CN120447232A - 一种基于个性化镜片视点数据和老视眼模型的渐进镜片设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及眼科镜片设计领域，涉及一种根据镜片视点数据的个性化渐进镜片设计方法。该方法基于佩戴者的验光处方，构建了个性化可调节的老视眼模型；通过镜片视点采集设备获取佩戴者的镜片视点数据，生成视点密度图，提取高频使用区域构建多重结构；结合眼模型评估传统设计渐进镜片在佩戴者视线移动过程中视网膜上的成像质量；添加复合表面，通过多重结构编辑器以最小化波前像差同步优化多重结构下的复合表面形貌，得到基于视点数据的个性化渐进镜片。本发明提供的个性化渐进镜片能够有效提升高频视点区域的成像质量。

Description

一种基于个性化镜片视点数据和老视眼模型的渐进镜片设计 方法

技术领域

本发明涉及眼科镜片设计领域，尤其涉及适用于佩戴者的渐进镜片的个性化设计方法。

背景技术

传统渐进镜片设计依赖固定参数，包括球镜度、下加光度(add power，ADD)、通道长度等，针对于个性化视线移动的情形，可能由于像散区散光分布不合理，ADD不足，导致视觉不适的问题。

对于视线移动数据进行个性化设计的一种常见方法是通过光线追踪方法，通过模拟视线在镜片上的移动和对应的物距，分析镜片在动态头眼运动时能够给予的屈光度。这种方法能够一定程度上根据佩戴者的视线移动结果进行渐进镜片佩戴效果的评估，但仍然存在无法根据视线移动的数据直接得到佩戴者的个性化渐进镜片，需要针对评估结果从通道长度，下加光度等角度修改设计，从而优化镜片的光学性能，达到个性化的效果。同时，这种评估方法仅用于评估镜片的屈光度和像散分布是否合理，无法直接将视线移动的评估结果直接应用于镜片设计中。

发明内容

本发明目的是基于个性化的镜片视点数据直接设计得到适配佩戴者的个性化渐进镜片的方法。通过结合佩戴者的验光处方和镜片视点的数据，在传统渐进镜片设计的基础上，直接进行个性化设计，提高佩戴者的视觉清晰度和佩戴舒适度。

为实现上述目的，本发明采取如下核心技术步骤：

S1、根据佩戴者的验光处方构建个性化调节性眼模型，通过调整晶状体曲率半径(r_a、r_p)和折射率分布参数(n_r2、n_r4)得到视远与视近调节状态下的老视眼模型；

S2、输入佩戴者的头眼运动比例参数，建立镜-眼直角坐标系，计算该佩戴者在视线移动过程中佩戴者的视线方向，得到注视点坐标；

S3、建立物-镜-眼光学系统，进行视觉清晰度评估；

S4、采用镜片视点采集设备获取佩戴者的镜片视点数据，并将其用多重结构编辑器构建优化位置的多重结构，在渐进镜片前表面前叠加一个表面，作为复合表面，通过在多重结构下均优化该表面形貌，得到佩戴者的个性化设计镜片。

进一步，在S1中所述老视眼模型建立方法如下：

输入一个佩戴者的验光处方，验光处方中至少包含眼睛的远距离屈光度P₁(D)和近距离屈光度P₂(D)，或者远距离屈光度和能够矫正老视的附加ADD。这些数据用于在光学设计软件Zemax中构建一个基于Liou-Brennan眼模型的调节性眼模型。Liou-Brennan是一个基于解剖构建的模型，由角膜、房水、偏心的瞳孔、前后半部分具有两种不同梯度折射率剖面的晶状体、玻璃体和弯曲的视网膜表面组成。晶状体折射率拟合公式为：

n＝n₀+n_r2r²+n_r4r⁴+n_r6r⁶+n_z1z+n_z2z²+n_z3z³

z为晶状体厚度，r为晶状体半径。

该模型能够很好地模拟理想看远情形下的人眼状态，本发明在该模型的基础上，通过输入的眼屈光数据调整了晶状体参数以模拟老视眼。假设老花过程中，设置晶状体在中心厚度方向不发生变化，设置晶状体的前后表面的曲率半径r_a，r_p为变量。对于折射率，设置折射率n的沿z方向分布保持不变，仅在沿径向方向分布变化，因此，设置n_r2和n_r4为变量。对于这四个变量，通过晶状体的变化规律和统计数据设置约束条件。设置物距为1000/P₁(mm)，将晶状体的前后表面的曲率半径和n_r2设为变量，通过最小化波前的方式执行优化。然后去除约束条件，设置n_r4为变量，通过最小化波前的方式得到一个新的眼模型，作为视远状态下的老花眼模型。同理，得到一个视近状态下的老花眼模型。

进一步，在S2中，建立以镜片-眼的直角坐标系。输入佩戴者的头眼运动比例参数和镜片佩戴参数，至少包含瞳距、镜眼距、倾斜角和镜面角。在眼动过程中，以眼球旋转中心为镜-眼坐标系原点，记为O’点，记眼动的垂直旋转角为α_e，水平旋转角为β_e，α_e为眼睛从水平视线(OQ'轴)向上转动时，视线与水平面的垂直夹角。头眼垂直运动比例参数和水平运动比例参数分别为κ_α和κ_β，对于不同佩戴者该比例值存在差异，从而计算头动的垂直和水平转动角度分别为

α_h和β_h分别为佩戴者的头动的垂直旋转角和水平旋转角。

以水平看远时的镜-眼坐标系为不发生头眼运动情况，此时眼球旋转中心坐标记为O点，输入佩戴者在该坐标下的关键点，至少需要包含4个点，P1阅读、P2键盘、P3屏幕、P4视远，将这些点拟合成三阶贝塞尔曲线，再将其水平延伸，作为渐进镜片评估和优化的视觉参考面。

通过眼屈光度确定的数据得到一个传统设计方法下的渐进镜片，该渐进镜片表面形貌以矢高的形式导入Zemax中并通过在镜片前表面之前插入一个坐标间断面用于控制镜眼距、倾斜角和镜面角等镜片佩戴参数。选择像坐标位于视网膜上的黄斑区中心，根据旋转的角度α_e和β_e控制眼球转动，通过光线追迹得到从渐进镜片出射后的视线方向，计算视线方向和视觉参考面的交点即为该角度下的注视物坐标。

进一步，在S3中，所述镜片成像质量评估包括如下步骤：

S31、将S2中得到的注视物坐标设置为物坐标，在眼模型的角膜表面前添加一个坐标间断面，设置表面厚度为角膜表面到眼球旋转中心的距离，X倾斜α_e，Y倾斜设置为β_e，构建了一个在该角度下的物-镜-眼光学系统。设置眼动的角度范围为α_min≤α_e≤α_max，β_min≤β_e≤β_max，设置步长为delta，得到该步长下的逐个角度下的物-镜-眼光学系统。

S32、仍然设置晶状体曲率半径和折射率变量n_r2、n_r4为变量，将视远/视近晶状体模型得到的优化结果添加为约束，继续使用默认最小化波前的评价函数进行优化，得到一个旋转角度为α_e和β_e下的佩戴者考虑眼调节后的最清晰成像情形。

S33、提取镜片上的视点位置、视网膜上像的RMS光斑半径和MTF值，取RMS光斑半径值和在10周期/mm下的MTF值作为视网膜上成像质量的评价指标，生成整个镜片的评估结果。

进一步，在S4中，所述镜片个性化设计，包括如下具体步骤：

S41、将输入的视点数据根据视点密度生成视点的密度分布，提取峰值位置作为优化位置，用多重结构编辑器为每一个优化位置构建一个物-镜-眼的光学系统结构，每个系统对应特定的眼动角度、头动角度和物距。

S42、在传统设计的镜片前表面前添加一个面，选择表面为复合表面类型，复合表面与基础表面通过矢高叠加方式结合，叠加关系为：

Z(x,y)＝Z_Base(x,y)+Z_Comp(x,y)

其中，Z_Base(x,y)为基础表面矢高，为渐进镜片前表面矢高，Z_Conp(x,y)为复合表面矢高。

总表面形貌为基础表面矢高与复合表面矢高的线性叠加。将复合表面的形貌参数设为变量，能同时影响所有多重结构的光学性能。

S43、通过最小化波前像差的评价函数为目标，在多重结构下均对该表面的形貌参数进行优化，得到提升视点峰值区域成像质量的复合表面形貌，将优化后的复合表面矢高数据与基础表面叠加，生成最终的个性化渐进镜片形貌。

附图说明

图1为个性化设计流程图。

图2为调节性人眼模型结构图。

图3为视远和视近状态下的老视眼晶状体模型图。

图4为视远视近调节状态下的眼模型和Liou-Brennan眼模型的MTF曲线图。

图5为基于眼球旋转中心的视线方向角度模型图。

图6为眼镜佩戴者视觉参考面与视线注视点图。

图7为镜片成像质量评估流程图。

图8为视线移动过程镜片上不同位置在视网膜上像的RMS值和MTF值图。

图9为根据视点数据进行镜片个性化设计流程图。

图10为镜片视点采集设备得到的视线数据的密度分布图。

图11为根据视点分布选择的镜片优化位置图。

图12为优化过程渐进前表面曲面的矢高变化图。

图13为优化后视线移动过程镜片上不同位置在视网膜上像的RMS值和MTF值图。

具体实施方式

实施例1

在本实施例中，佩戴者眼球处方：球镜度为-2.00D，附加ADD为1.00D。头眼运动比例参数κ_α＝κ_β＝0.3，关键注视点坐标如下表1。眼镜框架数据为：前倾角为8°，镜面角为5°，镜眼距为12mm。

表1关键注视点坐标表

P1，阅读书本；P2，使用键盘；P3，使用电脑屏幕；P4，视远

如图1所示，为本发明的提供的一种个性化渐进镜片的设计流程图。所述方法具体步骤如下：

S1、根据处方确定眼模型的调节范围，设置该佩戴者的眼清晰视物的物距分别为2D和3D，即0.5m和0.33m。建立Liou-Brennan眼模型如图2。以0.5m的物距为例，对眼球的晶状体模型进行调整，

前表面曲率半径约束：(软约束)12.3mm≤r_a≤12.4mm(硬约束)

后表面曲率半径约束：(软约束)7.87mm≤r_p≤8.1mm(硬约束)

将硬约束设置为高权重，将软约束设置为低权重。设置物距为500mm，将晶状体的前后表面的曲率半径r_a、r_p和晶状体折射率参数n_r2设为变量，通过最小化波前的方式执行优化。然后去除约束条件，设置n_r4为变量，通过最小化波前的方式得到一个新的眼模型，作为视远状态下的老花眼模型，如图3(a)。同理，得到一个物距为0.33m下的眼模型，作为的视近状态下的老花眼模型，如图3(b)。得到视远和视近调节条件下眼模型结果如下表2：

表2视远和视近眼模型优化变量结果表

将我们优化得到的调节性眼模型和Liou-Brennan眼模型进行对比，发现随着物距变近，光斑半径增大，但仍然处于艾里半径之内。比较MTF曲线如图4，发现视网膜上的像质量下降，但在100周期/mm下OTF模值仍然大于0.2，下降程度可以接受，说明该视远和视近调节条件下眼模型可行。

S2、定义注视视线方向的眼动角度如图5所示，根据输入头眼运动比例参数k_α和k_β，以及关键注视点坐标，得到头动的角度。在Zemax中设置眼动垂直旋转角度范围-20°≤α_e≤0°，步长为2°。垂直旋转角度-20°≤β_e≤20°，步长为2°。输入佩戴者的眼镜框架数据为：前倾角为8°，镜面角为5°，镜眼距为12mm，装配中心位于传统渐进镜片设计的视远区的中心。在镜片前表面之前的坐标间断表面设置x倾斜为-8°，Y倾斜为5°，厚度为12。如图6所示，通过光线追迹功能，从视网膜黄斑中心反向追踪光线至镜片前表面，计算从镜片前表面出射的每条光线与视觉参考面的交点坐标。

S3、所述镜片成像质量评估的方法，为如图7所示流程，按如下步骤：

S31、在眼模型的角膜表面前添加一个坐标间断面，设置其厚度为角膜表面到眼球旋转中心的距离为12mm，根据眼球的垂直和水平转动角度α_e和β_e设置X倾斜α_e，Y倾斜设置为β_e，模拟眼球运动，构建了一个在该角度下的物-镜-眼光学系统。

S32、设置r_a、r_p、n_r2和n_r4为变量，在评价函数中以视近的眼模型的r_a＝10.84为r_a约束的最小值，以视远的眼模型的r_a＝11.84为r_a约束的最大值，设置权重为10⁶，作为硬约束，同理将视近和视远眼模型中的其他参数均设置为硬约束，之后添加最小化波前的方式构建的默认评价函数，然后执行优化。

S33、提取镜片上的视点位置、视网膜上像的RMS光斑半径和MTF值，计算镜片上视点位置对应视网膜上像的RMS和MTF图结果如图8。

S4、通过复合表面，镜片个性化设计的方法，为如图9所示流程，按如下步骤：

S41、将镜片视点采集设备获取的佩戴者的镜片视点数据按坐标输入，划分为100×100网格区间，统计网格区间内的视点个数，将每个区间内的视点个数除以总视点数，得到视点密度结果，选择密度的峰值作为常用的视点结果，如图10。提取峰值位置作为优化位置的坐标如图11。

S42、在渐进镜片前表面前插入表面，优选为适合用于矫正像差的Zernike Fringe矢高面，设置为复合表面类型。设置Zernike多项式系数为15项，将这15项系数和表面曲率半径都设置为变量，灵活调整局部曲率。使用多重结构编辑器的PRAM操作数设置眼球旋转角度，输入S41提取的视点峰值位置对应的眼球旋转角度。

S43、在多重结构下，仍然以视远和视近两个调节状态下的老视眼模型作为硬约束范围，在每个多重结构下，添加渐进镜片的玻璃约束，约束表面最薄厚度、最厚厚度分别为2mm和5mm。通过最小化波前的方式，得到表面曲率半径和15项Zernike多项式系数，得到在传统设计基础上的个性化设计的表面矢高变化，该变化是由优化得到的表面曲率半径和15项Zernike多项式系数控制的，其表面矢高如图12。优化后视网膜上的图像的MTF和RMS值结果如图13。能够看到在常用的中间视觉区域，MTF明显提升，RMS值较小，说明该优化结果修改后的渐进镜片前表面的佩戴舒适度得到较大的提升。

Claims (8)

1.一种基于调节性眼模型的个性化渐进镜片设计方法，包括根据佩戴者的验光处方得到渐进镜片的传统设计，其特征在于，通过视点数据进行个性化设计，包括以下步骤：

S1、根据所述验光处方构建个性化调节性眼模型，所述眼模型通过调整晶状体曲率半径(r_a、r_p)和折射率分布参数(n_r2、n_r4)模拟老视眼的视远与视近状态的调节差异；

S2、输入佩戴者的头眼运动比例参数，建立镜-眼直角坐标系，计算该佩戴者在视线移动过程中佩戴者的视线方向，得到注视点坐标；

S3、建立物-镜-眼光学系统，进行视觉清晰度评估；

S4、采用镜片视点采集设备获取佩戴者的镜片视点数据，将其用多重结构编辑器构建优化位置的多重结构，在渐进镜片前表面前叠加一个表面，作为复合表面，通过在多重结构下均优化该表面形貌，得到佩戴者的个性化设计镜片。

2.根据权利要求1所述的一种个性化渐进镜片设计方法，其特征在于，在S1中，所述老视眼模型构建所用调节变量包括晶状体前后表面曲率半径和晶状体折射率参数。

3.根据权利要求1所述的一种个性化渐进镜片设计方法，其特征在于，在S1中，所述老视眼模型构建方法包括：

根据验光处方，包含远距光焦度P₁和近距下加光度ADD，通过最小化波前像差方式优化调节变量构建的模拟老视眼的调节性眼模型。

4.根据权利要求1所述的一种个性化渐进镜片设计方法，其特征在于，在S4中，所述优化位置构建包括：根据视点数据生成的视点密度分布图中的提取的光学优化区域，并用多重结构编辑器为每个优化位置构建各个头眼运动角度下物-镜-眼光学系统结构的方法。

5.根据权利要求1所述的一种个性化渐进镜片设计方法，其特征在于，在S4中，所述复合表面构建，包括：

在渐进镜片前表面前，插入表面为复合表面，复合表面与基础表面的叠加关系为：

Z(x,y)＝Z_Base(x,y)+Z_Comp(x,y)

其中，Z_Base(x,y)为基础表面矢高，为渐进镜片前表面矢高，Z_Comp(x,y)为复合表面矢高。

6.根据权利要求1所述的一种个性化渐进镜片设计方法，其特征在于，在S4中，所述复合表面优化，包括：

设置复合表面形貌变量，通过多重结构编辑器对镜片视点采集设备获取的镜片视点数据构建多重结构，得到的适合佩戴者的复合表面形貌。

7.根据权利要求5所述的复合表面构建方法，其特征在于，在S4中，所述复合表面为Zernike Fringe矢高面，包含15项Zernike系数。

8.根据权利要求6所述的复合表面优化方法，其特征在于，在S4中，所述复合表面形貌变量为表面曲率半径和15项Zernike系数，且表面曲率半径和15项Zernike系数通过多重结构优化确定。