漸變鏡片的漸變結構特征和矯正原理

光學自由曲面具有非對稱面形、靈活的空間布局、豐富的設計自由度等特性。自由曲面是應用最廣泛的曲面形狀之一，如能改善人類視覺質量的漸進多焦點眼用鏡片，就是自由曲面技術在眼用光學鏡片中的成功應用。本文通過設計漸進多焦點眼用鏡片，并以之為例研究自由曲面光學鏡片的性質及特點。

漸進鏡片(英文progressive addition lenses 簡稱PAL）是針對老視癥狀的一種有效的解決手段，與各類傳統老視鏡片相比較具有許多優點，本文對這種鏡片的設計和評價進行研究。

首先，介紹漸變鏡片的漸變結構特征和矯正原理，比較分析軟設計和硬設計之間的區別。

其次，介紹漸進多焦點眼用鏡片的基本結構。應用基于狄利克雷原則的軟設計方法，闡述漸進多焦點眼用鏡片子午線設計的基本原理，構建子午線多項式，給出子午線設計需滿足的條件。在子午線設計的基礎上，設計漸進多焦點眼用鏡片等屈光度輪廓線，在此基礎上設計鏡片矢高，確定鏡片面形。

然后，根據曲面的微分幾何理論，給出漸變鏡片的性能評價方法，即計算鏡片的球面度及柱面度。

第1章 緒論

1.1 引言

本文通過設計漸進多焦點眼用鏡片，并以之為例研究自由曲面光學鏡片的性質及特點。目前導致人眼屈光不正的原因很多，人們通常使用角膜接觸鏡、單光眼鏡片、雙光眼鏡片和漸進多焦點眼用鏡片（也稱漸進鏡片）等矯正視力。人們隨著年齡的增長，眼睛的調焦能力逐漸衰弱，即老視眼或老花眼，難以看清近處的物體。理想的解決辦法應配戴具有變焦能力的鏡片，使得看近處時，鏡片具有高的正光焦度；看遠處時，具有低的、甚至負的光焦度。

漸進多焦點眼用鏡片的鏡度隨著人眼范圍由遠及近、視線由上到下的移動逐漸增加，它能夠提供一個連續的從遠用到近用都清晰的視力。漸進多焦點眼用鏡片的鏡度變化平滑，佩戴方便，更符合人們的生理和心理需求，所以越來越受到消費者的青睞。

1.2 漸進多焦點眼用鏡片發展情況 ? ?

1785年，Benjamin Franklin將自己屈光矯正鏡片的一半和老視視近鏡片的一半粘合在一起，以克服視遠和視近時不停地輪換戴鏡和摘鏡的麻煩(見圖1-1)，雖然當時的Franklin鏡片并沒有成為產品，但此舉卻開始了老視矯正歷史的新紀元，即雙光鏡發展的歷史。

圖1-1 Benjamin Franklin 雙光鏡 后人在Franklin鏡的原理基礎上，對雙光鏡進行了改進和發展，經過一百多年的努力，雙光鏡片從設計、工藝和材料都日趨成熟，為廣大老視者帶來了諸多方便。但是，雙光鏡存在著較多缺點，主要有：在視遠區和視近區之間對中間距離視物不清：在視遠區和視近區之間有“跳躍”現象，會造成行動不便：視遠區和視近區有明顯的可見分界，影響自然外觀。由此，漸變多焦點鏡片應運而生。 ?

圖1-2 漸進多焦點鏡片的第一代設計

最早的漸進多焦點鏡片設計構思由英國視光師Owen Aves提出并發表專利于1907年。Henry Orford Gowlland 于1910年在加拿大設計制作類似鏡片，但由于當時技術限制，并沒有獲得實踐上的成功。法國光學師兼工程師Bernard Maiternaz 于1951年獲得突破性發展，研制出真正適合臨床佩戴的第一副現代概念的漸進多焦點鏡片。1959年歐洲第一個漸變鏡Varilux眼鏡片投放市場；1961年漸變鏡Omnifocal 眼鏡片在美國發行。到了20世紀70年代中，隨著視覺生理的研究與發展，第2代軟式設計的漸變鏡應運而生，漸變鏡片越來越廣泛地為市場所接受。2000年現代軟式設計的第5代漸變鏡強調運動視覺的需要，漸變通道短而窄，像差得到有效控制，有效視野更大。到2003年末，漸變鏡的設計已經把個體眼球運動參數結合到鏡片設計上，做到了“個體化設計”。

框架眼鏡一般有： (1)單光焦度眼鏡，即普通的近視眼鏡或者遠視眼鏡。這種眼鏡片只能提供一種屈光力，適合近視，遠視和輕度的老視患者； (2)雙焦點眼鏡，這種眼鏡片上方用于看遠處物體，下部用于視近書刊及近距離工作。隨著年齡增長，人眼的調節力逐漸減弱。佩戴雙焦點眼鏡后通過主片只能看清遠物，通過視近附片只能看清近物，位于中間距離的物體，則看不清楚。鏡片上可觀察到不同光焦度區域分界線； (3)三焦點眼鏡，在雙焦點眼鏡的基礎上增加了中間距附片，使老視眼能看清中間距離的物體，但是鏡片上仍可觀察到不同光焦度區域分界線。通過雙焦點或三焦點眼鏡片上不同光焦度分界處觀察物體時會看到物體的形狀突然變化，即像跳； (4)漸進多焦點眼鏡，消除了雙焦點眼鏡和三焦點眼鏡的像跳現象。遠用區與近用區域之間光焦度平滑過渡，鏡片外觀與單焦眼鏡片相同；

(5)液晶衍射鏡片，這種眼鏡的重量還未能有效減輕，目前還處于研究階段。上述眼鏡片都可以添加一定的散光屈光力來矯正散光。

1.3 課題研究的意義

我國大量兒童需要佩戴眼鏡：當前學齡前兒童視力低常率為12.64%，隨著年齡增長，視力低常率增高，5歲最高，6歲又稍有下降。視力低常眼中近視(3.18%)、中度遠視(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。 我國學生近視率居高不下，令人憂慮。小學生的近視率為20.23%，初中生的近視率為48.18%，高中生的近視率為71.29%，大學生的近視率為73.01% 。環境因素導致的青少年近視多伴有調節痙攣，如何控制視疲勞，減輕調節痙攣，是控制近視的研究熱點。 青少年近視患者往往是看不清楚遠處物體，需要佩戴眼鏡，而進行視近和觀察近處物體時眼睛能夠自己調節看清物體，不需要眼鏡片進行附加調節。

漸進多焦點眼鏡可以在眼鏡片的上部提供遠用光焦度，而在鏡片下部采用屈光力為零的鏡片。相比單光眼鏡片，佩戴漸進多焦點眼鏡片看近物時，眼的調節減少。研究表明：配戴漸進多焦點眼鏡能起到防止近視加深作用，特別適用于近視伴有調節痙攣的青少年患者。漸進多焦點鏡片能夠延緩青少年近視進展。 老年人隨年齡增長視力逐漸下降，平均每增長10歲視力下降約0.2左右。其中93. 37%為屈光不正，遠視性屈光不正占54. 90%，近視性屈光不正占39. 76%，5.02%為混合散光”。漸進多焦點眼鏡最初就是為了改善老年人視力而設計。

“未來幾年，60年代出生的人群隨著年齡增長，不少人在工作和生活中開始需要老視鏡的輔助，一個龐大的老視鏡需求市場在逐漸形成”。 因此，漸進多焦點眼鏡片在我國具有極大的市場潛力。自九十年代末以來，美國蘇拿、日本豪雅、法國依視路等公司在中國設廠，漸變鏡片逐漸被國內人們了解，但是價格因素仍是進一步推廣應用的制約因素。國內目前這方面的工作剛起步，設計與研制報道非常少見。因此，開展有關漸變鏡片的研究工作，無論是在工程上，還是在社會效應上都具有重大意義。

1.4 論文主要研究內容

本文介紹漸進多焦點眼用鏡片的構造，論述鏡片的設計思想及常用的設計方法，闡述漸進多焦點眼用鏡片子午線設計的基本原理，構建子午線多項式，給出子午線設計需要滿足的條件。在子午線設計的基礎上，設計漸進多焦點眼用鏡片等屈光度輪廓線，在此基礎上設計鏡片的矢高，再確定鏡片面形，并求出鏡片平均球面度與像散。

編輯：黃飛

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