Dizajn okuliarov s aberáciou vysokého poriadku a koexistovaním rozostávajúcim koexistujúcim na základe modelu očí

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

Aschool of Optoelectronic Science and Engineering, Soochow University, Street č. 1 Shizi, Suzhou 215006, Čína; Bkey Lab s pokročilými optickými výrobnými technológiami provincie Jiangsu &

Kľúčové laboratórium moderných optických technológií ministerstva školstva Číny, Soochow University, Suzhou 215006, Čína; Csuzhou Mason Optical Co., Ltd., Suzhou 215007, Čína

* Zodpovedajúci autor: chunmei _ zeng@suda.edu.cn

Abstraktný

Špeciálne navrhnuté rámové okuliare vykazovali v klinických skúškach čoraz významnejší výkon pri prevencii a kontrole myopie. Verejné štúdie o modulácii aberácií vysokých objednávok týkajúcich sa rámu okuliarov však zostávajú nedostatočné. Tento článok navrhuje šošovky na okuliare s aberáciami vysokých objednávok a myopickým rozostrením prepojením modelu očí a rámových okuliarov a simuluje optický model okuliarskeho oku pre 300 stupňov myopických pacientov. 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 from -28. 5 stupňov ~ 28,5 stupňa (pri prírastkoch 1 stupňa). Tento článok diskutoval o korelácii medzi polomerom základného oblúkového zakrivenia v torickej mikroštruktúre aberácie aberácie aberácie a aberácie vysokého poriadku v navrhnutom okuliare pri statickom pozorovaní pri smerovaní Y. Boli stanovené zodpovedajúce empirické vzorce. Tento výskum bude viesť k rozvoju modulačných okuliarov aberácie vysokej objednávky.Kľúčové slová:Modulácia aberácie vysokého poriadku, prevencia a riadenie krátkozrakosti, model očí, dizajn okuliarov

1. Úvod

Systematická následná štúdia [1] ukazuje, že za posledných 15 rokov sa miera výskytu krátkozrakosti vo východnej Ázii rýchlo zvýšila, čo sa teraz šíri globálne. Miera progresie krátkozrakosti sa líši medzi rôznymi vekovými skupinami, ako je znázornené na obrázku 1: Miera progresie myopie u detí vo veku 6 až 9 je -0. 50 až -1. Priemerný ročný progresy krátkozrakosti u väčšiny myopických pacientov sa v priebehu času spomalí, pričom väčšina jednotlivcov sa stabilizuje pred 20 rokov. Medzinárodný inštitút pre myopiu (IMI) v roku 2019 uviedol, že približne 87% detí, ktoré trpia vysokými krátkozrakosťami vo veku 11 rokov, sa vyvíja vo veku 7 alebo mladších alebo vyvíja progresiu krátkozrakosti alebo viac [2]. Preto je včasná prevencia krátkozrakosti u detí a adolescentov v školskom veku rozhodujúca pre zníženie zrakového poškodenia v budúcnosti.

Obrázok 1. Refrakčný posun medzi krátkozrakými deťmi podľa veku [2].

Štvrtá medzinárodná konferencia o optike a spracovaní obrazu (ICOIP 2024), editor Xiaotao Hao, Chuan Qin, Proc. of Spie Vol. 13254, 132541C © 2024 SPIE · 0277-786 x · doi: 10,117/12.3039156

Proc. of Spie Vol. 13254 132541 C -1

Predchádzajúci výskum aberácií s vysokým poriadkom (HOAS) ľudského oka sa zameriaval hlavne na to, ako ich napraviť (ako je návrh mäkkých kontaktných šošoviek Suliman et al. V roku 2019 [3]), vzťah medzi HOA a faktormi súvisiacimi s očami [4,5], chirurgickým zákrokom s vysokým poradím pomocou aberácie vysokých rádov a vplyvom HOA na liečbu očných chorôb [6]. Dôkazy naznačujú, že HOA sú významne spojené s progresiou krátkozrakosti a axiálnym predlžovaním u myopických detí korigovaných monofokálnymi okuliarmi [7]. Vzhľadom na výhody vysokej popularity, nízkej ceny, neinvazívnej povahy a ľahkej výmeny rámových okuliarov, skúmanie ich potenciálu spomaliť progresiu krátkozrakosti u detí a dospievajúcich predstavuje jedinečnú výhodu. A viacbodové okuliare na určené rozostrené krátkozrakosť: S centrálnou oblasťou, ktorá dokáže opraviť jasné videnie, sú okolo šošovky usporiadané okolo šošovky tak, aby produkovali periretinálne rozostrenie krátkozrakosti, čím sa táto technológia oddialila progresia krátkozrakosti, bola táto technológia úspešne komercializovaná. Táto štúdia sa zďaleka pokúša navrhnúť šošovky na okuliare, ktoré môžu modulovať aberácie vysokého poriadku založené na myopickom rozostrení.

2. Metodika

2.1 Model očí
Základ štúdie zahŕňal simuláciu základného oka pomocou softvéru Optical Design softvér Zemax. Základné oko bolo modifikované na základe modelu Liou Eye [8], s štrukturálnymi parametrami podrobnými v tabuľke 1. Model očí bol navrhnutý s axiálnou dĺžkou 23,97 mm a priemerom žiaka 4 mm. Na zefektívnenie analýzy sme u žiaka nepredpokladali žiadne sklon ani excentricitu.

Tabuľka 1. Štrukturálne parametre oka.

Predný povrch predného a virtuálneho povrchu šošovky je založený na štandardnom povrchu a index lomu n média je možné voľne definovať, ako je znázornené vo vzorci (1).

V tabuľke 1 je Grad A na prednom povrchu objektívu N 0=1. 368, nr 2=-1. nz 2=-1. 5427*10-2, nz 3=0; Grad B na virtuálnom povrchu zodpovedá N 0=1. 407, nr 2=-1. NZ 3=0.

2.2 Vlna aberácia ľudských očí
V optometrii sa prvých 6 rád zernike polynómov používa hlavne na reprezentáciu aberácií ľudského oka vlny. Vlnové aberácie špecifikované optickou spoločnosťou Ameriky (OSA) [9] zodpovedajú štandardným koeficientom Zernike v softvéri Zemax, ako je uvedené v tabuľke 2. Tento prístup umožňuje presné a štandardizované znázornenie očných aberácií, čo uľahčuje presnejšiu simuláciu a analýzu.

Tabuľka 2. Význam aberácie štandardného koeficientu Zernike v Zemaxe.

3. Modely a údaje
(Oblasť korekcie zraku) môže opraviť sférické a valcové refrakčné chyby typické u pacientov s krátkozrakosťou. Je navrhnutý podľa predpisu na okuliare pacienta; 2, Unit Defocus Myopia (distribuovaná niekoľkými konvexnými sférickými mikrolenciami usporiadanými v kruhovom poli), ktorá vytvára určitý stupeň rozostrenia krátkozrakosti; 3, Modulačná jednotka vysokého poriadku sa skladá z niekoľkých kruhových štruktúr zapojených do regulácie HOA ľudského oka. Schematický diagram vonkajšieho povrchu šošovky okuliarov je znázornený na obrázku 2 (a), s počtom zákrut a poradím pásu sa zvyšuje od stredu šošovky na okraj; Vzťah usporiadania troch optických jednotiek je znázornený na obrázku 2 (b), kde R predstavuje radiálnu vzdialenosť, ktorá sa nachádza v rovine Xoy; Jednotky krátkozraku sa rovnomerne rozdeľujú na obvod a distribučné intervaly v rovnakej radiálnej vzdialenosti sú znázornené dĺžkou oblúka jednotky. Nastavenie dĺžky oblúka jednotky môže ovládať počet jednotiek na každom krúžku mikropoliatov jednotky. Dĺžka oblúka, rozstup krúžku D, priemer D2 rozostrenej jednotky mikropoliatov a radiálna šírka D3 kruhového pásu spoločne určuje hustotu mikroštruktúry na šošovke okuliarov.

Obrázok 2. (A: vľavo) Schematický diagram šošoviek okuliarov; (B: vpravo) Schematický diagram troch rozložení jednotiek v rovine Xoy.

Krok 1: Za predpokladu, že predpisom myopického pacienta je sférický diopter (3 d) a valcová diopter (0 d), rast pacientovej krátkozrakosti sa prejavuje iba ako axiálna myopia. Na základe toho bol navrhnutý model myopického očí, ktorý môže ideálne používať zmeny v dĺžke dutiny sklovca, aby odrážal zmeny v stupni krátkozrakosti v modeli očí. Podľa predpisu bola ako primárna zrkadlová jednotka navrhnutá ako primárna zrkadlová jednotka s sférickými vnútornými a vonkajšími povrchmi. Priemer materského zrkadla je 60 mm, s vybranou strednou hrúbkou 1,3 mm; Materiál materského zrkadla je polykarbonát (PC), s indexom lomu 1,56, opátsky počet 37 a špecifická hmotnosť 1,23 g/cm3. Komplexné štrukturálne parametre sú zhrnuté v tabuľke 3.

Tabuľka 3. Štrukturálne parametre jednotky zrkadla matky.

V Zemaxe bol typ clony nastavený na veľkosť plávajúceho otvoru s priemerom žiaka 4 mm a typ špičky bol nastavený na rovnomerné; Nastavte tri polia pohľadu (FOV) a podľa toho upravili svoje hmotnosti: stupň 0 fov v smerovaní y dostal hmotnosť 1, 1 {{}} {} {{0. 2 a 14 stupňov foch 0. 15. Pri jasnom videní prijala vlnová dĺžka jediná vlnová dĺžka 0,555 μm. Ostatné údaje boli založené na základných údajoch o modeli očí v tabuľke 1. Sklovitá hrúbka modelu očí bola považovaná za premennú a materská šošovka bola umiestnená 12 mm pred vrcholom rohovky, aby sa optimalizoval optický model okuliarskeho oku. Výsledkom tejto konfigurácie bolo dĺžka sklovca približne 17,306 mm a celková axiálna dĺžka oka 25,036 mm.

Krok 2: Výber FOV s smerom Y 14 stupňov ako hlavného smeru lúčov pre následný návrh optickej jednotky s rovnakým materiálom ako jednotka Matter Mirror. Spočiatku bolo potrebné určiť súradnicu smeru y, keď sa hlavné svetlo mimo poľa pohľadu pretína s vonkajším povrchom primárneho zrkadla, aby sa určila radiálna vzdialenosť, keď sa normálna z prvej mikroštruktúry vrcholu v rozmere Y Mikroencie v prvom kruhu mikleu rozprestrela s vonkajším povrchom MOCK MROCK; Potom stanovil clonu zorného zorného poľa na vonkajšom povrchu materského zrkadla, ako je znázornené v lokálne zväčšenom obrázku na obrázku 3. Využívanie operátorov Reay a Reoz v zemexe v kombinácii s normalizovaným FOV a normalizovaným nastavením pulzov, radiálnej vzdialenosti r bolo 3,8 mm, 0,058 MMM, 0,058 MMM, 0,058 MMM, 0,058 {{}} 2 mm, ∆y bolo 4,318 mm, $ 0,058. Podľa Pythagorovskej vety prešla otvor lúča cez smer Y mimo os v -14 stupňa Fov na vonkajšom povrchu materského zrkadla bol približne 4,3186 mm.

Obrázok 3. Čiastočná schematická schéma off Axis Field of View Matter Mirror pre prenos svetla.

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 Výška vektora od vrcholu mikro objektívu na vonkajší povrch materského zrkadla je označená ako G2. Poloha stredu mikrolens je možné určiť podľa dĺžky F2 a rotácie 𝜃, ktorý sa dá vypočítať pomocou nasledujúceho vzorca:

Obrázok 4. Čiastočná schematická schéma off Axis Field of View Matter Mirror pre prenos svetla.

Nastavte tvar povrchu mikroénov pre rozostrenú jednotku ako sférický (opický výkon 6 d a priemer 2 mm) a radiálna vzdialenosť prvého kruhu mikroštruktúry je 3,802 mm; Počiatočný povrch vonkajšieho povrchu vonkajšej plochy aberačnej modulačnej jednotkovej jednotkovej jednotkovej jednotkovej jednotke bol nastavený ako torický so základným oblúkovým výkonom 4 d a radiálnym Proc. of Spie Vol. 13254 132541 C -5 šírka 1,5 mm (D3). Princíp výpočtu stredovej polohy základného oblúka roviny YOZ roviny je rovnaký ako vzorec (2) až (4). Poloha stredu základného oblúka je možné určiť dĺžkou F3 a uhlom rotácie 𝜃. s polomerom zakrivenia (R3) a výškou vektora (G3) od vrcholu základne oblúka na vonkajšom povrchu k vonkajšiemu povrchu materského zrkadla. G 2=3. 572 μm, g 3=1. 004 μm, interval medzi susednými prstencami bol nastavený ako 3,8 mm, šošovky okuliarov sú nastavené 6 krúžkami a jednotková dĺžka oblúka 4 mm. Referenčné údaje pre pozíciu mikroštruktúry boli podrobne uvedené v tabuľke 4.

Krok 3: Využívanie softvéru 3D Softingworks SolidWorks dokončilo modelovanie počiatočných šošoviek okuliarov. Hlavné a ľavé pohľady boli znázornené na obrázku 5 a priemer oblasti korekcie centrálneho videnia počiatočnej štrukturálnej materskej šošovky je asi 5,604 mm.

Tabuľka 4. Údaje o polohe mikroštruktúry prierezov šošoviek YOZ.

Obrázok 5. Počiatočná štruktúra šošoviek okuliarov - predné a ľavé pohľady.

4. Výsledky a analýza

Vyšetrovanie optického výkonu šošovky na okuliare, pôvodne obsahujúce iba materskú šošovku, odhalilo, že hodnota rozostrenia v smere osi y v a {-14 foV v rámci statického zorného poľa pohľadu na modelu okuliarového oku bola 0}}} {}}} {}}} {}}} {}}} {3}}. Vzhľadom na to, že sila vonkajšieho povrchu materského zrkadla je 2 d, rozhodli sme sa preskúmať rozsah optických mocností pre vonkajší povrch jednotky krátkozrakového rozostrenia medzi 4 až 10 d, čo sa zvyšuje v prírastkoch 1 D, bez zahrnutia modulačnej jednotky aberácie aberácie vysokého poriadku. Pozorovaná situácia v oblasti rozostrenia bola zhrnutá v tabuľke 5. Údaje týkajúce sa rozostrenia Z4 vykazovali lineárny vzťah, čo nám umožnilo použiť vzorec (5) na odhad vlnového rozostrenia v rôznych silách stupňa v oblasti krátkozrakového rozostrenia. Tu slúžila ako nezávislá premenná optická hodnota výkonu x vonkajšieho povrchu jednotky myopického rozostrenia, zatiaľ čo zodpovedajúca hodnota rozostrená Z4 pôsobila ako závislá premenná.

Tabuľka 5. Statické pole Zobraziť osi -14 Field zorného zorného poľa Zobraziť údaje Zreteľné údaje so zmenami optického výkonu.

Nastavte externý povrchový výkon mikrolens jednotky rozostrenej jednotky na 6 d, bez nastavenia modulačnej jednotky aberácie vysokého poriadku. Rozptyľová variácia statického vertikálneho zorného poľa od -28. 5 stupňov na 28,5 stupňa, s veľkosťou kroku 1 stupňa, ako je znázornené na obrázku 6. Vertikálna os súradníc je množstvo rozostrenia vo forme aberácie vlny. V tomto článku kladná hodnota Z4 naznačuje, že výška rozostrenia je umiestnená pred sietnicou, zatiaľ čo záporná hodnota Z4 naznačuje, že výška rozostrenia je umiestnená za sietnicou. V dôsledku symetrie usporiadania šošoviek je distribúcia rozostrenia vo vertikálnom poli pohľadu približne symetrická, zatiaľ čo situácia rozostrenia v horizontálnom zornom poli je podobná.

Obrázok 6. Mapa Zmeny statického vertikálneho zorného poľa.

Počiatočná štruktúra jednotky materského zrkadla a rozostrenej jednotky krátkozrakosti zostala nezmenená, pričom sa zachovala radiálna šírka mikroštruktúry toroidálnej povrchovej plochy jednotky aberačnej modulácie vyššieho poriadku a zmenil sa polomer zakrivenia oblúka o oblúku. Cieľom bolo analyzovať vzťah medzi základným oblúkovým kolvovým polomerom R3 a množstvom aberácie vyššieho rádu pri pozorovaní smeru Y -14 poľa v statickom poli.

Štúdia vybrala celkom 9 dátových bodov, vrátane sily základnej krivky 3,7 d, 4 d, 4,5 d, 5 d, 5,5 d, 6 d, 7 d, 8 d a 9 d, aby sa zabezpečilo hladké zníženie vypočítaného polomeru zakrivenia. Keď bol výkon základnej krivky 10 d, najvyšší bod na vonkajšom povrchu rozostrenej jednotky mikrolens je nižší ako v prípade mikroštruktúry modulačnej jednotky aberácie vysokého poriadku, ktorá nebola v súlade s modelovaním.

Zaznamenal hodnoty koeficientu štandardného termínu Zernike v hodnotách šošovky iba materským zrkadlom a rozostreným jednotkovým mikrolenom v smere y v stupni A -14 FOV. Hodnoty aberácie vlny vlny pre stred zemexu eliminujú účinky posunu a sklonu. Tým, že ich odstránia RMS (koreňový stredný štvorec) Hoas oka v tomto poli, možno zistiť, že je 0. Zaznamenalo niekoľko zložiek aberácie vysokých rádu, ktoré sa môžu podieľať na oneskorení krátkozrakosti, pričom počiatočná hodnota je označená ako Zi 0, kde I predstavuje poradie štandardných termínových koeficientov Zernike v Zemaxe. Vertikálna kóma Z7 0 bola -0. 141717 λ, horizontálny koma z8 {{}} {0. bol 0 λ, sférická aberácia Z110 bola -0. 454283 λ, horizontálny sekundárny astigmatizmus Z130 bol -0. λ, vertikálna kóma druhého poriadku Z170 bola -0. 008084 λ, sekundárna sférická aberácia Z220 bola 0,362791 λ.

Modelovanie šošoviek na okuliare s rôznymi základnými oblúkovými oblúkovými polomermi pre modulačné jednotky vyššieho poriadku a zaznamenávanie údajov o aberácii vyššieho poriadku v smere y pri {-14 stupňoch FOV počas statického pozorovania v optickom systéme okuľa (Zi-Zi 0). Regresná analýza údajov odhalila, že základný oblúkový polomer R3 toroidného povrchu súvisel s vertikálnym kómou, nakloneným trojicou, sférickým aberáciou, horizontálnym sekundárnym astigmatizmom, vertikálnou kómou druhého rádu, sekundárnym sférickým aberáciou. Obrázok 7 zobrazuje distribúciu rozptylu a regresné čiary šiestich prírastkov aberácie vysokých objednávok a R3, kde sa sklonený prírastok trojlístky a sférický prírastok aberácie majú lineárny vzťah so základným oblúkovým polomerom a prírastok klesá so zvýšením základného oblúkového oblúka. Vertikálny prírastok kómy, horizontálny prírastok sekundárneho astigmatizmu, prírastok vertikálneho kómy druhého rádu, prírastok sekundárnej sférickej aberácie a celkový prírastok aberácie vysokého poriadku nelineárne korelovaný s R3. Empirický vzorec je možné vidieť z rovníc (6) ~ (12). Neexistuje žiadna významná korelácia medzi horizontálnou kómou, horizontálnym trifoilom, nakloneným sekundárnym astigmatizmom, horizontálnym kómou druhého poriadku a polomerom zakrivenia R3. Je možné si predstaviť, že schopnosť modulovať špecifické aberácie presne úpravou zakrivenia mikroštruktúry zdôrazňuje potenciál na vytvorenie efektívnejších a prispôsobenejších šošoviek okuliarov pre správu krátkozrakosti.

Tabuľka 6. Statické pozorovanie pri smerovaní y -14 zorné pole pohľadu Vysoké štandardné údaje vlny.

Obrázok 7. Rozptykové grafy a regresné čiary čiastočných prírastkov aberácie vysokého poriadku ako funkcia polomeru zakrivenia základného oblúka.

Stanovila koreláciu medzi polomerom zakrivenia R3 základného oblúka a aberáciou vlny vyjadrenej štandardným polynómom Zernike (pozri obrázok 7). Rozsah R3 je medzi 62,22222 mm a 151,351351 mm, empirický vzorec bol nasledujúci:

V rovnici predstavuje rozsudok koeficient regresnej rovnice a čím bližšia je jej hodnota o 1, čím vyšší je stupeň prispôsobenia rovnice.

5. Závery

Cieľom tohto dokumentu je preskúmať moduláciu aberácií vysokých objednávok v navrhnutých okuliaroch a ich vplyv na myopické rozostrenie. Navrhuje dizajn, ktorý spája model očí a rámové okuliare na simuláciu optického modelu pre 300- stupňa myopických pacientov. Štúdia skúma koreláciu medzi polomerom základného oblúka zakrivenia aberácie aberácie aberácie aberácie vysokého poriadku pri statickom pozorovaní. Tento výskum prispieva k rozvoju modulačných pohárov s vysokým poradím aberácie a poskytuje cenné poznatky o prevencii a kontrole krátkozrakosti.

Odkazy

[3] Suliman A, Rubin A. Corrigendum: prehľad aberácií ľudského oka vyššieho poriadku. Africké videnie a zdravie očí. 2019, 78 (1).

[4] Repika D, Divya S, Murugesan V, a kol. Biomechanické vlastnosti rohovky a očných aberácií v myopických očiach. Indian Journal of oftalmology. 2023 15. decembra.

[5] Hassan H, Shima M, Alireza J, a kol. Spojenie medzi očnými biometrickými zložkami a aberáciami rohovky. Klinická experimentálna optometria. 2023 16. októbra, 1-7.

[6] Kjl, JSV, Sin-Wan C, a kol. Vplyv ortokeratologického kompresného faktora na očné aberácie vyššieho poriadku. Klinická experimentálna optometria. 2020,103 (1), 123-128.

[7] Hiraoka Takahiro, Kotsuka Junko, Kakita Tetsuhiko, Okamoto Fumiki, Oshika Tetsuro. Vzťah medzi aberáciami vlny vyššieho rádu a prirodzeným vývojom krátkozrakosti u školákov. Vedecké správy. 2017, 7 (1).

[8] Liou HL, Brennan N A. Anatomicky presná. konečné modelové oko pre optické modelovanie. Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis. 1997 august, 14 (8), 1684-95.

[9] Oftalmické metódy na hlásenie optických aberácií očí. Ansi. Z80. 28-2017, 2017-08-21.