Návrh brýlí s aberací a aberací vysokých řádu a koexistujícím rozostřením krátkozrakosti na základě očního modelu

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

Aschool of Optoelectronic Science and Engineering, Soochow University, č. 1 Shizi Street, Suzhou 215006, Čína; BKEY Lab of Advanced Optical Manufacturing Technologies v provincii Jiangsu &

Klíčová laboratoř moderních optických technologií ministerstva školství v Číně, Soochow University, Suzhou 215006, Čína; Csuzhou Mason Optical Co., Ltd., Suzhou 215007, Čína

* Odpovídající autor: Chunmei _ zeng@suda.edu.cn

ABSTRAKTNÍ

Speciálně navržené sklenice rámu vykazovaly v klinických studiích stále významnější výkon při prevenci a kontrole krátkozrakosti. Veřejné studie o modulaci aberací vysokých řádu souvisejících s rámečky brýlí však zůstávají vzácné. Tento článek navrhuje čočky s brýlemi s aberacemi vysokých řádu a myopickým rozostřením propojením očního modelu a rázových sklenic a simuluje optický model očí brýlí u 300 stupňů myopických pacientů. Když není pro brýle nastavena modulační jednotka s vysokým řádkem, hodnota zřizovací hodnoty y-osy v {-14} zornému pole zorného stupně odpovídající změně vnějšího povrchového síly mikrolesu čočky, která je v externím polním polem v externím polním polním pohledem na 6 pohledu, pohledem na 6 pohledu na 6 s osilovacím pozemkem pohledu posila v rozmezí od -28. 5 stupňů ~ 28,5 stupňů (při 1 stupni). Tento článek diskutoval o korelaci mezi poloměrem zakřivení základního oblouku torické mikrostruktury aberace aberační jednotky vysokého řádu a aberacemi ve vysokém řádu v navržených brýlech pod statickým pozorováním ve směru y. Byly stanoveny odpovídající empirické vzorce. Tento výzkum bude vedou k vývoji modulačních brýlí s vysokým řádem.Klíčová slova:Modulace aberace vysokého řádu, prevence a kontrola krátkozrakosti, oční model, design brýlí

1. Úvod

Systematická následná studie [1] ukazuje, že za posledních 15 let se míra incidence krátkozrakosti ve východní Asii rychle zvýšila, což se nyní celosvětově šíří trend. Míra progrese krátkozrakosti se liší mezi různými věkovými skupinami, jak je znázorněno na obrázku 1: Míra progrese krátkozrakosti u dětí ve věku 6 až 9 let je -0. Průměrná roční progrese krátkozrakosti u většiny myopických pacientů se v průběhu času zpomalí, přičemž většina jedinců se stabilizuje před 20 let. Mezinárodní institut krátkozrakosti (IMI) v roce 2019 uvedl, že přibližně 87% dětí, které trpí vysokou krátkozrakostí ve věku 11 let, se ve věku 7 nebo mladších nebo více] vyvinula [2]. Proto je včasná prevence krátkozrakosti u dětí a dospívajících školního věku zásadní pro snížení zrakového postižení v budoucnosti.

Obrázek 1. refrakční posun mezi myopickými dětmi podle věku [2].

Čtvrtá mezinárodní konference o zpracování optiky a obrazu (ICOIP 2024), editoval 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

Předchozí výzkum aberací vysokého řádu (HOA) lidského oka se zaměřil hlavně na to, jak je opravit (jako je Suliman et al. Návrh měkkých kontaktních čoček v roce 2019 [3]), vztah mezi HOA a faktory souvisejícími s očími [4,5], chirurgii s rohovkou a na dopad HOA na léčbu [6]. Důkazy naznačují, že HOA jsou významně spojeny s progresí myopie a axiálním prodloužením u myopických dětí korigovaných monofokálními brýlemi [7]. S ohledem na výhody vysoké popularity, nízkých nákladů, neinvazivní povahy a snadné výměny brýlí rámu představuje jejich potenciál zpomalit progresi myopie u dětí a dospívajících představuje jedinečnou výhodu. A vícebodové brýle s rozostřením myopie navržené: s centrální oblastí, která může korigovat jasné vidění, jsou kolem čočky uspořádány mikrolesy, aby se vytvořila rozmnožování peretinální myopie, čímž se zpozdila progresi myopie, tato technologie byla úspěšně komercializována. Tato studie se zdaleka pokouší navrhnout čočky brýlí, které mohou modulovat aberace vysokého řádu založené na krátkozrakém rozostření.

2. metodika

2.1 Oční model
Studijní základ zahrnoval simulaci základního oka pomocí softwaru optického designu ZEMAX. Základní oko bylo modifikováno na základě modelu Liou Eye [8], se strukturálními parametry podrobnými v tabulce 1. Oční model byl navržen s axiální délkou 23,97 mm a průměrem žáka 4 mm. Abychom zefektivnili analýzu, předpokládali jsme na žáka žádný sklon ani výstřednost.

Tabulka 1. Strukturální parametry modelu oka.

Přední povrch předního a virtuálního povrchu čočky je založen na standardním povrchu a index lomu média lze volně definovat, jak je uvedeno ve vzorci (1).

V tabulce 1 odpovídá grad A na předním povrchu čočky N 0=1. 368, nr 2=-1. 978*10-3, nr 4=0, nr 6=0, nz {{8 {10-2,},},},},},}, nr {}, nz}. nz 2=-1. 5427*10-2, nz 3=0; Grad B na virtuálním povrchu odpovídá N {0=1. 407, nr 2=-1. 978*10-3, nr 4=0, nr 6=0, nz 1=0, nz {{23}. nz 3=0.

2.2 Vlnová aberace lidských očí
V optometrii se prvních 6 řádů Zernike Polynoms používá hlavně k reprezentaci aberací vlny lidského oka. Vlnová aberace specifikovaná Optical Society of America (OSA) [9] odpovídají standardním koeficientům Zernike v softwaru ZEMAX, jak je uvedeno v tabulce 2. Tento přístup umožňuje přesné a standardizované reprezentace očních aberací, což usnadňuje přesnější simulaci a analýzu.

Tabulka 2. Význam Aberace standardního koeficientu Zernike v Zemaxu.

3. modely a data
(oblast korekce vidění) může u pacientů s krátkozrakostí opravit sférické a válcové refrakční chyby. Je navržen podle předpisu pacienta na brýle; 2, myopie rozostřovací jednotka (distribuovaná s několika konvexními sférickými mikrolesy uspořádanými v kruhovém poli), která produkuje určitý stupeň rozostření krátkozrakosti; 3, Aberační jednotka aberace vysokého řádu je složena z několika kruhových struktur zapojených do regulace HOA lidského oka. Schematický diagram vnějšího povrchu čočky brýlí je znázorněn na obrázku 2 (a), přičemž počet zatáček a pořadí pásma se zvyšuje ze středu čočky na okraj; Uspořádání vztahu tří optických jednotek je znázorněno na obrázku 2 (b), kde r představuje radiální vzdálenost, která je umístěna v rovině Xoy; Myopické rozostřovací jednotky jsou rovnoměrně distribuovány na obvodu a distribuční intervaly ve stejné radiální vzdálenosti jsou představovány délkou jednotky oblouku. Nastavení délky oblouku jednotky může ovládat počet jednotek na každém kroužku jednotkové mikrolesy. Délka oblouku jednotky, rozteč prstenců D, průměr D2 rozostřené jednotky mikroles a radiální šířka D3 kruhového pásma společně určují hustotu mikrostruktury na čočce brýlí.

Obrázek 2. (a: vlevo) Schematický diagram čoček brýlí; (B: Vpravo) Schematický diagram tří rozvržení jednotek v rovině Xoy.

Krok1: Za předpokladu, že předpis myopického pacienta je sférická dioptrista (3 d) a válcovská dioptrie (0 d), růst krátkozrakosti pacienta se projevuje pouze jako axiální krátkozrakost. Na základě toho byl navržen myopický oční model, který může v ideálním případě použít změny v délce sklivce, aby odrážely změny stupně krátkozrakosti v očním modelu. Podle předpisu bylo jako primární zrcadlové jednotky navrženo jediné zaostření levé negativní čočky s půlměsícem se sférickými vnitřními a vnějšími povrchy. Průměr mateřského zrcadla je 60 mm, se střednou tloušťkou 1,3 mm; Mateřskou mateřskou mateřskou materiálem je polykarbonát (PC), s indexem lomu 1,56, ABBE počtem 37 a specifickou hmotností 1,23 g/cm3. Komplexní strukturální parametry jsou shrnuty v tabulce 3.

Tabulka 3. Strukturální parametry jednotky mateřského zrcadla.

V Zemaxu byl typ clony nastaven na plovoucí velikost clony s průměrem žáka 4 mm a typ špičky byl nastaven na uniformu; Nastavte tři zorná pole (FOV) a podle toho upravili jejich váhy: 0 stupeň FOV ve směru y byla dána hmotnost 1, 1 0 stupeň FOV A Hmotnost 0. Za jasného vidění přijala vlnová délka jednu vlnovou délku 0,555 μm. Ostatní data byla založena na základních očích modelech v tabulce 1. Sklopná tloušťka očního modelu byla považována za proměnnou a mateřská čočka byla umístěna 12 mm před vrcholem rohovky, aby se optimalizovala optický model brýle. Tato konfigurace vyústila v sklivci tělesné délky přibližně 17,306 mm a celkovou axiální délku oka 25,036 mm.

Krok2: Výběr FOV ve směru Y 14 stupňů jako směru hlavního paprsku pro následný návrh optické jednotky, se stejným materiálem jako mateřská zrcadlová jednotka. Zpočátku bylo nutné určit souřadnici směru y, když se hlavní světlo mimo osu zorného pole protíná s vnějším povrchem primárního zrcadla, aby se určila radiální vzdálenost, když normální mikrostruktura ve směru y prvního kruhu mikrolezů v myopickém rozbojové jednotce prosazovala s vnějším povrchem mateřského zrcadla; Poté určil clonu zorného pole na vnějším povrchu mateřské zrcadla, jak je znázorněno na místně zvětšeném obrazu na obrázku 3. S využitím reay a reaz operandů v Zemaxu, kombinované s normalizovaným nastavením FOV a normalizovaným nastavením žáka, byla 0,8 {10}} ∆ výše, ∆y, byla 0,318 mm. Podle Pythagorovy věty prošel otvor paprsku přes směr Y mimo osa -14} stupně FOV na vnějším povrchu mateřského zrcadla byl přibližně 4,3186 mm.

Obrázek 3. Částečný schematický diagram z zorného pole Off Axis Matka zrcadlo pro přenos světla.

Vztah polohy mezi mikroleny prvního kruhu jednotky krátkozrakosti a vnějším povrchem mateřského zrcadla v rovině Yoz ve směru y může být ilustrován na obrázku 4. Poloměr zakřivení vnějšího povrchu vnějšího povrchu mateřského zrcadla je označen jako r1 jako r1 jako microlis je detorován jako mikropřízdní, a je ve stejném měřítku, a je dector dector dector, který je dector dector dector, který je dector dector dector dector, který je zadržen jako detekc, který je dector dector dector dector dector, dector dector, dector dector. Výška od vertexu mikro čočky k vnějšímu povrchu mateřského zrcadla je označena jako G2. Střední poloha mikrolemenů může být stanovena délkou F2 a úhlem rotace 𝜃, které lze vypočítat pomocí následujícího vzorce:

Obrázek 4. částečné schematické schémata z zorného pole Off Axis Matka zrcadlo pro přenos světla.

Nastavte povrchový tvar mikrolemenů jednotky rozostření jako sférické (kopická síla 6 d a průměr 2 mm) a radiální vzdálenost prvního kruhu mikrostruktury je 3,802 mm; Počáteční tvar povrchu vnějšího povrchu vnějšího povrchu aberační modulační jednotky aberace modulační jednotky mikrostruktury byl nastaven jako toric se základnou obloukovou silou 4 d a radiální proc. SPIE Vol. 13254 132541 c -5 šířka 1,5 mm (d3). Princip výpočtu střední polohy základního oblouku roviny Yoz je stejný jako vzorec (2) až (4). Střední poloha základního oblouku může být stanovena délkou F3 a úhlem rotace 𝜃. s poloměrem zakřivení (R3) a výškou vektoru (G3) z vrcholu základního oblouku na vnějším povrchu k vnějšímu povrchu mateřského zrcadla. G 2=3. 572 μm, G 3=1. 004 μm byl interval mezi sousedními kruhovými proužky nastaven jako 3,8 mm, čočky brýle jsou nastaveny se 6 kroužky a délkou oblouku jednotky 4 mm. Referenční data pro polohu mikrostruktury byly podrobně uvedeny v tabulce 4.

Krok 3: Využití 3D softwarového softwaru CAD Solidworks dokončil modelování počátečních čoček s brýlemi. Hlavní a levé pohledy byly znázorněny na obrázku 5 a průměr centrální korekční oblasti vidění počáteční strukturální mateřské čočky je asi 5,604 mm.

Tabulka 4. Položení údajů o průřezové čočce Yoz.

Obrázek 5. Počáteční struktura čoček brýlí - přední a levé pohledy.

4. výsledky a analýza

Zkoumání optického výkonu čočky s brýlemi, původně s pouze mateřskou čočkou, odhalilo, že hodnota rozmnožování ve směru osy y ve směru -14 FOV v rámci statického pole z zorného pole byla za polovinou vlny za refinou. Vzhledem k tomu, že síla vnějšího povrchu mateřského zrcadla je 2 d, rozhodli jsme se prozkoumat řadu optických sil pro vnější povrch myopické rozostřové jednotky mezi 4 až 10 d, což se zvyšuje v 1 d přírůstcích, aniž by se začlenilo aberační jednotku vysokého řádu. Pozorovaná situace rozmnožování byla shrnutá v tabulce 5. Data týkající se rozostření Z4 vykazovala lineární vztah, což nám umožnilo použít vzorec (5) pro odhad vlnové rozostření pod různými sílami vnějšího povrchu myopické rozmnožovací jednotky ve statickém pozorování {-14 stupně. Zde sloužila jako nezávislá proměnná optická hodnota výkonu x vnějšího povrchu myopické rozmnožování, zatímco odpovídající hodnota rozmnožování Z4 fungovala jako závislá proměnná.

Tabulka 5. Statická osa zorná pole -14 zorné pole zorného pole Defocus Data se změnami v optickém výkonu.

Nastavte externí povrchovou sílu mikrolesu jednotky rozostření na 6 d, aniž byste nastavili modulační jednotku s aberací vysokého řádu. Variace rozmnožování statického svislého zorného pole z -28. 5 stupňů do 28,5 stupňů, s velikostí kroku 1 stupně, jak je znázorněno na obrázku 6. Svislá osa souřadnic je ve formě aberace vlny. V tomto článku pozitivní hodnota Z4 ukazuje, že množství rozostření je umístěno před sítnicí, zatímco záporná hodnota Z4 ukazuje, že množství rozostření je umístěno za sítnicí. Vzhledem k symetrii uspořádání čočky je rozdělení rozostření ve vertikálním zorném poli přibližně symetrické, zatímco situace rozostření v horizontálním zorném poli je podobná.

Obrázek 6. Mapa změny statického vertikálního pole.

Počáteční struktura mateřského zrcadla a jednotky pro myopii rozmnožování zůstala nezměněna, zatímco zachovala radiální šířku toroidní povrchové mikrostruktury modulační jednotky aberace vyššího řádu a poloměr základního oblouku toriky byl změněn. Cílem bylo analyzovat vztah mezi poloměrem zakřivení základního oblouku R3 a množstvím aberace vyššího řádu při pozorování směru Y -14 stupně ve statice.

Studie vybrala celkem 9 datových bodů, včetně síly základní křivky 3,7 d, 4 d, 4,5 d, 5 d, 5,5 d, 6 d, 7 d, 8 d a 9 d, aby bylo zajištěno hladké snížení vypočítaného poloměru zakřivení. Když byla napájení základní křivky 10 d, nejvyšší bod na vnějším povrchu rozostřené jednotky mikrolenků je nižší než u mikrostruktury aberační modulační jednotky vysokého řádu, která nebyla v souladu s modelováním.

Zaznamenal hodnoty standardního termínového koeficientu Zernike pouze s mateřským zrcadlem a mikroleskem rozostrovací jednotky ve směru y na -14 stupně FOV. Hodnoty RMS hodnot aberace vlny pro střed hmoty v Zemaxu eliminují účinky posunutí a náklonu. Vyloučením je lze eliminovat, RMS (kořenový průměrný čtverec) HOA oka v tomto poli může být určen jako 0. 932937 λ (0. 555 μm), udržovaný na šest desetinných míst. Zaznamenalo několik komponent aberace vysokého řádu, které mohou být zapojeny do zpoždění krátkozrakosti, s počáteční hodnotou označenou jako Zi 0, kde představuji pořadí pořadí standardních termínových koeficientů Zernike v ZEMAX. Vertikální kóma z7 0 byla -0. 141717 λ, horizontální kóma z8 0 byla 0. {0 00001 λ, bylo -0. λ, sférická aberace z110 byla -0. 454283 λ, horizontální sekundární astigmatismus Z120 byl -0. 005588 λ, nakloněné sekundární astigmatismus z130 bylo 0 λ, 00 lat {29}. Vertikální kóma z170 druhého řádu bylo -0. 008084 λ, sekundární sférická aberace Z220 byla 0,362791 λ.

Modelování čoček brýlí s různými základnami zakřivení základny pro modulační jednotky s aberačními aberacemi vyššího řádu a zaznamenávání údajů o aberaci vyššího řádu ve směru Y při -14 stupně FOV během statického pozorování v optickém systému v brýlích očích bylo zastoupeno aretací vyššího řádu aretací. (Zi-za 0). Regresní analýza dat odhalila, že poloměr základního oblouku zakřivení R3 toroidálního povrchu byl spojen s vertikálním kómatem, nakloněnou trojlístkou, sférickou aberací, horizontálním sekundárním astigmatismem, vertikálním kómatu druhého řádu, sekundární sférickou aberací. Obrázek 7 ukazuje distribuci rozptylu a regresní linie šesti přírůstků aberace vysokého řádu a R3, kde nakloněný trojitý přírůstek a sférický přírůstek aberace mají lineární vztah s poloměrem zakřivení základního oblouku a přírůstek se snižuje se zvýšením poloměru zakřivení základního oblouku. Vertikální přírůstek kómatu, přírůstek horizontálního sekundárního astigmatismu, svislý přírůstek druhého řádu, sekundární sférická aberační přírůstek a celkový přírůstek aberace vysokého řádu jsou nelineárně korelovány s R3. Empirický vzorec lze vidět z rovnic (6) ~ (12). Neexistuje žádná významná korelace mezi horizontálním kómatu, horizontálním trojlístkem, nakloněným sekundárním astigmatismem, horizontálním kómatu druhého řádu a poloměrem zakřivení R3. Lze si představit, že schopnost modulovat specifické aberace přesně úpravou zakřivení mikrostruktury podtrhuje potenciál pro vytvoření účinnějších a přizpůsobených čoček pro správu krátkozrakosti.

Tabulka 6. Statické pozorování při směru Y -14 zorné pole zorného pole Aberation Standardní vlnová data.

Obrázek 7. rozptylové grafy a regresní linie částečných přírůstků aberace vysokého řádu jako funkce poloměru zakřivení základního oblouku.

Stanovila korelaci mezi poloměrem zakřivení R3 základního oblouku a aberací vlny exprimované Zernike Standard Polynomial (viz obrázek 7). Rozsah R3 je mezi 62,222222 mm a 151,351351 mm, empirický vzorec byl následující:

V rovnici představuje koeficient úsudku regresní rovnice a čím blíže je jeho hodnota 1, čím vyšší je stupeň přizpůsobení rovnice.

5. Závěry

Cílem tohoto článku je prozkoumat modulaci aberací vysokého řádu v navržených brýlích a jejich dopad na myopické rozostření. Navrhuje design, který spojuje oční model a brýle s rámečkem pro simulaci optického modelu pro myopické pacienty 300-. Studie zkoumá korelaci mezi základní mikrostrukturou modulační jednotky aberace aberace aberace vysokého řádu a aberacemi vysokých řádu při statickém pozorování. Tento výzkum přispívá k vývoji modulačních brýlí s vysokým řádem a poskytuje cenné poznatky o prevenci a kontrole krátkozrakosti.

Reference

[3] Suliman A, Rubin A. Corrigendum: přehled aberací lidského oka vyššího řádu. Africké vidění a zdraví očí. 2019, 78 (1).

[4] Rebika D, Divya S, Murugesan V, et al. Biomechanické vlastnosti rohovky a očních aberací v krátkozrakých očích. Indian Journal of Ophthalmology. 2023 15. prosince.

[5] Hassan H, Shima M, Alireza J, et al. Asociace mezi očními biometrickými složkami a aberacemi rohovky. Klinická experimentální optometrie. 2023. října, 1-7.

[6] KJL, JSV, Sin-Wan C, et al. Vliv kompresního faktoru ortokeratologie na aberace vyššího řádu. Klinická experimentální optometrie. 2020,103 (1), 123-128.

[7] Hiraoka Takahiro, Kotsuka Junko, Kakita Tetsuhiko, Okamoto Fumiki, Oshika Tetsuro. Vztah mezi aberacemi vlny vyššího řádu a přirozeným vývojem krátkozrakosti ve školácích. Vědecké zprávy. 2017, 7 (1).

[8] Liou HL, Brennan N A. Anatomicky přesná. Konečný model Oko pro optické modelování. OPT SOC AM OPT Image Scis. 1997 srpen, 14 (8), 1684-95.

[9] Offtalmické metody pro hlášení optických aberací očí. ANSI. Z80. 28-2017, 2017-08-21.