Hongliang Yaoa, Chunmei Zeng*A, B, Haomo Yuc
Asschule der optoelektronischen Wissenschaft und Ingenieurwesen, Soochow University, Shizi Street Nr. 1, Suzhou 215006, China; Bkey Lab of Advanced Optical Manufacturing Technologies der Provinz Jiangsu & Provinz Jiangsu &
Schlüssellabor der modernen optischen Technologien des Bildungsministeriums von China, Soochow University, Suzhou 215006, China; Csuzhou Mason Optical Co., Ltd., Suzhou 215007, China
* Korrespondierender Autor: Chunmei _ zeng@suda.edu.cn
ABSTRAKT
Speziell gestaltete Rahmenbrillen zeigten in klinischen Studien immer signifikanter Leistung bei der Prävention und Kontrolle der Myopie. Öffentliche Studien zur Modulation von Aberrationen hoher Ordnung im Zusammenhang mit Brillenrahmen bleiben jedoch knapp. Dieser Artikel entwirft Brillenlinsen mit Aberrationen hoher Ordnung und myopischer Defokusion durch Verknüpfung des Augenmodells und Rahmenbrillens und simuliert das optische Modell der Brille-Eye für 300-Grad-myopische Patienten. Wenn die Aberrationsmodulationseinheit mit hoher Ordnung nicht für die Brille festgelegt ist, entspricht der Defokusionswert der y-Achse-Richtung in einem -14 -Gregra-Feld der Änderung der Außenoberflächenleistung des Objektivdefokussions-Mikrolinsen unter statischer Feld, und das Defokusionswechsel des Außenflächenantriebs des strukturellen Fachfelds des Stogels der Defokusionseinheit. reichen von -28. 5 Grad ~ 28,5 Grad (bei 1 Grad -Schritten). In diesem Artikel wurde die Korrelation zwischen dem Radius der Basisbogenkrümmung der torischen Mikrostruktur der Aberrationsmodulationseinheit in hoher Ordnung und Aberrationen hoher Ordnung in der entworfenen Brille unter statischer Beobachtung in der y-Region in hoher Ordnung erörtert. Entsprechende empirische Formeln wurden festgelegt. Diese Forschung wird der Entwicklung von Aberrationsmodulationsbrillen mit hoher Ordnung förderlich sein.Schlüsselwörter:Aberrierungsmodulation mit hoher Ordnung, Myopieprävention und -kontrolle, Augenmodell, Brille Design
1. Einführung
Eine systematische Follow-up-Studie [1] zeigt, dass in den letzten 15 Jahren die Inzidenzrate der Myopie in Ostasien rasch gestiegen ist, was sich nun weltweit ausbreitet. Die Progressionsrate der Myopie variiert zwischen verschiedenen Altersgruppen, wie in Abbildung 1 gezeigt: Die Progressionsrate von Myopie bei Kindern im Alter von 6 bis 9 ist {-0. 50 bis -1. Der durchschnittliche jährliche Fortschreiten der Myopie bei den meisten myopischen Patienten wird sich im Laufe der Zeit verlangsamen, wobei die meisten Personen vor dem 20. Lebensjahr stabilisieren. Das Internationale Myopia -Institut (IMI) berichtete, dass ungefähr 87% der Kinder, die im Alter von 11 Jahren an einem hohen Myopie im Alter von 11 Jahren an Myopia leiden, im Alter von 7 Jahren oder jüngerer Myopien auf vier Jahren oder mehr Jahre aufweisen. Daher ist die frühzeitige Prävention von Myopie bei Kindern und Jugendlichen im schulpflichtigen Alter von entscheidender Bedeutung, um die Sehbehinderung in der Zukunft zu verringern.
Abbildung 1. Brechungsverschiebung zwischen myopischen Kindern nach Alter [2].
Vierte internationale Konferenz über Optik und Bildverarbeitung (ICOIP 2024), herausgegeben von Xiaotao Hao, Chuan Qin, Proc. von Spie Vol. 13254, 132541c © 2024 SPIE · 0277-786 x · doi: 10.1117/12.3039156
Proc. von Spie Vol. 13254 132541 c -1
Frühere Untersuchungen zu Aberrationen mit hoher Ordnung (HOAs) des menschlichen Auges haben sich hauptsächlich darauf konzentriert, wie sie sie korrigieren können (wie Suliman et al. Entwurf von weichen Kontaktlinsen im Jahr 2019 [3]), die Beziehung zwischen HOAs und Augenfaktoren [4,5], Hornhautumformungsoperationen unter Verwendung hoher Ordnung und der Einfluss von HOAs auf die Behandlung von Augenfehlern [6]. Es gab Hinweise darauf, dass HOAs signifikant mit der Myopie -Progression und der axialen Dehnung bei myopischen Kindern verbunden sind, die mit monofokalen Brillen korrigiert sind [7]. Angesichts der Vorteile von hoher Beliebtheit, kostengünstigen, nicht invasiven Natur und einem einfachen Austausch von Rahmenbrillen bietet die Erforschung ihres Potenzials für die langsame Myopie-Fortschritte bei Kindern und Jugendlichen einen einzigartigen Vorteil. Und Multi-Point-Myopie-Defokus-Brille: Mit einem zentralen Bereich, der ein klares Sehen korrigieren kann, sind die Mikrolensen um die Linse angeordnet, um eine periretinale Myopie-Defokus zu erzeugen, wodurch das Fortschreiten der Myopie verzögert wurde. Diese Technologie wurde erfolgreich kommerzialisiert. Ferne versucht diese Studie, Brillenlinsen zu entwerfen, mit denen Aberrationen hoher Ordnung auf der Grundlage der myopischen Defokusion modulieren können.
2. Methodik
2.1 Augenmodell
Die Grundlage der Studie bestand darin, das Grundauge mithilfe der optischen Designsoftware Zemax zu simulieren. Das Basisauge wurde basierend auf dem Liou -Augenmodell [8] modifiziert, wobei in Tabelle 1 beschriebene Strukturparameter beschrieben wurden. Das Augenmodell wurde mit einer axialen Länge von 23,97 mm und einem Pupillendurchmesser von 4 mm entworfen. Um die Analyse zu optimieren, haben wir keine Neigung oder Exzentrizität am Schüler angenommen.
Tabelle 1. Strukturparameter für Augenmodell.
Die vordere Oberfläche der Linsenfront und der virtuellen Oberfläche basiert auf der Standardoberfläche, und der Brechungsindex n des Mediums kann frei definiert werden, wie in der Formel (1) gezeigt.
In Tabelle 1 entspricht der Grad A auf der vorderen Oberfläche des Objektivs N 0=1. 368, nr {2=-1. 978*10-3, nr {4=0, nr {{7}, nz {{{{{8}. nz 2=-1. 5427*10-2, nz 3=0; Die Grad B auf der virtuellen Oberfläche entspricht N 0=1. 407, nr 2=-1. 978*10-3, nr 4=0, nr 6=0, nz {{{{{}} {{{{{}}, {{{{{}}, {{{{{{}}. nz 3=0.
2.2 Wellenfront Aberration menschlicher Augen
In der Optometrie werden die ersten 6 Ordnungen von Zernike -Polynomen hauptsächlich verwendet, um die Wellenfrontaberrationen des menschlichen Auges darzustellen. Die von der Optical Society of America (OSA) [9] festgelegten Wellenfront -Aberrationen entsprechen den in Tabelle 2 beschriebenen Zernike -Standardkoeffizienten in der Zemax -Software. Dieser Ansatz ermöglicht eine präzise und standardisierte Darstellung von Augenaberrationen, wodurch eine genauere Simulation und Analyse ermöglicht wird.
Tabelle 2. Bedeutung des Zernike -Standardkoeffizienten Aberration in Zemax.
3. Modelle und Daten
(Sehkorrekturbereich) kann die kugelförmigen und zylindrischen Brechungsfehler korrigieren, die bei Myopiepatienten typisch sind. Es ist nach dem Brillenrezept des Patienten entworfen. 2, Myopie -Defokuseinheit (verteilt mit mehreren konvexen sphärischen Mikrolensen, die in einem kreisförmigen Array angeordnet sind), was einen gewissen Grad an Myopie -Defokus erzeugt; 3 Die Aberrationsmodulationseinheit mit hoher Ordnung besteht aus mehreren Ringstrukturen, die an der Regulierung der HOA des menschlichen Auges beteiligt sind. Das schematische Diagramm der äußeren Oberfläche der Brillenlinse ist in Abbildung 2 (a) dargestellt, wobei die Anzahl der Kurven und die Reihenfolge der Bande von der Mitte der Linse bis zur Kante zunehmen; Die Anordnungsbeziehung der drei optischen Einheiten ist in Abbildung 2 (b) dargestellt, wobei R den radialen Abstand darstellt, der sich in der Xoy -Ebene befindet; Die myopischen Defokusionseinheiten sind einheitlich auf den Umfang verteilt, und die Verteilungsintervalle in derselben radialen Entfernung werden durch die Länge der Einheitenbogenbogen dargestellt. Die Einstellung der Länge der Einheitenbogenbogen kann die Anzahl der Einheiten an jedem Ring der Einheitsmikrolinse steuern. Die Länge der Einheitenbogenbogen, der Ringabstand D, der Durchmesser D2 der defokusionierten Einheiten -Mikrolinse und die radiale Breite D3 des Ringbandes bestimmen gemeinsam die Dichte der Mikrostruktur am Brillenobjektiv.
Abbildung 2. (a: links) Schematisches Diagramm von Brillenlinsen; (b: rechts) Schematisches Diagramm von drei Einheitenlayouts in der Xoy -Ebene.
STEP1: Unter der Annahme, dass die Verschreibung eines myopischen Patienten kugelförmiger Diopter (3 D) und zylindrisches Diopter (0 D) ist, manifestiert sich das Myopiewachstum des Patienten nur als axiale Myopie. Basierend darauf wurde ein myopisches Augenmodell entworfen, das idealerweise Veränderungen in der Länge der Glaskörperhöhle verwendet kann, um Änderungen des Myopiegrades im Augenmodell widerzuspiegeln. Gemäß der Verschreibung wurde ein einzelner fokussierter helles Halbmond -negativer Objektiv als primäre Spiegeleinheit mit kugelförmigen inneren und äußeren Oberflächen ausgelegt. Der Durchmesser des Mutterspiegels beträgt 60 mm, wobei eine mittlere Dicke von 1,3 mm ausgewählt ist; Das Mutterspiegelmaterial besteht aus Polycarbonat (PC) mit einem Brechungsindex von 1,56, einer Abbe -Anzahl von 37 und einem spezifischen Gewicht von 1,23 g/cm3. Die umfassenden Strukturparameter sind in Tabelle 3 zusammengefasst.
Tabelle 3. Strukturparameter der Mutterspiegeleinheit.
In Zemax wurde der Apertyptyp auf eine schwimmende Aperturgröße mit einem Pupillendurchmesser von 4 mm eingestellt, und der Zehentyp wurde auf einheitlich eingestellt; Stellen Sie drei Ansichtsfelder fest (FOV) und stellten ihre Gewichte entsprechend ein: Das 0 -Graining FOV in der y-Richtung erhielt ein Gewicht von 1, 1 0 Grad FOV ein Gewicht von 0. Unter hellem Sehvermögen nahm die Wellenlänge eine einzelne Wellenlänge von 0,555 μm an. Die anderen Daten basierten auf den grundlegenden Augenmodelldaten in Tabelle 1. Die Glaskörperdicke des Augenmodells wurde als Variable behandelt, und die Mutterlinse wurde 12 mm vor dem Hornhautscheitelpunkt platziert, um das optische Modell der Brille-Eye zu optimieren. Diese Konfiguration führte zu einer Glaskörperlänge von ungefähr 17,306 mm und einer Gesamtlänge des Auges von 25,036 mm.
SCHRITT2: Auswählen eines FOV mit y-Richtung 14 Grad als Hauptstrahlrichtung für die nachfolgende optische Einheitdesign mit dem gleichen Material wie die Mutterspiegeleinheit. Zunächst war es notwendig, die y-Regisseur-Koordinate zu bestimmen, wenn sich das Hauptlicht außerhalb der Sichtachse mit der äußeren Oberfläche des Primärspiegels überschneidet, um den radialen Abstand zu bestimmen, wenn der normale Mikrostrukturscheitel in der y-Regisseur des ersten Kreises der Mikroroolenen in der myopischen Defokuseinheit mit der mit der OUTER-Oberfläche des Atters gedrückten Kreises der Mutterspiegel gedreht wird. Dann bestimmte die Apertur des Sichtfelds auf der äußeren Oberfläche des Mutterspiegels, wie in dem lokal vergrößerten Bild in Abbildung 3 dargestellt. Unter Verwendung der Reay- und Reaz -Operanden in Zemax in Kombination mit normalisierter FOV und normalisierter Pupil -Einstellungen war der Radialentfernung R 3,8 {{}}} 2 mm, ∆y, ∆y. Nach dem pythagoräischen Satz war die Blende des Strahls durch die y-Richtung außerhalb der Achse bei -14 Grad auf der äußeren Oberfläche des Mutterspiegels ungefähr 4,3186 mm.
Abbildung 1. Teilschematikdiagramm des Sichtfelds außerhalb der Achse für die Lichtübertragung.
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 the vector Die Höhe vom Scheitelpunkt der Mikrolinse bis zur äußeren Oberfläche des Mutterspiegels wird als G2 bezeichnet. Die Mittelposition der Mikrolinse kann durch die Länge F2 und den Drehwinkel 𝜃 bestimmt werden, der unter Verwendung der folgenden Formel berechnet werden kann:
Abbildung 4. Teilschema -Diagramm des Sichtfelds außerhalb der Achse für die Lichtübertragung.
Setzen Sie die Oberflächenform der Defokuseinheits -Mikrolinse als kugelförmige (opische Leistung von 6 d und einen Durchmesser von 2 mm) ein, und der radiale Abstand des ersten Mikrostrukturkreises beträgt 3,802 mm; Die anfängliche Oberflächenform der äußeren Oberfläche der Ringbandmikrostruktur der Aberrationsmodulationseinheit mit hoher Ordnung wurde als Torik mit einer Basisbogenleistung von 4 T und einem radialen Proc eingestellt. von Spie Vol. 13254 132541 c -5 Breite von 1,5 mm (d3). Das Berechnungsprinzip der mittleren Position des Basisbogens der YOZ -Ebene torische ist dieselbe wie die Formel (2) bis (4). Die mittlere Position des Basisbogens kann durch die Länge F3 und den Rotationswinkel 𝜃 bestimmt werden. mit dem Krümmungsradius (R3) und der Vektorhöhe (G3) vom Scheitelpunkt des Basisbogens auf der äußeren Oberfläche zur äußeren Oberfläche des Mutterspiegels. G 2=3. 572 μm, G 3=1. 004 μm, das Intervall zwischen benachbarten Ringstreifen wurde auf 3,8 mm festgelegt, die Brillenlinsen werden mit 6 Ringen und einer Länge von 4 mm eingestellt. Die Referenzdaten für die Mikrostrukturposition waren in Tabelle 4 beschrieben.
Schritt 3: Die Verwendung der 3D -CAD -Software SolidWorks hat die Modellierung der anfänglichen Brillenlinsen abgeschlossen. Die Haupt- und linke Ansichten wurden in Abbildung 5 dargestellt, und der Durchmesser der zentralen Sehkorrekturfläche der anfänglichen strukturellen Mutterlinse beträgt etwa 5,604 mm.
Tabelle 4. Positionsdaten der YOZ-Querschnittslinsenmikrostruktur.
Abbildung 5. Erststruktur von Brillenlinsen - vordere und linke Aussicht.
4. Ergebnisse und Analyse
Die Untersuchung der optischen Leistung der Brillenlinse, die zunächst nur das Mutterobjektiv enthielt, ergab, dass der Defokuswert in der y-Achse-Richtung bei einem -14 Grad FOV im statischen Feld der Sichtweise des Gläseraugemodells 0}. Angesichts der Tatsache, dass die Kraft der äußeren Oberfläche des Mutterspiegels 2 Tage beträgt, haben wir uns entschieden, einen Bereich von optischen Leistungen für die äußere Oberfläche der myopischen Defokuseinheit zwischen 4 und 10 Tagen zu untersuchen, wobei wir in 1 T-Schritten zunehmen, ohne eine Aberrationsmodulationseinheit mit hoher Ordnung einzubeziehen. Die beobachtete Defokus-Situation wurde in Tabelle 5 zusammengefasst. Die Daten zu Z4-Defokus zeigten eine lineare Beziehung, sodass wir die Formel (5) zur Schätzung des Wellenfront-Defokus unter variierenden Kräften des äußeren Oberflächens der myopischen Defokuseinheit in der statischen Beobachtung y-Regisseur {-14 -Gregraaten verwenden. Hier diente der optische Leistungswert x der äußeren Oberfläche der myopischen Defokuseinheit als unabhängige Variable, während der entsprechende Z4 -Defokuswert als abhängige Variable fungierte.
Tabelle 5. Statische Ansichtsfeld Achse -14 Grad der Ansichtsdefokusdaten mit Änderungen der optischen Leistung.
Stellen Sie die externe Oberflächenleistung der Defokuseinheit-Mikrolinse auf 6 Tage ein, ohne eine Aberrationsmodulationseinheit hoher Ordnung festzulegen. Die Defokus -Variation des statischen vertikalen Sichtfelds von -28. 5 Grad bis 28,5 Grad mit einer Schrittgröße von 1 Grad, wie in Abbildung 6 dargestellt. In diesem Artikel zeigt der positive Wert von Z4 an, dass sich die Defokusmenge vor der Netzhaut befindet, während der negative Wert von Z4 angibt, dass die Defokusmenge hinter der Netzhaut positioniert ist. Aufgrund der Symmetrie der Linsenanordnung ist die Defokusverteilung im vertikalen Sichtfeld ungefähr symmetrisch, während die Defokussituation im horizontalen Sichtfeld ähnlich ist.
Abbildung 6. Statisch vertikales Sichtfeld Defokusänderungskarte.
Die anfängliche Struktur der Defokuseinheit des Mutterspiegels und der Myopie blieb unverändert, während die radiale Breite der toroidalen Oberflächenmikrostruktur der Aberrationsmodulationseinheit höherer Ordnung aufrechterhalten wurde, und der Basisbogenkrümmungsradius des Toriks wurde geändert. Dies zielte darauf ab, die Beziehung zwischen dem Radius-Radius R3 der Basisbogen zu analysieren, und die Aberrationsmenge höherer Ordnung bei der Beobachtung des y-Regisseur -14 Grad-Grad-Feld am statischen.
Die Studie wählte insgesamt 9 Datenpunkte aus, einschließlich der Basiskurvenkräfte von 3,7 d, 4 d, 4,5 d, 5 d, 5,5 d, 6 d, 7 d, 8 d und 9 d, um eine reibungslose Abnahme des berechneten Krümmungsradius zu gewährleisten. Wenn die Basiskurvenleistung 10 Tage betrug, ist der höchste Punkt auf der Außenfläche der mikrolinischen mikrolinsen der Defokuseinheit niedriger als der der Mikrostruktur der Aberrationsmodulationseinheit mit hoher Ordnung, die nicht mit der Modellierung übereinstimmt.
Zeichnete die Zernike Standard-Term-Koeffizientenwerte des Objektivs mit nur dem Mutterspiegel und der Defokus-Einheit in der y-Richtung bei einem -14 Grad FOV auf. Die RMS der Wellenfront -Aberrationswerte für den Massenzentrum in Zemax beseitigen die Auswirkungen von Verschiebung und Neigung. Durch die Beseitigung von RMS (Wurzelquadrat) der HOAs des Auges in diesem Feld kann festgestellt werden, dass sie 0. 932937 λ (0. 555 μm) auf sechs Dezimalplätze gehalten werden. Zeichnete mehrere Aberrationskomponenten mit hoher Ordnung auf, die möglicherweise an der Verzögerung der Myopie beteiligt sein können, wobei ein Anfangswert als Zi 0 gekennzeichnet ist, wobei ich die Rangliste der Zernike-Standardbegriffe in Zemax darstellt. Das vertikale Koma Z7 0 war -0. 141717 λ, horizontaler Koma Z8 0 war {0. {0 001 λ, Tilted TREFOIL Z90 war {{{{15}. Z100 was 0 λ, Spherical aberration Z110 was -0.454283 λ, The horizontal secondary astigmatism Z120 was -0.005588 λ, Tilted secondary astigmatism Z130 was 0 λ, Second-order horizontal coma Z160 was -0. 000001 λ, vertikaler Coma z170 zweiter Ordnung war -0. 008084 λ, sekundäre kugelförmige Aberration Z220 war 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). Die Regressionsanalyse der Daten ergab, dass der Basisbogenkrümmungsradius R3 der toroidalen Oberfläche mit vertikalem Koma, gekipptem Trifoil, sphärischer Aberration, horizontaler sekundärer Astigmatismus, vertikaler Coma zweiter Ordnung, sekundärer sphärischer Aberration und Gesamtabgrenze der hohen Ordnung zusammenhängt. Abbildung 7 zeigt die Streuverteilungs- und Regressionslinien von sechs Aberrationsinkrems hoher Ordnung und R3, wobei das nähte Inkrement und das kugelförmige Aberrationsinkrement eine lineare Beziehung mit dem Basisbogenkrümmungsradius aufweisen, und das Inkrement nimmt mit dem Anstieg des Basis-Arc-Krümmungsradius ab. Das vertikale Koma-Inkrement, das horizontale sekundäre Astigmatismus-Inkrement, das vertikale Koma-Inkrement zweiter Ordnung, die sekundäre sphärische Aberrationsinkrements und die Gesamteinhöhung der Aberration mit hoher Ordnung sind nichtlinear mit R3 korreliert. Die empirische Formel ist aus den Gleichungen (6) ~ (12) zu ersichtlich. Es gibt keine signifikante Korrelation zwischen horizontalem Koma, horizontalem Kleeblatt, gekipptem sekundärem Astigmatismus, horizontalem Koma zweiter Ordnung und dem Radius der Krümmung R3. Es kann vorgestellt werden, dass die Fähigkeit, spezifische Aberrationen zu modulieren, indem die Krümmung der Mikrostruktur genau angepasst wird, das Potenzial zur Erstellung effektiverer und maßgeschneiderterer Brillenlinsen für das Myopia -Management.
Tabelle 6. Statische Beobachtung bei y-Regisseur -14 Grad der Ansichtsfeld hoher Ordnung Aberration Standard-Wellenfrontdaten.
Abbildung 7. Streudiagramme und Regressionslinien partieller Aberrationsinkremente hoher Ordnung als Funktion des Krümmungsradius des Grundbogens.
Stellte die Korrelation zwischen dem Krümmungsradius R3 des Basisbogens und der Wellenfrontaberration fest, die vom Zernike -Standardpolynom exprimiert wird (siehe Abbildung 7). Der Bereich von R3 liegt zwischen 62,222222 mm und 151,351351 mm, die empirische Formel lautete wie folgt:
In der Gleichung stellt der Beurteilungskoeffizient der Regressionsgleichung dar, und je näher sein Wert auf 1 liegt, desto höher ist der Grad der Anpassung der Gleichung.
5. Schlussfolgerungen
Dieses Papier zielt darauf ab, die Modulation von Aberrationen hoher Ordnung in entworfenen Brillen und deren Auswirkungen auf die myopische Defokusion zu untersuchen. Es schlägt ein Design vor, das das Augenmodell und die Rahmenbrille verknüpft, um das optische Modell für 300- Grad -myopische Patienten zu simulieren. Die Studie untersucht die Korrelation zwischen dem Radius der Basisbogenkrümmung der torischen Mikrostruktur der Aberrationsmodulationseinheit hoher Ordnung und Aberrationen hoher Ordnung unter statischer Beobachtung. Diese Forschung trägt zur Entwicklung von Aberrationsmodulationsbrillen mit hoher Ordnung bei und liefert wertvolle Einblicke in die Prävention und Kontrolle der Myopie.
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