Projekt okularów z aberracją wysokiego rzędu i defokusie krótkowzroczności współistniejących na podstawie modelu oczu

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

Aschool of Optoelectronic Science and Engineering, Soochow University, nr 1 Shizi Street, Suzhou 215006, Chiny; Bey Lab of Advanced Optical Manufacturing Technologies of Jiangsu Prowince &

Key Lab of Modern Optical Technologies of Education Ministerstwa Chin, Soochow University, Suzhou 215006, Chiny; Csuzhou Mason Optical Co., Ltd., Suzhou 215007, Chiny

* Autor korespondent: chunmei _ zeng@suda.edu.cn

ABSTRAKCYJNY

Specjalnie zaprojektowane szklanki ramowe wykazały coraz większą wydajność zapobiegania i kontroli krótkowzroczności w badaniach klinicznych. Jednak publiczne badania dotyczące modulacji aberracji wysokiego rzędu związanych z ramkami okularów pozostają rzadkie. W tym artykule zaprojektowano soczewki okularów z aberracjami wysokiego rzędu i defokusem krótkowzroczności poprzez łączenie modelu oczu i szklanki ramowej oraz symuluje model optyczny okulary okulary dla pacjentów z krótkowzrocznością o długości 300 stopni. Gdy jednostka modulacji aberracji o wysokiej kolejności nie jest ustawiona dla okularów, wartość defokusacyjna kierunku osi y w polu widzenia stopnia -14 odpowiadająca zmianie zewnętrznej mocy powierzchniowej soczewki mikrolulów defocusing jednostki DIPOCUSING w polu statycznym, a defokusingowa zmiana zewnętrznej powierzchni powierzchniowej jest ustawiona na 6 DIOPTING, a statyczne pole pionowe, a statyczne pola wizu od -28. 5 stopni ~ 28,5 stopnia (przy przyrostach 1 stopnia). W tym artykule omówiono korelację między podstawowym promieniem krzywizny łuku w mikrostrukturze Toric Microstruktura Modulacji wysokiego rzędu a aberracją wysokiego rzędu w zaprojektowanym okularowym okularom w obserwacji statycznej w kierunku Y. Ustalono odpowiednie formuły empiryczne. Badania będą sprzyjające rozwojowi okularów modulacji aberracji wysokiego rzędu.Słowa kluczowe:Modulacja aberracji wysokiego rzędu, zapobieganie i kontrolę nad krótkowzrocznością, model oka, projektowanie okularów

1. Wprowadzenie

Systematyczne badanie kontrolne [1] pokazuje, że w ciągu ostatnich 15 lat częstość występowania krótkowzroczności we wschodniej Azji gwałtownie wzrosła, a trend rozprzestrzenia się obecnie na całym świecie. Wskaźnik progresji krótkowzroczności różni się w zależności od różnych grup wiekowych, jak pokazano na rycinie 1: Wskaźnik progresji krótkowzroczności u dzieci w wieku od 6 do 9 wynosi -0. 50 do -1. 00 Diopters (d) rocznie, podczas gdy te w wieku 10 lat wyświetlają szybkość {11}}. Średni roczny postęp krótkowzroczności u większości pacjentów z krótkowzrocznością zwolni z czasem, przy czym większość osób stabilizuje się przed 20 latem. Międzynarodowy Instytut Myopii (IMI) poinformował w 2019 r., Że około 87% dzieci cierpiących na wysokie krótkowzroczność w wieku 11 lat rozwija się w wieku 7 lat lub młodsza lub wykazywała postęp krótkowzroczny przez 2 lata. Dlatego wczesne zapobieganie krótkowzroczności u dzieci i młodzieży ma kluczowe znaczenie dla zmniejszenia upośledzenia wzroku w przyszłości.

Ryc. 1. Przesunięcie refrakcyjne wśród dzieci krótkowzrocznych według wieku [2].

Czwarta międzynarodowa konferencja na temat optyki i przetwarzania obrazu (ICOIP 2024), pod redakcją Xiaotao Hao, Chuan Qin, Proc. SPIE VOL. 13254, 132541C © 2024 SPIE · 0277-786 x · doi: 10.1117/12.3039156

Proc. SPIE VOL. 13254 132541 c -1

Poprzednie badania dotyczące aberracji wysokiego rzędu (HOA) ludzkiego oka koncentrowały się głównie na tym, jak je poprawić (takie jak projekt soczewek miękkich kontaktu Suliman i in. W 2019 r. [3]), związek między HOA a czynnikami związanymi z oczami [4,5], operacji przekształcania rogówki przy użyciu aberracji wysokiego rzędu oraz wpływu HOA na leczenie choroby oczu [6]. Dowody sugerują, że HOA są istotnie powiązane z postępem krótkowzroczności i wydłużeniem osiowym u dzieci krótkowzrocznych poprawionych okularami monofokalnymi [7]. Biorąc pod uwagę zalety dużej popularności, niskiej, nieinwazyjnej natury i łatwego wymiany okularów ramowych, badanie ich potencjału spowolnienia postępu krótkowzroczności u dzieci i młodzieży stanowi wyjątkową przewagę. Oraz wielopunktowe okulary zaprojektowane przez krótkowzroczność: Z centralnym obszarem, który może poprawić jasne widzenie, mikrolense są rozmieszczone wokół obiektywu w celu wytworzenia krótkowzroczności okołoporodowej, opóźniając postęp w krótkowzroczności, technologia została pomyślnie skomercjalizowana. Daleko, w tym badaniu próbuje zaprojektować soczewki okularyczne, które mogą modulować aberracje wysokiego rzędu w oparciu o defokowanie krótkowzroczności.

2. Metodologia

2.1 Model oczu
Podstawą badań było symulacja podstawowego oka za pomocą oprogramowania optycznego ZEMAX. Podstawowe oko zmodyfikowano na podstawie modelu oka Liou [8], z parametrami strukturalnymi szczegółowo w tabeli 1. Model oka został zaprojektowany o długości osiowej 23,97 mm i średnicy ucznia 4 mm. Aby usprawnić analizę, nie przyjęliśmy nachylania ani mimośrodowości u ucznia.

Tabela 1. Parametry strukturalne modelu oka.

Przednia powierzchnia soczewki z przodu i wirtualnej powierzchni oparta jest na standardowej powierzchni, a współczynnik załamania nośroda n podłoża można swobodnie zdefiniować, jak pokazano w wzorze (1).

W tabeli 1 stopień A na przedniej powierzchni obiektywu odpowiada n 0=1. 368, nr 2=-1. 978*10-3, nr 4=0, nr 6=0, nz 1=4. 9057*{10}}, nr 6=0, nz 1=4. 9057*{10} NZ 2=-1. 5427*10-2, NZ 3=0; Grad B na powierzchni wirtualnej odpowiada n 0=1. 407, nr 2=-1. 978*10-3, nr 4=0, nr 6=0, nz 1=0, nz 2=-6. NZ 3=0.

2.2 aberracja czołowych oczu ludzkich oczu
W optometrii pierwsze 6 rzędów wielomianów Zernika jest używanych głównie do reprezentowania aberracji czoła frontowego ludzkiego oka. Aberracje frontowe WAVE określone przez Optical Society of America (OSA) [9] odpowiadają standardowym współczynnikom Zernike w oprogramowaniu ZEMAX, jak opisano w tabeli 2. Podejście to pozwala na precyzyjną i znormalizowaną reprezentację aberracji oka, ułatwiając dokładniejszą symulację i analizę.

Tabela 2. Znaczenie standardowej aberracji współczynnika Zernike w ZEMAX.

3. Modele i dane
(Obszar korekcji widzenia) może poprawić sferyczne i cylindryczne błędy refrakcyjne typowe u pacjentów z krótkowzrocznością. Został zaprojektowany zgodnie z receptą pacjenta; 2, SKRESOPIA DEFOCUS (rozproszona z kilkoma wypukłymi sferycznymi mikrolomsami ułożonymi w okrągłej tablicy), co wytwarza pewien stopień krótkowzroczności defocus; 3, jednostka modulacji aberracji wysokiego rzędu składa się z kilku struktur pierścienia zaangażowanych w regulację HOA ludzkiego oka. Schematyczny schemat zewnętrznej powierzchni soczewki okularów pokazano na ryc. 2 (a), z liczbą zakrętów, a kolejność pasma wzrasta od środka soczewki do krawędzi; Związek układu trzech jednostek optycznych pokazano na ryc. 2 (b), gdzie R reprezentuje odległość promieniową, która znajduje się w płaszczyźnie Xoy; Krótkowzroczne jednostki defocusing są równomiernie rozmieszczone na obwodzie, a odstępy rozkładu w tej samej odległości promieniowej są reprezentowane przez długość łuku jednostkowego. Ustawienie długości łuku jednostki może kontrolować liczbę jednostek na każdym pierścieniu mikrolensów urządzenia. Długość łuku jednostkowego, odstępy pierścienia D, średnica D2 zdeponowanych mikrolenów jednostkowych i szerokość promieniowa D3 pasma pierścieniowego wspólnie określa gęstość mikrostruktury na soczewce okularów.

Ryc. 2. (A: po lewej) schematyczny schemat soczewek okularów; (B: Po prawej) Schemat schematyczny trzech układów jednostkowych w płaszczyźnie Xoy.

Krok 1: Zakładając, że receptę pacjenta z krótkowzrocznością jest sferyczna diopter (3 D) i cylindryczna diopter (0 d), wzrost krótkowzroczności pacjenta przejawia się tylko jako krótkowzroczność osiowa. Na tej podstawie zaprojektowano krótkowzroczny model oka, który idealnie może zastosować zmiany w długości szklistej wnęki, aby odzwierciedlić zmiany stopnia krótkowzroczności w modelu oka. Zgodnie z receptą, po lewej lewicowej soczewce negatywnej po lewej stronie zaprojektowano jako podstawową jednostkę lustrzaną, z sferycznymi powierzchniami wewnętrznymi i zewnętrznymi. Średnica lustra macierzystego wynosi 60 mm, przy wybranej średniej grubości 1,3 mm; Materiał lusterek ma -matki to poliwęglan (PC), z współczynnikiem załamania światła 1,56, liczbą 37 i ciężarnością właściwą 1,23 g/cm3. Kompleksowe parametry strukturalne podsumowano w tabeli 3.

Tabela 3. Parametry strukturalne jednostki lustra macierzystego.

W ZEMAX typ przysłony ustawiono na zmiennoprzecinkowy rozmiar przysłony o średnicy źrenicy 4 mm, a typ palca ustawiono na jednolite; Ustaw trzy pola widzenia (FOV) i odpowiednio dostosowały swoje wagi: FOV stopnia 0 w kierunku Y otrzymał wagę 1, 1 0 fov masa 0. 2 oraz 14-stopniowa fov masy 0. 15. Pod jasnym widzeniem długość fali przyjęła pojedynczą długość fali 0,555 μm. Inne dane zostały oparte na podstawowych danych modelu oczu w tabeli 1. Grubość szklistej modelu oka została potraktowana jako zmienna, a soczewkę macierzystą umieszczono 12 mm przed wierzchołkiem rogówki, aby zoptymalizować model optyczny okulary. Ta konfiguracja spowodowała szklistą długość ciała około 17,306 mm i całkowitą osiową długość oka 25,036 mm.

Krok 2: Wybór FOV kierunku Y-Kierowania Y jako główny kierunek promienia dla późniejszej konstrukcji jednostki optycznej, z tym samym materiałem co jednostka lustra macierzystego. Początkowo konieczne było określenie współrzędnej kierunku Y, gdy główne światło poza osiem pola widzenia przecina się z zewnętrzną powierzchnią pierwotnego lustra, aby określić odległość promieniową, gdy normalna powierzchnia pierwszego mikrostruktury w kierunku Y pierwszego okręgu mikrolensji w miny defocus przecina się z zewnątrz lustra; Następnie określił otwór pola widzenia na zewnętrznej powierzchni lustra macierzystego, jak pokazano na lokalnie powiększonym obrazie na ryc. 3. Wykorzystując operanty Reay i Reaz w ZEMAX, w połączeniu z znormalizowanymi fov i znormalizowanymi ustawieniami źrenicy, odległość promieniowa R wynosiła 3,8 0 2 mm, wynosiła 4,318 mm, ∆zz. Zgodnie z twierdzeniem Pitagorean, otwór promieni przeszedł przez kierunek Y poza osą w -14 FOV na zewnętrznej powierzchni lustra macierzystego, wynosiła około 4,3186 mm.

Rycina 3. Schemat częściowy pola widzenia Of Off Of View Mother Mother Mother do transmisji światła.

Zależność położenia między mikrolonami pierwszego okręgu krótkowzroczności defocus i zewnętrzną powierzchnią lustra macierzystego w płaszczyźnie yoz w kierunku y można zilustrować na rycinie 4. Promień krzywizny zewnętrznej powierzchni lustra matki jest oznaczony jako r1, promień krzywizny, a zewnętrzny powierzchnia zewnętrznej powierzchni defocus jednostki defocus jest wyznaczona. Wysokość wektora od wierzchołka mikro soczewki do zewnętrznej powierzchni lustra matki jest oznaczona jako G2. Pozycję środkową mikrolenów można określić na podstawie długości F2 i kąta obrotu 𝜃, który można obliczyć za pomocą następującego wzoru:

Rycina 4. Schemat częściowy pola widzenia Of Off Of View Mother Mother Lustro do transmisji światła.

Ustaw kształt powierzchni mikrolenów jednostkowych defocus jako sferyczną (moca wzdłuż 6 d i średnica 2 mm), a odległość promieniowa pierwszego okręgu mikrostruktury wynosi 3,802 mm; Początkowy kształt powierzchni zewnętrznej powierzchni mikrostruktury pierścieniowej modulacji wysokiej rzędu Mikrostruktura pierścieniowa ustawiono jako toric z podstawową mocą łukowym 4 d i promieniowym Proc. SPIE VOL. 13254 132541 C -5 szerokość 1,5 mm (d3). Zasada obliczania położenia środkowego łuku podstawowego płaszczyzny Yoz Toric jest taka sama jak wzór (2) do (4). Pozycję środkowej łuku podstawowego można określić na podstawie długości F3 i kąta obrotu 𝜃. z promieniem krzywizny (R3) i wysokością wektora (G3) z wierzchołka łuku podstawowego na zewnętrznej powierzchni do zewnętrznej powierzchni lustra matki. G 2=3. 572 μm, G 3=1. 004 μm, odstęp między sąsiednimi paskami pierścieniowymi ustawiono jako 3,8 mm, soczewki okularów ustawiono z 6 pierścieniami i długością łuku jednostkowego 4 mm. Dane odniesienia dla pozycji mikrostruktury szczegółowo opisano w tabeli 4.

Krok3: Wykorzystanie oprogramowania 3D CAD SolidWorks zakończyło modelowanie początkowych obiektywów okularów. Główne i lewe widoki przedstawiono na rycinie 5, a średnica centralnego obszaru korekcji widzenia początkowej strukturalnej soczewki macierzystej wynosi około 5,604 mm.

Tabela 4. Dane dotyczące pozycji mikrostruktury soczewki przekrojowej YOZ.

Rycina 5. Początkowa struktura soczewek okularów - przednie i lewe widoki.

4. Wyniki i analiza

Dochodzenie w sprawie wydajności optycznej soczewki okularów, początkowo zawierającego tylko obiektyw macierzyste, ujawniło, że wartość defocus w kierunku osi Y w -14 fov w statycznym polu widoku modelu okulary-okoczu. Biorąc pod uwagę, że moc zewnętrznej powierzchni lustra macierzystego wynosi 2 d, zdecydowaliśmy się zbadać zakres mocy optycznych dla zewnętrznej powierzchni mezopiowej jednostki defocus od 4 do 10 dni, zwiększając 1 d przyrosty, bez uwzględnienia jednostki modulacji aberracji wysokiego rzędu. Zaobserwowaną sytuację defoCus podsumowano w tabeli 5. Dane dotyczące defocus Z4 wykazywały związek liniowy, umożliwiając nam zastosowanie wzoru (5) do oszacowania frontu fala w polu stopniowym z zmiennej mocy rozdzielczości krótkowzrocznej w kierunku obserwacji Y -14. Tutaj optyczna wartość mocy x powierzchni zewnętrznej jednostki krótkowzroczności służyła jako zmienna niezależna, podczas gdy odpowiadająca wartość defocus Z4 działała jako zmienna zależna.

Tabela 5. Pole statyczne osi widoku -14 pole widzenia Dane defocus ze zmianami mocy optycznej.

Ustaw zewnętrzną moc powierzchniową mikrolenów jednostki Defocus na 6 dni, bez ustawiania jednostki modulacji aberracji wysokiego rzędu. Odmiana defoCus statycznego pionowego pola widzenia od -28. 5 stopni do 28,5 stopnia, przy wielkości kroku 1 stopnia, jak pokazano na rycinie 6. Oś pionowej współrzędnych jest ilością defocus w postaci aberracji fal. W tym artykule dodatnia wartość Z4 wskazuje, że kwota Defocus znajduje się przed siatkówką, podczas gdy wartość ujemna Z4 wskazuje, że kwota defocus jest umieszczona za siatkówką. Ze względu na symetrię układu soczewki rozkład defocus w pionowym polu widzenia jest w przybliżeniu symetryczny, podczas gdy sytuacja defocus w poziomym polu widzenia jest podobna.

Rysunek 6. Statyczne pionowe pole widzenia defoCus Mapa zmiany.

Początkowa struktura lustra i krótkowzroczności oddziału pozostawała niezmieniona, przy jednoczesnym zachowaniu szerokości promieniowej mikrostruktury powierzchniowej toroidalnej mikrostruktury powierzchniowej jednostki modulacji aberracji wyższego rzędu, a promień krzywizny łukowej podstawy Toric został zmieniony. Ma to na celu przeanalizowanie związku między podstawowym promieniem krzywizny łuku R3 a ilością aberracji wyższego rzędu podczas obserwacji kierunku Y -14 na statycznym polu.

W badaniu wybrano łącznie 9 punktów danych, w tym mocy krzywej podstawowej 3,7 d, 4 d, 4,5 d, 5 d, 5,5 d, 6 d, 7 d, 8 d i 9 d, aby zapewnić płynny spadek obliczonego promienia krzywizny. Gdy moc krzywej podstawowej wynosiła 10 dni, najwyższy punkt na zewnętrznej powierzchni zdeponowanej mikrolenów jednostkowych jest niższa niż w mikrostrukturze modulacji aberracji wysokiego rzędu, która nie była zgodna z modelowaniem.

Zarejestrował standardowe wartości współczynnika terminu Zernike soczewki tylko z mikrolami Mother Mirror i Defocus jednostki w kierunku Y w FOV stopnia -14. RMS wartości aberracji frontowych dla środka masy w ZEMAX eliminują efekty przemieszczenia i pochylenia. Wyeliminując je, RMS (średni kwadrat root) HOA oka w tym polu można ustalić jako 0. 932937 λ (0. 555 μm), utrzymywany do sześciu miejsc dziesiętnych. Zarejestrowano kilka komponentów aberracji wysokiego rzędu, które mogą być zaangażowane w opóźnianie krótkowzroczności, z wartością początkową oznaczoną jako ZI 0, gdzie i reprezentuje kolejność rankingu standardowego terminu Zernike w Zemax. Pionowa COMA Z7 0 była -0. 141717 λ, pozioma COMA Z8 0 była 0. 0 00001 λ, przechylona trafil Z90 była -0. Z100 był 0 λ, aberracja sferyczna Z110 była -0. 454283 λ, poziomy wtórny astigmatyzm Z120 wynosił -0. 005588 λ, przechylony wtórny astigmatyzm Z130 wynosił 0 λ, drugie horizontal COMA Z160 to COMA Z160, wynosił drugorzędny astigmat {{29} {

Modelowanie soczewek okularów z różnymi promieniami krzywizny łuku podstawowego dla jednostek modulacji aberracji wyższego rzędu oraz rejestrowanie danych aberracji wyższego rzędu w kierunku Y w -14 FOV podczas statycznej obserwacji w układzie optycznym okręgu, jak pokazano w tabeli 6. (ZI-ZI 0). Analiza regresji danych wykazała, że ​​promień krzywizny łuku podstawowego R3 powierzchni toroidalnej był związany z śpiączką pionową, przechyloną koniczyną, aberracją sferyczną, poziomym astigatyzmem wtórnym, śpiączką pionową drugiego rzędu, wtórną aberracją sferyczną i całkowitą aberracją wysokiego rzędu. Ryc. 7 pokazuje linie rozkładu rozproszenia i regresji sześciu przyrostów aberracji wysokiego rzędu i R3, w których przyrost przechylonego koniczyny i przyrost aberracji sferycznej mają liniowy związek z promieniem krzywizny łukowego podstawowego, a przyrost maleje wraz ze wzrostem promienia krzywizny łuku podstawowego. Przyrost śpiączki pionowej, poziom poziomy wtórnego astygmatyzmu, przyrost śpiączki drugiego rzędu, wtórny przyrost aberracji sferycznej i całkowity przyrost aberracji wysokiego rzędu są nieliniowo skorelowane z R3. Wzór empiryczny można zobaczyć z równań (6) ~ (12). Nie ma istotnej korelacji między poziomym śpiączką, poziomym koniczykiem, przechylonym astygmatyzmem wtórnym, poziomą śpiączką drugiego rzędu a promieniem krzywizny R3. Można sobie wyobrazić, że zdolność do modulowania określonych aberracji poprzez precyzyjne dostosowanie krzywizny mikrostruktury podkreśla potencjał tworzenia bardziej skutecznych i dostosowanych soczewek okularów do zarządzania krótkowzrocznością.

Tabela 6. Obserwacja statyczna w kierunku Y -14 Pole widzenia wysokiego rzędu standardowe dane frontowe.

Ryc. 7. Wykresy rozproszone i linie regresji częściowych przyrostów aberracji wysokiego rzędu w funkcji promienia krzywizny podstawowego łuku.

Ustalił korelację między promieniem krzywizny R3 łuku podstawowego a aberracją z frontu falowego wyrażonego przez standardowy wielomian Zernike (patrz ryc. 7). Zakres R3 wynosi od 62,222222 mm do 151,351351 mm, formuła empiryczna była następująca:

W równaniu reprezentuje współczynnik wyroku równania regresji, a im bliższa jej wartość do 1, tym wyższy stopień dopasowania równania.

5. Wnioski

Niniejszy artykuł ma na celu zbadanie modulacji aberracji wysokiego rzędu w zaprojektowanych okularach i ich wpływ na defokowanie krótkowzroczności. Proponuje projekt, który łączy model oka i okulary ramowe w celu symulacji modelu optycznego dla pacjentów z krótkowzrocznością 300-. Badanie bada korelację między podstawowym promieniem krzywizny łukowania łukowego mikrostruktury modulacji wysokiego rzędu mikrostruktury i aberracji wysokiego rzędu przy obserwacji statycznej. Badania te przyczyniają się do opracowania okularów modulacji aberracji wysokiego rzędu, zapewniając cenne wgląd w zapobieganie i kontrolę krótkowzroczności.

Odniesienia

[3] Suliman A, Rubin A. Corrigendum: przegląd aberracji wyższego rzędu ludzkiego oka. Afrykańska wizja i zdrowie oczu. 2019, 78 (1).

[4] Rebika D, Divya S, Murugesan V, i in. Biomechaniczne właściwości rogówki i aberracji oka w krótkowzrocznych oczach. Indian Journal of Ophthalmology. 2023 grudnia 15.

[5] Hassan H, Shima M, Alireza J, i in. Związek między biometrycznymi składnikami oka a aberracjami rogówki. Kliniczna eksperymentalna optometria. 2023 16 października, 1-7.

[6] KJL, JSV, Sin-Wan C, i in. Wpływ współczynnika kompresji ortokokeratologii na aberracje o wyższym rzędu. Kliniczna eksperymentalna optometria. 2020,103 (1), 123-128.

[7] Hiraoka Takahiro, Kotsuka Junko, Kakita Tetsuhiko, Okamoto Fumiki, Oshika Tetsuro. Związek między aberracjami falowymi z czorem wyższym a naturalnym postępem krótkowzroczności u uczniów. Raporty naukowe. 2017, 7 (1).

[8] Liou HL, Brennan N. A. Anatomicznie dokładne. Modelowe oko do modelowania optycznego. Opt SoC Am a Opt Image Sci vis. 1997 sierpnia 14 (8), 1684-95.

[9] metody okulistyczne do zgłaszania aberracji optycznych oczu. Ansi. Z80. 28-2017, 2017-08-21.