本文介紹了眼科鏡片的設(shè)計原理，并討論了鏡片、眼睛和視覺環(huán)境中對鏡片設(shè)計十分關(guān)鍵的參數(shù)，其中包括了常見鏡片材料（涵蓋了玻璃和聚合物）的玻璃目錄。本文不包括漸進式鏡片設(shè)計，盡管漸進式鏡片時常根據(jù)一般的鏡片曲率原則進行設(shè)計，但這些基礎(chǔ)的原則多以消除近視為目的，無法為特殊用途的鏡片設(shè)計提供太多的幫助。

下載

聯(lián)系工作人員獲取附件

簡介

一般而言，眼科鏡片的設(shè)計與斜向像散的調(diào)控有關(guān)。在像差方面，彗差會隨視場角的變化而線性增加，而像散則是呈二次方增加。但人眼系統(tǒng)具有相對較小的光瞳尺寸，因此在此類系統(tǒng)的設(shè)計上，一般會認為球差和彗差并不十分重要。同理，其余的像差在此也可先行忽略。

隨著自由曲面制程技術(shù)的演進，光學設(shè)計者得以摒除許多以往的限制條件。同時，OpticStudio具有優(yōu)越的運算能力，可以進行規(guī)模較大的系統(tǒng)和更多影像參數(shù)的模擬。得益于此，眼科鏡片的設(shè)計可以有更進一步的改善，我們將在以下的文章中詳述。

傳統(tǒng)設(shè)計方式

對于人眼而言，存在一個虛擬的“遠點”，這個點代表了我們可以清楚看到物體的極限距離。在這個點之外的景物，將會成像于視網(wǎng)膜前方。當眼球轉(zhuǎn)動時遠點的距離不會改變，因此會以這個距離為半徑形成一個“遠點球”。此外，遠點會是視網(wǎng)膜的光學共軛，因此眼鏡鏡片的功能就是把偏離的影像修正到遠點球上。人眼的瞳孔在此系統(tǒng)中充當光圈的角色，且當視線移動時，瞳孔將同步的以眼球為中心轉(zhuǎn)動。物平面通常是設(shè)定在無限遠，雖然一個近的物平面可以用來達成不同的鏡片設(shè)計。

下面的例子展示了設(shè)計的原則。無窮遠的光線經(jīng)過一個-3.00D的透鏡后發(fā)散，并在半徑1/3米遠點球上形成一個虛像，此時遠點球的球心在透鏡后表面的頂點上。我們可以發(fā)現(xiàn)任何角度入射的光線，最后都能順利的經(jīng)過瞳孔。在范例檔案中我們以視場角15°和30°進行印證，但要注意的是其實許多眼鏡的設(shè)計允許配戴者能有50°以上的視角。此外還有一點是我們需要特別注意的，范例所使用的設(shè)計方法忽略了大部分的復雜人眼結(jié)構(gòu)，此處我們僅考慮瞳孔的大小，且此時無轉(zhuǎn)動的眼睛也是不被納入考量的。

如下圖，對一個遠視的眼睛而言，其遠點球位于眼球的后方。

在OpticStudio中，眼科鏡片的設(shè)計看起來是十分簡單的。我們可以輸入鏡片后表面頂點處的屈光率作為此表面的一組解，此時系統(tǒng)便只剩鏡片前表面的曲率半徑（或稱為基本曲線）這個唯一變量。下圖我們可以看到前述的-3.00D范例的LDE設(shè)定 （此時后表面頂點的屈光率是-0.003mm^-1）。材質(zhì)CR-39是由附件的OPHTALMIC.agf玻璃庫中取得的，與MISC玻璃庫中的CR39有些不同，更多資訊請看下方的玻璃庫說明。

對于眼鏡的設(shè)計者而言，根據(jù)不同的人眼參數(shù)和視覺環(huán)境打造出能產(chǎn)生最佳影像質(zhì)量的鏡片設(shè)計是十分具有挑戰(zhàn)性的。當作者在澳洲Flinders大學教導視光學 （Optometry）時，時常要求學生以O(shè)pticStudio建構(gòu)一組特殊的鏡片，達成夜間、狙擊鏡、辦公環(huán)境或者是孩童友善等各式不同的使用目的。同時，非球面鏡參數(shù)和影像波前等數(shù)值也被列入評分的標準。

透鏡參數(shù)

在光學設(shè)計上常使用的最小化Seidel斜向像散的方法可透過在OpticStudio的評價函數(shù)中加入ASTI操作數(shù)達成目的，此時我們將目標值設(shè)為0、加大權(quán)重，并且使用單一波長。在縮小遠點球面上最小模糊圈的方面，我們可以透過OpticStudio的預(yù)設(shè)優(yōu)化函數(shù)和光點半徑標準等功能達成目的。

上方視場角為0°到30°的-3.00D透鏡范例中，在OpticStudio中我們能求得基本曲線為+4.50D。在Layout中我們可以看到一個傳統(tǒng)的眼科半月形鏡片，這個基本曲線是個常見的形狀。然而，這個結(jié)論是根據(jù)我們的設(shè)計流程而來的，基于平面入射波、視場角與其權(quán)重、透鏡與眼睛旋轉(zhuǎn)中心的距離、一些像差的忽略（尤其是對畸變的忽略），以及其他更多的假設(shè)。

在一般的認知中，以上的方法并不能產(chǎn)生具有“最佳形態(tài)”或是“校正曲線”的透鏡，意思是無法制造出能完美修正像差，同時又可配合所有鏡片屈光率的微小基本曲線半徑。可產(chǎn)生最佳成像質(zhì)量的鏡片設(shè)計會根據(jù)配戴者和視覺環(huán)境的不同而存在極大的差異。舉例來說，以近軸成像（只有單一視場0°）以及光視覺（photopic）為目標的鏡片具有負的基本曲線，約為-5.50D。

另一方面，閱讀用的透鏡設(shè)計通常會有較高的前表面屈光率。在OpticStudio中建立相關(guān)模型，我們可以得到下方圖中的結(jié)果，一個能供具有老花眼和-5.50D近視的用戶配戴的優(yōu)化透鏡。此鏡片的屈光率為-3.00D，并能在距透鏡40公分處匯聚光線，形成適宜的閱讀距離。鏡片的基本曲線則是+28D。

任何嘗試控制畸變的設(shè)計都將產(chǎn)生十分陡峭的基本曲線。

因此很明顯的，對于一個已知屈光率的鏡片，在不參考任何配戴者或使用環(huán)境等相關(guān)條件的情況下，我們無法制造出擁有最佳成像質(zhì)量的光學設(shè)計。站在眼鏡設(shè)計者以及制造商的立場，較為關(guān)注的問題會是能否使基本曲線設(shè)計近可能符合商業(yè)的需求（例如美觀和成本），同時盡可能的考慮所有設(shè)計參數(shù)。當然，成像質(zhì)量的改善和用戶視力的維護也必然是設(shè)計時不容忽視的考量。

材料庫

我們可以在附件的玻璃庫OPHTALMIC.AGF找到許多常用的眼科鏡片材料。請將該文件復制到OpticStudio的材料庫文件夾（（GLASSCAT）。你可以在Setup Ribbon > Project Preferences > Folders里面找到玻璃庫（Glass）的文件夾位置。復制完后記得在Libraries Ribbon > Materials Catalog窗口確認OpticStudio有正確訪問這個文件夾（OPHTHALMIC）。

我們可以在玻璃材料庫中找到 （Corning_1.523、Corning_1.6、Corning_1.7、Corning_1.8以及Corning_1.9）等材料，玻璃的相關(guān)信息是從知名的眼科玻璃制造商：Corning SAS的規(guī)格表所取得。在材料庫文件中有注明數(shù)據(jù)來源，原始資料包含六個波長，精度到小數(shù)點以下5位，并使用Schott公式擬合。其中Corning Unicrown （Corning_1.523） 這個材料很有趣，其折射率不多不少正好是1.523 （Nd = 1.52300、Vd = 58.8）。缺乏這筆資料時，眼科光學設(shè)計師常使用Schott的B270玻璃 （Nd = 1.5231、Vd = 58.571） 來近似。有色或變色眼科鏡片的數(shù)據(jù)也有提供 （參考資料1）。所有的資料都包含材料比重，這讓設(shè)計師可以估計高折射率玻璃的相對重量。

玻璃庫中其他的材料是塑料，例如CR-39、PC以及一系列眼科常見、名為thiourethanes的材料。這些數(shù)據(jù)都是從鏡片或材料的主要制造商取得的。各家制造商塑料材料的折射率各有不同，除了因為結(jié)構(gòu)本身的差異之外，各種不同的添加物也會造成影響，例如UV吸收劑、塑化劑、脫模劑。此外，射出成型的流程參數(shù)也都有影響。因此，材料供應(yīng)商以及鏡片制造商通常都會提供精度超過小數(shù)點后兩位的折射率數(shù)據(jù)。然而除了單一波長的折射率以及阿貝數(shù)（Abbe Number）外，通常就不會有更多相關(guān)數(shù)據(jù)了。單一波長方面我們通常會選擇使用e線 （546.1nm），因為該波長更接近相對光度函數(shù)曲線（relative luminosity curve）的最大值。但在某些特殊的情況下，d線 （587.6 nm）的使用也是有可能的。

NF與NC折射率可以由（Nd，Vd）或（Ne，Ve）回推。過去，Sultanova等人發(fā)表了 15種光學塑料的折射率數(shù)據(jù)（參考數(shù)據(jù)2），每種材料都有8個波長的資料，并同時計算了每個材料的阿貝數(shù) （V）。每個OpticStudio的眼科光學塑膠材料 （包含現(xiàn)在使用的這個） 都是先假設(shè)其色散曲線、折射率、阿貝數(shù)均與Sultanova的塑料相似，接著利用Conrady公式，從NF、釹、鎘及NC的數(shù)值中建立材料檔案。

玻璃庫中材料的波長范圍在400-800納米之間，包含整個可見光的范圍，我們可以另外在OpticStudio中以明視覺（photopic）或暗視覺（scotopic）波長進行設(shè)計。

OpticStudio的標準材料庫MISC包含了CR39和POLYCARB等材料。這些材料與眼科鏡片使用的CR-39以及POLYCARBONATE有些微的不同。為了讓材料屬性可以更針對眼科鏡片的制造，CR-39的數(shù)據(jù)取塑料的自主要供應(yīng)商PPG Industries，且可用波長延伸至整個可見光譜范圍。而POLYCARBONATE的資料則由Essilor International S.A. （Gentex Corp.的母公司，主要的PC眼科鏡片制造商）所提供。MISC材料庫同時也包含了ACRYLIC、PMMA以及STYRENE，這些材料對隱形眼鏡以及眼內(nèi)光學非常重要。

參考

1. 康寧。2019. 玻璃產(chǎn)品數(shù)據(jù)表。2015年2月15日訪問。點擊查看

2. Sultanova K.， Karasova S.， Nikolov I.， （2009），?光學聚合物的分散性能， 物理學報 A， 116：4， 585-587.