Дизайн на очила с аберация от висок ред и коефициент, който се обезщетява на базата на модела на очите

Hongliang Yaoa, Chunmei Zeng*A, B, Haomo Yuc

Aschool of Optoelectronic Science and Engineering, University Soochow, No.1 Shizi Street, Suzhou 215006, Китай; Bkey Lab of Advanced Optical Manufacturing Technologies на провинция Jiangsu &

Ключова лаборатория на съвременните оптични технологии на образованието на Министерството на образованието на Китай, Университета Суохоу, Suzhou 215006, Китай; Csuzhou Mason Optical Co., Ltd., Suzhou 215007, Китай

* Съответстващ автор: Chunmei _ zeng@suda.edu.cn

Резюме

Специално проектираните очила на рамката показват все по -значителни показатели в превенцията и контрола на късогледството в клиничните изпитвания. Публичните проучвания за модулирането на аберации от висок ред, свързани с рамките на очилата, остават оскъдни. Тази статия проектира обективи с очила с аберации от висок ред и късогледство с дефокусиране чрез свързване на модела на очите и рамковите очила и симулира оптичния модел на очилата за миопични пациенти с 300 градуса. When the high- order aberration modulation unit is not set for the glasses, the defocusing value of the Y-axis direction at a -14 degree field of view corresponding to the change in the external surface power of the lens defocusing unit microlens under static field, and the defocusing change of the external surface power of the defocusing unit micro lens is set to 6 diopters, with a static vertical field of view ranging от -28. 5 градуса ~ 28,5 градуса (на стъпки от 1 градус). Тази статия обсъди корелацията между радиуса на кривината на основната дъга на торичната микроструктура на модулацията на аберацията от висок ред и аберациите от висок ред в проектираната очила при статично наблюдение в Y-насочването. Създадени са съответните емпирични формули. Това изследване ще благоприятства за развитието на очила за модулация на аберация от висок ред.Ключови думи:Модулация на аберация от висок ред, предотвратяване и контрол на късогледството, модел на очите, дизайн на очила

1. Въведение

Систематично последващо проучване [1] показва, че през последните 15 години степента на честота на късогледството в Източна Азия бързо се увеличи, тенденцията, която сега се разпространява в световен мащаб. Степента на прогресия на късогледството варира в различните възрастови групи, както е показано на фигура 1: Степента на прогресия на късогледството при деца на възраст от 6 до 9 е -0. 50 до -1. 00 диоптери (D) годишно, докато тези над 10 години излагат скорост на -0. 35 до -0. Средната годишна прогресия на късогледството при повечето миопични пациенти ще се забави с течение на времето, като повечето хора се стабилизират преди 20 -годишна възраст. Международният институт за късогледство (IMI) съобщава през 2019 г., че приблизително 87% от децата, които страдат от висока миопия на 11 -годишна възраст в продължение на четири години на 7 или повече години, или показват прогресия на миопия в продължение на четири години или повече [2]. Следователно, ранното предотвратяване на късогледство при деца и юноши в училищна възраст е от решаващо значение за намаляване на зрителните увреждания в бъдеще.

Фигура 1. Пречупване на пречупване сред миопичните деца по възраст [2].

Четвърта международна конференция по оптика и обработка на изображения (ICOIP 2024), редактирана от Xiaotao Hao, Chuan Qin, Proc. на Spie Vol. 13254, 132541c © 2024 Spie · 0277-786 x · doi: 10.1117/12.3039156

Proc. на Spie Vol. 13254 132541 c -1

Предишни изследвания на аберациите от висок ред (HOA) на човешкото око се фокусират главно върху това как да ги коригират (като дизайн на Suliman et al. Дизайнът на меки контактни лещи през 2019 г. [3]), връзката между HOAs и свързани с очите фактори [4,5], хирургия за преобразуване на роговицата, използвайки аберации с висок ред и въздействието на HOAS върху лечението на болестите на очите [6]. Доказателствата предполагат, че HOA са значително свързани с прогресията на късогледството и аксиалното удължаване при миопични деца, коригирани с монофокални очила [7]. Като се има предвид предимствата на високата популярност, ниската цена, неинвазивната природа и лесната подмяна на рамковите очила, изследването на техния потенциал за забавяне на прогресията на късогледството при деца и юноши представлява уникално предимство. И многоточкови очила с дефокус на късогледство: С централна зона, която може да коригира ясното зрение, микроленсите се подреждат около обектива, за да се получи периретинална късогледство дефокус, като по този начин забавя прогресията на късогледството, тази технология е успешно комерсиализирана. Далеч, това проучване се опитва да проектира обективи за очила, които могат да модулират аберации от висок ред въз основа на късогледство.

2. Методология

2.1 Очен модел
Основата на изследването включваше симулиране на основното око с помощта на софтуер за оптичен дизайн Zemax. Основното око беше модифицирано въз основа на модела на очите на Liou [8], със структурни параметри, подробно описани в таблица 1. Моделът на очите е проектиран с аксиална дължина 23,97 mm и диаметър на зеницата 4 mm. За да оптимизираме анализа, ние предположихме на склонност или ексцентричност на ученика.

Таблица 1. Структурни параметри на модела на очите.

Предната повърхност на предната и виртуалната повърхност на лещата се основава на стандартната повърхност, а показателят на пречупване n на средата може да бъде дефиниран свободно, както е показано във формула (1).

В таблица 1, градовете A на предната повърхност на обектива съответства на n 0=1. 368, nr 2=-1. 978*10-3, nr 4=0, nr 6=0, nz {{}}. 9057*{{10}, nz 2=-1. 5427*10-2, nz 3=0; Град B на виртуалната повърхност съответства на n 0=1. 407, nr 2=-1. 978*10-3, nr 4=0, nr 6=0, nz 1=0, nz 2=-6. nz 3=0.

2.2 Аберация на вълновите брега на човешките очи
В оптометрията първите 6 ордена на полиномите на Zernike се използват главно за представяне на аберациите на вълновата линия на човешкото око. Аберациите на Wavefront, определени от Оптичното дружество на Америка (OSA) [9], съответстват на стандартните коефициенти на Zernike в софтуера Zemax, както е посочено в таблица 2. Този подход позволява прецизно и стандартизирано представяне на очните аберации, улеснявайки по -точна симулация и анализ.

Таблица 2. Значение на стандартния коефициент на Zernike в Zemax.

3. Модели и данни
(зона за корекция на зрението) може да коригира сферичните и цилиндричните грешки на пречупването, характерни при пациентите с късогледство. Той е проектиран според предписанието на пациента; 2, единица за дефокус на късогледство (разпределена с няколко изпъкнали сферични микролензи, подредени в кръгъл масив), който произвежда определена степен на дефокус на късогледство; 3, модулационната модулация на аберацията от висок ред е съставена от няколко структури на пръстена, участващи в регулирането на HOA на човешкото око. Схематичната диаграма на външната повърхност на обектива на очилата е показана на фигура 2 (а), като броят на завоите и редът на лентата се увеличава от центъра на обектива до ръба; Връзката на подреждането на трите оптични единици е показана на фигура 2 (б), където R представлява радиалното разстояние, което се намира в равнината на Xoy; Миопичните дефокусиращи единици са равномерно разпределени върху обиколката, а интервалите на разпределение на същото радиално разстояние са представени с дължината на единичната дъга. Настройката на дължината на дъгата на единицата може да контролира броя на единиците на всеки пръстен на микролетите на устройството. Дължината на дъгата на единицата, разстояние между пръстена D, диаметърът D2 на микролетите на дефокусирана единица и радиалната ширина D3 на лентата на пръстена съвместно определят плътността на микроструктурата върху обектива на очилата.

Фигура 2. (A: Вляво) Схематична схема на лещи за очила; (Б: Вдясно) Схематична диаграма на три единични оформления в равнината на XOY.

Стъпка 1: Ако приемем, че предписанието на миопичен пациент е сферичен диоптер (3 D) и цилиндричен диоптер (0 D), растежът на миопията на пациента се проявява само като аксиална миопия. Въз основа на това е проектиран миопичен очен модел, който в идеалния случай може да използва промени в дължината на стъкловидната кухина, за да отразява промените в степента на късогледство в модела на очите. Според рецептата, отрицателният обектив на ляв от фокус е проектиран като основна огледална единица, със сферична вътрешна и външна повърхност. Диаметърът на огледалото на майката е 60 mm, със средна дебелина от 1,3 mm; Материалният материал за огледало е поликарбонат (PC), с показател на пречупване 1,56, абат от 37 и специфична тежест от 1,23 g/cm3. Изчерпателните структурни параметри са обобщени в таблица 3.

Таблица 3. Структурни параметри на огледалната единица на майката.

В Zemax типът на блендата е зададен на плаващ размер на блендата с диаметър на зеницата 4 mm, а типът пръст е зададен на равномерно; Задайте три полета на зрението (FOV) и съответно коригираха тежестите си: 0 FOV в Y-посока беше дадено тегло 1, 1 0 градус FOV тегло 0. При ярко зрение дължината на вълната прие единична дължина на вълната 0,555 μm. Другите данни се основават на основните данни за модела на очите в таблица 1. Дебелината на стъкловидното стъкло на очите се третира като променлива, а лещата на майката е поставена на 12 mm преди върха на роговицата, за да се оптимизира оптичния модел на очилата. Тази конфигурация доведе до дължина на тялото на тялото приблизително 17,306 mm и обща аксиална дължина на окото от 25.036 mm.

Стъпка 2: Избор на FOV с Y-посока 14 градус като главна посока на лъча за последващ дизайн на оптична единица, със същия материал като огледалното устройство на майката. Първоначално беше необходимо да се определи координата на насочването на Y, когато основната светлина извън полето на зрителното поле се пресича с външната повърхност на първичното огледало, за да се определи радиалното разстояние, когато нормалното на първия върхов на микроструктурата в Y-повторното насочване на първия кръг от микролензи в миопичния дефект, се намесва в рамките на виковата повърхност на майкото в огледалото на майката; След това определи блендата на зрителното поле на външната повърхност на огледалото на майката, както е показано в местното уголемени изображение на фигура 3. Използване на операндите на Reay и Reaz в Zemax, комбинирано с нормализирани FOV и нормализирани настройки на зениците, радиалното разстояние R е 3,8 {{{10} 2 mm, ∆y е 4.318 mm, ∆Z е 0,318 mm. Според питагорската теорема, блендата на лъча преминава през Y-посока извън оста при -14 градус FOV върху външната повърхност на огледалото на майката е приблизително 4,3186 mm.

Фигура 3. Частична схематична схема на полето на осея на осея на осея за светлина за предаване на светлина.

The position relationship between the microlens of the first circle of the myopia defocus unit and the outer surface of the mother mirror in the YOZ plane in the Y direction can be illustrated in Figure 4. The curvature radius of the outer surface of the mother mirror is denoted as R1, the curvature radius of the outer surface of the defocus unit microlens is denoted as R2, the diameter of the microlens is denoted as D2, and Височината на вектора от върха на микро лещата до външната повърхност на огледалото на майката се обозначава като G2. Централното положение на микролените може да се определи от дължината F2 и ъгъла на въртене 𝜃, които могат да бъдат изчислени, като се използва следната формула:

Фигура 4. Частична схематична диаграма на осея на осея на осея на огледа за светлина за предаване на светлина.

Поставете повърхностната форма на микролетите на дефокусния единица като сферична (опична мощност 6 d и диаметър 2 mm), а радиалното разстояние на първия кръг на микроструктурата е 3,802 mm; Първоначалната повърхностна форма на външната повърхност на микроструктурата на лентата на модулацията на аберацията с висок ред е поставена като торична с мощност на основата на дъгата 4 d и радиална прок. на Spie Vol. 13254 132541 c -5 ширина от 1,5 mm (d3). Принципът на изчисление на централната позиция на основната дъга на ториката на равнината на Yoz е същият като формулата (2) до (4). Централното положение на основната дъга може да се определи от дължината F3 и ъгъла на въртене 𝜃. с радиуса на кривината (R3) и височината на вектора (G3) от върха на основната дъга върху външната повърхност до външната повърхност на огледалото на майката. G 2=3. 572 μm, G 3=1. 004 μm, интервалът между съседни ленти на пръстена е зададен като 3,8 mm, обективите на очите са поставени с 6 пръстена и дължина на дъгата от 4 mm. Референтните данни за позицията на микроструктурата бяха подробно описани в таблица 4.

Стъпка 3: Използване на 3D CAD софтуера SolidWorks, завърши моделирането на първоначалните обективи на очила. Основният и левият изглед са изобразени на фигура 5, а диаметърът на централната зона за корекция на зрението на първоначалната структурна леща за майка е около 5,604 mm.

Таблица 4. Данни за позицията на микроструктурата на напречното сечение на YOZ.

Фигура 5. Първоначална структура на обективи на очила - изглед отпред и ляв.

4. Резултати и анализ

Разследването на оптичното представяне на обектива на очилата, първоначално с участието само на лещата на майката, разкри, че стойността на дефокус в посока Y-оста при -14 градус е в рамките на статичното поле на зрителната гледна точка на модела на очилата, е 0. 047987 λ, показващо, че действителната вълна е позиционирано зад ретината. Като се има предвид, че силата на външната повърхност на огледалото на майката е 2 d, решихме да изследваме редица оптични мощности за външната повърхност на късогледството на дефокусната единица между 4 до 10 d, увеличавайки се с стъпки от 1 d, без да се включи модулационна модулация от висок ред. Наблюдаваната ситуация на дефокус е обобщена в таблица 5. Данните, свързани с Z4 Defocus, показват линейна връзка, което ни позволява да използваме формула (5) за оценка на дефокуса на вълновата част при различни сили на външната повърхност на миопичната дефокус в статичната наблюдателна дирекция -14 степен на степен. Тук стойността на оптичната мощност x на външната повърхност на късогледството дефокусната единица служи като независима променлива, докато съответната стойност на Z4 Defocus действа като зависима променлива.

Таблица 5. Статично поле на зрителната ос -14 степен на визуално поле Дефокус с промени в оптичната сила.

Задайте външната повърхностна мощност на микролетите на дефокусния блок на 6 d, без да задавате модулационен блок за модулация от висок ред. Вариацията на дефокус на статичното вертикално зрително поле от -28. 5 градуса до 28,5 градуса, с размер на стъпката от 1 градус, както е показано на фигура 6. Вертикалната ос на координатите е количеството на дефокус под формата на аберация на вълна. В тази статия положителната стойност на Z4 показва, че количеството на дефокус е разположено пред ретината, докато отрицателната стойност на Z4 показва, че количеството на дефокус е разположено зад ретината. Поради симетрията на подреждането на обектива, разпределението на дефокус във вертикалното зрително поле е приблизително симетрично, докато ситуацията с дефокус в хоризонталното зрително поле е подобна.

Фигура 6. Статично вертикално поле на зрителната карта Дефокус Промяна на картата.

Първоначалната структура на огледалото на майката и единицата за дефокус на късогледство остана непроменена, като същевременно поддържа радиалната ширина на микроструктурата на тороидалната повърхност на модулационната модулация на аберацията от по-висок ред и радиусът на кривината на основната дъга на ториката се променя. Това има за цел да анализира връзката между радиуса на кривината на базовата дъга R3 и количеството на аберация от по-висок ред при наблюдение на Y-посока -14 степен на полето на статиката.

Проучването избра общо 9 точки от данни, включително мощността на основната крива от 3,7 D, 4 D, 4,5 D, 5 D, 5,5 D, 6 D, 7 D, 8 D и 9 D, за да се осигури плавно намаляване на изчисления радиус на кривината. Когато мощността на основната крива е 10 d, най-високата точка на външната повърхност на микролетите на дефокусирана единица е по-ниска от тази на микроструктурата на модулацията на аберацията от висок ред, която не е в съответствие с моделирането.

Записва стойностите на стандартния коефициент на Zernike на обектива само с огледало на майката и микролетите на единица Defocus в Y-посока при -14 градус FOV. RMS на стойностите на аберацията на вълновата линия за центъра на масата в Zemax елиминират ефектите на изместване и наклоняване. Чрез тяхното елиминиране, RMS (корен среден квадрат) на HOA на окото в това поле може да бъде определен като 0. 932937 λ (0. 555 μm), поддържан до шест десетични знака. Записаха няколко компонента за аберация от висок ред, които могат да участват в забавяне на късогледството, с първоначална стойност, обозначена като Zi 0, където аз представя реда за класиране на стандартните коефициенти на Zernike в Zemax. Вертикалната кома Z7 0 беше {-0. 141717 λ, хоризонтална кома Z8 0 беше 0. 0 00001 λ, изтръпнал Trefoil Z90 е -0. 00329 беше 0 λ, сферичната аберация Z110 беше -0. 454283 λ, хоризонталният вторичен астигматизъм Z120 беше -0. 005588 λ, наклонен вторичен астигматизъм Z130 беше 0 λ, втори хоризонтален хоризонт1 Z160 беше -0}. λ, вертикална кома от втори ред Z170 беше -0. 008084 λ, вторичната сферична аберация Z220 беше 0,362791 λ.

Modeling eyeglass lenses with different base arc curvature radii for higher-order aberration modulation units, and recording higher-order aberration data in the Y-direction at -14 degree FOV during static observation in the glasses-eye optical system, as shown in Table 6. The amount of microstructure involved in modulating higher-order aberration was represented by ∆Zi (Zi-zi 0). Регресионен анализ на данните разкри, че радиусът на кривината на основната дъга R3 на тороидната повърхност е свързан с вертикална кома, наклонена трефил, сферична аберация, хоризонтална вторична астигматизъм, вертикална кома от втори ред, вторична сферична аберация и обща аберация на височина. Фигура 7 показва разпределението на разсейването и регресионните линии на шест нараствания на аберация от висок ред и R3, където наклоненият нарастване на тройниците и сферичното аберация има линейна връзка с радиуса на кривината на основната дъга, а прирастването намалява с увеличаването на радиуса на кривината на основната дъга. Увеличението на вертикалната кома, хоризонтален вторичен астигматизъм нарастване, увеличение на вертикалния кома от втори ред, прирастването на вторичната сферична аберация и общата увеличаване на аберацията с висок ред са нелинейно свързани с R3. Емпиричната формула може да се види от уравнения (6) ~ (12). Няма значителна зависимост между хоризонталната кома, хоризонталната тройка, наклонена вторичен астигматизъм, хоризонтална кома от втори ред и радиуса на кривината R3. Може да се представи, че способността за модулиране на специфични аберации чрез точно коригиране на кривината на микроструктурата подчертава потенциала за създаване на по -ефективни и персонализирани обективи за очила за управление на късогледството.

Таблица 6. Статично наблюдение при Y-посока -14 Степен на полето за аберация от висок ред Аберация Стандартни данни за вълнови фронтове.

Фигура 7. Разсейване на графиките и регресионните линии на частичните нарастващи нараствания от висок ред като функция на радиуса на кривината на основната дъга.

Установи корелацията между радиуса на кривината R3 на основната дъга и аберацията на вълновата линия, изразена от стандартния полином на Zernike (вижте Фигура 7). Обхватът на R3 е между 62.222222 mm и 151.351351 mm, емпиричната формула е както следва:

В уравнението представлява коефициента на преценка на регресионното уравнение и колкото по -близо е неговата стойност е 1, толкова по -голяма е степента на монтаж на уравнението.

5. Заключения

Този документ има за цел да проучи модулирането на аберации от висок ред в проектирани очила и тяхното въздействие върху късогледството. Той предлага дизайн, който свързва модела на очите и рамковите очила, за да симулира оптичния модел за 300- степен на късогледство. Проучването изследва корелацията между радиуса на кривината на основната дъга на торичната микроструктура на модулацията на аберацията от висок ред и аберациите от висок ред при статично наблюдение. Това изследване допринася за разработването на очила за модулация на аберация от висок ред, осигурявайки ценна представа за превенцията и контрола на късогледството.

ЛИТЕРАТУРА

[3] Suliman A, Rubin A. Corrigendum: Преглед на аберациите от по -висок ред на човешкото око. Африканско зрение и здраве на очите. 2019, 78 (1).

[4] Rebika D, Divya S, Murugesan V, et al. Биомеханични свойства на роговицата и очните аберации в миопичните очи. Индийски журнал по офталмология. 2023 г. 15 декември.

[5] Hassan H, Shima M, Alireza J, et al. Връзката между очните биометрични компоненти и аберациите на роговицата. Клинична експериментална оптометрия. 2023 октомври 16, 1-7.

[6] KJL, JSV, Sin-Wan C, et al. Влиянието на коефициента на компресия на ортокератология върху очните аберации от по-висок ред. Клинична експериментална оптометрия. 2020,103 (1), 123-128.

[7] Hiraoka Takahiro, Kotsuka Junko, Kakita Tetsuhiko, Okamoto Fumiki, Oshika Tetsuro. Връзка между аберациите от по-висок ред и естествената прогресия на късогледството при ученици. Научни доклади. 2017, 7 (1).

[8] Liou HL, Brennan N A. Анатомично точен. Около око на оптичното моделиране. Opt soc am am opt image sci vis. 1997 август, 14 (8), 1684-95.

[9] Офталмични методи за отчитане на оптични отклонения на очите. Ansi. Z80. 28-2017, 2017-08-21.