Hongliang Yaoa, Chunmei Zeng*A, B, Haomo Yuc
Aschool of Optoelectronic Science and Engineering, Soochow University, No.1 Shizi Street, Suzhou 215006, Kina; BKEY LAB OF ADMANT OPTISKE FREMSTILLINGS TEKNOLOGIER I Jiangsu -provinsen &
Nøgle laboratorium for moderne optiske teknologier i Kinas uddannelsesministerium, Soochow University, Suzhou 215006, Kina; Csuzhou Mason Optical Co., Ltd., Suzhou 215007, Kina
* Tilsvarende forfatter: Chunmei _ zeng@suda.edu.cn
ABSTRAKT
Specielt designet rammebriller har vist stadig mere markant ydeevne i forebyggelse og kontrol af myopi i kliniske forsøg. Offentlige undersøgelser af moduleringen af afvigelser med høj orden er imidlertid forbundet med brillerammer, der er knappe. Denne artikel designer brillerlinser med høj ordens afvigelser og myopisk defokusering ved at forbinde øjenmodellen og rammebriller og simulerer den optiske model af briller-øjet til 300 graders myopiske patienter. 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 grad ~ 28,5 grader (ved 1 graders trin). Denne artikel diskuterede sammenhængen mellem basisbuekurvaturradius for den høje ordens afvigelsesmodulationsenhedens toriske mikrostruktur og højordensafvigelser i den designede briller under statisk observation i y-retningen. Tilsvarende empiriske formler er etableret. Denne forskning vil være befordrende for udviklingen af aberrationsmoduleringsbriller med høj orden.Nøgleord:Aberrationsmodulation med høj orden, forebyggelse og kontrol af myopi, øjenmodel, brillerdesign
1. Introduktion
En systematisk opfølgningsundersøgelse [1] viser, at forekomsten af myopi i Østasien i de sidste 15 år er steget hurtigt, en tendens, der nu spreder sig globalt. Progressionshastigheden for nærsynethed varierer mellem forskellige aldersgrupper, som vist i figur 1: progressionshastigheden for nærsynethed hos børn i alderen 6 til 9 er -0. 50 til -1. 00 dioptere (d) pr. År, mens de over 10 år gamle udviser en hastighed af {-0. 35 til {-0}} Den gennemsnitlige årlige progression af nærsynethed hos de fleste myopiske patienter vil bremse over tid, hvor de fleste individer stabiliserer sig inden 20 år. International Myopia Institute (IMI) rapporterede i 2019, at ca. 87% af børn, der lider af høj myopi i en alder af 11, udvikler myopi i en alder af 7 eller yngre, eller udviste en Myopia -progression i fire år eller mere [2]. Derfor er tidlig forebyggelse af nærsynethed hos børn i skolealderen og unge afgørende for at reducere synshandicap i fremtiden.
Figur 1. Brydningsskifte blandt myopiske børn efter alder [2].
Fjerde internationale konference om optik og billedbehandling (ICOIP 2024), redigeret af Xiaotao Hao, Chuan Qin, Proc. af Spie Vol. 13254, 132541c © 2024 SPIE · 0277-786 x · doi: 10.1117/12.3039156
Proc. af Spie Vol. 13254 132541 C -1
Tidligere forskning på afvigelser med høj orden (HOA'er) af det menneskelige øje har hovedsageligt fokuseret på, hvordan man korrigerer dem (såsom Suliman et al .'s design af bløde kontaktlinser i 2019 [3]), forholdet mellem HOA'er og øjenrelaterede faktorer [4,5], hornhinding omformningskirurgi ved hjælp af høj orden af aberrationer og påvirkningen af HOAS på behandlingen af øje-sygdomme [6]. Bevis antydede, at HOA'er er signifikant knyttet til myopia -progression og aksial forlængelse hos myopiske børn korrigeret med monofokale briller [7]. I betragtning af fordelene ved høj popularitet, lave omkostninger, ikke-invasiv karakter og let udskiftning af rammebriller, udgør det at udforske deres potentiale til at bremse myopia-progression hos børn og unge en unik fordel. Og multi-punkt Myopia Defocus designet briller: Med et centralt område, der kan korrigere klar syn, er mikrolenser arrangeret omkring linsen for at producere periretinal myopi-defokus og derved forsinke progressionen af nærsynethed, er denne teknologi med succes blevet kommercialiseret. Langt forsøger denne undersøgelse at designe brillerlinser, der kan modulere afvigelser med høj orden baseret på myopisk defokusering.
2. metodologi
2.1 Øjenmodel
Grundlaget for undersøgelsen involverede simulering af det grundlæggende øje ved hjælp af optisk designsoftware Zemax. Det grundlæggende øje blev modificeret baseret på Liou Eye -modellen [8] med strukturelle parametre detaljeret i tabel 1. Øjenmodellen var designet med en aksial længde på 23,97 mm og en elevdiameter på 4 mm. For at strømline analysen antog vi ingen tilbøjelighed eller excentricitet hos eleven.
Tabel 1. Øjenmodel Strukturelle parametre.
Den forreste overflade af linse foran og virtuel overflade er baseret på standardoverfladen, og mediets brydningsindeks n er frit defineret, som vist i formel (1).
I tabel 1 svarer grad A på objektivets forreste overflade til n 0=1. 368, nr 2=-1. 978*10-3, nr 4=0, nr {6=0, nz {1=4. 9057*{{10},,, nz 2=-1. 5427*10-2, nz 3=0; Grad B på den virtuelle overflade svarer til n 0=1. 407, nr 2=-1. 978*10-3, nr 4=0, nr {{21} {25}, {1=0, nz {2=-6. 605*{{25},,, {{{{1=0, nz {2=-6. 605*{{{25},,,,,,,,,, nz 3=0.
2.2 Bølgefrontafbrydelse af menneskelige øjne
I optometri bruges de første 6 ordrer fra Zernike -polynomer hovedsageligt til at repræsentere bølgefrontafvigelser i det menneskelige øje. De bølgefrontafvigelser, der er specificeret af Optical Society of America (OSA) [9], svarer til Zernike -standardkoefficienterne i Zemax -software, som beskrevet i tabel 2. Denne tilgang muliggør en præcis og standardiseret repræsentation af okulære afvigelser, hvilket letter en mere nøjagtig simulering og analyse.
Tabel 2. Betydning af Zernike -standardkoefficientafvigelse i Zemax.
3. modeller og data
(Vision Correction Area) kan korrigere de sfæriske og cylindriske brydningsfejl, der er typiske hos myopi -patienter. Det er designet i henhold til patientens recept på briller; 2, Myopia Defocus Unit (distribueret med flere konvekse sfæriske mikrolenser arrangeret i en cirkulær array), der producerer en vis grad af myopi -defocus; 3, er afvigelsesmoduleringsenheden med høj orden sammensat af flere ringstrukturer, der er involveret i reguleringen af HOA for det menneskelige øje. Det skematiske diagram over den ydre overflade af brillerobjektivet er vist i figur 2 (a), med antallet af sving og rækkefølgen af båndet, der øges fra midten af linsen til kanten; Arrangementets forhold mellem de tre optiske enheder er vist i figur 2 (b), hvor R repræsenterer den radiale afstand, som er placeret i XOY -planet; De myopiske defokuserende enheder er ensartet fordelt på omkredsen, og fordelingsområdet i den samme radiale afstand er repræsenteret af enheden buelængde. Indstillingen af enhedens lysbue kan kontrollere antallet af enheder på hver ring af enhedens mikrolener. Enhedens buelængde, ringafstand D, diameteren D2 for de defokuserede enhedsmikrolener og den radiale bredde D3 for ringbåndet bestemmer sammen densiteten af mikrostrukturen på brillerobjektivet.
Figur 2. (A: Venstre) Skematisk diagram over brillerlinser; (B: Højre) Skematisk diagram over tre enhedslayouts i Xoy -planet.
Trin 1: Hvis man antager, at recept på en myopisk patient er sfærisk diopter (3 d) og cylindrisk diopter (0 d), manifesteres patientens myopi -vækst kun som aksial nærsynethed. Baseret på dette blev en myopisk øjenmodel designet, som ideelt set kan anvendes ændringer i længden af glasagtigt hulrum for at afspejle ændringer i graden af nærsynethed i øjenmodellen. I henhold til receptet blev et enkelt fokus venstre halvmåne negativ linse designet som den primære spejlenhed med sfæriske indre og ydre overflader. Mors spejldiameter er 60 mm med en medium tykkelse på 1,3 mm valgt; Moderspejlmaterialet er polycarbonat (PC) med et brydningsindeks på 1,56, ABBE -antal på 37 og en specifik tyngdekraft på 1,23 g/cm3. De omfattende strukturelle parametre er sammenfattet i tabel 3.
Tabel 3. Strukturelle parametre for moderspejlenheden.
I Zemax blev åbningstypen indstillet til en flydende åbningsstørrelse med en elevdiameter på 4 mm, og tåtypen blev indstillet til ensartet; Sæt tre synsfelter (FOV) og justerede deres vægte i overensstemmelse hermed: 0 grad FOV i y-retningen fik en vægt på 1, 1 0 grad fov en vægt på 0. 2, og den 14 graders fov en vægt på 0. 15. Under lys syn vedtog bølgelængden en enkelt bølgelængde på 0,555 um. De andre data var baseret på de grundlæggende øjenmodeldata i tabel 1.. Den glasagtige tykkelse af øjenmodellen blev behandlet som en variabel, og moderlinsen blev anbragt 12 mm foran hornhindevertekset for at optimere den optiske model for briller-øjet. Denne konfiguration resulterede i en glasagtig kropslængde på ca. 17,306 mm og en total aksial længde af øjet på 25,036 mm.
Trin 2: Valg af en FOV af Y-retning 14 grad som den vigtigste stråleetning for efterfølgende optisk enhedsdesign med det samme materiale som moderspejlenheden. Oprindeligt var det nødvendigt at bestemme y-retningskoordinaten, når hovedlyset uden for synsfeltet akse krydser den ydre overflade af det primære spejl for at bestemme den radiale afstand, når den normale af den første mikrostruktur-toppunkt i Y-retningen af den første cirkel af mikrolenser i den myopiske defocus-enhed krydsede med den ydre overflade af moderens spirror; Derefter bestemte åbningen af synsfeltet på den ydre overflade af moderspejlet, som afbildet i det lokalt forstørrede billede i figur 3. anvendelse af reay og reaz -operander i zemax, kombineret med normaliseret FOV og normaliserede pupilindstillinger, den radiale afstand r var 3,8 0 2 mm, ∆Y var 4,318 mm, ∆Z var 0,058 Cirka. I henhold til Pythagorean-teoremet passerede strålens åbning gennem y-retningen uden for aksen ved -14 grad FOV på den ydre overflade af moderspejlet var ca. 4.3186 mm.
Figur 3. Delvis skematisk diagram over udsigtsfeltfeltet Mor spejl til lysoverførsel.
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 og vektorhøjden fra toppunktet af mikrolinsen til den ydre overflade af moderspejlet betegnes som G2. Mikrolens midterste position kan bestemmes af længden F2 og rotationsvinkel 𝜃, som kan beregnes ved hjælp af følgende formel:
Figur 4. Delvis skematisk diagram over udsigtsfeltet Mor spejl til lysoverførsel.
Indstil overfladen for defocus -enhedens mikrolener som sfærisk (opisk effekt på 6 d og en diameter på 2 mm), og den radiale afstand af den første kredsløbskreds er 3,802 mm; Den indledende overfladeform af den ydre overflade af den høje række af aberrationsmoduleringsenhedens ringbåndmikrostruktur blev indstillet som torisk med en basebue -effekt på 4 d og en radial proc. af Spie Vol. 13254 132541 c -5 bredde på 1,5 mm (d3). Beregningsprincippet for midtpositionen for basisbuen i Yoz -planet er det samme som formel (2) til (4). Midtpositionen for basisbuen kan bestemmes af længden F3 og rotationsvinkel 𝜃. med krumningsradius (R3) og vektorhøjden (G3) fra basebuenes toppunkt på den ydre overflade til den ydre overflade af moderspejlet. G 2=3. 572 μm, g 3=1. 004 μm, intervallet mellem tilstødende ringstrimler blev indstillet som 3,8 mm, brændende linser er indstillet med 6 ringe og en enheds lysbue -længde på 4 mm. Referencedataene for mikrostrukturposition var detaljeret i tabel 4.
Trin 3: Brug af 3D CAD -software Solidworks, afsluttet modelleringen af de indledende brillerlinser. De vigtigste og venstre synspunkter blev afbildet i figur 5, og diameteren af det centrale synskorrektionsområde for den indledende strukturelle moderlinse er ca. 5,604 mm.
Tabel 4. Positionsdata for yoz tværsnitslinse mikrostruktur.
Figur 5. Indledende struktur af brillerlinser - front og venstre udsigt.
4. Resultater og analyse
Undersøgelsen af den optiske ydelse af brillerobjektivet, der oprindeligt kun indeholdt moderlinsen, afslørede, at defokusværdien i Y-aksenetningen ved en -14 grad FOV inden for det statiske synsfelt for glas-øje-modellen var 0. 047987 λ, hvilket indikerede, at den faktiske bølgefront var placeret bagpå. I betragtning af at kraften i den ydre overflade af moderspejlet er 2 d, valgte vi at udforske en række optiske kræfter til den ydre overflade af den myopiske defokusenhed mellem 4 og 10 d, hvilket steg i 1 d trin uden at inkorporere en højordens afvigelse moduleringsenhed. Den observerede Defocus-situation blev opsummeret i tabel 5. Dataene vedrørende Z4 Defocus udviste et lineært forhold, hvilket gjorde det muligt for os at anvende formel (5) til estimering af bølgefront-defokus under forskellige kræfter i det myopiske defocus-enheds ydre overflade i den statiske observation Y-retning -14 grad. Her fungerede den optiske effektværdi X for den myopiske defocus -enheds ydre overflade som den uafhængige variabel, mens den tilsvarende Z4 -defokusværdi fungerede som den afhængige variabel.
Tabel 5. Statisk synsfelt Axis -14 grad af synsfelt Defocus -data med ændringer i optisk kraft.
Indstil den ydre overfladekraft for defocus-enheden mikrolener til 6 d, uden at indstille en højordens afvigelsesmodulationsenhed. Defokusvariationen af det statiske lodrette synsfelt fra -28. 5 grad til 28,5 grad med en trinstørrelse på 1 grad, som afbildet i figur 6. Den lodrette akse af koordinaterne er defocus -mængden i form af bølgefrontafvigelse. I denne artikel viser den positive værdi af Z4, at defokusbeløbet er placeret foran nethinden, mens den negative værdi af Z4 indikerer, at defokusbeløbet er placeret bag nethinden. På grund af symmetrien af linsearrangementet er defokusfordelingen i det lodrette synsfelt omtrent symmetrisk, mens defocus -situationen i det vandrette synsfelt er ens.
Figur 6. Statisk lodrette synsfelt Defocus Change Map.
Den oprindelige struktur af moderspejlet og myopi-defocus-enheden forblev uændret, samtidig med at den toroidale overflademikrostruktur af toroidaloverflademikrostrukturen af toroidaloverflademikrostrukturen af toroidmikrostrukturen af toroidens overflademikrostruktur blev ændret. Dette havde til formål at analysere forholdet mellem basisbuekurvaturradius R3 og aberrationsbeløbet med højere orden, når man observerer y-retningen -14 gradfeltet på det statiske.
Undersøgelsen valgte i alt 9 datapunkter, herunder basiskurvekræfterne på 3,7 d, 4 d, 4,5 d, 5 d, 5,5 d, 6 d, 7 d, 8 d og 9 d, for at sikre et jævnt fald i den beregnede krumningsradius. Når basekurvekraften var 10 d, er det højeste punkt på den ydre overflade af de defokuserede enhedsmikrolener lavere end for den højordens afvigelsesmoduleringsenhedsmikrostruktur, som ikke var i tråd med modelleringen.
Registrerede zernike-standardbegrebets koefficientværdier for linsen med kun moderspejlet og defocus-enhedsmikrolener i y-retningen ved en -14 grad FOV. RMS for bølgefrontafvigelsesværdier for massecentret i Zemax eliminerer virkningerne af forskydning og vip. Ved at fjerne dem kan RMS (rodmidlet firkant) af Hoas of Eye på dette felt bestemmes til at være 0. 932937 λ (0. 555 μm), vedligeholdt til seks decimale steder. Registrerede adskillige højordrende afvigelseskomponenter, der kan være involveret i forsinkelse af nærsynethed med en startværdi, der er betegnet som zi 0, hvor jeg repræsenterer rangeringsordren for Zernike-standardperioden koefficienter i Zemax. The vertical coma Z70 was -0.141717 λ, Horizontal coma Z80 was 0.000001 λ, Tilted trefoil Z90 was -0.003296 λ, Horizontal trefoil Z100 var 0 λ, sfærisk afvigelse Z110 var -0. 454283 λ, den vandrette sekundære astigmatisme z120 var -0. 005588 λ, vippet sekundær astigmatisme z130 var 0 λ, anden ordens horisontal koma z160 var {{{}}. Andenordens lodret koma Z170 var -0. 008084 λ, sekundær sfærisk afvigelse Z220 var 0,362791 λ.
Modellering af brillerlinser med forskellige buebue-krumningsradier til aberrationsmoduleringsenheder med højere orden, og registrering af højere ordens afvigelsesdata i y-retningen ved -14 grad FOV under statisk observation i briller-eye-optisk system, som vist i tabel 6. Mængden af mikrostruktur involveret i modulering af højere overordnet aberation var repræsenteret af ∆Zi, som vist i ∆Zi, som vist i tabel 6. (Zi-Zi 0). Regressionsanalyse af dataene afslørede, at basisbuekurvaturradius R3 af den toroidale overflade var relateret til lodret koma, vippet trefoil, sfærisk aberration, vandret sekundær astigmatisme, anden ordens lodret koma, sekundær sfærisk afvigelse og total aberration med høj orden. Figur 7 viser spredningsfordelings- og regressionslinjer i seks aberrationsforøgelser med høj ordens og R3, hvor den vippede trefoilforøgelse og sfæriske afvigelsesforøgelse har et lineært forhold til basisbuekurvaturradius, og forøgelsen falder med stigningen i basisbuekurvaturradius. Det lodrette komaforøgelse, vandret sekundær astigmatisme-stigning, andenordens lodret koma-stigning, sekundær sfærisk afvigelsesforøgelse og total høj ordens afvigelsesforøgelse er ikke-lineært korreleret med R3. Den empiriske formel kan ses fra ligninger (6) ~ (12). Der er ingen signifikant sammenhæng mellem vandret koma, vandret trefoil, vippet sekundær astigmatisme, anden ordens vandret koma og krumningsradius R3. Det kan forestilles, at evnen til at modulere specifikke afvigelser ved nøjagtigt at justere krumningen af mikrostrukturen understreger potentialet for at skabe mere effektive og tilpassede brillerlinser til myopihåndtering.
Tabel 6. Statisk observation ved y-retning -14 grad af synsfelt med høj ordens afvigelse standard bølgefrontdata.
Figur 7. Spredningsdiagrammer og regressionslinjer af delvis høj ordens afvigelsesforøgelser som en funktion af krumningens radius af den grundlæggende bue.
Etablerede sammenhængen mellem krumningsradius R3 af basisbuen og bølgefrontafvigelsen udtrykt ved Zernike -standarden polynom (se figur 7). Området R3 er mellem 62.222222 mm og 151.351351 mm, den empiriske formel var som følger:
I ligningen repræsenterer domskoefficienten for regressionsligningen, og jo tættere dens værdi er til 1, jo højere er graden af montering af ligningen.
5. Konklusioner
Dette papir sigter mod at undersøge moduleringen af afvigelser med høj orden i designede briller og deres indflydelse på myopisk defokusering. Det foreslår et design, der forbinder øjenmodellen og rammebriller for at simulere den optiske model til 300- grad myopiske patienter. Undersøgelsen undersøger sammenhængen mellem basisbuekurvaturradius for den højordre-afvigelsesmoduleringsenhedens toriske mikrostruktur og afvigelser med høj orden under statisk observation. Denne forskning bidrager til udviklingen af aberrationsmoduleringsbriller med høj orden, hvilket giver værdifuld indsigt i myopi-forebyggelse og -kontrol.
Referencer
[1] RAR, VVK, KAW, et al. Globale variationer og tidstendenser i forekomsten af barndomsmyopi, en systematisk gennemgang og kvantitativ metaanalyse: Implikationer for aetiologi og tidlig forebyggelse. British Journal of Ophthalmology. 2016, 100 (7): 882-890.
[2] Wolffsohn JS, Flitcroft DI, Gifford KL, et al. IMI - Myopia Control rapporterer oversigt og introduktion. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2019 28. februar; 60 (3): M 1- M19.
[3] Suliman A, Rubin A. Korrigendum: En gennemgang af afvigelser med højere orden af det menneskelige øje. Afrikansk vision og øjenesundhed. 2019, 78 (1).
[4] Rebika D, Divya S, Murugesan V, et al. Biomekaniske egenskaber ved hornhinde og okulære afvigelser i myopiske øjne. Indian Journal of Ophthalmology. 2023 15. december.
[5] Hassan H, Shima M, Alireza J, et al. Forbindelsen mellem okulære biometriske komponenter og hornhindeafvigelser. Klinisk eksperimentel optometri. 2023 16. oktober, 1-7.
[6] KJL, JSV, Sin-Wan C, et al. Indflydelsen af orthokeratologikomprimeringsfaktor på okulære afvigelser med højere orden. Klinisk eksperimentel optometri. 2020.103 (1), 123-128.
[7] Hiraoka Takahiro, Kotsuka Junko, Kakita Tetsuhiko, Okamoto Fumiki, Oshika Tetsuro. Forholdet mellem bølgefrontafvigelser med højere orden og naturlig progression af nærsynethed hos skolebørn. Videnskabelige rapporter. 2017, 7 (1).
[8] Liou HL, Brennan N A. Anatomisk nøjagtig. Endelig model øje til optisk modellering. Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis. 1997 aug, 14 (8), 1684-95.
[9] Ophthalmics-metoder til rapportering af optiske afvigelser af øjne. Ansi. Z80. 28-2017, 2017-08-21.