Design av briller med høye ordens aberrasjon og nærsynt

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

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

Nøkkellaboratorium for moderne optiske teknologier i utdanningsdepartementet i Kina, Soochow University, Suzhou 215006, Kina; Csuzhou Mason Optical Co., Ltd., Suzhou 215007, Kina

* Tilsvarende forfatter: chunmei _ zeng@suda.edu.cn

ABSTRAKT

Spesialdesignede rammebriller har vist stadig mer betydelig ytelse i forebygging og kontroll i nærsynthet i kliniske studier. Imidlertid forblir offentlige studier på modulering av høye ordens avvik relatert til briller rammer. Denne artikkelen designer briller med høye ordens avvik og myopisk defokusering ved å koble øyemodellen og rammeglassene, og simulerer den optiske modellen til glassøyet i 300 graders myopiske pasienter. Når modulasjonsenheten med høy ordre aberrasjon ikke er satt til glassene, er den defokuserende verdien av y-aksen retning i et -14 grads synsfelt som tilsvarer endringen i den eksterne overflatekraften til linsen som defocuserende enhet mikrolens under statisk felt, og den defocusing-endringen av den ytre overflaten til den defokuserende enhetsmilen som er satt til set til set til set til set til set til set til set til set til set til set til set til set til set til set til set til set til set til set til set til å definere endring av den ytre overflaten til å definere en enhet som vises. -28. 5 grader ~ 28,5 grader (ved trinn på 1 grad). Denne artikkelen diskuterte sammenhengen mellom basebue-krumningsradius for høyordens aberrasjonsmodulasjonsenhetens toriske mikrostruktur og høye ordens avvik i den designet briller under statisk observasjon i Y-retningen. Tilsvarende empiriske formler er etablert. Denne forskningen vil bidra til utvikling av glass med høy ordenavvik.Nøkkelord:Høyordens aberrasjonsmodulasjon, forebygging av nærsynthet og kontroll, øyemodell, glassdesign

1. Innledning

En systematisk oppfølgingsstudie [1] viser at forekomsten av nærsynthet i Øst-Asia har økt raskt, en trend som nå sprer seg globalt. Progresjonshastigheten til nærsynthet varierer mellom forskjellige aldersgrupper, som vist i figur 1: Progresjonshastigheten til nærsynthet hos barn i alderen 6 til 9 er -0. 50 til -1. 00 diopters (d) per år, mens de {{{}} D/år. Den gjennomsnittlige årlige progresjonen av nærsynthet hos de fleste nærsynte pasienter vil avta over tid, med de fleste individer som stabiliserer seg før 20 år. International Myopia Institute (IMI) rapporterte i 2019 at omtrent 87% av barna som lider av høy nærsynthet i en alder av 11 utvikler myopia i en alder av 7 eller yngre, eller viste en myopia -progresjon i fire år eller mer [2]. Derfor er tidlig forebygging av myopi hos barn og unge i skolealder avgjørende for å redusere synshemming i fremtiden.

Figur 1. Brytningsskifte blant myopiske barn etter alder [2].

Fjerde internasjonale konferanse om optikk og bildebehandling (ICOIP 2024), redigert av Xiaotao Hao, Chuan Qin, Proc. av Spie Vol. 13254, 132541c © 2024 Spie · 0277-786 x · doi: 10.1117/12.3039156

Proc. av Spie Vol. 13254 132541 c -1

Tidligere forskning på høye ordens aberrasjoner (HOA) av det menneskelige øyet har hovedsakelig fokusert på hvordan man kan korrigere dem (for eksempel Suliman et al .'s utforming av myke kontaktlinser i 2019 [3]), forholdet mellom HOAer og øye-relaterte faktorer [4,5], Corneal-omforskyvning ved bruk av høye orden. Bevis antydet at HOA -er er betydelig knyttet til progresjon av nærsynthet og aksial forlengelse hos myopiske barn korrigert med monofokale briller [7]. Tatt i betraktning fordelene med høy popularitet, lave kostnader, ikke-invasiv karakter og enkel erstatning av rammeglass, og utforsker potensialet deres for å bremse nærsynthetsprogresjon hos barn og unge, gir en unik fordel. Og multi-punkts myopiedefokusdesignede briller: Med et sentralt område som kan korrigere tydelig syn, er mikrolensene anordnet rundt linsen for å produsere periretinal myopi-defokus, og dermed forsinke progresjonen av nærsynthet, har denne teknologien blitt kommersialisert. Langt, denne studien prøver å designe briller som kan modulere aberrasjoner med høy orden basert på myopisk defokusering.

2. Metodikk

2.1 Øyemodell
Grunnlaget for studien innebar å simulere det grunnleggende øyet ved hjelp av optisk designprogramvare ZEMAX. Det grunnleggende øyet ble modifisert basert på liou øyemodellen [8], med strukturelle parametere detaljert i tabell 1. Øyemodellen ble designet med en aksial lengde på 23,97 mm og en elevdiameter på 4 mm. For å effektivisere analysen antok vi ingen tilbøyeligheter eller eksentrisitet hos eleven.

Tabell 1.

Den fremre overflaten på linsefronten og virtuell overflate er basert på standardoverflaten, og brytningsindeksen n av mediet kan fritt defineres, som vist i formel (1).

I tabell 1 tilsvarer graden a på den fremre overflaten av linsen n 0=1. 368, nr 2=-1. 978*10-3, nr {{}}, nr {{} {{{{}. nz 2=-1. 5427*10-2, nz 3=0; Graden B på den virtuelle overflaten tilsvarer n 0=1. 407, nr 2=-1. 978*10-3, nr 4=0, nz {{23 {60} {25 {25 {25 {25 {25 {25} {25 {25} {25 {25} {25} {25} {25 {25} {25} { nz 3=0.

2.2 Bølgefront avvik av menneskelige øyne
I optometri brukes de første 6 ordrene med Zernike -polynomer hovedsakelig for å representere bølgefrontavviket i det menneskelige øyet. Bølgefrontavviket som er spesifisert av Optical Society of America (OSA) [9] tilsvarer Zernike Standard -koeffisientene i Zemax -programvare, som beskrevet i tabell 2.. Denne tilnærmingen gir mulighet for en presis og standardisert representasjon av okulær avvik, noe som letter en mer nøyaktig simulering og analyse.

Tabell 2. Betydning av Zernike standardkoeffisientavvik i Zemax.

3. Modeller og data
(Vision Correction Area) kan korrigere de sfæriske og sylindriske brytningsfeilene som er typiske hos nærsyntheter. Den er designet i henhold til pasientens resept på briller; 2, Myopia Defocus Unit (distribuert med flere konvekse sfæriske mikrolenser anordnet i et sirkulært utvalg), som produserer en viss grad av nærsynthetsdefokus; 3, er den høye ordens aberrasjonsmodulasjonsenheten sammensatt av flere ringstrukturer som er involvert i å regulere HOA for det menneskelige øyet. Det skjematiske diagrammet over den ytre overflaten av brilleren er vist i figur 2 (a), med antall svinger og rekkefølgen på båndet øker fra midten av linsen til kanten; Arrangementforholdet til de tre optiske enhetene er vist i figur 2 (b), hvor R representerer den radielle avstanden, som er lokalisert i Xoy -planet; De myopiske defokuserende enhetene er jevnt fordelt på omkretsen, og distribusjonsintervallene i samme radialavstand er representert med enhetsbuelengden. Innstillingen for enhetsbuelengden kan kontrollere antall enheter på hver ring i enhetens mikrolens. Enhetsbuelengden, ringavstand D, diameteren D2 på den defokuserte enhetsmikrolens, og den radiale bredden D3 på ringbåndet bestemmer i fellesskap tettheten til mikrostrukturen på brillerobjektivet.

Figur 2. (A: Venstre) Skjematisk diagram over linselinser; (B: høyre) Skjematisk diagram over tre enhetsoppsett i Xoy -planet.

Trinn 1: Forutsatt at reseptet av en myopisk pasient er sfærisk diopter (3 d) og sylindrisk diopter (0 d), er pasientens nærsynt vekst bare manifestert som aksial nærsynthet. Basert på dette ble en myopisk øyemodell designet, som ideelt sett kan bruke endringer i lengden på glasslegemet for å gjenspeile endringer i graden av nærsynthet i øyemodellen. I følge reseptet ble et enkelt fokus som ble igjen halvmåler negativ linse designet som den primære speilenheten, med sfæriske indre og ytre overflater. Diameteren til morspeilet er 60 mm, med en middels tykkelse på 1,3 mm valgt; Morspeilmaterialet er polykarbonat (PC), med en brytningsindeks på 1,56, abbe -antall på 37, og en spesifikk tyngdekraft på 1,23 g/cm3. De omfattende strukturelle parametrene er oppsummert i tabell 3.

Tabell 3. Strukturelle parametere for Mother Mirror Unit.

I Zemax ble blenderåpningen satt til en flytende blenderstørrelse med en elevdiameter på 4 mm, og tåtypen ble satt til uniform; Angi tre synsfelt (FOV) og justerte vektene sine deretter: 0 graden FOV i y-retningen ble gitt en vekt på 1, 1 0 grad FOV en vekt på 0. 2, og 14 grader FOV en vekt på {0. Under lys syn tok bølgelengden en enkelt bølgelengde på 0,555 μm. De andre dataene var basert på de grunnleggende øyemodelldataene i tabell 1. Den glasslegeme tykkelsen på øyemodellen ble behandlet som en variabel, og morlinsen ble plassert 12 mm foran hornhinnen for å optimalisere den optiske modellen til glassøyet. Denne konfigurasjonen resulterte i en glassaktig kroppslengde på omtrent 17,306 mm og en total aksial lengde på øyet på 25,036 mm.

Trinn 2: Velge en FOV av Y-retning 14-grad som den viktigste strålingsretningen for påfølgende optisk enhetsdesign, med samme materiale som Mother Mirror-enheten. Opprinnelig var det nødvendig å bestemme Y-retningskoordinaten når hovedlyset utenfor synsfeltet krysser aksen med den ytre overflaten av det primære speilet, for å bestemme den radielle avstanden når normalen til den første mikrostrukturen Vertex i Y-retningen på den første sirkelen av mikrolens i den myopiske defokusenheten krysset med den overflaten til moderspeilet; Bestemte deretter blenderåpningen til synsfeltet på den ytre overflaten av morspeilet, som avbildet i det lokalt forstørrede bildet i figur 3. Ved bruk av reay- og reaz -operandene i Zemax, kombinert med normalisert FOV og normalisert elevinnstillinger, var radialavstanden r 3,8 {∆ ∆}} 2 mm, ∆y var 4318 ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆. I følge Pythagorean teorem passerte åpningen av strålen gjennom Y-retningen utenfor aksen ved -14 grad FOV på den ytre overflaten av morspeilet var omtrent 4,3186 mm.

Figur 3. Delvis skjematisk diagram over av Axis -synsfeltet morspeil for lysoverføring.

Posisjonsforholdet mellom mikrolensene til den første sirkelen til myopiets defokus -enhet og den ytre overflaten av morspeilet i Yoz -plan Vektorhøyde fra toppunktet til mikrolinsen til den ytre overflaten av morspeilet er betegnet som G2. Mikrolensposisjonen kan bestemmes av lengden F2 og rotasjonsvinkelen 𝜃, som kan beregnes ved å bruke følgende formel:

Figur 4. Delvis skjematisk diagram over av Axis -synsfeltet morspeil for lysoverføring.

Sett overflateformen til defokusenheten mikrolens som sfærisk (opisk kraft på 6 d og en diameter på 2 mm), og den radielle avstanden til den første sirkelen av mikrostruktur er 3,802 mm; Den opprinnelige overflateformen på den ytre overflaten av mikrostrukturen med høy orden av aberrasjonsmodulasjonsenhet ble satt som torisk med en basebue -effekt på 4 d og en radial proc. av Spie Vol. 13254 132541 c -5 bredde på 1,5 mm (d3). Beregningsprinsippet for sentrumsposisjonen til basebuen til Yoz -planet toric er det samme som formel (2) til (4). Senterposisjonen til basebuen kan bestemmes av lengden F3 og rotasjonsvinkelen 𝜃. med krumningsradius (R3) og vektorhøyden (G3) fra toppunktet til basebuen på den ytre overflaten til den ytre overflaten av morspeilet. G 2=3. 572 μm, g 3=1. 004 μm, intervallet mellom tilstøtende ringstrimler ble satt som 3,8 mm, briller linsene er satt med 6 ringer og en enhetsbue på 4 mm. Referansedataene for mikrostrukturposisjon var detaljert i tabell 4.

Trinn3: Bruk av 3D CAD -programvaren SolidWorks, fullførte modelleringen av de første brillerlinsene. Hoved- og venstreutsikt ble avbildet i figur 5, og diameteren til det sentrale synskorreksjonsområdet til det opprinnelige strukturelle morlinsen er omtrent 5,604 mm.

Tabell 4. Posisjonsdata for YOZ tverrsnittsobjektivmikrostruktur.

Figur 5. Opprinnelig struktur av briller - Linser foran og venstre.

4. Resultater og analyse

Undersøkelsen av den optiske ytelsen til brillerobjektivet, opprinnelig med bare morlinsen, avslørte at defokusverdien i y-aksen retning i en -14 grad FOV innenfor det statiske synsfeltet til glass-eye-modellen var 0} 047987 λ, indikatet at den faktiske bølgen. Gitt at kraften til den ytre overflaten av morspeilet er 2 d, valgte vi å utforske en rekke optiske krefter for den ytre overflaten av den myopiske defokus-enheten mellom 4 til 10 d, og øker i trinn på 1 d, uten å inkorporere en høyordens avviksmodulasjonsenhet. Den observerte defokus-situasjonen ble oppsummert i tabell 5. Dataene knyttet til Z4-defokus viste et lineært forhold, slik at vi kunne bruke formel (5) for å estimere bølgefront-defokus under forskjellige krefter på den myopiske defokus-enhetens ytre overflate i den statiske observasjonen y-retning {-14 grad. Her fungerte den optiske effektverdien X for den myopiske defokus -enhetens ytre overflate som den uavhengige variabelen, mens den tilsvarende Z4 -defokusverdien fungerte som den avhengige variabelen.

Tabell 5. Statisk visningsfelt -14 grad Field of View Defocus Data med endringer i optisk kraft.

Still den eksterne overflatekraften til defokusenheten mikrolens til 6 d, uten å sette en høyordens aberrasjonsmodulasjonsenhet. Defokusvariasjonen av det statiske vertikale synsfeltet fra -28. 5 grader til 28,5 grad, med en trinnstørrelse på 1 grad, som avbildet i figur 6. Koordinatens vertikale akse er defokusmengden i form av bølgefrontavvik. I denne artikkelen indikerer den positive verdien av Z4 at defokusmengden er lokalisert foran netthinnen, mens den negative verdien av Z4 indikerer at defokusbeløpet er plassert bak netthinnen. På grunn av symmetrien til linsearrangementet, er defokusfordelingen i det vertikale synsfeltet omtrent symmetrisk, mens defokus -situasjonen i det horisontale synsfeltet er lik.

Figur 6. Statisk vertikalt synsfelt Defokus Endre kart.

Den opprinnelige strukturen til morspeilet og nærsynthetsdefokus-enheten forble uendret, mens den opprettholdt den radielle bredden på den toroidale overflatemikrostrukturen til den høyere ordens aberrasjonsmodulasjonsenheten, og basebue-krumningsradiusen til torikken ble endret. Dette hadde som mål å analysere forholdet mellom basebuekurvaturradius R3 og den høyere ordens aberrasjonsmengden når du observerer y-retningen -14 gradsfeltet ved statisk.

Studien valgte totalt 9 datapunkter, inkludert basekurvekreftene på 3,7 d, 4 d, 4,5 d, 5 d, 5,5 d, 6 d, 7 d, 8 d og 9 d, for å sikre en jevn reduksjon i den beregnede krumningsradiusen. Når basekurvekraften var 10 d, er det høyeste punktet på den ytre overflaten av den defokuserte enhetsmikrolens lavere enn for mikrostrukturen med høy ordre aberrasjonsmodulasjonsenhet, som ikke var i tråd med modellering.

Registrerte Zernike Standard Term-koeffisientverdiene til linsen med bare morspeilet og defokusenheten mikrolens i y-retningen ved en -14 grad FOV. RMS for bølgefrontavvikverdier for massesenteret i Zemax eliminerer effekten av forskyvning og vippe. Ved å eliminere dem, kan RMS (root Mean Square) av øynene i dette feltet bestemmes til å være 0. 932937 λ (0. 555 μm), opprettholdt til seks desimalplasser. Registrerte flere høye ordens aberrasjonskomponenter som kan være involvert i å forsinke nærsynthet, med en initialverdi betegnet som Zi 0, hvor jeg representerer rangeringsrekkefølgen til Zernike Standard Term-koeffisientene i Zemax. Den vertikale koma z7 0 var -0. 141717 λ, horisontal koma z8 0 var 0. {{36} λ λ λ, Tilted Trefoil Z90 Was {{1500} var 0 λ, sfærisk avvik Z110 var -0. 454283 λ, den horisontale sekundære Astigmatismen Z120 var -0. 005588 λ., Tilted Secondary Astigmatism Z130 var 0 λ. λ, andreordens vertikal koma Z170 var -0. 008084 λ, sekundær sfærisk avvik Z220 var 0,362791 λ.

Modellering av briller med forskjellige basebue-krumningsradier for modulasjonsenheter med høyere orden av aberrasjonsmodulasjon, og registrerer data med høyere ordenavvik i Y-retningen ved -14 grad FOV under statisk observasjon i glass-øye optisk system, som vist i tabell 6. (Zi-Zi 0). Regresjonsanalyse av dataene avdekket at basisbue-krumningsradius R3 på den toroidale overflaten var relatert til vertikal koma, vippet trefoil, sfærisk avvik, horisontal sekundær astigmatisme, andreordens vertikal koma, sekundær sfærisk avvik og total høye ordens avvik. Figur 7 viser spredningsfordelingen og regresjonslinjene med seks høye ordens avvikelsesøkninger og R3, der den vippede trefoiløkningen og sfærisk aberrasjonsøkning har et lineært forhold til basisbue-krumningsradius, og økningen synker med økningen av basebue-krumningsradiusen. Den vertikale komaøkningen, horisontalt sekundær astigmatismeøkning, andreordens vertikale komaøkning, sekundær sfærisk avvikingsøkning og total høye ordens avvik er ikke-lineært korrelert med R3. Den empiriske formelen kan sees fra ligninger (6) ~ (12). Det er ingen signifikant sammenheng mellom horisontal koma, horisontalt trefoil, vippet sekundær astigmatisme, andreordens horisontale koma og krumningsradius R3. Det kan tenkes at evnen til å modulere spesifikke avvik ved å justere krumningen av mikrostrukturen nøyaktig understreker potensialet for å skape mer effektive og tilpassede briller for nærsynthet for nærsynthet.

Tabell 6. Statisk observasjon ved y-retning -14 grads synsfelt Høyt ordensavvik standard bølgefrontdata.

Figur 7. Spredningsplott og regresjonslinjer med delvis høye ordens aberrasjonsøkning som en funksjon av krumningsradiusen til den grunnleggende buen.

Etablerte korrelasjonen mellom krumningsradiusen R3 i basebuen og bølgefrontavviket uttrykt av Zernike Standard -polynomet (se figur 7). Området for R3 er mellom 62.222222 mm og 151.351351 mm, den empiriske formelen var som følger:

I ligningen representerer domskoeffisienten for regresjonsligningen, og jo nærmere verdien er til 1, jo høyere er graden av montering av ligningen.

5. Konklusjoner

Denne artikkelen tar sikte på å undersøke modulering av høye ordens avvik i designede briller og deres innvirkning på myopisk defokusering. Den foreslår et design som kobler øyemodellen og rammer glass for å simulere den optiske modellen for 300- grad myopiske pasienter. Studien undersøker korrelasjonen mellom basisbue-krumningsradius for høyordens aberrasjonsmodulasjonsenhetens toriske mikrostruktur og høye ordens avvik under statisk observasjon. Denne forskningen bidrar til utvikling av glass for aberrasjonsmodulasjon av høy orden, og gir verdifull innsikt i forebygging og kontroll av nærsynthet.

Referanser

[3] Suliman A, Rubin A. Corrigendum: En gjennomgang av avskjed i høyere orden av det menneskelige øyet. Afrikansk visjon og øyehelse. 2019, 78 (1).

[4] Rebika D, Divya S, Murugesan V, et al. Biomekaniske egenskaper ved hornhinnen og okulære avvik i myopiske øyne. Indian Journal of Ophthalmology. 2023 15. desember.

[5] Hassan H, Shima M, Alireza J, et al. Assosiasjonen mellom okulære biometriske komponenter og hornhinneavvik. Klinisk eksperimentell optometri. 2023 16. oktober 1-7.

[6] KJL, JSV, Sin-Wan C, et al. Påvirkningen av ortokeratologiske kompresjonsfaktor på okulære høyere ordens avvik. Klinisk eksperimentell optometri. 2020,103 (1), 123-128.

[7] Hiraoka Takahiro, Kotsuka Junko, Kakita Tetsuhiko, Okamoto Fumiki, Oshika Tetsuro. Forholdet mellom høyere orden bølgefront avvik og naturlig progresjon av nærsynthet hos skolebarn. Vitenskapelige rapporter. 2017, 7 (1).

[8] Liou HL, Brennan n A. Anatomisk nøyaktig. Endelig modelløye for optisk modellering. OPT Soc AM A OPT Image Sci Vis. 1997 August 14 (8), 1684-95.

[9] Oftalmiske metoder for rapportering av optiske avvik av øyne. Ansi. Z80. 28-2017, 2017-08-21.