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渐进多焦点镜片的加工与检测 中文摘要 渐进多焦点镜片的加工与检测 中文提要 随着老龄社会的到来，中老年人的健康问题，尤其是视觉问题，越来越受到人们 的重视，而现代中老年人由于自身文化素质的提高、经济的发展，从健康和自我形象 上更趋年轻化而“老视”从字面上就是人生进入中老年的代名词，是无法回避的生 理现象单光镜是人们最早矫正老视的眼镜，但它不能兼顾视远与视近，使用中需要 频繁摘镜，很不方便。已有两百多年历史的双光镜是老视眼解决远、近距离兼用矫正 的有益选择，但对中问距离视物不清，而且镜片中有一条分隔线，影响美观和视野。 由此，渐进多焦点镜片应运而生。渐进多焦点镜片与传统形式镜片相比具有鲜明特点。 通过科学的设计，达到中央注视条件下，远、中和近距离全程视功能的实现。就视功 能矫正而言，这是任何一种传统镜片都无法替代的叫。 渐进多焦点镜片自1 9 5 8 年在法国诞生至今已有近5 0 年的历史在这期间，设计 者们经过不断地改进和创新，创建生产工艺，达到视觉和光学的高度统一。 国内在这方面的研究还处于起步阶段。本文首先通过比较内渐进多焦点镜片和外 渐进多焦点镜片，分析内渐进多焦点镜片的优点；再从内渐进多焦点镜片的数控加工 机床出发，介绍其基本结构、工作步骤及加工结果，并利用单因素实验法对加工后的 表面粗糙度进行实验研究。 然后，简单介绍了渐进多焦点镜片的几种检测方法，重点提出了哈特曼检测法。 分析了哈特曼法的理论依据，提出了实验总体设计方案，给出了该检测法的测试结果。 用本文介绍的加工方法生产出来的内渐进多焦点镜片已经被市场接受，并且得到 用户的认可。市场上已经出现采用本文提出的哈特曼法的检测仪器，并且在眼镜行业 得到了广泛的应用 关键词：渐进多焦点镜片屈光度哈特曼车削抛光 作者：秦琳玲 指导老师：余景池 渐进多焦点镜片的加工与检测 p r o c e s sa n dm e a s u r e m e n to fp r o g r e s siv ea d ditio nl e n s e s a b s t r a c t w i t l lt h ea r r i v a lo ft h ea g i n gs o c i e t y , p e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot h eh e a l t h p r o b l e mo fm i d d l e - a g e da n de l d e r l yp e o p l e ，p a r t i c u l a r l yt h ev i s i o np r o b l e m h o w e v e r , i n r e c e n t l yy e a r st h o s ep e o p l ea r eg o i n gt oy o u n g - o r i e n t a t i o ni nt e r m so fh e a l t ha n d s e l f - i m a g eo w i n gt ot h ei m p m v e m e mo fs e l f - q u a l i t ya n dt h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y p r e s b y o p i aw h i c hl i t e r a l l ym e a n s m i d d l e - a g e da n de l d e r l ye y e s ，i sp h y s i o l o g i c a l l y i n e v i t a b l e 1 1 圮o l d e s ts o l u t i o ni st h eu n i f o c a ll e n s e st h a ta l l o wt h ew e a r e rt of o c u so nn e a r o b j e c t sa g a i nb u tn o to ni n t e r m e d i a t eo rl o n g d i s t a n c eo b j e c t s p r e s b y o p e sn e e dt ot a k e t h e mo na n do f ff r e q u e n t l y l a t e rb i f o c a ll e n s e sw e l ei n 佃o d u c e da n da r ea l s os t i l li nu 辩 t h e ya l ec o m p o s e do ft w op a r t s e a c hp a r tc o r r e s p o n d st oas p e c i f i cd i s t a n c ev i s i o n , b u t b i f o c a ll e n s e sg i v ed i s c o 嘣肌o u sv i s i o nw i t hs t e p so fp o w e ra n di m a g ed i s p l a c e m e n t b c t x g e nt w od i f f e r e n tp a r t so ft h el e n s e sa n dh a v ev i s i b l el i n e so nt h el e n s e s t h e nt h e p r o g r e s s i v ea d d i t i o nl e n s e s0 a l ) a r ee m e r g e da st h et i m e sr e q u i r e t h r o u g hs c i e n t i f i c d e s i g n , p a lp e r m i tc l e a ra n dc e n t i n u o 岫v i s i o n 砒a l ld i s t a n c e t h e r ei sn os u h m t i n ef o r p a la sf a ra sv i s u a lf u n c t i o ni sc o n c e r n e d t h e r eh a sb e e nn e a r l y5 0y e a r ss i n c et h ef i r s tp a lw a sl a u n c h e di nf r a n c ei n1 9 5 9 d u r i n gt h i st i m e , d e s i g n e r s ，w h oa r ce n g a g e di nc e n t i n u a li m p r o v e m e n ta n du n i n t e r r u p t e d i n n o v a t i o nt oe s t a b l i s hp r o c e s st e c h n i q u e s , a r cg a i n i n gh i g h - u n i t yo nv i s i o na n do p t i c s t h es t u d y0 1 1p a li sa tt h es t a r ti nc h i n a f i r s t l y , t h e o r e t i c a la n a l y s i so fa d v a n t a g e so f i n t e r i o rp a li sp u tf o r w a r db yc o m p a r i n gt h ee x t e r i o rp a la n di n t e r i o rp a l t h e nt h e b a s i cs u u c t o r e ，w o r k i n gp r o c e d u r e sa n dp r o c e s s i n gr e s u l t so ff r e e f o r mc n cm a c h i n eo f m a k i n gi n t e r i o rp a l a r ei n t r o d u c e d m e a n w h i l e ，t h ee x p e r i m e n t sa r cc a r r i e do u tt oa n a l y z e t h ef a c t o r sa f f e c t i n gs o e f a c ct 1 d t g j l n e s 8 f i n a l l y , s e v e r a lm e a s u r e m e n t so f p a la r ed i s c u s s e dc o n c i s e l y , a n dt h eh a r t m a n nt e s t i sp u tf o r w a r de m p h a t i c a l l y t h et h e o r e t i c a lp r i n c i p l e sa l ea n a l y z e d , e x p e r i m e n ts e t u pi s p u tf o r w a r da n dt h em e a s u r e m e n tr e s u l t sa r eg i v e nh e r e i i 渐进多焦点镜片的加工与检测 a b s t m e t t h ei n t e r i o rp a lh a v eb e e nt a k e nb yt h em a r k e ta n db e e na c c e p t e db yt h eu s e r s t h e r eh a sb e e nm e a s u r e m e n ti n s t n a n e n tw h i c hi sa d o p t i n gh a r t m a n nt e s to nt h em a r k e t m o r e o v e r , t h ei n s t r u m e n th a sb e e na p p l i e dw i d e l ya m o n gl e n s m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y k e y w o r d s ：p r o g r e s s i v ea d d i t i o nl e n s e s ( p a l ) ；p o w e r ；h a r t m a n n ；t u r n i n g w r i t t e nb yl i n l i n gq i n s u p e r v i s e db yj i n g c h iy u 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导f ，独立 进行研究工作所取得的成果。除文l t j 已经注明引j j 的内容外，奉论文 不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏 州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本义的研究作 出重要贞献的个人和集体，均已在文巾以明确方标明。本人承担本 声明的法律责任。 研究生签名：磊兰盐佥日期：之军：! ：兰， 学位论文使用授权声明 苏州大学、中圉科学技术信息研究所、圉家图书馆、清乍人学论 文合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊弩) 论义的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：霪硷日期：理：兰兰 导师签名：燃h 期： 竺2 ：圣 渐进多焦点镜片的加工与检测 第一章眼镜光学 1 1 引言 第一章眼镜光学 眼镜是矫正眼球屈光不正、保护眼睛健康和提高视觉功能的一种特殊的医疗器 具，被誉为“光学药物”眼镜与每个人都有着密切关系，在每个人的一生中，或由 于屈光不正、或由于老视、或出于保健目的，几乎均需要配戴眼镜，眼镜已经成为体 现现代人生活质量不可缺少的部分“1 。 中国是一个近视大国，据不完全统计，仅大陆就有超过2 亿人配戴眼镜，而且多 数人拥有2 副以上的眼镜。眼睛是获得信息的最重要器官，为了矫正屈光不正，就必 然需要改善眼视光学系统。现在一般来说有这么两个办法，一个是对人眼的某个屈光 元件进行修正，比如激光对角膜进行手术治疗近视。还有一个办法就是配戴一个附加 光学系统进行屈光能力调整，就是眼镜。手术治疗眼睛屈光不正费用高昂，并且其长 期效用不明晰，所以人们矫正屈光不正还是以配戴眼镜为主。 眼镜光学是研究眼镜及其应用的一门科学，已经成为相对独立的专业方向，该专 业方向不仅涉及光学、材料学、生物化学，同时作为一种医疗器具，还与眼球生理学、 眼科学，视光学、双眼视觉学和医学心理学等有着不可分割的联系。随着科学的发展 和人们对视觉要求的提高，眼镜光学的内涵和外延都在不断发生变化，内容也在不断 扩增脚 随着多学科研究的交叉、融合，眼镜的新技术、新成果近年来一直层出不穷。两 个突出例子是非球面镜片和渐进多焦点镜片。非球面镜片不仅在成像质量方面解决许 多光学问题，在重量、镜片厚度等方面也达到了良好的效果。渐进多焦点镜片通过科 学的设计，实现了中央注视条件下，远距，中距和近距全程空间视功能的实现。本文 通篇讨论渐进多焦点镜片，这种新概念的光学镜片的诞生，使我们看到了人类视光学 领域的强大生命力，它将有着广阔的发展前景。 渐进多焦点镜片的加工与检测 第一章眼镜光学 1 2 人眼的生物特性习 人眼包括眼球、视路和眼附属器三部分。眼球近似球形，有如两个不同曲率半径 的球面对合而成，其前面曲率半径的中央部分是透明的角膜，其余大部分为白色的巩 膜。正常成人的眼球前后径平均为2 4 r a m 、垂直径为2 3 r a m 、水平径为2 3 5 m m 。 眼球有眼球壁和眼球内容物构成，从外至里，与视觉信息传递和反应有关的主要 结构构成如下，( 如图1 1 所示叫) ： 图1 - 1眼球结构简图 l 。角膜为稍向前凸的透明组织，略呈横椭圆形。角膜内无血管，以保持角膜的透 明性。 2 泪膜泪液被吸附在球结膜、睑结膜和角膜上皮上，面积为1 6 e r a 2 ，它润滑了整个 眼球前表面，有助于保持光滑的角膜前屈光表面。泪膜本身是透明的，并保持一 定的厚度，从光学的角度看，相当于一个透镜。 3 巩膜质地坚韧，呈乳白色，由致密且相互交错的胶原纤维组成，前接角膜，后 接视神经。 4 虹膜为圆盘状膜，自睫状体伸展到晶状体前面。虹膜的中央有一个2 5 - 4 m m 的圆孔称为瞳孔。受交感神经和副交感神经支配，瞳孔可以扩大或缩小，以调节 进入眼内的光线，从光学角度看，类似光学仪器中的全自动光阑。 2 渐进多焦点镜片的加工与检测 第一章眼镜光学 5 前房和后房前房的前界为角膜的后面，后界为虹膜和瞳孔区晶状体的前面，前 房内充满房水，容积约为0 2 m l ，前房中央部深约2 5 3 m m 。后房为虹膜后面、睫 状体内侧、晶状体悬韧带前面和晶状体前侧面的环形间隙，后房内充满房水，容 积约0 0 6 m l 。房水功能为营养角膜、晶状体及玻璃体，维持一定的眼内压。 6 晶状体形如双凸透镜，富有弹性。由晶状体悬韧带与睫状体联系，使其固定于 虹膜后面、玻璃体前面。前后两面交接处称晶状体赤道部，两面的顶点分别为晶 状体的前极和后极。 7 玻璃体为透明的胶质体，充满于玻璃体腔内，主要成分为水。玻璃体为重要的 屈光介质。此外，主要对视网膜和眼球壁起支持作用。 8 视网膜是一层透明的膜，后界位于视乳头周围，前界位于锯齿缘。视网膜后极 部有一直径约为2 m m 的浅漏斗状凹陷区，称为黄斑，其中央有一小凹，成为黄斑 中心凹，是视网膜上视觉最敏锐的部位。视网膜有丰富的血管、神经和视觉色素， 外界物体在视网膜上成像后，通过光化学反应，形成视觉神经冲动，经过多个神 经元传递，沿视路将视觉信息传读到视觉中枢，形成视觉 9 大脑中枢神经在视网膜上成像后，通过光一化学反应，形成视觉神经冲动，经过 多个神经元传递，沿视路将视觉信息传递到视觉即枢。 1 0 双眼视觉人类拥有两只眼睛，两只眼睛分别以细微偏差的角度注视物体，获得 三维空间信息，如立体视。两只眼睛在注视外界物体时，或静态注视、或运动扫 视、或会聚阅读，双眼非常协同，大脑同时获得分别来自左右眼的信息，进行融 合后获得精细的视觉，这就是双眼视觉。任何破坏双眼协同的问题，如斜视、隐 斜视等都会产生重要的视觉问题。 1 3 人眼的光学特性 从光学角度，可以将眼睛的角膜和晶状体作为这个复合光学系统的两个子系统， 其各个表面的中心近似位于共同轴，即光轴上。光轴通常交于视网膜黄斑中心凹鼻侧 并稍上方一点，在水平方向上为4 。5 。，而在垂直方向上略大于l 。哪。 1 角膜 角膜的前表面分隔着空气和角膜实质，角膜前表面的曲率半径约为7 7 m m ，角膜 渐进多焦点镜片的加工与检测第一章眼镜光学 实质的折射率为1 3 7 6 ，角膜后面与房水接触，曲率半径约为6 8 m m ，其形态类似新月 形透镜。角膜的折射力，根据c m l l s t r a n d 模型眼，角膜前表面折射力为4 8 8 3 d ，后表 面折射力为5 8 8 d 若考虑到厚度，则整个角膜的等价折射力是4 3 0 5 d 。 2 晶状体 晶状体形状类似双凸透镜，其前面离角膜前顶点约3 6 m m ，晶状体是眼球屈光介 质的重要组成部分，折射率约为1 4 4 ，对进入眼内的光线有折射功能，而且能滤去部 分紫外线，对视网膜有保护作用；眼的调节功能也主要靠晶状体来执行。如图1 2 所 示，无调节时，晶状体前表面的曲率为1 0 m m ，后表面的曲率为5 m m ，整个晶状体 的折射力为1 9 0 0 d 。当眼睛调节对近点聚焦时，晶状体折射力增加，主要是前表面曲 率增加，最大时达5 3 3 m m ，后表面曲率少许增加。晶状体就相当与一个非常灵敏的 调焦镜，不知不觉地进行飞速的调焦工作。正常状态下的晶状体，无论景物远近，都 能通过调节作用，使外界物体在视网膜清晰成像 图1 2 晶状体调节和无调节状态 3 模型眼、简化模型眼和简略眼 光线通过角膜和晶状体后，行进于玻璃体而到达视网膜，玻璃体的折射率与房水 的折射率相同，将上述角膜和晶状体的基本形态和折射力的平均值画出，并确定玻璃 体的深度平均值，可作成一种模型眼，便于从理论上研究眼球的光学成像。 模型眼参数基本包括了角膜和晶状体的前后等各个折射面的参数，并能用比较精 4 渐进多焦点镜片的加工与检测第一章眼镜光学 确的数据表示出眼球整体屈光状态的主点、节点和焦点，这样的模型眼称为精密模型 眼，如g u l l s t r a n d 精密模型眼。 为了方便临床计算或使用，可以简化眼睛光学系统，如g u a l l s t r a n d 简化模型眼， 其特征是分别使用单一曲面代表角膜和晶状体的整体效果。 在临床上，还可将简化模型眼再进一步简化，其中比较简单且比较普及使用的是 e m s l e y 改良简略眼。此种光学模型眼将所有的光学折射面综合成单一折射面，此折射 面于角膜后5 3 m m ，分隔空气和折射率为4 3 的媒质。折射面的折射力( d e ) 取6 0 0 0 d ， 所以，折射面的曲率半径为5 5 5 m m 1 4 人眼的屈光不正问题 ( 一) 球性屈光不正眼” 根据简略眼，眼由约+ 6 0 0 0 等价折射力的光学系统和其后面的接受屏幕视网 膜组成外来光线进入眼球后，经过眼球光学系统，到达视网膜的黄斑中心凹。视网 膜后极附近约l 。大小的区域，通称为中心凹，是视觉敏锐区，在此区域内感光细胞 密集，具有一对一的神经节细胞和神经纤维连接后传送到视觉皮层。 1 正视眼当眼调节静止时，外界的平行光线( 一般认为来f 1 5 m 以外) 经眼的 屈光系统后恰好在视网膜黄斑中心凹聚集，这种屈光状态称为正视( e m m e t r o p i a ) ， 即正视眼的远点为无穷远，如图1 3 ( a ) 所示。若不能在视网膜黄斑中心凹聚集，将不 能产生清晰像，称为非正视眼( a m e t r o p i a ) 或屈光不正( r e f r a c t i v ee r r o r ) 。正视与否 取决于眼球的屈光力与眼轴长度的匹配。 2 远视眼当调节静止时，外界的平行光线聚集在视网膜之后，称为远视眼 ( h y p e r m e t r o p i a ) ，如图1 3 嘞所示眼球屈光力过弱或眼轴过短，均可能发生远视。 3 近视眼当调节静止时，外界的平行光线聚集在视网膜之前，称为近视眼 ( m y o p i a ) ，如图1 3 ( c ) 所示。眼球屈光力过强或眼轴过长，均可能发生近视。 5 渐进多焦点镜片的加工与检测第章眼镜光学 ( a ) 正视眼 ( b ) 远视眼 1 5 眼镜矫正屈光不正 ( c ) 近视跟 图1 3 人眼的屈光不正 近视或远视是平行光线进入眼球后聚焦在视网膜前或后，因此我们需要将平行光 线发散或聚焦后进入眼球，即将平行光线通过镜片后聚焦在眼球的远点上嘲。 ( 1 ) 近视矫正负镜片( m i n s l e n s ) 使得光线发散，用于近视的矫正，如图1 4 ( a ) 所示，平行光线通过镜片后发散，聚焦在近视眼球的远点。 ( 2 ) 远视矫正正镜片( p l l l sl e n s ) 使得光线会聚，用于远视的矫正，如图1 4 所示，平行光线通过镜片后会聚，聚焦在远视眼球的远点。 眼镜除了能矫正以上的球性屈光不正，还能矫正非球性屈光不正，通常采用柱镜 或球柱镜。 渐进多焦点镜片的加工与检测 第一章眼镜光学 ( a ) 远视矫正 图1 4 眼镜矫正屈光不正 1 6 眼镜的历史和发展m 回顾眼镜的发展历史，可以追溯到我国春秋末年，齐国的工业技术官书 考工论 就有用凹面镜取火的记载，当时记载的是镜片的概念。眼镜片应该与“眼”有关，据 记载，一位荷兰玻璃吹制工人于1 6 0 0 年根据光的折射定律，制造了世界上第一架望远 镜，可以认为是首次通过镜片的方式使人眼在正常状态下看到原来无法看见的物体的 事件。 真正将镜片用于矫正人眼的屈光不正可能还是在中国，据考证，中国南宋时( 即 1 3 世纪前半叶) 已经发明了眼镜。根据d u k e e 1 d e r 所著的眼科全书介绍，马可一波罗 ( m a r c op o l o ，1 2 5 4 - 1 3 2 4 ) 于1 2 7 0 年到北京时，看到元朝( 忽必烈时代) 官吏戴凸透 镜阅读文件，遂将其带到威尼斯，由工匠设计仿制，因而使眼镜传入欧洲。 最初的可使用眼镜为手持式的单眼正透镜，一个镜片连接一个手柄，类似现在的 放大镜，后来制作成双眼排镜式，再后来用两根绳子系挂到耳朵上，然后逐步出现与 现代接近的镜脚。 镜片的材料最初使用的是天然水晶，随着玻璃工业的发展，玻璃材料逐步取代了 渐进多焦点镜片的加工与检测第一章眼镜光学 天然水晶。当几何光学知识和相关定律逐步被认识和应用后，人们发现镜片的屈光力 与镜片材料的折射率有关。开始出现不同类型、不同折射率的镜片材料，其中最具代 表性的是折射率为1 5 2 3 的皇冠玻璃( 又称冕牌玻璃) ，它成为了以后玻璃材料或折 射率标准的对照材料。为了减轻镜片重量或减薄镜片的厚度，出现了高折射率的玻璃 镜片。随着航空业的发展，一些原本为航空领域研制和发展的材料逐渐被民用，其中 典型的例子就是树脂材料，如哥伦比亚树脂材料的3 9 号( c o l u m b i a nr e s i n3 9 ，c r 3 9 ) ， 聚碳酸酯( p o l y c a r b o n a t e ，p c ) ( 又称宇宙片或者太空片) 等，这些材料在眼镜领域的 应用可以说为眼镜材料带了了革命性发展，不仅达到了轻、薄的要求，更重要的是从 医学的角度使镜片材料更为安全、健康，使视觉更加清晰等。 眼镜的发展还体现在镜片表面镀膜技术的改进和临床应用上，镀膜从最初的耐磨 损膜( 又称加硬膜) 到单层减反膜，逐步发展到由耐磨损膜、多层减反射膜、憎水膜 ( 又称抗污膜) 等组成的复合膜，从生理和视觉角度减少了反光和眩光，滤过了紫外 线等，从外观角度更加完美，从物理角度提高了镜片的耐用性。 镜片的设计从原始的球面镜片发展到现在的非球面、消像差功能等镜片从屈光 矫正的临床研究发展，球性或球柱镜片作为放置在眼外的镜片与眼球共同组合成光学 系统后，也会产生另一些光学问题，如像差等，从而影响了成像效果。随着多学科研 究的交叉、融合，如数学、光学和电脑应用，使得非球面设计更优化，不仅在成像质 量方面解决许多光学问题，在重量、镜片厚度等方面也达到了良好的效果，眼镜的新 技术、新成果近年来一直层出不穷。 在眼镜片设计方面的另一个突出例子就是矫正老视的镜片，长久以来，老视矫正 一直沿用了阅读附加的方式，这方面突破性的进展首先是出现了双光镜片；随之出现 了能看远、看中和看近的三光镜片；2 0 世纪5 0 年代出现了渐进多焦点镜片( 即一种能 满足不同距离注视要求的镜片) ，虽然最初的设计存在诸如周边变形等许多问题，但 随着电脑设计的发展、临床经验的积累和对眼球运动、调节和集合等方面的认识进一 步加深，更符合眼睛视觉生理的渐进多焦点镜片层出不穷。 眼镜的发展还包括框架材料和框架设计的发展，从而使眼镜在安全、轻巧、舒适、 时尚等方面都不断进步。眼镜各部分的发展，使其成为既具备视觉矫正功能、又符合 眼部和脸部生理，同时还具备时尚美学的特殊医疗器具，从而具备巨大市场发展潜力， 如图1 5 。 8 渐进多焦点镜片的加工与检测 第一章眼镜光学 1 7 课题研究意义 图1 5 眼镜历史的发展线索图 眼睛是人体宝贵的器官，而眼镜则是矫正眼球屈光、保护眼睛健康和提高视觉功 能的一种特殊的医疗器具。 中国是世界上最早制造眼镜的国家之一，也是最具潜力的眼镜市场之一然而， 中国的眼镜行业技术发展缓慢，特别是对新技术、新成果的研究，与国际眼镜行业有 很大的差距，仍具有广泛的发展空间。 本课题首先对渐进多焦点镜片的视光学进行详细的介绍和分析，了解该镜片将会 越来越受到人们的亲睐，具有巨大的潜在市场。渐进多焦点镜片加工与检测的研究对 眼镜制造业和眼镜服务业具有指导意义。 加工方面，本课题采用高精度的自由曲面数控机床加工内渐进多焦点镜片，这种 加工方法可靠、方便，加工效率和精度高主要对该加工工艺进行了实验研究，分为 车削阶段和抛光阶段两部分这些实验结果，对实际加工生产具有参考价值。 检测方面，本课题研究了测量原理简单，实验操作方便的哈特曼检测法。重点讨 论了该测量方法的测量原理、屈光度补偿、实验总体方案及测试结果。该测量方法具 有测量精度高、速度快、成本低、使用方便等优点，将可能在眼镜服务行业中得到广 泛的应用。 渐进多焦点镜片的加工与检测 第二章渐进多焦点镜片视光学 第二章渐进多焦点镜片视光学 2 1渐进多焦点镜片的发展 2 1 1 渐进多焦点镜片的历史和发展 1 9 0 7 年英国视光师o w e na v e s 首次提出渐进多焦点镜片的构思，1 9 1 0 年h e n r y o r f o r dg o w l l a n d 在加拿大设计制作类似的镜片，但是由于技术限制，并没有获得实践 上的成功。法国光学师兼工程师b e r n a r dm a i t e n a z 于1 9 5 9 年获得突破性进展，研制出 真正适合临床配戴的第- - 置, j 现代概念渐进多焦点镜片，其在视觉矫正概念上的创新使 它赢得了世人的关注，不久就被推广到整个欧洲大陆和北美洲。 随着计算机和临床应用研究的发展，先进技术软件和仪器应用于眼镜片的设计和 开发，使渐进多焦点镜片设计取得了巨大的发展，总的趋势是：由早期单一、硬式、 对称、视远区球面设计向当代多样、软式、非对称、视远区非球面设计发展。在最初 的渐进多焦点镜片，人们考虑的主要是数学、机械、光学上的问题，随着对视觉系统 更加全面地了解，现代和未来的渐进多焦点镜片的设计将日益关注渐进多焦点镜片与 生理光学、人体工程学、美学、心理、物理学的联系。 由于技术革新的加快，渐进多焦点镜片更新换代的速度也越来越快。从2 0 世纪5 0 年代第l 副现代渐进多焦点镜片开始到7 0 年代，属于第l 代设计。到了7 0 年代中期，视 觉生理的研究进展促使早期软式设计作为第2 代渐进多焦点镜片应运而生，直至2 0 世 纪8 0 年代中期出现第3 代产品。2 0 世纪9 0 年代强调舒适视觉的第4 代渐进多焦点镜片作 为比较成熟的设计成为主流，2 0 0 0 年现代软式设计的第5 代渐进多焦点镜片重视了运 动视觉的需要，渐进区短而宽，像差得到更有效控制，有效视野更为增加。在2 0 0 3 年末，已经把个体眼动参数结合到镜片设计上，进一步做到“个性化设计”( c u s t o m i z e d d e s i g n ) 嘲。 结合双眼视觉眼动参数的现代软式设计镜片将成为新的渐进多焦点镜片主流。到 目前为止，问世的渐进多焦点镜片基本都是采用b e r n a r dm a i t e n a z 的设计原理，即改 变镜片前表面的曲率。一些处于前沿的设计研究者已经成功将渐进区转移到镜片后表 面，这种变化将使得散光像差变化梯度更小，渐进区和眼睛更近而使视野更大。 1 0 渐进多焦点镜片的加工与检测第二章渐进多焦点镜片视光学 还有一些处于实验阶段的研究试图使渐进多焦点镜片设计发生划时代的进步：液 晶镜片和渐变折射率镜片。液晶镜片通过电子技术使镜片材料折射率发生连续交化， 而渐进折射率镜片希望将不同折射率材料融合在同一镜片上而产生预期的变化。这些 理念需要在光学性能、机械稳定性和外观上进一步改进以实现其面世的可能性。 2 1 2 渐进多焦点镜片的市场需求 经过几次重大的革新，成熟的渐进多焦点镜片设计种类日益增多，配戴人群日益 庞大在法国、德国等西欧发达国家，渐进镜早已经成为老视者的首选矫正方式；在 日本、美国，渐进镜配戴者每年呈明显的递增趋势。在中国、印度、东南亚、东欧、 拉丁美洲，越来越多的眼视光医师将渐进镜作为给老视配戴者的一个新的选择伽。 一、欧洲逐步成熟的市场 欧洲每年约有七百万人口步入老视行列。从7 0 年代渐进多焦点镜片发展初期，它 就在不断吞噬着单光镜的市场。至1 9 9 9 年，欧洲渐进镜销售已占整体老视镜片销售市 场的3 0 。欧洲对渐进镜的市场需求量将越来越大。 二、法国成熟稳定的市场 欧洲各国中，法国是渐进镜的出生地。法国镜片市场结构亦是全球未来镜片市场 的写照1 9 9 9 年，渐进镜销量己占总销量的3 1 8 ，而且其市场占有率仍里不断增长 之势。销售仅占3 1 8 的渐进镜就占据了总体销售额的6 5 可见，法国眼镜零售业 紧抓附加值渐进镜系列产品的策略，是法国本行业成功的重要因素。 三、美国迅速成长的市场 美国老视市场以双光镜片为主。1 9 8 0 年，渐进镜仅占老视市场的2 6 ，8 0 年代末 开始强劲增长；9 0 年代进入高速增长期：至1 9 9 8 年，渐进镜片已占老视市场的3 8 渐进镜在美国的销售几乎是以每年1 0 0 的增长率在上长。按此增长趋势，预计 2 0 0 7 年渐进镜销量将达到美国老视市场的8 0 。 四、中国最具潜力的市场 渐进镜在中国还只处在新生阶段。最为一种新事物，消费者对它的了解甚少，因 此渐进镜的配戴人数也微乎其微。但是中国庞大的人口及经济发展的不可逆转性，预 示了渐进镜在中国是前途无量的。 渐进多焦点镜片的加工与检测第二章渐进多焦点镜片视光学 众所周知，中国已步入老龄社会。目前处于4 0 至6 0 岁年龄段的人数约占总人口的 2 1 ，a 0 2 亿8 千万左右。也就是说，适合配戴渐进镜的人数已超过两亿。中国是渐进 镜最具潜力的市场。 2 2 老视眼矫正用镜的视光学比较“玎 老视眼的矫正用镜有单光镜、双光镜、三光镜和渐进镜。首先了解这些镜片的 设计特点和视光学特征册。 2 2 1 单光镜 单光镜是只有一个光焦度的透镜。从镜面方面看，如图2 1 所示伽，单光镜的镜面 是以一定值为半径的球体的一部分。单光镜在空间结构上确切地说：是一个单一半径 球体的一部分。这一球体的面，可以称为视球面，单光镜用于远用矫正时，这个球面 可以叫做视远球面；用于近用矫正时，可以称为视近球面 用于近用阅读的单光镜，其使用距离一般设定在0 3 m ，这是人常规的阅读距离， 这个距离并不一定就是近用工作距离。如：伏案写作的距离为0 2 5 0 2 8 m ；机床加工 人员的工作距离约为0 5 m ；乐队指挥乐谱的距离应在0 7 5 1 m 。单光镜只能满足一定 距离的加光要求，不大可能适用于生活的各个方面，这是单光镜使用的局限性。 近用阅读的单光镜是以使用距离0 3 m 为基准进行设计的，因此无法解决中、远距 离的视力矫正问题，如图2 2 所示嘲。单光镜在使用中，虽然可以通过人眼调节，在物 空间中获得一定清晰的视觉，但中、远距离物空间内无法获得清晰的视觉。 2 2 。2 双光镜 渐进多焦点镜片的加工与检测 第二章渐进多焦点镜片视光学 双光镜，又称为双焦点眼镜，其镜度由视远、视近两个不同的屈光度构成。双光 镜的结构是由视远球面的一部分和视近球面的一部分水平方向对接而成，如图2 3 所 示嘲。 双光镜是以上部和下部两个用途作为起点进行设计的。上部的用途是远用，是以 无限远作为参照物进行设计的，其用途就是矫正远视力。下部的用途是近用，般是 以o 3 m 作为参照距离进行设计。双光镜正是由于设计远用、近用两种镜度，因而使配 戴者不但可以获得满意的远用矫正视力，也可以获得满意的近用矫正视力，如图2 4 所示嘲。 双光镜设计，没有考虑中距离的问题，因此不能解决远与近之间的中距离视力矫 正问题。当人们由看远变成看近时，转变的瞬间，配戴者的视线必须经过镜片上远用 与近用的共同边界线，完成镜度的跨越。这种镜度的跨越，因透镜形式不同而不同， 当透镜形式为凸透镜形式时，镜度跨越表现为沿边界线的部分视野缺损人们又把这 种视野缺损造成的部分像丢失和像断裂现象叫做像跳当透镜为凹透镜形式时，镜度 跨越表现为沿边界线的部分视野的重叠。不管是像的丢失，还是像的重叠，都同样造 成像的连续性和完美性的破坏。这正是双光镜的不足。 2 2 3 三光镜 三光镜，又称为三焦点镜。这种镜片是远、中、近用三个镜度构成。三光镜是由 视远、中、近距离的三个视球的各一部分，自上而下依次水平对接而成，如图2 5 所 示嘲，从而构成远、中、近距离的矫正镜度体系。 渐进多焦点镜片的加工与检测 第二章渐进多焦点镜片视光学 三光镜中，设计了远、中、近三方面的矫正镜度，因此，配戴者可以获得较好的 远、中、近视距的矫正视力，如图2 6 所示叫。三光镜的设计中，较恰当地解决了远距 离、中距离和近距离的视力矫正问题。也正如2 6 所示，三光镜也无法克服镜度的跨 越现象，而且由双光镜的一个镜度跨越变成了三光镜的两个镜度跨越。有镜度跨越， 就必然有像跳( 即部分像消失或像重叠) 。 2 2 4 渐进多焦点镜片 渐进多焦点镜片正是基于传统老视矫正镜因有镜度跨越的不足，并力图能够超越 的新型镜片这种镜片，不仅在理论上，还是在实际配戴中，确实都实现了这个目标。 渐进镜从远用到近用光度的变化是连续的、不问断的渐进变化。它可以看成是由 若干个视球部分的水平方面的连接而成，如图2 7 所示嘲，其视球空间与一个倒置的沙 丘及其相似 渐进镜实现了镜片上镜度的渐进变化，正是这样一种变化，完成了镜片的由远及 近的光焦度变化，这是一条由远用到近用的矫正光焦曲线。渐进镜也正是因为具有这 样一条矫正光焦曲线，才使渐进镜配戴者的视像不再被割断而为连续，配戴者的视觉 范围达到了接近人自然视生理的状态，如图2 8 所示例。渐进镜的研制成功，为眼镜行 业开创了新时代。 渐进多焦点镜片的加工与检测第二章渐进多焦点镜片视光学 2 3 渐进多焦点镜片的基本结构 渐进镜为配戴者提供自远点到近点全程、连续的清晰视觉。镜片表面大体分为四 个区域，如图2 9 所示：视远区、渐进区、视近区和像差区在渐进区，镜片的屈光 度不断增加，从视远区开始，到视近区结束。 。 渐进镜是通过改变镜片表面曲率半径而使镜片屈光力发生变化。与双光镜不同的 是，渐进镜表面曲率从视远区的一定位置( 配镜十字) 开始，至视近区中心按一定规 律变化的渐变度逐渐、连续地增加至一固定值，配戴者从而只需要通过眼睛接近自然 生理状态的垂直转动即可使任意距离的视力均达到清晰，不像双光镜或三光镜只能提 供两、三个固定的距离才有清晰视力o l 。 图2 - 9 分区示意图 1 视远区通常渐进镜的上半部分都是视远区，矫正视远屈光不正。 2 视近区从主参考点起，镜片屈光力开始逐渐、连续地增加，直至在视近区 达到所需的近附加度数，此后在视近区内镜片度数便不再明显变化。在大多数渐进镜 渐进多焦点镜片的加工与检测第二章渐进多焦点镜片视光学 中，视近区中心位于视远参考圈中心下方1 0 1 s m m ，内侧约2 3 m m ，具体数值根据近 附加量及设计样式而异。 3 渐变区连接视远区和视近区的渐变区也叫渐变走廊，长度在1 0 1 8 m m 。渐 变区的长度、宽度对于配戴者的适应十分重要，取决于度数变化速率( 渐变度) 、像 差区的大小、梯度和近附加的高低等因素。镜片渐变度越大，屈光力增加越快，像差 较集中，但变化梯度较大，渐变区较短，但相对较狭窄。渐变区度数变化的速率，叫 做渐变度( p r o g r e s s i o n ) ，根据不同的设计样式而不同，可以是线性变化，或呈其他 函数曲线形式 4 像差区虽然从理论上讲，渐进镜存在自远而近的全程连续清晰视觉，但是 由于设计上表面曲率的变化，而导致镜片两侧存在像差区，主要为散光像差和棱镜像 差，在一定程度上会干扰视觉、产生视觉模糊或变形，影响配戴者对镜片的适应，也 叫做畸变区、变形区、模糊区、周边区。 这些像差是渐进镜与生俱来的问题，它的存在无论是从设计上还是工艺上目前都 无法完全消除。像差的大小、范围和镜片的设计样式及近附加度数相关，近附加度数 越高，像差越显著 散光像差对视觉的影响如同散光性屈光不正，会影响配戴者视物应获得的清晰 度，产生变形效果。而棱镜像差造成的棱镜效应，会令配戴者感觉视物偏移、变形， 称为“曲线效应”。 2 4 渐进多焦点镜片的设计 2 4 1 设计分类嘲 ( 一) 球面和非球面设计 早期的渐进镜的上半部( 视远区) 前表面和普通球面单光镜相似，叫球面渐进镜。 到了1 9 7 4 年，设计者为了减少镜片周边散光像差的量，率先改变渐进镜的设计，使散 光像差分布于更大的区域。显然，视远区周边少量的散光像差对于配戴适应实际上并 不成问题，以这种方式设计的镜片成为非球面渐进镜，其特征是镜片表面上部和下部 都为非球面设计，镜面前表面曲率向周边逐渐变平坦，从而有利于镜片像差的减少。 同时就意味着镜片厚度( 尤其是正镜片中心厚度) 更薄、重量更轻，如果是用高折射 1 6 渐进多焦点镜片的加工与检测 第二章渐进多焦点镜片视光学 率的材料，这些优点就更加突出。 ( - - ) 硬式和软式设计 1 硬式设计当配戴者视线从渐进镜视近区移开向周边看出，屈光力开始变化， 同时散光像差开始增加。在有些渐进镜，镜度和散光像差的变化可能都很突然，在几 毫米的区域内，散光像差就有可能从无到有，从小到大，迅速增加。配戴这类镜片的 患者，有时甚至可以明确地知道视近区的范围，对这种视物区分界比较明确的渐进镜， 我们称之为硬式设计( h a r dd e s i g n ) 硬式设计的优点是： ( 1 ) 渐进度较大，近附加值增加快，渐进区短，近视区位置高； ( 2 ) 视远区和视近区较大，可以设计高近附加值的镜片； ( 3 ) 散光像差相对集中 硬式设计的缺点则是由于散光像差增加速度较快、比较密集，其适应更困难、时 间更长，曲线效应更加明显，渐进区比较狭窄。 2 软式设计软式设计( s o f td e s i g n ) 的镜片白可视区向周边区的变化比硬式设 计缓和，当眼睛从可视区向旁边移开时，散光像差增加比较缓慢。配戴者很难明确断 定视近区的边界和周边散光像差的起点。软式设计的镜片比硬式设计镜度变化要慢， 渐变区更长更宽。为达到全部加光度数，眼睛所要移动的距离更大。 软式镜片的优点是周边散光像差分布较广变化柔和、伴随头位移动而出现的“泳 动现象”更少、比较容易适应。但是软式镜片视远区、视近区较小，视近区位置较低， 眼球需要转动更多。 简要概括了硬式和软式设计的大体差异，见表2 - l 。 表2 1 硬式和软式渐进镜的比较 硬式设计 软式设计 视近区、视远区的稳定光学部分较宽 渐变区边界不明显 视近区位置较高视近区位置较低 渐进区较窄渐进区较宽 适应期较长看直线变弯曲明显适应期较短看直线变弯曲不明显 周边变形区最高屈光力比软式设计大 周边变形区最高屈光力比硬式设计小 1 7 渐进多焦点镜片的加工与检测第二章渐进多焦点镜片视光学 ( 三) 单一和多样设计 从理论上讲，设计者理应针对配戴人群的需要来进行设计，因此渐进镜应该有多 种不同的设计方法。早期的渐进镜属于单一设计( m o n o - - d e s i g n ) ，既指设计时同一 系列渐进镜选用一种基本设计( 渐进度) ，就能适应所有的加光度数。 单一的模式不可以解决所有的问题。老视初发者，所需加光度比较低，调节储备 还比较大。但是随着年龄的增加，调节力日益减退，同时所需近附加值与日俱增。因 此设计者开始考虑是否需要根据不同的近附加度数而进行不同的设计。由此设计出来 的渐进镜，称为多样设计( m u t i - d e s i g n ) 。如老视初发者需要柔和、缓慢的度数变化， 更加重视周边像差的影响。尽管这样设计出来的镜片从理论上讲各不相同，但是某一 具体设计样式在随加光度数而进行调整时，使同一样式系列的镜片仍具有一定的共同 特性。 ( 四) 对称和非对称设计 对称设