所有张开眼睛情况。
本发明还提供这样一种方法，该方法可以防止近视的生长，并可以减轻，延缓近视的发展，以及在许多情况下可以暂停或逆向近视的发展，其中利用延缓或消除眼睛生长的新颖光学装置和系统。
本发明的方法和设备改变近视的发展，其中以预定的方式精确控制离轴外围象差，特别是校正装置的相对场曲，或眼睛和校正装置的组合现有光学象差，它使外围可视场的图像沿相对前的方向移位，理想的是Sturm间隔部分或整体地定位在外围视网膜之前，而中心图像定位在中央凹或其附近。这种装置可以连续地提供清晰的中心图像，具体地说，佩戴者有良好的视觉分辨率，与此同时延缓或消除近视者的近视发展，或防止有近视倾向(即，有发展近视倾向的个人)的非近视者(正视者或远视者)产生近视，其中通过提供强的信号以减小外围的轴向伸长。
由于本发明的装置没有引入任何(中心视觉)散焦效应，如在欠矫正方法，或双焦点或渐进式光学装置所引入的，这种装置可以给佩戴者基本同时提供高质量视觉分辨率。因此，本发明具有延缓屈光误差发展的优点，与此同时，可以给佩戴者保持基本连续的清晰有用可视图像。
利用任何合适的光学装置，可以实现本发明的象差控制特征，这些光学装置包括：眼镜，接触镜片，角膜植入(例如，on-lays或in-lays)，前房镜片，和眼内镜片(IOL)等，以及角膜或上皮重新塑造或雕刻方法，它包括角膜曲率矫正(一种专用的接触镜片技术，它通过给特定设计接触镜片的短期佩戴者重新塑造角膜和上皮以改变眼睛的屈光状态)和外科屈光过程(例如，热角膜成形，表层角膜镜片术，LASIK，PRK，LASEK等)，最好是在这样的装置或方法中实现象差控制，它可以保持与眼睛轴的相对同心，例如，IOL，角膜植入，接触镜片，角膜曲率矫正或屈光外科。按照这种方法，可以保持精确控制外围象差，从而导致精确预定操作外围和中心场图像的位置，它与眼睛的运动无关。
本发明最好是在眼镜，接触镜片(软或RGP或巩膜触觉类型)，角膜曲率矫正或角膜嵌体中实施，因为我们可以容易地改变屈光率和象差外形(这是佩戴者近视量变化所要求的)。
在眼镜，接触镜片和角膜曲率矫正的情况下，可以容易地配制新的镜片。
在on-lay的情况下，刮去角膜上皮，去掉现有的嵌体和新的嵌体与上皮粘连，允许在该装置上重新生长。
此外，本发明最好是在长期佩戴或连续佩戴接触镜片模式或角膜嵌体模式下实施的，因此，它提供基本连续的刺激，从而使近视延缓的效率最大化。
通常，长期佩戴或连续佩戴接触镜片可以是软，RGP或巩膜触觉，它有足够的氧渗透性和其他的性质，允许镜片在睡眠时留在眼睛内，但仍然可以从睑板结膜接收足够的氧以保持眼睛健康，尽管由于闭合的眼睑没有大气中的氧气。
在角膜曲率矫正术中，接触镜片(它也可以是高度氧渗透性类型，适合于长期和过夜佩戴)在短时间内(例如，在睡眠时间)佩戴，在接触镜片去掉之后可以重新塑造上皮，按照本发明可以使病人处在所需的屈光和象差状态，在角膜曲率矫正有效期被没有接触镜片佩戴。在角膜曲率矫正术中使用的接触镜片设计有双重的作用。因此，接触镜片设计成这样，在‘处理’或重新塑造期间佩戴在眼睛上，组合眼睛，眼泪镜片(在接触镜片的后表面与角膜上皮的前表面之间填充眼泪制成的)和接触镜片象差是按照本发明实施的。此外，可以这样设计和选取接触镜片后表面轮廓以及它的刚度和厚度轮廓，它们都用于控制上皮和角膜的重新塑造，因此，在去掉镜片之后(在角膜曲率矫正术的镜片佩戴‘处理’期之后)，重新塑造的角膜和上皮轮廓是这样的，按照本发明操作剩余的眼睛象差。
现在详细地讨论导致本发明方法和装置的发展。
图1a表示理想的光学系统。光学系统[10]是从沿物点C，A和B箭头标记的物体[20]上折射光，并聚焦到有像点C′，A′和B′的图像[30]上。在理想的光学系统中，聚焦图像精确地位于图像接收面[40]上。通常，在常规的光学系统中，图像接收面[40]是平坦的表面。因此，理想的聚焦图像也应当是平坦的图像。即，聚焦图像[30]上的点C′，A′和B′应当位于图像接收面[40]上。若聚焦图像[30]与图像接收面[40]精确对准，则每个成像点(例如，C′，A′和B′)清晰地聚焦到图像接收面[40]上，且该图像是全部清晰的。
许多光学系统遭受称之为“场曲”的离轴象差。在图1b中，另一个光学系统[10]是从物体[60]上折射光到图像[70]上。然而，由于存在场曲，聚焦图像[70]没有与平坦图像接收面[80]完全地对准。在这个例子中，来自同轴(即，沿光学系统的光轴)物点A的光被聚焦到图像接收面[80]上的同轴像点A′，所以，它是清晰地聚焦的。然而，来自离轴(即，与光学系统的光轴成夹角上或远离光轴)物点C和B的光被聚焦成离轴像点C″和B″，这些像点是在图像接收面[80]之前(即，在与来自物体光方向相反的方向上)。所以，这些像点C″和B″是离焦的并呈现模糊的像点。在具有场曲的光学系统中，例如，在这个例子中，离轴外围像点基本上是在中心同轴像点之前(即，在与光从物体到图像传播方向相反的方向上)，我们可以说该系统有负的场曲。
图1c表示有正场曲的光学系统。在这个系统中，光学系统[100]产生物体[85]的图像[90]没有与平坦的图像接收面[110]对准。虽然从中心物点A聚焦的中心同轴像点A是在图像接收面[110]上，但是离轴外围物点C和B被聚焦到离轴外围像点C和B，这些像点基本上是在图像接收面[110]之后并相对于中心同轴像点A更后(即，沿光的方向)。此处，像点A是清晰地聚焦的，而像点C和B是离焦的并呈现模糊的像点。
应当注意，在定量描述光学象差时，不同的人们使用各种不同的符号规则。在这个文件中，我们采用这样的符号规则，其中距离的测量是从参考点到研究点，若测量方向与光传播通过该系统的方向相同，则距离为正；若测量方向与光的传播方向相反，则距离为负。在场曲中，参考面是理想的(无象差)图像面，而研究点是有象差的弯曲图像面。因此，在图1b中，场曲的度量是从无象差的平坦图像面[80]到弯曲象差面[70]的距离。由于这个测量的方向是与光传播通过这个光学系统的方向(它是从左到右)相反，场曲是负的。
相反地，在图1c中，从理想参考面[110]测量的弯曲图像面[90]是在光传播的方向，因此，场曲是正的。
与大多数光学系统不同，眼睛的图像接收面是视网膜，它不是平坦的表面。所以，为了获取清晰聚焦的像点，图像面需要是弯曲的，为了使它与视网膜面一致。在图2a至2c中，眼睛[120]是从三个不同的物体方向[140，170和190]接收来自远程景物[130]的光。这些方向通常称之为“视场角”。我们还画出图像接收面，即，眼睛的视网膜[136]。基本上在光轴[160]上部分景物的物点[140]和像点[150]有相同的零视场角，它们分别称之为“中心”或“同轴”物体和图像。图2a中画出这种情况。
当物点和像点逐渐远离光轴和中心物点和像点时，我们就说视场角增大。这些物点和像点称之为“外围”或“离轴”物体[170]和图像[180]，并有有限的(非零)视场角。图2b中画出这种情况。图2c表示在很大视场角下的外围或离轴物体[190]和图像[200]。
为了使眼睛接收整个图像上清晰聚焦的像点，来自所有视场角的像点[150，180和200]必须同时精确地是在视网膜面[136]上。图2d中画出这种理想的方案。
由于眼睛的视网膜不是平坦面，在研究眼睛光路的场曲时，更方便的是研究相对场曲。相对场曲可以定义为图像点在不同视场角下相对于中心像点和视网膜的轴向(前后向)或(正反向)位置。因此，即使图2d所示眼睛[120]的图像面[136]有实际的负场曲，由于外围像点[180和200]的位置是在轴向像点[150]之前很多，就没有净的相对场曲(即，相对于视网膜[136]的弯曲)，因此，像点在所有视场角下是清晰地聚焦到视网膜上，我们可以清楚地看到整个图像。
图2e表示有很大负场曲的眼睛[210]。来自远处景物(物体)的光按照这样的方式被这个眼睛聚焦，在同轴中心像点[220]聚焦到视网膜的同时，在中间[230]和远处[240]外围(离轴)视场角下的像点与中心像点[220]比较逐渐向前(在光的传播方向之前或沿与它相反的方向)聚焦。由于在这些外围视场角下的像点[230]和[240]也是基本聚焦到弯曲的视网膜[250]之前，外围场的像点[230]和[240]在视网膜上是离焦的，它对于眼睛[210]呈现模糊的图像。所以，这个眼睛遭受负的相对场曲。
为了图形表示和容易评价相对的场曲条件，通过‘映射’弯曲的视网膜面到平坦表面上，可以更方便地画出相对的场曲。即，利用几何方法使弯曲视网膜变成平坦面，因此，它可以用直线或平坦面表示。直线表示是三维几何平坦(或再映射)的平面视网膜面的二维截面。图2f表示图2e所示眼睛的相对场曲曲线图。视网膜已被再映射成直线[220]。这可以立刻指出图像面[242]是在整个视网膜[220]之前。在这个文件的其余部分，这种类型的相对场曲图形表示还频繁地用在计算机辅助光学模型程序的输出中，它也称之为“相对场曲曲线图”。由于整体性能是用光学系统或眼睛的相对场曲表示，我们可以总结这个性能并在相对场曲曲线图下容易地评价这个性能，涉及产生场曲结果的光学系统或眼睛其余部分详细内容不需要包含在这种曲线图表示中(在以前的图中已完成)。
图2g和2h表示有正场曲的眼睛[260]。从图2h所示相对场曲曲线图中可以看出，这个眼睛也有正的相对场曲，其中图像面[262]是这样的，离轴外围视场角像点[266和268]是在中心同轴像点[264]和视网膜[290]之后(即，沿光的传播方向)。在这种情况下，中心像点[264]是清晰聚焦的，而外围视场像点[266和268]不是聚焦的，并呈现模糊的像点。
图3a和3b表示有负场曲的眼睛[300]。由于中心同轴像点[310]是在视网膜[320]之后(即，沿光的传播方向)，利用标准技术的测量，例如，自屈光器，屈光器头或试验架，可以确定这个眼睛是远视的，眼睛护理医师熟悉这种技术，例如，眼科医生，验光配镜师，眼睛商，视轴矫正医师和视觉科学家。然而，由于这个例子中出现负的场曲，在大视场角下的离轴外围像点[330]是在视网膜[320]之前(即，沿与光传播方向相反的方向)。因此，这个例子中的眼睛在外围视场中实际上是相对近视的。这可以从图3b所示的相对场曲曲线图中看出，图3b清楚地说明中间外围场的中心[310]是远视的(聚焦在视网膜之后)，而中间外围场至远处外围场[330]是近视的(聚焦在视网膜之前)。
图3c和3d表示有正场曲的眼睛[340]。由于中心同轴像点[350]是在视网膜[360]之前(即，沿与光传播方向相反的方向)，利用标准技术的测量，例如，自折光器，折光器头或试验架，可以确定这个眼睛是近视的，眼睛护理医师熟悉这种技术。然而，由于这个例子中出现正的场曲，在大视场角下的离轴外围像点[370]是在视网膜[360]之后(即，沿光传播的方向)。因此，这个例子中的眼睛在外围视场中是相对远视的。这可以从图3d所示的相对场曲曲线图中看出，图3d清楚地说明中间外围场的中心[350]是近视的(聚焦在视网膜之前)，而中间外围场至远处外围场[370]是远视的(聚焦在视网膜之后)。
图4a至4k详细地说明本发明的基本原理。至今用于诱发或控制近视生长的所有试图仅仅考虑中心场的屈光状态。这是因为当前测量屈光误差的标准都是测量眼睛或中央凹邻近的屈光状态，中央凹基本上是在眼睛的中心场，其中包括眼科医生，验光配镜师，眼睛商，或其他的眼睛护理医师利用试验架，屈光器头和自屈光器进行测量。在这个常规的理解下，如图4a所示的眼睛和光路示意图，负屈光率模糊，即，像点[402]形成在视网膜[404]和中央凹[406]之后(即，沿光传播通过眼睛的方向)，或由于眼睛[408]的固有光路，或人为的干预，例如，配制的眼镜镜片[410]有过大的负屈光率，这就提供轴向伸长(如箭头[412]方向所指出的)的刺激，根据镜片补偿近视的现象，它导致眼睛的生长[414]指向后位置的像点，从而在正视者(没有任何屈光误差的个人)或远视者中诱发近视，或使近视者的近视进一步发展。
这种仅仅考虑眼睛同轴或中心场屈光状态构成常规光学方法的基础，采用这种方式试图防止近视的发生或延缓近视的发展。一个这样的常规方法是利用正屈光率模糊，它使中心或同轴图像形成在中央凹之前，用于去掉轴向伸长和眼睛生长的刺激。利用近视的欠矫正，这最终得到延缓近视发展的常规方法。如图4b所示的眼睛和光路示意图，欠矫正方法涉及故意聚焦中心同轴图像[416]到视网膜[418]和中央凹[420]之前。这是通过配制略微大的正屈光率(或用于近视的略微小负屈光率，因此，通常用术语“欠矫正”描述这种方法)实现的，即，它略微大于个人获得清晰视觉所需正常配制的光学矫正[422]。例如，需要-4.00D镜片的近视者可以配制-3.50D镜片。虽然这种方法对于延缓某些人的近视发展是有效的，但它不是对所有的人都是有效的。的确，一些研究结果表明，欠矫正方法实际上可能增加某些人的近视。此外，最成问题的是，这种方法确切地模糊中央凹[420]上的图像，从而使眼镜佩戴者得到低于最佳视觉和视觉分辨率，并可能使佩戴者不能执行某些重要的视力任务，例如，驾车。
在我们的实验中还没有证明，仅仅外围视场对促进眼睛生长是有效和充分的，眼睛生长可以导致轴向伸长和最终使近视发生或发展。
图4c所示的眼睛和光路示意图中说明一个重要的实验结果。在这个实验中，给灵长目动物佩戴放置在眼睛[426]之前的环形漫射镜片[424]。漫射镜片[424]允许光线[427]从同轴中心场物体[428]没有阻挡地到达眼睛[426]。相同的环形漫射片[424]散射或漫射来自离轴外围场物体[430]的光线[429]。这种散射仅仅对外围场[430]中的离轴可视物体诱发形觉剥夺，而对中心场[428]保持清晰的视觉。研究近视发展的视觉科学家知道，加到眼睛整个视场(或中心场)上的形觉剥夺可以诱发导致近视的轴向伸长。在我们的实验中，形觉剥夺仅仅涉及外围场，但是眼睛也可以因轴向伸长(箭头[432]方向所指出的)和眼睛生长[434]而产生近视。
在扩充的实验中，在近视发展到一定程度之后，我们从一些眼睛之前去掉环形漫射镜片[424]。在去掉漫射片之后，灵长目动物中的近视程度减小了，如图4d中曲线的实线部分所示。
此外，在相当的扩充实验中，对于其他的眼睛，除了在近视发展到一定程度之后去掉漫射镜片，还利用氩(蓝绿光)激光通过光致凝结烧蚀斑点部分，它使中心视觉基本变盲，而保留外围视觉，可以去除灵长目动物眼睛的中心视觉。即使在按照这种方式破坏同轴中心中央凹视觉时，仍保持近视的减小，它类似于没有破坏中心视觉的情况，如图4d中曲线的虚线部分所示。
这些实验结果清楚地说明，仅在外围场中的合适近视减小刺激(基本上是外围部分的局部刺激)对于延缓或防止近视的生长，或减小，消除或逆向近视的发展是有效和充分的。虽然该实验主要涉及形觉剥夺性近视，我们设想形觉剥夺性近视与镜片补偿近视之间通常有联系，这意味着局部镜片补偿效应(即，仅适用于外围视网膜，本质上，欠矫正仅适用于外围视场)也可以对近视减小提供类似的刺激。仅仅外围视场的欠矫正优于常规的方法，因为它可以清晰聚焦中心视场的图像到达中央凹，因此，佩戴者可以连续有清晰的中心中央凹视觉，这是获得良好视觉分辨率所必需的(例如，驾车，阅读，看电视等)。这是本发明的主要原理，我们参照图4e和4f更详细地解释这个原理。
在图4e和4f中，给有近视倾向(即，或是近视者，或是非近视者，但由于近视父母亲或长期近距离工作，它可能成长为近视者)的眼睛[436]配制本发明的光学装置[438]。这个光学装置[438]设计成这样，它在眼睛[436]上产生负的相对场曲[440]。这种装置优于常规的欠矫正方法，因为中心同轴像点[441]清晰地聚焦到能够有良好视觉分辨率的中央凹[442]。由于负的相对场曲[440]，外围像点[443]聚胶到视网膜[444]之前(即，沿与眼睛中光传播方向相反的方向)。这可以对外围场产生相对欠矫正的效应，而根据我们的实验结果，它可以控制眼睛生长和轴向伸长。即，由于离轴外围视场像点[443]是在较前的位置，眼睛中轴向生长的刺激可以被大大地减小，消除或逆向发展，从而导致减小或消除近视的生长，或减小和甚至逆向的近视发展。
外围场对于促进近视回归的重要性还可用于解释欠矫正中心视觉的方法为什么不是对所有人都有效，事实上，在一些发表的研究成果中，已说明对某些人可以增大近视。
在图4g和4h中，利用常规的欠矫正方法对眼睛[446]实施欠矫正。有光学装置[448]的这个眼睛实施用于提供欠矫正的常规方法，或与眼睛的光路一起或本身，也可以引入大量的正相对场曲[450]给眼睛。因此，虽然这种方法使中心同轴像点[451]形成在中央凹[452]之前，试图减小对眼睛生长的刺激，但是由于正的相对场曲[450]，离轴外围像点[453]聚焦在视网膜[456]之后(即，沿与眼睛中光传播方向相同的方向)。根据我们的实验结果可以说明眼睛外围促进轴向生长的有效性，这些过矫正的外围像点诱发轴向伸长的刺激(如箭头[458]所指出的)，可以导致眼睛的生长[460]和近视的发展，尽管我们已努力控制中心图像的焦点位置。
对于有相对正场曲[464]的眼睛[462](如图4i和4j所示)，本发明的光学装置[466]可以设计成与眼睛光路的组合，它提供清晰的中心焦点[470]和净的负相对场曲[468](如图4k和4l所示)。这可以使组合眼睛和光学装置的光路回到类似于图4e和4f中描述的光路，它有效地消除轴向生长和近视发展或生长的刺激，以及继续提供具有良好视觉分辨率所需的清晰中心焦点。
根据以上的解释，现在应当容易地明白，可以延缓，消除或逆向近视发展的方法是借助于引入光学装置，包括：眼镜，接触镜片，人工角膜装置，例如，on-lays和in-lays，角膜植入，前房镜片或眼内镜片，或采用干预方法，例如，角膜和上皮重新塑造和雕刻，包括：角膜曲率矫正和屈光外科，例如，表层角膜镜片术，角膜热成形术，LASIK，LASEK和PRK，它可以在视网膜上形成负的相对场曲，为了继续提供用于重要视觉任务的良好中心视觉分辨率，光学装置或光学干预方法应当确保清晰聚焦中心视场图像到视网膜上。
重要的是应当注意，虽然合适类型的折射散焦可以促使眼睛生长(或非生长)，从而导致镜片补偿现象中的近视(或它的回归)，当折射散焦量很大时，由于严重的散焦可以使图像质量有很大的退化，光学状态可以改变成形觉剥夺性现象，并可以按照这样的方式引入近视。例如，由于引入+0.5D镜片，若图像形成在视网膜之前，则去掉轴向伸长的刺激，从而可以控制近视。然而，利用+5D镜片，若图像形成在极其前面，则视网膜上的图像退化可以是如此之大，该状态变成一种形觉剥夺，并可以导致近视的生长和发展。在这种情况下，可以诱发近视，而不是减小近视，尽管使用正屈光率镜片和尽管视觉图像是在视网膜之前。可以出现从镜片补偿效应到形觉剥夺效应的这种变化，从视场角考虑不管图像是在中心或在外围。因此，为了在外围视场角下有最小的相对负场曲量，本发明必须足以消除轴向伸长的刺激，与此同时，最大的相对负场曲量必须不太大，它不会造成外围视觉图像的严重退化和形成形觉剥夺性近视。我们考虑有效治疗的最小相对场曲量是球面相当量(即，在最小混淆圆中测量的折射状态)为+0.25D至+0.50D。我们考虑在发生严重视觉退化之前的最大相对场曲量的球面相当量为+3.50D至+4.00D，这种退化可以导致形觉剥夺性近视，该球面相当量代表有效治疗近视的负场曲上限。
本发明的一个实施方案是利用有这样镜片的眼镜，它设计成传递合适的负相对场曲量。图5a至5c表示这种眼镜镜片实施方案的一个例子。在利用正确屈光率的标准眼镜镜片(例如，仅仅是球面镜片)矫正轴向近视为-3D的眼睛时，它没有试图控制或改变眼睛-镜片组合的场曲，在这个例子眼睛视网膜上形成的相对场曲可以是正的，它类似于图5a所示的情况。许多典型的光学系统，其中包括这个具体的眼睛，在外围视场角存在很大的径向象散量(一种类型的外围象差)。图5a表示有两条场曲的曲线。专业人员知道，标记为“T”[502]的一条曲线代表径向象散“切向”线状焦点的焦点位置和相对场曲，而标记为“S”[504]的另一条曲线代表径向象散“弧矢”线状焦点的焦点位置和相对场曲。
眼睛护理医师明白，可以把象散分类成“简单”象散，“复合”象散或“混合”象散。简单象散发生在一个(弧矢或切向)线状焦点形成在视网膜上，而另一个线状焦点形成在视网膜之前(在近视简单象散情况下)或之后(在远视简单象散情况下)。复合象散发生在弧矢和切向线状焦点是在视网膜的相同侧，即，二者都在视网膜之前或之后。例如，复合远视象散发生在两个线状焦点都在视网膜之后。发生混合象散的情况是，一个线状焦点形成在视网膜之前，而另一个线状焦点形成在视网膜之后。在这些情况下，沿一个象散子午线的眼睛是远视，而沿另一个子午线的眼睛是近视，这是术语“混合”的原因。
利用象散镜片的近视发展实验说明，当出现基本混合的象散时，眼睛的生长趋势是重新定位视网膜到线状焦点，它是在更后的位置(即，线状焦点是在视网膜之后)。而在复合远视象散的情况下，这两个焦点都是在后面的位置，眼睛的生长是重新定位视网膜到视网膜附近的线状焦点(即，在线状焦点更前的位置)；虽然在某些情况下，眼睛的生长超出视网膜附近的线状焦点并继续朝向更后位置的线状焦点。
因此，在图5a所示的情况下，由于外围切向焦点[502]略微在视网膜之后，而外围弧矢焦点[504]是在更后的位置，眼睛就经受轴向伸长到弧矢焦点[504]的刺激，从而造成眼睛的生长和近视的发展。
本发明的优选眼镜镜片设计例子，如图5b所示计算机辅助光学模型程序输出，除了提供正确的屈光率(-3D)以外，还合适地控制视网膜上的相对场曲，它适合于控制近视的发展。这个具体的典型眼镜镜片[508]利用有圆锥截面的非球面镜片，并由中心厚度为3mm和折射率为1.5168的玻璃制成。这个眼镜镜片后表面的顶点半径(r0)为80mm，其非球面度(形状因子p)为-893，而前表面的顶点半径(r0)为259.5mm，其形状因子(p)为-165.6。
在图5c的相对场曲曲线图中画出镜片与近视眼组合的总相对场曲。可以看出，现在两个象散焦点位置是在视网膜之前，它可以去掉对轴向伸长的刺激，因此，消除眼睛近视的发展，在某些近视者中可以逆向近视的发展。
作为常规眼镜镜片设计策略的注意事项，由于有限的自由度(控制镜片表面形状，镜片厚度和玻璃材料的折射率)，镜片设计者被限制成仅能控制径向象散或场曲，而不是二者。眼镜镜片设计的常规策略是控制和减小或消除径向象散，其中有两个原因。第一，普遍可以接受的是，视觉退化的主要因素是象散而不是场曲；第二，人们相信，在有场曲的情况下，眼睛能够适应于移位外围焦点图像到视网膜上。本发明的目的是，控制镜片设计中的场曲是优先于控制象散，因为前者象差有效地影响近视的生长和发展。此外，由于在视网膜外围的光接收器单元密度较低，从而导致大大降低外围场的分辨率，本发明的设计方法不会严重影响外围场的视觉。
光学工程和镜片设计的专业人员能够立刻理解，圆锥截面型非球面镜片不是实现相对负场曲的唯一设计方法。在与眼睛组合时，可以采用产生所需相对场曲的任何表面或光学设计。在图6a中，利用圆锥截面与多项式方程的组合，设计本发明的眼镜镜片表面[602]。这个镜片有这样的后表面，它是由顶点半径(r0)为75mm和形状因子(p)为75的圆锥截面型表面构成。它的前表面是用形式为s＝a1x2+a2x4+a3x6的多项式方程描述，其中s是相对于其顶点的表面弧矢高度(沿轴向测量，其单位是mm)，而x是与镜片轴之间的轴向距离，其单位是mm。在这个设计中，a1＝0.003312，a2＝2.053×10-6和a3＝-6.484×10-9。这个镜片的中心厚度是3mm，它是由折射率为1.517的玻璃制成。这个特定例子设计也适用于-3D近视。图6b表示这个眼镜镜片的总相对场曲曲线图。从这个曲线图中可以清楚地看出，已经去掉导致近视开始或发展的轴向伸长刺激，因为切向和弧矢焦点位置都形成在视网膜之前。
在以上优选眼镜镜片的两个例子中，我们控制径向象散的切向和弧矢线状焦点，为了使它们基本上是在视网膜之前，从而最大限度消除轴向伸长的刺激。然而，在本发明的范围内，只要弧矢(较后位置)线状焦点不是形成在视网膜之后，减小轴向伸长的刺激，就可以防止近视的开始或减小近视的发展。因此，即使弧矢线状焦点形成在视网膜之后，可以消除轴向伸长的刺激。
在图6c中，利用控制弧矢(较后的线状焦点)的特定物镜设计本发明眼镜镜片的表面[604]，为了使它基本上是在视网膜上或略微之前。这种利用圆锥截面与多项式方程组合的镜片有这样的后表面，它是由顶点半径(r0)为75mm和形状因子(p)为-122.8的圆锥截面型表面构成。它的前表面是用形式为s＝a1x2+a2x4+a3x6的多项式方程描述，其中s是相对于其顶点的表面弧矢高度(沿轴向测量，其单位是mm)，而x是与镜片轴之间的轴向距离，其单位是mm。在这个设计中，a1＝0.003285，a2＝-4.488×10-6和a3＝1.631×10-8。这个镜片的中心厚度是3mm，它是由折射率为1.517的玻璃制成。这个特定例子设计也适用于-3D近视。图6d表示这个眼镜镜片的总相对场曲曲线图。从这个曲线图中可以清楚地看出，我们控制切向线状焦点到视网膜之前，而弧矢线状焦点现在基本上是在视网膜上或略微之前。由于两个线状焦点都不在视网膜之后，我们已去掉导致近视开始或发展的轴向伸长刺激。此外，在近视发展的“散焦符号”理论下，该理论说明散焦类型(相对较正或相对较负的屈光率)引入生长的定向刺激(即，生长减小或增大)，与视网膜之前形成线状焦点相关的近视散焦可以作为减小生长的正刺激。
这个例子的设计具有给眼睛提供良好外围视觉性能的优点，因为一个线状焦点是在视网膜上。作为比较，以上两个例子的设计具有更多减小轴向伸长刺激的优点，因为弧矢线状焦点和切向线状焦点都形成在视网膜之前。
所有以下例子设计的目的是使两个线状焦点都在视网膜之前，为的是最大限度消除轴向伸长的刺激。然而，给出以上的例子，光学工程和镜片设计的专业人员现在应当清楚地知道，通过聪明地选取设计参数，或可以最大限度消除轴向伸长的刺激(两个线状焦点形成在视网膜之前)，或可以实现较好的外围视觉性能，但仍然具有一些减小轴向伸长刺激的优点，(线状焦点形成在视网膜之后或略微之前)。
在用于控制近视的本发明中，也可以利用不同于镜片的光学校正装置。具体地说，与眼睛光轴保持基本相对同轴且与眼睛凝视方向无关的这些光学校正装置是较优选的。所以，一个实施本发明的优选方法是利用软接触镜片。在图7a中，它展示本发明软接触镜片设计的例子，其中利用接触镜片设计程序曲线确定沿一条半子午线的前后表面弧矢高度和它的厚度轮廓。这个软接触镜片设计利用圆锥截面与多项式方程的组合以确定它的光区表面。后表面是由圆锥截面型表面构成，其顶点半径(r0)为8.33mm和形状因子(p)为0.75。基本前表面是圆锥截面，其顶点半径(r0)为-0.615mm和形状因子(p)为0.007，其中附加的弧矢高度添加到多项式方程描述的这个基本表面上，多项式方程的形式为s＝a1x2+a2x4+a3x6的多项式方程描述，s是相对于基本圆锥截面的表面附加弧矢高度(沿轴向测量，其单位是mm)，而x是与镜片轴之间的轴向距离，其单位是mm。在这个设计中，a1＝0.8695，a2＝-0.004632和a3＝3.470×10-5。这个镜片的中心厚度为182μm，光区直径(OZD)为8.2mm，并适用于矫正和治疗-3D近视。虽然可以利用各种接触镜片材料，但是这个典型镜片是由硅水凝胶制成，接触镜片专业人员熟知这种材料，它具有高的氧渗透性，适合于长期佩戴或连续佩戴，其折射率为1.427。图7b表示这个软接触镜片的总相对场曲曲线图。从这个曲线图中可以清楚地看出，我们已去掉导致近视开始或发展的轴向伸长刺激，因为切向和弧矢焦点位置都形成在视网膜之前。
从以上的讨论中可以清楚地知道，本发明的近视治疗方法和装置可用于矫正任何程度的近视。例如，图8a表本适合于-10D近视的本发明软接触镜片设计。这个镜片设计的后表面是由圆锥截面型表面构成，其顶点半径(r0)为8.45mm和形状因子(p)为0.75。前表面可以用半径(r)为1347.6mm的基本球面描述，其中附加的弧矢高度添加到多项式方程描述的这个基本表面上，多项式方程的形式为s＝a1x2+a2x4+a3x6+a4x8，s是相对于基本球面的表面附加弧矢高度(沿轴向测量，其单位是mm)，而x是与镜片轴之间的轴向距离，其单位是mm。在这个设计中，a1＝0.04803，a2＝5.740×10-4，a3＝1.543×10-5和a4＝-1.219×10-6。这个镜片的中心厚度为100μm，光区直径(OZD)为8.2mm，并由折射率为1.427的接触镜片材料制成。图8b表示这个软接触镜片的总相对场曲曲线图。从这个曲线图中可以清楚地看出，我们已去掉导致近视开始或发展的轴向伸长刺激，因为切向和弧矢焦点位置都形成在视网膜之前。
通过以上的讨论，光学工程和镜片设计的专业人员能够立刻理解，可以应用延缓近视发展和与此同时矫正近视的本发明方法，利用不同屈光率给相同光学装置的不同子午线，为的是矫正屈光象散。
重要的是注意本发明的接触镜片设计与同心(特别是中心-远处类型)双焦点接触镜片设计之间的区别。虽然中心-远处同心双焦点接触镜片的外围屈光率可以模仿所需较高的正屈光率，为的是实现正确的相对场曲，这种接触镜片的双焦点(即，有两个有效的屈光率，因此同时有两个焦点)对于近视控制有相对低的效率，如图9a至9c所解释的。
如图9a所示，中心-远处同心双焦点接触镜片[900]有聚焦来自远处可视物体[906]的光[904]到中央凹[908](中心视网膜)的中心圆区[902]和围绕中心圆区[902]的外部同心环形区[910]，它同时聚焦来自近处可视物体[912]的光[911]也到中央凹[908]。正是由于这种接触镜片的同时聚焦作用，它们称之为“同时视觉”双焦点。这种同时视觉，同心双焦点接触镜片通常用于老视的矫正。
实际上，同心双焦点接触镜片可以是中心-远处(如以上描述的)或中心-近处接触镜片。由于在近处观看时具有与较小瞳孔尺寸一致的优点，我们更通常使用中心-近处同心双焦点接触镜片(这是由于自然的反应能力，其中当眼睛聚焦到近处时，瞳孔尺寸也减小)。
为了实现中心-远处(和外围-近处)聚焦，这种同心双焦点接触镜片的外围区有大于中心区的正屈光率。在粗略观察时，虽然这种镜片可能错误地识别为提供负的相对场曲镜片，(中心-近处同心双焦点接触镜片与本发明的接触镜片不类似，因为它们有更负的外围屈光率)，与本发明的设计比较，由于图9b所示的双焦点，它们不能有效地控制近视。中心-远处同心双焦点接触镜片[914]放置在观看远处物体[918]的眼睛[916]上。由于接触镜片[914]的双焦点性质，两个图像完全形成在场位置上。因此，来自中心场[922]传输通过接触镜片[914]中心距离光区[924]的光[920]被聚焦到中央凹[926]并形成物体[918]的清晰图像。由于在这个眼睛中存在相对的正场曲[928]，来自外围场[930]传输通过中心距离光区[924]的光[929]成像到视网膜[934]之后的位置[932]。与此同时，来自中心场[922]传输通过接触镜片[914]环形近光区[938]的光[936]被聚焦到视网膜[934]之前的近焦点[940]和中央凹[926]上。这个近焦点有它自己的场曲[942]，因此，来自外围场[930]传输通过环形近光区[938]的光[944]成像到近焦点场曲[942]上的点[946]。图9c表示远焦点和近焦点的相对场曲与视网膜和中央凹的关系作为相对场曲曲线图。还应当注意，由于存在双焦点，空间中任何物体的视网膜图像质量总是退化的，它与偏心率无关，这是由于清晰图像(远或近)与模糊图像(分别是近或远)在视网膜上的恒定叠加，它也是轴向生长的潜在形觉剥夺性刺激。
在我们的实验中，我们利用产生两个线状焦点的象散镜片证明，当两个轴向线状焦点位置出现在视网膜上时，眼睛倾向于生长到一个线状焦点，而不是最小混淆圆。在复合远视象散的情况下(其中两个轴向线状焦点形成在视网膜之后)，眼睛倾向于生长到重新定位视网膜到较前位置的线状焦点。在简单远视象散的情况下(其中一个线状焦点形成在视网膜上，而另一个线状焦点形成在视网膜之后)，眼睛的生长可能稳定，并在视网膜上保持较前位置的线状焦点，但是在某些情况下，眼睛生长到重新定位视网膜到较后位置的线状焦点。在混合象散的情况下(其中一个线状焦点形成在视网膜之前，而另一个线状焦点形成在视网膜之后)，眼睛生长到重新定位视网膜到较后位置的线状焦点。
利用双焦点接触镜片防止近视的意图是在近距离观看时减小所需的调节量和/或没有调节招致的散焦量，其中在近距离观看工作(例如，阅读)时利用近光区。然而，从图9c中可以看出，由于同时存在远处图像和近处图像以及正的相对场曲，眼睛生长刺激(沿箭头[948]所示的方向)到远处图像表面，可以导致轴向伸长[950]和近视的发生或发展。这可以解释为什么利用双焦点接触镜片不能有效控制所有人的近视。如在本发明中所公开的，通过操作相对场曲，可以有效地控制近视。
虽然本发明可用于延缓或逆向现有近视者的近视发展，它还可用于防止‘危险’类人群近视的发生，例如，其父母为近视眼或涉及长期从事近距离视觉工作的人(如研究或计算机操作)，他们有发生近视的高似然性。对于这些可能不是近视但有近视倾向的人们，可以利用有零屈光率的镜片实现本发明。图10a表示这种零屈光率镜片(眼睛护理医师称之为“平”镜片)的例子，它包含防止发生近视的本发明方法。这个镜片设计的后表面是由圆锥截面型表面构成，其顶点半径(r0)为8.45mm和形状因子(p)为0.75。前表面可以用半径(r)为14.75mm的基本球面描述，且附加的弧矢高度添加到用多项式方程描述的这个基本面上，其形式是s＝a1x2+a2x4+a3x6+a4x8，其中s是相对于基本球面的表面附加弧矢高度(沿轴向测量，其单位是mm)，而x是与镜片轴之间的轴向距离，其单位是mm。在这个设计中，a1＝0.02553，a2＝5.900×10-4，a3＝2.564×10-5和a4＝-1.437×10-6。这个镜片的中心厚度是249.2μm，光区直径(OZD)为8.2mm，并由折射率为1.427的接触镜片材料制成。图10b表示这个软接触镜片的总相对场曲曲线图。从这个图中可以清楚地看出，已经去掉可以产生近视的轴向伸长刺激，因为切向和弧矢焦点位置都形成在视网膜之前。
对于某些人和在一些应用中，能够刺激接触镜片可能是有利的。例如，可以对远视者实施这种刺激，为的是减小远视量。减小这些人远视量的一个优点是改进的近聚焦能力。可以采用本发明基本方法的相反过程以减小远视量，这是通过诱发眼球生长实现的。图11a表示本发明的软镜片设计，它适合于从+6D远视返回到正视。这个镜片设计的后表面是由半径(r)为8.60mm球面构成。前表面是用半径(r)为-614.7mm的基本球面描述，且附加的弧矢高度添加到用多项式方程描述的这个基本面上，其形式是s＝a1x2+a2x4+a3x6，其中s是相对于基本球面的表面附加弧矢高度(沿轴向测量，其单位是mm)，而x是与镜片轴之间的轴向距离，其单位是mm。在这个设计中，a1＝0.06605，a2＝1.400×10-4和a3＝6.190×10-6。这个镜片的中心厚度是249μm，光区直径(OZD)为8.2mm，并由折射率为1.427的接触镜片材料制成。图11b表示这个软接触镜片的总相对场曲曲线图。从这个图中可以清楚地看出，现在切向和弧矢焦点位置都有效地形成在视网膜之后。在这种配置中，引发轴向伸长的刺激，它可以启动导致减小远视的眼睛生长。
图12a至12i表示本发明应用于部分矫正包括象散和高级象差的复杂光学误差，与此同时操作用于控制近视的场曲。本发明的这种近视控制技术可以同时矫正波前象差(通常包括高级象差)和传递正确的相对场曲量。这种方法还可以进一步改进视觉，与此同时保持合适的所需刺激以延缓近视的发展。
利用各种现有的眼睛波前传感器(例如，Hartmann-Shark装置)，可以测量个人的象差(包括“象散”，非球面光学缺陷，它通常是利用眼镜或复曲面接触镜片中的柱面矫正进行矫正)和特别是高级象差(例如，“彗差”，一种利用诸如眼镜的常规视觉矫正装置通常不能矫正的象差)。图12a表示某个人眼的波前象差图。从这个波前象差图的非对称性中可以看出，这个眼睛有大量的象散和彗差。
为了进行定量分析，视觉科学家和光学工程师可以把波前象差描述为Zernike多项式级数。这种描述象差方法的另一个优点是，Zernike多项式术语涉及光学工程师或视觉科学家熟悉的象差类型。例如，系数Z22表示眼睛光路中的象散，而Z31表示眼睛光路中存在彗差。在图12a所示的例子中，象散(Z22)的Zernike系数幅度是-0.446μm，而彗差(Z3-1)的Zernike系数幅度是-0.344μm。
图12b至12d表示这个人眼固有的相对场曲。由于存在包括象散和彗差的非对称象差，相对场曲在不同的子午线上是不同的。图12b，12c和12d分别表示沿水平半子午线，上垂直半子午线和下垂直半子午线的相对场曲。此外，虽然这个眼睛在图12b至12d中看到的中心场是接近于正视，而两个象散(切向和弧矢)图像面的外围场图像位置主要是在沿大部分子午线范围的视网膜之后，并引发导致近视发展或增大的轴向伸长和眼球生长刺激。
按照本发明原理设计的光学装置可以操作相对场曲，与此同时可以部分地矫正眼睛的高级象差。这种装置促进延缓和潜在逆向近视的发展，与此同时还给出一些矫正象差的优点。以下参照图12e至12i描述和说明这个例子。在这个具体例子中，我们利用软接触镜片设计，然而，专业人员应当明白，适合于矫正高级眼睛象差的任何光学装置也是合适的。本发明的接触镜片设计应用于描述眼睛波前象差的眼睛，形成的波前象差可以说明已有效地消除象散和彗差，与此同时提供的相对场曲适合于控制近视的发生或发展。从图12e所示的合成波前图中可以清楚地看到这一点。与象散(Z22)和彗差(Z3-1)矫正波前相关的总Zernike系数幅度已分别减小到-0.0144μm和-0.0086μm，这说明已基本消除象散和彗差，从而提供视觉分辨率。
由于在这个例子中的眼睛波前象差是旋转非对称的，接触镜片设计例子也是旋转非对称的(在这种情况下，为了矫正象散和彗差)，并需要保持在相对于最佳性能眼睛的正确取向(接触镜片设计师也称之为“定位”)。接触镜片设计师熟知适合于正确取向这种非对称接触镜片的设计特征，它包括棱镜ballasting，动态薄区，和‘slab-off’设计。专业人员熟知非对称设计接触镜片的制作，它包括使用计算机控制的多轴车床和铣床。
在波前象差矫正元件中，这种非对称镜片设计的光学表面描述可以方便地表示成Zernike多项式系数的级数。图12f至12h表示这个例子的软接触镜片设计，该设计说明沿水平半子午线(图12f)，上垂直半子午线(图12g)和下垂直半子午线(图12h)的前后表面弧矢高度及其厚度轮廓的接触镜片设计程序曲线图，这个软接触镜片设计利用圆锥截面与多项式方程的组合用于它的基本光学表面。后表面是由圆锥截面型表面构成，其顶点半径(r0)为8.33mm和形状因子(p)为0.75。基本前表面是顶点半径(r0)为0.3712mm和形状因子(p)为0.004667的圆锥截面，且附加的弧矢高度添加到用多项式方程描述的这个基本面上，其形式是s＝a1x2+a2x4+a3x6+a4x8，其中s是相对于基本圆锥截面表面的表面附加弧矢高度(即，添加到该表面的厚度，沿轴向测量的单位是mm)，而x是与镜片轴之间的轴向距离，其单位是mm。在这个设计中，a1＝-1.288，a2＝-0.01078，a3＝-1.540×10-4和a4＝-9.261×10-6。为了引入用于矫正非对称象差所需的非对称面轮廓，附加弧矢高度还添加到利用Zernike多项式描述的这个组合圆椎和多项式面上。具体地说，在这个例子的前表面设计中，Zernike多项式包含倾斜(Z1-1)分量，象散(Z22)分量和彗差(Z3-1)分量，它们分别是-0.002146μm，0.007828μm和0.01442μm。
这个镜片的中心厚度是224μm，和OZD是8.0mm。这个典型的镜片是用折射率为1.427的硅水凝胶材料制成。图12i表示这个软接触镜片的总相对场曲曲线图。说明所有的子午线仅需要单条曲线，因为消除了象散和彗差，总相对场曲已变成旋转对称的。从这个曲线图中可以清楚地看出，已经去掉导致近视发生或发展的轴向伸长刺激，因为切向和弧矢焦点位置都形成在视网膜之前。
为了实现正常之上视觉(或有时称之为“超视觉”)的最新发展是利用象差矫正设计以减小或消除眼睛的象差，或眼睛与矫正装置组合的象差，或单单矫正装置的象差。重要的是应当注意，实现超视觉的这种设计方法可以提供极好的视觉，但不足以延缓，消除或逆向眼镜佩戴者的近视发展。
用于矫正眼睛象差的本发明光学装置设计与通过矫正象差以优化中心视觉的设计有很大的不同。在镜片设计成基本减小或消除眼睛的象差时，其中包括“高级象差”，例如，提供正常之上视觉性能或超视觉，其目的是优化中心中央凹视觉的波前象差。特别注意中心中央凹视觉的原因是视网膜的分辨率(由于视网膜光接收器的密度在这个区域中最密集(提供最清晰的视觉)。在这个区域之外，视网膜光接收器的密度很快地下降，中间-外围区的密度不足以确保矫正象差以提高这个区的视觉。与此对比，按照本发明，为了延缓或消除近视的发展，在包括中央凹，中间-外围和外围的整个视网膜上相对图像焦点位置控制的相对场曲对于控制近视发生和发展是重要的。
以上实施例描述的读者可以知道，按照几个其他的方法可以实现本发明光学装置操作相对场曲。例如，代替利用圆锥截面或多项式方程确定光学表面的轮廓，可以利用其他的表面描述器，其中包括样条，Beziers，傅里叶级数合成，Zernike多项式作为弧矢高度描述器，或以上的组合，或借助于查阅表或类似方法的更普遍逐点表面描述。此外，本发明的光学装置设计不局限于光学表面轮廓的设计。例如，渐变型折射率(GRIN)材料可用于操作相对场曲，可以单独或组合地利用Fresnel型光路，全息或衍射光路，或与表面轮廓设计方法的组合。
可以按照各种方法实现本发明，例如，提供有预定合适外围象差设计的目镜装置，具体是相对场曲，并实施直接和预定的屈光变化。
关键的要求是本发明的设计提供良好的视觉分辨率，其中确保良好的中心场聚焦到视网膜和中央凹，与此同时消除轴向伸长的刺激，这是通过操作相对场曲使外围图像定位到视网膜之前实现的。
本发明的其他设想是，本发明的方法和设备可应用于矫正眼睛现有屈光误差的任何处方。例如，可以引入-6D处方到有合适相对场曲的装置，从而给-6D近视佩戴者提供持续良好矫正的视觉，与此同时延缓其近视的发展。
当然，因为可以减小近视量，可以引入有合适减小屈光矫正量(即，较低处方)的新颖矫正装置，从而保持与新减小近视程度的类似性。
本发明可以是批量生产的装置，例如，利用注模技术或专门设计的装置。在批量生产的装置中，相对场曲可以设计成适合于典型的近视人群。例如，批量生产-3D处方装置可用于延缓-3D近视者的发展，该设计还包括补偿典型-3D近视者的现有眼睛相对场曲。按照这种方法，利用许多个体中的人口平均批量生产，可以实现有用的效应。
然而，对于给定的个体，利用专门设计的装置实现最佳近视延缓效应。在专门设计的装置中，可以测量包括个体佩戴者现有相对场曲的实际眼睛象差，例如，利用各种眼睛波前传感器中的一种传感器(例如，Hartmann-Shark装置)和倾斜或离轴眼球轴向长度测量，其中利用光相干断层分析图(OCT)或其他类型干涉仪或高分辨率超声系统。该设计考虑实际的现有相对场曲以实现净的负相对场曲，与此同时保持中心场聚焦。
本发明还设想促进远视眼返回到正视眼。这是通过引入合适的正相对场曲量到该装置中实现的，从而促进轴向伸长，和减小远视。
虽然优选实施例是软接触镜片或RGP接触镜片的形式，专业人员显然知道，本发明也可以是其他形式的接触镜片(例如，触觉或巩膜接触镜片和“背负式”系统，其中两个或多个接触镜片可以串接佩戴)，眼镜，人造角膜(例如，in-lays，on-lays，人工角膜)，前房镜片，以及适合于角膜或上皮重新塑造或雕刻的方法，其中包括角膜曲率矫正和屈光外科(例如，表层角膜镜片术，PRK，LASIK，LASEK等)。在RGP或触觉/巩膜接触镜片以及角膜曲率矫正术中使用的接触镜片，光学设计还可以考虑泪水镜片(接触镜片的后表面与前角膜表面之间泪水层形成)的光学影响。
通过引入实时矫正屈光误差和眼睛象差的有源光学装置(例如，波前矫正系统和‘自适应光学’系统)，可以设想本发明的设计方法也可以包含在这些装置中。
根据以上描述中本发明内容的优点，专业人员可以想到本发明的许多改动，变化和其他实施例。所以，应当明白，本发明不局限于公开的具体实施例，各种改动和其他的实施例也应当包含在本发明的范围内。虽然此处采用专用的术语，它们仅仅具有通用和描述性意义，而不是限制性的意义。